JP2009034814A - 微細製作エラストマーバルブおよびポンプシステム - Google Patents

Abstract

【課題】薄型化が可能かつ小さい力で作動し、しかもシリコン基板プロセスに比べて比較的製作が容易なエラストマバルブ構造及びそれを用いたポンピングシステムを提供する。
【解決手段】エラストマブロック内に第一フローチャネル３０と直交して積層された第二フローチャネル３２を形成する。第一フローチャネル３０の頂部を形成する膜２５は二つのフローチャネルを分離し、第一フローチャネル３０の頂部であると同時に第二フローチャネル３２の底部を形成している。第二フローチャネル３２の圧力を変動させることにより膜２５は下方への撓みと復帰を繰り返し、それにより第一フローチャネル３０は線形動作のバルブ動作システムを構成することになる。
【選択図】図７Ｂ

Description

（関連出願の相互参照）
本非仮特許出願は、以下の既に出願された仮特許出願の優先権を主張する：米国仮特許出願第６０／１４１，５０３号（１９９９年６月２８日出願）、米国仮特許出願第６０／１４７，１９９号（１９９９年８月３日出願）、および米国仮特許出願第６０／１８６，８５６号（２０００年３月３日出願）。これらの先行の仮特許出願は、本明細書中で参考として援用される。

（連邦政府からの資金援助を得た研究開発下でなされた発明に対する権利についての記載）
米国政府は、米国国立健康研究所により与えらた付与番号ＨＧ−０１６４２−０２によって提供される妥当な期間においてライセンスを他人へ許可するように特許所有者へ要求する限られた環境における権利、および本発明における支払済みのライセンスを有する。

（技術分野）
本発明は、微細製作された構造体と、微細製作された構造体を製作する方法とに関するものであり、また、流体速度を調整するための微細製作されたシステムに関連する。

（発明の背景）
従来、微細流体ポンプおよび微細流体バルブを設計するにあたっての多様なアプローチが試みられてきた。残念ながら、上記アプローチの各々はそれ自体の制約を受けている。

ポンプやバルブのような微細電気機械的（ＭＥＭＳ）構造体を製作する２つの最もありふれた方法は、シリコンベースのバルク微細加工（単結晶シリコンをリソグラフィー法でパターン化した後で、３次元構造を形成するためにエッチング処理する、減法製造法）であり、表層微細加工（ポリシリコン、窒化シリコン、二酸化シリコン、および、多様な金属などの半導体型材料の層を連続添加して、パターン化し、３次元構造を作成する加法製造法）である。

シリコン基盤の微細加工の第１のアプローチの制約とは、使用されている半導体材料の硬度が高い作動力を必要とし、これが今度は、大型で複雑な設計を生む結果となる。事実、バルク微細加工法と表層微細加工法の両方が、使用されている材料の硬度により制約をうける。更に、製造された装置の多様な各層の間の粘着剤も問題となる。例えば、バルク微細加工では、多層構造を設けるためにウエーハ結合技術が採用されなければならない。他方で、装置の多様な各層の間の表層微細加工の熱応力がデバイスの全厚みを、しばしば、約２０ミクロンまで制限する。上記方法のいずれを利用するにも、クリーンルーム製造と細心の品質管理とが必要となる。しかし、そのように限定されるわけではない。

（発明の要旨）
本発明は、オン／オフバルブ、切り替えバルブ、および、ポンプのような、互いに一緒に接着されたエラストマーの多様な層から作成された微細製作された構造体を製造し、作動させるためのシステムを明示している。本発明の構造体および方法は、流体運動を制御し、そのフローチャネルを設けるのに理想的なほど好適である。

好ましい局面では、本発明は、一体型の（すなわち、モノリシックな）微細製作されたエラストマー構造体を構築するために、多層軟性リソグラフィー工程を利用する。

軟性エラストマー材料の複数層を一緒に結着させることにより本構造体を製造するという利点としては、結果として得られる装置が、シリコン基盤の装置と比較して、寸法が２オーダーを越える大きさだけ低減される点が挙げられる。更に、迅速なプロトタイプ化、製造の容易さ、および、生体適合性の更なる利点も達成される。

本発明の好ましい局面では、別個のエラストマー層が微細加工されたモールドの頂部に製造されて、多様なエラストマー層の各々に凹部が形成されるようにする。これら多様なエラストマー層を一緒に結合することにより、多様なエラストマー層に沿って延在する凹部が、結果として生じたモノリシックな一体エラストマー構造体を通るフローチャネルおよび制御ラインを形成する。本発明の多様な局面で、エラストマー構造体に形成されているフローチャネルと制御ラインとは、後述のように、微細ポンプおよび微細バルブとして機能するように作動することができる。

本発明の更なる任意の局面では、モノリシックなエラストマー構造体は平坦な基板の頂面に密封されるが、この時、フローチャネルが平坦基板の表面と、エラストマー構造体の底部表面に沿って延在している凹部との間に形成されている。

１つの好ましい局面では、本モノリシックなエラストマー構造体は、エラストマーの各層がまず、微細加工されたモールドから別個に鋳造されてから、エラストマーのこれら２つの別個の層を一緒に接着することにより構成される。使用されるエラストマーは２成分添加硬化材料であり、底部エラストマー層が過剰な一方の成分を有しているが、頂部エラストマー層は過剰な他方の成分を有しているのが好ましい。具体的な実施態様では、使用されるエラストマーはシリコーンラバーである。エラストマーの２つの層は別々に硬化される。各層は、頂部層が底部層の上に設置される前に、別個に硬化される。この２層が続いて再度硬化されて、一緒に接着される。各層は２種成分のうちの一方を過剰に有して、反応性分子が２層の間の界面に残留するようにするのが好ましい。頂部層が低部層の頂面に組み付けられてから、加熱される。この２層は不可逆に結合されて、界面の強度がバルクエラストマーの強度に近づくかまたは等しくなるようにする。これにより、一緒に結合したエラストマーの２層からのみから成る、モノリシックな３次元パターン化構造体が出来上がる。同じ工程を反復するだけで、追加の層を付加することができるが、この場合、新しい層は、その各々が互いに反対の「極性」の層を有しており、硬化されることにより、一緒に結合される。

第２の好ましい局面では、第１のフォトレジスト層が第１のエラストマー層の頂面に堆積される。次いで、第１のフォトレジストはパターン化され、第１のエラストマー層の頂面にフォトレジストのラインまたはラインからなるパターンを残す。次に、エラストマーの別な層が添加され、硬化され、フォトレジストのラインまたはラインからなるパターンを封入する。第２のフォトレジスト層が添加され、パターン化され、エラストマーの別な層が添加され、硬化されて、フォトレジストのラインまたはラインからなるパターンをモノリシックなエラストマー構造に封入した状態にする。このプロセスが繰り返され得、封入したパターンおよびエラストマー層を加える。その後、フォトレジストが除去され、フォトレジストが占有していた空間にフローチャネルと制御ラインを残す。このプロセスが繰り返され得、多層を有するエラストマー構造を作製する。

フォトレジスト法を利用して適切なサイズの特徴（＞／＝１０ミクロン）をパターン化することの利点は、接触マスクとして高分解能透明フィルムを使用できることである。これにより、１人の研究者が、設計し、プリントし、モールドをパターン化し、新しい一組
の鋳造エラストマー装置を作るのに、典型的には、これら全てを２４時間以内にできるようになる。

本発明のいずれの上記実施態様の更なる利点は、そのモノリシックな特性、すなわち、一体特性（つまり、全ての層が同一材料から構成されている）が、層間接着不全と熱応力の諸問題とを完全に回避することである。

本発明のＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃにより製造されるＲＴＶ６１５エラストマーまたはシリコーンラバーの好ましい使用の更なる利点は、それが可視光線に透明で、多層光学縦列を可能にすることにより、微細流体装置内の多様なフローチャネルまたはチャンバーの光学情報応答を行えるようにすることである。適切に形成されたエラストマー層は、レンズおよび光学要素として作用するので、層の結合は、多層光学縦列の作製を可能にする。更に、ＧＥ ＲＴＶ６１５エラストマーは生体互換性がある。フローチャネルに小さな微粒子が存在する場合でも、軟性であるため、閉バルブが良好なシールを形成する。シリコーンラバーも生体互換性があり、単結晶シリコンと比較した場合には特に、廉価である。

モノリシックなエラストマーのバルブおよびポンプは、電気浸透流を基本とした流体システムに影響を及ぼす多くの実施上の問題点を回避しもする。典型例として、電気浸透流システムは電極周辺における泡形成を被り、流れは、流れの媒体の組成に強く依存している。泡形成は、微細流体装置における電気浸透流の使用に厳格な制約を加え、機能統合型装置の構築を困難にしている。流れの大きさと、流れの方向でさえ、イオン強度およびイオンタイプと、界面活性剤の存在と、フローチャネルの壁上の電荷とに複雑な態様で依存しているのが典型的である。更に、電解が継続的に起こるので、ｐＨ変化に抵抗するバッファの最終容量に達することができる。更に、電気浸透流は、常に電気詠動と競合して発生する。異なる分子は異なる電気詠動移動度を有していることがあるので、望んでいない電気詠動分離が電気浸透流で発生し得る。最後に、電気浸透流は、流れを停止させるために、または、圧力差の平衡を保たせるために利用することは容易にはできない。

本モノリシックなエラストマー構造のバルブとポンプの更なる利点は、それらが極めて高速で作動することのできる点である。例えば、本発明はその内部の水性溶液を用いて、１ミリセカンドのオーダーでバルブについての反応時間を達成し、１００Ｈｚに近い速度または１００Ｈｚを超える速度でバルブが開閉するようにする。特に、このバルブ構造の開閉のための循環速度の範囲の非限定的なリストには、約０．００１と１０００ｍｓとの間、約０．０１と１０００ｍｓとの間、約０．１と１００ｍｓとの間、および約１と１０ｍｓとの間が挙げられる。この循環速度は、特定の適用および作動の方法について使用されるバルブの組成および構造に依存し、従ってこの列挙した範囲以外の循環速度が、本発明の範囲内に入る。

本ポンプおよびバルブの更なる利点は、ポンプおよびバルブがそれらの小さい寸法のせいで迅速に作動し、それらの柔軟性のせいで耐性に富むようになることである。更に、ポンプとバルブが差動印加圧で線型に閉鎖すると、この線型な関係により、高い背圧にもかかわらず、流体の流量調整をし、バルブを閉鎖することができるようになる。

本発明の多様な局面では、複数のフローチャネルがエラストマー構造体を貫通し、第２のフローチャネルは第１のフローチャネルを横断するとともに、第１のフローチャネルの上方に延在している。本発明のこの局面では、エラストマーの薄膜は第１のフローチャネルと第２のフローチャネルを分離している。後述するように、この膜の下向きの運動（加圧されている第２のフローチャネルまたは反対に作動されている膜のせいである）は、下方のフローチャネルを通る流れを遮断する。

本システムの任意の好ましい局面では、複数の個別にアドレス可能なバルブが、エラストマー構造に一緒に接続された状態で形成され、次いで、連続して作動され、蠕動ポンプ動作が達成されるようにする。ネットワーク化された制御システム、または、多重化された制御システムと、格子状バルブに配置された選択的にアドレス可能なバルブと、網状構造化された反応チャンバーシステム、または、多重化された反応チャンバーシステムと、生体ポリマー合成システムとを有している、より複雑なシステムも説明される。

本発明に従う微細製作されたエラストマー構造の１実施態様は、その中に第１および第２の微細製作された凹部で形成されたエラストマーブロック、エラストマーブロックの一部が作動される場合に、この部分は撓み可能であるエラストマーブロックの一部、を備える。

エラストマー構造を微細製作する方法の１実施態様は、第１エラストマー層を微細製作し、第２エラストマー層を微細製作する工程；第２エラストマー層を第１エラストマー層の上部に配置する工程、および第２エラストマー層の底部表面を第１エラストマー層の上部表面上へ結合させる工程を包含する。

エラストマー構造を微細製作する方法の第１の代替の実施態様は、第１微細加工モールドの上部上に第１のエラストマー層を形成する工程を包含し、第１の微細加工モールドは、少なくとも第１の隆起突出部を有し、この第１の隆起突出部は、少なくとも１つの第１チャネルを第１エラストマー層の底部表面に形成する。第２エラストマー層は、第２微細加工モールドの上部上に形成され、この第２微細加工モールドは、少なくとも１つの第２隆起突出部を有し、この第２隆起突出部は、少なくとも１つの第２チャネルを第２エラストマー層の下部表面に形成する。第２エラストマー層の底部表面は、第１エラストマー層の上部表面上へ結合され、その結果、少なくとも１つの第２チャネルが、第１エラストマー層と第２エラストマー層との間に囲まれる。

本発明に従ってエラストマー構造を微細製作する方法の第２の代替の実施態様は、第１エラストマー層を基板上部上に形成する工程、第１エラストマー層を硬化させる工程、および第１犠牲層を第１エラストマー層の上部表面上に堆積させる工程を包含する。第１犠牲層の一部が、除去され、その結果、犠牲物質の第１パターンが、第１エラストマー層の上部表面上に残る。第２エラストマー層が、第１エラストマー層にわたって形成され、それによって、第１エラストマー層と第２エラストマー層との間に第１のパターンの犠牲物質が囲まれる。第２エラストマー層が硬化され、次いで犠牲物質が除去され、それによって、少なくとも第１凹部を、第１エラストマー層と第２エラストマー層との間に形成する。

本発明に従ってエラストマー構造を作動する方法の実施態様は、その中に第１微細製作凹部および第２の微細製作凹部で形成されたエラストマーブロックを提供する工程を包含し、第１微細製作凹部および第２の微細製作凹部は、この構造の一部によって分離され、この構造の一部は、第１凹部および第２凹部のいずれか一方が加圧される場合、第１凹部または第２凹部の他方へ撓み可能である。これらの凹部の一方が、加圧され、その結果、第１凹部から第２凹部を分離しているエラストマー構造の一部は、これら２つの凹部の他方へ撓み可能である。

他の任意の好ましい局面において、磁性または導電性物質が、磁性または導電性のエラストマーの層を作製するために添加され得、従って、全てのエラストマー電磁デバイスの作製が可能となる。

本発明によれば、以下が提供される。
（１）微細製作エラストマー構造であって、以下：
その中に微細製作凹部が形成されたエラストマーブロックであって、該エラストマーブロックの部分が作動されると該部分が撓み可能である、エラストマーブロック、
を備える、微細製作エラストマー構造。
（２）上記凹部が、０．０１μｍから１０００μｍの範囲の幅を有する、項目（１）に記載の微細製作エラストマー構造。
（３）上記部分が、約２μｍと５０μｍとの間の厚みを有する、項目（１）に記載の微細製作エラストマー構造。
（４）上記部分が付与された作動力に対して直線的に反応する、項目（１）に記載のエラストマー構造。
（５）項目（１）に記載の微細製作エラストマー構造であって、ここで：
上記凹部が、第一微細製作チャネルおよび第二微細製作チャネルを備え；そして
上記部分が、作動されると該第一微細製作チャネルまたは該第二微細製作チャネルのいずれかへ撓み可能である、エラストマー膜を備える、
微細製作エラストマー構造。
（６）項目（１）に記載の微細製作エラストマー構造であって、ここで：
上記凹部が、第一微細製作チャネルおよび第一微細製作凹部を備え；そして
上記部分が作動されると該第一微細製作チャネルへ撓み可能なエラストマー膜を備える、
微細製作エラストマー構造。
（７）上記第一微細製作凹部が、第二微細製作チャネルを備える、項目（６）に記載の微細製作エラストマー構造。
（８）上記第一微細製作凹部が加圧されると、上記膜が、上記第一チャネルへ撓み可能である、項目（６）に記載のエラストマー構造。
（９）項目（７）に記載の微細製作エラストマー構造であって、さらに以下：
上記第二チャネルに平行に配置された第三および第四チャネルであって、ここで該第二、第三および第四チャネルが、それぞれ上記第一チャネルへ撓み可能な第一、第二および第三膜によって、該第一チャネルから分離されている、第二、第三および第四チャネル、を備える、微細製作エラストマー構造。
（１０）それぞれ上記第二、第三および第四チャネルが加圧されると、上記第一、第二、および第三膜が、上記第一チャネルへ撓み可能である、項目（９）に記載の微細製作エラストマー構造。
（１１）上記第一チャネルに平行な第三微細製作チャネルをさらに備え、上記第二チャネルが、その長さに沿って配置される広い部分および狭い部分の両方を有し、該広い部分が該第一チャネルに隣接して配置され、該狭い部分が該第三チャネルに隣接して配置される、項目（７）に記載の微細製作エラストマー構造。
（１２）上記第一チャネルの頂部が湾曲されるように、上記膜が湾曲した底部表面を有する、項目（６）に記載の微細製作エラストマー構造。
（１３）上記エラストマー構造が以下：
ポリイソプレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン、ポリイソブチレン、ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）、ポリウレタン、およびシリコーン、
からなる群から選択される材料を含む、項目（１）に記載の微細製作エラストマー構造。（１４）項目（１）に記載の微細製作エラストマー構造であって、ここで該エラストマー構造が、以下：
ポリ（ビス（フルオロアルコキシ）フォスファジン）（ＰＮＦ，Ｅｙｐｅｌ−Ｆ）、ポリ（カルボラン−シロキサン）（Ｄｅｘｓｉｌ）、ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン）（ニトリルラバー）、ポリ（１−ブテン）、ポリ（クロロトリフルオロエチレン−フッ化ビニリデン）コポリマー（Ｋｅｌ−Ｆ）、ポリ（エチルビニルエーテル）、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）コポリマー（Ｖ
ｉｔｏｎ）、
からなる群から選択される材料を含む、微細製作エラストマー構造。
（１５）上記エラストマー構造が、以下：
ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）のエラストマー組成物、ポリスルホン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、またはポリテトラフルオロエチレン（Ｔｅｆｌｏｎ）、
からなる群から選択される材料を含む、項目（１）に記載の微細製作エラストマー構造。（１６）上記エラストマー構造が、以下：
Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＲＴＶ ６１５，Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｒｐ．Ｓｙｌｇａｒｄ １８２、１８４または１８６などのポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ならびにＵＣＢ ＣｈｅｍｉｃａｌｓからのＥｂｅｃｒｙｌ ２７０またはＩｒｒ２４５などの脂肪族ウレタンジアクリレートからなる群から選択される材料を含む、項目（１３）に記載の微細製作エラストマー構造。
（１７）エラストマー構造を作動する方法であって、以下：
その中に第一および第二微細製作凹部を有して形成される、エラストマーブロックを提供する工程であって、該エラストマーブロックの膜部により分離された該第一および第二微細製作凹部が、作動力に応じて該第一および第二凹部のうちの１つへ撓み可能である、工程；および
該膜部が該第一および第二凹部のうちの１つへ撓むように、該膜部へ作動力を付与する工程、
を包含する方法。
（１８）上記作動力を付与する工程が、上記第二微細製作凹部へ圧力を付与し、上記膜部を上記第一微細凹部へ撓ませる工程を包含する、項目（１７）に記載の方法。
（１９）エラストマー構造を通して流体フローまたは気体フローを制御する方法であって、以下：
エラストマーブロックを提供する工程であって、該エラストマーブロックが、第一、第二、および第三の微細製作凹部を有し、そして該エラストマーブロックが、そこを通る第一微細製作チャネルを有し、該第一、第二および第三微細製作凹部が、それぞれ該第一チャネルへ撓み可能である第一、第二、および第三膜により、該第一チャネルから分離される、工程；および
該第一、第二、および第三膜を、該第一チャネルへ繰り返し手順で撓ませて、該第一チャネルを通じて流体のフローを蠕動的にポンピングする工程、
を包含する方法。
（２０）上記第一、第二、および第三チャネル内で圧力を増加することにより、上記第一、第二および第三膜が、該第一チャネルへ撓む、項目（１９）に記載の方法。
（２１）エラストマー構造を微細製作する方法であって、以下：
第一エラストマー層を微細製作する工程；
第二エラストマー層を微細製作する工程；
該第二エラストマー層を該第一エラストマー層の頂部に配置する工程；および
該第二エラストマー層の底部表面を該第一エラストマー層の頂部表面へ結合する工程、を包含する方法。
（２２）項目（２１）に記載の方法であって、ここで：
上記エラストマー層が、少なくとも１つの凹部を上記第一エラストマー層の底部に形成する、少なくとも１つの隆起した突出部を有する第一微細製作モールド上で製作され；そして、
上記第二エラストマー層が、少なくとも１つの凹部を該第一エラストマー層の底部に形成する、少なくとも１つの隆起した突出部を有する第二微細製作モールド上で製作される、
方法。
（２３）さらに以下の工程：
さらなるエラストマー層の順次の添加であって、それにより各層が以下：
連続エラストマー層を微細製作する工程；および
該連続エラストマー層の底部表面を該エラストマー構造の頂部表面へ結合する工程、
により追加される工程、
を包含する、項目（２１）に記載の方法。
（２４）上記第一および第二エラストマー層が同じ材料から作製される、項目（２１）に記載の方法。
（２５）上記第一および第二エラストマー層の両方が、架橋剤を含む、項目（２４）に記載の方法。
（２６）上記第一および第二層が、接着剤の層により結合される、項目（２１）に記載の方法。
（２７）上記接着剤が、上記第一および第二エラストマー層を一緒に結合するために硬化される、未硬化エラストマーを含む、項目（２６）に記載の方法。

（発明の詳細な説明）
本発明は、ポンプまたはバルブとして使用できる多様な微細製作モールドエラストマー構造体を有している。好ましいエラストマー構造体を製造する方法も明示されている。

（本発明を製造する方法）
本発明を製造する２つの具体的な方法がここに提示される。本発明がこれらの方法のうちの一方または他方による製造に限定されるものではないものと理解するべきである。むしろ、本微細構造を製造する他の好適な方法も、本方法の修正例を含めて、思量される。

図１から図７Ｂは、本微細構造（ポンプまたはバルブとして使用することができる）を製造する第１の好ましい方法の順次の工程を例示している。図８から図１８は、本微細構造（ポンプまたはバルブとしても使用することができる）を製造する第２の好ましい方法の順次の工程を例示している。

後述のように、図１から図７Ｂの好ましい方法は、組立て加工と結合加工を施した予備硬化されたエラストマー層を利用することに関与している。逆に、図８から図１８の好ましい方法は、エラストマーの各層を「適所」で硬化させることを含む。以下の説明において、「チャネル」とは、流体または気体のフローを含み得るエラストマー構造における凹部のことをいう。

（第１の例示的方法）
図１を参照すると、第１の微細加工モールド１０が提供される。微細加工モールド１０は、多くの従来のシリコン処理方法によって製造され得、この方法には、フォトリソグラフィー、イオンミリング（ｉｏｎ−ｍｉｌｌｉｎｇ）、および電子線リソグラフィーが挙げられるが、これらに限定されない。

見られ得るように、微細加工モールド１０は、そこに沿って延びる隆起したラインまたは突出部１１を有する。第１エラストマー層２０は、モールド１０の頂部上に鋳造され、その結果、第１凹部２１は、示されるように、エラストマー層２０の下部表面に形成される（凹部２１は、寸法において、突出部１１に対応する）。

図２に見られるように、第２の微細加工されたモールド１２は、隆起した突起部１３が本体に沿って延在している状態で、提示されている。第２のエラストマー層２２が図示のようにモールド１２の頂面に鋳造されて、凹部２３が、突起部１３の寸法に対応して、底部表面に形成されるようにしている。

図３および図４に例示された順次の工程でわかるように、次いで、第２のエラストマー層２２がモールド１２から除去されて、第１のエラストマー層２０の頂面に設置される。図示のように、第２のエラストマー層２２の底部表面に沿って延在している凹部２３がフローチャネル３２を形成している。

図５を参照すると、別個の第１のエラストマー層２０および第２のエラストマー層２２（図４）が、次いで、一緒に結合されて、一体型の（すなわち、モノリシックな）エラストマー構造体２４を形成している。

図６および図７Ａの連続工程に見られるように、次いで、エラストマー構造体２４がモールド１０から除去されて、平坦な基板１４の頂面に設置される。図７Ａおよび図７Ｂでわかるように、エラストマー構造体２４がその底部表面で平坦な基板１４に密着されてしまうと、凹部２１がフローチャネル３０を形成する。

本エラストマー構造体は、ほぼどのような平滑で平坦な基板を用いてでも可逆密封シールを形成する。このようにシールを形成する利点は、エラストマー構造体が剥離され、洗浄され、再利用できることである。好ましい局面では、平坦な基板１４はガラスである。ガラスを利用するという更なる利点は、ガラスが透明で、エラストマーのチャネルと貯蔵部との光学的情報応答を可能にする。代替例として、エラストマー構造体は、上述と同一方法により平坦なエラストマー層の上に結合されて、恒久的な高強度の結合部を形成することができる。これは、より高い背圧が利用されると、有利であることがわかることがある。

図７Ａおよび図７Ｂでわかるように、フローチャネル３０およびフローチャネル３２は互いに対して或る角度で配置されて、基板２４の小薄膜２５がフローチャネル３２の底部表面からフローチャネル３０の頂面を分離している状態となるのが好ましい。

好ましい局面では、平坦な基板１４はガラスである。ガラスを利用することの利点は、本エラストマー構造体が剥離され、洗浄され、再利用されるということである。ガラスを利用することの更なる利点は、光学検知を採用することができることである。代替例として、平坦な構造体１４はエラストマー自体であり得るが、これは、より高い背圧が利用されると、有利であるのがわかることがある。

今説明した製造方法は、上記デバイスのチャネルの壁を形成するものとは異なるエラストマー物質から構成される膜を有する構造を形成するために変化され得る。この改変製造方法は、図７Ｃ〜７Ｇに示される。

図７Ｃを参照すると、第１微細加工モールド１０が提供される。微細加工モールド１０は、そこに沿って延びる隆起したラインまたは突出部１１を有する。図７Ｄにおいて、第１エラストマー層２０が、第１微細加工モールド１０の上部上に鋳造され、その結果、第１エラストマー層２０の上部が、隆起したラインまたは突出部１１の上部で流される。これは、隆起ライン１１の既知の高さに対して、モールド１０上へスピンされた（ｓｐｕｎ）エラストマー物質の容量を注意深く制御することによって達成され得る。あるいは、所望の形状が、押し出し成形によって形成され得る。

図７Ｅにおいて、そこに沿って延びる隆起突出部１３を有する第２の微細加工モールド１２がまた、提供される。第２エラストマー層２２が、示されるように、第２モールド１２の上部上に鋳造され、その結果、凹部２３が、突出部１３の寸法に対応するその下部表面に形成される。

図７Ｆにおいて、第２エラストマー層２２が、モールド１２から除去され、そして第３エラストマー層２２２の上部上に配置される。第２エラストマー層２２が、以下に詳細に説明される技術を使用して、第３エラストマー層２０へ結合され、一体化エラストマーブロック２２４を形成する。このプロセスにおけるこの点で、隆起ライン１３によって以前に占めらた凹部２３は、フローチャネル２３を形成する。

図７Ｇにおいて、エラストマーブロック２２４は、第１微細加工モールド１０および第１エラストマー層２０の上部上に配置される。エラストマーブロックおよび第１エラストマー層２０は、次いで、共に結合されて、別のエラストマー層２２２から構成される膜を有する一体化（すなわち、モノリシックな）エラストマー構造２４を形成する。

エラストマー構造２４が、図７Ａと関連して上述した様式で、平坦な基板に対してその底部表面でシールされた場合、隆起ライン１１によって以前に占められた凹部は、フローチャネル３０を形成する。

図７Ｃ〜７Ｇと組み合わせて上記で例示された変形の製造方法は、膜部分が、この構造の残りのエラストマー物質とは別の物質から構成されることを可能にする利点を提供する。このことは重要であり、なぜならば、この膜の厚みおよびエラストマー特性は、このデバイスの作動において重要な役割を果たすからである。その上、この方法は、別のエラストマー層が、このエラストマー構造へくみ込まれる前に調整する工程へ容易に供されることを可能にする。以下で詳細に議論するように、潜在的に望ましい条件の例には、この膜の作動を可能にするために磁性または導電性の種を組み込むこと、および／またはその弾性を変化させるためにこの膜へドーパントを組み込むことが挙げられる。

上記の方法は、微細加工モールドの上部における複製成形によって形成される、種々の形状のエラストマー層を形成する工程と組み合わせて例示されたが、本発明は、この技術に制限されない。他の技術が利用されて、共に結合されるエラストマー物質の別個の形状が形成される。例えば、エラストマー物質の形状層は、レーザー切断または射出成形によって、あるいは第２の例示的方法と組み合わせて以下に議論されるように、化学的エッチングおよび／または犠牲物質を利用する方法によって、形成され得る。

（第２の例示的方法）
ポンプまたはバルブとして使用することができるエラストマー構造体を製造する第２の具体的方法が、図８から図１８に示された順次の工程に明示されている。

本発明のこの局面では、チャネルが望まれる隆起したライン状フォトレジストを残して、エラストマー層（または、ガラスを含むことができる他の基板）の表面でフォトレジストをまずパターン化することにより、フローチャネルおよび制御路が規定される。次に、エラストマーの第２の層がその上に追加され、第２のフォトレジストが、チャネルが望まれる隆起したライン状フォトレジストを残して、エラストマーの第２の層の上でパターン化される。エラストマーの第３の層がその上に堆積される。最後に、フォトレジストは、それを適切な溶剤でエラストマーから溶解させることで除去されて、フォトレジストの除去により形成された空隙は、基板を通るフローチャネルとなる。

最初に図８を参照すると、平坦な基板４０が提示されている。第１のエラストマー層４２が次いで、平坦な基板４０の頂面に堆積され、硬化される。図９を参照すると、次に第１のフォトレジスト層４４Ａがエラストマー層４２の頂面に堆積される。図１０を参照すると、フォトレジスト４４Ｂの第１のラインが図示のとおりに残留するように、フォトレジスト層４４Ａの一部が除去される。図１１を参照すると、第２のエラストマー層４６が
、続いて、図示のように、第１のエラストマー層４２の頂面上とフォトレジスト４４Ｂの第１のライン上とに堆積されることにより、第１のエラストマー層４２と第２のエラストマー層４６との間にフォトレジスト４４Ｂの第１のラインを封入する。図１２を参照すると、エラストマー層４６が層４２の上で硬化されて各層を一緒に結合させた結果、モノリシックなエラストマー構造体４５を形成する。

図１３を参照すると、第２のフォトレジスト層４８Ａがエラストマー構造体４５の上に堆積されている。図１４を参照すると、第２のフォトレジスト層４８Ａの一部が除去されて、図示のように、エラストマー構造体４５の頂面に第２のフォトレジストライン４８Ｂのみを残す。図１５を参照すると、図示のように、エラストマー構造体４５（第２のエラストマー層４２とフォトレジスト４４Ｂの第１のラインとから構成されている）および第２のフォトレジストのライン４８Ｂの頂面の上に第３のエラストマー層５０が次いで堆積され、これにより、エラストマーの構造体４５と第３のエラストマー層５０との間でフォトレジスト４８Ｂの第２のラインを封入している。

図１６を参照すると、次いで、第３のエラストマーの層５０およびエラストマー構造体４５（互いに結合された第１のエラストマー層４２および第２のエラストマー層４６から構成されている）が一緒に互いに結合されてモノリシックなエラストマーの構造体４７を形成するが、この構造体は、図示のように、フォトレジストのライン４４Ｂおよび４８Ｂが貫通している。図１７を参照すると、フォトレジストのライン４４Ｂおよび４８Ｂが次いで除去され（例えば、溶剤により）、第１のフローチャネル６０および第２のフローチャネル６２がそれぞれの適所に設けられて、図示のように、エラストマーの構造体４７を通過するようにしている。最後に、図１８を参照すると、平坦な基板４０が一体型のモノリシックな構造体の底部表面から除去することができる。

図８〜１８に記載の方法は、エラストマー物質内にカプセル化されたフォトレジストの発生を利用して、パターン化エラストマー構造を製造する。しかし、本発明に従う方法は、フォトレジストを利用することに限定されない。金属などの他の物質もまた、周囲のエラストマー物質に選択的な、除去される犠牲材料として役に立ち得、そしてこの方法は、本発明の範囲内に依然としてある。例えば、図３５Ａ〜３５Ｄと組み合わせて以下に詳細に説明されるように、ＲＴＶ６１５エラストマーに選択的な金が、適切な化学的混合物を利用して、エッチングされ得る。

（好ましい層およびチャネル寸法）
微細製作は、本発明の実施態様に従って製作されたエラストマー構造の特徴のサイズを言及する。一般に少なくとも１つの寸法の微細製作された構造の変形は、微視的（すなわち１０００μｍ以下）である少なくとも１つの寸法で、ミクロンレベルまで制御される。微細製作は、微視的レベルでの特徴寸法の作製のために設計された、フォトリソグラフィおよびスピンコーティングなどの、半導体またはＭＥＭＳ製作技術を典型的には含み、少なくともいくつかの寸法の微細製作構造の寸法は、合理的に構造を解像／画像化する顕微鏡を要求する。

好ましい局面において、フローチャネル３０、３２、６０および６２は好ましくは、約１０：１の幅対深さ比を有する。本発明の実施態様に従った、限定的ではない他の範囲の幅対深さの比の列挙は、０．１：１から１００：１、より好ましくは、１：１から５０：１．より好ましくは２：１から２０：１、そして最も好ましくは３：１から１５：１である。例示的な局面において、フローチャネル３０、３２、６０および６２は、約１から１０００ミクロンの幅を有する。本発明の実施態様に従った、限定的ではない他の範囲のフローチャネルの幅の列挙は、０．０１から１０００ミクロンであり、より好ましくは０．０５から１０００ミクロンであり、より好ましくは０．２から５００ミクロンであり、よ
り好ましくは１から２５０ミクロンであり、そして最も好ましくは１０から２００ミクロンである。例示的なチャネル幅は、

を含む。

フローチャネル３０、３２、６０および６２は、約１から１００ミクロンの付加さを有する。本発明の実施態様に従った、フローチャネルの他の範囲の深さの限定的ではない列挙は、０．０１から１０００ミクロンであり、より好ましくは０．０５から５００ミクロンであり、より好ましくは０．２から２５０ミクロンであり、そしてより好ましくは１から１００ミクロンであり、より好ましくは２から２０ミクロンであり、そして最も好ましくは５から１０ミクロンである。例示的なチャネル深さは、

を含む。

このフローチャネルは、これらの特定の寸法範囲および上記に与えられた例に限定されず、そして以下で図２７に関連して充分に記載するように、膜を撓めるために要求される力の大きさに影響を及ぼすために、幅において変化し得る。例えば、０．０１μｍのオーダーの幅を有する極端に狭いフローチャネルは、以下に詳細に記載のように光学および他の適用において有用であり得る。上述よりも大きくさえある幅のチャネルを有する部分を含むエラストマー構造もまた、本発明により考慮され、そしてこのようにより広いフローチャネルを利用する適用の例は、流体容器および混合チャネル構造を含む。

エラストマー層２２は、機械的安定のために厚く鋳造され得る。例示の実施態様において、層２２は、５０ミクロンから数センチメートル厚であり、そしてより好ましくは約４ｍｍ厚である。本発明の他の実施態様に従ったエラストマー層の限定的ではない厚みの範囲の列挙は、約０．１ミクロンから１０ｃｍ、１ミクロンから５ｃｍ、１０ミクロンから２ｃｍ、１００ミクロンから１０ｍｍの間である。

従って、フローチャネル３０および３２を分離する図７Ｂの膜２５は、約０．０１ミクロンと１０００ミクロンとの間の典型的な厚さを有し、より好ましくは０．０５から５０
０ミクロン、より好ましくは０．２から２５０、より好ましくは１ら１００ミクロン、より好ましくは２から５０ミクロン、そして最も好ましくは５から４０ミクロンである。このようであるから、エラストマー層２２の厚みは、エラストマー層２０の厚みの約１００倍である。例示的な膜厚は、

を含む。

同様に、第一エラストマー層４２は、エラストマー層２０または２２の厚みにほぼ等しい好ましい厚みを有し得、第二のエラストマー層４６は、エラストマー層２０の厚みにほぼ等しい好ましい厚みを有し得る。そして第三のエラストマー層５０は、エラストマー層２２の厚みにほぼ等しい好ましい厚みを有し得る。

（多層軟性リソグラフィー構築の技術および材料）
（軟性リソグラフィー接着）
エラストマーの層２０および２２（または、エラストマー層４２、４６、５０）は、パターン化されたエラストマーの層を備えたポリマーに固有である化学的性状を利用して、一緒に化学的に結合されるのが好ましい。最も好ましくは、この結合は２種の構成要素の「付加硬化」結合を備える。

好ましい局面において、エラストマーの多様な層は、層が異なる化学性状を有する異種結合で一緒に束縛される。あるいは、全ての層が同じ化学性状である同種結合が、使用され得る。第三に、それぞれのエラストマー層は、必要に応じて代わりに接着剤により一緒に接着される。第四の局面において、このエラストマー層は、加熱により一緒に結合された熱硬化性エラストマーであり得る。

同種結合の１つの局面において、このエラストマー層は、層を一緒に結合するために、他の層の同じ化学的実体と反応する同じ化学的実体を１つの層に有した同じエラストマー材料から構成される。１つの実施態様において、類似のエラストマー層のポリマー鎖の間の結合は、光、熱、または別の化学種との化学反応による架橋剤の活性化から得られ得る。

あるいは異種の局面において、エラストマー層は、他の層における第二化学実体と反応する第一化学実体を１つの層に有して、異なるエラストマー材料から構成される。１つの例示的な異種局面において、それぞれのエラストマー層を一緒に束縛するために使用される結合する方法は、ＲＴＶ６１５シリコーンの２つの層を一緒に結合する工程を包含し得る。ＲＴＶ６１５シリコーンは、２部添加硬化シリコーンラバーである。部分Ａは、ビニル基および触媒を含み、部分Ｂは、水素化ケイ素（Ｓｉ−Ｈ）基を含む。ＲＴＶ６１５の通常の比は、１０Ａ：１Ｂである。結合のために、１つの層は３０Ａ：１Ｂ（すなわち、過剰ビニル基）で作製され得、そして他方は３Ａ：１Ｂ（すなわち過剰Ｓｉ−Ｈ基）で作製され得る。各層は別々に硬化する。この２つの層が接触されて、そして上昇した温度に
おいて加熱されると、それらは不可逆的に結合してモノリシックエラストマー基板を形成する。

本発明の例示の局面において、エラストマー構造はＳｙｌｇａｒｄ １８２、１８４、または１８６、あるいはＥｂｅｃｒｙｌ ２７０またはＩｒｒ２４５（ＵＣＢ Ｃｈｅｍｉｃａｌから）など（しかしそれらに限定されない）の脂肪族ウレタンジアクリレートを利用して形成される。

本発明の１つの実施態様において、２層エラストマー構造を、純アクリル酸化ウレタンＥｂｅ２７０から作製した。薄い底部層を、１７０℃、１５秒間、８０００ｒｐｍでスピンコートした。頂部および底部層を、Ｅｌｅｃｔｒｏｌｉｔｅ
ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ により製造されたＭｏｄｅｌ ＥＬＣ ５００デバイスを利用して、窒素下で１０分間、紫外線のもとで初期に硬化した。この組み立てられた層は、次いで追加の３０分間で硬化された。反応は、Ｃｉｂａ−Ｇｅｉｇｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓにより製造されたＩｒｇａｃｕｒｅ５００の０．５％ｖｏｌ／ｖｏｌ混合物により触媒された。得られたエラストマー材料は、適度な弾性およびガラスへの付着を示した。

本発明に従った他の実施態様において、２層エラストマー構造を、薄い底部層に対して２５％Ｅｂｅ２７０／５０％Ｉｒｒ２４５／２５％イソプロピルアルコール、および頂部層として純アクリル酸化ウレタンＥｂｅ２７０の組み合わせから作製した。Ｅｌｅｃｔｒｏｌｉｔｅ ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより製造された、Ｍｏｄｅｌ ＥＬＣ ５００デバイスを利用して、窒素下で紫外線のもとで、この薄い底部層は初期に５分間硬化され、そして頂部層は初期に１０分間硬化された。この組み立てられた層は、次いで追加の３０分間で硬化された。反応は、Ｃｉｂａ−Ｇｅｉｇｙ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓにより製造された、Ｉｒｇａｃｕｒｅ ５００の０．５％ｖｏｌ／ｖｏｌ混合物で触媒された。得られたエラストマー材料は、適度の弾性を示し、ガラスへ付着した。

あるいは、例えばプラズマ曝露により、エラストマー表面を活性化する工程を含む、他の結合方法が使用され得、その結果、接触して配置されるとエラストマー層／基板が結合する。例えば、同じ材料から構成されたエラストマー層を一緒に結合する１つの可能なアプローチが、Ｄｕｆｆｙらの「Ｒａｐｉｄ Ｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｄｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ Ｐｏｌｙ（ｄｉｍｅｔｈｙｌｓｉｌｏｘａｎｅ）」，Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ（１９９８）、７０、４９７４〜４９８４により記載され、本明細書中に参考として援用される。この論文は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）層を、酸素プラズマに曝露して、この表面の酸化を生じさせ、２つの酸化層が接触して配置されると不可逆結合を生じる工程を議論する。

エラストマーの連続層を一緒に結合するための、さらに他のアプローチは、未硬化エラストマーの接着特性を利用することである。特定的には、ＲＴＶ６１５などの未硬化エラストマーの薄い層は、第一硬化エラストマー層の頂部に適用される。次いで、第二硬化エラストマー層が、未硬化エラストマー層の頂部に配置される。未硬化エラストマーの薄い中央層は、次いでモノリシックエラストマー構造を作製するために硬化される。あるいは、未硬化エラストマーは、第一硬化エラストマー層の底部に適用され、この第一硬化エラストマー層は、第二硬化エラストマー層の頂部に配置され得る。中央の薄いエラストマー層を硬化すると、モノリシックエラストマー構造の形成を再び生じる。

図８〜１８において上記のように、エラストマー構造を作製するために犠牲層の封入が採用される場合、連続エラストマー層の結合が、未硬化のエラストマーを、事前に硬化したエラストマー層、およびその上にパターン化された任意の犠牲材料上に注ぐことにより達成され得る。エラストマー層の間の結合は、相互浸透および未硬化エラストマー層のポ
リマー鎖の、硬化エラストマー層のポリマー鎖との反応により生じる。エラストマー層の引き続く硬化は、エラストマー層の間の結合を作製し、そしてモノリシックエラストマー構造を作製する。

図１から７Ｂまでの第一の方法を参照すると、第一エラストマー層２０は、微細製作モールド１２上のＲＴＶ混合物を、２０００ｒｐｍで３０秒間スピンコーティングすることにより作製され得、約４０ミクロンの厚みを得る。第二のエラストマー層２２は、微細製作モールド１１上のＲＴＶ混合物をスピンコーティングすることにより作製され得る。層２０および２２の両方は、約８０℃で１．５時間、別々にベーキングまたは硬化され得る。第二のエラストマー層２２は、第一エラストマー層２０上に約８０℃で約１．５時間、結合され得る。

微細製作モールド１０および１２は、シリコンウェハ上でパターン化されたフォトレジストであり得る。例示の局面においては、Ｓｈｉｐｌｅｙ ＳＪＲ ５７４０ フォトレジストを２０００ｒｐｍでスピンし、高解像度透明フィルムでマスクとしてパターン化し、次いで現像して約１０ミクロン高さの逆チャネルを得た。約２００℃で約３０分間ベーキングされると、このフォトレジストは逆流し、逆チャネルは丸くなる。好ましい局面において、このモールドは、シリコーンラバーの付着を防ぐために、各使用の前にトリメチルクロロシラン（ＴＭＣＭＳ）蒸気を用いて約１分間処理され得る。

多様な多層軟リソグラフィー構成技術および本明細書中で記載される材料を使用して、本発明は７までの分離したエラストマー層厚（各層は約４０μｍ厚である）のチャネルネットワークを作製することに実験的に成功している。７より多い分離したエラストマー層を備えるデバイスが、一緒に結合されることは予見可能である。

（適切なエラストマー材料）
Ａｌｌｃｏｃｋらの、Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，第二版は、一般にそのガラス転移温度と液化温度との間の温度で存在するポリマーとしてのエラストマーを記載する。エラストマー材料は、ポリマー鎖が容易に捻れ運動を行い、力に反応して骨格鎖のコイルの解きを可能にし、この骨格鎖の再コイル化により、力が存在しない場合の以前の形状を呈するために、弾性特性を示す。一般に、エラストマーは、力が適用されると変形するが、力が除去されると次にはそのもとの形状に戻る。エラストマー材料により示されるこの弾性は、ヤング率により特徴づけられ得る。約１Ｐａと１ＴＰａとの間、より好ましくは約１０Ｐａと１００ＧＰａとの間、より好ましくは約２０Ｐａと１ＧＰａとの間、より好ましくは約５０Ｐａと１０ＭＰａとの間、そしてより好ましくは約１００Ｐａと１ＭＰａとの間のヤング率を有するエラストマー材料が本発明に従って有用であるが、これらの範囲の外のヤング率を有するエラストマー材料もまた、特定の適用の必要に依存して利用され得る。

本発明のシステムは広範なエラストマーから製造することができる。具体的な局面では、エラストマー層２０、２２、４２、４６および５０がシリコーンラバーから製造することができるのが好ましい。しかし、他の好適なエラストマーも利用できる。

本発明の具体的局面では、本システムは、ＧＥ ＲＴＶ ６１５（処方物）、ビニル−シラン架橋（型）シリコーンエラストマー（族）のようなエラストマーポリマーから製造される。しかし、本システムはこの１つの処方物のポリマー、この１つの型のポリマー、または、この族のポリマーにすら限定されず、むしろ、ほぼいかなるエラストマーのポリマーでも好適である。この微細バルブの製造の好ましい方法についての重要な要件は、エラストマーの複数の層を互いに一緒に接着する能力である。多層軟性リソグラフィーの場合、エラストマーの各層は別個に硬化されてから、互いに接着される。この設計は、互い
に接着するのに十分な反応を硬化された層が有していることを必要とする。各層が同一型のものであって、互いに結合する能力があるか、または、各層が２つの異種型のものであって、互いに結合する能力があるか、のいずれかである。別な可能性には、各層の間に接着剤を使用すること、および熱硬化性エラストマーを使用することが挙げられる。

極めて広範なポリマーの化学的特性、前駆物質、合成法、反応条件、および、潜在性添加剤を仮定すると、モノリシックなエラストマーの微細バルブおよびポンプを作成するのに、莫大な数の可能なエラストマーのシステムが使用され得る。使用される材料のバリエーションは、特定の材料特性の必要、すなわち、溶剤の抵抗、硬度、気体透過性、または、温度安定性の必要により決まることが最も多い。

多種のエラストマーのポリマーが存在している。最もありふれた分類のエラストマーの簡単な説明をここに提示するが、比較的「標準的な」ポリマーを用いた場合でも、結合のための可能性が多大に存在する。ありふれたエラストマーのポリマーとしては、ポリイソプレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン、ポリイソブチレン、ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）、ポリウレタン、および、シリコーンが挙げられる。

（ポリイソプレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン：）
ポリイソプレン、プリブタジエン、および、ポリクロロプレンは全てジエンのモノマーから重合化されており、それゆえ、重合化されると、１モノマーにつき１つの２重結合を有している。この２重結合はポリマーが加硫処理（本質的には、加熱処理により２重結合の間に架橋を形成するために硫黄が使用される）によりエラストマーに変換され得るようにする。これは、結合されるべき各層の不完全な加硫処理による同質多層軟性リソグラフィーを容易に可能にする。フォトレジスト封入は同様の機構により可能となる。

（ポリイソブチレン：）
純正ポリイソブチレンは２重結合を有していないが、少量（約１％）のイソプレンを重合に際して含ませることにより、エラストマーとして使用するための架橋型結合される。イソプレンのモノマーはポリイソブチレンの基幹に垂下する２重結合を供与し、これを上述のように硫化することができる。

（ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）：）
ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）はリビングアニオン重合により生成され（すなわち、反応の途中で天然の連鎖終端段階は存在しない）、そのため、「生きた（ｌｉｖｉｎｇ）」ポリマーの端部は硬化ポリマー中に存在し得る。これにより、このポリマーは本フォトレジスト封入システムの天然の候補となる（この場合、硬化層の頂面に注がれた液状層に未反応のモノマーが態様に存在することになる）。不完全な硬化は同質の多層軟性リソグラフィーを可能にする（Ａ対Ａ結合）。この化学的特性はまた、余剰のブタジエン（「Ａ」）と結合剤とを用いて一方の層を作成し、ブタジエンを用いずに他方の層（「Ｂ」）を作成することを促進する（異種多層軟質リソグラフィーとして）。ＳＢＳは「熱硬化性エラストマー」であり、或る一定温度を越えると、このエラストマーが溶融して可塑性になる（弾性になるのとは対照的に）ことを意味しており、温度を低下させると再度、エラストマーを生じる。従って、加熱処理により各層は互いに一緒に結合することができる。

（ポリウレタン：）
ポリウレタンはジイソシアネート（Ａ−Ａ）とジアルコールまたはジアミン（Ｂ−Ｂ）から生成されており、かなり多様なジイソシアネートとジアルコール／アミンが存在しているので、互いに異種のポリウレタンの数は膨大である。しかし、ポリマーのＡ対Ｂの性質によりこれらは、一方の層で過剰なＡ−Ａを利用し、他方の層で過剰なＢ−Ｂを利用す
ることにより、丁度、ＲＴＶ ６１５と同様に、異質多層軟性リソグラフィーについて有用となる。

（シリコーン：）
シリコーンポリマーは最大級の構造的多様性を有しているように思われるが、市場で入手可能な最大数の処方物が存在しているという点では、ほぼ間違いない。ＲＴＶ ６１５
のビニルから（Ｓｉ−Ｈ）への架橋（これは異質多層軟性リソグラフィーとフォトレジスト封入の両方を可能にする）は、既に論じられているが、これは、シリコーンポリマーの化学的特性で使用されるいくつかの架橋法のうちの１つにすぎない。

（架橋剤：）
上述の単純な「純正」ポリマーの使用に加えて、架橋剤を添加することもできる。いくつかの（硫化のための、垂下式２重結合を有するモノマーのような）試薬は、同質（Ａ対Ａ）の多層軟性リソグラフィーまたはフォトレジスト封入を可能にするのに好適であり、相補型の試薬（すなわち、垂下式２重結合を有する１つのモノマー、および垂下式Ｓｉ−Ｈ群を有している別なモノマー）は、異質な（Ａ対Ｂ）多層軟性リソグラフィーに好適である。このアプローチにおいて相補型試薬が隣接する層に添加される。

（他の材料：）
更に、クロロシラン、またはメチルシラン、エチルシラン、および、フェニルシランなどののような材料を取り込むポリマー、および例えば、ダウケミカル社のシルガード（Ｓｙｌｇａｒｄ）１８２、１８４、１８６のようなポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、または、ＵＢＣケミカルから販売されているエベクリル（Ｅｂｅｃｒｙｌ）２７０またはＩｒｒ２４５のような（これらに限定されないが）脂肪族ウレタンジアクリレートを使用することもできる。

以下のものは、本発明に関連して利用され得るエラストマー材料の限定的ではない列挙である：ポリイソプレン、ポリブタジエン、ポリクロロプレン、ポリイソブチレン、ポリ（スチレン−ブタジエン−スチレン）、ポリウレタン、およびシリコーンポリマー、またはポリ（ビス（フルオロアルコキシ）フォスファジン（ｐｈｏｓｐｈａｚｅｎｅ）（ＰＮＦ、Ｅｙｐｅｌ−Ｆ）、ポリ（カルボラン−シロキサン）（Ｄｅｘｓｉｌ）、ポリ（アクリロニトリル−ブタジエン）（ニトリルラバー）、ポリ（１−ブテン）、ポリ（クロロトリフルオロエチレン−フッ化ビニリデン）コポリマー（Ｋｅｌ−Ｆ）、ポリ（エチルビニルエーテル）、ポリ（フッ化ビニリデン）、ポリ（フッ化ビニリデン−ヘキサフルオロプロピレン）コポリマー（Ｖｉｔｏｎ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）のエラストマー組成物、ポリスルホン、ポリカーボネート、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、およびポリテトラフルオロエチレン（Ｔｅｆｌｏｎ）。

（ドーピングと希釈：）
エラストマーは、同一分類の、架橋できないポリマー鎖で「ドーピング処理」し得る。例えば、ＲＴＶ ６１５はＧＥ ＳＦ９６−５０シリコーン流体で希釈し得る。これは、未硬化のエラストマーの粘性を減じる働きをし、硬化したエラストマーのヤング率を低減する。本質的に、架橋可能なポリマー鎖は「不活性な」ポリマー鎖の添加により更に離散するように分岐され、これが「希釈」と称される。ヤング率の劇的低下に伴って、ＲＴＶ
６１５は９０％までの希釈率で硬化する。

図４９は、３０：１ Ａ：Ｂの比を有するＧＥ ＲＴＶ ６１５エラストマーのＧＥ ＳＦ９６−５０希釈剤での、ヤング率対百分率希釈率をプロットする。図４９は、エラストマー材料の可撓性、従って適用された作動力へのバルブ膜の反応性が、このデバイスの製作の間制御され得ることを示す。

エラストマー材料のドーピングの他の例は、電気伝導または磁気種の導入を含み得、このデバイスの膜の作動の代替の方法と関連して以下に詳述する。所望であるなら、このエラストマー材料（すなわち、シリカ、ダイアモンド、サファイア）と異なる屈折率を有する材料の微粒子でのドーピングもまた、この材料の屈折率を変更するためのシステムとして考慮される。強い吸収性または不透明粒子が、このエラストマーを着色させるか、または入射に対して不透明にさせるために添加され得る。これは、おそらく光学的にアドレス可能なシステムにおいては有益であり得る。

最後に、特定の化学種を用いてこのエラストマーをドーピングすることによって、これらのドーピングされた化学種は、エラストマー表面にて提供され得、従って更なる化学的派生（ｄｅｒｉｖｉｔｉｚａｔｉｏｎ）のためのアンカーまたは出発点として作用する。

（予備処置および表面コーティング）
一旦、エラストマー材料が適切な形状へ成形またはエッチングされると、特定の適用に関連した操作を促進するためにこの材料を前処理することが必要であり得る。

例えば、本発明に従ったエラストマーデバイスのための１つの可能な適用は、細胞またはＤＮＡなどの生物学的実体を選別することである。このような適用において、生物学的実体の疎水的性質が、チャネルの壁の疎水性エラストマーへの付着を生じさせ得る。従って、親水性をこのチャネル壁に伝えるためにこのエラストマー構造を前処理することは、有用であり得る。Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ ＲＴＶ ６１５ エラストマーを利用する本発明の実施態様において、これは形成されたエラストマーを酸中で煮沸すること（例えば水において０．０１％ＨＣｌ、ｐＨ２．７、６０℃にて４０分間）により達成され得る。

他のタイプのエラストマー材料の前処理もまた、本出願により考慮される。例えば、エラストマーのある部分は、表面化学反応のためのアンカー（例えばペプチド鎖の形成にて）、または抗体のための結合部位、を作製するために前処理され得、所与の適用において有益である。エラストマー材料の前処理の他の例は、エラストマー表面への反射材料の導入を含み得、ミクロミラーアレイ適用と関連して以下に詳述の通りである。

（本発明を作動させる方法）
図７Ｂおよび図７Ｃは共に、第二フローチャネルを加圧することによる第一フローチャネルの閉鎖動作を示しており、図７Ｂ（対応する図７Ａにおけるフローチャネル３２を破断した正面断面図）は開状態の第一フローチャネル３０を示しており、図７Ｈは第二のフローチャネル３２の加圧により閉鎖された第一のフローチャネル３０を示している。

図７Ｂを参照すると、第一フローチャネル３０および第二フローチャネル３２が示されている。膜２５はフローチャネルを分離し、第一フローチャネル３０の頂部と第二フローチャネル３２の底部を形成している。図示のように、フローチャネル３０は「開状態」にある。

図７Ｈでわかるように、フローチャネル３２の加圧（そこに導入された気体によるものであれ、液体によるものであれ）により、膜２５は下方向に撓み、それにより、フローチャネル３０を通過するフローＦを絞って細くする。従って、チャネル３２の圧力を変動させることにより、フローチャネル３０は線型作動可能なバルブ動作システムが提供されて、膜２５を移動させることにより所望されるとおりにフローチャネル３０が開閉され得るようになる。（例示のみを目的として、図７Ｇのチャネル３０は「完全閉鎖」位置ではなく、「ほぼ閉鎖した」位置に示されている）。

フローチャネル６０および６２を用いて、正確に同じバルブ開閉が達成され得ることが理解される
このようなバルブがチャネル自体の屋根を移動させることにより（すなわち膜２５を移動することにより）作動されるために、この技術により製造されるバルブおよびポンプは、真にゼロデッドボリュームを有し、そしてこの技術により作製されたバルブを切替えることは、バルブの動作ボリューム（例えば約１００×１００×１０μｍ＝１００ｐＬ）にほぼ等しいデッドボリュームを有する。このようなデッドボリュームおよび移動膜により消費される領域は、ほぼ２オーダーの大きさで公知の通常のミクロバルブより小さい。より小さいバルブ、およびより大きいバルブ、ならびに繰り替えバルブは、本発明において考慮され、そしてデッドボリュームの範囲の限定的でない列挙は、１ａＬから１μＬ、１００ａＬから１００ｎＬ、１ｆＬから１０ｎＬ、１００ｆＬから１ｎＬ、および１ｐＬから１００ｐＬを含む。

極端に小さい体積が、本発明に従ったポンプおよびバルブにより送達されることが可能であり、実質的な長所を提供する。特に手動で計量されることが可能である最小の既知の容量は、約０．１μｌである。自動化システムにより計量され得る最小の既知の容量は、約１０倍大きい（１μｌ）。本発明に従った、ポンプおよびバルブを利用すると、１０ｎｌ以下の液体の体積が規定どおりに計量されて分配され得る。本発明により可能になるこの極小容量の流体の正確な計量は、多くの生物学的適用（診断検査およびアッセイを含む）において極度に価値がある。

等式１は、付与された圧力による、矩形、直線的、弾性的、均一な厚みの等方性プレートの撓みの非常に単純化された数学的モデルを提供する。
（１） ｗ＝（ＢＰｂ⁴）／（Ｅｈ³）、ここで：
ｗ＝プレートの撓み；
Ｂ＝形状係数（長さ対幅およびプレートのエッジの支持に依存する）；
ｐ＝付与圧力；
ｂ＝プレート幅
Ｅ＝ヤング率；および
ｈ＝プレート厚み
従って、この極端に単純化された表現においてさえ、圧力に応答したエラストマー膜の撓みは：長さ、幅、および膜の厚み、膜の可撓性（ヤング率）、適用された作動力、の関数である。これらの各々のパラメータは、本発明に従った特定のエラストマーデバイスの実際の寸法および物理的組成に依存して、広く変化するために、広い範囲の膜厚および弾性、チャネル幅、および作動力が、本発明により考慮される。

一般的に膜は均一な厚みを有しないため、上記で提供された式は、概略のみであり、膜厚は長さおよび幅と比較して必ずしも小さくなく、そして撓みはこの膜の長さ、幅、または厚みと比較して必ずしも小さくないことが理解される。それでもなお、この等式は、付与力に対する撓みの、所望の反応を達成するために変化し得るパラメータを調節するための有用なガイドとして作用する。

図２１ａおよび２１ｂは、１００μｍ幅第一フローチャネル３０、および５０μｍ幅第二フローチャネル３２のバルブ開度対付与圧力を図示する。このデバイスの膜は、約３０μｍの厚み、および約７５０ｋＰａのヤング率を有する、Ｇｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｔｒｉｃ Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓ ＲＴＶ ６１５の層により形成される。図２１ａおよび２１ｂは、バルブの開度がほとんどの付与圧力の範囲にわたって実質的に直線的である程度を示す。本発明は、この直線的作動挙動を要求しないが、本発明の実施態様は＜ここに挿入＞。

０．０２５インチの外径および０．０１３インチの内径を有するステンレス鋼皮下組織（ｈｙｐｏｄｅｒｍｉｃ）チュービングの２５ｍｍピースに接続された、０．０２５インチの外径を有する１０ｃｍ長のプラスチックチュービングのピースを通じて、空気圧を付与してこのデバイスの膜を作動させた。このチュービングを、制御チャネルへ垂直の方向のエラストマーブロックへの挿入により、制御チャネルと接触して配置した。Ｌｅｅ Ｃｏ．により製造された外部ＬＨＤＡミニチュアソレノイドバルブからの皮下組織チュービングにより、空気圧を付与した。

通常の微細流体デバイスの外部の流体フローへの接続は、上述したように外部形状ににより避けられる多くの問題を呈する。１つのこのような問題は、外部環境との接続の脆弱性である。特に、通常の微細流体デバイスは、硬質の、非可撓性材料（シリコンなど）から構成され、このデバイスに、外部要素へ接続を可能にする配管またはチュービングが、接合されなければならない。通常材料の剛性は、小さく繊細な外部チュービングと接触する点においてかなりの物理的応力を作り出し、通常の微細流体デバイスを、これらの接触点において破砕および漏洩させる傾向にある。

対照的に、本発明のエラストマーは、可撓的であり、硬質材料からなるチューブにより外部接続のために容易に貫通される。例えば、図１〜７Ｂに示される本方法を利用して作製されたエラストマー構造において、この構造の外面から制御チャネルへ延びる穴は、上部エラストマーピースがモールドから除去された後に（図３に示される）、そしてこのピースが低部エラストマーピースに結合される前に（図４に示される）、金属皮下組織チュービングでこのエラストマーを貫通することにより作製され得る。これらの工程の間、制御チャネルの屋根が、ユーザの視界に露出され、挿入およびこの穴の適切な配置へアクセス可能となる。このデバイスの製作の完了の次に、金属皮下組織チュービングが、流体接続を完結するためにこの穴へ挿入される。

さらに、本発明のエラストマーは、外部接続との接触の点における物理的歪に応じて撓み、外部の物理的接続をより頑強にさせる。この可撓性は、実質的に本デバイスの漏洩または破損の可能性を減少させる。

通常の微細流体デバイスの他の欠点は、このデバイスとその外部リンクとの間の有効なシールを確立することの困難性である。これらのデバイスのチャネルの極度に狭い直径のために、適切な割合の流体フローは、極度に高い圧力を要求し得る。このデバイスと外部接続との間の接合における不必要な漏洩が生じ得る。しかし、本デバイスのエラストマーの可撓性は、圧力に対する漏洩をもまた克服することを補助する。特に、この可撓性エラストマー材料は、圧力抵抗シールを形成するために、挿入されたチュービングの周囲に従って撓む。

付与されたガス圧を利用して、このデバイスを通した材料のフローの制御が記載されてきたが、他の流体は使用され得る。例えば、空気は圧縮可能であり、従って、外部ソレノイドバルブによる圧力の付与の時刻と、この圧力が膜により経験される時刻との間の有限の遅延を経験する。本発明の代替の実施態様において、圧力は外部ソースから水または油圧油などの非圧縮性流体へ付与され得、この膜へ付与された圧力の準瞬間移動を生じる。しかし、バルブの置換された体積が大きいか、または制御チャネルが狭いと、制御流体のより高い粘性が作動における遅延に貢献し得る。圧力移動のための最適媒体は、従って、特的の適用およびデバイス形状に依存し、そしてガス状、および液体媒体の両方が本発明により考慮される。

上述のような外部付与圧力が、圧力レギュレータおよび外部ミニチュアバルブを通して
ポンプ／タンクシステムにより付与されるが、外部圧力を付与する他の方法もまた、本発明において考慮され、ガスタンク、コンプレッサ、ピストンシステム、および液柱を含む。考慮されることはまた、生体内で見られ得るもの（例えば血圧、胃圧、大脳脊髄圧、眼内空間に存在する圧力、および通常の屈曲中い筋肉によりかかる圧力）などの自然に生じる圧力源の使用である。ミニチュアバルブ、ポンプ、微細蠕動ポンプ、ピンチバルブ、および当業者公知の、他のタイプの流体調節装置などの外部圧力を調節するための他の方法もまた、考慮される。

見られ得るように本発明の実施態様に従ったバルブの応答は、移動のその範囲の大部分においてほぼ完璧に直線的に、最小限のヒステリシスで実験的に示された。従って本発明のバルブは、理想的には、微細流体計量および流体制御のために適合する。このバルブ応答の直線性は、個別のバルブがフックの法則に従うバネとして良くモデル化されていることを示す。さらに、流体チャネルにおける高圧（すなわち背圧）が、単に作動圧力を増加させることにより対抗され得る。実験的に、本発明者らは、７０ｋＰａの背圧においてバルブ閉鎖を達成したが、より高圧もまた考慮される。次は、本は発明により包含される圧力範囲の非限定的な列挙である：１０Ｐａ〜２５ＭＰａ；１００Ｐａ〜１０ＭＰａ、１ｋＰａ〜１ＭＰａ、１ｋＰａ〜３００ｋＰａ、５ｋＰａ〜２００ｋＰａ、および１５ｋＰａ〜１００ｋＰａ。

バルブおよびポンプは開閉するための直線的作動を要求しないが、直線的応答は、計量デバイスとしてバルブがより簡単に使用されることを可能にする。本発明の１つの実施態様において、バルブの開放は、既知の程度の閉鎖へ部分的に作動することにより流量を制御するために使用される。直線的バルブ作動は、このバルブを所望の程度の閉鎖へ閉鎖するために要求される作動力の量を決定することをより簡単にする。直線作動の他の長所は、バルブ作動に要求される力が、フローチャネル内の圧力から簡単に決定されることである。作動が直線的であれば、フローチャネルにおける増加した圧力は、同じ圧力（単位面積あたりの力）をバルブの作動部分に加えることにより対抗され得る。

バルブの直線性は、バルブ構造の構造、組成、および作動の方法に依存する。さらに、直線性がバルブにおける所望の特性であるかどうかは、その適用に依存する。従って、直線的作動可能バルブおよび非直線的作動可能バルブの両方が、本発明において考慮され、そしてバルブが直線的に作動可能である圧力範囲は
特定の実施態様に伴って変化する。

図２２は、１０ｃｍ長の空気管がチップから空気式バルブまで接続された、１００μｍ×１００μｍ×１０μｍのＲＴＶ微細バルブの時間反応（付与された圧力の変化に応じた時間の関数としてのバルブの閉鎖）を例示している。

２周期のデジタル制御信号、管の端部における実際の空気圧、および、バルブ開度がここに示されている。制御ラインに付与された圧力は１００ｋＰａであり、これは、バルブを閉鎖するのに要する約４０ｋＰａよりも実質的に高い。従って、閉鎖動作中に、バルブは必要とされるよりも大きな圧力６０ｋＰａで押圧閉鎖される。しかし、開くときは、バルブはそれ自体のばね力（４０ｋＰａ以下）だけでその静止位置に逆戻しされる。従って、τ_closeはτ_openよりも小さくなると予測される。圧力を制限するために使用されるミ
ニチュアバルブの制約のせいで、制御信号と制御圧力反応との間にも遅延が存在する。かかる遅延をｔと称し、１／ｅ時定数をτと称すると、各値は以下のようになる。すなわち、ｔ_open＝３．６３ｍｓ、τ_open＝１．８８ｍｓ、ｔ_close＝２．１５ｍｓ、τ_close＝０．５１ｍｓである。３τが開閉ごとに割り当てられるとすると、このバルブは、水溶液で充満すると、７５Ｈｚで快適に作動する。

開閉遅延を受けない別な作動方法を採用した場合、このバルブは約３７５Ｈｚで作動する。バネ定数は、膜の厚さを変更することにより調節することができ、これにより高速開放または高速閉鎖のいずれもの最適化が可能になることにも留意されたい。この膜へドーパントを導入することによって、または異なるエラストマー材料を利用することによって膜として作用することが可能であるように（図７Ｃ〜７Ｈ）、このバネ定数は、膜の弾性（ヤング率）を変化させることによってもまた調節される。

図２１および図２２に例示されたようなバルブ特性を実験的に測定するとき、バルブ開放率を蛍光により測定した。これらの実験では、フローチャネルには緩衝液（ｐＨ８以上）中にフルオレセインイソチオシアネート（ＦＩＴＣ）の溶液を充填し、チャネルの中央約３分の１を占有する正方形領域の蛍光を、１０ｋＨｚの帯域を有する光電子増倍管を備えた蛍光外顕微鏡でモニタした。圧力を、ほぼ同一の空気式接続により制御ラインと同時に加圧されるホイートストンブリッジ圧力センサー（ＳｅｎＳｙｍ ＳＣＣ１５ＧＤ２）を用いてモニタした。

（フローチャネル断面：）
本発明のフローチャネルは必要に応じて、それぞれの所望の応用例に依存して、異なる利点を提供する異なる断面寸法および断面形状で設計し得る。例えば、より低いフローチャネルの断面形状は、その全長に沿って、または、それを横断して延びる上部横断チャネルの下に配置された領域に、湾曲した上表面を有し得る。このような湾曲した上表面は、下記のように、バルブのシーリングを容易にする。

図１９を参照すると、フローチャネル３０およびフローチャネル３２を破断した断面図（図７Ｂのものに類似している）が示されている。図示のように、フローチャネル３０は断面形状が矩形である。それに代わり、図２０に示されるように、本発明の代替の好ましい局面では、フローチャネル３０の断面は上部湾曲表面を有している。

図１９をまず参照すると、フローチャネル３２が加圧されると、フローチャネル３０およびフローチャネル３２を分離しているエラストマーのブロック２４の薄膜部２５が下方向に、点線２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ、２５Ｄ、２５Ｅにより示される連続位置まで移動する。図示のように、不完全な密封が、平坦な基板１４に隣接してフローチャネル３０の端縁部に生じる可能性がある。

図２０の代替の好ましい実施態様では、フローチャネル３０はａは、湾曲した上部壁２５Ａを有している。フローチャネル３２が加圧されると、膜部分２５は下方向に、点線２５Ａ２、２５Ａ３、２５Ａ４および２５Ａ５により示される連続位置まで移動し、それに伴い膜の縁部がこのフローチャネルへ移動し、次いで頂部膜部が移動する。膜２５Ａにおける湾曲した上部表面を有しているという利点は、フローチャネル３２が加圧された時に、より完全な密封が設けられる点である。特に、フローチャネル３０の上部壁が平坦基板１４に抗して連続接触端縁を提供し、それにより、壁２５と図１９のフローチャネル３０の底部との間に見られる接触の「島」の発生を回避する。

膜２５Ａにおける湾曲上部フローチャネル表面を有する他の利点は、この膜が作動に応答してフローチャネルの形状および体積に、より容易に従い得ることである。特に、矩形フローチャネルが採用される場合には、この全周辺（２×フローチャネル高さ＋フローチャネル幅）が、このフローチャネルへ強制的に入らなければならない。しかし、弧状チャネルが使用される場合には、より小さい材料の周辺（半円弧状部のみ）がこのチャネルに入らなければならない。この様式で、この膜は、作動のための周辺におけるより小さい変化を要求し、従って付与された作動力により応答性となり、このチャネルをブロックする。

代替の局面では（図示せず）、フローチャネル３０の底部は丸み付けられて、その湾曲した表面が、上述した図２０に見られるような湾曲した上部壁２５Ａと結合するようにしている。

要するに、作動の際に膜が経験する実際の構造変化は、特定のエラストマー構造の構成に依存する。特に、構造変化は、この膜の長さ、幅、および厚さプロフィール、この膜の残余への付着性、ならびに使用されるエラストマーの高さ、幅、およびフローチャネルおよび制御チャネルの形状、ならびに使用されるエラストマーの材料特性に依存する。付与された圧力への応答における膜の作動が、磁気力、または静電力に応答した作動から幾分変化するので、この構造変化は、作動の方法にもまた依存し得る。

さらに膜における所望の構造変化は、エラストマー構造のための特定の適用にもまた依存する。上記の最も簡単な実施態様において、このバルブの閉度を制御するために計量して、バルブは開または閉であり得る。しかし他の実施態様において、この膜および／またはフローチャネルの形状を変えることが所望され得、より複雑なフロー制御を達成する。例えば、このフローチャネルは、膜部の下に隆起した突部を備え得、作動の際に膜は、付与された作動力に非感受的な、ブロックされたフローの割合とともに、このフローチャネルを通るフローの割合のみを遮断する。

矩形、台形、円形、楕円形、放物線形、双曲線状、および多角形状、ならびに上記形状の部分を含む、多くの膜厚プロフィールおよびフローチャネル断面が、本発明により考慮される。すぐ上に記載した突出部を有した実施態様、またはフローチャネルにおける凹部を有する実施態様、などのより複雑な断面形状もまた本発明により考慮される。

（代替のバルブ作動技術：）
上述の圧力に基づく作動システムに加えて、必要に応じて静電作動システムおよび磁気作動システムも以下のように思量される。

静電式作動は、モノリシックなエラストマー構造体に直接的に、互いに反対極性に荷電した電極（電圧差がそれぞれに印加されると、互いに引き合う傾向を有している）を形成することにより、達成することができる。例えば、図７Ｂを参照すると、必要に応じて第一電極７０（仮想線で示している）が膜２５の上（またはその中）に設置されている。そして必要に応じて第二電極７２（これも仮想線で示される）が、平坦基板１４の上（または中）に配置されている。電極７０および電極７２が互いに反対の極性に帯電すると、２つの電極間の引力により薄膜２５が下方向に撓み、それにより、この「バルブ」を閉鎖する（すなわち、フローチャネル３０を閉鎖する）。

薄電極が静電作動を支持するのに十分なだけの導電性を有しているが、バルブの運動を抑止するほど機械的に剛性とならないようにするために、十分に可撓性の電極が薄膜２５の中またはその上に設けられなければならない。このような電極は、ポリマーを導電材料でドーピングした、或いは、導電材料から表面層を作成した薄い金属化層により提供される。

具体的な局面では、撓む薄膜に存在している電極は、２０ｎｍの金などの金属の薄層をスパッタリングすることなどにより設けられた、薄金属化層により提供し得る。スパッタリングすることによる金属化膜の形成に加えて、化学エピタキシー、蒸着、電気めっき、および非電気めっき、などの他の金属化法も利用可能である。エラストマーの表面への金属層の物理的移動もまた利用可能であり、例えば金属を、弱く付着する平面基板上へ蒸発させ、次いでエラストマーを金属上に配置し、この基板から金属を剥がすことにより利用
可能である。

導電性電極７０は、乾燥粉上を払拭することにより、またはこのエラストマーを、エラストマーの膨張を生じる溶媒（ＰＤＭＳの場合における塩素化溶媒など）中のカーボンブラックの懸濁液へ曝露することにより、エラストマー表面上のカーボンブラック（すなわちＣａｂｏｔ Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ７２Ｒ）の堆積によってもまた形成される。あるいは電極７０は、導電性材料（すなわちカーボンブラックまたは微細分割粒子）でドーピングされたエラストマーから全体層２０を構成することにより、形成され得る。なお、さらに代替的には、この電極は、静電堆積により、または炭素を生成する化学反応により形成され得る。本発明により実施される実験において、カーボンブラック濃度を５．６×１０^-16から約５×１０^-3（Ω−ｃｍ）^-1へ増加させると、導電性を示した。動くことが要求さ
れない低部電極７２は、上述のように柔軟な電極であるか、または蒸着した金、金属プレート、またはドーピングした半導体電極などの通常の電極であり得る。

あるいは、フローチャネルの磁気作動は、鉄、もしくは分極ＮｄＦｅＢなどの永久磁性材料などの磁気分極可能材料で、このフローチャネルを分離する膜を作製することにより達成され得る。本発明者による実験において、鉄粉（約１μｍ粒子サイズ）を２０重量％鉄までの添加により、磁気シリコーンが作製された。

磁気分極可能材料を用いて膜が作製される場合、膜は印加された磁界に応答した引力により作動される。この膜が永久磁性を維持することが可能な材料で作製される場合、この材料が充分に強い磁場への曝露により最初に磁化され、次いで印加された不均一磁界における極性に応じて引力により、または斥力により作動される。

この膜の作動を生じる磁界は、多様な方法で発生され得る。１つの実施態様において、この磁界は、エラストマー膜中にまたはエラストマー膜に近接して形成された極度に小さい誘導性コイルにより発生される。このような磁性コイルの作動効果は、局所化され得、個別のポンプおよび／またはバルブ構造の作動を可能にする。あるいは、より大きく、より強力な発生源により磁界が発生し得、この場合、作動は全体的であり得、複数のポンプおよび／または構造を一度に作動させる。

さらに、静電気作動または磁気作動の組み合わせ圧力作動が可能である。特に、凹部と流体連絡したベローズ構造が、静電的にまたは磁気的にこの凹部内の圧力を変化させるために作動され、それによりこの凹部に隣接した膜構造を作動させる。

上述のような電気作動または磁気作動に加えて、必要に応じた電解質性および動電性作動システムが、本発明により考慮される。例えば、膜上の作動圧力は、膜を覆う凹部における電解反応から生じ得る。このような実施態様において、この凹部における電極は、この凹部における電解質を介して電圧を付与する。このポテンシャル差は、電極における電気化学的反応を生じ、そしてガス種の発生を得る結果を生じ、この凹部における圧力差を生じる。

あるいは、この膜における作動圧力は、制御チャネルにおける動電流体から生じ得る。このような実施態様において、制御チャネルの対向端における電極は、この制御チャネルに存在する電解質を介する、ポテンシャル差を付与する。電解質における荷電種のそれぞれの電極への移動は、圧力差を生じさせ得る。

最後に、熱エネルギーの付与に基づいて、制御チャネル内に（熱膨張により、または液体からの気体の生成によるかのいずれかによる）、流体フローを生じさせることにより、このデバイスを作動させることもまた可能である。同様に、気体状生成物を発生する化学
反応は、膜作動のために充分な圧力の増加を提供し得る。

（ネットワーク化システム：）
図２３Ａおよび図２３Ｂは、先に（例えば、図７Ａで）明示したシステムと同一の単一のオン／オフバルブの図を示している。図２４Ａおよび図２４Ｂは、図２３に見られるような単一のアドレス可能な複数のオン／オフバルブのから構成されているが、一緒にネットワーク化された、蠕動ポンピングシステムを示している。図２５は、図２４の蠕動ポンピングシステムについて、実験で達成されたポンピング流量対周波数を示すグラフである。図２６Ａおよび図２６Ｂは、単一制御ラインにより制御可能である複数のフローチャネルの概略図を示している。このシステムはまた、図２３の単一のアドレス可能な複数のオン／オフバルブを備え、一緒に多重化されているが、図２３の構成とは異なる構成である。図２７は、図２３の単一のアドレス可能な複数のオン／オフバルブから構成され、共に接合またはネットワーク化され、選択されたチャネルを通る流体フローを可能にするように適合された多重化システムの概略図である。

図２３Ａおよび図２３Ｂをまず参照すると、フローチャネル３０およびフローチャネル３２の概略が示されている。フローチャネル３０はそこを通る流体（または気体）フローＦを有しているのが好ましい。フローチャネル３２（本明細書中で既に説明したように、フローチャネル３０を横断している）は、加圧され、フローチャネルを分離している膜２５がフローチャネル３０の経路の中へ押圧され、上述のように、そこを通るフローＦの通路を遮断するようにしている。このように、「フローチャネル」３２はフローチャネル３０において１個のバルブを作動させる「制御ライン」と称し得る。図２３から図２６においては、複数のこのようなアドレス可能なバルブが多様な配置に接続され、或いは、一緒にネットワーク化されて、蠕動ポンピングの能力があるポンプおよび他の流体ロジック適用を生成している。

図２４Ａおよび図２４Ｂを参照すると、蠕動ポンピング用のシステムは下記のように適用される。フローチャネル３０は、その上を通る複数の略平行なフローチャネル（すなわち、制御ライン）３２Ａ、３２Ｂおよび３２Ｃ、を有する。制御ライン３２Ａを加圧することにより、フローチャネル３０を通るフローＦは、膜２５Ａの下で制御ライン３２Ａとフローチャネル３０との交点において遮断される。同様に（図示しないが）、制御ライン３２Ｂを加圧することにより、フローチャネル３０を通るフローＦが膜２５Ｂの下で制御ライン３２Ｂとフローチャネル３０との交点などにおいて遮断される、などである。

制御ライン３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃの各々が別個にアドレス可能である。それゆえに、制御ライン３２Ａおよび３２Ｃを一緒に作動させ、その後、制御ライン３２Ａを作動させ、それに続いて制御ライン３２Ａおよび３２Ｂを一緒に作動させた後、制御ライン３２Ｂの作動が続き、その後で制御ライン３２Ｂおよび３２Ｃを一緒に作動させるといったパターンにより、蠕動を作動させ得る。これは連続する「１０１、１００、１１０、０１０、０１１、００１」のパターンに対応しており、この場合、「０」は「バルブ開」を示し、「１」は「バルブ閉」を示している。この蠕動パターンはまた、１２０度パターンとして知られてもいる（３つのバルブの間の作動の位相角度のことを意味する）。他の蠕動パターンも、６０度のパターンおよび９０度のパターンを含め、同等に可能である。

本発明者により実施された実験では、薄い（０．５ｍｍの内部寸法）管の中の水柱が移動した距離を測定することにより、２．３５ｎＬ／ｓのポンピング流量を測定したが、この場合、１００×１００×１０μｍのバルブが４０ｋＰａの作動圧の元に置かれていた。ポンピング速度は、約７５Ｈｚまでの作動周波数とともに増加し、次いで２００Ｈｚを越えるまで、ほぼ一定であった。バルブとポンプは極めて耐性にも富み、エラストマー膜、制御チャネル、または、結合が働かなくなるのは観察されなかった。本発明者らにより実
施された実験では、本明細書中に記載された蠕動ポンプのバルブのいずれもが、４００万回を越える作動を行った後でも、磨耗や疲労の兆候を示してはいない。バルブの耐性に加えて、バルブは穏やかでもある。チャネルを通して汲み上げられ、実行可能性について試験された大腸菌の溶液が９４％の残存率を示した。

図２５は、図２４の蠕動ポンピングシステムについて、実験で達成されたポンピング速度対周波数を示すグラフである。

図２６Ａおよび図２６Ｂは、図２１のアドレス可能な複数のバルブを組立てる別な方法を例示している。特に、複数の平行なフローチャネル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃが設けられている。フローチャネル（すなわち、制御ライン）３２がフローチャネル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃの上を横断して通過する。制御ライン３２の加圧は、制御ライン３２とフローチャネル３０Ａ、３０Ｂおよび３０Ｃとの交点に配置された膜２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃを押圧することにより、フローＦ１、Ｆ２、Ｆ３を同時に遮断する。

図２７は、下記のように、選択されたチャネルを通って流体が選択的にフロー得るように適合した多重化システムの概略図である。それぞれのフローチャネルを、それらの上方を通る制御ラインから分離している薄膜の下方向への撓み（例えば、図２６Ａおよび図２６Ｂにおける膜２５Ａ、２５Ｂ、２５Ｃ）は、薄膜の寸法によって強く依存する。従って、図２６Ａおよび図２６Ｂのフローチャネル制御ライン３２の幅を変動させることにより、制御ラインに多数のフローチャネルを越えさせ、しかし、所望のフローチャネルしか作動させない（すなわち、シールする）ことが可能である。図２７は、下記のように、このようなシステムの概略を例示している。

複数の互いに平行なフローチャネル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ、３０Ｆが複数の互いに平行な制御ライン３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、３２Ｅおよび３２Ｆの下に設置される。制御チャネル３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、３２Ｅおよび３２Ｆは、先に説明したが下記の修正を含むバルブシステムのいずれかを利用して、互いに平行なフローチャネル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃ、３０Ｄ、３０Ｅ、３０Ｆを通過する流体フローＦ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５およびＦ６を遮断するように適合されている。

制御ライン３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃ、３２Ｄ、３２Ｅおよび３２Ｆの各々は、広い部分と狭い部分の両方を有している。例えば、制御ライン３２Ａは、フローチャネル３０Ａ、３０Ｃおよび３０Ｅを越えて配置された各適所で幅広である。同様に、制御ライン３２Ｂは、フローチャネル３０Ｂ、３０Ｄおよび３０Ｆを越えて配置された各適所で幅広であり、制御ライン３２Ｃはフローチャネル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｅおよび３０Ｆを越えて配置された各適所で幅広である。

それぞれの制御ラインが幅広である各位置で、その加圧は、フローチャネルと制御ラインとを分離している薄膜２５を、フローチャネルの中へ相当に押圧し、それにより、そこを通るフローの経路を遮断する。これとは逆に、それぞれの制御ラインが狭い各場所では、膜２５も狭くなる。従って、同じ程度の加圧の結果として、膜（２５）がフローチャネル（３０）の中へ押圧した状態にはならない。それゆえに、その下の流体の経路は遮断されない。

例えば、制御ライン３２Ａは、加圧されると、フローチャネル３０Ａ、３０Ｃよび３０ＥにおけるフローＦ１、Ｆ３、Ｆ５を遮断する。同様に、制御ライン３２Ｃは、加圧されると、フローチャネル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｅおよび３０ＦにおけるフローＦ１、Ｆ２、Ｆ５およびＦ６を遮断する。理解されるように、１つ以上の制御ラインが同時に作動され得る。例えば、制御ライン３２Ａおよび３２Ｃは同時に加圧されて、Ｆ４以外の流体の全
てのフローを遮断し得る（３２ＡはＦ１、Ｆ３およびＦ５を遮断し、３２ＣはＦ１、Ｆ２、Ｆ５およびＦ６を遮断する）。

異なる制御ライン３２を一緒におよび多様な順序での両方で、選択的に加圧することにより、かなりの程度の流体流の制御が達成し得る。更に、本システムを、６を越える互いに平行なフローチャネル３０と、４を越える互いに平行な制御ライン３２まで拡張することにより、また制御ラインの広い領域と狭い領域の位置決めを変化させることにより、極めて複雑な流体フロー制御システムが製造し得る。このようなシステムの特性は、わずか２（ｌｏｇ₂ｎ）本の制御ラインを用いて、ｎ本のフローチャネルから任意の１本のフロ
ーチャネルをオン状態にすることが可能である。

本発明者らは、３０デバイス／ｍｍ²の密度で微細流体構造体を作製することに成功し
ているが、より高い密度を達成し得る。

（フローラインに沿った選択的にアドレス可能な反応チャンバ）
図２８Ａ、図２８Ｂ、図２８Ｃおよび図２８Ｄに例示された本発明の更なる実施態様では、フローラインに沿って配置された複数の反応チャンバのうちから別なもう１つに、流体フローを選択的に方向付けるためのシステムが提示されている。

図２８Ａは、そこに沿って複数の反応チャンバ８０Ａおよび８０Ｂが配置されたフローのチャネル３０の頂面図を示している。フローチャネル３０と反応チャンバ８０Ａおよび８０Ｂとは、エラストマーの第一の層１００の底部表面への凹部として一緒に形成されている。好ましい。

図２８Ｂは、２つの制御ライン３２Ａおよび３２Ｂの各々が概ね狭く、しかし、広く拡張した部分３３Ａおよび３３Ｂがその凹部として形成された、別なエラストマー層１１０の底面図を示している。

図２８Ｃの分解図に見られるように、また、図２８Ｄの組立て図で分かるように、エラストマー層１１０は、エラストマー層１００の上に設置されている。層１００および層１１０が互いに結合され、この一体型システムは流体フローＦを（フローチャネル３０を通して）反応チャンバ８０Ａおよび８０Ｂのいずれか一方または両方へと選択的に方向付けるように、以下のように作動する。制御ライン３２Ａの加圧により、膜２５（すなわち、拡張部３３Ａの下で、かつ反応チャンバ８０Ａの各領域８２Ａの上に配置されたエラストマー層１００の薄い部分）が押圧状態となり、これにより、領域８２Ａにおける流体フローの経路を遮断し、反応チャンバ８０をフローチャネル３０から効果的にシールする。また図示のように、拡張部３３Ａは制御ライン３２Ａの残余の部分よりも広い。このように、制御ライン３２Ａの加圧の結果、制御ライン３２Ａがフローチャネル３０をシールすることはない。

理解されるように、制御ライン３２Ａと３２Ｂのいずれか一方またはその両方が１度に作動し得る。両方の制御ライン３２Ａと３２Ｂが一緒に加圧されると、フローチャネル３０のサンプルフローは、反応チャンバ８０Ａまたは８０Ｂのどちらにも入らない。

フローラインに沿って配置された多様なアドレス可能な反応チャンバへの流体導入を選択的に制御するというコンセプト（図２８）は、複数の平行フローラインのうち１つ以上を通る流体フローを選択的に制御するというコンセプト（図２７）と結合されて、流体の１つまたは複数のサンプルを、任意の反応チャンバのアレイ中のどの特定の反応チャンバにでも送りこみ得るシステムを生じ得る。このようなシステムの一具体例が図２９に提示されており、ここでは、互いに平行な制御チャネル３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃが拡張部３４
と共に（全て仮想線で示されている）、上述のように、反応ウエル８０Ａ、８０Ｂ、８０Ｃまたは８０Ｄのアレイのいずれかへと、流体フローＦ１、Ｆ２を選択的に方向付けているが、同時に、制御ライン３２Ｃおよび３２Ｄの加圧が、フローＦ２およびＦ１をそれぞれ選択的に遮断する。

また別な新規な実施態様では、互いに平行なフローチャネルの間の流体経路が可能となる。図３０を参照すると、制御ライン３２Ａまたは３２Ｄのいずれかまたは両方が減圧されて、側方向通路３５を通る（互いに平行なフローチャネル３０Ａと３０Ｂとの間の）流体フローが可能となる。本発明のこの局面では、制御ライン３２Ｃおよび３２Ｄの加圧が、３５Ａと３５Ｂとの間のフローチャネル３０Ａを遮断し、横方向通路３５Ｂも遮断する。このように、フローＦ１として入ったフローがフローチャネル３０Ａおよび３５Ａを通って連続的に移動し、フローＦ４としてフローチャネル３０Ｂを出る。

（切換え可能なフローアレイ）
なお別の新規な実施態様においては、流体通路は、２つの垂直な方向のうちのいずれかに選択的に指向して流れ得る。このような「切換え可能なフローアレイ」システムの１例は、図３１Ａ〜３１Ｄに与えられる。図３１Ａは、エラストマー（または他の任意の適切な基質）の第一層９０の底面図を示し、この第一層の底部表面は、固体ポスト９２のアレイにより規定されるフローチャネルグリッドを形成する凹部のパターンを有し、このポストのそれぞれの周囲を、フローチャネルが通過する。

好ましい局面においては、エラストマーのさらなる層が、層９０の頂部表面に結合され、その結果、流体フローが、方向Ｆ１、または垂直方向Ｆ２のいずれかに、選択的に指向して移動し得る。図３１は、エラストマーの第二層９５の底部表面の底面図であり、交互の「垂直」制御ライン９６および「水平」制御ライン９４の形状で形成された凹部を示す。「垂直」制御ライン９６は、それに沿って同一の幅を有し、一方で「水平」制御ライン９４は、図示のように、広い部分と狭い部分とを交互に有する。

エラストマー層９５は、エラストマー層９０の頂部の上に位置し、その結果、「垂直」制御ライン９６は、図３１Ｃに示すように、ポスト９２の上に位置し、そして「水平」制御ライン９４は、図３１Ｄに示すように、その広い部分が、ポスト９２の間に位置する。

図３１Ｃに見られるように、「垂直」制御ライン９６が加圧されると、エラストマー層により形成される一体的構造の膜（これは、初めは層９０と９５との間の領域９８に位置する）は、フローチャネルのアレイを越えて下方に偏倚され、その結果、フローは単に、図示のように、フロー方向Ｆ２（すなわち、垂直）に通過し得る。

図３１Ｄに見られるように、「水平」制御ライン９４が加圧されると、エラストマー層により形成された一体的構造の膜（これは、初めは層９０と９５との間の領域９９に位置する）は、フローチャネルのアレイを越えて下方に偏倚され（但し、このラインが最も広い領域においてのみ）、その結果、図示のように、フローは単に、フロー方向Ｆ１（すなわち、水平）に通過し得る。

図３１に示す設計は、切換え可能なフローアレイが２つのエラストマー層のみから構成されることを可能とし、このとき垂直のバイアスが異なるエラストマー層の制御ライン間を通過することを必要としない。全ての垂直フロー制御ライン９４が接続されている場合には、これらは１つのインプットから加圧され得る。同じことが、全ての垂直フロー制御ライン９６についても真である。

（生体ポリマー合成）
本発明のエラストマーバルブ構造はまた、生体ポリマー合成（例えば、オリゴヌクレオチド、タンパク質、ペプチド、ＤＮＡなどの合成）に使用され得る。好ましい局面においては、このような生体ポリマー合成システムは、一体化されたシステムを含み得、このシステムは、容器のアレイ、特定の容器からのフローを選択するための流体論理（本発明による）、合成が実施されるチャネルまたは容器のアレイ、および選択された試薬が流入するチャネルを決定するための流体論理（これもまた本発明による）を含む。このようなシステム２００の１例を、以下のように、図３２に示す。

４つの容器１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃおよび１５０Ｄは、図示のように、それぞれ内部に置かれた塩基Ａ、Ｃ、ＴおよびＧを有する。４つのフローチャネル３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃおよび３０Ｄは、容器１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃおよび１５０Ｄに接続される。４つの制御ライン３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃおよび３２Ｄ（想像で図示する）は、制御ライン３２Ａが加圧されたときにフローチャネル３０Ａのみを通る流れが可能となる（すなわち、フローチャネル３０Ｂ、３０Ｃおよび３０Ｄをシールする）ように制御ライン３２Ａがこれらのチャネルを横切って置かれる。同様に、制御ライン３２Ｂは、加圧されると、フローチャネル３０Ｂのみを通るフローを可能とする。そういうものとして、制御ライン３２Ａ、３２Ｂ、３２Ｃおよび３２Ｄの選択的加圧は、結果として、所望の容器１５０Ａ、１５０Ｂ、１５０Ｃまたは１５０Ｄから、所望の塩基Ａ、Ｃ、ＴおよびＧを選択する。次いで、流体がフローチャネル１２０を通過して多重チャネルフロー制御装置１２５（例えば、図２６Ａ〜３１Ｄに示す任意のシステムを含む）に入ると、次にこれは、流体フローを、複数の合成チャネルまたはチャンバ１２２Ａ、１２２Ｂ、１２２Ｃ、１２２Ｄまたは１２２Ｅのうちの１つ以上に指向し、ここで、固相合成が起こり得る。

図３３は、このシステムのさらなる範囲を示し、この図面では、複数の容器Ｒ１〜Ｒ１３（これらは、塩基Ａ、Ｃ、ＴおよびＧ、または他の反応物（例えば、コンビナトリアル化学において使用されるもの）を含み得る）が、図３２に示すように、システム２００に接続される。システム２００は、多重チャネルフロー制御装置１２５（例えば、図２６Ａ〜３１Ｄに示されるような任意のシステムを含む）に接続され、これが次いで、切換え可能なフローアレイ（例えば、図３１に示されるようなもの）に接続される。このシステムの利点は、「閉じた水平」制御ラインが提供され、そして「閉じた垂直」制御ライン（想像線で、１６０および１６２）がまた提供されると仮定すれば、多重チャネルフロー制御装置１２５と流体選択システム２００との両方が、同一の圧力インプット１７０および１７２によって制御され得ることである。

本発明のさらに代替の局面においては、複数の多重チャネルフロー制御装置（例えば、１２５）が、各々のフロー制御装置が初めに異なるエラストマー層の上に互いの上に重ねて置かれ、エラストマー層間に垂直バイアスまたは相互接続がある状態で（これは、エラストマー層の頂部のエッチング抵抗層をリソグラフによりパターン化し、次いでエラストマーをエッチングして、最後に最後のエラストマー層を追加する前に、エッチング抵抗層を除去することによって、作製され得る）、使用され得る。

例えば、エラストマー層を通る垂直溝（ｖｅｒｔｉｃａｌ）は、微細製作したモールド上の隆起ライン上に、穴を下方にエッチングし、そして隣の層を結合して、チャネルがその穴を通り過ぎるようにすることによって、作製され得る。本発明のこの局面においては、複数の多重チャネルフロー制御装置１２５を備える多重合成が可能である。

成形されたエラストマーの連続する層を結合して、多層構造を形成する工程が、図３４に示される。これは、エラストマーの７つの層からなる、試験構造のセクションの光学ミクログラフである。図３４の縮尺バーは、２００μｍである。

多層構造において利用される特徴によって垂直溝を有するエラストマー層を製造する１つの方法を、図３５Ａ〜３５Ｄに示す。図３５Ａは、隆起ライン３５０２ａを有する微細製作したモールド３５０２の上でエラストマー層３５００を形成する工程を示す。

図３５Ｂは、エラストマー層３５００の上で金属エッチングブロッキング層３５０４を形成する工程、続いてエッチングブロッキング層３５０４の上でフォトレジストマスク３５０６をパターン化して、マスクされた領域３５０８を覆い、曝露されたマスクされていない領域３５１０を残す工程を示す。図３５Ｃは、マスクされていない領域３５１０においてエッチングブロッキング層３５０４を除去する溶媒に曝露する工程を示す。

図３５Ｄは、パターン化されたフォトレジストを除去する工程、続いてマスクされていない領域３５１０において下のエラストマー３５００をエッチングし、３５１２を介して垂直溝を形成する工程を示す。続いて溶媒に曝露することによって、マスクされた領域３５０８のエッチングブロッキング層３５０４の残りを、エラストマー３５００およびモールド３５０２を囲むよう選択的に除去する。このエラストマー層は次いで、多層軟性リソグラフィーにより、エラストマー構造体に組み込まれ得る。

この一連の工程は、必要に応じて繰り返され、所望の数および配向の垂直バイアスを、連続したエラストマー層のチャネルの間に有する多層構造体を形成し得る。

本発明の発明者らは、ＧＥ ＲＴＶ ６１５層を通して、有機溶媒中のテトラブチルアンモニウムフルオリド溶液を使用して、バイアスをエッチングすることに成功した。金が、エッチングブロッキング材料として作用し、ここで金は、ＫＩ／Ｉ₂／Ｈ₂Ｏ混合物を利用して、ＧＥ ＲＴＶ ６１５に選択的に移動される。

あるいは、連続したエラストマー層のチャネル間の垂直バイアスは、ネガティブマスキング技術を利用して形成され得る。このアプローチにおいては、金属箔のネガティブなマスクがパターン化され、続いてエッチングブロッキング層の形成が、この金属箔が存在する位置では抑制される。一端、エッチングブロッキング材料がパターン化されると、ネガティブな金属箔マスクが除去され、上述のように、エラストマーの選択的なエッチングが可能となる。

さらに別の局面においては、垂直バイアスは、適用されるレーザビームからの放射の適用によるエラストマー材料のアブレーションを使用して、エラストマー層に形成され得る。

上記アプローチは、生体ポリマーの合成に関して記載されるが、本発明は、この応用に限定されない。本発明は、広範にわたるコンビナトリアル化学合成アプローチにおいてもまた機能し得る。

（他の応用）
本発明のモノリシック微細製作エラストマーバルブおよびポンプの有利な応用は、多数である。従って、本発明は、その特定の応用または使用のいずれにも限定されない。好ましい局面においては、本発明の以下の使用および応用が考慮される。

（１．細胞／ＤＮＡ選別）
本発明の微細製作ポンプおよびバルブはまた、細胞の選別およびＤＮＡのサイジングのための、フローサイトメーターにおいて使用され得る。サイズに基づく物体の選別は、多くの技術分野において非常に有用である。

例えば、生物学における多くのアッセイは、分子のサイズの実体のサイズの決定を要求する。特に重要なことは、不均一な溶液中におけるＤＮＡ分子の長さ分布の測定である。これは通常、ゲル電気泳動を使用して行われ、ここで、これらの分子は、印加した電場中でのそれらのゲルマトリクス中での異なる移動度、および放射線の吸収または放出によって検出されるそれらの位置によって分離される。ＤＮＡ分子の長さが次いで、それらの移動度から判断される。

強力ではあるものの、電気泳動法は欠点を示す。中程度から大型のＤＮＡ分子については、解像度、すなわち、異なる分子長が区別され得る最小の長さの差が、全長の約１０％に制限される。極度に大型のＤＮＡ分子については、従来の選別手順は役に立たない。さらに、ゲル電気泳動は、比較的時間のかかる手順であり、実施するために約数時間または数日間を必要とし得る。

細胞サイズの実体の選別もまた、重要な作業である。従来のフローセルソーターは、ノズルを有するフローチャンバを有するよう設計され、そしてシースフローに集中した流体力学の原理に基づく。最も従来的な細胞ソーターは、圧電液滴生成および静電屈曲の技術を組み合わせて、液滴の生成および高い選別速度を達成する。しかし、このアプローチは、いくらかの重大な欠点を示す。１つの欠点は、この選別デバイスの複雑さ、大きさ、および高価であることは、費用効果的であるために、このデバイスが再利用可能であることを要求することである。再使用は、次に、残りの物質がサンプルの汚染および流体フローの乱れを引き起こすという問題を導き得る。

従って、当該分野において、簡単で、廉価であり、そして容易に作製される選別デバイスであって、粒子と溶質との間の電気的相互作用よりはむしろ、流体フローの機械的制御に依存する、デバイスが必要とされる。

図３６は、本発明による選別デバイスの１つの実施態様を示す。選別デバイス３６００は、エラストマーブロックに存在するチャネルから作製される、切換え式バルブ構造から形成される。具体的には、フローチャネル３６０２は、Ｔ字型であり、フローチャネル３６０２のステム３６０２ａは、サンプル容器３６０４と流体連絡しており、このサンプル容器は、形状（正方形、円形、三角形など）により表される、異なるタイプの選別可能な実体３６０６を含む。フローチャネル３６０２の左枝３６０２ｂは、廃液容器３６０８と流体連絡している。フローチャネル３６０２の右枝３６０２ｃは、収集容器３６１０と流体連絡している。

制御チャネル３６１２ａ、３６１２ｂ、および３６１２ｃは、フローチャネル３６０２のステム３６０２ａと重なっており、そしてそれぞれエラストマー膜部分３６１４ａ、３６１４ｂ、および３６１４ｃによって、ステム３６０２ａから分離されている。フローチャネル３６０２のステム３６０２ａ、ならびに制御チャネル３６１２ａ、３６１２ｂ、および３６１２ｃは、一緒になって、蠕動ポンプ構造３６１６を形成する。このポンプは、図２４ａに関して上で長く記載したポンプに類似する。

制御チャネル３６１２ｄは、フローチャネル３６０２の右枝３６０２ｃと重なっており、そしてエラストマー膜部分３６１４ｄによって、右枝３６０２ｃから分離されている。フローチャネル３６０２の右枝３６０２ｃおよび制御チャネル３６１２ｄは、一緒になって、第一バルブ構造３６１８ａを形成する。制御チャネル３６１２ｅは、フローチャネル３６０２の左枝３６０２ｃと重なっており、そしてエラストマー膜部分３６１４ｅによって、左枝３６０２ｃから分離されている。フローチャネル３６０２の左枝３６０２ｃおよび制御チャネル３６１２ｅは、一緒になって、第二バルブ構造３６１８ｂを形成する。

図３６に示すように、フローチャネル３６０２のステム３６０２ａは、ステム３６０２ａ、右枝３６０２ｂ、および左枝３６０２ｃの接続部に隣接する検出ウィンドウ３６２０に接近するにつれて、顕著に狭まる。検出ウィンドウ３６２０は、この領域の均一な照射を可能とするに十分な幅を有する。１つの実施態様においては、このステムの幅は、この検出ウィンドウにおいて、１００μｍ〜５μｍ狭まる。この検出ウィンドウにおけるステムの幅は、上で広く記載した、軟性リソグラフィーまたはフォトレジストカプセル化作製技術を使用して、精密に形成され得、そして選別されるべき実態の性質およびサイズに依存する。

本発明の１つの実施態様による選別デバイスの操作は、以下の通りである。

いかなる時点においても単一の選別可能な実体のみが、検出ウィンドウ内に存在することが予測されるようなレベルに、サンプルを希釈する。蠕動ポンプ３６１６を、上で広く記載したように、流体を制御チャネル３６１２ａ〜ｃを通して流すことによって、作動させる。さらに、流体を制御チャネル３６１２ｅを通して流すことによって、第二のバルブ構造３６１８ｂを閉じる。蠕動ポンプ３６１６のポンピング動作および第二バルブ３６１８ｂのブロッキング作用の結果として、流体は、サンプル容器３６０４から検出ウィンドウ３６２０を通って、廃液容器３６０８へと流れる。ステム３６０４が狭まっているので、サンプル容器３６０４内に存在する選別可能な実体は、この通常の流他フローによって、一度に、検出ウィンドウ３６２０を通って運ばれる。

線源３６４２からの放射線３６４０が、検出ウィンドウ３６２０に導入される。これは、エラストマー材料の透過性特性のために、可能である。選別可能な実体３６０６による放射線３６４０の吸収または放出が、次いで、検出器３６４４により検出される。

検出ウィンドウ３６２０内の選別可能な実体３６０６ａが、選別デバイス３６００によって分離され、収集されることが意図される場合には、第一バルブ３６１８ａが作動され、そして第二バルブ３６１８ｂは脱作動される。このことは、選別可能な実体３６０６ａを収集容器３６１０に引き込み、そして同時に、第二の選別可能な実体３６０６ｂを、検出ウィンドウ３６２０を透過させるという効果を有する。第二の選別可能な実体３６０２ｂもまた、収集されることが意図される場合には、蠕動ポンプ３６１６は、流体を、流体チャネル３６０２の右枝３６０２ｃを通して収集容器３６１０へと長し続ける。しかし、第二の実体３６０６ｂが収集されない場合には、第一バルブ３６１８ａが開き、そして第二バルブ３６１８ｂが閉じて、第一蠕動ポンプ３６１６は、液体の、フローチャネル３６０２の左枝３６０２ｂを通して廃液容器３６０８へのポンピングを続行する。

選別デバイスおよびそれを作動させる方法の、１つの特定の実施態様を、図３６に関連して記載するが、本発明は、この実施態様に限定されない。例えば、流体は、蠕動ポンプ構造を使用してフローチャネルを通して流される必要はなく、その代わりに、流れの方向性を制御するのみのエラストマーバルブを用いて、圧力下で流され得る。さらに別の実施態様においては、複数の選別構造体が、連続的な選別操作を実施するために、直列に組み立てられ得、この場合には、図３６の廃液容器が、次の選別構造体のステムと置換されるのみである。

さらに、選別のより高処理能の方法が実施され得、ここでは、サンプル容器からウィンドウおよび接続部を通って、廃液容器へと入る、流体の連続的な流れが、収集が意図される実体がウィンドウで検出されるまで、維持される。収集されるべき実体の検出の際に、ポンプ構造による流体フローの方向は、所望の粒子を、接合部を通して収集容器へと戻して移送するために、一時的に逆転される。この様式で、この選別デバイスは、より高い流速を使用し得、所望の実体が検出されると後戻りする能力を有する。このような代替の高
処理能選別技術は、収集されるべき実体が希少であり、たまに後戻りする必要がある場合に、使用され得る。

本発明による選別は、従来の界面導電フローを利用する選別の欠点（例えば、気泡の形成、フローの規模および方向性の、溶液の組成および表面化学効果への強い依存、異なる化学種の異なる移動度、ならびに移動媒体中で生存する生物の生存性の減少）を回避する。

（２．半導体処理）
半導体ガスフロー制御のため（特に、少量のガスが正確に測定される、エピタキシャル応用のため）のシステムもまた、本発明により考慮される。例えば、半導体デバイスの製造の間に、固体材料が、化学蒸着（ＣＶＤ）を利用して半導体基板の頂部に堆積される。これは、この基板をガス前駆体材料の混合物に曝露し、これによってこれらのガスを反応させ、生成物をこの基板の頂部に結晶化させることによって、達成される。

このようなＣＶＤプロセスの間には、条件が注意深く制御されて、材料を均一に堆積させ、この電気デバイスの作動を劣化させ得る欠陥がないことを確実にしなければならない。不均一性の１つの可能な原因は、反応物ガスの、基板上の領域への流速の変動である。ガスの流速の制御が乏しい場合にもまた、ランごとの層の厚みの変動をもたらし得、これが誤差の別の原因である。不運にも、従来のガス送達システムにおける、処理チャンバに流入するガスの量の制御において、および安定な流速の維持において、重大な問題が存在している。

従って、図３７Ａは、ＣＶＤ処理の間の、半導体ウェハの表面上に、正確に制御された流速で、処理ガスを運ぶよう適合された、本発明の１つの実施態様を示す。具体的には、半導体ウェハ３７００は、ＣＶＤチャンバ内に置かれたウェハ支持体３７０２に上に置かれる。等しく分配されたオリフィス３７０６を多数有するエラストマー構造体３７０４が、ウェハ３７００の表面の真上に配置される。

様々なプロセスガスが、注意深く制御された速度で、容器３７０８ａおよび３７０８ｂから、エラストマーブロック３７０４のフローチャネルを通って、オリフィス３７０６の外へと流される。ウェハ３７００の上での、正確に制御されたプロセスガスのフローの結果として、非常に均一な構造を有する固体材料３７１０が沈着される。

本発明のバルブおよび／またはポンプ構造を利用する、反応ガスの流速の正確な測定は、いくつかの理由により、可能である。第一に、図２１Ａおよび２１Ｂに関して上に記載のように、付与された作動圧力に直線的な様式で応答するバルブを通って、ガスが流され得る。バルブを使用してガスフローを測定することに替えて、またはそれに加えて、本発明によるポンプ構造の予測可能な挙動が、プロセスガスフローの正確な測定のために使用され得る。

上述の化学蒸着プロセスに加えて、本発明の技術はまた、分子線エピタキシーおよび反応性イオンエッチングのような技術におけるガスフローの制御にも、有用である。

（３．微細ミラーアレイ）
記載される本発明の実施態様は、ここまでは、全体がエラストマー材料で構成された構造の操作に関するが、本発明は、このタイプの構造に限定されない。具体的には、エラストマー構造を、シリコンに基づく従来の半導体構造と組み合わせることは、本発明の範囲内である。

例えば、本発明の微細製作されたポンプおよびバルブの、さらに意図された使用は、エラストマー構造の膜が、その膜が活性化されているか否かに依存して、平坦な平面の表面としてか、または湾曲した表面としてかのいずれかで、光を反射する。そういうものとして、この膜は、切換え可能なピクセルとして作用する。このような切換え可能なピクセルのアレイは、適切な制御回路と共に、デジタルまたはアナログの微細ミラーアレイとして利用され得る。

従って、図３８は、本発明による微細ミラーアレイの１つの実施態様の一部の、拡大図を示す。

微細ミラーアレイ３８００は、第一エラストマー層３８０２を含み、この層は、下にある半導体構造３８０４に重なっており、そして第二のエラストマー層３８０６によってこの半導体構造から分離されている。半導体構造３８０４の表面３８０４ａは、複数の電極３８１０を有する。電極３８１０は、当業者に公知であるように、行および列のラインを伝導することにより、別個にアドレス可能である。

第一エラストマー層３８０２は、複数の交差チャネル３８２２を含み、導電性の、反射性エラストマー膜部分３８０２ａの下にある。第一エラストマー層３８０２は、第二エラストマー層３８０６の上に整列し、そして半導体デバイス３８０４の下にあり、その結果、チャネル３８２２の交差点が、電極３８１０の上に重なる。

本発明による製造方法の１つの実施態様においては、第一エラストマー層３８２２は、エラストマー材料を交差チャネルの特徴を有するモールド上にスピンコーティングする工程、このエラストマーを硬化させる工程、形成したエラストマーをモールドから除去する工程、および導電性ドーパントを形成したエラストマーの表面領域に導入する工程により、形成され得る。あるいは、図７Ｃ〜７Ｇに関して上に記載したように、第一エラストマー層３８２２は、エラストマー材料がチャネル壁の高さと同じ高さになるように、エラストマー材料を交差チャネルを有するモールドに挿入し、次いで別個のドープしたエラストマー層を既存のエラストマー材料と結合して頂部表面に膜を形成することによって、エラストマーの２つの層から形成され得る。

あるいは、第一エラストマー層３８０２は、導電性エラストマーから製造され得、ここで、電気伝導度は、ドーピング、またはエラストマー材料の固有の特性のいずれかに依存する。

反射性構造３８００の作動の間、電気信号が、選択された行ラインおよび列ラインに沿って、電極３８１０ａへと伝達される。電極３８１０ａに電圧を印加することによって、電極３８１０ａと上にある膜３８０２ａとの間に、引力が発生する。この引力が膜３８０２ａの一部を作動させ、チャネル３８２２の交差から生じるキャビティ内へとこの膜の部分を下方に撓ませる。平面から凹面への、膜３８０２ａの撓みの結果として、エラストマー構造３８０２の表面のこの点においては、周囲の平坦な膜表面からとは異なるように、光が反射される。このようにして、ピクセル画像が作製される。

このピクセル画像の外観は可変であり、そして電極に印加される電圧の規模を変化させることによって、制御され得る。より高い電圧がこの電極に印加されると、膜部分の引力が増大し、その形状をさらに歪ませる。より低い電圧が電極に印加されると、膜における引力が減少し、その形状の平面からのゆがみを減少させる。これらの変化のいずれも、得られるピクセル画像の外観に影響を与える。

記載のような可変の微細ミラーアレイ構造は、画像の表示を含む様々な応用に使用され
得る。本発明の実施態様による可変の微細ミラーアレイ構造の別の応用は、光ファイバー通信システムのための高容量スイッチであり、ここでは、各ピクセルが、入射光信号の成分の反射および移動に影響を与え得る。

（５．屈折性構造）
記載したばかりの微細ミラーアレイ構造は、入射光の反射を制御する。しかし、本発明は、反射の制御に限定されない。本発明のさらに別の実施態様は、レンズおよびフィルター構造を作製するために、入射光の屈折の正確な制御の実施を可能とする。

図３９は、本発明による、屈折性構造の１つの実施態様を示す。屈折性構造３９００は、第一エラストマー層３９０２および第二エラストマー層３９０４を含み、これらの層は、入射光３９０６を透過させ得るエラストマー材料からなる。

第一エラストマー層３９０２は、凸部３９０２ａを含み、この凸部は、凹部を有する微細製作モールド上に形成されるエラストマー材料を硬化させることによって、作製され得る。第二エラストマー層３９０４は、フローチャネル３９０５を有し、上で広く記載したように、隆起ラインを有する微細製作モールドから作製され得る。

第一エラストマー層３９０２は、凸部３９０２ａがフローチャネル３９０５の上に位置するように、第二エラストマー層３９０４に結合される。この構造は、様々な目的に役立ち得る。

例えば、エラストマー構造３９００に入射する光は、下にあるフローチャネルに集光され、フローチャネルを通る光の可能な伝達を可能とする。あるいは、本発明によるエラストマーデバイスの１つの実施態様においては、蛍光性液体または燐光性液体が、フローチャネルを通して流され得、結果として、流体からの光が湾曲表面により屈折されて、ディスプレイを形成する。

図４０は、本発明による屈折性構造の、別の実施態様を示す。屈折性構造４０００は、フレネルレンズ設計に基づく、多層光学トレインである。具体的には、屈折性構造４０００は、共に結合された４つの連続したエラストマー層４００２、４００４、４００６、および４００８からなる。各第一、第二、および第三のエラストマー層４００２、４００４、および４００６の上部表面は、距離Ｘ（これは、入射光の波長よりずっと大きい）だけ規則的に間隔を空けた、均一な鋸歯状物４０１０を有する。鋸歯状物４０１０は、入射光を集光するよう作用し、そして上で広く記載したような微細製作モールドを使用して形成され得る。第一、第二、および第三のエラストマー層４００２、４００４、および４００６は、当業者に理解されるように、フレネルレンズとして機能する。

第四エラストマー層４００８は、上にあるエラストマー層の鋸歯状物よりずっと小さなサイズを有する、均一な鋸歯状物４０１２を有する。鋸歯状物４０１２もまた、距離Ｙ（これは、上にあるエラストマー層の鋸歯状物よりずっと小さい）だけ間隔を空け、ここでＹは、入射光の波長のオーダーであり、その結果、エラストマー層４００８は、回折格子として機能する。

図４１は、本発明による屈折性構造の実施態様を示す。この構造は、主として屈折を達成するために、材料の屈折率の差を利用する。屈折性構造４１００は、上部エラストマー部分４１０４に被覆される、下部エラストマー部分４１０２を含む。下部エラストマー部分４１０２および上部エラストマー部分４１０４の両方が、入射光４１０６を透過する材料からなる。下部エラストマー部分４１０２は、エラストマーランド４１１０により分離された複数の標本フローチャネル４１０８を有する。フローチャネル４１０８は、ランド
４１１０を形成するエラストマー材料とは異なる屈折率を有する流体４１１２を含む。流体４１１２は、ポンプ構造４１１４の作動によって、蛇行フローチャネル４１０８を通ってポンピングされる。このポンプ構造は、フローチャネル４１０８の入口部分４１０８ａと重なり、そして移動可能膜４１１８によって入口部分４１０８ａから分離される、平行な制御チャネル４１１６ａおよび４１１６ｂにより作製される。

屈折性構造４１００に入射する光４１０６は、エラストマーランド４１１０により分離された、不均一に間隔を空け、流体で満たされた、直列のフローチャネル４１０８に遭遇する。これらのそれぞれの流体／エラストマー領域に存在する物質の光学特性が異なる結果として、入射光の部分は均一には屈折されず、相互作用して干渉パターンを形成する。ちょうど記載した様式の屈折性構造のスタックは、入射光の、さらにより複雑で特殊化された屈折を達成し得る。

記載したばかりの屈折性エラストマー構造は、様々な目的を達成し得る。例えば、このエラストマー構造は、選択された波長の入射光をブロックするための、フィルターまたは光学スイッチとして作用し得る。さらに、この構造の屈折特性は、特定の用途の必要性に依存して、容易に調節され得る。

例えば、フローチャネルを通って流れる流体の組成（従って、屈折率）は、回折に影響を与えるために、変化され得る。あるいは、または流れる流体の特性を変化させることと組み合わせて、隣接するフローチャネルを隔てる距離は、所望の特徴を有する光干渉パターンを生じさせるために、構造を製造する間に正確に制御され得る。

（６．通常閉じているバルブ構造）
上記図７Ｂおよび図７Ｈは、エラストマー膜が、第１の緩和位置からフローチャネルがブロックされている第２の作動位置へと移動可能であるバルブ構造を示す。しかし、本発明は、この特定のバルブ構成に限定されない。

図４２Ａ〜４２Ｊは、エラストマー膜が、負の制御圧を利用して、フローチャネルをブロックしている第１の緩和位置からフローチャネルが開いている第２の作動位置へと移動可能である、通常閉じているバルブ構造の種々の図を示す。

図４２Ａは平面図を示し、そして図４２Ｂは、非作動状態において通常閉じているバルブ４２００の線４２Ｂ−４２Ｂ’に沿う断面図を示す。フローチャネル４２０２および制御チャネル４２０４は、基板４２０５に重なっているエラストマーブロック４２０６中に形成される。フローチャネル４２０２は、分離部４２０８によって分離される、第１部４２０２ａおよび第２部４２０２ｂを備える。制御チャネル４２０４は、分離部４２０８に重なる。図４２Ｂに示されるように、そのゆるめられた非作動位置において、分離部４００８は、フローチャネル４２０２を妨げる、フローチャネル部４２０２ａと４２０２ｂとの間の位置のままである。

図４２Ｃは、バルブ４２００（ここで分離部４２０８は、作動位置にある）の断面図を示す。制御チャネル４２０４内の圧力が、（例えば、真空ポンプによって）フローチャネル内の圧力未満に低下される場合、分離部４２０８は、これを制御チャネル４２０４中へと引く作動力を受ける。この作動力の結果として、膜４２０８は、制御チャネル４２０４中に突き出し、それによってフローチャネル４２０２を介して物質の流れに対する障害を取り除き、そして通路４２０３を作製する。制御チャネル４２０４内の圧力の上昇の際に、分離部４２０８は、その本来の位置をとり、ゆるんで戻り、そしてフローチャネル４２０２を妨害する。

作動力に応答するこの膜の挙動は、重なる制御チャネルの幅を変えることによって変化され得る。従って、図４２Ｄ〜４２Ｈは、制御チャネル４２０７が分離部４２０８よりも実質的に幅広い、通常閉じているバルブ４２０１の別の実施態様の平面図および断面図を示す。図４２Ｄの線４２Ｅ−４２Ｅ’に沿う断面図４２Ｅ〜Ｆにおいて示されるように、エラストマー材料のより大きな領域が、作動中に移動されることが必要とされるので、印加されるに必要な作動力が、減少される。

図４２ＧおよびＨは、図４０Ｄの線４０Ｇ−４０Ｇ’に沿う断面図を示す。図４２Ｇに示される非作動状態バルブ構成との比較において、図４２Ｈは、より幅広い制御チャネル４２０７内の圧力の低下が、特定の状況の下に、基板４２０５から、下にあるエラストマー４２０６を引き離す所望されない効果を有し、それによって所望されない空隙４２１２を生じることを示す。

従って、図４２Ｉは、分離部４２０８に重なっているセグメント４２０４ａを除く最小の幅を備える制御ライン４２０４を特色とすることによってこの問題を回避するバルブ構造４２２０の平面図を示し、そして図４２Ｊは、図４２Ｉのバルブ構造４２２０の線４２Ｊ−４２Ｊ’に沿う断面図を示す。図４２Ｊに示されるように、作動条件の下でさえも、制御チャネル４２０４のより狭い断面は、下にあるエラストマー材料４２０６に対する誘引力を低下させ、それによってこのエラストマー材料が基板４２０５から引き離され、そして所望されない空隙を生じることを妨ぐ。

圧力に応答して作動する通常閉じているバルブ構造は、図４２Ａ〜図４２Ｊに示されるが、本発明に従う通常閉じているバルブは、この構成に限定されない。例えば、フローチャネルを妨害する分離部は、先に広汎に記載されるように、電場または磁場によって代替的に操作され得る。

（７．物質の分離）
本発明のさらなる適用において、エラストマー構造は、物質の分離を実行するために利用され得る。図４３は、このようなデバイスの１つの実施態様を示す。

分離デバイス４３００は、フローチャネル４３０４と連絡して流体容器４３０２を備えるエラストマーブロック４３０１を特徴とする。流体は、十分に上記されたように、フローチャネル４３０４に重なる制御チャネル４３１２によって形成される蠕動ポンプ構造４３１０によって、フローチャネル４３０８を通じて流体容器４３０６からポンプされる。あるいは、本発明に従う蠕動ポンプ構造が、十分なバック圧力を提供し得ない場合、エラストマー構造の外側に位置する容器からの流体は、外部ポンプを利用して、エラストマーデバイス中にポンプされ得る。

フローチャネル４３０４は、多孔性フリット４３１８の後ろの分離マトリクス４３１６でパックされたチャネル形態の分離カラム４３１４に通じる。クロマトグラフィーの技術分野において周知であるように、分離マトリクス４３１６の組成は、分離されるｔ３２ｅｈｅ物質の性質および用いられる特定のクロマトグラフィー技術に依存する。エラストマー分離構造は、種々のクロマトグラフィー技術を用いる使用に適切であり、これには、ゲル排除、ゲル浸透、イオン交換、逆相、疎水性相互作用、アフィニティークロマトグラフィー、急速タンパク質（ｆａｓｔ ｐｒｏｔｅｉｎ）液体クロマトグラフィー（ＦＰＬＣ）、および高速液体クロマトグラフィー（ＨＰＬＣ）の全ての形式が挙げられるがこれらに限定されない。ＨＰＬＣに利用される高い圧力は、ウレタン、ジシクロペンタジエンまたは他のエラストマーの組合せの使用を必要とし得る。

サンプルは、ロードチャネル４３１９を利用する分離カラム４３１４中への流体のフロ
ー中に導入される。ロードチャネル４３１９は、ポンプ４３２１によりサンプル容器４３２０からポンプされる流体を受け取る。バルブ４３２２の開口およびポンプ４３２１の作動の際に、サンプルは、ロードチャネル４３１９からフローチャネル４３０４へと流れる。次いで、このサンプルは、ポンプ構造４３１２の作用によって、分離カラム４３１４を通じて流れる。分離マトリクス４３１６中の種々のサンプル成分の異なる移動度の結果として、これらのサンプル成分は、分離され、そして異なる時間で、カラム４３１４から溶出される。

分離カラム４３１４からの溶出の際に、種々のサンプル成分は、検出領域４３２４中に通過する。クロマトグラフィーの技術分野において周知のように、検出領域４３２４中に溶出した物質の同定は、種々の技術を利用して決定され得、この技術には、蛍光、ＵＶ／可視／ＩＲ分光、放射性標識、電流測定検出、質量分析、および核磁気共鳴（ＮＭＲ）が挙げられるがこれらに限定されない。

本発明に従う分離デバイスは、ほんの少しの容量の流体およびサンプルが分離中に消費されるように、極端に小さなサイズであるという利点を提供する。さらにこのデバイスは、感度が増加するという利点を提供する。従来の分離デバイスにおいて、サンプルループのサイズは、カラム上へのサンプルの注入を延長し、これにより、溶出ピークの幅が互いに重なる可能性がある。一般に、ロードチャネルの極端に小さなサイズおよび容量は、このピークの拡散の挙動が問題となることを防ぐ。

図４３に示される分離構造は、このようなデバイスの１つの実施態様のみを表し、そして他の構造が、本発明によって意図される。例えば、図４３の分離デバイスは、単一の平面に配向されたフローチャネル、ロードループ、および分離カラムを特徴とするが、これは、本発明により必要とされない。１以上の流体容器、サンプル容器、フローチャネル、ロードループ、および分離カラムが、互いに、および／または形成が図３５Ａ〜Ｄに関連して上記で十分に記載される構造を通じて利用するエラストマー材料の平面に垂直に向けられ得る。

（８．細胞ペン／細胞ケージ／細胞研削盤）
本発明のさらなる適用において、エラストマー構造は、生物または他の生物学的材料を操作するために利用され得る。図４４Ａ〜４４Ｄは、本発明に従う細胞ペン構造の１つの実施態様の平面図を示す。

細胞ペンアレイ４４００は、フローチャネル４４０２の交互の交叉にて拡大した「ペン」構造４４０４を備える、直交性に配向したフローチャネル４４０２のアレイを特徴とする。バルブ４４０６は、各ペン構造４４０４の入り口および出口に配置される。蠕動ポンプ構造４４０８は、各水平フローチャネル上に、および細胞ペン構造を欠く垂直フローチャネル上に配置される。

図４４Ａの細胞ペンアレイ４４００は、予め選別されている細胞Ａ〜Ｈを用いて、おそらく図３６に関係する上記のような選別構造によってロードされる。図４４Ｂ〜４４Ｃは、１）近接したペン４４０４ａおよび４４０４ｂのいずれかの側のバルブ４４０６を開くこと、２）細胞ＣおよびＧを置き換えるために水平フローチャネル４４０２ａをポンプすること、次いで３）細胞Ｃを除去するために、垂直フローチャネル４４０２ｂをポンプすることによって、個別に貯蔵された細胞Ｃにアクセスすること、および取り除くことを示す。図４４Ｄは、第２の細胞Ｇが、水平フローチャネル４４０２ａを通して液体のフローの方向を逆向きにすることによって細胞ペンアレイ４４００中のその前の位置の中に移動されて戻されることを示す。

上記の細胞ペンアレイ４４０４は、素早いアクセスのために、選択されたアドレシング可能な位置内に物質を貯蔵し得る。しかし、生きている生物（例えば、細胞）は、生存を維持するために、食物の連続的な摂取および廃棄物の排出を必要とし得る。従って、図４５Ａおよび４５Ｂは、本発明に従う細胞ケージ構造の１つの実施態様の、それぞれ、平面図および断面図（線４５Ｂ−４５Ｂ’に沿う）を示す。

細胞ケージ４５００は、基板４５０５と接触した、エラストマーブロック４５０３中のフローチャネル４５０１の拡大部４５００ａとして形成される。細胞ケージ４５００は、細胞ケージ４５００の端４５００ｂおよび４５００ｃが内部領域４５００ａを完全に密封しないことを除いて、図４４Ａ〜４４Ｄにおいて上記されるように個々の細胞ペンと類似する。むしろ、ケージ４５００の端４５００ａおよび４５００ｂは、複数の格納式のピラー４５０２によって形成される。ピラー４５０２は、図４２Ａ〜４２Ｊと関係して、先に広汎に記載されるような通常閉じているバルブ構造の膜構造の部分であり得る。

詳細には、制御チャネル４５０４は、ピラー４５０２に重なる。制御チャネル４５０４中の圧力が減少される場合、エラストマーピラー４５０２は、制御チャネル４５０４中へと上方に引かれ、それによって細胞ケージ４５００の端４５００ｂを開き、そして細胞の進入を可能にする。制御チャネル４５０４中の圧力の上昇の際に、ピラー４５０２は、基板４５０５に対して下方にゆるみ、そして細胞がケージ４５００から出ることを妨ぐ。

エラストマーピラー４５０２は、ケージ４５００からの細胞の移動を妨げるに十分なサイズおよび数であるが、またギャップ４５０８を備え、このギャップ４５０８は、ケージ内部４５００ａの中に貯蔵される細胞を維持するために、その中に栄養分が流れることを可能にする。反対端４５００ｃ上のピラー４５０２は、第２の制御チャネル４５０６の下に同様に構成され、所望されるように、ケージの開口および細胞の除去を可能にする。

特定の状況下では、成分断片にアクセスするために、細胞または他の生物学的物質を粉砕／崩壊することが所望され得る。

従って、図４６Ａおよび４６Ｂは、本発明に従う細胞研削盤構造４６００の１つの実施態様の、それぞれ、平面図および断面図（線４６Ｂ−４６Ｂ’に沿う）を示す。細胞研削盤４６００は、制御チャネル４６０８を重ねることによって一体膜４６０６の作動の際に一緒に閉じるフローチャネル４６０４内のかみ合わせ柱４６０２のシステムを備える。一緒に閉じることによって、柱４６０２は、それらの間に存在する物質を粉砕する。

柱４６０２は、所定のサイズの実体（細胞）を破壊するに適切な間隔で間隔を空けられる。細胞物質の破壊のために、約２μｍの間隔で柱４６０２の間隔をあけることが適切である。本発明に従う細胞粉砕構造の別の実施態様において、柱４６０２は、上に重なる膜に全体的に配置され得るか、または制御チャネルのフロアに全体的に配置され得る。

（９．圧力発振器）
本発明のなおさらなる適用において、エラストマー構造は、電子工学の分野にしばしば用いられる発振器回路に類似する圧力発振器構造を作製するために利用され得る。図４７は、このような圧力発振器構造の１つの実施態様の平面図を示す。

圧力発振器４７００は、エラストマーブロック４７０２の中に形成されるフローチャネル４７０４を特徴とするエラストマーブロック４７０２を備える。フローチャネル４７０４は、圧力源４７０６に近位の開始部４７０４ａ、および圧力源４７０６から遠位の蛇行部４７０４ｂを備える。開始部４７０４ａは、フローチャネル４７０４のレベルの上のエラストマーブロック４７０２中に形成される制御チャネル４７１０と流体連絡している４
７０８を通じて接触している。４７０８を通じるよりも圧力源４７０６からより遠位の位置にて、制御チャネル４７１０は、フローチャネル４７０４の上に重なり、そしてエラストマー膜によってフローチャネル４７０４から分離され、それによって上記のようなバルブ４７１２を形成する。

圧力発振器構造４７００は、以下の通りに作動する。最初に、圧力源４７０６は、４７０８を通じてフローチャネル４７０４および制御チャネル４７１０に沿って圧力を提供する。フローチャネル４７０４ｂの蛇行形状のために、圧力は、フローチャネル４７１０と比較した場合、領域４７０４ｂ中でより低い。バルブ４７１２において、蛇行フローチャネル部４７０４ｂと重なる制御チャネル４７１０との間の圧力差は、最終的に、バルブ４７１２の膜が蛇行フローチャネル部４７０４ｂ中に下方に突き出し、バルブ４７１２を閉じることを引き起こす。しかし、圧力源４７０６の連続性動作のために、圧力は、閉じたバルブ４７１２の後ろの蛇行フローチャネル部４７０４ｂ中に増加し始める。最終的に、この圧力は、制御チャネル４７１０と蛇行フローチャネル部４７０４ｂとの間で同じになり、そしてバルブ４７１２が開く。

圧力源の連続性動作を仮定すれば、上記の増加および圧力の開放は、限りなく持続し、圧力の規則的な発振を生じる。このような圧力発振デバイスは、いくつもの可能な機能（タイミングを含むがこれに限定されない）を実行し得る。

（９．側面作動バルブ）
先の記載は、制御チャネルが上に配置され、かつ下にあるフローチャネルからエラストマー膜に介入することによって分離される微細製作されたエラストマーバルブ構造に焦点を当てるが、本発明は、この構成に限定されない。図４８Ａおよび４８Ｂは、本発明の１つの実施態様に従う側面作動バルブ構造の１つの実施態様の平面図を示す。

図４８Ａは、非作動性位置にある側面作動バルブ構造４８００を示す。フローチャネル４８０２は、エラストマー層４８０４中に形成される。フローチャネル４８０２に隣接する制御チャネル４８０６もまた、エラストマー層４８０４中に形成される。制御チャネル４８０６は、エラストマー膜部４８０８によってフローチャネル４８０２から分離される。第２のエラストマー層（示さず）は、下部エラストマー層４８０４の一面に結合され、フローチャネル４８０２および制御チャネル４８０６を密封する。

図４８Ｂは、作動位置にある側面作動バルブ構造４８００を示す。制御チャネル４８０６内の圧力の増加に応答して、膜４８０８は、フローチャネル４８０２へと変形し、フローチャネル４８０２をブロックする。制御チャネル４８０６内の圧力の解放の際に、膜４８０８は、制御チャネル４８０６中にゆるんで戻り、そしてフローチャネル４８０２を開く。

圧力に応答して作動した側面作動バルブ構造は、図４８Ａおよび４８Ｂに示されるが、本発明に従う側面作動バルブは、この構成に限定されない。例えば、隣接するフローチャネルと制御チャネルとの間に位置するエラストマー膜部は、先に広汎に記載されるように、電場または磁場によって代替的に操作され得る。

（１０．さらなる適用）
以下は、本発明のさらなる局面を表す：本発明のバルブおよびポンプは、薬物送達に（例えば、移植用薬物送達デバイスにおいて）；生物学的流体のサンプリングに（例えば、サンプル間にスペーサー流体の栓を備えるカラムに連続してサンプルを貯蔵することによって）使用され得、ここでこのサンプルは、異なる貯蔵容器中に流され得るか、または適切なセンサ（単数または複数）に直接的に通され得る。このような流体サンプリングデバ
イスはまた、患者の身体において実行され得る。

本発明のシステムはまた、微細バルブまたはポンプを使用してインビボで過剰な圧力を取り除くデバイスに使用され得る。例えば、移植用生体適合性微細バルブは、緑内障から生じる、眼内の過剰な圧力を取り除くために使用され得る。本発明の切り替え可能な微細バルブの他の意図される用途には、精管またはファローピウス管の移植が挙げられ、これは、薬物を使用することなく、可逆性の長期または短期の出産の制御を可能にする。

本発明のさらなる用途には、ＤＮＡ配列決定が挙げられ、これによって配列決定されるべきＤＮＡが、ポリメラーゼおよびプライマーとともに提供され、次いで、塩基取り込みについて迅速にアッセイするために、１つの型のＤＮＡ塩基（Ａ、Ｃ、Ｔ、またはＧ）に同時に曝露される。このようなシステムにおいて、これらの塩基は、このシステム内に流され、そして過剰な塩基が、迅速に洗浄によって除去されなければならない。本発明に従うエラストマー微細バルブによってゲート制御される圧力駆動フローは、理想的には、このような急速なフローおよび試薬の洗浄を可能にするに適切である。

本発明の微細バルブおよび微細ポンプシステムの他の意図される用途には、ＤＮＡチップでの用途が挙げられる。例えば、サンプルは、ループ状チャネルへと流され、そして蠕動作用を備えるループの回りにポンプされ得、その結果、このサンプルは、ＤＮＡアレイのプローブに対して多くの通路を作製し得る。このようなデバイスは、サンプルに、代わりの相補性プローブに結合する機会を与えるが、通常は、非相補性プローブ上に存在して、消耗される。このようなループ状フローシステムの利点は、このシステムが必要とするサンプル容量を減少させ、それによってアッセイの感度を増加させることである。

さらなる適用は、少量の液体の分配によってか、または高感度検出がアッセイの感度を実質的に改善するビーズベースのアッセイによって、適用が有益になり得る、ハイスループットスクリーニングにある。

別の意図される適用は、種々の化学物質、特にオリゴヌクレオチドのアレイの堆積であり、これは、所望の基板に近接するエラストマーデバイス中の流体チャネル出口を通じて密着印刷を介してか、またはインクジェット印刷に類似するプロセスによって、基板上のパターンまたはアレイに堆積する前に、このデバイスの予備作用において化学的に微細製作されてもされなくてもよい。

本発明の微細製作されたエラストマーバルブおよびポンプはまた、オリゴヌクレオチド、ペプチドまたは他の生体ポリマーの合成のための試薬の分配、混合および反応についてのシステムを構築するために使用され得る。

本発明のさらなる適用は、インクジェット印字ヘッドを備え、この場合、小開口部は、液滴を発射するに十分な圧力パルスを生じるように使用される。本発明に従う適切な作動微細バルブは、このような圧力パルスを作製し得る。本発明の微細バルブおよびポンプはまた、必ずしも単一の液滴程度に少量ではない量において、インクまたは色素をデジタル的に分配するために使用され得る。液滴は、空気中に発射されることが必要とされるのではなく、印刷される媒体との接触をもたらされる。

本発明のシステムのさらに他の使用は、照射耐性用途に使用可能である利点を提供する流体論理回路においてである。このような流体論理回路のさらなる利点は、非電気的であり、このような流体論理回路が、電磁気センサによって確認され得ず、それによってセキュリティーの有益性を提供することある。

本発明をさらに使用することにより、結合材料または他の材料でパターン化されたガラス基板を利用して、下にある基板（例えば、ガラス）からのこの構造の容易な除去および再付着を利用する。このことは、パターン化された基板およびエラストマー構造の別々の構築を可能にする。例えば、ガラス基板は、ＤＮＡ微細アレイでパターン化され、そしてエラストマーバルブおよびポンプ構造は、次の工程で、アレイ上に密封され得る。

（１１．本発明のさらなる局面）
以下は、本発明のさらなる局面を表す：エラストマー構造の微細製作されたチャネル内の流体の流れを制御する湾曲可能な膜の使用；微細製作された可動部を備える微細製作されたエラストマーデバイスを作製するエラストマー層の使用；および微細製作されたバルブまたはポンプを作製するエラストマー材料の使用。

本発明の１つの実施態様に従う微細製作されたエラストマー構造は、エラストマーブロック内に微細製作された凹部を形成されたエラストマーブロックを備える（ここでエラストマーブロックの部分は、この部分が作動される場合に湾曲可能である）。これらの凹部は、第１の微細製作されたチャネルおよび第１の微細製作された凹部を備え、そしてこの部分は、エラストマー膜が作動された場合に、第１の微細製作されたチャネル中に湾曲可能なエラストマー膜を備える。これらの凹部は、１０μｍ〜２００μｍの範囲の幅を有し、そしてこの部分は、約２μｍと５０μｍとの間の厚さを有する。微細製作されたエラストマー構造は、１００Ｈｚ以上の速度で作動され得、そしてこの部分が作動される場合に、実質的に死容量（ｄｅａｄ ｖｏｌｕｍｅ）を備えない。

エラストマー構造を作動させる方法は、エラストマーブロック内の第１および第２の微細製作された凹部（作動力に応答して第１および第２の凹部のうちの一方に湾曲可能なエラストマーブロックの膜部分によって分離される第１および第２の微細製作された凹部）で形成されたエラストマーブロックを提供すること、ならびに膜部分が第１および第２の凹部のうちの一方に湾曲されるように、膜部分に作動力を印加することを包含する。

本発明の１つの実施態様に従うエラストマー構造を微細製作する方法は、基板上に第１のエラストマー層を形成すること、第１のエラストマー層を硬化させること、ならびに第１のエラストマー層上に第１の犠牲層をパターン化することを包含する。第２のエラストマー層は、第１のエラストマー層上に形成され、それによって、第１と第２のエラストマー層との間に第１のパターン化された犠牲層をカプセル化し、第２のエラストマー層が硬化され、そして第１のパターン化された犠牲層が、第１のエラストマー層および第２のエラストマー層に選択的に取り除かれ、それによってエラストマーの第１と第２の層との間に少なくとも１つの第１の凹部を形成する。

加工する方法の別の実施態様はさらに、第２のパターン化された犠牲層が、第１のパターン化された犠牲層の除去の間に除去され、第１のエラストマー層の下部に沿って少なくとも１つの凹部を形成するように、第１のエラストマー層を形成する前に基板上に第２の犠牲層をパターン化することを包含する。

本発明の１つの実施態様に従う微細製作されたエラストマー構造は、エラストマーブロック、エラストマー構造の分離部によって分離された第１チャネルおよび第２チャネル、ならびに分離部に近接したエラストマーブロック中に微細製作された凹部を備え、その結果、この分離部は、微細製作された凹部６６中に湾曲されるように作動され得る。分離部の湾曲は、第１チャネルと第２チャネルとの間に通路を開く。

エラストマー構造を通じる流体および気体を制御する方法は、エラストマーブロック、第１、第２および第３の微細製作された凹部を有するエラストマーブロック、ならびにブ
ロックを通る第１の微細製作されたチャネル、第１のチャネル中に湾曲可能な、それぞれ、第１、第２および第３の膜によって第１チャネルから分離される第１、第２および第３の微細製作された凹部を有するエラストマーブロックを提供すること、ならびに反復的に連続して第１チャネル中に第１、第２および第３の膜を湾曲させ、第１チャネルを通じて流体の流れを蠕動的にポンプすることを包含する。

エラストマー構造を微細製作する方法は、第１のエラストマー層を微細製作すること、第２のエラストマー層を微細製作すること；第１のエラストマー層の上に第２のエラストマー層を配置すること；ならびに第１のエラストマー層の上部表面上に第２のエラストマー層の下部表面を結合させることを包含する。

本発明は、これらの特定の実施態様に関して本明細書中に記載されているが、改変の許容範囲、種々の変化および置換が、前述の開示において意図され、そしていくつかの例において、本発明のいくつかの特性が、上記の本発明の範囲を逸脱することなく、他の特性の対応する用途なしに用いられることが理解される。したがって、多くの改変が、本発明の必須の範囲および意図から逸脱することなく、本発明の教示に対する特定の状況および物質に適合するようになされ得る。本発明は、本発明を実施するために意図される最良の様式として開示される特定の実施態様に制限されずに、本発明は、特許請求の範囲にある全ての実施態様および均等物を含む。

特許請求の範囲の後に本明細書中に記載され、かつ全ての目的のために本明細書の一部として解釈される、付録Ａ「Ｍｏｎｏｌｉｔｈｉｃ Ｍｉｃｒｏｆａｂｒｉｃａｔｅｄ Ｖａｌｖｅｓ ａｎｄ Ｐｕｍｐｓ ｂｙ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｓｏｆｔ Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」、Ｕｎｇｅｒら、Ｓｃｉｅｎｃｅ、第２８８巻、１１３〜１１６頁（２０００年４月７日）の内容全体は、本明細書の一部として本明細書中に援用される。
多層軟性リソグラフィーによりモノリシック微細製造されたバルブとポンプ
（発明の要旨）
Ｍａｒｃ Ａ．Ｕｎｇｅｒ，Ｈｏｕ−Ｐｕ Ｃｈｏｕ，Ｔｏｄｄ Ｔｈｏｒｓｅｎ，Ａｘｅｌ Ｓｃｈｅｒｅｒ，Ｔｅｐｈｅｎ Ｒ．Ｑｕａｋｅ（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ
Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｐａｓａｄｅｎａ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ ９１１２５，ＵＳＡ．通信文は下記の宛名に提出のこと。電子メール：ｑｕａｋｅ＠ｃａｌｔｅｃｈ．ｅｄｕ）。

軟性リソグラフィーは、従来とは異なるエラストマー材料の複製成形法を利用して、スタンプおよび微細流体チャネルを製造する、シリコンを基盤とした微細作製の代替方法である。ここでは、軟性リソグラフィーパラダイムまで拡大して、多層軟性リソグラフィーについて説明してゆくが、この方法を利用すると、複数層から構成される装置が軟性材料から製造することが可能となる。我々は、完全にエラストマーから作られたオン／オフバルブ、スイッチバルブ、および、ポンプを有する能動微細流体システムを構築するために、この技術を利用した。これらの材料の軟性により、シリコンをベースとした装置と比較して、装置の面積は２桁以上も低減することができる。高速プロトタイピング、容易な製造、生体互換性などの軟性リソグラフィーの他の利点も保有している。

微細作製技術の適用は急速に増大しつつあり、これに拍車をかけたのは、幾つかの重要な適用例の劇的成功であったが、その例として、微細製造型加速度計（Ｒｏｙｌａｎｃｅ，Ｌ．Ｍ．ら、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ ＥＤ−２６：１９１１ （１９７９）；Ｙａｚｄｉ，Ｎ．ら、Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ ８６：１６４０（１９９８））、圧力センサー（Ｔｕｆｔｅ，Ｏ．Ｎ．ら、Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３３：３３２２（１９６２））、および、インクジェットプリントヘッド（Ｋｕｈｎ，Ｌ．
ら、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｄｅｖｉｃｅｓ ＥＤ−２５：１２５７（１９８７））が挙げられる。新規な用途は他の分野（特に、光ファイバー通信）でも登場しつつある。（Ｌｉｎ．Ｌ．Ｙ．ら、ＩＥＥＥ Ｊ．Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐ．Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ ５：４（１９９９）； Ｍｕｌｌｅｒ，Ｒ．Ｓ．ら、Ｐｒｏｃ．ＩＥＥＥ ８６：１７０５（１９９８））、表示装置（Ｈｏｒｎｂｅｃｋ，Ｌ．Ｊ．ら、ＯＳＡ Ｔｅｃｈ．Ｄｉｇ．Ｓｅｒ．８：１０７（１９８８））、微細流体系（Ｈａｒｒｉｓｏｎ，Ｄ．Ｊ．ら、Ｓｃｉｅｎｃｅ ２６１：８９５（１９９３）；Ｊａｃｏｂｓｏｎ，Ｓ．Ｃ．ら、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．６６：１１１４（１９９４）；Ｋｏｐｐ
Ｍ．Ｕ．ら、Ｓｃｉｅｎｃｅ ２８０：１０４６ （１９９８）；Ｓｈｏｊｉ，Ｓ．，Ｔｏｐ．Ｃｕｒｒ．Ｃｈｅｍ．１９４：１６３（１９９８）；Ｇｒａｖｅｓｅｎ，Ｐ．ら、Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．３：１６８（１９９３））。微細電子機械構造（ＭＥＭＳ）の２つの最も人気のある製造方法は、バルク微細作製と表面微細作製である。バルク微細作製とは、単結晶シリコンをリソグラフィー術でパターニングした後にエッチングし、３次元（３Ｄ）構造を形成するための減法製造法である。これに比して、表面微細作製は、半導体タイプの材料（ポリシリコン、金属、シリコン窒化物、二酸化シリコンなど）の層を連続的に添加してからパターニングして、３Ｄ構造を作成する加法製造法である。

バルク微細作製法と表面微細作製法は使用される材料により制約を受ける。バルク微細作製と表面微細作製で典型的に使用される半導体タイプの材料は、約１００ ＧＰａ のヤング率で材料が硬化状態となる（Ｂｕｃｈａｉｌｌｏｔ，Ｌ．ら、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．２：３６，Ｌ７９４（１９９７））。微細作製型アクチュエータにより生成される力は限られているので、材料の硬度は多くの装置の最小寸法を制約する。更に、能動装置を作成するために複数の層を構築しなければならないので、層間接着の問題は大きな実用上の関心事である。バルク微細作製については、ウエーハ接着技術を利用して積層構造を作らなければならない。表面微細作製については、層間熱応力が装置の全厚みを約２０μｍまでに制限している。容認できる装置歩留まりを実現するには、クリーンルーム内製造や、処理条件の注意深い管理が必要である。

複製成形を基本とした代替の微細製造技術が人気を博しつつある。典型例として、微細作製されたモールドで硬化処理することにより、エラストマーのパターンを作る。軟性リソグラフィーの条件は緩く、この技術は利用して作成されているものとして、ブレージング加工した格子光学系（Ｘｉａ，Ｙ．Ｎ．ら、Ｓｃｉｅｎｃｅ ２７３：３４７（１９９６））、化学的パターニング用のスタンプ（Ｘｉａ，Ｖ．Ｎ．ら、Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．Ｅｎｇｌ．３７：５５０（１９９８））、ならびに微細流体装置（Ｅｆｆｅｎｈａｕｓｅｒ，Ｃ．Ｓ．ら、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．６９：３４５１（１９９７）；Ｄｅｌａｍａｒｃｈｅ，Ｅ．ら、Ｓｃｉｅｎｃｅ ２７６：７７９（１９９７）；Ｆｕ，Ａ．Ｙ．ら、Ｎａｔｕｒｅ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．１７：１１０９（１９９９）；Ｈｏｓｏｋａｗａ， Ｋ．ら、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７１：４７８１（１９９９）；Ｄｕｆｆｙ，Ｄ．Ｃ．ら、Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．９：２１１（１９９９））が挙げられる。軟性リソグラフィーの利点としては、高速プロトタイピングの能力、それ以上資本投資せずに容易に製造できること、厳格でないプロセスパラメータが挙げられる。微細流体系のような適度サイズの機能（２０μｍ以上）を利用する応用例としては、成形により厚いフォトレジスト層のためのコンタクトマスクとして高分解能透光性フィルムを利用することにより、パターンを設けることができる（Ｄｕｆｆｙ，Ｄ．Ｃ．ら、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７０：４９７４（１９９８））。モールドの設計、プリント、パターンの作成、および新しい一組分のエラストマー鋳造装置の製造を一日のうちに一人の開発担当者だけで行うことができ、これに続くエラストマー鋳造作業は数時間で行うことができる。エラストマー鋳造処理についての寛大なプロセスパラメータにより、クリーンルームの代わりに大気に満ちた実験室条件で装置が製造できるようになっている。しかし、軟
性リソグラフィーも制約を受けている。この方法は基本的には減法的な方法であり（モールドの定義を、モールドからエラストマーが除去される、とする意味で）、エラストマー層を１つしか用いない場合は、能動装置すなわち可動部を作成することは困難である。プラズマ酸化によりエラストマー構成要素を接着させる方法は以前に説明されており（Ｄｕｆｆｙ，Ｄ．Ｃ．ら、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７０：４９７４（１９９８））、平坦なエラストマー基板に対して微細流体チャネルを密封するために利用されてきた（Ｄｕｆｆｙ，Ｄ．Ｃ．ら、Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．９：２１１（１９９９）；Ｋｅｎｉｓ，Ｐ．Ｊ．Ａ．ら、Ｓｃｉｅｎｃｅ ２８５：８３（１９９９））。

我々はここで、軟性リソグラフィー法をエラストマーの既にパターン化された多数層に接着させる能力と組み合わせた、「多層軟性リソグラフィー」と称する技術について説明する。多層構造はエラストマーの層を接着することにより構築されるが、エラストマー層の各々は微細作製されたモールド（図１Ａ）から別々に鋳造されている。エラストマーは２成分添加硬化型シリコンラバーである。底部表面層は一方の成分（Ａ）を過剰に有しているが、上層は他方の成分（Ｂ）を過剰に有している。各層を別々に硬化させた後で、上層がそのモールドから除去され、下層の頂面に設置され、ここで密封シールが設けられる。各層は２種成分のうちの一方を過剰に有しているので、反応性分子が層間の界面に残留している。それ以上の硬化処理により、２つの層は不可逆的に接着される。すなわち、界面の強度はバルクエラストマーの強度に等しくなる。このプロセスは、完全にエラストマーから構成されたモノリシックな３次元パターンにされた構造を作成する。追加の層は上記プロセスを反復するだけで添加される。すなわち、装置が反対の「極性」の層（Ａ対Ｂ）の上で密封されてから硬化される度ごとに、別な層が追加される。

図１Ａ 多層軟性リソグラフィーのプロセスフロー図。ここで使用されるエラストマーはＧｅｎｅｒａｌ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｉｌｉｃｏｎｅｓ ＲＴＶ ６１５ である。パートＡはビニル基を有するポリジメチルシロキサン基とプラチナ触媒を含有しており、パートＢは水素化シリコン（Ｓｉ−Ｈ）基を含有する架橋剤を含有し、これらはビニル基との共有結合を形成する。ＲＴＶ６１５は１０Ａ：１Ｂの比で使用されるのが普通である。接着法としては、一方の層は３０Ａ：１Ｂ（すなわち、過剰なビニル基）で作成することができ、他方の層は３Ａ：１Ｂ（すなわち、過剰なＳｉ−Ｈ基）で作成することができる。頂面層は機械的安定性を求めて厚さ（約４ｍｍ）に鋳造されているが、他方の層は薄く鋳造されている。この薄層は２０００ｒｐｍの回転速度で３０秒間、微細製造されたモールドでＲＴＶ混合物を回転塗布することにより作成され、約４０μｍの厚さを生じた。各層は、約８０度の温度で１時間半で、別個にベーキング処理された。続いて厚い層が薄い
層の上で密封され、この２つの層は約８０度の温度で約１時間半で、接着された。モールドは、シリコンウェハ上のフォトレジストにパターン化された。Ｓｈｉｐｌｙ ＳＪＲ ５７４０フォトレジストが、２０００ｒｐｍの回転速度で、マスクとして高分解能透光性フィルムを用いてパターニングされてから現像され、１０μｍの高さの反転チャネルを生じた。２００度の温度で約３０分間ベーキング処理されると、フォトレジストはリフローイングし、反転チャネルが丸み付けされた状態になった。シリコンラバーの粘着を防止するために、毎度の使用前に１分間、モールドはトリメチルクロロシアン蒸気で処理された。図１Ｂ 矩形チャネルと丸型チャネルについてのバルブ閉鎖の概略図。点線は、圧力が増大した時の、矩形（左）チャネルと丸型（右）チャネルについて、チャネルの頂面の輪郭を示している。バルブの密封状態は光学顕微鏡下でエラストマーと基板との界面を観察することにより検査することができる。これははっきりした可視エッジとして発現する。矩形チャネルに関する不完全な密封は、フローチャネルにおける接合部の「アイランド」として発現するが、完全な密封（丸型チャネルについて観られるような）は、フローチャネルの左右両エッジを接合する切れ目のない接合エッジを供与する。

多層構造の生成を容易にすると、多層の流体系を設けることが可能になるが、従来の微細作製を利用した場合には困難な作業であった。我々はこの様式でパターンを設けた７つまでの層からなる試験的構造体を作成した（多層構造について、厚い層は先に説明した。薄い層は各々が８０℃で２０分間、ベーキング処理された。成長する厚い層が各新しい薄い層の上に組立てられて、８０℃の温度で２０分間ベーキングすることにより接着させられた。７層装置はこの方法で製造された。層の数を限定する明瞭な制約は存在しない）が、各々が約４０μｍの厚さであった（図２Ｆ）。各装置がモノリシックなので（すなわち、全ての層が同一材料から構成されている）、層間粘着不良と熱応力問題とが完全に回避されている。完全にモノリシックであれば、粒子が層間粘着の妨げとなることはほとんどない。微細構造の作動に最も重要なのだが、エラストマーは約７５０ｋＰａのヤング率（Ｌｏｔｔｅｒｓ，Ｊ．Ｃ．ら、Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．７：１４５（１９９７））を有する軟性材料であり、小さい作動力で大きな偏向を可能にする。この材料の物理的特性を管理することも可能である。我々は、微細な鉄粉を添加することによりエラストマーの磁性層を作り、浸透閾値を越えるカーボンブラックでドーピングすることにより導電層を作った（導電シリコーンは微粒子カーボンブラック（Ｖｕｌｃａｎ ＸＣ７２；Ｃａｂｏｔ、Ｂｉｌｌｅｒｉｃａ，ＭＡ）を１０重量％以上の濃度で添加することにより作られた。導電率は、カーボンブラック濃度に関連して、５．６×１０^-16（Ω
−ｃｍ）^-1から５×１０^-3（Ω−ｃｍ）^-1まで増大した。磁性シリコーンは鉄粉（約１μｍ粒子寸法）を添加することにより作られたが、２０重量％までのＦを添加した。導電シリコーンと磁性シリコーンの両方について多層接着が正常に機能した）。従って、すべてのエラストマーを材料とした電磁装置を作製できる可能性がある（Ｉｋｕｔａ，Ｋ．ら、ｉｎ Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ＩＥＥＥ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＭＥＭＳ ９４ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ （ＩＥＥＥ，Ｐｉｓｃａｔａｗａｙ，ＮＪ，１９９４），１〜６頁）。

多層軟性リソグラフィーの力を立証するために、我々は、活性バルブおよび活性ポンプを製造した。モノリシックなエラストマーバルブおよびエラストマーポンプは、他の材料の微細流体装置と同様に、電気浸透性フロー（Ｈａｒｒｉｓｏｎ，Ｄ．Ｊ．ら、Ｓｃｉｅｎｃｅ ２６１：８９５（１９９３）；Ｊａｃｏｂｓｏｎ，Ｓ．Ｃ．ら、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．６６：１１１４（１９９４）；Ｄｕｆｆｙ，Ｄ．Ｃ．ら、Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．９：２１１（１９９９）；Ｓｃｈａｓｆｏｏｒｔ，Ｒ．Ｂ．Ｍ．ら、Ｓｃｉｅｎｃｅ ２８６：９４２（１９９９）；Ｊａｃｏｂｓｏｎ，Ｓ．Ｃ．ら、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７１：４４５５（１９９９）；Ｅｆｆｅｎｈａｕｓｅｒ，Ｃ．Ｓ．ら、Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ １８：２２０３（１９９７））または誘電詠動（Ｗａｓｈｉｚｕ，Ｍ．ら、ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ．Ｉｎｄ．Ａｐｐｌ．３０：８３５（１９９
４）；Ｐｅｔｈｉｇ，Ｒ．ら、Ｔｒｅｎｄｓ Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．１５：４２６（１９９７））を基本としたフローシステムに影響を及ぼす幾つかの実用上の諸問題を取り除くが、そのような問題点の具体例として、電極周囲における電解質のバブル形成や、フロー媒体の組成にフローが強く依存することが挙げられる（Ｂｒｅｃｈｔｅｌ，Ｒ．ら、Ｊ．Ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒ．Ａ ７１６：９７（１９９５）；Ｌｕｃｙ，Ｃ．Ａ．ら、Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．６８：３００（１９９６）；フローの大きさ（および、その方向も）は複雑な様式でイオン強度およびイオンタイプ、表面活性剤の存在、フローチャネルの壁上の電荷に依存している。更に、電解が継続的に起こるので、ｐＨ変化に抵抗するバッファの容量は有限となる。従って、フローを厳密に制御するには新しいバッファまたは新しい溶質ごとについて較正する必要があり、サンプルの厳密な組成が事前に分かっていない場合は、フローの厳密な制御は困難になる可能性がある。電気浸透流はまた、分子の望ましくない電気詠動分離を含み、混合しない問題を生じる可能性がある。誘電詠動は電気分解を必要とせず、そのため、バブル形成を生じることはないが、それでも、サンプル感度および溶剤感度に左右される）。電解バブル形成は、実験室装置については問題とならないが、一体型微細流体装置における電気浸透性フローの使用を厳しく制限する。また、電気浸透性フローと誘電詠動性フローのどちらも、流れを停止させたり、圧力差の平衡を保つことを目的としては、容易に利用することができない。

我々は、交差チャネル構造を利用して我々のバルブを製造した（図１Ａ）。典型的なチャネルは１００μｍ幅で１０μｍ高さであり、１００μｍ×１００μｍのバルブの有効面積を設けている。チャネル間のポリマーの薄膜を比較的薄く（典型的には３０μｍ）なるように設計している。圧力を上部チャネル（制御チャネル）に付与すると、薄膜は下方向に偏向する。十分な圧力は下部チャネル（フローチャネル）を閉鎖する。光学的な便宜上、我々は、底部表面層としてガラスで構造を典型的に密封した。ガラスを用いた接着は可逆的であり、そのため装置は剥離され、洗浄され、再利用できる。我々はまた、底部表面層がエラストマーの別な層である装置を製造したが、これは、より高い背圧が利用される場合には有利である。この様式で作動される装置の反応時間はおよそ１ｍｓであり、付与された圧力はおよそ１００ｋＰａであるため、１００μｍ×１００μｍの面積がおよそ１ｍＮの作動力を供与する。空気式作動により活性装置は密に収めることができるが、我々は、平方ミリメートルあたり３０個の装置という密度で微細流体系を構築し、これより高い密度が達成可能である。この作動速度、作動圧、装置密度は、極めて多数の微細流体応用例について十二分である。

フローチャネルの形状はバルブの適切な作動にとって重要である（図１Ｂ）。矩形チャネルや台形チャネルでさえ、上からの圧力のもとでは完全に閉鎖しない。丸い断面形状を有するフローチャネルは完全に閉じるが、丸い形状は上からの力をチャネル端縁に伝達して、チャネルを端縁部から中心まで閉鎖させる。台形チャネルによる１００μｍ×１００μｍ×１０μｍのバルブは２００ｋＰａの付与圧力でも完全には閉鎖しないが、丸型チャネルはわずか４０ｋＰａでも完全に封鎖状態になることが分かった。

１つの装置に多数の独立作動式バルブを設けることにより、各制御ラインに付与された圧力の独立制御しか必要としなくなる（各制御チャネルは、高速ツェナーダイオード回路により電力投与され、ディジタルデータ獲得カードにより制御される（ＡＴ−ＤＩＯ−３２ＨＳ；Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ａｕｓｔｉｎ，ＴＸ）超小型３方向スイッチバルブ（ＬＨＤＡ１２１１１１１Ｈ；Ｌｅｅ Ｖａｌｖｅ，Ｗｅｓｔｂｒｏｏｋ，ＣＴ）の共通ポートに接続された）。調整された外部圧力が正常に閉じたポートに供与されて、超小型バルブを切り替えることにより、制御チャネルに加圧できるようにし、或いは、制御チャネルを外気にむけて換気できるようにした）。図２Ａから図２Ｅは、単純な構成でオン／オフバルブ（図２Ａおよび図２Ｂ）、ポンプ（図２Ｃ）、格子状バルブ（図２Ｄ）、および、スイッチングバルブ（図２Ｅ）を生じたことを例示している。各制
御ラインは多数のバルブを同時に作動させることができる。制御ラインの幅を変えることができ、かつ、薄膜偏向が薄膜寸法に大きく依存しているので、制御ラインに多数のフローチャネルを通過させ、所望のチャネルのみを作動させることが可能である。活性要素はチャネル自体のルーフであり、そのため、この技術から生まれた簡単なオン／オフバルブ（およびポンプ）は真にゼロの死容積を有しており、スイッチングバルブは１つのバルブの活性容量にほぼ等しい死容積、すなわち、約１００μｍ×１００μｍ×１０μｍ＝１００ｐＬを有している。この所要の死容積と、移動する薄膜により消費される面積とは、今日までに立証された微細バルブのいずれよりも、それぞれ約２桁小さい大きさである（Ｓｈｏｊｉ，Ｓ．，Ｔｏｐ．Ｃｕｒｒ．Ｃｈｅｍ．１９４：１６３（１９９８））。

図２ 異なるバルブとポンプの構成の光学微細グラフ。制御ラインは垂直方向に配向されている。図２Ａ ２００μｍ制御ラインと１００μｍフローラインを有する（２００×１００）単純なオン／オフバルブ。図２Ｂ ３０×５０のオン／オフバルブ。図２Ｃ 蠕動ポンプ。４本の制御ラインのうち３本だけが作動用に使用された。図２Ｄ 格子状のオン／オフバルブ。図２Ｅ スイッチングバルブ。典型例として、最も内側の２つの制御ラインのみが作動用に使用された。図２Ｆ 本文中に言及のある７層試験構造のセクション。全てのスケールバーは２００μｍである。

バルブ開口は制御ラインに付与された圧力を変えることにより厳密に制御することができる。図３Ａで立証したように、バルブの反応は、最小のヒステリシスで、バルブの移動範囲のかなりの部分にわたり、ほぼ完璧に線型となる。従って、これらのバルブは、微細流体調量および流体制御を目的として使用することができる。バルブ反応の線型性は、個々のバルブがフックの法則のスプリングとしてうまくモデル化されていることを立証している。更に、フローチャネルの高い圧力（すなわち、背圧）は、作動圧を増大させるだけで、押し止めることができる。我々が試験することができた実験範囲内では（７０ｋＰａまでの背圧）、背圧をゼロの背圧における最小閉鎖圧に単に加えることにより、バルブ閉鎖を達成した。

図３Ａ バルブ開口対付与圧。「５０×１００」は５０μｍ幅の制御チャネルと１００μｍ幅の流体チャネルを有している微細バルブを意味している。１００×５０の閉鎖および開放データ（図示せず）は５０×１００データとほぼ同一である。図３Ｂ １０ｃｍの長さの空気管がチップから空気式バルブまで接続された、１００μｍ×１００μｍ×１０μｍのＲＴＶ微細バルブの時間反応。２期分のディジタル制御信号、管の端部における現実の空気圧、および、バルブ開放率がここに示されている。制御ラインに付与された圧力は１００ｋＰａであり、これは、バルブを調整するのに要する約４０ｋＰａよりも実質的に高い。従って、閉鎖動作中に、バルブは必要とされるよりも６０ｋＰａ大きい圧力で押圧閉鎖される。しかし、開放動作中には、バルブはそれ自体のばね力（４０ｋＰａ以下）だけでその待機位置に逆戻しされる。従って、τ_closeはτ_openよりも小さくなると予測さ
れる。圧力を制限するために使用される微細バルブの制約のせいで、制御信号と制御圧力反応との間にも遅延が存在する。かかる遅延をｔと称し、１／ｅ時の定数をτと称すると、各値は以下のようになる。すなわち、ｔ_open＝３．６３ｍｓ、τ_open＝１．８８ｍｓ、ｔ_close＝２．１５ｍｓ、τ_close＝０．５１ｍｓである。３τごとに開閉が可能になるとすると、このバルブは、水溶液が充満すると、７５Ｈｚで有効に作動する（開閉遅延を受けない別な作動方法を採用した場合、このバルブは約３７５Ｈｚで作動する。バネ定数は、薄膜の厚さを変更することにより調節することができ、これにより高速開放または高速閉鎖のいずれもの最適化が可能になる。）。バルブ開口率は、蛍光測定された。フローチャネルには緩衝剤（ｐＨ８以上）中にフルオレセインイソチオシアネートの溶液が充填され、チャネルの中央３分の１を占有する四角い領域の蛍光が、１０ｋＨｚの帯域を有する光電子増倍管を備えたエピ蛍光顕微鏡でモニタされた。圧力は、ほぼ同一の空気式接続により制御ラインと同時に加圧されるホイートストンブリッジ圧力センサー（ＳＣＣ１５ＧＤ２；Ｓｅｎｓｙｍ，Ｍｉｌｐｉｔａｓ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ）を用いてモニタされた。

ここに記載されている通りに製造されたモノリシックなエラストマーバルブは驚くべき速度で作動することができる。水性溶液が充満したバルブについての時間反応は、図３に示したように、約１ｍｓである。バルブは、完全には開かないが、１００Ｈｚでも開閉す
る。バルブは付与された圧力にほぼ瞬時に反応するが、付与された圧力は実質的に制御信号よりも遅れをとる（開閉の遅延を受けない別な作動方法を使用した場合には、このバルブは約３７５Ｈｚで作動する。バネ定数は薄膜の厚さを変化させることにより調節することができるが、これにより、高速開放または高速閉鎖のいずれかについて最適化が図られる）。

我々は、１つのチャネル上に配置された３つのバルブから蠕動ポンプも製造した（図４Ａ）。ポンピング速度は、薄い（０．５ｍｍの内径）管の水柱が移動した距離を測定することにより判定されるが、１００μｍ×１００μｍ×１０μｍのバルブを用いると、２．３５ｎｌ／ｓの最大ポンピング速度が測定された（図４Ｂ）。バルブ作動速度の先の観察と矛盾することなく、最大ポンピング速度は約７５Ｈｚで達成され、この速度より速いと、不完全なバルブ開閉に匹敵してポンプ周期が更に数を増す。ポンピング速度は２００Ｈｚを越えるまで、ほぼ一定であったが、３００Ｈｚまではゆっくりと低下した。バルブとポンプも極めて耐性がある。我々の観察では、エラストマー薄膜、制御チャネル、または、接着が作用しなくなることはなかった。上述の蠕動ポンプにおけるどのバルブも、４百万回を越える回数の作動の後も、摩耗や疲労の兆候を示してはいない。バルブの耐性に加えて、バルブは軟質でもある。チャネルを通して汲み上げられ、生存度について試験されたＥｓｃｈｅｒｉｃｈｉａ ｃｏｌｉの溶液が９４％の生存率を示した（Ｅ．ｃｏｌｉ はチャネルを通して１０Ｈｚで汲み上げられた。分かっている量のサンプルが出力ウエル（ポンプ式）と入力ウエル（制御式）から取り出され、各々のサンプルの連続希釈はＬｕｒｉａ‐Ｂｅｒｔａｎｉ 寒天培養プレートで培養され、３７℃で一晩、成長させられた。生存可能性は制御サンプルとポンプ式サンプルのコロニーを計数して、サンプル量と希釈液を補正することにより査定された）。

図４Ａ エラストマーの蠕動ポンプの３Ｄ縮尺図。チャネルは１００μｍ幅、１０μｍ高さである。蠕動はパターン「１０１、１００、１１０、０１０、０１１、００１」により作動されるのが典型的であったが、この場合、「０」は「バルブ開放」を示し、「１」は「バルブ閉鎖」を示している。このパターンはまた、３つのバルブの間の作動の位相角度のことを意味する、１２０度のパターンと呼ばれる。他の蠕動パターンも、６０度のパターンと９０度のパターンを含め、可能である。所与の回数のパターンサイクルにおけるポンピング速度の差は最小であった。図４Ｂ 蠕動微細ポンプのポンピング速度対多様な駆
動周波数。微細バルブの寸法＝１００μｍ×１００μｍ×１０μｍ、付与される空気圧＝５０ｋＰａ。

ここで説明したように構築されたモノリシックな活性バルブは、シリコンをベースとした微細流体バルブに優る、幾つかの注目するべき利点を有している。シリコーンラバーの低いヤング率のせいで、バルブの有効面積はチャネル自体よりも大きくなく、これにより、死容積を例外的に低くすることが可能となる。薄膜の軟性のせいで、粒子が存在している場合でさえ、完全なバルブ封鎖が容易に達成される。バルブは付与した圧力で線型に閉じ、高い背圧にもかかわらず、調量ができるようにするとともに、バルブが閉じられるようにする。バルブの小さい寸法により、バルブは高速になり、寸法と軟性の両方がバルブに耐性をもたせることに貢献している。小さい寸法、空気式作動、それらを作動させずともチャネルを横断できる能力により、微細流体ポンプ、バルブ、混合チャンバー、スイッチバルブを一個の製造容易な微細流体チップに密に一体化させることができる。しかし、最大の利点は製造の容易なことである。従来型シリコンベースの微細作製で作られたバルブおよびポンプ（Ｓｈｏｊｉ，Ｓ．，Ｔｏｐ．Ｃｕｒｒ．Ｃｈｅｍ．１９４：１６３（１９９８））と比較して、［ポリマーを組み入れたハイブリッド装置でさえ（Ｆａｈｒｅｎｂｅｒｇ，Ｊ．ら、Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ．Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．５：７７（１９９５）；Ｇｏｌｌ，Ｃ．ら、Ｊ．Ｍｉｃｒｏｍｅｃｈ Ｍｉｃｒｏｅｎｇ．６：７７（１９９６）；Ｙａｎｇ，Ｘ．ら、Ｓｅｎｓｏｒｓ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ａ ６４：１０１（１９９８）；Ｙｏｕｎｇ，Ａ．Ｍ．ら、Ｊ．Ｂｉｏｍｅｃｈ．Ｅｎｇ．Ｔｒａｎｓ．ＡＳＭＥ
１２１：２（１９９９））］、モノリシックなエラストマーバルブは単純で、製造が遥かに容易である。

従来使用されていない材料の使用により、高速プロトタイピング、製造の容易さ、緩いプロセスパラメータなど、従来型微細作製に優る多数の利点を多層軟性リソグラフィー法に与えている。これにより、従来の微細作製に固有の層間粘着および熱応力蓄積といった諸問題の無い多層製造が可能となる。このプロセスは、光学縦列および微細流体バルブや微細流体ポンプのような複雑な多層微細製造型構造体を構築するために利用することができる。ここで利用されるシリコーンラバーは可視光に対して透光性があり、微細流体装置の光学的疑問を単純にしている。これは生体互換性も有し、このグループに属する材料はコンタクトレンズを製造するのに利用される。未加工材料は、単結晶シリコンと比較すると特に廉価である（約＄０．０５／ｃｍ³対約＄２．５／ｃｍ³）。最も重要なのは、これはヤング率が低く、小さい面積の装置の作動でも可能にする。空気作動式のバルブとポンプは、チップ上実験を目的とした広範な流体操作について、有用となる。将来は、臨床応用例として移植可能な装置として使用することができる電気作動式または磁気作動式のバルブとポンプを設計することが可能となるにちがいない。

証拠に加えた覚書：この原稿を提出した後、我々は、ハーバード大学のホワイトサイズグループのＪ．Ａｎｄｅｒｓｏｎらによる関連研究のことを知った。

パートＩ−−−図１〜７Ａは、本発明を製作する第１の方法の連続工程を例示する図である。

図１は、微細加工されたモールドの頂面に第１のエラストマー層が形成されているのを示す図である。
図２は、微細加工されたモールドの頂面に第２のエラストマー層が形成されているのを示す図である。 図３は、図２のエラストマー層が微細加工されたモールドから除去され、図１のエラストマー層の頂面上に設置されているのを示す図である。 図４は、図３に対応しているが、第１のエラストマー層の頂面に第２のエラストマー層が設置されているのを示す図である。 図５は、図４に対応しているが、第１のエラストマー層と第２のエラストマー層が一緒に接着されているのを示す図である。 図６は、図５に対応しているが、第１の微細加工されたモールドが除去され、平坦基板が適所に設置されているのを示す図である。 図７Ａは、図６に対応しているが、エラストマー構造が平坦基板上にシールされているのを示す図である。 図７Ｂは、図７Ａに対応している正面断面図であり、開いたフローチャネルを示す。 図７Ｃは、別のエラストマー層から形成された膜を有するエラストマー構造を形成するための方法の工程を示す。 図７Ｄは、別のエラストマー層から形成された膜を有するエラストマー構造を形成するための方法の工程を示す。 図７Ｅは、別のエラストマー層から形成された膜を有するエラストマー構造を形成するための方法の工程を示す。 図７Ｆは、別のエラストマー層から形成された膜を有するエラストマー構造を形成するための方法の工程を示す。 図７Ｇは、別のエラストマー層から形成された膜を有するエラストマー構造を形成するための方法の工程を示す。 パートＩＩ−−−図７Ｈは、第２フローチャネルを加圧することにより、第１のフローチャネルを閉鎖することを示す。

図７Ｈは、図７Ａに対応するが、第２フローチャネルにおける加圧によって閉鎖された第１フローチャネルを示す。
パートＩＩＩ−−−図８〜図１８は、本発明を製造する第２の方法の連続工程を示す。

図８は、平坦基板上に第１のエラストマー層が堆積されているのを示す図である。
図９は、図８の第１のエラストマー層の頂面に第１のフォトレジストが堆積しているのを示す図である。 図１０は、第１のフォトレジスト層の一部が除去されて、フォトレジストの第１のラインのみが残っている、図９のシステムを示している図である。 図１１は、図１０のフォトレジストの第１のラインを覆って第１のエラストマー層の頂面の上に第２のエラストマー層が付与され、それにより、第１のエラストマー層と第２のエラストマー層の間でフォトレジストを封入しているのを示す図である。 図１２は、図１１に対応しているが、第１のエラストマー層と第２のエラストマー層を硬化させて一緒に結合した後で一体型モノリシック構造が生成されているのを示す図である。 図１３は、図１２の一体エラストマー構造の頂面に第２のフォトレジスト層が堆積されているのを示す図である。 図１４は、第２のフォトレジスト層の一部が除去されて、フォトレジストの第２のラインのみが残っている、図１３のシステムを示す図である。 図１５は、第２のエラストマー層の頂面に図１４のフォトレジストの第２のラインを覆って第３のエラストマー層が付与され、それにより、図１２のエラストマー構造と第３のエラストマー構造との間でフォトレジストの第２のラインを封入しているのを示す図である。 図１６は、図１５に対応しているが、第３のエラストマー層を硬化させて、先に共に結合された第１のエラストマー層および第２のエラストマー層から構成されたモノリシックな構造に結合した状態になっているのを示す図である。 図１７は、図１６に対応しているが、フォトレジストの第１のラインと第２のラインを除去して、２つの互いに直交する方向に重畳しているが交差していない、一体型エラストマー構造を通過するフローチャネルを設けているのを示す図である。 図１８は、平坦な構造が下部で除去された、図１７のシステムを示す図である。 パートＩＶ−−−図１９および図２０は、異なるフローチャネル断面の更なる詳細を示す。

図１９は、第１のフローチャネルの矩形断面を示す図である。
図２０は、湾曲した上部表面を有しているフローチャネル断面を示す図である。 パートＶ−−−図２１から図２４は、本微細製作バルブの好ましい実施態様により実験結果が達成されたのを示す図である。

図２１は、多様なフローチャネルについて、バルブ開度に対する加わった圧力を示す図である。
図２２は、１００μｍ×１００μｍ×１０μｍのＲＴＶ微細バルブの時間応答を示す図である。 パートＶＩ−−−図２３Ａから図３３は、本発明の局面に従って一緒にネットワーク化された、多様な微細製作構造体を示す。

図２３Ａは、オン／オフバルブの頂面概略図である。
図２３Ｂは、図２３Ａにおける線２３Ｂ−２３Ｂに沿って破断した断面立面図である。 図２４Ａは、蠕動ポンピングシステムの頂面概略図である。 図２４Ｂは、図２４Ａにおける線２４Ｂ−２４Ｂに沿って破断した断面立面図である。 図２５は、図２４の蠕動ポンピングシステムの実施態様について、実験的に達成されたポンピング速度に対する周波数を示すグラフである。 図２６Ａは、１本の制御ラインが多数の流れラインを同時に作動させているのを示す頂面概略図である。図２６Ｂは、図２６Ａにおける線２６Ｂ−２６Ｂに沿って破断された断面立面図である。 図２７は、多様なチャネルを通る流れを可能にするように適合された多重化システムを示す概略図である。 図２８Ａは、アドレス可能な反応チャンバー構造の流れの層を示す平面図である。 図２８Ｂは、アドレス可能な反応チャンバー構造の制御チャネル層を示す底面平面図である。 図２８Ｃは、図２８Ａの流れの層の頂面に図２８Ｂの制御チャネル層を結合させることにより形成された、アドレス可能な反応チャンバー構造の分開斜視図である。 図２８Ｄは、図２８Ｃにおける線２８Ｄ−２８Ｄに沿って破断された、図２８Ｃに対応する断面立面図である。 図２９は、反応ウエルの配列のいずれかの中に流体の流れを選択的に方向付けるように適合されたシステムの概略図である。 図３０は、互いに平行なフローチャネルの間の選択可能な側方方向流れに適合されたシステムの概略図である。 図３１Ａは、スイッチ可能な流れの配列のエラストマーの第１の層（すなわち、フローチャネルの層）の底面平面図である。 図３１Ｂは、スイッチ可能な流れの配列の制御チャネルの層の底面平面図である。 図３１Ｃは、図３１Ａのエラストマーの第１の層が図３１Ｂのエラストマーの第２の層と整列状態にあるのを示す図である。 図３１Ｄは、図３１Ａのエラストマーの第１の層（すなわち、フローチャネルの層）が図３１Ｂのエラストマーの第２の層の制御チャネルと整列状態にあるのを示す図である。 図３２は、生体ポリマー合成のための一体型システムの概略図である。 図３３は、生体ポリマー合成のための別な一体型システムの概略図である。 図３４は、共に結合した７個のエラストマー層を有する試験構造の部分の光学的微細グラフである。 図３５Ａ〜３５Ｄは、そこに形成される垂直バイアを有するエラストマー層を製造するための方法の１実施態様の工程を示す。 図３６は、本発明に従う分類装置の１実施態様を示す。 図３７は、本発明に従う半導体ウェハにわたってプロセスガスを流すための装置の実施態様を示す。 図３８は、本発明に従う微細ミラーアレイ構造の１実施態様の分解図を示す。 図３９は、本発明に従う屈折デバイスの第１実施態様の斜視図を示す。 図４０は、本発明に従う屈折デバイスの第２実施態様の斜視図を示す。 図４１は、本発明に従う屈折デバイスの第２実施態様の斜視図を示す。 図４２Ａ−Ｅは、本発明に従う通常閉じているバルブ構造の１実施態様の図を示す。 図４２Ｆ−Ｊは、本発明に従う通常閉じているバルブ構造の１実施態様の図を示す。 図４３は、本発明に従う分離を実施するための１実施態様の平面図である。 図４４Ａ〜４４Ｄは、本発明に従うセルペン（ｃｅｌｌ ｐｅｎ）構造の１実施態様の作動を例示する平面図を示す。 図４５Ａ〜４５Ｂは、本発明に従うセルゲージ（ｃｅｌｌ ｃａｇｅ）構造の１実施態様の作動を例示する平面図および断面図を示す。 図４６Ａ〜４６Ｂは、本発明に従うセルグラインダー（ｃｅｌｌ ｇｒｉｎｄｅｒ）構造の１実施態様の作動を例示する断面図を示す。 図４７は、本発明に従う圧力オシレータ構造の１実施態様の平面図を示す。 図４８Ａは、本発明に従う側面作動バルブ構造の１実施態様の作動を例示する平面図を示す。図４８Ｂは、本発明に従う側面作動バルブ構造の１実施態様の作動を例示する平面図を示す。 図４９は、ＧＥ ＳＦ９６−５０シリコン流体でのＧＥ ＲＴＶ ６１５エラストマーのパーセンテージ希釈に対するヤング率をプロットする。

Claims (1)

1. 明細書中に記載の、微細製作エラストマー構造体。

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