KR20030059797A

KR20030059797A - 마이크로유체의 유동제어를 위한 원격조정

Info

Publication number: KR20030059797A
Application number: KR10-2003-7001635A
Authority: KR
Inventors: 맥넬리마이클; 스프트마크
Original assignee: 바이오마이크로 시스템즈, 인크.
Priority date: 2000-08-04
Filing date: 2001-08-06
Publication date: 2003-07-10
Also published as: WO2002012734A1; AU2001286417A1; EP1313955A1; CA2417217A1; US20020033193A1; JP2004506146A; US6615856B2; EP1313955A4

Abstract

회로(10)에 접속된 외부 밸브 및 펌프를 사용하여 마이크로유체 회로(10) 내의 유체유동을 조정하는 방법이 개시되어 있다. 외부 밸브 및 펌프는 마이크로유체 기판(11)의 일부가 아니며, 유체 펌핑압력, 및 유체가 회로(10) 내로 유입될 때 유체회로(10) 밖으로의 배출을 조정한다. 밸브가 폐쇄되면, 유체가 (정규 작동압력하에) 회로 내로 진행하는 것을 방지하는 공기장벽(18)을 발생시키는 공기(17)가 회로 밖으로 배출될 수 없다.

Description

마이크로유체의 유동제어를 위한 원격조정{Remote Valving for Microfluidic Flow Control}

마이크로유체공학에는 실리콘, 플라스틱, 유리 등의 재료로 형성된 미소치수의 구조에서의 소량의 유체 조작을 포함한다. 마이크로유체 소자에는 다중채널 또는 웰(well)을 포함하며, 액상 시료의 화학적 또는 생화학적 처리 및 분석에 사용된다. 마이크로유체 소자에 있어서 채널 및 웰은 마이크로유체 회로로서 알려져 있다. 마이크로유체 회로가 어떤 복잡성을 띠는 경우 회로를 통과하는 유체의 유동을 조정하기 위한 방법으로 활성 또는 비활성 방법이 필요하게 된다.

활성(active) 유체제어방법에는 기계식 밸브사용, 및 마이크로유체 회로 내의 유체(또는 유체내 입자) 이동에 영향을 미치는 전기장 또는 자기장의 인가를 포함한다. 그러나 기계식 밸브를 마이크로유체 회로에 일체화시킴으로써 복잡하고 비싸지게 된다. 전자계 방법은 복잡한 인터페이스와 높은 전기전압이 필요하다.

비활성(passive) 유체제어방법에는 유체이동을 정지 또는 구동하기 위해서모세관힘을 조정하는 것을 포함한다. 비활성 방법은, 유체가 고농도의 용매, 계면활성제, 지질 또는 지방족 화합물이거나 이를 포함하는 경우 불가능할 수도 있다. 이것은 모세관힘을 감소시키는 유체의 표면장력이 감소될 수 있기 때문이다.

비활성 방법이 사용될 수 없고, 전자계 방법의 특징이 바람직하지 않으면 활성 유체조정에 사용된 복잡한 조정메카니즘을 기판에서 제거하는 것이 바람직한 것이라고 알려져 있다. 이런 식으로, 마이크로유체 회로기판은 복잡하고 비싼 구성요소들을 영구부품으로 대체함에 따라 마이크로유체 기판부를 저렴하고 일회용이 될 수 있도록 함으로써 가능한 한 저렴하게 제조될 수 있다.

이러한 구조의 일 예로 외부 펌프와 밸브로 실행되는 공기발동작용을 사용하는 것이 있다. 또다른 예로는 회로 내의 다이어프램 멤브레인밸브를 구동하는 외부 액츄에이터를 사용하는 것이 있다. 그러나 이들 두가지 예에는 기판 내에 소수성 공기덕트 또는 유연성 멤브레인 등의 복잡한 구조가 필요하게 된다. 따라서 기판으로부터 복잡한 기계식 구조를 제거하려는 시도는 생각했던 것보다 더 복잡하다.

마이크로유체 회로를 통과하는 유체의 이동을 조절하는 또다른 방법으로 비활성 및 활성 조절방법을 결합하여 모세관스톱접합(capillary stop junction)과 함께 모세관장벽에 의한 공기벤트(공기덕트)를 이용하는 방법이 있다. 이 방법에서, 유체는 모세관채널을 통해 유동하고, 모세관스톱접합에 의해 주로 조절된다. 모세관스톱접합의 신뢰성은 공기벤트를 추가함으로써 증가된다. 유체는 모세관에 의해 친수성 채널을 통해서 인출되는 수성유체 등의 양(positive) 모세관힘에 의해서 마이크로유체 회로를 통해 인출된다. 공기벤트가 폐쇄되면 공기벤트는 모세관스톱접합에서 모세관장벽을 지지하여 마이크로유체 회로를 통과하는 유체의 진행을 조절한다. 공기벤트가 모세관장벽을 지지하기 때문에 이러한 유체조정방법은 모세관접합과는 독립적으로 기능하지 않을 것이다.

마이크로유체 회로내에서 유체유동을 효과적으로 조정하기 위한 시도는 기판내의 값비싼 기계식 소자나 유동장벽을 제공하는 모세관힘에 의해 좌우된다. 이 기술분야에서 모세관힘을 이용하지 않고도 유체를 조정할 수 있는 마이크로유체 회로를 제공하기 위한 중요한 개선책이 있을 것이다. 또 이 기술분야에서 복잡하고 값비싼 부품을 사용하지 않고, 값싸고 처분가능한 마이크로유체 회로용 기판을 제공하기 위한 중요한 개선책이 있을 것이다.

본 발명은 생화학 공정이나 반응을 위한 마이크로유체 회로분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는 마이크로회로를 통해 유체의 압력 및 이동을 감지, 조정하는 것에 관한 것이다.

도 1A-1C는 본 발명의 단일 마이크로유체 채널의 평면도.

도 2A-2C는 본 발명의 다중 마이크로유체 회로의 평면도.

도 3A-3C는 도 2A-2C의 배면 평면도.

도 4는 도 3A-3C의 다른 실시예를 나타낸 평면도.

도 5는 유체가 공기덕트에 유입되면 하이드로겔드롭이 공기덕트를 폐쇄하는 것을 나타낸 본 발명의 유체채널 및 공기덕트의 제1 실시예의 사시도.

도 6은 확장가능한 공기블래더가 마이크로유체 회로로부터 배기된 공기를 수집하는 본 발명의 공기덕트의 다른 실시예를 나타낸 평면도.

도 7A-7C는 배압을 모니터할 때의 마이크로유체 회로의 평면도.

도 7D-7F는 도 7A-7C에 도시된 마이크로유체 회로의 유체압과 시간에 대한 그래프.

도 8A-8C는 압력센서가 공기덕트에 위치하는 경우의 마이크로유체 회로의 평면도.

도 8D-8F는 도 8A-8C에 도시된 마이크로유체 회로의 가스압과 시간에 대한 그래프.

도 9는 본 발명의 센서의 실시예를 나타낸 평면도.

도 10은 마이크로유체 회로의 단면도.

도 11은 도 10의 다른 실시예를 나타낸 도면.

본 발명은 회로를 통과하는 유체유동이 회로내의 공기배출을 조정하는 외부 밸브에 의해 조정되는 마이크로유체 회로에 관한 것이다. 공기배출덕트는 외부밸브에 접속된다. 밸브가 개방되면 유체는, 예를 들어 외부 주사기펌프에 의해 발생되는 양의 정수압에 의해 구동되는 회로내로 진행된다. 밸브가 폐쇄되면 진행되는 유체는 정상 작동파라미터하에서 유체가 더이상 진행하는 것을 저지하는 폐쇄된 공기컬럼, 또는 공기압력장벽을 가압하게 된다. 공기압장벽은 회로내로 진행하는 유체를 저지하는데 사용될 뿐만 아니라, 유체를 차단된 채널로부터 인접한 개방 채널로 유동하게 하는데 사용된다. 이러한 방식으로 유체가 복잡하고 매우 다양한 시스템을 통과하여 진행되는 경우에 조정될 수 있다. 이러한 조정은 외부 밸브 및 펌프를 사용함으로써 실행되고, 외부 밸브 및 펌프는 마이크로유체 회로기판에 내장할 필요가 없다. 일단 유체가 공기배출덕트에 도달하면 유체채널과 공기덕트 사이의 접합에 모세관장벽 또는 다른 수동밸브를 사용하거나, 또는 하이드겔 등의 팽윤성 재료에 의해 덕트를 차폐함으로써 덕트내로 들어가는 것을 방지한다. 덕트내로의 유체진입은 유체조정시 적당한 시간에 외부 공기덕트밸브를 폐쇄하거나, 또는 공기덕트 출구에 소정 체적의 공기블래더(bladder)를 배치함으로써 차단될 수 있고, 이에 따라 유체가 진행할 수 없는 폐쇄된 공기컬럼이 설치된다.

마이크로유체 회로는 기판에 설치된다. 기판은 유체유동용의 적어도 하나 이상의 채널과 각 채널과 연통하는 적어도 하나 이상의 공기덕트를 갖는다. 회로에는 유체가 적어도 일시적으로 정지되는 적어도 하나 이상의 정지점이 있다. 유체는 회로내의 조정가능한 공기압장벽에 의해 이들 정지점에서 정지된다. 채널과 연통하는 공기덕트는 공기압장벽을 조정하도록 구성되고, 회로내의 각 정지점과 연통하는 공기덕트가 있다.

유체가 회로를 통해 진입하는 것을 조정하는 공기압장벽은 유체가 회로에 진입하여 채널과 공기덕트 내의 공기를 압축함으로써 형성된다. 압축된 공기에 대한 출구가 없기 때문에 유체의 진입를 방지하게 된다. 유체는 압축공기를 배출하게 하는 하류 공기덕트를 개방함으로써 진행하게 된다. 하류공기덕트는 대기에 개방될 수도 있고, 고정 체적 팽창블래더에 개방될 수도 있다. 각 공기덕트가 결합되는 정지점에 유체가 도달할 때, 공기덕트가 폐쇄되도록 구성되는 것이 바람직하고, 이로 인해 유체가 회로를 통해 진행되는 것이 방지되고 공기덕트내로 더 멀리 진행되는 것이 방지된다.

공기덕트의 적당한 개폐를 이용하기 위해서, 마이크로유체 회로는 회로내의유체 위치를 탐지하는 센서, 및 유체유동이 적어도 일시적으로 정지점에 정지하도록 공기덕트를 폐쇄하기 위하 신호를 포함한다. 센서는 광학센서일 수도 있고, 이 센서는 유체채널 위의 상판에 위치할 수도 있다. 또 센서는 유체압 또는 공기압의 백압을 측정하기 위해서 유체입구에 위치하는 유체압센서일 수도 있고, 공기덕트 내의 압력 또는 유동을 측정하기 위해서 공기덕트에 위치하는 유동센서일 수도 있다.

또한 본 발명은 상기한 마이크로유체 회로 및 공기압장벽을 이용하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 조정하는 방법에 관한 것이다. 공기압장벽을 발생시키기 위해서 공기주입뿐만 아니라, 공기덕트의 개폐에 따른 유체이동을 이용한다. 예를 들어, 일단이 개방만된 튜브 내에 유체를 도입하는 것은 거의 불가능하다. 마찬가지로 일단이 개방되고 그 일단이 폐쇄된 밸브에 접속되는 튜브에 유체를 도입하는 것은 어렵다. 밸브가 개방되면 유체가 튜브에 들어옴과 동시에 공기가 배출된다. 그래서 밸브는 튜브 내에서의 유체유동 여부를 조정한다. 본 발명은 유동제어와 함께, 유동채널을 공기덕트를 유동채널에 연결하는 방법 및 소자에 대해 기재되어 있다. 또 개방된 후에 공기덕트를 폐쇄하는 여러 가지 방법에 대해 기재되어 있다. 본 명세서에서 "공기"라고 간단히 언급하고 있으나, 이것은 조성물에 관계없이 가스나 가스상을 포함하는 것을 의미한다.

이하에, 본 발명의 바람직한 실시예를 도 1∼11을 참조하면서 상세히 설명하고, 동일하거나 기능적으로 유사한 요소에 대해서는 같은 참조부호를 사용한다. 본발명의 구성성분은 도면에 도시된 바와 같이, 광범위한 구성을 포함할 수 있다. 따라서 도면으로 표시되는 본 발명의 시스템과 방법의 실시예에 대한 보다 상세한 설명은 청구범위와 같이 발명의 범위를 한정하는 것은 아니고, 발명의 바람직한 실시예를 나타내기 위한 것이다.

유체는 고압하에서 가압되지 않거나, 또는 모세관내의 공기를 배출하기 위한 수단이 없으면 폐쇄된 모세관에 들어 갈 수 없다. 공기가 시스템 밖으로 배출되기 위한 하류 개구부가 있거나, 또는 모세관에의 입구가 유체입구 및 공기출구로서의 역할을 할 수 있을 정도로 충분히 큰 경우에는 공기가 배출될 수도 있다. 본 명세서에서 "공기"라는 용어로 간단히 사용하고 있으나, 이것은 조성물에 관계없이 가스 또는 가스상을 포함하는 개념이다.

유동장벽

비활성 유동조절방법은 모세관힘이나 부(negative) 모세관힘이 마이크로유체 회로내의 유체를 조절하는데 유용한 압력장벽을 발생시킬 정도로 충분히 강력한 경우에 잘 기능을 한다. 그러나 복잡한 유체샘플이 진행되는 경우와 같이, 모세관힘이 확실하지 않으면 다른 유체 조정방법이 필요하다. 복잡한 유체샘플은 시스템 내의 유체의 표면장력을 실질적으로 감소시키는 요소를 포함하는 것이나, 또는 유체채널을 포함하는 재질과의 접촉각이 약 90°인 유체이다.

모세관스톱접합 등의 대체용으로 공기압장벽을 들 수 있다. 공기압장벽은 폐쇄된 공기컬럼으로, 충분한 압력을 발생키켜 마이크로유체 회로 내에서 진행되는 유체의 유동을 정지시킨다. 폐쇄된 공기컬럼에 필요한 압력은 진행되는 유체에 의한 공기압축에 의해 발생되거나, 외부펌프에 의해 공기덕트를 통한 공기흡인에 의해 발생될 수 있다. 유체회로 내의 유체의 진행은, 충분한 힘이 되지 않는 모세관힘에 의해서는 야기되지 않으나, 외부 주사기펌프 또는 내장 마이크로펌프를 사용하는 등의 구동 유동압에 의해서는 야기된다. 필요한 경우, 유체가 시스템 내로 들어가기 전에 계면활성제나 용매를 첨가하거나, 또는 수성시료로 부 모세관힘을 발생시키는 소수성 유동채널을 사용함으로써 양 모세관힘을 부족하게 할 수 있다. 친수성 유동채널은 비극성용매로 사용되는 경우, 동일한 형태의 효과를 나타낸다.

도 1A∼1C는 기판(11)에 형성된 마이크로유체 회로(10)에 적용된 일예를 나타낸다. 도 1A∼1C는 유체채널(13) 내의 유체(12)가 어떻게 공기덕트(14, 15 및 16)에 의해 조정되는가를 나타낸 것이다. 기판(11)에는 유체채널(13)과 공기덕트(14, 15 및 16)가 형성되어 있다. 이러한 간단한 다이어그램에서, 공덕트는 개방상태인 경우만 도시되어 있는데, 폐쇄된 공기덕트는 공기덕트가 없는 것과 실질적으로 기능상 동일하기 때문이다. 도 1A에 도시된 바와 같이, 유체(12)는 상류 공기덕트(14)쪽으로 진행되고, 공기 컬럼(17)에 의해 저지된다. 상기 공기진행의 저지는 유체차단 상류 공기덕트(14)에 의해 공기배출이 방지될 때 유체채널(13)의 폐쇄단부에서 일어난다. 유체(12)가 상류 공기덕트(14)를 통과하여 차단될 때까지는 유동채널(13)에서 상당한 공기의 압축이 일어나지 않을 것으로 예상된다. 진행되는 유체가 상류 공기덕트(14)를 차단할 때까지 공기는 공기덕트(14)를 통해 유동체널(13)로부터 배출된다. 유체(13)가 개방된 공기덕트(14)를 덮을 때 공기압장벽(18)에 의해 저지된다. 따라서 공기압장벽(18)은 덕트(14)에 근접하게 된다. 도1B에 도시된 바와 같이,제1 하류 공기덕트(15)가 개방되면, 유체는 제1 하류 공기덕트(15)에 도달하여 폐쇄될 때까지 진행되고, 그 지점에서 유동채널(13)의 하류 단부에서 공기컬럼(17)에 의해 형성된 공기압장벽(19)에 의해 다시 정지된다. 마찬가지로, 도 1C에 도시된 바와 같이, 제2 하류 공기덕트(16)가 개방되면 유체(12)는 유체채널(13) 내로 더 진행한다.

유체유동을 정지하는데 필요한 공기압은 진행유체(12)의 압력수두에 좌우된다. 또한 유동이 완전히 정지되어야 하는지, 아니면 다른 채널로 단순히 분지되어야 하는지에 따라 좌우된다.

방정식 (1)은 압축된 공기컬럼(17)에 의해 발생될 수 있는 압력을 나타낸다.

(1)

식중, △P는 생성된 압력(Pc-Po와 동일)

Pc는 압축공기압력

Po는 최초 공기압력(통상 대기압)

Vo는 최초 공기체적

Vc는 압축공기체적

방정식 (2)는 공기체적변화, △V(= Vo-Vc)와 △P에 비례하는 체적백분율변화 V%와의 관계를 나타낸다.

(2)

방정식 (2)로부터 Po가 대기압(14.7psi)일 때, 체적변화 1.7%는 △P가 0.25psi가 된다. 공기압장벽 0.25psi는 실질적이지 않을 것 같지만, 저유동조건하에서는 유동이 인접채널로 분지되기에 충분하고, 펌핑압이 공기압장벽보다 작으면 유동을 완전히 정지시킬 정도로 충분하다. 공기압장벽 2psi를 발생시키기 위해서는 정상대기압하에서 13.6%의 체적변화가 필요하다.

도 2A∼2C는 마이크로유체 회로의 일부를 나타낸 것으로, 두개의 제1 세대 딸채널(generation daughter channel: 21, 22)로 분지되는 단일 상류 또는 입구체널(20)을 포함하며, 각각이 다시 분지되어 두개의 제2 세대 딸채널(23, 24, 25 및 26)을 형성한다. 종래에는 기계식 밸브나 모세관힘을 이용하지 않고, 유체유입채널(20)을 딸채널들로 동일하게 분할하기 어려웠을 것이다. 공기압장벽은 이러한 임무를 실행하는데 사용할 수 있는 다른 방법을 제공한다.

도 2A∼2C는 공기가 배출되도록 공기덕트로서 역할을 하는 3세트의 소형 측채널을 나타낸다. 공기덕트(28, 29)는 제1 세대 딸채널(21, 22)이 제2 세대 딸채널로 분지되는 지점 부근에 배치된다. 공기덕트(30, 31, 32, 33)는 딸채널(23, 24, 25, 26)에 의해 각각 공급되는 제1 웰(34, 35, 36, 37)의 출구에 위치하고, 공기덕트(38, 39, 40, 41)는 제2 웰(42, 43, 44, 45)의 출구에 각각 위치된다. 공기덕트(28, 29)는 유체채널(21, 22)을 분지하고, 도 3A∼3C에 도시된 바와 같이 기판(10)을 통해 제1 공통 공기덕트(50)내로 개방되는 곳인 기판의 배면으로 통과한다. 마찬가지로 공기덕트(30, 31, 32, 33)는 기판(11)을 통해 제2 공통 공기덕트(51)로 통과하고, 공기덕트(38, 39, 40, 41)은 기판(11)을 통해 제3 공통공기덕트(52)에 연결된다. 각 공통 공기덕트(50, 51, 52)는 각각 외부밸브(53, 54, 56)로 안내된다. 제1 세대 딸채널(21, 22) 사이에 유체를 균일하게 나누기 위해서, 도 3A에 도시된 바와 같이, 제1 공통공기덕트(50) 상의 밸브(53)를 개방하고, 제2 공통공기덕트(52) 상의 밸브(54)와 제3 공통공기덕트(53) 상의 밸브(56)를 폐쇄한다. 유체(12)가 입구채널(20) 내로 펌프되면 제1 분지점으로 진행되어 제1 세대 딸채널(21, 22)로 균일하게 나누어지거나, 또는 우선 어느 하나로 유동하게 할 수도 있다. 예를 들어, 유체(12)가 딸채널(21)를 통해 최초로 유동하게 되면 공기덕트(60)로 진행되어 공기압장벽(60)과 만날 수 있게 된다. 공기압장벽(60)은 유체(12)로 덮여진 개방 공기덕트(28)에 의해 야기되며, 모든 하류 공기덕트는 폐쇄된다. 이후 유체(12)는 분지되고 딸채널(22)을 채우게 된다.

일단 유체(12)가 딸채널(21, 22) 사이에서 균일하게 분지되면, 공통덕트(51)에 연결된 외부공기밸브(54)는 도 3B에 도시된 바와 같이 개방될 수 있다. 이것은 유체가 공기덕트(28, 29)에 도달한 후에는 매우 급속하게 일어나서, 유체펌핑을 중단할 필요가 없게 된다. 펌핑을 중단할 필요가 있는 경우에는 공기덕트(28, 29)에서의 유체(12)의 위치를 이하에 기재된 여러가지 방법에 의해 감지할 수 있다. 펌핑은 공기덕트(30, 31, 32, 33)를 개방함으로써 외부공기밸브(54)가 개방된 후에도 계속되며, 유체(12)는 제2 세대 딸채널(23, 24, 25, 26)로 하향하여 제1 웰(34, 35, 36 37)로 들어간다. 일반적으로 유체가 먼저 어느 딸채널과 그에 결합된 웰로 흘러들어 가더라도, 웰출구의 정지점에 도달하게 되면 정지되고, 유체유동은 다른 딸채널과 그에 결합된 웰로 전환될 것이다. 따라서 제1 웰(34, 35, 36, 37)은유체(12)가 이들 제1 웰중 어느 것으로부터 제2 웰중 어느 것으로 통과하기 전에 모두 채워질 것이다. 유체(12)가 이미 통과한 공통 공기덕트에 연결되어 있는 외부밸브는 시스템의 필요에 따라 개방 또는 폐쇄상태로 있을 수 있다.

유체가 정지점에서 공기장벽에 의해 정지될 때까지 특정 채널이나 웰로 진행된 후에 발생될 수도 있을 문제점은, 펌핑이 연속될 때(유체압이 계속 증가한다) 유체가 다른 유체채널이나 웰로 전환되기 보다는 공기덕트내로 유동될 수 있다는 점이다. 유체가 공기덕트로 하향하기 보다는 다른 유체채널로 하향하게 할 수 있는 방법이 있다. 이에 대해 도 2A∼2C에 도시된 유체회로와 관련하여 기술한다. 공기덕트(28, 29)는 공통 덕트(50)를 통해 기판(10)에 접속되기 때문에, 공통 덕트(50) 상의 외부 공기밸브(53)는 유체가 딸채널(21)을 충진한 후에 폐쇄될 수 있다. 또 딸채널(22) 내로의 유동이 정지되기 때문이다. 따라서 유체(12)는 딸채널(22) 내보다는 딸채널(21)로부터 공기덕트(28) 내로 유동할 수 있는 기회가 있다.

그러나 공기덕트(28, 29)가 소수성으로 매우 작게 제조된 경우 유체(12)를 공기덕트(28)쪽으로 가압하는데 필요한 압력은 유체(12)를 딸채널(22)로 가압하는데 필요한 압력보다 클 것이다. 일단 딸채널(22) 내의 유체(12)가 공기덕트(29)에 도달하면 공통 덕트(50)를 통해 공기덕트(28, 29)에 연결된 외부 공기밸브(53)를 폐쇄시킬 수 있다. 이하에 유체가 공기덕트 내로 유동하는 것을 방지하는 다른 방법에 대해 설명한다. 대부분의 경우, 배기되어야 할 공기가 통과하는 기다란 통로가 충분한 배압을 제공하여 인접한 채널에서의 유체가 개방 공기덕트위치에 미치게 된다.

상기 문제점을 해결하기 위해서는 도 4에 도시된 바와 같이, 공기덕트가 서로 전혀 연통되지 않도록 구성하는 방법이 있다. 예를 들어, 도 3A∼3C에 도시된 바와 같은 공통덕트(50)와 공기덕트(28, 29) 대신에 도 4에 도시된 개별 덕트(70, 71)를 사용할 수 있다. 단일밸브는 세트로 결합된 덕트를 조정하는데 비해, 외부밸브는 각 공기덕트를 개별적으로 조정할 필요가 있을 것이다. 이로 인해 인터페이스의 복잡성에 따라 비용이 증가되지만, 진행되는 유체를 더 조정할 수 있게 된다. 개별 덕트에 도달하는 경우 덕트용 밸브는, 유체가 그 채널내의 동일한 위치에 다다를 때까지 이웃채널에서 머무르지 않고 즉각적으로 닫혀지게 된다. 개별 덕트를 제어하면 유체를 분기채널에 균일하게 나눌 수 있고, 또 나머지 채널 중 어느 곳으로 가기 전에 4개의 채널 중 하나의 단부로 가져갈 수도 있다.

공기채널 중에서의 유체유동금지

모세관힘이 공기덕트에서 발생되는 경우, 모세관정지접합, 모세관정지밸브, 또는 이 기술분야에서 알려진 다른 방법을 사용하여 유체가 공기덕트로 들어오는 것을 방지할 수 있다. 모세관힘이 발생하지 않으면 유체가 공기덕트내로 유동하거나 적어도 너무 지나치게 공기덕트내로 유동하는 것을 방지하기 위한 다른 수단이 필요하게 된다.

유체가 접촉할 때 덕트를 폐쇄하는 팽윤재 또는 멤브레인을 사용하는 것이 한 방법이다. 팽윤재로는 예를 들어, 건조 하이드로겔 드롭(drop)을 들 수 있다. 하이드로겔은 수성 중합체 현탁액으로, 마이크로유체 회로의 공기덕트내에 피펫, 또는 다른 수단에 의해 침적하고, 건조할 수 있다. 도 5에, 마이크로유체 회로의공기덕트내에 사용된 팽윤재가 도시되어 있다. 이 예에서, 유체채널(100)과 공기덕트(101, 102)는 기판(105)에 형성된다. 제1 팽윤재(106)는 공기덕트(101)에 위치하고, 제2 팽윤재(107)는 공기더트(102)내에 위치한다. 팽윤재(106)와 팽윤재(107)는 동일하거나 다른 재료일 수도 있다. 유체(12)는 제1 팽윤재(106)에 접촉할 때까지 유체채널(100) 쪽으로 진행된다. 제1 팽윤재(106)가 유체(12)와 접촉하면 제1 팽윤재는 접촉하는 유체의 조성 및 특성에 따라 팽윤된다. 팽윤은 부분적으로 또는 전체적으로 공기덕트(101)를 폐쇄하여 유체(12)가 더이상 진행되지 않게 한다. 도 5에 팽윤재(106)가 유체(12)에 접촉된 후의 팽윤된 상태와, 팽유재(107)가 유체(12)에 접촉되기 전의 비팽윤된 상태가 도시되어 있다.

도 6은 공기벤트내로 유체가 유동하는 것을 방지하기 위한 또다른 방법이 도시되어 있다. 마이크로유체 회로는 유체체널(110), 공기덕트(111), 및 기판(113)에 형성된 공기덕트(112)로 구성되어 있다. 공기덕트(111)는 밸브(114)를 포함하며, 그 출구에 부착된 팽창성 공기블래더(115)를 갖는다. 마찬가지로 공기덕트(112)는 밸브(116), 및 그 출구에 팽창성 공기블래더(117)를 포함한다. 팽창성 공기블래더(115, 117)는 고정되어 있거나, 체적(완전 밀폐(118)에 의한 경우)이 알려져 있고, 공기가 공기덕트(111, 112)를 통해 회로 밖으로 배기될 때 공기를 수집하는데 사용된다. 최대 체적에 도달하면 진행하는 유체(12)에 의해 배기될 적당량의 공기체적이 되고, 블래더는 더이상 확장되지 않고 시스템 내의 유체 이동을 방지한다.

공기덕트 내의 유체유동을 방지하기 위한 팽윤성 밸브 및 확장성 블래더 방법은 회로내의 유체이동을 허용하도록 공기덕트밸브가 개방되지만, 공기덕트내의 유체유동을 방지하도록 밸브가 실질적으로 폐쇄될 필요가 없다는 이점이 있다.

공기덕트내의 유체유동을 방지하는 또다른 방법(미도시)은 진행되는 유체에 의해 배기되는 공기의 체적을 추정하는 단계, 풍량계를 사용하여 덕트밖으로 배기된 공기의 체적을 측정하는 단계, 및 공기의 정확한 체적이 배기될 때 당해 공기덕트를 조정하는 밸브를 폐쇄하는 단계로 되어 있다. 이것과 확장성 블래더방법은 모두 공기장벽을 이용하여 공기덕트내로 유체가 유동하게 한다.

도 7A∼7C에 있어서, 유체가 유체채널(121)을 통해 흐르기 때문에 유체(12)의 배압을 측정하는 외부센서(120)를 갖는 것이 유용할 수도 있다. 발생된 유체 배압에 의해 유체의 진행을 모니터할 수 있고, 적절한 수준에 머무르거나, 하류 채널의 직경과 수에 따라 약간 또는 급격히 상승한다. 유체가 마이크로유체 회로 내의 공기덕트, 체널접합, 웰 및 다른 구조에 부닥치면, 측정된 배압에서 변화가 탐지될 것이다.

상류 공기덕트(122) 상의 밸브(125)가 개방되면 하류 공기덕트(123, 124) 상의 밸브(126, 127)는 폐쇄되고, 진행되는 유체에 의해 배기된 공기는 도 7A에 도시된 바와 같이 상류 공기덕트(122)를 통해 배출될 것이다. 유체가 상류 공기덕트(122)로 진행할 때 유체압력 Pf는 도 7D에 도시된 바와 같이 점차 증가할 것이다. 도 7B에 도시된 바와 같이, 유체(12)가 공기덕트(122)에 도달하면 가능한 유일한 통로는 공기덕트(122) 자체를 통과하는 것이다. 이것은 원심밸브(126, 127)에 의해 야기되는 공기압장벽(128)이 폐쇄되기 때문이다. 그러나 공기덕트(122)는유체채널(121)보다 실질적으로 작으면, 양 모세관힘이 존재하지 않는 한 정규 유체채널(121)을 통과하는 유체(12)를 펌프하는 것 보다 공기덕트(122)내로 유체를 가압하는 것이 더 필요할 것이다. 배압(도 7E에 도시)의 증가는 센서(120)에 의해 탐지될 수 있는데, 센서는 도 7C에 도시된 상태를 얻기 위해서 액츄에이터가 공기덕트(122)를 폐쇄하기 위한 신호를 발생한다. 압력이 유체에 인가되면 밸브(125, 126, 127)는 도 7C에 도시된 바와 같이 폐쇄되고, 측정된 배압은 도 7F에 도시된 바와 같이 급격하게 연속해서 증가한다.

방정식 (3)은 압력강하와 채널반경(단면 원형 채널) 사이의 관계를 나타낸다.

(3)

식중, △P는 주어진 거리 L에 대한 압력강하

Q는 유체의 유속

μ는 유체의 점도

r은 유동채널의 반경

방정식 (3)으로부터 알 수 있는 바와 같이, 특정 거리에 대한 압력은 채널반경의 4제곱에 반비례한다. 유체채널의 반경이 공기덕트 반경의 두배인 경우 주어진 거리에 대한 압력강하는 유체채널에서 유동했을 때 보다 공기덕트내의 유동 유체에 대해 16배이다. 공기덕트가 10배 작으면 압력강하는 10,000배 크다. 따라서 도 7A∼7F에 있어서, 유체배압을 모니터링하는 것이 유체채널(121) 내의 유체(12)의 위치를 감지하고, 또한 공기덕트밸브(예를 들어, 밸브(125))를 폐쇄하는 시기를 탐지하는데 유용한 방법이다. 또한 압력센서 대신에 유량계를 사용함으로써 배압보다는 유체유동을 모니터링할 수도 있다. 유량계는 압력증가가 아닌 유동감소로 유체가 정지점에 도달한 것을 나타낼 것이다.

도 8A∼8C에 있어서, 하류 공기덕트(123)로부터 상류 공기덕트(122)를 통과하는 공기의 공기압을 감지하도록 도 7A∼7F에 도시된 유체회로에 압력세서(130)를 구비한다. 여기에서 공기유동은 도 8A의 화살표로 나타낸다. 공기유동은 도 8D에 도시된 바와 같이, 센서(130)가 최소 압력을 검지할 수 있을 정도로 작을 수도 있다. 유체(12)가 도 8B에 도시된 바와 같이 상류 공기덕트(122)에 도달하면 공기유동의 배출루트는 차단되고, 도 8E에 도시된 바와 같이 공기압은 급격히 증가할 것이다. 이러한 증가는 탐지될 수 있고, 도 8C에 도시된 상태가 되도록 상류 공기덕트밸브(125)를 차단하기 위한 신호로서 사용될 수 있다. 또 압력증가는 마이크로유체 회로 내의 유체(12)의 위치를 가리키는 것으로 사용될 수 있다. 공기유동은 압축공기 또는 가스공급원, 또는 펌프에 의해 발생될 수 있다.

상기한 바와 같이, 압력신호는 공기가 상류 공기덕트(122)를 통해 배출되도록 하류 공기덕트(123)를 서서히 통과하는 유동공기에 의해 발생될 수 있다. 압력신호는 공기송출시스템에서 검지되고, 상류 공기덕트(122)가 진행하는 유체(12)에 의해 덮혀질 때 증가하는 것으로 나타난다.

이와 같은 시스템은 진행 유체(12)에 의해 압축된 공기량과 비슷한 공기량을 유체채널(121)로 송출함으로써 공기압 장벽(128)의 크기를 증가시킬 수 있다. 이방식에 있어서, 보다 큰 공기장벽(128)은 진행하는 유체가 채널(12)을 더 하향시켜 공기를 압축시킬 필요없이 발생될 수도 있다. 방정식 (1) 및 (2)에서, "Po"가 효과적으로 증가되어 △P는 보다 작은 △V로 보다 크게 될 것이다.

진행 유체(12)가 가압하는 공기배압이 최소가 되도록 하류 공기덕트(123)로부터 상류 공기덕트(122)로의 공기유동을 낮게 유지한다. 상류 공기덕트(122)가 진행 유체(12)에 의해 덮여질 때 압력만 상당히 증가하게 된다. 상류 공기덕트밸브(125)는 공기압의 증가가 공기를 공기덕트(14) 내로 너무 빠르게 강제하지 않도록 가능한 한 빨리 폐쇄되어야 한다(동일 세트 내의 다른 공기덕트를 갖는 구성에 좌우됨). 이 경우 공기압장벽(16)은 조정될 수 있는 정공기펌핑압의 값을 증가시킬 것이다. 그래서 공기압장벽(128)은 시스템 내의 가스를 압축하는데 필요한 유체(12)의 이동과 무관하게 조절될 수 있다.

시스템 내의 모든 공기덕트는 도 3A∼3C에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 배면 상의 채널을 통해 연결되거나 또는 다른 수단에 의해 연결되고, 일단 공기덕트(예를 들어, 공기덕트(28, 29))가 덮여지면 공기압장벽은 정공기펌핑압력을 증가시키지 않을 것이다. 사실 상류 덕트를 탈출하는 공기의 유속은 감소되지만 정지되지는 않는다. 인접하는 모든 공기덕트(예를 들어, 28, 29)가 덮여질 때에만 정지될 것이다. 그러나 공기가 배출되는 지역이 배압이 발생하기에 실질적으로 충분할 정도로 감소하면, 유동감소에 의한 시스템 내의 주위압력이 증가할 것이다. 이로 인해 유체의 위치 및 진행에 대한 정보를 감지하고 제공하는 시스템내의 압력이 증가하게 되지만, 이미 공기덕트에 유체에 대한 공기장벽이 어느 정도 있을 수 있기 때문에, 공기덕트가 서로 연결되었을 때의 잠재적인 문제인 시스템 다운이 되지 않는다. 공기장벽은 증가된 압력으로서 어느 정도 작용을 하여 인접채널로 유체를 밀어넣어 그 공기덕트에 포집하게 된다.

도 8A∼8F에, 공기유량계(130)를 사용하는 유사 시스템이 도시되어 있다. 유량계는 원심채널에 유입되거나 인접한 채널에서 배출되는 공기의 유속을 모니터하는데 사용된다. 일단 유체(12)가 상류 공기덕트(122)의 개구부를 덮으면 공기유동은 급격하게 하향할 것이다. 이것은 위치센서와 함께 신호로 사용되어 밸브(125, 126 등)를 폐쇄한다.

마이크로유체 시스템의 영구(즉 비처분) 위치에 있는 여러 가지 형태의 센서는 회로내의 유체의 위치를 탐지하는데 사용될 수도 있다. 도 9에 사용가능한 센서가 도시되어 있다. 참조번호 151로 표시되는 유체채널에 포함된 마이크로유체 회로는 기판(150)에 형성된다. 기판(150)은 간단하고 저렴하게 제조될 수 있고, 따라서 마이크로유체 소자의 처분가능한 일시적인 부위이다. 상판(152)은 마이크로유체 회로의 상면을 둘러싸 형성한다. 적어도 하나의 광학광원(153)과 적어도 하나의 광학검출기(154)는 도 9에 도시된 바와 같이 상판(152)에 위치될 수 있고, 광원(들)과 광학검출기(들)은 떨어진 위치에 있을 수 있으며, 광학신호는 섬유광학을 통해 상판에 또는 상판으로부터 전송된다. 유체채널(151) 내의 유체 사이의 공간은 어떤 파장의 빛도 사용할 수 있도록 대부분 투명하게 할 필요가 있을 것이다. 유체의 광학검출을 위한 여러가지 메카니즘을 구상할 수도 있다. 예를 들어 감지된 빛을 유체가 존재할 때 강하시킬 수 있도록 하는 시스템을 구성할 수도 있다. 이러한 경우는 유체부재시의 굴절부정합 계수로 인해 대부분의 빛이 상판의 바닥면에 반사되고 검출기(154)로 되돌아 갈 때일 것이다. 반대로, 유체가 존재하면 더 많은 빛이 상판의 바닥면과, 실질적으로 산재될 수 있는 유체 내로 투과되어 반사신호를 감소시키게 된다. 다른 검출방법에 있어서, 감지되는 유체는 형광성이고, 광원(153)은 제1 파장에서 여기신호를 내보내고, 존재하는 경우의 유체는 검출기(154)에 의해 감지될 수 있는 다른 파장으로 형광신호를 발생할 것이다. 더구나 별개의 광원(153) 대신에 순방향신호와 반사신호를 포함하는 단일 섬유를 사용할 수 있는데, 두 신호는 분열되고 시스템 내의 편리한 장소에서 감지된다.

유체의 존재를 검출하는데 사용되는 다른 형태의 센서로는 자기센서, 용량센서, NMR센서, 화학센서 및 음향센서가 있다. 광학검출시스템인 경우와 마찬가지로, 감지시스템은 마이크로유체 조립체의 내구 부위(152)에 영구 고정되어 마이크로유체 기판이 가능한 한 간단하고 저렴하도록 하는 것이 바람직할 것이다. 감지전자학은 유체회로의 특정 지역에 유체의 존재 또는 부존재를 나타내면서 임계신호를 검출하기 시작할 것이다. 이후 이 신호는 공기덕트밸브(18)를 폐쇄하고 펌프를 끄는데 사용된다.

유동 정지 또는 전환

상기한 바와 같이, 유체는 압력구동 펌핑메카니즘, 예를 들어 주사기펌프 또는 마이크로펌프를 사용하여 마이크로유체 회로를 통해 가압되는 것이 바람직하다. 이로 인해 모세관 또는 중력구동 시스템에서 거의 불가능하거나 매우 한정적으로만 가능하였던 펌핑압력 및 펌핑률을 조절할 수 있다는 이점이 있다.

펌프조절의 또다른 이점은 유체유동을 전환 또는 정지하는데 공기압장벽을 사용한다는 점이다. 유동을 정지시키는 경우 펌프는 방정식 (1) 및 (2)로 표시되는 시스템공기체적을 상당히 압축하지 않고도 공기압장벽에 의해 극복될 수 있는 것 보다 큰 펌핑압력을 가질 수도 있다. 이렇게 잠재적으로 매우 높은 압력은 시스템 전체의 물리적 보전에 부정적인 영향을 미칠 수도 있다. 그러나 유체유동을 정지시키기 위해서 이러한 압력에 도달할 필요는 없다. 예를 들어 전술한 감지방법에 의해 유체가 소정의 정지점에 도달했을 때를 측정한 다음, 유체가 회로 내에서 더 진행되는 것이 바람직할 때까지 펌프를 오프할 수 있다.

유체유동을 전환하기 위한 주요 요건은 공기압장벽이 유체의 전진모멘트를 정지하여 유동 장벽이 거의 또는 전혀 없는 통로를 따라 스스로 방향을 잡을 수 있도록 충분한 장벽을 제공하는 것이다. 압축된 가스는 더 압축될 때 공기압장벽이 증가하기 때문에, 이 예에서의 목적은 압축에 따른 유체이동 범위내에서 유동이 방향을 잡을 수 있을 정도로 실질적으로 충분한 장벽을 제공하는 것이다.

마이크로유체공학에 있어서, 유동영역이 매우 얇은 경우가 있다. 사실 마이크로유체에서의 유동을 특정짖는 레이놀즈수는 0.1∼0.001, 또는 그 이하이다. 레이놀즈수가 1 미만이면 통상적으로 상당히 얇다. 레이놀즈수는 점도력에 대한 관성력의 비로, 방정식 (4)로 나타낸다.

(4)

식중, V는 이동유체의 속도

d는 유동채널의 직경

υ는 유체의 동점도

레이놀즈수가 1보다 훨씬 미만이면 이동유체(11)는 사실상 모멘텀이 전혀 없다. 이론에 구속되지 않고, 0.1psi 이하의 압력장벽은 직경이 100㎛ 보다 큰 유동채널(12)에서 유속 5㎕/min 이하로 주채널(12)로부터 측채널(12)로 유체(11)의 유동이 방향을 잡는데 효과적이다. 방정식 (1) 및 (2)로부터 0.1psi의 압력은 약 0.7%의 가스체적압축과 같다. 장벽(16) 지점에서의 유동채널(12)의 직경이 300㎛이면 유체회로 내의 전체 하류 공기체적은 15㎕이고, 공기체적을 0.7% 압축하면 유체(11)의 유동이 유체채널(12) 쪽으로 약 1.5mm 하향 이동하게 되어 가장 적용하기 좋게된다.

기판에의 접속

공기압장벽의 목적은 모세관력만으로 충분한 유체조정을 기대할 수 없는 경우에, 마이크로유체 회로 내에서의 유체유동을 제어하기 위한 것이다. 상기한 바와 같이, 집적기계식 밸브는 사용할 수 있으나, 이것은 마이크로유체 시스템의 단가를 실질적으로 증가시킬 수도 있다. 마찬가지로 전기장 또는 자기장계 시스템은 어떤 단점을 가지고 있다.

외부밸브 및 펌프를 사용함으로써 발생되는 공기압장벽은 마이크로유체 소자 자체를 가능한 한 단순하고 저렴하게 유지하면서 마이크로유체 기판에서 유체의 유동을 조정할 수 있게 한다. 그러나 외부유체소자와 공기소자의 접속이 과도하게 복잡하지 않도록 시스템 구조에 주의를 해야 한다.

도 10은 본 발명에 따른 마이크로유체 소자의 구성을 나타낸 것이다. 마이크로유체 회로는 기판(160)에 형성된다. 입구채널(160)은 기판(161)의 측부에 천공될 수도 있고, 제2 입구채널(162)은 입구채널(160)과 면채널(163)이 연결되도록 천공채널을 가로지름으로써 형성된다. 면채널(163, 164, 165)은 예를 들어 레이저박리에 의해 기판(160)의 상면에 형성할 수도 있다. 기판과 소정의 유동시스템의 허용한계에 따라 여러 가지 방법을 사용하여 면채널을 형성할 수 있다. 레이저박리 이외의 다른 방법으로는 디프반응성 이온에칭(deep reactive ion etching), 습식화학에칭, 이온빔에칭, 열간엠보싱, 기계가공, 및 사출성형을 들 수 있다. 입구채널(161)과 제2 입구채널(162)은 이들 방법을 사용하여 형성할 수 있다. 도 10은 두개의 벽(166, 167)을 나타낸 것으로, 여기에서 마이크로유체 회로를 통해 이동하는 유체가 잔존하고 여러 화학반응 또는 과정을 겪게 된다. 면채널(169)의 단부는 크로스채널(170) 및 측채널(171)에 의해 형성된 공기덕트(169)에 연결된다. 기판(160)에 형성된 마이크로유체 회로는 상판(168)에 의해 덮여져 폐쇄된다.

공기덕트(169)는 유체채널(161, 162, 163, 165, 167)과 동일한 기술을 이용하여 혈성할 수 있고, 일반적으로 동일한 치수(대략 1∼1000㎛)를 갖는다. 실시예에서 공기덕트(169)는 기판(10) 상면의 다른 위치에 있을 수도 있다. 도 11에 도시된 바와 같이, 다른 실시예에 있어서, 유체공학 또는 공기처리가 복잡하기 때문에, 공기덕트(175, 176)는 기판(160)을 통해 기판(160)의 바닥면(177)으로 통과하는 것이 바람직하다. 기판 측면의 출구(180)의 공기덕트에는 부수적으로 연결하는 공기덕트(178, 179)를 연결할 필요가 있다. 공기덕트를 기판(160)의 반대측에 위치시킴으로써 많은 유체채널과 공기덕트를 기판(160)에 형성할 수 있다. 채널과 공기덕트를 기판(160)의 어느 한쪽에 형성하는 경우 바닥판(182)은 바닥면(177)에서 덕트나 채널을 폐쇄하는데 사용되어야 하고, 기판(160)의 반대측에 상판(168)을 폐쇄하는데 사용된다.

도 10 및 도 11에 있어서, 표면구조(채널 또는 웰: 163, 167)는 여러 가지 방법에 의해 영구적으로 또는 일시적으로 "봉인"할 수도 있다. 표면구조를 덮기위해서는 상판(168)을 초음파 용접 또는 접합하거나, 기판(160) 상부에 유연성 필름을 두고, 이것을 압축하여 기판(160)에 봉지되어 표면구조를 폐쇄할 수도 있다. 어떤 방법을 사용하더라도 표면구조는 그곳을 통과하는 유체나 공기에 대한 특허가 남아 있다는 점이다.

도 11에 도시된 바와 같이, 공기덕트가 기판(160)의 배면에 머무르게 되면 덕트는 기판(160)의 상면에서 채널과 웰에 대해 기술한 동일한 방식으로 "봉지"할 수 있다. 상판(168) 또는 바닥판(182) 대신에 적절한 형태의 표면을 기판(160) 내의 시일면구조에 사용할 수 있다. 예를 들어, 기판(160)이 실장된 구조인 마이크로유체 소자의 또다른 구성의 표면, 또는 여러 가지 다른 구조를 마이크로유체 표면구조를 폐쇄하고 덮는데 사용될 수 있다.

유체나 공기 접속은, 측 홀부(161, 171, 또는 180) 내의 배관의 간단한 마찰핏(friction fit)으로도 충분하다. 배관은 정위치에 접합될 수도 있고, 배관이 쉽게 접속되는 일련의 니플이 측부에 형성되도록 기판(160)을 몰딩할 수도 있다. 만약 기판이 두꺼우면 표준배관(예를 들어, 1/16inch Teflon?배관)을 사용할 수 있다. 기판이 얇으면 배관을 좁히거나 직경이 보다 작은 배관(예를 들어, 0.030inch PEEK)이 필요하다. 바람직한 실시예에 있어서, Teflon 기판의 측부내로의 0.030inch PEEK 배관의 마찰핏은 25psi 이하의 기판에 기밀하게 접속하게 한다.

유체조정의 목적은 유체(12)가 유체채널을 적절하게 이동할 수 있게 하기 위한 것이지만, 궁극적으로는 새로운 화학종(species)의 발생, 침전, 증폭 또는 다른 목적을 위해서 유체(12)는 화학반응 등의 공정이 필요할 것이다. 이러한 반응은 도 10에 도시된 웰(166, 167), 또는 도 2A∼2C에 도시된 웰(34∼37) 또는 웰(42∼45) 등의 반응웰에서 종종 발생한다. 도 2A∼2C에 도시된 바와 같이 시스템이 매우 복잡한 경우 시료가 가공회로에서 더 내려가기 전에 다중웰(34∼37)에서 동시에 반응이 일어나는 것이 바람직하다. 도 2A∼2C는 4개의 딸채널(23∼26)으로 분지되는 단일 입구채널(20)을 나타낸 것으로, 4개의 딸채널(23∼26)은 각 채널을 따라 2곳에 반응웰(34∼37) 및 (42∼45)을 갖는다. 각 웰의 출구의 공기덕트(30∼33) 및 (38∼41)는 공기압장벽이 유체유동을 정지시켜 각 웰내에 유체(12)를 보류하게 한다. 유체는 상기한 바와 같이 주채널을 따라 진행될 수 있고, 균일하게 분지된다. 그러나 펌프는 펌핑을 실제로 정지할 필요는 없다. 이것으로 저속 정상 펌핑률을 유지할 수 있고, 유체(12)는 자동적으로 채널(23∼26)에서 분기될 것이다. 그러나 유체(12)를 모두 정지시킬 필요가 있는 경우, 그 메카니즘은 약간 다르게 된다.

웰(34∼37)내에 유체(12)를 정지하기 위해서, 예를 들어 웰(34∼37)에서 덕트(30∼32)를 통과하는 공기의 유동을 조정하는 밸브(54)는 모든 웰이 일단 충전될때 폐쇄할 필요가 있다. 모든 하류 밸브는 완전히 폐쇄된다. 이후 공기압장벽은 선행 펌핑운동과 반대로 충분히 커야만 하고, 또는 알려진 체적이 전달되거나 혹은 펌프를 오프하는 신호가 발생되기 때문에 펌핑을 전환하여야 한다. 상기의 방법에 의해 시스템감지에 따른 신호가 발생되고 유체(12)는 도 2B에 도시된 바와 같이 모든 웰(34∼37)에 충진된다. 본 명세서에 사용된 용어 "웰"은 어떠한 반응지역을 의미하고, 채널의 확장을 요하지 않는다.

일단 소정의 반응이 완성되면 하류 공기덕트(38∼41)는 개방되고, 압력장벽(16)은 제거되며, 펌핑은 재개되어 유체의 유동은 웰(42∼45) 내로 들어간다.

본 발명은 회로를 통과하는 유체유동이 회로내의 공기배출을 조정하는 외부 밸브에 의해 조정되는 마이크로유체 회로에 관한 것이다. 또한 본 발명은 마이크로유체 회로 및 공기압장벽을 이용하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 조정하는 방법에 관한 것이다.

Claims

유체유동용의 적어도 하나 이상의 채널과, 접속점에서 상기 적어도 하나 이상의 채널과 연결되는 적어도 하나 이상의 공기덕트를 갖는 기판;

상기 적어도 하나 이상의 채널에서의 유체 유동이 조정가능한 공기압 장벽에 의해 적어도 일시적으로 정지될 수 있는 상기 접속점에 인접하는 적어도 하나 이상의 정지점을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
제1항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 공기덕트는 상기 공기압장벽을 조정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
제2항에 있어서, 상기 공기덕트는 상기 회로 내의 각 정지점과 연통되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
제2항에 있어서, 적어도 하나 이상의 공기덕트에는 상기 공기덕트 내의 유체유동을 감소 또는 차단하기 위해서 유체와 접촉할 때 팽윤되는 팽윤성 재료가 부가된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
제4항에 있어서, 상기 팽윤성 재료는 하이드겔재를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
제2항에 있어서, 적어도 하나 이상의 공기덕트에는 상기 공기덕트 내로 유체가 유입되는 것을 방지하기 위한 모세관장벽이 부가된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
제2항에 있어서, 상기 공기압장벽은 상기 적어도 하나 이상의 채널 내의 유체유동이 상기 유체 하류의 상기 적어도 하나 이상의 채널 내에서 폐쇄된 공기컬럼에 의해 반내로 될 때 형성되고, 상기 공기압장벽은 상기 폐쇄된 공기컬럼 내의 공기가 배출될 때 제거되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
제7항에 있어서, 상기 공기는 상기 공기덕트의 적어도 하나 이상을 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
제8항에 있어서, 상기 공기덕트는 상기 공기가 폐쇄성 외부 밸브를 통해 배출되도록 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
제9항에 있어서, 상기 폐쇄성 외부 밸브는 유체가 공기덕트와 상기 채널 사이의 접속점 근처의 정지점에 도달할 때 폐쇄되어 상기 유체가 상기 공기덕트 내로 유입되는 것을 방지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
제9항에 있어서, 상기 폐쇄성 외부 밸브는 유체가 선택된 정지점에 도달할 때 폐쇄되어 유체가 상기 채널내로 진행하는 것을 방지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
제2항에 있어서, 상기 공기덕트는 공기가 고정 체적팽창 블래더 내로 배출되도록 구성되며, 상기 블래더는 연합 정지점을 넘어 유체가 진행되는 것을 방지하고, 공기덕트 내로 유체가 진입하는 것을 방지하도록 구성된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
제9항에 있어서, 회로 내의 유체의 위치를 측정하고, 공기가 배출되지 않고 유체유동이 정지점에서 정지하도록 외부 밸브를 폐쇄하는 신호를 발생하는 센서가 부가된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
제13항에 있어서, 상기 센서는 광학 감지소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
제13항에 있어서, 상기 센서는 유체의 배압을 측정하기 위한 압력센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
제13항에 있어서, 상기 센서는 유동센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
제16항에 있어서, 상기 유동센서는 공기덕트중 어느 하나에 위치하고, 공기유동을 감지하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
제12항에 있어서, 상기 센서는 공기덕트중 어느 하나에 위치하는 압력센서를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
(a) 유체가 회로 내로 도입되는 입구, 상기 입구와 유체상으로 연통되는 유체유동용의 적어도 하나 이상의 마이크로채널, 상류 정지점 근처에 상기 적어도 하나 이상의 마이크로채널과 연통되는 적어도 하나 이상의 상류 공기덕트, 하류 정지점 근처에 상기 적어도 하나 이상의 마이크로채널과 연통되는 적어도 하나 이상의 하류 공기덕트를 포함하는 마이크로유체 회로를 구비하는 단계;

(b) 유체를 도입하는 단계;

(c) 공기덕트의 개폐를 조정함으로써 적어도 하나 이상의 정지점 근처에 공기압장벽을 해제 및 발생시켜 상기 적어도 하나 이상의 마이크로채널 내의 유체유동을 조정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 제어하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 유체는 압력하에 상기 마이크로유체 회로 내에 도입되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 제어하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 공기덕트는 외부 밸브에 의해 개폐되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 제어하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 방법에는

(a) 적어도 하나 이상의 상류 공기덕트와 하류 공기덕트를 개방하는 단계; 및

(b) 개방된 하류 공기덕트에 가스를 주입하고, 주입된 가스가 개방된 상류 공기덕트를 통해 배출되도록 함으로써, 상기 적어도 하나 이상의 마이크로채널 내에서 진행되는 유체가 상류 공기덕트를 덮어 주입된 가스가 상기 공기장벽을 강화하는 단계가 부가된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 제어하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 방법에는

(a) 마이크로유체 회로 내의 유체 위치를 탐지하는 단계; 및

(b) 상기 유체의 위치에 따라 공기덕트를 개폐하여 공기장벽을 발생 및 해제함으로써 회로 내의 소정의 정지점에서 유체유동을 정지 및 개시하는 단계가 부가된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 제어하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 마이크로유체 회로에는 회로 내의 유체의 위치를 탐지하는 하류 공기덕트에 위치한 압력센서를 포함하며, 상기 방법에는

(a) 압력센서로 개방된 하류 공기덕트 내에 주입되는 공기의 배압을 검지하는 단계; 및

(b) 여러 정지점에서 공기의 배압과 유체의 위치를 관련시키는 단계가 부가된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 제어하는 방법.
제24항에 있어서, 상기 방법에는

(c) 회로 내의 유체의 위치에 따라 공기덕트를 개폐하여 공기장벽을 발생 및 해제함으로써 회로 내의 소정의 정지점에서 유체유동을 정지 및 개시하는 단계가 부가된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 제어하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 공기덕트는 진행하는 유체에 의해 배출된 공기를 함유하기 위해서 팽창되도록 구성된 고정 체적 블래더와 연통되며, 상기 블래더가 상기 고정 체적으로 팽창된 후에 상기 공기덕트에서의 공기유동이 더이상 일어나 않고, 상기 마이크로채널 내에서 발생되는 공기압장벽이 일어나지 않는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 제어하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 방법에는

(a) 유체가 적어도 하나 이상의 상류 공기덕트에 도달하여 덮을 때까지 약해진 공기장벽에 대해 적어도 하나 이상의 상류 공기덕트를 개방하여 유체가 상기 적어도 하나 이상의 마이크로채널에서 진행하도록 하며, 공기압장벽을 강화하고, 유체유동이 적어도 하나 이상의 상류 정지점을 넘지 않도록 방지하는 단계; 및

(b) 적어도 하나 이상의 하류 공기덕트를 개방하여 유체가 상기 하류 공기덕트와 연통하는 정지점에서 상기 적어도 하나 이상의 마이크로채널 내로 유동하게 하는 단계가 부가된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 제어하는 방법.
제19항에 있어서, 상기 마이크로유체 회로에는 회로 내의 유체의 위치를 탐지하는 적어도 하나 이상의 센서가 부가되며, 상기 방법에는

(a) 센서로 회로 내의 유체의 위치를 탐지하는 단계; 및

(b) 회로 내의 유체 유동을 조정하기 위해서 유체의 위치에 따라 공기덕트를 선택적으로 개폐하는 단계가 부가된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 제어하는 방법.
제28항에 있어서, 상기 마이크로채널 내의 유체유동은 공기덕트를 폐쇄함으로써 정지시키는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 제어하는 방법.
제28항에 있어서, 상기 마이크로채널 내의 유체유동은 공기덕트를 개방함으로써 개시시키는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 제어하는 방법.
제28항에 있어서, 상기 유체회로는 상기 적어도 하나 이상의 공기덕트 상류의 상기 적어도 하나 이상의 마이크로채널에 접속되는 분지 마이크로채널을 포함하며, 상기 적어도 하나 이상의 공기덕트를 폐쇄하여 상기 적어도 하나 이상의 마이크로채널에서 공기압장벽이 발생하도록 함으로써, 유체유동이 상기 적어도 하나 이상의 마이크로채널로부터 상기 분지 마이크로채널 내로 전환되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 제어하는 방법.
제28항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 센서는 유체의 존재를 탐지하는 광학센서인 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 제어하는 방법.
제28항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 센서는 유체의 배압을 탐지하기 위해 유체입구에 위치하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 제어하는 방법.
제33항에 있어서, 상기 방법에는

(a) 마이크로유체 회로 내로 유입된 유체의 배압을 모니터링하는 단계;

(b) 모니터된 배압에 따라 유체의 위치를 측정하는 단계; 및

(c) 회로 내의 유체의 위치에 따라 공기덕트를 개폐하여 공기압장벽을 발생 및 해제함으로써 회로 내의 유체유동을 제어하는 단계가 부가된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 제어하는 방법.
유체 하류의 마이크로채널과 연통하는 공기덕트를 개폐하여 마이크로채널 내의 공기장벽을 발생 및 해제함으로써 마이크로채널 내의 유체유동을 조정하는 방법.
(a) 다수의 접속된 마이크로채널;

(b) 회로 내에 도입된 유체가 통과하는 입구; 및

(c) 상기 마이크로채널과 연통하는 다수의 공기덕트를 포함하며,

상기 공기덕트는 상기 마이크로채널 안밖으로의 가스유동을 조정하도록 선택적으로 개폐하여 상기 마이크로채널 내의 공기장벽을 발생 및 해제함으로써 회로 내의 유체유동을 조정하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
제36항에 있어서, 상기 각 공기덕트는 상기 공기덕트와 가스상으로 연통되는 외부 밸브에 의해 선택적으로 개폐되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로.
적어도 하나 이상의 분지된 마이크로채널을 포함하며, 공기압장벽은 상기 마이크로채널의 적어도 하나 이상의 분지 내에 존재하고, 상기 공기장벽은 유체가 상기 유체회로를 통해 진행하게 하여 상기 공기압장벽이 존재하는 상기 분지 내보다 상기 마이크로채널의 인접한 분지에서 유동하게 하는 것을 특징으로 하는 유체회로.
(a) 입구, 상기 입구와 유체 연통하는 적어도 하나 이상의 마이크로채널, 및 상기 마이크로채널과 연통하는 적어도 하나 이상의 공기덕트를 포함하는 마이크로유체 회로 내에 형성된 기판;

(b) 상기 마이크로유체 회로 내에 유체를 도입하기 위해서 상기 입구에 접속된 유체공급원; 및

(c) 상기 적어도 하나 이상의 공기덕트를 통해 가스유동을 조정하기 위해서 상기 적어도 하나 이상의 공기덕트에 접속된 외부 밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체조정시스템.
제39항에 있어서, 상기 유체공급원은 압력하에 상기 마이크로유체 회로 내로 유체를 도입하는 것을 특징으로 하는 유체조정시스템.
제39항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 마이크로채널은 제1 딸채널 및 제2 딸채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체조정시스템.
제41항에 있어서, 상기 마이크로유체 회로는 상기 제1 딸채널과 연통하는 제1 공기덕트, 및 상기 제2 딸채널과 연통하는 제2 공기덕트를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체조정시스템.
제42항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 제1 및 제2 딸채널의 하류에 접속되는 웰을 포함하는 것을 특징으로 하는 유체조정시스템.
(a) 입구, 적어도 하나 이상의 마이크로채널, 및 상기 적어도 하나 이상의 마이크로채널과 연통하는 적어도 하나 이상의 공기덕트를 포함하는 마이크로유체 회로를 구비하는 단계;

(b) 상기 입구를 통해 상기 마이크로유체 회로 내에 유체를 도입하는 단계;

(c) 유체가 상기 공기덕트의 상류의 상기 공기 마이크로채널로 진행하도록 하며, 공기가 상기 공기덕트를 통해 상기 마이크로채널 밖으로 유동되게 하는 단계; 및

(d) 공기가 상기 공기덕트를 통해 상기 마이크로채널 밖으로 유동되는 것을 방지함으로써 상기 마이크로채널 내의 유체의 진행에 대항하여 상기 마이크로채널 내의 공기압장벽이 발생되는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 조정하는 방법.
제44항에 있어서, 상기 공기덕트를 통해 상기 마이크로채널 밖으로 유동하는공기는 상기 공기덕트를 통과하는 공기의 유동을 차단함으로써 방지되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 조정하는 방법.
제44항에 있어서, 상기 공기덕트를 통해 상기 마이크로채널 밖으로 유동하는 공기는 상기 공기덕트 내로 압축된 공기를 도입함으로써 방지되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 조정하는 방법.
제44항에 있어서, 상기 마이크로유체 회로는 상기 공기덕트의 상류의 상기 적어도 하나 이상의 마이크로채널로부터 분지되는 제2 마이크로채널을 포함하며, 상기 공기압장벽은 상기 적어도 하나 이상의 마이크로채널로부터 상기 제2 마이크로채널로 분지되는 유체유동을 야기하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 조정하는 방법.
제44항에 있어서, 상기 방법에는

(a) 공기가 적어도 하나 이상의 공기덕트를 통해 상기 마이크로채널 밖으로 유동되는 것을 허용함으로써, 상기 마이크로채널에서 상기 공기압장벽을 해제하여 유체가 상기 마이크로채널에서 진행하도록 하는 단계가 부가된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 조정하는 방법.
제48항에 있어서, 상기 마이크로채널 밖으로 공기유동을 허용하는 단계는 상기 공기압장벽을 발생하는데 사용되는 공기덕트 하류의 공기덕트를 개방함으로써 실행되는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 조정하는 방법.
제44항에 있어서, 상기 방법에는

(a) 상기 마이크로채널 내에서 진행하는 유체의 위치를 측정하는 단계; 및

(b) 상기 마이크로채널 내의 선택된 위치에서, 유체의 도착기능으로서 상기 공기덕트를 통해 상기 마이크로채널 밖으로 공기가 유동하는 것을 방지하는 단계를 실행하는 단계가 부가된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 조정하는 방법.
제48항에 있어서, 상기 방법에는

(a) 상기 마이크로채널 내에서 진행하는 유체의 위치를 측정하는 단계; 및

(b) 상기 마이크로채널 내의 선택된 위치에서, 유체의 도착기능으로서 상기 공기덕트를 통해 상기 마이크로채널 밖으로 공기가 유동하는 것을 허용하는 단계를 실행하는 단계가 부가된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 회로 내의 유체유동을 조정하는 방법.
(a) 기판;

(b) 상기 기판에 형성된 마이크로유체 회로;

(c) 상기 마이크로유체 회로 내의 유체의 위치를 탐지하는 센서를 포함하며,상기 마이크로유체 회로는

(1) 입구;

(2) 상기 입구와 유체 연통하는 적어도 하나 이상의 마이크로채널;

(3) 상기 마이크로채널과 연통하는 적어도 하나 이상의 공기덕트를 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 소자.
제52항에 있어서, 상기 적어도 하나 이상의 마이크로채널은 제1 딸채널과 제2 딸채널을 포함하는 분지된 마이크로채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 소자.
제53항에 있어서, 상기 제1 딸채널과 연통하는 제1 공기덕트, 및 상기 제2 딸채널과 연통하는 제2 공기덕트가 부가된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 소자.
제54항에 있어서, 상기 제1 및 제2 딸채널중 적어도 하나 이상으로부터 하류에 접속된 웰이 부가된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 소자.
제52항에 있어서, 상기 기판에 맞도록 적합하게 하여 상기 마이크로유체 회로의 적어도 하나 이상의 위치를 덮어 폐쇄하는 상판이 부가된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 소자.
제52항에 있어서, 상기 기판에 맞도록 적합하게 하여 상기 마이크로유체 회로의 적어도 하나 이상의 위치를 덮어 폐쇄하는 바닥판이 부가된 것을 특징으로 하는 마이크로유체 소자.