JP4409688B2 - 非対称バブルチャンバを有するキャピラリ流体スイッチ及びそのスイッチング方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、キャピラリ（毛管）内におけるある流体中に含まれた別の流体の泡の移動に関するものであり、とりわけ、光信号用スイッチ、流体弁、流体ポンプ、及び液体脱気装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術及び発明の解決すべき課題】
キャピラリ内の泡は、いくつかの点で有用である。光学装置の場合、泡は、周囲の液体とは異なる屈折率を有しているので、光信号を反射又は屈折させることが可能である。更に、冷えた領域から暖かい領域に泡を押しやる傾向のある温度依存表面張力効果を利用することによって、小さいキャピラリから泡を押し出して、大きいキャピラリ内に送り込む傾向のあるジオメトリ効果を利用することによって、及び、キャピラリ壁を容易に湿潤させる第１の流体の方が、同じ壁を同様には湿潤させない第２の流体の泡よりも存在しやすくする傾向のある湿潤効果を利用することによって、キャピラリ内において泡を移動させることが可能になる。
【０００３】
温度に応じた泡の表面張力の変化を利用するキャピラリ装置は、マランゴニ効果としても知られる熱キャピラリ現象によって機能するといわれている（例えば、Ｌ．Ｅ．Ｓｃｒｉｖｅｎ ａｎｄ Ｃ．Ｖ．Ｓｔｅｒｌｉｎｇ，“Ｔｈｅ Ｍａｒａｎｇｏｎｉ Ｅｆｆｅｃｔｓ，”Ｎａｔｕｒｅ，Ｖ１８７，ｐ１８６（１９９６）を参照されたい）。熱キャピラリ現象を利用した光スイッチング素子に関して発表された最近の研究例には、Ｍａｋｏｔｏ Ｓａｔｏ，ｅｔ，ａｌ“Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｗｉｔｃｈ ｆｏｒ ８：１ Ｓｔａｎｄｂｙ Ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｌｉｎｅ Ｔｅｒｍｉｎａｌｓ，”ｐａｐｅｒ ＷＭ１６，Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｄｉｇｅｓｔ，ＯＦＣ’９８Ｏｐｔｉｃａｌ Ｆｉｂｅｒ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｘｈｉｂｉｔ，Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２２−２７，１９９８，Ｓａｎ Ｊｏｓｅ Ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｓａｎ Ｊｏｓｅ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ，ｐｐ １９４，１９５がある。マランゴニ効果は、米国特許第５，６９９，４６２号“ＴＯＴＡＬ ＩＮＴＥＲＮＡＬ ＲＥＦＬＥＣＴＩＯＮ ＯＰＴＩＣＡＬ ＳＷＩＴＣＨＥＳ ＥＭＰＬＯＹＩＮＧ ＴＨＥＲＭＡＬ ＡＣＴＩＶＡＴＩＯＮ”の発明における光スイッチングのための泡の移動の制御にも利用されている。例えば、該特許の図２９に示す、幅がテーパ状になったキャピラリ３０４をなす実施形態では、泡は抵抗器３０８で発生するが、キャピラリの幅がテーパ状であるために泡に加えられるジオメトリによって誘発される力を相殺するマランゴニ効果によって、その抵抗器の所定位置に保持される。抵抗器の加熱が終了すると、泡は、抵抗器３０８からテーパ状のキャピラリ３０４に沿って図の上方左に向かって移動するが、移動は、ジオメトリ誘発力によって発生する。従って、該特許の図２９における装置の動作は、マランゴニ力とジオメトリ誘発力との間の対抗する相殺作用に依存している。
【０００４】
本発明の説明から明らかになるように、ジオメトリ効果による力は、マランゴニ効果による力よりもはるかに大きくなる可能性がある。マランゴニ効果が相対的に弱いため、マランゴニ効果を相殺するために米国特許第５，６９９，４６２号の図２９の装置に取り入れることが意図されたジオメトリ効果は、やはり弱くなければならず、その装置の動作は比較的低速で機械的衝撃による干渉を受けやすい。大きい力を利用して、迅速で且つ安定した光スイッチングをもたらす微小流体装置が、やはり必要とされており、本発明は、その要求を満たすものである。
【０００５】
泡は、キャピラリ内における流体流量を制御するための弁素子としても有効である。泡について最低の局所的エネルギーポテンシャルを生じさせる温度効果とジオメトリ効果の何らかの組み合わせによって、泡をキャピラリ内の所定の位置に置くことが可能であり、従って、泡でキャピラリを閉塞するか、又はほとんど閉塞することによって、まわりの流体の流れを妨げることも可能である。例えば、Ｊｏｈｎ Ｅｖａｎｓ，ｅｔ ａｌ，“Ｐｌａｎａｒ Ｌａｍｉｎａｒ Ｍｉｘｅｒ”Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｔｅｎｔｈ ａｎｎｕａｌ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ ｏｎ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ，Ｎａｇｏｙａ，Ｊａｐａｎ，Ｊａｎｕａｒｙ ２６−３０，１９９７，ＩＥＥＥ Ｃａｔａｌｏｇ Ｎｕｍｂｅｒ ９７ＣＨ３６０２１，ｐｐ９６−１０１を参照されたい。しかし、Ｅｖａｎｓ他の論文には、その最低の局所的エネルギーから泡を解放する技法に関する教示がない。泡が液体中に溶けた気体から遊離した気体によって構成される場合、こうした泡は、それを生じさせる加熱抵抗器がオフになると、消失することができなくなるため、十分な泡の除去が行えない装置は、「ベーパ・ロック」を被る可能性がある。チャネル内に泡をしっかり拘束し、所望の場合には、反復可能な効率の良い方法で、チャネルから泡を解放して、取り除くための信頼できる技法が、やはり必要とされている。
【０００６】
泡は、キャピラリ内におけるポンプ素子としても有効である。キャピラリ又はチャネル内で膨張する泡は、ピストンの働きをしてまわりの流体を押し退けてキャピラリのジオメトリによって決まる方向に移動させる。上述のＪｏｈｎ Ｅｖａｎｓ他による前記論文“Ｐｌａｎａｒ Ｌａｍｉｎａｒ Ｍｉｘｅｒ”では、ピストン素子として室内で交互に行われる泡の膨張及び圧縮が用いられる。前記論文に記載の弁と同様、ピストンとしての泡は、「ベーパ・ロック」を被る可能性がある。所望の場合には、ポンプ室から泡が除去される泡ピストンを用いたポンプが、やはり必要とされており、本発明ではこうしたポンプが教示される。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明では、キャピラリの異なる領域における泡に関連したエネルギーポテンシャルの差を利用して、泡の捕捉が所望される場合にはキャピラリのある領域内に泡を捕捉し、このとき望ましくない状態の変化をもたらす可能性のある摂動に抵抗する。エネルギーポテンシャルの差は、ジオメトリ及び／又は材料によって決まる可能性がある。本発明では、エネルギーポテンシャルの差を利用して、所望の場合には、捕捉状態から泡を解放するが、先行技術による装置よりも迅速にそれを行う。本発明は、光スイッチング、流体弁、流体ポンピング、及び、液体脱気に有効である。
【０００８】
この装置の動作は、次の通りである。第１の流体を含むキャピラリ内において、例えば、加熱抵抗器を用いて第１の流体を構成する液体を気化させて、第２の流体を構成する蒸気の泡を生じさせるといった、何らかの手段によって、第２の流体の壁で拘束された泡が導入され、キャピラリ内で設計通りに捕捉される。泡は、供給源からの泡（例えば、ガス供給源からの気泡）の注入を含む、電気、化学、電解、空気圧、水圧、光学、慣性、超音波、及び微小流体技法を利用して、導入することも可能である。泡の導入によって、光ビームのスイッチング又は流体チャネルの閉塞といった、第１の所望の事象が実現される。泡は、キャピラリ内の局所エネルギーポテンシャルが最低となるように捕捉されるので、泡を移動させるには、エネルギーを与える必要がある。
【０００９】
次に、例えば、加熱抵抗器に対する電力入力を増して、より多くの泡を導入し、これによって、泡のサイズを増すことによって、泡のエネルギーが増大する。泡の成長につれて、そのエネルギーが増大し、その成長につれて、トラップに隣接したキャピラリのエネルギーポテンシャルの設計通りの空間非対称性（ジオメトリ及び／又は材料）に遭遇する。泡は、エネルギーポテンシャルが最低の方向に成長する傾向がある。泡の成長によって、その成長中に泡によって押し退けられる容積の第１の流体のポンピングのような、第２の所望の事象を実現することが可能になる。
【００１０】
次に、成長する泡が、最高の準安定エネルギーに達すると、キャピラリ内において設計通りの低空間エネルギーポテンシャル領域に遭遇する。泡を更に成長させると、泡は低空間エネルギーポテンシャル領域内に送り込まれ、泡は位置的に不安定になる。重力エネルギーポテンシャルによるホースを用いた山腹の池から下方の池への水の吸い出しと同様に、泡は、トラップから移動して急速に低空間エネルギーポテンシャル領域内に流入する。泡が移動すると、その移動によって、光ビームのスイッチング又は流体チャネルの閉塞解除といった所望の第３の事象が実現される。
【００１１】
実施形態によっては、泡がトラップから離れて下流と定義される方向に進むにつれて、泡によって、その前方の第１の流体の一部が下流に押しやられ、上流と定義される方向からある容積の第１の流体が吸い込まれて、トラップの空間が再充填される場合もある。
【００１２】
本発明は、設計通りのエネルギーポテンシャルの非対称性を用いて、泡の捕捉及び泡の移動を実施するので、非対称バブル・チャンバ又は「ＡＢＣ」と呼ばれる。
【００１３】
下記の専門用語は、ＡＢＣの様々な空間領域を表すために用いられる。
【００１４】
泡が最初に捕捉される捕捉空間は、「ゲート」と呼ばれる。泡がゲートから流出して、入り込む低空間エネルギーポテンシャル領域は、「ドレイン」と呼ばれる。ゲートとドレインの間にある比較的エネルギーポテンシャルの高い領域は、ポテンシャル障壁を構成しており、「障壁」と呼ばれる。泡がゲートを出て、ドレインに流入した後、ゲートを再充填するため、第１の流体が流入する領域は、「ソース」と呼ばれる。第１の流体がソースから流入する装置の通常の動作モードにおいて、ソースはゲートの上流にあり、ゲートは障壁の上流にあり、障壁はドレインの上流にある。ここで、「上流」及び「下流」は第１の流体が流れる通常の方向を表している。
【００１５】
ソースは、「ソース・ポテンシャル」と呼ばれる、第１の流体中における壁に拘束された第２の流体の泡に関するエネルギーポテンシャルを備えている。しかし、実施形態によっては、流体によってゲート領域を再充填することが可能な場合、ソースをなくすか、又は塞ぐことが可能なものもある。例えば、装置は、２つの障壁を備えることが可能であり、その一方がソースの働きをすることが可能である。
【００１６】
ゲートは、ソース・ポテンシャルより小さい「ゲート・ポテンシャル」と呼ばれる、第１の流体中における壁に拘束された第２の流体の泡に関するエネルギーポテンシャルを備えている。
【００１７】
障壁は、ゲート・ポテンシャルより高いが、ソース・ポテンシャルより低い、「障壁ポテンシャル」と呼ばれる、第１の流体中における壁に拘束された第２の流体の泡に関するエネルギーポテンシャルを備えている。
【００１８】
ドレインは、ゲート・ポテンシャルより低い、「ドレイン・ポテンシャル」と呼ばれる、第１の流体中における壁に拘束された第２の流体の泡に関するエネルギーポテンシャルを備えている。
【００１９】
４つのエネルギーポテンシャル領域間の関係に関する以上の説明から明らかなように、ゲートは、「ポテンシャル井戸」と呼ばれる局所的エネルギーポテンシャルが最低の領域を備えている。
【００２０】
キャピラリ内の泡を用いる先行技術による微小流体スイッチは、不安定になる傾向があり、動作速度が遅くなる傾向があった。本発明の場合、最初に泡がポテンシャルの井戸に捕捉されるが、その後、かなりのエネルギーの障壁を克服してそれを井戸の外部に急速に流出することが可能である。従って、本発明のスイッチ、弁、又はポンプを備えたシステムは、安定しており、振動又は温度による意図せぬ摂動に対し抵抗するが、迅速な動作も可能である。
【００２１】
明らかに、本発明はサイクル動作が可能であり、動作速度は、まずゲートに泡を送り込むことが可能な速度によって、次に、ゲートからドレインに泡を移動されることが可能な速度によって制限される。
【００２２】
更に、この動作は、固体部品の機械的運動によって実施する必要はない。それどころか、ソース、ゲート、障壁、及びドレインのエネルギーポテンシャルは、チャネルのジオメトリによって、又はチャネルと第１の流体と第２の流体の材料組成によって、又はジオメトリと材料組成の組み合わせによって決まる。本発明によれば、例えば、専ら電気加熱によって熱的に制御可能な流体手段によって、泡を送り込み、移動させることが可能になる。
【００２３】
本発明の実施形態の１つでは、キャピラリには、水のような液体が充填され、キャピラリの壁は、ガラスのような親水性材料である。小型の電気抵抗器を用いて、水を気化させることによって、蒸気の泡がゲート内に送り込まれる。泡は、ゲートを略満たすのに十分な大きさであり、その導入によって、第１のスイッチング事象が生じる。キャピラリが、米国特許第５，６９９，４６２号に解説のような光交差点スイッチの一部である場合、泡の存在によって、第１の光スイッチング事象が生じる。キャピラリが、流体流動システムの一部である場合、泡の存在は、キャピラリ内における流体の流れを阻止する働きをし、したがって、第１の流体スイッチング事象が生じる。いずれの場合も、機械的加速又は液圧の変動のような摂動が生じたとしても、ゲート内で最低の局所的エネルギーポテンシャルが、泡を捕捉する作用をする。こうした親水性の設定の場合、ゲートは、キャピラリの隣接するソース及び障壁部分よりも幅の広い室である。
【００２４】
このシステムをその初期状態に戻すような本発明の同じ実施形態に関する第２のスイッチング事象では、抵抗器に対する加熱電力を増大させることによって、泡の体積が増加し、泡がゲート領域と障壁領域を満たし、ドレイン領域内に流入し始めるようになる。次に、膨張した泡が、表面張力によってゲートから吸い出され、キャピラリの隣接する狭い部分（親水性の設定では障壁である）を通って、キャピラリのもっと広い部分（親水性の設定ではドレインを構成する）に送り込まれる。同時に、液体が、上流から、キャピラリの狭い部分（親水性の設定ではソースである）を通って、ゲートを再充填する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
本発明の動作モードを理解するためには、キャピラリ内における泡の動きに関する物理的現象についてある程度詳細に理解しなければならない。この物理的現象について以下に述べることにする。
【００２６】
キャピラリは、「キャピラリ力（毛管力）」と呼ばれる、流体の表面張力及び湿潤による力が、重力の場又は他の加速度の生じる場において、流体の密度による力に匹敵するか、又はそれを上回る小寸法のチャネルと定義される。「微小流体」装置は、一般にキャピラリ力が重要な役割を果たす長さ寸法の短い装置である。
【００２７】
キャピラリの壁は、第１の流体内における第２の流体の泡を拘束して、泡が移動可能な方向を制御する働きをすることが可能である。第１の流体及び第２の流体は、気体又は液体とすることが可能であるが、２つの気体の混合物は、２つの気体間において泡表面を維持することができないので、第１と第２の流体を両方とも同時に気体にすることはできない。第１の流体及び第２の流体は、物理的形態の異なる同じ物質とすることが可能である。例えば、第１の流体を液体の水とし、第２の流体を水の蒸気とすることが可能である。
【００２８】
キャピラリ内の泡は、２つの略対置する側でキャピラリの壁に接触するのに十分な大きさがあれば、「壁に拘束された」と称される。例えば、ある極端な事例では、キャピラリは、円形断面の長い管とすることが可能である。その全周囲でキャピラリ壁に接触するが、管の全長に沿って自由に移動する水中の気泡は、壁に拘束されている。気泡が小さくなり、気泡が接触するキャピラリ壁がその周囲の１８０度の角度未満になると、もはや壁に拘束されない。
【００２９】
もう１つの極端な事例では、キャピラリに、略平行な２枚のガラス板を含むことが可能である。第１の流体は、水であることが可能であり、壁に拘束される泡は、２枚のガラス板間の水中における空気の平坦化ディスクとすることが可能である。この気泡は、ガラス板間の２次元的に自由に移動する。気泡が、ガラス板の一方にしか接触しないほど小さくなると、もはや壁に拘束されない。
【００３０】
上述の２つの極端な事例間には、正方形又は矩形の断面のキャピラリといった、多様な断面形状のキャピラリが含まれる。こうしたキャピラリ内の泡は、キャピラリ壁に接触せずにすむ、その断面周囲の連続した角度が１８０度未満になると、壁に拘束されることになる。
【００３１】
「壁に拘束された」という用語は、これまで、高エネルギープラズマ物理現象において用いられてきたが、その分野では、異なる概念を表している。本明細書で提示されたキャピラリ内における泡の壁による拘束の概念は、本発明を記述するうちに生じたものである。キャピラリ壁と接触しないキャピラリ内の泡の部分は、泡の「自由表面」と呼ばれる。固体壁面と接触する泡の部分は、泡の「束縛表面」と呼ばれる。
【００３２】
壁に拘束された泡が、キャピラリ内においてもはやどの方向にも自由に移動できない状態に遭遇すると、それは「捕捉された」と称され、泡が捕捉されるキャピラリ内の空間は、「トラップ」と呼ばれる。捕捉された泡は、それにもかかわらず、自由表面を備えることが可能である。
【００３３】
気泡のような流体の泡と液体のようなそのまわりの流体の間には、曲率半径ｒと表面張力σ（Ｔ）によって特性を示すことが可能な界面が存在するが、Ｔは温度であり、従って、σは温度Ｔの関数である。この表面には、Ｐ＝２σ（Ｔ）／ｒで示される圧力差が存在する（例えば、Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，Ｗａｌｔｅｒ Ｊ．Ｍｏｏｒｅ，ｆｏｕｒｔｈ ｅｄｉｔｉｏｎ，Ｐｒｅｎｔｉｃｅ−Ｈａｌｌ，Ｅｎｇｌｅｗｏｏｄ Ｃｌｉｆｆｓ，ＮＪ，ｐａｇｅ ４７８を参照されたい）。
【００３４】
泡表面は、圧力差、表面張力、表面曲率半径、及びキャピラリ壁の湿潤特性のうちの１つ以上を変化させることによって操作可能である。
【００３５】
良好な湿潤と不十分な湿潤は、表面に対する流体の平衡接触角によって量子化することが可能である。例えば、クリーンな二酸化珪素ガラス板に接触する空気中の水滴は、平衡接触角がその水滴内で測定すると極めて小さく、ガラス表面は、十分に湿潤されるということになる。しかし、空気中で測定される平衡接触角は、大きく、従って、空気は、水に比べると湿潤が不十分とみなされる。一方、クリーンなガラス板に付いた空気中の水銀滴は、平衡接触角がその水銀滴内で測定すると極めて大きい。ガラス表面は、水銀による湿潤が不十分であるということになり、空気は水銀に比べると湿潤が十分であるとみなされる。
【００３６】
水液の場合、良好な湿潤は親水性と呼ばれ、９０度未満の平衡接触角を特徴とし、湿潤される材料は、親水性であると表現される。同様に、不十分な湿潤は、疎水性と呼ばれ、９０度を超える平衡接触角を特徴とし、湿潤される材料は、疎水性であると表現される。親水性及び疎水性という用語は、任意の流体が、固体壁においてもう１つの混合することのできない流体に合流する位置で、その任意の流体内で測定される平衡接触角を表すため、「親流体性」及び「疎流体性」と一般化することが可能である。
【００３７】
泡表面が、固体材料の壁と交差する場合、平衡接触角は、便宜上「流体１」と呼ぶことが可能な泡のまわりの流体と、「流体２」と呼ぶことが可能な泡内の流体の両方に関するその壁の湿潤特性によって決まる。例えば、流体１内で測定される角度が、平衡接触角を超えるか、又は、それ未満になると、泡は、移動して、「前進接触角」又は「後退接触角」を示す傾向がある。
【００３８】
泡の表面全域における圧力差は、その表面の曲率半径に逆比例する。圧力差の大きさの一例として、水を気化させると、略１００゜Ｃ以上の温度の泡が生じる。１００゜Ｃの水の場合、気泡の表面張力は、５９ミリニュートン／メートル（ｍＮ／ｍ）に等しい。その水中における気泡の半径が２５μｍ（ミクロン）の場合、外部の水に対するその内圧は、約４６ｃｍの高さの水柱によって加えられる圧力に等しく、Ｐ＝２（５９ｍＮ／ｍ／２５μｍ）＝４．７２キロパスカル（ｋＰａ）に等しい。泡の半径が半分の１２．５μｍになると、内圧は、２倍の９．４４ｋＰａになる。
【００３９】
圧力差は、直接、泡の表面張力によっても左右され、表面張力は、温度と共に変動する。例えば、空気中の液体である水の表面張力は、温度が０゜Ｃから１００゜Ｃに変動すると、約２２％低下する、即ち、１゜Ｃ当たり０．２２％低下する。
【００４０】
水中の気泡に関する上述の例から明らかなように、比較的温度変化が大きい場合でも、表面張力の温度依存性による圧力変化は、曲率半径の変化による圧力変化に対して小さくなる可能性がある。従って、曲率半径の制御は、泡を制御するための比較的強力なメカニズムであり、本発明において利用されている。
【００４１】
どの流体とも同様に、泡は、エネルギーポテンシャルの高い領域からエネルギーポテンシャルの低い領域に流れる傾向がある。この概念を理解するためには、エネルギーとエネルギーポテンシャルの両方について少し理解しておく必要がある。
【００４２】
キャピラリへの泡の送り込みには、第１の流体の一部を押し退けることと、ある容積の第２の流体に置換することが含まれるが、この場合、例えば第１の流体は水とし、第２の流体は、水を気化させて発生させることによって導入される蒸気とすることが可能である。壁に拘束される泡をキャピラリ内に送り込む場合、壁に拘束されない同じ体積の泡を送り込む場合より多くのエネルギーが必要になる。
【００４３】
壁に拘束された所定の体積の泡を装置の所定の部分に送り込むのに必要な最低エネルギーは、本明細書において装置のその部分の「エネルギーポテンシャル」又はより簡単に「ポテンシャル」と呼ばれる、空間に依存するエネルギーポテンシャルによって決まる。例えば、泡を送り込むには、キャピラリの所定の部分において、泡の体積の立方センチメートル当たりｘジュールのエネルギーを発生することが必要になる可能性がある。量ｘは、エネルギーポテンシャルである。その領域内の泡が、ｙ立方センチメートルの容積を備えている場合、その泡を送り込むのに必要なエネルギーは、ちょうどｘ×ｙになり、ジュールで表される。
【００４４】
同じキャピラリ内において隣接するが、異なる位置におけるエネルギーポテンシャルの値が、泡の体積の立方センチメートル当たりｚジュールのエネルギーになるものと仮定する。従って、同じ泡の容積ｙに関して、この第２の領域における泡のエネルギーは、ｚ×ｙになり、やはりジュールで表される。ｚがｘ未満の場合、その全体エネルギーが、第１の位置に比べると第２の位置においてより低くなるので、泡は、第１の位置よりも第２の位置につこうとする。従って、泡がエネルギーポテンシャルが最低の領域を捜し求めようとするのは明らかである。
【００４５】
圧力によって泡内に含まれるエネルギーは、その周囲に対する泡の内圧に泡の体積をかけた値にすぎない。従って、圧力は、エネルギーポテンシャルの測度の１つであり、このタイプのエネルギーポテンシャルは、「圧力エネルギーポテンシャル」と呼ぶことが可能である。重力及び温度といった他の要素は、それ自体のエネルギーポテンシャルの一因となる。
【００４６】
流体内の壁に拘束された泡に関する領域のエネルギーポテンシャルは、ジオメトリ及び温度の両方による影響を受ける可能性がある。例えば、キャピラリ壁にとって親水性の液体内における気泡の場合、細いキャピラリのエネルギーポテンシャルは、太いキャピラリよりも高くなり、冷えた領域のエネルギーポテンシャルは、暖かい領域よりも高くなる。
【００４７】
流体の泡の界面全域にわたる２つの流体間の圧力差は、泡の自由表面の曲率半径に逆比例する。本発明では、このキャピラリシステムにおける関係が利用されている。第１の流体内における壁に拘束された第２の流体の泡に関して、泡の２つの自由表面の端部が、断面が一定でないキャピラリ内にある場合、泡の２つの自由表面の端部における曲率半径が異なる可能性がある。曲率半径の差は、泡によって隔てられた第１の流体の２つの領域間における圧力差に対応しており、その圧力差によって、所望に応じて、泡を移動させることも、或いは加えられる圧力に逆らって泡を所定の位置に維持することも可能である。
【００４８】
図１には、これらの原理が例示されているが、本発明の実施形態ではない。この図は、キャピラリの壁を容易に湿潤させる第１の流体内に位置して壁に拘束された第２の流体の泡を含む、可変幅のキャピラリの断面図である。キャピラリの広い部分に外圧を加えて、泡を狭い部分に押し込まない限り、泡は、キャピラリの狭い部分からキャピラリの広い部分に流れる傾向がある。
【００４９】
キャピラリ内のこうした壁に拘束された泡にかかる力を物理学的に明らかにすると、次のようになる。
【００５０】
泡の自由表面のどのポイントについても、２つの主たる曲率半径に基づいて、即ち、そのポイントにおけるある方向に沿って測定された局所的最大曲率半径ｒ_maxと、ｒ_maxの方向に垂直な方向に沿って測定された局所的最小曲率半径ｒ_minに基づいて、局所的曲率半径を定義することが可能である。局所的曲率半径ｒ_localの大きさは、従って、次の式から求められる
１／ｒ_local＝（１／ｒ_max＋１／ｒ_min）／２ （式１）
【００５１】
第１の流体内において静止している、壁に拘束された第２の流体の泡の場合、泡の各自由表面は、２つの流体間の界面の表面張力σ、キャピラリの寸法、及び、二流体システムの壁湿潤特性によって定義されるような特性曲率半径を備えている。この特性曲率半径は、「平衡自由表面半径」ｒ_{f, e}と呼ばれる。
【００５２】
平衡自由表面半径ｒ_f、eは、周知のキャピラリの「有効水力半径」ｒ_{h, eff}とは概念的に異なるものである。有効水力半径は、検討される実際のキャピラリと同じ程度の流体の流れに対する抵抗を示す円形断面を備えた仮のキャピラリの半径である。従って、有効水力半径は流体の流れに対するキャピラリの抵抗に関するものであり、キャピラリのジオメトリの特性だけでしかない。これとは対照的に、平衡自由表面半径は、キャピラリのジオメトリの特性、第１と第２の両方の流体の特性、更に、キャピラリ壁の材料特性を加えたものである。平衡自由表面半径は、流体の流れに対する抵抗に関するものではなく、静止している泡表面が特定の位置で形造る形状に関するものである。
【００５３】
分かりやすくするため、局所的ｒ_{f, e}を局所的キャピラリジオメトリだけに関連づけて、説明を単純化するが、この単純化された方法は、基本をなす関係がもっと複雑になる可能性があることを承知した上で、下記の論述の大部分において取り入れられている。キャピラリ壁に対する第１の流体の平衡湿潤角が、第１の流体と泡の界面においてゼロの場合、ｒ_{f, e}はキャピラリのジオメトリだけによって決定される。この場合、幅ｗで高さｈの矩形断面を備えたキャピラリについては、下記の通りである、
１/ｒ_{f, e}＝{１/（ｗ/２）＋１/（ｈ/２）}/２＝（１/ｗ＋１/ｈ）
（式２）
【００５４】
従って、泡壁の全域における圧力差ΔＰは、下記に等しい。
ΔＰ_f,e＝２σ／ｒ_f,e＝２σ（１／ｗ＋１／ｈ） （式３）
【００５５】
上記ΔＰ_f,eは、「平衡自由表面差圧」と呼ばれるが、これは、本発明の動作モードを説明するために新たに創り出された用語である。圧力差ΔＰ_f,eも、泡圧力Ｐ_bubbleと第１の流体の隣接圧力Ｐ_nとの間の圧力差である：
ΔＰ_{f, e}＝Ｐ_bubble−Ｐｎ＝２σ／ｒ_{f, e} （式４）
【００５６】
図１の場合、第１の流体（流体１）は、断面図の平面に対して垂直な壁１０２及び１０４と、断面図の平面に対して平行な他の２つの壁によって形成されるキャピラリ１００内に含まれている。流体１は、２つの領域１０６及び１０８に分割される。第２の流体（流体２）は、流体１に混合することができず、自由表面１１２及び１１４と、束縛表面１１６及び１１８を備えた泡１１０を形成する。表面１１２及び１１４は、異なる平衡自由表面半径ｒ_{f, e}を備えている。流体１は液体とし、一方、流体２は気体とすることが可能であるが（例えば、水中の気泡）、他の構成も可能である（例えば、流体２は、泡を含むことが可能な液体水銀とし、一方、流体１は、空気とすることが可能である）。例証のため、図１には、流体１が位置１２０、１２２、１２４、及び、１２６でキャピラリ壁に接触する場合の、流体１に関するゼロの平衡湿潤角が示されている。
【００５７】
図１において、領域１０６は、寸法線１２８で表示の幅ｗ₁と、ページの平面に対して垂直な高さｈをを備えた矩形断面を有している。領域１０６における流体１の圧力は、Ｐ_nであり、流体１と流体２の間の自由表面１１２全域における圧力は、次の通りである
ΔＰ₁＝Ｐ_bubble−Ｐｎ＝２σ／ｒ₁ （式５）
ここで、ｒ₁は、自由表面１１２の平衡自由表面半径（ｒ_f,e）であり、次の関係式で定義される：
１／ｒ₁＝１／ｗ₁＋１／ｈ （式６）
従って、ΔＰ₁は次のようになる：
ΔＰ₁＝Ｐ_bubble−Ｐｎ＝２σ／ｒ₁ ＝２σ（１／ｗ₁＋１／ｈ）
（式７）
【００５８】
やはり図１の場合、領域１０８は寸法線１３０で表示の幅ｗ₂と領域１０６の高さに等しいページの平面に対して垂直な高さｈを備えた矩形の断面を有している。領域１０８における流体１の圧力は、Ｐ_f2である。自由表面１１４全域における圧力差は、次の通りである
ΔＰ₂＝Ｐ_bubble−Ｐ_f2＝２σ（１／ｗ₂＋１／ｈ） （式８）
【００５９】
温度が一様の場合、泡が移動しなければ、領域１０６と１０８との間の圧力差は、下記に等しい：
ΔＰ_f1−ΔＰ_f2＝２σ（１／ｗ₁−１／ｗ₂） （式９）
【００６０】
従って、高さは均一であるが、可変幅の矩形キャピラリの場合、キャピラリの高さは、２つの領域１０６と１０８の圧力差に影響しない。
【００６１】
以上から明らかなように、温度差がなく、移動もないと仮定すると、小さいチャネルから、小さいチャネルが接続されている大きいチャネルに泡を押しやるための圧力が生じる。こうした圧力は、泡が比較的太いキャピラリから比較的細いキャピラリに入り込むのを阻止する働きもする。
【００６２】
全ての流体が、キャピラリの壁を十分に湿潤させるわけではない。図２には、表面に関する良好な湿潤と不十分な湿潤という２つの液体による事例が示されている。材料２００の表面には、流体の塊２０２及び２０４が位置している。一般に、こうした流体の塊は、周囲を空気に包囲された液体とすることもできるが、周囲を液体に包囲された液体又は気体によって周囲を包囲された液体とすることも可能である。論述のため、流体の塊２０２及び２０４が空気中における液滴であると仮定する。液滴２０２は、参照番号２０６として表示された液滴内において材料２００の表面に接触する位置で測定される平衡接触角θ_eによって特性が明らかになるが、この角度は、９０度未満であるため、材料２００の表面は、液滴２０２による湿潤が十分であると判断される。一方液滴２０４は、参照番号２０８として表示された、液滴内で測定される平衡接触角θ_eによって特性が明らかになるが、この角度は、９０度を超えるため、材料２００の表面は、液滴２０４による湿潤が不十分であると判断される。
【００６３】
以下の解説に関して、「親流体性」及び「疎流体性」という一般化された用語は、流体１が、キャピラリ壁と流体２の泡表面で接触する位置において、流体１内で測定される平衡湿潤角を表している。キャピラリ壁は、流体１内で測定される平衡接触角が９０度未満の場合、親流体性であると称され、流体１内で測定される平衡接触角が９０度を超える場合、疎流体性であると称される。
【００６４】
本発明では、先行技術の装置で用いられた温度に関連した最低の値のエネルギーポテンシャルではなく、ジオメトリに関連した高い値のエネルギーポテンシャルが用いられる。親流体性（及び親水性）システムにおけるエネルギーポテンシャルの大きさの一例として、半径が２５μｍの断面で完全に親流体性の壁を備えたガラスのキャピラリ内における１００゜Ｃの水について考察することにする。このキャピラリ内における壁に拘束された気泡は、曲率半径が２５μｍであり、上記計算によれば、内圧はまわりの水より４．７２キロパスカル（ｋＰａ）高くなる。
【００６５】
完全に親流体性の壁を備えた、半径が５μｍの円形断面を有するキャピラリ内に、この半径が２５μｍの泡を押し込もうとすると、泡の平衡自由表面半径（ｒ_f,e）は、５μｍまで縮小しなければならず、その内圧は高さ約２３０ｃｍの水柱によって加えられる圧力、即ち、略１／４気圧に等しい２３．６ｋＰａになるように、５倍に増大させなければならない。半径５μｍのキャピラリに押し込まれる際、泡の両端における曲率半径の差によって、半径２５μｍの泡内におけるもとの圧力の４倍の、ΔＰ＝（２３．６ｋＰａ−４．７２ｋＰａ）＝１８．９ｋＰａの抵抗圧差が生じる。
【００６６】
対照的に、水の表面張力は凍結から気化まで２２％しか低下しないので、大気圧における水の表面張力の変化による圧力差の大きさは、決して２２％を超えることはできない。この表面張力の変化は、上記式４から明らかなように、マランゴニ効果に原因がある。実際、熱伝導によって、泡全域にわたって温度が均一になりやすいので、小さい泡の全域において１０゜Ｃを超える温度差を維持するのは困難であり、従って、マランゴニ効果を利用して、２．２％を超える圧力差を生じさせるのは困難である。
【００６７】
従って、ジオメトリに関連したエネルギーポテンシャルを用いると、マランゴニ効果だけをベースにした、又は、ジオメトリ効果にマランゴニ効果を対峙させることをベースにした泡制御の先行技法に対して、圧力、力、及び、速度に関して略（４００％／２．２％）＝１８０％上回る利点がある。本発明では、これらのジオメトリ効果に加えて、湿潤効果を利用することにより、図３乃至図６に示すように、泡の捕捉及び迅速な泡の移動を実現する。
【００６８】
本発明は、参考までに本明細書において援用されている、米国特許第５，６９９，４６２号の先行発明「ＴＯＴＡＬ ＩＮＴＥＲＮＡＬ ＲＥＦＬＥＣＴＩＯＮ ＯＰＴＩＣＡＬ ＳＷＩＴＣＨＥＳ ＥＭＰＬＯＹＩＮＧ ＴＨＥＲＭＡＬＡＣＴＩＶＡＴＩＯＮ」の光スイッチングに関連した泡の移動の制御に利用することが可能である。米国特許第５，６９９，４６２号には、光スイッチングのため、幅の均一なキャピラリ又は可変寸法のキャピラリにおける泡の移動を制御する電気抵抗器の利用について記載がある。要するに、こうした光スイッチ装置の場合、スイッチング素子には、透過状態と反射状態がある。透過状態の場合、屈折率整合液体によって、２つの光導波路の交差点に配置されたギャップが充填され、光は、ギャップを横切って第１の導波路セグメントから第２の導波路セグメントに通過することができる。反射状態の場合、ギャップに送り込まれた泡によって、屈折率整合流体が押し退けられ、ギャップ内において屈折率の不整合が生じるので、光は、第１の導波路セグメントから第３の導波路セグメントに反射され、第１の導波路セグメントから第２の導波路セグメントへの通過が阻止される。米国特許第５，６９９，４６２号の場合、泡の移動は、マランゴニ効果だけによって、又は必然的に弱くなるジオメトリ効果をマランゴニ効果で相殺してマランゴニ効果とのバランスをとることによって制御される。
【００６９】
図３（ａ）及び（ｂ）には、米国特許第５，６９９，４６２号の実施形態と同様の、光スイッチングのために用いられる本発明の実施形態３００が示されているが、強いジオメトリに関連した力を用いるため、本発明は圧力、力、速度、及び、加速抵抗に関して有利である。実施形態３００は、主として、光スイッチングを意図したものであるが、本発明の有利な能力である流体弁機能及び流体ポンピング特性も示す。
【００７０】
図３（ａ）は、米国特許第５，６９９，４６２号に従って光スイッチングのために用いられる、本発明の特徴を組み込んだ本発明の実施形態３００の主表面に対して垂直に見た、図３（ｂ）に示す通りの断面図であり、図３（ｂ）は同じ実施形態の主表面に対して水平に見た、図３（ａ）に示す通りの断面図である。図３（ａ）及び（ｂ）において、流体１だけが提示されており、流体２の泡は提示されていない。
【００７１】
材料３０４は、平面光導波路アレイのクラッド部分であり、略矩形断面のキャピラリ３１２の側壁３０６及び３０８と天井３１０を含んでおり、一方、層３１４は、キャピラリの床を形成する、炭化珪素のような電気絶縁層である。層３１４によって、ゲート領域に隣接した層３１４の下方に位置する電気加熱抵抗器３１６に対して電気絶縁が施される。
【００７２】
材料３１５は導波路アレイ材料３０４を基礎をなす層３１４に結合する変形可能な接着ポリマである。抵抗器３１６の下の層３１８は、二酸化珪素のような電気的絶縁及び断熱層である。基板３２０は機械的支持をもたらすが、装置の動作速度を最高にするため、シリコンのような熱伝導材料とすることが可能である。
【００７３】
この実施形態の場合、キャピラリ３１２には、図３（ａ）の図面の上方の寸法線３２２、３２４、３２６、及び３２８によって表示された４つの領域３２１、３２３、３２５、及び、３２７が含まれている。
【００７４】
寸法線３２２によって、ソース領域３２１の長さＬ_sourceが指定される。ソース領域３２１は、図面の視野外にまで延びており、図示しない流体１の入口リザーバに接続しているが、入口リザーバの水圧抵抗は小さいほうが望ましい。
【００７５】
寸法線３２４によって、ゲート領域３２３の長さＬ_gateが指定される。
【００７６】
寸法線３２６によって、障壁領域３２５の長さＬ_barrierが指定される。
【００７７】
寸法３２８によって、ドレイン領域３２７の長さＬ_drainが指定される。ドレイン領域３２７は図面の視野外にまで延びており、不図示の流体１の出口リザーバに接続しているが、出口リザーバの水圧抵抗は小さいほうが望ましい。
【００７８】
ソース領域３２１の幅ｗ_sourceは、寸法線３３０によって指定される。ゲート領域３２３の幅ｗ_gateは、寸法線３３２によって指定される。障壁領域３２５の幅ｗ_barrierは、寸法線３３４によって指定される。ドレイン領域３２７の幅ｗ_drainは、寸法線３３６によって指定され、この実施形態の場合、障壁領域からの距離が増すにつれて拡大する。個々の幅間の関係は、次のように示される
ｗ_source＜ｗ_barrier＜ｗ_gate＜ｗ_drain （式１０）
この実施形態の場合、構造を簡略化するため、キャピラリの高さｈは均一で図３（ｂ）の寸法線３３８によって指定される。理解しておくべきは、領域の断面積が異なり、結果として、所望のエネルギーポテンシャル差が生じる限りにおいて、キャピラリの個々の領域内におけるキャピラリの高さは、均一である必要はないということである。ソース領域、ゲート領域、障壁領域、及び、ドレイン領域を備えるキャピラリが、略平面の導波路アレイを伝搬する光信号のスイッチングに用いられる場合、光が入射され、そこから出射するキャピラリ壁は、フラットであって、光信号が伝搬する平面に対して垂直であることが望ましい。
【００７９】
図３（ａ）には、光導波路のコア領域３４０、３４２、３４４、及び３４６と、光信号３４８が示されている。図３（ｂ）では、導波路コア領域３４０及び３４２の交差部分が、１つの物体として表示されている。
【００８０】
光信号３４８は、コア領域３４０からゲート領域３２４に入射して、ゲート領域を横断し、コア領域３４６を通って出射する。空間３０２を占める流体１と導波路コア領域の材料の屈折率がうまく整合する場合、光信号が被る損失はほとんどない。
【００８１】
図４（ａ）には、本発明の同じ実施形態に関する図３（ａ）と同じ図が示されているが、流体２の泡４０２が導入されている。この実施形態の場合、流体２は、液体である流体１を気化させることによって生じた蒸気である。気化は、電気的に抵抗器３１６を加熱することによって実施される。抵抗器に対する電気的接続は示されていないが、シリコン製造技術の技術者には明らかである。
【００８２】
図４（ｂ）には、図４（ａ）に示された通りの断面図が描かれているが、泡４０２が導入されている点を除けば、図３（ｂ）と同じである。泡は、図３（ａ）において寸法線３３２で示されたゲート領域の幅ｗ_gateによって決まるエネルギーが最低の位置に置かれる。
【００８３】
図４に提示された泡は、隣接する導波路コア領域３４０、３４２、３４４、及び、３４６との屈折率整合が不十分であるため、光信号４４８は、泡４０２と導波路コア領域３４０及び３４２との界面４０４から反射される。ゲート領域を通過し、導波路コア領域３４６を通って出射する光信号３４８とは対照的に、光信号４４８は、反射されて、導波路コア領域３４２を通って出射する。泡４０２の存在に起因する信号３４８と４４８の差は、本発明のこの実施形態に関する所望の第１のスイッチング事象とみなされる。
【００８４】
留意すべきは、泡４０２の存在は、本発明の実施形態における光スイッチングの主たる目的を実現するだけでなく、図４（ａ）の領域４０６と４０８の間における流体１の流れを阻止する働きもする。泡４０２が存在すると、流体１は、図４（ｂ）の狭いギャップ４１０、４１２、４１４、及び４１６を通って流れるしかない。周知のように、流体の流れに対するチャネルの抵抗は、そのチャネルの有効水力半径の４乗として変化する。ギャップ４１０、４１２、４１４、及び４１６は、流体１が通過可能な「ブロー・バイ」経路を構成するが、これらの経路は、泡が存在しない時、有効水力半径がキャピラリより小さくなり、これらのブロー・バイ経路の流体抵抗は、極めて大きいので、泡４０２は、極めて有効な栓を形成するように見える。従って、図示の実施形態は、領域４０６と４０８の間の流れに対する流体弁の働きをすることも可能である。
【００８５】
不等式１０は、この一般に親流体性実施形態における装置の所望の動作にとって重要である。上記式２に関連して式１０を用いると、下記のようになることが分かる：
r _{f, e ,source}＜r _{f, e, barrier}＜r _{f, e, gate}＜r _{f, e, drain}
（式１１）
【００８６】
式１１を上記式４に関連して用いることによって、図３及び４の装置の各領域に壁に拘束された泡を送り込むのに必要な特性平衡自由表面差圧を計算することが可能になる。
ΔP _{f, e' source}＞ΔP _{f, e, barrier}＞ΔP _{f, e, gate}＞ΔP _{f, e, drain}
（式１２）
【００８７】
式１２の各項は、流体１に対する壁に拘束された流体２の泡内における差圧を表している。泡の湾曲方向は、流体１から離れて流体２に向かうので、式１２における各項は、流体１における圧力を超える流体２内の圧力を表している。
【００８８】
上述のように、圧力は、エネルギーポテンシャルの測度である。重力のような他のエネルギーポテンシャル源を無視すると、式１２によって示される圧力順序づけを用いて、１つの差圧をもう１つの差圧から減じることによって、４つの領域間におけるエネルギーポテンシャル差を規定することが可能である。こうした検討を加えることによって、下記のような、４つの領域におけるエネルギーポテンシャルの順序づけが得られる：
Π_source＞Π_barrier＞Π_gate＞Π_drain （式１３）
【００８９】
式１３では、エネルギーポテンシャルを表すのに、ギリシャ文字の記号Π（大文字の「パイ」）が選択されている。ゲートが、エネルギーポテンシャルがゼロと定義される基準点として選択されると、例えば、Π_source＝ΔP _{f, e, source}−ΔP _{f, e, gate}になる。
【００９０】
式１３によって、本発明の動作に必要なエネルギーポテンシャル関係が定義される。式１３は、特定の実施形態に関して導き出されたが、本発明の全ての実施形態に当てはまる一般的な結果であり、実際、本発明を構想した観点の１つである。
【００９１】
図５には、式１３によって表される図３及び図４の実施形態に関するエネルギーポテンシャル分布５００が描かれている。軸５０２は、キャピラリチャネルに沿った距離であり、軸５０４は、そのチャネルにおける壁に拘束された泡に関するエネルギーポテンシャルである。寸法線３２２、３２４、３２６、及び３２８は、図３の寸法線に対応する。各領域毎に、流体１内の壁に拘束された流体２の泡を送り込むのに必要なエネルギーは、２つの流体間の圧力差に泡の体積を掛けることによって求められ、ポテンシャルは、ただ単に式７によって得られる泡の差圧にすぎない。エネルギーポテンシャル５２２は、Π_sourceであり、エネルギーポテンシャル５２４はΠ_gateであり、エネルギーポテンシャル５２６はΠ_barrierであり、エネルギーポテンシャル５２８はΠ_drainである。軸５０４のゼロ・ポイントは、Π_gate＝０になるように任意に選択される。
【００９２】
ゲート・エネルギーポテンシャル５２４、Π_gateは、まわりのエネルギーポテンシャル（即ち、ソース・エネルギーポテンシャル５２２及び障壁エネルギーポテンシャル５２６）のいずれよりも低いので、ゲート領域は、ポテンシャルの井戸を構成することは明らかである。また、泡をエネルギーポテンシャル準位５２６まで上昇させるのに十分なエネルギーが加えられると、泡は、エネルギーポテンシャルが低下するように、即ち、圧力が同等に低下するように、ドレイン・エネルギーポテンシャル５２８の方向に流れようとするのも明らかである。
【００９３】
図５において、エネルギーポテンシャル５２８、Π_drainは、障壁領域３２６からの距離が増すにつれて低下するが、これは、以下において明らかになるように、迅速なスイッチングにとって有利であるが、本発明の基本動作にとって必要ではない。本発明は、同様とはいかないが、エネルギーポテンシャルがドレイン領域内で距離に関して一定であっても、機能する。
【００９４】
以上によって、図６に示す本発明の動作の時間的変化を理解するのに必要な背景が明らかになる。
【００９５】
図６（ａ）乃至（ｆ）は、光スイッチングに用いられる本発明の実施形態の主表面に対して垂直に見た断面図である。この実施形態３００は、図３及び図４に示すものと同じであり、３００〜４９９の範囲内で参照番号が付けられた構成は、図３及び図４のものと同じである。
【００９６】
図６（ａ）は図３（ａ）に対応する。
【００９７】
図６（ｂ）は、図４（ａ）に対応する。泡４０２は、自由表面６０２及び６０４と、束縛表面６０６及び６０８を備えている。表面６０２及び６０４の曲率半径は等しく、下記のように表される
１／ｒ_{f, e, gate}＝（１／ｗ_gate＋１／ｈ） （式１４）
【００９８】
図６（ｂ）に対応する時間に、泡４０２によって、キャピラリ内における流体１の下流と上流の両方への流れが阻止され、従って、第１の流体弁機能が実施されるが、これは、本発明の有利な能力である。
【００９９】
図６（ｃ）の場合、抵抗器３１６に加えられる電力は、図４（ａ）及び図６（ｂ）において加えられる電力に比べて増大しているので、泡の体積が増大している。障壁エネルギーポテンシャルΠ_barrierは、ソース・エネルギーポテンシャルΠ_sourceより低いので、泡は、障壁の方向に成長し、自由表面６１０は、右に移動して障壁領域に入り込む。自由表面６１０及び６１２は、下記によって表されるように、曲率半径が等しい
１／ｒ_{f, e, barrier}＝（１／ｗ_barrier＋１／ｈ） （式１５）
【０１００】
図６（ｂ）と図６（ｃ）の間の時間期間において、障壁領域内の体積の流体１が、障壁領域からドレイン領域内にポンプ作用で送りこまれる。このポンプ作用は、本発明の有利な能力である。
【０１０１】
図６（ｃ）に示す状態の場合、泡は、まだ、エネルギーポテンシャルの井戸内に捕捉されており、キャピラリに沿った加速のような摂動による移動に抵抗する。
【０１０２】
泡が、それぞれ２つ以上の自由表面の支持に関連したエネルギーを必要とするような２つ以上の泡の塊に分割することなく、単一の塊としての凝集を維持する場合、泡のエネルギーが最低になるのは明らかである。従って、泡は、何らかの高エネルギー事象によって破裂しない限り、１つ凝集性単体のままでいようとする傾向があり、キャピラリ内における流動中に２つ以上の泡に分裂しようとはしない。
【０１０３】
図６（ｄ）の場合、抵抗器３１６に加えられる電力は、図６（ｃ）において加えられる電力に比べて増大している。泡がエネルギーポテンシャル障壁を通過し始める時には、泡の自由表面６１４及び６１６は、曲率半径がｒ_{f, e, barrier}からｒ_{f, e. gate}に増大し、泡は準安定ポイントに達している。更に体積を増すと、不安定になり、ドレイン領域に流入する。
【０１０４】
図６（ｅ）には、抵抗器３１６に加えられる電力が、図６（ｄ）において加えられる電力に比べてインクリメンタルに増大した後の装置の状態が示されている。泡は、不安定になっているので、ドレイン領域に流入し始める。自由表面６１８は、半径が表面６２０より大きいので、下流方向に泡を移動させる圧力差が生じる。図６（ｄ）及び（ｅ）に示す状態間のある時点において、加熱抵抗器に対する電力の供与を終了することが可能であるが、泡はやはりドレイン領域に吸い込まれる。光信号４４８は、やはり反射しているように図示されているが、実際には、光コア領域３４０は、もはや、泡４０２によって壁３０６に沿って完全にはカバーされておらず、従って、このスイッチング遷移期間中に、ある程度の光の散乱が生じる可能性がある。
【０１０５】
泡が、図６（ｄ）におけるその位置から図６（ｅ）における位置に向かって移動すると、流体１の下流への流れの阻止が解除され、従って、本発明の流体弁能力の第２の態様が実施される。しかし、流体１の上流への流れは、以下に述べる図６（ｆ）の時間に後続する時間まで、依然として阻止されている。
【０１０６】
図６（ｆ）には、移動する泡が、ゲートの光スイッチング領域を出た後の、装置の状態が示されている。光信号３４８は、もう一度、導波路コア領域３４０から導波路コア領域３４６に移動し、本発明のこの実施形態に関する第２の所望の光スイッチング事象が、実現された。自由表面６２２は、自由表面６２４よりも半径が大きく、従って、泡は引き続きドレイン領域に送り込まれる。
【０１０７】
更に、好都合なことには、自由表面６２２は、半径が図６（ｅ）の自由表面６２０より大きいので、泡は図６（ｅ）に対応する時間から図６（ｆ）に対応する時間まで加速する。この加速によって、スイッチング時間が短縮され、装置の動作速度が上昇する。この利点は、障壁領域からの距離が増すにつれてドレイン領域を拡大することによって得られる。
【０１０８】
図６（ｆ）に示す時点において、泡はまだ壁に拘束されている。泡は、図６（ｆ）の時間に後続する時間において、引き続き、障壁領域から離れるので、図６（ｄ）の時間に後続する時間において阻止が解除された流体１の下流への流れに加えて、流体１の上流への流れの阻止を完全に解除するため、最終的にはドレイン領域内においてキャピラリの１つ以上の壁との接触を必ず持続できなくなる。
【０１０９】
こうした完全な阻止解除は、本発明の流体弁能力のもう１つの有利な特徴であり、少なくとも５つのやり方で実現可能である。第１に、泡は、ドレイン領域の幅が障壁領域からの距離が増すにつれて広くなるということだけのために、ドレイン領域の壁との接触を維持できなくなる可能性がある。第２に、泡は、ほとんど、液体の流体１を気化させることによって生じた蒸気から構成される場合、蒸気を生じさせた熱源から離れるにつれて収縮する傾向があり、従って、ドレイン領域の１つ以上の壁から離れようとする。第３に、泡は、ほとんど液体の流体１内の溶液から遊離して、その泡を生じた気体から構成される場合、やはり、流体１がより多くの気体を溶解させることが可能であるようなより冷えた領域に遭遇すると、収縮する傾向がある。泡は、気体と蒸気の混合物である場合には、冷えると急速に収縮して蒸気が液体に変わり、更にその気体成分が液体に溶解するにつれて、より緩やかに収縮しようとする可能性ある。第４に、泡はドレイン領域が接続されている流体１の出口リザーバに入り込み、リザーバへの流入につれて、ドレイン領域の壁から離れる可能性がある。第５に、泡は、例えば、流体２を通過させるが、流体１を通過させないフィルタ、膜、細孔等との遭遇といった、流体１の部分からそれを分離する何らかの手段によって、ドレイン領域から抽出することが可能である。
【０１１０】
ＡＢＣ装置のスイッチング動作の電力雑音余裕は、泡を図６（ｂ）に示す状態に維持するのに必要な電力と図６（ｄ）におけるような準安定ポイントに達するのに必要な電力の差と定義される。ローバストな装置の動作の場合、電力雑音余裕は、環境的影響によるところの予測される揺らぎより大きいことが望ましい。障壁領域の容積が増すにつれて、電力雑音余裕が大きくなるのは明らかである。実施形態３００の場合、障壁領域３２５の容積は、Ｖ_barrier＝（ｈ×ｗ_barrier×Ｌ_barrier）として計算することが可能であり、ゲートの容積は、Ｖ_gate＝（ｈ×ｗ_gate×Ｌ_gate）として計算することが可能である。（Ｖ_gate＋Ｖ_barrier）／Ｖ_gateで示される比によって、様々な設計選択に関する相対的雑音余裕が表示される。
【０１１１】
キャピラリに沿った加速に対する泡４０２の抵抗は、泡の移動を阻止する働きをする２つの領域間の接合部における平衡自由表面半径の比によって決まる。ソース領域とゲート領域、又はゲート領域と障壁領域といった２つの領域間の接合部での流れの方向において泡に対して持続可能な単位面積当たりの力は、ただ単に、その２つの領域間における平衡自由表面圧力の差、即ち、エネルギーポテンシャル差にすぎない。加速のための泡の単位面積当たりの局所有効質量は、泡の長さに、流体１と流体２の密度差を掛けたものにすぎない。従って、泡をポテンシャルの井戸から押し退けない場合の最大持続可能加速は、エネルギーポテンシャル差、密度差、及び泡の長さを掛け合わせることによって得られる。
【０１１２】
以上の説明では、流体のモーメンタム効果がほとんど役割を果たさない、本発明の実施形態３００の低周波数の準静的動作だけしか考慮されていない。当該技術者には明らかなように、周波数が高くなると、流体のモーメンタム効果が生じ、最終的には、流体のモーメンタム効果と熱効果の両方によって、本発明の高いほうの動作周波数が制限される。
【０１１３】
実施形態３００は、この明細書作成時点における本発明の望ましい実施態様とみなされる。例えば、実施形態３００によるスイッチング時間は、流体１がシクロヘキサンの場合、図６（ｄ）の状態と図６（ｆ）の状態間における遷移について、３ミリ秒未満であることが分かった。例えば、実施形態３００の典型的な寸法は、ｈ＝５０μｍ、ｗ_source＝１５μｍ、Ｌ_source＝２５０μｍ、ｗ_gate＝１８μｍ、Ｌ_gate＝９０μｍ、ｗ_barrier＝１８μｍ、Ｌ_barrier＝３０μｍ、ｗ_drain＞３０μｍ、及び、Ｌ_drain＝１７０μｍである。
【０１１４】
図３、図４、及び図６に示す実施形態３００の場合、壁３０６及び３０８は、光信号３４８及び４４８の伝搬平面に対して略垂直であり、これは光の透過及び反射のために有利である。他の実施形態では、円形、楕円形、又は本発明の範囲を逸脱することなく、多角形を含む様々な断面形状を備えたキャピラリが造られ、利用される。例えば、１つの基板内にエッチングされたテーパ状のトレンチに、フラットな第２の基板をかぶせて、本発明の他の実施形態において用いることができる、略台形の断面のキャピラリを形成することが可能である。キャピラリが連続した壁を備える必要はない。セグメント化壁、その全長に沿って連続したグルーブを備える壁、或いは、間隔の密な柱のアレイでも、泡を壁で拘束し、同時に、式１３の所望のエネルギーポテンシャル関係が得られるようにする働きが可能である。
【０１１５】
本発明の他の実施形態は、疎流体性キャピラリにおいて機能することが可能である。図７には、こうした疎流体性実施形態７００の断面図が例示されている。流体２の泡７０２は、流体１による不十分な湿潤が施された、材料７０４のキャピラリ壁によって拘束されている。例えば、流体１は液体水銀とし、流体２は空気とすることが可能であり、一方、材料７０４はガラスとすることが可能である。泡７０２は、弁７１６を介して送り込まれる。弁７１６は、機械的弁とすることもできるし、それ自体独立したＡＢＣ装置とすることもできるし、或いは、独立した流体装置とすることも可能である。いずれにせよ、スイッチング、弁機能、及び、ポンピングに関する実施形態７００の内部動作は、純粋に流体的であり、泡を送り込む手段は、あまり重要ではない。
【０１１６】
キャピラリには、ソース領域７２１、ゲート領域７２３、障壁領域７２５、及びドレイン領域７２７が含まれている。疎流体性の実施形態に関する個々の領域の有効自由表面半径間において必要な関係は、次のように表される：
ｒ_{f, e, source}＞ｒ_{f, e, barrier}＞ｒ_{f, e, gate}＞ｒ_{f, e, drain}
（式１６）
【０１１７】
こうした疎流体性の実施形態の場合、流体２の泡の湾曲方向が、図３の親流体性の実施形態とは逆であり、従って、流体２の壁に拘束された泡内の圧力は、流体１よりも低くなる。
【０１１８】
流体２は、気体と液体のいずれかとすることが可能であり、従って、弁７１６を介したその導入は、気圧と液圧のいずれかの性質となる。
【０１１９】
泡が気体で、その内圧が流体１よりも低い場合、単純に、泡は崩壊するものと予測されるが、流体１内のより高い圧力は、泡内の気体の塊によって支持されるのではなく、泡の界面における拘束表面張力によって支持されるので、そういうことにはならない。
【０１２０】
実施形態７００の場合、差圧の符号が実施形態３００の場合と比べると逆になり、式４による各差圧はゼロ未満になる。各差圧の大きさによって、下記の関係式が満たされる
|ΔP _{f, e, source} |＜|ΔP _{f, e, barrier} |＜|ΔP _{f, e, gate} |＜|ΔP _{f, e, drain} | （式１７）
【０１２１】
式１７において、垂直線の括弧｜｜は、差圧の絶対値（大きさ）を表している。任意の２つの差圧間における減算の符号は、２つの領域のエネルギーポテンシャル差を計算するため、実施形態３００との比較で逆にしなければならないので、式１３によって示されるエネルギーポテンシャルの関係は、それにもかかわらず、実施形態７００に関して実現される。従って、例えば、実施形態７００の場合、ゲート領域が、エネルギーポテンシャルがゼロであると定義される基準点として選択されると、Π_source＝ΔＰ_{f, e, gate}−ΔＰ_{f, e, source}になる。
【０１２２】
実施形態７００の動作は、実施形態３００の動作と類似している。泡は、ゲート領域７２３に送り込まれて、エネルギーの入力につれて成長し、障壁領域７２５を充填し、不安定になって流出してドレイン領域７２７に入り込む。図示の泡７０２の状態は、準安定状態であり、ドレイン領域に向かって更に成長すると、不安定になって、ドレイン領域に流入する。従って、図７の実施形態７００の状態は、時間的に、図６（ｄ）の実施形態３００の状態に対応する。
【０１２３】
ドレイン領域７２７の幅は、障壁領域７２５からの距離が増すにつれて狭くなるので、泡７０２は、ただ単に、キャピラリが実施形態３００の場合と同様に広くなったからといって、その移動につれてキャピラリ壁から離れることはできない。従って、実施形態７００の場合、流体１の自由な流れを回復するために利用可能なメカニズムが、上記実施形態３００よりも少なくとも１つ少なくなる。
【０１２４】
本発明の他の実施形態は、ジオメトリの差ではなく、表面湿潤特性の差を用いることも可能である。図８には、ソース領域、ゲート領域、障壁領域、及びドレイン領域を通じて、ジオメトリは一様であるが、式１３の関係が、異なる材料の利用によって実現される、本発明の実施形態８００が例示されている。
【０１２５】
図８（ａ）には、４つの領域の異なる平衡自由表面半径を明らかにするため、装置８００の４つの領域における４つの壁に拘束された泡が例示されている。ソース領域８０２、ゲート領域８０４、障壁領域８０６、及び、ドレイン領域８０８は、それぞれ、材料８１０、８１２、８１４、及び、８１６による壁を備えており、それぞれ、壁に拘束された泡８１８、８２０、８２２、及び、８２４を含んでいる。実施形態８００において、壁は、一般に、親流体性であるが、湿潤特性は、式１１で示された平衡自由表面半径間の関係を意図に従って実現するため、変化する。
【０１２６】
図８（ｂ）には、実施形態８００の基本動作がＡＢＣ装置として例示されている。流体２の単一の泡８２６は、例えば、レーザ・ビームによって加熱される吸収材料の小片とすることが可能な泡発生器８２８によって生じる。自由表面８３０及び８３２は、障壁領域の平衡自由表面半径ｒ_{f, e, barrier}によって決まる等しい曲率半径を備えている。泡は、ゲート領域と障壁領域の両方を満たしており、泡の体積がインクリメンタルに増大すると、泡が障壁領域８０８に侵入し、ゲート領域８０４から出て行くことになる準安定ポイントにある。図８（ｂ）に示す実施形態８００の例示の状態は、従って、図６に示す実施形態３００の状態及び図７に示す実施形態７００の状態に対応する。
【０１２７】
図９には、液体から溶解した気体を除去するために用いられる、本発明の親流体性の実施形態９００が例示されている。図９（ａ）は平面断面図であり、図９（ｂ）は側方断面図である。泡９０２には、加熱器９０６によって液体９０４から遊離した溶解気体と、加熱器９０６によって発生した液体９０４の蒸気が含まれている。複数のソース領域の隘路９０８、９１０、及び９１２によって、液体９０４のゲート領域９１４への流入が可能になる。泡をドレイン領域９１８内に流入させ、従って、液体流９２０の近くから除去するのに十分なエネルギーが追加されるまで、障壁９１６によって泡９０２は捕捉されている。液体９０４の流れ９２０は、それがポイント９２２から装置に流入する溶解気体内の位置では満たされていても良いが、ポイント９２４から流出する溶解気体内の位置では少なくなる。当然明らかなように、例証のため、３つのソース領域の隘路９０８、９１０、及び、９１２だけしか示されていないが、実際には、溶解気体を液体９０４から効率よく除去するためには、並列に作用する多くのソース領域隘路が存在することが望ましく、更に、溶解気体の濃度を効率よく低下させるため、流れ９２０に対して実施形態９００のような装置の複数例を直列に配置することも可能である。
【０１２８】
実施形態９００の構造の詳細は、次の通りである。材料９２６は、リソグラフィ手段でグルーブを形成することによって、キャピラリの側壁を形成することが可能な、フォトレジスト又は感光性エポキシといった写真形成可能なポリマとすることが可能である。材料９２８は、材料９２６の上に結合されて、キャピラリの天井を形成するガラス層とすることが可能である。層９３０は、加熱器９３０を被う二酸化珪素のような電気的絶縁材料である。層９３２は、二酸化珪素のような電気的絶縁層で、且つ断熱層であり、基板９３４は、シリコンのような熱伝導性材料である。
【０１２９】
本発明は、主として、熱キャピラリ現象、即ち、マランゴニ効果に依存するのではなく、代わりに、主として、キャピラリのジオメトリと材料の特性に依存して、泡の移動を制御するものである。曲率半径のジオメトリ効果が、表面張力に対する温度効果よりもはるかに大きくなるように設計することができるので、本発明は、マランゴニ現象が、その動作を助けるか、又は妨げるかに関係なく、上述の３００及び７００のような実施形態において機能する。ただし、マランゴニ効果は、泡がゲートから流出する方向を選択するため、本発明の複数ドレイン・バージョンにおいて二次制御効果として用いることも可能である。
【０１３０】
図１０には、複数障壁領域１００２及び１００４と、複数ドレイン領域１００６及び１００８を備えた親流体性実施形態１０００の略平面断面図が示されている。実施形態１０００のために設定された材料は、実施形態９００のものと同じにすることが可能であるが、これは必要ではない。
【０１３１】
加熱器１０１０は、ゲート１０１４領域内において泡１０１２を発生するが、この泡は、比較的高いエネルギーポテンシャルによって障壁領域１００２、障壁領域１００４、及びソース領域１０１６に捕捉される。障壁領域１００２及び１００４は、同じ平衡自由表面半径を備えるように設計されているが、製造上のばらつきによって、ほとんど必ずといえるほど半径が多少異なることになる。従って、泡は、ほとんど必ず、障壁領域１００２及び１００４の一方又はもう一方を通って、ゲート領域１０１６を出るが、同時に両方を通ることはまずほとんどない。
【０１３２】
しかし、上記式４を検討すれば分かるように、マランゴニ効果を利用すれば、泡の表面張力を局所的に弱めることによって、一方の障壁領域における平衡自由表面圧力をもう一方の障壁領域に対して低下させることが可能になる。流体１内で測定される平衡接触角θ_eは、温度に対して略一定であり、キャピラリのジオメトリと連係して、障壁領域内における平衡自由表面半径ｒ_{f, e}が温度に対して略一定になるようにする。しかし、表面張力σは、温度上昇につれて弱まり、従って、平衡自由表面圧力ΔＰ_{f, e}も、温度上昇につれて低下する。障壁領域の一方、例えば、１００２が、加熱器１０１８によって加熱されるが、加熱器１０２０は冷えたままの場合、平衡自由表面圧力ΔＰ_{f, e}は、障壁領域１００２内において低下し、従って、その障壁領域のエネルギーポテンシャルは、障壁領域１００４に対して低下する。従って、泡１０１４にとっては、障壁領域１００４を通るよりも、障壁領域１００２を通ってゲート領域１０１４から流出するほうが容易になる。
【０１３３】
ソース領域１０１６は、上述の実施形態におけるように、液体の再充填経路の働きをすることも可能である。しかし、障壁領域１００４を通るドレイン領域１００８からの流れを逆にするのに制約がなければ、やはり、或いは代わりに、ドレイン領域１００８、障壁領域１００４を通ってゲート１０１４に流入する再充填を実施することも可能である。従って、実施形態１０００の場合、障壁領域は、ソース領域として機能することも可能である、即ち、局所的加熱手段によって、ソース領域と障壁領域の機能的役割を逆にすることが可能である。こうした実施形態の場合、ソース領域１０１６は、塞ぐか又はなくすことが可能であり、障壁領域の一方又はもう一方がソース領域の働きをするので、装置は、やはり機能を果たすことが可能である。図１２には、図１０と同様の実施形態が示されているが、ソース領域１０１６が存在しない。図１２の実施形態の場合、障壁領域の一方（図１０の障壁領域１００２及び１００４と同様の）は、ソース領域として機能することが可能である。位置１２１６（図１０のソース１０１６の位置に対応する）において、固体材料が、ゲート領域の壁を形成している。
【０１３４】
好都合なことに、実施形態１０００は、低速で故障しやすくサイズを小さくするのが困難な可能性のある自在ゲート又は他の機械式弁のような固体可動部を利用せずに、流体の移動方向を制御することが可能である。
【０１３５】
図１１には、２つのＡＢＣ装置１１０２及び１１０４がタンデムに配置されて、領域１１０６に、上流のＡＢＣ１１０２の障壁領域と、下流のＡＢＣ１１０４のソース領域の両方が含まれ、領域１１０８に、上流のＡＢＣ装置１１０２のドレイン領域と、下流のＡＢＣ装置１１０４のゲート領域の両方が含まれるようになっている、本発明の実施形態１１００が示されている。この構成は、下流のＡＢＣ装置のゲート領域１１０８への泡の注入、及び、そのゲート領域からの泡の抽出が、同じタイプのメカニズムによって行われるので、ＡＢＣ装置１１０４の動作にとって有利な可能性がある。
【０１３６】
泡１１１０は、例えば流体１を構成する水を電解して、流体２を構成する酸素と水素の混合気にするような１組の電極とすることが可能な泡発生器１１１４を用いて、上流のＡＢＣ装置のゲート領域１１１２においてあらかじめ発生させられる。
【０１３７】
泡１１１０は、更に、上流のＡＢＣの障壁領域１１０６を満たすか、又は、略満たすために、エネルギー入力によって体積を増大させることが可能であり、これによって、泡は、エネルギーが準安定ポイントをわずかに下回るほどになる。従って、泡はエネルギー入力を少し追加することによって、下流のＡＢＣ装置１１０４のゲート領域１１０８に迅速に注入することが可能になる。例えば、下流のＡＢＣ１１０４への泡１１１０の注入は、微小流体手段によって実施される。好都合なことには、準安定ポイントにある場合、泡１１１０の体積は、下流ＡＢＣ１１０４のゲート領域１１０８の容積に等しくなるように設計することができるので、最初に、ゲート領域１１０８に注入されると、泡によって該領域が完全に満たされることになる。
【０１３８】
下流ＡＢＣ装置１１０４の場合、泡は、例えば、加熱抵抗器とすることが可能な構成要素１１１６によって維持される。上記実施形態３００におけるのと同様に、構成要素１１１６に対する電力を増すと、泡のサイズが大きくなり、最終的に、泡が障壁領域１１１８を通って流出し、下流のＡＢＣ１１０４のドレイン領域１１２０に入り込むと、第２のスイッチング動作を生じることになる。
【０１３９】
上記の実施形態３００（図３）、７００（図７）、８００（図８）、及び、９００（図９）では、泡の注入、泡の維持、及び、泡の成長の全ての態様を一元的に可能にする加熱抵抗器、弁、又はレーザで加熱される小片といった装置例が示されている。対照的に、実施形態１０００（図１０）及び１１００（図１１）には、分割された泡移動機能が示されている。実施形態１０００の場合、加熱器１０１０は、泡を発生して泡をゲート領域内で維持し、一方加熱器１０１８は、泡の成長方向に制御を加え、更に、熱を発生して泡の体積の増大を助けることも可能である。実施形態１１００の場合、泡は、発生器１１１４によって発生し、上流のＡＢＣ装置１１０２によって下流のゲート領域１１０８に送り込まれ、構成要素１１１６によって維持されて、更に、同じ構成要素１１１６によって体積が増大させられる。従って、上記実施形態には、一元化泡制御機能と分割泡制御機能の例が示されており、また、泡の発生、注入、維持、成長、及び移動に用いることが可能な熱、空気圧、水圧、光学、電解、及び、微小流体メカニズムの例が示されている。当該技術者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、例えば、超音波攪拌による気泡の発生といった、泡の発生、注入、維持、成長、及び、移動に関する他のメカニズムを思いつくことであろう。
【０１４０】
以上の例は、流体１に対して親流体性か、又は流体１に対して疎流体性の実施形態に関連したものである。しかし、当該技術者であれば、本開示に基づいて、親流体性部分と疎流体性部分を混合した実施形態を実施することが可能である。
【０１４１】
流体の様々なジオメトリ、様々な材料、及び、様々な組み合わせを利用して、本発明を実施することが可能である。下記の表１には、可能性のあるいくつかのＡＢＣ実施形態の例が示されている。これらの実施形態は、制限するものと解釈すべきではなく、むしろ例証となるものである。
【０１４２】
【表１】

【０１４３】
表１において、「親流体性」ジオメトリは、流体１内で測定される平衡接触角が９０度未満で、式１２の圧力関係式が満たされる、上述の実施形態３００と同様である。「疎流体性」ジオメトリは、流体１内で測定される平衡接触角が９０度を超え、式１７の圧力関係式が満たされる上述の実施形態７００と同様である。「湿潤」ジオメトリは、ジオメトリの変動ではなく、壁面材料の湿潤特性の変動によって、式１３のエネルギーポテンシャル関係を実現する、実施形態８００と同様である。当然明らかなように、本発明の全ての実施形態において、湿潤特性は、ＡＢＣ装置の機能性にとって重要である。
【０１４４】
上述の実施形態は、全て例示のため、単一平面にソース領域、ゲート領域、障壁領域、及び、ドレイン領域が配置されているが、これは、マイクロエレクトロニクスの世界では熟知されているリソグラフィ技法を利用して、単一平面に構成要素を製作するのが容易であるためである。しかし、領域の共平面性は本発明の要件ではない。例えば、図３に示すような実施形態３００に修正を加えて、ソース領域が、材料３０４ではなく、材料３１５内に形成されるようにするのは、簡単なことである。図１３（ａ）及び１３Ｂには、こうした実施形態が例示されている。図１３（ａ）の場合、ゲート領域が、スイッチング装置１３００の異なる平面にあるので、ソース領域がゲート１３０６に接続されているところは見えない。位置１３３０（図４の位置４０６のような実施形態におけるソース領域の位置に対応する）は、単なる固体材料である。実施形態１３００の場合、ソース領域１３５０は、ゲート領域１３０６及び下流チャネルの配向に対して直角になるようにゲート領域１３０６に接続されている。ソース領域１３５０の反対側にある、ゲート領域１３０６のもう一方の側における空間１３１５は、固体材料によって閉塞されている。図１４には、実施形態１３００と同様の実施形態１４００が示されているが、位置１４３０に、独立したソース領域が存在しない。独立したソース領域１３５０が存在する実施形態１３００とは対照的に、実施形態１４００の場合、キャピラリのいずれかの側に層１４０８が存在する。この極端な事例の場合、流体１の再充填は、移動する泡と行き違う漏出流によって可能になる。泡１４０２が、ゲート領域１４０４からドレイン領域１４０６に流れる際、流体１は、ドレイン領域からゲート領域への上流方向におけるブロー・バイ経路１４１０、１４１２、１４１４、及び、１４１６に流入することによって、ゆっくりとゲート領域１４０４を再充填することが可能である。
【０１４５】
当該技術者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、本明細書で考察した以外の本発明の応用例を思いつくことであろう。こうした応用例は、とりわけ、遺伝子工学（ゲノミクス）、蛋白質工学（プロテオミクス）、化学分析、生物医学、光学、及び微小流体学の分野において生まれるものと予測される。こうした応用例は、例えばＡＢＣ装置に生じるエネルギーポテンシャルに対する補助、対抗、又は修正のため、加速又は遠心力のような慣性手段のような他のエネルギーポテンシャル源を用いることが可能である。例えば、遠心力によって、捕捉した泡の体積を増すことなく、そのエネルギーを増大させることが可能になる。疎流体性システムに用いることが可能な疎流体性壁材料の一例としては、例えば、デュポン社製のテフロンのようなポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）がある。
【０１４６】
本発明の以上の実施形態について、詳細に解説して例示してきたが、もちろん、当該技術者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、修正を加えることが可能である。更に、泡の移動に関する科学的理論について上述したが、本発明の応用例は、どの特定の理論にも依存するものではなく、当該技術者による実施が可能である。
【０１４７】
本発明を上述の実施形態に即して説明すると、本発明は、光スイッチ３００であって、（ａ）ソース領域３２１、ゲート領域３２３、障壁領域３２５、及び、ドレイン領域３２７を有し、前記ソース領域３２１、前記ゲート領域３２３、前記障壁領域３２５、及び前記ドレイン領域３２７がこの順序で空間的に相互接続されているキャピラリ３１２にして、該キャピラリ３１２内の前記ソース領域３２１、前記ゲート領域３２３、前記障壁領域３２５、及び前記ドレイン領域３２７が異なるエネルギーポテンシャルを備えていることと、前記キャピラリ３１２にある流体とは異なる液体が充填されている場合に、前記異なるエネルギーポテンシャルが壁に拘束された前記流体の泡４０２を前記キャピラリ３１２に送り込むことに関連し、前記ソース領域３２１のエネルギーポテンシャルは前記障壁領域３２５のエネルギーポテンシャルよりも高く、前記障壁領域３２４のエネルギーポテンシャルは前記ゲート領域３２３のエネルギーポテンシャルよりも高く、前記ゲート領域３２３のエネルギーポテンシャルは前記ドレイン領域３２７のエネルギーポテンシャルよりも高く設定されるキャピラリ３１２と、（ｂ）前記ゲート領域３２３と交差する第１の光路３４０及び第２の光路３４６であって、前記ゲート領域３２３に前記キャピラリ３１２に整合する屈折率の液体が充填されている場合に、前記第１の光路３４０内の光信号が前記ゲート領域３２３を通過して前記第２の光路３４６に達することが可能となるよう構成される第１の光路３４０及び第２の光路３４６と、（ｃ）前記液体とは屈折率が異なる前記流体の前記泡４０２を前記ゲート領域３２３に送り込んで、前記ゲート領域の液体を変位させ、これによって前記第１の光路３４０と前記第２の光路３４６との間における光の伝達を阻止する泡供給器３１６が含まれており、前記泡４０２のエネルギーを増大すると、前記ゲート領域３２３と前記ドレイン領域３２７との間におけるエネルギーポテンシャル差のために、前記泡４０２が下流に移動し、前記ゲート領域３２３に前記ソース領域３２１からの前記液体が再充填されて、前記第１の光路３４０と前記第２の光路３４６との間の光の伝達が回復することを特徴とする光スイッチ３００を提供する。
【０１４８】
好ましくは、更に、第３の光路３４２が含まれていて、気相の泡がゲート領域３２３を略満たしている場合、光信号が、ゲート領域３２３から第３の光路３４２内に略全反射されるようになっている。
【０１４９】
好ましくは、更に、第３の光路３４２が含まれていて、気相の泡がゲート領域３２３を略満たしている場合、光信号が、ゲート領域３２３から第３の光路３４２内に略全反射されるようになっており、且つ、第４の光路３４４が含まれていて、ゲート領域３２３に液体が充填されている場合、第２の光信号が、第３の光路３４２と第４の光路３４４の間のゲートを通過することができるようになっている。
【０１５０】
好ましくは、前記異なるエネルギーポテンシャルが、概ね前記キャピラリ３１２の距離に応じた前記キャピラリのジオメトリの変動によって生じることと、前記流体と前記液体の両方のキャピラリ湿潤特性が、前記キャピラリ３１２の距離に関して略一定である。
【０１５１】
好ましくは、前記ソース領域３２１、前記ゲート領域３２３、前記障壁領域３２５、及び前記ドレイン領域３２７が、高さが略一様で幅の異なる略矩形の断面を備えていることと、前記ゲート領域３２３はゲート幅を有し、前記障壁領域３２５は前記ゲート幅より狭い障壁幅を備え、前記ドレイン領域３２７は前記ゲート幅より広いドレイン幅を備え、前記ソース領域３２１は前記障壁幅より狭いソース幅を備える。
【０１５２】
好ましくは、前記第１の光路３４０は第１の導波路を経由し、前記第２の光路３４６は第２の導波路を経由することと、前記導波路がそれぞれ前記ゲート領域３２３まで延びるゲート領域接触部分を備えていることと、前記ゲート領域３２３に前記液体が充填されている透過状態の間、前記導波路の前記ゲート領域接触部分間における光通信のために前記光路の各々のアライメントがとられるが、前記ゲート領域３２３にほとんど液体がない場合、前記光路３４０と３４６間における光の透過はほとんど生じないよう構成される。
【０１５３】
好ましくは、前記泡供給器３１６に、前記ゲート領域３２３に隣接した電気抵抗加熱器が含まれており、前記キャピラリ３１２が前記液体で満たされると、光信号の光路を制御するため、加熱によって前記液体内に前記ゲート領域３２３の容積を略満たす壁に拘束された気相の前記泡４０２を生じさせることが可能になり、前記泡４０２が前記ゲート領域３２３を略満たすと光信号の通過が阻止されることと、このようにして前記電気抵抗加熱器によって気相の前記泡４０２の体積を増すことによって、前記ゲート領域３２３及び前記障壁領域３２５の両方を満たし、前記ドレイン領域３２７に送り込むことが可能になることと、このようにして気相の前記泡４０２の体積を更に増すことによって、前記泡を前記ゲート領域３２３から前記ドレイン領域３２７に移動させることが可能になる。
【０１５４】
好ましくは、前記電気抵抗加熱器に、２つのユニット、即ち、気相の前記泡を生じさせるためのユニット１１１４と、前記液体を加熱して気相の前記泡の体積が増し、前記ゲート領域１１０８及び前記障壁領域１１１８の両方を満たして、前記ドレイン領域１１２０に入り込むようにするための他のユニットが含まれていることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の光スイッチ１１００。
【０１５５】
更に本発明は、光スイッチングの方法であって、（ａ）ソース領域３２１、光学領域３２３、障壁領域３２５、及びドレイン領域３２７がその空間順序で接続されており、前記ソース領域３２１、前記光学領域３２３、前記障壁領域３２５、及び前記ドレイン領域３２７が異なるエネルギーポテンシャルを備えており、該異なるエネルギーポテンシャルは、前記キャピラリ３１２に液体が充填されている場合に、壁に拘束された流体の泡４０２を前記キャピラリ３１２に送り込むことに関連しており、前記異なるエネルギーポテンシャルに関して、（ｉ）前記ソース領域３２１のエネルギーポテンシャルは、前記障壁領域３２５のエネルギーポテンシャルより高くなり、（ｉｉ）前記障壁領域３２５のエネルギーポテンシャルは、前記光学領域３２３のエネルギーポテンシャルより高くなり、（ｉｉｉ）前記光学領域３２３のエネルギーポテンシャルは、前記ドレイン領域３２７のエネルギーポテンシャルより高くなるように順序づけられ、前記キャピラリ３１２内における前記液体が充填された前記光学領域３２３を介して、１つの光路３４０からもう１つの光路３４６に光を透過する工程と、（ｂ）前記光学領域３２３内に前記流体の前記泡４０２を送り込んで拘束し、前記光学領域３２３の前記泡４０２のエネルギーが、前記光学領域３２３から前記ドレイン領域３２７に流出するのに必要なエネルギーより低くなるようにし、前記泡４０２によって前記光学領域３２３の光の透過が阻止されるようにする工程と、（ｃ）引き続き、前記泡４０２のエネルギーを増大させ、前記光学領域３２３と前記ドレイン領域３２７とのエネルギーポテンシャルの差によって、前記光学領域３２３から前記泡４０２を送り出す工程と、（ｄ）前記泡４０２が前記光学領域３２３から流出するにつれて、前記ソース領域３２１から前記光学領域３２３に前記液体を流入させ、１つの経路３４０ともう１つの経路３４６の間における光の伝達を回復させる工程とが含まれている。
【０１５６】
好ましくは、前記流体の移動を制御するための装置３００であって、（ａ）その内部にエネルギーポテンシャルの異なる領域３２１、３２３、３２５、３２７を備えるキャピラリ３１２であって、前記エネルギーポテンシャルが、前記キャピラリ３１２に第２の流体と混合することのできない第１の流体が充填されている場合に、壁に拘束された前記第２の流体の前記泡４０２をキャピラリ３１２に送り込むことに関連しており、前記ソース領域３２１、前記ゲート領域３２３、前記障壁領域３２５、及び前記ドレイン領域３２７を含む領域が、その空間順序で接続されて、前記エネルギーポテンシャルに関して、
（ｉ）前記ソース領域３２１のエネルギーポテンシャルは、前記障壁領域３２５のエネルギーポテンシャルより高くなり、（ｉｉ）前記障壁領域３２５のエネルギーポテンシャルは、前記ゲート領域３２３のエネルギーポテンシャルより高くなり、（ｉｉｉ）前記ゲート領域３２３のエネルギーポテンシャルが、前記ドレイン領域３２７のエネルギーポテンシャルより高くなるように順序づけられるキャピラリ３１２と、（ｂ）前記ゲート領域３２３に前記第２の流体の前記泡４０２を送り込む泡供給器３１６と、（ｃ）前記泡４０２のエネルギーを増大させて、前記ゲート領域３２３と前記ドレイン領域３２７との間におけるエネルギーポテンシャルの障壁を克服し、前記ゲート領域３２３と前記ドレイン領域３２７との間におけるエネルギーポテンシャルの差によって、前記泡が前記ゲート領域３２３から前記障壁領域を越えて前記ドレイン領域３２７に送り込まれるようにする電源３１６が含まれている。
【図面の簡単な説明】
【図１】泡の異なる自由表面に２つの異なる曲率半径を備えた、キャピラリ内の泡を示す概略図である。
【図２】良好な表面湿潤及び不十分な表面湿潤を例証した、表面上の液滴を示す断面図である。
【図３】（ａ）は、光スイッチングに用いられる本発明の実施形態の平面断面図であり、（ｂ）は（ａ）の実施形態の断面図である。
【図４】（ａ）及び（ｂ）は、それぞれ泡が存在する場合の図３（ａ）及び図３（ｂ）の実施形態を示す図である。
【図５】図３及び４の実施形態の個々の領域におけるエネルギーポテンシャルの概略図である。
【図６】（ａ）乃至（ｆ）は、図３及び４の実施形態に関するスイッチング動作の進展を示す略平面図である。
【図７】流体に対して疎流体性のキャピラリ壁を含む本発明の実施形態に関する断面図である。
【図８】（ａ）は、ジオメトリではなく、キャピラリ材料の特性を用いて、エネルギーポテンシャルにおける所望の非対称性を生じさせる、本発明の実施形態の略平面図であり、（ｂ）は、キャピラリ材料の特性を用いて、エネルギーポテンシャルにおける所望の非対称性を生じさせる、加熱器を備えた本発明の実施形態の略平面図である。
【図９】（ａ）及び（ｂ）は、熱的液体脱気装置として用いられる本発明の実施形態を相違する方向の断面として示す図である。
【図１０】マランゴニ効果を利用して、２つの障壁領域のどちらか泡の出口経路の働きをするほうを制御する、本発明の実施形態の平面図である。
【図１１】下流のＡＢＣ装置のスイッチング遷移速度を最高にするため、２つのＡＢＣ装置がタンデムに配置された本発明の実施形態の断面図である。
【図１２】ソース領域のない本発明の実施形態に関する平面図である。
【図１３】（ａ）は、異なる平面に配置された領域を備える本発明の実施形態の平面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）の平面に対して直角をなす平面において描かれた、（ａ）の実施形態に関する断面図である。
【図１４】（ａ）は、独立したソース領域のない本発明の実施形態に関する平面断面図であり、（ｂ）は、（ａ）のライン１４Ｂ−１４Ｂに沿った断面図である。
【符号の説明】
３００ 光スイッチ
３１２ キャピラリ
３１６ 泡供給器
３２１ ソース領域
３２３ ゲート領域
３２５ 障壁領域
３２７ ドレイン領域
３４０ 第１の光路
３４２ 第３の光路
３４４ 第４の光路
３４６ 第２の光路
４０２ 泡
１１０８ ゲート領域
１１１４ 泡発生ユニット
１１１８ 障壁領域
１１２０ ドレイン領域

Claims (10)

1. 光スイッチであって、
   （ａ）ソース領域（321）、ゲート領域（323）、障壁領域（325）、及びドレイン領域（327）を含み、前記ソース領域（321）、前記ゲート領域（323）、前記障壁領域（325）、及び前記ドレイン領域（327）がこの順序で空間的に相互接続されているキャピラリ（312）であって、該キャピラリ（312）内の前記ソース領域（321）、前記ゲート領域（323）、前記障壁領域（325）、及び前記ドレイン領域（327）が異なるエネルギーポテンシャルを備え、前記キャピラリ（312）が、領域のエネルギーポテンシャルが壁に拘束された所定の体積の泡を前記キャピラリの領域に送り込むのに必要な最低エネルギーであるように流体とは異なる液体で充填されている場合に、前記異なるエネルギーポテンシャルが壁に拘束された前記流体の泡（402）を前記キャピラリ（312）に送り込むことに関連し、前記ソース領域（321）のエネルギーポテンシャルが前記障壁領域（325）のエネルギーポテンシャルよりも高く、前記障壁領域（325）のエネルギーポテンシャルが前記ゲート領域（323）のエネルギーポテンシャルよりも高く、前記ゲート領域（323）のエネルギーポテンシャルが前記ドレイン領域（327）のエネルギーポテンシャルよりも高い、キャピラリと、
   （ｂ）前記ゲート領域（323）と交差する第１の光路（340）及び第２の光路（346）であって、前記ゲート領域（323）が前記キャピラリ（312）に整合する屈折率の液体で充填される場合に、前記第１の光路（340）内の光信号が前記ゲート領域（323）を通過して前記第２の光路（346）に達することが可能である、第１の光路及び第２の光路と、
   （ｃ）前記液体とは屈折率が異なる前記流体の泡（402）を前記ゲート領域（323）に導入して、前記ゲート領域の液体を変位させ、これによって前記第１の光路（340）と前記第２の光路（346）との間における光の伝達を阻止する泡供給器（316）であって、前記ゲート領域（323）に隣接した電気抵抗加熱器を含む、泡供給器（316）と、
   （ｄ）前記ゲート領域（323）と前記ドレイン領域（327）との間におけるエネルギーポテンシャルの差に起因して、前記泡（402）を下流に移動させると共に、前記ゲート領域（323）を前記ソース領域（321）からの前記液体で再充填することにより、前記第１の光路（340）と前記第２の光路（346）との間の光の伝達を回復するように、前記泡（402）のエネルギーを増大させるための手段とを含む、光スイッチ。
2. 第３の光路（342）を含み、気相の泡が前記ゲート領域（323）を満たしている場合、光信号が、前記ゲート領域（323）から前記第３の光路（342）内に全反射されるようになっている、請求項１に記載の光スイッチ。
3. 第３の光路（342）を含み、気相の泡が前記ゲート領域（323）を満たしている場合、光信号が、前記ゲート領域（323）から前記第３の光路（342）内に全反射されるようになっており、第４の光路（344）を含み、ゲート領域（323）が液体で充填されている場合、第２の光信号が、前記第３の光路（342）と前記第４の光路（344）との間のゲートを通過することができるようになっている、請求項１に記載の光スイッチ。
4. 前記異なるエネルギーポテンシャルが、前記キャピラリ（312）の距離に応じた前記キャピラリのジオメトリの変動によって生じ、前記流体と前記液体の両方のキャピラリ湿潤特性が、前記キャピラリ（312）の距離に関して一定である、請求項１乃至３のいずれか一つの請求項に記載の光スイッチ。
5. 前記ソース領域（321）、前記ゲート領域（323）、前記障壁領域（325）、及び前記ドレイン領域（327）が、高さが一様で幅の異なる矩形の断面を備えており、前記ゲート領域（323）がゲート幅を有し、前記障壁領域（325）が前記ゲート幅より狭い障壁幅を有し、前記ドレイン領域（327）が前記ゲート幅より広いドレイン幅を有し、前記ソース領域（321）が前記障壁幅より狭いソース幅を有する、請求項１乃至４のいずれか一つの請求項に記載の光スイッチ。
6. 前記第１の光路（340）が第１の導波路を経由し、前記第２の光路（346）が第２の導波路を経由し、前記導波路のそれぞれが前記ゲート領域（323）まで延びるゲート領域接触部分を有し、前記ゲート領域（323）が前記液体で充填されている透過状態の間、前記キャピラリ（312）の前記ゲート領域（323）を介した前記導波路の前記ゲート領域接触部分間での光通信のために前記導波路の各々が整合されるが、前記ゲート領域（323）に液体がない場合、前記光路（340、346）の間における光の透過が生じない、請求項１乃至５のいずれか一つの請求項に記載の光スイッチ。
7. 前記キャピラリ（312）が前記液体で満たされる場合、光信号の光路を制御するために、加熱によって前記液体内に前記ゲート領域（323）の容積を満たす壁に拘束された気相の泡（402）を生じさせることが可能になり、前記気相の泡（402）が前記ゲート領域（323）を満たす場合に光信号の通過が阻止され、前記電気抵抗加熱器（316）によって前記気相の泡の体積を増すことによって、前記ゲート領域（323）及び前記障壁領域（325）の両方を満たし、前記ドレイン領域（327）に送り込むことが可能になり、前記気相の泡（402）の体積を更に増すことによって、前記泡を前記ゲート領域（323）から前記ドレイン領域（327）に移動させることが可能になる、請求項１乃至６のいずれかに記載の光スイッチ。
8. 前記電気抵抗加熱器が、２つのユニット、即ち、前記気相の泡を生じさせるための第１のユニット（1114）と、前記液体を加熱して前記気相の泡の体積を増大させて、前記ゲート領域（1108）及び前記障壁領域（1118）の両方を満たして、前記ドレイン領域（1120）に入り込むようにするための第２のユニット（1116）からなる、請求項７に記載の光スイッチ。
9. 光スイッチングの方法であって、
   （ａ）ソース領域（321）、光学領域（323）、障壁領域（325）、及びドレイン領域（327）を含むキャピラリ（312）内において液体で充填された前記光学領域（323）を介して、一方の光路（340）から別の光路（346）に光を透過し、前記ソース領域（321）、前記光学領域（323）、前記障壁領域（325）、及び前記ドレイン領域（327）がその空間順序で接続されて、前記キャピラリ（312）内で異なるエネルギーポテンシャルを有し、前記キャピラリ（312）が、領域のエネルギーポテンシャルが壁に拘束された所定の体積の泡を前記キャピラリの領域に送り込むのに必要な最低エネルギーであるように液体で充填されている場合に、前記エネルギーポテンシャルは、壁に拘束された流体の泡（402）を前記キャピラリ（312）に送り込むことに関連しており、前記異なるエネルギーポテンシャルに関して、
   （i）前記ソース領域（321）のエネルギーポテンシャルは、前記障壁領域（325）のエネルギーポテンシャルより高く、
   （ii）前記障壁領域（325）のエネルギーポテンシャルは、前記光学領域（323）のエネルギーポテンシャルより高く、
   （iii）前記光学領域（323）のエネルギーポテンシャルは、前記ドレイン領域（327）のエネルギーポテンシャルより高くなるように順序づけられ、
   （ｂ）前記光学領域（323）に隣接した電気抵抗加熱器を用いて、前記光学領域（323）内に前記流体の泡（402）を導入して拘束し、前記光学領域（323）の前記泡（402）のエネルギーが、前記光学領域（323）から前記ドレイン領域（327）に流出するのに必要なエネルギーより低くなるようにし、前記泡（402）によって前記光学領域（323）の光の透過が阻止され、
   （ｃ）引き続き、前記泡（402）のエネルギーを増大させ、前記光学領域（323）と前記ドレイン領域（327）との間のエネルギーポテンシャルの差によって、前記光学領域（323）から前記泡（402）を送り出し、
   （ｄ）前記泡（402）が前記光学領域（323）から流出するにつれて、前記ソース領域（321）から前記光学領域（323）に前記液体を流入させ、前記一方の光路（340）と前記別の光路（346）との間における光の伝達を回復させることを含む、光スイッチングの方法。
10. 流体の移動を制御するための装置（300）であって、
    （ａ）内部にエネルギーポテンシャルの異なる領域（321、323、325、327）を有するキャピラリ（312）であって、前記キャピラリ（312）が、領域のエネルギーポテンシャルが壁に拘束された所定の体積の泡を前記キャピラリの領域に送り込むのに必要な最低エネルギーであるように第２の流体と混合することのできない第１の流体で充填されている場合に、前記エネルギーポテンシャルが、壁に拘束された前記第２の流体の泡（402）をキャピラリ（312）に送り込むことに関連しており、前記領域がソース領域（321）、ゲート領域（323）、障壁領域（325）、及びドレイン領域（327）を含み、前記ソース領域（321）、前記ゲート領域（323）、前記障壁領域（325）、及び前記ドレイン領域（327）がその空間順序で接続されており、前記エネルギーポテンシャルに関して、
    （i）前記ソース領域（321）のエネルギーポテンシャルが、前記障壁領域（325）のエネルギーポテンシャルより高く、
    （ii）前記障壁領域（325）のエネルギーポテンシャルが、前記ゲート領域（323）のエネルギーポテンシャルより高く、
    （iii）前記ゲート領域（323）のエネルギーポテンシャルが、前記ドレイン領域（327）のエネルギーポテンシャルより高くなるように順序づけられる、キャピラリ（312）と、
    （ｂ）前記ゲート領域（323）に前記第２の流体の泡（402）を導入するための泡供給器（316）であって、前記ゲート領域（323）に隣接した電気抵抗加熱器を含む、泡供給器（316）と、
    （ｃ）前記ゲート領域（323）と前記ドレイン領域（327）との間におけるエネルギーポテンシャルの差によって、前記泡が前記ゲート領域（323）から前記障壁領域を越えて前記ドレイン領域（327）に送り込まれるように、前記ゲート領域（323）と前記ドレイン領域（327）との間におけるエネルギーポテンシャルの障壁を克服するために前記泡（402）のエネルギーを増大させるための手段とを含む、装置。

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