(57)【要約】      （修正有）【課題】マイクロアッセイデバイスで使用するためのマイクロ弁、マイクロポンプ、および他の空気圧流体要素のためのダイヤフラム技術、ならびにそれらの製造方法を提供すること。【解決手段】第１の内壁によって境界される第１の半空洞および第２の内壁によって境界される第２の半空洞に、ダイヤフラムウェブによって分割される、マイクロ空洞で形成される、マイクロ弁、マイクロポンプ、またはマイクロ通気孔等のマイクロ流体回路要素であって、ダイヤフラムウェブは、第１の内壁に接触する第１の状態、および第２の内壁に接触する第２の状態を有し、第１の状態と第２の状態との間で移動する際に本質的にいかなる弾性も呈さない、薄膜として特徴付けられ、薄膜ウェブは、使用前または使用中にその降伏点を超えて引き伸ばされている、マイクロ流体回路要素。【選択図】図４
2019190465.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロポンプであって、前記マイクロポンプは、空洞を備え、前記空洞は、
ｉ）流体を受け取るように構成されている第１の半空洞と、
ｉｉ）可逆的に加圧されるように構成されている第２の半空洞と、
ｉｉｉ）間に置かれ、前記第２の半空洞から前記第１の半空洞を分離するダイヤフラムと
を有し、
前記ダイヤフラムは、降伏点を有するポリマー薄膜ウェブであり、前記ウェブの永久的に過剰に引き伸ばされた変形によって特徴付けられる、マイクロポンプ。
【請求項２】
前記薄膜ウェブは、低密度ポリエチレン／エチレン酢酸ビニル／ポリ塩化ビニリデン／エチレン酢酸ビニル／低密度ポリエチレン共積層フィルムである、請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項３】
前記薄膜は、ポリエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリエチレン酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリオレフィン、またはそれらの複合材料あるいは共積層から成る、請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項４】
前記薄膜ウェブは、高密度ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリアクリレート、ポリエステル、またはそれらの共積層あるいは複合材料である、請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項５】
前記薄膜ウェブは、ストレッチラップフィルムである、請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項６】
前記薄膜ウェブは、耐化学性ポリマーである、請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項７】
前記マイクロポンプは、自吸式である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項８】
前記マイクロポンプは、前記薄膜に与えられる力の下で前記ウェブを局所的に過剰に引き伸ばすプロセスによって製造され、前記力は、前記降伏点を超えている、請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項９】
前記薄膜ウェブは、加圧されたときに第１の状態で前記空洞の第１の内面に非弾性的に一致し、減圧されたときに第２の状態で前記空洞の第２の内面に非弾性的に一致する、請求項１〜８のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項１０】
前記マイクロポンプは、前記第２の半空洞の加圧および減圧によって駆動されると、前記第１の状態と前記第２の状態との間の前記ウェブの前記永久的に過剰に引き伸ばされた変形の可逆的運動によって定義されるポンプストロークに従って、液体を送出するように構成されている、請求項９に記載のマイクロポンプ。
【請求項１１】
前記第１の半空洞は、液体を受け取るために構成されるポートを備えている、請求項１０に記載のマイクロポンプ。
【請求項１２】
前記第１の半空洞は、液体を排出するためのポートを備えている、請求項１０に記載のマイクロポンプ。
【請求項１３】
前記マイクロポンプは、マイクロアッセイデバイスの使い捨てカートリッジ本体の中に封入されている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項１４】
前記力は、前記使い捨てカートリッジ本体の組立後に前記ダイヤフラムに与えられる空気圧である、請求項８に記載のマイクロポンプ。
【請求項１５】
前記ウェブは、最初に、局所的に力を与えることによって過剰に引き伸ばされ、次いで、前記空洞は、前記第１の半空洞を前記第２の半空洞と並置して嵌合させながら、前記ウェブを前記空洞と整列させることによって組み立てられている、請求項８に記載のマイクロポンプ。
【請求項１６】
前記ウェブは、前記ウェブを半空洞の中に押し進めるプロセスによって過剰に引き伸ばされ、次いで、前記空洞は、前記第１の半空洞を前記第２の半空洞と並置して嵌合させることによって組み立てられている、請求項８に記載のマイクロポンプ。
【請求項１７】
前記力は、制御されたプロセス条件下で与えられる機械力である、請求項８に記載のマイクロポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、マイクロアッセイデバイスで使用するためのマイクロ弁、マイクロポンプ、および他の空気圧流体要素のためのダイヤフラム技術、ならびにそれらの製造方法を対象とする。
【背景技術】
【０００２】
マイクロアッセイカートリッジは、診断検定用のデバイスとしてますます用途を見出してききた。米国特許第５，３０４，４８７号（特許文献１）でＷｉｌｄｉｎｇによって説明されたデバイスは、オフカートリッジシリンジポンプからの流体試薬を注入された再利用可能なシリコン基板上に形成された「メソスケール」チャネルおよびチャンバから成っている。提供される流体の取り扱いおよび制御はほとんど考慮されなかった。しかしながら、実用的な商業用途は、「消耗」カートリッジ、すなわち、特定の検定または検定のパネルのために必要とされる全ての試薬のために自給式である、使い捨ての単回使用「サンプル・回答」カートリッジの方向につながった。
【０００３】
流体を取り扱うためのマイクロスケール手段は、ピストン駆動型デバイス等の機械液圧システム、動電学的ポンプおよび弁デバイス等の電気液圧システム、および空気液圧システムを含む。これらのうち、空気圧アクチュエータおよび制御表面を伴う、これらのシステムが、マイクロスケール流体流を制御することにおいて最も実用的であることが分かっている。
【０００４】
空気圧インターフェースを有する、ある周知の種類の流体デバイスが、出願人のＭｉｃｒｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．（Ｒｅｄｍｏｎｄ，ＷＡ）によって製造されている。マイクロ流体チャネル中の流体流の制御は、プログラム可能な弁論理に従ってプラスチックカートリッジ内の小型弁を動作させる、ＭＩＣＲＯＦＬＯＷ（登録商標）システム空気圧コントローラを用いて達成される。ダイヤフラムが、カートリッジの空気圧側および液圧側を分離し、すなわち、弁ダイヤフラムは、空気圧制御パルスを開始および停止流体流に変換するためのインターフェース要素である。カートリッジは、チャネルおよびチャンバがキャッピング被覆層の間で密閉された状態で、積層を層毎に構築することによって形成される。このようにして、複雑な流体回路が形成される。
【０００５】
従来の製作によって流体回路を形成するために、弾性材料の層が、本体層の間で積層として挟まれ、空気圧および液圧チャネルならびにチャンバは、カートリッジの空気圧運転および液圧運転がダイヤフラム層によって分離されるように、弾性層のどちらかの側の並置層に形成される。ポリウレタン、ポリイミド、およびＰＤＭＳで形成されたダイヤフラムが、この方法のために最適となっている。
【０００６】
例えば、診断、より一般的には、生命科学等で多数の用途を見出す、流体マイクロ回路技術の最大限の利益を達成するために、小型ダイヤフラムポンプ要素が必要とされる。ダイヤフラム駆動型ポンプは、機械的シールおよび潤滑剤の欠如、およびそれらの衛生特徴のため有利である。
【０００７】
小型ポンプは、概して、Ｗｉｌｄｉｎｇによって（例えば、米国特許第５３０４４８７号（特許文献２）および第５４９８３９２号（特許文献３）で）示唆されたが、開示自体は、流体マイクロ回路ポンプおよび弁を有効にするために十分ではなかった。Ｗｉｌｄｉｎｇによって、シリコン系微小電気機械（ＭＥＭＳ）構造に関する、Ｖａｎ  Ｌｉｎｔｅｌ［１９８８，"Ａ  Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｉｎｇ  ｏｆ  Ｓｉｌｉｃｏｎ，"  Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，１５：１５３−１６７］が引用された。しかしながら、シリコンは、非常に高いヤング係数（約１００ＧＰａ）を有することが知られており、したがって、シリコンダイヤフラムポンプは、概して、以下によって定義される非常に低い圧縮率εを有するであろう。
【０００８】
【数１】
2019190465.tif 000003
【０００９】
式中、ΔＶは、ストローク量であり、Ｖ０は、デッドスペース容積、すなわち、駆出ストローク中にポンプチャンバから変位させられない流体の体積である。したがって、不利なことには、これらのデバイスは、液体とともに使用されるときの動作中に自吸式ではない場合がある。
【００１０】
ケイ質ダイヤフラムポンプに関係付けられる代表的な技術は、米国特許第５７５９０１４号（特許文献４）、第６３９０７９１号（特許文献５）、および第７７４９４４４号（特許文献６）を含む。類似問題が、米国特許第７８３２４２９号の硬質ポリマーダイヤフラム部材で、より一般的には、ダイヤフラム部材が機械的剛性による変形に抵抗する場合に見られる。
【００１１】
流体動作における自吸の利点を提供する、より高い圧縮率およびより大きい変位体積により、エラストマーダイヤフラム材料への関心が高まっている。例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）およびシリコーンが、ダイヤフラム材料として使用され得る。ラテックスゴムおよび不定形ポリウレタンも使用されている。フックの法則に従うエラストマー材料は、ダイヤフラムが弛緩状態でその元の形状に戻るという利点を有するが、これは、いくつかの用途のみに有利であり、耐化学性の低減および透過性の増加に関係付けることができる。
【００１２】
マイクロ弁に関係付けられる代表的な技術は、軟質で弾力的なポリウレタンシートが、硬質アクリル本体に形成された流動チャネルを覆って締め付けられる、米国特許第４３０４２５７号（‘２５７弁）を含む。シートの一部を機械的に屈曲させるピストンを作動することによって、２つの非連続流体チャネルの間の流体経路が開閉される。シートへのテンティング作用は、弁の開放に関連付けられ、弁の閉鎖は、閉鎖位置への弾力的なシートの跳ね返りに関連付けられる。シートが閉鎖されたときに弁座に接触し、シートが弁を開放するように弁座を覆って位置する開口に引き込まれるように、シートは、弁座を覆ってシートへの組み込み取り付けを有する、ソレノイド動作型ロッドによって２つの位置の間で機械的に屈曲させられる。
【００１３】
米国特許第４８４８７２２号の教示によると、‘２５７弁は、いくつかの不利点を有する。機械的ソレノイド動作の繊細さ、および微調整の必要性に加えて、膜は、永久的伸び（すなわち、その降伏点を過ぎた永久的変形または圧迫）危険性を伴う多大な応力を受ける。膜のための凹状接触表面により、密閉領域が最大限化されるが、不利なことには、流体が流動し始める前に、弁空洞のゼロではない有意な容積が充填されなければならない。
【００１４】
失効した米国特許第４８４８７２２号（‘７２２弁）では、弁座内でチャネル（３、４）によって形成される開口が閉鎖される流動停止位置、および開口が流体的に合流する開放位置に、２軸延伸ポリエチレンテレフタレート（ｂｏＰＥＴ）等の可撓性シートを押し付けるために、圧力または真空源が使用される。弁座のステップランド（図９：６２）は、弁が閉鎖されたときにシート（８）によって接触される。シートは、弁の空気圧側に接着される。
【００１５】
米国特許第４８６９２８２号は、弁空洞を形成する２つの堅い層の間に挟まれたダイヤフラム層を有する、微細機械加工弁を説明する。ダイヤフラム層は、ポリイミドで形成され、かつ弁を閉鎖するように制御回路内の与えられた空気圧によって偏向させられる。ダイヤフラム運動は、ポリイミド層に過度の応力を加えることを回避するように制限される。
【００１６】
失効した米国特許第５６６０３７０号（‘３７０弁）は、可撓性ダイヤフラム（２）、および２つの穴が形成される堅い層で形成された平坦な弁座を有する、弁（図１：１）を説明し、各穴は、下位層内の流体チャネル（３、４）への開口部を画定し、穴は、弁台によって分離される。ダイヤフラムは、ポリウレタンまたはシリコーンで作製される。弁（５）は、ダイヤフラムを空気圧で運動させることによって開放される。その降伏点を超えて応力を加えられるシートの傾向を回避するために、平坦な弁座が、ダイヤフラム運動の必要範囲を最小限化するように使用される。これはまた、弁のデッドスペース容積も縮小する。
【００１７】
接着剤を用いることなくともに直接結合された、複数のポリイミド層、好ましくは、ＫＡＰＴＯＮ（登録商標）フィルムを有する、流体マイクロ回路分析器、および流体流を制御するための可撓性の空気圧作動型ダイヤフラム部材を教示する、ＹＳＩ  Ｉｎｃ．に対する米国特許第５９３２７９９号で、類似構造が見られる。
【００１８】
２００２年１０月１７日に公開された、Ｍｉｃｒｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃ．に対する国際公開第２００２／０８１９３４号は、エラストマーダイヤフラムを有する積層弁を説明する。「ピーナッツ弁」と称された、これらの弁は、陰圧下で弁台を横断して流体を入れ、陽圧で加圧されたときに閉鎖される。有利なことには、弁空洞が、デッドスペース容積を最小限化するように輪郭腰部を伴って形成される。
【００１９】
Ｍａｔｈｉｅｓに対する米国特許第７４４５９２６号は、硬質基板の間に挟まれた可撓性ダイヤフラム層を伴う積層を説明する。ダイヤフラムが能動弁部材であるように、空気圧チャネルおよび流体チャネルが、ダイヤフラム層の反対側に形成される（参考文献の図１を参照）。開示されるダイヤフラム材料は、２５４マイクロメートルのＰＤＭＳ膜である。弁本体は、典型的には、ガラス等の固体である。
【００２０】
Ｍｏｎｔａｇｕに対する米国特許出願第２００６／０２７５８５２号および第２０１１／０２０７６２１号は、生物学的検定のための流体カートリッジを説明する。カートリッジは、流動通路を画定する、成形本体を含む。ラテックスダイヤフラムおよび缶入りダイヤフラムポンプが示されている（参考文献の図５を参照）。「圧延弾性ダイヤフラムポンプ」部材（３）が、事前形成されたサブアセンブリとしてカートリッジに挿入され、市販されている（Ｔｈｏｍａｓ  Ｐｕｍｐｓ、Ｍｏｄｅｌ  １１０１小型圧縮機、Ｓｈｅｂｏｙｇａｎ，Ｗｉｓ．５３０８１）。弁は、ステッピングモータを使用して機械的に作動させられる。したがって、弁は、適正な動作のために敏感で細心の調整を必要とするという不利点を有する。
【００２１】
他のエラストマーおよびポンプ構築物が公知である。シリコーン弁構築の実施例は、その全てが弁およびポンプを形成するためのソフトリソグラフィプロセス（米国特許第７６９５６８３号および第８１０４４９７号を参照）を例証する、米国特許第５４４３８９０号、第６７９３７５３号、第６９５１６３２号、および第８１０４５１４号を含む。ＰＤＭＳが、ダイヤフラムおよびポンプ本体を形成するために使用され得る。ラテックスゴムおよび不定形ポリウレタンもダイヤフラム材料として使用されているが、耐化学性が、いくつかの用途のために十分ではない場合がある。
【００２２】
靱性、耐溶剤性を有し、定位置降伏ダイヤフラムに成形されることが可能である、ダイヤフラム部材は、以前に実証されていない。有利なことには、事前形成されたダイヤフラム部材を形成するように降伏する耐溶剤性ダイヤフラムは、粒子状物質の懸濁液を送出するため、および腐食剤、カオトロープ、または溶剤にさらされたときに漏出し得るポリウレタン等のエラストマーダイヤフラムを交換し、したがって、ＰＣＲ中に温度要件を低減させるためのエタノール、ホルムアミド、およびジメチルスルホキシド等の溶剤の使用を可能にするために使用される、ポンプおよび弁で用途を有する。定位置降伏ダイヤフラムは、例えば、より速い回路応答、およびビーズスラリ等の粒子状物質溶液の向上した流動につながる、増加したポンプストローク駆出量を有する。進歩しているが、マイクロアッセイカートリッジの改良型ダイヤフラム構築、具体的には、小型化回路要素に適用可能なプロセスの必要性がある。本発明は、これらの利点および関連利点を提供する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２３】
【特許文献１】米国特許第５，３０４，４８７号明細書
【特許文献２】米国特許第５，３０４，４８７号明細書
【特許文献３】米国特許第５，４９８，３９２号明細書
【特許文献４】米国特許第５，７５９，０１４号明細書
【特許文献５】米国特許第６，３９０，７９１号明細書
【特許文献６】米国特許第７，７４９，４４４号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２４】
弁またはポンプ等のマイクロ流体回路要素の動作の効率および速度を向上させるために、第１の状態から第２の状態に変化するために必要とされる作業が最小限であることが望ましい。好ましい種類の回路要素は、ダイヤフラム動作型である。空気圧制御型ダイヤフラムは、液圧半空洞から空気圧半空洞を分離し、液圧半空洞の中に含まれた流体に作用する。ダイヤフラム「ウェブ」は、空気圧を流体運動または静止状態に動的に変換する、２つの半空洞の間の障壁としての機能を果たす薄膜である。第１の状態では、ダイヤフラムウェブは、半空洞の間の第１の位置にあり、第２の状態では、ダイヤフラムウェブは、第１の位置から変位させられ、第２の位置を占有する。概して、第１の位置は、液圧半空洞の内面に近接して一致し、第２の位置は、空気圧半空洞の第２の内面に近接して一致し、力を及ぼすことによって、ダイヤフラムは、２つの位置または状態の間で可逆的に遷移され得る。
【００２５】
最終的に、現在存在しているマイクロ流体ダイヤフラムは、概して、本質的にエラストマーであり、第１の状態から第２の状態に変化するために有意なエラストマー抵抗を克服することを必要とする。したがって、一方の状態から他方の状態に変化するために必要とされる作業が削減される場合、望ましい。我々は、第１の状態から第２の状態に変化するために実質的にゼロの仕事関数を有する、新規の障壁を発明した。これは、略ゼロのエラストマー性質、およびウェブが密閉されるマイクロ空洞より有意に広い表面積を有する、ウェブの使用によって達成される。最も好ましくは、ダイヤフラムウェブの表面積は、半空洞の内部表面積に密接に近似し、または半空洞が対称ではない場合には、ウェブの表面積は、半空洞のうちの大きい方の内部表面積に密接に近似する。したがって、ダイヤフラムウェブは、マイクロ流体回路要素の液圧および空気圧半空洞を分離するための低い弾性を有する可動フィルムであり、フィルムの面積は、マイクロ空洞の最大断面積より大きい。
【００２６】
（フィルム特性）
これらのマイクロ流体カートリッジで使用するためのウェブは、有意にエラストマーではなく、概して、標的マイクロ空洞の１つの半空洞の内部表面積、好ましくは、マイクロ空洞の大きい方の半空洞の内部表面積に合致する、フィルムであることが望ましい。最も好ましくは、フィルムは、１つの状態から別の状態に遷移するための作業をほとんどまたは全く必要としない。フィルムは、望ましくは、フィルム位置を反転させることによって、与えられた制御圧力がフィルムをマイクロ流体空洞の一方または他方の側面に駆動するまで、弛緩性状態である。好ましくは、フィルムはまた、縮小面積状態に向かって略ゼロまたはゼロの復元力を有するものとして表すこともできる。最も好ましくは、フィルムは、空洞の断面積に近似する表面積を伴う形態に有意に自己復元せず、有意な過剰または過小圧力を伴わずに、半空洞の内部表面積に実質的に合致する、低または非エラストマーフィルムである。内面に合致する表面積を伴う非エラストマーフィルムを使用することは、いくつかの有利かつ新規の性質を可能にする。
【００２７】
マイクロ流体構成要素としての低または非エラストマーフィルムの使用は、有利な特徴を有する弁、ポンプ、およびマイクロ流体特徴の生産を可能にする。特に、低または非エラストマーフィルムの使用を通して、エラストマーフィルムの復元力は、フィルムがマイクロ空洞の一方の側面から他方の側面に移動させられるにつれて克服される必要がない。空気圧制御が、膜および流体の慣性を加えたフィルムの弾性ばね力ではなく、膜および流体の慣性を克服する必要しかないため、この力の低減が生じる。これは、例えば、弁の開放状態から閉鎖状態へ、一方の側と他方の側との間の膜のより速い循環および／または減圧を用いた循環、あるいは両方を可能にする。
【００２８】
（製造）
マイクロ流体アセンブリ内の降伏フィルムは、いくつかの方法によって形成することができる。フィルムは、フィルムをその降伏点を超えて引き伸ばすために十分な圧力を与えることによって、またはマイクロ流体アセンブリ内の空洞の中へフィルムを引き伸ばすための機械プレスを用いて、マイクロ流体カートリッジの組立後に形成することができ、またはそれらは、ダイヤフラムウェブをまとめて事前に引き伸ばすプロセスによって等、組立に先立ってパンチおよび金型の使用によって引き伸ばすことができる。フィルムおよび製造プロセスに応じて、これらのプロセスのうちの１つ以上を用いてフィルムを形成することが望ましくあり得る。典型的な製造後に、いくつかのフィルムは、可撓性であるが、それらの可動域内で実質的にいかなる弾性も有さない。好適な金型および形成プロセスの使用によって、これらのフィルムは、標的マイクロ流体空洞に相補的な形状に形成することができる。例えば、略円筒形を有する巨視的気泡にフィルムを引き伸ばすために、加熱真空金型を使用できることが、当技術分野で公知である。好適な金型の使用によって、フィルムが第１のマイクロ流体アセンブリと整列させられ、次いで、該第１のマイクロ流体アセンブリに連続的に結合される前に、フィルムは、マイクロ流体金型上で引き伸ばされ得る。連続ロールツーロールプロセスの使用を通して、製造における有意な時間および費用節約が実現され得る。
【００２９】
定位置降伏プロセスによってフィルムを生成するために、組み立てられたフィルムの表面積と、マイクロ空洞の少なくとも一部分の面積とは、圧力差がチップに与えられるときに、フィルムが空洞の内部表面積に合致し、フィルムをその降伏点を超えて引き伸ばすことを強いられる比率である。このプロセスは、製造プロセスの一部として、またはマイクロ流体カートリッジの初期動作によって降伏させられ得るときに、カートリッジ組立中に、または組立後に達成され得る。ＳＡＲＡＮＥＸ（登録商標）等のいくつかのフィルムは、比較的低い圧力差を用いて定位置で降伏させることができる。他のフィルムを降伏させるために、所望の降伏圧力がマイクロ流体アセンブリの機械的故障を引き起こさないことを確実にするように、追加の外部圧力を提供することが必要であり得る。
【００３０】
フィルムはまた、製造中に定位置で降伏させることもできる。これは、上記で説明される圧力差方法を通して達成され得る。代替として、降伏は、機械的手段を通して生じることができる。例えば、パンチ、および部分的に組み立てられたマイクロ流体カートリッジを使用することができる。フィルムは、マイクロ流体アセンブリの一側面に結合することができる。フィルムを結合した後、フィルムを下方の空隙の中へ駆動して、金型を機械的にフィルムに押し込むことができる。代替として、フィルムは、金型の中へ拡張され得、次いで、拡張したフィルムは、マイクロ空洞空隙の中へ移送される。好適な金型および圧力の選択を通して、フィルムを非エラストマー状態に引き伸ばすことができる。いくつかのフィルムにとっては、高温で機械的引き伸ばしを行うことが望ましくあり得る。フィルムおよび製造速度のいくつかの選択にとっては、組立ステップに先立って、降伏フィルムを形成することが望ましくあり得る。これは、より大きいキャリアフィルム内の引き伸ばしフィルムの相補的パターンを形成するように、好適な型または金型の使用を通して達成することができる。マイクロ流体サブアセンブリの移送時に、キャリアフィルムから結果として生じた引き伸ばしフィルム部分を切断することが有利であり得る。これは、金型を用いたキス切断によって、またはレーザフィルムカッタを用いた選択的切断によってのいずれかで行うことができる。
【００３１】
フィルムはまた、組立に先立って降伏させることもできる。この場合、組立プロセスは、所望の標的空洞の表面積をうつす（ｌｉｎｅ）ために、十分な非エラストマーフィルムを収集する必要がある。これは、パンチおよび金型の組み合わせを通して、またはフィルムを金型に形成する真空あるいは圧力によって、達成することができ、金型は、標的マイクロ空洞に類似する寸法を有する。次いで、フィルムをマイクロ流体サブアセンブリ上に位置付け、非エラストマーフィルムを圧力の好適な変化によって移送することができる。当業者であれば、フィルムおよび周辺を接着剤層に移送すること、熱、圧力、または溶剤を用いて収集されていないフィルムを結合すること、接着剤を収集されていない材料に適用すること、降伏フィルムのための結合可能領域を作成するように周辺を切断すること、またはそれらの組み合わせ等の製造ステップをプロセスに挿入することが有利であり得ることを認識することができる。
【００３２】
フィルムがカートリッジ組立に先立って降伏させられるとき、マイクロ流体チップにとって有害であり得る製造条件が使用され得る。具体的には、製造上の理由により、マイクロ流体アセンブリまたはその中の試薬と不適合であり得る、圧力または熱処理ステップのいずれか一方を使用することが望ましくあり得る。マイクロ流体アセンブリから降伏プロセスを行うことによって、組み立てられたチップに比較的アクセス不可能である圧力および温度の組み合わせを使用することが可能になる。これは、強度を超える最適なプロセス条件、および／またはプラスチックマイクロ流体カートリッジのために望ましい所望の温度を有する、ポリイミド等のポリマーの使用を可能にする。これらの製造技法を利用することによって、当業者であれば、優れた融通性のマイクロ流体カートリッジ設計および製造を理解するであろう。
【００３３】
全ての場合において、フィルムが、不可逆的に材料を降伏させるために十分に引き伸ばされることが望ましい。具体的には、降伏フィルムが、それが組み立てられるマイクロ流体空洞の内面に相補的な表面積および形状を有するように、与えられる引き伸ばしは、非エラストマーまたは非常に低い弾性のフィルムを作成するようにフィルムの降伏点を超えるべきである。全てのマイクロ流体空洞がフィルム層に対して対称とは限らず、これらの場合において、フィルムの表面積が、ほとんどの用途について、２つのマイクロ空洞のうちの大きい方に合致することが望ましくあり得ることが知られている。いくつかの用途については、液圧または空気圧側のみの表面積にフィルムを合致させることが十分であり得る。例えば、いくつかのマイクロ空洞を順に用いて、マイクロ空洞の間で動作容積変化を異ならせることが望ましくあり得る。これは、フィルムによるマイクロ空洞の非対称分割を有することによって、容易に達成することができる。
【００３４】
本発明のダイヤフラムは、マイクロポンプ、マイクロ弁、およびマイクロ通気孔の構成要素を形成する。マイクロポンプは、１つのそのような発明の組み合わせであり、マイクロポンプは、流体を受け取るように構成されている第１の半空洞と、可逆的に加圧されるように構成されている第２の半空洞と、間に置かれ、第２の半空洞から第１の半空洞を分離するダイヤフラムとを有する、空洞を備え、ダイヤフラムは、降伏点を有するポリマー薄膜ウェブであり、ウェブの永久的に過剰に引き伸ばされた変形によって特徴付けられる。薄膜ウェブは、加圧されたときに第１の状態でマイクロポンプ空洞の第１の内面に非弾性的に一致し、減圧されたときに第２の状態で空洞の第２の内面に非弾性的に一致する。マイクロポンプは、第２の半空洞の加圧および減圧によって駆動されると、第１の状態と第２の状態との間のウェブの永久的に過剰に引き伸ばされた変形の可逆的運動によって定義されるポンプストロークに従って、液体を送出するように構成される。
【００３５】
第２の組み合わせは、マイクロ弁であって、マイクロ弁は、弁入口、弁出口、および弁入口と弁出口との間に置かれている弁座で構成されている第１の半空洞であって、第１の半空洞は、流体を受け取るように構成されている、第１の半空洞と、可逆的に加圧されるように構成されている第２の半空洞と、間に置かれ、第２の半空洞から第１の半空洞を分離するダイヤフラムであって、ダイヤフラムは、第２の半空洞が加圧されるか、または減圧されるかに従って、弁座に対して可逆的にたわむことを可能にされ、それによって、マイクロ弁の「オン」位置および「オフ」位置を画定する、ダイヤフラムとを有する、空洞を備え、さらに、ダイヤフラムが、降伏点を有するポリマー薄膜ウェブであり、ウェブの永久的に過剰に引き伸ばされた変形によって特徴付けられることを特徴とする。薄膜ウェブは、加圧されたときに第１の状態で空洞の第１の内面に非弾性的に一致し、減圧されたときに第２の状態で空洞の第２の内面に非弾性的に一致する。マイクロ弁は、第２の半空洞の加圧および減圧によって駆動されると、第１の状態と第２の状態との間のウェブの永久的に過剰に引き伸ばされた変形の可逆的運動によって、開閉するように構成される。本発明はまた、マイクロ流体回路およびデバイスの構成要素としてダイヤフラム要素の組み合わせも備えている。
本発明は、例えば、以下の項目を提供する。
（項目１）
可動フィルムを備えているマイクロ流体空洞であって、前記可動フィルムは、前記マイクロ流体空洞の２つの半空洞を分離し、前記フィルムは、低い弾性を有し、前記フィルムの表面積は、前記マイクロ空洞の断面積より大きい、マイクロ流体空洞。
（項目２）
前記フィルムの前記表面積は、前記マイクロ空洞の１つの半空洞の内側表面積にサイズが一致する、項目１に記載のマイクロ流体空洞フィルム。
（項目３）
前記フィルムは、
ａ）ポリエチレンの層の間に配置されているポリエチレンテレフタレート／塩化ビニリデンサンドイッチを備えている、共積層、
ｂ）ポリエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリオレフィン、エチレン酢酸ビニル、ならびにそれらの共積層および複合材料、または
ｃ）高密度ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリアクリレート、ポリエステル、ならびにそれらの共積層および複合材料
から選択される、項目１〜２のいずれか１項に記載のマイクロ流体空洞。
（項目４）
前記フィルムは、ストレッチラップフィルム、共積層、またはそれらの複合材料である、項目１〜３のいずれか１項に記載のマイクロ流体空洞。
（項目５）
前記フィルムは、微孔性ポリマーである、項目１〜３のいずれか１項に記載のマイクロ流体空洞。
（項目６）
前記マイクロ流体空洞の前記２つの半空洞は、弁を画定し、前記弁は、
ｉ）弁入口、弁出口、および前記弁入口と前記弁出口との間に置かれている弁座で構成されている第１の半空洞であって、前記第１の半空洞は、流体を受け取るように構成されている、第１の半空洞と、
ｉｉ）可逆的に加圧されるように構成されている第２の半空洞と
を備えている、項目１〜５のいずれか１項に記載のマイクロ流体空洞。
（項目７）
前記弁は、マイクロ流体回路に流体的に接合されている、項目６に記載のマイクロ流体空洞。
（項目８）
前記マイクロ流体空洞の前記２つの半空洞は、ポンプを画定し、前記ポンプは、
ｉ）流体を受け取るように構成されている第１の半空洞と、
ｉｉ）可逆的に加圧されるように構成されている第２の半空洞と
を備えている、項目１〜５のいずれか１項に記載のマイクロ流体空洞。
（項目９）
前記ポンプは、マイクロ流体回路に流体的に接合されている、項目８に記載のマイクロ流体空洞。
（項目１０）
マイクロ流体カートリッジ内のマイクロ流体空洞を分離するためのフィルムを作製する方法であって、前記方法は、フィルムをその降伏点を超えて引き伸ばすことによって、低弾性フィルムを作成することを含む、方法。
（項目１１）
前記フィルムは、前記マイクロ流体カートリッジ内の定位置で引き伸ばされる、項目１０に記載の方法。
（項目１２）
前記フィルムは、製造中に前記マイクロ流体カートリッジ内で引き伸ばされる、項目１０〜１１のいずれか１項に記載の方法。
（項目１３）
前記フィルムは、製造後に前記マイクロ流体カートリッジ内で引き伸ばされる、項目１０〜１１のいずれか１項に記載の方法。
（項目１４）
前記フィルムは、初期動作中に前記マイクロ流体カートリッジ内で引き伸ばされる、項目１３に記載の方法。
（項目１５）
前記フィルムは、前記フィルムを降伏させるために十分に大きい圧力差を与えることによって引き伸ばされる、項目１０〜１４のいずれか１項に記載の方法。
（項目１６）
前記マイクロ流体カートリッジは、完全に組み立てられている、項目１０〜１５のいずれか１項に記載の方法。
（項目１７）
前記マイクロ流体カートリッジは、部分的に組み立てられている、項目１０〜１５のいずれか１項に記載の方法。
（項目１８）
前記フィルムは、圧力差によって引き伸ばされる、項目１６に記載の方法。
（項目１９）
前記フィルムは、機械力によって引き伸ばされる、項目１７に記載の方法。
（項目２０）
前記フィルムは、金型によって引き伸ばされ、次いで、前記マイクロ流体アセンブリに組み立てられている、項目１０に記載の方法。
（項目２１）
前記フィルムは、引き伸ばされ、次いで、外部金型を使用して前記マイクロ流体空洞に相補的な形状に集められる、項目１０に記載の方法。
（項目２２）
前記フィルムは、引き伸ばされ、次いで、前記マイクロ流体空洞を使用して前記マイクロ流体空洞に相補的な形状に集められる、項目１０に記載の方法。
（項目２３）
マイクロポンプであって、前記マイクロポンプは、空洞を備え、前記空洞は、
ｉ）流体を受け取るように構成されている第１の半空洞と、
ｉｉ）可逆的に加圧されるように構成されている第２の半空洞と、
ｉｉｉ）間に置かれ、前記第２の半空洞から前記第１の半空洞を分離するダイヤフラムと
を有し、
前記ダイヤフラムは、降伏点を有するポリマー薄膜ウェブであり、前記ウェブの永久的に過剰に引き伸ばされた変形によって特徴付けられる、マイクロポンプ。
（項目２４）
前記薄膜ウェブは、低密度ポリエチレン／エチレン酢酸ビニル／ポリ塩化ビニリデン／エチレン酢酸ビニル／低密度ポリエチレン共積層フィルムである、項目２３に記載のマイクロポンプ。
（項目２５）
前記薄膜は、ポリエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリエチレン酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリオレフィン、またはそれらの複合材料あるいは共積層から成る、項目２３に記載のマイクロポンプ。
（項目２６）
前記薄膜ウェブは、高密度ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリアクリレート、ポリエステル、またはそれらの共積層あるいは複合材料である、項目２３に記載のマイクロポンプ。
（項目２７）
前記薄膜ウェブは、ストレッチラップフィルムである、項目２３に記載のマイクロポンプ。
（項目２８）
前記薄膜ウェブは、耐化学性ポリマーである、項目２３に記載のマイクロポンプ。
（項目２９）
前記マイクロポンプは、自吸式である、項目２３〜２８のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
（項目３０）
前記マイクロポンプは、前記薄膜に与えられる力の下で前記ウェブを局所的に過剰に引き伸ばすプロセスによって製造され、前記力は、前記降伏点を超えている、項目２３〜２９のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
（項目３１）
前記薄膜ウェブは、加圧されたときに第１の状態で前記空洞の第１の内面に非弾性的に一致し、減圧されたときに第２の状態で前記空洞の第２の内面に非弾性的に一致する、項目２３〜３０のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
（項目３２）
前記マイクロポンプは、前記第２の半空洞の加圧および減圧によって駆動されると、前記第１の状態と前記第２の状態との間の前記ウェブの前記永久的に過剰に引き伸ばされた変形の可逆的運動によって定義されるポンプストロークに従って、液体を送出するように構成されている、項目３１に記載のマイクロポンプ。
（項目３３）
前記第１の半空洞は、液体を受け取るために構成されるポートを備えている、項目３２に記載のマイクロポンプ。
（項目３４）
前記第１の半空洞は、液体を排出するためのポートを備えている、項目３２に記載のマイクロポンプ。
（項目３５）
前記マイクロポンプは、マイクロアッセイデバイスの使い捨てカートリッジ本体の中に封入されている、項目２３〜３４のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
（項目３６）
前記力は、前記使い捨てカートリッジ本体の組立後に前記ダイヤフラムに与えられる空気圧である、項目３０に記載のマイクロポンプ。
（項目３７）
前記ウェブは、最初に、局所的に力を与えることによって過剰に引き伸ばされ、次いで、前記空洞は、前記第１の半空洞を前記第２の半空洞と並置して嵌合させながら、前記ウェブを前記空洞と整列させることによって組み立てられている、項目３０に記載のマイクロポンプ。
（項目３８）
前記ウェブは、前記ウェブを半空洞の中に押し進めるプロセスによって過剰に引き伸ばされ、次いで、前記空洞は、前記第１の半空洞を前記第２の半空洞と並置して嵌合させることによって組み立てられている、項目３０に記載のマイクロポンプ。
（項目３９）
前記力は、制御されたプロセス条件下で与えられる機械力である、項目３０に記載のマイクロポンプ。
（項目４０）
マイクロ弁であって、前記マイクロ弁は、空洞を備え、前記空洞は、
ｉ）弁入口、弁出口、および前記弁入口と前記弁出口との間に置かれている弁座で構成されている第１の半空洞であって、前記第１の半空洞は、流体を受け取るように構成されている、第１の半空洞と、
ｉｉ）可逆的に加圧されるように構成されている第２の半空洞と、
ｉｉｉ）間に置かれ、前記第２の半空洞から前記第１の半空洞を分離するダイヤフラムであって、前記ダイヤフラムは、前記第２の半空洞が加圧されるか、または減圧されるかに従って、前記弁座に対して可逆的にたわむことを可能にされ、それによって、前記マイクロ弁の「オン」位置および「オフ」位置を画定する、ダイヤフラムと
を有し、
さらに、前記ダイヤフラムが、降伏点を有するポリマー薄膜ウェブであり、前記ウェブの永久的に過剰に引き伸ばされた変形によって特徴付けられることを特徴とする、マイクロ弁。
（項目４１）
前記薄膜ウェブは、低密度ポリエチレン／エチレン酢酸ビニル／ポリ塩化ビニリデン／エチレン酢酸ビニル／低密度ポリエチレン共積層フィルムである、項目４０に記載のマイクロ弁。
（項目４２）
前記薄膜は、ポリエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリエチレン酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリオレフィン、またはそれらの複合材料あるいは共積層から成る、項目４０に記載のマイクロ弁。
（項目４３）
前記薄膜ウェブは、高密度ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリアクリレート、ポリエステル、またはそれらの共積層あるいは複合材料である、項目４０に記載のマイクロ弁。
（項目４４）
前記薄膜ウェブは、ストレッチラップフィルムである、項目４０に記載のマイクロ弁。（項目４５）
前記薄膜ウェブは、耐化学性ポリマーである、項目４０に記載のマイクロ弁。
（項目４６）
前記マイクロ弁は、前記薄膜に与えられる力の下で前記ウェブを局所的に過剰に引き伸ばすプロセスによって製造され、前記力は、前記降伏点を超えている、項目４０〜４５のいずれか１項に記載のマイクロ弁。
（項目４７）
前記力は、制御されたプロセス条件下で与えられる圧力である、項目４６に記載のマイクロ弁。
（項目４８）
前記力は、制御されたプロセス条件下で与えられる機械力である、項目４６に記載のマイクロ弁。
（項目４９）
前記薄膜ウェブは、加圧されたときに第１の状態で前記空洞の第１の内面に非弾性的に一致し、減圧されたときに第２の状態で前記空洞の第２の内面に非弾性的に一致する、項目４０〜４８のいずれか１項に記載のマイクロ弁。
（項目５０）
前記マイクロ弁は、前記第２の半空洞の加圧および減圧によって駆動されると、前記第１の状態と前記第２の状態との間の前記ウェブの前記永久的に過剰に引き伸ばされた変形の可逆的運動によって、前記マイクロ弁を開閉するように構成されている、項目４９に記載のマイクロ弁。
（項目５１）
前記第１の半空洞は、液体を受け取るために構成されるポートを備えている、項目４０〜５０のいずれか１項に記載のマイクロ弁。
（項目５２）
前記第１の半空洞は、液体を排出するためのポートを備えている、項目４０〜５０のいずれか１項に記載のマイクロ弁。
（項目５３）
前記マイクロ弁は、マイクロアッセイデバイスの使い捨てカートリッジ本体の中に封入されている、項目４０〜５２のいずれか１項に記載のマイクロ弁。
（項目５４）
前記力は、前記使い捨てカートリッジ本体の組立後に前記ダイヤフラムに与えられる空気圧である、項目４６に記載のマイクロ弁。
（項目５５）
前記ウェブは、最初に、局所的に力を与えることによって過剰に引き伸ばされ、次いで、前記空洞は、前記第１の半空洞を前記第２の半空洞と並置して嵌合させながら、前記ウェブを前記空洞と整列させることによって組み立てられている、項目４６に記載のマイクロ弁。
（項目５６）
前記ウェブは、前記ウェブを半空洞の中に押し進めるプロセスによって過剰に引き伸ばされ、次いで、前記空洞は、前記第１の半空洞を前記第２の半空洞と並置して嵌合させることによって組み立てられている、項目４６に記載のマイクロ弁。
（項目５７）
使い捨てカートリッジ本体を有するマイクロアッセイデバイスであって、前記使い捨てカートリッジ本体は、その中の空洞の中にマイクロポンプを封入し、前記マイクロポンプは、
ｉ）流体回路から液体を受け取るように構成されている第１の半空洞と、
ｉｉ）空気圧を受け取るように構成されている第２の半空洞と、
ｉｉｉ）間に置かれ、前記第２の半空洞から前記第１の半空洞を分離する空気液圧ダイヤフラムと
を有し、
前記ダイヤフラムは、通気性の微孔性エラストマーの薄膜ウェブを備えている、
マイクロアッセイデバイス。
（項目５８）
前記空洞は、前記第１の半空洞に流体的に接合されている流体回路の末端に形成されている、項目５７に記載のマイクロアッセイデバイス。
（項目５９）
前記微孔性エラストマーは、通気性の疎水性ポリウレタンである、項目５７または５８に記載のマイクロアッセイデバイス。
（項目６０）
前記微孔性エラストマーは、通気性の親水性ポリウレタンである、項目５７または５８に記載のマイクロアッセイデバイス。
（項目６１）
前記空気圧は、陽圧または吸引圧力である、項目５７または５８に記載のマイクロアッセイデバイス。
（項目６２）
使い捨てカートリッジ本体を有するマイクロアッセイデバイスであって、前記使い捨てカートリッジ本体は、その中の空洞の中に自己換気式マイクロポンプを封入し、前記マイクロポンプは、
ａ）液圧半空洞であって、前記液圧半空洞は、前記空洞の第１の表面を画定する、液圧半空洞と、
ｂ）空気圧半空洞であって、前記空気圧半空洞は、前記空洞の第２の表面を画定する、空気圧半空洞と、
ｃ）前記空洞の中に配置され、前記液圧半空洞から前記空気圧半空洞を分離するダイヤフラムと、
ｄ）前記第１の表面を通って前記液圧半空洞に進入する流体チャネルであって、前記流体チャネルは、前記液圧半空洞の唯一の流体入口および出口として構成されている、流体チャネルと、
ｅ）前記第２の表面を通って前記空気圧半空洞に進入する空気圧チャネルまたは通気孔と
を備え、
前記ダイヤフラムは、通気性ポリマーの薄膜ウェブを備えている、デバイス。
（項目６３）
前記通気性ポリマーは、微孔性ポリウレタンである、項目６２に記載のデバイス。
（項目６４）
前記通気性ポリマーは、微孔性ポリテトラフルオロエーテルである、項目６２に記載のデバイス。
（項目６５）
前記空気圧チャネルは、通気孔であり、前記ダイヤフラムは、圧力下で膨張させられたときにエネルギーを弾性的に貯蔵し、弛緩したときにエネルギーを弾性的に解放することによって動作する受動ポンプとして動作するエラストマーである、項目６２〜６４のいずれか１項に記載のデバイス。
（項目６６）
前記ダイヤフラムは、通気性ポリマーの薄膜ウェブを備えている、項目６２〜６５のいずれか１項に記載のデバイス。
（項目６７）
前記空気圧チャネルは、吸引圧力パルス列を前記ダイヤフラムに与えることを可能にされる空気圧パルス発生器に動作可能に接続されている、項目６２〜６６のいずれか１項に記載のデバイス。
（項目６８）
前記空気圧チャネルは、交互の陽圧および吸引圧力パルスを前記ダイヤフラムに与えることを可能にされる空気圧パルス発生器に動作可能に接続されている、項目６２〜６６のいずれか１項に記載のデバイス。
（項目６９）
液体中のガスを交換するためのデバイスであって、前記デバイスは、
ａ）その中に空洞を有する本体であって、前記空洞は、
ｉ）液圧半空洞であって、前記液圧半空洞は、前記空洞の第１の表面を画定する、液圧半空洞と、
ｉｉ）空気圧半空洞であって、前記空気圧半空洞は、前記空洞の第２の表面を画定する、空気圧半空洞と、
ｉｉｉ）前記空洞の中に配置され、前記液圧半空洞から前記空気圧半空洞を分離する、薄膜ウェブと
を備えている、本体と、
ｂ）前記液圧半空洞を通して第１の流体チャネルから第２の流体チャネルへ前記液体を流動させることを可能にされる回路であって、前記流体チャネルは、前記第１の表面内のポートを通して前記液圧半空洞に流体的に接続されている、回路と、
ｃ）前記第２の表面内のポートを通って前記空気圧半空洞に進入する空気圧チャネルであって、前記空気圧チャネルは、前記ガスを入れること、または排出することを可能にされる、空気圧チャネルと
を備え、
前記薄膜ウェブは、通気性ポリマーである、デバイス。
（項目７０）
前記通気性ポリマーは、微孔性エラストマーである、項目６９に記載のデバイス。
（項目７１）
前記通気性ポリマーは、微孔性ポリウレタンである、項目６９に記載のデバイス。
（項目７２）
前記通気性ポリマーは、微孔性ポリテトラフルオロエーテルである、項目６９に記載のデバイス。
（項目７３）
前記空気圧チャネルは、減圧で前記空気圧半空洞から前記ガスを排出することを可能にするように構成されている、項目６９〜７２のいずれか１項に記載のデバイス。
（項目７４）
前記デバイスは、前記薄膜ウェブの下で流動する前記流体をガス抜きするために構成されている、項目７３に記載のデバイス。
（項目７５）
前記空気圧チャネルは、陽圧で前記空気圧半空洞の中へ前記ガスを入れることを可能にするように構成されている、項目６９〜７２のいずれか１項に記載のデバイス。
（項目７６）
前記空気圧チャネルは、流動流体に気泡を注入するように構成されている、項目７５に記載のデバイス。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１Ａおよび１Ｂは、密閉チャンバ内で与えられる圧力によって引き伸ばされているダイヤフラム部材のレンダリングである。弾性的に引き伸ばし可能な材料が、弛緩状態に戻る一方で、非弾性的に引き伸ばされた材料は、永久的変形を受ける。
【図２】図２Ａおよび２Ｂは、減圧されたときに折り畳みを受ける、非弾性的に引き伸ばされた材料の２つの状態を概略的に図示する。
【図３】図３は、凹状チャンバの内壁に一致する、引き伸ばされたダイヤフラムフィルムを描写する。
【図４】図４Ａおよび４Ｂは、チャンバであって、略垂直壁および層状構造を有する、チャンバを切断図で描写する。チャンバに一致するように引き伸ばされるプロセスでのダイヤフラムウェブの幾何学形状が図示されている。
【図５】図５Ａおよび５Ｂは、上部チャンバ半空洞の内部表面積に一致するためのダイヤフラムウェブの漸進的引き伸ばしを示す、略直線チャンバを通した切断図の斜視図である。
【図６】図６Ａ、６Ｂ、および６Ｃは、引き伸ばされたダイヤフラムの平面図および立面図である。図６Ｂおよび６Ｃは、第１の状態および第２の状態を描写し、第１の状態は、膨張させられ、第２の状態は、収縮させられる。
【図７】図７は、積層によって構築されるチャンバ内のダイヤフラムアセンブリの分解図である。エプロンを有するダイヤフラム要素が、層のスタック内に示されている。
【図８】図８は、ダイヤフラム要素がデバイスの層から形成される、層状チャンバの分解図である。
【図９】図９Ａおよび９Ｂは、ダイヤフラムフィルムの動作を図示する。
【図１０】図１０Ａおよび１０Ｂは、その弾性限界を過ぎたフィルムの引き伸ばしのサイクルの前および後のストローク量のプロットである。
【図１１】図１１は、低密度ポリエチレン／エチレン酢酸ビニル／ポリ塩化ビニリデン／エチレン酢酸ビニル、および低密度ポリエチレンの共積層フィルムの応力・歪み分析である。
【図１２】図１２は、エラストマーポリウレタンのフィルムの応力・歪み分析である。
【図１３】図１３は、高弾性率材料、すなわち、ポリエチレンテレフタレートのフィルムの応力・歪み分析である。
【図１４】図１４は、低密度ポリエチレン／エチレン酢酸ビニル／ポリ塩化ビニリデン／エチレン酢酸ビニル、および低密度ポリエチレンの共積層フィルムの３つの連続引き伸ばしおよび弛緩サイクルにおけるヒステリシスを示す、応力・歪み分析である。
【図１５】図１５は、ポリエチレンテレフタレートの３つの連続引き伸ばしおよび弛緩サイクルにおけるヒステリシスを示す、応力・歪み分析である。
【図１６】図１６Ａおよび１６Ｂは、弁ダイヤフラムの「オン」および「オフ」構成を示す、マイクロ弁構造の断面図である。弁ダイヤフラム部材は、非弾性変形のプロセスによって形成される。
【図１７】図１７は、非弾性的に変形したダイヤフラムを伴う弁の切断図である。
【図１８】図１８Ａおよび１８Ｂは、流体マイクロ弁のための過剰に引き伸ばされたダイヤフラム部材の平面図および立面図である。
【図１９】図１９は、過剰に引き伸ばされたダイヤフラムを有する、弁構造の分解図である。
【図２０】図２０Ａおよび２０Ｂは、弁ダイヤフラムの「開放」および「オフ」構成を示す、マイクロ弁構造の断面図である。
【図２１】図２１は、図２０のダイヤフラムウェブの斜視図である。
【図２２】図２２Ａは、弁の待ち時間の概念を図示する。事前引き伸ばしされた定位置降伏弁のデータは、図２２Ｂの従来のエラストマー弁と比較される。待ち時間は、ミリ秒単位で報告される。
【図２３】図２３は、定義された過剰引き伸ばしを達成するために必要とされる、臨界ウェブ寸法Ｌｃとプロセス圧力との間の関係の理論的分析である。
【図２４】図２４は、ダイヤフラム弁の過剰引き伸ばし挙動の実験研究である。
【図２５】図２５Ａ−２５Ｆは、ダイヤフラムフィルムを定位置で機械的に引き伸ばす第１のプロセスにおけるステップの順次図である。
【図２６】図２６Ａ−２６Ｆは、ダイヤフラムフィルムを定位置で機械的に引き伸ばす第２のプロセスにおけるステップの順次図である。
【図２７】図２７Ａおよび２７Ｂは、通気性ダイヤフラムを有するポンプの流体装填およびプライミングのための通気性ダイヤフラムを伴う閉鎖端チャネルを図示する。
【図２８】図２８は、層で構築された本体を有する、通気性ダイヤフラムを伴う閉鎖端チャネルの分解図である。
【図２９】図２９Ａおよび２９Ｂは、液体にガス注入するか、またはガス抜きするための微孔性フィルムを伴う流入流体要素の概略図である。
【図３０】図３０Ａ、Ｂ、およびＣは、通気性の微孔性ポリウレタンフィルムの微細構造の電子顕微鏡写真である。
【図３１】図３１は、本発明のダイヤフラム動作型回路要素の組み合わせを有する、代表的な流体回路を図示する。
【図３２】図３２は、本発明のマイクロ弁およびマイクロポンプを含む、空気圧および液圧回路で形成されたマイクロ流体カートリッジを図示する。
【図３３】図３３は、高および低弾性率フィルムの降伏応力等のパラメータを表にし、定位置降伏弁用途のためのダイヤフラム材料の選択を誘導する際に有用である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
以下の発明を実施するための形態は、例証目的で具体的詳細を含むが、当業者であれば、以下の詳細への多くの変形例および変更が請求された発明の範囲内であることを理解するであろう。以下の定義は、請求されるような本発明を説明することの補助として記載される。
【００３８】
（定義）
「カートリッジ」は、ホスト機器への挿入による動作のために設計される、分析デバイスである。ホスト機器は、空気圧、パルス、および検定の実施のための検出手段を供給する。カートリッジは、マイクロスケールチャネル、空洞、およびチャンバを含む、液圧構造体および空気圧構造体を含む。サンプルおよび試薬液体は、カートリッジまたはカードの液圧ネットワーク内で運搬され、流体流は、選択された接合部、チャネル、およびチャンバに及ぶダイヤフラムにおいて液圧部と連動する空気圧ネットワークによって、制御および駆動される。典型的には、カートリッジまたはカードの本体は、可撓性プラスチックで作製され、積層、成形、またはそれらの組み合わせによって形成され得る。本体プラスチックは、ポリカーボネート、ポリエチレンテレフタレート、環状ポリオレフィン、アクリレート、メタクリレート、ポリスチレン、ポリイミド、ポリシリコーン、ポリプロピレン、高密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、グラフトおよびブロック共重合体、およびそれらの複合材料を含み得るが、それらに限定されない。好ましいカートリッジは、ロールストックから作製され、その上に印刷された乾燥試薬を含む。他のそのようなカートリッジは、成形本体要素を含み得る。
【００３９】
デバイスの「液圧構造体」は、検定の過程でサンプルまたは液体試薬によって湿潤させられることを目的としている、相互連通チャネルおよびチャンバの１つまたは複数のネットワークを含む。液圧ネットワークは、検定のステップを行うための流体副次回路で構成される。
【００４０】
デバイスの「空気圧構造体」は、空気圧作動型弁、ポンプ、およびダイヤフラムの１つまたは複数のネットワークを含み、デバイスの液圧部を電力供給および制御するために有用である回路およびマニホールドを相互接続する。カートリッジデバイスの空気圧構造体は、ホスト機器上の陽圧および陰圧源、ならびに液圧ネットワーク内の液体を制御および駆動する、弁、ダイヤフラム、ポンプ、および他の空気圧作動型要素と連動する。
【００４１】
本デバイスの空気圧構造体は、好ましくは、空気または窒素等のガスとともに動作させられると言われ得るが、同等の「空気圧」回路は、より一般的には、流体とともに動作させられ得、流体は、シリコーン油、植物油、フッ化炭素液体等の液体を含む、ガスまたは液体から選択されることも着想される。したがって、本発明の１つの変形例では、空気圧構造体は、液体の特性を有する「流体」とともに動作させられ、デバイスの動作は、当業者によって容易に理解されるように、その他の点では、同等である。
【００４２】
デバイスの「流体構造体」は、検定の過程で湿潤させられる内部チャネルおよびチャンバの１つまたは複数のネットワークで形成される液圧構造体と、空気圧インターフェースを介してホスト機器に由来する陽圧および陰圧源によって電力供給される制御およびポンプ駆動回路で形成される空気圧構造体とを含む。
【００４３】
流体構造体は、流体副次回路に分割され得、各副次回路は、液体サンプルまたは試薬に対して特定の機能を果たすためのチャネルおよびチャンバを備えている。流体副次回路は、（１つまたは複数の核酸標的の抽出、増幅、および検出等のための）直列副次回路、およびサンプルを分割することによる単一のサンプル上の複数の標的に対する同時検定等のための並列副次回路およびネットワークに組織化され得る。「マイクロスケール」および「流体」とは、ミリメートル未満の特徴を有するデバイスを指す。
【００４４】
「マイクロ流体」とは、慣例により、概して、５００マイクロメートル未満である、少なくとも１つの限界寸法を有する流体特徴を指す。限界寸法の狭さは、流体流を支配する法則の根本的変化をもたらす。液体流の型は、ポアズイユ流または「層流」によって特徴付けられる。
【００４５】
「応力」は、歪みに関連付けられる単位面積あたりの内部または復元力であり、パスカルまたはメガパスカルの単位を有する。
【００４６】
「歪」は、外部から与えられた応力に応答する、元の長さで除算した長さの変化の比ΔＬ／Ｌ０であり、単位がない。それは、しばしば、パーセントで与えられる。
【００４７】
「降伏点」は、曲線が偏向するか、または水平になり、塑性変形が始まり、したがって、材料の「弾性限界」に対応する、応力・歪み曲線上の点である。降伏点に先立って、材料は、与えられた応力が除去されたときにその元の形状に弾性的に戻る。降伏点を通過すると、ある割合の変形が永久的かつ不可逆的となるであろう。ダイヤフラム等の降伏材料は、その降伏点を超えて引き伸ばされている。
【００４８】
「降伏強度」および「降伏点」は、ＡＳＴＭ標準試験方法Ｄ８８２−１０（「８８２試験方法」）で説明されるように、再現性について標準技法によって測定される。一貫性のために、概して、１ミルフィルムが好ましい基板である。降伏強度は、不可逆的な変形を引き起こすことなく材料で発生させられることができる最大応力の指標である。降伏点は、不可逆的な変形を引き起こすことなく材料で発生させられることができる最大歪みの指標である。実用的な理由により、降伏強度、歪み、弾性限界、および弾性係数の測定値は、応力・歪み図から実験的に定義される。
【００４９】
オフセット降伏強度は、オフセット線（弾性変形範囲を通して応力・歪み曲線の初期勾配と平行に描かれる）と応力・歪み曲線との交差点で図から読み取られる応力であり、オフセット線は、選択された値だけオフセットされる。プラスチックに対するオフセットは、従来、２％が採用される。随意に、降伏は、時として、例えば、共積層（ｃｏ−ｌａｍｉｎａｔｅｄ）フィルムの場合に範囲として示される。
【００５０】
「弾性」とは、変形を引き起こす負荷が除去されたときに、その元の形状に戻る材料の能力を指す。弾性は、概して、フックの弾性の法則によって説明されるように、ばね様サンプル応答によりエネルギーを貯蔵および放出する能力である。歪みが与えられた応力の増加とともに直線的に増加する場合、材料は純粋に弾性であるが、粘弾性質を示す材料等のいくつかの材料では、応力・歪み関係は、直線的ではなく、サンプル応答は、負荷を与える時間および速度に大きく依存している。
【００５１】
「弾性係数（Ｅｌａｓｔｉｃ  Ｍｏｄｕｌｕｓ）」とも称される「弾性係数（Ｅｌａｓｔｉｃ  ｍｏｄｕｌｕｓ）」（Ｅ）は、歪みが完全に可逆的である、応力・歪み曲線の弾性変形領域中で測定される勾配である。「弾性係数」は、応力・歪み曲線で測定される初期勾配であり、材料の剛性の指標である。弾性係数は、完全に可逆的である伸びまたは変形の範囲内の定数であり、したがって、フックの法則のばね定数と同等である。
【００５２】
「永久的変形」または「非弾性変形」は、伸長応力を受けた後に、材料がその元の長さに戻ることができない、元の長さ寸法の割合として表される、長さ寸法の増加である。フィルムの降伏強度または弾性限界より大きい応力を受けたとき、薄膜の永久的変形が起こり得る。例えば、空洞またはフレームの片側から別の側までのウェブ径間長を有する薄膜ダイヤフラムが、圧力によって引き伸ばされ、次いで、弛緩状態に戻されたとき、ウェブ径間長は、ダイヤフラムがその降伏点を超えて受けた過剰引き伸ばしの量に従って永久的に伸ばされ得る。「過剰引き伸ばし」は、単純に、材料がその降伏点を過ぎて引き伸ばされていることを示す。
【００５３】
材料の「靱性」は、エネルギーを吸収し、破壊または破裂することなく塑性的に変形する材料の能力であり、以下の積分に従って破壊点までの応力・歪み曲線の下の総面積に関係付けられることができる。
【００５４】
【数２】
2019190465.tif 000004
【００５５】
式中、εは、歪みであり、εｆは、破壊時の歪みであり、σは、応力である。Ｋの単位は、単位体積あたりのエネルギーの単位である。本発明の目的で、靱性は、具体的には、長さで最大５０％の歪みを受け、それによって永久的に変形させられる材料の能力を示す。この性質は、本明細書で説明されるような定位置形成プロセスによる空気圧要素の製造のために望ましい。
【００５６】
異なる材料の降伏強度、最大引張強度、および伸長率の相対規模の比較もまた、それらの相対靱性の良好な指標を与えることができる。
【００５７】
「最上部」、「底部」、「上に」、「下に」、「上部」、「下部」、「上方」、「下方」、「上向き」、「下向き」、「より上位」、「床」、「屋根」、「凸状」、「凹状」等は、交差測鉛線に対して直角と見なされる、「地面」等の特定の基準系を参照するときに、絶対位置または観点ではなく相対位置の指標である。
【００５８】
文脈が別様に要求しない限り、本明細書および以下に続く請求項の全体を通して、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」という言葉、ならびに「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」および「を備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」等のその変形例は、限定されていない包括的な意味で、つまり、「〜を含むが、それらに限定されない」として解釈されるものである。本明細書の全体を通した「一実施形態」、「実施形態」、「一側面」、または「側面」という言及は、実施形態または側面と関連して説明される特定の特徴、構造、または特性が、一実施形態に含まれ得るが、必ずしも本発明の全ての実施形態に含まれるわけではないことを意味する。さらに、本明細書で開示される本発明の特徴、構造、または特性は、１つ以上の実施形態において任意の好適な様式で組み合わせられ得る。「従来の」とは、本発明が関連する技術で公知である、用語指定である。「約」および「概して」は、「ほとんど」という意味で「多かれ少なかれ」、「およそ」、または「略」である状態を表す、不正確な広がりの表現であり、変形例は、わずか、明白、または同等の有用性あるいは機能となり、さらに、規範、法則、または限界の明白な重要性の低い例外の存在を示す。
【００５９】
（定位置降伏プロセス（Ｙｉｅｌｄ−ｉｎ−Ｐｌａｃｅ  Ｐｒｏｃｅｓｓ）によるマイクロ流体回路要素）
従来技術は、エラストマーフィルムまたは硬質シートから形成されるダイヤフラムに依拠する。しかしながら、我々は、驚くべきことに、これまでに実現されていない種類のダイヤフラム材料が、マイクロ弁およびマイクロポンプを形成する際に有利に使用され得ることを見出した。これらのダイヤフラム材料は、靱性および耐化学性のために選択されるポリマーであり、いったん引き伸ばされると実質的に弾性を欠き、過度に剛ではない。統一概念は、永久的に変形させられるよう、その降伏点を超えて引き伸ばされている、その靱性のために選択される過剰に引き伸ばされた材料（例えば、降伏した）が、第１の状態から第２の状態に遷移するために、実質的にいかなる作業も必要とせず、各状態は、マイクロ空洞の反対側に一致するという認識である。ダイヤフラムは、典型的には、使用前または最初の使用時に引き伸ばされ、ダイヤフラムを横切る圧力差に従って流体流を非弾性的に制御または推進する、可撓性の弛緩性ブリスター形状膜として挙動する。引き伸ばされると、ダイヤフラムフィルムは、その自然寸法に戻らず、有利なことには、これは、例えば、待ち時間の減少およびストローク量の増加、ポンプ壁へのダイヤフラムの粘着の発生の減少、およびビーズスラリの運搬の向上をもたらす。
【００６０】
図１Ａおよび１Ｂは、その降伏点を超えてフィルムを「過剰に引き伸ばす」定位置形成プロセスによって引き伸ばされている、プラスチックフィルムダイヤフラム部材を示す。この場合、簡略化された空気圧マニホールド２５００およびダイヤフラム２５０１が示されている。ダイヤフラムの縁が、基板２５０２に添着され、エプロン２５０３が、空気圧空洞２５０４の周辺を過ぎて延びる。ダイヤフラム自体が、空洞を覆って「ウェブ」を形成する。制御されたプロセス条件下での引き伸ばし中に、下部チャンバを覆うダイヤフラムウェブは、図１Ｂに示されるように、引き伸ばされ、永久的に変形させられる。流体進入口２５０５は、石鹸の泡のようにダイヤフラムを拡張するが、圧力の解放時に、その元のシート様状態に弛緩する代わりに、ダイヤフラムウェブは、永久的に引き伸ばされたままとなり、折り畳み式の弛緩性ブリスター形状膜を形成し、膨張状態から折り畳み状態に遷移する際に、より大きいストローク量および減少した仕事関数を有するであろう。対照的に、弾性材料は、膨張に抵抗し、圧力が除去されたときにその自然な平坦に回復するであろう。
【００６１】
定位置降伏プロセスによって形成されるマイクロポンプおよび弁ダイヤフラムについては、約２ＭＰａ〜３０ＭＰａの範囲内の降伏点を有する（ＡＳＴＭ  Ｄ８８２標準方法によって試験されるとき）材料が好ましいが、所望であれば、１００または１２０ＭＰａの降伏点を有する材料が使用され得る。３０ＭＰａ以下の降伏点を有するダイヤフラム材料は、例えば、ポリエチレン、低密度ポリエチレン、高密度ポリエチレンを伴う混合物、ポリオレフィン複合材料および共積層、ポリ塩化ビニリデン複合材料および共積層、ならびにエチレン酢酸ビニル複合材料を含むが、それらに限定されない。これらのポリマーの混合物、ブロックグラフト、および共積層（概して「複合材料」と称される）は、特定の用途のために降伏強度を調節するように編成され得、例えば、（ＳＡＲＡＮＥＸ（登録商標）という商標下で販売されているような）低密度ポリエチレン／エチレン酢酸ビニル／ポリ塩化ビニリデン／エチレン酢酸ビニル、および低密度ポリエチレンＬＤＰＥ／ＥＶＡ／ＰＶＤＣ／ＥＶＡ／ＬＤＰＥ）から成る共積層は、約１５ＭＰａの降伏強度を有することが分かり、本発明のマイクロポンプおよびマイクロ弁で有用であることが実証されていることが周知である。典型的には、採用されるフィルムは、１ミル〜３ミルの厚さを有するであろうが、わずかに薄いまたは厚いフィルムも使用され得る。他の有用なフィルムは、本開示の検討後に当業者に明白となるであろう。約１００ＭＰａの降伏点を有する、１つの有用なフィルムは、厚さ１ミルのシートまたはロールで容易に入手可能であり、以下で説明されるような機械的手段によって本発明の引き伸ばされたダイヤフラムウェブに形成され得る、ポリエチレンテレフタレートである。
【００６２】
図２Ａおよび２Ｂは、「膨張状態」および「折り畳み状態」でのダイヤフラムフィルム２５０１の図である。膨張状態（図２Ａ）では、フィルムは、形状が本質的に凹状であり、折り畳み形状（図２Ｂ）では、フィルムは、略不定形であり、平坦に押し付けることができる。我々は、驚くべきことに、フィルムがマイクロ弁およびマイクロポンプダイヤフラムとして良好に機能することを見出した。例えば、弁座に対して平坦に押し付けられたとき、弁を通る液体流は、マイクロ流体デバイスに典型的な動作条件下で容易に停止させられる。ポンプとして動作させられるとき、ポンプストロークは、膨張状態で封入された体積と本質的に等しく、圧力または機械アクチュエータによって平坦に押し付けられたときに封入された体積より小さく、すなわち、マイクロポンプは、本質的にゼロのデッドスペース容積を有する。
【００６３】
図２Ｂでは、不定形ウェブは、折り畳まれ、その自然な平坦性に弾性的に回復しておらず、その降伏点を過ぎて過剰に引き伸ばされている、その未使用状態より実質的に大きい表面積を有する。図は、概略的に描かれており、使用中の膨張または折り畳みダイヤフラム部材の実際の外観を表すことを目的としていない。このタイプの引き伸ばされたダイヤフラムウェブは、ここで示されるように周辺エプロン２５０３を伴って形成され得、エプロンは、ダイヤフラムを基板に取り付けて密閉するためのリップとしての機能を果たす。
【００６４】
図３は、球形キャップ２５１０として成形される半空洞のために適合されるダイヤフラム部材における機械的歪みの分析幾何学形状を画定する、概略図である。本例では、空洞は、ＡからＢまでの径間寸法または弦長Ｌ、および球形キャップ区画のサギッタ（ｓａｇｉｔｔａ）または高さに等しい内部高さによって画定される。ダイヤフラム２５０１は、半空洞２５１０の内面に一致する。ここで、キャップ高さは、ｚによって表され、半径Ｒのある割合である。ＡからＢまでの半空洞の内壁は、半径Ｒを有する球体２５１１の弧長Ｌ’を画定し、弧は、中心角θによって表され、Ｏは、球体の中心である。この種類のポンプ空洞は、例えば、半球フライス加工ヘッドを用いて、または成形プロセスによって作製することができる。次いで、弧長Ｌ’は、再度、過剰な引き伸ばし永久的変形Ｌ’／Ｌとして計算することができるように、式Ｌ’＝θ＊Ｒによって中心角θ（ラジアン単位）および半径Ｒから計算される。永久的変形は、割合として表されるとき、材料の応力・歪み曲線と比較され得、本発明のダイヤフラムウェブの変形が、歪み軸上の材料の弾性限界を超えることが分かるであろう。
【００６５】
図４Ａは、積層によって形成される直線で囲まれたポンプマイクロ空洞２５２０の断面図であり、積層スタックは、ダイヤフラム材料２５０１のシートを含む。本実施例では、ダイヤフラムは、連続シートであり、デバイス本体の全体を通して延びる。ダイヤフラム層は、本デバイスを下本体部分と上本体部分とに分離する。下本体部分は、液圧半空洞２５２２と、入口２５２３と、出口２５２４とを含む。上本体部分は、空気圧半空洞２５２５と、空気圧作動ポート２５２６とを含む。本実施例では、２つの本体部分は、接着剤層２５２７によって接合される。構造は、層毎に組み立てられ得るか、または最初に下本体部分を形成し、ダイヤフラム層２５０１を本体部分に適用し、次いで、その上に上本体部分を構築または追加することによって、組み立てられ得る。ここで示されるように、膨張状態「ブリスター」は、概して、カートリッジ本体の機械的強度を超えないが、薄膜材料の降伏点を超えて圧力を与えることによって、本体が組み立てられた後に定位置降伏プロセスによって形成され得る。随意に、ブリスターは、代わりに、最終組立が完了する前に形成され得る。
【００６６】
図４Ｂは、直線で囲まれた空洞２５３０のために適合されるダイヤフラム部材の機械的歪みの分析幾何学形状を画定する概略図である。空洞は、ＡからＢまでの径間寸法および内部高さｈによって特徴付けられる。ダイヤフラム２５３１（鎖線）は、空洞に及んで密閉する「ウェブ」を形成する。寸法は、必ずしも任意の軸上で一定ではないが、説明を簡単にするために、この直線で囲まれた空洞の内面は、この断面図では長さＬ’＝２ｈ＋Ｌによって境界され、式中、ＬはＡからＢまでの長さであり、ｈは空洞の内部高さであることが分かる。与えられた圧力の下で降伏させられたとき、ダイヤフラムウェブ２５３１は、概して、空洞の内部寸法に一致するよう引き伸ばし、長さＬ’が、概して、側面から側面までのウェブ径間長を加えたチャンバの高さの２倍に等しい、長さＬ’≒２ｈ＋Ｌを取得するであろう。次いで、過剰引き伸ばし（Ｌ’＞Ｌ）を定量化することができ、それは、Ｌ’／Ｌという永久的伸び変形係数に等しい。これを達成するために、材料の降伏点（弾性限界）が引き伸ばしプロセスにおいて超えられるように、材料が選択される。引き伸ばしは、必ずしも一様ではなく、場合によっては、ウェブの周縁に沿って最も大きくなる。
【００６７】
図５Ａは、空洞を部分的に充填する過剰に引き伸ばされた構成のダイヤフラム２５４１を伴うマイクロ流体デバイスを描写する、ポンプ構造２５４０の切断図である。図５Ｂでは、ダイヤフラムは、空洞の内壁により密接に一致するように引き伸ばされる。ダイヤフラムは、有利なことには、かつ単純に、定位置で挟まれる選択されたダイヤフラムフィルムの平坦なシートを含むように、ポンプ構造を形成することによって作製され、次いで、別個のプロセスステップで、デバイスは、ダイヤフラムの片側で内部圧力を受け、圧力は、ダイヤフラムフィルムの降伏強度を超えるように構成され、したがって、フィルムを不可逆的に引き伸ばす。我々は、これを「定位置降伏」プロセスと称する。引き伸ばし後のその膨張状態でのダイヤフラムは、図２Ｂを参照して以前に説明されたように容易に折り畳まれることができる、凸状の「ブリスター状」または「バルーン状」外観を有することが分かる。また、図では、空気圧収納部材（上層）と流体収納部材（下層）との間でダイヤフラムを密閉するために使用される「エプロン」２５４２も示されている。本実施例でのエプロンは、流体面をデバイスの空気圧面に結合する、接着剤層２５４３によって接触させられる。また、ポンプ入口２５４４および出口２５４５も示されており、流体流の方向性は、例えば、逆止め弁（図示せず）または当技術分野で公知である他の手段の使用によって確立される。また、空気圧アクチュエータポート２５４６および空気圧空洞２５４７も示されている。
【００６８】
図６Ａ、６Ｂ、および６Ｃは、流体回路要素のための定位置降伏ダイヤフラム部材２５４１の平面図および立面図である。平面図では、エプロン２５４２は、略円筒形チャンバの中に置かれるように構成されることが分かる。図６Ｂは、その製造プロセスが原位置で完了した後の折り畳まれていないブリスターの外観を示すが、圧力の解放時に、ウェブブリスターは、概して、不定形折り畳み形態に折り畳まれ、および／または図６Ｃで概略的に描かれるように、基板の対向表面に対して平坦になるよう押し付けられることができることが理解されるであろう。ウェブは、２つの状態、すなわち、図６Ｂに示されるような第１の膨張状態、および図６Ｃに示されるような第２の状態を有する。しかしながら、フィルムは、マイクロ空洞が略鏡面対称を有した液圧および空気圧半空洞から成った場合のように、マイクロ空洞の反対側であるが、両方の状態で等しく膨張させられ得ることが理解される。２つの状態は、ダイヤフラムが第１の状態から第２の状態へ移動または反転する、遷移プロセスの終点であると説明され得る。場合によっては、空洞内で第１の状態から第２の状態へフィルムを反転させるために必要とされる圧力差は、３ｐｓｉ未満である。他の場合において、空洞内でフィルムを反転させるために必要とされる圧力差は、１ｐｓｉ未満である。さらに別の作業実施例では、空洞内でフィルムを反転させるために必要とされる圧力は、０．１ｐｓｉ未満であり、液圧空洞内の液体の慣性を克服するために必要とされる圧力差より実質的に小さい。
【００６９】
図７は、積層のプロセスによるポンプ構造２５４０の構築を示す分解図であり、接着剤層２５４３を含む。本実施例では、ダイヤフラム部材２５４１のブリスター形状は、組立後に、ダイヤフラムウェブの降伏強度が与えられた圧力によって超えられる、「定位置形成」プロセスによって作製される。ダイヤフラムは、空気圧空洞２５４７の内面に一致するように引き伸ばされるであろう。ダイヤフラム部材は、単一の接着剤層が使用され得るように、適合するよう切断されている。
【００７０】
図８は、積層によって形成されるポンプ構造２５５０の分解図であり、ダイヤフラム材料２５５１の未切断シートが、アセンブリスタック内で層にされる。２つの接着剤層（２５５２ａ、２５５２ｂ）は、スタック内でダイヤフラム層を結合する。ブリスター形状は、再度、ダイヤフラムの片側に内部圧力を与えるプロセスによって、組立後に形成される。ダイヤフラムは、空洞の内面に一致するように引き伸ばされるであろう。
【００７１】
図９Ａおよび９Ｂは、プラスチックフィルムを降伏させる定位置降伏プロセスによって、どのようにしてダイヤフラム駆動型マイクロポンプ２５６０を形成することができるかを実証する。引き伸ばされたダイヤフラムウェブ（２５６１、図９Ｂ）と液圧半空洞２５６３の基部２５６３ａとの間の封入容積の差異が、ポンプの駆出ストローク量である。完全引き伸ばし時に、ダイヤフラムウェブは、空気圧半空洞２５６２の内部屋根および壁２５６２ａに近接して一致する。したがって、製造のプロセスは、ポンプ動作のプロセスを模倣し、一貫したストローク量を確保する。これは最初に、弾性エラストマーではなかったが耐化学性のために選択されていたフィルムで留意された。この種類の特定のフィルムは、その耐化学性のために高く評価される、ポリエチレンの層の間に配置されたポリエチレンテレフタレートまたは塩化ビニリデンサンドイッチの共積層であった。我々は、未使用フィルムの最初の駆出ストローク量が、通常の使用条件下でフィルムの第２または第３の駆出ストローク量より有意に少ないことを見出した。調査後、フィルムがその降伏点を過ぎて伸びており、プロセスによって不可逆的に変形させられたことが発見された。使用中、フィルムは、空気圧半空洞２５６２の内壁表面２５６２ａの表面積に略一致し、それを有するよう引き伸ばされる。また、図には、液圧空洞２５６３、液体入口２５６４、液体出口２５６５、接着剤層２５６６、成形基板層２５６７、および空気圧作動導管２５６８も示されている。
【００７２】
定位置形成プロセスは、その単純性において有利であるが、過剰に引き伸ばされたダイヤフラムを形成するための他の手段は、組立に先立ってシート上に「ブリスター」特徴を形成するように、オスおよび／またはメス型の使用を含み、事前形成されたブリスターを有するシートは、局所的に引き伸ばされたダイヤフラム特徴をカートリッジ本体内の事前形成された空洞と整列させるように嵌合される。ダイヤフラムの事前引き伸ばしは、機械プラテンプレスを用いて行われ得、または回転金型を使用するロールツーロールプロセスを伴うことができる。引き伸ばされたウェブ要素の真空形成も着想される。
【００７３】
プロセスの別の変形例では、薄膜材料のシートは、空洞および回路特徴を有する、事前形成された本体の半分を覆って層状であり得る。次いで、空洞の中へフィルムを引き伸ばすようにプレスまたは軟質ローラが使用され得、次いで、第２の本体の半分が、定位置でダイヤフラム特徴を挟むように第１の半分と嵌合され得る。所望であれば、過剰な材料が除去され得る。場合によっては、ダイヤフラムおよびカートリッジ本体は、類似または同様の材料で作製され、熱、超音波、または溶剤溶接によって結合されることができる。他の場合においては、接着剤が使用される。
【００７４】
図９Ａおよび９Ｂはまた、未使用対過剰に引き伸ばされた構成の薄膜ダイヤフラム２５６１の比較を実証する。過剰に引き伸ばされた構成では、フィルム２５６１の膨張したウェブは、（未引き伸ばしフィルムに沿って測定されるような）弦長より長い、空洞２５０５の縁から縁までその表面に沿って測定される弓形長を有する。引き伸ばされたウェブ部材の表面積は、空気圧半空洞２５６２の内部屋根および壁の表面積に接近する（または適合するように引き伸ばされたときに、２つの半空洞のうちの大きい方の表面積を有するであろう）。引き伸ばされた状態の封入容積は、折り畳みまたは弛緩状態より大きい。したがって、圧力ポート２５６８での空気圧の使用によってデバイスを動作させることは、交互に膨張状態から折り畳み状態へダイヤフラムを駆動するために使用されることができ、したがって、半空洞２５６３から流体を充填および駆出するためのポンプストロークを達成する。これらのポンプは、自吸式である。
【００７５】
ストローク量成熟が、図１０Ａおよび１０Ｂに示されている。降伏点を過ぎた引き伸ばしの前（前）および後（後）の引き伸ばし可能プラスチックフィルムの駆出ストローク量は、ストローク量の増大をもたらすことが示されている。ストローク量が繰り返しの使用とともに増加したため、ダイヤフラムウェブが組立後に引き伸ばされたことが発見された。次いで、この現象は、ポンプ空洞の寸法に対して最大ストローク量を有する事前引き伸ばされたダイヤフラムを形成するために活用された。
【００７６】
品質管理および動作の再現性の問題として、製品の放出に先立ってこの引き伸ばしプロセスを行うこと、または検定を開始することに先立って「ウォームアップ」動作を行うことが有利であることが証明された。引き伸ばしプロセスが完了すると、引き伸ばされたダイヤフラムは、従来技術のポンプおよび弁では問題であったようなフィルムの弾性によって抑制されることがもはやない、増大した駆出ストローク量（および減少した応答時間）とともに動作する。従来技術のポリウレタンゴムダイヤフラムより強靱かつ耐化学性である、材料が使用され得る。典型的には、これらの材料は、マイクロ寸法の流体特徴に対して、３０ＭＰａ未満、より好ましくは、２０ＭＰａ未満の降伏点を有するが、ブリスターはまた、以下で説明されるような機械的手段を使用して形成され得、したがって、当業者が、より高い降伏強度、および対応してより高い弾性係数を有する材料から、本発明の降伏ウェブを形成することを可能にする。引き伸ばされると、膨張状態からしおれて折り畳まれた状態へダイヤフラムウェブを遷移させるために必要とされる抵抗はごくわずかであり、その結果、フィルムを移動させるために必要とされる作業は、本質的に、チャンバ内の流体の慣性を克服するために必要とされるもののみであり、従来技術のエラストマーダイヤフラムの復元力を克服するために必要とされる追加作業はない。
【００７７】
図１０Ａに示されるように、約１．０８ｃｍの直径を有するＳＡＲＡＮＥＸ（登録商標）ダイヤフラムに対する駆出ストローク量は、過剰に引き伸ばすことによって約９０マイクロリットル（前）から１５０マイクロリットル（後）まで増加すること（５０％以上の増加である）が分かった。空洞天井（図９Ｂ、３２０）は、フィルムの最終的な引き伸ばし寸法を制限し、製造された製品において公称ストローク量のより高レベルの一貫性を確保する。
【００７８】
同様に、図１０Ｂに示されるように、約０．８８ｃｍの直径を有するダイヤフラムは、引き伸ばし前に５０マイクロリットル（前）および引き伸ばし後に約９０マイクロリットル（後）の駆出ストローク量を有することが分かった（約８０％の増加である）。引き伸ばされたダイヤフラムは、必要とされるまで折り畳み状態で貯蔵され得る。
【００７９】
図１０に示される結果の基礎にある材料挙動をより良く理解するために、我々は、いくつかの代表的なフィルムの応力・歪み分析を行った。降伏応力および降伏歪み（荷重およびたわみ）が、１５０ミリメートル／分の歪み勾配速度、グリップ間１５ｃｍのゲージ長、および約２．２ｃｍのグリップ幅で動作させられるＩｎｓｔｒｏｎユニバーサル材料試験機械（Ｉｎｓｔｒｏｎ，Ｎｏｒｗｏｏｄ，ＭＡ）で測定された。フィルムのサンプルは、特に記述されない限り厚さが略１ミルであった。降伏強度は、ＡＳＴＭ試験プロトコルＤ８８２（１００  Ｂａｒｒ  Ｈａｒｂｏｒ  Ｄｒ．，ＰＯ  Ｂｏｘ  Ｃ７００，Ｗｅｓｔ  Ｃｏｎｓｈｏｈｏｃｋｅｎ，ＰＡ  １９４２８）で概説されるような標準方法によって決定された。試験は、概して、約２３℃の制御された室温で行われる。測定された降伏強度は、歪み速度、温度、およびフィルム特性に依存し、当業者であれば、ここで引用される材料性質パラメータが、標準化試験条件に関連して与えられることを理解するであろう。
【００８０】
目的とする１つの材料は、ＳＡＲＡＮＥＸ（登録商標）という商標下で販売されている、低密度ポリエチレン／エチレン酢酸ビニル／ポリ塩化ビニリデン／エチレン酢酸ビニル、および低密度ポリエチレン（ＬＤＰＥ／ＥＶＡ／ＰＶＤＣ／ＥＶＡ／ＬＤＰＥ）共積層である。図１１は、ＰＶＤＣ／ＰＥＴ／ＰＥ共積層フィルムに対する応力・歪み分析である。材料は、限定された弾性係数を有し、１２ＭＰａ〜１６Ｍｐａの範囲内の降伏点で変形し始める。可逆的弾性範囲にわたる勾配は、弾性係数Ｅ＝約８０ＭＰａに対応する。歪み軸上の５０％で、材料は、弛緩することを可能にされたが、３０％の永久的変形（すなわち、Ｌ’／Ｌ）を示す、ゼロ応力への帰還とともに中間レベルのヒステリシスを提示する。この過剰引き伸ばしは、以下に示されるように、後続のサイクルで本質的に応力がない応答をもたらす。
【００８１】
図１２は、ポリウレタン７０１０エラストマー（Ｄｅｅｒｆｉｅｌｄ  Ｕｒｅｔｈａｎｅ  Ｉｎｃ．，Ｓｏｕｔｈ  Ｄｅｅｒｆｉｅｌｄ，ＭＡ）の１ミルフィルムで得られた応力・歪み曲線を描写する。フィルムは、広い歪み範囲にわたって弾性挙動を実証する。いかなる識別可能な降伏点もこの範囲内で認められず、収縮時の最小限のヒステリシスは、そのばね様挙動と一貫する。同様の結果が、第２のエラストマーポリウレタンサンプルで得られた。
【００８２】
不利なことには、ポリウレタン７０１０は、生化学検定で使用される一般的な溶剤、具体的には、エタノールおよびメタノール等の溶剤、またはグアニジン塩等のカオトロープにさらされたときにスイート（ｓｗｅａｔ）または亀裂を生じることが分かった。ダイヤフラム材料が数分以内に劣化し、空気圧完全性が損なわれ、ダイヤフラムは、空気圧および液圧半空洞の間のシールとして機能しなくなり得る。この挙動は、ある分子生物学的検定カートリッジで、これらのポリウレタンの使用を問題にする。
【００８３】
図１３は、２軸延伸ポリエチレンテレフタレートの薄膜（ＤｕＰｏｎｔ  Ｔｅｉｊｉｎ  Ｆｉｌｍｓ，Ｈｏｐｅｗｅｌｌ  ＶＡによってＭＹＬＡＲ（登録商標）という商標下で販売されているＢｏＰＥＴ）で得られた応力・歪み曲線を描写する。材料は、急上昇した弾性係数および１００ＭＰａを上回る降伏点によって示されるように、非常に剛である。材料の弾性限界は、約５％変形で超えられる。しかしながら、実世界のデバイスで有用である可能性が高い動作圧力下でのたわみがないこともまた、これらの材料を有するデバイスが確実に自吸式であり得るかどうかに関する問題を引き起こす。ＢｏＰＥＴは、強靭な材料であることが期待されるが、それは高弾性率材料であり、カートリッジのプラスチック本体内の定位置降伏プロセスにおいて問題である剛性を有する。
【００８４】
図１４は、歪みおよび弛緩の繰り返しのサイクル後に得られたＰＶＤＣ／ＰＥＴ／ＰＥ共積層に対する応力・歪み曲線である。示されるように、第１のサイクル（図１１）に続いて、後続のサイクルは、未使用フィルム性質および形状の「記憶」をほとんどまたは全く示さない。ほんの少しの圧力が、フィルムの急速なバルーン形成をもたらし、本質的にいかなる弾性回復も観察されない。この挙動は、エラストマー材料と比較して、ストローク応答時間および抵抗を低減させる。その引き伸ばされた形態で、フィルムは、本発明の使い捨てカートリッジで使用するための好適なレベルの靱性を保持する。
【００８５】
図１５は、ＢｏＰＥＴの歪みおよび弛緩の繰り返しのサイクルの効果を示す。塑性変形が達成されると、過剰に引き伸ばされた材料は、圧力の連続印加に対するどんな抵抗も失う。フィルムの繰り返しの運動時に、本質的にいかなる力もフィルムを膨張させるために必要とされない（鎖線）。しかしながら、初期引き伸ばしステップ（実線）は、大幅な力を与えることを必要とする。
【００８６】
定義された降伏強度を有する材料で形成することができる特徴のサイズは、与えられた圧力または力に依存し、より低い降伏強度を伴う材料を選択することによって、増加した程度の小型化を達成することができる。しかしながら、２ＭＰａ未満の降伏強度を有するもの等の非常に低い降伏強度を有する材料は、繊細であり、かつ製造環境で取り扱うことが困難であることが判明する可能性が高く、その理由により、それらは、本発明の局所的に引き伸ばされたダイヤフラムウェブを作製するための良好な候補であると考えられない。
【００８７】
図１６Ａおよび１６Ｂは、ダイヤフラムウェブ２６０１の「オン」（または「開放」）および「オフ」（または「閉鎖」）構成を示す、マイクロ流体デバイスの本体内のマイクロ弁２６００の断面図である。弁本体は、外側キャッピング層２６０２と、拡散結合によって、または随意的なＡＣＡ接着剤層２６１２によって等、成形空気圧プレート部材２６０３、ビアプレート部材（ｖｉａ  ｐｌａｔｅ  ｍｅｍｂｅｒ）２６０４、および成形液圧プレート部材２６０５の融合によって形成されるコアとを含む、複数の層で形成される。ダイヤフラム２６０１は、プレート２６０３および２６０４の間で挟まれる。弁空洞は、ダイヤフラムによって分離される空気圧空洞２６０６および液圧空洞２６０７から成る。弁座内の二重ポートを通って液圧空洞２６０７に進入する、２つの流体チャネル（２６０８、２６０９）が示され、ポートは、弁台（ｖａｌｖｅ  ｓｉｌｌ）２６１０によって分離される。閉鎖位置（図１６Ｂ）では、弁ダイヤフラムは、弁台上に置かれ、１つのチャネルから別のチャネルへの流体流に抵抗するように空気圧ポート２６１１で加圧される。開放位置（図１６Ａ）では、ダイヤフラムは、空気圧空洞２８０８の中へ後退させられ、流体は、チャネル２６０８から２６０９まで弁台を横断して自由に流動することができる。ダイヤフラムの移動は、ポート２６１１で空気圧空洞の中へ開けられた空気圧副次回路によって作動させられる。
【００８８】
換言すると、弁は、ａ）内部弁空洞を伴うプラスチック本体であって、弁空洞は、第１の封入下面および第２の封入上面によって画定され、第１の表面は、弁座を画定し、第２の表面は、弁空洞を境界するリップ２６２０において第１の表面に密閉して並置する、プラスチック本体と、ｂ）その周囲で周辺に画定されたエプロン２６２１を伴うダイヤフラム部材であって、エプロンは、第２の表面から第１の表面を分離するよう、リップの下で本体に密閉されて挿入される、ダイヤフラム部材と、ｃ）第１のポートで弁座を通して弁空洞に進入する、第１の流体チャネルと、ｄ）第２のポートで弁座を通して弁空洞に進入する、第２の流体チャネルと、ｅ）第１のポートと第２のポートとの間の第１の表面上で画定される、弁台２８１０とを含み、さらに、ダイヤフラム部材は、弁台に対して可逆的にたわませられ、かつ弁台から後退させられ、それによって、第１のチャネルと第２のチャネルとの間の流体流を可能にするか、または可能にしないための「オン」位置および「オフ」位置を画定することが可能である。
【００８９】
図１７は、図１６の弁構造の切断斜視図である。この場合、弁の設置面積は、弁台２６１０に近接して狭くなる明白な腰部を伴う、略ピーナッツ形状を有する。ダイヤフラムは、弁空洞内の部分的に膨張させられた半分のピーナッツ形球状部として示されている。
【００９０】
ピーナッツ形状は、図１８Ａでより明白に見ることができる。ダイヤフラム部材２６０１は、二葉状であり、中心球状部の周囲で周辺に配置されたエプロン２６２１を含む。入口および出口ポート（ダイヤフラムの一部ではない）の位置は、点線（２６０８ａ、２６０９ａ）で示される。図１８Ｂは、流体マイクロ弁のためのエプロン２６２１を伴うダイヤフラム部材２６０１の立面／斜視図である。引き伸ばされたウェブの表面積は、空気圧半空洞２６０６の内壁表面積に近い。弁ダイヤフラムは、減圧後に球状または「ブリスター」形状（概して、それが形成される内部空洞に一致する）に引き伸ばされ、エラストマーダイヤフラムで形成される弁とは異なり、有利なことには、デバイスの液圧部の中に（すなわち、チャネル２６０８から２６０９まで）流体流に対する抵抗が本質的にない、「開放」位置で供給され得る。空気圧制御線２６１１を通して陽圧を与えることは、弁座２６１０に対してダイヤフラムを折り畳み、弁を「オフ」にする。
【００９１】
図１９は、図１６−１８の弁デバイスの分解図である。好適なダイヤフラム材料を引き伸ばすことによって、弁本体の設置面積をさらに小型化することができる。例えば、ＬＤＰＥ／ＥＶＡ／ＰＶＤＣ／ＥＶＡ／ＬＤＰＥおよび他のストレッチラップフィルム（ｓｔｒｅｔｃｈ  ｗｒａｐ  ｆｉｌｍｓ）の柔軟性により、定位置降伏プロセスを使用して、非常に小さいダイヤフラム特徴に事前に応力を加えることができる。周辺エプロン２６２１を伴う引き伸ばされたダイヤフラム２６０１、キャッピング層２６０２、空気圧空洞２６０６を伴う空気圧層２６０３、ビア層（ｖｉａ  ｌａｙｅｒ）２６０４、印付けられるような入口および出口チャネル（２６０８、２６０９）を伴う液圧層２６０５が示されている。
【００９２】
ｚ次元での弁空洞２６０６の深度は、例証目的で誇張されている。このタイプの弁は、「開放」位置で製造され得るが、空気圧制御線２６１１を通して２ｐｓｉ〜１２ｐｓｉの空気圧を与えることによって、高速で（すなわち、短縮した待ち時間で）可逆的に閉鎖することができる。弁ダイヤフラムは、図５を参照して説明される定位置降伏プロセスのように製造中に圧力を与えることによって、または組立あるいは事前組立の一部としての機械的作用によって、３次元ブリスター形状に引き伸ばされる。定位置降伏プロセスでは、ポリマーフィルムを降伏させ、空気圧半空洞２６０６の球状内部輪郭に一致させるよう、流体回路を通して、または空気圧回路を通して陰圧を与えることによって、圧力が与えられる。ウェブを事前に引き伸ばすための代替的な機械的プロセスを以下で説明する。
【００９３】
好適なフィルムの選択によって、および製造プロセス中のフィルムの定位置降伏引き伸ばしのための条件の調整によって、長さが約０．５ｍｍ未満および幅が０．３ｍｍの弁座を有する、このタイプの弁が容易に取得される。定位置降伏プロセスに関して、ミリメートルサイズの弁のための好ましいフィルムは、線状低密度ポリエチレン（具体的にはメタロセン触媒ＬＬＤＰＥ）、低密度ポリエチレン混合物および共積層、概して、ポリエチレン酢酸ビニル共重合体ポリマーおよび共積層、ポリ塩化ビニリデンおよびＰＶＤＣ共重合体および共積層、ならびに選択されたポリオレフィン複合材料および共積層を含むが、それらに限定されない。好適なフィルムを用いると、ミリメートル未満の規模の空気圧弁特徴にアプローチ可能である。概して、製造条件下で１５または２０ＭＰａ未満の降伏強度を有するフィルムが、より小さい弁特徴を作製するために好ましい。特に好ましい範囲は、５ＭＰａ〜２０ＭＰａであり、いくつかの用途については、２ＭＰａ〜１５ＭＰａである。降伏強度は、標準試験条件下でのフィルムに対して言及されるが、この方法によるマイクロ弁の製造のための条件を最適化するために、上昇したプロセス温度も使用され得ることが理解される。
【００９４】
図２０に示されるように、降伏ダイヤフラムウェブを有する、代替的な弁構造２８００が形成され得る。弁空洞の内面に一致するようにウェブを引き伸ばすプロセスは、出荷されるときに流体的に「開放」しているか、または流体的に「オフ」である、ゼロデッドスペース弁を作製するために使用され得る。初期引き伸ばしは、概して、陽圧または力をダイヤフラムの上面に与え、弁座またはランドを形成するボウルの底面に対してダイヤフラムを押し付けることによって達成される。弁は、図２０Ｂでは「オフ」構成で示されている。しかしながら、流体側へ圧力パルスを与えること（随意に、空気圧側のゼロまたは吸引圧力）は、従来技術の弁のように弾性係数関連の抵抗が本質的にないため、弁が開放することを容易に可能にする。代替として、弁を図２０Ａに示される状態または後退に戻して遷移させる、吸引圧力を空気圧空洞に与えることができるが、引き伸ばされたダイヤフラムは、弁の表面積が弁チャンバの上内部表面積より大きい、折り畳みブリスター形状を有し、したがって、閉鎖した膨張状態に容易に可逆的であるウェブの折り畳まれた不規則条件をもたらす。我々の実験では、これらの弁は、数分から数時間である、典型的なカートリッジ寿命中に多くの作動および閉鎖に耐えることができ、変形は、「開放」状態で流体流の妨害ではない。これらのカートリッジ内のダイヤフラム材料は、概して、販売のために放出する前に、永久的に過剰に引き伸ばされたフィルム構造を形成するように降伏させられるが、いくつかの実施形態では、検定で使用する直前の予備ステップ中に降伏させられ得る。
【００９５】
使用中、これらの弁はまた、吸引圧力を下流流体カラムに与えることによって、または陽圧を空気圧部に与えることによって閉鎖され得、したがって、弁空洞から任意の残留流体体積を排出および／または放出する。弁を通したガス（通気）または流体流の制御は、ダイヤフラムの液圧および空気圧側の圧力の比率を変化させることによって、または交互の陽圧および陰圧の拍動波形を与えることによって変調され得る。
【００９６】
弁は、積層によって、または成形本体部品の融合によって構築され得る。ここでは、最上キャッピング層２８０２、ダイヤフラム２８０１、空気圧本体層２８０３、液圧本体層２８０４、および底部キャッピング層２８０５が示されている。また、弁座２８０７、空気圧空洞２８０８、液圧空洞２８０９、第１の流体チャネル２８１０、第２の流体チャネル２８１１、および空気圧作動回路２８１２も示されている。黒い矢印は、弁が「開放」位置にあるときの流体流を示す（図２０Ａ）。二重の矢印は、「開放」位置から「オフ」位置への遷移を示し、流体流は、弁座２８０７上の膨張したダイヤフラムによって遮断される（図２０Ｂ）。
【００９７】
液圧本体部品２８０３および空気圧本体部品２８０４は、成形部品として描写され、本明細書で説明されるプロセスによって引き伸ばし可能である、ＢｏＰＥＴ、ＳＡＲＡＮＥＸ、ポリ塩化ビニリデン、または他の薄膜の層であり得る、ダイヤフラム層２８０１によって鎖線において接合される。随意に、弾性薄膜が使用され得る。しかしながら、事前に引き伸ばされたフィルムは、有利なことには、弛緩性であり、エラストマーの固有の抵抗を伴わずに作動させられる。ポート２８１０から弁に進入する液体中の液圧は、完全開放状態で流体流を引き起こすために十分である。
【００９８】
図２１は、マイクロデバイス２８００の降伏した二葉状に引き伸ばされたダイヤフラムまたは「ブリスター」ダイヤフラムの図であり、ダイヤフラムのウェブは、エプロン２８１５によって包囲される。エプロンは、マイクロ弁の液圧半空洞および空気圧半空洞（２８０８、２８０９）を分離するように、縁の周囲で本体層（２８０３、２８０４）の間に挟まれている。このブリスター形状は、弛緩性であり、ブリスターを折り畳むために必要とされる作業は、マイクロ流体条件下で流体の慣性を克服するために必要とされる作業に対してごくわずかである。
【００９９】
図２２Ａおよび２２Ｂは、弁の待ち時間の概念を紹介する。弁をオンおよびオフにするために要する時間は、全ての流体プロセスで、特に、混合、加熱、および反応速度が急速な弁作動に依存している、診断検定のために重要である。本実施例では、ダイヤフラムの空気圧側の１０ｐｓｉの持続圧力が、時系列の開始時に弁を閉鎖状態で保つことに関与し、時系列は、左から右に及ぶ矢印２８２０によって表される。陽圧を放出し、時間２８２１でダイヤフラムの空気圧側でマイナス５ｐｓｉの吸引圧力を与えることによって、弁が開放状態に遷移し始める。しかしながら、この遷移は、瞬間的ではなく、遅延は、「待ち時間」と称される。弁ランドに対するダイヤフラムの粘着性についての明白な懸念に加えて、弁開放を遅くし得る材料剛性および弾性もある。したがって、従来技術によって達成される場合、弁の待ち時間は、約１００ミリ秒であり得る。しかしながら、図２２Ｂに示されるように、引き伸ばしプロセスによりダイヤフラムを前処理することによって、弁の待ち時間が実質的に短縮される。材料が事前に引き伸ばされるため、開放弁状態から閉鎖弁状態への遷移に対するその抵抗は、ごくわずかであり、遷移は、空気圧作動マニホールド内の陰圧に応答して、または液圧構造体内の流体陽圧によってのいずれかで、最小限の圧力とともに起こり得る。ＳＡＲＡＮＥＸ（登録商標）ダイヤフラムを使用した、示される実施例での待ち時間は、引き伸ばしに先立って約１００ミリ秒で測定されたが、事前引き伸ばし後（後）に、完全開放まで２０ミリ秒未満に短縮した。これは、驚異的な結果であり、予測可能な方法で挙動する既知の要因の明白な作用ではなかったであろう。
【０１００】
液圧構造体内の陰圧または空気圧構造体内の陽圧は、概して、例えば、図２０で描写される弁を閉鎖するために十分である。また、これらの弁は、有利なことには、ゼロ圧力状態を有する弁論理ツリー（典型的には空気圧側の大気への通気孔）で使用され得る。手短に言えば、弁は、所望であれば、受動的に開放し、能動的に閉鎖するように動作させられ得、従来の弁と比べた当技術分野での進歩である。驚くべきことには、この革新は、エラストマーまたは堅いダイヤフラム材料を使用した貯蔵製品で起こり得る、粘着性の弁の問題を排除する。
【０１０１】
したがって、別の側面では、空気液圧弁が提供され、弁は、該空気圧空洞が大気圧にある（すなわち、事前引き伸ばされたダイヤフラムが弛緩性である）ときに流体静力学的に駆動された流体流に対する抵抗を伴わずに開放しており、液圧チャンバ内の静水圧より大きい空気圧によって加圧されるときにオフであるか、または閉鎖される（例えば、図２０に示されるように、事前引き伸ばされた弁が、入口および出口ポートを流体的に分離するように弁座２８０７の特徴に一致する）。より広義には、本側面では、本発明は、降伏ダイヤフラムフィルムによって分離される空気圧空洞および液圧空洞を有する、空気液圧弁を備え、弁は、該空気圧空洞が大気圧にあるときに流体静力学的に駆動された流体流に対する抵抗を伴わずに開放しており、液圧チャンバの入口または出口のいずれか一方における静水圧より大きい空気圧によって加圧されるときに閉鎖されるか、またはオフである。液圧空洞内の液体への静水圧を上昇させることにより、弛緩性ダイヤフラムフィルムを容易に変位させ、逆に、液圧に対して空気圧を上昇させることにより、ダイヤフラムをその引き伸ばされた形状まで膨張させ、液圧空洞から任意の流体を変位させるであろうことが、当業者によって理解されるであろう。
【０１０２】
ここで、理論として臨界ウェブ寸法Ｌｃの概念を導入し、ダイヤフラム２５０１の「ウェブ」は、（図１Ａおよび２Ａに絵文字で示されるような）円形の加圧隆起としてモデル化され、弦長Ｌは、図３を参照して画定される。臨界ウェブ寸法Ｌｃは、定義された圧力が定義された過剰な引き伸ばしもたらすであろう、最小ウェブ長である。ウェブ寸法が小さいほど、所望の引き伸ばしを達成するためにより多くの圧力が必要とされる。関係は、選択された材料特性を有する薄膜の２ｍｍウェブの変形を達成するために、３０ｐｓｉを超える圧力が必要とされる、放物曲線を近似する。導出は、概して、Ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍ
ｍａｔｅｒｉａｌｓ−Ｓｔｒｅｓｓ  Ｄｅｆｅｃｔ  Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ．Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓ，ｐｐ  ３１２−３８６の中のＦｒｅｕｎｄ  ＬＢ  ａｎｄ  Ｓ  Ｓｕｒｅｓｈ，２００４．Ｆｉｌｍ  ｂｕｃｋｌｉｎｇ，ｂｕｌｇｉｎｇ  ａｎｄ  ｐｅｅｌｉｎｇ．に従う。与えられた圧力Ｐの作用によって球形キャップに変形している場合の薄膜の円形ウェブが分析された。薄膜が一定の半径（すなわち、球形変形）および膜の全体を通した一定の等２軸歪み（すなわち、半径方向および円周方向の歪みが、フィルム内の全ての点において等しく、かつ一定である）を伴って変形すると仮定すると、次いで、膜内の応力は、ヤング係数、ポアソン比、およびフィルム厚の関数として歪みに関係付けられることができる材料内の曲げ応力を無視すると（すなわち、薄膜を仮定すると）、特徴の円周における応力は、圧力に関係付けられることができる。次いで、歪みは、Ｌ’／Ｌ、すなわち、平坦なフィルムから膨張したフィルムへの弧長の変化として計算される。最終的に、膜のたわみが特徴の直径よりはるかに小さい場合、所与の圧力に対する臨界直径Ｌｃは、分析的に導出されることができる。
【０１０３】
図２３では、ＳＡＲＡＮＥＸ（登録商標）フィルムの特性を有するフィルムの臨界ウェブ寸法Ｌｃが計算され、６％降伏が起こることが期待される圧力に対して描画される。示されるように、フィルム寸法Ｌが短縮されると、より高い圧力がフィルムを引き伸ばすために必要とされる。６．０％より大きいＳＡＲＡＮＥＸ（登録商標）の塑性変形は、ダイヤフラムウェブが所与の圧力に対してＬｃより大きい寸法に及ぶ場合のみ予測される。例えば、積層マイクロ流体カートリッジへの損傷が期待される内部圧力に接近する、３０ｐｓｉの与えられた圧力下でＳＡＲＡＮＥＸ（登録商標）ダイヤフラムを引き伸ばすことによって、約３ｍｍの定位置降伏特徴が期待される。
【０１０４】
しかしながら、上記の分析は、いくつかの欠点を有する。球形たわみおよび等２軸歪みの仮定は、非円形の幾何学形状には妥当ではなく、歪みは、実際の弁の中のウェブの全体を通して一定ではないであろう。また、たわみが特徴サイズより有意に小さいという仮定が当てはまらず、これは、不正確な分析結果につながるであろう。別の欠点は、速度依存性であるヤング係数、およびポアソン比に対する材料データの不足である。標準化材料試験で使用される歪み速度は、おそらく動作中の空気圧作動型弁の速度より少なくとも１桁小さい。最後に、フィルムが膨張して薄くなると、所与の圧力に対する応力は、縮小した断面積により、より高くなるであろう。これは、Ｌｃの推定値をより高い圧力またはより大きい直径に推し進めることができる。手短に言えば、工学は、極めて予測不可能かつ複雑であり、作業弁の挙動は、実験を伴わずに現実的に達成することができない。
【０１０５】
驚くべきことには、理論にもかかわらず、我々は、２０ｐｓｉ未満の圧力を使用して、弁ダイヤフラムが、約２×３ｍｍの寸法および本質的に図１８に示されるような幾何学形状を有する空洞内で１ミルのＳＡＲＡＮＥＸ（登録商標）薄膜（１２ＭＰａ〜１４ＭＰａの範囲内の降伏点を有する）から形成され得ることを実験的に見出した。（高温での）２０ｐｓｉが、損傷を伴わない積層デバイス本体の加圧のための作業限界内であるため、この所見は予想外であった。達成された過剰引き伸ばしは、長さが６％より大きかった。我々の理論的分析は、このサイズのマイクロ弁が３０ｐｓｉ未満の圧力で作製されることに成功できないことを示唆しており、デバイスによって耐えることができる内部圧力への制限により、積層デバイス本体における「定位置降伏」または「定位置形成」引き伸ばし処理が非実用的であろうという懸念を引き起こしていた。
【０１０６】
図２４は、約２ｍｍ×３ｍｍである空気圧チャンバを覆って密閉されたＬＤＰＥ／ＥＶＡ／ＰＶＤＣ／ＥＶＡ／ＬＤＰＥ共積層ダイヤフラムの過剰引き伸ばし挙動の実験研究の結果を示す。初期圧力が、任意の初期の緩みを除去するように与えられた。中心点たわみが、随意に、フィルムの塑性変形を引き起こすために十分な圧力を与える前および後に測定された。塑性歪みの変化であるΔεは、以下のように計算され、
【０１０７】
【数３】
2019190465.tif 000005
【０１０８】
荷重たわみは、随意に、フィルムの圧力処理の前（δ０）および後（δ５）に測定される。（中心線ストローク変位の増加としての）３つの結果が、１０、１５、および１８ｐｓｉでの圧力処理に続いて示されている。膜引き伸ばしのほぼ倍増が、１０ｐｓｉより有意に大きい１８ｐｓｉでの前処理後に得られ、約１５ｐｓｉ〜２０ｐｓｉを用いた処理が、ＬＤＰＥ／ＥＶＡ／ＰＶＤＣ／ＥＶＡ／ＬＤＰＥ共積層を使用した定位置降伏ダイヤフラム製造のために十分であり、弁空洞が約１００マイクロメートルの弁座を上回る高さを有することを実証する。
【０１０９】
これは、本発明のプロセスが、驚異的に小さいマイクロ弁特徴、すなわち、既知の方法の適用によって予測可能に達成されなかったであろう寸法を有する特徴を達成することを実証する。３０ＭＰａ未満の降伏強度を有する薄膜については、所望のサイズ範囲を有する定位置引き伸ばし流体特徴を達成するように、標準化プロセス圧力および温度条件を選択することができる。そして、その所見の当然の結果として、１５ＭＰａ未満の降伏強度を有するフィルムを使用することにより、増大した小型化を可能にする改良である、さらにより小さいポンプおよび弁特徴をもたらすであろう。弁ダイヤフラムとしてより低い降伏点を有する材料、ならびにマイクロ弁空洞および関連チャネルを形成する構造部材のためのより強い材料を使用することによって、相乗効果が達成される。
【０１１０】
ＰＥＴは、その高い降伏応力により、定位置形成マイクロ弁の製造のための薄膜として好適と見なされないが、ＰＥＴは、デバイス本体の製造のために有用であり、ＰＥＴの薄膜は、ダイヤフラムウェブが形成される材料を機械的に引き伸ばすことによって組み込むことができる。したがって、本発明は、より低い強度のダイヤフラム材料に限定されない。機械的引き伸ばしプロセスが考慮されるが、より広範囲の降伏強度が考慮され得る。例えば、それに限定されないが、約１００ＭＰａの降伏強度を有するＢｏＰＥＴ等の材料が、以下の図で説明されるような機械的引き伸ばしプロセスによって組み込まれ得る。
【０１１１】
図２５Ａ−２５Ｆは、ダイヤフラムフィルムを定位置で機械的に引き伸ばす第１のプロセスにおけるステップの順次図である。図は、最終組立に先立って、両方のダイヤフラムが機械プレスによって引き伸ばされる、弁およびポンプ空洞を封入するマイクロ流体デバイスを構築するプロセスを説明する。図２５Ａは、内部空洞およびチャネルを有する、第１の成形本体部材２９００を示し、図２５Ｂでは、下部キャッピング層２９０１がチャネルを密閉するように追加される。断面図では、（２つの流体チャネルを分離する弁台を伴う）弁２９０２の液圧半空洞および（入口および出口を伴う）ポンプ２９０３の液圧半空洞が視認される。これは、デバイスの液圧構造体を形成し、概略的に描写されるように、内部ポンプ動作を伴う液圧弁半空洞およびポンプ半空洞を画定する。図２５Ｃでは、好適なダイヤフラムフィルム２９０４の薄膜シートが、弁およびポンプ半空洞を覆って、液圧サブアセンブリの上に重ね合わせられる。次いで、薄膜材料が、成形部品に溶接または鋲留めされ、余分な材料が、レーザ切削溶接で剥離され、図２５Ｄで描写される弁およびポンプダイヤフラムウェブ部材（２９１２、２９１３）をもたらす。溶接および切断ステップは、例えば、Ｘ−Ｙテーブル上でレーザを使用して行われる。次のステップ（図２５Ｅ−２５Ｆ）では、その降伏点を過ぎてフィルムを過剰に引き伸ばし、ウェブをブリスターの形状に永久的に変形させるように好適なプロセス条件下で、ダイヤフラムウェブを液圧半空洞の中へ押し付ける（矢印）ために、好適な寸法を有する機械的指部（２９１０、２９１１）が使用される。ここで、それぞれ、引き伸ばされた弁ダイヤフラムェブおよびポンプダイヤフラムウェブに対応する、完成した事前引き伸ばしされたダイヤフラムウェブブリスター（２９１５、２９１６）が、液圧空洞の内部表面積の形状に一致する、膨張状態で示されている。好適なデュロメータのローラもまた、このプロセスステップを行うために使用されることができる。次いで、デバイスの上層は、液圧サブアセンブリに接着され、または別様に融合あるいは添着され得、完成したデバイス本体内にダイヤフラム部材を挟む。最終組立は示されていないが、例えば、図７および１９を参照して、当業者によって理解されるであろう。
【０１１２】
図２６Ａ−２６Ｆは、ダイヤフラムフィルムを定位置で機械的に引き伸ばす第２のプロセスにおけるステップの順次図である。図２６Ａは、内部空洞およびチャネルを有する、第１の成形本体部材２９００を示し、図２６Ｂでは、下部キャッピング層２９０１がチャネルを密閉するように追加される。断面図では、（２つの流体チャネルを分離する弁台を伴う）弁２９０２の液圧半空洞および（入口および出口を伴う）ポンプ２９０３の液圧半空洞が視認される。これは、デバイスの液圧構造体を形成し、概略的に描写されるように、内部ポンプ動作を伴う液圧弁半空洞およびポンプ半空洞を画定する。図２６Ｃでは、好適なダイヤフラムフィルム２９０４の薄膜シートが、弁およびポンプ半空洞を覆って、液圧サブアセンブリの上に重ね合わせられる。次いで、薄膜材料２９０４が、成形部品に溶接または鋲留めされ、余分な材料が、レーザ切削溶接で剥離され、図２６Ｄで描写される弁およびポンプダイヤフラムウェブ部材（２９１２、２９１３）をもたらす。本実施例では、切断および融合プロセスは、環状ナイフ２９０５（または他の好適な形状）を用いて行われる。随意に、ナイフは、加熱され、またはダイヤフラム部材のエプロンを基板に融合するよう超音波で作動させられる。次のステップ（図２６Ｅ−２６Ｆ）では、その降伏点を過ぎてフィルムを過剰に引き伸ばし、ウェブをブリスターの形状に永久的に変形させるように好適なプロセス条件下で、ダイヤフラムウェブを液圧半空洞の中へ押し付ける（矢印）ために、好適な寸法を有する機械的指部（２９１０、２９１１）が使用される。ここで、それぞれ、弁ダイヤフラムウェブおよびポンプダイヤフラムウェブに対応する、完成した事前引き伸ばしされたダイヤフラムウェブブリスター（２９１５、２９１６）が、液圧空洞の内部表面積の形状に一致する、膨張状態で示されている。好適なデュロメータのローラもまた、このプロセスステップを行うために使用されることができる。次いで、デバイスの上層は、液圧サブアセンブリに接着または添着され得、完成したデバイス本体内でダイヤフラム部材を挟む。
【０１１３】
本発明の教示は、弁およびポンプに限定されないが、マイクロ流体デバイス内の種々の機能を有する引き伸ばされたダイヤフラムに関する。次の実施例では、微孔性ダイヤフラムを有する通気孔であり、チャネルの末端を占有する通気孔を示す。疎水性の微孔性フィルムを選択することによって、液体は、空気が排出されている間に液圧空洞に進入し得、空洞が液体で完全にいっぱいになることを可能にする。
【０１１４】
（通気性ダイヤフラムを有する通気要素）
図２７Ａおよび２７Ｂは、出口がないチャンバ３００４の中で終端する分岐を有する流体回路で用途を見出す、閉鎖端マイクロポンプ空洞３０００の表現である。流体は、入口３００２を通ってここで示されるチャンバに進入し、液圧半空洞３００４を充填する。従来技術のダイヤフラムを有する、このタイプのチャンバでは、内在ガスを変位させることができない。しかしながら、通気性の微孔性フィルムのダイヤフラムウェブ３００１を供給することによって、空気圧半空洞３００５および出口ポート３００６を通して、ダイヤフラムを通した液体充填プロセス中にガスが排出される。「通気性」とは、液体ではなくガスに対する透過性を有するフィルムを意味する。次いで、ダイヤフラムが、湿潤させられると、もはやロバストにガスを排出しなくなるが、代わりに、空気圧で作動させられたときに効率的なポンプ部材に変換されるため、ダイヤフラムは、チャンバから流体を排出するように空気圧で作動させられ得る。この新規の特徴は、単一のダイヤフラムを用いて、微孔性通気孔とポンプとを一体ユニットに組み込む。ポート３００６は、充填サイクル中に外気への通気孔としての機能を果たすが、ポート３００６は、ポンプとしてダイヤフラム３００１を動作させるときに陽圧または陰圧によって動作させられるよう、弁で調節され得る。入口ポート３００２はまた、液体出口としての機能も果たす。
【０１１５】
用途では、流体デバイス内の一連のチャンバが、検定を行うように流体的に接続され、一連の末端チャンバ（図２７）は、行き詰まりのチャンバの中で捕獲される任意の空気が充填動作中に除去され得るように、通気孔としての機能を果たす通気性ダイヤフラム３００１を有する。空気圧空洞３００５を加圧することによって、液体は、入口３００２から戻って放出され、上流流体回路に返還される。
【０１１６】
この種類のマイクロポンプはまた、乾燥試薬が使用時に湿潤するために貯蔵される試薬追加のために、および例えば、熱循環のために使用されることもでき、その場合、一対のポンプが働かせられ、１つのポンプが空気圧で作動させられ、第２のポンプは、（微孔性ダイヤフラムを通してガスを排出している間に）圧力下で充填され、次いで、空気過圧によって作用されたときに液体を駆出するように空気圧ポンプとして動作させられることができる末端チャンバを有する閉鎖端流体分岐である。
【０１１７】
図２８は、層による通気式マイクロポンプ要素の構築を描写する。材料は、図４および５を参照して説明されるように、その界面を横切って圧力差を与えることによって、または図２５および２６で図示される機械的引き伸ばし／組立プロセスを使用することによって、事前に引き伸ばされ得る。
【０１１８】
別の用途では、図２９Ａのデバイスで示されるように、引き伸ばされている通気性の微孔性フィルム３０２１が、流入ガス抜き３０２０チャンバを形成するために使用され得る。このチャンバは、液体流を可能にするための入口３０２２および出口３０２３を含むが、このチャンバは、それを通して圧力差の下でポート３０２４を通してガスを引き出すことができる微孔性膜３０２１（鎖線）によって液圧部から分離された空気圧サブチャンバによって、蓋をされている。少量の流体をガス抜きするために、このようにして形成されるフィルムを使用することができる。通気性の微孔性フィルムは、図２９Ｂに示されるようにガスを追加するように構成されるチャンバ３０３０の中でも使用されることもでき、それは、例えば、フローサイトメトリ用途における細胞の酸素化のため、または薄膜３０３１（鎖線）を通した流体チャネルの中への気泡の導入のためであり、その場合、流体区画および気泡区画を交互する流れに流動を再形成することが望ましく、それは、ＡｕｔｏＡｎａｌｙｚｅｒ  ＩＩにおいて巨視的規模で達成された（そこでは、気泡が、撹拌されていない境界層を混乱させるために、規則的な間隔で「Ｔ字」で検定流体を運搬する管類に導入された（いくつかのマイクロ流体用途で問題である））ようなものである。これらのフィルムは、流体流に対する抵抗を低減させるように、およびガス交換のための表面積を増大するように、本発明の教示によって事前に引き伸ばされ得る。
【０１１９】
図３０Ａ、Ｂ、およびＣは、図２８および２９のデバイスで有用であるような通気性の微孔性ポリウレタンフィルムの微細構造の電子顕微鏡写真である。多孔質の破壊細胞構造は、走査電子顕微鏡法によって、増大する倍率を用いて容易に可視である。微孔性ポリウレタンは、「ＰＯＲＥＬＬＥ（登録商標）」膜（ＰＩＬ  Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ  Ｌｔｄ，Ｋｉｎｇｓ  Ｌｙｎｎ，Ｎｏｒｆｏｌｋ  ＵＫ）として販売されているフィルムを含む。これらのポリウレタンは、好ましくは、疎水性であり得るが、親水性フィルムもまた、有用であり得る。一例は、Ｐｏｒｅｌｌｅ  ３５５である。
【０１２０】
他の微孔性ポリマーも公知であり、同様に機能する。ＭＵＰＯＲ（登録商標）（Ｐｏｒｅｘ，Ｆａｉｒｂｕｒｎ  ＧＡ）という商標下で販売されているポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の微孔性形態が、液圧を使用して定位置で容易に降伏させられる。２．２ＭＰａの降伏点が、標準ＡＳＴＭ試験条件下で１ミルのＰＦＴＥフィルムについて実験的に決定された。結果として生じるダイヤフラムは、ガスに対する良好な透過性を有し、通気孔として使用することができ、疎水性は、所望であれば、水性液体の選択的封鎖をもたらす。技術的問題に対する予期しない解決策において、したがって、閉鎖端チャネルの中でダイヤフラム部材を形成するために、微孔性ポリウレタンフィルムが使用され得、末端チャンバの中への液体の進入は、透過性ダイヤフラムを通して内在空気を直接排出することによってのみ可能である。いくつかの用途では、これらのダイヤフラムは、最初に空気を放出するが、湿潤させられたとき、空気に対する透過性が実質的に減少させられ、したがって、閉鎖端チャネルのためのゼロ空気取り込み自吸ポンプに対するダイヤフラムであり、有利なことには、ライン内の全ての空気が排出され、フィルムが湿潤させられると、ポンプが能動空気圧マイクロポンプになる。
【０１２１】
乾燥空気圧または液圧力を与えることは、２ＭＰａ〜３０ＭＰａの範囲内の降伏強度を有するフィルムを降伏させるために十分である。フィルムは、概して、内部空洞の形状に一致するであろう。好適な定位置形成プロセスは、空洞の全容積が、液体の存在下で後続のポンプストロークのために利用可能であり、例えば、２ゾーン熱循環のため等にポンプチャンバがペアで使用されるとき、特に、ポンプチャンバのうちの１つが末端チャンバであり、別様に通気されないときに有用であることを確実にする。代替として、本発明の機械的降伏プロセスが、これらの降伏ダイヤフラム部材を形成するために使用され得る。
【０１２２】
（本発明の流体ダイヤフラム要素の回路の組み合わせ）
図３１は、支持基盤を伴わないチャネルおよびチャンバを描くことによって示されるような、本発明のダイヤフラム動作型回路要素の組み合わせを有する、代表的な流体回路３０４０を図示する。この流体回路は、入口ポート３０４１、衛生通気孔３０４３に接続された脱ガスチャンバ３０４２、前後流体流のための２つのペアにされたダイヤフラムポンプ（３０４４、３０４５）、長軸上に光学窓を伴う検出チャンバ３０４６、および末端通気孔３０４７から成る。動作中、サンプルは、吸引とともに追加され、次いで、各回路要素内のダイヤフラムへの空気圧アクチュエータの協調的作用によって、回路を通して方向付けられる。検定では、液圧半空洞内に事前に位置付けられた乾燥試薬（円）が、検出終点につながる化学反応をもたらす。また、ＰＣＲ増幅の場合のように往復流中に対合ダイヤフラムポンプを流体的に分離するために使用される、２つの弁（３０４８、３０４９）も動作のために必要とされ、当技術分野で公知であるように、一方のダイヤフラムポンプは、焼鈍温度で保持され、他方のダイヤフラムポンプは、変性温度で保持される。有利なことには、事前引き伸ばされたダイヤフラム部材は、ポンプストローク量の向上、ストローク量の一貫性の向上を達成し、ポンプの作業を低減させ、また、弁の速度も向上させる。液体中の気泡を排出するための引き伸ばされた微孔性ダイヤフラムの使用も想定され、閉鎖端チャネルを充填するときに利点を提供することが示されている。不可逆的に引き伸ばし変形させられたダイヤフラムを有する、これらの回路の組み合わせも着想され、本発明の範囲の一部として請求される。
【０１２３】
図３２は、本発明のマイクロ弁およびマイクロポンプを含む、空気圧および液圧回路で形成された二重マイクロ流体カートリッジ３０６０を図示する。これらの回路の詳細な動作は、本発明を理解するために必要とされる説明の範囲を超えるが、当業者であれば、本発明のマイクロポンプ、マイクロ弁、およびマイクロ通気孔が、１つ、２つ、またはそれ以上のマイクロ流体カードデバイスのより大きいアセンブリで組み合わせられ、抽出および精製、また、増幅および検出ステップを含む、生物学的検定で機能するように協調的に作用し得、非常に少ない流体体積を用いて複数の同時機能を果たすことが可能であることを理解するであろう。本実施例では、２つのデバイスのうちの大きい方３０６１が、抽出副次回路であり、小さい方のデバイス３６０２は、検出副次回路である。また、機器制御下で共通マニホールドを通してオフカード空気圧作動回路にマイクロ流体デバイスペアを界面接触させる際に使用される、ガスケット３０６３も示されている。より高いスループットおよび検定の複雑性という課題を満たすために、これらの組み合わせの増大した小型化が必要とされる。本発明のダイヤフラムおよびそれらの副次的組み合わせは、当技術分野で望ましいように、小型化の向上および回路密度の増加をもたらす。
【０１２４】
図３３は、本発明のマイクロ弁ダイヤフラムで有用である、いくつかの一般的なフィルムの降伏点を表にする。線状低密度ポリエチレン、低密度ポリエチレン、エチレン酢酸ビニル共重合体、ポリ塩化ビニリデン、およびＳＡＲＡＮＥＸ（登録商標）を含む、例示的な引き伸ばし可能ダイヤフラムフィルム材料の降伏点が示されている。高密度ポリエチレンは、わずかにより高い降伏強度を有するが、当技術分野で公知の技能による混合、グラフト、または共積層のプロセスによって、好適であるように容易に修正される。定位置降伏プロセスのための好適なフィルムは、２ＭＰａ〜３０ＭＰａの範囲内の降伏強度を有するが、より高い降伏点を有するフィルムが、本明細書で説明される機械的プロセスとともに使用され得る。
【０１２５】
例えば、比較のために、狭い範囲の弾性（１．３５ＧＰａの弾性係数）および約１００ＭＰａの降伏応力を有する、２軸延伸ポリエチレンテレフタレートも表に記載されている。３０ＭＰａより大きい降伏応力を有するフィルムは、概して、プラスチックカートリッジ本体によって耐えられる、与えられる圧力および温度への実用的制約により、修正されない限り、マイクロポンプおよびマイクロ弁の製造のために好適な圧力および温度での定位置降伏プロセスのために実用的ではない。そのようなフィルムは、前述のような機械プレスまたはローラ、あるいは当技術分野で公知である同等のプロセスを使用して、降伏させられ得る。
【０１２６】
ポリカーボネートは、（５５ＭＰａ〜６５ＭＰａの範囲内の）比較的高い降伏強度および弾性係数（約２．３ＧＰａ）を有する。これらの材料は、伸びに抵抗することが期待され、概して、カートリッジ本体内の定位置降伏動作のために好適ではないが、より柔軟な材料と混合または積層され得、かつ好適な条件下で機械的に引き伸ばされ得る。
【０１２７】
ポリイミドは、４ＧＰａを超える弾性係数および７０ＭＰａ以上の降伏強度を伴う、概ね剛な材料である。引き伸ばされていないポリイミドがマイクロ流体カートリッジ内のダイヤフラムとして使用されているが、それらの固有の剛性は、信頼できる自吸式特徴に適合せず、好適な程度の可撓性を達成するように、組立に先立って混合させられるか、または別様に機械的に、あるいは空気圧で引き伸ばされない限り、略実用的であるより高い動作圧力を示唆する。
【０１２８】
ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）は、概して、好適ではない。１００ＭＰａを上回る降伏応力に加えて、ヤング係数は、３．６ＧＰａより大きく、大幅な与えられた力がないと容易に伸びないであろう、極めて剛な材料を示す。
【０１２９】
ＰＴＦＥは、記憶を有さず、エラストマーではない。しかしながら、降伏強度が比較的低い（２ＭＰａよりわずかに大きい）。驚くべきことには、ＭＵＰＯＲ（登録商標）という商標下で販売されているＰＴＦＥの微孔性形態は、空気圧を使用して、定位置で容易に降伏させられる。これらの通気性フィルムは、降伏点が超えられた後に有意な塑性を保持し、マイクロアッセイカートリッジの製造に好適な範囲内の圧力を使用して、チャンバに一致するように引き伸ばされることができる。定位置で降伏させらた微孔性ＰＴＦＥダイヤフラムは、湿潤させられたときに本発明のデバイス内のポンプまたは弁として動作させられ得る。
【０１３０】
広範囲のポリオレフィンおよび関連プラスチックが、引き伸ばしラップを形成する際に有用であり、本発明のマイクロ弁およびマイクロポンプで使用するために好適な降伏強度、靱性、および結合特性を有することが分かっている。例えば、アクリレート、塩化ビニル、２軸延伸ポリプロピレン、およびエステルが、特に関心となる。ポリ塩化ビニルが、混合物および共積層で使用され得る。好ましい降伏強度および結合特性を有する「引き伸ばしラップ」フィルムを形成するための混合物および共積層としてのポリオレフィンの使用が、当技術分野で周知である。
【０１３１】
上記は、本発明の好ましい実施形態の説明であるが、種々の代替案、修正、組み合わせ、および均等物を使用することが可能である。したがって、本発明の範囲は、上記の説明を参照して決定されるべきでないが、代わりに、均等物の全範囲とともに添付の請求項を参照して決定されるべきである。添付の請求項は、そのような制限が「するための手段」という語句を使用して所与の請求項で明示的に記載されない限り、手段および機能の制限を含むものとして解釈されるものではない。
【０１３２】
米国特許出願第６１／７４５，３４０号を含むが、それに限定されない、本明細書で参照される、および／または付随提出物で引用される、米国特許、米国特許出願公開、米国特許出願、外国特許、外国特許出願、ならびに非特許文献および出版物の全ては、それらの全体で参照することにより本明細書に組み込まれる。さらなる実施形態を提供するために種々の特許、出願、および出版物の概念を採用することが必要である場合、実施形態の側面が修正され得る。これらおよび他の変更が、上記で詳述される説明に照らして実施形態に行われてもよい。一般に、以下の請求項では、使用される用語は、請求項を本明細書および請求項で開示される具体的実施形態に限定すると解釈されるべきではないが、そのような請求項が享受する均等物の全範囲とともに、全ての可能な実施形態を含むと解釈されるべきである。したがって、請求項は、本開示の詳細によって制限されない。
【図１】
2019190465.tif 000006
【図２】
2019190465.tif 000007
【図３】
2019190465.tif 000008
【図４】
2019190465.tif 000009
【図５】
2019190465.tif 000010
【図６】
2019190465.tif 000011
【図７】
2019190465.tif 000012
【図８】
2019190465.tif 000013
【図９】
2019190465.tif 000014
【図１０】
2019190465.tif 000015
【図１１】
2019190465.tif 000016
【図１２】
2019190465.tif 000017
【図１３】
2019190465.tif 000018
【図１４】
2019190465.tif 000019
【図１５】
2019190465.tif 000020
【図１６】
2019190465.tif 000021
【図１７】
2019190465.tif 000022
【図１８】
2019190465.tif 000023
【図１９】
2019190465.tif 000024
【図２０】
2019190465.tif 000025
【図２１】
2019190465.tif 000026
【図２２】
2019190465.tif 000027
【図２３】
2019190465.tif 000028
【図２４】
2019190465.tif 000029
【図２５】
2019190465.tif 000030
【図２６】
2019190465.tif 000031
【図２７】
2019190465.tif 000032
【図２８】
2019190465.tif 000033
【図２９】
2019190465.tif 000034
【図３０】
2019190465.tif 000035
【図３１】
2019190465.tif 000036
【図３２】
2019190465.tif 000037
【図３３】
2019190465.tif 000038
【手続補正書】
【提出日】令和1年8月1日(2019.8.1)
【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】
マイクロポンプであって、前記マイクロポンプは、空洞を備え、前記空洞は、
ｉ）流体を受け取るように構成されている第１の半空洞と、
ｉｉ）可逆的に加圧されるように構成されている第２の半空洞と、
ｉｉｉ）間に置かれ、前記第２の半空洞から前記第１の半空洞を分離するダイヤフラムと
を有し、
前記ダイヤフラムは、降伏点を有するポリマー薄膜ウェブであり、前記ウェブの永久的に過剰に引き伸ばされた塑性変形によって特徴付けられる、マイクロポンプ。
【請求項２】
前記薄膜ウェブは、低密度ポリエチレン／エチレン酢酸ビニル／ポリ塩化ビニリデン／エチレン酢酸ビニル／低密度ポリエチレン共積層フィルムである、請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項３】
前記薄膜は、ポリエチレン、ポリ塩化ビニリデン、ポリエチレン酢酸ビニル、ポリ塩化ビニル、ポリプロピレン、ポリオレフィン、またはそれらの複合材料あるいは共積層から成る、請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項４】
前記薄膜ウェブは、高密度ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリカーボネート、ポリイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリアクリレート、ポリエステル、またはそれらの共積層あるいは複合材料である、請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項５】
前記薄膜ウェブは、ストレッチラップフィルムである、請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項６】
前記薄膜ウェブは、耐化学性ポリマーである、請求項１に記載のマイクロポンプ。
【請求項７】
前記マイクロポンプは、自吸式である、請求項１〜６のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項８】
前記マイクロポンプは、前記薄膜に与えられる力の下で前記ウェブを局所的に過剰に引き伸ばすプロセスによって製造され、前記力は、前記降伏点を超えている、請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項９】
前記薄膜ウェブは、加圧されたときに第１の状態で前記空洞の第１の内面に非弾性的に一致し、減圧されたときに第２の状態で前記空洞の第２の内面に非弾性的に一致する、請求項１〜８のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項１０】
前記マイクロポンプは、前記第２の半空洞の加圧および減圧によって駆動されると、前記第１の状態と前記第２の状態との間の前記ウェブの前記永久的に過剰に引き伸ばされた塑性変形の可逆的運動によって定義されるポンプストロークに従って、液体を送出するように構成されている、請求項９に記載のマイクロポンプ。
【請求項１１】
前記第１の半空洞は、液体を受け取るために構成されるポートを備えている、請求項１０に記載のマイクロポンプ。
【請求項１２】
前記第１の半空洞は、液体を排出するためのポートを備えている、請求項１０に記載のマイクロポンプ。
【請求項１３】
前記マイクロポンプは、マイクロアッセイデバイスの使い捨てカートリッジ本体の中に封入されている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のマイクロポンプ。
【請求項１４】
前記力は、前記使い捨てカートリッジ本体の組立後に前記ダイヤフラムに与えられる空気圧である、請求項８に記載のマイクロポンプ。
【請求項１５】
前記ウェブは、最初に、局所的に力を与えることによって過剰に引き伸ばされ、次いで、前記空洞は、前記第１の半空洞を前記第２の半空洞と並置して嵌合させながら、前記ウェブを前記空洞と整列させることによって組み立てられている、請求項８に記載のマイクロポンプ。
【請求項１６】
前記ウェブは、前記ウェブを半空洞の中に押し進めるプロセスによって過剰に引き伸ばされ、次いで、前記空洞は、前記第１の半空洞を前記第２の半空洞と並置して嵌合させることによって組み立てられている、請求項８に記載のマイクロポンプ。
【請求項１７】
前記力は、制御されたプロセス条件下で与えられる機械力である、請求項８に記載のマイクロポンプ。
【外国語明細書】
2019190465000001.pdf