JP2020529603A - マイクロ流動測定デバイスおよび可動特徴を伴うデバイス - Google Patents
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Abstract
開示されるものは、チャンバを画定し、チャンバの中への第1のポートおよび第2のポートを有する本体フレームを含む、マイクロ流動デバイスである。第1の電極を担持する第1の膜が、本体フレームの第1の面にわたって配置され、第2の電極を担持する第2の膜が、本体フレームの第2の面にわたって配置される。車軸部材が、第1の膜および第2の膜に添着されたチャンバ内に配置され、ホイール部材が、車軸部材のまわりでチャンバ内に配置され、ある間隙だけ車軸要素から離間される。断続器特徴が、ホイール上に形成され、断続器特徴は、ホイールの回転の間に第1の電極および第2の電極の間の容量の変動を引き起こす。また、開示されるものは、ロールツーロールプロセスによって加工されるデバイス内の自由回転、摺動、移動等の特徴を提供するための技法である。
Description
(35 U.S.C. §119の下での優先権主張)
本願は、それらの全内容が、参照することによって本明細書に組み込まれる、35 U.S.C. §119の下で、2017年8月4日に出願され、「Micro Flow Measurement Devices」と題された、米国仮特許出願第62/541,128号、および2017年11月14日に出願され、「Micro Devices with Moveable Features」と題された、米国仮特許出願第62/585,641号の優先権を主張する。
本願は、それらの全内容が、参照することによって本明細書に組み込まれる、35 U.S.C. §119の下で、2017年8月4日に出願され、「Micro Flow Measurement Devices」と題された、米国仮特許出願第62/541,128号、および2017年11月14日に出願され、「Micro Devices with Moveable Features」と題された、米国仮特許出願第62/585,641号の優先権を主張する。
本明細書は、流動測定デバイス(流動測定センサとしても公知である)およびシステム、およびロールツーロール処理によって回転可能部材を生成するための処理技法に関する。
流動測定デバイスは、ある時間周期にわたる流体移動の量の測度を生成する。種々の技法が、流動測定のために使用される。流動測定技法は、ピストンまたはギヤを使用する機械的技法を含む。他の技法は、抑制の前および間の差流を測定するために、流量センサと組み合わせて、流体流動を抑制するためのベンチュリまたは他のオリフィスを使用する流動ベースのメータを含む。
これらの種々の技法および技術は、性能、用途好適性、および費用考慮事項に従って使用されることが見出される。しかしながら、これらの技法および結果として生じるデバイスは、他のデバイスおよび/またはシステムとの統合を要求するいくつかの用途のために好適ではない場合がある。これらの技法および結果として生じるデバイスはまた、低費用および大量製造処理を要求する流動測定用途のために好適ではない場合がある。
下記に説明されるマイクロ流動測定デバイスは、マイクロ加工方法を使用して作製されることができ、種々の工業、医療、および生物学的用途のための流動感知を実施するために使用されることができる。いくつかの事例では、マイクロ流動測定デバイスが、流率だけではなく、流動方向も同様に測定することが可能であることが、望ましくあり得る。
ある側面によると、マイクロ流動デバイスは、本体であって、チャンバと、チャンバの中への通路を有する第1のポートおよび第2のポートとを有する、本体と、本体の第1の表面にわたる第1の膜と、第1の膜の一部の上の第1の電極と、本体の第2の対向する表面にわたる第2の膜と、第2の膜の一部の上の第2の電極と、第1の膜および第2の膜に添着される、チャンバ内の車軸と、ホイール部材であって、車軸部材のまわりでチャンバ内に配置され、ある間隙だけ車軸から離間される、ホイール部材と、第1の膜および第2の膜の間に配置される、断続器特徴とを含む。
付加的側面によると、マイクロ流動デバイスは、本体であって、チャンバと、チャンバの中への通路に結合される第1のポートおよび第2のポートとを有する、本体と、チャンバの中心のまわりに配置される、車軸部材と、ホイール部材であって、車軸部材のまわりでチャンバ内に配置され、狭い間隙幅を有する間隙だけ車軸部材から離間される、ホイール部材と、第1の膜の一部の上に第1の電極を有する本体の第1の表面にわたる可撓性材料の第1の膜と、第2の膜の一部の上に第2の電極を有する本体の第2の対向する表面にわたる第2の膜と、ホイールが回転する際、第1の電極および第2の電極の間の容量値の変化を引き起こす、断続器特徴とを含む。
以下は、これらの側面のうちの一方または両方の範囲内のいくつかの実施形態である。
マイクロ流動デバイスは、第1の膜に接続される第1の端部キャップと、第2の膜に接続される第2の端部キャップとを含み、可撓性材料の第1の膜および第2の膜は、数マイクロの厚さを有し、可撓性材料から成る本体は、第1の膜および第2の膜の可撓性材料の厚さの倍数の厚さを有する。マイクロ流動デバイスは、ホイール部材が回転する際、第1の電極および第2の電極の間の容量の変化を引き起こすホイール部材の構造的特徴としての断続器特徴を有する。マイクロ流動デバイスは、第1の電極および第2の電極に結合される容量測定回路を含む。
マイクロ流動デバイスは、ホイールの回転方向に対する対称特徴としての断続器特徴を有する。マイクロ流動デバイスはさらに、第1の電極および第2の電極に結合される容量測定回路を含み、ホイール部材上の電極は、反時計回り方向におけるホイール部材の回転と比較して、時計回り方向におけるホイール部材の回転に関する測定された容量の変調を引き起こし、容量測定回路が、第1のポートおよび第2のポートの間の流率を判別することを可能にするが、流体流動方向を判別することを可能にしない。
マイクロ流動デバイスは、ホイールの回転方向に対する非対称特徴としての断続器特徴を有する。マイクロ流動デバイスは、ホイール上に断続器特徴を有し、第1の電極および第2の電極に結合される容量測定回路を含み、ホイール部材上の電極は、反時計回り方向におけるホイール部材の回転と比較して、時計回り方向におけるホイール部材の回転に関する測定された容量の実質的に不均等な変調を引き起こし、容量測定回路が、第1のポートおよび第2のポートの間の流率および流体流動方向を判別することを可能にする。
本請求項のマイクロ流動デバイスは、スタックにおける少なくとも1つの付加的マイクロ流動デバイスを含み、少なくとも1つのマイクロ流動デバイスは、第1の電極に電気的に接続される付加的な第1の電極と、第2の電極に電気的に接続される付加的な第2の電極とを有する。マイクロ流動デバイスは、中心コアと、中心コアに接続される、複数のブレードとを含む、ホイールを有する。容量測定回路はさらに、容量測定回路からの測定された容量を流量値に変換するコントローラを含む。断続器特徴は、電極、スリットのセット、電極のセット、開口のセットのうちの1つ以上である。
付加的側面によると、回転可能要素を製造する方法は、第1の本体シート上に配置される金属層をパターン化し、回転可能要素を画定する金属の領域を生成することと、第1のシートをパターン化し、回転可能要素および車軸を封入するチャンバを画定する内壁を有する本体要素を生成することであって、回転可能要素は、第1の間隙だけ本体要素の内壁から離間され、第2の間隙だけ車軸要素から離間され、回転可能要素を本体部材に繋留するブリッジ要素の第1のセットと、回転可能要素を車軸部材に繋留するブリッジ要素の第2のセットとを有する、ことと、可撓性材料の第2のシートの第1の外表面(facial surface)を第1のシートの第1の外表面に積層し、第2のシートを本体要素および車軸に添着することであって、第2のシートの第2の外表面は、第2のシートに添着される電極を有する、ことと、第2のシート上の伝導性要素をパターン化し、第1の電極を提供することとを含む。
以下は、本側面の範囲内のいくつかの実施形態である。
本方法はさらに、可撓性材料の第3のシートを第1のシートの第2の外表面に積層し、第3のシートを本体要素および車軸要素に添着することであって、第3のシートは、第2のシートに添着される電極を有する、ことと、第3のシート上の伝導性要素をパターン化し、第2の電極を生成することとを含む。パターン化することはさらに、第1のシートをパターン化し、本体要素を通してポートの対を生成することを含む。本方法は、第1の繰り返し可能層を形成し、本方法はさらに、第2の繰り返し可能層を含む複数の付加的繰り返し可能層を生成することと、第1の繰り返し可能層上に第2の繰り返し可能層をスタックすることとを含む。本方法は、積層した後、ブリッジの第1のセットおよび第2のセットを除去することを含む。本方法はさらに、ホイール要素上に配置される第2の金属層をパターン化し、断続器特徴を画定することを含む。
付加的側面によると、回転可能要素を製造する方法は、可撓性材料の第1のシートの第1の表面上に配置される接着層をパターン化し、ある面積内の接着層の部分を除去し、回転可能要素のための場所を画定することと、第1のシートをパターン化し、第1のシート内に回転可能要素を画定することと、第2の可撓性材料の膜層の対をパターン化された第1のシートの対向する表面に接着させることであって、膜層の対のそれぞれは、電極を有する、ことと、膜層の対のそれぞれの上の電極をパターン化し、それぞれ、第1の電極および第2の電極を提供することと、シール層の対を膜層の対の表面に接着させることとを含む。
以下は、これらの側面のうちの一方または両方の範囲内のいくつかの実施形態である。
第1のシートをパターン化することはさらに、第1のシートの1つの面積をパターン化し、チャンバおよび車軸要素を画定することを含み、回転可能要素は、車軸要素のまわりに配置され、回転可能要素は、第1の間隙だけチャンバの内壁から離間され、第2の間隙だけ車軸要素から離間され、回転可能要素を本体部材に繋留するブリッジ要素の第1のセットと、回転可能要素を車軸部材に繋留するブリッジ要素の第2のセットとを有する。パターン化することはさらに、第1のシートをパターン化し、チャンバの中への通路を提供する本体要素を通したポートの対を生成することを含む。回転可能要素は、ホイールである。シール層を接着させた後、本方法はさらに、ブリッジの第1のセットおよび第2のセットを除去することを含む。本方法はさらに、ホイール上に断続器要素を形成することを含む。
マイクロ流動測定デバイスは、適度に安価な技法を使用して加工され、したがって、種々の用途のための安価なマイクロ流動測定デバイスを提供する。2つの異なるタイプのマイクロ流動デバイスが、説明される。1つのタイプのマイクロ流動測定デバイスは、流率の測定を可能にするが、流動方向の測定を可能にしない単一指向性タイプである。他のタイプは、流率および流動方向を測定する指向性タイプである。本指向性タイプのマイクロ流動デバイスは、流体流率の測定および流動方向、すなわち、流体がマイクロ流動デバイスの中に流動している方向のインジケーションを提供することができる。
特定の実施形態では、下記に説明されるマイクロ流動測定デバイスは、ロールツーロール製造技法を使用して加工される。ロールツーロール製造技法は、比較的に低費用を伴う大量製造能力を提供し、マイクロ流動測定デバイスを他のデバイスおよびシステムと統合するために使用されることができる。
本発明の1つ以上の実施形態の詳細が、付随の図面および下記の説明に記載される。
本発明の他の特徴、目的、および利点が、説明および図面から、および請求項から明白である。
(概観)
本明細書に説明されるマイクロ流動センサ/デバイスは、マイクロ加工方法を使用して作製され、種々の工業、商業、医療、および生物学的用途において流体流動および流率を測定するために使用されることができる。マイクロ流動センサ/デバイスは、ミクロン/ミリメートルスケールで加工される。いくつかの加工技法が、開示される。
本明細書に説明されるマイクロ流動センサ/デバイスは、マイクロ加工方法を使用して作製され、種々の工業、商業、医療、および生物学的用途において流体流動および流率を測定するために使用されることができる。マイクロ流動センサ/デバイスは、ミクロン/ミリメートルスケールで加工される。いくつかの加工技法が、開示される。
加えて、2つの異なるタイプのマイクロ流動デバイスが、説明される。1つのタイプのマイクロ流動測定デバイスは、流率の測定を可能にするが、流動方向の測定を可能にしない非指向性タイプである。他のタイプは、流体流率に加えて、流体流動方向、すなわち、流体がマイクロ流動デバイスの中に流動している方向(例えば、デバイスのどのポートが流体を受容しているか)のインジケーションを提供する指向性タイプである。
図1を参照すると、構築の段階におけるマイクロ流動デバイス10が、示される。示されるマイクロ流動デバイス10は、流体流動方向および流体流率を感知する指向性マイクロ流動デバイスである。マイクロ流動デバイス10は、キャリア層、例えば、(下記に議論されるロールツーロール処理のための)ウェブ上に示され、単一の円形流動チャンバ12を含む。(マイクロ流動デバイス100はまた、図8と併せて議論されるであろうように、単一の円形流動デバイスチャンバを含むであろう)。本初期議論は、いずれかのタイプのマイクロ流動デバイスの動作のある詳細および原理を解説するための実施例として、マイクロ流動デバイス10を使用するであろう。
マイクロ流動デバイス10は、円形流動チャンバ12を画定する内部円形表面14eを有する本体フレームを画定する、複数の外壁、例えば、4つの壁14a−14dを有する流動デバイス本体14を含む。壁のうちの2つ、例えば、壁14a、14cは、チャンバの中への通路(参照せず)を介して外部流体源および外部流体シンク(図示せず)から流体進入または退出を提供する、ポート15a、15bを有する。
ある動作時間の間、ポート15a、15bのうちの一方、例えば、ポート15aは、流体流動への入口として作用し、ポート15a、15bのうちの他方、例えば、ポート15bは、流体流動への出口として作用する。他の動作時間に、ポート15a、15bのうちの反対のもの、例えば、ポート15bは、流体流動への入口として作用し、ポート15a、15bのうちの他方、例えば、ポート15aは、流体流動への出口として作用する。マイクロ流動デバイス10は、ポート15aの中への、およびポート15bからの流体流動対ポート15bの中への、およびポート15aからの流体流動を区別するインジケータを提供する。すなわち、マイクロ流動デバイス10は、流体流動方向を検出することができる。ポートがマイクロ流動デバイス10の対向する側上に示されるが、いくつかの実施形態では、ポートは、隣接する側または同一の側上にあり得る。
マイクロ流動デバイス10はまた、固定車軸18のまわりで回転可能であるホイール16を含む。ホイール16は、比較的に小さい間隙19aだけ固定車軸18から離間される中心コア16aを有する。比較的に小さい間隙とは、間隙が、ホイール16がぐらつきおよび振動を殆ど伴わずに固定車軸18のまわりで回転することを可能にするために十分なサイズである幅(w)を有することを意味する。したがって、間隙幅(wa)サイズは、サイズが数ナノメートルであり、中心コア16aが固定車軸18に取り付けられないように十分に大きいが、ホイール16が実質的なぐらつきを伴わずに回転し、振動を最小限にし得るように十分に小さい。
ホイール16は、中心コア16aの、例えば、一部に取り付けられる複数のブレード(ベーン、フィン、パドル等としても説明され得る)16bを有する。ブレード16bは、直線または曲線であり得、ブレード16bは、ゼロ度を上回る(ブレードとコアとの間の)任意の内角において中心コア16aに添着される。好適な範囲は、30度〜90度である。別の好適な範囲は、45度〜90度である。理想的には、ブレード16bは、特に、指向性マイクロ流動デバイス10に関して、90度の角度において中心コア16aに取り付けられる。ホイール16のブレード16bの端部は、一般に、間隙幅サイズwbにおいて間隙19aと類似するであろう、例えば、本体部材14の内面14eによってブレード16bが干渉されることなく、ホイール16が固定車軸18のまわりで回転することを可能にする十分なサイズの第2の比較的に小さい間隙19bだけ本体部材14の内部円形壁から離間される。
また、図1に示されるものは、デバイス本体14を提供した材料からパターン化された丸形ブリッジ要素であるブリッジ部材25aおよび25bである。これらのブリッジ部材25aおよび25bは、マイクロ流動デバイス10の加工の段階の間にホイール16を流動デバイス本体14に繋留する。また、図1に示されるものは、加工の間に車軸18をホイール16に繋留するブリッジ部材27a、27bである。また、図1に示されるものは、加工の完了に応じて、デバイス本体材料のこれらの部分からマイクロ流動デバイス10を解放するために、デバイス本体材料の周辺部分をダイシングまたは切断する際に使用されるダイスインジケータ(太い角の線、参照せず)である。
ホイール16は、ホイール16が、電極の対(図1に図示せず)の間で回転しながら、電極の対の間に存在するバルク容量特性(図1に図示せず)を変調することを可能にする1つ以上の断続器22(例えば、パターン化導体23)を含む。断続器22によって引き起こされる本変調は、下記に議論されるように、流率のインジケーションを提供する。下記に議論されるように、本特定の断続器特徴は、非対称であり、したがって、ホイール16の時計回りおよび反時計回り回転の間の区別を可能にする非対称変調を引き起こし、したがって、また、流動方向のインジケーションを提供する。
断続器特徴は、種々のタイプ、例えば、ホイール16の一部がホイール16の別の部分と異なる電気性質を有することを可能にする任意のものであり得る。断続器22の実施例は、ホイールの一部の上の異なる誘電性質、すなわち、ホイールの一方の側における孔を含み、(依然としてホイールを平衡させながら)他方の側上のフィンからホイールの一方の側上のフィンの一部をより厚くする、またはより狭くする。断続器22は、ホイールの第1の部分とホイールの第2の部分との間の誘電体の差異を提供することができる。非対称断続器22はまた、種々のタイプ、例えば、ホイール16の一部が、ホイール16の別の部分と異なる電気性質を有し、ホイール16の回転方向による非対称変調を提供することを可能にする任意のものであり得る。
図1に示されるように、1つの断続器22は、ホイール16の第1の部分上に提供されるパターン化金属層(または電極)23であり、ホイールの残りの部分は、いかなる金属も有していない。パターン化電極23が示されるように非対称である場合、ホイールは、回転するとき、ホイールの対向する回転方向に関連して、ホイール16の1つの回転方向における容量のより急速な変化率を生成するであろう。50%を下回って占有するパターン化導体(または逆に、50%を上回って占有するパターン化導体)が、50%を占有するパターン化導体よりも大きい容量の変化を提供するであろう。容量の変化は、ホイール16の回転の方向に従って区別される。本差異は、流動デバイス10が流動を感知することを可能にする。差異が非対称であるとき、本非対称差異はまた、本デバイスが流率に加えて流動方向を感知することを可能にする。
図2を参照すると、マイクロ流動デバイス10の流動デバイス本体14の一方の外表面(図1の底面)上に、第1の導体層32を支持する第1の膜30がある。第1の導体層32は、ビア33a、33bの対のうちの第1のもの33aにわたって配置され、第1の導体層32と測定デバイス(図示せず)との間の電気接触を成す。また、図2に示されるものは、ブリッジ部材25bである。
図2Aを参照すると、図2に描写されるようなマイクロ流動デバイス10を通した断面図が、デバイス本体14(明確化のためにわずかに分解されて示される)上の第1の導体層32を支持する第1の膜30を示す。また、図2Aに示されるものは、ホイール16のブレード16bのうちの1つの一部の上の電極23の一部、ブリッジ部材25a、25b、車軸18である。また、図2Aに示されるものは、車軸18の端部を膜層30に接着させる随意の接着剤スポット42(採用される構築技法に依存する)である。
図3を参照すると、マイクロ流動デバイス10の流動デバイス本体14の対向する外表面(図1の上面)上に、第2の導体層38を支持する第2の膜36がある。第1の導体層32は、ビア33a、33bの対のうちの第2のもの33bにわたって配置され、第2の導体層38と測定デバイス(図示せず)との間の第2の電気接触を成す。対向する面(上面)上に、第2のスペーサ層によって支持される第2の膜がある(両方とも図1に図示せず)。
図4を参照すると、構築の最終段階におけるマイクロ流動デバイス10が、示される(但し、膜30および電極32は、明確化のために示されない)。マイクロ流動デバイス10は、単一の円形流動デバイスチャンバ12と、ポート15a、15bと、ブリッジ部材セット25aおよび25b(図1)が除去されている際に固定車軸18のまわりで回転可能なホイール16とを有する。ブリッジ部材25aおよび25bは、加工の間にホイール16を流動デバイス本体14に繋留するために使用され、ブリッジ部材27a、27bは、加工の間に車軸18をホイール16に繋留するために使用された。ブリッジが除去されると、ホイール16は、層30および36によって閉じ込められる固定車軸18のまわりで自由に回転する。
図4Aを参照すると、図4に描写されるようなマイクロ流動デバイス10を通した断面図が、図2Aの特徴、例えば、第1の導体層32を支持する第1の膜30を示す。第1の膜30は、デバイス本体部分および車軸18と緊密に接触するデバイス本体14上にある。また、図4Aに示されるものは、膜36および電極38等の図3からの特徴である(随意の接着剤スポット42および接着剤スポット43を伴う)。デバイス本体14の底面は、電極38を支持する膜36と緊密に接触する。デバイス本体14上のこれらの膜30、36は、車軸18を膜30および36の間に添着する一方、ホイール16およびホイールブレード16bが車軸18のまわりで自由に回転するままにする。
いくつかの実施形態では、ホイール16は、薄くされることができる。いくつかの実施形態では、図11A−11Fに議論されるように、固定車軸18のまわりのホイール16の自由回転移動は、プラスチック層の積層の間、プラスチックが、後続積層技法によって採用されるであろう条件に基づいて金属に積層しないであろうという認識に依拠する。しかしながら、これらの条件下で、プラスチックは、下層プラスチックに粘着するであろう。定義される条件は、積層の間、PETを融解させることなくプラスチックを下層プラスチックに粘着させるために十分である熱、圧力、および時間を含む。いくつかの他の実施形態では、図12A−12Jに議論されるように、ホイール16の自由回転移動は、プラスチック層の積層の間、プラスチックが、上記のように後続積層技法によって採用されるであろう条件に基づいて金属に積層しないであろうが、固定車軸18が接着剤スポット42、43によって固定されるという認識に依拠する。
図5は、パドル16bおよび中心コア16aを伴うホイール16が膜32、36に取り付けられないが、膜32、36への車軸18および本体14の取付を描写する、拡大図を示す。図5は、図1のように、中心コア16aの一部の上の電極23の一部を示す。
ここでまた、再び図1を参照すると、小さい間隙19aは、流体がポート25aまたは25b(図1)のうちの1つを通して流動するとき、ホイール16が固定車軸18のまわりで回転することを可能にする。ホイール16のブレード16bは、ホイール16を車軸18のまわりで回転させる流体流動によって影響を受ける。言及されるように、ホイール16は、ホイール16が、電極32および38の間で回転しながら、電極32および38の間のバルク容量特性を変調することを可能にする1つ以上の特徴を有する。
マイクロ流動デバイス10のバルク容量は、電極32および38およびホイールの材料の誘電体である膜30および36の比誘電率、および電極32および38の間の距離の組み合わせによって提供されるコンデンサの実効容量であり、以下のように与えられる平行板コンデンサに関する公式によって少なくとも近似される。
C=εrε0A/d
C=εrε0A/d
Cは、容量(ファラド単位)である。
Aは、2つの電極の重複の面積(平方メートル単位)である。
εrは、電極の間の材料の比誘電率(膜、ホイールの材料、および流体の比誘電率の和)である。
ε0は、電気定数(ε0≒8.854×10−12 F・m−1)である。
dは、板の間の分離(メートル単位)であり、dは、Aの最も小さい弦に対して十分に小さい。
変調は、前述の断続器特徴のうちの1つを含むことによって起こる。パターン化電極23を断続器特徴と見なす。ホイールが回転する際、パターン化電極は、電極32および38の間の間隔の内外に割り込む。電極23は導体であるため、電極23の電極32および38との重複は、電極32および38の間の間隔および重複を変化させ、したがって、容量を変調する。
図1では、ホイール上の電極23は、ホイール全体に対して非対称であり、すなわち、電極23によって被覆されるホイール16の表面は、ホイール16の残りの表面よりも小さく、それと異なるように成形される。ホイール上の電極23はまた、それ自体に対して非対称であり、電極の外側周辺部分が電極23の内側周辺部分よりも長い弦を有することを意味する。本配列は、容量を測定する回路によって発生される波形の形状に影響を及ぼす。
ここで図6を参照すると、容量測定回路60が、マイクロ流動デバイス10の電極34a、34bに取り付けられる。容量測定回路60は、採用される容量測定回路のタイプに従って、電圧を電極(本図に示される膜30上の電極32のみ)に送達する。容量測定回路のいくつかの実施例では、AC波形が、使用されることができ、容量は、周波数領域技法を使用して測定される。容量測定回路の他の実施例では、DC波形が、時間領域技法を使用して容量を測定するために使用される。
容量測定回路60は、測定される容量に比例するパルスの出力列を送達する。コントローラ62は、これらのパルスを容量値に変換し、これは、流率および流動方向に変換される。出力は、電極32および38の間のバルク容量を表す値であろう(図6に図示せず、これは、ホイール16の回転および電極32および36との重複の領域の内外に割り込む電極23によって変調される)。断続器22が対称である場合、変調は、同様に対称であろう。しかしながら、断続器22が電極23と同様に非対称である場合、出力は、同様に非対称であろう。
図7を参照すると、流動デバイス10のスタックされた配列10’が、示される。スタックされた配列の上部上に、図6のデバイスが示される。マイクロ流動デバイス10の下方に、整合して示されるポート15aを伴うスタックされた配列10’において配列される同様のマイクロ流動デバイス10がある。いくつかの実装では、ポート15aは、互い違いにされることができる(スタックによって、垂直に隣接するポートが相互にオフセットされることを意味する)。底部端部キャップ21aが、スタックされた配列10に取り付けられるように示され、上部端部キャップ21bが、分解図においてスタックされた配列10にわたって示されるが、これは、スタックされた配列10’に添着されるであろう。類似する端部キャップ21a、21bが、図6の流動デバイスと併用されるであろう。
図8を参照すると、単一指向性マイクロ流動デバイス100および単一指向性流動デバイス100のスタックされた配列100’が、示される。単一指向性マイクロ流動デバイス100は、ホイール16’上の対称パターン化層として示される対称断続器22’を除いて、基本的に指向性マイクロ流動デバイス10(図1−4A)のものと構造において同一である。
図8Aを参照すると、流動デバイス100のスタックされた配列100’が、示される。スタックされた配列の上部上に、図8に示されなかった膜30(図2と類似する)上の電極32’およびビア接続34a、34bを伴う図8のデバイス100が示される。マイクロ流動デバイス100の下方に、整合して示されるポート(参照せず)を伴うスタックされた配列100’において配列される同様のマイクロ流動デバイス100がある。いくつかの実装では、ポートは、互い違いにされることができる(スタックによって、垂直に隣接するポートが相互にオフセットされることを意味する)。底部端部キャップ21a’が、スタックされた配列100に取り付けられるように示され、上部端部キャップ21b’が、分解図においてスタックされた配列100にわたって示されるが、これは、スタックされた配列100’に添着されるであろう。類似する端部キャップ21a’、21b’が、図8の流動デバイス100と併用され得る。
ここで図9A−9Cを参照すると、3つの異なる場合に関する容量測定回路60からの出力を表し得る3つの架空の出力が、示される。出力は、時間に対する電圧である。
図9Aは、(図8のような)対称断続器22’を使用する第1の場合を示す。対称断続器(22’ 図8)は、流体流動方向にかかわらず、容量を等しく変調する任意の対称特徴であろう。一実施例は、図8のホイール16’上に対称パターンを有する電極23’である。したがって、対称断続器22’は、例えば、典型的には、容量測定回路60からの方形波出力に近接する一連のパルスを生成するであろう。一連のパルスは、流率に比例するであろうが、いずれの方向においても実質的に同一であろう対称パルスエッジを有するであろう。回路は、一連のパルスから流体流動方向を判別することが可能ではないであろう。
図9Bは、時計回り方向に回転する図1の非対称断続器22(電極23)を使用する第2の場合を示し、流体流動の進入がポート15bにおいてであり、退出がポート15aにおいてであることを示す。本第2の場合では、非対称断続器22は、容量測定回路60から、例えば、流率に比例し、ポート15bの中への流体流動方向を判別するであろう、短い立ち上がり時間を伴う立ち上がり縁および(立ち上がり縁に対して)長い立ち下り時間を伴う遅れ縁を有する一連のパルスを生成するであろう。
図9Cは、反時計回り方向に回転する図1の非対称断続器22(電極23)を使用する第3の場合を示し、流体流動の進入がポート15aにおいてであり、退出がポート15bにおいてであることを示す。本第3の場合では、非対称断続器22は、例えば、流率に比例し、ポート15aの中への流体流動方向を判別するであろう、長い立ち上がり時間を伴う立ち上がり縁および(立ち上がり縁に対して)短い立ち下り時間を伴う遅れ縁を有する一連のパルスを生成するであろう。
容量測定回路60の一部であるか、または別個の回路であるかのいずれかのコントローラ62は、測定された容量単位を流動単位に変換するためにテーブル/アルゴリズムを参照する。回路60および/またはコントローラ62はまた、縁の立ち上がり/立ち下り時間(図9Bおよび図9C)を判別し、ホイール16の回転方向、したがって、流体流動方向を判別する。多くの技法は、バルク容量および立ち上がりおよび立ち下り時間にわたるそのような容量の変化を測定および検出するために使用されることができる。
類似する目的のために使用される従来の流動デバイスと比較して、マイクロ流動デバイス10は、より少ない材料を使用し得、したがって、より少ない応力を受ける。マイクロ流動デバイス10は、ミクロン〜ミリメートルスケールにおけるサイズを有し、広い範囲の流動測定を提供することができる。
上記に説明される特徴を有するマイクロ流動デバイス10は、MEMS処理技法およびいわゆるロールツーロール(R2R)処理等の種々の方法を使用して製造されることができる。マイクロ流動デバイス10のための材料は、マイクロ流動デバイス10によって提供される特徴およびマイクロ流動デバイス10の製造の方法に基づいて選定される。下記は、マイクロ流動デバイス10の異なる部分の材料を選定するためのいくつかの基準である。
デバイス本体−デバイス本体14のために使用される材料は、要件によって定義され得る。一般に、材料は、チャンバを生成するためにその形状を保持するために十分に強い、または堅性である必要がある。いくつかの実装では、材料は、その特徴、例えば、ホイール16およびチャンバ12等が画定および機械加工/現像され得るように、エッチング可能または感光性である。時として、また、材料がマイクロ流動デバイス10内の他の材料と良好に相互作用する、例えば、それに接着することが、望ましい。さらに、材料は、非導電性である。好適な材料の実施例は、SU8(ネガティブ型エポキシレジスト)およびPMMA(ポリメチルメタクリレート)レジストを含む。
膜−本部分のための材料は、デバイス本体14とともに、チャンバ12内の流体を閉じ込め、電極32および38を支持する、鼓膜構造を形成する弾性材料であり得る。したがって、材料は、弾性である場合、前後に屈曲または延伸することができるが、そのような弾性特性は、要求されない。膜材料は、ガスおよび液体を含む着目流体に対して不浸透性であり、非導電性であり、低いか、または高いかのいずれかの破壊電圧特性を有することができる。好適な材料の実施例は、窒化ケイ素およびテフロン(登録商標)を含む。堅性である他の材料もまた、可能性として考えられる。
電極−電極の材料は、導電性である。電極は、有意な量の電流を伝導しないため、材料は、高電気シート抵抗を有することができるが、高抵抗特徴は、必ずしも望ましくない。電極は、膜とともに屈曲および延伸を受け、したがって、材料が疲労および故障を伴わずに屈曲および延伸を取り扱うために柔軟であることが、望ましい。加えて、電極材料および膜材料は、動作の条件下で、良好に接着する、例えば、相互から剥離しない。好適な材料の実施例は、金および白金の非常に薄い層を含む。アルミニウム等のその他も、可能性として考えられる。
電気相互接続−容量測定回路からの電圧は、各チャンバの各膜上の電極に伝導される。これらの電極への導電性経路は、伝導性材料、例えば、金および白金を使用して構築されることができる。アルミニウム等のその他も、可能性として考えられる。
他の材料−MEMS処理がマイクロ流動デバイスを製造する際に使用されるとき、犠牲充填材料、例えば、ポリビニルアルコール(PVA)が、使用されることができる。犠牲充填材料はまた、R2R処理において使用されてもよい。いくつかの実装では、溶媒が、製造プロセスにおいて使用され、これは、付加的要件をマイクロ流動デバイスの種々の構築材料に課し得る。電気回路構成要素のうちのいくつかを膜上に印刷することが、可能性として考えられ得る。一般に、ある材料が上記に規定されているが、言及されるものと類似する性質を有する他の材料も、使用され得る。
端板(図に図示せず)が、周囲から電極および膜を保護するために、最終デバイス10の上方および下方に設置されることができる。最終デバイス10は、集積回路のために使用されるもの等の種々のタイプの包装において包装されることができ、ポート上に継手を嵌合されることができる。
ここで図10を参照すると、流動デバイス10は、電極32および38の間の領域の外側にある電極23の静止位置に対応するバルク容量値Cbおよび流動デバイス10を通した流体流動に応答するホイールの回転に対応する可変容量値Cvを有するコンデンサとして電気的にモデル(66)化されることができる。図10では、モデル66は、バルク容量値Cbおよび可変容量値Cvを有するように示される。これらの「コンデンサ」はそれぞれ、電気的に並列に接続される。並列に接続されるコンデンサは、個々のコンデンサの容量の和である合計容量を有する。
上記に言及されるように、MEMS処理(微小電気機械システム)等のいくつかのアプローチが、マイクロ流動デバイス10を加工するために使用されることができるが、下記に議論される技法は、他のタイプのデバイス/システムの形成にもまた適用され得るロールツーロール処理による加工のための技法であろう。
(マイクロ流動デバイスを生成するためのロールツーロール処理)
(マイクロ流動デバイスを生成するためのロールツーロール処理)
ロールツーロール処理ラインは、堆積、パターン化、および他の処理が起こる封入されたチャンバであり得るかまたはそれを含み得るいくつかのステーションを備えることができる。高レベルと見なされる処理は、したがって、加算的(厳密に所望される場所で材料を追加する)または減算的(所望されない場所で材料を除去する)であり得る。堆積処理は、必要に応じて、蒸発、スパッタリング、および/または化学蒸着(CVD)、および印刷を含む。パターン化処理は、要件に応じて、走査レーザおよび電子ビームパターン発生、機械加工、光学リソグラフィ、パターン化される特徴の分解能に応じたグラビアおよびフレキソ(オフセット)印刷等の技法を含むことができる。インクジェット印刷およびスクリーン印刷が、導体等の機能性材料を下に置くために使用されることができる。打ち抜き、インプリント、およびエンボス加工等の他の技法も、使用されることができる。
元々の未加工材料ロールは、可撓性材料のウェブである(図示せず)。ロールツーロール処理では、可撓性材料のウェブは、任意のそのような材料であり得、典型的には、ガラスまたはプラスチックまたはステンレス鋼である。これらの材料(またはその他)のうちのいずれかが使用され得るが、プラスチックは、ガラスおよびステンレス鋼に優るより低い費用考慮事項の利点を有する。具体的材料が、マイクロ流動デバイスの用途に従って決定されるであろう。用途では、遭遇温度に耐え得るステンレス鋼または他の材料(例えば、遭遇温度に耐え得るテフロン(登録商標)および他のプラスチックなど)等の材料が、使用されるであろう。
図1−7に示される構造および図8、8Aに示される構造に関して、ロールツーロール処理ライン内のステーションは、要求される処理に従って設定される。したがって、端部キャップおよび上部キャップが、ウェブまたはプラスチックシート上に形成され得るが、説明されるであろうように、一実装では、端部および上部キャップは、マイクロ流動デバイススタックの形成後に提供される。
プラスチックウェブは、パターン化ステーションが続く堆積ステーションにおけるウェブ上の材料の堆積によって、本体14(図4A)を支持するために使用される。本体は、形成ステーションにおいて形成される。本体14を支持するウェブは、ステーションにおいて本体14にわたって堆積された膜30を有する。堆積ステーションにおいて、膜30にわたって、電極32が堆積され、これは、パターン化ステーションにおいてパターン化される。膜30上に支持されるパターン化電極32を伴う膜30が、本体14上に提供される。膜36上に支持されるパターン化電極33を伴う膜36もまた、本体14上に提供される。各膜30、36上の電極32、38に接続するための電気相互接続が、伝導性材料、例えば、金、銀、および白金層(または銀インク等の伝導性インクおよび同等物)を堆積させることによって提供される。いくつかの実装では、電気回路構成要素のうちのいくつかが、膜30、36上に印刷される。マイクロ流動ユニット(電極および電気接続およびキャップを伴う本体および膜)を有するロールが、マイクロ流動デバイス10を提供するために、用途に従ってダイシングされ、収集され、包装される。
図11A−11Dを参照すると、マイクロ流動デバイス10を提供するための具体的ロールツーロール処理アプローチが、示される。材料の未加工シートが、特徴がシートに適用されるように複数のステーションを通過させられ、シートは、続けて、巻き取られ、加工されたマイクロ流動デバイスを生成する。
図11Aおよび図11A−1を参照すると、ガラスまたはプラスチックまたはステンレス鋼等の可撓性材料のシート70が、ウェブとして使用される。マイクロ流動デバイス10の特定の実装に関して、材料は、シート70の主面にわたって金属、例えば、アルミニウム(Al)の層74を提供される、プラスチックシート、例えば、ポリエチレンテレフタレート(PET)である。シート70は、100Å(オングストローム)厚さを有するアルミニウムの薄い金属層74でコーティングされる50ミクロン厚さのPET(テフロン(登録商標))のシートである。他の厚さも、使用され得る(例えば、シート70は、例えば、25ミクロン〜250ミクロン(またはそれよりも大きい)の厚さを有し得、層74の厚さは、50Å〜500Å(またはそれよりも大きい)であり得る)。一般に、本体層は、膜層厚さのものの約5〜10倍の厚さを有するであろう。厚さは、構築される微小電気機械システムの所望の性質およびロールツーロール処理ラインの取扱能力に基づく。これらの考慮事項は、最大厚さに対する実践的限界を提供するであろう。同様に、最小厚さは、構築される微小電気機械システムの所望の性質およびロールツーロール処理ラインにおいて非常に薄いシートを取り扱う能力に基づく。
金属層74は、蒸発または他の技法等の種々のアプローチによって提供される。そのような金属化フィルムはまた、商業的に入手可能である。金属の層74を伴うロール(図示せず)からのシート70は、アブレーションステーション、例えば、レーザアブレーションステーション1においてパターン化される。マスク(図示せず)が、本体14および車軸18までの間隙を形成するために使用されるであろうシート70のこれらの部分から金属層74を除去する一方、最終的に可動部分、例えば、ホイール16になるであろうシートの部分上の金属74を残すようにレーザアブレーションステーション1を構成するために使用される。随意に、金属74はまた、不必要なアブレーションにおける時間/費用を節約するために、種々の構造が加工されないシートのそれらの外部部分上に残されることができる。
ホイール16になるであろうシート部分上に残された金属は、ホイールがチャンバ12内で回転することを可能にする。本技法は、下記に議論されるように、プラスチック層の積層の間、プラスチックが、後続積層技法によって採用されるであろう条件に基づいて金属に積層しないであろうという認識に依拠する。しかしながら、これらの条件下で、プラスチックは、下層プラスチックに粘着するであろう。定義される条件は、積層の間、PETを融解させることなくプラスチックを静電機構によって下層プラスチックに粘着させるために十分である熱、圧力、および時間を含む。
ここで図11Bを参照すると、ホイール16に対応するであろうシート部分上、および随意に、外部部分上に残される金属74を伴うシート70が、微細加工される。第2のマスク(図示せず)が、チャンバおよびホイールを画定または形成するように第2のレーザアブレーションステーションを構成するために使用される。シートは、図1に議論されるように繋留されるチャンバ12およびホイール16を画定または形成するようにレーザアブレーションステーションを構成するために、マスクまたは直接書込を使用して微細加工される。ビアもまた、電気接続のために提供される。微細加工は、その中にホイール16が位置するチャンバ12を形成するためにプラスチックをアブレーションし、車軸18までの間隙19を画定し、本体14のフレーム部分を画定する。
ここで図11Cを参照すると、シート70は、ホイール16および車軸18までの間隙19の画定された特徴を伴い、チャンバ12は、積層ステーションにおいて、第2のシート(パターン化領域76として示される)、例えば、5ミクロンの厚さのPETのシートに積層され、シートの上面上に100AのAlの第2の金属層310を伴う。パターン化領域76として示される本第2のシートは、チャンバ12およびホイール16の画定された特徴によって提供される流動デバイス本体14にわたって膜を提供する。第2のシートもまた、金属層のコーティングに先立って、または続けて、整合孔(図示せず)を提供するために機械加工される。
第1のシートへの第2のシートの積層に先立って、第2のシートはまた、本体構造と整合するであろう一部の面積にわたっていくつかのランダムに分散された孔またはビューポート(図示せず)を提供される。これらのランダムに分散された孔は、第1のシート上の本体ユニットの下層特徴を明らかにし、認識するために機械ビジョンシステムによって使用される。データが、ランダムな孔を通した第1のシート内の認識された特徴を記録することによって発生される。これらのデータは、本体にわたる層から電極を形成するとき、第3のアブレーションステーションを整合させるために使用されるであろう。
第2のシートは、第1のシート上にプラスチックが存在し、第2のシート上にプラスチックが存在する面積内で第1のシートに積層され、したがって、それに粘着(または接着)する。この点で、マイクロ流動デバイスの繰り返し可能ユニットの複合シートが、形成されるが、膜上の層から形成される電極を伴わない。
機械ビジョンシステムは、レーザアブレーションシステムからのレーザビームがマスクに従って電極を提供し、本体の対応する部分と位置合わせされた電極を伴うように、レーザアブレーションステーションをマスク(または直接書込)と整合させる際にレーザアブレーションシステムによって使用されるデータファイルを生成する。電極は、電極および導体の部分ではない領域内の金属をアブレーションすることによって形成され、シート上に絶縁される電極および導体を残す。本体へのパターン化電極の位置合わせは、したがって、産業において一般的に見出される技法を使用して、レーザアブレーションシステムがレーザビームをマスクと整合させるために使用する位置付けデータを提供する積層された構造の前側上の特徴を観察するために機械ビジョンシステムを使用することによって提供される。
ここで図11Dを参照すると、複合シート70は、レーザアブレーションステーションに給送され、膜を形成している第2のシート上に堆積される100Å Al層をアブレーションすることによって電極を形成する。複合シートは、マスクに従ってパターン化され、本体の対応する領域にわたって電極を画定する。アブレーションステーションは、金属層から金属をアブレーションし、シート上に絶縁された電極を残す。
ここで図11Eを参照すると、図11Dからのシート70は、例えば、ホイールの部分を通して孔を設置する(図示せず)、または示されるようにホイール16の一部の上に電極22を設置することによって、断続器22を適用する積層およびパターン化ステーションを通過させられる。図11Eでは、電極22は、ホイール16の裏側に適用される。
いくつかの実装では、ホイールを形成する特徴を薄くする、すなわち、ホイールの自由回転を確実にするために数百オングストロームだけホイールの厚さを縮小することが、有用であり得る。これは、使用されている断続器に応じて、およびホイール上に設置される場合、断続器がホイールと同時に形成されるかどうかに応じて、第1のシートへの第2のシートの積層に先立って、またはホイールの形成に続けてのいずれかで遂行されることができる。ホイール16とホイール16と接触する1つ以上の膜32、36との間の任意の回転摩擦を低減させるために使用される1つの特定の実装は、カラーを提供することであろう。本実装では、図11E−1に示されるように、ホイール16(中心部分16aおよびブレード16b)は、裏側(および/または前側)上で薄くされ、車軸18のまわりで薄くされていない高さの狭いカラー29を残す。
代替技法は、本体と膜との間に非常に薄いスペーサ層(図示せず)を組み込み、ホイールの自由回転を確実にするために数ミクロンだけホイールのものに対して本体の高さを事実上増加させることであろう。これらのスペーサ層は、チャンバに対応する層内の開口を有するであろう。
孔等の断続器は、ホイールの形成に続けてホイールの一部の誘電特性を変化させるために、ホイールを形成するであろう材料を通して孔等を設置することによって、第1のシートへの第2のシートの積層に先立って、または続けて提供されることができる。
ここで図11Fを参照すると、図11Dからのシート70は、第3のシート78、例えば、5ミクロン厚さのPETのシートを適用するために異なる積層ステーションを通過させられることができ、シート78の上面上に100AのAlの第3の金属層80を伴う。本第3のシート78は、パターン化され、チャンバ12およびホイール16の画定された特徴によって提供される流動デバイス本体14にわたって膜36を形成する。第3のシート78の整合の間、機械加工された整合孔(図示せず)が、金属層80をパターン化し、電極38を形成するための誘導において使用されることができる。
代替として、デバイス10の個々のものを解放するためにダイシングされた後の図11Dのマイクロ流動デバイス10は、上記に議論される繰り返し可能層特性を使用して、2つ以上のもののスタックにおいて配列されることができる。第1のスタックされたデバイス要素10の第1の膜/電極組み合わせは、第1のデバイス要素10に取り付けられる第2のスタックされたデバイス要素のための電極/膜組み合わせのうちの1つを形成する。
図11A−11Fのロールツーロール処理の代替として、材料の未加工シートが、特徴がシートに適用されるように複数のステーションを通過させられ、シートは、続けて、巻き取られ、加工されたマイクロ流動デバイスを生成し、図11A−11Fに図示されたように、多くのそのような加工されたマイクロ流動デバイスが、シート上に加工される。下記に議論される処理アプローチは、特に、マイクロ加工デバイスがある方式で移動する、例えば、回転、摺動、枢動等をするように要求される特徴を有する場合、ロールツーロール処理を使用する多くのマイクロ加工デバイスの加工のために適合されることができる。下記の図12A−12Jでは、動作時に回転するホイール16(図1−7参照)を有するマイクロ流動測定デバイス10(または100)は、デバイス動作の間に移動する、例えば、回転、摺動、枢動等をする1つ以上の特徴を有するマイクロ加工デバイスの実施例として使用されるであろう。
ここで図12Aおよび12Bを参照すると、非金属化50ミクロン厚さのシート等の可撓性材料のシート170が、本体層14(図1)を提供するために使用されるであろう主面にわたる両面接着剤174を提供される。接着剤は、図12Bに図示されるように、シート170にわたって配置されるタイプ1801テープである。マイクロ流動デバイス10の特定の実装に関して、材料は、ポリエチレンテレフタレート(PET)である。他の材料も、使用され得る。
ここで図12Cを参照すると、接着剤174を伴うシート170は、可動部分に対応するであろう全ての領域から接着剤を一掃するようにパターン化される。したがって、デバイス10において使用されるホイール16の実施例に関して、マスク(図示せず)が、その中でホイール16が形成されるであろうシート170の面積から接着剤を除去するようにレーザアブレーションステーションを構成するために使用される。流動デバイス10に関して、これは、固定車軸18に対応するであろう中心部分上の接着剤を残しながら、本体14のフレーム部分上の接着剤を残すことを伴うであろう。
ここで図12Dを参照すると、シート170は、図1に議論されるように繋留されるチャンバ12およびホイール16を画定または形成するようにレーザアブレーションステーションを構成するために、別のマスク(図示せず)または直接書込を使用して微細加工される。伝導性ビアもまた、電気接続のために提供される。微細加工は、チャンバ12を形成するためにシートの材料をアブレーションし、ホイール16は、チャンバ12の内壁から離間され、車軸18は、ホイールから離間される一方、本体14のフレーム部分および本体のフレーム部分上の接着剤174および車軸を提供するであろうホイールの中心部分をそのままにする。
ここで図12Eを参照すると、微細加工されたチャンバ12、ホイール16、および車軸18(図1:図12Eに参照せず)を伴うシート170は、膜シート176aおよび176b、例えば、それぞれ、100A厚さのAlの金属層を伴う5ミクロン厚さのPETのシートに添着される。シート170は、膜シート176aおよび176bのうちの1つで両側上で添着され、それらのシートの金属層は、本体14から外向きに面し、これは、複合シート175を提供する。接着剤174(図12D)の領域は、シート176a、176bをシート170に接着させるであろう。
ここで図12Fおよび12Gを参照すると、シート176aおよび176bは、膜シート176a、176bによって担持されるパターン化電極177a(図12F)、177b(図12G)を形成するようにパターン化される。第2のシート176a、176bは、整合孔(図示せず)を提供するように機械加工されることができる。
ここで図12Hを参照すると、パターン化電極を支持するシート176aおよび176bを伴う複合シート175(シート176a、170、および176b)は、示されるように、流体アクセスポートおよび整合ピン孔189のためのチェイス185を切断するようにパターン化される。
ここで図12Iを参照すると、図12Hの複合シート175は、図12Jに示される事前加工されたシール層180a(示される)および180bの対の間に積層されるであろう。シール層180a、180bは、片面1801テープを担持する事前加工された50ミクロン厚さのシートである。事前加工されたシール層180a、180bは、流体アクセスポートにアクセスするためのチェイス185、電極にアクセスするためのアクセス切り欠き187、およびシートアレイ(図示せず)から複数のデバイス10を単一化(ダイシング)するために使用される固定具およびステッチ(図示せず)において流動デバイスを位置付けるための整合ピン孔189を切断するように処理される。
ここで図12Jを参照すると、電極アクセス切り欠き187a、187b、解放された可動部分、例えば、ホイール16、および流体アクセスポートにアクセスするためのチェイス185、および整合ピン孔189およびステッチ(図示せず)を伴う複合シート175は、片面1801テープを介して複合シートの両側上に配置される事前加工されたシール層180a、180bの対と添着される。
上記の技法はまた、議論されるように、機械ビジョンシステムを使用し、レーザアブレーションシステムからのレーザビームが、本体の対応する部分と位置合わせして使用されるマスクに従って特徴を提供するように、レーザアブレーションステーションをマスク(または直接書込)と整合させる際にレーザアブレーションシステムによって使用されるデータファイルを生成することができる。電極は、電極および導体の一部ではない領域内の金属をアブレーションすることによって形成され、シート上に絶縁された電極および導体を残す。
可動部分、例えば、ホイール、すなわち、上記に議論されるように形成する特徴を薄くすることは、カラーの形成を含む図12A−12Iの処理とともに適用され得る。
ここで図13A−13Cを参照すると、ホイール16は、ホイール16(図13A)を通したパターン化金属ドットまたは孔のいずれかであり得る断続器190とともに示される。本断続器は、本明細書に議論されるいずれかのプロセスを提供されることができる。図13Bは、ホイール16が、ホイール16を通したパターン化金属ラインまたはスリット(図13C)のいずれかである断続器192とともに示されることを示す。断続器は、本明細書に議論されるいずれかのプロセスを提供されることができる。断続器がホイール16内の金属ドットのセットであるかまたは孔またはラインまたはスリットのセットであるかに関わらず、ホイール16が回転する際、導体(図示せず)の重複部分の間に配置される誘電体は変動し、これは、重複する部分の間の容量の付随する変動を提供し、金属ドットまたは孔またはラインまたはスリットが回転方向に対して非対称である場合、ホイールの回転はまた、上記に議論されるように、容量変化から、回転方向のインジケーションを提供するであろう。
治具または試験固定具(図示せず)が、整合ピン孔と併用されることができる。組立のための他のスタック技法が、整合ピン孔の有無を問わずに可能性として考えられる。水平基部に搭載される垂直な4つの支柱を備え得る治具(図示せず)が、切削ダイスの個々のものをスタックするために使用される。治具上に、端部キャップ(例えば、金属層を伴う50ミクロンPETシート)が、提供され、端部キャップにわたって、第1の繰り返し可能ユニットが、提供される。繰り返し可能ユニットは、ユニットを治具上で定位置に保持するためにスポット溶接される(局所化加熱源を適用される)。各繰り返し可能ユニットが以前の繰り返し可能ユニットにわたってスタックされる際、そのユニットは、スポット溶接される。スタックは、スタックの一方の側上にポートを有し、スタックの他方の側上にポートを有することによって提供され、スタックにおけるポートのそれぞれを分離する中実表面を有するような弁の配列からの結果として互い違いにされる。いったんスタックが完了されると、上部キャップ(図示せず)が、提供されることができる。スタックユニットは、示されない積層ステーションに送出され、スタックは、積層され、繰り返し可能ユニットおよびキャップの全てをともに積層する。端部キャップおよび上部キャップは、包装の一部でもあり得る。そうでなければ、繰り返し可能ユニットのセットが、対において積層または溶接されることができる。組立のための他のスタック技法も、整合孔の有無を問わずに可能性として考えられる。
スタックされた流動デバイス10上のパターン化電極を相互接続するためのビア導体が、タブを介して、城郭構造である導体と、すなわち、電極タブに接触する比較的に広い面積および電極内の孔を通した比較的に狭い面積と接続される。本配列は、電極部分を通した孔よりも大きい本体部分内の孔を有することによって提供される。これは、それぞれ、本体および電極のパターン化段階の間に遂行されることができる。ビア導体は、孔の中への上記に言及される伝導性インクの導入によって形成される。
本明細書に説明される異なる実装の要素は、上記に具体的に記載されない他の実施形態を形成するために組み合わせられてもよい。要素は、それらの動作に悪影響を及ぼすことなく、本明細書に説明される構造から除外されてもよい。さらに、種々の別個の要素は、本明細書に説明される機能を実施するために、1つ以上の個々の要素に組み合わせられてもよい。
他の実施形態も、以下の請求項の範囲内である。例えば、図12A−12Jに示されるように、加工されたマイクロ流動測定デバイス(図12J)は、図12Hの複合シート175の両側上に図12Jに示される事前加工されたシール層180a(図12I)および180bの対を含む。いくつかの実装におけるシール層180a、180bは、膜シート176aおよび176bがマイクロ流動測定デバイスを通した空気流に起因する歪曲に抵抗するために十分に堅性にされる、または十分に強くされる限り、省略されることができる。膜がマイクロ流動測定デバイスの動作の間に撓曲または屈曲する必要がなく、そうするべきではないことを前提として、(容量の測定における雑音を回避するために)膜は、5ミクロンよりも厚くされることができる、またはガラスまたは堅性プラスチック等のより堅性の材料から作製されることができる。この場合、基本マイクロ流動測定デバイスは、3つの層であり、すなわち、ホイール16を格納する層および電極32、38を担持する複数の層であり得る。電極は、外向きに面し、したがって、電極アクセス切り欠き187a、187bの必要性をなくす。
Claims (28)
- マイクロ流動デバイスであって、
本体であって、前記本体は、チャンバと、前記チャンバの中への通路を有する第1のポートおよび第2のポートとを有する、本体と、
前記本体の第1の表面にわたる第1の膜と、
前記第1の膜の一部の上の第1の電極と、
前記本体の第2の対向する表面にわたる第2の膜と、
前記第2の膜の一部の上の第2の電極と、
前記第1の膜および第2の膜に添着される前記チャンバ内の車軸と、
ホイール部材であって、前記ホイール部材は、前記車軸部材のまわりで前記チャンバ内に配置され、ある間隙だけ前記車軸から離間される、ホイール部材と、
前記第1の膜および第2の膜の間に配置される断続器特徴と
を備える、マイクロ流動デバイス。 - 前記第1の膜に接続される第1の端部キャップと、前記第2の膜に接続される第2の端部キャップとをさらに備え、可撓性材料の前記第1の膜および第2の膜は、数マイクロの厚さを有し、可撓性材料から成る前記本体は、前記第1の膜および第2の膜の可撓性材料の厚さの倍数の厚さを有する、請求項1に記載のマイクロ流動デバイス。
- 前記断続器特徴は、前記ホイール部材が回転する際、前記第1の電極および第2の電極の間の容量の変化を引き起こす前記ホイール部材の構造的特徴である、請求項1に記載のマイクロ流動デバイス。
- 前記第1の電極および前記第2の電極に結合される容量測定回路をさらに備える、請求項1に記載のマイクロ流動デバイス。
- 前記断続器特徴は、前記ホイールの回転方向に対する対称特徴である、請求項1に記載のマイクロ流動デバイス。
- 前記断続器特徴は、前記ホイール上にあり、前記マイクロデバイスはさらに、前記第1の電極および前記第2の電極に結合される容量測定回路を備え、前記ホイール部材上の前記電極は、反時計回り方向における前記ホイール部材の回転と比較して、時計回り方向における前記ホイール部材の回転に関する測定された容量の変調を引き起こし、前記容量測定回路が、前記第1のポートおよび第2のポートの間の流率を判別することを可能にするが、流体流動方向を判別することを可能にしない、請求項5に記載のマイクロ流動デバイス。
- 前記断続器特徴は、前記ホイールの回転方向に対する非対称特徴である、請求項1に記載のマイクロ流動デバイス。
- 前記断続器特徴は、前記ホイール上にあり、前記マイクロデバイスはさらに、前記第1の電極および前記第2の電極に結合される容量測定回路を備え、前記ホイール部材上の前記電極は、反時計回り方向における前記ホイール部材の回転と比較して、時計回り方向における前記ホイール部材の回転に関する測定された容量の実質的に不均等な変調を引き起こし、前記容量測定回路が、前記第1のポートおよび第2のポートの間の流率および流体流動方向を判別することを可能にする、請求項7に記載のマイクロ流動デバイス。
- スタックにおける少なくとも1つの付加的マイクロ流動デバイスを備え、前記少なくとも1つのマイクロ流動デバイスは、前記第1の電極に電気的に接続される付加的な第1の電極と、前記第2の電極に電気的に接続される付加的な第2の電極とを有する、請求項1に記載のマイクロ流動デバイス。
- 前記ホイールはさらに、
中心コアと、
前記中心コアに接続される複数のブレードと
を備える、請求項1に記載のマイクロ流動デバイス。 - 前記容量測定回路はさらに、前記容量測定回路からの測定された容量を流量値に変換するコントローラを備える、請求項5に記載のマイクロ流動デバイス。
- 前記断続器特徴は、電極、スリットのセット、電極のセット、開口のセットのうちの1つ以上である、請求項1に記載のマイクロ流動デバイス。
- 回転可能要素を製造する方法であって、前記方法は、
第1の本体シート上に配置される金属層をパターン化し、回転可能要素を画定する金属の領域を生成することと、
前記第1のシートをパターン化し、前記回転可能要素および車軸を封入するチャンバを画定する内壁を有する本体要素を生成することであって、前記回転可能要素は、第1の間隙だけ前記本体要素の内壁から離間され、第2の間隙だけ前記車軸要素から離間され、前記回転可能要素を本体部材に繋留するブリッジ要素の第1のセットと、前記回転可能要素を前記車軸部材に繋留するブリッジ要素の第2のセットとを有する、ことと、
可撓性材料の第2のシートの第1の外表面を前記第1のシートの第1の外表面に積層し、前記第2のシートを前記本体要素および前記車軸に添着することであって、前記第2のシートの第2の外表面は、前記第2のシートに添着される電極を有する、ことと、
前記第2のシート上の伝導性要素をパターン化し、第1の電極を提供することと
を含む、方法。 - 可撓性材料の第3のシートを前記第1のシートの第2の外表面に積層し、前記第3のシートを本体要素および前記車軸要素に添着することであって、前記第3のシートは、前記第2のシートに添着される電極を有する、ことと、
前記第3のシート上の伝導性要素をパターン化し、第2の電極を生成することと
をさらに含む、請求項13に記載の方法。 - パターン化することはさらに、前記第1のシートをパターン化し、前記本体要素を通してポートの対を生成することを含む、請求項13に記載の方法。
- 前記方法は、第1の繰り返し可能層を形成し、前記方法はさらに、
第2の繰り返し可能層を含む複数の付加的繰り返し可能層を生成することと、
前記第1の繰り返し可能層上に前記第2の繰り返し可能層をスタックすることと
を含む、請求項13に記載の方法。 - 積層した後、前記方法はさらに、前記ブリッジの第1のセットおよび第2のセットを除去することを含む、請求項13に記載の方法。
- ホイール要素上に配置される第2の金属層をパターン化し、断続器要素を画定することをさらに含む、請求項13に記載の方法。
- マイクロ流動デバイスであって、
本体であって、前記本体は、チャンバと、前記チャンバの中への通路に結合される第1のポートおよび第2のポートとを有する、本体と、
前記チャンバの中心のまわりに配置される車軸部材と、
ホイール部材であって、前記ホイール部材は、前記車軸部材のまわりで前記チャンバ内に配置され、狭い間隙幅を有する間隙だけ前記車軸部材から離間される、ホイール部材と、
第1の膜の一部の上に第1の電極を有する前記本体の第1の表面にわたる可撓性材料の第1の膜と、
第2の膜の一部の上に第2の電極を有する前記本体の第2の対向する表面にわたる第2の膜と、
断続器特徴であって、前記断続器特徴は、前記ホイールが回転する際、前記第1の電極および第2の電極の間の容量値の変化を引き起こす、断続器特徴と
を備える、マイクロ流動デバイス。 - 前記断続器特徴は、容量の対称変化を引き起こす対称特徴である、請求項19に記載のマイクロ流動デバイス。
- 前記断続器特徴は、容量の非対称変化を引き起こす非対称特徴である、請求項19に記載のマイクロ流動デバイス。
- 前記断続器特徴は、前記ホイール部材の外表面の一部にわたって添着される電極、前記ホイールの第1の部分と前記ホイールの第2の部分との間の誘電体の変動のうちの1つ以上である、請求項19に記載のマイクロ流動デバイス。
- 回転可能要素を製造する方法であって、前記方法は、
可撓性材料の第1のシートの第1の表面上に配置される接着層をパターン化し、ある面積内の前記接着層の部分を除去し、回転可能要素のための場所を画定することと、
前記第1のシートをパターン化し、前記第1のシート内に前記回転可能要素を画定することと、
第2の可撓性材料の膜層の対を前記パターン化された第1のシートの対向する表面に接着させることであって、前記膜層の対のそれぞれは、電極を有する、ことと、
前記膜層の対のそれぞれの上の前記電極をパターン化し、それぞれ、第1の電極および第2の電極を提供することと、
シール層の対を前記膜層の対の表面に接着させることと
を含む、方法。 - 前記第1のシートをパターン化することはさらに、前記第1のシートの1つの面積をパターン化し、チャンバおよび車軸要素を画定することを含み、前記回転可能要素は、前記車軸要素のまわりに配置され、前記回転可能要素は、第1の間隙だけ前記チャンバの内壁から離間され、第2の間隙だけ前記車軸要素から離間され、前記回転可能要素を本体部材に繋留するブリッジ要素の第1のセットと、前記回転可能要素を前記車軸部材に繋留するブリッジ要素の第2のセットとを有する、請求項23に記載の方法。
- パターン化することはさらに、前記第1のシートをパターン化し、前記チャンバの中への通路を提供する前記本体要素を通したポートの対を生成することを含む、請求項24に記載の方法。
- 前記回転可能要素は、ホイールである、請求項23に記載の方法。
- 前記シール層を接着させた後、前記方法はさらに、前記ブリッジの第1のセットおよび第2のセットを除去することを含む、請求項23に記載の方法。
- 前記方法はさらに、前記ホイール上に断続器特徴を形成することを含む、請求項27に記載の方法。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20210513 |
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A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20220510 |
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A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20221201 |