JP2004526578A - 微細製作エラストマーバルブおよびポンプシステム - Google Patents

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トッド エイ． ソーセン，
アクセル シェラー，
スティーブン アール． クエイク，
ジアン リウ，
マーク エル． アダムス，
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Abstract

エラストマー構造を製作する方法は：第一微細製作モールドの頂部上で第一エラストマー層を形成する工程であって、該第一微細製作モールドが、該第一エラストマー層の底部表面に沿って延びる第一凹部を形成する第一隆起突出部を有する、工程；第二エラストマー層を第二微細製作モールドの頂部上に形成する工程であって、該第二微細製作モールドが、該第二エラストマー層の底部表面に沿って延びる、第二凹部を形成する第二隆起突出部を有する工程；該第二エラストマー層の底部表面を、該第一エラストマー層の頂部表面上へ結合し、その結果、制御チャネルが、該第一および第二エラストマー層の間の第二凹部中に形成される工程；および平坦基板の頂部上の該第一エラストマー層を位置決めし、その結果、フローチャネルが該第一エラストマー層と該平坦基板との間の該第一凹部中に形成される工程、を包含する。

Description

【技術分野】
【０００１】
（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。
【０００２】
（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。
【０００３】
（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。
【背景技術】
【０００４】
（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。
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（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。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
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。
【００１１】
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。
【００１２】
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。
【００１３】
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。
【００１４】
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。
【００１５】
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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
（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。
【００２９】
（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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
（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。
【００３３】
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）。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
（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。
【００５０】
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。
【００５１】
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。
【００５２】
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。
【００５３】
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。
【００５４】
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。
【００５５】
（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。
【００５６】
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。
【００５７】
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。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
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。
【００６１】
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。
【００６２】
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。
【００６３】
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。
【００６４】
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。
【００６５】
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。
【００６６】
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。
【００６７】
（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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
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。
【００７１】
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。
【００７２】
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。
【００７３】
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。
【００７４】
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。
【００７５】
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。
【００７６】
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。
【００７７】
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。
【００７８】
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。
【００７９】
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。
【００８０】
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。
【００８１】
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。
【００８２】
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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
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。
【００８７】
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。
【００８８】
（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。
【００８９】
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。
【００９０】
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。
【００９１】
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。
【００９２】
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。
【００９３】
（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。
【００９４】
（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。
【００９５】
（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。
【００９６】
（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。
【００９７】
（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。
【００９８】
（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。
【００９９】
（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。
【０１００】
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）。
【０１０１】
（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。
【０１０２】
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。
【０１０３】
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。
【０１０４】
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。
【０１０５】
（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。
【０１０６】
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。
【０１０７】
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。
【０１０８】
（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。
【０１０９】
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。
【０１１０】
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）。
【０１１１】
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。
【０１１２】
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。
【０１１３】
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＝（ＢＰｂ４）／（Ｅｈ３）、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。
【０１１４】
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。
【０１１５】
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。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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。
【０１１９】
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。
【０１２０】
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。
【０１２１】
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。
【０１２２】
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。
【０１２３】
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。
【０１２４】
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。
【０１２５】
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。
【０１２６】
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。
【０１２７】
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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
（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。
【０１３２】
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。
【０１３３】
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。
【０１３４】
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。
【０１３５】
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。
【０１３６】
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。
【０１３７】
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。
【０１３８】
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。
【０１３９】
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。
【０１４０】
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。
【０１４１】
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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
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。
【０１４４】
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。
【０１４５】
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。
【０１４６】
（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。
【０１４７】
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）。
【０１４８】
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。
【０１４９】
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。
【０１５０】
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。
【０１５１】
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。
【０１５２】
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。
【０１５３】
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。
【０１５４】
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。
【０１５５】
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。
【０１５６】
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。
【０１５７】
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。
【０１５８】
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。
【０１５９】
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。
【０１６０】
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。
【０１６１】
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。
【０１６２】
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。
【０１６３】
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。
【０１６４】
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。
【０１６５】
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。
【０１６６】
（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。
【０１６７】
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。
【０１６８】
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。
【０１６９】
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。
【０１７０】
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。
【０１７１】
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。
【０１７２】
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。
【０１７３】
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。
【０１７４】
【表１】
Figure 2004526578
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Ｔ３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。
【０１７５】
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。
【０１７６】
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。
【０１７７】
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。
【０１７８】
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。
【０１７９】
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。
【０１８０】
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。
【０１８１】
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）。
【０１８２】
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（ｌｏｇ２ｎ）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。
【０１８３】
本発明者らは、３０デバイス／ｍｍ２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。
【０１８４】
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。
【０１８５】
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。
【０１８６】
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（ｌｏｇ２ｎ）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。
【０１８７】
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。
【０１８８】
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。
【０１８９】
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。
【０１９０】
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。
【０１９１】
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。
【０１９２】
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。
【０１９３】
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。
【０１９４】
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。
【０１９５】
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。
【０１９６】
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。
【０１９７】
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。
【０１９８】
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。
【０１９９】
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。
【０２００】
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。
【０２０１】
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。
【０２０２】
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。
【０２０３】
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）Ｍのフローチャネルを超える制御を可能にする。
【０２０４】
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。
【０２０５】
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。
【０２０６】
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。
【０２０７】
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。
【０２０８】
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。
【０２０９】
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。
【０２１０】
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。
【０２１１】
（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。
【０２１２】
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。
【０２１３】
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。
【０２１４】
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。
【０２１５】
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。
【０２１６】
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。
【０２１７】
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。
【０２１８】
（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。
【０２１９】
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。
【０２２０】
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。
【０２２１】
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。
【０２２２】
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。
【０２２３】
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。
【０２２４】
（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。
【０２２５】
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。
【０２２６】
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。
【０２２７】
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。
【０２２８】
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。
【０２２９】
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。
【０２３０】
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。
【０２３１】
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３５０６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。
【０２３２】
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。
【０２３３】
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。
【０２３４】
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／Ｉ２／Ｈ２Ｏ混合物を利用して、ＧＥ ＲＴＶ ６１５に選択的に移動される。
【０２３５】
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。
【０２３６】
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。
【０２３７】
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。
【０２３８】
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。
【０２３９】
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。
【０２４０】
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。
【０２４１】
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。
【０２４２】
（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。
【０２４３】
（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。
【０２４４】
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。
【０２４５】
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。
【０２４６】
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。
【０２４７】
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。
【０２４８】
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。
【０２４９】
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。
【０２５０】
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。
【０２５１】
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。
【０２５２】
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。
【０２５３】
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。
【０２５４】
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。
【０２５５】
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。
【０２５６】
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。
【０２５７】
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。
【０２５８】
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。
【０２５９】
（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。
【０２６０】
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。
【０２６１】
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。
【０２６２】
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。
【０２６３】
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。
【０２６４】
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。
【０２６５】
（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。
【０２６６】
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。
【０２６７】
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。
【０２６８】
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。
【０２６９】
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。
【０２７０】
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。
【０２７１】
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。
【０２７２】
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。
【０２７３】
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。
【０２７４】
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。
【０２７５】
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。
【０２７６】
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ＳｉＯ２およびＳｉ３Ｎ４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。
【０２７７】
（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。
【０２７８】
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。
【０２７９】
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。
【０２８０】
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。
【０２８１】
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。
【０２８２】
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。
【０２８３】
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。
【０２８４】
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。
【０２８５】
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。
【０２８６】
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。
【０２８７】
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。
【０２８８】
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。
【０２８９】
（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。
【０２９０】
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。
【０２９１】
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。
【０２９２】
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。
【０２９３】
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。
【０２９４】
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。
【０２９５】
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。
【０２９６】
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。
【０２９７】
（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。
【０２９８】
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。
【０２９９】
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。
【０３００】
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。
【０３０１】
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。
【０３０２】
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。
【０３０３】
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。
【０３０４】
（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。
【０３０５】
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。
【０３０６】
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。
【０３０７】
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。
【０３０８】
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。
【０３０９】
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。
【０３１０】
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。
【０３１１】
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。
【０３１２】
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。
【０３１３】
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。
【０３１４】
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。
【０３１５】
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。
【０３１６】
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。
【０３１７】
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。
【０３１８】
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。
【０３１９】
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。
【０３２０】
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。
【０３２１】
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。
【０３２２】
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。
【０３２３】
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。
【０３２４】
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。
【０３２５】
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。
【０３２６】
（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。
【０３２７】
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。
【０３２８】
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。
【０３２９】
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。
【０３３０】
（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。
【０３３１】
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。
【０３３２】
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。
【０３３３】
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。
【０３３４】
（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。
【０３３５】
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。
【０３３６】
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。
【０３３７】
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。
【０３３８】
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。
【０３３９】
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。
【０３４０】
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。
【０３４１】
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。
【０３４２】
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。
【０３４３】
（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。
【０３４４】
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。
【０３４５】
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。
【０３４６】
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。
【０３４７】
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。
【０３４８】
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。
【０３４９】
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。
【０３５０】
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。
【０３５１】
（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。
【０３５２】
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。
【０３５３】
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５４０２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。
【０３５４】
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。
【０３５５】
（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。
【０３５６】
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。
【０３５７】
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。
【０３５８】
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。
【０３５９】
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。
【０３６０】
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。
【０３６１】
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。
【０３６２】
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。
【０３６３】
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。
【０３６４】
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。
【０３６５】
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。
【０３６６】
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。
【０３６７】
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。
【０３６８】
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。
【０３６９】
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。
【０３７０】
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、Ｈ２Ｏ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。
【０３７１】
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。
【０３７２】
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。
【０３７３】
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。
【０３７４】
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。
【０３７５】
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。
【０３７６】
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。
【０３７７】
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。
【０３７８】
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。
【０３７９】
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。
【０３８０】
（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。
【０３８１】
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。
【０３８２】
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。
【０３８３】
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。
【０３８４】
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。
【０３８５】
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。
【０３８６】
（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。
【０３８７】
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。
【０３８８】
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。
【０３８９】
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。
【０３９０】
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。
【０３９１】
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。
【０３９２】
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。
【０３９３】
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。
【０３９４】
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。
【０３９５】
（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。
【０３９６】
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。
【０３９７】
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。
【０３９８】
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。
【０３９９】
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。
【０４００】
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。
【０４０１】
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。
【０４０２】
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。
【０４０３】
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。
【０４０４】
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。
【０４０５】
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。
【０４０６】
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。
【０４０７】
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。
【０４０８】
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。
【０４０９】
（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。
【０４１０】
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。
【０４１１】
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Ａ１は、下面６４１４の領域Ａ２よりも大きい。
【０４１２】
第１のエラストマー層６４０２の制御チャネル６４１５に圧力ｐ１を付与した結果として、力Ｆ１が錐体構造６４０２の上面６４１６に伝達される。錐体６４１２は、次に、力Ｆ１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、ｐ１Ａ１＝ｐ２Ａ２である。Ａ１＞Ａ２であるので、膜６４１０は、増幅された圧力ｐ２，ｐ２＞ｐ１になる。生じた増幅率は、２つの領域Ａ１およびＡ２を単に比較することによって推定され得る。
【０４１３】
（２）ｐ２／ｐ１〜Ａ１／Ａ２であり、ここで
ｐ２／ｐ１＝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。
【０４１４】
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。
【０４１５】
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。
【０４１６】
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。
【０４１７】
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。
【０４１８】
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。
【０４１９】
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。
【０４２０】
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。
【０４２１】
（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。
【０４２２】
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。
【０４２３】
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。
【０４２４】
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６２Ａ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。
【０４２５】
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。
【０４２６】
（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。
【０４２７】
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。
【０４２８】
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。
【０４２９】
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。
【０４３０】
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。
【０４３１】
【表２】
Figure 2004526578
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。
【０４３２】
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。
【０４３３】
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。
【０４３４】
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。
【０４３５】
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。
【０４３６】
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。
【０４３７】
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。
【０４３８】
【表３】
Figure 2004526578
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。
【０４３９】
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。
【０４４０】
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。
【０４４１】
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。
【０４４２】
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。
【０４４３】
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。
【０４４４】
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。
【０４４５】
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。
【０４４６】
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。
【０４４７】
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。
【０４４８】
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。
【０４４９】
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。
【０４５０】
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。
【０４５１】
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。
【０４５２】
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 １９９１ 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。
【０４５３】
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。
【０４５４】
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ＳｉＯ２ヒンジによって材料の周囲にリンクされる。
【０４５５】
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。
【０４５６】
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。
【０４５７】
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。
【図面の簡単な説明】
【０４５８】
【図１】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。
【０４５９】
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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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。
【図７Ｈ】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。
【０４６０】
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。
【図８】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。
【０４６１】
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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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。
【図１９】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。
【０４６２】
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】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。
【図２１】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。
【０４６３】
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】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。
【図２３Ａ】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。
【０４６４】
図２３Ａは、オン／オフバルブの頂面概略図である。
【図２３Ｂ】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２４】図２４は、蠕動ポンピングシステムの頂面概略図である。
【図２４Ｂ】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】図３６は、本発明に従う分類装置の１実施態様を示す。
【図３７】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】図５２Ｄは、ブリッジ構造の平面図を示す。
【図５３Ａ】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】図５９Ｃは、開位置での線形増幅器の写真を示す。
【図５９Ｄ】図５９Ｄは、閉位置での線形増幅器の写真を示す。
【図６０】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】図７４は、マルチプレクサ構造の平面図を示す。
【図７５】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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】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。

Claims (83)

  1. 微細流体構造であって
    下にある基板と、
    該基板の上にある第一エラストマー層であって、該第一エラストマー層は、底部表面に第一凹部を有する、第一エラストマー層と、
    該第一エラストマー層の上にある第二エラストマー層であって、該第二エラストマー層は、底部表面にアーチ形の天井を有する第二凹部を有する第二エラストマー層と、
    該第一凹部と該第二凹部との間に規定された該第一エラストマー層の膜部であって、該膜部は、該アーチ形の天井に沿って天井を密閉するために上方の第二凹部に湾曲可能であることを含む微細流体構造。
  2. 前記第二エラストマー層は、凸形態を有する非エラストマーモールドに対するエラストマー物質を硬化させることによって形成される、請求項１に記載の構造。
  3. 前記第一凹部は、制御チャネルを含み、前記第二凹部はフローチャネルを含む、請求項２に記載の構造。
  4. 前記膜部は、前記第一凹部内の昇圧に応答して、第二凹部に湾曲可能である、請求項２に記載の構造。
  5. 微細流体構造であって、
    下にある基板と、
    該基板の上にある第一エラストマー層であって、第一エラストマーの底部の凹部は、該第一凹部を有する第一のエラストマー層と、
    該第一エラストマー層の上にある第二エラストマー層であって、該第二エラストマー層の底部表面は、第二の凹部を有する第二エラストマー層と、
    該第二エラストマー層の上にある第三エラストマー層であって、該第三エラストマー層の底部表面は、第三の凹部を有する第三エラストマー層と、
    そのため、第一湾曲可能な膜は、該第一凹部と該第二凹部との間の該第一エラストマー層の一部から規定され、第二湾曲可能な膜は、該第二凹部と該第三凹部との間の該第二エラストマーの一部から規定される、微細流体構造。
  6. 前記第二凹部はフローチャネルを含み、
    前記第一および前記第三凹部は、フローチャネルを介して、物質の流れを制御するために該フローチャネルに該第一および第二膜を湾曲させるための制御チャネルを含む
    請求項５に記載の構造。
  7. 前記第一および第三の凹部は、互いに直列に並べられ、前記第一および第二の膜の湾曲は、該第一および第二まくは前記フローチャネル内で接するようにされる前記第一および第二の膜を原因となる、請求項６に記載の構造。
  8. 前記第一および第三の凹部は、互いに直交して配置され、第二制御チャネルのクロスオーバー、前記フローチャネル、および前記第一制御チャネルは、フローチャネル内で接するために湾曲可能な前記第一膜および前記第二膜を含むバルブを規定する、請求項６に記載の構造。
  9. 前記第二凹部は、フロー接合部のアレイを形成するために平行なフローチャネルの垂直には移行された第二のシリーズと交差する平行なフローチャネルの第一のシリーズを含み、
    前記第一凹部は、
    フロー接合部に近接したバルブの第一のセットを形成するためにフローチャネルの第一のシリーズによって重なり合わされる制御チャネルの第一のシリーズと、
    フロー接合部に近接したバルブの第二のセットを形成するためにフローチャネルの第二のシリーズによって重なり合わされる制御チャネルの第二のシリーズとを含み、
    前記第三凹部は、
    フロー接合部に近接したバルブの第三のセットを形成するためにフローチャネルの第一のシリーズを重なり合わす制御チャネルの第三のシリーズと、
    フロー接合部に近接したバルブの第四のセットを形成するためにフローチャネルの第二のシリーズを重なり合わす制御チャネルの第四のシリーズとを含み、
    第一、第二、第三、および第四のバルブのセットは、フロー接合部への物質の移動を制御するために独立して動作可能である、請求項６に記載の構造。
  10. 前記第一凹部は、フローチャネルを含み、
    前記第二凹部は、該フローチャネルを介して物質の流れを制御するために第一の膜を作動させるための第一制御チャネルを含み、
    前記第三凹部は、第一制御チャネルの機能を制御するための第二の膜を作動させるための第二の制御チャネルを含む、請求項５に記載の構造。
  11. 前記フローチャネルは機能的ブロックのシリーズを含み、
    前記第一制御チャネルは機能的ブロックと連絡する複数の分枝を含み、その結果、第二制御チャネルの作動は、第一制御チャネルの分枝が該機能ブロックと連絡することを選択的に防止する、請求項１０に記載の構造。
  12. 微細製造されたエラストマー構造にビアを形成する方法であって、
    高められた特徴を含むモールドと接触するエラストマー物質とを配置する工程と、
    エラストマー物質を硬化する工程と、
    モールドから硬化されたエラストマー物質を取り出す工程と、
    硬化されたエラストマー物質を硬質の中空部材で穴を開ける工程と、
    第一の凹部と流体連絡する第一のビア開口をあらわにするために、硬化されたエラストマー物質から硬質の中空部材を取り出す工程と
    を含む、方法。
  13. 前記硬化されたエラストマー物質は、高められたモールドの特徴の位置に対応する凹部に、硬質の中空部材によって穴をあけられ、それによって凹部にビアの位置を確保する、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記硬化され、穴を開けられたエラストマー物質を、第二のモールド構造の高められた特徴の位置に対応する第二の凹部を有する第二の硬化されたエラストマー物質の上部表面に配置する工程と、
    該第二の凹部において、該第二の硬化されたエラストマー物質と第一の硬化されたエラストマー物質とに第二の凹部に穴を開ける工程と、
    該第二の凹部との流体通信における第二のビアを妨げるために硬質の中空構成要素を取り除く工程とをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
  15. 微細流体構造であって、
    下にある基板と、
    該基板の上にある第一エラストマー層であって、該第一エラストマー層は、底部表面に第一凹部を有し、該第一凹部は、複数の平行な分枝に別れる複数のチャネルにパターン化され、該平行な分枝は再結合される、第一エラストマー層と、
    該第一エラストマー層の上にある第二エラストマー層であって、該第二エラストマー層は、底部表面に第二凹部を有し、該第二の凹部は、平行な分枝に直交して配向させる複数の平行チャネルにパターン化される、該第二エラストマーと、
    該第一エラストマー層の膜部であって、平行のチャネルの広げられた場所と下にある平行枝との間に規定され、該膜部分は、該平行枝を介して流体のフローを制御するために平行枝で湾曲可能であることと
    を含む微細流体構造。
  16. 複合構造であって、
    第一凹部を有する表面を有する非エラストマー基板と、
    非エラストマー構造の上にあるフレキシブルエラストマー膜であって、該膜は、第一凹部に作動され得、
    該フレキシブルエラストマー膜の上にある層と
    を含む、複合構造。
  17. 前記層は、エラストマー物質を含む、請求項１６に記載の複合構造。
  18. 前記層は、非エラストマー物質を含む、請求項１６に記載の複合構造。
  19. 前記膜の上にある第二の凹部を規定し、該第一凹部をクロスオーバーし、この結果、該チャネルにおける圧力の変化により、該膜は、該第一凹部に作動される、請求項１６に記載の複合構造。
  20. 前記第一凹部はチャネルを含む、請求項１６に記載の複合構造。
  21. 複合構造であって、
    少なくとも一つの凹部とフレキシブル膜部分とを含むエラストマーコンポーネントと、
    エラストマーコンポーネントに対して封印された実質的に平面の非エラストマーコンポーネントであって、該非エラストマーコンポーネントは、まく部分の少なくとも一つと相互作用するアクティブデバイスと、該凹部にある物質とを含む非エラストマーコンポーネントとを含む、複合構造。
  22. 前記アクティブデバイスは、フォトダイオード、光ファイバデバイス、インターコネクト光ファイバ、発光ダイオード、レーザダイオード、バーティカルキャビティサーフェースエミッティングレーザ（ＶＣＳＥＬ）、マイクロミラー、ＣＭＯＳイメージングアレイ、ＣＣＤカメラ、導波管、および電源、または電磁気スペクトルの可視光、赤外線または紫外線領域のためのレシーバ、から成る群から選択される光学的構造である、
    請求項２１に記載の複合構造。
  23. 前記アクティブデバイスは、レジスタ、コンデンサ、トランジスタ、化学的電界効果型トランジスタ、電流測定／電量測定電気化学センサ、加速度計、圧力センサ、フローセンサ、電子論理構造、マイクロプロセッサ、化学センサ、汚れ測定、インダクタ、アクチュエータ、コイル、磁石、電磁石、磁気センサ、ラジオ周波数源、ラジオ周波数レシーバ、マイクロ波周波数源、マイクロ波周波数レシーバ、放射性粒子カウンタ、および電位計、から成る群から選択された電気的構造である、請求項２１に記載の複合構造。
  24. 前記アクティブデバイスは、サーミスタ、ペルチエクーラ、および抵抗性のヒータから成る群から選択される熱的構造である、
    請求項２１に記載の複合構造。
  25. 前記アクティブデバイスは、静電気的に前記凹部に膜部分をドライブする電極である、請求項２１に記載の複合構造。
  26. 複合構造を製造する方法であって、
    エラストマーコンポーネントに凹部を形成する工程と、
    アクティブ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、
    該非エラストマーコンポーネントに対して該エラストマーコンポーネントを封印する工程であって、該アクティブデバイスは、エラストマーコンポーネントの少なくとも一つのフレキシブルな膜部分および該凹部内にある物質と相互作用し得る
    複合構造を製造する方法。
  27. 前記エラストマーコンポーネントは、ファンデルワールス化学結合の形成によってエラストマーコンポーネントに対して封印される、請求項２６に記載の方法。
  28. 前記エラストマーコンポーネントは、液体層とともに非エラストマーコンポーネントに対して配置され、次いで該液体層は、取り除かれる、請求項２６に記載の方法。
  29. 前記エラストマーコンポーネントは、共有化学結合の形成によって非エラスマーコンポーネントに対して封印される、請求項２６に記載の方法。
  30. 前記エラストマーコンポーネントは、イオン化学結合の形成によって非エラスマーコンポーネントに対して封印される、請求項２６に記載の方法。
  31. 前記非エラストマーコンポーネントに形成される前記アクティブデバイスは、フォトダイオード、光ファイバデバイス、インターコネクト光ファイバ、発光ダイオード、レーザダイオード、バーティカルキャビティサーフェースエミッティングレーザ（ＶＣＳＥＬ）、マイクロミラー、ＣＭＯＳイメージングアレイ、ＣＣＤカメラ、導波管、および電源、または電磁気スペクトルの可視光、赤外線または紫外線領域のためのレシーバ、から成る群から選択される光学的構造である、請求項２６に記載の方法。
  32. 前記非エラストマーコンポーネントに形成される前記アクティブデバイスは、レジスタ、コンデンサ、トランジスタ、化学的電界効果型トランジスタ、電流測定／電量測定電気化学センサ、加速度計、圧力センサ、フローセンサ、電子論理構造、マイクロプロセッサ、化学センサ、汚れ測定、インダクタ、アクチュエータ、コイル、磁石、電磁石、磁気センサ、ラジオ周波数源、ラジオ周波数レシーバ、マイクロ波周波数源、マイクロ波周波数レシーバ、放射性粒子カウンタ、および電位計、から成る群から選択された電気的的構造である、請求項２６に記載の方法。
  33. 前記非エラストマーコンポーネントに形成される前記アクティブデバイスは、サーミスタ、ペルチエクーラ、および抵抗性のヒータから成る群から選択される熱的構造である、請求項２６に記載の方法。
  34. 前記アクティブデバイスは、ＰＣＢテクノロジ、ＣＭＯＳ、表面微細加工機械、バルク微細機械加工、印刷可能なポリマーエレクトロニクス、薄膜トランジスタ、および他のアモルファス／多結晶物質技術からなる群から選択される技術によって、非エラストマーコンポーネントに形成される、請求項２６に記載の方法。
  35. エラストマー構造を微細加工する方法であって、該方法は、
    凹部を有する表面と非凹部を有する表面とを含む第一エラストマー層を微細加工する工程と、
    凹部を有する表面と凹部を有さない表面とを含む第二エラストマー層を微細加工する工程と、
    該第二エラストマー層に対して第一エラストマー層を配置する工程と、
    該第二エラストマー層に該第一エラストマー層を結合する工程とを含む、方法。
  36. 前記第二エラストマー層の前記凹部を有する表面は、前記第一エラストマー層の前記凹部を有さない表面に対して配置される、請求項３５に記載の方法。
  37. 前記第二エラストマー層の前記凹部を有する表面は、前記第一エラストマー層の前記凹部を有する表面に対して配置される、請求項３５に記載の方法。
  38. 前記第二エラストマー層の前記凹部を有さない表面は、前記第一エラストマー層の該凹部を有さない表面に対して配置される、請求項３５に記載の方法。
  39. 複合構造を形成する方法であって、
    第一非エラストマー構造に凹部を形成する工程と、
    犠牲的な物質で該凹部を満たす工程と、
    該非エラストマー基板および該満たされた凹部にわたって、エラストマー物質の薄膜を形成する工程と、
    薄膜を形成するために該エラストマーを硬化する工程と、
    該犠牲的な物質を取り除く工程と
    を含む、複合構造を形成する方法。
  40. さらなるエラストマ構造を前記薄い膜上に形成する工程をさらに包含する、請求項３９に記載の方法。
  41. 第２の非エラストマ基板を前記薄い膜上に形成する工程をさらに包含する、請求項３９に記載の方法。
  42. 前記第１の非エラストマ基板にアクティブデバイスを形成する工程であって、該アクティブデバイスは、フォトダイオード、光ファイバデバイス、光ファイバの相互接続、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、ＣＭＯＳイメージングアレイ、ＣＣＤカメラ、導波管、および電磁スペクトルの可視光、赤外線または紫外線領域のソースまたは受信器からなる群より選択される光学的構造である、工程をさらに包含する請求項３９に記載の方法。
  43. 前記非エラストマ基板にアクティブデバイスを形成する工程であって、該アクティブデバイスは、レジスタ、キャパシタ、トランジスタ、化学的電界効果トランジスタ、アンペロメトリック／クーロメトリック電気化学センサ、加速度センサ、圧力センサ、フローセンサ、電子ロジック構造、マイクロプロセッサ、ケミカルセンサ、ひずみ計、インダクタ、アクチュエータ、コイル、磁石、電磁石、磁気センサ、無線周波数源、無線周波数受信器、マイクロ波周波数源、マイクロ波受信器、放射性粒子カウンタおよび電位計からなる群から選択される電子構造である、工程をさらに包含する、請求項３９に記載の方法。
  44. アクティブデバイスを前記第１の非エラストマ基板に形成する工程であって、該アクティブデバイスは、サーミスタ、ペルチエクーラおよび抵抗加熱器からなる群から選択される熱構造である、工程をさらに包含する請求項３９に記載の方法。
  45. アクティブデバイスは、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、印刷可能ポリマーエレクトロニクス、薄膜トランジスタおよび他の多結晶／単結晶物質技術からなる群から選択される技術によって、非エラストマ基板に形成される、請求項３９に記載の方法。
  46. 流体論理デバイスであって、
    エラストマーブロックと、
    該エラストマーブロック内に形成された複数の微細加工されたチャネルであって、各チャネルは、信号を表す圧力またはフローを含み、第１のチャネル内の該圧力または該フローにおける変化は、論理演算により、第２のチャネル内の該圧力または流体フローを変更する、チャネルと
    を備える、流体論理デバイス。
  47. 前記第２のチャネル内の圧力またはフローの前記変化は、前記第１のチャネル内の前記圧力または前記流体フローの変化に対して非線形である、請求項４６に記載のデバイス。
  48. 前記逆流防止バルブは、前記第１のチャネルおよび前記第２のチャネルの少なくとも１つに配置される、請求項４６に記載のデバイス。
  49. 前記第２のチャネルは、制流器を介して出口と連絡する入口を備え、該第２のチャネルは、該制流器の上流にて接合点を含み、
    第１のチャネルは、逆流防止バルブを介して該接合点と接続される少なくとも２つの制御チャネルを備え、該制御チャネルの圧力は、ＡＮＤタイプの真理値表と整合して該出口にて反映される、請求項４８に記載のデバイス。
  50. 前記第２のチャネルは、入口部分と出口部分とを備え、前記第１のチャネルは、該第１のチャネルに隣接し、かつ第１のエラストマー膜および第２のエラストマー膜それぞれによって該第１のチャネルから分離される、少なくとも２つの制御チャネルを備え、該制御チャネルに圧力が付加されると、該第１および該第２の膜の少なくとも一方が撓んで前記フローチャネルに入ってＮＯＲタイプの真理値表と整合した該出口の圧力を反映する、請求項４６に記載のデバイス。
  51. 前記第２のチャネルは、出口部分を形成するように一体化する第１および第２の入口部分を備え、
    該第１のチャネルは、該第１および該第２の入口部分に隣接する第位１および第２の制御チャネルを備え、該第１の制御チャネルは、第１および第２の膜それぞれによって該第１および該第２の入口部分から分離され、該第２の制御チャネルは、第３および第４の膜それぞれによって該第１および該第２の部分から分離されて、該第１および該第２の制御チャネルへの制御圧の付加は、該第１、該第２、該第３および該第４の膜の少なくとも１つを撓ませて該第１および該第２の入口部分に入れて、ＮＯＲタイプの真理値表と整合した該出口の圧力を反映する、請求項４６に記載のデバイス。
  52. 前記第１のチャネルと、前記第１、該第２、該第３および該第４の膜の少なくとも１つとの間に配置される増幅構造をさらに備える、請求項５１に記載のデバイス。
  53. 前記第２のチャネルの出口は、第２の流体論理デバイスの第１のチャネルと流体連絡する、請求項４６に記載のデバイス。
  54. 中に第１および第２の微細加工された凹部が形成されたエラストマーブロックと、
    該第１の凹部と接触する第１の表面領域、および該第２の凹部と接触する第２の表面領域を有する増幅器構造であって、該第１の表面領域は、該第２の表面領域よりも大きく、従って、該第１の凹部内の圧力は、増幅された圧力として、該増幅器構造によって該第２の凹部に伝達される、増幅器構造と
    を備える、圧力増幅器。
    請求項４８に記載のデバイス。
  55. 前記第１の凹部は、制御チャネルを備える、請求項５４に記載の圧力増幅器。
  56. 前記第２の凹部は、フローチャネルを備える、請求項５４に記載の圧力増幅器。
  57. 前記増幅器構造は、矩形の錐体である、請求項５４に記載の圧力増幅器。
  58. 前記増幅器構造は、円錐形状である、請求項５４に記載の圧力増幅器。
  59. 微細加工されたエラストマ構造のフローチャネル内の圧力を増幅する方法であって、
    増幅器構造の第１の領域と接触する第１の凹部および該増幅器構造の第２の領域と接触する第２の凹部を備えるエラストマーブロックを提供する工程と、
    該第１の領域に圧力を付加する工程と、
    該圧力を該第２の領域に伝達する工程であって、該第２の領域は、該第１の領域よりも小さく、従って、該第２の凹部に伝達された該圧力が増幅される、工程と
    を包含する、方法。
  60. 前記第１の凹部は、制御チャネルであり、前記圧力は、制御チャネルに加圧することによって付加される、請求項５９に記載の方法。
  61. 前記第２の凹部は、フローチャネルであり、前記増幅された圧力は、該フローチャネルを介して流体のフローを制御するために用いられる、請求項５９に記載の方法。
  62. エラストマーブロック内に形成された微細加工されたチャネルを備え、該エラストマーブロックと一体化したフラップは、該チャネル内に突き出しかつ該チャネルを遮断し、該フラップは、流体が第１の方向にのみ流れることを可能にするように湾曲可能である、逆流防止バルブ。
  63. 前記フラップは、前記チャネルの天井部分と一体化する、請求項６２に記載の逆流防止バルブ。
  64. 前記フラップは、前記チャネルの壁の隆起によって、前記第１の方向と逆の第２の方向に移動することが防止される、請求項６２に記載の逆流防止バルブ。
  65. 前記隆起は、前記チャネルの部分に前記フラップよりも狭い幅の断面をもたらす、請求項６４に記載の逆流防止バルブ。
  66. 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であって、
    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であって、該エラストマーブロックは、気体透過性であることが公知であるエラストマー物質を含む、工程と、
    該フローチャネルを該気体で充填する工程と、
    流体を圧力下で該フローチャネルに注入する工程と、
    該フローチャネルに残留する気体が該エラストマー物質から拡散することを可能にする工程と
    を包含する、方法。
  67. 前記エラストマーはシリコンエラストマーであり、気体は空気である、請求項６６に記載の方法。
  68. 流体の体積を計量する方法であって、
    エラストマ膜によって制御凹部から分離されるエラストマーブロック内に体積を有するチャンバを提供する工程と、
    該制御凹部に圧力を供給して、該膜が撓んで該チャンバ内に入り、該体積が、較正された量だけ低減され、これにより、該チャンバから該流体の較正された体積を排除する、工程と
    を包含する、方法。
  69. 前記流体の較正された体積は、さらなる微小流動システムに提供される、請求項６８に記載の方法。
  70. 第２の流体を前記チャンバの開口部に提供する工程と、
    前記圧力の付加を停止して、前記膜がもとの位置にもどるように弛緩し、前記第２の流体の前記較正された体積は、該チャンバ内に引張られる、工程と
    をさらに包含する、請求項６８に記載の方法。
  71. 微細加工の層間の付着を促進する方法であって、
    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該化学物質に曝露する工程と、
    該第１のコンポーネント層の該表面を第２のエラストマー層の該表面に接触するように配置する工程と
    を包含する、方法。
  72. 前記第１および前記第２のコンポーネント層はシリコンエラストマーを含み、前記化学物質はエタノールを含む、請求項７１に記載の方法。
  73. 前記コンポーネント層は、互いに接触させられる前に乾燥される、請求項７１に記載の方法。
  74. 前記第１のコンポーネント層はエラストマーを含み、前記第２のコンポーネント層はガラス基板を含み、該第１および該第２のコンポーネント層は、エタノールに曝露されて、接触させられる前に乾燥される、請求項７１に記載の方法。
  75. 微細加工されたエラストマー構造を作動する方法であって、
    エラストマーブロックに形成され、上に位置し、かつ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、制御凹部に水溶性塩溶液を提供する工程と、
    気体を生成するために、電位差を該塩溶液に付与して、該制御凹部内の圧力が該膜を撓ませて該フローチャネルに入れるようにする、工程と
    を包含する、方法。
  76. 前記気体がエラストマーブロックから拡散して、前記フローチャネルから前記膜を弛緩させる、請求項７５に記載の方法。
  77. 前記気体は、機械的に排出されて、前記膜が前記フローチャネルから弛緩することを可能にする、請求項７５に記載の方法。
  78. 微細加工されたシリンジ構造であって、
    エラストマーブロック内に形成された第１のチャンバであって、水溶性塩溶液、第１の電極および第２の電極を含む、第１のチャンバと、
    該エラストマーブロック内に形成された第２のチャンバであって、不活性液を含み、該第２のチャンバは、第１のフローチャネルを介して該第１のチャンバと流体連絡する、第２のチャンバと、
    該エラストマーブロック内に形成された第３のチャンバであって、射出可能な物質を含み、該第３のチャンバは、第２のフローチャネルを介して該第２のチャンバと流体連絡し、出口を介して環境と流体連絡して、電極にわたる電位差の付加は、該第１のチャンバ内に気体を生成し、該気体は、該不活性物質を該第３のチャンバに移動させ、該不活性物質は、該注入可能な物質を該環境に移動させる、第３のチャンバと
    を備える。構造。
  79. エラストマー構造を製作する方法であって、
    前記第１のエラストマ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および第２のエラストマー部分を形成する工程と、
    該第１のエラストマー構造を別のコンポーネントに結合する工程と
    を包含する、方法。
  80. 前記第１のエラストマー層は第１のタイプであり、前記第２のエラストマー層は、該第１に対して相補的な第２のタイプである方法であって、
    第２のエラストマー構造を形成する工程と、
    該第２のエラストマー構造を垂直の断面に沿って切断して、第３のエラストマー部分および第４のエラストマー部分を形成する工程と、
    該第１のエラストマー部分を該第３のエラストマー部分に結合させて、第３のエラストマー構造を形成する、工程と
    を包含する、請求項７９に記載の方法。
  81. 前記第３のエラストマー部分は、前記第２のタイプであり、前記第４のエラストマー部分は、前記第１のタイプである、請求項８０に記載の方法。
  82. 前記他のコンポーネントは膜であって、第２のエラストマー構造を、前記第１のエラストマー構造が結合される前記膜の反対側に結合させる工程をさらに包含する、請求項８０に記載の方法。
  83. 前記硬化し、かつ穴が開けられたエラストマー層を、さらなるモールド構造の隆起した特徴の位置に対応するさらなる凹部を有する、さらなる硬化した層の頂部表面上に配置する工程と、
    該さらなる硬化したエラストマー層および、該さらなる凹部にて該硬化し、かつ穴が開けられたエラストマーに穴を開ける工程と、
    前記硬質の中空部材を除去して、該さらなる凹部と流体連絡するさらなるビアを明らかにする工程と
    を包含する、請求項１２に記載の方法。
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