(57)【要約】【課題】本発明は、微小構造でチップモジュール化することができ、制御が容易で所定の特性を安定して実現でき、搬送力、応答性に優れ、薄型化、繰返し利用できるマイクロポンプと試料処理チップを提供することを目的とする。【解決手段】本発明のマイクロポンプと試料処理チップは、反応チャンバ６に収容され所定圧力のガスを発生する反応剤４と、反応剤４にガスを発生させる反応開始部５と、ポンプチップ１ａに設けられ、発生したガスを反応チャンバ６から連通孔８に導くチャネル７と、反応開始部５の動作を制御する制御部とを備え、発生したガスが流れる流路には、ガスの圧力を検出する圧力センサ３９ａが設けられ、圧力センサ３９ａが検出した信号が中央制御部３１に送られ、中央制御部３１が反応開始部５を信号に基づいて圧力を所定の目標値に近づけるように制御するように構成したものである。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応チャンバが形成されたポンプ構造材と、前記反応チャンバに収容され所定圧力のガスを発生する反応剤と、前記反応剤の側方位置に配設され該反応剤にガスを発生させる反応開始部と、前記ポンプ構造材に設けられ、前記反応剤が発生した所定圧力のガスを前記反応チャンバから吐出口に導くチャネルと、前記反応開始部の動作を制御する制御部とを備えたマイクロポンプであって、
前記チャネルまたは前記反応チャンバには、ガスの圧力または流速を検出する検出手段が設けられ、該検出手段が検出した信号が前記制御部に送られ、前記制御部が前記反応開始部を前記信号に基づいて圧力または流速を所定の目標値に近づけるように制御することを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項２】
前記検出手段が、ガスの圧力を検出する圧力センサもしくはガスの流速を検出するフローセンサであることを特徴とする請求項１記載のマイクロポンプ。
【請求項３】
前記検出手段と前記制御部の少なくともいずれか一方が着脱自在であることを特徴とする請求項１または２記載のマイクロポンプ。
【請求項４】
制御データを格納した記憶部を備え、前記制御部が前記制御データに従って前記反応開始部を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロポンプ。
【請求項５】
反応チャンバが形成されたポンプ構造材と、前記反応チャンバに収容され所定圧力のガスを発生する反応剤と、前記反応剤の側方位置に配設され該反応剤にガスを発生させる反応開始部と、前記ポンプ構造材に設けられ、前記反応剤が発生した所定圧力のガスを前記反応チャンバから吐出口に導くチャネルと、前記反応開始部の動作を制御する制御部とを備えたマイクロポンプであって、
制御データを格納した記憶部を備え、前記制御部が前記制御データに従って前記反応開始部を制御することを特徴とするマイクロポンプ。
【請求項６】
前記制御部が、前記反応開始部に供給する電力と供給時間の少なくとも一方により制御することを特徴とする請求項４または５記載のマイクロポンプ。
【請求項７】
前記反応剤と前記反応開始部の少なくとも一方が小反応剤もしくは小反応開始部にて構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロポンプ。
【請求項８】
前記ポンプ構造材には少なくとも１つ以上のメモリ入力要素手段が設けられ、各小反応剤の使用によって該メモリ入力要素手段のＯＮ信号が入力されるメモリＩＣを備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のマイクロポンプ。
【請求項９】
前記メモリ入力要素手段が、前記反応剤の側に設けられ、前記反応剤の反応によって発生する熱によって断線する抵抗体であることを特徴とする請求項８記載のマイクロポンプ。
【請求項１０】
前記反応開始部は前記反応剤を加熱する加熱手段であり、前記メモリ入力要素手段が、前記反応剤の側に設けられ、前記反応開始部によって加えられる熱によって断線する抵抗体であることを特徴とする請求項８記載のマイクロポンプ。
【請求項１１】
前記メモリ入力要素手段が前記反応剤と電極から構成され、該電極によって通電可能性もしくは抵抗値または誘電率を検出して閾値を越えたときＯＮ信号が前記メモリＩＣに入力されることを特徴とする請求項８記載のマイクロポンプ。
【請求項１２】
前記メモリＩＣが前記ポンプ構造材上に設けられ、前記制御部に接続されると前記反応剤の使用未使用情報を出力することを特徴とする請求項８記載のマイクロポンプ。
【請求項１３】
前記反応剤が発生したガスが流れる流路には、前記チャンバ及び前記チャネル内部を流れるガスの圧力が高くなると該流路内からガスを通過させるガス透過膜が設けられたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のマイクロポンプ。
【請求項１４】
前記反応剤が発生したガスが流れる流路には、前記チャンバ及び前記チャネル内部を流れるガスの圧力の急激な上昇を抑えるための定圧チャンバが設けられたことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のマイクロポンプ。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれかに記載のマイクロポンプと、前記マイクロポンプに積層され、該マイクロポンプから吐出されたガスによって試料供給し、このとき流路制御を行う流路制御チップと、該流路制御チップから供給された試料を処理する処理チップを備え、前記制御部が流路制御及び／または試料の処理の制御を行うことを特徴とする試料処理チップ。
【請求項１６】
請求項４または５記載のマイクロポンプを備えた請求項１５の試料処理チップであって、前記処理チップには試料の処理状態を検出する検出手段が設けられ、該処理状態が所定の範囲を外れているときに前記制御部が前記反応開始部の制御を中断することを特徴とする試料処理チップ。
【請求項１７】
前記流路制御チップと処理チップの少なくとも一方には前記試料の流れの状態及び／または前記試料の圧力及び／または前記反応剤が発生したガスの圧力を検出する検出手段が設けられ、該検出手段が検出した信号に基づいて前記制御部が前記反応開始部の制御を行うことを特徴とする請求項１５または１６記載の試料処理チップ。
【請求項１８】
前記流れの状態を検出する検出手段が、光学的手段または振動検出手段または流体フローセンサであることを特徴とする請求項１７記載の試料処理チップ。
【請求項１９】
前記圧力を検出する検出手段が、圧力センサであることを特徴とする請求項１７記載の試料処理チップ。
【請求項２０】
前記検出手段が着脱自在であることをと特徴とする請求項１６〜１９のいずれかに記載の試料処理チップ。
【請求項２１】
前記流路制御チップと前記処理チップとが１個のチップに構成されたことを特徴とする請求項１５〜２０のいずれかに記載の試料処理チップ。
【請求項２２】
前記マイクロポンプと前記流路制御チップとが１個のチップに構成されたことを特徴とする請求項１５〜２０のいずれかに記載の試料処理チップ。
【請求項２３】
前記マイクロポンプと前記流路制御チップと前記処理チップとが１個のチップに構成されたことを特徴とする請求項１５〜２０のいずれかに記載の試料処理チップ。
【請求項２４】
所定の試料を処理する処理チップを装着するとき、前記記憶部に格納された該所定の試料の制御データを目標値として読み出し、該目標値に従って前記反応開始部を制御することを特徴とする請求項１３〜２３のいずれかに記載の試料処理チップ。
【請求項２５】
請求項１４のマイクロポンプを備えた試料処理チップであって、前記定圧チャンバが前記ポンプ構造材の表面に開口を形成されるとともに前記ポンプ構造材に取り付けられる構造体を分離したとき前記マイクロポンプの内圧が減圧することを特徴とする試料処理チップ。
【請求項２６】
前記ポンプ構造材と前記ポンプ構造材に取り付けられる構造体はシール材をその間に挟んで装着されており、前記シール材の表面に弾性リブが設けられ、前記構造体を分離したとき前記マイクロポンプの内圧が減圧することを特徴とする請求項２５記載の試料処理チップ。
【請求項２７】
前記ポンプ構造材と前記ポンプ構造材に取り付けられる構造体はシール材をその間に挟んで装着されており、前記ポンプ構造材の表面にリブが設けられ、前記構造体を分離したとき前記マイクロポンプの内圧が減圧することを特徴とする請求項２５記載の試料処理チップ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、チップ状にして繰返し利用できるマイクロポンプと、このマイクロポンプで安定して試料を送って処理する処理チップを積層した試料処理チップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近のナノテクノロジーや超微細加工技術の動きは目覚ましく、今後はこうした技術が融合して様々の応用技術に発展することが期待されている。
【０００３】
このような融合技術の１つとして、半導体チップと微小アクチュエータを一体化した微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術、いわゆるマイクロマシンが注目されている。これはＬＳＩと実際の仕事を受け持つアクチュエータを一体化して数ｍｍ角のチップに収めるものであり、微小な流体回路とＬＳＩ回路を組み合わせることが新たな融合を生むものとして期待されている。
【０００４】
しかし従来のこうしたチップは、基板上に、マイクロポンプや、その流路、センサ、マイクロバルブ、さらにはこれらを駆動するためのＬＳＩ回路が実装容易な配置で単純に組み込まれたもので、いわば１個ごとに使い捨てされるものであった。そして、この流路は概ね管径数μｍ〜数百μｍのオーダであって、マイクロポンプはこの管径の大きさに基本的な影響を受ける。従って、マイクロポンプは、一般のポンプとは隔絶した微小構造でなければならず、さらにチップに実装するために薄型でなければならないし、微小でも搬送力、応答性に優れていなければならない。そして、制御が容易で正確でなければチップの流体回路の要素としては使えない。しかも、実装する前も、実装するときもさらに実装した後も、高いシール性が保たれる必要があるし、組み立てが容易でなければならない。
【０００５】
そこで、このようなマイクロポンプとして圧電素子を使ったポンプが提案され、その製造方法が提案された（特許文献１参照）。図７は従来のマイクロポンプの構成図である。図７において、１０１はシリコン基板、１０２は熱酸化膜、１０３，１０４はガラス基板、１０５はピエゾ素子、１０６はパイプ、１０７は塩化ナトリウム薄層、１０８は流入液体である。
【０００６】
このマイクロポンプは、ダイアフラム、流路、及びバルブ部を形成したシリコン基板１０１をガラス基板１０３，１０４等でサンドイッチした構造を有しており、液体のプライミング性と気泡抜け性を向上、また、経時後も安定した作用が継続しなければならない。そこで、このマイクロポンプを構成後に、水溶性塩類、または多価アルコール類の一種以上を含む液を注入、乾燥させ、マイクロポンプ内面にこれらの物質を付着させるものである。この内表面部に付着した水溶性塩類、または多価アルコール類が水溶液に対して湿潤性を有しており、ポンプ内へ液体を流入させることがきわめて容易に行え、気泡の排出性も向上するものである。
【０００７】
しかし、このマイクロポンプは、シリコン基板１０１に形成された微小なダイアフラムを更に微小なピエゾ素子１０５で駆動することによってポンプ作用を奏するため、ポンプ特性は低く、吐出圧も吐出流量も小さい。しかもピエゾ素子１０５はシリコン基板１０１に取り付けられている。このような構造が微細で複雑なポンプを使っているときに、吐出する液体を変える場合、ポンプ内部の洗浄が容易でないためマイクロポンプ全体を廃棄せざるを得ないものとなり、高いランニングコストが必要となっていた。
【０００８】
マイクロポンプの大きさも基本的にピエゾ素子の大きさに支配されるし、ピエゾ素子でダイアフラムのストロークを上げようとしても限界があり、吐出圧，吐出流量を上げるためには別の駆動源が必要となった。そこで、電気化学反応でガスを発生させる電気化学セル駆動ポンプが注目された（特許文献２参照）。図８は従来の電気化学セル駆動ポンプの構成図である。
【０００９】
図８において、１１１は第１のシート、１１２は第２のシート、１１３は第３のシート、１１４は第１の部屋、１１５は第２の部屋、１１６は第１の部室１１４に貯蔵した流体、１１７は第１の部室１１４に取り付けた流体供給口、１１８は第２の部室１１５に取り付けたガス導入管、１１９は電気化学セル、１２０は電源、１２１はスイッチである。
【００１０】
従来の電気化学セル駆動ポンプは、第１のシート１１１，第２のシート１１２，第３のシート１１３の３枚のシートから構成される袋状体と、電気化学セル１１９から構成される。このとき第１のシート１１１には第３のシート１１３より大きなゴム弾性応力が与えられ、第３のシート１１３は第２のシート１１２より大きなゴム弾性応力をが与えられている。第１のシート１１１と第２のシート１１２が流体貯蔵部となる第１の部屋１１４を形成し、第２のシート１１２と第３のシート１１３が気体加圧部となる第２の部室１１５を形成する。第１の部屋１１４に流体吐出口１１７を設け、電気化学セル１１９に直流電流を通電することによって発生する気体を第２の部室１１５に導入することにより、流体吐出口１１７から流体を吐出する。
【００１１】
この従来の電気化学セル駆動ポンプは、小型・軽量で使用操作性のよい流体供給装置を提供するが、基本的にチップに実装するのに適した構成を備えておらず、マイクロポンプとしてこの電気化学セル駆動ポンプを採用するのは困難である。
【００１２】
【特許文献１】
特開平５−３０６６８３号公報
【特許文献２】
特開平８−２９５４００号公報
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、微小な流体回路とＬＳＩ回路が融合したチップに大きな期待が寄せられているが、こうしたチップに組み込まれるマイクロポンプは一般のポンプとは隔絶した微小構造であるとともに、微小でも搬送力、応答性に優れ、薄型化、繰返し利用が可能であるといった課題が解決されないと機能が果たせない。また、このマイクロポンプは制御が容易で正確でなければチップの流体回路の要素としては使えない。さらに、実装するときまた実装した後も高いシール性が要求されるし、組み立てが容易でなければならない。
【００１４】
そして従来提案されたチップは、基板上に、マイクロポンプや、その流路、マイクロバルブ、さらにはこれらを駆動するためのＬＳＩ回路が実装容易な配置で単純に組み込まれるだけもので、いわば１個ごとに使い捨てであり、マイクロポンプや流路、マイクロバルブ等がそれぞれチップモジュールとして組み合わされ、繰返し再利用されるものではなかった。
【００１５】
また、（特許文献１）で提案されたマイクロポンプは、微小なピエゾ素子で駆動することによってポンプ作用を奏するため、ポンプ特性は低く、吐出圧も吐出流量も小さい。また、吐出する液体が変わるとマイクロポンプ全体を廃棄せざるを得ないものであったために、高いランニングコストが必要となっていた。
【００１６】
さらに、従来の電気化学反応でガスを発生させる電気化学セル駆動ポンプは、袋状体と電気化学セルから構成される。しかし、袋状体を使ってポンプ作用を奏する作動部とするため、基本的構成がチップに実装するのに適した構成でなく、この電気化学セル駆動ポンプをマイクロポンプとして採用するのは困難であった。
【００１７】
このように、従来のマイクロポンプを踏襲する限り、数ｍｍ角のチップに搭載できる微小構造のマイクロポンプの実現は難しく、搭載を実現するためには新たな発想のマイクロポンプである必要がある。そして、このマイクロポンプは従来のポンプと異なるため、目標とするポンプ特性を安定して示し、搬送する試料と混ざり合ったりせず、制御が容易なものでなければならない。
【００１８】
そこで本発明は、微小構造でチップモジュール化することができ、制御が容易で所定の特性を安定して実現でき、搬送力、応答性に優れ、薄型化、繰返し利用できるマイクロポンプを提供することを目的とする。
【００１９】
また本発明は、微小構造でチップモジュール化することができ、制御が容易で所定の特性を安定して実現でき、搬送力、応答性に優れ、薄型化、繰返し利用できる試料処理チップを提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
本発明のマイクロポンプは上記課題を解決するためになされたものであって、反応チャンバが形成されたポンプ構造材と、反応チャンバに収容され所定圧力のガスを発生する反応剤と、反応剤の側方位置に配設され該反応剤にガスを発生させる反応開始部と、ポンプ構造材に設けられ、反応剤が発生した所定圧力のガスを反応チャンバから吐出口に導くチャネルと、反応開始部の動作を制御する制御部とを備えたマイクロポンプであって、チャネルまたは反応チャンバには、ガスの圧力または流速を検出する検出手段が設けられ、該検出手段が検出した信号が制御部に送られ、制御部が反応開始部を信号に基づいて圧力または流速を所定の目標値に近づけるように制御するように構成したものである。
【００２１】
本発明は、微小構造でチップモジュール化することができ、制御が容易で所定の特性を安定して実現でき、搬送力、応答性に優れ、薄型化、繰返し利用できるマイクロポンプを提供することができる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
上記課題を解決するためになされた第１の発明は、反応チャンバが形成されたポンプ構造材と、反応チャンバに収容され所定圧力のガスを発生する反応剤と、反応剤の側方位置に配設され該反応剤にガスを発生させる反応開始部と、ポンプ構造材に設けられ、反応剤が発生した所定圧力のガスを反応チャンバから吐出口に導くチャネルと、反応開始部の動作を制御する制御部とを備えたマイクロポンプであって、チャネルまたは反応チャンバには、ガスの圧力または流速を検出する検出手段が設けられ、該検出手段が検出した信号が制御部に送られ、制御部が反応開始部を信号に基づいて圧力または流速を目標値に近づけるように制御することを特徴とするマイクロポンプであり、検出手段がガスの圧力または流速を検出し所定の目標値に近づけるようにフィードバック制御するため、圧力と流速が所定の安定した特性を有するように制御でき、反応開始部と反応剤が積層化され、微小構造であるためガスの発生反応が高速に行え、応答性に優れ、搬送力が大きく、薄型化できるため他のチップに積層し組み立てるのが容易であり、反応開始部は別体として積層するから繰返し利用できる。
【００２３】
第２の発明は、検出手段が、ガスの圧力を検出する圧力センサもしくはガスの流速を検出するフローセンサであることを特徴とする請求項１記載のマイクロポンプであり、圧力センサもしくはフローセンサで圧力もしくは流速を簡単に検出できる。
【００２４】
第３の発明は、検出手段と制御部の少なくともいずれか一方が着脱自在であることを特徴とする請求項１または２記載のマイクロポンプであり、検出手段や制御部が繰り返し使用でき経済的である。
【００２５】
第４の発明は、制御データを格納した記憶部を備え、制御部が制御データに従って反応開始部を制御することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロポンプであり、記憶部に格納された所定のプロセスの制御データに従って所定の圧力または流速（目標値）となるように反応剤を反応させることができる。
【００２６】
第５の発明は、反応チャンバが形成されたポンプ構造材と、反応チャンバに収容され所定圧力のガスを発生する反応剤と、反応剤の側方位置に配設され該反応剤にガスを発生させる反応開始部と、ポンプ構造材に設けられ、反応剤が発生した所定圧力のガスを反応チャンバから吐出口に導くチャネルと、反応開始部の動作を制御する制御部とを備えたマイクロポンプであって、制御データを格納した記憶部を備え、制御部が制御データに従って反応開始部を制御することを特徴とするマイクロポンプであり、記憶部に格納された所定のプロセスの制御データに従って所定の圧力または流速（目標値）となるように反応剤を反応させることができる。
【００２７】
第６の発明は、制御部が、反応開始部に供給する電力と供給時間の少なくとも一方により制御することを特徴とする請求項４または５記載のマイクロポンプであり、反応開始部に供給する電力や供給時間により、反応剤に加える総発熱量を制御することで、所定のプロセスの制御データに従って所定の圧力または流速（目標値）となるように反応剤を反応させることができる。
【００２８】
第７の発明は、反応剤と反応開始部の少なくとも一方が小反応剤もしくは小反応開始部にて構成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロポンプであり、反応速度が高速となり制御性が高くなり、応答性を高めることができる。
【００２９】
第８の発明は、ポンプ構造材には少なくとも１つ以上のメモリ入力要素手段が設けられ、各小反応剤の使用によって該メモリ入力要素手段のＯＮ信号が入力されるメモリＩＣを備えたことを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のマイクロポンプであり、どの反応剤が使用できるかの判断が容易に行え、反応剤を使い切ったときには、メモリＩＣから中央制御部に通知し、利便性を向上させることができる。さらに、メモリは安価であり、ポンプ構造材上にメモリＩＣを搭載しても安価で済み、反応剤の管理がきわめて容易になる。
【００３０】
第９の発明は、メモリ入力要素手段が、反応剤の側に設けられ反応剤の反応によって発生する熱によって断線する抵抗体であることを特徴とする請求項８記載のマイクロポンプであり、反応熱で抵抗体を断線させるため反応剤の使用情報が確実なものとなる。
【００３１】
第１０の発明は、反応開始部は反応剤を加熱する加熱手段であり、メモリ入力要素手段が、反応剤の側に設けられ、反応開始部によって加えられる熱によって断線する抵抗体であることを特徴とする請求項８記載のマイクロポンプであり、反応のために印加する熱で抵抗体を断線させるため反応剤の使用情報が確実なものとなる。
【００３２】
第１１の発明は、メモリ入力要素手段が反応剤と電極から構成され、該電極によって通電可能性もしくは抵抗値または誘電率を検出して閾値を越えたときＯＮ信号がメモリＩＣに入力されることを特徴とする請求項８記載のマイクロポンプであり、通電可能性もしくは抵抗値または誘電率で反応剤の使用情報を検出するので、構成が簡単で、低価格化でき、検出が容易である。
【００３３】
第１２の発明は、メモリＩＣがポンプ構造材上に設けられ、制御部に接続されると反応剤の使用未使用情報を出力することを特徴とする請求項８記載のマイクロポンプであり、マイクロポンプ上に反応剤の使用未使用情報を付加することができるので、マイクロポンプ毎の反応剤の管理がきわめて容易になる。
【００３４】
第１３の発明は、反応剤が発生したガスが流れる流路には、チャンバ及びチャネル内部を流れるガスの圧力が高くなると該流路内からガスを通過させるガス透過膜が設けられたことを特徴とする請求項１〜１２のいずれかに記載のマイクロポンプであり、ポンプ構造材を大きくすることなく、内部を流れるガスの圧力を定圧化することができる。
【００３５】
第１４の発明は、反応剤が発生したガスが流れる流路には、チャンバ及びチャネル内部を流れるガスの圧力の急激な上昇を抑えるための定圧チャンバが設けられたことを特徴とする請求項１〜１３のいずれかに記載のマイクロポンプであり、所定の容量の空間を形成するだけで、ガスの流れによるガスの容積変化が発生しても、きわめて容易に内部を流れるガスの圧力を定圧化することができる。
【００３６】
第１５の発明は、請求項１〜１４のいずれかに記載のマイクロポンプと、マイクロポンプに積層され、該マイクロポンプから吐出されたガスによって試料供給し、このとき流路制御を行う流路制御チップと、該流路制御チップから供給された試料を処理する処理チップを備え、制御部が流路制御及び／または試料の処理の制御を行うことを特徴とする試料処理チップであり、試料を処理する処理チップでの処理状態まで考慮してマイクロポンプ、流路制御チップ、処理チップの制御を行うことができる。マイクロポンプ、流路制御チップ、処理チップがそれぞれ取り外しできるので、用途によってはいずれかを繰り返し使用することも可能である。
【００３７】
第１６の発明は、請求項４または５記載のマイクロポンプを備えた請求項１５の試料処理チップであって、処理チップには試料の処理状態を検出する検出手段が設けられ、該処理状態が所定の範囲を外れているときに制御部が反応開始部の制御を中断することを特徴とする試料処理チップであり、処理チップでの処理状態に異常が発生しているときに、制御部は反応剤の反応を止めて処理を停止することができる。
【００３８】
第１７の発明は、流路制御チップと処理チップの少なくとも一方には試料の流れの状態及び／または試料の圧力及び／または反応剤が発生したガスの圧力を検出する検出手段が設けられ、該検出手段が検出した信号に基づいて制御部が反応開始部の制御を行うことを特徴とする請求項１５または１６に記載の試料処理チップであり、流路制御チップと処理チップの少なくとも一方で流速もしくは圧力を検出して搬送する試料の流量を得ることができ、流路制御チップ及び処理チップの少なくとも一方の流量状態でマイクロポンプ、流路制御チップ、処理チップの制御を高精度に行うことができる。
【００３９】
第１８の発明は、流れの状態を検出する検出手段が、光学的手段または振動検出手段または流体フローセンサであることを特徴とする請求項１７記載の試料処理チップであり、流速を簡単に検出できる。
【００４０】
第１９の発明は、圧力を検出する検出手段が、圧力センサであることを特徴とする請求項１７記載の試料処理チップであり、圧力を簡単に検出できる。
【００４１】
第２０の発明は、検出手段が着脱自在であることをと特徴とする請求項１６〜１９のいずれかに記載の試料処理チップであり、検出手段を繰り返し使用でき経済的である。
【００４２】
第２１の発明は、流路制御チップと処理チップとが１個のチップに構成されたことを特徴とする請求項１５〜２０のいずれかに記載の試料処理チップであり、流体制御チップと処理チップが１個のチップとなるから、コンパクト化、薄型化でき、加工も容易である。
【００４３】
第２２の発明は、マイクロポンプと流路制御チップとが１個のチップに構成されたことを特徴とする請求項１５〜２０のいずれかに記載の試料処理チップであり、マイクロポンプと流体制御チップが１個のチップとなるから、コンパクト化、薄型化でき、加工も容易である。
【００４４】
第２３の発明は、マイクロポンプと流路制御チップと処理チップとが１個のチップに構成されたことを特徴とする請求項１５〜２０のいずれかに記載の試料処理チップであり、マイクロポンプと流路制御チップと処理チップが１個のチップとなるから、更にコンパクト化、薄型化でき、加工も容易である。
【００４５】
第２４の発明は、所定の試料を処理する処理チップを装着するとき、記憶部に格納された所定の試料の制御データを目標値として読み出し、目標値に従って反応開始部を制御することを特徴とする請求項１３〜２３のいずれかに記載の試料処理チップであり、試料の異なった処理チップを装着するときには、それぞれの試料の処理チップである旨の制御データを読み出して目標値とし、これに従って制御するから制御性が上がり、制御が容易である。
【００４６】
第２５の発明は、請求項１４のマイクロポンプを備えた試料処理チップであって、定圧チャンバがポンプ構造材の表面に開口を形成されるとともにポンプ構造材に取り付けられる構造体を分離したときマイクロポンプの内圧が減圧することを特徴とする試料処理チップであり、ポンプ構造材と構造体を分離したとき、定圧チャンバの開口が露出するため、高圧ガスがこの開口から放出され、安全性を向上させることができる。
【００４７】
第２６の発明は、ポンプ構造材とポンプ構造材に取り付けられる構造体はシール材をその間に挟んで装着されており、シール材の表面に弾性リブが設けられ、構造体を分離したときマイクロポンプの内圧が減圧することを特徴とする請求項２５記載の試料処理チップであり、弾性リブの弾力によって内部のガスを円滑にリリーフできる。
【００４８】
第２７の発明は、ポンプ構造材とポンプ構造材に取り付けられる構造体はシール材をその間に挟んで装着されており、ポンプ構造材の表面にリブが設けられ、構造体を分離したときマイクロポンプの内圧が減圧することを特徴とする請求項２５記載の試料処理チップであり、リブとシール材の間の弾力によって内部のガスを円滑にリリーフできる。
【００４９】
以下、本発明の実施の形態について、図１〜図６を用いて説明する。
【００５０】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１におけるマイクロポンプと試料処理チップについて説明する。図１（ａ）は本発明の実施の形態１におけるマイクロポンプの分解説明図、図１（ｂ）は（ａ）のマイクロポンプのＸ―Ｘ断面図、図２（ａ）は本発明の実施の形態１のマイクロポンプを積層した試料処理チップの分解斜視図、図２（ｂ）は（ａ）の試料処理チップを構成する流路制御チップの拡大一部破砕図、図３は本発明の実施の形態１のマイクロポンプとそれを積層した試料処理チップの制御装置を示す図である。
【００５１】
図１（ａ），（ｂ）において、１は化学反応して高圧ガスを発生させこのガスの圧力で連通する他のチップのリザーバに収容された試料Ｍを送ることができるマイクロポンプ、２はマイクロポンプ１の第１構造材、２ａは第１構造材２に形成された凹部、３はマイクロポンプ１の第２構造材、３ａは第２構造材３に形成された凹部である。４は凹部２ａ，３ａ内に収容され化学反応を起こすことによってガスを発生させる反応剤、５は反応剤４に熱や圧力を加えて反応を開始したり中断、停止させる反応開始部である。反応開始部５は、反応温度にもよるが、発熱体で加熱するのが制御が容易でマイクロマシンに最も好適である。このほか、圧力を加えることで反応を開始させるもの等でもよい。６は凹部２ａ，３ａが形成する反応チャンバ、７は反応チャンバ６から反応した高圧のガスを他のチップに導くためのチャネル、８はチャネル７の端部に設けられ他のチップと接続するための連通孔（本発明の吐出口）である。
【００５２】
第１構造材２は反応剤４を反応チャンバ６内に収容するシート状、薄板状の上ケーシングであり、同様に第２構造材３は反応チャンバ６内に収容するシート状、薄板状の下ケーシングである。第１構造材２，第２構造材３は金属，セラミック，ガラス，樹脂等から構成され、厚さは数十μｍ〜数ｍｍである。反応チャンバ６を構成する凹部２ａ，３ａやチャネル７、連通孔８等の各細部を加工する方法としては、エッチング、機械加工、レーザ加工、プラズマ加工、印刷あるいは光造形等が適当である。
【００５３】
化学反応してガスを発生する反応剤４には様々の材料があるが、アジ化ナトリウム、テトラゾール類、重曹等が望ましい。アジ化ナトリウムとテトラゾール類は、１５０℃以上を加えたとき反応し、Ｎ２ガスを発生し、重曹は１００℃以上を加えたとき反応して、Ｎ２、ＣＯ２ガスを発生する。このようにＮ２、ＣＯ２ガス等の不活性ガスを発生させるため、人体や環境に影響を与えることもなく、試料Ｍにも影響せず、マイクロポンプ１として安全性の高いものとなる。また、反応剤４として、テトラゾール類、重曹等の非汚染薬剤を用いることにより、廃棄時等においても安全性が高いマイクロポンプ１を実現できる。
【００５４】
このように実施の形態１のマイクロポンプ１は、各構造材と反応剤４と反応開始部５を積層することにより、反応剤４と反応開始部５の位置を正確に対応させることができ、これによって微小領域で直接的に制御可能になり、反応速度が高速化され、応答性のよいマイクロポンプ１を実現できる。また、薄板状の構造材を積層した構成であるため、マイクロポンプ１はチップ構造となり、他のチップと組み合わされて、多様な用途のための試料処理チップを構成することが可能になる。
【００５５】
次に、流路制御チップ、反応検出チップ等の他のチップモジュールとマイクロポンプ１を組み合わせた試料処理チップについて説明する。図２（ａ），（ｂ）において、１ａは反応開始部５を除いたマイクロポンプ本体を構成するポンプチップ（本発明のポンプ構造材）、１２はポンプチップ１ａを積層するとき間に介在させるシール材、１２ａは連通孔８と接続される開口、１３はマイクロポンプ１から送られた反応ガスによって試料Ｍを吐出するとき流れの制御を行うための流路制御チップ、１４は流路制御チップ１３が積層される反応検出チップ（本発明の処理チップ）である。なお、流路制御チップ１３と反応検出チップ１４は１枚のチップとすることもできる。
【００５６】
そして、ポンプチップ１ａと流路制御チップ１３とで流路制御ユニットとしての１チップを構成し、これを反応検出チップ１４上で積層して、全体として２チップの積層した試料処理チップとすることもできる。また、ポンプチップ１ａと流路制御チップ１３を１枚のチップとすることもできるし、さらに、ポンプチップ１ａと流路制御チップ１３と反応検出チップ１４を１チップにした完全な１チップの試料処理チップとすることもできる。但し、反応開始部５はこのチップとは別体とするのがよい。さらに、反応開始部５はこのチップから着脱可能として、例えば試料処理チップが搭載される分析装置（図示されない）側に設置することで、繰り返し利用することができる。
【００５７】
そこでこの流路制御チップ１３について説明する。１５は、流路制御チップ１３に設けられ、振動を加えたときの弁体の慣性、及びＶ字状の内壁面からの反力、さらに供給される流体の圧力とにより開閉されるマイクロバルブである。１６はこのマイクロバルブ１５の弁体、１７はバルブチャンバ、１７ａは弁体１６と係合して流れを遮断したり通過させるＶ字状の弁座、１８はマイクロバルブ１５に接続されたチャネルである。１９は開口１２ａと連通孔８に接続され試料Ｍを充填するリザーバ、２０はマイクロバルブ１の弁体１６に対して流れと直交する方向から加振するための圧電素子である。
【００５８】
次に反応検出チップ１４の説明をすると、２１は測定のための各種センサ３９ｃ（後述する）が設けられた検出部、２２は所定の流体回路に構成された反応部である。なお、本実施の形態１においてはマイクロバルブ１５を説明するが、これは本発明の好ましいいくつかの実施の形態を示しているにすぎず、これに限られないのは当然であり、ダイヤフラムバルブやその他の微小構造が可能な流路制御方法を用いることも可能である。
【００５９】
これらのチップにおいて、チャネル１８や検出部２１のチャネル幅は数μｍ〜数百μｍであり、バルブチャンバ１７の幅はこれより大きいが概ねこれと同じオーダであり、弁体長はチャネル幅の２〜１０倍程度である。また、マイクロバルブ１５において、リザーバ１９側からの圧力（背圧）があると、弁体１６は弁座１７ａとクサビ効果によりガタつかず嵌合することができる。すなわち、傾斜面に対して背圧の方向から力を加えることで、テコの原理により増力されるためである。
【００６０】
続いて、以上説明したマイクロポンプ１とそれを積層した試料処理チップの制御装置について説明する。図３において、２０ａは圧電素子２０を構成するＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の圧電層、２０ｂは圧電層２０ａに電圧を印加する電極シートである。圧電層２０ａを挟んで対向している電極シート２０ｂの一方は接地され、他方に制御のための所定駆動周波数の電圧が加えられる。
【００６１】
２９は実施の形態１のマイクロポンプ１と試料処理チップ全体の制御を行う制御装置、３０はマイクロポンプ１の反応開始部５を作動させる反応駆動部、３１は制御装置のシステム全体を制御する中央制御部（本発明の制御部）、３２は電源部である。３３は電源部３２から供給される電流や電圧の周波数や振幅を変化させたり、波形を整形したりする波形制御部、３４はこの波形制御部３３で行う波形の整形に対して外部から制御動作ごとに指定して制御することができる入力部、３５は波形制御部３３で整形されたアナログ制御信号の振幅を制御するアンプである。アンプ３５からの駆動電流が正負に変化することで、圧電素子２０が膨張と伸縮を繰返すことが可能になる。
【００６２】
３６はディスプレー（図示しない）に表示を行う表示部、３７はＤ／Ａ変換器、３８は中央制御部３１のための制御プログラムやデータを格納した記憶部、３８ａは反応駆動部３０への給電タイミングやマイクロバルブ１ａの制御動作ごとに制御データが格納された制御テーブルである。
【００６３】
３９ａはチャネル７に設けられた圧力センサ、３９ｂはマイクロバルブ１５の弁座１７ａ近傍のチャネル１８に設けられた振動検出センサ、３９ｃは検出部３３に設けられた各種センサである。なお、中央制御部３１は中央処理装置（ＣＰＵ）に記憶部３８から制御プログラムを読み出して動作する機能実現手段として構成される。従って、中央制御部３１と入力部３４、表示部３６、記憶部３８、制御テーブル３８ａを反応駆動部３０やバルブ制御装置と分けてパソコン等で構成することもできる。この場合反応駆動部３０やバルブ制御装置は着脱自在となる。そして、バルブ制御装置からの駆動出力はアナログ信号であるのに対して、中央制御部３１からの制御信号は専らデジタル信号であるため、途中でＤ／Ａ変換の必要がある。できるだけ中央制御部３１側でデジタル処理し、アナログ処理を簡単にするのが好ましい。また制御装置２９は、ポンプチップ１ａや流路制御チップ１３や反応検出チップ１４を交換するときには、繰り返し利用されるのは明らかである。
【００６４】
実施の形態１の制御装置２９でマイクロポンプ１と流路制御チップ１３、さらに反応検出チップ１４を制御するときの制御方法について図３に基づいて説明する。まず、マイクロポンプ１を制御するときの説明を行う。ディスプレー（図示しない）上に試料処理チップ一覧を表示させ、必要な設定を入力部３４から行う。試料処理チップが異なれば試料Ｍもそれぞれ異なるため、どの反応検出チップ１４を装着したかで、反応も処理も異なるからである。試料Ｍの反応ごと（試料処理チップごと）にマイクロポンプ１の動作、マイクロバルブ１５の開度あるいは開閉、検出部２１の各種センサ３９ｃの動作がそれぞれ設定される。
【００６５】
ディスプレー上でマイクロポンプ１の動作開始を命じると、中央制御部３１は、入力された設定値と共に制御テーブル３８ａから制御の目標値となる制御データを取り出し、制御を開始する。目標値は一定値に限らず、時間的に変化するものも含まれる。反応駆動部３０が動作して電源部３２ａの電源電圧を所定の電圧に変換して反応開始部５に印加する。実施の形態１の反応開始部５はヒータ等の加熱手段であり、加熱を開始する。所定のタイムラグで反応剤４が反応を開始し、急速に高圧化し、所定の反応ガスがチャネル７に吐出される。チャネル７には圧力センサ３９ａが設けられており、この圧力を検出して中央制御部３１にフィードバックする。なお、圧力センサ３９ａはチャネル７のほか、反応チャンバ６内等のマイクロポンプ１の流路であれば、どこに設けてもよい。また圧力センサ３９ａの代えてフローセンサ等他のセンサでもよい。さらには、圧力センサ３９ａやフローセンサ等は着脱可能に構成することにより、マイクロポンプ１の反応剤４をすべて使用してマイクロポンプ１を交換するときに繰り返し利用できる。目標値となる所定の圧力あるいは所定の流量より小さい場合には、中央制御部３１は反応を促進するため反応開始部５の更なる加熱を行う。また、この圧力と流量の目標値を越えたときは、中央制御部３１は反応駆動部３０に加熱を抑えるよう命じ、さらに所定の閾値を越えたときは加熱を停止させ、反応剤４の発熱を止める。
【００６６】
ところで、中央制御部３１は反応駆動部３０に対して上述の制御を行うとともに、波形制御部３３に圧電素子２０の駆動を命じる。これにより、圧電素子２０が振動し、マイクロバルブ１５が開閉し、または開度が変化する。反応ガスの背圧が試料Ｍに加わるためマイクロバルブ１５を開いたときは一挙に開放され、試料Ｍが弁座１７ａ近傍のチャネル１８に流出する。これを振動検出センサ３９ｂによって２ヶ所で振動変化を検出して流速を検出する。なお、振動検出センサ３９ｂに代えて、発光素子と受光素子からなる光センサでもよいし、圧力を測定する圧力センサでもよいし、流速を測定するフローセンサでもよい。これらのセンサで検出した信号は中央制御部３１に送られ、雰囲気温度が分かれば液体の流速を算出することができる。なお、算出した流速と目標値との間に差があれば、中央制御部３１は圧電素子２０の周波数もしくは振幅を変えて、マイクロバルブ１５の開度を変更する。なお、振動検出センサ３９ｂや他の検出装置は着脱可能に構成することにより、流路制御チップ１３や反応検出チップ１４を交換、廃棄するさいにも、繰り返し利用することができるため経済的である。
【００６７】
マイクロバルブ１５から流出した試料Ｍは、反応検出チップ１４の検出部２１に流入する。ここには各種センサ３９ｃが設けられており、それぞれ所定の検出が実行される。この試料Ｍは反応部２２で所定の反応（本発明の処理）のために供される。ところで、図２，図３においては図示していないが、検出部２１を反応部２２の後に設けてもよい。この場合、各種センサ３９ｃで処理状態を示す反応生成物を検出する。この場合、各種センサ３９ｃは、蛍光反応等を利用して反応生成物の量を光学的強度の変化で検出するものでも、反応生成物の量をインピーダンス変化として検出するものでもよい。
【００６８】
なお、圧力センサ３９ａ、振動検出センサ３９ｂ、各種センサ３９ｃで検出した圧力や流量の検出信号から、マイクロポンプ１の中での反応や反応部２２での試料Ｍの反応に異常が発生したと考えられるときは、中央制御部３１が反応開始部５の加熱を直ちに停止し、マイクロバルブ１５の閉止もしくは開放を行う。例えば、所定の圧力より異常に高圧になった場合にはリリーフのためにマイクロバルブ１を開放する。所定のタイミングになっても反応が行われない場合や、試料の搬送が起こらない場合、反応開始部５の加熱を停止し、マイクロバルブ１５を閉止する。
【００６９】
ところで、反応剤４から発生するガスの量は、反応剤４に加える電力と供給時間の組み合わせでコントロールすることができる。従って、タイマ（図示しない）で時間を計測しながら、反応開始部５に供給する電力を制御することによりさらに精密な制御が可能になる。
【００７０】
このように実施の形態１のマイクロポンプと試料処理チップは、制御の目標値を制御テーブル３８ａに格納しておき、所定の制御を指定すると制御テーブル３８ａの制御データに従って制御することで、期待する所定の特性を安定して実現できる。さらに吐出圧と流量をフィードバックして制御性を向上させることができる。そして総熱量を電力で制御すると、さらに制御性を向上させることができる。また、流路制御チップ１３は、試料Ｍの検出や反応を行う反応検出チップ１４上に積層でき、様々な反応検出チップ１４と組み合わすことができるため、多様な用途をもつ試料処理チップを構成することができ、多様な用途ごとにそれぞれ最適の制御を行うことができる。なお、以上説明した実施の形態１の試料処理チップは、１つの試料処理チップに１個のマイクロポンプ１と１個の反応検出流路（流路制御チップ１３、反応検出チップ１４）を形成したものである。これに対し、１つの試料処理チップに複数の独立したマイクロポンプ１を設けるとともに、複数の独立した反応検出流路を形成することもできる。
【００７１】
（実施の形態２）
続いて、反応剤４を複数回使用できるマイクロポンプと、反応剤４の使用、未使用を認識できる制御装置について説明する。このために実施の形態４のポンプチップは複数個の小反応剤と小反応開始部を設け、メモリＩＣを搭載している。図４（ａ）〜（ｃ）は本発明の実施の形態２におけるマイクロポンプの反応剤と反応チャンバの説明図、図５（ａ）は本発明の実施の形態２におけるマイクロポンプの使用済み反応剤のメモリ部外観図、図５（ｂ）は本発明の実施の形態２におけるマイクロポンプのメモリ機構の説明図である。
【００７２】
図４（ａ）〜図５（ｂ）において、４ｅは小反応剤、５ａは小反応開始部、６ａは小反応チャンバである。このうち、図４（ａ）は直列に複数の小反応チャンバ６ａを並べ、各小反応チャンバ６ａに小反応剤４ｅを収容した場合である。この場合、リザーバ１９に接続される連通孔８に近い小反応チャンバ６ａから順に使用される。図４（ａ）では、１回目が２個の小反応剤４ｅを使用し、２回目には３個の小反応剤４ｅを使用している。このように直列に小反応チャンバ６ａを並べた場合は、使い終わりのとき反応剤のロスが少なくなる。
【００７３】
図４（ｂ）は１回の反応で使用するｍ個の小反応剤４ｅを収容するｍ個の小反応チャンバ６ａを直列に並べた直鎖が、ｎ回分に相当するｎ本並列に連通孔８に接続された場合である。この場合、１回の反応で使用されるｍ個の小反応剤４ｅがまったく同一の状態に並んでいるので、各反応での差が少なく、反応が安定化する。次に、図４（ｃ）は１本のチャネル７から各小反応チャンバ６ａがそれぞれ別々に分岐された場合であり、（ａ），（ｂ）と異なって反応済みの小反応チャンバ６ａを反応ガスが通過することがないため、反応が安定する。また、図４（ａ）と同様に複数回利用でき、反応剤のロスが少ないのは明らかである。
【００７４】
このように、実施の形態２の小反応剤４ｅと小反応開始部５ａとを複数個備えたマイクロポンプ１は、反応剤４のサイズを小型化することにより反応速度が高速になり、応答性を高めることができる。すなわち、小反応開始部５ａを作用させると、小反応剤４ｅが一挙に反応し、発生ガスの圧力がシャープな立ち上がりを示して一挙に目標圧力に到達することができる。小反応剤４ｅが複数個設けられているからポンプチップ１ａを１回ごとに使い捨てせずに複数回使用できる。そして、圧力制御も小反応剤４ｅの個数と配置に基づいて行えばよく、制御が容易になる。
【００７５】
ところで複数の小反応剤４ｅを設けた場合、未使用の小反応剤４ｅか、使用済みの小反応剤４ｅか、が認識されないと効果的な利用ができない。図５（ａ），（ｂ）において、４０は小反応剤４ｅの使用済みのアドレスを記録するメモリＩＣ、４１はメモリＩＣ４０からの出力を行うための入出力ポートや電源を供給するための電極等の電極ポート部、４２は小反応剤４ｅの近傍に設けられ、各小反応剤４ｅと一義的に対応付けられた抵抗体（本発明のメモリ入力要素手段）、４３は各小反応チャンバ６ａに設けられ、小反応剤４ｅが反応してガス化したときガスだけを通過させるためのフィルタである。なお、フィルタ４３を選ぶことにより液体を小反応剤４ｅとして使うこともできる。
【００７６】
この抵抗体４２はこれが構成する抵抗体アレイにプルアップ電圧（図示しない）が加えられており、小反応開始部５ａを加熱することにより小反応剤４ｅの反応が誘発されると、この発熱で特定位置の抵抗体４２が断線する。この断線によってＯＮ信号が発生し、メモリＩＣ４０に送られる。この抵抗体４２の設置個所は、図４（ｄ）のように小反応開始部５ａと小反応剤４ｅの間にするのがよい。この場合、抵抗体４２が小反応剤４ｅより先に加熱されるために、抵抗体４２は確実に断線するからである。このほか、抵抗体４２に小反応開始部５ａに通電する電流の一部、もしくは別回路からの電流を流し、断線させるのでもよい。この場合、小反応剤４ｅの反応開始手段が加熱によらない、もしくは小反応剤４ｅの反応が発熱を伴わない反応の場合でもよい。また、小反応剤４ｅに通電して導通するか否か、あるいは抵抗値、誘電率を測定するのでもよい。
【００７７】
断線によるＯＮ信号はＡ／Ｄ変換されてメモリＩＣ４０に入力され、断線と対応した位置の小反応剤４ｅの使用状態を示すフラグが未使用から使用済みに変更されて記録される。中央制御部３１が電極ポート部４１からアクセスすると、未使用と使用済みの小反応剤４ｅがそれぞれ出力できる。これにより、どの小反応剤４ｅが使用できるかの判断が容易に行える。また、ポンプチップ１ａを流路制御チップ１３と中央制御部３１に接続したとき、またはマイクロポンプ１を使用中に小反応剤４ｅを使い切ったときには、メモリＩＣ４０から使用終了通知を中央制御部３１に通知し、利便性を向上させることができる。さらに、メモリＩＣ４０は安価であり、ポンプチップ１ａにメモリＩＣ４０を搭載しても安価で済み、チップごとに交換すれば、マイクロポンプ１を実装するだけで小反応剤４ｅの管理がきわめて容易になる。なお、ポンプチップ１ａを交換するとき等のメモリＩＣ４０に電源が供給されないときには、メモリＩＣ４０にフラッシュメモリ等の不揮発メモリやワンタイム書き込みメモリ等を使うのがよい。ところで、本実施の形態２ではメモリＩＣ４０と抵抗体４２を組み合わせて小反応剤４ｅの使用状態を管理した場合について説明したが、簡易的には、メモリＩＣ４０のみを使用して、使用済みの小反応剤４ｅの使用済みのアドレスを記録することでも使用未使用の認識が可能である。また、抵抗体４２のみを使用して、マイクロポンプ１を実装するときに、各抵抗体４２を電気的にスキャンすることで、使用未使用の認識が可能であり、電源が無くても使用未使用の情報を保持することができる。
【００７８】
（実施の形態３）
次に、反応ガスの圧力を定圧化できるマイクロポンプ１と、使用後等に試料処理チップを分解したとき高圧ガスが噴出するのを防止できるマイクロポンプ１について説明する。図６（ａ）は本発明の実施の形態３における第１の定圧構成の説明図、図６（ｂ）は本発明の実施の形態３における第２の定圧構成の説明図、図６（ｃ）は本発明の実施の形態３における第１の減圧構成の説明図、図６（ｄ）は本発明の実施の形態３における第２の減圧構成の説明図である。
【００７９】
マイクロポンプ１を圧力制御するとき、多くの場合、試料Ｍを一定圧力でポンプするのが望ましい。実施の形態１で説明したように、中央制御部３１によって反応開始部５を制御し、定圧制御することは可能である。しかし、化学反応であるだけにリアルタイムに圧力制御するのは難しく、構造的に定圧化できれば圧力制御の負担が軽くなる。実施の形態３はこのための構成である。図６（ａ），（ｂ）において、４５はフッ素樹脂や多孔質材料から構成されたガス透過膜、４６はチャネル７の容積と比較して十分に大きな容積に形成された定圧チャンバである。ポンプチップ１ａは流路制御チップ１３、あるいは流路制御チップ１３と反応検出チップ１４が一体化されたチップに積層されている。
【００８０】
図６（ａ）に示すように、ガス透過膜４５の材料と厚さを選択することで、チャネル７内部の高圧ガスをリリーフする限界値を設定することが可能である。このガス透過膜４５を設けることにより、所定圧力になると内部の反応ガスが通過して、一定圧力に保つことができる。また、図６（ｂ）に示す定圧チャンバ４６を設けておけば、試料Ｍを搬送するのに伴いガスが膨張しても圧力変動を微小に抑えることができるので、正確な搬送制御が可能なポンプ特性を実現できる。さらに、急激に上昇した圧力を緩和することができるので、試料Ｍの搬送という面からは十分定圧を作用させるポンプ特性を実現できる。
【００８１】
このように、ガス透過膜４５及び／または定圧チャンバ４６を設け、場合によってはさらに中央制御部３１によって反応剤４の反応量を制御することにより、より正確な定圧制御を行うことができる。
【００８２】
続いて、試料処理チップ使用後等にチップを分解したり、反応を緊急停止したときに高圧ガスが噴出するのを防止できるマイクロポンプ１について説明する。チップ使用後あるいは緊急停止時に試料処理チップを分解するとき、マイクロポンプ１や流路制御チップ１３（本発明の構造体）、反応検出チップ１４の内部にはまだ高圧の反応ガスが充満している。そこで、実施の形態３のマイクロポンプ１は分解時に減圧して放出できる構造となっている。
【００８３】
図６（ｃ），（ｄ）において、４７は弾性材料から構成されたシール材、４７ａはシール材４７に設けられた弾性リブである。図６（ｃ）に示したマイクロポンプ１は、十分大きな容積をもつ定圧チャンバ４６が形成されており、加えて定圧チャンバ４６の一方側が大きく開けられた開放構造となっている。
【００８４】
このポンプチップ１ａは、流路制御チップ１３もしくは流路制御チップ１３と反応検出チップ１４とを一体化したチップと積層するときには、シール材４７を介して装着され、このシール材４７によって通常のガス圧に対しては機密性を確保している。しかし、異常な反応等により緊急停止せざるを得ないような場合に、ポンプチップ１ａを流路制御チップ１３等と分解すると、定圧チャンバ４６の一方側の大きな開口と連通孔８とから反応ガスが放出され、連通孔８だけから噴出させた場合の噴出速度を低減できる。これによって試料処理チップを分解したときの高圧のガスに対する安全性を高めることが可能になる。
【００８５】
また、図６（ｄ）の弾性リブ４７ａを設けた場合、異常な反応等により緊急停止せざるを得ないような場合に、ポンプチップ１ａを分解するとき定圧チャンバ４６の一方側の大きな開口が弾性リブ４７ａの弾力によって徐々に開放され、高圧ガスを徐々に流出させることができる。これによって試料処理チップを分解したときに高圧高温ガスは徐々にリリーフされ、高圧高温の反応ガスを放出することができる。図６（ｄ）の弾性リブ４７ａはシール材４７に一体成形されているが、ポンプチップ１ａ側にリブを設けてもまったく同様である。弾性リブ４７ａの設置数は弾力との関係で適宜設ければよく、その高さは一定としない方が内部のガスをより円滑にリリーフできる。高さを一定とする場合は、均一な弾力で試料処理チップのシールが容易となる。
【００８６】
【発明の効果】
本発明のマイクロポンプによれば、検出手段がガスの圧力または流速を検出し所定の目標値に近づけるようにフィードバック制御するため、圧力と流速が所定の安定した特性を有するように制御でき、反応開始部と反応剤が積層化され、微小構造であるためガスの発生反応が高速に行え、応答性に優れ、搬送力が大きく、薄型化できるため他のチップに積層し組み立てるのが容易であり、反応開始部は別体として積層するから繰返し利用できる。
【００８７】
圧力センサもしくはフローセンサで圧力もしくは流速を簡単に検出できる。
【００８８】
検出手段や制御部が着脱自在であるため、検出手段や制御部が繰り返し使用でき経済的である。
【００８９】
記憶部に格納された所定のプロセスの制御データに従って所定の圧力または流速（目標値）となるように反応剤を反応させることができる。
【００９０】
反応開始部に供給する電力や供給時間により、反応剤に加える総発熱量を制御することで、所定のプロセスの制御データに従って所定の圧力または流速（目標値）となるように反応剤を反応させることができる。
【００９１】
反応剤と反応開始部の少なくとも一方が小反応剤もしくは小反応開始部にて構成されているため、反応速度が高速となり制御性が高くなり、応答性を高めることができる。
【００９２】
ポンプ構造材には少なくとも１つ以上のメモリ入力要素手段が設けられ、各小反応剤の使用によってメモリ入力要素手段のＯＮ信号が入力されるメモリＩＣを備えたから、どの反応剤が使用できるかの判断が容易に行え、反応剤を使い切ったときには、メモリＩＣから中央制御部に通知し、利便性を向上させることができる。さらに、メモリは安価であり、ポンプ構造材上にメモリＩＣを搭載しても安価で済み、反応剤の管理がきわめて容易になる。
【００９３】
メモリ入力要素手段が、反応剤の反応熱で抵抗体を断線させる手段であるため反応剤の使用情報が確実なものとなる。メモリ入力要素手段が、反応剤の反応のために印加する熱で抵抗体を断線させる手段であるため反応剤の使用情報が確実なものとなる。
【００９４】
反応剤と電極によって構成されたメモリ入力要素手段の通電可能性もしくは抵抗値または誘電率で反応剤の使用情報を検出するので、構成が簡単で、低価格化でき、検出が容易である。
【００９５】
メモリＩＣはポンプ構造材上に設けられ、制御部に接続されると反応剤の使用未使用情報を出力するため、マイクロポンプ上に反応剤の使用未使用情報を付加することができ、マイクロポンプ毎の反応剤の管理がきわめて容易になる。
【００９６】
流路内からガスを通過させるガス透過膜が設けられたから、ポンプ構造材を大きくすることなく、内部を流れるガスの圧力を定圧化することができる。
【００９７】
定圧チャンバが設けられたため、所定の容量の空間を形成するだけで、ガスの流れによるガスの容積変化が発生しても、きわめて容易に内部を流れるガスの圧力を定圧化することができる。
【００９８】
本発明の試料処理チップによれば、試料を処理する処理チップでの処理状態まで考慮してマイクロポンプ、流路制御チップ、処理チップの制御を行うことができる。マイクロポンプ、流路制御チップ、処理チップがそれぞれ取り外しできるので、用途によってはいずれかを繰り返し使用することも可能である。
【００９９】
処理チップには試料の処理状態を検出する検出手段が設けられたから、処理チップでの処理状態に異常が発生しているときに、制御部は反応剤の反応を止めて処理を停止することができる。
【０１００】
流れの状態及び／または圧力を検出する検出手段により、流路制御チップと処理チップの少なくとも一方で流速もしくは圧力を検出して搬送する試料の流量を得ることができ、流路制御チップ及び処理チップの少なくとも一方の流量状態でマイクロポンプ、流路制御チップ、処理チップの制御を高精度に行うことができる。
【０１０１】
流れの状態を検出する検出手段が、光学的手段または振動検出手段または流体フローセンサであるため、流速を簡単に検出できる。圧力を検出する検出手段が圧力センサであるから、圧力を簡単に検出できる。流れの状態や圧力を検出する検出手段が着脱自在であるため、検出手段を繰り返し使用でき経済的である。
【０１０２】
流体制御チップと処理チップが１個のチップとなるから、コンパクト化、薄型化でき、加工も容易である。マイクロポンプと流体制御チップが１個のチップとなるから、コンパクト化、薄型化でき、加工も容易である。マイクロポンプと流路制御チップと処理チップが１個のチップとなるから、更にコンパクト化、薄型化でき、加工も容易である。
【０１０３】
試料の異なった処理チップを装着するときには、それぞれの試料の処理チップである旨の制御データを記憶部より読み出して目標値とし、これに従って制御するから制御性が上がり、制御が容易である。
【０１０４】
ポンプ構造材と構造体を分離したとき、定圧チャンバの開口が露出するため、高圧ガスがこの開口から放出され、安全性を向上させることができる。
【０１０５】
シール材の表面に弾性リブが設けられているため、ポンプ構造材と構造体を分離したとき、弾性リブの弾力によって内部のガスを円滑にリリーフできる。ポンプ構造材の表面にリブが設けられているため、ポンプ構造材と構造体を分離したとき、リブとシール材の間の弾力によって内部のガスを円滑にリリーフできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１におけるマイクロポンプの分解説明図
（ｂ）（ａ）のマイクロポンプのＸ―Ｘ断面図
【図２】（ａ）本発明の実施の形態１のマイクロポンプを積層した試料処理チップの分解斜視図
（ｂ）（ａ）の試料処理チップを構成する流路制御チップの拡大一部破砕図
【図３】本発明の実施の形態１のマイクロポンプとそれを積層した試料処理チップの制御装置を示す図
【図４】（ａ）〜（ｃ）本発明の実施の形態２におけるマイクロポンプの反応剤と反応チャンバの説明図
【図５】（ａ）本発明の実施の形態２におけるマイクロポンプの使用済み反応剤のメモリ部外観図
（ｂ）本発明の実施の形態２におけるマイクロポンプのメモリ機構の説明図
【図６】（ａ）本発明の実施の形態３における第１の定圧構成の説明図
（ｂ）本発明の実施の形態３における第２の定圧構成の説明図
（ｃ）本発明の実施の形態３における第１の減圧構成の説明図
（ｄ）本発明の実施の形態３における第２の減圧構成の説明図
【図７】従来のマイクロポンプの構成図
【図８】従来の電気化学セル駆動ポンプの構成図
【符号の説明】
１  マイクロポンプ
１ａ  ポンプチップ
１ｂ  流路制御ユニットチップ
１ｃ  吸引マイクロポンプ
２  第１構造材
２ａ，３ａ  凹部
３  第２構造材
４  反応剤
４ｅ  小反応剤
５  反応開始部
５ａ  小反応開始部
６  反応チャンバ
６ａ  小反応チャンバ
７  チャネル
８  連通孔
１２  シール材
１３  流路制御チップ
１４  反応検出チップ
１５  マイクロバルブ
１５１，１５２，１５３  マイクロバルブ機構
１６  弁体
１７  バルブチャンバ
１７ａ  弁座
１８  チャネル
１９，１９１，１９２，１９３  リザーバ
２０  圧電素子
２０ａ  圧電層
２０ｂ  電極シート
２９  制御装置
３０  反応駆動部
３１  中央制御部（本発明の制御部）
３２  電源部
３３  波形制御部
３４  入力部
３５  アンプ
３６  表示部
３７  Ｄ／Ａ変換器
３８  記憶部
３８ａ  制御テーブル
３９  小反応チャンバ
３９ａ  圧力センサ
３９ｂ  振動検出センサ
３９ｃ  各種センサ
４０  メモリＩＣ
４１  電極ポート部
４２  小抵抗
４３  フィルタ
４５  ガス透過膜
４６  定圧チャンバ
４７  シール材
４７ａ  弾性リブ
【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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