(57)【要約】  マイクロ流体デバイスにおいて流体の流れを制御するための弁が提供される。弁は基板２４上に形成されたチャンバ２６と加熱コイル４２とチャンバ２６内に収容された弁材料３０とを具備する。弁が閉じられるとき、加熱コイルが作動されて、弁材料をチャンバから外へ、ネック部２８を通って主流路２２内へ膨張させてそれを閉塞させる。好適には、弁材料はパラフィンワックスであり、また加熱コイル４２によって溶融を引き起こされる。溶融するとき、溶融されたパラフィンワックスは主流路内に流れ込み、そこでそれは冷えて再凝固する。カラー３６を有する狭窄部３４が冷却表面を備え、その冷却表面上に凝固するワックスが堆積する。
2008502462.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ流体デバイスにおいて流体の流れを制御するための弁であって、
流体を運ぶ流路と、前記流路に接続されたチャンバと、前記チャンバを加熱する発熱体と、前記チャンバ内に配設された弁材料とを具備し、
前記発熱体は、使用時に前記弁材料が前記チャンバから外へ膨張して前記流路を閉塞するように前記弁材料を加熱するべく配置構成されている、弁。
【請求項２】
前記チャンバが、前記流路と該チャンバとの間に設けられたネック部によって前記流路と連通する、請求項１に記載の弁。
【請求項３】
前記発熱体が前記チャンバと部分的に重なるように配置される、請求項１又は２に記載の弁。
【請求項４】
前記流路が弁材料の下流に狭窄部を具備する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の弁。
【請求項５】
前記流路が弁材料の上流に狭窄部を具備する、請求項１〜４のいずれか一項に記載の弁。
【請求項６】
前記狭窄部が、前記流路内のカラーであって、流体の流れに対抗する表面を有するカラーを具備する、請求項４又は５に記載の弁。
【請求項７】
前記弁材料が、溶融したとき大きな膨張係数を有すると共に、それが膨張して前記流路を満たすように溶融するべく配置構成される、請求項１〜６のいずれか一項に記載の弁。
【請求項８】
前記弁材料は、それが加熱されたとき溶融して、前記流体又は前記流路に損傷を与えることなく前記流路を閉塞するように低い融点を有する、請求項７に記載の弁。
【請求項９】
前記弁材料が５０℃未満の融点を有する、請求項７又は８に記載の弁。
【請求項１０】
前記弁材料が３７℃未満の融点を有する、請求項７又は８に記載の弁。
【請求項１１】
前記弁材料が固体ワックスである、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の弁。
【請求項１２】
前記弁材料がパラフィンワックスである、請求項１１に記載の弁。
【請求項１３】
前記パラフィンワックスが２４の典型的炭素鎖長を有する、請求項１２に記載の弁。
【請求項１４】
マイクロ流体デバイスにおいて流体の流れを制御するための弁であって、
流体を運ぶ流路と、発熱体と、前記流路に連結された弁材料にして、該弁材料が加熱されたとき膨張して前記流路を閉塞するように大きな熱膨張係数を有する弁材料と、を具備する弁。
【請求項１５】
前記流路に連通するチャンバを具備し、前記弁材料が前記チャンバに初めに含まれている、請求項１４に記載の弁。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか一項に記載の弁を具備するマイクロ流体デバイス。
【請求項１７】
請求項１〜１６のいずれか一項に記載の弁を具備するマイクロ電気化学反応デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体デバイス、特に流体の流れのマイクロ流体制御のための弁に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流体デバイスは、化学または生物学の用途における試薬のような少量の流体を制御するための機器として知られている。そのようなデバイスは、流体を入力ポートから反応室または試験室へ輸送するための複数の流路を具備しており、前記試験室では分析のような所定の反応または試験が生じるように配置構成されている。マイクロ流体デバイスで使用される一般的な流体は、血液サンプル、細菌細胞懸濁液、たんぱく質または抗体溶液、及び様々な緩衝剤である。マイクロ流体デバイスは、分子拡散係数、流体粘性、ｐＨ、化学的結合係数、及び酵素反応速度のような特性の測定を可能にする。
【０００３】
所謂“ラブオンチップ（lab-on-chip）”デバイスは、様々な微小流路を通る流体の流れを調節して、オンチップ化学処理を高めるために精密なマイクロ流体技術を必要とする。この技術を用いるいくつかの例は、試薬の貯蔵を改良すること、流路のプライミング、液体の流れを切り替えること、及び化学処理の際の敏感なステップの間において、漏れ及び圧力変動を阻止するためにチップの特別な領域を隔離することを含む。
【０００４】
この分野の研究は、そのようなチップ内のマイクロ流体の流れを一連の弁を使って調節する方法を発展させるために現在着手されている。そのような流体の流れを制御することは、デバイスの効率的な動作に欠かせない。
【０００５】
結果として、流路内の流体の流れを調節するために、多くの弁が開発されてきた。これらの弁は複数回使用型の弁又は単一回使用型の弁である。
【０００６】
制御された流体の流れを提供する一つの方法は、在来型のダイヤフラム弁を用いることである。通常これは、シリコン材料に基づくＭＥＭＳ（マイクロ電気機械システム）技術を用いることを含む。しかしながら、そのような構成要素の具現及び集積化は複雑でありまた非常にコストがかかる。例えば米国特許第６０４８７３４号明細書が、シリコンチップ上の試験構造の一部として構築された波形ダイヤフラムを具備する熱空気圧弁を記載している。疎水性の受動型の弁のような同様のタイプの弁は、具現及び集積化の複雑さは低いが一方向の流体の流れを提供するだけである。
【０００７】
そのような制御された流体の流れを提供する他の方法は、例えばＪｉ他（第１６回欧州固体変換器会議、２００２年９月１５日〜１８日、プラハ）に述べられたようなビーズベースのマイクロ流体弁を用いることである。この構造では、複数のシリカの微小ビーズが、流体の出口を塞いで逆止め弁のような弁を形成するために用いられる。流体が流体入口から前記弁を通って出口の方向へ流れるとき、流体の流れは出口の方へビーズを移動させそこにビーズが集まる。集合体の体積が十分大きければ、弁は有効に閉じて、もはや流体は出口を通って流れない。流体入口に比較したビーズのサイズが縮小したとき、クーロン引力及び表面エネルギー減少のような他の要因が集合に対して影響を及ぼす。
【０００８】
この構造の一つの不利な点は、それが、流体出口を塞ぐのに十分な体積に達する集合体のための有限の時間を要するので、上述のＭＥＭＳ弁におけるように、流体の流れの迅速な遮断を実現することができないということである。
【０００９】
液体の流れを制御するための単純な概念は、液体それ自身を凍結させることであり、流体流路に一時的に閉塞物を形成するために圧電性の金属球又はある形状を用いることである。これらの解決法の各々は、流体を制御する際のタイムラグのような欠点つまり液体の凍結に特有の問題を有している。様々な表面張力作用を利用する気泡弁もまた本技術分野で知られている。コロイド状の微小球を操作することによってミクロンメーターサイズのポンプ及び弁を作り出すことも知られており、これはテレイ（Terray）、オーケイ（Okey）、及びマール（Marr）による、サイエンス（Science）、２００２年、第２９６巻、頁１８４１〜１８４３に記載されている。これは、コロイド状の粒子を操作して流体の流れを制御するために光学トラッピングの原理を利用している。
【００１０】
米国特許第６０４８７３４号明細書は流路内の流体の流れを阻止するためのデバイス及び方法も記載している。発熱体及び半田のビードを収容する側方流路が、流体が流れるための主流路と連通して配置されている。発熱体は、半田を少なくとも部分的に液化し、空気の流れが液化された半田を側方流路から主流路内へ移動させ、前記主流路において半田は冷えて主流路を閉塞する。しかしながら、このような配置構成は、半田を溶かすために必要な高温がチップそれ自身に損傷を与えるので、ラブオンチップには適していない。また、溶融した半田を所望の位置に移動させるために空気の流れを生み出す手段を備えることも必要であり、従ってチップ上の貴重なスペースを浪費することとなる。
【００１１】
従ってこの種の弁は製作するのが複雑でありまたコストがかかる。弁の構造が複雑になればなるほど失敗しやすい。従って、我々は、単純な構造を有しかつ製作が単純な弁に対する必要性があることを認識している。
【発明の開示】
【００１２】
本発明は、ここで論及がなされる独立請求項において規定される。有利な特徴は従属請求項に示される。
【００１３】
次に本発明の好適な実施例が、例示を目的として及び添付図面を参照してより詳細に説明される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明の好適な実施例はマイクロ流体デバイスの形態をとる。マイクロ流体デバイスは、一つ以上の流路が少なくとも一つの１ｍｍ未満の寸法を有することによって特徴付けられる。但し大部分の適用例では、流路は典型的には約５０μｍの幅と約５０μｍの深さであって、ナノリッターの試薬を反応室または試験室に移送する。
【００１５】
一例として、マイクロ流体電気化学センサが図１を参照してここで説明される。
【００１６】
図１はマイクロ流体電気化学反応装置の概略図である。装置１は、第１混合流路３と第２混合流路５と反応室７とを具備している。第１混合流路３と第２混合流路５と反応室７は、流体が第１混合流路３と第２混合流路５を次々に通過して反応室入口８を経由して反応室７内へ流れることができるように接続されている。第１混合流路３の上流部分は、基質入口９及び酵素入口１１に接続されており、それら入口は第１混合流路３に基質と酵素をそれぞれ供給する。第２混合流路５の上流部分は、メディエイター入口１３に接続されており、前記メディエイター入口１３はメディエイターを第２混合流路５に供給する。反応室７は廃棄物出口１５に接続されており、前記廃棄物出口１５は流体が反応室７から流出することを可能にする。
【００１７】
反応室の一つの例示的な用途は、小型の生物化学素子上の分析的構成要素としてのものである。
【００１８】
基質は、反応室７内で酵素に電気化学的に反応する分子を含んで成るものである。基質は例えば、薬剤、農薬、及び環境汚染物質を包含する大配列の生体異物化合物の何れか一つを含んで成る。酵素は、基質を形成する化合物を解毒するのに適した任意の代謝酵素であり得る。そのような酵素の例は、シトクロムＰ４５０及びフラビンモノオキシナーゼ族からのたんぱく質を含んでいる。メディエイターは、電子が流通可能な媒体として働き、また適切な電気化学的に導電性の流体によって提供される。メディエイターの目的は、酵素と基質との間の電気化学的反応が引き起こされるように、反応室７の内側に配置された電極１７から電子を酵素へ運ぶことを可能にすることである。基質、酵素、及びメディエイターは、それらが混合流路３、５に沿って流れることが可能であるように全て流体の形で提供される。
【００１９】
使用中に、基質は基質入口９を通して第１の所定の流量で第１混合流路３に連続的に供給され、また酵素は酵素入口１１を通して第２の所定の流量で第１混合流路３に連続的に供給される。基質と酵素は、例えば拡散混合によって第１混合流路３内で混合される。結果として生じた基質／酵素混合物は第１混合流路３に沿って第２混合流路５まで流れる。反応を引き起こす電子を利用できないので、第１混合流路３内では基質と酵素との間には何の反応も生じない。
【００２０】
メディエイターは、第３の所定の流量でメディエイター入口１３をとおして第２混合流路５に連続的に供給される。メディエイターは、第２混合流路５において基質／酵素混合物と混合され、その結果生じた基質／酵素／メディエイター混合物は、今後は試薬混合物と呼称されるが、第２混合流路５を通って反応室入口８を介して反応室７へ流れる。反応室７に流入する試薬混合物における基質と酵素とメディエイターとの比率は、第１、第２、及び第３の流量の相対的大きさによって決定され、前記流量の相対的大きさは、試薬混合物の所望の粘稠度を得るために調節可能である。試薬混合物は反応室７内で電気化学的に反応させられて、未反応の試薬混合物及び反応生成物が廃棄物出口１５を通して吐出される。
【００２１】
この種の反応を調節するために、基質、酵素、及びメディエイターの各々の流量が注意深く制御されることが必須である。従って、前述したようなマイクロ流体デバイスにおいて流体の流れを調節する弁が本発明によって提供される。
【００２２】
図２を参照して、次に本発明の好適な実施例による弁がより詳細に説明される。
【００２３】
弁２０は主流路２２を具備しており、流体が前記主流路２２を通るように前記主流路２２は配置されている。主チャンネルは、それが約５０μｍの深さと約５０μｍの幅を有するように、好適にはメタクリル樹脂（ＰＭＭＡ）のプラスチック基板２４上に形成される。
【００２４】
前記弁は、細いネック部２８によって主流路２２に接続された密閉チャンバまたはリザーバ２６を具備している。前記チャンバは、０．２５μｌの容積を有しており、また好適には固体パラフィンワックス３０のペレットである弁材料を収容している。前記ペレットは、それがチャンバを完全に占めるように、従ってその密度を０．９３ｇ／ｃｍ3と仮定すると約０．００２３３ｇの質量を有するように配設される。リザーバ２６は理想的には流路と同じ深さつまり５０μｍで形成される。但し、リザーバは、収容されるべきワックスの量及びそれが形成されるチップの深さの制限に応じて、より深く例えば１００μｍであることが可能である。
【００２５】
ネック部２８は、流路壁の開口３２において主流路２２に接続する。前記開口の下流において、狭窄部３４が主流路２２に形成されている。前記狭窄部は、流体の流れに対抗するカラー３６を提供するために前記流路の中央に向かって徐々に細くなる流路壁の区域からなる。図２ではカラーは、二つの流路側壁から突出する二つの対向区域３８を有するものとして示されているが、カラーの区域において流路の幅及び深さの両方が縮小するように、カラーは流路の基部における隆起区域（非図示）（及び流路の天井部上の同様の区域）も好適に具備している。実際には、従って狭窄部は、流路に比較して縮小した内径の円筒状カラーであることが好適である。狭窄部の寸法は、好適には、２５μｍの幅と５０μｍの深さ、又は２５μｍ×２５μｍである。
【００２６】
発熱体４０が蒸着技術又は他の公知の製造技法を利用して基板２４の上に形成されている。発熱体４０は、チャンバ２６内のワックス３０のペレットを加熱するように配列された加熱コイル４２を有する。図２に示されるようにチャンバは円形であるが、ほぼ平坦な横断面のものであり、加熱コイル４２は、可能な限りのワックスの量に同時に熱を伝達するようにチャンバの上に延びている。従って加熱コイルは、チャンバ及び内部のワックスのペレットの上に部分的に重なる。加熱コイル４２はある長さの電流を流すワイヤからなるものであり、前記電流を流すワイヤは、ワイヤ部分が並行して配列され且つＧ型に巻回される二重導電路構造を提供するためにそれ自身に対して折り返されている。
【００２７】
ここで前記弁の働きがより詳細に説明される。図２に示される弁はその開弁状態で示され、流体は矢印の方向で流路内を流れることができる。弁を閉じて流路内の流れを止めることが望まれるなら、制御信号が制御回路（非図示）に加えられ、前記制御回路は次に発熱体４０に電流を流す。発熱体によって提供された熱はパラフィンワックスのペレットを液化し、前記パラフィンワックスのペレットは急速に膨張する。チャンバは他の部分は閉じられているので、液化したワックスの膨張は、一部のワックスにネック部を通過させて主流路内に進入させる。液化したワックスはリザーバ２６から流れ出てより低温の流路内で再凝固する。カラー３６の対向する区域は、図３に示されるように、凝固するワックスがアマルガム状になって冷めて固体ワックスの閉塞物又は栓４４を更に形成する表面を提供する。液化されたワックスは、発熱体が発熱している限り、及び十分なワックスが残っている限り、及びネック部の開口が開放したままである限り開口から出て行き続ける。ワックスの再凝固は、カラー部の閉塞物の後ろに蓄積し続け、従って流路２２が完全に閉塞されるまで蓄積し続ける。図３に示されるように、完全に閉塞された流路は弁が閉弁されたことを意味する。図３に示される流路内のワックスの堆積の長さは約２ｍｍである。
【００２８】
図３では、ワックスが膨張してリザーバ２６から流出させられるとき、リザーバ内に残っているワックスの量は対応する量だけ減少されて示されている。ワックスは、それがリザーバから流れ出ることを単に図示するためにこのように示される。しかし実際には、ワックスが発熱体によって溶融されるとき、ワックスは、それが開口３２から流れ出る間においてさえも液化及び膨張してリザーバ全体を占めつづける。
【００２９】
好適な実施例は、ワックスリザーバからワックスを排出するためにワックスが液化するとき、ワックスの急速な膨張に依存する。ワックスが急速に膨張しなかったならば、それがリザーバから現れるとき再凝固の危険性が生じ、ワックスの結果として生じた流れは流体の流れる流路を閉塞するには不十分である。このために、約２４の所定の炭素鎖長を有するパラフィンワックスが能動的弁材料として好適であり、その訳はそれが溶融時の高い熱膨張係数を有することが見出されたためである。好適には、ワックスは、約５℃の温度上昇に対して２０％だけ膨張する。このような技法は単純で信頼度の高い単一回使用の弁機構を提供する。従って、例えば米国特許第６０４８７３４号明細書で開示されたデバイスとは異なって、溶融された弁材料を流路の中へ流入させる追加の手段は必要とされない。前記米国特許のデバイスでは、溶融された半田が適切な場所に運ばれることを確実にするために空気流路が必要である。半田は大きな熱膨張係数をもっていない。さらに、好適な実施例では、リザーバの形状は、ワックスが流体の流れの中へ至る方向以外の方向に膨張することを妨げる。パラフィンワックスは、それが半田に要求される温度よりはるかに低い温度で溶融するので好適である。このことは、パラフィンワックスを、半田のためのガラス又はシリコンチップだけではなくプラスチックチップを含むチップの全ての製造における用途に適合させる。
【００３０】
半田は、典型的には１００℃を超える融点を有しており、前記１００℃はプラスチックチップを溶かし、及び反応室へ送られる検体を変性させる。プラスチックチップ及び検体は、実際には５０℃を超えた温度、及び更に体温つまり３７℃を超えた温度によってさえ損傷を受ける恐れがある。このために、弁材料は、好適には５０℃未満で更に好適には３７℃未満の低い融点を有することが重要であることが理解されるであろう。
【００３１】
弁材料は、それが急速に冷えるように小さな比熱容量を有することも重要である。パラフィンワックスは従ってそれが基本的には、固体を形成するのに必要なエネルギーが小さいガラス構造であるので好適である。ガラス構造は、液体が、固体、結晶形に変化するとき結晶質エネルギーギャップがないので、固体を形成するのに必要なエネルギーが小さい。従って前記記載における用語の“液化”及び“溶融”は、必ずしも物質の物理的状態の変化を指すと解釈すべきではなく、実用的な用語における材料の挙動の様式を意味すると解釈すべきである。
【００３２】
電流の大きさ及び発熱体によって供給される熱量は制御回路によって制御され、また所望の切換え速度並びにチャンバ内のワックスの量及びワックスそれ自身の特性に依存している。所望の切換え速度が１００ｍｓと仮定すると、０．００２３３ｇのパラフィンワックスに対する必要な加熱電力は７８０ｍＷである。
【００３３】
好適な実施例は、プラスチックが安価に且つ容易に成形される材料であるためプラスチックに形成される。ＰＭＭＡが上述の実施例で使用されるが、ＰＤＭｓ、ポリカーボネイト、又はポリアミドも使用することができる。デバイスはシリコンウェハー上に形成されてもよく、前記シリコンウェハーでは実行がそれを好ましいものにする。
【００３４】
上述の実施例では、リザーバから排出されたワックスは下流方向、つまり流体の流れの方向に見ることができる。従って、特定の部位である狭窄部においてワックスの凝固が促進されるように、流路内の狭窄部は下流に配置される。ワックスが流体と共に下流に流れるか、或いは毛管作用及び一般的膨張駆動力の結果として上流と下流の両方向に運ばれるかは、流体の流量、粘性、及びワックスの加熱若しくは冷却速度を含む具体的な実行に依存している。
【００３５】
従って、流体の流れる流路は、開口３２の下流及び上流の両方向に狭窄部を備えることが好適である。
【００３６】
図には示されないが、ネック部２８は、弁デバイスの製造中にワックスが流出することを防ぐためにリザーバの縁部にストップを具備している。前記ストップは、好適には疎水性パッチのような壊れやすい特徴を有している。ワックスは、それが加熱されて圧力によりワックスがパッチを横切りリザーバから流出させられるまで前記パッチの後ろ側で保持される。
【００３７】
本発明の代替実施例が、次に参照される図４及び５に示されている。
【００３８】
図４において流体の流れる流路２２が示されている。しかしながら、リザーバ２６の替わりにキャビティ２７が流路壁に設けられており、またパラフィンワックスのような弁材料がキャビティ２７内に備えられている。初期状態では、パラフィンワックスは流体の流れる流路を閉塞しない。しかし発熱体（非図示）によって加熱されたとき、ワックス３０は溶融して流路内に進入し、そこで冷えて閉塞物４４を形成する。この状態が図５に示される。前述のように、上流又は下流方向に狭窄部を設けてもよく、さらに製造中にワックスが流路内に進入することを阻止するためにストップをキャビティに設けてもよい。
【００３９】
この配置構成では、弁材料を流路の拡大部分に備えることによって、弁材料が大きな熱膨張係数を有することを必要としない。これは、弁材料は溶融すると流体の流れによって流路内に押し入れられ、そこで冷えて無孔の栓として再凝固するためである。
【００４０】
代わりに、弁材料が流路内に配置された多孔性材料であってもよく、前記多孔性材料は溶融すると流路に無孔の固体閉塞物を形成する。
【００４１】
前述したように、弁材料の材料特性は好適な実施例の作動に対して重要である。それは、化学的に安定で且つ不活性であり、低い融点、小さな比熱容量、液化したときの高い流動性、及び加熱されたときの高い熱膨張率を有しているべきである。更に、それは、好適な粘性を有し、流路内の流体に対する非混和性を有している。この理由から、パラフィンワックスが弁材料として好適である。好適な実施例においてパラフィンワックスの反応を例証するためにシミュレーションが行われた。これは以下に詳細に説明される。
【００４２】
典型的なパラフィンワックスが、長鎖の炭化水素の混合物としてモデル化され、また好適な実施例によるストップ弁における使用に対するこの材料の適性を評価するために様々な熱的シミュレーションが行われた。
【００４３】
パラフィンワックスは、異なる炭化水素の複合混合物であり、約１８から３０炭素の範囲の長さを有する直鎖アルカンを主に（約９０％）含んで成る。残りの１０％は、直鎖分子に概ね等しいサイズを有する、枝分れ鎖及び融合鎖を含んで成る。アルカンは反応性官能基を有さないので、化学的に非常に安定でありまた比較的に不活性である。
【００４４】
２５Å立方の周期的なセル（periodic cell）がワックス分子を収容するために使用された。周期的なセルモデルでは、セルの一方の側の分子は反対側の分子と数学的に反応することが可能であり、適度に少数の原子を用いて及び三つの次元の全てにおいてセルを共に積み重ねることにより、“無限大の”容積の３次元材料のシミュレーションを可能にする。周期的なセルは、典型的なパラフィンワックスの密度である約０．８５〜０．９５ｇ／ｃｍ3の最終密度を与えるためにワックス分子によって充填された。計算作業を簡単にするために、ワックスは直鎖化合物だけを使用してモデル化された。ほんの少しだけより多くの種類の成分を含む実際のワックスは、モデルのワックスとは少しだけ異なる性質を示すことが予想される。
【００４５】
周期的なセルは、図６に示される鎖長の分布で２６分子を含むように構築された。この構成は、Ｃ２４鎖を中心に分布するボルツマン分布による１８から３０炭素の範囲の鎖長を有する物質をシミュレーションするために選択された。この分布は、０．９３０３０７ｇ／ｃｍ3の密度を有し、周期的なセルに１９０６原子（６１８の炭素と１２８８の水素）を含む物質を与える。平均分子質量は、３３４．７６９であり、分子質量が３３８．６６４である２４炭素アルカン鎖の分子質量より僅かに小さい。
【００４６】
モデルは次の模擬された熱処理によって弛緩された。前記熱処理により、初期構造（０Ｋ）は２５ピコ秒の間に５００Ｋまで加熱され、次いで５０ピコ秒の間に標準の室温（２９８．１５Ｋ）まで戻されて冷却された。結果として生じたモデルは図７に示され、そこでは各分子が異なる明度の灰色で示されている。シミュレーション計算中に、立方体からはみ出た分子の部分は、反対側の空隙内に数学的に“折り返され”、それにより完全充填塊状材料のシミュレーションを行う。
【００４７】
パラフィンワックスは、純粋化合物が溶融して沸騰するときに通常観察される典型的な相変化を示さない。室温では、それらは、ガラスに似た擬似結晶状態の固体を形成する。ワックスが加熱されると、それらは、より液化した形態（口語表現で“溶けている”と言われる）への相転移を受け、次いで沸騰して気相を形成することができる。前記沸騰は、より小さな分子構成要素がより重い分子構成要素より先に典型的に蒸発して、温度が上昇するときワックスの熱的特性及び材料特性に一連の“ブリップ（blips）”を引き起こすことにおいて普通ではない。
【００４８】
ワックスの熱的特性は、ラブオンチップデバイスに適した温度範囲に渡って材料の挙動を模擬することによって予測された。図８のグラフは、周期的なセルの体積が温度の関数としてどのように変化するかを示しており、従って塊状材料の予測された熱膨張率特性を示している。
【００４９】
上述したようにワックスの熱膨張率は、ワックスが加熱されたとき少なくとも部分的にチャンバから出て流路内に閉塞物を形成するのに十分な量で膨張することを確実にすることにおいて重要である。
【００５０】
非常に小さな周期的なセルの体積だけを使用することによって塊状材料をモデル化する影響を最小限に抑えるために、シミュレーションは５回繰り返され、前記非常に小さな周期的なセルの体積においては、個々の原子及び分子は、全体としてのシステムの挙動に対して不釣合いに大きな影響を有している。“誤差棒”は、システム内の熱的変動性を示しており、また適切な温度における５ピコ秒に渡ってシステム内で観察された平均値からの１標準偏差を表している。各シミュレーションは、１気圧の一定圧力において実施され、またエネルギーを周囲環境へ又は周囲環境から運ぶことを可能にされた。これは、周期的なセルが一定圧力を維持するために大きさを変えることを必要とされたので、ワックスの熱膨張特性のモデル化を可能にした。
【００５１】
温度に対して圧力及び密度がどのように変化するかの図が図９及び１０に示される。圧力はシミュレーションの始めから終わりまで基本的には一定であり、また密度は周期的なセルの寸法に対して逆比例して変化する。
【００５２】
その物質安全性データシートによると、正確な分子構成に依存して、パラフィンワックスの融点は５４〜５８℃であり、沸点は３５０〜３７０℃である。温度が１６０℃に近づくとワックスの表面から白煙が発生し、これは低分子量成分の一部が蒸気として塊状材料から放出され、次いでそれらが冷えたとき煙の粒子として再結晶したことを示すものである。熱シミュレーションは、予想された融点で相移転を示し、及び温度が１６０℃に近づいたとき体積の一時的な減少とその結果として密度の増大を示し、従ってモデルは実際のパラフィンワックスの挙動を信頼度高く再現していると結論することができる。
【００５３】
構造モデルに対する摂動分析を実施することによって、付加的な熱力学的特性の変化、及びそれらが温度と共にどのように変化するかを計算することが可能である。図１１にこれらが示される。エンタルピーは、どの位の量のエネルギーが化学構造それ自身に蓄積されたかの指標である。エントロピーは、熱振動又は熱回転のような“非結合エネルギー”が物質内にどの位蓄積され得るかを示す。自由エネルギーは、物質の化学的安定性の指標を与え、熱容量は、物質の温度を１度Ｋだけ変化させるのにどの位のエネルギーが必要であるかを示す。
【００５４】
室温においては、ワックスの熱容量は、３２．０３２ｃａｌ／ｍｏｌ．Ｋであることが予想され、前記３２．０３２ｃａｌ／ｍｏｌ．Ｋの熱容量は、１モル当量のワックス（３３４．８ｇ）を１度Ｋだけ上昇させるために３２．０３２ｃａｌ（１３４．０２Ｊ）を必要とすることを意味している。１００℃において、これは３９．５５４ｃａｌ／ｍｏｌ．Ｋに増大する。これは、３３４．８ｇのワックスを室温から１００℃まで加熱するために２６８４．５ｃａｌ（１１．２３２ｋＪ）を必要とすることを意味する。
【００５５】
マイクロ流体流路が約５０×５０μｍの寸法を有し、２ｍｍの長さの流路を閉塞することによって弁が閉じられると仮定すると、５ｎｌの体積のワックスが流路を閉塞するために必要である。周期的なセルの体積は、この温度範囲において約３％だけ増大し、その結果所望のワックスの体積を供給するために０．１６３３ｍｌのワックス“リザーバ”が必要とされる。従って、０．２５ｍｌのワックスリザーバが妥当な安全率を備えるために好適である。
【００５６】
ワックスの密度は０．９３ｇ／ｃｍ3なので、０．２５ｍｌのワックスの重量は０．００２３２５ｇである。弁内でワックスを溶融させるために０．０１８６４ｃａｌ（０．０７８０Ｊ）が必要であることを決定するために、熱容量計算を利用することが可能である。弁は１００ｍｓ内で切り替えられなければならないと仮定すると、これは７８０ｍＷの所要加熱電力に等しいと考えられ、前記所要電力は抵抗性超小型発熱体の能力内にある。
【００５７】
勿論、発熱体からの熱エネルギーの多くは周囲のチップ構造内に伝達されるので、必要とされる実電力はこれよりも幾分か大きい（又は代わりに切換え速度が低下する）。
【００５８】
しかしながら、物質の加熱に基因する実際の流れは、塊状材料をモデル化するために用いられた周期的なセル内の寸法変化の単純な関数ではない。ワックスペレットの縁における周期的なセルは、マイクロ流体チップの壁及びマイクロ流体流路内の液体と相互に作用するのに対して、ワックスの本体内の周期的なセルは、それ自身の同一のコピーと全ての方向で相互に作用する。従って、物質がチップ基板にどのように付着するか、及び物質が溶融されたときどのように流れるかをモデル化するために、ワックスと他の物質との各界面における相互作用をモデル化することが必要である。
【００５９】
好適な実施例では、チップ基板の材料は好適にはプラスチックである。従って、メタクリル樹脂（ＰＭＭＡ）がシミュレーションの基板の材料として選択された。というのも、それが、チップを製作できる可能性のある他のプラスチック（ＰＤＭＳ、ポリカーボネイト、ポリアミド等）に最も類似した化学的特性を有するためである。異なる基板の材料は、幾分か違った特性を有することが予想されるが、このことは、このシミュレーションの結果にほとんど類似しないという結果を招くものではない。
【００６０】
単独重合体壁を通り過ぎて流れるワックスをモデル化することは実際的ではない。というのもこれが、ワックス層の周期的なセルからの材料の正味の移送を含むためである。代わりに、剪断分析が材料の機械的特性を予想するために実行された。剪断分析では、２つの重合体の壁の間の薄い層のワックスを有するサンドイッチ状の構造体が形成された。各々の壁は反対方向に移動させられる（例えば頂壁は右へ１ｍｍ／ｓで、及び底壁は左へ同じ速度で移動する）。頂壁から“出た”原子は底壁上のセルに再進入するので、周期的なセルからの物質の正味の移送はそれ故ない。ワックスは２つの壁の間で剪断され、粘性、表面付着力、及び膨張率の計算を可能にする。剪断シミュレーションは、試験材料の性能プロファイルを生じさせる温度範囲に渡って実行された。
【００６１】
剪断分析のモデル構造が図１２に示される。ワックスの３０Åの厚さの層がＰＭＭＡの１５Åの二つの層によってサンドイッチ状に挟まれている。ＰＭＭＡの上層は右方へ５ｍｍ／ｓで移動され、下層は左方へ同一速度で移動された。２つのＰＭＭＡの“壁”の間隔は、それらを数学モデルにおいて共に接続するかたい単純な調和スプリングを含むことによって維持された。
【００６２】
そして材料の速度プロファイルが、５０ピコ秒の間で平均された（１標準偏差より小さな“誤差棒”を有する）室温（２９８．１５Ｋ）及び１００℃（３７３．１５Ｋ）でシステムをシミュレーションをすることによって計算されて、これら二つの温度における材料の粘性流特性の指標を与えた。
【００６３】
図１３に示される速度プロファイルは、１００℃においてはワックスは滑らかで、二つのＰＭＭＡ壁の間のほとんど直線的な流れプロファイルであり、したがってわずかに粘性を有する液体として振舞う。しかしながら室温においては、下壁とワックスとの間に速度プロファイルの急な移行があって、ワックスがこの壁から“剥離した”こと及び上壁になお付着される固体として振舞うことを示している。
【００６４】
体積粘性ηvは、ワックス層内の応力を記述するマトリックスの対角要素における変動の減衰に下記のように関係付けられる。
【数１】
2008502462.tif 000003
ここで、ｔは時間、Ｖは材料の体積、Ｔは温度、ｋはボルツマン定数、及びδＳ＝Ｓ−＜Ｓ＞であり、瞬間応力テンソルの非対角要素に等しい。剪断シミュレーションによって得られたデータでこの計算を実行することは、溶融したワックスの粘性が５．９３ｃＳｔであることを予測する。ワックスの物質データシートは、ワックスの組成に依存して、２．９〜７．５ｃＳｔの範囲の実験的に得られた値を与えている。
【００６５】
モデリングは、炭素鎖長２４のパラフィンワックスがマイクロ流体弁に適した材料であること示す。それは約５５℃で溶融し、６５℃と１００℃との間の温度で容易に流動して急速に再凝固する。抵抗性超小型発熱体が、７８０ｍＷの電力を使って１００ｍｓ内で弁を切り替えることが可能である。
【００６６】
かくしてマイクロ流体デバイスにおける流体の流れを制御するための弁が実現され、前記弁は、唯一の可動部品が状態変化を受ける弁材料であるので、容易にかつ安価に製造でき、また作動の信頼性が高い。結果として、流体の流れが調節されるところの“ラブオンチップ”デバイスもまたより安価に及びより信頼度高く製作することが可能である。
【００６７】
好適な実施例は、マイクロ流体デバイス用の微小弁を含むが、前記弁の作動はデバイスのスケールに従属又は制限されることはないことが理解されるであろう。従って代替の実施例は、例えばセンチメートルスケールまでのより大きいスケールで、又はこれが実際的及び／又は製作上の許容公差であるより小さな長さのスケールで製造され得る。
【００６８】
更に、好適な実施例の異なる構造的特徴に寸法が与えられるが、これらは説明を助けることだけを意図している。例えばリザーバの寸法、弁材料の量と密度と熱容量、及び流路の寸法等のようないくつかの要因の全ては、デバイスの作動に影響するが、要求条件に従って変更され得る。弁の所望の性能についての情報を与えると、しかしながらこれら全ての要因は、パラフィンワックスを含む例として上記したように、比較的簡単な方法で計算することが可能である。
【００６９】
さらに、パラフィンワックスが好適であるが、他の材料もデバイスの所望の性能に応じて弁材料として使用可能であり、及び弁材料の熱膨張係数が、弁材料が流路を塞ぐようにそれを発熱体の加熱によってリザーバから放出するのに十分である場合には、又は融点が十分に低い場合には弁材料として使用可能である。他のワックス、又はシリコン系グリスのようなオイル、並びに熱膨張ポリマー及び発泡体が使用可能である。シリコン系のオイル及びグリスは特別な融点を注文して作ることができるので便利である。チップが５０℃未満の温度で作動する必要がない場合には、５０℃から８０℃の融点の温度範囲が好適である。
【００７０】
様々な炭化水素の混合物である標準のパラフィンワックスに加えて、一部の純粋な炭化水素も適切であることが見出された。その例はヘキサトリアコタン（ＣＨ３６Ｈ７２）である。
【００７１】
液晶エラストマーは、熱的条件が変化したとき収縮又は膨張することができるので、それらもまた適している、例えばアクリル系エラストマーは、それらが直線寸法を３５％まで変化させることができるので、よく作動することが見出されている。
【００７２】
このように、ワックスの弁材料が温度の差を横切ってチャンバから弁座へ膨張するように構成されている好適なマイクロ流体弁が説明された。従って、弁材料に弁を閉塞させる手段は、温度勾配を提供する熱源以外は必要とされない。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明と共に使用され得るマイクロ電気化学デバイスを示す図である。
【図２】初期状態にある本発明の好適な実施例を示す図である。
【図３】最終状態にある本発明の好適な実施例を示す図である。
【図４】開放状態にある本発明の代替実施例を示す図である。
【図５】閉鎖状態にある図４の実施例を示す図である。
【図６】シミュレーションにおけるワックス分子の炭素鎖長の分布図である。
【図７】周期的な試験セルにおける分子の配列を示す図である。
【図８】周期的なセルの温度依存性を示す図である。
【図９】周期的なセル内の圧力の温度依存性を示す図である。
【図１０】周期的なセル内のワックスの密度の温度依存性を示す図である。
【図１１】シミュレーションされたワックスのエントロピー、熱容量、エンタルピー、及び自由エネルギーの計算値を示す図である。
【図１２】シミュレーションによる、ワックスの剪断分析計算のためのモデル構造を示す図である。
【図１３】シミュレーションによる、二つの異なる温度におけるワックスの速度分布図である。
【図１】
2008502462.tif 000004
【図２】
2008502462.tif 000005
【図３】
2008502462.tif 000006
【図４】
2008502462.tif 000007
【図５】
2008502462.tif 000008
【図６】
2008502462.tif 000009
【図７】
2008502462.tif 000010
【図８】
2008502462.tif 000011
【図９】
2008502462.tif 000012
【図１０】
2008502462.tif 000013
【図１１】
2008502462.tif 000014
【図１２】
2008502462.tif 000015
【図１３】
2008502462.tif 000016
【国際調査報告】
2008502462.tif 000017
2008502462.tif 000018
2008502462.tif 000019