WO2006115241A1 - 成分分離デバイスおよび成分の分離方法 - Google Patents

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WO2006115241A1
WO2006115241A1 PCT/JP2006/308542 JP2006308542W WO2006115241A1 WO 2006115241 A1 WO2006115241 A1 WO 2006115241A1 JP 2006308542 W JP2006308542 W JP 2006308542W WO 2006115241 A1 WO2006115241 A1 WO 2006115241A1
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standing wave
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Makoto Takahashi
Masaya Nakatani
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Matsushita Electric Industrial Co., Ltd.
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    • G01N2001/4094—Concentrating samples by other techniques involving separation of suspended solids using ultrasound

Definitions

  • the present invention relates to a component separation device and a component separation method for separating a fluid in which a liquid component and a solid component are mixed, represented by blood, emulsion, and the like, into respective components.
  • Examples of the fluid in which the solid component and the liquid component are mixed include river water, seawater, blood, and latex. Solids such as sand, bacteria, blood cells, and emulsions contained in these fluids exist in the fluid in the form of precipitates or dispersion. In other words, the solid component exists as a solid that does not melt into the liquid component.
  • blood collected for examination is collected in a whole blood state composed of plasma as a liquid component, blood cells as a solid component, and other components.
  • the component necessary for examining blood is only a blood cell portion or, conversely, only a plasma portion.
  • the blood sugar melted in the plasma component is measured.
  • white blood cell DNA which is a type of blood cell, is extracted.
  • the conventional component separation method is generally a method in which the collected blood is put into a test tube and attached to a centrifuge to apply a predetermined centrifugal force to separate it into plasma 'blood cell components. Is.
  • the whole blood in the test tube is subjected to centrifugal force by the centrifuge.
  • the centrifugal force corresponding to each component is received, and the component is separated into each component due to the difference in mass. Thereafter, the supernatant is extracted to extract plasma components.
  • blood cell components and the like are extracted from the precipitate. After that These components are subjected to a predetermined measurement and inspected during the inspection process.
  • a method for separating a small amount of liquid sample there is a method using a filter.
  • This method is disclosed by Yong-Kyu Yoon et al. And utilizes the porous nature of the filter. For example, by filtering blood cells of a predetermined size or larger, a plasma component is obtained, or conversely, blood cells are taken out.
  • the number of hole sizes in the filter affects the separation characteristics. Therefore, it is required to design an optimum filter depending on which component is separated. It is also required to accurately reproduce the number of filter hole sizes.
  • a method for accurately reproducing the number of hole sizes and the like of a filter is a method for obtaining a mesh-like filter by three-dimensionally exposing a photosensitive resist. This method is disclosed in, for example, Yong-Kyu Yoon “Integrated vertical screen microinter system using inclined SU—8 stru cture.” MEMS 2003, Kyoto, PP. 227-230 published by IEEE.
  • Patent Document 1 JP-T-2001-525722
  • the component separation device disclosed in Patent Document 1 includes a duct, an ultrasonic transducer, and a reflector.
  • the duct is provided for flowing a fluid in which particles are suspended.
  • the ultrasonic transducer is placed on one side of the duct and the reflector is placed on the other side of the duct.
  • the duct, the ultrasonic transducer, and the reflector generate acoustic standing wave vibration (hereinafter referred to as standing wave) that crosses the duct in the width direction.
  • This standing wave causes the particles suspended in the fluid to agglomerate into one or more flat bands parallel to the longitudinal axis of the duct. As a result, the solid component particles and the liquid component are separated.
  • the ultrasonic transducer since the ultrasonic transducer is in direct contact with the inside of the duct, the fluid force flowing in the dirt may be contaminated.
  • an ultrasonic transducer forms part of the duct. This allows the design freedom of ultrasonic transducers. Furthermore, it is difficult to position the duct and the ultrasonic transducer with high accuracy.
  • the present invention provides a component separation device and a component separation method capable of separating each component with high accuracy even by a very small amount of sample by generating a strong acoustic standing wave. I will provide a.
  • the component separation device of the present invention includes a substrate, a channel provided in the substrate, an actuator, and a groove provided around the actuator, and the channel includes a liquid component and a solid component.
  • the contained fluid is stored, and the actuator generates a standing wave in the flow path.
  • vibration is reflected by the groove and transmitted to the flow path, reducing vibration loss, generating a strong standing wave in the flow path, and providing a small and highly accurate component separation device. .
  • the component separation method of the present invention includes a fluid storage step, a standing wave generation step, a reflection step, and a separation step
  • the fluid storage step includes a fluid containing a liquid component and a solid component.
  • the standing wave generation step the high-frequency voltage is applied to a plurality of actuators provided opposite to the flow path to generate vibrations, and is stored in the flow path.
  • the vibration is reflected by a groove provided in the periphery excluding the flow path side of the actuator, and in the separation step, either the liquid component or the solid component is at least separated from the fluid. Separate one. With this configuration, vibration is reflected by the groove and transmitted to the flow path, reducing vibration loss, generating strong standing waves in the flow path, and providing a highly accurate component separation method. .
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a component separation device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of the component separation device shown in FIG.
  • FIG. 3 is a plan view of the component separation device shown in FIG. 1.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view of the component separation device shown in FIG. 3 taken along line 4-4.
  • FIG. 5 is a schematic diagram for explaining a component separation method using the component separation device shown in FIG. 1.
  • FIG. 6 is a diagram for explaining a component separation method using the component separation device shown in FIG. FIG.
  • Fig. 7 is a schematic diagram for explaining a component separation method using the component separation device shown in Fig. 1.
  • FIG. 8 is a schematic diagram for explaining a component separation method using the component separation device shown in FIG.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view for explaining the manufacturing method of the component separation device shown in FIG. 1.
  • FIG. 10 is a cross-sectional view for explaining the manufacturing method of the component separation device shown in FIG. .
  • FIG. 11 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing the component separation device shown in FIG.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing the component separation device shown in FIG.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing the component separation device shown in FIG.
  • FIG. 14 is a cross-sectional view for explaining a method of manufacturing the component separation device shown in FIG.
  • FIG. 15 is a cross-sectional view showing a configuration of a component separation device according to another embodiment.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view showing a configuration of a component separation device in Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view showing a configuration of a component separation device according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a component separation device according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of the component separation device shown in FIG. 1 as viewed from the lower surface side.
  • FIG. 3 is a plan view of the component separation device shown in FIG.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line 4-4 of the component separation device shown in FIG.
  • FIG. 5 to 8 are schematic diagrams for explaining a component separation method using the component separation device shown in FIG. 9 to 14 are cross-sectional views for explaining a method for manufacturing the component separation device shown in FIG.
  • the substrate 31 is made of silicon.
  • a flow path 32 having a predetermined width and depth is formed in the base plate 31.
  • the flow path 32 is provided on the upper surface 61 side of the substrate 31.
  • An inlet 33 and an outlet 34 are provided at both ends of the flow path 32.
  • a fluid 63 in which the solid component 41 and the liquid component 64 are mixed flows into the inlet 33 from the outside and is stored in the flow path 32. Further, the fluid 63 flows out from the outlet 34 to the outside. While the fluid 63 flowing into the inflow port 33 passes through the flow path 32 and is discharged from the outflow port 34, the component separation device 30 acts to cause the solid component 41 and the liquid component 6 4 included in the fluid 63 and the force. To be separated. In addition, by using silicon as the material of the substrate 31, the component separation device 30 with excellent productivity is realized.
  • the actuator 39 includes a first actuator 39a (hereinafter referred to as “actuator 39a”), a second actuator 39b (hereinafter referred to as “actuator 39b”) and a third actuator 39c (hereinafter referred to as “actuator 39c”). It has four actuators 39d (hereinafter referred to as actuators 39d)! Actuators 39a, 39b, 39c, 39d Are provided in parallel along both sides of the channel 32 so as to face each other. The actuators 39a, 39b, 39c, 39d are driven to generate vibrations. The generated vibration is transmitted by the substrate 31, and a standing wave is generated inside the flow path 32.
  • the flow path 32, the actuators 39a, 39b, 39c, 39d and the force substrate 31 are configured to face in the same axial direction (X-axis direction in the figure). As a result, the component separation device 30 with further improved productivity is realized.
  • the component separation device 30 having the four actuators 39a, 39b, 39c, and 39d will be described below. However, by providing at least one activator 39, the component separation device and the component separation method can be realized. By providing a plurality of the actuators 39, the effect of the actuator 39 is exhibited, and a small component separation device 30 having high separation performance is realized.
  • the actuators 39a, 39b, 39c, and 39d are provided on a lower surface 62 that is a surface opposite to the upper surface 61 of the substrate 31 on which the flow path 32 is provided.
  • the arrangement positions of the actuators 39a, 39b, 39c, 39d and the flow path 32 do not interfere with each other, so that the actuator can be arranged freely.
  • the generation of standing waves in the flow path 32 can be easily obtained.
  • the flow path 32 can be easily sealed with a glass substrate (not shown) or the like. This allows the components to be separated while visually confirming the component separation status.
  • the actuator 39 is composed of the lower electrode 36, the piezoelectric body 37, and the upper electrode 38 in the order of contact with the substrate 31.
  • the respective actuators 39a, 39b, 39c, 39d are respectively connected to the lower electrodes 36a, 36b, 36c, 36d and the respective piezoelectric bodies 37a, 37b, 37c, 37d, and the respective upper electrodes 38a, 38b, 38c, 38d.
  • the lower electrode 36a, 36b, 36c, 36d is made of at least one of titanium and platinum as a constituent material.
  • Piezoelectric bodies 37a, 37b, 37c, and 37d are composed of Klead Zirconate Titanate).
  • the upper electrodes 38a, 38b, 38c, and 38d are made of at least one of titanium and gold as a constituent material.
  • the actuators 39a, 39b, 39c, 39d having such a configuration generate a large displacement even when the supplied power is low voltage. As a result, vibration is efficiently generated. More
  • the actuators 39a, 39b, 39c, and 39d have a laminated structure with excellent adhesion, even if large displacement vibrations are continuously generated, excellent durability is achieved in terms of reliability.
  • the materials constituting the actuators 39a, 39b, 39c, 39d can form a highly accurate pattern, the actuators 39a, 39b, 39c, 39 (1 For this reason, the actuators 39a, 39b, 39c, and 39d realize more efficient standing wave generation, and as a result, a compact and high-performance component separation device 30 can be easily realized.
  • a standing wave is efficiently generated inside the flow path 32 by providing a pair of actuators 39 on both sides of the flow path 32.
  • a combination of the end-actuator 39a and the actuator 39b, or a combination of the actuator 39c and the actuator 39d is configured such that the actuators 39 are arranged in pairs on both sides of the flow path 32.
  • standing waves having different frequencies can be generated inside the flow path 32.
  • the combination of the actuator 39a and the actuator 39c, or the combination of the actuator 39b and the actuator 39d is configured such that the actuator 39 is paired in the direction parallel to the flow path 32. If multiple actuators 39a, 39b, 39c, 39d are installed efficiently, the interaction of multiple actuators 39a, 39b, 39c, 39d will ensure that To be demonstrated.
  • a groove 35 is provided in a portion around the actuators 39a, 39b, 39c, 39d where the flow path 32 is not formed.
  • the groove 35 is formed in the shape of a through hole that completely penetrates from the upper surface 61 to the lower surface 62 of the substrate 31.
  • the energy loss of the standing wave generated in the flow path 32 is reduced.
  • the provision of the groove 35 prevents the vibrations generated by the actuators 39a, 39b, 39c, 39d from diffusing around the substrate 31.
  • vibrations are efficiently concentrated on the flow path 32 and transmitted.
  • standing waves with higher strength are generated.
  • a groove 35 is formed so as to separate adjacent actuators 39.
  • the adjacent activator 39 is, for example, the relationship between the activator 39a and the activator 39c, or the relationship between the activator 39b and the activator 39d.
  • the groove 35 is formed in the portion around the actuators 39a, 39b, 39c, 39d where the flow path 32 is not formed.
  • vibrations generated by the actuators 39a, 39b, 39c, 39d are reflected by the wall surface 65 of the groove 35 and are transmitted to the flow path 32 side.
  • the loss of vibration that propagates in directions other than the direction of the flow path 32, such as the actuators 39a, 39b, 39c, and 39d is reduced. From this, the vibration to the flow path 32 can be easily controlled. As a result, an efficient component separation device 30 is realized.
  • FIGS. 5 to 8 are plan views when the component separation device 30 is observed from the upper surface 61 side, and particularly shows the vicinity of the flow path 32.
  • FIG. 5 to 8 are plan views when the component separation device 30 is observed from the upper surface 61 side, and particularly shows the vicinity of the flow path 32.
  • a fluid 63 that is a mixture of the solid component 41 and the liquid component 64 is introduced from the inflow port 33.
  • the fluid 63 is accommodated in the flow path 32, and flows out from the outlet 34 after filling the flow path 32.
  • the fluid flow 40 indicates the direction in which the fluid 63 flows. Normally, when the component separation device 30 is not activated, the fluid 63 flows through the flow path 32 in a state where the solid component 41 and the liquid component 64 are irregularly mixed.
  • a high frequency voltage is applied to the actuator 39a.
  • the actuator 39a generates ultrasonic vibration when a high frequency voltage is applied.
  • the ultrasonic vibration generated from the actuator 39 a is transmitted to the substrate 31, and a standing wave is generated inside the flow path 32.
  • the standing wave has one node 70 that is an odd number parallel to the flow path 32.
  • the fluid 63 accommodated in the flow path 32 flows in the flow path 32 so that the solid component 41 aggregates into the nodes 70.
  • a solid component flow 43 in which the solid component 41 is aggregated hereinafter referred to as flow 43
  • a liquid component flow 42 in which the solid component 41 is diluted hereinafter referred to as flow 43).
  • one node 70 is formed inside the flow path 32.
  • This realizes a small component separation device 30 in which the solid component 41 aggregates at the node 70 in the center of the flow path 32 and the solid component 41 can be easily taken out.
  • the component separation device 30 is driven at a low voltage, the component separation device 30 realizes a component separation method in which the components are efficiently separated.
  • a high frequency voltage having the same frequency as the high frequency voltage applied to the actuator 39a and having a phase inverted by 180 degrees is applied to the actuator 39b.
  • the strength of the standing wave formed in the flow path 32 is increased. That is, a stronger standing wave having one node 70 formed parallel to the flow path 32 is formed inside the flow path 32.
  • a strong standing wave exerts the effect of strengthening the solid component 41 to agglomerate into node 70. This enhances the separation performance for separating the solid component 41 from the fluid 63.
  • a high frequency voltage having the same frequency and the same phase as the high frequency voltage applied to the actuator 39a is applied to the actuator 39c.
  • a high frequency voltage having the same frequency and the same phase as the high frequency voltage applied to the actuator 39b is applied to the actuator 39d.
  • a stronger standing wave is generated inside the channel 32.
  • the standing wave has one node 70 parallel to the flow path 32 inside the flow path 32.
  • the standing wave having a stronger strength exerts an effect of further strengthening the force that the solid component 41 aggregates to the node 70. From this fact, the separation performance for separating the solid component 41 from the fluid 63 is further enhanced.
  • a flow 42 is created at the center of the flow path 32, and a flow 43 is created on the wall surface 32 a side of the flow path 32. Then, after the fluid 63 flows out from the outlet 34, the flow 42 and the flow 43 are branched, so that the fluid 65 in which the solid component 41 is aggregated is also extracted from the wall 32a side force of the flow path 32, and the flow path 32 The liquid component 64 is also extracted from the center force. That is, the liquid component 64 is efficiently extracted from the fluid 63.
  • a high frequency voltage having the same frequency and the same phase as the high frequency voltage applied to the actuator 39a is applied to the actuator 39b.
  • a standing wave having higher strength and having two nodes 71 inside the channel 32 is generated.
  • a strong standing wave exerts an effect of strengthening the force that solid component 41 aggregates to node 71.
  • the liquid component 64 can be separated from the fluid 63 more efficiently.
  • the rate at which the solid component aggregates into the nodes of the standing wave varies depending on the properties of the particles of the solid component, for example, the size of the particles. In other words, the larger the size of the particle, the greater the effect of pressure received from the standing wave. This causes large particles to aggregate in nodes 70 and 71 faster than small particles. Utilizing such properties, it is possible to separate solid components according to the size of the particles.
  • a first region 72 (hereinafter referred to as region 72) in which a standing wave having an odd number of nodes 70 is generated inside the flow path 32 and a standing state having an even number of nodes 71 are generated.
  • Second wave is generated Region 73 (hereinafter referred to as region 73).
  • region 73 This facilitates separation of liquid components and solid components, or separation of solid components having different properties. That is, when the fluid moves from the region 72 where the standing wave having the node 70 is generated to the region 73 where the standing wave having the node 71 is generated, two or more kinds of solid components having different properties are added to the node 70. , 71 Use the speed difference to gather.
  • the component separation method using the difference in speed gathered in Sections 70 and 71 will be described in detail below with reference to FIGS.
  • the fluid 63 is introduced into the flow path 32 from the inflow port 33.
  • the fluid 63 is a mixed fluid in which the solid component 41 and the liquid component 64 are mixed.
  • the solid component 41 includes a first solid component 41a (hereinafter referred to as solid component 41a) and a second solid formed component 41b (hereinafter referred to as solid component 4 lb) having different sizes. Yes.
  • the solid component 41a has a smaller particle size than the solid component 41b.
  • the fluid 63 flows in the flow path 32 in a state where the solid components 41a and 41b and the liquid component 64 are irregularly mixed.
  • the ultrasonic vibration generated from the actuator 39 a is transmitted to the substrate 31 to generate a standing wave inside the flow path 32.
  • the standing wave generated by the actuator 39 a has one node 70 that is an odd number parallel to the flow path 32.
  • the fluid 63 accommodated in the flow path 32 flows in the flow path 32 so that the solid components 41 a and 41 b aggregate in the node 70 in the region 72.
  • the ultrasonic vibration generated from the actuator 39c is transmitted to the substrate 31 and generates a standing wave in the flow path 32.
  • the standing wave generated by the actuator 39c has two even-numbered nodes 71 parallel to the flow path 32.
  • the solid component 41b aggregates in the node 71, and the solid component 41a is affected by the standing wave. Accordingly, the high frequency voltage applied to the actuator 39c is controlled so that a standing wave of a certain intensity is generated without agglomerating in section 71.
  • a solid component flow 43b (hereinafter referred to as flow 43b) in which the solid component 41b aggregates is created on the wall surface 32a side of the flow channel 32, and a solid component is formed at the center of the flow channel 32.
  • a solid component stream 43a (hereinafter referred to as stream 43a) is produced in which component 41a agglomerates.
  • a high frequency voltage is applied to each of the actuator 39a and the actuator 39c.
  • Each of the actuators 39a and 39c generates ultrasonic vibration when a high frequency voltage is applied.
  • a standing wave having two even-numbered nodes 71 parallel to the flow path 32 is generated inside the flow path 32.
  • the fluid 63 accommodated in the flow path 32 flows in the flow path 32 such that the solid components 41a and 41b are aggregated into the nodes 71.
  • a high frequency voltage is applied to the actuator 39c, a standing wave having one node 70 that is an odd number parallel to the flow path 32 is generated inside the flow path 32.
  • the solid component 41b is agglomerated at the node 70, and the solid component 41a is not affected by the standing wave, and the standing wave having a strength that does not agglomerate at the node 70 is generated.
  • the high frequency voltage applied to the converter 39c is controlled.
  • a flow 43a in which the solid component 41a aggregates on the wall surface 32a side of the flow path 32 is created, and a flow 43b in which the solid component 41b aggregates in the center of the flow path 32 is created. It is. Therefore, the solid component 41a and the solid component 41b having different sizes are efficiently separated.
  • a predetermined high-frequency voltage may be applied to the actuators 39b and 39d in order to increase the strength of the standing waves generated by the opposing actuators 39a and 39c via the flow path 32.
  • the solid component 41a and the solid component 41b having different sizes can be separated by the combination of the activator 39a and the activator 39d, which is not limited to the combination of the activator 39a and the activator 39c. Good.
  • the separation according to the size of the particles has been described.
  • the above-described component separation method can be applied.
  • the component separation device 30 realizes an efficient component separation method.
  • 9 to 14 are cross-sectional views showing the procedure for manufacturing the component separation device according to the first embodiment.
  • a first electrode layer 44 (hereinafter referred to as an electrode layer 44), a piezoelectric layer 45, and a second electrode layer 46 are sequentially formed on a substrate 31 having a silicon force. (Hereinafter referred to as electrode layer 46) is formed.
  • the electrode layer 44 includes at least one of titanium and platinum.
  • the piezoelectric layer 45 contains lead zirconate titanate.
  • the electrode layer 46 includes at least one of titanium and gold.
  • the electrode layer 44, the piezoelectric layer 45, and the electrode layer 46 are formed by thin film technology.
  • the thin film forming method used for forming the electrode layers 44 and 45 is a commonly used thin film forming method such as sputtering or vapor deposition.
  • a thin film forming method used for forming the piezoelectric layer 45 a sputtering method, a hydrothermal synthesis method, a sol-gel method, or the like can be applied.
  • the piezoelectric layer 45 formed by sputtering using a material such as lead zirconate titanate provides a piezoelectric thin film with high piezoelectric characteristics and stable displacement.
  • a first resist mask 47 (hereinafter referred to as mask 47) having a predetermined pattern is formed on the uppermost electrode layer 46.
  • the mask 47 is used as an etching mask.
  • the electrode layer 46 is patterned by etching.
  • the upper electrode 38 is formed.
  • the mask 47 is removed by an etching method or the like.
  • a second resist mask 18 (hereinafter referred to as a mask 48) having a predetermined pattern is formed on the upper electrode 38.
  • the mask 48 as a mask for etching, as shown in FIG. 11, the piezoelectric layer 45 is patterned by etching and divided in the same manner. As a result, the piezoelectric body 37 is formed. Thereafter, the mask 48 is removed by an etching method or the like.
  • a third resist mask 49 (hereinafter referred to as a mask 49) having a predetermined pattern is formed so as to cover the upper electrode 38 and the piezoelectric body 37.
  • the electrode layer 44 is patterned by etching, as shown in FIG. As a result, the lower electrode 36 is formed. Thereafter, the mask 49 is removed by an etching method or the like.
  • a fourth resist mask 50 (hereinafter referred to as a mask 50) having a predetermined pattern is formed on the upper surface 61.
  • the mask 50 as an etching mask, the substrate 31 is patterned by etching as shown in FIG. As a result, the flow path 32 is formed. Thereafter, the mask 50 is removed by an etching method or the like.
  • a fifth resist mask 51 (hereinafter referred to as mask 51) having a predetermined pattern is formed on the lower surface 62.
  • the mask 51 as an etching mask, the substrate 31 is etched as shown in FIG. As a result, a groove 35 is formed in the substrate 31. At this time, the deeper the groove 35, the less the vibration leaks, and the more efficiently the vibration is reflected. Therefore, the groove 35 is preferably a through hole. After the trench 35 is formed, the mask 51 is removed by an etching method or the like.
  • a dry etching method is used as a method for etching the substrate 31.
  • the finely shaped flow path 32 and the groove 35 are processed and formed with high accuracy.
  • dry etching is performed by mixing a gas that promotes etching and a gas that suppresses etching. As a result, the flow path 32 and the groove 35 are processed with higher accuracy.
  • the component separation device 30 is manufactured by the above manufacturing method.
  • the groove 35 has a shape of a through hole.
  • the groove 35 has a first opening 52 on the lower surface 62 side (hereinafter referred to as the opening 52) and a second opening 53 on the upper surface 61 side (hereinafter referred to as the opening 53).
  • the groove 35 is not necessarily limited to the through hole.
  • the groove 35a may have a hole shape having an opening 52 that opens only on the lower surface 62 side and a bottom that does not open on the upper surface 61 side.
  • the vibration generated by the actuator 39 is reflected to the wall surface 65a of the groove 35a and the reflected wave is transmitted to the flow path 32. Furthermore, since there is no opening on the upper surface 61 side, the fluid 63 can be prevented from leaking through the groove 35a. Furthermore, a high strength component separation device 30a with mechanical strength is realized.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view showing the configuration of the component separation device according to the second embodiment of the present invention.
  • the difference between the second embodiment and the first embodiment is the cross-sectional shape of the groove.
  • the groove 35b in the second embodiment includes a first opening 52b on the lower surface 62 side (hereinafter referred to as opening 52b) and a second opening 53b on the upper surface 61 side (hereinafter referred to as opening 53b).
  • Opening 52b is smaller than the opening 53b.
  • the angle formed by the wall surface 65b on the flow path side of the groove 35b and the lower surface 62 on which the actuator 39 is provided is an acute angle.
  • the vibration generated by the actuator 39 has a vibration component directly transmitted to the flow path 32 and a reflected wave reflected to the wall surface 65b of the groove 35b and transmitted to the flow path 32. Since the opening 52b is smaller than the opening 53b, the wall surface 65b has an inclination, and the distance that the reflected wave reaches the flow path 32 is shortened. As a result, vibration is efficiently transmitted from the actuator 39 to the flow path 32. As a result, the strength of the standing wave formed inside the flow path 32 is increased.
  • the vibration generated by the actuator 39 can use a reflected wave having a short distance to reach the flow path 32.
  • the incident angle at which the standing wave transmitted to the flow channel 32 enters the wall surface 32a of the flow channel 32 becomes sharper. This makes it more efficient
  • the component separation device 30b that can separate the components is realized.
  • the groove 35b is formed as a through hole having openings 52b and 53b having different sizes by a wet etching method. For example, by performing etching while utilizing the crystal anisotropy of the substrate 31, the substrate 31 having the inclined wall surface 65b is manufactured.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view showing the configuration of the component separation device according to the third embodiment of the present invention.
  • the third embodiment differs from the first and second embodiments in the cross-sectional shape of the groove.
  • the groove 35c in the third embodiment includes a first opening 52c on the lower surface 62 side (hereinafter referred to as an opening 52c) and a second opening 53c on the upper surface 61 side (hereinafter referred to as an opening 53c). Have. Then, the opening 52c and the opening 53c are connected by the wall surface 65c.
  • the cross-sectional shape of the wall surface 65c is configured by an arc or an elliptic curve having a center on the groove 35c side.
  • an actuator 39 is provided on the movable portion 54 of the substrate 31. Since the cross-sectional shape of the wall surface 65c is an arc or an elliptic curve, the thickness of the movable part 24 is thin. For this reason, the vibration of the actuator 39 is transmitted to the flow path 32, and a standing wave with higher strength is obtained immediately.
  • the groove 35c having such a shape is formed by, for example, an isotropic dryer using XeF, SF gas, or the like.
  • It can be formed by an etching method. That is, by the isotropic dry etching method, the side force of the substrate 53 is also etched, and the shape of the groove 35c can be easily obtained.
  • the present invention can easily separate each component from a fluid in which a liquid component and a solid component are mixed, represented by blood, emulsion, and the like. Used in containers.

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Abstract

　成分分離デバイス（３０）は、基板（３１）と基板（３１）に設けられた流路（３２）とアクチュエータ（３９）とアクチュエータ（３９）の周囲に設けられた溝（３５）とを有し、流路（３２）は、液体成分と固形成分とを含有する流体を収納し、アクチュエータ（３９）は流路（３２）内に定在波を発生させる。この構成により、振動が溝で反射し流路（３２）側へ伝達されることによって振動ロスが低減され、流路（３２）内に強度の強い定在波が発生し、小型、高精度な成分分離デバイス（３０）が提供される。

Description

明 細 書
成分分離デバイスおよび成分の分離方法
技術分野
[0001] 本発明は、血液、乳液などに代表される、液体成分と固形成分とが混合された流体 を、それぞれの成分に分離するための成分分離デバイスおよび成分の分離方法に 関する。
背景技術
[0002] 固形成分と液体成分とが混合された流体は、例えば、河川水、海水、血液、乳液な どが挙げられる。これらの流体に含まれる、砂、細菌、血球細胞、乳剤などの固形成 分は沈殿や分散などの状態で流体内に存在する。つまり、固形成分は液体成分に 溶融することなぐ固形として存在する。
[0003] 例えば、血球'血漿分離装置などの、固形成分と液体成分とが混合された流体から 、それぞれの成分を分離する方法、装置について、以下、説明する。
[0004] 通常、検査のために採取される血液は、液体成分である血漿と固形成分である血 球細胞とその他の成分とから構成された全血状態で採取される。しかしながら、血液 を検査するために必要な成分は、血球細胞部分のみであったり、逆に血漿部分のみ であったりする場合が多い。例えば、血液中の血糖値を検査するためには、血漿成 分中に溶融している血糖が測定される。また、 DNAを検出するためには、血球の一 種である白血球細胞力 DNAが取り出される。
[0005] このため、血液を検査するために、検査に先立って、血液中に存在するそれぞれの 成分を分離する工程が用いられている。従来の成分の分離方法は、採取された全血 状態の血液を試験管中に入れ、遠心分離器に装着して所定の遠心力を加えることに よって、血漿'血球成分に分離する方法が一般的である。
[0006] このように、試験管内の全血状態の血液は、遠心分離器によって遠心力が加えら れる。このことによって、それぞれの成分に応じた遠心力を受け、質量の違いによつ てそれぞれの成分に分離される。その後、上澄み液が抽出されることによって、血漿 成分が取り出される。また、沈殿物から血球成分などが取り出される。その後、それぞ れの成分は検査工程にぉ 、て所定の測定が行われ、検査される。
[0007] なお、遠心分離器による成分の分離は、遠心分離器の動作上、一定以上の量の流 体が必要とされ、サンプル量が少な ヽ場合にはあまり適さな ヽ。
[0008] また、微量の液体のサンプルを分離する方法として、フィルタ (filter)を用いる方法 もある。この方法は、ヨング（Yong— Kyu Yoon)らによって開示されている方法で あり、フィルタの多孔質性を利用している。例えば、所定の大きさ以上の血球を濾過 することによって、血漿成分を得たり、逆に、血球を取り出したりする。この方法は、フ ィルタの穴サイズ'数などが分離特性に影響を与える。したがって、どの成分を分離 するかによつて、最適なフィルタを設計することが要求される。また、フィルタの穴サイ ズ '数などを精度良く再現することも要求される。例えば、フィルタの穴サイズ'数など を精度良く再現する方法は、感光性レジストを立体的に感光させることによって、メッ シュ状のフィルタを得る方法である。この方法は、例えば、 Yong -Kyu Yoon「Inte grated vertical screen microinter system using inclined SU— 8 stru cture.」 MEMS2003、Kyoto、 PP. 227— 230 IEEE発行 などに開示されて いる。
[0009] さらに、流体内に懸濁した粒子のマニピュレーション（manipulation)を行うための 装置なども利用される。これらの成分分離方法は、特表 2001— 525722号公報（以 下、特許文献 1と呼ぶ。）などに開示されている。特許文献 1に開示された成分分離 装置は、ダクト（duct)と、超音波トランスデューサ（transducer)と、リフレクタ（reflec tor)とを有する。ダクトは、粒子を懸濁した流体を流すために設けられている。超音 波トランスデューサはダクトの片側に配置され、リフレクタはダクトの反対側に配置され ている。ダクトと超音波トランスデューサとリフレクタとによって、ダクトを幅方向に横切 る音響定在波振動（以下、定在波と呼ぶ）が発生させられる。この定在波によって、流 体中に懸濁する粒子が凝集して、ダクトの縦軸に平行な一つ以上の平面の帯となる 。これらのことによって、固形成分である粒子と液体成分とが分離される。
[0010] この構成では、超音波トランスデューサが、直接ダクトの内部に接しているため、ダ タト内を流れる流体力も汚染を受けることがある。また、超音波トランスデューサがダク トの一部を構成している。このことによって、超音波トランスデューサの設計自由度が なぐさらに、ダクトと超音波トランスデューサとの高精度な位置決めが難しい。
発明の開示
[0011] 本発明は、強度の強い音響定在波を発生させることによって、微少量のサンプルで あっても、高精度に各成分の分離をすることができる成分分離デバイスと成分の分離 方法とを提供する。
[0012] 本発明の成分分離デバイスは、基板と基板に設けられた流路とァクチユエ一タとァ クチユエータの周囲に設けられた溝とを有し、流路は、液体成分と固形成分とを含有 する流体を収納し、ァクチユエータは流路内に定在波を発生させる。この構成により、 振動が溝で反射し流路側へ伝達されることによって振動ロスが低減され、流路内に 強度の強い定在波が発生し、小型、高精度な成分分離デバイスが提供される。
[0013] また、本発明の成分の分離方法は、流体収納ステップと定在波生成ステップと反射 ステップと分離ステップとを有し、流体収納ステップは、液体成分と固形成分とを含有 する流体を基板に設けられた流路に収納し、定在波生成ステップは、流路に対向し て設けられた複数のァクチユエータに高周波電圧を印カロして振動を発生させて、流 路の内部に節を有する定在波を発生させ、反射ステップは、ァクチユエータの流路側 を除く周囲に設けられた溝によって、振動を反射させ、分離ステップは、流体から少 なくとも液体成分と固形成分とのいずれか一方を分離する。この構成により、振動が 溝で反射し流路側へ伝達されることによって振動ロスが低減され、流路内に強度の 強 ヽ定在波が発生し、高精度な成分の分離方法が提供される。
図面の簡単な説明
[0014] [図 1]図 1は本発明の実施の形態 1における成分分離デバイスの構成を示す斜視図 である。
[図 2]図 2は図 1に示す成分分離デバイスを裏面より見た斜視図である。
[図 3]図 3は図 1に示す成分分離デバイスの平面図である。
[図 4]図 4は図 3に示す成分分離デバイスの 4—4線における断面図である。
[図 5]図 5は図 1に示す成分分離デバイスを用いた成分の分離方法を説明するため の模式図である。
[図 6]図 6は図 1に示す成分分離デバイスを用いた成分の分離方法を説明するため の模式図である。
圆 7]図 7は図 1に示す成分分離デバイスを用いた成分の分離方法を説明するため の模式図である。
圆 8]図 8は図 1に示す成分分離デバイスを用いた成分の分離方法を説明するため の模式図である。
圆 9]図 9は図 1に示す成分分離デバイスの製造方法を説明するための断面図である 圆 10]図 10は図 1に示す成分分離デバイスの製造方法を説明するための断面図で ある。
圆 11]図 11は図 1に示す成分分離デバイスの製造方法を説明するための断面図で ある。
圆 12]図 12は図 1に示す成分分離デバイスの製造方法を説明するための断面図で ある。
圆 13]図 13は図 1に示す成分分離デバイスの製造方法を説明するための断面図で ある。
圆 14]図 14は図 1に示す成分分離デバイスの製造方法を説明するための断面図で ある。
圆 15]図 15は別の態様の成分分離デバイスの構成を示す断面図である。
[図 16]図 16は本発明の実施の形態 2における成分分離デバイスの構成を示す断面 図である。
[図 17]図 17は本発明の実施の形態 3における成分分離デバイスの構成を示す断面 図である。
符号の説明
31 基板
32 流路
33 流入口
34 流出口
35, 35a, 35b, 35c 溝 , 36a, 36b, 36c, 36d 下部電極, 37a, 37b, 37c, 37d 圧電体, 38a, 38b, 38c, 38d 上部電極 ァクチユエータ
a 第一のァクチユエータb 第二のァクチユエータc 第三のァクチユエータd 第四のァクチユエータ
流体の流れ
固形成分
a 第一の固形成分
b 第二の固形成分
液体成分の流れ
, 43a, 43b 固形成分の流れ 第一の電極層
圧電体層
第二の電極層
第一のレジストマスク
第二のレジストマスク
第三のレジストマスク
第四のレジストマスク
第五のレジストマスク
, 52b, 52c 第一の開口部, 53b, 53c 第二の開口部
可動部
上面
下面
, 63a, 65 流体 64 液体成分
65, 65a, 65b, 65c 壁面
70, 71 節
発明を実施するための最良の形態
[0016] (実施の形態 1)
以下、本発明の実施の形態 1における成分分離デバイスおよびこれを用いた成分 の分離方法にっ 、て図面を用いて説明する。
[0017] 図 1は、本発明の実施の形態 1における成分分離デバイスの構成を示す斜視図で ある。図 2は、図 1に示す成分分離デバイスを下面側より見た斜視図である。図 3は、 図 1示す成分分離デバイスの平面図である。また、図 4は、図 3に示す成分分離デバ イスの 4— 4線における断面図である。
[0018] また、図 5〜図 8は、図 1に示す成分分離デバイスを用いた成分の分離方法を説明 するための模式図である。さらに、図 9〜図 14は、図 1に示す成分分離デバイスの製 造方法を説明するための断面図である。
[0019] 図 1〜図 4において、基板 31はシリコン（silicon)を材料として形成されている。基 板 31に、所定の幅と深さとを有する流路 32が形成されている。流路 32は、基板 31の 上面 61側に設けられている。流路 32の両端に、流入口 33と流出口 34と力設けられ ている。固形成分 41と液体成分 64とが混合された流体 63が、外部より流入口 33へ 流入され、流路 32に収容される。さらに、流体 63は流出口 34から外部へ流出される 。流入口 33へ流入される流体 63が流路 32を通過して流出口 34から排出される間に 、成分分離デバイス 30の働きによって、流体 63に含まれる固形成分 41と液体成分 6 4と力分離される。また、基板 31の材料にシリコンが利用されることによって、生産性 に優れた成分分離デバイス 30が実現される。
[0020] また、基板 31の下面 62側にァクチユエータ（actuator) 39が設けられている。ァク チユエータ 39は、第一のァクチユエータ 39a (以下、ァクチユエータ 39aと呼ぶ）と第 二のァクチユエータ 39b (以下、ァクチユエータ 39bと呼ぶ）と第三のァクチユエータ 3 9c (以下、ァクチユエータ 39cと呼ぶ）と第四のァクチユエータ 39d (以下、ァクチユエ ータ 39dと呼ぶ）とを有して! /、る。ァクチユエータ 39a、 39b、 39c、 39dは、流路 32を 介して対向するように、流路 32の両側に沿ってそれぞれ平行に設けられている。ァク チユエータ 39a、 39b、 39c、 39dが駆動されることによって、振動を発生する。発生し た振動が基板 31によって伝達され、流路 32の内部に定在波が発生する。
[0021] 流路 32とァクチユエータ 39a、 39b、 39c、 39dと力 基板 31の同一軸方向（図中 X 軸方向）に向いて構成されている。このことによって、生産性がさらに優れる成分分離 デバイス 30が実現される。
[0022] なお、以下、 4つのァクチユエータ 39a、 39b、 39c、 39dを有する成分分離デバィ ス 30について説明する。し力しながら、ァクチユエータ 39は少なくとも一つが設けら れることによって、成分分離デバイスと成分の分離方法は実現可能である。なお、複 数個のァクチユエータ 39を設けることによって、ァクチユエータ 39の作用効果が発揮 され、高 ヽ分離性能を有する小型の成分分離デバイス 30が実現される。
[0023] また、ァクチユエータ 39a、 39b、 39c、 39dは、それぞれ流路 32が設けられた基板 31の上面 61と反対側の面である下面 62に設けられている。このことによって、ァクチ ユエータ 39a、 39b、 39c、 39dと流路 32との配置位置が干渉しないため、自由にァ クチユエータを配置することができる。このことから、流路 32内の定在波の発生が容 易に得られる。さらに、ガラス基板（図示せず)などによる流路 32の封止が容易に行 える。このことによって、成分の分離の状況を目視で確認しながら、成分の分離が行 われる。
[0024] また、ァクチユエータ 39は、基板 31に接する順に、下部電極 36と、圧電体 37と、上 咅電極 38と力ら構成されて!ヽる。それぞれのァクチユエータ 39a、 39b、 39c、 39dは 、それぞれの下部電極 36a、 36b, 36c, 36dと、それぞれの圧電体 37a、 37b, 37c 、 37dと、それぞれの上咅電極 38a、 38b、 38c、 38dと、を有する。下咅電極 36a、 3 6b、 36c、 36dは、少なくともチタン (Titanium)と白金とのいずれか一方を構成材料 として ヽる。圧電体 37a、 37b、 37c、 37dは、チタン酸ジノレコン酸 KLead Zircona te Titanate)を構成材料として!/、る。上咅電極 38a、 38b、 38c、 38dは、少なくとも チタンと金との 、ずれか一方を構成材料として 、る。
[0025] このような構成のァクチユエータ 39a、 39b、 39c、 39dは、供給される電力が低電 圧であっても大きな変位を発生する。このことによって、効率よく振動を発生する。さら に、ァクチユエータ 39a、 39b、 39c、 39dは、密着力に優れた積層構造を有すること から、大きな変位の振動を連続して発生させても、信頼性において優れた耐久性を 実現する。また、ァクチユエータ 39a、 39b、 39c、 39dを構成する材料は、高精度な パターン形成が可能なことから、流路 32に対して高精度な位置にァクチユエータ 39a 、 39b、 39c、 39(1カ 置される。このため、ァクチユエータ 39a、 39b、 39c、 39dは、 さらに効率のよい定在波の発生を実現する。この結果、小型、高性能の成分分離デ バイス 30が容易に実現される。
[0026] 図 1と図 2とに示すように、流路 32の両側にァクチユエータ 39がそれぞれ一対で設 けられることによって、効率的に流路 32の内部に定在波が発生する。例えば、了クチ ユエータ 39aとァクチユエータ 39bとの組み合わせ、または、ァクチユエータ 39cとァク チユエータ 39dとの組み合わせが流路 32の両側にァクチユエータ 39がー対で配置 される構成である。また、流路 32と平行な方向にァクチユエータ 39がそれぞれ一対 で設けられることによって、流路 32の内部に異なる周波数の定在波を発生させること もできる。例えば、ァクチユエータ 39aとァクチユエータ 39cとの組み合わせ、または、 ァクチユエータ 39bとァクチユエータ 39dとの組み合わせが流路 32と平行な方向にァ クチユエータ 39がー対で配置される構成である。複数のァクチユエータ 39a、 39b、 3 9c、 39d力効率よく設置されて!ヽれば、、複数のァクチユエータ 39a、 39b、 39c、 39d の相互作用によって、ァクチユエータ 39a、 39b、 39c、 39dの機能が十分に発揮さ れる。
[0027] さらに、ァクチユエータ 39a、 39b、 39c、 39dの周囲の、流路 32の形成されていな い部分に溝 35が設けられている。図 4に示すように、溝 35が、基板 31の上面 61から 下面 62まで完全に貫通する貫通孔の形状で形成されている。このこと〖こよって、流 路 32に生成される定在波のエネルギ一'ロス（energy loss)が低減される。つまり、 溝 35が設けられることによって、ァクチユエータ 39a、 39b、 39c、 39dによって発生さ せられる振動が基板 31の周囲への拡散することが抑制される。このことによって、流 路 32に対して効率よく集中して振動が伝達される。このことから、さらに強度の強い 定在波が発生する。また、隣接するァクチユエータ 39を区分するようにして溝 35が形 成されている。このことによって、隣接するァクチユエータ 39が異なる周波数で駆動さ れる場合、異なる周波数の振動の干渉が防止される。隣接するァクチユエータ 39と は、例えば、ァクチユエータ 39aとァクチユエータ 39cとの関係、または、ァクチユエ一 タ 39bとァクチユエータ 39dとの関係である。
[0028] このように、ァクチユエータ 39a、 39b、 39c、 39dの周囲の、流路 32の形成されて いない部分に溝 35が形成されている。このことによって、ァクチユエータ 39a、 39b、 39c、 39dが発生する振動は、溝 35の壁面 65において反射し、流路 32側へ伝わる。 この結果、ァクチユエータ 39a、 39b、 39c、 39d力ら、流路 32の方向以外に伝播する 振動のロスが低減される。このことから、流路 32への振動の制御を容易に行うことが できる。この結果、効率の良い成分分離デバイス 30が実現される。
[0029] 次に、成分分離デバイス 30を用いて、流体から固形成分と液体成分とのそれぞれ の成分を分離する方法について図 5と図 6とを用いて説明する。また、性質の異なる 固形成分をそれぞれ分離する分離方法について図 7と図 8とを用いて説明する。図 5 〜図 8はそれぞれ、成分分離デバイス 30を上面 61側から観察したときの平面図であ り、特に流路 32近傍を示している。
[0030] まず、固形成分 41と液体成分 64とが混合された混合物である流体 63が流入口 33 より流入される。流体 63は流路 32に収容され、流路 32を満たした後、流出口 34より 流出する。流体の流れ 40は、流体 63の流れる方向を示している。通常、成分分離デ バイス 30が作動しない状態では、流体 63は固形成分 41と液体成分 64とが不規則 に混ざり合った状態で流路 32内を流れる。
[0031] 成分分離デバイス 30を動作させる場合、ァクチユエータ 39aに高周波電圧が印加 される。ァクチユエータ 39aに印加される高周波電圧の周波数は、流路 32の幅 Wが 波長えの 1Z2 ( λ = 2 X W)となる超音波帯域の周波数である。ァクチユエータ 39a は高周波電圧が印加されると超音波振動を発生する。ァクチユエータ 39aから発生 する超音波振動は基板 31に伝達されて、流路 32の内部に定在波が発生する。定在 波は、流路 32に平行な奇数である一つの節 70を有する。流路 32の内部に収容され ている流体 63は、固形成分 41が節 70に凝集するようにして流路 32内を流動する。 このこと〖こよって、図 5に示すように、固体成分 41が凝集した固形成分の流れ 43 (以 下、流れ 43と呼ぶ）と固形成分 41が希薄になった液体成分の流れ 42 (以下、流れ 4 2と呼ぶ）とが作り出される。
[0032] その後、流体 63が流出口 34より流出した後、流れ 42と流れ 43とがそれぞれ分岐さ れる。このことによって、流路 32の壁面 32a側力も液体成分 64が取り出され、流路 32 の中心部から固形成分 41が凝集した流体 65が抽出される。
[0033] このような構成により、流路 32の内部に一つの節 70が形成される。このことによって 、流路 32の中心部において、固形成分 41が節 70に凝集し、固形成分 41の取出し が容易な小型の成分分離デバイス 30が実現される。加えて、成分分離デバイス 30 は低電圧で駆動されるので、成分分離デバイス 30は効率良く成分の分離が行われ る成分の分離方法を実現する。
[0034] カロえて、ァクチユエータ 39aに印加される高周波電圧と同じ周波数を有し、位相が 1 80度反転した高周波電圧がァクチユエータ 39bに印加される。このことによって、流 路 32内に形成される定在波の強度が強められる。つまり、流路 32の内部に流路 32 に平行に形成される一つの節 70を有するさらに強度の強い定在波が形成される。強 度の強い定在波は、固形成分 41が節 70へ凝集する力を強める効果を発揮する。こ のことにより、流体 63から固形成分 41を分離する分離性能が高められる。
[0035] さらに、ァクチユエータ 39aに印加される高周波電圧と同じ周波数と同じ位相とを有 する高周波電圧がァクチユエータ 39cに印加される。同時に、ァクチユエータ 39bに 印加される高周波電圧と同じ周波数と同じ位相とを有する高周波電圧がァクチユエ ータ 39dに印加される。このことによって、更に強度の強い定在波が流路 32の内部 に発生する。同様に、定在波は、流路 32の内部に、流路 32に平行な一つの節 70を 有する。更に強度の強い定在波は、固形成分 41が節 70へ凝集する力を更に強める 効果を発揮する。このこと〖こより、流体 63から固形成分 41を分離する分離性能がさら に高められる。
[0036] 上述のように、奇数の節 70を有する定在波を発生させることによって、流体 63から 固形成分 41が効率よく分離される。なお、流路 32の幅 Wが λ Ζ2、または η λ + λ Ζ2(ηは正の整数）となる高周波電圧力 ァクチユエータ 39a、 39b、 39c、 39dに印 加される。このことによって、流路 32の内部に奇数の節 70を有する定在波が発生す る。 [0037] また、図 6に示すように、流路 32の幅 Wと超音波の波長えとが同一となる周波数（ W= λ )の高周波電圧をァクチユエータ 39aに印加することもできる。この場合、流路 2の内部に発生する定在波は、流路 32に平行した、偶数である 2つの節 71を有する 。節 71を有する定在波が形成される場合、固形成分 41は 2列になって凝集し、 2列 の流れ 43が形成される。
[0038] このような構成によって、図 6に示すように、流路 32の中心部に流れ 42が作り出さ れ、流路 32の壁面 32a側に流れ 43が作り出される。そして、流体 63が流出口 34より 流出した後、流れ 42と流れ 43とが分岐されることによって、固形成分 41が凝集され た流体 65が流路 32の壁面 32a側力も抽出され、流路 32の中心部力も液体成分 64 が抽出される。つまり、効率よく流体 63から液体成分 64が取り出される。
[0039] なお、流路 32の幅 Wが η λ (ηは正の整数）となる高周波電圧がァクチユエータ 39a に印加される。このことによって、流路 32の内部に、流路 32に平行した、偶数の節 7 1を有する定在波が発生する。
[0040] また、ァクチユエータ 39aに印加される高周波電圧と同一の周波数と同位相とを有 する高周波電圧がァクチユエータ 39bに印加される。このことによって、流路 32の内 部に 2つの節 71を有する、さらに強度の強い定在波が発生する。強度の強い定在波 は、固形成分 41が節 71へ凝集する力を強める効果を発揮する。このことにより、さら に効率良く流体 63からの液体成分 64の分離が行える。
[0041] 次に、図 7と図 8とを用いて、大きさの異なる複数種類の固形成分である粒子を含ん だ流体から、それぞれの固形成分を分離するための成分の分離方法について説明 する。
[0042] 定在波の節へ固形成分が凝集する速度は、固形成分の粒子の性質、例えば、粒 子の大きさにより異なる。つまり、大きさが大きい粒子ほど、定在波から受ける圧力の 影響が大きい。このことによって、大きい粒子は小さい粒子よりも速く節 70、 71に凝 集される。このような性質を利用して、粒子の大きさに応じた固形成分の分離が可能 である。
[0043] 例えば、流路 32の内部に、奇数個の節 70を有する定在波が発生している第一の 領域 72 (以下、領域 72と呼ぶ）と偶数個の節 71を有する定在波が発生している第二 の領域 73 (以下、領域 73と呼ぶ）とが形成される。このことにより、液体成分と固形成 分との分離、または、性質の異なる固形成分同志の分離が容易に行われる。つまり、 節 70を有する定在波が発生している領域 72から、節 71を有する定在波が発生して いる領域 73へ流体が移るとき、性質の異なる 2種類以上の固形成分が節 70、 71に 集まる速度の違いを利用する。以下、節 70、 71に集まる速度の違いを利用する成分 の分離方法について、図 7と図 8とを用いて詳細に説明する。
[0044] まず、図 7に示すように、流体 63が、流入口 33から流路 32へ投入される。流体 63 は、固形成分 41と液体成分 64とが混合された混合流体である。固形成分 41は、そ れぞれ大きさの異なる第一の固形成分 41a (以下、固形成分 41aと呼ぶ)と第二の固 形成分 41b (以下、固形成分 4 lbと呼ぶ）とを含んでいる。固形成分 41aは、固形成 分 41bに比べて粒子の大きさが小さい。通常、成分分離デバイス 30が作動しない状 態では、流体 63は固形成分 41a、 41bと液体成分 64とが不規則に混ざり合った状態 で流路 32内を流れる。
[0045] 成分分離デバイス 30を動作させる場合、ァクチユエータ 39aとァクチユエータ 39cと にそれぞれ高周波電圧が印加される。ァクチユエータ 39a、 39cは高周波電圧が印 加されるとそれぞれ超音波振動を発生する。
[0046] ァクチユエータ 39aに印加される高周波電圧の周波数は、流路 32の幅 Wが波長え の ΐΖ2( λ = 2 X W)となる超音波帯域の周波数である。ァクチユエータ 39aから発 生する超音波振動は、基板 31に伝達されて流路 32の内部に定在波を発生させる。 ァクチユエータ 39aによって発生する定在波は、流路 32に平行な奇数である一つの 節 70を有する。流路 32の内部に収容されている流体 63は、領域 72において、固形 成分 41a、 41bが節 70に凝集するようにして流路 32内を流動する。
[0047] また、ァクチユエータ 39cに印加される高周波電圧の周波数は、流路 32の幅 Wが 波長えと同一（ λ =W)となる超音波帯域の周波数である。ァクチユエータ 39cから発 生する超音波振動は、基板 31に伝達されて流路 32の内部に定在波を発生する。ァ クチユエータ 39cによって発生する定在波は、流路 32に平行な偶数の 2つの節 71を 有する。
[0048] このとき、固形成分 41bが節 71に凝集するとともに、固形成分 41aは定在波の影響 を受けに《節 71に凝集しな 、程度の強度の定在波が発生するように、ァクチユエ一 タ 39cに印加される高周波電圧が制御される。このことによって、図 7に示すように、 流路 32の壁面 32a側に固形成分 41bが凝集する固形成分の流れ 43b (以下、流れ 43bと呼ぶ）が作り出され、流路 32の中心部に固形成分 41aが凝集する固形成分の 流れ 43a (以下、流れ 43aと呼ぶ）が作り出される。このことから、それぞれ大きさの異 なる固形成分 41aと固形成分 41bとが効率よく分離される。
[0049] 次に、大きさの異なる固形成分 41aと固形成分 41bとを分離する別の方法について 、図 8を用いて説明する。
[0050] 図 8に示すように、ァクチユエータ 39aとァクチユエータ 39cとにそれぞれ高周波電 圧が印加される。ァクチユエータ 39a、 39cは高周波電圧が印加されるとそれぞれ超 音波振動を発生する。
[0051] ァクチユエータ 39aに印加される高周波電圧の周波数は、流路 32の幅 Wが波長え と同一（λ =W)となる超音波帯域の周波数である。ァクチユエータ 39aは高周波電 圧が印加されることによって、流路 32の内部に、流路 32に平行な偶数の 2つの節 71 を有する定在波が発生する。流路 32の内部に収容されている流体 63は、固形成分 41a、 41bが節 71に凝集するようにして流路 32内を流動する。
[0052] また、ァクチユエータ 39cに印加される高周波電圧の周波数は、流路 32の幅 Wが 波長えの 1Z2 ( λ = 2 X W)となる超音波帯域の周波数である。ァクチユエータ 39c は高周波電圧が印加されることによって、流路 32の内部に、流路 32に平行な奇数で ある一つの節 70を有する定在波が発生する。
[0053] このとき、固形成分 41bが節 70に凝集するとともに、固形成分 41aは定在波の影響 を受けにくぐ節 70に凝集しない程度の強度の定在波が発生するように、ァクチユエ ータ 39cに印加される高周波電圧が制御される。このこと〖こよって、図 8に示すように 、流路 32の壁面 32a側に固形成分 41aが凝集する流れ 43aが作り出され、流路 32 の中心部に固形成分 41bが凝集する流れ 43bが作り出される。このことから、それぞ れ大きさの異なる固形成分 41aと固形成分 41bとが効率よく分離される。
[0054] 以上説明してきたような構成により、性質の異なる 2種類以上の固形成分 41a、 41b を含む流体 63から、固形成分 41a、 41bが節 70、 71に凝集する速度の違いを利用 して、それぞれの固形成分 41a、 41bが分離される。
[0055] なお、ァクチユエータ 39b、 39dの駆動について説明を省略した。しかしながら、流 路 32を介してそれぞれ対向するァクチユエータ 39a、 39cが発生する定在波の強度 を高めるために、ァクチユエータ 39b、 39dに所定の高周波電圧を印加しても良い。
[0056] また、上述のような、ァクチユエータ 39aとァクチユエータ 39cとの組み合わせだけで はなぐァクチユエータ 39aとァクチユエータ 39dとの組み合わせによって、それぞれ 大きさの異なる固形成分 41aと固形成分 41bとを分離してもよい。
[0057] また、それぞれ性質の異なる固形成分 41aと固形成分 41bとの分離について、粒 子の大きさに応じた分離について説明した。しかしながら、粒子の大きさだけではなく 、例えば、固形成分の比重、形状、表面エネルギー、などの特性が異なれば、上述 の成分の分離方法は適用できる。以上、成分分離デバイス 30は、効率のよい成分の 分離方法を実現する。
[0058] 次に、成分分離デバイス 30の製造方法について、図 9〜図 14を用いて説明する。
図 9〜図 14は実施の形態 1における成分分離デバイスの製造の手順を示す断面図 である。
[0059] まず、図 9に示すように、シリコン力もなる基板 31上に、順に、第一の電極層 44 (以 下、電極層 44と呼ぶ）と圧電体層 45と第二の電極層 46 (以下、電極層 46と呼ぶ）と が形成される。電極層 44は少なくともチタンと白金とのいずれか一方を含む。圧電体 層 45はチタン酸ジルコン酸鉛を含む。電極層 46は少なくともチタンと金とのいずれか 一方を含む。電極層 44と圧電体層 45と電極層 46とは薄膜技術によって形成される 。電極層 44、 45の形成に用いられる薄膜形成方法は、スパッタリング、蒸着などの通 常用いられる薄膜形成方法である。
[0060] また、圧電体層 45の形成に用いられる薄膜形成方法は、スパッタリング法、水熱合 成法、ゾルゲル法などが適用可能である。特に、チタン酸ジルコン酸鉛などの材料を 用いて、スパッタリング法によって形成される圧電体層 45は、圧電特性が高ぐ安定 した変位の得られる圧電薄膜が得られる。
[0061] 次に、所定のパターンを有する第一のレジストマスク 47 (以下、マスク 47と呼ぶ）が 最上層の電極層 46の上に形成される。そして、マスク 47をエッチング用のマスクとし て、図 10に示すように、電極層 46がエッチングによってパターユングされる。このこと によって、上部電極 38が形成される。その後、マスク 47はエッチング法などによって 除去される。
[0062] 次に、上部電極 38の上に所定のパターンを有する第二のレジストマスク 18 (以下、 マスク 48と呼ぶ）が形成される。マスク 48をエッチング用のマスクとして、図 11に示す ように、圧電体層 45がエッチングによってパターユングされ、同様に分割される。この こと〖こよって、圧電体 37が形成される。その後、マスク 48はエッチング法などによって 除去される。
[0063] 次に、上部電極 38と圧電体 37とを覆うようにして、所定のパターンを有する第三の レジストマスク 49 (以下、マスク 49と呼ぶ）が形成される。マスク 49をエッチング用の マスクとして、図 12に示すように、電極層 44がエッチングによってパターユングされる 。このこと〖こよって、下部電極 36が形成される。その後、マスク 49はエッチング法など によって除去される。
[0064] 次に、上面 61に所定のパターンを有する第四のレジストマスク 50 (以下、マスク 50 と呼ぶ）が形成される。マスク 50をエッチング用のマスクとして、図 13に示すように、 基板 31がエッチングによってパターユングされる。このことによって、流路 32が形成さ れる。その後、マスク 50はエッチング法などによって除去される。
[0065] 次に、下面 62に所定のパターンを有する第五のレジストマスク 51 (以下、マスク 51 と呼ぶ）が形成される。マスク 51をエッチング用のマスクとして、図 14に示すように、 基板 31がエッチングされる。このこと〖こよって、基板 31に溝 35が形成される。このとき 、溝 35の深さは、深ければ深いほど振動の漏れが少なくなり、効率よく振動が反射す る。したがって、溝 35は貫通孔であることが望ましい。溝 35が形成された後、マスク 5 1はエッチング法などによって除去される。
[0066] また、図 13と図 14とで示す工程において、基板 31をエッチングする方法としてドラ ィエッチング法を用いる。このことにより、微細な形状の流路 32と溝 35とが高精度に 加工され、形成される。さらに、ドライエッチング法による加工の際、エッチングを促進 するガスとエッチングを抑制するガスとを混合させてドライエッチングを行う。このこと により、流路 32と溝 35とがさらに高精度に加工される。 [0067] 以上の製造方法により、成分分離デバイス 30が製造される。
[0068] なお、以上のように説明した構成を有する成分分離デバイス 30は、溝 35が貫通孔 の形状を有している。溝 35は、下面 62側の第一の開口部 52 (以下、開口部 52と呼 ぶ）と上面 61側の第二の開口部 53 (以下、開口部 53と呼ぶ）とを有する。しかしなが ら、溝 35は必ずしも貫通孔に限らない。例えば、図 15に示すように、溝 35aは、下面 62側にのみ開口する開口部 52を有し、上面 61側には開口しない底部を有する穴形 状であってもよい。
[0069] 穴形状を有する溝 35aであっても、ァクチユエータ 39が生成する振動は、溝 35aの 壁面 65aへ反射して流路 32へ反射波が伝達される。さらに、上面 61側に開口部を 有していないため、溝 35aを介して、流体 63が漏れ出すことを防止できる。さらに、機 械的な強度の高 ヽ成分分離デバイス 30aが実現される。
[0070] (実施の形態 2)
以下、本発明の実施の形態 2における成分分離デバイスについて図面を用いて説 明する。
[0071] 図 16は本発明の実施の形態 2における成分分離デバイスの形態を示す断面図で ある。実施の形態 2が実施の形態 1と異なる点は、溝の断面形状である。実施の形態 2における溝 35bは、下面 62側の第一の開口部 52b (以下、開口部 52bと呼ぶ）と上 面 61側の第二の開口部 53b (以下、開口部 53bと呼ぶ）とを有する。そして、開口部 52bは開口部 53bより小さい。このことにより、溝 35bの流路側の壁面 65bと、ァクチュ エータ 39が設けられる下面 62との成す角は鋭角である。
[0072] ァクチユエータ 39が生成する振動は、流路 32へ直接伝達される振動成分と溝 35b の壁面 65bへ反射して流路 32へ伝達される反射波とを有する。開口部 52bが開口 部 53bより小さいことによって、壁面 65bは傾斜を有し、反射波が流路 32へ到達する 距離が短くなる。このことによって、ァクチユエータ 39から振動が効率よく流路 32へ伝 達される。その結果、流路 32内部に形成される定在波の強度が高められる。
[0073] このような構成によって、ァクチユエータ 39が生成する振動は、流路 32に到達する までの距離の短い反射波を利用することが出来る。カロえて、流路 32へ伝達される定 在波が、流路 32の壁面 32aへ入射する入射角がより鋭角となる。このため、より効率 的な成分の分離が出来る成分分離デバイス 30bが実現される。
[0074] また、溝 35bは、ウエットエッチング法によって、大きさの異なる開口部 52b、 53bを 有する貫通孔として形成される。例えば、基板 31の結晶異方性を利用しながらエツ チングすることによって、傾斜した壁面 65bを有する基板 31が作製される。
[0075] (実施の形態 3)
以下、本発明の実施の形態 3における成分分離デバイスについて図面を用いて説 明する。
[0076] 図 17は、本発明の実施の形態 3における成分分離デバイスの形態を示す断面図 である。実施の形態 3が実施の形態 1、 2と異なる点は、溝の断面形状である。実施の 形態 3における溝 35cは、下面 62側の第一の開口部 52c (以下、開口部 52cと呼ぶ） と上面 61側の第二の開口部 53c (以下、開口部 53cと呼ぶ）とを有する。そして、開 口部 52cと開口部 53cとが壁面 65cで結ばれる。壁面 65cの断面形状は、溝 35c側 に中心を有する円弧または楕円曲線で構成されている。
[0077] このような構成によって、ァクチユエータ 39の生成する振動が壁面 65cで反射され て、流路 32に到達までの距離がさらに短くなる。このことによって、さらに強い反射波 を利用することが出来る。
[0078] さらに、基板 31の可動部 54にァクチユエータ 39が設けられている。壁面 65cの断 面形状が円弧または楕円曲線であることによって、可動部 24の厚みが薄い。このた め、ァクチユエータ 39の振動が流路 32へ伝達されやすぐさらに強度の大きな定在 波が得られる。
[0079] このような形状を有する溝 35cは、例えば、 XeF 、 SFガスなどを用いた等方性ドラ
2 6
ィエッチング法によって、形成可能である。つまり、等方性ドライエッチング法によって 、基板 31が開口部 53c側力もエッチングされ、溝 35cの形状が容易に得られる。 産業上の利用可能性
[0080] 本発明は、たとえば、血液、乳液などに代表される、液体成分と固形成分とが混合 された流体から、それぞれの成分を容易に分離することができ、成分分離器、成分分 析器などに用いられる。

Claims

請求の範囲
[1] 基板と、
前記基板に設けられ、液体成分と固形成分とを含有する流体を収納する流路と、 前記流路内に定在波を発生させるァクチユエータと、
前記ァクチユエータの周囲に設けられた溝と、を備えた、
成分分離デバイス。
[2] 前記溝は貫通孔である、
請求項 1に記載の成分分離デバイス。
[3] 前記流路と前記ァクチユエータとは、同一軸方向に設けられた、
請求項 1に記載の成分分離デバイス。
[4] 前記ァクチユエータは、
前記流路を介して、複数のァクチユエータが対向して配置された、
請求項 1に記載の成分分離デバイス。
[5] 前記ァクチユエータは、
前記流路に沿って、複数のァクチユエータが配置された、
請求項 1に記載の成分分離デバイス。
[6] 前記流路は、前記基板の上面に設けられ、
前記ァクチユエータは、前記基板の下面に設けられた、
請求項 1に記載の成分分離デバイス。
[7] 前記溝は、
前記ァクチユエータが形成される側に開口する第一の開口部と、
前記第一の開口部の反対側に開口する第二の開口部と、を有し、
前記第一の開口部が前記第二の開口部より小さ!/、、
請求項 2記載の成分分離デバイス。
[8] 前記溝は、第一の開口部と前記第二の開口部とを結ぶ壁面を有し、
前記壁面の断面形状は、少なくとも前記溝側に中心を有する円弧と楕円曲線とのい ずれか一方で構成される、
請求項 7記載の成分分離デバイス。
[9] 前記ァクチユエータは前記基板の下面に設けられ、
前記溝の流路側の壁面と前記下面とのなす角が鋭角である、
請求項 1に記載の成分分離デバイス。
[10] 前記基板の材質はシリコンである、
請求項 1に記載の成分分離デバイス。
[11] 前記ァクチユエータは、下部電極と圧電体と上部電極とを有し、
前記下部電極の材質が、少なくともチタンと白金とのいずれか一方を含み、 前記圧電体の材質が、チタン酸ジルコン酸鉛を含み、
前記上部電極の材質が、少なくともチタンと金とのいずれか一方を含む、 請求項 1に記載の成分分離デバイス。
[12] 液体成分と固形成分とを含有する流体を基板に設けられた流路に収納する流体収 納ステップと、
前記流路に対向して設けられた複数のァクチユエータに高周波電圧を印加して振動 を発生させ、前記流路の内部に節を有する定在波を発生させる定在波生成ステップ と、
前記ァクチユエータの前記流路側を除く周囲に設けられた溝で、前記振動を反射さ せる反射ステップと、
前記流体から少なくとも液体成分と固形成分とのいずれか一方を分離する分離ステ ップと、を備えた、
成分の分離方法。
[13] 前記定在波生成ステップは、
前記流路の両側にそれぞれ対向して設けられた第一のァクチユエ一タと第ニアクチ ユエータとに、それぞ; 立相力 度異なる高周波電圧を印カロして振動を発生させ 、前記流路に奇数個の節を有する定在波を発生させる定在波生成ステップである、 請求項 12に記載の成分の分離方法。
[14] 前記定在波生成ステップは、
前記流路の両側にそれぞれ対向して設けられた第一のァクチユエ一タと第ニアクチ ユエータとに、それぞれ同位相の高周波電圧を印カロして振動を発生させ、前記流路 に偶数個の節を有する定在波を発生させる定在波生成ステップである、
請求項 12に記載の成分の分離方法。
前記定在波生成ステップは、
前記流路に沿ってそれぞれ設けられた第一のァクチユエータと第三のァクチユエ一 タとに、それぞれ異なる周波数を有する高周波電圧を印加して振動を発生させ、前 記流路に奇数個の節を有する定在波と偶数個の節を有する定在波とを発生させる定 在波生成ステップである、
請求項 12に記載の成分の分離方法。
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