(57)【要約】  本発明では、微小流体システム、そのような微小流体システムを製作する方法、およびそのような微小流体システムの微小チャネルを通る流体の流れを制御しまたは操作する方法が提供される。微小チャネルの壁の内側には、アクチュエータ素子が設置され、この素子は、外部刺激に応答して、形状および配向を変化させることができる。この形状および配向の変化を通じて、微小チャネルを通る流体の流れが制御され、操作される。
2008535669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内側を持つ壁を有する少なくとも一つの微小チャネルを有する微小流体システムであって、
さらに、
前記壁の前記内側に設置された複数の繊毛アクチュエータ素子であって、繊毛アクチュエータ素子の各々は、ある形状および配向を有するところの複数の繊毛アクチュエータ素子と、
該複数の繊毛アクチュエータ素子に刺激を与え、これらの形状および／または配向に、変化を生じさせる手段と、
を有する微小流体システム。
【請求項２】
前記複数の繊毛アクチュエータ素子は、高分子アクチュエータ素子であることを特徴とする請求項1に記載の微小流体システム。
【請求項３】
前記高分子アクチュエータ素子は、高分子MEMSを有することを特徴とする請求項2に記載の微小流体システム。
【請求項４】
前記複数の繊毛アクチュエータ素子に刺激を与える前記手段は、電界発生手段、電磁界発生手段、電磁放射線手段、磁界発生手段または加熱手段のうちの一つであることを特徴とする請求項1に記載の微小流体システム。
【請求項５】
前記複数の繊毛アクチュエータ素子に刺激を与える前記手段は、磁界発生手段であることを特徴とする請求項4に記載の微小流体システム。
【請求項６】
さらに、前記繊毛アクチュエータ素子は、均一連続磁性層、パターン化連続磁性層および磁性粒子のうちの一つを有することを特徴とする請求項5に記載の微小流体システム。
【請求項７】
前記複数の繊毛アクチュエータ素子は、第1および第2の列に配置され、
アクチュエータ素子の前記第1の列は、前記壁の前記内側の第1の位置に配置され、
繊毛アクチュエータ素子の前記第2の列は、前記壁の前記内側の第2の位置に配置され、
前記第1の位置および前記第2の位置は、実質的に相互に対向していることを特徴とする請求項1に記載の微小流体システム。
【請求項８】
前記複数の繊毛アクチュエータ素子は、繊毛アクチュエータ素子の複数の列に配置され、二次元配列を構成するように配置されることを特徴とする請求項1に記載の微小流体システム。
【請求項９】
前記複数の繊毛アクチュエータ素子は、前記壁の前記内側に、無秩序に配置されることを特徴とする請求項1に記載の微小流体システム。
【請求項１０】
少なくとも一つの微小チャネルを有する微小流体システムを製作する方法であって、
前記少なくとも一つの微小チャネルの壁の内側に、複数の繊毛アクチュエータ素子を提供するステップと、
前記複数の繊毛アクチュエータ素子に刺激を与える手段を提供するステップと、
を有する方法。
【請求項１１】
前記複数の繊毛アクチュエータ素子を提供するステップは、
前記壁の前記内側に、全長Lを有する犠牲層を設置するステップと、
前記犠牲層の上部に、アクチュエータ材料を設置するステップと、
前記犠牲層を完全に除去することにより、前記アクチュエータ材料を、前記壁の前記内側から取り外すステップと、
によって実施されることを特徴とする請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
前記犠牲層を除去するステップは、エッチングステップによって実施されることを特徴とする請求項11に記載の方法。
【請求項１３】
さらに、
前記繊毛アクチュエータ素子に、均一な連続磁性層、パターン化された連続磁性層、または磁性粒子のうちの一つを提供するステップを有することを特徴とする請求項10に記載の方法。
【請求項１４】
前記繊毛アクチュエータ素子に刺激を与える手段を提供するステップは、磁界発生手段を提供するステップを有することを特徴とする請求項13に記載の方法。
【請求項１５】
微小流体システムの微小チャネルを通る流体の流れを制御する方法であって、
前記微小チャネルは、内側を持つ壁を有し、
当該方法は、
前記壁の前記内側に、複数の繊毛アクチュエータ素子を提供するステップであって、前記繊毛アクチュエータ素子の各々は、ある形状および配向を有するところのステップと、
前記繊毛アクチュエータ素子に刺激を与え、その形状および／または配向に変化を生じさせるステップと、
を有する方法。
【請求項１６】
前記繊毛アクチュエータ素子に刺激を与えるステップは、磁界を印加することにより実施されることを特徴とする請求項15に記載の方法。
【請求項１７】
バイオ技術、薬学、電気またはエレクトロニクス用途への請求項1に記載の微小流体システムの利用。
【請求項１８】
内側を持つ壁を有し、液体を収容する少なくとも一つの微小チャネルを有する微小流体システムであって、
さらに、
前記壁の前記内側に設置された、複数の電気活性高分子アクチュエータ素子と、
該複数の電気活性高分子アクチュエータ素子に刺激を与え、これにより前記液体を、前記微小チャネルに沿ったある方向に駆動する手段と、
を有する微小流体システム。
【請求項１９】
前記複数の電気活性高分子アクチュエータ素子は、高分子ゲルまたはアイオノマ高分子−金属複合材（IPMC）を有することを特徴とする請求項18に記載の微小流体システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小流体システム、そのような微小流体システムを製作する方法、およびそのような微小流体システムの微小チャネルを通る流体の流れを制御しまたは操作する方法に関する。微小流体システムは、バイオ技術および薬学的な用途、ならびにマイクロエレクトロニクス用の微小チャネル冷却システムに使用される。本発明による微小流体システムは、小型かつ安価で処理が容易である。
【背景技術】
【０００２】
微小流体学は、物理学、化学、工学、および生物学を含む多くの分野に関わり、通常の液滴よりも体積で数千倍小さな流体の挙動を研究対象とする。微小流体部材は、マイクロリットルおよびナノリットルの体積の流体を処理し、高感度分析測定を行うことができる、いわゆる「ラボオンチップ」装置またはバイオチップネットワークの基部を構成する。微小流体装置を構成するために使用される製作技術は、比較的安価であり、高精密な多重化装置および量産を行いやすい。
微小流体技術では、マイクロエレクトロニクスの場合と同様の方法で、同一の基板チップ上に、いくつかの異なる機能を実行する高集積デバイスを製作することができる。
【０００３】
微小流体チップは、急速DNA分離およびサイズ化、細胞操作、細胞分離、および分子検出のような今日の多くの急成長バイオ技術の重要な基盤となっている。微小流体チップに基づく技術は、伝統的なマクロサイズの技術を超える多くの利点を提供する。微小流体は、遺伝子チップおよびタンパク質チップの開発の中でも特に重要な部分である。
【０００４】
全ての微小流体装置において、流体の流れを制御することに対する基本的な要望があり、すなわち流体は、通常、幅が約0.1mmのチャネルからなる微小チャネルシステムを通って輸送され、混合され、分離され、誘導される必要がある。微小流体の作動に関する課題は、小型で信頼性の高い微小流体システムを設計し、微小チャネル内で、例えば唾液および血液のような各種組成の流体の複雑な流れを制御し操作することである。各種作動機構が開発され、例えば、圧力駆動方式、小型製作機械式バルブおよびポンプ、インクジェット式ポンプ、電気速度制御フロー、および表面音響波などは、現在使用されている。
【０００５】
微小流体装置への小型電気機械システム（MEMS）技術の適用により、小型ポンプの開発が加速され、広いレンジ幅の流速および圧力で様々な液体を輸送することができるようになっている。
【０００６】
米国特許出願第2003／0231967号には、小型ポンプ組立体11が示されており、この組立体は、微小ガスクロマトグラフ等に使用され、クロマトグラフを介してガスを駆動する。図1に示されている小型ポンプ組立体11は、小型ポンプ22を有し、この小型ポンプは、小型バルブ24により接続された、一連の微小機械加工ポンプ穴の配列を有する。この穴は、共有ポンプ膜によって、上部ポンプ室と底部ポンプ室とに分割される。両ポンプ室は、共有ポンプ膜によって駆動され、この膜は、パリレン膜のような高分子膜であっても良い。共有小型バルブのポンプ膜の動きと制御が同期化され、複数の電気信号に応じて、ポンプユニット組を通る流体の流れが制御される。
【０００７】
さらに組立体11は、入口管26と出口管28とを有する。従ってポンプの作動は、ポンプとバルブの膜をあるサイクルで引き下げることによって、静電的に開始される。電気信号を特定の方法でタイミング化することにより、一方向または逆方向にガスを送り出すことができる。ポンプシステムを駆動する周波数は、ポンプの流速を決定する。電極を両側に配置することにより、静電的な駆動膜は、機械的な振動の限界を抑制し、ホールと穴を通る空気抵抗移動による振動を抑制する。
【特許文献１】米国特許出願第2003／0231967号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
米国特許出願第2003／0231967号の小型ポンプ組立体は、膜移動ポンプの一例であり、小型製作膜のたわみにより、液体を吐出する圧力の仕事が提供される。
【０００９】
しかしながら、米国特許出願第2003／0231967号の小型ポンプ組立体11、および一般的な小型ポンプを使用する際の問題は、これらのポンプは、何らかの方法で、微小流体システムと一体化する必要があることである。これは、微小流体システムの寸法が増大することを意味する。従って、小型かつ安価で、処理の容易な微小流体システムを提供することが有益である。
【００１０】
本発明の目的は、改良された微小流体システム、およびそれを製作し、作動させる方法を提供することである。本発明の利点は、少なくとも、小型化、安価、および処理容易性のうちの一つを実現することができることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前述の目的は、本発明による方法および装置によって達成される。
【００１２】
本発明の特定のおよび好適な態様は、添付の独立請求項と従属請求項に記載されている。請求項に明示的に示されていなくても、従属請求項の特徴は、独立請求項の特徴、および他の従属請求項の特徴と適切に組み合わせても良い。
【００１３】
第1の態様では、本発明によって、内側を持つ壁を有する少なくとも一つの微小チャネルを有する微小流体システムであって、
さらに、
前記壁の前記内側に設置された複数の繊毛アクチュエータ素子であって、繊毛アクチュエータ素子の各々は、ある形状および配向を有するところの複数の繊毛アクチュエータ素子と、
該複数の繊毛アクチュエータ素子に刺激を与え、これらの形状および／または配向に、変化を生じさせる手段と、
を有する微小流体システムが提供される。
【００１４】
複数の繊毛アクチュエータ素子に刺激を与えることにより、微小流体システム内で複雑な流体の流れを局部的に操作する方法が提供される。流体の流れに対する特定の方法を得るため、アクチュエータ素子は、個々にもしくはまとめて、駆動されまたはアドレス処理されても良い。
【００１５】
本発明による好適実施例では、アクチュエータ素子は、高分子アクチュエータ素子であっても良く、例えば高分子MEMSを有しても良い。通常高分子材料は、壊れにくく頑丈であり、比較的安価で、大きなひずみ（最大10％）でも弾性を示し、単純な処理プロセスで大面積処理が可能である。従って、これらを、本発明によるアクチュエータ素子の形成に使用することは、特に適している。
【００１６】
前記複数の繊毛アクチュエータ素子に刺激を与える前記手段は、電界発生手段（例えば電流源）、電磁界発生手段（例えば光源）、電磁放射線手段（例えば光源）、外部もしくは内部の磁界発生手段または加熱手段のうちの一つであっても良い。
【００１７】
本発明による特定の実施例では、繊毛アクチュエータ素子に刺激を与える手段は、磁界発生手段であっても良い。アクチュエータ素子は、均一連続磁性層、パターン化連続磁性層または磁性粒子のうちの一つを有しても良い。
【００１８】
本発明の好適実施例では、前記複数の繊毛アクチュエータ素子は、第1および第2の列に配置され、
アクチュエータ素子の前記第1の列は、前記壁の前記内側の第1の位置に配置され、
アクチュエータ素子の前記第2の列は、前記壁の前記内側の第2の位置に配置され、
前記第1の位置および前記第2の位置は、実質的に相互に対向しても良い。
【００１９】
本発明の他の実施例では、前記複数の繊毛アクチュエータ素子は、繊毛アクチュエータ素子の複数の列に配置され、二次元配列を構成するように配置されても良い。
【００２０】
本発明のさらに別の実施例では、前記複数の繊毛アクチュエータ素子は、微小チャネルの前記壁の前記内側に、無秩序に配置されても良い。
【００２１】
本発明の第2の態様では、少なくとも一つの微小チャネルを有する微小流体システムを製作する方法が提供される。当該方法は、
前記少なくとも一つの微小チャネルの壁の内側に、複数の繊毛アクチュエータ素子を提供するステップと、
前記複数の繊毛アクチュエータ素子に刺激を与える手段を提供するステップと、
を有する。
【００２２】
前記繊毛アクチュエータ素子を提供するステップは、
前記壁の前記内側に、全長Lを有する犠牲層を設置するステップと、
前記犠牲層の上部に、アクチュエータ材料を設置するステップと、
前記犠牲層を完全に除去することにより、前記アクチュエータ材料を、前記壁の前記内側から取り外すステップと、
によって実施されても良い。
【００２３】
前記犠牲層の除去ステップは、エッチングステップで実施しても良い。
【００２４】
本発明の実施例では、当該方法は、さらに、前記繊毛アクチュエータ素子に、均一な連続磁性層、パターン化された連続磁性層、または磁性粒子のうちの一つを提供するステップを有しても良い。前記繊毛アクチュエータ素子に刺激を与える手段を提供するステップは、磁界発生手段を提供するステップを有しても良い。
【００２５】
本発明の別の態様では、微小流体システムの微小チャネルを通る流体の流れを制御する方法が提供される。前記微小チャネルは、内側を持つ壁を有する。当該方法は、
前記壁の前記内側に、複数の繊毛アクチュエータ素子を提供するステップであって、前記アクチュエータ素子の各々は、ある形状および配向を有するところのステップと、
前記アクチュエータ素子に刺激を与え、その形状および／または配向に変化を生じさせるステップと、
を有する。
【００２６】
本発明による特定の実施例では、アクチュエータ素子に刺激を与えるステップは、磁界を印加することにより実施しても良い。
【００２７】
また本発明は、別の態様として、内側を持つ壁を有し、液体を収容する少なくとも一つの微小チャネルを有する微小流体システムを含み、
当該微小流体システムは、さらに、
前記壁の前記内側に設置された、複数の電気活性高分子アクチュエータ素子と、
該複数の電気活性高分子アクチュエータ素子に刺激を与え、これにより前記液体を、前記微小チャネルに沿ったある方向に駆動する手段と、
を有する。
【００２８】
電気活性高分子アクチュエータ素子は、高分子ゲル、アイオノマ高分子−金属複合材（IPMC）、または別の好適な電気活性高分子材料を有しても良い。
【００２９】
本発明による微小流体システムは、バイオ技術、薬学、電気またはエレクトロニクスの用途に使用されても良い。
【００３０】
本発明のこれらのおよび他の特性、特徴および利点は、添付図面を参照した以下の詳細な説明により明らかとなろう。添付図面は、本発明の原理を説明するための一例として示されている。この記載は、一例に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。以下、示された参照図番号には、添付図面が参照される。
【００３１】
異なる図において、同じまたは近似する素子には、同じ参照符号が示されている。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
ある図面を参照して、本発明の特定の実施例について説明する。ただし本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。請求項内のいかなる参照符号も、本発明の範囲を限定するものと解してはならない。図面は、概略的なものであり、限定的なものではない。図面において、いくつかの素子の寸法は、誇張して示されており、概略的な図示のためスケールは示されていない。本願の明細書および特許請求の範囲において使用されている「有する」という用語は、他の要素またはステップを排斥するものではない。単数名詞の前の「一つの」または「その」という不定冠詞または定冠詞は、特に記載がない限り、そのような名詞が複数あることを含むものである。
【００３３】
また、明細書および特許請求の範囲内の第1、第2、第3等の記載は、同様の素子を区別するために使用されており、必ずしも一連のまたは時間的な順番に記載されているとは限らない。使用用語は、適当な環境下で置き換え可能であり、本発明の実施例は、本願に記載され図示された手順以外の手順で、作動させることができることを理解する必要がある。
【００３４】
また、明細書および特許請求の範囲内の上部、底部、上、下等の用語は、説明のため使用され、必ずしも相対的な位置関係を記載しているとは限られない。使用されている用語は、適当な環境下で置き換え可能であり、本願の実施例は、本願に記載され図示された配向位置以外の配向位置で作動させることができることを理解する必要がある。
【００３５】
第1の態様では、本発明によって、微小流体システムが提供され、このシステムには、該微小流体システムの微小チャネルを通る流体を、輸送、（局部的に）混合または誘導することが可能な手段が提供される。第2の態様では、本発明により、そのような微小流体システムを製作する方法が提供される。第3の態様では、本発明によって、微小流体システムの微小チャネルを通る流体の流れを制御する方法が提供される。本発明による微小流体システムは、経済的で処理が単純である一方、ロバスト性があり、小型で、極めて複雑な流体に適している。
【００３６】
本発明による微小流体システムは、少なくとも一つの微小チャネルと、該少なくとも一つの微小チャネルの壁の内側の、一体化アクチュエータ素子とも呼ばれる、一体化された微小流体素子とを有する。本発明のいかなる実施例において、アクチュエータは、例えば、ユニモルフ、バイモルフ、多モルフであっても良い。本発明では、一体化微小流体素子は、高分子材料をベースとすることが好ましい。適用な材料は、バーコーヘン（Bar-Cohen）編、SPIEプレス、2004年の「人工筋肉としての電気活性高分子（EPA）アクチュエータ」という書籍から見出されても良い。ただし、アクチュエータ素子として他の材料を使用しても良い。本発明によるアクチュエータ素子を形成するために使用される材料は、形成されるアクチュエータ素子が、以下の特性を有するものである必要がある：
アクチュエータ素子は、弾性的であり、硬質ではないこと、
アクチュエータ素子は、強靱で、脆くはないこと、
アクチュエータ素子は、曲げたり形状を変化させたりすることにより、ある刺激、例えば光、電界、磁界等に応答すること、
アクチュエータ素子は、比較的安価の処理プロセスで、容易に処理することができること。
【００３７】
作動させる刺激の種類に応じて、アクチュエータ素子の構成に使用される材料を、機能化させる必要がある。前述の一覧リストの第1、第2および第4の特性を考慮すると、少なくともアクチュエータの一部は、高分子であることが好ましい。大部分の種類の高分子は、本発明に使用することが可能であるが、例えばポリスチレンのような極めて脆い高分子は、本発明での使用にあまり適さない。ある場合、例えば、静電的なまたは磁気的な作動の場合（後述する）、金属を使用してアクチュエータ素子を構成しても良く、あるいはアクチュエータ素子の一部に、例えばアイオノマ高分子−金属複合体（IPMC）を使用しても良い。例えば、磁気作動の場合、FeNiまたは別の磁性材料を使用してアクチュエータ素子を構成しても良い。しかしながら、金属の欠点は、機械的な疲労および処理の際のコストである。
【００３８】
本発明では、全ての適当な材料、すなわち、外部刺激に応答して、例えば機械的変形により形状を変え得る材料を使用しても良い。このような機械的応答を示す従来の材料、および本発明による方法に使用されるアクチュエータ素子を構成するために適用される材料は、例えばチタン酸バリウム、石英またはチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）のような電気活性圧電セラミックスであっても良い。これらの材料は、例えば、伸びることにより、印加電界のような印加された外部刺激に応答しても良い。しかしながら、電気活性セラミックスの重要な問題は、これらの材料は、脆く、すなわち容易に破損してしまうことである。また、電気活性セラミックスの処理技術は、高価であり、大面積用にスケールアップすることは難しい。従って、電気活性圧電セラミックスは、限られた場合にのみ適している。
【００３９】
最近見出された応答性材料の種類として、形状記憶合金（SMA）がある。これらの材料は、これらがある温度を超えるまで加熱された際に、記憶形状または寸法に戻ることができることが保証された金属である。従って、ここでの刺激は、温度変化である。通常の場合、これらの合金は、低温で変形させることができ、より高温にさらした際に、臨界温度で生じる相変態によって元の形状に戻る。そのようなSMAの一例は、NiTiまたは銅アルミニウム系の合金である（例えばCuZnAlおよびCuAl）。SMAには、同様のいくつかの欠点があり、これらの材料をアクチュエータ素子の構成に使用できるケースは限られる。これらの合金は、製作および機械加工に比較的コストがかかり、大面積処理は容易ではない。また、SMAは、疲労特性に劣り、これは、限界負荷サイクル数を超えると材料が損壊することを意味する。
【００４０】
使用可能な他の材料には、あらゆる形態の電気活性高分子（EAP）が含まれる。これらは、一般的に2つの種類に分類される：イオン性および電子性である。電子的に活性化されるEPAは、電わい性（例えば電わいグラフトエラストマ）、静電的（誘電）性、圧電性、磁気性、電気粘弾性、液晶エラストマ性、および強誘電性のいかなる活性化高分子をも含む。イオン性EAPは、イオン性高分子ゲル、アイオノマ高分子−金属複合材（IPMC）、導電性高分子およびカーボンナノチューブのようなゲルを含む。これらの材料は、導電性またはフォトニック特性を示し、あるいは化学的に活性化され、すなわち非電気的に変形可能であっても良い。前述のいかなるEAPも、十分な曲げ応答性で曲げられ、例えば繊毛アクチュエータの形態で使用される。
【００４１】
本発明による前述の特徴のため、アクチュエータ素子は、それらの構成部分の一部が、高分子材料で形成され、または高分子材料を含むことが好ましい。従って、以降の記載では、高分子アクチュエータ素子を用いて本発明を説明する。ただし、当業者には、前述のような高分子以外の他の材料が使用され、アクチュエータ素子が構成される場合にも、本発明を適用することができることを理解する必要がある。通常、高分子材料は、脆くはなく、頑丈であり、比較的安価で、大きな歪（最大10％）でも弾性があり、単純な処理プロセスを用いて、大面積上に処理することができる。
【００４２】
本発明による微小流体システムは、微小全解析システム、微小流体診断、ミクロ工場および化学的または生物学的ミクロプラント、バイオセンサ、急速DNA分離およびサイズ化、細胞操作および分離などのバイオ技術に使用しても良く、薬学的な用途、特に、局部的な混合が重要となる高処理組み合わせ評価、ならびに例えば小型エレクトロニクス機器用の微小チャネル冷却システムに使用しても良い。
【００４３】
本発明のある態様では、微小アクチュエータ、特に本発明による高分子微小アクチュエータの想定される作動方法は、自然界に着目したものである。自然界は、少量の流体、例えば1〜100μｍのレベルの流体を操作する各種方法を知覚している。見出される一つの特定の機構は、例えばゾウリムシ、テマリクラゲ（pleurobrachia）およびオパリン形（opaline）のような微小有機体の外表面を覆う拍動繊毛の被覆によるものである。繊毛運動による清浄化は、異物を除去するための哺乳類の気管支および鼻にも使用される。繊毛は、例えば、通常10μｍの全長を有し、通常0.1μｍの直径を有する原生動物の表面に取り付けられた、小さな髪の毛または柔軟な棒として見える。微小有機体の推進力としての機構以外にも、繊毛には、エラの清浄化、摂食、排泄、および再生の他の機能がある。例えば人間の気管は、肺から粘液を上方に輸送する繊毛で覆われている。また繊毛を用いて、長い柄により硬質基板に取り付けられた固着生物によって、供給電流を作り出すことができる。繊毛の動きと、柄の周期的な延伸および収縮の組み合わせによって、無秩序な渦が生じる。これは、周囲流体の無秩序ろ過挙動につながる。
【００４４】
前述の記載は、繊毛が微小チャネル内の流体の輸送および／または混合に使用し得ることを示している。繊毛の動きおよび流れの機構は、動物学者と流体機械論者の間で、長い間関心の的とされてきた。単一の繊毛の拍動（beat）は、2つの明確な段階に分類することができる。すなわち、繊毛が所望の方向に流体を駆動する際の、速い有効ストローク（図2の曲線1乃至3）と、生じた流体の動きに及ぼす繊毛の影響が最小限となる際の、回復のストローク（図2の曲線4乃至7）である。通常、流体の動きは、有機体の表面に沿って分布する一列の高濃度の繊毛によって生じる。ある方向において、隣接する繊毛の動きは、位相が揃っておらず、この現象は、メタクロニズム（methachronism：異時性現象）と呼ばれる。従って、繊毛の動きは、有機体全体を通過する波のように見える。図3には、そのような繊毛の波8が示されており、これは、異時性（metachronic）の波内の等位関係を示している。繊毛による流体の動きを示すモデルは、ブレーク（J.  Blake）の「繊毛有機体の微細構造のモデル」、J.  Fluid、Mech、55、p1-23に記載されている。この文献には、流体の流れに及ぼす繊毛の影響は、繊毛を中心線に沿った「ストークスレット（stokeslet）」の集合体として表現することによってモデル化されることが記載されており、これは、流体内の点力として視認することができる。これらのストークスレットの時間的な動きが規定され、得られる流体の流れが算定できる。単一の繊毛による流れが算定できる他、異時性の波による動きを用いて、上部に無限流体層を有する単一の壁を覆う繊毛集合体による流れも算定することができる。
【００４５】
本発明の好適態様に利用できる方法は、微小チャネル内で、繊毛に似せた流体操作を模倣することであり、これは、微小高分子アクチュエータ素子、すなわちある外部刺激に応答して、それらの形状および／または寸法を変化する高分子構造、をベースとする「人口繊毛」で、微小チャネルの壁を覆うことにより実施される。従って、本発明のある態様では、人工的な繊毛の異時性化手段を有するポンプのような流量装置が提供される。以下の説明では、高分子アクチュエータ素子のようなこれらの微小アクチュエータ素子は、アクチュエータとも称し、例えば高分子アクチュエータもしくは微小高分子アクチュエータ、アクチュエータ素子、微小高分子アクチュエータ素子、または高分子アクチュエータ素子と称する。以降の明細書内でこれらのいかなる用語が用いられても、これは、本発明による同じ微小アクチュエータ素子を常に意味することに留意する必要がある。例えば、微小高分子アクチュエータ素子または高分子アクチュエータは、いかなる好適な外部刺激によって、個々にまたはまとめて動いても良い。この外部刺激は、例えば、電流のような電界、例えば可視光、紫外線、赤外線のような電磁放射線、磁界、温度変化、特定の化学種、pH変化または他のいかなる適当な手段であっても良い。
【００４６】
温度変化、可視光およびUV光、水、分子、静電場、磁界、電界に応答する材料で構成されるアクチュエータ素子を、本発明に使用しても良い。適当な材料は、前述のBar-Cohenの書籍から得られる。本発明の基本的な思想は、流体を微小スケールで操作する人口繊毛に基づくものであり、この思想は、アクチュエータ手段を構成する材料とは無関係である。しかしながら、生物医療用途の場合、アクチュエータ素子を構成する材料に他の材料を使用した場合に生じ得る、複雑な生物学的な流体との相互作用を考慮すると、例えば光および磁気作動手段が好ましい。
【００４７】
本説明では、主に磁気作動について記載する。ただし、本発明には、他の刺激を使用しても良いことを理解する必要がある。例えば、電気的な刺激、温度変化、光、…である。電気的に刺激されるアクチュエータ素子の構成に使用される高分子材料の一例は、強磁性高分子、すなわちフッ素ポリビニリデンフローリン（PVDF）である。通常、弾性的剛性が低く、誘電率の高い全ての好適な高分子は、電界に暴露した際に、大きな作動歪みを誘起するため使用することができる。他の好適な高分子は、例えばアイオノマ高分子−金属複合材（IPMC）材料であり、または例えばパーフルオロスルフォン酸塩およびパーフルオロ炭酸塩である。そのようなパーフルオロ炭酸塩またはパーフルオロスルフォン酸塩のアクチュエータ素子の作動は、図14に示されている。温度駆動性高分子材料の一例は、形状記憶高分子（SMP）であり、これは、熱反応性の高分子ゲルである。
【００４８】
図4および図5には、本発明の実施例による高分子アクチュエータ素子30の一例を示す。図4の左側は、アクチュエータ素子30が示されており、この素子は、上下の曲げにより、例えば電界もしくは磁界、または別の刺激のような外部刺激に応答する。図4の右側には、微小チャネル33の壁36の内側35と垂直な方向の断面が示されており、この微小チャネルは、アクチュエータ素子30で被覆される。図4の右側のアクチュエータ素子30は、左右の曲げにより外部刺激に応答することができる。高分子アクチュエータ素子30は、高分子小型電気機械システムまたは高分子MEMS31と、結合手段32とを有し、この結合手段は、高分子MEMS31を、微小流体システムの微小チャネル33に接続する。結合手段32は、高分子MEMS31の第1の先端に設置することができる。
【００４９】
結合手段32は、そのまま残る。下側には、元々存在する犠牲層の寸法を有するギャップを有する自立式素子（32に取り付けられる）が得られ、これは、例えば、標準的な小型システムの処理プロセスによって得られる。
【００５０】
高分子MEMS31は、梁形状であっても良い。しかしながら、本発明は、梁形状のMEMSに限定されるものではなく、高分子アクチュエータ素子30は、他の適当な形状を有する高分子MEMS31、好ましくは、例えば棒状の細長い形状を有する高分子MEMS31を有しても良い。
【００５１】
本発明による微小チャネル33に取り付けられるアクチュエータ素子30を構成する方法の実施例について、以下説明する。
【００５２】
アクチュエータ素子30は、各種可能な方法により、微小チャネル33の壁36の内側35で固定される。アクチュエータ素子30を微小チャネル33の壁36の内側35に固定する第1の方法は、例えば、スピンコート法、蒸着、または別の好適な成膜技術によって、材料の層を成膜することであり、アクチュエータ素子30は、犠牲層上にこの層から形成される。従って、最初に、微小チャネル33の壁36の内側35には、犠牲層が成膜される。犠牲層は、例えば金属（例えばアルミニウム）、酸化物（例えばSiOx）、窒化物（例えばSixNy）または高分子で構成される。犠牲層を構成する材料は、アクチュエータ素子を構成する材料の中で、これが選択的にエッチング処理される必要があり、適当な全長で、微小チャネル33の壁36の内側35に成膜される。ある実施例では、犠牲層は、例えば、微小チャネル33の壁35の内側35の表面領域全体に成膜され、通常、数cmのオーダーの面積である。しかしながら、他の実施例では、犠牲層は、全長Lにわたって成膜されても良く、ここでLは、アクチュエータ素子30と同じ長さであって、通常の場合、10から100μmの間である。使用材料に応じて、犠牲層は、0.1から10μmの厚さを有しても良い。
【００５３】
次のステップでは、後に高分子MEMS31を構成する高分子材料の層が、犠牲層の上部に、犠牲層の一つの側に接するように成膜される。次に、高分子MEMS31の下側の犠牲層をエッチングすることにより、犠牲層が除去される。これにより、高分子層は、全長Lの壁36の内側35から開放され（図4に示されている）、この部分は、高分子MEMS31を形成する。壁36の内側35に取り付けられた状態の高分子層の部分は、結合手段32を構成し、高分子MEMS31は、微小チャネル33、特に、微小チャネル33の壁36の内側25に取り付けられる。
【００５４】
本発明によるアクチュエータ素子30を構成する別の方法は、高分子材料を設置する前に、壁36の内側35の処理に、パターン化された表面エネルギーを用いるものである。この場合、アクチュエータ素子30が取り付けられることになる微小チャネル33の壁36の内側35は、表面エネルギーが異なる領域が得られるようにパターン化される。これは、例えば、写真リソグラフィまたは印刷技術のような、適当な技術を用いて行われる。従って、アクチュエータ素子30が構成される材料の層は、当業者には既知の適当な技術を用いて、各々成膜され構造化される。層は、さらに強接合領域と呼ばれる、下側の壁36の内側35のいくつかの領域に強固に接合し、さらに弱接合領域と呼ばれる、壁36の内側35の他の領域では弱い力で接合する。次に、弱接合領域で、層の自然剥離が行われても良く、この間、強接合領域では、層は固定されたままである。次に、強接合領域によって、結合手段32が形成される。このようにして、自己形成式自立アクチュエータ素子30を得ることができる。
【００５５】
処理直後の素子30は、本願の全ての図に示されているように、チャネル壁36に実質的に平行な方向である必要はない。
【００５６】
高分子MEMS31は、例えば、アクリレート高分子、コポリマを含むポリ（エチレングリコール）高分子を有しても良く、あるいはいかなる他の適当な高分子を有しても良い。高分子MEMS31を構成する高分子は、生体適合性のある高分子であることが好ましく、例えば微小チャネル33内の流体、または微小チャネル33内の流体の成分と、（生物）化学相互作用が少ないものが好ましい。あるいは、高分子アクチュエータ素子30は、非特異吸着特性および濡れ性を制御するため、改質されても良い。高分子MEMS31は、例えば複合材料を有しても良い。例えば、これは、粒子充填マトリクス材料、または多層化構造を有しても良い。「液晶高分子ネットワーク材料」を本発明に使用することもできる。
【００５７】
非作動状態、すなわちアクチュエータ素子30に外部刺激が印加されていないときは、特定の例では、梁状の形態を有する高分子MEMS31は、曲がっていても直線状であっても良い。例えば、電流のような電界、光のような電磁放射線、磁界、温度変化、特定の化学種の存在、pHの変化、または高分子アクチュエータ素子30に印加される他のいかなる適当な手段による外部刺激によっても、それらが曲げられ、引き延ばされ、換言すれば、駆動される。アクチュエータ素子30の形状の変化によって、微小流体システムの微小チャネル33内に存在する周囲流体が作動し始める。図4には、高分子MEMS31の曲げが、矢印34で示されており、図5では、これは、破線で示されている。アクチュエータ素子30の一端が壁36に固定されているため、得られる動きは、前述の繊毛の動きに酷似する。
【００５８】
本発明の前述の態様では、高分子MEMS31は、10から200μmの間の全長Lを有し、これは通常100μmである。幅wは、2から30μmの間であり、通常20μmである。高分子MEMS31は、厚さが0.1から2μmであっても良く、通常、これは1μmである。図6には、本発明による高分子アクチュエータ手段を備える微小チャネル33の実施例を示す。この実施例では、微小チャネルシステムの一部の構造例が示されている。微小チャネル33の断面は、概略的に描かれている。本発明のこの第1の実施例では、微小チャネル33の壁36の内側35は、複数の直線高分子アクチュエータ素子30で覆われても良い。図面の明確化のため、アクチュエータ素子30の高分子MEMS31は、一部分のみが示されている。高分子MEMS31は、アクチュエータ素子30に加わる外部刺激の作用の下で、前後に動くことができる。この外部刺激は、前述のように、例えば電界、電磁放射線、温度変化、磁界、または他の適当な手段であっても良い。アクチュエータ素子30は、高分子MEMS31を有し、これは例えば棒状の形状または梁状の形状を有し、これらの幅は、図の平面から飛び出す方向に延伸しても良い。
【００５９】
本発明の実施例では、微小チャネル33の壁36の内側35のアクチュエータ素子30は、1または2以上の列に配置されても良い。一例のみのため示せば、アクチュエータ素子30は、2列のアクチュエータ素子30に配置されても良く、すなわち、アクチュエータ素子30の第1の列は、壁36の内側35の第1の位置にあり、アクチュエータ素子30の第2の列は、壁36の内側35の第2の位置にあり、第1および第2の位置は、相互に実質的に反対側にあっても良い。本発明の他の実施例では、アクチュエータ素子31は、複数のアクチュエータ素子30の列に配置されても良く、これは、例えば、二次元配列を形成するように配置される。さらに別の実施例では、アクチュエータ素子30は、微小チャネル33の壁36の内側35に、無秩序に設置されても良い。
【００６０】
ある方向、例えば図6の左側から右側への流体の輸送を可能にする場合、高分子アクチュエータ素子30の動きは、非対称である必要がある。すなわち、「拍動（beating）」ストローク（図2で説明した）の性質は、「回復」ストローク（図2）とは異なるようにする必要がある。これは、高速の拍動ストロークとこれより十分に低速の回復ストロークとによって可能となる。
【００６１】
ポンプ装置の場合、高分子アクチュエータ素子の動きは、異時性的なアクチュエータ手段によって提供される。これは、アクチュエータ素子30を個々にまたは列毎にアドレス処理する手段を提供することによってなされ得る。例えば、静電作動の場合、これは、微小チャネル33の壁36の一部となる、パターン化された電極構造によって行われる。パターン化された電極構造は、構造膜を有しても良く、この膜は、金属または別の適当な導電性膜である。膜の構造化は、例えば、写真リソグラフィによって行われる。パターン化構造は、個々にアドレス処理することができる。同様のことは、磁気的に作動される構造にも適用できる。チャネル壁構造の一部となるパターン化導電性膜は、局部的な磁界を形成することができ、このためアクチュエータ素子30は、個々にまたは列毎にアドレス処理される。同様の手法は、熱応答性のアクチュエータ素子30にも利用することができる。この場合、導電性パターンは、抵抗加熱により、局部的な加熱素子として機能する。光に応答するアクチュエータ素子30の場合、アクチュエータ素子30の下側で（ディスプレイのように）、ピクセル化された光源がチャネル壁36と一体化され、画素は、個々にオンオフが切り替えられる。
【００６２】
前述の全ての場合において、アクチュエータ素子30の個々のまたは列毎の刺激が可能となる。微小チャネル33の壁36は、構造化されたパターンを有し、これを介して、刺激が活性化されるためである。時間内の適切なアドレス処理により、例えば、波のような等位的な刺激が可能となる。非等位的なまたは無秩序なアクチュエータ手段、シンプレクティックな異時性のアクチュエータ手段、およびアンチプレクティックな異時性のアクチュエータ手段は、本発明の範囲に含まれる（以下参照）。
【００６３】
図6に一例を示すように、全ての高分子アクチュエータ素子30、および異なる列の高分子アクチュエータ素子30は、同時に動いても良い。高分子アクチュエータ素子30の機能は、個々のアクチュエータ素子30、またはアクチュエータ素子30の列のアドレス処理によって改善され、これらの動きは、位相がずれている。例えば、電気的に刺激されるアクチュエータ素子30では、これは、パターン化された電極を用いることにより実施され、この電極は、微小チャネル33の壁36と一体化されても良い（図には示されていない）。従って、アクチュエータ素子30の動きは、図3に示した波の動きと同様に、微小チャネル33の壁36の内側35を通る波のように見える。動きを提供する手段は、有効拍動の動きと同じ方向（「シンプレクティックな異時性」）、あるいは、反対の方向（「アンチプレクティックな異時性」）に進む波の動きを発生させる。
【００６４】
例えば、微小流体システムの微小チャネル33で、局部的な混合を得るため、アクチュエータ素子30の動きは、意図的に無相関にされ、すなわちあるアクチュエータ素子30は、ある方向に動き、一方他のアクチュエータ素子30は、局部的に無秩序な混合が生じるように、無相関に反対の方向に動いても良い。アクチュエータ素子30の反対の動きによって、例えば微小チャネル33の壁36の反対の位置に、渦が生じても良い。
【００６５】
本発明によるアクチュエータ素子を備える微小流体チャネル33の別の実施例は、図7に概略的に示されている。この実施例では、微小チャネル33の壁36の内側35は、高分子アクチュエータ素子30で覆われ、この素子は、曲線形状から直線形状に変化することができる。この形状変化は、異なる方法で得られても良い。例えば、アクチュエータ素子30の形状の変化は、アクチュエータ素子30の微細構造を制御すること、例えば、アクチュエータ素子30の厚さにわたって、材料の有効剛性に傾斜勾配を導入することにより得られても良く、この場合、アクチュエータ素子の上部（底部）は、底部（上部）よりも剛性が高くなる。これにより「非対称曲げ」が生じ、すなわちアクチュエータ素子30は、他の方向に比べて、一方向に容易に曲がるようになる。またアクチュエータ素子30の形状変化は、刺激の駆動を制御することにより行われても良く、磁気作動の場合、図13に示すような時間および／または空間依存性磁界により行われても良い。また、明確化のため、図には、アクチュエータ素子30の高分子MEMS31の一部のみが示されている。この実施例では、アクチュエータ素子30の非対称な動きが得られ、これは、ある方向での速い動き、および他の方向の遅い動きによってさらに増幅され、例えば、湾曲した形状から直線形状への速い動き、および直線形状から湾曲形状への遅い動き、あるいはこの反対の動きによって増幅される。形状変化のために適用される高分子アクチュエータ素子30は、例えば、棒形状または梁形状の高分子MEMS31を有しても良い。本発明の実施例では、アクチュエータ素子30は、1または2列以上に配置され、例えば微小チャネル33の壁36の内側35に、第1および第2の列で配置され、第1および第2の列は、壁36の内側35の実質的に反対位置に設置される。本発明の他の実施例では、アクチュエータ素子30は、複数のアクチュエータ素子30の列で設置されても良く、これは、例えば、二次元配列を構成するように配置される。本発明のさらに別の実施例では、アクチュエータ素子30は、微小チャネル36の壁35の内側35に、無秩序に配置される。アクチュエータ素子30は、個々にまたは列毎にアドレス処理されて、波状の動き、他の相関的な動き、または無相関の動きが生じるが、これは、流体の輸送もしくは混合、または微小チャネル33の内側の全てに渦を形成する際に、有意である。
【００６６】
本発明の別の実施例は、図8に示されている。この実施例では、微小チャネル33の壁36の内側35は、アクチュエータ素子30で覆われ、この素子は、図3に示すような自然に生じる繊毛の動きと同様の非対称な動きを示す。これは、アクチュエータ素子30において、一方の側から他方に向かって、分子の順番に変化を与えることにより行われる。換言すれば、アクチュエータ素子30の厚さtにわたって材料構造に傾斜勾配が得られる。この傾斜化は、各種方法で行われる。液晶高分子ネットワークの場合は、液晶分子の配向は、制御された処理により、例えば特に、液晶（LC）ディスプレイ処理に利用される処理を用いて、層の上部から底部まで変化させることができる。そのような傾斜化を得るための別の想定される方法は、剛性の異なる別の材料の異なる層で、アクチュエータ素子30を構成する層を構成または成膜することによるものである。
【００６７】
非対称の動きは、ある方向に高速に動かし、他の方向にゆっくりと動かすことにより、さらに増幅される。アクチュエータ素子30は、棒形状または梁形状のような、細長い形状の高分子MEMS31を有しても良い。本発明の実施例では、アクチュエータ素子30は、1または2以上の列として、例えば第1および第2の列として、壁36の内側35に配置されても良く、例えばアクチュエータ素子30の各列は、壁36の内側35の実質的に反対の2箇所の位置の各々にあっても良い。本発明の他の実施例では、アクチュエータ素子30の複数の列は、例えば二次元配列で配置されても良い。さらに別の実施例では、アクチュエータ素子30は、微小チャネル33の壁36の内側35に、無秩序に配置されても良い。アクチュエータ素子30の個々のアドレス処理、または列毎のアドレス処理により、波のような動き、他の相関的な動き、または無相関の動きが生じ、これは、流体の輸送および混合、または渦の形成の点で有意である。
【００６８】
図6乃至8には、本発明の実施例による微小流体システムの、想定される3つの構造の例が示されており、これらの図には、微小チャネル33内の流体を操作するための、微小チャネル33の壁36の内側35と一体化された高分子アクチュエータ素子30を用いた実施例が示されている。しかしながら、当業者には他の構造が想到され、ここに示された特定の実施例は、本発明を限定するものではないことを理解する必要がある。
【００６９】
本発明の実施例に示されているような高分子アクチュエータ素子30に、ブレークのモデル（J.  Blake、「繊毛有機体の微小構造のモデル」、J.  Fluid.  Mech.、55、p1-23（1972年））を適用すると、アクチュエータ素子30で微小チャネル33の壁36を覆うことにより、前述の実施例に示したように、アクチュエータ素子30の動きを制御することによって、アクチュエータ素子30の種類および使用流体に依存する、0から数mm／sの間の速度の流体の流れが生じることを予測することができる。例えば、モデル流体として水を考慮した場合、この速度を得るためには、アクチュエータ素子30に、1nNの負荷、および10-13Nmの曲げモーメントを加える必要があることを計算することが可能となる。これらは、極めて小さな値であり、微小流体システムを使用した小型部品によって、容易に得ることができる。前述の解析によって、本発明の実施例による微小流体システムを用いて、様々な速度を作り出すことができるようになる。従って、繊毛の動きに似た動きを作り出すため、本発明の実施例による高分子MEMS31が構成された場合、そのような高分子MEMS31を有する微小チャネル33の壁36は、流体の輸送および／または混合、ならびに渦の形成に極めて有効である。
【００７０】
本発明による手法の利点は、特定の高分子アクチュエータ素子30の場合、流体操作を管理する手段、すなわち少なくとも一つの高分子アクチュエータ素子30が、微小流体チャネルシステムに完全に一体化され、微小流体への適用に必要な大きな形状変化を得ることができることであり、これにより外部ポンプまたは小型ポンプが不要となる。従って、本発明では、小型の微小流体システムを提供することができる。恐らくより重要な別の利点は、全てのアクチュエータ素子30を同時にアドレス処理することにより、または少なくとも一つの所定のアクチュエータ素子30のみを一度にアドレス処理することにより、流体を微小チャネル33内で局部的に制御することが可能となることである。従って、流体は、輸送され、循環され、混合され、または必要な所定の位置で分離される。本発明の更なる利点は、アクチュエータ素子30への高分子の使用によって、例えば印刷もしくはエンボス加工処理技術または単一の写真リソグラフィステップのような、安価な処理技術が得られることである。
【００７１】
また、本発明による微小流体システムは、ロバスト性があり、これは、単一のまたはいくつかのアクチュエータ素子30が適正に作動しなくなった場合に、微小流体システムの全体的な特性があまり影響を受けないことを意味する。
【００７２】
本発明による微小流体システムは、例えば、バイオセンサ、急速DNA分離およびサイズ化、細胞操作および分離のようなバイオ技術、薬学的用途、特に、局部的な混合が重要となる高処理組み合わせ評価、ならびに小型エレクトロニクス用の微小チャネル冷却システムに利用される。
【００７３】
例えば、本発明の微小流体システムは、例えば、唾液、痰、血液、血漿、間質液、または尿のような生物学的流体の中の、例えば、タンパク質、抗体、核酸（例えばDNR、RNA）、ペプチド、オリゴ糖類もしくは多糖類もしくはショ糖のような少なくとも一つのターゲット分子の検出のためのバイオセンサに使用されても良い。従って、流体の微小サンプル（例えば液滴）が装置に供給され、微小チャネルシステム内での流体の操作によって、実際に検出が行われる検出位置に、流体が誘導される。本発明による微小流体システムに、各種センサを使用することにより、一度の分析ランで、異なる種類のターゲット分子を検出することができる。
【００７４】
以下、本発明の特定の非限定的な実施例について説明する。この特定の実施例では、高分子アクチュエータ素子30は、磁界の印加によって回転しまたは形状が変化する。複雑な時間依存性の磁界を発生させることにより、アクチュエータの形状が複雑な動きを伴うようになり、流体操作の効果が最適化される。
【００７５】
この特定の実施例では、アクチュエータ素子30の配向の変化および／または形状の変化は、アクチュエータ素子30に磁界を印加することにより得られる。これは、複雑で様々な流体を用いる生物医学的な用途に、特に好ましい。
【００７６】
磁界の印加によってアクチュエータ素子30を作動することができるように、アクチュエータ素子30には、磁気特性が付与される。磁気特性を有する高分子アクチュエータ素子30を提供する一つの方法は、図9の異なる実施例に示されているように、高分子アクチュエータ素子30に連続的磁性層37を組み込むことである。磁気特性を有するアクチュエータ素子30は、さらに磁気アクチュエータ素子30とも称される。連続磁性層37は、アクチュエータ素子30の上部（図9の上図）または底部（図9の中央の図）に設置され、あるいはアクチュエータ素子30の中央（図9の下図）に設置される。連続磁性層37の位置は、熱機械的特性とともに、磁気アクチュエータ素子30の「自然の」形状または非作動形状を定め、すなわち平坦、上方湾曲もしくは下方湾曲を定める。例えば連続磁性層37は、電気メッキパーマロイ（例えばNi-Fe）であっても良く、例えば均一な層として成膜されても良い。連続磁性層37は、厚さが0.1から10μｍの間であっても良い。磁化容易方向は、成膜処理によって定められ、例えば「面内」方向に付与される。均一層の代わりに、連続磁性層37は、パターン化層（図示されていない）であっても良く、これにより整合性が向上し、磁気アクチュエータ素子30の変形が容易になる。
【００７７】
磁気アクチュエータ素子30を得る別の方法は、高分子アクチュエータ素子30に、磁性粒子38を組み込むことである。この場合、高分子は、図10に示すように、磁性粒子38が分散された「マトリクス」として機能し、さらに高分子マトリクス39とも称される。磁性粒子38は、溶液中で高分子に添加されても良く、あるいはその後重合されるモノマーに添加されても良い。その後のステップでは、高分子は、適当な方法、例えばスピンコート法のような湿式成膜技術を用いて、微小チャネル33の壁36の内側35に設置される。磁性粒子38は、例えば図10の上側の2つの図に示すように、球状であっても良く、あるいは図10の下側図に示すような、例えば棒状などの細長い形状であっても良い。棒状の磁性粒子38は、成膜処理プロセスの間に、剪断流動によって、それらが自然に配列される点で有意である。磁性粒子38は、図10の上側および下側の図に示すように、高分子マトリクス39内に無秩序に配置され、あるいは図10の中央の図に示すような、例えば列状の規則的なパターンで、高分子マトリクス39内に配置もしくは整列されても良い。
【００７８】
磁性粒子38は、例えば強磁性体もしくはフェリ磁性体の磁性粒子、または、（超）常磁性粒子であっても良く、例えばコバルト、ニッケル、鉄、フェライト等の元素を有する。ある実施例では、磁性粒子38は、超常磁性粒子であっても良く、すなわちこれらの粒子は、磁界がオフに切り替えられた際に、残留磁界を有さず、特に磁界変調に比べて、高分子の弾性回復が遅い。磁界の長時間オフによって、電力消費が抑制される。
【００７９】
成膜の間、磁界を用いて磁性粒子38を移動させ、整列させても良く、正味の磁化は、磁気アクチュエータ素子30の長手方向に配向される。
【００８０】
次に、磁気アクチュエータ素子30への磁界の印加によって、アクチュエータ素子30に対する並進力および回転力が得られる。並進力は、
【数１】
2008535669.tif 000003
に等しく、ここで
【数２】
2008535669.tif 000004
は、磁気アクチュエータ素子30の磁気モーメントであり、
【数３】
2008535669.tif 000005
は、磁気誘導である。
【００８１】
回転力、すなわち磁気アクチュエータ素子30に対するトルクによって、この素子が移動すなわち回転し、および／または形状が変化する。図11には、例えば、微小流体システムに隣接する電磁石もしくは永久磁石のような外部磁界発生手段によって、あるいは微小流体システムと一体化された例えば導電性ラインのような内部磁界発生手段によって、磁気アクチュエータ素子30に、静的な均一磁界が印加された場合が示されている。
【００８２】
例えば、外部磁界発生手段によって磁界が印加され、アクチュエータ素子30が、磁気モーメント
【数４】
2008535669.tif 000006
および磁界強度
【数５】
2008535669.tif 000007
を有すると仮定すると、アクチュエータ素子30に作用するトルク
【数６】
2008535669.tif 000008
は、以下の式で与えられる：
【数７】
2008535669.tif 000009
ここでμは、材料の透磁率であり、
【数８】
2008535669.tif 000010
は、磁気誘導であり、
【数９】
2008535669.tif 000011
は、磁化（すなわち、単位体積当たりの磁気モーメント）であり、Vは、アクチュエータ素子30の体積であり、L、wおよびtは、それぞれ、アクチュエータ素子30の全長、幅および高さである。印加トルクが、磁気モーメントと磁界の間の角度に依存することは明らかであり、両者が整列された場合、このトルクはゼロとなる。図11に示す状況では、完全に立った状態に近づくと、遅くなり、また磁気モーメント
【数１０】
2008535669.tif 000012
と磁界
【数１１】
2008535669.tif 000013
の間の角度が減少するにつれて、遅くなる。これは、アクチュエータ素子30の動作の間に、磁界を回転させることにより解決される。
【００８３】
拍動ストロークの場合が概略的に描かれた図12に示すように、例えば回転永久磁石40により印加される回転場は、個々のアクチュエータ素子30に回転の動きを発生させ、磁気アクチュエータ素子30の配列（または波）の協調した回転運動を発生させる。恒久的な磁気モーメントを有する磁気アクチュエータ素子30の場合、表面に向かって配向されたアクチュエータ素子によって、回復ストロークが生じ、アクチュエータ素子30は、微小チャネル33内の流体のバルクを通らず、表面をスライドする。
【００８４】
微小チャネル33の壁36の内側35に設置されたアクチュエータ素子30の動きによって、微小チャネル33を通る流体の輸送を可能にするため、微小チャネル33の周囲の流体に印加される、ある力および／または磁気モーメントが必要となる。前述の説明において既に予測したように、この力の通常の値は、約1nNであり、これは、単位アクチュエータ素子30当たり、約10-13Nmのモーメントに対応する。以下に、大まかな計算を示すが、実際にこれは、本特定の実施例において提案されているような、アクチュエータ素子30に外部刺激を与えるための磁界の使用によって達成される。
【００８５】
例えば、図10に示すような磁性粒子38を有する磁気アクチュエータ素子30、および以下の表1にまとめて示すような現実的なパラメータを仮定した場合、磁気アクチュエータ素子30の正味の磁化は、M=5×104A／mとなる。
【表１】
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式（2）を用いると、高分子アクチュエータ素子30に印加される最大トルクが計算される。磁化方向と磁界方向が相互に実質的に垂直であると仮定すると、トルクτは、15×10-13Nmとなる。最大トルクは、F=τ／L＝15nNである。前述の必要な力およびモーメントと比較すると、本特定の実施例に示すように、磁気作動を用いた場合、必要な値を容易に得ることができることは明らかである。
【００８６】
前述のような、微小流体システムの外側に配置された永久磁石または電磁石のような外部磁界発生手段を使用する代わりに、別の可能性として、微小流体システムに一体化された導電性ライン41を使用することが考えられる。これは図13に示されている。導電性ライン41は、例えば、断面積が例えば100μm2の銅線であっても良く、この場合、10mTの磁束密度が容易に生じる。導電性ライン41を流れる電流によって発生する磁界は、1／rとともに減少する。なおrは、導電性ライン41からアクチュエータ素子30上の位置までの距離である。例えば図13では、磁界は、アクチュエータ素子30の位置Bよりも位置Aでより大きくなる。同様に、位置Bでの磁界は、アクチュエータ素子10の位置Cの磁界よりも大きくなる。すなわち、
【数１２】
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である。従って、高分子アクチュエータ素子30には、その全長Lに沿って、磁界の勾配が存在する。これにより、その回転の動きの上部で、磁気アクチュエータ素子30に「湾曲」の動きが生じる。従ってこのことから、回転または非回転のいずれかである均一な磁気「遠方界」、すなわちアクチュエータ素子30の全体にわたって一定の外部発生磁界と、導電性ライン41との組み合わせによって、複雑な時間依存性磁界を形成することができるようになり、アクチュエータ素子30の複雑な動きの形状が可能になると予想される。これは、特にアクチュエータ素子30の動きの形状を調整して、流体制御に最適な効率および有効性を得る場合、極めて好適である。単純な一例は、調整可能な非対称な動きが可能となることであり、すなわちアクチュエータ素子30の「拍動」ストロークを、アクチュエータ素子30の「回復ストローク」と異なるようにできることである。
【００８７】
アクチュエータ素子30の動きは、例えば、微小流体システムに設置された1または2以上の磁気センサによって測定されても良い。これにより、例えば、微小チャネル33内での、流体の流速および／または粘性等の流体に関する特性を定めることが可能となる。また、他の流体の細部については、異なる作動頻度を用いて測定しても良い。例えば、ヘマトクリット値のような流体の細胞含有物、または流体の凝固特性を、この方法で測定しても良い。
【００８８】
前述の実施例の利点は、磁気作動が、極めて複雑な生物的流体、例えば唾液、痰または血液等と連動することである。また、磁気作動では、接触の必要がない。換言すれば、磁気作動は、非接触式の方法で行うことができ、すなわち外部磁界発生手段を用いた場合、アクチュエータ素子10それ自体を微小流体カートリッジ内に置き、外部磁界発生手段を、微小流体カートリッジの外側に配置することができるようになる。
【００８９】
本発明による装置のため、本願では、好適実施例、特定の構成および配置、ならびに材料について説明したが、本発明の範囲および思想から逸脱しないで、形態および細部について、各種変更または修正が可能であることを理解する必要がある。例えば、前述の「繊毛動作」以外の動きを作り出す他の方法も、本発明によって開示されている。例えば、アクチュエータ素子30の形状および／または配向の変化によって、微小流体システムの微小チャネル33内に存在する液体の分散駆動が可能になる。さらにこれは、ポンプとしての使用に修正されても良い。これを行う一つの方法は、例えばポリアクリル酸ゲル、もしくはアイオノマ高分子−金属複合（IMPC）材料のような電気活性高分子ゲル、または例えばパーフルオロ炭酸塩もしくはパーフルオロスルフォン酸塩を使用して、アクチュエータ素子30を形成することであり、この素子は、微小チャネル33の壁36の内側35に取り付けられる。外部刺激手段による、そのようなアクチュエータ素子30の一連のアドレス処理によって、微小チャネル33内で液体をある方向に駆動するリップル波が生じる。外部刺激手段は、例えば、電界発生手段であっても良い。その場合、および電気活性高分子ゲルアクチュエータ素子30の場合、例えば1または2以上の電極、例えば導電性ポリピロール電極が、ゲルアクチュエータ素子30に組み込まれる。その後の電気活性高分子ゲルアクチュエータ素子30内の1または2以上の電極の一連のアドレス処理によって、アクチュエータ素子30の形状および／または配向が順次変化し、これによりリップル波が生じるようになる。
【図面の簡単な説明】
【００９０】
【図１】従来の小型ポンプ組立体を示す図である。
【図２】有効な回復ストロークを表す繊毛拍動サイクルの一例を示す図である。
【図３】異時性波内の等位関係を表す繊毛の波を示す図である。
【図４】本発明の実施例による曲げ可能な高分子MEMS構造、およびそのような曲げ可能な高分子MEMS構造で覆われた反応性表面を示す図である。
【図５】本発明の実施例による単一高分子アクチュエータ素子の概略図である。
【図６】本発明の実施例による、壁の内側が直線高分子アクチュエータ素子で覆われた微小チャネルの断面概略図である。
【図７】本発明の別の実施例による、壁の内側が丸められ引き延ばされる高分子アクチュエータ素子で覆われた微小チャネルの断面概略図である。
【図８】本発明のさらに別の実施例による、非対称に前方後方に移動する高分子アクチュエータ素子で、壁の内側が覆われた微小チャネルの断面概略図である。
【図９】本発明の実施例による連続磁性層を有する高分子アクチュエータ素子を示す図である。
【図１０】本発明の実施例による磁性粒子を有する高分子アクチュエータ素子を示す図である。
【図１１】本発明の実施例による直線高分子アクチュエータ素子上の、均一磁界の印加を示す図である。
【図１２】本発明の別の実施例による個々の高分子アクチュエータ素子上の、回転磁界の印加を示す図である。
【図１３】本発明の別の実施例による高分子アクチュエータ素子上の、トルクを加えるための導電性ラインを用いた、不均一磁界の印加を示す図である。
【図１４】本発明の別の実施例による高分子アクチュエータ素子上の、例えばパーフルオロ炭酸塩またはパーフルオロスルフォン酸塩のアクチュエータ素子のような高分子を含む、アイオノマ高分子−金属複合体（IPMC）アクチュエータ素子の作動を示す図である。
【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５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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