(57)【要約】  本発明では、内壁（17）を有する少なくとも一つの微小チャネル（18）を有する微小流体システムが提供される。微小流体システムは、少なくとも一つの微小チャネル（18）の内壁（17）に取り付けられた複数の繊毛アクチュエータ素子（10a-d）と、少なくとも一つの微小チャネル（18）内にある少なくとも一つの浮遊電流線（14a-d）とを有し、複数の繊毛アクチュエータ素子（10a-d）に磁場が印加され、これらの形状および／または配向が変化する。また、本発明では、そのような微小流体システムを製造する方法、およびそのような微小流体システムの微小チャネル（18）を通る流体流を制御する方法が提供される。
2010521321.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
内壁を有する少なくとも一つの微小チャネルを有する微小流体システムであって、
さらに、
−  前記内壁に取り付けられた複数の繊毛アクチュエータ素子であって、各繊毛アクチュエータ素子は、ある形状および配向を有する、複数の繊毛アクチュエータ素子と、
−  前記複数の繊毛アクチュエータ素子に磁場を印加し、前記複数の繊毛アクチュエータ素子の形状および／または配向に変化を生じさせる磁場発生装置と、
を有し、
前記複数の繊毛アクチュエータ素子に前記磁場を印加する前記磁場発生手段は、前記少なくとも一つの微小チャネル内にある少なくとも一つの浮遊電流線により形成されることを特徴とする微小流体システム。
【請求項２】
前記複数の繊毛アクチュエータ素子の各々に、浮遊電流線が提供されることを特徴とする請求項1に記載の微小流体システム。
【請求項３】
前記少なくとも一つの浮遊電流線は、一端が前記少なくとも一つの微小チャネルに取り付けられることを特徴とする請求項1または2に記載の微小流体システム。
【請求項４】
前記少なくとも一つの微小チャネルの前記内壁は、ある面内にあり、
前記複数の繊毛アクチュエータ素子は、前記少なくとも一つの微小チャネルの前記内壁の前記平面に対して、実質的に垂直に配向されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の微小流体システム。
【請求項５】
浮遊電流線は、各2つの連続する繊毛アクチュエータ素子の間に配置されることを特徴とする請求項4に記載の微小流体システム。
【請求項６】
前記複数の繊毛アクチュエータ素子は、全長Lを有し、
前記少なくとも一つの微小チャネルの前記内壁と前記少なくとも一つの浮遊電流線の間の距離Lwは、0から2Lの間にあることを特徴とする請求項5に記載の微小流体システム。
【請求項７】
前記少なくとも一つの微小チャネルの前記内壁と前記少なくとも一つの浮遊電流線の間の前記距離Lwは、Lから1.5Lの間にあることを特徴とする請求項6に記載の微小流体システム。
【請求項８】
前記少なくとも一つの微小チャネルの前記内壁は、ある平面にあり、
前記複数の繊毛アクチュエータ素子は、前記少なくとも一つの微小チャネルの前記内壁の前記平面に対して、実質的に平行に配向されることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一つに記載の微小流体システム。
【請求項９】
前記少なくとも一つの浮遊電流線は、前記繊毛アクチュエータ素子の少なくとも一部と重なりを示すように、前記繊毛アクチュエータ素子の少なくとも一部の上部に配置され、
前記重なりは、前記複数の繊毛アクチュエータ素子上への、前記少なくとも一つの微小チャネルの前記内壁の前記平面に対して実質的に垂直な方向における、前記少なくとも一つの浮遊電流線の投影によって定められることを特徴とする請求項8に記載の微小流体システム。
【請求項１０】
前記複数の繊毛アクチュエータ素子と前記少なくとも一つの浮遊電流線の間の距離Lwは、10μmから100μmの間であることを特徴とする請求項9に記載の微小流体システム。
【請求項１１】
前記複数の繊毛アクチュエータ素子は、高分子アクチュエータ素子であることを特徴とする請求項1乃至10のいずれか一つに記載の微小流体システム。
【請求項１２】
前記高分子アクチュエータ素子は、高分子MEMSを有することを特徴とする請求項11に記載の微小流体システム。
【請求項１３】
前記複数の高分子アクチュエータ素子は、アイオノマー高分子−金属複合材を有することを特徴とする請求項11に記載の微小流体システム。
【請求項１４】
前記繊毛アクチュエータ素子は、均一な連続磁化層、パターン化された連続的な磁化層、および磁気粒子のうちの一つを有することを特徴とする請求項1乃至13のいずれか一つに記載の微小流体システム。
【請求項１５】
当該微小流体システムは、さらに、少なくとも一つの磁気センサを有し、前記複数の繊毛アクチュエータ素子の動きが測定されることを特徴とする請求項1乃至14のいずれか一つに記載の微小流体システム。
【請求項１６】
請求項1乃至15のいずれか一つに記載の微小流体システムの、バイオ技術、薬学、電気または電子用途への使用。
【請求項１７】
少なくとも一つの微小チャネルを有する微小流体システムを製造する方法であって、
−  前記少なくとも一つの微小チャネルの内壁に、複数の繊毛アクチュエータ素子を提供するステップと、
−  前記少なくとも一つの微小チャネルに、前記複数の繊毛アクチュエータ素子に刺激を与える、少なくとも一つの浮遊電流線を提供するステップと、
を有する方法。
【請求項１８】
前記少なくとも一つの微小チャネルに、少なくとも一つの浮遊電流線を提供するステップは、前記少なくとも一つの微小チャネルの前記内壁に、少なくとも一つの電流線をワイヤボンディング結合するステップにより行われることを特徴とする請求項17に記載の方法。
【請求項１９】
さらに、均一な連続磁化層、パターン化された連続的な磁化層の一つ、または磁気粒子を、前記繊毛アクチュエータ素子に提供するステップを有することを特徴とする請求項17または18に記載の方法。
【請求項２０】
微小流体システムの微小チャネルを流れる流体流を制御する方法であって、
前記微小チャネルは、内壁を有し、前記微小チャネルの前記内壁は、複数の繊毛アクチュエータ素子を有し、前記繊毛アクチュエータ素子の各々は、ある形状および配向を有し、
当該方法は、
−  前記微小チャネル内にある少なくとも一つの浮遊電流線に流れる電流を提供するステップを有し、
前記繊毛アクチュエータ素子に磁場が提供され、これにより、前記少なくとも一つの繊毛アクチュエータ素子の前記形状および／または配向に変化が生じることを特徴とする方法。
【請求項２１】
前記少なくとも一つの浮遊電流線に流れる電流を提供するステップは、0.1Aから10Aの間の電流を提供することによって実施されることを特徴とする請求項20に記載の方法。
【請求項２２】
前記少なくとも一つの浮遊電流線に流れる電流を提供するステップは、0.1Aから1Aの間の電流を提供することによって実施されることを特徴とする請求項21に記載の方法。
【請求項２３】
微小流体システムの微小チャネルを流れる流体流を制御する制御器であって、
前記微小チャネルは、内壁を有し、前記微小チャネルの内壁は、複数の繊毛アクチュエータ素子を有し、前記繊毛アクチュエータ素子の各々は、ある形状および配向を有し、
当該制御器は、
−  前記微小チャネル内にある少なくとも一つの浮遊電流線を通る電流の流れを制御する制御ユニットを有し、
前記繊毛アクチュエータ素子に磁場が印加され、これにより、前記少なくとも一つの繊毛アクチュエータ素子の前記形状および／または配向に変化が生じることを特徴とする制御器。
【請求項２４】
計算手段で実行された際に、請求項20乃至22のいずれか一つに記載の方法を実施するためのコンピュータプログラム製品。
【請求項２５】
請求項24に記載のコンピュータプログラム製品を保管するための、機械可読可能なデータ記憶装置。
【請求項２６】
局所的範囲または広範囲の遠隔通信ネットワークにわたる、請求項24に記載のコンピュータプログラム製品の伝送。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小流体システム、そのような微小流体システムを製造する方法、および／またはそのような微小流体システムの微小チャネルに流れる流体流を制御もしくは操作する方法に関し、さらには微小流体システムの微小チャネルに流れる流体流を制御する制御器、および制御方法において、微小流体システムとともに使用されるソフトウェアに関する。微小流体システムは、例えばバイオ技術および製薬用途に使用されても良く、微小電子機器用途における微小チャネル冷却システムに利用されても良い。本発明の実施例による微小流体システムは、小型で安価であり、製作が容易である。
【背景技術】
【０００２】
微小流体学は、物理学、化学、工学およびバイオ技術を含む複合分野に関し、通常の液滴の何千倍も少ない容積での流体の挙動が研究される。微小流体成分は、いわゆる「ラブオンチップ」装置、またはバイオチップネットワークの基礎を構成し、流体のマイクロリットルおよびナノリットルの体積が処理され、高感度の解析測定が行われる。微小流体装置を構成する際に使用される加工技術は、比較的安価であり、高度に複雑な多重化装置、および大量生産の何れにも適用できる。微小流体技術では、微小電子機器の場合と同様の方法で、同じ基板チップ上でいくつかの異なる機能が発揮される、高度に統合された装置の加工が可能である。
【０００３】
微小流体チップは、今日の多くの高成長バイオ技術、例えば、急速DNA分離およびサイズ化、細胞操作、細胞分離、および分子検出等に対するキー要素となっている。微小流体チップをベースとする技術では、従来のマクロサイズの技術に対して、多くの利点が提供される。微小流体学は、特に、遺伝子チップ、およびタンパク質チップの開発効果に対する重要な要素である。
【０００４】
基本的に、全ての微小流体装置において、流体流を制御することが必要であり、すなわち、流体は、通常約0.1mmの幅を有するチャネルで構成された微小チャネルシステムを介して、透過、混合、分離および誘導される必要がある。微小流体作動における問題は、小型で信頼性のある微小流体システムを設計し、例えば唾液および純血のような、組成が変化し得る複雑な流体の流れを微小チャネル内で規制または操作することである。各種作動機構が開発され、現在も使用されており、例えば圧力駆動方式、微細加工機械式バルブおよびポンプ、インクジェット型ポンプ、電気−速度制御流、および表面音響波などがある。
【０００５】
微小流体装置への微小電気機械システム（MEMS）技術の適用により、マイクロポンプの開発が加速され、幅広い範囲の流速および圧力で、様々な液体が輸送されるようになってきている。
【０００６】
欧州特許出願第EP05101291.2（未公開）では、微小チャネル壁に一端が取り付けられたアクチュエータ素子をベースとした、微小流体システムが提案されている。アクチュエータ素子は、外部刺激を与えた際の、その形状の変化による動きで作動する。ある実施例では、外部刺激は、磁場である。従って、微小流体システムのチャネル壁は、アクチュエータ素子で被覆され、例えば巻き周り（カール）形状から直線形状への共同的な形状変化により、チャネルの中に存在する流体が動かされる。壁の被覆は、例えば、2次元配列形態で実施される。アクチュエータ素子を個々にアドレス処理することにより、またはアクチュエータ素子の列をアドレス処理することにより、波状の動き、あるいは相関性のある動きが生じ、または無相関の動きが生じ、これは、輸送、混合、または渦の形成に有意である。
【０００７】
図1には、アクチュエータ素子30の基本原理を示す。この例では、アクチュエータ素子30は、チャネル36の内壁35に取り付けられたフラップであり、磁気的に作動される。アクチュエータ素子30の磁気的作動を可能にする一つの方法は、アクチュエータ素子30内に、超常磁性粒子を導入することである。図1に示された例では、チャネル36の壁35内に配置された電流線41により、空間的に変化する磁場が印加される。電流線41の配置、すなわちアクチュエータ素子30の下側の配置のため、アクチュエータ素子30は、磁場勾配に晒される。磁場は、チャネル36の壁35に近い位置では、壁35から遠い位置に比べて大きくなる。例えば、図1において、位置Aでは、磁場は、位置Bよりも大きくなり、位置Bでは、磁場は、位置Cよりも大きい。磁力は、勾配の方向に作用し、すなわち電流線41の方に向かう。
【０００８】
外部磁場
【０００９】
【数１】
2010521321.tif 000003
の印加により、アクチュエータ素子30に並進力が得られる。並進力は、
【００１０】
【数２】
2010521321.tif 000004
で表され、ここで
【００１１】
【数３】
2010521321.tif 000005
は、フラップ30の磁気モーメントであり、
【００１２】
【数４】
2010521321.tif 000006
は、磁気誘導である。微小流体装置の使用に適したアクチュエータ素子30を得るため、アクチュエータ素子30に作用する得られた力は、アクチュエータ素子30を十分に湾曲させ、すなわちアクチュエータ素子30の剛性を超える必要がある一方、この力は、チャネル36内に存在する包囲流体により、アクチュエータ素子30に作用する障壁を越える程、十分に大きくなくてはならない。このため、アクチュエータ素子30の位置での磁場勾配は、十分に大きく、特に、湾曲の発生に対して磁力が最も効果的となるアクチュエータ素子30の頂部では、十分に大きくなる必要がある。
【００１３】
図1に示すように、微小流体システムのチャネル36の壁35に統合される電流線41の位置は、最も効果的では位置ではない。これは、磁場勾配は、1/r2とともに急激に低下するためであり、アクチュエータ素子30に作用する力は、1/r3で低下する。ここでrは、アクチュエータ素子の位置（例えばA、B、C）と電流線41の間の距離である。従って、ある場合、前述の微小流体システムの使用に適するように、アクチュエータ素子30を作動させ、または十分な湾曲を得るため、用途によっては、10Aを超える極めて大きな電流が、電流線41を介して流れるようになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、適正な微小流体システム、ならびに／またはそのようなシステムを製造および／もしくは作動させる方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明の実施例による微小流体システムの利点として、小型化できること、安価なこと、および製造が容易となることの少なくとも一つが挙げられる。本発明の実施例による微小流体システムは、経済的であり、製造が簡単であり、ロバスト性がありコンパクトであり、例えば唾液、痰または純血のような、複雑な生物流体に対する使用に適している。
【００１６】
本発明の実施例による微小流体システムでは、微小チャネルの壁に配置された電流線により生じた磁場によって磁気的動作が得られる、従来の微小流体システムと等しいまたはより少ない電流で、改善された作動効果が提供される。
【００１７】
改善された作動効果の点に関して、本発明の実施例による微小流体システムは、良好な、好ましい、改善された流束発生の効果を示す。また、同様の作動効果を得るために使用される電流がより少なくなる点に関連して、本発明の実施例による微小流体システムは、低電力消費となる。
【００１８】
前述の目的は、本発明による方法および装置によって得ることができる。
【００１９】
本発明の特定のおよび好適な態様は、特許請求の範囲の独立請求項および従属請求項に記載されている。従属請求項の特徴は、請求項に明確に記載されているときに限らず、適切に、独立請求項の特徴と組み合わされても良く、他の従属請求項の特徴と組み合わされても良い。
【００２０】
第1の態様では、本発明では、内壁を有する少なくとも一つの微小チャネルを有する微小流体システムであって、
さらに、
−  前記内壁に取り付けられた複数の繊毛アクチュエータ素子であって、各繊毛アクチュエータ素子は、ある形状および配向を有する、複数の繊毛アクチュエータ素子と、
−  前記複数の繊毛アクチュエータ素子に磁場を印加し、前記複数の繊毛アクチュエータ素子の形状および／または配向に変化を生じさせる磁場発生装置と、
を有し、
前記複数の繊毛アクチュエータ素子に前記磁場を印加する前記磁場発生手段は、前記少なくとも一つの微小チャネル内にある少なくとも一つの浮遊電流線により形成されることを特徴とする微小流体システムが提供される。
【００２１】
磁気作動の使用により、本発明の実施例による微小流体システムは、例えば唾液、痰、または純血のような極めて複雑な流体に対して作用することができる。
【００２２】
本発明の実施例による微小流体システムの別の利点は、微小チャネルの壁に配置された電流線により生じた磁場によって磁気作動が行われる、従来の微小流体システムと同等以下の電流で、改良された作動が提供されることである。
【００２３】
本発明の実施例による微小流体システムは、生物工学的なまたは生物化学的用途に使用され、バイオセンサ、急速DNA分離および寸法化、細胞操作および分離、または製薬用途、特に、局部的な混合が必要となる高スループット組み合わせ試験等に使用され得る。また、本発明の実施例による微小流体システムは、微小電子機器用の微小チャネル冷却システムに使用されても良い。
【００２４】
本発明の実施例では、複数の繊毛アクチュエータ素子の各々に、浮遊電流線が提供される。この方法では、複数の繊毛アクチュエータ素子の各々は、個々にアドレス処理することができる。従って、浮遊電流線は、複数の繊毛アクチュエータ素子のサブセット用に提供され、この場合、サブセット内の繊毛アクチュエータ素子は、共に作動されるのに対して、繊毛アクチュエータ素子の異なるサブセットは、別個に作動される。
【００２５】
少なくとも一つの浮遊電流線は、少なくとも一つの微小チャネルに一端で取り付けられても良い。
【００２６】
本発明の実施例では、前記少なくとも一つの微小チャネルの前記内壁は、ある面内にあり、
前記複数の繊毛アクチュエータ素子は、前記少なくとも一つの微小チャネルの前記内壁の前記平面に対して、実質的に垂直に配向されても良い。浮遊電流線は、各連続する2つの繊毛アクチュエータ素子の間に配置されても良い。
【００２７】
複数の繊毛アクチュエータ素子は、全長Lを有し、少なくとも一つの浮遊電流線は、少なくとも一つの微小チャネルの内壁からの距離Lwが0から2Lの間に配置されても良く、この距離は、L/2から2Lの間であることが好ましく、L/2から1.5Lの間であることがより好ましく、Lから1.5Lの間であることがさらに好ましい。
【００２８】
少なくとも一つの微小チャネルの内壁は、ある平面内にあり、複数の繊毛アクチュエータ素子は、前記少なくとも一つの微小チャネルの内壁の前記平面に対して、実質的に平行に配置されても良い。少なくとも一つの浮遊電流線は、繊毛アクチュエータ素子の少なくとも一部の上部に配置されても良い。少なくとも一つの浮遊電流線は、繊毛アクチュエータ素子の少なくとも一部と重なりを示し、前記重なりは、前記複数の繊毛アクチュエータ素子上への、前記少なくとも一つの微小チャネルの前記内壁の前記平面に対して実質的に垂直な方向における、前記少なくとも一つの浮遊電流線の投影によって定められても良い。複数の繊毛アクチュエータ素子と少なくとも一つの浮遊電流線の間の距離Lwは、1μmから1000μmの間であっても良く、この距離は、1μmから100μmの間であることが好ましく、10μmから100μmの間であることがより好ましい。
【００２９】
本発明の好適実施例では、複数の繊毛アクチュエータ素子は、高分子アクチュエータ素子であっても良い。これは、
−  アクチュエータ素子は、弾性があり、すなわち硬くはなく、
−  アクチュエータ素子は、高強度であるが脆くはなく、
−  アクチュエータ素子は、比較的安価な方法で、容易に製作される
ようにするためである。
【００３０】
高分子アクチュエータ素子は、高分子MEMSを有しても良い。
【００３１】
本発明の実施例では、複数の高分子アクチュエータ素子は、アイオノマー高分子−金属複合材（PMC）を有しても良い
繊毛アクチュエータ素子は、均一な連続磁化層、パターン化された連続磁化層、および磁気粒子の一つを有しても良い。
【００３２】
当該微小流体システムは、さらに、少なくとも一つの磁気センサを有しても良く、これにより、複数の繊毛アクチュエータ素子の動きが測定される。
【００３３】
また別の態様では、本発明により、バイオ技術、薬学、電気または電子用途における、前述の請求項に記載の微小流体システムの使用が提供される。
【００３４】
さらに別の態様では、本発明により、少なくとも一つの微小チャネルを有する微小流体システムを製造する方法であって、
−  前記少なくとも一つの微小チャネルの内壁に、複数の繊毛アクチュエータ素子を提供するステップと、
−  前記少なくとも一つの微小チャネルに、前記複数の繊毛アクチュエータ素子に刺激を与える、少なくとも一つの浮遊電流線を提供するステップと、
を有する方法が提供される。
【００３５】
本発明の実施例による利点は、微小チャネルの壁に電流線が配置された、従来の微小流体システムに比べて、同等以下の電流で、微小流体システムが改良された作動効果を呈するようになることである。別の利点は、微小チャネルの壁に電流線が配置された従来の微小流体システムに比べて、電力消費が抑制された微小流体システムが提供されることである。
【００３６】
少なくとも一つの微小チャネルへの少なくとも一つの浮遊電流線の提供は、少なくとも一つの微小チャネルの内壁に、少なくとも一つの電流線をワイヤボンディング結合することにより行われても良い。
【００３７】
本発明の実施例では、当該方法は、さらに、均一な連続磁化層、パターン化された連続的な磁化層、または磁気粒子を有する繊毛アクチュエータ素子を提供するステップを有しても良い。
【００３８】
さらに別の態様では、本発明により、微小流体システムの微小チャネルを流れる流体流を制御する方法であって、
前記微小チャネルは、内壁を有し、前記微小チャネルの前記内壁は、複数の繊毛アクチュエータ素子を有し、前記繊毛アクチュエータ素子の各々は、ある形状および配向を有する方法が提供される。当該方法は、前記微小チャネル内にある少なくとも一つの浮遊電流線に流れる電流を提供するステップを有し、
前記繊毛アクチュエータ素子に磁場が提供され、これにより、前記少なくとも一つの繊毛アクチュエータ素子の前記形状および／または配向に変化が生じる。
【００３９】
磁気作動のため、本発明の実施例による微小流体システムの微小チャネルを通る流体流を制御する方法は、極めて複雑な生物学的流体、例えば唾液、痰、または純血のような流体に使用することができる。
【００４０】
少なくとも一つの浮遊電流線を通る電流の提供は、0.1Aから10Aの間の電流を提供することにより行われても良く、電流は、0.1Aから5Aの間であることが好ましく、0.1Aから1Aの間であることがより好ましい。
【００４１】
また、本発明では、微小流体システムに使用される制御器が提供され、これにより、本発明の実施例による微小流体システムの微小チャネルを通る流体流が制御される。
【００４２】
本発明の実施例では、制御器は、微小流体システムの微小チャネルを通る流体流を制御するために提供される。微小チャネルは、内壁を有し、この微小チャネルの内壁は、複数の繊毛アクチュエータ素子を有し、該繊毛アクチュエータ素子の各々は、ある形状および配向を有する。本発明の実施例による制御器は、微小チャネル内にある少なくとも一つの浮遊電流線を通る電流の流れを制御する制御ユニットを有し、これにより、繊毛アクチュエータ素子に、制御された磁場が印加され、少なくとも一つの繊毛アクチュエータ素子の形状および／または配向に変化が生じる。
【００４３】
さらに、本発明では、前述の微小流体システムの微小チャネルを通る流体流を制御する方法を、プロセッサで実施させることの可能な、コンピュータプログラム製品が提供される。コンピュータプログラム製品が計算手段で実行された際、本発明の実施例による微小流体システムの微小チャネルを通る流体流を制御する方法が実施され、この方法は、微小チャネル内にある少なくとも一つの浮遊電流線を通る電流を提供するステップを少なくとも有し、微小チャネルの内壁に取り付けられた繊毛アクチュエータ素子に磁場が印加され、少なくとも一つの繊毛アクチュエータ素子の形状および／または配向に、変化が生じる。
【００４４】
さらに、本発明は、機械可読可能なデータ記憶装置に関し、この装置は、前述のようなコンピュータプログラム製品を保管し、および／または局所的範囲または広範囲の遠隔通信ネットワークにわたって、そのようなコンピュータプログラム製品を伝送する。本発明の前述のおよび他の特徴、特性、ならびに利点は、添付図面を参照した以下の詳細な説明から明らかとなろう。図面は、本発明の原理を示すための一例に過ぎない。この記載は、一例に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。以下の引用参照図は、添付図面に対応している。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】従来技術の電流線により誘導された不均一な磁場において作動する、超常磁性高分子フラップを示した図である。
【図２】効果的ストロークおよび回復ストロークを示す繊毛ビート（打）サイクルの一例を示した図である。
【図３】メタクロニック波（継時打性波）における協働を示す繊毛の波を示した図である。
【図４】本発明の実施例による連続磁化層を有する高分子アクチュエータ素子を示した図である。
【図５】本発明の実施例による磁気粒子を有する高分子アクチュエータ素子を概略的に示した図である。
【図６】ワイヤボンディングによって得られた浮遊電流線を概略的に示した図である。
【図７】本発明の実施例による微小流体システムを示した図である。
【図８】図7の微小流体システムのようなシステムにおいて、後続のアクチュエータ素子の後続の動作を示した図である。
【図９】図7の微小流体システムのようなシステムにおいて、連続するアクチュエータ素子の一連の動作を示した図である。
【図１０】図7の微小流体システムのようなシステムにおいて、連続するアクチュエータ素子の一連の動作を示した図である。
【図１１】図7の微小流体システムのようなシステムにおいて、連続するアクチュエータ素子の一連の動作を示した図である。
【図１２】本発明の実施例による微小流体システムを示した図である。
【図１３】図12の微小流体システムにおける連続するアクチュエータ素子の一連の動作を示した図である。
【図１４】図12の微小流体システムにおける連続するアクチュエータ素子の一連の動作を示した図である。
【図１５】図12の微小流体システムにおける連続するアクチュエータ素子の一連の動作を示した図である。
【図１６】図12の微小流体システムにおける連続するアクチュエータ素子の一連の動作を示した図である。
【図１７】本発明の実施例による湾曲高分子アクチュエータ素子と、そのような湾曲高分子アクチュエータ素子で被覆された応答表面とを示した図である。
【図１８】本発明の実施例による湾曲高分子アクチュエータ素子を概略的に示した図である。
【図１９】本発明の実施例による微小流体システムに使用されるシステム制御器を概略的に示した図である。
【図２０】本発明の実施例による微小流体システムの微小チャネルを流れる流体流を制御する方法の実施に使用され得る処理システムを概略的に示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００４６】
異なる図において、同じまたは類似の素子には、同じ参照符号が付されている。
【００４７】
ある図面を参照して、本発明の特定の実施例について説明するが、本発明は、これに限定されるものではなく、特許請求の範囲によってのみ限定される。請求項内のいかなる参照符号も、本発明の範囲を限定するものと解してはならない。示された図面は、概略的なものであり、限定的なものではない。図面において、いくつかの素子の寸法は、誇張して示されており、説明用のため、スケールは示されていない。
【００４８】
本願の明細書および特許請求の範囲において、「有する」という用語が使用されるが、この用語は、他の素子またはステップを排斥するものではない。例えば、「a」、「an」、「the」のような不定冠詞または定冠詞が単数名詞を参照する際に使用されるが、これは、他に特定の記載がない限り、複数の名詞を含む。
【００４９】
また、明細書および特許請求の範囲における第1、第2、第3等の用語は、同様の素子同士を区別するために使用され、順位または他の態様に関して、必ずしも一連の順番、時間、空間で記載されてはいない。使用用語は、適当な環境下で相互互換性があり、示された本発明の実施例は、本願に示され説明されたものとは異なる手順で、動作することができることを理解する必要がある。
【００５０】
また、明細書および特許請求の範囲において、上部、底部、上側、下側、等の用語は、記述的目的で使用され、必ずしも相対的な位置を示してはいない。使用用語は、適当な環境下で相互互換性があり、本願に示された本発明の実施例は、本願に示され説明されたものとは異なる配置で、動作することができることを理解する必要がある。
【００５１】
本願明細書を通じて、「ある実施例」または「一つの実施例」とは、実施例との関係で示された特定の特徴、構造、または特性が、本発明の少なくとも一つの実施例に含まれることを意味する。従って、本願明細書を通じて、様々な箇所における「ある実施例における」または「一つの実施例における」という語句は、必ずしも同じ実施例を示してはいない場合がある。また、特定の特徴、構造、または特性は、いかなる適正な方法で組み合わされても良く、これは、本願の1または2以上の実施例の開示から、当業者には明らかである。
【００５２】
同様に、本発明の一例としての実施例の記載において、本発明の各種特徴は、開示の簡素化のため、あるいは1または2以上の多様な発明の態様の理解を容易にするため、しばしば、単一の実施例、図または記載にまとめられることに留意する必要がある。しかしながら、ここに示された方法は、請求項の本発明が各請求項に明確に記載されているものより多くの特徴を必要とすることを意図するものと解してはならない。むしろ、以下の請求項は、単一の以下の実施例の全ての特徴よりも少ない、新たな態様を反映している。従って、詳細な説明に続く特許請求の範囲は、この詳細な説明に明確に取り込まれ、各請求項は、本発明の別個の実施例として、それ自身に基づいている。
【００５３】
また、ここに示されたいくつかの実施例は、他の実施例に含まれる他の特徴以外のものを含むが、異なる実施例の特徴の組み合わせは、本発明の範囲に含まれ、これが異なる実施例を構成することが当業者には理解される。例えば、以下の特許請求の範囲において、いかなる示された実施例を組み合わせて使用しても良い。
【００５４】
本願の記載には、多くの特定の詳細が示されている。しかしながら、本発明の実施例は、これらの特定の詳細なく、実施されても良いことが理解される。他の例では、良く知られた方法、構造および技術は、本願の理解を妨げないよう、詳しく示されていない。
【００５５】
第1の態様では、本発明により、微小流体システムが提供され、このシステムは、例えば磁気作動手段のような磁気アクチュエータを備え、微小流体システムの微小チャネルを通る流体の輸送、（局部的）混合、または誘導が可能となる。第2の態様では、本発明により、そのような微小流体システムを製造する方法が提供される。第3の態様では、本発明により、微小流体システムの微小チャネルを通る流体流を制御する方法が提供される。
【００５６】
本発明の実施例による微小流体システムは、経済的で製作が簡単であり、さらにロバスト性があり、小型で複雑流体に適している。
【００５７】
本発明の実施例による微小流体システムは、内壁を有する少なくとも一つの微小チャネルを有する。さらに、微小流体システムは、少なくとも一つの微小チャネルの内壁に取り付けられた複数の繊毛アクチュエータ素子を有し、各繊毛アクチュエータ素子は、ある形状および配置を有する。さらに、複数の繊毛アクチュエータ素子に、刺激すなわち磁場を印加する手段が提供され、これにより繊毛アクチュエータ素子の形状および／または配置に変化が生じるようになる。本発明の実施例では、複数の繊毛アクチュエータ素子に、刺激すなわち磁場を印加する手段は、少なくとも一つの微小チャネル内に存在する、少なくとも一つの浮遊電流線によって形成される。
【００５８】
本発明による微小流体システムは、バイオ技術用途に使用され、微小総量解析システム、バイオリアクタ、微小流体診断、微細ファクトリー、および化学もしくは生物微小プラント、バイオセンサ、急速DNA分離および寸法化、細胞操作および分離、製薬用途、特に局部的混合が必要となる高スループット組み合わせ試験、ならびに微小電子機器用の微小チャネル冷却システム等に使用され得る。
【００５９】
本発明のある態様では、アクチュエータ素子を作動させる方法に、自然の力が利用される。自然界は、微細スケール、すなわち1〜100ミクロンのスケールで、流体を操作する各種方法を把握している。ある特定の機構は、例えばゾウリムシ、クシクラゲ（pleurobrachia）、およびオパリン（opaline）のような、微生物の外表面にわたる繊毛ビートの被覆によるものである。繊毛運動による浄化（クリアランス）は、不純物を除去する哺乳類の気管支および鼻にも使用されている。繊毛は、微細な毛として、または柔軟なロッドとして認められ、例えば、原生動物は、通常10μmの全長と、表面に付着する通常0.1μmの直径とを有する。原生動物の推進機構とは異なる、他の繊毛の機能は、ギル（gill）の清浄化、摂食、排出、および再生である。例えばヒトの気管は、繊毛で覆われ、これにより、粘液が肺に向かって、および肺から輸送される。また繊毛を用いて、固着生物による摂食電流が生じ、固着生物は、長い茎によって剛性物質に取り付けられる。繊毛の動きと、茎の周期的膨脹収縮との組み合わせ動作により、無秩序渦が生じる。この結果、周囲流体の無秩序なろ過挙動が生じる。
【００６０】
前述の議論は、微小流体チャネル内の流体の輸送および／または混合に、繊毛が使用され得ることを示している。繊毛の動きおよび流れの機構は、動物学者と流体機構学者の両方にとって、長い間の関心事であった。単一の繊毛のビート（打）は、2つの明確な段階に分解される。すなわち、繊毛が流体を所望の方向に駆動する際の、第1の効果的なストローク（図2の曲線1乃至3）と、発生した流体の動きに対して、繊毛がその影響を最小化する、回復ストローク（図2の曲線4乃至7）である。実際には、流体の動きは、生物の表面に沿った列および横断する列における、高濃度の繊毛によって生じる。ある方向における隣接する繊毛の動きは、位相が不一致であり、この現象は、メタクロニズム（継時打性）と呼ばれる。従って、繊毛の動きは、生物を通過する波として認められる。図3には、繊毛のそのような波8を示すが、図には、メタクロニック波におけるこれらの協働が示されている。繊毛による流体の移動のモデルは、J.  Blakeによる「繊毛生物における微細構造のモデル」、J.  Fluid.  Mech.  55,  p.1-23,  1972年に記載されている。この文献には、流体流に及ぼす繊毛の影響は、繊毛を、中心線に沿った「ストークスレット」の集合として表すことにより、モデル化されることが示されており、これは、流体内の点力として見ることができる。これらのストークスレットの経時的な動きが規定され、得られる流体流が計算される。単一の繊毛による流れの計算に加えて、メタクロニック波により、上部に無限流体層を有する単一壁を覆う繊毛の集合による動きが計算される。
【００６１】
本発明の好適態様での方法では、この原理が使用され、微小チャネルの壁を、「人工繊毛」で被覆することにより、微視的アクチュエータ素子に基づいて、すなわち、印加磁場に対応したそれらの形状および／または寸法の構造変化に基づいて、微小チャネル内での繊毛流体操作が模擬される。従って、本発明のある態様では、微小流体システム、または人工繊毛メタクロニック活性手段を有するポンプのような、微小流体流装置が提供される。
【００６２】
本発明では、全ての適当な材料、すなわち、例えば印加磁場に応答した機械的変形によって、形状の変化の可能な材料が使用され、人工繊毛、あるいは繊毛アクチュエータ素子が形成される。
【００６３】
本発明の最も好適な実施例では、アクチュエータ素子は、高分子材料をベースとしても良い。適当な材料は、「人工筋肉としての電気活性高分子（EAP）アクチュエータ」、Bar-Cohen編、SPIE  Press、2004年という書籍から見出される。しかしながら、アクチュエータ素子に、他の材料を使用しても良い。本発明によるアクチュエータ素子の形成に使用される材料は、形成されたアクチュエータ素子が以下の特性を有するものであっても良い：
−  アクチュエータ素子は、弾性があり、すなわち硬くない、
−  アクチュエータ素子は、高強度で脆くない、
−  アクチュエータ素子は、磁場に応答し、湾曲または変形する、および
−  アクチュエータ素子は、比較的安価な方法で、容易に製作される。
【００６４】
アクチュエータ素子の形成に使用される材料は、機能化されている必要がある。前述の第1，第2および第4の特性を考慮すると、高分子は、アクチュエータの少なくとも一部であることが好ましい。大部分の高分子は、極めて脆い高分子を除き、本発明に使用することができる。例えばポリスチレンは、本発明の使用には、あまり適さない。
【００６５】
本発明では、アクチュエータ素子は、高分子材料で形成され、または構造部分として高分子材料を含むことが好ましい。従って、別の記載では、本発明は、高分子アクチュエータ素子によって説明される。しかしながら、当業者には、本発明は、高分子以外の材料を用いて、アクチュエータ素子を形成するように適用しても良いことが理解される。一般に、高分子材料は、高強度であり脆くはなく、比較的安価であり、大きなひずみに至るまで（10%まで）は弾性的であり、単純な方法で大表面積のものが処理できる。
【００６６】
本発明の実施例では、磁気作動を得るため、金属を使用して、例えばアイオノマー高分子−金属複合材（IPMC）において、ｘアクチュエータ素子の少なくとも一部が形成される。例えばFeNiまたは別の磁性材料を使用して、アクチュエータ素子が形成される。しかしながら、金属の問題は、機械的な疲労と処理コストである。
【００６７】
別の実施例では、アクチュエータ素子は、磁場の印加によって作動され、アクチュエータ素子には、磁気特性が付与される。
【００６８】
高分子アクチュエータ素子10に磁気特性を提供する一つの方法は、図4の別の実施例に示すように、高分子アクチュエータ素子10に、連続磁化層11を導入することである。磁気特性を有するアクチュエータ素子10は、以降、磁気アクチュエータ素子10または高分子アクチュエータ素子10と称される。連続磁化層11は、アクチュエータ素子10の上部に配置され（図4の上図）、または底部に配置され（図4の中央図）、またはアクチュエータ素子10の中央に設置される（図4の下図）。連続磁化層11の位置は、熱機械特性とともに、磁気アクチュエータ素子10の「自然な」初期形状または非活性形状を定め、すなわち、平坦、上方カール（巻き周り）、または下方カール（巻き周り）を決める。連続磁化層11は、例えば、電気めっきパーマロイ（例えばNi-Fe）であっても良く、例えば、均一層として成膜されても良い。連続磁化層11は、0.1から10μmの間の厚さを有しても良い。容易磁化の方向は、成膜方法によって定められ、示された例では、「面内」方向である。均一層の代わりに、連続磁化層11は、パターン化されても良く（図示されていない）、これにより磁気アクチュエータ素子10の追従性および変形容易性が高まる。
【００６９】
高分子アクチュエータ素子10に磁気特性を提供する別の方法は、高分子アクチュエータ素子10に、磁気粒子12を導入することである。この場合、高分子は、図5に示すように、磁気粒子12が分散された「マトリクス」として機能し、さらに高分子マトリクス13と称される。磁気粒子12は、溶液中の高分子に添加されても良く、あるいはモノマーに添加され、その後、重合されても良い。後続のステップでは、高分子は、いかなる適当な方法により、微小流体システムの微小チャネルの内壁に設置されても良く、例えばスピンコート法のような湿式成膜技術により、設置される。磁気粒子12は、例えば、図5において2つの上部図に示されているように、球形であり、あるいは、例えば、図5の下側の図に示すように、細長いロッド状形状である。ロッド状磁気粒子12は、これらが成膜処理の間に、剪断流によって、自動的に配列されるという利点を有する。磁気粒子12は、図5の上図または下図に示すように、高分子マトリクス13内に無秩序に配置されても良く、あるいは図5の中央図に示すように、高分子マトリクス13内で、例えば行において規則的パターンで配置され、整列されても良い。
【００７０】
磁気粒子12は、例えば、強磁性粒子、フェリ磁性粒子、または（超）常磁性粒子であっても良く、例えばコバルト、ニッケル、鉄、フェライトのような元素を有しても良い。本発明の実施例では、磁気粒子12は、超常磁性粒子であっても良く、すなわちこれらは、印加磁場がオフにされた際に、残留磁場を有さず、特に高分子の弾性回復は、磁場の変調に比べて遅い。磁場を長時間オフにすることにより、電力消費が抑制される。
【００７１】
成膜中、磁場を用いて、磁気粒子12を移動、配列させても良く、磁気アクチュエータ素子10の長手方向に、磁化が誘導される。
【００７２】
以下の記載では、高分子アクチュエータ素子のようなアクチュエータ素子12がアクチュエータと称され、例えば高分子アクチュエータ、微小高分子アクチュエータ、アクチュエータ素子、微小高分子アクチュエータ素子、または高分子アクチュエータ素子と称される。以降の記載において、これらのいかなる用語が使用された場合も、本発明による同じ微細アクチュエータ素子を意味することに留意する必要がある。
【００７３】
本発明では、高分子アクチュエータ素子10は、磁場の印加によって活性化される。磁場は、微小流体システムの少なくとも一つの微小チャネル内に存在する少なくとも一つの浮遊電流線を介して電流を流すことにより発生しても良い。浮遊電流線を使用することにより、電流線を高分子アクチュエータ素子10の先端に近づけることが可能となり、これにより、本発明による微小流体システムの浮遊電流線に、従来の微小流体システムの統合電流線を通る電流と同じ電流が流れると仮定した場合、電流線がシステムの微小チャネルの壁に統合された従来の微小流体システムに比べて、高分子アクチュエータ素子10に作用する効果的な力が上昇する。
【００７４】
本発明の好適実施例では、浮遊電流線は、ワイヤボンディング法で形成されても良い。図6には、ワイヤボンディング法の原理を示す。浮遊電流線14は、該浮遊電流線14の第1の端部15aを形成する第1の部分と、第2の部分15bと、浮遊電流線14の第2の端部15cを形成する第3の部分とを有する。浮遊電流線14の第1の部分または第1の端部15aは、基板16に取り付けられても良い。基板16がある平面内にある場合、この第1の部分15aは、基板16の平面に対して実質的に垂直な方向に配向され、あるいは、図6のシステムにおいて示されているような座標軸のz方向に配向される。あるいは、第1の部分15aは、基板16の平面に対して実質的に平行な方向に配向されても良い。浮遊電流線14の第2の部分15bは、基板16から特定の第1の距離で、基板16の平面と実質的に平行な方向に配向される。また、浮遊電流線14の第2の端部15cの第3の部分は、基板16の平面に対して実質的に平行に配向されるが、例えば、第2の距離は、第1の距離とは異なっていても良い。浮遊電流線14は、他の形状を有しても良く、前述の記載は、説明用に過ぎず、本発明を限定するものではないことを理解する必要がある。
【００７５】
本発明の実施例では、少なくとも一つの浮遊電流線14は、図6に示すように、浮遊電流線14と同様、その一つの端部15aで微小チャネルに取り付けられても良い。微小流体システムのチャネルでの浮遊電流線14の統合および位置合わせは、各種方法で行われる。図7には、本発明による実施例を示す。この例では、微小流体システムのチャネル18の内壁17に、高分子アクチュエータ素子10a−dが取り付けられる。図7に示す実施例では、微小チャネル18の内壁がある平面内にあるとき、高分子アクチュエータ素子10a−dは、微小チャネル18の内壁17の平面に対して実質的に垂直に配置された直線フラップとなる。本発明のほとんどの好適実施例では、図7の例に示されているように、各高分子アクチュエータ素子10a−dに対して、別個の浮遊電流線14a−dが提供される。浮遊電流線14a−dは、高分子アクチュエータ素子10a−dの僅かに上方に配置されても良く（内壁17に対して）、それのわずかに外側に配置されても良い（高分子アクチュエータ素子10a−dおよび浮遊電流線14a−dの、内壁17への垂直投影から見た場合）。この場合、浮遊電流線14a−dは、後続の高分子アクチュエータ素子10a−dの間に存在しても良く、必要な場合、高分子アクチュエータ素子10a−dの上部より、内壁17から遠ざかる高さに存在しても良い。好適実施例では、浮遊電流線14aが第1の高分子アクチュエータ素子10aと第2の高分子アクチュエータ素子10bの間に配置される場合（図7参照）、第1および第2の高分子アクチュエータ素子10a、10bの間の距離は、Sによって表され、第1の浮遊電流線14aは、第1の高分子アクチュエータ素子10aから第1の距離Sw1であって、第2の高分子アクチュエータ素子10bから第2の距離Sw2に配置される。最も好適には、第1の距離Sw1は、第2の距離Sw2とは異なっている。例えば、図7に示すように、第1の距離Sw1は、第2の距離Sw2よりも短い。この場合、浮遊電流線14の位置は、アクチュエータ素子10a−dの位置に対して非対称であり、一つの単一高分子アクチュエータ素子10a−dは、主に単一の浮遊電流線14a−dでアドレス処理される。図7に示す例では、Sw1は、Sw2よりも小さく、従って、高分子アクチュエータ素子10a−dは、その高分子アクチュエータ素子10a−ｄに最近接の浮遊電流線14a−dで作動され、これは、示された例では、右側の浮遊電流線14a−dである。しかしながら、本発明の他の実施例では、Sw2は、Sw1よりも小さくても良い。その場合、高分子アクチュエータ素子10a−dは、自身の左側に配置された浮遊電流線14a−dにより作動される。他の好適実施例では、Sw1は、Sw2と等しい。この場合、浮遊電流線14a−dは、2つの連続する高分子アクチュエータ素子10a−dの間の中心に配置される。例えば、高分子アクチュエータ素子10aと10bの間の中央に、電流線14aが配置され、電流線14aを介して電流が流れる場合、高分子アクチュエータ素子10aと10bの双方が同時に作動する。しかしながら、この場合、高分子アクチュエータ素子10a、10bに作用する力は、単一の電流線10a−dを用いて、単一の高分子アクチュエータ素子10aが作動される場合よりも小さくなる。これは、電流線14a−dと高分子アクチュエータ素子10a−dの間の距離が大きくなるためである。この場合、高分子アクチュエータ素子10a−dの位置において、前述の2つの場合と同じ大きさの発生磁場を得るには、より大きな電流を、電流線14a−dに通電する必要がある。
【００７６】
また、浮遊電流線14a−dは、微小流体システムの微小チャネル18の内壁17から、距離Lwで配置しても良い。内壁17からの距離Lwは、微小流体システムの用途に応じて調整される。高分子アクチュエータ素子10a−dが全長Lを有する場合、微小チャネル18の内壁17と電流線14a−dの間の距離Lwは、図7に示すように、高分子アクチュエータ素子10a−dの全長Lよりも大きくなる。しかしながら、他の実施例では、浮遊電流線14a−dは、距離Lw＝L／2で配置され、あるいは浮遊電流線14a−dは、高分子アクチュエータ素子10a−dの半分の位置に配置されても良い。他のあまり好適ではない実施例では、浮遊電流線14a−dは、L／2よりも短い距離Lwで配置されても良い。本発明の実施例では、Lwは、0から2Lの間であっても良い。
【００７７】
高分子アクチュエータ素子10a−dは、10から200μmの間の全長Lを有することが好ましく、通常これは、100μmであり、2から30μmの間の幅を有することが好ましく、通常これは、20μmである。高分子アクチュエータ素子10a−dは、0.1から2μmの間の厚さを有し、これは通常1μmである。浮遊電流線14a−dは、100μmから10mmの間の全長を有することが好ましく、これは、100μmから1mmの間の全長であることが好ましく、浮遊電流線14a−dは、10μmから100μmの間の直径を有することが好ましく、これは例えば25μmである。浮遊電流線14a−dは、微小チャネル18の内壁17に対して、0から2Lの間の距離Lwで配置され、これは、L/2から2Lの間であることが好ましく、L/2から1.5Kの間であることがより好ましく、Lから1.5Lの間であることがより好ましい。
【００７８】
図8乃至11には、図7に示すような微小流体システムの高分子アクチュエータ素子10aから10dの後続の動作を示す。これは、例えば、微小流体システムの少なくとも一つの微小チャネル18を流れる流体を動かすときに使用されても良い。浮遊電流線14aに電流を通電することにより、図8において磁場線19aで示す磁場が発生する。電流は、0.1Aから10Aの間であることが好ましく、0.1Aから5Aの間であることがより好ましく、0.1Aから1Aの間であることがより好ましい。これにより、アクチュエータ素子10a−dの形状および／または配向を変化させ得る、十分に大きな磁場が発生する。磁場の大きさは、浮遊電流線14a−dを介して流れる電流、および浮遊電流線14a−dの半径に依存する。発生磁場の大きさBは、Biot−Savartの法則を用いて計算することができる：
【００７９】
【数５】
2010521321.tif 000007
ここで、μ0は、真空の透磁率であり、Iは、浮遊電流線14a−dを介して流れる電流であり、rは、浮遊電流線14a−dの半径である。
【００８０】
発生磁場は、高分子アクチュエータ素子10aに作用して、素子が湾曲し、あるいはより一般的には、素子の形状が変化する。これは、高分子アクチュエータ素子10aがその全長Lに沿って、磁場の勾配を受けるためである。
【００８１】
浮遊電流線14aから離れた位置の高分子アクチュエータ素子10aの部分は、浮遊電流線14aに近い高分子アクチュエータ素子10aの部分よりも小さな磁力を受ける。これにより、高分子アクチュエータ素子10aに「カール（巻き周り）の」動きが生じる。その後、電流は、浮遊電流線14bに流れ、これにより、図9の磁場線19bによって示された磁場が生じ、高分子アクチュエータ素子10bが作動される。次に電流は、浮遊電流線14cに流れ、これにより、図10の磁場線19cによって示された磁場が生じ、高分子アクチュエータ素子10cが作動される。最後に、浮遊電流線14dに電流が流れ、これにより、図11の磁場線19dによって示された磁場が生じ、高分子アクチュエータ素子10dが作動される。このように、図8乃至11に示す例により、高分子アクチュエータ素子10a−dが引き続き作動される。
【００８２】
従って、浮遊電流線14a−dの一連のアドレス処理の結果、高分子アクチュエータ素子10−dの一連の動作が生じる。高分子アクチュエータ素子10a−dの一連の動作により、微小流体システムの少なくとも一つの微小チャネルに存在する流体は、微小チャネルを通るように力を受けるようになる。例えば、微小流体システムの微小チャネル18内で局部的な混合を行うため、アクチュエータ素子10a−dの動きは、意図的に無相関にされ、すなわちアクチュエータ素子10a−dの一部は、ある方向に移動し、他のアクチュエータ素子10a−dは、無相関に反対の方向に移動し、これにより無秩序な混合が生じる。アクチュエータ素子10a−dの反対の動きにより、例えば微小チャネル18の内壁17の反対の位置に、渦が形成されても良い。
【００８３】
前述の議論は、一例に過ぎず、本発明を限定することを意図するものではないことを理解する必要がある。例えば、一度に2以上の高分子アクチュエータ素子10a−dが作動しても良い。例えば、高分子アクチュエータ素子10aおよび10bが最初に作動し、その後、高分子アクチュエータ素子10cと10dが作動しても良い。換言すれば、最初、電流は、浮遊電流線14aと14bに流れ、その後、浮遊電流線14cと14dに電流が流れても良い。あるいは、最初に、高分子アクチュエータ素子10aおよび10cが作動し、次に、高分子アクチュエータ素子10bおよび10dが作動しても良い。換言すれば、最初に、浮遊電流線14aと14cを通って電流が流れ、次に、浮遊電流線14bと14dを介して電流が流れる。他の実施例では、全ての高分子アクチュエータ素子10a−dが同時に作動し、換言すれば、全ての浮遊電流線14a−dに、同時に電流が流れても良い。さらに、図7乃至11に示した例では、微小流体システムは、4つの高分子アクチュエータ素子10a−d、および4つの浮遊電流線14a−dを有する。他の実施例では、微小流体システムは、他のいかなる数の高分子アクチュエータ素子10a−d、およびいかなる数の浮遊電流線14a−dを有しても良い。より好ましくは、微小流体システムは、浮遊電流線14a−dと同数の高分子アクチュエータ素子10a−dを有しても良い。また、図7乃至11に示した例では、高分子アクチュエータ素子10a−dが作動されない場合、これらの素子は、直線フラップ形状を有する。しかしながら、本発明の他の実施例では、最初のまたは不活性な高分子アクチュエータ素子10a−dの形状は、カール（巻き周り）形状であっても良い。高分子アクチュエータ素子10a−dが作動すると、これらの形状は、直線的に引き延ばされ、形状が変化する。
【００８４】
本発明のさらに別の実施例では、微小チャネル18の内壁17がある平面にあるとき、高分子アクチュエータ素子10a−dは、微小流体チャネル18の少なくとも一つの内壁17の平面に対して、実質的に平行に配向される。これは、図12乃至16に示されている。この実施例では、浮遊電流線14a−dは、高分子アクチュエータ素子10a−dの上部に、距離Lwで配置されても良い。この実施例では、距離Lwは、高分子アクチュエータ素子10a−dが作動され、浮遊電流線14−dに向かって上方に引き寄せられるように作動した際に、これらが浮遊電流線14a−ｄに接触しないようにされることが好ましい。従って、距離Lwは、高分子アクチュエータ素子10a−dの全長Lよりも大きいことが好ましいが、これは必須ではない。距離Lwは、1μmから1000μmの間であることが好ましく、1μmから100μｍの間であることがより好ましく、10μmから100μmの間であることがさらに好ましい。浮遊電流線14a−dは、高分子アクチュエータ素子10a−dの少なくとも一部と、「O」状の重なりを呈することが好ましく、この「O」状の重なりは、高分子アクチュエータ素子10a−dに対する、微小チャネル18の内壁17の平面と実質的に垂直な方向による、浮遊電流線14a−dの投影によって定められる（図12参照）。
【００８５】
図13乃至16には、図12の微小流体システムにおける高分子アクチュエータ素子10a−dの後続の動作を示す。図13には、第1の高分子アクチュエータ素子10aの動作が示されている。すなわち、0.1Aから10Aの間の電流、好ましくは0.1Aから5Aの間の電流、より好ましくは0.1Aから1Aの間の電流が、第1の浮遊電流線14aに流れ、これにより、磁場線19aで示された磁場が生じる。発生磁場の大きさは、浮遊電流線14a−dに流れる電流I、および浮遊電流線14a−dの半径rに依存し、式（2）を用いて計算することができる。高分子アクチュエータ素子10aの上部の電流線14aにより生じた磁力は、微小チャネル18の内壁17から浮遊電流線14aに向かって、高分子アクチュエータ素子10aを上方に引き寄せる。同様に、図14、図15、および図16では、それぞれ、第2，第3，および第4の高分子アクチュエータ素子10b、10c、10dの動作が示されている。ここで、電流は、順次、第2、第3、および第4の浮遊電流線14b、14c、および14dに流れ、これにより、それぞれ、磁場線19b、19c、および19dによって表された発生磁場が生じる。
【００８６】
浮遊電流線14a−dの一連のアドレス処理の結果、高分子アクチュエータ素子10a−dに一連の動作が生じる。高分子アクチュエータ素子10a−dの一連の動作により、微小流体システムの少なくとも一つの微小チャネルに存在する流体は、微小チャネルを介して押し出される。例えば、微小流体システムの微小チャネル18内で局部的混合を行うため、アクチュエータ素子10a−dの動きは、意図的に無相関にされ、すなわち、いくつかのアクチュエータ素子10a−dは、ある方向に動くのに対して、他のアクチュエータ素子10a−dは、無相関に反対の方向に移動し、これにより、局部的な無秩序混合が生じても良い。例えばアクチュエータ素子10a−dの反対の動きにより、微小チャネル18の内壁17の反対の位置に、渦が形成されても良い。
【００８７】
ここでも、これは一例に過ぎず、本発明を限定するものと解してはならないことに留意する必要がある。例えば、より多くの高分子アクチュエータ素子10a−dを同時に作動させても良い。例えば、高分子アクチュエータ素子10aおよび10bを最初に作動させ、次に高分子アクチュエータ素子10cおよび10dを作動させても良い。換言すれば、最初、電流は、浮遊電流線14aと14bを通って流れ、その後、浮遊電流線14cと14dを通って電流が流れても良い。あるいは、最初、高分子アクチュエータ素子10aと10cが作動され、次にアクチュエータ素子10bと10dが作動されても良い。換言すれば、最初、浮遊電流線14aと14cを通って電流が流れ、次に、浮遊電流線14bと14dを通って電流が流れても良い。他の実施例では、全ての高分子アクチュエータ素子10a−dが同時に作動しても良く、換言すれば、全ての浮遊電流線14a−dを通って、同時に電流が流れる。さらに、図12乃至16に示した例では、微小流体システムは、4つの高分子アクチュエータ素子10a−d、および4つの浮遊電流線14a−dを有する。他の実施例では、微小流体システムは、他のいかなる数の高分子アクチュエータ素子10a−d、および他のいかなる数の浮遊電流線14a−dを有しても良い。微小流体システムは、浮遊電流線14a−dと同数の高分子アクチュエータ素子10a−dを有しても良い。また、図12乃至図16に示した例では、高分子アクチュエータ素子10a−dが作動されない場合、これらの素子は、直線フラップ状の形状を有する。しかしながら、本発明の他の実施例では、高分子アクチュエータ素子10a−dの初期形状、すなわちこれらが作動する前の形状は、上方にカールしていても良い。これらの素子が作動すると、これらは、直線的に引き延ばされることにより形状が変化し、従って、本発明では、下向きの動き、すなわち微小チャネル18の内壁17に向かって移動することにより、形状が変化する。
【００８８】
前述の実施例の記載では、アクチュエータ素子10a−dの動きは、例えば、微小流体システムに配置された、1または2以上の磁気センサによって測定されても良い。これにより、例えば、微小チャネル18内の流体の流速および／または粘性などの、流れ特性を定めることが可能となる。また、流体の他の詳細は、異なる作動周波数を用いて測定されても良い。この方法では、例えば、流体の細胞含有物、例えばヘマトクリット値、または流体の凝固特性が測定される。
【００８９】
本発明の実施例による微小流体システムの利点は、磁気動作の使用により、これらが、唾液、痰、純血などの極めて複雑な生物学的流体に対して作動し得ることである。
【００９０】
本発明の実施例による微小流体システムの別の利点は、これにより、微小チャネルの壁に配置された電流線によって生じる磁場により磁気動作が得られるような、従来の微小流体システムと等しいまたはより少ない電流で、改善された作動効果が得られることである。
【００９１】
本発明の実施例による微小流体システムは、バイオ技術的なまたは生物医学的な用途に使用され、例えば、バイオセンサ、急速DNA分離および寸法化、細胞操作および分離、または製薬用途、特に、局部的な混合が必要な高スループット組み合わせ試験に使用される。本発明の実施例による微小流体システムは、微小電子機器における微小チャネル冷却システムに使用しても良い。
【００９２】
例えば、本発明の微小流体システムは、バイオセンサに使用しても良く、例えば少なくとも一つの対象分子の検出、例えば、唾液、痰、血液、血液、血漿、間質液、または尿のような生物流体中の、タンパク質、抗体、核酸（例えばDNR、RNA）、ペプチド、オリゴ−、もしくは多糖もしくはショ糖等の検出に使用される。従って、少量の流体サンプル（例えば液滴）がシステムに供給され、微小流体システム内での流体操作により、流体は、検出位置に誘導され、ここで実際の検出が行われる。本発明の実施例による微小流体システムにおいて、各種センサを使用することにより、1回の解析作動において、異なる種類の対象分子が検出される。
【００９３】
以下、本発明の実施例による微小流体装置に使用され得る高分子アクチュエータ素子10a−dについて、より詳しく説明する。
【００９４】
図17および18には、高分子アクチュエータ素子10の一例を示す。図17の左側には、印加磁場に応答して、上下に湾曲するアクチュエータ素子10を示す。図17の右側には、アクチュエータ素子10で覆われた微小チャネル18の内壁17に対して垂直な方向における断面が示されている。図17の右側のアクチュエータ素子10は、印加磁場に応答して、左から右に湾曲する。
【００９５】
高分子アクチュエータ素子10は、高分子微小電気機械システム、または高分子MEMS20と、該高分子MEMS20を、微小流体システムの微小チャネル18の内壁17に取り付けるための取付手段21とを有する。取付手段21は、高分子MEMS20の第1の先端に配置され得る。高分子MEMS20は、ビーム形状を有しても良い。しかしながら、本発明は、ビーム形状のMEMSに限定されるものではなく、高分子アクチュエータ素子10は、他の適当な形状のMEMS20を有しても良く、好ましくは、例えばロッド状等の細長い形状を有する。
【００９６】
次に、微小チャネル18の内壁17に、アクチュエータ素子10を構成する方法の実施例について説明する。
【００９７】
高分子アクチュエータ素子10は、多くの可能な方法で、微小チャネル18の内壁17に固定される。高分子アクチュエータ素子を微小チャネル18の内壁10に固定する第1の方法は、例えばスピン法、蒸着法、または他の適当な成膜技術により、成膜を行うことであり、この材料の層により、犠牲層の上に、高分子アクチュエータ素子10が形成される。従って、第1の犠牲層が、微小チャネル18の内壁17上に成膜されても良い。犠牲層は、例えば、金属（例えばアルミニウム）、酸化物（例えばSiOx）、窒化物（例えばSixNy）、または高分子で構成されても良い。犠牲層を構成する材料は、これが高分子アクチュエータ素子10を構成する材料に比べて、選択的にエッチングされるように選定され、適当な長さにわたって微小チャネル18の内壁17に成膜される。本発明の実施例では、犠牲層は、例えば、微小チャネル18の内壁17の全表面にわたって成膜され、通常、これは数cmのオーダーの領域である。しかしながら、他の実施例では、犠牲層は、全長Lにわたって成膜され、ここで全長Lは、アクチュエータ素子10a−dの全長と同じ長さであっても良く、通常は、10から100μmの間である。犠牲層は、使用材料に応じて、0.1から10μmの間の厚さを有しても良い。
【００９８】
次のステップでは、高分子MEMS20の形態で、高分子材料の層が犠牲層の上部に、犠牲層の片側に隣接して成膜される。次に、高分子MEMS20の下側の犠牲層をエッチングすることにより、犠牲層が除去される。この方法では、高分子層は、全長Lにわたって、（図17に示すように、）内壁17から取り外され、この部分は、高分子MEMS20を構成する。内壁17の残留した高分子層の部分は、取付手段21を形成し、微小チャネル18に高分子MEMSが取り付けられ、特に、微小チャネル18の内壁17に、分子MEMSが取り付けられる。
【００９９】
本発明に使用され得る高分子アクチュエータ素子10a−dを形成する別の方法は、高分子材料を設置する前に、内壁17のパターン化表面エネルギー工学を使用するものである。この場合、高分子アクチュエータ素子10a−dが取り付けられる微小チャネル18の内壁17は、異なる表面エネルギーを有する領域が得られるようにパターン化される。これは、例えば、リソグラフィー法または印刷法のような、適当な技術を用いて行われる。従って、高分子アクチュエータ素子10ａ−dを構成する材料の層は、当業者には良く知られた適当な技術を用いて、成膜、構造化される。この層は、強接着領域とも称される、内壁17のある領域に強固に付着し、弱接着領域とも称される他の領域には、弱い力で付着する。その後、この層は、弱接着領域では自発的に開放される一方、強接着領域では、固定状態が維持される。その後、強接着領域は、取付手段21を構成する。従って、この方法では、自己形成自立式高分子アクチュエータ素子10a−dが得られる。
【０１００】
処理した状態のままの高分子アクチュエータ素子10a−dは、既に述べたように、本願の図12乃至18に示すように、微小チャネル18の内壁17の平面と実質的に平行な方向にある必要はない。また、高分子アクチュエータ素子10a−dは、図7乃至11に示すように、微小チャネル18の内壁17の平面に対して実質的に垂直な方向にあっても良い。
【０１０１】
高分子MEMS21は、例えばアクリレート高分子、コポリマーを有するポリ（エチレングリコール）高分子を有しても良く、あるいは他のいかなる適当な高分子を有しても良い。高分子MEMS21を形成する高分子は、生体適合性高分子であることが好ましく、これらの高分子は、微小チャネル18内の流体、または微小チャネル18内の流体の成分に対して、最小の（生物）化学的相互作用を及ぼす。あるいは、高分子アクチュエータ素子10a−dは、非特異吸着特性および濡れ性を制御するように改質されても良い。高分子MEMS20は、例えば、複合材料を有しても良い。例えば、これは、粒子充填マトリクス材料または多層化構造を有しても良い。本発明では、「液晶高分子ネットワーク材料」が使用されても良い。
【０１０２】
不活性状態、すなわち高分子アクチュエータ素子10a−dに磁場が印加されていない状態では、特定の例において、高分子MEMS20は、ビーム状であっても良く、このMEMS20は、湾曲していても直線状であっても良い。高分子アクチュエータ素子10a−dに印加される磁場により、これらは、湾曲しまたは直線化し、換言すれば、これらが動かされる。高分子アクチュエータ素子10a−dの形状変化により、微小流体システム18の微小チャネル18に存在する周囲流体が動かされる。図17では、高分子MEMS20の湾曲は、矢印22で示されており、図18では、これが破線で示されている。高分子アクチュエータ素子10a−dの一端が壁17に固定されているため、得られる動きは、前述のような繊毛の動きに近くなる。
【０１０３】
本発明の前述の態様では、高分子MEMS20は、10から200μmの間の全長Lであって、通常の場合100μｍである全長Lを有し、2から30μmの間の幅wであって、通常の場合20μmである幅wを有する。高分子MEMS20は、0.1μmから2μmの間の厚さを有し、通常これは1μmである。
【０１０４】
微小チャネル18の内壁17は、複数の直線状のまたはカールした高分子アクチュエータ素子10a−dで被覆される。高分子MEMS20は、アクチュエータ素子10a−dに印加された磁場の作用の下、前後に動く。アクチュエータ素子10a−dは、高分子MEMS20を有し、これは、例えば、ロッド状またはビーム状の形状を有し、これらの幅は、図面の平面から飛び出る方向に延伸する。
【０１０５】
微小チャネル18の内壁17の高分子アクチュエータ素子10a−dは、1または2以上の行に配置されても良い。例えば、これに限られるものではないが、アクチュエータ素子10a−dは、アクチュエータ素子10a−dの2行に配置され、すなわち、アクチュエータ素子10a−dの第1の行は、内壁17の第1の位置に配置され、アクチュエータ素子10a−dの第2の行は、内壁17の第2の位置に配置され、第1および第2の位置は、相互に実質的に対向していても良い。本発明の他の実施例では、アクチュエータ素子10a−dは、アクチュエータ素子10a−dの複数の行に配置され、これらの素子は、例えば、2次元配列を形成するように配置される。さらに別の実施例では、アクチュエータ素子10a−dは、微小チャネル18の内壁17に、無秩序に配置される。
【０１０６】
ある方向での流体の輸送、例えば図7または12において、左から右への輸送を可能にするため、高分子アクチュエータ素子10a−dの動きは、前述のように、非対称である必要がある。すなわち、「ビート（打）」ストロークの特徴は、「回復」ストロークの性質とは異なっている必要がある。これは、速い打ストロークと、遅い回復ストロークとによって可能になる（図2参照）。
【０１０７】
ポンプ装置の場合、高分子アクチュエータ素子10a−dの動きは、メタクロニックな（継時打的）アクチュエータ手段によって提供される。これは、アクチュエータ素子10a−dを個々に、または行毎にアドレス処理する手段を提供することにより行われる。これは、微小チャネル壁構造の一部であるパターン化導電性膜を提供することにより行われても良く、これにより、アクチュエータ素子10a−dが個々にまたは行毎にアドレス処理される、局部的な磁場を形成することが可能となる。同様の方法は、加熱用のアクチュエータ素子10a−dに使用されても良い。この場合、導電性パターンは、抵抗加熱による局部的な加熱素子として機能する。
【０１０８】
従って、微小チャネル18の内壁17が、印加磁場に作用する構造化パターンを有する場合、アクチュエータ素子10a−dの個々のまたは行毎の刺激が可能となる。適切な経時的アドレス処理により、例えば波の形態での協働的な刺激が可能になる。非協働的なまたは無秩序なアクチュエータ手段、対称メタクロニックアクチュエータ手段、およびアンチプレクチックな（antiplectic）メタクロニックアクチュエータ手段は、本発明の範囲に含まれる（以下参照）。
【０１０９】
また別の態様では、本発明により、本発明の実施例による微小流体システムに使用され、微小チャネルを通る流体流を制御する、システム制御器30が提供される。システム制御器30は、図19に概略的に示されており、これは、微小流体システムの全体的な動作を制御し、微小流体システムの微小チャネル18内を流れる流体流が制御される。本発明の態様によるシステム制御器30は、制御ユニット31を有しても良く、微小チャネル18内にある、少なくとも一つの浮遊電流線14a−dに電流を印加することにより、磁場発生器が制御される。例えば、電流は、例えば複数の電流源または電圧源のような電流供給ユニット32に電流を流すことにより印加されても良い。磁場発生器14a−dの制御は、電流供給ユニット32に、所定のまたは計算された制御信号を提供することによって行われても良い。システム制御器30が、微小流体システムの他の部分を制御する、他の制御ユニットを有しても良いことは、当業者には明らかである。しかしながら、そのような他の制御ユニットは、図19には示されていない。
【０１１０】
システム制御器30は、例えばマイクロプロセッサのような計算装置を有しても良く、例えば、これは、マイクロコントローラであっても良い。特に、これは、プログラム化可能な制御器、例えばプログラム化デジタルロジック装置を有しても良く、例えばプログラム化アレーロジック（PAL）、プログラム化ロジックアレー、プログラム化ゲートアレー、特に、フィールドプログラム化ゲートアレー（FPGA）を有しても良い。FPGAの使用により、例えば、FPGAの必要な設定値をダウンロードすることにより、微小流体システムの一連のプログラム処理が可能となる。システム制御器30は、設定パラメータに応じて作動されても良い。
【０１１１】
本発明の実施例による微小流体システムの微小チャネル18を通る流体流を制御する方法は、図20に示すような処理システム50で実施されても良い。図20には、処理システム50のある構成例を示す。このシステムは、少なくとも一つのプログラム化プロセッサ51を有し、このプロセッサは、例えばRAM、ROM等のような、少なくとも一つのメモリの形態を含むメモリサブシステム52に結合される。プロセッサ51または複数のプロセッサは、汎用のものであっても良く、あるいは特殊用途のプロセッサであっても良く、例えば、他の機能を実行する他の構成部材を有するチップのような装置に含まれても良いことに留意する必要がある。従って、本発明の1または2以上の態様は、デジタル電子回路、コンピュータハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、またはこれらの組み合わせで実施される。処理システムは、記憶サブシステム53を含んでも良く、これは、少なくとも一つのディスクドライブおよび／またはCD-ROMドライブおよび／またはDVDドライブを有する。ある実施例では、ユーザインターフェースサブシステム54の一部として、ディスプレイシステム、キーボード、およびポインティングデバイスが含まれ、ユーザにマニュアル入力情報が提供される。例えば、望ましい流速または得られた流速などのデータを入力し出力するポートが含まれても良い。ネットワーク接続、各種装置とのインターフェース等、より多くの素子が含まれても良いが、これらは図20には示されていない。処理システム50の各種素子は、各種方法で結合され、これには、図20において、単純化のため単一のバスとして示されている、バスサブシステム22を介した結合が含まれる。ただし、当業者には、少なくとも一つのバスのシステムが含まれることが理解される。メモリサブシステム52のメモリは、ある期間、（56で示された何れかにおいて）一連の指令の一部または全部を保持し、この指令は、処理システム50での実行の際に、本願に記載の方法のステップを実行する。従って、図20に示したような処理システム50は、従来技術であるが、粒子を操作する方法、または粒子を特徴化する方法の態様を実行する指令を含むシステムは、従来技術ではなく、従って、図20には、従来技術の表示はされていない。
【０１１２】
また、本発明は、計算装置で実行された際に、本発明による方法のいずれかの機能を提供する、コンピュータプログラム製品を含む。そのようなコンピュータプログラム製品は、プログラム化プロセッサによって実行される、機械読み取りコードを担持する担体媒体で具体的に実施することができる。従って、本発明は、コンピュータプログラム製品を担持する担体媒体に関し、計算手段で実行された際に、前述のいずれかの方法を実行する指令が提供される。「担体媒体」という用語は、プロセッサに実行させる指令を提供する際に関与する、いかなる媒体をも意味する。そのような媒体は、多くの形態を取ることができ、これに限られるものではないが、これには、不揮発性媒体、および伝送媒体が含まれる。例えば、不揮発性媒体は、例えば大容量記憶装置の一部となる記憶装置のような、光または磁気ディスクを含む。コンピュータ可読媒体の共通の形態は、CD-ROM、DVD、フレキシブルもしくはフロッピーディスク（登録商標）、テープ、メモリーチップ、またはカートリッジ、またはコンピュータで可読な他のいかなる媒体を含む。コンピュータ可読媒体の各種形態には、1または2以上の指令の1または2以上のシーケンスを、実行用のプロセッサに搬送することが含まれる。また、コンピュータプログラム製品は、LAN、WAN、またはインターネットのようなネットワークにおける搬送波を介して、伝送されても良い。伝送媒体は、無線波および赤外線データ通信の間に生じるような、音響または光波の形態であっても良い。伝送媒体は、同軸ケーブル、導線および光ファイバを含み、これらは、コンピュータ内のバスを含む。好適実施例では、本発明による装置に関して、特定の構成および配置、ならびに材料を示したが、形態および細部において、本発明の思想および範囲から逸脱しないで、各種変更または修正が可能であることを理解する必要がある。
【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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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