JP2008546542A - マイクロ流体ネットワークにおける伝導通路、マイクロ回路、マイクロ構造の製造 - Google Patents

マイクロ流体ネットワークにおける伝導通路、マイクロ回路、マイクロ構造の製造 Download PDF

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Abstract

本明細書に開示されるのは、さまざまマイクロ流体デバイス、およびかかるデバイスを金型として形成される、固体であり通常は導電性のデバイスである。一部の実施例では、形成されるデバイスは、１つ以上のマイクロ流体チャネルに存在する液体金属を固化することにより形成される伝導通路を備える。一部の実施例では、マイクロ流体チャネルに形成される固体金属線／伝導通路は、マイクロ流体構造内に含まれたままであってよい。一部のかかる実施例では、形成された伝導通路は、流動流体を運搬する構造の他のマイクロ流体チャネルの近接に位置して、それにより伝導通路が、流動流体および／またはそれに含まれる、またはそれにより運搬される構成要素と相互作用する、および／またはそれに作用するエネルギー（電磁および／または熱エネルギーなど）を産生できてよい。

Description

（連邦政府援助研究）
提示される発明のさまざまな側面は、国立衛生研究所（ＮＩＨ）（認可番号ＧＭ０６５３６４およびＧＭ０６７４４５）、ＤＡＲＰＡ、海軍研究事務所、国立科学財団（認可番号ＤＭＲ−Ｑ２１３８０５）から資金援助を受けた。政府は、本発明に一定の権利を有する可能性がある。
（発明の分野）
本発明の側面は概して、構造、特にマイクロ流体構造で、伝導通路および電気的接続／回路が、形成および／または再形成できるデバイスに関する。デバイスは、可撓性電気回路および／または構成要素を伴う。
流体を、少なくとも１つのミクロン域（１ミリメートル未満）の寸法を有するチャネルであるマイクロ流体チャネルを含む、チャネルを通して流動させるシステムには、多数の用途がある。例えば、非常に小さい流体チャネルおよび小さい反応／解析室を含む化学「チップ」上で、非常に少量の試料および試薬を分析するためのシステムの例は多数ある。小スケールシステムは、遺伝分析、臨床診断、薬剤スクリーニング、および環境モニタリングに向けて現在開発中である。これらのシステムは、非常に小スケールで液体または気体試料を扱わなければならず、またチップを用いた基板を互換性がなければならない。そのため、非常に小スケールのシステムにおける流体流動の性質についてのマイクロ流体工学は、これらのシステムの開発の中心となっている。これらのシステムの多くは、電気回路の使用も必要とする。従来のデバイスでは、マイクロ流体構成要素、および導電通路と構成要素は、別々の構造であり、これらは一体化して、ともに単一のデバイスに統合することは難しいことがある。
三次元で金属微細構造を作成するための確立した手法はいくつかある。電気メッキおよび無電解メッキは、２または三次元で、数ナノメートルから数ミクロンの厚さの金属層を備える微細構造を構築するための標準的な方法である（非特許文献１）。このアプローチは、手で組み立てた二次元構成要素を電気化学的に連結するために用いられてきた（Ｊａｃｋｍａｎ，Ｒ．Ｊ．Ｂ．，Ｓ．Ｔ．；Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ｇ．Ｍ．，Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｔｈｒｅｅ−Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｂｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｆｏｒｍｅｄ ｂｙ Ｍｉｃｒｏｃｏｎｔａｃｔ Ｐｒｉｎｔｉｎｇ ｏｎ Ｐｌａｎａｒ ａｎｄ Ｃｕｒｖｅｄ Ｓｕｂｓｔｒａｔｅｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ １９９８，７，（２），２６１−２６６）。この方法は、光マスクのラピッドプロトタイピングのために使用されてきた（Ｗａｎｇ，Ｗ．Ｈ．，ＨｏＩｌ，Ｍ． Ｒ．，Ｓｃｈｗａｒｔｚ，Ｄ．Ｔ．Ｒａｐｉｄ ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ ｏｆ ｍａｓｋｓ ｆｏｒ ｔｈｒｏｕｇｈ−ｍａｓｋ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｉｃｋ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ．Ｊ．Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．２００１，１４８（５）：Ｃ３６３−Ｃ３６８）。マイクロコンタクト印刷も、電気メッキ（Ｊａｃｋｍａｎ，Ｒ．Ｊ．；Ｂｒｉｔｔａｉｎ，Ｓ．Ｔ．；Ａｄａｍｓ，Ａ．；Ｐｒｅｎｔｉｓｓ，Ｍ．Ｇ．；Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ｇ．Ｍ．，Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｌｙ ｃｏｍｐｌｅｘ，ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｓｃｉｅｎｃｅ １９９８，２８０，（５３７２），２０８９−２０９１およびＪａｃｋｍａｎ，Ｒ．Ｊ．；Ｂｒｉｔｔａｉｎ，Ｓ．Ｔ．；Ａｄａｍｓ，Ａ．；Ｗｕ，Ｈ．Ｋ．；Ｐｒｅｎｔｉｓｓ，Ｍ．Ｇ．；Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ｓ．；Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ｇ．Ｍ．，Ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｓｏｆｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｐｏｓｉｔｉｏｎ．Ｌａｎｇｍｕｉｒ １９９９，１５，（３），８２６−８３６．）、または無電解メッキ（Ｗｕ，Ｈ．Ｋ．；Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ｓ．；Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ｇ．Ｍ．，Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏ−ｃｈａｉｎ ｍａｉｌ ｂｙ ｓｉｍｕｌｔａｎｅｏｕｓ，ｐａｔｔｅｒｎｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｏｎ ａ ｐｌａｎｅ ａｎｄ ｍｕｌｔｉｐｌｅ ｃｙｌｉｎｄｅｒｓ．Ａｎｇｅｗａｎｄｔｅ Ｃｈｅｍｉｅ−Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｄｉｔｉｏｎ ２００１，４０，（１１），２０５９−２０６０およびＷｕ，Ｈ．；Ｂｒｉｔｔａｉｎ，Ｓ．；Ａｎｄｅｒｓｏｎ，Ｊ．；Ｇｒｚｙｂｏｗｓｋｉ，Ｂ．；Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ｓ．；Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ｇ．Ｍ．，Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｏｐｏｌｏｇｉｃａｌｌｙ ｃｏｍｐｌｅｘ ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ：Ｍｅｔａｌｌｉｃ ｍｉｃｒｏｋｎｏｔｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ａｍｅｒｉｃａｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ２０００，１２２，（５１），１２６９１−１２６９９）とも組み合わせられ、金属の細孔表面にパターンを形成してきた。この手法は、独立型三次元金属ケージを加工するために使用された。パターンを形成された金属層は、折り畳み可能な金属構造と独立した物体を生成するために、二次元鋳型からも離型された。（Ｂｒｉｔｔａｉｎ，Ｓ．Ｔ．；Ｓｃｈｕｅｌｌｅｒ，Ｏ．Ｊ．Ａ．；Ｗｕ，Ｈ．Ｋ．；Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ｓ．；Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ｇ．Ｍ．，Ｍｉｃｒｏｏｒｉｇａｍｉ：Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｓｍａｌｌ，ｔｈｒｅｅ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ，ｍｅｔａｌｌｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ Ｂ ２００１，１０５，（２），３４７−３５０）。金属は、マイクロ流体チャネル中の電解質による処理によって平坦な、非伝導面へも溶着されてきた（Ｙａｎ，Ｊ．Ｄ．，Ｙ．；Ｌｉｕ，Ｊ．；Ｃａｏ，Ｗ．；Ｓｕｎ，Ｘ．；Ｚｈｏｕ，Ｗ．；Ｙａｎｇ，Ｘ．；Ｗａｎｇ，Ｅ．，Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｒｏｄｅｓ ｆｏｒ Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ Ｍｉｃｒｏｃｈｉｐ ｂｙ Ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｍｏｌｄｉｎｇ ｉｎ Ｃａｐｉｌｌａｒｙ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ ２００３，７５，５４０６−５４１２）。関連の手法が、曲面に金属パターンを形成するためにも使用されてきた（ＬａＶａｎ，Ｄ．Ａ．Ｇ．，Ｐ．Ｍ．；Ｌａｎｇｅｒ，Ｒ．，Ｓｉｍｐｌｅ，Ｔｌｉｒｅｅ− Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｐｏｓｉｔｅｄ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ．Ａｎｇｅｗａｎｄｔｅ Ｃｈｅｍｉｅ−Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｅｄｉｔｉｏｎ ２００３，４２，（１１），１２６２−１２６５）。これらの方法のＡＵは、平滑面にパターンを形成するためのみに使用されてきたようである。
三次元の物体の固体レプリカを生成するために、何人かの研究者は「マイクロ鋳造」と称される手法を用いてきた（Ｐｌｏｔｔｅｒ，Ｖ．；Ｂｅｎｚｌｅｒ，Ｔ．；Ｇｉｅｔｚｅｌｔ，Ｔ．；Ｒｕｐｒｅｃｈｔ，Ｒ．；Ｈａｕｓｓｅｌｔ，Ｊ．，Ｍｉｃｒｏ ｐｏｗｄｅｒ ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ ｍｏｌｄｉｎｇ．Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ２０００，２，（１０），６３９−６４２およびＣｈｕｎｇ，Ｓ．；Ｐａｒｋ，Ｓ．；Ｌｅｅ，Ｉ．；Ｊｅｏｎｇ，Ｈ．；Ｃｈｏ，Ｄ．，Ｒｅｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ ａ ｍｅｔａｌ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｏｎｅｎｔ ｈａｖｉｎｇ ｒｅａｌ ３Ｄ ｓｈａｐｅ ｂｙ ｍｉｃｒｏｃａｓｔｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ．Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ−Ｍｉｃｒｏ−ａｎｄＮａｎｏｓｙｓｔｅｍｓ−Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ Ｓｔｏｒａｇｅ ａｎｄ ｐｒｏｃｃｅｓｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２００５，１１，（６），４２４−４２８）。ＬＩＧＡ（Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｉｅ，Ｇａｌｖａｎｏｆｏｒｍｕｎｇ ｕｎｄ Ａｂｆｏｒｍｕｎｇ）に基づく手法は、三次元成形ポリマー鋳型に金属を溶着し、続いて取り出して、開放構造（開放気泡のハニカム配置など）を作り出すことにより、金属製の物体を作り出すことができる（Ａｒｉａｓ，Ｆ．；Ｏｌｉｖｅｒ，Ｓ．Ｒ．Ｊ．；Ｘｕ，Ｂ．；Ｈｏｌｍｌｉｎ，Ｒ．Ｅ．；Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ｇ．Ｍ．，Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｔａｌｌｉｃ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ ｕｓｉｎｇ ｓａｃｒｉｆｉｃｉａｌ ｐｏｌｙｍｅｒ ｍａｎｄｒｉｌｌｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２００１，１０，（１），１０７−１１２およびＨａｒｒｉｓ，Ｃ；Ｋｅｌｌｙ，Ｋ．；Ｗａｎｇ，Ｔ．；ＭｃＣａｎｄｌｅｓｓ，Ａ．；Ｍｏｔａｋｅｆ，Ｓ．，Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，ｍｏｄｅｌｉｎｇ，ａｎｄ ｔｅｓｔｉｎｇ ｏｆ ｍｉｃｒｏ−ｃｒｏｓｓ−ｆｌｏｗ ｈｅａｔ ｅｘｃｈａｎｇｅｒｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２００２，１１，（６），７２６−７３５）。しかし、ＬＩＧＡおよびその他の従来の射出成形手法は、高価な設備（金属金型を含む）および金などの金属を必要とするが、高圧（低圧粉末射出成形で３〜５ＭＰａ、他の手法ではさらに高い）は、冷却時に成形金属の望ましくない縮小をもたらす可能性がある（通常１５〜２２％）。
可撓性ディスプレイに対する関心の高まりは、ポリマー金属複合体およびその他の材料の開発を促してきた。これら最も従来のアプローチと複合物は、積層材料を作成する層ごとのアプローチを要し、ナノ粒子を用いる方法は、２００℃までの温度でのアニールを要する。
さらに、磁性構成要素がラボチップシステムに使用されてきた。磁石は、マイクロ流体ポンプ、ミキサー、およびバルブを形成し、マイクロ流体システムに統合されて、常磁性粒子を捕捉して運動させ（Ｄｅｎｇ，Ｔ．；Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ｇ，Ｍ．；Ｒａｄｈａｋｒｉｓｈｎａｎ，Ｍ．；Ｚａｂｏｗ，Ｇ．；Ｐｒｅｎｔｉｓｓ，Ｍ．Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｉｃｒｏｂｅａｄｓ ｉｎ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｓｏｆｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ．Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２００１，７８，１７７５−１７７７およびＬｅｅ，Ｃ．Ｓ．；Ｌｅｅ，Ｈ．；Ｗｅｓｔｅｒｖｅｌｔ，Ｒ．Ｍ．Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ．Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ，Ｌｅｔｔ．２００１，７９，３３０８−３３１０）、粒子の自己組織化を構造へと誘導してきた（Ｈａｙｅｓ，Ｍ．Ａ．；Ｐｏｉｓｏｎ，Ｎ．Ａ．；Ｇａｒｃｉａ，Ａ．Ａ．Ａｃｔｉｖｅ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ Ｄｙｎａｍｉｃ Ｓｕｐｒａｐａｒｔｉｃｌｅ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｉｎ Ｍｉｃｒｏｃｈａｎｎｅｌｓ．Ｌａｎｇｍｕｉｒ ２００１，１７，２８６６−２８７１）。磁界が有用であってよい、生物学的に関連した出願がいくつかあるが、これには例えば、免疫学的検定、ＤＮＡおよびＲＮＡハイブリダイゼーションの促進、タンパク消化、および生体分子の選別などが含まれる。細胞生物学では、磁石は全血から細胞を分離し、細胞からゲノムＤＮＡを抽出し、走磁性細菌を運動させるために使用される。マイクロ流体システムにおける磁石の利用は、近年検討されてきている（Ｐａｍｍｅ，Ｎ．Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ．Ｌａｂ Ｃｈｉｐ ２００６，６，２４−３８）。
電磁石は、電気信号を使用して、迅速にオン／オフを切り替えることができ、また磁場の強度が調整できるため、永久磁石に優るいくらかの利点がある。電磁石は、超常磁性ビーズの操作のためのマイクロ流体システムに含まれてきた。例えば、電磁石はニッケル−鉄コアの周囲の電気メッキ銅線により、マイクロ流体室を囲んで加工され、チャネル中の超常磁性ビーズの捕捉のために使用されてきた（Ａｈｎ，Ｃ．Ｈ．；Ａｌｌｅｎ，Ｍ．Ｇ．；Ｔｒｉｍｍｅｒ，Ｗ．；Ｊｕｎ，Ｙ．；Ｅｒｒａｍｉｌｌｉ，Ｓ．Ａ ｆｕｌｌｙ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｓｅｐａｒａｔｏｒ．Ｊ．Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈ．Ｓｙｓｔ．１９９６，５，１５１−１５８）。別の研究家は、電磁石とマイクロ流体工学を組み合わせるための他の方法を使用してきた（Ｄｅｎｇ，Ｔ．；Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ｇ，Ｍ．；Ｒａｄｈａｋｒｉｓｈｎａｎ，Ｍ．；Ｚａｂｏｗ，Ｇ．；Ｐｒｅｎｔｉｓｓ，Ｍ．Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｍｉｃｒｏｂｅａｄｓ ｉｎ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｍｉｃｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｙｓｔｅｍｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｗｉｔｈ ｓｏｆｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ．Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２００１，７８，１７７５−１７７７；Ｌｅｅ，Ｃ．Ｓ．；Ｌｅｅ，Ｈ．；Ｗｅｓｔｅｒｖｅｌｔ，Ｒ．Ｍ．Ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ．Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２００１，７９，３３０８−３３１０；Ｗｉｒｉｘ−Ｓｐｅｅｔｊｅｎｓ，Ｒ．；Ｆｙｅｎ，Ｗ．；Ｘｕ，Ｋ．；Ｄｅ Ｂｏｅｃｋ，Ｊ．；Ｂｏｒｇｈｓ，Ｇ．Ａ ｆｏｒｃｅ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｏｎ−ｃｈｉｐ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｐａｒｔｉｃｌｅ ｔｒａｎｓｐｏｒｔ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｒａｐｐｅｄ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｍａｇ．２００５，４１，４１２８−４１３３；Ｓｍｉｓｔｒｕｐ，Ｋ．；Ｈａｎｓｅｎ，Ｏ．；Ｂｒｕｕｓ，Ｈ．；Ｈａｎｓｅｎ，Ｍ．Ｆ．Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｓｅｐａｒａｔｉｏｎ ｉｎ ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｓｙｓｔｅｍｓ ｕｓｉｎｇ ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｓ−ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｓ．Ｊ Ｍａｇ．Ｍａｇ．Ｍａｔ．２００５，２９３，５９７−６０４）；Ｃｈｏｉ，Ｊ．；Ａｈｎ，Ｃ．Ｈ．；Ｂｈａｎｓａｌｉ，Ｓ．；Ｈｅｎｄｅｒｓｏｎ，Ｈ．Ｔ．Ａ ｎｅｗ ｍａｇｎｅｔｉｃ ｂｅａｄ−ｂａｓｅｄ，ｆｉｌｔｅｒｌｅｓｓ ｂｉｏ−ｓｅｐａｒａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｐｌａｎａｒ ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ ｓｕｒｆａｃｅｓ ｆｏｒ ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｂｉｏ−ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｓｅｎｓ．＆Ａｃｔ．Ｂ ２０００，Ｂ６８，３４−３９ ａｎｄ Ｌｅｅ，Ｈ．；Ｐｕｒｄｏｎ，Ａ．Ｍ．；Ｗｅｓｔｅｒｖｅｌｔ，Ｒ．Ｍ．Ｍａｎｉｐｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ｃｅｌｌｓ ｕｓｉｎｇ ａ ｍｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔ ｍａｔｒｉｘ．Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２００４，８５，１０６３−１０６５）。
これらの例は、一連の有用なデバイスと手法を説明しているが、伝導通路、回路、電磁石などを備える他の種類のマイクロ流体デバイスに対する必要性は存在する。
Ｓｃｈｌｅｓｉｎｇｅｒ，Ｍ．およびＭ．Ｐａｕｎｏｖｉｃ編，Ｍｏｄｅｒｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｐｌａｔｉｎｇ，Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ（２０００年）
ここに開示されるのは、さまざまマイクロ流体デバイス、およびかかるデバイスを金型として形成される、固体であり通常は導電性のデバイスである。一部の実施例では、形成されるデバイスは、１つ以上のマイクロ流体チャネルに存在する液体金属を固化することにより形成される伝導通路を備える（かかるデバイスは、以下「マイクロ固体」デバイスとする）。マイクロ流体構造における部位間での電気的接続の形成および／または再形成が可能なかかるデバイスの一部では、場合によっては、形成されるデバイス／回路は可撓性であってよく、および／または可撓性電気構成要素を伴ってよい。一部の実施例では、マイクロ流体チャネル（単一あるいは複数）に形成される固体金属線／伝導通路は、マイクロ流体構造内に含まれたままであってよい。一部のかかる実施例では、形成された伝導通路は、流動流体を運搬する構造の他のマイクロ流体チャネル（単一あるいは複数）の近接に位置して、それにより伝導通路が、流動流体および／またはそれに含まれる、またはそれにより運搬される構成要素と相互作用する、および／またはそれに作用するエネルギー（電磁および／または熱エネルギーなど）を産生できてよい。他の実施例では、マイクロ固体構造は、マイクロ流体の金型から取り外されて単独型構造を形成してよい。一部の実施例では、形成された固体金属構造は、構造への光エネルギー入射と相互作用してよく、あるいは軽量電極を加工するために使用されてもよい。発明の別の側面は、これらの導電通路／接続を含んでよい自己組織化構造の形成に関する。本発明の主題は、いくつかの例では、相関製品、特定の問題に対する代替的解決法、および／または１つ以上のシステムおよび／または項目の複数の異なる用途を伴う。
本発明の一部の側面は、マイクロ流体システムにおける導電通路を加工する方法を伴う。一部の実施例では、かかる方法は、少なくとも１つの実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルを備えるマイクロ流体システムを画定する構造を提供する行為を含む。方法は、実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルの少なくとも一部に液体金属を流入させる行為をさらに伴う。液体金属は、続いて実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネル内で、その融点よりも低い温度に冷却され、それにより金属を固化させる。固化金属は、マイクロ流体システム内に伝導通路を形成する。
かかる一部の実施例において、マイクロ流体システムを画定する構造は、第１の方向に沿って測定される層の長さと、第１の方向に垂直な第２の方向に沿って測定される層の幅と、第１および第２の両方向に垂直な第３の方向に沿って測定される層の厚さを有する層を含む。層の厚さは、層の幅未満であり、また層の長さ未満である。実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルは、層内に配置されるが、層の全厚を貫通および横断はしない。かかる一部の実施例では、実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルは、層の形態により画定される平面または局面に位置する。
方法を実施するための一部の実施例では、マイクロ流体チャネルの壁の少なくとも一部は、壁が液体金属によって、より容易に浸潤されることを可能とするよう処理される。かかる処理は、例えば壁の少なくとも一部を化学変化させることを含むことができる。この目的で、さまざまな材料を使用してよいが、例えば壁の一部は、例えば金、または半田などの低温溶融金属での湿潤を向上させることが可能なその他の金属での金属蒸着により、被覆されてよい。別の実施例では、アルカンチオールまたはシランなどの化学物質が使用されてよい。１つの特定の例では、マイクロ流体壁の少なくとも一部の湿潤を向上させるために処理するのに使用される化学物質は、３−メルカプトプロピルトリメトキシシランを備える。一部の実施例では、マイクロ流体チャネルの一定の部分は、そのように処理されず、それにより液体金属が、チャネル構造の一定の部分を優先的に、他の部分は除いて湿潤および充填してよい。
ここで使用される「マイクロ流体チャネル」は、少なくとも１つの約１ミリメートル未満の断面寸法を有するチャネルを指す。マイクロ流体チャネルは、一部の実施例では、少なくとも１つの約１００ミクロン未満の、別の実施例では約３０ミクロン未満の、別の実施例では約１０ミクロン未満の、さらに別の実施例では約３ミクロン未満の、さらに別の実施例では約１ミクロン未満の断面寸法を有する。一部の典型的な実施例では、マイクロ流体チャネルは、約１ミクロン〜約１００ミクロンの少なくとも１つの断面寸法を有することとなる。
方法の一部の実施例では、レジスタ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、電極、コンデンサ、インダクタ、集積回路チップなどの電気構成要素は、構造内に含まれてよく、また方法は、１つ以上のかかる電気製品と、マイクロ流体システム内の固化した液体金属の少なくとも一部との間での電気的接続の形成をさらに伴ってよい。
一部の実施例では、マイクロ流体システムは、液体金属の固化後に複数の伝導通路を提供する、複数の実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルを備えることができ、それにより複数の電気構成要素と複数の伝導通路との間に複数の電気的接続が形成されることで、電気回路デバイスが形成されてよい。かかる電気回路デバイスは、例えば、「ラボチップ」デバイス用の集積回路構成、変圧器、電磁石、アンテナ、コンピュータ、ラジオなどを備えることができる。かかる電気回路デバイスの一部では、本方法により形成される伝導通路は、マイクロ流体構造内に組み込まれたままであってよい。一部の例では、マイクロ流体システムを画定する構造は、例えばエラストマーなどのポリマー材料など、可撓材料から形成される。一部の実施例では、可撓性材料はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を備える。一部の例では、導電通路を成形するために使用されるマイクロ流体システムを備える構造は、電気的に絶縁していて、また任意で熱的にも絶縁している。
別の１組の実施例では、本発明は、マイクロ流体システムの第１の部位と第２の部位との間に、電気的接続を形成させる方法を伴う。一部の実施例では、かかる方法は、第１の部位に電気的に接続されていない第１の導電部位と第２の導電部位を少なくとも備える、マイクロ流体システムを画定する構造を提供する行為を含むが、第１の部位は導電金属を備える。方法は、導電金属を備える第１の部位を、金属の融点より高い温度に加熱し、それにより金属を液化させることをさらに備える。液体金属は次に、第２の導電部位の少なくとも一部に接触するように、マイクロ流体システム内で流動させられる。次に液体金属は、マイクロ流体システム内で、金属の融点より低い温度に冷却され、それにより金属を再固化する。
一部の実施例では、第１の導電部位と第２の導電部位のうち少なくとも１つは、半田または半田合金を備える。一部の実施例では、液体金属は、錫、インジウム、銀、鉛、ビスマス、カドミウム、亜鉛、およびアンチモンのうち１つ以上を備えてよい。一部の実施例では、金属は約９００℃未満、さらに別の実施例では約４００℃未満、さらに別の実施例では約１００℃未満、さらに別の実施例では約４０℃未満の融点を有することとなり、一部の例では、金属は約４０℃乃至約４００℃の融点を有することとなる。一部の実施例では、第一の導電部位は、マイクロ流体システムを画定する構造を加熱することにより、間接的に加熱されてよい。
一部の実施例では、第１および第２の導電部位のうち少なくとも１つは、電極に電気的に接続されている。本方法の一部のかかる実施例では、方法は、例えば電流を産生するために、第１および第２の導電部位に電位を付加することさらに含んでよい。
液体金属をマイクロ流体システム内で流動させるために、一部の実施例では、シリンジ、ポンプなどで液体金属を注入することにより、またはチャネルの流入口が液体金属源と流体連通する場合に、チャネルの流出口に真空を付加することにより産生されたりする圧力差が利用される。一部の実施例では、液体金属は、曲げる、ねじる、圧縮する、伸ばすなどして、構造の少なくとも一部を変形させることにより、マイクロ流体システム内で流動させられる。さらに別の実施例では、構造は、構造内での液体金属の流動を促進するために、超音波分解されてよい。
別の側面では、本発明はマイクロ流体構造を伴う。一部の実施例では、マイクロ流体構造は、第１のマイクロ流体チャネルを画定する第１の構造部、第２のマイクロ流体チャネルを画定する第２の構造部、約９００℃未満の融点を有する金属を備え、第１のマイクロ流体チャネルの少なくとも一部内に包含される第１の導電部位、約９００℃未満の融点を有する金属を備え、第２のマイクロ流体チャネルの少なくとも一部内に包含される第２の伝導部位、第１のマイクロ流体チャネルと電気的に接続される第１の電極、および第２のマイクロ流体チャネル電気的に接続される第２の電極を備える。さらに、構造は、第１の構造部が第２の構造部に接近した位置に移動できるよう構築および配置することができる。
さらに別の実施例では、本発明は、電気デバイスの自己組織化のための方法を提供する。一部のかかる方法は、第１の導電部位を備える電気デバイスの第１の構造部を提供すること、第２の導電部位を備える第２の構造部を提供すること、および互いに接触させるために、第１または第２の構造部のいずれも、第１および第２の部分の外部の装置に接触させずに、第１および第２の構造部を互いに対して移動するよう、また移動の過程中に、少なくとも第１の構造部が著しく変形する条件下で、第１と第２の導電部位の間に電気的接続を形成するよう誘導することを伴う。
別の１組の実施例では、構造要素を備える構成要素を提供することと、構造要素を備える構成要素を、第１の構造要素がより可撓性の状態にある条件下で、構成要素を第２の形状へと促すために、構成要素を外部装置に接触させずに、第１の形状から第２の形状へと著しく変形させることと、少なくとも部分的に構造要素によって、構成要素が第２の形状に維持されるよう、構造要素を第２の、より剛性の状態へと変換することとを含む、自己組織化構造を形成する方法が提供される。
電気デバイスの自己組織化の別の方法は、第１の導電部位を備える第１の構造部を提供することと、第２の導電部位を備える第２の構造部を提供することと、互いに接触させるために、第１または第２の部分のいずれも第１および第２の部分の外部の装置に接触させずに、移動の過程中に、少なくとも第１の構造部と第１の導電部位が著しく変形し、第１の導電部位は第１の、より可撓性の状態にある条件下で、第１および第２の構造部を第１の形態から、第１と第２の導電部位の間に電気的接続を画定する第２の形態へと、互いに対して移動させることとを含む。方法は、第１の導電部位を第２の形態における第２の、より剛性の状態に変換することをさらに伴う。
別の一連の実施例では、本発明は、第１の部位に電気的に接続されていない第１の導電部位と第２の導電部位であって、それぞれ金属を備える部位を備えるマイクロ流体チャネルを画定する構造を提供する行為と、導電部位の少なくとも一部を、金属の融点より高い温度に加熱する行為とを含む方法を伴う。一部のかかる実施例では、方法は、加熱された金属を流動させ、第１の導電部位と第２の導電部位との間に電気的接続を形成させることを含む。
さらに別の一連の実施例では、本発明は、液体金属を含まない実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルを画定する構造を提供することと、液体金属をチャネルの少なくとも一部に流入させる行為とを含む方法を伴う。一部の実施例では、方法は、液体金属をチャネルの少なくとも一部に流入させる行為のあとに、固体の導電通路を形成するために、液体金属を固化させる行為をさらに含む。一部の実施例では、構造は可撓性で、最初は、規定厚さと実質的に平面の形態を有する層の形状にあり、また方法は、提供する行為のあとに、層を実質的に非平面形態へと変形させる行為をさらに含む。一部の実施例では、層は金属がチャネルに流入される前に変形され、別の実施例では、層の変形は金属が固化されたあとにおこなわれる。一部のかかる実施例では、構造の変形は、構造をらせん状にねじって、例えばコークスクリュー型らせんなどにすることを伴う。
さらに別の一連の実施例では、本発明は、それぞれ約９００℃未満の融点を有する金属を包含する、第１の実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルおよび第２の実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルを画定する構造であって、第１および第２のチャネルは、互いに電気的に接続されていない構造を提供する行為と、第１および第２のチャネルを電気的に接続する行為とを含む方法を伴う。
本発明の別の側面は、少なくとも１つの導電通路を備えるデバイスを伴う。一部の実施例では、デバイスは、少なくとも１つのマイクロ流体チャネルを備えるマイクロ流体システムを画定する可撓性構造を備え、マイクロ流体チャネルの少なくとも一部の断面全体は、摂氏約９００度未満の融点を有する金属で充填されている。
別の側面では、本発明は、少なくとも１つの導電通路を備えるデバイスであって、少なくとも２つのマイクロ流体チャネルを備えるマイクロ流体システムを画定する構造を備えるデバイスを伴い、第１のマイクロ流体チャネルの少なくとも一部の断面全体は、摂氏約９００度未満の融点を有する金属で充填され、第２のマイクロ流体チャネルの少なくとも一部の断面全体は、液体金属ではない流動流体を含む。一部のかかる実施例では、第１のマイクロ流体チャネルは、実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルを備える。デバイスの一部の実施例では、第１のマイクロ流体チャネルは、第２のマイクロ流体チャネルに十分隣接して位置付けられ、それにより金属に電流を通したときに、第２のマイクロ流体チャネルにおける流動流体の特性、または流動流体に懸濁した粒子に実質的に作用することが可能な、電場および／または磁場および／または熱エネルギーが生成される。一部のかかる実施例では、第１のマイクロ流体チャネルは、第２のマイクロ流体チャネルに十分隣接して位置付けられ、それにより金属に電流を通したときに、流動流体に懸濁した粒子の軌道を変更することが可能な、電場および／または磁場が生成される。一部の実施例では、懸濁粒子は、磁性粒子、非磁性金属粒子、ポリマー粒子、生体細胞、または上記の混合物であってよい。
上述のデバイスの一部の実施例では、マイクロ流体システムを画定する構造は、確定された厚さを有し、形状が実質的に平面である層を備える。一部のかかる実施例では、第１のマイクロ流体チャネルおよび第２のマイクロ流体チャネルは、ともに構造の単一のレベル内に、また層と実質的に同一平面上にある平面と実質的に同一平面上にある平面内に位置する。一部のかかる実施例では、第１のマイクロ流体チャネルおよび第２のマイクロ流体チャネルは、それらの長さの相当の部分にわたり、互いに実質的に平行である。
一部の実施例では、本発明は、第一のマイクロ流体流路が、形態がらせん状であり、金属を包含する流路の少なくとも一部を形成する、デバイスを伴う。一部のかかる実施例では、第２のマイクロ流体チャネルの少なくとも一部は、このらせん状流路により境界を定められる。１つのかかる実施例では、マイクロ流体流路の少なくとも一部は、第２のマイクロ流体チャネルに十分隣接して位置付けられ、それにより金属に電流を流したときに、第２のマイクロ流体チャネルにおける流動流体を加熱することができる、十分な熱エネルギーが生成される。
さらに別の一連の実施例では、本発明は、少なくとも１つの導電通路を備えるデバイスを伴う。一部のかかる実施例では、デバイスは、画定された厚さを有し、実質的に平面の形態である層を備える構造を備える。この構造は、少なくとも２つのマイクロ流体チャネルを備えるマイクロ流体システムを画定し、第１のマイクロ流体チャネルの少なくとも一部の断面全体は金属を包含し、第２のマイクロ流体チャネルの少なくとも一部の断面全体は、液体金属ではない流動流体を包含する。第１のマイクロ流体チャネルおよび第２のマイクロ流体チャネルはともに、構造の単一レベル内に、また層と実質的に同一平面上にある平面と実質的に同一平面上にある平面内に位置する。
本発明のその他の利点と新規の特長は、以下の発明を実施するための最良の形態の、本発明のさまざまな限定されない実施例を添付図面と併せて検討することにより、明らかになるであろう。ここに引用する全参考文献は、特許、特許出願、あるいは公開技術文献に関わらず、参照により本開示に含まれる。本明細書と参照により含まれる文書とが、矛盾するおよび／または一貫性のない開示を含む場合、本明細書が統制するものとする。参照により含まれる２つ以上の文書が、お互いに対し矛盾するおよび／または一貫性のない開示を含む場合、より最新の有効なデータを有する文書が統制するものとする。
ここに開示されるのは、さまざまマイクロ流体デバイス、およびかかるデバイスを金型として形成される、固体であり通常は導電性のデバイスである。一部の実施例では、形成されるデバイスは、１つ以上のマイクロ流体チャネルに存在する液体金属を固化することにより形成される伝導通路を備える（かかるデバイスおよび構造は、以下「マイクロ固体」デバイスおよび構造とする）。マイクロ流体構造における部位間での電気的接続の形成および／または再形成が可能なかかるデバイスの一部では、時に、形成されるデバイス／回路は可撓性であってよく、および／または可撓性電気的、光学的、機械的などの構成要素を伴ってよい。
後述の例に説明されるように、マイクロ固体構造を形成するための本発明の手法は、２、３、またはそれ以上の平面レベルにおける可撓性または硬性の金属構造を加工して、比較的容易にまた安価に、さまざまな有用な構造および回路を作るために使用できる。一部の実施例では、過程は、マイクロ流体システムまたはネットワークにおけるマイクロ流体チャネルを加工することと、チャネルの全てまたは一定の部分を、溶融金属で充填し、その金属を冷却して金属を固化させ、それにより固体構造を形成することを伴う。後述のように、マイクロ流体チャネルおよびネットワークを形成するために、広範な材料および方法が使用されてよいが、一部の望ましい実施例では、ネットワークは硬化性ポリマー材料で加工されるが、これは一部の実施例では、エラストマー（ポリジメチルシロキサン−ＰＤＭＳなど）などのように、硬化されたときに可撓性であってよい。例えばＰＤＭＳを使用する場合、マイクロ流体構造は、後述の、当技術分野で周知のソフトリソグラフィ技術を用いて、比較的容易に形成することができる。かかる方法を利用して、複数のレベルに外形を有する複雑なマイクロ固体構造は、多層リソグラフィ（例として、米国特許第６，６４５，４３２号参照）を用いた手法により作成される多層マイクロ流体ネットワーク構造の使用により、加工することができる。あるいは、マイクロ流体ネットワーク構造を形成する材料が可撓性で、変形可能である実施例の場合、マイクロ流体構造をそのチャネルに挿入して、固化する前、最中、または後に変形することにより、三次元構造を加工することができる。かかる変形は、例えば、マイクロ流体構造を曲げる、ねじる、巻くなどを伴うことが可能である。液体金属が固化された実質的にあとに構造が変形される一部の実施例では、例えば一部の半田など、固体状態で、損傷を受けずに実質的に変形することができる液体金属を使用することが望ましい。例えば、一部のインジウム含有半田は、この特性を有する。
一部の実施例では、本発明に従って形成された固体構造は、さまざまな電気デバイスまたは構成要素の間に電気的相互接続を提供する複数の導電通路を提供することができるが、これは金属が充填されたチャネルを包含するマイクロ流体構造に関連付けられる、包含される、付着されるなどしてもよい。一部のかかる実施例では、構造は、例えば「ラボチップ」デバイスなどの複雑な可撓性回路と電子デバイス、例えば可撓性ラジオなどの可撓性電子デバイス、コンピュータ、変圧器、ヒータ、電磁デバイスなどを備えてもよい。
一部の実施例では、本発明は、それを通しての流体流動を可能とするよう構成することができる、チャネルおよび流路を包含するマイクロ流体ネットワーク構造における固体体導電通路を加工するための方法を提供する。一部のかかる実施例では、導電通路は、マイクロ流体ネットワーク構造のチャネルに包含される、またはその中を流動する流体のいくつかの特性、あるいはかかるデバイスのマイクロ流体チャネル内の流体中に含まれる、またはその中を流動する薬剤および粒子に作用することが可能であるよう、構成および配置することができる。例えば、下記の例１３で説明するように、本発明の一部の手法を用いて、マイクロ流体デバイス内のチャネルで流動する流体を加熱することが可能なコイルマイクロヒータを形成することができる。例１４で詳細を記載する別の実施例では、本発明の手法を使用して、マイクロ流体チャネルの流動する流れで懸濁した磁性粒子を捕捉、選別、方向転換などすることができる。実際、本発明の手法を用いて製造できる各種デバイスは、基本的に無制限である。決して包括的でなく、あるいは完全に代表するものでさえないが、以下に提示する例は、ここに開示される本発明の手法を用いて構築することができる各種デバイスのいくつかを説明している。例には、上述のコイルマイクロヒータおよび電磁石、また無線周波変圧器（例１２）および可撓性ＦＭラジオ（例１１）が含まれる。これらに加え、ここに開示される手法は、複雑な三次元アンテナ設計を非常に小スケールで形成するためにも使用できるが、これを従来の手法を用いて加工することは、困難あるいは非常に費用がかかる。
以下にさらに詳しく説明するように、一部の望ましい実施例、特にマイクロ流体ネットワークが、非常に高い温度に耐えることができないポリマー材料で構築される実施例では、伝導通路と固体構造を形成するために使用される金属は、半田または半田合金など、比較的低い溶融温度を有する、１つ以上の金属であってよい。一部のかかる実施例では、本発明に従って提供される導電通路、およびマイクロ流体構造の導電部位間の電気的接続は、選択的に形成されていても、形成されていなくてもよく、また損傷を受けた場合、「修復可能」であってよい。例えば、それぞれ低溶融温度金属を包含する２つの部位を含む、本発明によるマイクロ流体ネットワークが加熱されて、あるいはその代わりに、伝導性金属を包含する部位の１つの近接にある構造の一部が加熱されて、部位のうち少なくとも１つに包含される金属を溶融してよく、それにより金属は、１つ以上のマイクロ流体チャネルを通して流動することができ、または流動させられ、別の伝導部位に接触して電気的接続を形成する。このように、マイクロ流体ネットワークに包含される低溶融温度金属を溶融するのに十分な熱を、特定の位置で、特定の時間に、選択的に付与することにより、電気的接続を形成することができ、また特定の回路を作成または元に戻し、さまざまなリアルタイムでのデバイス全体の形態および性能の統制を提供することができる。例えば、これは後記の図１、２、例１、および例１０の状況において、さらに詳しく説明される。
電気的接続および回路を形成するために有用であるのに加え、本発明の方法は、別のさまざまなマイクロ固体構造を形成するためにも有用である。例えば、金属と半田は不透明で、通常は反射性であるため、本発明に従って作成されたマイクロ固体デバイスは、回折格子、干渉フィルター、またはその他の光学的構成要素としての機能を果たすよう、構成および使用することができる。例えば一部の実施例では、本発明の手法は、光学的目的で使用できる可撓性の格子やメッシュなどの加工に使用することができる。あるいは、かかる格子は、濾過応用で、あるいは高表面積、低質量の電極、または触媒基板の加工のためにも用途があってよい。後述の例５は、マイクロ流体構造におけるかかる格子の加工を説明している。
一部の実施例では、加工された微細構造を、マイクロ流体ネットワーク構造のチャネルに組み込まれたままにさせることは、特にかかる構造が可撓性である場合に有益であるが、本発明によると、固化金属構造を、金型構造として使用されるマイクロ流体ネットワークから取り出して、固体金属構造を形成することにより、独立した構造を作成することも可能である。かかる実施例では、構造はマイクロ流体ネットワークから、機械的に（例として、例７参照）、および／またはマイクロ流体構造に包含される、成形された固化金属構造を囲むマイクロ流体構造を溶解することができる化学物質を使用することによって、取り出されてよい（例として、例８参照）。一部の実施例では、成形された微細構造をマイクロ流体システムから取り出したあと、取り出された微細構造は、他の金属で被覆されてよい（例えば、電気メッキ、無電解メッキなどにより）。一部のかかる実施例では、被覆した後、微細構造は、マイクロ流体ネットワーク内に成形された低温金属の融点を超えるが、マイクロ流体ネットワークから解放された微細構造を被覆するために使用される金属の融点を超えない温度に加熱されてよい。かかる実施例では、低溶融温度金属要素は、微細構造に被覆された金属のみを備える、独立した中空金属構造を残して、取り出されてよい（例として、例９参照）。かかる手法は、軽量で高表面積の電極、またはその他の金、ニッケル、銅、またはその他の比較的高溶融温度の金属から作られる構造を形成するために有益となり得る。
ここに記載されるマイクロ流体ネットワーク構造は、従来のフォトリソグラフィ、マイクロアセンブリ、またはマイクロマシニングの方法、例えば、ステレオリソグラフィ法、レーザー化学三次元ライティング法、またはモジュール組み立て法により加工することが潜在的に可能であるが、以下にさらに詳しく説明するように、一部の実施例では、マイクロ流体ネットワーク構造は、後述の１つ以上のレベルの構造を備える個別層を作成するための、レプリカ成形手法を伴う過程により形成される。以下にさらに詳しく説明するように、かかる層は、構造のチャネルを作成するために、表面（単一あるいは複数）にさまざまな外形を有する金型マスターを使用して成形されてよい。いくつかの実施例では、外形はフォトリソグラフィ法により形成される、またはそれ自体がかかる表面の成形されたレプリカを備えることができる。
ここに記載される発明の方法を実施するために有用であってよい一部のマイクロ流体ネットワーク構造は、基本的に、硬化可能な液体の固化形状を備える固体材料を含むあらゆる材料から形成することができ、またいくつかの実施例では、構造は射出成形または鋳造成形することができる。硬化可能な液体は、ポリマー構造を作成するための成形時に硬化するよう、あるいは成形中に硬化するよう誘発することが可能な、ポリマーまたはポリマー前駆体を備えてよい。本発明を実施するための、マイクロ流体ネットワークを形成するために有用な一部のポリマー材料は、エラストマー材料を備えてよい。
一部の実施例では、本発明により提供されるマイクロ流体ネットワークは、ポリマー材料の少なくとも１つの別個の層から成り、また別の実施例では、ポリマー材料の少なくとも２、３、またはそれ以上の別個の層から成る。ここで使用される材料の「別個の層」または「層」とは、別々に形成された、マイクロ流体構造全体の副構成要素構造を指し、この層は、１、２、または３、あるいはそれ以上のレベルの、マイクロ流体構造のチャネルネットワーク全体を備える、および／または包含する。以下にさらに詳しく記載および図解するように、構造の別個の層は、ともに積み重ねて、三次元複数レベルネットワーク、または希望であれば複数の三次元ネットワークを形成することができるが、これはいくつかの実施例では、マイクロ流体構造の下方および上方レベルのチャネルを封入し、流体的に密閉するために、１つ以上の支持層または基板層の間に設置することもできる（例として、図４Ａ、４Ｂ、９、１０Ａ〜１０Ｅ、および例６参照）。
マイクロ流体ネットワーク構造を形成するために潜在的に有用な硬化可能な液体は、基本的に、固化するよう誘発され、または自発的に固化し、マイクロ流体ネットワーク構造の中でのあるいはそれを伴っての使用が意図された流体（溶融半田など）を包含し、また移送することが可能な固体になることができる、当業者に知られるあらゆる液体を備えてよい。一部の実施例では、硬化可能な液体は、ポリマー液、または液体ポリマー前駆体（「プレポリマー」）を備える。適切なポリマー液には、例えば、融点を超えて加熱された熱可塑性ポリマー、熱硬化性ポリマー、またはかかるポリマーの混合物、あるいは適切な溶媒との１つ以上のポリマー溶液含むことが可能であるが、この溶液は、例えば蒸発による溶媒の除去時に固体ポリマー材料を形成する。例えば溶融状態から、あるいは溶媒蒸発により、固化することができるかかるポリマー材料は、当業者には周知である。
一部の実施例では、硬化可能な液体は液体ポリマー前駆体を備える。硬化可能な液体がプレポリマー前駆体を備える場合、それは例えば熱の付加により、熱的に重合されて、固体ポリマー構造を形成することができ、あるいは別の実施例では、光重合することができる。フリーラジカル重合による硬化および固化もおこなうことができる。これらおよびその他の形式の重合は、当業者に知られており、必要以上の実験なしに、本発明の手法に適用可能である。カチオン、アニオン、共重合、連鎖共重合、架橋などを含む全ての種類の重合が使用可能で、基本的に、液体前駆体から形成可能なあらゆる種類のポリマーまたはコポリマーは、本発明に従って、硬化可能な液体を備えることができる。例となる、限定されない潜在的に適切なポリマーの一覧には、ポリウレタン、ポリアミド、ポリカーボネート、ポリアリレート、ポリアセチレン、およびポリジアセチレン、ポリホスファゼン、ポリシロキサン、ポリオレフィン、ポリエステル、ポリエーテル、ポリ（エーテルケトン）、ポリ（酸化アルカリ）、ポリ（エチレンテフタレート）、ポリ（メチルメタクリレート）、ポリスチレン、および誘導体、およびブロック、ランダム、放射状、線状、またはテレブロックコポリマー、タンパク性材料などの架橋可能材料、および／または上記の混和物が含まれる。ゲルは、金型マスターから取り出したときに、構造的完全性を維持するのに十分な寸法安定性のある場合に適切である。モノマーアルキルアクリレート、アルキルメタクリレート、αメチルスチレン、塩化ビニルおよびその他のハロゲン含有モノマー、無水マレイン酸、アクリル酸、アクリロニトリルなどから形成されるポリマーも適切である。モノマーは、単独で、または別のモノマーと混合して使用することができ、ホモポリマーおよびコポリマーを形成するために使用することができる。特定のポリマー、コポリマー、混和物、またはゲルは、容易に入手できる情報および定期テストと実験を用いて、当業者が選択し、さまざまな潜在的な応用のいずれのための特定の材料にも合わせることができる。液体金属がマイクロ流体チャネルに添加される実施例の場合に考慮すべき１つの要素は、マイクロ流体ネットワーク構造を形成するために使用されるポリマーは、溶融金属が構造のチャネルに添加される時の温度で、固体のままであり、また望ましくは化学的および寸法的に安定性があるべきである。
本発明のいくつかの実施例に従うと、硬化可能な液体は、硬化および固化時に弾性ポリマーを形成する、流体プレポリマー前駆体を備える。さまざまな弾性ポリマー材料が、かかる加工に適切である。限定されないかかるポリマーの例の一覧には、一般クラスのシリコンポリマー、エポキシポリマー、およびアクリレートポリマーが含まれる。エポキシポリマーは、一般にエポキシ基、１，２−エポキシド、またはオキシランと呼ばれる、三員環エーテル基の存在により特徴付けられる。芳香族アミン、トリアジン、および脂環式バックボーンをベースとした化合物の他に、例えば、ビスフェノールＡのジグリコール酸が使用できる。別の例は、周知のノボラックポリマーを含む。本発明による使用に適切なシリコンエラストマーの例には、メチルクロロシラン、エチルクロロシラン、フェニルクロロシランなどのクロロシランを含む前駆体から形成されるものが含まれる。望ましいシリコンエラストマーは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）である。例となるポリジメチルシロキサンポリマーには、Ｓｙｌｇａｒｄの商標で、ミシガン州ミッドランドのＤｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏ．から販売されているもの、特にＳｙｌｇａｒｄ １８２、Ｓｙｌｇａｒｄ １８４、およびＳｙｌｇａｒｄ １８６が含まれる
例えばＰＤＭＳなどのシリコンポリマーは、ここに記載のマイクロ流体ネットワーク構造の加工を容易にするいくつかの望ましい有益な特性を備えているため、本発明の一部の実施例での使用に望ましい。第一に、かかる材料は安価で、入手が簡単で、また熱による硬化によって、プレポリマー液から固化することができる。例えばＰＤＭＳは、通常、プレポリマー液を例えば１時間の曝露時間で、例えば約６５℃〜約７５℃の温度に曝露することにより、硬化可能である。第二に、ＰＤＭＳなどのシリコンポリマーは、エラストマー系であり、エラストマー材料から形成されるマイクロ流体ネットワークは、可撓性で適合性の構造を提供する利点を有することができ、また例えば統合型バルブおよびポンプ要素などの能動的要素を組み入れるために、より容易に加工することもでき、これらの要素は、その機能に材料の可撓性および弾性を利用することができる。
ＰＤＭＳなどのシリコンポリマーからマイクロ流体ネットワークを形成する利点は、かかるポリマーが、例えば空気プラズマなどの酸素含有プラズマへの曝露により、酸化される能力であり、それにより酸化構造はその表面に、別の親水性ポリマー表面、またはその他のさまざまなポリマーおよび非ポリマー材料の酸化表面に架橋することができる化学基を包含できる。そのため、ＰＤＭＳなどのシリコンポリマーを用いて作成されたマイクロ流体構造は、酸化可能であり、基本的に、別のシリコンポリマー表面、または親水性ポリマー表面と反応する他の基板の表面に対し不可逆的に密閉され、接着剤やその他の密閉手段を分離する必要がない。さらに、酸化シリコンポリマーから形成されたマイクロ流体構造は、酸化シリコンポリマーから形成された表面を有するチャネルを含むことができるが、この表面は、通常の弾性ポリマーよりもずっと親水性であり、また本発明の一部の実施例を実行する際に有用な一部のシランなどの一部の表面処理剤と、さらによく反応する。かかる親水性チャネル表面は、そのため、通常の酸化されていない弾性ポリマー、またはその他の疎水性材料から成る構造と較べ、より容易に水溶液で充填および湿潤することができる。
それ自体に対し不可逆的に密閉可能であることに加え、酸化ＰＤＭＳは、それ自体のほかに、ＰＤＭＳ表面と同じような方法（例えば、酸素含有プラズマへの曝露によって）で酸化された、例えばガラス、シリコン、酸化ケイ素、石英、窒化ケイ素、ポリエチレン、ポリスチレン、ガラス状炭素、およびエポキシポリマーを含む一連の酸化材料に対し、不可逆的に密閉されることも可能である。本発明の状況で有用な酸化および密閉方法は、以下に、また参照により本開示に含まれる、Ｄｕｆｆｙらによる、Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ ａｎｄ Ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ，Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ（Ｖｏｌ．７０、４７４〜４８０ページ、１９９８年）に、さらに詳しく記載されている。
一部の実施例では、本発明は、半田などの液体金属をマイクロ流体チャネルに注入し、金属を冷却、固化させることにより、三次元における（１、２、３、またはそれ以上の平面レベル）、複雑な金属微細構造を加工する方法を提供する。加工後、一部の実施例では、金属構造は破損されることなく、屈曲される、曲げられる、またはねじられる。この加工方法は、本文書では「マイクロ固体」とも称され、一部の実施例では、成形可能／硬化性ポリマー（ポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）など）でマイクロ流体チャネルを加工する既知の方法、特に単一および複数レベル／多層ＰＤＭＳマイクロ流体ネットワークを加工するための方法を利用する。以下にさらに詳しく説明するように、一部の実施例では、マイクロ流体ネットワークのチャネルは、適当な界面化学を使用して、金属−ポリマー界面の界面自由エネルギーを制御するよう処理される。本発明のアプローチは、一部の実施例において、回路、複雑な組み込み型または独立型３−Ｄ金属微細構造、３−Ｄ電子構成要素、およびハイブリッド電子−マイクロ流体デバイスの間に可撓性の電子回路または接続を設立することを可能とする。
一部の実施例では、本発明は、ＰＤＭＳから作られたマイクロ流体チャネルのネットワークに、溶融半田を注入することにより、三次元において金属微細構造を加工するための手法を提供する（図５参照）。この手法は、例えば、直径５０μｍ、厚さ１０μｍ〜１ｍｍなどの、非常に小さい断面寸法を有する金属構造を加工することを可能とする。１組の実施例では（例５参照）、発明の手順は、少なくとも以下の５つのステップを含む。（ｉ）ソフトリソグラフィおよびラピッドプロトタイピングの手法を用いて、ＰＤＭＳマイクロ流体ネットワーク構造におけるマイクロ流体チャネルの加工、（ｉｉ）自由表面エネルギーを減少させ、金属に対してより湿潤可能とするための、１つ以上のマイクロチャネルの少なくとも一部の内面の酸化と被覆（例えば、蒸着金属、アルカンチオールまたは３−メルカプトプロピルトリメトキシシランなどのシランによる）、（ｉｉｉ）チャネルに金属を引き込むための、圧力注入、ポンピング、または真空付加による、溶融半田のチャネルへの導入（表面処理されたチャネルの壁は、液体半田でより迅速に湿潤させられるが、未加工のチャネルの壁は湿潤されないことがあり、それにより構造に隙間を残す）、（ｉｖ）固体金属微細構造を形成するためのチャネルの冷却、および（ｖ）マイクロ流体ネットワーク構造を曲げる、ねじる、巻くなどすることによる、チャネルの半田充填システムの非平面形態（希望であれば）への形成（形状を修正するこの手法は、金属がＰＤＭＳの比較的薄い（５０〜２００ミクロン）層に包まれている場合に、特にうまく機能する）。ＰＤＭＳの層に包まれた金属構造を備えることの有利な特徴は、構造を曲げることなどに起因する、金属構造のいかなる破損および欠陥も、半田合金の溶融温度より高い温度に加熱し、冷却することによって修理されてよいことである。希望であれば、ＰＤＭＳマトリックスは、例えばフッ化テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡＦ）などの適切な溶媒によって、いつでも溶解することができ、電気メッキやその他の手法によりさらに変更してよい独立型三次元金属構造をもたらすことができる（例７〜９参照）。
金属微細構造を加工するこの発明の方法は、迅速で、簡単で、再現性があり、また最低限の設備しか必要としない。通常、金属が剛性基板上で層ごとにパターン形成される、従来の典型的なマイクロ加工手法（蒸発または電気メッキ）とは違い、本発明のマイクロ固体構造で使用される金属は、シングルステップで、例えば可撓性ＰＤＭＳ金型に組み込まれた、マイクロ流体チャネルのネットワークに注入されてよい。この過程は、他の方法を使用すると、作成するのが難しいあるいは時間がかかるような構造を加工することを可能とできる。本発明に従って加工することができるマイクロ固体構造の例となる、限定されない一覧には、平面金属構造、三次元で破損せずに、曲げたり、ねじったり、輪にしたり、結んだり、巻いたり、編んだりできる、可撓性マイクロ流体ネットワーク、またバスケットウィーブパターンあるいはマイクロ流体チャネルの周囲に巻かれたコイルなど、三次元で複数レベルの形態を有する、可撓性マイクロ流体ネットワークに組み込まれた複雑な金属構造が含まれる（図４Ａおよび４Ｂ、および例６参照）。かかる複雑な構造は、例えば電子技術に用途がある。例えば、例の項目で詳細が開示されるのは、本発明に従って加工された、ＰＤＭＳに組み込まれたいくつかの電子デバイスであるが、これは可撓性ＦＭラジオ、無線周波変圧器、マイクロ流体チャネル用コイルヒータ、および常磁性粒子を捕捉、解放、方向転換するための電磁石である。本発明の数多くの可能性のいくつかを示すほんの一例として、８ピンＤＩＰ過程、またはレジスタ、コンデンサ、外部９Ｖバッテリ、および外部ヘッドフォンを備えるＦＭラジオを加工することが可能である。デバイスの接続線は、ここに記載の手順によると、マイクロ流体チャネルに注入された金属半田から成る。ラジオは、曲げること、ねじることが可能で、なお８７．９ＦＭから１０７．９ＦＭまでのＦＭラジオ局を受信し、増幅することに成功する。
一部の実施例では、線／伝導通路の断面積を修正することにより、材料の形状を操作した後に、組み込まれた線／伝導通路の最終形状を制御することも可能である。線／伝導通路の機械的特性は、線／伝導通路またはマイクロ流体チャネルに注入される金属合金の組成物を囲むマイクロ流体の金型構造を備える材料の厚みを増加させることによって操作してもよい。
本発明により提供される手法は、一部の例では、通常の従来技術のマイクロ加工法に優る一定の利点を提供することができる。例えば、本発明の半田微細構造は、加工が簡単で、またすでに通常、従来のマイクロ流体システムのラピッドプロトタイピングに使用されている以外に、最低限の設備（例えば、加熱板およびシリンジ／ポンプ／真空源）しか必要としない。さらに、本発明の半田微細構造は、迅速に加工することができる。例えば、ＰＤＭＳ金型の加熱、液体半田のマイクロ流体チャネルへの注入、および構造の２５℃への冷却の過程は、構造の大きさにより、５分未満要してよい。また、本発明の一部の実施例では、マイクロ流体チャネルおよび金属外形は、１つのみのリソグラフマスクを使用して加工することができる。マイクロ固体構造の形状は、任意とすることができ、リソグラフィにより画定される。さらに、本発明の手法は、一部の実施例で、例えば、線、電極、および電磁石などの、マイクロ流体チャネル近接（例えば、＜１０μｍ、＜５μｍ、＜３μｍ、＜２μｍ、または＜１μｍ）の金属構造の、一部の実施例ではシングルステップでの、加工を可能とする。前述のように、本発明の金属マイクロ固体構造は、例えば、マイクロ流体チャネル内を流動する液体を加熱するため、および／または電気または磁場を生成するためなど、多くの目的で使用してよい。マイクロ流体の金型構造を形成するために、絶縁材が使用される一部の実施例では、導電通路は、絶縁材（ＰＤＭＳなど）の薄層によって、形成され、マイクロ流体チャネルから絶縁される。
さらに本発明の手法は、一部の実施例では、平滑面への金属構造パターン形成に限定されない。一部の実施例では、本発明の手法を用いて、高価なメッキ溶液、ＬＩＧＡ用の設備、または加工のための長い蒸発ステップを必要とせずに、１０〜１００ミクロンの厚さの金属構造が可能である。一部の実施例では、本発明の手法を用いて作成された金属線は、有利に、高い導電率（例えば、銀の伝導率の≧２０％）を有することができる。また、半田などの低溶融温度金属を使用する場合、本発明のマイクロ固体構造は、「修復」することができる。つまりデバイス中の半田は、半田線の連続にある、あらゆるヒビまたは欠陥を修理するために、再溶融およびリフローされてよい。本発明の一部の実施例では、本発明の手法は、典型的な従来の技術の方法を用いると作成が難しい、あるいは時間がかかる複雑な形態を備える、複数レベル／多層金属構造を加工することを可能とする。一部の実施例では、本発明のマイクロ固体構造における金属は、マイクロ流体チャネルの加工後、シングルステップで成形される。例えば一部の実施例では、金属外形は、複数の層を横断することができ（１〜＞１６（例６および図１０Ｃ参照））、また厚さ≦１０μｍ〜＞１００μｍに加工できる。一部の実施例では、例えば、金属の厚み、金属を囲むマイクロ流体の金型構造の厚みおよび／または組成物、および／またはチャネルに注入される金属の特性のうち１つ以上を操作することにより、その形状を維持する構造になるよう、例えば、曲げられた／ねじられた／巻かれた可撓性構造を使用することにより、三次元位相／方向性を備える可撓性金属線を加工できるよう、単一層構造を操作することが可能である。
本発明の一部の実施例は、マイクロ流体ネットワークに組み込まれた複雑な三次元金属線と微細構造、および複雑な独立型金属微細構造を作成するための新しいアプローチを提供する。かかる線および微細構造は、可撓性電子回路、三次元電子構成要素、およびハイブリッド電子−マイクロ流体デバイスを作成するために使用できる。本発明の手法のさまざまな応用には、無線周波またはマイクロ波アンテナ、あるいはアンテナの配列、可撓性または微小バッテリ用の陽極、微小または軽量バッテリの触媒表面、磁場発生器、３Ｄマイクロシステムにおける光を制御するための材料、ワイヤボンディングを伴わずに作成される集積回路を含むことができるが、これらに限定されない。
ハイブリッド電子／マイクロ流体構造を加工するための、本発明の１つの特定の応用は、電磁石システムの加工を伴う。この応用は、以下の例１４により詳しく記載され、例となるデバイスは図１４〜１８に図解される。一部の実施例では、マイクロ流体チャネル隣接（例えば≦１０μｍの距離）のマイクロ流体ネットワークにおけるミクロンスケールの寸法の電磁石を加工するための簡単な方法を提供する。線に電流を通すことにより、マイクロ流体チャネル近接に磁場および傾斜磁場が生成されてよい。一部の実施例では、本発明の一部の実施例のマイクロ固体電磁石は、近接するマイクロ流体チャネルの流れにした超常磁性ビーズ、またはその他の磁性粒子を迅速に（例えば、＜１秒）捕捉および解放する（図１８Ａ〜１８Ｃ）。電磁石のいくつかは、チャネルを通して２つのマイクロ流体チャネルのうち１つに流入する、例えば超常磁性ビーズなどの粒子の懸濁を、分岐点で選別するためにも使用してよい（図１８Ｅ〜１８Ｇ）。本発明の電磁石デバイスは、近接のマイクロ流体チャネルに磁場および傾斜磁場を生成するために、デバイスの線に電流が通されるときに、これらの磁場および傾斜磁場が、線における電流の方向に対して実質的に直角であるように、構築および構成することができる（図１６参照）。磁場および傾斜磁場の強度は、線を通る電流量を調整することにより制御されてよい。
マイクロ流体チャネルの近くに電磁石を加工する本発明の方法は、迅速で、簡単で、再現性があり、また最低限の設備を要することができる。流体と電磁石のためのチャネルは、単一平面に、シングルステップで、有利に加工することも可能である。さらに、このアプローチは、リソグラフィ用の１つのマスクを使用して、マイクロ流体システムにおける複数の電磁石を加工できるようにするため、アラインメントは必要ない。本発明の手法は、シリコンマイクロマシニングの必要なく、電磁石を作成することができる。
本発明の手法を用いて作られた電磁石は、永久磁石と違い、一部の実施例では、電気スイッチを用いてオン／オフすることができる。電磁石を通る電流は、さまざまな波形をとることができ、それにより複雑な時間依存性を備える磁場を生成する。
本発明に従って作成できる電磁石は、一部の実施例では、＞４０００μｍ２の断面積を有してよく、＞１Ａの電流および＞２２ｋＡ／ｃｍ２の電流密度に耐えることができる。これらの特徴は、電磁石近接のマイクロ流体チャネルにおいて、＞２．８ｍＴの磁場と＞４０Ｔ／ｍの傾斜磁場を生成することができる。これらの傾斜磁場は、＞３ｐＮの超常磁性ビーズに力を及ぼす。
本発明の電磁石システムは、マイクロシステムに、マイクロ流体工学と統合機能のための新しい構成要素を、応用物理学者に、マイクロシステムにおいて電気的に制御可能な磁場を生成するための手段を、化学者と生物工学研究者に、マイクロシステムにおいて、電磁ビーズまたは粒子を施された生体分子および／または細胞により官能基化されたビーズを操作する手段を提供してよい。例となる一連の応用の１つでは、本発明の電磁石システムは、細胞を表面に接触させるため、あるいは官能基化されたビーズを官能基化されたマイクロ流体チャネルの壁に接触させることにより、ビーズの表面上で反応を実施するために使用することができる。
一部の実施例では、単一のマイクロ流体デバイスにおいて、複数の電磁石を構築し、いくつかの局所磁場を生成することができる。各電磁石は、独立した電気信号を使用して、独立して活性化してよい。磁場を生成するほかに、マイクロ流体チャネルを加熱し、マイクロ流体チャネルにわたって電場を付加するために、電磁石を使用することも可能である。
本発明の１つの側面は、互いに電気的に接続していない、第１および第２の導電部位を備えるマイクロ流体チャネルを提供するが、導電部位は、例えば金属を備えてよく、第１の伝導部位の金属は溶融されていてよく、液体金属はチャネルを流れ、第２の伝導部位との電気的接続を形成することができる。１組の実施例では、金属は半田を備え、マイクロ流体チャネルは、例えばポリ（ジメチルシロキサン）（ＰＤＭＳ）などの可撓性材料を備える。
本発明の別の側面は、構成要素間における接続の形成に関するが、これらの接続は、自己組織化過程により形成することができる。１組の実施例では、金属線を備える可撓性構成要素は、金属線を溶融するために加熱することができ、構成要素をさらに操作して、操作前とは異なる構造または形状、またはその他の要素の構成を有する構造を形成してよいが、線を含む構成要素は、冷却されてよく、三次元電気回路を形成するために使用できる。
本発明の１つの側面は、例えば図１に図解される実施例に示されるように、マイクロ流体システムなどの構造の第１の部位と第２の部位との間に、電気的接続を形成させるよう構成されるシステムと方法を提供する。図１Ａでは、流体デバイス１−１が図解されるが、これは、例えばマイクロ流体デバイスであってよい。デバイス１−１は、ＰＤＭＳなどの１つ以上のポリマー材料１−１００から形成することができる。他の適切な材料はすでに説明したが、下記にも記載する。図１Ａに示される実施例では、デバイス１−１は、２つの略平面構成要素、または層１−１０５と１−１１０から形成されて示されるが、別の実施例では、デバイス１−１は、材料のより多くのあるいは少ない層から形成することができる。デバイス１−１内には、ポート１−２と１−３があり、これは例えば、流入口および／または流出口であってよい。ポート１−２と１−３は、マイクロ流体チャネル１−１１を通して流体連通している。図１Ａに示される実施例では、ポート１−２と１−３は、単一のチャネル１−１１を介して接続されている。図解される実施例では、実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルに備えられる、チャネル１−１１は、構造の単一レベル内、また層１−１０５および１−１１０と（長手方向軸を一致させて）実質的に同一平面上にある平面と実質的に同一平面上にある平面内に位置すると定義される、実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルを備える。別の実施例では、デバイス１−１は、ポート１−２と１−３のほかに追加のポートを含んでよく、および／または追加のマイクロ流体チャネルを含んでよいが、これらはそれぞれ、マイクロ流体チャネル１−１１と流体連通してよく、および／またはマイクロ流体チャネル１−１１から独立していてもよい。別の配置では、ポートが提供されず、１つ以上のチャネルのみが提供される。
図１Ａに示されるように、マイクロ流体チャネル１−１１は、第１の導電部位１−５および第２の導電部位１−１５を含む。図示されるように、これらの導電部位は、互いに電気的に接続していない（伝導部位はそのように形成することができ、または接続を遮断あるいは分離した結果としてのものでもよい）。導電部位１−５と１−１５のうち１つまたは両方は、金属などの導電材料を含むことができる。いくつかの例では、以下に詳しく説明するように、材料は比較的低い融点を有する。例えば、第１の導電部位１−５は低融点半田１−１０を備え、第２の導電部位１−１５は低融点半田１−２０を備えてよい。
さらに図１Ａに図解されているのは、熱源１−５０である。熱源１−５０は、以下に詳しく説明するように、例えば加熱要素、加熱ランプ、光などであり、熱源１−５０は、マイクロ流体チャネル１−１１および／またはチャネルの内容物の全体、あるいは一部のみを加熱するよう位置付けられてよい。図１Ａに示されるように、熱源１−５０は、導電部位１−５の少なくとも一部を加熱することができるよう位置づけられている。部位１−５における半田１−１０の一部は、半田の融点より高い温度に加熱することができ、それにより、半田１−１２の一部を液化させることができる（図１Ｂ）。液体半田は、第２の導電部位１−１５の少なくとも一部に接触し、第２の導電部位との電気的接続１−６０を形成するよう、マイクロ流体システム内を流動することができる（図１Ｃ）。電気的接続は、金属１−１０と１−２０のうち１つまたは両方が液体であるときに、形成されてよい。しかしながら、マイクロ流体システム内で、液体半田を半田の融点より低い温度に冷却して、それにより半田を再固化し、第１と第２の導電部位間に固体の電気的接続１−６０を形成することができる。
いくつかの例では、電気的接続の再形成は、続くステップでおこなうことができる。例えば、図１Ｃの第１の導電部位１−５と第２の導電部位１−１５の間のものと類似の電気的接続１−６０が遮断された場合、遮断された接続の近くに熱が付加され、第１または第２の導電部位の金属を溶融し、電気的接続１−６０を再形成してよい。この過程は、希望であれば繰り返すことができる。
電気的接続の形成および／または再形成は、本発明に従って自動化されてよい。例えば一部の実施例では、マイクロ流体ネットワークは、互いに電気連通し、チャネル（単一または複数）に沿った異なる部位でポリマーに組み込まれた、１つ以上のセンサ（図示しない）と加熱要素を含んでよい。センサおよび加熱要素は、チャネルの金属と負のフィードバックループを設立してよい。例えばセンサは、センサが位置付けられたチャネルの部位内における金属の不在を検知し、１つ以上の加熱要素に信号を送り、加熱要素（単一または複数）に、チャネルのその部位に局所的に熱を供給させてよい。加熱要素（単一または複数）からの熱は、その部位の半田を溶融させ、チャネルを流動させ（図１Ｂ）、それによりチャネルを充填し、センサからの信号を停止してよい。
本発明の別の実施例では、電気構成要素を介して構造内の２つの導電部位を接続させる方法が、例えば図２に示されるように、開示されている。この特定の例では、デバイス２−１はマイクロ流体構造２−１００を備えるが、これはポリマーまたはその他の材料とすることができ、またこれは第１の実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネル２−５と、最初は第１のチャネルと電気的に接続していない第２の実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネル２−５０を備える（図２Ａ）。図２Ａに図解されるように、第１のチャネルは、第１の流入口２−１０、第１の流入口付近の第１の電極２−１５、および第１の終点２−２０（これは流出口となり得る）を有してよい。第２のチャネル２−５０は、第２の流入口２−５５、第２の流入口付近の第２の電極２−６０、および第２の終点または流出口２−６５を有してよい。図２Ｂに示されるように、第１のチャネル２−５は、第１の導電金属２−３０で充填されるが、これは第１の電極２−１５と電気的に接続されている。第２のチャネル２−５０は、第２の導電金属２−７０で充填されるが、これは金属２−３０と同じもの、または異なるものとできる。図２Ｃでは、ＬＥＤなどの電気構成要素２−２００は、第１のチャネル２−５の第１の流出口２−２０と、第２のチャネル２−５０の第２の流出口２−６５との間に、例えば２つの流出口を橋渡しすることにより、位置づけることができる。電気構成要素２−２００は、例えば以下のように、第１の導電金属２−３０と第２の導電金属２−７０との間に電気的接続を形成するために、使用することができる。デバイスの外部または内部のあらゆるエネルギー源であることができる熱源２−３００は、後述の電気的接続を形成するのに十分なエネルギーをシステムに付加するよう位置付けられてよく（例えば、流出口２−２０と２−６５付近に位置付けられる）、また、これらの部位に熱を供給して、流出口２−２０と２−６５の導電金属を溶融してよい。液体金属は、次にＬＥＤに接触して、第１の導電金属２−３０と第２の導電金属２−７０の間のデバイスとの電気的接続を設立してよい。もちろん、これらは第１の導電金属２−３０と第２の導電金属２−７０との間の別の電気的接続であることも可能である。例えば、第１の電極２−１５と第２の電極２−６０は、電圧源２−９０への接続を介して、互いに電気的に接続することができる。
本発明の別の実施例では、マイクロ流体システム内に金属を備える電子接続を加工するための方法が、例えば図３に示されるように説明される。この方法は、マイクロ流体システムを画定する構造３−１を提供する行為を含む。いくつかの例では、マイクロ流体システムは、実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネル３−５を備える。マイクロ流体システムは、例えば、ＰＤＭＳ３−１００に組み込まれたマイクロ流体チャネル３−５とするができる。マイクロ流体チャネルは、ポート３−２と３−３を有することができ、これは流入口および／または流出口であってよく、液体をチャネル３−５の内外へと流動させる。マイクロ流体チャネル３−５は、部分的または実質的に金属で充填することができ、あるいは図３Ａに示されるように、マイクロ流体チャネル３−５は、金属を含まなくてもよい。マイクロ流体チャネル３−５０の壁は、図３Ｂに示すように、金属をチャネル３−５に添加する前に、任意で、化学物質３−７０の層をチャネルの壁に沈着させるなどの過程により処理される。この過程は、さらに詳細を以下に述べるが、チャネルをより容易に湿潤できるようにし、チャネルの自発的な撥水なしに、液体金属３−８０などの液体をチャネルに流入させる。いくつかの例では、液体金属は、チャネル３−５を部分的に充填するのみ、あるいは図３Ｃに図解されるように、液体金属３−８０は、チャネル３−５の断面および全長の全体を充填する。
もちろん、上述のものの代替となる配置は、本発明の要旨に含まれる。例えば、本発明は、それ自体は、流入口または流出口を備えるチャネルを有さないが、それ以外は、遮断され、上述のように再形成された、あるいは上述のように形成されたマイクロ流体構造を通して導電通路を画定するシステムの状況で適用することができる。例えば、電気リードは、構造内に組み込まれ、上述のように導電通路を介して互いに接続されてよい。
本発明の別の側面では、金属は、溶融したときにチャネルに流入できるように位置付けられてよい。例えば、第１の電極と第２の電極は、それぞれ実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルと電気連通してよい。金属は、溶融したときにチャネルに流入できるように位置付けられ、溶融したときに第１の電極と第２の電極との双方に接触してよい。金属は、溶融されたときに、あるいはデバイスを操作する行為と連動して溶融されたときに、希望のチャネルに流入できるよう、チャネルの近くのいかなる場所に位置付けられてもよい。
１つの実施例では、固体半田の塊は、溶融したときにチャネルに流入できるよう、例えばマイクロ流体チャネルの流入口付近などの位置に定められてよい。半田は、例えば、加熱要素を使用して、半田の融点より高い温度が付加されるように、半田付近の部分に局所的に熱を付加するなどして、熱を付加することにより、実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルの少なくとも一部に流入させてよい。液体半田は、毛管力によって、あるいはチャネルへの圧力または真空の付加によって、あるいはその他の手段によって、チャネルを充填してよい。液体半田は、チャネルに侵入したあとのいかなる時点でも、実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネル内で、金属の融点より低い温度に冷却して、それにより金属を固化させてよい。続いて半田を再溶融および／または再冷却するステップも実施されてよい。
別の実施例では、デバイスは、第２のチャネルおよび第３のチャネルと流体連通する第１のチャネルを備えるマイクロ流体システムを備えてよい。第２のチャネルは、第１の流出口と、第１の流出口に定められた第１の電極を備えてよい。第３のチャネルは、第２の流出口と、第２の流出口に定められた第２の電極を備えてよい。金属は、第１のチャネルに包含されてよい。加熱要素を使用して、金属の融点より高い温度の熱を付加し、金属を第２のチャネルおよび第３のチャネル内に溶融させてよい。第２および第３のチャネルの金属は、第１の電極および第２の電極と電気的接続を形成してよい。電極は、デバイス内の電気回路を完成させてよい。
別の実施例では、バルブまたはバリアによりチャネルから分離されているチャネル近接の室に位置付けられてよい。デバイスを操作する行為には、室とチャネルとの間に流体連通を設立するための、バルブの回転またはバリアを溶融させるための熱の付加を含んでよい。
本発明の別の側面は、電気デバイスの自己組織化の方法を提供する。自己組織化デバイスは、「自己組織化」の過程により形成されたデバイスであり、ここでは、１つの実体の少なくとも２つの部位（または複数の実体を代表する少なくとも２つの部位）が、１つの実体（または複数の実体）のいかなる部位も、１つの実体（または複数の実体）外部の装置に物理的に接触することなく、互いに対して移動でき、また互いに接触できる構造集合に対する、１つの実体（または複数の実体）の複数の部位の関連であると定義される。自発的関連である自己組織化の例は、以下に記載する。
１つの実施例では、自己組織化電気デバイスの形成には、第１の導電部位を備える第１の構造部を提供する行為と、第２の導電部位を備える第２の構造部を提供する行為とが含まれる。導電部位は、上記に定義されるように、導電金属を含んでよく、また線、伝導パッド、電極などを含んでもよい。第１および第２の構造部は、互いに接触させるために、第１および第２の部分が、第１または第２の部分のいずれかに物理的に接触するための外部装置を必要としない任意の方法により、第１の形態から第２の形態へと互いに対して移動させられる場合、自発的に関連する。第１および第２の構造部は、一体、つまり単一の構造の２つの部分であることができ、あるいは互いに接続されることができ、または自己組織化前には分離した、接続されていない構成要素であることもできる。第２の自発的関連形態は、いくつかの例では、第１および第２の導電部位の間の電気的接続を画定する。
例えば、第１および第２の構造部それぞれが磁気要素を備える場合、第１および第２の部分の磁気要素に互いを誘引させるために、磁場を形成する外部装置を適用してよい。第１および第２の部分の磁気要素の引力は、第１および第２の部分を互いに接触させる。この過程は、第１および第２の部分を接触させるために、部分の一方または両方と物理的に接触する装置ではなく、磁場が使用されていることから、自発的関連の例である。自発的関連の別の例には、毛管力、ファン・デル・ワールス力、静電気力、親水性／疎水性力などによる誘引が含まれる。第１および第２の部分は、少なくとも第１の構造部および第１の導電部位が、移動の過程中に著しく変形する条件下で、またいくつかの実施例では、第１の、より可撓性の状態にある第１の導電部位が、第２の形態における、第２の、より剛性の状態へと変換する（またはその逆）条件下で、自発的に関連してよい。変形の例には、曲げる、伸ばす、収縮させる、膨張させるなどが含まれる。この文脈において「著しい変形」とは、人間の肉眼で、または顕微鏡を使って、人間が容易に確認できる変形を意味する。例えば、構造部の１つの部位の著しい変形は、例えば、最初は線形の部分の少なくとも１つの部分が、最初は線形の部分の別の部分と、少なくとも２o、５o、１０o、１５o、２０o、３０oの角度、あるいはそれ以上の角度を画定するような、本来は線形の部分の変形を伴ってよい。あるいは、部位の著しい変形は、少なくとも１つの区域が、人間の肉眼で容易に確認できる形で、例えば少なくとも２％、５％、１０％、１５％、２０％、またはそれ以上の量で伸長または短縮されるような、湾曲、伸張または伸長、あるいは収縮または圧縮の誘導を伴うことができる。いくつかの例では、第１の導電部位は、例えば第１の状態における液体を第２の状態における固体に変えるなど、相を変化させ、部位を第１の状態において第２の状態よりもさらに可撓性にする。
ここで、本発明に対する理解を助けるであろう、さまざまな定義を提示する。以下は、これらの定義が組み入れられた、追加の側面および実施例を含むさらなる開示であり、これは本発明をさらに完全に説明するであろう。ここで使用される「マイクロ流体チャネルシステム」とは、少なくとも１つの１ミリメートル（ｍｍ）より小さい断面寸法を有する、少なくとも１つのチャネルを含むデバイス、装置、またはシステムを指す。
ここで使用される「非流体的に相互接続された」流体流路とは、１つのチャネルまたは複数の流体的に相互接続されたチャネルをそれぞれ備え、異なる流路のチャネルは交差せず、また構造内で物理的に互いから隔離されていて、そのため流体の流れのバルク混合によって、お互いの間で流体を連通することができない流体流路を指す。
ここで使用される「流体流路」とは、マイクロ流体構造内に、流体または固化された流体を包含することができる、あるいはそれを通して流体が連続して流動できる空間を提供する、１つのチャネルまたは一連の２つ以上の相互接続されたチャネルを指す。構造の各流体流路は、マイクロ流体構造の外部環境と流体連通して設置できる少なくとも１つの開口を含んでよく、また流体流路のいくつかの実施例は、マイクロ流体構造の外部環境と流体連通して設置できる少なくとも２つの開口を含み、それにより流入口と流出口を提供してよい。
ここで使用される「チャネル」とは、流路または流路の連続した区分を指すが、これはマイクロ流体ネットワーク構造の１つ以上のレベル内に配置される、および／またはマイクロ流体ネットワーク構造の１つ以上のレベルを貫通する。ここで使用される「相互接続されたチャネル」とは、お互いの間でまたはお互いを通して、流体を連通することができる、構造内の２つ以上のチャネルを指す。ここで使用される「実質的に閉鎖された」チャネルとは、実質的に閉鎖されたチャネルが、流入口、流出口、露出した接触部位などを含むことを除いては、壁（単一または複数）により実質的に包含され、境界を定められたあらゆる流体路を指す。ここで使用される「非線形」流路および／またはチャネルとは、チャネルまたは流路の最小断面寸法と同じ大きさ以上、その長さに沿って直線から逸れる長手方向軸を有するような、流路またはチャネルを指す。ここで使用される、チャネルまたは流路の「長手方向軸」とは、かかるチャネルまたは流路全長に沿って配置された軸を指し、これは、チャネルまたは流路が、そこを通る流体流動のために構成されている場合、かかるチャネルまたは流路を流れるであろう、あらゆるバルク流体の方向の幾何学的中心線と同延であり、またそれにより画定される。例えば、線形または「直線」チャネルは、本来は線形である長手方向軸を有する傾向があるが、流体的に相互接続された、一連のかかる直線チャネルを備える流体流路は、流体流路を形成する個々の相互接続されたチャネルの、相互接続された長手方向軸を備える、長手方向軸有することができるが、これは「非線形」である。マイクロ流体構造の１つのレベルまたは複数のレベル、あるいは層「内に位置する」または「内に配置された」、「に配置された」、「内に包含された」、または「に包含された」チャネルとは、ここでは、それが位置する、または配置される、あるいは包含されるレベル（単一または複数）／層（単一または複数）と同一平面上にある、あるいは曲面に画定されるレベル／層の場合には、その表面の外形に沿って位置する長手方向軸を有するようなチャネルを指す。構造の１つのレベル／層または複数のレベル／層を「貫く」、「貫通する」、または「横断する」チャネルとは、ここでは、かかるチャネルの長手方向軸がそのレベル内に配置することができるあらゆる線と非平行であるように、レベル（単一または複数）／層（単一または複数）と同一平面上にない、あるいは曲面に画定されるレベルの場合には、その表面の外形に沿って位置しない長手方向軸を有するようなチャネルを指す。
ここで使用される「複数レベルマイクロ流体ネットワーク」または「複数レベルマイクロ流体ネットワーク構造」とは、固化されていてもよい流体を包含し、および／またはそれを通しての流体流動を提供することが可能な構造を指すが、これは少なくとも３つのチャネルを含み、さらに多く含んでもよく、さらに構造は、３つのチャネルの配置された長手方向軸を包含する平面または曲面が１つも存在しないよう、お互いに対して配置された、少なくとも３つのチャネルを含む。かかる複数レベルマイクロ流体ネットワークは、その構造の三次元性により、例えばｘ、ｙ、およびｚ方向の空間の構成要素それぞれに沿って並べられた長手方向軸（チャネル内のバルク流体流動の方向と平行に並べられたチャネルの軸中心線と定義される）を有する構造内にチャネルを提供することが可能である。かかる構造は、図４Ａ、４Ｂ、９、１０Ａ〜１０Ｆ、および１３Ａに図解される。複数レベルネットワークに配置されたチャネルを有するマイクロ流体構造を作成する能力は、システムが、その中に、１つ以上の独立した流体流路を提供する複数のチャネルを含むことを可能にするが、ここでは構造のチャネルが、構造内でお互いの上および／または下を横切ることができるため、チャネルと流路を任意に複雑な形態のネットワークに配列できる。
複数レベルマイクロ流体ネットワークが、平面投影におけるそれらの交点でのチャネルの交差を避けるために、通常、構造内には少なくとも３つの識別可能な「レベル」が提供される。これは、「上位」レベルの「下」を横切るチャネルが配置され包含する「下位」レベルと、最下位レベルに包含されるチャネルの「上」を横切るチャネルが配置され包含する「上位」レベルと、下位および上位レベルのチャネルを隔離し、一連の相互接続されたチャネルから成る流体流路を形成するために、下位レベルのチャネルと上位レベルのチャネルとを流体的に接続する、貫通する接続チャネルを包含する中間レベルである。「下位」および「上位」という用語は、この文脈では、構造の各種レベルの相対位置のみを示唆することが意図され、空間における構造の特定のいかなる方向性も意味するよう意図されていない。例えば構造は、空間において反転、回転などが可能で、それにより「下位」レベルが「上位」レベルの上に位置づけられたり、またはレベルは並んで位置付けられたりする。可撓性構造を伴うさらに別の実施例では、構造をねじる、または曲げることができ、それにより平面のレベルを空間を介した曲面に変形させることによって、構造の「上位」および「下位」レベルは、構造全体における異なる位置で、お互いに対して異なって位置づけられてよい。任意に複雑なチャネルネットワークを備えるマイクロ流体ネットワークを形成するために、通常さらなるレベルは必要ない。これは、構造内のチャネルに、お互いの上下を横切らせ、それにより構造内の「横切っている」チャネルの物理的交差なしに、空間を介してお互いに横切らせるために、投影における三重以上の点は必要ないからである。複数レベルマイクロ流体ネットワーク、およびそれらの加工方法についてのさらなる説明は、米国特許第６，６４５，４３２号に詳細に開示されているが、これは参照により、本開示に含まれる。
ここで使用される、構造の「レベル」とは、通常は構造の上面および底面と平行である、構造内の平面あるいは曲面を指すが、これはそこに配置された、および／またはそれを貫通するチャネルまたは一連のチャネルを有することが可能である。説明と図において、マイクロ流体ネットワーク構造は、構造内のレベルが平面であるように、しばしば平面の面を有して示されるが、構造の多くは、図解される平面状態から、曲げる、ねじる、または歪めるなどできる可撓性および／またはエラストマー材料から加工されていることは理解されるべきである。かかる実施例の場合、構造内の「レベル」は、構造の歪められた平面と平行な曲面を有することとなり、また構造の「レベル」に関する、本文書におけるあらゆる説明は、かかる曲面および図解されている平面を含むものと理解されるべきである。空間を介した２つの面の位相を比較する文脈では、「平行」は、お互いから等距離で相隔てられて場所を問わず存在する２つの面を指す、通常の数学的意味を有する。
本発明の構造またはデバイスは、上述のように、流入口および／または流出口などの、１つまたは複数のポートも含むが、これは流体を受容および／または供給することができ、また構造またはデバイス内で、１つ以上のチャネルを流体的に接続できる。１つの実施例では、電極などの導電部位は、流入口および／または流出口を通して伸びることが可能である。別の例では、流入口および／または流出口は、上記の組み合わせ、あるいは上記全てを備えてよい。基本的に、デバイスは、１つ以上の導電部位および／または構成要素と流体連通することができる、１から数十または数百のどの数の流入口および／または流出口を有してもよい。
本発明のさまざまな実施例で有用なマイクロ流体チャネルシステムは、１つ以上のチャネルまたは流体流路、および／または一連のチャネルを備えることができるが、これらのうちいくつか、あるいは全ては閉鎖されることが可能で、またチャネルのうちいくつか、あるいは全ては、相互接続されていてよい。チャネルは、構造の１つ以上のレベルと同じ略平面内に位置してよく、および／または交差する平面に位置することもできる。流路は直線である必要はなく、湾曲経路、ジグザグ経路、またはその他の経路などの非線形経路をたどることができる。チャネルは、いくつかの例では約１ミリメートル（ｍｍ）より小さい、また別の例では、約５００ミクロンより小さい、約３００ミクロンより小さい、約１００ミクロンより小さい、約５０ミクロンより小さい、約３０ミクロンより小さい、約１０ミクロンより小さい、約３ミクロンより小さい、または約１ミクロンより小さい、少なくとも１つの断面寸法を有してよい。一部の例では、１つ以上のチャネルは、約１ミクロン乃至約１００ミクロンの少なくとも１つの断面寸法を有する。各チャネルの形状、アスペクト比、および／または断面寸法は、流体および用途により異なることは理解されるべきである。チャネルは、例えば、正方形チャネル、円形チャネル、曲線形チャネル、長方形チャネル（あらゆるアスペクト比を有するものなど）、三角形チャネル、不規則なチャネルなど、流体移送を可能とする適切なあらゆる断面形状を有することができる。例えば１つの実施例では、層の厚さが層の幅より小さく、また層の長さよりも小さい、長さ、幅、および厚さを有する少なくとも１つの層を備えるマイクロ流体チャネルシステムは、その幅より大きい厚さを有する高く狭いチャネルを含む（例えば、厚さ約８０ミクロン、幅約５０ミクロンを有するチャネル）。同様に、一部の実施例では、かかるマイクロ流体チャネルシステムは、その長さより大きい厚さおよび／または幅を有する少なくとも１つのチャネルを含んでよい。もちろん、チャネルの数、チャネルの形状または外形、およびシステム内でのチャネルの配置は、当業者が判断することができる。マイクロ流体チャネルシステムは、当業者に知られるあらゆる方法で加工してよい。例には、成形、エンボス加工、ラピッドプロトタイピング、マスキング手法、またはその組み合わせが含まれるが、これらに限定されない。例えば、マイクロ流体チャネルシステムは、米国特許第６，７１９，８６８；６，６４５，４３２号、および６，６８６，１８４号に記載される方法（これらは参照により全体として本開示に含まれる）に従って構築することができる。マイクロ流体チャネルを加工する方法は、以下の例にもさらに詳しく記載されている。
上述のように、本発明のいくつかの構造またはデバイスは、構造の第１のレベル内に配置される少なくとも１つの第１のチャネルと、構造の第２のレベル内に配置される少なくとも１つの第２のチャネルとを含むことができるマイクロ流体ネットワークを採用する。マイクロ流体ネットワークは、前述のように、当業者に知られるいかなる方法で加工されてもよい。１つの特定の実施例では、１つを超えるレベルに配置されるマイクロ流体チャネルを備えるデバイスは、上述のように自己組織化によって形成することができる。
図４ａは、本発明に従って三次元マイクロ固体構造を成形するために有用となることが可能な、基本的に無限数の複数レベルマイクロ流体ネットワーク構造の、例となる１つの実施例を図解している。マイクロ流体ネットワーク構造１００は、７つの非流体的に相互接続された流体流路を提供する一連の相互接続されたチャネルを含む。チャネルは、「バスケットウィーブ」配置に配置されている。図解されるように、チャネルシステム１００は、平面内でｙ−ｚ軸平面と平行に配列された、３つの非流体的に相互接続された流体流路１０２、１０４、および１０６、平面内でｘ−ｚ軸平面と平行に配列された、４つの非流体的に相互接続された流路１０８、１１０、１１２、および１１４を含む。構造の各流体流路は、一連の相互接続されたチャネルを備える（例えば、流体流路１０２は、相互接続されたチャネル１１３、１２４、１２６、１１６、１１８、１２０、１２８、１２２、および１２３を、構造１００内に備える）。図解される実施例では、流路１０２、１０４、および１０６は、複数レベル三次元マイクロ固体線を形成するよう固化された液体金属で充填されている。
例えば、流路１０２は、構造１００の第１の、下位レベル内に配置された２つのチャネル１１６と１２２、および構造の第２の、上位レベル内に配置された２つのチャネル１２０と１２４を含む。流路１０２は、構造の第３の、中間レベルを横断し、構造の第１の、下位レベルと第２の、上位レベルに包含されるチャネルを相互接続する、多数の接続チャネル、例えば１１８、１２６、および１２８も含む。構造１００に提供されるマイクロ流体ネットワークは、単一の平面内に配置される一連の相互接続されたチャネルを備える２次元構造、あるいはかかる構造のいかなる積み重ねまたは配列によっても作成することができない。言い換えると、ネットワーク１００は、構造の第２の、上位レベル内に配置されたチャネルと非平行である構造の第１の、下位レベル内に配置されたチャネルを含む（例えば、流体流路１０２のチャネル１１６と流体流路１１０のチャネル１３０）。
マイクロ流体ネットワーク１００の流体流路１０２は、底面１３４と流体連通する流入開口１３６、および上面１３２と流体連通する流出開口１３８を通して、外部環境と連通している。ネットワークの他の流体流路は、図解されるように、類似の流入および流出開口を有する。
本発明により提供されるマイクロ流体ネットワークのチャネルは、約ｌｍｍを超えない、別の実施例では約５００μｍを超えない、別の実施例では約２５０μｍを超えない、さらに別の実施例では約１００μｍを超えない、別の実施例では約５０μｍを超えない、別の実施例では約２０μｍを超えない、別の実施例では約１０μｍを超えない、別の実施例では約５μｍを超えない、そしてされに別の実施例では約１μｍを超えない、少なくとも１つの断面寸法を有する。上記の文脈で使用されるとき、「断面寸法」とは、チャネルの長手方向軸と直角に取ったチャネルの断面の、最も小さい断面寸法を指す。一部の実施例では、チャネルの少なくともいくつかは、例えば、少なくとも約１０、５０、１００、５００、１０００、５０００、または１０，０００倍以上、実質的にその最小断面寸法を超える長さを有することとなる。ネットワーク１００のチャネルは、基本的に互いに同等の断面寸法を有するが、別の実施例では、チャネルは同等でない断面寸法を有することが可能であり、またいくつかのチャネルは、図解されるように単一のレベルのみに配置されるのではなく、構造の２つあるいは３つ全てのレベルに配置される十分な大きさを、構造内に有することが可能である。さらに、ネットワーク１００では、チャネルは直線で線形であるが、別の実施例では、チャネルは、それが配置されたレベル（１つまたは複数）内で、湾曲していることが可能である。
図４Ｂは、本発明に従って、コイルヒータ成形マイクロ固体構造を形成するのに有用な、複数レベルマイクロ流体構造の１つの実施例を図解しているが、これは長手方向軸がそれぞれのレベルと同一平面上となるよう配置されたチャネルを有する３つのレベルを含み、合計では５つのレベルを含む。構造２２０は、第２の流体流路２２４を囲むコイルとして配置された流体流路２２２を備える、マイクロ流体ネットワークを含む。かかる配置は、例えば、流体流路２２２と２２４内に包含される構成要素間の、熱移動または物質移動を伴う特定のマイクロ流体の用途に、あるいはそれぞれの流路における材料間の電気的、磁気的、光学的、またはその他の環境相互作用が希望される実施例に対して、特に有用であってよい。図解される実施例では、コイル状の流路２２２は、複数レベル三次元マイクロ固体線コイルを形成するために、固化された液体金属で充填されている。
構造２２０の第１の、下位レベルは、そこに配置されたコイル流路２２２のチャネル２２６、２２８、２３０、および２３２を含む。構造２２０の底部から２番目のレベルは、それを通して配置される、流体流路２２２の接続チャネル２３６、２３８、２４０、２４２、２４４、２４６、および２４８の、最下部位２３４を含む。構造２２０の底部から３番目のレベルは、そこに配置される流体流路２２４のチャネル２５０を含み、また接続チャネルの中間部位２５１も含む。構造２２０の底部から４番目のレベルは、それを通して横断する、接続チャネルの上方部位２５２を含み、構造２２０の最上レベルは、そこに配置される、流路２２２のチャネル２５４、２５６、２５８および２６０を含む。
チャネルを支持するのに有用な構造は、本発明により適切な、いかなる形状または材料を備えてもよい。例えば、構造は、ブロック、膜、管などの形状を成すことができる。本発明の１つの実施例では、ポリマー構造が使用される。別の実施例では、可撓性構造が使用される。さらに別の実施例では、エラストマー構造を備える、マイクロ流体チャネルシステムが使用される。１つの特定の実施例では、エラストマー構造は、ＰＤＭＳを備える。いくつかの例では、構造は、熱的または電気的に絶縁する材料を備える。別の例では、構造は、例えば導電材料と接触したとき、導電材料を溶融するために構造に熱が付加されたとき、および／または導電材料に電流が付加されたとき、実質的に溶融しない、分解しない、またはその形状を変形させない、熱的に安定した材料を備える。構造は、これらの特性の組み合わせ、あるいは全てを有する材料も備えてよい。
マイクロ流体チャネルやチャネルなどのチャネルを１つ以上備える構造には、導電金属などのチャネル内を流動する材料と、チャネルの壁との間の界面の表面自由エネルギーを最小限にするために、物理的および／または化学的にパターンを形成してよい。本開示において、ここでは導電金属がチャネル内の材料として記載されているが、他の材料での代用が可能であり、またこの項目は単に説明の目的であることを理解されたい。チャネルの壁は、導電金属をチャネル内におよび／またはチャネルを通して流動させる、またチャネルの自発的な撥水を防いでよいあらゆる手法を用いて、パターンを形成することができる。いくつかの例では、かかる手法は、構造の壁に、構造の化学組成とは異なる、１つ以上の化学物質を沈着させることを伴うことが可能である。チャネルの壁の化学的または物理的特性を変化させる手法も採用することができる。チャネルで流動させる金属の化学的および／または物理的特性、およびチャネルの壁の化学的および／または物理的特性により、チャネルを湿潤させる異なる化学物質および／または方法が使用できることに注意されたい。例えば、１つの実施例では、ＰＤＭＳを備える構造のマイクロ流体チャネルは、オクタデカンチオールのエタノール溶液などの、アルカンチオールの溶液をチャネルに流入させることにより変更され、それによりチャネルの壁にアルカンチオールの層を沈着させる。アルカンチオールは、採用される手法により、チャネルの壁に共有結合または物理吸着することができる。チャネルを十分に被覆するあらゆる化学物質は、使用してよい。アルカンチオールは、チャネルに沿って連続的に沈着させることも、あるいはチャネルの離散した部分に非連続的に沈着させることもできる。同様に、アルカンチオールの代わりに、あるいは追加として、一部の実施例では、金などの金属薄層をチャネルの表面に沈着させてよい。一部の望ましい実施例では、表面は３−メルカプトプロピルトリメトキシシランなどのシランで被覆される（例３および図６参照）。
金属を優先的に湿潤させる部位は、ここでは「湿潤部位」とし、金属を優先的に湿潤させない部位は「非湿潤部位」とする。第１の化学物質が第２の化学物質よりも優先的に金属を湿潤させるように、１つ以上の化学物質をチャネルに沈着させてもよい。これらの化学物質は、チャネルの一定の部分が、チャネルの他の部分よりも金属をより優先的に湿潤させるよう、沈着されてよい。
上述のように、本発明の１つの実施例では、導電材料は、本発明の構造のチャネルに提供でき、また一定の条件下では流動でき、別の条件下では固体である材料として選択することができる。例えば、第１の、高い方の温度では流動し、第２の低い方の温度では固体状態で存在する材料がある。いくつかの実施例では、この材料は室温では固体であるが、容易に到達できる上昇温度で液体となる金属（「低融点」金属）を備える。ここで使用される「低融点」金属とは、摂氏約３０度（℃）乃至摂氏約９００度（℃）の融点を有する金属を指し、いくつかの例では、低融点金属は、摂氏約３０度（℃）乃至摂氏約７００度（℃）の融点を有してよく、別の例では、金属は、摂氏約３０度（℃）乃至摂氏約５００度（℃）の融点を有することができ、いくつかの例では、金属は、摂氏約３０度（℃）乃至摂氏約４００度（℃）の融点を有することができ、いくつかの例では、金属は、摂氏約３０度（℃）乃至摂氏約３３０度（℃）の融点を有してよく、またいくつかの例では、金属は、摂氏約５０度（℃）乃至摂氏約２００度（℃）の融点を有してよい。別の実施例では、導電金属は、第１の金属が液体形状のとき、第１の金属の少なくとも一部が、マイクロ流体チャネルシステム内の流体流路の少なくとも一部で流動できる限り、低融点金属である第１の金属と、低融点金属ではない第２の金属を備えてよい。
いくつかの例では、導電金属は、半田または半田合金などの低融点金属を備える。例えば、１つの実施例では、低融点金属はインジウム（Ｉｎ）、錫（Ｓｎ）、銀（Ａｇ）、鉛（Ｐｂ）、ビスマス（Ｂｉ）、カドミウム（Ｃｄ）、亜鉛（Ｚｎ）、またはアンチモン（Ｓｂ）のうち１つを備えることができる。別の実施例では、低融点金属は、上述の金属のうち２つ以上の組み合わせを備えてよい。例えば金属は、錫とインジウム；インジウムと銀；錫、鉛と銀；錫と銀；錫と鉛；およびインジウムと鉛の限定されない金属の組み合わせを、あらゆる組成割合で備えてよい。半田の例には、例えば、５０％Ｓｎ／５０％Ｐｂ、６０％Ｓｎ／４０％Ｐｂなどの、錫と鉛のさまざまな合金などの半田が含まれるが、これらに限定されない。別の半田は、錫および／または鉛に加えて、例えばビスマス、カドミウム、錫、インジウム、亜鉛、アンチモン、銅、銀、金など、他の金属を含んでよい。半田の限定されない具体例には、４５％Ｂｉ／２３％Ｐｂ／８％Ｓｎ／５％Ｃｄ／１９％Ｉｎ（融点約４７℃）、５０％Ｂｉ／２５％Ｐｂ／１２．５％Ｓｎ／１２．５％Ｃｄ（融点約７０℃）、４８％Ｓｎ／５２％Ｉｎ（融点約１１８℃）、４２％Ｓｎ／５８％Ｂｉ（融点約１３８℃）、６３％Ｓｎ／３７％Ｐｂ（融点約１８３℃）、９１％Ｓｎ／９％Ｚｎ（融点約１９９℃）、９３．５％Ｓｎ／３％Ｓｂ／２％Ｂｉ／１．５％Ｃｕ（融点約２１８℃）、９５．５％Ｓｎ／３．５％Ａｇ／１％Ｚｎ（融点約２１８℃〜約２２１℃）、９９．３％Ｓｎ／０．７％Ｃｕ（融点約２２７℃）、９５％Ｓｎ／５％Ｓｂ（融点約２３２℃〜２４０℃）、６５％Ｓｎ／２５％Ａｇ／１０％Ｓｂ（融点約２３３℃）、９７％Ｓｎ／２％Ｃｕ／０．８％Ｓｂ／０．２％Ａｇ（融点約２２６℃〜２２８℃）、７７．２％Ｓｎ／２０％Ｉｎ／２．８％Ａｇ（融点約１８７℃）、８４．５％Ｓｎ／７．５％Ｂｉ／５％Ｃｕ／２％Ａｇ（融点約２１２℃）、８１％Ｓｎ／９％Ｚｎ／１０％Ｉｎ（融点約１７８℃）、９６．２％Ｓｎ／２．５％Ａｇ／０．８％Ｃｕ／０．５％Ｓｂ（融点約２１５℃）、９３．６％Ｓｎ／４．７％Ａｇ／１．７％Ｃｕ（融点約２１７℃）、またはＬＭＡ−１１７（融点約４５℃）が含まれる。一部の望ましい半田組成物は、以下の表２に記載される。低融点金属は、マイクロ流体チャネルで流動できる適切な溶融温度を有するよう、例えば融点や共晶特性などの知識により、当業者が選定してよい。
従って、導電材料は、本発明の過程における一定の時間において、液体形状で存在することができる。ここで使用される「液体」は、流動することができ、また液体状態（固体または気体でない）にある材料、および粒子および／または固体状態にあってよいが、流動が可能な粒子を含むことができる特性により定義される。例えば金属が使用される場合、固体金属のバルクの融点を超える温度がその金属に付加されるとき、あるいは熱が金属の一部のみに付加されるとき、金属の全てまたは一部のみは溶融してよいが、粒子、粒団、不純物、金属内の他の構成要素、または金属のその他の部分のいくらかは付加される温度よりも高い融点を有してよく、固体状態に留まることができる。導電金属の少なくとも一部が、マイクロ流体チャネルの少なくとも一部で流動できる限り、導電金属は、「液体」であるとみなしてよく、本発明に従って使用してよい。
マイクロ流体チャネルシステム内の、金属などの導電材料は、導電部位を少なくとも部分的に画定して良い。いくつかの例では、導線として機能する金属は、導電部位を画定してよい。別の実施例では、マイクロ流体チャネルシステムは、少なくとも第１の導電部位と、第１の部位と電気的に接続する第２の導電部位とを備える。２つの部位のうち、少なくとも第１の部位は、いくつかの例では、低融点金属を備える。第２の導電部位は、第１の部位の金属と同じまたは異なる低融点金属を備えることができる。あるいは第２の伝導部位は、非低融点金属を備えることができる。導電、非低融点金属の限定されない例としては、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、金（Ａｕ）、ニッケル（Ｎｉ）などが含まれる。別の実施例では、マイクロ流体チャネルシステムは、部位のうち少なくとも１つは低融点金属を備える、複数の導電部位を備えることができる。例えば、チャネルは、そのうち少なくとも１つは低融点金属を備える、３つまたは４つの導電部位を備えてよい。別の実施例では、チャネルは、そのうち少なくとも１つは低融点金属を備える、５つまたは６つの導電部位を備えてよい。別の実施例では、チャネルは、そのうち少なくとも１つは低融点金属を備える、数十、数百、あるいは数千もの導電部位を備えてよい。
「電気的接続」を有する２つの導電部位とは、電流量が著しく低下することなく、第１の部位から第２の部位に電流を通すことができることを意味する（２つの導電部位の高い方の抵抗と比較して、ごくわずかだけ追加された抵抗を有する）。従って、第２の導電部位と電気的に接続されていない第１の導電部位の場合、第１の電流は第１の部位内を流れることができ、第２の電流は第２の部位内を流れることができるが、第１の部位から第２の部位には、電流は流れることができない。
いくつかの例では、電気的接続は、第１の導電部位における低融点金属の少なくとも一部を溶融することにより、導電部位間に形成することができ、金属は流動し、低融点金属を備えても、備えなくてもよい第２の導電部位に接触してよい。例えば液体金属などの流体を流動させる方法は、以下に説明する。第１および第２の導電部位の接触時に、第１および第２の導電部位間に電気的接続が形成される。いくつかの実施例では、導電部位はマイクロ流体チャネルシステム内に存在する。第１の導電部位の少なくとも一部は、第２の導電部位の少なくとも一部との電気的接続を形成することができる。つまり、２つの部位間に電気的接続を形成するために、チャネルの全断面が、必ずしも導電金属で充填される必要はない。例えば、金属が電気的接続を形成するとき、チャネルにおいて、金属はさまざまな形状および／または形態を有することができるが、例えば金属はチャネルの一部の少なくとも断面のみを充填してよい。別の例では、金属は流動して、チャネルの形状に一致してよい。いくつかの例では、金属は、チャネルまたはチャネルの一部内に、例えば表面張力を使用するなど（金属が凸または凹メニスカスなどのメニスカス内で、チャネル内に維持されるように）、何らかの手段で、維持または閉じ込められてよい。別の例では、金属は、チャネルが一部のみ充填されるように、例えばチャネルの１つの壁に沿ってなど、チャネルの一部のみに沿って連続して流動することができる。金属は、いかなる程度にもチャネルを充填することができる。例えば、金属は、チャネルの容積の５０％を超えて、７０％を超えて、または９０％を超えて充填されるように、実質的にチャネルを充填してよい。金属は、チャネルを完全に充填することさえできる。別の例では、金属は、チャネルの容積の５０％未満、３０％未満、または１０％未満が充填されるように、チャネルの一部のみを充填してよい。
例えば、湿潤剤などの化学物質が、チャネルの離散した部分または区分に沈着される場合、金属は化学物質を備えるそれらの区分を優先的に湿潤させてよく、それによりチャネルに金属の栓を形成する。それにより、チャネルに例えば、金属／非金属／金属／非金属の区分が形成されてよい。これは、チャネル内に明確な導電部位を形成する方法であってよい。第１の化学物質が、第２の化学物質よりも優先的に金属を湿潤させるように、１つ以上の化学物質をチャネルに沈着させてもよい。これらの化学物質は、チャネルの一定の部分が、チャネルの他の部分よりも優先的に金属を湿潤させるよう、沈着されてよい。例えば、第１の化学物質は、「Ｙ」型の形状で、流路の分岐点および第１の部位に沿って沈着されてよく、第２の化学物質は、チャネルの分岐点および第２の部位に沿って沈着されてよい。金属は流路に流入されるとき、第１の化学物質を第２の化学物質よりも優先的に湿潤してよく、従って第１の化学物質を備える第１の部位に流入してよい。第１の部位が充填され、液体金属を流動させるために、さらに圧力が追加されたとき、第２の部位は充填されてよい。
流体を流動させる方法は数多くある。例えば、金属を固体から液体へと溶融すること、あるいはデバイスを操作する行為と併せて金属を溶融することで、液体金属を流動させてよい。操作の行為には、システムに付加されるあらゆるエネルギーまたは力が含まれ、これは第１の位置から第２の位置への金属の流動を援助する。１つの実施例では、流体金属は、チャネルを通して、流体金属を押すことにより流動する。例えば、重力、ポンプ、シリンジ、加圧容器、あるいはその他のあらゆる圧力源を使用して、流体金属を備えるチャネルに圧力を付加することにより、流体を押すことができる。別の実施例では、金属は、金属を備えるチャネルの流出口などのポートに付加された、真空または減圧により流動してよい。真空は、金属の上流に存在するよりも低い圧力条件を提供できるあらゆる供給源により供給することができる。かかる供給源には、真空ポンプ、ベンチュリ管、シリンジ、真空容器などが含まれる。別の実施例では、金属を流動させるために、機械構造を変更することができる。例えば、１つの特定の実施例では、均一または非均一に構造を押し下げることにより、チャネルを包含する構造に圧力を付加してよい。別の実施例では、構造を曲げるまたは折り曲げる行為が、チャネルが曲げられた、または折り曲げられた位置で、チャネルの形状を変化させ、その位置でチャネルの断面を収縮させてよい。これは、チャネルの流体を高圧の範囲から流出させ、低圧の範囲へと流入させることができる。液体金属を流動させ、電気的接続を形成するために、操作の行為の組み合わせを採用することもできる。さらに別の実施例では、構造は、チャネルの液体金属の流動を促進するために、超音波で分解されてよい。
本発明の１つの側面では、チャネル外部の接続を介して、チャネル内の導電部位間の電気的接続が形成されてよい。例えば、１つの実施例では、マイクロ流体チャネルシステムは、第２のマイクロ流体チャネルの付近にあるが、流体連通はしていない第１のマイクロ流体チャネルを備える。第１のチャネルは、第１の流入口、第１の流出口、および流入口と流出口との間に第１の導電金属を備えてよい。第２のチャネルは、第２の流入口、第２の流出口、および流入口と流出口との間に第２の導電金属を備えてよい。導電部位と電気的接続が形成できる限り、いかなる大きさ、形状、または組成を有してもよいあらゆる導体であってよい第１の電極は、第１の流入口の第１の金属と電気的接続に設置することができ、第２の電極は、第２の流入口の第２の金属と電気的接続に設置することができる。第１および第２の電極は、例えばデバイスの外部で、例えば電源とのそれぞれの接続により、お互いに電気的に接続されることが可能である。もちろん、電極はあらゆる位置でさまざまな伝導材料と電気連通して位置づけることができ、これは流入口での場合のみに限らない。第１の金属の融点より高い第１の温度を、第１のチャネルの第１の流出口付近に付加し、それによりその部位で第１の金属を溶融させることができる。第２の金属の融点より高い第２の温度を、第１のチャネルの第２の流出口付近に付加し、それによりその部位で第２の金属を溶融させることができる。電気的接続は、第１および第２の金属との電気的接続を形成するよう、第１および第２の流出口の間に電気構成要素を設置することにより、第１の流出口の第１の液体金属と、第２の流出口の第２の液体金属との間に形成することができる。電気構成要素は、構造の２つを超えるチャネルとの２つを超える電気的接続も形成することができる。１つの実施例では、金属を備える複数のチャネルを包含する構造全体に、金属の溶融温度よりも高い温度を付加することにより、複数の接続を並列で形成してよい。電気構成要素の例には、ＬＥＤ、トランジスタ、ダイオード、およびその他多くが含まれる。
一部の実施例では、第１および第２の導電部位の間の電気的接続の遮断が発生して、その遮断が、２つの部位の間に付加された電位に応じた、第１の部位から第２の部位へ流される電流量の著しい低下（電流信号の不在をも含む）を引き起こしてよい。電気的接続の遮断は、第１および第２の導電部位を備えるデバイスの通常の使用、あるいは例えば、他のあらゆる手段により、デバイスが落とされる、曲げられる、または歪められる場合など、デバイスに過剰な力が付加された場合を含む、さまざまな理由により発生してよい。電気的接続の遮断は、本発明に従って、以下のように再形成することができる。遮断のいずれかの側の部位は、第１および第２の部位として指定されてよい。遮断は、金属が上で定義される低融点金属である場合、第１の部位の金属および／または第２の部位の金属を溶融することにより、再形成することができる。以下でさらに詳しく説明するように、金属を溶融するために、第１の部位の低融点金属の融点よりも高い温度を付加することができるが、溶融は、金属の少なくとも一部を第２の部位に向かって流動させてよい。金属は、第２の部位の少なくとも一部に接触し、第２の部位との電気的接続を回復してよい。金属は、金属の融点よりも低い温度に冷却することができる。回復した電気的接続は、遮断が発生する前の部位間の電流と比較して、第１の部位から第２の部位へ流れる類似の電流量を有してよい。
金属は、当業者に知られるあらゆる方法で溶融できる。例えば、金属は、金属がその融点よりも高い温度を有するまで、熱を付加することより溶融することができる。１つの実施例では、熱は、導電部位付近に局所的に付加してよい。１つの特定の実施例では、熱は金属に直接付加してよい。第２の特定の実施例では、第１の導電部位付近の位置に金属が包含される構造を加熱する事により、間接的に金属に熱を付加することができる。いくつかの例では、構造の第１の導電部位付近に間接的に熱を付加することにより、熱を第１の金属に移動させる。第１の金属に移動させられた熱が、第１の金属の第１の融点より高い温度に金属を加熱できる場合、第１の金属は、完全にまたは不完全に溶融してよい。熱は、熱源を第１の導電部位付近ではあるが、直接接触しないように設置するなど、さまざまな方法により、間接的に構造に付加することができる。例えば、１つの実施例では、半田ごてが、第１の導電部位付近で構造と接触して設置される。半田ごては、構造と、第１の導電部位内の金属を加熱し、第１の導電部位の金属の少なくとも一部を溶融する。別の実施例では、金属は、マイクロ流体チャネルシステムを備える構造全体に熱を付加することにより、溶融されてよい。熱は、構造を炉内、熱板上、流体熱浴中、加熱ランプまたはライト下に設置することによって、またはその他の方法によってなど、さまざまな方法により、間接的に構造に付加することもできる。別の配置では、１つ以上の部位は、電流が部位を通過することにより、加熱される。例えば、比較的低抵抗の電気的流路が存在するが、遮断している、あるいは抵抗の上昇をもたらされた状況であるが、まだいくらかの電流は流れることができる場合、流路に電流を流すことで、流路の、特に部分的に遮断された部分で抵抗が上昇したことにより発生した、部分的または完全な遮断の部位を特に加熱することができる。これは、金属などの導電材料を流動させ、また接続を再形成させ、抵抗を低下させてデバイスを修理する。あるいは、加熱要素は、構造内の導電部位を備える１つ以上のチャネルの部位付近に組み込んでよい。第１の部位／チャネルへの直接的または間接的な熱の付加は、金属を溶融させてよく、加熱要素の大きさ／間隔／エネルギー出力によって、同じ付加された熱が、他の部位／チャネルで金属を溶融させても、させなくてもよい。デバイスの使用法と用途により、金属はさまざまな程度にまで溶融されてよい。例えば１つの実施例では、金属は完全に、つまり金属が完全に液体となるまで溶融することができ、別の実施例では、金属は不完全に、つまり金属の一部のみが液体となるまで溶融されてよい。
別の実施例では、マイクロ流体チャネルシステムを備える構造は、少なくとも第１の融点を有する第１の金属を備える第１の導電部位と、第２の融点を有する第２の金属を備える第２の導電部位とを備える。第１の融点は、第２の融点より低くてよく、それにより第１および第２の融点の間の温度が構造全体に付加された場合、第１の導電部位の第１の金属のみが溶融することとなる。熱は、構造を炉内、熱板上、流体熱浴内に設置することによって、またはその他の方法によってなど、さまざまな方法により、間接的に構造に付加されてよい。
ここに記載されるように、金属を溶融させるために採用できる手法は数多く存在する。いくつかの例では、金属に熱を付加し、金属を溶融させ、金属をチャネル内に流入させることが有用であることがある。場合により、チャネル外部の導電部位（電極など）と、チャネル内の導電部位との間に電気的接続を形成することが望ましいことがある。別の例では、金属に熱を付加し、金属を溶融させ、金属をチャネル外に流出させることが望ましいことがある。時には、チャネル内部の第一および第二の導電部位間に電気的接続を形成することが望ましい。いくつかの例では、金属に熱を付加し、金属を溶融させ、金属をチャネル外に流入させることが望ましい場合がある。これは、マイクロ流体チャネルシステムを備える構造外部の、電気構成要素またはその他の実体と、電気的接続を形成する用途の場合に有用となり得る。
いくつかの例では、チャネルにおける金属の一端に、間接的に熱を付加することにより、金属を溶融し、それを第１のチャネルの第１の部分から、第１のチャネルの第２の部分に、第２のチャネルに、および／または流出口を介して第１または第２のチャネルの外部に方向付けることが望ましい。例えば、１つの実施例では、チャネルの第１の部分における金属の第１の端部は、熱源により間接的に加熱できる。熱が局所的に付加されるため、金属の端部のみが流動できる。金属は、熱源が金属近くに熱を付加する場合のみ流動してよい、つまり熱が除去されると、金属は固化してよい。したがって、金属は、チャネルの第１の部分と第２の部分を接続している通路に沿って、金属の離散した部分を加熱することにより、第１のチャネルの第２の部分に方向付けることができるが、いくつかの例では、この方法によって電気的接続を形成することができる。
１つの実施例では、構造は、チャネルに少なくとも第１の導電部位と第２の導電部位を備えてよく、第１および第２の導電部位は、お互いに電気連通しておらず、少なくとも第１の部位は、第１の導電金属を備える。一連のセンサおよび加熱要素は、お互いに電気連通しており、構造のチャネルに沿って異なる部位に設置されている。センサおよび加熱要素は、チャネルの金属と負のフィードバックループを設立してよい。例えば、センサは、センサが位置付けられるチャネルの部位内での金属の不在を検知し、１つ以上の加熱要素に信号を送信し、加熱要素に、チャネルのその部位に局所的に熱を供給させてよい。加熱要素からの熱は、その部位の半田を溶融させてチャネルで流動させ、それによりチャネルを充填し、センサからの信号を停止する。同様に、一連のセンサおよび冷却要素は、お互いに電気連通していてよく、構造のチャネルに沿って異なる部位に設置されていてよい。センサおよび冷却要素は、チャネルの金属と負のフィードバックループを設立してよい。例えば、センサは、それが位置するチャネルの部位における高温を検知し、１つ以上の冷却要素に信号を送信し、冷却要素にチャネルのその部位を局所的に冷却させてよい。この冷却は、チャネルのその部位の金属の少なくとも一部を固化させてよい。その同じ部位での一定の低温の検知は、センサにその冷却のための信号を停止させてよい。したがって、第１の導電金属を加熱し、金属を流動させて、第２の導電部位との電気的接続を形成させることは、デバイスに接続された一連のセンサと加熱および／または冷却要素によって、自動的に実行されてよい。言い換えると、電気的接続の形成と再形成は、本発明により自動化されてよい。
いくつかの例では、金属の単独での溶融は、金属をマイクロ流体ネットワーク構造のチャネル内で流動させないが、構造に追加エネルギーを付加することにより、金属を流動させてよい。例えば、１つの実施例では、マイクロ流体チャネルシステムを備える構造は、少なくとも、第１の融点を有する第１の金属を備える第１の導電部位と、第２の融点を有する第２の金属を備える第２の導電部位とを備えてよい。第１および第２の導電部位は、チャネルの壁の金属を湿潤させる部位（湿潤部位）と合わせられてよい。第１および第２の導電部位は、チャネルの間隙により分離されてよいが、間隙は、チャネルの壁の金属を湿潤させない部位（非湿潤部位）と合わせられてよい。第１および第２の融の融点よりも高い温度を有する熱を付加することにより、第１および第２の金属を溶融させてよい。湿潤部位の有益な表面自由エネルギーにより、金属は間隙に流入しなくてよい。しかしながら、金属／間隙界面のエネルギーより大きいエネルギーが付加される場合、第１または第２の金属は、間隙の少なくとも一部に流入してよい。このエネルギーは、変形エネルギーの形態であってよく、例えば、チャネル構造を曲げることで、チャネルの一部を収縮させてよく、またチャネル内の第１または第２の液体金属を、間隙の少なくとも一部に流入させてよい。エネルギーは、磁気エネルギーの形態であってよく、例えば、磁性粒子が第１の液体金属中に懸濁している場合、第１の金属に磁場を付加することで、第１の金属を間隙の少なくとも一部に流入させてよい。エネルギーは、振動または音響エネルギーの形態であってよい（超音波処理など）。もちろん、金属／間隙界面の表面自由エネルギーを克服するために、システムにエネルギーを付加する他の適当な方法は、当業者による判断が可能である。
本発明の一部の実施例では、金属は、溶融したときに第１のマイクロ流体チャネルを流動できるように位置付けられてよい。金属は、溶融されたときに、あるいはマイクロ流体構造を操作する行為と連動して溶融されたときに、第１のマイクロ流体チャネルに流入できるように、第１のチャネル近くのあらゆる場所に位置付けられてよい。操作の行為の組み合わせも採用してよい。操作の行為には、システムに付加されるあらゆるエネルギーまたは力が含まれ、これは第１の位置から第２の位置への金属の流動を援助する。第１のおよび／または第２の位置は、チャネル内に限定されない。例えば、１つの実施例では、金属は第１のチャネルの外部に定められる。構造外部の管は、金属で充填されてよいが、金属は管の内部にある間に溶融してよく、管は第１のチャネルの流入口に挿入されてよく、また金属が第１のチャネルに流入するように、管に圧力が付加されてよい。別の実施例では、金属は、第１のチャネルを備える構造の最上部の、第１のチャネルの流入口付近に定められてよい。金属は、流入口の最上部に定められてよい。金属を溶融することで、流入口を介して、重力により、金属を第１のチャネルに流入させてよい。第１のチャネルの流出口に真空を付加することで、金属のチャネルへの流動を援助してよい。
上記の例において、マイクロ流体構造は、金属が溶融されたときに、金属の構造のチャネルへの流入を援助するいかなる形態を有してもよい。例えば、構造は、金属が溶融されたときに、金属が重力によって流入口に流入するよう、流入口に通じる傾斜面を有してよい。流入口は、金属が簡単に流入口に進入できるように、チャネルの寸法よりもかなり大きい寸法を有する開口を備えてよい。構造の部分は、金属が溶融されたときに、金属が、パターン形成された部位に沿って流動し、チャネルに流入できるように、金属を優先的に湿潤させる化学物質によって、パターンを形成されてよい。全ての場合において、デバイスの用途により、チャネルは完全または不完全に充填されてよい。
あらゆる時点において、液体金属は、金属を固化させるために、金属を金属の温度より低い温度に曝露することにより冷却されてよい。デバイスの使用目的により、金属は完全に、つまり金属が完全に固体となるように固化することができ、あるいは金属は不完全に、つまり金属の一部のみが固体となるように固化することができる。金属は、直接的または間接的に冷却されてよい。金属の温度を金属の融点より低く下げるあらゆる方法は、当業者が判断することができる。溶融／冷却／溶融／冷却などのこれらのステップは、何度実施されてもよい。
本発明の別の側面は、自己組織化構造を形成する方法を提供する。方法は、構造要素を備える構成要素を提供するステップと、第１の構造要素が第１の、より可撓性の状態のある条件下で、構造要素を備える構成要素を第１の形状から第２の形状へと著しく変形させるステップとを備えてよい。「著しい変形」または「著しく変形された」は、上記に定義されている。構成要素は、最終組立構造の一部であるいかなるユニットであることも可能である。「構造要素」は、最終組立構造の構造的完全性の少なくとも一部を提供するいかなるユニットであってもよい。１つの実施例では、構造要素は構成要素に包含されてよい。例えば、構造要素は、可撓性平面構成要素に組み込まれた線であることができる。
構成要素と構造要素の双方は、著しく変形してよいが、それらの著しい変化は同様あるいは同様でなくてよい。変形の例には、曲げる、伸ばす、収縮させる、膨張させるなどが含まれる。１つの実施例では、構造要素は、第１の状態から第２の状態へと、相を変化させ、第１の状態において、第２の状態よりもさらに可撓性とすることができる。第１の形状から第２の形状への構成要素の変形は、構成要素を第２の形状へと促すために、構成要素を外部装置と物理的に接触させることなく、発生してよい。言い換えると、外部装置そのものが、構成要素に物理的に接触しない限り、変形は、外部装置の援助を受けておこなうことができる。例えば、構成要素に物理的に接触しない外部装置は、構成要素に磁場を与える装置、またはデバイスを取り巻く範囲の温度を上げる熱源であることができる。変形は、磁力、毛管力、疎水性／親水性力、ファン・デル・ワールス力、または静電気力を含むがこれらに限定されない力による、構成要素、または構成要素の部分の自発的関連によって発生してよい。
最終組立デバイスの少なくとも一部は、組み立てられていない成要素より剛性であってよい。例えば、１つの実施例では、構成要素または構成要素の部分は、組み立てられた状態より、組み立てられていない状態で、より高い運動の自由度を有してよい。
いくつかの例において、組み立てられたデバイスは組み立てられていない構成要素よりも機能性を備える。例えば、１つの実施例では、電気的接続が構成要素の組立て時に作られるなど、構成要素間の電気的接続は自己組織化の後に存在してもよい。第１の構成要素間に作られる電気的接続は第１の構造要素を備え、前記第１の構造要素は第１の導電部位を備える第１のマイクロ流体チャネルであって、第２の構成要素は第２の構造要素を備え、前記第２の構造要素は、本発明の１つの実施例において前述されているように、第２の導電部位を備える第２のマイクロ流体チャネルである。前記第１または第２の構成要素は、ＰＤＭＳなどの可撓性材料を備えることができる。前記第１および第２の導電部位の少なくとも一部は、第一の組み立てられていない状態で、半田などの液体金属を備えることができ、前記構造要素を可撓性にすることができる。第２の組み立てられていない状態で、前記アセンブリは前記液体金属の融点以下の温度まで温度に冷却して前記金属を固めることができる。前記金属を固めることによって、前記アセンブリの構成要素間に電気的接続を形成することもできる。前記デバイスの電気的接続が切断されると、前記金属を溶解させる、前記電気的接続を再形成する、および前記金属を冷却することによって改善することができる。
もう１つの配置において、自己組織化技術は、以前に結合されていない構成要素を結合するステップ、および／または構成要素の少なくとも一部を軟化させてその部分を変形させることによって、構成要素に接触する外部刺激なしで構成要素を第１の形状から第２の形状に変形させるステップ、そして既知の新規電気的接続が形成される前記構成要素を硬化するステップを伴う。新規電気的接続が形成される実施例において、自己組織化後に結果として生じるデバイスは、電源、電気回路、および電気刺激があると動く、および／または電気刺激下で光または音などの信号を発する構成要素、既知の、または開発済みの電気回路に関連するその他の機能を含む機能的電気デバイスの一部となってもよく、または画定してもよい。
別の実施例では、構造は、少なくとも第１の構造要素を備える構成要素を備えてもよい。前記第１の構造要素は、マイクロ流体チャネルに少なくとも第１の導電部位を含んでもよい。前記構造は平面層の形にすることができ、ＰＤＭＳなどの可撓性材料を備えてもよい。前記平面層は、三次元構造に折る、ねじる、曲げる、巻くことなどによって変形させることができる。電気的接続は、前記第１および前記第２のチャネルとの間に形成することができ、それは例えば三次元電気ネットワークを構成することができる。前記デバイスの電気的接続が切断されると、上述のように、前記金属を溶解させる、前記電気的接続を再形成する、および前記金属を冷却することなどによって改善することができる。
構造においてマイクロ流体チャネルを加工する手順の例を説明する。これは一例に過ぎず、当業者であれば、例えば、それぞれ参照することにより本書に組み込まれる、米国特許番号６，７１９，８６８、６，６８６，１８４および６，６４５，４３２に記述されているマイクロ流体構造を形成するために適切な付加的技術について知っていることが理解されるべきである。１つの実施例では、マイクロ流体チャネルは、適切な原型に対して標準的成形品を適用することによって作ってもよい。例えば、マイクロチャネルは、ＰＤＭＳプレポリマー（Ｓｙｌｇａｒｄ１８４、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ）をフォトリソグラフィによって生成されるパターン化フォトレジスト表面レリーフ（原型）上で成型することによって、ＰＤＭＳで作ることができる。フォトレジストのパターンは、所望の寸法を有する前記チャネルを備えてもよい。６５℃で１時間硬化させた後、前記ポリマーは原型から取り外し、その表面に打ち出されたマイクロチャネルを有する独立ＰＤＭＳ金型を提供することができる。流入口および／または流出口は、ＰＤＭＳ厚板の厚みを通って切り抜くことができる。実質的に囲い込まれたマイクロチャネルを形成するために、前記マイクロ流体チャネルは下記の方法で密封してもよい。第一に、前記ＰＤＭＳ金型およびＰＤＭＳの平面厚板（またはスライドガラスなどのその他あらゆる適切な材料）をプラズマ酸化室に入れて１分間酸化させることができる。それから前記ＰＤＭＳ構造は、表面レリーフを前記厚板に接触させて、ＰＤＭＳ厚板／スライドガラス上に設置することができる。不可逆的密封が、プラズマ酸化後に料表面に存在するシラノール（ＳｉＯＨ）基間の縮合反応に起因する２つの物質間の橋架けシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ）の形成の結果である。そのような手順は、例３および６との関連で下記でより詳しく説明する。
下記の例は本発明の特定の実施例を解説することを目的としているが、本発明の全範囲を例示するものではない。
（例１−ＰＤＭＳマイクロ流体構造を使用したＬＥＤデバイスの加工）
互いに電気的接続されていない第１および第２のマイクロ流体チャネルを備える構造は、ＰＤＭＳを使用して加工された。前記チャネルは、オクタデカンチオール（ＨＳ（ＣＨ２）１７ＣＨ３）の０．０１ｍＭ溶液で満たされ、それから結果として前記チャネルの壁に沈着したオクタデカンチオールの層となった前記溶液は前記チャネルから取り除かれた。オクタデカンチオールのこの層によって、後のステップにおいて前記チャネルの壁を液体金属によって湿潤させることができた。ＬＥＤの端子が２つのチャネルを架橋するように、２つのチャネルの流出口間にＬＥＤを設置した。それから前記チャネルは清浄な低融点半田合金で満たされた（ＬＭＡ−１１７など、前記半田は使用前に非酸化されｐＨ１の水中で保存された）。いったん前記チャネルの内側に入ると、前記半田は暖かい半田ごてで溶解させることによって、外側から操作した。前記半田は、半田ごてを使用して前記チャンネル内で移動および方向転換した。半田ごてによる穏やかな過熱および／または圧力は、半田の小液滴を前記チャンネルの外に押し出して前記ＬＥＤの端子と接触させ、これが前記ＬＥＤを前記チャネルの導電部位に電気的に接続した。前記半田は冷却させて固形化した。それから第１の電極を前記第１のチャネル内の前記半田に電気的に接続し、第２の電極を前記第２のチャネル内の前記半田に電気的に接続した。それから前記第１および第２の電極を電源に接続した。前記電源を入れると、前記ＬＥＤが点灯した。
それから前記構造を機械的に曲げ、前記第１のチャネル内の半田部位の１つを破損することによって、前記デバイスの電気的接続を切断した。前記ＬＥＤはその後、前記第１および第２の電極が前記電源に接続された時に点灯できなかった。半田ごてを破損位置において前記構造に対して設置し、熱を加えて前記半田を再溶解した。いったん前記半田が再溶解されると、前記第１の伝導部位内の電気的接続を再形成し、破損を密封し、前記ＬＥＤは再び点灯することができた。
（例２―アルカンチオールを使用してＰＤＭＳマイクロ流体チャネルの液体金属（半田）湿潤を改善するステップ）
この例は、前記チャネルが作られる、およびまたは化学物質が前記材料の壁にパターン化される材料によって、液体金属（低融点半田など）がチャネルの様々な壁を浸潤する程度を示す。乾燥ＰＤＭＳおよびガラス上の低融点半田合金ＬＭＡ−１１７（Ｓｍａｌｌ Ｐａｒｔｓ、Ｉｎｃ．）の１０マイクロリットル（μＬ）液滴の接触角度（単位：度）を、エタノール中の１０ｍＭオクタデカンチオールで表面を洗浄した後に測定した。各接触角度は、表面に液滴を設置した直後に一度、そして液滴を簡潔に再溶解して（〜摂氏７０度、１分）室温に戻させた後に再度と、２度測定した。
Figure 2008546542
 （例３−マイクロ流体構造における伝導通路の加工のために使用される技術）
（ＰＤＭＳでマイクロ流体チャネルを作るステップおよび「マイクロ固体構造」を形成するようチャネルを半田で満たすステップ）
マイクロ固体構造を、図５で図示される手順に従って加工した。ステップＡにおいて、マイクロ流体チャネルのネットワーク下層および上層の原型５００は、米国特許第６，６４５，４３２、およびＸｉａ，Ｙ．；Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ｇ．Ｍ．、ソフトリソグラフィ、Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔｌ．Ｅｄ．１９９８、３７、５５０−５７５、およびＤｕｆｆｙ，Ｄ．Ｃ；ＭｃＤｏｎａｌｄ，Ｊ．Ｃ；Ｓｃｈｕｅｌｌｅｒ，Ｏ．Ｊ．Ａ．；Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ｇ．Ｍ．、ポリ（ジメチルシロキサン）におけるマイクロ流体システムの迅速プロトタイピング、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．１９９８、７０、４９７４−４９８４において以前に説明されている手順を使用して、シリコーンウエハー５０１（浅浮き彫りの）上のＳＵ−８フォトレジスト（ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ，Ｉｎｃ．）５０２において加工した。前記ウエハーは、（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）−ｌ−トリクロロシランで一晩シラン化した。ステップＢにおいて、新たに用意したＰＤＭＳ（Ｓｙｌｇａｒｄ１８４、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｉｎｃ）を２００μｍの厚さにまで原型上に回転塗布し、熱的に硬化して（７０℃、８時間）固体層５０４を形成し、はがした。流入口および流出口穴５０６を、針（１６．５Ｇａ）を使用して非囲い込みチャネル５０８を含むＰＤＭＳ層５０４に開けた。
ＰＤＭＳの第２の層を、１００μｍの厚さにまでシラン化されたシリコーンウエハー（図示しない）上に回転塗布し、熱的に硬化して（７０℃、８時間）固体ＰＤＭＳ基盤５１０を形成した。ＰＤＭＳの２つの層（５０４および５１０）を酸素のプラズマに１分間暴露し、互いに接触させて永久的密封を形成した。前記デバイスを扱いやすくするために、未パターン化基層５１０を前記シリコーンウエハー（図示しない）上に残した。
ステップＣにおいて、半田によって浸潤される前記チャネルの能力を増大させるために、前記チャネルの壁をシラン化した。アセトニトリル中の３−メルカプトプロピルトリメトキシシランの溶液（１：１０００濃度）を、上述のように酸素プラズマを適用して前記チャネルを完全に満たした１５分以内に、マイクロ流体チャネルのネットワークに導入した。最近（１５分以内）に酸素のプラズマに露出されたＰＤＭＳは、表面上の水酸基の形成によって水性にされる。３−メルカプトプロピルトリメトキシシランの溶液は、表面と反応してチオール基（図６参照）を提示する表面を形成し、チオール類はＰＤＭＳの表面エネルギーを変性して、液体半田に対する可湿潤性にする。それから前記デバイスをシランで満たして摂氏２２度で１時間保存し、１時間後に、溶液の全ては前記チャネルから蒸発していた。この過程は、現在取り囲まれているマイクロ流体チャネル５１２の内面を、液体半田を注入するための自由エネルギー障壁を削減したシラン層５１４でコーティングした。
液体半田をステップＤにおいて前記マイクロ流体チャネルに注入した。試験された８つの半田合金の組成および物理的特性（ＡＩＭ Ｓｐｅｃｉａｌｔｙ Ｓｏｌｄｅｒｓ，Ｉｎｃ． Ｉｎ１００、Ｉｎ９７／Ａｇ３、Ｉｎ８０／Ｐｂｌ５／Ａｇ５、Ｉｎ５２／Ｓｎ４８およびＳｍａｌｌ Ｐａｒｔｓ，Ｉｎｃ．ＬＭＡ−１１７、ＬＭＡ−１５８、ＬＭＡ−２５５、ＬＭＡ−２８８）を表２に一覧化する。前記マイクロ流体デバイスは加熱板上に設置され、溶融半田の液滴（〜１ｇ）は前記マイクロ流体チャネルへの各流入口に設置され、前記加熱板は前記半田の溶融温度よりも２０℃高かった。前記デバイスにおける温度の分布は、赤外線カメラ（Ｉｎｆｒａｍｅｔｒｉｃｓ Ｉｎｃ．）を使用して観察し、ＰＤＭＳの温度は前記加熱板の温度の１５％以下の最大偏差とおよそ均一であった。陰圧（１２０トール）の源を前記マイクロ流体チャネルの流出口に加え、前記半田を前記マイクロ流体チャネルを通して急速に（１秒未満）引いた。
Figure 2008546542
 前記チャネルを半田で満たした後、前記デバイス５１６を加熱板から外して２５℃まで冷却し、前記半田を前記マイクロ流体チャネル／室内で冷却して５分未満で固体金属構造に固化した。前記ポリマーデバイスをシリコン基盤（ステップＥ）からはがし、ＰＤＭＳ（〜３００μｍの厚さ）に埋め込まれる約５０μｍの最小断面厚さを有する可撓性金属構造作り出した。図７Ａは、模範的な完成したデバイスの写真を示す。
（例４−マイクロ流体構造における可撓性ワイヤ構造の加工）
例３において上述の手順を使用してＰＤＭＳに埋め込まれる可撓性金属線を加工した。図７Ａは、変更されなかった（上）、巻かれた（８巻き、中央）、およびスーパーコイル状の（１６巻き、下）ＰＤＭＳの層７０２に埋め込まれるワイヤ７００（長さ５ｃｍ、幅５０μｍ、高さ８０μｍ）を示す。図７Ｂは、前記チャネルが小型ＰＤＭＳ柱７０８（直径５０μｍ）を含んだＰＤＭＳ７０６に埋め込まれる同様のワイヤ７０４（長さ５ｃｍ、幅２００μｍ、高さ８０μｍ）を示す。この後者の例は、他の方法を使用して簡単に加工されない複雑なパターン化特徴を有するワイヤまたはその他の構造を作るためにこの技術を使用することができることを実証する。ＰＤＭＳに埋め込まれる非パターン化およびパターン化両方のワイヤは、ワニ口クリップをしようしてコイル形状に保持され、クリップを放すと、ＰＤＭＳにおける張力によって前記ワイヤが元の形状に戻った。より広い断面積（２００００μｍ２）を有するワイヤが狭い断面積（１００９００μｍ２）を有するワイヤよりも長い時間操作形状を維持したことが観察された。
本技術を使用して加工されるワイヤは様々な形状に手動で曲げることができ、例えば、毛管を包んだり（図７Ｃ）、結び目にしたり（図７Ｄ）、「ゼリーロール構造」にまるめたり（図７Ｅ）、複雑な織構造（図７Ｆ）を加工するために使用することができる。図７Ｆの織構造を形成するために、３つのパターン化ワイヤの端を三次元の織構造に編んだ。
（例５−マイクロ流体構造における可撓性格子の加工）
本発明の「マイクロ固体」技術を使用して、複雑な可撓性金属格子（図８Ａ〜８Ｄ）を加工することもできる。例３で上述した加工手順を使用して、実質的に円形（図８Ｃ）、四角（図８Ａ（整列）および８Ｄ（相殺））、またはダイヤモンド（図８Ｂ）断面を有したＰＤＭＳの柱８００（直径５０〜１００μｍ）を含むＰＤＭＳマイクロ流体チャネルにおける半田（長さ２ｃｍ、幅５ｍｍ、高さ８０μｍ）をパターン化した。マイクロ流体チャネルの流出口に真空を加えることによって、前記チャネルを素早く（１秒未満）半田で満たし、独自のパターンを有する金属格子および網を作り出した。冷却後、ＰＤＭＳ構造で満たされた前記半田を軸方向に半回転ねじった。前記格子は、形状がゆっくりと緩む前に１時間以上の間形状を保持した。前記構造を他の形状に曲げることも可能であった（画像は図示せず）。右の画像は、後方から前記格子を照らす光学顕微鏡を使用したパターンの拡大図を示し、金属層が黒く見える。各例において、金属構造は幅５ｍｍ、長さ２ｃｍ、厚さ１００μｍであり、前記ＰＤＭＳは厚さ３００μｍであった。前記格子はピンセット８０２で軸方向に半回転ねじった。右の画像において、対象物は金属ピンセットによって定位置に保持されている。
（例６−複数レベルの「３−Ｄ」マイクロ流体構造におけるマイクロ固体構造の加工）
複数レベルのマイクロ固体構造を、図９に図示される手順に従って加工した（米国特許番号６，６４５，４３２およびＡｎｄｅｒｓｏｎ，Ｊ．Ｒ．；Ｃｈｉｕ，Ｄ．Ｔ．；Ｊａｃｋｍａｎ，Ｒ．Ｊ．；Ｃｈｅｒｎｉａｖｓｋａｙａ，Ｏ．；ＭｃＤｏｎａｌｄ，Ｊ．Ｃ，Ｗｕ，Ｈ．；Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ｓ．Ｈ．；Ｗｈｉｔｅｓｉｄｅｓ，Ｇ．Ｍ．急速プロトタイピングによるＰＤＭＳにおける位相的に複雑な三次元マイクロ流体システムの加工、Ａｎａｌ Ｃｈｅｍ．、２０００、７２、３１５８−３１６４も参照）。マイクロ流体チャネルのネットワークの上下層に対する原型９００は、シリコーンウエハー９０４上のフォトレジスト９０２において加工し、例３において前述したようにシラン化した。ＰＤＭＳ（Ｓｙｌｇａｒｄ１８４、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｉｎｃ）は原型に注いで熱硬化させ、固体ＰＤＭＳ層９０６を形成してはがした。ビア９０８および流入口穴９１０は、針（それぞれ２２Ｇａおよび１６．５Ｇａ）を使用してＰＤＭＳの下９０６および上９１２層にそれぞれ開けた。ＰＤＭＳの最上層９１２はＸＹＺゲージを使用して前記下層９０６と整列し、ＰＤＭＳの２つの層は、酸素のプラズマに１分間露出した。前記２つの層は結合させて永久密封を形成した。２層／２レベルのデバイスは、酸素の第２のプラズマで処理し、基板の役割をするＰＤＭＳの第３の非パターン化層９１４に対して密封した。酸素のプラズマの適用の１５分以内に、アセトニトリル中の３−メルカプトプロピルトリメトキシシランの溶液（０．１Ｍ）を、マイクロ流体チャネルのネットワークに流し込み、前記デバイスは例３で上述のように摂氏２２度で１時間保存した。前記マイクロ流体チャネルは液体半田で満たして冷却し、例３で上述のようにＰＤＭＳに埋め込まれた固体金属構造９１６を形成した。蛇行閉鎖流路９１８は、単一「ウェーブ」パターンを表す。前記マイクロ流体構造全体は、図４で以前図示された構造を有する。図６Ａは、完成したデバイスの写真を示す。
この例から明らかなように、本発明の「マイクロ固体」技術は、多層リソグラフィによって三次元における複数レベルのデバイスを加工することを可能にする（図９）。図１０Ａ〜１０Ｅの前記デバイスは、本例の技術を使用して加工した。図１０Ａは、図４のバスケットウィーブパターンにおける半田微細構造の拡大像を示す。
図１０Ｂは、図５で以前示されたものと実質的に同様である構造を有する中央マイクロ流体チャネルの周囲に加工された半田コイルを示す。前記コイルは、ＰＤＭＳの４つの層を整列および結合することによって構築され、前記層のうち３つはマイクロ流体チャネルを含んだ。密封後、半田を１ステップで前記コイルに注入した。
図１０Ｃは、三次元において多くの層を横断する構造を作り出すためのマイクロ固体加工の使用を図示する。画像は、ＰＤＭＳの１６層から成るデバイスを示し、各層は本例において説明される技術を介して加工された２つの並列マイクロ流体チャネルという特徴を含む。前述のように前記層を整列および結合した後、１ステップで半田をＰＤＭＳの全１６層に注入し、前記金属を冷却および凝固し、硬い連続半田ワイヤを形成した。
（例７−独立金属構造を作り出すためのマイクロ流体構造からの半田構造の機械的解放）
独立構造をマイクロ流体チャネルから解放するために、その中に非閉鎖マイクロ流体チャネルを有するＰＤＭＳの層を酸素のプラズマで処理して酸化されていないスライドガラスとの等角接触に押し込み、前記ガラスにそれを接着して、前記スライドガラスが大きく扱われない底ＰＤＭＳ層に取って代わったことを除いて例３で前述された方法で閉鎖チャネルを形成した。前記チャネルは前述のようにシラン化し、半田で満たし、冷却した。金属構造は、前記ＰＤＭＳ層をスライドガラスからはがすことによって、前記マイクロ流体ネットワークから解放した。前記固体金属構造は前記ガラススライド上に残り、かみそりの刃で前記半田および前記ガラスの界面において切断することによって前記スライドから取り除いた。
（例８−独立金属構造を作り出すためのマイクロ流体構造からの半田構造の化学物質放出）
マイクロ固体金属構造は、この例において、摂氏２５度で４８時間、攪拌することなくＮ５Ｎ−ジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）中のフッ化テトラブチルアンモニウム（ＴＢＡＦ）の１．０Ｍ溶液にポリマーを溶解させることによって、ＰＤＭＳから解放した。この過程は、ＰＤＭＳをはがすことによって解放できなかった複数レベルのマイクロ流体ネットワークから金属構造を解放するのに特に役立った。解放後、前記金属構造はピンセットで前記溶液から取り除き、それをエポキシを有するスライドガラスに備え付けて光学顕微鏡で撮像した。図１０Ｄは、ＰＤＭＳに埋め込まれたバスケットウィーブパターン（例６および図１０Ａを参照）を有する金属構造を示す。図１０Ｅは、上述の化学物質放出過程を使用してポリマーから解放された後の同構造を示す。
（例９−その他の金属による独立微細構造のコーティング）
例８に説明されるような微細構造の解放後、前記半田微細構造は電気メッキまたは無電解メッキによって、その他の金属の層でコーティングした。銅は、製造業者によって与えられた指示に従って、Ｅｌｅｃｔｒｏｌｅｓｓ Ｃｏｐｐｅｒ（無電解銅）ＥＣ５０溶液ＡおよびＢ（Ｔｅｃｈｎｉｃ，Ｉｎｃ．，Ｃｒａｎｓｔｏｎ，ＲＩ）により前記解放されたマイクロ固体構造上に無電解的にめっきした。前記半田を銅でコーティングした後（約１時間の浸漬、軌道かくはん器による穏やかなかくはん）、１ミクロンの金（Ｔｅｃｈｎｉｃ Ｇｏｌｄ（工業用金）２５；Ｔｅｃｈｎｉｃ，Ｉｎｃ．；Ｃｒａｎｓｔｏｎ，ＲＩ）および２ミクロンのニッケル（Ｎｉｃｋｅｌ Ｐｌａｔｉｎｇ Ｓｏｌｕｔｉｏｎ（ニッケルめっき溶液）ＳＮ１０型；Ｔｒａｎｓｅｎｅ；Ｄａｎｖｅｒｓ，ＭＡ）を含むその他の金属を電気めっきした。
（例１０−半田微細構造の「治癒」）
半田微細構造における破損または欠陥は、修復または「治癒」することができる（図１１Ａ〜１１Ｄ参照）。半田合金（Ｉｎ１００）の金属線１１００（高さ８０μｍ、幅５００μｍ、長さ５ｍｍ）を、例３で上述のようにＰＤＭＳの２つの層の間に加工した（図１１Ａ−破損部位１１０２は図１１Ｂ〜１１Ｄで拡大表示されている）。前記ワイヤの電気抵抗は、未破損時に０．４０Ωであった（図１１Ｂ）。前記ＰＤＭＳ構造は１８０°曲げて埋め込まれたワイヤを破損した。曲げられたワイヤの抵抗は無限であった（図１１Ｃ）。それから前記デバイスを１００℃まで５分間過熱し、そして超音波処理浴に１秒間設置した。この手順の後、前記半田ワイヤの抵抗は再び０．４０Ωであった（図１１Ｄ）。「治癒」を促進するために超音波処理浴を使用することの代替案として、超音波処理プローブを採用してもよく、高電圧を前記ワイヤの末端にわたって加えてもよく、または前記ＰＤＭＳ構造を融解ワイヤの近くで圧搾してもよい。
（机上の実験例１１−可撓性マイクロ固体ＦＭラジオの加工）
本発明のマイクロ固体技術は、機能的電気回路およびデバイスを形成するよう電気構成要素と連動し相互接続するためにワイヤの可撓性ネットワークを加工することを可能にする。この能力を実証するため、ＰＤＭＳに埋め込まれるＦＭラジオを加工する。前記ＦＭラジオは、８ピンＤＩＰプロセッサ、レジスタ、コンデンサ、外部９Ｖ電池、および外部ヘッドフォンを備える。前記デバイスにおける接続ワイヤは、前述した手順により、マイクロ流体チャネルに注入される前記金属半田を備える。前記ラジオは、曲げたりねじったりすることができ、８７．９ＦＭから１０７．９ＦＭまでのＦＭラジオ局をうまく受信および増幅する。
（例１２−「マイクロ固体」無線周波数変圧器の加工）
本発明の方法は、複数レベルのマイクロ流体構造における複雑な電子デバイスおよび回路を加工することを可能にする。図１２Ａは、ＰＤＭＳ構造に埋め込まれた高周波数変圧器１２００の写真を示す。前記変圧器は、磁場を方向づけるための空気で満たされた中核１２０２（高さ８０μｍ、幅２．５ｍｍ、長さ３１ｍｍ）、一次ソレノイド１２０４を備えるらせん状ワイヤ、および二次ソレノイド１２０６を備えるらせん状ワイヤ（いずれもＩｎ１００で形成され、高さ８０μｍ、幅８００μｍ）を含み、それぞれは中心核１２０２の対向する側面の周囲に巻かれた。前記変圧器は、例６で概説されたものと同様の手順を使用して加工した。マイクロ流体チャネルを備えるＰＤＭＳの３つの層は、整列して結合し、前記一次および二次ソレノイドに対して前記チャネルに半田を注入して冷却し、前述のように硬質ワイヤを形成した。画像に示される前記変圧器については、前記二次ソレノイドの巻きに対する前記一次ソレノイドの巻きの比率（巻数比）は１／４である。
前記変圧器を特徴付けるために、高周波数関数発生器からの４８ｍＶ（最大振幅）の振幅で周期信号を前記デバイスの入力（一次ソレノイド１２０４）にわたって適用した。電気的接続を作成するために、前記半田がまだ液体の時に銅ワイヤ（Ｄｉｇｉｋｅｙ Ｉｎｃ、２００μｍ直径）を前記半田チャネルの流入口に挿入した。前記半田が冷却されると、前記ワイヤを定位置に固定した。外部電気ワイヤおよびＰＭＤＳに埋め込まれた半田構造のネットワークを接続するために、ＭｉｃｒｏｇｒａｂｂｅｒＴＭワニ口クリップ（Ｐｏｍｏｎａ Ｉｎｃ）を前記銅ワイヤに接続した。前記変圧器の入力および出力（二次ソレノイド１２０６）における信号は、高周波数オシロスコープで測定した。前記変圧器の入力にわたって適用された波形の周波数は、前記デバイスの周波数応答を決定するよう増大した（図１２Ｂ参照）。出力において測定し、ピーク共振周波数は３０．８ＭＨｚで観察された。図１２Ｃは、オシロスコープで測定された共振周波数（３０．８ＭＨｚ）において、前記変圧器の入力（一次ソレノイド１２０４）および出力（二次ソレノイド１２０６）にわたる特性波形を示す。入力信号の振幅は４８ｍＶの最大振幅（５ｍＶ誤差）であった。出力信号の振幅は１８８ｍＶの最大振幅（５ｍＶ誤差）であり、３．９２の電圧変換係数および９８％の効率を生じた。
（例１３−コイルマイクロヒータの加工）
本発明は、ハイブリッド電子マイクロ流体システムを加工するための有用な技術を提供する。そのようなデバイスの例は図１３Ａに示される。図１３Ａは、ＰＤＭＳに埋め込まれたコイルマイクロヒータ１３００を示す。前記デバイスは、中央マイクロ流体チャネル１３０４（高さ８０μｍ、幅８００μｍ、長さ３ｃｍ）の周囲に軸対称的に位置づけられた半田コイル１３０２（Ｉｎ１００、高さ８０μｍ、幅８００μｍ、長さ１２ｃｍ）を含んだ（前記中央マイクロ流体チャネルの外壁は明瞭化のために図１３Ａで色を濃くした）。前記構造の全体的形態は、図４Ｂおよび１０Ｂで前述したものと同様である。前記コイル１３０２は、長さ１．６ｃｍである前記マイクロ流体チャネル１３０４の一部の周囲に包まれる（１０回）。前記デバイスは、例６で概説されたものと同様の手順を使用して加工した。マイクロ流体チャネルを備えるＰＤＭＳの３つの層を整列および結合した。コイルに対して前記チャネルに半田を注入して冷却し、前述したように硬質導電通路を形成した。
前記マイクロヒータを特徴付けるために、一連の電流（Ｉ＝０−６００ｍＡ、１００ｍＡ間隔で）を前記コイルを通して加える一方で、前記中央チャネルを通して脱イオン水を流した（流速Ｑ＝１００μＬ／ｍｉｎ）。電気的接続を作成するために、前記半田がまだ液体の時に銅ワイヤ（Ｄｉｇｉｋｅｙ Ｉｎｃ、２００μｍ直径）を前記流入口に挿入した。前記半田が冷却されると、前記ワイヤを定位置に固定した。外部電気ワイヤおよびＰＭＤＳに埋め込まれた半田構造のネットワークを接続するために、ＭｉｃｒｏｇｒａｂｂｅｒＴＭワニ口クリップ（Ｐｏｍｏｎａ Ｉｎｃ）を前記銅ワイヤに接続した。前記マイクロ流体チャネルを通過する流体の温度は、ジュール過熱により前記半田コイルを通過した電流の強度に比例して増加した（図１３Ｂ）。水の温度を測定する前に連続的に５分間、電流を前記コイルに加えて流体を前記マイクロ流体チャネルを通して流した。定常状態における前記マイクロ流体チャネルの水の温度は、赤外線カメラ（Ｉｎｆｒａｍｅｔｒｉｃｓ，Ｉｎｃ．）を使用して記録した。
（例１４−ハイブリッドマイクロ流体電磁石デバイスの加工およびマイクロ流体チャネルに流れ込む超常磁性ビーズを捕らえて放出するための前記デバイスの使用）
この例において、電磁石はマイクロ流体チャネルを含むＰＤＭＳ構造において加工され、その構造は、例３および７で上述され、下記で簡潔に説明されるものと同様の手順を使用してスライドガラスに接着された。前記手順は、図１４Ａでも概説されている。これらのデバイスにおいて、図１４Ｂを参照して、２つの外部チャネル１４０４および１４０６を上述のように半田で満たし、電磁石１４０８および１４１０を形成した。前記中央チャネル１４０２は流体に対して使用した。我々は電子回路を使用して前記２つの電磁石に加えられる電力を制御した（下記および図１５参照）。
（電磁石によって生成される磁場のモデル化）
本発明のマイクロ流体電磁石システムの操作のいずれの特定理論にも制限されずに、本発明による電磁石システムを形成する場合に考慮する構造および操作の特定のパラメータおよび詳細に関して当業者を導くために、下記の考察を提供する。図１６Ａを参照して、電流がワイヤを通過すると、磁場Ｂを生じる。方程式１は、無制限の長さの円筒型ワイヤの軸中心からの距離の関数としての磁場の強度を説明する。ここで、Ｉｗｉｒｅは前記ワイヤを通る電流（Ａｍｐ（Ａ））、ｘは前記ワイヤの中心からの距離（ｍ）、μ０は自由空間の浸透性（１．２６×１０−６Ｈ／ｍ）である。
Figure 2008546542
 ワイヤを通過する電流は、電流の流れの方向と直角な方向で１／ｘに比例する強度を有する磁場を生じる。図１６Ｂは、前記マイクロ流体チャネルにおける距離ｘの関数としてワイヤに定電流を通すことによって生じる磁場の規模を明示するグラフを含む。
傾斜磁場は、磁場の規模の拡大の方向常磁性ビーズに対する力を生じる。方程式２は、４つのパラメータの関数としてこの力を算出するための式であり、磁場の傾斜の二乗は▽Ｂ２（Ｔ２／ｍ）、ビーズの体積はＶ（ｍ３）、ビーズの感受性はΧ（無次元）および自由空間の浸透性はμ０である（Ｌｅｅ，Ｈ．；Ｐｕｒｄｏｎ，Ａ．Ｍ．；Ｗｅｓｔｅｒｖｅｌｔ，Ｒ．Ｍ．マイクロ電磁石マトリクスを使用した生体細胞の操作。Ａｐｐ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．２００４年、８５、１０６３−１０６５）。
Figure 2008546542
 方程式１および２を組み合わせると、直流電流をワイヤに通すことによって、ｘ方向に超常磁性ビーズに加えられる力に対する方程式（方程式３）ができあがる。図１６Ｃは、ｘの関数としてこの力を説明するグラフを含む。
Figure 2008546542
 図１６Ａは、磁場の対応するプロット（図１６Ｂ）およびマイクロ流体チャネル１４０２から約１０μｍに位置づけられた電磁石１４０８を通って加えられる電流によって超常磁性ビーズに加えられる力（図１６Ｃ）を有する前記電磁石の一部の図式モデルを示す。前記磁場Ｂは、前記電磁石の前記半田ワイヤの方向性に直角の磁力線によって表される、前記マイクロ流体チャネルにおける水平線は力場を表し、ｘは前記ワイヤの中心からの距離を表す。無限の長さおよび均一な電流密度の半田ワイヤがモデル化において想定される。図１６Ｃの目的として同様に想定されるのは、ビーズが感受性０．１６５および直径５．９μｍを有する完全球面ビーズであることである。２５０ｍＡ、５００ｍＡ、７００ｍＡ、および１０００ｍＡの電流については、ピーク磁場強度（およびピークの力）はそれぞれ０．７１４ｍＴ（０．２０６ｐＮ）、１．４３ｍＴ（０．８２３ｐＮ）、２．１４ｍＴ（１．８５ｐＮ）および２．８６ｍＴ（３．２９ｐＮ）と決定した。
磁力Ｆｘ（方程式３）および懸濁液体によって加えられる粘性抵抗によるストークス力Ｆｓ（方程式４）という２つの力は、前記マイクロチャネルにおける超常磁性粒子に作用する。方程式４において、ηは懸濁化剤の動的粘度（１０−３ｋｇ／ｍ・ｓ）であり、νは前記超常磁性粒子の粘度（ｍ／ｓ）であり、Ｒは前記粒子の半径（ｍ）である。
Figure 2008546542
 方程式３および４を組み合わせることによって、超常磁性粒子を前記マイクロチャネルの一方の側壁から対壁に移動させるための時間Ｔに対する方程式（方程式５）が誘導された（誘導の詳細については下記セクションを参照）。ここで、ａは前記電磁石の中心から前記マイクロ流体チャネルの側壁までの距離（ｍ）であり、ｂは前記磁石の中心から前記超常磁性粒子の最初の位置までの距離（ｍ）であり、我々は前記チャネルにわたった粒子の均一な最初の分配を想定し、前記粒子の慣性は無視している。モデルの結果は図１８Ｄで点線として示されている（下記でより詳しく論じるように得られた観測時間捕獲日に合わせて示されている）。
Figure 2008546542
 （マイクロ流体チャネルにわたって超常磁性ビーズを移動するための時間の誘導）
前記マイクロチャネルにおける超常磁性粒子に作用する力（ｘ方向）のバランスは下記の通りである。
Figure 2008546542
 ビーズの慣性を無視して（ｍａ＝０）磁力Ｆｘ（方程式３）およびストークス力Ｆｓ（方程式４）に対する対応する方程式を代用すると、下記のような表現ができあがる。
Figure 2008546542
 負のｘ方向に（電磁石に向かって）動く超常磁性ビーズについては、方程式７が下記の方程式を簡素化する。
Figure 2008546542
 方程式８における独立変数を分離してその半径に関して粒子の体積を表すと、下記のような表現ができあがる。
Figure 2008546542
 前記超常磁性粒子の最初の位置ｂから前記マイクロ流体チャネルの側壁の位置ａまで方程式９を積分すると、下記のような表現ができあがる。
Figure 2008546542
 Ｔについての方程式１０を解くと、マイクロ流体チャネルにわたってビーズを移動させるために必要な時間についての方程式５ができあがる。
Figure 2008546542
 （電磁石の温度特性）
金属線を通る電流はジュール加熱を生じ、ワイヤの温度を上昇させる。ワイヤの温度の上昇は方程式１１より算出することができる。
Figure 2008546542
 ここで、Ｔｍａｘは前記ワイヤの最高温度（oＫ）、Ｔｒｅｆはガラス基板の温度（oＫ）、ｘは前記基板の厚さ（ｍ）、σは前記ワイヤの伝導率（ｍ／Ω）、前記基板の熱伝導率（Ｗ／ｍ・oＫ）、ｔは前記ワイヤの厚さ（ｍ）、そしてｗは前記ワイヤの幅（ｍ）である。
モデルは方程式３および１１に基づいて誘導され、最高定常状態温度を超えることなく超常磁性ビーズに対する最大力を生じるワイヤの幅を決定した。５．９μｍの平均ビーズ直径、χ＝０．１６５、ｒ＝３０μｍ、ｘ＝７００μｍ、σ＝１．２０＊１０７ｍｈｏｓ／ｍ、ｋ＝１．１２Ｗ／（ｍ・oＫ）、ｔ＝４０μｍ、基板温度Ｔｒｅｆ＝２２℃、および最低定常状態温度Ｔｍａｘ＝５０℃を使用して、１．７１ｐＮの最大力が幅約１２０μｍのワイヤに対して得られたことが決定された（図１７Ａ〜１７Ｃ）。この例における前記電磁石の全ては、この最適幅を有するワイヤを使用して構築された。
図１７Ａ〜１７Ｃは、最大電流（図１７Ａ）、磁場（図１７Ｂ）、および電磁石幅の関数として方程式（１）、（３）および（１２）から算出される電磁ビーズに対する力（図１７Ｃ）に対するモデル計算を図示する。ビーズ直径＝５．９μｍ、χ＝０．１６５、ｒ＝３０μｍ、ｘ＝７００μｍ、σ＝１．２０＊１０７ｍｈｏｓ／ｍ、ｋ＝１．１２Ｗ／（oＫｍ）、ｔ＝１００μｍ、基板温度Ｔｒｅｆ＝２２℃、および最高定常状態温度Ｔｍａｘ＝５０℃というパラメータを想定した。これらのパラメータを使用して、１．７１ｐＮの最大力が、約１２０μｍのワイヤ幅に対して決定された。
（マイクロ流体チャネルの加工）
マイクロ流体構造は、図１４Ａに図示される手順により加工された。前記マイクロ流体チャネルの原型１４０１は、例３で上述のようにシリコーンウエハー１４０３上のＳＵ−８フォトレジスト（ＭｉｃｒｏＣｈｅｍ，Ｉｎｃ）において加工した。前記原型は（トリデカフルオロ−１，１，２，２−テトラヒドロオクチル）−ｌ−トリクロロシランで一晩シラン化した。ＰＤＭＳ（Ｓｙｌｇａｒｄ１８４、Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ，Ｉｎｃ）は原型に注ぎ、熱硬化してはがした。流入口および流出口穴は、針（２２Ｇａ）を使用してチャネルの層に開けた。
前記ＰＤＭＳおよびガラス基板は酸素のプラズマに１分間露出し、前記ＰＤＭＳおよびガラスは接触させて永久密封を形成した。酸素のプラズマの適用の１５分以内に、アセトニトリル中の３−メルカプトプロピルトリメトキシシランの溶液（０．１Ｍ）をマイクロ流体チャネルのネットワークに流し込み、前記溶液が前記マイクロ流体チャネルから蒸発するまで（１時間以内）前記デバイスは２２℃で保存した。この過程は、表面自由エネルギーを削減して前記液体半田を有する前記マイクロ流体チャネルの壁の湿潤を促進したシランで前記マイクロ流体チャネルの内面をコーティングした。
（液体半田の注入）
２００℃までに加熱されたシリコン加熱テープ（Ｄａｉｇｇｅｒ Ｉｎｃ）に包まれたガラスシリンジ（１０ｍＬ、ＭｉｃｒｏＭａｔｅ Ｉｎｃ）を液体半田合金（５ｇ、９９．９９％Ｉｎ、ＡＩＭ Ｓｏｌｄｅｒｓ Ｉｎｃ）で満たした。マイクロ流体チャネルを有する前記デバイスを２００℃に設定された過熱板に設置した。前記シリンジの先端を前記マイクロ流体チャネルの一方の流入口に挿入して前記シリンジに圧力を加えることによって、半田を前記デバイスの前記マイクロ流体チャネルに注入した。液体半田はすばやく（１秒未満）前記チャネルを満たした。
（半田構造電気ワイヤの冷却）
前記半田がまだ液体の時に前記半田チャネルの流入口および流出口穴に銅ワイヤ１４１２（Ｄｉｇｉｋｅｙ Ｉｎｃ、直径２００μｍ）を挿入した（図１４Ａ下）。それから前記デバイスを前記過熱板から取り除いてガラス板上で２５℃まで冷却した。前記半田はマイクロ流体チャネルのシステムの形状に凝固した。この過程はまた、前記銅ワイヤを前記チャネルの流入口および流出口における所定の位置に固定した。前記電気ワイヤを補強するために、前記電気ワイヤおよび前記半田の接触点において光硬化性ポリウレタン１４１４を適用して硬化した（ＮＯＡ８１、Ｎｏｒｌａｎｄ Ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｉｎｃ）（図１４Ａ下）。外部電気ワイヤおよびＰＤＭＳに埋め込まれた半田構造のネットワークを接続するために、ＮａｎｏｇｒａｂｂｅｒＴＭワニ口クリップ（Ｐｏｍｏｎａ Ｉｎｃ）を銅ワイヤに取り付けた。
（電子機器の設定）
図１５は、前記電磁石を駆動するために使用される電子回路の概略図を示す。１０Ｖ電力（ＢＫ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ，Ｉｎｃ）および二重６Ｖ、１０Ｖ電力（Ａｇｉｌｅｎｔ，Ｉｎｃ）（集合的に１５０２）を前記回路に接続した。関数発生器１５０４（Ａｇｉｌｅｎｔ，Ｉｎｃ）を使用して変動振幅および周波数の信号を前記回路に適用した。前記信号の振幅の増加は、前記電磁石を通る電流を増大し、磁場の強度を増大した。
（マイクロ流体チャネルへ流れ込む超常磁性ビーズの分類）
上記のマイクロ固体電磁石デバイスを使用して、マイクロ流体チャネル１４０２に流れ込む超常磁性ビーズの流れを２つの下流マイクロ流体チャネル１８０２、１８０４のうちの１つに分類するためのスイッチを構築した（図１８Ｅ〜１８Ｆ）。簡潔にいえば、以下にさらに詳しく説明するように、両方の電磁石が電源オフの場合、超常磁性ビーズの懸濁は接合部において左右両方のマイクロ流体チャネルに流れ込んだ（図１８Ｅ）。左の電磁石が起動されると（右の電磁石は電源オフ）、前記ビーズは前記チャネルの左表面へと引っ張られ、その後左のマイクロ流体チャネルへと方向付けられた（図１８Ｆ）。右の電磁石が起動されると（左の電磁石はオフ）、前記ビーズは前記チャネルの右表面へと引っ張られ、その後右のマイクロ流体チャネルへと方向付けられた（図１８Ｇ）。
前記中央マイクロ流体チャネル１４０２の両側にある電磁石１４０８、１４１０をオン／オフするために関数発生器１５０４からのプログラム可能信号を使用して１００周期にわたって０．５Ｈｚの周波数で超常磁性ビーズ（直径５．９μｍ、χ＝０．１６５）を捕らえて前記マイクロ流体チャネルから解放し（図１８Ａ〜１８Ｃ）、前記ビーズは前記チャネルに加える前に約５×１０８ビーズ／ｍＬの濃度の緩衝剤（２％ウシ血清アルブミン、０．０５％Ｔｗｅｅｎ２０、容量で０．１％ＮａＮ３）に懸濁した。ビーズの前記懸濁は、シリンジを使用して前記マイクロ流体チャネルに注入し、前記ビーズは実験の開始前に静止して前記チャンネル全体を通して均一に分散した。
マイクロ流体チャネル内の緩衝剤中の超常磁性ビーズの数をとらえるために必要とされる時間は、図１８Ｄにプロットされている。データを得るために、超常磁性ビーズの懸濁をチャネル１４０２に注入し、流れを停止し、２０個のビーズを含んだ前記チャネルの一部を撮像した。電流は隣接する電磁石に通され、前記ビーズの９０％を「とらえる」、つまり前記マイクロ流体チャネルの内側から壁との接触に前記ビーズを移動させる時間を記録した。「捕獲の時間」は、８０ｍＡから１０８０ｍＡの間の、前記ワイヤに加えられる様々な電流において測定した。
図１８Ａ〜１８Ｃは、画像内で前記マイクロ流体チャネルの上下に位置する２つの電磁石１４０８、１４１０（黒色）に近接するマイクロ流体チャネル１４０２内の超常磁性ビーズ１８０６（直径５．９μｍ）の捕獲および解放を示す画像のコピーである。前記一連の画像は、３秒間で撮影された。図１８Ａは、前記電磁石に電流が加えられていない前記マイクロ流体チャネルを示す。図１８Ｂは、電流（１Ａ、矢印の方向）が上部電磁石１４０８に１秒間加えられた後の前記マイクロ流体チャネルを示し、前記電流は前記マイクロ流体チャネルの上面に最大規模を伴ってページの平面に配向された磁場を生じた。磁場における傾斜は前記ビーズに力を加えた。電流をオン／オフにすることは、ビーズを前記マイクロ流体チャネルの表面から捕獲および解放することを可能にした。図１８Ｃは、前記上部電磁石１４０８における電流がオフにされ、１Ａの電流が前記下部電磁石１４１０に１秒間加えられた後の前記マイクロ流体チャネルを示す。前記過程は、同様の結果を伴って１００回以上繰り返された。図１８Ｄは、前記電磁石の起動後の前記ビーズの応答時間のモデル結果および実験的測定についてのデータを提示する。データポイントは、５回の実験にわたって測定された超常磁性ビーズの数の９０％を捕獲するための平均時間（つまり壁と接触した場所）を表す。エラーバーは測定値の範囲を表す。前記ビーズを捕らえるための時間は、電流との逆の力の相関に従う（方程式５）。
図１８Ｅ〜１８Ｇは、超常磁性ビーズをマイクロ流体チャネルに流れ込む液体内で分類することの結果を図示する。ビーズの懸濁を１０μＬ／ｈｒ以下の速度でマイクロ流体チャネル１４０２を通して流した。２つの電磁石１４０８、１４１０を、接合部１８０１の１ｃｍ上流の前記マイクロ流体チャネルの両側に加工した。前記電磁石を使用して、前記接合部において最上１８０２または最下チャネル１８０４を通って流れるよう前記ビーズを方向転換した。図１８Ｅは、両方の電磁石がオフにされた時の前記接合部の画像である。図１８Ｆは、前記下部電磁石１４１０が１秒間起動された（および前記上部電磁石１４０８がオフにされた）後の前記接合部を示す。図１８Ｇは、前記上部電磁石１４０８が１秒間起動された（および前記下部電磁石１４１０がオフにされた）後の前記接合部を示す。全実験について、前記超常磁性ビーズは前記マイクロ流体チャネルに注入する前に、５×１０８ビーズ／ｍＬの濃度の緩衝剤に懸濁した。前記チャネル１４０２の高さおよび幅は４０μｍであった。各電磁石と前記チャネルとの間の距離は約１０μｍであった。
本発明のいくつかの実施例がここで説明および図示されている一方で、当業者であれば、機能を実施するため、および／または結果および／またはここで説明される１つ以上の利点を得るための様々な他の手段および／または構造を容易に想像するであろう、そしてそのような変化または改良のそれぞれは、本発明の範囲内とみなされる。より一般的に、当業者であれば、ここで解説される全てのパラメータ、寸法、材料、および形態は模範的となるべきで、実際のパラメータ、寸法、材料、および／または形態は、本発明の教示が使用される特定の適用に左右されることを容易に十分理解するであろう。当業者であれば、通常の実験のみを使用して、ここで解説される本発明の特定の実施例に対する多くの同等物を認識、または確定することができるであろう。従って、先行実施例は例の手段としてのみ提示され、添付の請求項およびそれに対する同等物の範囲内で、具体的に解説および請求されない限り本発明を実践することができることが理解される。本発明は、ここで解説される各個別特徴、システム、加工品、材料、キット、および／または方法に向けられる。また、そのような特徴、システム、加工品、材料、キットおよび／または方法が互いに一貫している場合は、２つ以上のそのような特徴、システム、加工品、材料、キット、および／または方法のあらゆる組み合わせが本発明の範囲内に含まれる。
全ての定義は、ここで定義および使用されるように、辞書の定義、参照することにより組み込まれる文書中の定義、および／または定義された用語の通常の意味を管理することを理解すべきである。
明細書および請求項においてここで使用されるような「ａ」および「ａｎ」という不定冠詞は、明確に正反対に示されない限り、「少なくとも１つ」を意味することを理解すべきである。
明細書および請求項においてここで使用されるような「および／または」という語句は、そのように結合される要素、つまりある例においては連接して存在し、かつ他の例においては断絶して存在する要素の「どちらか一方の、または両方の」を意味することを理解すべきである。「および／または」で一覧化される複数の要素は、同じ方法で、つまり「１つ以上の」そのように結合される要素と解釈すべきである。具体的に特定される要素に関連または非関連であろうとなかろうと、「および／または」節によって具体的に特定される要素以外のその他の要素も任意で存在してもよい。よって、限定されない例として、「Ａおよび／またはＢ」への言及は、「〜を備える」などの制限のない言葉と併用されると、１つの実施例では、Ａのみを参照（任意でＢ以外の要素を含む）し、別の実施例では、Ｂのみを参照（任意でＡ以外の要素を含む）し、さらに別の実施例では、ＡおよびＢの両方を参照（任意でその他の要素を含む）することなどができる。
明細書および請求項においてここで使用されるような「または」は、上記で定義されるような「および／または」と同じ意味を持つことを理解すべきである。例えば、一覧において項目を分ける場合、「または」または「および／または」は、包含的、つまり少なくとも１つの包含であるが、１つ以上の多数の要素または要素の一覧、および任意で付加的な一覧化されていない項目も含むとして解釈されるものとする。「１つのみの」または「正確に１つの」などの明確に正反対に示された用語のみ、または請求項において使用される場合、「〜から成る」は多数の要素または要素の一覧のうち正確に１つの要素の包含を参照する。一般に、ここで使用されるような「または」という用語は、「どちらか一方の」、「１つの」、「１つのみの」または「正確に１つの」など排他性の用語によって先行される場合、排他的代替案（つまり「一方または他方であるが両方ではない」）を示しているとして解釈されるのみのものとする。「実質的に〜から成る」は、請求項において使用される場合、特許法の分野において使用されるようなその通常の意味を持つものとする。
明細書および請求項においてここで使用されるような「少なくとも１つ」という語句は、１つ以上の要素の一覧の参照において、要素の一覧におけるあらゆる１つ以上の要素から選択される少なくとも１つの要素を意味するが、要素の一覧内に具体的に一覧化される各および全要素のうち少なくとも１つを必ずしも含まず、かつ要素の一覧における要素のあらゆる組み合わせを除かないことを理解すべきである。この定義はまた、具体的に特定される要素に関連または非関連であろうとなかろうと、「少なくとも１つ」という語句が参照する要素の一覧内で具体的に特定される要素以外のその他の要素も任意で存在してもよいことを可能にする。よって、限定されない例として、「ＡおよびＢのうち少なくとも１つ」（または同等に「ＡまたはＢのうち少なくとも１つ」、または同等に「Ａおよび／またはＢのうち少なくとも１つ」）は、１つの実施例では、任意でＢが存在せずに１つ以上のＡを含んで（および任意でＢ以外の要素を含んで）少なくとも１つを参照し、別の実施例では、任意でＡが存在せずに１つ以上のＢを含んで（および任意でＡ以外の要素を含んで）少なくとも１つを参照し、さらに別の実施例では、任意で１つ以上のＡおよび少なくとも１つを含み、任意で１つ以上のＢを含んで（および任意で他の要素を含んで）少なくとも１つを参照することなどができる。
明確に正反対に示されない限り、１つ以上のステップまたは行為を含むここで請求されるあらゆる方法において、方法のステップまたは行為の順番は、方法のステップまたは行為が列挙されている順番に必ずしも限定されないこともまた理解するべきである。
請求項ならびに上記の明細書において、「〜を備える」、「〜を含む」、「〜を携行する」、「〜を有する」、「〜を包含する」、「〜を伴う」、「〜を保持する」、「〜から成る」、およびその類似するものなどの全ての移行句は、制限がない、つまりそれを含むが限定されずに意味することが理解される。「〜から成る」および「実質的に〜から成る」という移行句のみが、それぞれ閉鎖または半閉鎖句であるものとする。
本発明の限定されない実施例は、添付図面を参照して例証することにより、説明されるが、添付図面は、概略的であり、一定の縮尺で描かれるものではない。図では、図解される同一あるいはほぼ同一の構成要素は、それぞれ通常１つの数字で表される。明解にするために、あらゆる構成要素が図において表示されているものではなく、また当業者が本発明を理解するのに説明が必要でない場合には、本発明の各実施例のあらゆる構成要素が示されるものではない。図について以下に示す。
図１Ａは、第１および第２の導電部位を有するマイクロ流体チャネルを備える構造を図解している。 図１Ｂは、第１および第２の導電部位を有するマイクロ流体チャネルを備える構造を図解しているが、第１の導電部位の一部は溶融している。 図１Ｃは、第２の導電部位と電気的接続を有する第１の導電部位を有するマイクロ流体チャネルを備える構造を図解している。 図２Ａは、第１および第２の実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルを備える構造を図解している。 図２Ｂは、それぞれ導電金属で充填された、第１および第２の実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルを備える構造を図解している。 図２Ｃは、第１のチャネルにおいて第１の導電金属と、第２のチャネルにおいて第２の導電金属と、電気的に接続された電子デバイスを備える構造を図解している。 図３Ａは、実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルを備える構造を図解している。 図３Ｂは、壁を液体金属で湿潤させることを可能とする、沈着された化学物質を有する、実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルの壁を図解している。 図３Ｃは、金属で充填された実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルを備える構造を図解している。 図４Ａは、「バスケットウィーブ」形態に配列された一連の相互接続されたチャネルを有する、複数レベルマイクロ流体ネットワーク構造の概略の斜視図であり、一部のチャネルは金属で充填されている。 図４Ｂは、金属で充填されたコイル状流体流路に囲まれ、中央に配置された直線チャネルを備える５レベルマイクロ流体ネットワークの概略の斜視図である。 図５は、液体半田をマイクロ流体チャネルに注入することによる、可撓性金属微細構造の加工方法を図解する一連の概略断面図を示している。 図６は、一部の実施例において、マイクロ流体チャネルのＰＤＭＳ面を処理するために使用されるシランの化学構造、およびシランがマイクロ流体チャネルの表面に化学結合した時の構造を示す概略図である。 図７Ａ〜７Ｆは、本発明の一部の実施例によるＰＤＭＳマイクロ流体構造に組み込まれた、さまざまな可撓性金属線の画像の複写である。 図７Ａ〜７Ｆは、本発明の一部の実施例によるＰＤＭＳマイクロ流体構造に組み込まれた、さまざまな可撓性金属線の画像の複写である。 図７Ａ〜７Ｆは、本発明の一部の実施例によるＰＤＭＳマイクロ流体構造に組み込まれた、さまざまな可撓性金属線の画像の複写である。 図７Ａ〜７Ｆは、本発明の一部の実施例によるＰＤＭＳマイクロ流体構造に組み込まれた、さまざまな可撓性金属線の画像の複写である。 図７Ａ〜７Ｆは、本発明の一部の実施例によるＰＤＭＳマイクロ流体構造に組み込まれた、さまざまな可撓性金属線の画像の複写である。 図７Ａ〜７Ｆは、本発明の一部の実施例によるＰＤＭＳマイクロ流体構造に組み込まれた、さまざまな可撓性金属線の画像の複写である。 図８Ａ〜８Ｄは、本発明の一部の実施例に従って製造された、ＰＤＭＳに組み込まれた可撓性金属格子を示す画像の複写である。 図８Ａ〜８Ｄは、本発明の一部の実施例に従って製造された、ＰＤＭＳに組み込まれた可撓性金属格子を示す画像の複写である。 図８Ａ〜８Ｄは、本発明の一部の実施例に従って製造された、ＰＤＭＳに組み込まれた可撓性金属格子を示す画像の複写である。 図８Ａ〜８Ｄは、本発明の一部の実施例に従って製造された、ＰＤＭＳに組み込まれた可撓性金属格子を示す画像の複写である。 図９は、マイクロ流体チャネルの複数レベルのバスケットウィーブパターンを伴う、マイクロ流体およびマイクロ固体の加工方法のステップを指示する概略断面図を示している。 図１０Ａ〜１０Ｅは、本発明の一部の実施例に従って加工された、さまざまな金属微細構造を示す画像の複写である。 図１０Ａ〜１０Ｅは、本発明の一部の実施例に従って加工された、さまざまな金属微細構造を示す画像の複写である。 図１０Ａ〜１０Ｅは、本発明の一部の実施例に従って加工された、さまざまな金属微細構造を示す画像の複写である。 図１０Ａ〜１０Ｅは、本発明の一部の実施例に従って加工された、さまざまな金属微細構造を示す画像の複写である。 図１０Ａ〜１０Ｅは、本発明の一部の実施例に従って加工された、さまざまな金属微細構造を示す画像の複写である。 図１１Ａ〜１１Ｄは、本発明の一部の実施例に従って半田の微細構造を修復する過程を図解している。 図１１Ａ〜１１Ｄは、本発明の一部の実施例に従って半田の微細構造を修復する過程を図解している。 図１１Ａ〜１１Ｄは、本発明の一部の実施例に従って半田の微細構造を修復する過程を図解している。 図１１Ａ〜１１Ｄは、本発明の一部の実施例に従って半田の微細構造を修復する過程を図解している。 図１２Ａは、本発明に従って製造されたＰＤＭＳに組み込まれた高周波マイクロ変圧器の拡大像を示す画像の複写である。 図１２Ｂは、図１２Ａの変圧器の周波数応答を示すグラフである。 図１２Ｃは、図１２Ａの一次ソレノイドと二次ソレノイドにわたるマイクロ変圧器の特性波形示すグラフである。 図１３Ａは、組み込まれたコイルマイクロヒータは、本発明の一部の実施例に従って加工されたＰＤＭＳであることを示す、画像の複写である。 図１３Ｂは、図１３Ａのコイルマイクロヒータのマイクロ流体チャネルにおける温度を、マイクロヒータのコイルを通る電流の関数として示した図表である。 図１４Ａは、本発明の一部の実施例によるＰＤＭＳにおける、電磁石の加工を描いた概略的断面図である。 図１４Ｂは、図１４Ａに図解されるステップに従って加工された電磁石デバイスの断面の画像の複写である。 図１５は、図１４Ｂの電磁石の、対の電磁石を駆動するために使用される電子回路の概略図である。 図１６Ａは、図１４Ｂの電磁石の一部であり、生成された磁場とマイクロチャネルに存在する常磁性ビーズ上の力を図解している。図１６Ｂは、図１４Ｂの電磁石により生成された磁場を、マイクロ流体チャネル内の電磁石からの距離の関数として示すグラフである。図１６Ｃは、図１６Ｂのグラフに対応するグラフであり、マイクロ流体チャネルに存在する常磁性ビーズ上に生成された力を示している。 図１７Ａ、図１７Ｂ、および図１７Ｃは、方程式１、３、および１１から計算された、電磁ビーズ上の力をそれぞれ示すグラフである。 図１７Ａ、図１７Ｂ、および図１７Ｃは、方程式１、３、および１１から計算された、電磁ビーズ上の力をそれぞれ示すグラフである。 図１７Ａ、図１７Ｂ、および図１７Ｃは、方程式１、３、および１１から計算された、電磁ビーズ上の力をそれぞれ示すグラフである。 図１８Ａ〜１８Ｃは、図１４Ｂにおける電磁石デバイスのマイクロ流体チャネルの画像の複写であり、電磁石に電流が付加されていないとき（図１８Ａ）、上部電磁石に電流が付加されたあと（図１８Ｂ）、および下部電磁石に電流が付加されたあと（図１８Ｃ）のチャネル内を流動する常磁性ビーズを示している。 図１８Ａ〜１８Ｃは、図１４Ｂにおける電磁石デバイスのマイクロ流体チャネルの画像の複写であり、電磁石に電流が付加されていないとき（図１８Ａ）、上部電磁石に電流が付加されたあと（図１８Ｂ）、および下部電磁石に電流が付加されたあと（図１８Ｃ）のチャネル内を流動する常磁性ビーズを示している。 図１８Ａ〜１８Ｃは、図１４Ｂにおける電磁石デバイスのマイクロ流体チャネルの画像の複写であり、電磁石に電流が付加されていないとき（図１８Ａ）、上部電磁石に電流が付加されたあと（図１８Ｂ）、および下部電磁石に電流が付加されたあと（図１８Ｃ）のチャネル内を流動する常磁性ビーズを示している。 図１８Ｄは、図１４Ｂの電磁石の活性化後、補足に必要な応答時間を示すグラフである。 図１８Ｅ〜１８Ｇは、図１４Ｂの電磁デバイスのマイクロ流体チャネルにおける、常磁性ビーズの選別を図解する画像の複写である。 図１８Ｅ〜１８Ｇは、図１４Ｂの電磁デバイスのマイクロ流体チャネルにおける、常磁性ビーズの選別を図解する画像の複写である。 図１８Ｅ〜１８Ｇは、図１４Ｂの電磁デバイスのマイクロ流体チャネルにおける、常磁性ビーズの選別を図解する画像の複写である。

Claims (79)

  1. マイクロ流体システムであって、実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルを備えるマイクロ流体システムを画定する構造を提供する動作と、
    液体金属を、前記実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルの少なくとも一部に流入させる動作であって、前記金属は前記金属の融点より高い温度を有する、動作と、
    前記実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネル内の前記液体金属を、前記金属の融点より低い温度まで冷却し、それにより前記金属を固化させ、前記マイクロ流体システム内に導電通路を形成させる動作と、
    を含む、導電通路を製造する方法。
  2. 前記マイクロ流体システムを画定する構造は、層を備え、前記層は、第１の方向に沿って測定される前記層の長さと、前記第１の方向に垂直な第２の方向に沿って測定される前記層の幅と、前記第１および第２の両方向に垂直な第３の方向に沿って測定される前記層の厚さであって、前記層の長さ未満かつ前記層の幅未満である厚さとを有し、前記実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルは、前記層の全厚を横断しない、請求項１の方法。
  3. 前記実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルは、前記第１および第２の方向により画定される平面または曲面内に位置する、請求項２の方法。
  4. 前記マイクロ流体チャネルの壁の少なくとも一部は、前記金属を前記チャネルに流入する前に、前記壁の一部を前記金属により湿潤できるようにする過程により処理される、請求項１の方法。
  5. 前記過程は、前記壁の少なくとも一部を化学変化させることを含む、請求項４の方法。
  6. 前記過程は、前記壁に付着または化学結合することができる化学物質に、前記壁を曝露することを含む、請求項４の方法。
  7. 前記化学物質は、アルカンチオールまたはシランを含む、請求項６の方法。
  8. 前記化学物質は、３−メルカプトプロピルトリメトキシシランを含む、請求項７の方法。
  9. 前記マイクロ流体チャネルは、少なくとも１つの約１ｍｍ未満の断面寸法を有する、請求項１の方法。
  10. 前記マイクロ流体チャネルは、少なくとも１つの約１００ミクロン未満の断面寸法を有する、請求項１の方法。
  11. 前記マイクロ流体チャネルは、少なくとも１つの約３０ミクロン未満の断面寸法を有する、請求項１の方法。
  12. 前記マイクロ流体チャネルは、少なくとも１つの約１０ミクロン未満の断面寸法を有する、請求項１の方法。
  13. 前記マイクロ流体チャネルは、少なくとも１つの約３ミクロン未満の断面寸法を有する、請求項１の方法。
  14. 前記マイクロ流体チャネルは、少なくとも１つの約１ミクロン未満の断面寸法を有する、請求項１の方法。
  15. 前記マイクロ流体チャネルは、少なくとも１つの約１ミクロン〜約１００ミクロンの断面寸法を有する、請求項１の方法。
  16. 電気構成要素と前記固化金属の少なくとも一部との間に電気的接続を形成することをさらに含む、請求項１の方法。
  17. 前記マイクロ流体システムは、前記冷却動作の完了後に複数の伝導通路を提供する、複数の実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルを備え、複数の電気的接続が、複数の電気構成要素と複数の伝導通路との間に形成され、それにより電気回路デバイスが形成される、請求項１６の方法。
  18. 前記電気回路デバイスは、変圧器、電磁石、アンテナ、コンピュータ、またはラジオを含む、請求項１７の方法。
  19. 前記マイクロ流体システムを画定する構造は、可撓性材料から形成される、請求項２または１７の方法。
  20. 前記可撓性材料は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）を含む、請求項１８の方法。
  21. 電気的接続を、マイクロ流体システムの第１の領域と第２の領域との間に形成させる方法であって、
    第１の導電領域と、前記第１の領域に電気的に接続されていない第２の導電領域を少なくとも備えるマイクロ流体システムを画定する構造を提供する動作であって、前記第１の領域は、導電金属を含む動作と、
    前記導電金属を含む第１の領域を、前記金属の融点より高い温度に加熱し、それにより前記金属を液化させる動作と、
    前記液体金属を、前記第２の導電領域の少なくとも一部に接触させるように、前記マイクロ流体システム内で流動させる動作と、
    前記液体金属を、前記マイクロ流体システム内で、前記金属の融点より低い温度に冷却し、それにより前記金属を再固化する動作と、
    を含む、方法。
  22. 前記第１の導電領域および第２の導電領域のうち少なくとも１つは、半田または半田合金を含む、請求項２１の方法。
  23. 前記第１の導電領域および第２の導電領域のうち少なくとも１つは、スズ、インジウム、銀、鉛、ビスマス、カドミウム、亜鉛、およびアンチモンから成る群から選択される少なくとも１つの金属を含む、請求項２１の方法。
  24. 前記第１の導電領域および第２の導電領域のうち少なくとも１つは、摂氏約２００度（℃）より低い融点を有する金属を含む、請求項２１の方法。
  25. 前記第１の導電領域および第２の導電領域のうち少なくとも１つは、摂氏約４０度（℃）〜摂氏約４００度（℃）の融点を有する金属を含む、請求項２４の方法。
  26. 前記第１の導電領域は、前記構造を加熱することにより、間接的に加熱される、請求項２１の方法。
  27. 前記第１および第２の導電領域のうち少なくとも１つは、電気的に電極に接続される、請求項２１の方法。
  28. 前記第１および第２の導電領域に電位を印加することをさらに含む、請求項２１の方法。
  29. 圧力差を使用することにより、前記金属を前記マイクロ流体システム内で流動させることを含む、請求項２１の方法。
  30. 前記構造の少なくとも一部を変形させることにより、前記金属を前記マイクロ流体システム内で流動させることを含む、請求項２１の方法。
  31. 前記構造を変形させることは、曲げることを含む、請求項３０の方法。
  32. 前記構造はポリマーを含む、請求項２１の方法。
  33. 前記ポリマーは弾性ポリマーを含む、請求項３２の方法。
  34. 前記ポリマーはＰＤＭＳを含む、請求項３２の方法。
  35. 前記構造は可撓性である、請求項２１の方法。
  36. 前記構造は電気的に絶縁している、請求項２１の方法。
  37. 前記構造は熱的に絶縁している、請求項２１の方法。
  38. 第１のマイクロ流体チャネルを画定する第１の構造部と、
    第２のマイクロ流体チャネルを画定する第２の構造部と、
    摂氏約９００度（℃）より低い融点を有する金属を含み、前記第１のマイクロ流体チャネルの少なくとも一部内に含まれる第１の導電領域と、
    摂氏約９００度（℃）より低い融点を有する金属を含み、前記第２のマイクロ流体チャネルの少なくとも一部内に含まれる第２の伝導領域と、
    前記第１のマイクロ流体チャネルに電気的に接続される第１の電極と、
    前記第２のマイクロ流体チャネルに電気的に接続される第２の電極と
    を備え、
    デバイスが、前記第１の構造部を前記第２の構造部の近接した位置へと移動することができるように、構築および配置されている、マイクロ流体構造。
  39. 第１の導電領域を備える第１の構造部を提供することと、
    第２の導電領域を備える第２の構造部を提供することと、
    互いに接触させるために、前記第１または第２の構造部のいずれも前記第１および第２の部分の外部の装置に接触させずに、前記第１および第２の構造部を互いに対して移動するように、かつ、前記移動の過程中に、少なくとも前記第１の構造部が有意に変形する条件下で、前記第１と第２の導電領域の間に電気的接続を形成するように、誘導することと、
    を含む、電気デバイスの自己組織化の方法。
  40. 構造要素を備える構成要素を提供することと、
    前記構造要素を備える構成要素を、第１の構造要素が第１のより可撓性の状態にある条件下で、前記構成要素を第２の形状へと促すために前記構成要素を外部装置に接触させずに、第１の形状から前記第２の形状へと有意に変形させることと、
    少なくとも部分的に前記構造要素によって、前記構成要素が前記第２の形状に維持されるよう、前記構造要素を第２のより剛性の状態へと変換することと、
    を含む、自己組織化構造を形成する方法。
  41. 第１の導電領域を備える第１の構造部を提供することと、
    第２の導電領域を備える第２の構造部を提供することと、
    互いに接触させるために、前記第１または第２の構造部のいずれも前記第１および第２の部分の外部の装置に接触させずに、条件であって、前記移動の過程中に、少なくとも前記第１の構造部と前記第１の導電領域が有意に変形し、前記第１の導電領域が第１のより可撓性の状態にある条件下で、前記第１および第２の構造部を第１の形態から、前記第１と第２の導電領域の間に電気的接続を画定する第２の形態へと、互いに対して移動させることと、
    前記第１の導電領域を前記第２の形態における第２のより剛性の状態に変換することと、
    を含む、電気デバイスの自己組織化の方法。
  42. 第１の導電領域と、前記第１の領域に電気的に接続されていない第２の導電領域とを備えるマイクロ流体チャネルを画定する構造を提供することであって、前記第１の導電領域と、前記第２の導電領域とは、それぞれ金属を含む、ことと、
    前記第１の導電領域の少なくとも一部を、前記金属の融点より高い温度に加熱することと、
    を含む、方法。
  43. 前記第１の金属または第２の金属は、前記金属を含む前記構造を加熱することにより、間接的に加熱される、請求項４２の方法。
  44. 前記加熱された金属を流動させ、前記第１の導電領域と第２の導電領域の間に電気的接続を形成させることをさらに含む、請求項４２の方法。
  45. 液体金属を含まない、実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルを画定する構造を提供することと、
    液体金属を前記チャネルの少なくとも一部に流入させることと、
    を含む方法。
  46. 前記流動させる動作のあとに、固体の導電通路を形成するために、前記液体金属を固化させる動作をさらに含む、請求項４５の方法。
  47. 前記構造は可撓性で、最初は、所定の厚さを有し、形態が実質的に平面の形状である層の形状にあり、前記方法は、前記提供する動作のあとに、前記層を実質的に非平面形態へと変形させる動作をさらに含む、請求項４６の方法。
  48. 前記変形させる動作は、前記流動させる動作の前に起こる、請求項４７の方法。
  49. 前記変形させる動作は、前記固化させる動作の後に起こる、請求項４７の方法。
  50. 前記変形させる動作において、前記構造はらせん状にねじられる、請求項４７の方法。
  51. 第１の実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルおよび第２の実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルを画定する構造を提供することであって、前記第１のチャネルおよび前記第２のチャネルは、それぞれ摂氏約９００度（℃）より低い融点を有する金属を含み、前記第１および第２のチャネルは、互いに電気的に接続されていない、ことと、
    前記第１のチャネルと前記第２のチャネルを電気的に接続することと、
    を含む、方法。
  52. マイクロ流体システムを画定する可撓性構造であって、前記マイクロ流体システムは、少なくとも１つのマイクロ流体チャネルを備える、可撓性構造を備え、
    前記マイクロ流体チャネルの少なくとも一部の断面全体は、摂氏約９００度（℃）より低い融点を有する金属で充填されている、
    少なくとも１つの導電通路を備えるデバイス。
  53. 前記マイクロ流体チャネルは、少なくとも１つの約１ｍｍ未満の断面寸法を有する、請求項５２のデバイス。
  54. 前記マイクロ流体チャネルは、少なくとも１つの約１００ミクロン未満の断面寸法を有する、請求項５２のデバイス。
  55. 前記マイクロ流体チャネルは、少なくとも１つの約３０ミクロン未満の断面寸法を有する、請求項５２のデバイス。
  56. 前記マイクロ流体チャネルは、少なくとも１つの約１０ミクロン未満の断面寸法を有する、請求項５２のデバイス。
  57. 前記マイクロ流体チャネルは、少なくとも１つの約３ミクロン未満の断面寸法を有する、請求項５２のデバイス。
  58. 前記マイクロ流体チャネルは、少なくとも１つの約１ミクロン未満の断面寸法を有する、請求項５２のデバイス。
  59. 前記マイクロ流体チャネルは、少なくとも１つの約１ミクロン〜１００ミクロンの断面寸法を有する、請求項５２のデバイス。
  60. 前記金属は、摂氏約２００度（℃）未満の融点を有する、請求項５２のデバイス。
  61. 前記金属は、摂氏約４０度（℃）〜摂氏約４００度（℃）の融点を有する、請求項６０のデバイス。
  62. 前記可撓性構造はポリマーを含む、請求項５２のデバイス。
  63. 前記ポリマーは弾性ポリマーを含む、請求項６２のデバイス。
  64. 前記ポリマーはＰＤＭＳを含む、請求項６３のデバイス。
  65. 少なくとも２つのマイクロ流体チャネルを備える、マイクロ流体システムを画定する構造を備え、
    第１のマイクロ流体チャネルの少なくとも一部の断面全体は、摂氏約９００度（℃）より低い融点を有する金属で充填されていて、
    第２のマイクロ流体チャネルの少なくとも一部の断面全体は、液体金属でない流動流体を含有する、
    少なくとも１つの導電通路を含むデバイス。
  66. 少なくとも前記第１のマイクロ流体チャネルは、実質的に閉鎖されたマイクロ流体チャネルを備える、請求項６５のデバイス。
  67. 前記第１のマイクロ流体チャネルは、前記第２のマイクロ流体チャネルに十分近接して位置付けられ、それにより前記金属に電流を流したときに、前記第２のマイクロ流体チャネルにおける前記流動流体の特性、または前記流動流体に懸濁した粒子に実質的に作用することが可能な、電場および／または磁場および／または熱エネルギーが生成される、請求項６５のデバイス。
  68. 前記第１のマイクロ流体チャネルは、前記第２のマイクロ流体チャネルの十分近接に位置付けられ、それにより前記金属に電流を流したときに、前記流動流体に懸濁した粒子の軌道を変更することが可能な、電場および／または磁場が生成される、請求項６７のデバイス。
  69. 前記粒子は、磁性粒子、非磁性金属粒子、ポリマー粒子、生体細胞、および上記のうち２つ以上の混合物から成る群から選択される、請求項６８のデバイス。
  70. 前記構造は、層であって、所定の厚さを有し、形態が実質的に平面である層を備え、前記第１のマイクロ流体チャネルと第２のマイクロ流体チャネルは、ともに前記構造の単一レベル内に、かつ、前記層と実質的に同一平面上にある平面と実質的に同一平面上にある平面内に位置する、請求項６７のデバイス。
  71. 前記第１のマイクロ流体チャネルおよび第２のマイクロ流体チャネルは、それらの長さの有意な部分にわたり、実質的に互いに平行である、請求項６７のデバイス。
  72. 前記第１のマイクロ流体チャネルは、形態がらせん状である流路の少なくとも一部を形成し、前記第２のマイクロ流体チャネルの少なくとも一部は、前記らせん状流路により境界を定められる、請求項６７のデバイス。
  73. 前記らせん状流路は、前記第２のマイクロ流体チャネルの十分近接に位置付けられ、それにより前記金属に電流を流したときに前記第２のマイクロ流体チャネルにおける前記流動流体を加熱することができるのに十分な熱エネルギーが生成される、請求項７２のデバイス。
  74. 少なくとも１つのマイクロ流体チャネルは、少なくとも１つの約１ミクロン〜約１００ミクロンの断面寸法を有する、請求項６５のデバイス。
  75. 前記金属は摂氏約２００度（℃）未満の融点を有する、請求項６５のデバイス。
  76. 前記金属は摂氏約４０度（℃）〜摂氏約４００度（℃）の融点を有する、請求項７５のデバイス。
  77. 所定の厚さを有していて形態が実質的に平面である層を備える構造であって、少なくとも２つのマイクロ流体チャネルを備えるマイクロ流体システムを画定する構造を備えており、
    第１のマイクロ流体チャネルの少なくとも一部は金属を含有し、第２のマイクロ流体チャネルの少なくとも一部は、液体金属でない流動流体を含有し、前記第１のマイクロ流体チャネルおよび第２のマイクロ流体チャネルはともに、単一の前記構造のレベルを有し、前記層と実質的に同一平面上にある平面と実質的に同一平面上にある平面内に位置する、
    少なくとも１つの伝導通路を備えるデバイス。
  78. 少なくとも１つのマイクロ流体チャネルは、少なくとも１つの約１ミクロン〜約１００ミクロンの断面寸法を有する、請求項７７のデバイス。
  79. 前記金属は、摂氏約２００度（℃）未満の融点を有する、請求項７７のデバイス。
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