(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体ポンプであって、
一体型チップと、
前記チップ上に配置されたある閉鎖長さの流路であって、第１開放端部および第２開放端部を有する流路と、
前記流路の前記長さに沿って配置された複数の付勢装置と、
前記チップ上に配置された第１コントローラと、
前記チップ上に配置された付勢装置発射制御ラインであって、その一つ一つが前記付勢装置の一つ一つを前記第１コントローラに電気的に接続している付勢装置発射制御ラインと、
前記チップ上に配置されていない第２コントローラに前記第１コントローラを接続するための、前記第１コントローラに電気的に接続された入力端子と、を備え、
前記入力端子は、
電力入力端子と、
イネーブル入力端子と、
ポンプ方向入力端子と、
付勢装置運転長さ入力端子と、を含み、
前記第１コントローラは、
前記第２コントローラからポンプ方向を前記ポンプ方向入力端子で受信しかつ選択的に保持し、且つ、
前記第２コントローラから付勢装置運転長さを前記付勢装置運転長さ入力端子で受信しかつ選択的に保持し、且つ、
前記第２コントローラからイネーブルを前記イネーブル入力端子で受信し、且つ、
前記付勢装置発射制御ラインの発射コマンドの定時的シーケンスを付勢装置運転長さに等しい選択された数の付勢装置へ送信することを、保存された開始付勢装置から始めて終了付勢装置で終え、且つ、
前記保存された開始付勢装置を前記終了付勢装置の次に続く前記付勢装置としての名称に更新するための回路を有する
流体ポンプ。
【請求項２】
前記付勢装置がヒーターである
請求項１に記載の流体ポンプ。
【請求項３】
前記付勢装置がピエゾ装置である
請求項１に記載の流体ポンプ。
【請求項４】
前記付勢装置運転長さが１〜３２の整数である
請求項１〜３のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
【請求項５】
前記付勢装置運転長さが８ｘに等しく、ｘが１〜４の整数である
請求項１〜３のいずれか１項に記載の流体ポンプ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体ポンプの分野に関する。より詳しくは、本発明は、単純化された電子制御インターフェースを有する微小流体ポンプに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小流体ポンプは、微小電子装置製造技術、例えば、フォトリソグラフィパターニング、湿式および乾式エッチング技術、ならびに薄膜堆積プロセスを用いて製造される小型装置である。それゆえ、これらの装置は極めて小さく、非常に少ない量の流体で作動する。こういったことから、それらは、小さい装置を必要としかつ少量の流体を分注する用途に理想的である。
【０００３】
ある種の微小流体ポンプは、気泡が下流の流体量をその手前の流路に沿って押すとともに上流の流体量をその後方の流路内に引き込むように、流路内の流体の気泡を膨張させてその後に気泡を流路に沿ってどちらかの方向に移動させることにより作動する。
【０００４】
流路内で気泡を移動させるために、ポンプは、流路の長さに沿って配置された複数の装置を有して構成され、当該装置は、流体の気泡を作り出すことと維持することとの少なくとも一方を行うように作動可能なものとなっている。これらの装置は、典型的には、流路の長さに沿ったどちらかの方向に向かって定時的かつ逐次的に作動し、そうして気泡を流路の中で所望どおりに移動させる。
【０００５】
装置自体を非常に小さく作ることはできるが、残念なことに、ポンプをコントローラに接続するために必要とされる回路は比較的嵩高くなるのが典型的である、というのも、流路長さに沿って各装置のための制御ラインが必要とされるのが典型的であるからである。制御ラインによって少なくとも部分的に必要になるポンプ全体の付加的な大きさは、このような微小流体ポンプをその大きさが決定的因子となる用途に採用および使用することの妨げとなりがちである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、上に記載したような問題を少なくとも部分的に軽減する微小流体ポンプが必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記およびその他の要求は、一体型チップ上の流体ポンプによって満たされる。ある閉鎖長さの流路が第１開放端部および第２開放端部を有してチップ上に配置される。複数の付勢装置が流路の長さに沿って配置され、各付勢装置は固有付勢装置名称に関連付けられる。さらに、第１コントローラ（オンボードコントローラ）および付勢装置発射制御ラインもチップ上に配置される。付勢装置発射制御ラインの一つ一つが付勢装置の一つ一つを第１コントローラに電気的に接続している。チップ上に配置されていない第２コントローラ（外部コントローラ）に第１コントローラを接続するための入力端子が第１コントローラに電気的に接続される。入力端子は、電力入力端子、接地入力端子およびイネーブル入力端子を含む。第１コントローラは、（ａ）第２コントローラからイネーブルをイネーブル入力端子で受信するため、および（ｂ）付勢装置発射制御ラインの発射コマンドの定時的シーケンスを２以上の選択された数の付勢装置へ送信することを、保存された開始付勢装置から始めて終了付勢装置で終えるため、および（ｃ）保存された開始付勢装置を終了付勢装置の次に続く付勢装置としての名称に更新するための、回路を有する。
【０００８】
本発明の別の態様によれば、一体型チップ上の流体ポンプであって、チップ上に配置されたある閉鎖長さの流路を有し、当該流路が第１開放端部および第２開放端部を有する、流体ポンプが教示される。流路長さに沿ってヒーターが配置され、各ヒーターは固有ヒーター名称に関連付けられる。さらに、第１コントローラおよびヒーター発射制御ラインもチップ上に配置され、ヒーター発射制御ラインの一つ一つがヒーターの一つ一つを第１コントローラに電気的に接続している。入力端子が、第１コントローラに電気的に接続されており、チップ上に配置されていない第２コントローラに第１コントローラを接続している。入力端子は、電力入力端子、イネーブル入力端子、ポンプ方向入力端子およびヒーター運転長さ入力端子を含む。第１コントローラは、（ａ）第２コントローラからポンプ方向をポンプ方向入力端子で受信しかつ選択的に保持するため、および（ｂ）付勢装置運転長さを８ｘとし、ｘを１〜４の整数として、第２コントローラからヒーター運転長さをヒーター運転長さ入力端子で受信しかつ選択的に保持するため、および（ｃ）第２コントローラからイネーブルをイネーブル入力端子で受信するため、および（ｄ）ヒーター発射制御ラインの発射コマンドの定時的シーケンスをヒーター運転長さに等しい選択された数のヒーターへ送信することを、保存された開始ヒーターから始めて終了ヒーターで終えるため、および（ｅ）保存された開始ヒーターを終了ヒーターの次に続くヒーターとしての名称に更新するための、回路を有する。
【０００９】
本発明の種々の態様の具体的な実施形態では、付勢装置はヒーターまたはピエゾ装置である。いくつかの実施形態では、付勢装置運転長さは１〜３２の整数である。いくつかの実施形態では、付勢装置運転長さは８ｘに等しく、ｘは１〜４の整数である。いくつかの実施形態では、定時的シーケンスは、各発射コマンド間の設定時間であり、または各発射コマンド間の可変時間であり、または各発射コマンド間の選択可能時間である。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に係る流体ポンプは、上に記載したような問題を少なくとも部分的に軽減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態による微小流体ポンプの構造ブロック図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態による微小流体ポンプの制御回路の論理図である。
【図３】図３は、本発明の一実施形態による微小流体ポンプの制御回路の論理図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態による微小流体ポンプの制御回路の論理図である。
【図５】図５は、本発明の一実施形態による微小流体ポンプの制御回路の論理図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
（概説）
本発明の一実施形態による、自動で発射および周期的作動をする微小流体ポンプは、単一の電気信号により開始および停止される。当該ポンプの特徴は、内部発振器、および生成した発射信号についての発射デューティサイクル選択肢である。ポンプの階級または階数（ポンプの単一サイクルでのヒーターの数）は、圧送シーケンスの方向と同様に選択することができる。内部の電圧制御発振器（ＶＣＯ）は、入力電圧で調節できる。
【００１３】
ポンプのいくつかの実施形態は、電力と接地とイネーブルとのたった３つのピンしか必要としない。ポンプの内部シーケンサが、その内部シーケンサを使用して次の発射ヒーターを選択する。オンチップＶＣＯは、流体を圧送するのに十分なデフォルトを有する発射信号を生成するために使用される。
【００１４】
これより図１を参照して、本発明の一実施形態による微小流体ポンプシステム１０の構造ブロック図が描写されている。図に描写されている要素の全てが本発明のあらゆる実施形態に存在しているとは限らないこと、および本明細書に記載の具体的な要素が種々の実施形態において変更され得ることは理解されたい。したがって、以下に提供する記載は、描かれている実施形態に関するものであり、あらゆる実施形態に関するものではない。
【００１５】
ポンプ１０はＶＣＯ１００を含み、ＶＣＯ１００は、ポンプ発射信号を生成するためおよび発射順序を制御しているステートマシンを順序付けるためのクロック信号をライン１１０に生成する。いくつかの実施形態では、ＶＣＯ１００は、ＶＣＯ１００の周波数のためのトリム電圧の入力１０６ならびに、ＶＣＯクロックをオンおよびオフにしてポンプ発射を有効／無効にするイネーブル１０８を受信する。ＶＣＯ１００がオンである（イネーブル１０８がｈｉｇｈである）とき、一サイクルのシーケンスにおいてポンプ１０が発射をし、ＶＣＯ１００がオフである（イネーブル１０８がｌｏｗである）とき、ポンプ１０は発射を停止する。
【００１６】
クロック信号１１０は発射信号発生器１０２により受信され、発射信号発生器１０２は、以下でより詳しく記載するように、ステートマシンにおいて選択されたポンプ１２２に印加される正確な時間幅の発射信号１１４を出力として生成する。発射信号発生器１０２は、クロックライン１１０で受信された数々のクロックサイクルで測られる発射幅１１２を、入力として受信し、そして発射信号１１４幅を制御する。発射幅１１２は、発射信号１１４の長さを例えば３クロックパルスもしくは９クロックパルスまたは（例えば）それらの間の所望の任意の長さに決める。発射信号発生器１０２は、いくつかの実施形態では、デフォルト発射信号１１４幅を有し、選択可能発射幅のための入力１１２を必要としない。
【００１７】
発射信号１１４は、順々に発射する付勢装置１２２を制御する自動周期的作動ポンプ制御回路１０４により、入力として受信される。発射信号１１４の受信は、ポンプコントローラ１０４が発射シーケンスを開始すること、つまり言い換えれば、ポンプ１０の流路構造体１２４内に配置された付勢装置１２２へ電力信号をライン１２０で送信することを開始することを引き起こす。いくつかの実施形態では、ポンプコントローラ１０４は方向信号１１６を入力として受信する。例えば、一実施形態において、入力１１６のｌｏｗ状態は、順方向または通常方向と呼び得る方向にポンプコントローラ１０４が付勢装置１２２を発射させることを可能にする。他方、入力１１６のｈｉｇｈ状態は、ポンプコントローラ１０４が付勢装置１２２を逆順序で発射させることを引き起こす。
【００１８】
いくつかの実施形態では、ポンプコントローラ１０４はさらに、ポンプシーケンス１１８の長さまたは階級、つまり言い換えれば、発射サイクルにおいて電力供給されねばならない付勢装置１２２の数も、入力として受信する。例えば、入力１１８は、単一の発射信号１１４の受信に基づいて所与のシーケンスにおいて付勢装置１２２のうちの８個、１６個、２４個または３２個に電力供給せねばならないことを指し示すことができよう。
【００１９】
各発射信号は、そのシーケンス内の次の付勢装置１２２を選択してそれに電力供給をする。発射シーケンスは、サイクルの最後にそのサイクル内の第１付勢装置１２２へと進展し、次いでそこから再び継続される。ある実施形態では、付勢装置１２２は抵抗加熱素子であり、またある実施形態では、付勢装置１２２はピエゾ装置である。
【００２０】
いくつかの実施形態では、入力１０６、１１２、１１６および１１８はデフォルト値に設定されており、オンチップコントローラから任意の外部コントローラへの接続は必要とされない。これらの実施形態では、一体型チップ上のポンプに対してたった３つだけの接続がなされており、当該接続とは、電力１２６、接地１２８およびイネーブル１０８である。
【００２１】
（実施の形態）
図２〜５は、図１の構造ブロックのさらに詳しい図を描写しており、したがって本発明の特徴を具現化するための１つの方法を開示している。
【００２２】
（電圧制御発振器）
図２は、ＶＣＯ１００をより詳しく描写したものである。図２に描かれている接続形態は、３段インバータ型リング発振器である。奇数個のインバータを常に使用しつつインバータの数を増やして、発振器１００の周波数を所望の値に下げてもよい。クロック周波数は、チップ内部電圧を使用して存在しているが、外部電圧１０６によって横断的に駆動されてもよい。イネーブル信号１０８が論理ｈｉｇｈであるとクロックライン１１０に論理ｈｉｇｈが生成される。イネーブル１０８がｌｏｗであるときはクロック出力１１０が論理ｌｏｗである。
【００２３】
（発射発生器）
図３は、発射発生器１０２をより詳しく描写したものである。発射発生器１０２は、その入力クロック１１０により発射信号１１４を生成する。発射信号１１４は、ポンプアクチュエータに適した事前設定デフォルトパルス幅を有する。但し、いくつかの実施形態では、例えば実験目的のために事前設定値を無効にしてもよい。発射発生器１０２のコアは、イネーブル信号１０８が論理ｈｉｇｈであるときに１０個の状態毎に再循環する、１０段ステートマシン１０１である。各々の入力クロック立ち上がり遷移はステートマシン１０１を次の状態に進展させる。イネーブル１０８が論理ｌｏｗであるときは発射信号１１４がｌｏｗである。状態１では、リセットセットラッチが掛かっており、発射信号１１４が論理ｈｉｇｈである。マシンの状態が現在値と一致している場合、ＲＳラッチはリセットされ、発射信号１１４は今度は論理ｌｏｗレベルをとる。このように、イネーブル１０８が論理ｈｉｇｈであるとき、所定パルス幅を有する反復発射信号が存在する。
【００２４】
（ポンプコントローラ）
図４は、自動周期的作動ポンプコントローラ１０４をより詳しく描写したものである。ポンプコントローラ１０４は、（任意の数を用いてもよいが）５つの状態を有して図４に示されているステートマシンである。入力イネーブル信号１０８が論理ｈｉｇｈであるときにステートマシンは入力発射信号１１４の立ち上がり遷移によって進展する。イネーブル１０８が論理ｌｏｗであるとき、ステートマシンは状態０にあり、アクチュエータは選択されない。ステートマシンのデフォルトは次の状態への進展であるが、状態順序を逆転させるべく順方向／逆方向の論理信号１１６を使用してデフォルトを無効にしてもよい。状態復号論理ブロックは、各ポンプアクチュエータ１２２のためのＡＣＴ信号１２０を使用して、どのポンプアクチュエータを発射させるかを決定する。状態復号器の一例は、各状態において１つのポンプ１２２に対するＡＣＴ１２０を論理ｈｉｇｈに設定し、次の状態において次の隣接するポンプ１２２に進展することである。状態順序は、イネーブル信号１０８が論理ｈｉｇｈである間繰り返され、イネーブル信号１０８がｌｏｗであるときには状態０にあり続ける。
【００２５】
（ポンプアクチュエータ）
図５は、ポンプアクチュエータブロックをより詳しく描写したものである。ポンプアクチュエータブロックは、ポンプアクチュエータ／ヒーターのための駆動信号を生成する。当該ブロックは、ポンプヒーターを起動するためにＡＮＤ論理回路およびＭＯＳトランジスタスイッチを含んでいる。ＨＰＷＲ信号は、正確なポンプヒーター電流を定めるための電圧である。ＡＣＴがｌｏｗであるとき、ポンプヒーターは制止される。ＡＣＴ信号が論理ｈｉｇｈであり発射信号が論理ｈｉｇｈであるとき、ＭＯＳスイッチは、ヒーターに流れる電流を起動する。電流は発射信号の持続時間にわたって流れ、発射信号が論理ｌｏｗに戻ったときに終結する。したがって、ＡＣＴ信号が論理ｈｉｇｈであるとき、ポンプヒーター電流は、発射入力パルス幅に等しい時間にわたって流れる。
【００２６】
このように、事前設定発射パルス幅と圧送動作に適した圧送順序とを有するポンプ１０を開始および停止するのに、電力１２６と接地１２８とイネーブル１０８とのたった３つだけの接続が必要とされる。
【００２７】
本発明の実施形態の上記記載は、例示および説明のために提示した。それは、網羅的であること、または開示されているまさにその形態に本発明を限定することを意図したものではない。上記の教示内容を考慮すれば、明らかな改変または変更が可能である。実施形態は、本発明の原理およびその実用的用途の例示を提供するため、およびそれによって当業者が本発明を様々な実施形態で特定の企図される用途に適した様々な改変と共に利用するのを有効にするために、選択および記載されている。あらゆるそのような改変および変更は、公正、合法的かつ公平に与えられる広さに合致して解釈される場合に添付の特許請求の範囲によって決まる本発明の範囲の中に入る。
【符号の説明】
【００２８】
１００  ＶＣＯ
１０１  ステートマシン
１０２  発射信号発生器
１０４  自動周期的作動ポンプ制御回路
１０６，１１２，１１６，１１８  入力
１０８  イネーブル
１１０  クロック信号
１１４  発射信号
１２０  ライン
１２２  付勢装置
１２４  流路構造体
１２６  出力
１２８  接地
【図１】
0006773113.tif 000002
【図２】
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【図３】
0006773113.tif 000004
【図４】
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【図５】
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