JP2017196614A - 流体ネットワークにおける流体流れの生成 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ流体ネットワークが、一次元及び／または二次元及び／または三次元のトポロジーを有することができ、ネットワーク内の任意の方向及び／または一定方向に（流れるように）制御された流体流れパターンを生成することが可能になる流体制御方法。【解決手段】マイクロ流体ネットワーク内のマイクロ流体チャネル内に非対称に組み込まれた流体アクチュエーター２０２によって圧縮性流体変位及び伸張性流体変位を生成するステップであって、該圧縮性流体変位の持続時間と該伸張性流体変位の持続時間が時間的に非対称である、ステップを含む流体制御方法。【選択図】図２

Description

マイクロフルイディクス（microfluidics：微小流体工学ともいう）は、ますます重要な技術となってきており、工学、物理学、化学、マイクロテクノロジー、及びバイオテクノロジーを含む種々の分野に適用されている。マイクロフルイディクスには、種々のマイクロ流体システム、並びに、マイクロフルイディクスチップ（以下、マイクロ流体チップという）などのデバイスにおける、少量の流体の研究及びそのような少量の流体の操作、制御、及び使用法の研究が含まれる。たとえば、マイクロフルイディクスバイオチップ（「ラボオンチップ（lab-on-chip）」と呼ばれる）が、酵素及びDNAの分析、生化学的毒素及び病原菌の検出、病気の診断などの目的で分析作業を統合するために、分子生物学の分野で使用されている。

多くのマイクロ流体システムを有効に利用できるかは、流体をマイクロ流体デバイスに適切に導入して、該デバイスを通る流体の流れを制御する能力に部分的に依存する。一般に、マイクロ流体デバイスへの流体の導入及び該流体の流れをマイクロメートルのスケールで制御乃至管理できない場合には、環境的及び医学的な分析の有用性が特に重要である研究所以外でのマイクロ流体デバイスの用途は制限される。マイクロ流体デバイスに流体を導入して制御する従来の方法は、マイクロメートルのスケールではない、外部装置及び種々のタイプのポンプを使用している。これらの従来のソリューションは、たとえば、それらの大きなサイズ、多用性の欠如、複雑さに関連する短所を有しており、それらの短所は全て、そのようなマイクロ流体デバイスを実装するマイクロ流体システムの機能を制限する可能性がある。

以下、添付の図面を参照して本発明の例示的な実施形態を説明する。

１実施形態にしたがう、マイクロ流体デバイス、ネットワーク及び慣性ポンプ（イナーシャルポンプともいう）を組み込むのに適したマイクロ流体システムを示す。 いくつかの実施形態にしたがう、一体化された（すなわち、組み込み式の）慣性ポンプを有する、閉じた、一方向、一次元の流体ネットワークのいくつかの例を示す。 いくつかの実施形態にしたがう、一体化された（すなわち、組み込み式の）慣性ポンプを有する、閉じた、二方向、一次元の流体ネットワークのいくつかの例を示す。 １実施形態にしたがう、一体化された（すなわち、組み込み式の）慣性ポンプを有する、開いた、二方向、一次元の流体ネットワークの１例を示す。 １実施形態にしたがう、単一の流体ポンプアクチュエーターの選択的作動を利用するそれぞれ異なるポンプ作動方式によって生成された流体流れパターンを示す、閉じた二次元の流体ネットワークの１例を示す。 １実施形態にしたがう、２つの流体ポンプアクチュエーターの選択的作動を利用するそれぞれ異なるポンプ作動方式によって生成された流体流れパターンを示す、閉じた二次元の流体ネットワークの１例を示す。 １実施形態にしたがう、３つの流体ポンプアクチュエーターの選択的作動を利用するそれぞれ異なるポンプ作動方式によって生成された流体流れパターンを示す、閉じた二次元の流体ネットワークの１例を示す。 １実施形態にしたがう、開いた、二方向、三次元の流体ネットワークの１例のトップダウンビュー（上から見下ろしたときの図）及び対応する断面図である。 いくつかの実施形態にしたがう、流体ポンプアクチュエーターと能動要素の両方を組み込んでいる流体ネットワークのいくつかの例を示す。 １実施形態にしたがう、一体化された（すなわち、組み込み式の）流体ポンプアクチュエーターを有する流体ネットワークチャネルの１例の側面図であり、該アクチュエーターはいくつかの異なる動作段階にある。 １実施形態にしたがう、図１０の動作段階における作動している流体アクチュエーターを示す。 いくつかの実施形態にしたがう、図１０の動作段階における作動している流体アクチュエーターを示す図であり、正味の流体流れ方向指示矢印も示されている。 いくつかの実施形態にしたがう、図１０の動作段階における作動している流体アクチュエーターを示す図であり、正味の流体流れ方向指示矢印も示されている。 いくつかの実施形態にしたがう、図１０の動作段階における作動している流体アクチュエーターを示す図であり、正味の流体流れ方向指示矢印も示されている。 いくつかの実施形態にしたがう、例示的な変位パルス波形を示す。 いくつかの実施形態にしたがう、例示的な変位パルス波形を示す。 いくつかの実施形態にしたがう、例示的な変位パルス波形を示す。 １実施形態にしたがう、一体化された（すなわち、組み込み式の）流体ポンプアクチュエーターを有する流体ネットワークチャネルの１例の側面図であり、該アクチュエーターはいくつかの異なる動作段階にある。 いくつかの実施形態にしたがう、流体アクチュエーターの変位の持続時間に対応する持続時間を有する変位パルス波形のいくつかの例を示す。 １実施形態にしたがう、チャネルの内外に向かって湾曲する流体アクチュエーターの１例を、代表的な変位パルス波形とともに示す。

課題とその解決策（ソリューション）の概要
上記したように、マイクロ流体デバイスにおいて流体を制御乃至管理する従来の方法は、マイクロメートルのスケールではない外部装置及びポンプ機構を使用する。これらのソリューションには、マイクロ流体システムの応用範囲を制限しうるいくつかの不都合がある。たとえば、マイクロ流体デバイス内に流体を注入して流体の流れを生成するために、外部の注射器及び空気ポンプが使用されることがある。しかしながら、外部の注射器及び空気ポンプは大きくて、取り扱うのも設定するのも難しく、接続の信頼性も低い。これらのタイプのポンプは、マイクロ流体デバイス／チップが適合することができる外部の流体接続の数によって、その多用性の点でも制限を受ける。

別のタイプのポンプは、一組の細い毛管の流体充填の原理に基づいて動作するキャピラリーポンプ（毛管ポンプ）である。この場合、該ポンプは単一パス機能しか提供しない。該ポンプは完全に受動的であるので、流体の流れは、該構造中に「固定化されており」、再設定することができない。電気泳動ポンプを使用することもできるが、特殊なコーティング、複雑な三次元幾何学構造、及び高い動作電圧が必要である。これらの全ての特性は、このタイプのポンプの適用範囲を制限する。他のタイプのポンプとして蠕動及び回転ポンプがある。しかしながら、それらのポンプは、可動部を有しており、小型化が難しい。

本開示の実施形態は、マイクロ流体システム及びデバイスにおける流体管理（流体制御ともいう）の従来のソリューションを改善するものであり、かかる改善は、一般的にいうと、流体アクチュエーターを有する一体化された（すなわち、組み込み式の）慣性ポンプを有する複雑で多用性のあるマイクロ流体ネットワークを可能にする改良されたマイクロ流体デバイスによって達成される。開示しているマイクロ流体ネットワークは、一次元及び／または二次元及び／または三次元のトポロジーを有することができ、したがって、また、かなり複雑なものとなりうる。ネットワーク内の流体チャネルのエッジの各々は、１つの流体アクチュエーターまたは２つ以上の流体アクチュエーターを含むことができ、または、流体アクチュエーターを含まない場合もある。非対称な位置でマイクロ流体ネットワークチャネルに組み込まれている流体アクチュエーターは、該チャネルを単一方向に通る流体流れ（流体流れとは、流体の流れのこと）と二方向に通る流体流れの両方を生成することができる。ネットワーク内の複数のマイクロ流体チャネルの端部に近い側に非対称に配置されている複数の流体アクチュエーターを選択的に作動させることによって、該ネットワーク内の任意の方向及び／または一定方向に（流れるように）制御された流体流れパターンを生成することが可能になる。さらに、流体アクチュエーターの機械的な動作または動きを時間的に制御することによって、流体ネットワークチャネルを通る流体流れの方向制御が可能になる。したがって、いくつかの実施形態では、単一の流体アクチュエーターの前進ストロークと後退ストローク（すなわち、圧縮性流体変位と伸張性流体変位）を正確に制御することによって、ネットワークチャネル内の二方向の流体流れを提供することができ、及び、該ネットワーク内の任意の方向及び／または一定方向に制御された流体流れパターンを生成することができる。

流体アクチュエーターを、熱気泡抵抗（thermal bubble resistor）アクチュエーター、圧電膜（piezo membrane）アクチュエーター、静電（MEMS）膜アクチュエーター、機械駆動式／インパクト駆動式膜アクチュエーター、ボイスコイルアクチュエーター、磁歪駆動アクチュエーターなどの種々のアクチュエーターメカニズムによって駆動することができる。流体アクチュエーターを、従来の微細加工処理を用いてマイクロ流体システムに組み込むことができる。これによって、任意の圧力及び流れ場を有する複雑なマイクロ流体デバイスが可能になる。マイクロ流体デバイスは、抵抗加熱器（抵抗ヒーター）、ペルチェクーラー（Peltier cooler）、物理センサー、化学センサー、生物学的センサー、光源、及び、それらの組み合わせなどの種々の組み込まれた（すなわち一体化された）能動要素を含むこともできる。マイクロ流体デバイスは、外部の流体容器（たとえば、流体を貯蔵可能なタンク）に接続される場合もあれば接続されない場合もある。開示されているマイクロ流体デバイス及びネットワークの利点には、一般的に、マイクロ流体システムを動作させるのに必要な装置乃至機材が少なくなることが含まれるが、これによって、機動性が向上し、かつ、適用可能な応用範囲が広くなる。

１実施形態では、マイクロ流体システムは、容器の両方の端部に結合された流体チャネル（以下、単にチャネルともいう）を含む。流体アクチュエーターは、該チャネル内に非対称に配置されて、慣性特性が違いに異なる、該チャネルの長い側と短い側を形成する。流体アクチュエーターは、該チャネルの両端部に向かって伝搬する波を生成し、及び、該チャネルを通る一方向の正味の流体流れを生成する。コントローラは、流体アクチュエーターを選択的に作動させて、該チャネルを通る一方向の正味の流体流れを制御することができる。１実施例では、流体アクチュエーターは、チャネルの第１の端部の近く（すなわち、他方の端部である第２の端部よりも第１の端部に近い位置）に配置された第１の流体アクチュエーターであり、第２の流体アクチュエーターは、チャネルの第２の端部の近く（すなわち、第１の端部よりも第２の端部に近い位置）において該チャネル内に非対称に配置されている。コントローラは、第１の流体アクチュエーターを作動させて、第１の端部から第２の端部へと第１の方向に該チャネルを通る正味の流体流れを生じさせることができ、及び、第２の流体アクチュエーターを作動させて、第２の端部から第１の端部へと第２の方向に該チャネルを通る正味の流体流れを生じさせることができる。

別の実施形態では、マイクロ流体システムは、第１及び第２の端部を有するマイクロ流体チャネルのネットワークを含む。該チャネルの端部は、端部−チャネル交差部で互いにさまざまなやり方で結合される。少なくとも１つのチャネルがポンプチャネルであり、該ポンプチャネルは、自身の両側の端部間に非対称に配置されている流体アクチュエーターによって区別された短い側と長い側を有している。流体アクチュエーターは、ポンプチャネルの両端部に向かって伝搬する波を生成し、この波によって、該ポンプチャネルを一方向に通る正味の流体流れが生じる。１実施例では、該チャネル内に組み込まれた（すなわち、該チャネルに一体化されている）第２の流体アクチュエーターが、ポンプチャネルの第２の端部の近く（すなわち、第１の端部よりも第２の端部に近い位置）に非対称に配置されており、コントローラが、第１及び第２の流体アクチュエーターを選択的に作動させて、ネットワークを二方向に通る流体流れを生じさせることができる。別の実施例では、追加の流体アクチュエーターが、複数のマイクロ流体チャネルの第１及び第２の端部の近く（第１の端部の近くとは、第２の端部よりも第１の端部の近くにあることを、第２の端部の近くとは、第１の端部よりも第２の端部の近くにあることを意味する）に非対称に配置されており、コントローラが、該流体アクチュエーターを選択的に作動させて、該ネットワークを通る方向が制御された（たとえば、一定方向に流れるように制御された）流体流れパターンが生じるようにすることができる。

ある別の実施形態では、マイクロ流体ネットワークは、第１の平面（プレーン）内にマイクロ流体チャネルを有し、これによって、該第１の平面内のネットワークを通る二次元の流体流れを容易にしている。該第１の平面内のマイクロ流体チャネルは、該第１の平面内の別のマイクロ流体チャネルをまたいで、該別のマイクロ流体チャネルと交差しないように第２の平面中へと延在し、これによって、第１及び第２の平面内のネットワークを通る三次元の流体流れを容易にしている。能動要素が少なくとも１つのマイクロ流体チャネルに組み込まれている。（複数の）流体アクチュエーターが、少なくとも１つのマイクロ流体チャネル内に非対称に組み込まれており、コントローラが、該流体アクチュエーターを選択的に作動させて、該ネットワーク内を一定方向に流れるように制御された流体流れパターンが生じるようにすることができる。

ある別の実施形態では、マイクロ流体ネットワーク内に正味の流体流れを生成する方法は、ある持続時間中、時間的に非対称な圧縮性流体変位と伸張性流体変位を生成することを含む。これらの変位は、マイクロ流体チャネル内に非対称に組み込まれている流体アクチュエーターを用いて生成される。

ある別の実施形態では、マイクロ流体システムは、マイクロ流体ネットワークを含む。流体アクチュエーターは、該ネットワークのあるチャネル内に非対称な位置に組み込まれて、該チャネル内に持続時間が互いに異なる圧縮性流体変位と伸張性流体変位が生成されるようにする。コントローラは、該流体アクチュエーターの圧縮性流体変位及び伸張性流体変位の持続時間を制御することによって、該チャネルを通る流体流れの方向を調整する。

ある別の実施形態では、マイクロ流体ネットワーク内の流体流れを制御する方法は、マイクロ流体チャネル内に非対称に配置されている流体アクチュエーターを用いてマイクロ流体チャネル内に非対称な流体変位を生成することを含む。

例示的な実施形態
図１は、本開示の１実施形態にしたがう、（本明細書に開示されている）マイクロ流体デバイス、ネットワーク、及び慣性ポンプを組み込むのに適したマイクロ流体システム１００を示す。マイクロ流体システム１００を、たとえば、分析システム、マイクロエレクトロニクス冷却システム、ポリメラーゼ連鎖反応（PCR）システムなどの核酸増幅システム、または、同じ体積の流体の使用及び／または操作及び／または制御を伴う任意のシステムとすることができる。マイクロ流体システム１００は、広範なマイクロ流体応用を可能にするために、典型的には、マイクロ流体チップ（たとえば「ラボオンチップ」）などのマイクロ流体デバイス１０２を実装している。マイクロ流体デバイス１０２は、一般的に、流体をネットワーク中を循環させるための慣性ポンプを具備するチャネルを有する１以上の流体ネットワーク１０３を備える。一般に、マイクロ流体デバイス１０２の構造及びコンポーネント（構成要素）を、電鋳法、レーザーアブレーション、異方性エッチング、スパッタリング、ドライエッチング、写真平板（フォトリソグラフィー）、キャスティング、成形（モールディング）、スタンピング、機械加工、スピンコーティング、積層法などの従来の集積回路微細加工技術を用いて製造することができる。マイクロ流体システム１００は、流体をマイクロ流体デバイス１０２に供給し及び／または循環させるための外部の流体容器（たとえば液体タンク）１０４を含むこともできる。マイクロ流体システム１００はまた、電子制御装置（電子コントローラ）１０６、並びに、マイクロ流体デバイス１０２、該電子制御装置１０６、及び、システム１００の一部とすることができる他の電気的構成要素（電気コンポーネント）に電力を供給するための電源１０８を備える。

電子制御装置（以下、コントローラという）１０６は、典型的には、プロセッサ、ファームウェア、ソフトウェア、揮発性及び不揮発性のメモリー要素を含む１以上のメモリー要素、マイクロ流体デバイス１０２及び流体容器１０４と通信乃至連絡し及びそれらを制御する他の電子機器乃至電子部品を備える。したがって、コントローラ１０６は、プログラム可能であって、典型的には、メモリー（記憶装置）に格納されて、マイクロ流体デバイス１０２を制御するために実行可能な１以上のソフトウェアモジュールを有している。かかるモジュールは、たとえば、図１に示すように、流体アクチュエーター選択、タイミング及び頻度モジュール１１０、及び、流体アクチュエーター非対称作動モジュール１１２を含むことができる。

コントローラ１０６はまた、コンピュータなどのホストシステムからデータ１１４を受け取って、該データ１１４をメモリーに一時的に保存することができる。典型的には、データ１１４は、電子式伝送経路、赤外線伝送経路、光学式伝送経路、または、他の情報伝送経路に沿ってマイクロ流体システム１００に送られる。データ１１４は、たとえば、マイクロ流体デバイス１０２内の流体流れを制御するための実行可能命令及び／またはパラメータであって、コントローラ１０６に格納されているソフトウェア／ファームウェアモジュールにおいて単独で、または、他の実行可能命令と共に使用される。プログラム可能なコントローラ１０６上で実行可能な種々のソフトウェア及びデータ１１４は、マイクロ流体デバイス１０２のネットワークチャネル内に組み込まれている流体アクチュエーターの選択的作動を可能にすると共に、そのような作動による圧縮性変位及び伸張性変位のタイミング、頻度、及び持続時間の正確な制御を可能にする。流体アクチュエーターの制御を容易に変更可能（すなわち、プログラム可能）であることによって、所与のマイクロ流体デバイス１０２において多くの流体流れパターンをオンザフライで（すなわち動作中に）利用することが可能になる。

図２は、本開示のいくつかの実施形態にしたがう、マイクロ流体デバイス１０２内に実施するのに適した、一体化された（すなわち、組み込み式の）慣性ポンプ２００を有する、閉じた、一方向及び一次元（すなわち線形）の流体ネットワーク１０３のいくつかの例（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）を示す。本明細書において、「閉じた」ネットワークとは、外部流体容器に接続されないネットワークを意味し、「一方向」ネットワークとは、一つの方向だけに流れる流体流れを生成するネットワークを意味し、一次元ネットワークは、線形ネットワークを意味する。慣性ポンプ２００は、一般的に、ポンプチャネル２０６の一方の端部の近く（すなわち、他方の端部よりも該一方の端部の近い位置）に非対称に配置されている一体化された（すなわち、組み込み式の）流体アクチュエーター２０２を具備する該ポンプチャネル２０６を備える。後述するいくつかの実施形態では、ネットワークチャネル２０４自体がポンプチャネル２０６として機能することに留意されたい。図２に示す例示的な慣性ポンプ２００の各々は、ポンプチャネル２０６を介して流体をネットワークチャネル２０４間（チャネル１と２の間）で移動させるための流体ポンプアクチュエーター２０２を有している。この例では、各ネットワークチャネル２０４は、ポンプチャネル２０６の各端部における流体容器として機能する。ネットワーク１０３（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）は、一方の端部から他方の端部に流体が流れる一次元（すなわち線形）型であるが、ネットワークチャネル２０４（チャネル１及び２）の端部に示されている破線によって、いくつかの実施形態では、ネットワークチャネル２０４は、追加の次元（すなわち、二次元及び三次元）を有するより大きなネットワーク１０３の一部としてより遠くに延びることができることを示すことが意図されており、その場合には、ネットワークチャネル２０４は、そのようなより大きなネットワーク１０３の一部として他のネットワークチャネルと交差する。そのようなより大きなネットワークの例については後述する。

図２のネットワークＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄに示す４つの慣性ポンプ２００の各々は、ポンプチャネル２０６の（他方の端部よりも）一方の端部に近い、ポンプチャネル２０６内の非対称な位置に配置されている単一の一体化された（すなわち組み込み式の）流体ポンプアクチュエーター２０２を備えている。図２中の説明欄において示されているように、ネットワークＡ及びＣのポンプ２００中の流体アクチュエーター２０２は休止しており、すなわち、作動していない。したがって、ネットワークチャネル１と２（２０４）の間でポンプチャネル２０６を通る正味の流体流れは存在しない。しかしながら、ネットワークＢ及びＤのポンプ２００中の流体アクチュエーター２０２は作動しているので、ネットワークチャネル１と２（２０４）の間でポンプチャネル２０６を通る正味の流体流れが生じる。

流体ダイオード特性（すなわち、流体の一方方向への流れ）は、ネットワークＢ及びＤのように、流体アクチュエーター２０２がポンプチャネル２０６内に非対称な位置に配置された状態で、慣性ポンプ２００を作動させることによって実現される。慣性ポンプチャネル２０６の幅が、該チャネル２０６が接続しているネットワークチャネル２０４（すなわちネットワークチャネル１及び２）の幅よりも小さい場合には、慣性ポンプ２００の駆動力（または推進力）は、主に、ポンプチャネル２０６の特性（すなわち、ポンプチャネルの幅及びポンプチャネル内の流体アクチュエーター２０２の非対称性）によって決まる。ポンプチャネル２０６内の流体アクチュエーター２０２の正確な位置は、多少異なりうるが、いずれの場合でも、ポンプチャネル２０６の長さ（全長）に関して非対称である。したがって、流体アクチュエーター２０２は、ポンプチャネル２０６の中央点（で分割したときの２つの側のうち）の一方の側に配置される。所与の流体アクチュエーター２０２に関して、その非対称配置によって、ポンプチャネル２０６の短い側と長い側が画定される。したがって、ネットワークＢの慣性ポンプ２００内の作動している流体アクチュエーター２０２の非対称位置、すなわち、アクチュエーター２０２がより広いネットワークチャネル２（２０４）の方に近い位置にあることは、ネットワークチャネル２からネットワークチャネル１に向かう（すなわち、右から左に向かう）正味の流体流れを引き起こす、ポンプチャネル２０６内の流体ダイオード特性を基礎付けるものである。同様に、ネットワークＤのポンプ２００中の作動している流体アクチュエーター２００がポンプチャネル２０６の短い側に位置していることによって、ネットワークチャネル１からネットワークチャネル２に向かう（すなわち、左から右に向かう）正味の流体流れが引き起こされる。ポンプチャネル２０６内の流体アクチュエーター２０２の非対称位置によって、ポンプチャネル２０６内の流体ダイオード特性（正味の流体流れ）を駆動する慣性メカニズムが生じる。流体アクチュエーター２０２は、ポンプチャネル２０６に沿って互いに逆の２つの方向に流体を押しやる、ポンプチャネル２０６内を伝搬する波を生成する。流体アクチュエーター２０２がポンプチャネル２０６内に非対称に配置されている場合には、ポンプチャネル２０６を通る正味の流体流れが存在する。流体のより重い部分または流体がより多く存在する部分（これは、典型的には、ポンプチャネル２０６の長い方の側にある）は、流体アクチュエーターのポンプ前進ストロークの終わりにおいてより大きな機械的慣性を有する。したがって、流体のこの部分は、該チャネルの短い方の側にある流体（液体）よりもゆっくりと進行方向が逆転する。該チャネルの短い側にある流体は、流体アクチュエーターのポンプ後退ストローク中に力学的運動量を獲得するのにより長い時間がかかる。したがって、該後退ストロークの終わりにおいて、該チャネルの短い方の側にある流体は、該チャネルの長い方の側にある流体よりもより大きな力学的運動量を有する。この結果、典型的には、正味の流れは、ポンプチャネル２０６の短い方の側から長い方の側に向かう流れとなる。正味の流れが、２つの流体要素（すなわち、チャネルの短い側と長い側）の異なる慣性特性の結果として生じることから、このタイプのマイクロポンプは、慣性ポンプと呼ばれる。

図３は、本開示のいくつかの実施形態にしたがう、たとえば図２を参照して説明した、マイクロ流体デバイス１０２内に実装するのに適した一体化された（すなわち組み込み式の）慣性ポンプ２００を有する、閉じた、二方向、一次元（すなわち線形）の流体ネットワーク１０３のいくつかの例（Ａ及びＢ）を示す。図３の例示的な慣性ポンプ２００は、１つの流体ポンプアクチュエーター２０２に代えて、流体をネットワークチャネル２０４中を移動させ、及び、流体を該チャネル２０４間で移動させるための２つの流体ポンプアクチュエーター２０２を有する。これら２つの流体ポンプアクチュエーター２０２は、各ポンプチャネル２０６の互いに反対側にある２つのそれぞれの側において他方の側の端部よりも一方の側の端部に近いところに非対称に配置されている。ポンプチャネル２０６のそれぞれの側に流体アクチュエーター２０２を有することによって、どの流体アクチュエーター２０２が作動しているかによって決まる（いずれか一方の）方向にチャネル２０６を通る正味の流体流れを生成することが可能になる。したがって、図３のネットワークＡの慣性ポンプ２００では、作動している流体アクチュエーター２０２は、（ネットワークチャネル１よりも）ネットワークチャネル２の方に近い、ポンプチャネル２０６の右側の方に非対称に配置されており、生じる正味の流体流れは、ポンプチャネル２０６の右側（短い側）から左側（長い側）に向かうものであり、これによって、流体はネットワークチャネル２からネットワークチャネル１に向かって移動する。同様に、ネットワークＢの慣性ポンプ２００では、作動している流体アクチュエーター２０２は、（ネットワークチャネル２よりも）ネットワークチャネル１の方に近い、ポンプチャネル２０６の左側の方に非対称に配置されており、生じる正味の流体流れは、ポンプチャネル２０６の左側（ここでも短い側）から右側（長い側）に向かうものであり、これによって、流体はネットワークチャネル１からネットワークチャネル２に向かって移動する。

上述したように、コントローラ１０６は、種々のやり方でマイクロ流体デバイス１０２を制御するようにプログラム可能である。１例として、それぞれが単一の一体化された流体ポンプアクチュエーター２０２を有する図２の慣性ポンプ２００に関しては、コントローラ１０６中のモジュール１１０（すなわち、流体アクチュエーター選択、タイミング及び頻度モジュール１１０）は、ネットワーク１０３中の任意の数のポンプチャネル２０６内の任意の数のアクチュエーター２０２を選択的に作動させることができる。したがって、ネットワークＡ、Ｂ、Ｃ、及びＤは、一次元であって、その慣性ポンプ２００は流体アクチュエーター２０２を１つだけしか有していないが、別の実施形態では、それらのネットワークをより大きなネットワークの一部とすることができ、この場合、他の相互接続しているネットワークチャネル２０４における他のアクチュエーター２０２を選択的に作動させることによって、より大きなネットワーク１０３を通る流体流れの向きを制御可能である。モジュール１１０はまた、流体アクチュエーター２０２の作動のタイミング及び頻度を制御することによって、正味の流体流れが生じるタイミング並びに流体流れの流速乃至流量の制御を可能にする。各ポンプチャネル２０６の互いに逆側にあるそれぞれの側において他方の端部よりも一方の端部に近いところに非対称に配置された２つの流体アクチュエーター２０２を有する図３の慣性ポンプ２００に関しては、コントローラ１０６にあるモジュール１１０は、単一のポンプチャネル２０６内の２つのアクチュエーターの選択的作動を、より大きなネットワーク１０３中の任意の数の他のポンプチャネル内の任意の数のアクチュエーターの選択的作動に加えて可能にする。このように流体アクチュエーターを選択的に作動させる能力は、拡張されたネットワーク１０３全体における流体流れの方向だけではなく、個々のネットワークチャネル２０４内の流体流れの方向を制御することを可能にする。

図４は、本開示の１実施形態にしたがう、マイクロ流体デバイス１０２内に実装するのに適した一体化された（もしくは組み込み式の）慣性ポンプ２００を有する、開いた、二方向、一次元の流体ネットワーク１０３の１例を示す。本明細書では、「開いた」ネットワークは、容器４００などの少なくとも１つの外部流体容器に接続するネットワークである。ネットワークチャネル２０４に接続するのと同じようにして、流体容器４００に接続している場合において、慣性ポンプ２００の幅が、該ポンプ２００が接続している流体容器４００の幅よりも小さい場合には、慣性ポンプ２００の駆動力は、主に、ポンプチャネル２０６の特性（すなわち、ポンプチャネルの幅及びポンプチャネル内の流体アクチュエーター２０２の非対称性）によって決まる。したがって、この例では、ポンプチャネル２０６の一方の端部は外部流体容器４００に接続し、ポンプチャネル２０６の他方の端部はネットワークチャネル２０４（チャネル１）に接続しているが、該容器４００とネットワークチャネル２０４のいずれも、慣性ポンプ２００の駆動力に関しては流体容器として機能する。かかる「開いた」ネットワーク１０３の他の実施例では、ポンプチャネル２０６の両端部を、外部流体容器４００に容易に接続することができる。流体アクチュエーター２０２を、より（幅の）広い流体容器４００に近い、ポンプチャネル２０６の短い側に配置すること、すなわち、ネットワーク１０３のポンプ２００内に非対称に配置することは、流体容器４００からネットワークチャネル１に向かう（すなわち、右から左に向かう）正味の流体流れを引き起こす、ポンプチャネル２０６内の流体ダイオード特性を基礎付けるものである。１つの容器４００を、２つ以上のポンプチャネル２０６によってネットワーク１０３に接続でき、または、該１つの容器４００を、任意の慣性ポンプを用いてもしくは任意の慣性ポンプを用いることなく、１つ以上のネットワークチャネル２０４に接続できることに留意されたい。一般に、容器は、種々の流体を格納し及びそれらの流体にアクセスできるようにすることによって、分析対称の生体サンプル、廃棄物収集器、及び、DNAビルディングブロック（DNA building block）の容器などの種々の流体応用を容易にすることができる。

上記したように、マイクロ流体デバイス１０２内のネットワーク１０３は、一次元、二次元、または、三次元のトポロジーを有することができる。たとえば、上述した図２及び図３のネットワークは、線形すなわち一次元のネットワーク１０３として示されている。しかしながら、これらのネットワーク内のネットワークチャネル２０４が、より大きなネットワーク１０３の一部として他のネットワークチャネルに接続される可能性があることも説明されている。図５〜図７は、二次元ネットワークトポロジーを有する、そのようなより大きなネットワーク１０３のいくつかの例を示している。

図５は、本開示の１実施形態にしたがう、閉じた二次元の流体ネットワーク１０３内の単一の流体ポンプアクチュエーター２０２の選択的作動を用いるそれぞれ異なるポンプ作動方式によって生成された流体流れパターン（Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ）を示す、該ネットワーク１０３の１例を示している。二次元ネットワーク１０３は、４つの流体ポンプアクチュエーター２０２と、５つの頂点（バーテックス）すなわちチャネル交差部（１、２、３、４、５で参照されている）によって分離された８つのネットワークチャネル（またはエッジ）を有する。この実施形態では、慣性ポンプは、ネットワークチャネル２０４に組み込まれた流体ポンプアクチュエーター２０２を備える。したがって、上述のネットワークに関して説明した個別のポンプチャネルは図示されていない。ネットワークチャネル２０４は、それ自体、流体ポンプアクチュエーター２０２に対するポンプチャネルとして機能する。比較的幅が広いチャネル交差部（頂点１、２、３、４、５）において接続されているネットワークチャネル２０４の幅が狭くなっているために、慣性ポンプの駆動力を有効に発生させることができるが、これは、ネットワークチャネル２０４の狭くなっている幅内に流体アクチュエーター２０２が非対称に配置されていることに基づいている。

流体流れパターンＡを示している図５のネットワーク１０３を参照すると、作動している流体アクチュエーター２０２（作動している流体アクチュエーターを特定している図５中の説明を参照）は、正味の流れ方向指示矢印によって示されているように、頂点３から頂点５の方向に向かう正味の流体流れを生じさせる。流体の流れは、頂点５で分かれて、頂点５から頂点１、２、及び４へと延びているネットワークチャネルを通ってそれぞれ異なる方向に進む。その後、流体は、正味の流れ方向指示矢印によって示されているように、頂点１、２、及び４から頂点３に戻る方向に流れる。したがって、流れパターンＡに示すように、頂点３の近くにある単一流体ポンプアクチュエーター２０２を選択的に作動させることによって、ネットワーク全体にわたる特定の方向の流体流れが生じることになる。

これとは対照的に、流れパターンＢ、Ｃ、及びＤにおいて示されている他の個々の流体ポンプアクチュエーター２０２の選択的作動によって生じる、ネットワーク１０３中の流体の流れ方向は全く異なる。たとえば、流体流れパターンＢを示している図５のネットワーク１０３を参照すると、作動している流体アクチュエーター２０２は、正味の流れ方向指示矢印によって示されているように、頂点１から頂点５に向かう方向に正味の流体流れを生じさせる。流体の流れは、頂点５で分かれて、頂点５から頂点２、３、及び４へと延びているネットワークチャネルを通ってそれぞれ異なる方向に進む。その後、流体は、正味の流れ方向指示矢印によって示されているように、頂点２、３、及び４から頂点１に戻る方向に流れる。同様に、流れパターンＣ及びＤでも異なる方向の流体流れが生じる。したがって、マイクロ流体システム１００内のプログラム可能なコントローラ１０６は、マイクロ流体デバイス１０２の特定のネットワーク１０３内の単一の流体ポンプアクチュエーター２０２を選択的に作動させることによって、該ネットワーク１０３内の流体流れパターンを容易に調整することができる。

図６は、本開示の１実施形態にしたがう、閉じた二次元の流体ネットワーク１０３内の２つの流体ポンプアクチュエーター２０２の同時選択作動を用いるそれぞれ異なるポンプ作動方式によって生成された流体流れパターン（Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ）を示す、該ネットワーク１０３の１例を示している。二次元ネットワーク１０３は、図５に示すものと同じであって、４つの流体ポンプアクチュエーター２０２と、５つの頂点（バーテックス）すなわちチャネル交差部（１、２、３、４、５で参照されている）によって分離された８つのネットワークチャネル（またはエッジ）を有する。流体流れパターン（Ｅ、Ｆ、Ｇ、Ｈ、Ｉ、Ｊ）において示されているように、２つの流体ポンプアクチュエーター２０２を同時に選択的に作動させることによって、ネットワーク１０３を通る（それぞれのパターン間で互いに異なる）特定の方向の流体流れが生じることになる。

たとえば流体流れパターンＥを示している図６のネットワーク１０３を参照すると、作動している流体アクチュエーター２０２は、正味の流れ方向指示矢印によって示されているように、頂点２及び３から頂点５に向かう方向に正味の流体流れを生じさせる。流体の流れは、頂点５で分かれて、頂点５から頂点１及び４へと延びているネットワークチャネルを通ってそれぞれ異なる方向に進む。その後、流体は、正味の流れ方向指示矢印によって示されているように、頂点１及び４から頂点２及び３に戻る方向に流れる。頂点１と４の間、及び、頂点２と３の間のネットワークチャネルには正味の流体流れは存在しないことに留意されたい。したがって、流体流れパターンＥにおいて示されているように、頂点２及び３の近くにそれぞれある２つの流体ポンプアクチュエーター２０２を同時に選択的に作動させることによって、ネットワーク全体わたる特定の方向の流体流れが生じることになる。図６に示されている他の流体流れパターンの各々についても、各パターン中の正味の流れ方向指示矢印によって示されているように、それぞれ異なる方向の流体流れが生じる。したがって、マイクロ流体システム１００内のプログラム可能なコントローラ１０６は、マイクロ流体デバイス１０２の特定のネットワーク１０３内の２つの流体ポンプアクチュエーター２０２を同時に選択的に作動させることによって、該ネットワーク１０３内の流体流れパターンを容易に調整することができる。

図７は、本開示の１実施形態にしたがう、閉じた二次元の流体ネットワーク１０３内の３つの流体ポンプアクチュエーター２０２の同時選択作動を用いるそれぞれ異なるポンプ作動方式によって生成された流体流れパターン（Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ）を示す、該ネットワーク１０３の１例を示している。二次元ネットワーク１０３は、図５に示すものと同じであって、４つの流体ポンプアクチュエーター２０２と、５つの頂点（バーテックス）すなわちチャネル交差部（１、２、３、４、５で参照されている）によって分離された８つのネットワークチャネル（またはエッジ）を有する。流体流れパターン（Ｋ、Ｌ、Ｍ、Ｎ）において示されているように、３つの流体ポンプアクチュエーター２０２を同時に選択的に作動させることによって、ネットワーク１０３を通る（それぞれのパターン間で互いに異なる）特定の方向の流体流れが生じることになる。

たとえば流体流れパターンＫを示している図７のネットワーク１０３を参照すると、作動している流体アクチュエーター２０２は、正味の流れ方向指示矢印によって示されているように、頂点１、２、及び３から頂点５を通って頂点４に向かう方向に正味の流体流れを生じさせる。流体の流れは、頂点４で分かれて、頂点４から頂点１及び３へと延びているネットワークチャネルを通ってそれぞれ異なる方向に進む。正味の流れ方向指示矢印によって示されているように、頂点１及び３に到達した流体は再び分かれて、頂点５及び頂点２へとそれぞれ異なる方向に進む。したがって、流体流れパターンＫにおいて示されているように、４つの流体ポンプアクチュエーター２０２のうち、頂点１、２、及び３の近くにそれぞれある３つの流体ポンプアクチュエーター２０２を同時に選択的に作動させることによって、ネットワーク１０３全体わたる特定の方向の流体流れが生じることになる。図７に示されている他の流体流れパターンの各々についても、各パターン中の正味の流れ方向指示矢印によって示されているように、それぞれ異なる方向の流体流れが生じる。プログラム可能なコントローラ１０６によって流体アクチュエーター２０２を選択的に作動させることによって、マイクロ流体デバイス１０２のネットワークにおいて、種々の流体流れパターンを提供することができる。

上述したように、マイクロ流体デバイス１０２内のネットワーク１０３は、一次元、二次元、または、三次元のトポロジーを有することができる。図８は、本開示の１実施形態にしたがう、開いた、二方向、三次元の流体ネットワーク１０３の１例のトップダウンビュー（上から見下ろしたときの図）及び対応する断面図である。この開いた流体ネットワーク１０３は、流体容器４００に接続されており、別の流体チャネルを（またいで）横断している流体チャネルを用いて三次元における流体流れを容易にする。かかるネットワークを、たとえば、ウェットフィルム（wet film）スピンコーティング及び／またはドライフィルムラミネーション（dry film lamination）などの従来の微細加工技術やＳＵ−８多層（multilayer SU8）技術を用いて製造することができる。SU8は、半導体デバイス製造用のフォトレジストマスクとして一般的に使用されている透明な写真画像を形成可能なポリマー材料である。図８に示すように、たとえば、流体容器４００及びネットワークチャネル１、２、及び３を、第１のSU8層中に作製することができる。次に、第２のSU8層８０２を用いて、流体チャネルを他のチャネルの上に通すことによって、望ましくないチャネル交差がネットワーク内に生じないようにすることができる。かかる三次元トポロジーは、一体化された（または組み込み式の）慣性ポンプをマイクロ流体デバイス内に有する複雑で多用性のあるマイクロ流体ネットワークを可能にする。

マイクロ流体デバイス１０２の有用性は、分析、検出、加熱などに使用される種々の能動要素及び受動要素を組み込むことによって大幅に向上する。そのような組み込まれた要素の例には、抵抗加熱器、ペルチェクーラー（Peltier cooler）、物理センサー、化学センサー、生物学的センサー、光源、及び、それらの組み合わせがある。図９には、流体ポンプアクチュエーター２０２と能動要素９００の両方を組み込んでいるいくつかの流体ネットワーク１０３の例が示されている。本明細書で説明されている流体ネットワークの各々は、該ネットワーク内に種々の流体流れパターンを提供する流体ポンプアクチュエーターに加えて、そのような組み込み式の要素９００を組み込むのに適している。

特定の流体ネットワークを図示し説明したが、本明細書で考慮されているマイクロ流体デバイス１０２及びシステムは、一次元、二次元、三次元における種々のレイアウト（構成及び／または配置）を有し、一体化された（または組み込み式の）流体ポンプアクチュエーターと他の能動及び受動要素の多様な構成を含む多くの他の流体ネットワークを実施することができる。

前述したように、流体ポンプアクチュエーター２０２のポンピング効果は、流体チャネル内（たとえば、ポンプチャネル２０６内）のアクチュエーターの非対称配置に依存し、この場合、該流体チャネルの幅は、流体を送り込む側の容器または（ネットワークチャネル２０４などの）他のチャネルの幅よりも狭い（この場合も、ポンプチャネル自体を、たとえば、（幅や口径が）より広い流体容器間で流体を送り出すネットワークチャネルとすることができる）。流体チャネルの中央点（で分割したときの２つの側のうち）の一方の側に流体アクチュエーター２０２を非対称に配置することによって、該チャネルの短い側と長い側が画定され、該チャネルの該短い側（この短い側に流体アクチュエーターが配置されている）から該長い側に向かう方向に進む一方向の流体流れを実現することができる。流体チャネル内に対称に（すなわち、該チャネルの中心に）配置されている流体ポンプアクチュエーターが引き起こす正味の流れはゼロであろう。したがって、流体ネットワークチャネル内の流体アクチュエーター２０２の非対称配置は、該チャネルを通る正味の流体流れを生じさせることができるポンピング効果を達成するために必要な１つの条件（第１の条件）である。

しかしながら、流体チャネル内の流体アクチュエーター２０２の非対称配置に加えて、流体アクチュエーターのポンピング効果の別の要素としてその動作態様がある。具体的には、ポンピング効果及びチャネルを通る正味の流体流れを達成するために、流体アクチュエーターは、該チャネル内の流体の変位（または移動）に対して非対称に動作することも必要である。動作中、流体チャネル中の流体アクチュエーターは、（ある可撓性膜やピストンストロークなどでもって）最初に第１の方向に湾曲乃至たわみを生じ、次に、他方の方向に湾曲乃至たわんで、該チャネル内で流体変位を引き起こす。上述したように、流体アクチュエーター２０２は、チャネルに沿って互いに逆の２つの方向に流体を押しやる、流体チャネル中を伝搬する波を生成する。流体アクチュエーターが、流体を両方向に同じ速度で移動させるように湾曲乃至たわみ動作をする場合には、該流体アクチュエーターによって該チャネル内に生成される正味の流体流れはゼロであろう。正味の流体流れを生成するためには、流体アクチュエーターの湾曲乃至たわみ、すなわち流体変位が対称にならないように該流体アクチュエーターの動作を設定乃至構成する必要がある。したがって、湾曲乃至たわみストローク（たわみ行程）のタイミングに関する流体アクチュエーターすなわち流体変位の非対称動作は、チャネルを通る正味の流体流れを生成することができるポンピング効果を達成するために必要な第２の条件である。

図１０は、本開示の１実施形態にしたがう、いくつかの異なる動作段階にある一体化された（すなわち、組み込み式の）流体ポンプアクチュエーター１００２を有する流体ネットワークチャネル１０００の１例の側面図である。流体容器１００４は、チャネル１０００のそれぞれの端部に接続されている。一体化されている流体アクチュエーター１００２は、流体容器１００４に対する入力の近くのチャネルの短い側に非対称に配置されて、該チャネルを通る正味の流体流れを生じることができるポンピング効果を生成するのに必要な第１の条件を満たしている。ポンピング効果を生成するために必要な第２の条件は、上述したように、流体アクチュエーター１００２の非対称動作である。本明細書では、流体アクチュエーター１００２は、流体チャネル内を上下に湾曲乃至たわむ（この上下の湾曲乃至たわみをピストンストロークという場合もある）ことによって、具体的に制御することができる流体変位を生じさせる圧電膜であるものとして一般的に記述されている。しかしながら、流体アクチュエーターを実施するために、たとえば、蒸気泡を発生するための抵抗加熱器、静電（MEMS）膜、機械駆動式／インパクト駆動式膜、ボイスコイル、磁歪駆動などの他の種々のデバイスを使用することができる。

図１０に示す動作段階Ａでは、流体アクチュエーター１００２は、静止位置にあって休止しているので、チャネル１０００を通る正味の流体流れは存在しない。動作段階Ｂでは、流体アクチュエーター１００２は作動しており、膜は流体チャネル１００の内部に向かって上方に湾曲乃至たわむ。この上方への湾曲乃至たわみ、すなわち、前進ストロークによって、該膜が流体を外側に押し出すので、チャネル１０００内に流体の圧縮性変位が生じる。動作段階Ｃでは、流体アクチュエーター１００２は作動しており、膜は、元の静止位置に戻るために、下方に湾曲乃至たわみ始める。膜のこの下方への湾曲乃至たわみ、すなわち、後退ストロークによって、該膜が流体を下方に引き寄せるので、チャネル１０００内に流体の伸張性変位が生じる。一回の上方への湾曲乃至たわみと一回の下方への湾曲乃至たわみの組が１つのたわみサイクルである。繰り返し行われるたわみサイクルにおいて、上方への湾曲乃至たわみ（すなわち圧縮性変位）と下方への湾曲乃至たわみとの間に時間的非対称性がある場合には、チャネル１０００中に正味の流体流れが生じる。時間的非対称性及び正味の流体流れの方向については図１１〜図１４を参照して後述するので、図１０では、動作段階ＢとＣにおいて、互いに逆向きの正味の流れ方向指示矢印間に疑問符？が挿入されている。これらの疑問符は、圧縮性変位と伸張性変位の間の時間的非対称性が指定されておらず、したがって、流れの方向は（流れがもしあったとしても）まだ不明であることを示すことが意図されている。

図１１は、本開示の１実施形態にしたがう、流体アクチュエーター１００２によって生成された圧縮性変位と伸張性変位との間の時間的非対称性を説明するのに役立つ図であり、図１０の動作段階ＢとＣにおける動作している流体アクチュエーター１００２をタイムマーカー「t1」と「t2」と共に示している。時間t1は、流体アクチュエーター膜が上方に湾曲乃至たわんで、圧縮性流体変位を生成するのに要する時間である。時間t2は、流体アクチュエーター膜が下方に、すなわち、元の位置に戻る方向に湾曲乃至たわんで、伸張性流体変位を生成するのに要する時間である。圧縮性変位（上方への膜の湾曲乃至たわみ）の持続時間t1が伸張性変位（下方への膜の湾曲乃至たわみ）の持続時間t2よりも長いかまたは短い（すなわち、両者が同じではない）場合には、流体アクチュエーター１００２の非対称動作が行われる。繰り返して行われるたわみサイクルにおけるそのような流体アクチュエーターの非対称動作によって、チャネル１０００内に正味の流体流れが生成される。しかしながら、圧縮性変位の持続時間t1と伸張性変位の持続時間t2が等しい、すなわち、対称である場合には、チャネル１０００内に流体アクチュエーター１００２が非対称に配置されているにもかかわらず、チャネル１０００を通る正味の流体流れはほとんど存在しないかまたは全く存在しないであろう。

図１２、図１３、及び図１４は、本開示のいくつかの実施形態にしたがう、図１０の動作段階Ｂ及びＣにおける動作している流体アクチュエーター１００２を示しており、（流体流れがある場合に）流体がチャネル１０００をどの方向に流れるかを示す正味の流体流れ指示矢印を含んでいる。正味の流体流れの方向は、アクチュエーターの圧縮性変位の持続時間t1と伸張性変位の持続時間t2に依存する。図１５、図１６、及び図１７は、図１２、図１３、及び図１４の変位の持続時間t1とt2にそれぞれ対応する持続時間を有する例示的な変位パルス波形を示している。種々の流体ポンプアクチュエーターについて、圧縮性変位の持続時間t1と伸張性変位の持続時間t2を、たとえば、マイクロ流体システム１００内のモジュール１１２（流体アクチュエーター非対称作動モジュール１１２）などからの命令を実行するコントローラ１０６によって正確に制御することができる。

図１２を参照すると、圧縮性変位の持続時間t1は、伸張性変位の持続間t2よりも短いので、チャネル１０００の短い側（すなわち、アクチュエーターが配置されている側）から該チャネルの長い側に向かう方向の正味の流体流れが存在する。圧縮性変位の持続時間t1と伸張性変位の持続時間t2の違いは、圧縮性変位の持続時間t1及び伸張性変位の持続時間t2を有する流体アクチュエーターによって生成することができる対応する例示的な変位パルス波形を示している図１５から理解することができる。図１５の波形は、約１ピコリットル（pl）が、およそ０．５マイクロ秒の圧縮性変位の持続時間t1、及び、およそ９．５マイクロ秒の伸張性変位の持続時間t2で変位する変位パルス／サイクルを示している。流体変位の量及び流体変位の持続時間の値は例示に過ぎず、いかなる点においても限定することを意図したものではない。

図１３を参照すると、圧縮性変位の持続時間t1は、伸張性変位の持続間t2よりも長いので、チャネル１０００の長い側から該チャネルの短い側に向かう方向の正味の流体流れが存在する。圧縮性変位の持続時間t1と伸張性変位の持続時間t2の違いは、圧縮性変位の持続時間t1及び伸張性変位の持続時間t2を有する流体アクチュエーターによって生成することができる対応する例示的な変位パルス波形を示している図１６から理解することができる。図１６の波形は、約１ピコリットル（pl）が、およそ９．５マイクロ秒の圧縮性変位の持続時間t1、及び、およそ０．５マイクロ秒の伸張性変位の持続時間t2で変位する変位パルス／サイクルを示している。

図１４では、圧縮性変位の持続時間t1は、伸張性変位の持続間t2と等しいので、チャネル１０００を通る正味の流体流れはほとんど存在しないかまたは全く存在しない。圧縮性変位の持続時間t1と伸張性変位の持続時間t2が等しい様子は、圧縮性変位の持続時間t1及び伸張性変位の持続時間t2を有する流体アクチュエーターによって生成することができる対応する例示的な変位パルス波形を示している図１７から理解することができる。図１７の波形は、約１ピコリットル（pl）が、およそ５．０マイクロ秒の圧縮性変位の持続時間t1、及び、およそ５．０マイクロ秒の伸張性変位の持続時間t2で変位する変位パルス／サイクルを示している。

図１４では、チャネル１０００内に流体アクチュエーター１００２が非対称に配置されている（ポンピング効果を達成するための１つの条件を満たしている）が、流体アクチュエーターの動作が非対称ではない（ポンピング効果を達成するための第２の条件を満たしていない）ために、依然として、チャネル１０００を通る正味の流体流れはほとんどまたは全く存在しないことに留意されたい。同様に、流体アクチュエーターの位置が対称で（すなわち、流体アクチュエーターがチャネルの中心に配置されており）、かつ、該アクチュエーターの動作が非対称である場合には、ポンピング効果の２つの条件が共に満たされているわけではないので、依然として、チャネルを通る正味の流体流れはほとんどまたは全く存在しないであろう。

上記の例及び図１０〜図１７の説明から、流体アクチュエーターの非対称位置というポンピング効果（を達成するための）条件と流体アクチュエーターの非対称動作というポンピング効果（を達成するための）条件との間の相互作用に留意することが重要である。すなわち、流体アクチュエーターの非対称位置と非対称動作が同じ方向に作用する場合には、流体ポンプアクチュエーターは、高効率のポンピング効果を示すであろう。しかしながら、流体アクチュエーターの非対称位置と非対称動作が互いに対して不利に作用する場合には、流体アクチュエーターの非対称動作は、該流体アクチュエーターの非対称位置によって引き起こされる正味の流れベクトルを反転させ、正味の流れは、チャネル１０００の長い側から該チャネルの短い側に向かうものとなる。

さらに、上記の例及び図１０〜図１７の説明から、図２〜図８のマイクロ流体ネットワーク１０３に関して説明した流体ポンプアクチュエーター２０２は、圧縮性変位の持続時間が伸張性変位の持続時間よりも短いアクチュエーターデバイスであることが想定されていることをより良く理解することができる。そのようなアクチュエーターの例は、流体を加熱して、超臨界蒸気の爆発によって変位を生じさせる抵抗加熱素子である。そのような事象は、膨張期（すなわち、圧縮性変位）が崩壊期（収縮期、すなわち伸張性変位）より速い、爆発に関する非対称性を有する。この事象の非対称性は、たとえば、圧電膜アクチュエーターによって生じる変位の非対称性と同じやり方では制御できない。しかしながら、図１０〜図１７に関する説明から理解されるように、図２〜図８の流体ポンプアクチュエーター２０２を、圧電膜などのアクチュエーターデバイスとすることもできる。圧電膜の場合は、流体チャネル内の圧電膜の上下方向の変位の持続時間を制御することによって、該圧電膜の流体変位を個別具体的に制御することができる。

図１８は、本開示の１実施形態にしたがう、いくつかの異なる動作段階にある一体化された（すなわち、組み込み式の）流体ポンプアクチュエーター１００２を有する流体ネットワークチャネル１０００の１例の側面図である。この実施形態は、チャネル１０００内の圧縮性変位及び伸張性変位を生成するために、図１０に関して説明した実施形態とは異なるやり方で流体アクチュエーター膜の湾曲乃至たわみが作用するものとして示されている点を除いて、図１０に関して説明した実施形態に類似する。図１８に示す動作段階Ａでは、流体アクチュエーター１００２は、静止位置にあって、休止しているので、チャネル１０００を通る正味の流体流れはない。動作段階Ｂでは、流体アクチュエーター１００２は作動しており、該膜は、流体チャネル１０００の外側へと下方に湾曲乃至たわむ。該膜のこの下方への湾曲乃至たわみによって、該膜が流体を下方に引き寄せるので、チャネル１０００内に流体の伸張性変位が引き起こされる。動作段階Ｃでは、流体アクチュエーター１００２は作動しており、該膜は、元の静止位置に戻るために上方に湾曲乃至たわみ始める。この上方への湾曲乃至たわみによって、該膜が流体をチャネル１０００中へと上方に押し上げるので、チャネル１０００内に流体の圧縮性変位が引き起こされる。圧縮性変位と伸張性変位の間に時間的非対称性が存在する場合には、チャネル１０００を通る正味の流体流れが生成される。正味の流体流れの方向は、上述したのと同様に、圧縮性変位の持続時間と伸張性変位の持続時間に依存する。

図１９は、本開示のいくつかの実施形態にしたがう、図１８のアクチュエーター１００２の変位の持続時間t1及びt2にそれぞれ対応させることができる持続時間を有する変位パルス波形のいくつかの例を示している。図１９の波形は、伸張性（負方向の）変位が圧縮性（正方向の）変位の前に生じることを示している。上述の例のいずれにおいても、流体アクチュエーター１００２は、静止位置から開始し、その後は、圧縮性（正方向の）変位を生じてから伸張性（負方向の）変位を生じるか、伸張性（負方向の）変位を生じてから圧縮性（正方向の）変位を生じる。しかしながら、他の種々の変位及び対応する波形が可能である。たとえば、流体アクチュエーター１００２に特定の方向に予め負荷をかけることができ、及び／または、該アクチュエーターは、圧縮性変位及び伸張性変位を行うときに、静止位置を横断して、チャネル１０００の内側と外側の両方の側に変位することができる。

図２０は、チャネル１０００の内外の両方向に向かって湾曲乃至たわむ流体アクチュエーター１００２の１例を示しており、併せて、該アクチュエーター１００２が圧縮性変位及び伸張性変位を起こすときに、該アクチュエーターは、どのようにして該チャネル１０００の内外に向かって湾曲乃至たわむことができるか、及び、正方向または負方向への湾曲乃至たわみを生じるように該アクチュエーター１００２に予め負荷をかけた状態（可能性のある状態のうちの１つ）を説明するための代表的な変位パルス波形が示されている。チャネル１０００の内外に向かうアクチュエーター１００２のそのような湾曲乃至たわみ、並びに、該アクチュエーター１００２に予めかける負荷は、たとえば、コントローラ１０６において動作するモジュール（たとえば、１１０、１１２）によって制御される。

以下に、本発明の種々の構成要件の組み合わせからなる例示的な実施態様を示す。
１．マイクロ流体ネットワーク内に正味の流体流れを生成する方法であって、
マイクロ流体チャネル内に非対称に組み込まれている流体アクチュエーターによって、圧縮性流体変位と伸張性流体変位を生成するステップであって、前記圧縮性流体変位の持続時間と前記伸張性流体変位の持続時間は時間的に非対称である、ステップ
を含む方法。
２．前記圧縮性流体変位と前記伸張性流体変位の時間的に非対称な持続時間を調節することによって前記ネットワークにおける正味の流体流れの方向を制御するステップをさらに含む、上項１の方法。
３．圧縮性流体変位と伸張性流体変位を生成するステップが、
第１の持続時間を有する圧縮性流体変位を生成するステップと、
前記第１の持続時間とは異なる第２の持続時間を有する伸張性流体変位を生成するステップ
を含むことからなる、上項１の方法。
４．圧縮性流体変位を生成するステップが、前記チャネル内の領域が小さくなるように、機械的膜を前記チャネルの内側に向かって曲げるステップを含み、
伸張性流体変位を生成するステップが、前記チャネル内の領域が大きくなるように、前記機械的膜を前記チャネルの外側に向かって曲げるステップを含むことからなる、上項１の方法。
５．圧縮性流体変位を生成するステップが、抵抗素子で流体を加熱して膨張する蒸気泡を生成するステップを含み、
伸張性流体変位を生成するステップが、前記蒸気泡が崩壊できるようにするステップを含むことからなる、上項１の方法。
６．前記第１の持続時間が前記第２の持続時間よりも長く、前記流体変位によって、前記チャネルを第１の方向に通る流体流れが発生する、上項３の方法。
７．前記第１の持続時間が前記第２の持続時間よりも短く、前記流体変位によって、前記チャネルを第２の方向に通る流体流れが発生する、上項６の方法。
８．圧縮性流体変位と伸張性流体変位を生成するステップが、機械読み取り可能命令を実行するコントローラによって前記流体アクチュエーターを作動させるステップを含むことからなる、上項１の方法。
９．マイクロ流体ネットワークと、
前記ネットワークのチャネル内に非対称な位置に組み込まれて、前記チャネル内に、持続時間が互いに異なる圧縮性流体変位と伸張性流体変位を生成する流体アクチュエーターと、
前記流体アクチュエーターの前記圧縮性流体変位の持続時間と前記伸張性流体変位の持続時間を制御することによって、前記チャネルを通る流体流れの方向を調整するコントローラ
を備えるマイクロ流体システム。
１０．前記圧縮性流体変位の持続時間と前記伸張性流体変位の持続時間が非対称である、上項９のマイクロ流体システム。
１１．前記流体アクチュエーターの前記圧縮性流体変位と前記伸張性流体変位の非対称な持続時間を調整して、前記チャネル内の流体流れの方向を変えるように前記コントローラを動作させる実行可能命令モジュールをさらに備える、上項１０のマイクロ流体システム。
１２． マイクロ流体ネットワークにおける流体流れを制御する方法であって、マイクロ流体チャネル内に非対称に配置された流体アクチュエーターによって、前記チャネル内に非対称な流体変位を生成するステップを含む方法。
１３．非対称の流体変位を生成するステップが、
第１の時間期間にわたって前記流体アクチュエーターを正方向に湾曲させて、圧縮性流体変位を生成するステップと、
第２の時間期間にわたって前記流体アクチュエーターを負方向に湾曲させて、伸張性流体変位を生成するステップ
を含むことからなる、上項１２の方法。
１４．前記第１の時間期間が前記第２の時間期間よりも長くなるように制御して、流体が前記チャネルを第１の方向に流れるようにするステップをさらに含む上項１３の方法。
１５．前記第１の時間期間が前記第２の時間期間よりも短くなるように制御して、流体が前記チャネルを第２の方向に流れるようにするステップをさらに含む上項１４の方法。
１６．マイクロ流体ネットワーク内に正味の流体流れを生成する方法であって、
流体アクチュエーターによって、該流体アクチュエーターの第１の変位を生成するステップと該流体アクチュエーターの第２の変位を生成するステップ
を含み、
前記流体アクチュエーターは、マイクロ流体チャネル内の位置に組み込まれており、前記流体アクチュエーターの前記位置によって、前記チャネルの第１の端部と前記流体アクチュエーターとの間に前記チャネルの長い側が画定され、かつ、前記チャネルの第２の端部と前記流体アクチュエーターとの間に前記チャネルの短い側が画定され、
前記第１の変位を生成するステップが、第１の持続時間を有する第１の変位を生成する第１のステップを含み、前記第２の変位を生成するステップが、前記第１の持続時間とは異なる第２の持続時間を有する第２の変位を生成する第２のステップを含み、
前記第１の持続時間を有する前記第１の変位によって、前記チャネル内の流体は前記チャネルの前記第１及び第２の端部の両方に向かって押しやられ、前記第２の持続時間を有する前記第２の変位によって、前記チャネル内の流体は前記流体アクチュエーターに向かって引き寄せられる、方法。
１７．前記第１の持続時間及び前記第２の持続時間を調節することによって前記ネットワークにおける正味の流体流れの方向を制御するステップをさらに含む、上項１６の方法。
１８．前記第１の変位を生成するステップが、前記チャネル内の領域が小さくなるように、前記流体アクチュエーターを構成する膜を前記チャネルの内側に向かって曲げるステップを含み、
前記第２の変位を生成するステップが、前記チャネル内の領域が大きくなるように、前記膜を前記チャネルの外側に向かって曲げるステップを含むことからなる、上項１６または１７の方法。
１９．前記第１の変位を生成するステップが、抵抗素子で流体を加熱して膨張する蒸気泡を生成するステップを含み、
前記第２の変位を生成するステップが、前記蒸気泡が崩壊できるようにするステップを含むことからなる、上項１６または１７の方法。
２０．前記第１の変位が有する前記第１の持続時間を前記第２の変位が有する前記第２の持続時間よりも長くすることによって、前記チャネルを第１の方向に通る流体流れが発生する、上項１６〜１８のいずれかの方法。
２１．前記第１の変位が有する前記第１の持続時間を前記第２の変位が有する前記第２の持続時間よりも短くすることによって、前記チャネルを第２の方向に通る流体流れが発生する、上項１６、１７、１８、２０のいずれかの方法。
２２．前記第１の変位を生成するステップ及び前記第２の変位を生成するステップが、機械読み取り可能命令を実行するコントローラによって前記流体アクチュエーターを作動させるステップを含むことからなる、上項１６、１７、１８、２０、２１のいずれかの方法。
２３．マイクロ流体ネットワークにおける流体流れを制御する方法であって、流体アクチュエーターによって、マイクロ流体チャネル内に前記流体アクチュエーターの非対称な変位を生成するステップを含み、
前記流体アクチュエーターは、前記チャネル内の位置に配置されており、前記流体アクチュエーターの前記位置によって、前記チャネルの第１の端部と前記流体アクチュエーターとの間に前記チャネルの長い側が画定され、かつ、前記チャネルの第２の端部と前記流体アクチュエーターとの間に前記チャネルの短い側が画定され、
前記非対称な変位を生成するステップが、
第１の時間期間にわたる前記流体アクチュエーターの第１の変位を生成することによって、前記チャネル内の流体を前記チャネルの前記第１及び第２の端部の両方に向かって押しやるステップと、
前記第１の時間期間とは異なる第２の時間期間にわたる前記流体アクチュエーターの第２の変位を生成することによって、前記チャネル内の流体を前記流体アクチュエーターに向かって引き寄せるステップ
を含むことからなる、方法。
２４．前記第１の時間期間が前記第２の時間期間よりも長くなるように制御して、流体が前記チャネルを第１の方向に流れるようにするステップをさらに含む上項２３の方法。
２５．前記第１の時間期間が前記第２の時間期間よりも短くなるように制御して、流体が前記チャネルを第２の方向に流れるようにするステップをさらに含む、上項２３または２４の方法。

Claims (10)

1. マイクロ流体ネットワーク内に正味の流体流れを生成する方法であって、
   第１の流体アクチュエーターを作動させて、該第１の流体アクチュエーターの第１の持続時間を有する第１の変位を生成するステップと、
   前記第１の流体アクチュエーターを作動させて、該第１の流体アクチュエーターの第２の持続時間を有する第２の変位を生成するステップであって、前記第２の持続時間は前記第１の持続時間とは異なる、ステップと、
   第２の流体アクチュエーターを作動させて、該第２の流体アクチュエーターの第３の持続時間を有する第３の変位を生成するステップと、
   前記第２の流体アクチュエーターを作動させて、該第２の流体アクチュエーターの第４の持続時間を有する第４の変位を生成するステップであって、前記第４の持続時間は前記第３の持続時間とは異なる、ステップ
   を含み、
   前記第１の流体アクチュエーターは、マイクロ流体チャネルの第１の端部と前記第１の流体アクチュエーターとの間に前記マイクロ流体チャネルの長い側が画定され、かつ、前記マイクロ流体チャネルの第２の端部と前記第１の流体アクチュエーターとの間に前記マイクロ流体チャネルの短い側が画定されるように、前記マイクロ流体チャネル内の第１の所定の位置に組み込まれており、
   前記第２の流体アクチュエーターは、前記マイクロ流体チャネルの前記第１の端部と前記第２の流体アクチュエーターとの間に前記マイクロ流体チャネルの短い側が画定され、かつ、前記マイクロ流体チャネルの前記第２の端部と前記第２の流体アクチュエーターとの間に前記マイクロ流体チャネルの長い側が画定されるように、前記マイクロ流体チャネル内の第２の所定の位置に組み込まれており、
   前記第１の持続時間を有する前記第１の変位は、前記マイクロ流体チャネル内の流体を前記マイクロ流体チャネルの前記第１及び第２の端部の両方に向かって押しやるように作用し、前記第２の持続時間を有する前記第２の変位は、前記マイクロ流体チャネル内の流体を前記第１の流体アクチュエーターに向かって引き寄せるように作用し、
   前記第３の持続時間を有する前記第３の変位は、前記マイクロ流体チャネル内の流体を前記マイクロ流体チャネルの前記第１及び第２の端部の両方に向かって押しやるように作用し、前記第４の持続時間を有する前記第４の変位は、前記マイクロ流体チャネル内の流体を前記第２の流体アクチュエーターに向かって引き寄せるように作用することからなる、方法。
2. 前記第２の流体アクチュエーターが作動していないときに、前記第１の流体アクチュエーターの前記第１及び第２の変位によって前記マイクロ流体ネットワークにおける正味の流体流れの方向を制御するために、前記第１の持続時間及び前記第２の持続時間を調節する第１の調節ステップをさらに含む、請求項１の方法。
3. 前記第１の調節ステップは、前記マイクロ流体チャネルの前記第２の端部から前記第１の端部に向かう方向に、前記マイクロ流体チャネルを通る流体流れが発生するように、前記第１の持続時間を前記第２の持続時間よりも短くするステップを含む、請求項２の方法。
4. 前記第１の調節ステップは、前記マイクロ流体チャネルの前記第１の端部から前記第２の端部に向かう方向に、前記マイクロ流体チャネルを通る流体流れが発生するように、前記第１の持続時間を前記第２の持続時間よりも長くするステップを含む、請求項２または３の方法。
5. 前記第１の流体アクチュエーターが作動していないときに、前記第２の流体アクチュエーターの前記第３及び第４の変位によって前記マイクロ流体ネットワークにおける正味の流体流れの方向を制御するために、前記第３の持続時間及び前記第４の持続時間を調節する第２の調節ステップをさらに含む、請求項１〜４のいずれかの方法。
6. 前記第２の調節ステップは、前記マイクロ流体チャネルの前記第１の端部から前記第２の端部に向かう方向に、前記マイクロ流体チャネルを通る流体流れが発生するように、前記第３の持続時間を前記第４の持続時間よりも短くするステップを含む、請求項５の方法。
7. 前記第２の調節ステップは、前記マイクロ流体チャネルの前記第２の端部から前記第１の端部に向かう方向に、前記マイクロ流体チャネルを通る流体流れが発生するように、前記第３の持続時間を前記第４の持続時間よりも長くするステップを含む、請求項５または６の方法。
8. 前記第１の変位を生成するステップが、前記マイクロ流体チャネル内の領域が小さくなるように、前記第１の流体アクチュエーターを構成する第１の膜を前記マイクロ流体チャネルの内側に向かって曲げるステップを含み、
   前記第２の変位を生成するステップが、前記マイクロ流体チャネル内の領域が大きくなるように、前記第１の膜を前記マイクロ流体チャネルの外側に向かって曲げるステップを含むことからなる、請求項１〜７のいずれかの方法。
9. 前記第３の変位を生成するステップが、前記マイクロ流体チャネル内の領域が小さくなるように、前記第２の流体アクチュエーターを構成する第２の膜を前記マイクロ流体チャネルの内側に向かって曲げるステップを含み、
   前記第４の変位を生成するステップが、前記マイクロ流体チャネル内の領域が大きくなるように、前記第２の膜を前記マイクロ流体チャネルの外側に向かって曲げるステップを含むことからなる、請求項１〜８のいずれかの方法。
10. 前記第１の変位を生成するステップ及び前記第２の変位を生成するステップが、機械読み取り可能命令を実行するコントローラによって前記第１の流体アクチュエーターを作動させるステップを含み、
    前記第３の変位を生成するステップ及び前記第４の変位を生成するステップが、前記コントローラによって前記第２の流体アクチュエーターを作動させるステップを含むことからなる、請求項１〜９のいずれかの方法。
    

Images