JP2007507663A - マイクロポンプ - Google Patents

Abstract

第一の層（４）と、第二の層（６）を有するマイクロポンプを、ポンプ室（１２）を形成するために、中間の柔軟な層（８）の両側に配置した。ポンプ室（１２）は、中間層（８）の作動可能部分（４２）と、層（８）の入口孔（３８）及び出口孔（４０）と接触するバルブシート（３０，２２）とを囲む。作動可能部分（４２）は、ポンプ室（１２）の容積を増大しまた低減するために移動可能であり、その結果圧力が、入口孔（３８）と出口孔（４０）とを囲んでいるそれぞれの中間層を持上げ、それによってポンプ室（１２）からそれぞれ流体を引き込みまた流体を排出することを可能にする。

Description

本発明は、生物医学と生物分析学への応用に使用するために適切であるマイクロポンプ（あるいはミニチュア・ポンプ）に関する。

マイクロポンプは近年、例えば生命科学と薬学部門において興味ありまた見出された応用になってきた。一つの応用は、人体への薬物の配送である。このために、マイクロポンプは人体上に装着され、あるいは人体内に埋設される。マイクロポンプは、生物分析学あるいは生物化学の研究にも使用される。

生物分析学応用の増大のための駆動要因の一つは、ヒトゲノムプロジェクトの完成であり、それは研究室においての分子診断学の急速な進展をもたらす。これらの研究室において使用される診断装置は、試薬と流体試料のミクロ流体操作に不可欠であるマイクロポンプを含む。ミクロ−バルブと一体のこれらのマイクロポンプは、μl/分からml/分までの範囲の正確で制御可能な流体配送が可能である。汚染を回避するために、マイクロポンプを含んでいる診断装置の多くの構成部品は大体、それぞれの使用後廃棄される。従って、そのような診断装置に使用するためのマイクロポンプは、理想的には価格が低く、信頼性があり、また制御するのが容易である必要がある。

様々な型のマイクロポンプが利用可能である。これらのマイクロポンプの幾つかは、米国特許出願第2002/0081866号明細書、Choi等、“シリコン基板に埋設された熱駆動マイクロポンプ及び同一品を製造するための方法"と；米国特許第6,390,791号明細書、Maillefer等、“自給するための入口制御部材を具備するマイクロポンプ"と；米国特許第5,759,014号明細書、Van Lintel、“マイクロポンプ”と；米国特許第5,499,909号明細書、山田等、“空気圧駆動マイクロポンプ”と；米国特許第6,520,753号明細書、Grosjean等、“平面マイクロポンプ”と；米国特許第6,408,878号明細書、Unger等、“微細加工されたエラストマ状バルブ及びポンプ装置”と；国際出願第02/43615号明細書、Unger等、“微細加工されたエラストマ状バルブ及びポンプ装置”と；Didier Maillefer等“使い捨ての薬物配送装置用の高性能シリコン製マイクロポンプ"、第１３回ＩＥＥＥ国際マイクロ電子機械システム（ＭＥＭＳ−2000）会議、宮崎市、日本と；Melvin Khoo等、“新しいマイクロマシン化された磁性膜ミクロ流体ポンプ”、医学及び生物学学会のＩＥＥＥ工学の第２２回期末国際会議.シカゴ、イリノイ州、2000と；R.Linnemann、P.Woias、C.D.Senfft、J.A.Ditterich,“液体及び気体用の自給式及び耐泡性圧電シリコン製マイクロポンプ”、ＭＥＭＳに関する第１１回期末国際ワークショップ.1998、ハイデルベルグ 独国、pp.532−537と；K.P.Kamper、J.Dopper、W.Ehrfeld、S.Oberbeck、“自己充填式低価格膜製マイクロポンプ"、ＭＥＭＳに関する第１１回期末国際ワークショップ.1998、ハイデルベルグ 独国、pp.432−437；篠原 淳 等、“作動し正常に閉鎖されるバルブを使用する高耐圧性マイクロポンプ"、第１３回ＩＥＥＥ国際マイクロ電子機械システム(ＭＥＭＳ−2000)会議.宮崎市、日本、2000と；Charles Grosjean等、“熱空気圧式蠕動マイクロポンプ"、トランスデューサーの技術概要、1999、仙台市、日本と；Didier Maillefer等、“埋設可能な薬物配送装置用の高性能シリコン製マイクロポンプ"、1999 ＩＥＥＥ国際マイクロ電子機械システム(ＭＥＭＳ1999)会議、オーランド、フロリダ州、米国、1999. と、に記載される。

マイクロポンプの幾つかは一般に、二つの逆止弁あるいは二つのノズル/デフューザ構造のどちらかにより囲まれるチャンバ内に隔壁を含む。そのようなマイクロポンプは、米国特許第5,759,014号明細書と、米国特許第6,390,791号明細書と、Didier Maillefer等、“使い捨ての薬物配送装置用の高性能シリコン製マイクロポンプ"、第１３回ＩＥＥＥ国際マイクロ電子機械システム(ＭＥＭＳ1999)会議、宮崎市、日本と、に開示される。これらのマイクロポンプの隔壁は大体、バルク微細加工あるいは表面微細加工を使用してシリコン・ウエハから製造される。バルク微細加工は、単結晶シリコンがリソグラフィックにパターン化され、また次に三次元構造を形成するためにエッチングされる減法加工法である。表面微細加工は、多結晶シリコンと、硝酸珪素と、二酸化珪素と、様々な適切な金属などの半導体型材料の層が順次重ねられまたパターン化され、その結果三次元構造を形成する相加法である。前述の方法のどちらの使用法も、クリーンルーム施設と注意深い品質制御製法を必要とする。従って、シリコン製隔壁を含んでいるマイクロポンプは、材料コストが高く、また製造に費用がかかる。高コストは使い捨て使用を妨げる。これらのマイクロポンプのより安価な代替物が従って、特に生物分析学の応用においての使い捨て使用のために望まれる。

さらに、シリコン製隔壁は、約100Ｇｐａの非常に高いヤング率を有する。そのような隔壁を有するマイクロポンプは一般に、低い圧縮比εを有し、またそれは、
ε＝（ΔＶ＋Ｖ₀ ）/Ｖ₀ ；
により定義される。
ここで、ΔＶは１回の排出量、また、Ｖ₀はデッド・ボリュームであり、ポンプ作用を行って循環中にポンプ室に移動されない流体の容積である。

低い圧縮比は、自給が関連するマイクロポンプには不利である。マイクロポンプの自給、即ち、多量の気体及び気泡としてマイクロポンプからポンプにより排出可能な状態を達成するために、圧縮比は最大化される必要がある。圧縮比を最大化するために、１回の排出量を最大化するとき、デッド・ボリュームは最小化される必要がある。シリコン製隔壁を有するマイクロポンプの１回の排出量の最大化は、容易には達成されず、もしもマイクロポンプが、角張った形状及び/又は限定された作動力しか発生できない圧電要素などのアクチュエータにより駆動される隔壁を備えるポンプ室を有するならば、特にそうである。そのようなマイクロポンプは、シリコン製隔壁とポンプ室との形状間の不整合のため比較的大きなデッド・ボリュームを示す。

K.P.Kamper、J.Dopper、W.Ehrfeld、S.Oberbeck、“自己充填式低価格膜製マイクロポンプ”、ＭＥＭＳに関する第１１回期末国際ワークショップ、1998,ハイデルベルグ 独国、pp432-43、は、比較的高い圧縮比を有する層構造を有するマイクロポンプを開示する。このマイクロポンプは、入口及び出口バルブとして機能を果たすハウジング部分の中に形成された微細構造と、配置構造を含む頂部と底部を成型されたポリカーボネート製ハウジング部分を含む。ポリカーボネート製バルブ用膜は、頂部部分と底部部分を分離する。マイクロポンプは同様に、バルブ用膜から分離されるポンプ用膜を含む。ポンプ用膜は上部ハウジング部分の頂部に取付けられる。ポンプ用膜の下方の空間とバルブ用膜が配置されるバルブ平面との間の流体連通は、上部ハウジング部分の二つの円筒型の貫通孔により達成される。

本発明の実施態様に従って、マイクロポンプが付与される。マイクロポンプは、第一の層と、第二の層と、第三の中間の柔軟な層を含む。第一の層は、入口凹部と、入口凹部と流体連通にある入口チャネルと、出口チャネルを含む。第二の層は、出口と入口を含む。第一の層と第二の層は、入口が入口凹部の向かい側にあり、また出口チャネルの少なくとも一部は出口の向かい側にあるように配置される。第一の層と第二の層のうちの少なくとも一つは、入口チャネル及び出口チャネルと流体連通にあるポンプ室を含む。中間の柔軟な層は、その中に位置決めされた、入口スリット及び出口スリットを含む。中間の柔軟な層は同様に、作動可能な部分と、入口スリットに隣接する第一バルブ部分と、出口スリットに隣接する第二のバルブ部分を含む。作動可能な部分は、ポンプ室と接触する。第一のバルブ部分は、入口と出口凹部との間の流体通路をブロックするために、入口の上方に配置される。第一のバルブ部分は、作動可能な部分の第一作動に対応し入口から離れて移動可能であり、その結果入口が入口スリットを通る入口凹部と流体連通の状態になることを可能にする。第二の部分は、出口チャネルと出口との間の流体通路をブロックするように、出口チャネルと出口との間に配置される。第二のバルブ部分は、作動可能部分の第二作動に対応し出口チャネルから離れて移動可能であり、その結果出口チャネルが出口スリットを通る出口と流体連通の状態になることを可能にする。

ポンプ室は、第一の層と第二の層の二つのそれぞれのポンプ作用を行う凹部により形成される。そのような場合において、中間の柔軟な層の作動可能部分は、ポンプ作用を行う凹部の間に配列される。第二の層の入口は台座を囲んでいる凹部を含み、台座は中間の柔軟な層の入口スリットと接触状態になっている。第一の層の出口チャネルは、台座を囲んでいる凹部を含み、台座は、中間の柔軟な層の出口スリットと接触状態になっている。

前述の実施態様のための、第一の層と第二の層の構造は、大体は同一であり、またそれ故単一のモールドを使用して成型される。従って、本発明のポンプは、コスト効率が良く、また比較的単純な製法で製造できる。層が成型された後、第一の層と第二の層に特有な機構が次に、それぞれの層に形成される。

中間の柔軟な層は、作動用に十分な柔軟性を有するいずれかの材料から作製され、その結果ポンプを通る液体の移送が確保される。例えば、それを、薄い金属箔から、あるいはシリコンなど半導体の薄膜から、あるいはポリマ材料から作製できる。適切な中間の層は、ヤング率の小さい膜の層である。そのような層により、中間の柔軟な層の作動可能部分は、ポンプ室の壁に接近させられ、その結果マイクロポンプの圧縮比を増大する。中間の柔軟な層は、少なくともほぼ平坦である。そのような層は、製造が容易である。

本発明は、図面を参照してより良く理解されるであろう。

図１は、本発明の一実施形態のマイクロポンプ２の組立分解等角図である。マイクロポンプ２は、例えば２−５mmの全体厚もしくは高さを有する三層構造を形成するために、第一もしくは頂部ハウジング層４と、第二もしくは底部ハウジング層６と、頂部層４と底部層６との間に挿まれた第三の中間の柔軟な層８を含む。図２は、頂部ハウジング層４の下部側面を示している等角投影図である。頂部層４と底部層６のうちの少なくとも一つは、マイクロポンプ２のポンプ室１２(図４Ｂ)を形成するポンプ作用を行う凹部１０を含む。このポンプ室１２は、これに限定されないが例えば２００μmの高さを有すると良い。ポンプ室１２は、これに限定されないが例えば３−１０mmの直径を有すると良い。図１に示されるマイクロポンプ２において、頂部層４と底部層６は、それぞれポンプ作用を行う凹部１０を有する。互いに向き合って配置されるとき、これらのポンプ作用を行う凹部１０は、ポンプ室１２を形成する。頂部層４は、入口凹部１４と、入口凹部１４をポンプ作用を行う凹部１０に接続し、その間の流体連通を可能にする入口チャネル１６を含む。入口凹部１４は、これに限定されないが直径0.5−２mmであると良い。頂部層は同様に、ポンプ作用を行う凹部１０と流体連通にある出口チャネル１８を含む。出口チャネル１８は、頂部層４の第一台座２２を囲んでいる第一環状凹部２０を含む。底部層６は、入口２４(図５Ａ)と出口２６(図５Ａ)を含む。底部層６の入口２４は、底部層６の第二台座３０を囲んでいる第二環状凹部２８を含む。第一と第二の環状凹部２０と、２８及び第一と第二の台座２２と、３０の形状は、図１と２に示される円筒型形状に限定されない。図３Ａ−３Ｅに示されるような他の形状も可能である。出口２６は、球状もしくは幅広い出口凹部３４に接続される狭い部分３２を含む。底部層６はさらに、ポンプ作用を行う凹部１０と流体連通にある貫通孔３６を含む。

頂部層４と底部層６は、底部層６の入口２４もしくはより具体的には第二環状凹部２８が、頂部層４の入口凹部１４に向き合うように、中間の柔軟な層８の両側に配列あるいは配置される。同様に、頂部層４と底部層６の本配列において、出口チャネル１８の少なくとも一部は、もしくはより具体的には第一環状凹部２０は、底部層６の出口凹部３４に向き合って配置される。頂部層４は低部層６に固定され、その結果その間にある中間の柔軟な層８を圧縮する。図４は、頂部層４が底部層６に固定される方法の事例を示す。この事例において、低部層６は、底部層６が頂部層４にスナップ式に嵌め込まれることを可能にするために、その表面から突出する少なくとも二つのラッチアーム３９を設けられる。頂部層４を底部層６に取付ける他の手段は、これに限定されないが迅速硬化型の接着剤を用いるなどの接着と、ねじ切りと、クランプ締めを含む。頂部層４と底部層６とを組立てることは、頂部層４の凹部１０と、１４と、２０などの空洞がマイクロポンプ２を作動するために密閉されることを可能にする。マイクロポンプ２の作動については後述する。頂部層４と底部層６は、組立ての際に頂部層４が底部層６と整列されることを可能にする配列構造（示されていない）を含む。底部層６は同様に、一体型チューブ・コネクタ３７を含む。

中間の柔軟な層８は、そこを通って形成されあるいはその中に位置決めされる、入口孔３８と出口孔４０を含む。入口孔３８と出口孔４０は、これに限定されないが0.05mm−0.5mmの直径を有する。孔３８と、４０の代わりのスリット（示されていない）は同様に動作する。そのようなスリットは、(0.05−0.2mm)×(0.05−0.2mm)の寸法を有する。中間の柔軟な層８は同様に、頂部層４と底部層６の周縁の側の所定の場所にクランプ締めされる作動可能部分４２（図５Ａ）を含む。頂部層４と底部層６の間に配列されあるいは配置されるとき、作動可能部分４２はポンプ室１２に接触する。頂部層４と底部層６の両方が前述のようなポンプ作用を行う凹部１０をそれぞれ含むときの場合に、作動可能部分４２は、ポンプ作用を行う凹部１０により形成されるポンプ室１２の中央にあるために、頂部層４と底部層６のそれぞれのポンプ作用を行う凹部１０の間に配列される。中間の柔軟な層８はさらに、入口孔３８に隣接した、本具体的実施態様においては入口３８を囲んでいる、第一バルブ部分４４を含む。頂部層４と底部層６との間で組立てられるとき、この第一バルブ部分４４は、入口２４と入口凹部１４との間の流体通路をブロックするために、第二の台座３０上に位置しあるいは接触している入口孔３８を備える環状凹部２８の上方に僅かな付勢を伴って配置される。第二の台座は従って、その上の第一バルブ部分４４用のバルブシートとして機能する。中間の柔軟な層８の第一バルブ部分４４は、作動可能部分４２の第一作動に対応して、環状凹部２８から離れて頂部層４の入口凹部１４中へ移動可能であり、その結果入口２４が入口孔３８を通る入口凹部１４と流体連通の状態にあることを可能にする。

中間の柔軟な層８はさらに、出口孔４０に隣接した、本具体的実施態様においては出口孔４０を囲んでいる、第二バルブ部分４６を含む。頂部層４と第二層６との間で組立てられるとき、第二バルブ部分４６は、出口チャネル１８と出口２６との間の流体通路をブロックするように、第一の台座２２上に位置しあるいは接触している状態で、入口孔３８を備える第一環状凹部２０と出口凹部３４との間に僅かな付勢を伴って配置される。第一の台座２２は従って、第二のバルブ部分４６用のバルブシートとして機能する。自身のそれぞれのバルブシートに接触している本第二バルブ部分４６を用いて、殆どの生物分析学応用には望ましくない、マイクロポンプ２を通る流体の逆流を阻止できる。第二バルブ部分４６は、作動可能部分４２の第二作動に対応して、環状凹部２０から離れて低部層６の出口凹部３４中へ移動可能であり、その結果出口チャネル１８が出口孔４０を通る出口２６と流体連通の状態にあることを可能にする。中間の柔軟な層８は、組立を容易にするために単一な層であると良い。この層は少なくともほぼ平坦であると良い。

頂部と底部のハウジング層４と、６は、シリコンあるいはプラスチック（例えば熱可塑性プラスチック）など生物分析学応用に生体適合するいずれかの堅い材料を使用して作製されると良い。熱可塑性プラスチックの事例は、これに限定されないがポリカーボネートと、ポリ（メタ）アクリレートと、ポリオキシメチレンと、ポリアミドと、ポリブチレンテレフタレートと、ポリフェニレンエーテルを含む。そのような熱可塑性プラスチックから作製されるとき、頂部ハウジング層４と底部ハウジング層６は、射出成型、あるいは熱間エンボス加工、あるいは他の適切な方法を使用して作製できる。頂部層４と底部層６の構造は、本具体的な実施態様において大体同一であり、また従って単一のモールドを使用して成型される。層４と、６が成型された後の次に、頂部層４と底部層６に特有な機構を、それぞれの層４と、６に形成できる。例えば、入口チャネル１６と出口チャネル１８は鋸を使用して形成される。下部層６の入口２４と、出口３２と、貫通孔３６は、従来のＱ-スイッチ様式のＮｄ−ＹＡＧレーザを使用してレーザドリル加工される。

中間の柔軟な層８は、シリコンあるいはポリカーボネートと、ポリアクリリックと、ポリオキシメチレンと、ポリアミドと、ポリブチレンテレフタレートと、ポリフェニレンエーテルから選定される材料などのポリマ材料から作製される。あるいは、中間の層は同様に、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）と、マイラと、ポリウレタンと、ポリビニリデンフルオライド（ＰＶＤＦ）と、フルオロシリコンなどの膜の層であると良い。もし市販されないならば、膜（もしくは一般に中間層）を、当業者には周知のいずれかの方法により作製できる。その製造は、ＰＤＭＳ製の膜層を製造する以下の製法により実証される。ＰＤＭＳ製膜層をキャスティングにより製造できる。モールドからキャストされたＰＤＭＳの分離を促進するために、米国、ミズーリ州、セントルイス、Sigma−Aldrich社から入手可能なトリデカフルオロ-1,1、2、2-テトラヒドロオクチル・トリクロロシラン層などの固着防止層が、キャスティングの前に真空蒸着法によりモールドの成型用空洞の表面に塗布される。その製法をここでは、シラン化と呼ぶ。

米国、ミシガン州、ミッドランド、Dow Corning社から入手可能なSylgard184シリコン製エラストマなどの二成分ＰＤＭＳ溶液を、膜の層をキャスティングするために使用できる。溶液の成分ＡとＢは、１０：１の比率で混合される。混合体は、シラン化された成型用空洞内に徐々に注入される。モールドは次に、未硬化のＰＤＭＳ混合物中に捕捉された気泡が脱け出すことを可能にするために、真空デシケータの内部に約１時間置かれる。いったんＰＤＭＳ混合体中の目に見える気泡がなくなると、平滑なテフロン（登録商標）シートがモールドの頂部に置かれる。硬化するとき、成型用空洞から余分のＰＤＭＳ製プレポリマを取り去るために、適度な圧力がテフロン（登録商標）/ＰＤＭＳ/モールドのサンドイッチに加えられる。この製法は、硬化したＰＤＭＳ膜が成型用空洞の深さほどの厚みを有することを保証する。装置全体が次に、約７０℃で約１時間炉の内部で硬化される。硬化後、テフロン（登録商標）製プレートはモールドから取除かれ、また硬化したＰＤＭＳ膜層は成型用空洞から剥離される。

マイクロポンプ２の作動原理が次に、図５Ａと、５Ｂと、５Ｃを参照して説明される。図５Ａは、作動されないときのマイクロポンプ２を示す。前述したように、中間の柔軟な層８の第一バルブ部分４４と第二バルブ部分４６は、底部層６と頂部層８のそれぞれの台座３０と、２２上に閉鎖状態に置かれるために僅かに付勢される。バルブ部分４４と、４６の閉鎖状態において、ポンプ室１２はかなり完全な状態でほぼ密閉される。

使用中、入口チューブと、出口チューブと、作動流体チューブは、入口２４と、出口２６と、貫通孔３６の開口部の上方の底部ハウジング層６に、それぞれ接着などにより連結される。入口チューブは、マイクロポンプ２を使用して供給される流体で充填される貯蔵器に連結される。マイクロポンプ２は、作動流体用チューブを通って交互にポンプ室１２の中に送り込まれ、またポンプ室１２から引き抜かれる空気などの流体により作動される。ポンプ室から空気を送り込みまた引き抜く交互作動は、中間の柔軟な層８の作動部分４２が、頂部層４と底部層６のそれぞれポンプ作用を行う凹部１０の間を往復するようにさせる。

作動部分４２の第一作動において、作動部分４２を図５Ｂに示されるような底部ハウジング層６のポンプ作用を行う凹部１０に引き込むために、空気がポンプ室１２からくみ出される。作動部分４２のこの移動は、その中に加圧状態を発生するために、ポンプ室１２の容積を拡大する。大気圧はそのとき、第二環状凹部２８内の圧力の増加を起すために、入口２４を通って貯蔵器内の流体を第二環状凹部２８に追い込む。第二環状凹部２８とポンプ室１２との間の圧力差は、入力バルブ部分４４が第二の台座３０を開放状態に持上げあるいは台座３０から離れて開放状態に移動するようにし、その結果環状凹部２８の流体が、入口孔３８を通り入口凹部１４と最終的にはポンプ室１２とに流入することを可能にする。作動部分４２のこの第一作動の際は、大気圧は、ポンプ室１２の流体が漏洩しないように、出口バルブ部分４６を第一台座２２に押し付ける。

作動部分４２の第二作動において、図５Ｃに示されるように頂部ハウジング層４のポンプ作用を行う凹部１０に向かって作動部分４２を押し進めるために、空気がポンプ室１２の中に送り込まれる。作動部分４２のこの移動は、圧力がその中の流体に作用するために、ポンプ室１２の容積を縮小する。ポンプ室１２内ひいては第一環状凹部２０内の圧力あるいは超過圧力の増加は、出口バルブ部分４６を開放状態に持上げあるいは押圧し、その結果ポンプ室１２の流体がポンプ室１２から漏洩しあるいは排出されることを可能にする。作動部分４２のこの第二作動の際に、ポンプ室１２の中の流体の圧力は、ポンプ室１２の流体が入口孔３８を通り貯蔵器に戻らないようにするために、入口バルブ部分４４を第二の台座３０に押し付ける。

マイクロポンプ２の原型と、原型のマイクロポンプ２の性能を評価するための装置と、取得結果の評価が、次に説明される。頂部ハウジング層４と底部ハウジング層６は、直径が0.5mmのカッタ付のコンピュータ数値制御（ＣＮＣ）マシンを使用して、透明なプラスチックであるポリカーボネートから製造される。前述の製法を使用して取得されたＰＤＭＳ膜層は、中間の柔軟な層８として使用される。膜層は、0.1−0.5mmの厚みを有する。膜層を成型するとき、入口孔３８と出口孔４０が同様に成型される。その間に柔軟な層８を備える頂部ハウジング層４と、底部ハウジング層６は、頂部ハウジング層を底部ハウジング層６に直径1.6mmのねじを使用して固定することにより定位置に保持される。そのような三層構造に組立てられるとき、マイクロポンプ２は、19mm×12mm×4.2mmの外部寸法を有する。

原型のマイクロポンプを試験するための実験装置は、図６に図示される。各々が１.5mmの外径を備える三つのチューブは、流体入口チューブ５０と、流体出口チューブ５２と、空気供給チューブ５４としての機能を果たすために、原型のマイクロポンプ２へ接続される。流体出口チューブ５２は、真直ぐであり、また約2.5ｍの長さと0.51mmの内径を有する。入口チューブ５０は、脱イオン化され、ろ過された水を含んでいる貯蔵器５６に接続される。空気供給チューブ５４は、米国、ニュージャージー州、Nresearch 社から入手可能な161T032型のバルブなど、二状態三段切換えの小型電磁バルブ５８の出力部に接続される。電磁バルブ５８の入力部は、マイクロポンプ２を作動するための圧縮空気源（示されていない）と真空源（示されていない）にそれぞれ接続される二つの圧力調整器６０に接続される。圧力調整器６０は、空気供給チューブ５２内の流動空気の圧力を調整し、ポンプ室１２内をそれぞれの一定圧力に維持するように調整される。電磁バルブ５８は、ドライバ・ボード６４を経て関数発生器６２に接続される。関数発生器６２は、電磁弁５８ひいてはマイクロポンプ２の駆動周波数を制御する。

駆動周波数は、最初0.25Ｈｚで開始され、その後0.5と0.65Ｈｚとの間で0.5Ｈｚごとに調整される。それぞれの駆動周波数において、マイクロポンプ２は所定の期間にわたり使用されあるいは作動される。期間中、流体出口チューブ５２の液柱により横断される長さが測定される。この長さは、マイクロポンプ２のポンプヘッドとしても知られる。このポンプヘッドは、貯蔵器５６内の流体の表面から測定される液柱の高さにより与えられる（図６において大ざっぱに“ｈ”として表示される）。流体出口チューブ５２の既知の内径と、液柱の長さと、設定期間を用いて、各駆動周波数での流速が算出される。

図７は、流速の測定法を示し、そこでは駆動周波数の関数としてのポンプ速度あるいは流速が算出され、またプロットされる。図7から分るように、流速は、約4.0Ｈｚの駆動周波数までほぼ線形である。駆動周波数が４Ｈｚと５Ｈｚとの間にあるとき、988μl/分の最大流速が取得される。測定は最大で約７Ｈｚの駆動周波数を用いて実施されたが、より大きな駆動周波数が、前述された他の材料の中間の柔軟な層を用いて達成可能である。

４Ｈｚの駆動周波数での流速対圧力特性は、図8に示される。この特性は、1.5mmの外径と0.8mmの内径を有し、様々なポンプヘッドの位置、具体的には0と、0.5と、1.0と、1.5ｍのポンプヘッドの位置でマイクロポンプの出口２６に水平な長いチューブを連結することにより取得される。流速は、その中の流体により横断されるチューブに沿った距離を測定することにより決定される。図8に示されるような取得結果から、流速は出力圧力にあまり敏感であるとは思えない。マイクロポンプ２が作動された後に、約２ｍの液柱ポンプヘッドを形成するために逆流試験が同様に実行される。水がそのポンプヘッドに到達したとき、マイクロポンプ２の作動は、マイクロポンプ２を緩和モードと呼ばれる状態に置くために停止される。マイクロポンプ２の作動が停止された後の１２時間は大幅な逆流は観察されない。マイクロポンプ２の信頼性試験が同様に実行される。マイクロポンプ２は、連続して１６８時間（１週間）作動される。マイクロポンプ２は、期間を過ぎても依然として十分に作動する、即ちマイクロポンプはその期間中に機能しなくなることはないことが観測される。さらに、マイクロポンプ２の性能は、信頼性試験後も同一の性能を維持する。

マイクロポンプ２は同様に、細胞組織片を含む溶液の配送のために試験される。試験溶液は、ラットの肝臓組織を消化試薬中で分解することにより用意される。従って、試験溶液は、消化試薬と、ＰＢＳ中和液と、ラットの肝臓の細胞と小片を含む。細胞の大きさは、直径７−１２μmであり、また小片は大きさが７０μmから１３８μmまでの範囲にある。試験中のマイクロポンプ２の閉塞はないことが観察される。

図９は、生物医学研究においてのマイコロ−ポンプ２の代表的な応用を示す。マイクロポンプ２は、ピペット用ロボット６７の制御下で、生体素子６６の上方のＸ−Ｙ方向に移動可能である、ピペット６５などの液体供給システムに接続される。生体素子６６は、核酸雑種形成分析を実施するようにオリゴヌクレオチドなどの核酸（示されていない）を固定できる空洞もしくは場所６８を備えるガラスもしくはシリコン基板である。マイクロポンプ２を、分析に必要な全ての液体と試薬を空洞６８へ輸送するために使用できる。

前述の実施態様に記載の三層のマイクロポンプ２は、低コストであるので有利である。頂部４と底部６のハウジング層は、ポリカーボネートから成り、また中間の柔軟な層８は、ＰＤＭＳ膜から成る。そのような材料は、従来技術のマイクロポンプに使用されるシリコンに比較してずいぶん安価である。シリコンは、殆どのプラスチックよりも五十倍ほどの価格であることは周知である。これらの材料の製造方法は同様に、あまり複雑ではなく、またそれ故シリコン・ウエハを加工処理するために必要な製造法に比較して実行するのが安価である。極めて低いヤング率と高い延び特性を有する、ＰＤＭＳ製の中間の柔軟な層は、生体適合性であり、また頂部と低部ハウジング層の優れた密閉性を与える。従って、隔壁としてシリコン層を使用する従来技術のマイクロポンプを扱い難くする密閉性の問題は、ＰＤＭＳ製の膜層の使用により克服される。さらに、ＰＤＭＳ製の膜は同様に、マイクロポンプ２がシリコン製隔壁を有するマイクロポンプに比較してより高い圧縮比を有することを可能にする。さらに、ＰＤＭＳ製の膜は、圧縮空気手段により過剰作動されポンプ室の壁に押し進められる。この方法において、ポンプの一回の排出量は、ほぼポンプ室の容積である。換言すれば、ポンプのデッド・ボリュームは少ない。原型のマイクロポンプ用に取得された実験結果から、マイクロポンプは頑丈であり、またポンプ室が空気で満杯である、即ち原型のマイクロポンプが自給式であるときでさえ液体を送り込むことが可能であると分る。原型のマイクロポンプの操作は、ポンプ室に捕捉される気泡により影響されず、気泡を放出することが可能な、即ちマイクロポンプは耐気泡性であると分る。マイクロポンプの流速は同様に、ポンプ媒体の粘性と、出口圧力と、入口圧力に敏感ではないと分る。原型のマイクロポンプは、ポンプヘッドが２ｍ以上に到達するときでさえ気体を入口から出口へ送り込むことが可能である。ポンプ室とほぼ同平面のバルブ構造により、マイクロポンプは、従来技術のマイクロポンプに比較してもやはり薄い。

本発明は、前述の実施態様において実行されるように説明されるが、それに限定されて構成されてはいない。例えば、本発明用に付与される台座を囲んでいる環状凹部は、そのような構造は圧力を台座に隣接するバルブ部分の周囲にほぼ均一な分布状態にすることを可能にするが、正常に機能することは必ずしも必要でない。図１０は、そのような環状凹部の無いマイクロポンプの別の実施態様の断面図を示す。このマイクロポンプにおいて、底部層内の入口は、頂部層の入口凹部に直接向き合っている。頂部層の出口チャネルの部分は同様に、底部層の出口凹部に直接向き合っている。

別の事例として、中間の柔軟な層の作動可能部分を作動するための貫通孔は、前述の底部層に代わって頂部層に形成されると良い。

さらに別の事例として、マイクロポンプを作動するための空気装置が前述されるが、当業者には周知の他のアクチュエータも使用されると良い。例えば、バイモルフＰＺＴカンチレバ７０が、中間の柔軟な層８の作動可能部分４２を作動するために図１１に示されるようなポンプ室１２の内部に配置される。カンチレバ７０の第二自由端部が、作動可能部分４２に取付けられるとき、カンチレバ７０の第一端部７０は、ポンプ室１２の壁に固定される。カンチレバ７０に電圧が加えられるとき、カンチレバの自由端部は、ポンプ室１２の容積を縮小するような方向に作動可能部分４２を押圧するためにポンプ室の壁から離れて移動する。電圧がカンチレバ７０から取り除かれるとき、自由端部は折り畳まれ、ポンプ室の容積を増大するために自由端部を用いて作動可能部分４２を引きずっている。このような方法で、ポンプ室内部の作動可能部分の逆向きの移動が達成される。

図１は、マイクロポンプが、頂部層と、中間層と、底部層を含む、本発明の実施態様に記載のマイクロポンプの組立分解等角図である。 図２は、図１の頂部層の下部表面を示している等角投影図である。 図３Ａは、図２の頂部層の下部表面上の台座を囲んでいる、環状凹部の平面図を示している図面である。 図３Ｂは、図２の頂部層の下部表面上の台座を囲んでいる、環状凹部の平面図を示している図面である。 図３Ｃは、図２の頂部層の下部表面上の台座を囲んでいる、環状凹部の平面図を示している図面である。 図３Ｄは、図２の頂部層の下部表面上の台座を囲んでいる、環状凹部の平面図を示している図面である。 図３Ｅは、図２の頂部層の下部表面上の台座を囲んでいる、環状凹部の平面図を示している図面である。 図４は、図１のマイクロポンプに類似のマイクロポンプの断面図であり、底部層へスナップ式に嵌め込まれる頂部層を示している。 図５Ａは、図１の線Ｘ−Ｘに沿った、マイクロポンプが組立てられ、また非作動状態で示される、図１のマイクロポンプの断面図である。 図５Ｂは、入口を通って流体をポンプ室内に引き込むため、マイクロポンプが第一作動状態において示されている、図３Ａに類似の断面図である。 図５Ｃは、出口を通って流体をポンプ室から放出するため、マイクロポンプが第二作動状態において示されている、図３Ａに類似の断面図である。 図６は、図１に示されるマイクロポンプに類似の、原型のマイクロポンプの性能を評価するための実験装置である。 図７は、図６の実験装置を使用して取得された、原型のマイクロポンプの駆動周波数に対する流速のグラフである。 図８は、図６の実験装置を使用して取得された、原型のマイクロポンプのポンプヘッドに対する流速のグラフである。 図９は、図１のマイクロポンプの応用を示している概略図である。 図１０は、本発明の別の実施態様に記載のマイクロポンプの断面図である。 図１１は、マイクロポンプを作動するために、ポンプ室の内部に配置されたバイモルフＰＺＴカンチレバを示している、図３Ａに類似の断面図である。

Claims (15)

1. 入口凹部と；
   前記入口凹部と流体連通にある入口チャネルと；
   出口チャネルと；
   を有する第一の層と；
   出口と；
   入口と；
   を有する第二の層とを具備していて；
   前記第一と第二の層は、前記入口が前記入口凹部と向き合い、また前記出口チャネルの少なくとも一部が前記出口に向き合うように配置され、また前記第一と第二の層のうちの少なくとも一つが、入口チャネルと出口チャネルと流体連通しているポンプ室を含み；
   更に第三の中間の柔軟な層を具備していて；
   前記第三の層は、
   その中に位置決めされる入口スリットと出口スリットと；
   前記ポンプ室に接触している作動可能部分と；
   前記入口スリットに隣接する第一のバルブ部分であって、前記第一のバルブ部分は、前記入口と前記入口凹部との間の流体通路をブロックするために、前記入口の上方に配置され、また前記第一のバルブ部分は、前記作動可能な部分の第一作動に対応して前記入口から離れて移動可能であり、その結果前記入口が前記入口スリットを介して前記入口凹部と流体連通の状態にあることを可能にする第一バルブ部分と；
   前記出口スリットに隣接する第二のバルブ部分であって、前記第二のバルブ部分は、前記出口チャネルと前記出口との間の流体通路をブロックするように、前記出口チャネルと前記出口との間に配置され、また前記第二のバルブ部分は、前記作動可能部分の第二作動に対応して前記出口チャネルから離れて移動可能であり、その結果前記出口チャネルが前記出口スリットを介して前記出口と流体連通の状態にあることを可能にする第二バルブ部分と；
   を有する、マイクロポンプ。
2. 前記ポンプ室は、前記第一の層及び前記第二の層の二つの各々のポンプ作用を行う凹部により形成され、また前記中間の柔軟な層の前記作動可能部分は、前記ポンプ作用を行う凹部の間に配置される、請求項１に記載のマイクロポンプ。
3. 前記第二の層の前記入口は、台座を囲んでいる凹部を具備し、前記台座は、前記中間の柔軟な層の前記入口スリットと接触している、請求項１−２のいずれか一項に記載のマイクロポンプ。
4. 前記第一の層の前記出口チャネルは、台座を囲んでいる凹部を具備し、前記台座は、前記中間の柔軟な層の前記出口スリットと接触している、請求項１−３のいずれか一項に記載のマイクロポンプ。
5. 前記入口スリットと前記出口スリットは、前記中間の柔軟な層のそれぞれの貫通孔である、請求項１−４のいずれか一項に記載のマイクロポンプ。
6. 前記中間の柔軟な層はポリマ材料から成る、請求項１−５のいずれか一項に記載のマイクロポンプ。
7. 前記ポリマ材料は、ポリカーボネートと、ポリアクリリックと、ポリオキシメチレンと、ポリアミドと、ポリブチレンテレフタレートと、ポリフェニレンエーテルとから成るグループから選定される、請求項６に記載のマイクロポンプ。
8. 前記中間の柔軟な層は膜である、請求項６に記載のマイクロポンプ。
9. 前記膜は、ポリジメチルシロキサンと、ミラーと、ポリウレタンフロライドと、フルオロシリコンから成るグループから選定される材料から成る、請求項８に記載のマイクロポンプ。
10. 前記中間の柔軟な層は、単一層である、請求項１−９のいずれか一項に記載のマイクロポンプ。
11. 前記中間の柔軟な層は、少なくともほぼ平坦である、請求項１−１０のいずれか一項に記載のマイクロポンプ。
12. 前記ポンプ室と流体連通の状態にあるために、前記貫通孔は前記第一の層と前記第二の層のうちの一つに形成される、請求項１−１１のいずれか一項に記載のマイクロポンプ。
13. 前記第一の層と前記第二の層は成型される、請求項１−１２のいずれか一項に記載のマイクロポンプ。
14. 前記中間の柔軟な層の作動可能部分を作動するため、ポンプ室に配置されるアクチュエータをさらに具備している、請求項１−１３のいずれか一項に記載のマイクロポンプ。
15. 前記アクチュエータはバイモルフなＰＺＴカンチレバである、請求項１４に記載のマイクロポンプ。

Images