JP2006527825A - 電動開放式マイクロ流体用バルブ - Google Patents

Abstract

【課題】電動開放式マイクロ流体用バルブの提供。
【解決手段】本発明は、以下：
−少なくとも一つの平らな土台；
−少なくとも一つの導入用微小管；
−少なくとも一つの放出用微小管；
−土台の内側面に配置された少なくとも一つの感熱材料の堆積物；及び、
−少なくとも一つの加熱手段：を含み、
上記微小管は上記土台に設置され、これらの先端のうち少なくとも一つは上記土台の内側面上で開いて互いに近接していて、
微小管の先端間の空間が上記感熱材料の堆積物で少なくとも部分的に塞がれているために、この先端間が互いにつながっておらず、
加熱手段により温度が上昇して感熱材料の構造が変化し、このために微小管の先端及びこの先端間が少なくとも部分的に空洞になることによって、上記微小管の間がつながって流体の流れを再開させることができる
ことを特徴とする電動開放式マイクロ流体用バルブ
に関する。

Description

本発明の技術分野はマイクロバルブの分野である。より具体的には、本発明は、マイクロシステム内部で使用するように設計された電動開放式マイクロ流体用バルブに関する。

マイクロバルブは、マイクロシステム内部のマイクロ流体回路中で、様々な用途、特に例えば解析用カード中での使用やマイクロリアクターを用いる化学合成の分野での使用等バイオ医学の用途における使用が増大しているマイクロアクチュエーターである。

バイオ医学の分野においては、様々な種類のマイクロバルブが報告されている。第一の種類としては、花火効果を使用したマイクロバルブが挙げられる。このバルブは、例えば特許文献１中に記載されており、経皮投与装置の貯蔵器の口を塞ぐことを目的とした小型のバルブである。このバルブの作動原理は、空の貯蔵器と貯蔵流体とを最初に隔てていた基板を火薬（ｐｙｒｏｔｅｃｈｎｉｃ ｃｈａｒｇｅ）の燃焼ガスによって破壊することを基本とする。別の実施形態によれば、このマイクロバルブは、外側を膨張可能な覆いで囲んで使用してもよい。燃焼ガスによって基板が破壊されると覆いが膨張し、流体が押されて排出される。

しかし、このマイクロバルブには、基板の小片が超小型回路の中に排出されるという大きな欠点がある。

特許文献２中には、第二の種類のマイクロバルブを含む静脈内注射器が開示されている。このマイクロバルブは、灌流液を運搬するための直線回路に沿って配置されていて、外側が覆いで囲われており、熱可塑性材料でできたバルブの台座及び閉鎖部を本質的に含むものであって、これらが電動加熱部と接触して溶融することによりバルブが開閉する。

しかしこのバルブには、上記文献中に記載された注射器には適切であるが、狭い空間に流体回路が配置されたマイクロシステム型の平らな装置には適用できないという大きな欠点がある。これは次のような理由からである。特許文献２中に開示されるマイクロバルブにおいては、閉鎖部は流れの方向に対して垂直である。従って、バルブが開いている際、上記閉鎖部は熱せられると二つに割れて向きが変わり、流れと同じ方向を向くため、流れは全く妨げられない。しかし、流動方向と平行なＵ字形領域の中にマイクロバルブが配置されたマイクロシステムにおいては、このバルブによって流れが大いに妨げられるであろう。

上記以外にも、この構造のバルブには、開いた後で液体が溜まり易いことに起因する欠点がある。従って、これにより小さくないデッドスペースができることとなり、マイクロシステムへの適用においてはこのデッドスペースが大きな欠点となる。というのは、第一にこの装置は、その中を流れる液体の体積が非常に小さいため、デッドスペースが大き過ぎると適切に作動させることができない。

特許文献３中に、バイメタル板及びＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）型のエラストマー材料を使用した、管が開いた多層型マイクロデバイスが開示されている。バイメタル板は電圧がかかると変形するため、可撓性の管壁が平坦になることによって閉じる。

しかしこのデバイスには、構造が複雑（多層）で、かつ、管を閉じるためにバイメタル板の温度を多少上昇させなければならないという大きな欠点がある。また、経時的な密閉性が非常に低いと予想される。

また、ＰＤＭＳは、生物学的用途に使用されるマイクロシステム内部で液体を流す場合の材料としてはそれほど適切ではない。というのは、ＰＤＭＳは非常に疎水性が強いため、マイクロ流体回路中で気泡が形成される可能性があるからである。またＰＤＭＳは、加工（鋳造）が困難であり、タンパク質に対する吸着性が高い。

特許文献４中に、管を通る液体の流れを制御するためのマイクロ流体用バルブが開示されている。バルブの作動は、温度に伴い粘度が大幅に増加する（液体がゲル状になる）（ポリエチレンオキシド型の）液体の使用に基づく。

しかし、このデバイスには、運搬される液体と作動用の液体とを混合しなければならないという欠点（相溶性の問題、困難な処理）、及び、（作動用の液体と運搬される液体とを混合しない場合には）液体をマイクロデバイス内部の狭い空間の中に統合しなければならないことに起因する充填についての問題という欠点がある。また、このデバイスには、液体及び／又はデバイスを５０℃まで加熱しなければならず、この温度は、温度調節下で生じる生体反応、及び、恐らくはこのような温度上昇に耐えられない反応物（特に酵素）にとってあまり適切ではないという大きな欠点もある。

上記より、従来技術を参照すると、狭い空間、特にマイクロシステム内部で作動させるのに適切であり、工業的に容易に製造可能で、マイクロシステム製作工程の中に統合でき、バルブの作動が生体反応にとって適切であり、閉じた状態での密閉性が良好で、開くと流体が流れるのを妨げず、（バルブ内部の）デッドスペースはマイクロシステム内部で運搬される液体の体積と比較すると無視できるような電動開放式マイクロ流体用バルブは存在しないということとなる。
ＰＣＴ特許ＷＯ−Ａ−９８／２２７１９ ＰＣＴ特許ＷＯ−Ａ−９８／２２７３８ ＰＣＴ特許ＷＯ−Ａ−０２／０６５００５ 米国特許ＵＳ−Ｂ−６３８２２５４

従って、本発明の第一の目的は、狭い空間、特にマイクロシステム内部で開放可能なマイクロ流体用バルブの提供である。

本発明の第二の目的は、工業用マイクロシステム製造方法により容易に製造されると予想されるマイクロ流体用バルブの提供である。

本発明の第三の目的は、特に、閉じた状態でのバルブの密閉性を確実に良好とし、かつ、液体の流れを妨げるものを全て除去して開いた状態での流れを確実に良好とすることによる、非常に信頼性の高いマイクロ流体用バルブの提供である。

本発明の第四の目的は、マイクロシステム内部の超小型回路中に、数個のマイクロ流体用バルブを並べて又は平行に容易に配置可能な構造を有するマイクロ流体用バルブの提供である。

最後に、本発明の最終目的は、低製造コストでのマイクロ流体用バルブの提供である。

上記目的は、特に、以下：
−少なくとも一つの平らな土台；
−少なくとも一つの導入用微小管；
−少なくとも一つの放出用微小管；
−土台の内側面に配置された少なくとも一つの感熱材料の堆積物；及び、
−少なくとも一つの加熱手段：を含み、
上記微小管は上記土台に設置され、これらの先端のうち少なくとも一つは上記土台の内側面上で開いて互いに近接していて、
微小管の先端間の空間が上記感熱材料の堆積物で少なくとも部分的に塞がれているために、この先端間が互いにつながっておらず、
加熱手段により温度が上昇して感熱材料の構造が変化し、このために微小管の先端及びこの先端間が少なくとも部分的に空洞になることによって、上記微小管の間がつながって流体の流れを再開させることができる
ことを特徴とする電動開放式マイクロ流体用バルブ
に関する本発明によって達成される。

本発明によるマイクロ流体用バルブは、土台に接合された被覆層を少なくとも一つ更に含むことが好ましい。

上記マイクロ流体用バルブの第一の実施形態によれば、上記感熱材料は熱溶融材料である。

特に、この熱溶融材料はポリマー材料であってよい。第二の実施形態として、この熱溶融材料は熱溶融又はホットメルト接着剤であってよい。

本発明によるマイクロ流体用バルブの第三の実施形態において、上記感熱材料は熱膨張材料である。

本発明によるマイクロ流体用バルブの第四の実施形態において、上記感熱材料は熱収縮材料である。「熱収縮材料」という用語は、熱源付近に置かれると収縮する特性を有する材料を意味するものとする。

特に、上記熱収縮材料は、ＰＥ及びＰＢ（ポリブタジエン）又はＰＩのブロック共重合体等の熱可塑性エラストマー並びに照射ＰＥからなる群より選択される。

本発明によるマイクロ流体用バルブの第五の実施形態において、上記感熱材料は火薬式組成物である。

特に、上記火薬式組成物はニトロセルロースに基づく組成物である。

別の注目すべき特性によれば、上記加熱手段は、導電ゾーンを有する少なくとも一つの導線、及び、感熱材料の堆積物に少なくとも部分的に接触していてもよい少なくとも一つの優先的加熱ゾーンを含む。

有利には、上記優先的加熱ゾーンの温度上昇は、導線に電流を流すことにより得られる。

上記優先的加熱ゾーンは、抵抗性材料の堆積物によって形成される。

また、ある変形形態として、上記優先的加熱ゾーンは、導線の狭い断面の加熱ゾーンであってもよい。

有利には、上記熱膨張材料は、土台の内側面上の穴の中に配置される。

本発明の別の有利な変形形態において、上記被覆層は、微小管の先端の先に凹部を含む。

本発明によるマイクロ流体用バルブは、ガス排出手段を更に含むことが好ましい。有利には、この手段は穴である。

本発明の別の主題は、
次の段階：
ａ）少なくとも一つの導入用微小管及び少なくとも一つの放出用微小管を含む平らな土台の製作；
ｂ）上記土台の内側面にフィルムを接合することにより上記微小管の先端を塞ぐような、感熱材料の配置；及び、
ｃ）上記感熱材料の層の少なくとも一部に少なくとも一つの優先的加熱ゾーンを含む少なくとも一つの導線の配置：を含み、
段階ｂ）と段階ｃ）の順序は逆でもよい
ことを特徴とするマイクロ流体用バルブを製作する方法である。

本発明による方法は、平らな土台にフィルムを接合することによって被覆層を配置する段階を更に含むことが好ましい。

非常に有利には、感熱材料の層及び被覆層を構成するフィルムは、高温若しくは低温積層により、又は、ホットメルト接着剤を使用した接合により平らな土台に接合される。

別の有利な特徴によれば、上記導線は、
導電ゾーンをフォトエッチングした後、優先的加熱ゾーンをスクリーン印刷又は圧力パッド印刷（ｐｒｅｓｓｕｒｅ−ｐａｄ ｐｒｉｎｔｉｎｇ）することによって、又は、
導電ゾーン及び優先的加熱ゾーンのフォトリソグラフィによって配置される。

本発明の別の主題は、少なくとも一つのマイクロ流体用バルブを含むマイクロシステムである。

本発明の別の目的は、
上記のマイクロ流体用バルブを開く方法であって、
次の段階：
優先的加熱ゾーンを有する少なくとも一つの導線に電流を流すこと；
上記優先的加熱ゾーンの温度上昇；
上記優先的加熱ゾーンに接触している感熱材料の構造変化；
微小管の先端及びこの先端間が少なくとも部分的に空洞になることによって上記微小管の間がつながること；及び、
流体の流れの再開：を含む
ことを特徴とする方法である。

本発明は、下記図面についての以下の詳細な記載に照らしてより明瞭に理解されるであろう。

図１Ａ、図１Ｂ及び図１Ｃは、感熱材料が熱可塑性ポリマーである第一の実施形態によるマイクロ流体用バルブの、閉じた状態及び開いた状態それぞれにおける縦軸方向の断面図を示す。

図２Ａ及び図２Ｂは、感熱材料がホットメルト接着剤である第一の実施形態の変形形態である第二の実施形態によるマイクロ流体用バルブの、閉じた状態及び開いた状態それぞれにおける縦軸方向の断面図を示す。

図３Ａ及び図３Ｂは、感熱材料が熱膨張材料である第三の実施形態によるマイクロ流体用バルブの、閉じた状態及び開いた状態それぞれにおける縦軸方向の断面図を示す。

図４Ａ及び図４Ｂは、感熱材料が熱収縮材料である第四の実施形態によるマイクロ流体用バルブの、閉じた状態及び開いた状態それぞれにおける縦軸方向の断面図を示す。

図５Ａ及び図５Ｂは、感熱材料が火薬式材料である第五の実施形態によるマイクロ流体用バルブの、閉じた状態及び開いた状態それぞれにおける縦軸方向の断面図を示す。

図１Ａ中に示すように、本発明によるマイクロ流体用バルブ１０は多層積層構造を有する。第一の層は平らな土台１２を構成する。有利には、この土台は、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリプロピレン（ＰＰ）、ポリスチレン（ＰＳ）、アクリロニトリル−ブタジエン−スチレン（ＡＢＳ）、環状シクロオレフィン（ＣＯＣ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）若しくはポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）製であるか、又は、感熱材料の融点と相性の良い任意のポリマー製の土台であってよい。有利には、この土台の厚さは０．２〜３ｍｍである。流体をマイクロ流体用バルブに運搬する導入用微小管１４、及び、バルブが開いた際に流体が入る放出用微小管１６がこのポリカーボネート製の土台の中に配置され、微小管１４及び１６はマイクロ流体回路の一部を構成する。これらの微小管の断面は好ましくは円形で直径０．０１〜３ｍｍである。微小管１４及び１６のそれぞれの先端１４１及び１６１は、土台１２の内側面１２１と一体である。

土台１２並びに微小管１４及び１６は、従来の射出成形法により得られることが好ましい。また、マイクロレプリケーション（ｍｉｃｒｏｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ）（「高温エンボス加工」及びマイクロ射出成形）又はレーザーエッチング／穴あけ／切断法等の同様の任意の方法も使用できる。

土台１２は、感熱材料の層１８に接触している。この感熱材料はこの場合、ＰＰ、ＰＥＴ、ＰＥＮ（ポリエチレンナフタレート）からなる群より選択される熱可塑性材料がＰＰ／ＰＥＴ型の単層又は多層フィルム状で土台１２に接合したものである。このフィルムは、接着剤を使用しない積層（熱圧着）により接合されたものであってもよいし、又は、熱溶融積層によって接合されたもの、すなわち一方の面がホットメルト接着剤で覆われたものであってもよい。また、このフィルムの一方の面又は土台の面１２１が、感光性、ＵＶ硬化性又は感圧性のシリコーン系接着剤で覆われていてもよい。最後に、このフィルムは、微小管１４及び１６の先端１４１及び１６１の高周波溶接、超音波溶接、振動溶接若しくはレーザー溶接により、輪郭形成（ｃｏｎｔｏｕｒｉｎｇ）により、又は、マスクの使用により接合されていてもよい。

この構造においては、微小管１４及び１６が層１８で塞がれているために互いにつながっていない。層１８の厚さは、０．００５〜０．３ｍｍである。

導線２０は上記層１８の下に配置される。この導線は、二つの導電ゾーン２０２及び２０３に挟まれた優先的加熱ゾーン２０１を含む。優先的加熱ゾーン２０１は、微小管１４及び１６の先端１４１及び１６１と先端間の空間からなる領域の垂直方向の下方にある。このゾーン２０１は抵抗導線であるか又は導線の断面が狭くなった箇所のいずれかであってよく、導線に電流が流れるとゾーン２０１の温度が大幅に上昇する。導線２０は銅又はアルミニウムに基づくものであることが好ましい。また、導線２０は炭素に基づく導電インクであってもよい。加熱ゾーン２０１は、抵抗性領域である場合には、抵抗性インクの堆積により約１００オームの抵抗を有するものであることが好ましい。このようなインクは、例えばピーター社販売の炭素導電性インクＳＤ ２８４１ ＨＡＬ−ＩＲであってよい。

この導線は、導電ゾーン２０２及び２０３をフォトエッチングし、その後優先的加熱ゾーン２０１をスクリーン印刷又は圧力パッド印刷することにより形成される。他の方法としては、この導線をフォトリソグラフィのみにより形成する方法がある。

最後に、マイクロ流体用バルブは、ポリスチレン（ＰＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ＰＣ、ＰＥＴ、ＰＥ、ＰＭＭＡ、ＰＥＥＫ又はＣＯＣ型の、好ましくはＰＣ又はＰＥ型のポリマー材料の層２２を含む。導線２０は、層２２の内側面２２１上に、スクリーン印刷、圧力パッド印刷、フォトリソグラフィ、フォトエッチング、又は、ポリマーフィルム若しくは基板上に導線を配置するための他の任意の手段によって配置される。層２２の厚さは、０．２〜２ｍｍであることが好ましい。層１８は、任意の適切な手段によって、特に接着接合、熱融着、超音波溶接、高周波溶接、熱圧着、高温圧力積層又は低温圧力積層によって、層２２に接着される。また、層２２は、層１８上にオーバーモールドにより射出成形して形成してもよい。

マイクロ流体用バルブ１０を開く原理は以下のとおりである。導線２０を任意の適切な手段によって定電流源に接続する。インパルス電圧を、時間ｔの間、導線にかける。この電圧は、５〜３０Ｖ、例えば９Ｖであってよい。加熱ゾーン２０１の温度が、層１８を構成する材料の融点（Ｔ_ｍ）まで上昇する。図１Ｂ中に示すように、ゾーン２０１の上の領域の層１８が溶融して、微小管１４及び１６の先端１４１及び１６１に囲まれた空間が空洞になる。その結果、微小管１４と１６とがつながって、図１Ｂ中において矢印で示すように流体が微小管１４から微小管１６中に流れる。

また、図１Ｃ中に示すように、層１８１は、ガラス転移温度（Ｔ_ｇ）がゾーン２０１が到達した温度に近いような材料から形成されていて、加熱温度がガラス転移温度（Ｔ_ｇ）まで上昇すると、温度の作用により上記材料がクリープを起こす可能性がある。このクリープによって、層１８１が、矢印の方向に収縮したり、ゆがんだり曲がったりして変形する。この変形により、層１０１のゾーン２０１と接触する部分全体が剥離し、微小管１４及び１６の先端１４１及び１６１並びにこれらの先端間の空間がつながる。具体的には、層１８１と土台１２の間が１０〜２０μｍ離れることができ、これによって微小管１４と１６がつながって、著しい水頭損失がなく液体が流動できる。

第一の実施形態の変形形態として、図２Ａは、本発明によるマイクロ流体用バルブの第二の実施形態を示す。マイクロ流体用バルブ３０は、平らな土台１２に相当する平らな土台３２を含み、この中には導入型管３４及び放出型管３６が位置していて、これらの先端３４１及び３４２は両方とも土台３２の内側面３２１と同一平面上にある。

第一の実施形態中に記載される層２２に類似するポリマー材料の層３８は、ホットメルト接着剤の層３９により高温積層によって土台３２に接合される。また、この接合は、ＴＥＳＡ（Ｒ）Ｔ２５６若しくは７１５６型又は３Ｍ（Ｒ）Ｆ９４６０ＰＣ型の、接着剤転写両面テープによって、好ましくは芯のないテープによって実施されてもよい。この構造においては、微小管３４及び３６は層３８で塞がれていて、ホットメルト接着剤の層により密閉された形となっている。

導線４０は、層３８の内側面３８１上に配置される。本発明によるマイクロ流体用バルブの第一の実施形態の場合には、この導線は、フォトエッチングの後にスクリーン印刷若しくは圧力パッド印刷を実施することによって、又は、リソグラフィによって形成される。第一の実施形態中に記載される導線２０と同様に、導線４０も、導電ゾーン４０２及び４０３に挟まれた優先的加熱ゾーン４０１を含み、電流が導線中を流れている間はこの加熱ゾーンの温度が高くなる。

この構造においては、微小管３４及び３６は層３９によって密閉状態で塞がれている。

この第二の実施形態によるマイクロ流体用バルブを開く原理は、以下のとおりである。導線４０に電圧をかける。ゾーン４０１の温度が上昇して、微小管３４及び３６の先端３４１及び３６１を密閉している、より一般的にはポリマー層３８と土台３２を接合している層４０を構成する接着剤の融点になる。その結果、ゾーン４０１に接触している領域の中のホットメルト接着剤が再度溶融して、特に溶融した領域の角において、毛管現象によりクリープが生じる。その後、図２Ｂ中に示すように、接着剤が溶融することにより、微小管３４及び３６の先端３４１及び３６１の間の空間が開放されて上記微小管が互いにつながることができる。その後、液体が、図２Ｂ中に示す矢印の方向に沿って微小管３４から微小管３６へ流れる。流体の流れは、層３８を構成する材料がゾーン４０１により生じる熱のために柔軟になることによってより良好となる可能性がある。

図２Ａ及び２Ｂ中に示す実施形態において、ホットメルト接着剤の溶融により開放される空間は、図１Ａ及び１Ｂ中に示す実施形態においてポリマー層１８の溶融により開放される空間よりも小さいが、マイクロ流体用バルブの上流にある超小型回路中に含まれる液体を適切に流すのには十分である。

この第二の実施形態の第一の変形形態（図示せず）において、本発明によるマイクロ流体用バルブは、第一の実施形態中に記載される層１８と同様に、接着剤の層３９により土台３２に接合されたポリマー材料の層を含む。この層は感熱ポリマーで形成されるが、その融点は、第一の実施形態において層１８を形成するために使用した材料の融点よりも著しく高い。このポリマーは、例えばＰＥＴ、ＰＥＮ、ＰＩ（Ｋａｐｔｏｎ（Ｒ）、ＦＲ４樹脂又はポリテトラフルオロエチレン（テフロン（Ｒ）ＰＴＦＥ）であってよい。

このポリマー層３８は、本発明によるマイクロ流体用バルブの第一の実施形態の場合について上記に記載した手段によって、ポリマー材料の層に接合される。

有利には、層３８は、その内側面３８１のゾーン４０１の下に、ゾーン４０１と同じ大きさの凹部を含んでもよい。この場合、ホットメルト接着剤が溶融することにより、ポリマー材料の層が剥離する。有利にはこのポリマー材料の層はゾーン４０１の温度が上昇すると柔軟になるような材料でできているために層３８内で凹状になり、このことによりこのポリマー材料の層と土台３２とを隔てる空間がより広がって、流体が微小管３４と３６の間をより良好に流動可能となるであろう。この変形形態において、導線４０は、フォトエッチング、スクリーン印刷、リソグラフィ又は圧力パッド印刷によってポリマー材料の層の下面上に形成されることが好ましい。

事実上上記の第一の変形形態に従属する変形形態であるこの第二の実施形態の第二の変形形態については、本発明によるマイクロ流体用バルブは層３８を含まない。この配置においては、導線４０は、導電性接着剤の層３９に接触していることが好ましく、また、第一の変形形態において追加さられたポリマー材料の層によって支持される。言いかえれば、層３８の代わりにこのポリマー材料の層が導線４０の土台の役割を果たしている。

図３Ａは、本発明による開放可能なマイクロ流体用バルブの第三の実施形態を示す。この第三の実施形態において、マイクロ流体用バルブ５０は、第一の及び第二の実施形態の場合について記載される構造と類似する構造を有する。これは、上記のものと構造が類似している平らな土台５２を含む。この土台は導入用微小管５４及び放出用微小管５６を含み、これらの先端５４１及び５６１は土台５２の内側面５２１と同一平面上にある。これは、二つの微小管間に穴５８を更に含む。この穴５８は、土台５２の製作時に微小管５４及び５６と同時に形成される。この穴は例えば、断面が、微小管の断面の直径よりも小さい円形であってもよい。この穴５８には、膨張率の高い感熱材料の堆積物６０が充填されている。このような材料は、ポリマー、樹脂、ゴム、蝋、又は、ポリマーマトリックス若しくはゲルと混合されていてもいなくてもよい、イソプロパン若しくはイソブタン等の炭化水素を含む微小球（Ｅｘｐａｎｃｅｌ社製Ｅｘｐａｎｃｅｌ（Ｒ）マイクロスフェアー）であってよい。

マイクロ流体用バルブ５０は、ポリマー材料の層６２を含む。このポリマー材料は有利には感熱材料であり、上述の第二の実施形態において使用される型のものである。この層６２は接着接合、高温圧力熱融着又は他の同等の方法等の任意の適切な手段によって土台５２に接合され、また、この層によって微小管５４及び５６の先端５４１及び５６１が塞がれている。層６２が接着接合又は熱融着によって土台５２に接合されている場合、ホットメルト接着剤の堆積物を層６２の上面に配置して接合をより良好とすることが有利である可能性がある。

導線６４は、層６２の下面に配置される。本発明によるマイクロ流体用バルブの第一及び第二の実施形態においてのように、この導線はスクリーン印刷又はリソグラフィによって形成される。これは、上述のものに類似する、導電ゾーン６４２及び６４３に挟まれた優先的加熱ゾーン６４１を含む。

最後に、マイクロ流体用バルブは、第一及び第二の実施形態において記載された層２２及び３８と構造が類似するポリマー材料の下層６６を含む。層６６はその内側面６６１に凹部６８を更に含み、層６６が層６２に接合される場合、凹部６８及び加熱ゾーン６４１がほぼ重なり合うように配置されている。最後に、層６６中に凹部６８と垂直方向に穴６９が形成されていて、この穴によって凹部６８とマイクロ流体用バルブの外部とがつながっている。

図３Ａ及び３Ｂを参照することによって、開放式マイクロ流体用バルブ５０の作動を理解できる。導線６４に電圧がかかると、この電圧によって加熱ゾーン６４１の温度が上昇する。この温度上昇によって、感熱材料６０が縦方向に拡張する。材料６０の拡張した部分が層６２を押し、微小管５４及び５６の先端５４１及び５６１の間の領域において層６２の変形及び剥離が生じる。凹部６８が存在し、これがくぼみとして作用して、材料６０によって変形した部分の層６２が入ることによって、上記の剥離はより大きくなる。その後、層６２が凹部６８中の空気を押す。続いて、この空気が穴６９を通って排出される。このようにして微小管５４と５６とがつながり、これによって、微小管５４中に最初閉じ込められていた流体が図３Ｂ中に示す矢印の方向に沿って微小管５６の中に流れることが可能になる。材料６０の断面は狭いため、微小管５４と５６の間がつながると、流体はこの材料の両側を流れるため、流体の流れは全く妨げられない。

この第三の実施形態の変形形態は、熱膨張材料の代わりに液体又はゲルを穴５８の中に閉じ込めた形態であってもよい。この液体／ゲルは、一定量の熱がかかった場合に、液体状態からガスに変化可能でなければならない。有利には、このような液体はイソブタン若しくはイソプロパン型の炭化水素、又は、フレオンであってよい。これ以外で、単独で又は混合物として使用可能な他の流体は、ＣＦＣ又はこれと同等のものである。従って、冷却剤Ｒ１１を使用することが有利である可能性があり、その熱力学的性質を下記表中に示す。

この液体／ゲルは、層６２によって穴６０の中に密閉状態で閉じ込められている。導線中を電流が流れてゾーン６４１が加熱されると、このゾーンの温度上昇によって、穴６０の中の液体の状態変化が生じる。その後、ガスによって層６２に大きな圧力がかかるために、この層が変形して剥離し、この剥離した部分が層６６の凹部６８の中に入る（凹部６８の設置目的が全うされる）。

この変形形態の場合、微小管５６に連結した管状の穴を土台５２にあけて、発生したガスを排出して微小管５４と微小管５６の間の流体の流れを妨げないようすることが有利である可能性がある。

本発明による開放可能なマイクロ流体用バルブの第四の実施形態は、火薬式組成物の使用に基づく。このようなマイクロ流体用バルブを、図４Ａ及び４Ｂ中に示す。このマイクロ流体用バルブ７０は、先の実施形態において記載された土台１２、３２及び５２に類似する土台７２を含む。この土台７２は導入用微小管７４及び放出用微小管７６を含み、これらの先端７４１及び７６１は土台７２の内側面７２１と同一平面上にある。

土台７２は、感熱材料の層７８に接触している。この場合、この感熱材料は熱収縮材料である。この層７８は、土台７２の表面上に接合、積層又はオーバーモールドされたフィルムの形状である。微小管７４及び７６の先端７４１及び７６１は層７８によって塞がれている。

上述の実施形態においては、マイクロ流体用バルブは、二つの導電ゾーン８０２及び８０３に挟まれた優先的加熱ゾーン８０１を有する導線８０を含む。有利には、導線は、層２２、３８及び６６と同等の、ポリマー層８２の内側面８２１上に形成される。

マイクロ流体用バルブ７０は以下のように開く。導線８０に電圧がかかり、加熱ゾーン８０１の温度が上昇して、層７８を構成する材料が収縮する。その結果、この材料の加熱ゾーン８０１と逆側の部分が収縮し、これによって微小管７４及び７６の先端７４１及び７６１が開放されるであろう。続いて、微小管７４から微小管７６中への流体の流れが再開する。

この第四の実施形態の有利な変形形態は、導線８０を微小管７４及び７６の先端７４１及び７６１の間に土台７０と接触させた状態で配置して、二つの管７４及び７６間の層７８を構成する材料の収縮を最適化できるようにする形態である。

本発明による開放可能なマイクロ流体用バルブの第五の実施形態は、火薬式組成物の使用に基づく。このようなマイクロ流体用バルブを、図５Ａ及び５Ｂ中に示す。このマイクロ流体用バルブ９０は、先の実施形態において記載された土台１２、３２、５２及び７２に類似する土台９２を含む。この土台９２は導入用微小管９４及び放出用微小管９６を含み、これらの先端９４１及び９６１は土台９２の内側面９２１と同一平面上にある。

土台９２の内側面９２１上には、好ましくはニスの形状で、火薬式組成物の層９８が配置されている。この火薬式組成物は、例えばニトロセルロースに基づくものであってよい。

図５Ａ及び５Ｂ中に示す実施形態において、層９８は、土台の表面全体に、スクリーン印刷、吹き付け、小滴の塗布又は圧力パッド印刷によって、微小管の二つの先端間の狭い領域内に均一に配置されている。

導線１００を上記のように形成する。この導線は、二つの導電ゾーン１００_２及び１００_３に挟まれた優先的加熱ゾーン１０１_１を含む。

この実施形態の変形形態において、導線１００は、土台９２の内側面９２１上に、火薬式組成物の層の下層として配置されていてよい。

最後に、上記の層２２、３８、６６及び８２に類似するポリマー層１０２が土台９２に接合している。火薬式組成物の層は有利には、微小管９４と９６とをより良好に密閉するための接着剤の役割を果たしてもよい。火薬式組成物の層を土台７２の内側面７２１上に配置した後で、導線１００を含むポリマー層１０２を接着接合（高温加圧又は両面テープ）によって形成してもよい。

開放可能なマイクロ流体用バルブ９０を作動させる方法は以下のとおりである。導線１００に電流を流し、この電流によって加熱ゾーン１００_１の温度を上昇させて火薬式組成物を起爆させる。図５Ｂ中に示すように、火薬式組成物が燃焼することによって微小管９４及び９６の先端９４１及び９６１が開放され、これによって微小管間で流体が通じるようになり、矢印の方向に流体が流れる。

この実施形態の変形形態において、微小管９６につながる管の状態の穴を土台９２にあけて、火薬式組成物が燃焼する際に発生するガスを放出させることにより、微小管９４と微小管９６の間の流体の流れが妨げられないようにすることが有利である可能性がある。

本発明による開放可能なマイクロ流体用バルブは、マイクロ流体回路を含むマイクロシステム内部においての使用を意図したものである。これらのマイクロ流体用バルブの微小な多層構造は、産業プロセスにおいてマイクロシステムに組み込む際に特に適切である。バイオ医学の分野における解析用カード等のマイクロ流体システムは、一般的に多層構造で構成される。従って、本発明によるマイクロ流体用バルブの製作は、マイクロ流体用バルブを構成する層の大部分、特に土台（１２、３２、５２、７２）、ポリマー層（１８、３８、６２）及び下層（２２、４２、６６及び８２）がマイクロシステムの構成要素であることから、マイクロ流体用バルブを設計するために特別な段階を更に追加することはほとんどせずにマイクロシステムの製作過程中に完全に組み込むことができる。

このマイクロシステムは、多数のマイクロ流体用バルブを、非常に狭い空間に互いに非常に近接させて、マイクロ流体回路と並べて又は平行して製造できるという点でも有利である。微小な層構造とすることによって、当業者に公知の制御された層形成の産業プロセスによってウエハスケールでフィルムを配置して、いくつかのマイクロ流体用バルブを同時に製造できる。

本発明によるマイクロ流体用バルブの最終的な利点は、密閉性が非常に良好であるという点である。これは、マイクロ流体用バルブの密閉性が、公知の密閉フィルム手段（積層、ホットメルト接着剤によるフィルムの配置等）による密閉によって得られるということに起因する。バルブを配置しなければならない微小管の先端に材料を配置する必要はない（長いサイクル時間、配置ミス、溶融可能な物質が固まる際の漏れ発生の原因となり得る欠陥、等）。本発明の範囲内において、フィルムは、従来の方法による産業工程によりウエハスケールで配置する。こうすることによって、バルブの閉鎖が非常に強固となる。

感熱材料が熱可塑性ポリマーである第一の実施形態によるマイクロ流体用バルブの、閉じた状態における縦軸方向の断面図を示す。 感熱材料が熱可塑性ポリマーである第一の実施形態によるマイクロ流体用バルブの、開いた状態における縦軸方向の断面図を示す。 感熱材料が熱可塑性ポリマーである第一の実施形態によるマイクロ流体用バルブの、開いた状態における縦軸方向の断面図を示す。 感熱材料がホットメルト接着剤である第一の実施形態の変形形態である第二の実施形態によるマイクロ流体用バルブの、閉じた状態における縦軸方向の断面図を示す。 感熱材料がホットメルト接着剤である第一の実施形態の変形形態である第二の実施形態によるマイクロ流体用バルブの、開いた状態における縦軸方向の断面図を示す。 感熱材料が熱膨張材料である第三の実施形態によるマイクロ流体用バルブの、閉じた状態における縦軸方向の断面図を示す。 感熱材料が熱膨張材料である第三の実施形態によるマイクロ流体用バルブの、開いた状態における縦軸方向の断面図を示す。 感熱材料が熱収縮材料である第四の実施形態によるマイクロ流体用バルブの、閉じた状態における縦軸方向の断面図を示す。 感熱材料が熱収縮材料である第四の実施形態によるマイクロ流体用バルブの、開いた状態における縦軸方向の断面図を示す。 感熱材料が火薬式材料である第五の実施形態によるマイクロ流体用バルブの、閉じた状態における縦軸方向の断面図を示す。 感熱材料が火薬式材料である第五の実施形態によるマイクロ流体用バルブの、開いた状態における縦軸方向の断面図を示す。

符号の説明

１０、マイクロ流体用バルブ
１２、土台
１４、導入用微小管
１６、放出用微小管
１８、感熱材料の層
２０、導線
２２、ポリマー材料の層
３０、マイクロ流体用バルブ
３２、土台
３４、導入用微小管
３６、放出用微小管
３８、ポリマー材料の層
３９、ホットメルト接着剤の層
４０、導線
５０、マイクロ流体用バルブ
５２、土台
５４、導入用微小管
５６、放出用微小管
５８、穴
６０、感熱材料の堆積物
６２、ポリマー材料の層
６４、導線
６６、ポリマー材料の下層
６８、凹部
６９、穴
７０、マイクロ流体用バルブ
７２、土台
７４、導入用微小管
７６、放出用微小管
７８、感熱材料の層
８０、導線
８２、ポリマー層
９０、マイクロ流体用バルブ
９２、土台
９４、導入用微小管
９６、放出用微小管
９８、火薬式組成物の層
１００、導線
１００_１、優先的加熱ゾーン
１００_２、導電ゾーン
１００_３、導電ゾーン
１０２、ポリマー層
１２１、土台１２の内側面
１４１、微小管の先端
１６１、微小管の先端
１８１、層
２０１、優先的加熱ゾーン
２０２、導電ゾーン
２０３、導電ゾーン
２２１、層２２の内側面
３２１、土台３２の内側面
３４１、微小管の先端
３６１、微小管の先端
３８１、層３８の内側面
４０１、優先的加熱ゾーン
４０２、導電ゾーン
４０３、導電ゾーン
５２１、土台５２の内側面
５４１、微小管の先端
５６１、微小管の先端
６４１、優先的加熱ゾーン
６４２、導電ゾーン
６４３、導電ゾーン
７２１、土台７２の内側面
７４１、微小管の先端
７６１、微小管の先端
８０１、優先的加熱ゾーン
８０２、導電ゾーン
８０３、導電ゾーン
８２１、層８２の内側面
９２１、土台９２の内側面
９４１、微小管の先端
９６１、微小管の先端

Claims (21)

1. 電動開放式マイクロ流体用バルブであって、
   以下：
   −少なくとも一つの平らな土台（１２、３２、５２、７２、９２）；
   −少なくとも一つの導入用微小管（１４、３４、５４、７４、９４）；
   −少なくとも一つの放出用微小管（１６、３６、５６、７６、９６）；
   −土台（１２、３２、５２、７２、９２）の内側面（１２１、３２１、５２１、７２１、９２１）に配置された少なくとも一つの感熱材料の堆積物（１８、３９、６２、７８、９８）；及び、
   −少なくとも一つの加熱手段（２０、４０、６４、８０、１００）：を含み、
   前記微小管は前記土台に設置され、これらの先端（１４１、３４１、５４１、７４１、９４１）及び（１６１、３６１、５６１、７６１、９６１）のうち少なくとも一つは前記土台（１２、３２、５２、７２、９２）の内側面（１２１、３２１、５２１、７２１、９２１）上で開いて互いに近接していて、
   微小管（１４、３４、５４、７４、９４）及び（１６、３６、５６、７６、９６）の先端（１４１、３４１、５４１、７４１、９４１）及び（１６１、３６１、５６１、７６１、９６１）間の空間が前記感熱材料の堆積物（１８、３９、６２、７８、９８）で少なくとも部分的に塞がれているために、この先端間が互いにつながっておらず、
   加熱手段（２０、４０、６４、８０、１００）により温度が上昇して感熱材料の構造が変化し、このために微小管の先端及びこの先端間が少なくとも部分的に空洞になることによって、前記微小管の間がつながって流体の流れを再開させることができる
   ことを特徴とする電動開放式マイクロ流体用バルブ。
2. 土台（１２、３２、５２、７２、９２）に接合された被覆層（２２、３８、６６、８２、１０２）を少なくとも一つ更に含む
   ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流体用バルブ。
3. 前記感熱材料は熱溶融材料である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ流体用バルブ。
4. 熱可塑性材料は、熱溶融ポリマー及び熱溶融又はホットメルト接着剤からなる群より選択される
   ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のマイクロ流体用バルブ。
5. 前記感熱材料は熱膨張材料である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ流体用バルブ。
6. 前記感熱材料は熱収縮材料である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ流体用バルブ。
7. 前記感熱材料は火薬式組成物である
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ流体用バルブ。
8. 前記火薬式組成物はニトロセルロースに基づく組成物である
   ことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載のマイクロ流体用バルブ。
9. 前記加熱手段は、導電ゾーン（２０２、４０２、６４２、８０２、１００_２）（２０３、４０３、６４３、８０３、１００_３）を有する少なくとも一つの導線（２０、４０、６４、８０、１００）、及び、感熱材料の堆積物（１８、４０、６２、７８、９８）に少なくとも部分的に接触していてもよい少なくとも一つの優先的加熱ゾーン（２０１、４０１、６４１、８０１、１００_１）を含む
   ことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１項に記載のマイクロ流体用バルブ。
10. 前記優先的加熱ゾーン（２０１、４０１、６４１、８０１、１００_１）の温度上昇は、導線（２０、４０、６４、８０、１００）に電流を流すことにより得られる
    ことを特徴とする請求項９に記載のマイクロ流体用バルブ。
11. 前記優先的加熱ゾーン（２０１、４０１、６４１、８０１、１００_１）は、抵抗性材料の堆積物によって形成される
    ことを特徴とする請求項９又は１０に記載のマイクロ流体用バルブ。
12. 前記優先的加熱ゾーン（２０１、４０１、６４１、８０１、１００_１）は、導線の狭い断面の加熱ゾーンである
    ことを特徴とする請求項９〜１１のいずれか１項に記載のマイクロ流体用バルブ。
13. 前記熱膨張材料（６０）は、土台（５２）の内側面（５２１）上の穴（５８）の中に配置される
    ことを特徴とする請求項５〜１２のいずれか１項に記載のマイクロ流体用バルブ。
14. 前記被覆層（６６）は、微小管（５４）及び（５６）の先端（５４１）及び（５６２）の先に凹部（６８）を含む
    ことを特徴とする請求項２〜１３のいずれか１項に記載のマイクロ流体用バルブ。
15. ガス排出手段を更に含む
    ことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１項に記載のマイクロ流体用バルブ。
16. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載のマイクロ流体用バルブを製作する方法であって、
    次の段階：
    ａ）少なくとも一つの導入用微小管（１４、３４、５４、７４、９４）及び少なくとも一つの放出用微小管（１６、３６、５６、７６、９６）を含む平らな土台（１２、３２、５２、７２、９２）の製作；
    ｂ）前記土台（１２、３２、５２、７２、９２）の内側面（１２１、３２１、５２１、７２１、９２１）にフィルムを接合することにより前記微小管（１４、３４、５４、７４、９４）及び（１６、３６、５６、７６、９６）の先端（１４１、３４１、５４１、７４１、９４１）及び（１６１、３６１、５６１、７６１、９６１）を塞ぐような、感熱材料（１８、４０、６２、７８）の配置；及び、
    ｃ）前記感熱材料の堆積物（１８、４０、６２、７８、９８）の少なくとも一部に少なくとも一つの優先的加熱ゾーン（２０１、４０１、６４１、８０１、１００_１）を含む少なくとも一つの導線（２０、４０、６４、８０、１００）の配置：を含み、
    段階ｂ）と段階ｃ）の順序は逆でもよい
    ことを特徴とする方法。
17. 平らな土台（１２、３２、５２、７２、９２）にフィルムを接合することによって被覆層（２２、４２、６６、８２、１０２）を配置する段階を更に含む
    ことを特徴とする請求項１〜１６のいずれか１項に記載の方法。
18. 感熱材料の堆積物（１８、４０、６２、７８、９８）及び被覆層（２２、４２、６６、８２、１０２）を構成するフィルムは、高温若しくは低温積層により、又は、ホットメルト接着剤を使用した接合により平らな土台（１２、３２、５２、７２、９２）に接合される
    ことを特徴とする請求項１６又は１７に記載の方法。
19. 前記導線は、
    導電ゾーンをフォトエッチングした後、優先的加熱ゾーンをスクリーン印刷又は圧力パッド印刷することによって、又は、
    導電ゾーン及び優先的加熱ゾーンのフォトリソグラフィによって配置される
    ことを特徴とする請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載の、又は、請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の方法で得られる、少なくとも一つのマイクロ流体用バルブを含む
    ことを特徴とするマイクロシステム。
21. 請求項１〜１５のいずれか１項に記載のマイクロ流体用バルブを開く方法であって、
    次の段階：
    優先的加熱ゾーンを有する少なくとも一つの導線に電流を流すこと；
    前記優先的加熱ゾーンの温度上昇；
    前記優先的加熱ゾーンに接触している感熱材料の構造変化；
    微小管の先端及びこの先端間が少なくとも部分的に空洞になることによって前記微小管の間がつながること；及び、
    流体の流れの再開：を含む
    ことを特徴とする方法。

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