(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
それぞれが合流端部とポート端部とを有し、該合流端部において接合されて第１の合流点を形成する、第１、第２、第３のマイクロチャネルと、
該第１、第２、および第３のマイクロチャネルの該ポート端部に各々取り付けられた、第１、第２、および第３の液槽と、
第１の推進圧力Ｐ1、第２の推進圧力Ｐ2，および第３の推進圧力Ｐ3を該第１、第２、および第３に各々付与し、第１の切替状態ではＰ1がＰ2より高いかまたは低く、且つＰ3が該第１の合流点における圧力ＰJにほぼ等しい圧力制御手段と、
該圧力制御手段に接続され、該第１、第２、または第３の推進圧力を、Ｐ1′がＰ3′より高いかまたは低く、且つＰ2′が該第１の合流点における圧力ＰJ′にほぼ等しい第２の切替状態に切替える切替手段と
を有する、液体マイクロスイッチ。
【請求項２】
前記第１の切替状態がＰ1＞Ｐ2であり、且つ前記第２の切替状態がＰ1′＞Ｐ3′である、請求項１に記載のマイクロスイッチ。
【請求項３】
前記第１の切替状態がＰ1＜Ｐ2であり、且つ前記第２の切替状態がＰ1′＜Ｐ3′である、請求項１に記載のマイクロスイッチ。
【請求項４】
前記第１の切替状態がＰ1＞Ｐ2であり、且つ前記第２の切替状態Ｐ1′＜Ｐ3′である、請求項１に記載のマイクロスイッチ。
【請求項５】
前記切替手段が前記推進圧力の２つを同時に切り替える、請求項１に記載のマイクロスイッチ。
【請求項６】
前記切替手段が前記推進圧力の３つ全てを同時に切り替える、請求項５に記載のマイクロスイッチ。
【請求項７】
前記推進圧力が、Ｐ2′＝Ｐ3且つＰ3′＝Ｐ2となるように切り替えられる、請求項５に記載のマイクロスイッチ。
【請求項８】
前記第２および第３のチャネルのチャネル寸法が等しい、請求項７に記載のマイクロスイッチ。
【請求項９】
前記マイクロチャネルの１つの上にフローセンサをさらに含む、請求項１に記載のマイクロスイッチ。
【請求項１０】
第１、第２、および第３のマイクロチャネルの合流点において液体フローの経路を切り替える方法であって、
第１の推進圧力Ｐ1、第２の推進圧力Ｐ2，および第３の推進圧力Ｐ3を、該第１、第２、および第３のマイクロチャネルの後部に各々付与し、Ｐ1がＰ2より高いかまたは低く、且つＰ3が該合流点における圧力ＰJにほぼ等しい工程と、
該第１、第２、第３の推進圧力を、Ｐ1′がＰ3′より高いかまたは低く、且つＰ2′が該合流点における圧力ＰJ′にほぼ等しい第２の切替状態に切り替える工程と
を包含する、方法。
【発明の詳細な説明】
発明の属する分野
本発明は、統合型マイクロ流体操作システムマニホルドにおけるフローチャネル間の切替に関する。
発明の背景
ナノリットルサイズの容積の液体の制御を提供する統合型マイクロ流体操作システムは、現在の分析実験の小型化および生物医学的な実験に頻繁に使用される小さなサンプル寸法の操作の両方において、極めて有用である。目標は、サンプルの予備的な処理から、試薬の混合、興味の対象である分析物の分離、分析物の測定、およびさらなる混合、分離ならびに測定段階までの全ての科学的分析を、単一のマイクロ機械加工した装置において実施することである。マイクロ機械加工したコンポーネントのなかでも必要とされるのは、チャネル、バルブ、ポンプ、フローセンサ、混合チャンバ、および光学的検知器である。
分岐または接合するフローチャネルを有するフローマニホルドでは、フロー経路を１つのチャネルから別のチャネルに切り替える必要があり得る。一体の可動部品を有する多数にマイクロバルブが記述されてきた（例えば、Shojiらの、Micromech Microeng.4（1994年）、157〜171頁参照）。それらは当初、ガス状の流体用に開発されたが、現在では、幾つかは、そのうえ液体用に使用されている。可動部品は、例えば、バルブシート、片持粱閉合板、または膜に接して密閉するバルブキャップであり得る。バルブ部品は、ソレノイド、圧電、形状記憶合金、静電気、空気、電磁気、またはバイメタルのアクチュエータを使用して、能動的に動かされ得る。一方向にはフローを流すが逆方向のフローに応じて閉鎖する、受動的なマイクロバルブもある。可動部品を利用するバルブの欠点には、製造の複雑性、経費、およびコンポーネントの脆弱性が含まれる。
電気運動のポンピングは、一体の可動部品を使用せずにマイクロチャネル内部の流体フローを方向づけることが可能である（例えば、Manzらの、Advances in Chromatography 33（1993年）、1〜67頁参照）。マニホルドネットワーク内のそれぞれのキャピラリーが液槽に接続され、電圧が液層内の電極に印加されて、電気浸透的且つ電気泳動的な推進力によって液体を推進する電界を発生させる。マニホルド内部のフロー経路は、印加された電界によって制御される。動電ポンピングは、典型的にはkVの範囲の高い電圧を印加する必要があり、非伝導性のチャネルでのみ実施されることが可能である。平面ガラス装置が十分に適しているのに対して、スイッチは、絶縁層を追加しない限り、シリコンウェハ上に製造することはできない。そのような層は、高圧の電界下では破損しやすい。
壁面付着流体スイッチが、微小規模の流体ロジック回路を構成するために使用されてきた。流体増幅器とも呼ばれるそれぞれのスイッチは、流体入口チャネルと２つの出口チャネルとを有する。１つの出口チャネルに向かう流体噴流の湾曲によって発生した低圧気泡のため、噴流はチャネルの壁に付着する。制御チャネルは、チャネルの合流点付近でそれぞれの出口チャネルを交差する。１つの制御ポートにおける制御圧力の一時的な付与によって、壁面付着は中断され、そして流体フローが反対の出口チャネルに切り替えられる。近年、壁面付着増幅器は、微小規模で実証されてきた（Vollmerらの、Sensors and Actuators 43（1994年）、330〜334頁）。壁面付着増幅器によって切り替えられた流体は、ガス状である。壁面付着効果は、レイノルズ数が低すぎるので、微小規模では液体に関して使用することができない。
発明の要旨
本発明は、交差するマイクロチャネル間で液体フローを高速で切り替えるバルブレスの方法および装置を提供する。液体フローは、外部推進圧力を操作することによって制御される。このスイッチは、製造するには単純であり、一体の可動部品を有しておらず、高い電圧を必要とせず、且つシリコンウェハ内に製造され得る。このスイッチは、流体動力学が慣性力ではなく粘性力によって支配される、レイノルズ数が低い状況（regime）で動作する。このため、本発明のマイクロスイッチは、微小な装置とは本質的に異なる。
このスイッチは交差する３つのマイクロチャネルを有し、このマイクロチャネルは、交差していない端部に液体の入口および出口用に液槽をそれぞれ有する。このスイッチは、それぞれの槽に推進圧力を付与する手段と、推進圧力を切り替える手段とをさらに含む。一方の端部において他方の端部よりも高い圧力を有する液体フローチャネルに関しては、圧力勾配がチャネルに沿って存在し、任意の点における圧力はチャネルに沿った距離に依存する。本発明のマイクロスイッチは、同時に３つのチャネルの合流点における圧力に等しい圧力を第３の槽に付与することによって、第３のチャネルへのフローを防ぎつつ、第１の槽と第２の槽との間で圧力差を付与することによって、第１のチャネルから第２のチャネルへの流体フローを確立するように動作する。１つ以上の推進圧力を切り替えることによって、第２のチャネルへのフローを止めることが可能であり、そして液体フローを第３のチャネルに方向づけし直すことが可能である。スイッチはまた、逆に動作することも可能であり、それにより第１または第２のチャネルのいずれかからの液体を選択して、第３のチャネルに流し込むことが可能である。
本発明は、単一の合流点または複数の合流点で交差する３つより多くのチャネルがフローネットワーク内に含まれている、スイッチをさらに含む。これらは、マニホルドに導入する２つより多くのサンプルまたは試薬の中から選択するために、サンプルを２つより多くの送達先に分離するために、または液体の混合および分離の両方を行うために使用される。
シリコンまたはその他のマイクロ機械加工可能な材料が、スイッチを製造するために使用され得る。好適な実施形態では、チャネルはウェハに前面にエッチングされ、ポートは流体接続のためにウェハを通って裏面までエッチングされる。カバープレートを前面に接合してフローチャネルを密封する。圧力を制御し且つ切り替えるためにレギュレータおよびバルブを備えた圧縮ガスシリンダを用いて、圧力をポートの後部に付与する。
【図面の簡単な説明】
図１は、図１ａ〜図１ｂを含み、第１および第２の出口チャネル間で切り替わる液体フローを示す、マイクロスイッチのマイクロチャネルの平面図である。
図２は、マイクロチャネルの断面図である。
図３は、図３ａ〜図３ｂを含み、圧力が（ａ）単一のチャネルで、および（ｂ）２つのチャネルで同時の切り替えられる、圧力制御および切替手段の模式図である。
図４は、必要な推進圧力を計算するために使用される数量を示す。
図５は、マイクロスイッチチャネル上のフローセンサを示す。
図６は、マイクロスイッチを使用して粒子を分類するフローサイトメータである。
図７は、図７ａ〜図７ｂを含み、（ａ）２つの三チャネル合流点および（ｂ）四チャネル合流点を有するマイクロスイッチを示す。
図８は、第１の出口チャネルから第２の出口チャネルに切り替えられる際に測定された、三チャネルマイクロスイッチのフローである。
発明の詳細な説明
図１および図２は、本発明のマイクロスイッチのマイクロチャネルを平面図および断面図で示す。この実施形態では、チャネル１、２、および３は、基板５０内に形成され且つカバープレート５１によって密封される。カバープレート５１は、チャネルへの光学的接近を可能にするために透明であり得る。それは、基板５０が成し得るとように、さらなる流体的、光学的、電気的、または機械的な要素を含むことが可能である。チャネル１〜３のそれぞれの一方の端部は、本明細書では合流端部と呼ばれ、他のチャネルと接合して合流点を形成する。それぞれのチャネルの他方の端部は、本明細書ではポート端部と呼ばれ、液槽（図示せず）に接続される。この実施形態では、接続は、基板を通ってエッチングされて裏面で液槽と接続するポート１１、１２、および１３を介して成される。図示した実施形態では、液体は、チャネル１を通って入り、そして切り替えされたチャネル２（図１ａ）またはチャネル３（図１ｂ）のいずれかを通って出て行くことが可能である。あるいは、液体はチャネル２および３を通って入ることが可能であり、スイッチが、どちらの入口液体がチャネル１を通って流れ出るかを選択する。別の方式の動作では、液体は、第１の切替状態ではチャネル１からチャネル２に流れ、第２の切替状態ではチャネル３からチャネル１に流れる。
チャネル１、２、および３はマイクロチャネルである。マイクロチャネルという用語は、本明細書では、流体動力学が慣性力ではなく粘性力によって支配される、低レイノルズ数動作を提供する寸法を有するチャネルに関して使用される。粘性力に対する慣性力の比率は、
0003941885.tif 000002
である。ここで、ｕは速度ベクトルであり、ρは流体密度であり、ηは流体の粘度であり、ｄはチャネル特性寸法であり、そしてτは速度が変化するタイムスケール（ｕ／τ＝δｕ／δｔ）である。用語「特性寸法」は、本明細書では、当該分野において公知であるように、レイノルズ数を決定する寸法に関して使用される。円筒形のチャネルに関しては、それは直径である。矩形のチャネルに関しては、それは主として幅および深さのうちの小さい方に依存する。Ｖ形チャネルに関しては、それは「Ｖ」の頂上の幅に依存する。
安定状態すなわちτ→∞での液体フローは機能は、レイノルズ数Ｒe＝ρｕｒ／ηによって特徴づけられる。サイズが小さく且つ速度が遅いので、微小製造された流体システムは、しばしばレイノルズ数が低い状況（Ｒe＜１）にある。この状況では、乱流および二次的なフローを発生させる慣性効果は無視できる。すなわち、粘性効果が動力学を支配する。
レイノルズ数は、チャネル寸法のみならず流体密度、流体粘度、および速度が変化するタイムスケールに依存するので、チャネル寸法に対する絶対的な上限は、明確には規定されない。しかし、表１は、Ｒ＜１の保守的な制約を使用する水に関して、切替時間と対応するチャネル寸法を与える。表１によると、切替時間＜１ｓを達成するためには、特有的なチャネル寸法は、＜１mmであるべきである。実際に、良好に設計されたチャネルジオメトリーを用いると、Ｒ＜１００および恐らくはＲ＜１０００に関しては乱流を防ぐことが可能であるので、本発明のスイッチに利用することが可能な実際の最速切替速度および最大特性寸法は、表１の数値より大きい。好適なチャネル特性寸法の範囲は、０．５μmと１mmとの間である。より好適な範囲は、５μmと１００μmとの間である。
0003941885.tif 000003
チャネルは、図示された実施形態では、Ｔ形合流点を形成する。この形状は、シリコンのエッチングによって容易に達成される。スイッチの動作は、共通の入口（または出口）であるＴ字の軸（stem）、および液体が流れていく（または流れてくる）横棒を選択するスイッチを用いて記述される。あるいは、横棒の１つは、共通のフローチャネルであり得る。Ｙ形合流点などの別の構成をマイクロスイッチに使用することも可能である。Ｙ形合流点は、非結晶基板をエッチングすることによって、または結晶基板において等方性エッジング、例えば反応性イオンエッチングによって達成され得る。図示された実施形態では、チャネルの直径は全て同じであるが、変えることが可能である。大きなチャネルの直径に関しては、チャネルは、基板内にエッチングされるのではなく、キャピラリー管を用いて製造され得る。
液槽および推進圧力システムを、図３ａに模式的に示す。槽２１、２２および２３は、接続ポート１１、１２、および１３を介してマイクロチャネル１、２、および３に取り付けられる。推進圧力Ｐ1、Ｐ2、Ｐ2′およびＰ3は、ガス入口３１、３２、および３３を介して加圧ガスをそれぞれの槽に供給する、圧力制御手段６０ａ〜ｃによって提供される。この実施形態における圧力制御手段は、複数の圧力レギュレータに接続された、好適には不活性ガスである加圧ガスのシリンダであり得る。この実施形態では、Ｐ1およびＰ3は、一定ではあるが互いに等しくはない。槽２２の後部の圧力は、切替手段７０によって、Ｐ2とＰ2′との間で切り替えられる。圧力は、第１の切替状態ではＰnと表され、そして第２の状態ではＰn′と表される。この実施形態では、Ｐ1＝Ｐ1′、そしてＰ3＝Ｐ3′である。
液槽という用語は、本明細書では、液体を入口に提供するかまたは液体を出口から受け取り、且つそれを介して圧力をマイクロチャネルに付与することが可能な任意の容器に関して用いられる。出口槽の場合には、槽は、実際に液体を収集する必要はなく、単にチャネルからの出口であり得る。槽は、マイクロチャネルを含む基板の一体部であり得、または基版に接続され得る。液槽は、チャネル形状を含む任意の形状を有することが可能である。スイッチが大きなシステムに組み込まれる場合には、マイクロチャネルに接続し且つそこから液体を入口するかまたは受け取るシステムのその他の要素は、マイクロスイッチの槽を構成する。マイクロチャネルが大きなシステム内で２つのチャネルを接合し、２つのチャネルのそれぞれが槽に接続される場合には、マイクロチャネル槽は両方の槽を有する。圧力を両方の槽に付与すると、それがマイクロチャネルに付与される正味の推進圧力となる。
推進圧力という用語は、本明細書では、液槽に付与される圧力に関して使用される。図示された実施形態では、圧力制御手段は調節された加圧ガスである。あるいは、それは、大気圧を下回る圧力を提供する真空ポンプを利用することが可能である。大気圧は、１つの槽を空気に通気することによって、一定圧力の１つを提供することが可能である。他の圧力制御手段を使用することは可能である。
切替手段という用語は、本明細書では、１つ以上の推進圧力を切り替える手段に関して使用される。図示された切替手段では、ガス入口３２への接続は、Ｐ2における第１のガス供給ラインとＰ2′における第２のガス供給ラインとの間で切り替えられる。あるいは、単一のガス供給ラインとすることが可能であり、切替手段は切替可能な出口圧力を有するレギュレータであり得る。
最低１つの槽が、切替可能な推進圧力を有しなければならない。汎用性を大きくするためには、１つより多くの槽が切替可能な推進圧力を有し得る。それぞれの切替可能な推進圧力は別個の切替手段を有することが可能であるか、または図３ｂに示すように、単一の切替手段を１つより多くのガス供給ラインに接続することが可能である。ガスシリンダ６１からの圧力は、レギュレータ６２によって制御される。一定圧力Ｐ1は、ガス入口ライン３１を介して槽２１に供給される。ガスの圧力は、スイッチ７０に接続される、レギュレータ６３によって低い圧力Ｐ2に維持される。この実施形態では大気圧である圧力Ｐ3もまた、スイッチに供給される。スイッチ７０は、１つの供給ラインをガス供給ライン３２および３３のそれぞれに接続し、Ｐ2′＝Ｐ3且つＰ3′＝Ｐ2となるように接続を逆転させるために切り替えることが可能である。圧力制御および切替手段のこの実施形態は、与えられた推進圧力がいずれかのチャネルに付与されても同じ合流点圧力を生成するように、チャネル２および３に関して同一のジオメトリーを有するマイクロスイッチに特に適している。
必要な推進圧力は、図４に示すように、チャネルのジオメトリーから計算することが必要である。この実施形態では、チャネル１、２および３は、同じ深さまでエッチングされ且つ同じ幅を有する。チャネルの長さは１1、１2、および１3であり、チャネル内の液体の速度はｖ1、ｖ2、およびｖ3である。全てのフローがチャネル１からチャネル２に進む場合には、ｖ1＝ｖ2且つｖ3＝０である。これは、Ｐ1＞Ｐ2に設定してチャンネル１および２に沿って圧力勾配を発生させることによって、且つＰ3をチャネルの合流点における圧力ＰJに等しく設定することによって達成される。合流点圧力ＰJは、Ｐ1とＰ2との間にある。Ｐ3＝ＰJである場合、合流点と第３の槽との間で圧力差が存在しないので、液体はチャネル３に沿って流れない。付与される圧力Ｐ1およびＰ2に関して与えられる必要な圧力Ｐ3は、
0003941885.tif 000004
である。この式は、長さ、速度、および圧力がそれぞれ抵抗、電流、および電圧に類似する、３つの抵抗器の電気回路に対する類似によって得られる。チャネルが変動する深さおよび幅を有するものであるか、または伝導性に影響を及ぼす他の特徴を含んでいる場合には、計算はより複雑化されるが、当業者には簡単なことである。
上述のように、１つの入口チャネルと２つの出口チャネルとを備えたスイッチを操作するためには、推進圧力は、Ｐ1＞Ｐ2およびＰ3＝ＰJを有する第１の状態と、Ｐ1′＞Ｐ3′およびＰ2′＝Ｐ1′を有する第２の状態との間で切り替えられる。共通出口チャネルを有する２つの入口チャネルの間で切り替えるためには、推進圧力は、Ｐ2＞Ｐ1およびＰ3＝ＰJと、Ｐ3′＞Ｐ1′およびＰ2′＝ＰJ′との間で切り替えられる。チャネル１からチャネル２へのフローとチャネル３からチャネル１へのフローとの間で切り替えるためには、推進圧力は、Ｐ1＞Ｐ2およびＰ3＝ＰJと、Ｐ3′＞Ｐ1′およびＰ2′＝ＰJ′との間隙で切り替えられる。全ての場合において、流れているチャネルの間で圧力差が存在し、且つ流れていない（オフ）チャネルの後部の推進圧力が合流点圧力に等しい。これらの条件を満たすことが可能な広範囲の推進圧力が存在する。推進圧力は、所望の流速を提供するように、且つ圧力制御および切替手段と適合するように選択される。
合流点における圧力は、直接的に測定されるとは限らないが、式２のように推定することが可能である。本明細書で使用される合流点圧力という用語は、合流点における実際の圧力または計算可能な圧力のいずれかを意味する。チャネル内のフローを停止させるには、対応する槽における推進圧力を合流点圧力にほぼ等しく設定する。特定のスイッチジオメトリーに依存して、圧力は、チャネル内のフローを停止させるために、正確に等しい必要はない。同様に、スイッチが使用される用途に依存して、スイッチ内では幾らかの漏出は容認されるので、圧力は、容認可能な漏出の範囲内と同等でありさえすればよい。合流点圧力が測定されるのではなく計算される場合に関しては、推進圧力は、計算された合流点圧力に正確に同等であり得るが、実際の合流点圧力とほぼ等しいに過ぎない。経験的には、フローがチャネル内で止められる場合には、チャネル後部の推進圧力は、合流点圧力とほぼ等しくなければならない。
本発明のマイクロスイッチは、１つ以上の槽における推進圧力を測定する手段、または１つ以上のチャネル内のあるいはチャネルの合流点における圧力を測定する手段をさらに含む。所望の圧力を維持するために、圧力センサと圧力制御手段との間で能動的なフィードバックを行うことが可能である。
１つ以上のチャネル内のフローは、図５に示すように、チャネル上のフローセンサを用いて直接的に測定され得る。センサ４２および４３は、各々チャネル２および３に沿って配置される。センサは、圧力制御手段６０にフィードバックしてチャネル内のフローを能動的に制御することが可能である。このスイッチに使用されるセンサは、正確な流速を決定する必要はない。ゼロ（null）フローセンサを使用して、液体が流れているか静止しているかを決定すれば十分である。図３ｂの実施形態では、圧力が一旦１つの出口チャネル内のフローを止めるように適合されると、切替手段７０は推進圧力をさらに調節せずに２つの出口チャネルの間で切り替えることが可能であるので、フローセンサは、１つのチャネル上にのみ必要とされる。推進圧力の能動的フィードバック制御を備えたシステムでは、いつ推進圧力が予定に範囲を超えて増大したかを表示し、それによりチャネルの閉鎖を示唆するために、二重安全メカニズムを含むことが可能である。
多数の液体マイクロフローセンサが、当該分野において公知である（Shojiらの、J.Micromech Microeng.4（1994年）、157〜171頁）。それらは、例えば熱移動、熱的な経過時間または圧力差に基づき得る。フローはまた、光源および光検知器を使用して光学的に決定され得る。好適な実施形態では、蛍光小球体をフロートレーサとして液体に添加する。小球体は光学的に励起され、そして球体の運動は人間の目または電子光検知器などの光検知器によってモニタされる。球体は、推進圧力の手動調節または自動調節によって、オフチャネル内では静止させられる。液体中の粒子からの光の散乱を使用して、フローを光学的に測定することも可能である。散乱または蛍光発光する粒子が検知器を通過する速度を測定することが可能である。ゼロフローセンサに関して、粒子が検知器を通過するまで推進圧力を調節することが可能である。
本発明のマイクロスイッチは、多数のマイクロ流体システムに使用することが可能である。図６は、フローサイトメータと組み合わせてフロー分類器として使用されるスイッチを示す。フローサイトメータは、光源１１０と光検知器１２０とを有する。光検知器は、狭いまたは広い角度に散乱した光または蛍光を検出するように配置され得る。微小製造されたフローサイトメータは、本明細書にその全体を参考として援用する、1995年９月２７日に出願された米国特許出願第08/534,515号に記載されている。本実施形態では、信号分析エレクトロニクスを組み込んだ光検知器１２０は、サンプル中の細胞またはその他の粒子を、それらの蛍光発光または散乱に基づいて特徴づける。光検知器は、切替手段７０に命令を送る。次いで、切替手段７０がそれぞれの粒子を適切な出口チャネルに方向づける。これは、赤血球または白血球を分離するために、または寸法、形状、または蛍光発光特性に基づいて粒子を分離するために使用され得る。毎秒ほぼ１０3オーダーの粒子の流速を有するフローサイトメータに関しては、切替時間はミリ秒の範囲内でなければならない。この速度は、本発明のマイクロスイッチによって提供され得る。
本発明のマイクロスイッチを用いて、３つより多くのチャネルを制御することが可能である。図７ａでは、ポート１４を備えた第４のチャネル４が、チャネル１に接合して第２の合流点を形成する。これは、チャネル１を区分１とポート１５を備えた区分５とに分割する。これはまた、チャネル４および５とポート１４および１５との組合わせによって、単一のポートをチャネル１に置き換えたとも見なされ得る。それぞれのチャネルの後部の推進圧力を制御することによって、チャネル１へのフローをチャネル４および５の間で切り替えることが可能であり、そしてチャネル１から出るフローをチャネル２および３の間で切り替えることが可能である。二合流点スイッチも、チャネル間の他のフローパターンを用いて操作することが可能である。推進圧力は、任意のチャネルが入口上にあり、且つ任意のチャネルが出口であるように切り替えられ得る。
図７ｂでは、４つのチャネルは単一の合流点で接合している。チャネル１からのフローは、推進圧力を調節することによって、任意のチャネル２、３、または６への出口であり得る。例えば、チャネル１からチャネル２へのフローに関して、推進圧力は、Ｐ1＞Ｐ2且つＰ3＝Ｐ6＝ＰJであるように設定される。スイッチは、任意のチャネルを入口とし、且つ任意のチャネルを出口として、多数の方式で動作され得る。図７ａ〜図７ｂは、３つより多くのチャネルを有する２つのスイッチを示す。その他多くのチャネルのネットワークもまた、本発明のマイクロスイッチを用いて制御することが可能である。さらなるチャネルを接合および分岐させて、さらなる合流点を形成することが可能であり、それぞれの合流点は、３つより多くチャンネルを適合させることを適合させることが可能である。
本発明のマイクロスイッチは、下記に記述するように製造され且つ動作した。図１〜図２に示すようなチャネルは、標準的なフォトリソグラフィー技術を使用してシリコン（１００）ウェハ中にマイクロ機械加工されて、チャネルおよび接続ポートをパターニングした。エチレンジアミンピロカテコール（ＥＤＰ）を二段階エッチング用に使用した。Pyrex 7740カバープレートをシリコンの前面に陽極（anodically）接合して、閉鎖液体システムを提供した。液体接続はシリコンの裏面で行われた。チャネルは１０μmの深さであった。チャネル１とチャネル２または３のいずれかとの組合わせた長さは、１cmであった。チャネル１は直径１０μmであり、チャネル２および３はそれぞれ直径３０μmであった。
直径０．５μmの蛍光発光ビーズの０．０１％溶液が、フローを可視化するために使用された。これらのポリスチレンビーズは、約５５０nmの光によって励起されると赤色の蛍光を発光する染料を含む。それらは、本質的に中性で浮力があり、且つフロー可視化の優れた手段を提供する。これらのビーズは、Dageシリコン増強ターゲット（ＳＩＴ）ビデオレート（video-rate）カメラを備えた、反転したツァイス（Zeiss）顕微鏡上に撮像した。ビデオデータをＳ−ＶＨＳビデオテープに記録した。
チャネルの長さが短く（１cm）且つ流速が小さい（１０nl／sec）ので、適度な圧力のみが、液体を推進するために要求される。低レイノルズ数条件下では、ポアズイユの法則、Ｐ／１＝１２８ηｖ／ｄ4が、直径ｄおよび長さ１を有する円筒形のチャネル内を最高速度ｖで流れる、密度ηの液体の圧力低下を決定する。少数のＰＳＩの圧力が、数mm／secのフロー速度を達成するために使用された。最高到達レイノルズ数は〜１０-1であった。
圧縮窒素シリンダを使用する圧力制御および切替手段を。図３ｂに示した。ポート１における圧力Ｐ1を、最初に大気圧を上回る１psiで固定した。次いで、Ｐ2での圧力は、０．５psiで発生するチャネル２の流速がゼロであるように調節された。全てのフローは、チャネル１からチャネル３に向かった。圧力Ｐ3は、大気に通気された。切替手段７０は、急速切替を実現する５−３バルブであった。この外部バルブを作動させることによって、チャネル２および３後部の圧力を急速に切り替えた。これは、流体がチャネル３を流れている状態からチャネル２を流れるように急速に切り替えた。チャネル２および３のジオメトリーは同一であるので、圧力はそれらの間で簡単に切り替えられることができた。
蛍光ビーズのビデオ画像をフレームごとに分析し、そして２つのチャネルにおける相対流速を図８に示すように記録した。一方のチャネルへのフローを円で示し、他方のチャネルを平行斜線（hatch）で示す。切替は１００ms以内に完了した。この切替時間は、スイッチの流体力学によってではなく、圧力制御および切替システムによって限定される。オフチャネルへの漏出は＜１％であった。
本発明のマイクロスイッチを、幾つかの具体的な実施形態に関して上記に説明してきた。当業者に明らかであるように、このスイッチのその他の多くの実施形態および用途を構築することが可能である。このスイッチは、ガラスまたはプラスチックなどのシリコン以外の材料からチャネルを備えて製造され得る。チャネルの寸法、形状、および方向を変えることが可能である。複数の合流点をネットワーク内で使用することが可能である。ネットワークは、２次元でなく３次元であり得る。圧力制御および切替手段は、説明されたものと異なる構成および動作条件を有することが可能である。フローチャネルのように、それらを微小製造することが可能である。圧電スイッチなどの、より高速の圧力スイッチを使用することが可能である。スイッチは、例えば反応チャンバに接続された試薬、出水、および廃物の槽、バルブおよびポンプなどのその他の微小製造された要素、または化学的、電気的、および光学的分析領域を含むネットワークにおいて、他の液体操作、処理、および分析装置と組み合わせることが可能である。これらおよびその他の変形は、本発明の精神および範囲内である。
【図１ａ】
0003941885.tif 000005
【図１ｂ】
0003941885.tif 000006
【図２】
0003941885.tif 000007
【図３ａ】
0003941885.tif 000008
【図３ｂ】
0003941885.tif 000009
【図４】
0003941885.tif 000010
【図５】
0003941885.tif 000011
【図６】
0003941885.tif 000012
【図７ａ】
0003941885.tif 000013
【図７ｂ】
0003941885.tif 000014
【図８】
0003941885.tif 000015