KR20140023889A - 마이크로 펌프 또는 상폐형 마이크로 밸브 - Google Patents

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로엘 펜터만
에머렌 요하네스 반
라인홀트 빔버게르-프리들
아메론겐 헨릭 반
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비오까르띠 에스아
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Abstract

본 발명은 바이오센서에서 사용하기 위한 마이크로 밸브, 마이크로유체 장치, 그러한 장치의 용도, 및 마이크로유체 요소에 관한 것이다. 바이오센서는 생물학적 샘플에서 단백질, 약물, DNA, RNA, 호르몬, 포도당, 인슐린, 효소, 곰팡이, 박테리아 등과 같은 분자 및/또는 이온을 검출하기 위해 사용된다. 이 센서는 진단용으로 사용될 수 있으나, 예컨대, 혈액, 소변 또는 타액에서 치료를 목적으로 또는 오용을 확인하기 위해, 예컨대, 약물을 검출하기 위해 사용될 수도 있다.

Description

마이크로 펌프 또는 상폐형 마이크로 밸브{MICRO-PUMP OR NORMALLY-OFF MICRO-VALVE}
본 발명은 바이오센서에서 사용하기 위한 마이크로 밸브 및/또는 마이크로 펌프, 마이크로유체 장치, 그러한 장치의 용도, 및 마이크로유체 요소에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 진단용 마이크로유체 카트리지에 관한 것이다. 상기 마이크로유체 카트리지는 공압 기기의 평행한 공압 계면판 내에 삽입하기 위한 마이크로유체 카트리지일 수 있으며, 본 발명은 마이크로유체 카트리지와 공압 기기의 사이에서 계면을 형성하기 위한 계면판, 상기 계면판과 상기 카트리지를 포함하는 마이크로유체 카트리지의 내부의 유체 작동을 위한 시스템 및 공압 기기에 관한 것이다.
바이오센서는 생체 시료에서 단백질, 약물, DNA, RNA, 호르몬, 포도당, 인슐린, 효소, 균류, 박테리아 등과 같은 분자 및/또는 이온을 검출하기 위해 사용된다. 이 센서는 진단용으로 사용될 수 있으나, 예컨대, 혈액, 소변 또는 타액에서 치료를 목적으로 또는 오용을 확인하기 위해, 예컨대, 약물을 검출하기 위해 사용될 수도 있다.
이 같은 시험은, 예를 들면, 의료 현장이나, 약물 오용(DOA)을 검사하기 위한 임의의 장소에서, 예컨대, 노상에서와 같이 다양한 환경에서 사용되도록 개발되었다. 어떠한 경우라도 견고하고, 신뢰성 있고, 검출력이 우수한 장치가 필요하고, 측정 후에는 폐기시켜야 하므로 가격도 저렴해야 한다.
이 같은 생화학적 분석을 수행하기 위해서는 어느 정도의 유체의 취급이 필요하고, 목표 분자들이 센서 표면에 결합될 수 있도록 하기 위해 검출 장치 내에 적어도 샘플 유체를 주입해야 한다. 용어 "유체"는 액상(fluidum)을 의미하지만, 액체, 가스 및 이들의 조합을 의미할 수도 있다. 분석의 종류에 따라, 다소 복잡한 마이크로유체 시스템이 설계된다. 시료는 그 자체가 오염되므로, 기기와 접촉하지 않아야 하고, 측정 중 및 측정 후에, 예컨대, 카트리지 내에 안전하게 보관되어야 한다.
최근 완전 일체형 마이크로유체 온칩(on chip) 생화학 시스템 또는 랩온칩(lab on a chip) 시스템이 개발되었다. 이들 마이크로유체 시스템의 문제점은 여러 반응 챔버들로 유체를 이동 조작하는 것인데, 이를 위해서는 펌프 및 밸브와 같은 마이크로 액츄에이터가 통상적으로 필요하다. 펌프 작용 및 밸브 작용은 다양한 방식으로 실행될 수 있으며, 마이크로 밸브 개념의 개관이 Oh & Ahn에 제시되어 있고, 마이크로 펌프의 개관이 Laser & Santiago에 의해 제시되어 있다(K.W. Oh & C.H. Ahn, 'review of microvalves', J. Micromech. Microeng. 16 (2006) R13-R39 and D.J. Laster & J.G. Santiago, 'review of micropumps', J. Micromech. Microeng. 14 (2004) R35-R64).
의료 진단용 또는 다른 용도의 일체형 카트리지의 경우, (생)화학적 시약의 신뢰성있는 저장이 중요하다. 예컨대, 습식 시약이 저장중일 때는 증발 및/또는 누설되지 않아야 한다. 일부 시약은 박테리아와 곰팡이를 실어나르는 주변 공기나 산소와 전혀 접촉하지 않거나 제한적으로만 접촉하여야 한다. 상폐형(normally closed) 밸브가 바람직하다. 따라서, 마이크로액추에이터, 즉 개별적으로 주소지정가능한 밸브와 펌프를 이용하는 능동 유체 취급에 기초한 마이크로유체 시스템에서의 과제는 칩 또는 카트리지와 같은 장치를 사용하기 전에 액체를 저장하는 것이다. 칩/카트리지가 주소지정되지 않았을 때, 즉, 기능하지 않을 때, 원하지 않는 유체의 흐름과 혼합을 방지하기 위해, 시약 챔버를 밀봉할 필요가 있다. 또한, 구동된 밀봉 장치가 작동할 수 없도록 카트리지가 (분석) 기기 내에 존재하지 않을 때, 긴 저장 수명을 위해, 이 밀봉이 고품질이어야 한다. 즉, 장기간 동안 높은 온도에서 휘발 성분의 침투가 작아야 하고 누설이 없어야 한다. 다른 특징은, 이 시일이 사용될 때, 카트리지와 기기 내에 존재하는 수단으로 쉽게 개방되어야 한다는 것이다. 비용과 복잡성을 낮추기 위해, 시일을 파손하기 위한 기계적인 천공이나 국소적인 가열과 같은 부가적인 요소가 필요로 하지 않는 것이 바람직하지만, 유체 작동을 위해 구비된 유체 작동 수단을 사용하는 것은 바람직하다. 공지의 밸브 또는 마이크로 펌프가 도 1에 도시되어 있다. 액추에이터를 이용하여 압력 챔버 속으로 다이어프램의 바닥을 가압함으로써, 다이어프램은 기계적으로 폐쇄된다. 마이크로 펌프에서, 액추에이터는 전후로 움직인다. 밸브와 마찬가지로, 마이크로펌프는 액추에이터에 의해 폐쇄될 때까지 상개형(normally open)이다. 이러한 밸브 또는 마이크로펌프의 문제점은, 특히 다수의 밸브가 있을 때, 액추에이터와 압력 챔버 또는 홀(참조번호 "1"로 표시됨)의 정렬이다.
다양한 문헌들이 밸브와 그 용도에 대해 기술하고 있다.
US 2010137784(A1)는 시트와 시트 위에 배치된 내측부를 가진 멤브레인을 포함하는 1방향 밸브를 개시하고 있으며, 사용시, 멤브레인의 내측부가 시트로부터 선택적으로 편향됨으로써, 멤브레인의 일측으로부터 타측까지 유체 경로가 생성되어 밸브를 개방하게 되며, 멤브레인의 외측 주연부가 내측부보다 강하여 멤브레인의 편향이 내측부로만 실질적으로 제한된다. 이 1방향 밸브는 인퓨전 시스템의 펌프에 사용될 수 있다. 이 문헌은 상폐형 밸브를 개시하고 있지 않다. 멤브레인은 천공되어 있다. 이 밸브는 밸브를 작동시키기 위한 유체 압력에 의존한다. 또한, 2개의 물질로 된 멤브레인이 사용되어 상당히 복잡하다.
US 2010171054(A1)는 적어도 제1 유체 분기관과 제어 채널 내의 제어 압력으로 제어되는 마이크로 밸브를 포함하는 일체형 마이크로 밸브 시스템을 개시하고 있다. 이 마이크로 밸브는 제1 유체 분기관에서 유체의 흐름을 제어하도록 구성되어 있다. 마이크로 밸브의 미리 결정된 턴-온 및 턴-오프 응답 특성을 제공하기 위해 제어 포트와 제어 채널 사이에 흐름 제한 장치가 배치된다. 바람직하게, 흐름 제한 장치는 병렬로 배열된 수축 채널과 팽창 채널을 포함한다. 각 채널은 체크 밸브와 흐름 제한기를 포함하고, 이 흐름 제한기는 마이크로 밸브에 대해 다른 턴-온 및 턴-오프 응답 특성을 제공하기 위해 흐름을 다르게 제한할 수 있다.
이 문헌은 상폐형 밸브를 개시하고 있지 않다. 밸브를 작동시키기 위해 팽창과 수축이 필요하다. 이 시스템은 전원이 없으면 신뢰할 수 없다. 즉, 밸브를 차단된 상태로 유지하기 위해서는 압력이 적절하게 유지되어야만 한다.
US 2007275455(A1)는 밸브가 설치된 마이크로유체 장치, 마이크로유체 세포 배양 장치 및 이 장치들을 포함한 시스템을 개시하고 있다. 밸브가 설치된 마이크로유체 장치는 기판과, 액체가 장치 내부에서 하나의 스테이션으로부터 다른 스테이션으로 이동할 수 있도록 하는 마이크로채널과, 마이크로채널을 통한 유체의 흐름을 제어하기 위해 개방 및 폐쇄 상태로 전환되도록 구성된 공압 마이크로 밸브를 포함한다. 이 마이크로 밸브는 3개의 가요성 멤브레인으로 형성되며, 그중 하나의 멤브레인은 밸브에 가해지는 공압에 대해 반응하고, 다른 2개의 멤브레인은 더 밀봉가능한 채널 단면을 생성하도록 변형된다. 세포 배양 장치는 장치의 각 우물(well)에 세포를 제어하여 로딩할 수 있도록 하고, 우물들에서 세포 배양 부품을 교환할 수 있도록 하는 밸브 작용을 제공한다.
US 2007237686(A1)은 마이크로유체 장치를 위해 제공된 멤브레인 밸브와 래칭 밸브 구조를 개시하고 있다. 래칭 밸브 구조의 주소지정을 위해 디멀티플렉서가 사용될 수 있다. 멤브레인 밸브와 래칭 밸브 구조는 프로세서를 포함한 공압 논리 회로를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
US 2010151565(A1)는 하나 이상의 핵산 서열을 포함하는 시료에서 목표 누클레오타이드 배열의 존재, 부재 및/또는 양을 검출하기 위한 카트리지를 개시하고 있다. 이 카트리지는 서로 연결될 수 있는 제1 부품과 제2 부품을 포함하며, 제1 부품은 적어도 제1 유체 개구와 제1 밀봉면을 포함하고, 제2 부품은 적어도 제2 유체 개구와 제2 밀봉면을 포함한다. 제1 부품과 제2 부품이 연결되면, 제1 및 제2 유체 개구들은 유체 소통하며, 제1 및 제2 밀봉면들은 제1 및 제2 유체 개구들 사이의 유체 소통을 밀봉하기 위해 서로에 대해 이동가능하다. 이 발명은 카트리지가 제1 밀봉면의 방향으로 제2 밀봉면을 바이어싱하기 위한 바이어싱 수단을 포함하는 것을 특징으로 하고 있다.
US 2010078584(A1)는 기판과 탄성 멤브레인을 포함하는 밸브 장치를 개시하고 있으며, 상기 멤브레인은 적어도 밸브 영역 주위에서 기판에 결합되어 있다. 기판은 밸브 영역에서 모두 종료되는 제1 채널과 제2 채널을 포함하며, 제1 채널은 밸브 영역에서 제1 채널 단부면을 가지며, 제2 채널은 밸브 영역에서 제2 채널 단부면을 갖고, 상기 제1 채널 단부면의 면적은 제2 채널 단부면의 면적보다 실질적으로 더 크다.
현재의 마이크로 밸브의 단점은 1 bar 이상의 압력을 견딜 수 없다는 것이다. 또한, 현재의 마이크로 밸브는 높은 온도에서 사용될 수 없다.
본 발명의 목적은 마이크로 밸브, 마이크로 펌프, 마이크로유체 장치, 그러한 장치의 용도, 마이크로유체 요소, 또는 그러한 마이크로 밸브를 포함한 바이오센서, 바이오리엑터 또는 마이크로 전분석 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명은 마이크로유체 장치에서 사용하기 위한 상폐형 마이크로 밸브에 관한 것으로, 상폐형 마이크로 밸브는 밸브 시트, 출구 개구, 입구, 및 하나 이상의 가요성의 사전신장된(pre-stretched) 또는 사전압축된(pre-compressed) 분리기, 바람직하게는 멤브레인 또는 다이어프램을 포함하며, 상기 하나 이상의 가요성의 사전신장된 또는 사전압축된 분리기는 밸브 시트에 대해 상기 하나 이상의 분리기를 상폐 상태로 만드는 사전신장력 또는 사전압축력을 가하도록 배열된다. 분리기로서, 천공되지 않은 멤브레인 또는 다이어프램이 사용될 수 있다. 이는 마이크로 밸브의 작동이 밸브를 작동시키기 위한 유체 압력에 의존하지 않으며, 더 신뢰성 있는 폐쇄 상태로 이어진다는 장점을 갖는다.
이러한 밸브는, 마이크로 펌프에서, 마이크로유체 장치 등에서, 마이크로유체 요소로서 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예들은, 예컨대, 빠르고, 민감하며, 저렴한 시험이 요구되는 모든 바이오센싱 분야에 적용될 수 있다. 또한, 진단 분야와 생명 과학용 카트리지에 적용될 수도 있다.
이에 따라, 본 발명은 화학 센서, 바이오센서, 바이오리엑터에서 사용하기 위한 밸브를 제공하며, 상기 밸브는 마이크로 전분석 시스템과 같은 시스템과 아울러, 분자/이온을 검출하기 위한 마이크로유체 장치에서의 용도를 포함한다. 이러한 바이오센서, 바이오리엑터 및 시스템은 일반적으로 샘플링 유닛, 하나 이상의 시약 컨테이너, 이들을 상호 접속하는 마이크로유체 채널, 및 본 발명의 실시예에 따른 적어도 하나의 밸브를 갖는다.
이러한 본 발명의 실시예들은 다른 바람직한 특징들을 훼손하지 않고 전술한 단점 및/또는 문제점 중 하나 이상을 극복할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 밸브는 카트리지에서 사용될 수 있으며, 사실상 누설되지 않으며, 이는 종래 기술의 밸브보다 상당히 개선된 것이다. 본 발명의 디자인을 실험(100개 이상의 카트리지에 대해 시험함)한 결과, 밸브 누설로 인한 고장이 없는 것으로 나타났다.
신뢰성이 향상된 것은 주로 밸브 멤브레인이 사전신장되거나 사전압축되었기 때문인 것으로, 즉 전원을 필요로 하지 않고 밸브 시트에 대해 멤브레인이 바이어스되었기 때문인 것으로 생각된다. 선택적으로, 멤브레인이 밸브 시트에 대해 더 가압될 수 있다. 밸브 시트로부터 먼 멤브레인의 측면에 대해 압력을 인가하면, 밸브의 누설 압력, 예컨대, 채널 내에 생성되는 압력을 더 높인다.
상기 카트리지는 샘플링 유닛, 시약 컨테이너와 같은 컨테이너, 필터, 펌프, 혼합 챔버, 리엑터 챔버 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 카트리지는 사용후 폐기하는 카트리지일 수 있다.
예컨대, 본 발명은 자동화된 농출 프로토콜의 일 실시예에서 사용될 수 있는 밸브를 제공할 수 있다. 상기 프로토콜은, 예컨대, 0.1 내지 10㎖ 또는 1 내지 5㎖ 전혈 샘플, 소변 샘플, 타액 샘플, 정액 샘플, 객담 샘플, 상처 삼출액 샘플, 눈물 샘플, 호기 샘플 등의 체액 샘플과 같은 유체 샘플로부터 DNA 또는 RNA과 같은 병원성 유전 정보, 또는 병원성 단백질, 병원체에 대해 발생하는 항체 또는 항체의 일부, 병원성 지질, 병원성 세포막 또는 그 일부, 바이러스 또는 그 일부 등을 선택적으로 격리, 식별 및/또는 정화하도록 구성되며, 예컨대, 밸브를 포함하는 카트리지 형태의 진단 장치에 의해 실시될 수 있다. 오염된 공기 또는 물 샘플과 같은, 공기 또는 물 샘플로부터 다른 샘플을 구할 수도 있다. 카트리지는, 예컨대, 필터를 포함할 수 있다. 예컨대, 상기 필터는, 포유류, 파충류, 조류 또는 곤충 세포의 용균과 같이, 세포를 선택적으로 용균한 후에, 온전한 병원체 또는 그 일부를 걸러낼 수 있다. 예컨대, 세척 수단이 제공될 수 있으며, 세척 후, 필터 상에서 병원체가 용해되고 DNA 또는 RNA과 같은 유전 정보가 추가적인 정화와, 예컨대, PCR에 의한 선택적 증폭을 위해 용출될 수 있도록 하는 수단이 제공될 수 있다. 여과법과 함께 혈액 샘플과 같은 다량의 유체 샘플을 이용하기 위해서는 1 bar 이상의 압력을 견딜 수 있는 본 발명의 실시예들에 제공된 바와 같은 신뢰성 있는 밸브가 필요하다. 충분한 처리량 시간을 얻기 위해서는 이와 같이 높은 압력이 필요하다.
본 발명의 실시예들에서 사전신장되거나 사전압축된 멤브레인은, 밸브가 상폐 조건에 있을 때, 밸브 시트에 밀봉식으로 접촉한다. 예컨대, 밀봉 접촉이 채널로부터 시약 챔버를 밀봉할 수 있다. 본 발명의 실시예들에 따른 밸브의 특징은 다음중 하나 이상일 수 있다.
- 사전신장되거나 사전압축된 가요성 멤브레인 또는 다이어프램과, 이에 대응하는 밸브 시트;
- 상기 밸브는 상폐형이며, 이에 따라, 상기 밸브는 시약 저장에 적합하다;
- 밸브를 개방하기 위해, 진공과 같은 힘이 멤브레인의 (유체 채널 측면과 반대인) 타측면에 인가된다(공압 액추에이션);
- 선택적으로, 상기 밸브는 펌프 및/또는 다른 마이크로유체 요소의 일부이다;
- 분리기의 사전신장 또는 사전압축이 폐쇄 상태의 분리기에 대한 압력 인가와 선택적으로 조합될 수 있으며, 이는 약 0.5 내지 2 bar의 압력을 이용하여도 누설되지 않는 매우 신뢰성 있는 밸브를 제공한다.
밸브 시트의 크기, 예컨대, 높이, 폭 또는 두께를 증대시킴으로써, 멤브레인이 더 사전신장 또는 사전압축될 수 있으며, 폐쇄 상태에서 누설에 대한 저항을 증대시킴으로써, 신뢰성을 더 향상시킬 수 있다.
누설에 대한 이러한 저항을 증대시키기 위해, 상기 가요성 멤브레인은 본 발명의 예에서 사전신장되거나 사전압축된 상태에서 양면 접착 테이프 층에 의해 밸브의 본체에 접착될 수 있다.
대안적으로, 독립적인 발명은 본체부, 멤브레인 및 밸브 시트를 포함하는 마이크로 밸브를 포함하고, 상기 본체부는 입구 채널과 출구 채널을 가지며, 상기 입구 채널과 출구 채널은 멤브레인의 평면에 대해, 45°내지 135°, 바람직하게는 75 내지 105°, 더 바람직하게는 90°와 같은, 즉 실질적으로 수직하게, 80°내지 100°의 각도로 밸브 시트 주위의 챔버로 유입된다. 밸브 본체는, 예컨대, PMMA와 같은 플라스틱 물질로 이루어진 하나 이상의 층들로 제조될 수 있으며, 입구 채널과 출구 채널의 적어도 일부분은 밸브 본체를 통한 비아로 형성된다.
또한, 본 발명은 본 발명의 실시예들 중 임의의 실시예에 따른 밸브, 본 발명의 실시예들 중 임의의 실시예에 따른 마이크로유체 요소 또는 본 발명의 실시예들 중 임의의 실시예에 따른 마이크로유체 장치를 포함하는 마이크로 전분석 시스템과 같은 시스템을 포함한다.
도면을 참조하여, 본 발명의 여타 양태들에 대해 더 상세하게 설명한다.
도 1은 종래 기술의 밸브의 도식적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로유체 장치의 예이다.
도 3은 본 발명의 실시예들 중 임의의 실시예를 따른 밸브를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로유체 장치의 예이다.
도 4는 본 발명의 실시예들 중 임의의 실시예를 따른 밸브를 포함하는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로유체 장치의 예이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 일 실시예에 따른 장치의 2개의 패턴 층들의 예이다.
도 6a 내지 도 6l은 본 발명의 일 실시예의 도시적인 단면도이다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 실시예들에 따른 카트리지와 테이블의 사진이다.
본 발명의 실시예들에 의해 제공된 바와 같은 다이어프램 밸브 또는 멤브레인 밸브는 2개 이상의 포트를 구비한 밸브 본체, 다이어프램(또는 멤브레인), 및 다이어프램이 위에 설치되어 밸브를 폐쇄하는 "새들(saddle)" 또는 시트를 포함한다. 다이어프램 밸브는 액추에이터에 의해 제어될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 의해 제공된 바와 같은 다이어프램 펌프 또는 멤브레인 펌프는 다이어프램 또는 멤브레인의 왕복 운동과 유체를 펌핑하는 역류 방지 체크 밸브와 같은 적당한 밸브의 조합을 이용하는 용적식 펌프이다.
액체는 액체, 가스, 플라즈마 및 이들의 조합과 같이 서로를 지나쳐 흐를 수 있는 분자 또는 입자를 포함한 물질의 총합으로 간주된다.
체액은 광범위하게 해석되어야 하며, 살아있거나 죽은 생물로부터 취한 액체 또는 가스를 포함한다. 이는 인간이나 포유류에 한정되지 않으며, 조류, 포유류, 파충류, 설치류, 곤충, 어류, 갑각류와 같은 척추동물과 무척추동물과 같이 병원체를 운반할 수 있는 모든 생물을 포함한다.
상세한 설명과 특허청구범위에서 사용되는 바와 같이, 단어 "분리기"는 유체 격실을 다른 격실로부터 분리하는 요소를 의미한다. 이를 달성하기 위해, 분리기는 천공되지 않음이 바람직하다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 분리기는 홀이 없는 영구적인 층이며, 유체가 유체 챔버로부터 이 층을 통과하여 다른 요소로, 즉 마이크로 밸브 외부로 이동할 수 없도록 한다.
본 발명에 따르면, "사전신장된"은, 밸브가 작동 준비중이며 휴지 상태에 있을 때, 즉, 밸브가 작동되기 전에, 분리기가 인장 상태에 있음을 의미한다. 사전신장은 분리기가 밸브에 장착될 때 분리기가 신장되도록 강제하는 밸브 시트에 의해 이루어질 수 있고, 그리고/또는 분리기는 밸브 시트 상에 배치되기 전에 인장되거나 신장될 수 있다.
본 발명에 따르면, "사전압축된"은, 밸브가 작동 준비중이며 휴지 상태에 있을 때, 즉, 밸브가 작동되기 전에, 분리기가 압축 상태에 있음을 의미한다. 사전압축은 분리기가 밸브에 장착될 때 분리기가 압축되도록 강제하는 밸브 시트에 의해 이루어질 수 있고, 그리고/또는 분리기는 밸브 시트 상에 배치되기 전에 압축된 상태로 장착될 수 있다.
따라서, 사전신장과 사전압축 모두에 있어서, 분리기는 상폐형의 수동 상태에서 탄성 에너지를 갖는다.
특정 도면을 참조하고 구체적인 실시예와 관련하여 본 발명을 설명할 것이지만, 본 발명은 그에 한정되지 않으며 특허청구범위에 의해서만 한정된다. 도면은 단지 개략적으로만 묘사되었으며 비한정적이다. 도면에서, 일부 요소의 크기가 과장되었으며, 도시를 위해 축적에 따라 도시되지 않았다. 정관사 또는 부정관사, 예컨대, "일", "하나", 또는 "그"가 단수 명사를 지칭하여 사용되는 경우, 별다른 언급이 없다면, 이는 복수의 명사를 포함한다.
특허청구범위에 사용된, 용어 "포함하는"은 그 이후에 나열된 수단들로 제한되는 것으로 해석되어서는 아니되며; 이는 다른 요소 또는 단계를 배제하지 않는다. 따라서, "수단 A 및 B를 포함하는 장치"라는 표현의 범위는 부품 A 및 B만으로 이루어진 장치로 한정되지 않아야 한다. 이는, 본 발명과 관련하여, 장치의 유일한 관련 부품들이 A 및 B라는 것을 의미한다.
더욱이, 상세한 설명과 특허청구범위에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 유사한 요소를 구분하기 위하여 사용되고 있으나, 반드시 순차적 또는 시계열적 순서를 설명하기 위한 것은 아니다. 이와 같이 사용된 용어들은 적절한 상황 하에서 호환될 수 있으며, 본 명세서에 기술된 본 발명의 실시예들은 본 명세서에 설명되고 도시된 것과 다른 순서로 작동될 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 상세한 설명과 특허청구범위에서 상부, 하부, 위, 아래 등의 용어가 설명을 위해 사용되고 있으나, 반드시 상대 위치를 설명하기 위한 것은 아니다. 이와 같이 사용된 용어들은 적절한 상황 하에서 호환될 수 있으며, 본 명세서에 기술된 본 발명의 실시예들은 본 명세서에 설명되고 도시된 것과 다른 방위로 작동될 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 외력이 가해지지 않아도 선택적으로 폐쇄된 상태로 유지되는 상폐형 밸브에 관한 것이다. 추가적인 보장을 제공하기 위해, 외력이 가해질 수도 이다.
제1 양태에 따르면, 본 발명은 마이크로유체 장치에서 사용하기 위한 상폐형 마이크로 밸브에 관한 것으로, 상폐형 마이크로 밸브는 밸브 시트, 출구 개구, 입구, 및 하나 이상의 가요성의 사전신장된 또는 사전압축된 분리기, 바람직하게는 멤브레인 또는 다이어프램을 포함하며, 상기 하나 이상의 가요성의 사전신장된 또는 사전압축된 분리기는 밸브 시트에 대해 상기 하나 이상의 분리기를 상폐 상태로 만드는 사전신장력 또는 사전압축력을 가하도록 배열된다.
무엇보다도, 밸브를 차단된 상태로 유지하기 위해 압력이 사용되지 않으면, 상폐형 밸브는 폐쇄되고 수동적이며, 즉, 구동되지 않으므로, 배터리나 다른 전원에 의존하지 않는다는 것이 장점이다. 이는 능동적인 폐쇄력이 가해져야 하는, 즉 전원을 필요로 하며 비수동적인 장치인 종래 기술의 디자인보다 우수하다. 또한, 마이크로 채널이 밸브의 본체를 통과하는 비아로서 제공될 수 있으며, 이러한 비아 구조는 통상의 MEMS 기술 또는 사출 성형과 같은 마크로 기술을 이용하여 가공하기 쉽다.
분리기로서, 천공되지 않은 멤브레인 또는 다이어프램이 사용될 수 있다. 이는 마이크로 밸브의 작동이 밸브를 작동시키기 위한 유체 압력에 의존하지 않으며, 더 신뢰성 있는 폐쇄 상태로 이어진다는 장점을 갖는다.
밸브는 카트리지, 특히 진단 카트리지와 같이 사용후 폐기하는 카트리지에 사용될 수 있다. 검출기가 사용되는 경우, 검출기는 밸브와 함께 탑재될 수 있으며, 이는 설계와 구현을 용이하게 만든다. 이는, 카트리지가 소형이며 사용후 폐기가능하면서도, 저렴하고 그리고/또는 정교한 검출 유닛을 데스크탑 사이즈로 만들 수 있음을 의미한다.
출구와 입구 개구는 응용예에 필요한 양만큼 유체의 통과를 허용하도록 구성된다.
일 예에서, 본 발명의 밸브는 공동, 채널, 본체부, 시일 링과 같은 시일, 접착제, 흐름 제한기와 같은 흐름 조절기, 컨트롤러 및 프레임 중 하나 이상을 갖는다. 기능면에서, 본 발명의 밸브는 유체를 저장하거나 유체가 통과하기 위한 공동 또는 컨테이너 등을 구비한다. 하나 이상의 공동이 존재할 수 있다. 반응 챔버 및/또는 검출 챔버로서 공동이 사용될 수도 있다. 통상적으로, 공동, 밸브, 조절기 등과 같은 본 장치의 다양한 부분들은 유체의 통과를 허용하는 하나 이상의 채널로 연결된다. 통상적으로, 채널은 마이크로 채널이며, 즉 1 내지 100m의 직경을 갖는다. 통상적으로, 밸브는 중실 본체와 같은 본체부를 가지며, 본체부는 일반적으로 플라스틱 등으로 형성되지만, 이에 한정되지는 않는다. 다양한 기능들을 수행하고 그리고/또는 유체를 저장하기 위해, 밸브의 부분들은 하나 이상의 시일 부재를 갖는다. 통상적으로, 다양한 층들이 양면 접착제와 같은 접착제에 의해 연결되거나, 층들이 자연적으로 및/또는 접착제의 추가에 의해 접착된다. 흐름을 위해, 제한기와 같은 하나 이상의 흐름 조절기가 제공될 수 있다. 또한, 다양한 필요한 기능을 수행하기 위해 컨트롤러가 제공될 수도 있다. 컨트롤러는 온-보드 마이크로컨트롤러일 수 있다. 마이크로컨트롤러는 배터리와 같은 온-보드 전원에 의해 구동되거나, 광전지 또는 태양 전지 또는 임의의 다른 에너지 획득 장치를 포함할 수도 있다.
일 예에서, 본 발명의 밸브는 본체부를 더 포함하며, 밸브 시트는 하나 이상의 가요성의 사전압축된 또는 사전신장된 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램의 폭보다 작은 폭을 갖고, 각 분리기는 밸브 시트보다 더 큰 영역을 갖는다. 이러한 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램은 밸브를 완전히 덮으며, 누설을 방지하기 위해 밸브 시트에 대해 견고하게 강제될 수 있고, 충분히 사전압축되거나 사전신장될 수 있으며, 음압(상대적으로)일 수 있는 압력과 같은 외력하에서도 여전히 작동할 수 있다.
일 예에서, 마이크로 밸브는 하나 이상의 가요성의 사전압축된 또는 사전신장된 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램의 각각의 영역에 대해 본체부를 액밀식으로 고정하기 위한 수단을 더 포함하고, 상기 영역은 밸브 시트보다 더 크다. 일 실시예에서, 바람직하게, 액밀 고정 수단은 양면 접착 테이프이다. 이러한 액밀 고정은 저장 수명을 더 길게 하고, 더 높은 압력이 사용될 수 있도록 함으로써, 예컨대, 기능성을 증대시킨다.
본 발명과 함께 또는 본 명세서에 개시된 것 이외의 다른 멤브레인 유형과 함께 사용될 수 있는 독립적인 예에서, 밸브는 입구 채널과 출구 채널을 가진 본체부, 밸브 시트, 및 멤브레인을 구비하며, 상기 입구 채널과 출구 채널은 멤브레인의 평면에 대해, 45°내지 135°, 바람직하게는 75 내지 105°, 더 바람직하게는 90°와 같은, 즉 실질적으로 수직하게, 80°내지 100°의 각도로 밸브 시트 주위의 챔버로 유입된다. 이러한 채널은 비아로서 제공될 수 있으므로, 통상의 반도체 또는 MEMS 가공으로 제공될 수 있다. 따라서, 보다 견고한 디자인이 제공되며, 손상 위험이 감소하고, 저장 수명이 향상되며, 누설이 감소된다.
일 예에서, 본 발명의 밸브는 적어도 마이크로 밸브의 개방을 돕기 위해 외력을 가할 수 있도록 구성된 개구를 갖는다. 이에 따라, 밸브가 작동하여 다양한 기능을 실시할 수 있다. 개구는 테이블 탑 검출기와 함께 사용하도록 구성될 수 있다.
일 예에서, 개구는 밸브 시트와 접촉하는 측면으로부터 먼 하나 이상의 가요성의 사전압축된 또는 사전신장된 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램의 측면에 유체 압력을 가할 수 있도록 구성된다. 유체 압력은 진공인 것이 바람직하다. 통상적으로, 유체 압력은, 예컨대, 검출시 본 발명의 밸브를 포함하는 장치 아래에 있는 테이블 탑 검출기에 설치된 펌프와 같은 수단에 의해 가해진다.
일 예에서, 밸브 시트의 높이는 출구 개구의 제1 높이의 1.1 내지 5배이며, 바람직하게는 1.5 내지 2배와 같이 1.2 내지 2.5배이다. 밸브 시트의 높이를 높임으로써, 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램은 시트에 보다 긴밀하게 고정됨으로써, 저장 수명이 향상되며, 누설이 감소된다. 또한, 밸브는 고압으로 작동될 수 있다. 원하는 효과를 얻기 위해 높이가 너무 높을 필요가 없으며, 높이는 사용되는 멤브레인의 종류에 따라 다소 의존함이 실험에 의해 밝혀졌다. 높이의 증대가 작으면, 무시할 수 있을 정도의 효과가 나타난다. 높이를 20% 이상 높이면 상당한 효과가 나타난다는 것이 실험에 의해 밝혀졌다.
일 예에서, 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램은 PDMS, 천연 및 합성 고무, 포화 및 불포화 고무 및 서모 플라스틱과 같은 탄성중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함한다.
탄성중합체는, 예컨대, 점탄성(일반적으로 "탄성"이라 함) 특성을 가진 중합체이며, 일반적으로, 다른 물질과 비교하여 상당히 낮은 영률과 높은 항복 변형을 갖는다. 영률은 0.5 MNm-2와 같이 1 MNm-2보다 더 작을 수 있다. 가황을 의미할 때는 고무가 바람직하지만, 엘라스틱 폴리머로부터 유래된 용어인 탄성중합체가 고무라는 용어와 호환적으로 흔히 사용된다. 서로 연결되어 중합체를 형성하는 각 모노머는 일반적으로 탄소, 수소, 산소 및/또는 실리콘으로 제조된다. 탄성중합체는 통상적으로 유리 전이 온도 위에 존재하는 비정질 중합체이며, 이에 따라 상당한 분절 운동(segmental motion)이 가능하다. 따라서, 주위 온도에서, 고무는 상당히 연하며(E~3MPa) 변형가능하다. 이들은 시일, 접착제 및 성형된 가요성 부품을 위해 주로 사용된다.
탄성중합체의 예는, 시스-1,4-폴리이소프렌 천연 고무(NR) 및 트랜스-1,4-폴리이소프렌 구타-페르카와 같은 천연 폴리이소프렌, 합성 폴리이소프렌(이소프렌 고무인 IR), 폴리부타디엔(부타디엔 고무인 BR), 클로로프렌 고무(CR), 폴리클로로프렌, 네오프렌, 베이프렌 등과 같이 가황으로 경화될 수 있는 불포화 고무, 부틸 고무(이소부틸렌과 이소프렌의 공중합체, IIR), 할로겐화된 부틸 고무(클로로 부틸 고무: CIIR, 브로모 부틸 고무: BIIR), 스티렌=부타디엔 고무(스티렌과 부타디엔의 공중합체, SBR), "부나 N 고무"라고도 하는 니트릴 고무(부타디엔과 아크릴로니트릴의 공중합체, NBR), 테르반과 제트폴과 같은 수소화된 니트릴 고무(HNBR), EPM 고무(에틸렌 프로필렌 고무, 에틸렌과 프로필렌의 공중합체)과 EPDM 고무(에틸렌 프로필렌 디엔 고무, 에틸렌, 프로필렌 및 디엔-성분의 삼원 중합체)과 같이 가황으로 경화될 수 없는 포화 고무, 에피클로로하이드린 고무(ECO), 폴리아크릴 고무(ACM, ABR), 실리콘 고무(SI, Q, VMQ), 플루오로실리콘 고무(FVMQ), 비톤, 테크노프론, 프루오렐, 아프라스 및 다이-엘과 같은 플루오로엘라스토머(FKM 및 FEPM), 테크노프론 PER과 같은 퍼플루오로엘라스토머(FFKM), 칼레즈, 켐라즈, 퍼라스트, 폴리에테르 블록 아미드(PEBA), 클로로술폰화 폴리에틸렌(CSM), (하이파론), 에틸렌-비닐 아세테이트(EVA)이다. 탄성중합체의 다양한 다른 종류는 열가소성 탄성중합체(TPE), 예컨대, 엘라스트론, 열가소성 가황물(TPV), 예컨대, 산토프렌 TPV, 열가소성 플로우레탄(TPU) 및 열가소성 올레핀(TPO)이다. 또 다른 예로서는 레실린 및 엘라스틴과 같은 단백질과, 폴리설파이드 고무가 있다. 전술한 물질들의 조합도 가능하다.
일 예에서, 본 발명의 밸브 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램은 최초 크기의 1배를 초과하여 최대 10배까지, 바람직하게는 1.05 내지 7배, 더 바람직하게는 1.25 내지 2배와 같이 1.1 내지 5배의 신장도로 사전신장된다. 사용되는 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램의 종류에 따라, 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램은 5% 초과 내지 약 700% 초과의 신장도로 사전신장될 수 있다. 개선을 위해서는, 약간의 사전신장이 필요하며, 바람직하게는 5% 이상이 사용된다. 너무 큰 사전신장은 물질의 통상적인 경계로 침입하여, 물질이 파열되거나 변형이 발생하여 바람직하지 않은 밸브 개방을 초래하게 된다. 실험에 의하면, 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램이 20% 이상과 같이 10% 내지 100% 신장되는 경우, 최상의 결과가 얻어진다.
제2 양태에 따르면, 본 발명은 본 발명의 실시예들에 따른 밸브를 포함한 마이크로유체 펌프와 같은 마이크로유체 요소에 관한 것이다. 펌프로서 작동할 때, 일방향 밸브와 함께, 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램을 왕복 운동시키기 위한 수단이 제공된다(예컨대, 진공을 순차적으로 인가한다). 본 발명의 밸브가 높은 온도에서의 사용을 위해 및/또는 누설 저감을 위해 특히 적합하기 때문에, 그러한 용도를 목표로 한 마이크로유체 요소가 특별히 고려된다.
제3 양태에 따르면, 본 발명은 커버층, 커버층 아래의 제1 패턴 층, 제1 패턴 층 아래의 중간층 및 중간층 아래의 제2 패턴 층을 포함하는 4개 이하의 층과, 하나 이상의 밸브, 바람직하게는 본 발명에 따른 하나 이상의 밸브를 포함하는 마이크로유체 장치에 관한 것이다.
본 발명의 일 예에 따르면, 공압 기기의 평행한 공압 계면판 상에 배치되는 마이크로유체 카트리지가 제공된다. 카트리지는 공압 기기의 공압 펌핑에 의해 유체가 운반되는 3차원 유체 채널을 포함한다. 또한, 마이크로유체 카트리지는 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램을 포함하며, 가요성 분리기는 평면을 가로지르며, 가요성 분리기는 카트리지의 외면을 구성한다. 또한, 3차원 유체 채널은 카트리지의 내부 벽체와 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램에 의해 3차원적으로 공간적으로 획정되며, 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램은 당해 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램에 압력이나 진공이 가해지지 않을 때 기저 상태 또는 휴지 상태가 된다. 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램은, 카트리지가 평행한 공압 계면판 상에 배치될 때, 2개의 방향으로 당해 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램의 평면에 대해 수직하게 기저 상태로부터 공압적으로 편향될 수 있다.
즉, 유체가 평탄한 표면 위로는 운반되지 않고, 3차원 액체 채널을 따라 이동하게 된다.
또한, 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램은 카트리지의 외면의 일부인 영역에서 공압적으로 편향될 수 있다. 즉, 제1 영역에서, 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램은 유체 채널을 가로지르며, 상기 제1 영역은 카트리지의 외면의 일부이다. 이 예시적인 실시예에 따르면, 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램은 카트리지의 외면 아래의 제2 영역에서 추가적으로 연장될 수 있으며, 이에 따라, 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램은 그 제2 영역에서 카트리지의 외부로부터 접근할 수 없다.
또한, "가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램의 기저 상태"는 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램에 압력이나 진공이 가해지지 않는 상황을 의미한다. 이 상태로부터 시작하여, 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램은 카트리지의 내부를 향해 편향될 수 있고, 카트리지로부터 이격되는 방향으로 편향될 수도 있다. 이는, 예컨대, 도 2에서 볼 수 있으며, 도 2에서는 분리기를 따라 다양한 위치들에서 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램가 상방 및 하방으로 편향됨으로써 원하는 액체 수송을 달성한다. 즉, 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램은 2개의 방향, 즉 유체 채널을 향하는 방향 및 유체 통로로부터 이격되는 방향으로 편향될 수 있다.
본 실시예와 임의의 다른 실시예에서, 예를 들면, 일회용 카트리지일 수 있는 상기 카트리지는 공압 기기와 카트리지 사이의 가역적 공압 상호 접속을 통해 공압 작동이 실행될 수 있도록 하며, 상기 상호 접속은 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램에 의해 형성된다. 카트리지의 저렴하고 신뢰성 있는 해결책을 위해 기기 내에 공압 구동체가 일체화될 수 있다. 카트리지 내의 유체 채널에 수용되는 유체의 작동은 카트리지의 주 표면에 부착될 수 있는 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램의 편향에 의해 달성된다. 따라서, 카트리지가 공압 계면판에 부착되거나 공압 계면판 내에 삽입되었을 때, 카트리지의 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램 및 공압 계면판의 부분들에 의해 격실들이 형성된다. 격실들 내의 압력은 별도의 공압 기기에 의해 생성될 수 있으며, 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램의 편향을 결정하고, 이 편향은 유체를 작동시켜 유동을 유발한다.
이 마이크로유체 카트리지는 공압 작동의 고출력 및 큰 행정을 이용함과 동시에 카트리지를 단순화하고 저비용으로 유지하며, 계면판을 통한 열 또는 음향 진동과 같은 다른 물리적 전달을 용이하게 도입할 수 있도록 한다.
또한, 공압 작동을 위해 배관과 같은 개별적인 고정물이 불필요하므로 평탄한 공압 계면판에 다수의 액추에이터를 일체화시킬 수 있다.
즉, 공압 배관 요소들 및 압력 또는 진공 발생 요소들이 마이크로유체 카트리지에 존재하지 않고, 대응하는 상호 접속 계면판에 존재하지 않으므로, 다수의 액추에이터를 계면판에 용이하게 일체화시킬 수 있다. 즉, 평면 공압 계면판과 관련하여 제공된 평면 마이크로유체 카트리지는 카트리지 내에 배관을 필요로 하지 않고 카트리지 내에서 편리하고 신뢰성 있게 유체를 공압 구동할 수 있도록 한다. 또한, 이는 다수의 공압 요소들로 용이하게 확장될 수 있을 뿐만 아니라 열판, 음향판 또는 기타 계면판들을 동일 평면내에 결합하는 것이 단순화될 수 있다.
본 발명의 상기 실시예 및 모든 다른 실시예에서, "공압 요소"라는 용어는 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램이 공압적으로 작동되는 위치들, 즉 밸브 및 펌프 또는 더 일반적으로는 상호 작용 영역을 나타낸다. 또한, 이는 위치 변화의 유연성 및 본 발명의 장점인 매우 근접하게 위치될 수 있는 유연성이다.
제공된 마이크로유체 카트리지의 특징으로서 공압 기기에 의해 카트리지 내에서 유체의 작동을 실현하는 것을 볼 수 있다. 공압 구동이 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램을 이용하고, 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램 아래의 공압 챔버가 가역적으로 조립된다는 사실이 중요하다. 이는, 카트리지 및 공압 기기 사이의 분리 평면이 공압 챔버를 횡단한다는 것을 의미한다.
즉, 카트리지가 제거되면, 공압 공급 채널, 공압 채널 및 공압 챔버들이 개방된다. 작동되는 멤브레인 아래의 챔버들은 기기 상의 계면판과 카트리지의 조합에 의해 형성된다. 카트리지가 들어 올려지면, 기계적으로 고정되는 배관과는 달리 멤브레인으로 더 이상 압력이 전달될 수 없으며, 이는 본 발명에 따른 멤브레인 작동용으로 사용되지 않는다.
마이크로유체 카트리지는, 공압 구동용 공급 채널을 포함하고 또한 유체 통로를 포함한 마이크로유체 카트리지를 향해 실질적으로 평평한 계면판을 포함하는 공압 기기와 조합하여 사용될 수 있다. 유체 채널들은, 카트리지를 기기에 설치했을 때, 작동될 수 있는 가요성 층, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램과 같은 분리기에 의해 획정된다. 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램을 상하로 이동시킴으로써, 카트리지 내부의 체적이 변화되고, 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램이 채널을 폐쇄시켜 유체 채널 내에서 밸브 기능을 제공할 수 있다.
가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램의 편향의 행정은, 예컨대, 이하의 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이 공압 기기의 공압 계면판에 접촉했을 때의 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램의 위치 및/또는 카트리지 내의 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램의 상면(제어 특징부)에 기판 챔버가 접촉했을 때의 위치 사이의 높이에 기초한다.
즉, 마이크로유체 카트리지는 유체 경로를 덮는 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램을 포함한다. 따라서, 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램은 다수의 유체 경로를 포함할 수 있는 전체 유체 채널을 덮는다. 이는 전체 외면 모두일 필요는 없다. 그러나, 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램이 카트리지의 전체 외면을 구성하는 일 실시예도 가능하다. 그러나, 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램은 항상 카트리지에 부착된다. 카트리지를 공압 기기 내에 삽입한 후, 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램은 기기에 대한 공압에 의해 국부적으로 편향됨으로써 유체가 카트리지 내의 유체 경로를 따라 이동하게 된다. 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램은 국부적으로 카트리지로부터 이격되는 방향으로 흡인되거나 카트리지에 접근하는 방향으로 흡인되어 유체 경로의 체적을 변화시키고 체적이 변화하는 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램의 하부에서 유체는 카트리지를 통해 운반된다. 또한, 카트리지는 벽체들을 포함할 수 있으며, 이 벽체들은 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램과 함께 유체가 운반될 수 있는 변화하는 체적을 획정한다. 따라서, 본 발명은 카트리지와 이 카트리지를 처리하기 위한 기기의 사이에 비교적 간단한 계면판을 사용하여 마이크로유체 카트리지 내에서 유체의 운반을 허용한다. 공압 배관을 결합하는 대신, 카트리지와 기기의 사이에 계면판이 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램에 의해 형성되고, 이 분리기가 카트리지 내부에서 유체가 운반되도록 기기에 의해 편향된다.
카트리지는 공압 및 전기 요소가 없으므로 저렴하고 신뢰성 있는 방법으로 제작될 수 있다.
계면판과 조합된 가요성 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램은 카트리지를 공압력 만으로 계면판 상에 고정할 수 있도록 한다. 그러므로, 공압 기기에 의해 발생되는 공압력 이외에, 예컨대, 나사 등과 같은 다른 고정 매체가 불필요하다. 이러한 이유로 공압 계면판을 평행 계면이라 한다. 즉, 가요성 박막의 편향은 카트리지 및 계면판을 포함하는 폐쇄된 공압 시스템에 의해 생성되고, 편향으로 인해 고정이 이루어진다. 박막의 흡인으로 인해 고정이 이루어진다.
테이블 탑 진단용 카트리지는 진단에 필요한 모든 시약을 수용하여야 하며, 최종 진단 결과를 열화시키지 않고 장기간 보관될 수 있어야 한다. 바람직하게, 최대 20분 이내에 진단 결과가 얻어져야 한다. 이는 카트리지가 모든 시약을 구비하여야 할 뿐만 아니라, 진단에 필요한 마이크로유체 작동을 수행하고 장기간 시약을 안전하게 보관하도록 설계되어야 함을 의미한다. 카트리지를 더 비싸게 만들기 때문에 검출이 카트리지 자체에서 이루어지지 않는 것이 바람직하다. 그 대신 테이블 탑 진단 기기 내에 복잡하고 정교하며 정확한 검출 장치가 배치하고 윈도우를 통해 카트리지에 접근하는 편이 더 낫다. 윈도우는 광학, 적외선, 자외선, 핵방사선 또는 전기, 공압 또는 자기 검출 기술용일 수 있다.
카트리지가 시약의 무결성을 유지하기 위해 전원을 포함한다면, 이는 카트리지의 수명이 감소됨을 의미하며, 전원이 고갈된 후에도 카트리지가 사용되어 잘못된 진단-의료 제품 책임과 관련된 잠재적으로 생명을 위협하는 상황으로 이어질 수 있는 위험이 있다.
시약의 무결성을 유지하기 위해 보관하는 동안 전원이 사용되는 경우에도, 전원이 꺼지는 상황이 유해하지 않으면, 즉, 배터리가 방전된 후에도 시약의 무결성을 여전히 유지하는 폴-백 메커니즘이 있는 것이 바람직하다.
배터리 수명은 에너지 소기(energy scavenging)에 의해 증대될 수 있으며, 이는 카트리지의 옵션으로 포함될 수 있다.
무결성을 유지하기 위해, 본 발명은 밸브 시트에 대해 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램을 강제하는 밸브 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램의 사전신장 또는 사전압축에 의해 개방이 방지되는 상폐형 밸브를 제공한다. 이는 시약의 열화를 방지하기 위해 사용될 수 있는 무전력, 즉 수동적인 안전 상폐형 밸브를 제공한다. 일 예에서, 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램에는 보안을 더 강화하기 위해 측압이 가해질 수 있다. 이는 카트리지 내에 전원을 필요로 할 수 있다. 일 예에서, 전원이 필요하지 않은 경우, 카트리지는 사전가압될 수 있다. 다른 예에서, 분리기, 예컨대, 멤브레인 또는 다이어프램은 압축된다.
이상의 설명은 바이오리엑터에도 적용된다.
일 예에서, 본 발명의 장치는 본 발명에 따른 하나 이상의 밸브를 더 포함한다. 이에 따라, 상술한 장점을 얻을 수 있다.
일 예에서, 본 발명의 장치는 2 내지 3㎖, 바람직하게는 2 내지 3㎖와 같은 0.5 내지 5㎖의 체적을 가진 하나 이상의 컨테이너를 포함한다. 컨테이너는, 예컨대, 시약 컨테이너, 폐기물 컨테이너, 반응 챔버 등일 수 있다.
일 예에서, 본 발명의 장치는 본 발명에 따른 마이크로유체 요소 및/또는 샘플 입력 유닛, 및/또는 하나 이상의 처리 유닛을 포함한다. 샘플 유닛은 샘플링 및/또는 카트리지에 샘플을 도입하기 위해 제공될 수 있다. 또한, 분석 유닛, 기능 유닛 등과 같은 하나 이상의 처리 유닛이 검출 등을 위해 제공될 수 있다. 일반적으로, 샘플은 처리되어야 하며, 예컨대, 반응이 이루어져야 하고, 여과가 실시되어야 하며, 분리가 이루어져야 한다. 다른 예에서, (전자) 제어 유닛도 제공된다.
일 예에서, 본 발명의 장치는 필터, 펌프와 같은 마이크로 액추에이터, 시일, 유입구, 출구, 입구 및 바이어싱 수단 중 하나 이상을 포함한다. 이는 본 발명의 밸브와 유사하다.
일 예에서, 본 발명의 장치는 바이오센서, 진단용 카트리지와 같은 카트리지 중 하나 이상이다.
본 발명의 장치의 예에서, 상기 장치는 선택적으로 패키지 내의 일회용 카트리지의 형태이며, 상기 패키지는 진공 또는 압력 하에 있을 수 있고, 그리고/또는 압력을 유지하기 위한 추가적인 시일을 선택적으로 포함한다. 바람직하게, 상기 장치는 통상적으로 테이블과 조합하여 1회 사용되는 일회용이다. 또한, 저장 수명을 향상시키기 위해, 압력/진공을 유지하기 위한 수단이 제공된다.
일 예에서, 본 발명의 장치는 검출기가 마이크로유체 장치에 인접하여 배치될 수 있도록 하고, 단백질, 약물, DNA, RNA, 핵산, 핵산 서열, 세포막이나 세포막 조각, 세포 소기관, 항체, 호르몬, 포도당, 인슐린, 효소, 곰팡이, 세포 배양을 위한 병원성 박테리아, 바이러스와 같은 박테리아, 및 자성 입자와 같은 하나 이상의 분자 및/또는 이온의 존재, 부재 및/또는 양을 검출하기 위한 검출 윈도우를 갖는다. 바람직하게, 예컨대, 인간의 혈액 샘플에 대해 검출이 이루어진다. 다른 인간의 체액도 시험할 수 있다.
제4 양태에 따르면, 본 발명은 단백질, 약물, DNA 및 RNA와 같은 유전 정보, 핵산, 핵산 서열, 또는 호르몬과 같은 단백질, 인슐린, 효소, 또는 포도당과 같은 하나 이상의 분자 및/또는 이온, 또는 포도당과 같은 다른 분자, 또는 곰팡이와 같은 생물, 배열체 또는 분석에서 세포 배양을 위한 병원성 박테리아, 바이러스와 같은 박테리아의 검출, 예컨대, 존재, 부재 및/또는 양의 검출, 및/또는 격리, 및/또는 정화를 위한 용도에 관한 것이다.
제5 양태에 따르면, 본 발명은 본 발명에 따른 밸브, 본 발명에 따른 마이크로유체 요소 및 본 발명에 따른 마이크로유체 장치 중 하나 이상을 포함하는 시스템에 관한 것이다.
도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하며, 이하의 설명은 예시적인 사전신장된 멤브레인들을 주로 포함할 것이지만, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않으며, 특허청구범위에 의해서만 한정된다.
도 1은 종래 기술의 밸브의 도식적인 단면도이다. 밸브는 내부의 채널을 구비한 본체와 밸브 챔버를 갖는다. 멤브레인은 밸브의 일부를 형성하고, 밸브 챔버를 밀봉하며 중간에 도시되어 있다. 액추에이터(화살표 참조)는 압력을 가하여 멤브레인을 휘어지게 하고, 밸브 시트에 대해 멤브레인을 강제한다. 점선의 원으로 표시된 영역(1)은 이 디자인에서 취약한 지점과 관련되며, 이 디자인은 특히 표시된 영역에서 누설될 수 있다. 좌측에서 우측으로 (폐쇄된) 채널을 볼 수 있다.
이 디자인에서, 밸브에 가해질 수 있는 최대 압력은 밸브 본체와 멤브레인 사이의 누설에 의해 주로 결정된다. 누설은 디자인에 따라 입구 및 출구 채널들의 위치에 의해 주로 발생하는 것으로 확인되었다. 채널이 멤브레인 층 바로 위에 배치되는 경우, 카트리지가 국소적으로 쉽게 밀릴 수 있으며, 그로 인한 누설이 테이블 탑 검출기에 카트리지를 고정하여 유지하기 위해 진공 하에서 유지되고 있는 주변 영역에서의 압력을 증대시킨다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 마이크로유체 장치의 예이다. 도면에는, 상단(커버)층(210)이 단면 테이프로서 표시되어 있다. 상단층 아래에는 패턴 층(220)이 성형층 또는 레이저 패턴 층으로서 존재한다. 패턴 층은 밸브의 본체를 제공하며, 기계적, 전기적 또는 화학적으로 성형 및/또는 기계가공될 수 있는 PMMA와 같은 재료로 제조될 수 있다. 패턴 층 아래에는 양면 접착 테이프(미도시)가 있을 수 있다. 그 아래에는 제2 패턴 층(230)이 존재한다. 패턴 층들은 밸브 시트를 포함한 장치의 대부분의 기능을 제공한다. 제2 패턴 층 아래에는, 가요성 멤브레인 또는 다이어프램과 같은 시일 부재(240)가 존재한다. 가요성 멤브레인은 전술한 재료로 제조될 수 있다. 이 멤브레인도 중간에 나타낸 밸브의 일부를 형성한다. 이 멤브레인은 천공되거나 다공성이 아니며, 즉, 분리기로서 기능한다. 멤브레인은 밸브 시트보다 큰 면적을 갖는다. 바람직하게, 멤브레인은 사전압축되며, 이에 따라, 멤브레인이 정상 및 수동 상태에 있을 때 양의 힘이 멤브레인을 밸브 시트에 대해 밀게 된다. 이는 도 2에 도시된 바와 같이 밸브 시트를 향하는 볼록부 또는 돔을 구비하도록 멤브레인을 형성함으로써 달성될 수 있다. 휴지 위치에서 돔이 밸브 시트에 대해 압축되도록 돔의 크기가 선택된다. 이에 따라, 추가적인 전원을 필요로 하지 않고 돔이 밸브 시트에 대해 밀봉된다. 점선 화살표는 밸브를 개방하기 위해 선택적으로 가해지는 압력/진공 또는 멤브레인에 추가적인 압력을 제공하여 밀봉을 강화하기 위해 선택적으로 가해지는 압력을 나타낸다. 실선 화살표는 밸브가 개방되었을 때 밸브를 통한 유체의 흐름 방향을 나타낸다. 수평 점선은 본 발명의 장치와 테이블 탑 검출 장치 사이의 분리선을 나타낸다.
이 예는 본 발명의 장치가 견고한 기반을 갖고 있음을 보여준다. 그 결과, 진공이 누설되지 않고 쉽게 인가되며, 멤브레인이 더 쉽고 견고하게 부착될 수 있다. 본 마이크로유체 장치는 선택적으로 테이블 탑 장치(290) 상에 안착되어 상호 작용하며, 상기 테이블 탑 장치는 압력/진공, 진단 등과 같은 추가적인 기능을 제공한다.
출구와 입구는 실질적으로 수직하게 배치되며, 예컨대, 도 1의 종래 기술과 비교하여 다른 위치에 배치되고, 진공과 같은 외력의 영향이 감소되거나 심지어 없으며, 훨씬 더 우수한 누설 방지를 구현할 수 있다.
도 2의 테이블 탑 장치(290)는 본 발명의 장치를 공압적으로 구동하는 하나 이상의 펌핑 수단을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 본 발명은 종래 기술의 카트리지에 비해 1층 더 적은 카트리지를 제공한다. 고무층과 같은 멤브레인 층이 신규한 카트리지 디자인의 하단층이 된다. 이 멤브레인은 천공되거나 다공성이 아니며, 즉, 분리기로서 기능하고, 이에 따라, 외부로부터 밸브를 밀봉한다. 이에 따라, 2개의 층이 패턴화된 4개의 층(고무-테이프 층-PMMA 층-커버 층)을 구비한 카트리지가 제공된다. 추가적인 장점은, 카트리지와 테이블 탑 검출 장치 사이의 계면이 이제는 금속과 같이 쉽게 세척할 수 있는 물질로 제조될 수 있다는 것이다. (테이블 탑 장치 상의)금속과 (카트리지 상의)고무의 접속은 시일을 제공한다. 따라서, 강한 계면이 제공되어 반복적으로 사용될 수 있다. 실험에 따르면 (예컨대, 고무층으로부터의) '노화' 효과가 없는 것으로 나타났다. 또 다른 장점은, 밸브에 대해 (누설없이) 안전하게 가해질 수 있는 압력이 상당히 높다(~1 내지 3bar)는 것이며, 이 압력은 5bar 또는 심지어 그 이상으로 더 증대될 수 있다. 압력이 증가하면, 기능이 향상되고, 처리 시간 등이 개선될 수 있다.
본 발명의 실시예의 또 다른 장점은 다양한 디자인과 응용예를 가능하게 하는 표준화된 범용 플랫폼이 제공되므로, 신규한 카트리지 디자인과 신규한 그 응용예의 개발과 제조가 용이하다는 것이다. 따라서, 본 발명의 디자인은 각종 복잡한 프로토콜, 유연한 디자인 및 신속한 프로토타이핑의 통합을 가능하게 하는 다목적 카트리지 기술에 관한 것이다. 본 발명자들은 신규한 디자인이 1주일 이내에 실현되어 시험할 수 있음을 확인하였다. 즉, 본 발명은 저렴한 벤치 탑 프로토타입 기기인 범용 기기에 관한 것으로, 이는 여러 프로토콜을 실행하기 위한 카트리지들을 수용하고, 필요하거나 및/또는 원하는 경우, 혼합, 펌핑, 여과 및 가열과 같은 다양한 기능을 제공한다.
본 발명의 디자인은 카트리지를 개선하여, 기술의 강인성을 향상시키고 카트리지의 부품 수를 줄인다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 밸브를 포함하는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 마이크로유체 장치의 예이다. 도 2와 마찬가지로, 상단층(310), 제1 패턴 층(320), 제2 패턴 층(330), 멤브레인(340) 및 테이블이 도시되어 있다. 패턴 층들은 밸브의 본체를 제공하며, 기계적, 전기적 또는 화학적으로 성형 및/또는 기계가공될 수 있는 PMMA와 같은 재료로 제조될 수 있다. 제1 패턴 층 아래에는 양면 접착 테이프(미도시)가 있을 수 있다. 제1 및 제2 패턴 층들은 밸브의 본체를 형성한다. 패턴 층들은 밸브 시트를 포함한 장치의 대부분의 기능을 제공한다. 통상적으로 제2 패턴 층과 동일한 물질로 형성되는 밸브 시트(350)가 또한 도시되어 있다. 제2 패턴 층 아래에는, 가요성 멤브레인 또는 다이어프램과 같은 시일 부재(340)가 존재한다. 이를 달성하기 위해, 이 멤브레인은 천공되거나 다공성이 아니며, 즉, 분리기로서 기능한다. 본 실시예에서, 멤브레인은 사전신장되며, 이에 따라, 멤브레인이 휴지 위치에 있을 때 밸브 시트에 대해 강제됨으로써, 밸브가 상폐된다. 밸브 시트와 멤브레인 고정 수단의 상호 작용에 의해, 멤브레인은 사전신장된 상태로 유지될 수 있다. 멤브레인이 사전신장되어 있으므로, 유체를 수용한 공간을 밀봉하게 된다. 이에 따라, 저장 장치가 생성된다. 가요성 멤브레인은 전술한 재료로 제조될 수 있다. 멤브레인은 밸브 시트보다 더 큰 영역을 갖는다. 멤브레인과 밸브 본체 간의 밀봉을 강화하기 위해, 멤브레인이 제2 패턴 층에 부착될 수 있다. 바람직하게, 멤브레인은 사전신장되며, 이에 따라, 멤브레인이 정상 및 수동 상태에 있을 때 양의 힘이 멤브레인을 밸브 시트에 대해 밀게 된다. 점선 화살표는 밸브를 개방하기 위해 선택적으로 가해지는 압력/진공 또는 멤브레인에 추가적인 압력을 제공하여 밀봉을 강화하기 위해 선택적으로 가해지는 압력을 나타낸다. 실선 화살표는 밸브가 개방되었을 때 밸브를 통한 유체의 흐름 방향을 나타낸다. 수평 점선은 본 발명의 장치와 테이블 탑 검출 장치 사이의 분리선을 나타낸다.
이 예는 본 발명의 장치가 견고한 기반을 갖고 있음을 보여준다. 그 결과, 진공이 누설되지 않고 쉽게 인가되며, 멤브레인이 더 쉽고 견고하게 부착될 수 있다. 본 마이크로유체 장치는 선택적으로 테이블 탑 장치(390) 상에 안착되어 상호 작용하며, 상기 테이블 탑 장치는 압력/진공, 진단 등과 같은 추가적인 기능을 제공한다. 도 3의 테이블 탑 장치(390)는 본 발명의 장치를 공압적으로 구동하는 하나 이상의 펌핑 수단을 포함할 수 있다.
출구와 입구는 실질적으로 수직하게 배치되며, 예컨대, 도 1의 종래 기술과 비교하여 다른 위치에 배치되고, 진공과 같은 외력의 영향이 감소되거나 심지어 없으며, 훨씬 더 우수한 누설 방지를 구현할 수 있다. 또한, 이 예에서와 같이, 밸브의 출구와 입구는 도면에 대해 수직한 밸브의 메인 평면에 대해 실질적으로 수직하며, 이 밸브는 훨씬 더 견고하고 누설이 방지된다. 본 발명의 밸브는 어떠한 누설도 발생하지 않고 유체를 포함하여 6개월 이상 저장될 수 있다. 이것이 가장 중요한 개선이다.
도 4는 본 발명에 따른 밸브를 포함하는 본 발명에 따른 마이크로유체 장치의 예이다. 도 3과 마찬가지로, 상단층(410), 제1 패턴 층(420), 제2 패턴 층(430), 멤브레인(440) 및 테이블 탑 장치(490)가 도시되어 있다. 통상적으로 제2 패턴 층과 동일한 물질로 형성되는 밸브 시트(450)가 또한 도시되어 있다. 밸브 시트는 추가 층(451)에 의해 크기, 즉 두께 또는 높이 면에서 더 커졌다. 이는 멤브레인(440)의 사전신장을 증대시킨다. 이에 따라, 더 우수한 밀봉이 얻어졌다. 이를 달성하기 위해, 이 멤브레인은 천공되거나 다공성이 아니며, 즉, 분리기로서 기능한다. 상기 추가 층은 제2 패턴층에 도포된 다음 국소 레이저 패터닝에 의해 제조시 그 자체가 패턴화된 테이프 층에 의해 제공될 수 있다. 이 테이프는 그 상단에 제공된 PET 보호층을 가질 수 있다. 멤브레인과 밸브 본체 간의 밀봉을 강화하기 위해, 멤브레인이 제2 패턴 층에 부착될 수 있다. 다른 세부사항은 도 3의 장치에 대해 설명한 바와 같다.
도 5a 내지 도 5c는 본 발명에 따른 장치의 2개의 패턴 층의 예이다. 여기서는, 채널(521), 비아(523), 샘플링 유닛(524, 534), 시약 챔버(522, 532), 필터(537), 출구/입구 개구(532), 폐기물 챔버(536) 및 밸브 (538)와 같은 각종 세부구조를 관찰할 수 있다. 1개의 층의 채널과 컨테이터가 서로 소통하도록, 2개의 층들이 함께 배치된다. 일반적으로, 층들은 성형에 의해 및/또는 레이저에 의해 패터닝된다. DNA와 같은 분석될 분자(590)가 또한 표시되어 있다.
도 6은 본 발명의 실시예들에 따른 밸브의 비한정적인 개략도이다. 이 예의 본질은 밸브 시트를 포함하는 밸브와, 예컨대, 채널로부터 시약 챔버를 밀봉하기 위해, 밸브 시트 주위로 사전신장된 가요성 멤브레인이다. 이를 달성하기 위해, 이 멤브레인은 천공되거나 다공성이 아니며, 즉, 분리기로서 기능한다. 중요한 특징은, 밸브가 밸브 시트와 가요성 멤브레인으로 구성되며, 상기 밸브가 상폐형이고, 이에 따라 시약의 저장에 적합하다는 것이다. 밸브를 개방하기 위해, 교류 진공과 같은 기계적인 힘이 멤브레인의 외측면(즉, 유체 채널과 반대인 측면)에 가해질 수 있으며(예컨대, 공압 액추에이션); 가요성 멤브레인이 사전신장된다. 이러한 배열은 폐쇄된 상태의 가요성 멤브레인에 대한 선택적인 압력 인가와 조합될 수 있으며, 약 0.5 내지 2bar의 압력을 이용하여도 누설이 발생하지 않는 매우 신뢰성 있는 밸브를 제공한다. 실험(100개 이상의 카트리지에 대해 시험함) 결과, 밸브 누설로 인한 고장이 없는 것으로 나타났다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 실시예에 따른 밸브의 도식적인 단면도이다. 좌측(도 6a)에는, 폐쇄된(상단) 상태와 개방된(하단) 상태(도 6c)의 밸브 단면이 도시되어 있다. 밸브를 개방하기 위해, 진공과 같은 기계적인 힘이 멤브레인(640) 아래의 개구에 가해진다. 이를 달성하기 위해, 이 멤브레인은 천공되거나 다공성이 아니며, 즉, 분리기로서 기능한다. 멤브레인의 하향 운동은 테이블 탑 검출 장치(690)의 개구의 상면에 의해 제한된다. 이는, 밸브가 개방될 때, 멤브레인이 과다 신장되는 것을 방지한다. 과다 신장은 소성 변형이나 크리프를 유발할 수 있으며, 이는 멤브레인이 해제되었을 때 소실력을 저하시킨다. 우측(도 6b, 도 6d)에는, 채널에 대해 수직한 단면이 도시되어 있다.
이러한 카트리지는 레이저 패턴 PMMA 층(620)과 같은 패턴 층들을 함께 적층하여 밸브 본체를 형성하고, 양면 테이브 층((650), 니토 5015P)과 고무 층((640) 라텍스)과 같은 멤브레인을 고정함으로써 구성될 수 있다. 밸브 시트는 테이프 층(651) 상에 존재하는 PET 보호층과 같은 테이프 층을 국소 레이저 패터닝하여 구성될 수 있다. 밸브 시트의 추가 부분(651)은 제2 패턴 층(650)을 형성할 때 구성될 수 있다. 장치를 구성하는 도중에 보호층을 제거하면, PET가 밸브 시트의 상단에 국소적으로 남게 된다.
도 6e 내지 도 6h(좌상단에서 우하단으로)는 본 발명의 다른 실시예에 따른 밸브의 도식적인 단면도이다. 좌측(도 6e)에는, 폐쇄된(상단) 상태와 개방된(하단) 상태(도 6g)의 밸브 단면이 도시되어 있다. 이 예에서는, 채널이 멤브레인의 평면과 평행하게 연장된다. 우측(도 6f, 도 6g)에는, 폐쇄된(상단) 상태와 개방된(하단) 상태의 밸브 단면이 도시되어 있으며, 밸브 멤브레인에 대해 수직하거나 소정 각도로 추가적인 입구 및 출구 채널이 형성되어 있다. 멤브레인 평면에 대해 평행하게 연장하는 채널들은 전술한 바와 같이 제1 및 제2 층들의 교합면들을 기계가공하거나 에칭함으로써 형성될 수 있다. 멤브레인 평면에 대해 수직하거나 소정 각도로 연장하는 채널들은, 예컨대, 레이저 패터닝, 에칭, 또는 다른 형태의 기계가공에 의해, 밸브 본체를 관통하는 비아로서 형성될 수 있다. 도시된 예에서, 입구 및 출구 채널들은 모두 멤브레인과 밸브 시트 사이에 형성된 밸브 챔버로 유입된다.
도 6i 내지 도 6l(좌상단에서 우하단으로)에는 밸브의 2개의 다른 실시예가 도시되어 있다. 좌측(도 6i, 도 6k)에는, 폐쇄된(상단) 상태와 개방된(하단) 상태에서 밸브 시트 내에 입구/출구 채널들 중 하나가 배치된 밸브 단면이 도시되어 있다. 우측(도 6j, 도 6l)에는, 전술한 바와 마찬가지로 밸브 시트 내에 입구 및 출구 채널들이 모두 배치되어 있다. 멤브레인 평면에 대해 평행하게 연장하는 채널들이 커버층(610)과 밸브 본체(650)의 상단층 사이에 형성된다. 이 예에서, 밸브는 사전신장된 멤브레인(640), 채널과 밸브 시트를 구비한 유체부(650), 채널을 밀봉하기 위해 상단층(610)과 멤브레인을 결합하는 접착제로 구성된다.
도 7a 및 도 7b는 본 발명의 카트리지와 본 발명의 테이블 탑 검출 장치의 사진이며, 상기 카트리지는 화살표로 표시된 바와 같이 테이블 탑 검출 장치 위에 배치되고, 카트리지를 제 위치에 유지하고 밸브(들)을 개방하기 위해 모두 사용될 수 있는 진공에 의해 제 위치에 유지된다.

Claims (16)

  1. 마이크로유체 장치에서 사용하기 위한 상폐형 마이크로 밸브로서,
    밸브 시트, 출구 개구, 입구, 및 하나 이상의 가요성의 사전신장된 또는 사전압축된 분리기, 바람직하게는 멤브레인을 포함하며, 상기 하나 이상의 가요성의 사전신장된 또는 사전압축된 분리기는 밸브 시트에 대해 상기 하나 이상의 분리기를 상폐 상태로 만드는 사전신장력 또는 사전압축력을 가하도록 배열된 것을 특징으로 하는 상폐형 마이크로 밸브.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 분리기는 멤브레인이고, 상기 멤브레인은 천공되지 않은 멤브레인인 것을 특징으로 하는 상폐형 마이크로 밸브.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    공동, 채널, 본체부, 시일 링과 같은 시일, 접착제, 흐름 제한기와 같은 흐름 조절기, 컨트롤러 및 프레임 중 하나 이상을 갖는 것을 특징으로 하는 상폐형 마이크로 밸브.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    본체부를 더 포함하고, 상기 밸브 시트는 상기 하나 이상의 가요성의 사전신장된 또는 사전압축된 분리기의 폭보다 작은 폭을 가지며, 각 분리기는 밸브 시트보다 큰 영역을 가진 것을 특징으로 하는 상폐형 마이크로 밸브.
  5. 제4항에 있어서,
    마이크로 밸브는 상기 하나 이상의 가요성의 사전압축된 또는 사전신장된 분리기의 각각의 영역에 대해 본체부를 액밀식으로 고정하기 위한 수단을 더 포함하고, 상기 영역은 밸브 시트보다 더 크며, 바람직하게, 액밀 고정 수단은 양면 접착 테이프인 것을 특징으로 하는 상폐형 마이크로 밸브.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 본체부는 입구 채널과 출구 채널을 가지며, 상기 입구 채널과 출구 채널은 멤브레인의 평면에 대해, 45°내지 135°, 바람직하게는 75 내지 105°, 더 바람직하게는 90°와 같은, 즉 실질적으로 수직하게, 80°내지 100°의 각도로 밸브 시트 주위의 챔버로 유입되는 것을 특징으로 하는 상폐형 마이크로 밸브.
  7. 선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
    적어도 마이크로 밸브의 개방을 돕기 위해 외력을 가할 수 있도록 구성된 개구를 갖는 것을 특징으로 하는 상폐형 마이크로 밸브.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 개구는 밸브 시트와 접촉하는 측면으로부터 먼 하나 이상의 가요성의 사전압축된 또는 사전신장된 분리기의 측면에 유체 압력을 가할 수 있도록 구성되고, 바람직하게, 유체 압력은 진공인 것을 특징으로 하는 상폐형 마이크로 밸브.
  9. 선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 밸브 시트의 높이는 출구 개구의 제1 높이의 1.1 내지 5배이며, 바람직하게는 1.5 내지 2배와 같이 1.2 내지 2.5배인 것을 특징으로 하는 상폐형 마이크로 밸브.
  10. 선행항들 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리기는 PDMS, 천연 및 합성 고무, 포화 및 불포화 고무 및 서모플라스틱과 같은 탄성중합체로 이루어진 군으로부터 선택된 물질을 포함하거나, 상기 분리기는 최초 크기의 1배를 초과하여 최대 10배까지, 바람직하게는 1.05 내지 7배, 더 바람직하게는 1.25 내지 2배와 같이 1.1 내지 5배의 신장도로 사전신장되는 것을 특징으로 하는 상폐형 마이크로 밸브.
  11. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 밸브를 포함하는 마이크로유체 펌프와 같은 마이크로유체 요소로서,
    바람직하게는, 높은 온도에서 사용하기 위한 및/또는 누설을 저감하기 위한 마이크로유체 요소.
  12. 커버층, 커버층 아래의 제1 패턴 층, 제1 패턴 층 아래의 중간층 및 중간층 아래의 제2 패턴 층을 포함하는 4개 이하의 층과, 하나 이상의 밸브, 바람직하게는 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 밸브를 포함하는 마이크로유체 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    샘플 입력 유닛, 및/또는 하나 이상의 처리 유닛, 또는 시약 컨테이너와 같은 하나 이상의 컨테이너, 또는 필터, 펌프와 같은 마이크로 액추에이터, 시일, 유입구, 출구, 입구 및 바이어싱 수단 중 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 장치.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 장치는 바이오센서, 진단용 카트리지와 같은 카트리지 중 하나 이상이며, 선택적으로 일회용 카트리지의 형태이고, 선택적으로 패키지 내에 있을 수 있으며, 상기 패키지는 진공 또는 압력 하에 있을 수 있고, 그리고/또는 압력을 유지하기 위한 추가적인 시일을 선택적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 장치.
  15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 장치는 검출기가 마이크로유체 장치에 인접하여 배치될 수 있도록 하고, 단백질, 약물, DNA, RNA, 핵산, 핵산 서열, 세포막이나 세포막 조각, 세포 소기관, 항체, 호르몬, 포도당, 인슐린, 효소, 곰팡이, 세포 배양을 위한 병원성 박테리아, 바이러스와 같은 박테리아, 및 자성 입자와 같은 하나 이상의 분자 및/또는 이온의 존재, 부재 및/또는 양을 검출하기 위한 검출 윈도우를 갖는 것을 특징으로 하는 마이크로유체 장치.
  16. 단백질, 약물, DNA, RNA, 핵산, 핵산 서열, 호르몬, 포도당, 인슐린, 효소,곰팡이, 병원성 박테리아와 같은 박테리아, 배열체 또는 분석에서 세포 배양을 위한 바이러스와 같은 하나 이상의 분자 및/또는 이온의 검출, 예컨대, 존재, 부재 및/또는 양의 검출, 및/또는 격리, 및/또는 정화를 위한 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 마이크로유체 장치의 용도.
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