(57)【要約】検体流体の分子のふるい分け、計測、および分離を行うための、多孔質膜付き微量流体装置。1つの局面において、微量流体装置は、基材と一体形成された多孔質膜で分離された入力用および出力用の微量流体チャネルを有する基材を含む。別の態様において、多孔質膜は、上部基材部品と下部基材部品との間に挟まれた薄膜を含んでいてもよい。微量流体装置は1つまたは複数の多孔質膜を含んでいてもよい。1つの態様においては、細孔が徐々に小さくなる複数の多孔質膜が、微量流体チャネルの各部に沿って配置される。別の態様においては、カスケード状の上部および下部チャネルが使用され、各上部／下部チャネルのインターフェース部は多孔質膜によって分離される。別の局面において、多孔質膜は、濾過位置および通過位置への位置決めを可能にするようなMEMSアクチュエータにより、微量流体チャネル内で、回転可能な状態で基材に連結される。
2005538840.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
以下を含む、微量流体装置：
中に微量流体チャネルが形成された基材；および
微量流体チャネルの入力部と出力部との間に半透性バリアを形成するため微量流体チャネルの中に配置された多孔質膜であって、微量流体チャネルの入力部に導入されてもよい流入流体を選択的に濾過して微量流体チャネルの出力部に濾過済みの流出流体をもたらすための複数の細孔を有する多孔質膜。
【請求項２】
基材の中に形成され、微量流体チャネルの入力部と流体接続された流入リザーバをさらに含む、請求項1記載の微量流体装置。
【請求項３】
基材の中に形成され、微量流体チャネルの出力部と流体接続された流出リザーバをさらに含む、請求項1記載の微量流体装置。
【請求項４】
多孔質膜が、基材から一体型に形成される、請求項1記載の微量流体装置。
【請求項５】
微量流体チャネルの少なくとも一部の上に配置されたカバーをさらに含む、請求項1記載の微量流体装置。
【請求項６】
多孔質膜が、孔径の平均が約50オングストローム〜約10マイクロメートルである複数の細孔を有する、請求項1記載の微量流体装置。
【請求項７】
以下を含む、微量流体装置：
中に上部微量流体チャネルが形成された上部基材部品、および、中に下部微量流体チャネルが形成された下部基材部品を含む基材プラットフォーム；ならびに
組立時に上部微量流体チャネルの端部と下部微量流体チャネルの端部との間に配置される多孔質膜であって、上部微量流体チャネルに導入された流入流体を選択的に濾過して下部微量流体チャネルに濾過済みの流出流体をもたらすための複数の細孔を有する半透性バリアを含む多孔質シリコン膜。
【請求項８】
多孔質膜が、多孔質ナノ結晶性シリコンを含む、請求項7記載の微量流体装置。
【請求項９】
多孔質膜が、多孔質ポリシリコンを含む、請求項7記載の微量流体装置。
【請求項１０】
多孔質膜の厚さの平均が、約10ナノメートル〜約50マイクロメートルである、請求項7記載の微量流体装置。
【請求項１１】
多孔質膜が、孔径の平均が約50オングストローム〜約10マイクロメートルである複数の細孔を有する、請求項7記載の微量流体装置。
【請求項１２】
基材が、ポリジメチルシロキサン基材を含む、請求項7記載の微量流体装置。
【請求項１３】
プラットフォーム基材の中に形成され、上部微量流体チャネルおよび下部微量流体チャネルのうち少なくとも1つと流体接触される少なくとも1つのリザーバをさらに含む、請求項7記載の微量流体装置。
【請求項１４】
以下を含む、微量流体装置：
中に微量流体チャネルが形成された基材；および
チャネル内に配置された、複数のチャネルセグメントを規定する複数の多孔質シリコン膜であって、各多孔質シリコン膜が、その多孔質膜の両側に位置する各チャネルセグメント間で半透性バリアを形成し、且つ、多孔質シリコン膜の入力側に提供されてもよい流入流体を選択的に濾過して多孔質シリコン膜の出力側に濾過済みの流出流体をもたらすための複数の細孔を有するような多孔質シリコン膜である、複数の多孔質シリコン膜。
【請求項１５】
複数の多孔質膜のそれぞれが、基材から一体型に形成される、請求項14記載の微量流体装置。
【請求項１６】
微量流体チャネルの少なくとも一部の上に配置されたカバーをさらに含む、請求項14記載の微量流体装置。
【請求項１７】
微量流体チャネルの構成が、実質的に蛇行状である、請求項14記載の微量流体装置。
【請求項１８】
複数の多孔質膜が、流路上のそれぞれ次の多孔質膜が前の多孔質膜より小さい公称孔径を有するよう、微量流体チャネルを通る流路に沿って連続的に配置された、請求項14記載の微量流体装置。
【請求項１９】
複数の多孔質膜が実質的に同様の公称孔径を有する、請求項14記載の微量流体装置。
【請求項２０】
以下を含む、微量流体装置：
上部微量流体チャネルと下部微量流体チャネルとの各対を含む複数のカスケード状微量流体チャネルが中に形成された基材プラットフォーム；および
複数の多孔質膜であって、各多孔質膜が、上部微量流体チャネルと下部微量流体チャネルとの各対の端部の間に配置され、且つ、入力側で上部微量流体チャネルに導入されてもよい流入流体を選択的に濾過して出力側で下部微量流体チャネルに濾過済みの流出流体をもたらすための複数の細孔を有する半透性バリアを含む、複数の多孔質膜。
【請求項２１】
基材プラットフォームが複数の基材層を含み、各基材層の中に少なくとも1つの上部微量流体チャネルおよび下部微量流体チャネルが形成された、請求項20記載の微量流体装置。
【請求項２２】
基材プラットフォームが、組立時に複数の多孔質基材を挟み込む上部基材部品および下部基材部品を含む、請求項20記載の微量流体装置。
【請求項２３】
複数のカスケード状微量流体チャネルに沿って流れる流路上に配置された複数のリザーバをさらに含む、請求項20記載の微量流体装置。
【請求項２４】
以下を含む、微量流体装置：
中に微量流体チャネルが形成された基材；および
微量流体チャネルの中に配置され且つ基材に回転可能な状態で連結された多孔質膜であって、多孔質膜が濾過位置まで回転したときは、多孔質シリコン膜の入力側で微量流体チャネルに導入されてもよい流入流体を選択的に濾過して多孔質シリコン膜の出力側に濾過済みの流出流体をもたらすための複数の細孔を有する半透性バリアとして機能し、多孔質膜が通過位置まで回転したときは、微量流体チャネルを流れる流体が多孔質膜を自由にバイパスできるような多孔質膜。
【請求項２５】
多孔質シリコン膜が、第一の微小電子機械システム（MEMS）アクチュエータを介して、回転可能な状態で基材に連結される、請求項24記載の微量流体装置。
【請求項２６】
基材に連結され且つ微量流体チャネルの少なくとも一部の上に配置されたカバーをさらに含む、請求項24記載の微量流体装置。
【請求項２７】
多孔質膜を濾過位置にロックするための第二のMEMSアクチュエータをさらに含む、請求項24記載の微量流体装置。
【請求項２８】
以下の段階を含む、微量流体装置を作製する方法：
1つまたは複数のシリコンギャップで隔てられた複数のチャネルセグメントを含む微量流体チャネルをシリコン基材に形成する段階；および
1つまたは複数のシリコンギャップをエッチングして、微量流体チャネル内のチャネルセグメント間に位置した1つまたは複数の対応する多孔質膜を形成する段階。
【請求項２９】
1つまたは複数の多孔質膜が、微量流体チャネルの流路に沿って空隙率が徐々に小さくなるような複数の多孔質膜を含む、請求項28記載の方法。
【請求項３０】
1つまたは複数のシリコンギャップが、電気化学エッチングまたはステインエッチングによりエッチングされる、請求項28記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
技術分野
本開示は広く微量流体装置に関し、より具体的かつ非排他的には、化学分子および／または生体分子を計測および／または分離するため流入流の分子化合物を濾過するための多孔質シリコン膜を内蔵した微量流体装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
背景情報
マイクロチップ製造技術の幅が広がるのに伴い、微量流体装置として知られる微小装置に関連する新技術が生まれている。微量流体装置は、小型化されたリザーバ、ポンプ、バルブ、フィルタ、ミキサ、反応チャンバ、およびこれら微小部品を相互連絡する毛細管のネットワークで構成されることが多く、さまざまな開発計画で役立つように開発が行われている。例えば、微量流体装置は、手作業による介入なしで数百の操作（例えば混合、加熱、分離など）を行う能力をもたせることにより、1つの微小器具で複数の反応および分析技術を行えるように設計することも可能である。場合によっては、微量流体装置は、浮遊毒素の検出器、犯罪捜査用の迅速DNA分析器、および／または薬剤開発を促進するための薬学的テスタとしても機能し得る。
【０００３】
このような微量流体装置の用途は事実上無限である可能性があるが、その一方で、微小部品によっては微量流体装置への組み込みが技術的に困難なものもあり、このため単一の装置または複数装置の組み合わせにより実現され得る機能の範囲には制限がある。特に、現在の微量流体システムでは、サイズ分離（またはサイズ排除）フィルタの微量流体チップへの組み込みが十分に行われていない。そのため分離は、外部に設けられたパック化した多孔質媒質またはポリマーベースのナノ細孔膜で行われるのが一般的であり、したがって、汚染リスクが上昇するとともに、分析またはその他の手技の実施において複雑性および手作業が余分に発生する。
【発明の開示】
【０００４】
図に示した態様の詳細な説明
以下に、分子のふるい分け、計測、および分離を行うための多孔質シリコン膜を組み込んだ微量流体装置の態様、ならびにこれを作製するための方法を詳しく説明する。以下の説明では、本発明の各態様が十分に理解されるよう、種々のシステム構成要素の素性など具体的な詳細を多数提供する。しかし当業者には、これら具体的詳細のうち1つまたは複数がなくても、または他の方法、構成要素、材料などを用いても、本発明の態様が実現可能であることが認識されると思われる。また別の場合においては、本発明の種々の態様の各局面が不明瞭になることを避けるため、周知の構造、材料、または操作について詳細を記載または説明していない。
【０００５】
本明細書において「1つの態様（one embodiment）」または「態様（an embodiment）」を参照する場合、それは、その態様に関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が本発明の少なくとも1つの態様に含まれることを意味する。したがって、本明細書の種々の箇所で使用される「1つの態様において（in one embodiment）」または「態様において（in an embodiment）」という文言は、必ずしもすべて同じ態様を参照しない。さらに、特定の特徴、構造、または特性は、1つまたは複数の態様において任意の適切な様式で組み合わされていてもよい。
【０００６】
全体として、本発明の各態様は、導入された流入流から分子化合物をふるい分け、計測、および／または分離するための多孔質シリコン膜が少なくとも1つ組み込まれた微量流体装置を提供する。図に示した各態様のその他の特徴は、以下の説明および添付の特許請求の範囲から、ならびに添付の図面を参照しながら詳細な記述および説明を読むことによって、明らかになると思われる。
【０００７】
添付の図面、特に図1a〜eに、微量流体装置100の1つの態様を示す。微量流体装置100は、基材106に形成された微量流体チャネル104の一部に配置された、一体型のナノ細孔膜102を有する。微量流体チャネル104は、流入リザーバ110に接続された入力部108および流出流リザーバ114に接続された出力部112を含む。1つの態様において、装置はカバー116をさらに含む。一般的に、カバー116は、アパーチャ110Aおよび114Aなど、流体を投入および／または抽出するためのアパーチャを有していてもよい。選択的に、カバーは、シリンジなどにより流体の投入または抽出を行うため容易に穿孔できる材料で作られていてもよい。
【０００８】
本明細書において、種々の態様の多孔質膜は、化学分子および／または生体分子の濾過、計測、および／または分離に使用できる多孔質構造を含む。一般的に、多孔質膜は、選択した方向に沿って空隙率が最大となるように作製してもよい。さらに、後述の作成過程において孔径を数ナノメートルからマイクロメートル単位まで調整できるため、標的とする化学分子および生体分子の濾過、計測、および分離が可能である。
【０００９】
図2a〜eに、上部チャネル204の端部と下部チャネル206の端部との間に配置された多孔質膜202を有する、「積重ねチャネル」型の微量流体装置200の1つの態様を示す。図2a〜eの態様の1つの実施例においては、流入流体が流入リザーバ210に投入され、上部チャネル204へと流入する。次に流入流体の一部が多孔質膜202を通過し下部チャネル206へと流入する。次に、多孔質膜を通過した流体の一部（これが流出流体となる）を、流出流リザーバ214に回収してもよい。
【００１０】
1つの態様において、微量流体装置200は、多孔質膜202、ならびにこれを挟み込む上部基材部品220および下部基材部品222の3部品アセンブリを含む。一般的に、上部基材部品220に形成された凹み224のように、多孔質膜を収容するための凹みを上部基材部品または下部基材部品のいずれかに形成してもよい。リザーバの構成に応じて、図中の部分210Aおよび210B（流入リザーバ210に対応）ならびに部分214Aおよび214B（流出流リザーバ214に対応）のように、リザーバの一部を各基材部品の中に形成してもよい。微量流体装置100について前述したのと同様に、微量流体装置200は、リザーバアパーチャを有するカバーまたはシリンジなどとの併用に適した材料で作られたカバーを含んでいてもよい（図には示していない）。
【００１１】
図3a〜3eに、複数の一体型多孔質膜を有する微量流体装置300を示す。図の態様において、微量流体装置300は、基材306に形成された蛇行チャネル304を含む。一般的に、チャネルの入力端は、流入流体を供給するための流入リザーバ（図には示していない）または入力ポート330など、流入流体用の貯留手段または供給源に接続されていてもよい。同様に、チャネルの出力端は、流出流を貯留するための手段に接続されていてもよく（図には示していない）、または流出捕捉手段により流出流体を回収するための出口ポート332を有していてもよい。
【００１２】
微量流体装置300は、多孔質膜302A、302B、302C、302D、302E、および302Fを含む、チャネル304に沿った種々の位置に配置された複数の多孔質膜を有する。1つの態様において、孔径は流体が接触する多孔質膜ごとに小さくなり、これにより検体を種々の化合物に分離することが可能となる。別の態様において、各多孔質膜の空隙率は実質的に同程度であり、これにより標的分子のより完全な濾過を行う。
【００１３】
一般的に、微量流体装置300は、カバー316などのカバーとともに操作してもよく、またはカバーなしで操作してもよい。カバーは、チャネルの種々の部分に入った流体にアクセスするためのアパーチャを有していてもよく、または、シリンジなどによりそのようなチャネルの部分にアクセスできるよう容易に穿孔できる材料で作られていてもよい。
【００１４】
図4a〜dに、各基材層406A、406B、406C、406D、および406Eの間に配置された複数の多孔質膜402A、402B、402C、および402Dを有する、多層積重ねチャネル型微量流体装置400を示す。積重ねられた複数の微量流体チャネルは、上部微量流体チャネル404A、404B、404C、および404D、ならびに下部微量流体チャネル406A、406B、406Cおよび406Dを含めて、検体の流体（の一部）が多孔質膜をカスケード状に流れるよう、各基材層の中に設けられる。この装置は、分割された流体の各部分を貯留でき且つこれにアクセスできるような、多孔質膜の間に配置された複数のリザーバ410A、410B、410C、410Dおよび410Eをさらに含む。前述と同様、微量流体装置400は、流体の体積が非常に小さい場合に必要となる可能性があるカバーを含んでいてもよい（図には示していない）。一般的に、多孔質膜は、凹み424A、424B、424C、および424Dのように、上部または下部の微量流体チャネルを接続する基材層に形成された凹みの中に配置してもよい。前述と同様、各多孔質膜の空隙率は異なっていてもよく（例えばより徐々に細かく濾過を行うため）、または同程度であってもよい（単一の装置で複数サイクルの濾過を行うため）。
【００１５】
図5a〜eに、複数の基材層ではなく、上部基材部品520および下部基材部品522を有する、積重ねチャネル型微量流体装置500を示す。微量流体装置400および500において、番号の下2桁が同じである各部品および特徴は、いずれの態様においても実質的に同様に機能する。
【００１６】
多孔質膜の作製および特性
本発明の1つの局面において、本発明で使用される多孔質膜は、化学分子および／または生体分子の濾過、計測、および／または分離に使用できる多孔質構造を含む。一般的に、多孔質膜は、選択した方向に沿って空隙率が最大となるように作製してもよい。さらに、後述の作成過程において孔径を数ナノメートルからマイクロメートル単位まで調整できるため、標的とする化学分子および生体分子の濾過、計測、および分離が可能である。
【００１７】
一般的に、一体型の態様（すなわち微量流体装置100および300）で使用される多孔質膜は、基材と同じ材料から形成される。積重ねチャネル型の態様（すなわち微量流体装置200、400、および500）においては、多孔質膜は一般的に、基材層または基材部品に使用される材料とは独立に、ナノ細孔およびマイクロ細孔の構造を形成できるような幅広い材料で作られていてもよい。例えばこのような材料としては、単結晶多孔質シリコン（PSi）、多孔質ポリシリコン（PPSi）、多孔質シリカ、ゼオライト、フォトレジスト、多孔質結晶／凝集体などがあるが、これらに限定されることはない。
【００１８】
1つの態様においては、多孔質膜に多孔質シリコンが使用される。1つの態様においては、多孔質膜に多孔質シリコンが使用される。多孔質シリコンは、HF（フッ化水素酸）の存在下でガルバノスタットエッチング、化学エッチング、または光化学エッチング処理により作られる、特性がよく解明されている材料である（A.G. Cullis et al., J. Appl. Phys. 1997, 82, 909.）。多孔質シリコンは一般的に、電気化学エッチングまたはステインエッチングにより、複雑な異方性ナノ結晶構造としてシリコン層に形成される（参考：http://chem-faculty.ucsd.edu/sailor）。細孔のサイズおよび向きは、エッチング条件（例えば電流密度など）、ならびに基材の種類およびその電気学特性により制御できる（R.L. Smith, et al. "Porous silicon formation mechanisms", J. Appl. Phys., 1992, 71, R1; P.M. Fauchet, "Pits and Pores: Formation, Properties, and Significance for Advanced Luminescent Materials", P. Schmuki, et al., eds. Pennington, NJ: Electrochem. Soc., 1997, 27）。典型的な孔径中央値は、距離数ミリメートルにわたって高アスペクト比（〜250）の細孔をシリコンに形成する場合、〜50オングストロームから〜10μmである。
【００１９】
別の種類の多孔質シリコンも放電加工（R.E. Hummel, et. al., "On the origin of photoluminescence in spark-eroded (porous) silicon," Appl. Phys. Lett., 1993, 63, 2771）により形成でき、これにより、マイクロメートルからナノメートルまで種々のサイズの凹凸を有するSi表面が得られる。Siナノ構造は、異方性エッチングの後に酸化処理することによっても得られる（A.G. Nassiopoulos, et al., "Light emission form silicon nanostructures produced by conventional lithographic and reactive ion etching techniques." Phys. Stat. Sol. (B), 1995, 1990, 91; S.H. Zaidi, et al., "Scalable fabrication and optical characterization of nm Si structures", In Proc. Symp. Mater. Res. Soc., 1995, 358, 957.）。化学蒸着で蒸着したマイクロ結晶フィルムを酸化すると、SiOによりSiクリスタライトが不動態化してナノ結晶構造が形成される（H. Tamura, et al., "Origin of the green/blue luminescence from nanocrystalline silicon," Appl. Phys. Lett., 1994, 65, 92）。
【００２０】
図7のフローチャートに示すように、多孔質膜100および300に使用される一体型多孔質膜は次のように作製してもよい。ブロック700において、標準的なマイクロエレクトロニクス技術を用いて、1つまたは複数のギャップによって分割された微量流体チャネルの各セグメントがシリコン基材に作製される。次にブロック702において、電気化学エッチングまたはステインエッチングによりシリコンギャップがエッチングされ、これにより多孔質シリコンが形成される。細孔のサイズおよび向きは、適切なエッチング条件（例えば電流密度など）、ならびに基材の種類および抵抗率により制御してもよい。
【００２１】
図8のフローチャートにおいて、本発明の1つの態様による、積重ねチャネル型の態様で使用される多孔質膜（例えば多孔質膜212、402、および502など）の作製過程は以下のように進行する。まず、ブロック800において、典型的に厚さ〜0.01μmから50μmのシリコン層に電気化学エッチングまたはステインエッチングを施すことにより、多孔質シリコンを形成する。別の態様においては、ブロック802に従い、低圧化学蒸着法（LPCVD）により多孔質ポリシリコン（PPSi）を蒸着する。細孔のサイズおよび向き、空隙率、結晶粒度、厚さなどは、適切なエッチング条件（例えば電流密度、電流持続時間など）、蒸着条件（例えば温度、圧力など）、ならびに基材の種類およびその電気化学特性などにより制御してもよい。
【００２２】
次に、ブロック804において、PSiエッチングまたはPPSi蒸着を施したシリコンから「リフトオフ」を電解研磨することによりPSiフィルム（またはPPSiフィルム）を物理的に分離し、溶液内に浮遊させる。または、基材（例えばシリコン、石英など）に直接蒸着する際にPPSiフィルムを形成してもよく、これを種々の標準的なエッチング技術または微細加工技術により物理的に分離してもよく、または、直ちにさらなるエッチング、微細加工などを行うため元の構造の一部として残してもよい。 次に、ブロック806において、基材の半分のチャネル交差領域付近に設けられた対応する凹みに、PSiフィルムまたはPPSiフィルムを固定する。
【００２３】
作製後の多孔質膜は、上部基材部品もしくは下部基材部品、または基材層の各凹みの中に位置するよう組み立てられる。一般的に、基材部品および基材層は種々の基材材料で作られていてよく、そのような材料としてはシリコンおよびポリマーなどの結晶性基材があるが、これらに限定されることはない。1つの態様において、基材材料はポリジメチルシロキサン（PDMS）を含む。
【００２４】
MEMSアクチュエータを使用した、多孔質膜の動的な位置決め
本発明の1つの態様において、微量流体チャネルの中に配置され且つ回転可能な状態で基材に連結された多孔質膜を有する態様を作製してもよい。例えば、このような態様の微量流体装置600に対応するチャネルの詳細を図6a〜fに示す。この態様において、多孔質シリコン膜602は、MEMS（微小電子機械システム）ヒンジアクチュエータ640を介して、チャネル604の基部で回転可能な状態で基材606に連結される。1つの態様において、装置は、カバー616の下側に形成された位置ロック用MEMSアクチュエータ642をさらに含んでいてもよい。
【００２５】
図6aおよび6bに、MEMSアクチュエータ640および642の初期位置を示す。図6cおよび6dにおいて、MEMSヒンジアクチュエータ640は電気的に駆動されて多孔質シリコン膜620を垂直の「濾過」位置まで回転させ、これによりチャネル604を閉鎖する。この位置において、多孔質シリコン膜は、多孔質膜102および302に関する前述の様式と同様に半透性バリアとして機能する。1つの態様において、多孔質シリコン膜は、カバー616の下面から下方に伸びているストップまたはチャネルの側面から外側に伸びているストップ（いずれも図には示していない）に当たるまで回転する。図の態様において、多孔質シリコン膜は、図6eおよび6fに示すように、位置ロック用MEMSアクチュエータ642の電気駆動により所定の位置にロックされる。
【００２６】
一般的に、MEMS部品は、ナノスケールまたはマイクロスケールに対応したサイズを有する一体型の電子機械部品または電子機械システムを含む。MEMS部品は、シリコンをベースとする基材または同等の基材などの一般的なプラットフォーム上に既知の微細加工技術を用いて作製してもよい（例えばVoldman et al., Ann. Rev. BBiomed. Eng. 1:401-425, 1999）。MEMS部品は、CMOSプロセス、Bipolarプロセス、またはBICMOSプロセスなどの集積回路（IC）プロセスを用いて作製してもよい。それらは、コンピュータチップ製造業者に周知のフォトリソグラフィ法およびエッチング法を用いてパターン作製してもよい。微小機械部品は、シリコンウェーハの一部を選択的にエッチングするかまたは新しい構造層を追加することにより機械部品および／または電子機械部品を形成するような、適合する「微細加工」プロセスを用いて作製してもよい。MEMS作製の基本技術には、材料の薄膜を基材に付着させること、フォトリソグラフィ撮影またはその他周知のリソグラフィ法によりフィルム上面にパターンマスクを施すこと、およびフィルムを選択的にエッチングすることが含まれる。使用される付着技術としては、化学蒸着（CVD）、低圧化学蒸着（LPCVD）、電着、エピタキシー、および熱酸化などの化学的方法、ならびに、物理蒸着（PVD）およびキャスティングなどの物理的方法などがある。
【００２７】
図9a〜fにおいて、本発明の1つの態様による微量流体装置600のMEMSヒンジ／多孔質シリコン膜構造を作製する過程は以下のように進行する。まず、図9aに示すチャネルベース650のように、適切な微量流体チャネルの部分604を基材606に形成する。次に、基材にさらに凹み952および954を形成する。チャネルおよび凹みは、前述のように、種々の周知の微細加工技術を用いて形成してもよい。次に、図9bに示すように、凹み954の中にフィルタの層656を配置する。好ましくは、この層は、他の構造層にほとんど影響を及ぼさないエッチング材で容易にエッチングできるような材料で作られるべきである。
【００２８】
フィルタを取り付けた後、MEMSヒンジアクチュエータを形成する。1つの態様において、MEMSヒンジアクチュエータは、圧電セラミック・バイモルフ・サンドイッチ構成を用いて作製してもよい。簡潔には、圧電セラミック・バイモルフ・サンドイッチ素子は、素子に曲げまたはその他変形を生じるようなアクチュエータに使用されることが知られている。バイモルフ・サンドイッチは、典型的に、コンダクタと圧電セラミック材料とが交互に重なった層を有する。このサンドイッチに電位差を生じさせると、圧電セラミック層は膨張または収縮するが、コンダクタ層は実質的に影響を受けない。その結果、種々の温度下に置いたバイメタル板が曲がるのと同様の様式で、圧電セラミック層の長さが変化することによりアクチュエータが曲がる。
【００２９】
図9cにおいて、コンダクタ層658は、既定のパターンでフィルタ956の一部と重なるよう、凹み652の付近に配置される。コンダクタ層は一般的に、銅またはアルミニウムなど種々の金属のうち1つを含んでいてもよい。次に、図9dに示すように、圧電セラミック層660をコンダクタ層658の上に配置する。使用するバイモルフ素子の特性に応じて、追加のコンダクタ層および圧電セラミック層を同様の様式で交互に重ねてもよい（図には示していない）。これにより、MEMSヒンジアクチュエータ640に使用される構造が得られる。
【００３０】
この時点で多孔質シリコン膜を形成する。1つの態様において、多孔質シリコン膜602は、前述のナノ細孔ポリシリコン形成方法に従ってポリシリコンを付着させることによって形成される。この操作の結果を図9eに示す。このプロセスは、図9fに示すように、フィルタ656をエッチングし、これによりMEMSヒンジアクチュエータ640の一部および多孔質シリコン膜の下にボイド662を残すことによって完成する。これによりMEMSヒンジアクチュエータおよび多孔質シリコン膜の一部が基材606から離れ、したがって、MEMSヒンジアクチュエータの電気駆動時に多孔質シリコン膜が回転することが可能になる。
【００３１】
各態様の作動様式
一般的に、前述の種々の態様は、生体分子および化学分子の濾過および分離に用いられると考えられる。例えば、微量流体装置100（図1a〜e）において、流入流体を構成する検体は入力チャネル部108に流し込まれ、ここで一体型多孔質シリコン膜102と接触する。検体が多孔質膜を通過する際、小さい分子ほど細孔のマトリックスを速く通過でき、大きな分子ほど膜の細孔の中に長時間捕捉される。これにより、濾過された流出流体が出力用リザーバ114に流入する。出力用リザーバ114で流出流体を回収してもよい。
【００３２】
微量流体装置200（図2a〜e）でも同様のプロセスが生じる。この場合、検体は上部微量流体チャネル204に導入され、多孔質膜202を通過する。前述と同様、小さい分子ほど細孔のマトリックスを速く通過でき、大きな分子ほど膜の細孔の中に長時間捕捉される。濾過された流出流体は出力用リザーバ214で回収してもよい。
【００３３】
微量流体装置300、400、および500で用いられるカスケードフィルタ方式において、流入流体は複数の多孔質膜を通過する。前述のように、一部の態様において、多孔質膜は、流体が接触する各多孔質膜の細孔の公称孔径が徐々に小さくなるように構成される。これにより分離作用が生じ、連続する多孔質膜の間に残った流体は選択的に濾過されて狭い範囲の分子サイズのみが捕捉される。さらに、この選択的に濾過された流体は様々なチャネル部位から抽出してもよく（例えば微量流体装置300の場合）、または、多孔質膜の間に配置されたリザーバから抽出してもよい（例えば微量流体装置400および500の場合）。
【００３４】
本明細書では、限られた数の態様に基づいて本発明を説明および図示しているが、本発明はその本質的特性の精神から逸脱することなく多数の形態で具現化することが可能である。したがって、図示および説明した各態様は、本開示の要約で説明されたものも含めて、すべての面において説明を目的としたものであり限定するものではないとみなされるべきである。本発明の範囲は以上の説明ではなく添付の特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と同等の意味および範囲内に入る変更はすべて本発明の範囲に含まれるものとみなされる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
添付の図面は本発明の非限定的且つ非網羅的な態様の種々の投影図を示したものであり、これら投影図において同様の参照番号は同様の部品を示す。
【図１】図1ａ〜ｅは、単一の多孔質シリコン膜が基材から一体形成された、本発明の1つの態様による微量流体装置を示した種々の投影図である。
【図２】図２ａ〜ｅは、多孔質膜が上部微量流体チャネルと下部微量流体チャネルとの間に配置された、積重ねチャネル構成を用いた微量流体装置の1つの態様を示した種々の投影図である。
【図３】図３ａ〜ｅは、微量流体チャネルに沿った種々の位置に複数の一体成形多孔質シリコン膜が配置された、微量流体装置の1つの態様を示した種々の投影図である。
【図４】図４ａ〜ｄは、プラットフォーム基材が複数の基材層を含む、カスケーディング積重ねチャネル構成を有する微量流体装置の1つの態様を示した種々の投影図である。
【図５】図５ａ〜ｅは、プラットフォーム基材が上部基材部品および下部基材部品を含む、カスケーディング積重ねチャネル構成を有する微量流体装置の1つの態様を示した種々の投影図である。
【図６】図６ａ〜ｆは、多孔質シリコン膜を通過位置と濾過位置との間で回転させるためにMEMSヒンジアクチュエータを使用した微量流体チャネルの種々の断面図である。
【図７】微量流体チャネル内に一体型多孔質シリコン膜を形成するための、本発明の1つの態様による操作を示したフローチャートである。
【図８】本発明の1つの態様の多孔質膜の作製に使用できる操作を示したフローチャートである。
【図９】本発明の1つの態様に基づいて図6a〜fのMEMSヒンジアクチュエータおよび多孔質シリコン膜を作製するための操作に対応した、種々の加工段階を示した図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図５ｄ】
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【図５ｅ】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図９ｄ】
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【図９ｅ】
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【図９ｆ】
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【国際調査報告】
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