JP2019513548A - 毛細管室を有するマイクロ流体デバイス - Google Patents

毛細管室を有するマイクロ流体デバイス Download PDF

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Abstract

【課題】毛細管室を有するマイクロ流体デバイスの提供。【解決手段】種々の例は、マイクロ流体デバイスを含む。例示的マイクロ流体デバイスは、マイクロ流体チャネルと、毛細管室と、流体アクチュエータとを含む。マイクロ流体チャネルは、毛細管室と連通している。毛細管室は、その中を通る流体の流れを制限する。流体アクチュエータは毛細管室に近接して配置される。流体アクチュエータを作動させることにより、毛細管室を通る流体の流れが開始される。【選択図】図１

Description

微細加工は、基板（例えば、シリコンチップ、セラミックチップ、ガラスチップなど）上に種々の構造及び種々の構成要素を形成することを含む。微細加工デバイスの例としては、マイクロ流体デバイスが挙げられる。マイクロ流体デバイス（マイクロ流体装置）は、流体を搬送し、処理し、及び／又は分析するための構造及び構成要素を含む。
例示的マイクロ流体デバイスの一部の構成要素のブロック図を提供する。 例示的マイクロ流体デバイスの一部の構成要素のブロック図を提供する。 ２Ｂ−２Ｂ線に沿った図２Ａの例示的マイクロ流体デバイスの構成要素の断面図を提供する。 例示的マイクロ流体デバイスの一部の構成要素のブロック図を提供する。 例示的マイクロ流体デバイスの一部の構成要素のブロック図を提供する。 例示的マイクロ流体デバイスの一部の構成要素の動作のブロック図を提供する。 例示的マイクロ流体デバイスの一部の構成要素の動作のブロック図を提供する。 例示的マイクロ流体デバイスの一部の構成要素の動作のブロック図を提供する。 例示的マイクロ流体デバイスの一部の構成要素の動作のブロック図を提供する。 例示的マイクロ流体デバイスの一部の構成要素の動作のブロック図を提供する。 例示的マイクロ流体デバイスによって実施され得る動作のシーケンスを示すフロー図を提供する。
図面全体を通して、同一の参照符号は、類似しているが、必ずしも同一ではない要素を示している。図は、必ずしも縮尺通りではなく、一部の部品のサイズは、図示の例をより明確に示すために強調されている場合がある。さらに、図面は、説明と一致する種々の例及び／又は実施形態を提供する。しかしながら、説明は、図面に提供される例及び／又は実施形態に限定されない。
本明細書で提供される例は、マイクロ流体デバイスについての装置、方法、及びプロセスを含む。マイクロ流体デバイスの例としては、ラボ・オン・チップ・デバイス（例えば、ポリメラーゼ連鎖反応デバイス、化学センサなど）、流体噴射装置（例えば、インクジェットプリントヘッド、流体分析装置など）、及び／又は、マイクロ流体構造及び関連する構成要素を有する他のそのようなマイクロデバイスが挙げられる。本明細書に記載される例示的マイクロ流体デバイスでは、種々の例は、少なくとも１つのマイクロ流体チャネル、少なくとも１つの毛細管室、及び、毛細管室に近接して配置された少なくとも１つの流体アクチュエータを含む場合がある。
理解されるように、本明細書に提供される例は、基板に対して種々の微細加工及び／又は微小機械加工プロセスを実施し、種々の構造及び／又は構成要素を形成及び／又は接続することによって形成される場合がある。基板は、シリコンベースのウェハ、又は微細加工デバイスに使用される他の類似材料（例えば、ガラス、ガリウム砒素、プラスチックなど）を含む場合がある。上述のように、種々の例は、マイクロ流体チャネル及び／又は容積チャンバ（本明細書では、毛細管室と呼ばれることがある）を含む場合がある。マイクロ流体チャネル及び／又はチャンバは、基板においてエッチング又は微小機械加工プロセスを実施することによって形成される場合がある。したがって、マイクロ流体チャネル及び／又はチャンバは、マイクロ流体デバイスの基板内に作製された種々の表面によって画定される場合がある。さらに、本明細書に記載される種々の例は、少なくとも１つの流体アクチュエータを含む場合がある。本明細書で説明される種々の例において実施可能な流体アクチュエータとしては、例えば、熱抵抗ベースのアクチュエータ、圧電膜ベースのアクチュエータ、静電膜アクチュエータ、機械駆動式／衝撃駆動式膜アクチュエータ、磁歪駆動式アクチュエータ、及び／又は、他のそのような構成要素が挙げられる。
本明細書に記載される種々の例において、マイクロ流体チャネルは、毛細管室と連通している場合がある。流体アクチュエータは、毛細管室に近接して配置される場合がある。そのような例では、毛細管力（毛管作用とも呼ばれる）により、マイクロ流体チャネル内に流体の受動的ポンプ輸送が発生することがある。
本明細書に記載される一部の例では、マイクロ流体チャネル及び／又は毛細管室の少なくとも１つの寸法は、毛細管力を促進するほど十分に小さい（例えば、マイクロメータサイズのスケールである）。一部の例において、流体は、毛細管力により受動的にポンプ輸送される場合がある。他の例において、流体の流れは、毛細管力によって制限される場合がある。例示的毛細管室は、マイクロ流体デバイス内の毛管作用により、流体の流れが停止／制限されるようなサイズを有する場合がある。したがって、毛細管室は、流体の流れを制限する。本明細書において、流体の流れを制限することは、流体の流れを停止／阻止することを含む場合がある。さらに、本明細書では、理解されるように、流体の流れの制限は、流体アクチュエータの作動によって克服される場合があり、それによって、流体の流れが開始される場合がある。本明細書に記載される種々の例において、流体の流れは、流体アクチュエータの作動によって開始されることがあるが、理解されるように、流体アクチュエータは、能動型ポンプとしては使用されない場合がある。したがって、エネルギーの使用（すなわち、流体アクチュエータへの電力の供給）は、能動型ポンプを使用して流体の流れを促進する装置と比較して、少ない場合がある。ポンプの例としては、慣性ポンプ、キャピラリーポンプ、サーマルインクジェットポンプ、又は空気圧ポンプが挙げられる。
本明細書に記載される種々の例では、したがって、流体の流れを制限するために、毛細管室が、マイクロ流体デバイスにおいて実施される場合があり、毛細管室は、バルブ又は流体栓として実施される場合がある。さらに、流体アクチュエータが、毛細管室に近接して配置される場合があり、流体アクチュエータを作動させることにより、マイクロ流体デバイス（例えば、毛細管室及び／又はマイクロ流体チャネル）を通る流体の流れが開始される場合がある。一部の例では、毛細管室の出口は、第２のマイクロ流体チャネルと連通している場合があり、流体アクチュエータの作動（及び、毛細管室を通る流体の流れの開始）の後、流体は、毛管作用により第２のマイクロ流体チャネルを通して受動的にポンプ輸送される場合がある。
ここで図面、特に図１を参照する。図１は、例示的マイクロ流体デバイス１０の一部の構成要素を示すブロック図を提供する。この例では、マイクロ流体デバイス１０は、マイクロ流体チャネル１２と、毛細管室１４と、毛細管室１４に近接して配置された流体アクチュエータ１６とを含む。例えば、流体は、（毛管作用により）マイクロ流体チャネル１２を通して毛細管室１４へ受動的にポンプ輸送され、毛細管室１４は、その中を通って流れる流体の流れを制限する場合がある。理解されるように、マイクロ流体チャネル１２と毛細管室１４との間の流体の移動及び表面張力は、マイクロ流体チャネル１２と毛細管室１４との間の接続部にある流体に、メニスカスの発生を引き起こすことがある。したがって、流体が毛細管室１４を通って流れることは、制限される場合がある。毛細管室１４を通る流体の流れを開始させるために、流体アクチュエータ１６が、作動される場合がある。理解されるように、流体アクチュエータ１６の作動は、毛細管室１４によって制限された流体に、流体のメニスカスによる制限力に打ち勝つのに十分なだけの力を発生させる場合がる。このように、流体アクチュエータ１６が作動されると、流体は、毛細管室１４を通って流れ始めることができる。この例では、流体アクチュエータ１６の作動後の流体の流れの方向は、例示的流れの方向１８として示されている。一部の流体が毛細管室を通って流れると、毛管作用により流体はさらにポンプ輸送されることができる。
理解されるように、流体アクチュエータ１６の作動は、比較的短い持続時間である場合がある。一部の例では、流体アクチュエータ１６は、特定の持続時間にわたって、特定の周波数でパルス駆動される場合がある。一部の例では、流体アクチュエータの作動は、約０．１ミリ秒（ｍＳ）から約１０ｍＳまでの範囲内である場合がある。本明細書に記載される一部の例では、流体アクチュエータ１６の作動は、電気的作動を含む。このような例では、コントローラが、流体アクチュエータ１６に電気的に接続される場合があり、コントローラによって電気信号を流体アクチュエータ１６に送信することにより、流体アクチュエータ１６が作動される場合がある。
例えば、流体アクチュエータ１６は、熱抵抗ベースのアクチュエータである場合がある。この例では、熱抵抗ベースのアクチュエータを作動させると、熱抵抗ベースのアクチュエータは、熱を発生することがある。熱抵抗ベースのアクチュエータによる熱の発生は、次いで、熱抵抗ベースのアクチュエータに近接する流体内に、気泡の形成を引き起こす場合がある。生成された気泡の形成及び／又は崩壊は、近接流体の移動を引き起こす場合がある。この例では、このように発生した気泡による近接流体の移動は、毛細管室によって引き起こされる流体のメニスカスの表面張力に基づく力に打ち勝つ場合があり、それによって毛細管室１４を通る流体の流れが引き起こされる場合がある。
別の例として、流体アクチュエータは、圧電膜ベースのアクチュエータである場合がある。この例では、圧電膜ベースのアクチュエータの電気的作動は、圧電膜ベースのアクチュエータの運動を引き起こす場合がある。圧電膜ベースのアクチュエータの運動は、次いて、圧電膜ベースのアクチュエータに近接する流体の移動を引き起こす場合がある。この例では、このような圧電膜ベースのアクチュエータによる近接流体の移動は、毛細管室によって引き起こされる流体のメニスカスの表面張力に基づく力に打ち勝つ場合があり、それによって毛細管室１４を通る流体の流れが引き起こされる場合がある。
図２Ａは、例示的マイクロ流体デバイス５０の一部の構成要素を示している。この例では、デバイス５０は、毛細管室５４と連通するマイクロ流体チャネル５２を含む。流体アクチュエータ５６は、毛細管室５４に近接して配置されている。さらに、この例では、例示的デバイスは、制限部５８を含む。マイクロ流体チャネル５２及び毛細管室５４は、方向矢印６０で示される方向の背圧を受けていてもよい。したがって、この例では、マイクロ流体チャネル５２及び／又は毛細管室５４を通る流体の流れは、毛細管室５４に発生する流体のメニスカスの表面張力によって制限される場合がある。したがって、加えられた背圧により流体に及ぼされる力は、毛細管室５４においてメニスカスの表面張力によって引き起こされる制限力に打ち勝つには不十分である場合がある。
この例では、流体アクチュエータ５６の作動により、例示的方向矢印６０の方向（すなわち、背圧の方向）への流体の流れを開始させることができる。ただし、留意されるように、流体アクチュエータ５６の作動は、毛細管室５４から例示的方向矢印６２で示される方向（背圧の方向とは反対の方向）への流体の液滴の噴射を、さらに引き起こす場合がある。流体アクチュエータ５６の作動後、流体は、毛細管室５４、マイクロ流体チャネル５２、及び制限部５８を通って、背圧方向（すなわち、例示的方向矢印６０）に流れる場合がある。この例では、流体が背圧の方向に流れる際に、流体は、制限部５８を通って流れる場合がある。所定量の流体が毛細管室５４、マイクロ流体チャネル５２、及び制限部５８を通って流れた後、制限部５８にメニスカスが発生する場合があり、制限部５８に発生したメニスカスの表面張力は、マイクロ流体デバイス５０を通る流体のそれ以上の流れを制限する場合がある。
図２Ｂは、図２Ａの例示的マイクロ流体デバイス５０の２Ｂ−２Ｂ線に沿った断面図を提供する。この例では、マイクロ流体チャネル５２、毛細管室５４、及び制限部５８は、円形断面領域で示されている。ただし、理解されるように、種々の他の幾何形状が実施されてもよい。例えば、長方形及び／又は台形の断面領域が、種々のマイクロ流体チャネル、毛細管室及び／又は制限部に使用される場合がある。図２Ａ■図２Ｂの例では、マイクロ流体チャネル５２は、毛細管室５４の少なくとも１つの寸法よりも大きい少なくとも１つの寸法（例えば、直径、半径、幅、高さなど）を有する。さらに、制限部５８は、マイクロ流体チャネル５４の少なくとも１つの寸法よりも小さい少なくとも１つの寸法を有する。理解されるように、他の例は、種々の特徴について異なる寸法及び相対的サイズを有する場合がある。
図３は、マイクロ流体デバイス１００の一部の構成要素のブロック図を提供する。この例では、マイクロ流体デバイス１００は、第１のマイクロ流体チャネル１０２及び第２のマイクロ流体チャネル１０４を含む。図示のように、第１のマイクロ流体チャネル１０２は、第１の毛細管室１０６と連通しており、第２のマイクロ流体チャネル１０４は、第１の毛細管室１０６及び第２の毛細管室１１０と連通している。さらに、マイクロ流体デバイス１００は、第１の毛細管室１０６に近接して配置された第１の流体アクチュエータ１１０と、第２の毛細管室１０８に近接して配置された第２の流体アクチュエータ１１２とを含む。したがって、この例では、第１のマイクロ流体チャネル１０４は、第１の毛細管室１０６の入口に接続され、第２のマイクロ流体チャネル１０４は、第１の毛細管室１０６の出口に接続され、第２のマイクロ流体チャネル１０４は、第２の毛細管室１０８の入口に接続されている。図示されていないが、第２の毛細管室１０８の出口は、別のマイクロ流体チャネル、あるいは、マイクロ流体デバイス１００の他の構成要素にさらに接続される場合がある。さらに、理解されるように、この例のマイクロ流体チャネル１０２，１０４及び毛細管室１０６，１０８の配置は、直列配置と記載される場合がある。
したがって、図３の例では、流体は、毛管作用により、第１のマイクロ流体チャネル１０２を通して第１の毛細管室１０６へ受動的にポンプ輸送される場合がある。第１の毛細管室１０６は、その中を通る流体の流れを制限する場合がある。第１の流体アクチュエータ１１０を作動させることにより、第１の毛細管室１０６を通る第２のマイクロ流体チャネル１０４への流体の流れを開始させることができる。流体は、毛管作用により、第２のマイクロ流体チャネル１０４を通して第２の毛細管室１０８へ受動的にポンプ輸送される場合がある。第２の毛細管室１０８は、その中を通る流体の流れを制限する場合がある。第２の流体アクチュエータ１１２を作動させることにより、第２の毛細管室１０８を通る流体の流れを開始させることができる。したがって、理解されるように、流体のポンプ輸送は、マイクロ流体チャネル１０２，１０４における毛管作用によって引き起こされる場合があり、流体アクチュエータ１１０，１１２を作動させることにより、毛細管室１０６，１０８を通る流体の流れが引き起こされる場合がある。
図４は、例示的マイクロ流体デバイス１５０の一部の構成要素を示すブロック図を提供する。この例では、マイクロ流体デバイス１５０は、基板１５２を含む。前述のように、一部の例において、種々の構造／構成要素（例えば、マイクロ流体チャネル、毛細管室、流体入力、流体リザーバなど）は、基板内に微細加工される場合がある。この例では、マイクロ流体デバイス１５０は、流体入力部１５４と、流体リザーバ１５６ａ、１５６ｂとを含む。第１のマイクロ流体チャネル１５８は、流体入力部１５４と連通しており、第２のマイクロ流体チャネル１６０は、第１のリザーバ１５６ａと連通しており、第３のマイクロ流体チャネル１６２は、第２のリザーバ１５６ｂに接続されている。
この例では、マイクロ流体デバイス１００は、ラボ・オン・チップ（ｌａｂ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）実施形態であってもよく、当該デバイスを使用して、流体サンプルを処理及び／又は分析することができる場合がある。流体サンプルは、流体入力部１５４を介して処理／分析のために投入される場合がある。理解されるように、分析処理のための追加の試薬が、流体リザーバ１５６ａ、１５６ｂ内に貯蔵されている場合がある。図示のように、第１のマイクロ流体チャネル１５８は、第１の毛細管室１６４と連通している場合があり；第２のマイクロ流体チャネル１６０は、第２の毛細管室１６６と連通している場合があり；第３のマイクロ流体チャネルは、第３の毛細管室１６８と連通している場合がある。したがって、理解されるように、流体は、第１のマイクロ流体チャネル１５８を介して流体入力部１５４から毛細管室１６４へ；第２のマイクロ流体チャネル１６０を介して第１のリザーバ１５６ａから第２の毛細管室１６６へ；及び、第２のリザーバ１５６ｂから第３の毛細管室１６８へ、それぞれ受動的にポンプ輸送される場合がある。理解されるように、この例のマイクロ流体チャネル１５８■１６２及び毛細管室１６４■１６８の配置は、平行配置と記載される場合がある。
先の例で説明したように、各毛細管室１６４〜１６８は、その中を通る流体の流れを制限する場合がある。したがって、流体は、入力部１５４、第１のリザーバ１５６ａ、及び第２のリザーバ１５６ｂから、マイクロ流体チャネル１５８〜１６２を通って、毛細管室１６４〜１６８へと流れ、そこで流体の流れは、毛細管室１６４〜１６８によって制限される場合がある。この例では、各毛細管室１６４■１６８は、混合チャンバ１７０と連通している。マイクロ流体デバイス１５０は、各毛細管室１６４〜１６８に近接した流体アクチュエータ１７２〜１７６をさらに含む。
この例では、第１の流体アクチュエータ１７２を作動させることにより、第１の毛細管室１６４を通る流体の流れを開始させることができ、それによって流体は、入力部１５４から混合チャンバ１７０へとポンプ輸送される。同様に、第２の流体アクチュエータ１７４を作動させることにより、第２の毛細管室１６６を通る流体の流れを開始させることができ、それによって流体は、第１のリザーバ１５６ａから混合チャンバ１７０へとポンプ輸送される。さらに、第３の流体アクチュエータ１７６を作動させることにより、第３の毛細管室１６８を通る流体の流れを開始させることができ、それによって流体は、第２のリザーバ１５６ｂから混合チャンバ１７０へとポンプ輸送される。図示のように、マイクロ流体デバイス１５０は、混合チャンバ１７０内に配置された種々の他の構成要素１７８を含む場合がある。他の構成要素１７８は、混合チャンバ内に配置された混合アクチュエータを含む場合があり、混合アクチュエータを作動させることにより、混合チャンバ内の流体（例えば、入力部１５４、第１のリザーバ１５６ａ、及び／又は第２のリザーバ１５６ｂからの流体）を混合させることができる。一部の例では、他の構成要素１７８は、加熱要素を含む場合があり、加熱要素を電気的に作動させることにより、混合チャンバ１７０内の流体を加熱させることができる。
この例では、マイクロ流体デバイス１５０は、混合チャンバ１７０と連通するマイクロ流体チャネル１８２内に配置された種々の検出器１８０を含む場合がある。一部の例では、検出器１８２は、流体サンプルを分析し、種々のタイプの試験（例えば、ＤＮＡ試験、化学物質存在試験など）を実施するためのセンサである場合がある。例えば、検出器１８０は、光学センサシステム（一体型光源又は外部光源と共に使用される光学センサを含むことがある）を含む場合がある。別の例として、検出器１８０は、電気インピーダンスセンサを含む場合がある。一部の例では、検出器１８０は、温度センサを含む場合がある。一例では、検出器１８０は、電気化学センサを含む。理解されるように、共通の基板（「オン・チップ」とも呼ばれる）上に検出器が組み込まれた種々の例は、ラボ・オン・チップ・デバイスと呼ばれることがある。基板は、シリコンを含む任意の適当な材料を含むことができる。基板は、任意の適当な幾何形状（形状及びサイズを含む）を有することができる。例えば、形状は、正方形、長方形、又は他の任意の形状などの平行四辺形であってもよい。形状は、不規則な形状であってもよい。基板のサイズは、特定の値である必要はない。一部の例では、寸法は、ミリメートルの範囲であってもよい。用語「寸法」は、基板の形状に応じて、幅、長さなどを指すことがある。例えば、基板の長さは、０．５ｍｍ〜１０ｍｍであってもよく、例えば１ｍｍ〜８ｍｍ、２ｍｍ〜６ｍｍなどであってもよい。他の値も可能である。一例では、長さは、２ｍｍである。例えば、基板の幅は、０．１ｍｍ〜５ｍｍであってもよく、例えば、０．５ｍｍ〜４ｍｍ、１ｍｍ〜２ｍｍなどであってもよい。他の値も可能である。
さらに、一部の例では、マイクロ流体デバイスの各検出器は、異なる構成、及び種々のセンサの組み合わせを含む場合がある。本明細書に記載される一部の例によれば、少なくとも１つのオンチップ検出器１８０を用いて、流体入力部１５４に提供されたサンプルの分析を容易にすることができる。
図示のように、マイクロ流体デバイス１５０は、流体アクチュエータ１８４を含む場合があり、流体アクチュエータ１８４を作動させることにより、流体を混合チャンバ１７０から、検出器１８０が配置される場合があるマイクロ流体チャネル１８２へとポンプ輸送することができる。したがって、図４の例示的マイクロ流体デバイス１５０に類似する種々の例では、流体は、混合チャンバ１７０から、検出器１８０が配置されたマイクロ流体チャネル１８２の中へポンプ輸送される場合があり、そのような流体が、検出器１８０を用いて分析される場合がある。検出器１８０が配置されたマイクロ流体チャネル１８２は、廃液出力部１８６に出力することができる。
理解されるように、図４のマイクロ流体デバイス１５０に類似する種々の例において、流体アクチュエータ１７２〜１７６、他の構成要素１７８、流体アクチュエータ１８４及び／又は検出器１８０は、コントローラに電気的に接続される場合がある。したがって、コントローラは、これらを電気的に作動させる場合がある。コントローラは、これらの構成要素から電気信号の形式でデータを受信する場合がある。例えば、コントローラは、流体の分析に対応する検出器１８０からセンサデータを受信する場合がある。
「コントローラ」という用語が本明細書で使用される場合があるが、理解されるように、コントローラは、種々のタイプのデータ処理リソースを含む場合がある。コントローラは、例えば、少なくとも１つのハードウェアベースのプロセッサを含む場合がある。同様に、コントローラは、１以上の複数の汎用データプロセッサ及び／又は１以上の特殊用途のデータプロセッサを含む場合がある。例えば、コントローラは、中央処理装置（ＣＰＵ）、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、及び／又はデータ処理のための論理構成要素の他のそのような構成を含む場合がある。一部の例では、コントローラは、種々の実行可能命令を記憶しているメモリリソースを含む場合がある。命令の実行により、コントローラ及び／又はデバイスは、本明細書に記載された種々の機能、プロセス、及び／又は一連の動作を実行する場合がある。さらに、これらの例において、メモリリソースは、メモリと呼ばれることがある機械読み取り可能な記憶媒体を含む場合がある。メモリリソースは、ランダム・アクセス・メモリ（ＲＡＭ）デバイス、ならびに他のタイプのメモリ（例えば、キャッシュメモリ、不揮発性メモリデバイス、読み出し専用メモリなど）を表す場合がある。メモリリソースは、ＲＡＭ、ＲＯＭ、消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ（ＥＰＲＯＭ）、電気的消去可能プログラマブル読み出し専用メモリ、フラッシュメモリ又は他の半導体メモリ技術、あるいは、種々の実行可能命令を記憶するために使用され得る任意の他の媒体を含む場合がある。なお、メモリリソース５５６は、非一時的なものであってもよい。
一部の例では、コントローラは外部に配置され（例えば、データ処理システム内に）配置され、例示的マイクロ流体デバイスの種々の電気接続及び導電性トレースを介して、当該マイクロ流体デバイスの種々の構成要素に電気的に接続される場合がある。他の例では、マイクロ流体デバイスは、共通の基板上に配置され、種々の導電性トレースを介して当該マイクロ流体デバイスの種々の構成要素に電気的に接続されたコントローラを含む場合がある。
また、図４の例示的デバイス１５０は、３つの毛細管室１６４〜１６８と連通する３つのマイクロ流体チャネル１７２〜１７６を示しているが、理解されるように、他の例では、マイクロ流体チャネルと毛細管室の種々の他の組み合わせが実施される場合がある。例えば、もっと多数又は少数のマイクロ流体チャネルが、もっと多数又は少数の毛細管室と直列及び／又は並列に接続される場合がある。さらに、類似する種々の例では、もっと多数又は少数の検出器１８０、入力部１５４、リザーバ１５６ａ〜１５６ｂ、流体アクチュエータ１７２〜１７６、及び／又は他の構成要素１７８が実施される場合がある。
図５Ａ〜図５Ｂは、例示的マイクロ流体デバイス２００内の流体の流れを示すブロック図を提供する。種々の例において、マイクロ流体デバイス２００は、毛細管室２０４に連通するマイクロ流体チャネル２０２を含む。さらに、流体アクチュエータ２０６が、毛細管室２０４に近接して配置されている。図示のように、マイクロ流体チャネル２０２は、毛細管室２０４を流体リザーバ又は入力部２０８に連通することができる。図５Ａに示されるように、流体は、マイクロ流体チャネル２０２内の毛管作用により、リザーバ／入力部２０８から毛細管室２０４へ受動的にポンプ輸送されることができる。図５Ａでは、流体のメニスカス２１０が、マイクロ流体チャネル２０２と毛細管室２０４との間の接続部に発生している。このように、マイクロ流体チャネル２０２から毛細管室２０４への寸法の変化は、メニスカス２１０を引き起こすことがあり、それによって、毛細管室２０４を通る流体の流れは、制限される場合がある。図５Ｂは、毛細管室２０４を通る流体の流れが、方向矢印２１２によって示される方向に開始されることを示している。この例では、毛細管室２０４を通る流体の流れは、流体アクチュエータ２０６の作動によって開始されることができる。例えば、流体アクチュエータが圧電膜ベースのアクチュエータである場合、流体アクチュエータをパルス駆動することにより、流体アクチュエータに近接する流体の移動を引き起こすことができる。流体アクチュエータに近接する流体の移動は、メニスカス２１０による毛細管室２０４の制限力に打ち勝つポンプ輸送力を引き起こすことができる。
図５Ａ〜図５Ｂの例において理解されるように、毛細管室２０４は、マイクロ流体チャネル２０２の対応する寸法よりも大きい少なくとも１つの寸法（例えば、半径、幅、高さなど）を有する。例えば、マイクロ流体チャネルの直径は、毛細管室２０４の直径よりも小さい。理解されるように、マイクロ流体チャネル２０２から毛細管室２０４へのこのような寸法の変化は、マイクロ流体チャネル２０２によって流体に引き起こされる毛管作用を破壊する。そのため、流体は、メニスカス２１０を形成する。
図６Ａ〜図６Ｃは、例示的マイクロ流体デバイス２５０内の流体の流れを示すブロック図を提供する。図６Ａ〜図６Ｃにおいて、例示的マイクロ流体デバイス２５０は、毛細管室２５２と、内部にノズルオリフィス２５６が形成されたノズル層２５４と、マイクロ流体チャネル２５６と、制限部２５８と、流体アクチュエータ２６０とを含む。この例では、毛細管室２５２、マイクロ流体チャネル２５６、及び制限部２５８にある流体は、例示的方向矢印２６２で示される方向の背圧を受けており、それによって毛細管室２５２にメニスカス２６４が発生している。前述のように、毛細管室２５２内の流体に及ぼされる毛細管力は、背圧の方向への流体の流れを制限する場合がある。図６Ａ■図６Ｃの例では、流体アクチュエータ２６０は、熱抵抗を利用した流体アクチュエータである場合がある。
したがって、図６Ｂでは、流体アクチュエータ２６０が作動されると、流体アクチュエータ２６０に近接する流体内に気泡２８０が形成される。図示のように、気泡２８０は、流体の液滴２８２を移動させ、それによって、流体の液滴は、ノズル層２５４のノズルオリフィス２５６を通して噴射される。したがｔって、流体アクチュエータ２６０の作動による気泡２８０の形成は、背圧の方向（例示的方向矢印２６２）への流体の流れをさらに引き起こす場合がある。図示のように、流体の液滴２８２は、ノズルオリフィス２５６から、背圧の方向２６２とは反対の方向に噴射される。
図６Ｃでは、流体は、毛細管室２５２、マイクロ流体チャネル２５６、及び制限部２５８から、背圧２６２の方向に流れた。特に、所定量の流体が、毛細管室２５４、マイクロ流体チャネル２５６、及び制限部２５８を通って流れる場合があり、それによって、制限部２５８にメニスカス２９０が発生している。メニスカス２９０の表面張力及び制限部２５８に関連する毛管作用により、流体のそれ以上の流れは、制限部２５８によって制限される場合がある。理解されるように、毛細管室２５２を通って流れることができる流体の量は、マイクロ流体チャネル２５６と毛細管室２５２の容積サイズに対応する場合がある。したがって、マイクロ流体チャネル２５６、毛細管室２５２、及び制限部２５８を通って流れることができる流体の量は、毛細管室２５２及びマイクロ流体チャネル２５６の容積寸法に少なくとも部分的に基づいて、予め決定されることができる。
図６Ａ〜図６Ｃの例において理解されるように、毛細管室２５２は、マイクロ流体チャネル２５６の対応する寸法よりも小さい少なくとも１つの寸法（例えば、半径、幅、高さなど）を有する。例えば、毛細管室２５２の直径は、マイクロ流体チャネル２５６の直径よりも小さい場合がある。理解されるように、毛細管室２５２のこの少なくとも１つの寸法は、背圧２６２の方向とは反対の方向の毛細管力を引き起こすことができる。そのため、流体は、メニスカス２６４を形成する。同様に、制限部２５８は、マイクロ流体チャネル２５６よりも小さい少なくとも１つの寸法を有する場合があり、それによって、所定の体積の流体が背圧２６２の方向に流れた後、制限部２５８にメニスカス２９０が生成され、流体のそれ以上の流れを制限する場合がある。
図７は、例示的マイクロ流体デバイスにより実施されることがある一連の動作を示すフロー図３００を提供する。この例では、流体は、マイクロ流体チャネルを介して毛管破壊チャネルに受動的にポンプ輸送される場合がある（ブロック３０２）。毛管破壊チャネルを通る流体の流れは、毛細管室によって制限される場合がある（ブロック３０４）。流体アクチュエータを作動させることにより、毛細管室を通る流体の流れを開始する場合がある（ブロック３０６）。一部の例では、所定量の流体が流れた後、流体の流れは、マイクロ流体デバイスの制限部により制限される場合がある（ブロック３０８）。
図７のフロー図は、本明細書に記載された種々の例示的プロセス及び方法を実施するために例示的マイクロ流体デバイスによって実施されることがある例示的一連の動作を提供する。一部の例では、図７のフロー図に開示した例示的プロセス及び／又は方法の一部の動作は、マイクロ流体デバイスにおいて実施されるコントローラによって実施される場合がある。
このように、本明細書に記載された種々の例は、少なくとも１つの毛細管室がマイクロ流体チャネルと連通していることがあるマイクロ流体デバイスの種々の例を提供する。これらの例において、毛細管室は、マイクロ流体デバイス内の流体の流れを制限する場合がある。また、毛細管室を通る流体の流れは、毛細管室に近接して配置された流体アクチュエータの作動により開始される場合がある。さらに、本明細書に記載された種々の例示的デバイスによれば、少量の流体（例えば、約１ｎＬ〜約１ｐＬ）の操作が容易になる場合がある。本明細書に記載された種々の例によれば、このような少量の流体の受動的ポンプ輸送が容易になることから、これらの例は、マイクロ流体システムにおいてバルブ機構として実施される場合がある。
上記の説明は、本明細書に記載された原理の種々の例を図示説明するために提示されたものである。この説明は、網羅的であることも、それらの原理を開示した厳密な形態に限定することも、意図していない。上記の開示に照らして、多くの修正及び変形が可能である。

Claims (15)

  1. マイクロ流体チャネルと、
    マイクロ流体チャネルと連通している毛細管室であって、前記毛細管室を通る流体の流れを制限する毛細管室と、
    前記毛細管室に近接して前記マイクロ流体チャネルに配置された流体アクチュエータであって、前記流体アクチュエータを作動させることにより、前記毛細管室を通る流体の流れが開始される、流体アクチュエータと
    を含む、マイクロ流体デバイス。
  2. 前記流体アクチュエータは、熱抵抗アクチュエータ、圧電膜アクチュエータ、又はそれらの組み合わせを含む、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  3. 前記マイクロ流体チャネルは、前記毛細管室の対応する寸法よりも小さい少なくとも１つの寸法を有し、前記毛細管室は、前記マイクロ流体チャネルによって引き起こされる毛細管力を破壊することにより、その中を通る流体の流れを制限する、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  4. 前記マイクロ流体デバイスは、所定量の流体が流れた後、前記流体アクチュエータにより開始された流体の流れを制限する制限部を含む、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  5. 前記毛細管室は、前記マイクロ流体チャネルの対応する寸法よりも小さい少なくとも１つの寸法を有し、前記制限部は、前記マイクロ流体チャネルの前記対応する寸法よりも小さい少なくとも１つの寸法を有する、請求項４に記載のマイクロ流体デバイス。
  6. 内部にノズルオリフィスが形成されたノズル層をさらに含み、前記ノズルオリフィスが、前記毛細管室と連通しており、
    前記流体アクチュエータの作動により、前記ノズルオリフィスを介して流体の液滴が噴射される、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  7. 前記毛細管室は、入口及び出口を有し、前記マイクロ流体チャネルは、第１のマイクロ流体チャネルであり、前記第１のマイクロ流体チャネルは、前記毛細管室の入口と連通しており、
    前記マイクロ流体デバイスは、
    前記毛細管室の出口に連通する第２のマイクロ流体チャネル
    をさらに含み、
    前記毛細管室は、前記毛細管室を通る前記第２のマイクロ流体チャネルへの流体の流れを制限し、
    前記流体アクチュエータの作動は、前記毛細管室を通る前記第２のマイクロ流体チャネルへの流体の流れを引き起こす、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  8. 前記毛細管室は、第１の毛細管室であり、前記流体アクチュエータは、第１の流体アクチュエータであり、
    前記マイクロ流体デバイスは、
    第３のマイクロ流体チャネルと、
    入口及び出口を有する第２の毛細管室であって、前記第２の毛細管室の入口が、前記第２のマイクロ流体チャネルと連通しており、前記第２の毛細管室の出口が、前記第３のマイクロ流体チャネルと連通しており、前記第２の毛細管室が、前記第２の毛細管室を通る前記第３のマイクロ流体チャネルへの流れを制限する、第２の毛細管室と、
    前記第２の毛細管室に近接して前記第２のマイクロ流体チャネルに配置された第２の流体アクチュエータであって、前記第２の流体アクチュエータを作動させることにより、前記第２の毛細管室を通る前記第３のマイクロ流体チャネルへの流体の流れが開始される、第２の流体アクチュエータと
    をさらに含む、請求項７に記載のマイクロ流体デバイス。
  9. 前記マイクロ流体チャネルは、一組のマイクロ流体チャネルのうちの第１のマイクロ流体チャネルであり、前記毛細管室は、一組の毛細管室のうちの第１の毛細管室であり、前記流体アクチュエータは、一組の流体アクチュエータのうちの第１の流体アクチュエータであり、
    前記一組の各毛細管室が、各自の入口及び各自の出口を有し、前記一組のマイクロ流体チャネルの各マイクロ流体チャネルが、各自の毛細管室の各自の入口と連通しており、各毛細管室が、その中を通る流体の流れを制限し、
    前記一組の流体アクチュエータの各流体アクチュエータが、各自の毛細管室に近接して配置され、各流体アクチュエータを作動させることにより、各自の毛細管室を通る流体の流れが開始される、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  10. 前記マイクロ流体チャネルを介して前記毛細管室と連通しているリザーバをさらに含み、その受動的ポンプ輸送により、流体が、前記リザーバから前記毛細管室へ流れるように構成される、請求項１に記載のマイクロ流体デバイス。
  11. マイクロ流体チャネルと、
    前記マイクロ流体チャネルと連通している毛細管室であって、その中を通る流体の流れを制限する毛細管室と、
    毛細管室に近接して配置された流体アクチュエータであって、前記流体アクチュエータを作動させることにより、前記毛細管室を通る流体の流れが引き起こされる、流体アクチュエータと
    前記マイクロ流体チャネル及び前記毛細管室と連通している制限部であって、所定量の流体が流れた後、前記流体アクチュエータにより開始された流体の流れを制限する制限部と
    を含む、マイクロ流体デバイス。
  12. 内部にノズルオリフィスが形成されたノズル層をさらに含み、前記ノズルオリフィスが、前記毛細管室と連通しており、
    前記流体アクチュエータを作動させることにより、さらに、前記ノズルオリフィスを介して流体の液滴が噴射される、請求項１１に記載のマイクロ流体デバイス。
  13. 前記マイクロ流体チャネル及び前記毛細管室の流体は、前記流体の液滴が噴射される方向とは反対の方向の背圧を受けている、請求項１２に記載のマイクロ流体デバイス。
  14. マイクロ流体デバイスについての方法であって、
    リザーバから毛細管室へ、それらの間を連通するマイクロ流体チャネルを介して流体を受動的にポンプ輸送し、
    前記毛細管室を通る前記流体の流れを制限し、
    前記毛細管室に近接して配置された流体アクチュエータを作動させることにより、前記毛細管室を通る前記流体の流れを開始させること
    を含む方法。
  15. 所定量の流体が流れた後、前記マイクロ流体チャネル及び毛細管室と連通する制限部により、流体の流れをさらに制限すること
    をさらに含む、請求項１４に記載の方法。

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