(57)【要約】  高分子マイクロ流体バルブでは、別個のマイクロまたはナノ規模の構造化表面を備えた付着制御表面が、基板層に対してエラストマ膜シール間の界面で流体充填空所によって分離される。構造化された表面は、膜層と基材層との間の付着を低減し、恒久的結合を防止すると同時に、弁座における付着の良好なバランスを提供し、封止係合を提供する。バルブ本体上および周囲のマイクロ構造化付着制御表面は、接触表面積を減少させることによって、バルブの開放を可能にする。【選択図】  図１Ａ
2021515207.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高分子マイクロ流体バルブにおいて、
プラスチック基板と、
前記基板にわたって延在する弾性変形可能なエラストマ膜であって、前記基板および膜が、マイクロ流体デバイス内の少なくとも２つのマイクロ流体チャネルを分離するバルブ区域を画定する、エラストマ膜と、
前記膜および前記基板のうちの一方の上の前記バルブ区域内にあり、前記バルブが閉じられたとき、前記膜および前記基板が接触する付着制御表面を有する、弁座と、
前記膜によって前記マイクロ流体チャネルから分離された封止された制御流体チャンバであって、前記制御流体チャンバ内の圧力の変化が、前記基板から前記膜を分離し、それによって前記バルブを開放するために、前記弁座の前記付着制御表面における前記基板と前記膜との間の付着に打ち勝つのに十分な力を前記膜上に与える、制御流体チャンバと、
を備え、
前記付着制御表面は、複数の分離された頂部合わせ表面と凹部表面とを与えるマイクロ構造の軽減パターンを備え、前記頂部合わせ表面は、前記付着制御表面が及び面積の９０％未満の累積表面積を集合的に有し、前記バルブが閉鎖しているときに前記頂部合わせ表面間に流体充填空所を有し、
前記弁座が前記基板上にある場合、さらに、前記弁座が前記膜上にある場合において前記基板上にある場合、前記弁座上の前記付着制御表面は、前記膜の合わせ表面と接するように整列され、
前記流体充填空所は、（１）スパン領域にマイクロ構造が存在しない場合の付着と比較して、（２）膜と基板とが、頂部合わせ表面および凹部表面を含む全ての利用可能な表面にわたって、共形接触している場合の付着と比較して、スパン領域における膜と基板との間の付着を低減する、高分子マイクロ流体バルブ。
【請求項２】
前記軽減パターンは、前記流体充填空所が、前記マイクロチャネル内の前記弁座の両端の間で、前記弁座にわたって相互接続されるような開放パターンを備える、請求項１に記載のバルブ。
【請求項３】
前記バルブが閉鎖したときの前記付着制御表面上の前記頂部合わせ表面間の累積表面積は、前記付着制御表面が及ぶ表面積の０．５５％〜７６％である、請求項１または２に記載のバルブ。
【請求項４】
前記付着制御表面上の前記頂部合わせ表面の前記累積表面積は、前記付着制御表面の全表面積の０．５４％〜３０％であり、前記全表面積は、前記頂部合わせ表面の前記累積表面積と、前記凹部表面の累積表面積と、前記頂部合わせ表面および凹部表面を接続する前記マイクロ構造の側壁の累積表面積とを含む、請求項１〜３のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項５】
前記マイクロ構造の前記頂部合わせ表面および凹部表面は、少なくとも７５ｎｍの深さｄによって分離され、隣接する頂部合わせ表面間の平均間隔は、２０ｄ以下であり、（１／２）ｄ以上である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項６】
前記複数の別個の頂部合わせ表面は、少なくとも２５の別個の頂部合わせ表面を含み、これらの頂部合わせ表面は、前記頂部合わせ表面に制限された、いかなる経路によっても接続されていない、請求項１〜５のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項７】
前記基板は、前記膜の剛性よりも少なくとも１桁大きい剛性を有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項８】
前記マイクロ構造は、マイクロピラーである、請求項１〜７のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項９】
前記マイクロピラーは、前記付着制御表面上に規則的な配列で形成される、請求項８に記載のバルブ。
【請求項１０】
前記マイクロピラーは、約２０°〜約１３０°の円錐角を有する略円錐形または円錐台形である、請求項８または９に記載のバルブ。
【請求項１１】
前記マイクロピラーは、１μｍ〜２００μｍの公称直径を有し、丸みを帯びた頂部を有する、請求項８〜１０のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項１２】
前記マイクロ構造の頂部は、ナノ構造で装飾される、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項１３】
前記頂部合わせ表面は、前記膜および前記基板の間の付着を更に低減するように表面処理される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項１４】
前記膜は、約２０−１０００μｍの範囲の厚さと、ＡＳＴＭ  Ｄ６３８によって測定される約０．１〜１００ＭＰａの範囲のヤング率とを有する、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項１５】
前記制御流体チャンバおよび前記マイクロチャネルの間の圧力差が３４ｋＰａであるときの初期開放時間は、１分以内である、請求項１〜１４のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項１６】
前記流体充填空所は、集合的な空所容量を有し、前記マイクロ構造および／またはナノ構造は、集合的な構造化容量を有し、前記制御流体チャンバおよび前記マイクロ流体チャネルの間に圧力差がない状態で前記バルブが閉鎖されるとき、前記集合的な空所容量は、前記集合的な空所容量および前記集合的構造容量の合計の５０〜９９．５％である、請求項１〜１５のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項１７】
前記付着制御表面は、前記チャネルを分離するバルブ本体上にある、請求項１〜１６のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項１８】
前記バルブ本体は、一定の高さを有し、前記一定の高さは、前記チャネルの全深さに延在し、前記チャネルの各々を終端させる壁を提供し、前記バルブは、常閉弁である、請求項１７に記載のバルブ。
【請求項１９】
前記バルブ本体は、前記チャネルの深さの一部に延在する高さを有し、前記バルブは、常開弁である、請求項１７に記載のバルブ。
【請求項２０】
前記付着制御表面は、前記バルブ本体を超えて延在し、前記チャネルの中間の基板の頂部合わせ表面を覆う、請求項１７または１８に記載のバルブ。
【請求項２１】
前記膜は、飽和または不飽和の熱硬化性ゴムまたは熱可塑性エラストマである、請求項１〜２０のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項２２】
前記膜は、熱可塑性エラストマである、請求項２１に記載のバルブ。
【請求項２３】
高分子マイクロ流体バルブを使用してマイクロ流体チャネル内の流体の流れを制御する方法において、
マイクロ流体デバイスにおいて、常閉型の、請求項１〜２２のいずれか一項に記載の高分子マイクロ流体バルブを準備するステップと、
前記制御流体チャンバ内の圧力を変化させ、前記弁座の前記付着制御表面における前記基板との付着に打ち勝つのに十分な力を前記膜に与え、前記膜を前記基板から分離し、それによって、前記バルブを開放し、流体が前記２以上のマイクロチャネル間を流れる事を可能にするステップと、
を含む、方法。
【請求項２４】
前記バルブが開放されているときに前記制御流体チャンバ内の圧力を十分に変化させて、前記基板および前記膜を前記付着制御表面で一緒に押圧し、それによって、前記膜を前記基板に対して密封係合させ、前記バルブを閉鎖して、流体が前記マイクロ流体チャネルを通って流れるのを防止するステップを更に含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
高分子マイクロ流体バルブの弁座を表面処理する方法において、
弾性変形可能なエラストマ膜上またはバルブの為のプラスチック基板上に弁座を製作するステップであって、前記弁座が、前記バルブが閉鎖されるときに前記膜が前記プラスチック基板に対して接触して密封することになる付着制御表面を有する、前記ステップと、
前記膜または基板を表面処理液に接触させるステップであって、表面処理液は、微罪構造が存在しない前記膜または基板の前記区域の代わりに、前記弁座の前記付着制御表面が及ぶ前記領域を優先的に濡らし、それによって、マイクロ構造が存在しない前記膜または基板の前記区域を表面処理することなく、前記弁座を表面処理するステップと、
前記膜と、２つのマイクロ流体チャネルと交差するように配置された前記弁座を備えた基板とを組み立てるステップであって、前記付着制御表面は、複数の分離された頂部合わせ表面および凹部表面を与えるマイクロ構造の軽減パターンを備え、前記頂部合わせ表面は、前記付着制御表面が及ぶ面積の９０％未満の累積表面積を集合的に有し、前記頂部合わせ表面の間に流体充填空所を有する、前記ステップと、
を含む、方法。
【請求項２６】
前記膜または基板を表面処理液に接触させるステップは、マイクロコンタクトプリンティングを使用した自己整合ウィッキング、または前記バルブを含む、組み立てられた、マイクロ流体デバイス内のマイクロ流体チャネルを通る毛細湿潤によって行われる、請求項２５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本願は、マイクロ流体デバイス、特に、改善された付着制御を備えたマイクロ流体デバイスの為のバルブ構造に関する。
【０００２】
【背景】
【０００３】
[0002]マイクロバルブは、マイクロトータル分析システム（μＴＡＳ）コミュニティ内で流体の流れを制御する為に広く使用されてきた。膜ベースの空気圧式マイクロバルブは、流動層、膜層、空気圧式制御層で構成される単純なサンドイッチ構造であるため、非常に魅力的である。サンドイッチ構造は、非常にエレガントで昨日積であるが、特定の問題を引き起こす。膜層は、マイクロ流体チャネルの漏れの無い動作を提供するため、弁座を除いて、どこでも流動層に対して密封しなければならない。
【０００４】
[0003]ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）ベースの常閉弁の弁座での結合を回避するために３つのストラテジがある。ＰＤＭＳとＰＤＭＳとの結合またはガラスとＰＤＭＳとの結合は、典型的には、酸素プラズマ処理によって促進されるので、以下の技術を使用して結合を低減することができる。ストラテジ１は、Ｏ2プラズマ処理中に弁座の領域をマスクすることである。ストラテジ２は、マイクロ接触印刷法を使用して、酸化されたＰＤＭＳ弁座上にオリゴマーを選択的に堆積させ、ＰＤＭＳに対するＰＤＭＳまたはガラスに対するＰＤＭＳ結合をブロックすることである。ストラテジ３は、（金属層で予めパターン化された）非ＰＤＭＳ弁座または結合処理中に加えられる膜層上の他の犠牲バリアを使用することである。
【０００５】
[0004] １つの可撓性高分子（例えば、熱可塑性エラストマ（ＴＰＥ）、飽和および不飽和熱硬化性ゴム、および特に無菌または医療グレードのエラストマ（ＰＤＭＳを含む）を別のもの、または、より硬い熱プラスチック（例えば、環状オレフィンコポリマ（ＣＯＣ）に結合するメカニズムは、ＰＤＭＳのものと異なる。ここでの結合とは、熱処理によって支援されるファンデルワールス力を介した物理的結合に類似する。このような結合は、２つの結合部品間の共形接触を必要とするので、表面粗さが結合処理において重要な役割を果たす。また、このような結合は、清浄な表面を必要とする。なお、ＰＤＭＳの場合における恒久的な結合を防止するストラテジは、（ストラテジ１：Ｏ2プラズマ処理中に弁座を保護するためのマスキングを除く）ＴＰＥベースのバルブにも適用することできる。
【０００６】
[0005]ＴＰＥベースのバルブでは、弁座を疎水性にして、例えばマスクを通してテフロン（商標）を堆積させることにより、ストラテジ２，３と同様の方法を使用して表面エネルギを低減することができる。マスクを使用することは、特に、バルブが小さい場合および／またはマイクロ流体デバイス内に多数のバルブがある場合には面倒である。（密封を与えるために）膜が付着しなければならない場所と付着してはならない場所（弁座）との間の空間は小さく、付着はバルブの機能にとって重要である。
【０００７】
[0006]ストラテジ２によると、弁座上のオリゴマーまたは他のバリア層の堆積位置は、マイクロ接触印刷を使用することによって正確に制御され、これは、最初にオリゴマーまたは他のバリア層をスタンプ上に正確に堆積し、次いで、スタンプをマイクロ構造化流体層（例えば、ＣＯＣ又はＴＰＥのいずれか）と接触させることによって達成される。したがって、マイクロ接触処理中の整列は非常に重要であり、そうでなければ、マイクロ流体チャネルに対する膜の不十分な結合が生じ、その結果、弁座の周囲に流体の漏れが生じる。
【０００８】
[0007]ストラテジ３では、パターニング法を利用して、弁座上に金属層または他の犠牲層を堆積しなければならない。パターニング法は、リフトオフ処理または他のステンシルマスク法を含む。リフトオフ処理は、基板がマイクロ構造の熱プラスチックまたはＴＰＥである場合には、通常は実用的でないフォトリソグラフィを含む。ステンシルマスク法に関しては、アライメントが課題である。
【０００９】
[0008]一旦組み立てられると、常閉弁は、限られた力で妥当な時間内に閉鎖構成と開放構成との間を繰り返すことができなければならない。膜層は、閉鎖されたときにマイクロ流体チャネルを密封するために、弁座を通る流動層に対して十分な付着性を有しなければならないが、空気圧制御層からの圧力の下で流動層を変形し、流動層から放出するのに十分な放出能力を有しなければならない。弁座を通る流動層への膜の付着は、バルブに両方の特定を与えるように調製されなければならない。
【００１０】
[0009]当該技術分野では、組立中に膜が流動層に恒久的に結合せず、かつ、長期間の使用にわたって十分に容易かつ迅速にバルブを開閉するために流動層に周期的に付着し、流動層から解放することができるマイクロ流体バルブが依然として必要とされている。
【００１１】
【概要】
【００１２】
[0010]本出願人は、表面間に流体で満たされたポケットを有する高分子マイクロ流体弁座内の個別のマイクロ規模表面のパターンを制御することにより、デバイス製造に追加の材料層を必要とすることなく、より良好な密封および解放を可能にするシートへの膜層の付着を調製することが可能であることを見出した。制御されたパターニングは、弁座における膜層と基板層との間の付着を十分に低減して、膜層と基板層との恒久的結合を防止すると同時に、バルブが閉鎖したときに弁座における密封係合を与えるために、膜層と基板層との間に十分なバランスの付着を与えることができる。バルブは、空気圧式制御層内の流体圧力を低下させることによって開放することができ、それによって、薄膜層を基板層から係合を離脱させる。さらに、同じ組成の基板および膜層は、弁座から離れて恒久的結合を生み出すことができる。膜層が弾性変形可能な高分子を備えるとき、バルブの故障またはバルブ性能の著しい劣化を有することなく、長期間にわたる多くの開閉サイクルが可能である。
【００１３】
[0011]一態様では、高分子常閉型マイクロ流体バルブにおいて、プラスチック基板と、弾性変形可能なエラストマ膜であって、基板および膜は、マイクロ流体デバイスのマイクロ流体チャネル内でバルブ区域を画定するエラストマ膜と、膜および基板の間のバルブ区域に位置する弁座と、膜によってマイクロ流体チャネルから密封分離された制御流体チャンバと、を備え、弁座は、マイクロ流体チャネルのセグメントを分離する突出部を画定し、バルブが閉鎖されるとき基板に対して膜が接触して密封する付着制御表面を有し、付着制御表面は、複数の分離された頂部合わせ表面と凹部表面とを与えるマイクロ構造の三次元パターンを備え、頂部合わせ表面は、付着制御表面が及ぶ面積より小さい累積表面積を集合的に有し、それによって、バルブが常に閉鎖されるとき、マイクロ構造間の流体充填空所を確実にし、弁座上にある付着制御表面は、バルブ区域内の膜および基板のうちの一つの合わせ表面と接触するように設計され、合わせ表面は局所的軽減構造を持たず、複数のマイクロ構造は、スパン領域内にマイクロ構造が存在しない場合の付着と比較して、また、膜および基板が、付着制御表面上の頂部合わせ表面および凹部表面を含む全ての利用可能な表面上で共形接触している場合の付着と比較して、スパン領域内の膜および基板の間の付着を低減し、バルブは、制御流体チャンバおよびマイクロ流体チャネルの間に圧力差が無いとき、基板に対して密封された膜で常に閉鎖され、制御流体チャンバは、膜を変形させ、弁座の付着制御表面で基板および膜の間の付着を克服して膜を基板から分離し、それによって、バルブを開放するのに十分な力を膜に与えるように減圧可能である、高分子常閉型マイクロ流体バルブが提供される。
【００１４】
[0012]他の態様では、常閉型マイクロ流体バルブを使用してマイクロ流体チャネル内の流体の流れを制御する方法において、マイクロ流体デバイス内のマイクロ流体チャネルにおいて上記規定されたような常閉型マイクロ流体バルブを準備するステップと、膜を変形させて弁座の付着制御表面で基板および膜の間の付着に打ち勝つのに十分な力をまくに与えるために、制御流体チャンバを負圧に減圧し、膜を基板から分離し、それによって、バルブを開放し流体がマイクロチャネルを流れることを可能にするステップと、を有する方法が提供される。
【００１５】
[0013]他の態様では、高分子常閉型マイクロ流体バルブの弁座を表面処理する方法において、弾性変形可能なエラストマ膜上または高分子常閉型バルブの為のプラスチック基板上に弁座を製作するステップであって、弁座は、バルブが閉鎖されるときに膜がプラスチック基板に対して接触して密封することになる付着制御表面を有し、付着制御表面は、複数の別個の頂部合わせ表面と、少なくとも１つの頂部合わせ表面および１つの凹部表面を含む凹部表面とを与える複数のマイクロ構造を備え、頂部合わせ表面は、付着制御表面が及ぶ表面積よりも小さい正味表面積を有し、それによって、マイクロ構造間に空所を与え、複数のマイクロ構造は、マイクロ構造が存在しない膜または基板の区域における表面エネルギと比較して、付着制御表面が及ぶ領域における表面エネルギを減少させる、ステップと、膜または基板と表面処理材料とを接触させるステップであって、表面処理材料は、マイクロ構造が存在しない膜または基板の区域ではなく、弁座の付着制御表面が及び領域を優先的に濡らし、それによって、マイクロ構造が存在しない膜または基板の区域を表面処理することなく、弁座を表面処理する、ステップと、を有する方法が提供される。
【００１６】
[0014]有利には、高分子常閉型マイクロ流体バルブは、バルブ付着を調整するために使用可能な特徴部でパターン化された堅牢で反復可能な底粘着弁座を備える。さらに、バルブは、かなりの数の開閉サイクルを通して、系統的かつ反復可能な動作を持つ。さらに、後処理または後組立のために弁座の位置合わせが必要でなく、デバイスの製作が劇的に簡単になる。さらに、弁座の親水性は、後堆積技術における犠牲層の使用を必要とする代わりに、マイクロ構造の形態、寸法、位置を使用して調整することができるが、後堆積技術における犠牲層の使用は、使用から除外されない。
【００１７】
[0015]高分子常閉型バルブは、マイクロ流体デバイス、たとえば、細胞分析デバイスの為のマイクロ流体カバー蓋、土壌寄生虫収集のための慣性収束デバイス、Lab-on-a-CD用途（例えば、試薬貯蔵、試料調製、核酸増幅、分析物の検出など）において使用可能である。
【００１８】
[0016]さらなる特徴は、以下の詳細な説明の過程で説明される又は明らかになるであろう。本書に記載された各特徴は、他の記載された特徴のいずれか１つ以上と任意に組み合わせて利用することができ、各特徴は、当業者に明らかな場合を除き、必ずしも他の特徴の存在に依拠しないことを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
[0017]以下、より明確な理解のために、添付図面を参照して、好ましい実施形態を例として詳細に説明する。
【図１】図１Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄは、本発明によるマイクロ流体バルブの第１実施形態および、その３つの変形例を示す。第１実施形態は、基本パターニングを備えた常閉弁を示す。第１変形例は、常開弁を示す。第２変形例は、段階的な開放を有する３方向弁を示す。第３変形例は、バルブ付きビアを示す。
【図２】図２Ａ、Ｂは、本発明の常閉型マイクロ流体バルブの第２実施形態および、その変形例を示す。第２実施形態は、マイクロ流体通路およびバルブを画定する膜パターニングを有する。変形例は、膜および基板の両方のパターニングを有する。
【図３】図３は、図１および図２のマイクロ流体バルブの弁座の付着制御表面上に形成可能なマイクロ構造化特徴部の様々な実施形態の光学および走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）画像を示す。
【図４】図４は、弁座上にマイクロ構造化特徴部を持たない常閉弁の光学顕微鏡画像（図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ））と、弁座上にマイクロ構造化特徴部を持つ常閉弁の光学顕微鏡画像（図４（ｄ）、（ｅ）、（ｆ））とを描写し、弁は、それぞれ、０．６ｍｍ、０．８ｍｍ、１．２ｍｍの空気圧式空気チャンバ直径を有する。図４（ｇ）は、図４（ｄ）の画像の拡大画像である。
【図５】図５は、射出成形を使用して図１のバルブ内にマイクロ構造化弁座を製作する為の型の概略図である。
【図６】図６は、構造化された弁座を持つマイクロ流体デバイスを形成する為に基板を熱エンボス加工する為の型を製作する方法の概略図である。
【図７Ａ】図７Ａは、マイクロコンタクトプリンティングを使用してチップのマイクロ構造化弁座上に犠牲層を堆積させる方法の概略図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａと比較するための、マイクロコンタクトプリンティングを使用して従来技術の弁座上に犠牲層を堆積させる方法の概略図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、バルブの光学顕微鏡画像であって、基板のマイクロ構造化付着制御表面で局所的に達成されたマイクロコンタクトプリンティングによる層を用いた表面処理を示すものを描写する。
【図８】図８は、異なる圧力条件下（(A) P=0, (B) P<0, (C) P>0), (D)Ｐを正の２３ｐｓｉ（正の１５９ｋＰａ）から負の１０ｐｓｉ（負の６９ｋＰａ）に切り替えたときのバルブの光学顕微鏡画像）での常閉型マイクロ流体バルブの概略図を示す。
【図９】図９は、ＴＰＥ薄膜（１４０μｍ）上に熱エンボス加工された弁座上に微小特徴部を備えた常閉型バルブの光学顕微鏡画像を示し、付着制御層および空気チャンバの寸法を示す。
【図１０】図１０は、（マイクロ構造がＴＰＥ上にある）ＴＰＥ／Zeonor （商標）ハイブリッド基板上に熱エンボス加工された弁座上のマイクロ特徴部と、空気圧式空気チャネルおよびチャンバを備えたＣＮＣ機械加工されたZeonor（商標）カバーと、中央に厚さ２００μｍを有するＴＰＥ膜とを有する、常閉弁の光学顕微鏡写真である。
【図１１】図１１は、０．６ｍｍの弁座直径を有するバルブＶ１の光学顕微鏡（分図（Ａ）），０．８ｍｍの弁座直径を有するバルブＶ５の光学顕微鏡（分図（Ｂ））、１．２ｍｍの弁座直径を有するバルブＶ３の光学顕微鏡（分図（Ｃ））を、３つのバルブ全てについて、開閉サイクル数の関数として動的弁開放時間を示すグラフ（分図（Ｄ））およびバルブＶ３についてのサイクル数の関数として開放時間および閉鎖時間の両方を示すグラフ（分図（Ｅ））と共に示す。
【図１２】図１２は、バルブ径０．８ｍｍ、バルブギャップ長１００μｍ、流路幅１００μｍのバルブの光学写真（分図（ａ））と、バルブ径１．２ｍｍ、バルブギャップ長２００μｍ、流路幅１００μｍバルブの光学写真（分図（ｂ））である。
【図１３】図１３は、異なる密度のマイクロピラーを備えたバルブの動的開放時間とサイクル数のグラフを示す。
【図１４】図１４は、同じバルブサイズ（直径０．８ｍｍ）、流体チャネル幅（１００μｍ）、バルブキャップ長（１００μｍ）、ピラー密度（３１０マイクロピラー）、ピラー径（１０μｍ）、ピラー高さ（５μｍ）、膜厚（２００μｍ）を有する６つのバルブの光学写真を備えたパネルである。ＣＯＣ（Zeonor（商標））基板上に空気圧式空気流路と空気チャンバとをＣＮＣ機械加工される。
【図１５】図１５は、図１４のバルブの動的開放時間とサイクル数のグラフである。
【図１６】図１６は、連続的にバルブを開放する為の段階的付着制御表面を備えた複数の常閉弁を備えるマイクロ流体デバイスの概略図である。
【図１７】図１７は、流体制御スイッチとして作用するように構成された常閉弁を備えるマイクロ流体デバイスの概略図を描写する。
【詳細な説明】
【００２０】
[0018]マイクロ流体デバイスは、まく層と基板層との間に画定された一つ又は複数のバルブ区域を備えたマイクロ流体チャネルおよびリザーバの網状組織を備える。マイクロ流体網状組織は、バルブ区域、マイクロ流体チャネル、リザーバから離れた２つの層を合わせて付着することによって密封される。第３の空気圧式（または他の流体）制御層もバルブの作動の為に設けられてもよく、バルブ区域内の１つ以上のバルブの動作を制御するために、１つ以上のバルブ区域用の１つ以上の制御流体チャンバを備える。
【００２１】
[0019]膜層は、弾性変形可能なエラストマ膜を含むが、このエラストマ膜は、圧力変化による変形を受けるのに十分な弾性を有し、圧力が膜の上下で十分に平衡したときに元の形状に戻る、任意の適切な可撓性高分子材料を含んでもよい。エラストマ膜は、熱可塑性エラストマ（ＴＰＥ）またはポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を含んでもよいが、最も好ましくはＴＰＥである。なぜなら、これらの高分子は、表面処理を有することなく、様々な基板への、より良好で、より信頼性のある付着のために選択することができるからである。ＴＰＥは、例えば、スチレンエチレンブチレンスチレンブロックコポリマー(SEBS)、スチレン-ブタジエン(SBS)、スチレンイソブチレンスチレン(SIBS)、エチレン-酢酸ビニルコポリマー、スチレン−イソプレン−ブタジエンブロックコポリマー、アイオノマーＴＰＥ、単相溶融加工が可能なＴＰＥ、透明医療用ＴＰＥ(例えば、Mediprene(商標))、オイルフリーＴＰＥ（例えば、Mediprene(商標)OF400M、OF600M、OF800M)、Mediprene(商標)、またはMediprene（登録商標)OF 500Mなど、或いは、それらの任意の、機械的、光学的、熱的、化学的変形または効果強化剤を含む又は含まないブレンドであってもよい。膜は、弾性変形を許容するヤング率と厚さを有する。膜の厚さが増加するにつれて、剛性が増加し、適切な弾性柔軟性を維持する。厚さは、好ましくは、約２０−１０００μｍの範囲内、たとえば、７５−７５０μｍまたは１００−５００μｍである。ヤング率は、好ましくは、約０．１−１００ＭＰａの範囲内である。たとえば、４００Ｍから９００Ｍまでの一連のMediprene（商標）ＯＦの場合、１００％歪みにおける材料の応力は、ＡＳＴＭ  Ｄ６３８によって測定されるように、０．８ＭＰａから５．８ＭＰａまででもよい。
【００２２】
[0020]基板層は、マイクロ流体デバイスを構成するのに適した任意の高分子材料から構成することができるプラスチック基板を備える。プラスチック基板は、弾性変形可能なエラストマ膜と同一または異なる高分子材料から構成されてもよい。プラスチック基板に適した高分子材料の幾つかの実施例は、熱可塑性エラストマ（ＴＰＥ）、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、硬質熱プラスチック（ＴＰ）などであるが、膜より硬いＴＰおよびＴＰＥは、膜以外のバルブ内部の変形を制限するために好ましい。硬質熱プラスチックは、たとえば、環状オレフィンコポリマー（ＣＯＣ、例えばZeonor（商標））、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）などを含む。高分子材料の混合物、並びに各高分子の、あらゆる適切な配合物を利用してもよい。基板層は、基板の一部が１つのプラスチック材料を備え、１つ以上の他の部分が異なるプラスチックまたは他の材料を備えたプラスチック材料のハイブリッドであってもよい。好ましくは、基板は膜とは異なり、膜の剛性よりも少なくとも１桁大きい剛性を有する。硬質熱プラスチックは、典型的には、ＴＰＥよりも少なくとも１桁大きいヤング率を有する。
【００２３】
[0021]したがって、弁座は、バルブ区域内に突出部を含み、この突出部が、弁座の付着制御表面が膜または基板に付着されるとき、マイクロ流体チェネルセグメントを分離し、チャナルセグメント（またはバルブ開口によって相互接続されたチャネル）間の流れを遮断する。突出部は、膜または基板に対して、それぞれ、密封するために基板または膜に形成される（即ち、突出部が膜にある場合、弁座は基板に対して密封し、突出部が基板にある場合、弁座は膜に対して密封する（逆もまた同様）。弁座が位置するマイクロ流体チャネルは、基板または膜、または、その両方をパターニングすることによって形成可能であるが、位置合わせは、基板および膜の一方のみをパターニングすることによって非常に容易になる。少なくとも２つのマイクロ流体チャネルまたはチャネルセグメントは、弁座が位置するバルブ区域内で終端する。弁座は、バルブが閉鎖したときに、膜が基板に接触して密封する付着制御表面を備える。付着制御表面を有する弁座は、マイクロ流体チャネルと共に膜と一体的に形成されてもよく、または、当該技術分野で知られた表面パターニングおよび膜形成方法と一致するように、マイクロ流体チャネルと共に基板と一体的に形成されてもよい。付着制御表面は、チャネルに対して少なくとも幅寸法において拡大可能なチャネルセグメントへの開口部を囲むのが好ましい。弁座の付着制御表面は、膜または基板が平坦かつ平滑である場合にまくまたは基板と接触し、その結果、膜または基板の軽減構造に対して弁座の整列を確実にするのに苦労を必要としない。
【００２４】
[0022]本書では、付着制御表面または弁座などの構造体が及ぶ面積は、それ自体が遙かに大きい表面積を有し得る構造体の表面積とは対照的に、構造体の周囲によって画定される形状の面積の２Ｄ尺度であると理解される。
【００２５】
[0023]弁座は、その上に複数のマイクロ構造またはナノ構造を有する付着制御表面を備える。複数のマイクロ構造またはナノ構造は、異なる規模の構造の階層を含んでもよい（例えば、マイクロ規模の面を画定するマイクロ構造であって、その上に、より小さいマイクロ構造またはナノ構造が画定される）。マイクロ構造上のナノ構造は、弁座の親水性を局所的に調整するため、さらに、弁座における膜と基板との間の接触表面積を低減するために使用することができる。前者（親水性の調整）の場合、ナノ構造は、弁座の表面がウィッキング効果によって局所的に機能化されるように、弁座の親水性を局所的に高める。この用途では、ナノ構造の大きさと数、並びに分布は、あまり制約されない。後者（接触表面の減少）の場合、ナノ構造は、膜が崩壊して、デバイス組み立て中に膜と基板との間に共形接触をもたらさないことを確実にするように、十分に大きく配置されるべきである。構造体間に空気または他の流体が充填された空間が存在しない点まで膜が変形する場合、構造体は、弁座における結合を減少させるようには機能しないが、実際には結合強度を増加させる。
【００２６】
[0024]マイクロ構造および／またはナノ構造は、規則的または不規則な形状および配置であってもよい。好ましくは、マイクロ構造および／またはナノ構造はピラー（柱状体）である。好ましくは、マイクロ構造および／またはナノ構造は、パターニング欠陥まで規則的に成形される。たとえば、マイクロ構造および／またはナノ構造は、円形の横断面、楕円形の横断面、多角形の横断面（例えば、三角形、正方形、長方形、五角形、六角形など）を有することができる。マイクロ構造および／またはナノ構造は、たとえば、充填または中空、円筒、直角柱、三角柱、円錐、または、それらの切頭体（frusta）、または、丸い縁または角を有する、そのような構造であってもよい。好ましい実施形態では、マイクロ構造および／またはナノ構造は、頂部の合わせ表面からマイクロ構造および／またはナノ構造の基部に向かって先細になる。テーパは、好ましくは、法線に対して約０．５°〜約４５°、たとえば、約５°〜約２６°のテーパ角を有する。テーパ角は、マイクロ構造またはナノ構造のアスペクト比から決定されてもよい。好ましい実施形態において、マイクロ構造および／またはナノ構造は、概して円錐形または円錐台形である。好ましくは、円錐形または円錐台形のマイクロ構造および／またはナノ構造は、約２０°〜約１３０°、たとえば、約６０°〜約１２０°の円錐角（すなわち、開口角）を有する。
【００２７】
[0025]マイクロ構造および／またはナノ構造は、平坦または丸みを帯びた頂部を有してもよく、さらに、頂部は、幾つかの他の形態（morphology）を有してもよい。丸みを帯びた頂部は、弁座における膜と基板との間のスティクションの微調整を可能にするために好ましい。
【００２８】
[0026]構造体の高さは、好ましくは７５ｎｍ以上、より好ましくは１０００ｎｍ以上である。高さは、好ましくは約１００ｎｍ〜１００μｍの範囲内であり、たとえば、ナノ構造について約１００−６００ｎｍが好ましく、マイクロ構造については約１−５０μｍが好ましい。構造は、好ましくは約１−２００μｍ、たとえば、約５−１００μｍの範囲の最も広い寸法（高さ以外）を有する。構造は、好ましくは約１：２〜６：１の範囲のアスペクト比（高さ対直径、または、高さ対長さおよび幅の小さい方）を有する。
【００２９】
[0027]階層構造が存在するとき、構造が全体として構造の表面エネルギを低減するならば、最小規模の構造の高さおよび直径に対する制約はより少ない。最小規模の構造は、接触表面積をあまり減少させないが、親水性を制御するのに有用であり、これは、（たとえば、毛管湿潤または自己整合および局在化マイクロ接触印刷技術による表面被覆による）追加の表面処理が使用される場合に特に有用である。
【００３０】
[0028]マイクロ構造の三次元パターンは、好ましくは開放パターンを含む。開放パターンにおいて、流体充填空所は、弁座にわたって相互接続される。したがって、弁座の対向する側面、即ち、マイクロ流体チャネル／セグメントに隣接する側面は、それらの間に縁間隙を有するマイクロ構造を備え、マイクロ流体バルブセグメントと弁座内の流体充填空所との間で縁間隙に流体接続が存在してもよい。それにも拘わらず、バルブが常に閉じられているとき、流体がチャネルセグメント間の弁座を通って流れることを防止するために、弁座内に（少なくとも水性試料に対して）十分な流体力学的抵抗が存在し、弁座は、依然として、流体の流れに対する有効なブロックとして作用する。
【００３１】
[0029]（階層内の任意レベルの）構造は、弁座上に不規則に配置されてもよく、または、規則的な配列で形成されてもよい。規則的配列が好ましい理由は、付着制御表面が及ぶ面積にわたって、より一貫した付着を与えるからである。弁座は、構造で密に又は疎に装飾されてもよい（構造は、より微細な構造で、密に又は疎に装飾されてもよい）。密度は、以下に説明するように、付着制御表面が及ぶ面積と比較した、頂部合わせ表面の累積表面積によって表すことができる。
【００３２】
[0030]構造は、複数の頂部合わせ表面および凹部表面を提供する。好ましくは、複数の別個の頂部合わせ表面および凹部表面は、少なくとも２５個の別個の頂部合わせ表面を含む。より好ましくは、頂部合わせ表面の数は、５０〜３０００の範囲であり、これは、バルブの大きさ並びにマイクロ構造（またはナノ構造）の大きさ及び形状に依存する。たとえば、直径０．８ｍｍの大きさを有するバルブの場合、マイクロ構造が直径１０μｍ、高さ５μｍである場合、頂部合わせ表面の数は５０〜１２５６の範囲になる。頂部合わせ表面は、バルブが常に閉鎖しているとき、膜と基板との間に接触表面を形成する。
【００３３】
[0031]バルブが閉鎖している（流体が空気を含む）ときであっても、マイクロ構造（及び存在する場合はナノ構造）の間には、流体充填空所がある。空所は、凹んだ表面によって境を接する。凹部表面は、弁座の外向き凹部表面と、マイクロ構造（及び存在する場合はナノ構造）の側壁とを含む。流体充填空所は、集合的な空所容量を有し、マイクロ構造（及び存在する場合はなの構造）は、集合的な構造容量を有する。制御流体チャンバとマイクロ流体チャネルとの間に圧力差が無い状態バルブが常に閉じられているとき、集合的な空所容量は、好ましくは、集合的空所容量と集合的構造容量との合計の５０％〜９９．４％、たとえば、５３．２％〜９９．５％である。集合的空所容量は、０．８ｍｍの直径、１００μｍのバルブキャップ、１００μｍの流体チャネル幅、５０〜３０００本の多数のマイクロピラー（直径１０μｍおよび高さ５μｍ）を有するバルブに基づく。
【００３４】
[0032]頂部合わせ表面は、付着制御表面が及ぶ表面積よりも小さい累積表面積を有する。付着制御表面上の頂部合わせ表面の累積表面積は、好ましくは、弁座の及ぶ面積の０．５５％〜７６％である。さらに、頂部合わせ表面の累積表面積は、付着制御表面の全表面積よりも小さく、全表面積は、当てはまらない場合があるが全ての中間壁が垂直であると仮定すると、頂部合わせ表面の累積表面積および凹部表面の正味表面積を含む。前述したように、凹部表面は、弁座の外側に面する表面と、マイクロ構造（及び存在する場合はナノ構造）の側壁との両方を含む。累積表面積は、好ましくは、バルブが常閉構成にあるとき、付着制御表面の全表面積の０．５４％〜３０％、たとえば、１％〜１７．６％である。一実施例において、累積表面積は、直径０．８ｍｍ、１００μｍのバルブ隙間、幅１００μｍの流体チャネル、５０〜１２５６本のマイクロピラー（直径１０μｍ、高さ５μｍ）を有するバルブに基づく。
【００３５】
[0033]本発明のマイクロ流体デバイスにおいて、膜および基板を構成する高分子材料は、高い表面付着特性を有してもよい。組合せ領域にわたって共形的に組み合わせられると、膜と基板との間の付着は、製作中に層の恒久的な結合をもたらすことができ、これは、密封されたマイクロ流体チャネルを形成するのに優れているが、常に閉じられている弁が開放できない又は組み立てられた後に開放するのが非常に遅くなる又は圧力下で長時間閉鎖した後に開放する傾向をもたらす。さらに、膜と基板との間の付着は、しばしば、ゆっくりとした堅牢でない動的開閉をもたらす。複数のマイクロ／ナノ構造は、流体が充填された空所のために、付着制御表面が及び面積における膜と基板との間の付着を低減する。したがって、及ぶ面積に構造が存在しない場合の付着と比較して、全体的な付着表面積は減少する。構造は、流体充填空所の崩壊を回避するために、膜を支持する役割を果たす平均間隔を有する。接触表面積を減少させ、流体充填空所を保持することによって、膜および基板が、及ぶ表面全体にわたって共形接触している場合の付着と比較して、構造化によって付着が減少する。
【００３６】
[0034]常閉構成では、バルブが最初に組み立てられると、構造間の空所は、流体（例えば、気体または液体媒体）を含み、それによって、含まれる流体を弁座内に捕捉する。バルブが常に閉鎖されるとき、常閉弁の閾値圧力を超える圧力が流体チャネルに加えられない限り、流体はマイクロ流体チャネル内の弁座を通過できない。組み立て中、空所内に捕捉された流体は、膜および基板の間の付着を低減するのに役立ち、それによって、層間の付着を低減し、膜および基板の間の恒久的結合を緩和する。さらに、弁座と膜または基板との間に閉じ込められた流体空所は、バルブの開放を助ける歪クラックの核として機能する。歪クラックは、負圧をかけてバルブを開放するために弁座の全領域に広がり、膜または基板からの弁座の分離を助ける。
【００３７】
[0035]したがって、構造によって設けられる膜および基板の間の付着の減少により、製作後のバルブの初期化が確実になり、長期間不使用後のバルブの再初期化が確実になる。また、付着の低下は、使用時のバルブの、より高速で、堅牢な動的循環をもたらす。マイクロ構造が広がった領域に存在する、常閉型マイクロ流体バルブにおいて、バルブ組立後の初期開放時間は、１０分以下、または５分以下、または３分以下、または１分以下、または４５秒以下、または３０秒以下、または２０秒以下、または更に２秒以下と短くてもよいが、これは、マイクロ構造および／またはナノ構造を有さない（任意の他の表面処理を有さない）バルブよりも、少なくとも２倍、少なくとも５倍、少なくとも１０倍、または更に少なくとも１５倍速い。さらに、マイクロ構造がスパン領域に存在する常閉マイクロ流体バルブでは、動的サイクルは、少なくとも２５０サイクル、少なくとも５００サイクル、または更に少なくとも１０００サイクルにわたって信頼性良く行うことができる。開放時間は、初期、再初期または動的に拘わらず、バルブの開放をもたらすために使用される負圧の大きさによって影響される。負圧は、典型的には、約−６８ｋＰａ〜−３４ｋＰａの範囲である。上記の開放時間は、負圧が−３４ｋＰａであるときに測定される。
【００３８】
[0036]空気圧式制御層は、加圧可能および減圧可能な気体または液体、好ましくは気体、より好ましくは（滅菌）空気を含む制御流体チャンバを備える。制御流体チャンバは、好ましくは、空気圧式空気チャンバである。制御流体チャンバは、３つのオプション（バルブの「加圧閉鎖」、「加圧開放」、「正常」構成に対応する、加圧、減圧、通気）を有する圧力マニフォールドによって制御することができる。したがって、「常閉弁」は、制御流体チャンバとマイクロ流体チャネルとの間に圧力差が無いときに、弾性変形可能なエラストマ膜が、弁座の付着制御表面の頂部合わせ表面を通してプラスチック基板に対して密封され、「常開弁」は、圧力差が無いときに開弁する構成を有する弁である。実際のマイクロ流体デバイスにおいて、チップの全てのバルブに適用される単一の汎用空気圧制御は稀であり、典型的には、各バルブは、別個の空気圧制御下にある。
【００３９】
[0037]高分子常閉弁を含むマイクロ流体デバイスは、たとえば、射出成形、ホットエンボス加工、マイクロコンタクトプリンティング、レーザ加工、コンピュータ数値制御加工を含む、種々の拡張可能な生産技術によって製作されてもよい。
【００４０】
[0038]付着制御表面は、膜および基板の間の付着を更に低減するために局所的に表面処理されてもよい。弁座の表面の表面エネルギを変更することにより、特定用途のための所望レベルに付着を微調整することができる。加えられる処理は、頂部合わせ表面ならびに凹部表面の表面親水性を適切に変更する任意の材料から形成されてもよい。犠牲層に適した材料の幾つかの実施例は、オリゴマー、非粘着性コーティング（例えば、テフロン（商標）、シラン）である。処理は、物理的接触インプリント、蒸着、物理的または化学的蒸着、または任意の他の適切な技術によって適用可能である。弁座上に局所的に層を堆積させることは、自己整合および局在化マイクロ接触印刷技術を使用することによって適切に達成されてもよく、それは、製作を著しく簡略化することができる。
【実施例１】
【００４１】
常閉弁の構造
【００４２】
[0039]図１Ａを参照すると、マイクロ流体チップ９が、第１実施形態の常閉マイクロ流体バルブ１０と共に示されている。バルブ１０は、パターン化されたプラスチック基板１１と、基板１１を覆ってマイクロ流体チャネルおよびチャンバの網状組織を密封および包囲する弾性変形可能なエラストマ膜１３とを備える。図１は、バルブ１０を通過するマイクロ流体チャネル１９の長さに続く薄断面図である。基板１１のパターン化は、マイクロ流体チャネル１９および種々の他の接続されたチャネルおよびチャンバを画定する。バルブ本体１４は、プラスチック基板１１の一部として形成され、基板１１から突出し、バルブ本体１４の両側にマイクロ流体チャネル１９の２つのセグメントの終端を形成する。バルブ本体１４は、（４つのみ符合で示された）複数の空所１７によって分離された（３つのみ符合で示された）複数のマイクロピラー１６を含む付着制御表面１５を備える。複数の空所１７の各々は、弁座１４の膜に面する表面およびマイクロピラー１６の側部表面に形成された凹部とによって画定される。図１Ａに図示されるようにバルブ１０が閉鎖しているとき、（３つのみ符合で示された）頂部合わせ表面１８のマイクロピラー１６の頂部は、膜１３と水密に付着しやすい。
【００４３】
[0040]図１Ａは、閉鎖状態にある常閉弁１０を示すが、バルブの近傍で膜１３に後退力を加えることによって常閉弁１０を開放できることが分かる。付着制御表面１５は、その限られた（表面１８に合わせ、空所１７の存在によって二重に合わせる）表面積によって限られた抵抗を提供するので、この付着が後退力によって生まれ変わると、膜１３がバルブ本体１４から持ち上げられ、バルブが開放される。
【００４４】
[0041]図１Ｂを参照すると、第１実施形態の変形例が示されている。本書では、実施形態の変形例の特徴は、同様の参照符合によって識別され、それらの説明は繰り返されない。図１Ｂは、閉鎖されたときの常開式マイクロ流体バルブ２０の図であるしたがって、膜１３は、膜１３をバルブ本体１４に押し付ける為に加えられる正圧によって偏向される。この変形例を常開弁１０にするため、バルブ本体１４は、チャネル１９の高さの約２／３の高さを有する。この高さの差を吸収するために、バルブ本体１４を囲むチャネルの高さに滑らかな移行部が設けられる。この変形例は、チャネルの高さの２／３を延在するバルブ本体１４と共に示されているが、チャネル１９の床の下からチャネルの高さ又はそれを超えて任意の他の範囲が付着制御表面１５に耐え得ることが分かる。図１Ｂでは、膜１３の弛緩位置が点線で示されている。
【００４５】
[0042]図１Ａ、図１Ｂの実施形態は、それを見ることができないが、付着制御表面１５は、バルブ本体１４を超えて、チャネル１９を囲む基板１１の頂部表面に延びることが好ましい。このようにして、より多くの膜をリフトオフすることができ、チャネルジオメトリの制限がバルブ１０に課されない。
【００４６】
[0043]図１Ｃは、図１Ａの実施形態の第２変形例の上面図を図示する。具体的には、膜１３が除去された基板１１の頂部パターン化表面１１が示されている。図１Ａ、図１Ｂは、チャネル１９に沿った薄い断面を示しているが、バルブの、構成されたチャネルセグメントは、いかなる特定角度においても延在する必要がなく、１８０°以外であってもよいことが分かる。図１Ｃでは、３つのチャネル１９a、ｂ、ｃがバルブ１０から放射状にY字形に示されている。これは、基板１１の表面パターニングによって生み出される。基板内に形成された３つのマイクロ流体チャネルであって、それぞれが、チャネル１９ａ、ｂ、ｃの全高であるバルブ本体１４の、それぞれの壁で終端している。示されるように、チャネル１９ａ、ｂ、ｃは、全てが同一チャネルジオメトリ（ｌ、ｗ、ｈ）を有する必要はないが、一般に、流体抵抗を一致させるか、又は、意図的にマイクロ流体経路のセグメントの流体抵抗の変動を選択することが好ましい。
【００４７】
[0044]バルブ本体１４は、凹部１９ａ、ｂ、ｃから離れた基板１１の識別できない部分であり、明確な非対称性を有するように示されている。流路１９ａ、ｂを分離するバルブ本体１４の厚さは、流路１９ａ、ｃ、１９ｂ、ｃを分離するものよりも遙かに薄い。このようにして、バルブの他の２つのチャネルとは対照的に、２つのチャネルの優先的なブリッジを調整することが可能である。
【００４８】
[0045]図１Ｂのように、バルブ本体１４がチャネルの全高でない場合、チャネル高さの段階的変化の程度は、付着制御表面１５の限界またはその付近にある大きさ（extent）を有する円錐形または半球形の窪みと一致させてもよい。
【００４９】
[0046]図１Ａ，Ｂの側面図において、バルブ本体内１４の上面に明確に示された付着制御表面１５は、バルブ本体１４の周囲の基板１１の頂部合わせ表面に存在することが示されている。これにより、チャネル１９の設計に拘わらず、より多くの膜が解放され、膜がどのように変形するかを、より制御することができる。これらの図では、２つのチャネルセグメントまたは３つのチャネルが示されているが、他の数のチャネルを使用することができる。
【００５０】
[0047]図１Ｄは、本発明の変形例であり、チャネル１９Ｂは、基板１１を貫通する貫通孔またはバイアであり、従って、バルブ本体１４は、貫通孔１９ｂとチャネル端部１９ａとの間に延在する。前述した変形例と同様に、付着制御表面１５は、バルブ本体１４を超えて延びており、（必要ではないが）貫通孔１９ｂ全体を囲んでいる。
【００５１】
[0048]図２Ａを参照すると、チップ９内の常閉式マイクロ流体バルブ２０の第２実施形態は、プラスチック基板２１と、空気圧式空気チャンバ２２と、プラスチック基板２１および空気圧空気チャンバ２２の間の弾性変形可能なエラストマ膜層２３とを含む。（例えば、ＴＰＥの）パターン化された層としての膜層２３は、バルブ膜として機能する膜層２３の薄くされた部分によって裏打ちされたマイクロ流体チャネル２９を画定する。
【００５２】
[0049]先の実施形態とは異なり、図２Ａは、流体供給チャンバ２２を画定するマイクロ流体のＴ前の典型的制御層を示す。典型的には、これらの層は、流体供給チャネル２２内の圧力変化が流体供給チャンバ２２の他の壁に対して不均衡に弁膜を効果的に変形させるように、比較的堅い材料で形成される。膜層２３によって提供されるマイクロ流体網状組織と同様に、制御層は、ポート、チャンバ、相互接続チャネルの網状組織を有する。
【００５３】
[0050]バルブ本体２４は、薄膜層２３の一部として形成され、チャネル２９とは異なり、薄膜層２３の合わせ表面の、ほぼ上にある頂部表面を有する。バルブ本体２４は、前述したように、付着制御表面１５を備える。図１のチャネルの中間にある基板の構造化された頂部表面と同様に、好ましくは、バルブ本体から離れた付着制御表面１５を提供するようにパターン化され、図２Ａの付着制御表面は、好ましくは、バルブ本体２４の頂部表面の上方、およびチャネルセグメント２９の間の膜層２３の頂部表面の一部の上方に延在する。
【００５４】
[0051]図２Ｂは、付着制御表面が、他の構造化されていない膜２３上にパターン化されるが、マイクロ流体パターン化が基板に提供される、更なる実施形態を図示する。これは、ＴＰＥ膜がより容易にパターニングされるので、基板内の、非常に高密度の特徴部をパターニングすることが特に困難である場合に好ましい場合がある。この実施形態の一つの欠点は、膜２３のパターン化セグメントをバルブ本体２４と位置合わせする必要があることである。バルブ本体２４の寸法、さらには流体チャンバ２２の寸法に対して非常に広い領域にわたって付着制御表面１５を設けることによって、位置合わせの問題を、ある程度、緩和することができる。別個のバルブの付着制御表面１５が重なり合わず、付着制御表面１５がチップ上のポート、チャネル、チャンバ、他の開口部の中に延在しない限り、膜２３の、これらの多孔質区域にわたって漏れる危険性はない。付着制御表面１５の大きさに拘わらず、流体チャンバ２２の寸法は、膜２３の、どこに圧力が加えられるかを決定する。
【００５５】
[0052]基板、膜、それらの両方がパターン化されているかどうかに拘わらず、マイクロピラー１６は、好ましくは、バルブにわたって均一な密封付着を提供するために、十分な規則的形状および配置で形成される。規則的形状およびタイリング配置の幾つかの実施例を図３に描写する。例えば、マイクロピラー３１，３３，３５，３６は、円形断面、マイクロピラー３２は長方形断面、マイクロピラー３４は三角形断面を有する。マイクロピラーは、他の断面形状、たとえば、五角形、六角形、楕円形などを有してもよい。マイクロピラーは、たとえば、円筒形（３１，３３，３５）、長方形プリズム３２，三角形プリズム３４，円錐形３６，円錐台形などであってもよい。マイクロピラーの頂部は、平坦（３１，３２，３３，３４）であってもよく、丸み（３５，３６）があってもよい。
【００５６】
[0053]図４は、熱エンボス加工技法を使用して形成された常閉バルブの光学顕微鏡画像を描写するが、この画像は、バルブ組立直後に撮られたものである。各バルブにおいて、膜層は、厚さ１８０μｍの熱可塑性エラストマ（ＴＰＥ）膜を備え、流動層および空気圧制御層は、環状オレフィンコポリマ（ＣＯＣ）から形成される。弁座は、ＣＯＣ流動層内に形成された２つのマイクロ流体チャネルセグメント間のＣＯＣ流動層内に形成される。空気チャンバは、弁座の上方のＣＯＣ空気圧制御層に形成される。ＴＰＥ膜は、マイクロ流体チャネルセグメントと空気チャンバとの間の弁座の接触表面と接触して弁座に配置される。図４では、画像（ａ、ｂ、ｃ）内のバルブは、弁座上にマイクロ構造化特徴部を有することなく形成されるが、画像（ｄ、ｅ、ｆ）内のバルブは、弁座上にマイクロ構造化特徴部を備えて形成される。画像（ａ、ｄ）の空気チャンバの直径（Ｄ）は、０．６ｍｍである。画像（ｂ、ｅ）の空気チャンバの直径（Ｄ）は、０．８ｍｍである。画像（ｃ、ｆ）の空気チャンバの直径（Ｄ）は、１．２ｍｍである。画像（ｇ）は、画像（ｄ）の拡大図である。弁座は、１００μｍの長さの隙間を有する。図４は、組立直後、弁座（ａ、ｂ、ｃ）にマイクロ構造がない場合にＴＰＥ膜が弁座に結合されることを明確に示している。マイクロ構造化バルブの場合（ｄ、ｅ、ｆ、ｇ）、膜は弁座に恒久的に結合されない。弁座の接触表面にマイクロ構造が存在すると、ＴＰＥ膜とＣＯＣ弁座との間の結合強度が低下させていた。また、製作中にマイクロ構造化弁座内に捕捉された空気の存在は、ＴＰＥ膜とＣＯＣ弁座との間の結合強度を低下させていた。膜層と流動層との間にマイクロ構造化界面を有する常閉弁は、製作中の恒久的結合の問題を緩和するが、このようなマイクロ構造化界面を有さない常閉弁は、製作中に恒久的結合の問題を経験することは明らかである。
【００５７】
常閉弁を備えるマイクロ流体デバイスの製作
【００５８】
[0054]図５を参照すると、常閉弁の流動層内のマイクロ流体チャネル内にマイクロ構造化弁座を製作する為の方法の一実施形態は、射出成形を使用する。この射出成形技術は、２つの隆起した軽減部４２の間の適切な位置で、その表面に形成されたマイクロ特徴部４１を備えた金型４０を使用する工程を含む。プラスチック基板材料を金型４０内に射出成形した後、金型４０から分離できるプラスチック部品４５を金型４０内に形成する。マイクロ特徴部４１は、マイクロ構造化特徴部を有する弁座を生じさせ、２つの隆起した軽減部４２は、常閉弁の流動層を形成するプラスチック部品４５内のマイクロ流体チャネルを生じさせる。バルブの残りの部分は、技術的に知られた方法により、流動層、膜層、空気圧制御層から組み立てられてもよい。
【００５９】
[0055]図６を参照すると、常閉弁の流動層内のマイクロ流体チャネル内にマイクロ構造化弁座を製作する他の実施形態は、熱エンボス加工を使用する。ホットエンボス技術において、シリコン（又はガラス）ウェハ５１は、ステップ１で、第１のＳＵ８フォトレジスト層５２で被覆され、その上にフォトレジスト層を備えたシリコンウェハを形成する。ステップ２では、標準的フォトリソグラフィを使用して、第１ＳＵ８フォトレジスト層５２からシリコンウェハ上にマイクロ特徴部ＳＵ８フォトレジスト５３を形成する。ステップ３では、第２ＳＵ８フォトレジスト層５４が、マイクロ特徴ＳＵ８フォトレジスト５３にわたってシリコンウェハ５１上に積層される。ステップ４では、ソフトフォトリソグラフィを使用して、マイクロ特徴ＳＵ８フォトレジスト５３を露光し、マイクロ特徴ＳＵ８フォトレジスト５３に隣接する隆起ＳＵ８軽減部を形成して、熱エンボス加工処理で使用できるシリコン成型５６上にＳＵ８を形成する。金型５６は、マイクロ流体チャネルおよびマイクロ流体チャネル内の弁座上のマイクロ構造を備えた流動層を製作する為に、エポキシ金型または加工スタンプに移送されてもよい。また、技術的に知られた方法によって、熱エンボス加工の為のシリコンまたはガラス金型は、微細加工された弁座およびマイクロ流体特徴部のエッチングをシリコン又はガラス基板に直接画定する標準的フォトリソグラフィを使用して作成できることに留意されたい。流動層は、エポキシ金型または加工スタンプを用いてプラスチック基板材料から形成されてもよい。
【００６０】
[0056]幾つかの用途において、マイクロ構造化弁座のみでは、膜層と流動層との間の付着を十分に低減しない場合、マイクロ構造は、弁座の接触表面の親水性および表面エネルギを更に低減するために表面処理されてもよい。本書に開示された常閉弁の特にゆうりな点は、その上にマイクロ構造化弁座を有する膜層または流動層が表面処理材料と接触可能であり、表面処理材料が自己整合ウィッキングによってマイクロ構造化弁座を優先的に湿潤させることである。膜層または流動層を表面処理材料と接触させる工程は、マイクロ接触印刷、または、バルブを含む組立後のマイクロ流体デバイス中のマイクロ流体チャネルを通る毛管湿潤を用いて達成されてもよい。
【００６１】
[0057]一実施形態では、マイクロ接触印刷処理を利用して、結合強度を更に低下させるために、弁座上に非粘着正または他の犠牲バリアを簡単かつ効率的に印刷することができる。弁座のマイクロ構造化表面と、流動層又は膜層の他の部分における非マイクロ構造化表面との間の親水性の差のために、マイクロ接触印刷処理中の犠牲材料の局在化された転写は、自己整合によって容易に達成することができ、マイクロ接触印刷処理を大幅に簡略化する。親水性の差は、弁座のマイクロ構造において犠牲材料のウィッキングをもたらし、弁座において犠牲材料を局在化させ、犠牲材料で被覆されていない状態でバルブの残部を残す。これにより、常閉弁を組み込んだマイクロ流体デバイスの製作の規模拡大が可能となり、それによって、単位デバイス当たりのコストを低減させることができる。
【００６２】
[0058]図７Ａは、マイクロ接触印刷を使用してマイクロ構造化弁座上に犠牲層を堆積する方法を示し、図７Ｂは、マイクロ接触印刷を使用して従来技術の弁座上に犠牲層を堆積する方法を示す。図７Ａおよび図７Ｂの処理は、類似しているが、図７Ｂの弁座は基板の残部と異なる親水性を有さないので、印刷スタンプ上に堆積された犠牲材料を含むインクは、基板上の弁座の位置と完全に整列しなければならない。如何なる位置合わせ不良も、弁座以外の基板の部分にインクを付着させ、他の位置でデバイスの層間剥離を引き起こし、望ましくない漏れを動作中に引き起こす。対照的に、図７Ａにおけるマイクロ構造化弁座は、基板の他の部分とは異なる親水性を有するので、印刷スタンプは、犠牲材料を含有するインクで完全に被覆することができる。なぜなら、インクは、マイクロ構造化弁座によって優先的に染み込み、犠牲材料を含まない状態に基板の残部を残すからである。印刷スタンプ上にインクを完全に堆積する必要がなく、印刷スタンプを基板と完全に整列させる必要がないことは、製作時間および費用の大幅な節約を意味する。
【００６３】
[0059]図７Ｃは、マイクロ接触印刷による犠牲層での表面処理がマイクロ構造化弁座において局所的に達成できることを示す、実際のバルブの光学顕微鏡画像を示す。
【００６４】
常閉弁の動作
【００６５】
[0060]常閉型マイクロ流体バルブは、通常、空気圧空気チャンバとマイクロ流体チャネルとの間の空気圧差が０であるときに閉鎖する。図８は、異なる圧力条件下における常閉型マイクロ流体バルブ６０の概略図を示す（（Ａ）Ｐ＝０，（Ｂ）Ｐ＜０，（Ｃ）Ｐ＞０）。バルブ６０は、その中にマイクロ流体チャネル６９およびマイクロ構造化弁座６４が形成されたプラスチック基板６１を備える。弁座は、その上にマイクロポスト６６を備えた付着制御表面を備える（簡略化のために２つのみを示す）。弾性変形可能なエラストマ膜６３は、マイクロポスト６６と密封接触し、弁座６４およびマイクロ流体チャネル６９を空気チャンバ（図示せず）から分離する。分図（Ａ）に見られるように、マイクロ流体チャネル６９と空気圧式空気チャンバとの間の圧力差が０（すなわち、Ｐ＝０）である場合、バルブ６０は、通常、膜６３がマイクロポスト６６と密封接触している状態で閉鎖されるが、空気は、膜６３と弁座６４の凹部表面との間に捕捉されたまま残る。分図（Ｂ）に見られるように、正の圧力が空気チャンバ（Ｐ＞０）に加えられると、膜６３は、弁座６４に向かって変形され、弁座６４の全ての（共形接触）または幾つかの凹部表面と更に係合し、バルブ６０を、より緊密に閉鎖する、又は、チャネル６９にわたる高圧力の下で閉鎖を維持することができる。分図（Ｃ）に見られるように、空気チャンバ（Ｐ＜０）に負圧が加えられると、膜６３が弁座６４から離れるように変形して弁座６４から離脱させ、バルブ６０を開放することができる。分図（Ｄ）に見られるように、Ｐが正の２３ｐｓｉ（正の１５９ｋＰａ）から負の１０ｐｓｉ（負の６９ｋＰａ）に切り替わったときのバルブの光学顕微鏡像は、バルブが部分的に閉鎖し、部分的に開放していることを示す。
【００６６】
[0061]図９は、ＴＰＥ薄膜にホットエンボス加工されたマイクロ構造化弁座およびマイクロ流体チャネルを備え、Zeonor（商標）にホットエンボス加工された空気チャンバを備えた、常閉弁の別の実施例を示す。バルブは常に閉鎖しており、内側の点線で囲まれた部分は、弁座およびマイクロ構造を備えた周辺領域を含む付着制御表面を示す。マイクロ流体チャネルの端部は、内円の内部に含まれる。外側の点線は、空気チャンバの限界を決める。空気チャンバに−６ｐｓｉ（−４１ｋＰａ）の空気圧を加えてバルブを開放した。バルブは、空気チャンバ内の＋１０ｐｓｉ（＋６９ｋＰａ）の空気圧下で圧縮されて閉鎖された構成で示されている。圧縮閉鎖は、バルブを恒久的に結合しなかった。
【００６７】
[0062]図１０は、付着制御表面を備えた常閉弁の実施例を示す。バルブは、ホットエンボス加工されたＴＰＥとZeonor（商標）の積層体で生産され、一方のZeonor基板上に、ＣＮＣ機械加工された空気圧式制御チャネルおよびチャンバと、他方のZeonor基板上に、エンボス加工されたマイクロ流体網状組織および付着制御表面と、その間に厚さが２００μｍのＴＰＥ膜とを備える。バルブの直径は、１．５ｍｍである。流体チャネルは、３００μｍの幅および１００μｍの深さを有し、弁座は、２００μｍの隙間長を有する。弁座の頂部表面には、（直径２０μｍ、高さ１０μｍの）約１１００本のマイクロピラーがある。試験結果は、膜とマイクロ構造化弁座との間の十分な付着のため、流体チャネルが１１．７ｋＰａまで圧縮されたとき、常閉構成にあるバルブは、漏れなく閉鎖されたままに残ることを示す。
【００６８】
[0063]２つの部品間の界面における付着または結合強度は、ＡＳＴＭ  Ｄ３１６５およびＡＳＴＭ  Ｄ３５２８に規定された重ね継手試験法によって測定することができる。これらの標準的な試験装置では、試験片の２つの端部で引張力によって剪断応力が発生し、通常、試験片の破損につながる。ここで、弁座における基板への膜の付着は、流体チャネルに追加の圧力が加えられているか否かに拘わらず、空気チャンバ内の負圧下で弁座から膜を完全に分離するのに必要な開放時間を測定することによって特徴付けられる。試験方法は、現場で都合良く行われ、これは、用途におけるバルブの実際の挙動を反映する。開放時間は、バルブの重要なパラメータ動特性である。
【００６９】
[0064]さらに、次の２種類の開始時間がある。
【００７０】
・静的開放時間（即ち、組立後の初期開弁時間または非作動期間後の再初期開放時間）
【００７１】
・動的開放時間（即ち、周期的バルブ開閉動作中の開放時間）
【００７２】
弁座での膜と基板との付着性が強いとき、開放時間が長くなり、空気チャンバの真空度が高い場合、開放時間が短くなる。流体チャネルに加えられる更なる圧力によって開放時間を短縮することができる。他の重要なパラメータは、閉鎖時間である。一般的には、閉鎖時間を短くする方が効果的である。空気チャンバに加えられる圧力が高いほど、閉鎖時間は短くなる。
【００７３】
[0065]開閉時間を試験するため、図１１においてイメージされるように、常閉弁Ｖ２、Ｖ５、Ｖ３を製作した。ここで、Ｖ２は分図（Ａ）に示され、Ｖ５は分図（Ｂ）に示され、Ｖ３は分図（Ｃ）に示されている。バルブ（Ｖ２，Ｖ５，Ｖ３）は、厚さ２００μｍのＴＰＥ膜と、基板に形成されたマイクロ構造化弁座を有するZeonor（商標）基板とを用いて製作された。弁座の直径は、Ｖ２が０．６ｍｍ、Ｖ５が０．８ｍｍ、Ｖ３が１．２ｍｍであった。各バルブにおいて、マイクロ流体チャネルの幅は１００μｍであり、バルブ隙間は１００μｍであり、マイクロ構造は、高さ５μｍ、直径１０μｍ、ピッチ２０μｍを有するマイクロピラーであった。Ｖ２、Ｖ５，Ｖ３の弁座の付着表面は、それぞれ、７０６本のマイクロピラー、１２５６本のマイクロピラー、２８２７本のマイクロピラーを有していた。
【００７４】
[0066] 図１１のグラフ（Ｄ）は、開閉サイクル数の関数として動的開弁時間を示し、ここで、−５ｐｓｉ（−３４ｋＰａ）の開放真空を３０秒間加え、次いで、同じく３０秒間保持された２３ｐｓｉ（１５９ｋＰａ）の閉鎖圧力を加えた。実験は、マイクロ流体チャネルを通して弁座を通って注入された水を用いて、プライミングされた湿潤条件下で実施された。開放時間は、動作サイクルの増加と共に減少する。バルブの大きさが異なるため、バルブ間で開放時間にバラツキがある。また、グラフ（Ｄ）は、４００回のサイクル動作後にバルブが信頼できることを示している。グラフに示されていないが、Ｖ２およびＶ５の閉鎖時間は２秒未満である。図１１のグラフ（Ｅ）は、Ｖ３のサイクル数の関数として、開放時間および閉鎖時間の両方を示し、開放時間は非常に一貫していることに留意されたい。Ｖ３を閉鎖するのに約４秒を要するが、これは、Ｖ３が開放されているときに膜が空気チャンバの天井に接触する可能性があることを考慮すると、バルブＶ３のサイズが大きいことによる可能性が高い。処理中の空気チャンバの高さを高くすることにより、空気チャンバの天井との接触を回避することができる。
【００７５】
[0067]また、図１１のデータは、バルブが乾燥条件下で動作したときにバルブの開放時間が長くなることを示しており、これは、マイクロピラー間の弁座内部の流体が、弁座における膜と基板との間の相互作用を低減することができる潤滑剤として働くことを示している。典型的には、Ｖ５のようなバルブは、組立後に−３４ｋＰａで最初に開放するのに２分を要する。しかしながら、グラフ（Ｄ）に見られるように、プライミング後の（空気または水などの流体によって潤滑され、直径０．８ｍｍ、バルブ隙間１００μｍ、幅１００μｍ、５０〜１２５６本の（直径１０μｍ、高さ５μｍの）マイクロピラーを有する）バルブＶ５は、動的試験条件下で開放するのに８秒未満しか必要としない。
【００７６】
[0068]最後のサイクル動作が終了した後、バルブの空気制御チャンバは大気に通気する為に残る。１４時間の通気後、バルブＶ２とバルブＶ５の再初期化の開放時間は、それぞれ、４０秒と６８秒であった。２４時間後、バルブＶ２とバルブＶ５の再初期化開放時間は、それぞれ、５０秒と９０秒であった。再初期化時の開放時間の増加は、弁座での膜と基板との間の相互作用の増加によるものである。より短い再初期化開放時間が望まれる場合、弁座上のマイクロピラーが、より少ないバルブを製作することによって再初期化開放時間が短縮できることは、現在の常閉弁の特別な利点である。このようにして、バルブは望ましい性能特性に微調整することができる。
【００７７】
[0069] 弁座にマイクロ構造がないバルブ（ただし、それ以外は同一）の場合、組立後に３４ｋＰａの負圧をかけてバルブを開放することはできない。そのような非マイクロ構造化バルブは、３４ｋＰａの負圧を（膜上の空気チャンバ内の）膜に加えることの他に、流体チャネルに１０３ｋＰａを加えることによって強制的に開放することができる。この状態では、図１２（ａ）に示されるように、弁座から膜を開放するのに通常５〜１０分かかる。弁座が開放すると、流体はバルブを通過することができ、膜の一部は弁座の表面に付着したままになる。バルブ隙間領域の付着部分は、流体チャネルの下流部分を閉鎖して圧力をバルブ内部に蓄積させて膜を弁座から強制的に持ち上げない限り、開放することができない。しかしながら、流体チャネルの上流部分の層間剥離の危険性がある。図１２（ｂ）は、直径１．２ｍｍ、隙間長２００μｍ、流体チャネル幅１００μｍのバルブの実施例を示す。バルブ隙間でバルブを開放することに成功せずに空気チャンバ内で更に負の３４ｋＰａを５分間加えた状態で流体チャネルに１０３ｋＰａを加えた後、流体チャネルは上流側で剥離し始める。
【００７８】
[0070]再初期化開放時間（並びに初期開放時間）を調整する能力の例として、別のバルブセットが、上記バルブＶ５と同一のバルブサイズ（弁座の直径は０．８ｍｍ、膜厚は２００μｍ、マイクロ流体のチャネル幅は１００μｍ、バルブ隙間は１００μｍ）で製作された。弁座のマイクロピラーは直径１０μｍ、高さ５μｍだったが、弁座のマイクロピラー数を変更し、バルブに３１０本のマイクロピラー（Ｖ３、Ｖ４）、１３９本の（Ｖ５、Ｖ６の）マイクロピラー、５０本のマイクロピラー（Ｖ２）を設けた。弁座上のマイクロピラー密度が低下した、これらのバルブの初期開放時間は２秒以内であり、これは、１２５６本のマイクロピラーを備えた同様のバルブの５０倍であり、上記バルブより初期開放時間が更に短縮されている。
【００７９】
[0071]図１３を参照して、バルブＶ２〜Ｖ６の動的開放時間も検討した。図１３のグラフ（Ａ）は、付着制御表面に５０本のマイクロピラーを備えたＶ２の動的開放時間を示す。開閉サイクルの使用：−１２ｐｓｉ（−８３ｋＰａ）の真空で６０秒間開放／乾燥した状態で２３ｐｓｉ（１５９ｋＰａ）で３０秒間閉鎖した（捕捉された空気が潤滑材として機能）、動的開放時間は５０秒以上だった。動的開放時間は、湿った状態（水がバルブに導入された状態）で５０秒〜３０秒に減少し、バルブのサイクルが増加するにつれて減少し続けた。２５回の開閉サイクル後、バルブは休止状態で残された（最後のバルブ開放サイクルに続いて、空気制御チャンバは通期された）。２４時間後、動的開放時間は２３ｐｓｉ（１５９ｋＰａ）の閉鎖圧力で周期的に動作すると１３秒に減少し、１５ｐｓｉ（１０３ｋＰａ）で動作すると９秒に減少したが、これは、動的開放時間が、圧縮閉鎖状態の間、バルブに加えられた圧力にも依存することを示す。一般に、強制付着は低下するため、加えられる閉鎖圧力が低いほど、開放時間は短くなる。特に、休止期間後の再初期化開放時間は２秒未満であり、弁座のマイクロピラー密度が低い常閉弁は、再初期化開始時間の短縮につながる。
【００８０】
[0072] 図１３のグラフ（Ｂ）は、バルブ当たり３１０本のマイクロピラーを備えたＶ３およびＶ４の動的開放時間を示す。−１２ｐｓｉ（−８３ｋＰａ）の真空での３０秒間の開放／２３ｐｓｉ（１５９ｋＰａ）の圧力での３０秒間の閉鎖という開閉サイクルを使用する。乾燥した状態（捕捉された空気が潤滑剤として機能）では、動的開放時間は約１０〜１４秒であった。動的開放時間は、湿った状態（弁座に水が捕捉された状態）で４〜６秒に短縮された。２４時間の休止期間の後、動的開放時間は、更に２秒に減少した。再初期化開放時間も２秒未満であった。
【００８１】
[0073]図１３のグラフ（Ｃ）は、バルブ毎に１３９本のマイクロピラーを備えたＶ５およびＶ６の動的開放時間を示す。動的開放時間は、乾燥試験条件下で約４５〜５５秒だった。開放時間は、バルブがプライミングされて湿っていた（弁座に水が捕捉された）ときに約３０秒に減少した。バルブが２３ｐｓｉ（１５９ｋＰａ）ではなく１５ｐｓｉ（１０３ｋＰａ）で動作された場合、動的開放時間は更に減少した。２４時間の休止後、通気されたバルブの動的開放時間は、Ｖ５で１５秒、Ｖ６で９秒に更に短縮された。Ｖ５とＶ６の両方で、再初期化の開放時間は、２秒未満だった。サイクル動作と待機時間の増加に伴う動的開放時間の減少は、膜と弁座の表面エネルギが水分子で修正されると、膜と弁座との間の付着が弱くなることを示す。弁座の膜表面での水分子の吸収は、弁座で局所的に行うことができる人工表面処理を模倣している。
【００８２】
[0074]図１１と図１３とが示す実験は、構造化付着制御表面を導入することにより、膜と基板との間の弁座での恒久的付着の問題を解決し、さらに調整できることを示す。膜と弁座での基板との間の付着力は、弁座と、その付近での表面接触面積が減少するにつれて減少するので、バルブの製作後の初期開放時間は短くなる。デバイスに必要なマイクロピラーの最小本数は、弁座の大きさ、膜の厚さ、膜の材料特性（例えば、膜の合成、材料のヤング率）、マイクロピラーの高さの関数である。膜の崩壊を防ぎながら、弁座での接触量のバランスをとるためには、最小本数のマイクロピラー（又は類似構造）が必要である。マイクロピラーの本数、大きさ、間隔が膜の共形を可能にする場合、膜と弁座（弁座の床）との間の付着力の強化、流体で充填された空所の存在を保証する膜のテンティング（tenting）の欠如のため、所定の加えられた圧力に対して動的開放時間が増加する。膜の表面張力がテンティングを与えない場合でも、バルブの表面がプライミングされ、形態（conformation）に抵抗する流体潤滑剤で濡らされると、動的開放時間は劇的に短縮される。
【００８３】
[0075]マイクロピラーの形状と配置とを調整すると、動的開放時間を適度に低く保ちながら、初期開放時間を更に短縮することができる。丸みを帯びたマイクロピラー頂部は、この点で有用である。動的開放時間は、所定の一連の設計パラメータ（膜の厚さ、弁座の面積、弁座隙間、マイクロ流体チャネルの横断面と長さ）について、低圧でバルブを圧縮して閉鎖した状態で動作させることによって短縮することができる。
【００８４】
常閉弁の用途
【００８５】
[0076]高分子常閉弁は、細胞分析デバイスのマイクロ流体カバー蓋に利用可能である。このような用途は、バルブを同時に開閉する必要があるため、バルブの一貫性は非常に重要である。１つのバルブの動作が他のバルブと大きく異なる場合、動作上の問題が発生する場合がある。製作処理におけるサンプル間のバラツキを最小限に抑えるため、同じチップ（バルブの大きさ、バルブ隙間長、流体チャネル幅）を有し、同一密度のマイクロピラー（直径１０μｍ、高さ５μｍの弁座上の３１０本のマイクロピラー）を備えた一連の６つのバルブが同じチップ上に製作された。それにも拘わらず、図１４に示すように、金型製作における均一性の問題のため、バルブ間のバラツキが依然として発生する。均一性の問題は、ホットエンボス加工による金型からのマイクロ流体デバイスの複製で日常的に発生する。均一性の問題は、マイクロ流体層と空気圧式空気チャネル層との間の位置合わせ不良として、並びに、膜の厚さのバラツキとして現れる。この特定ケースでは、空気圧式空気チャネルは、ＣＮＣ機械加工された。
【００８６】
[0077]試験結果は、静的（初期および再初期）開放時間が６つのバルブ全てで２秒以内であることを示すが、図１５に描写された動的開放時間は、バルブ毎に僅かに異なり、これは、バルブのバラツキが小さいためと考えられる。図１５に描写された最初の５サイクルは、乾燥状態で試験された（膜と弁座の表面との間の空所は空気で満たされている）。動的開放時間は、膜と弁座との間の空所が水で満たされているバルブが濡れているときに減少する。バルブが５日間湿った状態（水）にさらされた後、開放時間は再び減少する。これら全ての６つのバルブの動的開放時間は、５〜８秒である。マイクロピラーの密度は同一であるが、このセットのバルブ開放時間は、図１３に表されたＶ３およびＶ４の開放時間より僅かに長くなる。これら２つの種類のバルブの僅かに異なる動作は、２つのバッチ処理のバラツキに起因する可能性がある。たとえば、ピラーの大きさと高さのバラツキ、弁座と空気圧式チャンバの位置合わせ不良、空気圧式チャネルと空気チャンバの設計のバラツキなどがある。空気圧式空気制御部品は、より大きな空気チャネルと空気チャンバを備えたＣＮＣ機械加工を使用して製作されたが、空気圧式空気制御部品は、図１３に表されたバルブにホットエンボス加工を施すことによって作成された。
【００８７】
[0078]常閉弁の弁座における膜層の流動層への付着を調整できるので、異なる機能性を得るために異なる圧力条件下で開放可能な複数のバルブを利用するマイクロ流体デバイスの製作が容易に可能になる。
【００８８】
[0079]図１６は、５つのマイクロ流体チェネル分岐部７９ａ、７９ｂ、７９ｃ、７９０ｄ、７９ｅに流体の流れを提供するメインマイクロ流体チャネル７９を有するマイクロ流体デバイス７０の実施例を描写する。各チャネル分岐部７９ａ、７９ｂ、７９ｃ、７９０ｄ、７９ｅを通る流体の流れは、それぞれ、チャネル分岐部７９ａ、７９ｂ、７９ｃ、７９０ｄ、７９ｅに１つずつある５つの常閉弁７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ、７１ｅによって制御される。バルブ７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ、７１ｅは、同一の大きさであるが、異なるマイクロピラー密度を有するマイクロ特徴の付着制御面を備えており、マイクロピラー密度は、バルブ７１ａから７１ｅまで、順次高くなっている。ユニバーサル空気圧式制御層７２は、各バルブの空気チャンバへの空気圧を制御する。空気圧式制御層７２で空気圧が低下すると、マイクロピラーの密度が最も低いマイクロ特徴化弁座が弁座の膜層と流動層との間の付着力を最小にするため、バルブ７１ａが最初に開放される。空気圧式制御層７２内の空気圧が更に低下すると、バルブ７１ｂ、７１ｃ、７１ｄ、７１ｅが続けて開放される。このようにして、段階的なバルブ調節（valving）は、連続する圧力段階で各バルブを開放することによって提供され、流体が異なるチャネルに連続的に流れることを可能にする。単一の空気圧式制御層が示されているが、その代わりに、各バルブに対する個別の空気圧式制御を使用することができる。
【００８９】
[0080]図１７は、流体制御スイッチとして機能する段階的バルブ構成を有するマイクロ流体デバイス８０の実施例を描写する。マイクロ特徴化弁座を有する第１常開弁８１ａは、単一の空気圧式制御層８２に加えられる第１負圧で開放し、それによって、流体をメインマイクロ流体チャネル８９から第１マイクロ流体チャネル分岐部８９ａに送る。構造化付着制御表面を有する第２常閉弁８１ｂは、単一の空気圧式制御層８２に加えられた第１負圧よりも負の第２負圧で開放され、それによって、流体をメインマイクロ流体チャネル８９から第２マイクロ流体チャネル分岐部８９ｂに送る。第２マイクロ流体チャネル分岐部８９ｂを流れる流体は、第１マイクロ流体チャネル分岐部８９ａの流体バルブ８３を閉鎖し、それによって、第１マイクロ流体チェナル分岐部８９ａを流れる流体を遮断する。このようにして、異なる圧力でのバルブの開放を可能にするように調整された構造か付着制御表面を有する常閉弁を使用して、流体の流れのスイッチが作り出される。単一の空気圧式制御層が示されているが、代わりに、各バルブに対して個別の空気圧式制御を使用することができる。
【００９０】
[0081]新規な特徴は、説明検討する際に当業者に明らかになるであろう。しかしながら、特許請求の範囲は、実施形態によって限定されるげきではなく、特許請求の範囲の文言および明細書全体と一致する最も広い解釈が与えられるべきであることが理解されるべきである。
【図１Ａ】
2021515207.tif 000003
【図１Ｂ】
2021515207.tif 000004
【図１Ｃ】
2021515207.tif 000005
【図１Ｄ】
2021515207.tif 000006
【図２Ａ】
2021515207.tif 000007
【図２Ｂ】
2021515207.tif 000008
【図３】
2021515207.tif 000009
【図４（ａ）】
2021515207.tif 000010
【図４（ｂ）】
2021515207.tif 000011
【図４（ｃ）】
2021515207.tif 000012
【図４（ｄ）】
2021515207.tif 000013
【図４（ｅ）】
2021515207.tif 000014
【図４（ｆ）】
2021515207.tif 000015
【図４（ｇ）】
2021515207.tif 000016
【図５】
2021515207.tif 000017
【図６】
2021515207.tif 000018
【図７Ａ】
2021515207.tif 000019
【図７Ｂ】
2021515207.tif 000020
【図７Ｃ】
2021515207.tif 000021
【図８】
2021515207.tif 000022
【図９】
2021515207.tif 000023
【図１０】
2021515207.tif 000024
【図１１】
2021515207.tif 000025
【図１２（ａ）】
2021515207.tif 000026
【図１２（ｂ）】
2021515207.tif 000027
【図１３】
2021515207.tif 000028
【図１４】
2021515207.tif 000029
【図１５】
2021515207.tif 000030
【図１６】
2021515207.tif 000031
【図１７】
2021515207.tif 000032
【手続補正書】
【提出日】令和2年10月27日(2020.10.27)
【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】
高分子マイクロ流体バルブにおいて、
プラスチック基板と、
前記基板にわたって延在する弾性変形可能なエラストマ膜であって、前記基板および膜が、マイクロ流体デバイス内の少なくとも２つのマイクロ流体チャネルを分離するバルブ区域を画定する、エラストマ膜と、
前記膜および前記基板のうちの一方の上の前記バルブ区域内にあり、前記バルブが閉じられたとき、前記膜および前記基板が接触する付着制御表面を有する、弁座と、
前記膜によって前記マイクロ流体チャネルから分離された封止された制御流体チャンバであって、前記制御流体チャンバ内の圧力の変化が、前記基板から前記膜を分離し、それによって前記バルブを開放するために、前記弁座の前記付着制御表面における前記基板と前記膜との間の付着に打ち勝つのに十分な力を前記膜上に与える、制御流体チャンバと、
を備え、
前記付着制御表面は、複数の分離された頂部合わせ表面と凹部表面とを与えるマイクロ構造の軽減パターンを備え、前記頂部合わせ表面は、前記付着制御表面が及び面積の９０％未満の累積表面積を集合的に有し、前記バルブが閉鎖しているときに前記頂部合わせ表面間に流体充填空所を有し、
前記弁座が前記基板上にある場合、さらに、前記弁座が前記膜上にある場合において前記基板上にある場合、前記弁座上の前記付着制御表面は、前記膜の合わせ表面と接するように整列され、
前記流体充填空所は、（１）スパン領域にマイクロ構造が存在しない場合の付着と比較して、（２）膜と基板とが、頂部合わせ表面および凹部表面を含む全ての利用可能な表面にわたって、共形接触している場合の付着と比較して、スパン領域における膜と基板との間の付着を低減する、高分子マイクロ流体バルブ。
【請求項２】
前記バルブが閉鎖したときの前記付着制御表面上の前記頂部合わせ表面間の累積表面積は、前記付着制御表面が及ぶ表面積の０．５５％〜７６％であり、あるいは、
前記付着制御表面上の前記頂部合わせ表面の前記累積表面積は、前記付着制御表面の全表面積の０．５４％〜３０％であり、前記全表面積は、前記頂部合わせ表面の前記累積表面積と、前記凹部表面の累積表面積と、前記頂部合わせ表面および凹部表面を接続する前記マイクロ構造の側壁の累積表面積とを含む、請求項１に記載のバルブ。
【請求項３】
前記マイクロ構造の前記頂部合わせ表面および凹部表面は、少なくとも７５ｎｍの深さｄによって分離され、隣接する頂部合わせ表面間の平均間隔は、２０ｄ以下であり、（１／２）ｄ以上である、請求項１〜２のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項４】
前記複数の別個の頂部合わせ表面は、少なくとも２５の別個の頂部合わせ表面を含み、これらの頂部合わせ表面は、前記マイクロ構造が規則的に配列された複数のマイクロピラーであるように、前記頂部合わせ表面に制限された、いかなる経路によっても接続されていない、請求項１〜３のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項５】
前記流体充填空所は、集合的な空所容量を有し、前記マイクロ構造および／またはナノ構造は、集合的な構造化容量を有し、前記制御流体チャンバおよび前記マイクロ流体チャネルの間に圧力差がない状態で前記バルブが閉鎖されるとき、前記集合的な空所容量は、前記集合的な空所容量および前記集合的な構造化容量の合計の５０〜９９．５％である、請求項１〜４のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項６】
前記付着制御表面は、前記バルブ本体を超えて延在し、前記チャネルの中間の基板の頂部合わせ表面を覆う、請求項１に記載のバルブ。
【請求項７】
前記流体充填空所は、空気または水で充填される、請求項１〜６のいずれか一項に記載のバルブ。
【請求項８】
高分子マイクロ流体バルブを使用してマイクロ流体チャネル内の流体の流れを制御する方法において、
マイクロ流体デバイスにおいて、常閉型の、請求項１〜７のいずれか一項に記載の高分子マイクロ流体バルブを準備するステップと、
前記制御流体チャンバ内の圧力を変化させ、前記弁座の前記付着制御表面における前記基板との付着に打ち勝つのに十分な力を前記膜に与え、前記膜を前記基板から分離し、それによって、前記バルブを開放し、流体が前記２以上のマイクロチャネル間を流れる事を可能にするステップと、
を含む、方法。
【請求項９】
前記バルブが開放されているときに前記制御流体チャンバ内の圧力を十分に変化させて、前記基板および前記膜を前記付着制御表面で一緒に押圧し、それによって、前記膜を前記基板に対して密封係合させ、前記バルブを閉鎖して、流体が前記マイクロ流体チャネルを通って流れるのを防止するステップを更に含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
高分子マイクロ流体バルブの弁座を表面処理する方法において、
弾性変形可能なエラストマ膜上またはバルブの為のプラスチック基板上に弁座を製作するステップであって、前記弁座が、前記バルブが閉鎖されるときに前記膜が前記プラスチック基板に対して接触して密封することになる付着制御表面を有する、前記ステップと、
前記膜または基板を表面処理液に接触させるステップであって、表面処理液は、微罪構造が存在しない前記膜または基板の前記区域の代わりに、前記弁座の前記付着制御表面が及ぶ前記領域を優先的に濡らし、それによって、マイクロ構造が存在しない前記膜または基板の前記区域を表面処理することなく、前記弁座を表面処理するステップと、
前記膜と、２つのマイクロ流体チャネルと交差するように配置された前記弁座を備えた基板とを組み立てるステップであって、前記付着制御表面は、複数の分離された頂部合わせ表面および凹部表面を与えるマイクロ構造の軽減パターンを備え、前記頂部合わせ表面は、前記付着制御表面が及ぶ面積の９０％未満の累積表面積を集合的に有し、前記頂部合わせ表面の間に流体充填空所を有する、前記ステップと、
を含む、方法。
【国際調査報告】
2021515207.tif 000033
2021515207.tif 000034
2021515207.tif 000035
2021515207.tif 000036
2021515207.tif 000037
2021515207.tif 000038
2021515207.tif 000039
2021515207.tif 000040
2021515207.tif 000041
2021515207.tif 000042