(57)【要約】  本発明は、マイクロ流体システム、該マイクロ流体システムの製造方法、及び前記マイクロ流体システムのマイクロチャネルを流れる流体の制御又は操作方法を供する。前記マイクロチャネルの内面にはアクチュエータ素子が供される。これらのアクチュエータ素子は、形状、配向、及び、長軸に沿って変化する断面積を有する幾何学構造を有する。前記変化する断面積は、前記アクチュエータ素子の長軸に沿って1つ以上の開口部を有する。前記アクチュエータは、外部刺激に対する応答として、形状及び配向を変化することができる。このような形状及び配向の変化によって、マイクロチャネルを流れる流体を制御及び操作することが可能となる。
2010500182.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内面を有する壁を有する少なくとも1つのマイクロチャネルを含むマイクロ流体システムであって：
前記壁の内面に取り付けられた複数のアクチュエータ素子であって、各々が形状、配向、及び長軸に沿って変化する断面積を含む幾何学構造を有するアクチュエータ素子；並びに
前記アクチュエータ素子の形状及び/又は配向を変化させるように、前記複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段；
をさらに有するマイクロ流体システム。
【請求項２】
前記変化する断面積は長軸に沿って1つ以上の開口部を有する、請求項1に記載のマイクロ流体システム。
【請求項３】
前記開口部は、正方形、長方形、円、及び/又は半円の形状である、請求項2に記載のマイクロ流体システム。
【請求項４】
前記変化する断面積が前記マイクロチャネルの壁の内面へ向かうように変化する、請求項1に記載のマイクロ流体システム。
【請求項５】
前記の複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段は、電場発生手段、電磁場発生手段、電磁放射線手段、及び磁場発生手段を含む群から選ばれる、請求項1に記載のマイクロ流体システム。
【請求項６】
前記の複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段は磁場発生手段である、請求項5に記載のマイクロ流体システム。
【請求項７】
前記複数のアクチュエータ素子は第1及び第2列に配置され、
前記第1列のアクチュエータ素子は前記壁の内面の第1位置に設けられ、
前記第2列のアクチュエータ素子は前記壁の内面の第2位置に設けられ、かつ
前記第1位置と前記第2位置とは相互に対向している、
請求項1に記載のマイクロ流体システム。
【請求項８】
前記複数のアクチュエータ素子が2次元アレイを形成するように複数の列に配置される、請求項1に記載のマイクロ流体システム。
【請求項９】
前記複数のアクチュエータ素子が前記壁の内面に無作為に配置される、請求項1に記載のマイクロ流体システム。
【請求項１０】
少なくとも1つのマイクロチャネルを有するマイクロ流体システムの製造方法であって：
長軸に沿って変化する断面積を含む幾何学形状を有する複数のアクチュエータ素子を、少なくとも1つのマイクロチャネルの壁の内面に供する工程；及び
前記複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段を供する工程；
を有する方法。
【請求項１１】
前記の幾何学構造を有する複数のアクチュエータ素子の形成方法は：
前記壁の内面に長さL1を有する犠牲層を堆積する工程；
前記犠牲層の上部にアクチュエータ材料を堆積する工程；及び
前記犠牲層を除去することによって前記壁の内面から前記アクチュエータ材料を解放する工程；
によって実行される、
請求項10に記載の方法。
【請求項１２】
前記の犠牲層を除去する工程はエッチング工程によって実行される、請求項10に記載の方法。
【請求項１３】
前記の複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段を供する工程は磁場発生手段を供する工程を含む、請求項10に記載の方法。
【請求項１４】
前記の複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段を供する工程は電場発生手段を供する工程を含む、請求項10に記載の方法。
【請求項１５】
マイクロ流体システムの、内面を有する壁を有するマイクロチャネルを流れる流体を制御する方法であって：
複数のアクチュエータ素子であって、各々が形状、配向、及び長軸に沿って変化する断面積を含む幾何学構造を有するアクチュエータ素子を前記壁の内面に供する工程；並びに
前記複数のアクチュエータ素子の形状及び/又は配向を変化させるように、前記複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する工程；
を有する方法。
【請求項１６】
前記アクチュエータ素子に刺激を印加する工程は磁場を印加することによって実行される、請求項21に記載の方法。
【請求項１７】
バイオテクノロジー、製薬、電気、又はエレクトロニクス用途への請求項1に記載のマイクロ流体システムの使用。
【請求項１８】
診断装置への請求項1に記載のマイクロ流体システムの使用。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ流体システム、該マイクロ流体システムの製造方法、及び前記マイクロ流体システムのマイクロチャネルを介する流体流の制御又は操作方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流体システムは、今日急速に成長しているバイオテクノロジーの多く-たとえば迅速なDNA分離及びサイズ確認、細胞操作、細胞分類、並びに分子検出-にとって重要な基礎となっている。マイクロ流体チップに基づいた手法は、従来の巨視的サイズの手法と比較して多くの利点を供する。
【０００３】
全てのマイクロ流体素子では、流体流を制御することが基本的に必要とされている。つまり流体は、輸送され、混合され、分離され、かつ典型的な幅が約0.1mmのチャネルで構成されるマイクロチャネルシステムを介して案内されなければならない。マイクロ流体を作用させる上での課題は、マイクロチャネル中での様々な組成物からなる複合流体-たとえば唾液や全血-の流れを制御すなわち操作するための小型で信頼性あるマイクロ流体システムを設計することである。様々な作用機構が開発され、かつ現在用いられている。そのような作用機構とはたとえば、圧力駆動法、微細加工されたメカニカルバルブ及びポンプ、インクジェット型ポンプ、電動制御流、並びに表面弾性波である。
【０００４】
特許文献1では、マイクロガスクロマトグラフ等に用いられているマイクロポンプ集合体が供されている。そのマイクロポンプ集合体は、そのクロマトグラフを介して気体を駆動させる。これは膜が変位するポンプの一例である。膜がたわむことで液体を流す圧力が供される。しかし係るマイクロポンプ集合体やマイクロポンプを用いることの不利益とは一般的に、係るマイクロポンプ集合体やマイクロポンプが、何らかの方法によってマイクロ流体システムと一体化されなくてはならないことである。このことは、マイクロ流体システムのサイズが増大することを意味する。従って小型かつ安価でありながら処理しやすいマイクロ流体システムを有することが有用である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願第2003/0231967号明細書
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】ブロア(Dirk  J.Broer)、ホーテン（Henk  van  Houten）、オーワーカーク（Martin  Ouwerkerk）、ツーダー（Jaap  M.J.den  Tooder）、スライス（Paul  van  der  Sluis）、クリンク（Stephen  I.Klink）、ヒクメット（Rifat  A.M.Hikmet）、バルケネンデ（Ruud  Ballenende）、スマート・マテリアルズ（Smart  Materials）、第4章、スプリンガーフェアラーク（Springer  Verlag）、2006年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、改善されたマイクロ流体システム、並びに該改善されたマイクロ流体システムの製造及び操作方法を供することである。本発明の利点は、小型、安価、及び処理しやすさのうちの少なくとも1つである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的は本発明による方法及び素子によって実現される。
【０００９】
第1態様では、本発明は、内面を有する壁を有する少なくとも1つのマイクロチャネルを含むマイクロ流体システムを供する。当該マイクロ流体システムは：
前記壁の内面に取り付けられた複数のアクチュエータ素子であって、各々が形状、配向、及び長軸に沿って変化する断面積を含む幾何学構造を有するアクチュエータ素子；並びに
前記アクチュエータ素子の形状及び/又は配向を変化させるように、前記複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段；
をさらに有する。
【００１０】
前記複数のアクチュエータ素子に刺激を印加することにより、マイクロ流体システム内の複合流体の流れを局所的に操作する方法が得られる。前記アクチュエータ素子は、流体流の具体的な流路を得るため、個別的又は集団的に駆動すなわち処理されて良い。前記アクチュエータ素子の幾何学構造は長軸に沿って変化する断面積を含む。前記アクチュエータ素子の変化する断面積は、均一の断面積を有するアクチュエータ素子と比較して、前記アクチュエータ素子のコンプライアンスを減少させる。前記アクチュエータのコンプライアンスが低くなければ、前記アクチュエータの剛性を克服して前記アクチュエータを大きく変形させるのに必要な刺激は、受容不可能な程度の大きさになってしまう恐れがある。
【００１１】
本発明の実施例では、前記変化する断面積は実質的に、前記マイクロチャネルの壁の内側へ向かっている。前記変化する断面積は減少する断面積であることが好ましい。前記減少する断面積は前記アクチュエータ素子の断面積の10-80%である。薄い断面積を有するアクチュエータ素子は関節として機能する。形状又は配向の変化を起こすのに必要な刺激は、均一な断面積を有するアクチュエータ素子にとって必要な上記刺激よりも数桁小さい。
【００１２】
本発明の特定の実施例では、前記マイクロ流体システムは、前記複数のアクチュエータ素子へ刺激を印加する手段を有する。前記の複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段は、電場発生手段（たとえば電流源又は電圧源）、電磁場発生手段（たとえば光源）、電磁放射線手段（たとえば光源）、及び内部又は外部磁場発生手段を含む群から選ばれる。
【００１３】
本発明による最も好適な実施例では、前記の複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段は、磁場発生手段である。
【００１４】
本発明の一の実施例では、前記複数のアクチュエータ素子は第1及び第2列に配置され、前記第1列のアクチュエータ素子は前記壁の内面の第1位置に設けられ、前記第2列のアクチュエータ素子は前記壁の内面の第2位置に設けられ、かつ前記第1位置と前記第2位置とは相互にほぼ対向している。
【００１５】
本発明の他の実施例では、前記複数のアクチュエータ素子は2次元アレイを形成するように複数の列に配置されて良い。
【００１６】
本発明の他の実施例では、前記複数のアクチュエータ素子はマイクロチャネルの壁の内面に無作為に配置されて良い。
【００１７】
本発明の第2態様では、少なくとも1つのマイクロチャネルを有するマイクロ流体システムの製造方法が供される。当該方法は：
長軸に沿って変化する断面積を含む幾何学形状を有する複数のアクチュエータ素子を、少なくとも1つのマイクロチャネルの壁の内面に供する工程；及び
前記複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段を供する工程；
を有する。
【００１８】
上記の幾何学構造を有する前記複数のアクチュエータ素子の形成方法は：
前記壁の内面に長さL1を有する犠牲層を堆積する工程；
前記犠牲層の上部にアクチュエータ材料を堆積する工程；及び
前記犠牲層を除去することによって前記壁の内面から前記アクチュエータ材料を解放する工程；
によって実行される。
【００１９】
前記の犠牲層を除去する工程はエッチング工程によって実行されて良い。
【００２０】
本発明の実施例によると、前記アクチュエータ素子に刺激を印加する手段を供する工程は電磁場発生手段を供する工程を含んで良い。
【００２１】
本発明の他の態様では、マイクロ流体システムのマイクロチャネルを流れる流体を制御する方法が供される。前記マイクロチャネルは内面を有する壁を有する。当該方法は：
複数のアクチュエータ素子であって、各々が形状、配向、及び長軸に沿って変化する断面積を含む幾何学構造を有するアクチュエータ素子を前記壁の内面に供する工程；並びに
前記複数のアクチュエータ素子の形状及び/又は配向を変化させるように、前記複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する工程；
を有する。
【００２２】
本発明による特定実施例では、前記アクチュエータ素子に刺激を印加する工程は磁場を印加することによって実行されて良い。
【００２３】
他の態様では、本発明はまた、内面を有する壁を有する少なくとも1つのマイクロチャネルであって液体を含むマイクロチャネルを含むマイクロ流体システムをも有する。当該マイクロ流体システムは：
前記壁の内面に取り付けられた複数のアクチュエータ素子；及び
前記マイクロチャネルに沿った方向に前記液体を駆動するように前記複数のアクチュエータ素子に刺激を印加する手段；
をさらに有する。
【００２４】
本発明によるマイクロ流体システムは、バイオテクノロジー、製薬、電気、又はエレクトロニクス用途に用いられて良い。バイオテクノロジー用途においては、当該マイクロ流体システムは、バイオセンサ、高速DNA分離及びサイズ確認、細胞操作及び分類、に用いられる。製薬用途においては、当該マイクロ流体システムは、局所的な混合が重要である高処理能力のコンビナトリアル検査に用いられる。電気又はエレクトロニクス用途においては、当該マイクロ流体システムは、マイクロチャネル冷却システムに用いられる。
【００２５】
本発明によるマイクロ流体システムは、体液中の少なくとも1つの標的分子を検出するためのバイオセンサのような診断装置に用いられて良い。少なくとも1つの標的分子とはたとえば、タンパク質、抗体、核酸（たとえばDNA、RNA）、ペプチド、オリゴ糖若しくは多糖類若しくは砂糖である。体液とはたとえば、唾液、痰、血液、血漿、間質液、又は尿である。
【００２６】
本発明の上記及び他の特徴、事項、及び利点は、例示的に本発明の原理を図示している添付の図面と共に以降の詳細な説明から明らかとなる。本記載は例示を目的とするのみで、本発明の技術的範囲を限定するものではない。以降で引用される参照番号は添付の図面を指し示している。それぞれ異なる図において、同一の参照番号は同一又は累維持の構成要素を指し示している。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】従来技術に係るマイクロポンプ集合体を図示している。
【図２】本発明の実施例による、長軸に沿って変化する断面積を含む幾何学構造を有するアクチュエータ素子の概略図である。
【図３】本発明の実施例による、長軸に沿って変化する断面積を含む幾何学構造を有するアクチュエータ素子の概略図である。
【図４】本発明の実施例による、曲がるポリマーMEMS構造を図示している。
【図５】本発明の実施例によるマイクロチャネルの断面の概略図である。前記マイクロチャネルの壁の内面はまっすぐなアクチュエータ素子によって覆われている。
【図６】本発明の他の実施例によるマイクロチャネルの断面の概略図である。前記マイクロチャネルの壁の内面は、巻き上がっているアクチュエータ素子と、まっすぐに伸びているアクチュエータ素子によって覆われている。
【図７】本発明のさらに他の実施例によるマイクロチャネルの断面の概略図である。前記マイクロチャネルの壁の内面は、前後へ非対称に変動するアクチュエータ素子によって覆われている。
【図８】本発明の実施例による、まっすぐなアクチュエータ素子上に均一な磁場を印加する様子を図示している。
【図９】本発明の他の実施例による、個々のアクチュエータ素子上に回転磁場を印加する様子を図示している。
【図１０】本発明の他の実施例による、導線を用いて不均一磁場を印加することでアクチュエータ素子に力を及ぼす様子を図示している。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
各異なる図において、同一参照記号は同一又は類似の素子を指し示している。
【００２９】
本発明の特定かつ好適態様は、「特許請求の範囲」に記載された独立及び従属請求項によって与えられる。従属請求項で与えられた事項は、独立請求項で与えられた事項と、他の従属請求項で与えられた事項と組み合わせられて良い。係る組合せは適切に行われ、請求項中に明記されたものに限られない。
【００３０】
特定の図を参照しながら、具体的実施例について、本発明を説明する。しかし本発明は参照された具体的実施例によっては限定されず、「特許請求の範囲」に記載された請求項によってのみ限定される。示された図は単なる概略に過ぎず、非限定的である。図においては、例示目的のため、大きさが誇張され、かつ正しいスケールで描かれていない構成要素がある。
【００３１】
さらに、明細書及び特許請求の範囲に記載されている第1、第2、第3等の語は、同様の構成要素を区別するために用いられており、必ずしも生起順序又は時系列順序を表すものではない。よって用いられているそれらの語は適切な状況下では同義であり、本明細書で説明されている本発明は、説明すなわち例示されている順序以外の順序での動作が可能であることに留意すべきである。
【００３２】
しかも、明細書及び特許請求の範囲に記載されている上部、下部、上、下等の語は、説明目的で使用されており、必ずしも相対的位置を表すものではない。よって用いられているそれらの語は適切な状況下では同義であり、本明細書で説明されている本発明は、説明すなわち例示されている順序以外の順序での動作が可能であることに留意すべきである。
【００３３】
以降では、形状という語はアクチュエータ素子の形状を意味する。その形状は、梁形状若しくは棒形状、又は細長形状を含む他の適当な形状であって良い。配向という語はアクチュエータ素子の配向を意味する。その配向はマイクロチャネルの壁の内面に対して垂直であって良いし、又はその内面と同一面であっても良い。コンプライアンスという語は剛性の逆数を意味する。換言すると、アクチュエータ素子が外部刺激による作用を受けるとき、そのアクチュエータ素子コンプライアンスが大きければ大きいほどその剛性は小さい。本発明によるアクチュエータ素子の幾何学構造は、そのアクチュエータ素子の変化する断面積を含む。前記変化する断面積は前記マイクロチャネルの壁の内面に向かって薄くなることが好ましい。減少する断面積は前記アクチュエータ素子の断面積の10-80%である。厚さ又は幅のいずれかが減少する結果として前記アクチュエータ素子は変化する断面積を有することで、前記アクチュエータ素子のコンプライアンスが増大する。換言すれば、このことは、前記アクチュエータ素子の剛性が減少する結果であることが分かった。前記アクチュエータ素子のコンプライアンスもまた低弾性モジュラスを有する材料を用いることによる影響を受け、前記アクチュエータ素子のコンプライアンスが増大することは明らかである。
【００３４】
第1態様では、本発明はマイクロ流体システムを供する。当該マイクロ流体システムには、該マイクロ流体システムのマイクロチャネルを介した流体の輸送、（局所）混合、又は案内を可能にする手段が供される。第2態様では、本発明は当該マイクロ流体システムの製造方法を供する。第3態様では、本発明はマイクロ流体システムのマイクロチャネルを流れる流体の制御方法を供する。本発明によるマイクロ流体システムは処理が経済的かつ単純でありながら、頑丈かつ小型で、非常に複雑な流体に対しても適している。
【００３５】
本発明によるマイクロ流体システムは、少なくとも1つのマイクロチャネル及び該少なくとも1つのマイクロチャネルの壁の内面に一体化されたマイクロ流体素子を有する。前記マイクロ流体素子はアクチュエータ素子である。これらの素子はコンプライアンスが大きくて強いことが好ましい。前記アクチュエータ素子は、ある特定の刺激-たとえば電場や磁場等-に対して、形状を曲げ、回転させ、又は変化させることによって応答することが好ましい。前記アクチュエータ素子は比較的安価なプロセス手段によって容易に処理されることが好ましい。
【００３６】
本発明によると、全ての適切な材料が用いられて良い。適切な材料つまり、たとえば外部の刺激に対する応答として機械的に変形することで形状を変化させることが可能な材料である。外部刺激には様々な刺激源であって良い。様々な刺激源とはたとえば、電場、磁場、光、温度、化学環境等である。可能な材料の概略は非特許文献1で与えられている。ポリマー材料は一般的に、脆性ではなくて強く、比較的安価で、大きな歪み（最大10%以上）に対しても弾性であり、かつ大きな表面積を単純な方法で処理可能であると見込まれている。
【００３７】
作用する刺激の種類に依存して、アクチュエータ素子の形成に用いられる材料は機能化されなければならないと考えられる。アクチュエータの少なくとも一部にとってはポリマーが好ましい。大抵の種類のポリマーは本発明に従って用いられて良い、ただしたとえばポリスチレンのような非常に脆性の強いポリマーは除く。非常に脆性の強いポリマーは本発明には全く適さない。たとえば静電又は磁気作用の場合では、アクチュエータ素子の形成に金属が用いられて良いし、又は金属がアクチュエータ素子の一部-たとえばイオン導電性高分子-金属複合体(IPMC)-であってもよい。たとえば磁気作用については、アクチュエータ素子を形成するのにFeNi又は他の磁性材料が用いられて良い。しかし金属の欠点は機械疲労や処理コストであると考えられる。
【００３８】
利用可能な他の材料には、電気駆動型ポリマー(EAP)の全形態が含まれる。EAPは非常に大まかではあるが2つに分類できる。イオン駆動型と電子駆動型である。電子駆動型EPAは、電歪性（たとえば電気歪みグラフトエラストマー）、静電（誘電）性、圧電性、磁性、電気粘性-弾性、液晶エラストマー、及び強誘電作用するポリマーを有する。イオン駆動型EPAは、イオン性ポリマーゲルのようなゲル、イオン導電性高分子-金属複合体(IPMC)、導電性ポリマー、及びカーボンナノチューブを有する。それらの材料は、伝導特性又は光学特性を示して良い。あるいはそれらの材料は、化学的に活性化する、つまり非伝導性でかつ変形可能であっても良い。上記EAPのいずれも、大きく曲がる応答によって曲げられることが可能で、かつ本発明に従った幾何学構造を有するアクチュエータ素子に用いられて良い。
【００３９】
上記の理由により、本発明によると、アクチュエータ素子は、その構成の一部としてポリマー材料で構成されるか、又はポリマー材料を含んで良い。従って以降の説明では、本発明はポリマーアクチュエータ素子によって説明される。しかし上述したようにポリマー以外の材料がポリマーアクチュエータの形成に用いられるときにも、本発明を適用することができることは、当業者には明らかである。ポリマー材料は一般的に、脆性ではなくて強く、比較的安価で、大きな歪み（最大10%以上）に対しても弾性であり、かつ大きな表面積を単純な方法で処理可能であると見込まれている。
【００４０】
本発明によるマイクロ流体システムは、バイオテクノロジー、製薬、電気、又はエレクトロニクス用途に用いられて良い。バイオテクノロジー用途においては、当該マイクロ流体システムは、バイオセンサ、高速DNA分離及びサイズ確認、細胞操作及び分類、に用いられる。製薬用途においては、当該マイクロ流体システムは、局所的な混合が重要である高処理能力のコンビナトリアル検査に用いられる。電気又はエレクトロニクス用途においては、当該マイクロ流体システムは、マイクロチャネル冷却システムに用いられる。
【００４１】
本発明は、ミクロなポリマーアクチュエータ素子でマイクロチャネルの壁を覆うことによって、マイクロチャネル中での流体の運動を操作する。ミクロなポリマーアクチュエータ素子とは、つまりある特定の外部刺激に応答して形状及び/又は大きさを変化させるポリマー構造である。以降の記載では、ポリマーアクチュエータ素子のようなこれらのミクロなアクチュエータ素子はアクチュエータ-たとえばポリマーアクチュエータ、ミクロなポリマーアクチュエータ、アクチュエータ素子、又はミクロなポリマーアクチュエータ素子-とも呼ばれて良い。以降の記載においては、これらの語のうちのいずれが用いられても、本発明による同一のミクロなアクチュエータ素子を意味することに留意して欲しい。ミクロなアクチュエータ素子又はポリマーアクチュエータは、任意の適切な外部刺激によって、個別的又は集団的に運動状態にされて良い。これらの外部刺激は、たとえば電流のような電場、磁場、又は他の適切な手段であって良い。
【００４２】
しかし医用生体用途については、他の材料を用いてアクチュエータ素子を形成することによって生じうる複合生体流体との可能な相互作用を考慮すると、電気的及び磁気的手段が好ましいと思われる。
【００４３】
発明の詳細な説明においては、主として磁気作用について論じる。個々の磁気的に作用するアクチュエータ素子は基本的には、常磁性又は強磁性の蓋(flap)である。これは、その蓋に超常磁性又は強磁性粒子を加え、又はその蓋上に（構造が作製された）磁性層を堆積させ、又は真性磁気ポリマー材料を用いることによって実現されて良い。その蓋は、実効的に印加されたトルク、又は直接的な並進力のいずれかによって磁場方向に変動して良い。その磁場は均一な磁場であっても良いし、又は、たとえば電流ワイヤによって誘起される空間的に変動する磁場であっても良い。
【００４４】
外部磁場が印加される結果、蓋には並進力と回転力が加えられる。並進力は次式で表される。
【００４５】
【数１】
2010500182.tif 000003
ここでベクトルmは蓋の磁気モーメントで、かつベクトルBは誘起される磁場である。
【００４６】
回転力-つまり蓋に加えられるトルク-は、その蓋の変動-つまり回転-及び/又は形状の変化を引き起こす。蓋の磁気モーメントをベクトルm、及び磁場強度をベクトルHとすると、ベクトルτで表されるトルクは次式で与えられる。
【００４７】
【数２】
2010500182.tif 000004
ここでμは透磁率、ベクトルBは誘起される磁場、ベクトルMは磁化（つまり単位体積あたりの磁気モーメント）で、Vは蓋の体積である。蓋は、L×w×tで表される（長さ）×（幅）×（厚さ）の次元を有する。加えられたトルクは、磁気モーメントと磁場とのなす角に依存し、かつ磁気モーメントと磁場がそろっているときにはゼロとなる。
【００４８】
マイクロ流体素子に用いられる実効的素子を得るためには、結果として蓋に作用する力はその蓋を顕著に変位させるのに十分（つまりその蓋のスティフネスを凌駕する程度）でなければならず、かつ他方で、周囲の流体によってその蓋に作用する引っ張り力を凌駕するのに十分な程度大きくなければならない。
【００４９】
磁場中、蓋は、式(2)によって与えられるトルクを受ける。そのトルクは以下である。
τ=LwtMBsinα  (3)
ここで、Mは蓋の磁化で、その蓋の長手方向に配向していると推定される。Bは印加されて誘起された磁場の大きさで、αは磁化と印加磁場とのなす角である。そのトルクは、次式で表される、その蓋のチップに作用する力Fで表されて良い。
F=τ/L=wtMBsinα  (4)
材料がタング率Eを有する場合、そのチップのたわみδは、そのチップに負荷Fが作用しているとすると、次式で与えられる。
δ=4L3F/(Ewt3)  (5)
この式はかなり小さな-つまり素子の厚さのオーダーの-たわみに対して有効である。実効的な流体作用にとって必要なたわみが大きくなる場合には、式(5)には含まれていない非線形効果を考慮する必要がある。有限要素法(FEM)-たとえばFEMパッケージ”Ansys”で実装されたような-は、力-たわみの関係を計算するのに用いられる。
【００５０】
約5μm蓋を変位させるのに必要とされる典型的な力は、E=2GPa、L=20μm、w=10μmで、t=300nmの場合には、約0.1μNである。この力を得るのに必要とされる磁場は式(4)から見積もられる。その構造は10vol%の強磁性マグネタイト粒子によって満たされているものと推定する。バルクのマグネタイトの磁化は約5×105A/mである。粒子は球状なので、実効磁化は1/3の形状因子を乗じなければならない。従って蓋の実効磁化はM=10%×(1/3)×5×105=1.65×104A/mである。式(4)に値を代入して、蓋が最適の配向-つまり磁場に対して垂直な配向-をとると仮定すると、0.1μNの力では、2Tの磁場を誘起することが必要となる。これは実際の用途にとっては非現実的に大きな値である。
【００５１】
磁場勾配、つまりは式(1)によって与えられる並進力を、超常磁性粒子と併用するときにも、同様の議論が成立する。蓋のコンプライアンスが小さいときには、その蓋の剛性を凌駕し、かつその蓋を顕著に変位させるのに必要な磁場勾配/電流は、受容不可能な程度に大きくなってしまう。
【００５２】
本発明によると、アクチュエータ素子は長軸に沿って変化する断面積を有する。前記変化する断面積は開口部を有する。その開口部の形状は、正方形、長方形、円、半円等であって良い。これらの開口部はアクチュエータ素子の剛性を減少させる。アクチュエータ素子の厚さ又は幅のいずれかが減少することで、そのアクチュエータ素子のコンプライアンスは増大することに留意して欲しい。如何なる理論にも拘束されることを意図しているわけではないが、厚さ又は幅の減少したアクチュエータ素子は関節として機能し、かつ形状又は配向の変化を起こすのに必要な刺激は、均一な断面積を有するアクチュエータ素子にとって必要な上記刺激よりも数桁小さいと予想している。コンプライアンスは幅の減少に対して一次関数的に増大することが分かっていたが、その一方で厚さに対しては3乗で増大する。
【００５３】
他の実施例によると、アクチュエータ素子は複数の開口部-たとえば複数のコンプライアンスの大きな関節-を有する。これらは、アクチュエータ素子の幅又は厚さのいずれかを減少させることによって実現されて良い。これらの構造は、より複雑な変動を供することが可能である。しかし式(2)から分かるように、厚さ又は幅を小さくする結果、磁力が減少する恐れがある。複数のコンプライアンスの大きな関節がより有効であるか否かは、剛性の減少と磁力の減少とのバランスに依存する。この好適実施例は磁気刺激についてもっと良く機能すると考えられる。しかし本発明は磁場のみに限定されてはならない。
【００５４】
図1は従来技術に係るマイクロポンプ集合体を図示している。マイクロガスクロマトグラフ等に用いられ、かつそのクロマトグラフを通過するようにガスを流すマイクロポンプ集合体11が供されている。マイクロポンプ集合体11はマイクロポンプ12を有する。そのマイクロポンプ12では、微細加工されたポンプ空洞部が列をなすように配置されている。微細加工されたポンプ空洞部はマイクロバルブ14によって接続されている。共有されたポンプ用膜は、空洞を上部チャンバと下部チャンバとに分割する。いずれのポンプ用チャンバも共有されたポンプ用膜によって駆動される。その共有されたポンプ用膜はポリマー膜であって良い。ポンプ用膜の変動、及び共有されたマイクロバルブの制御は、複数の電気信号に応答して、ポンプ用ユニット対を介する流体の流れを制御するように同期する。
【００５５】
その集合体11はさらに流入管16及び流出管18を有する。よってポンプ動作は、ポンプとバルブをある特定の周期で下方へ引っ張ることによって、静電的に引き起こされる。具体的に電気信号を発生させる計画を決定することによって、一の方向又はその反対方向にガスを流すことができる。ポンプ系が駆動する周期は、そのポンプの流速を決定する。両面に電極を有することによって、静電的に駆動する膜は、穴及び空洞全体を流れる空気の抵抗による、振動の力学的限界及び減衰を容易に克服する。
【００５６】
特許文献1に係るマイクロポンプ集合体11は膜変位ポンプの一例である。膜変位ポンプでは、微細加工された膜がたわむことで、液体をポンピングするための圧力が与えられる。
図2及び図3は本発明の実施例による幾何学構造を有したアクチュエータ素子30の例を図示している。図2及び図3の一番右側に示された図はアクチュエータ素子の断面である。これらの図は、外部刺激-たとえば電磁場又は他の刺激-に対して、上下に曲がることによって応答可能なアクチュエータ素子30を表している。ポリマーアクチュエータ素子30はポリマー微小電気機械システム（ポリマーMEMS）31及び該ポリマーMEMS31をマイクロ流体システムのマイクロチャネル33に取り付ける取り付け手段32を有する。取り付け手段32はポリマーMEMS31の第1先端に設けられて良い。ポリマーMEMS31は梁又は棒形状を有して良い。しかし本発明は梁又は棒形状のMEMSに限定されるわけではない。アクチュエータ素子30は、そのアクチュエータ素子30コンプライアンスを増大させるため、換言すると剛性を減少させるため、長軸に沿って変化する断面積を有して良い。前記変化する断面積は、図2に図示されているように、開口部20、21、22を有して良い。開口部の形状は、正方形、長方形、円、半円等であって良い。アクチュエータ素子30は、たとえば図3に図示されている複数のコンプライアンスの大きな関節のように、複数の開口部23、24、25を有して良い。アクチュエータ素子30はまた他の適当な形状を有するポリマーMEMS31をも有して良い。
【００５７】
本発明の上述した態様によると、ポリマーMEMS31は、約10μmから100μmの範囲で、典型的には20μmである長さ’l’を有して良い。ポリマーMEMS31は、約2μmから30μmの範囲で、典型的には10μmである幅’w’を有して良い。ポリマーMEMS31は、約0.1μmから2μmの範囲で、典型的には0.3μmである厚さ’t’を有して良い。開口部の長さ/幅/直径は1-5μmの範囲で、典型的には2μmであって良い。たとえ図2及び図3において基板表面に対して垂直な配向が図示されているとしても、最初の配向は基板表面の面内であっても良い。
【００５８】
温度変化、可視及びUV光、水、分子、静電場、磁場、電場に対して応答可能な材料で作られたアクチュエータ素子が、本発明に従って用いられて良い。しかし医療用途については、アクチュエータ素子を形成するのに他の材料が用いられる場合、複雑な体液と相互作用してしまう恐れがあることを考慮すると、光学作用及び磁気作用が好ましいだろう。
【００５９】
本明細書では、主として磁気作用について論じる。しかしたとえば電気的刺激、温度変化、及び光といった他の刺激が本発明に従って用いられても良いことにも留意して欲しい。電気的に刺激されるアクチュエータ素子を形成するのに用いることのできるポリマー材料の例は、強誘電ポリマー、つまりポリビニリデンフルオリン(PVDF)であって良い。一般的には低弾性モジュラスで高誘電率である適当なポリマーはすべて、電場の影響を受けることによって大きな作用歪みを誘起するのに用いられて良い。他の適当なポリマーはたとえば、イオン導電性高分子-金属複合体(IPMC)材料であって良い。IPMCとはたとえばペルフルオロスルホネート及びペルフルオロカーボネートである。温度駆動するポリマー材料の例は形状記憶ポリマー(SMP)であって良い。SMPとはたとえばポリ（N-イソプロピルアクリルアミド）のような感熱性ゲルであって良い。
【００６０】
図4は本発明の実施例によるアクチュエータ素子の例を図示している。アクチュエータ素子30は、外部刺激-たとえば電磁場又は他の刺激-に対して、上下に曲がることによって応答可能である。ポリマーアクチュエータ素子30はポリマー微小電気機械システム（ポリマーMEMS）31及び該ポリマーMEMS31をマイクロ流体システムのマイクロチャネル33に取り付ける取り付け手段32を有する。取り付け手段32はポリマーMEMS31の第1先端に設けられて良い。
【００６１】
ポリマーMEMS31は梁又は棒形状を有して良い。しかし本発明は梁又は棒形状のMEMSに限定されるわけではない。ポリマーアクチュエータ素子30はまた、他の適当な形状を有するポリマーMEMS31をも有して良い。他の適当な形状とは、棒形状のような細長形状であることが好ましい。
【００６２】
本発明に従った、マイクロチャネル33に取り付けられたアクチュエータ素子の形成方法の例を以降で説明する。
【００６３】
アクチュエータ素子30は、様々な考えられ得る方法で、マイクロチャネル33の壁36の内面35に固定されて良い。アクチュエータ素子30をマイクロチャネル33の壁36の内面35に固定する第1の方法は、アクチュエータ素子30の構成する材料以外の材料の層を犠牲層上に堆積-たとえばスピンコーティング、蒸着、又は他の適当な堆積方法-することである。従って、最初に犠牲層がマイクロチャネル33の壁36の内面35上に堆積されて良い。犠牲層は、金属（たとえばアルミニウム）、酸化物（たとえばSiOx）、窒化物（たとえばSixNy）、又はポリマーで構成されて良い。犠牲層を構成する材料は、アクチュエータ素子を形成する材料に対する選択エッチングが可能で、かつ適当な長さにわたってマイクロチャネル33の壁36の内面35に堆積可能でなければならない。実施例によっては、犠牲層はマイクロチャネル33の壁36の内面35  -典型的には数cmのオーダー-にわたって堆積されて良い。しかし実施例によっては、犠牲層は、アクチュエータ素子30の長さと同一である長さL-典型的には10〜100μmのオーダー-にわたって堆積されて良い。用いられる材料に依存して、犠牲層は0.1μm〜10μmの厚さを有して良い。
【００６４】
次の工程では、以降でポリマーMEMS31を形成するポリマー材料層が犠牲層上に堆積される。続いて犠牲層は、アクチュエータ素子の上述した幾何学構造を得るのに必要であれば、エッチングされて良い。よって（図4に図示されているように）ポリマー層は長さLにわたって壁36の内面35から解放される。この部分がポリマーMEMS31を形成する。壁36の内面35に取り付けられたままであるポリマー層の他の部分は、マイクロチャネル33、より詳細にはマイクロチャネル33の壁36の内面35へポリマーMEMS31を取り付ける取り付け手段32を形成する。
【００６５】
本発明に従ってアクチュエータ素子30を形成する別法は、ポリマー材料を堆積する前に、壁36の内面35の表面エネルギーがパターンを形成するように制御することであって良い。その場合、アクチュエータ素子30が取り付けられるマイクロチャネル33の壁36の内面35は、複数の領域がそれぞれ異なる表面エネルギーを有するようにパターニングされる。これは、たとえばリソグラフィ又はプリントのような適当な手法によって実行されて良い。アクチュエータ素子30を構築する材料以外の材料からなる層は、当業者にとって既知である適当な手法によって堆積され、かつ構造が作製される。その層は、壁36の内面35の一部の領域に強く取り付けられ、かつ壁36の内面35の別な一部の領域に弱く取り付けられる。その強く取り付けられた領域は強結合領域と呼ばれ、その弱く取り付けられた領域は弱結合領域と呼ばれる。よって弱結合領域では層を自然に解放することが可能である一方で、その層は強結合領域では固定されたままである。よって強結合領域は取り付け手段32を形成することができる。そのようにして自己形成の支持体なしで存在するアクチュエータ素子30を得ることが可能となる。
【００６６】
そのまま処理された素子30は、本願の全ての図に示されているように、チャネル壁36に対して実質的に平行な方向である必要はない。
【００６７】
ポリマーMEMS31はたとえば、アクリラートポリマー、コポリマーを含むポリ（エチレングリコール）、又は他の適当なポリマーを有して良い。好適には、ポリマーMEMS31の形成に用いられるポリマーは生体親和性ポリマーであるべきである。それによりそのポリマーとマイクロチャネル33中での流体（の成分）との相互作用は最小となる。あるいはその代わりにアクチュエータ素子30は、非選択的吸着特性及び濡れ性を制御するように改質されて良い。ポリマーMEMS31は複合材料を有して良い。たとえばポリマーMEMS31は粒子が満たされた母体材料又は多層構造を有して良い。また「液晶ポリマーネットワーク材料」という語は、本発明に従って用いられて良いことに留意して欲しい。
【００６８】
非作用状態-つまりアクチュエータ素子30に外部刺激が印加されていないとき-では、特定の例において梁の形態を有して良いポリマーMEMS31は、まっすぐであるか、又は曲がっている。外部刺激-たとえば電場（電流）、若しくは電磁放射線（光）、若しくは磁場、又はポリマーアクチュエータ素子30に印加される他の適切な手段-は、ポリマーアクチュエータ素子30を、曲げたり、まっすぐにしたり、又は回転させる。換言すれば、外部刺激は、ポリマーアクチュエータ素子30を運動状態にする。アクチュエータ素子30の形状変化は、周囲の流体-これはマイクロ流体システムのマイクロチャネル33内に存在する-を運動状態にする。図4では、ポリマーMEMS31の曲がりが矢印34によって示されている。
【００６９】
図5は、本発明によるアクチュエータ素子が供されたマイクロチャネル33に係る実施例を図示している。この実施例では、マイクロ流体システムの設計の一例が図示されている（刺激を印加する手段を除く）。マイクロチャネル33の断面が概略的に図示されている。本発明のこの実施例によると、マイクロチャネル33の壁36の内面35は、複数のまっすぐなポリマーアクチュエータ素子30によって覆われて良い。図の簡明にするため、アクチュエータ素子30のポリマーMEMS部分31のみが図示されている。ポリマーMEMS31は、アクチュエータ素子30に印加された外部刺激が作用している状態で、前後に変動して良い。この外部刺激は、電場、電磁放射線、磁場、又は他の適当な手段であって良い。アクチュエータ素子30はポリマーMEMS31を有して良い。そのポリマーMEMS31は、たとえば棒又は梁形状を有して良い。そのポリマーMEMS31の幅は、図面の面を飛び出す方向に延在している。
【００７０】
本発明の実施例では、マイクロチャネル33の壁36の内面35上のアクチュエータ素子30は、1列以上の列に配置されて良い。一例として、アクチュエータ素子30は、2列を構成するように配置されて良い。つまり壁36の内面35上の第1位置には第1列のアクチュエータ素子30が存在し、かつ壁36の内面35上の第2位置には第2列のアクチュエータ素子30が存在する。第1位置と第2位置とは、互いに実質的に対向する。本発明の他の実施例では、アクチュエータ素子30は、2次元アレイを形成するように複数の列に配置されても良い。さらに他の実施例では、アクチュエータ素子30は、マイクロチャネル33の壁36の内面35上に無作為に設けられても良い。
【００７１】
ある特定方向-たとえば図5では左から右-への流体の輸送を可能にするため、アクチュエータ素子30の変動は非対称的であることが好ましいと考えられる。ポンプ用素子については、ポリマーアクチュエータ素子の運動は継時性のアクチュエータ手段によって供される。これは、アクチュエータ素子30を個別的又は列ごとに指定する手段を供することによって実現されて良い。静電作用の場合では、これは、マイクロチャネル33の壁36の一部であるパターニングされた電極構造によって実現されて良い。パターニングされた電極構造は、構造が作製された膜を有して良い。その構造が作製された膜は、金属又は他の適当な導体膜であって良い。膜の構造を作製することは、リソグラフィによって実現されて良い。パターニングされた構造は個別的に指定されて良い。同じことは磁気的に作用する構造についても適用されうる。チャネル壁構造の一部であるパターニングされた導体膜は、局所磁場の発生を可能にする。それによりアクチュエータ素子30を個別的又は列ごとに指定することができる。
【００７２】
上述の全ての場合において、アクチュエータ素子30を個別的に刺激することもかのであるし、又は列ごとに刺激することも可能である。その理由は、マイクロチャネル33の壁36は、構造が作製されたパターン-このパターンによって刺激は生じる-を有するからである。時間的に適切な指定を行うことによって、たとえば波状のような協調した刺激を起こすことも可能である。非協調的、すなわち無作為のアクチュエータ手段、シンプレクティック継時アクチュエータ手段、及びアンチプレティック継時アクチュエータ手段も、本発明の技術的範囲に含まれる。
【００７３】
図5に図示された例では、全てのアクチュエータ素子30-これらはそれぞれ異なる列上に存在する-は同時に変動する。ポリマーアクチュエータ30の機能は、アクチュエータ素子の個別的な指定、又はアクチュエータ素子30の列ごとの指定によって改善されて良い。それによってアクチュエータ素子30の運動の位相は一致しなくなる。電気的に刺激されるアクチュエータ素子30では、これは、マイクロチャネル33の壁36に一体化することの可能なパターニングされた電極（図には示されていない）を用いることによって実行されて良い。よってアクチュエータ素子30の運動は、図6に図示された波の運動と同様に、マイクロチャネル33の壁36の内面35を通り抜ける波として現れる。運動を供する手段は、実効的に収縮運動が生じる方向と同一の方向（「シンプレクティック継時性」）、又はその方向とは反対の方向（「アンチプレクティック継時性」）に通り抜けることのできる波の運動を発生させることができる。
【００７４】
マイクロ流体システムのマイクロチャネル33での局所的混合を行うため、アクチュエータ素子30の運動は意図的に相関しないようにすることができる。つまり、局所的なカオス的混合を生じさせるように、特定の方法で、あるアクチュエータ素子30が一の方向に変動がる一方で、別なアクチュエータ素子30は一の方向とは反対の方向に変動するようにして良い。渦が、マイクロチャネル33の壁36の反対位置でのアクチュエータ素子30の反対方向の運動によって発生して良い。
【００７５】
本発明によるアクチュエータ素子30が供されたマイクロ流体チャネル33に係る他の実施例が図6に図示されている。この実施例では、マイクロチャネル33の壁36の内面35は、曲がった形状からまっすぐな形状への変化が可能なアクチュエータ素子30によって覆われて良い。この形状変化は様々な方法によって実現されて良い。たとえばアクチュエータ素子30の形状変化は、アクチュエータ素子30の微細構造を制御し、アクチュエータ素子30の厚さ全体にわたる実効的な材料のスティフネスに勾配を導入することによって実現されて良い。それによりアクチュエータ素子の上部は下部よりもスティフネスが大きくなる。これは、アクチュエータ素子の複合構造によって実現されても良い。このことにより、「非対称的な曲がり」が生じる。つまりアクチュエータ素子30は、一の方向においては、他の方向よりもより容易に曲がる。アクチュエータ素子30の形状変化は、刺激の駆動-たとえば磁気的作用の場合であれば時間依存及び/又は空間依存する磁場-を制御することによっても実現されて良い。この実施例では、アクチュエータ素子30の非対称的な運動は実現されて良い。この非対称的な運動は、一の方向で速く動き、かつ他の方向でゆっくり動くことによってさらに改善することが可能である。たとえば曲がった形状からまっすぐな形状となるのは速く動き、かつまっすぐな形状から曲がった形状にはゆっくりと動くようにされても良い。あるいは係る形状変化の速さ/遅さの関係は逆であっても良い。形状を変化させるように備えられたポリマーアクチュエータ素子30は、たとえば棒形状又は梁形状のポリマーMEMS31を有して良い。本発明の実施例によると、アクチュエータ素子30は、1列以上の列に配置されて良い。たとえばマイクロチャネル33の壁36には第1列と第2列が存在し、その第1列と第2列とは、壁36の内面35上の実質的に対向する位置に設けられている。本発明の他の実施例では、アクチュエータ素子30は、2次元アレイを形成するように複数の列に配置されても良い。さらに他の実施例では、アクチュエータ素子30は、マイクロチャネル33の壁36の内面35上に無作為に設けられても良い。アクチュエータ素子30（の列）を個別的に指定することによって、流体の輸送若しくは混合、又は渦の生成において有利となりうる、波状の運動、相関した運動、又は相関しない運動が生じて良い。すべての運動はマイクロチャネル33内部で生じる。
【００７６】
本発明の他の実施例が図7に図示されている。この実施例では、マイクロチャネル33の壁36の内面35は、非対称運動を起こすアクチュエータ素子30によって覆われて良い。これは、一の側から他の側へのアクチュエータ素子30での分子秩序の変化を誘起することによって実現されて良い。換言すれば、アクチュエータ素子30の厚さ’t’にわたる材料構造の勾配が得られる。この勾配は様々な方法によって実現されて良い。液晶ポリマーネットワークの場合では、液晶分子の配向は、たとえば、とりわけ液晶(LC)ディスプレイの処理に用いられるプロセスを用いることによって制御された処理によって、層の上部から下部へ変化して良い。係る勾配を実現する別の可能な方法は、様々なスティフネスを有する各異なる材料によって、アクチュエータ素子30を構成する層を構築すなわち堆積することである。
【００７７】
非対称な運動は、一の方向に速く動かし、かつ他の方向にゆっくりと動かすことによってさらに改善されて良い。アクチュエータ素子30は、たとえば棒形状又は梁形状等の細長い形状を有するポリマーMEMS31を有して良い。本発明の実施例では、アクチュエータ素子30は壁36の内面35上で1列以上の列で配置されて良い。たとえば第1及び第2列において、1列のアクチュエータ素子30が、壁36の内面35上の2つの実質的に対向する各位置に存在する。本発明の他の実施例では、複数の列のアクチュエータ素子30は、2次元アレイを形成するように配置して良い。さらに他の実施例では、アクチュエータ素子30は、マイクロチャネル33の壁36の内面35上に無作為に配置して良い。アクチュエータ素子30（の列）を個別的に指定することによって、流体の輸送若しくは混合、又は渦の生成において有利となりうる、波状の運動、相関した運動、又は相関しない運動が生じて良い。
【００７８】
図5から図7では、本発明の実施例によるマイクロ流体システムの可能な設計例を3つ図示されている。これらの図は、マイクロチャネル33の壁36の内面35上に一体化されたアクチュエータ素子30を用いて、マイクロチャネル33内で流体を操作する実施例を図示している。
【００７９】
本発明による方法の利点は、流体の操作を行う手段がマイクロ流体システム内に完全に一体化されていることである。これにより、外部のポンプ又はマイクロポンプを必要とせずに、マイクロ流体用途に必要である大きな形状変化が可能となる。従って本発明は小型のマイクロ流体システムを供する。他の-恐らくさらにより重要な-利点は、全てのアクチュエータ素子30を同時に指定することによって、又は一回につき1つの所定のアクチュエータ素子30だけを指定することによって、流体が、マイクロチャネル33内で局所的に制御可能となることである。従って流体は、必要かつ所定の位置で、輸送され、再循環され、混合され、又は分離可能となる。本発明のさらに他の利点は、アクチュエータ素子30にポリマーを用いることで、たとえばプリント、又はエンボス加工、又は単一工程のリソグラフィといった安価な処理手法が可能となることである。
【００８０】
さらに本発明によるマイクロ流体システムは頑丈である。1つ又は数個のアクチュエータ素子30が適切に機能しなくなった場合でも、マイクロ流体システム全体の性能は大きく劣化しない。
【００８１】
本発明によるマイクロ流体システムは、バイオセンサ、高速DNA分離及びサイズ確認、細胞操作及び分類といったバイオテクノロジー用途に用いられて良い。製薬用途においては、マイクロ流体システムは、局所的な混合が重要である高処理能力のコンビナトリアル検査に用いられて良い。電気又はエレクトロニクス用途においては、マイクロ流体システムは、マイクロチャネル冷却システムに用いられて良い。
【００８２】
本発明のマイクロ流体システムは、たとえば唾液、痰、血液、血漿、間質液、又は尿等のような体液中に存在する、たとえばタンパク質、抗体、核酸（たとえばDNA、RNA）、ペプチド、オリゴ糖、多糖類、砂糖等の少なくとも1つの標的分子の検出を行うバイオセンサに用いられて良い。従って少量の試料流体（たとえば液滴）が素子に供給される。マイクロチャネルシステム内で流体を操作することによって、その流体は、実際の検出が行われる感受性位置に移される。本発明によるマイクロ流体システムにおいて様々なセンサを用いることによって、様々な種類の標的分子を1回の検出動作で検出することが可能である。
【００８３】
磁気アクチュエータ素子30に磁場を印加した結果、そのアクチュエータ素子30に並進力と回転力を生じさせることができる。回転力-つまり磁気アクチュエータ素子30へのトルク-は、そのアクチュエータ素子30の、変動-つまり回転-及び/又は形状変化を引き起こす。外部磁場発生手段によって磁気アクチュエータ素子30に印加された静的で均一な磁場の場合について、この様子は図8に図示されている。この磁場発生手段は、電磁石、マイクロ流体システムに隣接する永久磁石、又は、マイクロ流体システム内に一体化されている導線のような内部磁場発生手段であって良い。
【００８４】
図8に図示された状況では、磁気モーメントMと磁場Hとのなす角が小さくなるにつれて、完全に直立した状態へ接近する速度が遅くなる。これは、アクチュエータ素子30の変動中に磁場を回転させることによって解決することができる。
【００８５】
図9において概略的に図示されているように、回転永久磁石40によって印加される回転場は、個々のアクチュエータ素子30の回転運動、及び磁気アクチュエータ素子30のアレイ（又は波動）の協調回転運動を生じさせることができる。永久磁気モーメントを有する磁気アクチュエータ素子30の場合、表面へ向かう方向に働くアクチュエータ素子の力による回復ストロークが生じる。よってそのアクチュエータ素子30は、マイクロチャネル33中の流体を遮るのではなく表面を滑る。
【００８６】
マイクロチャネル33の壁36の内面上に位置するアクチュエータ素子30の運動によってそのマイクロチャネル33を流れる流体の輸送を可能にするため、ある特定の力及び/又は磁気モーメントが、マイクロチャネル33内の周囲の流体に印加される必要がある。上述のようにマイクロ流体システムの外部に設けることのできる永久磁石又は電磁石のような外部磁場発生手段を用いる代わりに、他の可能性として考えられる方法は、マイクロ流体システム内での一体化が可能な導線41を用いることである。これは図10に図示されている。導線41は約1〜100μm2の断面積を有する銅線であって良い。導線41を流れる電流によって発生する磁場は1/rで減少する。ここでrは、導線41からアクチュエータ素子30上のある位置までの距離である。たとえば図10においては、アクチュエータ素子30の位置Aでの磁場は、アクチュエータ素子30の位置Bでの磁場よりも大きい。同様に、アクチュエータ素子30の位置Bでの磁場は、アクチュエータ素子30の位置Cでの磁場よりも大きい。従ってポリマーアクチュエータ素子30は、その長さLに沿った磁場勾配を受ける。これにより、磁気アクチュエータ素子30が回転運動を起こす際に、その上部では「曲げ」運動が起こる。よって、均一な「遠方から働く磁場」-つまりアクチュエータ素子30全体にわたって一定の外部で発生した磁場-と導線41とを組み合わせることによって、アクチュエータ素子30の複雑な形状変化を可能にする時間依存磁場を生成することが可能となる。「遠方から働く磁場」はであって回転磁場であっても非回転磁場の何れであっても良い。これは、特に流体制御において最適化された効率と有効性が得られるように、アクチュエータ素子30の変化する形状を調節するのに非常に便利となりうる。単純な例は、アクチュエータ素子30の変化する形状が調節されることで、調節可能な非対称運動-つまりアクチュエータ素子30の「収縮ストローク」と「回復ストローク」とが異なる-が可能となる。
【００８７】
アクチュエータ素子30の運動は、マイクロ流体システム内に設けられた1つ以上の磁気センサによって測定されて良い。これにより、マイクロチャネル33内での流体の速度及び/又は粘性のような流れの特性を決定することが可能となる。さらに流体中での細胞の含有物（ヘマクリット値）又は流体の凝固特性といった他の詳細は、様々な作用手段を用いることによって測定されて良い。
【００８８】
上記実施例の利点は、たとえば唾液、痰、又は全血といった非常に複雑な体液に対しても磁気作用が適用可能なことである。さらに磁気作用はコンタクトを必要としない。換言すれば、磁気作用は非接触で実行することができる。外部磁場発生手段が用いられるとき、アクチュエータ素子30はマイクロ流体カートリッジ内部に存在する一方で、外部磁場発生手段はマイクロ流体カートリッジ外部に設けられる。
【００８９】
本発明による素子について、本明細書では、好適実施例、特定の構成及び設定、並びに材料について論じられているが、形式及び詳細においては様々な変化型又は修正型が、本発明の技術的範囲及び技術思想の範囲内で可能であることに留意して欲しい。たとえばアクチュエータ素子30の形状及び/又は配向が変化することで、マイクロ流体システムのマイクロチャネル33内に存在する液体に係る駆動を分配することができる。これはポンプとして用いられるように修正されても良い。外部刺激の手段によってアクチュエータ素子30を順次指定することによって、マイクロチャネル33内での一の方向に液体を駆動させる波紋を生じさせることができる。外部刺激は電場発生手段であって良い。その場合、1つ以上の電極-たとえば導電性ポリピロール電極-が、アクチュエータ素子30に組み込まれて良い。アクチュエータ素子30内の1つ以上の電極を順次指定することによって、そのアクチュエータ素子30は、その形状及び/又は配向を順次変化させることができる。これにより波紋を生じさせることができる。
【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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【国際調査報告】
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