(57)【要約】      （修正有）【課題】流体の圧力の大きさに応じて流体の流れを制御することができる、弁部材を備えた流体搬送装置を提供する。【解決手段】流体の流れを制御する弁部材を有する流体搬送装置であって、少なくとも１組の凹部または凸部を備えた流体制御部と、前記凹部または凸部と噛み合うための凸部または凹部を有する前記弁部材とを有し、前記弁部材は前記凹部または凸部が互に噛み合うことで流体制御部に固定され、前記流体の圧力により移動する流体搬送装置。【選択図】        図１ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れを制御する弁部材を有する流体搬送装置であって、少なくとも１組の凹部または凸部を備えた流体制御部と、前記凹部または凸部と噛み合うための凸部または凹部を有する前記弁部材とを有し、前記弁部材は前記凹部または凸部が互に噛み合うことで流体制御部に固定され、前記流体の圧力により移動することを特徴とする流体搬送装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チップ上で化学分析や化学合成を行う小型化分析システム（μ−ＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ  Ｔｏｔａｌ  Ａｎａｌｙｓｉｓ  Ｓｙｓｔｅｍ）において、一定量のサンプルを圧力流により効率良く搬送するための流体搬送装置に関する。さらには、流体の流路に設置して、流体圧力により流体の流れを制御する弁に関するものである。
【０００２】
【背景技術】
近年、立体微細加工技術の発展に伴い、ガラスやシリコン等の基板上に、微小な流路とポンプ、バルブ等の流体素子およびセンサを集積化し、その基板上で化学分析を行うシステムが注目されている。これらのシステムは、小型化分析システム、μ−ＴＡＳあるいはＬａｂ  ｏｎ  ａ  Ｃｈｉｐと呼ばれている。化学分析システムを小型化することにより、無効体積の減少や試料の分量の大幅な低減が可能となる。また、分析時間の短縮やシステム全体の低消費電力化が可能となる。さらに、小型化によりシステムの低価格を期待することができる。μ−ＴＡＳは、システムの小型化、低価格化および分析時間の大幅な短縮が可能なことから、在宅医療やベッドサイドモニタ等の医療分野、ＤＮＡ解析やプロテオーム解析（タンパク質、遺伝子の総合的解析）等のバイオ分野での応用が期待されている。
【０００３】
μ−ＴＡＳでは、流路の寸法は、μサイズとなるため、流路内の流体の流れを制御するには、μサイズの弁が必要である。そのような小型の弁としては、特許文献１に記載されている超小型弁や、特許文献２に記載されている小型電磁弁や、特許文献３に記載されている小型弁が知られている。特許文献１は、熱を用いて弁の開閉を行うものであり、特許文献２や、特許文献３は、バネや電力を用いて弁の開閉を行うものである。
【０００４】
また、マイクロサイズの逆止弁として、サンディア  ナショナル  ラボラトリーズ（非特許文献１）の逆止弁がある。これは、微小流路内に感光性溶液を充填し、逆止弁部を露光、硬化することで、逆止弁を得るものであり、逆止弁にラッチが形成されていない。よって、流体が該微小流路内を双方向に流れる状態において、弁を一定位置に保持しておくことができない。
【０００５】
【特許文献１】
特開平６−２４１３４６号公報
【特許文献２】
特開平１０−１２２４１５号公報
【特許文献３】
特開平１１−２８７３３８号公報
【非特許文献１】
アーネスト  Ｆ  ハッセルブリンク等“Ａｎａｌ．  Ｃｈｅｍ．”Ｖｏｌ．２００２，７４，ｐ４９１３−４９１８
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、弁部材によって流体を制御し得る流体制御部に流入する流体の流体圧力が、例えば一定圧力以下のときは、流体を流し、一定圧力より大きいときは、流体の流れを止めるような、流体の圧力の大きさに応じて流体の流れを制御することができる、弁部材を備えた流体搬送装置を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するための本発明の液体搬送装置は、流体の流れを制御する弁部材を有する流体搬送装置であって、少なくとも１組の凹部または凸部を備えた流体制御部と、前記凹部または凸部と噛み合うための凸部または凹部を有する前記弁部材とを有し、前記弁部材は前記凹部または凸部が互に噛み合うことで流体制御部に固定され、前記流体の圧力により移動することを特徴とする流体搬送装置である。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明の液体搬送装置は、流体の流れを制御する弁部材を有する流体搬送装置であって、少なくとも１組の凹部または凸部を備えた流体制御部と、前記凹部または凸部と噛み合うための、凸部または凹部を有する前記弁部材とを有し、前記弁部材は、前記弁部材の凹部または凸部が前記流体制御部の凸部または凹部と噛み合うことで固定され、前記流体の圧力により移動することを特徴とする。
【０００９】
以下に、ラッチすなわち凹部または凸部を有する流体制御部、前記凹部または凸部と噛み合うための、凸部または凹部を有する弁部材、およびこれらを備えた流体搬送装置の駆動原理及び作製方法を説明する。
【００１０】
ここで、ラッチとは、例えば凹凸を備えることにより、一方の部材の凹部が他方の部材の凸部と噛み合うことにより、流体の流れを制御する、止め金具のようなもののことを言う。
【００１１】
ラッチ式（歯止めとも言う）弁の駆動原理を図１（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。図１は、本発明のラッチ式逆止弁の構成の一例を示す図である。図１（ａ）は、ラッチ式弁の正面模式図である。図１（ａ）に示すように、弁部材駆動室１０４には、ラッチ弁母材１０２の一部よりなるラッチ１０３が形成されている。また、図１（ａ）の斜視図である図１（ｂ）に示すように、流路▲１▼１０５，流路▲２▼１０６，流路▲３▼１０７および弁部材駆動室上面は、天板１０９で閉じられている（ラッチ式弁の正面模式図には、天板を図示していない）。弁部材駆動室内には、ラッチに引っかかるように弁部材１０１が形成されている。流路▲１▼１０５，流路▲３▼１０７は、流路システムの流路とつながるか、流体の廃棄口へとつながっている。
【００１２】
流体を流路▲１▼１０５から流すと、流体流れ１０８ａ〜ｅが発生する。このとき弁部材は、ラッチにより保持されている。一方、流体流れ１０８ａ〜ｅよりも流速の速い（圧力の高い）流体流れ１１０ａ〜ｄを与えると、弁部材はラッチ部で保持しきれず、図１（ｃ）のように弁部材駆動室の端まで移動する。そして、流路▲３▼への流体流れを止める。即ち、弁として機能する。
【００１３】
なお、凹部または凸部を備えた流体制御部は、図１において弁部材駆動室１０４の部分を表わす。
【００１４】
ラッチ式弁の形状は、図２にしめすように、弁部材を凸形状とし、ラッチ２０１を形成してもよい。
【００１５】
また、図３（ａ），（ｂ）に示すように、ラッチ▲１▼３０１を形成することで、流体圧力３０３（低圧力）では、流体は流れないようにできる。流体流れ３０３よりも流体圧力の高い（中圧力）流体流れ３０４ａ〜ｄを与えることで、弁部材をラッチ▲２▼３０２の位置まで動かすことができ、流体を流すことができる。更に、流体流れ３０４ａ〜ｄよりも流体圧力の高い（高圧力）流れを与えることで、図１（ｃ）と同様に、弁部材を弁部材駆動室の端まで移動させることができるので、流体を流れないようにできる。この場合、低圧力、中圧力、高圧力は相対的圧力である。この場合、ラッチ▲２▼３０２寸法（出っ張り量）は、ラッチ▲１▼３０１の寸法（出っ張り量）よりも大きい。
【００１６】
ラッチ式逆止弁の駆動原理を図４（ａ）〜（ｃ）を用いて説明する。低圧力の流体を流したくない場合、図４（ａ）に示すように、ラッチ４０２を形成することで、流体流れ４０３（低圧力）では、流体は流れないようにできる。流体圧力４０３よりも流体圧力の高い（中圧力）流体流れ４０４ａ〜ｅを与えると、弁部材４０１を弁部材駆動室の端まで動かすことができるので、流体を流すことができる。更に流体流れ４０４ａ〜ｅよりも流体圧力の高い（高圧力）流れを与えても、これ以上弁部材は動かないので、流体は流れつづける。
【００１７】
一方、図４（ｃ）に示すように、すくなくとも中圧力以上の圧力を有する流体流れ４０５ａ〜ｅを与えると、弁部材は、弁部材駆動室のもう一方の端まで移動し、流体流れを止める。即ち、逆止弁として機能する。この場合、低圧力、中圧力、高圧力は相対的圧力である。
【００１８】
ラッチの形状は、三角形以外の他の多角形で形成してもよいし、曲線をともなう形状としてもよい。弁部材がラッチ上を通過するときに、ラッチが破損するような構成とする（例えば、ラッチの根元を細くする）ことで、例えば、図４（ｃ）の位置に弁部材を戻すときにラッチは既に破損して、その場に無いので、低圧力で弁を図４（ａ）位置にもどすことができる。
【００１９】
ラッチの寸法は、おおきくなるほど弁部材を保持しやすい。また、ラッチの個数は、多くなるほど弁部材を保持しやすい。よって、ラッチの寸法または、ラッチの個数を制御することで、弁の開閉を制御できる。
【００２０】
上記、ラッチ式弁をそなえる流路システムの一例を図５に示す。流路システム５０１は、端部に液溜５０２〜５０５が形成された流路▲１▼５０６，流路▲２▼５０７よりなる。流路▲１▼と流路▲２▼は交差する構成となっており、流路交差部５０８が形成されている。流路▲１▼には、図５に示すように、ラッチ式弁▲１▼５０９，ラッチ式弁▲２▼５１０が形成されている。流路▲２▼には、カラム５１１が形成されている。
【００２１】
図５で示した流路システムの測定原理を図６（ａ）〜（ｃ）をもちいて説明する。液溜５０２より試料６０１を導入し、電気浸透流により、流路▲１▼内に試料を導入する。このとき、流路▲１▼，流路▲２▼内には、試料を流すための媒体が予め導入されている。試料が流路交差部を通過したら、液溜５０４よりポンプ等を用いて圧力を与える。すると、ラッチ式弁▲１▼，ラッチ式弁▲２▼はポンプ等の圧力により弁を閉じる。流路交差部の試料は、ポンプ等の圧力により流路▲２▼を通って運ばれる（試料塊６０２が形成される）。試料塊がカラムに達すると、試料内の種種の物質が分離され、種種の分離試料６０３が得られる。種種の分離試料を測定装置６０４で測定し、試料の物性や組成等を分析できる。
【００２２】
この場合、電気浸透流を用いる場合よりも、ポンプ等を用いる場合の方が流体を流すための圧力が高い。
【００２３】
次に、ラッチ式弁の作製方法を説明する。
先ず、ラッチ式弁母材の加工方法を説明する。未加工のラッチ式弁母材表面に流路，弁部材駆動室，ラッチとなる部分をマスク層を用いてパターニング、開口形成する。開口部より露出したラッチ式弁母材をエッチングし、流路，弁部材駆動室，ラッチとなる部分を形成する。
【００２４】
パターニングには、フォトリソグラフィー法，シルクスクリーン法，メタルマスク等を用いることができる。
【００２５】
また、ラッチ式弁母材の材質に合わせてエッチングをおこなう。エッチング方法としては、ウエットエッチング、プラズマエッチング、スパッタエッチング、反応性イオンエッチング、イオンミーリング、エキシマレーザーやＹＡＧレーザー等を用いたレーザーアブレイション、サンドブラスト等の何れかを用いることができる。
【００２６】
ラッチ式弁母材の材料としては、ガラス，シリコン，樹脂等を用いることができる。樹脂などの有機系材料を用いる場合、もしくはガラスを用いる場合、流路，弁部材駆動室，ラッチとなる部分が凸状に形成された金型を用いるインジェクション法，プレス法，モールド法などの複製方法で、安価かつ大量に作製できる。
【００２７】
天板の材料としては、ガラス，シリコン，樹脂等を用いることができる。ラッチ式弁母材と天板の材質に応じて、接着方法は選択できる。接着方法としては、接着剤や、陽極接合や、熱，化学薬品を用いる融着等を用いることができる。
【００２８】
弁部材の作製方法を説明する。弁部材は、感光性材料を用いる光硬化により形成することができる。感光性材料を弁部材駆動室内に充填し、任意の領域をフォトマスク等を用いて露光することで、弁部材を作製することが可能である。
この場合、任意の領域が露光可能なので、弁部材の形状を“ロ”の字形状の中抜き形状とし、弁部材の柔軟性を高めることも可能である。
【００２９】
材料としては、モノマーと重合開始剤と溶媒よりなる混合溶液を用いることができる。二重結合を複数箇所に有するモノマー等を複数種類用い、モノマー同士を３次元の網の目状に結合させることで、弁部材を作製できる。また、溶媒の添加量によって３次元の網の目形状を変化させることができるので、弁部材の弾性等の物性を制御することも可能である。弁部材は、ラッチ上を通過するときに、一部の形状が変形する必要がある。よって、弁部材が再度、ラッチと噛み合うには、弾性があることが望ましい。弁材料が塑性変形する材料であっても、弁、もしくは逆止弁としての機能を果たすことは可能である。
【００３０】
また、モノマーにフッ素を含む分子を用いることで、弁部材に耐薬品性をもたせることができる。
【００３１】
また、重合開始剤は光に反応するので、露光領域に応じた弁部材形状を得ることができる。
弁部材の材料としては、モノマー材料は、例えば１，３−ブタンジオールジアクリレート、トリフルオロエチルアクリレート等、溶剤は、例えば２−メトキシエタノール、１，４−ジオキサン、ＴＲＩＳ  バッファ等、光増感剤は、例えばＡＩＢＮ（アゾビスイソブチロニトリル）等を用いることができる。
【００３２】
本実施形態のラッチ式弁は、流路システムを作製するために流路を掘るときに同時に作製でき、弁部材は、モノマー溶液を充填し所望の部位のみを露光することで作製できるので、弁を非常に安価に作製できる。また、弁の設計が非常にシンプルなので、小型化に優れている。また、流路システムに直接設置できるので、弁の取り付けのわずらわしさがない。
【００３３】
【実施例】
以下、実施例に沿って本発明を更に詳細に説明する。
【００３４】
実施例１
本実施例にて、本発明のラッチ式弁の第１の作製方法を説明する。
基板としてシリコン単結晶基板を用いる。基板の片面にフォトレジストを用いるフォトリソグラフィー法を用いて、流路，弁部材駆動室，ラッチのパターンを形成する。パターンより露出した基板を反応性イオンを用いるドライエッチングにてエッチングし、溝を形成する。フォトレジストをＯ２  プラズマを用いてアッシングする。
【００３５】
基板の溝形成面にガラスよりなる天板を被せ、熱と電圧を印加し、基板とガラスを陽極接合する。
弁部材を形成するためのモノマー溶液を調整する。溶液は、例えば、１，４−ブタンジオールジアクリレート、１，３−ブタンジオールジアクリレート等の２つの二重結合を有するアクリル酸と、１つの二重結合を有するアクリル酸、有機溶媒、重合開始剤としてＡＩＢＮ（２，２‘−アゾビスイソブチロニトリル）を適量混合する。
【００３６】
モノマー溶液を流路，弁部材駆動室内に充填する。ガラス上に弁部材のパターンが開口しているフォトマスクを置き、該開口部よりモノマー溶液を露光する。露光には、紫外線を用いる。
弁部材形成後、残りのモノマー溶液を有機系の洗浄液で除去し、流路，弁部材駆動室内を洗浄することで、ラッチ式弁を形成する。
【００３７】
上記、ラッチ式弁の溝は、流路システム用の溝を掘る際に、同時に形成することが可能である。弁部材は、モノマー溶液を充填，露光，除去することで作製できるので、簡便かつ安価に作製できる。ラッチと、流路の構成により、上記の弁としての機能を持たせることができる。
上記方法により作成された流体搬送装置を用いて流体を流したところ、弁部材は有効に機能した。
【００３８】
実施例２
本実施例にて、本発明のラッチ式弁の第２の作製方法を説明する。
基板としてシリコン単結晶基板を用いる。基板の片面にフォトレジストを用いるフォトリソグラフィー法を用いて、流路，弁部材駆動室，ラッチのパターンを形成する。基板のもう一方の面にも、フォトレジストを成膜し、エッチングから保護する。パターンより露出した基板を、フッ酸，硝酸，酢酸よりなる混合液を用いる等方エッチングにてエッチングし、半球状の溝を形成する。両面のフォトレジストをＯ２  プラズマを用いてアッシングする。以下、第１実施例と同じである。
【００３９】
上記方法により作成された流体搬送装置を用いて流体を流したところ、弁部材は有効に機能した。
【００４０】
実施例３
本実施例にて、本発明のラッチ式弁の第３の作製方法を説明する。
基板としてガラス基板を用いる。基板の片面にフォトレジストを用いるフォトリソグラフィー法を用いて、流路，弁部材駆動室，ラッチのパターンを形成する。基板のもう一方の面にも、フォトレジストを成膜し、エッチングから保護する。パターンより露出した基板をフッ酸をもちいてエッチングし、半球状の溝を形成する。両面のフォトレジストをＯ２  プラズマを用いてアッシングする。
【００４１】
基板の溝形成面にガラスよりなる天板を被せ、熱で融着する。以下、第１実施例と同じである。
上記方法により作成された流体搬送装置を用いて流体を流したところ、弁部材は有効に機能した。
【００４２】
次に、本発明の流体搬送装置の好ましい実施態様を示す。
第一の実施態様は、前記流体制御部の凹部または凸部が複数組あることが好ましい。
第二の実施態様は、前記弁部材の凹部または凸部が、複数組あることが好ましい。
第三の実施態様は、前記流体制御部または前記弁部材の凸部が、移動時に破損することが好ましい。
第四の実施態様は、前記弁部材は、逆止弁であることが好ましい。
【００４３】
また、本発明は、流体の流れを制御するための弁部材であって、前記弁部材は、少なくとも１組の凹部または凸部を有することを特徴とする弁部材である。
【００４４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の流体搬送装置は、流入する流体の圧力の大きさにより、流体の流れを制御することが可能となる効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】本発明のラッチ式逆止弁の構成の一例を示す図である。
【図１ｂ】本発明のラッチ式逆止弁の構成の一例を示す図である。
【図１ｃ】本発明のラッチ式逆止弁の構成の一例を示す図である。
【図２】本発明のラッチ式逆止弁の構成の一例を示す図である。
【図３ａ】本発明のラッチ式逆止弁の構成の一例を示す図である。
【図３ｂ】本発明のラッチ式逆止弁の構成の一例を示す図である。
【図４ａ】本発明のラッチ式逆止弁の構成の一例を示す図である。
【図４ｂ】本発明のラッチ式逆止弁の構成の一例を示す図である。
【図４ｃ】本発明のラッチ式逆止弁の構成の一例を示す図である。
【図５】本発明のラッチ式逆止弁を搭載する流体搬送装置の構成の一例を示す図である。
【図６】本発明のラッチ式逆止弁を搭載する流体搬送装置の構成の一例を示す図である。
【符号の説明】
１０１，４０１  弁部材
１０２  ラッチ式弁母材
１０３，２０１，４０２  ラッチ
１０４  弁部材駆動室
１０５，５０６  流路▲１▼
１０６，５０７  流路▲２▼
１０７  流路▲３▼
１０８ａ〜ｅ，１１０ａ〜ｅ，３０３，３０４ａ〜ｅ，４０３，４０４ａ〜ｆ，４０５ａ〜ｅ  流体流れ
１０９  天板
３０１  ラッチ▲１▼
３０２  ラッチ▲２▼
５０１  流路システム
５０２，５０３，５０４，５０５  液溜
５０８  流路交差部
５０９  ラッチ式弁▲１▼
５１０  ラッチ式弁▲２▼
５１１  カラム
６０１  試料
６０２  試料塊
６０３  分離試料
６０４  測定装置
【図１ａ】
2004264218.tif 000003
【図１ｂ】
2004264218.tif 000004
【図１ｃ】
2004264218.tif 000005
【図２】
2004264218.tif 000006
【図３ａ】
2004264218.tif 000007
【図３ｂ】
2004264218.tif 000008
【図４ａ】
2004264218.tif 000009
【図４ｂ】
2004264218.tif 000010
【図４ｃ】
2004264218.tif 000011
【図５】
2004264218.tif 000012
【図６】
2004264218.tif 000013