JP4199127B2 - マイクロ流体バルブ、およびそのためのシステム - Google Patents

Description

本発明は、全般的には、マイクロ流体システム（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ ｓｙｓｔｅｍ）の製作に適したマイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）技術に関する。さらに詳細には、本発明は、マイクロ流体システムにおいて流体の流れを制御するためのマイクロ流体バルブに関する。マイクロ流体バルブは、小さい開口を提供する第１の位置と、大きな開口を提供する第２の位置との間を移動するように制御されている仕切板（ｄｉａｐｈｒａｇｍ）を含んでいる。この小さい開口では、流体とバルブとの間の毛管力および流入抵抗力が増大するため、この小さい開口においてバルブを通る流体の流れが阻止される。大きい開口では、流体とバルブとの間の毛管力が低下するため、この大きな開口においてバルブを通る流体の流れが許容される。

ＭＥＭＳ技術は、超微細製作技術を用いることによって、電気構成要素と機械構成要素を１つの共通のシリコン基材上に一体化している。フォトリソグラフィ処理やその他のマイクロエレクトロニクス処理などの集積回路（ＩＣ）製作処理によって、この電気構成要素が形成される。ＩＣ製作処理は、典型的には、シリコン、ガラス、およびポリマーなどの材料を使用している。このＩＣ処理と適合するマイクロマシニング処理は、機械構成要素を形成するように、ＩＣからある領域を選択的にエッチング除去し、またはＩＣに新たな層構造を付加する。シリコンベースのマイクロエレクトロニクスをマイクロマシニング技術と統合することによって、単一のチップ上に完全な電気機械システムを製作することが可能となる。こうした単一チップシステムによれば、マイクロエレクトロニクスの計算能力とマイクロマシニングの機械的検知および制御能力とが統合され、高度なデバイスを提供することができる。

ＭＥＭＳの一タイプが、マイクロ流体システムである。マイクロ流体システムは、チャンネル、リザーバ、ミキサー、ポンプ、バルブ、チャンバ、キャビティ、反応チャンバ、ヒータ、流体相互接続体、デイフューザ、ノズル、およびその他のマイクロ流体構成要素などの構成要素を含んでいる。これらのマイクロ流体構成要素は、典型的には、数マイクロメートルから数百マイクロメートルまでの間の寸法を有している。これら小さい寸法のために、その物理的サイズ、電力消費、応答時間、並びにマイクロ流体システムの無駄（ｗａｓｔｅ）が最小限となる。こうしたマイクロ流体システムによって、人体の外部または内部のいずれにも配置できるような着用可能な超小型のデバイスが提供される。

マイクロ流体システムの用途としては、遺伝学的、化学的、生化学的、医薬品学的、生物医学的、クロマトグラフィの、ＩＣ冷却の、インクジェットプリンタヘッドの、医学的、放射線学的、環境学的、並びに動作に際して液体または気体を満たしたキャビティを必要とするような任意のデバイスが含まれる。こうした応用では、分析、合成、および精製に関連する処理が不可欠となることがある。医学的応用には、埋め込み式薬剤供給システムなどの診断や患者管理が含まれる。環境的応用には、空気や水の汚染物質、化学試薬、生物学的組織体、あるいは放射線学的状態など、有害な物質や状態を検出することが含まれる。遺伝的応用には、ＤＮＡの検査および／または分析が含まれる。

ＭＥＭＳ技術を用いて製作されたマイクロ流体システムの例は、米国特許第５，９６２，０８１号（Ｏｈｍａｎら）、同第５，９７１，３５５号（Ｂｉｅｇｅｌｓｅｎら）、同第６，０４８，７３４号（Ｂｕｍｓら）、同第６，０５６，２６９号（Ｊｏｈｎｓｏｎら）、同第６，０７３，４８２号（Ｍｏｌｅｓ）、同第６，１０６，２４５号（Ｃａｂｕｚ）、同第６，１０９，８８９号（Ｚｅｎｇｅｒｌｅら）、同第６，２２７，８０９号（Ｆｏｒｓｔｅｒら）、同第６，２２７，８２４号（Ｓｔｅｈｒ）、同第６，１２６，１４０号（Ｊｏｈｎｓｏｎら）、同第６，１３６，２１２号（Ｍａｓｔｒａｎｇｅｌｏら）、同第６，１４３，２４８号（Ｋｅｌｌｏｇｇら）、および同第６，２６５，７５８号（Ｔａｋａｈａｓｈｉ）に開示されており、またノースウェスタン大学（Ｅｖａｎｓｔｏｎ，ＩＬ）機械工学科のＨｉｒｏｆｕｍｉ ＭａｔｓｕｍｏｔｏおよびＪａｍｅｓ Ｅ．Ｃｏｌｇａｔｅによる「Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｐｕｍｐｉｎｇ Ｂａｓｅｄ Ｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｏｆ Ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ Ｔｅｎｓｉｏｎｓ」と題する技術論文（ＩＥＥＥ，１９９０，１０５〜１１０頁，ＣＨ２８３２−４／９０／００００−０１０５）において開示されている。エレクトロウェッティングおよび表面張力を使用して製作されるシステムの例は、ベル研究所（Ｈｏｌｍｄｅｌ，ＮＪ）のＧ．ＢｅｎｉおよびＭ．Ａ．Ｔｅｎａｎによる「Ｄｙｎａｍｉｃｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｗｅｔｔｉｎｇ Ｄｉｓｐｌａｙｓ」と題する技術論文（Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．５２（１０）、１９８１年１０月、６０１１〜６０１５頁，００２１−８９７９／８１／１０６０１１−０５）、並びに米国特許第４，４１７，７８６号（Ｂｅｎｉら）のそれぞれに開示されている。

マイクロ流体システムでは、マイクロ流体バルブによって、チャンネルを通る流体の流れや、リザーバ、ミキサー、ポンプ、およびチャンバなど別のマイクロ流体構成要素の間での流体の流れを制御している。マイクロ流体バルブは、静電気式、磁気式、圧電式、バイモルフ式、熱空気式、圧力検知の毛管力などの作動方法を用いて製作されてきた。たとえば、米国特許第６，１４３，２４８号（Ｋｅｌｌｏｇｇら）は、流体とマイクロ流体構成要素との間の毛管力に打ち勝つために、回転誘導式の流体圧力を用いているマイクロ流体バルブを開示している。流体を含んでいるマイクロ流体構成要素の材料を完全にまたは部分的に濡らしている流体は、小さい断面を有するマイクロ流体構成要素から大きい断面を有するマイクロ流体構成要素まで移動する際に流れに対する抵抗を受け、一方、これらの材料を濡らさないような流体は、大きい断面を有するマイクロ流体構成要素から小さい断面を有するマイクロ流体構成要素までの流れを阻害する。この毛管圧力は、隣り合ったマイクロ流体構成要素のサイズ、流体の表面張力、およびマイクロ流体構成要素の材料での流体の接触角に逆比例して大きさが変化する。マイクロ流体構成要素の断面形状、材料、および断面積を変更することによって、ある具体的な用途向けに流体に対する特定の圧力を流体の流れに生じるようなバルブが製作される。しかし、このマイクロ流体構成要素の動作は、そのマイクロ流体構成要素に生じる流体の圧力を変化させるための外部の回転力に応じる。幾つかのマイクロ流体用途では、マイクロ流体システム内で比較的一定した流体圧力を有するような流体の流れを能動的に制御する、マイクロ流体バルブがあることが望ましい。

したがって、流体とバルブとの間の毛管力および流入抵抗力の変化に基づいて、マイクロ流体システム内で、流体の流れが比較的一定した流体圧力を有するように能動的に制御する、マイクロ流体バルブに対する必要性が存在する。

バルブは、マイクロ流体システムにおける流体の流れを制御するように構成されている。このバルブは、バルブに対して所定のレベルの圧力を作用させる流体を受け取るように構成された入力ポートと、流体を提供するように構成された出力ポートとを含んでいる。このバルブはさらに、その内部に可変サイズの開口を有する管状体であって、第１の開口サイズと第１の開口サイズと比べてより大きな第２の開口サイズとの間で変わるように構成されているような管状体を含んでいる。第１の開口は、流体とバルブ本体との間の第１の開口における毛管力の第１のレベルに応答して、バルブを通る流体の流れを阻止している。第２の開口は、流体とバルブとの間の毛管力の第１のレベルと比べてより小さい第２の開口における毛管力の第２のレベルに応答して、バルブを通る流体の流れを許容している。

本発明に関するこれらおよびその他の態様について、以下の詳細な説明、並びに別の図面に図示した同じ特徴や要素に対しても同じ参照符号を割り当てている添付の図面を参照しながら、さらに記載することにする。これらの図面は必ずしも寸法どおりになっていないことに留意されたい。さらに、本発明の別の実施形態も存在することができ、これらは明細書に明示的に記載したものや黙示的に示したもの、また図中に具体的に示していない場合やそうでない場合がある。

図１は、本発明の好ましい一実施形態によるマイクロ流体システム１００を表している。このマイクロ流体システム１００は、上述したＭＥＭＳ技術を用いて製作されている。このマイクロ流体システム１００は一般に、流体供給源１０１と、上流側チャンネル１０３と、バルブ１０５と、下流側チャンネル１０７と、流体シンク１０９と、コントローラ１１１と、流体１１９とを含んでいる。流体供給源１０１は、上流側チャンネル１０３および下流側チャンネル１０７を通じて流体シンク１０９と流体接続されている。マイクロ流体システム１００内での流体の流れ１１３の方向は、流体供給源１０１から流体シンク１０９の向きである。バルブ１０５は、コントローラ１１１からの制御信号１１５に応答して、流体供給源１０１から流体シンク１０９までの流体１１９の流れを調節している。バルブ１０５は、上流側チャンネル１０３と流体接続させた入力ポート（参照符号なし）と、下流側チャンネル１０７と流体接続させた出力ポート（参照符号なし）とを有している。バルブ１０５は、２つのマイクロ流体構成要素間での流体の流れを制御することができる。バルブ１０５は、上流側チャンネル１０３と下流側チャンネル１０７との間の流体の流れを制御することが好ましい。別法として、バルブ１０５は、流体供給源１０１とチャンネル１０３との間の流体の流れを制御することができる。

流体供給源１０１は流体１１９を包含しており、一般にリザーバ、ミキサー、およびチャンバ（ただし、これらに限らない）を含むような上述したマイクロ流体構成要素のいずれかを表している。同様に、流体シンク１０９は流体１１９を受け取り、上述したマイクロ流体構成要素のいずれかを総称的に表している。

上流側チャンネル１０３および下流側チャンネル１０７は、流体供給源１０１と流体シンク１０９との間で流体１１９を搬送している。上流側チャンネル１０３および下流側チャンネル１０７は、バルブ１０５によって接続された２つの別々のチャンネルとして、あるいはその内部にバルブ１０５を配置させた１つの一体型チャンネルとして形成させることができる。流体１１９は、流体１１９に作用する圧力に応答して、流体供給源１０１から流体シンク１０９まで流れる。流体１１９に作用する圧力は、マイクロ流体システム１００を基準として外部にある供給源や内部にある供給源から供給することがある。外部の圧力供給源の例としては、重力や回転機構（ただし、これらに限らない）が含まれる。内部の圧力供給源の一例には、ポンプ（ただし、これに限らない）が含まれる。このポンプは、マイクロ流体システム１００の構成要素であることが好ましい。

コントローラ１１１は、１つの集積回路として、あるいは離散回路として製作することができる。コントローラ１１１は、ソフトウェアプログラムまたは所定の回路設計パラメータに応答して動作することができる。コントローラ１１１は、ソフトウェアプログラムに埋め込まれた所定の命令セットに応答して動作する１つの集積回路であることが好ましい。コントローラ１１１は、ＲＡＭおよび／またはＲＯＭなどの内部または外部のメモリを有することがある。

コントローラ１１１は、バルブ１０５を制御するための制御信号１１５を発生する。このバルブ１０５は、バルブ１０５を通る流体の流れを調節するように、ある特定な速度、ある特定な距離、および／またはある特定な時点で、閉じたり開いたりする。したがって、コントローラ１１１を制御信号１１５と組み合わせることによって、バルブ１０５の動作が能動的に制御される。

フィードバック信号１１７は、バルブ１０５などの任意のマイクロ流体構成要素とコントローラ１１１との間に結合されている。フィードバック信号１１７は、制御信号１１５を介したバルブ１０５の制御を調整する目的のために、コントローラがマイクロ流体システム１００の動作を監視するための機構を提供している。

流体１１９は、液体状態や気体状態などの、流体の流れを可能にするような適当な任意の状態を有することができる。流体１１９は、上述のようなマイクロ流体システム１００の用途に適した物質からなる任意の組成を表している。流体１１９の例としては、化学的、身体的、有害な、生物学的、および放射線学的な流体（ただし、これらに限らない）が含まれる。生物学的流体は、血液、血漿、血清、リンパ、だ液、涙、脳せき髄液、尿、汗、精液、植物および野菜抽出物（ただし、これらに限らない）を含め生物学的に得られた任意の分析サンプルとすることができる。

図１のマイクロ流体システム１００は、明瞭にするために比較的単純にしたシステムを表している。実際には、マイクロ流体システム１００は、複数のバルブ１０５など多くのマイクロ流体構成要素および／または重複した（ｄｕｐｌｉｃａｔｅｄ）マイクロ流体構成要素を有する、非常に複雑なシステムとすることがある。複雑な機能または並列の機能を実行するマイクロ流体システム１００は、典型的には、マイクロ流体システム１００の異なる部分にわたって同時にあるいは異なる時点で、流体の伝達を制御するために多くのバルブ（１０個を超える数のバルブなど）を必要とする。こうした複雑なマイクロ流体システム１００では、バルブ１０５の各々は、適当な時点でバルブ１０５を能動的に制御するために独立作動式のアクチュエータを必要とすることがある。したがって、バルブ１０５およびこれらのアクチュエータは、コンパクトであり、高信頼であり、製作が容易であり、かつマイクロ流体システム１００の残りの部分と容易に一体化できることが望ましい。

図２は、図１に示すような、本発明の好ましい実施形態による上流側チャンネル１０３、バルブ１０５、および下流側チャンネル１０７を示している。バルブ１０５は、そのすべての面が平行な一対の面に置かれている平行四辺形である６つの面をもつ多面体を形成する平行六面体の形状を有していることが好ましい。バルブ１０５は、バルブを通る流体の流れと直交するように配置させた１つの矩形の断面を有することが好ましい。上流側チャンネル１０３および下流側チャンネル１０７はさらに、バルブ１０５に対する好都合で適当な機械結合を容易にするために、少なくとも２つのチャンネルをバルブ１０５に接続させている場所では同じ形状を有するようにすることが好ましい。別法として、上流側チャンネル１０３、バルブ１０５、および下流側チャンネル１０７は、円形、長円形、半円形、円筒形、その他など、ＭＥＭＳ製作技術に適合すると共に特定の用途に適した適当な任意の形状を有することができる。

図３は、本発明の好ましい実施形態により小さい開口１３９を提供するために、図２に示すように仕切板１３１を中立位置に配置した状態とした、バルブ１０５の断面図を表している。バルブ１０５は、第１の下側基材１２１と、第２の上側基材１２３と、第１の接点１２７と、第２の別の接点１２９と、ブリッジ素子１３０とを含んでいる。ブリッジ素子１３０は、仕切板１３１と、第１の側壁１３３と、第２の側壁１３５とを含んでいる。ブリッジ素子１３０は全体として、図３の断面図におけるＨ字状の構成を有している。

バルブ１０５の断面図は全体として、１つの矩形の形状を有している。ブリッジ素子１３０は、第１の下側基材１２１と第２の上側基材１２３との間にサンドイッチ構成で配置されている。第１の側壁１３３および第２の側壁１３５は、仕切板１３１の相対する端部に位置している。仕切板１３１は、第１の側壁１３３および第２の側壁１３５のそれぞれに沿った途中に位置している。本発明のこの好ましい実施形態では、第１の側壁１３３と第２の側壁１３５の高さ１４７は、２マイクロメートルから１５マイクロメートルであり、また３．３マイクロメートルであることがより好ましい。

第１の接点１２７は、第２の上側基材１２３の底表面（参照符号なし）上に配置されると共に、第１の側壁１３３と第２の側壁１３５との間の中間に位置している。同様に、第２の別の接点１２７は、第１の下側基材１２１の上端表面（参照符号なし）上に配置されると共に、第１の側壁１３３と第２の側壁１３５との間の中間に位置している。第１の接点１２７および第２の別の接点１２９の各々の厚さ（参照符号なし）は、仕切板１３１の厚さ１４１と比較して比較的薄い。本発明のこの好ましい実施形態では、仕切板１３１の厚さ１４１は、２マイクロメートルから５マイクロメートルの範囲にあり、また２マイクロメートルであることが好ましい。

仕切板１３１の下側にある第１の下側領域１３７は、仕切板１３１の底表面（参照符号なし）と第１の下側基材１２１の上端表面（参照符号なし）との間に延びる第１の下側距離１４３に、第１の側壁１３３と第２の側壁１３５との間に延びる仕切板１３１の長さ１４９を乗算することによって得られる。同様に、仕切板１３１の上側にある第１の上側領域１３９は、仕切板１３１の上端表面（参照符号なし）と第２の上側基材１２３の底表面（参照符号なし）との間に延びる第１の上側距離１４５に、第１の側壁１３３と第２の側壁１３５の間に延びる仕切板１３１の長さ１４９を乗算することによって得られる。本発明のこの好ましい実施形態では、この第１の下側距離１４３と第２の上側距離１４５のそれぞれは、０．５マイクロメートルから５マイクロメートルまでの範囲にあり、またそれぞれ０．６５マイクロメートルであることが好ましい。本発明のこの好ましい実施形態では、仕切板１３１の長さ１４９は、５マイクロメートルから５０マイクロメートルまでの範囲にあり、また４０マイクロメートルであることが好ましい。したがって、仕切板１３１の長さ１４９は、側壁１３３および１３５の高さ１４７、仕切板１３１の厚さ１４１、並びに領域１３７および１３９のそれぞれの高さ１４３および１４５と比べて比較的長い。第１の下側領域１３７および第１の上側領域１３９の計算では、第１の接点１２７および第２の別の接点１２９のそれぞれによる各領域の減少は、この減少が、各領域と比較して極めて小さいため無視していることに留意されたい。

バルブ１０５の奥行き（参照符号なし）は、５マイクロメートルから数百マイクロメートルまでの範囲にあり、また１００マイクロメートルであることが好ましい。バルブ１０５の奥行きが長くなるほど、それだけ仕切板のより大きい表面積が、流体に対して露出し、流体１１９とバルブ１０５との間の表面張力が増大することになる。

図４は、図２に示すようなバルブ１０５の断面図を表しており、本発明の好ましい実施形態により比較的大きな開口１５１が提供されるように、その仕切板１３１が偏った位置に配置された状態としている。この仕切板１３１は、第１の接点１２７と第２の別の接点１２９のうちの一方に向かって仕切板１３１を移動させて、その接点に押し当てることができるようにするのに適当な厚さ１４１、材料、および構造を有している。さもなければ、仕切板１３１の動きは、反り、屈曲、伸張、偏り、作動その他として表現することもできる。仕切板１３１が動かされたときに、仕切板１３１が、第１の接点１２７と第２の別の接点１２９のいずれかと物理的に接触することが好ましい。別法として、仕切板１３１を移動させたときに、仕切板１３１を、第１の接点１２７にも第２の別の接点１２９にも物理的に接触させないようにすることができる。

仕切板１３１は、図３に示すような中立な偏りのない位置と、図４に示すような第１の接点１２７の方に向かって偏らせて該接点１２７に押し当てられた位置との間で移動させることが好ましい。仕切板を、第１の接点１２７の方に向かって偏らせて該接点１２７に押し当てられた状態にあるとき、図３に示すような仕切板１３１の下側にある第１の下側領域１３７は、仕切板１３１の中心部分において、仕切板１３１の底表面（参照符号なし）と第１の下側基材１２１の上端表面（参照符号なし）との間を延びる第２の下側距離１５３を有する第２の下側領域１５１まで増大する。本発明のこの好ましい実施形態では、第２の下側距離１５３は、１．３０マイクロメートルである。したがって、第２の下側距離１５３は、第１の下側距離１４３の２倍の高さとすることが好ましい。

別法として、仕切板１３１は、図３に示すような中立で偏りのない位置と、図４に示すような第２の別の接点１２９の方に向かって偏らせて該接点１２９に押し当てられた位置との間で移動している。仕切板を、第２の別の接点１２９の方に向かって偏らせて該接点１２９に押し当てた場合、図３に示すような仕切板１３１の上側にある第２の上側領域１３９は、仕切板１３１の中心部分の位置において、仕切板１３１の上端表面（参照符号なし）と第２の上側基材１２３の底表面（参照符号なし）との間を延びる第２の上側距離（符号付けしていないが、第２の下側距離１５３に等しい）を有する第２の上側領域１５２まで増大する。

第２の別の接点１２９は、第１の接点１２７の代わりに、あるいは第１の接点と組み合わせて使用することができる。第２の別の接点１２９を、第１の接点１２７の代わりに使用する場合、仕切板１３１は、第１の接点１２７の方に向かって上向きにして該接点１２７に押し当てるのではなく、第２の別の接点１２９の方に向かって下向きにして該接点１２９に押し当てるように偏らせている。第２の別の接点１２９を、第１の接点１２７と組み合わせて使用する場合、仕切板１３１は、第２の別の接点１２９の方に向かって下向きにして該接点１２９に押し当てるように、また第１の接点１２７の方に向かって上向きにして該接点１２７に押し当てるように、交互にまたは周期的に偏らせることがある。仕切板１３１を１つの方向に偏らせること、あるいは２つの方向に偏らせることによって、バルブ１０５の厚さ１４１、材料、および構造などの工学的設計要因に応じて、仕切板に対してより長い寿命および／またはより速い応答時間を可能にすることができる。

本発明のこの好ましい実施形態では、仕切板１３１は、図３に示すような中立で偏りのない位置と、図４に示すような第１の接点１２７の方に向かって偏らせて該接点１２７に押し当てた位置との間で静電気力に応答して移動させている。第１の接点１２７および／または第２の別の接点１２９の各々は、第１の電位を有しており、かつ仕切板１３１は第２の電位を有していることが好ましい。この第１の電位は正の電位であり、かつこの第２の電位は負の電位であることが好ましい。この正の電位は、第１の接点１２７および／または第２の別の接点１２９に対して、コントローラ１１１によって制御信号１１５を介して印加されている。負の電位は、コントローラ１１１または別の電源を介して仕切板１３１に印加されている。負の電位は、仕切板１３１に対して一定に印加され、かつ正の電位は、仕切板１３１を移動させる必要がある場合に第１の接点１２７および／または第２の別の接点１２９に印加することが好ましい。第１の接点１２７および／または第２の別の接点１２９に印加される正の電位によって、仕切板１３１に印加された負の電位が引きつけられ、これによって、仕切板１３１が第１の接点１２７および／または第２の別の接点１２９の方に向かってこれら接点に押し当てられるように移動する。別法として、バルブ１０５のそれぞれの素子の正の電位と負の電位を逆転させても、同じ結果を得ることができる。別法として、バルブ１０５のそれぞれの素子の電位は同じにして、正または負のいずれかとし、仕切板１３１を第１の接点１２７および／または第２の別の接点１２９から離れるように反発させ、これによって仕切板１３１を移動させることもできる。さらに別法として、仕切板１３１は、磁気式、圧電式、バイモルフ式、形状記憶合金、および熱空気式（ただし、これらに限らない）を含め、別の機構を用いて移動させることができる。

本発明のこの好ましい実施形態では、小さい開口を提供する第１の下側領域１３７によって、流体１１９とバルブ１０５との間の毛管力が上昇するため、バルブ１０５を通る流体１１９の流れが阻止される。大きい開口を提供する第２の下側領域１５１によって、流体１１９とバルブ１０５との間の毛管力が低下するため、バルブ１０５を通る流体１１９の流れが許容される。そうでない場合、このバルブ１０５は、仕切板１３１の動きに応答した可変サイズの開口内における流体１１９とバルブ１０５との間の毛管力の変化による、毛管マイクロバルブと見なすことができる。バルブ１０５によって、流体の流れの開始および停止、流体の流れの精密な計測、並びに粒子状物質（ｐａｒｔｉｃｕｌａｔｅ）を放出する前に集中させる流体区画が提供される。

図５は、図３に示すようなバルブ１０５の断面拡大図を表しており、本発明の好ましい実施形態により小さい開口を形成している第１の下側領域１３７を提供するように、その仕切板１３１が中立位置に配置された状態としている。流体１１９は、顕微鏡レベルに拡大されており、また２つのバブル１１９Ａ、１１９Ｂとして表している。流体の一方のバブル１１９Ａは、仕切板１３１に付着しており、またもう一方のバブル１１９Ｂは、第１の下側基材１２１に付着している。小さい開口を形成している第１の下側領域１３７は、仕切板１３１が中立位置に配置されているときに、流体１１９とバルブ１０５との間の毛管力によって、バルブ１０５を通る流体１１９の流れが阻止されるような適当なサイズとしている。

流体は、固体の基材および気体との相互作用によって特徴付けすることができる。これらの相互作用としては、界面張力（ｉｎｔｅｒｆａｃｉａｌ ｔｅｎｓｉｏｎ）、すなわちバルブ１０５などの別の物質との流体１１９の界面の位置での単位面積あたりのエネルギーが含まれる。界面張力の効果の１つは、毛管作用である。流体は、小さい領域を通過して流れる場合に流体１１９とバルブ１０５との間での毛管作用が増大するため、この流れに抵抗する。流体１１９の流れの経路の断面積を変化させることによって、流体１１９の流れの調節が可能となる。このタイプのバルブ１０５に関する設計検討には、流体の流れの断面積のサイズおよび形状、バルブ１０５の材料および表面特性、流体１１９の特性、流体１１９に作用する圧力などの要因が含まれる。これらの設計検討によって、流体１１９とバルブ１０５との間の界面の流体表面張力および界面エネルギーが決定される。

材料同士の間での相互作用のエネルギーである界面エネルギーの影響のために、毛管力は上昇する。本発明のこの好ましい実施形態では、その界面エネルギーは、流体（特に、液体）とバルブ１０５などの固体材料との間にある。接触角１５５が９０度を超える場合、液体は固体を濡らすことがなく、その固体の表面上で玉状になる。接触角１５５が９０度未満の場合、その液体は固体を濡らし、固体の表面上に拡がる。所与の流体１１９に関して、流体の流れを許容するか禁止するかのいずれかとさせるように、流体の流れの断面積のサイズおよび形状、バルブ１０５の材料および表面特性、流体１１９に作用する圧力によってこの接触角１５５が決定される。

Ｊｕｌｉａｎ Ｇａｒｄｎｅｒにより著され、Ｗｉｌｅｙ ａｎｄ Ｓｏｎｓにより出版されている「ＭｉｃｒｏＳｅｎｓｏｒｓ：Ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」（１９９４、１６７〜１６９頁）、並びにＦ．Ｍ．Ｗｈｉｔｅにより著され、ＭｃＧｒａｗ Ｈｉｌｌにより出版されている「Ｆｌｕｉｄ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ」（１９８６、３０６頁）は、いずれも流体の流れに関連する次式を開示している。
Ｆｌｏｗ＝πＲ^４（ｐ１−ｐ２）／（８μＬ）
上式において、
Ｒ＝チューブの半径、
ｐ１−ｐ２＝圧力低下、
μ＝流体の粘性、
Ｌ＝流体チャンネルの長さ。

バルブ１０５の断面積Ａは、円形ではなく矩形であるが、仕切板と基材との間の離間距離１４３、１４５、または１５３を、半径Ｒに代入すると上記の式によって良好な相対的な流れの近似が得られる。その流体供給源が、つり下げられたＩＶバッグでありかつその流体シンクが患者であるようなケースでは、圧力低下ｐ１−ｐ２は本質的に一定であり、またある指定された流量を提供するようなバルブの設計は、当業者には単純明快となろう。

図６は、本発明の好ましい実施形態による、バルブ１０５の開口の断面積Ａをバルブ１０５を通る流体の流れＦに対してプロットしたグラフを表している。仕切板１３１が、図３に示すようにその中立で偏りのない位置にあるとき、小さい開口を提供する第１の下側領域１３７によって、流体１１９とバルブ１０５との間の毛管力が大きくなるため、バルブ１０５を通る流体１１９の流れが阻止される。この位置にある場合、小さい開口を提供する第１の下側領域１３７の断面積は、流体の流れが開始される際の所定の断面積しきい値と比べてより小さい。

図４に示すように仕切板１３１を一方の側またはこれと反対側に偏らせている場合、大きい開口を提供する第２の領域１５１または１５２によって、流体１１９とバルブ１０５との間の毛管力が低下するため、バルブ１０５を通る流体１１９の流れが許容される。このケースでは、大きい開口を提供する第２の領域１５１または１５２の断面積は、流体の流れが開始となる際の断面積しきい値と比べてより大きくなる。仕切板１３１を一方の側に移動させる距離がより大きいほど、大きい開口を提供する第２の領域１５１または１５２は、最大断面積に到達するまでより大きくなる。開口を画定している第２の領域１５１または１５２が大きくなると、毛管力はその影響が低下し、このため線１６１で表すように流体の流れを増加させることができる。線１６１は直線状に表しているが、バルブ１０５の構成に応じて、双曲線状や指数関数状など別の形状を有することもある。最大断面積を有する第２の領域１５１または１５２を形成させるために、仕切板１３１を一方の側まで非常に高速で移動させる場合、その流体の流れは、線１６５で表しているようにステップ関数に近くなる。線１６３で表しているように、最大断面積の位置において、バルブ１０５を通る流体の流れは最大レベルに到達する。

図７は、本発明の好ましい実施の一形態による、バルブ１０５を制御するための制御信号１１５を表している。この制御信号１１５は、デューティサイクル１７３、パルス幅１７５、高電圧レベルＶ２、および低電圧レベルＶ１を有する、ディジタルパルス信号として表している。パルス幅１７５は、制御信号１１５が高電圧レベルＶ２を発生させている継続時間に相当する。Ｖ１は０ボルトに等しくし、かつＶ２は５ボルトに等しくすることが好ましい。制御信号１１５が低電圧レベルＶ１を発生しているときに、仕切板１３１は、図３に示すようなその中立で偏りのない位置にある。小さい開口を提供する第１の下側領域１３７によって、バルブ１０５を通る流体１１９の流れが阻止される。低電圧レベルＶ１を存在させる期間を長くするほど、仕切板１３１がその中立位置に留まる時間がそれだけより長くなり、また流体１１９がバルブ１０５を通って流れない時間がより長くなる。制御信号１１５が高電圧レベルＶ２を発生させているときは、仕切板１３１は図４に示すように一方の側に偏っている。大きい開口を提供する第２の領域１５１によって、バルブ１０５を通る流体１１９の流れが許容される。高電圧レベルＶ２を存在させる期間を長くするほど、仕切板１３１はその偏った位置に留まる時間がそれだけより長くなり、また流体１１９がバルブ１０５を通って流れる時間がより長くなる。したがって、制御信号１１５のディジタルパルスによって、仕切板１３１をその中立位置と偏らせた位置との間で移動させ、バルブ１０５を通る流体１１９の流れをそれぞれ阻止したり許容したりする。バルブ１０５を通る流体１１９の流れを調節するために、コントローラ１１１は、制御信号１１５のデューティサイクル１７３を、静的または動的のいずれかにより調整することができる。流体の流れの速度および流体の流れの制御範囲は、仕切板１３１の応答時間、流体１１９に作用する圧力、毛管力その他などの工学的要因に応じる。さらに、流体の流れの制御範囲を増大させるために、流体供給源１０１に接続させた異なる流量を有している複数のバルブを並列に配置させ、かつこれらをコントローラが発生させた異なる制御信号によって独立に制御することができる。

図８は、バルブ１０５のための半導体構造を表している。バルブ１０５は、上述したようにＩＣ処理を用いて製作することが好ましい。ブリッジ素子１３０は、シリコン、多結晶シリコン、二酸化ケイ素や窒化ケイ素などの誘電体、ポリマー（ただし、これらに限らない）を含め、典型的なＩＣ材料を用いて製造することができる。第１の下側基材１２１はシリコンを用いて製造し、第２の上側基材１２３はガラスを用いて製造し、第１の接点１２７は金属を用いて製造し、第２の別の接点１２９は金やアルミニウムなどの金属を用いて製造し、仕切板１３１は多結晶シリコンを用いて製造し、第１の側壁１３３は二酸化ケイ素を用いて製造し、かつ第２の側壁１３５は二酸化ケイ素を用いて製造することが好ましい。仕切板１３１は、多結晶シリコンを用いて製造しているが、これはこの材料が、柔軟であり、応答時間が速く、かつ疲労に耐えるためである。仕切板１３１には、第３の電位Ｖ３を印加することができる。

このバルブ１０５の利点としては、半導体構造であるために小型であることが含まれる。サイズが小さく、かつバルブ１０５の作動のために仕切板１３１を移動させなければならない距離が短いため、このバルブは、使用する電力が最小となる。仕切板１３１を移動させる距離が短いため、バルブ１０５の応答時間が速くなり、かつ制動効果（ｄａｍｐｉｎｇ ｅｆｆｅｃｔｓ）が最小限となる。電力要件が低いため、コントローラ１１１に対して小さいバッテリから電力を供給することが可能となる。バルブのサイズが小さく、電力要件が低く、かつ応答時間が高速であるため、小型の可搬型デバイス内にバルブを組み込むことが可能となる。こうした小型の可搬型デバイスは、人間が容易に持ち歩くことができ、また人体内に埋め込むことも可能である。

本発明を、そのさまざまな実施形態の例を参照しながら記載してきたが、本発明をこれらの具体的な実施形態に限定しようと意図したものではない。当業者であれば、開示した対象物に関して、添付の特許請求の範囲に示した本発明の精神および趣旨を逸脱することなく、変形、修正、および組み合わせを行うことができることを理解されよう。

本発明の好ましい実施の一形態によるマイクロ流体システムの図である。 図１のマイクロ流体システムの上流側チャンネル、バルブ、および下流側チャンネルの図である。 小さい開口を提供する中立位置に仕切板を配置した状態としたバルブを、図２の線３−３に沿って切った断面図である。 大きい開口を提供する偏らせた位置に仕切板を配置した状態としたバルブを、図２の線４−４に沿って切った断面図である。 小さい開口を提供する中立位置に仕切板を配置した状態としたバルブで、図３の５−５の指定領域を拡大した断面図である。 バルブの開口の断面積を図１〜４のバルブを通る流体の流れに対してプロットしたグラフである。 本発明の実施の一形態によるバルブを制御するための制御信号の図である。 図１のバルブのための半導体構造の図である。

Claims (8)

1. マイクロ流体システムにおける流体の流れを制御するように構成されたバルブであって、
   バルブに対して所定のレベルの圧力を作用させる流体を受け取るように構成された入力ポート、および流体を提供するように構成された出力ポートと、
   第１の開口サイズと第１の開口サイズと比べてより大きい第２の開口サイズとの間で変わるように構成された、可変サイズの開口を有する管状体とを備えており、
   第１の開口サイズは、第１の開口サイズにおける流体と管状体との間の毛管力の第１のレベルに応答して、バルブを通る流体の流れを阻止し、かつ
   第２の開口サイズは、流体と管状体との間の毛管力の第１のレベルと比べてより小さい第２の開口における毛管力の第２のレベルに応答して、バルブを通る流体の流れを許容し、
   前記バルブがさらに、
   平板状となっている第１の基材と、
   平板状となっており、かつ第１の基材と反対側に該第１の基材と平行に配置した第２の基材と、
   第１の基材と第２の基材との間で第１の基材および第２の基材と隣接して配置されており、かつバルブを通る流体が流れる方向と直交するように配置されたＨ字状の断面を有しているブリッジ素子とをさらに備え、
   該ブリッジ素子が、
   第１の基材と第２の基材を相互接続している第１の側壁と、
   第１の側壁から離間されていると共に第１の基材と第２の基材を相互接続している第２の側壁と、
   平板状となっておりかつ所定の厚さを有する仕切板とを含み、
   該仕切板が、
   第１の側壁と第２の側壁との間に接続されていると共に第１の側壁および第２の側壁の間に延びており、中立な第１の偏りのない位置では、第１の基材と第２の基材との間で第１の基材および第２の基材と平行に配置され、
   第１の位置と第２の位置との間を第１の基材と第２の基材のうちの一方に向かって移動するように構成され、
   仕切板が第１の位置にあり、かつ仕切板の底表面と第１の基材の上端表面との間の第１の距離に、第１の側壁と第２の側壁との間で延びる仕切板長さを乗算した値に等しい第１の断面積を規定している場合に、バルブは、仕切板の下側に配置された第１の開口サイズをもつ第１の開口を形成し、
   仕切板が第２の位置にあり、かつ仕切板の底表面と第１の基材の上端表面との間の第２の距離に、第１の側壁と第２の側壁の間で延びる仕切板長さを乗算した値に等しい第２の断面積を規定している場合に、バルブは、仕切板の下側に配置された第２の開口サイズをもつ第２の開口を形成する、バルブ。
2. 仕切板は、第１の電位および第２の電位それぞれを有する第１の制御信号に応答して、第１の位置と第２の位置との間を移動するように構成される、請求項１に記載のバルブ。
3. バルブはさらに、
   第１の基材と第２の基材との間で第１の基材上に配置された第１の接点を備え、該第１の接点は、第１の制御信号を受け取るように電気的に結合され、
   仕切板は第３の電位を有し、
   第１の接点の第１の電位は、仕切板を第１の位置まで移動させるように仕切板の第３の電位と相互作用し、かつ第１の接点の第２の電位は、仕切板を第２の位置まで移動させるように仕切板の第３の電位と相互作用する、請求項２に記載のバルブ。
4. 第１の基材はシリコンから形成されており、第２の基材はガラスから形成されており、第１の側壁および第２の側壁はそれぞれ二酸化ケイ素から形成されており、 かつ仕切板は多結晶のシリコンから形成されている、請求項１に記載のバルブ。
5. 第１の基材はシリコンから形成されており、第２の基材はガラスから形成されており、第１の側壁および第２の側壁はそれぞれ二酸化ケイ素から形成されており、かつ仕切板は多結晶のシリコンから形成されている、請求項１に記載のバルブ。
6. マイクロ流体システムにおける流体の流れを制御するように構成されたバルブであって、
   バルブに対して所定のレベルの圧力を作用させる流体を受け取るように構成された入力ポートおよび、流体を提供するように構成された出力ポートを有する平行六面体の形状部と、
   バルブを通る流体の流れと直交するように配置させた矩形の断面を有し、第１の開口と第１の開口と比べてより大きい第２の開口との間で変わるように構成された可変サイズの開口とを備えており、
   第１の開口は、第１の開口における流体とバルブとの間の毛管力の第１のレベルに応答して、バルブを通る流体の流れを阻止し、かつ
   第２の開口は、毛管力の第１のレベルと比べてより小さい第２の開口における流体とバルブとの間の毛管力の第２のレベルに応答して、バルブを通る流体の流れを許容し、
   バルブはさらに、
   平板状となっている第１の基材と、
   平板状となっており、かつ第１の基材と反対側に該第１の基材と平行に配置した第２の基材と、
   第１の基材と第２の基材との間で第１の基材および第２の基材と隣接して配置され、かつバルブを通る流体が流れる方向と直交するように配置されたＨ字状の断面を有しているブリッジ素子とを含み、
   該ブリッジ素子が、
   第１の基材と第２の基材との間で第１の基材および第２の基材と隣接して配置されている第１の側壁と、
   第１の基材と第２の基材との間で第１の基材および第２の基材と隣接して配置されている第２の側壁と、
   平板状となっておりかつ所定の厚さを有する仕切板とを含み、
   仕切板が、第１の側壁と第２の側壁との間に配置されていると共に第１の側壁および第２の側壁に隣接し、第１の基材と第２の基材との間で第１の基材および第２の基材と平行に配置され、
   仕切板が、第１の位置と第２の位置との間を移動するように構成され、
   仕切板が、仕切板の底表面と第１の基材の上端表面との間で延びる第１の距離に、第１の側壁と第２の側壁の間で延びる仕切板長さを乗算した値に応答した第１の位置にある場合に、バルブは、仕切板の下側に配置された第１の開口を形成し、
   仕切板が、仕切板の底表面と第１の基材の上端表面との間で延びる第２の距離に、第１の側壁と第２の側壁の間で延びる仕切板長さを乗算した値に応答した第２の位置にある場合に、バルブは、仕切板の下側に配置された第２の開口を形成し、
   仕切板は、第１の電位および第２の電位それぞれを有する第１の制御信号に応答して、第１の位置と第２の位置との間を移動するように構成されており、
   バルブはさらに、
   第１の基材と第２の基材との間で第１の基材上に配置させた第１の接点を含み、該第１の接点は、第１の制御信号を受け取るように電気的に結合され、
   仕切板は第３の電位を有し、
   第１の接点の第１の電位は、仕切板を第１の位置まで移動させるように仕切板の第３の電位と相互作用し、かつ第１の接点の第２の電位は、仕切板を第２の位置まで移動させるように仕切板上の第３の電位と相互作用する、バルブ。
7. 仕切板が、仕切板の上端表面と第２の基材の底表面との間に延びる第２の距離に、第１の側壁と第２の側壁との間に延びる仕切板の長さとを乗算した値に応答して 、バルブを通る流体の流れが許容されるような第３の位置にあるときに、バルブは、仕切板の上側に配置されている、第１の開口と比べてより大きな第２の開口を形成し、
   仕切板は、第１の電位と第２の電位のそれぞれを有する第２の制御信号に応答して、第１の位置と第３の位置との間を移動するように構成される、請求項６に記載のバルブ。
8. バルブはさらに、
   第１の基材と第２の基材との間で第２の基材上に配置させた第２の接点を備え、該第２の接点は、第２の制御信号を受け取るように電気的に結合され、
   第２の接点の第１の電位は、仕切板を第１の位置まで移動させるように仕切板の第３の電位と相互作用しており、かつ第２の接点の第２の電位は、仕切板を第３の位置まで移動させるように仕切板の第３の電位と相互作用する、請求項７に記載のバルブ。

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