JP2004190614A - 合流装置における液体の圧送方法および合流装置 - Google Patents
合流装置における液体の圧送方法および合流装置 Download PDFInfo
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Abstract
【課題】混合などのために２つの流路から圧送される液体を１つの流路に合流させて送る際に、正確な送液量または混合比などが得られるようにすること。
【解決手段】少なくとも２つの流路２１，２２から圧送される液体を１つの流路２６に合流させて送るように構成される合流装置における液体の圧送方法であって、少なくとも２つの流路２１，２２のうちの少なくとも１つの流路からは、液体の圧送を間歇的に行うともに、当該液体の圧送を行っていない間において、当該液体に微小な圧力を加えて他の液体からの逆流を防止する。
【選択図】 図１
【解決手段】少なくとも２つの流路２１，２２から圧送される液体を１つの流路２６に合流させて送るように構成される合流装置における液体の圧送方法であって、少なくとも２つの流路２１，２２のうちの少なくとも１つの流路からは、液体の圧送を間歇的に行うともに、当該液体の圧送を行っていない間において、当該液体に微小な圧力を加えて他の液体からの逆流を防止する。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ流路において微小量の液体を合流させる合流装置および合流装置における液体の圧送方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年において、マイクロマシン技術を応用し、化学分析や化学合成などのための機器や手法を微細化して行うμ−ＴＡＳ（Micro Total Analysis System)が注目されている。微細化されたμ−ＴＡＳによると、従来の装置と比べて試料の必要量が少ない、反応時間が短い、廃棄物が少ない、などのメリットがある。また、医療分野に使用した場合には、血液など検体の量を少なくすることで患者の負担を軽減でき、また、試薬の量を少なくすることで検査のコストを下げることができる。さらに、検体および試薬の量が少ないことから、反応時間が大幅に短縮され検査の効率化が図れる。そして携帯性にも優れるため、医療分野、環境分析など、広い範囲でその応用が期待されている。
【０００３】
そこで、本出願人において、サイズが小さいことによるμ−ＴＡＳ特徴の１つであるマイクロスケールサイズ効果に着目して種々の研究を行った。微小な流路の世界においては、寸法や流速が非常に小さくレイノルズ数が２００以下となるため、従来の反応装置のような乱流支配ではなく、層流支配となる。マイクロスケールの空間では、比界面積が大きいため、層流が接触する界面での拡散混合に有利である。混合に要する時間は、２液の接する界面の断面積と液層の厚さに依存する。つまり、拡散理論にしたがうと、混合に要する時間Ｔは、流路幅をＷ、拡散係数をＤとすると、Ｗ2 ／Ｄに比例する。したがって、流路幅を小さくすればするほど、混合( 拡散) 時間は速くなる。また、拡散係数Ｄは次式で与えられる。
【０００４】
Ｄ＝κｂ×Ｔ／６×π×μ×ｒ
但し、Ｔ：液温、μ：粘度、ｒ：粒子半径、κｂ：ボルツマン定数
つまり、マイクロスケール空間では、機械的攪拌などを用いなくても、分子輸送、反応、分離が、分子や粒子の自発的挙動だけで速やかに行われる。
【０００５】
また、従来において、流路を立体的に交差させることによって混合の効率化を図ったもの（特許第３１１９８７７号）、基本的には流路幅方向の拡散を用いて流路が合流することで混合するもの（特表２００２−５０３３３６）などが提案されている。
【０００６】
【特許文献】
特許第３１１９８７７号
特表２００２−５０３３３６
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来において流路幅方向に拡散させるタイプの研究が発表されているが、流略幅が１００μｍ程度のものが主流である。しかしながら、用途によっては、１００μｍレベルの流路幅で自発的拡散による混合を行った場合、時間がかかりすぎるという問題がある。例えば粒子径が大きい場合などである。また、液体が出合った瞬間に反応が始まってしまう場合には、十分な混合が行われる前に反応が進んでしまって期待どおりの結果が得られない。混合部から検出部までの距離が短い場合などは極めて短時間に混合を終了させなければならない。そこで、混合時間を短くするために流路幅を狭くする方法が考えられるが、流路抵抗が高くなり送液の制御が困難になる。
【０００８】
そこで、混合時間を短縮することを考える際には、それと同時に、正確な送液量または混合比などが得られるように制御を行うことを考える必要がある。
本発明は、例えば混合のために２つの流路から圧送される液体を１つの流路に合流させて送る際に、正確な送液量または混合比などが得られるようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る方法は、少なくとも２つの流路から圧送される液体を１つの流路に合流させて送るように構成される合流装置における液体の圧送方法であって、前記少なくとも２つの流路のうちの少なくとも１つの流路からは、液体の圧送を間歇的に行うともに、当該液体の圧送を行っていない間において、当該液体に微小な圧力を加えて他の液体からの逆流を防止する。
【００１０】
本発明に係る装置は、少なくとも１つのポンプを間歇的に駆動して当該流路からの液体の圧送を間歇的に行うための手段と、当該ポンプの駆動を行っていない間において、他の液体からの逆流を防止するために当該液体に微小な圧力を発生させるために当該ポンプを微作動させる手段とを有してなる。
【００１１】
好ましくは、前記ポンプは、チャンバーと前記チャンバーに接続された少なくとも２つの絞り流路と前記チャンバーの容積を増減するアクチュエータとを有し、前記チャンバーの圧力を上昇または下降させたときの前記２つの絞り流路の流路抵抗の変化割合が互いに異なっており、前記チャンバーの容積が増えるときと減るときでその変化割合の大きさを異ならせることにより前記絞り流路の流路抵抗の比を変化させて送液を行うように構成されており、前記ポンプを間欠的に駆動する手段および前記ポンプを微作動させる手段は、前記アクチュエータに印加する電圧の大きさまたはタイミングを調整することにより制御を行うように構成される。
【００１２】
また、前記ポンプを間欠的に駆動する手段による駆動と前記ポンプを微作動させる手段による微作動との間に、前記ポンプを停止させる停止期間を設ける。
また、少なくとも２つの前記ポンプを交互に間歇的に駆動し、それぞれの流路から交互に間歇的に圧送される液体を前記１つの流路において流れ方向に沿って交互に層状となるように合流させる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の合流装置の第１の実施形態であるマイクロ流体システム１の構成を模式的に示す平面図、図２は図１に示すマイクロポンプ３の正面断面図、図３はマイクロポンプ３の製造工程の例を示す図、図４はマイクロポンプ３の開口部の流路抵抗特性の例を示す図、図５および図６は圧電素子の駆動電圧の波形の例を示す図である。
【００１４】
図１において、マイクロ流体システム１は、シリコン基板３１上にマイクロチップとして構成されており、２つのマイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２によって圧送される２種類の液体ＬＡ，ＬＢを流路２５の入口で合流させ、ポート（液体出口）２７から送り出すように構成されている。
【００１５】
すなわち、マイクロ流体システム１は、ポート（液体入口）１１，１２、流路１３，１４、開口部１５，１６、チャンバー１７，１８、開口部１９，２０、流路２１，２２、狭幅流路２３，２４，２５、流路２６、ポート２７を有する。
【００１６】
ポート１１，１２には、適当な他の流路またはリザーバからそれぞれ異なる液体が供給される。それぞれの液体は、流路１３，１４を通り、マイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２によって流路２１，２２に、さらにそれよりも幅の狭い狭幅流路２３，２４に、それぞれ圧送される。３つの狭幅流路２３，２４，２５は、Ｙ字状の合流路を形成しており、狭幅流路２３，２４に圧送された２つの液体は、狭幅流路２５の入口の合流点ＧＴで合流し、流路２６を通ってポート２７から適当な他の流路またはリザーバに送り出される。
【００１７】
さて、ポンプ室であるチャンバー１７およびそれぞれ開口部１５、１９を介してチャンバー１７に接続された流路１３，２１によって第１のマイクロポンプＭＰ１が、チャンバー１８およびそれぞれ開口部１６、２０を介してチャンバー１８に接続された流路１４，２２によって第２のマイクロポンプＭＰ２が、それぞれ構成されている。
【００１８】
これら２つのマイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２は、その動作原理および構造が同一であるので、一方のみについて説明する。
図２を参照して、マイクロポンプＭＰ１は、シリコン基板３１を用い、フォトリソグラフィー工程によって、チャンバー１７、開口部１５，１９、および流路１３，２１などを構成するための溝または窪みを形成し、その下または上に底板または天板となるガラス基板３２を接合することによって製作される。
【００１９】
例えば、図３（ａ）に示すように、シリコン基板３１０を用意する。シリコン基板３１０として、例えば、厚さ２００μｍのシリコンウエハーを用いる。次に、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板３１０の上下面に酸化膜３１１，３１２を形成する。これらの酸化膜３１１，３１２は、例えば、それぞれの厚さが１．７μｍとなるように熱酸化により成膜する。次に、上面にレジストを塗布し、所定のマスクパターンを露光し、現像し、酸化膜３１１をエッチングする。そして、上面のレジストを剥離した後、再びレジストを塗布し、露光、現像、エッチングを行う。これにより、図３（ｃ）に示すように、酸化膜３１１を完全に除去した部分３１１ａと、厚さ方向に途中まで除去した部分３１１ｂとを形成する。レジスト塗布には、例えば、ＯＦＰＲ８００などのレジストを用いてスピンコーターで回転塗布する。レジスト膜の厚さは例えば１μｍとする、露光はアライナーにより行い、現像はデベロッパーにより行う。酸化膜のエッチングには、例えばＲＩＥを用いる。レジストの剥離には、剥離液、例えば硫酸過水を用いる。
【００２０】
次に、上面についてシリコンエッチングを途中まで行った後に、酸化膜３１１をエッチングにより完全に除去し、再びシリコンエッチングを行い、図３（ｄ）（ｅ）に示すように、シリコン基板３１０を深さ１７０μｍだけエッチングした部分３１１ｃと、深さ２５μｍだけエッチングした部分３１１ｄとを形成する。シリコンエッチングには、例えば、ＩＣＰ（高周波誘導結合型プラズマ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐ１ｅｄ Ｐ１ａｓｍａ）を用いる。
【００２１】
そして、図３（ｅ）に示すように、例えばＢＨＦを用いて上面の酸化膜３１１を完全に除去する。次に、図３（ｆ）に示すように、シリコン基板３１０の下面に、ＩＴＯ膜のような電極膜３１３を成膜する。そして、図３（ｇ）に示すように、シリコン基板３１０の上面にガラス板３２を貼り付ける。例えば、１２００Ｖ、４００°Ｃで、陽極接合する。最後に、図３（ｈ）に示すように、チャンバー１７の振動板（ダイヤフラム）の部分に、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）セラミックスなどの圧電素子３４を接着して貼り付ける。
【００２２】
なお、図３（ｈ）において、図２に対応する部分の符号を括弧で示した。図２においては、開口部１５，１９は、流路１３，２１に対して、溝の幅（紙面に対して垂直方向）を狭くすることによって開口部１５，１９として形成されているが、図３（ｈ）においては、開口部１５，１９は、流路１３，２１に対して、溝の深さ（紙面の上下方向）を浅くすることによって開口部１５，１９として形成されている。また、図２と図３（ｈ）とでは上下関係が逆である。
【００２３】
マイクロポンプＭＰ１はこのようにして製作することが可能であるが、従来から公知の方法、その他の方法またはその他の材料を用いて製作することも可能である。
【００２４】
駆動回路３６によって、圧電素子３４に図５（Ａ）または図６（Ａ）に示す波形の電圧を印加することにより、シリコン薄膜であるダイヤフラム３１ｆと圧電素子３４とがユニモルフモードの屈曲変形を行うことを利用して、チャンバー１７の容積を増減させる。
【００２５】
なお、寸法の例を挙げると、図１において、流路１３、２１、２６は、例えば幅１５０μｍ、深さ１７０μｍである。狭幅流路２３，２４，２５は、例えば幅３０μｍ、深さ１７０μｍ、長さ５００μｍである。また、マイクロチップの外形寸法は約２０ｍｍ×４０ｍｍ×０．５ｍｍである。これらの寸法および形状は一例であり、他の種々の寸法および形状を採用することができる。
【００２６】
さて、開口部１５，１９の有効断面積は、流路１３，２１の有効断面積よりも小さい。そして、開口部１９は、チャンバー１７内の圧力を上昇または下降させたときの流路抵抗の変化割合が、開口部１５のそれよりも小さく設定されている。
【００２７】
すなわち、図４に示すように、開口部１５は、その両端の差圧が零に近いときは流路抵抗が低いが、差圧が大きくなると流路抵抗が大きくなる。つまり圧力依存性が大きい。開口部１９は、差圧が零に近いときの流路抵抗は開口部１５の場合よりも大きいが、圧力依存性がほとんどなく、差圧が大きくなっても流路抵抗は余り変化せず、差圧が大きい場合には流路抵抗が開口部１５よりも小さくなる。
【００２８】
このような流路抵抗特性は、流路を流れる液体が、差圧の大きさに応じて層流または乱流のいずれかとなるようにするか、または差圧にかかわりなく常に層流となるようにするか、によって得ることが可能である。具体的には、例えば、前者は開口部１５を流路長の短いオリフィスとし、後者は開口部１９を流路長の長いノズルとすることによって実現することが可能である。
【００２９】
開口部１５、１９のこのような流路抵抗特性を利用して、チャンバー１７に圧力を発生させるとともに、その圧力の変化の割合を制御することによって、吐出工程および吸入工程のそれぞれにおいて開口部１５，１９のうち流路抵抗の低い方により多くの流体を吐出または吸入するようなポンプ作用を実現することができる。
【００３０】
つまり、チャンバー１７の圧力を上昇させるとともに、その変化の割合を大きくすれば、差圧が大きくなって開口部１５の流路抵抗が開口部１９の流路抵抗よりも大きくなり、チャンバー１７内の流体のほとんどは開口部１９から吐出する（吐出工程）。そして、チャンバー１７の圧力を下降させるとともに、その変化の割合を小さくすれば、差圧が小さく維持されて開口部１５の流路抵抗の方が開口部１９の流路抵抗よりも小さくなり、開口部１５からチャンバー１７内により多くの流体が流入する（吸入工程）。
【００３１】
これとは逆に、チャンバー１７の圧力を上昇させるとともに、その変化の割合を小さくしておけば、差圧が小さく維持されて開口部１５の流路抵抗の方が開口部１９の流路抵抗よりも小さくなり、チャンバー１７内の流体は開口部１５からより多く吐出する（吐出工程）。そして、チャンバー１７の圧力を下降させるとともに、その変化の割合を大きくすれば、差圧が大きくなって開口部１５の流路抵抗の方が開口部１９の流路抵抗よりも大きくなり、開口部１９からチャンバー１７内により多くの流体が流入する（吸入工程）。
【００３２】
このようなチャンバー１７の圧力制御は、圧電素子３４に供給する駆動電圧を制御し、ダイヤフラムの変形の量およびタイミングを制御することによって実現される。例えば、圧電素子３４に図５（Ａ）に示す波形の駆動電圧を印加することによって流路２１の側に吐出し、図６（Ａ）に示す波形の駆動電圧を印加することによって流路１３の側に吐出する。
【００３３】
図５および図６において、圧電素子３４に印加する最大電圧ｅ1 は、数ボルトから数十ボルト程度、最大で１００ボルト程度である。また、時間Ｔ１，Ｔ７は２０μｓ程度、時間Ｔ２，Ｔ６は０〜数μｓ程度、時間Ｔ３，Ｔ５は６０μｓ程度である。時間Ｔ４，Ｔ８は０であってもよい。駆動電圧の周波数は１１ＫＨｚ程度である。図５（Ａ）および図６（Ａ）に示す駆動電圧によって、流路２１には、例えば図５（Ｂ）および図６（Ｂ）に示すような流量が得られる。なお、図５（Ｂ）および図６（Ｂ）における流量曲線は、ポンプ動作によって得られる流量を模式的に示したもので、実際には流体の慣性振動が重畳する。したがって、これら図に示された流量曲線に振動成分が重畳された曲線が実際に得られる流量を示すこととなる。
【００３４】
なお、本実施形態の開口部１５，１９は、それぞれ単一の開口部によって構成したが、それに代えて複数の開口部を並列に配置した開口部群を用いてもよい。これによって圧力依存性をさらに低下させることができるので、特に開口部１９の代わりに用いると流量が増加し流量効率が向上する。
【００３５】
次に、マイクロ流体システム１における液体の合流および混合の様子およびそのときの圧電素子３４の駆動方法について説明する。
図７は第１の実施形態における駆動電圧の波形の例を示す図、図８は駆動電圧の波形の他の例を示す図、図９は第１の実施形態における液体の流れの様子を示す図、図１０は他方のマイクロポンプを微作動させない場合の駆動電圧の波形を示す図、図１１は図１０による駆動を行った場合の液体の流れの様子を示す図、図１２は第１の実施形態における駆動電圧の波形と流量との関係を示す図、図１３は他方のマイクロポンプを微作動させない場合の駆動電圧の波形と流量との関係を示す図、図１４および図１５は切り替え周波数を高くした場合の液体の流れの様子を示す図、図１６は駆動回路３６の構成の例を示すブロック図である。
【００３６】
上に述べたように、２種類の液体ＬＡ，ＬＢを、２つのマイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２によって、それぞれ狭幅流路２３，２４に送り込み、合流点ＧＴで合流させる。そのときに、２種類の液体ＬＡ，ＬＢを連続的に合流点ＧＴに送り込むのではなく、交互に間欠的に送り込む。
【００３７】
すなわち、一方のマイクロポンプＭＰ１を駆動して液体ＬＡを圧送している間は他方のマイクロポンプＭＰ２を駆動せず、他方のマイクロポンプＭＰ２を駆動して液体ＬＢを圧送している間は一方のマイクロポンプＭＰ１を駆動しない。その結果、２種類の液体ＬＡ，ＬＢは、合流点ＧＴに交互に間欠的に送り込まれる。
【００３８】
このとき、図１０に示すように、一方のマイクロポンプＭＰ１を駆動して液体ＬＡを圧送しているときに他方のマイクロポンプＭＰ２を全く駆動せずに停止させた場合には、図１１に示すように、合流点ＧＴからその下流の狭幅流路２５に送液される一方、駆動していない側の狭幅流路２４にも液体ＬＡが入り込み、液体ＬＢは逆流する。逆流の量は送液量の約２〜３割程度に達することがある。
【００３９】
したがって、このような方法で混合した場合には、逆流した液体ＬＡと次に送液される液体ＬＢの混合液が合流点ＧＴに送液され、しかも、混合液の２〜３割がまた他方の液体ＬＡの側に逆流し、正確な混合比を得るのが困難となる。
【００４０】
そこで、第１の実施形態では、図７に示すように、送液しない側のマイクロポンプＭＰにも微小な駆動電圧（駆動パルス）を印加して微作動させる。
つまり、図７に示すように、一方のマイクロポンプＭＰ１を駆動して液体ＬＡを圧送している間は他方のマイクロポンプＭＰ２に微小な駆動電圧をバイアスとして印加し、他方のマイクロポンプＭＰ２を駆動して液体ＬＢを圧送している間は一方のマイクロポンプＭＰ１に微小な駆動電圧をバイアスとして印加する。
【００４１】
このように制御を行うと、図９に示すように、マイクロポンプＭＰの駆動によって圧送された液体が逆流しようとする圧力と、送液しない側の液体の圧力とが釣り合い、その結果、液体は逆流することなく、圧送された液体の全部が下流側の狭幅流路２５に送られることとなる。
【００４２】
したがって、所期の目標通りの液体の混合比を正確に得ることができる。しかも、液体の逆流がなく、全部の液体が下流側の狭幅流路２５に送られるので、全体としての流量の増加が図られ、流量効率が向上する。
【００４３】
具体的には、例えば、２つの液体ＬＡ，ＬＢがいずれも粘度１ｃｐｓの場合、圧送のために駆動電圧を５０Ｖ印加するのに対して、微作動させる側には微小な駆動電圧として２０Ｖ印加する。
【００４４】
図１２および図１３には、微小な駆動電圧を印加した場合としない場合とにおいて、合流点ＧＴにおける液体ＬＢの流量および総流量の変化の様子がシミュレーションによって示されている。
【００４５】
図１２においては、微小な駆動電圧が印加されているので、圧送していない間における逆流はなく、その結果、１０ｍｓの間の総流量は約１．１ｎｌに達しているが、図１３においては、微小な駆動電圧が印加されていないので、圧送していない間における逆流があり、その結果、１０ｍｓの間の総流量は約０．９ｎｌに止まっている。なお、これらの図の例では、切り替えの周波数が５００Ｈｚである。
【００４６】
なお、駆動電圧の周波数は上に述べたように１１ＫＨｚ程度であるが、交互に間欠的に駆動するように切り替えるタイミングは種々選択することができる。例えば、それぞれのマイクロポンプＭＰの駆動のオンオフの切り替え周波数を５０Ｈｚとし且つデューティ比が１対１となるように、つまり２つのマイクロポンプＭＰの駆動を１０ｍｓごとに切り替える場合には、それぞれのマイクロポンプＭＰの圧電素子３４に対して１回当たり１１０パルスのパルス群からなる駆動電圧が交互に印加されることとなる。この場合には、各マイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２によって、各液体ＬＡ，ＬＢが約２．２ｎｌ（ナノリッター）ずつ交互に合流点ＧＴに送液される。
【００４７】
また、バイアスである微小な駆動電圧をどの程度とするかは、ポンプの種類、液体の種類、液体の粘度、温度、流路の幅、液体の長さなどによる負荷の大きさなどによって異なる。したがって、例えば、これら種々の条件において実際に送液を行い、実験により決定しておけばよい。
【００４８】
また、デューティ比を変えることにより、種々の混合比が得られる。例えば、デューティ比が１対１の場合は混合比がｌ対１であるが、図８に示すようにデューティ比が１対２の場合は、混合比がｌ対２となる。また、図示はしないが、デューティ比が１対１０の場合は混合比がｌ対１０となる。
【００４９】
合流点ＧＴに交互に送られた２つの液体ＬＡ，ＬＢは、狭幅流路２５において、流れ方向に沿って交互に層状に形成される。さらに流路２６に到ると、流路幅が広がるので、各層の厚さが小さくなる。例えば層の厚さが１μｍ程度となる。そこで自発的拡散が起こって混合される。例えば、幅が１００μｍの流路の場合、従来のような流路幅方向の拡散混合を行えば拡散距離は５０μｍであるが、本実施形態の場合では拡散距離は層の厚さの２分の１である０．５μｍとなり、拡散時間は従来に比べて１万分の１となる。加えて、流路が急に広がるため拡散による乱流の効果も得られ、混合が一層進む。
【００５０】
このように、本実施形態によると、混合が短時間で急速に行われる。また、狭幅流路２３，２４，２５の部分が短くてよいので、流路抵抗の上昇による送液制御が難しくなることがなく、制御性が損なわれない。
【００５１】
上に述べたように、マイクロポンプＭＰの駆動のオンオフの切り替え周波数を５０Ｈｚ程度またはそれ以下とした場合には、１回当たりの送液によって狭幅流路２５の幅の約２〜５倍の長さの層が形成され、安定した混合を行うことができる。
【００５２】
ところで、マイクロポンプＭＰの駆動の切り替え周波数を早くした場合、例えば１ＫＨｚとした場合には、図１４に示すように、一方の液体ＬＡが流路に十分に充填される前に他方の液体ＬＢが送られてくる。その結果、図１５に示すように、流路２５の流れ方向に液体の層が形成されず、流路２５の幅方向に２つの液体ＬＡ，ＬＢが分かれてしまうことになる。この場合には、混合に時間がかかってしまうこととなる。
【００５３】
また、２つの液体ＬＡ，ＬＢの混合比を変えるのに、上に述べたようにデューティ比を変化させるのではなく、各マイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２の圧電素子３４に供給する駆動電圧の電圧比を制御してもよい。その場合には、送液しない側のマイクロポンプＭＰの圧電素子３４に印加する駆動電圧（微小な駆動電圧）は、駆動している側のマイクロポンプＭＰの圧電素子３４の駆動電圧に応じて設定する必要がある。デューティ比や駆動電圧の電圧比を時間とともに徐々に変化させることにより、流路の流れ方向に沿って混合比を変化させることができる。このような制御によって、例えば、濃度勾配またはＰＨ勾配などを設けることができる。
【００５４】
図１６に示すように、駆動回路３６は、例えば、波形発生部３６１、バイアス波形生成部３６２，３６３、停止波形生成部３６４，３６５、切替えタイミング発生部３６６、バイアス電圧設定部３６７、および停止タイミング発生部３６８などからなる。
【００５５】
波形発生部３６１によって基本的な波形が生成される。バイアス波形生成部３６２，３６３において、切替えタイミング発生部３６６からのタイミング信号に基づいて、所定の期間が微小な駆動電圧となるようにバイアス波形が生成される。バイアス波形の電圧値は、バイアス電圧設定部３６７からの設定信号に基づいて設定される。停止波形生成部３６４，３６５において、停止タイミング発生部３６８からのタイミング信号に基づいて、後に述べる所定の停止期間Ｔｓだけ電圧値が零となるように停止波形が生成される。
【００５６】
停止波形生成部３６４，３６５からは、例えば図１７に示すような駆動電圧波形が出力され、これが各圧電素子３４に印加される。
なお、駆動回路３６の各部は、クロック信号により同期がとられている。駆動回路３６の構成の一部を、適当なプログラムをＣＰＵが実行することによって実現してもよい。また、構成の内容は種々変更することができる。
【００５７】
次に、マイクロ流体システム１における圧電素子３４の駆動方法の他の実施形態について説明する。
図１７は停止時間を設けた場合の駆動電圧の波形を示す図である。
【００５８】
図１７に示すように、各マイクロポンプＭＰの圧電素子３４にそれぞれ交互に駆動電圧を印加し、駆動電圧を印加しない間は微小な駆動電圧を印加するのであるが、駆動電圧を印加と微小な駆動電圧の印加との間に、全く電圧を印加しない停止期間Ｔｓを設ける。これによって、各マイクロポンプＭＰの駆動と微作動との間に停止期間を設ける。停止期間は、例えば１パルス分、またはそれ以上とする。これは、例えば、１００μｓ程度、またはそれ以上の時間である。停止期間は、１パルス分、２パルス分、３パルス分などとすると制御が容易である。
【００５９】
このように、停止期間を設けることにより、駆動電圧を切り替えた際の液体の流れの慣性力を抑えることができ、より正確な制御が可能となる。
なお、駆動電圧の後と、微小な駆動電圧の後とにおいて、停止期間の長さを異ならせてもよい。また、いずれか一方のみ、例えば微小な駆動電圧の後の停止期間をなくしてもよい。
【００６０】
次に、第２の実施形態のマイクロ流体システム１Ｂについて説明する。
図１８は第２の実施形態のマイクロ流体システム１Ｂの構成を模式的に示す平面図、図１９は図１８に示すマイクロ流体システム１Ｂにおける駆動電圧の波形の例を示す図である。
【００６１】
なお、第２の実施形態のマイクロ流体システム１Ｂについては、基本的には第１の実施形態のマイクロ流体システム１と同様であるので、それとの相違点のみについて説明する。
【００６２】
図１８に示すように、マイクロ流体システム１Ｂでは、３種類の液体ＬＡ，ＬＢ，ＬＣを３つのマイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２，ＭＰ３によって圧送し、それらを合流点ＧＴにおいて合流させて混合する。
【００６３】
図１９に示すように、１つのマイクロポンプＭＰ１を駆動して液体ＬＡを圧送している間は他の２つのマイクロポンプＭＰ２，ＭＰ３には微小な駆動電圧を印加する。同様に、それぞれのマイクロポンプＭＰ２，ＭＰ３を駆動して液体ＬＢまたはＬＣを圧送している間は他の２つのマイクロポンプＭＰ１，ＭＰ３またはＭＰ１，ＭＰ２に微小な駆動電圧を印加する。
【００６４】
このように各マイクロポンプＭＰを順に切り替えていくことによって、３つの液体をすばやく混合させることができる。マイクロポンプを４つ以上用いて４種類以上の液体を混合することもできる。
【００６５】
上に述べた実施形態においては、マイクロ流体システム１，１Ｂを１つのマイクロチップ上に構成したが、各部ごとに異なるマイクロチップとし、またはマイクロチップ以外の構造体とし、それらを互いに連結するようにしてもよい。
【００６６】
例えば、図２０に示すように、マイクロポンプＭＰを設けたポンプチップＣＰと、混合用の流路を設けた流路チップＣＲとを接続することによってマイクロ流体システム１Ｃを構成してもよい。この例では、流路チップＣＲの下面の所定の位置にポンプチップＣＰを貼り合わせて構成される。ポンプチップＣＰの液体入口および液体出口は、流路チップＣＲの液体供給口および混合用液体入口と一致するように設けられている。
【００６７】
また、ポンプチップＣＰおよび流路チップＣＲは、ＰＭＭＡ、ＰＣ、ＰＯＭ、ガラス、シリコンなど、種々の材料で作製することができる。
上に述べた実施形態においては、圧電素子３４に略三角波形の駆動電圧を印加したが、これ以外の種々の波形の駆動電圧を用いることも可能である。
【００６８】
また、アクチュエータである圧電素子３４の変形は、ユニモルフ屈曲変形である必然性はなく、例えば、縦振動、横振動、ずり変形振動などであってもよい。また、アクチュエータとして、圧電素子３４に限らず、例えば、静電アクチュエータ、電磁アクチュエータ、または形状記憶合金など、チャンバーの容積を増減させ得るものであればよい。また、アクチュエータは、マイクロポンプに一体化されたものではなく、別体として切り離し可能なものであってもよい。
【００６９】
上に述べた実施形態では、圧送手段としてバルブレスのマイクロポンプＭＰを用いたが、バルブ付きのマイクロポンプＭＰ、または他の方式のポンプを用いてもよい。
【００７０】
上に述べた種々の実施形態および変形例において、マイクロ流体システム１，１Ｂ，１Ｃの平面形状として、正方形、長方形、多角形、円形、楕円形、その他の種々の形状とすることが可能である。その他、マイクロ流体システムの全体または各部の構造、形状、寸法、個数、材質などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。
【００７１】
本発明に係るマイクロ流体システムは、環境、食品、生化学、免疫学、血液学、遺伝子分析、合成、創薬など、さまざまな分野で用いることができる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によると、混合などのために２つの流路から圧送される液体を１つの流路に合流させて送る際に、正確な送液量または混合比などを得ることができる。
【００７３】
請求項５の発明によると、混合時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施形態であるマイクロ流体システムの構成を模式的に示す平面図である。
【図２】図１に示すマイクロポンプの正面断面図である。
【図３】マイクロポンプの製造工程の例を示す図である。
【図４】マイクロポンプの開口部の流路抵抗特性の例を示す図である。
【図５】圧電素子の駆動電圧の波形の例を示す図である。
【図６】圧電素子の駆動電圧の波形の例を示す図である。
【図７】第１の実施形態における駆動電圧の波形の例を示す図である。
【図８】駆動電圧の波形の他の例を示す図である。
【図９】第１の実施形態における液体の流れの様子を示す図である。
【図１０】他方のマイクロポンプを微作動させない場合の駆動電圧の波形を示す図である。
【図１１】図１０による駆動を行った場合の液体の流れの様子を示す図である。
【図１２】第１の実施形態における駆動電圧の波形と流量との関係を示す図である。
【図１３】他方のマイクロポンプを微作動させない場合の駆動電圧の波形と流量との関係を示す図である。
【図１４】切り替え周波数を高くした場合の液体の流れの様子を示す図である。
【図１５】切り替え周波数を高くした場合の液体の流れの様子を示す図である。
【図１６】駆動回路の構成の例を示すブロック図である。
【図１７】停止時間を設けた場合の駆動電圧の波形を示す図である。
【図１８】第２の実施形態のマイクロ流体システムの構成を模式的に示す平面図である。
【図１９】図１８に示すマイクロ流体システムにおける駆動電圧の波形の例を示す図である。
【図２０】マイクロ流体システムを複数のマイクロチップにより構成した例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１，１Ｂ，１Ｃ マイクロ流体システム（合流装置）
１５，１９，１６，２０ 開口部（絞り流路）
１７，１８ チャンバー
２３，２４，２５ 狭幅流路（流路）
２１，２２，２６ 流路
３４ 圧電素子（アクチュエータ）
３６ 駆動回路
３６２，３６３ バイアス波形生成部（圧送を間歇的に行うための手段、ポンプを微作動させる手段）
３６４，３６５ 停止波形生成部
３６６ 切替えタイミング発生部（圧送を間歇的に行うための手段、ポンプを微作動させる手段）
３６７ バイアス電圧設定部（ポンプを微作動させる手段）
３６８ 停止タイミング発生部
ＭＰ１，ＭＰ２，ＭＰ３ マイクロポンプ（ポンプ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロ流路において微小量の液体を合流させる合流装置および合流装置における液体の圧送方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年において、マイクロマシン技術を応用し、化学分析や化学合成などのための機器や手法を微細化して行うμ−ＴＡＳ（Micro Total Analysis System)が注目されている。微細化されたμ−ＴＡＳによると、従来の装置と比べて試料の必要量が少ない、反応時間が短い、廃棄物が少ない、などのメリットがある。また、医療分野に使用した場合には、血液など検体の量を少なくすることで患者の負担を軽減でき、また、試薬の量を少なくすることで検査のコストを下げることができる。さらに、検体および試薬の量が少ないことから、反応時間が大幅に短縮され検査の効率化が図れる。そして携帯性にも優れるため、医療分野、環境分析など、広い範囲でその応用が期待されている。
【０００３】
そこで、本出願人において、サイズが小さいことによるμ−ＴＡＳ特徴の１つであるマイクロスケールサイズ効果に着目して種々の研究を行った。微小な流路の世界においては、寸法や流速が非常に小さくレイノルズ数が２００以下となるため、従来の反応装置のような乱流支配ではなく、層流支配となる。マイクロスケールの空間では、比界面積が大きいため、層流が接触する界面での拡散混合に有利である。混合に要する時間は、２液の接する界面の断面積と液層の厚さに依存する。つまり、拡散理論にしたがうと、混合に要する時間Ｔは、流路幅をＷ、拡散係数をＤとすると、Ｗ2 ／Ｄに比例する。したがって、流路幅を小さくすればするほど、混合( 拡散) 時間は速くなる。また、拡散係数Ｄは次式で与えられる。
【０００４】
Ｄ＝κｂ×Ｔ／６×π×μ×ｒ
但し、Ｔ：液温、μ：粘度、ｒ：粒子半径、κｂ：ボルツマン定数
つまり、マイクロスケール空間では、機械的攪拌などを用いなくても、分子輸送、反応、分離が、分子や粒子の自発的挙動だけで速やかに行われる。
【０００５】
また、従来において、流路を立体的に交差させることによって混合の効率化を図ったもの（特許第３１１９８７７号）、基本的には流路幅方向の拡散を用いて流路が合流することで混合するもの（特表２００２−５０３３３６）などが提案されている。
【０００６】
【特許文献】
特許第３１１９８７７号
特表２００２−５０３３３６
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
このように、従来において流路幅方向に拡散させるタイプの研究が発表されているが、流略幅が１００μｍ程度のものが主流である。しかしながら、用途によっては、１００μｍレベルの流路幅で自発的拡散による混合を行った場合、時間がかかりすぎるという問題がある。例えば粒子径が大きい場合などである。また、液体が出合った瞬間に反応が始まってしまう場合には、十分な混合が行われる前に反応が進んでしまって期待どおりの結果が得られない。混合部から検出部までの距離が短い場合などは極めて短時間に混合を終了させなければならない。そこで、混合時間を短くするために流路幅を狭くする方法が考えられるが、流路抵抗が高くなり送液の制御が困難になる。
【０００８】
そこで、混合時間を短縮することを考える際には、それと同時に、正確な送液量または混合比などが得られるように制御を行うことを考える必要がある。
本発明は、例えば混合のために２つの流路から圧送される液体を１つの流路に合流させて送る際に、正確な送液量または混合比などが得られるようにすることである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る方法は、少なくとも２つの流路から圧送される液体を１つの流路に合流させて送るように構成される合流装置における液体の圧送方法であって、前記少なくとも２つの流路のうちの少なくとも１つの流路からは、液体の圧送を間歇的に行うともに、当該液体の圧送を行っていない間において、当該液体に微小な圧力を加えて他の液体からの逆流を防止する。
【００１０】
本発明に係る装置は、少なくとも１つのポンプを間歇的に駆動して当該流路からの液体の圧送を間歇的に行うための手段と、当該ポンプの駆動を行っていない間において、他の液体からの逆流を防止するために当該液体に微小な圧力を発生させるために当該ポンプを微作動させる手段とを有してなる。
【００１１】
好ましくは、前記ポンプは、チャンバーと前記チャンバーに接続された少なくとも２つの絞り流路と前記チャンバーの容積を増減するアクチュエータとを有し、前記チャンバーの圧力を上昇または下降させたときの前記２つの絞り流路の流路抵抗の変化割合が互いに異なっており、前記チャンバーの容積が増えるときと減るときでその変化割合の大きさを異ならせることにより前記絞り流路の流路抵抗の比を変化させて送液を行うように構成されており、前記ポンプを間欠的に駆動する手段および前記ポンプを微作動させる手段は、前記アクチュエータに印加する電圧の大きさまたはタイミングを調整することにより制御を行うように構成される。
【００１２】
また、前記ポンプを間欠的に駆動する手段による駆動と前記ポンプを微作動させる手段による微作動との間に、前記ポンプを停止させる停止期間を設ける。
また、少なくとも２つの前記ポンプを交互に間歇的に駆動し、それぞれの流路から交互に間歇的に圧送される液体を前記１つの流路において流れ方向に沿って交互に層状となるように合流させる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の合流装置の第１の実施形態であるマイクロ流体システム１の構成を模式的に示す平面図、図２は図１に示すマイクロポンプ３の正面断面図、図３はマイクロポンプ３の製造工程の例を示す図、図４はマイクロポンプ３の開口部の流路抵抗特性の例を示す図、図５および図６は圧電素子の駆動電圧の波形の例を示す図である。
【００１４】
図１において、マイクロ流体システム１は、シリコン基板３１上にマイクロチップとして構成されており、２つのマイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２によって圧送される２種類の液体ＬＡ，ＬＢを流路２５の入口で合流させ、ポート（液体出口）２７から送り出すように構成されている。
【００１５】
すなわち、マイクロ流体システム１は、ポート（液体入口）１１，１２、流路１３，１４、開口部１５，１６、チャンバー１７，１８、開口部１９，２０、流路２１，２２、狭幅流路２３，２４，２５、流路２６、ポート２７を有する。
【００１６】
ポート１１，１２には、適当な他の流路またはリザーバからそれぞれ異なる液体が供給される。それぞれの液体は、流路１３，１４を通り、マイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２によって流路２１，２２に、さらにそれよりも幅の狭い狭幅流路２３，２４に、それぞれ圧送される。３つの狭幅流路２３，２４，２５は、Ｙ字状の合流路を形成しており、狭幅流路２３，２４に圧送された２つの液体は、狭幅流路２５の入口の合流点ＧＴで合流し、流路２６を通ってポート２７から適当な他の流路またはリザーバに送り出される。
【００１７】
さて、ポンプ室であるチャンバー１７およびそれぞれ開口部１５、１９を介してチャンバー１７に接続された流路１３，２１によって第１のマイクロポンプＭＰ１が、チャンバー１８およびそれぞれ開口部１６、２０を介してチャンバー１８に接続された流路１４，２２によって第２のマイクロポンプＭＰ２が、それぞれ構成されている。
【００１８】
これら２つのマイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２は、その動作原理および構造が同一であるので、一方のみについて説明する。
図２を参照して、マイクロポンプＭＰ１は、シリコン基板３１を用い、フォトリソグラフィー工程によって、チャンバー１７、開口部１５，１９、および流路１３，２１などを構成するための溝または窪みを形成し、その下または上に底板または天板となるガラス基板３２を接合することによって製作される。
【００１９】
例えば、図３（ａ）に示すように、シリコン基板３１０を用意する。シリコン基板３１０として、例えば、厚さ２００μｍのシリコンウエハーを用いる。次に、図３（ｂ）に示すように、シリコン基板３１０の上下面に酸化膜３１１，３１２を形成する。これらの酸化膜３１１，３１２は、例えば、それぞれの厚さが１．７μｍとなるように熱酸化により成膜する。次に、上面にレジストを塗布し、所定のマスクパターンを露光し、現像し、酸化膜３１１をエッチングする。そして、上面のレジストを剥離した後、再びレジストを塗布し、露光、現像、エッチングを行う。これにより、図３（ｃ）に示すように、酸化膜３１１を完全に除去した部分３１１ａと、厚さ方向に途中まで除去した部分３１１ｂとを形成する。レジスト塗布には、例えば、ＯＦＰＲ８００などのレジストを用いてスピンコーターで回転塗布する。レジスト膜の厚さは例えば１μｍとする、露光はアライナーにより行い、現像はデベロッパーにより行う。酸化膜のエッチングには、例えばＲＩＥを用いる。レジストの剥離には、剥離液、例えば硫酸過水を用いる。
【００２０】
次に、上面についてシリコンエッチングを途中まで行った後に、酸化膜３１１をエッチングにより完全に除去し、再びシリコンエッチングを行い、図３（ｄ）（ｅ）に示すように、シリコン基板３１０を深さ１７０μｍだけエッチングした部分３１１ｃと、深さ２５μｍだけエッチングした部分３１１ｄとを形成する。シリコンエッチングには、例えば、ＩＣＰ（高周波誘導結合型プラズマ：Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐ１ｅｄ Ｐ１ａｓｍａ）を用いる。
【００２１】
そして、図３（ｅ）に示すように、例えばＢＨＦを用いて上面の酸化膜３１１を完全に除去する。次に、図３（ｆ）に示すように、シリコン基板３１０の下面に、ＩＴＯ膜のような電極膜３１３を成膜する。そして、図３（ｇ）に示すように、シリコン基板３１０の上面にガラス板３２を貼り付ける。例えば、１２００Ｖ、４００°Ｃで、陽極接合する。最後に、図３（ｈ）に示すように、チャンバー１７の振動板（ダイヤフラム）の部分に、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）セラミックスなどの圧電素子３４を接着して貼り付ける。
【００２２】
なお、図３（ｈ）において、図２に対応する部分の符号を括弧で示した。図２においては、開口部１５，１９は、流路１３，２１に対して、溝の幅（紙面に対して垂直方向）を狭くすることによって開口部１５，１９として形成されているが、図３（ｈ）においては、開口部１５，１９は、流路１３，２１に対して、溝の深さ（紙面の上下方向）を浅くすることによって開口部１５，１９として形成されている。また、図２と図３（ｈ）とでは上下関係が逆である。
【００２３】
マイクロポンプＭＰ１はこのようにして製作することが可能であるが、従来から公知の方法、その他の方法またはその他の材料を用いて製作することも可能である。
【００２４】
駆動回路３６によって、圧電素子３４に図５（Ａ）または図６（Ａ）に示す波形の電圧を印加することにより、シリコン薄膜であるダイヤフラム３１ｆと圧電素子３４とがユニモルフモードの屈曲変形を行うことを利用して、チャンバー１７の容積を増減させる。
【００２５】
なお、寸法の例を挙げると、図１において、流路１３、２１、２６は、例えば幅１５０μｍ、深さ１７０μｍである。狭幅流路２３，２４，２５は、例えば幅３０μｍ、深さ１７０μｍ、長さ５００μｍである。また、マイクロチップの外形寸法は約２０ｍｍ×４０ｍｍ×０．５ｍｍである。これらの寸法および形状は一例であり、他の種々の寸法および形状を採用することができる。
【００２６】
さて、開口部１５，１９の有効断面積は、流路１３，２１の有効断面積よりも小さい。そして、開口部１９は、チャンバー１７内の圧力を上昇または下降させたときの流路抵抗の変化割合が、開口部１５のそれよりも小さく設定されている。
【００２７】
すなわち、図４に示すように、開口部１５は、その両端の差圧が零に近いときは流路抵抗が低いが、差圧が大きくなると流路抵抗が大きくなる。つまり圧力依存性が大きい。開口部１９は、差圧が零に近いときの流路抵抗は開口部１５の場合よりも大きいが、圧力依存性がほとんどなく、差圧が大きくなっても流路抵抗は余り変化せず、差圧が大きい場合には流路抵抗が開口部１５よりも小さくなる。
【００２８】
このような流路抵抗特性は、流路を流れる液体が、差圧の大きさに応じて層流または乱流のいずれかとなるようにするか、または差圧にかかわりなく常に層流となるようにするか、によって得ることが可能である。具体的には、例えば、前者は開口部１５を流路長の短いオリフィスとし、後者は開口部１９を流路長の長いノズルとすることによって実現することが可能である。
【００２９】
開口部１５、１９のこのような流路抵抗特性を利用して、チャンバー１７に圧力を発生させるとともに、その圧力の変化の割合を制御することによって、吐出工程および吸入工程のそれぞれにおいて開口部１５，１９のうち流路抵抗の低い方により多くの流体を吐出または吸入するようなポンプ作用を実現することができる。
【００３０】
つまり、チャンバー１７の圧力を上昇させるとともに、その変化の割合を大きくすれば、差圧が大きくなって開口部１５の流路抵抗が開口部１９の流路抵抗よりも大きくなり、チャンバー１７内の流体のほとんどは開口部１９から吐出する（吐出工程）。そして、チャンバー１７の圧力を下降させるとともに、その変化の割合を小さくすれば、差圧が小さく維持されて開口部１５の流路抵抗の方が開口部１９の流路抵抗よりも小さくなり、開口部１５からチャンバー１７内により多くの流体が流入する（吸入工程）。
【００３１】
これとは逆に、チャンバー１７の圧力を上昇させるとともに、その変化の割合を小さくしておけば、差圧が小さく維持されて開口部１５の流路抵抗の方が開口部１９の流路抵抗よりも小さくなり、チャンバー１７内の流体は開口部１５からより多く吐出する（吐出工程）。そして、チャンバー１７の圧力を下降させるとともに、その変化の割合を大きくすれば、差圧が大きくなって開口部１５の流路抵抗の方が開口部１９の流路抵抗よりも大きくなり、開口部１９からチャンバー１７内により多くの流体が流入する（吸入工程）。
【００３２】
このようなチャンバー１７の圧力制御は、圧電素子３４に供給する駆動電圧を制御し、ダイヤフラムの変形の量およびタイミングを制御することによって実現される。例えば、圧電素子３４に図５（Ａ）に示す波形の駆動電圧を印加することによって流路２１の側に吐出し、図６（Ａ）に示す波形の駆動電圧を印加することによって流路１３の側に吐出する。
【００３３】
図５および図６において、圧電素子３４に印加する最大電圧ｅ1 は、数ボルトから数十ボルト程度、最大で１００ボルト程度である。また、時間Ｔ１，Ｔ７は２０μｓ程度、時間Ｔ２，Ｔ６は０〜数μｓ程度、時間Ｔ３，Ｔ５は６０μｓ程度である。時間Ｔ４，Ｔ８は０であってもよい。駆動電圧の周波数は１１ＫＨｚ程度である。図５（Ａ）および図６（Ａ）に示す駆動電圧によって、流路２１には、例えば図５（Ｂ）および図６（Ｂ）に示すような流量が得られる。なお、図５（Ｂ）および図６（Ｂ）における流量曲線は、ポンプ動作によって得られる流量を模式的に示したもので、実際には流体の慣性振動が重畳する。したがって、これら図に示された流量曲線に振動成分が重畳された曲線が実際に得られる流量を示すこととなる。
【００３４】
なお、本実施形態の開口部１５，１９は、それぞれ単一の開口部によって構成したが、それに代えて複数の開口部を並列に配置した開口部群を用いてもよい。これによって圧力依存性をさらに低下させることができるので、特に開口部１９の代わりに用いると流量が増加し流量効率が向上する。
【００３５】
次に、マイクロ流体システム１における液体の合流および混合の様子およびそのときの圧電素子３４の駆動方法について説明する。
図７は第１の実施形態における駆動電圧の波形の例を示す図、図８は駆動電圧の波形の他の例を示す図、図９は第１の実施形態における液体の流れの様子を示す図、図１０は他方のマイクロポンプを微作動させない場合の駆動電圧の波形を示す図、図１１は図１０による駆動を行った場合の液体の流れの様子を示す図、図１２は第１の実施形態における駆動電圧の波形と流量との関係を示す図、図１３は他方のマイクロポンプを微作動させない場合の駆動電圧の波形と流量との関係を示す図、図１４および図１５は切り替え周波数を高くした場合の液体の流れの様子を示す図、図１６は駆動回路３６の構成の例を示すブロック図である。
【００３６】
上に述べたように、２種類の液体ＬＡ，ＬＢを、２つのマイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２によって、それぞれ狭幅流路２３，２４に送り込み、合流点ＧＴで合流させる。そのときに、２種類の液体ＬＡ，ＬＢを連続的に合流点ＧＴに送り込むのではなく、交互に間欠的に送り込む。
【００３７】
すなわち、一方のマイクロポンプＭＰ１を駆動して液体ＬＡを圧送している間は他方のマイクロポンプＭＰ２を駆動せず、他方のマイクロポンプＭＰ２を駆動して液体ＬＢを圧送している間は一方のマイクロポンプＭＰ１を駆動しない。その結果、２種類の液体ＬＡ，ＬＢは、合流点ＧＴに交互に間欠的に送り込まれる。
【００３８】
このとき、図１０に示すように、一方のマイクロポンプＭＰ１を駆動して液体ＬＡを圧送しているときに他方のマイクロポンプＭＰ２を全く駆動せずに停止させた場合には、図１１に示すように、合流点ＧＴからその下流の狭幅流路２５に送液される一方、駆動していない側の狭幅流路２４にも液体ＬＡが入り込み、液体ＬＢは逆流する。逆流の量は送液量の約２〜３割程度に達することがある。
【００３９】
したがって、このような方法で混合した場合には、逆流した液体ＬＡと次に送液される液体ＬＢの混合液が合流点ＧＴに送液され、しかも、混合液の２〜３割がまた他方の液体ＬＡの側に逆流し、正確な混合比を得るのが困難となる。
【００４０】
そこで、第１の実施形態では、図７に示すように、送液しない側のマイクロポンプＭＰにも微小な駆動電圧（駆動パルス）を印加して微作動させる。
つまり、図７に示すように、一方のマイクロポンプＭＰ１を駆動して液体ＬＡを圧送している間は他方のマイクロポンプＭＰ２に微小な駆動電圧をバイアスとして印加し、他方のマイクロポンプＭＰ２を駆動して液体ＬＢを圧送している間は一方のマイクロポンプＭＰ１に微小な駆動電圧をバイアスとして印加する。
【００４１】
このように制御を行うと、図９に示すように、マイクロポンプＭＰの駆動によって圧送された液体が逆流しようとする圧力と、送液しない側の液体の圧力とが釣り合い、その結果、液体は逆流することなく、圧送された液体の全部が下流側の狭幅流路２５に送られることとなる。
【００４２】
したがって、所期の目標通りの液体の混合比を正確に得ることができる。しかも、液体の逆流がなく、全部の液体が下流側の狭幅流路２５に送られるので、全体としての流量の増加が図られ、流量効率が向上する。
【００４３】
具体的には、例えば、２つの液体ＬＡ，ＬＢがいずれも粘度１ｃｐｓの場合、圧送のために駆動電圧を５０Ｖ印加するのに対して、微作動させる側には微小な駆動電圧として２０Ｖ印加する。
【００４４】
図１２および図１３には、微小な駆動電圧を印加した場合としない場合とにおいて、合流点ＧＴにおける液体ＬＢの流量および総流量の変化の様子がシミュレーションによって示されている。
【００４５】
図１２においては、微小な駆動電圧が印加されているので、圧送していない間における逆流はなく、その結果、１０ｍｓの間の総流量は約１．１ｎｌに達しているが、図１３においては、微小な駆動電圧が印加されていないので、圧送していない間における逆流があり、その結果、１０ｍｓの間の総流量は約０．９ｎｌに止まっている。なお、これらの図の例では、切り替えの周波数が５００Ｈｚである。
【００４６】
なお、駆動電圧の周波数は上に述べたように１１ＫＨｚ程度であるが、交互に間欠的に駆動するように切り替えるタイミングは種々選択することができる。例えば、それぞれのマイクロポンプＭＰの駆動のオンオフの切り替え周波数を５０Ｈｚとし且つデューティ比が１対１となるように、つまり２つのマイクロポンプＭＰの駆動を１０ｍｓごとに切り替える場合には、それぞれのマイクロポンプＭＰの圧電素子３４に対して１回当たり１１０パルスのパルス群からなる駆動電圧が交互に印加されることとなる。この場合には、各マイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２によって、各液体ＬＡ，ＬＢが約２．２ｎｌ（ナノリッター）ずつ交互に合流点ＧＴに送液される。
【００４７】
また、バイアスである微小な駆動電圧をどの程度とするかは、ポンプの種類、液体の種類、液体の粘度、温度、流路の幅、液体の長さなどによる負荷の大きさなどによって異なる。したがって、例えば、これら種々の条件において実際に送液を行い、実験により決定しておけばよい。
【００４８】
また、デューティ比を変えることにより、種々の混合比が得られる。例えば、デューティ比が１対１の場合は混合比がｌ対１であるが、図８に示すようにデューティ比が１対２の場合は、混合比がｌ対２となる。また、図示はしないが、デューティ比が１対１０の場合は混合比がｌ対１０となる。
【００４９】
合流点ＧＴに交互に送られた２つの液体ＬＡ，ＬＢは、狭幅流路２５において、流れ方向に沿って交互に層状に形成される。さらに流路２６に到ると、流路幅が広がるので、各層の厚さが小さくなる。例えば層の厚さが１μｍ程度となる。そこで自発的拡散が起こって混合される。例えば、幅が１００μｍの流路の場合、従来のような流路幅方向の拡散混合を行えば拡散距離は５０μｍであるが、本実施形態の場合では拡散距離は層の厚さの２分の１である０．５μｍとなり、拡散時間は従来に比べて１万分の１となる。加えて、流路が急に広がるため拡散による乱流の効果も得られ、混合が一層進む。
【００５０】
このように、本実施形態によると、混合が短時間で急速に行われる。また、狭幅流路２３，２４，２５の部分が短くてよいので、流路抵抗の上昇による送液制御が難しくなることがなく、制御性が損なわれない。
【００５１】
上に述べたように、マイクロポンプＭＰの駆動のオンオフの切り替え周波数を５０Ｈｚ程度またはそれ以下とした場合には、１回当たりの送液によって狭幅流路２５の幅の約２〜５倍の長さの層が形成され、安定した混合を行うことができる。
【００５２】
ところで、マイクロポンプＭＰの駆動の切り替え周波数を早くした場合、例えば１ＫＨｚとした場合には、図１４に示すように、一方の液体ＬＡが流路に十分に充填される前に他方の液体ＬＢが送られてくる。その結果、図１５に示すように、流路２５の流れ方向に液体の層が形成されず、流路２５の幅方向に２つの液体ＬＡ，ＬＢが分かれてしまうことになる。この場合には、混合に時間がかかってしまうこととなる。
【００５３】
また、２つの液体ＬＡ，ＬＢの混合比を変えるのに、上に述べたようにデューティ比を変化させるのではなく、各マイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２の圧電素子３４に供給する駆動電圧の電圧比を制御してもよい。その場合には、送液しない側のマイクロポンプＭＰの圧電素子３４に印加する駆動電圧（微小な駆動電圧）は、駆動している側のマイクロポンプＭＰの圧電素子３４の駆動電圧に応じて設定する必要がある。デューティ比や駆動電圧の電圧比を時間とともに徐々に変化させることにより、流路の流れ方向に沿って混合比を変化させることができる。このような制御によって、例えば、濃度勾配またはＰＨ勾配などを設けることができる。
【００５４】
図１６に示すように、駆動回路３６は、例えば、波形発生部３６１、バイアス波形生成部３６２，３６３、停止波形生成部３６４，３６５、切替えタイミング発生部３６６、バイアス電圧設定部３６７、および停止タイミング発生部３６８などからなる。
【００５５】
波形発生部３６１によって基本的な波形が生成される。バイアス波形生成部３６２，３６３において、切替えタイミング発生部３６６からのタイミング信号に基づいて、所定の期間が微小な駆動電圧となるようにバイアス波形が生成される。バイアス波形の電圧値は、バイアス電圧設定部３６７からの設定信号に基づいて設定される。停止波形生成部３６４，３６５において、停止タイミング発生部３６８からのタイミング信号に基づいて、後に述べる所定の停止期間Ｔｓだけ電圧値が零となるように停止波形が生成される。
【００５６】
停止波形生成部３６４，３６５からは、例えば図１７に示すような駆動電圧波形が出力され、これが各圧電素子３４に印加される。
なお、駆動回路３６の各部は、クロック信号により同期がとられている。駆動回路３６の構成の一部を、適当なプログラムをＣＰＵが実行することによって実現してもよい。また、構成の内容は種々変更することができる。
【００５７】
次に、マイクロ流体システム１における圧電素子３４の駆動方法の他の実施形態について説明する。
図１７は停止時間を設けた場合の駆動電圧の波形を示す図である。
【００５８】
図１７に示すように、各マイクロポンプＭＰの圧電素子３４にそれぞれ交互に駆動電圧を印加し、駆動電圧を印加しない間は微小な駆動電圧を印加するのであるが、駆動電圧を印加と微小な駆動電圧の印加との間に、全く電圧を印加しない停止期間Ｔｓを設ける。これによって、各マイクロポンプＭＰの駆動と微作動との間に停止期間を設ける。停止期間は、例えば１パルス分、またはそれ以上とする。これは、例えば、１００μｓ程度、またはそれ以上の時間である。停止期間は、１パルス分、２パルス分、３パルス分などとすると制御が容易である。
【００５９】
このように、停止期間を設けることにより、駆動電圧を切り替えた際の液体の流れの慣性力を抑えることができ、より正確な制御が可能となる。
なお、駆動電圧の後と、微小な駆動電圧の後とにおいて、停止期間の長さを異ならせてもよい。また、いずれか一方のみ、例えば微小な駆動電圧の後の停止期間をなくしてもよい。
【００６０】
次に、第２の実施形態のマイクロ流体システム１Ｂについて説明する。
図１８は第２の実施形態のマイクロ流体システム１Ｂの構成を模式的に示す平面図、図１９は図１８に示すマイクロ流体システム１Ｂにおける駆動電圧の波形の例を示す図である。
【００６１】
なお、第２の実施形態のマイクロ流体システム１Ｂについては、基本的には第１の実施形態のマイクロ流体システム１と同様であるので、それとの相違点のみについて説明する。
【００６２】
図１８に示すように、マイクロ流体システム１Ｂでは、３種類の液体ＬＡ，ＬＢ，ＬＣを３つのマイクロポンプＭＰ１，ＭＰ２，ＭＰ３によって圧送し、それらを合流点ＧＴにおいて合流させて混合する。
【００６３】
図１９に示すように、１つのマイクロポンプＭＰ１を駆動して液体ＬＡを圧送している間は他の２つのマイクロポンプＭＰ２，ＭＰ３には微小な駆動電圧を印加する。同様に、それぞれのマイクロポンプＭＰ２，ＭＰ３を駆動して液体ＬＢまたはＬＣを圧送している間は他の２つのマイクロポンプＭＰ１，ＭＰ３またはＭＰ１，ＭＰ２に微小な駆動電圧を印加する。
【００６４】
このように各マイクロポンプＭＰを順に切り替えていくことによって、３つの液体をすばやく混合させることができる。マイクロポンプを４つ以上用いて４種類以上の液体を混合することもできる。
【００６５】
上に述べた実施形態においては、マイクロ流体システム１，１Ｂを１つのマイクロチップ上に構成したが、各部ごとに異なるマイクロチップとし、またはマイクロチップ以外の構造体とし、それらを互いに連結するようにしてもよい。
【００６６】
例えば、図２０に示すように、マイクロポンプＭＰを設けたポンプチップＣＰと、混合用の流路を設けた流路チップＣＲとを接続することによってマイクロ流体システム１Ｃを構成してもよい。この例では、流路チップＣＲの下面の所定の位置にポンプチップＣＰを貼り合わせて構成される。ポンプチップＣＰの液体入口および液体出口は、流路チップＣＲの液体供給口および混合用液体入口と一致するように設けられている。
【００６７】
また、ポンプチップＣＰおよび流路チップＣＲは、ＰＭＭＡ、ＰＣ、ＰＯＭ、ガラス、シリコンなど、種々の材料で作製することができる。
上に述べた実施形態においては、圧電素子３４に略三角波形の駆動電圧を印加したが、これ以外の種々の波形の駆動電圧を用いることも可能である。
【００６８】
また、アクチュエータである圧電素子３４の変形は、ユニモルフ屈曲変形である必然性はなく、例えば、縦振動、横振動、ずり変形振動などであってもよい。また、アクチュエータとして、圧電素子３４に限らず、例えば、静電アクチュエータ、電磁アクチュエータ、または形状記憶合金など、チャンバーの容積を増減させ得るものであればよい。また、アクチュエータは、マイクロポンプに一体化されたものではなく、別体として切り離し可能なものであってもよい。
【００６９】
上に述べた実施形態では、圧送手段としてバルブレスのマイクロポンプＭＰを用いたが、バルブ付きのマイクロポンプＭＰ、または他の方式のポンプを用いてもよい。
【００７０】
上に述べた種々の実施形態および変形例において、マイクロ流体システム１，１Ｂ，１Ｃの平面形状として、正方形、長方形、多角形、円形、楕円形、その他の種々の形状とすることが可能である。その他、マイクロ流体システムの全体または各部の構造、形状、寸法、個数、材質などは、本発明の趣旨に沿って適宜変更することができる。
【００７１】
本発明に係るマイクロ流体システムは、環境、食品、生化学、免疫学、血液学、遺伝子分析、合成、創薬など、さまざまな分野で用いることができる。
【００７２】
【発明の効果】
本発明によると、混合などのために２つの流路から圧送される液体を１つの流路に合流させて送る際に、正確な送液量または混合比などを得ることができる。
【００７３】
請求項５の発明によると、混合時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る第１の実施形態であるマイクロ流体システムの構成を模式的に示す平面図である。
【図２】図１に示すマイクロポンプの正面断面図である。
【図３】マイクロポンプの製造工程の例を示す図である。
【図４】マイクロポンプの開口部の流路抵抗特性の例を示す図である。
【図５】圧電素子の駆動電圧の波形の例を示す図である。
【図６】圧電素子の駆動電圧の波形の例を示す図である。
【図７】第１の実施形態における駆動電圧の波形の例を示す図である。
【図８】駆動電圧の波形の他の例を示す図である。
【図９】第１の実施形態における液体の流れの様子を示す図である。
【図１０】他方のマイクロポンプを微作動させない場合の駆動電圧の波形を示す図である。
【図１１】図１０による駆動を行った場合の液体の流れの様子を示す図である。
【図１２】第１の実施形態における駆動電圧の波形と流量との関係を示す図である。
【図１３】他方のマイクロポンプを微作動させない場合の駆動電圧の波形と流量との関係を示す図である。
【図１４】切り替え周波数を高くした場合の液体の流れの様子を示す図である。
【図１５】切り替え周波数を高くした場合の液体の流れの様子を示す図である。
【図１６】駆動回路の構成の例を示すブロック図である。
【図１７】停止時間を設けた場合の駆動電圧の波形を示す図である。
【図１８】第２の実施形態のマイクロ流体システムの構成を模式的に示す平面図である。
【図１９】図１８に示すマイクロ流体システムにおける駆動電圧の波形の例を示す図である。
【図２０】マイクロ流体システムを複数のマイクロチップにより構成した例を示す斜視図である。
【符号の説明】
１，１Ｂ，１Ｃ マイクロ流体システム（合流装置）
１５，１９，１６，２０ 開口部（絞り流路）
１７，１８ チャンバー
２３，２４，２５ 狭幅流路（流路）
２１，２２，２６ 流路
３４ 圧電素子（アクチュエータ）
３６ 駆動回路
３６２，３６３ バイアス波形生成部（圧送を間歇的に行うための手段、ポンプを微作動させる手段）
３６４，３６５ 停止波形生成部
３６６ 切替えタイミング発生部（圧送を間歇的に行うための手段、ポンプを微作動させる手段）
３６７ バイアス電圧設定部（ポンプを微作動させる手段）
３６８ 停止タイミング発生部
ＭＰ１，ＭＰ２，ＭＰ３ マイクロポンプ（ポンプ）
Claims (5)
- 少なくとも２つの流路から圧送される液体を１つの流路に合流させて送るように構成される合流装置における液体の圧送方法であって、
前記少なくとも２つの流路のうちの少なくとも１つの流路からは、液体の圧送を間歇的に行うともに、
当該液体の圧送を行っていない間において、当該液体に微小な圧力を加えて他の液体からの逆流を防止する、
ことを特徴とする合流装置における液体の圧送方法。 - 少なくとも２つの流路からそれぞれポンプにより圧送される液体を１つの流路に合流させて送るように構成される合流装置であって、
少なくとも１つの前記ポンプを間歇的に駆動して当該流路からの液体の圧送を間歇的に行うための手段と、
当該ポンプの駆動を行っていない間において、他の液体からの逆流を防止するために当該液体に微小な圧力を発生させるために当該ポンプを微作動させる手段と、
を有してなることを特徴とする合流装置。 - 前記ポンプは、
チャンバーと前記チャンバーに接続された少なくとも２つの絞り流路と前記チャンバーの容積を増減するアクチュエータとを有し、前記チャンバーの圧力を上昇または下降させたときの前記２つの絞り流路の流路抵抗の変化割合が互いに異なっており、前記チャンバーの容積が増えるときと減るときでその変化割合の大きさを異ならせることにより前記絞り流路の流路抵抗の比を変化させて送液を行うように構成されており、
前記ポンプを間欠的に駆動する手段および前記ポンプを微作動させる手段は、前記アクチュエータに印加する電圧の大きさまたはタイミングを調整することにより制御を行うように構成される、
請求項２記載の合流装置。 - 前記ポンプを間欠的に駆動する手段による駆動と前記ポンプを微作動させる手段による微作動との間に、前記ポンプを停止させる停止期間を設ける、
請求項３記載の合流装置。 - 少なくとも２つの前記ポンプを交互に間歇的に駆動し、
それぞれの流路から交互に間歇的に圧送される液体を前記１つの流路において流れ方向に沿って交互に層状となるように合流させる、
請求項２ないし４のいずれかに記載の合流装置。
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