(57)【要約】高密度ミクロ流体チップは、数千個のミクロメカニカルバルブおよび数百個の個別アドレス可能なチャンバを有する配管ネットワークを含む。これらの流体装置は大規模集積法を用いて作製される電子集積回路（ＬＳＩ）に類似している。これらのネットワークの一つの構成部品は流体マルチプレクサである。流体マルチプレクサは、最小限の入力数を用いて複雑な流体操作を可能にすることによってネットワークの処理能力を指数関数的に増大する二進バルブパターンのコンビナトリアルなアレイである。これらの集積ミクロ流体ネットワークを用いて高度に複雑なさまざまなミクロ流体装置、例えばコンパレータアレイのミクロ流体類似物、および電子ランダムアクセスメモリに類似するミクロ流体メモリ貯蔵素子を構築することができる。
2006501056.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の層の中に作製されたミクロ流体流れチャンネル、
第一の層に隣接する第二の層の中に作製された第一のミクロ流体制御チャンネルであって、ミクロ流体流れチャンネルから第一の変形可能な膜によって隔てられている第一のミクロ流体制御チャンネル、および
第一のミクロ流体制御チャンネルに隣接し、第一のミクロ流体制御チャンネルから第二の変形可能な膜によって隔てられている第二のミクロ流体制御チャンネル
を含むミクロ流体装置。
【請求項２】
第一の層は第二の層の下に配置されている、請求項１に記載のミクロ流体装置。
【請求項３】
第一の層は第二の層の上に配置されている、請求項１に記載のミクロ流体装置。
【請求項４】
第二のミクロ流体制御チャンネルは第一の層の中に作製され、ミクロ流体流れチャンネルと交差しない、請求項１に記載のミクロ流体装置。
【請求項５】
第二のミクロ流体制御チャンネルは第二の層に隣接する第三の層の中に作製される、請求項１に記載のミクロ流体装置。
【請求項６】
第一のミクロ流体流れチャンネルは流れチャンネルのネットワークを含み、
第一のミクロ流体制御チャンネルは、共通の入口を共有し幅の広い部分を有するチャンネルの分岐したネットワークを含み、
第二のミクロ流体制御チャンネルは、個別の入口を有し同様に幅の広い部分を有するチャンネルのネットワークを含む
請求項１に記載のミクロ流体装置。
【請求項７】
第一の制御チャンネルネットワークの分岐の数は流れチャンネルの数に等しく、第一の制御チャンネルの各分岐は対応する流れチャンネルの分岐においてただ一つの幅の広い部分を含み、
第二の制御チャンネルネットワークのチャンネルはマルチプレクサ構成で配置され、それによって逆マルチプレクサ構造を定める
請求項６に記載のミクロ流体装置。
【請求項８】
第一の制御チャンネルネットワークの分岐の数は流れチャンネルの数より少なく、第一のマルチプレクサ構成の中に配置された幅の広い部分を有し、
第二の制御チャンネルネットワークのチャンネルの数は流れチャンネルの数より少なく、第二のマルチプレクサ構成の中に配置された幅の広い部分を有し、それによってカスケード化されたマルチプレクサ構造を定める
請求項６に記載のミクロ流体装置。
【請求項９】
第一の制御チャンネルネットワークおよび第二の制御チャンネルネットワークの少なくとも一つは少なくともｘｌｏｇｘｎ本の制御チャンネルを有する第一の段を含み、ここでｎは流れチャンネルの数、ｘは２より大きな整数である、請求項６に記載のミクロ流体装置。
【請求項１０】
第一の制御チャンネルネットワークおよび第二の制御チャンネルネットワークの少なくとも一つは少なくともｘｌｏｇｘｎ個の制御チャンネルを有する第二の段をさらに含み、ここでｎは流れチャンネルの数、ｘは１より大きな整数である、請求項９に記載のミクロ流体装置。
【請求項１１】
第二のミクロ流体制御チャンネルに隣接し、第二のミクロ流体制御チャンネルから第三の変形可能な膜によって隔てられている第三のミクロ流体制御チャンネルをさらに含む、請求項１に記載のミクロ流体装置。
【請求項１２】
第一のミクロ流体流れチャンネルは流れチャンネルのネットワークを含み、
第一のミクロ流体制御チャンネルは、第一の共通の入口を共有し幅の広い部分を有するチャンネルの第一の分岐したネットワークを含み、
第二のミクロ流体制御チャンネルは、第二の共通の入口を共有し同様に幅の広い部分を有するチャンネルの第二の分岐したネットワークを含み、
第三のミクロ流体制御チャンネルは、個別の入口を有し同様に幅の広い部分を有するチャンネルのネットワークを含む
請求項１１に記載のミクロ流体装置。
【請求項１３】
ミクロ流体構造体の中の流れを制御する方法であって、
隣接する流れチャンネルから第一の膜によって隔てられている第一の制御チャンネルネットワークの制御チャンネルに圧力を加え、これによって第一の膜を流れチャンネルの中に変形させること、
第一の制御チャンネルネットワークの中の圧力を維持しながら、第一の流れチャンネルネットワークから第二の膜によって隔てられている第二の制御チャンネルネットワークの制御チャンネルに圧力を加え、これによって第二の膜を第一の制御チャンネルネットワークの制御チャンネルの中に変形させて制御チャンネルを密閉すること、および
第二の制御チャンネルネットワークの制御チャンネルの中の圧力を維持しながら、第一の制御チャンネルネットワークの中の圧力を解放し、これによって第一の膜を流れチャンネルの中に変形されたまま残すこと
を含む方法。
【請求項１４】
第一の制御チャンネルネットワークは流れチャンネルの上に配置され、これによって第一の膜は流れチャンネルの中に下向きに変形する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
第二の制御チャンネルネットワークは第一の制御チャンネルネットワークの上に配置され、これによって第二の膜は第一の制御チャンネルネットワークの制御チャンネルの中に下向きに変形する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
第二の制御チャンネルネットワークは第一の制御チャンネルネットワークの下に配置され、これによって第二の膜は第一の制御チャンネルネットワークの制御チャンネルの中に上向きに変形する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
第一の制御チャンネルネットワークは流れチャンネルの下に配置され、これによって第一の膜は流れチャンネルの中に上向きに変形する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
第二の制御チャンネルネットワークは第一の制御チャンネルネットワークの下に配置され、これによって第二の膜は第一の制御チャンネルネットワークの制御チャンネルの中に上向きに変形する、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
第二の制御チャンネルネットワークは第一の制御チャンネルネットワークの上に配置され、これによって第二の膜は第一の制御チャンネルネットワークの制御チャンネルの中に下向きに変形する、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
第一の制御チャンネルネットワークの中の圧力を解放することによって、第一の制御チャンネルネットワークと第二の流れチャンネルとの間の別の膜を第二の流れチャンネルの中から変形させる、請求項１３に記載の方法。
【請求項２１】
第二の制御チャンネルネットワークはマルチプレクサを含み、それによって一つを除く流れチャンネルのすべてを同時に閉めることを可能にする、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
第一の制御チャンネルネットワークは第二のマルチプレクサを含み、それによって第二の制御チャンネルネットワークのより少ない数の制御チャンネルが流れチャンネルの中の流体の移動を制御することを可能にする、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
第二の複数の平行な流れチャンネルと直交する第一の複数の平行な流れチャンネルによって定められる貯蔵場所のアレイ、
貯蔵場所に隣接し、貯蔵場所を孤立させるよう変形可能なバルブを定める制御ラインのネットワーク、
第一の複数の平行な流れチャンネルの中の流れを制御するために構成された第一のマルチプレクサ構造、および
第二の複数の平行な流れチャンネルの中の流れを制御するために構成された第二のマルチプレクサ構造
を含むミクロ加工された構造体。
【請求項２４】
同じエラストマー層の中に第一の複数の平行な流れチャンネルおよび第二の複数の平行な流れチャンネルが作製され、これによって第一の複数の流れチャンネルと第二の複数の流れチャンネルとの交差点に貯蔵場所のアレイが定められ、
同じエラストマー層の中に制御チャンネルネットワークとして第一および第二のマルチプレクサが作製される、請求項２３に記載のミクロ加工された構造体。
【請求項２５】
第一のマルチプレクサの上または下に配置された複数の流れチャンネルのエラストマー層の中に作製された制御チャンネルの第二のネットワークをさらに含む、請求項２４に記載のミクロ加工された構造体。
【請求項２６】
第一の複数の流れチャンネルに隣接して貯蔵場所への選択的なアクセスを可能にする複数のバスラインをさらに含む、請求項２４に記載のミクロ加工された構造体。
【請求項２７】
異なるエラストマー層の中に第一の複数の平行な流れチャンネルおよび第二の複数の平行な流れチャンネルが作製され、
第一の複数の流れチャンネルと第二の複数の流れチャンネルとの間の中間エラストマー層の中に作製したチャンバによって貯蔵場所のアレイが定められ、
第一の複数の平行な流れチャンネルの一つは第一の片方向バルブを通してチャンバと垂直流体連通し、
前記チャンバは第二の片方向バルブを通して第二の複数の平行な流れチャンネルの一つと垂直流体連通する
請求項２３に記載のミクロ加工された構造体。
【請求項２８】
片方向バルブは、シート上で静止し一方の垂直方向だけに変形するように構成されたエラストマー膜を含む、請求項２７に記載のミクロ加工された構造体。
【請求項２９】
片方向バルブは上向きに変形するように構成されている、請求項２８に記載のミクロ加工された構造体。
【請求項３０】
垂直バイア部分およびシート部分を含む第一のエラストマー層、および
一体化された末端部と、一体化されていない末端部とを有する可撓性の膜を含む第二のエラストマー層であって、該一体化されていない末端部は、シート部分と接触し、第二の垂直なバイア部分の中に変形するように構成されている、エラストマー層
を含む、ミクロ加工された片方向バルブ。
【請求項３１】
第一のエラストマー層は第二のエラストマー層の上に配置されている、請求項３０に記載のミクロ加工されたバルブ。
【請求項３２】
第一のエラストマー層は第二のエラストマー層の下に配置されている、請求項３０に記載のミクロ加工されたバルブ。
【請求項３３】
第二の垂直なバイア部分は第二のエラストマー層と接触する第三のエラストマー層によって定められている、請求項３０に記載のミクロ加工されたバルブ。
【請求項３４】
細長い第一の流れチャンネル、
細長い第一の流れチャンネルに重なり合い、第一のバルブ構造体であって細長い第一の流れチャンネルの中に変形して第一の流れチャンネルの第一および第二のセグメントを定めるように構成されている該バルブ構造体を定める制御チャンネル、
第一のセグメントと流体連通する第二の流れチャンネル、および
第二のセグメントと流体連通する第三の流れチャンネル
を含むミクロ流体装置。
【請求項３５】
第一のセグメントを第二の流れチャンネルから選択的に孤立させるために作動可能な第二のバルブ、および
第二のセグメントを第三の流れチャンネルから選択的に孤立させるために作動可能な第三のバルブ
をさらに含む、請求項３４に記載のミクロ流体装置。
【請求項３６】
第一の細長い流れチャンネルの中に存在する不均一な試料、および
第二および第三の流れチャンネルの少なくとも一つの中に存在する反応剤
をさらに含む請求項３４に記載のミクロ流体装置。
【請求項３７】
不均一な試料の要素を単離する方法であって、
不均一な要素を含む試料を第一の細長いミクロ流体流れチャンネルに沿って流すこと、
第一の細長い流れチャンネルの上に配置されている第一のバルブを作動させ、第一のセグメントが不均一な試料の第一の要素を含み、第二のセグメントが不均一な試料の第二の要素を含むように第一および第二のセグメントを定めること
を含む方法。
【請求項３８】
不均一な試料を希釈して第一および第二のセグメントの中に試料の１要素だけが確実に存在するようにすることをさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
第一のセグメントに反応剤を送達して不均一な試料の第一の要素と反応させることをさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４０】
第二のセグメントに反応剤を送達して不均一な試料の第二の要素と反応させることをさらに含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
一緒にされた反応剤と第一の試料の要素とを回収することをさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項４２】
エラストマー物質の中に定められた選択的にアドレス可能な貯蔵場所、
バルブを通して貯蔵場所と選択的に流体連通する第一の流れチャンネル、および
第二のバルブを通して貯蔵場所と選択的に流体連通する第二の流れチャンネル
を含むミクロ流体装置。
【請求項４３】
第一および第二の流れチャンネルは貯蔵場所と同一平面上にある、請求項４２に記載のミクロ流体装置。
【請求項４４】
第三の流れチャンネルと第四の流れチャンネルとの間の交差点によって貯蔵場所が定められ、
第二の流れチャンネルは第三の流れチャンネルに平行なバスラインを含む
請求項４３に記載のミクロ流体装置。
【請求項４５】
第一および第二の流れチャンネルは垂直バイアを通して貯蔵場所と流体連通する、請求項４２に記載のミクロ流体装置。
【請求項４６】
第一の流れチャンネルは第一の片方向バルブを通して貯蔵場所と流体連通し、
貯蔵場所は第二の片方向バルブを通して第二の流れチャンネルと流体連通する
請求項４５に記載のミクロ流体装置。
【請求項４７】
第一の流れチャンネルに隣接し、第一の流れチャンネルの中の圧力を制御するように構成された第一のマルチプレクサを定める第一の制御チャンネルネットワーク、および
第二の流れチャンネルに隣接し、第二の流れチャンネルの中の圧力を制御するように構成された第二のマルチプレクサを定める第二の制御チャンネルネットワーク
をさらに含む、請求項４６に記載のミクロ流体装置。
【請求項４８】
ミクロ流体装置中で選択的に物質を貯蔵および回収する方法であって、
エラストマー物質の中に定められたチャンバを提供すること、
第一の流れチャンネルの中の第一のバルブを通してチャンバの中に物質を選択的に流すこと、および
第二の流れチャンネルの中の第二のバルブを通してチャンバから物質を選択的に流すこと
を含む方法。
【請求項４９】
チャンバと同じ平面上に配置された第一の流れチャンネルを通して物質をチャンバの中に流し、
チャンバおよび第一の流れチャンネルと同じ平面上に配置された第二の流れチャンネルを通して物質をチャンバから流す
請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
チャンバの下または上のどちらかに配置された第一の流れチャンネルを通してチャンバの中に物質を流し、
チャンバの下または上の第一の流れチャンネルとは反対側に配置された第二の流れチャンネルを通してチャンバから物質を流す
請求項４８に記載の方法。
【請求項５１】
第一の片方向バルブを通してチャンバの中に物質を流し、
第二の片方向バルブを通してチャンバから物質を流す
請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記物質は光を吸収する物質を含み、これによってミクロ流体装置はディスプレイとして機能する、請求項４８に記載の方法。
【請求項５３】
前記物質は細胞を含み、これによってミクロ流体装置は細胞囲いとして機能する、請求項４８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願はあらゆる目的の参照によって本明細書中に組み込まれる２００２年９月２５日出願の米国特許仮出願第６０／４１３，８６０号明細書からの優先権を主張する。
【０００２】
（連邦からの資金援助を受けた研究開発の下でなされた発明に対する権利に関する声明）
本明細書中に記載されている研究は米国科学財団（ＮＳＦ）、陸軍研究局からの研究費（ＤＡＡＤ１９‐００‐１‐０３９２号）およびＤＡＲＰＡバイオフリップス（Ｂｉｏｆｌｉｐｓ）プログラムによる援助を部分的に受けた。従って、合衆国政府は本発明中に一定の権利を有することがある。
【０００３】
（発明の背景）
２０世紀前半、技術者たちは一般に「数の暴威」と呼ばれる問題に直面した。すなわち、巨視的に組み立てられたシステムの複雑さには現実的な限界があるということである。真空管などの個別構成部品を使用すると、複雑な回路は製作するにも動作させるにも急速に非常に高価なものになった。１９４６年にペンシルバニア大学（ｔｈｅ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）で創り出されたエニアック（ＥＮＩＡＣ）Ｉは１９，０００本の真空管からなり、重さ３０トン、２００キロワットの電力を使用した。１９４７年にベル研究所（Ｂｅｌｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ）でトランジスタが発明され、回路内の場所を取る真空管を置き換えたが、配線の問題が残った。
【０００４】
原理的には、技術者たちは何十万個ものトランジスタからなるますます複雑な回路を設計することはできたが、回路内の各構成部品を高価な労働集約型プロセスである手動はんだ付けしなければならなかった。たった一つの不良はんだ付けによって回路が役に立たなくなってしまうので、より多くの構成部品を回路に付け加えると回路の信頼性が低下した。
【０００５】
１９５０年代後期、キルビー（Ｋｉｌｂｙ）およびノイス（Ｎｏｙｃｅ）は集積回路を発明することによって電子機器の「数の暴威」問題を解決した。すべての構成部品を単一の半導体−初めはゲルマニウム、次にシリコン−から製作することによって、キルビーおよびノイスはトランジスタ、コンデンサ、抵抗器およびそれら各構成部品間の相互配線からなる回路をインサイチュに創り出し、手動組み立ての必要をなくした。１９７０年代半ばまでには、改良された技術によって大規模集積回路（ＬＳＩ）、すなわち数百から数千の個別構成部品を含む複雑な集積回路が開発されるに至った。
【０００６】
ミクロ流体技術によって、類似のシステム集積問題を解決する可能性が生物学および化学に提供される。例えば、アンガー（Ｕｎｇｅｒ）ら、サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）、２８８巻（５４６３号）、１１３頁（２０００年）によって、シリコーンエラストマーのポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）から作られたモノリスバルブを有するチップの作製を可能にする配管技術の提案が既に報告されている。
【０００７】
しかし、現在に至るも単純な反復は別として装置には高度な集積化が欠けている。ミクロ流体システムを用いて、生体分子分離、酵素アッセイ、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）およびイムノハイブリダイゼーション反応を含む多様な生物用途の利用方法が実証されてはきた。
【０００８】
これらは実験室技法をスケールダウンしたプロセスの優れた個別例ではあるが、同時に集積回路内の単一構成部品と同じレベルのスタンドアローン機能でもある。真正な生物学的集積化を実現しようとする現在の工業的な手法から巨大なロボット流体ワークステーションの形が登場するに至った。このシステムは２０世紀初期の巨大な真空管アレイからなる回路に至る巨視的な手法を思い出させ、実験室全体を占有し、多くの出費、空間および労力を必要とする。
【０００９】
従って、当分野では高密度、大規模集積化ミクロ流体装置、および同装置を製作する方法に対する要求がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
（発明の要旨）
高密度ミクロ流体チップは、数千個のミクロメカニカルバルブおよび数百個の個別アドレス可能なチャンバを有する配管ネットワークを含む。これらの流体装置は大規模集積法を用いて作製される電子集積回路に類似している。これらのネットワークの一つの構成部品は流体マルチプレクサである。流体マルチプレクサは、最小限の入力数を用いて複雑な流体操作を可能にすることによってネットワークの処理能力を指数関数的に増大する二進式バルブパターンのコンビナトリアルなアレイである。これらの集積ミクロ流体ネットワークを用いて、コンパレータアレイのミクロ流体類似物、および電子ランダムアクセスメモリに類似するミクロ流体メモリ貯蔵素子を構築することができる。
【００１１】
本発明によるミクロ流体装置の実施態様は、第一の層の中に作製されたミクロ流体流れチャンネル、および第一の層に隣接する第二の層の中に作製された第一のミクロ流体制御チャンネルを含み、第一のミクロ流体制御チャンネルはミクロ流体流れチャンネルから第一の変形可能な膜によって隔てられている。第二のミクロ流体制御チャンネルが第一のミクロ流体制御チャンネルに隣接し、第一のミクロ流体制御チャンネルから第二の変形可能な膜によって隔てられている。
【００１２】
本発明によるミクロ流体構造体の中の流れを制御する方法の実施態様は、隣接する流れチャンネルから第一の膜によって隔てられている第一の制御チャンネルネットワークの制御チャンネルに圧力を加え、これによって第一の膜を流れチャンネルの中に変形させることを含む。第一の制御チャンネルネットワークの中の圧力を維持したまま、第一の流れチャンネルネットワークから第二の膜によって隔てられている第二の制御チャンネルネットワークの制御チャンネルに圧力を加え、これによって第二の膜を第一の制御チャンネルネットワークの制御チャンネルの中に変形させてこの制御チャンネルを密閉する。第二の制御チャンネルネットワークの制御チャンネルの中の圧力を維持したまま、第一の制御チャンネルネットワークの中の圧力を解放し、これによって第一の膜を流れチャンネルの中に変形されたまま残す。
【００１３】
本発明によるミクロ加工された構造体の実施態様は、第二の複数の平行な流れチャンネルに直交する第一の複数の平行な流れチャンネルによって定められる貯蔵場所のアレイを含む。制御ラインのネットワークが貯蔵場所に隣接し、貯蔵場所を孤立させる変形可能なバルブを定める。第一の複数の平行な流れチャンネルの中の流れを制御するために第一のマルチプレクサ構造を構成する。第二の複数の平行な流れチャンネルの中の流れを制御するために第二のマルチプレクサ構造を構成する。
【００１４】
本発明によるミクロ加工された片方向バルブの実施態様は、垂直バイア部分およびシート部分を備える第一のエラストマー層、および可撓性の膜を備える第二のエラストマー層を含む。可撓性の膜は一体化された末端部および一体化されていない末端部を有し、一体化されていない末端部はシート部分と接触し、第二の垂直バイア部分の中に変形するように構成される。
【００１５】
本発明によるミクロ流体装置の別の実施態様は、細長い第一の流れチャンネル、および細長い第一の流れチャンネルに重なり合って第一のバルブ構造体を定める制御チャンネルを含む。バルブ構造体は、細長い第一の流れチャンネルの中に変形して第一の流れチャンネルの第一のセグメントおよび第二のセグメントを定めるように構成される。第二の流れチャンネルが第一のセグメントと流体連通し、第三の流れチャンネルが第二のセグメントと流体連通する。
【００１６】
本発明による不均一な試料の要素を単離する方法の実施態様は、第一の細長いミクロ流体流れチャンネルに沿って不均一な要素を含む試料を流すことを含む。第一の細長い流れチャンネルの上に配置された第一のバルブを作動させて第一および第二のセグメントを定め、これによって第一のセグメントは不均一な試料の第一の要素を含み、第二セグメントは不均一な試料の第二の要素を含む。
【００１７】
本発明によるミクロ流体装置の別の実施態様は、エラストマー物質の中に定められた選択的にアドレス可能な貯蔵場所を含む。第一の流れチャンネルはバルブを通して貯蔵場所と選択的に流体連通する。第二の流れチャンネルは第二のバルブを通して貯蔵場所と選択的に流体連通する。
【００１８】
本発明によるミクロ流体装置の中に物質を選択的に貯蔵および回収する方法の実施態様は、エラストマー物質の中に定められたチャンバを提供することを含む。第一の流れチャンネルの中の第一のバルブを通して物質をチャンバの中に選択的に流し、第二の流れチャンネルの中の第二のバルブを通して物質をチャンバから選択的に流す。
【００１９】
以上の実施態様およびその他の本発明の実施態様ならびに本発明の利点および特徴を下記の文章および添付の図面によってさらに詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
（発明の詳細な説明）
（Ｉ．ミクロ加工概要）
以下の議論は仮出願ではない２００２年４月５日出願の米国特許第１０／１１８，４６６号、２００１年１１月２８日出願の第０９／９９７，２０５号、２００１年４月６日出願の第０９／８２６，５８５号、２０００年１１月２８日出願の第０９／７２４，７８４号および２０００年６月２７日出願の第０９／６０５，５２０号明細書に全体として記載されているエラストマー物質を利用するミクロ加工流体装置の作製に関する。これらの特許出願はあらゆる目的の参照によって本明細書中に組み込まれる。
【００２１】
（１．作製の方法）
本発明を作製する方法の例を本明細書中に提供する。本発明はこれらの方法のいずれか一つによる作製法に限定されないものとする。むしろ、本方法を変更することを含め、本ミクロ構造体を作製するその他の適当な方法もまた本発明の範囲内にある。
【００２２】
図１から７Ｂは本ミクロ構造体を作製する第一の好ましい方法（ポンプまたはバルブとして使用することができる）の連続する工程の例を示す。図８から１８は本ミクロ構造体を作製する第二の好ましい方法（同じくポンプまたはバルブとして使用することができる）の連続する工程の例を示す。
【００２３】
説明してゆくように、図１から７Ｂの好ましい方法は、事前に硬化したエラストマー層を用いて組立て、ボンディングすることを含む。別の方法では、エラストマーの各層を「あるべき場所」で硬化してもよい。以下の説明では、「チャンネル」とは流体または気体の流れを束縛することができるエラストマー構造体中の凹部を意味する。
【００２４】
図１を参照して、第一のミクロ機械加工された型１０が提供される。ミクロ機械加工された型１０は、フォトリソグラフィー、イオンミリングおよび電子線リソグラフィーを含むがこれらに限定されない多数の通常のシリコン加工方法によって作製することができる。
【００２５】
図で分かるように、ミクロ機械加工された型１０はそれに沿って伸びる張り出したラインまたは凸部１１を有する。図に示すように、型１０の上に第一のエラストマー層２０をキャストし、これによってエラストマー層２０の底面に第一の凹部２１（凹部２２は寸法的に凸部１１に対応する）を作製する。
【００２６】
図２で分かるように、それに沿って伸びる張り出した凸部１３を有する第二のミクロ機械加工された型１２もまた提供される。図に示すように、型１２の上に第二のエラストマー層２２をキャストし、これによってその底面に凸部１３の寸法に対応する凹部２３を作製する。
【００２７】
図３および４に例を示す連続する工程で分かるように、次に第二のエラストマー層２２を型１２から取り外し、第一のエラストマー層２０の上に置く。図で分かるように、第二のエラストマー層２２の底面に沿って伸びる凹部２３は流れチャンネル３２を形成する。
【００２８】
図５を参照して、別個のものであった第一および第二のエラストマー層２０および２２（図４）を次にボンディングして一体化し、一体化された（すなわちモノリス）エラストマー構造体２４を作製する。
【００２９】
図６および７Ａの連続する工程で分かるように、次にエラストマー構造体２４を型１０から取り外し、平面基板１４の上に配置する。図７Ａおよび７Ｂで分かるように、エラストマー構造体２４をその底面で平面基板１４に密着させると、凹部２１は流れチャンネル３０を形成することになる。
【００３０】
本エラストマー構造体はほぼ任意の滑らかな平面基板と可逆的な密着状態を形成する。このように密着状態を形成することの利点は、エラストマー構造体を剥がして洗浄し、再使用できることである。好ましい様相では平面基板１４はガラスである。ガラスを用いるまた別の利点は、ガラスが透明でありエラストマーチャンネルおよび貯蔵室の光学的な検査が可能なことである。あるいは、上記で説明したと同じ方法によって平らなエラストマー層の上にエラストマー構造体をボンディングし、永久的で高強度の結合を形成してもよい。高い背圧を用いるときには、この方法は有利である。
【００３１】
図７Ａおよび７Ｂで分かるように、好ましくは流れチャンネル３０および３２は互いにある角度で配置され、基質２４の小さな膜２５が流れチャンネル３０の上部を流れチャンネル３２の底部から隔てる。
【００３２】
好ましい様相では、平面基板１４はガラスである。ガラスを用いる利点は、本エラストマー構造体を剥がして洗浄し、再使用できることである。ガラスを使用するまた別の利点は光感作を使用できることである。あるいは、平面基板１４はエラストマー自体であってもよく、高い背圧を用いるときには有利であると分かる。
【００３３】
今説明した作製方法を変化させて、装置のチャンネルの壁を形成するエラストマーと異なるエラストマー物質で構成された膜を有する構造を作製してもよい。この変化形の作製方法の例を図７Ｃから７Ｇに示す。
【００３４】
図７Ｃを参照して、第一のミクロ機械加工された型１０が提供される。ミクロ機械加工された型１０はそれに沿って伸びる張り出したラインまたは凸部１１を有する。図７Ｄでは、第一のエラストマー層２０の上部が張り出したラインまたは凸部１１の上部と同じ高さになるように、第一のミクロ機械加工された型１０の上に第一のエラストマー層２０をキャストする。これは、張り出したライン１１の既知の高さに対して型１０の上にスピンコーティングするエラストマー物質の体積を注意深く制御することによって実現できる。あるいは、射出成形によって所望の形状を作製することができよう。
【００３５】
図７Ｅでは、それに沿って伸びる張り出した凸部１３を有する第二のミクロ機械加工された型１２も提供される。図に示すように、型１２の上に第二のエラストマー層２２をキャストし、これによってその底面に凸部１３の寸法に対応する凹部２３を作製する。
【００３６】
図７Ｆでは、第二のエラストマー層２２を型１２から取り外し、第三のエラストマー層２２２の上に置く。下記に詳細に説明する技法を用いて、第二のエラストマー層２２を第三のエラストマー層２０にボンディングし、一体化されたエラストマーブロック２２４を作製する。プロセス中のこの時点で、以前には張り出したライン１３によって占められていた凹部２３は流れチャンネル２３を形成する。
【００３７】
図７Ｇでは、第一のミクロ機械加工された型１０および第一のエラストマー層２０の上にエラストマーブロック２２４を置く。次に、エラストマーブロックと第一のエラストマー層２０とをボンディングして一体化し、別個のエラストマー層２２２で構成された膜を有する一体化された（すなわちモノリス）エラストマー構造体２４を作製する。
【００３８】
図７Ａに関連して上記で説明した方法でエラストマー構造体２４をその底面で平面基板に密着させると、以前に張り出したライン１１によって占められていた凹部は流れチャンネル３０を形成する。
【００３９】
図７Ｃ〜７Ｇに関連して上記で例を示した変化形の作製法は、構造の残りのエラストマー物質とは別の物質で膜部分を構成することが可能になる利点を提供する。装置の動作では膜の厚さおよび弾性は重要な役割を果たすのでこれは重要である。さらに、この方法はエラストマー構造体に組み込む前に別個のエラストマー層の条件を容易に条件付けすることを可能にする。下記で詳しく考察するように、潜在的に望ましい条件の例は、膜の作動を可能にする磁性化学種または電気伝導性化学種の導入および／または膜の弾性を変化させる膜中へのドーパントの導入を含む。
【００４０】
ミクロ機械加工された型の上で複製成形法によって作製されるさまざまな形状のエラストマー層の作製に関連して上記の方法を示したが、本発明はこの技法に限定されない。他の技法を使用して、ボンディングして一体化する形状を有するエラストマー物質の個々の層を作製してもよい。例えば、第二の方法の例に関連して以下で考察するように、レーザカット法または射出成形、あるいは化学エッチングおよび／または犠牲材料を利用する方法によって形状を有するエラストマー物質の層を作製してもよい。
【００４１】
別の方法では、エラストマー物質の中にカプセル封じされたフォトレジストの現像を利用してパターン化されたエラストマー構造体を作製する。しかし、本発明による方法はフォトレジストを利用することに限定されない。周囲のエラストマー物質に対して選択的に除去される犠牲物質として金属などその他の物質も使用してよく、このような方法は本発明の範囲内にあろう。例えば、適切な化学薬品混合物を利用してＲＴＶ６１５エラストマーに対して金属の金を選択的にエッチングすることができる。
【００４２】
（２．層およびチャンネルの寸法）
ミクロ加工されたとは、本発明の実施態様によって作製されたエラストマー構造体の構造単位のサイズを指す。一般に、ミクロ加工された構造体の少なくとも一つの寸法の変化はミクロンレベルに制御され、少なくとも一つの寸法は微視的（すなわち１０００μｍ未満）である。一般に、ミクロ加工は構造単位の寸法を微視的レベルで製造するために設計されたフォトリソグラフィーおよびスピンコーティングなど半導体またはＭＥＭＳ作製技法を含み、ミクロ加工された構造体の寸法の少なくともあるものは構造体を適度に解像／画像化するために顕微鏡を必要とする。
【００４３】
好ましい様相では、好ましくは流れチャンネル３０、３２、６０および６２は約１０：１の幅対深さ比を有する。本発明の実施態様による幅対深さ比のその他の範囲を非限定的に列挙すると、０．１：１から１００：１、より好ましくは１：１から５０；１、より好ましくは２：１から２０：１、最も好ましくは３：１から１５：１である。例となる様相では、流れチャンネル３０、３２、６０および６２は約１から１０００ミクロンの幅を有する。本発明の実施態様による流れチャンネルの幅のその他の範囲を非排他的に列挙すると、０．０１から１０００ミクロン、より好ましくは０．０５から１０００ミクロン、より好ましくは０．２から５００ミクロン、より好ましくは１から２５０ミクロン、最も好ましくは１０から２００ミクロンである。チャンネル幅の例は０．１μｍ、１μｍ、２μｍ  、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、６０μｍ、７０μｍ、８０μｍ、９０μｍ、１００μｍ、１１０μｍ、１２０μｍ、１３０μｍ、１４０μｍ、１５０μｍ、１６０μｍ、１７０μｍ、１８０μｍ、１９０μｍ、２００μｍ、２１０μｍ、２２０μｍ、２３０μｍ、２４０μｍおよび２５０μｍを含む。
【００４４】
流れチャンネル３０、３２、６０および６２は約１から１００ミクロンの深さを有する。本発明の実施態様による流れチャンネルの深さのその他の範囲を非排他的に列挙すると、０．０１から１０００ミクロン、より好ましくは０．０５から５００ミクロン、より好ましくは０．２から２５０ミクロン、より好ましくは１から１００ミクロン、より好ましくは２から２０ミクロン、最も好ましくは５から１０ミクロンである。チャンネル深さの例は０．０１μｍ、０．０２μｍ、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．２μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍ、４μｍ、５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ、１２．５μｍ、１５μｍ、１７．５μｍ、２０μｍ、２２．５μｍ、２５μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍおよび２５０μｍを含む。
【００４５】
フローチャンネルは上記で示したこれらの特定の寸法範囲および例に限定されず、図２７に関連して下記で詳細に考察するように、膜を変形するために必要な力の大きさに影響を及ぼすために幅を変化させてよい。例えば、下記で詳しく考察するように０．０１μｍのオーダーの幅を有する極めて幅の狭い流れチャンネルは光学およびその他の用途で有用なことがある。上記で説明したよりさらに大きな幅のチャンネルを有する部分を含むエラストマー構造体もまた本発明の範囲にあり、そのような幅の広い流れチャンネルを利用する用途の例には流体貯槽および混合チャンネル構造体が含まれる。
【００４６】
機械的安定性のためにエラストマー層を厚くキャストしてもよい。実施態様の例では、図１のエラストマー層２２は厚さ５０ミクロンから数センチメートル、より好ましくは厚さ約４ｍｍである。本発明のその他の実施態様によるエラストマー層の厚さの範囲を非排他的に列挙すると、約０．１ミクロンから１０ｃｍ、１ミクロンから５ｃｍ、１０ミクロンから２ｃｍ、１００ミクロンから１０ｍｍの間である。
【００４７】
従って、流れチャンネル３０と３２とを隔てる図７Ｂの膜２５は約０．０１と１０００ミクロンとの間、より好ましくは０．０５から５００ミクロン、より好ましくは０．２から２５０、より好ましくは１から１００ミクロン、より好ましくは２から５０ミクロン、最も好ましくは５から４０ミクロンの一般的厚さを有する。従って、エラストマー層２２の厚さはエラストマー層２０の厚さの約１００倍である。例となる膜の厚さは０．０１μｍ、０．０２μｍ、０．０３μｍ、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．２μｍ、０．３μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、３μｍ、５μｍ、７．５μｍ、１０μｍ、１２．５μｍ、１５μｍ、１７．５μｍ、２０μｍ、２２．５μｍ、２５μｍ、３０μｍ、４０μｍ、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、２５０μｍ、３００μｍ、４００μｍ、５００μｍ、７５０μｍおよび１０００μｍを含む。
【００４８】
（３．ソフトリソグラフィーボンディング）
好ましくは、パターン化されたエラストマー層を構成するポリマーに固有の化学的性質を用いてエラストマー層を化学的にボンディングして一体化する。より好ましくは、ボンディングは二つの構成成分の「付加硬化」ボンディングを含む。
【００４９】
好ましい様相では、層が異なる化学的性質を有する不均一ボンディングでエラストマーのさまざまな層をボンディングして一体化する。あるいは、すべての層が同じ化学的性質である均一ボンディングを使用することがある。第三に、オプションとして各エラストマー層を代わりに接着剤で接着してもよい。第四の様相では、エラストマー層は加熱によってボンディングされる熱硬化性エラストマーであってもよい。
【００５０】
均一ボンディングの一つの様相では、エラストマー層は同じエラストマー物質で構成され、一方の層の同じ化学的実体がもう一方の層の同じ化学的実体と反応して層をボンディングして一体化する。一つの実施態様では、光、熱、または別の化学種との化学反応による架橋剤の活性化から同種のエラストマー層のポリマー鎖の間のボンディングが生じてもよい。
【００５１】
あるいは、不均一の様相では、エラストマー層は異なるエラストマー物質で構成され、一方の層の第一の化学的実体が別の層の第二の化学的実体と反応する。一つの不均一の様相の例では、それぞれのエラストマー層をボンディングして一体化するために用いられるボンディングプロセスは、ＲＴＶ６１５シリコーンの二つの層をボンディングして一体化することを含んでもよい。ＲＴＶ６１５シリコーンは、二部付加硬化シリコーンゴムである。Ａ部はビニル基および触媒を含み、Ｂ部は水素化ケイ素（Ｓｉ‐Ｈ）基を含む。ＲＴＶ６１５の通常の比は１０Ａ：１Ｂである。ボンディング用に一方の層を３０Ａ：１Ｂ（すなわちビニル基過剰）で、他層を３Ａ：１Ｂ（すなわちＳｉ‐Ｈ基過剰）で作製してもよい。各層を別々に硬化する。二つの層を接触させて高温に加熱すると、二つの層は不可逆的にボンディングしてモノリスエラストマー基質を形成する。
【００５２】
本発明の様相の例では、シルガード（Ｓｙｌｇａｒｄ）１８２、１８４または１８６、あるいは脂肪族ウレタンジアクリレート例えば（しかし限定はされない）ユー・シー・ビー・ケミカル（ＵＣＢ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ）からのイベクリル（Ｅｂｅｃｒｙｌ）２７０またはイール（Ｉｒｒ）２４５を利用してエラストマー構造体を作製する。
【００５３】
本発明による一つの実施態様では、純粋なアクリル化ウレタンであるイーベ（Ｅｂｅ）２７０から二層エラストマー構造体を作製した。薄い底層を１７０℃、１５秒間、８０００ｒｐｍでスピンコートした。エレクトロライト社（Ｅｌｅｃｔｒｏｌｉｔｅ  ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって製造されたＥＬＣ５００型装置を利用して、まず上層および底層を窒素雰囲気下で１０分間紫外線硬化した。次に組み立てた層をさらに３０分間硬化した。反応の触媒としてチバ‐ガイギー・ケミカルズ（Ｃｉｂａ‐Ｇｅｉｇｙ  Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ）によって製造されたイルガキュア（Ｉｒｇａｃｕｒｅ）５００の０．５％体積／体積混合物を使用した。生成したエラストマー物質は中程度の弾性およびガラスへの接着強さを示した。
【００５４】
本発明による別の実施態様では、薄い底層には２５％イーベ２７０／５０％イール２４５／２５％イソプロピルアルコール、および上層としては純粋なアクリレート化ウレタンであるイーベ２７０を用いる組合せから二層エラストマー構造体を作製した。エレクトロライト社によって製造されたＥＬＣ５００型装置を利用して、窒素雰囲気下紫外線で薄い底層を５分間初期硬化し、上層を１０分間初期硬化した。次に、組み立てた層をさらに３０分間硬化した。反応用の触媒としてチバ‐ガイギー・ケミカルズによって製造されたイルガキュア５００の０．５％体積／体積混合物を使用した。その結果得られたエラストマー物質は中程度の弾性を示し、ガラスに接着した。
【００５５】
あるいは、例えば、エラストマー層／基質が接触して配置されたときボンディングするようにプラズマ照射によってエラストマー表面を活性化することを含む他のボンディング方法を使用することがある。例えば、同じ物質で構成されているエラストマー層をボンディングさせて一体化させることへの一つの考えられる手法が、参照によって本明細書中に組み込まれるダフィー（Ｄｕｆｆｙ）ら著「ポリ（ジメチルシロキサン）中におけるミクロ流体システムの迅速なプロトタイプ作製法（Ｒａｐｉｄ  Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ｉｎ  Ｐｏｌｙ（ｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）」、アナリティカル・ケミストリー（Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）（１９９８年）、第７０巻、４９７４〜４９８４頁によって示されている。この論文は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）層を酸素プラズマに暴露すると表面の酸化が引き起こされ、二つの酸化された層を接触して配置すると不可逆なボンディングが起こることを論じている。
【００５６】
エラストマーの連続する層をボンディングして一体化させるさらに別の手法は、未硬化エラストマーの接着性を利用することである。詳しくは、第一の硬化エラストマー層の上にＲＴＶ６１５などの未硬化エラストマーの薄い層を塗布する。次に、未硬化エラストマー層の上に第二の硬化エラストマー層を配置する。次に、薄い未硬化エラストマー中間層を硬化してモノリスエラストマー構造体を製作する。あるいは、第一の硬化エラストマー層の底に未硬化エラストマーを塗布して、第二の硬化エラストマー層の上に第一の硬化エラストマー層を置いてもよい。中間の薄いエラストマー層を硬化させると、同様にモノリスエラストマー構造体が作製される。
【００５７】
エラストマー構造体を作製するために犠牲層のカプセル封じを使用する場合、既に硬化したエラストマー層およびその上にパターン化された任意の犠牲材料の上に未硬化エラストマーを注ぐことによって連続するエラストマー層のボンディングを実現してもよい。未硬化エラストマー層のポリマー鎖と硬化エラストマー層のポリマー鎖との相互浸透および反応に起因してエラストマー層間のボンディングが起こる。続いてエラストマーを硬化させるとエラストマー層間の結合が創り出され、モノリスエラストマー構造体が創り出される。
【００５８】
図１から７Ｂの第一の方法を参照して、ミクロ加工された型１２の上にＲＴＶ混合物を２０００ｒｐｍで３０秒間スピンコーティングし、約４０ミクロンの厚さを作ることによって第一のエラストマー層２０を創り出してよい。ミクロ加工された型１１の上にＲＴＶ混合物をスピンコーティングすることによって、第二のエラストマー層２２を創り出してもよい。層２０および２２の両方を８０℃で１．５時間別々に熱処理または硬化してもよい。第一のエラストマー層２０の上に第二のエラストマー層２２を約８０℃で約１．５時間ボンディングしてもよい。
【００５９】
ミクロ機械加工された型１０および１２はシリコンウエハー上にパターン化されたフォトレジストであってもよい。例となる様相では、シプレー（Ｓｈｉｐｌｅｙ）ＳＪＲ５７４０フォトレジストを２０００ｒｐｍでスピンコートし、高分解能透明フィルムをマスクとしてパターン化し、次に現像して高さ約１０ミクロンの逆チャンネルを作製した。約２００℃で約３０分間熱処理すると、フォトレジストはリフローして逆チャンネルは丸みを帯びる。好ましい様相では、シリコーンゴムの接着を防ぐために、型をそれぞれ使用する前に約１分間トリメチルクロロシラン（ＴＭＣＳ）気体で処理してもよい。
【００６０】
（４．適当なエラストマー物質）
オールコック（Ａｌｌｃｏｃｋ）らの「現代ポリマー化学（Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒｏｒｙ  Ｐｏｌｙｍｅｒ  Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ）」、第二版は、一般にエラストマーをガラス転移点と液化温度との間の温度に存在するポリマーとして説明している。ポリマー鎖は力に応答して容易にねじれ運動を行い主鎖のコイル構造がほどけ、力がなくなれば主鎖を巻き戻して以前の形状をとることができるので、エラストマー物質は弾性を示す。一般に、エラストマーは力が加わると変形するが、力が取り除かれるともとの形状に戻る。エラストマー物質によって示される弾性をヤング率によって特性化することができる。本発明によれば、約１Ｐａ〜１ＴＰａの間、より好ましくは約１０Ｐａ〜１００ＧＰａの間、より好ましくは約２０Ｐａ〜１ＧＰａの間、より好ましくは約５０Ｐａ〜１０ＭＰａの間、より好ましくは約１００Ｐａ〜１ＭＰａの間のヤング率を有するエラストマー物質が有用であるが、特定の用途の求めによってこれらの範囲外のヤング率を有するエラストマー物質を利用してもよい。
【００６１】
非常に多様なエラストマーから本発明のシステムを作製してよい。例となる様相では、好ましくはシリコーンゴムからエラストマー層を調製してよい。しかし、その他の適当なエラストマーを使用してもよい。
【００６２】
本発明の例となる様相では、ビニルシラン架橋（種類）シリコーンエラストマー（ファミリー）であるＧＥ  ＲＴＶ６１５（調合物）などエラストマーポリマーから本システムを作製する。しかし、本システムはポリマーのこの一つの調合物、種類またはこの重合体のファミリーにさえ限定されず、むしろほとんどすべての弾性重合体が適する。本ミクロバルブの好ましい作製方法にとって重要な要件は、複数のエラストマーの層をボンディングして一体化する能力である。多層ソフトリソグラフィーの場合、エラストマーの層を別々に硬化してからボンディングして一体化する。この方式では、硬化した層はボンディングして一体化するために十分な反応性を有することが必要である。層同士が同じ種類で自身にボンディングすることができるか、あるいは層同士は二つの異なる種類で互いにボンディングすることができるかのどちらかであればよい。他の可能性として、層の間の接着剤の使用および熱硬化性エラストマーの使用が含まれる。
【００６３】
重合体の化学的性質、前駆体、合成方法、反応条件、および潜在的な添加剤の非常な多様さを考慮すると、モノリスエラストマーミクロバルブおよびポンプを作るために使用できる膨大な数の可能なエラストマーシステムがある。用いられる物質の変化は、特定の物性、すなわち耐溶剤性、剛性、気体透過性、または温度安定性の求めによって最も強く推進されよう。
【００６４】
実に多くの種類のエラストマー重合体がある。比較的「標準的な」ポリマーを用いてもなおボンディングには多数の可能性が存在することを示すことを意図して、本明細書中にはエラストマーの最も一般的なクラスの簡単な説明を示す。通常のエラストマー重合体はポリイソプレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン、ポリイソブチレン、ポリ（スチレン‐ブタジエン‐スチレン）、ポリウレタンおよびシリコーンを含む。
【００６５】
（ポリイソプレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン）
ポリイソプレン、ポリブタジエンおよびポリクロロプレンはすべてジエンモノマーから重合され、従って重合されるとモノマーあたり一個の二重結合を有する。この二重結合によって加硫（基本的には硫黄を用いて加熱によって二重結合間に架橋を作製する）によって重合体をエラストマーに変換することができる。これを用いると、ボンディングされる層の不十分な加硫によって均一多層ソフトリソグラフィーが容易に可能になり、類似の機構によってフォトレジストカプセル封じが可能である。
【００６６】
（ポリイソブチレン）
純粋なポリイソブチレンには二重結合はないが、エラストマーとして使用するために重合中に少量（〜１％）のイソプレンを含有させることによって架橋させる。イソプレンモノマーはポリイソブチレン主鎖にペンダント二重結合を付与し、上記と同様に加硫することができる。
【００６７】
（ポリ（スチレン‐ブタジエン‐スチレン））
ポリ（スチレン‐ブタジエン‐スチレン）はリビングアニオン重合（すなわち反応中に自然な連鎖停止段階がない）によって製造され、従って硬化した重合体中には「生きている」重合体末端が存在し得る。これによって当然この共重合体は本フォトレジストカプセル封じシステム（硬化した層の上に注いだ液体層中に多量の未反応モノマーがある）の候補になる。不十分な硬化を用いると均一多層ソフトリソグラフィー（ＡとＡとのボンディング）が可能になろう。この化学的性質によってブタジエン過剰量およびカップリング剤を有する一つの層（「Ａ」）と、ブタジエン不足量を有するもう一方の層（「Ｂ」）（不均一多層ソフトリソグラフィー用）を作ることも可能になる。ＳＢＳは「熱硬化性エラストマー」である。これはある温度より上ではＳＢＳは融解して可塑性（弾性に対して）になり、温度を低下させると再びエラストマーになることを意味する。従って、加熱によって層をボンディングして一体化することができる。
【００６８】
（ポリウレタン）
ポリウレタンはジイソシアネート（Ａ‐Ａ）とジアルコールまたはジアミン（Ｂ‐Ｂ）とから製造される。非常に多様なジイソシアネートおよびジアルコール／ジアミンがあるので、異なる種類のポリウレタンの数は膨大である。しかし、このポリマーのＡ対Ｂの性質から、一つの層中に過剰のＡ‐Ａ、もう一方の層中に過剰のＢ‐Ｂを使用することにより、このポリマーはちょうどＲＴＶ６１５と同じように不均一多層ソフトリソグラフィー用に有用になる。
【００６９】
（シリコーン）
シリコーン重合体にはおそらく最大の構造多様性があり、ほとんど確実に最大数の市販調合物がある。ＲＴＶ６１５のビニル‐（Ｓｉ‐Ｈ）間架橋（不均一多層ソフトリソグラフィーおよびフォトレジストカプセル封じを両方とも可能にする）についてはすでに考察したが、これはシリコーンポリマー化学で使用されるいくつかの架橋方法のほんの一つでしかない。
【００７０】
（５．装置の動作）
図７Ｂおよび７Ｈは一緒になって、第二の流れチャンネルに圧力を加えることによる第一の流れチャンネルの閉鎖を示す。図７Ｂ（対応する図７Ａの流れチャンネル３２で切った正面断面図）は開いている第一の流れチャンネル３０を示し、図７Ｈは第二の流れチャンネル３２の加圧によって閉められた第一の流れチャンネル３０を示す。
【００７１】
図７Ｂを参照して、第一の流れチャンネル３０および第二の流れチャンネル３２を示す。膜２５は第一の流れチャンネル３０の上部および第二の流れチャンネル３２の底部を形成して流れチャンネルを隔てている。図から分かるように流れチャンネル３０は「開いて」いる。
【００７２】
図７Ｈで分かるように、流れチャンネル３２に圧力を加える（中に導入された気体または液体による）ことによって膜２５を下向きに変形させ、それによって流れチャンネル３０中を通る流れＦを締めつけて遮断する。従ってチャンネル３２の中の圧力を変化させることによって線形作動可能なバルブ調節システムが提供され、これによって膜２５を望むように動かすことにより流れチャンネル３０を開閉できる（図７Ｇのチャンネル３０は例を示す目的のためにだけ「完全に閉まった」位置ではなく「ほとんど閉まった」位置で示してある）。
【００７３】
そのようなバルブはチャンネルの屋根自体を動かすこと（すなわち膜２５を動かすこと）によって作動するので、この技法によって製造されたバルブおよびポンプは真にゼロのデッドボリュームを有し、この技法によって作製された切り替えバルブはバルブの能動体積、例えば約１００×１００×１０μｍ＝１００ｐＬにほぼ等しいデッドボリュームを有する。移動膜によって無駄に使われるそのようなデッドボリュームおよび面積は、既知の通常のミクロバルブより約２桁小さい。本発明は大小のバルブおよび切り替えバルブを包含し、デッドボリュームの範囲を非排他的に列挙すると、１ａＬ（アトリットル）から１ｕＬ、１００ａＬから１００ｎＬ、１ｆＬ（フェムトリットル）から１０ｎＬ、１００ｆＬから１ｎＬ、および１ｐＬから１００ｐＬを含む。
【００７４】
本発明によるポンプおよびバルブによって吐出することができる極めて小さな体積は重要な利点を表す。詳しくは、手動で計量することができる流体の既知の最少体積は約０．１μｌである。自動化システムによって計量することができる既知の最少体積は約１０倍大きい（１μｌ）。本発明によるポンプおよびバルブを利用することによって、１０ｎｌ以下の液体の体積を普通に計量し、小分けすることができる。本発明によって可能になる極小体積の流体の正確な計量は診断試験およびアッセイを含む非常に多数の生物用途で極めて価値の高いものであろう。
【００７５】
式１は均一な厚さの長方形、線形、弾性、等方性平板の加えられた力による変形の非常に簡略化された数学モデルを表す。すなわち、
（１）  ｗ＝（ＢＰｂ４）／（Ｅｈ３）
式中、ｗ＝平板の変形、
Ｂ＝形状係数（長さ対幅および平板の辺の支持体に依存する）、
Ｐ＝加えられた圧力、
ｂ＝平板の幅
Ｅ＝ヤング率、および
ｈ＝プレート厚さ
である。
【００７６】
従ってこの極めて簡略化された式においてさえ、圧力に応答するエラストマー膜の変形は膜の長さ、幅、および厚さ、膜の柔軟性（ヤング率）および加えられた作動力の関数である。これらのパラメータは本発明による特定のエラストマー装置の実際の寸法および物理的組成に依存してそれぞれ幅広く変化するので、本発明は広い範囲の膜厚および弾性率、チャンネル幅、および作動力を包含する。
【００７７】
一般に膜は一様な厚さを有さず、膜厚は長さおよび幅と比較して必ずしも小さくなく、変形は膜の長さ、幅、または厚さと比較して必ずしも小さくないので、先に示したばかりの式は近似式でしかないことを理解すべきである。それでも、この式は加えられた力に対する変形の所望の応答を実現するための可変パラメータの調節の有用なガイドとして役に立つ。
【００７８】
図８Ａおよび８Ｂは、幅１００μｍの第一の流れチャンネル３０および幅５０μｍの第二の流れチャンネル３２について、バルブ開口率対加えられた圧力の例を示す。約３０μｍの厚さおよび約７５０ｋＰａのヤング率を有するジェネラル・エレクトリック・シリコーン（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓ）のＲＴＶ  ６１５の層によってこの装置の膜を作製した。図２１ａおよび２１ｂは加えられた圧力の大部分の範囲でバルブの開口の度合いが実質的に線形であることを示している。
【００７９】
０．０２５インチの外径および０．０１３インチの内径を有する２５ｍｍのステンレス鋼の皮下注射管に接続した０．０２５インチの外径を有する長さ１０ｃｍのプラスチック配管用の管を通して空気圧を加え、この装置の膜を作動させた。制御チャンネルに垂直な方向でこの配管をエラストマーブロック中に挿入することによって制御チャンネルと接触する位置に置いた。皮下注射管には、リー社（Ｌｅｅ  Ｃｏ．）によって製造された外部ＬＨＤＡミニチュア電磁弁から空気圧を加えた。
【００８０】
この装置の中の物質の流れの制御について、ここまでは加えた気体の圧力を利用して説明してきたが、その他の流体を使用してもよい。
【００８１】
例えば、空気は圧縮性であり、従って外部電磁弁によって圧力を加える時点とこの圧力が膜によって感じられる時点との間に有限の遅延が存在する。本発明の別の実施形態においては、外部供給源から水または油圧作動油などの非圧縮性流体に圧力を加え、加えられた圧力がほとんど瞬間的に膜に伝達されるようにしてもよい。しかし、バルブの変位体積が大きいか、または制御チャンネルの幅が狭いとき、制御流体の粘度が高いと作動を遅延させるもとになることがある。従って、圧力を伝達するための最適媒体は特定の用途および装置構成に依存し、本発明は気体媒体および液体媒体の両方を包含する。
【００８２】
上記で説明した外部から加えられ圧力は圧力調節器および外部ミニチュアバルブを通してポンプ／タンクシステムによって加えられたが、ガスタンク、コンプレッサ、ピストンシステムおよび液体のカラムを含む外部圧力を加えるその他の方法もまた本発明中に包含される。また、例えば血圧、胃圧、髄液中に存在する圧力、眼内空間中に存在する圧力、および通常の屈曲時に筋肉によって及ぼされる圧力など生体系で見出だされることがある天然に発生する圧力源の使用も包含される。ミニチュアバルブ、ポンプ、巨視的蠕動ポンプ、ピンチバルブ、および当分野において知られているその他の種類の流体調節装置など、外部圧力を調節するその他の方法もまた包含される。
【００８３】
図で分かるように、本発明の実施態様によるバルブの応答はその動作範囲の大部分でほとんど完全に線形であり、最小限のヒステリシスしかないことが実験的に示された。従って、本バルブはミクロ流体計量および流体制御に理想的に適している。バルブ応答の直線性は個々のバルブがフックの法則のばねとして十分にモデル化できることを示している。さらにまた、単に作動圧を高めることによって流れチャンネルの中の高い圧力（すなわち背圧）に対抗できる。実験的に、本発明者らは７０ｋＰａの背圧でバルブ閉鎖を実現したが、さらに高い圧力もまた包含される。以下に本発明によって包含される圧力範囲を非排他的に列挙する。すなわち１０Ｐａ〜２５ＭＰａ、１００Ｐａ〜１０ＭＰａ、１ｋＰａ〜１ＭＰａ、１ｋＰａ〜３００ｋＰａ、５ｋＰａ〜２００ｋＰａ、および１５ｋＰａ〜１００ｋＰａ。
【００８４】
バルブおよびポンプを開閉するために線形作動を必要とはしないが、線形応答であればバルブを計量装置としてより簡単に使用することが可能になる。本発明の一つの実施態様では、バルブの開口率を用いて既知の閉度に部分的に作動させることによって流速を制御する。線形のバルブ作動によって、バルブを所望の閉度で閉めるために必要とされる作動力の量を決定することがより簡単になる。線形作動の別の利点は、流れチャンネルの中の圧力からバルブ作動のために必要とされる力を簡単に決定できることである。作動が線形なら、流れチャンネルの中の圧力が増大しても同じ圧力（単位面積あたりの力）をバルブの作動部分に加えることによって対抗できる。
【００８５】
バルブの直線性はバルブ構造体物の構造、組成および作動方法に依存する。さらにまた、直線性がバルブの望ましい特性であるかどうかは用途に依存する。従って、線形および非線形作動可能なバルブが本発明に包含され、バルブが線形に作動可能である圧力範囲は特定の実施態様によって変化する。
【００８６】
図９は上記で説明したようにチップから空気圧バルブに接続された長さ１０ｃｍの空気配管を有する１００μｍ×１００μｍ×１０μｍのＲＴＶマイクロバルブの時間応答（すなわち、時間の関数として加えられた圧力の変化に応答するバルブの閉度）の例を示す。
【００８７】
図９には、デジタル制御信号の二区間、配管末端の実際の空気圧およびバルブ開口率を示す。制御ラインに加えられた圧力は１００ｋＰａであり、バルブを閉めるために必要とされる〜４０ｋＰａより十分に高い。従って、閉めるときにはバルブは必要な圧力よりも６０ｋＰａ大きな圧力で押されて閉まる。しかし、開くときにはバルブは自身のばね力（≦４０ｋＰａ）だけによってその休止位置へ引き戻される。従って、τ閉はτ開より小さいと予測される。圧力を制御するために用いられるミニチュアバルブの制約によって、制御信号と制御圧力応答との間にもまた遅れがある。そのような遅れをｔと呼び１／ｅ時定数をτと呼ぶと、それらの値は以下のようである。すなわち、ｔ開＝３．６３ｍｓ（ミリ秒）、τ開＝１．８８ｍｓ、ｔ閉＝２．１５ｍｓ、τ閉＝０．５１ｍｓ。開閉動作にそれぞれ３τを当てることが可能なら、バルブは水溶液で満たされたとき７５Ｈｚで円滑に動作する。
【００８８】
開閉遅れの問題がまったくない別の作動方法を使用したら、このバルブは〜３７５Ｈｚで動作するであろう。また、膜厚を変えることによって、ばね定数を調節してもよいことに注意すること。これによって迅速な開放動作または迅速な閉鎖動作のどちらかの最適化が可能になる。膜の中へのドーパントの導入または膜として機能する（図７Ｃ〜７Ｈに関連して上記で説明した）別のエラストマー物質の利用によって可能であるように、膜の弾性（ヤング率）を変えることによってばね定数を調節することもできよう。
【００８９】
図９に例を示すようにバルブの性質を実験的に測定するとき、蛍光によってバルブ開口率を測定した。これらの実験では、緩衝液（ｐＨ≧８）中のフルオレセインイソチオシアネート（ＦＩＴＣ）溶液で流れチャンネルを満たし、１０ｋＨｚバンド幅を有する光電子増倍管を備えた落射蛍光顕微鏡でチャンネルの中央の〜１／３を占める正方形の区域の蛍光をモニターした。ほとんど同一の空気配管を通して制御ラインと同時に圧力を加えたホイートストンブリッジ圧力センサ（センシム（ＳｅｎＳｙｍ）ＳＣＣ１５ＧＤ２）で圧力をモニターした。
【００９０】
（６．流れチャンネル断面）
オプションとして、所望の用途によって、種々の断面サイズおよび形状を有する本発明の流れチャンネルを設計して種々の利点を提供してよい。例えば、下段の流れチャンネルの断面形状は全長にわたって、または交差する上段の流れチャンネル）の下に配置された部分で、湾曲した上面を有してもよい。そのような湾曲した上面は以下のようにバルブ密閉を容易にする。
【００９１】
図１０を参照して、流れチャンネル３０および３２を通る断面図（図７Ｂのそれと類似の）を示す。図で分かるように、流れチャンネル３０の断面形状は長方形である。図１０に示すように、本発明の別の好ましい様相では、流れチャンネル３０の断面は長方形に代わって上部湾曲面を有する。
【００９２】
まず図１０を参照して、流れチャンネル３２に圧力が加えられると流れチャンネル３０と３２とを隔てているエラストマーブロック２４の膜部分２５は点線で示す連続する位置２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄおよび２５Ｅへ下向きに動く。図で分かるように、平面基板１４に隣接する流れチャンネル３０の辺で不完全な密閉を生じることがある。
【００９３】
図１０に代わる図１１の好ましい実施態様では、流れチャンネル３０ａは湾曲した上部壁２５Ａを有する。流れチャンネル３２に圧力が加えられると膜部分２５は点線で示す連続位置２５Ａ２、２５Ａ３、２５Ａ４および２５Ａ５へ下向きに動く。このとき、膜の辺部分がまず流れチャンネルの中に動き、続いて上部膜部分が動く。膜２５Ａにそのような湾曲した上面を有する利点は、流れチャンネル３２に圧力が加えられるとき、より完全な密着が提供されることである。詳しくは、流れチャンネル３０の上部壁は平面基板１４に対して連続的な接触辺を提供し、それによって図１０で壁２５と流れチャンネル３０の底部との間で見られた「島」接触を回避する。
【００９４】
膜２５Ａで湾曲した流れチャンネル上部面を有する別の利点は、膜が作動に応答して流れチャンネルの形状および体積により容易に変形できることである。詳しくは、長方形の流れチャンネルを使用する場合、全周辺（流れチャンネルの高さと流れチャンネルの幅の和の２倍）を流れチャンネルの中に押し込まれなければならない。しかしアーチ型の流れチャンネルを使用する場合、より小さな周辺の物質（半円形アーチ型の部分だけ）を流れチャンネルの中に押し込めばよい。このように、膜が作動するために周辺で必要な変化はより少なく、従って流れチャンネルを遮断するために加えられた作動力に対する応答性がより高い。
【００９５】
別の様相（図示していない）では、湾曲した面が上記で説明した図２０に見られる湾曲した上部壁２５Ａと対になるように流れチャンネル３０の底部に丸みを帯びさせる。
【００９６】
要約すると、作動によって膜に起こる実際の配置変化は特定のエラストマー構造体の構成に依存する。詳しくは、配置変化は膜の長さ、幅および厚さプロフィル、構造の残りの部分へのその取り付け方、および流れチャンネルおよび制御チャンネルの高さ、幅および形状ならびに用いられたエラストマーの物性に依存する。加えられた圧力に応答する膜の作動は磁力または静電気力に応答する作動とは若干異なると考えられるので、配置変化は作動の方法にも依存する。
【００９７】
さらに、膜の望ましい配置変化はエラストマー構造体の特定の用途によっても変わる。上記で説明した最も簡単な実施態様では、バルブは開いているか閉まっているかであり、計量してバルブの閉度を制御する。しかし他の実施態様では、膜および／または流れチャンネルの形状を変えてもっと複雑な流れ制御を実現することが望ましいことがある。例えば、膜部分の下で張り出した凸部を有する流れチャンネルを提供し、これによって膜は作動すると流れチャンネル中の流れのある百分率だけを遮断し、遮断された流れの百分率を加えられた作動力には依らないようにできよう。
【００９８】
多くの膜厚プロフィル、および長方形、台形、円形、楕円形、放物線形、双曲線形、および多角形、ならびに上記形状の一部分を含む流れチャンネル断面は本発明によって包含される。考察したばかりの凸部を有する実施態様または流れチャンネルの中に凹部を有する実施態様など、もっと複雑な断面形状も本発明によって包含される。
【００９９】
さらに、上記では主としてエラストマーから流れチャンネルの壁および天井を作製し、下層の基板からチャンネルの床を作製する実施態様によって本発明を説明したが、本発明はこの特定の配向に限定されない。下層の基板中に流れチャンネルの壁および床を作製し、流れチャンネルの天井だけをエラストマーから構築することもできよう。このエラストマー流れチャンネルの天井は加えられた作動力に応答してチャンネルの中に下向きに突出し、それによって流れチャンネル中の物質の流れを制御する。一般に、本出願中の他の箇所に記載されているモノリスエラストマー構造体の方がミクロ流体用途には好ましい。しかし、基板中に作製したチャンネルが利点を提供する場合には、そのような配置を使用することが有用なことがある。例えば、光導波管を含む基板を構築して、光導波管によってミクロ流体チャンネルの側に光を特に誘導することができよう。
【０１００】
（７．ネットワーク化システム）
図１２Ａおよび１２Ｂは上記（例えば図７Ａ）で示したシステムと同一の単一のオン／オフバルブの図を示す。図１３Ａおよび１３Ｂは図１２に示したものと同じであるが一緒にネットワーク化されている単一のアドレス可能なオン／オフバルブの集まりで構成されている蠕動ポンプシステムを示す。図１４は、図１３の蠕動ポンプシステムについて、実験的に実現したポンプ速度対周波数を示すグラフである。図１５Ａおよび１５Ｂは、単一の制御ラインによって制御可能な複数の流れチャンネルの概略図を示す。このシステムも図１２の単一のアドレス可能なオン／オフバルブの集まりで構成され、マルチプレクス化されているが、図１２のものとは配置が異なる。図１６は、選ばれたチャンネル中の流体の流れを可能にするのに適する多重化システムの概略の例であり、図１２の単一のオン／オフ動作バルブの集まりで構成され、接続または一緒にネットワーク化されている。
【０１０１】
まず図１２Ａおよび１２Ｂを参照して、流れチャンネル３０および３２の概略を示す。好ましくは、流れチャンネル３０は中を通る流体（または気体）の流れＦを有する。流れチャンネル３２（本明細書中で既に説明したたように流れチャンネル３０の上で交差している）に圧力を加え、これによって流れチャンネルを隔てている膜２５を流れチャンネル３０の通路の中に押し下げ、中を通る流れＦの通過を説明したように遮断させる。従って、「流れチャンネル」３２を流れチャンネル３０の中の単一のバルブを作動させる「制御ライン」と呼んでもよい。図１２から１５では、複数のそのようなアドレス可能なバルブをさまざまな配置で接続または一緒にネットワーク化して、蠕動ポンプ能力を有するポンプおよびその他の流体論理利用物を造る。
【０１０２】
図１３Ａおよび１３Ｂを参照して、以下のように蠕動ポンプを提供する。流れチャンネル３０は、その上を通る複数の一般に平行な流れチャンネル（すなわち制御ライン）３２Ａ、３２Ｂおよび３２Ｃを備えている。制御ライン３２Ａに圧力を加えることによって、制御ライン３２Ａと流れチャンネル３０との交差点で膜２５Ａの下の流れチャンネル３０中の流れＦが遮断される。同様に（ただし示していない）、制御ライン３２Ｂに圧力を加えることによって、制御ライン３２Ｂと流れチャンネル３０との交差点で膜２５Ａの下の流れチャンネル３０中の流れＦが遮断される、等である。
【０１０３】
制御ライン３２Ａ、３２Ｂおよび３２Ｃはそれぞれ個別アドレス可能である。従って、３２Ａと３２Ｃとを一緒に作動させ、次に３２Ａを作動させ、次に３２Ａと３２Ｂとを一緒に作動させ、次に３２Ｂを作動させ、次に３２ＢとＣとを一緒に作動させる等のパターンによって蠕動を作動させることができる。「０」は「バルブ開」を示し、「１」は「バルブ閉」を示すとすると、これは「１０１、１００、１１０、０１０、０１１、００１」連続パターンに対応する。この蠕動パターンは１２０°パターン（三つのバルブの間の作動位相角を指す）としても知られている。６０°および９０°パターンを含むその他の蠕動運動パターンも同様に可能である。
【０１０４】
本発明者が行なった実験では、４０ｋＰａの作動圧下で１００×１００×１０μｍのバルブを用いて細い（内径０．５ｍｍ）配管の中の水柱が移動する距離を測定することによって２．３５ｎＬ／秒のポンプ速度を測定した。ポンプ速度は作動周波数とともに約７５Ｈｚまで増大し、それから２００Ｈｚを超えるまでほとんど一定であった。バルブおよびポンプは耐久性も極めて高く、エラストマー膜、制御チャンネルあるいはボンディングの不具合は一度も観測されなかった。本発明者が行なった実験では、本明細書中で説明する蠕動ポンプの中のバルブのどれ一つとして、４００万回を超える作動の後で摩損または疲労のいかなる兆候をも示していない。耐久性に加えて、本発明の蠕動ポンプは穏やかでもある。流れチャンネル中をポンプ送液して生存試験に付した大腸菌の溶液は９４％の生存率を示した。
【０１０５】
図１４は、実験的に実現した図１３の蠕動ポンプシステムのポンプ速度対周波数を示すグラフである。
【０１０６】
図１５Ａおよび１５Ｂは、図１２のアドレス可能なバルブの集まりの別の組み立て方の例を示す。詳しくは、複数の平行な流れチャンネル３０Ａ、３０Ｂおよび３０Ｃが提供される。流れチャンネル（すなわち制御ライン）３２は流れチャンネル３０Ａ、３０Ｂおよび３０Ｃの上を交差して通る。制御ライン３２に圧力を加えると、制御ライン３２と流れチャンネル３０Ａ、３０Ｂおよび３０Ｃとの交差点に配置された膜２５Ａ、２５Ｂおよび２５Ｃは押し下げられ、流れＦ１、Ｆ２およびＦ３は同時に遮断される。
【０１０７】
図１６は、選ばれた流れチャンネル中に流体が流れることを以下のように選択的に可能にするのに適するマルチプレクス化システムの概略を示す例である。上を通る制御ラインから流れチャンネルをそれぞれ隔てている膜（例えば図１５Ａおよび１５Ｂの膜２５Ａ、２５Ｂおよび２５Ｃ）の下方への変形は膜の寸法に強く依存する。従って、図１５Ａおよび１５Ｂの流れチャンネル制御ライン３２の幅を変えることによって、流れチャンネルの上を通る複数の制御ラインを有するが、しかし所望の流れチャンネルだけを作動させる（すなわち密閉する）ことが可能である。図１６は、以下のようにそのようなシステムの概略の例を示す。
【０１０８】
複数の平行な制御ライン３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、３２Ｅおよび３２Ｆの下に複数の平行な流れチャンネル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅおよび３０Ｆを配置する。上記で説明した任意のバルブ開閉システムに以下の変更を加えて用いることにより、制御チャンネル３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、３２Ｅおよび３２Ｆは、平行な流れチャンネル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅおよび３０Ｆ中を通る流体の流れＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５およびＦ６を遮断するのに適する。
【０１０９】
制御ライン３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、３２Ｅおよび３２Ｆはそれぞれ幅の広い部分および幅の狭い部分の両方を有する。例えば、制御ライン３２Ａは流れチャンネル３０Ａ、３０Ｃおよび３０Ｅの上に配置された場所で幅が広い。同様に、制御ライン３２Ｂは流れチャンネル３０Ｂ、３０Ｄおよび３０Ｆの上に配置された場所で幅が広く、制御ライン３２Ｃは流れチャンネル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｅおよび３０Ｆの上に配置された場所で幅が広い。
【０１１０】
それぞれの制御ラインの幅が広い場所では、そのラインに圧力を加えると流れチャンネルと制御ラインとを隔てている膜（２５）は流れチャンネルの中に著しく押し下げられ、それによって流れチャンネル中の流体の流れを妨げる。反対に、それぞれの制御ラインの幅が狭い場所では、膜（２５）の幅もまた狭い。従って、同じ程度に圧力を加えても膜（２５）は流れチャンネル（３０）の中に押し下げられない。従って、膜の下の流体の流れは妨げられない。
【０１１１】
例えば、制御ライン３２Ａに圧力を加えると、流れチャンネル３０Ａ、３０Ｃおよび３０Ｅの中の流れＦ１、Ｆ３およびＦ５を妨げる。同様に、制御ライン３２Ｃに圧力を加えると、流れチャンネル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｅおよび３０Ｆの中の流れＦ１、Ｆ２、Ｆ５およびＦ６を妨げる。理解されるように、二つ以上の制御ラインを同時に作動することができる。例えば、制御ライン３２Ａおよび３２Ｃに同時に圧力を加えてＦ４を除くすべての流体の流れを妨げる（３２ＡはＦ１、Ｆ３およびＦ５を妨げ、３２ＣはＦ１、Ｆ２、Ｆ５およびＦ６を妨げる）ことができる。
【０１１２】
種々の制御ライン（３２）に一緒に圧力を加えたり、さまざまな順序で選択的に圧力を加えたりの両方によって、非常に多様な流体の流れの制御を実現することができる。さらに、６本を超える平行な流れチャンネル（３０）および４本を超える平行な制御ライン（３２）に本システムを拡張すること、および制御ラインの幅の広い区域および幅の狭い区域の配置を変化させることによって、非常に複雑な流体の流れの制御システムを作製することができる。そのようなシステムの一つの性質は、２（ｌｏｇ２ｎ）本の制御ラインだけを用いてｎ本の流れチャンネルの中から任意の１本の流れチャンネルをオンにすることが可能なことである。
【０１１３】
（８．切り替え可能な流れアレイ）
さらに別の新規な実施態様では、直交する二つの方向の一つに流体の流れが進むように選択的に誘導することができる。そのような「切り替え可能な流れアレイ」システムの例を図１７Ａから１７Ｄに提供する。図１７Ａは、固体ポスト９２のアレイによって定められた流れチャンネルのグリッドを形成する凹部のパターンを有し、各ポストの周囲には流れチャンネルが通っている底面を有するエラストマー９０の第一の層（あるいはその他の任意の適当な基質）の底面図を示す。
【０１１４】
好ましい様相では、層９０の上面にエラストマーの新たな層をボンディングし、これによって流体の流れを方向Ｆ１または直交する方向Ｆ２の一方に流れるように選択的に誘導することができる。図１７Ｂは第二のエラストマー層９５の底面の下面図であり、一つおきの「垂直」制御ライン９６および「水平」制御ライン９４の形に作製された凹部を示している。図に示すように、「垂直」制御ライン９６はラインに沿って同じ幅を有し、一方「水平」制御ライン９４は一つおきに幅の広い部分と幅の狭い部分とを有する。
【０１１５】
図１７Ｃに示すようにポスト９２の上に「垂直」制御ライン９６が配置され、図１７Ｄに示すようにポスト９２の間に幅の広い部分を置いて「水平」制御ライン９４が配置されるように、エラストマー層９０の上面の上にエラストマー層９５を位置合わせする。
【０１１６】
図１７Ｃで分かるように、「垂直」制御ライン９６に圧力を加えると、初めに区域９８で層９０と９５との間に配置されていたエラストマー層によって作製された一体構造の膜は、流れチャンネルのアレイ上に下向きに変形し、これによって流れは、図のように流れ方向Ｆ２（すなわち垂直）にしか流れることができない。
【０１１７】
図１７Ｄで分かるように、「水平」制御ライン９４に圧力を加えると、初めに区域９９で層９０と９５との間に配置されていたエラストマー層によって作製された一体構造の膜は、流れチャンネルのアレイ上に（ただし幅の広い区域でだけ）下向きに変形し、これによって流れは、図のように流れ方向Ｆ１（すなわち水平）にしか流れることができない。
【０１１８】
図１７Ａ〜Ｄに例を示した設計によって、二つのエラストマー層だけから切り替え可能な流れアレイを構築することが可能になり、異なるエラストマー層の中の制御ラインの間を通る垂直バイアの必要はまったくない。すべての垂直流れ制御ライン９４を接続すると、一つの入力によって全制御ラインに圧力を加えることができる。すべての水平流れ制御ライン９６についても同じことが成立する。
【０１１９】
（９．細胞囲い）
本発明のさらに別の用途では、エラストマー構造体を利用して生物またはその他の生体物質を操作することができる。図１８Ａ〜１８Ｄは本発明による細胞囲い構造の一つの実施態様の平面図を示す。
【０１２０】
細胞囲いアレイ４４００は直交配向された流れチャンネル４４０２のアレイを特徴とし、一つおきの流れチャンネルの交差点に拡大された「囲い」構造４４０４を有する。各囲い構造４４０４の入口および出口にバルブ４４０６を配置する。水平流れチャンネルのそれぞれおよび細胞囲い構造のない垂直流れチャンネルに蠕動ポンプ構造４４０８を配置する。
【０１２１】
図１８Ａの細胞囲いアレイ４４００には事前に振り分けられた細胞Ａ〜Ｈが貯蔵されている。図１８Ｂ〜１８Ｃは、１）隣接する囲い４４０４ａおよび４４０４ｂの一方の側のバルブ４４０６を開き、２）水平流れチャンネル４４０２ａにポンプ送液して細胞ＣおよびＧを移動させ、次に３）垂直流れチャンネル４４０２ｂにポンプ送液して細胞Ｃを取り出す、ことによる個別に貯蔵された細胞Ｃのアクセスおよび取り出しを示す。図１８Ｄは、水平流れチャンネル４４０２ａ中の液の流れの方向を逆にすることによって、第二の細胞Ｇを細胞囲いアレイ４４００の中の以前の位置に戻すことを示す。上記で説明した細胞囲いアレイ４４０４は選ばれたアドレス可能な位置に物質を貯蔵し、手早くアクセスできるようにすることができる。
【０１２２】
図１８Ａ〜１８Ｄに関連して上記で示して説明した実施態様は流れチャンネルの交差点に相対して接続されたバルブの対を利用しているが、これは本発明の必要条件ではない。望ましい流れ特性を提供するために、交差点の隣りにあるバルブの接続、あるいは交差点の周囲の各バルブの独立な作動を含むその他の構成が可能である。しかし、独立なバルブ作動の手法の場合、各バルブに対して個別の制御機構を利用することになり、装置レイアウトが複雑になることを認識すべきである。
【０１２３】
（ＩＩ．ミクロ流体大規模集積回路）
前節で実質的に漏れがなく拡大縮小可能なモノリスマイクロバルブを説明し、これらのマイクロバルブを作製する方法も説明した。既に説明した比較的単純なミクロ流体バルブアレイの場合、各流体の流れチャンネルをそれ自身の個別のバルブ制御チャンネルによって制御してもよい。しかし、数千または数万にも及ぶ個別アドレス可能なバルブを含むより複雑なアレイに対してそのような非集積的な制御法を実用可能に実体化することはできない。従って、本発明の実施態様は単独または組み合わせて利用して、個別アドレス可能なバルブを有する大規模集積ミクロ流体装置の作製を可能にするさまざまな技法を提供する。
【０１２４】
（１．マルチプレクサによる流れラインの制御）
流れチャンネルの単一の組の上にある制御ラインの単一の組に関連して、マルチプレクサ構造の使用を既に説明した。図１９Ａは、ミクロ流体２進ツリーマルチプレクサ動作ダイヤグラムの例を表す簡略化された平面図を示す。エラストマー下層の中に定められた流れチャンネル１９００は対象となる流体を含み、一方、エラストマー上層の中に定められた制御チャンネル１９０２は空気または水などの作動流体を含む制御ラインを表す。制御チャンネル１９０２の幅の広い部分１９０２ａと流れチャンネル１９００との交差点に作製された膜によってバルブ１９０４を定める。幅の広い膜だけが流れチャンネル１９００の中に十分に変形するように作動圧を選ぶ。詳しくは、マルチプレクサ構造は制御チャンネル幅：流れチャンネル幅の比が減少するにつれてバルブを作動させるために必要な圧力が急激に増加することを利用している。
【０１２５】
図１９Ａに示したマルチプレクサ構造はバルブの２進ツリーの形であり、各段では流れチャンネル全体を二つの群に分けそこから一方の群を選んでいる。図１９Ａに示すマルチプレクサ実施態様では、１本のチャネルごとにマルチプレクサの中の開いたバルブ／閉じたバルブの各組み合わせが選択され、それによって２ｌｏｇ２ｎ本の制御チャンネルだけを用いてｎ本の流れチャンネルにアドレスすることができる。
【０１２６】
マルチプレクス化されたバルブシステムを用いることによって、２進システムの威力が明らかになる。すなわち、１０２４本の流れチャンネルを個別にアドレスするために約２０本の制御チャンネルだけしか必要としない。これによって、装置と外部環境との間のインターフェースの高信頼性を維持したまま、これらの装置中で非常に多数のエラストマーミクロバルブを用いて複雑な流体操作を実行することが可能になる。
【０１２７】
図１９Ｂは、本発明によるマルチプレクサ構造の別の実施態様の簡略化された平面図を示す。マルチプレクサ構造１９５０はエラストマー下層の流れチャンネル１９５４の上にあるエラストマー層の中に作製された制御チャンネル１９５２を含む。図１９Ａのマルチプレクサと同じ物理的原理の下で動作することによって、マルチプレクサ１９５０はバルブの３進ツリーを含む。各段は３ビット（「トリット（ｔｒｉｔ）」）を構成し、流れチャンネル全体を三つの群に分け、その中から一つの群を選んでいる。１本のチャネルごとにマルチプレクサ１９５０中の開いたバルブ／閉じたバルブの各組合せが選択され、それによって３ｌｏｇ３ｎ本の制御チャンネルだけを用いてｎ本の流れチャンネルにアドレスすることができる。
【０１２８】
図１９Ａ〜Ｂに示す基本マルチプレクサ装置の両方の一般的なミクロ流体流れ構造を、図２０の簡略化された断面図に一般化して表すことができる。図２０では、流れチャンネルネットワークＦを定める第一のエラストマー層Ｅ１の上に制御チャンネルネットワークＣを定める第二のエラストマー層Ｅ２を配置する。
【０１２９】
図１９Ｂの底３マルチプレクサは非常に多数の『流れ』チャンネルにアドレスするために用いることができる最も効率的な設計である。これは、ｘｌｏｇｘｎバルブがｅをｌｏｇの底として用いるときに最小となるからである。実際のマルチプレクサの底には小数を用いないので、ｅ（〜２．７１８２８）に最も近い整数ｘ＝３の場合に最も効率的なマルチプレクサ構造が実現される。
【０１３０】
この点を強調するために、表１で底３マルチプレクサと底２マルチプレクサの効率を比較する。
【０１３１】
【表１】
2006501056.tif 000003
上記の説明では同じ底を有する段を利用するさまざまなマルチプレクサ構造に焦点を合わせたが、これは本発明にとって必要条件ではない。本発明によるマルチプレクサ構造の別の実施態様は、同じでない底の段を含んでもよい。例えば、ビットの段とトリットの段からなる２段プレクサは６本の流れチャンネルにアドレスする最も効率的な方法を表す。段の順序は任意であるが、常に同じ数の流れラインを制御する結果になる。種々の２進および３進の段を含むマルチプレクサ構造を使用すれば、数２と３の積である任意の数の「流れ」チャンネルに効率的にアドレスすることができる。
【０１３２】
マルチプレクサはおそらく任意の底を使うことができる。例えば、必要なら底５を用いてもよい。しかし、制御ラインの数が値ｅから離れて行くにつれて制御ラインの利用効率は低下する。さまざまな底を有するマルチプレクサ構造について、制御される流れラインの数に対して制御ラインの数をプロットした図３３にこれを示す。
【０１３３】
さきに図を示して説明した標準的なマルチプレクサ構造は多くの用途に適する。しかし、ある種の状況では、マルチプレクサ構造の別の実施態様によって改善された性能を提供することができる。
【０１３４】
例えば、いくつかの流体入力を選んでチップの他の領域中に順次導入する場合、バルブ間のデッドボリュームに起因する望ましくない相互汚染が起こり得る。従って、図２８に最小のデッドボリューを特徴とする本発明のマルチプレクサ構造の別の実施態様の簡略化された平面図を示す。
【０１３５】
詳しくは、マルチプレクサ２８００は流体入力ツリーの形に配置された試料入力２８０４を有する流れチャンネルネットワーク２８０２を備える。制御ライン２８０６は３つの段に配置され、第一および第二の３進法の段２８０６ａおよび２８０６ｂならびに２進法の段２８０６ｃの制御ラインが流れチャンネルネットワークの出口２８０８に流れる流体のアクセスを制御する。デッドボリュームを最小限にするために、制御バルブ２８１０が各流れチャンネルの接続部にできるだけ近く配置されるよう制御ライン２８０６の位置を決める。さらに、すべてのマルチプレクサの最終入力ライン２８１４を割り当てて緩衝液を受け入れさせ、それによって流れチャンネルおよび流れチャンネル接続部の内容物の洗浄を可能にする。
【０１３６】
（２．別の制御ラインによる制御ラインの制御）
大規模集積（ＬＳＩ）ミクロ流体装置の作製を可能にする一つの技法は制御ラインの複数の層の使用である。図２１〜２１Ｂにこの手法の例を示す。図２１は、第二の制御ラインによって制御される第一の制御ラインを有するミクロ流体装置の一つの実施態様の平面図を示す。図２１Ａは、線２１Ａ‐２１Ａ′に沿って描いた図２１の構造の簡略化された断面図を示す。図２１Ｂは、線２１Ｂ−２１Ｂ′に沿って描いた図２１のミクロ流体装置の断面図を示す。
【０１３７】
ミクロ流体構造２１００はエラストマー最下層２１０４の中に作製された二つの流れチャンネル２１０２ａ〜ｂを備える。第一のエラストマー層２１０４の上に配置された第二のエラストマー層２１０８の中に、第一および第二の分岐２１０６ｂおよび２１０６ｃと流体連通する第一の入口２１０６ａを含む第一の制御チャンネルネットワーク２１０６を作製する。第一の制御チャンネルネットワーク２１０６の第一の分岐２１０６ｂは第一の流れチャンネル２１０２ａの上に配置され、第一のバルブ２１１２を定める幅の広い部分２１１０を含む。第一の制御チャンネルネットワーク２１０６の第二の分岐２１０６ｃは第二の流れチャンネル２１０２ｂの上に配置され、第二のバルブ２１１６を定める幅の広い部分２１１４を含む。
【０１３８】
第二のエラストマー層２１０８の上に配置された第三のエラストマー層２１２０の中に、第三の制御チャンネル２１１８ａを含む第二の制御チャンネルネットワーク２１１８を作製する。第三の制御チャンネル２１１８ａは、第一の制御チャンネルネットワーク２１０６の第一の分岐２１０６ｂの上に配置され、バルブ２１２２を形成する幅の広い部分２１１８ｂを含む。
【０１３９】
図２１〜２１Ｂに例を示したミクロ流体装置は以下のように動作する。流れチャンネル２１０２ａおよび２１０２ｂの中に操作される流体が存在する。第一の制御チャンネルネットワーク２１０６に圧力を加えると、バルブ２１１２および２１１６の膜はそれぞれの流れチャンネル２１０２ａおよび２１０２ｂの中に下向きに変形し、それによって流れチャンネル中の流れをバルブ操作する。
【０１４０】
第二の制御チャンネルネットワーク２１１８に圧力を加えると、バルブ２１２２の膜は下に配置された第一の制御チャンネルネットワーク２１０６の第一の分岐２１０６ｃの中にだけ下向きに変形する。これによってバルブ２１１２はその変形した状態に固定され、今度はバルブ２１１２の状態に影響を及ぼすことなく、第一の制御チャンネルネットワーク２１０６の中の圧力を変化させることが可能になる。
【０１４１】
図２１〜２１Ｂに示したミクロ流体装置の一般的な構造を、図２２の簡略化された断面図に要約する。詳しくは、エラストマー装置２２００は流れチャンネルネットワークＦを定め、第一の制御チャンネルネットワークＣ１を定める第二のエラストマー層Ｅ２の下に配置されたエラストマー最下層Ｅ１を含む。今度は、第一の制御チャンネルネットワークＣ１が第三のエラストマー層Ｅ３の中に定められた第二の制御チャンネルネットワークＣ２の下に配置される。
【０１４２】
図２１〜２１Ｂのミクロ流体装置の実施態様を３つの別々のエラストマー層から作製されるとして説明してきたが、これは本発明の必要条件ではない。２つのエラストマー層だけを利用して、マルチプレクス化制御ラインを特徴とする本発明の実施態様による大規模集積ミクロ流体構造を作製してもよい。図２３〜２３Ｂに関連してこの手法を図に示して説明する。
【０１４３】
図２３は、第一および第二の流れチャンネル２３００ａおよび２３００ｂ、ならびに流れチャンネル２３００ａおよび２３００ｂの上に配置され、バルブ２３０４および２３０６をそれぞれ定める第一の分岐した制御チャンネルネットワーク２３０２を含むミクロ加工エラストマー装置の簡略化された平面図を示す。図２３Ａは線２３Ａ−２３Ａ′に沿って描いた図２３のミクロ加工されたエラストマー装置の断面図であり、下に配置されたエラストマー層２３０６の中に流れチャンネル２３００ａが定められ、上に配置されたエラストマー層２３１０の中に第一の制御チャンネル２３０２が定められる。
【０１４４】
エラストマー下層２３０８は、第一の制御チャンネル２３０２の下を通ってバルブ２３１４を定める第二の制御チャンネルネットワーク２３１２をさらに含む。従って、図２３Ｂは図２３のミクロ加工されたエラストマー装置の線２３Ｂ−２３Ｂ′に沿って描かれた断面図を示している。流れチャンネルネットワーク２３００と第二の制御チャンネルネットワーク２３１２とは、同じ（下層）エラストマー層２３０８の中にあるが、別個であり互いに交差しない。
【０１４５】
従って、図２４の簡略化された断面図で表すように、別個の流れチャンネルネットワークＦと制御流れチャンネルネットワークＣ２とが単一の（下層の）エラストマー層Ｅ１上に存在し、制御チャンネルネットワークＣ１だけを定める別のエラストマー層Ｅ２をその上に配置してもよい。
【０１４６】
図２３〜２３Ｂに例を示したミクロ流体装置は以下のように操作できる。流れチャンネル２３００ａおよび２３００ｂの中に操作される流体が存在する。第一の制御チャンネルネットワーク２３０２に圧力を加えると、バルブ２３０４の膜がそれぞれの流れチャンネル２３００ａおよび２３００ｂの中に下向きに変形し、それによって流れチャンネル中の流れをバルブ操作する。
【０１４７】
第二の制御チャンネルネットワーク２３１２に圧力を加えると、バルブ２３１４の膜は上に配置されている第一の制御チャンネルネットワーク２３０２の分岐２３０２ａの中に上向きに変形する。これによってバルブ２３１４はその変形状態に固定され、今度はバルブ２３１４の状態に影響を及ぼすことなく、第一の制御ネットワーク２３０２の中の圧力を変化させることが可能になる。
【０１４８】
図２１に示した実施態様とは対照的に、図２３〜２３Ｂのミクロ流体装置は高められた圧力に応答して隣接する制御チャンネルの中に上向きに変形することによって動作するバルブを特徴とする。そのような上向きに変形するバルブを組み込む大規模集積ミクロ流体構造は、図１１に関連して上記で説明したと同様に、バルブ閉鎖を容易にする丸型あるいはアーチ型断面を有する流れチャンネルを含んでもよい。従って、上のレベルおよび下のレベルの両方に流れチャンネルを含む二層ミクロ流体構造では、好ましくは上のチャンネルおよび下のチャンネルの両方がアーチ型断面を示す。
【０１４９】
図２３〜２３Ｂおよび２４の手法を利用して、複雑な流れ機能に対して３層以上に頼ることなくほとんど無制限の制御を導入することができる。このことを図２５によって説明する。図２５は、ミクロ流体構造２５００の簡略化された断面図を表す。２５００は、内部に定められた流れチャンネルネットワークＦおよび第二の制御チャンネルネットワークＣ２を有するエラストマー下層Ｅ１を備え、内部に定められた別個の第一および第三の制御チャンネルネットワークＣ１およびＣ３を有するエラストマー上層Ｅ２の下に配置されている。
【０１５０】
図２１〜２５に関連して図を示して説明した制御チャンネルを利用して他の制御チャンネルを制御するミクロ流体装置は、単一の制御チャンネルネットワークを使用する従来のミクロ流体装置に対して多数の利点を提供する。一つの考えられる利点は強化された機能である。
【０１５１】
詳しくは、図１９Ａ〜Ｂの単純なマルチプレクサ構造によって、ｘｌｏｇｘｎ本の制御流れチャンネルだけでｎ本の流れチャンネルのうち一本を除いてすべてのバルブ操作が可能になり、それによって１本の流れチャンネル中の流れが可能になる。しかし、図１９Ａ〜Ｂの単純なマルチプレクサによっては、同じ数（ｘｌｏｇｘｎ）の制御ラインを有するマルチプレクサを利用してバルブのうちの一つだけを同時に作動することができる逆の機能は可能にはならない。
【０１５２】
しかし、既に説明したようにそのような機能は制御ラインを用いて他の制御ラインを制御することによって利用可能である。図２６は本発明の実施態様による逆マルチプレクサ構造２６０１の一つの実施態様の例を示し、制御ラインの複数の層を利用している。
【０１５３】
第一のエラストマー層の中に作製された平行な流れチャンネル２６００の上に、第二のエラストマー層の中に作製され、共通の入口２６０２ｂを共有する平行な制御チャンネル２６０２ａの組を含む制御チャンネルネットワーク２６０２を配置する。流れチャンネル２６００と同じ数の制御チャンネル２６０２ａがあり、各制御チャンネルは対応する流れチャンネル２６００の一つの上にあってバルブ２６１０を定める幅の広い部分２６０２ｂを有する。
【０１５４】
共通の入口２６０２ｂと第一の流れチャンネルとの間の点で、制御チャンネルの第二のネットワーク２６０４が第一の制御チャンネルネットワーク２６０２のすぐ近くを通り、複数の作動可能な膜の形のバルブ２６１２を含むマルチプレクサ構造２６０６を定める。ある実施態様では、第一の制御チャンネルネットワークを含む第二のエラストマー層の上に配置された第三のエラストマー層の中に、マルチプレクサを定める制御ラインのこの第二のネットワークを作製してもよい。あるいは、マルチプレクサを定める制御ラインの第二のネットワークを流れチャンネルネットワークと平行に、しかし交差しないように第一のエラストマー層の中に作製してもよい。
【０１５５】
図２６に示した逆マルチプレクサ構造を動作させるときには、最初に第一の制御チャンネルネットワーク２６０２の共通の入口２６０２ｂの圧力を下げる。それから、マルチプレクサ２６０４を作動させて一つを除いて第一の制御チャンネルネットワーク２６０２のチャンネルをすべて選択する。次に、入口２６０２ｂに圧力を加えてネットワーク２６０２の唯一の非選択制御チャンネルの中の圧力を増大させ、それによって非選択制御チャンネルだけのバルブを作動させる。このようにして逆マルチプレクシング機能が実現した。
【０１５６】
制御ラインを用いて他の制御ラインを制御することによって提供される別の潜在的な利点は、複雑なミクロ流体構造を制御するために必要とされる外部からアクセス可能な制御ラインの数の減少である。詳しくは、複数の層の制御ラインの使用を今説明したマルチプレクサ概念と組み合わせて、２，３の外部アクセス可能な制御ラインによって非常に多数の内部バルブ構造体の操作に当たる非常に多数の制御チャンネルに制御を及ぼすことが可能になる。
【０１５７】
図２７は、本発明によるカスケード化されたマルチプレクサを利用するミクロ流体装置２７００の一つの実施態様の簡略化された平面図を示す。詳しくは、一つのエラストマー層の中に定められた平行な流れチャンネル２７０１を、第一の制御チャンネルネットワーク２７０２の下に配置する。２７０２はマルチプレクサ２７０３を定める幅の広い制御チャンネル部分および幅の狭い制御チャンネル部分を特徴とする。今度は、第二の流れチャンネルネットワーク２７０４の上または下のどちらかに、第一の制御チャンネルネットワーク２７０２を配置する。２７０４は同様に第二のマルチプレクサ２７０６を定める幅の広い制御チャンネル部分および幅の狭い制御チャンネル部分を特徴とする。
【０１５８】
図２７は、６本の制御ラインだけを含むマルチプレクサによってどのようにして合計２７本の流れラインを制御できるかを示す。第二のマルチプレクサを用いてカスケード化すると、１本の入力だけでよいので、制御ラインは合計７本となる。第一のマルチプレクサを用いてラインにそれぞれアドレスし、次に追加の入力を用いて状態を設定することによって第二のマルチプレクサの論理状態を順次設定することができる。ＰＤＭＳの固有の気体透過性のため、作動流体の蒸発または気体漏れによって時間が経過すると第二のマルチプレクサの中の圧力が低下するので、高圧（オン）状態は通常は限られた時間しか保持できない。一定期間ごとに第二マルチプレクサの状態をリフレッシュするか、または作動流体の損失速度を実験の合計時間に比して無視できるレベルに低下させるかの二つの方法のどちらかによってこの圧力低下に対処できる。
【０１５９】
今説明したように、２進法または他のバルブパターンのコンビナトリアルアレイを用いると、最小限の数の制御された入力を用いる複雑な流体操作が可能になり、それによってネットワークの処理能力を増大させることができる。そのようなマルチプレクス化制御ラインを用いて、数千個のバルブおよび数百個の個別アドレス可能な反応チャンバを有するシリコーン装置を作製し、個々のバルブ構造体にアドレスするために必要な制御入力の数を著しく減らすことができる。
【０１６０】
（３．ミクロ流体メモリアレイ構造）
本発明の実施態様によるミクロ流体技法を利用して、１０００個の個別アドレス可能なピコリットルスケールチャンバの高密度アレイを含み、ミクロ流体メモリ貯蔵装置として機能し得るチップを作製することができる。流体設計素子として二つのマルチプレクサを用いて、アドレス可能な２５×４０チャンバミクロアレイとして組織化された１０００個の独立区画および３５７４個のミクロバルブを有するミクロ流体メモリ貯蔵装置を設計した。
【０１６１】
図２９Ａは、ミクロ流体メモリ貯蔵装置用のマスク設計を示す簡略化された平面図である。図２９Ｂは図２９Ａのアレイの一つの貯蔵場所の簡略化された拡大図を示し、パージ機構の例を示す。
【０１６２】
アレイ２９００は、相互配線用の垂直な分岐流れチャンネル２９０２ｄを有する平行な三本組流れチャンネル２９０２ａ〜ｃからなる行２９０２を定める第一のエラストマー層を含む。本用途を目的とする場合、各行の中央の流れチャンネル２９０２ｂを両側から挟む流れチャンネル２９０２ａおよび２９０２ｃを「バスライン」と呼ぶ。垂直な分岐２９０２ｄと中央の流れチャンネル２９０２ｂとの間の交差点によって、それぞれその行の中の貯蔵場所および貯蔵装置用の個別の貯蔵場所を定める。流れチャンネルはそれぞれ共通の試料入力２９０４ａまたは２９０４ｂおよび共通の試料出口２９０６を共有する。行流れチャンネル２９０２ａ〜ｃはそれぞれ共通のパージ用入口２９０８を共有する。
【０１６３】
流れチャンネルを含む第一のエラストマー層の上には、制御チャンネルのネットワークを含む第二のエラストマー層がある。第二のエラストマー層の中に、共通の入口２９１０ａを有する水平区画化制御チャンネルネットワーク２９１０を作製する。第二のエラストマー層の中に、行マルチプレクサ２９１２を定める制御ラインＣ１〜Ｃ１０も作製する。
【０１６４】
第二のエラストマー層の中に、行アクセス制御ラインＤ１〜Ｄ４も作製する。行アクセス制御ラインＤ１〜Ｄ４は、アレイの行の任意の一つについて中央の流れチャンネルまたは両側のバスラインの一方の中の流体の流れを制御するために選択的に作動可能である。
【０１６５】
第二のエラストマー層は、共通の入口２９１４ｂを有する垂直区画化制御流れチャンネルネットワーク２９１４も定める。共通の入口２９１４ｂとアレイ２９００の第一行との間の点で、第一のエラストマー層の中に作製された別個の制御チャンネルネットワーク２９１６が垂直区画化制御流れチャンネルネットワーク２９１４の下に交差し、列マルチプレクサ２９１８を定める。従って、図２９の実施態様は、二つの別個の制御チャンネルネットワークマルチプレクサ構造２９１４および２９１６を利用して垂直区画化制御チャンネルに対する制御を可能にする二層装置を表す。詳しくは、貯蔵装置の動作中に列マルチプレクサの選ばれた制御チャンネルを作動させることによって、他のすべての貯蔵場所を密閉して汚染されない状態に保ちながら、アレイの中の特定の一つの貯蔵場所だけへのアクセスを可能にする。次に、貯蔵装置２９００の動作を詳しく説明する。
【０１６６】
アレイの一つの貯蔵場所の拡大された平面図を図２９Ｃ〜Ｆに示す。図２９Ｃに示すように、初期時間に垂直区画化制御チャンネル２９１４に圧力を加えて垂直区画化バルブ２９２４を閉める。次に列マルチプレクサ２９１８に圧力を加えてバルブ２９３０ａ〜ｂを起動し、垂直区画化バルブ２９２４を加圧された状態で密閉する。
【０１６７】
図２９Ｄは、特定の中央の流れラインに沿って配置されたすべての貯蔵場所を、制御ラインＤ１〜４の選択的な操作によって流体で装填することを示す。垂直区画化バルブ２９２４が閉じられた状態にあるため、装填された流体の垂直方向の移動は制限されている。図２９Ｅは、水平区画化制御チャンネル２９１０に圧力を加えて水平区画化バルブ２９２２を閉め、それによって隣り合う貯蔵場所を孤立させることを示す。
【０１６８】
図２９Ｆは装填された流体の特定の貯蔵場所からのパージを示す。詳しくは、列マルチプレクサ２９１８の圧力を下げてバルブ２９３０ｂを非作動状態にすることによって、制御流れチャンネルの流体を排出することならびに貯蔵場所２９５０の上および下に配置されている垂直区画化バルブ２９２４を非作動状態にすることが可能になる。列マルチプレクサ２９１８を加圧状態に保ってバルブ２９３０ａを作動状態に維持し、それによって隣り合う貯蔵場所の垂直区画化バルブ２９２４を閉じた状態に保つ。
【０１６９】
最後に、制御ラインＤ１〜４を操作して上部バスライン２９０２ａだけの中の流れを可能にする。パージ入口２９０８に圧力を加え、貯蔵場所２９５０の内容物を上部バスライン２９０２ａの中に移動させ、バスライン２９０２に沿って移動させ、最終的には出口２９０６から外へ移動させる。
【０１７０】
要約すると、貯蔵アレイチップは２５×４０個のチャンバのアレイを備え、各チャンバは体積〜２５０ｐＬを有する。列マルチプレクサおよび行マルチプレクサを用いて各チャンバに個別アドレス可能である。各メモリ／貯蔵場所の内容物を色素（試料入力）または水（洗浄緩衝液入力）のどちらかであるように選択的にプログラムすることができる。
【０１７１】
本発明の実施態様による大規模集積マルチプレクサバルブシステムによって、マトリックスの各チャンバに個別アドレスし、孤立させることが可能になり、外部制御相互配線の数は２２に低下する。単一の入口ポートを通して装置の中に流体を充填し、そのあと制御層バルブをゲートとして機能させ、アレイを２５０ｐＬチャンバに区分化することができる。試料チャンバと平行に配置され、行および列マルチプレクサによって制御される加圧液体を使用し、チャンバ内容物を出口に排出する流れチャンネルによって個別にチャンバにアドレスすることを実現する。
【０１７２】
図２９Ｂは、図２９Ａに示したチップの選ばれた行の中の単一のチャンバについて、パージ機構をもう一度示す簡略化され拡大された平面図である。各行は三本の平行なミクロチャネルを含む。特定のチャンバをパージするために、まずパージ緩衝液入口に加圧流体を導入する。次に、行マルチプレクサによって、選ばれた行の最も下にあるチャンネルに流体を誘導する。列マルチプレクサによってチャンバの垂直バルブを開放し、加圧された流体がチャンバを通って流れ、内容物をパージすることを可能にする。
【０１７３】
本装置は、二つの連続する制御レベルがあるという点で、従来のミクロ流体配管に顕著なレベルの複雑さを加える。すなわち、列マルチプレクサがバルブ制御ラインを作動させ、バルブ制御ラインが今度はバルブ自体を作動させる。ミクロ流体アレイの設計および機構はランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）に類似している。マルチプレクサの各組は、マトリックス中の特定の行または列にマッピングするメモリアドレスレジスターに類似している。
【０１７４】
ダイナミックＲＡＭと同じく、行および列マルチプレクサは独自の機能を有する。流体輸送用には行マルチプレクサが用いられる。すなわち、行マルチプレクサは行の中の個別の区画をパージする役割を果たす流体を誘導し、ＲＡＭワードラインに類似する行の中の中央区画（メモリ素子）をリフレッシュする。列マルチプレクサは基本的に異なる方式で働き、各行の特定の中央区画のために垂直入出力バルブを制御する。
【０１７５】
列マルチプレクサを操作するために、制御層の垂直封じ込めバルブに圧力を加えて全アレイを閉め切る。流れ層に配置された列マルチプレクサを起動してそのバルブを上方の制御層の中に変形させ、垂直封じ込めバルブアレイ全体の中に加圧液体を閉じ込める。次に、マルチプレクサによって単一の列を選び、垂直封じ込めバルブの上の圧力を解放して特定の列を開き、選ばれた行の中の加圧液体によって迅速にパージすることを可能にする。
【０１７６】
ミクロ流体メモリ記憶貯蔵装置の機能を実証するために、各行の中央メモリ貯蔵チャンバに染料（クエン酸ナトリウム緩衝液中の２．４ｍＭブロムフェノールブルー、ｐＨ７．２）を装填し、操作を続けて個別のチャンバを水でパージし、「ＣＩＴ」という文字を表記した。読み出しは光学的なので、本メモリ装置は本質的に流体ディスプレイモニタとしても機能する。図２９Ｇはミクロ流体メモリディスプレイの実証例を示す。個別のチャンバを選択的にパージして「ＣＩＴ」を表記する。この配管ディスプレイの重要な利点は、一度画像を設定するとこの装置は非常にわずかな電力しか消費しないことである。
【０１７７】
（４．片方向バルブ／流体ディスプレイ）
図２９Ａに示した記憶装置は、中央の流れチャンネルの両側に配置された共平面バスラインの中の流体の水平な移動によって内容物が個別アクセス可能であるチャンバのアレイを含む。しかし、本発明の実施態様による大規模集積ミクロ流体構造を作製する技法は、この特定の装置の作製に限定されない。
【０１７８】
図３４Ａ〜Ｃは、流体の一方向だけの垂直な流れを可能にする本発明によるバルブ構造体の実施態様の構造および動作の例を示す簡略化された断面図を示す。下記で詳細に説明するように、今度はこれらの片方向バルブを利用して、垂直ならびに水平な方向の流体の移動を利用する大規模集積ミクロ流体貯蔵装置のまた別の実施態様を創り出すことができる。
【０１７９】
図３４Ａに示すように、エラストマー下層３４０４、その上に配置されたエラストマー中間層３４０２、さらにエラストマー中間層自体の上に配置されたエラストマー上層３４０１から片方向バルブ３４００を作製する。エラストマー下層３４０４の中に第一のバイア開口部３４０６を定める。エラストマー中間層３４０２は、３４０２ｂの側でだけ中間層３４０２の周囲のエラストマー物質と一体の可撓性の膜部分３４０２ａを備える。エラストマー中間層３４０２の膜部分３４０２ａは第一のバイア開口部３４０６全体の上に配置され、膜部分３４０２の辺３４０２ｃはエラストマー下層３４０４のシート部分３４０４ａの上に静止する。エラストマー上層３４０１の中に、第一のバイア開口部３４０６の位置から水平にずらした第二のバイア開口部３４０８を定める。
【０１８０】
図３４Ｂに示すように、流体は片方向バルブ３４００を通って上向きの方向に自由に流れることができる。詳しくは、加圧流体は第一のバイア開口部３４０６を通って移動し、可撓性の膜部分３４０２ａをシート部分から外れさせ、上に配置された第二のバイア開口部３４０８の中に変形させ、加圧流体が第二のバイア開口部３４０８およびエラストマー上層３４０１の中に入ることを可能にする。
【０１８１】
対照的に、図３４Ｃで示すように、流体は片方向バルブ３４００を通って下向きの方向に流れることはできない。詳しくは、第二のバイア開口部３４０８を通って移動しようとする加圧流体は、シート上に静止する膜部分３４０２ａに遭遇する。膜部分３４０２ａはシート上に静止し、下に配置された第一のバイア開口部３４０６の中の流体の圧力が第二のバイア開口部３４０８の中の圧力を超えるときまで、バルブ３４００は閉まったまま保持される。
【０１８２】
三つの別個のエラストマー層を利用して図３４Ａ〜Ｃに示した片方向バルブの特定の実施態様を作製したが、これは必要条件ではない。単一の型を利用して膜部分および上層を作製し、二つのエラストマー層だけからこの構造を作製することは可能である。
【０１８３】
図３４Ａ〜Ｃに示した片方向バルブの特定の実施態様によって、上向きの方向の流体の通過が可能になるが、別の実施態様によって下向きの方向だけの流体の通過が可能になる。片方向バルブの配向を逆にすることによって、そのようなバルブ構造体を作製することができる。
【０１８４】
本発明の実施態様による片方向バルブを利用して表示装置を作製することができる。図３５Ａ〜Ｄはそのような画素構造の一つの実施態様の例を示す簡略化された断面図である。
【０１８５】
図３５Ａに示すように、画素３５００はエラストマー最下層３５０４の中に作製された第一の流れチャンネル３５０２を含む。エラストマー最上層３５０８の中に第一の流れチャンネル３５０２に直交する第二の流れチャンネル３５０６を作製する。層３５０４と３５０８との中間にあるエラストマー層３５１６の中に第一の片方向バルブ３５１０、チャンバ３５１２、および第二の片方向バルブ３５１４を作製する。
【０１８６】
ディスプレイ画素３５００の動作を図３５Ｂ〜Ｄに要約する。図３５Ｂでは、第一の流れチャンネル３５０２からの着色流体３５１８を圧力下に第一の片方向バルブ３５１０を通してチャンバ３５１２の中に導入する。これで画素３５００には着色染料が装填された。
【０１８７】
第二の流れチャンネルのいかなる場所にあるよりも高い圧力を第一の流れチャンネル３５０２に加えることによって、この画素装填を非選択的に実行することができる。あるいは、第二の流れチャンネルと流体連通するマルチプレクサも利用して、第一の流れチャンネルと選択された第二の流れチャンネルだけとの間に必要な差圧を創り出すことによって、この画素装填を選択的に実行することができる。
【０１８８】
図３５Ｃでは、第二の流れチャンネル３５０６をより高い圧力に維持し、それによって第一の片方向バルブ３５１０を閉状態に維持しながら、第一の流れチャンネル３５０２から着色流体をパージする。
【０１８９】
図３５Ｄに示すように、第二の流れチャンネル３５０６の中の圧力を減らし、第一の流れチャンネル３５０２、第一の片方向バルブ３５１０、チャンバ３５１２、第二の片方向バルブ３５１４、最後に第二の流れチャンネル３５０６を通して無色の流体を流すことによって画素３５００の色を変えることができる。
【０１９０】
図３５Ａ〜Ｄで説明した画素のアレイ全体を含む表示装置の平面図を図３６に示す。詳しくは、入口３５５０から最も下に配置された平行な流れチャンネル３５０２を通る流体の流れを第一のマルチプレクサ３６００によって制御する。入口３５５１から最も上に配置された平行な流れチャンネルの中の最も上に配置された平行な流れチャンネル３５０６を通る流体の圧力および流れを、第二および第三のマルチプレクサ３６０２および３６０４によって制御する。
【０１９１】
（５．大規模集積コンパレータ構造）
上記で既に説明したメモリアレイ構造は既存のミクロ流体構造に対する重要な進歩を表すが、二つの異なる物質を特定のチャンバの中に別々に導入して混合することはできない。しかし、この機能は大規模集積回路技術によってミクロ加工された２５６個のコンパレータのアレイに類似する第二のチップの中で提供される。詳しくは、２０５６個のマイクロバルブを含み、より複雑な流体操作を実行することができる第二の装置を設計した。
【０１９２】
図３０Ａは、ミクロ流体コンパレータチップ３０００の光学顕微鏡写真を示す。着色食用色素を有するさまざまな入力を装填して流体論理回路のチャンネルおよびサブ素子を可視化した。図３０Ｂは、図３０Ａのチップの一部分の簡略化された平面概略図を示す。
【０１９３】
それぞれ入口３００２ａおよび３００４ａを有し、それぞれ出口３００２ｂおよび３００４ｂを有し、分岐された水平な行の流れチャンネル３００６とさまざまな点で交差する平行な蛇行流れチャンネル３００２および３００４の対からコンパレータチップ３０００を作製する。蛇行流れチャンネルの間に配置された水平な流れチャンネルの部分によって、混合場所３０１０を定める。
【０１９４】
接続するチャンネルの中央の上に配置された第一のバリヤー制御ライン３０１２を作動させて隣り合うチャンバを創り出し、非作動状態にして隣り合うチャンバの内容物を混合することができる。第二のバリヤー制御ライン３０１４は隣り合うチャンバの両側の端を折り返し、これらのチャンバを水平な流れチャンネルの残りの部分から孤立させる。
【０１９５】
接続する水平な流れチャンネル３００６の一端３００６ａは圧力源３０１６と流体連通し、接続する水平な流れチャンネル３００６の他端３００６ｂはマルチプレクサ３０２０を通して試料回収出口３０１８と流体連通する。
【０１９６】
図３０Ｃ〜Ｈは、図３０Ａ〜Ｂの構造の一つの混合素子の動作の拡大された平面図を示す。図３０Ｃは装填する前の混合素子を示し、混合素子バリヤー制御ラインおよび外周バリヤー制御ラインは非加圧状態である。図３０Ｄは、外周バリヤー制御ラインおよびバリヤー混合素子ラインに圧力を加え、隔離バルブおよび分離バルブを起動して隣り合うチャンバ３０５０および３０５２を定めることを示す。図３０Ｅは、第一の成分および第二の成分をそれぞれの流れチャンネルに沿って流すことによって、チャンバにこれらの物質を装填することを示す。図３０Ｆは、垂直区画化制御ライン３０２５に圧力を加えて孤立させ、隣り合うチャンバを定めることを示す。
【０１９７】
図３０Ｇは、混合バリヤー制御チャンネルの圧力を減らして分離バリヤーバルブを非作動状態にし、それによって隣り合うチャンバの中にある異なる成分が自由に混合することを可能にすることを示す。
【０１９８】
図３０Ｈは、バリヤー分離制御ラインを非作動状態にして分離バルブを非作動状態にし、続いて制御ラインに圧力を加えてマルチプレクサを非作動状態にし、一緒になった混合物を回収することを可能にすることを示す。
【０１９９】
図３０Ａ〜Ｈに示した装置の場合、二つの異なる試薬を別々に装填し、一対一に混合し、選択的に回収することができる。これによって、２５６個のサブナノリットル反応チャンバの中で個別のアッセイを実行し、特に興味ある試薬を回収することが可能になる。このミクロチャンネルレイアウトは列あたり６４チャンバからなる流れ層の中の中央列４本からなり、各チャンバは区画化および混合後に〜７５０ｐＬの液体を含む。液体は低い外部圧力（〜２０ｋＰａ）下で二つの別個の入口を通してこれらの列の中に装填され、蛇行方式でアレイを満たす。制御層のバリヤーバルブは、試料流体を互いから、および個々のチャンバのそれぞれの内容物を回収するために用いられる流れ層のチャンネルネットワークから孤立させるために機能する。これらのネットワークはマルチプレクサおよびその他のいくつかの制御バルブの制御下で機能する。
【０２００】
制御チャンネルは、空気圧で作動する前に、まず水で行き止まり充填する。流れチャンネルの末端の圧縮空気はバルクの多孔性シリコーンの中に浸透させられる。この手順によってバルブを作動したときの流れ層の中への気体の浸透、ならびに流れ層の中に含まれている液体の蒸発の可能性を除く。エラストマーバルブは電子スイッチに類似し、流体輸送に対して高インピーダンスバリヤーとして働く。
【０２０１】
装置配管を実証するために、流体入口ラインを二つの色素で満たし、列の中の単一のチャンバの内容物の装填、区画化、混合およびパージのプロセスの例を示す。
【０２０２】
図３１Ａ〜Ｄは、動作中のコンパレータの一部を示す光学顕微鏡写真の組を示す。単一の列の中のチャンバのサブセットを画像化した。エラストマーミクロバルブによって、青色および黄色の溶液を用いて、チップ上の２５６個のチャンバのそれぞれを独立に区画化し、一対一に混合し、選択的にパージすることが可能になる。１８本の外界への配線だけを用いて、チップ上の２５６個のチャンバのそれぞれを独立にアドレスし、そのそれぞれの内容物を将来の分析用に回収することができ、ミクロ流体回路の集積的な性質の例を示している。
【０２０３】
図３０の中の図３０Ａの大規模集積ミクロ流体装置をミクロ流体コンパレータとして用いて、特定の酵素の発現を検査した。ある個体数のバクテリアを装置中に装填し、蛍光発色性基質システムによって、蛍光性の産物の形で増幅された出力信号を提供する。入力信号が標準しきい値を越えると大きな出力信号を提供するように電子コンパレータ回路を設計する。オペアンプによって入力信号を標準に対して増幅し、強制的に高状態または低状態にする。図３０Ａに例を示したミクロ流体コンパレータ構造では、非蛍光性のレゾルフィン誘導体アンプレックスレッド（Ａｍｐｌｅｘ  Ｒｅｄ）が標準信号として機能する。入力信号は組換えチトクロームｃペルオキシダーゼ（ＣＣＰ）を発現する大腸菌の懸濁液からなる。この酵素は回路中で化学増幅器として機能する。
【０２０４】
図３２Ａは、酵素および蛍光発色性基質を用いるミクロ流体コンパレータ論理回路の概略図を示す。入力信号チャンバが酵素ＣＣＰを発現する細胞を含むと、非蛍光性のアンプレックスレッドは蛍光性の産物（レゾルフィン）に変換される。ＣＣＰがなければ出力信号は低状態のままである。
【０２０５】
各列の中央混合バリヤーを閉めて細胞および基質を別個の入力チャンネルの中に装填し、青色および橙赤色の色素の場合に例を示した手順とまったく同じように区分化した。細胞希釈（融合培養物の１：１０００）によって〜０．２細胞／区画の中点分布を創り出し、蛍光顕微鏡によって確認した。
【０２０６】
基質サブ区画と細胞サブ区画との間のバリヤーを２、３分間開き、基質が細胞混合物を含む区画中に拡散することを可能にする。それからバリヤーを閉め、反応体積を小さくして反応の信号／雑音を改善する。
【０２０７】
室温で１時間培養した後、改造型ＤＮＡミクロアレイスキャナー（アクソン・インダストリーズ（Ａｘｏｎ  Ｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓ）のジーンピックス（ＧｅｎｅＰｉｘ）４０００Ｂ）を用いて（λ励起＝５３２ｎｍ、λ発光＝５９０  ＤＳ  ４０）チップを走査する。細胞のない区画の中の信号は低状態のままであるが、個別チャンバの中にＣＣＰ発現細胞が一つ以上存在すると、アンプレックスレッドが蛍光性の化合物レゾルフィンに変換されるにつれて、強い増幅された出力信号が発生する。
【０２０８】
本発明によるＬＳＩミクロ流体構造からの信号の検出に用いられるスキャナーの一つの例は、カリフォルニア州（Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）ユニオン・シティー（Ｕｎｉｏｎ  Ｃｉｔｙ）のアクソン・インスツルメント社（Ａｘｏｎ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，  Ｉｎｃ．）によって製造されたジーンピックス４０００Ｂスキャナーである。ジーンピックス４０００Ｂは、当初ＤＮＡアレイチップ走査用に設計され、それそれぞれＣｙ３／Ｃｙ５蛍光色素用に最適化された二つのレーザー（５３２／６３５ｍｍ）を有する。通常、ジーンピックスは３個の較正されたサファイヤマウント上に置かれたＣｙ３／Ｃｙ５標識化ＤＮＡプローブで被覆されたスライドの底面を走査することによって機能する。しかし、このスキャナーにはいくつかの制約があり、ミクロ流体チップのスクリーニング装置として最適とは言えない。まず、我々の実験で用いられている現行のミクロ流体装置は、２５×２５ｍｍのナンバー１カバーガラス（厚さ１３０〜１７０ｕｍ）にボンディングされている。レーザー焦点面はソフトウェアインターフェースによって調節することができるが、カバーガラスの５０ｕｍの深さまで透過することができるだけであり、チャンネルは若干焦点から外れてしまう。しかし、得られる解像度はそれでもチャンネルの中の蛍光測定には十分である。
【０２０９】
探索されている第二のオプションは、較正されたマウントのミクロ流体チップを取り外し、スライドホルダーの背面に取り付けることである。この位置にすると、チップはレンズのより近くに配置され、前記のソフトウェア制御された焦点面範囲の範囲内に入る。この方法の不利な点はチップがレーザー光線に対して若干垂直から外れ、チップ上に人為的な強度勾配が生じることである。この勾配は分析中に補償することができる。ジーンピックススキャナーが最適状態で使用できない別の特性は、ミクロ流体チップをいくつかの配管ラインに接続するとき、ミクロ流体チップを安定させるハードウェアが欠けていることである。この点については、チップの上面に重りを加えることよって補償すれば解決できる。重りは、走査プロセスの間に人為的なノイズを創り出すレーザー光線の散乱を防ぐために、非反射性のものにした方がよい。
【０２１０】
ナンバー１カバーガラスをスペーサとして、スライドホルダーの背面にアンプレックスレッド溶液（ネガ制御、〜１００μＭを満たした図３０Ａのチップを置くことによって、ハードウェアによる焦点設定の効果を測定した。重りでチップを押さえ付け、同一のスポットで焦点設定を変化させて蛍光を連続的に測定した。基質の光透過率低下または光活性化によって生じる可能性のあるなんらかの効果を評価するため、読み取りは二度行なった。測定の結果によると、蛍光測定値は最適焦点から±１５μｍの範囲ではある程度一定であったが、そこから外れると急速に低下した。
【０２１１】
図３２Ｂは、コンパレータモードのチップの走査蛍光画像を示す。列の左半分は、アンプレックスレッドとの混合反応後の無菌ＰＢＳ（１３７ｍＭ  ＮａＣｌ、２．６８ｍＭ  ＫＣｌ、１０．１ｍＭ  Ｎａ２ＨＰ０４、１．７６ｍＭ  ＫＨ２ＰＯ４、ｐＨ７．４）中のＣＣＰ発現大腸菌の希薄溶液である。矢印は単一の細胞を含むチャンバを示す。細胞が入っていないチャンバは低い蛍光を示す。変換された産物（レゾルフィン）は緑色の信号としてはっきりと眼に見える。列の右の半分は触媒されていないアンプレックスレッド基質である。出力信号がＣＣＰ活性の関数であることを検証するために、ＣＣＰまたは強化緑色蛍光蛋白質（ｅＧＦＰ）のどちらかを発現する大腸菌の不均一混合物を用いて類似の実験を実施した。増幅された出力信号は個別のチャンバの中のＣＣＰを発現する細胞の数にだけ依存していた。
【０２１２】
図３２ＣはμＨＴＳコンパレータ、および出力信号に対する対照用ｅＧＦＰ発現細胞とＣＣＰ発現細胞との不均一混合物の影響を示す。ｅＧＦＰまたはＣＣＰのどちらかを発現する大腸菌細胞を含む個別のコンパレータチャンバで、レゾルフィン蛍光測定（λ励起＝５３２ｎｍ、λ発光＝５９０ｎｍ）を行なった。ＣＣＰ発現細胞が存在するときだけ信号の強い増加があり、ｅＧＦＰ発現細胞からは信号に対する効果はほとんどなかった。縦軸は相対蛍光単位（ＲＦＵ）、誤差バーは中点ＲＦＵから１標準偏差を表す。
【０２１３】
一つのチャンバを選び、次にチャンバの内容物を収集出口にパージすることによって、チップからの回収を実現することができる。チップの中の各列は別個の出口を有し、各列からのチャンバを相互汚染なしで収集することを可能にする。
【０２１４】
収集プロセスの有効性の例を示すために、ＧＦＰを発現する大腸菌の希薄なリン酸塩緩衝食塩水（ＰＢＳ）溶液をチップの中に注入した。区画化した後、ほぼ一つおきのチャンバがバクテリアを含んでいた。水銀ランプおよびＧＦＰフィルタセットを装備した倒立光学顕微鏡（オリンパス（Ｏｌｙｍｐｕｓ）ＩＸ５０）を用いて、２０×対物レンズで単一のＧＦＰ細胞を特定し、それぞれのチャンバをパージした。
【０２１５】
パージした細胞を、細胞接着性の低いポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）配管を用いて出口から収集した。蛍光フィルタセットを用いる４０×オイル液浸レンズの下での収集した液体試料の可視化、および回収したバクテリアを接種したルリア‐ベルターニ（Ｌｕｒｉａ‐Ｂｅｒｔａｎｉ、ＬＢ）培地プレート上での単一コロニー成長の観測によって、単一のＧＦＰ発現バクテリアの単離を確認した。エラストマーミクロ流体装置中でＤＮＡの単一分子を効果的に操作することができることが示されているので、将来の用途ではこのやり方で個別分子または分子クラスターを選び、または操作することが可能である。
【０２１６】
電子コンパレータの性能は理想的ではない。例えば、有限のノイズレベルがあり、絶対的な電圧および電流の限界があり、入力での漏れ電流がある等々である。これらの制約のあるものは装置用に用いられている物質の固有の性質から生じるが、他のあるものは製造上の許容度または設計上の制限のどちらかによる。集積流体回路の性能にも類似の不完全さの問題がある。
【０２１７】
（６．作製技法）
図２９Ａおよび３０Ａにそれぞれ示した貯蔵アレイおよびコンパレータミクロ流体装置は、二つの別個の層を用いる多層ソフトリソグラフィー技法によって作製した。制御されるチャンネルのネットワークを含む「流れ層」の上に、バルブを作動させるために必要なすべてのチャンネルを収容する「制御」層を配置する。制御チャンネルが流れチャンネルと交差するところにバルブを創り出す。その結果二つのチャンネルの間の接合部に造られた薄膜は、流体または空気作動によって変形することができる。すべての生物アッセイおよび流体操作は「流れ」層で実施される。
【０２１８】
ポジ型フォトレジスト（シプレーＳＪＲ５７４０）をシリコン上に９μｍの高さにスピンコーティングし、高分解能（３３８６ｄｐｉ（ドット／インチ））透明マスクを用いてパターニングすることによってミクロ流体チャンネル用の母型を作った。フォトレジストの型のチャンネルを１２０℃で２０分間処理して丸みをつけ、完全なバルブ閉鎖を可能にする幾何学的形状を創り出した。
【０２１９】
フォトレジストの型からキャストした二部硬化シリコーン（ダウ・コーニング（Ｄｏｗ  Ｃｏｒｎｉｎｇ）のシルガード１８４）の二つの層をボンディングして一体化することによって装置を作製した。「流れ」チャンネルを含む装置の底層を２０：１部Ａ：Ｂシルガードを用いて２５００ｒｐｍで１分間スピンコーティングした。その結果形成されるシリコーン層は厚さ〜３０μｍである。別の型を用いて、５：１部Ａ：Ｂシルガードを用いて制御チャンネルを含む装置の上層を厚い層（厚さ〜０．５ｃｍ）としてキャストする。二つの層をまず８０℃で３０分間硬化する。
【０２２０】
厚い層（型から取り外して）を通して制御チャンネル相互接続孔を穿孔し、次にチャンネル側を下にして厚い層を薄い層の上にそれぞれのチャンネルネットワークを位置合わせして密着させる。８０℃でさらに４５〜６０分間装置を硬化させることによって、組立てられた層の間のボンディングを実現する。その結果形成された多層装置をサイズに切断し、ＲＣＡ洗浄した２５ｍｍ平方のナンバー１ガラスのカバーガラス上、または５：１部Ａ：Ｂシルガードを５０００ｒｐｍでスピンコートし、８０℃で３０分間硬化したカバーガラスの上に固定し、続いて８０℃で一夜インキュベーションする。
【０２２１】
流れチャンネルの寸法を固定（幅１００μｍおよび高さ９μｍ）して、変化する幅の制御チャンネルを作製することによって、複数の非連続な流れチャンネルに同時にアドレスすることを実現する。流れチャンネルを閉めるために必要な制御チャンネルの中の空気圧は制御チャンネルの幅に比例し、そのため比較的低い圧力（〜４０ｋＰａ）で１００μｍ×１００μｍのバルブを作動させることは簡単であり、もっと高い作動しきい値を有する５０μｍ×１００μｍのクロスオーバー領域を閉めてしまうことはない。
【０２２２】
シリコーンを通して穿孔した孔の中に挿入した鋼のピンによって、これらの装置の中への流体の導入を実現する。高いヤング率を有する固い物質から作られたミクロ機械加工された装置とは異なり、シリコーンは柔らかく、導入ピンの回りを緊密に密封し、３００ｋＰａまでの圧力を漏れなしで容易に受け入れる。コンピュータ制御外部電磁弁を用いるとマルチプレクサの作動が可能になり、マルチプレクサの作動によって今度は非常に多数のマイクロバルブの複雑なアドレス化が可能になる。
【０２２３】
ＰＤＭＳから作製された流体回路はすべての有機溶剤と適合するわけではなく、特に無極性溶媒の流れは影響を受けることがある。この問題に対しては化学的に抵抗力のあるエラストマーの使用によって対処することができる。ＰＤＭＳ表面に対する受動的または化学的な修飾のどちらかによって、チャンネル壁への分子の非特異的な接着による表面効果を最小にすることができる。
【０２２４】
ミクロ流体回路の中の相互汚染は電子回路の中の漏れ電流に類似し、複雑な現象である。エラストマー自体を通しての小分子の拡散に起因して、一定量の汚染が起こる。本検討中の例で用いられている有機色素および他の小分子ではこの効果は障害とはならないが、あるレベルおよび性能要件では制限となることがある。
【０２２５】
相互汚染は、任意の特定の回路の設計によって効果を軽減することができる設計問題でもある。回収動作中の相互汚染を防ぐために、４つの列がそれぞれ別個の出口を有する補償スキームを、２５６ウェルのコンパレータチップに導入した。流体回路の複雑さが増大するにつれて、用いられる特定の物質および製作技術の限界を克服して高い性能を得るために、類似の設計規則が進化するであろう。
【０２２６】
メモリおよびコンパレータチップの計算能力は単一のチップ上に多くの流体素子を集積し、制御する能力から導かれる。例えば、マルチプレクサ構成要素によって、指数関数的に大きな数の独立チャンバの個別アドレス化が可能になる。これによって、高スループットスクリーニングおよび他の濃縮用途のための重要な要件である個別試料の選択的な操作または回収が可能になる。それは、生成物の数も指数関数的に増大するコンビナトリアル合成を含む化学的な用途のための有用なツールでもある。
【０２２７】
（７．セグメント化用途）
計算能力の別の例は、複雑なまたは不均一な試料をコンパレータチップで示したように独立に分析することができる扱いやすい分割試料にセグメント化する能力である。例えば、図３０Ａに示したような大規模集積ミクロ流体装置を利用して、不均一な混合物の所望の成分を単離することができる。最初の工程で、垂直区画化バルブの間に一つ以下の可溶性の実体が存在することを確実にするために不均一な混合物を十分に薄めて、蛇行する流れチャンネルの一つに沿って不均一な試料を流すことができる。次に流れを停止させ、垂直区画化バルブを作動させて蛇行する流れチャンネルの中に孤立したセグメントを創り出す。さまざまなセグメントの調査／点検によって特定のセグメントの中に所望の実体が存在することが示された場合、そのセグメントをパージして出力を収集することができる。今説明した実施態様では、一本の流れチャンネルだけを利用し、他の流れチャンネルは空のまま、あるいは緩衝液で満たされ、相互汚染なく所望の実体の収集が可能になる点に注意することが重要である。
【０２２８】
本発明の実施態様による大規模集積ミクロ流体構造を利用するアッセイ法を適用しやすい不均一な混合物は、一般に二つのカテゴリーに分けることができる。不均一混合物の第一のカテゴリーは粒子または分子を含む。そのような粒子を列挙すると、原核細胞、真核細胞、ファージ／ウイルス、ならびにビーズまたはその他の非生物粒子が含まれるが、これらに限定はされない。
【０２２９】
本アッセイ用のそのような粒子の混合物の一つの例は、それぞれが遺伝子、遺伝子のセグメント、または興味の対象の何らかの配列を含む特定のＤＮＡ配列を含むプラスミドを収容しているバクテリアの不均一混合物である。例えば所望の特性を生じる特定の酵素または蛋白質をコードする遺伝子を収容するバクテリアを特定することによって、本アッセイを行なうと所望のＤＮＡ配列を含むバクテリアを選ぶことができる。
【０２３０】
本発明によるＬＳＩミクロ流体構造による本アッセイ用の粒子混合物の別の例は、真核細胞の不均一混合物を含む。そのような混合物に対して本アッセイを実施すると、特定の抗体を発現するハイブリドーマ細胞を選ぶことができる。
【０２３１】
本発明によるＬＳＩミクロ流体構造による本アッセイ用の粒子混合物のさらに別の例は、表面に組換え蛋白質を提示するファージの不均一混合物を含む。そのような混合物に対して本アッセイを実施すると、所望の特性を有する蛋白質を提示するファージを選ぶことができる。
【０２３２】
本発明によるＬＳＩミクロ流体構造による本アッセイ用の粒子混合物のまた別の例は、それぞれが特定の蛋白質、核酸、ペプチド、または有機分子などの単一の分子型で被覆されたビーズの不均一混合物を含む。そのような混合物に対して本アッセイを実施すると、求められている特性を有する分子で被覆されたビーズを選ぶことができる。
【０２３３】
本発明の実施態様による大規模集積ミクロ流体構造を利用して、分子の不均一混合物に対してアッセイを実施することもできる。ＤＮＡは、ポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）技法を利用する増幅に対する固有の能力によって、そのようなアプローチに適している。一旦増幅すれば、増幅された鋳型分子のインビトロ転写／翻訳などの下流法をＤＮＡに適用することができる。
【０２３４】
アッセイ用分子のそのような混合物の一つの例は、種々の遺伝子または同じ遺伝子のクローンのどちらかを含む直線形または円形の鋳型の不均一混合物である。増幅およびインビトロ転写／翻訳に続いてアッセイを行うことによって、産物（蛋白質）が所望の特性（単数または複数）を示す鋳型を選ぶことができる。
【０２３５】
本発明によるＬＳＩミクロ流体構造によるアッセイ用の分子混合物の別の例は、単にさまざまな配列の直線形または円形の鋳型の不均一混合物を含む。アッセイによって、増幅された産物（ＤＮＡ）が所望の特性を示す鋳型を選ぶことができる。
【０２３６】
本発明によるＬＳＩミクロ流体構造によるアッセイ用の分子混合物のさらに別の例は、ｃＤＮＡを含む。増幅された産物（ＤＮＡ）または最終的な産物（蛋白質／ペプチド）が所望の特性を有するｃＤＮＡクローンを選ぶアッセイを実施することができる。
【０２３７】
本発明によるＬＳＩミクロ流体構造によるアッセイ用の分子混合物の別の例は、ｍＲＮＡの混合物を含む。アッセイによって、産物（ＤＮＡまたは蛋白質）が所望の特性を示すｍＲＮＡ鋳型を選ぶことができる。
【０２３８】
本発明によるＬＳＩミクロ流体構造によるアッセイ用の分子混合物の別の例は、ゲノムＤＮＡを含む。アッセイによって、所望の特性を示す、すなわち一定のサイズおよび／または配列のアンプリコンを示すゲノムまたは染色体を選ぶことができる。
【０２３９】
本発明の実施態様による大規模集積ミクロ流体構造を利用して、核酸以外を含む分子混合物に対してアッセイを実施することもできる。例えば、酵素などの蛋白質の分子は基質のターンオーバーによって信号増幅を生ずるので、これらの分子の混合物を分析することができる。本アッセイによって、所望の活性および／または特異性を有する分子を選ぶことができる。
【０２４０】
以下の技法を使用して、本発明の実施態様によるＬＳＩミクロ流体構造を利用して分離排出される粒子または分子を検出することができる。光学顕微鏡または蛍光のどちらかによってビーズ、原核細胞および真核細胞を検出することができる。ファージ／ウイルス、増幅されていないＤＮＡ、蛋白質およびペプチドなど非常に小さな試料は蛍光技術を利用して検出可能なことがある。さらに、マイクロエレクトロメカニクス（ＭＥＭＳ）技法を使用すると、単一の分子の蛍光さえ検出することが可能になることがある。
【０２４１】
多数のアッセイを利用して、本発明によるＬＳＩミクロ流体装置を利用して分離された実体の特定の特性を検出することができる。例えば、さまざまな結合アッセイを利用してＤＮＡ、蛋白質およびペプチドの間のすべての組合せ（すなわち蛋白質‐蛋白質、ＤＮＡ‐蛋白質、ＤＮＡ‐ＤＮＡ、蛋白質‐ペプチドなど）を検出することができる。結合アッセイの例はＥＬＩＳＡ、ＦＲＥＴおよびオートラジオグラフィーを含むが、それらに限定はされない。
【０２４２】
さまざまな官能基アッセイを利用して、目標中の化学変化を検出することができる。官能基アッセイによって検出可能なそのような変化の例は、１）酵素による非蛍光基質の蛍光性基質へのターンオーバー、２）酵素による非発色性基質の発色性基質への、または一つの色から別の色へのターンオーバー、３）化学発光信号を発生させる酵素によるターンオーバー、および４）オートラジオグラフィーを含むがそれらに限定はされない。
【０２４３】
拡散混合によって、さまざまな物質の均一溶液を互いに対してスクリーニングすることができる。多数の用途がこの型のアッセイに適している。そのような用途の一つの例は、特定のＤＮＡ配列（すなわち遺伝子）または機能の存在を指標として分離されたｃＤＮＡライブラリークローンをスクリーニングすることである。そのような用途の別の例は、ペプチドライブラリー、有機分子ライブラリー、オリゴマーライブラリーおよび塩溶液などの小分子を含むがそれらには限定されない化学ライブラリーのスクリーニングである。酵素反応との干渉、特定の結合の撹乱、特定の結合、蛋白質（小分子／塩溶液）の結晶化を引き起こす能力、基質として機能する能力などの特定の機能を指標として化学ライブラリーをスクリーニングすることができる。
【０２４４】
その他のセグメント化用途は、均一試料を独立した化学的方法を用いて別々に分析することができる分割量に小分けすることを必要とする。例えば、図３０に示したような大規模集積ミクロ流体装置を利用して、多数の種々の反応剤に曝露することによって、均一混合物のこれらの個々の実体をスクリーニングすることができる。最初の工程では、細長い流れチャンネルを通して均一試料を流すことができる。次に流れを停止させ、垂直区画化バルブを作動させて互いから孤立した反応チャンバセグメントを創り出す。次に、それぞれの流れチャンネルを通して互いに素性または濃度が異なるさまざまな化学種をセグメントのそれぞれに流し、間を仕切るバリヤーバルブを非作動状態にすることによって混合することができる。その結果生じる混合物の変化を観測すると、均一な実体に関する情報を明らかにすることができる。
【０２４５】
均一なセグメント化用途では１＊ｍスクリーニング、すなわち一つの均一な溶液を図３０Ａの構造の中の２５６個の他の溶液に対してスクリーニングすることが可能である。まず、評価される溶液を別々に２５６回試料入口の中に装填する。次に、サンドイッチバリヤーを用いてチャンバを区分化する。
【０２４６】
今度は、マルチプレクサを用いて基質蛇行チャンバの中に異なる溶液を行き止まり装填することが可能である。相互汚染ならびにパージおよび相互汚染に伴う問題を回避するために、サンドイッチバリヤーを二つの別個のバルブに切り離し、一つのバルブによって基質蛇行チャンバだけを区分化し、第二のバルブによって試料蛇行チャンバを区分化することができる。
【０２４７】
両方のサンドイッチバリヤーを閉めて基質および試料蛇行チャンバを区分化することによって、マルチプレクサを流体の経路指定に用いて２５６行のそれぞれの中に異なる溶液を導入することができる。この目的のために、パージ入口の代わりに試料収集ポートを流体導入用に用いると有利である。
【０２４８】
２５６行のそれぞれが別個の均一溶液を含んだら、すべてのバリヤーバルブおよび混合バリヤーを閉めることができる。この装填に続いて基質蛇行チャンバまたは試料蛇行チャンバを評価する溶液でパージする。この工程の間、基質蛇行チャンバは区分化されたままであるが、試料蛇行チャンバの中には新しい流体が導入され、２５６個の隣接するチャンバが新しい均一な流体で満たされることを可能にすることによって、切り離しは有用である。混合バリヤーを開けることによって、拡散混合による２５６個の実験を実施することができる。
【０２４９】
要約すると、以上に説明した装置は、ミクロ流体ＬＳＩを用いてほとんど任意の複雑さを有する複雑な流体回路を作製することができることを示す。強力なバルブマルチプレクス化と組み合わされた迅速で簡単な作製手順を用いて、高スループットスクリーニング用途から新しい液体ディスプレイ技術の設計に至る多くの用途に適するチップを設計することができる。本プロセスの拡大縮小能力によって、さらに高い密度の機能バルブ素子さえ有する堅牢なミクロ流体装置を設計することが可能になる。
【０２５０】
本明細書では、本発明の特定の実施態様を参照して本発明を説明してきたが、上記の開示は一定の範囲の変更、さまざまな変化および置き換えを含むものとし、ある場合には示された本発明の範囲から逸脱することなく、本発明のいくつかの特徴がその他の特徴の対応する使用なしに使用されることが理解されよう。従って、特定の状況または物質を本発明の教示に適応させるために、本発明の本質的な範囲および技術思想から逸脱することなく、多くの変更を行なうことができる。本発明は、本発明を実施するために意図される最善のモードとして開示された特定の実施態様に限定されるものではなく、本発明は請求項の範囲に属するすべての実施態様および等価物を含むものとする。
【図面の簡単な説明】
【０２５１】
【図１】図１は、ミクロ機械加工された型の上に作製された第一のエラストマー層の例である。
【図２】図２は、ミクロ機械加工された型の上に作製された第二のエラストマー層の例である。
【図３】図３は、ミクロ機械加工された型から取り外され、図１のエラストマー層の上に配置された図２のエラストマー層の例である。
【図４】図４は、図３に対応しているが、第一のエラストマー層の上に位置決めされた第二のエラストマー層を示す例である。
【図５】図５は、図４に対応しているが、ボンディングによって一体化された第一のエラストマー層と第二のエラストマー層とを示す例である。
【図６】図６は、図５に対応しているが、取り外された第一のミクロ機械加工された型、および型に代わって置かれた平面基板を示す例である。
【図７Ａ】図７Ａは、図６に対応しているが、平面基板上に密着したエラストマー構造体を示す例である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、図７Ａに対応し、開放流れチャンネルを示す正面断面図である。
【図７Ｃ】図７Ｃ〜７Ｇは、別のエラストマー層から作製された膜を有するエラストマー構造体を作製する方法の工程を示す例である。
【図７Ｄ】図７Ｃ〜７Ｇは、別のエラストマー層から作製された膜を有するエラストマー構造体を作製する方法の工程を示す例である。
【図７Ｅ】図７Ｃ〜７Ｇは、別のエラストマー層から作製された膜を有するエラストマー構造体を作製する方法の工程を示す例である。
【図７Ｆ】図７Ｃ〜７Ｇは、別のエラストマー層から作製された膜を有するエラストマー構造体を作製する方法の工程を示す例である。
【図７Ｇ】図７Ｃ〜７Ｇは、別のエラストマー層から作製された膜を有するエラストマー構造体を作製する方法の工程を示す例である。
【図７Ｈ】図７Ｈは、作動状態の図７Ｂのバルブを示す正面断面図である。
【図８】図８Ａおよび８Ｂは、さまざまな流れチャンネルについて、加えられた圧力に対するバルブ開口率を示す。
【図９】図９は、１００μｍ×１００μｍ×１０μｍのＲＴＶミクロバルブの時間応答を示す。
【図１０】図１０は、膜の作動を示す図７Ｂのバルブの正面断面図である。
【図１１】図１１は、上面が湾曲した流れチャンネルを有するバルブの別の実施態様の正面断面図である。
【図１２Ａ】図１２Ａは、オン／オフバルブの上面概略図である。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、図１２Ａの線２３Ｂ‐２３Ｂに沿った断面立面図である。
【図１３Ａ】図１３Ａは、蠕動ポンプシステムの上面概略図である。
【図１３Ｂ】図１３Ｂは、図１３Ａの線２４Ｂ‐２４Ｂに沿った断面立面図である。
【図１４】図１４は、図１３の蠕動ポンプシステムの実施態様について、実験的に達成されたポンプ速度対周波数を示すグラフである。
【図１５Ａ】図１５Ａは、複数の流れラインを同時に作動させる一つの制御ラインの上面概略図である。
【図１５Ｂ】図１５Ｂは、図１５Ａの線２６Ｂ‐２６Ｂに沿った断面立面図である。
【図１６】図１６はさまざまなチャンネル中の流れを可能にするに適するマルチプレックス化されたシステムの概略例である。
【図１７】図１７Ａ〜Ｄは切り替え可能な流れアレイの一つの実施態様の平面図を示す。
【図１８】図１８Ａ〜Ｄは、細胞囲いアレイ構造の一つの実施態様の平面図を示す。
【図１９Ａ】図１９Ａは、二進法ツリーミクロ流体マルチプレクサ動作ダイヤグラムの例を表す簡略化された平面図を示す。
【図１９Ｂ】図１９Ｂは、三進法ツリーミクロ流体マルチプレクサ動作ダイヤグラムの例を表す簡略化された平面図を示す。
【図２０】図２０は、図１９Ａ〜Ｂの装置の一般的なミクロ流体構築物の簡略化された断面図を示す。
【図２１】図２１は、制御チャンネルを利用して他の制御チャンネルを制御するミクロ流体構造の実施態様の簡略化された平面図を示す。
【図２１Ａ】図２１Ａは、線２１Ａ‐２１Ａ′に沿って描いた図２１の構造の簡略化された断面図を示す。
【図２１Ｂ】図２１Ｂは、線２１Ｂ‐２１Ｂ′に沿って描いた図２１の構造の簡略化された断面図を示す。
【図２２】図２２は、図２１〜２１Ｂの装置の一般的なミクロ流体構築物の簡略化された断面図を示す。
【図２３】図２３は、制御チャンネルを利用して他の制御チャンネルを制御するミクロ流体構造の別の実施態様の簡略化された平面図を示す。
【図２３Ａ】図２３Ａは、線２３Ａ‐２３Ａ′に沿って描いた図２３の構造の簡略化された断面図を示す。
【図２３Ｂ】図２３Ｂは、線２３Ｂ‐２３Ｂ′に沿って描いた図２３の構造の簡略化された断面図を示す。
【図２４】図２４は、図２３〜２３Ｂの装置の一般的なミクロ流体構築物の簡略化された断面図を示す。
【図２５】図２５は、他の制御ラインによる制御ラインの制御を利用する装置の別の実施態様の一般的なミクロ流体構築物の簡略化された断面図を示す。
【図２６】図２６は、本発明による逆マルチプレクサ構造の一つの実施態様の簡略化された平面図を示す。
【図２７】図２７は、本発明によるカスケード化されたマルチプレクサ構造の一つの実施態様の簡略化された平面図を示す。
【図２８】図２８は、本発明による変更形マルチプレクサの実施態様の簡略化された平面図を示す。
【図２９Ａ】図２９Ａは、ミクロ流体メモリ記憶装置の光学顕微鏡写真を示す。
【図２９Ｂ】図２９Ｂは、図２９Ａに示したチップの選ばれた行の中の単一のチャンバについて、パージ機構を示す簡略化および拡大された平面図である。
【図２９Ｃ】図２９Ｃ〜Ｆは、図２９Ａのアレイの簡略化された拡大図であり、個々の貯蔵場所の装填およびパージ法を示す。
【図２９Ｄ】図２９Ｃ〜Ｆは、図２９Ａのアレイの簡略化された拡大図であり、個々の貯蔵場所の装填およびパージ法を示す。
【図２９Ｅ】図２９Ｃ〜Ｆは、図２９Ａのアレイの簡略化された拡大図であり、個々の貯蔵場所の装填およびパージ法を示す。
【図２９Ｆ】図２９Ｃ〜Ｆは、図２９Ａのアレイの簡略化された拡大図であり、個々の貯蔵場所の装填およびパージ法を示す。
【図２９Ｇ】図２９Ｇは、ミクロ流体メモリディスプレイの実証例を示す。
【図３０Ａ】図３０Ａは、ミクロ流体コンパレータチップの光学顕微鏡写真を示す。
【図３０Ｂ】図３０Ｂは、図３０Ａのミクロ流体コンパレータチップの簡略化された概略図である。
【図３０Ｃ】図３０Ｃ〜Ｈは、図３０Ａのミクロ流体構造のチャンバの装填を示す拡大された簡略化平面図である。
【図３０Ｄ】図３０Ｃ〜Ｈは、図３０Ａのミクロ流体構造のチャンバの装填を示す拡大された簡略化平面図である。
【図３０Ｅ】図３０Ｃ〜Ｈは、図３０Ａのミクロ流体構造のチャンバの装填を示す拡大された簡略化平面図である。
【図３０Ｆ】図３０Ｃ〜Ｈは、図３０Ａのミクロ流体構造のチャンバの装填を示す拡大された簡略化平面図である。
【図３０Ｇ】図３０Ｃ〜Ｈは、図３０Ａのミクロ流体構造のチャンバの装填を示す拡大された簡略化平面図である。
【図３０Ｈ】図３０Ｃ〜Ｈは、図３０Ａのミクロ流体構造のチャンバの装填を示す拡大された簡略化平面図である。
【図３１】図３１Ａ〜Ｄは、動作中のコンパレータの一部分を示す光学顕微鏡写真の組である。
【図３２Ａ】図３２Ａは、酵素および蛍光発色性基質を用いるミクロ流体コンパレータ論理回路の概略図を示す。
【図３２Ｂ】図３２Ｂは、コンパレータモードのチップの走査蛍光画像を示す。
【図３２Ｃ】図３２Ｃは、μＨＴＳコンパレータ、および出力信号に対するｅＧＦＰ発現参照細胞およびＣＣＰ発現細胞の不均一混合物の影響を示す。
【図３３】図３３は、さまざまな底ｎのマルチプレクサ構造について、制御される流れラインの数に対する制御ラインの数をプロットしている。
【図３４】図３４Ａ〜Ｃは、本発明の実施態様による垂直片方向バルブの実施態様の構造および動作の例を表す簡略化された断面図を示す。
【図３５】図３５Ａ〜Ｄは、本発明によるミクロ流体ディスプレイ装置の一つの画素の構造および動作の例を表す簡略化された断面図を示す。
【図３６】図３６は、本発明によるディスプレイ装置の一つの画素の構造および動作の例を表すディスプレイ簡略化断面図の一つの実施態様の平面図を示す。
【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８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図３０Ａ】
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【図３０Ｂ】
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【図３０Ｃ】
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【図３０Ｄ】
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【図３０Ｅ】
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【図３０Ｆ】
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【図３０Ｇ】
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【図３０Ｈ】
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【図３２Ａ】
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【図３２Ｃ】
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【図３３】
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【図３５】
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【図３６】
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【国際調査報告】
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