JP2009150543A - 新しい静電的にアドレス可能なマイクロバルブ - Google Patents

Abstract

【課題】よりサイズが小さく、より高い流体圧力をコントロールすることが可能な、より廉価なマイクロバルブを提供する。
【解決手段】マイクロバルブは、対応する動作開口を動作開口層内に含む。コントロール流体が動作開口を通って流れる。コントロール流体の流れは、通常、動作開口層の近傍における電荷分布を介して印加される電界によってコントロールされる。１つの実施態様においては、電界が、動作開口の開閉を調整でき、それによってコントロール流体の流れをコントロールする。コントロール流体の流れが、コントロールされることになる流体が流れる導管の壁に沿って形成される柔軟な膜の伸張をコントロールする。柔軟な膜の伸張は、コントロールされることになるメイン流体の流れをコントロールする。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロバルブに関する。

マイクロバルブは、多くのデバイス、特に、微少量の流体が操作される必要があるバイオＭＥＭＳ（Ｂｉｏ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ）および『ラボオンチップ（ｌａｂ‐ｏｎ‐ａ‐ｃｈｉｐ）』デバイスに不可欠な部品である。フリューダイム・コーポレーション（Ｆｌｕｉｄｉｇｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）に譲渡されたアンガー（Ｕｎｇｅｒ）による『エレクトロスタティック／エレクトロストリクティブ・アクチュエーション・オブ・エラストマ・ストラクチュア・ユージング・コンプライアント・エレクトローズ（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ／ｅｌｅｃｔｒｏｓｔｒｉｃｔｉｖｅ Ａｃｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ Ｅｌａｓｔｏｍｅｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ Ｕｓｉｎｇ Ｃｏｍｐｌｉａｎｔ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）』と題された特許文献１は、その種のマイクロバルブ設計の実装を述べている。１つの設計において、フリューダイム（Ｆｌｕｉｄｉｇｍ）は、主導管を通って流れる流体を記述する。主導管に対して垂直に走る制御導管における圧力を調整することで、流体の混合を招くことなく二つの導管を分離する伸縮性壁が屈曲し、それにより、主導管に流れる流体の流れがコントロールされる。

フリューダイム（Ｆｌｕｉｄｉｇｍ）設計の１つの問題は、個々に分かれた外部空気式の動作／圧力コントロール・バルブのアレイを必要とすることである。各マイクロバルブをコントロールするために、各マイクロバルブが対応する外部の動作／圧力コントロール・バルブを必要とする。その種の外部動作／圧力コントローラのアレイを実装することは、フリューダイム（Ｆｌｕｉｄｉｇｍ）マイクロバルブのコストおよびサイズを著しく増加させる。

代替フリューダイム（Ｆｌｕｉｄｉｇｍ）設計は、静電力を利用して、２つのポジションの間で膜を直接移動させることにより、マイクロバルブを閉じる。しかしながらこの設計を使用すると、通常、低圧システム内のマイクロバルブを切り換えるのであれば、充分な静電力を得ることはできる。しかし、圧力がより高い場合には、より高い圧力の流体流を直接操作するには、静電力では不足する。

米国特許出願第２００６０１１８８９５号

したがって、よりサイズが小さく、より高い流体圧力をコントロールすることが可能な、より廉価なマイクロバルブが必要とされている。

新しいマイクロバルブを開示する。この新しいマイクロバルブは、動作開口層内に動作開口を含む。新しいマイクロバルブの柔軟な膜部分は、動作開口の一端を概略的にシールする第一サイドを含む。また、柔軟な膜の第二サイドは、コントロールされるメイン流体を運ぶ導管部分を形成する。流れコントロール・メカニズムは、圧力駆動されるコントロール流体の流れにより、柔軟な膜が伸張されるように、動作開口内におけるコントロール流体の流れを制御する。柔軟な膜の伸張が導管内におけるメイン流体の流れを決定する。

新しいマイクロバルブ構造およびマイクロバルブを開閉する方法を述べる。ここで使用する『マイクロバルブ』は、少量の流体の流れをコントロールするためのあらゆるデバイスとして広く定義される。『流体』は、液体または気体状態のあらゆる流れる材料を含むものとして広く定義される。述べられている特定のマイクロバルブ構造は、薬品のスクリーニングおよびＤＮＡ分析等のラボオンチップ（ｌａｂ‐ｏｎ‐ａ‐ｃｈｉｐ）およびバイオＭＥＭＳ関連の応用のための生物学的標本の操作に特に有用であるが、それに限定されない。

図１は、一次またはメイン流体導管１１２を通って流れる流体１０８のコントロールに使用されるマイクロバルブ１０４の例を示す。ここで使用されるところの『メイン流体』は、マイクロバルブによって流れがコントロールされる任意の流体についての包括的な用語である。マイクロバルブ１０４は、『流れコントロール・メカニズム』を伴う動作開口１１６を含む。ここで使用されるところの『流れコントロール・メカニズム』は、動作開口内のコントロール流体の流れまたは量をコントロールまたは調整する任意のテクニックまたはシステムであるとして広く定義される。図１の実施態様においては、流れコントロール・メカニズムとは、動作開口を開閉することである。したがって、動作開口１１６は、近隣に（典型例では動作開口１１６にわたって）分布する電荷１２０により開閉する。動作開口１１６にわたって逆の電荷が分布されると、引力が、動作開口１１６周囲の層１０１を圧縮する。その圧縮により、開口を閉鎖する動作開口の壁の屈曲が生じる。より詳細な説明は、添付図面９〜１０の記述の中に提供されている。

選択された開口が閉じられると、コンプレッサ、ポンプ、外部加圧源、または、その他の圧力コントロール手段が、コントロール流体１２４の圧力を上昇させる。図１に図解された実施態様においては、動作開口１１６を覆う柔軟なマイクロバルブ膜１２８に、加圧されたコントロール流体１２４が到達することを、閉じられた動作開口１１６が阻害する。加圧されたコントロール流体からの圧力の印加がなければ、柔軟な膜１２８は伸張されないまま、または『休止』ポジションにとどまったままとなる。柔軟な膜１２８の休止ポジションは、コントロールされるメイン流体１０８がメイン導管１１２を通って流れることを可能にする。

図２は、図１のマイクロバルブの閉ポジション状態を示している。図２においては、印加される電荷の不在が、圧縮力を取り除き（または、代替実施態様においては、動作開口１１６にわたる同極性の電荷の分布が斥力を作り出し）それが動作開口１１６の壁を弛緩または『整直（ｓｔｒａｉｇｈｔｅｎ）』させる。動作開口の壁の弛緩または整直は、動作開口を開く。動作開口１１６が開くと、加圧されたコントロール流体が動作開口１１６を通って流れ、柔軟なマイクロバルブ膜１２８を伸張させる。通常、コントロール流体の圧力は、メイン流体導管１１２内の流体の圧力よりも実質的に大きい。より高いコントロール流体の圧力が膜１２８をメイン流体導管１１２内に伸張させる。充分なコントロール流体圧力によって伸張された膜１２８が、膜１２８とメイン流体導管１１２の壁の間の空間または『ギャップ』１３０を最小化し、または排除する。そして、これにより、メイン流体導管１１２を通る流体の流れが阻害される。閉状態において、膜１２８は、実質的にメイン流体導管の形状に順応し、メイン流体導管をシールできる。伸張された膜１２８の状態（または閉じられたマイクロバルブ）は、開いている開口に対するコントロール流体圧力を保つことによって維持される。また、かかる手法に代えて、動作開口１１６を閉鎖して加圧されたコントロール流体を当該閉鎖された開口と膜１２８との間に閉じ込めることによっても、マイクロバルブの閉状態を維持することができる。

図１および図２は、開および閉の状態を示すが、膜１２８の相対的な弾性およびコントロール流体の圧力１２４を、コントロールされることになる流体１０８の圧力の関数として調整すれば、マイクロバルブ１０４を部分的に開閉でき、結果として、メイン導管を流れる流体の流量をコントロールできることも認識すべきである。

図３は、部分的に開かれた状態の図１のマイクロバルブを示す。部分的にマイクロバルブを開くことは、多様なテクニックによって達成できる。部分的に開いた状態を維持する１つの方法は、開口にわたる電荷または電圧、したがって動作開口１１６の壁に印加される圧縮圧力の量の調整を利用する。電圧を緩和することが、動作開口の壁の圧力を緩和する。いくらかの、最大ではない圧力を有する壁は、完全に開いた動作開口の断面積より小さい断面積で開いた動作開口１１６をもたらす。より小さい動作開口の開きは、膜１２８のうち、コントロール流体１２４に露出される（接触する）部分の表面積３０４を低減する。コントロール流体からの圧力に露出される膜の表面積を低減することは、膜の伸張を低減する。わずかに伸張された膜は、マイクロバルブを完全に閉じることなく、メイン流体導管１１２を通るメイン流体の流量を低減する。そして、その結果、メイン流体の流れを望ましい流量にコントロールすることが可能となる。

マイクロバルブを部分的に開いて保つ第２の方法は、差動圧力を調整することである。ここで、差動圧力とは、コントロール流体圧力とメイン流体圧力の間の差である。全閉状態で印加される差動圧力よりも低減された差動圧力は、完全に伸張されていない状態に膜を保ち、それによって部分的に開いたマイクロバルブをもたらす。

図４〜９は、マイクロバルブ、特に動作開口の製造、マイクロバルブをコントロールする圧縮力の動作開口の壁への印加、および流体流をコントロールする複数のマイクロバルブの使用の多様な方法を示している。図１〜９は、膜１２８をコントロールする動作開口の物理的な開閉を示すが、このほかの多様な方法を使用して膜を『作動』すること（ここでは領域を上げる、または下げることを意味するべく広く定義される）もできる。図１０〜１４は、動作開口を通るコントロール流体流の調整に電気流体学的（ＥＲ）流体を使用する代替構造および方法を示す。

図４は、グリッド層４００内に形成された動作開口４１２、４１６の一例を示す。各動作開口４１２，４１６は、動作開口４１２，４１６を通るコントロール流体の流れをコントロールする。ここで使用されるところの『動作開口』は、コントロール流体が通って流れることを許容するあらゆる通路、チャンネル、トンネル、孔、またはそのほかの層内（包括的に『動作開口層』または『グリッド層』と呼ばれる）の特徴として広く定義される。ここで使用されるところの『グリッド層』または『動作開口層』は、層を通る複数の動作開口を有した層構造として広く定義される。グリッド層を通る動作開口のパターンは、一様とすることができるが、しかしながらそれは要件ではない。特に、グリッド層を通る流路の分布は、一様なアレイの形式で調整してもよく、またはそのほかの順序付きまたはランダムな配置またはパターン、たとえばラボオンチップ（ｌａｂ‐ｏｎ‐ａ‐ｃｈｉｐ）システム等の全体的な流体回路の要件を満たすパターンで分布させてもよい。

動作開口の形状もまた多様にできる。１つの実施態様においては、図１８に示されるとおり、動作開口の断面が概略で円形になる。円形の動作開口１８０４は、動作開口を容易に閉じる開口壁１８０８の最低限の一様な動きを可能にする。例示の代替実施態様においては、動作開口が図１９に示されるとおり矩形になる。矩形形状の動作開口１９０４は、動作開口の長辺１９０８がメイン流体導管と整列されることを可能にする。動作開口の長辺とメイン導管内の流体流の方向を整列させることは、メイン導管内の柔軟な膜の面積を増加させる。メイン導管内の膜表面積の増加は、伸張された膜の、メイン導管の形状との整合を向上させることが可能である。向上した整合は、伸張された膜周囲におけるメイン導管流体の漏れを最小化できる。図２０は、図１の構造に類似した作動中のマイクロバルブを示している。この態様において矩形の開口２００４が、より低い圧力においてギャップ１３０を最小化または排除し、より効率的にメイン流体導管をシールする概略で矩形の形状の伸張された膜をもたらす。

１つの実施態様においては、各動作開口４１２、４１６は、ゲル状の材料４００の層内に配置される。ゲル状の材料は、高い絶縁耐力および２００ｋＰａ〜１００ＭＰａの範囲内の低い弾性係数を有する。適切なゲル状材料の例は、ミシガン州ミッドランド）のダウ・コーニング（Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ）のダイエレクトリック・ゲル（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｅｌ）＃３‐４２０７またはゲル（Ｇｅｌ）＃３‐４２２０であるが、充分な弾性を有する任意の柔軟な材料を使用することが可能である。

動作開口４１２、４１６の形成には多様な方法を使用できる。一例の方法では、型を使用してゲル状材料４２０のモールドを行うことができる。図５は、Ｓｕ‐８フォトレジスト・ピラー５０４、５０８のアレイを含む一例の型を示す。それらのピラーは、リソグラフまたはそのほかのテクニックを使用して形成できる。各ピラーは、典型例では５〜２０ミクロンの直径および約５０〜５００ミクロンの高さを有するが、このほかの寸法を使用してもよい。ゲル状の材料は、型外し（Ｓｕ‐８フォトレジストからのゲル材料の分離）時に複数の動作開口がゲル材料４２０内に残存するようにピラー周囲にモールドされる。

膜層の形成に多様な方法を使用できる。図６は、グリッド層４００の上に結合された柔軟な膜層６０４を示す。通常、膜層６０４は、柔軟なラバー状の流体の浸透に耐える物質である。適切な膜層６０４の材料の一例は、ミネソタ州セントポールの３Ｍコーポレーション（３Ｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）のＶＨＢ接着性転写テープ等の非常に結合の高いエラストマである。膜層は、図解されたとおりにグリッド層４００を一様に覆ってもよく、または動作開口の上と、その直近の領域と、だけを覆うべく調整してもよい。

図７は、コントロールされる流体を運ぶメイン流体導管７１２、７１６、７２０を含むマイクロバルブ構造の正面断面図を示す。コントロール流体層７０４、７０５が、グリッド層４００の下側に形成される。典型的なコントロール流体の例は、空気等の気体または不活性オイル等の液体を含む。流体層７０４、７０５は、液体または気体リザーバとすることができる。代替実施態様においては、流体層７０４、７０５が多孔質の固体またはスポンジ状の基板を含み、それが、上のグリッド層およびそのほかの層のためのサポートを提供しつつ、作動するコントロール流体を擁する。

開いた動作開口を通るコントロール流体流は、膜層６０４内の部分を作動する。図７においては、動作開口７０８等の開いた動作開口が、膜６０４の対応する領域７１２を上昇させる。開状態維持が指定された他のマイクロバルブに対応する動作開口は閉じられる。コントロール流体の圧力は、開いた動作開口が、コントロール流体が動作開口を通って上に流れ、膜層６０４の押圧を可能にするように増加される。コントロール流体とコントロールされるメイン流体との間の圧力差は充分に高く、膜層の対応する領域７１２を部分的に、または完全に上昇させて、コントロールされるメイン流体の流れを望ましいだけ妨げる必要がある。

図１〜７は、柔軟な膜を上昇させてオフにするマイクロバルブを示すが、代替実施態様においては、マイクロバルブを開くために膜を下げるコントロール流体の減圧を使用することもできる。図８においては、選択されたメイン導管８２４を通って流体が流れることができるように、開いた動作開口が『常態で上にある』膜層の対応する領域８１３を下げることによってマイクロバルブをコントロールする。伸張されていないか、または『弛緩』されているとき、膜層が充分に厚いか、または『ストッパ』材料を含み、それがメイン導管８２６等のメイン・導管を通る流体の流れを妨げる。特定のマイクロバルブが閉じられたままとなるとき、閉じられるマイクロバルブに対応する動作開口もまた閉じられており、コントロール流体層８０４、８０５の圧力がメイン導管内の流体より低い圧力まで下げられる。１つの実施態様においては、下げられる圧力が大気圧より低くなる。メイン流体導管内の圧力が、それらの領域内の膜を押し下げ、開いている動作開口８０９を通って減圧されたコントロール流体が流れる。図１〜７におけるようにマイクロバルブを閉じる代わりに、この対応する膜層の領域５１３の作動は、マイクロバルブを開き、対応するメイン導管を通って流体が流れることを可能にする。マイクロバルブを開いたまま保つためには、流体層８０５内のコントロール流体上で一定の低圧を維持すればよい。それに代えて、グリッド層内のすべての動作開口を閉じる一様な電荷を印加してもよく、実際上それが、作動された領域内の最終的に膜層とグリッド層の間により低い圧力で流体を閉じ込める。

柔軟な膜を通じて実際にチャンネルを作り出す負圧システムの代替実施態様が図１７に示されている。図１７においては、動作開口自体が長いチャンネルである。図１７に図解された実施態様においては、膜層６０４が、トップ層１７０４に対して、常態で面一である。開いた動作開口１７１０およびコントロール流体層内の負圧が膜層６０４内に実際のチャンネル１７０８を作る。コントロールされているメイン流体は、メイン導管を形成するこれらのチャンネルを通って流れることが可能である。

各グリッド層４００の動作開口は、電荷パターンを使用して個別にアドレスが可能である。電荷パターンを生成する１つの方法は、電子写真システム内で行われているように、フォトレセプタおよびラスタ出力スキャン（ＲＯＳ）システムを使用することである。その種のシステムにおいては、帯電プレートの選択部分の放電にレーザが使用される。しかしながら、この応用においては、従来の電子写真システム内において行われているようにトナー粒子を吸引する代わりに、電荷パターンが、マイクロバルブの孔を閉じる電界を作る。孔の開口（閉じる量）は、電荷によって生成される電界強度に対応する。より高い電荷密度に対応するより強い電界強度は、より小さい開口を作る。

図９および１０は、閉じられている動作開口の横断面図を示す。図９は、動作開口、すなわち、この場合は孔柱９０４を取り囲むゲル材料９０８を示す。ゲル材料９０８は、硬化すると柔らかい材料になる特殊クラスの封入剤とすることが可能である。例示のゲルの硬度は、ショア硬度デュロメータ・スケールで５〜９５の間の範囲となる。代表的なゲル密度は、０．９と１．２２ｇ／ｃｃの間の範囲である。ゲルは、液体の応力緩和および『自己回復』特性の多くを有し、しかもエラストマの寸法的安定性を提供する。

ゲル自体は、広範多様な材料から作ることができるが、シリコンが一般的な材料である。動作開口の開閉が高い電界を伴うことになるため、ゲルは、作動のために必要とされる望ましい電界レベルにおける絶縁破壊を回避するべく充分な絶縁耐力を有する必要がある。１つの実施態様においては、図１０の電荷１００４および１０１２は、概略で１００〜２００ミクロンの厚さのゲル層にわたって印加される３００〜６００ボルトの結果として生じ、したがってゲルは、結果の高い電界にさらされたときに絶縁破壊を生じないものとする。２００ｋＰａ〜１００ＭＰａの範囲の低い弾性係数は、電界が不在の時にゲルがその形状を保持することを補助する一方、電界が印加されるときに概略で１０〜４０ミクロンの直径の孔柱９０４を閉じるに充分なゲルの圧縮を可能にする。適切な誘電体ゲルの例は、ミシガン州ミッドランドのダウ・コーニング（Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ）のダイエレクトリック・ゲル（Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｇｅｌ）＃３‐４２０７またはゲル（Ｇｅｌ）＃３‐４２２０を含む。

製造に先行してダウ・コーニング（Ｄｏｗ Ｃｏｒｎｉｎｇ）およびそのほかの製造者が、通常、液体としてゲルを提供し、エンド・ユーザがそれを組み立て、『硬化させる』。１つの実施態様においては、ゲルが二剤からなる液体であり、混合時に凝固またはほかの形で硬化してゲルを形成する。代替形式においては、ゲルが、熱またはＵＶ照射を使用して硬化する単一の液体から作られることがある。図５の型等の型の周囲に、結果のゲルが望ましいとおりに形作られるように液体が注がれた後に硬化が生じる。

図１０は、電荷の蓄積または配置状態の一例を示している。正の電荷１００４は、動作開口の開閉をコントロールするためにゲル材料９０８の第一サイド１００８の上に蓄積、または、近傍に配置される。また、負の電荷１００２は、ゲル材料の反対側１０１６の上に蓄積、または、近傍に配置される。その結果、電界は、ゲル材料９０４上に圧縮力方向１０２０の圧縮力をもたらす。この圧縮力は、動作開口として機能する孔柱の入口および出口の開口の間の距離をわずかに縮める。このプロセスにおいて、圧縮力が孔の側壁を屈曲させ、孔柱９０４を収縮またはそのほかの形で閉じる。

図解された実施態様においては、電荷によってゲルに印加される力が孔柱９０４の側壁に平行な方向１０２０の力であり、力の方向１０２０に対して概略で垂直な方向１０２４に孔の側壁を屈曲させる結果をもたらす。したがって、当該力の方向は、孔を閉じさせる壁の動きの方向に重なるベクトル成分を持たない。図解された例においては、孔を閉じることが、完全に圧縮誘導の誘電体ゲルの押し広げによってもたらされる。しかしながら、垂直柱以外の動作開口が使用されるとき、力の方向１０２０のいずれかの成分が側壁の動きに直交しなくなり、その場合には、動作開口を閉じることが、力の方向１０２０から直接圧力によってもたらされることがある。

図１０は、ゲル材料上に直接蓄積される電荷を示すが、電荷を他の表面に印加できることが理解される必要がある。それらの他の表面は、膜層６０４を含むことができる。代替実施態様においては、必ずではないが、通常は金属から作られる柔軟な電極が、各孔柱９０４の各入口の近くに堆積され、ゲルの入口近傍における電界の蓄積を促進する。電極が使用される場合には、各孔柱（または、マイクロバルブが、まとまって動作開口として機能する孔柱のグループを含むときは孔柱のグループ）の独立したアドレシングおよび開閉を可能にするべく電極が隣接する電極から電気的に絶縁される必要がある。電荷がどのように印加され、維持されるかによらず、主要な特徴は、電荷がゲルに対する局在化された正味の圧縮力を生み出し、それが常態で開いている孔を収縮させるか、または閉じること、または電荷が局在化された正味の斥力を生み出し、それが常態で閉じられる孔を開くことである。

適切に動作開口が閉じられた後、圧力が流体層７０４に印加される。加圧された流体が、静電的に閉じられていない、開いている孔７０８または動作開口を通って流れる。加圧された流体は、膜層の対応する領域７１２を上昇させ、対応するマイクロバルブを閉じる。マイクロバルブの閉状態を確実に維持するためには、流体層７０４内のコントロール流体に対して一定圧力を維持すればよい。また、かかる手法に代えて、グリッド層内のすべての孔を閉じる一様な電荷を印加してもよく、それが実際上コントロール流体を閉じ込める。

図７および８は、グリッド孔または動作開口当たり１つの隆起または縦穴（くぼみ）を示し、１つの孔と１つのマイクロバルブの対応を暗示しているが、動作開口と各マイクロバルブの間の１対１の対応は必須でないことが理解される必要がある。図１１は、複数の孔１１０４または動作開口が単一の対応する膜エリアを上昇させて隆起１１０８等の隆起を形成することを可能にする結果の３次元微細構成の一例を示す。各隆起が１つのマイクロバルブに対応する。

マイクロバルブのリセットが必要とされるとき、基板を放電させればよい。帯電された表面全体を放電させる１つの方法は、電子写真で行われているように光を使用する。ほかの方法は、電気導体の接地プレートとの物理的接触を含み、それがマスタ・プレートを放電させる。

電荷の除去は、ゲル層にわたる電界を取り除く。電界が存在しなければ、電界によってゲル上に印加された力が弛緩し、それによって孔（または動作開口）が、『常態』またはオリジナルの形状に『リセット』される。動作開口を再び開くか、または再び閉じてそれらを常態の形状にした後は、全マイクロバルブにわたって膜層とゲル４００の間に含まれる流体の量を低減することにより、マイクロバルブのセッティングを開ポジションにリセットできる。特に、流体層７０４または層７０５内のコントロール流体圧力は、通常、大気圧に近づけられる（または、図７に図解されているとおりに隆起が形成される実施態様において大気圧よりわずかに下げられてわずかな負圧が作られるか、図８および図１６に図解されているとおりに凹部が使用されてメイン流体導管およびマイクロバルブを開く場合には大気圧よりわずかに高くされる）。エラストマ・プリンティング層内の、可能性としては流体層と外部の大気圧の間のわずかな圧力差によって補助される内部応力が、開いた動作開口を通って再び流体が流れることを強制し、それによってマイクロバルブの状態が『イレース』される。その後は、動作開口のアレイが新しい電荷分布を受け取り、新しいセットのマイクロバルブ・セッティングをもたらすことが可能になる。

手前の説明では、動作開口の開閉および対応するマイクロバルブを述べているが、図３の中で前に述べたとおり、マイクロバルブが、完全に開かれ、または閉じられなければならないということはない。いくつかの実施態様においては、マイクロバルブの動作開口が部分的に閉じられるだけの場合にマイクロバルブを完全に閉じることなく流体流を低減することが可能である。たとえば、６００ボルトが動作開口を完全に閉じる『全閉電圧』であるとすると、部分的に閉じることが、６００ボルト未満の電圧の印加によって達成できる。より低い電圧は、動作開口の開くサイズを縮小するが、孔を完全には閉じない。縮小された動作開口のサイズは、いくらかのコントロール流体の漏れを許容し、それによって膜を部分的に上昇または下降させてメイン流体流をコントロールする。

図１２〜１６は、電気流体学的コントロール流体を流れコントロール・メカニズムとして使用する本発明の代替実施態様を示す。図１２〜１６において、電界がコントロール流体の粘性を変化させて、実際上、動作開口の『開閉』状態をシミュレーションする。電気流体学的流体に関しては、動作開口を『閉じること』が物理的に閉じることではなく、むしろ動作開口を通るコントロールＥＲ流体の流れが『詰まり』それによって動作開口を『閉じる』ように電気流体学的流体の粘性が増加される。

図１２は、導管１２２０を通って流れるメイン流体をコントロールするマイクロバルブ・アレイを示す。メッシュ１２０４等のグリッド層内の開口は、動作開口を形成する。メッシュの一例は、ノースキャロライナ州シャーロットのストック・プリンツ・コーポレーション（Ｓｔｏｒｋ Ｐｒｉｎｔｓ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）によって作られているストック（Ｓｔｏｒｋ）メッシュである。メッシュ層の上に、柔軟な膜１２０８が置かれる。膜１２０８は、通常、柔軟なラバー状の流体の浸透に耐える物質である。適切な膜１２０８の一例は、ミネソタ州セントポールの３Ｍコーポレーション（３Ｍ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）のＶＨＢ接着性転写テープ等の非常に結合の高いエラストマである。コントロールされることになる流体のためのメイン・導管として働く一連のチャンネル１２２０が膜層１２０８の上に形成される。

メッシュまたはグリッド層１２０４の下は、コントロール流体として働く電気流体学的流体（以下ＥＲ流体）１２１２の層である。ＥＲ流体は、外部電界の印加によって見かけの粘性および降伏応力を増加することが可能な特殊クラスの流体である。ここで使用されるところの『見かけの粘性』は、電界の印加時におけるＥＲ流体の状態の変化として定義されることになる。ＥＲ流体は、電界の変化を受けると結果としてその剪断降伏応力の増加をもたらすと考えられる。

１つの実施態様においては、ＥＲ流体が、絶縁液体内の絶縁された鉄粒子の懸濁を含む。電界の印加時に、粒子が電界の方向に整列して流体の濃化（粘性の増加）をもたらす。その種の流体の一例は、イソパーＶ（Ｉｓｏｐａｒ‐Ｖ）鉱物油内に懸濁された１５重量％の絶縁された鉄粒子を含む流体である。適切な粒子の一例は、２〜４マイクロメートルの直径の絶縁された鉄粒子、たとえばリン酸塩／ＳｉＯ₂でコーティングされたカルボニル鉄粉である。その種のコーティングされたカルボニル鉄粉は、ドイツ、ルートヴィヒスハーフェンのＢＡＳＦコーポレーション（ＢＡＳＦ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）からＣＩＰ‐ＥＷ‐Ｉとして市販されている。この実施態様には、限定ではないが、絶縁液体内に分散された任意の不導体または電気的に絶縁された微粒子の懸濁を含む、このほかいくつかのタイプの電気流体学的流体も使用できる。ほかの利用可能な電気流体学的流体は、１つの液相が別の流体相内に分散されてエマルジョンを作り出す流体を含む。

ＥＲ流体に電界を印加し、それによって流体の粘性／降伏応力をコントロールするために多様な方法が利用できる。その種の電圧を印加する１つの方法は、導管含有層１２２８のトップに電圧を直接印加する。導管含有層の表面の上から電荷を直接印加することは構成を単純化するが、ＥＲ流体層と導管含有層のトップの間の距離に起因して、ＥＲ流体層内に電界を生成するために高電圧が必要になる。

ＥＲ流体に電界を印加する第２の方法は、背設電極１２１６に電荷を印加することによる。図１３は、ＥＲ流体１２１２にわたって電界を作り出す、背設電極１２１６に対する電荷１３０２の印加およびグリッド層１２０４の電気的な接地を示す。高い電界にさらされる電気流体学的流体の部分は、非常に粘稠になり、高い降伏応力を有する。ＥＲ流体がコントロール流体層に沿って流れ、かつ加圧されるとき、当該流体の高い粘性のエリアは、グリッド層１２０４内の動作開口として働く孔を通る流体の流れを制限する。しかしながら低い電界を伴う領域内においては、流体の粘性が低く、流体の圧力が容易に膜層１２０８に伝達され、結果として膜の隆起または上昇された膜部分１３０４、１３０８をもたらし、それが、導管１２２０等の対応する導管を通る流体の流れを遮断する。

別の実施態様においては、図１６に図解されるとおり、ＥＲ流体が減圧される（その圧力が、大気圧より低く調整される）。流体の粘性の高いエリアが、グリッド層１２０４内の孔を通る流体の流れを制限する。しかしながら低電界を伴う領域内においては、流体の粘性が低く、減圧時に膜層１２０８の下側から離れる方向に流体が容易に移動される。したがって、膜層１２０８の縦穴または凹部１６０８が低電界／低粘性のエリア内に形成され、それによって流体がメイン流体導管１６１６を通って流れることが可能になる。

電界を孔の中または孔の近傍のいずれかに生成するべく電荷を配置するこのほかの手段も可能である。たとえば、グリッド層のすぐ下側において多孔性電極を使用することができる。多孔性電極は流体が流れることを可能にし、孔の入口に近いことは、低電圧の使用を可能にする。

実際においては、電界が存在しないところに約３５ｐｓｉｇ（２．４気圧）の作動圧力をＥＲ流体に印加したとき、流体が、約１５０ミクロンの直径のグリッド孔を通って流れ、４０ミクロンの厚さの３Ｍ‐ＶＨＢエラストマ上に７５〜８５ミクロンの隆起を作ることが明らかになった。プリンティング表面の上昇が望ましくなかった領域内においては、ＥＲ流体の０．５ｍｍのギャップにわたって印加された６００〜８００ボルトが、実質的な隆起の形成の防止に充分な電界を生成した。これらは例示の値であり、ほかの値が使用できることに注意する必要がある。通常、グリッド孔は、低粘性状態にあるＥＲ流体の流れを可能にするに充分な大きさであり、しかもＥＲ流体が高粘性状態にあるとき、ＥＲ流体の流れを阻止するに充分な小ささである必要がある。代表的な孔のサイズは、５ミクロンと２５０ミクロンの間の範囲となるが、より大きい、またはより小さい孔を使用することもできる。

膜層の選択エリアを上昇または下降させて、選択されたマイクロバルブを開閉した後、マイクロバルブは、通常、流れの変更が必要になるまで安定状態に維持される。マイクロバルブの安定状態を維持する１つの方法は、最初に膜の位置決めに使用された電界分布およびＥＲ流体の圧力を維持することである。代替方法は、動作開口内のすべてのＥＲ流体にわたって一様な高電界を印加することによってＥＲ流体を『不動化する』ことである。ここで使用されるところの『不動化』は、降伏応力が実質的に増加し、典型的には４ｋＰａの値を超え、その結果、ＥＲ流体の、特に不動化された流体の直上の孔を通る流体流が実質的に妨げられることを意味する。

図１４は、上昇されたレリーフ領域の近傍の近くにおける、ＥＲ流体を『不動化』する電荷１４０４の追加を示す。図１４は、閉じられたマイクロバルブに近い流体導管層への電荷の追加を示すが、そのほかの電荷分布および場所も可能であることが理解されるものとする。たとえば図１５は、すべてのＥＲ流体を高粘性にし、それによってＥＲ流体を不動化する電界をもたらす背設電極全体にわたる電荷１５０４の配置を示す。高い粘性は、通常はエラストマの膜層によって印加される力がグリッド孔を通って高粘性のＥＲ流体を押し出すに不充分であることから、膜層内における内部エラストマ応力の解放を妨げる。したがって、ＥＲ流体の圧力が大気圧レベル近くの値までリセットされる場合であってもマイクロバルブの状態を維持することができる。

図６〜１０に記述されるとおりにゲルの圧縮を介してコントロールされるマイクロバルブにおける場合と同様に、ＥＲ流体の実施態様においても、弱い電界を印加することによって部分的に開いたマイクロバルブを達成できる。弱い電界は、粘性を増加するが、ＥＲ流体を不動化するポイントには至らない。より粘稠であるが、不動化されていない流体の領域内においては、レリーフ・パターンが形成されるが、完全な高さ未満であり、それによって完全ではなく部分的に対応するマイクロバルブが閉じられる。

開いたマイクロバルブの状態をもたらすために使用される閉じられた動作開口の例を示した説明図である。 開いた動作開口、すなわち閉じられたマイクロバルブの状態をもたらす開いた動作開口を示した説明図である。 部分的に開いたマイクロバルブをもたらす部分的に開いた動作開口を示した説明図である。 複数の孔または円筒形状の動作開口をゲル構造内に含むグリッド層を示した説明図である。 ゲル構造内に複数の動作開口をモールドするために使用できるピラーのアレイを示した説明図である。 グリッドまたはゲル層を覆う膜層の形成を示した説明図である。 選択された開いた動作開口を通って流れ、それによって膜層内の選択された領域を上昇させ、選択マイクロバルブを閉じ、選択メイン・導管を通る流体の流れを妨げる加圧コントロール流体を示した説明図である。 膜内の選択された領域を下げることによって膜層内にレリーフ・パターンを作り出し、選択された開いた動作開口に対応する選択導管を通って流体が流れることを可能にする減圧される流体を示した説明図である。 グリッド・ゲル層内のゲル材料に対して結果の静電力を印加する電荷の印加を用いて動作開口を閉じる方法を示した説明図である。 グリッド・ゲル層内のゲル材料に対して結果の静電力を印加する電荷の印加を用いて動作開口を閉じる方法を示した説明図である。 複数の動作開口が単一のマイクロバルブに対応する作動後の３次元レリーフ表面を示した説明図である。 電気流体学的流体（ＥＲ流体）によってコントロールされる複数のマイクロバルブを示した説明図である。 ＥＲ流体の選択された領域をより粘稠にし、それによって膜の選択部分が上昇し、選択マイクロバルブを閉じるようにコントロール流体の流れの向きを変えるＥＲ流体の直近の電極層に対する電荷パターンの印加を示した説明図である。 膜層内のレリーフ・パターンを『凍結』させる、ＥＲ流体の直近における追加の電荷の印加を示した説明図である。 コントロール流体を『凍結』し、マイクロバルブの状態を保存する、ＥＲ流体層下側のボトム電極に対する一様な電荷の印加を示した説明図である。 ＥＲ流体の減圧時に選択マイクロバルブを開くＥＲ流体の直近の電極層に対する電荷パターンの印加を示した説明図である。 負のコントロール流体圧力が使用されて『常態で閉じられる』ポジションのマイクロバルブを開くほかは図８のマイクロバルブに類似のマイクロバルブを示した説明図である。 動作開口のための代替可能断面形状を示した説明図である。 動作開口のための代替可能断面形状を示した説明図である。 矩形の開口が使用されるときの図１の構造を示した説明図である。

符号の説明

１０１ 層、１０４ マイクロバルブ、１０８ 流体、メイン流体、１１２ メイン流体導管、メイン・導管、１１６ 動作開口、１２０ 電荷、１２４ コントロール流体、１２８ マイクロバルブ膜、柔軟な膜、膜、１３０ ギャップ、３０４ 表面積、４００ グリッド層、ゲル、４１２ 動作開口、４１６ 動作開口、４２０ ゲル状材料、ゲル材料、５０４ Ｓｕ−８フォトレジスト・ピラー、５０８ Ｓｕ−８フォトレジスト・ピラー、５１３ 領域、６０４ 膜層、膜、７０４ コントロール流体層、流体層、７０５ コントロール流体層、流体層、７０８ 動作開口、孔、７１２ メイン流体導管、領域、７１６ メイン流体導管、７２０ メイン流体導管、８０４ コントロール流体層、８０５ コントロール流体層、８０９ 動作開口、８１３ 領域、８２４ メイン・導管、８２６ メイン・導管、９０４ 孔柱、９０８ ゲル材料、１００４ 電荷、１００８ 第１の側、１０１２ 電荷、１０１６ 反対側、１０２０ 圧縮力方向、力の方向、１０２４ 方向、１１０４ 孔、１１０８ 隆起、１２０４ メッシュ、グリッド層、１２０８ 柔軟な膜、膜、膜層、１２１２ ＥＲ流体、１２１６ 背設電極、１２２０ チャンネル、導管、１２２８ 導管含有層、１３０２ 電荷、１３０４ 上昇された膜部分、１３０８ 上昇された膜部分、１４０４ 電荷、１５０４ 電荷、１６０８ 凹部、１６１６ メイン流体導管、１７０４ トップ層、１７０８ チャンネル、１７１０ 動作開口、１８０４ 動作開口、１８０８ 開口壁、１９０４ 動作開口、１９０８ 長辺、２００４ 矩形の開口。

Claims (5)

1. 動作開口層内の動作開口と、
   前記動作開口の一端を概略でシールする第一側面と、コントロールされるメイン流体が通る導管の一部を形成する第二側面と、を含む柔軟な膜と、
   前記動作開口内におけるコントロール流体の流れが前記柔軟な膜を伸張させるように、当該コントロール流体の流れをコントロールし、当該柔軟な膜の伸張により前記導管内におけるメイン流体の流量を決定するコントロール・メカニズムと、
   を包含する新しいマイクロバルブ。
2. 柔軟な膜の第一側面に接するメイン導管内にメイン流体を流すことと、
   動作開口層内の動作開口を通るコントロール流体の流れをコントロールする電界を調整することと、
   を包含し、
   前記コントロール流体の流れによって印加される圧力が前記柔軟な膜の伸長を調整し、前記柔軟な膜の伸張量が前記メイン導管内の前記メイン流体の流れをコントロールする、
   メイン流体をコントロールする方法。
3. 前記電界を調整することは、前記動作開口を取り囲む壁に掛かる圧力を調整し、前記圧力が前記壁を屈曲させ、それによって前記動作開口の開口サイズをコントロールする、ことである請求項２に記載の方法。
4. 前記動作開口層内の動作開口を通るコントロール流体の流れをコントロールする電界を調整することは、さらに、
   前記動作開口内のＥＲ流体に対して電界を印加することを包含し、
   前記ＥＲ流体の粘性が、前記電界の前記印加に伴って変化し、
   前記ＥＲ流体の前記粘性が前記動作開口を通る前記コントロール流体の流れを調整し、それによって前記柔軟な膜の伸張を調整する、
   請求項２に記載の方法。
5. 開状態にする第一の複数のマイクロバルブおよび閉状態にする第二の複数のマイクロバルブを選択することと、
   前記開状態にする第一の複数のマイクロバルブに対応して選択された動作開口に圧力が印加され、それによって前記選択動作開口が閉じられるように動作開口層内の複数の動作開口に対して電荷分布を印加することと、
   流体コントロール層内の圧力を増加し、その結果、より高い圧力のコントロール流体が開いている動作開口内にだけに流れ、前記増加する圧力が前記開状態にする動作開口に対応する膜の領域を伸張し、前記伸張された膜が対応するメイン流体導管を遮断し、それによって前記対応するメイン流体導管を通るメイン流体の流れを妨げることと、
   を包含するマイクロバルブを開閉する方法。