JP6817471B2 - 慣性ポンプ - Google Patents

Description

マイクロフルイディクスは、典型的にはサブミリメートルから数マイクロメートルまでの小さなスケールに幾何学的に拘束された流体の挙動、正確な制御および操作に関する。数多くのアプリケーションは、ポンピング、バルブなどの流体流制御技術の恩恵を受けることができる。マイクロ流体システムのサイズが小さいため、これらの構成要素は設計が難しく、しばしば複雑さ、サイズ、コスト、および有効性のトレードオフを伴う。

本開示の追加の特徴および利点は、例として本技術の特徴を共に示す添付の図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

図１Ａは、本開示による例示的な慣性ポンプの上方からの概略図である。

図１Ｂは、開いた逆止弁を有する本開示による例示的な慣性ポンプの側面概略図である。

図１Ｃは、閉じた逆止弁を有する本開示による例示的な慣性ポンプの上方からの概略図である。

図１Ｄは、開いた逆止弁を有する本開示による例示的な慣性ポンプの上方からの概略図である。

図２は、本開示による例示的な逆止弁の上方からの概略図である。

図３は、本開示による例示的な逆止弁の上方からの概略図である。

図４は、本開示による例示的な逆止弁の上方からの概略図である。

図５は、本開示による例示的な逆止弁の上方からの概略図である。

図６は、本開示による例示的な逆止弁の上方からの概略図である。

図７は、本開示による例示的な逆止弁の上方からの概略図である。

図８は、本開示による例示的な慣性ポンプの側面断面図である。

図９は、本開示による例示的なマイクロ流体デバイスの上方からの概略図である。

図１０は、本開示による例示的なマイクロ流体デバイスの上方からの概略図である。

図１１は、本開示による例示的なマイクロ流体デバイスの上方からの概略図である。

図１２は、本開示による例示的なマイクロ流体デバイスの上方からの概略図である。

図１３は、本開示による例示的なマイクロ流体デバイスの上方からの概略図である。

図１４は、本開示による例示的なマイクロ流体デバイスの上方からの概略図である。

図１５は、本開示による例示的なマイクロ流体デバイスの上方からの概略図である。

図１６は、本開示による逆止弁の流体力学的シミュレーションに使用される形状の上方からの概略図である。

ここで、本明細書に示されるいくつかの例を参照し、本明細書では特定の用語を使用して同じことを説明する。それにもかかわらず、それにより本開示の範囲の限定が意図されないことが理解されるであろう。

本開示は、慣性ポンプおよび慣性ポンプを含むマイクロ流体デバイスに向けられている。一例では、慣性ポンプは、マイクロ流体チャネル、マイクロ流体チャネルに配置された流体アクチュエータ、およびマイクロ流体チャネルに配置された逆止弁を含むことができる。逆止弁は、可動弁要素、可動弁要素の上流に配置された狭められたチャネルセグメント、および可動弁要素の下流のマイクロ流体チャネルに形成された阻止要素を含むことができる。狭められたチャネルセグメントは、可動弁要素が狭められたチャネルセグメントに位置されると、可動弁要素が逆止弁を通る流体の流れを阻止するように、可動弁要素の幅よりも小さい幅を有することができる。阻止要素は、可動弁要素が阻止要素に対して位置されたときに、流体の流れを可能にしながら、阻止要素が逆止弁内で可動弁要素を拘束するように構成することができる。

特定の例において、流体アクチュエータは、蒸気気泡を生成してマイクロ流体チャネル内の流体を移動させるように構成された抵抗器であり得る。いくつかの場合では、可動弁要素は円筒または六角形ブロックの形を有することができる。

さらなる例では、阻止要素と狭められたチャネルセグメントとの間の距離は、可動弁要素の幅の１．１から５倍であり得る。さらに別の例では、慣性ポンプは、可動弁要素とマイクロ流体チャネルの天井および床との間に隙間を含むことができる。隙間は、約０．０５μｍから約４μｍの高さを有することができる。別の例では、逆止弁は、流体アクチュエータから１μｍから１０μｍ離れて配置され得る。

特定の例では、逆止弁は、流体アクチュエータの下流に配置することができる。特定の例では、慣性ポンプは、流体アクチュエータの上流に配置された第２の逆止弁も含むことができる。

本開示はまた、慣性ポンプを組み込んだマイクロ流体デバイスに及び得る。一例では、マイクロ流体デバイスは、流体リザーバ、流体リザーバと連通するマイクロ流体チャネル、マイクロ流体チャネルに配置された流体アクチュエータ、およびマイクロ流体チャネルに配置された逆止弁を含むことができる。逆止弁は、可動弁要素、可動弁要素の上流に配置された狭められたチャネルセグメント、および可動弁要素の下流のマイクロ流体チャネルに形成された阻止要素を含むことができる。狭められたチャネルセグメントは、可動弁要素が狭められたチャネルセグメントに位置されると、可動弁要素が逆止弁を通る流体の流れを阻止するように、可動弁要素の幅よりも小さい幅を有することができる。阻止要素は、可動弁要素が阻止要素に対して位置されたときに、流体の流れを可能にしながら、阻止要素が逆止弁内の可動弁要素を拘束するように構成することができる。

特定の実施例では、逆止弁は、流体が流体リザーバから離れて流れることを許容するように構成することができる。さらなる例では、マイクロ流体デバイスは、マイクロ流体チャネルと連通する第２の流体リザーバも含むことができる。逆止弁は、第１の流体リザーバと第２の流体リザーバとの間のマイクロ流体チャネルに沿って配置することができる。第２の流体リザーバは、第１の流体リザーバよりも高いまたは低い圧力を有することができる。

別の例において、マイクロ流体デバイスは、マイクロ流体混合チャネル、第１の流体リザーバ、第１の流体リザーバからマイクロ流体混合チャネルに第１の流体を圧送するための第１の流体リザーバとマイクロ流体混合チャネルとの間に流体接続された第１の慣性ポンプ、第２の流体リザーバ、および第２の流体リザーバからマイクロ流体混合チャネルに第２の流体を圧送するための第２の流体リザーバとマイクロ流体混合チャネルとの間に流体接続された第２の慣性ポンプを含むことができる。第１および第２の慣性ポンプの一方または両方は、マイクロ流体チャネル、マイクロ流体チャネルに配置された流体アクチュエータ、およびマイクロ流体チャネルに配置された逆止弁を含むことができる。逆止弁は、可動弁要素、可動弁要素の上流に配置された狭められたチャネルセグメント、および可動弁要素の下流のマイクロ流体チャネルに形成された阻止要素を含むことができる。狭められたチャネルセグメントは、可動弁要素が狭められたチャネルセグメントに位置されると、可動弁要素が逆止弁を通る流体の流れを阻止するように、可動弁要素の幅よりも小さい幅を有することができる。阻止要素は、可動弁要素が阻止要素に対して位置されたときに、流体の流れを可能にしながら、阻止要素が逆止弁内の可動弁要素を拘束するように構成することができる。

特定の例では、マイクロ流体デバイスは、第１の流体リザーバとマイクロ流体チャネルとの間に流体接続された１つ以上の追加の第１の慣性ポンプ、および第２の流体リザーバとマイクロ流体混合チャネルとの間に流体接続された１つ以上の追加の第２の慣性ポンプも含むことができる。さらなる例では、マイクロ流体混合チャネルは反応器に通じることができる。

多くのマイクロ流体アプリケーションは、小さなマイクロ流体チャネルを通る流体の流れの制御を伴う。これらのチャネルは、しばしば、例えば１００μｍ未満の幅を有することができる。したがって、マイクロ流体チャネル内の流体の流れを制御するために使用される構成要素は、しばしば非常に小さいサイズである。この規模でポンプとバルブを構築するのは困難であり得る。これまでの解決策のいくつかの例として、ダイナミックバルブ、ワックスバルブ、キャピラリーブレークバルブ、微小電気機械（ＭＥＭＳ）バルブ、圧電バルブなどが挙げられる。これらの解決策には、高コスト、複雑さ、バルブを１回よりも多く使用できない、バルブの低い有効性、圧力水頭に対応できない、遅い応答時間など、さまざまな欠点を有している。

さらに、抵抗器または圧電素子などの流体アクチュエータを使用してマイクロチャネル内の流体を移動させる慣性ポンプが考案されている。流体アクチュエータは、マイクロチャネルの長さに関して非対称であるマイクロチャネルに沿った点にあり得る。繰り返して流体内で蒸気の泡を形成したり、圧電素子を作動させたりするなどして、流体アクチュエータが流体を繰り返し移動させると、泡または圧電素子により移動させられた流体を置き換えることによるマイクロチャネル内の流体の動きの慣性力により一方向の正味の流体の流れが達成され得る。このような慣性ポンプは、マイクロ流体システムに流体の流れを作り出すことができる。ただし、これらのポンプの短所は、大きな圧力水頭に対して機能できないことである。

したがって、本開示は、統合した逆止弁を備えた慣性ポンプを提供する。逆止弁は、大きな圧力水頭に対しても、慣性ポンプの流体アクチュエータへの流体の逆流を低減または実質的に防止できる。逆止弁は、マイクロ流体チャネル自体を形成するために使用されるのと同じ技術を使用して簡単に製造することもできる。さらに、逆止弁は、数マイクロ秒のオーダーの応答時間で応答する、すなわち、流体の流れ方向の変化に応答して開閉することができる。したがって、本明細書で説明する統合逆止弁を備えた慣性ポンプは、マイクロ流体の流れを制御する分野で以前に直面した多くの問題を解決することができる。いくつかのアプリケーションでは、ここで説明する慣性ポンプを使用して、複数のリザーバから単一のチャネルまたは反応器に異なる流体を圧送することができ、同時に逆止弁は、あるリザーバからの流体が他のリザーバに入ることによる相互汚染を防ぐことができる。特定の例では、これはＤＮＡテストなどの特定の生物学的テストで役立つことができ、このテストは、反応器に圧送される前に、反応物を分離して汚染されない状態に保つことができる。

図１Ａ−１Ｄは、本技術による慣性ポンプ１００の例を示している。図１Ａは、マイクロ流体チャネル１１０、マイクロ流体チャネルに配置された流体アクチュエータ１２０、およびマイクロ流体チャネルに配置された逆止弁１３０を含む慣性ポンプの上方からの概略図を示す。逆止弁は、可動弁要素１４０、狭められたチャネルセグメント１５０、および阻止要素１６０を含む。本明細書で使用される「逆止弁」は、狭められたチャネルセグメントから阻止要素までの参照番号１３０（他の図では、２３０、３３０、４３０など）として指定される構造を指す。他の図において、逆止弁は同様の数字である。

図１Ｂは、慣性ポンプ１００の側面概略図を示す。この図に示すように、流体アクチュエータは、マイクロ流体チャネルの床にパッドとして形成できる。特定の例では、流体アクチュエータは熱抵抗器または圧電素子であり得る。狭められたチャネルセグメント１５０は、マイクロ流体チャネルの壁の一体部分として形成され得る。この例では、狭められたチャネルセグメントは、マイクロ流体チャネルの壁から内側に延びる正方形の突起として形成される。可動弁要素１４０は、図１Ｂに示されるように、マイクロ流体チャネルの床および天井から離れることができる。従って、可動弁要素は、逆止弁内の流体の流れとともに自由に動くことができる。この例では、阻止要素１６０は、マイクロ流体チャネルの天井から床まで延びる正方形の柱として形成される。他の例では、阻止要素は、流体の流れも通過させる一方で、逆止弁内の可動弁要素を効果的に制限する異なる形状に形成することができる。阻止要素は、阻止要素が流体の流れとともに移動しないように、所定の位置に固定することができる。

図１Ｃは、逆止弁１３０が閉位置にあるときの慣性ポンプ１００の上方からの概略図を示す。可動弁要素１４０は、狭められたチャネルセグメントによって形成された隙間に位置される。可動弁は、狭められたチャネルセグメントを実質的に塞ぐまたは大部分塞ぎ、その結果、狭められたチャネルセグメントを通る流体の流れが実質的に停止または低減される。可動弁要素の高さ、および可動弁要素の上下の隙間によっては、可動弁要素の上下で少量の流体の流れがいまだ生じることがあり得る。例えば、流体アクチュエータ１２０が作動しておらず、そして逆止弁のマイクロ流体チャネル下流内により高い圧力が存在するとき、逆止弁はこの位置にあり得る。したがって、逆止弁は、圧力水頭下流により慣性ポンプを通る逆流を防止または低減できる。

図１Ｄは、開位置にある慣性ポンプ１００の上方からの概略図を示す。可動弁要素１４０は、阻止要素１６０に対して位置される。阻止要素は、阻止要素が逆止弁１３０内の可動弁要素を抑制できる一方で、流体の流れをなお許容することができるように構成される。具体的には、この例では、阻止要素はマイクロ流体チャネルの中央に位置され、阻止要素とマイクロ流体チャネルの壁の間の隙間が可動弁要素が通過するには小さすぎるようにサイズ設定されている。流体が下流方向に流れると、可動弁要素は流れとともに移動し、阻止要素の片側に留まることになる。阻止要素の反対側の隙間は、流体が通過できるように開いている。

特定の実施例では、慣性ポンプの流体アクチュエータは、蒸気泡を生成してマイクロ流体チャネル内の流体を移動させるように構成された抵抗器であり得る。具体的には、抵抗器は、電力が供給され、抵抗器上の液体を流体の沸点を超えて迅速に加熱することができる。これにより、マイクロチャネル内の周囲の流体を抵抗器から遠ざけるように膨張する気泡を生成することができる。周囲の流体が抵抗器から押し出されている間、逆止弁を開いた位置にして、流体が下流方向に流れるようにすることができる。その後、気泡が崩壊することができる。気泡が崩壊すると、気泡が占めていた体積を満たすため、周囲の液体が押し戻され得る。この時点で、抵抗器の下流の流体は抵抗器に向かって戻る傾向があり得る。しかし、可動弁要素は、流体が後退するのに伴って移動し、そして弁を迅速に閉じることができ、結果として、弁の下流の流体が逆流するのを防ぐ。崩壊した気泡が占める残りの容積は、抵抗器の上流からより多くの流体を引き込むことで満たされる。このようにして、慣性ポンプによって生成される下流方向の正味の流量を増やすことができる。

他の例では、流体アクチュエータは圧電素子であり得る。これらの例は、流体を移動させるための気泡を形成する抵抗器の代わりに、電流を圧電素子に印加して、圧電素子の形状を変化させ、マイクロ流体チャネル内の流体を移動させることができることを除き、熱抵抗器を含む例と同様に機能することができる。圧電素子への電流がオフになると、圧電素子は元の形状に戻ることができる。圧電素子の上流からの流体は、圧電素子が占有していた容積を満たすことができ、そして逆止弁は、下流の流体が圧電素子に向かって逆流するのを防ぐために閉じることができる。

本明細書で使用される場合、「下流」とは、通常、慣性ポンプが作動しているときに慣性ポンプが生成するように構成される流体の流れの方向を指す。いくつかの例では、逆止弁は、流体アクチュエータの下流に配置することができる。慣性ポンプが作動しているとき、流体アクチュエータは繰り返し作動し、流体を下流に移動し、逆止弁は流体アクチュエータの作動中に繰り返し開いて下流の流体の流れを可能にし、そして流体アクチュエータの作動との間の逆流を防ぐために閉じる。別の例では、流体アクチュエータを逆止弁の下流に配置することができる。この場合、流体アクチュエータが作動すると逆止弁は閉じて、流体アクチュエータから逆止弁を通って流体が戻って移動することを防ぐことができる。流体アクチュエータの作動の間に、逆止弁が開いて、流体が下流方向に流れることを許容して、流体アクチュエータによって移動された流体を置き換えることができる。本明細書で使用する場合、「上流」とは、下流と反対の方向を指す。上流方向の流体の流れは、通常、逆止弁によって防止または減速される。

いくつかの例では、可動弁要素、狭められたチャネルセグメント、および阻止要素の形状と寸法を選択して、逆止弁が下流方向の高い流体流量を可能にし、実質的に上流方向の流体の流れを阻止または減少でき、そして高速の応答時間を提供することができる。特定の例では、逆止弁の阻止要素と狭められたチャネルセグメントとの間の空間が、下流方向の流体流量と逆止弁の応答時間に影響を与えることができる。空間を狭くすると逆止弁の応答時間を減少させることができ、空間を広くすると流体が逆止弁を通過できる空間が増大させることができ、これにより下流の流体の流量が増加する。一例では、阻止要素と狭められたチャネルセグメントとの間の距離は、可動弁要素の幅の１．１から５倍であり得る。さらなる例において、阻止要素と狭められたチャネルセグメントとの間の距離は、約１μｍから約５００μｍであり得る。

多くの例において、可動弁要素は、円筒として形作ることができる。そのような例では、可動弁要素の「幅」は円筒の直径を指す。他の例では、可動弁要素の「幅」は、可動弁要素を横切る最短寸法、すなわち可動弁要素の高さに直交する寸法を指し得る。特定の例では、可動弁要素は六角形ブロックとして形作ることができる。そのような可動弁要素の幅は、六角形の対向する平行な側面間の距離であり得る。さらなる例では、可動弁要素は、正方形、長方形、三角形、またはさまざまな他の形状を有することができる。各例において、幅は可動弁要素にわたる最短寸法とすることができる。したがって、可動弁要素の幅よりも狭い幅を有する狭められたチャネルセグメントを使用することにより、可動弁要素が狭められたチャネルセグメントを通り抜けないことを保証することができる。様々な例において、可動弁要素は、約１μｍから約１００μｍの幅を有することができる。

可動弁要素の上部とマイクロ流体チャネル天井との間の隙間の距離、ならびに可動弁要素の底部とマイクロ流体チャネル床との間の隙間は、慣性ポンプの効率および圧力水頭に作用する慣性ポンプの能力に影響を及ぼし得る。いくつかの例では、可動弁要素の高さを最大にして、逆止弁が閉じているときに可能な最高の封止を提供することができる。しかしながら、隙間の距離を大きくすると、可動弁要素が弁の開位置と閉位置の間をすばやく移動できることを確実にするという有益性があり得る。したがって、隙間の距離は、弁が閉じられたときに良好な封止と高速の応答時間を提供するように選択され得る。隙間の距離は、慣性ポンプの製造の実用性にも影響され得る。いくつかの例では、可動弁要素は、マイクロ流体チャネルの床に剥離層を堆積し、剥離層の上に可動弁要素を形成し、可動弁要素の上部に別の剥離層を形成し、マイクロ流体チャネル天井を堆積し、そして剥離層を取り外して可動弁要素をマイクロ流体チャネルの床と天井から自由にすることにより製造できる。このような例の隙間の距離は、剥離層の厚さによって制御できる。他の例では、より多くの逆流を可能にする「漏れやすい」ポンプを有することが望ましいこともあり得る。これらの例では、より大きな隙間の距離を使用して、望まれる逆流の量を調整することができる。いくつかの例では、可動弁要素とマイクロ流体チャネルの天井および床との間の隙間は、約０．０５μｍから約４μｍの隙間の高さを有し得る。他の例では、可動弁要素は、マイクロ流体チャネルの高さの約７５％から約９９．９％の高さを有することができる。

他の例では、可動弁要素は球形であり得る。いくつかのそのような例では、マイクロ流体チャネルおよび球状可動弁要素以外の逆止弁の要素は、フォトリソグラフィによって形成することができる。特定の例では、マイクロ流体チャネルおよび逆止弁要素は、ＳＵ−８またはＳＵ−８２０００フォトレジストなどのエポキシ系フォトレジストで形成することができる。球形の可動弁要素は、逆止弁の構成要素と同じ材料または異なる材料で作られた球体であり得る。いくつかの場合では、球状の可動弁要素の材料は、マイクロ流体チャネルを流れる流体に近い密度を有することができ、その結果、球状の可動弁要素は、マイクロ流体チャネルを流れる流体に追従することができる。一例では、球状の可動弁要素は、マイクロ流体チャネルの壁および床を形成した後であって、マイクロ流体チャネルの上に最上層を配置することによりマイクロ流体チャネルの天井を形成する前に、マイクロ流体チャネルに配置できる。

特定の実施例では、逆止弁は、流体アクチュエータから約１μｍから約１００μｍ離れて配置することができる。さらに別の例では、逆止弁は、流体アクチュエータから約１μｍから約１０μｍ離れて配置することができる。

図１Ａ−１Ｄに示す例示的な逆止弁に加えて、逆止弁として他のさまざまなデザインを使用できる。図２−７は、さまざまな追加の逆止弁のデザインを示している。

図２は、チャネル壁の２つの突起部２５２で形成された狭められたチャネルセグメント２５０を含む逆止弁２３０を備えた例示的なマイクロ流体チャネル２１０を示す。阻止要素２６０は、チャネル壁からの２つの追加の突起部２６２の間に位置する。可動弁要素２４０は、阻止要素と突起部との間の１つの隙間に収容することができ、一方、流体は、阻止要素の反対側の隙間を通って流れることができる。

図３は、チャネル壁からの２つの突起部３５２で形成された狭められたチャネルセグメント３５０を含む逆止弁３３０を備えた例示的なマイクロ流体チャネル３１０を示す。この例では、阻止要素３６０は、湾曲したチャネル壁セグメント３６２の近くに配置される。湾曲したチャネル壁セグメントにより、逆止弁が開いているときに、流体が逆止弁をより自由に流れることができる。阻止要素とチャネル壁との間の隙間は、阻止要素３４０の幅よりも小さくすることができる。

図４は、チャネル壁からの２つの突起部４５２で形成された狭められたチャネルセグメント４５０を含む逆止弁４３０を備えた例示的なマイクロ流体チャネル４１０を示す。この例では、阻止要素４６０は、回転した角柱である。柱の回転した形状は、可動弁要素４４０が柱の１つの特定の側面に留まるのを促進することができ、一方、弁が開いているとき、流体は阻止要素の反対側を通過して流れることができる。

収束壁セグメント５６２および単一の突起部５５２で形成された狭められたチャネルセグメント５５０を含む逆止弁５３０を備えた例示的なマイクロ流体チャネル５１０を示している。この例は、四角柱として形作られた阻止要素５６０、および円筒形の可動弁要素５４０も有している。

図６は、突起部のない収束壁セグメント６６２で形成された狭められたチャネルセグメント６５０を含む逆止弁６３０を備えた例示的なマイクロ流体チャネル６１０を示す。この例はまた、四角柱として形成された阻止要素６６０、および円筒形の可動弁要素６４０も有している。

図７は、収束する傾斜面を備えた２つの成形した突起部７５２で形成された狭められたチャネルセグメント７５０を含む逆止弁７３０を備えた例示的なマイクロ流体チャネル７１０を示している。阻止要素７６０は、三角形ブロックの形状である。可動弁要素７４０は円筒である。現在説明されている逆止弁のために、他のさまざまなデザインを考案することができる。

いくつかの例では、本明細書に記載の慣性ポンプは、フォトリソグラフィを使用して製造することができる。マイクロ流体チャネルおよび逆止弁の構造は、複数の層から形成することができ、そしてマイクロ流体チャネルおよび逆止弁の特徴の形状は、フォトレジスト材料を現像することにより形成することができる。特定の例では、層はエポキシ系フォトレジストから形成され得る。一例では、層は、エポキシ系ネガ型フォトレジストであるＳＵ−８またはＳＵ−８２０００フォトレジストから形成することができる。具体的には、ＳＵ−８およびＳＵ−８ ２００は、MicroChem Corpを含むさまざまな供給者から入手可能なビスフェノールＡノボラックエポキシ系フォトレジストである。これらの材料は、ＵＶに曝されて架橋することができるが、曝されていない部分は溶媒に溶けたままであり、洗い流して空間を残すことができる。

図８は、複数の層で形成された慣性ポンプ８００の例示的な断面図を示す。プライマー層８０４は、基板８０２に適用される。そして、流体アクチュエータ８２０をプライマー層上に堆積させることができる。他の例では、プライマー層を適用する前に基板上に流体アクチュエータを形成することができ、その後、流体アクチュエータの上部からプライマーを取り外すことができる。あるいは、いくつかの例では、プライマー層を流体アクチュエータの上に適用し、そして流体アクチュエータを覆ったままにすることができる。

次に、マイクロ流体層をプライマー層の上に堆積させることができる。マイクロ流体層は、狭められたチャネルセグメントを形成するための突起部８５２を含むマイクロ流体チャネル８１０を画定するマイクロ流体チャネル壁、および阻止要素８６０を含むことができる。可動弁要素８４０の位置において、最初に剥離層８４２をプライマー層上に堆積させることができる。次いで、可動弁要素を剥離層の上に形成することができる。第２の剥離層は、可動弁要素の上部に堆積され得る。次に、最上層８０６をマイクロ流体層の上に適用することができる。これらの層が形成された後、剥離層を取り外して可動弁要素をマイクロ流体チャネルの天井と床から自由にすることができる。

別の例において、慣性ポンプは、基板上にフィルム層を堆積し、フィルム上に抵抗器を配置し、次にフィルム上にプライマー層を堆積することにより形成することができる。次に、下側の可動弁要素剥離層をプライマー層の一部に堆積させることができる。プライマー層に壁を堆積して、マイクロ流体チャネルを形成することができる。可動弁要素は、マイクロ流体チャネル内の下側の可動弁要素剥離層の上に配置させることができる。狭められたチャネルセグメントは、可動弁要素の上流に配置できる。阻止要素は、可動弁要素の下流に配置することができる。次いで、上側の可動弁要素剥離層を可動弁要素上に堆積させることができる。壁、上側の可動弁要素剥離層、狭められたチャネルセグメント、および阻止要素の上に最上層を堆積させて、マイクロ流体チャネルの天井を形成することができる。最後に、可動弁要素が狭められたチャネルセグメントと阻止要素の間を自由に移動できるように、可動弁要素の下側および上側の剥離層を取り外すことができる。

いくつかの例では、基板はシリコン材料で形成することができる。例えば、基板は、単結晶シリコン、多結晶シリコン、ヒ化ガリウム、ガラス、シリカ、セラミック、または半導体材料で形成することができる。特定の例では、基板は約５０μｍから約１２００μｍの厚さを有することができる。

さらなる例では、プライマー層は、約２μｍから約１００μｍの厚さを有するＳＵ−８などのフォトレジスト材料の層であり得る。

マイクロ流体層は、壁のパターンを有するフォトレジストの層を露出させて、覆われた流体供給スロットおよびマイクロ流体チャネルを画定し、次いで、露光されていないフォトレジストを洗い流すことによって形成され得る。この層は、プライマー層上に液体フォトレジストをスピンコートし、次に層を現像するか、ドライフォトレジストフィルムを積層するか、両方の技術を組み合わせることにより形成できる。いくつかの例では、マイクロ流体層は、約２μｍから１００μｍの厚さを有し得る。約２μｍから約１００μｍ、約１０μｍから約５０μｍ、または約２０μｍから約３０μｍの幅を有するマイクロ流体チャネルを形成することができる。

特定の実施例では、マイクロ流体層の上にドライフィルムフォトレジストを積層し、ドライフィルムフォトレジストをＵＶパターンで露光してマイクロ流体チャネルの天井を形成することにより、最上層を形成することができる。いくつかの例では、最上層は約２μｍから約２００μｍの厚さを有することができる。

本技術は、上記の慣性ポンプを組み込んだマイクロ流体デバイスにも及ぶ。図９は、第１の流体リザーバ９０２、第２の流体リザーバ９０４、流体リザーバを接続するマイクロ流体チャネル９１０、マイクロ流体チャネル内の流体アクチュエータ９２０、およびマイクロ流体チャネル内の逆止弁９３０を含む例示的なマイクロ流体デバイス９００を示す。逆止弁は、狭められたチャネルセグメント９５０、阻止要素９６０、および可動弁要素９４０で構成されている。この例では、逆止弁は、第１の流体リザーバから第２の流体リザーバへの流れを可能にするように構成される。さらに、この例では、逆止弁は流体アクチュエータの下流に配置されている。逆止弁をこの方向に向けると、流体アクチュエータと逆止弁で構成される慣性ポンプは、第２の流体リザーバ内の圧力が第１の流体リザーバ内の圧力よりも大きい場合でも、第１の流体リザーバから第２の流体リザーバに流体を圧送できる。

図１０−１３は、異なる場所に同じ構成要素を備えた他の例示的なマイクロ流体デバイス９００を示している。これらの例のそれぞれは、第１の流体リザーバ９０２から第２の流体リザーバ９０４に流体を圧送するように構成される。図１０において、流体アクチュエータ９２０および逆止弁９３０は第１の流体リザーバの近くにあり、逆止弁は流体アクチュエータの下流にある。図１１において、流体アクチュエータは第１のリザーバに近く、逆止弁は第２のリザーバに近い。図１２において、逆止弁および流体アクチュエータは第１のリザーバの近くにあり、流体アクチュエータは逆止弁の下流にある。図１３において、逆止弁は第１のリザーバの近くにあり、流体アクチュエータは第２のリザーバの近くにある。図１４は、２つの逆止弁を含む例示的なマイクロ流体デバイスを示す。一方の逆止弁は流体アクチュエータの上流にあり、もう一方の逆止弁は流体アクチュエータの下流にある。これらの例はすべて、第１のリザーバから第２のリザーバへの流体の流れを生成できる。本明細書に記載のマイクロ流体デバイスのために、他のデザインも考案することができる。さらに、マイクロ流体デバイスには、２つより多いリザーバ、追加の慣性ポンプ、複数の流体アクチュエータと複数の逆止弁のその他の組み合わせなどを含めることができる。

さらなる例では、本明細書に記載の慣性ポンプは、複数の流体を一緒に混合するマイクロ流体デバイスで使用できる。そのようなデバイスは、流体の希釈または反応など、さまざまな目的のために流体を混合することができる。一例では、マイクロ流体デバイスは、試験流体のリザーバおよび希釈液のリザーバを含むことができる。慣性ポンプを使用して、これらの２つの流体を共通のマイクロ流体チャネルまたはチャンバに圧送し、試験流体を希釈することができる。別の例では、マイクロ流体デバイスは、反応物の２つ以上のリザーバを含むことができる。慣性ポンプを使用して、反応器内で反応物を混合し、化学反応を実行することができる。

様々な例において、慣性ポンプによって圧送され得る流体は、水、水性の溶液および分散液などの水性流体、アルコール、シリコンオイル、有機液体、および他の多くのものを含み得る。特定の例では、試験流体は、生体液または生体分子の水性溶液を含むことができる。さらなる例では、希釈流体は、水、アルコール、または食塩水などの水性溶液を含むことができる。反応物流体には、任意の液体反応物、溶解した反応物の溶液、固体反応物の分散液などが含まれる。いくつかの例では、流体は、使用されるマイクロ流体チャネルおよび逆止弁を通過するのに十分小さい粒子サイズを有する分散した固体粒子を含むことができる。

図１５は、マイクロ流体混合チャネル１０１１、第１の流体リザーバ１００２、第２の流体リザーバ１００４、および反応器１００６を含む例示的なマイクロ流体デバイス１０００を示す。第１の慣性ポンプは、第１の流体アクチュエータ１０２０および第１の逆止弁１０３０から構成される。第１の慣性ポンプは、第１のリザーバとマイクロ流体混合チャネルとの間に接続されている。第２の慣性ポンプは、第２の流体アクチュエータ１０２１および第２の逆止弁１０３１から構成される。第２の慣性ポンプは、第２のリザーバとマイクロ流体混合チャネルとの間に接続されている。

図１５に示されるマイクロ流体デバイスを使用して、反応物を混合する、または流体を希釈することができる。一例では、第１および第２の反応器は異なる反応物を含むことができる。別の例では、第１のリザーバは希釈される流体を含むことができ、第２のリザーバは希釈流体を含むことができる。このデバイスの慣性ポンプによってもたらされる１つの利点は、逆止弁がリザーバ内の２つの異なる流体の混合を実質的に防止できることである。例えば、第１または第２の流体リザーバのいずれかの内で２つの反応物を混合させることは望ましくないことがあり得る。第１および／または第２の慣性ポンプの逆止弁は、第１のリザーバからの反応物が第２のリザーバに入るのを防ぐことができ、逆もまた同様である。

特定の例では、本明細書に記載のマイクロ流体デバイスをＤＮＡ検査に使用することができる。この例では、第１の液体リザーバは、溶解バッファと混合した目的の生体細胞を含むことができる。本明細書に記載の第１の慣性ポンプは、第１の流体を第１の流体リザーバから反応チャンバに圧送することができる。第２の流体リザーバは、洗浄バッファを含むことができる。生体細胞と溶解バッファが反応チャンバ内で反応した後、洗浄バッファは、反応チャンバを洗浄するために、第２の慣性ポンプによって反応チャンバに圧送され得る。第１および第２の慣性ポンプの逆止弁は、生体細胞および溶解バッファが第２の液体リザーバに入るのを防ぎ、洗浄バッファが第１の液体リザーバに入るのを防ぐことができる。

さらなる例において、３つ以上のリザーバが、単一の交差点で会うマイクロ流体チャネルに接続され得る。各リザーバは、各マイクロ流体チャネルに逆止弁を備えた関連付けられた慣性ポンプを有することができる。このようなデバイスを使用して、複数の異なる材料を一緒に混合する、または任意のリザーバ内の材料を混合せずに複数の異なる材料を連続して圧送することができる。

慣性ポンプによりもたらされる別の利点は、第１および第２のリザーバ内の流体の混合比を制御する能力である。いくつかの例では、リザーバからの流体の流量は、第１および第２の流体アクチュエータの作動頻度を制御することにより制御することができる。例えば、第１の流体アクチュエータが第２の流体アクチュエータの２倍の頻度で作動される場合、第１のリザーバからの流体の流量は、第２のリザーバからの流体の流量の約２倍であり得る。流量の比率は、流体アクチュエータの相対的な作動速度を調整することで細かく制御できる。したがって、いくつかの例では、いくつかの反応物の特定の比率を必要とする反応は、マイクロ流体デバイスによって実行され得る。他の例では、マイクロ流体デバイスは、それぞれのリザーバからの流体および希釈流体の流量を制御することにより、流体の特定の希釈を提供することができる。これらのマイクロ流体デバイスは、各リザーバに関連付けられた慣性ポンプを任意の順序で起動できるため、特定の順序で反応物を反応器に加えるのにも役立ち得る。

さらなる例において、マイクロ流体デバイスは、第１および／または第２のリザーバから混合チャネルにつながる複数の並列慣性ポンプを用いて製造することができる。追加の慣性ポンプを含めることにより、達成可能な流量比の範囲を拡大できる。追加の慣性ポンプは、各慣性ポンプの作動速度を個別に制御して流量を正確に制御できるため、流量の制御精度を向上させることもできる。

この開示は、本明細書に開示される特定のプロセスステップおよび材料に限定されないことを理解されたい。なぜなら、そのようなプロセスステップおよび材料は、多少異なる場合があるからである。また、本明細書で使用される用語は、特定の例を説明する目的でのみ使用されることも理解されたい。本開示の範囲は、添付の特許請求の範囲およびその均等物によってのみ限定されることを意図しているため、用語は限定することを意図していない。

本明細書および添付の特許請求の範囲で使用されるように、単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈からそうでないことが明確に示されない限り、複数の指示対象を含むことに留意されたい。

本明細書で使用するとき、用語「実質的」または「実質的に」は、材料の数量または分量、またはその特定の特性に関して使用される場合、材料または特性が意図した効果を提供するのに十分な量を指す。許容される正確な逸脱の程度は、いくつかの場合、特定の状況に依存し得る。

本明細書で使用される「約」という用語は、所与の値が端点の「少し上」または「少し下」であることを提供することにより、数値範囲の端点に柔軟性を提供するために使用される。この用語の柔軟性の程度は、特定の変数によって決定され、本明細書の関連する説明に基づいて決定され得る。

本明細書で使用されるように、複数のアイテム、構造要素、組成要素、および／または材料は、便宜上、共通のリストで提示され得る。ただし、これらのリストは、リストの各メンバーが分けられた固有のメンバーとして個別に識別されるように解釈されるべきである。したがって、そのようなリストの個々のメンバーは、反対の指示なしに共通の群での提示にのみ基づいて、同じリストの他のメンバーの事実上の同等物として解釈されるべきではない。

本明細書では、濃度、量、および他の数値データを範囲形式で表現または提示することができる。そのような範囲形式は、便宜上と簡潔さのためだけに使用されるため、範囲の制限として明示的に列挙された数値だけでなく、また各数値と下位範囲が明示的に列挙されているかのように、その範囲内に含まれている個々の数値または下位範囲を含むように柔軟に解釈されるべきであることを理解されたい。例として、「約１ｗｔ％から約５ｗｔ％」の数値範囲は、明示的に列挙された約１ｗｔ％から約５ｗｔ％の値だけでなく、示された範囲内の個々の値および下位範囲も含むと解釈されるべきである。したがって、この数値範囲には、２、３．５、４などの個々の値と、１−３、２−４、３−５などの下位範囲が含まれる。この同じ原則は、１つの数値のみを列挙する範囲に適用される。さらに、そのような解釈は、範囲の広さや記述されている特性に関係なく適用されるべきである。

以下は、本開示の一例を示している。しかしながら以下は、本開示の原理の適用の例示にすぎないことを理解されたい。本開示の精神および範囲から逸脱することなく、多数の修正および代替の組成物、方法、およびシステムを考案することができる。添付の特許請求の範囲は、そのような修正およびアレンジメントを網羅することを意図している。

例１−マイクロ流体逆止弁シミュレーション
図１６に示される例示的なマイクロ流体システムの形状を使用して、コンピュータシミュレーションが実行された。この図は、形状の寸法を上方からの図で示している。チャネルの高さは２０μｍに設定され、円筒形の可動弁要素の高さは１５μｍであった。流体力学シミュレーションを実行して、これらのマイクロ流体チャネルを通る水の流れをシミュレートし、流れはチャネルＡから来るようにした。シミュレーションにより、円筒形の可動弁要素が流動する流体によって移動し、約１０μｓ後に狭められたチャネルセグメントに接触することが示された。弁が閉じられると、チャネルＣに流入した流体の約３倍の流体がチャネルＢに流入した。

次に、流れがチャネルＢおよびＣの両方から生じるように流れの方向が変更された。円筒形の可動弁要素は阻止要素の一方の側に移動し、流体は阻止要素の反対側の周りを流れてチャネルＡに流れた。チャネルＣからチャネルＡへの体積流量は、チャネルＢに流れを妨げる逆止弁がないため、チャネルＢからチャネルＡへの体積流量よりも小さいことが判明した。シミュレーションは、逆止弁が閉位置にあるとき、逆止弁を通る流体の流れを効果的に減らすことができ、一方、開位置にあるとき、流体が流れることを可能にすることを示している。逆止弁はまた１０μｓの速い応答時間を有している。

特定の例を参照して本技術を説明したが、本開示の精神から逸脱することなく、様々な修正、変更、省略、および置換を行うことができる。したがって本開示は、添付の特許請求の範囲によってのみ制限されることが意図されている。

Claims (15)

1. マイクロ流体チャネル；
   前記マイクロ流体チャネルに配置された流体アクチュエータ；および
   前記マイクロ流体チャネルに配置された逆止弁を含む、慣性ポンプであって、前記逆止弁は、
   可動弁要素、
   前記可動弁要素の上流に配置された狭められたチャネルセグメント、前記狭められたチャネルセグメントは、前記可動弁要素が前記狭められたチャネルセグメントに位置されたときに、前記可動弁要素が前記逆止弁を通る流体の流れを阻止するように、前記可動弁要素の幅より小さい幅を有しており、および
   前記可動弁要素の下流の前記マイクロ流体チャネルに形成された阻止要素であって、前記可動弁要素が前記阻止要素に対して位置されたときに流体の流れを許容しながら、前記阻止要素が前記逆止弁内で前記可動弁要素を拘束するように構成される阻止要素を含む、慣性ポンプ。
2. 前記流体アクチュエータは、蒸気気泡を生成して前記マイクロ流体チャネル内の流体を移動させるように構成された抵抗器である、請求項１に記載の慣性ポンプ。
3. 前記マイクロ流体チャネルおよび前記逆止弁は、フォトリソグラフィによって製造される、請求項１または２に記載の慣性ポンプ。
4. 前記阻止要素と前記狭められたチャネルセグメントとの間の距離が、前記可動弁要素の幅の１．１から５倍である、請求項１から３のいずれか１項に記載の慣性ポンプ。
5. 前記可動弁要素は、円筒または六角形ブロックの形態である、請求項１から４のいずれか１項に記載の慣性ポンプ。
6. 前記可動弁要素と前記マイクロ流体チャネルの天井および床との間の隙間をさらに含み、ここで前記隙間は０．０５μｍから４μｍの高さを有する、請求項１から５のいずれか１項に記載の慣性ポンプ。
7. 前記逆止弁は、前記流体アクチュエータから１μｍから１００μｍ離れて配置されている、請求項１から６のいずれか１項に記載の慣性ポンプ。
8. 前記逆止弁は、前記流体アクチュエータの下流に配置されている、請求項１から７のいずれか１項に記載の慣性ポンプ。
9. 前記流体アクチュエータの上流に配置された第２の逆止弁をさらに含む、請求項８に記載の慣性ポンプ。
10. 第１の流体リザーバ；
    前記第１の流体リザーバと連通するマイクロ流体チャネル；
    前記マイクロ流体チャネルに配置された流体アクチュエータ；および
    前記マイクロ流体チャネルに配置された逆止弁を含むマイクロ流体デバイスであって、前記逆止弁は、
    可動弁要素、
    前記可動弁要素の上流に配置された狭められたチャネルセグメント、前記狭められたチャネルセグメントは、前記可動弁要素が前記狭められたチャネルセグメントに位置されたときに、前記可動弁要素が前記逆止弁を通る流体の流れを阻止するように、前記可動弁要素の幅より小さい幅を有しており、および
    前記可動弁要素の下流の前記マイクロ流体チャネルに形成された阻止要素であって、前記可動弁要素が前記阻止要素に対して位置されたときに流体の流れを許容しながら、前記阻止要素が前記逆止弁内で前記可動弁要素を拘束するように構成される阻止要素を含む、マイクロ流体デバイス。
11. 前記逆止弁は、流体が前記第１の流体リザーバから離れて流れることを可能にするように構成されている、請求項１０に記載のマイクロ流体デバイス。
12. 前記マイクロ流体チャネルと連通する第２の流体リザーバをさらに含み、ここで前記逆止弁は、前記第１の流体リザーバと前記第２の流体リザーバとの間の前記マイクロ流体チャネルに沿って配置されており、そしてここで前記第２の流体リザーバは、前記第１の流体リザーバよりも高い圧力を有している、請求項１０または１１に記載のマイクロ流体デバイス。
13. マイクロ流体混合チャネル；
    第１の流体リザーバ；
    前記第１の流体リザーバから前記マイクロ流体混合チャネルに第１の流体を圧送するよう、前記第１の流体リザーバと前記マイクロ流体混合チャネルとの間に流体接続されている第１の慣性ポンプ；
    第２の流体リザーバ；および
    前記第２の流体リザーバから前記マイクロ流体混合チャネルに第２の流体を圧送するよう、前記第２の流体リザーバと前記マイクロ流体混合チャネルとの間に流体接続されている第２の慣性ポンプを含むマイクロ流体デバイスであって、
    ここで前記第１の慣性ポンプおよび前記第２の慣性ポンプの一方または両方は、
    マイクロ流体チャネル；
    前記マイクロ流体チャネルに配置された流体アクチュエータ；および
    前記マイクロ流体チャネルに配置された逆止弁を含み、前記逆止弁は、
    可動弁要素、
    前記可動弁要素の上流に配置された狭められたチャネルセグメント、前記狭められたチャネルセグメントは、前記可動弁要素が前記狭められたチャネルセグメントに位置されたときに、前記可動弁要素が前記逆止弁を通る流体の流れを阻止するように、前記可動弁要素の幅より小さい幅を有しており、および
    前記可動弁要素の下流の前記マイクロ流体チャネルに形成された阻止要素であって、前記可動弁要素が前記阻止要素に対して位置されたときに流体の流れを許容しながら、前記阻止要素が前記逆止弁内で前記可動弁要素を拘束するように構成される阻止要素を含む、マイクロ流体デバイス。
14. 前記第１の流体リザーバと前記マイクロ流体混合チャネルとの間に流体接続された１つ以上の追加の第１の慣性ポンプ、および前記第２の流体リザーバと前記マイクロ流体混合チャネルとの間に流体接続された１つ以上の追加の第２の慣性ポンプとをさらに含む、請求項１３に記載のマイクロ流体デバイス。
15. 前記マイクロ流体混合チャネルが反応器につながっている、請求項１３または１４に記載のマイクロ流体デバイス。

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