JP2000027813A

JP2000027813A - 微量液体制御機構

Info

Publication number: JP2000027813A
Application number: JP19831398A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Hosokawa; 和生細川; Teruo Fujii; 輝夫藤井; Isao Endo; 勲遠藤
Original assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Current assignee: RIKEN Institute of Physical and Chemical Research
Priority date: 1998-07-14
Filing date: 1998-07-14
Publication date: 2000-01-25
Anticipated expiration: 2018-07-14
Also published as: JP3668959B2

Abstract

(57)【要約】【課題】簡潔な構成により容易に製造することができ、
しかも耐圧に理論的な限界値のない圧力を利用した微量
液体制御機構を提供する。【解決手段】圧力を利用して液体を任意の位置へ移動さ
せるようにした微量液体制御機構において、微量の液体
を導入する第１の導管と、第１の導管より細径に形成さ
れるとともに、一方の端部が第１の導管と連通するよう
に連接された細管と、細管より大径に形成されるととも
に、細管の他方の端部と連通するように連接された第２
の導管とを有し、細管の少なくとも内壁面は疎液性に形
成され、第１の導管内に微量の液体を導入した際に、該
液体を境界とした第１の導管側の圧力と第２の導管側の
圧力との圧力差に応じて、第１の導管中の該液体の位置
を任意に制御するようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、微量液体制御機構
に関し、さらに詳細には、圧力を利用した微量液体制御
機構に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、生化学マイクロ分析システム
においては、反応液たる液体を所望の位置に正確に位置
決めして配置したり、混合すべき２種類の液体間にある
空気を排除して混合させたりなどする必要があるため
に、微量の液体を任意の位置へ移動させる手法の提案が
望まれていた。

【０００３】従来より、こうした要望に応じ、かつ、デ
ッドボリュームを最小化するとともにコンタミネーショ
ンを避けるために、導管内に存在する液体を圧力を利用
して任意の位置へ移動させるようにした微量液体制御機
構が提案されている。

【０００４】上記した空気圧を利用した微量液体制御機
構としては、例えば、「ＴＲＡＮＳＤＵＣＥＲＳ ’９
７（１９９７ＩｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌＣｏｎｆ
ｅｒｅｎｃｅｏｎＳｏｌｉｄ−ＳｔａｔｅＳｅｎ
ｓｏｒｓａｎｄＡｃｔｕａｔｏｒｓ，Ｃｈｉｃａ
ｇｏ，Ｊｕｎｅ１６−１９，１９９７）」誌の第４７
７頁〜第４８０頁に掲載されたＲｏｌｆｅＣ．Ａｎｄ
ｅｒｓｏｎ達により提案された「Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄ
ｉｃＢｉｏｃｈｅｍｉｃａｌＡｎａｌｙｓｉｓＳ
ｙｓｔｅｍ」や、「１９９８ＩＥＥＥＭｉｃｒｏ
ＥｌｅｃｔｒｏＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍ
ｓ」誌の第４５頁〜第５０頁に掲載されたＰ．Ｆ．Ｍａ
ｎ達により提案された「ＭＩＣＲＯＦＡＢＲＩＣＡＴＥ
ＤＣＡＰＩＬＬＡＲＩＴＹ−ＤＲＩＶＥＮＳＴＯＰ
ＶＡＬＶＥＡＮＤＳＡＭＰＬＥＩＮＪＥＣＴＯ
Ｒ」がある。

【０００５】しかしながら、前者に開示された微量液体
制御機構は、バルブやダイヤフラムなどの可動部材を用
いているために構成が複雑化し、さらに、製造の際にも
煩雑な組み立て工程を要するという問題点があった。

【０００６】また、後者に開示された微量液体制御機構
は、導管内壁を親液性とした場合に、断面が急激に広が
る箇所が液体の侵入に抵抗するため、この部分がストッ
プバルブとして作用する原理を利用したものであるが、
この微量液体制御機構は耐圧に理論的な限界値があり、
しかも導管内の液体が水の場合にはその限界値が約１０
ｋＰａと低いという問題点があった。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、従来の技術
の有する上記したような種々の問題点に鑑みてなされた
ものであり、その目的とするところは、簡潔な構成によ
り容易に製造することができ、しかも耐圧に理論的な限
界値のない圧力を利用した微量液体制御機構を提供しよ
うとするものである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明は、水溶液などの液体が疎液性（この明細書
において「疎液性」とは、液体をはじく性質を意味する
ものである。「疎液性」は、液体が水の場合には一般的
に「疎水性」と称される。）の細管に対して起こす負の
毛細管現象を利用して、液体の位置決めをセンサなどを
用いることなく実現したものである。

【０００９】即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明
は、圧力を利用して液体を任意の位置へ移動させるよう
にした微量液体制御機構において、微量の液体を導入す
る第１の導管と、上記第１の導管より細径に形成される
とともに、一方の端部が上記第１の導管と連通するよう
に連接された細管と、上記細管より大径に形成されると
ともに、上記細管の他方の端部と連通するように連接さ
れた第２の導管とを有し、上記細管の少なくとも内壁面
は疎液性に形成され、上記第１の導管内に微量の液体を
導入した際に、該液体を境界とした上記第１の導管側の
圧力と上記第２の導管側の圧力との圧力差に応じて、上
記第１の導管中の該液体の位置を任意に制御するように
したものである。

【００１０】また、本発明のうち請求項２に記載の発明
は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記
細管は複数形成されているようにしたものである。

【００１１】また、本発明のうち請求項３に記載の発明
は、本発明のうち請求項２に記載の発明において、上記
複数形成された細管のなかの一部は、上記第１の導管の
端面と連接され、上記複数形成された細管のなかの残部
は、上記第１の導管の周壁面と連接されているようにし
たものである。

【００１２】また、本発明のうち請求項４に記載の発明
は、本発明のうち請求項１、２または３に記載の発明に
おいて、上記細管は、断面の幅と高さとがμｍオーダー
の大きさに形成されるようにしたものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、添付の図面に基づいて、本
発明による微量液体制御機構の実施の形態の一例を詳細
に説明するものとする。

【００１４】図１には、本発明による微量液体制御機構
の実施の形態の一例を示す概念構成説明図が示されてお
り、この微量流体制御機構１０は、「幅×高さ」が「３
μｍ×３μｍ」の大きさの矩形（この実施の形態におい
ては、正方形である。）断面を備えた微細管１２を、８
μｍのピッチ（間隔）を開けて４本平面上に並列に配置
したベント１４を備えている。

【００１５】そして、このベント１４の両端には、「幅
×高さ」が「１００μｍ×２０μｍ」の大きさの矩形
（この実施の形態においては、長方形である。）断面を
備えた第１導管１６と第２導管１８とがそれぞれ連接さ
れている。これら、第１導管１６と第２導管１８とは、
ベント１４の微細管１２を通して液体ならびに気体が連
通するようになされている。

【００１６】なお、符号２０は、微量流体制御機構１０
の第１導管１６内に導入された液体の滴（以下、「液
滴」と称する。）である。この液滴２０は、例えば、４
００ｐｌ（ピコリットル）の容積を備えているものとす
る。

【００１７】そして、この実施の形態においては、第１
導管１６には圧力源として第１ポンプ２２が設けられて
いるとともに、第２導管１８側には圧力源として第２ポ
ンプ２４が設けられている。

【００１８】そして、これら第１ポンプ２２と第２ポン
プ２４との作用により、液滴２０を境界として、第１導
管１６側の領域の圧力Ｐ_ａと第２導管１８側の圧力Ｐ_ｂ
とを任意に設定することができるようになされている。

【００１９】さらに、微量液体制御機構１０において
は、ベント１４の微細管１２の内壁は疎液性に形成され
ており、液体の侵入に対して抵抗するが、気体は容易に
通過させるようになされている。

【００２０】ここで、ベント１４の微細管１２には、あ
る臨界圧力差△Ｐ_ｃが存在し、臨界圧力差△Ｐ_ｃ以下の
圧力差に対しては全く液漏れを起こさない、換言すれ
ば、液体の侵入を許さないものである。

【００２１】即ち、液滴２０が図１に示すような位置関
係にある状態とは、第１導管１６側の領域の圧力Ｐ_ａか
ら第２導管１８側の圧力Ｐ_ｂを減算した値たる圧力差
（Ｐ_ａ−Ｐ_ｂ）が臨界圧力差△Ｐ_ｃ以下の値であるた
め、液滴２０が微細管１２の第１導管１６側の開口部、
即ち、ベント１４の開口部で静止して位置決めされてお
り、液滴２０が微細管１２内へ全く侵入していない状態
である。

【００２２】ここで、第１導管１６側の領域の圧力Ｐ_ａ
が増大したり、あるいは、第２導管１８側の圧力Ｐ_ｂが
減少したりして、第１導管１６側の領域の圧力Ｐ_ａから
第２導管１８側の圧力Ｐ_ｂを減算した値たる圧力差（Ｐ
_ａ−Ｐ_ｂ）が臨界圧力差△Ｐ _ｃより大きくなると、当該
圧力差（Ｐ_ａ−Ｐ_ｂ）の値と臨界圧力差△Ｐ_ｃの値との
差分値に応じて、液滴２０がベント１４の微細管１２内
へと侵入し、さらには第２導管１８内に侵入するように
なる。

【００２３】そして、所望の位置関係で上記した第１導
管１６とベント１４と第２導管１８とを連接した構成を
設けておけば、第１導管１６側の領域の圧力Ｐ_ａから第
２導管１８側の圧力Ｐ_ｂを減算した値たる圧力差（Ｐ_ａ
−Ｐ_ｂ）を臨界圧力差△Ｐ_ｃ以下に設定するという極め
て容易な操作により、所望の位置に設けられたベント１
４の開口部で液滴２０を確実に位置決めすることができ
るものである。

【００２４】ここで、臨界圧力差△Ｐ_ｃは、γを液滴２
０の表面張力とし、θを液滴２０と微細管１２の内壁と
の接触角とし、ｗを微細管１２の矩形断面の幅とし、ｈ
を微細管１２の矩形断面の高さとすると、△Ｐ_ｃ＝−２
γｃｏｓθ（１／ｗ＋１／ｈ）として近似的に計算する
ことができる。

【００２５】このように、臨界圧力差△Ｐ_ｃの値は、液
滴２０と微細管１２の内壁との接触角θ、即ち、疎液性
に強く影響されるものである。

【００２６】次に、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）
（ｅ）を参照しながら、この微量液体制御機構１０の製
造方法の一例について説明する。

【００２７】微量液体制御機構１０の製造にあたって
は、まず、成形のための反転パターンを、シリコンウエ
ハ（Ｓｉ）１００上に形成することになる。即ち、膜厚
０．３μｍのＳｉＯ_２をマスクとして、異方性ＲＩＥ
（ＲｅａｃｔｉｖｅＩｏｎＥｔｃｈｉｎｇ：反応性
イオンエッチング）により微細管１２を形成するための
反転パターンの部分１０２を形成する（図２（ａ）参
照）。

【００２８】その後に、液滴２０と空気とを導入する第
１導管１６を形成するための反転パターンの部分１０４
ならびに空気を導入する第２導管１８を形成するための
反転パターンの部分１０６として、フォトレジスト（ｐ
ｈｏｔｏｒｅｓｉｓｔ：例えば、「ＥＰＯＮＳＵ−
８」を使用することができる。）を２０μｍの膜厚で塗
布し、それから露光して現像する（図２（ｂ）参照）。

【００２９】次に、未硬化のシリコーンゴムとして、例
えば、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）１０６を、
図２（ａ）（ｂ）に示す工程により反転パターンを形成
されたシリコンウエハ１００上に注ぎ込むことになる
（図２（ｃ）参照）。

【００３０】それから、ＰＤＭＳ１０６を注ぎ込んだシ
リコンウエハ１００を加熱し、この加熱により硬化した
ＰＤＭＳ１０６をシリコンウエハ１００から剥し、剥し
たＰＤＭＳ１０６を板厚２ｍｍのアクリル樹脂板とし
て、例えば、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）１０
８に貼り付けて接合するものである（図２（ｄ）参
照）。

【００３１】図２（ｅ）には、ＰＤＭＳ１０６とＰＭＭ
Ａ１０８とを接合した状態が示されており、ＰＤＭＳ１
０６とＰＭＭＡ１０８との間には、微細管１２が形成さ
れたベント１４、第１導管１６ならびに第２導管１８が
形成されることになる。

【００３２】なお、ＰＭＭＡ１０８には、予め液滴２０
ならびに第１ポンプまたは第２ポンプを介して圧力源と
しての空気を導入するための直径１ｍｍの穴１０８ａが
穿設されており、さらにＰＭＭＡ１０８の微細管１２と
なる領域の表面にはＣＨＦ_３プラズマによりフッ化炭素
膜が形成されて、ＰＭＭＡ１０８の表面は疎液性となさ
れている。

【００３３】また、ＰＤＭＳ１０６の微細管１２となる
領域の表面も、疎液性となされている。

【００３４】なお、硬化したシリコーンゴム（この実施
の形態においては、ＰＤＭＳ１０６である。）は自己接
着性を備えており、ＰＭＭＡ１０８表面にＣＨＦ_３プラ
ズマによりフッ化炭素膜を形成した後においても、ＰＭ
ＭＡ１０８表面にある程度の強度で密着するので、特別
な接合技術を用いることなくＰＤＭＳ１０６とＰＭＭＡ
１０８とを接着することができる。

【００３５】しかしながら、適宜の接着剤を用いて、Ｐ
ＤＭＳ１０６とＰＭＭＡ１０８とをより強固に接着して
もよいことは勿論である。

【００３６】以上のように、この微量液体制御機構１０
は、バルブやダイヤフラムのような可動部材を備える必
要がなく、簡潔な構成とすることができる。

【００３７】しかも、この微量液体制御機構１０は、平
面的な構造とすることができるため、図２（ａ）（ｂ）
（ｃ）（ｄ）（ｅ）を参照しながら上記において説明し
た半導体微細加工技術および型成形技術を用いて容易か
つ安価に製造することが可能となり、使い捨ての部品と
してマイクロデバイスに組み込むことも可能になる。

【００３８】図３（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）に
は、液滴２０として水を用い、液滴２０を空気圧で操作
した実験結果を示す液滴２０の移動状態を示す説明図で
ある。

【００３９】この実験においては、第１ポンプ２２によ
り付与される空気圧を大気圧で一定、即ち、第１導管１
６側の領域の圧力Ｐ_ａを大気圧で一定とし、その一方
で、第２ポンプ２４により付与される空気圧を変化させ
る、即ち、第２導管１８側の領域の圧力Ｐ_ｂを変化させ
ることにより、第１導管１６内に導入された液滴２０の
位置を変化させるようにした。

【００４０】なお、第１導管１６側の領域の圧力Ｐ_ａを
大気圧で一定とする場合には、第１導管１６側に第１ポ
ンプ２２を設けなくともよい。

【００４１】まず、第２ポンプ２４により付与される空
気圧を減少させて負圧にする、即ち、第２導管１８側の
領域の圧力Ｐ_ｂを負圧にすると、液滴２０はベント１４
の方向に引きつけられ（図３（ａ）→図３（ｂ）参
照）、ベント１４の微細管１２の第１導管１６側の開口
部で停止した（図３（ｃ）参照）。

【００４２】それから、第２ポンプ２４により付与され
る空気圧を増大させて正圧にする、即ち、第２導管１８
側の領域の圧力Ｐ_ｂを正圧にすると、液滴２０はベント
１４の第１導管１６側の開口部から第１ポンプ２２側に
移動された（図３（ｄ）→図３（ｅ）参照）。

【００４３】また、この実験においては、第２ポンプ２
４により付与される空気圧を変化させて、第１導管１６
側の領域の圧力Ｐ_ａから第２導管１８側の圧力Ｐ_ｂを減
算した値たる圧力差（Ｐ_ａ−Ｐ_ｂ）を徐々に増大させて
いくことにより、臨界圧力差△Ｐ_ｃを測定した。

【００４４】この実験結果によると、第１導管１６側の
領域の圧力Ｐ_ａから第２導管１８側の圧力Ｐ_ｂを減算し
た値たる圧力差（Ｐ_ａ−Ｐ_ｂ）が３０ｋＰａのときに、
１本の微細管１２内へ液滴２０の侵入が始まり、圧力差
（Ｐ_ａ−Ｐ_ｂ）が５０ｋＰａのときに４本の微細管１２
内へ相当量の液滴２０が侵入することが観察された。

【００４５】この実験結果は概ね理論的予測に適合する
ものであり、ＰＤＭＳ１０６およびフッ化炭素に対する
水の接触角を１１０度と仮定すると、臨界圧力差△Ｐ_ｃ
の計算値は３３ｋＰａとなる。

【００４６】また、この微量液体制御機構１０において
は、微細管１２を細くするほど耐圧は大きくなり、理論
的な上限はないものであり、実験結果としても上記した
ように約３０ｋＰａの臨界圧力差△Ｐ_ｃを実現してい
る。

【００４７】なお、上記した実施の形態においては、ベ
ント１４として微細管１２を複数本（４本）並列に配置
するようにしたが、これに限られることなしに、単数
（１本）を含む任意の本数の微細管１２をベント１４と
して用いてもよい。

【００４８】ところで、上記したように、本発明による
微量液体制御機構を用いると、液体を任意の位置に配置
することができるため、例えば、混合すべき２種類の液
体間にある空気を排除しながら、ｐｌ（ピコリットル）
オーダーあるいはｎｌ（ナノリットル）オーダーの微量
の液体を混合することができるようになる。

【００４９】即ち、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）には、本発
明による微量液体制御機構の他の実施の形態が図示され
ており、図１に示す微量液体制御機構１０と同一あるい
は相当する構成には、図１において用いた符号と同一の
符号を用いて示すことにより、その詳細な説明は省略す
るものとする。

【００５０】図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す微量液体制
御機構１０’においては、ベント１４を構成する微細管
１２として、図１に示す微量液体制御機構１０と同様に
第１導管１６の端面１６ａに開口するものと、第１導管
１６の周壁面１６ｂに開口するものとの２種類が設けら
れている。

【００５１】従って、この微量液体制御機構１０’にお
いては、まず、第１液滴２０’を第１導管１６内に導入
し、液滴２０’を第１導管１６の端面１６ａまで移動さ
せていく（図４（ａ）参照）。

【００５２】次に、第２液滴２０’’を第１導管１６内
に導入し、液滴２０’’を第１導管１６の端面１６ａ側
へ移動させていく（図４（ｂ）参照）。この移動の際
に、第１液滴２０’と第２液滴２０’’間にある空気
は、第１液滴２０’により閉塞されていない第１導管１
６の周壁面１６ｂに開口する微細管１２より、第２導管
１８側へ排出されることになる。

【００５３】従って、液滴２０’’を第１導管１６の端
面１６ａ側へさらに移動させていくと、最終的には第１
液滴２０’と第２液滴２０’’との間にある空気を排除
しながら、第１液滴２０’と第２液滴２０’’とを混合
することができる。

【００５４】しかも、第１液滴２０’と第２液滴２
０’’とは、ｐｌ（ピコリットル）オーダーあるいはｎ
ｌ（ナノリットル）オーダーの微量の液体とすることが
できる。

【００５５】なお、上記した微量液体制御機構１０’に
おいても、第１液滴２０’ならびに第２液滴２０’’の
移動は、第１導管１６側の領域の圧力Ｐ_ａから第２導管
１８側の圧力Ｐ_ｂを減算した値たる圧力差（Ｐ_ａ−
Ｐ_ｂ）に応じて行われるものであり、この点の作用は微
量液体制御機構１０と同様である。

【００５６】また、本発明による微量液体制御機構は、
例えば、図５（ａ）（ｂ）に示すようなマイクロバルブ
と組み合わせて使用することができる。

【００５７】即ち、マイクロバルブ２００は、開口部２
０２ａを有したシリコンウエハ２０２上にシリコーンゴ
ム薄膜２０４が被覆され、さらに開口部２０２ａに対応
するシリコーンゴム薄膜２０４と対向する位置に垂設さ
れた突出部２０６ａを有するシリコーンゴム厚膜２０６
を備えている。

【００５８】そして、シリコンウエハ２０２の開口部２
０２ａには、図示しない圧力源により正圧または負圧が
付与されるようになされており、図５（ａ）に示すよう
に圧力源により正圧が付与されている際には、シリコー
ンゴム厚膜２０６の突出部２０６ａとシリコーンゴム薄
膜２０４とが接触するようになされていて、シリコーン
ゴム厚膜２０６とシリコーンゴム薄膜２０４との間に形
成された導管２０８の連通が遮断されている。

【００５９】即ち、図５（ａ）（ｂ）において、突出部
２０６ａより左側の導管２０８の部分を「第１導管２０
８ａ」と称し、突出部２０６ａより右側の導管２０８の
部分を「第２導管２０８ｂ」と称すると、圧力源により
正圧が付与されている際には、第１導管２０８ａと第２
導管２０８ｂとの連通が、突出部２０６ａとシリコーン
ゴム薄膜２０４との接触により遮断されていることにな
る。つまり、マイクロバルブ２００は閉じている。

【００６０】ここで、図５（ｂ）に示すように圧力源に
より負圧を付与すると、シリコーンゴム薄膜２０４が圧
力源側に吸引されて、突出部２０６ａとシリコーンゴム
薄膜２０４との間に間隙Ｇが形成され、マイクロバルブ
２００が開くことになる。

【００６１】また、本発明による微量液体制御機構１０
を用いると、図６に示すような、リザーバー３００から
一定量の体積の液体を次のステップ（図６においては、
反応、分離、検出などを行うチャンバー３０２であ
る。）へ移動するための体積定量システムを実現するこ
とができる。なお、図６に示す体積定量システムに微量
液体制御機構１０を適用する際には、微量液体制御機構
１０における第１導管１６が体積定量チャンバー３０８
として機能することになり、体積定量チャンバー３０
８、即ち、第１導管１６側には第１ポンプ２２を設けな
くともよい。

【００６２】ここで、図７（ａ）（ｂ）には、図６に示
す体積定量システムの動作状態が示されており、まず、
第１バルブ３０４を開くとともに第２バルブ３０６を閉
じて、微量液体制御機構１０の第２ポンプ２４を作動さ
せて第２導管１８側の圧力Ｐ _ｂを負圧にすると、第１バ
ルブ３０４を通って体積定量チャンバー３０８内にリザ
ーバー３００内の液体が吸入されることになる（図７
（ａ）参照）。しかしながら、体積定量チャンバー３０
８側の領域の圧力Ｐ_ａから第２導管１８側の圧力Ｐ_ｂを
減算した値たる圧力差（Ｐ_ａ−Ｐ_ｂ）を臨界圧力差△Ｐ
_ｃ以下にすれば、液体がベント１４の微細管１２内には
侵入することはない。

【００６３】その後に、第１バルブ３０４を閉じるとと
もに第２バルブ３０６を開いて、微量液体制御機構１０
の第２導管１８側の圧力Ｐ_ｂを正圧にすると、体積定量
チャンバー３０８内の液体はチャンバー３０２内へ移動
される（図７（ｂ）参照）。

【００６４】ここで、液体の送り先であるチャンバー３
０２は複数設けてもよく、この際には、図８乃至図１０
における（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）（ｅ）に示すよう
に、各チャンバー３０２−１〜３０２−３にも微量液体
制御機構１０を設けるものとする（各チャンバー３０２
−１〜３０２−３を第１導管１６として機能させるもの
であり、各チャンバー３０２−１〜３０２−３には第１
ポンプ２２を設けなくともよい。）。このようにする
と、液体の分注システムが実現できる。

【００６５】この液体の分注システムにおいては、ま
ず、第１バルブ３０４を開くとともに第２バルブ３０
６、第３バルブ３１０、第４バルブ３１２および第５バ
ルブ３１４を閉じて、体積定量チャンバー３０８を備え
た微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐ_ｂを
負圧にし、チャンバー３０２−１〜３０２−３を備えた
微量液体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐ_ｂを中
立にすると、第１バルブ３０４を通って体積定量チャン
バー３０８内にリザーバー３００内の液体が吸入される
ことになる（図８（ａ）参照）。

【００６６】しかしながら、体積定量チャンバー３０８
を備えた微量液体制御機構１０の体積定量チャンバー３
０８側の領域の圧力Ｐ_ａから第２導管１８側の圧力Ｐ_ｂ
を減算した値たる圧力差（Ｐ_ａ−Ｐ_ｂ）を臨界圧力差△
Ｐ_ｃ以下にすれば、液体が体積定量チャンバー３０８を
備えた微量液体制御機構１０のベント１４の微細管１２
内には侵入することはない。

【００６７】次に、第１バルブ３０４を閉じるとともに
第２バルブ３０６および第３バルブ３１０を開き、か
つ、第４バルブ３１２および第５バルブ３１４を閉じ
て、体積定量チャンバー３０８を備えた微量液体制御機
構１０の第２導管１８側の圧力Ｐ _ｂを正圧にし、その一
方で、チャンバー３０２−１を備えた微量液体制御機構
１０の第２導管１８側の圧力Ｐ_ｂを負圧にし、さらに、
チャンバー３０２−２〜３０４−３を備えた微量液体制
御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐ_ｂを中立にすると
（図８（ｂ）参照）、体積定量チャンバー３０８内の液
体はチャンバー３０２−１内へ移動されることになる。
体積定量チャンバー３０８内の液体がチャンバー３０２
−１内へ移動されたならば、第３バルブ３０６を閉じる
とともに、チャンバー３０２−１を備えた微量液体制御
機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐ_ｂを中立にする。

【００６８】さらに次に、第１バルブ３０を開くととも
に第２バルブ３０６、第３バルブ３１０、第４バルブ３
１２および第５バルブ３１４を閉じて、体積定量チャン
バー３０８を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１
８側の圧力Ｐ_ｂを負圧にし、チャンバー３０２−１〜３
０２−３を備えた微量液体制御機構１０の第２導管１８
側の圧力Ｐ_ｂを中立にすると、第１バルブ３０４を通っ
て体積定量チャンバー３０８内にリザーバー３００内の
液体が再度吸入されることになる（図９（ｃ）参照）。

【００６９】それから、第１バルブ３０４を閉じるとと
もに第２バルブ３０６および第４バルブ３１２を開き、
かつ、第３バルブ３１０および第５バルブ３１４を閉じ
て、体積定量チャンバー３０８を備えた微量液体制御機
構１０の第２導管１８側の圧力Ｐ_ｂを正圧にし、その一
方で、チャンバー３０２−２を備えた微量液体制御機構
１０の第２導管１８側の圧力Ｐ_ｂを負圧にし、さらに、
チャンバー３０２−１および３０４−３を備えた微量液
体制御機構１０の第２導管１８側の圧力Ｐ_ｂを中立にす
ると（図９（ｄ）参照）、体積定量チャンバー３０８内
の液体はチャンバー３０２−２内へ移動されることにな
る。

【００７０】体積定量チャンバー３０８内の液体がチャ
ンバー３０２−２内へ移動されたならば、第２バルブ３
０６および第４バルブ３１２を閉じるとともに、チャン
バー３０２−２を備えた微量液体制御機構１０の第２導
管１８側の圧力Ｐ_ｂを中立にする（図１０（ｅ）参
照）。

【００７１】さらに、チャンバー３０２−３に関して
も、上記と同様な処理を行うことにより、リザーバー３
００から体積定量チャンバー３０８を経由してチャンバ
ー３０２−３内に液体を注入することができる。

【００７２】なお、上記した実施の形態においては、ベ
ント１４の微細管１２をシリコーンゴムで形成するよう
にしたが、これに限られることなしに、数ミクロン以下
の加工が可能であり、かつ、表面が疎液性であるか、あ
るいは、疎液性に改質が可能である材料であるならば、
任意の材料を用いて形成することができる。

【００７３】例えば、シリコンを陽極化成によりポーラ
ス加工したものは、ベント１４の微細管１２の材料とし
て用いることができる。このシリコンをポーラス加工し
たものは、表面だけでなく内部にまで微細な穴が形成さ
れているため、液体に対する抵抗を保ったままで空気に
対する抵抗を小さくすることができるので、ベント１４
の微細管１２の材料としては良好なものである。

【００７４】また、加工後にフッ化炭素膜などで疎液性
に改質する場合には、現在マイクロマシニングされてい
る全ての材料が、ベント１４の微細管１２の材料として
使用可能である。

【００７５】即ち、ベント１４の微細管１２は、例え
ば、シリコンやガラス基板をエッチング（なお、エッチ
ングとしては、異方性エッチングが好ましい。）加工し
たり、シリコンやガラス基板にフォトレジストをつけて
現像したり、ＰＭＭＡをレーザーアブレーションで加工
したり、感光性ＰＭＭＡを硬Ｘ線で加工したり、金属を
電鋳したり、樹脂を射出成形したりして製造することが
できる。

【００７６】

【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、簡潔な構成により容易に製造することがで
き、しかも耐圧に理論的な限界値のない圧力を利用した
微量液体制御機構を提供することができるという優れた
効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による微量液体制御機構の実施の形態の
一例を示す概念構成説明図である。

【図２】本発明による微量液体制御機構の製造方法の一
例を示す説明図である。

【図３】本発明による微量液体制御機構を用いた実験結
果を示す液滴の移動状態を示す概念構成説明図である。

【図４】本発明による微量液体制御機構の他の実施の形
態による液滴の移動状態を示す概念構成説明図である。

【図５】本発明による微量液体制御機構と組み合わせて
使用することが可能なマイクロバルブの一例を示す概略
断面構成説明図である。

【図６】本発明による微量液体制御機構を用いた体積定
量システムを示す概念構成説明図である。

【図７】図６に示す体積定量システムの動作状態を示す
概念構成説明図である。

【図８】本発明による微量液体制御機構を用いた液体の
分注システムの動作状態を示す概念構成説明図である。

【図９】本発明による微量液体制御機構を用いた液体の
分注システムの動作状態を示す概念構成説明図である。

【図１０】本発明による微量液体制御機構を用いた液体
の分注システムの動作状態を示す概念構成説明図であ
る。

【符号の説明】

１０微量流体制御機構１２微細管１４ベント１６第１導管１８第２導管２０液滴２２第１ポンプ２４第２ポンプ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】圧力を利用して液体を任意の位置へ移動
させるようにした微量液体制御機構において、微量の液体を導入する第１の導管と、前記第１の導管より細径に形成されるとともに、一方の
端部が前記第１の導管と連通するように連接された細管
と、前記細管より大径に形成されるとともに、前記細管の他
方の端部と連通するように連接された第２の導管とを有
し、前記細管の少なくとも内壁面は疎液性に形成され、前記
第１の導管内に微量の液体を導入した際に、該液体を境
界とした前記第１の導管側の圧力と前記第２の導管側の
圧力との圧力差に応じて、前記第１の導管中の該液体の
位置を任意に制御するものである微量液体制御機構。
【請求項２】請求項１に記載の微量液体制御機構にお
いて、前記細管は複数形成されているものである微量液体制御
機構。
【請求項３】請求項２に記載の微量液体制御機構にお
いて、前記複数形成された細管のなかの一部は、前記第１の導
管の端面と連接され、前記複数形成された細管のなかの残部は、前記第１の導
管の周壁面と連接されているものである微量液体制御機
構。
【請求項４】請求項１、２または３に記載の微量液体
制御機構において、前記細管は、断面の幅と高さとがμｍオーダーの大きさ
に形成されたものである微量液体制御機構。