JP5177705B2 - 金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブおよびその製造方法 - Google Patents
金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブおよびその製造方法 Download PDFInfo
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Description
本発明は、金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブおよびその製造方法に関し、より詳細にはＰＤＭＳ／金属ボール結合体を下部基板に局所的に配置することで、上下部の基板の接合を容易にし、磁気力を利用して簡便で、かつ迅速に制御することができ、製造が容易な金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブおよびこれを製造する方法に関する。
一般的に、ＤＮＡチップまたはタンパク質チップのような生化学的分析のためのバイオチップおよび微小流体制御技術を利用したラブオンアチップ(lab on a chip)などでは、液体状の試料サンプルをマイクロチャンネルで停止，流量調節，ポンピング，混合，配分および分離するなどの流動制御技術を必要とし、このための多様な制御方式が提案されている。
このような微小流体の停止および流量調節の役割をするものがマイクロバルブであり、微小流体のポンピングを行うものはマイクロポンプと称する。上記マイクロバルブおよびマイクロポンプはその駆動方式が互いに連関しており、多様な方式のマイクロバルブおよびポンプが提案されている。
例えば、マイクロポンプおよびバルブの駆動方式として、機械的空圧式およびＰＺＴ（Piezo electric effect）などを利用したマイクロアクチュエータ型駆動法（Microactuating method）、電気泳動法（Electrophoretic method）および電気浸透法（Electrosomotic method）のような電気水力学的（Electro-hydrodynamic：ＥＨＤ）駆動法、電気化学的（Electrochemical）反応を利用した駆動法、パラフィン，ゲル，多孔性ポリマーまたはビードの熱的，光学的および電気的特性変化を利用した駆動法、表面張力による毛細管流動法（Capillary flow method）、表面音波（Surface Acoustic Wave：ＳＡＷ）駆動法、遠心力またはコリオリ力（Coriolis force）を利用した体積力制御式駆動法、熱的，電気的電荷または光学的表面材料の特性変化を利用した駆動法などの多様な方式がある。
このように、今まで多様な駆動方式による多様なマイクロポンプおよびバルブが提案されたが、従来のマイクロポンプおよびバルブはその駆動方式，製造および制御が複雑であったり、シリコンのような高価の材料を必要としたり、駆動流量および圧力などに限界を示したりする場合が多かった。
また、従来のＰＤＭＳ（polydimethylsiloxane）を利用したＰＤＭＳ空圧バルブまたはＰＤＭＳ磁気力バルブの場合、ＰＤＭＳ層をチップの全面積に配置させなければならず、電極の設置，上下の基板の接合，試料の吸着などで問題が生じるという短所があった。
従って、製造が簡単で迅速かつ容易に制御することができ、安価に製造することができるマイクロバルブが求められる。特に、ＰＤＭＳを利用したマイクロバルブにおいて上記のような短所を克服できるマイクロバルブが求められる。
本発明は、上記のような従来技術の問題点を解決するためのもので、ＰＤＭＳ／金属ボール結合体を下部基板に局所的に配置することで、上下部の基板の接合を容易にし、磁気力を利用して簡便かつ迅速に制御することができ、製造が容易な金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブおよびその製造方法を提供するためのものである。
上記の目的を果たすための本発明の一形態による金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブは、流体が移動する通路であるマイクロチャンネルと、上記マイクロチャンネルへ流体を流入するための流体の入口と、上記マイクロチャンネルを通過した流体を流出するための流体の出口とが形成された上部基板と、
内部領域に局所的にトレンチが形成された下部基板と、
金属ボールが中央部に位置し、ＰＤＭＳが上記金属ボールを取り囲むように構成され、上記下部基板に形成されたトレンチに挿入されるＰＤＭＳ／金属ボール結合体と、
上記上部基板に形成されたマイクロチャンネルの上部に位置して磁気力を発生する磁石と
を含み、前記ＰＤＭＳ／金属ボール結合体は、側面と上部面とが９０°よりも小さく０°よりも大きい角度をなすように形成されることを特徴とする。
内部領域に局所的にトレンチが形成された下部基板と、
金属ボールが中央部に位置し、ＰＤＭＳが上記金属ボールを取り囲むように構成され、上記下部基板に形成されたトレンチに挿入されるＰＤＭＳ／金属ボール結合体と、
上記上部基板に形成されたマイクロチャンネルの上部に位置して磁気力を発生する磁石と
を含み、前記ＰＤＭＳ／金属ボール結合体は、側面と上部面とが９０°よりも小さく０°よりも大きい角度をなすように形成されることを特徴とする。
このとき、上記ＰＤＭＳ／金属ボール結合体が挿入される領域の下部に位置した上記下部基板の一部領域に通気口が形成される。
また、上記磁石は永久磁石または電磁石で具現されることができ、上記磁石により上記金属ボールに磁気力が加わると、上記金属ボールが上記上部基板の方に引っ張られ、上記金属ボールを取り囲んだＰＤＭＳにより上記マイクロチャンネルが閉まり、上記磁石による磁気力が取り除かれると、上記ＰＤＭＳの弾性復元力により上記マイクロチャンネルが開く。
また、上記ＰＤＭＳ／金属ボール結合体は、上記金属ボールと上記ＰＤＭＳ／金属ボール結合体の上部に置かれる上記マイクロチャンネルとの間に所定の厚さのＰＤＭＳ層が位置するように形成されることが好ましく、上記ＰＤＭＳ層の所定の厚さは上記マイクロチャンネルの高さの０.１から２倍であることが好ましい。
また、上記下部基板に形成される上記トレンチは、射出成形（injection molding）またはホットエンボシング（hot embossing）を含むポリマー複製技術（polymer replication technique）により形成されることが好ましい。
このために、上記下部基板は、ポリメチルメタクリレート(polymethyl methacrylate：ＰＭＭＡ)，ポリカーボネート(polycarbonate：ＰＣ)，シクロオレフィンコポリマー(cycloolefin copolymer：ＣＯＣ)，ポリアミド(polyamide：ＰＡ)，ポリエチレン(polyethylene：ＰＥ)，ポリプロピレン(polypropylene：ＰＰ)，ポリフェニレンエーテル(polyphenylene ether：ＰＰＥ)，ポリスチレン(polystyrene：ＰＳ)，ポリオキシメチレン(polyoxymethylene：ＰＯＭ)，ポリエーテルエーテルケトン(polyetheretherketone：ＰＥＥＫ)，ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroehylene：ＰＴＦＥ)，ポリビニルクロライド(polyvinylchloride：ＰＶＣ)，ポリビニリデンフロリド(polyvinylidene fluoride：ＰＶＤＦ)，ポリブチレンテレフタレート(polybutyleneterephtalate：ＰＢＴ)，フッ素化エチレンプロピレン(fluorinated ethylenepropylene：ＦＥＰ)およびパーフルオロアルコキシアルカン(perfluoralkoxyalkane：ＰＦＡ)からなるポリマー群から選択された何れか１つで形成されることが好ましい。
一方、上記の目的を果たすための本発明の他の形態による金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブの製造方法は、流体が移動する通路であるマイクロチャンネルと流体の出入口とが形成された上部基板を形成するステップと、内部領域に局所的にトレンチが形成された下部基板を形成するステップと、金属ボールが中央部に位置し、ＰＤＭＳが上記金属ボールを取り囲むように構成されたＰＤＭＳ／金属ボール結合体を形成するステップと、前記ＰＤＭＳ／金属ボール結合体を前記下部基板に形成されたトレンチに挿入するステップと、上記上部基板と上記下部基板とを接合するステップとを含み、上記ＰＤＭＳ／金属ボール結合体を形成するステップは、上記下部基板に形成されたトレンチと同じ寸法および形状を有するフレームを形成するステップと、上記フレームの内部に上記金属ボールを挿入するステップと、上記金属ボールを固定した後、上記フレームの内部にＰＤＭＳ溶液を注ぐステップと、上記フレームに注いだＰＤＭＳ溶液の上部面を平坦化するステップと、上記金属ボールを取り囲んだＰＤＭＳを上記金属ボールと一体的に固化させるステップとを含む。
本発明によると、ＰＤＭＳ／金属ボール結合体をマイクロチャンネルを覆うようにチップに局所的に設けることで、従来のＰＤＭＳを利用したマイクロバルブで生じる短所を解決することができる。
また、永久磁石または電磁石を利用して簡便かつ迅速にマイクロバルブを制御することができ、さらに、ＰＤＭＳ／金属ボール結合体を別途に製作して基板に形成されたトレンチに挿入することで、迅速かつ簡単にマイクロバルブを製造することができる。
以下、添付の図面を参照して本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者が本発明を容易に実施できるような好ましい実施形態を詳細に説明する。ただし、本発明の好ましい実施形態の詳細な説明において、公知の機能または構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不要に不明確にすると判断される場合には、その詳細な説明を省く。また、類似する機能および作用をする部分に対しては図面全体に亙って同じ符号を使用した。
また、明細書の全体において、ある部分が他の部分と「連結」されているという記載は、「直接的に連結」されている場合だけではなく、その中間に他の要素を介して「間接的に連結」されている場合をも含む。また、ある構成要素を「含む」という記載は、特に反対の記載がない限り、他の構成要素を排除するのではなく、他の構成要素をさらに含んでもよいということを意味する。
先ず、図１および図２を参照して、本発明の一形態による金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブの構造および動作を説明する。
図１は、本発明の一形態による金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブの断面図であり、（ａ）は磁気力が加わらずマイクロチャンネルが開いている状態を、（ｂ）は磁気力により金属ボールがマイクロチャンネルの方に引っ張られ、マイクロチャンネルが閉まっている状態を図示している。図２は本発明の一形態による金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブの斜視図である。
本発明の一形態による金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブは上部基板１０と、下部基板２０と、ＰＤＭＳ／金属ボール結合体３１，３２と、磁石４０とからなる。
上部基板１０には、流体が移動する通路であるマイクロチャンネル１１が形成され、マイクロチャンネル１１の一端にはマイクロチャンネル１１に流体を流入するための流体の入口１２が、他端にはマイクロチャンネル１１を通過した流体を流出させるための流体の出口１３が形成されている。
下部基板２０にはトレンチが形成され、トレンチにはＰＤＭＳ／金属ボール結合体３１，３２が挿入されている。また、下部基板２０におけるＰＤＭＳ／金属ボール結合体３１，３２が挿入される領域の下部には、通気口２１が形成されることが好ましい。これは、ＰＤＭＳ／金属ボール結合体３１，３２によってマイクロチャンネル１１が閉まる時、音圧がかかることを防ぎ、マイクロバルブの動作が円滑に行われるようにするためである。
下部基板２０の内部に局所的に形成されるトレンチは、一定の形状と便利な製作のために射出成形(injection molding)や、ホットエンボシング(hot embossing)などのポリマー複製技術(polymer replication technique)により形成されることが好ましい。このため、下部基板２０はポリメチルメタクリレート(polymethylmethacrylate：ＰＭＭＡ)，ポリカーボネート(polycarbonate：ＰＣ)，シクロオレフィンコポリマー(cycloolefin copolymer：ＣＯＣ)，ポリアミド(polyamide：ＰＡ)，ポリエチレン(polyethylene：ＰＥ)，ポリプロピレン(polypropylene：ＰＰ)，ポリフェニレンエーテル(polyphenylene ether：ＰＰＥ)，ポリスチレン(polystyrene：ＰＳ)，ポリオキシメチレン(polyexymethylene：ＰＯＭ)，ポリエーテルエーテルケトン(polyetheretherketone：ＰＥＥＫ)，ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene：ＰＴＦＥ)，ポリビニルクロライド(polyvinylchloride：ＰＶＣ)，ポリビニリデンフロリド(polyvinyliden fluoride：ＰＶＤＦ)，ポリブチレンテレフタレート(polybutyleneterephthalate：ＰＢＴ)，フッ素化エチレンプロピレン(fluorinated ethylenepropylene：ＦＥＰ)およびパーフルオロアルコキシアルカン(perfluoralkoxyalkane：ＰＦＡ)などのポリマーの１種からなることが好ましい。
上部基板１０と下部基板２０とは熱接合や、接着剤接合などの方式により接合される。
ＰＤＭＳ／金属ボール結合体３１，３２は、金属ボール３２が中央部に位置し、固化されたＰＤＭＳ３１が金属ボール３２を取り囲む形態で構成され、ＰＤＭＳ／金属ボール結合体３１，３２は図４を参照して後述するように多様な形態で形成されてもよい。
磁石４０は、上部基板１０に形成されたマイクロチャンネル１１の上部に上部基板１０と接触または所定距離離隔されて位置し、磁性が一定に維持される永久磁石や磁性が可変する電磁石などで具現されることができる。
磁石４０により磁気力が加わると、ＰＤＭＳ３１により取り囲まれた金属ボール３２が磁石４０の方向、すなわち上部基板１０の方に引っ張られる。これにより、ＰＤＭＳ３１が弾性変形してマイクロチャンネル１１が閉まる。
一方、磁石４０による磁気力を取り除くと、金属ボール３２を引っ張る力が無くなるため、ＰＤＭＳ３１の弾性復元力によりマイクロチャンネル１１が開く。
このように、本発明による磁気力マイクロバルブは、ＰＤＭＳ３１の内部に挿入された金属ボール３２と、マイクロチャンネル１１の上部に位置する磁石４０との相互作用により簡単に開閉することができる。
以下、図３および図４を参照しつつ本発明による磁気力マイクロバルブで用いられるＰＤＭＳ／金属ボール結合体の構造について詳細に説明する。
図３は本発明の一実施例によるＰＤＭＳ／金属ボール結合体の斜視図であり、図４は本発明の多様な実施例によるＰＤＭＳ／金属ボール結合体の形態を図示した断面図である。
ＰＤＭＳ／金属ボール結合体は、図３に図示されたように金属ボール３２が中央部に位置し、固化されたＰＤＭＳ３１が金属ボール３２を取り囲む形態で構成される。
また、ＰＤＭＳ／金属ボール結合体は、図４の（ａ）から（ｃ）に図示されたように多様な形態で形成されてもよい。
このとき、金属ボール３２は、ＰＤＭＳ３１の下部層に挿入され、ＰＤＭＳ／金属ボール結合体の上部に位置するマイクロチャンネルと金属ボール３２との間に所定の厚さａのＰＤＭＳ層が形成されるようにすることが好ましい。特に、上記所定の厚さａはマイクロチャンネルの高さの０.１から２倍であることが好ましい。
また、ＰＤＭＳ／金属ボール結合体を基板と別途に製作して下部基板のトレンチに挿入する場合、ＰＤＭＳ／金属ボール結合体を形成するためのフレームとＰＤＭＳ／金属ボール結合体との分離を容易にするため、ＰＤＭＳ／金属ボール結合体の側面は上部面に対して（９０−θ）゜をなすように斜めに形成されることが好ましい。
図４に図示されたようなＰＤＭＳ／金属ボール結合体の幾何学的な形状，金属ボールの寸法ｄ，マイクロチャンネルと金属ボール３２との間のＰＤＭＳ層の厚さａおよび磁石により加わる磁気力の強さなどにより、マイクロチャンネルの最大許容圧力，バルブ反応時間，流量などのようなマイクロバルブの性能を調節することができる。
例えば、金属ボール３２の寸法ｄを大きくし、磁石の磁気力の強さを大きくするほど、最大許容圧力を大きくすることができる。また、磁石の磁気力の強さを調節してマイクロバルブを通過する流量を調節することができる。
また、ＰＤＭＳ／金属ボール結合体は、基板とは別に標準化された寸法で大量製作され、マイクロバルブを形成するために用いることができる。
以下では、図５および図６を参照して、本発明の他の形態による金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブの製造過程を詳細に説明する。
図５は本発明の他の形態による金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブの製造過程の流れ図である。
先ず、マイクロチャンネルとマイクロチャンネルの両端に流体の入口および流体の出口とがそれぞれ形成された上部基板を形成する（Ｓ１０）。
次いで、ＰＤＭＳ／金属ボール結合体が挿入されるトレンチが形成された下部基板を形成する（Ｓ２０）。このとき、下部基板におけるＰＤＭＳ／金属ボール結合体が挿入される領域の下部に通気口をさらに形成することが好ましい。
次いで、ＰＤＭＳ／金属ボール結合体を形成し、形成されたＰＤＭＳ／金属ボール結合体を下部基板に形成されたトレンチに挿入する（Ｓ３０）。ＰＤＭＳ／金属ボール結合体を形成する過程は図６を参照して後述する。また、マイクロバルブの製造過程が始まる前に、ＰＤＭＳ／金属ボール結合体のみを個別に製造し、予め製造されたＰＤＭＳ／金属ボール結合体を利用してマイクロバルブを製造することもできる。
次いで、上部基板と下部基板とを熱接合や、接着剤接合などの方式により接合する（Ｓ４０）。
このような過程により形成された金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブの構造は図１および図２を参照して上述したものと同様であり、これに対する詳細な説明は省略する。
図６は、本発明の他の形態によるＰＤＭＳ／金属ボール結合体の形成過程の流れ図である。
先ず、ＰＤＭＳ／金属ボール結合体が挿入される下部基板のトレンチと同じ寸法および形状を有するフレームを形成する（Ｓ３１）。
次いで、形成されたフレームの内部に金属ボールを挿入し（Ｓ３２）、磁石などの手段を利用して金属ボールを固定する（Ｓ３３）。
次いで、フレームの内部にＰＤＭＳ溶液を注ぎ、ＰＤＭＳ溶液の上に重い平板を載せるなどの方法により、ＰＤＭＳ溶液の上部面を平坦化した後（Ｓ３４）、この状態のままＰＤＭＳ溶液を固化させて金属ボールと一体的させ（Ｓ３５）、ＰＤＭＳ／金属ボール結合体を形成する。
このような過程により形成されたＰＤＭＳ／金属ボール結合体をフレームから分離して下部基板のトレンチに挿入（Ｓ３６）することで、マイクロバルブを形成することができる。形成されたＰＤＭＳ／金属ボール結合体の構造は、図３および図４を参照して上述したものと同様であり、これに対する詳細な説明は省略する。
本発明は上述の実施例および添付の図面により限定されるのではない。本発明が属する技術分野で通常の知識を有する者に、本発明の技術的思想から外れない範囲内で本発明による構成要素を置換、変形および変更することができるということが明白である。
１０ 上部基板
１１ マイクロチャンネル
１２ 流体の入口
１３ 流体の出口
２０ 下部基板
２１ 通気口
３１ ＰＤＭＳ
３２ 金属ボール
４０ 磁石
１１ マイクロチャンネル
１２ 流体の入口
１３ 流体の出口
２０ 下部基板
２１ 通気口
３１ ＰＤＭＳ
３２ 金属ボール
４０ 磁石
Claims (10)
- 流体が移動する通路であるマイクロチャンネルと、前記マイクロチャンネルへ流体を流入するための流体の入口と、前記マイクロチャンネルを通過した流体を流出するための流体の出口とが形成された上部基板と、
内部領域に局所的にトレンチが形成された下部基板と、
金属ボールが中央部に位置し、ＰＤＭＳが前記金属ボールを取り囲むように構成され、前記下部基板に形成されたトレンチに挿入されるＰＤＭＳ／金属ボール結合体と、
前記上部基板に形成されたマイクロチャンネルの上部に位置し、磁気力を発生する磁石と
を含み、前記ＰＤＭＳ／金属ボール結合体は、側面と上部面とが９０°よりも小さく０°よりも大きい角度をなすように形成されることを特徴とする金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブ。 - 前記ＰＤＭＳ／金属ボール結合体が挿入される領域の下部に位置する前記下部基板の一部領域に通気口が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブ。
- 前記磁石は、永久磁石または電磁石で具現されることを特徴とする請求項１に記載の金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブ。
- 前記磁石により前記金属ボールに磁気力が加わると、前記金属ボールが前記上部基板の方に引っ張られ、前記金属ボールを取り囲んだＰＤＭＳにより前記マイクロチャンネルが閉まることを特徴とする請求項１に記載の金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブ。
- 前記磁石による磁気力が取り除かれると、前記ＰＤＭＳの弾性復元力により前記マイクロチャンネルが開くことを特徴とする請求項４に記載の金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブ。
- 前記ＰＤＭＳ／金属ボール結合体は、前記金属ボールと前記ＰＤＭＳ／金属ボール結合体の上部に置かれる前記マイクロチャンネルとの間に所定の厚さのＰＤＭＳ層が位置するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブ。
- 前記ＰＤＭＳ層の前記所定の厚さが前記マイクロチャンネルの高さの０.１から２倍であることを特徴とする請求項６に記載の金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブ。
- 前記トレンチは、射出成形(injection molding)またはホットエンボシング(hot embossing)を含むポリマー複製技術(polymer replication technique)により形成されることを特徴とする請求項１に記載の金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブ。
- 前記下部基板は、ポリメチルメタクリレート(polymethylmethacrylate：ＰＭＭＡ)，ポリカーボネート(polycarbonate：ＰＣ)，シクロオレフィンコポリマー(cycloolefin copolymer：ＣＯＣ)，ポリアミド(polyamide：ＰＡ)，ポリエチレン(polyethylene：ＰＥ)，ポリプロピレン(polypropylene：ＰＰ)，ポリフェニレンエーテル(polyphenylene ether：ＰＰＥ)，ポリスチレン(polystyrene：ＰＳ)，ポリオキシメチレン(polyoxymethylene：ＰＯＭ)，ポリエーテルエーテルケトン(polyetheretherketone：ＰＥＥＫ)，ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene：ＰＴＦＥ)，ポリビニルクロライド(polyvinylchloride：ＰＶＣ)，ポリビニリデンフロリド(polyvinylidene fluoride：ＰＶＤＦ)，ポリブチレンテレフタレート(polybutyleneterephthalate：ＰＢＴ)，フッ素化エチレンプロピレン(fluorinated ethylenepropylene：ＦＥＰ)およびパーフルオロアルコキシアルカン(perfluoralkoxyalkane：ＰＦＡ)からなるポリマー群から選択された何れか１つで形成されることを特徴とする請求項８に記載の金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブ。
- 流体が移動する通路であるマイクロチャンネルおよび流体の出入口が形成された上部基板を形成するステップと、
内部領域に局所的にトレンチが形成された下部基板を形成するステップと、
金属ボールが中央部に位置し、ＰＤＭＳが前記金属ボールを取り囲むように構成されたＰＤＭＳ／金属ボール結合体を形成するステップと、
前記ＰＤＭＳ／金属ボール結合体を前記下部基板に形成されたトレンチに挿入するステップと、
前記上部基板と前記下部基板とを接合するステップと
を含み、前記ＰＤＭＳ／金属ボール結合体を形成するステップは、
前記下部基板に形成されたトレンチと同じ寸法および形状を有するフレームを形成するステップと、
前記フレームの内部に前記金属ボールを挿入するステップと、
前記金属ボールを固定した後、前記フレームの内部にＰＤＭＳ溶液を注ぐステップと、
前記フレームに注いだＰＤＭＳ溶液の上部面を平坦化するステップと、
前記金属ボールを取り囲んだＰＤＭＳを前記金属ボールと一体的に固化させるステップと
を含むことを特徴とする金属ボールを用いた磁気力マイクロバルブの製造方法。
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