JP2018537608A

JP2018537608A - 微小流体装置

Info

Publication number: JP2018537608A
Application number: JP2018517906A
Authority: JP
Inventors: ディー．バークリー・ルーカス
Original assignee: Funai Electric Co Ltd
Current assignee: Funai Electric Co Ltd
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2016-12-19
Publication date: 2018-12-20
Anticipated expiration: 2036-12-19
Also published as: CN108350870B; EP3394444A4; EP3394444B1; US20170175722A1; JP6711399B2; EP3394444A1; CN108350870A; US10378526B2; WO2017110714A1

Abstract

微小流体装置（１０）。装置（１０）は、流体供給源（１８）に取り付けられた半導体基板（１２）を備える。基板（１２）は、少なくとも１つの気化ヒーター（１４）と、流体供給源（１８）から少なくとも１つの気化ヒーター（１４）へ流体を給送する１つ以上の気泡ポンプ（１６）と、１つ以上の気泡ポンプ（１６）の各々に流体流連通している、流体供給源（１８）からの流体供給入口と、少なくとも１つの気化ヒーター（１４）に蒸気流連通している蒸気出口とを備える。１つ以上の気泡ポンプ（１６）の各々は、直線路、螺旋路、迂回路およびそれらの組み合わせから選択される流体流路を供給入口から少なくとも１つの気化ヒーター（１４）までのところに有する。

Description

本開示は、流体を計量して気化させるための装置および方法に関し、詳しくは、多数の微小流体ポンプと微小流体ポンプによって供給された流体を気化させるための１つ以上の気化ヒーターとを有する微小流体装置に関する。

微小流体装置は、微小な大きさの構造体の内部で微小体積の液体を操作するために使用される。そのような装置の用途としては、例えば、液体分注、薬物送達、ポイントオブケア診断、産業上および環境上のモニタリング、ならびにラボオンチップ装置が挙げられる。ラボオンチップ装置は、微小流体に基づかない従来技法に勝る利点、例えば、より高い化学試薬効率、高速分析、高処理量、可搬性、および装置１つあたりの低い製造コストを提供することができる。液体分注、ポイントオブケア診断またはラボオンチップなどの多くの微小流体用途において、微小流体ポンプの役割は、微小流路の内部で微小体積の液体を操作することである。

一般に微小流体ポンプは力学的ポンプと非力学的ポンプとの２つに分類される。力学的ポンプは、液体を供給源から目的地へ移動させるために液体に圧力を加える可動部を使用する。ピエゾポンプ、熱空圧式ポンプおよび電気浸透ポンプがこの部類に入る。電気浸透ポンプは、液体が固体と接触するときに発達する表面電荷を使用する。電場を印加すると、空間電荷は液体の塊を電場の方向へ引きずっていく。

別の非力学的ポンプの例は、熱気泡を採用するポンプである。１つの泡をディフューザーで膨張および崩壊させるかまたは複数の泡を連動的に膨張および崩壊させるかのどちらかで熱気泡ポンプは液体を流路内で輸送することができる。当該技術分野ではいくつかの種類の熱気泡ポンプが知られている。

微小流体気泡ポンプは、典型的には、計量された量の液体が目的場所へ送達されるように微少量の流体を供給場所から目的場所へと移動させるために使用される。しかしながら、計量された量の気化流体を供給場所から目的地へと、様々な用途、例えば、蒸気療法、風味付き電子タバコ、化学気相反応などのために送達することが必要とされている。

従来の気泡ポンプの１つの問題は、気泡ポンプが大きさおよび流体流量制約による制限を受けることである。気泡ポンプの数および気泡ポンプの長さを増加させることによって、気泡ポンプから流れ出る液体のそれぞれ体積および圧力が増加し、また、気泡ポンプから液体を分注するために必要とされる面積も増加する。いくつかの用途では気泡ポンプの大きさが極めて重要である。それゆえ、従来の気泡ポンプは、圧力をより高くしかつ／または流体流量を増しながら大きさが小さいことを必要とする様々な用途には役に立たないことがある。

上記に照らして、大きさを減らした微小流体吐出装置から微小流体蒸気を供給することが必要とされている。それゆえに、一実施形態では、微小流体装置を提供する。当該装置は、流体供給源に取り付けられた半導体基板を備える。当該基板は、少なくとも１つの気化ヒーターと、流体供給源から少なくとも１つの気化ヒーターへ流体を給送する１つ以上の気泡ポンプと、１つ以上の気泡ポンプの各々に流体流連通している、流体供給源からの流体供給入口と、少なくとも１つの気化ヒーターに蒸気流連通している蒸気出口とを有する。１つ以上の気泡ポンプの各々は、直線路、螺旋路、迂回路およびそれらの組み合わせから選択される流体流路を供給入口から少なくとも１つの気化ヒーターまでのところに有する。

本開示の別の実施形態では、微少流体量の２つ以上の流体を気化させる方法を提供する。当該方法は、流体供給源に取り付けられた半導体基板を備える微小流体装置へ２つ以上の流体を給送するステップを含む。当該基板は、少なくとも１つの気化ヒーターと、流体供給源から少なくとも１つの気化ヒーターへ流体を給送する２つ以上の気泡ポンプと、２つ以上の気泡ポンプの各々に流体流連通している、流体供給源からの流体供給入口と、少なくとも１つの気化ヒーターに蒸気流連通している蒸気出口とを有し、２つ以上の気泡ポンプの各々は、直線路、螺旋路、迂回路およびそれらの組み合わせから選択される流体流路を供給入口から少なくとも１つの気化ヒーターまでのところに有する。２つ以上の気泡ポンプは、エネルギーを与えられて２つ以上の流体を少なくとも１つの気化ヒーターに供給し、２つ以上の流体は少なくとも１つの気化ヒーターによって気化する。

本開示のさらなる実施形態は、微少流体量の２つ以上の異なる流体を反応および気化させる方法を提供する。当該方法は、２つ以上の流体供給源に取り付けられた半導体基板を有する微小流体装置を提供するステップを含む。当該基板は、少なくとも１つの気化ヒーターと、２つ以上の流体供給源の各々から少なくとも１つの気化ヒーターへ流体を給送する気泡ポンプと、各気泡ポンプに流体流連通している、２つ以上の流体供給源の各々からの流体供給入口と、少なくとも１つの気化ヒーターに蒸気流連通している蒸気出口とを有し、各気泡ポンプは、直線路、螺旋路、迂回路およびそれらの組み合わせから選択される流体流路を供給入口から少なくとも１つの気化ヒーターまでのところに有する。各気泡ポンプは、２つ以上の異なる流体を少なくとも１つの気化ヒーターに供給するように作動する。２つ以上の流体は、少なくとも１つの気化ヒーター上で反応して反応生成物をもたらし、反応生成物は少なくとも１つの気化ヒーターによって気化する。

したがって、本開示の実施形態は、様々な用途のために流体の混合および／または反応ならびに気化を行うべく使用され得る小型の微小流体気化装置を提供する。当該装置は、従来の装置よりも高い圧力での流体の圧送および気化を有効にし、かつ、装置の大きさを増すことなくより多い量の流体を気化させることを有効にする。

本発明に係る微小流体装置は、大きさを減らした微小流体吐出装置から微小流体蒸気を供給することができる。

図１は、本開示の一実施形態による気泡ポンプ、気化装置および流体容器の、縮尺どおりでない断面模式図である。図２は、本開示の一実施形態による天井カバープレートを取り外した基板および流体容器の、縮尺どおりでない斜視図である。図３は、本開示の一実施形態による多数の気泡ポンプおよび気化装置を有する基板の模式平面図である。図４は、本開示の一実施形態による流体を気化装置へ給送する多数の気泡ポンプの、縮尺どおりでない模式図である。図５は、単一体の大きさを有する気泡ポンプ構造体の概略図である。図６は、単一体２つ分の大きさを有する直線状気泡ポンプの概略図である。図７は、各々が単一体の大きさを有している並列気泡ポンプの概略図である。図８は、各々が単一体２つ分の大きさを有している並列気泡ポンプの概略図である。図９は、４つの単一体気泡ポンプを有する基板の概略図である。図１０は、４つの二重体気泡ポンプには小さすぎる基板の概略図である。図１１は、４つの二重体気泡ポンプには小さすぎる基板の概略図である。図１２は、本開示の第１の実施形態による流体を気化装置へ給送する多数の気泡ポンプの、縮尺どおりでない模式図である。図１３は、本開示の第２の実施形態による流体を気化装置へ給送する多数の気泡ポンプの、縮尺どおりでない模式図である。図１４は、本開示の第３の実施形態による流体を気化装置へ給送する多数の気泡ポンプの、縮尺どおりでない模式図である。図１５は、本開示の第４の実施形態による流体を気化装置へ給送する気泡ポンプの別の給送配置の、縮尺どおりでない模式図である。図１６は、本開示の第５の実施形態による流体を気化装置へ給送する気泡ポンプの別の給送配置の、縮尺どおりでない模式図である。

微小流体気泡ポンプは、流体を表面に吐出するために使用されることのできる非常に小さい電子デバイスである。本開示の場合、流体の混合および／または反応、ならびに気化した流体の供給のために、気泡ポンプを使用して所定量の１つ以上の流体を少なくとも１つの気化装置に供給する。気化した流体は、限定されないが、蒸気療法、消臭用品、薬物送達、マイクロ規模のラボラトリーオンチップ、電子タバコなどを含めた様々な装置で適用される。いくつかの実施形態では、２つ以上の異なる流体を単一の気化装置に供給する。他の実施形態では、２つ以上の異なる流体を異なる気化装置に供給する。さらに他の実施形態では、所定体積の単一の流体を１つ以上の気化装置に供給する。気泡ポンプおよび気化装置において流体の体積もしくは圧力を増加させること、または２つ以上の異なる流体を使用することは、通常、装置の大きさを増すことを必要とする。これに対して、本開示の実施形態は、装置の大きさを最小限に抑えることを有効にする独自の気泡ポンプおよび気化装置を提供し得る。

微小流体気泡ポンプを使用して流体を気化装置へ圧送することは、流体の超臨界加熱によって達成される。流体の超臨界温度は沸点よりも高いが、ごく薄い層の液体が熱蒸気泡の形成に関与する。例えば、水の超臨界温度は約３００℃であるが、厚み０．５ｕｍ未満の水の層を数マイクロ秒間ヒーターの上で超臨界温度に加熱することによって熱気泡を形成することができる。したがって、液体の１パーセント未満が超臨界温度を受け得る。流体の超臨界温度は数マイクロ秒間持続し、それゆえ流体のバルクの温度は気泡ポンプ内の流体の初期温度のままとなる。こうして形成された熱蒸気泡は約１００Ａｔｍの高い初期圧を供給する。蒸気泡の圧力は、気泡ポンプの入口端部からその末端部へと気泡ポンプの中で流体を移動させるために用いられ得る。

図１および図２は、本開示の一実施形態による微小流体装置１０の一実施形態を示す。装置１０は、少なくとも１つの気化ヒーター１４と流体を供給源１８から気化ヒーター１４へ給送する１つ以上の気泡ポンプ１６とを有する半導体基板１２を備える。基板１２は、典型的には、その上に気泡ポンプおよび関連する論理回路を形成することを有効にするシリコンである。気泡ポンプ１６は、基板１２もしくはカバープレート２８に形成されているかまたは部分的に基板１２とカバープレート２８とに形成されている流路２２内に、基板１２に取り付けられた複数の抵抗器ヒーター２０を備える。カバープレート２８は、シリコンまたは高分子膜、例えばポリイミドで作られ得る。抵抗器ヒーター２０および気化ヒーター１４は、ＴａＡｌＮ、ＴａＡｌまたはその他の薄膜抵抗器材料で作られ得る。抵抗器ヒーター２０および気化ヒーター１４に好ましい材料は、基板１２上にスパッタリングによって堆積させられ得る堆積ＴａＡｌＮである。気泡ポンプ１６は、以下でより詳しく記載しているとおりに起動される。流体は、エッチングによって基板１２を貫いて形成された流体入口ビア２６を使用して流体供給源１８から気泡ポンプ１６へと供給される。流体供給源１８は、基板１２の抵抗器ヒーター２０および気化ヒーター１４とは反対側の面に、または図１および図２に示すように基板１２を取り付けているＰＣＢボード２４に、取り付けられている。基板１２の抵抗器ヒーター２０および気化ヒーター１４とは反対側の面に取り付けられた、流体供給源を有することは、より小型な気化装置１０を設計することを有効にする。

作動時、電圧パルスがヒーター抵抗器２０の各々に順に印加されて所定様式で熱気泡を発生させる。例えば、各抵抗器ヒーター２０は、流路２２内で左から右へと順々に気泡を形成して流体を同じ方向へ流体入口ビア２６から気化ヒーター１４へと流路２２の中に押し進めることができる。電圧パルスは、左から右へと順に連続的であってもよいし、流路２２内で液体を右から左へと移動させるように逆転していてもよい。気泡ポンプ１６の中を流体が流れる方向は、起動される抵抗器ヒーター２０の順序によって決まる。抵抗器ヒーター２０を発射した後に液体を流路２２の一端から他端へと移動させるためには、抵抗器ヒーター２０上での液体の過熱および沸騰を防止するために抵抗器ヒーターを次の発射シーケンスの前に放冷する。

流路２２は、カバー層２８と一緒になって、流体をその中で移動させるための閉鎖流路を形成する。インクを吐出するために使用される一般的なサーマル方式インクジェットノズルプレートとは違って、カバー層２８は流体を吐出するノズル穴を有さない。それどころかカバー層２８は、流路およびカバー層２８の壁によって境界の定められた流路２２内に流体を保持する。このようにして流体は、流体入口ビア２６から気化ヒーター１４へと流路２２によって画定された進路に従って流路２２の中を移動する。流体は単に流体入口ビア２６から流路２２内へ導入されるだけであり、気化した流体はカバー層２８の蒸気出口３０を通って流路から出る。流路の大きさは、圧送されている流体、流体を移動させるために使用する抵抗器ヒーター２０の大きさ、および流体の気化速度によって決まる。

図３に示す別の実施形態では、ワイヤボンディング３２によってＰＣＢボード２４に取り付けられかつ電気的に連結された基板１２上に多数の気泡ポンプ１６および気化装置１４が示されている。上に記載したとおり、供給源１８から流体出口３４（図１）を通りＰＣＢボード２４を通って気泡ポンプ１６へと流体を供給するために、流体入口ビア２６が先程のようにエッチングによって基板１２を貫いて形成されている。

図４は、流体供給部ＦＳ−１およびＦＳ−２に取り付けられた基板１２上の微小流体装置１０の作動の概略図である。装置１０は気泡ポンプＢＰ−１〜ＢＰ−４および気化ヒーターＶＨ−１〜ＶＨ−３を備える。示されているように、ＦＳ−１は、気化ヒーターＶＨ−１およびＶＨ−２による気化のために流体を気泡ポンプＢＰ−１およびＢＰ−２に供給する。同様に、ＦＳ−２は、気化ヒーターＶＨ−２およびＶＨ−３による気化のために流体を気泡ポンプＢＰ−３およびＢＰ−４に供給する。微小流体装置１０は、流体を気化ヒーターＶＨ−１〜ＶＨ−３のうちの１つ以上に供給するように作動してもよいし、流体供給部ＦＳ−１およびＦＳ−２からの異なる流体を気化ヒーターＶＨ−２に供給するように作動してもよいし、それらの任意の組み合わせであってもよい。３つの気化ヒーターＶＨ−１〜ＶＨ−３のみを示しているが、さらに多くの気泡ポンプおよび気化ヒーターが基板１２上に設けられてもよいこと、ならびに多数の作動モードが使用されてもよいことが考えられる。したがって、図４の微小流体装置１０は、気化のために多数の流体を混合するかまたは多数の流体を混合して反応させるように作動し得、その他、個々の流体および混合した流体を気化させるようにも作動し得る。気化した流体は、所望により単一の蒸気出口３０へ流してもよいし、多数の蒸気出口３０へ流してもよい。

所定の大きさの抵抗器ヒーター２０を使用して気泡ポンプ１６による流体の所定の圧送速度を得るためには、抵抗器ヒーター２０同士の幾何学的関係性および、隣接するヒーター２０と流路２２との間での幾何学的関係性が重要である。例えば、ヒーターの長さ（ＨＬ）に対する流路の幅（ＣＷ）の比率は１．０〜２．０の範囲内であり得る。２つの隣り合うヒーター間の間隔（ＨＤ）は、１．５ＨＷ〜４ＨＷの範囲内であり得る。これらの範囲から外れるポンプでは圧送速度が著しく低下し得る。例えば、間隔（ＨＤ）が４ＨＷより広いポンプは、その条件で０．１ｕｌ／分未満の低い圧送速度を示したが、間隔が１．５ＨＷであるポンプは１０ｕｌ／分超を示した。ＨＬに対するＣＷの好ましい比率は１．７２であり、好ましい間隔（ＨＤ）は５６ｕｍである。

抵抗器ヒーター２０の大きさは、１回の発射あたりに必要になるエネルギーを決定付ける。本明細書において開示されるポンプの場合、各抵抗器ヒーター２０の長さおよび幅は１０〜１００ｕｍの範囲内である。好ましい長さおよび幅はそれぞれ２９ｕｍおよび１７ｕｍである。いくつかの実施形態では、抵抗器ヒーター２０の長さおよび幅は、共通の流路２２内で寸法が異なり得る。あるいは、抵抗器ヒーター２０は、隣り合うヒーター２０間の非対称な間隔を有し得る。

本開示の一実施形態によれば、気泡ポンプ１６内の流体の圧力は、必要に応じて、気泡ポンプ流路を長くすることおよび流路内の抵抗器ヒーターの数を増やすことによって増加され得る。しかし、上に述べたように、効果的な圧送のためには流路内のヒーター抵抗器間に好ましい間隔が存在することから、適する唯一の選択肢は流路を長くすることである。流路を長くすることは、通常はさらなる基板面積を必要とし、それは、電子タバコなどの小さい構造体内での微小流体装置の使用には実用的でない。また、気泡ポンプの大きさを減らして基板の大きさを減らしてもよいが、この解決策は非実用的である、というのもそれは、気化ヒーターに送達できる流体量を少なくするからである。

例えば、図５〜図８を参照して、流体源１８から流体を圧送するための単一体の大きさを有する単一の気泡ポンプ１６が示されている。気泡ポンプ１６を作動可能な最小物として見なすと、この大きさの気泡ポンプ１６を多数使用して、Ｐを圧力としＦを気泡ポンプ１６の流量とする様々な所望の圧送特性が達成され得る。ポンプ圧Ｐは、図６に示すようにポンプ１６Ａと１６Ｂとを直列で取り付ける場合に加成性であり、他方、流量Ｆは、図７に示すようにポンプ１６Ａと１６Ｂとが並列である場合に加成性である。図６では、ポンプ圧は２Ｐであり流量はＦであり、図７では、ポンプ圧はＰであり流量は２Ｆである。図８では、気泡ポンプ１６Ａと１６Ｂとが直列であり、気泡ポンプ１６Ｃおよび１６Ｄに対して並列に設けられている。したがって、図７の配置によって供給される圧力は２Ｐであり、流量は２Ｆである。気泡ポンプのその他の組み合わせおよび数を用いて様々な圧送特性が達成され得る。

図９〜図１２に関して、気泡ポンプは気化ヒーターに対して対称線に沿って配置されている。図９では、供給源１８Ａ〜１８Ｄから気化ヒーター１４へと流体を供給している気泡ポンプ１６Ａ〜１６Ｄは特定の大きさの基板１２上に設けられている。この場合、ポンプ１６Ａ〜１６Ｄは気化ヒーター１４に圧力Ｐで流量Ｆを供給する。単一体の大きさのポンプ１６Ａ〜１６Ｄは基板１２に合っている。しかしながら、図１０および図１１に示すように、より高い圧力が必要である場合、単一体２つ分の大きさの気泡ポンプ１６Ａ〜１６Ｈは、ポンプに対する基板１２の配向にかかわらず基板に合わないであろう。

それゆえに、多数の気泡ポンプおよび（１つ以上の）気化ヒーターを基板上に配置するための代わりの実施形態を図１２〜図１６に模式的に示す。図１２〜図１６の各々は、多数の気泡ポンプ（ＢＰ）のための単一の気化ヒーターを示している。図４を参照して上に記載したとおり、図１２〜図１６に示す実施形態のいずれかに関して多数の気化ヒーターを使用してもよい。図１２〜図１６は、気化ヒーターに対する気泡ポンプの単なる可能な配置を示しているが、これにより、供給され気化した液体の体積および圧力は、選択された所与の基板にしては増加し得る。例えば、図１２では、単一体１つ分の大きさを有する多数の気泡ポンプＢＰ−５〜ＢＰ−１２が、同じ流体または２つ以上の異なる流体を気泡ポンプＢＰ−５〜ＢＰ−１２に供給し得る流体供給源ＦＳ−３〜ＦＳ−１０にそれぞれ流体流連通して基板４０上に設けられている。気泡ポンプＢＰ−５〜ＢＰ−１２は、中央気化ヒーター４２の周りに放射状パターンで配置された直線流路４４を有する。気化させる流体の体積に応じてより多いかまたはより少ない気泡ポンプ（ＢＰ）を使用してもよい。この場合、気泡ポンプによって供給された圧力はＰであり、合計流量は８Ｆである。中央気化ヒーター４２の周りでの直線状気泡ポンプの放射状配向は、より少ない気泡ポンプを互いに横並びの関係性で有する基板に比べてより小さい基板を必要とし得る。

図１３〜図１５では、気泡ポンプは、図９〜図１２でのような線対称ではなく、気化ヒーターに関する対称点を有する。基板の大きさをさらに減らすかまたは流体の圧力および／もしくは気化ヒーターへの流量を増すためには、直線流路ではなく、弓形流路４６（図１３）であって基板５０上の気化ヒーター４８に関して放射状または螺旋状のパターンに配置されている弓形流路を気泡ポンプ（ＢＰ）に使用してもよい。図１３に示すように、流体は、各気泡ポンプのための流体供給源（ＦＳ）から供給される。この実施形態によれば、流路４６の長さが図１２に示す流路４４と同じであるかまたはそれより長いにもかかわらず、流路４６が弓状の外形を有するため、図１２に示す基板４０上の気泡ポンプの直線状配置に比べて基板５０はより小さく作られ得、またはポンプＢＰはより長くなり得る。先の実施形態と同様に、気泡ポンプ（ＢＰ）の数は増やしても減らしてもよく、１つ以上の気化ヒーター４８が基板５０上にあってもよい。

さらなる実施形態を図１４に示すが、これは、気泡ポンプ（ＢＰ）のための流体供給源（ＦＳ）が図１３に示す気泡ポンプのための流体供給部に比べて気化ヒーター５４に物理的により近いところにあるがしかし流路長が図１３での流路長よりも長くなるように、流路５２がより長くかつ流路５２の弓形状がより大きい部分円となっている、という点を別とすれば、図１３に類似している。図１４の弓形流路の形状は、同じ数の気泡ポンプおよび（１つ以上の）気化装置に必要とされる基板５６の大きさをさらに小さくし得、または圧力Ｐを図１２および図１３に示す実施形態に比べて増加させ得る。図１３および１４では、螺旋流路４６および５２の半径ｒは、シータ／０．０５パイ〜シータ／５パイの範囲であり得、ここで、シータは角度であり、流路４６および５２の長さＬは１．０＊Ａ〜８＊Ａの範囲であり得、ここで、Ａは図５による流路１６の単位長さである。例えば、図１３では、半径ｒはシータ／０．５＊パイであり、長さＬは１．３２２７＊Ａであるが、図１４では、半径ｒはシータ／パイであり、長さＬは１．９４４２＊Ａである。

本開示のさらに別の実施形態は、図１５に示すように流体供給部（ＦＳ）から気化ヒーター６０への迂回路を使用する流路５８を有する気泡ポンプ（ＢＰ）を提供する。そのような迂回流路は、Ｘを２〜６以上の整数として気泡ポンプの長さをＸ＊Ａに増すことによって気泡ポンプ（ＢＰ）により供給される流体の圧力を最大限にすると同時に高圧の気泡ポンプ（ＢＰ）に必要とされる基板６２の大きさを最小限に抑えるために使用され得る。図１２〜図１５に示す気泡ポンプ配置および流路配置の組み合わせを本開示に係る単一の微小流体装置に用いてもよいことは理解されよう。同様に、図１６に示すように、異なる半径ｒおよび異なる長さＬを有する気泡ポンプＢＰ−１７〜ＢＰ−２１を基板７２上に設けてもよい。図１６に示す配置は、異なる量の多数の流体であって各流体が異なる流動性および流体特性を有し得る流体を気化ヒーター７０へ圧送することを有効にする。図１６はまた、流体に適した気泡ポンプを選択することによって気化ヒーター７０へ流れる流体の流量および／または圧力をより精密に制御することを有効にする。

再び図１および図２を参照して、基板１２上の一般的な論理回路（図示せず）を使用して（１つ以上の）微小流体ポンプが制御および駆動され得る。論理回路は、一般的なシリコン加工技術でシリコン基板１２上に形成され得る。論理回路は、ＡＮＤゲート、ラッチ、シフトレジスタ、パワートランジスタなどを含み得る。典型的な微小流体ポンプ回路は、クロック、発射、リセット、データ、気化および投入の６つの信号ラインを有する。さらに、抵抗器ヒーター２０および気化ヒーター１４に対する電源接続および接地接続をそれぞれＨｐｗｒおよびＨｇｎｄにより設ける。リセット信号は、シフトレジスタの論理状態をゼロにするために使用する。データ信号は、Ｄフリップフロップからなる入力シフトレジスタに接続される。時間を測られてシフトレジスタへ入力されるデータは、次の発射サイクルにおいて発射されることになる（１つ以上の）抵抗器ヒーター２０に対応する。データがシフトした後、ラッチの別のレジスタは（１つ以上の）状態を次のポンプ発射サイクルの間保持する。所定幅の発射信号がＡＮＤゲートに印加されると、ラッチの論理状態によって選択された抵抗器ヒーター２０が発射信号の幅にわたって起動する。このように、保持しているラッチから抵抗器ヒーター２０を発射させる間、シフトレジスタの時間を継続的に測ることができる。そのような論理回路は、別個のチップとしてポンプと共に組み立ててもよいし、ポンプと一緒に単一チップ上に形成してもよい。単一チップ上に集積論理回路を有するポンプは好都合である、というのも、ポンプが小さい設置面積で低コストで作製され得、かつ信号遅延を最小限に抑えて作動し得るからである。

本開示の実施形態による微小流体装置１０は、流路２２内の抵抗器ヒーター２０を順に発射させることによって作動し得る。流路２２内の最後の抵抗器ヒーター２０が発射した後、サイクルは再び流体入口ビア２６に最も近い抵抗器ヒーター２２から始めて繰り返される。原理上、気泡が抵抗器ヒーター２０上で成長するとき、先に発生した気泡は、流路を効果的に遮断しかつ抵抗器ヒーター発射シーケンスの反対方向への流体の逆流を防止する必要がある。ポンプの性能を最適化するには２つの遅延が考えられ得る。１つの抵抗器ヒーターが発射した後、次の抵抗器ヒーターを発射する前に遅延を加えることができる。それは「発射間遅延」と呼ばれる。さらに、サイクルが完了し、流体を気化させるために気化ヒーター１４を起動した後、次の圧送サイクルを開始する前に遅延が挿入され得る。この遅延は「サイクル間遅延」と呼ばれる。これらの２つの遅延および発射パルスの幅は、抵抗器ヒーター２０への発射信号を操作することによって制御され得る。１つの抵抗器ヒーター２０を起動するとき、発射パルスの幅をｔ発射と呼ぶ。他方、ｔ発射間遅延とは、２つの隣り合う抵抗器ヒーター２０の発射パルスｔ発射による起動間の時間遅延である。ｔ発射間遅延のデューティサイクルは約５０％〜約９０％の範囲であり得る。他の実施形態では、１つの抵抗器ヒーター２０の起動は、抵抗器ヒーターを「ウォームアップ」するのに十分な第１パルス幅と、実際に流体の気泡を核生成させるのに十分な第２パルス幅とを有する分割発射パルスを使用して成し遂げてもよい。その他の抵抗器ヒーター２０発射体系は同様に可能である。２つの発射サイクル間の時間遅延は、ｔサイクル間遅延と呼ぶ。

本開示の実施形態において改変および変更がなされ得ることが考えられ、そのことは当業者であれば先の記載および添付の図面から明らかであろう。したがって、先の記載および添付の図面が、典型的な実施形態の例示であるに過ぎず、それに限定されないこと、ならびに本開示の真の趣旨および範囲が別記の特許請求の範囲の参照によって判断されることが、明確に意図される。

１０微小流体装置
１２，１２Ｃ半導体基板
１４，４８，５４，６０，７０気化ヒーター
１６，１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ，１６Ｅ，１６Ｆ，１６Ｇ，１６Ｈ気泡ポンプ
１８，１８Ａ，１８Ｂ，１８Ｃ，１８Ｄ供給源
２０抵抗器ヒーター
２２，４４，４６，５２，５８流路
２４ＰＣＢボード
２６流体入口ビア
２８カバー層
３０蒸気出口
３２ワイヤボンディング
４０，５０，５６，６２，７２基板
４２中央気化ヒーター

Claims

流体供給源に取り付けられた半導体基板を備え、
前記基板は、
少なくとも１つの気化ヒーターと、
前記流体供給源から前記少なくとも１つの気化ヒーターへ流体を給送する２つ以上の気泡ポンプと、
前記２つ以上の気泡ポンプの各々に流体流連通している、前記流体供給源からの流体供給入口と、
前記少なくとも１つの気化ヒーターに蒸気流連通している蒸気出口と、を備え、
前記２つ以上の気泡ポンプの各々は、直線路、螺旋路、迂回路およびそれらの組み合わせから選択される流体流路を前記供給入口から前記少なくとも１つの気化ヒーターまでのところに有する
微小流体装置。
前記流体供給部は、前記少なくとも１つの気化ヒーターおよび前記１つ以上の気泡ポンプを有する前記基板の第１面とは反対側の、前記基板の供給面上に配置されており、
前記微小流体装置はさらに、前記１つ以上の気泡ポンプの各々のために、前記基板の前記流体供給面から前記第１面へと前記基板を貫く流体入口ビアを備える
請求項１に記載の微小流体装置。
前記１つ以上の気泡ポンプの各々は、前記１つ以上の気泡ポンプの各々のための前記流体流路の中で流体を移動させるための複数の抵抗器ヒーターを備える
請求項１または２に記載の微小流体装置。
２つ以上の気泡ポンプは、前記少なくとも１つの気化ヒーターへと向かう流体流路を有する
請求項１〜３のいずれか１項に記載の微小流体装置。
前記２つ以上の気泡ポンプのための前記流体流路の長さは、各流体流路について同じ長さである
請求項４に記載の微小流体装置。
前記２つ以上の気泡ポンプの各々は、等しい体積の液体を前記少なくとも１つの気化ヒーターへ供給する
請求項４または５のいずれか１項に記載の微小流体装置。
前記気泡ポンプによって供給される圧力は、前記流体供給入口から前記少なくとも１つの気化ヒーターまでの流体流路の長さによって決まる
請求項１〜６のいずれか１項に記載の微小流体装置。
前記気泡ポンプによって供給される流体の体積は、並列に使用される気泡ポンプの数によって決まる
請求項７に記載の微小流体装置。
微少流体量の２つ以上の流体を気化させる方法であって、
流体供給源に取り付けられた半導体基板を備える微小流体装置へ２つ以上の流体を給送するステップと、
前記２つ以上の気泡ポンプを作動させて前記２つ以上の流体を前記少なくとも１つの気化ヒーターへ供給するステップと、
前記２つ以上の流体を前記少なくとも１つの気化ヒーターで気化させるステップと、を含み、
前記基板は、
少なくとも１つの気化ヒーターと、
前記流体供給源から前記少なくとも１つの気化ヒーターへ流体を給送する２つ以上の気泡ポンプと、
前記２つ以上の気泡ポンプの各々に流体流連通している、前記流体供給源からの流体供給入口と、
前記少なくとも１つの気化ヒーターに蒸気流連通している蒸気出口と、を備え、
前記２つ以上の気泡ポンプの各々は、直線路、螺旋路、迂回路およびそれらが混ざり合ったものから選択される流体流路を前記供給入口から前記少なくとも１つの気化ヒーターまでのところに有する
方法。
前記基板は、前記２つ以上の気泡ポンプの各々ための流体入口ビアを備え、
前記流体入口ビアは、エッチングによって前記基板を前記流体供給源から前記２つ以上の気泡ポンプへと貫いて形成されている
請求項９に記載の方法。
前記流体供給源は、前記２つ以上の気泡ポンプのうちの少なくとも２つの各々へ異なる流体を供給する異なる流体供給源を含む
請求項９または１０に記載の方法。
前記異なる流体は、前記少なくとも１つの気化ヒーターのところで互いに混ざり合う
請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法。
前記異なる流体は、前記少なくとも１つの気化ヒーターのところで互いに反応する
請求項９〜１１のいずれか１項に記載の方法。
微少流体量の２つ以上の流体を反応および気化させる方法であって、
２つ以上の流体供給源に取り付けられた半導体基板を備える微小流体装置を提供するステップと、
各気泡ポンプを作動させて前記２つ以上の異なる流体を前記少なくとも１つの気化ヒーターへ供給するステップと、
前記２つ以上の異なる流体を前記少なくとも１つの気化ヒーター上で反応させて反応生成物を提供するステップと、
前記反応生成物を前記少なくとも１つの気化ヒーターで気化させるステップと、を含み、
前記基板は、
少なくとも１つの気化ヒーターと、
前記２つ以上の流体供給源の各々から前記少なくとも１つの気化ヒーターへ流体を給送する気泡ポンプと、
各気泡ポンプに流体流連通している、前記２つ以上の流体供給源の各々からの流体供給入口と、
前記少なくとも１つの気化ヒーターに蒸気流連通している蒸気出口と、を備え、
各気泡ポンプは、直線路、螺旋路、迂回路およびそれらが混ざり合ったものから選択される流体流路を前記供給入口から前記少なくとも１つの気化ヒーターまでのところに有する
方法。
前記基板は、各気泡ポンプのための流体入口ビアを備え、
前記流体入口ビアは、エッチングによって前記基板を前記流体供給源から気泡ポンプへと貫いて形成されている
請求項１４に記載の方法。
各気泡ポンプのための各流体流路の長さは、各流体流路について同じ長さである
請求項１４または１５に記載の方法。
各気泡ポンプによって供給される液体の体積は同じである
請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の方法。
流体供給源に取り付けられた半導体基板を備え、
前記基板は、
少なくとも１つの気化ヒーターと、
前記流体供給源から前記少なくとも１つの気化ヒーターへ流体を給送する少なくとも１つの気泡ポンプと、
前記少なくとも１つの気泡ポンプに流体流連通している、前記流体供給源からの流体供給入口と、
前記少なくとも１つの気化ヒーターに蒸気流連通している蒸気出口と、を備え、
前記少なくとも１つの気泡ポンプの各々は、直線路、螺旋路、迂回路およびそれらの組み合わせから選択される流体流路を前記供給入口から前記少なくとも１つの気化ヒーターまでのところに有する
微小流体装置。
前記の流体供給部は、前記少なくとも１つの気化ヒーターおよび前記少なくとも１つの気泡ポンプを有する前記基板の第１面とは反対側の、前記基板の供給面上に配置されており、
前記微小流体装置はさらに、前記少なくとも１つの気泡ポンプのための、前記基板の前記流体供給面から前記第１面へと前記基板を貫く流体入口ビアを含む
請求項１８に記載の微小流体装置。
前記少なくとも１つの気泡ポンプによって供給される圧力は、前記流体供給入口から前記少なくとも１つの気化ヒーターまでの流体流路の長さによって決まる
請求項１８または１９に記載の微小流体装置。