JP2004150438A - 流体ポンピングシステム - Google Patents
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Abstract
【課題】 製造が容易でかつ溶媒の電気的な性質に依存せず効率的にポンピングすることが可能な流体ポンピングシステムを有する微小流体装置を提供する。
【解決手段】該装置の中を通して流体を輸送するための流体ポンピングシステム（３０）を有する集積微小流体装置（１０）を提供する。該流体ポンピングシステム（３０）は、該装置（１０）内に形成される流体搬送用流路（２２）と、該流体搬送用流路（２２）に沿って配置される複数の音響ポンピング素子（３２）であって、前記流路（２２）内に集束された音響圧力波を形成するように構成される、音響ポンピング素子（３２）と、該複数の音響ポンピング素子（３２）と電気的に通信することができるコントローラ（２００）であって、該コントローラ（２００）は前記音響ポンピング素子（３２）を起動するように構成され、前記音波が前記流路（２２）に沿って移動し、該流路（２２）の中を通して前記流体を移動させるようにするコントローラと、を含む。
【選択図】 図２
【解決手段】該装置の中を通して流体を輸送するための流体ポンピングシステム（３０）を有する集積微小流体装置（１０）を提供する。該流体ポンピングシステム（３０）は、該装置（１０）内に形成される流体搬送用流路（２２）と、該流体搬送用流路（２２）に沿って配置される複数の音響ポンピング素子（３２）であって、前記流路（２２）内に集束された音響圧力波を形成するように構成される、音響ポンピング素子（３２）と、該複数の音響ポンピング素子（３２）と電気的に通信することができるコントローラ（２００）であって、該コントローラ（２００）は前記音響ポンピング素子（３２）を起動するように構成され、前記音波が前記流路（２２）に沿って移動し、該流路（２２）の中を通して前記流体を移動させるようにするコントローラと、を含む。
【選択図】 図２
Description
マイクロ化学分析用チップ等の微小流体回路中で流体の輸送を行うためのポンピングシステムに関する。
流体技術の最近の進歩によって、１つの基板上に電気システムおよび流体システムを共存させた集積型の化学的および生物学的分析装置が開発されている。これらの装置は「ラボ・オン・ア・チップ」装置と呼ばれる場合があり、従来の、より大型の分析装置を用いることよりも優れた利点を提供することができる。たとえば、集積分析装置は、試薬および／または溶媒の消費量を少なくし、実験室において占めるフットプリント（設置面積）を小さくし、かつ／または現場において用いるように容易に構成することができる。
完全に、あるいは部分的に集積された化学的および生物学的分析システムは通常、システムの中を通して流体を移動させるための微小流体ネットワークを含む。用語「微小流体ネットワーク」は通常、非常に小さな、たとえばミクロンスケールの寸法を有する流路の中を通して流体を移動させるためのシステムおよびプロセスのことを指す。微小流体ネットワークは、限定はしないが、流路への流通を制御するためのバルブと、試薬成分および／または搬送用流体を混合するための混合器と、ネットワークの中を通して流体を移動させるためのポンプとを含む、多種多様な構成要素を含むことができる。
微小流体システムにおいて用いるための種々のタイプのポンプが知られている。たとえば、いくつかの微小流体システムは、機械的に生成された差圧を用いて、システムの中を通して流体を移動させる機械式ポンプを用いる。しかしながら、そのようなポンピング装置は製造するのが困難であり、サンプル内の不純物によって損傷を受ける可能性もある。他の微小流体システムは電気浸透ポンピング装置を利用する場合があり、その装置では、電界を用いて、流路の中を通して有極性の流体を動かす。しかしながら、これらのシステムは、流体を動かすために高い電圧（概ね数キロボルト）を利用する場合があり、流路の壁面に吸着する不純物の影響を受けやすくなる場合がある。さらに、電気浸透ポンピング装置は無極性、あるいはわずかにしか極性がない溶媒を効率的にポンピングすることができない場合がある。
製造が容易でかつ溶媒の電気的な性質に依存せず効率的にポンピングすることが可能な流体ポンピングシステムを有する微小流体装置を提供する。
本発明のいくつかの実施形態は、流体ポンピングシステムを含む微小流体装置を提供する。その流体ポンピングシステムは、流体搬送用流路と、流体搬送用流路に沿って配列され、それぞれがその流路内に集束される音波を形成するように構成される複数の音響ポンピング素子と、複数の音響ポンピング素子と通信することができ、音響ポンピング素子を起動して音波が流路に沿って移動し、それにより流体が流路の中を通って移動できるようにするコントローラとを含む。
図１は、本発明の一実施形態による微小流体装置の簡略化されたブロック図を全体として１０で示す。微小流体装置１０は、入力１２と、微小流体ネットワーク１４と、出力１６とを含む。
入力１２は、プロセスフロー全体を通して、微小流体ネットワーク１４と、微小流体ネットワークの上流に配置される大型の構成要素との間のインターフェースとしての役割を果たすように構成され、１つあるいは複数の流体を装置１０に導入するのを可能にするように構成されることができる。任意の適当な流体が、入力１２を介して微小流体装置１０に導入されることができる。流体の例には、限定はしないが、液相あるいは気相の搬送用流体および溶媒内に含有される生物学的あるいは化学的サンプル、試薬、および他の化学成分が含まれる。
入力１２は１つの分析用サンプルの混合物を受け入れるための単一の入力を含むことができるか、あるいは複数の物質を受け入れるための多数の個別の入力を含むことができる。たとえば、入力１２は、複数のサンプル入力を含み、それにより、多数のサンプルが、逐次的にあるいは並列に処理するために微小流体装置１０に同時に導入されるようにすることができる。また入力１２は、サンプルと反応するための１つあるいは複数の試薬を導入するように構成される複数の試薬入力を含むこともできる。さらに、入力１２は、微小流体ネットワーク１４の種々の構成要素を制御し、かつ／またはその構成要素に電源を供給するための電気信号を受信するように構成される電気的入力を含むこともできる。
同様に、出力１６は、プロセスフロー全体を通して、微小流体ネットワーク１４と、微小流体ネットワークの下流に配置される大型の構成要素との間のインターフェースとして機能するように構成される。出力１６は、電気的出力および流体出力の両方を含むことができる。たとえば、出力１６は、廃棄流体を廃棄容器内に堆積させるように、あるいは微小流体ネットワーク１４内での処理後に流体を分析機器に移送するように構成される流体出力を含むことができる。また出力１６は、電気信号を出力するように構成される電気的出力を含むこともできる。微小流体ネットワーク１４から出力され得る電気信号の例には、限定はしないが、微小流体ネットワーク１４内に形成される集積センサおよび／または回路からの生データあるいは処理済データが含まれる。
微小流体ネットワーク１４は、選択されたタスクを実行するのに適した、所望のように選択および配列された任意の微小流体構成要素を有することができる。微小流体ネットワーク１４内に収容される場合がある例示的な構成要素には、限定はしないが、混合器、保管室、分離カラム、流路、ならびに種々の構成要素を接続するためのバルブおよびポンピングシステムが含まれる。
図２は、例示的な流路構造を全体として２０で、および微小流体ネットワークの中を通して流体を移動させるための、微小流体ネットワーク１４のポンピングシステムを全体として３０で示す。流路構造２０は、微小流体ネットワーク１４内の構成要素間で流体を搬送するように構成される、基板２４内に形成される流体搬送用の流路２２を含む。また流路構造２０は、流路の内側表面を腐食性の流体から保護するための耐腐食性材料２６（図３）を含むこともできる。別法では、ポンピングされる流体が流路構造２０を形成するために用いられる材料を著しく腐食しない場合には、流路構造は、その内側表面において材料２６を用いないこともできる。これらの実施形態では、流路の内側表面は、ポンピングシステム３０のポンピング素子３２によって少なくとも部分的に形成されることができる。ポンピング素子３２については以下にさらに詳細に記載される。ポンピングシステム３０は、流路内に集束された音波を形成することにより、流路２２の中を通して流体を移動させるように構成される。またポンピングシステム３０は、流路２２の長さに沿って音波を移動させ、蠕動ポンピング効果（peristaltic pumping effect）を生成するように構成されることもできる。音波を形成するために、ポンピングシステム３０は、流路２２の長さに沿って配置される複数の個別のポンピング素子３２を含む。図２は流路２２の長さに沿って均等な間隔で配置される９個のポンピング素子３２を示すが、任意の適当な数のポンピング素子が流路の長さに沿って配置されることができることは認められよう。さらに、図示されるポンピング素子３２は流路２２の長さに沿って均等な間隔で配置されるが、そのポンピング素子は、音波が流路内の所望の場所において集束されるようにするのに適した、流路の長さに沿った任意の他の態様で、間隔を置いて配置されることもできる。
ポンピング素子３２が図３および図４にさらに詳細に示される。各ポンピング素子は、内側電極３４と、外側電極３６と、内側電極と外側電極との間に配置される圧電素子３８とを含む。図示されるポンピング素子は、リング状の形状を有し、同心円状（同軸的に）に流路２２を包囲する。内側電極３４および外側電極３６を介して圧電素子３８に電圧パルスを印加することにより、圧電素子が物理的な寸法を変更できるようになり、それによりリング状の音波が生成される。そのパルスは定電圧からなることができるか、あるいは周期的に変化する電圧からなることができる。周期的に変化する電圧のパルスを用いてポンピング素子３２を起動する場合、１つあるいは複数のポンピング素子３２からの音響エネルギーが、本明細書ではこれ以降「焦点領域」と呼ばれる、流路２２内の選択された場所において強め合うように合算され、音響的なフレネル回折によって、流路内に集束された音波を形成することができる。保護材料２６を用いて流路２２の内側をコーティングする場合には、何らかの態様で材料２６の層をセグメント化して伸縮継手を形成し、材料２６が圧電素子３８の伸縮に耐えることができるようにすることができることは認められよう。
１つあるいは複数のポンピング素子３２によって形成される音波が流路２２内で集束されるとき、焦点領域の圧力は、焦点領域に隣接する流路２２内のエリアに対して増加する。焦点領域におけるこの局部的な圧力の増加は、流路２２内の流体を、その焦点領域から離れるように押し進めることができる。このようにして、複数のポンピング素子３２に対して、流路２２の長さに沿って前進させるようにパルスのパターンを適用することにより、流路２２に沿って流体が移動できるようになる。
流路２２内に集束された音波を形成するために、任意の数の異なるパターンおよび／または態様で複数のポンピング素子３２を起動することができる。流路２２の中央に焦点領域を配置することが望ましい場合、それぞれが所望の焦点領域から音波の一波長の倍数の間隔を有する複数の素子を同時に起動すればよい。たとえば、図４に示される実施形態では、素子３２’、素子３２’’および素子３２’’’が同時に起動される場合があり、それらの素子が、流路２２内の焦点領域（たとえば、素子３２’の面内）から一波長の倍数に配置されるような間隔を有する場合には、集束された音波が焦点領域において流路内に形成されるであろう。こうして、流路２２の半径と、耐腐食性材料２６の厚みと、内側電極３４の厚みとの和が約１０ミクロンであり、流路２２が純水（純水内の縦波のレートは約１４８０ｍ／ｓである）を包含するように構成される場合、約１４８ＭＨｚの周波数の信号を含むパルスを印加することにより、約１０ミクロンの波長を有する一次音波を生成できるようになり、それにより、その一次音波を生成した素子の平面を焦点領域にすることができる。焦点領域からこの波長の倍数の間隔で配置される他の素子を同時に起動して、強め合うように直接波と合算し、それによりその焦点領域において集束された波を形成することができる。
同様に、以下の関係（中空の同心円状の電極パターンを有する「正の」フレネル半波長帯パターンの場合；他の関係が他の電極パターンを記述することもできる）にしたがって同時に起動される適当な組み合わせの素子を選択することにより、流路２２の長さに沿って、あるいは流路２２の中央と側面との間の径方向において、流路２２内の任意の他の所望の場所に焦点領域を配置することができる。
内側電極３４、外側電極３６および圧電素子３８は任意の適当な寸法を有することができる。たとえば、内側電極３４、外側電極３６および圧電素子３８はそれぞれ、１〜２ミクロン程度の細い（流路２２の流れの方向に沿った）幅、１０〜２０ミクロン程度の広い幅、あるいはこれらの範囲外にある幅を有することができる。
また内側電極３４、外側電極３６および圧電素子３８は、任意の所望の（流路２２の径方向に沿った）厚みを有することができる。たとえば、内側電極３４は、流路２２内の所望の場所に焦点領域を配置するために圧電素子３８の内側表面４０が流路の中央からどのくらい離れて配置されることになるかに基づいて選択された厚みを有することができる。さらに、本発明のいくつかの実施形態（以下にさらに詳細に記載される）では、各ポンピング素子３２は２つ以上の圧電素子を含むことができる。この場合には、各圧電素子および関連する電極対の径方向の厚みは、より望ましい共振周波数（それは、各ポンピング素子を形成するために用いられる材料と、その材料の厚みとによって決定される）で共振が生じるように選択されることができる。
内側電極３４および外側電極３６は任意の適当な材料から形成されることができる。たとえば、内側電極３４および外側電極３６は、所望の製造工程に適合するように選択される導電性材料から形成されることができる。内側電極３４および外側電極３６が流路２２の中を通って流れることになる流体に耐性のある材料から形成される場合、所望により耐腐食性の層３６は省略される場合もある。内側電極３４および外側電極３６のために適した材料の例には、限定はしないが、アルミニウム、銅、金および他の導電性材料が含まれる。
同様に、圧電素子３８は任意の適当な圧電材料から形成されることができる。適当な材料の例には、限定はしないが、酸化亜鉛、石英、ニオブ酸リチウムおよびチタン酸リチウムが含まれる。圧電素子３８を構成するために用いられる圧電材料は、任意の適当な方位に堆積されるか、あるいは別の方法で形成されることができる。たとえば、圧電素子３８が酸化亜鉛から形成される場合、酸化亜鉛の［１１１］方位が流路２２の中央に向けられ、音波をポンピング素子３２の平面内の流路の中央に向けることができる。
各ポンピング素子３２は、任意の適当な距離だけ、隣接するポンピング素子３２から離隔して配置されることができる。たとえば、ポンピング素子３２の間隔は、選択された素子によって放出される音響エネルギーが音響的なフレネル集束によって、所望の場所において干渉して強め合うように構成されることができる。ポンピング素子３２を起動するためにＲＦエネルギーが用いられる場合、例示的な距離には、限定はしないが、２〜６ミクロンの範囲内の距離が含まれる。隣接するポンピング素子３２を分離する距離は、ポンピング素子の所望の動作モードに依存するようになる可能性がある。たとえば、隣接するポンピング素子３２は、流路２２内の種々の場所において種々の焦点を有するように構成されることができる。このようにして、多数の隣接するポンピング素子３２が、効率的に圧力勾配を形成することにより、流路内の流体が流れる方向においてエネルギーの高低が徐々に生成される焦点領域を形成するように同時に起動されることができる。同様に、多数のポンピング素子３２が、流路２２内に圧力が増加した、より大きなエリアを形成するように同時に起動されることができる。
図５〜図７は、微小流体ネットワーク１４において用いるのに適したポンピングシステムの第２の実施形態を全体として１３０で示す。ポンピングシステム１３０は、一連の圧電ポンピング素子が流体搬送用流路１２２の長さに沿って配置され、流路の中を通して流体を移動させるという点で、ポンピングシステム３０に類似である。各ポンピング素子１３２を起動して、流路２２の内部の選択された場所において集束される音響圧力波を生成することができ、所望の集束された音波を得るために、所望により２つの以上の隣接するポンピング素子が同時に起動されることができる。また、起動されるポンピング素子１３２のパターンを流路１２２の長さに沿ってシフトし、音響圧力波が流路に沿って移動できるようにし、それにより、流体が蠕動ポンピング効果によって流路の中を通って移動できるようにすることができる。
しかしながら、ポンピング素子３２とは異なり、ポンピング素子１３２はそれぞれ、２つの同心円状の圧電素子を含む。図６〜図７を参照すると、各ポンピング素子１３２は、内側電極１３４と、中間電極１３６と、内側電極と中間電極との間に配置される内側圧電素子１３８と、外側電極１４０と、中間電極と外側電極との間に配置される外側圧電素子１４２とを含む。圧電素子を挟む電極対は、中間電極１３６を共有し相補的である。
ポンピングシステム１３０は、種々のポンピング効果を生成するために、種々の態様で動作することができる。たとえば、単一の電圧パルスが、内側圧電素子１３８および外側圧電素子１４２に同時に印加されることができる。内側圧電素子１３８および外側圧電素子１４２の形状が、各圧電素子からの圧力波が流路１２２内の同じ焦点領域において干渉して強め合うように構成される場合、単一の圧電ポンピング素子３２の構成に対して、さらに強力な圧力波を生成することができる。別法では、内側圧電素子１３８および外側圧電素子１４２は、個別に制御されるように構成されることができる。
内側電極１３４、中間電極１３６、内側圧電素子１３８、外側電極１４０および外側圧電素子１４２は、それぞれ任意の適当な寸法を有することができる。たとえば、隣接するポンピング素子間の間隔、および個々のポンピング素子の幅は、ポンピング素子３２について先に説明された範囲内の値を有することができる。
同様に、内側電極１３４、中間電極１３６、内側圧電素子１３８、外側電極１４０および外側圧電素子１４２はそれぞれ、径方向において任意の適当な厚みを有することができる。干渉して弱め合う問題を回避するために、これらの各素子の厚みは、内側圧電素子１３８の内側表面１４４からの距離、および外側圧電素子１４２の内側表面１４６からの距離が圧電素子によって生成される音波の波長の倍数に設定されるように選択することができる。外側圧電素子１４２は流路１２２の内壁から、より離れて配置されるので、焦点領域の場所を計算する際に、外側圧電素子によって生成される音波が、流路１２２に到達する前に、異なる圧電層および電極層を通って異なるレートで移動する場合があることを考慮する必要がある。
図２〜図７の実施形態は、それぞれ１つあるいは２つの同心円状の圧電素子を有するポンピング素子３２および１３２を示すが、本発明によるポンピング素子は、所望により、３つあるいはそれより多くの同心円状の圧電素子を有することができる。また、個々のポンピング素子は概ね円形であるように示されるが、ポンピング素子は、限定はしないが、長方形あるいは三角形を含む、任意の他の適当な形状を有することもできることは認められよう。さらに、図示される各実施形態の圧電素子は、関連する流体搬送用流路を同心円状に包囲するが、圧電素子は、流体搬送用流路に対して、および互いに対して、任意の他の適当な幾何学的関係を有することができる。
図８は、本発明によるポンピングシステムとともに用いるのに適した例示的な制御システムのブロック図を全体として２００で示す。制御システム２００はポンピングシステム３０とともに以下に記載されるが、その説明が、ポンピングシステム１３０あるいは任意の他の適当なポンピングシステムにも同じく当てはまることは認められよう。制御システム２００は、選択されたポンピング素子３２を起動することによって流路２２内に固定されたプロファイルの集束された音響圧力波を生成するように、かつ流路２２の長さに沿って、集束された圧力波を移動させ、蠕動ポンピング効果を生成するように構成される。
ポンピングシステム２００は、集束された圧力波および蠕動ポンピング効果を生成するように協動する種々の構成要素を含む。第１に、ポンピングシステム２００は、全体として２０２で示されるプログラマブルレート発振器を含む。プログラマブルレート発振器２０２は、以下にさらに詳細に記載されるように、選択されたレートでパルス列２０３を出力し、ポンピングレートを設定する。そのレートはユーザが選択することができるか、あるいはシステムをプログラミングすることにより指定されることができる。第２に、ポンピングシステム２００は、集束された圧力波のための選択されたプロファイルを表すデータを保持し、かつ蠕動ポンピング効果を生成するために、プログラマブルレート発振器２０２によって決定されるレートで流路２２の長さに沿って選択されたプロファイルをシフトするためのパターン保持レジスタ２０４を含む。
プログラマブルレート発振器２０２は、マスタークロックパルスを生成するためのマスター発振器２０６と、クロックパルスの周波数を選択された周波数まで低減するためのプログラマブル分周器２０８とを含む。またプログラマブルレート発振器は、選択された出力周波数を表すデータを保持するレート保持レジスタ２１０も含むことができる。レート保持レジスタ２１０は、ポンピングレート入力装置２１２を介して、選択されたポンピングレートの入力をユーザから受信するように構成されることができるか、あるいは固定ポンピングレートを表すデータを含むことができる。
同様に、パターン保持レジスタ２０４は、選択された焦点パターンあるいはプロファイルをユーザが入力できるようにするパターン入力２１４に接続されることができる。焦点パターンは、流路２２内に形成されることになる焦点パターンの形状を設定するデータを含む。焦点パターンは、選択された焦点パターンを形成するのに適した任意のデータを含むことができる。たとえば、焦点パターンは、任意の選択された時刻に、複数の圧電素子のうちのどの圧電素子３８が同時に起動されることになるかを表すデータを含むことができる。
さらに、本発明のいくつかの実施形態では、各圧電素子３８の焦点領域の場所は、選択的に変更することもできる。選択された圧電素子３８の焦点領域は、任意の適当な態様で変更される場合がある。たとえば、圧電素子を起動する電圧パルスに含まれる信号の周波数を変更することができるか、あるいは流路内の径方向あるいは長さ方向の種々の場所において干渉が強め合うように、種々のポンピング素子を起動することができる。信号の周波数が変更される場合、パターン保持レジスタ２０４内に保持される焦点パターンは、各圧電素子に送信されることになる起動パルスの周波数を指示するデータを含むことができる。
パターン保持レジスタ２０４は、１組の圧電ドライバ２１８に、どの圧電素子が起動されることになるかを指示する信号を供給するための複数の出力２１６を含むこともできる。各出力２１６は対応する圧電ドライバ２１８と電気的に通信することができ、各圧電ドライバは対応する圧電素子３８と電気的に通信することができる。また各圧電ドライバ２１８は、選択された１つあるいは複数の周波数の周期信号２２１を出力する、ＲＦ信号源２２０のような周期信号源と電気的に通信することもできる。パターン保持レジスタ２０４によって、選択された圧電ドライバ２１８を起動することにより、圧電ドライバはＲＦ信号源２２０から対応する圧電素子３８に、調整されたＲＦパルス２２２を送信できるようになる。これにより、対応する圧電素子３８は、流路２２内に音響圧力波を生成できるようになる。プログラマブルレート発振器２０２からのパルス列２０３のパルスのパルス幅は通常、圧電素子に送信されるＲＦパルス２２２の幅を設定する。別法では、圧電ドライバ２１８が、このパルス幅を調整するように構成されることができる。本明細書では、パルス２２２の周波数が高周波スペクトル内にあるものとして記載されるが、パルス２２２は、選択される流路の寸法に応じて、選択された流路内に音波を形成するのに適した任意の他の周波数を有することができる。
パターン保持レジスタ２０４は、流路２２の長さに沿って焦点パターンを移動させるように構成されることもできる。このようにして、各ポンピング素子３２によって形成される圧力波は流路２２の内部に沿って移動し、流路２２の中を通して流体を押し進める。パターン保持レジスタ２０４は、任意の適当な態様で流路２２の長さに沿って焦点パターンをシフトするように構成されることができる。たとえば、パターン保持レジスタ２０４はシフトレジスタとして機能し、プログラマブルレート発振器２０２からの各パルスで、パターン保持レジスタの各出力２１６の信号を次の隣接する出力に移動させることができる。別法では、パターン保持レジスタ２０４は、所望により、プログラマブルレート発振器２０２からの各パルスで、各出力２１６の信号を、２つ以上の位置だけシフトするように構成されることができる。
さらに、連続的なポンピング動作が望ましい場合には、制御システム２００は、流路２２の長さに沿って、選択された焦点パターンを繰返しシフトするように構成されることができる。流路２２の長さに沿って、選択された焦点パターンを繰返しシフトすることは、任意の態様で達成されることができる。図示される実施形態では、パターン保持レジスタ２０４の最後の出力２１６’の信号が、２２４で示されるように、パターン保持レジスタにフィードバックされ、より上流にある出力２１６に加えることができる。この構成では、焦点パターンの各出力信号が最も下流にある出力にシフトされるとき、出力信号が上流にある出力に自動的にフィードバックされ、流路２２に沿って新たな移動を開始する。このようにして、焦点パターンは流路２２の上流の点に連続して循環し直され、それにより、流路の長さに沿って繰返しシフトされて、連続的なポンピング効果を生成することができる。ポンピングシステム３２のポンピング方向は、パターン保持レジスタ２０４が焦点パターンを流路２２に沿って移動させる方向を単に反転することにより反転することができることが認められよう。
本開示は特定の実施形態を含むが、多数の変更形態が実現可能であるので、特定の実施形態は限定する意味に解釈されるべきではない。本開示の対象は、本明細書に開示される種々の素子、機構、機能および／または特性の全ての新規で、自明ではない組み合わせ、およびさらに細かい組み合わせを含む。添付の特許請求の範囲は、新規で、自明でないとみなされるある特定の組み合わせ、およびさらに細かい組み合わせを特に指摘する。これらの請求項は、「１つの」素子あるいは「第１の」素子あるいはそれと同等のものを参照する場合がある。そのような請求項は、１つあるいは複数のそのような素子を組み込むことを含んでおり、２つ以上のそのような素子を必要としない場合も除外する場合もあるものと理解されるべきである。機構、機能、素子および／または特性の他の組み合わせ、および細かい組み合わせは、本特許請求の範囲の補正を通して、あるいは本特許出願または関連する特許出願における新規の特許請求の範囲の提示を通して請求される場合がある。そのような特許請求の範囲は、元の特許請求の範囲よりも広い場合、狭い場合、あるいはそれと等しい場合または異なる場合であっても、本開示の対象の範囲に含まれるものとみなされる。
本発明は以下の実施態様を含んでいる。
＜１＞該装置の中を通して流体を輸送するための流体ポンピングシステム（３０）を有する集積微小流体装置（１０）であって、該流体ポンピングシステム（３０）は、該装置（１０）内に形成される流体搬送用流路（２２）と、該流体搬送用流路（２２）に沿って配置される複数の音響ポンピング素子（３２）であって、前記流路（２２）内に集束された音響圧力波を形成するように構成される、音響ポンピング素子（３２）と、該複数の音響ポンピング素子（３２）と電気的に通信することができるコントローラ（２００）であって、該コントローラ（２００）は前記音響ポンピング素子（３２）を起動するように構成され、前記音波が前記流路（２２）に沿って移動し、該流路（２２）の中を通して前記流体を移動させるようにする、コントローラと、を含むことを特徴とする集積微小流体装置。
＜２＞微小流体装置（１０）であって、前記コントローラ（２００）は、前記音響ポンピング素子（３２）にＲＦ電力のパルスを供給することにより、前記音響ポンピング素子（３２）を起動するように構成されることを特徴とする上記＜１＞に記載の微小流体装置。
＜３＞微小流体装置（１０）であって、前記複数の音響ポンピング素子（３２）の各音響ポンピング素子（３２）は、一対の電極（３４、３６）間に配置される圧電材料（３８）の層を有する圧電素子（３２）を含むことを特徴とする上記＜１＞に記載の微小流体装置。
＜４＞微小流体装置（１０）であって、前記各圧電素子（３２）は前記流路（２２）を同心円状に包囲することを特徴とする上記＜３＞に記載の微小流体装置。
＜５＞微小流体装置（１０）であって、前記各圧電素子（１３２）は圧電材料の複数の層（１３８、１４２）を含み、該圧電材料の層（１３８、１４２）はそれぞれ、相補的な一対の電極（１３４、１３６、１４０）間に配置されることを特徴とする上記＜３＞に記載の微小流体装置。
＜６＞微小流体装置（１０）であって、前記流路（２２）は径方向内寸法を有し、選択された圧電素子（３２）を起動して前記流路（２２）内の場所にある焦点領域において集束された音波を形成することができ、前記焦点領域の前記場所は前記流路（２２）の前記径方向内寸法にわたって位置的に変更可能なように構成され、複数の圧電素子（３２）を同時に起動して、前記焦点領域において強め合うように干渉する複数の対応する音波が生成され、前記焦点領域の前記場所は前記複数の圧電素子（３２）のうちのいずれが同時に起動されるかを変更することにより変更されることを特徴とする上記＜３＞に記載の微小流体装置。
＜７＞微小流体装置（１０）であって、前記コントローラ（２００）は前記複数の音響ポンピング素子（３２）と電気的に通信することができるパターン保持レジスタ（２０４）を含み、該パターン保持レジスタ（２０４）は、選択された時刻に起動されることになる前記圧電素子を指示する所定の焦点パターンを表すデータを格納するように構成され、また該パターン保持レジスタ（２０４）は、蠕動ポンピング効果を生成するように前記複数の音響ポンピング素子（３２）に沿って前進させるようにして前記焦点パターンを選択的にシフトするように構成されることを特徴とする上記＜１＞に記載の微小流体装置。
＜８＞微小流体装置（１０）であって、該装置の中を通して流体を移動させるためのポンピングシステム（３０）を含み、該ポンピングシステム（３０）は、該装置（１０）内に形成される流路（２２）であって、前記流体の流れを調節するように構成される、流路（２２）と、該流路（２２）に関連付けられるポンピング素子（３２）であって、前記流路（２２）内に集束された音波を生成し、前記流路（２２）の中を通して前記流体を移動させるように構成される複数の同心円状の圧電素子（３２）を含む、ポンピング素子（３２）とを含むことを特徴とする微小流体装置。
＜９＞流体内のサンプルを分析するための微小流体装置（１０）であって、該微小流体装置（１０）は、該装置（１０）の中を通して前記流体を輸送するための微小流体ネットワーク（１４）であって、前記流体の流れを調節するように構成される流路（２２）を含む、微小流体ネットワーク（１４）と、前記流路（２２）を通して前記流体をポンピングするための手段（３２）とを含む微小流体装置。
＜１０＞装置（１０）内の流体を輸送するための方法であって、該装置（１０）は、前記流体の流れを調節するように構成される流路（２２）と、それぞれが前記流路（３２）内に配置される焦点領域を有する、前記流路に沿って配置される複数の音響ポンピング素子（３２）とを含み、該方法は、前記複数の音響ポンピング素子（３２）に焦点パターンを印加することであって、前記流路（２２）内に圧力波を生成するために同時に起動されることになる前記複数の音響ポンピング素子（３２）のうちの選択されたサブセットを定義するような焦点パターンを印加することと、前記流路（２２）に沿って前記圧力波を移動させるように、少なくとも１つの音響ポンピング素子（３２）によって前記焦点パターンをシフトすることとを含む方法。
本発明のポンピングシステムは、マイクロ化学分析用チップ内の流体輸送システムとして使用できる。
１０ 集積微小流体装置
１２ 入力
１４ 微小流体ネットワーク
１６ 出力
２２ 流体搬送用流路
３０ 流体ポンピングシステム
３２ 音響ポンピング素子
２００ コントローラ
２０６ 発振器
２０８ 分周器
２１０ レート保持レジスタ
２１２ ポンピングレート入力
２０４ パターン保持レジスタ
２１４ パターン入力
１２ 入力
１４ 微小流体ネットワーク
１６ 出力
２２ 流体搬送用流路
３０ 流体ポンピングシステム
３２ 音響ポンピング素子
２００ コントローラ
２０６ 発振器
２０８ 分周器
２１０ レート保持レジスタ
２１２ ポンピングレート入力
２０４ パターン保持レジスタ
２１４ パターン入力
Claims (10)
- 該装置の中を通して流体を輸送するための流体ポンピングシステム（３０）を有する集積微小流体装置であって、
該流体ポンピングシステムは、
該装置内に形成される流体搬送用流路と、
該流体搬送用流路に沿って配置される複数の音響ポンピング素子であって、前記流路内に集束された音響圧力波を形成するように構成される、音響ポンピング素子と、
該複数の音響ポンピング素子と電気的に通信することができるコントローラであって、該コントローラは前記音響ポンピング素子を起動するように構成され、前記音波が前記流路に沿って移動し、該流路の中を通して前記流体を移動させるようにする、コントローラと、
を含むことを特徴とする集積微小流体装置。 - 微小流体装置であって、
前記コントローラは、前記音響ポンピング素子にＲＦ電力のパルスを供給することにより、前記音響ポンピング素子を起動するように構成されることを特徴とする請求項１に記載の微小流体装置。 - 微小流体装置であって、
前記複数の音響ポンピング素子の各音響ポンピング素子は、一対の電極間に配置される圧電材料の層を有する圧電素子を含むことを特徴とする請求項１に記載の微小流体装置。 - 微小流体装置であって、
前記各圧電素子は前記流路を同心円状に包囲することを特徴とする請求項３に記載の微小流体装置。 - 微小流体装置であって、
前記各圧電素子は圧電材料の複数の層を含み、該圧電材料の層はそれぞれ、相補的な一対の電極間に配置されることを特徴とする請求項３に記載の微小流体装置。 - 微小流体装置であって、
前記流路は径方向内寸法を有し、選択された圧電素子を起動して前記流路内の場所にある焦点領域において集束された音波を形成することができ、前記焦点領域の前記場所は前記流路の前記径方向内寸法にわたって位置的に変更可能なように構成され、複数の圧電素子を同時に起動して、前記焦点領域において強め合うように干渉する複数の対応する音波が生成され、前記焦点領域の前記場所は前記複数の圧電素子のうちのいずれが同時に起動されるかを変更することにより変更されることを特徴とする請求項３に記載の微小流体装置。 - 微小流体装置であって、
前記コントローラは前記複数の音響ポンピング素子と電気的に通信することができるパターン保持レジスタを含み、該パターン保持レジスタは、選択された時刻に起動されることになる前記圧電素子を指示する所定の焦点パターンを表すデータを格納するように構成され、また該パターン保持レジスタは、蠕動ポンピング効果を生成するように前記複数の音響ポンピング素子に沿って前進させるようにして前記焦点パターンを選択的にシフトするように構成されることを特徴とする請求項１に記載の微小流体装置。 - 微小流体装置であって、該装置の中を通して流体を移動させるためのポンピングシステムを含み、
該ポンピングシステムは、
該装置内に形成される流路であって、前記流体の流れを調節するように構成される、流路と、
該流路に関連付けられるポンピング素子であって、前記流路内に集束された音波を生成し、前記流路の中を通して前記流体を移動させるように構成される複数の同心円状の圧電素子を含む、ポンピング素子と、
を含むことを特徴とする微小流体装置。 - 流体内のサンプルを分析するための微小流体装置であって、
該微小流体装置は、
該装置の中を通して前記流体を輸送するための微小流体ネットワークであって、前記流体の流れを調節するように構成される流路を含む、微小流体ネットワークと、
前記流路を通して前記流体をポンピングするための手段と、
を含む微小流体装置。 - 装置内の流体を輸送するための方法であって、該装置は、前記流体の流れを調節するように構成される流路と、それぞれが前記流路内に配置される焦点領域を有する、前記流路に沿って配置される複数の音響ポンピング素子とを含み、
該方法は、
前記複数の音響ポンピング素子に焦点パターンを印加することであって、前記流路内に圧力波を生成するために同時に起動されることになる前記複数の音響ポンピング素子のうちの選択されたサブセットを定義するような焦点パターンを印加することと、
前記流路に沿って前記圧力波を移動させるように、少なくとも１つの音響ポンピング素子によって前記焦点パターンをシフトすることとを含む方法。
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