(57)【要約】本発明はマイクロチャネル内に電気浸透性の液体移動を誘起するマイクロ流体システムのアクチュエータについて説明する。
2005538853.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体システム（１０）で使用するためのアクチュエータ（１４）で、前記マイクロ流体システム（１０）が、流体を輸送するために配置された少なくとも１つのマイクロチャネル（２０）から成る、任意の、基板（１２）中の流体ネットワーク；および、電気浸透流を前記マイクロチャネル（２０）のセグメント（２０ａ）に誘起するように、電界（Ｅ）を前記セグメント（２０ａ）にわたって印加する電気的接続手段（１６）を含むアクチュエータであって、
前記セグメント（２０ａ）が導電手段（１８）を含み、前記導電手段（１８）の表面部分が電界（Ｅ）に対して湾曲、または傾斜していることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
前記導電手段（１８）が、長円体、球、シリンダー、楕円形のシリンダーまたは円錐の形状を有することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項３】
前記導電手段（１８）が、流体の流れ方向に対して法線方向の縦軸を有する小型シリンダーから成ることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項４】
前記導電手段（１８）が、印加された電界に対して傾斜して平面を持つ粒子形状を有することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項５】
前記導電手段（１８）を構成する粒子が０、１−５ｍｍのサイズ、好ましくは１０  ｍから５００  ｍであり、外部から印加された電界に対して平行に測定されることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
beskrive ved d#char?
【請求項６】
傾斜した平面とマイクロチャネル壁部（２０b）間の角度が０−８０度であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項７】
前記傾斜した平面と前記マイクロチャネル壁部（２０b）間の角度が３０−６０度であることを特徴とする請求項６記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項８】
異なる導電手段（１８）間の空間と、前記導電手段（１８）と前記チャネル壁部（２０b）間の空間が０から２acharの間、好ましくは１／８から１／２acharであることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項９】
前記導電手段（１８）は、流れ方向に関連して軸方向と縦方向の両方にいくつかの層の導電性粒子を含むことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項１０】
前記導電手段（１８）が、イオンのまたは電子のまたは穴開きの導電性物質で構成されることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項１１】
前記導電手段（１８）が、前記流体導電率の少なくとも５倍、好ましくは前記流体導電率の少なくとも１０倍の導電率を有することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項１２】
前記電気的接続手段（１６）が、前記マイクロチャネルセグメント（２０ａ）に対して上流または下流に配置される一対の電極を含むことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項１３】
前記電気的接続手段（１６）が、輸送される流体の方向に対して平行な電界（Ｅ）を提供するように合わせることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項１４】
前記電気的接続手段（１６）が、交流電界を印加することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項１５】
電気的接続手段（１６）が、正弦、正方形、三角形または鋸歯状の形状、または前記形状の組み合わせを有する交流電界を印加することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項１６】
前記電気的接続手段（１６）が、交流電界を印加し、その電界で、前記信号が信号周期内に強いパルスと弱いパルスをもたらすオフセットと、また強いパルスが信号周期の２９％を持続するように、好ましくは２９％のデューティサイクルを有し、さらに、その電界で、前記オフセットおよびデューティサイクルをゼロ平均の直流電気信号成分を生じるように調整することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項１７】
前記電気的接続手段（１６）が、交流電界を印加し、その電界で、前記信号が過負荷の直流成分を有することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項１８】
前記電気的接続手段（１６）が、交流電界を印加し、そこで、前記電気信号が定電位法で印加されることを特徴とする請求項１によるアクチュエータ（１４）。
【請求項１９】
前記電気的接続手段（１６）が、ｌｏｇ10が−２と２の間の線形区間にある、Ｖ／ｍｍで表わされる振幅と同等かまたはそれよりも大きな最大振幅を有する交流電界を印加するときに、対応するachar［μｍ］はｌｏｇ10が０と３．７の間の線形区間にあることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項２０】
前記電気的接続手段（１６）は、ｌｏｇ10が−６と０の間の線形区間にある、秒で表わされる周期と同等かまたはそれよりも長い信号周期を有する交流電界を印加するときに、対応するachar［μｍ］はｌｏｇ10が０と３の間の線形区間にあることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項２１】
前記電気的接続手段（１６）が直流電界を印加することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項２２】
前記導電手段の表面が滑らかである、すなわち、表面の凹凸がdcharの５％未満、好ましくはdcharの１％未満であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項２３】
各電気的接続手段（１６）と導電手段（１８）間の間隔が０．１から５ｍｍの間にあることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項２４】
前記電気的接続手段（１６）は４つの電極を含み、このうち２つの電極（１６b）はＳＣＲを誘起するために、２つの電極（１６）は流体内のイオンを移動させるためのもの（１６ａ）であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項２５】
第１の電極対（１６ａ）を、マイクロチャネル（２０）またはマイクロ流体システムのどこであれ、マイクロチャネル（２０）の前記セグメント（２０ａ）の上流または下流に配置し、第２の電極対（１６b）を前記セグメント（２０b）の両側に配置することを特徴とする請求項２４記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項２６】
前記電気的接続手段（１６）および（１６b）が、２つの電界の位相がずれている請求項１４−２０に記載の電界をそれぞれ印加することを特徴とする請求項２４または２５記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項２７】
前記導電手段（１８）が前記マイクロチャネル壁部（２０b）の一部であり、該電界が該導電手段（１８）に対応して傾斜するように、局部的な電界の偏向を生じることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項２８】
マイクロ流体システム（１０）のマイクロポンプとしての、請求項１−２７のいずれかに記載のアクチュエータ（１４）の使用。
【請求項２９】
マイクロ流体システム（１０）のミキサーとしての請求項１−２７のいずれかに記載のアクチュエータ（１４）の使用。
【請求項３０】
マイクロ流体システム（１０）を薬剤送達用に使用することを特徴とする請求項２８または２９のいずれかに記載のアクチュエータ（１４）の使用。
【請求項３１】
マイクロ流体システム（１０）を「チップ上のラボラトリ」（"lab-on-a-chip"）アセンブリーで使用することを特徴とする請求項２８または２９のいずれかに記載のアクチュエータ（１４）の使用。
【請求項３２】
マイクロ流体システム（１０）は電子機器冷却に使用することを特徴とする請求項２８または２９のいずれかに記載のアクチュエータ（１４）の使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロチャネル（ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ）内に電気浸透性の流体移動（ｅｌｅｃｔｒｏｏｓｍｏｔｉｃ  ｌｉｑｕｉｄ  ｍｏｖｅｍｅｎｔ）を誘起するマイクロ流体システム（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  ｓｙｓｔｅｍ）のアクチュエータ（ａｃｔｕａｔｏｒ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、マイクロ流体システム（これは一種のマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）、またはマイクロシステムテクノロジー（ＭＳＴ）である）用の電気浸透性マイクロポンプおよび他のマイクロポンプは、多くの研究段階から開発段階に入っている。
【０００３】
マイクロ流体工学は、多数の技術分野において広範囲な結果を得ることが期待される新興の技術である。マイクロ流体装置は、典型的にはマイクロチャンネルによって互いに、且つ環境と連結した多数のマイクロセンサまたはマイクロアナライザから成る。分析または供給する液体、並びに、試薬は、マイクロ加工されたポンプを用いて送り込むことが望ましい。他の構成要素は以前からすでに市販されているが、マイクロアクチュエータ／マイクロポンプの開発はいまだ初期段階にあり、いくつかの問題が未解決である。そのため、現在のアクチュエータの改良が進んだときには、この技術が真に飛躍的進歩を遂げて商業化されることが期待されている。本発明の目的は通過する流体の流れが改良されたマイクロポンプまたはミキサーとして適するマイクロ流体システム用アクチュエータを提供することである。
【０００４】
公知のマイクロポンプの１つの種類は往復ポンプであり、機械的作動を伴う。通常、膜は圧電性力、静電気力、または他の力によって作動する。これらに共通するのは可動部品が関係することであり、そのために組立てが複雑になり、これらの耐用年数を減少させる恐れがある。
【０００５】
電界誘導流ポンプは、電気流体力学（ＥＨＤ）、電磁熱流体力学（ＭＨＤ）、および電気浸透性（ＥＯ）のポンプを含む。1つの明らかな利点は可動部品がないことである。しかし、これらのポンプは高電圧を必要とし、ＥＯポンプは最も用途が広い。
【０００６】
さらに、ＥＨＤポンプは非導電性流体に限定されて、高イオン濃度の溶液を輸送しなければならない用途にまったく利用できない（例えば体液など）。また、高電圧が必要とされる。ＰＣＴ  ＷＯ  ０２／０７２９２  Ａ２は、２５ｋＶで作動するＥＨＤマイクロポンプ（ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ）について記載している。
【０００７】
一方、ＭＨＤポンプは導電性溶液に限定されて、希薄溶液での用途が妨げられる。
【０００８】
電気浸透性の（ＥＯ）マイクロポンプは、比較的組立が簡単で、幅広い範囲の濃度で優れた性能を得られるため、多数の用途に特に有望な技術と考えられている。しかしながら、いくつかの技術的課題がいまだに未解決である。主な問題は、ｉ）電極ガス発生（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｇａｓ  ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）、ｉｉ）電気化学反応（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｒｅａｃｔｉｏｎｓ）、ｉｉｉ）安定性（ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）、およびｉｖ）高電位の必要性（ｎｅｅｄ  ｆｏｒ  ｌａｒｇｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ）である。これらの課題については以下に詳述する：
電極ガス発生：比較的強い電界が印加される必要があるため、直流成分が必要となる。これが電極にガス発生をもたらす。
【０００９】
電気化学反応：これらの反応はガス発生の原因となっており、またシステムの他の部分でも起こる可能性がある。冷却用途では、脱イオン水は、液状媒体として利用されて（cold）、Ｈ2およびＯ2ガスのみを形成する。しかしながら、「ラボオンチップ（実験室チップ）」（"lab-on-a-chip"-）用途に関しては、流体は化学反応により変化する可能性があり、その場合解析やシステム作動に影響し、あるいはそれらを損なう恐れがある。また、例えばＮａＣｌ溶液の電気分解によって生じるＣｌ2などの腐食性ガスなどのシステムに有害な物質が生成される。さらに、反応生成物およびそれに付随する（concominant）ｐＨの変化もまた、ポンプの表面電位に影響を与えかねず、例えば逆流など、電気浸透特性の変化をもたらす可能性がある。
【００１０】
安定性：電気化学反応の影響に加えて、直流電界内のポア軸に沿ってポアの集中的分布の確立は、経時的にＥＯ輸送を妨げる可能性がある。また、ディフュージオフォレシス（ｄｉｆｆｕｓｉｏｐｈｏｒｅｓｉｓ）および浸透などの種々の現象がその流れを減少させるおそれがある。このように、ＤＣ（直流）電気浸透は、通常、既述の副作用のために経時的に低下し、最終的には流れがゼロになる。これら副作用は、脈動電界を用いることにより減少させることができるが、従来のＥＯは電界において線形であるため、ＤＣ成分は常に存在する必要があり、したがってこの副作用もまた、ある程度まで存在することになる。
【００１１】
通常、高電位（kV範囲）が要求され、高価でかさばる（携帯しにくい）電源装置を必要とする。これはまた、特に体の近くで使用される装置に漏れ電流があった場合に、危険をもたらす。
【００１２】
ＰＣＴ  ＷＯ  ０２／０７０１１８  Ａ２は、マイクロ加工ポンプを開示しており、非多孔性イオン伝導性膜でチャネルを電極から離すことにより電極ガス発生の問題に対処している。気泡を電極室から環境に逃がす。このため開放構造を必要とし、有害な反応生成物を生成する恐れがあり、構造が比較的複雑であるなどの欠点を含む。
【００１３】
ＵＳ  ２００３／００８５０２４  Ａ１は、触媒式ガス再結合（白金触媒）のための別室を備えたＥＯマイクロポンプを有する冷却装置について記載している。この装置では、作動流体は純水または緩衝水に限定される。ガス再結合が完全になることが保証されないため、ガスはまた膜を通じてこのシステムから逃がす。優れたポンプ性能は得られたが、完全なガス再結合は得ることができなかった。このシステムの明らかな欠点は、触媒にかかるコストと再結合装置のサイズである。また、この結合装置は、例えばＮａＣｌ溶液から生成されるＣｌ2などではなく、純水の解離生成物を処理するためだけに設計された。２ｋＶの電位差が印加された。
【００１４】
米国特許番号ＵＳ  ６，５６８、９１０では、ＥＯポンプについて記載されており、液体が電極を含む第１チャネルから電界の存在しない第２チャネルの中を通過してポンプで送り込まれる。さらにこの溶液は、主な関心事であるマイクロチャネル内に起こる電極ガス発生の防止を目的としている。
【００１５】
［J． G． Santiago,「有限の慣性力および圧力を有するマイクロチャネル内の電気浸透流 」（”electroosmotic flows in microchannels with finite inertial and pressure forces”）  Anal. Chem.  73： 2356-2365,  2001］では、ポアサイズを小さくする（そして、そのために圧力を増加させる）ために、３．５μｍシリカ粒子の多孔性フリットを含む毛細管を使用するポンプについて記載している。３．６μｌ／ｍｉｎの流れは２ｋＶの電位差を用いて達成された。脱イオン水が作動流体として使用されたが、やはり電極でガス発生が観測された。多孔性フリットの長さが５．４ｃｍで、チャネル直径（diametere）が０．５ｍｍおよび０．７ｍｍのポンプが使用された。
【００１６】
寸法が１ｍｍ（長さ）、０．９ｍｍ（高さ）、３８ｍｍ（幅）のオープンガラスチャネルを使用して、２ヵ月で１５μｌ／ｍｉｎから０．２μｌ／ｍｉｎまで減少する電気浸透速度が得られた［Chen, C. H., Zeng, S., Mikkelsen J. C. and Santiago, J. G.  「平面動電学的マイクロポンプの開発」（"Development of a Planar Electrokinetic Micropump”）,  Department of Mechanical Engineering,  Stanford University］。この電位差は１kVであった。また、脱イオン水が作動流体として利用されたが、電極反応（ガス発生）は存在した。
【００１７】
チャネルサイズが小さいためにレイノルズ数は低く、流れは通常、層を成す。結果として、混合は、主に、拡散によって起こり、多くの場合においてマイクロメートル寸法で効率的である。しかしながら、巨大分子（例えばＤＮＡなど）、細菌および細胞に関しては、対流が急速混合を実現する唯一の方法である。マイクロチャネルにカオス的な流れを導入するために種々の方法が試されてきたが、これは今もなお課題と考えられている。
【００１８】
論文［Shishi, Q. and Haim H. Bau,  「カオス的電気浸透性攪拌器」（"A Chaotic Electroosmotic Stirrer”）,  Anal. Chem.,  74（15）：3616-3625, 2002］は、壁部の表面電位をチャネル長さ座標に沿って時間的に変化させることによって混合が可能となる溶液について記載しており、この混合はいくつかの電極と１つの制御装置を用いて短い隣接したチャネル部に電界効果制御を導入することで行われる。このシステムには、比較的複雑な構造を持つという欠点がある。
【００１９】
また、動電学的に不安定なマイクロミキサーが、正弦曲線的に１００Ｖ／ｍｍを上回る電界を利用して製造された［Oddy, M. H., Santiago, J. G. and Mikkelsen,  J. C. Anal. Chem.  73,5822-5832（2001）］。
【００２０】
インスリン運搬用のＥＯ駆動マイクロポンプについては、［E. L. P. Uhlig, W. F. Graydon, and W. Zingg.  「移植可能なインスリンマイクロポンプの電気浸透性作動」（ “The Electro-Osmotic Actuation of implantable Insulin Micropumps” ）,  Journal of Biomedical Materials Research,  17：931-943, 1983］に記載されている。電気化学セル（Ａｇ｜ＡｇＣｌ｜ＮＡＣｌ｜陽イオン交換膜｜ＮａＣｌ｜ＡｇＣｌ｜Ａｇ）が作動用に用いられて、電流が１０分毎に反転する。終了まで反応が一方向に進まないようにするために、そして終了後も電流がほとんど、あるいは全く流れないようにするために、この反転が必要とされた。この電流反転にもかかわらず、第２次側チャネルで単一方向の流れを得るために電磁制御バルブが使用された。このチャネルはインスリンを含む金属ベローズと接触して、インスリンを体内に送り込んだ。このシステムは、複雑で可動部品を伴うという欠点がある。
【００２１】
たとえＥＯマイクロポンプがいくつかの利点を有するとしても、当該技術の現状では重要な問題が十分に解決されていないことは明らかである。一般的に、電極ガス発生問題は、ｉ）用途の分野を大いに限定する特殊な流体（脱イオン水と可能であれば緩衝液）を使用すること、またはｉｉ）ＥＯポンピングの領域から気泡を逃がすことのできる装置まで電極を離すことによって対処している。電位差が電極間隔に比例するために、後者はさらに大きな電位を必要とする。また、特にこの構造が各電極対を備えたいくつかのポンプを伴う場合は、設計がより複雑になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
本発明の目的は技術的課題が解決された新しいアクチュエータを開発することである。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
具体的には、ＤＣ信号を用いずに駆動可能なアクチュエータで、かなり低い電位を使用し、システムの化学的性質による影響をほとんど受けないアクチュエータを提供することが本発明の目的である。多くの場合において、ポンプの近くに電極を配置することが可能であり、これは最小電圧のさらに著しい低下をもたらし、マルチポンプシステムの製造に有利である。さらに、本発明の目的は先行技術の溶液で得られるものよりも、かなり高い流速の溶液を提供することである。さらに、本発明の目的はマイクロチャネル内で液体を混合するために使用可能なアクチュエータを提供することであり、これはまたマイクロ流体工学の課題の１つである。ほとんどの設計に関しては、本発明によるアクチュエータは両方向に同一のポンピング特性を示し、可逆的に作動可能である。
【００２４】
本発明の目的はチャネル入口から出口まで流体を輸送することのできるマイクロチャネルを提供することである。従来の電気浸透に基づく公知の先行技術の溶液と比較すると、本発明によるマイクロチャネルは、流量の増加、すなわち、流速を増加させて液体にマイクロチャネルを強制的に通過させることのできる流れを提供する。正味流量、すなわち、マイクロチャネルを通り押し流される流体の量は増加する。この改良された流量は、特定の幾何学的形状をもつ導電手段をマイクロチャネル内に配置することにより得られる。より正確に言えば、前記導電手段の表面部分は、マイクロチャネルに印加された電界に対して湾曲、または傾斜している。
【００２５】
本発明に関する基礎をなす理論は、いわゆる「第２種電気浸透（ＥＯ２）」（“ｅｌｅｃｔｒｏｏｓｍｏｓｉｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｓｅｃｏｎｄ  ｋｉｎｄ”（ＥＯ２））または「超高速電気浸透」（“ｓｕｐｅｒｆａｓｔ  ｅｌｅｃｔｒｏｏｓｍｏｓｉｓ”）である。特に方向性のある輸送を実現する場合は、ＥＯ２を得るために多数の条件を満たさなければならない。
【００２６】
ＥＯ２による液体輸送は、同じ電界強度Ｅを印加する伝統的な電気浸透（ＥＯ１）よりも１０倍から１００倍速い。電界強度Ｅの低下は電気化学反応に関する問題を減らし、また、移植可能装置と生体の近くで使用される装置に特に重要な、起こり得る漏れ電流の危険性を減少させる。さらに、高電圧発生装置の必要性がなくなり、システムコストおよびサイズを削減し、同時に携帯性を高める。
【００２７】
また、電界強度ＥＯ２において非線形であることは、直流電界成分がほとんど、あるいは全くなく、交流電界を用いて方向性のある液体輸送の実現を可能にする。このように、上記の安定性問題を縮小または解決することができる。
【００２８】
さらに、交流電界にとって分極電流が大きくなり、ファラデー（faradayic）電流が小さくなるにつれて、電極反応（電極ガス発生を含む）もまた、交流電界で縮小または解決されるであろう。
明細書および請求項において使用する用語の定義
マイクロチャネル：少なくとも１つの寸法がマイクロメートルまたはナノメートルの範囲にあるチャネル。
【００２９】
マイクロ流体システム：１つ以上のマイクロチャネル内で液体を輸送および操作するためのシステムで、その各マイクロチャネルを通る流速が１ナノリットル／minと５０ｍｌ／minの間にあるシステム。
【００３０】
アクチュエータ：一方向にポンプで送り込むか、あるいは循環流を導入するか混合するか、その両方によって液体を動かすための装置。アクチュエータは、主なたる対象となる流体に直接的に作用することができる（例えば解析すべきサンプルおよび試薬など）。また、例えばぜん動ポンプの膜をその膜の一面と接触する選択した液体を直接的に作動することにより動かし、その間その他の面が対象とする流体と接触しているなど、間接的作動に利用することも可能である。
【００３１】
平滑面（ｓｍｏｏｔｈ  ｓｕｒｆａｃｅ）：これにより、表面の凹凸がdcharの５％未満、好ましくはdcharの１％未満であると理解する。
【００３２】
特性直径dchar（Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  ｄｉａｍｅｔｅｒ dchar)：外部から印加された電界方向と平行に測定された導電手段の寸法。多数の導電性粒子が電界方向に互いに接触している場合に、dcharは、前記と同じ方向に測定した結果の導電性構造の全長とする。
【００３３】
特性半径 achar（Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  ｒａｄｉｉ  ａchar）：０．５倍dchar
基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）：マイクロチャネルまたはチャネルシステムを製造する材料、例えばチャネルがエッチングされるシリコンウェハ、並びに、チャネルルーフを構成する上部-プレートなどを含む。
【００３４】
本発明によるマイクロポンプは、毎分数ノノリットル（nonoliter）の領域にある液体を毎分最大５０ｍｌまで輸送するように設計するされる。液体の量は特定の用途に依存しており、典型的には薬剤送達用に数ナノリットル（ｎｌ）／ｍｉｎから、“lab-on-a-chip” 用途にマイクロリットル（μｌ）／ｍｉｎ、そして冷却用途に数ミリリットル（ｍｌ）／ｍｉｎである。たとえ接頭辞「ナノ」（”ｎａｎｏ”）をサイズ範囲の下方部分に
使用することができるとしても、簡略化のため、マイクロポンプおよびマイクロチャネルという用語が本明細書中で使用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
本発明は、以下の図面および実施例を参照して説明する。図１は、本発明によるマイクロ流体システム１０の一般的な略図である。このマイクロ流体ネットワークは、基板１２の上または中に配置するのが好ましい。この図は２つのマイクロチャネル２０を示している。 矢印は、流体の流れ方向を表わす。セグメント２０ａは、マイクロチャネル２０の一部として表示している。電気的接続手段（１６）は、セグメント２０ａ内に電界Ｅを確立し、導電手段１８は一定の方向に液体を確実に押し進める。電極１６とセンサ２２の接点は参照番号２４で表示している。なお、電極１６はマイクロ流体システム内のどこにでも設置可能であり、例えばチャネル入口および出口などの前記システムの外側にも設置することができる。しかしながら、電極間の間隔が大きい設計はあまり好ましくない。また、アクチュエータは、例えばいくつかの基板の上にマイクロ加工する代わりに、毛細管内に形成することも可能である。
【００３６】
図２は、チャネル部２０ａの底部および最上部に固定した円形または球状の導電手段１８を有する、本発明の１つの実施態様の平面図を示す。ここでは、チャネル断面は長方形である。粒子間の間隔および粒子とこの壁部の間隔はacharにほぼ等しいため、混合と指向運搬の両方が起こる。また、この図に表示するのは、チャネル２０の壁部と電極１６（点線）の位置である。流れ方向は矢印で表わす。
【００３７】
図３では、導電手段１８を備えた本発明の１つの実施態様を示し、この導電手段はチャネル壁部に固定されて、チャネル（長方形の断面を有する）の深さに達する２つの傾けられた（傾斜した）平面として成形される。また、この図に示すのは、チャネル２０の壁部、電極１６の位置、および流れ方向（直線の矢印で表わす）である。導電手段２０間の間隔は、約２‐０．５acharと異なっているため、指向運搬に加えて、若干の混合が得られる。
【００３８】
図４は、図３に示すものに類似した実施態様を示すが、半円のシリンダーまたは半球の形状の導電手段２０を有する。導電手段１８間の間隔は１つの特性直径が約５acharであり、混合と指向運搬の両方を誘起する。電極１６の位置は点線で表わす。
【００３９】
図５は、流れ方向に円形シリンダーまたは球形として成形された導電手段１８の２つの連結層を備えたマイクロアクチュエータを示す。この導電手段は、マイクロチャネル２０の下部および上部に固定する。流れの方向と共に、電極１６の位置を表わす（点線）。導電手段１８とチャネル壁部の間隔はacharにほぼ（approcimately）等しいので、混合とポンピングの両方が得られることになる。
【００４０】
図６は、アクチュエータセグメント２０ａ、基板１２（例えばシリコン、ガラスまたはポリマーなど）および電極１６を含むマイクロチャネル２０の側面図を示す。また、図に示すのはチャネル最上部−プレート（基板と同じ材料から選択する）と流れ方向である。導電手段のセグメントは点線で表示しているが、導電手段１８は図示していない。
【００４１】
図７は図６に示すものと同じ構造の平面図を示す。
【００４２】
図８は、基板１２、チャネル底部および最上部に固定した長円体形または楕円形の円筒型導電手段１８を有する本発明の実施態様を示す。電極１６の可能な位置は、点線で表示されている。導電手段１８間の間隔が小さいために、大概は有向ポンピングが得られる。
【００４３】
図９のアクチュエータは、図８に描写したものと類似しているが、互いに接触しない２層の導電手段１８を流れ方向に有する。
【００４４】
図１０は、２つの傾けられた（傾斜した）導電手段１８を備え、チャネル壁部に固定し、チャネルの深さ全体に達するマイクロアクチュエータを示す。導電手段１８間の間隔はacharと比較すると相対的に小さいため、指向運搬が得られる。可能な電極位置を点線で表示する。
【００４５】
図１１は、図１０に示すものと類似の傾斜した導電手段１８を備えた別の実施態様を示すが、チャネル幅の中に追加層の導電手段を有する。
【００４６】
図１２は、チャネルセグメント２０ａ（２つの点線で限定される）を含む拡大チャネルセグメントを有するマイクロチャネル２０を示し、導電手段１８を含む。後者（導電手段１８）は図示しない。このアクチュエータはより大きな圧力を形成するという利点がある。
【００４７】
図１３では、マイクロアクチュエータセクション２０ａを含むチャネル２０の一部を示し、導電手段１８がチャネル壁部の一部になっている。円形に成形された電極１６も示す。導電手段間の間隔はacharと比較すると小さいため、有意な指向運搬が得られる。流体と比較すると導電性壁部１８の導電率が高いために、局所電界は前記導電手段１８方向にそれて、法線方向の電界成分および接線方向の電界成分の両方を作り出す。
【００４８】
図１４では、マイクロアクチュエータセクション２０ａを含み、傾斜した導電手段１８を備えたマイクロチャネルセクション２０の一部の幾何学的形状を表示する。チャネル壁部と導電手段表面との間の角度を、原型のチャネル直径d0、原型のチャネル壁部と傾けられた平面上の点との間の法線間隔ｈ、特性直径dchar、およびチャネル長さ軸Ｘと共に表示している。
【００４９】
図１５は１つの実施態様の導電手段を備えたマイクロチャネルセクション２０ａを示し、マイクロチャネル２０の残りの部分と同心の円形幾何学的形状の傾斜した導電手段１８を有する。
【００５０】
図１６は、４つの電極を備えたマイクロチャネルを示す。ここでは、導電手段１８は（円筒型）チャネルの一部を構成し、一方、電極１６はこのセクションに対して上流と下流に設置する（図示せず）。導電手段は管状のイオン交換膜でもよい。第２電極対１６ｂは流れに対して法線方向の電界を誘起し、ＳＣＲ蓄積の原因となる。これらのうちの１つは、マイクロチャネル２０と同心の円形チューブとして成形され、より大きな半径を有する。これは、金属箔または金属堆積物、ある種の導電性塗装または表面処理またはその他で構成することができる。法線方向の電界を誘起するもう一方の電極は、金属線であることができ、絶縁物または他の固定方法を用いて、導電手段１８から少し離れた位置に保持する。これはチャネル中心軸に沿って設置するのが好ましい。
【００５１】
図１７は導電手段を含むマイクロチャネル部２０ａの平面図を示し、そこでは１つの導電性粒子がチャネル２０の拡大部に設置され、この領域の間隔を最大約２acharにすることで、流れを良くして、効率の良い混合をもたらす。導電手段と壁部との間隔が０．５achar以下なので、マイクロチャネル部２０ａの隣の部分は主に方向性のあるポンピングを与える。
【００５２】
図１８では、導電手段１８をマイクロ加工された半円の穴を有する２つのプレート間で固定した実験装置のチャネル断面を表示する。マイクロチャネルの長さ方向はこの紙面に対して法線方向に向け、チャネル側壁部は、両側にある密封塊によってこれらプレートを密封することにより製造する。導電手段１８として、球状のスルホン化スチレン−ジビニルベンゼンイオン交換粒子を使用した。
【００５３】
図１９は、図１８の実験装置に使用するマイクロ加工された穴開きプレートの平面図を示す。
【００５４】
図２０は、導電手段１９、電極１６およびマイクロチャネル２０の両側に２つの液体リザーバーを含む実験装置の平面図を示す。
【００５５】
一般的に、導電手段１８は長円体形、円形または楕円形シリンダーの形状、球形状、半球形状、あるいは円形の断面を有する形状をとることができる。さらに、印加される電界と０度から８５度の間の角度、好ましくは３０度から６０度の範囲内の角度を有する平面形状をとることもできる。導電手段は、作動させる液体の導電率の少なくとも５倍、好ましくはこの導電率の少なくとも１０倍の導電率を持たなければならない。
【００５６】
導電手段（１８）の特性寸法dcharは、０．１μｍから５ｍｍの範囲内にあるべきで、多くの用途では１０μｍと５００μｍの間にあるべきである。
【００５７】
指向性ＥＯ２ポンピングが特に望ましい（were）用途に関しては、導電性粒子１８間の空間と、導電性粒子１８とチャネル壁部２０ａ間の空間が、１／８と１／２achar の間になる必要がある。この壁部との間隔は、図３、図４および図１０、図１１にあるように、導電手段１８が壁部に取り付けられる場合は当てはまらない。流れ方向の１層の粒子に関しては、この間隔はより小さいか、あるいはゼロでもよい。１層以上の層がある場合は、各層の粒子間の空間か、隣接層の粒子間の空間か、またはその両方が存在しなければならない。
【００５８】
混合も得なければならない場合は、この間隔は最大２acharまでになることが可能である。最長間隔では、主として混合が得られる。
【００５９】
図１３は、導電手段１８がマイクロチャネル壁部２０の一部である１つの実施態様を示す。これは本発明の特殊な態様であり、ＥＯ２の条件は、導電手段１８付近の局部的な電界の低下により確定する。
【００６０】
導電性領域の長さは、導電性粒子に対するものと同じにならなければならない。チャネルの形状は、長方形、円形または楕円形でもよい。ここでは、dcharは流れ方向に測定する導電性電界の長さである。導電性粒子に類似することによって、２つの向かい合う導電性壁部間の間隔は、方向性流れを得るために１／８から１／２acharになることが好ましい。導電性領域は、チャネル円周の一部（例えば壁部など）、またはチャネル円周全体を覆うことができる。
【００６１】
図１３に描かれている導電性壁部を有する構造に関しては、電極１６はチャネル壁部の一部分２０bから少し離れたところに設置されて、チャネル幅の１／３以下を占めることが好ましい。それらは、上記よりも電極１６の近くに設置することができ、さらに導電性壁部の領域２０ｂ内に設置することができる。また、この構造はチャネル幅に導電手段のいくつかの長方形ブロックを使用することにより延長することができる。前記の幾何学的形状では、接線方向の電界成分を増加させるために、導電性ブロックの先端部を電気的に絶縁することが可能である。
【００６２】
一対の電極１６を含む構造に関しては、電極は導電性領域との関連でそれぞれ上流および下流に設置する必要がある。これらは、チャネル壁部２０b円周の一部または全体の中、あるいはその上に堆積された電子的に導電性の領域であってもよく、あるいはチャネル内の格子または他の（好ましくはマイクロ加工された）構造であってもよい。それらは、マイクロ加工した導体により電源（図示せず）に接続することができる。また、電極１６はチャネル壁部２０bを通り外側から挿入される金属線で簡単に構成することができる。電極１６は、一直線の電界を得るために導電手段１８から少し間隔をおいて設置しなければならないが、高電位を防止するために間隔を広くしすぎるべきではない。通常、各電極と導電手段１８との間の間隔は、０．５ｍｍから５ｍｍの間になる必要がある。しかし、この間隔はより小さくても大きくてもよい。
【００６３】
４つの電極を備えたマイクロポンプを図１６に示す。ここでは、長さdcharの導電性円形チャネル部を、ＳＣＲを誘起する原因となる電極の１つを構成する同心の導体で包み込む。この目的のもう一方の電極は、導電性チャネル内に置く。もう一方の電極は、チャネル壁部との電気的接触を防止するために、絶縁物を有する金属線にすることができる。理想的には、流体流を可能にする絶縁構造を用いて、チャネル中心に固定する。他の一対の電極は、上記のとおりポンピング領域に対して上流および下流に配置しなければならない。
【００６４】
２つ以上の流体を混合可能なマイクロポンプは、前記導電手段を取り囲む領域の大部分を開放しておく（他の導電性粒子または壁部で占領されない）ことにより製造することができる。これが、ほとんどまたは独占的に循環流れをもたらすので、ポンプは方向性流れ用に最適化された開放空間を備えた室部を含まなければならない（１／８−１／２achar）。前記混合ポンプを、図１７に示す。混合室２４はいくつかの導電性粒子１８を含み、そのサイズは望みの混合時間に基づいて決定することができる。  以下に、球状粒子の形状の導電手段を参照しながら、この基礎をなすメカニズムについて主に記載する。しかしながら、dchar＝２acharに関する記述は、すべての形状に使用することができるため、他の幾何学的形状への拡張は容易である。
【００６５】
本発明の基礎をなす概念は、接線方向の電界成分が法線成分によって誘起されるＳＣＲに作用するということである。その後、ＳＣＲで溶媒和イオンは伝統的なＥＯ用のＥＤＬ内のイオンと同様に輸送される。両方の場合において、バルクポア液体は粘性力によって動かされる。
【００６６】
ＥＯ1の速度はSmoluchowskyの式で与えられる、
式１
【００６７】
【数１】
2005538853.tif 000003
ここで、液体の誘電率、壁部の表面（ゼータ）電位、帯電した表面に平行な電界強度Ｅ‖、および液体粘度である。ＥＯ２に関しては、この式で速度を得る。
【００６８】
式２
【００６９】
【数２】
2005538853.tif 000004
Ｅは法線方向の電界成分である。
【００７０】
導電性粒子が他の形状の場合は、dcharが流れ方向に測定される直径になるようにする。ＳＣＲ電荷はdchar倍のＥにほぼ等しい。
【００７１】
従来の電気浸透（ＥＯ1）は、ＥＤＬ内の永久電荷（イオン）の輸送により引き起こされる。これらのイオンは、加水分解される（すなわち、多数の水分子が各イオンに結合している）か、あるいは概して溶媒和される（水以外の溶媒を使用してもよい）。電界が電荷を動かす場合に、水もまた輸送される。この効果が弱帯電域で起こる間、全ポア−流体は、粘性力によって動かされる。この水輸送は、ＥＤＬ（またはゼータ−）電位およびＥに比例する。
【００７２】
ＳＣＲが表面上のＥＤＬの存在とは無関係に確立されることが重要である。「第２種電気浸透」の概念は、弱帯電域に電源を有することでＥＯ１との類似性を表わしており、バルク液体に作用する電気的効果とは異なる（後者は、電気流体力学効果と呼ばれる）。
【００７３】
電界が強濃度分極を与えるのに十分に強い場合、ＳＣＲは導電性表面上に誘起される。次に、この分極域はバルク液体との境界に拡散域と、導電性表面に近接したＳＣＲ層と、可能であればこの表面に最近接したＥＤＬから成る。前記分極現象については、イオン的、および電子的導電性物質の両方に関して記載されてきた。
【００７４】
この分極現象については、より低い導電率の流体内の選択透過性（陽）イオン導電性物質を参考に最も簡単に説明することができる。この現象は公知であるため、ここでは手短に記載する。電界を膜方向に向けることによって、陽イオンは固体材料方向に、または、それを通過して輸送され、一方、陰イオンは選択透過性のために反対方向に通過できない。定常状態で、膜から離れた共イオンの電子気拡散流動は、反対方向の拡散流動によって補われる。このように、膜方向に濃度減少を有する拡散域が観察される。電界強度を増加すると、電流は増加し、同時に濃度減少は大幅になり、膜付近のイオン濃度ゼロで限界に達する。この時点で電圧をさらに増加させると、電流増加は観察されないため、「限界電流」（“ｌｉｍｉｔｉｎｇ  ｃｕｒｒｅｎｔ”）という。
【００７５】
しかしながら、この限界電流は電圧-電流曲線のプラトーを表わす一方で、電圧が十分に高くなった場合に、電流のさらなる増加が起こる。この強濃度分極の１つの特徴は、膜付近（膜と拡散域の間）にＳＣＲが現れることである。
【００７６】
限界電流を超える現象が起こる理由の１つは、分極域に拡散イオン輸送を増加させるＥＯ２渦（循環的流れ、電気対流と呼ばれることもある）の出現である。たとえ平膜であっても、ＥＯ２渦が観察される。
【００７７】
電解膜プロセスにおいて、これはよりエネルギー効率の良いプロセスをもたらすことから、可能な限り低い電圧で高電流が望ましい。このように、特殊な膜および積層設計によって電気透析でＥＯ２対流を増加させることは、いくつかの研究の目的の１つとなってきた（下記の実施例参照）。
【００７８】
ＥＯ２を得るための条件は次のとおり要約することができる：
1．接線および法線方向の電界成分の両方をその表面まで備えた導電性媒体は、導電率のより低い液体に取り囲まれる。接線および法線方向の電界成分の両方の存在は、以下の方法で得ることができる：
ａ）導電性物質は円形（球状または円筒型）あるいは傾斜した構造を有することにより、２つの電極（チャネル壁部に２つの平行な平面または直線として成形してもよい）により簡単に導入された電界に両成分が現れる。
【００７９】
ｂ）さらに２つの電極を用いて、ポンプは導電性壁部を備えた円筒型ポアチャネルから成ることができる。この本明細書に記載のとおり、システムの幾何学的形状で、局部的な電界がポア壁部の方向にそれて、接線および法線成分の両方を壁部にもたらす。これを図１３に示す。
【００８０】
ｃ）４つの電極を使用することによって、２つはＳＣＲを誘起し、２つはイオンを動かす。これを図１６に示す。
【００８１】
2．ＳＣＲを誘起するのに十分に大きな（法線）電位降下。これは、１つの特性粒子直径を横断する無次元の電位降下が１よりも大きいということを意味しており、次のとおり表わされる：
式３
【００８２】
【数３】
2005538853.tif 000005
3．接線方向の電界成分は大きすぎてはならない。さもなければ、ＳＣＲがイオンから消失し、ＳＣＲは薄くなる。したがって、電位は以下を超えてはならない：
式４
【００８３】
【数４】
2005538853.tif 000006
ここでは、Ｒは気体定数、Ｔは温度、Ｆはファラデー定数、ｍは水溶液の場合は０．２に等しい無次元定数、そして逆デバイ‐長である。
【００８４】
4．導電性媒体は、イオン、電子または穴を用いて導電することができる；そしてそれは導体または半導体でもよい。非多孔性であることが好ましく、また、速度減少招くものの、多孔性であることもできる。選択透過性イオン-導体について、最良の結果が得られる。
【００８５】
5．水分解を防止するために、ＳＣＲ濃度は水のイオン積を超えなければならない。ＥＯ２対流は分極から生じる濃度低下に対抗するので、それ以上では水分解が存在しないより低い電界強度が観察される：
式５
【００８６】
【数５】
2005538853.tif 000007
式中、ｋw＝１０-7Ｍは水の解離生成物であり、ｃは液体イオン濃度である。
【００８７】
さらに、次はＥＯ２の理論において基本となる薄いＳＣＲの条件である。これは次の式で与えられる：
式６
【００８８】
【数６】
2005538853.tif 000008
これらの条件から、ＥＯ２が現れる電界強度の間隔は、ある特定のシステムについて算出することができる。この間隔は、式３-６から分かるように、とりわけイオン濃度および平均粒子径によって決まる。この算出された臨界電界強度を、図２４から図２７にプロットする。
【００８９】
法線および接線方向の電界成分の両方に依存する結果として、流速は電界強度内で非線形である。この理由で、ＥＯ１に反して交流電界を印加できる（図２３に示す）。ＥＯ２に関しては、速度は電界強度の二乗にほぼ比例する。
【００９０】
ここで、本発明による方向性ＥＯ２ポンピングに関する付加的な条件を示す。
【００９１】
1．導電性物質の表面は滑らかでなければならず、さもなければ方向性を持ったＥＯ２輸送が得られない（循環流が現れる）。
【００９２】
2．球形に関しては、図２２の流れパターンが観察される。これは、球形からの一定間隔で流れが逆転することを意味する。このように、液体流に使用可能な、導電手段を構成する粒子に近接する有限のウインドウ（ａ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｗｉｎｄｏｗ）のみがあるべきで、これが導電性粒子間の間隔と、導電性粒子と例えばチャネル壁部などの他の固体材料との間の間隔を決定する。有向な流れを得るために、粒子は２achar以下の間隔、好ましくは１／８と１／２acharの間の間隔になるようにする必要があることが実験から明らかになった。
【００９３】
例えば導電性顆粒の単層など、これに関係しないいくつかの構造もまた使用することができるが、流れが減少するためあまり好ましくない。単層以上の稠密構造は、ＥＯ２によって循環流しか得られないため、使用することができない。また、流れ方向内の導電手段の側にある非多孔性の層は、有向なＥＯ２流れを止める。
【００９４】
3．導電性物質の他の形状に関しては、構造特性は類似しなければならない。したがって、本明細書で定義しているように、導電性粒子はその特性寸法 acharの１／８と１／２acharの間の間隔になるようにする必要がある。
【００９５】
電気信号
電気信号は、正方形−三角形−鋸歯状−正弦−あるいは他の形状を持つ交流電圧で構成することができる。図２８に示すように、この周波数は流体力学的周波数よりも小さくなければならない。このように、ａchar＝１ｍｍからｆ＿ｍａｘ＝１Ｈｚが得られ、ａchar＝１０μｍからｆ＿ｍａｘ＝１００Ｈｚが得られ、そしてａchar＝１０μｍからｆ＿ｍａｘ＝１０ｋＨｚが得られる。各パルスに有意な周期の流れを得るために、この理論上の最大値よりも１／１０の周波数を使用すべきである。
【００９６】
対称な導電手段の幾何学的形状に関しては、信号は好ましくはデューティサイクルを有し、より好ましくは２９％のデューティサイクルを有するべきであり、これは強いパルス（望ましい方向にＥＯ２流れを与える両極性を有する）がこの信号周期の２９％の持続時間を有するべきことを意味する。デューティサイクルを用いる場合、信号は平均的な信号直流成分がゼロになるために選択されるオフセットを有することが好ましい。
【００９７】
対称性の崩れた導電手段（例えば図１０および図１１など）に関しては、対称の交流信号を使用することができる（正方形-三角形-鋸歯状-正弦-あるいは他の形状）。
【００９８】
電極反応が問題（例えば短い作動時間および希釈液など）にならない用途に関しては、直流電圧成分または純直流電圧を使用することができる。
【００９９】
好ましくは、分極を最も早く進める定電位（ｐｏｔｅｎｔｉｏｓｔａｔｉｃ）法で、電力を送り込むべきである。
【０１００】
４つの電極に基づくマイクロポンプに関しては、位相が互いにずれる２つの交流信号を、２つの対応する電極対間に印加しなければならない。そのため、パルスパターンは以下の順序に従う：
１．ＳＣＲを蓄積する流れに対して法線方向のパルス
２．パルス（１）の間の始動：ＥＯ２輸送をもたらす流れに対して平行なパルス
３．ＳＣＲおよび対応する電極対の脱分極を誘起する、流れに対して法線方向と反対側のパルス
４．対応する電極対の脱分極を誘起する、流れに対して平行方向と反対側のパルス
信号はまた、信号のない一時停止で中断される。一時停止はこの信号のＮサイクル毎に起こることができ、Ｎは数字の１以上の数である。信号は電子装置（マイクロチップまたはコンピュータ）によって制御されて、作動中は自動でまたは手動で変更および制御をすることができる。これはシステムマイクロセンサから得られるシステム性能の情報に基づいて行われる。
【０１０１】
好ましくは、信号周波数は、電極分極時間の逆数よりも高くなるように選択すべきである。
【０１０２】
式７
【０１０３】
【数７】
2005538853.tif 000009
式中、Ｌは電極間の間隔であり、は逆デバイ長（逆ＥＤＬ厚さ）であり、そしてＤはイオンを運ぶ電流の拡散係数である。
【０１０４】
交流またはパルス電気信号が印加される場合は、最大周波数は流体力学時定数により決定し、
式８
【０１０５】
【数８】
2005538853.tif 000010
式中、  は液体の動粘度である。
【０１０６】
製造、材料、システム例
マイクロ流体装置は、マイクロエレクトロニクス産業において使用されるマイクロ加工および処理技術を用いて製造することができる。これは、また本発明によるマイクロポンプにも適用される。これらの方法は、チャネル、並びに、三次元構造を基板（シリコン、ガラスまたはポリマー）にして、また導電性構造（金属またはポリマー）をチャネル内に置くことを可能にする。前記の方法は、低コストの大量生産という点に関して、マイクロエレクトロニクスと同様の利点を有する。
【０１０７】
本発明によるマイクロポンプは、他の方法や材料で、例えば細いガラス毛細管の中に設置するポンプ用に製造することができる。
【０１０８】
導電性または非導電性フィルムは、基板上（例えば厚さ０．４ｍｍの円形シリコンウェハなど）に蒸着させることが可能である。チャネルおよび他の構造は、放射線をフォトレジスト（マスク）に当てて石版印刷法によりパターン形成することができる。三次元導電構造は、例えば金属の電気めっきなどによって、チャネル内部で形成することが可能である。
【０１０９】
マイクロ加工技術は、事実上無限にある方法で組み合わせ可能な多数の技術を提供し、ほぼいかなる構造の製造も可能にする。本明細書では、数件の実施例のみを収載する。なお、他の材料（例えばシリコン基板の代わりにガラスまたはポリマーなど）や方法を用いることが可能である。
【０１１０】
図６では、マイクロポンプ用に確保された領域を含むマイクロチャネルの一部の側面図を示す。この図は、シリコンウエハ（またはポリマーまたはガラス）と最上部プレート（ガラスまたはシリコンまたはポリマー）を含む基板１２を示す。導電手段用に確保した領域２０ａを、（必ずしも物理的ではない）境界線で表す。この部分の構造の実施例は、図８-１１に示す。ここでは、電極１６は上部プレートの穴を貫通する金属線で構成される。この電極は、また上記の方法で製造される。
【０１１１】
同じ構造の平面図を図７に示す。
【０１１２】
図８−図１１に示す導電手段１８は、電気めっき方法で製造することができる。また、導電性ポリマーのマイクロ金型成形（例えばマイクロ射出成形など）によって製造することも可能である。別の可能性としては、円形または傾斜した材料をシリコンウエハにエッチングした後に、導電性を付与するためにドーピングすることである。
【０１１３】
対称性の崩れた導電手段（図１０および図１１のように）に関しては、左右対称の交流電気信号が使用される。
【０１１４】
別の可能性としては、いくつかの既製の導電手段（例えば球形または繊維状のイオン交換体、炭素、金属または導電性ポリマーなど）をチャネル内に機械的に配置することにより、導電手段を導入することである。次に、この導電手段は、チャネル底部と最上部プレート間の機械的圧力により固定することが可能であり、それを、正しい位置に保つために前記プレートに小さな空洞をエッチングすることができる。また、導電手段は結合剤または他の方法を用いて固定してもよい。
【０１１５】
図１３の導電性壁部を備えたポンプに加えて、図１２に示す幅広ポンプもまた、上記のとおり製造することができる。
【０１１６】
図１５に示すマイクロポンプは、マイクロ金型成形技術によって、または特殊な管状の膜を用いて製造する。
【０１１７】
図１６の４-電極ポンプは、次の材料で構成される：管状イオン交換膜、この膜と同心の金属チューブ、この膜に金属箔を巻き付ける、あるいは金属を蒸着させることによる、膜との接触を防止する絶縁性部分を備えた硬い金属線。
【０１１８】
図示したポンピング方向は、電気信号を逆向きにすることで逆転することができる点を言及しておかねばならない。
【０１１９】
一般的に、どの電子導体、イオン導体あるいは穴開き導体も、その導電率が輸送される液体の導電率の少なくとも５倍、好ましくは１０倍かそれ以上である限り、導電手段として利用することが可能である。材料の例は、ドープシリコンおよび他の半導体、金属、イオン交換体、例えばジビニルベンゼン架橋スルホン化ポリスチレン（ＰＳ−ＤＶＢ）、導電性ポリマー（例えばドープポリアニリン（ＰＡＮｉ）、ポリエチレンまたは他のドープポリマーなど）、炭素、グラファイト、前記導電性物質の何種かを充填したポリマーなどを含む。
【０１２０】
基板は、シリコン、ガラスまたはポリマーまたは他の材料でもよい。典型的には、マイクロ流体システムは円形（直径１０ｃｍまたは１５ｃｍ、厚さ０．４ｍｍ）シリコンウェハで製造される。各ウエハは、１つまたは多数のマイクロシステムを含むことが可能である。
【０１２１】
電極はどの電子材料、導電性材料からでも製造することができる。典型的には、マイクロ加工の金属電極が使用されるが、その他の可能性としては、グラファイトまたは炭素またはドープシリコンが挙げられる。
【０１２２】
用途
本発明に記載のマイクロポンプまたはマイクロアクチュエータの主な用途について記載する。一般的に、本発明によるマイクロポンプは、マイクロシステム内の位置間、マイクロシステムと外部（サンプルをシステムに注入する、他のシステムまたは生体に液体を送り込むなど）間で液体を輸送する。大半の用途では、対象液体をポンプで直接的に送り込むが、このポンプはまた、液体をこの方向（例えば、液体を膜の側面の方へ、また、送り込む液体と接触させずに該膜から離してポンプで送り込むことで、往復ポンプ用の膜を作動できる）にポンプで送り込むことで他のマイクロデバイスを間接的に動かすアクチュエータとして使用することもできる。本発明の別の用途は、なんらかの円形のＥＯ２動作を残すことによって、マイクロスケールで液体を混合することである。
ラボ−オン−チップ（実験室チップ）
微小化学物質分析システム（Ｍｉｃｒｏ−Ｔｏｔａｌ−Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ）（μ−ＴＡＳ）あるいはマイクロラボラトリとも呼ばれるこの種のシステムは、いくつかの化学および物理的センサおよび解析装置を備えた高度小型化システムである。このアクチュエータは、このシステムと環境の間の輸送と同様に、システム内で液体を混合および輸送するために必要とされる。“Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐ”システムは、解析を行うために設計されており、その他の点では、従来の実験作業を要する。また、これらのシステム内で化学合成を行うことができる。
【０１２３】
従来の解析と比較した利点は、以下の点を含む
−  従来の実験解析と比較して消費される労力が格段に少ない
−  必要なものは、顕微鏡検査用の量のサンプルおよび試薬のみ
−  かかる時間は格段に短い
−  小型ポータブルシステムを作成できる
−  格段のコスト削減および処理能力増加
いくつかの実施例の用途について以下に記載する：
−  今日、時間と労力を消費する検査分析を要する医学的分析は、診療所、現場  または在宅で（データを診療所に送信）、数秒で行うことができる。
−  プロテオミクスおよびＤＮＡ解析は、今日、使用する技術が限られた科学である。“  Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐ”  システムの開発は、解析処理能力を格段に増加させることができる。
−  医薬品開発：マイクロシステムの導入は、新薬の開発にかかるコストおよび時間を大きく削減する。
−  化学物質開発：従来の実験作業よりもより早く、より安全で、より低コスト。
−  医療用途は、ポイントオブケア（ｐｏｉｎｔ  ｏｆ  ｃａｒｅ）臨床検査を含む。
【０１２４】
いくつかの自動化システムは今日、特に医学的分析の分野に存在する。
上記のとおり、“Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ”システムを開発するために不足している構成要素は、マイクロポンプである。典型的なポンプ性能は、１００パスカルの圧力で２μｌ／ｍｉｎとする。超小型ポンプは移植可能装置に使用することが可能であり、薬剤（例えば糖尿病患者用のインスリンなど）を体内に送達する。このシステムは生体の測定値（糖尿病の場合は血糖値）によって制御される。長期間の信頼性、電極反応がおきないこと、および低電圧は、このようなポンプの重要な特性である。通例、毎分数ナノリットルをポンプで送達する。
【０１２５】
冷却
マイクロスケール冷却サイクルは、マイクロエレクトロニクス内の熱を取り除く問題を解決する。このシステムのポンプは、通常１気圧以上の圧力で毎分１０ｍｌを送出する。このポンプと熱交換器（冷却装置）は分離した、あるいは同じマイクロチップに統合することができ、一方、熱交換器は、環境と接触するマイクロ加工の、または他の微細チューブで構成する必要がある。
【０１２６】
実験結果
簡単な実験を実施し、マイクロシステム内のＥＯ２混合および有向性運搬を証明した。実験装置については、図１８から図２０に記載する。マイクロ加工の穴開きプレートは、選ばれたサイズの顆粒を、互いの間隔を選択し、その中で設置することを可能にした。
【０１２７】
ＤＯＷＥＸ５０ＷＸ８強酸性陽イオン−交換顆粒を実験に使用した。穴開きプレートの幅は、０．４ｍｍであった（流れ方向に測定された）。
【実施例】
【０１２８】
実施例１
マイクロミキサー
直径（dchar）約６００μｍのイオン交換粒子１列を穴開きプレートに設置した。図２０の配置とは異なり、１つの粒子を１穴おきに設置し、隣接した粒子間に２acharの空間を残した。実験は流れを観察するために色付きの小さな粒子を用いて行い、観察は光学顕微鏡を用いて行われた。この色付きの粒子をＥＯ２ミキサーの内部に設置した（穴開きプレート間であるが、リザーバー内ではない）。
【０１２９】
【表１】
2005538853.tif 000011
すべての場合において、図２２に示すものと類似した流れパターンが観察された。色付きの粒子は信号を印加して数分後にポンプから離れなかったため、円運動だけが存在し、（有意な）有向ポンピングは存在しなかったと結論づけることができる。これは予想されたことだった。それは、粒子の間隔が１つの粒子半径acharを大きく上回っており、それを超えると流れ反転が観測されるためである。この実験では、低周波ＡＣ信号を使用する理由は、比較的大きな導電性平均粒径であった。
【０１３０】
実施例２
マイクロポンプ
マイクロポンプは、穴開きプレートの隣接した穴の中に、１列のイオン交換粒子（直径 約４００μｍ）を配置し、１つの粒子半径acharよりもいくぶん小さい空間をその粒子間にとることにより製造した。
【０１３１】
【表２】
2005538853.tif 000012
これは、非常に低い電位差を用いて大きな流速を得ることができるということを示しており、交流電界を利用できるということも示している。この実験において、約１０ｍｍの電極間隔を使用した。実際には、電極間隔は１ｍｍのオーダーになる。したがって、本発明によるマイクロアクチュエータに関しては、１Ｖのオーダーの電位差で、毎秒ｍｍのオーダーの流速を得ることができるが、一方、他で報告されたアクチュエータに関しては、通常同じ速度を得るためにkV範囲の電位差が必要とされる。
【０１３２】
イオン交換粒子間の間隔は最適値よりもかなり大きいので、電圧を増加させずに速度をさらに増加させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３３】
【図１】マイクロ流体システムの一般的な概略図を示す。
【図２】球状粒子から成る導電手段の平面図を示す。
【図３】傾斜面から成る導電手段の平面図を示す。
【図４】半球から成る導電手段を示す。
【図５】導電手段として使用する２層の粒子を示す。
【図６】アクチュエータ部分を含むマイクロチャネルセグメントを側面図で示す（導電手段は図示せず）。
【図７】マイクロポンプの領域を含むマイクロチャネルの一部の平面図を示す（導電手段は図示せず）。
【図８】図８は、楕円形の導電性粒子を有するアクチュエータを含むマイクロチャネルの一部の平面図を示す。
【図９】図９は、楕円形の導電性粒子を有するアクチュエータを含むマイクロチャネルの一部の平面図を示す。
【図１０】傾斜した導電性平面を有するマイクロポンプを含むマイクロチャネルの一部の平面図を示す。
【図１１】傾斜した導電性平面を有するマイクロポンプを含むマイクロチャネルの一部の平面図を示す。
【図１２】マイクロポンプの拡大領域を含むマイクロチャネルの一部の平面図を示す（導電手段は図示せず）。
【図１３】導電手段が壁部の一部を構成しているマイクロポンプを含むマイクロチャネルの断面を示す。
【図１４】導電性傾斜面または壁部を備えたマイクロポンプの幾何学的形状を示す。
【図１５】円形のチャネル断面を有する導電性傾斜壁部を備えたマイクロポンプを示す。
【図１６】４つの電極を備えたマイクロポンプを示し、ＳＣＲを誘起するための一対の電極（１つはワイヤーとして、もう１つはチャネルと同心のチューブとして成形される）を有する導電性チャネル部で構成される。もう一対の電極は、導電性チャネル部の上流および下流に設置する。
【図１７】ポンプに入る２つの流体を混合するというさらなる利点を有するマイクロポンプを示す。
【図１８】マイクロチャネル内の流れを明らかにする実験装置内のチャネル断面を示す。
【図１９】実験用マイクロチャネル作成に使用される穴開きプレートを示す。
【図２０】液体充填領域を表わした実験装置の平面図を示す。
【図２１】法線方向の電界成分がＳＣＲを誘起し、一方、接線成分がイオンおよび液体輸送をもたらす強い（式３による）電界で、より低い導電率の液体内における単一導電性粒子上のＥＯ２の原理を示す。
【図２２】主に円形と考えられる粒子周囲のＥＯ２の流れを示す。
【図２３】本発明によるＤＣ成分をもたない電気信号を示す。
【図２４】ＥＯ２を得るための電界強度領域を示しており、E#min#WSは水の解離を防止するための最小値Ｅであり（式５）、E#max SCR#Flux（式４）またはE#max#thin#SCR（式６）はＥＯ２を得るためのＥの上限であり、E#min#EO2（式３）はＥＯ２を得るための最小電界強度であり、一方、E#lower#EO2はこれの４倍であり、より低い電界強度を示しており、この場合（were）、ＥＯ２がＥＯ１よりも有意に速い。電界強度は、異なる平均粒径（図２４：平均粒径ａ＝１０μｍ、図２５：平均粒径ａ＝１００μｍ、図２６：平均粒径ａ＝１０ｍｍ、図２７：１つの図に平均粒径ａ＝１，１０，１００，１００μｍ）毎に、水（ＮａＣｌ溶液）中イオン濃度の関数としてプロットしている。
【図２５】ＥＯ２を得るための電界強度領域を示しており、E#min#WSは水の解離を防止するための最小値Ｅであり（式５）、E#max SCR#Flux（式４）またはE#max#thin#SCR（式６）はＥＯ２を得るためのＥの上限であり、E#min#EO2（式３）はＥＯ２を得るための最小電界強度であり、一方、E#lower#EO2はこれの４倍であり、より低い電界強度を示しており、この場合（were）、ＥＯ２がＥＯ１よりも有意に速い。電界強度は、異なる平均粒径（図２４：平均粒径ａ＝１０μｍ、図２５：平均粒径ａ＝１００μｍ、図２６：平均粒径ａ＝１０ｍｍ、図２７：１つの図に平均粒径ａ＝１，１０，１００，１００μｍ）毎に、水（ＮａＣｌ溶液）中イオン濃度の関数としてプロットしている。
【図２６】ＥＯ２を得るための電界強度領域を示しており、E#min#WSは水の解離を防止するための最小値Ｅであり（式５）、E#max SCR#Flux（式４）またはE#max#thin#SCR（式６）はＥＯ２を得るためのＥの上限であり、E#min#EO2（式３）はＥＯ２を得るための最小電界強度であり、一方、E#lower#EO2はこれの４倍であり、より低い電界強度を示しており、この場合（were）、ＥＯ２がＥＯ１よりも有意に速い。電界強度は、異なる平均粒径（図２４：平均粒径ａ＝１０μｍ、図２５：平均粒径ａ＝１００μｍ、図２６：平均粒径ａ＝１０ｍｍ、図２７：１つの図に平均粒径ａ＝１，１０，１００，１００μｍ）毎に、水（ＮａＣｌ溶液）中イオン濃度の関数としてプロットしている。
【図２７】ＥＯ２を得るための電界強度領域を示しており、E#min#WSは水の解離を防止するための最小値Ｅであり（式５）、E#max SCR#Flux（式４）またはE#max#thin#SCR（式６）はＥＯ２を得るためのＥの上限であり、E#min#EO2（式３）はＥＯ２を得るための最小電界強度であり、一方、E#lower#EO2はこれの４倍であり、より低い電界強度を示しており、この場合（were）、ＥＯ２がＥＯ１よりも有意に速い。電界強度は、異なる平均粒径（図２４：平均粒径ａ＝１０μｍ、図２５：平均粒径ａ＝１００μｍ、図２６：平均粒径ａ＝１０ｍｍ、図２７：１つの図に平均粒径ａ＝１，１０，１００，１００μｍ）毎に、水（ＮａＣｌ溶液）中イオン濃度の関数としてプロットしている。
【図２８】異なる平均粒径（式８）毎に濃度関数として流体力学時間定数を示す。これは、上限の電気信号周波数を決定する。
【符号の説明】
【０１３４】
１０：マイクロ流体システム、１２：基板、１４：アクチュエータ、１６：電気的接続手段（電極）、１６ｂ：第２電極対、１８：導電手段、２０：マイクロチャネル、２０ａ：セグメント、２２：センサ、２４：（電極１６とセンサ２２の）接点
【図１】
2005538853.tif 000013
【図２】
2005538853.tif 000014
【図３】
2005538853.tif 000015
【図４】
2005538853.tif 000016
【図５】
2005538853.tif 000017
【図６】
2005538853.tif 000018
【図７】
2005538853.tif 000019
【図８】
2005538853.tif 000020
【図９】
2005538853.tif 000021
【図１０】
2005538853.tif 000022
【図１１】
2005538853.tif 000023
【図１２】
2005538853.tif 000024
【図１３】
2005538853.tif 000025
【図１４】
2005538853.tif 000026
【図１５】
2005538853.tif 000027
【図１６】
2005538853.tif 000028
【図１７】
2005538853.tif 000029
【図１８】
2005538853.tif 000030
【図１９】
2005538853.tif 000031
【図２０】
2005538853.tif 000032
【図２１】
2005538853.tif 000033
【図２２】
2005538853.tif 000034
【図２３】
2005538853.tif 000035
【図２４】
2005538853.tif 000036
【図２５】
2005538853.tif 000037
【図２６】
2005538853.tif 000038
【図２７】
2005538853.tif 000039
【図２８】
2005538853.tif 000040
【手続補正書】
【提出日】平成16年9月13日(2004.9.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体システム（１０）で使用するためのアクチュエータ（１４）であって、前記マイクロ流体システム（１０）は、流体を輸送するために配置された少なくとも１つのマイクロチャネル（２０）から成る、任意の、基板（１２）中の流体ネットワークと、電気浸透流を前記マイクロチャネル（２０）のセグメント（２０ａ）に導入するように、電界（Ｅ）を前記セグメント（２０ａ）に印加させる電気的接続手段（１６）を含み、
前記セグメント（２０ａ）は導電手段（１８）を含んでおり、前記導電手段（１８）の表面部分は電界（Ｅ）に対して湾曲、または傾斜しており、異なる導電手段（１８）間の空間および導電手段（１８）とマイクロチャンネル壁部（２０ｂ）との間の空間はｄｃｈａｒから２ａｃｈａｒであり、導電手段の表面は平滑であり、その表面粗度はｄｃｈａｒの５％未満であり、特徴的径ｄｃｈａｒは外部的に提供された電界の方向と平行に測定された導電手段の寸法であり、特徴的半径ａｃｈａｒはｄｃｈａｒの０．５倍であることを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
異なる導電手段（１８）間の空間および導電手段（１８）とマイクロチャンネル壁部（２０ｂ）との間の空間は１／８ａｃｈａｒから１／２ａｃｈａｒの間であり、導電手段の表面は平滑であり、その表面粗度はｄｃｈａｒの１％未満であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエーター。
【請求項３】
導電手段（１８）が、長円体、球、シリンダー、楕円形のシリンダーまたは円錐の形状を有することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項４】
導電手段（１８）が、流体の流れ方向に対して法線方向の縦軸を有する小型シリンダーから成ることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項５】
導電手段（１８）が、印加された電界に対して傾斜して平面を持つ粒子形状を有することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項６】
導電手段（１８）を構成する粒子が０、１から５ｍｍのサイズ、好ましくは１０  ｍから５００  ｍであり、外部から印加された電界に対して平行に測定されることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項７】
傾斜した平面とマイクロチャネル壁部（２０b）間の角度が０−８０度であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項８】
傾斜した平面と前記マイクロチャネル壁部（２０b）間の角度が３０から６０度であることを特徴とする請求項７記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項９】
導電手段（１８）は、流れ方向に関連して軸方向と縦方向の両方にいくつかの層の導電性粒子を含むことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項１０】
導電手段（１８）が、イオンのまたは電子のまたは穴開きの導電性物質で構成されることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項１１】
導電手段（１８）が、流体導電率の少なくとも５倍、好ましくは流体導電率の少なくとも１０倍の導電率を有することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項１２】
電気的接続手段（１６）が、マイクロチャネルセグメント（２０ａ）に対して上流または下流に配置される一対の電極を含むことを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項１３】
電気的接続手段（１６）が、輸送される流体の方向に対して平行な電界（Ｅ）を提供するように合わせることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項１４】
電気的接続手段（１６）が、交流電界を印加することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項１５】
電気的接続手段（１６）が、正弦、正方形、三角形または鋸歯状の形状、または前記形状の組み合わせを有する交流電界を印加することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項１６】
電気的接続手段（１６）が、交流電界を印加し、その電界で、前記信号が信号周期内に強いパルスと弱いパルスをもたらすオフセットと、また強いパルスが信号周期の２９％を持続するように、好ましくは２９％のデューティサイクルを有し、さらに、その電界で、前記オフセットおよびデューティサイクルをゼロ平均の直流電気信号成分を生じるように調整することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項１７】
電気的接続手段（１６）が、交流電界を印加し、その電界で、信号が過負荷の直流成分を有することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項１８】
電気的接続手段（１６）が、交流電界を印加し、そこで、前記電気信号が定電位法で印加されることを特徴とする請求項１によるアクチュエータ（１４）。
【請求項１９】
電気的接続手段（１６）が、ｌｏｇ10が−２と２の間の線形区間にある、Ｖ／ｍｍで表わされる振幅と同等かまたはそれよりも大きな最大振幅を有する交流電界を印加するときに、対応するachar［μｍ］はｌｏｇ10が０と３．７の間の線形区間にあることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項２０】
電気的接続手段（１６）は、ｌｏｇ10が−６と０の間の線形区間にある、秒で表わされる周期と同等かまたはそれよりも長い信号周期を有する交流電界を印加するときに、対応するachar［μｍ］はｌｏｇ10が０と３の間の線形区間にあることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項２１】
電気的接続手段（１６）が直流電界を印加することを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項２２】
各電気的接続手段（１６）と導電手段（１８）間の間隔が０．１から５ｍｍの間にあることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項２３】
電気的接続手段（１６）は４つの電極を含み、このうち２つの電極（１６b）はＳＣＲを誘起するために、２つの電極（１６）は流体内のイオンを移動させるためのもの（１６ａ）であることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項２４】
第１の電極対（１６ａ）を、マイクロチャネル（２０）またはマイクロ流体システムのどこであれ、マイクロチャネル（２０）のセグメント（２０ａ）の上流または下流に配置し、第２の電極対（１６b）をセグメント（２０b）の両側に配置することを特徴とする請求項２３記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項２５】
電気的接続手段（１６）および（１６b）が、２つの電界の位相がずれている請求項１４−２０に記載の電界をそれぞれ印加することを特徴とする請求項２３または２４記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項２６】
導電手段（１８）が前記マイクロチャネル壁部（２０b）の一部であり、該電界が該導電手段（１８）に対応して傾斜するように、局部的な電界の偏向を生じることを特徴とする請求項１記載のアクチュエータ（１４）。
【請求項２７】
マイクロ流体システム（１０）のマイクロポンプとしての、請求項１〜２６のいずれかに記載のアクチュエータ（１４）の使用。
【請求項２８】
マイクロ流体システム（１０）のミキサーとしての請求項１−２７のいずれかに記載のアクチュエータ（１４）の使用。
【請求項２９】
マイクロ流体システム（１０）を薬剤送達用に使用することを特徴とする請求項２７または２８のいずれかに記載のアクチュエータ（１４）の使用。
【請求項３０】
マイクロ流体システム（１０）を「チップ上のラボラトリ」（"lab-on-a-chip"）アセンブリーで使用することを特徴とする請求項２７または２８のいずれかに記載のアクチュエータ（１４）の使用。
【請求項３１】
マイクロ流体システム（１０）は電子機器冷却に使用することを特徴とする請求項２７または２８のいずれかに記載のアクチュエータ（１４）の使用。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロチャネル（ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌ）内に電気浸透性の流体移動（ｅｌｅｃｔｒｏｏｓｍｏｔｉｃ  ｌｉｑｕｉｄ  ｍｏｖｅｍｅｎｔ）を誘起するマイクロ流体システム（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  ｓｙｓｔｅｍ）のアクチュエータ（ａｃｔｕａｔｏｒ）に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、マイクロ流体システム（これは一種のマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）、またはマイクロシステムテクノロジー（ＭＳＴ）である）用の電気浸透性マイクロポンプおよび他のマイクロポンプは、多くの研究段階から開発段階に入っている。
【０００３】
マイクロ流体工学は、多数の技術分野において広範囲な結果を得ることが期待される新興の技術である。マイクロ流体装置は、典型的にはマイクロチャンネルによって互いに、且つ環境と連結した多数のマイクロセンサまたはマイクロアナライザから成る。分析または供給する液体、並びに、試薬は、マイクロ加工されたポンプを用いて送り込むことが望ましい。他の構成要素は以前からすでに市販されているが、マイクロアクチュエータ／マイクロポンプの開発はいまだ初期段階にあり、いくつかの問題が未解決である。そのため、現在のアクチュエータの改良が進んだときには、この技術が真に飛躍的進歩を遂げて商業化されることが期待されている。本発明の目的は通過する流体の流れが改良されたマイクロポンプまたはミキサーとして適するマイクロ流体システム用アクチュエータを提供することである。
【０００４】
公知のマイクロポンプの１つの種類は往復ポンプであり、機械的作動を伴う。通常、膜は圧電性力、静電気力、または他の力によって作動する。これらに共通するのは可動部品が関係することであり、そのために組立てが複雑になり、これらの耐用年数を減少させる恐れがある。
【０００５】
電界誘導流ポンプは、電気流体力学（ＥＨＤ）、電磁熱流体力学（ＭＨＤ）、および電気浸透性（ＥＯ）のポンプを含む。1つの明らかな利点は可動部品がないことである。しかし、これらのポンプは高電圧を必要とし、ＥＯポンプは最も用途が広い。
【０００６】
さらに、ＥＨＤポンプは非導電性流体に限定されて、高イオン濃度の溶液を輸送しなければならない用途にまったく利用できない（例えば体液など）。また、高電圧が必要とされる。ＰＣＴ  ＷＯ  ０２／０７２９２  Ａ２は、２５ｋＶで作動するＥＨＤマイクロポンプ（ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ）について記載している。
【０００７】
一方、ＭＨＤポンプは導電性溶液に限定されて、希薄溶液での用途が妨げられる。
【０００８】
電気浸透性の（ＥＯ）マイクロポンプは、比較的組立が簡単で、幅広い範囲の濃度で優れた性能を得られるため、多数の用途に特に有望な技術と考えられている。しかしながら、いくつかの技術的課題がいまだに未解決である。主な問題は、ｉ）電極ガス発生（ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｇａｓ  ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）、ｉｉ）電気化学反応（ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｒｅａｃｔｉｏｎｓ）、ｉｉｉ）安定性（ｓｔａｂｉｌｉｔｙ）、およびｉｖ）高電位の必要性（ｎｅｅｄ  ｆｏｒ  ｌａｒｇｅ  ｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌｓ）である。これらの課題については以下に詳述する：
電極ガス発生：比較的強い電界が印加される必要があるため、直流成分が必要となる。これが電極にガス発生をもたらす。
【０００９】
電気化学反応：これらの反応はガス発生の原因となっており、またシステムの他の部分でも起こる可能性がある。冷却用途では、脱イオン水は、液状媒体として利用されて（cold）、Ｈ2およびＯ2ガスのみを形成する。しかしながら、「ラボオンチップ（実験室チップ）」（"lab-on-a-chip"-）用途に関しては、流体は化学反応により変化する可能性があり、その場合解析やシステム作動に影響し、あるいはそれらを損なう恐れがある。また、例えばＮａＣｌ溶液の電気分解によって生じるＣｌ2などの腐食性ガスなどのシステムに有害な物質が生成される。さらに、反応生成物およびそれに付随する（concominant）ｐＨの変化もまた、ポンプの表面電位に影響を与えかねず、例えば逆流など、電気浸透特性の変化をもたらす可能性がある。
【００１０】
安定性：電気化学反応の影響に加えて、直流電界内のポア軸に沿ってポアの集中的分布の確立は、経時的にＥＯ輸送を妨げる可能性がある。また、ディフュージオフォレシス（ｄｉｆｆｕｓｉｏｐｈｏｒｅｓｉｓ）および浸透などの種々の現象がその流れを減少させるおそれがある。このように、ＤＣ（直流）電気浸透は、通常、既述の副作用のために経時的に低下し、最終的には流れがゼロになる。これら副作用は、脈動電界を用いることにより減少させることができるが、従来のＥＯは電界において線形であるため、ＤＣ成分は常に存在する必要があり、したがってこの副作用もまた、ある程度まで存在することになる。
【００１１】
通常、高電位（kV範囲）が要求され、高価でかさばる（携帯しにくい）電源装置を必要とする。これはまた、特に体の近くで使用される装置に漏れ電流があった場合に、危険をもたらす。
【００１２】
ＰＣＴ  ＷＯ  ０２／０７０１１８  Ａ２は、マイクロ加工ポンプを開示しており、非多孔性イオン伝導性膜でチャネルを電極から離すことにより電極ガス発生の問題に対処している。気泡を電極室から環境に逃がす。このため開放構造を必要とし、有害な反応生成物を生成する恐れがあり、構造が比較的複雑であるなどの欠点を含む。
【００１３】
ＵＳ  ２００３／００８５０２４  Ａ１は、触媒式ガス再結合（白金触媒）のための別室を備えたＥＯマイクロポンプを有する冷却装置について記載している。この装置では、作動流体は純水または緩衝水に限定される。ガス再結合が完全になることが保証されないため、ガスはまた膜を通じてこのシステムから逃がす。優れたポンプ性能は得られたが、完全なガス再結合は得ることができなかった。このシステムの明らかな欠点は、触媒にかかるコストと再結合装置のサイズである。また、この結合装置は、例えばＮａＣｌ溶液から生成されるＣｌ2などではなく、純水の解離生成物を処理するためだけに設計された。２ｋＶの電位差が印加された。
【００１４】
米国特許番号ＵＳ  ６，５６８、９１０では、ＥＯポンプについて記載されており、液体が電極を含む第１チャネルから電界の存在しない第２チャネルの中を通過してポンプで送り込まれる。さらにこの溶液は、主な関心事であるマイクロチャネル内に起こる電極ガス発生の防止を目的としている。
【００１５】
［J． G． Santiago,「有限の慣性力および圧力を有するマイクロチャネル内の電気浸透流 」（”electroosmotic flows in microchannels with finite inertial and pressure forces”）  Anal. Chem.  73： 2356-2365,  2001］では、ポアサイズを小さくする（そして、そのために圧力を増加させる）ために、３．５μｍシリカ粒子の多孔性フリットを含む毛細管を使用するポンプについて記載している。３．６μｌ／ｍｉｎの流れは２ｋＶの電位差を用いて達成された。脱イオン水が作動流体として使用されたが、やはり電極でガス発生が観測された。多孔性フリットの長さが５．４ｃｍで、チャネル直径（diametere）が０．５ｍｍおよび０．７ｍｍのポンプが使用された。
【００１６】
寸法が１ｍｍ（長さ）、０．９ｍｍ（高さ）、３８ｍｍ（幅）のオープンガラスチャネルを使用して、２ヵ月で１５μｌ／ｍｉｎから０．２μｌ／ｍｉｎまで減少する電気浸透速度が得られた［Chen, C. H., Zeng, S., Mikkelsen J. C. and Santiago, J. G.  「平面動電学的マイクロポンプの開発」（"Development of a Planar Electrokinetic Micropump”）,  Department of Mechanical Engineering,  Stanford University］。この電位差は１kVであった。また、脱イオン水が作動流体として利用されたが、電極反応（ガス発生）は存在した。
【００１７】
チャネルサイズが小さいためにレイノルズ数は低く、流れは通常、層を成す。結果として、混合は、主に、拡散によって起こり、多くの場合においてマイクロメートル寸法で効率的である。しかしながら、巨大分子（例えばＤＮＡなど）、細菌および細胞に関しては、対流が急速混合を実現する唯一の方法である。マイクロチャネルにカオス的な流れを導入するために種々の方法が試されてきたが、これは今もなお課題と考えられている。
【００１８】
論文［Shishi, Q. and Haim H. Bau,  「カオス的電気浸透性攪拌器」（"A Chaotic Electroosmotic Stirrer”）,  Anal. Chem.,  74（15）：3616-3625, 2002］は、壁部の表面電位をチャネル長さ座標に沿って時間的に変化させることによって混合が可能となる溶液について記載しており、この混合はいくつかの電極と１つの制御装置を用いて短い隣接したチャネル部に電界効果制御を導入することで行われる。このシステムには、比較的複雑な構造を持つという欠点がある。
【００１９】
また、動電学的に不安定なマイクロミキサーが、正弦曲線的に１００Ｖ／ｍｍを上回る電界を利用して製造された［Oddy, M. H., Santiago, J. G. and Mikkelsen,  J. C. Anal. Chem.  73,5822-5832（2001）］。
【００２０】
インスリン運搬用のＥＯ駆動マイクロポンプについては、［E. L. P. Uhlig, W. F. Graydon, and W. Zingg.  「移植可能なインスリンマイクロポンプの電気浸透性作動」（ “The Electro-Osmotic Actuation of implantable Insulin Micropumps” ）,  Journal of Biomedical Materials Research,  17：931-943, 1983］に記載されている。電気化学セル（Ａｇ｜ＡｇＣｌ｜ＮＡＣｌ｜陽イオン交換膜｜ＮａＣｌ｜ＡｇＣｌ｜Ａｇ）が作動用に用いられて、電流が１０分毎に反転する。終了まで反応が一方向に進まないようにするために、そして終了後も電流がほとんど、あるいは全く流れないようにするために、この反転が必要とされた。この電流反転にもかかわらず、第２次側チャネルで単一方向の流れを得るために電磁制御バルブが使用された。このチャネルはインスリンを含む金属ベローズと接触して、インスリンを体内に送り込んだ。このシステムは、複雑で可動部品を伴うという欠点がある。
【００２１】
たとえＥＯマイクロポンプがいくつかの利点を有するとしても、当該技術の現状では重要な問題が十分に解決されていないことは明らかである。一般的に、電極ガス発生問題は、ｉ）用途の分野を大いに限定する特殊な流体（脱イオン水と可能であれば緩衝液）を使用すること、またはｉｉ）ＥＯポンピングの領域から気泡を逃がすことのできる装置まで電極を離すことによって対処している。電位差が電極間隔に比例するために、後者はさらに大きな電位を必要とする。また、特にこの構造が各電極対を備えたいくつかのポンプを伴う場合は、設計がより複雑になる。
【００２２】
別な従来技術はＵＳ２００３１６４２９６Ａ１、ＵＳ−Ａ−５９８５１１９、及び以下の文献に記載されている。
2005538853.tif 000041
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本発明の目的は技術的課題が解決された新しいアクチュエータを開発することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
具体的には、ＤＣ信号を用いずに駆動可能なアクチュエータで、かなり低い電位を使用し、システムの化学的性質による影響をほとんど受けないアクチュエータを提供することが本発明の目的である。多くの場合において、ポンプの近くに電極を配置することが可能であり、これは最小電圧のさらに著しい低下をもたらし、マルチポンプシステムの製造に有利である。さらに、本発明の目的は先行技術の溶液で得られるものよりも、かなり高い流速の溶液を提供することである。さらに、本発明の目的はマイクロチャネル内で液体を混合するために使用可能なアクチュエータを提供することであり、これはまたマイクロ流体工学の課題の１つである。ほとんどの設計に関しては、本発明によるアクチュエータは両方向に同一のポンピング特性を示し、可逆的に作動可能である。
【００２５】
本発明の目的はチャネル入口から出口まで流体を輸送することのできるマイクロチャネルを提供することである。従来の電気浸透に基づく公知の先行技術の溶液と比較すると、本発明によるマイクロチャネルは、流量の増加、すなわち、流速を増加させて液体にマイクロチャネルを強制的に通過させることのできる流れを提供する。正味流量、すなわち、マイクロチャネルを通り押し流される流体の量は増加する。この改良された流量は、特定の幾何学的形状をもつ導電手段をマイクロチャネル内に配置することにより得られる。より正確に言えば、前記導電手段の表面部分は、マイクロチャネルに印加された電界に対して湾曲、または傾斜している。
【００２６】
本発明に関する基礎をなす理論は、いわゆる「第２種電気浸透（ＥＯ２）」（“ｅｌｅｃｔｒｏｏｓｍｏｓｉｓ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｓｅｃｏｎｄ  ｋｉｎｄ”（ＥＯ２））または「超高速電気浸透」（“ｓｕｐｅｒｆａｓｔ  ｅｌｅｃｔｒｏｏｓｍｏｓｉｓ”）である。特に方向性のある輸送を実現する場合は、ＥＯ２を得るために多数の条件を満たさなければならない。
【００２７】
ＥＯ２による液体輸送は、同じ電界強度Ｅを印加する伝統的な電気浸透（ＥＯ１）よりも１０倍から１００倍速い。電界強度Ｅの低下は電気化学反応に関する問題を減らし、また、移植可能装置と生体の近くで使用される装置に特に重要な、起こり得る漏れ電流の危険性を減少させる。さらに、高電圧発生装置の必要性がなくなり、システムコストおよびサイズを削減し、同時に携帯性を高める。
【００２８】
また、電界強度ＥＯ２において非線形であることは、直流電界成分がほとんど、あるいは全くなく、交流電界を用いて方向性のある液体輸送の実現を可能にする。このように、上記の安定性問題を縮小または解決することができる。
【００２９】
さらに、交流電界にとって分極電流が大きくなり、ファラデー（faradayic）電流が小さくなるにつれて、電極反応（電極ガス発生を含む）もまた、交流電界で縮小または解決されるであろう。
明細書および請求項において使用する用語の定義
マイクロチャネル：少なくとも１つの寸法がマイクロメートルまたはナノメートルの範囲にあるチャネル。
【００３０】
マイクロ流体システム：１つ以上のマイクロチャネル内で液体を輸送および操作するためのシステムで、その各マイクロチャネルを通る流速が１ナノリットル／minと５０ｍｌ／minの間にあるシステム。
【００３１】
アクチュエータ：一方向にポンプで送り込むか、あるいは循環流を導入するか混合するか、その両方によって液体を動かすための装置。アクチュエータは、主なたる対象となる流体に直接的に作用することができる（例えば解析すべきサンプルおよび試薬など）。また、例えばぜん動ポンプの膜をその膜の一面と接触する選択した液体を直接的に作動することにより動かし、その間その他の面が対象とする流体と接触しているなど、間接的作動に利用することも可能である。
【００３２】
平滑面（ｓｍｏｏｔｈ  ｓｕｒｆａｃｅ）：これにより、表面の凹凸がdcharの５％未満、好ましくはdcharの１％未満であると理解する。
【００３３】
特性直径dchar（Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  ｄｉａｍｅｔｅｒ dchar)：外部から印加された電界方向と平行に測定された導電手段の寸法。多数の導電性粒子が電界方向に互いに接触している場合に、dcharは、前記と同じ方向に測定した結果の導電性構造の全長とする。
【００３４】
特性半径 achar（Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃ  ｒａｄｉｉ  ａchar）：０．５倍dchar
基板（ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）：マイクロチャネルまたはチャネルシステムを製造する材料、例えばチャネルがエッチングされるシリコンウェハ、並びに、チャネルルーフを構成する上部-プレートなどを含む。
【００３５】
本発明によるマイクロポンプは、毎分数ノノリットル（nonoliter）の領域にある液体を毎分最大５０ｍｌまで輸送するように設計するされる。液体の量は特定の用途に依存しており、典型的には薬剤送達用に数ナノリットル（ｎｌ）／ｍｉｎから、“lab-on-a-chip” 用途にマイクロリットル（μｌ）／ｍｉｎ、そして冷却用途に数ミリリットル（ｍｌ）／ｍｉｎである。たとえ接頭辞「ナノ」（”ｎａｎｏ”）をサイズ範囲の下方部分に
使用することができるとしても、簡略化のため、マイクロポンプおよびマイクロチャネルという用語が本明細書中で使用する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３６】
本発明は、以下の図面および実施例を参照して説明する。図１は、本発明によるマイクロ流体システム１０の一般的な略図である。このマイクロ流体ネットワークは、基板１２の上または中に配置するのが好ましい。この図は２つのマイクロチャネル２０を示している。 矢印は、流体の流れ方向を表わす。セグメント２０ａは、マイクロチャネル２０の一部として表示している。電気的接続手段（１６）は、セグメント２０ａ内に電界Ｅを確立し、導電手段１８は一定の方向に液体を確実に押し進める。電極１６とセンサ２２の接点は参照番号２４で表示している。なお、電極１６はマイクロ流体システム内のどこにでも設置可能であり、例えばチャネル入口および出口などの前記システムの外側にも設置することができる。しかしながら、電極間の間隔が大きい設計はあまり好ましくない。また、アクチュエータは、例えばいくつかの基板の上にマイクロ加工する代わりに、毛細管内に形成することも可能である。
【００３７】
図２は、チャネル部２０ａの底部および最上部に固定した円形または球状の導電手段１８を有する、本発明の１つの実施態様の平面図を示す。ここでは、チャネル断面は長方形である。粒子間の間隔および粒子とこの壁部の間隔はacharにほぼ等しいため、混合と指向運搬の両方が起こる。また、この図に表示するのは、チャネル２０の壁部と電極１６（点線）の位置である。流れ方向は矢印で表わす。
【００３８】
図３では、導電手段１８を備えた本発明の１つの実施態様を示し、この導電手段はチャネル壁部に固定されて、チャネル（長方形の断面を有する）の深さに達する２つの傾けられた（傾斜した）平面として成形される。また、この図に示すのは、チャネル２０の壁部、電極１６の位置、および流れ方向（直線の矢印で表わす）である。導電手段２０間の間隔は、約２‐０．５acharと異なっているため、指向運搬に加えて、若干の混合が得られる。
【００３９】
図４は、図３に示すものに類似した実施態様を示すが、半円のシリンダーまたは半球の形状の導電手段２０を有する。導電手段１８間の間隔は１つの特性直径が約５acharであり、混合と指向運搬の両方を誘起する。電極１６の位置は点線で表わす。
【００４０】
図５は、流れ方向に円形シリンダーまたは球形として成形された導電手段１８の２つの連結層を備えたマイクロアクチュエータを示す。この導電手段は、マイクロチャネル２０の下部および上部に固定する。流れの方向と共に、電極１６の位置を表わす（点線）。導電手段１８とチャネル壁部の間隔はacharにほぼ（approcimately）等しいので、混合とポンピングの両方が得られることになる。
【００４１】
図６は、アクチュエータセグメント２０ａ、基板１２（例えばシリコン、ガラスまたはポリマーなど）および電極１６を含むマイクロチャネル２０の側面図を示す。また、図に示すのはチャネル最上部−プレート（基板と同じ材料から選択する）と流れ方向である。導電手段のセグメントは点線で表示しているが、導電手段１８は図示していない。
【００４２】
図７は図６に示すものと同じ構造の平面図を示す。
【００４３】
図８は、基板１２、チャネル底部および最上部に固定した長円体形または楕円形の円筒型導電手段１８を有する本発明の実施態様を示す。電極１６の可能な位置は、点線で表示されている。導電手段１８間の間隔が小さいために、大概は有向ポンピングが得られる。
【００４４】
図９のアクチュエータは、図８に描写したものと類似しているが、互いに接触しない２層の導電手段１８を流れ方向に有する。
【００４５】
図１０は、２つの傾けられた（傾斜した）導電手段１８を備え、チャネル壁部に固定し、チャネルの深さ全体に達するマイクロアクチュエータを示す。導電手段１８間の間隔はacharと比較すると相対的に小さいため、指向運搬が得られる。可能な電極位置を点線で表示する。
【００４６】
図１１は、図１０に示すものと類似の傾斜した導電手段１８を備えた別の実施態様を示すが、チャネル幅の中に追加層の導電手段を有する。
【００４７】
図１２は、チャネルセグメント２０ａ（２つの点線で限定される）を含む拡大チャネルセグメントを有するマイクロチャネル２０を示し、導電手段１８を含む。後者（導電手段１８）は図示しない。このアクチュエータはより大きな圧力を形成するという利点がある。
【００４８】
図１３では、マイクロアクチュエータセクション２０ａを含むチャネル２０の一部を示し、導電手段１８がチャネル壁部の一部になっている。円形に成形された電極１６も示す。導電手段間の間隔はacharと比較すると小さいため、有意な指向運搬が得られる。流体と比較すると導電性壁部１８の導電率が高いために、局所電界は前記導電手段１８方向にそれて、法線方向の電界成分および接線方向の電界成分の両方を作り出す。
【００４９】
図１４では、マイクロアクチュエータセクション２０ａを含み、傾斜した導電手段１８を備えたマイクロチャネルセクション２０の一部の幾何学的形状を表示する。チャネル壁部と導電手段表面との間の角度を、原型のチャネル直径d0、原型のチャネル壁部と傾けられた平面上の点との間の法線間隔ｈ、特性直径dchar、およびチャネル長さ軸Ｘと共に表示している。
【００５０】
図１５は１つの実施態様の導電手段を備えたマイクロチャネルセクション２０ａを示し、マイクロチャネル２０の残りの部分と同心の円形幾何学的形状の傾斜した導電手段１８を有する。
【００５１】
図１６は、４つの電極を備えたマイクロチャネルを示す。ここでは、導電手段１８は（円筒型）チャネルの一部を構成し、一方、電極１６はこのセクションに対して上流と下流に設置する（図示せず）。導電手段は管状のイオン交換膜でもよい。第２電極対１６ｂは流れに対して法線方向の電界を誘起し、ＳＣＲ蓄積の原因となる。これらのうちの１つは、マイクロチャネル２０と同心の円形チューブとして成形され、より大きな半径を有する。これは、金属箔または金属堆積物、ある種の導電性塗装または表面処理またはその他で構成することができる。法線方向の電界を誘起するもう一方の電極は、金属線であることができ、絶縁物または他の固定方法を用いて、導電手段１８から少し離れた位置に保持する。これはチャネル中心軸に沿って設置するのが好ましい。
【００５２】
図１７は導電手段を含むマイクロチャネル部２０ａの平面図を示し、そこでは１つの導電性粒子がチャネル２０の拡大部に設置され、この領域の間隔を最大約２acharにすることで、流れを良くして、効率の良い混合をもたらす。導電手段と壁部との間隔が０．５achar以下なので、マイクロチャネル部２０ａの隣の部分は主に方向性のあるポンピングを与える。
【００５３】
図１８では、導電手段１８をマイクロ加工された半円の穴を有する２つのプレート間で固定した実験装置のチャネル断面を表示する。マイクロチャネルの長さ方向はこの紙面に対して法線方向に向け、チャネル側壁部は、両側にある密封塊によってこれらプレートを密封することにより製造する。導電手段１８として、球状のスルホン化スチレン−ジビニルベンゼンイオン交換粒子を使用した。
【００５４】
図１９は、図１８の実験装置に使用するマイクロ加工された穴開きプレートの平面図を示す。
【００５５】
図２０は、導電手段１９、電極１６およびマイクロチャネル２０の両側に２つの液体リザーバーを含む実験装置の平面図を示す。
【００５６】
一般的に、導電手段１８は長円体形、円形または楕円形シリンダーの形状、球形状、半球形状、あるいは円形の断面を有する形状をとることができる。さらに、印加される電界と０度から８５度の間の角度、好ましくは３０度から６０度の範囲内の角度を有する平面形状をとることもできる。導電手段は、作動させる液体の導電率の少なくとも５倍、好ましくはこの導電率の少なくとも１０倍の導電率を持たなければならない。
【００５７】
導電手段（１８）の特性寸法dcharは、０．１μｍから５ｍｍの範囲内にあるべきで、多くの用途では１０μｍと５００μｍの間にあるべきである。
【００５８】
指向性ＥＯ２ポンピングが特に望ましい（were）用途に関しては、導電性粒子１８間の空間と、導電性粒子１８とチャネル壁部２０ａ間の空間が、１／８と１／２achar の間になる必要がある。この壁部との間隔は、図３、図４および図１０、図１１にあるように、導電手段１８が壁部に取り付けられる場合は当てはまらない。流れ方向の１層の粒子に関しては、この間隔はより小さいか、あるいはゼロでもよい。１層以上の層がある場合は、各層の粒子間の空間か、隣接層の粒子間の空間か、またはその両方が存在しなければならない。
【００５９】
混合も得なければならない場合は、この間隔は最大２acharまでになることが可能である。最長間隔では、主として混合が得られる。
【００６０】
図１３は、導電手段１８がマイクロチャネル壁部２０の一部である１つの実施態様を示す。これは本発明の特殊な態様であり、ＥＯ２の条件は、導電手段１８付近の局部的な電界の低下により確定する。
【００６１】
導電性領域の長さは、導電性粒子に対するものと同じにならなければならない。チャネルの形状は、長方形、円形または楕円形でもよい。ここでは、dcharは流れ方向に測定する導電性電界の長さである。導電性粒子に類似することによって、２つの向かい合う導電性壁部間の間隔は、方向性流れを得るために１／８から１／２acharになることが好ましい。導電性領域は、チャネル円周の一部（例えば壁部など）、またはチャネル円周全体を覆うことができる。
【００６２】
図１３に描かれている導電性壁部を有する構造に関しては、電極１６はチャネル壁部の一部分２０bから少し離れたところに設置されて、チャネル幅の１／３以下を占めることが好ましい。それらは、上記よりも電極１６の近くに設置することができ、さらに導電性壁部の領域２０ｂ内に設置することができる。また、この構造はチャネル幅に導電手段のいくつかの長方形ブロックを使用することにより延長することができる。前記の幾何学的形状では、接線方向の電界成分を増加させるために、導電性ブロックの先端部を電気的に絶縁することが可能である。
【００６３】
一対の電極１６を含む構造に関しては、電極は導電性領域との関連でそれぞれ上流および下流に設置する必要がある。これらは、チャネル壁部２０b円周の一部または全体の中、あるいはその上に堆積された電子的に導電性の領域であってもよく、あるいはチャネル内の格子または他の（好ましくはマイクロ加工された）構造であってもよい。それらは、マイクロ加工した導体により電源（図示せず）に接続することができる。また、電極１６はチャネル壁部２０bを通り外側から挿入される金属線で簡単に構成することができる。電極１６は、一直線の電界を得るために導電手段１８から少し間隔をおいて設置しなければならないが、高電位を防止するために間隔を広くしすぎるべきではない。通常、各電極と導電手段１８との間の間隔は、０．５ｍｍから５ｍｍの間になる必要がある。しかし、この間隔はより小さくても大きくてもよい。
【００６４】
４つの電極を備えたマイクロポンプを図１６に示す。ここでは、長さdcharの導電性円形チャネル部を、ＳＣＲを誘起する原因となる電極の１つを構成する同心の導体で包み込む。この目的のもう一方の電極は、導電性チャネル内に置く。もう一方の電極は、チャネル壁部との電気的接触を防止するために、絶縁物を有する金属線にすることができる。理想的には、流体流を可能にする絶縁構造を用いて、チャネル中心に固定する。他の一対の電極は、上記のとおりポンピング領域に対して上流および下流に配置しなければならない。
【００６５】
２つ以上の流体を混合可能なマイクロポンプは、前記導電手段を取り囲む領域の大部分を開放しておく（他の導電性粒子または壁部で占領されない）ことにより製造することができる。これが、ほとんどまたは独占的に循環流れをもたらすので、ポンプは方向性流れ用に最適化された開放空間を備えた室部を含まなければならない（１／８−１／２achar）。前記混合ポンプを、図１７に示す。混合室２４はいくつかの導電性粒子１８を含み、そのサイズは望みの混合時間に基づいて決定することができる。  以下に、球状粒子の形状の導電手段を参照しながら、この基礎をなすメカニズムについて主に記載する。しかしながら、dchar＝２acharに関する記述は、すべての形状に使用することができるため、他の幾何学的形状への拡張は容易である。
【００６６】
本発明の基礎をなす概念は、接線方向の電界成分が法線成分によって誘起されるＳＣＲに作用するということである。その後、ＳＣＲで溶媒和イオンは伝統的なＥＯ用のＥＤＬ内のイオンと同様に輸送される。両方の場合において、バルクポア液体は粘性力によって動かされる。
【００６７】
ＥＯ1の速度はSmoluchowskyの式で与えられる、
式１
【００６８】
【数１】
2005538853.tif 000042
【００６９】
ここで、液体の誘電率、壁部の表面（ゼータ）電位、帯電した表面に平行な電界強度Ｅ‖、および液体粘度である。ＥＯ２に関しては、この式で速度を得る。
【００７０】
式２
【００７１】
【数２】
2005538853.tif 000043
【００７２】
Ｅは法線方向の電界成分である。
【００７３】
導電性粒子が他の形状の場合は、dcharが流れ方向に測定される直径になるようにする。ＳＣＲ電荷はdchar倍のＥにほぼ等しい。
【００７４】
従来の電気浸透（ＥＯ1）は、ＥＤＬ内の永久電荷（イオン）の輸送により引き起こされる。これらのイオンは、加水分解される（すなわち、多数の水分子が各イオンに結合している）か、あるいは概して溶媒和される（水以外の溶媒を使用してもよい）。電界が電荷を動かす場合に、水もまた輸送される。この効果が弱帯電域で起こる間、全ポア−流体は、粘性力によって動かされる。この水輸送は、ＥＤＬ（またはゼータ−）電位およびＥに比例する。
【００７５】
ＳＣＲが表面上のＥＤＬの存在とは無関係に確立されることが重要である。「第２種電気浸透」の概念は、弱帯電域に電源を有することでＥＯ１との類似性を表わしており、バルク液体に作用する電気的効果とは異なる（後者は、電気流体力学効果と呼ばれる）。
【００７６】
電界が強濃度分極を与えるのに十分に強い場合、ＳＣＲは導電性表面上に誘起される。次に、この分極域はバルク液体との境界に拡散域と、導電性表面に近接したＳＣＲ層と、可能であればこの表面に最近接したＥＤＬから成る。前記分極現象については、イオン的、および電子的導電性物質の両方に関して記載されてきた。
【００７７】
この分極現象については、より低い導電率の流体内の選択透過性（陽）イオン導電性物質を参考に最も簡単に説明することができる。この現象は公知であるため、ここでは手短に記載する。電界を膜方向に向けることによって、陽イオンは固体材料方向に、または、それを通過して輸送され、一方、陰イオンは選択透過性のために反対方向に通過できない。定常状態で、膜から離れた共イオンの電子気拡散流動は、反対方向の拡散流動によって補われる。このように、膜方向に濃度減少を有する拡散域が観察される。電界強度を増加すると、電流は増加し、同時に濃度減少は大幅になり、膜付近のイオン濃度ゼロで限界に達する。この時点で電圧をさらに増加させると、電流増加は観察されないため、「限界電流」（“ｌｉｍｉｔｉｎｇ  ｃｕｒｒｅｎｔ”）という。
【００７８】
しかしながら、この限界電流は電圧-電流曲線のプラトーを表わす一方で、電圧が十分に高くなった場合に、電流のさらなる増加が起こる。この強濃度分極の１つの特徴は、膜付近（膜と拡散域の間）にＳＣＲが現れることである。
【００７９】
限界電流を超える現象が起こる理由の１つは、分極域に拡散イオン輸送を増加させるＥＯ２渦（循環的流れ、電気対流と呼ばれることもある）の出現である。たとえ平膜であっても、ＥＯ２渦が観察される。
【００８０】
電解膜プロセスにおいて、これはよりエネルギー効率の良いプロセスをもたらすことから、可能な限り低い電圧で高電流が望ましい。このように、特殊な膜および積層設計によって電気透析でＥＯ２対流を増加させることは、いくつかの研究の目的の１つとなってきた（下記の実施例参照）。
【００８１】
ＥＯ２を得るための条件は次のとおり要約することができる：
1．接線および法線方向の電界成分の両方をその表面まで備えた導電性媒体は、導電率のより低い液体に取り囲まれる。接線および法線方向の電界成分の両方の存在は、以下の方法で得ることができる：
ａ）導電性物質は円形（球状または円筒型）あるいは傾斜した構造を有することにより、２つの電極（チャネル壁部に２つの平行な平面または直線として成形してもよい）により簡単に導入された電界に両成分が現れる。
【００８２】
ｂ）さらに２つの電極を用いて、ポンプは導電性壁部を備えた円筒型ポアチャネルから成ることができる。この本明細書に記載のとおり、システムの幾何学的形状で、局部的な電界がポア壁部の方向にそれて、接線および法線成分の両方を壁部にもたらす。これを図１３に示す。
【００８３】
ｃ）４つの電極を使用することによって、２つはＳＣＲを誘起し、２つはイオンを動かす。これを図１６に示す。
【００８４】
2．ＳＣＲを誘起するのに十分に大きな（法線）電位降下。これは、１つの特性粒子直径を横断する無次元の電位降下が１よりも大きいということを意味しており、次のとおり表わされる：
式３
【００８５】
【数３】
2005538853.tif 000044
【００８６】
3．接線方向の電界成分は大きすぎてはならない。さもなければ、ＳＣＲがイオンから消失し、ＳＣＲは薄くなる。したがって、電位は以下を超えてはならない：
式４
【００８７】
【数４】
2005538853.tif 000045
【００８８】
ここでは、Ｒは気体定数、Ｔは温度、Ｆはファラデー定数、ｍは水溶液の場合は０．２に等しい無次元定数、そして逆デバイ‐長である。
【００８９】
4．導電性媒体は、イオン、電子または穴を用いて導電することができる；そしてそれは導体または半導体でもよい。非多孔性であることが好ましく、また、速度減少招くものの、多孔性であることもできる。選択透過性イオン-導体について、最良の結果が得られる。
【００９０】
5．水分解を防止するために、ＳＣＲ濃度は水のイオン積を超えなければならない。ＥＯ２対流は分極から生じる濃度低下に対抗するので、それ以上では水分解が存在しないより低い電界強度が観察される：
式５
【００９１】
【数５】
2005538853.tif 000046
【００９２】
式中、ｋw＝１０-7Ｍは水の解離生成物であり、ｃは液体イオン濃度である。
【００９３】
さらに、次はＥＯ２の理論において基本となる薄いＳＣＲの条件である。これは次の式で与えられる：
式６
【００９４】
【数６】
2005538853.tif 000047
【００９５】
これらの条件から、ＥＯ２が現れる電界強度の間隔は、ある特定のシステムについて算出することができる。この間隔は、式３-６から分かるように、とりわけイオン濃度および平均粒子径によって決まる。この算出された臨界電界強度を、図２４から図２７にプロットする。
【００９６】
法線および接線方向の電界成分の両方に依存する結果として、流速は電界強度内で非線形である。この理由で、ＥＯ１に反して交流電界を印加できる（図２３に示す）。ＥＯ２に関しては、速度は電界強度の二乗にほぼ比例する。
【００９７】
ここで、本発明による方向性ＥＯ２ポンピングに関する付加的な条件を示す。
【００９８】
1．導電性物質の表面は滑らかでなければならず、さもなければ方向性を持ったＥＯ２輸送が得られない（循環流が現れる）。
【００９９】
2．球形に関しては、図２２の流れパターンが観察される。これは、球形からの一定間隔で流れが逆転することを意味する。このように、液体流に使用可能な、導電手段を構成する粒子に近接する有限のウインドウ（ａ  ｌｉｍｉｔｅｄ  ｗｉｎｄｏｗ）のみがあるべきで、これが導電性粒子間の間隔と、導電性粒子と例えばチャネル壁部などの他の固体材料との間の間隔を決定する。有向な流れを得るために、粒子は２achar以下の間隔、好ましくは１／８と１／２acharの間の間隔になるようにする必要があることが実験から明らかになった。
【０１００】
例えば導電性顆粒の単層など、これに関係しないいくつかの構造もまた使用することができるが、流れが減少するためあまり好ましくない。単層以上の稠密構造は、ＥＯ２によって循環流しか得られないため、使用することができない。また、流れ方向内の導電手段の側にある非多孔性の層は、有向なＥＯ２流れを止める。
【０１０１】
3．導電性物質の他の形状に関しては、構造特性は類似しなければならない。したがって、本明細書で定義しているように、導電性粒子はその特性寸法 acharの１／８と１／２acharの間の間隔になるようにする必要がある。
【０１０２】
電気信号
電気信号は、正方形−三角形−鋸歯状−正弦−あるいは他の形状を持つ交流電圧で構成することができる。図２８に示すように、この周波数は流体力学的周波数よりも小さくなければならない。このように、ａchar＝１ｍｍからｆ＿ｍａｘ＝１Ｈｚが得られ、ａchar＝１０μｍからｆ＿ｍａｘ＝１００Ｈｚが得られ、そしてａchar＝１０μｍからｆ＿ｍａｘ＝１０ｋＨｚが得られる。各パルスに有意な周期の流れを得るために、この理論上の最大値よりも１／１０の周波数を使用すべきである。
【０１０３】
対称な導電手段の幾何学的形状に関しては、信号は好ましくはデューティサイクルを有し、より好ましくは２９％のデューティサイクルを有するべきであり、これは強いパルス（望ましい方向にＥＯ２流れを与える両極性を有する）がこの信号周期の２９％の持続時間を有するべきことを意味する。デューティサイクルを用いる場合、信号は平均的な信号直流成分がゼロになるために選択されるオフセットを有することが好ましい。
【０１０４】
対称性の崩れた導電手段（例えば図１０および図１１など）に関しては、対称の交流信号を使用することができる（正方形-三角形-鋸歯状-正弦-あるいは他の形状）。
【０１０５】
電極反応が問題（例えば短い作動時間および希釈液など）にならない用途に関しては、直流電圧成分または純直流電圧を使用することができる。
【０１０６】
好ましくは、分極を最も早く進める定電位（ｐｏｔｅｎｔｉｏｓｔａｔｉｃ）法で、電力を送り込むべきである。
【０１０７】
４つの電極に基づくマイクロポンプに関しては、位相が互いにずれる２つの交流信号を、２つの対応する電極対間に印加しなければならない。そのため、パルスパターンは以下の順序に従う：
１．ＳＣＲを蓄積する流れに対して法線方向のパルス
２．パルス（１）の間の始動：ＥＯ２輸送をもたらす流れに対して平行なパルス
３．ＳＣＲおよび対応する電極対の脱分極を誘起する、流れに対して法線方向と反対側のパルス
４．対応する電極対の脱分極を誘起する、流れに対して平行方向と反対側のパルス
信号はまた、信号のない一時停止で中断される。一時停止はこの信号のＮサイクル毎に起こることができ、Ｎは数字の１以上の数である。信号は電子装置（マイクロチップまたはコンピュータ）によって制御されて、作動中は自動でまたは手動で変更および制御をすることができる。これはシステムマイクロセンサから得られるシステム性能の情報に基づいて行われる。
【０１０８】
好ましくは、信号周波数は、電極分極時間の逆数よりも高くなるように選択すべきである。
【０１０９】
式７
【０１１０】
【数７】
2005538853.tif 000048
【０１１１】
式中、Ｌは電極間の間隔であり、は逆デバイ長（逆ＥＤＬ厚さ）であり、そしてＤはイオンを運ぶ電流の拡散係数である。
【０１１２】
交流またはパルス電気信号が印加される場合は、最大周波数は流体力学時定数により決定し、
式８
【０１１３】
【数８】
2005538853.tif 000049
【０１１４】
式中、  は液体の動粘度である。
【０１１５】
製造、材料、システム例
マイクロ流体装置は、マイクロエレクトロニクス産業において使用されるマイクロ加工および処理技術を用いて製造することができる。これは、また本発明によるマイクロポンプにも適用される。これらの方法は、チャネル、並びに、三次元構造を基板（シリコン、ガラスまたはポリマー）にして、また導電性構造（金属またはポリマー）をチャネル内に置くことを可能にする。前記の方法は、低コストの大量生産という点に関して、マイクロエレクトロニクスと同様の利点を有する。
【０１１６】
本発明によるマイクロポンプは、他の方法や材料で、例えば細いガラス毛細管の中に設置するポンプ用に製造することができる。
【０１１７】
導電性または非導電性フィルムは、基板上（例えば厚さ０．４ｍｍの円形シリコンウェハなど）に蒸着させることが可能である。チャネルおよび他の構造は、放射線をフォトレジスト（マスク）に当てて石版印刷法によりパターン形成することができる。三次元導電構造は、例えば金属の電気めっきなどによって、チャネル内部で形成することが可能である。
【０１１８】
マイクロ加工技術は、事実上無限にある方法で組み合わせ可能な多数の技術を提供し、ほぼいかなる構造の製造も可能にする。本明細書では、数件の実施例のみを収載する。なお、他の材料（例えばシリコン基板の代わりにガラスまたはポリマーなど）や方法を用いることが可能である。
【０１１９】
図６では、マイクロポンプ用に確保された領域を含むマイクロチャネルの一部の側面図を示す。この図は、シリコンウエハ（またはポリマーまたはガラス）と最上部プレート（ガラスまたはシリコンまたはポリマー）を含む基板１２を示す。導電手段用に確保した領域２０ａを、（必ずしも物理的ではない）境界線で表す。この部分の構造の実施例は、図８-１１に示す。ここでは、電極１６は上部プレートの穴を貫通する金属線で構成される。この電極は、また上記の方法で製造される。
【０１２０】
同じ構造の平面図を図７に示す。
【０１２１】
図８−図１１に示す導電手段１８は、電気めっき方法で製造することができる。また、導電性ポリマーのマイクロ金型成形（例えばマイクロ射出成形など）によって製造することも可能である。別の可能性としては、円形または傾斜した材料をシリコンウエハにエッチングした後に、導電性を付与するためにドーピングすることである。
【０１２２】
対称性の崩れた導電手段（図１０および図１１のように）に関しては、左右対称の交流電気信号が使用される。
【０１２３】
別の可能性としては、いくつかの既製の導電手段（例えば球形または繊維状のイオン交換体、炭素、金属または導電性ポリマーなど）をチャネル内に機械的に配置することにより、導電手段を導入することである。次に、この導電手段は、チャネル底部と最上部プレート間の機械的圧力により固定することが可能であり、それを、正しい位置に保つために前記プレートに小さな空洞をエッチングすることができる。また、導電手段は結合剤または他の方法を用いて固定してもよい。
【０１２４】
図１３の導電性壁部を備えたポンプに加えて、図１２に示す幅広ポンプもまた、上記のとおり製造することができる。
【０１２５】
図１５に示すマイクロポンプは、マイクロ金型成形技術によって、または特殊な管状の膜を用いて製造する。
【０１２６】
図１６の４-電極ポンプは、次の材料で構成される：管状イオン交換膜、この膜と同心の金属チューブ、この膜に金属箔を巻き付ける、あるいは金属を蒸着させることによる、膜との接触を防止する絶縁性部分を備えた硬い金属線。
【０１２７】
図示したポンピング方向は、電気信号を逆向きにすることで逆転することができる点を言及しておかねばならない。
【０１２８】
一般的に、どの電子導体、イオン導体あるいは穴開き導体も、その導電率が輸送される液体の導電率の少なくとも５倍、好ましくは１０倍かそれ以上である限り、導電手段として利用することが可能である。材料の例は、ドープシリコンおよび他の半導体、金属、イオン交換体、例えばジビニルベンゼン架橋スルホン化ポリスチレン（ＰＳ−ＤＶＢ）、導電性ポリマー（例えばドープポリアニリン（ＰＡＮｉ）、ポリエチレンまたは他のドープポリマーなど）、炭素、グラファイト、前記導電性物質の何種かを充填したポリマーなどを含む。
【０１２９】
基板は、シリコン、ガラスまたはポリマーまたは他の材料でもよい。典型的には、マイクロ流体システムは円形（直径１０ｃｍまたは１５ｃｍ、厚さ０．４ｍｍ）シリコンウェハで製造される。各ウエハは、１つまたは多数のマイクロシステムを含むことが可能である。
【０１３０】
電極はどの電子材料、導電性材料からでも製造することができる。典型的には、マイクロ加工の金属電極が使用されるが、その他の可能性としては、グラファイトまたは炭素またはドープシリコンが挙げられる。
【０１３１】
用途
本発明に記載のマイクロポンプまたはマイクロアクチュエータの主な用途について記載する。一般的に、本発明によるマイクロポンプは、マイクロシステム内の位置間、マイクロシステムと外部（サンプルをシステムに注入する、他のシステムまたは生体に液体を送り込むなど）間で液体を輸送する。大半の用途では、対象液体をポンプで直接的に送り込むが、このポンプはまた、液体をこの方向（例えば、液体を膜の側面の方へ、また、送り込む液体と接触させずに該膜から離してポンプで送り込むことで、往復ポンプ用の膜を作動できる）にポンプで送り込むことで他のマイクロデバイスを間接的に動かすアクチュエータとして使用することもできる。本発明の別の用途は、なんらかの円形のＥＯ２動作を残すことによって、マイクロスケールで液体を混合することである。
ラボ−オン−チップ（実験室チップ）
微小化学物質分析システム（Ｍｉｃｒｏ−Ｔｏｔａｌ−Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ）（μ−ＴＡＳ）あるいはマイクロラボラトリとも呼ばれるこの種のシステムは、いくつかの化学および物理的センサおよび解析装置を備えた高度小型化システムである。このアクチュエータは、このシステムと環境の間の輸送と同様に、システム内で液体を混合および輸送するために必要とされる。“Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐ”システムは、解析を行うために設計されており、その他の点では、従来の実験作業を要する。また、これらのシステム内で化学合成を行うことができる。
【０１３２】
従来の解析と比較した利点は、以下の点を含む
−  従来の実験解析と比較して消費される労力が格段に少ない
−  必要なものは、顕微鏡検査用の量のサンプルおよび試薬のみ
−  かかる時間は格段に短い
−  小型ポータブルシステムを作成できる
−  格段のコスト削減および処理能力増加
いくつかの実施例の用途について以下に記載する：
−  今日、時間と労力を消費する検査分析を要する医学的分析は、診療所、現場  または在宅で（データを診療所に送信）、数秒で行うことができる。
−  プロテオミクスおよびＤＮＡ解析は、今日、使用する技術が限られた科学である。“  Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−Ｃｈｉｐ”  システムの開発は、解析処理能力を格段に増加させることができる。
−  医薬品開発：マイクロシステムの導入は、新薬の開発にかかるコストおよび時間を大きく削減する。
−  化学物質開発：従来の実験作業よりもより早く、より安全で、より低コスト。
−  医療用途は、ポイントオブケア（ｐｏｉｎｔ  ｏｆ  ｃａｒｅ）臨床検査を含む。
【０１３３】
いくつかの自動化システムは今日、特に医学的分析の分野に存在する。
上記のとおり、“Ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ”システムを開発するために不足している構成要素は、マイクロポンプである。典型的なポンプ性能は、１００パスカルの圧力で２μｌ／ｍｉｎとする。超小型ポンプは移植可能装置に使用することが可能であり、薬剤（例えば糖尿病患者用のインスリンなど）を体内に送達する。このシステムは生体の測定値（糖尿病の場合は血糖値）によって制御される。長期間の信頼性、電極反応がおきないこと、および低電圧は、このようなポンプの重要な特性である。通例、毎分数ナノリットルをポンプで送達する。
【０１３４】
冷却
マイクロスケール冷却サイクルは、マイクロエレクトロニクス内の熱を取り除く問題を解決する。このシステムのポンプは、通常１気圧以上の圧力で毎分１０ｍｌを送出する。このポンプと熱交換器（冷却装置）は分離した、あるいは同じマイクロチップに統合することができ、一方、熱交換器は、環境と接触するマイクロ加工の、または他の微細チューブで構成する必要がある。
【０１３５】
実験結果
簡単な実験を実施し、マイクロシステム内のＥＯ２混合および有向性運搬を証明した。実験装置については、図１８から図２０に記載する。マイクロ加工の穴開きプレートは、選ばれたサイズの顆粒を、互いの間隔を選択し、その中で設置することを可能にした。
【０１３６】
ＤＯＷＥＸ５０ＷＸ８強酸性陽イオン−交換顆粒を実験に使用した。穴開きプレートの幅は、０．４ｍｍであった（流れ方向に測定された）。
【実施例】
【０１３７】
実施例１
マイクロミキサー
直径（dchar）約６００μｍのイオン交換粒子１列を穴開きプレートに設置した。図２０の配置とは異なり、１つの粒子を１穴おきに設置し、隣接した粒子間に２acharの空間を残した。実験は流れを観察するために色付きの小さな粒子を用いて行い、観察は光学顕微鏡を用いて行われた。この色付きの粒子をＥＯ２ミキサーの内部に設置した（穴開きプレート間であるが、リザーバー内ではない）。
【０１３８】
【表１】
2005538853.tif 000050
【０１３９】
すべての場合において、図２２に示すものと類似した流れパターンが観察された。色付きの粒子は信号を印加して数分後にポンプから離れなかったため、円運動だけが存在し、（有意な）有向ポンピングは存在しなかったと結論づけることができる。これは予想されたことだった。それは、粒子の間隔が１つの粒子半径acharを大きく上回っており、それを超えると流れ反転が観測されるためである。この実験では、低周波ＡＣ信号を使用する理由は、比較的大きな導電性平均粒径であった。
【０１４０】
実施例２
マイクロポンプ
マイクロポンプは、穴開きプレートの隣接した穴の中に、１列のイオン交換粒子（直径 約４００μｍ）を配置し、１つの粒子半径acharよりもいくぶん小さい空間をその粒子間にとることにより製造した。
【０１４１】
【表２】
2005538853.tif 000051
【０１４２】
これは、非常に低い電位差を用いて大きな流速を得ることができるということを示しており、交流電界を利用できるということも示している。この実験において、約１０ｍｍの電極間隔を使用した。実際には、電極間隔は１ｍｍのオーダーになる。したがって、本発明によるマイクロアクチュエータに関しては、１Ｖのオーダーの電位差で、毎秒ｍｍのオーダーの流速を得ることができるが、一方、他で報告されたアクチュエータに関しては、通常同じ速度を得るためにkV範囲の電位差が必要とされる。
【０１４３】
イオン交換粒子間の間隔は最適値よりもかなり大きいので、電圧を増加させずに速度をさらに増加させることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１４４】
【図１】マイクロ流体システムの一般的な概略図を示す。
【図２】球状粒子から成る導電手段の平面図を示す。
【図３】傾斜面から成る導電手段の平面図を示す。
【図４】半球から成る導電手段を示す。
【図５】導電手段として使用する２層の粒子を示す。
【図６】アクチュエータ部分を含むマイクロチャネルセグメントを側面図で示す（導電手段は図示せず）。
【図７】マイクロポンプの領域を含むマイクロチャネルの一部の平面図を示す（導電手段は図示せず）。
【図８】図８は、楕円形の導電性粒子を有するアクチュエータを含むマイクロチャネルの一部の平面図を示す。
【図９】図９は、楕円形の導電性粒子を有するアクチュエータを含むマイクロチャネルの一部の平面図を示す。
【図１０】傾斜した導電性平面を有するマイクロポンプを含むマイクロチャネルの一部の平面図を示す。
【図１１】傾斜した導電性平面を有するマイクロポンプを含むマイクロチャネルの一部の平面図を示す。
【図１２】マイクロポンプの拡大領域を含むマイクロチャネルの一部の平面図を示す（導電手段は図示せず）。
【図１３】導電手段が壁部の一部を構成しているマイクロポンプを含むマイクロチャネルの断面を示す。
【図１４】導電性傾斜面または壁部を備えたマイクロポンプの幾何学的形状を示す。
【図１５】円形のチャネル断面を有する導電性傾斜壁部を備えたマイクロポンプを示す。
【図１６】４つの電極を備えたマイクロポンプを示し、ＳＣＲを誘起するための一対の電極（１つはワイヤーとして、もう１つはチャネルと同心のチューブとして成形される）を有する導電性チャネル部で構成される。もう一対の電極は、導電性チャネル部の上流および下流に設置する。
【図１７】ポンプに入る２つの流体を混合するというさらなる利点を有するマイクロポンプを示す。
【図１８】マイクロチャネル内の流れを明らかにする実験装置内のチャネル断面を示す。
【図１９】実験用マイクロチャネル作成に使用される穴開きプレートを示す。
【図２０】液体充填領域を表わした実験装置の平面図を示す。
【図２１】法線方向の電界成分がＳＣＲを誘起し、一方、接線成分がイオンおよび液体輸送をもたらす強い（式３による）電界で、より低い導電率の液体内における単一導電性粒子上のＥＯ２の原理を示す。
【図２２】主に円形と考えられる粒子周囲のＥＯ２の流れを示す。
【図２３】本発明によるＤＣ成分をもたない電気信号を示す。
【図２４】ＥＯ２を得るための電界強度領域を示しており、E#min#WSは水の解離を防止するための最小値Ｅであり（式５）、E#max SCR#Flux（式４）またはE#max#thin#SCR（式６）はＥＯ２を得るためのＥの上限であり、E#min#EO2（式３）はＥＯ２を得るための最小電界強度であり、一方、E#lower#EO2はこれの４倍であり、より低い電界強度を示しており、この場合（were）、ＥＯ２がＥＯ１よりも有意に速い。電界強度は、異なる平均粒径（図２４：平均粒径ａ＝１０μｍ、図２５：平均粒径ａ＝１００μｍ、図２６：平均粒径ａ＝１０ｍｍ、図２７：１つの図に平均粒径ａ＝１，１０，１００，１００μｍ）毎に、水（ＮａＣｌ溶液）中イオン濃度の関数としてプロットしている。
【図２５】ＥＯ２を得るための電界強度領域を示しており、E#min#WSは水の解離を防止するための最小値Ｅであり（式５）、E#max SCR#Flux（式４）またはE#max#thin#SCR（式６）はＥＯ２を得るためのＥの上限であり、E#min#EO2（式３）はＥＯ２を得るための最小電界強度であり、一方、E#lower#EO2はこれの４倍であり、より低い電界強度を示しており、この場合（were）、ＥＯ２がＥＯ１よりも有意に速い。電界強度は、異なる平均粒径（図２４：平均粒径ａ＝１０μｍ、図２５：平均粒径ａ＝１００μｍ、図２６：平均粒径ａ＝１０ｍｍ、図２７：１つの図に平均粒径ａ＝１，１０，１００，１００μｍ）毎に、水（ＮａＣｌ溶液）中イオン濃度の関数としてプロットしている。
【図２６】ＥＯ２を得るための電界強度領域を示しており、E#min#WSは水の解離を防止するための最小値Ｅであり（式５）、E#max SCR#Flux（式４）またはE#max#thin#SCR（式６）はＥＯ２を得るためのＥの上限であり、E#min#EO2（式３）はＥＯ２を得るための最小電界強度であり、一方、E#lower#EO2はこれの４倍であり、より低い電界強度を示しており、この場合（were）、ＥＯ２がＥＯ１よりも有意に速い。電界強度は、異なる平均粒径（図２４：平均粒径ａ＝１０μｍ、図２５：平均粒径ａ＝１００μｍ、図２６：平均粒径ａ＝１０ｍｍ、図２７：１つの図に平均粒径ａ＝１，１０，１００，１００μｍ）毎に、水（ＮａＣｌ溶液）中イオン濃度の関数としてプロットしている。
【図２７】ＥＯ２を得るための電界強度領域を示しており、E#min#WSは水の解離を防止するための最小値Ｅであり（式５）、E#max SCR#Flux（式４）またはE#max#thin#SCR（式６）はＥＯ２を得るためのＥの上限であり、E#min#EO2（式３）はＥＯ２を得るための最小電界強度であり、一方、E#lower#EO2はこれの４倍であり、より低い電界強度を示しており、この場合（were）、ＥＯ２がＥＯ１よりも有意に速い。電界強度は、異なる平均粒径（図２４：平均粒径ａ＝１０μｍ、図２５：平均粒径ａ＝１００μｍ、図２６：平均粒径ａ＝１０ｍｍ、図２７：１つの図に平均粒径ａ＝１，１０，１００，１００μｍ）毎に、水（ＮａＣｌ溶液）中イオン濃度の関数としてプロットしている。
【図２８】異なる平均粒径（式８）毎に濃度関数として流体力学時間定数を示す。これは、上限の電気信号周波数を決定する。
【符号の説明】
【０１４５】
１０：マイクロ流体システム、１２：基板、１４：アクチュエータ、１６：電気的接続手段（電極）、１６ｂ：第２電極対、１８：導電手段、２０：マイクロチャネル、２０ａ：セグメント、２２：センサ、２４：（電極１６とセンサ２２の）接点
【国際調査報告】
2005538853.tif 000052
2005538853.tif 000053
2005538853.tif 000054