JP2009052744A - Microfabricated elastomeric valve and pump system - Google Patents

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Marc A Unger
エイ. アンガー マーク
Hou-Pu Chou
チョウ ホウ−プ
Todd A Thorsen
エイ. ソーセン トッド
Axel Scherer
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Stephen R Quake
アール. クエイク, スティーブン
Jiann Liu
リウ ジアン
Mark L Adams
エル. アダムス マーク
Carl L Hansen
エル. ハンセン カール
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California Institute of Technology CalTech
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of fabricating an elastomeric valve structure. <P>SOLUTION: The method of fabricating an elastomeric valve structure comprises: forming a first elastomeric layer 20 on top of a micromachined mold, the micromachined mold having a first raised protrusion which forms a first recess extending along a bottom surface of the first elastomeric layer 20; forming a second elastomeric layer 22 on top of a micromachined mold, the micromachined mold having a second raised protrusion which forms a second recess extending along a bottom surface of the second elastomeric layer 22; bonding the bottom surface of the second elastomeric layer 22 onto a top surface of the first elastomeric layer 20 such that a control channel forms in the second recess between the first and second elastomeric layers 20, 22; and positioning the first elastomeric layer 20 on top of a planar substrate such that a flow channel 32 forms in the first recess between the first elastomeric layer 20 and the planar substrate. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

(関連出願の相互参照)
本非仮特許出願は、2001年4月6日に出願された非仮特許出願第09/826,583号の部分継続出願である。この非仮特許出願第09/826,583号は、2000年11月28日に出願された非仮特許出願第09/724,784号の部分継続出願である。この非仮特許出願第09/724,784号は、2000年6月27日出願された非仮特許出願第09/605,520号の部分継続出願である。本特許出願は、以下の既に出願された仮特許出願の優先権を主張する:米国仮特許出願第60/141,503号(1999年6月28日出願)、米国仮特許出願第60/147,199号(1999年8月3日出願)、および米国仮特許出願第60/186,856号(2000年3月3日出願)。これらの先行の仮特許出願のテキストは、本明細書中で参考として援用される。
(Cross-reference of related applications)
This non-provisional patent application is a partial continuation application of non-provisional patent application No. 09 / 826,583 filed on Apr. 6, 2001. This non-provisional patent application No. 09 / 826,583 is a partial continuation application of the non-provisional patent application No. 09 / 724,784 filed on Nov. 28, 2000. This non-provisional patent application No. 09 / 724,784 is a partial continuation application of the non-provisional patent application No. 09 / 605,520 filed on June 27, 2000. This patent application claims priority from the following previously filed provisional patent applications: US Provisional Patent Application No. 60 / 141,503 (filed Jun. 28, 1999), US Provisional Patent Application No. 60/147. 199 (filed Aug. 3, 1999), and US Provisional Patent Application No. 60 / 186,856 (filed Mar. 3, 2000). The texts of these prior provisional patent applications are incorporated herein by reference.

(連邦政府からの資金援助を得た研究開発下でなされた発明に対する権利についての記載)
本明細書中に記載された仕事は、部分的に、米国国立健康研究所の付与番号HG−01642−02によって支援される。米国政府は、したがって、本発明において特定の権利を有し得る。
(A statement on the right to an invention made under research and development with financial support from the federal government)
The work described herein is supported in part by the National Institutes of Health grant number HG-01642-02. The US government may therefore have certain rights in the invention.

(技術分野)
本発明は、微細製作された構造体と、微細製作された構造体を製作する方法とに関するものであり、また、流体速度を調整するための微細製作されたシステムに関連する。
(Technical field)
The present invention relates to a microfabricated structure and a method of fabricating a microfabricated structure, and relates to a microfabricated system for adjusting fluid velocity.

(発明の背景)
微細流体ポンプおよび微細流体バルブを設計するにあたっての多様なアプローチが試みられてきた。残念ながら、これらアプローチの各々はそれ自体の制約を受けている。
(Background of the Invention)
Various approaches have been attempted in designing microfluidic pumps and microfluidic valves. Unfortunately, each of these approaches is subject to its own limitations.

ポンプやバルブのような微細電気機械的(MEMS)構造体を製作する2つの最もありふれた方法は、シリコンベースのバルク微細加工(単結晶シリコンをリソグラフィー法でパターン化した後で、3次元構造を形成するためにエッチング処理する、減法製造法)であり、表層微細加工(ポリシリコン、窒化シリコン、二酸化シリコン、および、多様な金属などの半導体型材料の層を連続添加して、パターン化し、3次元構造を作製する加法製造法)である。   The two most common methods of fabricating micro-electromechanical (MEMS) structures such as pumps and valves are silicon-based bulk microfabrication (after lithographic patterning of single crystal silicon, three-dimensional structures A subtractive manufacturing process that etches to form a surface layer microfabrication (polysilicon, silicon nitride, silicon dioxide, and various layers of semiconductor-type materials such as various metals are successively added and patterned 3 Additive manufacturing method for producing a dimensional structure).

シリコン基盤の微細加工の第1のアプローチの制約とは、使用されている半導体材料の硬度が高い作動力を必要とし、これが今度は、大型で複雑な設計を生む結果となる。事実、バルク微細加工法と表層微細加工法の両方が、使用されている材料の硬度により制約を受ける。更に、製造された装置の多様な各層の間の粘着剤も問題となる。例えば、バルク微細加工では、多層構造を設けるためにウエーハ結合技術が採用されなければならない。他方で、表層微細加工の場合、装置の多様な各層の間の熱応力がデバイスの全厚みを、しばしば、約20ミクロンまで制限する。上記方法のいずれを利用するにも、クリーンルーム製造と細心の品質管理とが必要となる。   The limitation of the first approach of silicon-based microfabrication requires a high working force of the semiconductor material used, which in turn results in a large and complex design. In fact, both bulk and surface micromachining methods are limited by the hardness of the materials used. Furthermore, the adhesive between the various layers of the manufactured device is also a problem. For example, in bulk microfabrication, wafer bonding techniques must be employed to provide a multilayer structure. On the other hand, in the case of surface micromachining, the thermal stress between the various layers of the device often limits the total thickness of the device to about 20 microns. Use of any of the above methods requires clean room manufacturing and meticulous quality control.

(発明の要旨)
本発明は、オン/オフバルブ、切り替えバルブ、および、ポンプのような、互いに一緒
に接着されたエラストマーの多様な層から作製された微細製作された構造体を製造し、作動させるためのシステムを明示している。本発明の構造体および方法は、流体運動を制御およびチャネリングするのに理想的なほど好適である。
(Summary of the Invention)
The present invention demonstrates a system for manufacturing and operating microfabricated structures made from various layers of elastomers bonded together, such as on / off valves, switching valves, and pumps. is doing. The structures and methods of the present invention are ideally suited for controlling and channeling fluid motion.

好ましい局面では、本発明は、一体型の(すなわち、モノリシックな)微細製作されたエラストマー構造体を構築するために、多層軟性リソグラフィー工程を利用する。   In a preferred aspect, the present invention utilizes a multilayer flexible lithography process to build a monolithic (ie monolithic) microfabricated elastomeric structure.

軟性エラストマー材料の複数層を一緒に結着させることにより本構造体を製造するという利点としては、結果として得られる装置が、シリコン基盤の装置と比較して、寸法が2オーダーを越える大きさだけ低減される点が挙げられる。更に、迅速なプロトタイプ化、製造の容易さ、および、生体適合性の更なる利点も達成される。   The advantage of manufacturing the structure by bonding together multiple layers of soft elastomeric material is that the resulting device is only two orders of magnitude larger than a silicon-based device A point to be reduced is mentioned. Furthermore, further advantages of rapid prototyping, ease of manufacture and biocompatibility are also achieved.

本発明の好ましい局面では、別個のエラストマー層が微細加工されたモールドの頂部に製造されて、多様なエラストマー層の各々に凹部が形成されるようにする。これら多様なエラストマー層を一緒に結合することにより、多様なエラストマー層に沿って延在する凹部が、結果として生じたモノリシックな一体エラストマー構造体を通るフローチャネルおよび制御ラインを形成する。本発明の多様な局面で、エラストマー構造体に形成されているこれらフローチャネルと制御ラインとは、後述のように、微細ポンプおよび微細バルブとして機能するように作動されることができる。   In a preferred aspect of the present invention, a separate elastomeric layer is manufactured on top of the microfabricated mold so that a recess is formed in each of the various elastomeric layers. By bonding these various elastomeric layers together, the recesses that extend along the various elastomeric layers form flow channels and control lines through the resulting monolithic monolithic elastomeric structure. In various aspects of the invention, the flow channels and control lines formed in the elastomeric structure can be actuated to function as a fine pump and fine valve, as described below.

本発明の更なる任意の局面では、モノリシックなエラストマー構造体は平坦な基板の頂面に密封されるが、この時、フローチャネルが平坦基板の表面と、エラストマー構造体の底部表面に沿って延在している凹部との間に形成されている。   In a further optional aspect of the invention, the monolithic elastomeric structure is sealed to the top surface of the flat substrate, wherein the flow channel extends along the surface of the flat substrate and the bottom surface of the elastomeric structure. It is formed between existing recesses.

1つの好ましい局面では、本モノリシックなエラストマー構造体は、エラストマーの各層がまず、微細加工されたモールドから別個に鋳造されてから、エラストマーのこれら2つの別個の層を一緒に接着することにより構成される。使用されるエラストマーは2成分添加硬化材料であり、底部エラストマー層が過剰な一方の成分を有しているが、頂部エラストマー層は過剰な他方の成分を有しているのが好ましい。例示的な実施態様では、使用されるエラストマーはシリコーンラバーである。エラストマーの2つの層は別々に硬化される。各層は、頂部層が底部層の上に設置される前に、別個に硬化される。次いで、この2層が、一緒に接着される。各層は2種成分のうちの一方を過剰に有して、反応性分子が2層の間の界面に残留するようにするのが好ましい。頂部層が底部層の頂面に組み付けられてから、加熱される。この2層は不可逆に結合されて、界面の強度がバルクエラストマーの強度に近づくかまたは等しくなるようにする。これにより、全体として一緒に結合したエラストマーの2層から成る、モノリシックな3次元パターン化構造体が出来上がる。同じ工程を反復するだけで、追加の層を付加することができるが、この場合、新しい層は、その各々が反対の「極性」の層を有しており、硬化されることにより、一緒に結合される。   In one preferred aspect, the monolithic elastomeric structure is constructed by first casting each layer of elastomer separately from a microfabricated mold, and then bonding these two separate layers of elastomer together. The The elastomer used is a two-component addition curable material, and the bottom elastomer layer preferably has one component in excess, but the top elastomer layer preferably has the other component in excess. In an exemplary embodiment, the elastomer used is silicone rubber. The two layers of elastomer are cured separately. Each layer is cured separately before the top layer is placed over the bottom layer. The two layers are then glued together. Each layer preferably has an excess of one of the two components so that reactive molecules remain at the interface between the two layers. The top layer is assembled to the top surface of the bottom layer and then heated. The two layers are irreversibly bonded so that the interfacial strength approaches or equals that of the bulk elastomer. This results in a monolithic three-dimensional patterned structure consisting of two layers of elastomers bonded together as a whole. Additional layers can be added by simply repeating the same process, but in this case each new layer has an opposite “polar” layer and is cured together so that Combined.

第2の好ましい局面では、第1のフォトレジスト層が第1のエラストマー層の頂面に堆積される。次いで、第1のフォトレジストはパターン化され、第1のエラストマー層の頂面にフォトレジストのラインまたはラインからなるパターンを残す。次に、エラストマーの別な層が添加され、硬化され、フォトレジストのラインまたはラインからなるパターンを封入する。第2のフォトレジスト層が添加され、パターン化され、エラストマーの別な層が添加され、硬化されて、フォトレジストのラインまたはラインからなるパターンをモノリシックなエラストマー構造に封入した状態にする。このプロセスが繰り返され得、より多くの封入したパターンおよびエラストマー層を加える。その後、フォトレジストが除去され、フォトレジストが占有していた空間にフローチャネル(単数または複数)と制御ライン(単数または複数)を残す。このプロセスが繰り返され得、多層を有するエラスト
マー構造を作製する。
In a second preferred aspect, a first photoresist layer is deposited on the top surface of the first elastomer layer. The first photoresist is then patterned, leaving a pattern of lines or lines of photoresist on the top surface of the first elastomer layer. Next, another layer of elastomer is added and cured to encapsulate a pattern of photoresist lines or lines. A second photoresist layer is added, patterned, and another layer of elastomer is added and cured to encapsulate the photoresist line or pattern of lines in a monolithic elastomeric structure. This process can be repeated, adding more encapsulated patterns and elastomer layers. The photoresist is then removed, leaving the flow channel (s) and control line (s) in the space occupied by the photoresist. This process can be repeated to create an elastomeric structure having multiple layers.

フォトレジスト法を利用して適切なサイズの特徴(>/=10ミクロン)をパターン化することの利点は、接触マスクとして高分解能透明フィルムを使用できることである。これにより、1人の研究者が、設計し、プリントし、モールドをパターン化し、新しい一組の鋳造エラストマー装置を作るのに、典型的には、これら全てを24時間以内にできるようになる。   The advantage of patterning appropriately sized features (> / = 10 microns) using a photoresist method is that a high resolution transparent film can be used as a contact mask. This allows a single researcher to typically do all of this within 24 hours to design, print, pattern the mold, and create a new set of cast elastomeric devices.

本発明の上記実施態様のいずれかの更なる利点は、そのモノリシックな特性、すなわち、一体特性(つまり、全ての層が同一材料から構成されている)に起因して、層間接着不全と熱応力の諸問題とが完全に回避されることである。   A further advantage of any of the above embodiments of the present invention is that due to its monolithic properties, ie integral properties (ie, all layers are composed of the same material), interlayer adhesion failure and thermal stress. These problems are completely avoided.

General Electricにより製造されるRTV615等のシリコーンラバーまたはエラストマーの本発明の好ましい使用の更なる利点は、それが可視光線に透明で、多層光学縦列を可能にすることにより、微細流体装置内の多様なチャネルまたはチャンバの光学情報応答(interrogation)を行えるようにすることである。適切に形成されたエラストマー層は、レンズおよび光学要素として作用し得るので、層の結合は、多層光学縦列の作製を可能にする。更に、GE RTV615エラストマーは生体互換性がある。フローチャネルに小さな微粒子が存在する場合でも、軟性であるため、閉バルブが良好なシールを形成する。シリコーンラバーも生体互換性があり、単結晶シリコンと比較した場合には特に、廉価である。   A further advantage of the preferred use of the present invention of a silicone rubber or elastomer such as RTV615 manufactured by General Electric is that it is transparent to visible light and allows multiple optical tandems to be used in a variety of microfluidic devices. To enable optical information interrogation of channels or chambers. A suitably formed elastomeric layer can act as a lens and an optical element so that the bonding of the layers allows the creation of a multilayer optical column. Furthermore, GE RTV615 elastomer is biocompatible. Even in the presence of small particulates in the flow channel, the closed valve forms a good seal because it is soft. Silicone rubber is also biocompatible and is particularly inexpensive when compared to single crystal silicon.

モノリシックなエラストマーのバルブおよびポンプは、また、電気浸透流を基本とした流体システムに影響を及ぼす多くの実施上の問題点を回避する。典型例として、電気浸透流システムは電極周辺における泡形成を被り、流れは、流れの媒体の組成に強く依存している。泡形成は、微細流体装置における電気浸透流の使用に厳格な制約を加え、機能統合型装置の構築を困難にしている。流れの大きさと、流れの方向でさえ、イオン強度およびイオンタイプと、界面活性剤の存在と、フローチャネルの壁上の電荷とに複雑な態様で依存しているのが典型的である。更に、電解が継続的に起こるので、pH変化に抵抗するバッファの最終容量も達成され得る。更に、電気浸透流は、常に電気詠動と競合して発生する。異なる分子は異なる電気詠動移動度を有していることがあるので、望んでいない電気詠動分離が電気浸透流で発生し得る。最後に、電気浸透流は、流れを停止させるため、拡散を中断させるため、または、圧力差の平衡を保たせるために利用することは容易にはできない。   Monolithic elastomeric valves and pumps also avoid many of the practical issues affecting fluid systems based on electroosmotic flow. As a typical example, electroosmotic flow systems suffer from bubble formation around the electrodes, and the flow is strongly dependent on the composition of the flow medium. Foam formation places strict restrictions on the use of electroosmotic flow in microfluidic devices, making it difficult to build a function-integrated device. Typically, the magnitude of the flow, and even the direction of flow, typically depends in a complex manner on ionic strength and ion type, the presence of surfactant, and the charge on the walls of the flow channel. Furthermore, since electrolysis occurs continuously, a final volume of buffer that resists pH changes can also be achieved. Furthermore, electroosmotic flow always occurs in competition with electroperistalsis. Since different molecules may have different electroperistaltic mobilities, unwanted electroperistaltic separation can occur in electroosmotic flow. Finally, electroosmotic flow cannot be readily utilized to stop flow, interrupt diffusion, or balance pressure differentials.

本モノリシックなエラストマー構造のバルブとポンプの更なる利点は、それらが極めて高速で作動することのできる点である。例えば、本発明はその内部の水性溶液を用いて、1ミリセカンドのオーダーでバルブについての反応時間を達成し、100Hzに近い速度または100Hzを超える速度でバルブが開閉するようにする。特に、このバルブ構造の開閉のための循環速度の範囲の非限定的なリストには、約0.001と1000msとの間、約0.01と1000msとの間、約0.1と100msとの間、および約1と10msとの間が挙げられる。この循環速度は、特定の適用および作動の方法について使用されるバルブの組成および構造に依存し、従ってこの列挙した範囲以外の循環速度が、本発明の範囲内に入る。   A further advantage of the present monolithic elastomeric valves and pumps is that they can operate at very high speeds. For example, the present invention uses an aqueous solution therein to achieve a reaction time for the valve on the order of 1 millisecond, allowing the valve to open and close at speeds near 100 Hz or above 100 Hz. In particular, a non-limiting list of circulation speed ranges for opening and closing the valve structure includes between about 0.001 and 1000 ms, between about 0.01 and 1000 ms, between about 0.1 and 100 ms. And between about 1 and 10 ms. This circulation rate depends on the composition and structure of the valve used for the particular application and method of operation, and circulation rates outside this listed range are therefore within the scope of the present invention.

本ポンプおよびバルブの更なる利点は、ポンプおよびバルブがそれらの小さい寸法のせいで迅速に作動し、それらの柔軟性のせいで耐性に富むようになることである。更に、ポンプとバルブが差動印加圧で線型に閉鎖すると、この線型な関係により、高い背圧にもかかわらず、流体の流量調整をし、バルブを閉鎖することができるようになる。   A further advantage of the present pumps and valves is that the pumps and valves operate quickly due to their small dimensions and become resistant due to their flexibility. Furthermore, when the pump and the valve are linearly closed with a differential applied pressure, this linear relationship allows the flow rate of the fluid to be adjusted and the valve to be closed despite the high back pressure.

本発明の多様な局面では、複数のフローチャネルがエラストマー構造体を貫通し、第2のフローチャネルは第1のフローチャネルを横断するとともに、第1のフローチャネルの上方に延在している。本発明のこの局面では、エラストマーの薄膜は第1のフローチャネルと第2のフローチャネルを分離している。後述するように、この膜の下向きの運動(加圧されている第2のフローチャネルまたは反対に作動されている膜のせいである)は、下方のフローチャネルを通る流れを遮断する。   In various aspects of the invention, a plurality of flow channels extend through the elastomeric structure, and the second flow channel extends across the first flow channel and above the first flow channel. In this aspect of the invention, the elastomeric film separates the first flow channel and the second flow channel. As described below, this downward movement of the membrane (due to the pressurized second flow channel or the oppositely activated membrane) blocks the flow through the lower flow channel.

本システムの任意の好ましい局面では、複数の個別にアドレス可能なバルブが、エラストマー構造に一緒に接続された状態で形成され、次いで、連続して作動され、蠕動ポンプ動作が達成されるようにする。ネットワーク化された制御システム、または、多重化された制御システムと、格子状バルブに配置された選択的にアドレス可能なバルブと、ネットワーク化された反応チャンバシステム、または、多重化された反応チャンバシステムと、生体ポリマー合成システムとを有している、より複雑なシステムも説明される。   In any preferred aspect of the system, a plurality of individually addressable valves are formed connected together to the elastomeric structure and then actuated sequentially to achieve peristaltic pumping. . Networked control system or multiplexed control system, selectively addressable valves arranged in a latticed valve, networked reaction chamber system or multiplexed reaction chamber system And a more complex system comprising a biopolymer synthesis system.

本発明に従う微細製作されたエラストマー構造の1実施態様は、その中に第1および第2の微細製作された凹部で形成されたエラストマーブロック、エラストマーブロックの一部が作動される場合に、この部分は撓み可能であるエラストマーブロックの一部、を備える。   One embodiment of a microfabricated elastomeric structure according to the present invention comprises an elastomer block formed therein with first and second microfabricated recesses, this portion when a portion of the elastomer block is actuated. Comprises a portion of an elastomeric block that is deflectable.

エラストマー構造を微細製作する方法の1実施態様は、第1エラストマー層を微細製作し、第2エラストマー層を微細製作する工程;第2エラストマー層を第1エラストマー層の上部に配置する工程、および第2エラストマー層の底部表面を第1エラストマー層の上部表面上へ結合させる工程を包含する。   One embodiment of a method of microfabricating an elastomeric structure includes microfabricating a first elastomer layer and microfabricating a second elastomer layer; placing the second elastomer layer on top of the first elastomer layer; 2 bonding the bottom surface of the elastomer layer onto the top surface of the first elastomer layer.

エラストマー構造を微細製作する方法の第1の代替の実施態様は、第1微細加工モールドの上部上に第1エラストマー層を形成する工程を包含し、第1の微細加工モールドは、少なくとも第1の隆起突出部を有し、この第1の隆起突出部は、少なくとも1つの第1チャネルを第1エラストマー層の底部表面に形成する。第2エラストマー層は、第2微細加工モールドの上部上に形成され、この第2微細加工モールドは、少なくとも1つの第2隆起突出部を有し、この第2隆起突出部は、少なくとも1つの第2チャネルを第2エラストマー層の下部表面に形成する。第2エラストマー層の底部表面は、第1エラストマー層の上部表面上へ結合され、その結果、少なくとも1つの第2チャネルが、第1エラストマー層と第2エラストマー層との間に囲まれる。   A first alternative embodiment of a method of microfabricating an elastomeric structure includes forming a first elastomeric layer on top of a first microfabricated mold, the first microfabricated mold comprising at least a first A raised protrusion, the first raised protrusion forming at least one first channel on the bottom surface of the first elastomer layer. The second elastomer layer is formed on top of the second microfabricated mold, the second microfabricated mold having at least one second raised protrusion, the second raised protrusion being at least one first raised protrusion. Two channels are formed in the lower surface of the second elastomer layer. The bottom surface of the second elastomer layer is bonded onto the top surface of the first elastomer layer, so that at least one second channel is enclosed between the first elastomer layer and the second elastomer layer.

本発明に従ってエラストマー構造を微細製作する方法の第2の代替の実施態様は、第1エラストマー層を基板上部上に形成する工程、第1エラストマー層を硬化させる工程、および第1犠牲層を第1エラストマー層の上部表面上に堆積させる工程を包含する。第1犠牲層の一部が、除去され、その結果、犠牲物質の第1パターンが、第1エラストマー層の上部表面上に残る。第2エラストマー層が、第1エラストマー層にわたって形成され、それによって、第1エラストマー層と第2エラストマー層との間に第1のパターンの犠牲物質が囲まれる。第2エラストマー層が硬化され、次いで犠牲物質が除去され、それによって、少なくとも一つの第1凹部を、第1エラストマー層と第2エラストマー層との間に形成する。   A second alternative embodiment of a method for microfabricating an elastomeric structure in accordance with the present invention includes forming a first elastomer layer on a substrate top, curing the first elastomer layer, and first sacrificial layer first. Depositing on the upper surface of the elastomer layer. A portion of the first sacrificial layer is removed, so that a first pattern of sacrificial material remains on the upper surface of the first elastomer layer. A second elastomer layer is formed over the first elastomer layer, thereby enclosing a first pattern of sacrificial material between the first elastomer layer and the second elastomer layer. The second elastomer layer is cured and then the sacrificial material is removed, thereby forming at least one first recess between the first elastomer layer and the second elastomer layer.

本発明に従ってエラストマー構造を作動する方法の実施態様は、その中に第1微細製作凹部および第2の微細製作凹部で形成されたエラストマーブロックを提供する工程を包含し、第1微細製作凹部および第2の微細製作凹部は、この構造の一部によって分離され、この構造の一部は、第1凹部および第2凹部のいずれか一方が加圧される場合、第1凹部または第2凹部の他方へ撓み可能である。これらの凹部の一方が、加圧され、その結果、第1凹部から第2凹部を分離しているエラストマー構造の一部は、これら2つの凹部の他
方へ撓み可能である。
An embodiment of a method for operating an elastomeric structure in accordance with the present invention includes providing an elastomer block formed therein with a first microfabricated recess and a second microfabricated recess, wherein the first microfabricated recess and the first microfabricated recess. The two microfabrication recesses are separated by a part of this structure, and when one of the first recess and the second recess is pressurized, the part of this structure is the other of the first recess or the second recess. Bendable. One of these recesses is pressurized so that a portion of the elastomeric structure separating the second recess from the first recess can deflect to the other of these two recesses.

他の任意の好ましい局面において、磁性または導電性物質が、磁性または導電性のエラストマーの層を作製するために添加され得、従って、全てのエラストマー電磁デバイスの作製が可能となる。   In any other preferred aspect, a magnetic or conductive material can be added to create a layer of magnetic or conductive elastomer, thus allowing the fabrication of all elastomeric electromagnetic devices.

(発明の詳細な説明)
本発明は、ポンプまたはバルブとして使用できる多様な微細製作エラストマー構造体を有している。好ましいエラストマー構造体を製造する方法も明示されている。
(Detailed description of the invention)
The present invention has a variety of microfabricated elastomeric structures that can be used as pumps or valves. A method of producing a preferred elastomeric structure is also specified.

(本発明を製造する方法)
本発明を製造する2つの具体的な方法がここに提示される。本発明がこれらの方法のうちの一方または他方による製造に限定されるものではないものと理解するべきである。むしろ、本微細構造を製造する他の好適な方法も、本方法の修正例を含めて、思量される。
(Method for producing the present invention)
Two specific methods of manufacturing the present invention are presented here. It should be understood that the present invention is not limited to production by one or the other of these methods. Rather, other suitable methods of manufacturing the microstructure are also contemplated, including modifications of the method.

図1から図7Bは、本微細構造(ポンプまたはバルブとして使用することができる)を製造する第1の好ましい方法の順次の工程を例示している。図8から図18は、本微細構造(ポンプまたはバルブとしても使用することができる)を製造する第2の好ましい方法の順次の工程を例示している。   FIGS. 1-7B illustrate the sequential steps of the first preferred method of manufacturing the microstructure (which can be used as a pump or valve). FIGS. 8-18 illustrate the sequential steps of the second preferred method of manufacturing the present microstructure (which can also be used as a pump or valve).

後述のように、図1から図7Bの好ましい方法は、組立て加工と結合加工を施した予備硬化されたエラストマー層を利用することに関与している。逆に、図8から図18の好ましい方法は、エラストマーの各層を「適所」で硬化させることを含む。以下の説明において、「チャネル」とは、流体または気体のフローを含み得るエラストマー構造における凹部のことをいう。   As described below, the preferred method of FIGS. 1-7B involves utilizing a pre-cured elastomer layer that has been assembled and bonded. Conversely, the preferred method of FIGS. 8-18 involves curing each layer of elastomer “in place”. In the following description, “channel” refers to a recess in an elastomeric structure that may contain a fluid or gas flow.

(第1の例示的方法)
図1を参照すると、第1の微細加工モールド10が提供される。微細加工モールド10は、多くの従来のシリコン処理方法によって製造され得、この方法には、フォトリソグラフィー、イオンミリング(ion−milling)、および電子線リソグラフィーが挙げられるが、これらに限定されない。
(First exemplary method)
Referring to FIG. 1, a first microfabricated mold 10 is provided. The microfabricated mold 10 can be manufactured by a number of conventional silicon processing methods, including but not limited to photolithography, ion-milling, and electron beam lithography.

見られ得るように、微細加工モールド10は、そこに沿って延びる隆起したラインまたは突出部11を有する。第1エラストマー層20は、モールド10の頂部上に鋳造され、その結果、第1凹部21は、示されるように、エラストマー層20の下部表面に形成される(凹部21は、寸法において、突出部11に対応する)。   As can be seen, the microfabricated mold 10 has raised lines or protrusions 11 extending along it. The first elastomer layer 20 is cast on the top of the mold 10 so that a first recess 21 is formed in the lower surface of the elastomer layer 20 as shown (the recess 21 is a protrusion in size). 11).

図2に見られるように、第2の微細加工されたモールド12は、隆起した突起部13が本体に沿って延在している状態で、提示されている。第2のエラストマー層22が図示のようにモールド12の頂面に鋳造されて、凹部23が、突起部13の寸法に対応して、底部表面に形成されるようにしている。   As can be seen in FIG. 2, the second microfabricated mold 12 is presented with the raised protrusions 13 extending along the body. The second elastomer layer 22 is cast on the top surface of the mold 12 as shown in the figure, and the recess 23 is formed on the bottom surface corresponding to the dimension of the protrusion 13.

図3および図4に例示された順次の工程でわかるように、次いで、第2のエラストマー層22がモールド12から除去されて、第1のエラストマー層20の頂面に設置される。図示のように、第2のエラストマー層22の底部表面に沿って延在している凹部23がフローチャネル32を形成している。   As can be seen in the sequential steps illustrated in FIGS. 3 and 4, the second elastomer layer 22 is then removed from the mold 12 and placed on the top surface of the first elastomer layer 20. As shown, a recess 23 extending along the bottom surface of the second elastomer layer 22 forms a flow channel 32.

図5を参照すると、別個の第1のエラストマー層20および第2のエラストマー層22(図4)が、次いで、一緒に結合されて、一体型の(すなわち、モノリシックな)エラストマー構造体24を形成している。   Referring to FIG. 5, separate first elastomer layer 20 and second elastomer layer 22 (FIG. 4) are then bonded together to form a monolithic (ie, monolithic) elastomer structure 24. is doing.

図6および図7Aの連続工程に見られるように、次いで、エラストマー構造体24がモールド10から除去されて、平坦な基板14の頂面に設置される。図7Aおよび図7Bでわかるように、エラストマー構造体24がその底部表面で平坦な基板14に密着されてしまうと、凹部21がフローチャネル30を形成する。   As seen in the continuous process of FIGS. 6 and 7A, the elastomeric structure 24 is then removed from the mold 10 and placed on the top surface of the flat substrate 14. As can be seen in FIGS. 7A and 7B, the recess 21 forms a flow channel 30 once the elastomeric structure 24 is in close contact with the flat substrate 14 at its bottom surface.

本エラストマー構造体は、ほぼどのような平滑で平坦な基板を用いてでも可逆密封シールを形成する。このようにシールを形成する利点は、エラストマー構造体が剥離され、洗浄され、再利用できることである。好ましい局面では、平坦な基板14はガラスである。ガラスを利用するという更なる利点は、ガラスが透明で、エラストマーのチャネルと貯蔵部との光学的情報応答を可能にすることである。代替例として、エラストマー構造体は、上述と同一方法により平坦なエラストマー層の上に結合されて、恒久的な高強度の結合部を形成することができる。これは、より高い背圧が利用されると、有利であることがわかることがある。   The elastomeric structure forms a reversible hermetic seal using almost any smooth and flat substrate. The advantage of forming a seal in this way is that the elastomeric structure can be peeled off, cleaned and reused. In a preferred aspect, the flat substrate 14 is glass. A further advantage of utilizing glass is that the glass is transparent and allows optical information response between the elastomeric channel and the reservoir. As an alternative, the elastomeric structure can be bonded onto the flat elastomeric layer in the same manner as described above to form a permanent high strength bond. This may prove advantageous when higher back pressure is utilized.

図7Aおよび図7Bでわかるように、フローチャネル30およびフローチャネル32は互いに対して或る角度で配置されて、基板24の小薄膜25がフローチャネル32の底部からフローチャネル30の頂面を分離している状態となるのが好ましい。   As can be seen in FIGS. 7A and 7B, the flow channel 30 and the flow channel 32 are positioned at an angle with respect to each other so that the small film 25 of the substrate 24 separates the top surface of the flow channel 30 from the bottom of the flow channel 32. It is preferable to be in a state where

好ましい局面では、平坦な基板14はガラスである。ガラスを利用することの利点は、本エラストマー構造体が剥離され、洗浄され、再利用され得るということである。ガラスを利用することの更なる利点は、光学検知を採用することができることである。代替例として、平坦な構造体14はエラストマー自体であり得るが、これは、より高い背圧が利用されると、有利であるのがわかることがある。   In a preferred aspect, the flat substrate 14 is glass. The advantage of utilizing glass is that the elastomeric structure can be peeled, cleaned and reused. A further advantage of utilizing glass is that optical sensing can be employed. As an alternative, the flat structure 14 can be the elastomer itself, but this may prove advantageous if higher back pressure is utilized.

今説明した製造方法は、上記デバイスのチャネルの壁を形成するものとは異なるエラストマー物質から構成される膜を有する構造を形成するために変化され得る。この改変製造方法は、図7C〜7Gに示される。   The fabrication method just described can be varied to form a structure having a membrane composed of a different elastomeric material than that which forms the channel walls of the device. This modified manufacturing method is shown in FIGS.

図7Cを参照すると、第1微細加工モールド10が提供される。微細加工モールド10は、そこに沿って延びる隆起したラインまたは突出部11を有する。図7Dにおいて、第1エラストマー層20が、第1微細加工モールド10の上部上に鋳造され、その結果、第1エラストマー層20の上部が、隆起したラインまたは突出部11の上部で流される。これは、隆起ライン11の既知の高さに対して、モールド10上へスピンされた(spun)エラストマー物質の容量を注意深く制御することによって達成され得る。あるいは、所望の形状が、押し出し成形によって形成され得る。   Referring to FIG. 7C, a first microfabricated mold 10 is provided. The microfabricated mold 10 has raised lines or protrusions 11 extending along it. In FIG. 7D, the first elastomer layer 20 is cast on the top of the first microfabricated mold 10 so that the top of the first elastomer layer 20 is flushed over the raised lines or protrusions 11. This can be achieved by carefully controlling the volume of elastomeric material spun onto the mold 10 relative to the known height of the raised line 11. Alternatively, the desired shape can be formed by extrusion.

図7Eにおいて、そこに沿って延びる隆起突出部13を有する第2の微細加工モールド12がまた、提供される。第2エラストマー層22が、示されるように、第2モールド12の上部上に鋳造され、その結果、凹部23が、突出部13の寸法に対応するその下部表面に形成される。   In FIG. 7E, a second microfabricated mold 12 having raised protrusions 13 extending along it is also provided. A second elastomer layer 22 is cast on the top of the second mold 12 as shown, so that a recess 23 is formed on its lower surface corresponding to the dimensions of the protrusion 13.

図7Fにおいて、第2エラストマー層22が、モールド12から除去され、そして第3エラストマー層222の上部上に配置される。第2エラストマー層22が、以下に詳細に説明される技術を使用して、第3エラストマー層20へ結合され、一体化エラストマーブロック224を形成する。このプロセスにおけるこの点で、隆起ライン13によって以前に占めらた凹部23は、フローチャネル23を形成する。   In FIG. 7F, the second elastomer layer 22 is removed from the mold 12 and placed on top of the third elastomer layer 222. The second elastomer layer 22 is bonded to the third elastomer layer 20 using techniques described in detail below to form an integral elastomer block 224. At this point in the process, the recess 23 previously occupied by the raised line 13 forms a flow channel 23.

図7Gにおいて、エラストマーブロック224は、第1微細加工モールド10および第1エラストマー層20の上部上に配置される。エラストマーブロックおよび第1エラスト
マー層20は、次いで、共に結合されて、別のエラストマー層222から構成される膜を有する一体化(すなわち、モノリシックな)エラストマー構造24を形成する。
In FIG. 7G, the elastomer block 224 is disposed on top of the first microfabricated mold 10 and the first elastomer layer 20. The elastomeric block and the first elastomeric layer 20 are then bonded together to form a unitary (ie, monolithic) elastomeric structure 24 having a membrane composed of another elastomeric layer 222.

エラストマー構造24が、図7Aと関連して上述した様式で、平坦な基板に対してその底部表面でシールされた場合、隆起ライン11によって以前に占められた凹部は、フローチャネル30を形成する。   When the elastomeric structure 24 is sealed at its bottom surface to a flat substrate in the manner described above in connection with FIG. 7A, the recess previously occupied by the raised line 11 forms a flow channel 30.

図7C〜7Gと組み合わせて上記で例示された変形の製造方法は、膜部分が、この構造の残りのエラストマー物質とは別の物質から構成されることを可能にする利点を提供する。このことは重要である。なぜならば、この膜の厚みおよびエラストマー特性は、このデバイスの作動において重要な役割を果たすからである。その上、この方法は、別のエラストマー層が、このエラストマー構造へ組み込まれる前に調整する工程へ容易に供されることを可能にする。以下で詳細に議論するように、潜在的に望ましい条件の例には、この膜の作動を可能にするために磁性または導電性の種を組み込むこと、および/またはその弾性を変化させるためにこの膜へドーパントを組み込むことが挙げられる。   The variant manufacturing method illustrated above in combination with FIGS. 7C-7G offers the advantage of allowing the membrane portion to be composed of a material other than the remaining elastomeric material of this structure. This is important. This is because the thickness and elastomeric properties of the membrane play an important role in the operation of the device. Moreover, this method allows another elastomeric layer to be easily subjected to a conditioning step before being incorporated into the elastomeric structure. As discussed in detail below, examples of potentially desirable conditions include incorporating magnetic or conductive species to enable operation of the membrane and / or changing this elasticity to change its elasticity. Incorporation of dopants into the film may be mentioned.

上記の方法は、微細加工モールドの上部における複製成形によって形成される、種々の形状のエラストマー層を形成する工程と組み合わせて例示されたが、本発明は、この技術に制限されない。他の技術が利用されて、共に結合される形状化されたエラストマー物質の別個の層を形成し得る。例えば、エラストマー物質の形状層は、レーザー切断または射出成形によって、あるいは第2の例示的方法と組み合わせて以下に議論されるように、化学的エッチングおよび/または犠牲物質を利用する方法によって、形成され得る。   Although the above method has been exemplified in combination with the step of forming elastomer layers of various shapes formed by replication molding on the top of the microfabricated mold, the present invention is not limited to this technique. Other techniques may be utilized to form separate layers of shaped elastomeric material that are bonded together. For example, the shape layer of elastomeric material may be formed by laser cutting or injection molding, or by a method that utilizes chemical etching and / or a sacrificial material, as discussed below in combination with the second exemplary method. obtain.

(第2の例示的方法)
ポンプまたはバルブとして使用することができるエラストマー構造体を製造する第2の具体的方法が、図8から図18に示された順次の工程に明示されている。
(Second exemplary method)
A second specific method of producing an elastomeric structure that can be used as a pump or valve is demonstrated in the sequential steps shown in FIGS.

本発明のこの局面では、チャネルが望まれる隆起したライン状フォトレジストを残して、エラストマー層(または、ガラスを含むことができる他の基板)の表面でフォトレジストをまずパターン化することにより、フローチャネルおよび制御チャネルが規定される。次に、エラストマーの第2の層がその上に追加され、第2のフォトレジストが、チャネルが望まれる隆起したライン状フォトレジストを残して、エラストマーの第2の層の上でパターン化される。エラストマーの第3の層がその上に堆積される。最後に、フォトレジストは、それを適切な溶剤でエラストマーから溶解させることで除去されて、フォトレジストの除去により形成された空隙は、基板を通るフローチャネルとなる。   In this aspect of the invention, the flow is achieved by first patterning the photoresist on the surface of the elastomeric layer (or other substrate that can include glass), leaving the raised lined photoresist where the channel is desired. A channel and a control channel are defined. Next, a second layer of elastomer is added thereon and the second photoresist is patterned over the second layer of elastomer leaving a raised lined photoresist where a channel is desired. . A third layer of elastomer is deposited thereon. Finally, the photoresist is removed by dissolving it from the elastomer with a suitable solvent, and the void formed by the removal of the photoresist becomes a flow channel through the substrate.

最初に図8を参照すると、平坦な基板40が提示されている。第1のエラストマー層42が次いで、平坦な基板40の頂面に堆積され、硬化される。図9を参照すると、次に第1のフォトレジスト層44Aがエラストマー層42の頂面に堆積される。図10を参照すると、フォトレジスト44Bの第1のラインのみが図示のとおりに残留するように、フォトレジスト層44Aの一部が除去される。図11を参照すると、第2のエラストマー層46が、続いて、図示のように、第1のエラストマー層42の頂面上とフォトレジスト44Bの第1のライン上とに堆積されることにより、第1のエラストマー層42と第2のエラストマー層46との間にフォトレジスト44Bの第1のラインを封入する。図12を参照すると、エラストマー層46が層42の上で硬化されて各層を一緒に結合させた結果、モノリシックなエラストマー構造体45を形成する。   Referring initially to FIG. 8, a flat substrate 40 is presented. A first elastomer layer 42 is then deposited on the top surface of the flat substrate 40 and cured. Referring to FIG. 9, a first photoresist layer 44A is then deposited on the top surface of the elastomer layer. Referring to FIG. 10, a portion of the photoresist layer 44A is removed so that only the first line of photoresist 44B remains as shown. Referring to FIG. 11, a second elastomer layer 46 is subsequently deposited on the top surface of the first elastomer layer 42 and on the first line of photoresist 44B, as shown, A first line of photoresist 44B is encapsulated between the first elastomer layer 42 and the second elastomer layer 46. Referring to FIG. 12, an elastomeric layer 46 is cured on the layer 42 to bond the layers together, resulting in a monolithic elastomeric structure 45.

図13を参照すると、第2のフォトレジスト層48Aがエラストマー構造体45の上に堆積されている。図14を参照すると、第2のフォトレジスト層48Aの一部が除去されて、図示のように、エラストマー構造体45の頂面に第2のフォトレジストライン48B
のみを残す。図15を参照すると、図示のように、エラストマー構造体45(第2のエラストマー層42とフォトレジスト44Bの第1のラインとから構成されている)および第2のフォトレジストのライン48Bの頂面の上に第3のエラストマー層50が次いで堆積され、これにより、エラストマーの構造体45と第3のエラストマー層50との間でフォトレジスト48Bの第2のラインを封入している。
Referring to FIG. 13, a second photoresist layer 48 </ b> A is deposited on the elastomeric structure 45. Referring to FIG. 14, a portion of the second photoresist layer 48A is removed and a second photoresist line 48B is formed on the top surface of the elastomeric structure 45 as shown.
Leave only. Referring to FIG. 15, as shown, the elastomeric structure 45 (consisting of the second elastomer layer 42 and the first line of photoresist 44B) and the top surface of the second photoresist line 48B. A third elastomer layer 50 is then deposited on top of each other, thereby encapsulating a second line of photoresist 48B between the elastomeric structure 45 and the third elastomer layer 50.

図16を参照すると、次いで、第3のエラストマーの層50およびエラストマー構造体45(互いに結合された第1のエラストマー層42および第2のエラストマー層46から構成されている)が一緒に互いに結合されてモノリシックなエラストマーの構造体47を形成するが、この構造体は、図示のように、フォトレジストのライン44Bおよび48Bが貫通している。図17を参照すると、フォトレジストのライン44Bおよび48Bが次いで除去され(例えば、溶剤により)、第1のフローチャネル60および第2のフローチャネル62がそれぞれの適所に設けられて、図示のように、エラストマーの構造体47を通過するようにしている。最後に、図18を参照すると、平坦な基板40が一体型のモノリシックな構造体の底部表面から除去することができる。   Referring to FIG. 16, a third elastomer layer 50 and an elastomer structure 45 (consisting of a first elastomer layer 42 and a second elastomer layer 46 bonded together) are then bonded together. A monolithic elastomeric structure 47, through which photoresist lines 44B and 48B penetrate, as shown. Referring to FIG. 17, photoresist lines 44B and 48B are then removed (eg, with a solvent) and a first flow channel 60 and a second flow channel 62 are provided in place, as shown. The elastomer structure 47 is passed through. Finally, referring to FIG. 18, the flat substrate 40 can be removed from the bottom surface of the monolithic monolithic structure.

図8〜18に記載の方法は、エラストマー物質内にカプセル化されたフォトレジストの発生を利用して、パターン化エラストマー構造を製造する。しかし、本発明に従う方法は、フォトレジストを利用することに限定されない。金属などの他の物質もまた、周囲のエラストマー物質に選択的な、除去される犠牲材料として役に立ち得、そしてこの方法は、本発明の範囲内に依然としてある。例えば、図35A〜35Dと組み合わせて以下に詳細に説明されるように、RTV615エラストマーに選択的な金が、適切な化学的混合物を利用して、エッチングされ得る。   The method described in FIGS. 8-18 utilizes the generation of a photoresist encapsulated in an elastomeric material to produce a patterned elastomeric structure. However, the method according to the present invention is not limited to utilizing a photoresist. Other materials such as metals can also serve as a sacrificial material to be removed, selective to the surrounding elastomeric material, and this method is still within the scope of the present invention. For example, as described in detail below in combination with FIGS. 35A-35D, gold selective to the RTV615 elastomer can be etched utilizing a suitable chemical mixture.

(好ましい層およびチャネル寸法)
微細製作は、本発明の実施態様に従って製作されたエラストマー構造の特徴のサイズを言及する。一般に少なくとも1つの寸法の微細製作された構造の変形は、微視的(すなわち1000μm以下)である少なくとも1つの寸法で、ミクロンレベルまで制御される。微細製作は、微視的レベルでの特徴寸法の作製のために設計された、フォトリソグラフィおよびスピンコーティングなどの、半導体またはMEMS製作技術を典型的には含み、少なくともいくつかの寸法の微細製作構造の寸法は、合理的に構造を解像/画像化する顕微鏡を要求する。
(Preferred layer and channel dimensions)
Microfabrication refers to the size of the features of the elastomeric structure fabricated according to embodiments of the present invention. In general, deformation of a microfabricated structure of at least one dimension is controlled to the micron level with at least one dimension that is microscopic (ie, 1000 μm or less). Microfabrication typically includes semiconductor or MEMS fabrication techniques, such as photolithography and spin coating, designed for the creation of feature dimensions at the microscopic level, and includes microfabricated structures of at least some dimensions These dimensions require a microscope that reasonably resolves / images the structure.

好ましい局面において、フローチャネル30、32、60および62は好ましくは、約10:1の幅対深さ比を有する。本発明の実施態様に従った、限定的ではない他の範囲の幅対深さの比の列挙は、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、そして最も好ましくは3:1から15:1である。例示的な局面において、フローチャネル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従った、限定的ではない他の範囲のフローチャネルの幅の列挙は、0.01から1000ミクロンであり、より好ましくは0.05から1000ミクロンであり、より好ましくは0.2から500ミクロンであり、より好ましくは1から250ミクロンであり、そして最も好ましくは10から200ミクロンである。例示的なチャネル幅は、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、160μm
を含む。
In a preferred aspect, the flow channels 30, 32, 60 and 62 preferably have a width to depth ratio of about 10: 1. A non-limiting list of other ranges of width to depth ratios according to embodiments of the present invention is 0.1: 1 to 100: 1, more preferably 1: 1 to 50: 1, more Preferably from 2: 1 to 20: 1, and most preferably from 3: 1 to 15: 1. In an exemplary aspect, the flow channels 30, 32, 60 and 62 have a width of about 1 to 1000 microns. An enumeration of other non-limiting flow channel widths according to embodiments of the present invention is 0.01 to 1000 microns, more preferably 0.05 to 1000 microns, and more preferably 0. .2 to 500 microns, more preferably 1 to 250 microns, and most preferably 10 to 200 microns. Exemplary channel widths are 0.1 μm, 1 μm, 2 μm, 5 μm, 10 μm, 20 μm, 30 μm, 40 μm, 50 μm, 60 μm, 70 μm, 80 μm, 90 μm, 100 μm, 110 μm, 120 μm, 130 μm, 140 μm, 150 μm, 160 μm, 170 μm. 180 μm, 190 μm, 200 μm, 210 μm, 220 μm, 230 μm, 240 μm and 250 μm, 160 μm
including.

フローチャネル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従った、フローチャネルの他の範囲の深さの限定的ではない列挙は、0.01から1000ミクロンであり、より好ましくは0.05から500ミクロンであり、より好ましくは0.2から250ミクロンであり、そしてより好ましくは1から100ミクロンであり、より好ましくは2から20ミクロンであり、そして最も好ましくは5から10ミクロンである。例示的なチャネル深さは、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。
The flow channels 30, 32, 60 and 62 have a depth of about 1 to 100 microns. A non-limiting list of depths of other ranges of flow channels according to embodiments of the present invention is 0.01 to 1000 microns, more preferably 0.05 to 500 microns, more preferably 0.2 to 250 microns, and more preferably 1 to 100 microns, more preferably 2 to 20 microns, and most preferably 5 to 10 microns. Exemplary channel depths are 0.01 μm, 0.02 μm, 0.05 μm, 0.1 μm, 0.2 μm, 0.5 μm, 1 μm, 2 μm, 3 μm, 4 μm, 5 μm, 7.5 μm, 10 μm, 12. Including 5 μm, 15 μm, 17.5 μm, 20 μm, 22.5 μm, 25 μm, 30 μm, 40 μm, 50 μm, 75 μm, 100 μm, 150 μm, 200 μm and 250 μm.

このフローチャネルは、これらの特定の寸法範囲および上記に与えられた例に限定されず、そして以下で図27に関連して充分に記載するように、膜を撓めるために要求される力の大きさに影響を及ぼすために、幅において変化し得る。例えば、0.01μmのオーダーの幅を有する極端に狭いフローチャネルは、以下に詳細に記載のように光学および他の適用において有用であり得る。上述よりも大きくさえある幅のチャネルを有する部分を含むエラストマー構造もまた、本発明により考慮され、そしてこのようにより広いフローチャネルを利用する適用の例は、流体容器および混合チャネル構造を含む。   This flow channel is not limited to these specific size ranges and examples given above, and the force required to deflect the membrane, as will be fully described below in connection with FIG. Can vary in width to affect the size of. For example, extremely narrow flow channels having a width on the order of 0.01 μm may be useful in optics and other applications as described in detail below. Elastomeric structures that include portions having channels that are even larger than those discussed above are also contemplated by the present invention, and examples of applications that utilize such wider flow channels include fluid containers and mixing channel structures.

エラストマー層22は、機械的安定のために厚く鋳造され得る。例示の実施態様において、層22は、50ミクロンから数センチメートル厚であり、そしてより好ましくは約4mm厚である。本発明の他の実施態様に従ったエラストマー層の限定的ではない厚みの範囲の列挙は、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。   The elastomer layer 22 can be cast thick for mechanical stability. In the illustrated embodiment, layer 22 is 50 microns to several centimeters thick, and more preferably about 4 mm thick. A list of non-limiting thickness ranges of elastomer layers according to other embodiments of the invention is between about 0.1 microns to 10 cm, 1 micron to 5 cm, 10 microns to 2 cm, 100 microns to 10 mm. .

従って、フローチャネル30および32を分離する図7Bの膜25は、約0.01ミクロンと1000ミクロンとの間の典型的な厚さを有し、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、そして最も好ましくは5から40ミクロンである。このようであるから、エラストマー層22の厚みは、エラストマー層20の厚みの約100倍である。例示的な膜厚は、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。   Thus, the membrane 25 of FIG. 7B separating the flow channels 30 and 32 has a typical thickness between about 0.01 microns and 1000 microns, more preferably 0.05 to 500 microns, more preferably Is 0.2 to 250, more preferably 1 to 100 microns, more preferably 2 to 50 microns, and most preferably 5 to 40 microns. As such, the thickness of the elastomer layer 22 is about 100 times the thickness of the elastomer layer 20. Exemplary film thicknesses are 0.01 μm, 0.02 μm, 0.03 μm, 0.05 μm, 0.1 μm, 0.2 μm, 0.3 μm, 0.5 μm, 1 μm, 2 μm, 3 μm, 5 μm, 7.5 μm 10 μm, 12.5 μm, 15 μm, 17.5 μm, 20 μm, 22.5 μm, 25 μm, 30 μm, 40 μm, 50 μm, 75 μm, 100 μm, 150 μm, 200 μm, 250 μm, 300 μm, 400 μm, 500 μm, 750 μm, and 1000 μm.

同様に、第一エラストマー層42は、エラストマー層20または22の厚みにほぼ等しい好ましい厚みを有し得、第二のエラストマー層46は、エラストマー層20の厚みにほぼ等しい好ましい厚みを有し得る。そして第三のエラストマー層50は、エラストマー層22の厚みにほぼ等しい好ましい厚みを有し得る。   Similarly, the first elastomer layer 42 may have a preferred thickness that is approximately equal to the thickness of the elastomer layer 20 or 22, and the second elastomer layer 46 may have a preferred thickness that is approximately equal to the thickness of the elastomer layer 20. The third elastomer layer 50 may have a preferred thickness that is approximately equal to the thickness of the elastomer layer 22.

ここで記載されたように、本発明の実施形態に従う微細作製されたデバイスのフィーチャ(feature)の側方の寸法は、非エアラストマーモールドのフィーチャを規定するか際か、または、エラストマー物質上で直接的に犠牲フィーチャを規定する際のいずれかに、リソグラフィ技術を利用して精密に制御され得る。同様に、垂直方向におけるフィーチャの寸法は、フローチャネルを利用して規定され得る形成を通じて変化および制御され得、レジストおよび他の犠牲物質の開発を通じて精密に制御されて達成され得る。   As described herein, the lateral dimensions of the features of the microfabricated device according to embodiments of the present invention may be different from those defining the non-airlastomer mold features or on the elastomeric material. Can be precisely controlled using lithographic techniques either directly in defining the sacrificial features. Similarly, feature dimensions in the vertical direction can be varied and controlled through formation that can be defined utilizing flow channels, and can be achieved with precise control through the development of resists and other sacrificial materials.

例えば、図71Aは、それぞれ、異なる高さYおよびY’のトポグラフィフィーチャ7602aおよび7602bをフィーチャ化するモールド7600の断面図を示す。フィー
チャ7602aおよび7602bは、図71Aに示されるように、複数レジスト層7604および7606のパターニングを通じて直接的に生成され得る。図71Aのモールド7600からのエラストマー物質7608の除去の際、異なる高さYおよびY’の部分7612aおよび7612bを有するフローチャネル7612をフィーチャ化する図71Bに示されるエラストマー層7610が、形成され得る。
For example, FIG. 71A shows a cross-sectional view of a mold 7600 that features topographic features 7602a and 7602b of different heights Y and Y ′, respectively. Features 7602a and 7602b can be generated directly through patterning of multiple resist layers 7604 and 7606, as shown in FIG. 71A. Upon removal of the elastomeric material 7608 from the mold 7600 of FIG. 71A, an elastomeric layer 7610 shown in FIG. 71B that features flow channels 7612 having portions 7612a and 7612b of different heights Y and Y ′ may be formed.

本発明の実施形態は、異なる高さのフィーチャを形成するためにポジティブまたはネガティブのレジスト物質を利用し得る。本発明の実施形態は、フォトレジストまたは電子線レジスト物質を利用し得る。   Embodiments of the present invention may utilize positive or negative resist materials to form different height features. Embodiments of the present invention may utilize a photoresist or electron beam resist material.

図71A〜Bは、複数レジスト層のパターニングを通じて変化する高さのフィーチャの生成を示すが、モールドでの直接的なレジスト物質の使用は、本発明によって要求されない。代替の実施形態では、レジストの複数のパターニングされた層は、異なる深さへの下方の基板物質の除去のためのマスクとして機能し得る。パターニングされたレジストの除去の際、基板において変化する深さのフィーチャは、モールドされた部分を規定し得る。   71A-B show the creation of varying height features through multiple resist layer patterning, the use of a resist material directly in the mold is not required by the present invention. In an alternative embodiment, multiple patterned layers of resist may serve as a mask for removal of underlying substrate material to different depths. Upon removal of the patterned resist, features of varying depth in the substrate can define the molded portion.

さらに、図71A〜71Bは、複数のレジスト層を利用する変化する高さのモールドされたフィーチャの生成を示すが、これは、また、本発明に従う実施形態によって要求されない。代替の実施形態では、グレイスケールレジストが用いられ得る。現像の際、グレイスケールレジストの厚さは、露光の間の入射する放射光の強度を反映する。このような入射放射光の強度を変化させることにより、結果として、レジスト物質の単一層から異なる高さのフィーチャの形成を生じ得る。   Further, FIGS. 71A-71B illustrate the creation of varying height molded features utilizing multiple resist layers, but this is also not required by embodiments according to the present invention. In an alternative embodiment, a gray scale resist can be used. During development, the thickness of the gray scale resist reflects the intensity of incident radiation during exposure. Varying the intensity of such incident radiation can result in the formation of different height features from a single layer of resist material.

(多層軟性リソグラフィー構築の技術および材料)
(軟性リソグラフィー接着)
エラストマーの層20および22(または、エラストマー層42、46、および50)は、パターン化されたエラストマーの層を備えたポリマーに固有である化学的性状を利用して、一緒に化学的に結合されるのが好ましい。最も好ましくは、この結合は2種の構成要素の「付加硬化」結合を備える。
(Technology and materials for constructing multilayer flexible lithography)
(Soft lithography bonding)
Elastomer layers 20 and 22 (or elastomer layers 42, 46, and 50) are chemically bonded together utilizing the chemical properties that are inherent to polymers with patterned elastomer layers. It is preferable. Most preferably, the bond comprises a two component “addition cure” bond.

好ましい局面において、エラストマーの多様な層は、層が異なる化学性状を有する異種結合で一緒に束縛される。あるいは、全ての層が同じ化学性状である同種結合が、使用され得る。第三に、それぞれのエラストマー層は、必要に応じて代わりに接着剤により一緒に接着され得る。第四の局面において、このエラストマー層は、加熱により一緒に結合された熱硬化性エラストマーであり得る。   In a preferred aspect, the various layers of elastomer are constrained together with heterogeneous bonds with the layers having different chemical properties. Alternatively, homogenous bonds where all layers have the same chemical properties can be used. Third, the respective elastomer layers can be glued together with an adhesive instead if desired. In a fourth aspect, the elastomeric layer can be a thermosetting elastomer that is bonded together by heating.

同種結合の1つの局面において、このエラストマー層は、層を一緒に結合するために、他の層の同じ化学的実体と反応する同じ化学的実体を1つの層に有した同じエラストマー材料から構成される。1つの実施態様において、類似のエラストマー層のポリマー鎖の間の結合は、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得られ得る。   In one aspect of homogenous bonding, the elastomeric layer is composed of the same elastomeric material having the same chemical entity in one layer that reacts with the same chemical entity in the other layer to bond the layers together. The In one embodiment, the bonds between the polymer chains of similar elastomeric layers can be obtained from activation of the crosslinker by light, heat, or a chemical reaction with another chemical species.

あるいは異種の局面において、エラストマー層は、他の層における第二化学実体と反応する第一化学実体を1つの層に有して、異なるエラストマー材料から構成される。1つの例示的な異種局面において、それぞれのエラストマー層を一緒に束縛するために使用される結合する方法は、RTV615シリコーンの2つの層を一緒に結合する工程を包含し得る。RTV615シリコーンは、2部添加硬化シリコーンラバーである。部分Aは、ビニル基および触媒を含み、部分B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。結合のために、1つの層は30A:1B(すなわち、過剰ビニル基)で作製され得、そして他方は3A:1B(すなわち過剰Si−H基)で作
製され得る。各層は別々に硬化する。この2つの層が接触されて、そして上昇した温度において加熱されると、それらは不可逆的に結合してモノリシックエラストマー基板を形成する。
Alternatively, in a heterogeneous aspect, the elastomeric layer is composed of different elastomeric materials with a first chemical entity in one layer that reacts with a second chemical entity in another layer. In one exemplary heterogeneous aspect, the bonding method used to bind the respective elastomer layers together may include bonding the two layers of RTV 615 silicone together. RTV615 silicone is a two-part addition cured silicone rubber. Part A contains vinyl groups and catalyst, and part B contains silicon hydride (Si-H) groups. A typical ratio for RTV 615 is 10A: 1B. For bonding, one layer can be made of 30A: 1B (ie, excess vinyl groups) and the other can be made of 3A: 1B (ie, excess Si—H groups). Each layer is cured separately. When the two layers are brought into contact and heated at an elevated temperature, they irreversibly bond to form a monolithic elastomeric substrate.

本発明の例示の局面において、エラストマー構造はSylgard 182、184、または186、あるいはEbecryl 270またはIrr245(UCB Chemicalから)など(しかしそれらに限定されない)の脂肪族ウレタンジアクリレートを利用して形成される。   In an exemplary aspect of the invention, the elastomeric structure is formed utilizing an aliphatic urethane diacrylate such as (but not limited to) Sylgard 182, 184, or 186, or Ebecryl 270 or Irr245 (from UCB Chemical). .

本発明の1つの実施態様において、2層エラストマー構造を、純アクリル酸化ウレタンEbe270から作製した。薄い底部層を、170℃、15秒間、8000rpmでスピンコートした。頂部および底部層を、Electrolite corporation
により製造されたModel ELC 500デバイスを利用して、窒素下で10分間、紫外線のもとで初期に硬化した。この組み立てられた層は、次いで追加の30分間で硬化された。反応は、Ciba−Geigy Chemicalsにより製造されたIrgacure500の0.5%vol/vol混合物により触媒された。得られたエラストマー材料は、適度な弾性およびガラスへの付着を示した。
In one embodiment of the present invention, a two-layer elastomeric structure was made from pure acrylic urethane Ebe270. The thin bottom layer was spin coated at 8000 rpm at 170 ° C. for 15 seconds. The top and bottom layers are made up of Electrolite corporation
Was initially cured under ultraviolet light for 10 minutes under nitrogen using a Model ELC 500 device manufactured by AA. This assembled layer was then cured for an additional 30 minutes. The reaction was catalyzed by a 0.5% vol / vol mixture of Irgacure 500 manufactured by Ciba-Geigy Chemicals. The resulting elastomeric material showed moderate elasticity and adhesion to glass.

本発明に従った他の実施態様において、2層エラストマー構造を、薄い底部層に対して25%Ebe270/50%Irr245/25%イソプロピルアルコール、および頂部層として純アクリル酸化ウレタンEbe270の組み合わせから作製した。Electrolite corporationにより製造された、Model ELC 500デバイスを利用して、窒素下で紫外線のもとで、この薄い底部層は初期に5分間硬化され、そして頂部層は初期に10分間硬化された。この組み立てられた層は、次いで追加の30分間で硬化された。反応は、Ciba−Geigy Chemicalsにより製造された、Irgacure 500の0.5%vol/vol混合物で触媒された。得られたエラストマー材料は、適度の弾性を示し、ガラスへ付着した。   In another embodiment according to the present invention, a two-layer elastomeric structure was made from a combination of 25% Ebe270 / 50% Irr245 / 25% isopropyl alcohol for the thin bottom layer, and pure acrylated urethane Ebe270 as the top layer. . This thin bottom layer was initially cured for 5 minutes and the top layer was initially cured for 10 minutes under UV light under nitrogen using a Model ELC 500 device manufactured by Electrolite Corporation. This assembled layer was then cured for an additional 30 minutes. The reaction was catalyzed with a 0.5% vol / vol mixture of Irgacure 500 manufactured by Ciba-Geigy Chemicals. The resulting elastomeric material showed moderate elasticity and adhered to the glass.

あるいは、例えばプラズマ曝露により、エラストマー表面を活性化する工程を含む、他の結合方法が使用され得、その結果、接触して配置されるとエラストマー層/基板が結合する。例えば、同じ材料から構成されたエラストマー層を一緒に結合する1つの可能なアプローチが、Duffyらの「Rapid Prototyping of Microfludic Systems in Poly(dimethylsiloxane)」,Analytical Chemistry(1998)、70、4974〜4984により記載され、本明細書中に参考として援用される。この論文は、ポリジメチルシロキサン(PDMS)層を、酸素プラズマに曝露して、この表面の酸化を生じさせ、2つの酸化層が接触して配置されると不可逆結合を生じる工程を議論する。   Alternatively, other bonding methods can be used, including activating the elastomeric surface, for example by plasma exposure, so that the elastomer layer / substrate bonds when placed in contact. For example, one possible approach to bonding together elastomeric layers composed of the same material is described by Duffy et al., “Rapid Prototyping of Microfluidic Systems in Poly (dimethylsiloxane)”, Analytical Chemistry (1998), 49, Described and incorporated herein by reference. This paper discusses the process of exposing a polydimethylsiloxane (PDMS) layer to an oxygen plasma to cause oxidation of this surface, which results in an irreversible bond when the two oxide layers are placed in contact.

エラストマーの連続層を一緒に結合するための、さらに他のアプローチは、未硬化エラストマーの接着特性を利用することである。特定的には、RTV615などの未硬化エラストマーの薄い層は、第一硬化エラストマー層の頂部に適用される。次いで、第二硬化エラストマー層が、未硬化エラストマー層の頂部に配置される。未硬化エラストマーの薄い中央層は、次いでモノリシックエラストマー構造を作製するために硬化される。あるいは、未硬化エラストマーは、第一硬化エラストマー層の底部に適用され、この第一硬化エラストマー層は、第二硬化エラストマー層の頂部に配置され得る。中央の薄いエラストマー層を硬化すると、モノリシックエラストマー構造の形成を再び生じる。   Yet another approach for bonding together successive layers of elastomers is to take advantage of the adhesive properties of uncured elastomers. Specifically, a thin layer of uncured elastomer such as RTV 615 is applied on top of the first cured elastomer layer. A second cured elastomer layer is then placed on top of the uncured elastomer layer. The thin center layer of uncured elastomer is then cured to create a monolithic elastomeric structure. Alternatively, the uncured elastomer can be applied to the bottom of the first cured elastomer layer, and the first cured elastomer layer can be placed on top of the second cured elastomer layer. Curing the central thin elastomeric layer again results in the formation of a monolithic elastomeric structure.

図8〜18において上記のように、エラストマー構造を作製するために犠牲層の封入が採用される場合、連続エラストマー層の結合が、未硬化のエラストマーを、事前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上に注ぐことにより
達成され得る。エラストマー層の間の結合は、相互浸透および未硬化エラストマー層のポリマー鎖の、硬化エラストマー層のポリマー鎖との反応により生じる。エラストマー層の引き続く硬化は、エラストマー層の間の結合を作製し、そしてモノリシックエラストマー構造を作製する。
As described above in FIGS. 8-18, when the encapsulation of a sacrificial layer is employed to create an elastomeric structure, the bonding of the continuous elastomeric layer results in the uncured elastomer, the precured elastomeric layer, and above. Can be achieved by pouring over any sacrificial material patterned. Bonding between the elastomeric layers occurs by interpenetrating and reacting the polymer chains of the uncured elastomer layer with the polymer chains of the cured elastomer layer. Subsequent curing of the elastomeric layer creates a bond between the elastomeric layers and creates a monolithic elastomeric structure.

図1から7Bまでの第一の方法を参照すると、第一エラストマー層20は、微細製作モールド12上のRTV混合物を、2000rpmで30秒間スピンコーティングすることにより作製され得、約40ミクロンの厚みを得る。第二のエラストマー層22は、微細製作モールド11上のRTV混合物をスピンコーティングすることにより作製され得る。層20および22の両方は、約80℃で1.5時間、別々にベーキングまたは硬化され得る。第二のエラストマー層22は、第一エラストマー層20上に約80℃で約1.5時間、結合され得る。   Referring to the first method from FIGS. 1 to 7B, the first elastomer layer 20 can be made by spin coating the RTV mixture on the microfabricated mold 12 at 2000 rpm for 30 seconds and has a thickness of about 40 microns. obtain. The second elastomer layer 22 can be made by spin coating the RTV mixture on the microfabricated mold 11. Both layers 20 and 22 can be separately baked or cured at about 80 ° C. for 1.5 hours. The second elastomer layer 22 can be bonded onto the first elastomer layer 20 at about 80 ° C. for about 1.5 hours.

微細製作モールド10および12は、シリコンウェハ上でパターン化されたフォトレジストであり得る。例示の局面においては、Shipley SJR 5740 フォトレジストを2000rpmでスピンし、高解像度透明フィルムでマスクとしてパターン化し、次いで現像して約10ミクロン高さの逆チャネルを得た。約200℃で約30分間ベーキングされると、このフォトレジストは逆流し、逆チャネルは丸くなる。好ましい局面において、このモールドは、シリコーンラバーの付着を防ぐために、各使用の前にトリメチルクロロシラン(TMCMS)蒸気を用いて約1分間処理され得る。   The microfabricated molds 10 and 12 can be a photoresist patterned on a silicon wafer. In an exemplary aspect, Shipley SJR 5740 photoresist was spun at 2000 rpm, patterned as a mask with a high resolution transparent film, and then developed to obtain a reverse channel about 10 microns high. When baked at about 200 ° C. for about 30 minutes, the photoresist flows back and the reverse channel is rounded. In a preferred aspect, the mold can be treated with trimethylchlorosilane (TMCMS) vapor for about 1 minute before each use to prevent silicone rubber adhesion.

多様な多層軟リソグラフィー構成技術および本明細書中で記載される材料を使用して、本発明は7までの分離したエラストマー層厚(各層は約40μm厚である)のチャネルネットワークを作製することに実験的に成功している。7より多い分離したエラストマー層を備えるデバイスが、一緒に結合されることは予見可能である。   Using a variety of multilayer soft lithographic construction techniques and materials described herein, the present invention creates channel networks of up to 7 separate elastomeric layer thicknesses (each layer is approximately 40 μm thick). Experimentally successful. It is foreseeable that devices with more than 7 separate elastomeric layers will be bonded together.

上記議論は、連続する水平エラストマー層を一緒に結合するための方法に焦点を合わせるが、本発明に従う代替の実施形態では、結合は、さらに、エラストマー構造の異なる部分の垂直の界面間に発生し得る。このような代替のアプローチの一実施形態は、図55A〜55Cに示される。これらは、フローチャネルセクションに沿うエラストマー構造の分離を利用するこのようなデバイスを形成するためのプロセスの断面図を示す。   While the above discussion focuses on a method for bonding together successive horizontal elastomeric layers, in an alternative embodiment according to the present invention, bonding further occurs between the vertical interfaces of different portions of the elastomeric structure. obtain. One embodiment of such an alternative approach is shown in FIGS. These show a cross-sectional view of a process for forming such a device that utilizes the separation of elastomeric structures along the flow channel section.

図55Aは、それぞれ第一エラストマー層6002および6012を含む2つのデバイス6000および6010の断面を示す。第一エラストマー層6002および6012は、第二エラストマー層6004および6014の表面を覆い、これにより、各フローチャネル6006および6016を規定する。第一エラストマー層6002は、第一のエラストマー物質を含み、第二エラストマー層6004は、第一のエラストマー物質と結合するように構成された第二のエラストマー物質を含む。逆に、第一のエラストマー層6012は、第二のエラストマー物質を含み、第二のエラストマー層6014は、第一のエラストマー物質を含む。   FIG. 55A shows a cross section of two devices 6000 and 6010 that include first elastomer layers 6002 and 6012, respectively. First elastomer layers 6002 and 6012 cover the surface of second elastomer layers 6004 and 6014, thereby defining each flow channel 6006 and 6016. The first elastomeric layer 6002 includes a first elastomeric material and the second elastomeric layer 6004 includes a second elastomeric material configured to bond with the first elastomeric material. Conversely, the first elastomer layer 6012 includes a second elastomer material and the second elastomer layer 6014 includes a first elastomer material.

図55Bは、半分の構造600a−bおよび6010a−bを形成するために、フローチャネル6006および6015の長さに沿って延びる垂直線6001および6011に沿ってデバイス6000および6010を切断する結果をそれぞれ示す。   FIG. 55B shows the results of cutting devices 6000 and 6010 along vertical lines 6001 and 6011 extending along the length of flow channels 6006 and 6015, respectively, to form half structures 600a-b and 6010a-b. Show.

図55Cは、第一の半分6000aが第二の半分6010bに結合されてデバイス6008を形成し、第一の半分6010aが第二の半分6000bに結合されてデバイス6018を形成するように、半分の構造を交差して組み合わせる結果を示す。この再組み立ては、第一のエラストマー物質と第二のエラストマー物質との間の結合によって可能にされる。   FIG. 55C shows a half of the first half 6000a coupled to the second half 6010b to form the device 6008 and the first half 6010a coupled to the second half 6000b to form the device 6018. Shows the result of crossing and combining structures. This reassembly is made possible by a bond between the first elastomeric material and the second elastomeric material.

ここで記載された結合方法は、複数チップを、エッジ同士で一緒に組み立てて、マルチチップモジュールを形成するるのに有用であり得る。これは、それぞれが特定の機能を有する微細流体モジュールの生成のために特に有利であり、この微細流体モジュールは、所望のようにコンポーネントチップから組み立てられ得る。   The bonding method described herein can be useful for assembling multiple chips together edge to form a multi-chip module. This is particularly advantageous for the production of microfluidic modules, each having a specific function, which can be assembled from component chips as desired.

上記説明は、水平方向配向のチャネルの機能を持つ連続層を結合することに焦点を合わせているが、水平方向に配向するチャネルを有する層を作製すること、そして、その後、垂直位置にある層を配向させ、そして、垂直に配向した層を水平に配向された層に結合させることも可能である。これは、図68A〜Bに示される。この図は、垂直に配向する微細作製されたエラストマー構造を水平に配向された微細作製エラストマー構造に結合させる方法の断面図を示す。   The above description focuses on combining continuous layers with the function of horizontally oriented channels, but creating layers with horizontally oriented channels, and then layers in a vertical position It is also possible to align the vertically oriented layer and bond the vertically oriented layer to the horizontally oriented layer. This is shown in FIGS. This figure shows a cross-sectional view of a method of joining a vertically oriented microfabricated elastomeric structure to a horizontally oriented microfabricated elastomeric structure.

図68Aは、第一の水平に配向された微細作製エラストマー構造7300を示す。この微細作製エラストマー構造7300は、第一エラストマー層7304に形成され、フローチャネル7306の表面を覆い、第二エラストマー層7310から形成された膜7308によってフローチャネル7306から分離される制御チャネル7302を含む。第二のエラストマー層7310は、また、フローチャネル7306と連絡する垂直のビア7312規定し、第一のエラストマー層7304は、完全には第二のエラストマー層7310の頂部を超えて延びない。第二の水平に配向された微細作製エラストマー構造7320は、同様に、第三のエラストマー層7324に形成され、フローチャネル7322を覆い、第四のエラストマー層7330から形成された膜7328によってフローチャネル7326から分離される制御チャネル7322を含む。   FIG. 68A shows a first horizontally oriented microfabricated elastomeric structure 7300. FIG. This microfabricated elastomeric structure 7300 includes a control channel 7302 formed in the first elastomeric layer 7304 that covers the surface of the flow channel 7306 and is separated from the flow channel 7306 by a membrane 7308 formed from the second elastomeric layer 7310. The second elastomer layer 7310 also defines a vertical via 7312 in communication with the flow channel 7306, and the first elastomer layer 7304 does not extend completely beyond the top of the second elastomer layer 7310. A second horizontally oriented microfabricated elastomeric structure 7320 is similarly formed in the third elastomer layer 7324, covers the flow channel 7322, and is flow channel 7326 by a membrane 7328 formed from the fourth elastomer layer 7330. Including a control channel 7322 separated from the control channel 7322.

図68Bは、第二微細作製構造7320を端部上で垂直に配向させ、第二の構造7320を、フローチャネル7326がビア7312と接触するように第一の微細作製構造7300と接触して配置することによる化合物の微細作製されたエラストマー構造7340のアセンブリを示す。化合物構造7340を採用することによって、流体は、ビア7312を介してフローチャネル7306から取り除かれるか、または、フローチャネル7306に導入され得る。   FIG. 68B shows the second microstructured structure 7320 oriented vertically on the edge and the second structure 7320 is placed in contact with the first microstructured structure 7300 such that the flow channel 7326 contacts the via 7312. FIG. 6 shows an assembly of a microfabricated elastomeric structure 7340 of a compound by doing so. By employing the compound structure 7340, fluid can be removed from the flow channel 7306 or introduced into the flow channel 7306 via the via 7312.

(適切なエラストマー材料)
Allcockらの、Contemporary Polymer Chemistry,第二版は、一般にそのガラス転移温度と液化温度との間の温度で存在するポリマーとしてのエラストマーを記載する。エラストマー材料は、ポリマー鎖が容易に捻れ運動を行い、力に反応して骨格鎖のコイルの解きを可能にし、この骨格鎖の再コイル化により、力が存在しない場合の以前の形状を呈するために、弾性特性を示す。一般に、エラストマーは、力が適用されると変形するが、力が除去されると次にはそのもとの形状に戻る。エラストマー材料により示されるこの弾性は、ヤング率により特徴づけられ得る。約1Paと1TPaとの間、より好ましくは約10Paと100GPaとの間、より好ましくは約20Paと1GPaとの間、より好ましくは約50Paと10MPaとの間、そしてより好ましくは約100Paと1MPaとの間のヤング率を有するエラストマー材料が本発明に従って有用であるが、これらの範囲の外のヤング率を有するエラストマー材料もまた、特定の適用の必要に依存して利用され得る。
(Appropriate elastomeric material)
Allcock, et al, Contemporary Polymer Chemistry, 2nd edition, describes elastomers as polymers that generally exist at temperatures between their glass transition temperature and liquefaction temperature. Elastomeric materials allow the polymer chains to twist easily and react to forces to allow the unwinding of the backbone chains, and this skeleton chain recoiling takes on the previous shape in the absence of forces. Shows elastic properties. Generally, an elastomer deforms when a force is applied, but then returns to its original shape when the force is removed. This elasticity exhibited by the elastomeric material can be characterized by Young's modulus. Between about 1 Pa and 1 TPa, more preferably between about 10 Pa and 100 GPa, more preferably between about 20 Pa and 1 GPa, more preferably between about 50 Pa and 10 MPa, and more preferably between about 100 Pa and 1 MPa. While elastomeric materials having a Young's modulus between are useful in accordance with the present invention, elastomeric materials having a Young's modulus outside these ranges may also be utilized depending on the needs of a particular application.

本発明のシステムは広範なエラストマーから製造することができる。具体的な局面では、エラストマー層20、22、42、46および50がシリコーンラバーから製造することができるのが好ましい。しかし、他の好適なエラストマーも利用できる。   The system of the present invention can be made from a wide range of elastomers. In a specific aspect, it is preferred that the elastomer layers 20, 22, 42, 46 and 50 can be made from silicone rubber. However, other suitable elastomers can be utilized.

本発明の具体的局面では、本システムは、GE RTV 615(処方物)、ビニル−
シラン架橋(型)シリコーンエラストマー(族)のようなエラストマーポリマーから製造される。しかし、本システムはこの1つの処方物のポリマー、この1つの型のポリマー、または、この族のポリマーにすら限定されず、むしろ、ほぼいかなるエラストマーのポリマーでも好適である。この微細バルブの製造の好ましい方法についての重要な要件は、エラストマーの複数の層を互いに一緒に接着する能力である。多層軟性リソグラフィーの場合、エラストマーの各層は別個に硬化されてから、互いに接着される。この設計は、互いに接着するのに十分な反応性を硬化された層が有していることを必要とする。各層が同一型のものであって、互いに結合する能力があるか、または、各層が2つの異種型のものであって、互いに結合する能力があるか、のいずれかである。別な可能性には、各層の間に接着剤を使用すること、および熱硬化性エラストマーを使用することが挙げられる。
In a specific aspect of the invention, the system comprises GE RTV 615 (formulation), vinyl-
Manufactured from an elastomeric polymer such as a silane cross-linked (type) silicone elastomer (family). However, the system is not limited to this one formulation polymer, this one type of polymer, or even this family of polymers, but rather is suitable for almost any elastomeric polymer. An important requirement for the preferred method of manufacturing this microvalve is the ability to bond multiple layers of elastomer together. In multilayer soft lithography, each layer of elastomer is cured separately and then bonded together. This design requires that the cured layers have sufficient reactivity to adhere to each other. Either each layer is of the same type and capable of bonding to each other, or each layer is of two different types and capable of bonding to each other. Another possibility includes using an adhesive between each layer and using a thermoset elastomer.

極めて広範なポリマーの化学的特性、前駆物質、合成法、反応条件、および、潜在性添加剤を仮定すると、モノリシックなエラストマーの微細バルブおよびポンプを作製するのに、莫大な数の可能なエラストマーのシステムが使用され得る。使用される材料のバリエーションは、特定の材料特性の必要、すなわち、溶剤の抵抗、硬度、気体透過性、または、温度安定性の必要により決まることが最も多い。   Given the vast range of polymer chemistry, precursors, synthesis methods, reaction conditions, and potential additives, a vast number of possible elastomers are needed to create monolithic elastomeric microvalves and pumps. The system can be used. The variation of materials used is most often determined by the need for specific material properties, ie, solvent resistance, hardness, gas permeability, or temperature stability.

多種のエラストマーのポリマーが存在している。最もありふれた分類のエラストマーの簡単な説明をここに提示するが、比較的「標準的な」ポリマーを用いた場合でも、結合のための可能性が多大に存在する。ありふれたエラストマーのポリマーとしては、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、シリコーンが挙げられる。   There are many types of elastomeric polymers. A brief description of the most common class of elastomers is presented here, but there are many possibilities for bonding, even with relatively “standard” polymers. Common elastomeric polymers include polyisoprene, polybutadiene, polychloroprene, polyisobutylene, poly (styrene-butadiene-styrene), polyurethane, and silicone.

(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、プリブタジエン、および、ポリクロロプレンは全てジエンのモノマーから重合化されており、それゆえ、重合化されると、1モノマーにつき1つの2重結合を有している。この2重結合はポリマーが加硫処理(本質的には、加熱処理により2重結合の間に架橋を形成するために硫黄が使用される)によりエラストマーに変換され得るようにする。これは、結合されるべき各層の不完全な加硫処理による同質多層軟性リソグラフィーを容易に可能にする。フォトレジスト封入は同様の機構により可能となる。
(Polyisoprene, polybutadiene, polychloroprene :)
Polyisoprene, prebutadiene, and polychloroprene are all polymerized from diene monomers and, therefore, have one double bond per monomer when polymerized. This double bond allows the polymer to be converted to an elastomer by a vulcanization process (essentially sulfur is used to form crosslinks between the double bonds by heat treatment). This facilitates homogeneous multilayer soft lithography with incomplete vulcanization of the layers to be joined. Photoresist encapsulation is possible by a similar mechanism.

(ポリイソブチレン:)
純正ポリイソブチレンは2重結合を有していないが、少量(約1%)のイソプレンを重合に際して含ませることにより、エラストマーとして使用するための架橋型結合される。イソプレンのモノマーはポリイソブチレンの基幹に垂下する2重結合を供与し、これを上述のように硫化することができる。
(Polyisobutylene :)
Pure polyisobutylene does not have a double bond, but it is crosslinked for use as an elastomer by including a small amount (about 1%) of isoprene in the polymerization. The isoprene monomer provides a double bond depending on the backbone of the polyisobutylene, which can be sulfided as described above.

(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により生成され(すなわち、反応の途中で天然の連鎖終端段階は存在しない)、そのため、「生きた(living)」ポリマーの端部は硬化ポリマー中に存在し得る。これにより、このポリマーは本フォトレジスト封入システムの天然の候補となる(この場合、硬化層の頂面に注がれた液状層に未反応のモノマーが態様に存在することになる)。不完全な硬化は同質の多層軟性リソグラフィーを可能にする(A対A結合)。この化学的特性はまた、余剰のブタジエン(「A」)と結合剤とを用いて一方の層を作成し、ブタジエンを用いずに他方の層(「B」)を作成することを促進する(異種多層軟質リソグラフィーとして)。SBSは「熱硬化性エラストマー」であり、或る一定温度を越えると、このエラストマーが溶融して可塑性になる(弾性になるのとは対照的に)ことを意味しており、温度を低下させると再度、エラストマーを生じる。従って、加熱処理により各層は互いに一緒に結合することができる。
(Poly (styrene-butadiene-styrene) :)
Poly (styrene-butadiene-styrene) is produced by living anionic polymerization (ie, there is no natural chain termination step in the middle of the reaction), so the ends of the “living” polymer are in the cured polymer. Can exist. This makes this polymer a natural candidate for the present photoresist encapsulation system (in this case, unreacted monomers will be present in the liquid layer poured onto the top surface of the cured layer). Incomplete curing allows homogeneous multilayer soft lithography (A vs. A bond). This chemical property also facilitates creating one layer with excess butadiene ("A") and a binder and creating the other layer ("B") without butadiene ( As heterogeneous multi-layer soft lithography). SBS is a “thermoset elastomer” and means that when a certain temperature is exceeded, this elastomer melts and becomes plastic (as opposed to becoming elastic), which reduces the temperature. And again yields an elastomer. Thus, the layers can be bonded together by heat treatment.

(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)から生成されており、かなり多様なジイソシアネートとジアルコール/アミンが存在しているので、互いに異種のポリウレタンの数は膨大である。しかし、ポリマーのA対Bの性質によりこれらは、一方の層で過剰なA−Aを利用し、他方の層で過剰なB−Bを利用することにより、丁度、RTV 615と同様に、異質多層軟性リソグラフィーについて有用となる。
(Polyurethane :)
Polyurethanes are made from diisocyanates (AA) and dialcohols or diamines (BB), and because there are a wide variety of diisocyanates and dialcohols / amines, the number of dissimilar polyurethanes is huge. . However, due to the A-to-B nature of the polymer, these are heterogeneous just like RTV 615 by utilizing excess A-A in one layer and excess B-B in the other layer. Useful for multilayer soft lithography.

(シリコーン:)
シリコーンポリマーは最大級の構造的多様性を有しているように思われるが、市場で入手可能な最大数の処方物が存在しているという点では、ほぼ間違いない。RTV 615
のビニルから(Si−H)への架橋(これは異質多層軟性リソグラフィーとフォトレジスト封入の両方を可能にする)は、既に論じられているが、これは、シリコーンポリマーの化学的特性で使用されるいくつかの架橋法のうちの1つにすぎない。
(silicone:)
Although silicone polymers appear to have the greatest structural diversity, there is almost no doubt that there is a maximum number of formulations available on the market. RTV 615
Cross-linking of vinyl to (Si-H), which enables both heterogeneous multilayer soft lithography and photoresist encapsulation, has already been discussed, but it is used in the chemical properties of silicone polymers. It is only one of several crosslinking methods.

(架橋剤:)
上述の単純な「純正」ポリマーの使用に加えて、架橋剤を添加することもできる。いくつかの(硫化のための、垂下式2重結合を有するモノマーのような)試薬は、同質(A対A)の多層軟性リソグラフィーまたはフォトレジスト封入を可能にするのに好適であり、相補型の試薬(すなわち、垂下式2重結合を有する1つのモノマー、および垂下式Si−H群を有している別なモノマー)は、異質な(A対B)多層軟性リソグラフィーに好適である。このアプローチにおいて相補型試薬が隣接する層に添加される。
(Crosslinking agent :)
In addition to the use of the simple “pure” polymer described above, a crosslinking agent can also be added. Some reagents (such as monomers with pendant double bonds for sulfurization) are suitable to allow homogeneous (A vs. A) multilayer soft lithography or photoresist encapsulation and complementary These reagents (ie, one monomer having a pendant double bond and another monomer having a pendant Si-H group) are suitable for heterogeneous (A vs. B) multilayer soft lithography. In this approach, complementary reagents are added to adjacent layers.

(他の材料:)
更に、クロロシラン、またはメチルシラン、エチルシラン、および、フェニルシランなどののような材料を取り込むポリマー、および例えば、ダウケミカル社のシルガード(Sylgard)182、184、186のようなポリジメチルシロキサン(PDMS)、または、UBCケミカルから販売されているエベクリル(Ebecryl)270またはIrr245のような(これらに限定されないが)脂肪族ウレタンジアクリレートを使用することもできる。
(Other materials :)
In addition, polymers incorporating materials such as chlorosilane or methylsilane, ethylsilane, and phenylsilane, and polydimethylsiloxane (PDMS) such as Dow Chemical's Sylgard 182, 184, 186, or Aliphatic urethane diacrylates such as (but not limited to) Ebecryl 270 or Irr245 sold by UBC Chemical may also be used.

以下のものは、本発明に関連して利用され得るエラストマー材料の限定的ではない列挙である: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、およびシリコーンポリマー、またはポリ(ビス(フルオロアルコキシ)フォスファジン(phosphazene)(PNF、Eypel−F)、ポリ(カルボラン−シロキサン)(Dexsil)、ポリ(アクリロニトリル−ブタジエン)(ニトリルラバー)、ポリ(1−ブテン)、ポリ(クロロトリフルオロエチレン−フッ化ビニリデン)コポリマー(Kel−F)、ポリ(エチルビニルエーテル)、ポリ(フッ化ビニリデン)、ポリ(フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン)コポリマー(Viton)、ポリ塩化ビニル(PVC)のエラストマー組成物、ポリスルホン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート(PMMA)、およびポリテトラフルオロエチレン(Teflon)。   The following is a non-limiting list of elastomeric materials that can be utilized in connection with the present invention: polyisoprene, polybutadiene, polychloroprene, polyisobutylene, poly (styrene-butadiene-styrene), polyurethane, and silicone polymers. Or poly (bis (fluoroalkoxy) phosphazene (PNF, Eypel-F), poly (carborane-siloxane) (Dexsil), poly (acrylonitrile-butadiene) (nitrile rubber), poly (1-butene), Poly (chlorotrifluoroethylene-vinylidene fluoride) copolymer (Kel-F), poly (ethyl vinyl ether), poly (vinylidene fluoride), poly (vinylidene fluoride-hexafluoropropylene) copolymer (Vit n), elastomeric compositions of polyvinylchloride (PVC), polysulfone, polycarbonate, polymethyl methacrylate (PMMA), and polytetrafluoroethylene (Teflon).

(ドーピングと希釈:)
エラストマーは、同一分類の、架橋できないポリマー鎖で「ドーピング処理」し得る。例えば、RTV 615はGE SF96−50シリコーン流体で希釈し得る。これは、未硬化のエラストマーの粘性を減じる働きをし、硬化したエラストマーのヤング率を低減する。本質的に、架橋可能なポリマー鎖は「不活性な」ポリマー鎖の添加により更に離散するように分岐され、これが「希釈」と称される。ヤング率の劇的低下に伴って、RTV
615は90%までの希釈率で硬化する。
(Doping and dilution :)
Elastomers can be “doping” with the same class of non-crosslinkable polymer chains. For example, RTV 615 may be diluted with GE SF 96-50 silicone fluid. This serves to reduce the viscosity of the uncured elastomer and reduces the Young's modulus of the cured elastomer. In essence, the crosslinkable polymer chain is branched in a more discrete manner by the addition of an “inert” polymer chain, which is referred to as “dilution”. As the Young's modulus decreases dramatically, RTV
615 cures at dilutions up to 90%.

図49は、30:1 A:Bの比を有するGE RTV 615エラストマーのGE SF96−50希釈剤での、ヤング率対百分率希釈率をプロットする。図49は、エラストマー材料の可撓性、従って適用された作動力へのバルブ膜の反応性が、このデバイスの製作の間制御され得ることを示す。   FIG. 49 plots the Young's modulus vs. percent dilution for the GE RTV 615 elastomer GE SF 96-50 diluent having a ratio of 30: 1 A: B. FIG. 49 shows that the flexibility of the elastomeric material, and thus the responsiveness of the valve membrane to the applied actuation force, can be controlled during the fabrication of this device.

エラストマー材料のドーピングの他の例は、電気伝導または磁気種の導入を含み得、このデバイスの膜の作動の代替の方法と関連して以下に詳述する。所望であるなら、このエラストマー材料(すなわち、シリカ、ダイアモンド、サファイア)と異なる屈折率を有する材料の微粒子でのドーピングもまた、この材料の屈折率を変更するためのシステムとして考慮される。強い吸収性または不透明粒子が、このエラストマーを着色させるか、または入射に対して不透明にさせるために添加され得る。これは、おそらく光学的にアドレス可能なシステムにおいては有益であり得る。   Other examples of elastomeric material doping may include the introduction of electrical conduction or magnetic species, as detailed below in connection with alternative methods of operation of the membrane of this device. If desired, doping with fine particles of a material having a refractive index different from that of the elastomeric material (ie, silica, diamond, sapphire) is also considered as a system for changing the refractive index of the material. Strong absorbing or opaque particles can be added to color the elastomer or make it opaque to incidence. This can possibly be beneficial in an optically addressable system.

最後に、特定の化学種を用いてこのエラストマーをドーピングすることによって、これらのドーピングされた化学種は、エラストマー表面にて提供され得、従って更なる化学的派生(derivitization)のためのアンカーまたは出発点として作用する。   Finally, by doping the elastomer with specific chemical species, these doped chemical species can be provided at the elastomeric surface, thus anchoring or starting for further chemical derivatization. Acts as a point.

(予備処置および表面コーティング)
一旦、エラストマー材料が適切な形状へ成形またはエッチングされると、特定の適用に関連した操作を促進するためにこの材料を前処理することが必要であり得る。
(Pretreatment and surface coating)
Once the elastomeric material has been shaped or etched into the appropriate shape, it may be necessary to pretreat this material to facilitate operations associated with a particular application.

例えば、本発明に従ったエラストマーデバイスのための1つの可能な適用は、細胞またはDNAなどの生物学的実体を選別することである。このような適用において、生物学的実体の疎水的性質が、チャネルの壁の疎水性エラストマーへの付着を生じさせ得る。従って、親水性をこのチャネル壁に伝えるためにこのエラストマー構造を前処理することは、有用であり得る。General Electric RTV 615 エラストマーを利用する本発明の実施態様において、これは形成されたエラストマーを酸中で煮沸すること(例えば水において0.01%HCl、pH2.7、60℃にて40分間)により達成され得る。   For example, one possible application for an elastomeric device according to the present invention is to sort biological entities such as cells or DNA. In such applications, the hydrophobic nature of the biological entity can cause attachment of the channel walls to the hydrophobic elastomer. Thus, it may be useful to pretreat the elastomeric structure to convey hydrophilicity to the channel wall. In an embodiment of the present invention that utilizes a General Electric RTV 615 elastomer, this is accomplished by boiling the formed elastomer in acid (eg, 0.01% HCl in water, pH 2.7, 40 ° C. for 40 minutes). Can be achieved.

他のタイプのエラストマー材料の前処理もまた、本出願により考慮される。例えば、エラストマーのある部分は、表面化学反応のためのアンカー(例えばペプチド鎖の形成にて)、または抗体のための結合部位、を作製するために前処理され得、所与の適用において有益である。エラストマー材料の前処理の他の例は、エラストマー表面への反射材料の導入を含み得、微細ミラーアレイ適用と関連して以下に詳述の通りである。   Pretreatment of other types of elastomeric materials is also contemplated by this application. For example, certain portions of the elastomer can be pretreated to create anchors for surface chemical reactions (eg, in the formation of peptide chains), or binding sites for antibodies, which are beneficial in a given application. is there. Other examples of pretreatment of the elastomeric material may include the introduction of a reflective material onto the elastomeric surface, as detailed below in connection with the micromirror array application.

(本発明を作動させる方法)
図7Bおよび図7Hは共に、第二フローチャネルを加圧することによる第一フローチャネルの閉鎖動作を示しており、図7B(対応する図7Aにおけるフローチャネル32を破断した正面断面図)は開状態の第一フローチャネル30を示しており、図7Hは第二のフローチャネル32の加圧により閉鎖された第一のフローチャネル30を示している。
(Method of operating the present invention)
7B and 7H both show the closing operation of the first flow channel by pressurizing the second flow channel, and FIG. 7B (front sectional view with the flow channel 32 broken in the corresponding FIG. 7A) in the open state. FIG. 7H shows the first flow channel 30 closed by pressurization of the second flow channel 32.

図7Bを参照すると、第一フローチャネル30および第二フローチャネル32が示されている。膜25はフローチャネルを分離し、第一フローチャネル30の頂部と第二フローチャネル32の底部を形成している。図示のように、フローチャネル30は「開状態」にある。   Referring to FIG. 7B, a first flow channel 30 and a second flow channel 32 are shown. The membrane 25 separates the flow channels and forms the top of the first flow channel 30 and the bottom of the second flow channel 32. As shown, the flow channel 30 is in the “open state”.

図7Hでわかるように、フローチャネル32の加圧(そこに導入された気体によるもの
であれ、液体によるものであれ)により、膜25は下方向に撓み、それにより、フローチャネル30を通過するフローFを絞って細くする。従って、チャネル32の圧力を変動させることにより、フローチャネル30は線型作動可能なバルブ動作システムが提供されて、膜25を移動させることにより所望されるとおりにフローチャネル30が開閉され得るようになる。(例示のみを目的として、図7Gのチャネル30は「完全閉鎖」位置ではなく、「ほぼ閉鎖した」位置に示されている)。
As can be seen in FIG. 7H, pressurization of the flow channel 32 (whether by gas introduced therein or by liquid) causes the membrane 25 to deflect downward, thereby passing through the flow channel 30. Squeeze Flow F to make it thinner. Thus, by varying the pressure in the channel 32, the flow channel 30 is provided with a linearly operable valve operating system that allows the flow channel 30 to be opened and closed as desired by moving the membrane 25. . (For illustrative purposes only, channel 30 in FIG. 7G is shown in a “nearly closed” position, not in a “fully closed” position).

フローチャネル60および62を用いて、正確に同じバルブ開閉が達成され得ることが理解される
このようなバルブがチャネル自体の屋根を移動させることにより(すなわち膜25を移動することにより)作動されるために、この技術により製造されるバルブおよびポンプは、真にゼロデッドボリュームを有し、そしてこの技術により作製されたバルブを切替えることは、バルブの動作ボリューム(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。このようなデッドボリュームおよび移動膜により消費される領域は、ほぼ2オーダーの大きさで公知の通常の微細バルブより小さい。より小さいバルブ、およびより大きいバルブ、ならびに繰り替えバルブは、本発明において考慮され、そしてデッドボリュームの範囲の限定的でない列挙は、1aLから1μL、100aLから100nL、1fLから10nL、100fLから1nL、および1pLから100pLを含む。
It is understood that exactly the same valve opening and closing can be achieved using flow channels 60 and 62. Such a valve is actuated by moving the roof of the channel itself (ie by moving the membrane 25). Therefore, the valves and pumps manufactured by this technology have a truly zero dead volume, and switching the valve made by this technology is the operating volume of the valve (eg about 100 × 100 × 10 μm = 100 pL). ) Having a dead volume approximately equal to. The area consumed by the dead volume and the moving film is about two orders of magnitude and smaller than a known normal fine valve. Smaller and larger valves and repetitive valves are contemplated in the present invention and a non-limiting list of dead volume ranges is 1aL to 1 μL, 100aL to 100nL, 1fL to 10nL, 100fL to 1nL, and 1pL To 100 pL.

極端に小さい体積が、本発明に従ったポンプおよびバルブにより送達されることが可能であり、実質的な長所を提供する。特に手動で計量されることが可能である最小の既知の容量は、約0.1μlである。自動化システムにより計量され得る最小の既知の容量は、約10倍大きい(1μl)。本発明に従った、ポンプおよびバルブを利用すると、10nl以下の液体の体積が規定どおりに計量されて分配され得る。本発明により可能になるこの極小容量の流体の正確な計量は、多くの生物学的適用(診断検査およびアッセイを含む)において極度に価値がある。   Extremely small volumes can be delivered by the pumps and valves according to the present invention, providing substantial advantages. The smallest known volume that can be metered manually, in particular, is about 0.1 μl. The smallest known volume that can be weighed by an automated system is about 10 times larger (1 μl). Utilizing pumps and valves according to the present invention, a volume of liquid of 10 nl or less can be metered and dispensed as specified. The precise metering of this very small volume of fluid made possible by the present invention is extremely valuable in many biological applications, including diagnostic tests and assays.

等式1は、付与された圧力による、矩形、直線的、弾性的、均一な厚みの等方性プレートの撓みの非常に単純化された数学的モデルを提供する。
(1) w=(BPb)/(Eh)、ここで:
w=プレートの撓み;
B=形状係数(長さ対幅およびプレートのエッジの支持に依存する);
p=付与圧力;
b=プレート幅
E=ヤング率;および
h=プレート厚み
従って、この極端に単純化された表現においてさえ、圧力に応答したエラストマー膜の撓みは:長さ、幅、および膜の厚み、膜の可撓性(ヤング率)、適用された作動力、の関数である。これらの各々のパラメータは、本発明に従った特定のエラストマーデバイスの実際の寸法および物理的組成に依存して、広く変化するために、広い範囲の膜厚および弾性、チャネル幅、および作動力が、本発明により考慮される。
Equation 1 provides a very simplified mathematical model of the deflection of a rectangular, linear, elastic, uniform thickness isotropic plate with applied pressure.
(1) w = (BPb 4 ) / (Eh 3 ), where:
w = plate deflection;
B = shape factor (depends on length vs. width and support of plate edges);
p = application pressure;
b = plate width
E = Young's modulus; and
h = plate thickness Thus, even in this extremely simplified representation, the deflection of the elastomeric membrane in response to pressure: length, width, and membrane thickness, membrane flexibility (Young's modulus), applied Is a function of the actuation force. Each of these parameters varies widely depending on the actual dimensions and physical composition of a particular elastomeric device according to the present invention, so that a wide range of film thickness and elasticity, channel width, and actuation force are Are contemplated by the present invention.

一般的に膜は均一な厚みを有しないため、上記で提供された式は、概略のみであり、膜厚は長さおよび幅と比較して必ずしも小さくなく、そして撓みはこの膜の長さ、幅、または厚みと比較して必ずしも小さくないことが理解される。それでもなお、この等式は、付与力に対する撓みの、所望の反応を達成するために変化し得るパラメータを調節するための有用なガイドとして作用する。   Since in general the membrane does not have a uniform thickness, the formula provided above is only schematic, the thickness is not necessarily small compared to the length and width, and the deflection is the length of this membrane, It is understood that the width or thickness is not necessarily small. Nonetheless, this equation serves as a useful guide for adjusting parameters that can be varied to achieve the desired response of deflection to applied force.

図21aおよび21bは、100μm幅第一フローチャネル30、および50μm幅第
二フローチャネル32のバルブ開度対付与圧力を図示する。このデバイスの膜は、約30μmの厚み、および約750kPaのヤング率を有する、General Eletric Silicones RTV 615の層により形成される。図21aおよび21bは、バルブの開度がほとんどの付与圧力の範囲にわたって実質的に直線的である程度を示す。
FIGS. 21 a and 21 b illustrate valve opening versus applied pressure for a 100 μm wide first flow channel 30 and a 50 μm wide second flow channel 32. The membrane of this device is formed by a layer of General Electric Silicones RTV 615 having a thickness of about 30 μm and a Young's modulus of about 750 kPa. Figures 21a and 21b show the degree to which the valve opening is substantially linear over the range of most applied pressures.

0.025インチの外径および0.013インチの内径を有するステンレス鋼皮下組織(hypodermic)チュービングの25mmピースに接続された、0.025インチの外径を有する10cm長のプラスチックチュービングのピースを通じて、空気圧を付与してこのデバイスの膜を作動させた。このチュービングを、制御チャネルへ垂直の方向のエラストマーブロックへの挿入により、制御チャネルと接触して配置した。Lee Co.により製造された外部LHDAミニチュアソレノイドバルブからの皮下組織チュービングにより、空気圧を付与した。   Through a piece of 10 cm long plastic tubing having an outer diameter of 0.025 inches connected to a 25 mm piece of stainless steel hypodermic tubing having an outer diameter of 0.025 inches and an inner diameter of 0.013 inches Air pressure was applied to actuate the device membrane. The tubing was placed in contact with the control channel by insertion into the elastomer block in a direction perpendicular to the control channel. Lee Co. Air pressure was applied by subcutaneous tissue tubing from an external LHDA miniature solenoid valve manufactured by the company.

通常の微細流体デバイスの外部の流体フローへの接続は、上述したように外部形状ににより避けられる多くの問題を呈する。1つのこのような問題は、外部環境との接続の脆弱性である。特に、通常の微細流体デバイスは、硬質の、非可撓性材料(シリコンなど)から構成され、このデバイスに、外部要素へ接続を可能にする配管またはチュービングが、接合されなければならない。通常材料の剛性は、小さく繊細な外部チュービングと接触する点においてかなりの物理的応力を作り出し、通常の微細流体デバイスを、これらの接触点において破砕および漏洩させる傾向にある。   The connection of a normal microfluidic device to an external fluid flow presents a number of problems that are avoided by the external geometry as described above. One such problem is the vulnerability of connectivity with the external environment. In particular, a typical microfluidic device is composed of a hard, inflexible material (such as silicon), to which tubing or tubing that allows connection to external elements must be joined. The stiffness of the normal material creates considerable physical stress at the point of contact with small and delicate external tubing, and tends to crush and leak normal microfluidic devices at these points of contact.

対照的に、本発明のエラストマーは、可撓的であり、硬質材料からなるチューブにより外部接続のために容易に貫通される。例えば、図1〜7Bに示される本方法を利用して作製されたエラストマー構造において、この構造の外面から制御チャネルへ延びる穴は、上部エラストマーピースがモールドから除去された後に(図3に示される)、そしてこのピースが低部エラストマーピースに結合される前に(図4に示される)、金属皮下組織チュービングでこのエラストマーを貫通することにより作製され得る。これらの工程の間、制御チャネルの屋根が、ユーザの視界に露出され、挿入およびこの穴の適切な配置へアクセス可能となる。このデバイスの製作の完了の次に、金属皮下組織チュービングが、流体接続を完結するためにこの穴へ挿入される。   In contrast, the elastomers of the present invention are flexible and easily penetrated for external connection by a tube made of hard material. For example, in an elastomeric structure made using the method shown in FIGS. 1-7B, a hole extending from the outer surface of the structure to the control channel is shown after the upper elastomeric piece has been removed from the mold (shown in FIG. 3). ), And before the piece is bonded to the lower elastomeric piece (shown in FIG. 4), it can be made by piercing the elastomer with metal subcutaneous tissue tubing. During these steps, the control channel roof is exposed to the user's field of view, allowing access to insertion and proper placement of the holes. Following completion of fabrication of the device, a metal subcutaneous tissue tubing is inserted into the hole to complete the fluid connection.

さらに、本発明のエラストマーは、外部接続との接触の点における物理的歪に応じて撓み、外部の物理的接続をより頑強にさせる。この可撓性は、実質的に本デバイスの漏洩または破損の可能性を減少させる。   Furthermore, the elastomer of the present invention bends in response to physical strain at the point of contact with the external connection, making the external physical connection more robust. This flexibility substantially reduces the possibility of leakage or breakage of the device.

通常の微細流体デバイスの他の欠点は、このデバイスとその外部リンクとの間の有効なシールを確立することの困難性である。これらのデバイスのチャネルの極度に狭い直径のために、適切な割合の流体フローは、極度に高い圧力を要求し得る。このデバイスと外部接続との間の接合における不必要な漏洩が生じ得る。しかし、本デバイスのエラストマーの可撓性は、圧力に対する漏洩をもまた克服することを補助する。特に、この可撓性エラストマー材料は、圧力抵抗シールを形成するために、挿入されたチュービングの周囲に従って撓む。   Another drawback of a conventional microfluidic device is the difficulty of establishing an effective seal between the device and its external link. Due to the extremely narrow diameter of the channels of these devices, an appropriate rate of fluid flow may require extremely high pressure. Unnecessary leakage at the junction between this device and external connections can occur. However, the flexibility of the device's elastomer helps to overcome pressure leakage as well. In particular, the flexible elastomeric material bends around the inserted tubing to form a pressure resistant seal.

付与されたガス圧を利用して、このデバイスを通した材料のフローの制御が記載されてきたが、他の流体は使用され得る。   Although control of the flow of material through this device has been described using applied gas pressure, other fluids can be used.

例えば、空気は圧縮可能であり、従って、外部ソレノイドバルブによる圧力の付与の時刻と、この圧力が膜により経験される時刻との間の有限の遅延を経験する。本発明の代替の実施態様において、圧力は外部ソースから水または油圧油などの非圧縮性流体へ付与さ
れ得、この膜へ付与された圧力の準瞬間移動を生じる。しかし、バルブの置換された体積が大きいか、または制御チャネルが狭いと、制御流体のより高い粘性が作動における遅延に貢献し得る。圧力移動のための最適媒体は、従って、特的の適用およびデバイス形状に依存し、そしてガス状、および液体媒体の両方が本発明により考慮される。
For example, air is compressible and thus experiences a finite delay between the time of application of pressure by the external solenoid valve and the time that this pressure is experienced by the membrane. In an alternative embodiment of the invention, pressure can be applied from an external source to an incompressible fluid, such as water or hydraulic oil, resulting in a quasi-instantaneous movement of the pressure applied to the membrane. However, if the displaced volume of the valve is large or the control channel is narrow, the higher viscosity of the control fluid can contribute to the delay in operation. The optimum medium for pressure transfer is therefore dependent on the specific application and device geometry, and both gaseous and liquid media are contemplated by the present invention.

上述のような外部付与圧力が、圧力レギュレータ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り付与されるが、外部圧力を付与する他の方法もまた、本発明において考慮され、ガスタンク、コンプレッサ、ピストンシステム、および液柱を含む。考慮されることはまた、生体内で見られ得るもの(例えば血圧、胃圧、大脳脊髄圧、眼内空間に存在する圧力、および通常の屈曲中い筋肉によりかかる圧力)などの自然に生じる圧力源の使用である。ミニチュアバルブ、ポンプ、微細蠕動ポンプ、ピンチバルブ、および当業者公知の、他のタイプの流体調節装置などの外部圧力を調節するための他の方法もまた、考慮される。   Externally applied pressure as described above is applied by the pump / tank system through a pressure regulator and an external miniature valve, but other methods of applying external pressure are also contemplated in the present invention and include gas tanks, compressors, piston systems, And a liquid column. It is also considered that naturally occurring pressures such as those that can be seen in vivo (eg, blood pressure, gastric pressure, cerebral spinal pressure, pressure present in the intraocular space, and pressure exerted by normal flexing muscles) Is the use of the source. Other methods for regulating external pressure such as miniature valves, pumps, micro peristaltic pumps, pinch valves, and other types of fluid regulating devices known to those skilled in the art are also contemplated.

見られ得るように本発明の実施態様に従ったバルブの応答は、移動のその範囲の大部分においてほぼ完璧に直線的に、最小限のヒステリシスで実験的に示された。従って本発明のバルブは、理想的には、微細流体計量および流体制御のために適合する。このバルブ応答の直線性は、個別のバルブがフックの法則に従うバネとして良くモデル化されていることを示す。さらに、流体チャネルにおける高圧(すなわち背圧)が、単に作動圧力を増加させることにより対抗され得る。実験的に、本発明者らは、70kPaの背圧においてバルブ閉鎖を達成したが、より高圧もまた考慮される。次は、本は発明により包含される圧力範囲の非限定的な列挙である:10Pa〜25MPa;100Pa〜10MPa、1kPa〜1MPa、1kPa〜300kPa、5kPa〜200kPa、および15kPa〜100kPa。   As can be seen, the response of a valve according to an embodiment of the invention has been shown experimentally with minimal hysteresis, almost perfectly linearly over most of its range of movement. Thus, the valve of the present invention is ideally suited for microfluidic metering and fluid control. This linearity of the valve response indicates that the individual valves are well modeled as springs following Hooke's law. Further, high pressure in the fluid channel (ie back pressure) can be countered by simply increasing the operating pressure. Experimentally, we achieved valve closure at a back pressure of 70 kPa, but higher pressures are also considered. The following is a non-limiting list of pressure ranges encompassed by the invention: 10 Pa to 25 MPa; 100 Pa to 10 MPa, 1 kPa to 1 MPa, 1 kPa to 300 kPa, 5 kPa to 200 kPa, and 15 kPa to 100 kPa.

バルブおよびポンプは開閉するための直線的作動を要求しないが、直線的応答は、計量デバイスとしてバルブがより簡単に使用されることを可能にする。本発明の1つの実施態様において、バルブの開放は、既知の程度の閉鎖へ部分的に作動することにより流量を制御するために使用される。直線的バルブ作動は、このバルブを所望の程度の閉鎖へ閉鎖するために要求される作動力の量を決定することをより簡単にする。直線作動の他の長所は、バルブ作動に要求される力が、フローチャネル内の圧力から簡単に決定されることである。作動が直線的であれば、フローチャネルにおける増加した圧力は、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り対抗され得る。   Valves and pumps do not require linear actuation to open and close, but the linear response allows the valve to be used more easily as a metering device. In one embodiment of the invention, the opening of the valve is used to control the flow rate by partially actuating to a known degree of closure. Linear valve actuation makes it easier to determine the amount of actuation force required to close the valve to the desired degree of closure. Another advantage of linear actuation is that the force required for valve actuation is easily determined from the pressure in the flow channel. If the actuation is linear, the increased pressure in the flow channel can be countered by applying the same pressure (force per unit area) to the actuation portion of the valve.

バルブの直線性は、バルブ構造の構造、組成、および作動の方法に依存する。さらに、直線性がバルブにおける所望の特性であるかどうかは、その適用に依存する。従って、直線的作動可能バルブおよび非直線的作動可能バルブの両方が、本発明において考慮され、そしてバルブが直線的に作動可能である圧力範囲は
特定の実施態様に伴って変化する。
The linearity of the valve depends on the structure, composition, and method of operation of the valve structure. Furthermore, whether linearity is a desired characteristic in a valve depends on its application. Thus, both linearly actuable valves and non-linearly actuatable valves are contemplated in the present invention, and the pressure range over which the valves can be actuated linearly varies with the particular implementation.

図22は、10cm長の空気管がチップから空気式バルブまで接続された、100μm×100μm×10μmのRTV微細バルブの時間反応(付与された圧力の変化に応じた時間の関数としてのバルブの閉鎖)を例示している。   FIG. 22 shows the time response of a 100 μm × 100 μm × 10 μm RTV microvalve with a 10 cm long air tube connected from the tip to the pneumatic valve (valve closure as a function of time as a function of applied pressure) ).

2周期のデジタル制御信号、管の端部における実際の空気圧、および、バルブ開度がここに示されている。制御ラインに付与された圧力は100kPaであり、これは、バルブを閉鎖するのに要する約40kPaよりも実質的に高い。従って、閉鎖動作中に、バルブは必要とされるよりも大きな圧力60kPaで押圧閉鎖される。しかし、開くときは、バルブはそれ自体のばね力(40kPa以下)だけでその静止位置に逆戻しされる。従って、τcloseはτopenよりも小さくなると予測される。圧力を制限するために使用
されるミニチュアバルブの制約のせいで、制御信号と制御圧力反応との間にも遅延が存在する。かかる遅延をtと称し、1/e時定数をτと称すると、各値は以下のようになる。すなわち、topen=3.63ms、τopen=1.88ms、tclose=2.15ms、τclose=0.51msである。3τが開閉ごとに割り当てられるとすると、このバルブは、水溶液で充満すると、75Hzで快適に作動する。
The two-cycle digital control signal, the actual air pressure at the end of the tube, and the valve opening are shown here. The pressure applied to the control line is 100 kPa, which is substantially higher than about 40 kPa required to close the valve. Thus, during the closing operation, the valve is pressed closed with a pressure 60 kPa greater than required. However, when opening, the valve is returned to its rest position only with its own spring force (less than 40 kPa). Therefore, τ close is predicted to be smaller than τ open . There is also a delay between the control signal and the control pressure response due to the limitations of the miniature valve used to limit the pressure. When this delay is called t and the 1 / e time constant is called τ, each value is as follows. That is, t open = 3.63 ms, τ open = 1.88 ms, t close = 2.15 ms, and τ close = 0.51 ms. Assuming 3τ is assigned for each opening and closing, the valve operates comfortably at 75 Hz when filled with aqueous solution.

開閉遅延を受けない別な作動方法を採用した場合、このバルブは約375Hzで作動する。バネ定数は、膜の厚さを変更することにより調節することができ、これにより高速開放または高速閉鎖のいずれもの最適化が可能になることにも留意されたい。この膜へドーパントを導入することによって、または異なるエラストマー材料を利用することによって膜として作用することが可能であるように(図7C〜7H)、このバネ定数は、膜の弾性(ヤング率)を変化させることによってもまた調節される。   The valve operates at about 375 Hz when another method of operation is employed that does not suffer from opening and closing delays. Note also that the spring constant can be adjusted by changing the thickness of the membrane, which allows optimization of either fast opening or fast closing. As it is possible to act as a membrane by introducing dopants into this membrane, or by utilizing different elastomeric materials (FIGS. 7C-7H), this spring constant determines the elasticity (Young's modulus) of the membrane. It is also adjusted by changing.

図21および図22に例示されたようなバルブ特性を実験的に測定するとき、バルブ開放率を蛍光により測定した。これらの実験では、フローチャネルには緩衝液(pH8以上)中にフルオレセインイソチオシアネート(FITC)の溶液を充填し、チャネルの中央約3分の1を占有する正方形領域の蛍光を、10kHzの帯域を有する光電子増倍管を備えた蛍光外顕微鏡でモニタした。圧力を、ほぼ同一の空気式接続により制御ラインと同時に加圧されるホイートストンブリッジ圧力センサー(SenSym SCC15GD2)を用いてモニタした。   When the valve characteristics as exemplified in FIGS. 21 and 22 were experimentally measured, the valve opening rate was measured by fluorescence. In these experiments, the flow channel was filled with a solution of fluorescein isothiocyanate (FITC) in a buffer (pH 8 or higher), and the fluorescence in the square area occupying about one third of the center of the channel was observed in the 10 kHz band It was monitored with an external fluorescence microscope equipped with a photomultiplier tube. The pressure was monitored using a Wheatstone bridge pressure sensor (SenSym SCC15GD2) that was pressurized simultaneously with the control line by a nearly identical pneumatic connection.

(フローチャネル断面:)
本発明のフローチャネルは必要に応じて、それぞれの所望の応用例に依存して、異なる利点を提供する異なる断面寸法および断面形状で設計し得る。例えば、より低いフローチャネルの断面形状は、その全長に沿って、または、それを横断して延びる上部横断チャネルの下に配置された領域に、湾曲した上表面を有し得る。このような湾曲した上表面は、下記のように、バルブのシーリングを容易にする。
(Flow channel cross section :)
The flow channels of the present invention can be designed with different cross-sectional dimensions and cross-sectional shapes that provide different advantages, as needed, depending on the respective desired application. For example, the lower flow channel cross-sectional shape may have a curved upper surface along its entire length or in a region located below the upper transverse channel extending across it. Such a curved upper surface facilitates valve sealing as described below.

図19を参照すると、フローチャネル30およびフローチャネル32を破断した断面図(図7Bのものに類似している)が示されている。図示のように、フローチャネル30は断面形状が矩形である。それに代わり、図20に示されるように、本発明の代替の好ましい局面では、フローチャネル30の断面は上部湾曲表面を有している。   Referring to FIG. 19, a cross-sectional view (similar to that of FIG. 7B) with flow channel 30 and flow channel 32 cut away is shown. As illustrated, the flow channel 30 has a rectangular cross-sectional shape. Instead, as shown in FIG. 20, in an alternative preferred aspect of the present invention, the cross section of the flow channel 30 has an upper curved surface.

図19をまず参照すると、フローチャネル32が加圧されると、フローチャネル30およびフローチャネル32を分離しているエラストマーのブロック24の薄膜部25が下方向に、点線25A、25B、25C、25D、25Eにより示される連続位置まで移動する。図示のように、不完全な密封が、平坦な基板14に隣接してフローチャネル30の端縁部に生じる可能性がある。   Referring first to FIG. 19, when the flow channel 32 is pressurized, the thin film portion 25 of the elastomeric block 24 separating the flow channel 30 and the flow channel 32 faces downward, dotted lines 25A, 25B, 25C, 25D. , 25E to a continuous position. As shown, an incomplete seal may occur at the edge of the flow channel 30 adjacent to the flat substrate 14.

図20の代替の好ましい実施態様では、フローチャネル30はaは、湾曲した上部壁25Aを有している。フローチャネル32が加圧されると、膜部分25は下方向に、点線25A2、25A3、25A4および25A5により示される連続位置まで移動し、それに伴い膜の縁部がこのフローチャネルへ移動し、次いで頂部膜部が移動する。膜25Aにおける湾曲した上部表面を有しているという利点は、フローチャネル32が加圧された時に、より完全な密封が設けられる点である。特に、フローチャネル30の上部壁が平坦基板14に抗して連続接触端縁を提供し、それにより、壁25と図19のフローチャネル30の底部との間に見られる接触の「島」の発生を回避する。   In the alternative preferred embodiment of FIG. 20, flow channel 30 has a curved upper wall 25A. When flow channel 32 is pressurized, membrane portion 25 moves downward to a continuous position indicated by dotted lines 25A2, 25A3, 25A4, and 25A5, with the membrane edge moving to this flow channel, and then The top membrane moves. The advantage of having a curved upper surface in membrane 25A is that a more complete seal is provided when flow channel 32 is pressurized. In particular, the top wall of the flow channel 30 provides a continuous contact edge against the flat substrate 14 so that the “island” of contact seen between the wall 25 and the bottom of the flow channel 30 of FIG. Avoid occurrence.

膜25Aにおける湾曲上部フローチャネル表面を有する他の利点は、この膜が作動に応答してフローチャネルの形状および体積に、より容易に従い得ることである。特に、矩形
フローチャネルが採用される場合には、この全周辺(2×フローチャネル高さ+フローチャネル幅)が、このフローチャネルへ強制的に入らなければならない。しかし、弧状チャネルが使用される場合には、より小さい材料の周辺(半円弧状部のみ)がこのチャネルに入らなければならない。この様式で、この膜は、作動のための周辺におけるより小さい変化を要求し、従って付与された作動力により応答性となり、このチャネルをブロックする。
Another advantage of having a curved upper flow channel surface in membrane 25A is that it can more easily follow the shape and volume of the flow channel in response to actuation. In particular, when a rectangular flow channel is employed, this entire periphery (2 × flow channel height + flow channel width) must be forced into this flow channel. However, if an arcuate channel is used, the periphery of the smaller material (only the semicircular arc) must enter this channel. In this manner, the membrane requires smaller changes in the periphery for actuation, and therefore becomes responsive to the applied actuation force and blocks this channel.

代替の局面では(図示せず)、フローチャネル30の底部は丸み付けられて、その湾曲した表面が、上述した図20に見られるような湾曲した上部壁25Aと結合するようにしている。   In an alternative aspect (not shown), the bottom of the flow channel 30 is rounded so that its curved surface couples with the curved top wall 25A as seen in FIG. 20 described above.

さらなる代替の局面では、制御チャネルは、アーチ形天井を有するフローチャネルの下に位置付けられ得、その結果、膜の偏向によって、膜は、上方に曲げられ、フローチャネルのアーチ形天井に一致し、これにより、良好な封入を保証する。図72は、このような代替のバルブ構造7700の断面図を示し、制御チャネルが下にある基板7706と接触して第一のエラストマー層7704に形成される。フローチャネル7710を含む第二のエラストマー層7708は、第一のエラストマー層7704上に位置付けられ、その結果、フローチャネル7710は、下にある制御チャネルと直交する。   In a further alternative aspect, the control channel can be positioned below the flow channel with an arched ceiling, so that due to the deflection of the membrane, the membrane is bent upwards to match the arched ceiling of the flow channel; This ensures good encapsulation. FIG. 72 shows a cross-sectional view of such an alternative valve structure 7700 where the control channel is formed in the first elastomer layer 7704 in contact with the underlying substrate 7706. A second elastomeric layer 7708 containing a flow channel 7710 is positioned over the first elastomeric layer 7704 so that the flow channel 7710 is orthogonal to the underlying control channel.

図72は、フローチャネル7710の天井7710aのアーチ形形状に一致させるために制御チャネル7702とフローチャネル7710との間に規定される膜部分7712がフローチャネル7710に偏向され得ることを示す。フローチャネルの天井の形状を有する作動された膜7712一致により、閉じられたバルブを介する物質の漏れが防止され、バルブの線形的な応答を確実にする助けとなる。   FIG. 72 shows that a membrane portion 7712 defined between the control channel 7702 and the flow channel 7710 can be deflected to the flow channel 7710 to conform to the arcuate shape of the ceiling 7710a of the flow channel 7710. An activated membrane 7712 coincidence with a flow channel ceiling shape prevents material leakage through the closed valve and helps ensure a linear response of the valve.

図72に示されたバルブのアーキテクチャは、フローチャネルが深い(すなわち、>50μm)場合に特に有用であり、フローチャネルのエッジに存在する大容量のエラストマーは、フローチャネルへの重畳膜のエッジの偏向を妨害する。図72に示されたタイプのバルブのアーキテクチャは、300μmの広さ、50μmの深さのフローチャネルの閉鎖を、1psi未満の制御チャネルでの作動圧力により達成するように動作される。50μmの深さおよび100μmの広さのフローチャネルを有する図72に示されるタイプのバルブの閉鎖は、8psiの制御チャネルにおける作動圧力により達成される。   The valve architecture shown in FIG. 72 is particularly useful when the flow channel is deep (ie,> 50 μm), and the large volume of elastomer present at the edge of the flow channel can cause the edge of the membrane to overlap the flow channel. Interfere with deflection. A valve architecture of the type shown in FIG. 72 is operated to achieve a 300 μm wide, 50 μm deep flow channel closure with an operating pressure in the control channel of less than 1 psi. Closure of a valve of the type shown in FIG. 72 having a 50 μm deep and 100 μm wide flow channel is achieved by an operating pressure in the 8 psi control channel.

要するに、作動の際に膜が経験する実際の構造変化は、特定のエラストマー構造の構成に依存する。特に、構造変化は、この膜の長さ、幅、および厚さプロフィール、この膜の残余への付着性、ならびに使用されるエラストマーの高さ、幅、およびフローチャネルおよび制御チャネルの形状、ならびに使用されるエラストマーの材料特性に依存する。付与された圧力への応答における膜の作動が、磁気力、または静電力に応答した作動から幾分変化するので、この構造変化は、作動の方法にもまた依存し得る。   In short, the actual structural change experienced by the membrane in operation depends on the configuration of the particular elastomeric structure. In particular, the structural changes are due to the length, width, and thickness profile of the membrane, the adhesion to the rest of the membrane, and the height, width, and shape of the flow and control channels used and the use Depends on the material properties of the elastomer being made. This structural change may also depend on the method of operation, since the operation of the membrane in response to applied pressure will vary somewhat from that in response to magnetic or electrostatic forces.

さらに膜における所望の構造変化は、エラストマー構造のための特定の適用にもまた依存する。上記の最も簡単な実施態様において、このバルブの閉度を制御するために計量して、バルブは開または閉であり得る。しかし他の実施態様において、この膜および/またはフローチャネルの形状を変えることが所望され得、より複雑なフロー制御を達成する。例えば、このフローチャネルは、膜部の下に隆起した突部を備え得、作動の際に膜は、付与された作動力に非感受的な、ブロックされたフローの割合とともに、このフローチャネルを通るフローの割合のみを遮断する。   Furthermore, the desired structural change in the membrane also depends on the specific application for the elastomeric structure. In the simplest embodiment described above, the valve can be open or closed metered to control the degree of closure of the valve. However, in other embodiments, it may be desirable to change the shape of this membrane and / or flow channel to achieve more complex flow control. For example, the flow channel may include a raised ridge below the membrane, and in operation, the membrane may be configured to move the flow channel with a proportion of blocked flow that is insensitive to the applied actuation force. Block only the flow rate that passes.

矩形、台形、円形、楕円形、放物線形、双曲線状、および多角形状、ならびに上記形状の部分を含む、多くの膜厚プロフィールおよびフローチャネル断面が、本発明により考慮
される。すぐ上に記載した突出部を有した実施態様、またはフローチャネルにおける凹部を有する実施態様、などのより複雑な断面形状もまた本発明により考慮される。
Many film thickness profiles and flow channel cross-sections are contemplated by the present invention, including rectangular, trapezoidal, circular, elliptical, parabolic, hyperbolic, and polygonal shapes, and portions of the above shapes. More complex cross-sectional shapes are also contemplated by the present invention, such as the embodiment with the protrusions described immediately above, or the embodiment with a recess in the flow channel.

さらに、本発明は、フローチャネルの壁および天井がエラストマーから形成され、チャネルの床部が下にある基板から形成される実施形態と関連して主として上記に記載されるが、本発明は、この特定の配向に限定されない。チャネルの壁および床は、また、下にある基板に形成され、フローチャネルの天井のみがエラストマーから構成され得る。このエラストマーフローチャネルの天井は、適用される作動力に応答して下方のチャネルに突出し、これにより、フローチャネルを通る物質の流れを制御する。   Furthermore, although the present invention is primarily described above in connection with embodiments in which the flow channel walls and ceiling are formed from an elastomer and the channel floor is formed from an underlying substrate, the present invention is not limited to this. It is not limited to a specific orientation. The channel walls and floor may also be formed in the underlying substrate, and only the ceiling of the flow channel may be composed of elastomer. The ceiling of the elastomeric flow channel protrudes into the lower channel in response to an applied actuation force, thereby controlling the flow of material through the flow channel.

さらに、単結晶シリコン等の非エラストマー基板の等方性エッチングは、通常、凹面プロファイルを有する凹部を製造する。非エラストマー基板におけるフローチャネルの壁および床が等方性エッチングによって生成される場合、重畳エラストマー膜は、フローチャネル床部の凹面形状に容易に一致し、その凹面形状に対してシールし得る。   Furthermore, isotropic etching of a non-elastomeric substrate such as single crystal silicon typically produces a recess having a concave profile. When flow channel walls and floors in a non-elastomeric substrate are produced by isotropic etching, the superimposed elastomeric membrane can easily conform to and seal against the concave shape of the flow channel floor.

一般に、即時の用途において他の場合に記載されるようなモノリシックエラストマー構造は、微細流体用途のために好ましい。しかしながら、このような配置が利点を提供する場合には、基板において形成されたチャネルを採用することが有用であり得る。例えば、光学導波管を含む基板は、光学導波管が光を特に微細流体チャネルの側に向けるように構築され得る。   In general, monolithic elastomeric structures as described elsewhere in immediate applications are preferred for microfluidic applications. However, if such an arrangement provides advantages, it may be useful to employ channels formed in the substrate. For example, a substrate that includes an optical waveguide can be constructed such that the optical waveguide directs light particularly toward the microfluidic channel.

(代替のバルブ作動技術:)
上述の圧力に基づく作動システムに加えて、必要に応じて静電作動システムおよび磁気作動システムも以下のように思量される。
(Alternative valve actuation technology :)
In addition to the pressure based actuation system described above, electrostatic actuation and magnetic actuation systems are also contemplated as follows.

静電式作動は、モノリシックなエラストマー構造体に直接的に、互いに反対極性に荷電した電極(電圧差がそれぞれに印加されると、互いに引き合う傾向を有している)を形成することにより、達成することができる。例えば、図7Bを参照すると、必要に応じて第一電極70(仮想線で示している)が膜25の上(またはその中)に設置されている。そして必要に応じて第二電極72(これも仮想線で示される)が、平坦基板14の上(または中)に配置されている。電極70および電極72が互いに反対の極性に帯電すると、2つの電極間の引力により薄膜25が下方向に撓み、それにより、この「バルブ」を閉鎖する(すなわち、フローチャネル30を閉鎖する)。   Electrostatic actuation is achieved by forming directly oppositely charged electrodes (which tend to attract each other when a voltage difference is applied to each) on a monolithic elastomeric structure. can do. For example, referring to FIG. 7B, a first electrode 70 (shown in phantom) is placed on (or in) the membrane 25 as needed. If necessary, the second electrode 72 (also indicated by a virtual line) is disposed on (or inside) the flat substrate 14. When electrode 70 and electrode 72 are charged to opposite polarities, the attractive force between the two electrodes causes the membrane 25 to deflect downward, thereby closing this “valve” (ie, closing the flow channel 30).

膜電極が静電作動を支持するのに十分なだけの導電性を有しているが、バルブの運動を抑止するほど機械的に剛性とならないようにするために、十分に可撓性の電極が薄膜25の中またはその上に設けられなければならない。このような電極は、ポリマーを導電材料でドーピングした、或いは、導電材料から表面層を作成した薄い金属化層により提供される。   A sufficiently flexible electrode to ensure that the membrane electrode is sufficiently conductive to support electrostatic actuation, but not mechanically rigid to deter valve movement. Must be provided in or on the membrane 25. Such an electrode is provided by a thin metallized layer doped with a polymer with a conductive material or made a surface layer from a conductive material.

具体的な局面では、撓む薄膜に存在している電極は、20nmの金などの金属の薄層をスパッタリングすることなどにより設けられた、薄金属化層により提供し得る。スパッタリングすることによる金属化膜の形成に加えて、化学エピタキシー、蒸着、電気めっき、および非電気めっき、などの他の金属化法も利用可能である。エラストマーの表面への金属層の物理的移動もまた利用可能であり、例えば金属を、弱く付着する平面基板上へ蒸発させ、次いでエラストマーを金属上に配置し、この基板から金属を剥がすことにより利用可能である。   In a specific aspect, the electrode present in the flexing thin film can be provided by a thin metallized layer, such as by sputtering a thin layer of metal such as 20 nm gold. In addition to forming metallized films by sputtering, other metallization methods such as chemical epitaxy, vapor deposition, electroplating, and non-electroplating can also be used. Physical transfer of the metal layer to the surface of the elastomer is also available, such as by evaporating the metal onto a weakly attached flat substrate, then placing the elastomer on the metal and peeling the metal from the substrate Is possible.

導電性電極70は、乾燥粉上を払拭することにより、またはこのエラストマーを、エラストマーの膨張を生じる溶媒(PDMSの場合における塩素化溶媒など)中のカーボンブ
ラックの懸濁液へ曝露することにより、エラストマー表面上のカーボンブラック(すなわちCabot Vulcan XC72R)の堆積によってもまた形成される。あるいは電極70は、導電性材料(すなわちカーボンブラックまたは微細分割粒子)でドーピングされたエラストマーから全体層20を構成することにより、形成され得る。なお、さらに代替的には、この電極は、静電堆積により、または炭素を生成する化学反応により形成され得る。本発明により実施される実験において、カーボンブラック濃度を5.6×10−16から約5×10−3(Ω−cm)−1へ増加させると、導電性を示した。動くことが要求されない低部電極72は、上述のように柔軟な電極であるか、または蒸着した金、金属プレート、またはドーピングした半導体電極などの通常の電極であり得る。
Conductive electrode 70 can be obtained by wiping over dry powder or by exposing the elastomer to a suspension of carbon black in a solvent that causes the elastomer to swell (such as a chlorinated solvent in the case of PDMS). It is also formed by deposition of carbon black (ie, Cabot Vulcan XC72R) on the elastomer surface. Alternatively, the electrode 70 can be formed by constructing the entire layer 20 from an elastomer doped with a conductive material (ie, carbon black or finely divided particles). Still further alternatively, the electrode may be formed by electrostatic deposition or by a chemical reaction that produces carbon. In experiments conducted according to the present invention, increasing the carbon black concentration from 5.6 × 10 −16 to about 5 × 10 −3 (Ω-cm) −1 showed conductivity. The lower electrode 72, which is not required to move, can be a flexible electrode as described above, or it can be a conventional electrode such as a deposited gold, metal plate, or doped semiconductor electrode.

本発明の実施形態に従うポンプまたはバルブは、また、電位を物理的性質も電磁場において変化され得る物質に印加することによって作動され得る。このような物質の一例は、液体の水銀であり、その表面張力は、印加された電磁場において変化する。この作動方法では、液体水銀のポケットが、フローチャネルを覆う制御チャネルに存在する。水銀の流体ポケットは、電極に接続される。電極にわたって印加された電圧に応答して、リラックスした状態からリラックスしていない状態に隣接の膜を変化させる。バルブの特定の構造に応じて、この変化された状態は、バルブを開にするまたは閉にすることのいずれかに対応し得る。印加された電圧の中断の際、制御チャネル内の水銀は、その元の表面張力を取り戻し、膜は、そのリラックスした位置を取り戻す。   Pumps or valves according to embodiments of the present invention can also be activated by applying a potential to a material whose physical properties can also be changed in the electromagnetic field. An example of such a material is liquid mercury, whose surface tension changes in the applied electromagnetic field. In this method of operation, liquid mercury pockets are present in the control channel that covers the flow channel. The mercury fluid pocket is connected to the electrode. In response to a voltage applied across the electrodes, the adjacent membrane is changed from a relaxed state to an unrelaxed state. Depending on the particular structure of the valve, this altered state may correspond to either opening or closing the valve. Upon interruption of the applied voltage, the mercury in the control channel regains its original surface tension and the membrane regains its relaxed position.

類似のアプローチでは、制御チャネルの表面は、印加された電位に応じて形状を変化させる物質でコーティングされ得る。例えば、ポリピロールは、印加された電圧を生じる電解質内で形状を変化させる共役ポリマーである。制御チャネルは、ポリピロールまたは印加された電場に応じて巨視的構造を変化させる他の有機導電体でコーティングされ得る。コーティングされた制御チャネルは、次いで、電解質で満たされ、電解質は電極と接触して配置される。電位差が電解質にわたって印加された場合、コーティングされたチャネルは、電極に付着される。このため、電解質に関連してポリピロールでコーティングされたチャネルの適切な配置を設計することによって、フローチャネルは、電流を印加することによって選択的に開または閉にされ得る。   In a similar approach, the surface of the control channel can be coated with a material that changes shape in response to an applied potential. For example, polypyrrole is a conjugated polymer that changes shape within an electrolyte that produces an applied voltage. The control channel can be coated with polypyrrole or other organic conductors that change the macroscopic structure in response to an applied electric field. The coated control channel is then filled with an electrolyte, which is placed in contact with the electrode. When a potential difference is applied across the electrolyte, the coated channel is attached to the electrode. Thus, by designing an appropriate arrangement of the polypyrrole-coated channel in relation to the electrolyte, the flow channel can be selectively opened or closed by applying a current.

フローチャネルの磁気作動は、鉄、もしくは分極NdFeBなどの永久磁性材料などの磁気分極可能材料で、このフローチャネルを分離する膜を作製することにより達成され得る。本発明者による実験において、鉄粉(約1μm粒子サイズ)を20重量%鉄までの添加により、磁気シリコーンが作製された。   Magnetic actuation of the flow channel can be achieved by making a film that separates this flow channel with a magnetic polarisable material such as iron or a permanent magnetic material such as polarized NdFeB. In experiments by the present inventors, magnetic silicones were made by adding iron powder (about 1 μm particle size) to 20 wt% iron.

磁気分極可能材料を用いて膜が作製される場合、膜は印加された磁界に応答した引力により作動される。この膜が永久磁性を維持することが可能な材料で作製される場合、この材料が充分に強い磁場への曝露により最初に磁化され、次いで印加された不均一磁界における極性に応じて引力により、または斥力により作動される。   When a film is made using a magnetically polarizable material, the film is actuated by an attractive force in response to an applied magnetic field. If the film is made of a material capable of maintaining permanent magnetism, the material is first magnetized by exposure to a sufficiently strong magnetic field, and then by an attractive force depending on the polarity in the applied inhomogeneous magnetic field, Or actuated by repulsion.

この膜の作動を生じる磁界は、多様な方法で発生され得る。1つの実施態様において、この磁界は、エラストマー膜中にまたはエラストマー膜に近接して形成された極度に小さい誘導性コイルにより発生される。このような磁性コイルの作動効果は、局所化され得、個別のポンプおよび/またはバルブ構造の作動を可能にする。あるいは、より大きく、より強力な発生源により磁界が発生し得、この場合、作動は全体的であり得、複数のポンプおよび/または構造を一度に作動させる。   The magnetic field that causes the operation of this film can be generated in a variety of ways. In one embodiment, this magnetic field is generated by an extremely small inductive coil formed in or close to the elastomeric film. The actuation effect of such a magnetic coil can be localized and allows the actuation of individual pump and / or valve structures. Alternatively, the magnetic field can be generated by a larger, more powerful source, in which case the operation can be global, operating multiple pumps and / or structures at once.

さらに、静電気作動または磁気作動の組み合わせ圧力作動が可能である。特に、凹部と流体連絡したベローズ構造が、静電的にまたは磁気的にこの凹部内の圧力を変化させるために作動され、それによりこの凹部に隣接した膜構造を作動させる。   Furthermore, a combined pressure actuation of electrostatic actuation or magnetic actuation is possible. In particular, a bellows structure in fluid communication with the recess is actuated to change the pressure in the recess electrostatically or magnetically, thereby actuating the membrane structure adjacent to the recess.

上述のような電気作動または磁気作動に加えて、必要に応じた電解質性および動電性作動システムが、本発明により考慮される。   In addition to the electrical or magnetic actuation as described above, optional electrolyte and electrokinetic actuation systems are contemplated by the present invention.

例えば、膜上の作動圧力は、膜を覆う凹部(制御チャネル)における電解反応から生じ得る。このような実施態様において、この凹部における電極は、この凹部における電解質を介して電圧を付与する。このポテンシャル差は、電極における電気化学的反応を生じ、そしてガスの発生を得る結果を生じ、順に、この凹部における圧力差を生じる。エラストマーのタイプおよび精密なデバイス構造に応じて、このような電解質反応によって発生されたガスは、機械的に発散されるか、エラストマーのポリマーマトリックスからゆっくりと拡散することが可能にされ得、ポケット内で生成された圧力を開放し、膜をリラックスした状態に戻す。   For example, the operating pressure on the membrane can result from an electrolytic reaction in a recess (control channel) that covers the membrane. In such an embodiment, the electrode in this recess applies a voltage through the electrolyte in this recess. This potential difference results in an electrochemical reaction at the electrode and results in gas evolution, which in turn creates a pressure difference in this recess. Depending on the type of elastomer and the precise device structure, the gas generated by such an electrolyte reaction can be allowed to escape mechanically or slowly diffuse out of the elastomeric polymer matrix, Release the pressure generated in step 1 to return the membrane to a relaxed state.

あるいは、作動の可逆性の外部拡散に依存するよりは、ガスは、再結合されて水を形成し得、圧力を開放し、膜をそのリラックスした状態に戻す。水素からの水の形成および水蒸気は、触媒の使用を通じて、または、制御された燃焼を引き起こすのに十分なエネルギーを提供することによって達成され得る。   Alternatively, rather than relying on reversible external diffusion of operation, the gas can recombine to form water, releasing the pressure and returning the membrane to its relaxed state. Water formation from hydrogen and water vapor can be achieved through the use of a catalyst or by providing sufficient energy to cause controlled combustion.

電気分解の作動方法の一つの潜在的な用途は、図56に示される微細シリンジ構造である。図56は、第一チャンバ6102、第二チャンバ6104、および第三チャンバ6106それぞれとの流体連絡においてフローチャネル6100を生じるエラストマーブロックの概略図である。第一チャンバ6102は、電極6108および6110と接触する塩溶液6103を含む。第三チャンバ6106は、薬物6107または排出チャンバ6112を通じて流体デバイスから排出される他の液体物質を含む。第二チャンバ6104は、塩溶液6103から薬物6107を物理的に絶縁することが意図される不活性オイル6105を含む。電極6108および6110にわたる電位差の印加の際、塩溶液6103は、電気分解を受け、ガス生成し、その結果、第一チャンバ6102は、圧力の上昇をすぐに経験する。この圧力上昇により、オイル6105が、第二チャンバ6104から第三チャンバ6106に流れ、薬物6107を置換し、第三チャンバ6106から排出チャネル6112および究極的には患者への薬物6107の流れを生じさせる。   One potential application of the electrolysis method of operation is the microsyringe structure shown in FIG. FIG. 56 is a schematic diagram of an elastomeric block that creates a flow channel 6100 in fluid communication with each of the first chamber 6102, the second chamber 6104, and the third chamber 6106. First chamber 6102 contains salt solution 6103 in contact with electrodes 6108 and 6110. The third chamber 6106 contains drug 6107 or other liquid material that is discharged from the fluidic device through the discharge chamber 6112. The second chamber 6104 contains an inert oil 6105 that is intended to physically insulate the drug 6107 from the salt solution 6103. Upon application of a potential difference across electrodes 6108 and 6110, salt solution 6103 undergoes electrolysis and generates gas, so that first chamber 6102 immediately experiences an increase in pressure. This pressure increase causes oil 6105 to flow from the second chamber 6104 to the third chamber 6106 to displace the drug 6107 and create a flow of drug 6107 from the third chamber 6106 to the drain channel 6112 and ultimately to the patient. .

微細作製されたエラストマー構造を作動させるための方法の実施形態は、水溶性塩溶液を、エラストマーブロックにおいて形成され、フローチャネルの表面を覆い、エラストマー膜によってフローチャネルから分離される制御凹部に提供する工程と、ガスを生成するために塩溶液に電位差を印加して、制御凹部内の圧力により、膜がフローチャネルに一致する工程とを含む。   An embodiment of a method for actuating a microfabricated elastomeric structure provides a water soluble salt solution to a control recess formed in an elastomeric block, covering the surface of the flow channel and separated from the flow channel by an elastomeric membrane. And a step of applying a potential difference to the salt solution to generate gas and causing the membrane to conform to the flow channel by the pressure in the control recess.

本発明に従う微細作製されたシリンジ構造の実施形態は、エラストマーブロックにおいて形成され、水溶性塩溶液を含む第一のチャンバ、第一の電極、および第二の電極を含む。第二のチャンバは、エラストマーブロックにおいて形成され、不活性液体を含み、第二のチャンバは、第一のフローチャネルを通じて第一のチャンバと流体連絡する。第三のチャンバは、エラストマーブロックにおいて形成され、排出可能な物質を含み、第三のチャンバは、流体内で第二のフローチャネルを通じて第二のチャンバと流体連絡し、アウトレットを通じて環境と流体連絡し、その結果、電極にわたる電位差の印加は、第一のチャンバにおいてガスを生成し、ガスは、不活性物質を第三のチャンバに置換し、不活性物質は、注入可能な物質を環境に置換する。   An embodiment of a microfabricated syringe structure according to the present invention includes a first chamber formed in an elastomeric block and containing a water soluble salt solution, a first electrode, and a second electrode. The second chamber is formed in the elastomeric block and contains an inert liquid, and the second chamber is in fluid communication with the first chamber through the first flow channel. A third chamber is formed in the elastomeric block and contains an evacuable material, the third chamber is in fluid communication with the second chamber through the second flow channel within the fluid and in fluid communication with the environment through the outlet. As a result, the application of a potential difference across the electrodes generates gas in the first chamber, which replaces the inert material with the third chamber, and the inert material replaces the injectable material with the environment. .

本発明の実施形態に従うデバイスの膜上の作動圧力は、また、制御チャネルにおける動電流体から生じ得る。このような実施態様において、制御チャネルの対向端における電極は、この制御チャネルに存在する電解質を介する、ポテンシャル差を付与する。電位差に
よって誘導された動電学的フローは、圧力差を生じさせ得る。
The operating pressure on the membrane of the device according to embodiments of the present invention can also arise from a dynamic current body in the control channel. In such an embodiment, the electrode at the opposite end of the control channel provides a potential difference through the electrolyte present in the control channel. The electrokinetic flow induced by the potential difference can cause a pressure difference.

最後に、熱エネルギーの付与に基づいて、制御チャネル内に(熱膨張により、または液体からの気体の生成によるかのいずれかによる)、流体フローを生じさせることにより、このデバイスを作動させることもまた可能である。例えば、本発明に従う一つの代替の実施形態では、流体のポケット(例えば、流体で満たされた制御チャネル内)は、フローチャネル上に配置される。ポケット内の流体は、温度変動システム、例えば、ヒータと連絡し得る。流体の熱膨張、または液体からへ気体相への物質の変換は、圧力の増加を生じて、隣接のフローチャネルを閉じ得る。流体の続く冷却は、圧力を開放し、フローチャネルが開になることを可能にする。あるいは、または簡単な冷却に関連して、流体ポケットから加熱された蒸気は、エラストマー物質から拡散され得、これにより、圧力を開放し、フローチャネルが開になることを可能にする。このようなプロセスによる制御チャネルからの流体の損失は、内部または外部のリザーバ(reservoir)から補充され得る。   Finally, based on the application of thermal energy, the device can also be activated by creating a fluid flow in the control channel (either by thermal expansion or by production of gas from the liquid). It is also possible. For example, in one alternative embodiment according to the present invention, a pocket of fluid (eg, in a control channel filled with fluid) is disposed on the flow channel. The fluid in the pocket may communicate with a temperature variation system, such as a heater. Thermal expansion of the fluid, or conversion of material from the liquid to the gas phase, can cause an increase in pressure and close adjacent flow channels. Subsequent cooling of the fluid relieves the pressure and allows the flow channel to open. Alternatively, or in connection with simple cooling, the vapor heated from the fluid pocket can be diffused from the elastomeric material, thereby releasing the pressure and allowing the flow channel to open. The loss of fluid from the control channel due to such a process can be replenished from an internal or external reservoir.

上記に議論された温度作動に類似して、気体状生成物を発生する化学反応は、膜作動のために充分な圧力の増加を提供し得る。   Similar to the temperature operation discussed above, a chemical reaction that generates a gaseous product may provide an increase in pressure sufficient for membrane operation.

(ネットワーク化システム:)
図23Aおよび図23Bは、先に(例えば、図7Aで)明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している。図24Aおよび図24Bは、図23に見られるような単一のアドレス可能な複数のオン/オフバルブのから構成されているが、一緒にネットワーク化された、蠕動ポンピングシステムを示している。図25は、図24の蠕動ポンピングシステムについて、実験で達成されたポンピング流量対周波数を示すグラフである。図26Aおよび図26Bは、単一制御ラインにより制御可能である複数のフローチャネルの概略図を示している。このシステムはまた、図23の単一のアドレス可能な複数のオン/オフバルブを備え、一緒に多重化されているが、図23の構成とは異なる構成である。図27は、図23の単一のアドレス可能な複数のオン/オフバルブから構成され、共に接合またはネットワーク化され、選択されたチャネルを通る流体フローを可能にするように適合された多重化システムの概略図である。
(Networked system :)
23A and 23B show a diagram of a single on / off valve identical to the system previously specified (eg, in FIG. 7A). FIGS. 24A and 24B show a peristaltic pumping system composed of a single addressable multiple on / off valve as seen in FIG. 23, but networked together. FIG. 25 is a graph showing pumping flow versus frequency achieved in the experiment for the peristaltic pumping system of FIG. FIGS. 26A and 26B show schematic diagrams of multiple flow channels that can be controlled by a single control line. The system also includes a single addressable multiple on / off valve of FIG. 23 and is multiplexed together, but with a different configuration than that of FIG. FIG. 27 is an illustration of a multiplexing system comprised of the single addressable multiple on / off valves of FIG. 23, joined together or networked and adapted to allow fluid flow through selected channels. FIG.

図23Aおよび図23Bをまず参照すると、フローチャネル30およびフローチャネル32の概略が示されている。フローチャネル30はそこを通る流体(または気体)フローFを有しているのが好ましい。フローチャネル32(本明細書中で既に説明したように、フローチャネル30を横断している)は、加圧され、フローチャネルを分離している膜25がフローチャネル30の経路の中へ押圧され、上述のように、そこを通るフローFの通路を遮断するようにしている。このように、「フローチャネル」32はフローチャネル30において1個のバルブを作動させる「制御ライン」と称し得る。図23から図26においては、複数のこのようなアドレス可能なバルブが多様な配置に接続され、或いは、一緒にネットワーク化されて、蠕動ポンピングの能力があるポンプおよび他の流体ロジック適用を生成している。   Referring first to FIGS. 23A and 23B, a schematic of flow channel 30 and flow channel 32 is shown. The flow channel 30 preferably has a fluid (or gas) flow F therethrough. The flow channel 32 (as traversing the flow channel 30 as previously described herein) is pressurized and the membrane 25 separating the flow channels is pressed into the flow channel 30 path. As described above, the passage of the flow F passing therethrough is blocked. Thus, the “flow channel” 32 may be referred to as a “control line” that operates one valve in the flow channel 30. In FIGS. 23-26, a plurality of such addressable valves can be connected in a variety of arrangements or networked together to create pumps and other fluid logic applications capable of peristaltic pumping. ing.

図24Aおよび図24Bを参照すると、蠕動ポンピング用のシステムは下記のように適用される。フローチャネル30は、その上を通る複数の略平行なフローチャネル(すなわち、制御ライン)32A、32Bおよび32C、を有する。制御ライン32Aを加圧することにより、フローチャネル30を通るフローFは、膜25Aの下で制御ライン32Aとフローチャネル30との交点において遮断される。同様に(図示しないが)、制御ライン32Bを加圧することにより、フローチャネル30を通るフローFが膜25Bの下で制御ライン32Bとフローチャネル30との交点などにおいて遮断される、などである。   Referring to FIGS. 24A and 24B, the system for peristaltic pumping is applied as follows. The flow channel 30 has a plurality of generally parallel flow channels (ie, control lines) 32A, 32B and 32C passing thereover. By pressurizing the control line 32A, the flow F through the flow channel 30 is blocked under the membrane 25A at the intersection of the control line 32A and the flow channel 30. Similarly (not shown), by pressurizing the control line 32B, the flow F through the flow channel 30 is blocked under the membrane 25B at the intersection of the control line 32B and the flow channel 30, and the like.

制御ライン32A、32B、32Cの各々が別個にアドレス可能である。それゆえに、
制御ライン32Aおよび32Cを一緒に作動させ、その後、制御ライン32Aを作動させ、それに続いて制御ライン32Aおよび32Bを一緒に作動させた後、制御ライン32Bの作動が続き、その後で制御ライン32Bおよび32Cを一緒に作動させるといったパターンにより、蠕動を作動させ得る。これは連続する「101、100、110、010、011、001」のパターンに対応しており、この場合、「0」は「バルブ開」を示し、「1」は「バルブ閉」を示している。この蠕動パターンはまた、120度パターンとして知られてもいる(3つのバルブの間の作動の位相角度のことを意味する)。他の蠕動パターンも、60度のパターンおよび90度のパターンを含め、同等に可能である。
Each of the control lines 32A, 32B, 32C can be addressed separately. Hence,
Control lines 32A and 32C are actuated together, after which control line 32A is actuated, followed by actuating control lines 32A and 32B together, followed by actuation of control line 32B, after which control line 32B and The peristalsis may be activated by a pattern such as operating 32C together. This corresponds to a continuous pattern of “101, 100, 110, 010, 011, 001”, where “0” indicates “valve open” and “1” indicates “valve closed”. Yes. This peristaltic pattern is also known as a 120 degree pattern (meaning the phase angle of operation between the three valves). Other peristaltic patterns are equally possible, including a 60 degree pattern and a 90 degree pattern.

本発明者により実施された実験では、薄い(0.5mmの内部寸法)管の中の水柱が移動した距離を測定することにより、2.35nL/sのポンピング流量を測定したが、この場合、100×100×10μmのバルブが40kPaの作動圧の元に置かれていた。ポンピング速度は、約75Hzまでの作動周波数とともに増加し、次いで200Hzを越えるまで、ほぼ一定であった。バルブとポンプは極めて耐性にも富み、エラストマー膜、制御チャネル、または、結合が働かなくなるのは観察されなかった。本発明者らにより実施された実験では、本明細書中に記載された蠕動ポンプのバルブのいずれもが、400万回を越える作動を行った後でも、磨耗や疲労の兆候を示してはいない。バルブの耐性に加えて、バルブは穏やかでもある。チャネルを通して汲み上げられ、実行可能性について試験された大腸菌の溶液が94%の残存率を示した。   In experiments conducted by the inventors, a pumping flow rate of 2.35 nL / s was measured by measuring the distance traveled by a water column in a thin (0.5 mm internal dimension) tube, A 100 × 100 × 10 μm valve was placed under 40 kPa working pressure. The pumping speed increased with operating frequency up to about 75 Hz and then remained almost constant until it exceeded 200 Hz. Valves and pumps were extremely tolerant and it was not observed that the elastomeric membrane, control channel, or bond worked. In experiments conducted by the inventors, none of the valves of the peristaltic pump described herein show signs of wear or fatigue even after more than 4 million actuations. . In addition to valve resistance, the valve is also gentle. A solution of E. coli pumped through the channel and tested for viability showed a 94% survival rate.

図25は、図24の蠕動ポンピングシステムについて、実験で達成されたポンピング速度対周波数を示すグラフである。   FIG. 25 is a graph showing the pumping speed versus frequency achieved experimentally for the peristaltic pumping system of FIG.

図24A〜24Bに示されるポンピングシステムの実施形態は、複数な平行なフローチャネルを利用するが、これは、本発明によって要求されない。図73Aは、本発明に従うポンプ構造の代替の実施形態の平面図を提示し、ヘビ状(serpentine)の制御チャネル7800は、3つの異なる点において下にあるフローチャネル7802をクロスオーバーし、これにより、3つのバルブ構造7804、7806、および7808を生成する。この3つのバルブ構造7804、7806、および7808は、膜7804a、7806a、7808aをそれぞれ有する。   The embodiment of the pumping system shown in FIGS. 24A-24B utilizes multiple parallel flow channels, but this is not required by the present invention. FIG. 73A presents a plan view of an alternative embodiment of a pump structure according to the present invention, where the serpentine control channel 7800 crosses over the underlying flow channel 7802 at three different points, thereby Three valve structures 7804, 7806, and 7808 are generated. The three valve structures 7804, 7806, and 7808 have membranes 7804a, 7806a, and 7808a, respectively.

制御チャネル7800の第一の端部7800aへの高圧信号の印加により、高圧信号は、表1に示されるように第一のバルブ7804に、次いで、第二のバルブ7806に、そして、最後には第三のバルブ7808に伝播される。   Application of a high pressure signal to the first end 7800a of the control channel 7800 causes the high pressure signal to go to the first valve 7804, then to the second valve 7806, and finally to as shown in Table 1. Propagated to the third valve 7808.

Figure 2009052744
結果として得られる膜7804a、7806a、および7808aが一致する配列は、フローチャネル7802において方向Fにポンピング動作を生成する。さらに、時間Tにおける制御チャネル7800の第一の端部7800dでの圧力の緩和により、低圧信号が第一のバルブ7804に、次いで、第二のバルブ7806に、そして最後に第三のバル
ブ7808に伝播され、チャネル7802を通じて以前にフローされた物質の方向の逆転を引き起こすことなく、別のポンピング配列のためのステージを設定する。
Figure 2009052744
The resulting arrangement of matching membranes 7804a, 7806a, and 7808a produces a pumping motion in direction F in the flow channel 7802. Furthermore, the pressure relief in the first end 7800d of control channel 7800 at time T 3, the low pressure signal is a first valve 7804, then to second valve 7806, and finally the third valve, 7808 Set up a stage for another pumping arrangement without causing a reversal of the direction of the material previously propagated through channel 7802.

図73Bおよび73Cは、図73Aのポンプ構造の制御ラインへの高圧信号の印加の周波数に対するフロー速度をプロットし、ポンプ構造は、100μmの制御ラインと、200μmの間隔におけるフローチャネルのクロスオーバ点とを有する。図73Bは、上昇された圧力と周囲圧力との間で振動する作動圧力から得られるフロー速度を示す。図73Cは、上昇された圧力と真空との間で振動する作動圧力から得られるフロー速度を示す。図73Bおよび73Cの両方は、効率的なポンピング動作を示し、図73Cの範囲のより大きな作動圧力がより速いフロー速度を生じさせる。   73B and 73C plot the flow rate against the frequency of the application of the high pressure signal to the control line of the pump structure of FIG. Have FIG. 73B shows the flow rate resulting from the working pressure oscillating between the elevated pressure and the ambient pressure. FIG. 73C shows the flow rate resulting from the working pressure oscillating between the increased pressure and the vacuum. Both FIGS. 73B and 73C show an efficient pumping operation, with a larger operating pressure in the range of FIG. 73C resulting in a faster flow rate.

図26Aおよび図26Bは、図21のアドレス可能な複数のバルブを組立てる別な方法を例示している。特に、複数の平行なフローチャネル30A、30B、30Cが設けられている。フローチャネル(すなわち、制御ライン)32がフローチャネル30A、30B、30Cの上を横断して通過する。制御ライン32の加圧は、制御ライン32とフローチャネル30A、30Bおよび30Cとの交点に配置された膜25A、25B、25Cを押圧することにより、フローF1、F2、F3を同時に遮断する。   26A and 26B illustrate another method of assembling the addressable valves of FIG. In particular, a plurality of parallel flow channels 30A, 30B, 30C are provided. A flow channel (ie, control line) 32 passes across the flow channels 30A, 30B, 30C. The pressurization of the control line 32 simultaneously blocks the flows F1, F2, and F3 by pressing the membranes 25A, 25B, and 25C disposed at the intersections of the control line 32 and the flow channels 30A, 30B, and 30C.

図27は、下記のように、選択されたチャネルを通って流体が選択的にフロー得るように適合した多重化システムの概略図である。それぞれのフローチャネルを、それらの上方を通る制御ラインから分離している薄膜の下方向への撓み(例えば、図26Aおよび図26Bにおける膜25A、25B、25C)は、薄膜の寸法によって強く依存する。従って、図26Aおよび図26Bのフローチャネル制御ライン32の幅を変動させることにより、制御ラインに多数のフローチャネルを越えさせ、しかし、所望のフローチャネルしか作動させない(すなわち、シールする)ことが可能である。図27は、下記のように、このようなシステムの概略を例示している。   FIG. 27 is a schematic diagram of a multiplexing system adapted to selectively allow fluid to flow through selected channels, as described below. The downward deflection (eg, membranes 25A, 25B, 25C in FIGS. 26A and 26B) of the thin film that separates the respective flow channels from the control lines passing above them is strongly dependent on the size of the thin film. . Thus, by varying the width of the flow channel control line 32 of FIGS. 26A and 26B, it is possible to have the control line cross multiple flow channels, but only operate (ie, seal) the desired flow channel. It is. FIG. 27 illustrates an overview of such a system as follows.

複数の互いに平行なフローチャネル30A、30B、30C、30D、30E、30Fが複数の互いに平行な制御ライン32A、32B、32C、32D、32Eおよび32Fの下に設置される。制御チャネル32A、32B、32C、32D、32Eおよび32Fは、先に説明したが下記の修正を含むバルブシステムのいずれかを利用して、互いに平行なフローチャネル30A、30B、30C、30D、30E、30Fを通過する流体フローF1、F2、F3、F4、F5およびF6を遮断するように適合されている。   A plurality of parallel flow channels 30A, 30B, 30C, 30D, 30E, 30F are installed below the plurality of parallel control lines 32A, 32B, 32C, 32D, 32E, and 32F. Control channels 32A, 32B, 32C, 32D, 32E, and 32F utilize flow valve 30A, 30B, 30C, 30D, 30E, parallel to each other using any of the valve systems described above but including the following modifications. Adapted to block fluid flows F1, F2, F3, F4, F5 and F6 passing through 30F.

制御ライン32A、32B、32C、32D、32Eおよび32Fの各々は、広い部分と狭い部分の両方を有している。例えば、制御ライン32Aは、フローチャネル30A、30Cおよび30Eを越えて配置された各適所で幅広である。同様に、制御ライン32Bは、フローチャネル30B、30Dおよび30Fを越えて配置された各適所で幅広であり、制御ライン32Cはフローチャネル30A、30B、30Eおよび30Fを越えて配置された各適所で幅広である。   Each of the control lines 32A, 32B, 32C, 32D, 32E, and 32F has both a wide portion and a narrow portion. For example, the control line 32A is wide at each location located over the flow channels 30A, 30C and 30E. Similarly, control line 32B is wide at each location located across flow channels 30B, 30D and 30F, and control line 32C is at each location located across flow channels 30A, 30B, 30E and 30F. It is wide.

それぞれの制御ラインが幅広である各位置で、その加圧は、フローチャネルと制御ラインとを分離している薄膜25を、フローチャネルの中へ相当に押圧し、それにより、そこを通るフローの経路を遮断する。これとは逆に、それぞれの制御ラインが狭い各場所では、膜25も狭くなる。従って、同じ程度の加圧の結果として、膜(25)がフローチャネル(30)の中へ押圧した状態にはならない。それゆえに、その下の流体の経路は遮断されない。   At each position where the respective control line is wide, the pressurization significantly pushes the membrane 25 separating the flow channel and the control line into the flow channel, thereby causing the flow through it. Block the route. On the contrary, in each place where each control line is narrow, the film 25 is also narrowed. Thus, as a result of the same degree of pressurization, the membrane (25) does not press into the flow channel (30). Therefore, the fluid path below it is not blocked.

例えば、制御ライン32Aは、加圧されると、フローチャネル30A、30Cよび30EにおけるフローF1、F3、F5を遮断する。同様に、制御ライン32Cは、加圧され
ると、フローチャネル30A、30B、30Eおよび30FにおけるフローF1、F2、F5およびF6を遮断する。理解されるように、1つ以上の制御ラインが同時に作動され得る。例えば、制御ライン32Aおよび32Cは同時に加圧されて、F4以外の流体の全てのフローを遮断し得る(32AはF1、F3およびF5を遮断し、32CはF1、F2、F5およびF6を遮断する)。
For example, the control line 32A, when pressurized, blocks the flows F1, F3, F5 in the flow channels 30A, 30C and 30E. Similarly, control line 32C, when pressurized, blocks flows F1, F2, F5 and F6 in flow channels 30A, 30B, 30E and 30F. As will be appreciated, one or more control lines can be activated simultaneously. For example, control lines 32A and 32C can be pressurized simultaneously to block all flows of fluids except F4 (32A blocks F1, F3 and F5, 32C blocks F1, F2, F5 and F6) ).

異なる制御ライン32を一緒におよび多様な順序での両方で、選択的に加圧することにより、かなりの程度の流体流の制御が達成し得る。更に、本システムを、6を越える互いに平行なフローチャネル30と、4を越える互いに平行な制御ライン32まで拡張することにより、また制御ラインの広い領域と狭い領域の位置決めを変化させることにより、極めて複雑な流体フロー制御システムが製造し得る。このようなシステムの特性は、わずか2(logn)本の制御ラインを用いて、n本のフローチャネルから任意の1本のフローチャネルをオン状態にすることが可能である。 By selectively pressurizing the different control lines 32 both together and in various orders, a significant degree of fluid flow control can be achieved. Furthermore, by extending the system to more than 6 parallel flow channels 30 and more than 4 parallel control lines 32, and by changing the positioning of the wide and narrow areas of the control lines, Complex fluid flow control systems can be manufactured. A characteristic of such a system is that any one flow channel can be turned on from n flow channels using only 2 (log 2 n) control lines.

本発明者らは、30デバイス/mmの密度で微細流体構造体を作製することに成功しているが、より高い密度を達成し得る。例えば、図60は、マルチプレクサデバイス6500の平面図を示す。このマルチプレクサデバイス6500は、12の重畳制御チャネル6504によって制御される64の平行なフローチャネル6502を含む。流体は、入力6506を通じてマルチプレクサ構造6500に導入され、ポンピング制御ライン6508a−cのぜん動ポンピング動作を通じてフローチャネル6502に分散される。 The inventors have succeeded in producing a microfluidic structure with a density of 30 devices / mm 2 , but higher densities can be achieved. For example, FIG. 60 shows a plan view of the multiplexer device 6500. This multiplexer device 6500 includes 64 parallel flow channels 6502 controlled by 12 superposition control channels 6504. Fluid is introduced into multiplexer structure 6500 through input 6506 and is distributed to flow channel 6502 through peristaltic pumping action of pumping control lines 6508a-c.

制御チャネル6504a−lは、相補的な広狭チャネル領域の機能を持つ6ペアの制御ライン6504a−b、6504c−d、6504e−f、6504i−j、および6504k−lとして理解され得る。例えば、ライン6504aへの制御圧力の印加は、第一の32のフローチャネル6502を閉じる一方で、ライン6504bへの制御圧力の印加は、他の32のフローチャネル6502を閉じる。同様に、ライン6504kへの制御圧力の印加は、交互のフローチャネル6502の一セットを閉じるが、一方で、ライン6504lへの制御圧力の印加は、交互のフローチャネル6502の他のセットを閉じる。このため、各制御ラインペア6504a−b、6504c−d、6504e−f、6504g−h、6504k−lの一方のラインに制御圧力を選択的に印加することによって、マルチプレクサ構造6500の出力6510からの流体のフローは、単一の制御チャネルに制限され得る。   Control channels 6504a-l may be understood as six pairs of control lines 6504a-b, 6504c-d, 6504e-f, 6504i-j, and 6504k-l with complementary wide and narrow channel region functions. For example, application of control pressure to line 6504a closes the first 32 flow channels 6502, while application of control pressure to line 6504b closes the other 32 flow channels 6502. Similarly, application of control pressure to line 6504k closes one set of alternating flow channels 6502, while application of control pressure to line 6504l closes another set of alternating flow channels 6502. Thus, by selectively applying a control pressure to one line of each control line pair 6504a-b, 6504c-d, 6504e-f, 6504g-h, 6504kl, the output from the output 6510 of the multiplexer structure 6500. Fluid flow may be limited to a single control channel.

上記の説明は、64のフローチャネルを有するマルチプレクサを示すが、これは、単なる一つの特定の実施形態にすぎない。本発明に従うマルチプレクサ構造は、任意の特定数のフローチャネルに限定されない。本発明に従うマルチプレクサ構造に対するフローチャネルの数の限定的でないリストは、以下のようである。4、8、16、32、64、96、128、256、384、512、1024、および1536である。   Although the above description shows a multiplexer with 64 flow channels, this is just one particular embodiment. The multiplexer structure according to the present invention is not limited to any particular number of flow channels. A non-limiting list of the number of flow channels for a multiplexer structure according to the present invention is as follows: 4, 8, 16, 32, 64, 96, 128, 256, 384, 512, 1024, and 1536.

所与の数のフローチャネルのための制御ラインの最小数を支配する2(logn)の関係が満たされる限り、リストされた数以外の数のフローチャネルを含むマルチプレクサ構造も企図される。nのフローラインに対して2(log2n)未満の制御ラインを有するマルチプレクサ構造も、本発明によって企図される。このようなマルチプレクサ構造は、フローラインにおいて有用な作動パターン(すなわち、1111000011110000...)を生成し得る。 Multiplexer structures that include a number of flow channels other than the number listed are also contemplated so long as the 2 (log 2 n) relationship governing the minimum number of control lines for a given number of flow channels is satisfied. Multiplexer structures having less than 2 (log 2n) control lines for n flow lines are also contemplated by the present invention. Such a multiplexer structure can produce an operational pattern useful in the flow line (ie, 1111000011110000...).

図60のマルチプレクサの実施形態は、別個のポンピングシステムと組み合わせたバルブ構造の使用を示すが、これは、本発明によって要求されない。具体的には、他の場合には所与のフローチャネルを介する制御フローに利用されない制御チャネル/フローチャネルのオーバーラップ領域は、フローチャネルを通じて流体をポンプするために作動され得
る。本発明のこの局面は、以下に図74と関連して示される。
The multiplexer embodiment of FIG. 60 illustrates the use of a valve structure in combination with a separate pumping system, but this is not required by the present invention. Specifically, control channel / flow channel overlap regions that are not otherwise utilized for control flow through a given flow channel may be activated to pump fluid through the flow channel. This aspect of the invention is shown below in connection with FIG.

図74は、少なくとも3つの制御チャネル7904a−cによってオーバーラップされた少なくとも3つの平行なフローチャネル7902a−cを含むマルチプレクサ構造7900の平面図を示す。第一のチャネル7902aを有する第一の制御チャネル7904aの広い部分のオーバーラップは、第一のフローチャネル7902aを通じる物質のフローF1を制御するマルチプレクサバルブ7906を生成する。   FIG. 74 shows a plan view of a multiplexer structure 7900 that includes at least three parallel flow channels 7902a-c overlapped by at least three control channels 7904a-c. The wide overlap of the first control channel 7904a with the first channel 7902a creates a multiplexer valve 7906 that controls the flow of material F1 through the first flow channel 7902a.

第二制御チャネル7904bおよび第三の制御チャネル7904cは、第二フローチャネル7902bおよび第三フローチャネル7902cそれぞれを通じて制御フローF2およびF3に広げる前に、第一のフローチャネル7902aを単にクロスオーバーするだけである。しかしながら、マルチプレクサバルブ7906の作動と協調される制御チャネル7904bおよび7904cへの高圧信号の配列の印加によって、流体のポンピングは、第一のフローチャネル7902aを下降させ得る。   The second control channel 7904b and the third control channel 7904c simply cross over the first flow channel 7902a before spreading to the control flows F2 and F3 through the second flow channel 7902b and the third flow channel 7902c, respectively. is there. However, by applying an array of high pressure signals to the control channels 7904b and 7904c coordinated with the operation of the multiplexer valve 7906, fluid pumping can cause the first flow channel 7902a to descend.

一方、第一のフローチャネル7902aのポンピング中の制御チャネル7904bおよび7904c内に存在する高圧力は、さらに、第二のフローチャネル7902bおよび第三のフローチャネル7902cそれぞれのマルチプレクサバルブ7908および7810を作動し得るが、マルチプレクサバルブ7908および7910の他のマルチプレクサバルブの閉鎖(図示せず)の上方または下方ストリームは、フローチャネル7902bおよび7902cを通じて流体の所望でない移動を遮断する。図60に示されるように、このような追加の上方または下方ストリームマルチプレクサバルブは、適度な数のフローチャネルでさえ制御するマルチプレクサに存在する。   On the other hand, the high pressure present in the control channels 7904b and 7904c during pumping of the first flow channel 7902a further activates the multiplexer valves 7908 and 7810 of the second flow channel 7902b and third flow channel 7902c, respectively. However, the upstream or downward stream of other multiplexer valve closures (not shown) of multiplexer valves 7908 and 7910 blocks undesired movement of fluid through flow channels 7902b and 7902c. As shown in FIG. 60, such additional upstream or downstream stream multiplexer valves are present in multiplexers that control even a moderate number of flow channels.

ここに記載されたネットワーク化された構造は、単一平面内の流体の移動を制御するために2層のエラストマー物質を利用する。チャネルおよびチャンバを通じて流体のフローを制御する際の可動性の度合いを一層大きくすることが、2より大きいエラストマー層の使用を通じて達成され得る。これは、図75に関連して示される。   The networked structure described herein utilizes two layers of elastomeric material to control fluid movement in a single plane. Greater degrees of mobility in controlling fluid flow through the channels and chambers can be achieved through the use of an elastomer layer greater than two. This is shown in connection with FIG.

図75は、本発明の一実施形態に従う微細流体構造の断面図を提示する。この微細流体構造は、基板の頂部上の3つのエラストマー層から形成される。具体的には、エラストマーデバイス8000は、平坦な基板8004にオーバーレイし、第一の凹状の制御チャネル8006を生じる第一のエラストマー層8002を含む。第二のエラストマー層8008は、第一のエラストマー層8002にオーバーレイし、第二のエラストマー層8008の凹状のフローチャネル8010は、第一の膜8010によって第一の制御チャネル8006から分離される。   FIG. 75 presents a cross-sectional view of a microfluidic structure in accordance with one embodiment of the present invention. This microfluidic structure is formed from three elastomeric layers on the top of the substrate. Specifically, the elastomeric device 8000 includes a first elastomeric layer 8002 that overlays a flat substrate 8004 resulting in a first concave control channel 8006. The second elastomer layer 8008 overlays the first elastomer layer 8002 and the concave flow channel 8010 of the second elastomer layer 8008 is separated from the first control channel 8006 by the first membrane 8010.

第三のエラストマー層8012は、第二のエラストマー層8008にオーバーレイし、第二の膜8016によって下にあるフローチャネル8010から分離された第二の凹状の制御チャネル8014を生じる。ここに示されるエラストマー層の配置は、制御チャネル8006および8014がフローチャネル8010を通じて物質のフローを制御するために独立して動作されることが可能になる。フローチャネルの上方および下方の両方の制御チャネルの使用は、制御信号をルーチンする際により大きい可動性を設計者に与える。   The third elastomeric layer 8012 overlays the second elastomeric layer 8008, resulting in a second concave control channel 8014 separated from the underlying flow channel 8010 by the second membrane 8016. The elastomeric layer arrangement shown here allows control channels 8006 and 8014 to be operated independently to control the flow of material through flow channel 8010. The use of both control channels above and below the flow channel gives the designer greater mobility in routine control signals.

図75の3層構造の有用性が、図76に関連してさらに示される。図76は、本発明の実施形態に従うピンチオフ(pinch−off)バルブの断面図を示す。第一の制御チャネル8100は、第一のエラストマー層8102の底部表面内の凹部と下にある基板8104との間に規定される。フローチャネル8106は、第二のエラストマー層8108の底部表面内の凹部と下にある第一のエラストマー層8102との間に規定される。第一の制御チャネル8100上に整列された第二の制御チャネル8110は、第三のエラスト
マー層8112の底部表面内の凹部と下にある第二のエラストマー層8108との間に規定される。
The usefulness of the three-layer structure of FIG. 75 is further illustrated in connection with FIG. FIG. 76 shows a cross-sectional view of a pinch-off valve according to an embodiment of the present invention. First control channel 8100 is defined between a recess in the bottom surface of first elastomer layer 8102 and underlying substrate 8104. A flow channel 8106 is defined between the recess in the bottom surface of the second elastomer layer 8108 and the underlying first elastomer layer 8102. A second control channel 8110 aligned on the first control channel 8100 is defined between the recess in the bottom surface of the third elastomer layer 8112 and the underlying second elastomer layer 8108.

動作中、圧力が第一制御チャネル8100および第二制御チャネル8110に同時に印加され、その結果、第一の膜8114および第二の膜8116は、フローチャネル8106に一致するように反対側から一致される。フローチャネルを閉じるのに必要な一致の度合いを低減することによって、図76のピンチオフバルブ構造は、フローチャネルを閉じるために、低減された作動力が採用されることが可能になるか、または、より可動性が少ない膜が採用されることが可能になる。   During operation, pressure is simultaneously applied to the first control channel 8100 and the second control channel 8110 so that the first membrane 8114 and the second membrane 8116 are aligned from opposite sides to match the flow channel 8106. The By reducing the degree of coincidence required to close the flow channel, the pinch-off valve structure of FIG. 76 allows a reduced actuation force to be employed to close the flow channel, or A film with less mobility can be employed.

図76のバルブの実施形態は、低減された数の制御ラインを有するマルチプレクサ構造を作製するために採用され得る。図79は、本発明に従うマルチプレクサ構造の代替の実施形態の簡略化された平面図を示す。   The valve embodiment of FIG. 76 can be employed to create a multiplexer structure having a reduced number of control lines. FIG. 79 shows a simplified plan view of an alternative embodiment of a multiplexer structure according to the present invention.

マルチプレクサ8400は、基板にオーバーレイする第一のエラストマー層において形成された平行な制御チャネル8402の第一のセットを含む。フローチャネル8494は、第一のエラストマー層にオーバーレイする第二のエラストマー層において形成される。平行な制御チャネル8406の第二のセットは、第二のエラストマー層にオーバーレイする第三のエラストマー層において形成され、制御チャネル8406の第二のセットは、下にある制御チャネル8402の第一のセットに直交して配向される。   Multiplexer 8400 includes a first set of parallel control channels 8402 formed in a first elastomer layer overlaying a substrate. The flow channel 8494 is formed in a second elastomer layer that overlays the first elastomer layer. A second set of parallel control channels 8406 is formed in a third elastomer layer overlying the second elastomer layer, and the second set of control channels 8406 is the first set of underlying control channels 8402. Orientated orthogonally.

第一の制御チャネル8402、フローチャネル8404、および第二の制御チャネル8406のオーバーラップの点は、ピンチオフバルブ8408をフローチャネル8404に生成する。制御チャネル8402および8406の両方の作動の際にのみ、ピンチオフバルブ8408は、フローチャネル8404を閉じる。   The point of overlap of the first control channel 8402, the flow channel 8404, and the second control channel 8406 creates a pinch-off valve 8408 in the flow channel 8404. Only during operation of both control channels 8402 and 8406, pinch-off valve 8408 closes flow channel 8404.

図80Aは、本発明に従うバルブ構造の代替の実施形態の平面図を示し、フローチャネルを含む層の反対側上に配置された制御層を利用する。図80Bは、図80Aバルブ構造の線80B−80B’に沿う断面図を示す。   FIG. 80A shows a plan view of an alternate embodiment of a valve structure according to the present invention, utilizing a control layer disposed on the opposite side of the layer containing the flow channel. FIG. 80B shows a cross-sectional view of the valve structure of FIG. 80A along line 80B-80B '.

バルブ8500は、第一のエラストマー層8504内の凹部と下にある平坦な基板8506との間に規定された下部制御チャネル8502を含む。フローチャネル8508は、第二エラストマー層8510内の凹部と下にある第一のエラストマー層8504の頂部表面との間に規定される。上部制御チャネル8512は、第三のエラストマー層8514内の凹部と下にある第二エラストマー層8510の頂部表面との間に規定される。   The valve 8500 includes a lower control channel 8502 defined between a recess in the first elastomer layer 8504 and an underlying flat substrate 8506. A flow channel 8508 is defined between the recess in the second elastomer layer 8510 and the top surface of the underlying first elastomer layer 8504. Upper control channel 8512 is defined between a recess in third elastomer layer 8514 and the top surface of underlying second elastomer layer 8510.

第一のT接合部8516で、フローチャネル8508は、分岐8508aおよび8508bに分割し、それぞれは、主要フローチャネル部分8508と同一の容量を有する。分岐8508aおよび8508bは、第二のT接合部8518で再結合して、主要フローチャネル部分8508を再形成する。第一のフローチャネルの分岐8518aのみが、下部制御チャネル8502にオーバーレイする。上部制御チャネル8512は、第二のフローチャネルの分岐8508bのみにオーバーレイする。ここに記載されたアーキテクチャの結果として、バルブ8500は、下部制御チャネル8502および上部制御チャネル8512の両方が作動される場合にのみ閉じられる。任意の他の状態の下で、物質は、フローチャネル8508の分岐8508aおよび8508bのうちの少なくとも一つを介してフローし続ける。   At the first T-junction 8516, the flow channel 8508 is split into branches 8508a and 8508b, each having the same capacity as the main flow channel portion 8508. Branches 8508a and 8508b recombine at a second T-junction 8518 to reform the main flow channel portion 8508. Only the first flow channel branch 8518 a overlays the lower control channel 8502. The upper control channel 8512 overlays only the second flow channel branch 8508b. As a result of the architecture described herein, valve 8500 is closed only when both lower control channel 8502 and upper control channel 8512 are activated. Under any other condition, the substance continues to flow through at least one of the branches 8508a and 8508b of the flow channel 8508.

図80A−Bの分岐されたバルブ構造は、2つのみのエラストマー層を要求するマルチプレクサ構造の実施形態を生成するために利用され得る。図81は、マルチプレクサ構造のこのような代替の実施形態の簡略化された概略図を提示する。マルチプレクサ8600
は、複数のフローチャネル8602を規定する下部エラストマー層を含み、各フローチャネル8602は、M個の平行な分岐8602aに分割される。図81に示される特定のマルチプレクサの実施形態では、M=2である。
The branched valve structure of FIGS. 80A-B can be utilized to create an embodiment of a multiplexer structure that requires only two elastomer layers. FIG. 81 presents a simplified schematic diagram of such an alternative embodiment of a multiplexer structure. Multiplexer 8600
Includes a lower elastomeric layer defining a plurality of flow channels 8602, each flow channel 8602 being divided into M parallel branches 8602a. In the particular multiplexer embodiment shown in FIG. 81, M = 2.

下部エラストマー層をオーバーレイする上部エラストマー層は、フローチャネル8602aに直交するN個の制御チャネル8604を規定する。図81に示される特定のマルチプレクサの実施形態は、N=6である。制御チャネル8604は、下にあるフローチャネル分岐8602aに一致可能な膜8604aを生成する広げられた部分を含む。制御チャネル8604の選択的な作動は、(N/M)のフローチャネルを超える制御を可能にする。 The upper elastomer layer overlying the lower elastomer layer defines N control channels 8604 that are orthogonal to the flow channel 8602a. The particular multiplexer embodiment shown in FIG. 81 has N = 6. The control channel 8604 includes an expanded portion that produces a membrane 8604a that can be matched to the underlying flow channel branch 8602a. Selective activation of control channel 8604 allows control over (N / M) M flow channels.

図75および79〜80Bが、フローチャネルの反対側上に配置された制御チャネルを利用するマルチプレクサのエラストマー構造の実施形態を示すが、本発明は、この特定の構成に限定されない。図77は、本発明に従う多層微細作製されたエラストマー構造の実施形態を示し、2つの制御チャネル層がフローチャネルの同一側上に配置される。   Although FIGS. 75 and 79-80B show an embodiment of an elastomeric structure of a multiplexer that utilizes a control channel disposed on the opposite side of the flow channel, the present invention is not limited to this particular configuration. FIG. 77 shows an embodiment of a multilayer microfabricated elastomeric structure according to the present invention where two control channel layers are disposed on the same side of the flow channel.

具体的には、微細作製されたエラストマー構造8200は、下部エラストマー層および下にある基板の底部表面内の凹部によって規定された複数の平行なフローチャネル8202を含む。フローチャネル8202は、複雑なフローネットワークを含む連続的な機能ブロック8204、8206、および8208に遭遇する。ブロック8204、8206、および8208によって行われる機能の例は、フローライン8202の下方にフローされる細胞の粉砕、分離、および分析であり得る。   Specifically, the microfabricated elastomeric structure 8200 includes a plurality of parallel flow channels 8202 defined by a lower elastomer layer and recesses in the bottom surface of the underlying substrate. Flow channel 8202 encounters successive functional blocks 8204, 8206, and 8208 that include complex flow networks. An example of the function performed by blocks 8204, 8206, and 8208 may be the crushing, separation, and analysis of cells that are flowing down the flow line 8202.

機能ブロック8204、8206、および8208との間の流体の移動は、下にあるエラストマー層の頂部表面と中間エラストマー層の底部表面内の凹部との間に規定される制御ラインの第一のセット8210によって制御される。制御ライン8210およびフローチャネル8202のオーバーラップは、複数の制御バルブ8212を規定する。   Fluid movement between functional blocks 8204, 8206, and 8208 is a first set of control lines 8210 defined between the top surface of the underlying elastomer layer and the recess in the bottom surface of the intermediate elastomer layer. Controlled by. The overlap of control line 8210 and flow channel 8202 defines a plurality of control valves 8212.

制御ラインの第二のセット8214は、物質のフローおよび特定の機能の性能を制御するために、各機能ブロック8204、8206、および8208と相互作用する。制御ラインの第二のセット8214は、また、下にあるエラストマー層の頂部表面と中間エラストマー層の底部表面内の凹部間に規定される。   A second set of control lines 8214 interacts with each functional block 8204, 8206, and 8208 to control material flow and performance of specific functions. A second set of control lines 8214 is also defined between the recesses in the top surface of the underlying elastomer layer and the bottom surface of the intermediate elastomer layer.

制御ラインの数を簡略化し、これにより、微細作製されたエラストマーデバイスの複雑さを低減するために、機能性ブロック8204、8206、および8208は、制御ラインの第二のセット8214と連絡する。ブロック8204、8206、および8208の独立した動作およびデバイス8200に対する機能性の最大の可動性を保証するために、制御ラインの第二のセット8214は、次に、の制御ライン第三のセット8216によって制御される。制御ラインの第三のセット8216は、中間エラストマー層の頂部表面と頂部エラストマー層の底部表面内の凹部との間に規定される。   Functional blocks 8204, 8206, and 8208 communicate with a second set of control lines 8214 to simplify the number of control lines and thereby reduce the complexity of the microfabricated elastomeric device. In order to ensure the independent operation of blocks 8204, 8206, and 8208 and maximum mobility of functionality for device 8200, the second set of control lines 8214 is then controlled by the third set of control lines 8216. Be controlled. A third set of control lines 8216 is defined between the top surface of the intermediate elastomer layer and the recess in the bottom surface of the top elastomer layer.

制御ラインの第二のセット8214の作動が第一の機能性ブロック8204の機能性を支配することが意図される場合、第三の制御ラインセット8216のライン8216bおよび8216cが作動され、第二の制御ラインセット8214による信号の、第二の機能性ブロック8206および第三の機能性ブロック8208への連絡を遮断する。逆に、制御ラインの第二のセット8214の作動が第二の機能性ブロック8206の機能性を支配することが意図される場合、第三の制御ラインセット8216の制御ライン8216aおよび8216cが作動され、第二の制御ラインセット8214による信号の、第一の機能性ブロック8206および第三の機能性ブロック8208への連絡を遮断する。同様に、制御ラインの第二のセット8214の作動が第三の機能性ブロック8208の機能性を支
配することが意図される場合、第三の制御ラインセット8214の制御ライン8216aおよび8216bが作動され、第二制御ラインセット8214による信号の、第一の機能性ブロック8204および第二の機能性ブロック8206への連絡を遮断する。
If activation of the second set of control lines 8214 is intended to dominate the functionality of the first functionality block 8204, lines 8216b and 8216c of the third control line set 8216 are activated and the second Block communication of signal by control line set 8214 to second functionality block 8206 and third functionality block 8208. Conversely, if the operation of the second set of control lines 8214 is intended to dominate the functionality of the second functionality block 8206, the control lines 8216a and 8216c of the third control line set 8216 are activated. Block communication of signals by the second control line set 8214 to the first functionality block 8206 and the third functionality block 8208. Similarly, if the operation of the second set of control lines 8214 is intended to dominate the functionality of the third functionality block 8208, the control lines 8216a and 8216b of the third control line set 8214 are activated. Block communication of signals by the second control line set 8214 to the first functional block 8204 and the second functional block 8206.

複数機能ブロックに共通の制御ラインの別のセットを制御するための制御ラインの一セットの使用は、制御ラインおよび制御入力の総数を低減する。デバイスの全体のアーキテクチャは、これにより、簡略化され、費用を低減する。   The use of one set of control lines to control another set of control lines common to multiple functional blocks reduces the total number of control lines and control inputs. The overall architecture of the device is thereby simplified and reduces costs.

(フローラインに沿った選択的にアドレス可能な反応チャンバ)
図28A、図28B、図28Cおよび図28Dに例示された本発明の更なる実施態様では、フローラインに沿って配置された複数の反応チャンバのうちから別なもう1つに、流体フローを選択的に方向付けるためのシステムが提示されている。
(Selectively addressable reaction chamber along the flow line)
In a further embodiment of the invention illustrated in FIGS. 28A, 28B, 28C, and 28D, fluid flow is selected for another one of the plurality of reaction chambers disposed along the flow line. A system for directing direction is presented.

図28Aは、そこに沿って複数の反応チャンバ80Aおよび80Bが配置されたフローのチャネル30の頂面図を示している。フローチャネル30と反応チャンバ80Aおよび80Bとは、エラストマーの第一の層100の底部表面への凹部として一緒に形成されている。好ましい。   FIG. 28A shows a top view of a flow channel 30 along which a plurality of reaction chambers 80A and 80B are disposed. The flow channel 30 and the reaction chambers 80A and 80B are formed together as a recess into the bottom surface of the first layer 100 of elastomer. preferable.

図28Bは、2つの制御ライン32Aおよび32Bの各々が概ね狭く、しかし、広く拡張した部分33Aおよび33Bがその凹部として形成された、別なエラストマー層110の底面図を示している。   FIG. 28B shows a bottom view of another elastomeric layer 110 in which each of the two control lines 32A and 32B is generally narrow, but the widened portions 33A and 33B are formed as recesses.

図28Cの分解図に見られるように、また、図28Dの組立て図で分かるように、エラストマー層110は、エラストマー層100の上に設置されている。層100および層110が互いに結合され、この一体型システムは流体フローFを(フローチャネル30を通して)反応チャンバ80Aおよび80Bのいずれか一方または両方へと選択的に方向付けるように、以下のように作動する。制御ライン32Aの加圧により、膜25(すなわち、拡張部33Aの下で、かつ反応チャンバ80Aの各領域82Aの上に配置されたエラストマー層100の薄い部分)が押圧状態となり、これにより、領域82Aにおける流体フローの経路を遮断し、反応チャンバ80をフローチャネル30から効果的にシールする。また図示のように、拡張部33Aは制御ライン32Aの残余の部分よりも広い。このように、制御ライン32Aの加圧の結果、制御ライン32Aがフローチャネル30をシールすることはない。   As can be seen in the exploded view of FIG. 28C, and as can be seen in the assembled view of FIG. 28D, the elastomeric layer 110 is placed over the elastomeric layer 100. Layer 100 and layer 110 are coupled together and this integrated system selectively directs fluid flow F (through flow channel 30) to either or both of reaction chambers 80A and 80B as follows: Operate. By pressurization of the control line 32A, the membrane 25 (that is, a thin portion of the elastomer layer 100 disposed below the extension 33A and above each region 82A of the reaction chamber 80A) is pressed, thereby causing the region The fluid flow path at 82A is blocked and the reaction chamber 80 is effectively sealed from the flow channel 30. As shown in the figure, the extension 33A is wider than the remaining part of the control line 32A. Thus, the control line 32A does not seal the flow channel 30 as a result of pressurization of the control line 32A.

理解されるように、制御ライン32Aと32Bのいずれか一方またはその両方が1度に作動し得る。両方の制御ライン32Aと32Bが一緒に加圧されると、フローチャネル30のサンプルフローは、反応チャンバ80Aまたは80Bのどちらにも入らない。   As will be appreciated, either or both of control lines 32A and 32B can be activated at a time. When both control lines 32A and 32B are pressurized together, the sample flow in the flow channel 30 does not enter either reaction chamber 80A or 80B.

フローラインに沿って配置された多様なアドレス可能な反応チャンバへの流体導入を選択的に制御するというコンセプト(図28)は、複数の平行フローラインのうち1つ以上を通る流体フローを選択的に制御するというコンセプト(図27)と結合されて、流体の1つまたは複数のサンプルを、任意の反応チャンバのアレイ中のどの特定の反応チャンバにでも送りこみ得るシステムを生じ得る。このようなシステムの一具体例が図29に提示されており、ここでは、互いに平行な制御チャネル32A、32B、32Cが拡張部34と共に(全て仮想線で示されている)、上述のように、反応ウエル80A、80B、80Cまたは80Dのアレイのいずれかへと、流体フローF1、F2を選択的に方向付けているが、同時に、制御ライン32Cおよび32Dの加圧が、フローF2およびF1をそれぞれ選択的に遮断する。   The concept of selectively controlling fluid introduction into various addressable reaction chambers arranged along a flow line (FIG. 28) selectively directs fluid flow through one or more of a plurality of parallel flow lines. Combined with the concept of controlling (FIG. 27), a system can be created in which one or more samples of fluid can be delivered to any particular reaction chamber in an array of any reaction chamber. One specific example of such a system is presented in FIG. 29, in which control channels 32A, 32B, 32C that are parallel to each other, along with the extension 34 (all shown in phantom), are , Selectively directing fluid flows F1, F2 to either array of reaction wells 80A, 80B, 80C, or 80D, while simultaneously pressurizing control lines 32C and 32D causes flows F2 and F1 to flow. Each block selectively.

また別な新規な実施態様では、互いに平行なフローチャネルの間の流体経路が可能とな
る。図30を参照すると、制御ライン32Aまたは32Dのいずれかまたは両方が減圧されて、側方向通路35を通る(互いに平行なフローチャネル30Aと30Bとの間の)流体フローが可能となる。本発明のこの局面では、制御ライン32Cおよび32Dの加圧が、35Aと35Bとの間のフローチャネル30Aを遮断し、横方向通路35Bも遮断する。このように、フローF1として入ったフローがフローチャネル30Aおよび35Aを通って連続的に移動し、フローF4としてフローチャネル30Bを出る。
In another novel embodiment, fluid paths between parallel flow channels are possible. Referring to FIG. 30, either or both of the control lines 32A or 32D are depressurized to allow fluid flow through the side passageway 35 (between the flow channels 30A and 30B parallel to each other). In this aspect of the invention, pressurization of the control lines 32C and 32D blocks the flow channel 30A between 35A and 35B and also blocks the lateral passage 35B. Thus, the flow that entered as flow F1 moves continuously through flow channels 30A and 35A and exits flow channel 30B as flow F4.

(切換え可能なフローアレイ)
なお別の新規な実施態様においては、流体通路は、2つの垂直な方向のうちのいずれかに選択的に指向して流れ得る。このような「切換え可能なフローアレイ」システムの1例は、図31A〜31Dに与えられる。図31Aは、エラストマー(または他の任意の適切な基質)の第一層90の底面図を示し、この第一層の底部表面は、固体ポスト92のアレイにより規定されるフローチャネルグリッドを形成する凹部のパターンを有し、このポストのそれぞれの周囲を、フローチャネルが通過する。
(Switchable flow array)
In yet another novel embodiment, the fluid passage may flow selectively directed in one of two vertical directions. One example of such a “switchable flow array” system is given in FIGS. FIG. 31A shows a bottom view of a first layer 90 of elastomer (or any other suitable substrate), the bottom surface of this first layer forming a flow channel grid defined by an array of solid posts 92. A flow channel passes around each of the posts having a pattern of recesses.

好ましい局面においては、エラストマーのさらなる層が、層90の頂部表面に結合され、その結果、流体フローが、方向F1、または垂直方向F2のいずれかに、選択的に指向して移動し得る。図31は、エラストマーの第二層95の底部表面の底面図であり、交互の「垂直」制御ライン96および「水平」制御ライン94の形状で形成された凹部を示す。「垂直」制御ライン96は、それに沿って同一の幅を有し、一方で「水平」制御ライン94は、図示のように、広い部分と狭い部分とを交互に有する。   In a preferred aspect, an additional layer of elastomer is bonded to the top surface of layer 90 so that fluid flow can be selectively directed in either direction F1 or vertical direction F2. FIG. 31 is a bottom view of the bottom surface of the second layer 95 of elastomer, showing recesses formed in the form of alternating “vertical” control lines 96 and “horizontal” control lines 94. The “vertical” control line 96 has the same width along it, while the “horizontal” control line 94 has alternating wide and narrow portions as shown.

エラストマー層95は、エラストマー層90の頂部の上に位置し、その結果、「垂直」制御ライン96は、図31Cに示すように、ポスト92の上に位置し、そして「水平」制御ライン94は、図31Dに示すように、その広い部分が、ポスト92の間に位置する。   The elastomer layer 95 is located on top of the elastomer layer 90 so that the “vertical” control line 96 is located on the post 92 and the “horizontal” control line 94 is shown in FIG. 31C. As shown in FIG. 31D, the wide portion is located between the posts 92.

図31Cに見られるように、「垂直」制御ライン96が加圧されると、エラストマー層により形成される一体的構造の膜(これは、初めは層90と95との間の領域98に位置する)は、フローチャネルのアレイを越えて下方に偏倚され、その結果、フローは単に、図示のように、フロー方向F2(すなわち、垂直)に通過し得る。   As seen in FIG. 31C, when the “vertical” control line 96 is pressurized, it is a monolithic membrane formed by an elastomeric layer (this is initially located in the region 98 between the layers 90 and 95). Is biased downward beyond the array of flow channels so that the flow can simply pass in the flow direction F2 (ie, vertical) as shown.

図31Dに見られるように、「水平」制御ライン94が加圧されると、エラストマー層により形成された一体的構造の膜(これは、初めは層90と95との間の領域99に位置する)は、フローチャネルのアレイを越えて下方に偏倚され(但し、このラインが最も広い領域においてのみ)、その結果、図示のように、フローは単に、フロー方向F1(すなわち、水平)に通過し得る。   As seen in FIG. 31D, when the “horizontal” control line 94 is pressurized, it is a monolithic membrane formed by an elastomeric layer (this is initially located in the region 99 between layers 90 and 95). Is biased down across the array of flow channels (but only in the widest area of this line), so that the flow simply passes in the flow direction F1 (ie, horizontal) as shown. Can do.

図31に示す設計は、切換え可能なフローアレイが2つのエラストマー層のみから構成されることを可能とし、このとき垂直のバイアスが異なるエラストマー層の制御ライン間を通過することを必要としない。全ての垂直フロー制御ライン94が接続されている場合には、これらは1つのインプットから加圧され得る。同じことが、全ての垂直フロー制御ライン96についても真である。   The design shown in FIG. 31 allows a switchable flow array to be composed of only two elastomer layers, where the vertical bias does not need to pass between the control lines of the different elastomer layers. If all vertical flow control lines 94 are connected, they can be pressurized from one input. The same is true for all vertical flow control lines 96.

(生体ポリマー合成)
本発明のエラストマーバルブ構造はまた、生体ポリマー合成(例えば、オリゴヌクレオチド、タンパク質、ペプチド、DNAなどの合成)に使用され得る。好ましい局面においては、このような生体ポリマー合成システムは、一体化されたシステムを含み得、このシステムは、容器のアレイ、特定の容器からのフローを選択するための流体論理(本発明による)、合成が実施されるチャネルまたは容器のアレイ、および選択された試薬が流入するチャネルを決定するための流体論理(これもまた本発明による)を含む。このようなシ
ステム200の1例を、以下のように、図32に示す。
(Biopolymer synthesis)
The elastomeric valve structure of the present invention can also be used for biopolymer synthesis (eg, synthesis of oligonucleotides, proteins, peptides, DNA, etc.). In a preferred aspect, such a biopolymer synthesis system may include an integrated system that includes an array of containers, fluid logic for selecting a flow from a particular container (according to the invention), It includes an array of channels or containers in which the synthesis is performed, and fluid logic (also according to the invention) for determining the channels into which the selected reagent flows. An example of such a system 200 is shown in FIG. 32 as follows.

4つの容器150A、150B、150Cおよび150Dは、図示のように、それぞれ内部に置かれた塩基A、C、TおよびGを有する。4つのフローチャネル30A、30B、30Cおよび30Dは、容器150A、150B、150Cおよび150Dに接続される。4つの制御ライン32A、32B、32Cおよび32D(想像で図示する)は、制御ライン32Aが加圧されたときにフローチャネル30Aのみを通る流れが可能となる(すなわち、フローチャネル30B、30Cおよび30Dをシールする)ように制御ライン32Aがこれらのチャネルを横切って置かれる。同様に、制御ライン32Bは、加圧されると、フローチャネル30Bのみを通るフローを可能とする。そういうものとして、制御ライン32A、32B、32Cおよび32Dの選択的加圧は、結果として、所望の容器150A、150B、150Cまたは150Dから、所望の塩基A、C、TおよびGを選択する。次いで、流体がフローチャネル120を通過して多重チャネルフロー制御装置125(例えば、図26A〜31Dに示す任意のシステムを含む)に入ると、次にこれは、流体フローを、複数の合成チャネルまたはチャンバ122A、122B、122C、122Dまたは122Eのうちの1つ以上に指向し、ここで、固相合成が起こり得る。   The four containers 150A, 150B, 150C, and 150D have bases A, C, T, and G, respectively, placed therein as shown. Four flow channels 30A, 30B, 30C and 30D are connected to containers 150A, 150B, 150C and 150D. Four control lines 32A, 32B, 32C, and 32D (shown in phantom) allow flow through only flow channel 30A when control line 32A is pressurized (ie, flow channels 30B, 30C, and 30D). A control line 32A is placed across these channels to seal. Similarly, control line 32B, when pressurized, allows flow through only flow channel 30B. As such, selective pressurization of control lines 32A, 32B, 32C, and 32D results in selecting the desired bases A, C, T, and G from the desired vessel 150A, 150B, 150C, or 150D. When fluid then passes through the flow channel 120 and enters the multi-channel flow controller 125 (eg, including any of the systems shown in FIGS. 26A-31D), this then directs the fluid flow to a plurality of synthesis channels or Directed to one or more of chambers 122A, 122B, 122C, 122D or 122E, where solid phase synthesis can occur.

図33は、このシステムのさらなる範囲を示し、この図面では、複数の容器R1〜R13(これらは、塩基A、C、TおよびG、または他の反応物(例えば、コンビナトリアル化学において使用されるもの)を含み得る)が、図32に示すように、システム200に接続される。システム200は、多重チャネルフロー制御装置125(例えば、図26A〜31Dに示されるような任意のシステムを含む)に接続され、これが次いで、切換え可能なフローアレイ(例えば、図31に示されるようなもの)に接続される。このシステムの利点は、「閉じた水平」制御ラインが提供され、そして「閉じた垂直」制御ライン(想像線で、160および162)がまた提供されると仮定すれば、多重チャネルフロー制御装置125と流体選択システム200との両方が、同一の圧力インプット170および172によって制御され得ることである。   FIG. 33 shows the further scope of this system, in which a plurality of vessels R1-R13 (which are bases A, C, T and G, or other reactants (such as those used in combinatorial chemistry). Are connected to the system 200 as shown in FIG. The system 200 is connected to a multi-channel flow controller 125 (eg, including any system as shown in FIGS. 26A-31D), which is then switchable flow array (eg, as shown in FIG. 31). Connected). The advantage of this system is that a multi-channel flow controller 125 is assumed, provided that a “closed horizontal” control line is provided and a “closed vertical” control line (imaginary lines 160 and 162) is also provided. And the fluid selection system 200 can be controlled by the same pressure inputs 170 and 172.

本発明のさらに代替の局面においては、複数の多重チャネルフロー制御装置(例えば、125)が、各々のフロー制御装置が初めに異なるエラストマー層の上に互いの上に重ねて置かれ、エラストマー層間に垂直バイアスまたは相互接続がある状態で(これは、エラストマー層の頂部のエッチング抵抗層をリソグラフによりパターン化し、次いでエラストマーをエッチングして、最後に最後のエラストマー層を追加する前に、エッチング抵抗層を除去することによって、作製され得る)、使用され得る。   In a further alternative aspect of the present invention, a plurality of multi-channel flow control devices (eg, 125) are placed, with each flow control device initially layered on top of each other on a different elastomer layer. With vertical bias or interconnects (this can be done by lithographically patterning the etch resistant layer on top of the elastomer layer, then etching the elastomer, and finally adding the last elastomer layer) And can be used by removing.

例えば、エラストマー層を通る垂直溝(vertical)は、微細製作したモールド上の隆起ライン上に、穴を下方にエッチングし、そして隣の層を結合して、チャネルがその穴を通り過ぎるようにすることによって、作製され得る。本発明のこの局面においては、複数の多重チャネルフロー制御装置125を備える多重合成が可能である。   For example, a vertical groove through the elastomer layer etches a hole down on a raised line on a microfabricated mold and bonds the adjacent layers so that the channel passes through the hole. Can be made. In this aspect of the invention, multiple combining with multiple multi-channel flow controllers 125 is possible.

成形されたエラストマーの連続する層を結合して、多層構造を形成する工程が、図34に示される。これは、エラストマーの7つの層からなる、試験構造のセクションの光学微細グラフである。図34の縮尺バーは、200μmである。   The process of joining successive layers of molded elastomer to form a multilayer structure is shown in FIG. This is an optical micrograph of a section of a test structure consisting of seven layers of elastomer. The scale bar in FIG. 34 is 200 μm.

多層構造において利用される特徴によって垂直溝を有するエラストマー層を製造する1つの方法を、図35A〜35Dに示す。図35Aは、隆起ライン3502aを有する微細製作したモールド3502の上でエラストマー層3500を形成する工程を示す。   One method of producing an elastomeric layer with vertical grooves according to the features utilized in the multilayer structure is shown in FIGS. FIG. 35A shows a process of forming an elastomer layer 3500 on a microfabricated mold 3502 having raised lines 3502a.

図35Bは、エラストマー層3500の上で金属エッチングブロッキング層3504を形成する工程、続いてエッチングブロッキング層3504の上でフォトレジストマスク3
506をパターン化して、マスクされた領域3508を覆い、曝露されたマスクされていない領域3510を残す工程を示す。図35Cは、マスクされていない領域3510においてエッチングブロッキング層3504を除去する溶媒に曝露する工程を示す。
FIG. 35B shows the step of forming a metal etch blocking layer 3504 on the elastomer layer 3500, followed by the photoresist mask 3 on the etch blocking layer 3504.
Patterning 506 shows covering masked area 3508, leaving exposed unmasked area 3510. FIG. 35C shows the exposure to a solvent that removes the etch blocking layer 3504 in the unmasked region 3510.

図35Dは、パターン化されたフォトレジストを除去する工程、続いてマスクされていない領域3510において下のエラストマー3500をエッチングし、3512を介して垂直溝を形成する工程を示す。続いて溶媒に曝露することによって、マスクされた領域3508のエッチングブロッキング層3504の残りを、エラストマー3500およびモールド3502を囲むよう選択的に除去する。このエラストマー層は次いで、多層軟性リソグラフィーにより、エラストマー構造体に組み込まれ得る。   FIG. 35D shows the removal of the patterned photoresist, followed by the etching of the underlying elastomer 3500 in the unmasked area 3510 to form vertical grooves via 3512. Subsequent exposure to a solvent selectively removes the remainder of the etch blocking layer 3504 in the masked region 3508 so as to surround the elastomer 3500 and the mold 3502. This elastomeric layer can then be incorporated into the elastomeric structure by multilayer flexible lithography.

この一連の工程は、必要に応じて繰り返され、所望の数および配向の垂直バイアスを、連続したエラストマー層のチャネルの間に有する多層構造体を形成し得る。   This series of steps can be repeated as necessary to form a multilayer structure having the desired number and orientation of vertical bias between the channels of successive elastomer layers.

本発明の発明者らは、GE RTV 615層を通して、有機溶媒中のテトラブチルアンモニウムフルオリド溶液を使用して、バイアスをエッチングすることに成功した。金が、エッチングブロッキング材料として作用し、ここで金は、KI/I/HO混合物を利用して、GE RTV 615に選択的に移動される。 The inventors of the present invention have successfully etched the bias through a GE RTV 615 layer using a solution of tetrabutylammonium fluoride in an organic solvent. Gold acts as an etch blocking material, where gold is selectively transferred to GE RTV 615 utilizing a KI / I 2 / H 2 O mixture.

あるいは、連続したエラストマー層のチャネル間の垂直バイアスは、ネガティブマスキング技術を利用して形成され得る。このアプローチにおいては、金属箔のネガティブなマスクがパターン化され、続いてエッチングブロッキング層の形成が、この金属箔が存在する位置では抑制される。一端、エッチングブロッキング材料がパターン化されると、ネガティブな金属箔マスクが除去され、上述のように、エラストマーの選択的なエッチングが可能となる。   Alternatively, the vertical bias between the channels of successive elastomer layers can be formed utilizing negative masking techniques. In this approach, the negative mask of the metal foil is patterned, and subsequently the formation of the etching blocking layer is suppressed where this metal foil is present. Once the etch blocking material is patterned, the negative metal foil mask is removed, allowing selective etching of the elastomer as described above.

さらに別の局面においては、垂直バイアスは、適用されるレーザビームからの放射の適用によるエラストマー材料のアブレーションを使用して、エラストマー層に形成され得る。   In yet another aspect, the vertical bias can be formed in the elastomeric layer using ablation of the elastomeric material by application of radiation from the applied laser beam.

さらに別のアプローチでは、垂直バイアスがエラストマー物質に穴を物理的にパンチアウトすることによって形成され得る。例えば、図82Aは、2層微細作製されたエラストマーデバイス8700の断面図を示す。このエラストマーデバイス8700は、下部エラストマー層8704において形成されたフローチャネル8702と、上部エラストマー層8708に制御チャネル8706とを有する。第一垂直バイア8710は、制御チャネル8706と上部エラストマー層8708の上部表面8708a間の流体連絡を可能にする。第二垂直バイア8712は、フローチャネル8702と上部エラストマー層8708の上部表面8708aとの間の流体連絡を可能にする。   In yet another approach, a vertical bias can be formed by physically punching out holes in the elastomeric material. For example, FIG. 82A shows a cross-sectional view of a two-layer microfabricated elastomer device 8700. The elastomeric device 8700 has a flow channel 8702 formed in the lower elastomeric layer 8704 and a control channel 8706 in the upper elastomeric layer 8708. The first vertical via 8710 enables fluid communication between the control channel 8706 and the upper surface 8708a of the upper elastomeric layer 8708. The second vertical via 8712 allows fluid communication between the flow channel 8702 and the upper surface 8708 a of the upper elastomeric layer 8708.

図82Bおよび82Cは、図82Aの微細作製されたエラストマーデバイスの作製における工程の斜視図を示す。具体的には、図82Bでは、第一のビア8710は、構造の組み立ての前に、スチールキャピラリチューブ等の堅い中空部材8714を有する成型エラストマー層8708をコア形成することによって形成され得る。第一ビア8710と制御チャネル8706との間の正しい整列を保証するために、上部エラストマー層8708は、制御チャネル側8708bから堅い中空部材8714によって穴あけされ得る。   82B and 82C show perspective views of steps in the fabrication of the microfabricated elastomeric device of FIG. 82A. Specifically, in FIG. 82B, the first via 8710 may be formed by coreing a molded elastomeric layer 8708 having a rigid hollow member 8714, such as a steel capillary tube, prior to assembly of the structure. To ensure correct alignment between the first via 8710 and the control channel 8706, the upper elastomeric layer 8708 can be pierced by a rigid hollow member 8714 from the control channel side 8708b.

下にあるフローチャネルのフローチャネルと連絡する垂直ビアは、次いで、一旦成型されかつコア形成された上部エラストマー層が下部エラストマー層上に配置されてから形成され得る。具体的には、図82Cに示されるように、フローチャネル8702と上部エラストマー層8708の頂部表面8708aとの間に流体連絡を可能にする第二のビアは、
下部エラストマー層8704および上部エラストマー層8708それぞれの両方を通じて堅い中空部材8714をパンチングすることによって形成され得る。再度、下部エラストマー層8704のフローチャネル側8704aからこのコア形成プロセスを開始することにより、フローチャネル8702を有する第二のビアの正しい整列を保証する。
A vertical via that communicates with the flow channel of the underlying flow channel may then be formed once the molded and cored upper elastomer layer is placed over the lower elastomer layer. Specifically, as shown in FIG. 82C, the second via that allows fluid communication between the flow channel 8702 and the top surface 8708a of the upper elastomeric layer 8708 is
It can be formed by punching a rigid hollow member 8714 through both the lower elastomer layer 8704 and the upper elastomer layer 8708, respectively. Again, starting this core formation process from the flow channel side 8704a of the lower elastomer layer 8704 ensures the correct alignment of the second via with the flow channel 8702.

物理的なコア形成またはエラストマー物質のパンチングによるビア形成は、多数の利点を提示する。一つは簡略化であり、ビアの配置がコア形成デバイスの物理的操作によって制御されるときに、複雑なリソグラフィ/エッチング工程が要求されない。コア形成方法の他の利点は、エラストマーの可動性が、ビアに挿入されるべきコア形成デバイスよりわずかに大きい寸法を有する堅いチューブを可能にすることである。コア形成されたエラストマーは、より大きいサイズのチュービングを把持し、ビア内部の場所においてそれを安全にし、堅固なシールを生成する。   Via formation by physical core formation or punching of elastomeric material presents numerous advantages. One is simplification, and no complicated lithography / etching process is required when via placement is controlled by physical manipulation of the core forming device. Another advantage of the core forming method is that the mobility of the elastomer allows for a stiff tube having slightly larger dimensions than the core forming device to be inserted into the via. The cored elastomer grips the larger sized tubing and secures it in place inside the via, producing a tight seal.

上記アプローチは、生体ポリマーの合成に関して記載されるが、本発明は、この応用に限定されない。本発明は、広範にわたるコンビナトリアル化学合成アプローチにおいてもまた機能し得る。   Although the above approach is described with respect to biopolymer synthesis, the invention is not limited to this application. The present invention can also function in a wide range of combinatorial chemical synthesis approaches.

(他の応用)
本発明のモノリシック微細製作エラストマーバルブおよびポンプの有利な応用は、多数である。従って、本発明は、その特定の応用または使用のいずれにも限定されない。好ましい局面においては、本発明の以下の使用および応用が考慮される。
(Other applications)
The advantageous applications of the monolithic microfabricated elastomeric valve and pump of the present invention are numerous. Accordingly, the present invention is not limited to any particular application or use thereof. In preferred aspects, the following uses and applications of the present invention are contemplated.

(1.細胞/DNA選別)
本発明の微細製作ポンプおよびバルブはまた、細胞の選別およびDNAのサイジングのための、フローサイトメーターにおいて使用され得る。サイズに基づく物体の選別は、多くの技術分野において非常に有用である。
(1. Cell / DNA selection)
The microfabricated pumps and valves of the present invention can also be used in flow cytometers for cell sorting and DNA sizing. Sorting objects based on size is very useful in many technical fields.

例えば、生物学における多くのアッセイは、分子のサイズの実体のサイズの決定を要求する。特に重要なことは、不均一な溶液中におけるDNA分子の長さ分布の測定である。これは通常、ゲル電気泳動を使用して行われ、ここで、これらの分子は、印加した電場中でのそれらのゲルマトリクス中での異なる移動度、および放射線の吸収または放出によって検出されるそれらの位置によって分離される。DNA分子の長さが次いで、それらの移動度から判断される。   For example, many assays in biology require the determination of the size of a molecular size entity. Of particular importance is the measurement of the length distribution of DNA molecules in a heterogeneous solution. This is usually done using gel electrophoresis, where these molecules are detected by their different mobilities in their gel matrix in an applied electric field and by absorption or emission of radiation. Are separated by the position of The length of the DNA molecules is then determined from their mobility.

強力ではあるものの、電気泳動法は欠点を示す。中程度から大型のDNA分子については、解像度、すなわち、異なる分子長が区別され得る最小の長さの差が、全長の約10%に制限される。極度に大型のDNA分子については、従来の選別手順は役に立たない。さらに、ゲル電気泳動は、比較的時間のかかる手順であり、実施するために約数時間または数日間を必要とし得る。   Although powerful, electrophoresis has drawbacks. For medium to large DNA molecules, the resolution, ie the minimum length difference at which different molecular lengths can be distinguished, is limited to about 10% of the total length. For extremely large DNA molecules, conventional sorting procedures are useless. Furthermore, gel electrophoresis is a relatively time consuming procedure and may require about several hours or days to perform.

細胞サイズの実体の選別もまた、重要な作業である。従来のフローセルソーターは、ノズルを有するフローチャンバを有するよう設計され、そしてシースフローに集中した流体力学の原理に基づく。最も従来的な細胞ソーターは、圧電液滴生成および静電屈曲の技術を組み合わせて、液滴の生成および高い選別速度を達成する。しかし、このアプローチは、いくらかの重大な欠点を示す。1つの欠点は、この選別デバイスの複雑さ、大きさ、および高価であることは、費用効果的であるために、このデバイスが再利用可能であることを要求することである。再使用は、次に、残りの物質がサンプルの汚染および流体フローの乱れを引き起こすという問題を導き得る。   The selection of cell size entities is also an important task. Conventional flow cell sorters are designed to have a flow chamber with nozzles and are based on hydrodynamic principles concentrated on sheath flow. Most conventional cell sorters combine piezoelectric droplet generation and electrostatic bending techniques to achieve droplet generation and high sorting rates. However, this approach presents some serious drawbacks. One disadvantage is that the complexity, size, and cost of the sorting device requires that the device be reusable in order to be cost effective. Reuse can then lead to the problem that the remaining material causes sample contamination and fluid flow disturbance.

従って、当該分野において、簡単で、廉価であり、そして容易に作製される選別デバイ
スであって、粒子と溶質との間の電気的相互作用よりはむしろ、流体フローの機械的制御に依存する、デバイスが必要とされる。
Thus, in the art, a sorting device that is simple, inexpensive, and easily made and relies on mechanical control of fluid flow rather than electrical interaction between particles and solutes. A device is needed.

図36は、本発明による選別デバイスの1つの実施態様を示す。選別デバイス3600は、エラストマーブロックに存在するチャネルから作製される、切換え式バルブ構造から形成される。具体的には、フローチャネル3602は、T字型であり、フローチャネル3602のステム3602aは、サンプル容器3604と流体連絡しており、このサンプル容器は、形状(正方形、円形、三角形など)により表される、異なるタイプの選別可能な実体3606を含む。フローチャネル3602の左枝3602bは、廃液容器3608と流体連絡している。フローチャネル3602の右枝3602cは、収集容器3610と流体連絡している。   FIG. 36 shows one embodiment of a sorting device according to the present invention. Sorting device 3600 is formed from a switchable valve structure made from channels present in an elastomer block. Specifically, the flow channel 3602 is T-shaped and the stem 3602a of the flow channel 3602 is in fluid communication with a sample container 3604, which is represented by shape (square, circular, triangular, etc.). Different types of selectable entities 3606. The left branch 3602b of the flow channel 3602 is in fluid communication with the waste container 3608. The right branch 3602c of the flow channel 3602 is in fluid communication with the collection vessel 3610.

制御チャネル3612a、3612b、および3612cは、フローチャネル3602のステム3602aと重なっており、そしてそれぞれエラストマー膜部分3614a、3614b、および3614cによって、ステム3602aから分離されている。フローチャネル3602のステム3602a、ならびに制御チャネル3612a、3612b、および3612cは、一緒になって、蠕動ポンプ構造3616を形成する。このポンプは、図24aに関して上で長く記載したポンプに類似する。   The control channels 3612a, 3612b, and 3612c overlap the stem 3602a of the flow channel 3602, and are separated from the stem 3602a by elastomer membrane portions 3614a, 3614b, and 3614c, respectively. The stem 3602a of the flow channel 3602 and the control channels 3612a, 3612b, and 3612c together form a peristaltic pump structure 3616. This pump is similar to the pump long described above with respect to FIG. 24a.

制御チャネル3612dは、フローチャネル3602の右枝3602cと重なっており、そしてエラストマー膜部分3614dによって、右枝3602cから分離されている。フローチャネル3602の右枝3602cおよび制御チャネル3612dは、一緒になって、第一バルブ構造3618aを形成する。制御チャネル3612eは、フローチャネル3602の左枝3602cと重なっており、そしてエラストマー膜部分3614eによって、左枝3602cから分離されている。フローチャネル3602の左枝3602cおよび制御チャネル3612eは、一緒になって、第二バルブ構造3618bを形成する。   Control channel 3612d overlaps right branch 3602c of flow channel 3602 and is separated from right branch 3602c by elastomeric membrane portion 3614d. Together, the right branch 3602c of the flow channel 3602 and the control channel 3612d form a first valve structure 3618a. Control channel 3612e overlaps left branch 3602c of flow channel 3602 and is separated from left branch 3602c by elastomeric membrane portion 3614e. Together, the left branch 3602c of the flow channel 3602 and the control channel 3612e form a second valve structure 3618b.

図36に示すように、フローチャネル3602のステム3602aは、ステム3602a、右枝3602b、および左枝3602cの接続部に隣接する検出ウィンドウ3620に接近するにつれて、顕著に狭まる。検出ウィンドウ3620は、この領域の均一な照射を可能とするに十分な幅を有する。1つの実施態様においては、このステムの幅は、この検出ウィンドウにおいて、100μm〜5μm狭まる。この検出ウィンドウにおけるステムの幅は、上で広く記載した、軟性リソグラフィーまたはフォトレジストカプセル化作製技術を使用して、精密に形成され得、そして選別されるべき実態の性質およびサイズに依存する。   As shown in FIG. 36, the stem 3602a of the flow channel 3602 becomes significantly narrower as it approaches the detection window 3620 adjacent to the connection of the stem 3602a, the right branch 3602b, and the left branch 3602c. The detection window 3620 has a width sufficient to allow uniform illumination of this region. In one embodiment, the width of the stem is reduced by 100 μm to 5 μm in the detection window. The width of the stem in this detection window depends on the nature and size of the actual material that can be precisely formed and screened using flexible lithography or photoresist encapsulation fabrication techniques as broadly described above.

本発明の1つの実施態様による選別デバイスの操作は、以下の通りである。   The operation of the sorting device according to one embodiment of the present invention is as follows.

いかなる時点においても単一の選別可能な実体のみが、検出ウィンドウ内に存在することが予測されるようなレベルに、サンプルを希釈する。蠕動ポンプ3616を、上で広く記載したように、流体を制御チャネル3612a〜cを通して流すことによって、作動させる。さらに、流体を制御チャネル3612eを通して流すことによって、第二のバルブ構造3618bを閉じる。蠕動ポンプ3616のポンピング動作および第二バルブ3618bのブロッキング作用の結果として、流体は、サンプル容器3604から検出ウィンドウ3620を通って、廃液容器3608へと流れる。ステム3604が狭まっているので、サンプル容器3604内に存在する選別可能な実体は、この通常の流他フローによって、一度に、検出ウィンドウ3620を通って運ばれる。   Dilute the sample to a level such that only a single selectable entity is expected to be present in the detection window at any given time. Peristaltic pump 3616 is actuated by flowing fluid through control channels 3612a-c, as broadly described above. Further, the second valve structure 3618b is closed by flowing fluid through the control channel 3612e. As a result of the pumping action of peristaltic pump 3616 and the blocking action of second valve 3618 b, fluid flows from sample container 3604 through detection window 3620 to waste container 3608. Because the stem 3604 is narrowed, the selectable entities present in the sample container 3604 are carried through the detection window 3620 at a time by this normal flow or other flow.

線源3642からの放射線3640が、検出ウィンドウ3620に導入される。これは、エラストマー材料の透過性特性のために、可能である。選別可能な実体3606による
放射線3640の吸収または放出が、次いで、検出器3644により検出される。
Radiation 3640 from source 3642 is introduced into detection window 3620. This is possible because of the permeable nature of the elastomeric material. Absorption or emission of radiation 3640 by sortable entity 3606 is then detected by detector 3644.

検出ウィンドウ3620内の選別可能な実体3606aが、選別デバイス3600によって分離され、収集されることが意図される場合には、第一バルブ3618aが作動され、そして第二バルブ3618bは脱作動される。このことは、選別可能な実体3606aを収集容器3610に引き込み、そして同時に、第二の選別可能な実体3606bを、検出ウィンドウ3620を透過させるという効果を有する。第二の選別可能な実体3602bもまた、収集されることが意図される場合には、蠕動ポンプ3616は、流体を、流体チャネル3602の右枝3602cを通して収集容器3610へと長し続ける。しかし、第二の実体3606bが収集されない場合には、第一バルブ3618aが開き、そして第二バルブ3618bが閉じて、第一蠕動ポンプ3616は、液体の、フローチャネル3602の左枝3602bを通して廃液容器3608へのポンピングを続行する。   If the sortable entity 3606a in the detection window 3620 is intended to be separated and collected by the sorting device 3600, the first valve 3618a is activated and the second valve 3618b is deactivated. This has the effect of drawing the selectable entity 3606a into the collection container 3610 and at the same time allowing the second selectable entity 3606b to pass through the detection window 3620. If the second selectable entity 3602b is also intended to be collected, the peristaltic pump 3616 continues to extend the fluid through the right branch 3602c of the fluid channel 3602 to the collection container 3610. However, if the second entity 3606b is not collected, the first valve 3618a is opened and the second valve 3618b is closed, and the first peristaltic pump 3616 passes through the left branch 3602b of the liquid flow channel 3602 to the waste container 3608. Continue pumping to.

選別デバイスおよびそれを作動させる方法の、1つの特定の実施態様を、図36に関連して記載するが、本発明は、この実施態様に限定されない。例えば、流体は、蠕動ポンプ構造を使用してフローチャネルを通して流される必要はなく、その代わりに、流れの方向性を制御するのみのエラストマーバルブを用いて、圧力下で流され得る。さらに別の実施態様においては、複数の選別構造体が、連続的な選別操作を実施するために、直列に組み立てられ得、この場合には、図36の廃液容器が、次の選別構造体のステムと置換されるのみである。   One particular embodiment of the sorting device and the method of operating it is described in connection with FIG. 36, but the invention is not limited to this embodiment. For example, fluid need not be flowed through a flow channel using a peristaltic pump structure, but instead can be flowed under pressure using an elastomeric valve that only controls the direction of flow. In yet another embodiment, multiple sorting structures can be assembled in series to perform a continuous sorting operation, in which case the waste container of FIG. It only replaces the stem.

さらに、選別のより高処理能の方法が実施され得、ここでは、サンプル容器からウィンドウおよび接続部を通って、廃液容器へと入る、流体の連続的な流れが、収集が意図される実体がウィンドウで検出されるまで、維持される。収集されるべき実体の検出の際に、ポンプ構造による流体フローの方向は、所望の粒子を、接合部を通して収集容器へと戻して移送するために、一時的に逆転される。この様式で、この選別デバイスは、より高い流速を使用し得、所望の実体が検出されると後戻りする能力を有する。このような代替の高処理能選別技術は、収集されるべき実体が希少であり、たまに後戻りする必要がある場合に、使用され得る。   In addition, a higher throughput method of sorting can be implemented, where the continuous flow of fluid from the sample container, through the window and connections, into the waste container, is the entity intended for collection. It is maintained until it is detected in the window. Upon detection of the entity to be collected, the direction of fluid flow through the pump structure is temporarily reversed to transfer the desired particles back through the junction to the collection vessel. In this manner, the sorting device can use higher flow rates and has the ability to go back once the desired entity is detected. Such alternative high throughput sorting techniques can be used when the entities to be collected are scarce and need to be turned back occasionally.

本発明による選別は、従来の界面導電フローを利用する選別の欠点(例えば、気泡の形成、フローの規模および方向性の、溶液の組成および表面化学効果への強い依存、異なる化学種の異なる移動度、ならびに移動媒体中で生存する生物の生存性の減少)を回避する。   Sorting according to the present invention has the disadvantages of sorting using conventional interfacial conduction flows (eg, bubble formation, strong dependence of flow size and direction on solution composition and surface chemistry, different migration of different species) Degree, as well as reduced viability of organisms that survive in the transfer medium).

(2.半導体処理)
半導体ガスフロー制御のため(特に、少量のガスが正確に測定される、エピタキシャル応用のため)のシステムもまた、本発明により考慮される。例えば、半導体デバイスの製造の間に、固体材料が、化学蒸着(CVD)を利用して半導体基板の頂部に堆積される。これは、この基板をガス前駆体材料の混合物に曝露し、これによってこれらのガスを反応させ、生成物をこの基板の頂部に結晶化させることによって、達成される。
(2. Semiconductor processing)
Systems for semiconductor gas flow control (especially for epitaxial applications where small amounts of gas are accurately measured) are also contemplated by the present invention. For example, during the manufacture of semiconductor devices, a solid material is deposited on top of a semiconductor substrate using chemical vapor deposition (CVD). This is accomplished by exposing the substrate to a mixture of gas precursor materials, thereby causing these gases to react and crystallize the product on top of the substrate.

このようなCVDプロセスの間には、条件が注意深く制御されて、材料を均一に堆積させ、この電気デバイスの作動を劣化させ得る欠陥がないことを確実にしなければならない。不均一性の1つの可能な原因は、反応物ガスの、基板上の領域への流速の変動である。ガスの流速の制御が乏しい場合にもまた、ランごとの層の厚みの変動をもたらし得、これが誤差の別の原因である。不運にも、従来のガス送達システムにおける、処理チャンバに流入するガスの量の制御において、および安定な流速の維持において、重大な問題が存在している。   During such a CVD process, the conditions must be carefully controlled to ensure that the material is deposited uniformly and that there are no defects that can degrade the operation of the electrical device. One possible cause of non-uniformity is fluctuations in the flow rate of reactant gas into the region on the substrate. Poor control of gas flow rates can also result in layer thickness variations from run to run, which is another source of error. Unfortunately, there are significant problems in the control of the amount of gas entering the processing chamber and in maintaining a stable flow rate in conventional gas delivery systems.

従って、図37Aは、CVD処理の間の、半導体ウェハの表面上に、正確に制御された流速で、処理ガスを運ぶよう適合された、本発明の1つの実施態様を示す。具体的には、半導体ウェハ3700は、CVDチャンバ内に置かれたウェハ支持体3702に上に置かれる。等しく分配されたオリフィス3706を多数有するエラストマー構造体3704が、ウェハ3700の表面の真上に配置される。   Accordingly, FIG. 37A shows one embodiment of the present invention adapted to carry process gas at a precisely controlled flow rate over the surface of a semiconductor wafer during CVD processing. Specifically, the semiconductor wafer 3700 is placed on a wafer support 3702 that is placed in a CVD chamber. An elastomeric structure 3704 having a number of equally distributed orifices 3706 is disposed directly above the surface of the wafer 3700.

様々なプロセスガスが、注意深く制御された速度で、容器3708aおよび3708bから、エラストマーブロック3704のフローチャネルを通って、オリフィス3706の外へと流される。ウェハ3700の上での、正確に制御されたプロセスガスのフローの結果として、非常に均一な構造を有する固体材料3710が沈着される。   Various process gases are flowed from containers 3708a and 3708b through the flow channel of elastomer block 3704 and out of orifice 3706 at carefully controlled rates. As a result of the precisely controlled process gas flow over the wafer 3700, a solid material 3710 having a very uniform structure is deposited.

本発明のバルブおよび/またはポンプ構造を利用する、反応ガスの流速の正確な測定は、いくつかの理由により、可能である。第一に、図21Aおよび21Bに関して上に記載のように、付与された作動圧力に直線的な様式で応答するバルブを通って、ガスが流され得る。バルブを使用してガスフローを測定することに替えて、またはそれに加えて、本発明によるポンプ構造の予測可能な挙動が、プロセスガスフローの正確な測定のために使用され得る。   Accurate measurement of reactant gas flow rates utilizing the valve and / or pump structure of the present invention is possible for several reasons. First, gas can be flowed through a valve that responds in a linear fashion to applied operating pressure, as described above with respect to FIGS. 21A and 21B. As an alternative or in addition to measuring the gas flow using a valve, the predictable behavior of the pump structure according to the invention can be used for an accurate measurement of the process gas flow.

上述の化学蒸着プロセスに加えて、本発明の技術はまた、分子線エピタキシーおよび反応性イオンエッチングのような技術におけるガスフローの制御にも、有用である。   In addition to the chemical vapor deposition process described above, the techniques of the present invention are also useful for gas flow control in techniques such as molecular beam epitaxy and reactive ion etching.

(3.微細ミラーアレイ)
記載される本発明の実施態様は、ここまでは、全体がエラストマー材料で構成された構造の操作に関するが、本発明は、このタイプの構造に限定されない。具体的には、エラストマー構造を、シリコンに基づく従来の半導体構造と組み合わせることは、本発明の範囲内である。
(3. Fine mirror array)
While the embodiments of the invention described so far relate to the operation of structures entirely composed of elastomeric materials, the invention is not limited to this type of structure. Specifically, it is within the scope of the present invention to combine an elastomeric structure with a conventional semiconductor structure based on silicon.

例えば、本発明の微細製作されたポンプおよびバルブの、さらに意図された使用は、エラストマー構造の膜が、その膜が活性化されているか否かに依存して、平坦な平面の表面としてか、または湾曲した表面としてかのいずれかで、光を反射する。そういうものとして、この膜は、切換え可能なピクセルとして作用する。このような切換え可能なピクセルのアレイは、適切な制御回路と共に、デジタルまたはアナログの微細ミラーアレイとして利用され得る。   For example, a further intended use of the microfabricated pumps and valves of the present invention is that the elastomeric structure membrane may be a flat planar surface, depending on whether the membrane is activated, Or reflect the light, either as a curved surface. As such, the membrane acts as a switchable pixel. Such an array of switchable pixels can be utilized as a digital or analog fine mirror array with appropriate control circuitry.

従って、図38は、本発明による微細ミラーアレイの1つの実施態様の一部の、拡大図を示す。   Accordingly, FIG. 38 shows an enlarged view of a portion of one embodiment of a micromirror array according to the present invention.

微細ミラーアレイ3800は、第一エラストマー層3802を含み、この層は、下にある半導体構造3804に重なっており、そして第二のエラストマー層3806によってこの半導体構造から分離されている。半導体構造3804の表面3804aは、複数の電極3810を有する。電極3810は、当業者に公知であるように、行および列のラインを伝導することにより、別個にアドレス可能である。   The micromirror array 3800 includes a first elastomeric layer 3802 that overlies an underlying semiconductor structure 3804 and is separated from the semiconductor structure by a second elastomeric layer 3806. The surface 3804 a of the semiconductor structure 3804 has a plurality of electrodes 3810. The electrodes 3810 are separately addressable by conducting row and column lines as is known to those skilled in the art.

第一エラストマー層3802は、複数の交差チャネル3822を含み、導電性の、反射性エラストマー膜部分3802aの下にある。第一エラストマー層3802は、第二エラストマー層3806の上に整列し、そして半導体デバイス3804の下にあり、その結果、チャネル3822の交差点が、電極3810の上に重なる。   The first elastomeric layer 3802 includes a plurality of intersecting channels 3822 and underlies a conductive, reflective elastomeric membrane portion 3802a. The first elastomeric layer 3802 is aligned over the second elastomeric layer 3806 and is under the semiconductor device 3804 so that the intersection of the channels 3822 overlies the electrode 3810.

本発明による製造方法の1つの実施態様においては、第一エラストマー層3822は、エラストマー材料を交差チャネルの特徴を有するモールド上にスピンコーティングする工
程、このエラストマーを硬化させる工程、形成したエラストマーをモールドから除去する工程、および導電性ドーパントを形成したエラストマーの表面領域に導入する工程により、形成され得る。あるいは、図7C〜7Gに関して上に記載したように、第一エラストマー層3822は、エラストマー材料がチャネル壁の高さと同じ高さになるように、エラストマー材料を交差チャネルを有するモールドに挿入し、次いで別個のドープしたエラストマー層を既存のエラストマー材料と結合して頂部表面に膜を形成することによって、エラストマーの2つの層から形成され得る。
In one embodiment of the manufacturing method according to the present invention, the first elastomer layer 3822 is formed by spin coating an elastomeric material onto a mold having cross channel characteristics, curing the elastomer, and forming the formed elastomer from the mold. It can be formed by removing and introducing a conductive dopant into the surface area of the formed elastomer. Alternatively, as described above with respect to FIGS. 7C-7G, the first elastomeric layer 3822 may be inserted into a mold having intersecting channels such that the elastomeric material is level with the height of the channel walls, and then It can be formed from two layers of elastomer by combining a separate doped elastomeric layer with an existing elastomeric material to form a film on the top surface.

あるいは、第一エラストマー層3802は、導電性エラストマーから製造され得、ここで、電気伝導度は、ドーピング、またはエラストマー材料の固有の特性のいずれかに依存する。   Alternatively, the first elastomer layer 3802 can be made from a conductive elastomer, where the electrical conductivity depends on either doping or the intrinsic properties of the elastomeric material.

反射性構造3800の作動の間、電気信号が、選択された行ラインおよび列ラインに沿って、電極3810aへと伝達される。電極3810aに電圧を印加することによって、電極3810aと上にある膜3802aとの間に、引力が発生する。この引力が膜3802aの一部を作動させ、チャネル3822の交差から生じるキャビティ内へとこの膜の部分を下方に撓ませる。平面から凹面への、膜3802aの撓みの結果として、エラストマー構造3802の表面のこの点においては、周囲の平坦な膜表面からとは異なるように、光が反射される。このようにして、ピクセル画像が作製される。   During operation of reflective structure 3800, an electrical signal is transmitted to electrode 3810a along selected row and column lines. By applying a voltage to the electrode 3810a, an attractive force is generated between the electrode 3810a and the overlying film 3802a. This attraction actuates a portion of the membrane 3802a and deflects that portion of the membrane downward into the cavity resulting from the intersection of the channels 3822. As a result of the deflection of the membrane 3802a from flat to concave, light is reflected at this point of the surface of the elastomeric structure 3802 differently from the surrounding flat membrane surface. In this way, a pixel image is created.

このピクセル画像の外観は可変であり、そして電極に印加される電圧の規模を変化させることによって、制御され得る。より高い電圧がこの電極に印加されると、膜部分の引力が増大し、その形状をさらに歪ませる。より低い電圧が電極に印加されると、膜における引力が減少し、その形状の平面からのゆがみを減少させる。これらの変化のいずれも、得られるピクセル画像の外観に影響を与える。   The appearance of this pixel image is variable and can be controlled by changing the magnitude of the voltage applied to the electrodes. When a higher voltage is applied to this electrode, the attractive force of the membrane portion increases, further distorting its shape. When a lower voltage is applied to the electrode, the attractive force in the membrane is reduced, reducing the distortion of the shape from the plane. Any of these changes will affect the appearance of the resulting pixel image.

記載のような可変の微細ミラーアレイ構造は、画像の表示を含む様々な応用に使用され得る。本発明の実施態様による可変の微細ミラーアレイ構造の別の応用は、光ファイバー通信システムのための高容量スイッチであり、ここでは、各ピクセルが、入射光信号の成分の反射および移動に影響を与え得る。   The variable micromirror array structure as described can be used in a variety of applications including image display. Another application of the variable fine mirror array structure according to embodiments of the present invention is a high-capacitance switch for optical fiber communication systems, where each pixel affects the reflection and movement of components of the incident optical signal. obtain.

上記実施形態は、微細アレイとして利用される、複合性の、エラストマー/半導体構造を記載するが、本発明は、この特定の実施形態に限定されない。   Although the above embodiments describe a composite, elastomer / semiconductor structure that is utilized as a microarray, the invention is not limited to this particular embodiment.

例えば、本発明の実施形態のための別の光学用途は、スイッチ可能なブラッグミラー(Bragg mirror)に関する。ブラッグミラーは、特定範囲の波長の入射光を反射し、全ての他の波長を透過させることを可能にする。本発明の実施形態に従うブラッグミラーは、30の交互1μm厚の層状SiOおよびSiを含むミラーを30μm厚のRTVエラストマー膜上にスパッタ堆積することによって作製される。このRTVエラストマー膜は、順に、10μmの深さおよび100μmの広さを有する制御チャネルにオーバーレイする。さらなるRTVエラストマーを用いたミラー表面のパッシベーションに続いて、制御チャネルへの15psiの制御圧力の印加により、膜が変形され、特定の波長が透過することが可能になる。この結果は、図65に示される。図65は、スイッチングサイクルに対するミラーを通過する490nmでの光の強度をプロットする。本発明の実施形態に従うブラッグミラーは、光学フィルタリングを含み種々の目的のために利用され得る。 For example, another optical application for embodiments of the present invention relates to a switchable Bragg mirror. Bragg mirrors reflect incident light in a specific range of wavelengths and allow all other wavelengths to pass through. A Bragg mirror according to an embodiment of the present invention is made by sputter depositing 30 alternating 1 μm thick layered SiO 2 and Si 3 N 4 mirrors onto a 30 μm thick RTV elastomer film. This RTV elastomer membrane in turn overlays a control channel having a depth of 10 μm and a width of 100 μm. Following passivation of the mirror surface with additional RTV elastomers, application of a control pressure of 15 psi to the control channel deforms the membrane and allows certain wavelengths to pass. The result is shown in FIG. FIG. 65 plots the intensity of light at 490 nm passing through the mirror against the switching cycle. Bragg mirrors according to embodiments of the present invention can be utilized for a variety of purposes, including optical filtering.

(4.屈折性構造)
記載したばかりの微細ミラーアレイ構造は、入射光の反射を制御する。しかし、本発明は、反射の制御に限定されない。本発明のさらに別の実施態様は、レンズおよびフィルタ
ー構造を作製するために、入射光の屈折の正確な制御の実施を可能とする。
(4. Refractive structure)
The fine mirror array structure just described controls the reflection of incident light. However, the present invention is not limited to the control of reflection. Yet another embodiment of the present invention allows for the implementation of precise control of the refraction of incident light in order to create lens and filter structures.

図39は、本発明による、屈折性構造の1つの実施態様を示す。屈折性構造3900は、第一エラストマー層3902および第二エラストマー層3904を含み、これらの層は、入射光3906を透過させ得るエラストマー材料からなる。   FIG. 39 shows one embodiment of a refractive structure according to the present invention. Refractive structure 3900 includes a first elastomer layer 3902 and a second elastomer layer 3904, which are made of an elastomeric material that can transmit incident light 3906.

第一エラストマー層3902は、凸部3902aを含み、この凸部は、凹部を有する微細製作モールド上に形成されるエラストマー材料を硬化させることによって、作製され得る。第二エラストマー層3904は、フローチャネル3905を有し、上で広く記載したように、隆起ラインを有する微細製作モールドから作製され得る。   The first elastomer layer 3902 includes a protrusion 3902a, which can be made by curing an elastomeric material formed on a microfabricated mold having a recess. The second elastomer layer 3904 has a flow channel 3905 and can be made from a microfabricated mold having raised lines, as described broadly above.

第一エラストマー層3902は、凸部3902aがフローチャネル3905の上に位置するように、第二エラストマー層3904に結合される。この構造は、様々な目的に役立ち得る。   The first elastomer layer 3902 is bonded to the second elastomer layer 3904 such that the protrusions 3902a are located on the flow channel 3905. This structure can serve a variety of purposes.

例えば、エラストマー構造3900に入射する光は、下にあるフローチャネルに集光され、フローチャネルを通る光の可能な伝達を可能とする。あるいは、本発明によるエラストマーデバイスの1つの実施態様においては、蛍光性液体または燐光性液体が、フローチャネルを通して流され得、結果として、流体からの光が湾曲表面により屈折されて、ディスプレイを形成する。   For example, light incident on the elastomeric structure 3900 is collected in the underlying flow channel, allowing for possible transmission of light through the flow channel. Alternatively, in one embodiment of the elastomeric device according to the present invention, a fluorescent or phosphorescent liquid can be flowed through the flow channel so that light from the fluid is refracted by the curved surface to form a display. .

図40は、本発明による屈折性構造の、別の実施態様を示す。屈折性構造4000は、フレネルレンズ設計に基づく、多層光学トレインである。具体的には、屈折性構造4000は、共に結合された4つの連続したエラストマー層4002、4004、4006、および4008からなる。各第一、第二、および第三のエラストマー層4002、4004、および4006の上部表面は、距離X(これは、入射光の波長よりずっと大きい)だけ規則的に間隔を空けた、均一な鋸歯状物4010を有する。鋸歯状物4010は、入射光を集光するよう作用し、そして上で広く記載したような微細製作モールドを使用して形成され得る。第一、第二、および第三のエラストマー層4002、4004、および4006は、当業者に理解されるように、フレネルレンズとして機能する。   FIG. 40 shows another embodiment of a refractive structure according to the present invention. The refractive structure 4000 is a multilayer optical train based on a Fresnel lens design. Specifically, refractive structure 4000 consists of four successive elastomer layers 4002, 4004, 4006, and 4008 bonded together. The upper surface of each first, second, and third elastomer layer 4002, 4004, and 4006 is a uniform sawtooth that is regularly spaced by a distance X (which is much greater than the wavelength of the incident light). The product 4010 is included. The serrations 4010 act to collect incident light and can be formed using a microfabricated mold as broadly described above. The first, second, and third elastomer layers 4002, 4004, and 4006 function as Fresnel lenses, as will be appreciated by those skilled in the art.

第四エラストマー層4008は、上にあるエラストマー層の鋸歯状物よりずっと小さなサイズを有する、均一な鋸歯状物4012を有する。鋸歯状物4012もまた、距離Y(これは、上にあるエラストマー層の鋸歯状物よりずっと小さい)だけ間隔を空け、ここでYは、入射光の波長のオーダーであり、その結果、エラストマー層4008は、回折格子として機能する。   The fourth elastomer layer 4008 has a uniform serration 4012 having a much smaller size than the overlying elastomer layer serration. The serrations 4012 are also spaced by a distance Y (which is much smaller than the sawtooth of the overlying elastomer layer), where Y is on the order of the wavelength of the incident light, so that the elastomer layer Reference numeral 4008 functions as a diffraction grating.

図41は、本発明による屈折性構造の実施態様を示す。この構造は、主として屈折を達成するために、材料の屈折率の差を利用する。屈折性構造4100は、上部エラストマー部分4104に被覆される、下部エラストマー部分4102を含む。下部エラストマー部分4102および上部エラストマー部分4104の両方が、入射光4106を透過する材料からなる。下部エラストマー部分4102は、エラストマーランド4110により分離された複数の標本フローチャネル4108を有する。フローチャネル4108は、ランド4110を形成するエラストマー材料とは異なる屈折率を有する流体4112を含む。流体4112は、ポンプ構造4114の作動によって、蛇行フローチャネル4108を通ってポンピングされる。このポンプ構造は、フローチャネル4108の入口部分4108aと重なり、そして移動可能膜4118によって入口部分4108aから分離される、平行な制御チャネル4116aおよび4116bにより作製される。   FIG. 41 shows an embodiment of a refractive structure according to the present invention. This structure takes advantage of the difference in the refractive index of the materials, mainly to achieve refraction. The refractive structure 4100 includes a lower elastomer portion 4102 that is coated on the upper elastomer portion 4104. Both the lower elastomer portion 4102 and the upper elastomer portion 4104 are made of a material that transmits incident light 4106. The lower elastomeric portion 4102 has a plurality of specimen flow channels 4108 separated by elastomeric lands 4110. The flow channel 4108 includes a fluid 4112 having a different refractive index than the elastomeric material that forms the lands 4110. The fluid 4112 is pumped through the serpentine flow channel 4108 by actuation of the pump structure 4114. This pump structure is made by parallel control channels 4116a and 4116b that overlap the inlet portion 4108a of the flow channel 4108 and are separated from the inlet portion 4108a by a movable membrane 4118.

屈折性構造4100に入射する光4106は、エラストマーランド4110により分離
された、不均一に間隔を空け、流体で満たされた、直列のフローチャネル4108に遭遇する。これらのそれぞれの流体/エラストマー領域に存在する物質の光学特性が異なる結果として、入射光の部分は均一には屈折されず、相互作用して干渉パターンを形成する。ちょうど記載した様式の屈折性構造のスタックは、入射光の、さらにより複雑で特殊化された屈折を達成し得る。
Light 4106 incident on refractive structure 4100 encounters a non-uniformly spaced, fluid-filled series of flow channels 4108 separated by elastomeric land 4110. As a result of the different optical properties of the materials present in these respective fluid / elastomeric regions, the portions of incident light are not uniformly refracted and interact to form an interference pattern. A stack of refractive structures in the manner just described can achieve even more complex and specialized refraction of incident light.

記載したばかりの屈折性エラストマー構造は、様々な目的を達成し得る。例えば、このエラストマー構造は、選択された波長の入射光をブロックするための、フィルターまたは光学スイッチとして作用し得る。さらに、この構造の屈折特性は、特定の用途の必要性に依存して、容易に調節され得る。   The refractive elastomer structure just described can achieve a variety of purposes. For example, the elastomeric structure can act as a filter or optical switch to block incident light of selected wavelengths. Furthermore, the refractive properties of this structure can be easily adjusted depending on the needs of the particular application.

例えば、フローチャネルを通って流れる流体の組成(従って、屈折率)は、回折に影響を与えるために、変化され得る。あるいは、または流れる流体の特性を変化させることと組み合わせて、隣接するフローチャネルを隔てる距離は、所望の特徴を有する光干渉パターンを生じさせるために、構造を製造する間に正確に制御され得る。   For example, the composition of the fluid flowing through the flow channel (and hence the refractive index) can be varied to affect diffraction. Alternatively, or in combination with changing the properties of the flowing fluid, the distance separating adjacent flow channels can be accurately controlled during fabrication of the structure to produce an optical interference pattern having the desired characteristics.

本発明に従う実施形態による反射を含むさらに別の用途は、調整可能な微細レンズ構造である。図66に示されるように、調整可能な微細レンズ構造7100は、含気性制御ライン7104に接続されたチャンバ7102を含む。チャンバ7102は、RTV等の透明基板の軟性リソグラフィによって形成され得る。この透明な基板は、エラストマー膜7106に結合される。チャンバ7102は、次いで、その屈折率に対して選択された流体7103で満たされる。制御ライン7104が加圧された場合、膜7106は、バルブ内でチャンバ7102を超えて膨張し、レンズを生成する。膜7106の曲率半径R、そして、従って、レンズの焦点長は、制御ライン7104における圧力を変化させ、したがって、レンズを調整することによって制御され得る。このようなレンズの可能な用途は、異なるチャネル層の分離したインテロゲーション(interrogation)、または、バルクサンプルの走査であり得る。レンズ構造を規定することはフォトリソグラフィを用いて達成されるので、このようなレンズは、安価に作製され得、そして、流体工学デバイス上に高密度に一体化され得る。レンズは、1μm〜1cmで変化する寸法を有する広範囲の大きさで作製され得る。整列の問題は、横方向の整列がリソグラフィーによって達成され、垂直方向の整列が調整することによって達成されるので、有意に低減される。   Yet another application involving reflection according to embodiments according to the present invention is a tunable microlens structure. As shown in FIG. 66, the adjustable microlens structure 7100 includes a chamber 7102 connected to an aeration control line 7104. The chamber 7102 can be formed by flexible lithography of a transparent substrate such as RTV. This transparent substrate is bonded to the elastomeric film 7106. Chamber 7102 is then filled with fluid 7103 selected for its refractive index. When the control line 7104 is pressurized, the membrane 7106 expands beyond the chamber 7102 within the valve, creating a lens. The radius of curvature R of the membrane 7106, and thus the focal length of the lens, can be controlled by changing the pressure in the control line 7104 and thus adjusting the lens. Possible applications of such lenses can be separate interrogation of different channel layers or scanning of bulk samples. Since defining the lens structure is accomplished using photolithography, such lenses can be made inexpensively and can be densely integrated onto a fluidics device. Lenses can be made in a wide range of sizes with dimensions varying from 1 μm to 1 cm. Alignment problems are significantly reduced because lateral alignment is achieved by lithography and vertical alignment is achieved by adjusting.

(5.通常閉じているバルブ構造)
上記図7Bおよび図7Hは、エラストマー膜が、第1の緩和位置からフローチャネルがブロックされている第2の作動位置へと移動可能であるバルブ構造を示す。しかし、本発明は、この特定のバルブ構成に限定されない。
(5. Normally closed valve structure)
FIGS. 7B and 7H above show a valve structure in which the elastomeric membrane is movable from a first relaxed position to a second operating position where the flow channel is blocked. However, the present invention is not limited to this particular valve configuration.

図42A〜42Jは、エラストマー膜が、負の制御圧を利用して、フローチャネルをブロックしている第1の緩和位置からフローチャネルが開いている第2の作動位置へと移動可能である、通常閉じているバルブ構造の種々の図を示す。   42A-42J, the elastomeric membrane can be moved using a negative control pressure from a first relaxed position blocking the flow channel to a second operating position where the flow channel is open. Fig. 4 shows various views of a normally closed valve structure.

図42Aは平面図を示し、そして図42Bは、非作動状態において通常閉じているバルブ4200の線42B−42B’に沿う断面図を示す。フローチャネル4202および制御チャネル4204は、基板4205に重なっているエラストマーブロック4206中に形成される。フローチャネル4202は、分離部4208によって分離される、第1部4202aおよび第2部4202bを備える。制御チャネル4204は、分離部4208に重なる。図42Bに示されるように、そのゆるめられた非作動位置において、分離部4008は、フローチャネル4202を妨げる、フローチャネル部4202aと4202bとの間の位置のままである。   FIG. 42A shows a top view and FIG. 42B shows a cross-sectional view along line 42B-42B 'of valve 4200 that is normally closed in a non-actuated state. The flow channel 4202 and control channel 4204 are formed in an elastomeric block 4206 that overlies the substrate 4205. The flow channel 4202 includes a first part 4202 a and a second part 4202 b that are separated by a separation part 4208. The control channel 4204 overlaps the separation unit 4208. As shown in FIG. 42B, in its relaxed inoperative position, the separator 4008 remains in a position between the flow channel portions 4202a and 4202b that obstructs the flow channel 4202.

図42Cは、バルブ4200(ここで分離部4208は、作動位置にある)の断面図を示す。制御チャネル4204内の圧力が、(例えば、真空ポンプによって)フローチャネル内の圧力未満に低下される場合、分離部4208は、これを制御チャネル4204中へと引く作動力を受ける。この作動力の結果として、膜4208は、制御チャネル4204中に突き出し、それによってフローチャネル4202を介して物質の流れに対する障害を取り除き、そして通路4203を作製する。制御チャネル4204内の圧力の上昇の際に、分離部4208は、その本来の位置をとり、ゆるんで戻り、そしてフローチャネル4202を妨害する。   FIG. 42C shows a cross-sectional view of valve 4200 (where separator 4208 is in the activated position). If the pressure in the control channel 4204 is reduced below the pressure in the flow channel (eg, by a vacuum pump), the separator 4208 receives an actuation force that pulls it into the control channel 4204. As a result of this actuation force, the membrane 4208 protrudes into the control channel 4204, thereby removing the obstruction to the flow of material through the flow channel 4202 and creating a passage 4203. Upon pressure increase in the control channel 4204, the separator 4208 assumes its original position, loosely returns, and obstructs the flow channel 4202.

作動力に応答するこの膜の挙動は、重なる制御チャネルの幅を変えることによって変化され得る。従って、図42D〜42Hは、制御チャネル4207が分離部4208よりも実質的に幅広い、通常閉じているバルブ4201の別の実施態様の平面図および断面図を示す。図42Dの線42E−42E’に沿う断面図42E〜Fにおいて示されるように、エラストマー材料のより大きな領域が、作動中に移動されることが必要とされるので、印加されるに必要な作動力が、減少される。   The behavior of this membrane in response to actuation force can be altered by changing the width of the overlapping control channels. Accordingly, FIGS. 42D-42H show top and cross-sectional views of another embodiment of a normally closed valve 4201 in which the control channel 4207 is substantially wider than the separator 4208. As shown in cross-sectional views 42E-F along line 42E-42E ′ in FIG. 42D, a larger area of elastomeric material is required to be moved during operation, so that the necessary work to be applied is applied. Power is reduced.

図42GおよびHは、図40Dの線40G−40G’に沿う断面図を示す。図42Gに示される非作動状態バルブ構成との比較において、図42Hは、より幅広い制御チャネル4207内の圧力の低下が、特定の状況の下に、基板4205から、下にあるエラストマー4206を引き離す所望されない効果を有し、それによって所望されない空隙4212を生じることを示す。   42G and H show cross-sectional views along line 40G-40G 'in FIG. 40D. In comparison with the non-actuated valve configuration shown in FIG. 42G, FIG. 42H shows that the pressure drop in the wider control channel 4207 may cause the underlying elastomer 4206 to pull away from the substrate 4205 under certain circumstances. It shows that it has an effect that is not, thereby creating an undesired void 4212.

従って、図42Iは、分離部4208に重なっているセグメント4204aを除く最小の幅を備える制御ライン4204を特色とすることによってこの問題を回避するバルブ構造4220の平面図を示し、そして図42Jは、図42Iのバルブ構造4220の線42J−42J’に沿う断面図を示す。図42Jに示されるように、作動条件の下でさえも、制御チャネル4204のより狭い断面は、下にあるエラストマー材料4206に対する誘引力を低下させ、それによってこのエラストマー材料が基板4205から引き離され、そして所望されない空隙を生じることを妨ぐ。   Accordingly, FIG. 42I shows a plan view of a valve structure 4220 that avoids this problem by featuring a control line 4204 with a minimum width excluding the segment 4204a that overlaps the separator 4208, and FIG. 42D shows a cross-sectional view of the valve structure 4220 of FIG. 42I along line 42J-42J ′. As shown in FIG. 42J, even under operating conditions, the narrower cross section of the control channel 4204 reduces the attractive force on the underlying elastomeric material 4206, thereby pulling the elastomeric material away from the substrate 4205, And prevents the creation of undesired voids.

圧力に応答して作動する通常閉じているバルブ構造は、図42A〜図42Jに示されるが、本発明に従う通常閉じているバルブは、この構成に限定されない。例えば、フローチャネルを妨害する分離部は、先に広汎に記載されるように、電場または磁場によって代替的に操作され得る。   A normally closed valve structure that operates in response to pressure is shown in FIGS. 42A-42J, but a normally closed valve in accordance with the present invention is not limited to this configuration. For example, the separator that obstructs the flow channel can alternatively be manipulated by an electric or magnetic field, as described extensively above.

(6.物質の分離)
本発明のさらなる適用において、エラストマー構造は、物質の分離を実行するために利用され得る。図43は、このようなデバイスの1つの実施態様を示す。
(6. Separation of substances)
In further applications of the present invention, the elastomeric structure can be utilized to perform material separation. FIG. 43 shows one embodiment of such a device.

分離デバイス4300は、フローチャネル4304と連絡して流体容器4302を備えるエラストマーブロック4301を特徴とする。流体は、十分に上記されたように、フローチャネル4304に重なる制御チャネル4312によって形成される蠕動ポンプ構造4310によって、フローチャネル4308を通じて流体容器4306からポンプされる。あるいは、本発明に従う蠕動ポンプ構造が、十分なバック圧力を提供し得ない場合、エラストマー構造の外側に位置する容器からの流体は、外部ポンプを利用して、エラストマーデバイス中にポンプされ得る。   Separation device 4300 features an elastomeric block 4301 comprising a fluid container 4302 in communication with a flow channel 4304. Fluid is pumped from the fluid container 4306 through the flow channel 4308 by a peristaltic pump structure 4310 formed by a control channel 4312 that overlies the flow channel 4304, as described fully above. Alternatively, if the peristaltic pump structure according to the present invention cannot provide sufficient back pressure, fluid from a container located outside the elastomeric structure can be pumped into the elastomeric device utilizing an external pump.

フローチャネル4304は、多孔性フリット4318の後ろの分離マトリクス4316でパックされたチャネル形態の分離カラム4314に通じる。クロマトグラフィーの技術分野において周知であるように、分離マトリクス4316の組成は、分離される物質の性
質および用いられる特定のクロマトグラフィー技術に依存する。エラストマー分離構造は、種々のクロマトグラフィー技術を用いる使用に適切であり、これには、ゲル排除、ゲル浸透、イオン交換、逆相、疎水性相互作用、アフィニティークロマトグラフィー、急速タンパク質(fast protein)液体クロマトグラフィー(FPLC)、および高速液体クロマトグラフィー(HPLC)の全ての形式が挙げられるがこれらに限定されない。HPLCに利用される高い圧力は、ウレタン、ジシクロペンタジエンまたは他のエラストマーの組合せの使用を必要とし得る。
The flow channel 4304 leads to a separation column 4314 in channel form packed with a separation matrix 4316 behind a porous frit 4318. As is well known in the chromatographic arts, the composition of the separation matrix 4316 depends on the nature of the material to be separated and the particular chromatographic technique used. Elastomer separation structures are suitable for use with a variety of chromatographic techniques, including gel exclusion, gel permeation, ion exchange, reverse phase, hydrophobic interaction, affinity chromatography, fast protein liquids. All forms of chromatography (FPLC) and high performance liquid chromatography (HPLC) are included, but are not limited to these. The high pressure utilized for HPLC may require the use of urethane, dicyclopentadiene or other elastomer combinations.

サンプルは、ロードチャネル4319を利用する分離カラム4314中への流体のフロー中に導入される。ロードチャネル4319は、ポンプ4321によりサンプル容器4320からポンプされる流体を受け取る。バルブ4322の開口およびポンプ4321の作動の際に、サンプルは、ロードチャネル4319からフローチャネル4304へと流れる。次いで、このサンプルは、ポンプ構造4312の作用によって、分離カラム4314を通じて流れる。分離マトリクス4316中の種々のサンプル成分の異なる移動度の結果として、これらのサンプル成分は、分離され、そして異なる時間で、カラム4314から溶出される。   The sample is introduced into the fluid flow into separation column 4314 utilizing load channel 4319. Load channel 4319 receives fluid pumped from sample container 4320 by pump 4321. Upon opening of valve 4322 and actuation of pump 4321, sample flows from load channel 4319 to flow channel 4304. This sample then flows through the separation column 4314 by the action of the pump structure 4312. As a result of the different mobilities of the various sample components in the separation matrix 4316, these sample components are separated and eluted from the column 4314 at different times.

分離カラム4314からの溶出の際に、種々のサンプル成分は、検出領域4324中に通過する。クロマトグラフィーの技術分野において周知のように、検出領域4324中に溶出した物質の同定は、種々の技術を利用して決定され得、この技術には、蛍光、UV/可視/IR分光、放射性標識、電流測定検出、質量分析、および核磁気共鳴(NMR)が挙げられるがこれらに限定されない。   Upon elution from the separation column 4314, various sample components pass into the detection region 4324. As is well known in the chromatographic arts, the identity of the substance eluted in the detection region 4324 can be determined using a variety of techniques including fluorescence, UV / visible / IR spectroscopy, radioactive labeling. , Amperometric detection, mass spectrometry, and nuclear magnetic resonance (NMR).

本発明に従う分離デバイスは、ほんの少しの容量の流体およびサンプルが分離中に消費されるように、極端に小さなサイズであるという利点を提供する。さらにこのデバイスは、感度が増加するという利点を提供する。従来の分離デバイスにおいて、サンプルループのサイズは、カラム上へのサンプルの注入を延長し、これにより、溶出ピークの幅が互いに重なる可能性がある。一般に、ロードチャネルの極端に小さなサイズおよび容量は、このピークの拡散の挙動が問題となることを防ぐ。   The separation device according to the present invention offers the advantage of being extremely small in size so that only a small volume of fluid and sample is consumed during the separation. Furthermore, this device offers the advantage of increased sensitivity. In conventional separation devices, the size of the sample loop extends the injection of the sample onto the column, which can cause the elution peak widths to overlap each other. In general, the extremely small size and capacity of the load channel prevents this peak spreading behavior from becoming a problem.

図43に示される分離構造は、このようなデバイスの1つの実施態様のみを表し、そして他の構造が、本発明によって意図される。例えば、図43の分離デバイスは、単一の平面に配向されたフローチャネル、ロードループ、および分離カラムを特徴とするが、これは、本発明により必要とされない。1以上の流体容器、サンプル容器、フローチャネル、ロードループ、および分離カラムが、互いに、および/または形成が図35A〜Dに関連して上記で十分に記載される構造を通じて利用するエラストマー材料の平面に垂直に向けられ得る。   The separation structure shown in FIG. 43 represents only one embodiment of such a device, and other structures are contemplated by the present invention. For example, the separation device of FIG. 43 features a flow channel, a load loop, and a separation column oriented in a single plane, but this is not required by the present invention. One or more fluid containers, sample containers, flow channels, load loops, and separation columns are planes of elastomeric material that utilize each other and / or through the structure whose formation is fully described above in connection with FIGS. Can be oriented vertically.

(7.細胞ペン/細胞ケージ/細胞研削盤)
本発明のさらなる適用において、エラストマー構造は、生物または他の生物学的材料を操作するために利用され得る。図44A〜44Dは、本発明に従う細胞ペン構造の1つの実施態様の平面図を示す。
(7. Cell pen / Cell cage / Cell grinder)
In further applications of the present invention, the elastomeric structure can be utilized to manipulate biological or other biological materials. 44A-44D show top views of one embodiment of a cell pen structure according to the present invention.

細胞ペンアレイ4400は、フローチャネル4402の交互の交叉にて拡大した「ペン」構造4404を備える、直交性に配向したフローチャネル4402のアレイを特徴とする。バルブ4406は、各ペン構造4404の入り口および出口に配置される。蠕動ポンプ構造4408は、各水平フローチャネル上に、および細胞ペン構造を欠く垂直フローチャネル上に配置される。   Cell pen array 4400 features an array of orthogonally oriented flow channels 4402 with “pen” structures 4404 enlarged at alternating intersections of flow channels 4402. Valves 4406 are located at the entrance and exit of each pen structure 4404. A peristaltic pump structure 4408 is placed on each horizontal flow channel and on a vertical flow channel that lacks a cell pen structure.

図44Aの細胞ペンアレイ4400は、予め選別されている細胞A〜Hを用いて、おそ
らく図36に関係する上記のような選別構造によってロードされる。図44B〜44Cは、1)近接したペン4404aおよび4404bのいずれかの側のバルブ4406を開くこと、2)細胞CおよびGを置き換えるために水平フローチャネル4402aをポンプすること、次いで3)細胞Cを除去するために、垂直フローチャネル4402bをポンプすることによって、個別に貯蔵された細胞Cにアクセスすること、および取り除くことを示す。図44Dは、第2の細胞Gが、水平フローチャネル4402aを通して液体のフローの方向を逆向きにすることによって細胞ペンアレイ4400中のその前の位置の中に移動されて戻されることを示す。
The cell pen array 4400 of FIG. 44A is loaded with a sorting structure as described above, possibly related to FIG. 36, using pre-sorted cells AH. 44B-44C show: 1) opening valve 4406 on either side of adjacent pens 4404a and 4404b, 2) pumping horizontal flow channel 4402a to replace cells C and G, then 3) cell C To access and remove individually stored cells C by pumping the vertical flow channel 4402b. FIG. 44D shows that the second cell G is moved back into its previous position in the cell pen array 4400 by reversing the direction of liquid flow through the horizontal flow channel 4402a.

上記の細胞ペンアレイ4404は、素早いアクセスのために、選択されたアドレシング可能な位置内に物質を貯蔵し得る。しかし、生きている生物(例えば、細胞)は、生存を維持するために、食物の連続的な摂取および廃棄物の排出を必要とし得る。従って、図45Aおよび45Bは、本発明に従う細胞ケージ構造の1つの実施態様の、それぞれ、平面図および断面図(線45B−45B’に沿う)を示す。   The cell pen array 4404 described above can store material in selected addressable locations for quick access. However, living organisms (eg, cells) may require continuous food intake and waste output to maintain survival. Accordingly, FIGS. 45A and 45B show a plan view and a cross-sectional view (along line 45B-45B '), respectively, of one embodiment of a cell cage structure according to the present invention.

細胞ケージ4500は、基板4505と接触した、エラストマーブロック4503中のフローチャネル4501の拡大部4500aとして形成される。細胞ケージ4500は、細胞ケージ4500の端4500bおよび4500cが内部領域4500aを完全に密封しないことを除いて、図44A〜44Dにおいて上記されるように個々の細胞ペンと類似する。むしろ、ケージ4500の端4500aおよび4500bは、複数の格納式のピラー4502によって形成される。ピラー4502は、図42A〜42Jと関係して、先に広汎に記載されるような通常閉じているバルブ構造の膜構造の部分であり得る。   The cell cage 4500 is formed as an enlarged portion 4500a of the flow channel 4501 in the elastomer block 4503 in contact with the substrate 4505. Cell cage 4500 is similar to individual cell pens as described above in FIGS. 44A-44D, except that ends 4500b and 4500c of cell cage 4500 do not completely seal interior region 4500a. Rather, the ends 4500a and 4500b of the cage 4500 are formed by a plurality of retractable pillars 4502. The pillar 4502 may be part of a membrane structure of a normally closed valve structure as described broadly above in connection with FIGS.

詳細には、制御チャネル4504は、ピラー4502に重なる。制御チャネル4504中の圧力が減少される場合、エラストマーピラー4502は、制御チャネル4504中へと上方に引かれ、それによって細胞ケージ4500の端4500bを開き、そして細胞の進入を可能にする。制御チャネル4504中の圧力の上昇の際に、ピラー4502は、基板4505に対して下方にゆるみ、そして細胞がケージ4500から出ることを妨ぐ。   Specifically, the control channel 4504 overlaps the pillar 4502. When the pressure in the control channel 4504 is reduced, the elastomeric pillar 4502 is pulled upward into the control channel 4504, thereby opening the end 4500b of the cell cage 4500 and allowing cell entry. Upon an increase in pressure in the control channel 4504, the pillar 4502 loosens downward relative to the substrate 4505 and prevents cells from exiting the cage 4500.

エラストマーピラー4502は、ケージ4500からの細胞の移動を妨げるに十分なサイズおよび数であるが、またギャップ4508を備え、このギャップ4508は、ケージ内部4500aの中に貯蔵される細胞を維持するために、その中に栄養分が流れることを可能にする。反対端4500c上のピラー4502は、第2の制御チャネル4506の下に同様に構成され、所望されるように、ケージの開口および細胞の除去を可能にする。   Elastomeric pillar 4502 is sized and numbered to prevent migration of cells from cage 4500, but also includes gap 4508, which maintains the cells stored in cage interior 4500a. , Allowing nutrients to flow in it. A pillar 4502 on the opposite end 4500c is similarly configured under the second control channel 4506 to allow opening of the cage and removal of cells as desired.

特定の状況下では、成分断片にアクセスするために、細胞または他の生物学的物質を粉砕/崩壊することが所望され得る。   Under certain circumstances, it may be desirable to disrupt / disintegrate cells or other biological material to access component fragments.

従って、図46Aおよび46Bは、本発明に従う細胞研削盤構造4600の1つの実施態様の、それぞれ、平面図および断面図(線46B−46B’に沿う)を示す。細胞研削盤4600は、制御チャネル4608を重ねることによって一体膜4606の作動の際に一緒に閉じるフローチャネル4604内のかみ合わせ柱4602のシステムを備える。一緒に閉じることによって、柱4602は、それらの間に存在する物質を粉砕する。   Accordingly, FIGS. 46A and 46B show a plan view and a cross-sectional view (along line 46B-46B '), respectively, of one embodiment of a cell grinder structure 4600 according to the present invention. The cell grinder 4600 includes a system of interlocking posts 4602 in the flow channel 4604 that close together upon actuation of the integral membrane 4606 by overlapping the control channels 4608. By closing together, the pillars 4602 break up the material present between them.

柱4602は、所定のサイズの実体(細胞)を破壊するに適切な間隔で間隔を空けられる。細胞物質の破壊のために、約2μmの間隔で柱4602の間隔をあけることが適切である。本発明に従う細胞粉砕構造の別の実施態様において、柱4602は、上に重なる膜に全体的に配置され得るか、または制御チャネルのフロアに全体的に配置され得る。   The pillars 4602 are spaced at an appropriate interval to destroy a predetermined size entity (cell). For the destruction of the cellular material, it is appropriate to have the posts 4602 spaced about 2 μm apart. In another embodiment of the cell grinding structure according to the present invention, the posts 4602 can be disposed entirely on the overlying membrane or can be disposed generally on the floor of the control channel.

図44A〜44Dに示されて例示される交差フローチャネルアーキテクチャは、ここに
記載された細胞ペン以外の機能を行うために用いられ得る。例えば、クロスフローチャネルアーキテクチャは、用途を最大にする際に利用され得る。
The cross-flow channel architecture shown and illustrated in FIGS. 44A-44D can be used to perform functions other than the cell pen described herein. For example, a crossflow channel architecture can be utilized in maximizing applications.

これは、図69A−Bに示される。図69A−Bは、本発明の別の実施形態に従う微細作製された構造によって行われる工程を混合する平面図を示す。具体的には、微細作製された混合構造の部分7400は、第二のフローチャネル7404に直交し、第二のフローチャネル7404と交差する第一のフローチャネル7402を含む。制御チャネル7406は、フローチャネル7402および7404の上に横たわり、各交差部7412を取り囲むバルブペア7408a−bおよび7408c−dを形成する。   This is shown in FIGS. 69A-B. FIGS. 69A-B show plan views of mixing steps performed by a microfabricated structure according to another embodiment of the present invention. Specifically, the microfabricated mixed structure portion 7400 includes a first flow channel 7402 that is orthogonal to and intersects the second flow channel 7404. Control channel 7406 lies over flow channels 7402 and 7404 and forms valve pairs 7408a-b and 7408c-d that surround each intersection 7412.

図69Aに示されるように、バルブペア7408a−bは、当初は開かれて、バルブペア7408c−dは、閉じられており、流体サンプル7410は、フローチャネル7402を通じて交差部7412に流される。バルブペア7408c−dは、次いで、作動されて、流体サンプル7410を交差部7412においてトラップする。   As shown in FIG. 69A, valve pair 7408a-b is initially opened, valve pair 7408c-d is closed, and fluid sample 7410 is flowed to intersection 7412 through flow channel 7402. Valve pair 7408c-d is then actuated to trap fluid sample 7410 at intersection 7412.

次に、図69Bに示されるように、バルブペア7408a−bは、開かれ、その結果、流体サンプル7410は、交差部7412から、流体のクロスフローを生じるフローチャネル7404に注入される。図69A−Bに示されるプロセスは、任意数の流体サンプルをクロスフローチャネル7404の下方に安全に分配するように繰り返され得る。   Next, as shown in FIG. 69B, the valve pair 7408a-b is opened so that the fluid sample 7410 is injected from the intersection 7412 into the flow channel 7404 resulting in a fluid cross-flow. The process shown in FIGS. 69A-B can be repeated to safely dispense any number of fluid samples below the crossflow channel 7404.

図69A−69Bに示されるクロスフロー注入構造は、2セットの制御ラインを含む。一方は、各軸に沿って分配されたバルブペアを制御するためである。しかしながら、特定の用途では、それは、フローチャネルに沿って配置されたバルブを独立して作動させることが可能であるため貴重であり得る。   The crossflow injection structure shown in FIGS. 69A-69B includes two sets of control lines. One is to control the valve pairs distributed along each axis. However, in certain applications, it can be valuable because it is possible to independently operate valves located along the flow channel.

このような独立のバルブ作動を達成するために、3つのエラストマー層からエラストマー構造を形成することが有用であり得る。この実施形態は、図78に関連して示される。図78は、独立制御可能なバルブとして機能するフローチャネルアレイの行の平面図を示す。   In order to achieve such independent valve actuation, it may be useful to form an elastomeric structure from three elastomer layers. This embodiment is shown in connection with FIG. FIG. 78 shows a top view of a row of flow channel arrays that function as independently controllable valves.

具体的には、フローチャネルアレイ8300は、中間エラストマー層において形成された平行なフローチャネル8304の第一のセットおよび平行なフローチャネル8306の第二のセット(その一方のみが図77に示される)を含む。第一の平行なフローチャネル8304の第二の平行なフローチャネル8306との交差部は、交差部8308のアレイを規定する。   Specifically, the flow channel array 8300 includes a first set of parallel flow channels 8304 and a second set of parallel flow channels 8306 formed in an intermediate elastomer layer (only one of which is shown in FIG. 77). including. The intersection of the first parallel flow channel 8304 with the second parallel flow channel 8306 defines an array of intersections 8308.

各フローチャネル接合部8308は、接合部を出入りする物質のフローを支配するバルブ8310によって取り囲まれる。第一の制御チャネル8312および第二の制御チャネル8314は、中間エラストマー層の下に存在し、基板をオーバーレイする第一のエラストマー層内の凹部によって規定される。第一の制御チャネル8312上のフローチャネル8304のオーバーラップは、底部バルブ8310aを規定する。第二の制御チャネル8314上のフローチャネル8306のオーバーラップは、左のバルブ8310bを規定する。   Each flow channel junction 8308 is surrounded by a valve 8310 that governs the flow of material in and out of the junction. The first control channel 8312 and the second control channel 8314 exist below the intermediate elastomer layer and are defined by a recess in the first elastomer layer that overlays the substrate. The overlap of the flow channel 8304 on the first control channel 8312 defines the bottom valve 8310a. The overlap of the flow channel 8306 on the second control channel 8314 defines the left valve 8310b.

第三の制御チャネル8316および第四の制御チャネル8318は、中間エラストマー層にオーバーレイする第二のエラストマー層内の凹部によって規定される。第三の制御チャネル8316およびフローチャネル8304のオーバーラップは、頂部バルブ8310cを規定する。第四の制御チャネル8318およびフローチャネル8306のオーバーラップは、右のバルブ8310dを規定する。   Third control channel 8316 and fourth control channel 8318 are defined by a recess in the second elastomer layer overlaying the intermediate elastomer layer. The overlap of the third control channel 8316 and the flow channel 8304 defines the top valve 8310c. The overlap of the fourth control channel 8318 and the flow channel 8306 defines the right valve 8310d.

構造8300の動作中、第一の物質8320は、フローチャネル8306に沿って流され得るが、頂部バルブ8310cおよび底部バルブ8310aは、閉じたままである。次に、右のバルブ8310dおよび左のバルブ8310bは、閉じられて、物質8320をフローチャネル8306の中間領域8306aにトラップし得る。頂部バルブ8310cおよび底部バルブ8310aを開く際、第二の物質8324は、フローチャネル8306に沿って流され得る。   During operation of structure 8300, first material 8320 can be flowed along flow channel 8306, while top valve 8310c and bottom valve 8310a remain closed. Next, the right valve 8310d and the left valve 8310b may be closed to trap the substance 8320 in the middle region 8306a of the flow channel 8306. In opening the top valve 8310 c and the bottom valve 8310 a, the second material 8324 can flow along the flow channel 8306.

第四の制御チャネル8318は、次いで、不活化されて、右のバルブ8310dを選択的に開き得、これにより、フローチャネル8306の内部接合領域8306aに存在する第一の物質8322と接触して接合部8308に存在する第二の物質8324を配置する。ここに記載された方法では、平行なフローチャネルの垂直の交差部のセットは、分離された化学環境のアレイを生成するために利用され得る。このような構造のための一つのアプローチは、以下に記載されるような、高いスループットの物質の結晶化にある。   The fourth control channel 8318 can then be deactivated to selectively open the right valve 8310d, thereby contacting and bonding with the first material 8322 present in the internal bonding region 8306a of the flow channel 8306. A second substance 8324 present in the part 8308 is arranged. In the method described herein, a set of vertical intersections of parallel flow channels can be utilized to generate an array of separated chemical environments. One approach for such a structure is high-throughput material crystallization, as described below.

フローチャネル接合部を取り囲むバルブのそれぞれ上の独立した制御(図77に記載されるような)は、独立した作動可能な、非交差の制御ラインを単一のエラストマー層において提供することができないため、2つのみのエラストマー層から形成された構造を利用することを達成することが困難である。フローチャネルの上方および下方の両方の制御ラインの供給は、このため、単一の制御層のみを利用して実現可能でない動作の複雑さおよび可動性を表わすフロー構造を設計および製造することが可能になり得る。   Independent control (as described in FIG. 77) on each of the valves surrounding the flow channel junction cannot provide an independently operable, non-crossing control line in a single elastomer layer. It is difficult to achieve utilizing a structure formed from only two elastomer layers. The supply of control lines both above and below the flow channel thus allows the design and manufacture of flow structures that represent operational complexity and mobility that are not feasible using only a single control layer Can be.

(8.圧力発振器)
本発明のなおさらなる適用において、エラストマー構造は、電子工学の分野にしばしば用いられる発振器回路に類似する圧力発振器構造を作製するために利用され得る。図47は、このような圧力発振器構造の1つの実施態様の平面図を示す。
(8. Pressure oscillator)
In still further applications of the present invention, the elastomeric structure can be utilized to create a pressure oscillator structure similar to the oscillator circuit often used in the electronics field. FIG. 47 shows a plan view of one embodiment of such a pressure oscillator structure.

圧力発振器4700は、エラストマーブロック4702の中に形成されるフローチャネル4704を特徴とするエラストマーブロック4702を備える。フローチャネル4704は、圧力源4706に近位の開始部4704a、および圧力源4706から遠位の蛇行部4704bを備える。開始部4704aは、フローチャネル4704のレベルの上のエラストマーブロック4702中に形成される制御チャネル4710と流体連絡している4708を通じて接触している。4708を通じるよりも圧力源4706からより遠位の位置にて、制御チャネル4710は、フローチャネル4704の上に重なり、そしてエラストマー膜によってフローチャネル4704から分離され、それによって上記のようなバルブ4712を形成する。   The pressure oscillator 4700 includes an elastomeric block 4702 that features a flow channel 4704 formed in the elastomeric block 4702. The flow channel 4704 includes a start 4704 a proximal to the pressure source 4706 and a serpentine 4704 b distal from the pressure source 4706. Initiator 4704a is in contact through 4708 in fluid communication with a control channel 4710 formed in elastomer block 4702 above the level of flow channel 4704. At a location more distal from the pressure source 4706 than through 4708, the control channel 4710 overlies the flow channel 4704 and is separated from the flow channel 4704 by an elastomeric membrane, thereby connecting the valve 4712 as described above. Form.

圧力発振器構造4700は、以下の通りに作動する。最初に、圧力源4706は、4708を通じてフローチャネル4704および制御チャネル4710に沿って圧力を提供する。フローチャネル4704bの蛇行形状のために、圧力は、フローチャネル4710と比較した場合、領域4704b中でより低い。バルブ4712において、蛇行フローチャネル部4704bと重なる制御チャネル4710との間の圧力差は、最終的に、バルブ4712の膜が蛇行フローチャネル部4704b中に下方に突き出し、バルブ4712を閉じることを引き起こす。しかし、圧力源4706の連続性動作のために、圧力は、閉じたバルブ4712の後ろの蛇行フローチャネル部4704b中に増加し始める。最終的に、この圧力は、制御チャネル4710と蛇行フローチャネル部4704bとの間で同じになり、そしてバルブ4712が開く。   The pressure oscillator structure 4700 operates as follows. Initially, pressure source 4706 provides pressure along flow channel 4704 and control channel 4710 through 4708. Due to the serpentine shape of the flow channel 4704b, the pressure is lower in the region 4704b when compared to the flow channel 4710. In valve 4712, the pressure difference between the serpentine flow channel portion 4704b and the overlapping control channel 4710 will eventually cause the membrane of the valve 4712 to protrude downward into the serpentine flow channel portion 4704b and close the valve 4712. However, due to the continuous operation of the pressure source 4706, the pressure begins to increase into the serpentine flow channel portion 4704b behind the closed valve 4712. Eventually, this pressure will be the same between the control channel 4710 and the serpentine flow channel portion 4704b, and the valve 4712 will open.

圧力源の連続性動作を仮定すれば、上記の増加および圧力の開放は、限りなく持続し、圧力の規則的な発振を生じる。このような圧力発振デバイスは、いくつもの可能な機能(タイミングを含むがこれに限定されない)を実行し得る。   Assuming continuous operation of the pressure source, the above increase and release of pressure lasts indefinitely, resulting in a regular oscillation of pressure. Such a pressure oscillating device may perform a number of possible functions, including but not limited to timing.

(9.側面作動バルブ)
先の記載は、制御チャネルが上に配置され、かつ下にあるフローチャネルからエラストマー膜に介入することによって分離される微細製作されたエラストマーバルブ構造に焦点を当てるが、本発明は、この構成に限定されない。図48Aおよび48Bは、本発明の1つの実施態様に従う側面作動バルブ構造の1つの実施態様の平面図を示す。
(9. Side operation valve)
While the above description focuses on a microfabricated elastomeric valve structure in which the control channel is positioned above and separated from the underlying flow channel by intervening in the elastomeric membrane, the present invention is directed to this configuration. It is not limited. 48A and 48B show plan views of one embodiment of a side actuated valve structure in accordance with one embodiment of the present invention.

図48Aは、非作動性位置にある側面作動バルブ構造4800を示す。フローチャネル4802は、エラストマー層4804中に形成される。フローチャネル4802に隣接する制御チャネル4806もまた、エラストマー層4804中に形成される。制御チャネル4806は、エラストマー膜部4808によってフローチャネル4802から分離される。第2のエラストマー層(示さず)は、下部エラストマー層4804の一面に結合され、フローチャネル4802および制御チャネル4806を密封する。   FIG. 48A shows the side-actuated valve structure 4800 in the inoperative position. A flow channel 4802 is formed in the elastomeric layer 4804. A control channel 4806 adjacent to the flow channel 4802 is also formed in the elastomeric layer 4804. Control channel 4806 is separated from flow channel 4802 by elastomeric membrane portion 4808. A second elastomer layer (not shown) is bonded to one side of the lower elastomer layer 4804 and seals the flow channel 4802 and the control channel 4806.

図48Bは、作動位置にある側面作動バルブ構造4800を示す。制御チャネル4806内の圧力の増加に応答して、膜4808は、フローチャネル4802へと変形し、フローチャネル4802をブロックする。制御チャネル4806内の圧力の解放の際に、膜4808は、制御チャネル4806中にゆるんで戻り、そしてフローチャネル4802を開く。   FIG. 48B shows the side actuated valve structure 4800 in the actuated position. In response to an increase in pressure in the control channel 4806, the membrane 4808 deforms into the flow channel 4802 and blocks the flow channel 4802. Upon release of pressure in the control channel 4806, the membrane 4808 loosely returns into the control channel 4806 and opens the flow channel 4802.

圧力に応答して作動した側面作動バルブ構造は、図48Aおよび48Bに示されるが、本発明に従う側面作動バルブは、この構成に限定されない。例えば、隣接するフローチャネルと制御チャネルとの間に位置するエラストマー膜部は、先に広汎に記載されるように、電場または磁場によって代替的に操作され得る。   A side-actuated valve structure that operates in response to pressure is shown in FIGS. 48A and 48B, but a side-actuated valve according to the present invention is not limited to this configuration. For example, an elastomeric membrane portion located between adjacent flow channels and control channels can alternatively be manipulated by an electric or magnetic field, as described extensively above.

(10.さらなる適用)
以下は、本発明のさらなる局面を表す:本発明のバルブおよびポンプは、薬物送達に(例えば、移植用薬物送達デバイスにおいて);生物学的流体のサンプリングに(例えば、サンプル間にスペーサー流体の栓を備えるカラムに連続してサンプルを貯蔵することによって)使用され得、ここでこのサンプルは、異なる貯蔵容器中に流され得るか、または適切なセンサ(単数または複数)に直接的に通され得る。このような流体サンプリングデバイスはまた、患者の身体において実行され得る。
(10. Further application)
The following represent further aspects of the present invention: the valves and pumps of the present invention for drug delivery (eg, in an implantable drug delivery device); for biological fluid sampling (eg, spacer fluid plugs between samples) By continuously storing the sample in a column comprising: the sample can be flowed into different storage containers or passed directly through the appropriate sensor (s) . Such a fluid sampling device can also be implemented in the patient's body.

本発明のシステムはまた、微細バルブまたはポンプを使用してインビボで過剰な圧力を取り除くデバイスに使用され得る。例えば、移植用生体適合性微細バルブは、緑内障から生じる、眼内の過剰な圧力を取り除くために使用され得る。本発明の切り替え可能な微細バルブの他の意図される用途には、精管またはファローピウス管の移植が挙げられ、これは、薬物を使用することなく、可逆性の長期または短期の出産の制御を可能にする。   The system of the present invention can also be used in devices that remove excess pressure in vivo using a fine valve or pump. For example, an implantable biocompatible microvalve can be used to remove excess pressure in the eye resulting from glaucoma. Other contemplated uses of the switchable microvalve of the present invention include vas deferens or fallopian tube implantation, which controls reversible long-term or short-term delivery without the use of drugs. Enable.

本発明のさらなる用途には、DNA配列決定が挙げられ、これによって配列決定されるべきDNAが、ポリメラーゼおよびプライマーとともに提供され、次いで、塩基取り込みについて迅速にアッセイするために、1つの型のDNA塩基(A、C、T、またはG)に同時に曝露される。このようなシステムにおいて、これらの塩基は、このシステム内に流され、そして過剰な塩基が、迅速に洗浄によって除去されなければならない。本発明に従うエラストマー微細バルブによってゲート制御される圧力駆動フローは、理想的には、このような急速なフローおよび試薬の洗浄を可能にするに適切である。   Further uses of the present invention include DNA sequencing, whereby the DNA to be sequenced is provided with a polymerase and primers, and then a type of DNA base to rapidly assay for base incorporation. Simultaneous exposure to (A, C, T, or G). In such a system, these bases are flushed through the system and excess base must be quickly removed by washing. A pressure driven flow gated by an elastomeric microvalve according to the present invention is ideally suited to allow such rapid flow and reagent cleaning.

本発明の微細バルブおよび微細ポンプシステムの他の意図される用途には、DNAチップでの用途が挙げられる。例えば、サンプルは、ループ状チャネルへと流され、そして蠕動作用を備えるループの回りにポンプされ得、その結果、このサンプルは、DNAアレイ
のプローブに対して多くの通路を作製し得る。このようなデバイスは、サンプルに、代わりの相補性プローブに結合する機会を与えるが、通常は、非相補性プローブ上に存在して、消耗される。このようなループ状フローシステムの利点は、このシステムが必要とするサンプル容量を減少させ、それによってアッセイの感度を増加させることである。
Other contemplated uses of the microvalve and micropump system of the present invention include use with DNA chips. For example, the sample can be flowed into a looped channel and pumped around a loop with scissors action so that the sample can create many passages for the probes of the DNA array. Such a device gives the sample an opportunity to bind to an alternative complementary probe, but is usually present and consumed on non-complementary probes. The advantage of such a looped flow system is that it reduces the sample volume required by the system, thereby increasing the sensitivity of the assay.

さらなる適用は、少量の液体の分配によってか、または高感度検出がアッセイの感度を実質的に改善するビーズベースのアッセイによって、適用が有益になり得る、ハイスループットスクリーニングにある。   A further application is in high-throughput screening where application can be beneficial by dispensing small volumes of liquid or by bead-based assays where sensitive detection substantially improves the sensitivity of the assay.

別の意図される適用は、種々の化学物質、特にオリゴヌクレオチドのアレイの堆積であり、これは、所望の基板に近接するエラストマーデバイス中の流体チャネル出口を通じて密着印刷を介してか、またはインクジェット印刷に類似するプロセスによって、基板上のパターンまたはアレイに堆積する前に、このデバイスの予備作用において化学的に微細製作されてもされなくてもよい。   Another contemplated application is the deposition of an array of various chemicals, particularly oligonucleotides, either through contact printing through fluid channel outlets in an elastomeric device proximate to the desired substrate, or inkjet printing. The process may or may not be chemically microfabricated in a preliminary operation of the device prior to deposition into a pattern or array on the substrate.

本発明の微細製作されたエラストマーバルブおよびポンプはまた、オリゴヌクレオチド、ペプチドまたは他の生体ポリマーの合成のための試薬の分配、混合および反応についてのシステムを構築するために使用され得る。   The microfabricated elastomeric valves and pumps of the present invention can also be used to build systems for reagent dispensing, mixing and reaction for the synthesis of oligonucleotides, peptides or other biopolymers.

本発明のさらなる適用は、インクジェット印字ヘッドを備え、この場合、小開口部は、液滴を発射するに十分な圧力パルスを生じるように使用される。本発明に従う適切な作動微細バルブは、このような圧力パルスを作製し得る。本発明の微細バルブおよびポンプはまた、必ずしも単一の液滴程度に少量ではない量において、インクまたは色素をデジタル的に分配するために使用され得る。液滴は、空気中に発射されることが必要とされるのではなく、印刷される媒体との接触をもたらされる。   A further application of the present invention comprises an ink jet print head, where a small opening is used to produce a pressure pulse sufficient to fire a droplet. A suitable actuating microvalve according to the invention can produce such a pressure pulse. The microvalves and pumps of the present invention can also be used to digitally dispense inks or dyes in quantities not necessarily as small as a single droplet. The droplets are not required to be fired into the air, but are brought into contact with the medium to be printed.

本発明をさらに使用することにより、結合材料または他の材料でパターン化されたガラス基板を利用して、下にある基板(例えば、ガラス)からのこの構造の容易な除去および再付着を利用する。このことは、パターン化された基板およびエラストマー構造の別々の構築を可能にする。例えば、ガラス基板は、DNA微細アレイでパターン化され、そしてエラストマーバルブおよびポンプ構造は、次の工程で、アレイ上に密封され得る。   Further use of the present invention takes advantage of the easy removal and reattachment of this structure from an underlying substrate (eg, glass) utilizing a glass substrate patterned with a bonding material or other material. . This allows separate construction of the patterned substrate and elastomeric structure. For example, a glass substrate can be patterned with a DNA microarray and the elastomeric valve and pump structure can be sealed onto the array in the next step.

(11.本発明のさらなる局面)
以下は、本発明のさらなる局面を表す:エラストマー構造の微細製作されたチャネル内の流体の流れを制御する湾曲可能な膜の使用;微細製作された可動部を備える微細製作されたエラストマーデバイスを作製するエラストマー層の使用;および微細製作されたバルブまたはポンプを作製するエラストマー材料の使用。
(11. Further aspects of the present invention)
The following represents a further aspect of the present invention: the use of a bendable membrane to control the flow of fluid in a microfabricated channel of an elastomeric structure; making a microfabricated elastomer device with microfabricated moving parts The use of elastomeric layers; and the use of elastomeric materials to make microfabricated valves or pumps.

本発明の1つの実施態様に従う微細製作されたエラストマー構造は、エラストマーブロック内に微細製作された凹部を形成されたエラストマーブロックを備える(ここでエラストマーブロックの部分は、この部分が作動される場合に湾曲可能である)。これらの凹部は、第1の微細製作されたチャネルおよび第1の微細製作された凹部を備え、そしてこの部分は、エラストマー膜が作動された場合に、第1の微細製作されたチャネル中に湾曲可能なエラストマー膜を備える。これらの凹部は、10μm〜200μmの範囲の幅を有し、そしてこの部分は、約2μmと50μmとの間の厚さを有する。微細製作されたエラストマー構造は、100Hz以上の速度で作動され得、そしてこの部分が作動される場合に、実質的に死容量(dead volume)を備えない。   A microfabricated elastomeric structure according to one embodiment of the invention comprises an elastomeric block formed with microfabricated recesses in an elastomeric block (wherein the part of the elastomeric block is when this part is actuated). Bendable). These recesses comprise a first microfabricated channel and a first microfabricated recess, and this portion curves into the first microfabricated channel when the elastomeric membrane is activated. With possible elastomeric membranes. These recesses have a width in the range of 10 μm to 200 μm, and this portion has a thickness between about 2 μm and 50 μm. The microfabricated elastomeric structure can be operated at speeds of 100 Hz and above and is substantially free of dead volume when this part is activated.

エラストマー構造を作動させる方法は、エラストマーブロック内の第1および第2の微細製作された凹部(作動力に応答して第1および第2の凹部のうちの一方に湾曲可能なエ
ラストマーブロックの膜部分によって分離される第1および第2の微細製作された凹部)で形成されたエラストマーブロックを提供すること、ならびに膜部分が第1および第2の凹部のうちの一方に湾曲されるように、膜部分に作動力を印加することを包含する。
A method of actuating an elastomeric structure includes the steps of first and second microfabricated recesses in an elastomer block (a membrane portion of an elastomer block that can be bent into one of the first and second recesses in response to an actuation force. The first and second microfabricated recesses separated by the membrane and the membrane portion so that the membrane portion is curved into one of the first and second recesses Including applying an actuation force to the portion.

本発明の1つの実施態様に従うエラストマー構造を微細製作する方法は、基板上に第1のエラストマー層を形成すること、第1のエラストマー層を硬化させること、ならびに第1のエラストマー層上に第1の犠牲層をパターン化することを包含する。第2のエラストマー層は、第1のエラストマー層上に形成され、それによって、第1と第2のエラストマー層との間に第1のパターン化された犠牲層をカプセル化し、第2のエラストマー層が硬化され、そして第1のパターン化された犠牲層が、第1のエラストマー層および第2のエラストマー層に選択的に取り除かれ、それによってエラストマーの第1と第2の層との間に少なくとも1つの第1の凹部を形成する。   A method of microfabricating an elastomeric structure according to one embodiment of the present invention includes forming a first elastomer layer on a substrate, curing the first elastomer layer, and first on the first elastomer layer. Patterning the sacrificial layer. The second elastomer layer is formed on the first elastomer layer, thereby encapsulating the first patterned sacrificial layer between the first and second elastomer layers, and the second elastomer layer. Is cured and the first patterned sacrificial layer is selectively removed to the first elastomer layer and the second elastomer layer, thereby at least between the first and second layers of elastomer. One first recess is formed.

加工する方法の別の実施態様はさらに、第2のパターン化された犠牲層が、第1のパターン化された犠牲層の除去の間に除去され、第1のエラストマー層の下部に沿って少なくとも1つの凹部を形成するように、第1のエラストマー層を形成する前に基板上に第2の犠牲層をパターン化することを包含する。   Another embodiment of the method of processing further includes removing the second patterned sacrificial layer during removal of the first patterned sacrificial layer, at least along the bottom of the first elastomeric layer. Patterning a second sacrificial layer on the substrate prior to forming the first elastomeric layer to form one recess.

本発明の1つの実施態様に従う微細製作されたエラストマー構造は、エラストマーブロック、エラストマー構造の分離部によって分離された第1チャネルおよび第2チャネル、ならびに分離部に近接したエラストマーブロック中に微細製作された凹部を備え、その結果、この分離部は、微細製作された凹部66中に湾曲されるように作動され得る。分離部の湾曲は、第1チャネルと第2チャネルとの間に通路を開く。   A microfabricated elastomeric structure according to one embodiment of the present invention is microfabricated in an elastomeric block, first and second channels separated by a separator of the elastomeric structure, and an elastomeric block proximate to the separator. With a recess so that this separation can be actuated to be curved into the microfabricated recess 66. The curvature of the separation part opens a passage between the first channel and the second channel.

エラストマー構造を通じる流体および気体を制御する方法は、エラストマーブロック、第1、第2および第3の微細製作された凹部を有するエラストマーブロック、ならびにブロックを通る第1の微細製作されたチャネル、第1のチャネル中に湾曲可能な、それぞれ、第1、第2および第3の膜によって第1チャネルから分離される第1、第2および第3の微細製作された凹部を有するエラストマーブロックを提供すること、ならびに反復的に連続して第1チャネル中に第1、第2および第3の膜を湾曲させ、第1チャネルを通じて流体の流れを蠕動的にポンプすることを包含する。   A method for controlling fluid and gas through an elastomeric structure includes an elastomeric block, an elastomeric block having first, second, and third microfabricated recesses, and a first microfabricated channel through the block, first An elastomeric block having first, second, and third microfabricated recesses that are bendable in the first channel and separated from the first channel by first, second, and third membranes, respectively. , And repeatedly and continuously bending the first, second and third membranes into the first channel and pumping fluid flow through the first channel.

エラストマー構造を微細製作する方法は、第1のエラストマー層を微細製作すること、第2のエラストマー層を微細製作すること;第1のエラストマー層の上に第2のエラストマー層を配置すること;ならびに第1のエラストマー層の上部表面上に第2のエラストマー層の下部表面を結合させることを包含する。   A method of microfabricating an elastomeric structure includes microfabricating a first elastomer layer, microfabricating a second elastomer layer; disposing a second elastomer layer over the first elastomer layer; and Including bonding the lower surface of the second elastomer layer onto the upper surface of the first elastomer layer.

(代替的デバイス製作法)
上述の図1〜図7および図8〜図18は、それぞれ、本発明によるエラストマー構造を製作する多層ソフトリソグラフィおよびカプセル化方法の実施形態を示す。しかしながら、これらの製作方法は、例示にすぎず、エラストマー構造を生成するためにこれらの技術の変形が用いられ得る。
(Alternative device manufacturing method)
FIGS. 1-7 and 8-18 described above illustrate embodiments of multilayer soft lithography and encapsulation methods, respectively, for fabricating elastomeric structures according to the present invention. However, these fabrication methods are exemplary only and variations of these techniques can be used to produce elastomeric structures.

例えば、図3および図4は、多層ソフトリソグラフィ技術を利用するエラストマー構造を示し、ここで、上部エラストマー層の凹部を有する面は、下部エラストマー層の凹部を有しない面の上に配置される。しかしながら、本発明は、この構成に限定されない。   For example, FIGS. 3 and 4 show an elastomeric structure that utilizes multilayer soft lithographic techniques, where the surface of the upper elastomer layer with the recesses is disposed over the surface of the lower elastomer layer without the recesses. However, the present invention is not limited to this configuration.

図50は、エラストマー層の代替的配向を表すエラストマー構造5410を示し、ここで、より大きいサイズのチャネル5408を生成するために、第1のエラストマー層5404の凹部を有する面5400および第2のエラストマー層5406の凹部を有する面5
402は、接触するようにそれぞれ配置される。あるいは、図51は、エラストマー層の配向を示し、ここで、凹部を有する面5500および5502は、接触するように配置されるので、凹部は、構造の両側に配置される。このようなエラストマー構造5512は、互いに交差するチャネル5504および5506を生成するように、基板5508と5510とにはさまれ得る。
FIG. 50 shows an elastomeric structure 5410 that represents an alternative orientation of the elastomeric layer, where a surface 5400 having a recess in the first elastomeric layer 5404 and a second elastomer to produce a larger sized channel 5408. Layer 5406 with concave surface 5
402 is each arrange | positioned so that it may contact. Alternatively, FIG. 51 shows the orientation of the elastomer layer, where the recesses 5500 and 5502 are placed in contact so that the recesses are placed on both sides of the structure. Such an elastomeric structure 5512 can be sandwiched between the substrates 5508 and 5510 to create channels 5504 and 5506 that intersect each other.

図52A〜図52Dは、カプセル化方法を利用するフローチャネル架橋構造を構成する工程の種々の図を示す。具体的には、図52Aは、架橋構造5602の下部エラストマー部分5600の形成の断面図を示す。図52Bは、架橋構造の上部エラストマー部分5604の構成の断面図を示す。図52Cは、架橋構造5602を形成する上部エラストマー部分5604および下部エラストマー部分5600の構成を示し、ここで、チャネル5606内を流れる流体は、矢印によって示されるように、ビア5610および5612ならびにかつ架橋部分5614を通って交差チャネル5608の上を架橋する。図52Dは、架橋構造5602の平面図を示し、上部エラストマーの架橋部分5614が実線で、および下に位置する下部エラストマー層における特徴が輪郭で示される。この構造は、下部層におけるビアの形成を必要とするが、複数の液体の流れが単層内で、および混合することなく互いに交差して流れることを可能にする。   52A-52D show various views of the process of constructing a flow channel bridge structure utilizing an encapsulation method. Specifically, FIG. 52A shows a cross-sectional view of the formation of the lower elastomer portion 5600 of the crosslinked structure 5602. FIG. 52B shows a cross-sectional view of the configuration of the crosslinked elastomeric upper elastomer portion 5604. FIG. 52C shows the configuration of an upper elastomeric portion 5604 and a lower elastomeric portion 5600 that form a bridging structure 5602, where the fluid flowing in the channel 5606 passes through vias 5610 and 5612 and as well as the bridging portion. Bridge over crossing channel 5608 through 5614. FIG. 52D shows a top view of the cross-linked structure 5602, with the upper elastomeric cross-linked portion 5614 shown as a solid line and features in the underlying lower elastomer layer as outlined. This structure requires the formation of vias in the lower layer, but allows multiple liquid flows to flow in a single layer and across each other without mixing.

(13.複合構造)
図38のマイクロミラーアレイ構造との関連ですでに議論されたように、本発明の製作されたエラストマー構造は、複合構造を生成するために非エラストマー材料と組み合わされ得る。このような複合構造の製作は、ここで、さらに詳細に議論される。
(13. Composite structure)
As already discussed in connection with the micromirror array structure of FIG. 38, the fabricated elastomeric structure of the present invention can be combined with a non-elastomeric material to produce a composite structure. The fabrication of such a composite structure will now be discussed in further detail.

図53Aは、本発明による複合構造の1実施形態の断面図を示す。図53Aは、中にチャネル5706が形成された半導体タイプの基板5704の上に位置する第1の薄いエラストマー層5702を含む、複合バルブ構造5700を示す。第2のより厚いエラストマー層5708は、第1のエラストマー層5702上に位置する。第1のエラストマー層5702をチャネル5706に入れ込むために駆動して、複合構造5700がバルブとして働くようにする。   FIG. 53A shows a cross-sectional view of one embodiment of a composite structure according to the present invention. FIG. 53A shows a composite valve structure 5700 that includes a first thin elastomeric layer 5702 located over a semiconductor-type substrate 5704 having a channel 5706 formed therein. A second thicker elastomer layer 5708 is located on the first elastomer layer 5702. The first elastomer layer 5702 is driven to enter the channel 5706, causing the composite structure 5700 to act as a valve.

図53Aは、基板材料内に形成されたフローチャネルの壁および底部を示すが、本発明は、この特定の構成に限定されない。他の特徴もまた基板において規定され得、ウェルまたは流体を収容するチャンバを含むが、これらに限定されない。   Although FIG. 53A shows the flow channel walls and bottom formed in the substrate material, the invention is not limited to this particular configuration. Other features may also be defined in the substrate, including but not limited to wells or chambers containing fluids.

図53Bは、図53Aの主題の変形の断面図を示し、ここで、薄いエラストマー層5802は、2つの硬質の半導体基板5804と5806とにはさまれ、下部基板5804は、チャネル5808を備える。再び、薄いエラストマー層5802をチャネル5808の中に入れ込むために駆動して、複合構造5810がバルブとして働くようにする。   53B shows a cross-sectional view of a variation of the subject matter of FIG. 53A, in which a thin elastomeric layer 5802 is sandwiched between two rigid semiconductor substrates 5804 and 5806, and the lower substrate 5804 comprises a channel 5808. FIG. Again, the thin elastomeric layer 5802 is driven to enter the channel 5808, causing the composite structure 5810 to act as a valve.

図53A〜図53Bにおいて示される構造が、上述の多層ソフトリソグラフィまたはカプセル化技術を利用して製作され得る。多層ソフトリソグラフィ法において、エラストマー層(単数または複数)が形成され、その後、チャネルまたは他の機能を有する半導体基板上に配置される。カプセル化方法にて、チャネルは、最初、半導体基板内に形成され、その後、このチャネルは、フォトレジスト等の犠牲材料で充填される。エラストマーは、その後、基板上の適所に形成され、犠牲材料が除去されて、エラストマー膜が上に載せられてチャネルを生成する。エラストマーと他のタイプの材料との接着と関連して後述されるように、カプセル化アプローチは、エラストマー膜コンポーネントと、下に位置する非エラストマー基板コンポーネントとの間に強力なシールをもたらし得る。   The structure shown in FIGS. 53A-53B can be fabricated utilizing the multilayer soft lithography or encapsulation techniques described above. In multilayer soft lithography methods, an elastomeric layer or layers are formed and then placed on a semiconductor substrate having channels or other functions. In the encapsulation method, a channel is first formed in a semiconductor substrate, and then the channel is filled with a sacrificial material such as a photoresist. The elastomer is then formed in place on the substrate, the sacrificial material is removed, and the elastomeric film is placed on top to create a channel. As described below in connection with adhesion of elastomers to other types of materials, the encapsulation approach can provide a strong seal between the elastomeric membrane component and the underlying non-elastomeric substrate component.

図53A〜図53Bに示されるように、本発明の実施形態による複合構造は、チャネル
またはチャンバといった受動機能(passive feature)を有する硬質の基板を含み得る。しかしながら、本発明は、このアプローチに限定されず、下に位置する硬質の基板は、凹部を有するエラストマーコンポーネントと相互作用する能動機能(active feature)を有し得る。
As shown in FIGS. 53A-53B, a composite structure according to an embodiment of the present invention may include a rigid substrate having a passive feature, such as a channel or a chamber. However, the present invention is not limited to this approach, and the underlying rigid substrate may have an active feature that interacts with an elastomer component having a recess.

これは、図54に示される。ここで、複合構造5900は、壁5906および天井5908を有する凹部5904を含むエラストマーコンポーネント5902を含む。天井5908は、可撓性膜部分5909を形成する。エラストマーコンポーネント5902は、能動デバイス5912を含む、実質的に平坦な非エラストマーコンポーネント5910に対してシールされる。能動デバイス5912は、凹部5904内に存在する材料および/または可撓性膜部分5909と相互作用し得る。   This is shown in FIG. Here, the composite structure 5900 includes an elastomer component 5902 that includes a recess 5904 having a wall 5906 and a ceiling 5908. The ceiling 5908 forms a flexible membrane portion 5909. Elastomeric component 5902 is sealed against a substantially flat non-elastomeric component 5910 that includes active device 5912. The active device 5912 can interact with the material present in the recess 5904 and / or the flexible membrane portion 5909.

図38との関連ですでに記載されたマイクロミラーアレイの実施形態において、下に位置する基板は、電極アレイの形態の能動構造を含んだ。しかしながら、他の複数のタイプの能動構造が非エラストマー基板内に存在し得る。下に位置する硬質の基板内に存在し得る能動構造は、レジスタ、キャパシタ、フォトダイオード、トランジスタ、化学的電界効果トランジスタ(chemFET)、アンペロメトリック/クーロメトリック電気化学センサ、光ファイバ、光ファイバ相互接続、発光ダイオード、レーザダイオード、面発光型半導体レーザ(VCSEL)、マイクロミラー、加速度センサ、圧力センサ、フローセンサ、CMOSイメージングアレイ、CCDカメラ、電子ロジック、マイクロプロセッサ、サーミスタ、ペルチエクーラ、導波管、抵抗加熱器、ケミカルセンサ、ひずみ計、インダクタ、アクチュエータ(静電、磁気、電磁、バイメタル、圧電、形状記憶合金ベース等のものを含む)、コイル、磁石、電磁石、磁気センサ(ハードドライブ、超伝導量子干渉デバイス(SQUIDS)および他のタイプにおいて用いられるもの等)、無線周波数源および受信器、マイクロ波周波数源および受信器、電磁スペクトルの他の領域の源および受信器、放射性粒子カウンタおよび電位計を含むが、これらに限定されない。   In the embodiment of the micromirror array already described in connection with FIG. 38, the underlying substrate included an active structure in the form of an electrode array. However, other types of active structures may exist in the non-elastomeric substrate. Active structures that may be present in the underlying rigid substrate include resistors, capacitors, photodiodes, transistors, chemical field effect transistors (chemFETs), amperometric / coulometric electrochemical sensors, optical fibers, optical fiber mutual Connection, light emitting diode, laser diode, surface emitting semiconductor laser (VCSEL), micromirror, acceleration sensor, pressure sensor, flow sensor, CMOS imaging array, CCD camera, electronic logic, microprocessor, thermistor, peltier, waveguide , Resistance heater, chemical sensor, strain gauge, inductor, actuator (including electrostatic, magnetic, electromagnetic, bimetal, piezoelectric, shape memory alloy base, etc.), coil, magnet, electromagnet, magnetic sensor (hard drive, ultra Conductivity Interference devices (such as those used in SQUIDS and other types), radio frequency sources and receivers, microwave frequency sources and receivers, sources and receivers in other regions of the electromagnetic spectrum, radioactive particle counters and electrometers Including, but not limited to.

当該分野に周知のように、膨大な種類の技術が、プリント回路基板(PCB)技術、CMOS、表面マイクロ機械加工、バルクマイクロ機械加工、プリント可能ポリマーエレクトロニクス、ならびにラップトップおよびフラットスクリーンディスプレイを製作するために用いられるようなTFTおよび他の多結晶/単結晶技術を含むが、これらに限定されない、半導体および他のタイプの硬質基板に能動機能を製作するために利用され得る。   As is well known in the art, a vast variety of technologies produce printed circuit board (PCB) technology, CMOS, surface micromachining, bulk micromachining, printable polymer electronics, and laptop and flat screen displays. Can be utilized to fabricate active functions in semiconductors and other types of rigid substrates, including but not limited to TFTs and other polycrystalline / single crystal technologies as used.

本発明の1実施形態による複合構造は、第1の凹部を備える表面を有する非エラストマー基板、その非エラストマー基板の上に位置する可撓性エラストマー膜、その第1の凹部の中に入れ込まれ(actuate)得る膜、および可撓性エラストマー膜の上に位置する層を含む。   A composite structure according to one embodiment of the present invention includes a non-elastomeric substrate having a surface with a first recess, a flexible elastomer film positioned on the non-elastomeric substrate, and embedded in the first recess. A membrane that can be actuated, and a layer overlying the flexible elastomeric membrane.

複合構造を形成する方法の実施形態は、第1の非エラストマー基板において凹部を形成する工程と、凹部を犠牲材料で充填する工程と、非エラストマー基板および充填された凹部上にエラストマー材料の薄被膜を形成する工程と、エラストマーを硬化して薄い膜を形成する工程と、犠牲材料を除去する工程とを包含する。   Embodiments of a method for forming a composite structure include forming a recess in a first non-elastomeric substrate, filling the recess with a sacrificial material, and a thin coating of elastomeric material on the non-elastomeric substrate and the filled recess. Forming a thin film by curing the elastomer, and removing the sacrificial material.

本発明の代替的実施形態による複合構造は、壁および天井を有する凹部を規定するエラストマーコンポーネントと、可撓性膜部分を形成する凹部の天井と、エラストマーコンポーネントに対してシールされた実質的に平坦な非エラストマーコンポーネントとを含み、非エラストマーコンポーネントは、少なくとも1つの膜部分および凹部内に存在する材料と相互作用する能動デバイスを含む。   A composite structure according to an alternative embodiment of the present invention comprises an elastomer component defining a recess having a wall and a ceiling, a ceiling of the recess forming a flexible membrane portion, and a substantially flat sealed against the elastomer component. A non-elastomeric component, wherein the non-elastomeric component includes an active device that interacts with the material present in the at least one membrane portion and the recess.

複合構造を製作する方法は、壁、および可撓性膜部分を形成する天井を有する凹部をエ
ラストマーコンポーネントに形成する工程と、材料を凹部内に配置する工程と、能動デバイスを含む実質的に平坦な非エラストマーコンポーネントを形成する工程と、エラストマーコンポーネントを非エラストマーコンポーネントに対してシールして能動デバイスが膜部分および材料のうちの少なくとも1つと相互作用し得るようにする工程とを包含する。
A method of fabricating a composite structure includes forming a recess in an elastomer component having a wall and a ceiling that forms a flexible membrane portion, placing material in the recess, and substantially flat including an active device. Forming a non-elastomeric component, and sealing the elastomeric component to the non-elastomeric component to allow the active device to interact with at least one of the membrane portion and the material.

エラストマーコンポーネントと非エラストマーコンポーネントとの間へのファンデルワールス結合の製作から、複合構造のエラストマーコンポーネントと非エラストマーコンポーネントとの間への共有結合またはイオン結合の製作まで、種々のアプローチが、エラストマー構造を非エラストマー基板に対してシールするために用いられ得る。例えば、強度を高めるためにコンポーネント同士をシールする例示的アプローチが後述される。   A variety of approaches range from making van der Waals bonds between elastomeric and non-elastomeric components to making covalent or ionic bonds between composite and non-elastomeric components. Can be used to seal against non-elastomeric substrates. For example, an exemplary approach for sealing components to increase strength is described below.

第1のアプローチは、実質的に平坦なエラストマー層が、より硬質の非エラストマー材料の実質的に平坦な層と接触するように配置される場合、ファンデルワールス結合から生じる単純なハーメチックシールに依存することである。1実施形態において、ガラス基板へのRTVエラストマーの結合は、約3〜4psiの圧力まで耐えることができる複合構造を生成する。これは、複数の潜在的アプリケーションにとって十分であり得る。   The first approach relies on a simple hermetic seal resulting from a van der Waals bond when the substantially flat elastomer layer is placed in contact with a substantially flat layer of a harder non-elastomeric material. It is to be. In one embodiment, the bonding of the RTV elastomer to the glass substrate produces a composite structure that can withstand pressures of about 3-4 psi. This may be sufficient for multiple potential applications.

第2のアプローチは、結合を支援するために液体層を利用することである。この1実施例は、硬質ガラス基板にエラストマーを結合することを含み、ここで、弱酸性溶液(5μl、HO中HCl、pH2)がガラス基板に付与された。エラストマーコンポーネントは、その後、ガラス基板と接触するように配置され、複合構造は、水を除去するために37℃で焼きしめされる。これは、エラストマーと非エラストマーとの間に、約20psiの圧力に耐えることができる結合をもたらす。この場合、酸は、ガラス基板上に存在するシラノール基を中和し得、エラストマーと非エラストマーとが互いに良好にファンデルウァールス接触することを可能にする。 The second approach is to use a liquid layer to assist the coupling. This one example involved bonding an elastomer to a hard glass substrate, where a weakly acidic solution (5 μl, HCl in H 2 O, pH 2) was applied to the glass substrate. The elastomer component is then placed in contact with the glass substrate and the composite structure is baked at 37 ° C. to remove water. This provides a bond that can withstand pressures of about 20 psi between elastomers and non-elastomers. In this case, the acid can neutralize the silanol groups present on the glass substrate, allowing the elastomer and non-elastomer to make good van der Waals contact with each other.

エタノールへの曝露は、さらに、デバイスコンポーネントを互いに付着させ得る。1実施形態において、RTVエラストマー材料およびガラス基板がエタノールで洗浄され、その後、窒素下で乾燥される。RTVエラストマーは、その後、ガラスと接触するように配置され、その組み合わせが80℃で3時間焼きしめられる。選択的に、RTVは、さらに、滑り面とRTVとの間に閉じ込められた任意の気泡を除去するために真空に曝露され得る。この方法を用いるエラストマーとガラスとの間の付着強度は、35psiを超える圧力に耐える。この方法を用いて生成された付着は、永続的でなく、エラストマーは、ガラスから剥離され、洗浄され、ガラスに対して再シールされる。このエタノール洗浄アプローチは、さらに、エラストマーの連続する層を、30psiの圧力に耐える十分な強度で互いに結合させるためにも用いられ得る。代替的実施形態において、アルコールまたはジオールといった化学物質が、層間の付着を促進するために用いられ得る。   Exposure to ethanol may further cause device components to adhere to each other. In one embodiment, the RTV elastomer material and the glass substrate are cleaned with ethanol and then dried under nitrogen. The RTV elastomer is then placed in contact with the glass and the combination is baked at 80 ° C. for 3 hours. Optionally, the RTV can be further exposed to a vacuum to remove any bubbles trapped between the sliding surface and the RTV. The bond strength between elastomer and glass using this method withstands pressures in excess of 35 psi. The adhesion produced using this method is not permanent and the elastomer is peeled from the glass, cleaned and resealed against the glass. This ethanol wash approach can also be used to bond successive layers of elastomers together with sufficient strength to withstand a pressure of 30 psi. In alternative embodiments, chemicals such as alcohols or diols can be used to promote adhesion between layers.

本発明による微細加工構造の層間の付着を促進する方法の実施形態は、第1のコンポーネント層の表面を化学物質に曝露する工程と、第2のコンポーネント層の表面を化学物質に曝露する工程と、第1のコンポーネント層の表面を第2のエラストマー層の表面と接触するように配置する工程とを包含する。   An embodiment of a method for promoting adhesion between microfabricated structure layers according to the present invention includes exposing a surface of a first component layer to a chemical, and exposing a surface of a second component layer to the chemical. And disposing the surface of the first component layer in contact with the surface of the second elastomer layer.

第3のアプローチは、エラストマーコンポーネントと、非エラストマーコンポーネントの表面上に導入される官能基との間に共有化学結合を生成することである。このような官能基を生成する非エラストマー基板表面の応用の例は、ガラス基板を、ビニルシランまたはアミノプロピルトリエトキシシラン(APTES)といった薬剤に曝露する工程を包含する。これは、ガラスをシリコンエラストマーおよびポリウレタンエラストマー材料とそれぞれ結合することを可能にするために有用であり得る。   A third approach is to create a covalent chemical bond between the elastomeric component and the functional groups introduced on the surface of the non-elastomeric component. Examples of non-elastomeric substrate surface applications that generate such functional groups include exposing a glass substrate to agents such as vinylsilane or aminopropyltriethoxysilane (APTES). This can be useful to allow glass to be bonded with silicone elastomer and polyurethane elastomer materials, respectively.

第4のアプローチは、エラストマーコンポーネントと、非エラストマーコンポーネントの表面に固有の官能基との間に共有化学結合を生成することである。例えば、RTVエラストマーは、その表面上に過剰のビニル基を用いて生成され得る。これらのビニル基は、例えば、エッチングによって自然酸化物が除去された後、単一の結晶シリコン基板の表面上に広がるSi−H結合等の硬質基板材料の外部に存在する、対応する官能基と反応させられ得る。この例において、エラストマーコンポーネントと非エラストマーコンポーネントとの間に生成される結合の強度が、エラストマーコンポーネントの材料強度を超えることが観察される。   A fourth approach is to create a covalent chemical bond between the elastomeric component and the functional group inherent to the surface of the non-elastomeric component. For example, an RTV elastomer can be produced with an excess of vinyl groups on its surface. These vinyl groups are, for example, the corresponding functional groups present outside the hard substrate material, such as Si—H bonds, that spread on the surface of a single crystalline silicon substrate after the native oxide has been removed by etching. Can be reacted. In this example, it is observed that the strength of the bond created between the elastomeric component and the non-elastomeric component exceeds the material strength of the elastomeric component.

複合構造のこれまでの議論は、エラストマー層と下に位置する非エラストマー基板とを結合することに的が絞られた。しかしながら、これは、本発明によって必要とはされない。   The previous discussion of composite structures has focused on bonding the elastomeric layer and the underlying non-elastomeric substrate. However, this is not required by the present invention.

すでに記載された、微細加工されたエラストマー構造は、垂直に、多くの場合、チャネル断面に沿ってスライスされ得る。本発明の実施形態によると、非エラストマーコンポーネントは、そのような切断によって開けられたエラストマー構造に挿入され、その後、エラストマー構造は、再シールされ得る。このようなアプローチの1例は、図57A〜図57Cに示され、これは、そこに配置された膜を有するフローチャネルを形成するプロセスの断面図を示す。具体的には、図57Aは、フローチャネル6204の上に位置するエラストマー膜6202およびエラストマー基板6206を含むデバイス6200の部分の断面を示す。   The already described microfabricated elastomeric structures can be sliced vertically, often along the channel cross section. According to embodiments of the present invention, the non-elastomeric component can be inserted into the elastomeric structure opened by such cutting, after which the elastomeric structure can be resealed. One example of such an approach is shown in FIGS. 57A-57C, which shows a cross-sectional view of a process for forming a flow channel having a membrane disposed thereon. Specifically, FIG. 57A shows a cross section of a portion of a device 6200 that includes an elastomeric membrane 6202 and an elastomeric substrate 6206 positioned over a flow channel 6204.

図57Bは、フローチャネル6204の長さに沿って伸びる垂直線6208に沿って切断して、片割れ6200aおよび6200bが形成されるデバイス6200を示す。図57Cは、片割れ6200aと片割れ6200bとの間に透過膜素子6210が挿入され、次に、片割れ6200aと6200bが透過膜6210に取付けられることを示す。この構成の結果として、デバイスのフローチャネルは、実際、透過膜6210によって分離されるチャネル部分6204aおよび6204bを含む。   FIG. 57B shows a device 6200 cut along a vertical line 6208 extending along the length of the flow channel 6204 to form shards 6200a and 6200b. FIG. 57C shows that the permeable membrane element 6210 is inserted between the splits 6200a and 6200b, and then the splits 6200a and 6200b are attached to the permeable membrane 6210. As a result of this configuration, the flow channel of the device actually includes channel portions 6204a and 6204b separated by a permeable membrane 6210.

図57Cの構造は、種々の用途において利用され得る。例えば、膜は、透析を実行するために用いられ、フローチャネル内のサンプルの塩濃度を変更する。図57Cの構造についてのさらに別の潜在的用途は、生成物を抑制するために、例えば、酵素反応から生成物を除去するために反応の生成物を分離することである。膜の組成に依存して、有機溶媒が膜の片面に存在し得、水性緩衝剤は、膜のもう一方の面上に存在する。膜のさらに別の可能な機能は、タンパク質、ペプチドまたはDNAのピースといった特定の化学成分を精製、触媒反応または解析のために結合することである。   The structure of FIG. 57C can be utilized in a variety of applications. For example, the membrane is used to perform dialysis and alters the salt concentration of the sample in the flow channel. Yet another potential use for the structure of FIG. 57C is to separate the products of the reaction to suppress the product, for example, to remove the product from the enzymatic reaction. Depending on the composition of the membrane, the organic solvent can be present on one side of the membrane and the aqueous buffer is present on the other side of the membrane. Yet another possible function of the membrane is to bind specific chemical components, such as proteins, peptides or pieces of DNA, for purification, catalysis or analysis.

エラストマー構造を製作する方法の実施形態は、第1のエラストマー構造を垂直断面に沿って切断して、第1のエラストマー部分と第2のエラストマー部分とを形成する工程、および第1のエラストマー構造を別のコンポーネントと結合させる工程を包含する。   An embodiment of a method of making an elastomeric structure includes cutting a first elastomeric structure along a vertical cross section to form a first elastomeric part and a second elastomeric part, and the first elastomeric structure comprises: Including coupling to another component.

(14.プライム化(priming))
エラストマー構造の潜在的に有用な特性は、気体透過性である。具体的には、エラストマー材料は、特定の気体の種類の拡散を可能にし得、他方、液体の拡散を防止する。この特性は、小さい体積の流体を操作する際に非常に有用であり得る。
(14. Priming)
A potentially useful property of the elastomeric structure is gas permeability. Specifically, the elastomeric material may allow diffusion of certain gas types while preventing liquid diffusion. This property can be very useful in manipulating small volumes of fluid.

例えば、一般に複雑なチャネルアーキテクチャを有する流体デバイスは、チャネルをプライム化するという問題に対処しなければならない。流体が、最初、複雑なチャネル構造、次に、抵抗が最小の経路に注入されるので、充填されない構造の領域をいくらか残し得る。構造のデッドエンドの領域を液体で満たすことは、通常、困難か、または不可能であ
る。
For example, fluidic devices that generally have complex channel architectures must address the problem of priming channels. Since the fluid is first injected into the complex channel structure and then into the path with the least resistance, it can leave some area of the structure unfilled. It is usually difficult or impossible to fill the dead end area of the structure with liquid.

従って、本発明の1アプローチは、デッドエンドチャネルおよびチャンバを含むチャネル構造を充填するために、特定のエラストマー材料の気体透過性を利用する。微小流動構造をプライム化する方法の1実施形態によると、最初に、1つを除いてすべての構造へのチャネルの入口が塞がれる。中性緩衝剤は、その後、残りのチャネルに注入され、圧力下で維持される。加圧された緩衝剤はチャネルを満たし、その存在下でチャネル内に存在する任意の気体を圧縮する。従って、チャネル内に閉じ込められた加圧された気体は、エラストマーを通じて構造から外に拡散することを強いられる。   Thus, one approach of the present invention takes advantage of the gas permeability of certain elastomeric materials to fill a channel structure including dead end channels and chambers. According to one embodiment of the method for priming a microfluidic structure, the channel inlets to all structures are first blocked except one. Neutral buffer is then injected into the remaining channels and maintained under pressure. Pressurized buffer fills the channel and compresses any gas present in the channel in its presence. Thus, pressurized gas confined within the channel is forced to diffuse out of the structure through the elastomer.

このようにして、液体サンプルは、所望でない気体のポケットを生成することなく、微細加工されたデバイスのフローチャネルに導入され得る。液体サンプルを圧力下で微小流動デバイスのフローチャネルに注入することによって、および、その後、所与の時間の間、注入圧力を維持することによって、液体サンプルはチャネルを充填し、チャネル内に生じた任意の気体ポケットがエラストマー材料から外へ拡散する。この方法により、微小流動構造全体が単一のビアから迅速に充填され得る。この方法を利用する、液体で充填されるデッドエンドチャンバは、格納、計量、および混合の用途にて用いられ得る。   In this way, the liquid sample can be introduced into the flow channel of the microfabricated device without creating undesired gas pockets. By injecting the liquid sample into the flow channel of the microfluidic device under pressure and then maintaining the injection pressure for a given time, the liquid sample filled the channel and created in the channel Any gas pockets diffuse out of the elastomeric material. By this method, the entire microfluidic structure can be quickly filled from a single via. Using this method, a liquid filled dead end chamber can be used in storage, metering, and mixing applications.

エラストマー材料の気体透過性は、結果としてフローチャネルに導入され得る。ここでは空気圧(空気駆動)駆動システムが用いられる。このような空気圧バルブは、高い逆圧に耐えるために、高い制御圧で作動され得る。このような動作条件下で、気体は、比較的薄い膜を介して拡散し得、これによって、気泡がフローチャネルに導入される。膜を通じての、このような所望でない空気の拡散は、エラストマーがほとんど透過し得ない制御媒体、すなわち、エラストマーまたは液体を通してはるかにゆっくりと拡散する気体を利用することによって回避され得る。上述のように、制御線は、良好に機能して、水または油で充填された場合、制御圧を伝達し、かつフローチャネルに気泡を導入しない。さらに、上述のプライム化方法を用いて、デッドエンド制御チャネルを流体で充填することが可能であり、従って、既存の空気駆動制御構造の改変は必要とされない。   The gas permeability of the elastomeric material can be introduced into the flow channel as a result. Here, a pneumatic (air driven) drive system is used. Such pneumatic valves can be operated at high control pressures to withstand high back pressures. Under such operating conditions, the gas can diffuse through the relatively thin membrane, which introduces bubbles into the flow channel. Such undesired air diffusion through the membrane can be avoided by utilizing a control medium that is hardly permeable to the elastomer, ie, a gas that diffuses much more slowly through the elastomer or liquid. As described above, the control line functions well and, when filled with water or oil, transmits control pressure and does not introduce bubbles into the flow channel. Furthermore, using the priming method described above, it is possible to fill the dead-end control channel with fluid, and thus no modification of the existing air driven control structure is required.

本発明による、微細加工されたエラストマー構造を流体で充填する方法の実施形態は、フローチャネルを有するエラストマーブロックを提供する工程を包含し、そのエラストマーブロックは、気体透過性として知られるエラストマー材料を含む。フローチャネルは、気体で充填され、流体は、圧力下でフローチャネルに注入され、フローチャネルに残る気体は、エラストマー材料から外に拡散することが可能になる。   An embodiment of a method for filling a microfabricated elastomeric structure with a fluid according to the present invention includes providing an elastomeric block having a flow channel, the elastomeric block comprising an elastomeric material known as gas permeable. . The flow channel is filled with a gas and fluid is injected into the flow channel under pressure, allowing the gas remaining in the flow channel to diffuse out of the elastomeric material.

(15.体積排除による計量)
複数のハイスループットスクリーニングおよび診断の用途は、反応チャンバ内に異なった試液の正確な組み合わせを必要とする。流体のフローを確実にするために、微小流動デバイスのチャネルをプライム化することが必要とされる場合、サンプルを導入する前に、混合溶液が反応チャンバの内容物によって希釈または汚染されないことを保証するのは困難であり得る。
(15. Weighing by volume exclusion)
Multiple high-throughput screening and diagnostic applications require an accurate combination of different reagents within the reaction chamber. Ensures that the mixed solution is not diluted or contaminated by the contents of the reaction chamber prior to sample introduction when it is required to prime the channels of the microfluidic device to ensure fluid flow It can be difficult to do.

体積排除は、流体を反応チャンバに導入する正確な計量を可能にする1つの技術である。このアプローチにおいて、反応チャンバは、サンプル注入の前に完全または部分的に空にされ得る。この方法は、チャンバ内容物が残留内容物によって汚染されることを低減し、反応チャンバへの溶液の導入を正確に計量するために用いられ得る。   Volume exclusion is one technique that allows accurate metering of fluid into the reaction chamber. In this approach, the reaction chamber can be completely or partially evacuated prior to sample injection. This method can be used to reduce the contamination of the chamber contents by residual contents and accurately meter the introduction of the solution into the reaction chamber.

特に図58A〜図58Dは、反応物を計量するために体積排除が用いられる反応チャンバの断面図を示す。図58Aは、第2のエラストマー層6304の上に位置する第1のエラストマー層6302を含む微小流動デバイスの部分6300の断面図を示す。第1のエ
ラストマー層6302は、制御チャネル(図示せず)と流体をやり取りする制御チャンバ6306を含む。制御チャンバ6306は上に位置し、膜6310によって第2のエラストマー層6304のデッドエンド反応チャンバ6308から分離される。第2のエラストマー層6304は、さらに、デッドエンド反応チャンバ6308に通じるフローチャネル6312を含む。上述のように、第1の反応物Xは、圧力下でデッドエンド反応チャンバ6308に導入され得る
図58Bは、制御チャンバ6306内の圧力の増加の結果を示す。具体的には、制御チャンバ圧力が増加すると、膜6310を下方に向かって屈曲させて反応チャンバ6308に入れ、反応チャンバ6308の有効体積を体積Vだけ低減する。これは、次に、反応チャンバ6308から反応物の等価な体積Vを排除し、従って、第1の反応物Xの体積がフローチャネル6312から出力される。制御チャンバ6306において増加する圧力とフローチャネル6312から出力される材料の体積との完全な相関関係が、正確に較正され得る。
In particular, Figures 58A-58D show cross-sectional views of a reaction chamber in which volume exclusion is used to meter reactants. FIG. 58A shows a cross-sectional view of a portion 6300 of a microfluidic device that includes a first elastomeric layer 6302 overlying a second elastomeric layer 6304. The first elastomeric layer 6302 includes a control chamber 6306 in fluid communication with a control channel (not shown). Control chamber 6306 is located above and is separated from dead end reaction chamber 6308 of second elastomer layer 6304 by membrane 6310. The second elastomer layer 6304 further includes a flow channel 6312 that leads to a dead-end reaction chamber 6308. As described above, the first reactant X can be introduced into the dead-end reaction chamber 6308 under pressure. FIG. 58B shows the result of the increase in pressure in the control chamber 6306. Specifically, as the control chamber pressure increases, the membrane 6310 is bent downward into the reaction chamber 6308 and the effective volume of the reaction chamber 6308 is reduced by the volume V. This in turn eliminates the equivalent volume V of reactant from the reaction chamber 6308, and thus the volume of the first reactant X is output from the flow channel 6312. A complete correlation between the increasing pressure in the control chamber 6306 and the volume of material output from the flow channel 6312 can be accurately calibrated.

図58Cに示されるように、上昇する圧力が、制御チャンバ6306内で維持される一方で、第2の反応物Yの体積V’がフローチャネル6312および反応チャンバ6308と接触するように配置される。   As shown in FIG. 58C, increasing pressure is maintained in the control chamber 6306 while the volume V ′ of the second reactant Y is placed in contact with the flow channel 6312 and the reaction chamber 6308. .

図58Dに示される次の工程において、制御チャンバ6306内の圧力がもとのレベルに低減される。その結果、膜6310が弛緩し、反応チャンバ6308の有効体積が増加する。第2の反応物Yの体積Vは、デバイス内に吸引される。反応チャンバおよび制御チャンバの相対サイズを変更することによって、溶液を特定の相対濃度で正確に混合することが可能である。デバイス内に吸引される第2の反応物Yの量は、単に排除体積Vに依存し、かつフローチャネルの開口部にて利用可能にされたYの体積V’に依存しないことに留意する価値がある。   In the next step shown in FIG. 58D, the pressure in the control chamber 6306 is reduced to the original level. As a result, the membrane 6310 relaxes and the effective volume of the reaction chamber 6308 increases. The volume V of the second reactant Y is sucked into the device. By changing the relative sizes of the reaction chamber and the control chamber, it is possible to accurately mix the solution at a specific relative concentration. It is worth noting that the amount of second reactant Y sucked into the device depends solely on the excluded volume V and not on the Y volume V ′ made available at the opening of the flow channel. There is.

図58A〜図58Dは、単一の反応チャンバを含む本発明の1つの実施形態を示し、他方、より複雑な実施形態において、数百または数千の反応チャンバの並行構造が単一の制御線において増加する圧力によって駆動され得る。   58A-58D illustrate one embodiment of the present invention that includes a single reaction chamber, while in more complex embodiments, a parallel structure of hundreds or thousands of reaction chambers is a single control line. Can be driven by increasing pressure.

さらに、上述の記載は、制御チャンバおよび反応チャンバのサイズによって固定される相対濃度で組み合わされる2つの反応物を示すが、体積排除技術は、単一の反応チャンバにおいて種々の濃度のいくつかの反応物を組み合わせるために用いられ得る。1つの可能なアプローチは、各反応チャンバ上で、いくつかの、別々に扱うことが可能な制御チャンバを用いることである。このアーキテクチャの1例は、単一の制御チャンバの代わりに10個の別々の制御線を有することであり、これは、10と等価な体積が押出されるか、または吸引されることを可能にする。   Furthermore, while the above description shows two reactants combined at a relative concentration that is fixed by the size of the control chamber and reaction chamber, the volume exclusion technique can be used for several reactions at various concentrations in a single reaction chamber. Can be used to combine objects. One possible approach is to use several separately controllable control chambers on each reaction chamber. One example of this architecture is to have 10 separate control lines instead of a single control chamber, which allows a volume equivalent to 10 to be extruded or aspirated To do.

別の可能なアプローチは、反応チャンバ全体の上に位置する単一の制御チャンバを利用し、反応チャンバの有効体積は、制御チャンバの圧力を変更することによって調整される。このようにして、反応チャンバの有効体積についてのアナログ制御が可能である。アナログ体積制御は、次に、任意の相対濃度の複数の溶液の反応物を組み合わせることを可能にする。   Another possible approach utilizes a single control chamber located over the entire reaction chamber, and the effective volume of the reaction chamber is adjusted by changing the pressure in the control chamber. In this way, analog control over the effective volume of the reaction chamber is possible. Analog volume control in turn allows the combination of multiple solution reactants of any relative concentration.

本発明による流体の体積を計量する方法の実施形態は、エラストマー膜によって制御凹部から分離されたエラストマーブロックの形態で体積を有するチャンバを提供する工程、および制御凹部に圧力を提供して、膜が偏向してチャンバ内に入り、較正された量だけ体積が低減される工程、ならびにこれによりチャンバから流体の較正された体積を排除する工程を包含する。   An embodiment of a method for metering a volume of fluid according to the present invention comprises providing a chamber having a volume in the form of an elastomer block separated from a control recess by an elastomeric membrane, and providing pressure to the control recess, Including deflecting into the chamber and reducing the volume by a calibrated amount, thereby eliminating the calibrated volume of fluid from the chamber.

(16.タンパク質結晶化)
上述のように、本発明による微細加工されたエラストマーデバイスの実施形態は、混合および反応の目的で、極めて正確に流体を計量することを可能にする。しかしながら、流体体積の計量についての正確な制御は、さらに、タンパク質等の分子の結晶化を促進するために用いられ得る。
(16. Protein crystallization)
As mentioned above, embodiments of microfabricated elastomeric devices according to the present invention allow fluids to be metered very accurately for mixing and reaction purposes. However, precise control over fluid volume metering can also be used to promote crystallization of molecules such as proteins.

タンパク質再結晶化は、タンパク質の構造および機能を識別するために利用される重要な技術である。再結晶化は、通常、タンパク質を水溶液中で溶解することによって実行され、その後、逆溶媒(countersolvent)を故意に追加して溶液の極性を変更し、これによって、タンパク質を溶液から取り出して個相に入れることを強いることによって実行される。高品質タンパク質の結晶を形成することは、通常、困難であり、時には不可能であり、用いられる溶媒および逆溶媒の両方の識別および濃縮に関して、多くの試行およびエラーが必要とされる。   Protein recrystallization is an important technique utilized to identify protein structure and function. Recrystallization is usually performed by dissolving the protein in an aqueous solution, and then deliberately adding a countersolvent to change the polarity of the solution, thereby removing the protein from the solution and allowing it to individualize. Implemented by forcing you to enter. Forming high quality protein crystals is usually difficult and sometimes impossible, requiring many trials and errors in identifying and concentrating both the solvent and antisolvent used.

従って、図67は、大量の再結晶化を試みることを可能にするタンパク質結晶化システムの平面図を示す。タンパク質結晶化システム7200は、制御チャネル7202およびフローチャネル7204a、7204b、7204cおよび7204dを含む。フローチャネル7204a、7204b、7204cおよび7204dの各々は、再結晶化の場所として利用されるデッドエンドチャンバ7206を表す。制御チャネル7202は、上に位置し、かつ制御チャンバ7205と同じ幅を有する膜7208によってチャンバ7206から分離される、異なった幅の制御チャンバ7205のネットワークを表す。図面を明瞭にするために図示されていないが、膜の第2のネットワークを特徴付ける第2の制御は、デッドエンドチャンバ7206への開口部を選択的に開閉するストップバルブを生成するために利用され得る。このようなストップバルブの機能および役割の完全な議論は、図70と関連して以下に提供される。   Thus, FIG. 67 shows a plan view of a protein crystallization system that allows a large amount of recrystallization to be attempted. The protein crystallization system 7200 includes a control channel 7202 and flow channels 7204a, 7204b, 7204c and 7204d. Each of the flow channels 7204a, 7204b, 7204c, and 7204d represents a dead end chamber 7206 that is utilized as a recrystallization site. The control channel 7202 represents a network of control chambers 7205 of different widths that are separated from the chamber 7206 by a membrane 7208 that is located above and has the same width as the control chamber 7205. Although not shown for clarity of illustration, a second control characterizing the second network of membranes is used to create a stop valve that selectively opens and closes the opening to the dead-end chamber 7206. obtain. A complete discussion of the function and role of such stop valves is provided below in connection with FIG.

タンパク質結晶化システム7200のオペレーションは以下のとおりである。最初に、目的のタンパク質を含む水溶液は、フローチャネル7204a、7204b、7204cおよび7204dの各々を通って流され、各デッドエンドチャンバ7206を満たす。次に、高圧が制御チャネル7202に付与されて、膜7208が撓んで下に位置するチャンバ7206に入り、所与の体積をチャンバ7206から排除し、もとのタンパク質溶液のこの排除体積をチャンバ7206から流し出す。   The operation of the protein crystallization system 7200 is as follows. Initially, an aqueous solution containing the protein of interest is flowed through each of the flow channels 7204a, 7204b, 7204c, and 7204d, filling each dead-end chamber 7206. Next, high pressure is applied to the control channel 7202 such that the membrane 7208 flexes into the underlying chamber 7206 to exclude a given volume from the chamber 7206 and this excluded volume of the original protein solution to the chamber 7206. Pour out from.

次に、圧力が制御チャネル7202において維持され、他方、異なった逆溶媒が各フローチャネル7204a、7204b、7204cおよび7204dに流れ込む。圧力は、その後、制御線7202にて解放され、膜7208が弛緩してもとの位置に戻り、前に排除された逆溶媒の体積がチャンバ7206に入り、もとのタンパク質溶液と混合されることを可能にする。制御チャンバ7205と下に位置する膜7208の幅が異なるので、逆溶媒の種々の体積がこのプロセスの間にチャンバ7206に入る。   Next, pressure is maintained in the control channel 7202 while a different anti-solvent flows into each flow channel 7204a, 7204b, 7204c and 7204d. The pressure is then released at control line 7202, returning to its original position when membrane 7208 relaxes, and the volume of antisolvent previously eliminated enters chamber 7206 and is mixed with the original protein solution. Make it possible. Because the width of the control chamber 7205 and the underlying membrane 7208 are different, various volumes of antisolvent enter the chamber 7206 during this process.

例えば、システム7200の第1の2つの行におけるチャンバ7206aは、いかなる逆溶媒も受け取らない。なぜなら、上に位置する膜によっていかなる体積も排除されないからである。システム7200の第2の2つの行は、もとのタンパク質溶液に対して1:5の逆溶媒の体積を受け取る。システム7200の第3の2つの行におけるチャンバ7206cは、もとのタンパク質溶液と1:3の割合の逆溶媒の体積を受け取る。システム7200の第4の2つの行におけるチャンバ7206dは、もとのタンパク質溶液と1:2の割合の逆溶媒の体積を受け取り、システム7200の第5の2つの行におけるチャンバ7206eは、もとのタンパク質溶液と4:5の割合の逆溶媒の体積を受け取る。   For example, chambers 7206a in the first two rows of system 7200 do not receive any antisolvent. This is because no volume is excluded by the overlying membrane. The second two rows of system 7200 receive an antisolvent volume of 1: 5 relative to the original protein solution. Chambers 7206c in the third two rows of system 7200 receive the volume of anti-solvent at a ratio of 1: 3 with the original protein solution. Chamber 7206d in the fourth two rows of system 7200 receives the volume of antisolvent at a ratio of 1: 2 with the original protein solution, and chamber 7206e in the fifth two rows of system 7200 Receive the protein solution and the volume of the antisolvent at a ratio of 4: 5.

一旦逆溶媒がチャンバ7206に導入されると、これらの溶媒は、制御線7202に再
び高圧を付与して膜が撓んでチャンバに入るようにすることによって環境に対して再シールされ得る。再シールは、再結晶化がほぼ数日単位または数週間単位で生じることが要求され得る場合に必要であり得る。チャンバの目視検査によって高品質の結晶の存在が明らかになった場合、結晶は、使い捨てエラストマーシステムのチャンバから物理的に除去され得る。
Once the anti-solvent is introduced into the chamber 7206, these solvents can be resealed to the environment by re-applying high pressure to the control line 7202 to cause the membrane to flex and enter the chamber. Resealing may be necessary when recrystallization can be required to occur on the order of days or weeks. If visual inspection of the chamber reveals the presence of high quality crystals, the crystals can be physically removed from the chamber of the disposable elastomer system.

これまでの記載は、逆溶媒の量の変化を計量する体積排除に依存するタンパク質結晶システムを記載したが、本発明は、この特定の実施形態に限定されない。従って、図70は、タンパク質結晶化システムの平面図を示し、ここで、フローチャネルが形成される間、逆溶媒の異なった体積の計量は、フォトリソグラフィによって決定される。   Although the preceding description has described a protein crystal system that relies on volume exclusion to meter changes in the amount of antisolvent, the present invention is not limited to this particular embodiment. Accordingly, FIG. 70 shows a plan view of the protein crystallization system, where the different volume metrics of the antisolvent are determined by photolithography while the flow channel is formed.

タンパク質結晶化システム7500は、フローチャネル7504a、7504b、7504cおよび7504dを含む。フローチャネル7504a、7504b、7504cおよび7504dの各々は、再結晶化の場所として利用されるデッドエンドチャンバ7506を特徴付ける。   Protein crystallization system 7500 includes flow channels 7504a, 7504b, 7504c and 7504d. Each of the flow channels 7504a, 7504b, 7504c and 7504d characterizes a dead end chamber 7506 that is utilized as a recrystallization site.

システム7500は、さらに、制御チャネルの2つのセットを含む。制御チャネルの第1のセット7502は、チャンバ7506の開口部の上に位置し、ストップバルブ7502を規定し、このストップバルブは駆動されると、チャンバ7506へのアクセスを遮断する。第2の制御チャネル7505は、フローチャネル7504a〜dの上に位置し、セグメントバルブ7507を規定し、このセグメントバルブは駆動されると、フローチャネル7404の異なったセグメント間7514間のフローを遮断する。   System 7500 further includes two sets of control channels. A first set of control channels 7502 is located above the opening of the chamber 7506 and defines a stop valve 7502 that, when activated, blocks access to the chamber 7506. A second control channel 7505 is located above the flow channels 7504a-d and defines a segment valve 7507 that, when activated, blocks flow between different segments 7514 of the flow channel 7404. .

タンパク質結晶化システム7500の動作は、以下のとおりである。最初、目的のタンパク質を含む水溶液が、フローチャネル7504a、7504b、7504cおよび7504dの各々を通って流され、デッドエンドチャンバ7506を満たす。次に、高圧が制御チャネル7502に付与されて、ストップバルブ7503を駆動し、これによって流体がチャンバ7506を入出することを防止する。   The operation of the protein crystallization system 7500 is as follows. Initially, an aqueous solution containing the protein of interest is flowed through each of the flow channels 7504a, 7504b, 7504c and 7504d to fill the dead end chamber 7506. High pressure is then applied to the control channel 7502 to drive the stop valve 7503, thereby preventing fluid from entering or leaving the chamber 7506.

ストップバルブ7503が閉じられた状態で維持される間、各フローチャネル7504a〜dが、その後、異なった逆溶媒で満たされる。次に、第2の制御線7505が加圧されて、フローチャネル7504a〜dをセグメント7514内に隔離し、逆溶媒の異なった体積を閉じ込める。具体的には、図70に示されるように、セグメント7514は、体積が等しくない。タンパク質結晶化構造7500がソフトリソグラフィによって形成される間、異なった幅7514aおよび長さ7514bのセグメント7514を有するフローチャネル7504a〜dを規定するためにフォトリソグラフィ技術が用いられる。   Each flow channel 7504a-d is then filled with a different anti-solvent while the stop valve 7503 is maintained closed. Second control line 7505 is then pressurized to isolate flow channels 7504a-d within segment 7514 and confine different volumes of antisolvent. Specifically, as shown in FIG. 70, the segments 7514 are not equal in volume. While protein crystallization structure 7500 is formed by soft lithography, photolithography techniques are used to define flow channels 7504a-d having segments 7514 of different widths 7514a and lengths 7514b.

従って、圧力が第1の制御線7502から解放され、ストップバルブ7503が開けられると、種々のセグメント7514とは異なった体積の逆溶媒がチャンバ7506内に拡散し得る。このようにして、フォトリソグラフィによって規定される正確な寸法が、フローチャネルセグメントに閉じ込められた逆溶媒の体積を決定し、その後、タンパク質溶液に導入されるように用いられ得る。逆溶媒のこの体積は、次に、タンパク質の結晶化するための環境を設定する。   Thus, when pressure is released from the first control line 7502 and the stop valve 7503 is opened, a different volume of antisolvent from the various segments 7514 can diffuse into the chamber 7506. In this way, the exact dimensions defined by photolithography can be used to determine the volume of antisolvent trapped in the flow channel segment and then be introduced into the protein solution. This volume of antisolvent then sets the environment for protein crystallization.

本発明の1実施形態によるタンパク質結晶化システムは、体積を有し、かつタンパク質溶液を受け取る微細加工されたチャンバ、およびチャンバと流体をやり取りする微細加工されたフローチャネルを含むエラストマーブロックを備え、このフローチャネルは、逆溶媒を受け取り、固定された体積の逆溶媒をチャンバに導入する。   A protein crystallization system according to an embodiment of the present invention comprises an elastomeric block having a micromachined chamber having a volume and receiving a protein solution, and a micromachined flow channel in fluid communication with the chamber. The flow channel receives the antisolvent and introduces a fixed volume of antisolvent into the chamber.

(17.圧力増幅器)
上述のように、本発明による微細加工されたエラストマーデバイスの特定の実施形態は、流体のフローを制御するために圧力を利用する。従って、これらの硬化を強化するために付与された圧力の増幅を可能にする構造をデバイス内に含むことが有用であり得る。
(17. Pressure amplifier)
As mentioned above, certain embodiments of microfabricated elastomeric devices according to the present invention utilize pressure to control fluid flow. Thus, it may be useful to include structures in the device that allow amplification of the applied pressure to enhance these cures.

図59Aおよび図59Bは、本発明による微細加工技術を利用して構成された線形増幅器の実施形態の断面図および平面図をそれぞれを示す。圧力増幅器6400は、第2の(増幅)エラストマー層6404の上に位置する第1の(制御)エラストマー層6402を含み、第2のエラストマー層は、第3の(フロー)エラストマー層6406の上に位置する。第3のエラストマー層6406は、次に、基板6409の上に位置する。   FIGS. 59A and 59B show a cross-sectional view and a plan view, respectively, of an embodiment of a linear amplifier constructed using microfabrication techniques according to the present invention. The pressure amplifier 6400 includes a first (control) elastomer layer 6402 located over a second (amplification) elastomer layer 6404, the second elastomer layer overlying a third (flow) elastomer layer 6406. To position. The third elastomer layer 6406 is then positioned over the substrate 6409.

第3のエラストマー層6406は、上に位置する増幅エラストマー層6404から膜6410によって分離されるフローチャネル6408を含む。錐体の増幅素子6412は、膜6410と接触する下面6414、および第1のエラストマー層6402と接触する上面6416を含む。錐体増幅素子6412の上面6416の領域Aは、下面6414の領域Aよりも大きい。 The third elastomer layer 6406 includes a flow channel 6408 separated by a membrane 6410 from an overlying amplification elastomer layer 6404. The conical amplifying element 6412 includes a lower surface 6414 that contacts the membrane 6410 and an upper surface 6416 that contacts the first elastomeric layer 6402. The region A 1 on the upper surface 6416 of the cone amplification element 6412 is larger than the region A 2 on the lower surface 6414.

第1のエラストマー層6402の制御チャネル6415に圧力pを付与した結果として、力Fが錐体構造6402の上面6416に伝達される。錐体6412は、次に、力Fをより小さい領域を有する下面6414に伝送する。この力は、領域(F=pA)によって倍増された圧力と等しいので、および錐体構造6412の上部に付与される力は錐体構造6412の底部によって作用する力に等しいので、p=pである。A>Aであるので、膜6410は、増幅された圧力p,p>pになる。生じた増幅率は、2つの領域AおよびAを単に比較することによって推定され得る。 As a result of applying pressure p 1 to the control channel 6415 of the first elastomer layer 6402, a force F 1 is transmitted to the top surface 6416 of the cone structure 6402. The cone 6412 then transmits the force F 1 to the lower surface 6414 having a smaller area. Since this force is equal to the pressure doubled by the region (F = pA), and the force applied to the top of the cone structure 6412 is equal to the force acting by the bottom of the cone structure 6412, p 1 A 1 = P 2 A 2 . Since A 1 > A 2 , the membrane 6410 has an amplified pressure p 2 , p 2 > p 1 . The resulting amplification factor can be estimated by simply comparing the two regions A 1 and A 2 .

(2)p/p〜A/Aであり、ここで
/p=圧力増幅率である。
等式(2)は、増幅構造それ自体の弾力性による近似値であり、これは、通常、増幅効果を低減する作用をする。
(2) a p 2 / p 1 ~A 1 / A 2, which is where p 2 / p 1 = pressure amplifying factor.
Equation (2) is an approximation due to the elasticity of the amplification structure itself, which usually serves to reduce the amplification effect.

ここで、圧力増幅構造を製作する方法の例が提供される。幅200μmおよび高さ10μmの制御チャネルを特徴とする、第1の制御エラストマー層が、モールド上に5A:1B PDMSを利用して製作される。幅50μmおよび高さ10μmの丸型フローチャネルを特徴とする第2のフローエラストマー層は、同様に、4000rpmで60秒間5A:1B PDMSをモールド上で回転させることによって、15μmの厚さを有する膜を生成して製作される。   Here, an example of a method of fabricating a pressure amplification structure is provided. A first control elastomer layer featuring a control channel of 200 μm width and 10 μm height is fabricated using 5A: 1B PDMS on a mold. A second flow elastomer layer characterized by a round flow channel with a width of 50 μm and a height of 10 μm is likewise a membrane having a thickness of 15 μm by rotating 5A: 1B PDMS over the mold at 4000 rpm for 60 seconds. Is produced.

第3の増幅エラストマー層は、20,000Åの厚さの酸化物層の酸化物を有する格子タイプ<100>の3”シリコンウェハによって形成される(Silicon Quest International)。錐体増幅構造の上面の寸法(この場合、200μmの辺を有する方形)を反射するフォトレジスト5740のパターンが、その後、形成される。パターニングされたフォトレジストをマスクとして用いて、フォトレジストパターンによって露光されるウェハの酸化物がHFでエッチングされる。   The third amplifying elastomer layer is formed by a lattice type <100> 3 ”silicon wafer (Silicon Quest International) with an oxide of 20,000 mm thick oxide layer. A pattern of photoresist 5740 is then formed that reflects the dimensions (in this case, a square having sides of 200 μm) Oxides of the wafer exposed by the photoresist pattern using the patterned photoresist as a mask. Is etched with HF.

次に、パターニングされた酸化物層は、露光された下に位置するシリコンを除去するためのマスクとして利用されて、錐体増幅構造のためのモールドが形成される。具体的には、ウェハ上で露光されたシリコンは、30%のKOH(w/v)で、80℃でウェットエッチングされ、その結果、54.7°の角度で傾斜する壁を有する溝が形成される。この化学を利用するシリコンのエッチングレートは、1μm/分であり、溝の深さ、従って、成形された増幅構造の高さ、および生じる増幅率を正確に制御することを可能にする。この例において、20分間で20μmの深さがエッチングされるエッチングが用いられる。   The patterned oxide layer is then used as a mask to remove the exposed underlying silicon to form a mold for the cone amplification structure. Specifically, the silicon exposed on the wafer is wet etched at 80 ° C. with 30% KOH (w / v), resulting in the formation of grooves with walls that are inclined at an angle of 54.7 °. Is done. The etch rate of silicon utilizing this chemistry is 1 μm / min, making it possible to precisely control the depth of the trench, and thus the height of the shaped amplification structure, and the resulting amplification factor. In this example, etching is used in which a depth of 20 μm is etched in 20 minutes.

シリコンのエッチングが完了した後、フォトレジストが除去され、アセトンおよび酸化物層がHFを用いてエッチングされることにより除去される。その後、シリコンモールドがトリメチルクロロシラン(TMCS、Sigma)を用いて処理され、20A:1B RTVは、2000rpmで60秒間、エッチングされた溝を含むシリコンモールド上に回転されて載せられる、その後、80℃で60分間焼きしめられる。次に、制御層は、増幅層上に割り当てられる。2つの層は、さらに1時間、一緒に焼きしめられる。2つの層は、(増幅)モールドから慎重に剥離され、フローチャネル上に割り当てられる。さらに1時間焼きしめた後、完成したデバイスがモールドから除去される。   After the silicon etch is complete, the photoresist is removed and the acetone and oxide layers are removed by etching with HF. The silicon mold is then treated with trimethylchlorosilane (TMCS, Sigma) and the 20A: 1B RTV is spun and placed on the silicon mold containing the etched grooves at 2000 rpm for 60 seconds, then at 80 ° C. Baked for 60 minutes. Next, the control layer is allocated on the amplification layer. The two layers are baked together for an additional hour. The two layers are carefully peeled from the (amplification) mold and assigned onto the flow channel. After baking for another hour, the completed device is removed from the mold.

図59Cは、最終的に組立てられた開状態のデバイスの写真を示す。図59Dは、チャネル6415を制御するために18psiの圧力を付与して、約1.3の増幅ファクタになったことに応答して、閉状態の最終的に組立てられたデバイスの写真を示す。   FIG. 59C shows a photograph of the final assembled device. FIG. 59D shows a photograph of the final assembled device in the closed state in response to applying an 18 psi pressure to control the channel 6415 resulting in an amplification factor of about 1.3.

本発明による圧力増幅器の実施形態は、第1および第2の微細加工された凹部が中に形成されたエラストマーブロック、ならびに第1の凹部と接触する第1の面領域および第2の凹部と接触する第2の面領域を有する増幅器構造を備える。第1の面領域は、第2の面領域よりも大きく、第1の凹部における圧力は、増幅圧力としての増幅構造によって第2の凹部に伝達される。   An embodiment of a pressure amplifier according to the invention comprises an elastomer block in which first and second micromachined recesses are formed, and a first surface area in contact with the first recess and a contact with the second recess. An amplifier structure having a second surface region. The first surface region is larger than the second surface region, and the pressure in the first recess is transmitted to the second recess by the amplification structure as the amplification pressure.

微細加工されたエラストマー構造のフローチャネル内の圧力を増幅する方法は、増幅構造の第1の領域と接触する第1の凹部、および増幅構造の第2の領域と接触する第2の凹部を含むエラストマーブロックを提供する工程と、第1の領域に圧力を付与する工程と、第2の領域に圧力を伝達する工程であって、第2の領域は第1の領域よりも大きく、従って、第2の凹部に伝達される圧力が増幅される、工程とを包含する。   A method for amplifying pressure in a microfabricated elastomeric structure flow channel includes a first recess in contact with a first region of the amplification structure and a second recess in contact with a second region of the amplification structure. Providing an elastomeric block; applying pressure to the first region; and transmitting pressure to the second region, wherein the second region is larger than the first region, and therefore The pressure transmitted to the two recesses is amplified.

(18.チェックバルブ)
従来の流体ハンドリングデバイスにおける潜在的に有用な1つの構造は、導管を通る流体が1方向にのみ流れることを可能にするチェックバルブである。図61Aおよび図61Bは、本発明の実施形態による微細加工された逆流防止弁構造の平面図および断面図のそれぞれを示す。微細加工構造6600は、エラストマー6604に形成されたフローチャネル6602を含む。フローチャネル6602の左部分6602aおよび右部分6602bは、逆流防止弁6606を通じて流体を互いにやり取りする。
(18. Check valve)
One potentially useful structure in conventional fluid handling devices is a check valve that allows fluid through the conduit to flow in only one direction. 61A and 61B show a top view and a cross-sectional view, respectively, of a micromachined check valve structure according to an embodiment of the present invention. Microfabricated structure 6600 includes a flow channel 6602 formed in elastomer 6604. The left portion 6602 a and the right portion 6602 b of the flow channel 6602 exchange fluids with each other through the check valve 6606.

具体的には、微小流動逆流防止弁6606は、流体がフローチャネル6602および可動フラップ6608を通ってM→の方向に流れるが、逆方向←Nには流れないことを可能にする。フラップ6608は、フローチャネル6602の天井6602cと一体化しており、底部6602dまたは側面6602eとは接触せず、従って、フラップ6608が自由に揺動することを可能にする。フラップ6608は、フローチャネル6602の左部分6602aに対してシールすることができる。なぜなら、このフラップは、右のチャネル部分の断面よりも幅および高さの両方が大きいからである。代替的に、右チャネルの壁は、フラップの動きを阻止する突起の機能を有し得る。   Specifically, the microflow check valve 6606 allows fluid to flow in the M → direction through the flow channel 6602 and the movable flap 6608 but not in the reverse direction ← N. The flap 6608 is integral with the ceiling 6602c of the flow channel 6602 and does not contact the bottom 6602d or side 6602e, thus allowing the flap 6608 to swing freely. The flap 6608 can seal against the left portion 6602a of the flow channel 6602. This is because the flap is both larger in width and height than the cross section of the right channel portion. Alternatively, the right channel wall may have the function of a protrusion to prevent flap movement.

バルブ6606は、外部の力というよりも、むしろチャネルの形状およびエラストマーの特性に依存して受動的に動作する。具体的には、流体がM→の方向で左から右に流れると、フラップ6608は、フローチャネルの右手側6602bに開くように揺動することができる。しかしながら、フローチャネルの方向が逆←Nの場合、フラップ6608は、フローチャネル6602の左手側6602の開口部に対してシールする。   Valve 6606 operates passively depending on the channel shape and elastomeric properties rather than external forces. Specifically, when the fluid flows from left to right in the direction of M →, the flap 6608 can swing to open to the right-hand side 6602b of the flow channel. However, if the direction of the flow channel is reverse ← N, the flap 6608 seals against the opening on the left hand side 6602 of the flow channel 6602.

図62A〜図62Eは、本発明による逆流防止弁を製作する方法の断面図を示す。図6
2Aにおいて、第1のミクロ機械加工されたシリコンモールド6620は、第1の凹部6624を規定する第1のパターニングされたフォトレジスト層6622を用いて形成される。第1の凹部は、次に、フローチャネルの底部シール部分6626を規定する。図62Bにおいて、エラストマーは、モールド6620上に流し込まれ、かつ凝固され、従って、第1の成型されたピース6625の除去は、隆起した底部シール部分6626を生成する。図62Cにおいて、第2のミクロ機械加工されたシリコンモールド6630は、第2の凹部6634を規定する第2のパターニングされたフォトレジスト層6632を用いて形成され、この第2の凹部は、次に、フローチャネルの天井およびフラップを規定する。図62Dにおいて、エラストマーは、第2のモールド6630上に流し込まれ、かつ硬化され、従って、第2の成型されたピース6636の除去は、突き出したフラップ6608を含む。図62Eにおいて、第1の成型ピース6625および第2の成型ピース6636は、貼り合せられて、介在フローチャネル6602および逆流防止弁6606を生成する。
62A-62E show cross-sectional views of a method of making a check valve according to the present invention. FIG.
In 2A, a first micromachined silicon mold 6620 is formed using a first patterned photoresist layer 6622 that defines a first recess 6624. The first recess in turn defines a bottom seal portion 6626 of the flow channel. In FIG. 62B, the elastomer is cast onto mold 6620 and solidified, so removal of first molded piece 6625 creates a raised bottom seal portion 6626. In FIG. 62C, a second micromachined silicon mold 6630 is formed using a second patterned photoresist layer 6632 defining a second recess 6634, which is then Defines the ceiling and flaps of the flow channel. In FIG. 62D, the elastomer is cast onto the second mold 6630 and cured, and thus removal of the second molded piece 6636 includes a protruding flap 6608. In FIG. 62E, a first molded piece 6625 and a second molded piece 6636 are bonded together to create an intervening flow channel 6602 and a check valve 6606.

本発明の実施形態による逆流防止弁は、エラストマーブロックで形成された微細加工されたチャネル、チャネル内に突き出したエラストマーブロックと一体化し、かつそのチャネルを遮断するフラップ、および流体が最初の方向にのみ流れることを可能にするように撓めることができるフラップを備える。   A check valve according to an embodiment of the present invention includes a micromachined channel formed of an elastomer block, a flap that is integral with and blocks the elastomer block protruding into the channel, and the fluid is only in the first direction. A flap is provided that can be deflected to allow it to flow.

(19.流体素子)
流体素子は、流れる流体を媒体を有する信号として利用する、およびこれらの信号の改変(スイッチング、増幅)の流体力学の特性を活用する技術に関する。流体素子は、エレクトロニクスと類似であり、電子の流れが信号保有媒体として用いられ、電磁特性は、信号のスイッチングおよび増幅のために利用される。
(19. Fluid element)
The fluidic device relates to a technology that uses a flowing fluid as a signal having a medium, and utilizes a fluid dynamic characteristic of modification (switching, amplification) of these signals. Fluidic devices are similar to electronics, where the flow of electrons is used as a signal bearing medium and the electromagnetic properties are used for signal switching and amplification.

従って、本発明の微細加工構造の別の用途が流体回路にある。本発明による流体論理デバイスの1実施形態は、エラストマーブロック、およびエラストマーブロックで形成された複数の微細加工されたチャネルを備え、各チャネルは、信号を表す圧力または流れを含み、第1のチャネルへの圧力または流れの変化は、論理演算と一致する第2のチャネル内の圧力または流体のフローを変更する。   Accordingly, another application of the microfabricated structure of the present invention is in fluid circuits. One embodiment of a fluidic logic device according to the present invention comprises an elastomeric block and a plurality of microfabricated channels formed of the elastomeric block, each channel including a pressure or flow representative of a signal to the first channel. Pressure or flow changes the pressure or fluid flow in the second channel consistent with the logic operation.

本発明の実施形態による流体論理構造は、コンパクトサイズという利点を提供する。本発明の流体素子構造の別の有利な点は、これらが、耐放射線性用途において用いられる潜在性を有することである。流体論理回路のさらなる有利な点は、非電子であるということである。このような流体論理回路は、電磁センサによってプローブされ得ず、したがって、安全上の利益を提供する。   The fluid logic structure according to embodiments of the present invention provides the advantage of compact size. Another advantage of the fluidic device structures of the present invention is that they have the potential to be used in radiation resistant applications. A further advantage of the fluid logic circuit is that it is non-electronic. Such a fluid logic circuit cannot be probed by an electromagnetic sensor and thus provides a safety benefit.

流体論理回路のさらに別の有利な点は、これらの回路が微小流動システムと容易に統合され得、「ボード上の(onboard)」制御を可能にし、かつ外部制御手段の必要を低減するか、または消去する。例えば、流体論理が、下流の圧力に基づいて、ぜん動性ポンプの速度を制御するために用いられ得、従って、外部手段を用いることなく、圧力を直接的にレギュレートすることを可能にする。外部手段を用いる同様の制御は、はるかに複雑であり、インプリメントが困難であり、別個の圧力センサおよび圧力信号の電気信号への変換器、ポンプレートを制御するソフトウェア、および制御信号を空気圧制御に変換する外部ハードウェアを必要とする。   Yet another advantage of fluid logic circuits is that these circuits can be easily integrated with microfluidic systems, allowing "onboard" control and reducing the need for external control means, Or erase. For example, fluid logic can be used to control the speed of a peristaltic pump based on downstream pressure, thus allowing the pressure to be directly regulated without the use of external means. Similar controls using external means are much more complex and difficult to implement, with separate pressure sensors and converters for pressure signals to electrical signals, software to control pump rates, and control signals for pneumatic control Requires external hardware to convert.

1基本的論理構造はNORゲートである。NOR論理構造の真理値表が以下のTABLE2に示される。   One basic logic structure is a NOR gate. The truth table for the NOR logic structure is shown in TABLE 2 below.

Figure 2009052744
本発明により製作されたNORゲート構造の1つの単純な実施形態は、入口部分および出口部分を含むフローチャネル、このフローチャネルに隣接し、かつ第1および第2のエラストマー膜によって、それぞれ第1のチャネルから分離されるので、制御チャネルへの圧力の付与が第1の膜および第2の膜の少なくとも1つを撓ませてフローチャネルに入れ、出口の圧力がNOR真理値表と整合して反映されるようにする少なくとも2つの制御チャネルを備える。
Figure 2009052744
One simple embodiment of a NOR gate structure made in accordance with the present invention includes a flow channel that includes an inlet portion and an outlet portion, adjacent to the flow channel, and first and second elastomeric membranes, respectively, Since being separated from the channel, the application of pressure to the control channel deflects at least one of the first and second membranes into the flow channel and the outlet pressure reflects consistent with the NOR truth table At least two control channels to be

図63は、圧力増幅器構造から製作される本発明による、NOR論理構造の代替的実施形態の平面図を示す。NORゲート6900は、加圧された流体のフローを含む入力フローチャネル6902および6904を備える。制御チャネル6906および6908は、上に位置するフローチャネル6902および6904と直交し、バルブ6910a、6910b、6910cおよび6910dを形成する。下側の制御チャネル6909および6908を通過した後、フローチャネル6902および6904が結合して単一の出力フローチャネル6912を形成する。NORゲート6900は、以下のように動作する。   FIG. 63 shows a plan view of an alternative embodiment of a NOR logic structure according to the present invention fabricated from a pressure amplifier structure. The NOR gate 6900 includes input flow channels 6902 and 6904 that contain a flow of pressurized fluid. Control channels 6906 and 6908 are orthogonal to the overlying flow channels 6902 and 6904 and form valves 6910a, 6910b, 6910c and 6910d. After passing through the lower control channels 6909 and 6908, flow channels 6902 and 6904 combine to form a single output flow channel 6912. The NOR gate 6900 operates as follows.

制御線6906および6908の各々への入力圧力信号がローの場合、バルブ6910a〜dが開き、流体がフローチャネル6902および6904を通って自由に流れて、出力フローチャネル6912における高い混合圧(combined pressure)が生じる。フローチャネル6902および6904に存在する圧力よりも高い圧力が第1の制御線6906に導入された場合、バルブ6910aおよび6910bの両方が閉じられて、出力フローチャネル6912の圧力が低くなる。同様に、フローチャネル6902および6904に存在する圧力よりも高い圧力が第2の制御線6908に導入された場合、逆流防止弁6910cおよび6910dが閉じられて、出力フローチャネル6912における出力もまた低くなる。当然、制御線6906および6908の両方に高圧が付与されると、出力6912における圧力をさらに低くする。   When the input pressure signal to each of control lines 6906 and 6908 is low, valves 6910a-d open and fluid flows freely through flow channels 6902 and 6904, resulting in a high combined pressure in output flow channel 6912. ) Occurs. If a higher pressure is introduced into the first control line 6906 than is present in the flow channels 6902 and 6904, both valves 6910a and 6910b are closed and the pressure in the output flow channel 6912 is lowered. Similarly, if a pressure higher than that present in the flow channels 6902 and 6904 is introduced into the second control line 6908, the check valves 6910c and 6910d are closed and the output in the output flow channel 6912 is also low. . Of course, when a high pressure is applied to both control lines 6906 and 6908, the pressure at output 6912 is further reduced.

NORゲート6900は、より複雑な論理構造を形成するために、他の論理デバイスとリンクされ得る。例えば、図63は、第2のNORゲート6950の他の論理デバイス(制御線)の1つとして利用される第1のNORゲート6900の出力を示す。このゲートは、おそらく、第1のNORゲート6900の下に位置するエラストマー層に形成される。必要な制御を達成するために、第1のNORゲート6900から出力された圧力を増幅する必要があり得る。   The NOR gate 6900 can be linked with other logic devices to form more complex logic structures. For example, FIG. 63 shows the output of the first NOR gate 6900 used as one of the other logic devices (control lines) of the second NOR gate 6950. This gate is probably formed in an elastomeric layer located under the first NOR gate 6900. It may be necessary to amplify the pressure output from the first NOR gate 6900 to achieve the necessary control.

さらに、本発明の実施形態による信号増幅は、制御圧力信号および情報搬送(フロー)圧力を、ほぼ同じ大きさで維持するために利用され得る。情報と制御信号との間のこのような近似的パリティは、従来のデジタル電子制御システムの1つの顕著な特徴(hollmark)である。   Furthermore, signal amplification according to embodiments of the present invention can be utilized to maintain the control pressure signal and the information carrying (flow) pressure at approximately the same magnitude. Such approximate parity between information and control signals is one hallmark of conventional digital electronic control systems.

増幅された制御圧を用いない場合、本発明の実施形態による流体素子の適用は、デバイスを通って流れる流体を制御するために、通常、流圧よりも大きい圧力を制御することを
必要とする。しかしながら、本発明による圧力増幅器を用いて、流体回路の制御チャネルおよびフローチャネル内の圧力は、ほぼ同じ大きさであり得る。
Without using amplified control pressure, application of fluidic elements according to embodiments of the present invention typically requires controlling pressure greater than fluid pressure to control the fluid flowing through the device. . However, with the pressure amplifier according to the present invention, the pressure in the control channel and the flow channel of the fluid circuit can be approximately the same magnitude.

ANDおよびORゲートといった論理構造の別の基本的構成要素はダイオードである。従って、図64は、本発明による流体チェックバルブをダイオードとして利用して製作されたANDゲートの1実施形態の平面図を示す。AND論理構造の真理値表は以下のTABLE3に示される。   Another basic component of logic structures such as AND and OR gates are diodes. Accordingly, FIG. 64 shows a plan view of one embodiment of an AND gate fabricated using the fluid check valve according to the present invention as a diode. The truth table for the AND logic structure is shown in TABLE 3 below.

Figure 2009052744
この真理値表による演算は、図64の構造7000を利用して可能である。具体的には、ANDゲート構造7000は、フローレジスタ7004を通ってフローチャネル7002bの出口部分と流体をやり取りする入口部分7002aフローチャネル7002を含む。第1の制御チャネル7006および第2の制御チャネル7008は、第1の逆流防止弁7010および第2の逆流防止弁7012それぞれを通ってフローレジスタ7004のすぐ上流側にある接合部7002cでフローチャネル7002とつながる。
Figure 2009052744
The calculation based on this truth table is possible using the structure 7000 in FIG. Specifically, AND gate structure 7000 includes an inlet portion 7002a flow channel 7002 that communicates fluid through flow register 7004 with the outlet portion of flow channel 7002b. The first control channel 7006 and the second control channel 7008 are flow channel 7002 at a junction 7002c immediately upstream of the flow register 7004 through the first check valve 7010 and the second check valve 7012, respectively. Connect with.

第1の制御チャネル7006および第2の制御チャネル7008が加圧される(各々が高い論理状態に対応する)場合のみ、高圧流がフローチャネル出力部分7002bから生じる。第1の制御チャネル7006内の圧力が低く、第2の制御チャネル7008内の圧力が低く、または第1の制御チャネル7006および第2の制御チャネル7008の両方における圧力が低い場合、入口7002aを通ってデバイス7000に流れ込む流体が接合点7002cにおけるフローレジスタ7004からの逆圧と対面し、これに応答して、逆とめ弁7010および7012のうちの1つまたはこれらの両方およびそれぞれの制御チャネル7006および7008から流れ出す。より複雑な論理構造は、ANDゲートと他の論理構造とを種種の組み合わせで接続することによって生成され得る。   Only when the first control channel 7006 and the second control channel 7008 are pressurized (each corresponding to a high logic state), high pressure flow results from the flow channel output portion 7002b. If the pressure in the first control channel 7006 is low, the pressure in the second control channel 7008 is low, or the pressure in both the first control channel 7006 and the second control channel 7008 is low, it passes through the inlet 7002a. Fluid flowing into device 7000 faces back pressure from flow register 7004 at junction 7002c, and in response, one or both of check valve 7010 and 7012 and respective control channel 7006 and It starts from 7008. More complex logic structures can be generated by connecting AND gates and other logic structures in various combinations.

本発明による微小流動素子構造の実施形態は、下に位置する基板、およびその基板の上に位置する第1のエラストマー層を備え、その第1のエラストマー層は、底面に第1の凹部を有する。第2のエラストマー層は、第1のエラストマー層の上に位置し、第2のエラストマー層は、底面に、アーチ状の天井を有する第2の凹部を有する。第1のエラストマー層の膜部分は、第1の凹部と第2の凹部との間に規定され、膜部分は、上方に向かって撓められ第2の凹部に入れることが可能であり、アーチ状の天井に沿い、かつこの天井に対してシールする。   An embodiment of a microfluidic device structure according to the present invention comprises a substrate located below and a first elastomer layer located on the substrate, the first elastomer layer having a first recess on the bottom surface. . The second elastomer layer is located on the first elastomer layer, and the second elastomer layer has a second recess having an arched ceiling on the bottom surface. The membrane portion of the first elastomer layer is defined between the first recess and the second recess, the membrane portion can be deflected upward and enter the second recess, and the arch Along the ceiling and seal against this ceiling.

本発明による微小流動素子の実施形態は、下に位置する基板、およびこの基板の上に位置する第1のエラストマー層を備え、この第1のエラストマー層は、その底面に第1の凹部を有する。第2のエラストマー層は、第1のエラストマー層の上に位置し、第2のエラストマーは、その底面に第2の凹部を有する。第3のエラストマー層は、第2のエラストマー層の上に位置し、第3のエラストマー層は、その底面に第3の凹部を有し、従って、第1の撓めることが可能な膜は、第1の凹部と第2の凹部との間の第1のエラストマー層の部分から規定され、第2の撓めることが可能な膜は、第2の凹部と第3凹部との間の第
2のエラストマー層の部分から規定される。
An embodiment of a microfluidic device according to the present invention comprises a substrate located below and a first elastomer layer located on the substrate, the first elastomer layer having a first recess on its bottom surface. . The second elastomer layer is located on the first elastomer layer, and the second elastomer has a second recess on its bottom surface. The third elastomer layer is located on the second elastomer layer, and the third elastomer layer has a third recess on its bottom surface, so the first deflectable membrane is , Defined from the portion of the first elastomer layer between the first recess and the second recess, the second deflectable membrane is between the second recess and the third recess It is defined from the portion of the second elastomer layer.

本発明による微細加工されたエラストマーデバイスを製作する方法の実施形態は、異なった高さの複数の特徴を有する非エラストマーモールドを形成する工程と、硬化されないエラストマー材料を非エラストマーモールド上に提供する工程とを包含する。エラストマー材料は、硬化され、モールドから除去され、従って、硬化したエラストマー材料は、モールドの特徴の高さに対応する異なった深さの凹部を有する。硬化したエラストマー材料は、基板上に配置されて、凹部と基板との間のチャネルを規定し、成型されたエラストマー層は、硬化したエラストマー材料上に配置される。   Embodiments of a method of fabricating a microfabricated elastomeric device according to the present invention include forming a non-elastomeric mold having a plurality of features of different heights and providing an uncured elastomeric material on the non-elastomeric mold. Including. The elastomeric material is cured and removed from the mold so that the cured elastomeric material has recesses of different depths corresponding to the height of the mold features. A cured elastomeric material is disposed on the substrate to define a channel between the recess and the substrate, and a molded elastomeric layer is disposed on the cured elastomeric material.

本発明による微小流動素子の構造の実施形態は、下に位置する基板、およびこの基板の上に位置する第1のエラストマー層を備え、この第1のエラストマー層は、底面にフローチャネルを有する。第2のエラストマー層は、第1のエラストマー層の上に位置し、第2のエラストマーは、底面に蛇行性の制御チャネルを有する。蛇行性のチャネルは、少なくとも3つの位置でフローチャネルと重なり、フローチャネルと制御チャネルとの間の少なくとも3つの撓めることが可能な膜を規定し、従って、高圧信号の制御チャネルへの付与は、膜を順番に下方に向かって撓めてフローチャネルに入れて、フローチャネル内に存在する材料が流れるようにする。   An embodiment of the structure of the microfluidic device according to the invention comprises an underlying substrate and a first elastomer layer located on the substrate, the first elastomer layer having a flow channel on the bottom surface. The second elastomer layer is located on the first elastomer layer, and the second elastomer has a serpentine control channel on the bottom surface. The serpentine channel overlaps the flow channel at at least three locations and defines at least three deflectable membranes between the flow channel and the control channel, and thus the application of a high pressure signal to the control channel Squeeze the membrane in turn downward into the flow channel to allow the material present in the flow channel to flow.

本発明による微小流動素子の代替的実施形態は、下に位置する基板、およびその基板の上に位置する第1のエラストマー層を備え、第1のエラストマー層は、底面に蛇行性の制御チャネルを有する。第2のエラストマー層は、第1のエラストマー層の上に位置し、この第2のエラストマー層は、底面にフローチャネルを有する。このフローチャネルは、少なくとも3つの位置で蛇行性制御チャネルと重なり、制御チャネルとフローチャネルとの間に少なくとも3つの撓めることが可能な膜を規定し、従って、制御チャネルへの高圧信号の付与は、膜を順番に上方に向かって撓めてフローチャネルに入れ、フローチャネル内に存在する材料が流れるようにする。   An alternative embodiment of a microfluidic device according to the present invention comprises an underlying substrate and a first elastomeric layer overlying the first elastomeric layer, the first elastomeric layer having a serpentine control channel on the bottom surface. Have. The second elastomer layer is located on the first elastomer layer, and the second elastomer layer has a flow channel on the bottom surface. This flow channel overlaps the tortuous control channel in at least three locations and defines at least three deflectable membranes between the control channel and the flow channel, and thus the high pressure signal to the control channel. The application deflects the membrane in turn upward into the flow channel, allowing the material present in the flow channel to flow.

材料を、微小流動素子構造を通して流させる方法の実施形態は、第1のエラストマー層にフローチャネルを配置する工程を包含する。蛇行性の制御チャネルは、第1のエラストマー層に隣接する第2のエラストマー層に配置され、制御チャネルは、少なくとも3つの位置でフローチャネルと重なり、第1、第2および第3の撓めることが可能な膜をフローチャネルと蛇行性制御チャネルとの間に規定する。高圧信号がフローチャネルに付与されて、第1、第2、第3の膜が撓められて、ぜん動性のポンピングシーケンスにおけるフローチャネルに入る。   An embodiment of a method for causing material to flow through a microfluidic device structure includes disposing a flow channel in a first elastomer layer. A serpentine control channel is disposed in a second elastomeric layer adjacent to the first elastomeric layer, the control channel overlapping the flow channel at at least three locations and the first, second and third flexures. A possible membrane is defined between the flow channel and the serpentine control channel. A high pressure signal is applied to the flow channel, causing the first, second and third membranes to deflect and enter the flow channel in a peristaltic pumping sequence.

本発明による微細加工されたエラストマー構造にビアを形成する方法の実施形態は、エラストマー材料を隆起した機能を含むモールドと接触してエラストマー材料を配置する工程と、エラストマー材料を硬化させる工程を包含する。硬化されたエラストマー材料は、モールドから除去される。硬化されたエラストマー材料は、硬質の中空構成要素によって穴が開けられ、硬質の中空構成要素が硬化したエラストマー材料から除去されて、第1の凹部と流体をやり取りする第1のビア開口部を明らかにする。   An embodiment of a method for forming a via in a microfabricated elastomeric structure according to the present invention includes placing the elastomeric material in contact with a mold that includes raised features of the elastomeric material and curing the elastomeric material. . The cured elastomeric material is removed from the mold. The cured elastomeric material is pierced by the rigid hollow component and the rigid hollow component is removed from the cured elastomeric material to reveal a first via opening that communicates fluid with the first recess. To.

本発明による微小流動素子構造の実施形態は、下に位置する基板、およびこの基板の上に位置する第1のエラストマー層を備え、この第1のエラストマー層は、底面に第1の凹部を有し、第1の凹部は、複数の並行な分岐に分離する複数のチャネルにパターニングされ、並行な分岐が再統合される。第2のエラストマー層は、第1のエラストマー層の上に位置し、第2のエラストマー層は、底面に第2の凹部を有し、第2の凹部は、並行する分岐に直角に配向される複数の並行なチャネルになるようにパターニングされる。第1のエラストマー層の膜部分は、並行するチャネルの拡大された部分と、下に位置する並行な分
岐との間に規定され、膜部分は、並行なブランチを流れる流体を制御するように、並行な分岐になるように撓めることが可能である。
An embodiment of a microfluidic device structure according to the present invention comprises a substrate located below and a first elastomer layer located on the substrate, the first elastomer layer having a first recess on the bottom surface. The first recess is then patterned into a plurality of channels that separate into a plurality of parallel branches, and the parallel branches are reintegrated. The second elastomer layer is located on the first elastomer layer, the second elastomer layer has a second recess on the bottom surface, and the second recess is oriented perpendicular to the parallel branches. Patterned into a plurality of parallel channels. The membrane portion of the first elastomer layer is defined between an enlarged portion of parallel channels and an underlying parallel branch, the membrane portion controlling the fluid flowing through the parallel branches, It is possible to bend so that it may become a parallel branch.

本発明は、これらの特定の実施態様に関して本明細書中に記載されているが、改変の許容範囲、種々の変化および置換が、前述の開示において意図され、そしていくつかの例において、本発明のいくつかの特性が、上記の本発明の範囲を逸脱することなく、他の特性の対応する用途なしに用いられることが理解される。したがって、多くの改変が、本発明の必須の範囲および意図から逸脱することなく、本発明の教示に対する特定の状況および物質に適合するようになされ得る。   Although the invention has been described herein with reference to these specific embodiments, modifications, various changes and substitutions are contemplated in the foregoing disclosure, and in some examples, the invention It is understood that some of the characteristics can be used without corresponding use of other characteristics without departing from the scope of the invention described above. Accordingly, many modifications may be made to adapt a particular situation and material to the teachings of the present invention without departing from the essential scope and intent of the present invention.

例えば、他の研究者は、エラストマー材料を用いる微小流動素子デバイスの微細加工の代替的アプローチを提示した。Hartleyによる米国特許出願第5,705,018号および第6,007,309号は、非エラストマー基板内に微細加工されたフローチャネルを有する微小流動素子を一般的に記載する。フローチャネルの上に位置するエラストマー膜は、静電気で駆動されて、撓められてフローチャネルに入れられ、それを通して流体を流す。   For example, other researchers have presented an alternative approach to microfabrication of microfluidic device devices using elastomeric materials. US Patent Applications Nos. 5,705,018 and 6,007,309 by Hartley generally describe a microfluidic device having microfabricated flow channels in a non-elastomeric substrate. The elastomeric membrane located above the flow channel is driven by static electricity and is deflected into the flow channel to flow fluid therethrough.

Ekstromによる米国特許出願第5,376,252号は、通常、パターニングされたエラストマースペーサ層を用いて変更されるベース層を特徴とする微小流動素子構造を一般的に記載する。Duffyらによる「Rapid Prototyping of
Microfluidic Systems in Poly(dimethlsiloxane)」、Analytical Chemistry、70(23):4974〜4984ページ(1998年)は、成型された非エラストマー層をチャネルおよびリザーバを有するエラストマー層のひな型を迅速に作成するための原型として利用する微小流動素子のシステムを提示する。
US Patent Application No. 5,376,252 by Ekstrom generally describes a microfluidic device structure featuring a base layer that is typically modified using a patterned elastomeric spacer layer. “Rapid Prototyping of by Duffy et al.
Microfluidic Systems in Poly (dimethylsiloxane), Analytical Chemistry, 70 (23): 4974-4984 (1998), for rapidly creating a template of an elastomeric layer having a channel and a reservoir with a molded non-elastomeric layer. A microfluidic device system used as a prototype is presented.

Vieiderらによる「A Pneumatically Actuated Micro Valve with a Silicon Rubber Membrane
for Integration with Fluid−Handling Systems」Proceedings of Transducers ’95、the 8th International Conference on Solid−State Sensors and Actuators,and EurosensorsIX(スゥエーデン、1995年6月)vol.2、284〜286ページは、空気圧で駆動されてフローチャネルを閉じることができるシリコンプランジャ構造を支持する可動エラストマー部分を備える微小流動素子ポンプ構造を記載する。Fahrenbergらによる「A Microvalve System Fabricated by Thermoplastic Molding」Journal of Micromechanics and Microengineering、vol.5、no.2(1995年6月)169〜171ページは、ポリイミド膜を含むバルブの熱空気圧駆動を記載する。
“A Pneumatically Actuated Micro Valve with a Silicon Rubber Membrane” by Vieider et al.
for Integration with Fluid-Handling Systems, "Proceedings of Transducers '95, the 8th International Conference on Solid-State Sensors and Actors, 1995. Pages 2,284-286 describe a microfluidic device pump structure comprising a movable elastomeric portion that supports a silicon plunger structure that can be pneumatically driven to close the flow channel. "A Microvalve System Fabricated by Thermoplastic Molding" by Fahrenberg et al., Journal of Micromechanics and Microengineering, vol. 5, no. 2 (June 1995) pages 169-171 describe the thermopneumatic drive of valves containing polyimide membranes.

Yangらによる「A MEMS Thermopneumatic Silicone Membrene Valve」Proceedings of the IEEE
10th Annual Workshop of Micro Electro Mechanical Systems(日本、1997年1月)114〜118ページは
、エッチングによって実質的に除去された非エラストマー(Si/SiN)架橋に対して硬化されたシリコーン膜を硬化することによるミクロ流体バルブ構造の製作を記載する。Shojiらによる「Smallest Dead Volume Microvalves for Integrated Chemical analyzing Systems」Proceedings of Transducers’91、the 1
991 International Conference on Solid−State Sensors and Actuators(サンフランシスコ、1991年6月)1052〜1055ページは、駆動される圧電により駆動される重合化された負のフォトレジスト材料の膜を有する微小流動素子バルブ構造を記載する。
Yang et al., “A MEMS Thermonematic Silicone Membrane Valve”, Proceedings of the IEEE.
10th Annual Workshop of Micro Electro Mechanical Systems (Japan, January 1997) pages 114-118 cure cured silicone film against non-elastomeric (Si / SiN) cross-links substantially removed by etching. The fabrication of the microfluidic valve structure according to is described. Shoji et al., “Smallest Dead Volume Microvalves for Integrated Chemical Analyzing Systems”, Proceedings of Transducers '91, the 1
991 International Conference on Solid-State Sensors and Actuators (San Francisco, June 1991) pages 1052-1055 are microfluidic device valve structures having a film of polymerized negative photoresist material driven by driven piezoelectric Is described.

Bernardらによる「A Titanium−Nickel Shape−Memory Alloy Actuated Micropump」Proceedings
of Transducers’97、the 1997 International conference on Solid−State Sensors and Actuators(シカゴ、1997年)、vol.1、361〜364ページは、非エラストマー膜の駆動を利用する微細加工されたバルブ構造との関連でのポリイミドチェックバルブの使用を記載する。Olssonらによる「Simulation Studies of Diffuser and Nozzle Elements for Valve−less Micropumps」Proceedings of Transducers’97、the 1997 International Conference on Solid−State Sensors and actuators(シカゴ、1007年6月)vol.2、1039〜1042ページは、後で射出成型プラスチックポンプおよびバルブ構造を製作するために利用される、電気めっきされたニッケルモールドを形成するためのシリコンモールドの使用を記載する。
"A Titanium-Nickel Shape-Memory Alloy Actuated Micropump" by Bernard et al., Proceedings
of Transducers '97, the 1997 International conference on Solid-State Sensors and Actuators (Chicago, 1997), vol. 1, pages 361-364 describe the use of polyimide check valves in connection with microfabricated valve structures that utilize non-elastomeric membrane actuation. Olsson et al., "Simulation Studios of Diffuser and Nozzle Elements for Valve-less Micropumps", Processeds of Transducers'97, the 1997 International Confences'97, the 1997 International Conferences. Pages 2,1039-1042 describe the use of a silicon mold to form an electroplated nickel mold that is later utilized to fabricate injection molded plastic pumps and valve structures.

さらに、はるかに先行して、マイクロ機械加工されたシリコンの薄層等、非エラストマー材料で構成された可動のコンポーネントを用いる微小流動素子構造を探求する試みが行われた。このアプローチの1例は、Jermanによる「Electrically−activated,Normally−Closed Diaphragm Valve」Proceedings of Transducers’91 in the 1991 International Conference on Solid State Sensors and Actuators(サンフランシスコ、1991年6月)1045〜1048ページに記載される、正常に閉じられたバルブ構造である。Jermanの構造は、厚い非エラストマーの膜が、膜を撓ませることを可能にする、より薄いSiOヒンジによって材料の周囲にリンクされる。 Furthermore, much earlier attempts have been made to explore microfluidic device structures that use movable components composed of non-elastomeric materials, such as a thin layer of micromachined silicon. One example of this approach is Jerman's “Electrically-activated, Normally-Closed Diaphragm Valve”, Proceedings of Transducers '91 in the 1991 International Conference on Sent. It is a normally closed valve structure. Jerman's structure is linked around the material by a thinner SiO 2 hinge that allows a thick non-elastomeric membrane to deflect the membrane.

従って、本明細書中に記載される種々の微小流動素子構造、方法、用途およびアーキテクチャに関するアプローチは、一般的に、デバイスを扱うすべてのタイプの微小流動素子に適用可能であり、本明細書中に記載された多層エラストマー構造とともに用いることに限定されない。   Accordingly, the various microfluidic device structure, method, application, and architecture approaches described herein are generally applicable to all types of microfluidic devices that handle devices, and are described herein. It is not limited to use with the multilayer elastomeric structure described in.

本発明は、本発明を実施するために意図される最良の様式として開示される特定の実施態様に制限されずに、本発明は、特許請求の範囲にある全ての実施態様および均等物を含む。   The invention is not limited to the specific embodiments disclosed as the best mode contemplated for carrying out the invention, but the invention includes all embodiments and equivalents within the scope of the claims. .

以下の係属中の特許出願は、本出願に関する主題を含み、参考のため、本明細書中に援用される。これらは「apparatus and methods for Conducting Cell Assays and High Throughput Screening」と称される非係属中の米国特許出願第09/ , ,号(アトーニードケット番号第020174−002510US、2001年10月2日出願)、および「Integrated Active Flux Microfluidic Devices and Methods」と称される、非係属中の米国特許出願第09/724,548号(アトーニードケット番号第0G638−US2、2000年11月28日出願)である。   The following pending patent applications contain subject matter related to the present application and are incorporated herein by reference. These are pending US Patent Application No. 09 /,,, (Atoney Docket No. 020174-002510 US, 2001), dated “apparatus and methods for Conducting Cell Assays and High Throughput Screening” And a non-pending US patent application 09 / 724,548 (Atonie Docket number 0G638-US2, filed Nov. 28, 2000), referred to as "Integrated Active Flux Microfluidic Devices and Methods". .

パートI−−−図1〜7Aは、本発明を製作する第1の方法の連続工程を例示する図である。Part I--FIGS. 1-7A are diagrams illustrating the continuous steps of a first method of making the present invention.

図1は、微細加工されたモールドの頂面に第1のエラストマー層が形成されているのを示す図である。
図2は、微細加工されたモールドの頂面に第2のエラストマー層が形成されているのを示す図である。 図3は、図2のエラストマー層が微細加工されたモールドから除去され、図1のエラストマー層の頂面上に設置されているのを示す図である。 図4は、図3に対応しているが、第1のエラストマー層の頂面に第2のエラストマー層が設置されているのを示す図である。 図5は、図4に対応しているが、第1のエラストマー層と第2のエラストマー層とが一緒に接着されているのを示す図である。 図6は、図5に対応しているが、第1の微細加工されたモールドが除去され、平坦基板が適所に設置されているのを示す図である。 図7Aは、図6に対応しているが、エラストマー構造が平坦基板上にシールされているのを示す図である。 図7Bは、図7Aに対応している正面断面図であり、開いたフローチャネルを示す。 図7Cは、別のエラストマー層から形成された膜を有するエラストマー構造を形成するための方法の工程を示す。 図7Dは、別のエラストマー層から形成された膜を有するエラストマー構造を形成するための方法の工程を示す。 図7Eは、別のエラストマー層から形成された膜を有するエラストマー構造を形成するための方法の工程を示す。 図7Fは、別のエラストマー層から形成された膜を有するエラストマー構造を形成するための方法の工程を示す。 図7Gは、別のエラストマー層から形成された膜を有するエラストマー構造を形成するための方法の工程を示す。 パートII−−−図7Hは、第2フローチャネルを加圧することにより、第1のフローチャネルを閉鎖することを示す。
FIG. 1 is a diagram showing a first elastomer layer formed on the top surface of a micromachined mold.
FIG. 2 is a diagram showing that a second elastomer layer is formed on the top surface of the microfabricated mold. FIG. 3 is a diagram showing the elastomer layer of FIG. 2 removed from the microfabricated mold and placed on the top surface of the elastomer layer of FIG. FIG. 4 corresponds to FIG. 3, but shows a second elastomer layer placed on the top surface of the first elastomer layer. FIG. 5 corresponds to FIG. 4 but shows the first elastomer layer and the second elastomer layer being bonded together. FIG. 6 corresponds to FIG. 5 but shows that the first microfabricated mold has been removed and the flat substrate is in place. FIG. 7A corresponds to FIG. 6, but shows the elastomeric structure sealed on a flat substrate. FIG. 7B is a front cross-sectional view corresponding to FIG. 7A showing an open flow channel. FIG. 7C shows the steps of a method for forming an elastomeric structure having a membrane formed from another elastomeric layer. FIG. 7D shows the steps of a method for forming an elastomeric structure having a membrane formed from another elastomeric layer. FIG. 7E illustrates a method step for forming an elastomeric structure having a membrane formed from another elastomeric layer. FIG. 7F shows the steps of a method for forming an elastomeric structure having a membrane formed from another elastomeric layer. FIG. 7G illustrates the steps of a method for forming an elastomeric structure having a membrane formed from another elastomeric layer. Part II --- FIG. 7H illustrates closing the first flow channel by pressurizing the second flow channel.

図7Hは、図7Aに対応するが、第2フローチャネルにおける加圧によって閉鎖された第1フローチャネルを示す。
パートIII−−−図8〜図18は、本発明を製造する第2の方法の連続工程を示す。 図8は、平坦基板上に第1のエラストマー層が堆積されているのを示す図である。 図9は、図8の第1のエラストマー層の頂面に第1のフォトレジストが堆積しているのを示す図である。 図10は、図9のシステムを示す例示であるが、第1のフォトレジスト層の一部が除去されて、フォトレジストの第1のラインのみが残っている。 図11は、図10のフォトレジストの第1のラインを覆って第1のエラストマー層の頂面の上に第2のエラストマー層が付与され、それにより、第1のエラストマー層と第2のエラストマー層の間でフォトレジストを封入しているのを示す図である。 図12は、図11に対応しているが、第1のエラストマー層と第2のエラストマー層を一緒に結合した後で一体型モノリシック構造が生成されているのを示す図である。 図13は、図12の一体型エラストマー構造の頂面に第2のフォトレジスト層が堆積されているのを示す図である。 図14は、図13のシステムを示す図であるが、第2のフォトレジスト層の一部が除去されて、フォトレジストの第2のラインのみが残っている。 図15は、第2のエラストマー層の頂面上に図14のフォトレジストの第2のラインを覆って付与された第3のエラストマー層を示し、これにより、図12のエラストマー構造と第3のエラストマー層との間でフォトレジストの第2のラインを封入する図である。 図16は、図15に対応しているが、第3のエラストマー層を硬化させて、先に結合された第1のエラストマー層および第2のエラストマー層から構成されたモノリシックな構造に結合した状態になっているのを示す図である。 図17は、図16に対応しているが、フォトレジストの第1のラインと第2のラインを除去して、2つの互いに直交する方向に重畳しているが交差していない、一体型エラストマー構造を貫通するフローチャネルを設けているのを示す図である。 図18は、図17のシステムを示す図であるが、平坦な基板が下部で除去されている。 パートIV−−−図19および図20は、異なるフローチャネル断面の更なる詳細を示す。 図19は、第1のフローチャネルの矩形断面を示す図である。 図20は、湾曲した上部表面を有しているフローチャネル断面を示す図である。 パートV−−−図21から図24は、本微細製作バルブの好ましい実施態様により実験結果が達成されたのを示す図である。 図21は、多様なフローチャネルについて、バルブ開度に対する加わった圧力を示す図である。 図22は、100μm×100μm×10μmのRTV微細バルブの時間応答を示す図である。 パートVI−−−図23Aから図33は、本発明の局面に従って一緒にネットワーク化された、多様な微細製作構造体を示す。 図23Aは、オン/オフバルブの頂面概略図である。 図23Bは、図23Aにおける線23B−23Bに沿って破断した断面立面図である。 図24Aは、蠕動ポンピングシステムの頂面概略図である。 図24Bは、図24Aにおける線24B−24Bに沿って破断した断面立面図である。 図25は、図24の蠕動ポンピングシステムの実施態様について、実験的に達成されたポンピング速度に対する周波数を示すグラフである。 図26Aは、1本の制御ラインが多数の流れラインを同時に作動させているのを示す頂面概略図である。 図26Bは、図26Aにおける線26B−26Bに沿って破断された断面立面図である。 図27は、多様なチャネルを通る流れを可能にするように適合された多重化システムを示す概略図である。 図28Aは、アドレス可能な反応チャンバ構造の流れの層を示す平面図である。 図28Bは、アドレス可能な反応チャンバ構造の制御チャネル層を示す底面平面図である。 図28Cは、図28Aの流れの層の頂面に図28Bの制御チャネル層を結合させることにより形成された、アドレス可能な反応チャンバ構造の分開斜視図である。 図28Dは、図28Cにおける線28D−28Dに沿って破断された、図28Cに対応する断面立面図である。 図29は、反応ウエルの配列のいずれかの中に流体の流れを選択的に方向付けるように適合されたシステムの概略図である。 図30は、互いに平行なフローチャネルの間の選択可能な側方方向流れに適合されたシステムの概略図である。 図31Aは、スイッチ可能な流れの配列のエラストマーの第1の層(すなわち、フローチャネルの層)の底面平面図である。 図31Bは、スイッチ可能な流れの配列の制御チャネルの層の底面平面図である。 図31Cは、図31Aのエラストマーの第1の層が、図31Bのエラストマーの第2の層における制御チャネルの一セットと整列状態にあるのを示す図である。 図31Dも、図31Aのエラストマーの第1の層が、図31Bのエラストマーの第2層における制御チャネルの他のセットと整列状態にあるのを示す図である。 図32は、生体ポリマー合成のための一体型システムの概略図である。 図33は、生体ポリマー合成のための別な一体型システムの概略図である。 図34は、共に結合した7個のエラストマー層を有する試験構造の部分の光学的微細グラフである。 図35Aは、そこに形成される垂直バイアを有するエラストマー層を製造するための方法の1実施態様の工程を示す。 図35Bは、そこに形成される垂直バイアを有するエラストマー層を製造するための方法の1実施態様の工程を示す。 図35Cは、そこに形成される垂直バイアを有するエラストマー層を製造するための方法の1実施態様の工程を示す。 図35Dは、そこに形成される垂直バイアを有するエラストマー層を製造するための方法の1実施態様の工程を示す。 図36は、本発明に従う分類装置の1実施態様を示す。 図37は、本発明に従う半導体ウェハにわたってプロセスガスを流すための装置の実施態様を示す。 図38は、本発明に従う微細ミラーアレイ構造の1実施態様の分解図を示す。 図39は、本発明に従う屈折デバイスの第1実施態様の斜視図を示す。 図40は、本発明に従う屈折デバイスの第2実施態様の斜視図を示す。 図41は、本発明に従う屈折デバイスの第3実施態様の斜視図を示す。 図42Aは、本発明に従う通常閉じているバルブ構造の1実施態様の図を示す。 図42Bは、本発明に従う通常閉じているバルブ構造の1実施態様の図を示す。 図42Cは、本発明に従う通常閉じているバルブ構造の1実施態様の図を示す。 図42Dは、本発明に従う通常閉じているバルブ構造の1実施態様の図を示す。 図42Eは、本発明に従う通常閉じているバルブ構造の1実施態様の図を示す。 図42Fは、本発明に従う通常閉じているバルブ構造の1実施態様の図を示す。 図42Gは、本発明に従う通常閉じているバルブ構造の1実施態様の図を示す。 図42Hは、本発明に従う通常閉じているバルブ構造の1実施態様の図を示す。 図42Iは、本発明に従う通常閉じているバルブ構造の1実施態様の図を示す。 図42Jは、本発明に従う通常閉じているバルブ構造の1実施態様の図を示す。 図43は、本発明に従う分離を実施するためのデバイスの1実施態様の平面図である。 図44Aは、本発明に従うセルペン(cell pen)構造の1実施態様の作動を例示する平面図を示す。 図44Bは、本発明に従うセルペン(cell pen)構造の1実施態様の作動を例示する平面図を示す。 図44Cは、本発明に従うセルペン(cell pen)構造の1実施態様の作動を例示する平面図を示す。 図44Dは、本発明に従うセルペン(cell pen)構造の1実施態様の作動を例示する平面図を示す。 図45Aは、本発明に従うセルゲージ(cell cage)構造の1実施態様の作動を例示する平面図を示す。 図45Bは、本発明に従うセルゲージ(cell cage)構造の1実施態様の作動を例示する断面図を示す。 図46Aは、本発明に従うセルグラインダー(cell grinder)構造の1実施態様の作動を例示する断面図を示す。 図46Bは、本発明に従うセルグラインダー(cell grinder)構造の1実施態様の作動を例示する断面図を示す。 図47は、本発明に従う圧力オシレータ構造の1実施態様の平面図を示す。 図48Aは、本発明に従う側面作動バルブ構造の1実施態様の作動を例示する平面図を示す。 図48Bは、本発明に従う側面作動バルブ構造の1実施態様の作動を例示する平面図を示す。 図49は、GE SF96−50シリコン流体でのGE RTV 615エラストマーのパーセンテージ希釈に対するヤング率をプロットする。 図50は、大型サイズのチャネルを形成するためにチャネル方位面がコンタクトに配置される構造の断面図を示す。 図51は、非チャネル方位面がコンタクトに配置され、2つの基板間でスイッチングされる構造の断面図を示す。 図52Aは、ブリッジ構造を構築するための工程の断面図を示す。図52Bは、ブリッジ構造を構築するための工程の断面図を示す。図52Cは、ブリッジ構造を構築するための工程の断面図を示す。図52Dは、ブリッジ構造の平面図を示す。 図53Aは、本発明にしたがう複合構造の実施形態の断面図を示す。図53Bは、本発明にしたがう複合構造の実施形態の断面図を示す。 図54は、本発明にしたがう複合構造の一実施形態の断面図を示す。 図55Aは、垂直線に沿って結合させることによってエラストマー構造を形成するためのプロセスの断面図を示す。図55Bは、垂直線に沿って結合させることによってエラストマー構造を形成するためのプロセスの断面図を示す。図55Cは、垂直線に沿って結合させることによってエラストマー構造を形成するためのプロセスの断面図を示す。 図56は、本発明の一実施形態にしたがう電気分解的に作動されるシリンジ構造の概略図を示す。 図57Aは、内部に配置された膜を有するフローチャネルを形成するためのプロセスの断面図を示す。図57Bは、内部に配置された膜を有するフローチャネルを形成するためのプロセスの断面図を示す。図57Cは、内部に配置された膜を有するフローチャネルを形成するためのプロセスの断面図を示す。 図58Aは、本発明の実施形態に従う容量排除による流量測定の断面図を示す。図58Bは、本発明の実施形態に従う容量排除による流量測定の断面図を示す。図58Cは、本発明の実施形態に従う容量排除による流量測定の断面図を示す。図58Dは、本発明の実施形態に従う容量排除による流量測定の断面図を示す。 図59Aは、本発明に従う微細作製技術を利用して構成された線形増幅器の実施形態の断面図を示す。図59Bは、本発明に従う微細作製技術を利用して構成された線形増幅器の実施形態の平面図を示す。図59Cは、開位置での線形増幅器の写真を示す。図59Dは、閉位置での線形増幅器の写真を示す。 図60は、本発明に従う大型マルチプレクサ構造の実施形態の平面図を示す。 図61Aは、本発明に従う一方向バルブ構造の実施形態の平面図を示す。図61Bは、本発明に従う一方向バルブ構造の実施形態の断面図を示す。 図62Aは、本発明に従う一方向バルブを形成するためのプロセスの実施形態の工程の断面図を示す。図62Bは、本発明に従う一方向バルブを形成するためのプロセスの実施形態の工程の断面図を示す。図62Cは、本発明に従う一方向バルブを形成するためのプロセスの実施形態の工程の断面図を示す。図62Dは、本発明に従う一方向バルブを形成するためのプロセスの実施形態の工程の断面図を示す。図62Eは、本発明に従う一方向バルブを形成するためのプロセスの実施形態の工程の断面図を示す。 図63は、本発明に従うNORゲートロジック構造の実施形態である。 図64は、一方向バルブ構造を利用する本発明に従うANDゲートロジック構造の実施形態である。 図65は、本発明に従うBraggミラー構造の実施形態のためのサイクルに対する光強度をプロットする。 図66は、本発明の実施形態に従うチューニング可能なマイクロレンズ構造の実施形態の断面図である。 図67は、本発明の一実施形態に従うタンパク質結晶化システムの平面図である。 図68Aは、垂直配向の微小製作されたエラストマー構造を水平配向に微小製作されたエラストマー構造に結合させる方法の断面図である。図68Bは、垂直配向の微小製作されたエラストマー構造を水平配向に微小製作されたエラストマー構造に結合させる方法の断面図である。 図69Aは、本発明の別の実施形態に従う微細作製された構造によって行われる混合工程の平面図を示す。図69Bは、本発明の別の実施形態に従う微細作製された構造によって行われる混合工程の平面図を示す。 図70は、本発明の代替の実施形態に従うタンパク質結晶化システムの平面図である。 図71Aは、異なる高さのモールド機能化トポグラフィー機能の断面図を示す。図71Bは、図71Aのモールドを利用してパターニングされたエラストマー層の断面図を示す。 図72は、バルブ構造の代替の実施形態の断面図を示す。 図73Aは、本発明に従うポンプ構造の代替の実施形態の平面図を提示する。 図73Bは、図73Aのポンプ構造の制御ラインへの高圧信号の印加の周波数に対するフロー速度をプロットする。 図73Cは、図73Aのポンプ構造の制御ラインへの高圧信号の印加の周波数に対するフロー速度をプロットする。 図74は、マルチプレクサ構造の平面図を示す。 図75は、本発明の一実施形態に従う微細流体構造の断面図を提示し、この微細流体構造は、基板の頂部上の3つのエラストマー層から形成される。 図76は、本発明の実施形態に従うピンチオフ(pinch−off)バルブの断面図を示す。 図77は、フローチャネルと同一側上に配置された制御チャネルの2層を有する多層微細製作されたエラストマー構造の実施形態を示す。 図78は、独立した制御可能なバルブを機能化するフローチャネルアレイの行の平面図を示す。 図79は、本発明に従うマルチプレクサ構造の代替の実施形態の平面図を示す。 図80Aは、本発明に従うバルブ構造の代替の実施形態の平面図を示し、フローチャネルを含む層の反対側上に配置された制御層を利用している。 図80Bは、本発明に従うバルブ構造の代替の実施形態の断面図を示し、フローチャネルを含む層の反対側上に配置された制御層を利用している。 図81は、マルチプレクサ構造の代替の実施形態の簡略化された概略図を示す。 図82Aは、垂直バイアスを含む微細製作された構造の断面図である。図82Bは、図82Aに示される構造を製作するための工程の斜視図である。図82Cは、図82Aに示される構造を製作するための工程の斜視図である。
FIG. 7H corresponds to FIG. 7A but shows the first flow channel closed by pressurization in the second flow channel.
Part III--FIGS. 8-18 show the sequential steps of the second method of making the present invention. FIG. 8 is a diagram illustrating a first elastomer layer deposited on a flat substrate. FIG. 9 is a diagram showing the first photoresist deposited on the top surface of the first elastomer layer of FIG. FIG. 10 is an illustration showing the system of FIG. 9, but only a portion of the first photoresist layer has been removed, leaving only the first line of photoresist. 11 provides a second elastomer layer over the first line of the first elastomer layer over the first line of the photoresist of FIG. 10, thereby providing the first elastomer layer and the second elastomer layer. FIG. 6 shows encapsulating photoresist between layers. FIG. 12 corresponds to FIG. 11 but shows that the monolithic monolithic structure has been created after the first and second elastomer layers are bonded together. FIG. 13 is a diagram showing a second photoresist layer deposited on the top surface of the integral elastomeric structure of FIG. FIG. 14 is a diagram illustrating the system of FIG. 13, except that a portion of the second photoresist layer has been removed, leaving only the second line of photoresist. FIG. 15 shows a third elastomer layer applied over the second line of the photoresist of FIG. 14 on the top surface of the second elastomer layer, whereby the elastomer structure of FIG. FIG. 6 encapsulates a second line of photoresist with an elastomer layer. FIG. 16 corresponds to FIG. 15 but with the third elastomer layer cured and bonded to a monolithic structure composed of the first and second elastomer layers previously bonded. It is a figure which shows becoming. FIG. 17 corresponds to FIG. 16, but removes the first and second lines of photoresist and overlaps in two orthogonal directions but does not intersect but is an integral elastomer. FIG. 4 shows a flow channel penetrating the structure. FIG. 18 shows the system of FIG. 17 with the flat substrate removed at the bottom. Part IV—FIGS. 19 and 20 show further details of different flow channel cross sections. FIG. 19 is a diagram showing a rectangular cross section of the first flow channel. FIG. 20 is a diagram illustrating a cross section of a flow channel having a curved upper surface. Part V --- FIGS. 21 to 24 show that experimental results have been achieved with the preferred embodiment of the microfabricated valve. FIG. 21 is a diagram showing applied pressure with respect to valve opening for various flow channels. FIG. 22 is a diagram showing a time response of a 100 μm × 100 μm × 10 μm RTV fine valve. Part VI --- FIGS. 23A-33 illustrate various microfabricated structures networked together in accordance with aspects of the present invention. FIG. 23A is a top schematic view of an on / off valve. FIG. 23B is a sectional elevation view taken along line 23B-23B in FIG. 23A. FIG. 24A is a top schematic view of a peristaltic pumping system. 24B is a sectional elevation view taken along line 24B-24B in FIG. 24A. FIG. 25 is a graph showing frequency versus experimentally achieved pumping speed for the embodiment of the peristaltic pumping system of FIG. FIG. 26A is a top schematic view showing a single control line operating multiple flow lines simultaneously. 26B is a cross-sectional elevation view taken along line 26B-26B in FIG. 26A. FIG. 27 is a schematic diagram illustrating a multiplexing system adapted to allow flow through various channels. FIG. 28A is a plan view showing the flow layers of an addressable reaction chamber structure. FIG. 28B is a bottom plan view showing the control channel layer of the addressable reaction chamber structure. 28C is a exploded perspective view of an addressable reaction chamber structure formed by coupling the control channel layer of FIG. 28B to the top surface of the flow layer of FIG. 28A. 28D is a cross-sectional elevation view corresponding to FIG. 28C, taken along line 28D-28D in FIG. 28C. FIG. 29 is a schematic diagram of a system adapted to selectively direct fluid flow into any of the array of reaction wells. FIG. 30 is a schematic diagram of a system adapted for selectable lateral flow between mutually parallel flow channels. FIG. 31A is a bottom plan view of a first layer of elastomer (ie, a layer of a flow channel) in a switchable flow arrangement. FIG. 31B is a bottom plan view of a layer of control channels in a switchable flow arrangement. FIG. 31C shows the first layer of elastomer of FIG. 31A in alignment with a set of control channels in the second layer of elastomer of FIG. 31B. FIG. 31D also shows the first layer of elastomer of FIG. 31A in alignment with another set of control channels in the second layer of elastomer of FIG. 31B. FIG. 32 is a schematic diagram of an integrated system for biopolymer synthesis. FIG. 33 is a schematic diagram of another integrated system for biopolymer synthesis. FIG. 34 is an optical micrograph of a portion of a test structure having seven elastomer layers bonded together. FIG. 35A shows the steps of one embodiment of a method for producing an elastomeric layer having vertical vias formed therein. FIG. 35B shows the steps of one embodiment of a method for producing an elastomeric layer having vertical vias formed therein. FIG. 35C shows the steps of one embodiment of a method for producing an elastomeric layer having vertical vias formed therein. FIG. 35D shows the steps of one embodiment of a method for producing an elastomer layer having vertical vias formed therein. FIG. 36 shows one embodiment of a classification device according to the present invention. FIG. 37 shows an embodiment of an apparatus for flowing process gas across a semiconductor wafer according to the present invention. FIG. 38 shows an exploded view of one embodiment of a fine mirror array structure according to the present invention. FIG. 39 shows a perspective view of a first embodiment of a refractive device according to the invention. FIG. 40 shows a perspective view of a second embodiment of a refractive device according to the invention. FIG. 41 shows a perspective view of a third embodiment of a refractive device according to the invention. FIG. 42A shows a diagram of one embodiment of a normally closed valve structure according to the present invention. FIG. 42B shows a diagram of one embodiment of a normally closed valve structure in accordance with the present invention. FIG. 42C shows a view of one embodiment of a normally closed valve structure in accordance with the present invention. FIG. 42D shows a diagram of one embodiment of a normally closed valve structure in accordance with the present invention. FIG. 42E shows a diagram of one embodiment of a normally closed valve structure in accordance with the present invention. FIG. 42F shows a diagram of one embodiment of a normally closed valve structure according to the present invention. FIG. 42G shows a diagram of one embodiment of a normally closed valve structure in accordance with the present invention. FIG. 42H shows a diagram of one embodiment of a normally closed valve structure in accordance with the present invention. FIG. 42I shows a diagram of one embodiment of a normally closed valve structure in accordance with the present invention. FIG. 42J shows a diagram of one embodiment of a normally closed valve structure in accordance with the present invention. FIG. 43 is a plan view of one embodiment of a device for performing separation according to the present invention. FIG. 44A shows a plan view illustrating the operation of one embodiment of a cell pen structure according to the present invention. FIG. 44B shows a plan view illustrating the operation of one embodiment of a cell pen structure according to the present invention. FIG. 44C shows a plan view illustrating the operation of one embodiment of a cell pen structure according to the present invention. FIG. 44D shows a plan view illustrating the operation of one embodiment of a cell pen structure according to the present invention. FIG. 45A shows a plan view illustrating the operation of one embodiment of a cell cage structure according to the present invention. FIG. 45B shows a cross-sectional view illustrating the operation of one embodiment of a cell cage structure according to the present invention. FIG. 46A shows a cross-sectional view illustrating the operation of one embodiment of a cell grinder structure according to the present invention. FIG. 46B shows a cross-sectional view illustrating the operation of one embodiment of a cell grinder structure according to the present invention. FIG. 47 shows a plan view of one embodiment of a pressure oscillator structure in accordance with the present invention. FIG. 48A shows a plan view illustrating the operation of one embodiment of a side-actuated valve structure according to the present invention. FIG. 48B shows a plan view illustrating the operation of one embodiment of a side-actuated valve structure according to the present invention. FIG. 49 plots Young's modulus versus percentage dilution of GE RTV 615 elastomer in GE SF96-50 silicon fluid. FIG. 50 shows a cross-sectional view of a structure in which the channel orientation plane is disposed on the contact to form a large size channel. FIG. 51 shows a cross-sectional view of a structure in which a non-channel orientation plane is disposed on a contact and is switched between two substrates. FIG. 52A shows a cross-sectional view of a process for constructing a bridge structure. FIG. 52B shows a cross-sectional view of a process for constructing a bridge structure. FIG. 52C shows a cross-sectional view of a process for constructing the bridge structure. FIG. 52D shows a plan view of the bridge structure. FIG. 53A shows a cross-sectional view of an embodiment of a composite structure in accordance with the present invention. FIG. 53B shows a cross-sectional view of an embodiment of a composite structure in accordance with the present invention. FIG. 54 shows a cross-sectional view of one embodiment of a composite structure in accordance with the present invention. FIG. 55A shows a cross-sectional view of a process for forming an elastomeric structure by bonding along a vertical line. FIG. 55B shows a cross-sectional view of a process for forming an elastomeric structure by bonding along a vertical line. FIG. 55C shows a cross-sectional view of a process for forming an elastomeric structure by bonding along a vertical line. FIG. 56 shows a schematic diagram of an electrolytically actuated syringe structure according to one embodiment of the present invention. FIG. 57A shows a cross-sectional view of a process for forming a flow channel having a film disposed therein. FIG. 57B shows a cross-sectional view of a process for forming a flow channel having a film disposed therein. FIG. 57C shows a cross-sectional view of a process for forming a flow channel having a film disposed therein. FIG. 58A shows a cross-sectional view of flow measurement with volume exclusion according to an embodiment of the present invention. FIG. 58B shows a cross-sectional view of flow measurement with volume exclusion according to an embodiment of the present invention. FIG. 58C shows a cross-sectional view of flow measurement with volume exclusion according to an embodiment of the present invention. FIG. 58D shows a cross-sectional view of flow measurement with volume exclusion according to an embodiment of the present invention. FIG. 59A shows a cross-sectional view of an embodiment of a linear amplifier constructed using a microfabrication technique according to the present invention. FIG. 59B shows a plan view of an embodiment of a linear amplifier constructed utilizing a microfabrication technique according to the present invention. FIG. 59C shows a photograph of the linear amplifier in the open position. FIG. 59D shows a photograph of the linear amplifier in the closed position. FIG. 60 shows a plan view of an embodiment of a large multiplexer structure according to the present invention. FIG. 61A shows a plan view of an embodiment of a one-way valve structure according to the present invention. FIG. 61B shows a cross-sectional view of an embodiment of a one-way valve structure according to the present invention. FIG. 62A shows a cross-sectional view of the steps of an embodiment of a process for forming a one-way valve according to the present invention. FIG. 62B shows a cross-sectional view of the steps of an embodiment of a process for forming a one-way valve according to the present invention. FIG. 62C shows a cross-sectional view of the steps of an embodiment of a process for forming a one-way valve according to the present invention. FIG. 62D shows a cross-sectional view of the steps of an embodiment of a process for forming a one-way valve according to the present invention. FIG. 62E shows a cross-sectional view of the steps of an embodiment of a process for forming a one-way valve according to the present invention. FIG. 63 is an embodiment of a NOR gate logic structure in accordance with the present invention. FIG. 64 is an embodiment of an AND gate logic structure according to the present invention that utilizes a one-way valve structure. FIG. 65 plots light intensity versus cycle for an embodiment of a Bragg mirror structure according to the present invention. FIG. 66 is a cross-sectional view of an embodiment of a tunable microlens structure in accordance with an embodiment of the present invention. FIG. 67 is a plan view of a protein crystallization system according to an embodiment of the present invention. FIG. 68A is a cross-sectional view of a method of bonding a vertically oriented microfabricated elastomeric structure to a horizontally oriented microfabricated elastomeric structure. FIG. 68B is a cross-sectional view of a method of joining a vertically oriented microfabricated elastomeric structure to a horizontally oriented microfabricated elastomeric structure. FIG. 69A shows a top view of a mixing process performed by a microfabricated structure according to another embodiment of the present invention. FIG. 69B shows a plan view of a mixing process performed by a microfabricated structure according to another embodiment of the present invention. FIG. 70 is a plan view of a protein crystallization system according to an alternative embodiment of the present invention. FIG. 71A shows a cross-sectional view of the mold functionalized topography feature at different heights. 71B shows a cross-sectional view of an elastomer layer patterned using the mold of FIG. 71A. FIG. 72 shows a cross-sectional view of an alternative embodiment of a valve structure. FIG. 73A presents a plan view of an alternative embodiment of a pump structure according to the present invention. FIG. 73B plots the flow rate against the frequency of application of the high pressure signal to the control line of the pump structure of FIG. 73A. FIG. 73C plots the flow rate against the frequency of application of the high pressure signal to the control line of the pump structure of FIG. 73A. FIG. 74 shows a plan view of the multiplexer structure. FIG. 75 presents a cross-sectional view of a microfluidic structure according to one embodiment of the present invention, the microfluidic structure being formed from three elastomer layers on the top of the substrate. FIG. 76 shows a cross-sectional view of a pinch-off valve according to an embodiment of the present invention. FIG. 77 shows an embodiment of a multilayer microfabricated elastomeric structure having two layers of control channels located on the same side as the flow channel. FIG. 78 shows a top view of a row of flow channel arrays that functionalize independent controllable valves. FIG. 79 shows a plan view of an alternative embodiment of a multiplexer structure according to the present invention. FIG. 80A shows a plan view of an alternative embodiment of a valve structure in accordance with the present invention, utilizing a control layer disposed on the opposite side of the layer containing the flow channel. FIG. 80B shows a cross-sectional view of an alternative embodiment of a valve structure in accordance with the present invention, utilizing a control layer disposed on the opposite side of the layer containing the flow channel. FIG. 81 shows a simplified schematic diagram of an alternative embodiment of a multiplexer structure. FIG. 82A is a cross-sectional view of a microfabricated structure that includes a vertical bias. FIG. 82B is a perspective view of a process for fabricating the structure shown in FIG. 82A. FIG. 82C is a perspective view of a process for fabricating the structure shown in FIG. 82A.

Claims (1)

本願明細書に記載の微細流体構造。   A microfluidic structure as described herein.
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