(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のパッシブバルブおよび第２のパッシブバルブを用いた流体デバイスであって、
それぞれのパッシブバルブは、流れの上流から下流に向かって、
ａ）流体のための第１の通路を提供する開口部を伴う第１のキャリアレイヤ、
ｂ）第１の開口を伴う第１の結合レイヤ、
ｃ）少なくとも１つの貫通穴を有するフレキシブルレイヤ、
ｄ）第２の開口を伴う第２の結合レイヤ、
ｅ）流体のための第２の通路を提供する開口部を伴う第２のキャリアレイヤ、
の順序で構成されたレイヤを含み、
前記フレキシブルレイヤを前記第１のキャリアレイヤに向かって押すことは前記第１の通路を閉鎖し、一方で、前記フレキシブルレイヤを前記第２のキャリアレイヤに向かって押すことは前記第１の通路を解放し、
前記流体デバイスは、さらに、
インレットとアウトレットを伴い、ポンピングチャンバを有するアクティブバルブであって、前記ポンピングチャンバのフレキシブルウォールが１つの境界を形成するアクティブバルブを含み、
前記ポンピングチャンバのボリュームは、前記フレキシブルウォールを曲げることにより、コントロール可能に変更され、
前記第１のパッシブバルブは前記アクティブバルブの上流に配置され、
前記第２のパッシブバルブは前記アクティブバルブの下流に配置され、
前記アクティブバルブの前記インレットには前記第１のパッシブバルブの第２の通路が接続されており、かつ、前記アクティブバルブの前記アウトレットには前記第２のパッシブバルブの第１の通路が接続されており、かつ、
前記第１のパッシブバルブおよび前記第２のパッシブバルブはいずれも、前記アクティブバルブの前記フレキシブルウォールが曲げられていないときには開いており、
前記ポンピングチャンバのボリュームは、前記第１の開口と前記第２の開口によって形成されるバルブチャンバのボリュームより大きい、
流体デバイス。
【請求項２】
前記貫通穴を有する前記フレキシブルレイヤの一部分は、前記第１の開口及び/又は前記第２の開口によって形成されるバルブチャンバの中で、移動することができる、
請求項１に記載の流体デバイス。
【請求項３】
前記フレキシブルレイヤの少なくとも１つの貫通穴は、前記バルブチャンバの境界の近くに配置されている、
請求項２に記載の流体デバイス。
【請求項４】
前記第１のキャリアレイヤの前記開口部は、前記バルブチャンバの中心の近くに配置されている、
請求項２に記載の流体デバイス。
【請求項５】
前記第１のキャリアレイヤ及び/又は前記第２のキャリアレイヤは、ＰＭＭＡ、ＰＴＦＥ、およびＰＣからなるグループから選択された材料を含む、
請求項１に記載の流体デバイス。
【請求項６】
前記第１の結合レイヤ及び/又は前記第２の結合レイヤは、アクリル接着剤またはシリコンゴムからなる接着レイヤを伴うキャリアを含む、
請求項１に記載の流体デバイス。
【請求項７】
前記フレキシブルレイヤは、熱可塑性のエラストマーを含む、
請求項１に記載の流体デバイス。
【請求項８】
前記流体デバイスは、
前記第１のキャリアレイヤ及び／又は前記第２のキャリアレイヤ、前記第１の結合レイヤ及び／又は前記第２の結合レイヤ、または、前記フレキシブルレイヤのうち少なくとも１つを共有する、２つまたはそれ以上のパッシブバルブを含む、
請求項１に記載の流体デバイス。
【請求項９】
前記ポンピングチャンバの少なくとも１つの境界はフレキシブルウォールによって形成され、
前記フレキシブルウォールは、前記パッシブバルブの前記フレキシブルレイヤの一部分である、
請求項１に記載の流体デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも一つのパッシブバルブ（ｐａｓｓｉｖｅ  ｖａｌｖｅ）用いた流体デバイスに関し、より特定的には、マイクロ流体カートリッジの形態におけるものに関する。さらに、本発明は、そうした流体デバイスを製造する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
米国特許第７９４２１６０号明細書は、インレットとアウトレットを有する流路（ｆｌｕｉｄ  ｐａｔｈ）の中にバルブを含んでいるマイクロ流体システムを開示している。流路の中の閉鎖部材（ｃｌｏｓｉｎｇ  ｍｅｍｂｅｒ）は、緩和状態（ｒｅｌａｘｅｄ  ｓｔａｔｅ）においてインレットを遮断する。および、流れの方向が変化するときにおけるものである。
【０００３】
米国特許出願第２００２／０１５５０１０号明細書は、２つのマイクロ流体ワンウェイバルブを使用したポンプを有するマイクロ流体デバイスを開示している。バルブは、ステンシル（ｓｔｅｎｃｉｌ）レイヤにおいて切り出されたフラップ（ｆｌａｐ）を含み、隣接するステンシルレイヤにおける通過領域（ｔｈｒｏｕｇｈ−ｒｅｇｉｏｎ）を閉鎖することができる。
【０００４】
米国特許出願第２００４／００５２６５７号明細書は、サポートウェファ、絶縁材料のレイヤ、シリコンレイヤ、およびクロージャ（ｃｌｏｓｕｒｅ）ウェファを含むスタックによって具現化されるパッシブバルブを含んでいる流体流れデバイスを開示している。シリコンレイヤは、サポートウェファにおけるダクトを閉鎖するために移動することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
パッシブバルブとマイクロ流体デバイスに係る代替的なデザインを有することが望ましいであろう。特には、高い堅牢性（ｒｏｂｕｓｔｎｅｓｓ）と信頼性を有するデザインであり、及び/又は、容易に製造され得るものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
これらの懸念は、請求項１に従った流体デバイスによって取り扱われる。望ましい実施例は、従属請求項において開示される。
【０００７】
本発明の実施例に従った流体デバイスは、特には、少ないボリュームの流体を処理するためにデザイン、設計されている。特に、約１００μｌより少ないボリューム、もしくは、１０μｌより少ないボリュームでさえも処理する。デバイスは、従って、「マイクロ流体デバイス（”ｍａｉｃｒｏｆｌｕｉｄ  ｄｅｖｉｃｅ”）」と呼ばれてもよい。デバイスは、特にカートリッジとしてデザインされてよく、そこでは、生物学的な液体といったサンプル流体を用いた測定が行われ得る。流体デバイスは、以下のレイヤのシーケンスを有する、少なくとも１つのパッシブバルブを含んでいる。
ａ）以降において「第１のキャリアレイヤ（”ｆｉｒｓｔ  ｃａｒｒｉｅｒ  ｌａｙｅｒ”）」と呼ばれるレイヤであり、流体のための（第１の）通路を提供する開口部（ａｐｅｒｔｕｒｅ）を伴うもの、
ｂ）以降において「第１の結合レイヤ（”ｆｉｒｓｔ  ｂｉｎｄｉｎｇ  ｌａｙｅｒ”）」と呼ばれるレイヤであり、「第１の開口（”ｆｉｒｓｔ  ｏｐｅｎｉｎｇ”）」を有するもの、
ｃ）少なくとも１つの貫通穴を有する「フレキシブルレイヤ（”ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｌａｙｅｒ”）」、
ｄ）「第２の開口（”ｓｅｃｏｎｄ  ｏｐｅｎｉｎｇ”）」を伴う「第２の結合レイヤ（”ｓｅｃｏｎｄ  ｂｉｎｄｉｎｇ  ｌａｙｅｒ”）」、
ｅ）「第２のキャリアレイヤ（”ｓｅｃｏｎｄ  ｃａｒｒｉｅｒ  ｌａｙｅｒ”）」、である。
【０００８】
さらに、これらのレイヤのデザインおよび配置は、フレキシブルレイヤを、第１のキャリアレイヤに向かって押すことが通路を閉鎖し、一方、第２のキャリアレイヤ（ＣＬ２）に向かって押すことは通路（Ｐ１）を解放するようになされている。
【０００９】
上記のフレキシブルレイヤを押すことは、流体系において流体によって発揮される押し（ｐｕｓｈｉｎｇ）として理解されるべきものであり、押しの方向は、流体における圧力分布による。押しは、たいてい、流体の中に露出されているフレキシブルレイヤの一部分だけに影響する。特定的には、貫通穴の周りの部分である。解放される場合、通路は、フレキシブルレイヤにおける貫通穴を介して、たいてい、いくつかの方法で継続される。
【００１０】
用語「パッシブバルブ（”ｐａｓｓｉｖｅ  ｖａｌｖｅ”）」は、流れ方向（または、ユニットにわたる圧力差の符号）に応じて流体の流れチャンネルにおける流れ抵抗（ｆｌｏｗ  ｒｅｓｉｓｔｅｎｃｅ）を変化させるユニットを示している。ここで、この変化は、外部のエネルギまたはコントロールを適用することなく、流体自身によってのみ引き起こされるものである。典型的に、パッシブバルブは、ワンウェイ（ｏｎｅ−ｗａｙ）バルブまたは逆止め（ｎｏｎ−ｒｅｔｕｒｎ）バルブであり、一方向（「前向き（”ｆｏｒｗａｒｄ”）」）だけに流体が流れ得るようにして、かつ、流体が逆流するであろうような圧力の場合には遮断する。
【００１１】
流体デバイスのレイヤは、望ましくは、間に他のさらなる中間レイヤが無く、直接的に重ねられて配置される。一つまたはそれ以上の中間レイヤが存在する実施例も、しかしながら、本発明に含まれるべきものである。
【００１２】
第１および第２の結合レイヤの「開口（”ｏｐｅｎｉｎｇ”）」は、望ましくは、これらのレイヤの切り抜き（ｃｕｔｏｕｔ）である。つまり、全てのレイヤの厚みを通過する穴である。開口は、第１のキャリアレイヤの開口部（ａｐｅｒｔｕｒｅ）およびフレキシブルレイヤにおける貫通穴のサイズより、たいてい大きい。
【００１３】
用語「レイヤ（”ｌａｙｅｒ”）」は、一般的に、自身の厚みより実質的に大きい幅と長さを伴う平坦な形状を有するエレメントまたはユニットを参照する。さらに、厚みは、望ましくは、全てのレイヤにわたり一意的であるが、厚みの変動を伴うレイヤも、本発明に含まれるものである。厚みの変動は、例えば、流体チャンネルまたは処理チャンバといった、流体構造を具現化するために使用され得る。
【００１４】
説明される流体デバイスは、パッシブバルブのシンプルなデザインを提供する利点を有しており、適切な寸法で整列された開口および貫通穴を伴うレイヤのシーケンスだけを必要とするものである。さらに、フレキシブルレイヤの曲げによってバルブ機能が提供される、ここで、このレイヤの曲げ部分は、スペーサとして働いている結合レイヤのおかげで、自身の緩和状態においては隣接するレイヤから離れて配置され得る。このように、緩和したフレキシブルレイヤは接触するレイヤに偶発的には張り付き得ないので、高い信頼性のバルブを達成することができる。張り付きは、正しいバルブ機能を損なわせ得るものである。
【００１５】
以降においては、本発明の種々の望ましい実施例が、より詳細に説明される。
【００１６】
望ましくは、以降における「バルブチャンバ（”ｖａｌｖｅ  ｃｈａｍｂｅｒ”）」と呼ばれるチャンバは、結合レイヤの第１及び/又は第２の開口によって形成される。このバルブチャンバがキャビティを提供するようにであり、その中では、貫通穴（ＴＨ）の周りのフレキシブルレイヤの一部分が移動し得る。
【００１７】
貫通穴、または、いくつか存在する場合には、フレキシブルレイヤの貫通穴のうち少なくとも一つは、上記のバルブチャンバの境界の近くに、望ましくは、配置される。貫通穴は、そして、（隣接するレイヤ間での）フレキシブルレイヤの固定ポイントに近く、貫通穴が実質的に静止していることを暗に示している。
【００１８】
第１のキャリアレイヤの開口部は、望ましくは、上記のバルブチャンバの中心近くに配置される。つまり、第１の結合レイヤにおける第１の開口、及び/又は、第２の結合レイヤにおける第２の開口に対するものである。このポイントにおいて、フレキシブルレイヤは、（第１のキャリアレイヤに向かう）曲げ移動のための最大の自由度を有し、そして、従って、最も容易に開口部に到達し、閉鎖することができる。従って、通路における流体流れ（ｆｌｕｉｄ  ｆｌｏｗ）を中断する。
【００１９】
第１のキャリアレイヤにおける開口部によって提供される（第１の）通路は、たいてい、貫通穴およびパッシブバルブの後のいくつかの「第２の通路」によって継続される。そうした第２の通路を具現化する一つの可能性は、第２のキャリアレイヤにおける貫通穴の提供である。パッシブバルブを通過した流体のさらなる移動と処理が、次に、第２のキャリアレイヤの下流側において生じる。
【００２０】
別の実施例においては、第２の通路が、フレキシブルレイヤにおける開口部によって提供されてよい（ここで、用語「開口部（”ａｐｅｒｔｕｒｅ”）」は、このコンポーネントをフレキシブルレイヤの貫通穴と区別するために選定されたものであり、技術的には、「貫通穴（”ｔｈｒｏｕｇｈ−ｗｈｏｌｅ”）」と「開口部」との間に実質的な差異はない）。この開口部を通じて、フレキシブルレイヤの貫通穴を通過した流体は戻ることができ、流体の処理がフレキシブルレイヤの一方の側において実質的に生じるデザインができる。
【００２１】
一般的に、流体デバイスのレイヤは、目的に適した手近なあらゆる材料から作られてよい。ガラスまたはＳｉといったものであるが、コストと製造の理由のため、ポリマーが好まれる。第１のキャリアレイヤ及び/又は第２のキャリアレイヤは、例えば、ポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、及び/又はポリカーボネイト（ＰＣ）からなるグループから選択された材料を含んでよい。加えて、ＰＰ、ＰＥ、およびポリエステルが使用され得る。
【００２２】
それらの名前が示すように、結合レイヤは、典型的に、２つのレイヤを相互に接続するために使用され、その間にいくつかの空間を提供する。従って、第１の結合レイヤ及び/又は第２の結合レイヤは、望ましくは、感圧接着剤または両面テープを含んでよい。典型的に、結合レイヤは、ポリマーキャリア（ポリエステル、ポリエチレン、ポリオレフィン、ポリウレタンといったもの）、もしくは、アクリル系接着剤、エポキシ接着剤、またはシリコンゴムといった接着レイヤに加えて、アルミフォイル（Ａｌ−ｆｏｉｌ）でさえ、有してよい。
【００２３】
フレキシブルレイヤは、バルブチャンバにおいて要求される曲げができるのに十分な柔軟性と弾性を有する材料によって作られる。フレキシブルレイヤは、ＴＰＥ（熱可塑性エラストマー）またはラテックス（ｌａｔｅｘ）といった、柔軟性のあるゴムを含んでよい。
【００２４】
流体デバイス全体は、典型的に、単なるパッシブバルブよりも多くのユニットとエレメントを含んでいる。例えば、さらなるパッシブおよびアクティブバルブ、ポンピングエレメント、チャンネル、チャンバ、流体のインレットとアウトレット、等を含んでよい。望ましい実施例においては、上述のような種類のパッシブバルブを２つまたはそれ以上含んでおり、バルブは、キャリアレイヤ、結合レイヤ、およびフレキシブルレイヤからなるグループのうち少なくとも一つのレイヤを共有する。少なくとも一つ以上のパッシブバルブ（レイヤの平面における異なる場所にあるもの）の構成のためにこれらのレイヤうちの少なくとも一つを使用することにより、特に経済的なデザインができる。
【００２５】
上記の実施例の望ましい変形においては、レイヤの異なる場所で、同一のキャリアレイヤ、結合レイヤ、およびフレキシブルレイヤによって少なくとも２つのパッシブバルブが形成されている。このように、所与の一式のレイヤは、求められる数量のパッシブレイヤを生成するように最適に活用される。行われることを要する全てのことは、レイヤに、適切な通路、開口部、貫通穴、および、開口を備えることであり、それらは、要求されるパッシブバルブを構成するように、異なる場所において整列されている。
【００２６】
流体デバイスは、流体のためのインレットとアウトレットを有するポンピングチャンバを伴うアクティブバルブを追加的に含んでいる。ここで、チャンバのボリュームは、コントロール可能に変化され得る（拡大および縮小）。「アクティブバルブ（”ａｃｔｉｖｅ  ｖａｌｖｅ”）」という名前が示すように、ボリュームの変化が、典型的には、バルブエレメント上に作用するいくらかの外部の力またはエネルギを適用することによって引き起こされるものである。ポンピングチャンバのボリュームのコントロールされた変化は、流体デバイスを通じて流体を活発にポンプするために使用され得る。
【００２７】
上記の実施例においては、上述のような種類の第１のパッシブバルブがアクティブバルブの上流に配置され、かつ、上述のような種類の第２のパッシブバルブがアクティブバルブの下流に配置される。これらのパッシブバルブの適切な方向（つまり、流れ通過の方向）を用いて、ポンピングチャンバが拡大されるときには流体の流入（ｉｎｆｌｏｗ）のために第１のパッシブバルブを解放し、一方で、第２のパッシブバルブが、同時に流出（ｏｕｔｆｌｏｗ）を遮断することが達成され得る。ポンピングチャンバのボリュームが減少している最中に、パッシブバルブにわたる圧力差において変化し、解放状態に関する反転を引き起こしている。こうして、流体の流出を許すように第２のパッシブバルブを開き、一方で、ポンピングチャンバへの流入を防ぐように第１のパッシブ部バルブを閉じる。まとめると、第１のパッシブバルブ、アクティブバルブ、および第２のパッシブバルブの構成は、一つのアクティブエレメントを使用するだけで、シンプルなデザインを用いた機能的なポンピングユニットを具現化する。
【００２８】
アクティブバルブは、多くの異なる方法において具現化され得る。望ましい実施例においては、ポンピングチャンバの少なくとも一つの境界がフレキシブルウォール（ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｗａｌｌ）によって形成される。フレキシブルウォールの内向き又は外向きの曲げは、次に、ポンピングチャンバのボリュームを変化させることができ、一方で、気密性を同時に維持している。フレキシブルウォールは、典型的に、フレキシブルレイヤと同一の材料から具現化され得るものである。
【００２９】
アクティブバルブの上記のフレキシブルウォールは、望ましくは、流体デバイスの外側と通じており、かつ、圧力コントローラに接続され得る。任意の圧力が、次に、ユーザのコントロールの下で、フレキシブルウォールのこの側に対して適用され、望むようにフレキシブルウォールはたわむことができる。
【００３０】
望ましい実施例において、ポンピングチャンバのフレキシブルウォールは、パッシブバルブのフレキシブルレイヤの一部分によって構成されている。これにより、レイヤの総数が少ない経済的なデザインができる。最も望ましくは、一つのフレキシブルレイヤの異なる部分が、２つのパッシブバルブとアクティブバルブにおいて使用され得る。
【００３１】
別の望ましい実施例においては、アクティブバルブのポンピングチャンバが、関連するパッシブバルブのキャリアレイヤ、結合レイヤ、およびフレキシブルレイヤとは異なるレイヤにおいて形成される。このように、ポンピングチャンバのサイズは、パッシブバルブのサイズとは独立して選定され得るものであり、特には大きなポンピングボリュームのデザインができる。
【００３２】
独立した態様に従って、本発明の一つの実施例は、レイヤのスタック（上記の流体デバイスといったものであり、他のデザインのデバイスにおけるものでもよい）からなる流体デバイスに関する。流体デバイスは、以下のものを含んでいる。
−ポンピングチャンバを有するアクティブバルブであり、ポンピングチャンバのボリュームがコントロール可能に変更され得るもの、
−ポンピングチャンバの中への流体の流入だけが許されるように構成された、第１のパッシブ逆止め（ｎｏｎ−ｒｅｔｕｒｎ）バルブ、
−ポンピングチャンバ（ＰＣ）からの流体の流出だけが許されるように構成された、第２のパッシブ逆止め（ｎｏｎ−ｒｅｔｕｒｎ）バルブ、である。
【００３３】
さらに、流体デバイスは、第１および第２のパッシブ逆止めバルブが形成されているレイヤとは異なるレイヤにおいてポンピングチャンバが形成されるように、デザインされている。
【００３４】
パッシブバルブを一方の手の側に、そして、アクティブバルブ（のポンピングチャンバ）を異なるレイヤにおいて他方の手の側に配置することによって、それらのレイヤでの（ｉｎ−ｌａｙｅｒ）サイズは、お互いに独立して選定され得る。これにより、小さいカートリッジのフットプリント用いた特にコンパクトなデザインができる。
【００３５】
本発明は、さらに、上述のような種類の流体デバイスを製造するための方法の一つの実施例に関する。方法は、以下のステップを含んでおり、リストされた、または、他の適切な順序において実行され得るものである。
−第１のキャリアレイヤにおいて開口部を切り出すステップと、
−第１および第２の結合レイヤのうち少なくとも１つにおいて開口を切り出すステップと、
−フレキシブルレイヤにおいて貫通穴を切り出すステップと、
−切り出されたレイヤをお互いの上にラミネートするステップと、を含む。
【００３６】
流体デバイスのデザインにより、このように、コスト効率のよい大量生産ができる。いくつかのレイヤを適切に切り出すこと、および、これらのレイヤをお互いの上に適当なアライメント（ａｌｉｇｎｍｅｎｔ）で後にラミネートすることだけを必要とするからである。
【００３７】
追加的または代替的に、流体デバイスの少なくとも一つのいくつかの部分は、射出成形（ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ  ｍｏｌｄｉｎｇ）によって生産されてよい。さらに、隣接するレイヤは、中間の結合レイヤ以外の手段によって取付けられてよい。例えば、レーザー溶接によるものである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
本発明に係るこれら及び他の態様は、以降に説明される実施例から明らかになり、かつ、実施例を参照して理解される。
【図１】図１は、本発明の一つの実施例に従って、第１のマイクロ流体デバイスのレイヤを通じた断面を模式的に示しており、デバイスは、２つのパッシブバルブの間にアクティブバルブを含んでいる。
【図２】図２は、第１のマイクロ流体デバイスへの流体の流入を示している。
【図３】図３は、第１のマイクロ流体デバイスからの流体の流出示している。
【図４】図４は、第２のマイクロ流体デバイスを示しており、第２のパッシブバルブのデザインが変更された第１のマイクロ流体デバイスに対応するものである。
【図５】図５は、拡大されたバルブチャンバを用いるパッシブバルブを含んでいる第３のマイクロ流体デバイスを示している。
【図６】図６は、第４のマイクロ流体デバイスを示しており、そこでは、アクティブバルブのフレキシブルな壁が、パッシブバルブの第２のキャリアレイヤを同時に構成している。
【図７】図７は、第５のマイクロ流体デバイスを示しており、そこでは、フレキシブルレイヤが、流体が通過し得る開口部を有している。
【図８】図８は、第６のマイクロ流体デバイスの斜視図である。
【図９】図９は、第６のマイクロ流体デバイスの斜視図である。
【図１０】図１０は、第７のマイクロ流体デバイスを示しており、そこでは、アクティブバルブとパッシブバルブが共通のフレキシブルレイヤを共有している。  類似の参照番号または１００の整数倍により異なる数字は、図面において同一または類似のコンポーネントを参照するものである。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
本発明の実施例が、カートリッジにおける流体の移送に関して、以降において説明される。例えば、生物医学的なアプローチにおいて使用されるものである。こうしたカートリッジにおける移送は、直列した３つのアクティブバルブを使用するペリスタルティックポンピング（ｐｅｒｉｓｔａｌｔｉｃ  ｐｕｍｐｉｎｇ）によって行われ得る。それぞれのバルブを空気圧で駆動することによって、解放およびク閉鎖され得るものである。カートリッジ上で典型的な生化学的プロセスを実行するために必要とされる多数の移送ステップのためには、多数のそうしたバルブが必要とされ、それぞれのバルブは、空気圧起動とデジタル出力チャンネルを要するものである。制限されたスペースおよび制限された出力チャンネルの量のため、統合され得る移送ステップには最大量が存在する。従って、さらなる統合の改善が必要とされる。
【００４０】
これらの問題を取り扱うために、アクティブバルブの前と後の２つの逆止め（ｎｏｎ−ｒｅｔｕｒｎ）バルブを組み合わせて、アクティブバルブを一つだけ駆動する手段によって流体をポンプすることが、ここにおいて提案される。アクティブバルブを駆動することによって、２つのパッシブ逆止めバルブも、また、流体の流れによって駆動される。ポンプメカニズムは、望ましくは、スタックされ／ラミネートされた（ｓｔａｃｋｅｄ／ｌａｍｉｎａｔｅｄ）カートリッジ技術においてデザインされる。デザインにおける一つの態様は、途中でアクティブバルブに対してメンブレイン（ｅｍｂｒａｎｅ）が接続されているパッシブバルブと、入力と出力のチャンネルとの間の非対称性である。この非対称性を用いて、ポンピングのために必要な反対側の移動が獲得され得る。
【００４１】
図１は、本発明の第１の実施例に従って、マイクロ流体デバイス１００を模式的に示している。以降において説明される全てのマイクロ流体デバイスは、一連のキャリアレイヤ（ｃａｒｒｉｅｒ  ｌａｙｅｒ）を含むデザインを有している。キャリアレイヤは、例えば、ＰＭＭＡでできており、それぞれのキャリアレイヤは、レイヤのスタックにおける位置（上面から開始するもの）を示す数字を伴って、小文字”ａ”によって図面において示されている。第１のマイクロ流体デバイス１００は、例えば、３つのキャリアレイヤａ１、ａ２、およびａ３を有している。キャリアレイヤは、典型的には、約０．１ｍｍと約１０ｍｍの間の範囲の厚みを有している。望ましくは、約０．５ｍｍと約６ｍｍの間、もしくは、約１ｍｍと約４ｍｍの間である。キャリアレイヤにおいて、穴、開口部、またはリセスが提供される。流体チャンネル、チャンバ、等といった、マイクロ流体構造体の実施のために望まれるようにである。
【００４２】
マイクロ流体デバイスは、さらに、フレキシブル（ｆｌｅｘｉｂｌｅ）レイヤを含む。フレキシブルレイヤは、レイヤのスタックにおける位置を示す数字を伴って、小文字”ｃ”によって図面において示されている。マイクロ流体デバイス１００は、例えば、２つのフレキシブルレイヤｃ１（ａ２とａ３の間のもの）およびｃ２（デバイスの底面側のもの）を含んでいる。フレキシブルレイヤは、例えば、ＰＰバイアス上のオレフィンのエラストマーといった、フレキシブルなゴムから成ってよい。
【００４３】
さらに、結合（ｂｉｎｄｉｎｇ）レイヤが、上記のキャリアレイヤとフレキシブルレイヤのうちのそれぞれ２つの間に提供される。結合レイヤは、スタックにおける位置に対応している数字を伴って、小文字”ｂ”によって示されている。結合レイヤは、両面テープまたは感圧接着剤によって構成されてよい（ポリエステル製キャリアを用いるもの、例えば、日東電工の５０１５Ｐ）。
【００４４】
マイクロ流体デバイス１００は、このように、以下の順序で構成されたレイヤ（上面からのもの）を含んでいる。ａ１−ｂ１−ａ２−ｂ２−ｃ１−ｂ３−ａ３−ｂ４−ｃ２
【００４５】
図１は、さらに、流路において直列に配置された３つのバルブを示している。つまり、
−第１のパッシブバルブ、一般的な参照記号「ＰＶ」と個々の参照記号「１２０」によって示されているもの
−アクティブバルブ、一般的な参照記号「ＡＶ」と個々の参照記号「１１０」によって示されているもの
−第２のパッシブバルブ、「ＰＶ」と「１３０」によって示されているもの
である。
【００４６】
第１のパッシブバルブ１２０のデザインが、これからさらに詳しく説明される。大文字を用いた一般的な参照記号は、この目的のために使用され、パッシブバルブの一般的な態様を強調している（個々のバルブの構造的コンポーネントは、スタックの異なる個々のレイヤによって実現され得る）。第１および第２のパッシブバルブＰＶは、以下のコンポーネントのシーケンスを含んでいる。
ａ）第１のキャリアレイヤＣＬ１であり、流体流れのための第１の通路Ｐ１を提供する開口部を含んでいる。開口部は、いくつかのチャンネル又は類似のものにおいて、上流側へ続いているが、このコンテクトにおいては特別な興味ではない。
ｂ）第１の結合レイヤＢＬ１であり、大きな開口を有し、その中心に通路Ｐ１に係る開口部が配置されている。
ｃ）貫通穴ＴＨを有するフレキシブルレイヤＦＬ。
ｄ）第２の結合レイヤＢＬ２であり、第１の結合レイヤにおける第１の開口部に実質的に対応している第２の大きな開口を有している。結合レイヤにおける第１および第２の開口は、バルブチャンバＶＣを共に構成しており、そこでは一片のフレキシブルレイヤＦＬが束縛されずに吊るされており、この一片の中央部分は曲がることができる。フレキシブルレイヤＦＬの貫通穴ＴＨは、望ましくは、バルブチャンバの境界に近く配置され、実質的に静止していることを保証している。
ｅ）第２のキャリアレイヤＣＬ２。
【００４７】
第２の通路Ｐ２は、第２の結合レイヤＢＬ２における第２の開口部、つまり、バルブチャンバＶＣと、流体連結（ｆｌｕｉｄ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）している。この実施例において、第２の通路Ｐ２は、第２のキャリアレイヤＣＬ２における開口部によって具現化されている。
【００４８】
第２のパッシブバルブＰＶ１３０は、実質的に同一のデザインである。上記のコンポーネントは、しかしながら、反対称関係（ａｎｔｉ−ｓｙｍｍｅｔｒｉｃ）に配置されている。第２のパッシブバルブ１３０は、このように、以下のレイヤのシーケンスを有している。
−第１のキャリアレイヤ  ａ３、
−第１の結合レイヤ  ｂ３、
−フレキシブルレイヤ  ｃ１、
−第２の結合レイヤ  ｂ２、
−第２のキャリアレイヤ  ａ２。
【００４９】
図１は、さらに、第１のパッシブバルブ１２０と第２のパッシブバルブ１３０との間の流路の中に配置されているアクティブバルブＡＶ（または１１０）を示している。アクティブバルブＡＶは、ポンピングチャンバＰＣに係る一つの境界を成すフレキシブルウォール（ｆｌｅｘｉｂｌｅ  ｗａｌｌ）ＦＷを含んでいる。ポンピングチャンバＰＣは、流体の流入のためのインレットＩＬと流出のためのアウトレットＯＬを有している。ここで、インレットＩＬは、同時に、第１のパッシブバルブ１２０の第２の通路Ｐ２であり、かつ、アウトレットＯＬは、同時に、第２のパッシブバルブ１３０の第１の通路Ｐ１である。
【００５０】
ポンピングチャンバＰＣのボリューム（ｖｏｌｕｍｅ）は、フレキシブルウォールＦＷの曲げによって拡大または縮小され得る。その曲げは、圧力源ＰＳからの適切な正圧Ｐｐｏｓまたは負圧Ｐｎｅｇを適用することによって、コントロール可能に引き起こされ得る。
【００５１】
図２は、圧力源ＰＳが、例えば、マイクロ流体デバイス１００を支えるテーブルＴにおいて配置され、かつ、いくつかの真空結合（ｖａｃｕｕｍ  ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ）によってフレキシブルウォールＦＷに対して接続され得ることを示している。さらに、図面は、ワンストロークポンプ（ｏｎｅ  ｓｔｒｏｋｅ  ｐｕｍｐ）ＰＶ−ＡＶ−ＰＶのオペレーションの第１のフェイズを示している。第１のパッシブバルブ１２０、アクティブバルブ１１０、そして第２のパッシブバルブ１３０のシーケンスによって構成されるものである。この第１のフェイズの最中には負圧Ｐｎｅｇ（デバイス１００における流体の圧力に関するもの）が、フレキシブルウォールＦＷの外側において適用され、この壁の外向きの曲げを引き起こしている。ポンピングチャンバＰＣのボリュームが、このように、増加され、そして、その中の圧力は低減されて、第１および第２のパッシブバルブ１２０、１３０におけるフレキシブルレイヤの下向きの曲げを引き起こす。第１のパッシブバルブ１２０において、この下向きの曲げは、このバルブに係る第１の通路Ｐ１と第２の通路Ｐ２との間の流体連結を遮断することはない。流体の流入Ｉは、従って、第１の通路を通じて進入し、そして、ポンピングチャンバＰＣへ通過する。第２のパッシブバルブ１３０においては、フレキシブルレイヤの下向きの曲げは、代わりに、このバルブの第１の通路、アクティブバルブＡＶのアウトレットと同一のもの、を閉鎖する。このことは、第２のバルブ１３０を通じたポンピングチャンバＰＣへの流体の進入を防止する。まとめると、左の逆止めバルブ１２０が開き、かつ、右の逆止めバルブ１３０が閉じる（これらのバルブ間の非対称性によるもの）、そして、結果として、ポンピングチャンバＰＣは、ワンストロークポンプの入力からの流体で満たされる。
【００５２】
図３は、次のフェイズを示しており、そこでは、正圧Ｐｐｏｓ（デバイス１００における流体の圧力に関するもの）が、フレキシブルウォールＦＷの外側において適用される。フレキシブルウォールは、従って、内向きに曲がり、このように、ポンピングチャンバＰＣのボリュームが低減し、そして、その中の圧力が増加している。このことは、パッシブバルブにおけるフレキシブルレイヤの上向きの曲げを引き起こす。ここで、第１のパッシブバルブ１２０におけるフレキシブルレイヤＦＬの上向きの曲げは第１の通路Ｐ１を閉鎖し、そして、このように、この通路への流体の再流し込み（ｒｅｆｌｏｗ）を防止する。第２のパッシブバルブ１３０においては、フレキシブルレイヤの上向きの曲げは、代わりに、このバルブの第１の通路と第２の通路との間の連結に影響しない。従って、アクティブバルブＡＶのポンピングチャンバＰＣからの流体は、第２のパッシブバルブ１３０を通過することができ、そして、流出Ｅとしてワンストロークポンプを離れる。まとめると、左の逆止めバルブ１２０が閉じ、かつ、右の逆止めバルブ１３０が開く、そして、結果として、ポンピングチャンバＰＣは空にされ、かつ、流体が、右の逆止めバルブを介して、ワンストロークポンプの出力へと圧力がかけられる。
【００５３】
他のデザインにおいては、ポンピングのために３つのバルブが使用され、真空および圧力によって外部から駆動されることを要する。説明されるアプローチにおいては、ただ一つのアクティブバルブＡＶが使用され、圧力（ｐｐｏｓ）と真空（ｐｎｅｇ）によって外部から駆動される。真空と圧力は、装置のテーブルＴを介して適用されてよい。スタックの中央部における２つのパッシブ逆止めバルブＰＶは、アクティブ底部バルブＡＶの動作によって内部的に駆動される。入力から出力への流体流れのためには、アクティブ底部バルブのポンピングチャンバＰＣのボリュームが、２つのパッシブバルブ１２０と１３０を一緒にしたバルブチャンバＶＣのボリュームよりも大きいことが重要である。ポンピングチャンバＰＣのボリュームは、このチャンバを形成する結合レイヤｂ４においてパターン化されている穴の直径と高さによって実現され得る。装置のテーブルＴにおいて穴を作成することも可能であり、これにより、底部の弾力性フォイルｃ２が、大きなポンピングボリュームを作成するために下向きに拡張することができる。
【００５４】
流体デバイスに係る説明されたデザインは、多くの方法において変更され得るものである。
【００５５】
図４は、第２のマイクロ流体デバイス２００を示しており、第２のパッシブバルブ２３０に係る第２の通路が別の位置であることを除いて、デバイス１００と同一のものである。第２のパッシブバルブ２３０のコンポーネントは、この図面において一般的な参照記号によって示されている。
【００５６】
図５は、いくつかの追加レイヤを使用する流体デバイス３００を示している。第１のパッシブバルブ３２０と第２のパッシブバルブ３３０のバルブチャンバは、第２の通路でのキャリアレイヤ（つまり、第１のパッシブバルブに対するキャリアレイヤａ３と第２のパッシブバルブに対するキャリアレイヤａ２）における追加のリセス（ｒｅｃｅｓｓ）によって増加されている。さらに、アクティブバルブ３１０のポンピングチャンバが、一つの結合されたインレット／アウトレットのチャンネルＩＬ／ＯＬを介してパッシブバルブに対して接続されている。
【００５７】
図６は、最小限の追加レイヤを使用する流体デバイス４００を示している。底部における、一つの追加テープｂ３および弾性レイヤｃ２だけである。別の言葉で言えば、アクティブバルブＡＶのフレキシブルウォールＦＷは、同時に、パッシブバルブのキャリアレイヤを構成している。本デザインは、さらに、フレキシブルレイヤＦＬにおいて開口部ＡＰを含み、上側に戻る、流体の戻りが可能である。流体は、第１のパッシブバルブ４２０を介して、このレイヤの上側から底側まで通過する。フレキシブルレイヤＦＬにおける第２の開口部ＡＰ’により、上側への流体の第２の戻りが可能であり、他のマイクロ流体構造体へ進められる。
【００５８】
図７も、また、ただ一つの構造化されたキャリアレイヤ（ａ２）を使用する、流体デバイス５００を示している。パッシブバルブ５２０、５３０が、このレイヤの上に今や配置されている。
【００５９】
マイクロ流体デバイス４００と５００においては、一つのキャリアレイヤ（ａ２）だけが構造化されることを必要とされるので、これらのデザインは製造が容易である。
【００６０】
図８と図９は、一つのワンストロークポンプを含むマイクロ流体デバイス６００を通じた断面の異なる斜視図を示している（底部におけるフレキシブルレイヤ／ウォールは描かれていない）。バルブを通る流路が、矢印によって示されている。結合レイヤにおけるそれぞれの開口部によって、円形のバルブチャンバが生成されることが理解され得る。
【００６１】
図１０は、マイクロ流体デバイス７００のさらなる実施例を示している。一連の、第１のパッシブバルブ７２０、アクティブバルブ７１０、そして、第２のパッシブバルブ７３０を伴うものである。上記の実施例とは対照的に、アクティブバルブＡＶのポンピングチャンバのフレキシブルウォールＦＷは、２つのパッシブバルブＰＶにおいても使用されるものと同一のフレキシブルレイヤＦＬによって構成されている。このように、デザインは、最小数量のレイヤを用いて達成され得るものであり、そうしたカートリッジの大量生産の観点で望ましいものである。
【００６２】
上記のマイクロ流体デバイスまたはカートリッジは、ＰＭＭＡ（キャリアレイヤ）、両面接着材／テープ（結合レイヤ）、および弾性メンブレイン（フレキシブルレイヤ）に係るいくつかのレイヤから生成されてよい。望ましい製造方法において、これらのレイヤは、例えば、レーザーカッティングによって、最初にパターン化される。次に、お互いの上にレイヤをラミネーションすることによって、３次元（３Ｄ）のマイクロ流体カートリッジが作成され得る。
【００６３】
追加的または代替的に、マイクロ流体デバイスの少なくともいくつかのコンポーネントは、射出成形によって製造され得る。これは、部分的にキャリアレイヤの案件を参照する。射出成形においては、広い範囲のポリマーが使用され得る（例えば、ＡＢＳ、ＰＳ、ＰＣ、ＰＰ、ＰＥ、ＰＭＭＡ、ＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＥＥＫ、ＣＯＣ、ＣＯＰ、およびＰＯＭ）。射出成形が適用される場合に、キャリアレイヤ間の結合レイヤは、たいてい必要ではない。結合レイヤは、しかしながら、フレキシブルレイヤを取り付けるために必要とされる。追加的または代替的に、フレキシブルレイヤは、レーザー溶接によって隣接するレイヤに対して固着されてよい。
【００６４】
パッシブバルブの使用により、チャンバおよび流体リザーバ間のチャンネルパス（ｐａｔｈ）を低減することができる。パスは、３分の１に低減され得る（例えば、３つのアクティブバルブを用いるデザインにおける約３６ｍｍが、説明したデザインにおいて約１０ｍｍに低減され、典型的なチャンネル寸法に対して、デッドボリューム（ｄｅａｄ  ｖｏｌｕｍｅ）がポンプユニットあたり１．８μｌから０．５μｌへ低減することに対応する）。カートリッジ上での移送のステップの数量が、そして、増加され得る。これによって、流体のデッドボリュームが低減される。少ない量（例えば、約１０μｌ）の流体が移送されることを要する場合には重要なことである。カートリッジの寸法は、必要とされるバルブの全体数量によってほとんど定められる。より少ないバルブが必要である場合には、それに応じてカートリッジ寸法が低減され得る。
【００６５】
まとめると、シングルストロークバルブの実施例が説明されてきており、そこでは、１つのアクティブバルブと２つのパッシブバルブとの組み合わせによってポンピング動作が達成される。バルブ構造体におけるフレキシブルメンブレインの移動の仕方（閉鎖すること）が、２つのパッシブバルブ間での非対称性を作り出すために使用され、１つのアクティブバルブだけを用いてポンピング動作が達成される。つまり、流体は、既定の方向だけに移動する。この技術の利点は、カートリッジサイズのさらなる低減である。より少ないアクティブバルブがポンピングを達成するのに必要とされるからである。従って、同じ領域の中により多くの機能が統合され、及び/又は、「デッドボリューム（”ｄｅａｄ  ｖｏｌｕｍｅ”）」が低減され得る。これは、次のプロセスステップへの、試薬（ｒｅａｇｅｎｔ）の望まれない持ち越し（ｃａｒｒｙ−ｏｖｅｒ）を低減する。これは、典型的には、酵素またはＦＩＳＨプローブといった高価な試薬のコスト削減を結果として生じる。
【００６６】
説明されたポンプは、例えば、ラボオンチップ（ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）デバイスにおいて適用され得る。それらは、レイヤからカートリッジを構築する技術の中に統合され得る。ＰＭＭＡと、両面テープレイヤと、フレキシブルメンブレインレイヤは、レーザー切断され、そして、次に、３次元（３Ｄ）のマイクロ流体カートリッジへと、お互いの上にラミネートされ得る。
【００６７】
図面および上記の説明において、本発明が詳細に示され、かつ、説明されてきたが、そうした図示および説明は、説明的または典型的なものであり、かつ、限定するものではないと考えられるべきである。本発明は、開示された実施例に限定されるものではない。図面、開示、および添付の請求項を研究することから、請求される本発明を実施している当業者によって、開示された実施例に対する他の変形が理解され、かつ、もたらされ得る。請求項において、用語「含む（“ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ“」は、他のエレメントまたはステップを排除するものではなく、不定冠詞「一つの（”ａ“または”ａｎ“）」は、複数を排除するものではない。単一のプロセッサまたは他のユニットは、請求項で述べられる数個のアイテムに係る機能を満たし得る。特定の手段が、お互いに異なる従属請求項の中で引用されているという事実だけでは、これらの手段の組合せが有利に使用され得ないことを示すものではない。コンピュータープログラムは、光記録媒体もしくはハードウェアと供に又はハードウェアの一部として提供される半導体媒体といった、好適な媒体上に記録され／配布され得る。しかし、インターネット、または他の有線もしくは無線の電子通信システムを介するといった、他の形式においても配布され得る。請求項におけるいかなる参照番号も、発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではない。
【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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