(57)【要約】【課題】  環境分析チップ等のマイクロ化学分析チップ分野においては、ガラス基板に微細な流路、微小なポンプや弁等の部品をマイクロマシン技術を用いて集積化することが試みられている。しかし、これらのポンプ装置においては機械的な可動部分を持ち微量分析の高速化、精密化に支障があった。【解決手段】  本発明は、超音波ポンプ装置において、流動する液体の液面が気体または撥水性表面をもつ蓋と接する界面を持ち、この界面に対して液体の側から斜めに超音波を照射する手段を備えたものである。本発明においては液体の変位が自由であるため液体を流動させるときの抵抗が小さくできる。そのため、比較的小さな電力で駆動する超音波振動子で十分であり、液体を流動させる構造が簡単で微細化できる。また液体の送出圧力や流動に脈動を生じにくい特性のため分析過程が一体化したマイクロ化学分析チップが製造可能となる。【選択図】          図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
容器に収容された液体を超音波で搬送するポンプ装置において、前記液体を介して液面に対し斜めに超音波を照射することを特徴とする超音波ポンプ装置。
【請求項２】
前記液面が気体と接する界面であることを特徴とする請求項１に記載の超音波ポンプ装置。
【請求項３】
前記液面に超音波を集束させる手段を備えたことを特徴とする請求項１に記載の超音波ポンプ装置。
【請求項４】
前記液体が２層から成り、前記液体の上層の比重が前記液体の下層の比重より小さいことを特徴とする請求項２に記載の超音波ポンプ装置。
【請求項５】
前記容器に蓋を設置したことを特徴とする請求項２に記載の超音波ポンプ装置。
【請求項６】
前記容器に蓋を設置し、前記液面側が撥水性であることを特徴とする請求項１に記載の超音波ポンプ装置。
【請求項７】
前記液体を介して液面に入射する超音波の入射角θが下記（１）式を満足することを特徴とする請求項１に記載の超音波ポンプ装置。
sin θ < ( C1 / C2 )    （１）
但し、（１）において、
前記液体での音速を C1、
前記液面に接している物質での音速を C2、とする。
【請求項８】
前記超音波を集束させる手段が、可動な音響レンズまたは複数の超音波振動子であることを特徴とする請求項３に記載の超音波ポンプ装置。
【請求項９】
前記容器から搬送される前記液体の流路を複数備えたことを特徴とする請求項３に記載の超音波ポンプ装置。
【請求項１０】
前記容器に設置した超音波を発生させる手段、前記超音波を集束させる手段、前記流路のうち一部あるいは全てが前記容器と一体化されていることを特徴とする請求項１に記載の超音波ポンプ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超音波振動子により放射される超音波の放射圧によって液体を流動させるポンプ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来の超音波ポンプ装置においては、吸入口と排出口以外に液体の出入り口が無いポンプ容器に超音波振動子が取り付けられ、超音波の放射圧により液体を流動させている（例えば、特許文献１参照）。また、マイクロマシン技術を利用したマイクロポンプの例として、リニアアクチュエータを用いた容量変化型ポンプがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
【特許文献１】特開昭５５−５４６４ 号公報（第２項、第２図）
【特許文献２】特開平  ５−２７２４５７号公報（第３項、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
近年の研究で注目されているＤＮＡ分析チップ、環境分析チップ等のマイクロ化学分析チップ分野においては、ガラス基板に微細な流路を形成し、その流路中で化学合成や抗原抗体反応等の分析を行う。分析における反応、分離、試薬の添加等をシステム化し微小化する利点は、反応における面積の効果が相対的に大きくなる事から、化学分析の高速化、精密化が図れることである。そのために、微小なポンプや弁等の部品をマイクロマシン技術を用いて集積化することが試みられている。例えば、液体を流動させるための駆動力として、アクチュエータを用いたポンプ装置が提案されている(特許文献２)。しかし、特許文献２に示したこれらのポンプ装置においては、機械的な可動部分を持ち、ポンプを駆動する際の周波数を充分に大きくすることが困難であることから、液体の送出圧力や流動に脈動を生ずるという問題点があった。このため、薬液量の調整が十分にできず、微量分析の高速化、精密化に支障があった。
【０００５】
特許文献１に示した従来の超音波ポンプ装置は、駆動源として超音波振動子を用いているため脈動を生じにくく、また機械的な可動部分をもたないため取り扱いが容易である反面、液体を流動させる際に超音波の伝播方向に対して液体が満たされており、液体が比較的流動しにくい構造であった。すなわち、超音波による放射圧によってポンプ内の液体が流動するときに、放射圧によって押される液体はその前の液体を押しながら流動する必要がある。仮に、放射圧によって押される液体の前に何も無ければ、前方から反力を受けることなく流動できる。このため、従来の超音波ポンプ装置においては液体を流動させるには超音波振動子に大きなエネルギーを与える必要があった。
【０００６】
また別の問題として、容器の内壁にて超音波を反射させ流出口に集束させているが、一般に容器の材質は液体の音速に比べて大きく、超音波は内壁で全反射する。そのため、内壁に沿った液体を流動させたい方向（以下、面内方向と称する）の力は生じ得ず、面内方向に液体の流れは生じない。あるいは、超音波が内壁で全反射しない場合でも、面内方向には液体の流れの抵抗が極めて大きいため，液体の流れは非常に小さい。このような理由で、従来の超音波ポンプ装置は液体を流動させるために大きなエネルギーを要するという問題があり、超音波ポンプ装置の利用に障害となっていた。
【０００７】
本発明は、かかる問題点を解決するためになされたもので、小さいエネルギーで駆動でき、構造が簡単な、液体の送出圧力や流動に脈動を生じにくいポンプ装置を得ることを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、超音波ポンプ装置において、流動する液体の液面が気体または撥水性表面をもつ蓋と接する界面を持ち、この界面に対して液体の側から斜めに超音波を照射する手段を備えたものである。
【発明の効果】
【０００９】
従来の超音波ポンプ装置においては、流出口（とその後の流路）での流体への抵抗が極めて大きいのに対し、本発明においては液体の変位が自由であるため液体を流動させるときの抵抗が小さくできる。そのため、従来と同程度の液体の流動を生じさせるときは、比較的小さな電力で駆動する超音波振動子で十分になる。このため、液体を流動させる構造が簡単で微細化でき、省電力駆動が可能となる。また液体の送出圧力や流動に脈動を生じにくい特性のため分析過程が一体化したマイクロ化学分析チップが製造可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
実施の形態１
図１は、本発明の実施の形態１における超音波ポンプ装置の一部構成を示した上面図である。図２は、図１中のＡ−Ａの断面図である。図において、超音波ポンプ装置は、超音波振動子１と液体３を入れる容器２とから構成され、超音波振動子１は容器２の外部に配接され、容器２には流動させる液体３が貯えられる。液体３は界面５を介して空気４と接している。流動させる液体３は、例えばＤＮＡ分析の場合は検体の溶け込んだ水である。液体３は水の他アルコールなどの有機溶媒も使用できる。容器２の内壁の一部は、液体３と空気４との界面５の流出口６の近傍に超音波を集束させるため、レンズ形状になって、音響レンズ７を構成する。
【００１１】
超音波振動子１は、交流電圧（図示しない）の印加によって図２中矢印の方向（ Z 方向）に伸縮し、この方向に振動する超音波を発生する。また、超音波振動子１は、超音波を発生できる機構であればよく、ピエゾ素子などの圧電素子、磁歪素子等である。また、超音波振動子１に素子の共振周波数に等しい周波数の交流電圧を印加しているが、発生した超音波が液体３中を伝播し空気４との界面５に照射されればよく、印加する電圧の周波数によらない。
【００１２】
容器２には液体３を流動させるための流出口６を設けている。さらに、流出口６には、幅および深さが液体３中での超音波の波長よりも小さい流路８が容器２と同一基板に作製されている。例えば、液体３が水であり超音波の周波数が１０MHzの場合は、超音波の波長は約150μmであるから、流路８の寸法は150μm以下が望ましいことになる。容器２および流路８は、超音波の吸収が小さく、音響インピーダンスが超音波振動子１の材料の音響インピーダンスよりも小さく、かつ、液体３の音響インピーダンスよりも大きい材料であり、その材料内での音速が液体３中よりも大きい材料で作製する。例えば、材料はシリコン、ガラスの他にステンレス、アルミなどの金属材料も使用可能である。
【００１３】
本実施の形態の超音波ポンプ装置は、超音波振動子１に交流電圧を印加することによって容器２内の液体３を流路８に流動させることができる。図３は、液体と固体の界面９に液体側から超音波が入射し全反射するときに発生する放射圧を説明するための模式図である。図４は、液体と気体の界面５に液体側から超音波が入射し反射するときに発生する透過波を説明するための模式図である。図５は、液体と気体の界面５に液体側から超音波が入射し反射するときに発生する放射圧を説明するための模式図である。以下、順をおって超音波と界面に作用する力の関係について説明する。図２において、超音波振動子１に交流電圧を印加することによって発生した Z 方向に伝播する超音波は容器２内部を進行し、容器２の音響レンズ７を透過することによって進行方向を変え図２中Ｚ’方向へ徐々に集束し、流出口６付近の液体３と空気４との界面５に集束する。一般に、超音波が液体と固体との界面９に斜めに照射される場合、界面９において、透過・反射・散乱が生じ、界面９は入射波・透過波・反射波および散乱波による放射圧に伴う力を受ける。全反射する場合には透過波と散乱波が生じることがなく、図３において示すように入射波と反射波の強度は等しく、生ずる放射圧の合力は界面９を垂直方向に押し上げる方向の成分のみで界面９の面内方向成分を持たない。しかし、図４において示すように、液体３と空気４との界面５に斜めに照射する場合は、液体３中の音速が空気４中での音速よりも大きいために入射角によらず超音波は全反射せず、超音波は液体３と空気４との音響インピーダンスの差異によって一部は屈折して透過し、一部は反射し、一部は散乱する。各々の超音波によって界面５は各放射圧に伴う力を受ける。散乱波は総和として無視できない程度の強度があるが、散乱波は方向が一定ではないので散乱波による放射圧の合力は小さくなる。結局、図５において示すように、界面５が受ける力の方向と強度は、主に入射波、透過波および反射波に伴う力のみを考慮した合力にほぼ等しくなる。すなわち、放射圧の合力１０に伴って界面５が受ける力は界面５の面内方向成分と液体３を界面５から垂直方向に押し上げる方向の成分とを持つ。
【００１４】
図６は、界面５の液体３が放射圧の合力によって変位し流動する様子を説明するための模式図である。以下、放射圧の合力１０と界面５での液体３の流動との関係について説明する。図中(a)において、放射圧の合力１０は界面５の面内方向成分と液体３を界面５から垂直方向に押し上げる方向の成分とを持つため、界面５が盛り上がった状態になる。これは、界面５に対しては重力がかかるのみで、空気４側から反力を受けないからである。そのため、液体３の変位が起きやすく、液体３が比較的流動しやすい状態になっている。つぎに、放射圧の合力１０が連続的に加わっていると、図中(b)〜(e)に示すように、界面５にある液体３は放射圧の合力１０によって次々に押され界面５での流動が起きる。なお図６において、流動を模式するために界面５にある液体３の小塊１１を白丸印で示し、特定位置にあったものを黒丸印で示した。黒丸印と他の白丸印と物性が異なるものではない。
【００１５】
つぎに、図２において示すように、超音波振動子１で発生した超音波は液体３を経て流出口６付近の界面５の一点に集束し、さらに、界面５で反射した超音波は接続されている流路８内を伝播する。流路８内を伝播する超音波は流路８内の流動している液体３を引き続き押すことになる。このようにしてできた界面５での液体３の流動によって、容器２の中の液体３は、容器２と接続された流路８を経て吐出される。
【００１６】
本実施の形態の超音波ポンプ装置の作製方法は、一般に用いられるマイクロマシン作製技術を利用して作製される。例えば材料がシリコンの場合は、容器２、流路８の加工は、クリーンルーム内において成膜、フォトリソグラフィ、エッチングなどの工程を繰り返して所望の形状に加工される。このため、容器２と流路８を同一シリコン基板上に一体として作製できる。また、超音波振動子１については、容器２、流路８の形成工程の後に容器２、に別部品として取り付けられる。
【００１７】
本実施の形態は、以下の３項目の有利な効果があり、超音波を発生させる振動子に必要な駆動エネルギーを小さくできる。そのため、微小なポンプでよく、マイクロ化学分析チップを小型にできる。
(1)界面５が空気４であるために超音波が全反射せず、結果として、流動させたい方向の放射圧がより大きくできる。
(2)界面５では液体３の変位が起こしやすく、液体３の流動にともなう液体３自身からの反力を逃がすことができるので、流動に必要な駆動エネルギーが小さくてすむ。
(3)空気４と水の界面５では摩擦がほとんど無く、いったん発生した水の流動は摩擦のために速度が低下することはない。よって、流動に必要な駆動エネルギーが小さくてすむ。
【００１８】
上述のように本実施の形態では、空気４が液体３に接し界面５を形成しているが、気体であれば上記のような効果を奏するので、空気４の代わりに窒素、ヘリウム等の不活性気体でもよい。これら不活性気体を使用した場合は、流動させる液体３の酸化を防止する効果がある。
【００１９】
また本実施の形態において、容器２をシリコンで作製した場合、超音波振動子１と容器２の間および容器２と液体３の界面における反射は、この界面での音響インピーダンスの差が小さいため、超音波振動子１と液体３を直接接続する場合に較べて小さい。そのため、超音波振動子１から液体３に効率よく超音波を伝播させることができるので、途中の損失が少なく効率よく液体３の流動を起こせる。また本実施の形態においては、容器２の内壁の一部が音響レンズ７を構成しているので、超音波は液体３を経て流出口６付近の界面５の一点に集束し、界面５で反射した超音波が容器２に接続されている流路８内を伝播する。超音波の集束は、界面５での液体３の流動を効果的に起こすことができる。更に、流路８内を超音波が伝播し、流路８内の液体３を超音波が押すことになるので、流路８内の液体３の流動を持続させることができる。以上のように、超音波のエネルギーは、容器２内および流路８で効率的に液体３の流動に変換される。
【００２０】
また本実施の形態において、流路８は液体３中での超音波の波長よりも小さい幅，小さい深さで形成すると、いったん流路８内に入った超音波の位相がばらつくことがない。すなわち、流路８内を伝播する超音波の位相が揃うので、効果的に液体３の流動に寄与させることができる。また、流路８はシリコンで作製すると、流路８内で伝播する超音波が流路８の壁面で全反射しやすく超音波の減衰が小さいため、超音波を効率よく液体３の流動に変換することができる。また本実施の形態においては、流路８が容器２と一体に作製されているため装置の構成が簡単になり、装置を小型化することができる。
【００２１】
また本実施の形態において、超音波振動子１と液体３との間に容器２を介して超音波を伝播させているが、超音波振動子１と液体３とが直接接触しないため、液体３の漏れ等による超音波振動子１の構成部品である電極間の短絡を防ぐ等の効果がある。また、超音波振動子１を容器２と別部品として取り付けており、容器２を構成する部材と超音波振動子１とを簡単に分けることができ、装置の取扱が容易である。
【００２２】
実施の形態２
実施の形態１において、液体３と空気４との界面５に超音波を照射しているが、界面５は、入射した超音波が全反射せず変位可能な界面５であればよく、流動させる液体３に対して密度が異なり混合しにくい第２の液体１２で液体３の表面を覆って、液体３を２層として形成してもよい。例えば、液体３が水のときは、第２の液体１２はパラフィンオイル、ジメチルシリコーンオイルなどの油が使用できる。即ち、水の上に油膜を張る状態としてもよい。図７は、図１の超音波ポンプ装置において液体が２層で構成された状態を示し、液体３を異なる第２の液体１２で覆った状態である。例えば、ジメチルシリコーンオイルは、化学的に安定であり、また、ジメチルシリコーンオイル中の音の伝播速度は水とほぼ同じで、シリコーンの粘度変化は温度による影響が小さいので上記の目的に適している。ここで、ジメチルシリコーンオイルの膜厚が超音波の波長以上になると、超音波がジメチルシリコーンオイルと水の界面を突き抜けてしまい、ジメチルシリコーンオイルが主として流動するようになり、水を効果的に流動させられない。いま、超音波の周波数を１０MHzとすると、超音波の波長は約150μmとなるから、波の反射の一般的特性から、ジメチルシリコーンオイル膜の膜厚は、超音波の波長以下望ましくは１/4波長以下(約40μm以下)とする必要がある。このような条件では、超音波は実施の形態１と同様に、ジメチルシリコーンオイルが上層にある水と空気４の界面５で反射するので、水を効果的に流動させることができる。それとともに、ジメチルシリコーンオイル膜によって水の蒸発を抑制できるので、水に溶け込んだ試料の濃度変化を防止できる。なお、ジメチルシリコーンオイル（比重0.94）も水とともに流動してしまうが、比重差を利用して分離することができるので問題ない。また、分離しないときでも、ジメチルシリコーンオイルは水に溶け込まないので、超音波ポンプを出た後の薬液処理、例えば水に試薬を入れて反応をみる場合において、ジメチルシリコーンオイルが妨害物質となることはない。そのため、水に溶け込んだ試料の濃度変化を防止することが可能なマイクロ化学分析チップをつくることができる。
【００２３】
上述の第２の液体１２は、以下の条件を満たすときに実施の形態２で示した超音波ポンプとして機能させることができる。即ち、(1)密度が液体３より小さいこと、(2)第２の液体１２の膜厚が、液体３中での超音波の波長以下であること、が必要である。
【００２４】
実施の形態３
図８は、図１の超音波ポンプ装置において、容器２の上部に蓋１３を設けたものである。図８に示すように、界面５の上部や流路８の上部に蓋１３を設けても実施の形態１で示したような液体３の流動が可能である。このため、蓋１３をしたことによって液体３の蒸発を抑制できるので、液体３に溶け込んだ試料の濃度変化を防止できる。さらに、外部からの異物混入を防止でき、流動させる液体３の変質防止に加え汚染防止ができるので、微量分析に最適である。また、蓋１３で容器２および流路８を保護しているので、装置の可搬性にも優れる。
【００２５】
実施の形態４
図９は、図１の超音波ポンプ装置において、容器２の上部に撥水処理を施した蓋１４を設けたものである。図１０は、図９の撥水処理を施した面を拡大した模式図である。液体３を水とした場合、超音波で流動させる水が蓋に接触しても、撥水処理した面１５で水ははじかれる性質があるため微小な間隙が生じる。このため、液面の変位が可能な空間があることになり、液体３の流動にともなう液体３自身からの反力を逃がすことができるので流動を起こすのに必要な駆動エネルギーが小さくて済む。
【００２６】
図１０は、図９において示す超音波の集束する位置近傍の拡大図であり、超音波の集束する様子を模式している。実施の形態１において説明したように、超音波は音響インピーダンスの差異によって一部は屈折して透過し、一部は反射し、一部は散乱するから、入射波が完全反射しない入射角でないと効果的に流動させることができない。ここで、入射角θは音響レンズ７を通過してくる超音波の中心軸と界面の法線１８とがなす角である。液体３の音速を C1、蓋８の中を伝播する超音波の音速を C2、界面に対する超音波の入射角をθとしたとき、
sin θ が C1 / C2 よりも小さい（ sin θ < ( C1 / C2 ) ）条件を満たす入射角θで超音波を集束させる必要がある。いま、液体３を水としたとき入射角θはつぎのようになる。水の音速を１５００m/s、撥水処理を施したシリコンの蓋１４の音速を８４３３m/sとすれば、入射角θは約１０度以下である。また、界面に対して液体の側から斜めに超音波を照射することから入射角θは０度以上であるが、流動を起こさせるために入射角θは５度以上が望ましい。従って、入射角θは概ね５度から１０度の範囲で使用することとなる。入射波が完全反射しない入射角で使用すれば、効果的に液体３の流動を起こすことができ、また、いったん流動を起こした後は、撥水処理された面は摩擦がほとんど無く、いったん発生した水の流動は摩擦のために速度が低下することはないので、流動を持続させるのに必要な駆動エネルギーが小さくて済む。そのため、外部からの異物混入を防止でき、流動させる液体３からの蒸発防止効果があり変質防止ができるので、微量分析に最適である。また、装置の可搬性にも優れる。
【００２７】
実施の形態５
実施の形態１においては、超音波振動子１と容器２とを別々に作製していた。しかし、実施の形態５においては、別部品としての超音波振動子１を容器２に接合するのではなく、連続した製造プロセスで作製することができる。図１１(a)は、本実施の形態の平面図、図１１(ｂ)は平面図におけるB−B断面である。製造プロセスは、容器２をシリコン基板等で作製した後につづいて、その上面にチタン酸バリウム等の圧電材料１９を成膜し、電極２０を形成しピエゾ素子を形成する。本実施の形態の超音波ポンプ装置の作製手段は、実施の形態１と同様に通常用いられるマイクロマシン技術を利用して作製される。ピエゾ素子を容器２と同一基板上に形成しているので、装置を小型化することができる。また、ピエゾ素子を連続した製造プロセスで形成しているので、容器２に接続するための組み立て工程が省略できるため、コストダウンが図れる。
【００２８】
実施の形態６
図１２は、容器２とは別の部材で音響レンズを構成したものである。上述の実施の形態においては、容器２の一部を超音波のレンズ機能用として加工し、音響レンズ７を構成していた。本実施の形態においては、レンズ機能を別の部材１６で行い、この部材１６の位置を変えることによって、超音波の集束位置を所望の位置に変えることができる。このため例えば、液面高さが徐々に変化していく場合にも対応でき、常に液体３の界面５の適切な位置に超音波を集束することができる。容器２の液量変化に追随して適切な位置に超音波を集束することができるため、ポンプとして安定な動作が可能になる。
【００２９】
実施の形態７
図１３は本実施の形態の超音波ポンプの一部分の平面図である。図１３において、レンズ機能をもつ部材１６が位置を変えられる構造と、複数の流路８を設けている。レンズ機能をもつ部材１６を動かし超音波の集束位置を制御することで、液体３を流動させる流路８を選択する機能を持たせることができる。図１３においては、流路８aにむけて超音波の集束位置を選択しており、流路８aに液体３の流動を起こさせている。なお、流路８を２つとしているが流路８の数はいくつであってもよい。本実施の形態においては、超音波ポンプの機能に合わせて、流路８を選択するスイッチとしての機能がある。例えば、このスイッチ機能によって、同一の液体３試料を使い、異なる反応プロセスによる結果の差異を比較するための試験に利用できる。
【００３０】
実施の形態８
図１４は本実施の形態の超音波ポンプの断面図である。実施の形態１においては、容器２に対して超音波振動子１が１つ設置しているが、本実施の形態においては、図１４のように複数の超音波振動子１を持つ構造としている。複数の超音波振動子１を持つことで、各々の超音波振動子１の駆動において印可電圧の位相を個々に制御し、各々の超音波振動子１から発生する超音波の干渉を利用して超音波の集束位置を変える。実施の形態６においては、レンズ機能をもつ部材１６を動かすことによって超音波の集束位置を変えたが、本実施の形態においては超音波の干渉を利用して超音波の集束位置を変更する。図１４(a)は、容器２に液体３が多いときで、図１４(b)は、液体３が少ないときである。本実施の形態によれば、液面高さが徐々に変化していく場合にも対応でき、常に液体３の界面５の適切な位置に超音波を集束することができる。容器２の液量変化に追随して適切な位置に超音波を集束することができるため、ポンプとして安定な動作が可能になる。また、ポンプの構成部品が少なく機構が簡単になる利点がある。
【００３１】
実施の形態９
図１５は本実施の形態の超音波ポンプの平面図である。本実施の形態は、実施の形態８で示した構成に加え、複数の流路８を設けることにより、超音波の集束位置を制御することができる。図１５は、流路８aにむけて超音波の集束位置を選択した場合を示している。流路８aにむけて超音波が集束され、ここに液体３を流動させることができる。本実施の形態は、実施の形態７および８の利点を合わせ持つ。即ち、ポンプの構成部品が少なく機構が簡単でありながら流路８を選択する機能を持たせることができる。加えて、音波の干渉現象を利用して流路８の選択をおこなうので、超音波の位相、流路８の位置を調整することにより、選択ではなく両方の流路８に同時に流動を起こすことも可能である。
【００３２】
実施の形態１０
図１６は、本発明の超音波ポンプを搭載したマイクロ分析システムの構成を示したもので、マイクロ分析システムを同一のシリコン基板上に形成した例である。マイクロ分析システムにおいては、液状分析サンプルに試薬を投入し反応させ、妨害物質をフィルタリングしてから検知部で反応生成物よりの検知信号を発生させる。一方、レファレンスとして反応生成物を含まない液状分析サンプルよりの検知信号を発生させ、前記検知信号と差動信号をとることにより、高感度分析をおこなうものである。
【００３３】
液状分析サンプルは第１の超音波ポンプ２２（容器２は図示せず）に収容している。第１の超音波ポンプ２２aには２つの流路８aおよび６bが接続されている。第２の超音波ポンプ２２bから試薬が流路８aと接続した薬液混合器２３へ投入される。さらに、試薬と混合した液体３は反応器２４aへ流動され、フィルター２５aを通って検知部２６aに達する。一方、レファレンスとしての液状分析サンプルは、流路８bから、反応器２４bへ流動され、フィルター２５bを通って検知部２６bへ達し、レファレンス信号を発生する。差動出力アンプ２７では、両者の信号の差動出力を出す。
【００３４】
上記の流路８等のマイクロ分析システム構成部品は、シリコン基板に形成された溝、窪み、カラム、FETからなり、同一基板上に一体として作製できる。また、超音波振動子１については、流路８等の形成工程の後に別部品として取り付ける。本実施の形態の作製手段は、通常用いられるマイクロマシン技術を利用して作製される。例えば、マイクロ分析システム基板２８の材料がシリコンの場合の加工法は、成膜方法としてCVDによるシリコン酸化膜あるいはシリコン窒化膜の成膜、スパッタ法によるアルミの成膜がある。また、成膜した膜を除去、あるいはシリコン基板に穴を開ける方法として反応性イオンエッチング等がある。所望の形状を形成するためには、成膜後にフォトリソグラフィの手法を用いてレジストパターンを形成し、エッチングなどの工程を繰り返して行われる。
【００３５】
分析における試薬の添加、反応、分離、検知等をシステム化し微小化しており、反応における面積の効果が相対的に大きくなる事から、化学分析の高速化、精密化が図れる。また、マイクロマシン技術を用いて集積化したチップとして分析システムを製造することができるため、分析システム全体のコストを下げることが可能である。さらに、液状分析サンプルが血液の場合は、血液にふれた部分は使い捨てにする必要があるため、このような安価なマイクロ分析システムは医療分野に好適である。また、使い捨てにする部分が小さいため、処分費用がその分少なくできる利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】この発明の実施の形態１を示す超音波ポンプ装置の上面図である。
【図２】この発明の実施の形態１の図１中のＡ−Ａの断面図である。
【図３】超音波が界面に斜めに入射し全反射する場合の反射、散乱によって発生する各放射圧を説明するための図である。
【図４】超音波が液体と空気との界面で反射、透過、反射することを説明するための図である。
【図５】超音波が液体と空気との界面で反射、透過、反射する場合の透過、反射、散乱によって発生する各放射圧を説明するための図である。
【図６】界面の液体が放射圧によって変位し流動する様子を模式的に説明するための図である。
【図７】液体と密度が異なり混合しにくい油で表面を覆った場合の超音波ポンプ装置の断面図である。
【図８】撥水処理した蓋で表面を覆った場合の超音波ポンプ装置の断面図である。
【図９】撥水処理を施した蓋が液体と接触している場合の界面を覆った場合の様子を模式的に説明するための図である。
【図１０】蓋で表面を覆った場合の超音波ポンプ装置の断面図である。
【図１１】超音波振動子を容器作製工程に続いて形成した場合の超音波ポンプ装置の断面図である。
【図１２】音響レンズを別部品として容器に接続した場合の超音波ポンプ装置の断面図である。
【図１３】音響レンズを別部品として容器に接続し、流路が２本ある場合の超音波ポンプ装置の平面図である。
【図１４】複数の超音波振動子を設置した場合の超音波ポンプ装置の断面図である。
【図１５】2個の超音波振動子と流路が２本ある超音波ポンプ装置の平面図である。
【図１６】同一のシリコン基板上に形成したマイクロ分析システムの平面図である。
【符号の説明】
【００３７】
１：超音波振動子    ２：容器    ３：液体    ４：空気
５：液体３と空気４との界面    ６：流出口    ７：音響レンズ
８：流路    ９：液体３と固体との界面    １０：放射圧の合力
１１：界面５にある液体３の小塊    １２：第２の液体    １３：蓋
１４：撥水処理をした面を持つ蓋    １５：撥水処理をした面
１６：レンズ機能をもつ部材    １７：超音波の進行方向
１８：界面の法線    １９：圧電材料    ２０：電極
２１：高周波電源装置    ２２：超音波ポンプ    ２３：薬液混合器
２４：反応器    ２５：フィルター    ２６：検知部
２７：差動出力アンプ    ２８：マイクロ分析システムの基板
【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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