JP2004042231A

JP2004042231A - マイクロチップ

Info

Publication number: JP2004042231A
Application number: JP2002205756A
Authority: JP
Inventors: Shunichi Hayamizu; 速水　俊一; Yasuhiro Santo; 山東　康博; Yasuhisa Fujii; 藤井　泰久; Nan Tono; 東野　楠
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2002-07-15
Filing date: 2002-07-15
Publication date: 2004-02-12

Abstract

【課題】製造が容易で、マイクロポンプの設計の自由度を向上できる、マイクロポンプを備えたマイクロチップを提供する。
【解決手段】マイクロチップは、本体内部に、流路３２ａ，３２ｂ；３４ａ，３４ｂと、流路３２ａ，３２ｂ；３４ａ，３４ｂに流体を流すためのポンプ室３３ａ，３３ｂとが形成されている。ポンプ室３３ａ，３３ｂと本体外面との間に可動部３３ｘが形成されており、可動部３３ｘをマイクロチップとは別体の外部駆動源９ａ，９ｂによって駆動する。
【選択図】　図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロチップに関し、詳しくは、マイクロポンプを備えたマイクロチップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、内部にマイクロポンプを備えたマイクロチップが提案されている。この種のマイクロポンプは、マイクロチップとなるシリコン基板を用いて微細加工技術により形成されている。
【０００３】
例えば、以下の文献［１］〜［４］には、シリコン基板内に形成されたマイクロポンプについて報告されている。いずれも、ピエゾ素子をチップに貼り付けたユニモルフアクチュエータで、マイクロポンプを駆動している。
［１］　Ｒ．　Ｅｎｇｅｒｌｅ，　Ｊ　Ｕｌｒｉｃｈ，　Ｓ．　Ｋｌｕｇｅ，　Ｍ．　Ｒｉｃｈｔｅｒ　ａｎｄ　Ａ．　Ｒｉｃｈｔｅｒ，　”Ａ　ｂｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｓｉｌｉｃｏｎ　ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ”，　Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ，　Ａ　５０，　ｐｐ．　８１−８６，　１９９５．
［２］　Ａ．　Ｏｌｓｓｏｎ，　Ｐ．　Ｅｎｏｋｓｓｏｎ，　Ｇ．　Ｓｔｅｍｍｅ　ａｎｄ　Ｅ．　Ｓｔｅｍｍｅ，　”Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ　Ｆｌａｔ‐Ｗａｌｌｅｄ　Ｖａｌｖｅｌｅｓｓ　Ｄｉｆｆｕｓｅｒ　Ｐｕｍｐｓ”，　Ｊ．　Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ，　Ｖｏｌ．　６，　Ｎｏ．　２，　ｐｐ．　１６１−１６６，　１９９７．
［３］　Ｓ．　Ｍａｔｓｕｍｏｔｏ，　Ａ．　Ｋｌｅｉｎ　ａｎｄ　Ｒ．　Ｍａｅｄａ，　”Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ｂｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｖａｌｖｅ−ｌｅｓｓ　ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ　ｆｏｒ　ｌｉｑｕｉｄ”，　ＩＥＥＥ　Ｐｒｏｃ．　ＭＥＭＳ　’９９，　ｐｐ．　１４１−１４６．
［４］　Ｗ．　Ｗｉｊｎｇａａｔ，　Ｈ．　Ａｎｄｅｒｓｏｎ，　Ｐ．　Ｅｎｏｋｓｓｏｎ，　Ｋ．　Ｎｏｒｅｎ　ａｎｄ　Ｇ．　Ｓｔｅｍｍｅ，　”Ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｓｅｌｆ−ｐｒｉｍｉｎｇ　ａｎｄ　ｂｉ−ｄｉｒｅｃｔｉｏｎａｌ　ｖａｌｖｅ‐ｌｅｓｓ　ｄｉｆｆｕｓｅｒ　ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ　ｆｏｒ　ｂｏｔｈ　ｌｉｑｕｉｄ　ａｎｄ　ｇａｓ”，　ＩＥＥＥ　Ｐｒｏｃ．　ＭＥＭＳ　’００，　ｐｐ．　６７４−６７９．
【０００４】
また、特開２０００−１８５０３４号公報には、シリコンで形成された採血針付きの分析チップが開示されている。この場合も、ピエゾ素子を用いたユニモルフアクチュエータで、マイクロポンプを駆動している。
【０００５】
また、特開平１０−１８５９２９号公報には、マイクロポンプ及び混合チャンバを有した検査チップが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
いずれの場合も、マイクロポンプはシリコン基板をベースに微細加工で形成され、ＰＺＴなどのピエゾ素子をダイアフラム部に高精度に位置決めする必要がある。そのため、製造には時間、コストがかかる。
【０００７】
また、接着剤を挟みながらもピエゾ素子上の電極膜とシリコン基板上の電極膜との電気的コンタクトを取るためには、強い力で張り合わせる必要がある。薄くて破壊しやすいダイアフラム部に貼り合わせるので、ダイアフラム部を大きくできない。そのため、マイクロポンプの容量や形状など、設計が制約されていた。
【０００８】
したがって、本発明が解決しようとする技術的課題は、製造が容易で、マイクロポンプの設計の自由度を向上できる、マイクロポンプを備えたマイクロチップを提供することである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記技術的課題を解決するために、以下の構成のマイクロチップを提供する。
【００１０】
マイクロチップは、本体内部に、流路と、該流路に流体を流すためのポンプ室と、が形成されている。前記ポンプ室と本体外面との間に可動部が形成されており、該可動部を前記マイクロチップとは別体の外部駆動源によって駆動する。
【００１１】
上記構成によれば、例えば積層アクチュエータやカム等の外部駆動源によって、ポンプ室の可動部を駆動するので、マイクロチップ自体には、マイクロポンプを駆動するためのアクチュエータを設ける必要がない。したがって、マイクロチップの製造は容易である。
【００１２】
また、マイクロチップには、ピエゾ素子等のアクチュエータを貼り合わせないので、ポンプ室や可動部の面積は制約されない。そのため、設計の自由度が向上する。
【００１３】
好ましくは、前記可動部はダイアフラムを備える。
【００１４】
上記構成によれば、外部からダイアフラムを変形し、ポンプ室の容積を変化させることにより、流体を流すことができる。
【００１５】
好ましくは、前記可動部は、前記ダイアフラム上に形成された突起部を備え、該突起部が前記外部駆動源と接触する。
【００１６】
上記構成によれば、外部駆動源が突起部に接触して押し下げることによりダイアフラムを変形させ、ポンプ室の容積を変化させることにより、マイクロポンプを駆動することができる。外部駆動源の位置が突起部に対してずれても、突起部に接触すればマイクロポンプを駆動することができるので、外部駆動源とダイアフラムとの位置合わせ精度を緩和することができる。
【００１７】
なお、外部駆動源が突起部を持ち上げ、ダイアフラムを変形させ、ポンプ室の容積を変化させることにより、マイクロポンプを駆動するようにしてもよい。
【００１８】
好ましくは、前記本体は、第１基板と第２基板とを備える。前記第１基板に、前記ポンプ室が形成されている。前記第２基板に、前記可動部が形成されている。
【００１９】
上記構成によれば、第１基板と第２基板とのそれぞれの構成を簡単にできる。また、設計変更も容易である。
【００２０】
好ましくは、前記第１基板と前記第２基板のうち少なくとも一方は、樹脂材料により構成されている。
【００２１】
上記構成によれば、樹脂材料を用いることにより、シリコン基板を微細加工する場合に比べて、基板を安価に製造することができる。また、検出に有効な集光手段（例えば、レンズ部）などを、樹脂成型時に同時に形成し、チップ上に成型できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明実施の形態として実施例を図１〜図６に基づいて説明する。
【００２３】
図１の全体図に示すように、マイクロチップ１０は、第１基板３０の上面に第２基板２０を貼り合わせたものである。第１基板３０と第２基板２０との少なくとも一方は、樹脂材料を用いて構成することができる。
【００２４】
第１基板３０の上面には、流路となる微小な凹部、すなわち、合流点３５で合流する３つの微小な流路系が形成されている。上流側の２つの流路系は、導入部３１ａ，３１ｂ、液貯め部（上流側流路）３２ａ，３２ｂ、マイクロポンプ１２ａ，１２ｂのポンプ室を形成するチャンバー３３ａ，３３ｂ、及び下流側流路３４ａ，３４ｂを含む。下流側の一つの流路系には、検出領域３６と、排出部３８とが形成されている。検出領域３６には、外部から発光ダイオード６の光が照射され、その照射光による散乱光が外部に設けたフォトダイオード７で検出されるようになっている。
【００２５】
第２基板２０は、透明であり、第１基板３０の導入部３１ａ，３１ｂ及び排出部３８に対応する位置に、貫通穴である供給口２１ａ，２１ｂ及び廃液口２８が形成され、外部からチューブ４ａ，４ｂ及び５が接続されるようになっている。
【００２６】
また、第２基板２０の上面には、第１基板３０のチャンバー３３ａ，３３ｂに対向する位置に突起２７ａ，２７ｂが形成されている。突起２７ａ，２７ｂには、外部駆動源であるポンプ駆動装置８ａ，８ｂが位置決めされ、ポンプ駆動装置８ａ，８ｂのコンタクト９ａ，９ｂが突起２７ａ，２７ｂに接触して押し下げることによって、マイクロポンプ１２ａ，１２ｂを駆動するようになっている。
【００２７】
マイクロチップ１０は、臨床検査、環境計測等に用いることができる。例えば、試薬がチューブ４ａを通って供給口２１ａに供給され、検体がチューブ４ｂを介して供給口２１ｂに供給される。試薬と検体は、導入部３１ａ，３１ｂ、液貯め部（上流側流路）３２ａ，３２ｂを経て、マイクロポンプ１２ａ，１２ｂにより下流側流路３４ａ，３４ｂに送られ、合流点３５で合流し、相互拡散、反応しながら検出領域３６に向かう。そして、検出領域３６で反応が光検出され、排出部３８、廃液口２８からチューブ５を通って排出される。
【００２８】
次に、図２〜図４を参照しながら、マイクロポンプ１２ａ，１２ｂについて、さらに説明する。
【００２９】
マイクロポンプ１２ａ，１２ｂは、弁がなく、構成が簡単な、いわゆるディフューザ型マイクロポンプである。
【００３０】
図２（ａ）の流路方向断面図及び（ｂ）の上面図に示したように、マイクロポンプ１２ａ，１２ｂは、第１基板３０のチャンバー３３ａ，３３ｂや第２基板２０の突起２７ａ，２７ｂなどにより形成される。液貯め部（上流側流路）３２ａ，３２ｂとチャンバー３３ａ，３３ｂとは、第１小流路３３ｓを介して接続されている。チャンバー３３ａ，３３ｂと下流側流路３４ａ，３４ｂとは、第２小流路３３ｔを介して接続されている。
【００３１】
図４において符号Ｓで示したように、第１小流路３３ｓの流体流路抵抗は、差圧に対する変化割合が相対的に小さい。一方、第２小流路３３ｔは、符号Ｔで示したように、差圧に対する流体流路抵抗の変化の割合が相対的に大きい。
【００３２】
マイクロポンプ１２ａ，１２は、第１小流路３３ｓ及び第２小流路３３ｔの流体流路抵抗の変化割合が相違することを利用して、流体を順方向又は逆方向に輸送することができる。
【００３３】
すなわち、ポンプ駆動装置８ａ，８ｂのコンタクト９ａ，９ｂが第２基板２０の突起２７ａ，２７ｂを押し下げると、第１基板３０のチャンバー３３ａ，３３ｂに対向する第２基板２０の上壁部３３ｘは、図２（ａ）において鎖線で示したように内側に湾曲し、ポンプ室の容積が減少し、ポンプ室の圧力は上昇する。コンタクト９ａ，９ｂの押し下げを解除すると、第２基板２０の弾性により、第２基板２０の上壁部３３ｘは元の位置に復帰し、ポンプ室の容積が増加し、ポンプ室の内圧は低下する。つまり、第２基板２０の上壁部３３ｘは、ダイアフラムとして機能する。
【００３４】
ポンプ室から上流側流路３２ａ，３２ｂに流出する流体の流出量をＶ１１、ポンプ室から下流側流路３４ａ，３４ｂに流出する流体の流出量をＶ２１、上流側流路３２ａ，３２ｂからポンプ室に流入する流体の流入量をＶ１２、下流側流路３４ａ，３４ｂからポンプ室に流入する流体の流入量をＶ２２とすると、マイクロポンプ１２ａ，１２の１サイクルの駆動について
Ｖ１１＋Ｖ２１＝Ｖ１２＋Ｖ２２　　　　（１）
となる。
【００３５】
例えば図３（ａ）に示すように、突起２７ａ，２７ｂが相対的に速い速度で押し下げられ、相対的に遅い速度で戻される場合、ポンプ室の内圧は、急激に上昇した後、緩やかに低下する。ポンプ室と下流側流路３４ａ，３４との間の第２小流路３３ｔは、図４で符号Ｔで示したように、差圧に対する流路抵抗の変化割合が大きいので、
Ｖ２１＞Ｖ２２　　（２）
となる。
式（１）及び（２）より、
Ｖ１１＜Ｖ１２　　（３）
となる。
つまり、式（２），（３）から分かるように、全体として見ると、流体は、図２において順方向に輸送される。
【００３６】
逆に、図３（ｂ）に示すように、突起２７ａ，２７ｂが相対的に遅い速度で押し下げられ、相対的に速い速度で戻される場合、ポンプ室の内圧は、緩やかに上昇した後、急激に低下するので、
Ｖ２１＜Ｖ２２　　（４）
となる。
式（１）及び（４）より、
Ｖ１１＞Ｖ１２　　（５）
となる。
式（４）及び（５）から、全体として見ると、流体は、図２において逆方向に輸送される。
【００３７】
次に、変形例について説明する。
【００３８】
図５のマイクロポンプの要部断面図を示すように、第１基板５０と第２基板４０をともに樹脂で成型し、微細構造を備えた第１基板５０と第２基板４０を貼り合わせる。第１基板５０は、チャンバー５４と上流側流路５２との間に第１小流路５３が形成され、チャンバー５４と下流側流路５６との間に第２小流路５５が形成されている。第２基板４０には、チャンバー５４に対向する上壁部４２に突起部４４が形成されている。突起部４４には、外部のポンプ駆動装置８のコンタクト９が接触して押し下げるようになっている。図２の実施例とは異なり、第１小流路５３と第２小流路５５は、第１基板５０側の微細加工により形成している。これによって、第２基板４０の構成を簡単にしている。
【００３９】
図６は、他の変形例を示す。図６は、検出領域の流路直角断面図である。第１基板７０と第２基板６０は貼り合わされている。第２基板６０には、第１基板７０に形成された流路７２に対向する部分に、レンズ部６２が形成されている。レンズ部６２は、検出領域の流路７２に外部から照射される光を集光したり、検出流路の流路７２からの散乱光を集光する。これにより、検出感度の向上を図ることができる。レンズ部６２は、第２基板６０を樹脂で成型する場合には、貫通穴や突起などの他の部分と同時に作り込むことができる。
【００４０】
なお、第１基板７０側にレンズ部を設けるようにしてもよい。また、照射光の光源は、第２基板６０側に配置しても、第１基板７０側に配置してもよい。
【００４１】
以上説明したように、マイクロポンプは外部駆動源で駆動されるので、駆動用の圧電素子等を貼り付ける必要がない。そのため、マイクロチップは、製造が容易であり、設計の自由度を向上できる。
【００４２】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施可能である。
【００４３】
上記実施形態においては、ポンプ室に付与する圧力波形を管理することによって送液方向を変更可能なマイクロポンプを備えたマイクロチップを例にとって本発明を説明したが、単一方向のみ送液が可能な構成であってもよい。この場合、外部駆動源から可動部に加える圧力波形をシビアに管理することが不要となり、例えば人の指によってダイアフラムを加圧することにより外部駆動源とすることも可能である。
【００４４】
また、ダイアフラムを形状記憶合金で構成することも可能であり、この場合、外部駆動手段としてはダイアフラムを加熱する手段、例えばダイアフラムと接触してこれを加熱する発熱素子、光エネルギーをダイアフラムに照射してこれを加熱する半導体レーザ装置等、を適用することもできる。
【００４５】
なお、上述した具体的実施形態には、以下の構成の発明が含まれる。
【００４６】
（Ａ）　本体内部に、流路と、該流路に流体を流すためのポンプ室とが形成され、該ポンプ室に外部からの圧力を伝えるための可動部を有した、検査チップと、
該検査チップとは別体であって、前記可動部を加庄する駆動源を有する、検査装置とを備えた検査システム。
上記構成において、検査チップ側には駆動源が設けられていないので、消耗品としての検査チップの低コスト化を図ることができる。
【００４７】
（Ｂ）　上記（Ａ）の検査システムにおいて、前記可動部はダイアフラムと該ダイアフラムに設けられた突起部とを備え、前記駆動源は前記突起部と接触するアクチュエータを備えた検査システム。
上記構成によれば、可動部と駆動源との位置合せ精度を緩和することができる。
【００４８】
（Ｃ）　上記（Ａ）又は（Ｂ）の検査システムにおいて、前記検査装置は前記検査チップの前記流路の所定領域における光を検出する検光手段を備えた検査システム。
【００４９】
（Ｄ）　上記（Ｃ）の検査システムにおいて、前記検査チップが前記流路の前記所定領域における光を集光するレンズ部を備えた検査システム。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例のマイクロチップを示す全体斜視図である。
【図２】図１のマイクロチップの要部断面図及び要部上面図である。
【図３】突起の変位波形図である。
【図４】差圧と流路抵抗の関係を示すグラフである。
【図５】変形例の要部断面図である。
【図６】他の変形例の要部断面図である。
【符号の説明】
６　発光ダイオード（検光手段）
７　フォトダイオード（検光手段）
８，８ａ，８ｂ　ポンプ駆動装置（外部駆動源）
１０　マイクロチップ
１２ａ，１２ｂ　マイクロポンプ
２０　第２基板
２７ａ，２７ｂ　（突起部）
３０　第１基板
３３ｘ　上壁部（可動部、ダイアフラム）
３４ａ，３４ｂ　下流側流路（流路）
３６　検出領域
４０　第２基板
４２　上壁部（可動部、ダイアフラム）
４４　突起部
５０　第１基板
６０　第２基板
６２　レンズ部
７０　第１基板
７２　流路

Claims

本体内部に、流路と、該流路に流体を流すためのポンプ室と、が形成されたマイクロチップであって、
前記ポンプ室と本体外面との間に可動部が形成されており、該可動部を前記マイクロチップとは別体の外部駆動源によって駆動する、ことを特徴とするマイクロチップ。
前記可動部はダイアフラムを備えたことを特徴とする、請求項１記載のマイクロチップ。
前記可動部は前記ダイアフラム上に形成された突起部を備え、該突起部が前記外部駆動源と接触することを特徴とする、請求項２記載のマイクロチップ。
前記本体は第１基板と第２基板とを備え、前記第１基板に前記ポンプ室が形成され、前記第２基板に前記可動部が形成されていることを特徴とする、請求項１乃至３の何れかに記載のマイクロチップ。
前記第１基板と前記第２基板のうち少なくとも一方は樹脂材料により構成されていることを特徴とする、請求項４記載のマイクロチップ。