JP3463929B2 - 体積センサのない微量分注デバイス、分注デバイス配列、および微量分注デバイスの使用用途 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本願発明は、微量分注デバイスに関する。０．０１μｌ
及び１μｌ間の範囲の極めて小さい体積の流体を正確に
分注することは、たとえばバイオテクノロジー、ＤＮＡ
分析化学及びコンビナトリアルケミストリの分野におい
て、非常に、そして決定的に重要である。従来技術で
は、小さい体積の分注に、ディスペンサまたはピペット
が主に使用される。これらの場合、分注されるべき体積
は、いわゆるピストン型直接変位によって直接的にか、
または中間エアクッションを介してか、いずれかの方法
で変位される。この点で、たとえば“Ｐｉｐｅｔｔｉｅ
ｒｅｎ ｕｎｄ Ｄｉｓｐｅｎｓｉｅｒｅｎ”，Ａ．Ｊ
ａｈｎｓ，Ｆａｃｈｚｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔ ｄｅｒ
Ｔｅｃｈｎｉｓｃｈｅｎ Ａｓｓｉｓｔｅｎｔｅｎ ｉ
ｎ ｄｅｒ Ｍｅｄｉｚｉｎ，ｖｏｌｕｍｅ ８（１９
９３），Ｎｏ．１２，頁１１６６−１１７２，Ｕｍｓｃ
ｈａｕＺｅｉｔｓｃｈｒｉｆｔｅｎｖｅｒｌａｇの記事
が参照される。エアクッションピペットは、０．０１μ
ｌから５ｍｌ間の体積の分注に適しており、１μｌを超
える体積の場合は、±２〜３％の精度で達成される。し
かし、より小さい体積の場合、達成される精度は、ピペ
ットの先端でのサーフェスエフェクトのために、約±１
０％の精度でしかない。より小さい体積の場合の限られ
た分注精度は主に、ピペットまたはディスペンサの先端
が被分注媒体の中に浸されなければならず、それによっ
て、分注される量が表面張力、湿潤及び静水圧等の効果
に影響されるという事実が原因である。これらの問題と
ともに、浸すことによる媒体の持ち越し汚染の危険を避
けるため、分注システムは、自由噴流での分注体積の吐
出に基づくべきである。直接変位ディスペンシングデバ
イスは、この付加的な利点をもたらすが、それは約１０
μｌ以上の体積の場合にのみである。自由噴流で極めて
小さい体積の流体を吐出する公知のシステムは、インク
ジェット印字ヘッドである。インクジェット印字ヘッド
は、２つの根本的に異なる原理、すなわちサーマルトラ
ンスデューサを利用して有効なものと、圧電トランスデ
ューサを利用して有効なものに基づいているとして知ら
れている。この点は、Ｎ．Ｓｃｈｗｅｓｉｎｇｅｒの文
献：“Ｐｌａｎａｒｅｒ Ｔｉｎｔｅｎｓｔｒａｈｌｄ
ｒｕｃｋｋｏｐｆ”．Ｆ＆Ｍ，１１−１２；頁４５６−
４６０；１９９３；Ｈ．Ｂｅｎｔｉｎ，Ｍ．Ｄｏｅｒｉ
ｎｇ，Ｗ．Ｒａｄｔｋｅ，Ｕ．Ｒｏｔｈｇｏｒｄｔの文
献：“Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ
Ｍｉｃｒｏ−Ｐｌａｎａｒ Ｉｎｋ−Ｄｒｏｐ Ｇｅ
ｎｅｒａｔｏｒｓ”．Ｊ．Ｉｍａｇｉｎｇ Ｔｅｃｈｎ
ｏｌｏｇｙ，３；頁１５２−１５５；１９８６；及びＷ
ｏｒｆｇａｎｇ Ｗｅｈｌ；Ｔｉｎｔｅｎｄｒｕｃｋｔ
ｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅ；Ｐａｒａｄｉｇｍａ ｕｎｄ
Ｍｏｔｏｒ ｄｅｒ Ｍｉｋｒｏｓｙｓｔｅｍｔｅｃｈ
ｎｉｋ；Ｆｅｉｎｗｅｒｋｔｅｃｈｎｉｋ ＆ Ｍｅｓ
ｓｔｅｃｈｉｎｉｋ；ｐａｒｔ １ ｉｎ ｅｄｉｔｉ
ｏｎ ６／９５，ｐａｒｔ ２ ｉｎ ｅｄｉｔｉｏｎ
９／９５が参照される。「ドロップ・オン・デマン
ド」の原理による印字ヘッド操作の場合、小さいインク
滴は、自由噴射で、電圧パルス印加の後に紙の上に投げ
つけられる。典型的な滴の直径は約６０μｍ、すなわち
体積が約０．０００１μｌである。しかし、通常これら
の印字ヘッドは、特殊なインクと組み合わせてのみ使用
されるように適合されている。たとえばバイオテクノロ
ジーの分野で使用される媒体は、ほとんどの場合、粘度
や表面張力に関するかぎり、これらのインクとは非常に
異なる。しかし、粘度や表面張力は、実質的に滴のサイ
ズ、ひいては分注される体積に影響する。更に、滴の生
成は非常に限られた粘度範囲でのみ可能である。更に、
個々の滴の体積は、制御パルスを変更することにより、
非常に限られた範囲でのみ変更可能である更に、非常に
異なる粘度を有する媒体の場合に滴を生成することも可
能な分注システムが知られている。そのようなシステム
は、たとえば文献“Ｍｉｋｒｏｄｏｓｉｅｒｕｎｇ”，
ｍｉｃｒｏｄｒｏｐ ＧｍｂＨの医療チームの会社発行
誌，Ｎｏｒｄｅｒｓｔｅｄｔ，１９９５に記述されてい
る。インクジェット印字ヘッドの場合のように、ここで
は滴の体積が主にノズル直径のサイズにより決定され
る。非常に限られた範囲でのみ、それはアクチュエータ
の電気制御により影響され得る。しかし、インクジェッ
ト印字ヘッドの場合のように、ノズルでの滴下の工程
は、被分注媒体の物理的特性、すなわち粘度、表面張力
等に依存する。よって、滴の正確なサイズは、この場合
もやはり媒体に強く依存している。ほとんどの場合、
０．１μｌ及び１μｌの範囲内である所望の体積の分注
は、同じサイズの個々の滴の計数に基づく。個々の滴の
典型的な体積は、０．００１μｌより小さい。しかし、
この工程では個々の滴の体積誤差が蓄積するため、分注
精度は著しく限定される。この分注精度の増大は、複雑
で高価なシステムの補助によってのみ可能である。たと
えば、分注工程において個々の滴のサイズを決定し、必
要な滴の数を計算することが可能な画像処理システムが
使用できる。更に、分注精度を増大する別の方法によれ
ば、蛍光物質が被分注媒体に混合されることが可能であ
る。この別の方法の場合、分注工程は、蛍光シグナルの
強度が設定値に達した時に終了する。しかし、上述の分
注精度を増大する方法は、共に非常に複雑で高価であ
る。ＥＰ−Ａ−０４３９３２７は、たとえば分注デバイ
スにおいて使用されるように適合されたマイクロポンプ
用の制御システムを開示する。この制御システムは、ポ
ンプを通る流体の吐出を制御するために、駆動パルスの
発生を選択的に制御する。この公知のマイクロポンプの
制御は、ポンプ膜を駆動する役割の圧電駆動エレメント
を制御するために、異なる振幅を有する各矩形波信号を
用いる。ＥＰ−Ａ−０７２５２６７は、数百ｐｌから数
μｌの範囲の極めて小さい流体体積を扱うための電気的
に制御可能なマイクロピペットを開示する。この公知の
マイクロピペットの主な部品は、マイクロイジェクショ
ンポンプとして作動する微小膜ポンプである。マイクロ
プレッシャーポンプまたはマイクロサクションポンプと
して実施される第２の微小膜ポンプが付加的に設けられ
ることが可能である。これら各々のポンプは、矩形波電
圧により制御される。本願の出願人により所有され、１
９９７年２月１９日に出願された先願である非公開ドイ
ツ出願１９７０６５１３．９−５２は、正確に規定され
た体積の流体の吐出を可能にする。この出願は、少なく
とも部分的にディスプレーサによって区切られる圧力チ
ャンバを含む微量分注デバイスを開示する。ディスプレ
ーサを作動させる作動デバイスが設けられ、圧力チャン
バの容積は、ディスプレーサの作動によって変更される
ように適合されている。媒体貯蔵器は、第１の流体ライ
ンを介して圧力チャンバと流体連絡しており、出口孔は
第２の流体ラインを介して圧力チャンバと流体連絡して
いる。出口孔から規定された流体体積が吐出されるため
に、上述の文献は、ディスプレーサの各々の位置を検知
する手段と作動デバイス及びディスプレーサの位置を検
知する手段に接続される制御手段とが設けられており、
制御手段は、検知されたディスプレーサの位置に基づい
て、または少なくとも１つ先行の分注周期の間に検知さ
れたディスプレーサの位置に基づいて、作動デバイスを
制御することを開示する。上述のドイツ出願１９７０６
５１３．９−５２において開示される微量分注デバイス
の手段で、体積センサの出力信号に基づいて、ディスプ
レーサのアクチュエータを制御することにより、被分注
流体の粘度に関係なく、正確に規定された体積の流体を
放出することが可能である。従って、規定された流体体
積は、被分注媒体の粘度、表面張力等にほとんど関係が
ないということである。すなわち、粘度及び表面張力に
関して異なる媒体は、上述のドイツ出願によって分注さ
れることが可能であり、そのような媒体は、たとえばバ
イオテクノロジーの分野で用いられるものである。記述
された先行技術から始まり、本願発明の目的は、操作範
囲内で、被分注媒体の粘度に関係なく分注操作を可能に
する、複雑でない微量分注デバイスを提供することであ
る。この目的は請求項１による微量分注デバイスにより
達成される。本願発明は、体積センサ手段、すなわちデ
ィスプレーサの位置を検知する手段が、上述のドイツ出
願１９７０６５１３．９−５２で開示される微量分注デ
バイスで省かれたとしても、十分に広く興味ある操作範
囲において、粘度に関係のない分注をもたらすことが可
能であるという洞察に基づく。分注工程のこの粘度の無
関係性は、多くの使用の場合を満足し、本願で記述され
ているものであるが、上述のドイツ出願１９７０６５１
３．９−５２では開示されていない。なぜなら、そこで
は、本質的に粘度に無関係な規定の液量の放出が、その
ような体積センサ手段に基づいて実行されているからで
ある。本願発明は、少なくとも部分的にディスプレーサ
によって区切られる圧力チャンバと、ディスプレーサを
作動させるための作動デバイスであって、圧力チャンバ
の容積がディスプレーサを作動させることによって変更
できるように適合されている作動デバイスと、圧力チャ
ンバと流体連絡している媒体貯蔵器と、圧力チャンバと
流体連絡している出口孔と、制御手段とを含む、体積セ
ンサのない微量分注デバイスを提供する。圧力チャンバ
に流体体積を吸入するために、第１の位置から所定の第
２の位置までのディスプレーサの動きによって、単位時
間毎に、容積の小さい変化がもたらされ、ディプレーサ
の第２の位置が第１の位置より大きい圧力チャンバの容
積を規定するように、制御手段の補助で微量分注デバイ
スが駆動される。第２の段階の間、この方法で規定の流
体体積を出口孔から放出するために、第２の位置から第
１の位置へのディスプレーサの動きによって、単位時間
毎に、圧力チャンバの容積の大きい変化がもたらされる
ように、制御手段は微量分注デバイスを駆動する。本願
発明によれば、ほとんどのインク印字ヘッドにおいて用
いられる音響原理とは対照的に、流体の直接変位によ
り、流体が放出される。そのような印字ヘッド、特に圧
電駆動される印字ヘッドでは、ノズルの方向に伝播しノ
ズルで滴を滴下させる圧縮波が、通常、分注チャンバに
おいて生成される。ここでは、滴の直径は、基本的にノ
ズルの断面の２倍に相当する。これとは対照的に、圧縮
波は、公知のいわゆるバブルジェットプリンタにおい
て、蒸気泡により生成される。蒸気泡によりもたらされ
る変位は、蒸気泡のサイズにより約５０から１００ｐｌ
の体積に限られ、物理的原理により実質的に増加され得
ない。これには、典型的に、ノズルの断面の２倍のオー
ダーのサイズを有する個々の滴が滴下されるという効果
があり、一方、本願発明によれば、全体の体積がこの個
々の滴よりも大きい流体の噴射が得られる。個々の滴を
生成するために使用される各メカニズムにおいて、滴の
正確な滴下及び結果的に分注される流体体積は、たとえ
ば流体の粘度、表面張力、温度、制御電圧等の多くの細
目に依存する。これらの個々の滴のメカニズムにおい
て、滴のサイズ及び滴の滴下の際に生じる「ドロップテ
ール」の形成の両方が異なる。従って、異なる粘度は、
分注される個々の滴の体積の変動につながり、各個々の
滴の絶対分注誤差は、分注されるべき全体積が生成され
る際に、個々の滴の加重によって累積する。よって、全
体積の相対分注誤差は、個々の滴の相対分注誤差に相当
する。本願発明の着想は、高い機械的エネルギーで、個
々の滴よりも実質的に多い量の流体を放出することであ
る。流体の放出される量は、約１０から１，０００の個
々の滴の体積になり得るが、これらの値は単なる例示で
ある。よって、本願発明によると、流体噴射が出る際に
生ずる効果は、流体噴射の最初と最後にしか影響せず、
合計分注体積に関して、これらの効果は副次的な重要性
しか持たない。出口孔またはノズルから吐出される流体
量の主要部分は、慣性または摩擦によって決定される。
従って、流体の直接変位に基づく本願発明による方法の
場合、滴の滴下により生ずる誤差は、全流体量について
一度しか生じない。個々の滴のメカニズムでは、１０か
ら１，０００の個々の滴の累積は、個々の滴の誤差の累
積を伴う一方、本願発明は、概略を言えば、分注される
流体量に含まれる個々の滴の数による誤差が減少される
ことを可能にする。これに関連して、本願発明によれ
ば、流体噴射は、ノズルを離れるときに、個々の滴に分
解されることも可能であるという事実に留意すべきであ
る。しかし、流体は既にノズルを離れているので、これ
は合計分注量に何の影響も与えない。更に、ディスプレ
ーサが基本的に強制的に制御されるような動きの固さ
で、作動デバイス及びディスプレーサが実行される場
合、より正確な分注が達成され得る。媒体貯蔵器は、第
１の流体ラインを介して圧力チャンバに接続されること
が可能であり、出口孔は、第２の流体ラインを介して圧
力チャンバに接続されることが可能である。本願発明の
実施例によれば、制御手段は、記述された容積の変更が
もたらされるように、作動デバイスを制御する。この目
的で、制御手段は、第１の段階において、エッジの急峻
度が低い第１の信号で作動デバイスを制御することがで
き、一方この制御手段は、第２の段階において、エッジ
の急峻度が高い第２の信号で作動デバイスを制御する。
よって、第１及び第２の流体ラインにおける流体の動き
は、第１の段階では実質的に慣性とは無関係であり、第
２の段階における流体の動きは、第１及び第２の流体ラ
インにおける流体慣性の関係によって、本質的に決定さ
れる。代わりに、膜として実施される場合、ディスプレ
ーサは、第１の位置を占めるように、作動デバイスによ
って予め引っ張られるように適合でき、第１の段階の始
まりで、作動デバイスの作動に応じて、膜の復元力によ
ってのみ第１の位置から第２の位置への膜の移動が起こ
るように、膜は作動デバイスに非固定的に接続されてい
る。これは、ディスプレーサが第１の位置から第２の位
置へと動く際に、単位時間毎に、圧力チャンバの容積の
小さい変化をもたらす別の可能性である。膜の復元力
は、圧力チャンバにおける復元力によってもたらされる
負の圧力が第２の流体ライン中に行き渡る毛細管圧より
も小さいように設定されるのが好ましい。本願発明は付
加的に、たった一回のキャリブレーションの後、後続の
分注段階において、再現可能な結果が得られるような、
上述のタイプの微量分注デバイスのキャリブレーション
の方法をもたらす。また、本願発明による微量分注デバ
イスは、上述の第１の段階の間、ピペッティングされる
流体中に出口孔を浸すことにより、ピペットとして使用
することも可能である。微量分注デバイスが初めて操作
されるとき、圧力チャンバ及び流体ラインは、流体中で
の吸入のための第１の段階で作動デバイスを作動させる
前に、まず流体で満たされる。本願発明による微量分注
デバイスは、マイクロメカニックスの方法、特に半導体
技術の分野における方法を利用して、有利な方法で製造
されることが可能である。更に、本願発明による微量分
注デバイスは、たとえば圧力チャンバ、ディスプレーサ
及び随意的に少なくとも第１及び第２の流体ラインの部
分が、マイクロメカニックスの方法によって交換式のモ
ジュールとして実施されるような、モジュール式の構造
設計を有し得る。更に、媒体貯蔵器が、交換式のモジュ
ールの一部になってもよい。この場合も、それはマイク
ロメカニックスの方法によって製造される。前述のよう
に、本願発明による分注工程の本質的な利点は、全体と
しての流体噴射が吐出され、たとえばバイオテクノロジ
ーの分野において所望の分注体積を得るために複数の個
々の滴を加える必要がないという事実に見出される。従
来のシステムの場合のように、出口孔で自由噴射を正確
に出すことは、媒体の特性によって影響されるが、それ
でもなお、本願発明によっては、より高い分注精度が得
られる。また、本願発明による微量分注デバイスの媒体
ディスプレーサは、工程の最中に、０．０１μｌ及び
０．１μｌ間の所望の範囲で、容易により多い体積を吐
出することができるので、個々の滴の滴下の結果であっ
て０．０００１μｌの滴の体積の場合に相対誤差が比較
的大きい体積誤差は、もはや大して重要ではない。滴毎
の体系的な誤差の累積は、本願発明によってはもはや生
じない。自由噴射の形で出口孔を通って流体が放出され
るように、ディスプレーサが第２の位置に戻されつつあ
るとき、それによって圧力チャンバの容積が減じられる
のであるが、第１の流体ラインすなわち貯蔵器通路及び
第２の流体ラインすなわちノズル通路における流体の動
きは、各流体ラインにおける流体慣性間の関係によっ
て、ほぼもっぱら決定されるが、流体ラインの流体抵抗
間の関係は無視できる。よって、本願発明による微量分
注デバイスによって放出される規定の流体体積は、被分
注媒体の粘度、表面張力等とはほとんど無関係である。
従って、本願発明は、異なる粘度と表面張力を持つ媒体
の分注に用いられることが可能であり、この種の媒体
は、バイオテクノロジーの分野で用いられる。また、本
願発明による微量分注デバイスは、各々流体及び液体の
ピペッティングに使用できる。この目的で、ノズルとも
呼べる出口孔を介して、たとえばピペッティングされる
べき流体にノズルを浸すことにより、流体が吸引され
る。続いて、吸引された流体は、前述のように自由噴射
で吐出される。吸引は、たとえば吸引効果を生じさせる
媒体貯蔵器における負の圧力によって、またはアクチュ
エータの適切な動きによって行われることが可能であ
る。また、本願発明による微量分注デバイスは、不活性
流体で満たされた圧力チャンバの出口孔が、第１の段階
の間、ピペッティングされる流体に浸されている場合、
または前もって満たされていないシステムが、液体に浸
されつつあるときに、毛細管現象によってのみ満たされ
る場合に、ピペットとして用いられるのに適する。本願
発明の更なる展開は、従属項において開示される。本願
発明の実施例が、添付の図面を参照しながら以下詳細に
説明される。 ［図面の簡単な説明］ 図１は、本願発明による微量分注デバイスの実施例の作
用を示す略断面図である。 図２は、本願発明による微量分注デバイスの作動デバイ
スを制御する制御信号を示す図解図である。 図３Ａ及び３Ｂは、本願発明による微量分注デバイスを
実現する実施例の概略図である。 図４は、本願発明による微量分注デバイスの更なる実施
例の略斜視図である。 図５は、動的粘度に対する分注体積のグラフである。 図６は、圧電電圧に対する分注体積のグラフである。 図７は、本願発明による微量分注デバイスの動態を表す
図である。 図８は、本願発明による微量分注デバイスにより構成さ
れる微量分注デバイスの配列を示す分解概略図である。 図９は、組み立てられた状態での図８に示される微量分
注デバイスの配列の概略図である。

【発明の実施の形態】図１は、本願発明による微量分注
デバイスの可能な実施例を示し、特に半導体技術的方法
による分注エレメントを製造するのに適している。示さ
れる実施例において、媒体ディスプレーサ１０は、シリ
コンにエッチングされた硬化膜として実現される。ディ
スプレーサ構造は、膜１６を設ける台形の凹部をもたら
す異方性ＫＯＨエッチングの手段で製造される。硬化膜
に加えて、非硬化膜を使用することも可能である。図１
で示される本願発明の実施例において、ディスプレーサ
構造１０は、陽極ボンディングによりパイレックスガラ
ス１８に接続される。実施例では、ディスプレーサ構造
１０が配されるシリコンウェハにおいて凹部が設けら
れ、この凹部は、貯蔵器通路２０、ノズル通路２２及び
圧力チャンバ２４を定める。ノズル通路２２は、出口穴
２６に流体連絡しており、それは図１において破線で示
される。出口孔２６は、ノズルの形で実施され得る。貯
蔵器通路２０は、媒体貯蔵器（図示せず）に流体連絡し
ている。圧力チャンバ２４は、ディスプレーサの動きに
よって制御されるよう適合される分注体積２８を定め
る。図１に示される実施例において、圧電作動デバイス
は、示される実施例ではピエゾスタックアクチュエータ
３０であり、ピエゾスタック３０を作動させることによ
り媒体ディスプレーサ１０が動かされるように、橋脚歯
３２を介して、ディスプレーサの中央硬化エリアに接続
される。ピエゾスタック３０は、制御手段（図示せず）
に電気的に接続される。圧力チャンバまたは分注チャン
バ２４、流体ライン２０、２２及び出口孔２６は、たと
えば標準的なエッチング技術によってシリコンウェハに
おいて生成されることが可能である。分注チャンバ及び
流体ラインは、シリコンウェハをパイレックスプレート
（ガラス）に陽極ボンディングの手段で接続することに
より密閉され得る。示されるピエゾスタックアクチュエ
ータとは別に、代替の駆動手段として、ピエゾベンディ
ングトランスデューサまたはピエゾプレートが使用され
得る。しかし、本願発明は、圧電駆動手段だけでなく、
たとえば電磁または静電等による他の駆動手段が使用さ
れ得ることはあきらかである。貯蔵器通路、圧力チャン
バ、ノズル通路及びディスプレーサ膜は、台形または三
角形の通路断面となる異方性ＫＯＨエッチングにより生
成されることが好ましい。しかし、たとえばドライエッ
チング技術により生成される、垂直壁を有する溝（トレ
ンチ）など、他の任意の断面の形状も用いられる。上述
の構造設計に加えて、本願発明によるマイクロメカニッ
クの方法で生成された微量分注デバイスの通路及び凹部
は、シリコンで構成される代わりに、パイレックスガラ
スで構成されることも可能である。また、通路及び凹部
を実現するために、シリコンとパイレックスガラスにお
ける構成の組み合わせを用いることも可能である。決定
パラメータの大きさ、流体抵抗、流体インダクタンス及
び毛細管圧は、通路の長さとエッチングされた深さによ
り決定される。２つの通路及び圧力チャンバのエッチン
グされた深さは、マルチマスク工程により、互いに関係
なく変更され得る。図１に示されるように、中央硬化エ
リアのある膜１６が、媒体ディスプレーサ１０として用
いられるのが好ましい。そして、中央硬化エリアは、ア
クチュエータ３０との接続面として使用されるのが好ま
しい。硬化膜が媒体ディスプレーサ１０として用いられ
る場合、分注範囲は、アクチュエータの所定の変位経路
に関して、膜の幅を介して適合され得る。図２を参照し
ながら、本願発明の実施例による分注工程が、以下詳細
に説明される。まず、装置、すなわち流体ライン２０及
び２２と圧力チャンバ２４とは、独立的に毛細管力によ
って、またはたとえば出口孔での負の圧力の生成による
媒体貯蔵器への圧力の印加、媒体中でのポンピングまた
は流体中での吸引による外的支持の手段で、初めて満た
される。出口孔またはノズルの位置で、媒体の吐出は表
面張力により妨げられる一方、媒体の分注チャンバへの
還流は、毛細管力により妨げられる、すなわち流体のメ
ニスカスは自動的にノズルの位置に調節される。たとえ
ば本願発明による分注デバイスの長時間に渡る非操作段
階の後に最初の分注工程が行われる場合等にのみ必要な
最初の充満の後、以下記述されるステップが実行され
る。図２で吸引段階と呼ばれる期間の間、エッジの急峻
度が低い制御信号Ｕ（ｔ）がまず作動デバイスに印加さ
れる。これによって、膜は最初の位置からゆっくりと動
き、被分注流体が両方の通路、すなわちノズル側と貯蔵
器側から分注チャンバへと吸入される。制御信号のエッ
ジの急峻度が低いことは、被分注流体がほとんど加速さ
れないという効果を有する。流体抵抗と個々の通路の毛
細管圧により、膜は２つの通路から異なるサブボリュー
ムを吸い上げる。工程の速度が遅いために、流体の慣性
が無視できる。しかし、この工程では、ノズル通路がま
ったく空の状態でないように注意すべきである。なぜな
ら、そのときは空気が分注チャンバに浸透しかねないか
らである。これはアクチュエータの制御、すなわち制御
信号のエッジの急峻度を、媒体貯蔵器に接続される流体
ラインおよびノズルに接続される流体ラインの流体抵抗
間の関係に適合させることにより保証され得る。続い
て、図２で示される本願発明の方法の実施例の場合、
「液面の調節」と呼ばれる段階が起きる。この流体メニ
スカスのノズル端への調節は、毛細管圧および表面張力
により自動的に起きる。この工程の継続時間は、通路の
流体抵抗によって、並びにおそらく分注チャンバの流体
抵抗―しかし、分注チャンバの流体抵抗は通路の流体抵
抗と比較してほとんどの場合無視できる―、媒体の物理
的特性すなわち粘度及び貯蔵器内に行き渡っている静水
圧によって決定される。この液面の調節段階は任意であ
る。なぜなら、吸引段階が十分にゆっくりと起こって流
体メニスカスが常にノズルの位置にあることを条件とし
て、省略できるからである。図２において「分注段階」
と呼ばれる第３の段階で、ディスプレーサは、制御手段
による作動デバイスの適切な制御によって、非常に急速
に最初の位置に戻る。これは、エッジの急峻度が大きく
流体に高い加速を与える制御信号によって実現される。
これは、流体が自由噴射としてノズルを通って放出され
るという効果を有する。このような状況下で、貯蔵器通
路およびノズル通路中の流体の動きは、各々の流体ライ
ン内の流体慣性間の関係により、ほぼもっぱら決定され
る一方、流体抵抗間の関係は無視される。分注チャンバ
とノズル間の流体ライン内の流体の慣性が、分注チャン
バと貯蔵器間の流体ライン内の流体の慣性と比べて小さ
いならば、貯蔵器への流体の還流は無視できる。しか
し、貯蔵器通路内の流体の慣性が無視できない場合、結
果として生じる還流はキャリブレーションにより決定さ
れ、次の分注工程の間補償され得る。これは、流体ライ
ンのインダクタンスＬ、すなわち慣性が、その幾何学デ
ータのみに依存しており（Ｌ＝ラインの長さ／ラインの
断面）、流体ラインに含まれる流体の物理的な特性には
依存していないから可能である。ディスプレーサが急速
に変化したとき、すなわち流体抵抗が無視されるときの
ノズル方向と貯蔵器方向の流体の加速される量の比率
は、以下により求められる： ここで、Φ_d 及びＬ_d はノズル方向の体積流量及びイン
ダクタンスを表し、Φ_r 及びＬ_r は貯蔵器方向の体積流
量及びインダクタンスを表す。通常、貯蔵器内の充満液
面及びノズルの位置の高さの差から生ずる静水圧と、外
気圧及び貯蔵器チャンバ内の圧力の気圧差とは、ディス
プレーサが急速に変化したときの数バールにも達し得る
圧力チャンバに印加される圧力と比べて、両方とも無視
できる。よって、気圧差Δｐ_d とΔｐ_r はほとんど同一
であり、従ってノズル方向と還元方向における流体流動
量の間には一定の関係が存在する。この関係は、含まれ
る流体の粘度及び濃度ρとは無関係である。よって、分
注工程の最初の段階、すなわち圧力チャンバの容積増加
のためのディスプレーサのゆっくりとした移動における
貯蔵器通路を通る還流により失われた体積は、単純に考
慮され得る。流体の放出の間のディスプレーサの運動
は、直接休止の位置へと実行されることが可能である。
代わりに、図３で再び示されるように、分注段階の終了
として、流体の放出の間のディスプレーサの動きは、小
さな対抗運動で終えられることが可能である。この対抗
運動は、流体の噴出を支え得る対抗加速をもたらす。吸
引段階におけるディスプレーサの動きは、吸引体積流量
に相当する単位時間毎の規定の体積変化をもたらし、圧
力チャンバにおける負の圧力を生じさせる。分注工程に
おいて、すなわち本願発明によるデバイスがディスペン
サとして用いられた場合、この負の圧力は吸引体積流量
及び粘度に依存する特定値を超えてはならない。小さい
吸引体積流量及び低い粘度の場合、負の圧力は圧力チャ
ンバとノズル間の第２の流体ラインにおける毛細管圧よ
り小さく、その結果、第２の流体ラインは全時間完全に
流体で満たされたままであり、また吸引はもっぱら媒体
貯蔵器から行われる。ノズル通路を通じて空気が吸引さ
れる危険は、このようにして除かれ得る。しかし、大き
な吸引体積流量及び高い粘度の場合、負の圧力は、第２
の流体ラインの毛細管圧を超える。よって、体積流量
は、両方の流体ラインを通じて吸引される。この工程の
最中に、分注チャンバへ空気が浸透していなければ、ラ
インシステムは、前述のように、ディスプレーサの移動
が終了したとき毛細管圧により出口孔まで再び完全に満
ちる。この場合、吸引段階と分注段階の間に起きる液面
調節段階がもたらされる。本願発明による微量分注デバ
イスの更なる別の実施例が以下説明される。分注周期の
初期状態において、ディスプレーサは、アクチュエータ
により、この位置で予め引っ張られ保持されて、たとえ
ば分注チャンバへと強制的に引き入れられる。それか
ら、アクチュエータの更なる変位により、ディスプレー
サは更に引っ張り方向へと動かされることが可能であ
る。アクチュエータ変位が減じたとき、ディスプレーサ
は復元力のみによって引っ張り方向とは反対の方向に動
く。この変形例を利用して、アクチュエータとディスプ
レーサとの固定的な接続は省略できる。考えられ得るア
クチュエータとディスプレーサとの接着接続は不要であ
り、必要とされる組み立て作業は本質的に減らされる。
上述の固定的接続のないアクチュエータとディスプレー
サを利用した代替法は、分注エレメントのモジュール式
構造設計を可能にする。そのような構造設計は、図示の
目的で図３Ａ及び３Ｂに示される。エレクトロニクス及
びたとえばピエゾスタックアクチュエータ６０である駆
動部は、ハウジング６２内に固定的に配設され、媒体デ
ィスプレーサを含むチップ６４は交換可能である。図３
Ａ中の矢印６６は、ピエゾスタックアクチュエータの移
動方向を示す。更に、ハウジングを通って延びている流
体ライン６８が図３Ａに示される。図３Ａの右側の部分
は、マイクロメカニック的に製造された微量分注デバイ
スの部品の拡大図であり、パイレックスプレートとシリ
コンチップが別々に示されている。これらのマイクロメ
カニック的に製造された微量分注デバイスの部品の拡大
は、分解図の形で図３Ｂに示される。これらの部品は、
シリコンチップ７２に接続されるパイレックスプレート
７０によって、たとえば陽極ボンディングの手段で設け
られる。流体ライン７４は、媒体貯蔵器（図示せず）と
流体連絡しており、パイレックスガラスプレート７０を
通って延びている。パイレックスガラスプレート７０に
は、シリコンチップ上に端子エリア７８が電気的に接触
できるように、凹部７６が付加的に設けられる。貯蔵器
通路は参照番号８０により示され、分注チャンバは参照
番号８２により示される。更なる拡大８６により、微量
分注デバイスの出口端またはノズルは、図３Ｂに概略的
に示される。記述されたモジュール式の形態において、
前述のように、アクチュエータとディスプレーサとの間
に接着接続が必要でなく、ただ予め引っ張りを生じさせ
るための機械的接触のみが必要とされる場合に、好都合
である。更に、ノズルを疎水材でコーティングするのも
好都合である。なぜなら、これは表面張力を増し、更に
非操作状態が続いてもノズルから流体が流出するのを抑
制するからである。この点で、ノズルの外周沿いの隣接
部分におけるノズルの外部に疎水材のコーティングを施
すことは、特に好都合である。しかし、第２の流路の内
部表面にも疎水材コーティングが施されてよい。代わり
に、本願発明によるデバイスの出口孔は、たとえば１０
本のノズルを有するノズル列として実施されてもよい。
流体の噴射の列は、このようにして生成され、各々個々
の噴射は、合計分注体積の１０分の１しか含まない。い
わゆるマルチチャンネルピペットの機能はこのようにし
て得られ、これらのマルチチャンネルピペットは、いわ
ゆる微量滴定プレートへの分注に用いられる。更に、ひ
とつの大きいノズルの使用と比べて、吐出側に作用する
毛細管力は、複数の小さなノズルが使用される場合によ
り強くなり、それによって、エッジの急峻度が低い信号
が制御信号として用いられる場合に、還流が減少され
る。本願発明の別の実施例においては、記述されたノズ
ルとチップの平面配置に加えて、チップに関してノズル
が垂直に配置されることも可能であり、そのとき流体は
チップに対して直角にノズルから吐出される。垂直配置
は、デバイスすなわちアクチュエータ、チップ及びノズ
ルが、軸方向の構造設計を有し得るかぎり好都合であ
る。これは、たとえば従来のピペットの使用者の習慣に
対応する。本願発明による微量分注デバイスを最大許容
分注不正確度ｄＶを有する所望の分注体積Ｖに適切に適
合させるには、以下に記述する方法で実行されるのが好
ましい。合計分注体積の不正確度ｄＶは、ノズルで仮定
上出る個々の滴のサイズにほぼ相当し、その直径は、最
初の推定概算でノズル直径の２倍から導出される。球形
の滴を仮定して（ｄＶ−１／３ｄ³ π）、以下の推定が
ノズル直径ｄの上限について得られる： ｄ＜（３ｄＶ／４π）^1/3 所望の分注精度が１ｎｌの場合、これは６０μｍより小
さいノズル直径が選択されなければならないことを意味
する。更に、本願発明は、非常に短時間のうちに、分注
チャンバの可撓性の壁のたわみによって、ノズルを介し
て所望の体積Ｖを変位するのに十分なパワーを持つアク
チュエータを用いる。この時間は、滴が加速によってノ
ズルで実際に出るほどに短くなくてはならない。本願発
明による微量分注デバイスのキャリブレーションのため
に、ノズル方向に変位される流体量の比率及び貯蔵器方
向に変位される流体量の比率は、いわば製造者の立場
で、一度決定できる。そして、続く分注工程の間、貯蔵
器方向の流体の損失は、それに相当してディスプレーサ
によるより大きい変位によって補償され得る。また、本
願発明による微量分注デバイスは、ピペットとして用い
られることが可能である。そのようにするに当って、ノ
ズルまたは出口孔は、流体をすくい上げるために、ピペ
ッティングされる媒体の中に浸される。ノズル通路内の
流体と外気との間の境界層は、２種の流体間の境界層に
よって置換される。分注チャンバ内の流体は、ピペッテ
ィングされる流体と相互に作用しない非圧縮性媒体でし
かない不活性ピストンとしてみなされることになる。空
気に対する境界面がもはや存在しないので、第２の流体
ラインすなわち圧力チャンバと出口孔との間の毛細管圧
は、実質的に減じられる。なぜなら、流入する流体の毛
細管圧によって、部分的に、または完全に、またはおそ
らく過度に補償されるからである。以下において、ピペ
ッティングステップの手順が説明される。ノズルはすく
い上げられるべき流体中に保持され、ディスプレーサ
は、第１の位置から第２の位置へ動かされる。この動き
は、図２に示される吸引段階に相当する。この工程は、
ここでは分注チャンバ内の分圧及び流体ライン内の流体
抵抗によって本質的に決定される。ノズルの流路は、２
つの流体の混合が可能な限り抑制されるように実施され
るべきである。この吸引工程の間のディスプレーサの動
きは、ノズルを通じてピペッティングされるべき媒体の
流量によってのみならず、貯蔵器から分注チャンバへの
体積流量によっても幾分補正される。よって、ディスプ
レーサにより実行される体積変化は、すくい上げられな
ければならないピペッティングされる体積より大きくな
ければならない。この問題は、２つの方法で解決でき
る。まず１つに、ディスプレーサは、ピペッティングさ
れる媒体をすくい上げることにより補償される量がいか
なる場合においても続いて吐出される所望の量よりも大
きくなるように著しくより大きな体積移動を実行するよ
う制御されることが可能である。代わりに、ノズルはピ
ペッティングされる媒体から除かれることが可能であ
り、その後ディスプレーサは第２の位置から第１の位置
へ、エッジの急峻度の低い制御信号によって戻される。
分注チャンバ内の圧力が、全工程において流体の放出ま
たは流体の流出に必要な圧力よりも低いことを条件とし
て、媒体の損失は、この工程では起こらない。流体の量
の２倍または流体の量の数倍がすくい上げられるよう
に、ここで吸引ステップが繰り返されることが可能であ
る。続いて、図２を参照しながら前述したように、エッ
ジの急峻度の高い信号によって、分注段階が起こり得
る。ピペッティングされる媒体の余分な量がノズル通路
中に存在している場合、この余分な量は廃液ビンに放出
してよい。図４は、本願発明による微量分注デバイスの
更なる有利な実施例を示す。ピエゾスタックアクチュエ
ータ１００は、ねじ接続１０２を介して、力伝達エレメ
ント１０４に接続される。力伝達エレメント１０４は、
図４に示される矢印の方向に旋回可能な回転可能に支持
されたレバー型のリンクの形で実施される。レバー型の
リンク１０４の手段で、ピエゾスタックアクチュエータ
１００により生成される力は、分注モジュール１０６に
伝達される。レバー型のリンク１０４には、ピエゾスタ
ックアクチュエータ１００により生成された力を、分注
チャンバの圧力点１０８に伝達する突出部１０７が設け
られている。ノズルまたは出口孔は参照番号１１０によ
り図４で示される。示されるレバー型リンクの代わり
に、力伝達エレメントとして、ハイドロリックシステム
も用いられ得る。ねじ接続１０２は、この構造設計にお
いて、以下でもたらされるスプリングと共に、ピエゾア
クチュエータ１００に堅固に接続されていないレバー型
リンク１０４が、ピエゾアクチュエータ１００に対して
常に押圧されていることを保証する。図４の左側で、分
注モジュールは別々に示され、ノズル１１０は流体ライ
ンを介して媒体貯蔵器１１２に接続されている。分注チ
ップ１１４は、少なくとも圧力チャンバとディスプレー
サ膜を含んでおり、これもまたこの実施例において交換
可能である。図４で、完成した微量分注デバイスのハウ
ジングの外形の概略が、破線１２０により付加的に示さ
れる。図４から容易に分かるように、全体の流体モジュ
ールも、示される実施例において交換可能である。ま
た、図４に示される実施例において、アクチュエータと
ディスプレーサは、固定的に相互連結されていない。ア
クチュエータは、ディスプレーサと接触させられている
のみである。これは数々の利点をもたらす。１つには、
あらゆる接着接続またはあらゆる種類の固定手段も必要
がなく、よって、前述したように、分注モジュールだけ
が交換でき、アクチュエータが再利用できる。これは、
たとえば分注モジュールが目詰まりした場合、及び分注
チップが交換されなければならない場合に、廉価な解決
法である。アクチュエータとディスプレーサとの接触が
触れることのみにより生ずるために、すなわちこれら部
品間の固定的な接続が存在しないために、ノズルと圧力
チャンバ間の流体ラインを通じて空気を吸引することを
避けるための保護機能が、付加的に実現され得る。この
保護機能は次のように達成される。自由噴射分注工程の
最初に、アクチュエータは既にディスプレーサと接触し
ている。この最初の位置で、ディスプレーサはアクチュ
エータと力のかかっていない接触状態にあるか、または
ある程度予めたわめられていてもよい。よって、ノズル
から流体を放出するために、ディスプレーサが第２の段
階で動くとき、アクチュエータはディスプレーサをその
前面で押す。ディスプレーサのたわみの程度が増大する
ことは、アクチュエータに作用する復元力の増加をもた
らし、アクチュエータとディスプレーサ間の接触は、全
運動の間、この復元力により維持される。吸引段階の間
にディスプレーサが引き戻されるとき、アクチュエータ
はディスプレーサにいかなる張力も印加できない。なぜ
なら、アクチュエータとディスプレーサとの間には固定
的な接続が存在しないからである。アクチュエータの動
きまたはディスプレーサの動きが遅いかによって、２つ
の場合のみが考えられ得る。アクチュエータが十分に遅
い速度で引き戻される場合、アクチュエータの時間運動
は同時にディスプレーサの時間運動を限定し、よって吸
引体積流量をも限定する。アクチュエータとディスプレ
ーサは、常に接触し続ける。なぜなら、ディスプレーサ
の復元力は同じ方向の運動をもたらすからである。しか
し、アクチュエータが高速で引き戻される場合、ディス
プレーサとの接触は、この工程の間失われる。この場
合、ディスプレーサの復元力はアクチュエータに追随す
るのに十分なほど強くない。原因は、負の圧力がディス
プレーサの復元力により分注チャンバ内で生成されるこ
とである。媒体の粘度及び通路の形状寸法により、この
負の圧力は、前述したように、第１と第２の流体ライン
を介する規定の吸引体積流量を導く。１つの流体ライン
の合計体積流量への貢献度は、両方の流体ラインの有効
流体抵抗と、第２の流体ライン内で付加的に有効な毛細
管圧とに従って本質的に確立される。この吸引体積流量
がアクチュエータの動きに対応する体積流量よりも小さ
いならば、それに相応したディスプレーサの速い弛緩を
妨げ、ディスプレーサがアクチュエータよりもゆっくり
と最初の位置に戻るようにする。上述の効果は、分注チ
ャンバに行き渡っている最大の負の圧力、及び結果的に
最大吸引体積流量を限定するために利用され得る。たと
えば十分に薄い膜により、ディスプレーサの復元力が非
常に小さく設定されるために、分注チャンバにおいてデ
ィスプレーサにより達成され得る最大の負の圧力が第２
の流体ラインの毛細管圧より小さい場合、この流体ライ
ンは、全時間を通じて流体に満たされ続け、吸引はもっ
ぱら媒体貯蔵器から行われる。よって、空気は第２の流
体ラインを通じて吸引されない。加えて、単位時間毎の
圧力チャンバ容積の小さい変化が、吸引段階の間、常に
この効果によりもたらされる。従って、前述のように、
ディスプレーサとアクチュエータ間の固定的な接続が存
在しないことは、空気の吸引を防ぐ結合保護デバイスと
してみなされ得る。図３Ａ、３Ｂ及び４に示される実施
例において、分注モジュールが挿入された場合、数μｍ
の範囲のアクチュエータの微細な調節が行われなくては
ならない。このアクチュエータの機械的微細調節のため
に、マイクロメータスクリューがもたらされる。このマ
イクロメータスクリューは、ハウジングにおいてピエゾ
スタックアクチュエータから離れて面している側に位置
することが好ましいので、図面で示されていない。しか
し、微細調節もまた、センサ、たとえばキャパシティブ
ディスタンスセンサや電気回路等により、ディスプレー
サとアクチュエータとの接触を検知することによって、
自動的に実行されることが可能である。接触センサとし
て閉回路を利用する自動微細調節は、たとえば１Ｖのオ
ーダーの非常に低い電圧が、アクチュエータすなわち図
４による実施例での力伝達エレメントと分注モジュール
との間に印加される。アクチュエータまたは力伝達エレ
メントとディスプレーサが機械的に互いに接触している
場合、回路は閉じられ、そのとき相当する電気信号が存
在する。アクチュエータに印加される電圧の変更によ
り、閉回路がアクチュエータまたは力伝達エレメントと
ディスプレーサとの間に接触があることを示すまで、位
置決めも自動的に実行されることが可能である。このよ
うにして確認される電圧は、その後、他の全ての信号に
オフセットとして重ね合わされることが可能である。よ
って、完全に自動的な微細調節を実行することが可能で
ある。本願発明による微量分注デバイスの作用は、駆動
部がたとえばピエゾスタックアクチュエータの手段で十
分に強力に実施されることを条件として、またディスプ
レーサ膜がたとえば中央硬化エリアを有するシリコン膜
等の十分に硬いものであることを条件として、少なくと
も十分に大きな作用範囲において、被分注媒体の粘度と
は無関係である。ピエゾスタックアクチュエータの代わ
りに、駆動部材として、静電作動エレメントまたはハイ
ドロリック作動エレメントと同様、機械的なスプリング
を用いることも可能である。概略を言えば、分注誤差
は、本願発明による微量分注デバイスによる流体の量に
含まれる個々の滴の数によって、このようにして減少さ
れることが可能である。本願発明による微量分注デバイ
スの作用は、ノズルを通じてほとんどの流体が放出さ
れ、貯蔵器の方向にほんの少しの量しか還流しないよう
に注意を払うことにより、更に改良できる。しかし、そ
のような優先的な方向が存在しなくても、各々の流体の
量の比率は、粘度や温度に関係なく一定であり、よって
補正できる。本願発明の更なる実施例によれば、強制的
に制御されるディスプレーサ、すなわちフィードバック
のないアクチュエータと、できるだけ堅いディスプレー
サとが、動態の改良のため、ひいては十分な程度にまで
粘度の高い媒体の加速の可能性をもたらすために、使用
される。図５において、ｎｌ単位の分注体積が、ｍＰａ
ｓ単位の動的粘度に対して示される。図５に示される特
性から明らかに分かるように、分注体積の粘度への認識
可能な依存が生ずるのは、約２０ｍＰａｓから先の範囲
においてのみである。図５で示される特性を決定するた
めに、異なる混合比率のグリセリン−水の溶液が媒体と
して使用された。図６は、作動デバイスに印加される圧
電電圧への分注体積の依存度を示す。図６から分かるよ
うに、実質的に直線的な特性が得られる。テスト媒体と
して使用された媒体は水であった。本願発明による微量
分注デバイスは、付加的に、微量分注デバイス配列を構
成するのに適している。そのような配列では、本願発明
による複数の微量分注デバイスが任意の並置の関係、す
なわち互いに平行に配置され、個々に制御されることが
可能である。それから、たとえば４つのノズルを１平方
ミリメータより小さい面積内に配置すること、及びこれ
らのノズルを個々に処理することが可能である。そのよ
うな微量分注デバイス配列により、放出された後になっ
てから空気中で混合する異なる媒体が、吐出されること
が可能である。また、力伝達エレメントを介して複数の
分注デバイスに同時に力が配分される１つの作動デバイ
スによって、列になった数個の分注デバイスを制御する
ことも可能である。本願発明による微量分注デバイスで
構成される微量分注デバイス配列の実施例が、図８及び
９に示される。図８から分かるように、そのような微量
分注デバイスの配列は、第１のシリコン層２００、パイ
レックスガラスプレート２０２及び第２のシリコン層２
０４を含む構造で形成できる。示される実施例では、２
つの微量分注デバイスのための構造が、第１のシリコン
層２００において形成される。２つのディスプレーサ膜
２０６は、各々硬化エリア２０８が設けられており、シ
リコン層２００においてこの目的で形成されている。デ
ィスプレーサ膜２０６は、硬化エリア２０８を介して作
動されるように適合されている。更に、流路２１０は、
圧力チャンバを媒体貯蔵器（図示せず）に接続してお
り、第１シリコン層において配置される。第２シリコン
層２０４の構造設計は、実質的に、第１のシリコン層２
００のそれと同一である。図８において、この図８で示
される第１の層２００の表面に対向する第２シリコン層
２０４の表面を見ることができる。従って、第２のシリ
コン層２０４に関して、このシリコン層２０４において
形成される圧力チャンバ２１２、及び圧力チャンバ２１
２を媒体貯蔵器に接続する流体ライン２１４が見られる
ことになる。各シリコン層の流体ライン２１４は、各層
の流路２１０に終わる。また、図８は、圧力チャンバを
各々の出口孔２１６に接続する流体ラインを示す。パイ
レックスガラスプレート２０２は、２つのシリコン層２
００及び２０４の間に、その各主面が、圧力チャンバ２
１２の形成される第１と第２のシリコン層の表面に接続
されるように配置される。従って、各圧力チャンバ及び
流体ラインは、シリコン層における構造と、パイレック
スガラスプレートの表面によって定められる。このよう
にして形成された図９に示される構造には、第１及び第
２のシリコンウェハにおける４つの出口孔２１６によっ
て定められたノズル列２２０が設けられる。２×２列の
各ノズル２２０は、関連の作動デバイス（図８及び９に
は示さず）を有するディスプレーサ膜２０６と関連付け
られ、よってノズルが個々に処理されることが可能であ
る。上述の構造設計を利用して、ほとんど任意数の微量
分注デバイスを有する微量分注デバイス配列が構成でき
ることが明らかである。加えて、各圧力チャンバの流路
は、同じ媒体貯蔵器または異なる媒体貯蔵器のいずれに
も接続できることが明らかである。更に、マイクロイン
ジェクション成形工程、及び熱処理エンボス加工が、上
述の微量分注デバイス及び微量分注デバイス配列を製造
するのに有利に使用できる。以下において、分注工程の
動態の単純化された記述がもたらされる。この目的で、
流体抵抗はＲとして定められ、流体インダクタンスはＬ
として定められる。流路を横切る圧力滴は、流体抵抗を
克服する役割の圧力滴 Δｐ_laminar 、及び通路内の流
体を加速する から構成される。よって、以下は、全流体ラインに渡っ
て、圧力差Δｐ_leitung（ｌｅｉｔｕｎｇ＝ライン）に
ついて真である： 流体抵抗Ｒ及び流体インダクタンスＬは、たとえば半径
ｒ、ライン長さｌである円形のホースについて次のよう
に計算される： 図７は、本願発明による微量分注デバイスの動態を記述
するための概要を示す。ｐ_R は媒体貯蔵器における圧力
を示し、ｐ_K は毛細管圧、ｐは圧力チャンバ内の圧力を
示す。Ｖ_m は膜により変位された体積に相当し、Ｖ₀ は
ハウジングへの緊張やその他の混乱させる影響により引
き起こされたチャンバ容積の変化に相当する。Φ_r は貯
蔵器通路における体積流量であり、Φ_D はノズル通路に
おける流量である。以下の式において、Ｕはアクチュエ
ータでの制御電圧に相当する。以下は、分注チャンバと
貯蔵器との間の流体ラインについて真である： 以下は分注チャンバとノズルとの間の流体ラインについ
て真である： 以下は分注チャンバについて真である： よって、要約すれば、分注エレメントの動態は、次の３
つの独立した変数Φ_r、Φ_D 及びｐについての３つの微
分方程式により記述される概算によるということが言え
る： 以下の所定の設計パラメータが公知である：Ｒ_R 、
Ｒ_D 、Ｌ_R 、Ｌ_D 。作用パラメータは電圧Ｕ（ｔ）及び
媒体貯蔵器圧力ｐ_R である。計測されるべき量は圧力ｐ
_K であり、計測されるべき量または計算されるべき量
は、ｄＶ_m ／ｄｐ、ｄＶ₀ ／ｄｐ、及びｄＶ_m ／ｄＵで
ある。微分方程式システムは、以下の境界条件につい
て、所定のＵ（ｔ）について解かれることになる： ｐ（ｔ＝０）＝０； Φ_R （ｔ＝０）＝０；及び Φ_D （ｔ＝０）＝０。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ // Ｂ０５Ｂ 9/04 Ｇ０１Ｎ 35/06 Ａ (72)発明者 フレイガンク ミヒャエル ドイツ連邦共和国 Ｄ−78050 フィリ ンゲン−シュヴェニンゲン リータイマ ー シュトラーセ ４／２ (72)発明者 ヘイ ニコラウス ドイツ連邦共和国 Ｄ−78664 エシュ ブロン ハーター シュトラーセ 22 (72)発明者 グルーラー ホルガー ドイツ連邦共和国 Ｄ−78609 チュニ ンゲン アウフ デア ブライテ 30 (56)参考文献 特開 平８−332425（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−172060（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−194380（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−353279（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−80075（ＪＰ，Ａ) 特表 平９−500949（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B01J 4/00 - 4/02 F04B 19/00 B05B 9/04 G01N 31/20 G01N 35/10

Claims (22)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 体積センサのない微量分注デバイスであ
   って、 少なくとも一部がディスプレーサ（１０）にされた圧力
   チャンバ（２４）； ディスプレーサ（１０）を作動させる作動デバイス（３
   ０；６０；１００）であって、ディスプレーサ（１０）
   を作動させることにより圧力チャンバ（２４）の容積を
   変更させる作動デバイス； 圧力チャンバ（２４）と流体連絡している媒体貯蔵器； 圧力チャンバ（２４）と流体連絡している出口孔（２
   ６）；及び 吸引段階において、圧力チャンバ（２４）への流体の流
   入が、圧力チャンバ容積の単位時間毎の第１の容積変化
   でもって第１の位置から所定の第２の位置へのディスプ
   レーサ（１０）の動きによって実行され、ディスプレー
   サ（１０）の第２の位置は、第１の位置よりも大きい圧
   力チャンバ（２４）の容積を規定し、かつ ポンプ段階において、圧力チャンバ（２４）の出口孔
   （２６）からの流体の放出が、前記第１の容積変化より
   も大きい、圧力チャンバ容積の単位時間毎の第２の容積
   変化でもって第２の位置から第１の位置へのディスプレ
   ーサ（１０）の動きによって実行される、 微量分注デバイスを駆動する制御手段；を含む、微量分
   注デバイス。
2. 【請求項２】 請求項１に記載の体積センサのない微量
   分注デバイスであって、媒体貯蔵器は、第１の流体ライ
   ン（２０）を介して圧力チャンバ（２４）に流体連絡し
   ており、出口孔（２６）は、第２の流体ライン（２２）
   を介して圧力チャンバに流体連絡している、微量分注デ
   バイス。
3. 【請求項３】 請求項１または２に記載の体積センサの
   ない微量分注デバイスであって、制御手段は、第１の段
   階ではエッジの急峻度の低い第１の信号を用いて、第２
   の段階ではエッジの急峻度の高い第２の信号を用いて、
   作動デバイス（３０；６０；１００）を制御する、微量
   分注デバイス。
4. 【請求項４】 請求項１乃至３のいずれかに記載の体積
   センサのない微量分注デバイスであって、ディスプレー
   サ（１０）は、作動デバイス（３０；６０；１００）の
   作動によってしか動かない堅さを有する、微量分注デバ
   イス。
5. 【請求項５】 請求項１乃至４のいずれかに記載の体積
   センサのない微量分注デバイスであって、圧力チャンバ
   （２４）及びディスプレーサ（１０）が、マイクロメカ
   ニック的に製造される、微量分注デバイス。
6. 【請求項６】 請求項５に記載の体積センサのない微量
   分注デバイスであって、ディスプレーサ（１０）は膜で
   ある、微量分注デバイス。
7. 【請求項７】 請求項５に記載の体積センサのない微量
   分注デバイスであって、第１及び第２の流体ライン（２
   ０，２２）、出口孔（２６）、及び圧力チャンバ（２
   ４）の少なくとも一部分が、シリコンウェハ及び／また
   は前記シリコンウェハに接続されるパイレックスガラス
   プレート（１８）でもって形成される、微量分注デバイ
   ス。
8. 【請求項８】 請求項１または２に記載の体積センサの
   ない微量分注デバイスであって、ディスプレーサ（１
   ０）は膜であり、作動デバイス（６０；１００）によっ
   て予め引っ張られることで第１の位置に位置し、第１の
   段階の最初での作動デバイスの作動に応じて、第１の位
   置から第２の位置への膜の移動が膜の復元力によっての
   み起きるように、作動デバイスが膜に固定的に接続され
   ていない、微量分注デバイス。
9. 【請求項９】 請求項１乃至８のいずれかに記載の体積
   センサのない微量分注デバイスであって、作動デバイス
   （３０；６０；１００）はピエゾスタックアクチュエー
   タである、微量分注デバイス。
10. 【請求項１０】 請求項１乃至９のいずれかに記載の体
    積センサのない微量分注デバイスであって、出口孔（２
    ６）の外周は疎水材でコーティングされる、微量分注デ
    バイス。
11. 【請求項１１】 請求項１乃至１０のいずれかに記載の
    体積センサのない微量分注デバイスであって、出口孔
    （２６）が、複数の孔の列から成る、微量分注デバイ
    ス。
12. 【請求項１２】 請求項１乃至１１のいずれかに記載の
    体積センサのない微量分注デバイスであって、媒体貯蔵
    器内で負の圧力を生成する手段が付加的に設けられてい
    る、微量分注デバイス。
13. 【請求項１３】 請求項１乃至１２のいずれかに記載の
    体積センサのない微量分注デバイスであって、第１及び
    第２の段階の間の第３の段階において、所定の時間、デ
    ィスプレーサ（１０）が第２の位置に留まるように、制
    御手段が作動デバイス（３０；６０；１００）を制御す
    る、微量分注デバイス。
14. 【請求項１４】 請求項１乃至１３のいずれかに記載の
    体積センサのない微量分注デバイスであって、ディスプ
    レーサ（１０）が、第１の位置へと移動する際に、最終
    的に前記第１の位置に達する前に、一旦前記第１の位置
    を超えて移動するように、制御手段が作動デバイス（３
    ０；６０；１００）を制御する、微量分注デバイス。
15. 【請求項１５】 請求項８に記載の体積センサのない微
    量分注デバイスであって、作動デバイス（６０；１０
    ０）及び制御手段は、ハウジング（６２；１２０）内に
    固定的に配設され、圧力チャンバ（２４）、ディスプレ
    ーサ（１０）及び／または媒体貯蔵器は、ハウジング内
    に交換可能に配設される、微量分注デバイス。
16. 【請求項１６】 請求項８に記載の体積センサのない微
    量分注デバイスであって、膜の復元力は、前記復元力に
    よりもたらされる圧力チャンバ内の負の圧力が、第２の
    流体ライン（２２）内の毛細管圧よりも小さくなるよう
    に設定される、微量分注デバイス。
17. 【請求項１７】 請求項１５または１６に記載の体積セ
    ンサのない微量分注デバイスであって、ディスプレーサ
    に対する作動デバイス（１００，１０４）の位置を位置
    決めするための微細調節デバイス（１０２）が付加的に
    設けられる、微量分注デバイス。
18. 【請求項１８】 請求項１乃至１７のいずれかに記載の
    体積センサのない微量分注デバイスであって、作動デバ
    イス（１００）により生成された力は、力伝達エレメン
    ト（１０４）を介してディスプレーサに伝達される、微
    量分注デバイス。
19. 【請求項１９】 請求項１８に記載の体積センサのない
    微量分注デバイスであって、力伝達エレメント（１０
    ４）は、作動デバイス（１００）により生成された力
    を、基本的に作動デバイスにより生成された前記力に対
    して直角にディスプレーサに作用する力に変換する回転
    可能に支持されるレバー型のリンクである、微量分注デ
    バイス。
20. 【請求項２０】 請求項１乃至１９のいずれかに記載の
    微量分注デバイスの複数を含む分注デバイス配列であっ
    て、各微量分注デバイスが並置の関係に配置され、かつ
    他の微量分注デバイスから独立して制御される、分注デ
    バイス配列。
21. 【請求項２１】 請求項１乃至１９のいずれかに記載の
    微量分注デバイスの複数を含む分注デバイス配列であっ
    て、各微量分注デバイスが並置の関係に配置され、かつ
    作動デバイスにより生成された力が力伝達エレメントを
    介してそれぞれの微量分注デバイスに同時に伝達される
    ように制御される、分注デバイス配列。
22. 【請求項２２】 請求項１乃至１９のいずれかに記載の
    微量分注デバイスのピペットとしての用途であって、第
    １の段階の間、不活性流体により満たされる圧力チャン
    バの出口孔は、ピペッティングされる流体に浸される、
    微量分注デバイスの使用用途。