JP6445608B2 - 流体ネットワークにおける流体流れの生成 - Google Patents
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Description
上記したように、マイクロ流体デバイスにおいて流体を制御乃至管理する従来の方法は、マイクロメートルのスケールではない外部装置及びポンプ機構を使用する。これらのソリューションには、マイクロ流体システムの応用範囲を制限しうるいくつかの不都合がある。たとえば、マイクロ流体デバイス内に流体を注入して流体の流れを生成するために、外部の注射器及び空気ポンプが使用されることがある。しかしながら、外部の注射器及び空気ポンプは大きくて、取り扱うのも設定するのも難しく、接続の信頼性も低い。これらのタイプのポンプは、マイクロ流体デバイス/チップが適合することができる外部の流体接続の数によって、その多用性の点でも制限を受ける。
図1は、本開示の1実施形態にしたがう、(本明細書に開示されている)マイクロ流体デバイス、ネットワーク、及び慣性ポンプを組み込むのに適したマイクロ流体システム100を示す。マイクロ流体システム100を、たとえば、分析システム、マイクロエレクトロニクス冷却システム、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)システムなどの核酸増幅システム、または、同じ体積の流体の使用及び/または操作及び/または制御を伴う任意のシステムとすることができる。マイクロ流体システム100は、広範なマイクロ流体応用を可能にするために、典型的には、マイクロ流体チップ(たとえば「ラボオンチップ」)などのマイクロ流体デバイス102を実装している。マイクロ流体デバイス102は、一般的に、流体をネットワーク中を循環させるための慣性ポンプを具備するチャネルを有する1以上の流体ネットワーク103を備える。一般に、マイクロ流体デバイス102の構造及びコンポーネント(構成要素)を、電鋳法、レーザーアブレーション、異方性エッチング、スパッタリング、ドライエッチング、写真平板(フォトリソグラフィー)、キャスティング、成形(モールディング)、スタンピング、機械加工、スピンコーティング、積層法などの従来の集積回路微細加工技術を用いて製造することができる。マイクロ流体システム100は、流体をマイクロ流体デバイス102に供給し及び/または循環させるための外部の流体容器(たとえば液体タンク)104を含むこともできる。マイクロ流体システム100はまた、電子制御装置(電子コントローラ)106、並びに、マイクロ流体デバイス102、該電子制御装置106、及び、システム100の一部とすることができる他の電気的構成要素(電気コンポーネント)に電力を供給するための電源108を備える。
1.マイクロ流体ネットワーク内に正味の流体流れを生成する方法であって、
マイクロ流体チャネル内に非対称に組み込まれている流体アクチュエーターによって、圧縮性流体変位と伸張性流体変位を生成するステップであって、前記圧縮性流体変位の持続時間と前記伸張性流体変位の持続時間は時間的に非対称である、ステップ
を含む方法。
2.前記圧縮性流体変位と前記伸張性流体変位の時間的に非対称な持続時間を調節することによって前記ネットワークにおける正味の流体流れの方向を制御するステップをさらに含む、上項1の方法。
3.圧縮性流体変位と伸張性流体変位を生成するステップが、
第1の持続時間を有する圧縮性流体変位を生成するステップと、
前記第1の持続時間とは異なる第2の持続時間を有する伸張性流体変位を生成するステップ
を含むことからなる、上項1の方法。
4.圧縮性流体変位を生成するステップが、前記チャネル内の領域が小さくなるように、機械的膜を前記チャネルの内側に向かって曲げるステップを含み、
伸張性流体変位を生成するステップが、前記チャネル内の領域が大きくなるように、前記機械的膜を前記チャネルの外側に向かって曲げるステップを含むことからなる、上項1の方法。
5.圧縮性流体変位を生成するステップが、抵抗素子で流体を加熱して膨張する蒸気泡を生成するステップを含み、
伸張性流体変位を生成するステップが、前記蒸気泡が崩壊できるようにするステップを含むことからなる、上項1の方法。
6.前記第1の持続時間が前記第2の持続時間よりも長く、前記流体変位によって、前記チャネルを第1の方向に通る流体流れが発生する、上項3の方法。
7.前記第1の持続時間が前記第2の持続時間よりも短く、前記流体変位によって、前記チャネルを第2の方向に通る流体流れが発生する、上項6の方法。
8.圧縮性流体変位と伸張性流体変位を生成するステップが、機械読み取り可能命令を実行するコントローラによって前記流体アクチュエーターを作動させるステップを含むことからなる、上項1の方法。
9.マイクロ流体ネットワークと、
前記ネットワークのチャネル内に非対称な位置に組み込まれて、前記チャネル内に、持続時間が互いに異なる圧縮性流体変位と伸張性流体変位を生成する流体アクチュエーターと、
前記流体アクチュエーターの前記圧縮性流体変位の持続時間と前記伸張性流体変位の持続時間を制御することによって、前記チャネルを通る流体流れの方向を調整するコントローラ
を備えるマイクロ流体システム。
10.前記圧縮性流体変位の持続時間と前記伸張性流体変位の持続時間が非対称である、上項9のマイクロ流体システム。
11.前記流体アクチュエーターの前記圧縮性流体変位と前記伸張性流体変位の非対称な持続時間を調整して、前記チャネル内の流体流れの方向を変えるように前記コントローラを動作させる実行可能命令モジュールをさらに備える、上項10のマイクロ流体システム。
12. マイクロ流体ネットワークにおける流体流れを制御する方法であって、マイクロ流体チャネル内に非対称に配置された流体アクチュエーターによって、前記チャネル内に非対称な流体変位を生成するステップを含む方法。
13.非対称の流体変位を生成するステップが、
第1の時間期間にわたって前記流体アクチュエーターを正方向に湾曲させて、圧縮性流体変位を生成するステップと、
第2の時間期間にわたって前記流体アクチュエーターを負方向に湾曲させて、伸張性流体変位を生成するステップ
を含むことからなる、上項12の方法。
14.前記第1の時間期間が前記第2の時間期間よりも長くなるように制御して、流体が前記チャネルを第1の方向に流れるようにするステップをさらに含む上項13の方法。
15.前記第1の時間期間が前記第2の時間期間よりも短くなるように制御して、流体が前記チャネルを第2の方向に流れるようにするステップをさらに含む上項14の方法。
16.マイクロ流体ネットワーク内に正味の流体流れを生成する方法であって、
流体アクチュエーターによって、該流体アクチュエーターの第1の変位を生成するステップと該流体アクチュエーターの第2の変位を生成するステップ
を含み、
前記流体アクチュエーターは、マイクロ流体チャネル内の位置に組み込まれており、前記流体アクチュエーターの前記位置によって、前記チャネルの第1の端部と前記流体アクチュエーターとの間に前記チャネルの長い側が画定され、かつ、前記チャネルの第2の端部と前記流体アクチュエーターとの間に前記チャネルの短い側が画定され、
前記第1の変位を生成するステップが、第1の持続時間を有する第1の変位を生成する第1のステップを含み、前記第2の変位を生成するステップが、前記第1の持続時間とは異なる第2の持続時間を有する第2の変位を生成する第2のステップを含み、
前記第1の持続時間を有する前記第1の変位によって、前記チャネル内の流体は前記チャネルの前記第1及び第2の端部の両方に向かって押しやられ、前記第2の持続時間を有する前記第2の変位によって、前記チャネル内の流体は前記流体アクチュエーターに向かって引き寄せられる、方法。
17.前記第1の持続時間及び前記第2の持続時間を調節することによって前記ネットワークにおける正味の流体流れの方向を制御するステップをさらに含む、上項16の方法。
18.前記第1の変位を生成するステップが、前記チャネル内の領域が小さくなるように、前記流体アクチュエーターを構成する膜を前記チャネルの内側に向かって曲げるステップを含み、
前記第2の変位を生成するステップが、前記チャネル内の領域が大きくなるように、前記膜を前記チャネルの外側に向かって曲げるステップを含むことからなる、上項16または17の方法。
19.前記第1の変位を生成するステップが、抵抗素子で流体を加熱して膨張する蒸気泡を生成するステップを含み、
前記第2の変位を生成するステップが、前記蒸気泡が崩壊できるようにするステップを含むことからなる、上項16または17の方法。
20.前記第1の変位が有する前記第1の持続時間を前記第2の変位が有する前記第2の持続時間よりも長くすることによって、前記チャネルを第1の方向に通る流体流れが発生する、上項16〜18のいずれかの方法。
21.前記第1の変位が有する前記第1の持続時間を前記第2の変位が有する前記第2の持続時間よりも短くすることによって、前記チャネルを第2の方向に通る流体流れが発生する、上項16、17、18、20のいずれかの方法。
22.前記第1の変位を生成するステップ及び前記第2の変位を生成するステップが、機械読み取り可能命令を実行するコントローラによって前記流体アクチュエーターを作動させるステップを含むことからなる、上項16、17、18、20、21のいずれかの方法。
23.マイクロ流体ネットワークにおける流体流れを制御する方法であって、流体アクチュエーターによって、マイクロ流体チャネル内に前記流体アクチュエーターの非対称な変位を生成するステップを含み、
前記流体アクチュエーターは、前記チャネル内の位置に配置されており、前記流体アクチュエーターの前記位置によって、前記チャネルの第1の端部と前記流体アクチュエーターとの間に前記チャネルの長い側が画定され、かつ、前記チャネルの第2の端部と前記流体アクチュエーターとの間に前記チャネルの短い側が画定され、
前記非対称な変位を生成するステップが、
第1の時間期間にわたる前記流体アクチュエーターの第1の変位を生成することによって、前記チャネル内の流体を前記チャネルの前記第1及び第2の端部の両方に向かって押しやるステップと、
前記第1の時間期間とは異なる第2の時間期間にわたる前記流体アクチュエーターの第2の変位を生成することによって、前記チャネル内の流体を前記流体アクチュエーターに向かって引き寄せるステップ
を含むことからなる、方法。
24.前記第1の時間期間が前記第2の時間期間よりも長くなるように制御して、流体が前記チャネルを第1の方向に流れるようにするステップをさらに含む上項23の方法。
25.前記第1の時間期間が前記第2の時間期間よりも短くなるように制御して、流体が前記チャネルを第2の方向に流れるようにするステップをさらに含む、上項23または24の方法。
Claims (8)
- マイクロ流体ネットワーク内に正味の流体流れを生成する方法であって、
第1の流体アクチュエーターを作動させて、該第1の流体アクチュエーターの第1の持続時間を有する第1の変位を生成するステップと、
前記第1の流体アクチュエーターを作動させて、該第1の流体アクチュエーターの第2の持続時間を有する第2の変位を生成するステップであって、前記第2の持続時間は前記第1の持続時間とは異なる、ステップと、
第2の流体アクチュエーターを作動させて、該第2の流体アクチュエーターの第3の持続時間を有する第3の変位を生成するステップと、
前記第2の流体アクチュエーターを作動させて、該第2の流体アクチュエーターの第4の持続時間を有する第4の変位を生成するステップであって、前記第4の持続時間は前記第3の持続時間とは異なる、ステップと、
第1の調節ステップと第2の調節ステップとの少なくとも一方のステップ
を含み、
前記第1の流体アクチュエーターは、マイクロ流体チャネルの第1の端部と前記第1の流体アクチュエーターとの間に前記マイクロ流体チャネルの長い側が画定され、かつ、前記マイクロ流体チャネルの第2の端部と前記第1の流体アクチュエーターとの間に前記マイクロ流体チャネルの短い側が画定されるように、前記マイクロ流体チャネル内の第1の所定の位置に組み込まれており、
前記第2の流体アクチュエーターは、前記マイクロ流体チャネルの前記第1の端部と前記第2の流体アクチュエーターとの間に前記マイクロ流体チャネルの短い側が画定され、かつ、前記マイクロ流体チャネルの前記第2の端部と前記第2の流体アクチュエーターとの間に前記マイクロ流体チャネルの長い側が画定されるように、前記マイクロ流体チャネル内の第2の所定の位置に組み込まれており、
前記第1の持続時間を有する前記第1の変位は、前記マイクロ流体チャネル内の流体を前記マイクロ流体チャネルの前記第1及び第2の端部の両方に向かって押しやるように作用し、前記第2の持続時間を有する前記第2の変位は、前記マイクロ流体チャネル内の流体を前記第1の流体アクチュエーターに向かって引き寄せるように作用し、
前記第3の持続時間を有する前記第3の変位は、前記マイクロ流体チャネル内の流体を前記マイクロ流体チャネルの前記第1及び第2の端部の両方に向かって押しやるように作用し、前記第4の持続時間を有する前記第4の変位は、前記マイクロ流体チャネル内の流体を前記第2の流体アクチュエーターに向かって引き寄せるように作用し、
前記第1の調節ステップは、前記第2の流体アクチュエーターが作動していないときに、前記第1の流体アクチュエーターの前記第1及び第2の変位によって前記マイクロ流体ネットワークにおける正味の流体流れの方向を制御するために、前記第1の持続時間及び前記第2の持続時間を調節するステップであり、
前記第2の調節ステップは、前記第1の流体アクチュエーターが作動していないときに、前記第2の流体アクチュエーターの前記第3及び第4の変位によって前記マイクロ流体ネットワークにおける正味の流体流れの方向を制御するために、前記第3の持続時間及び前記第4の持続時間を調節するステップであることからなる、方法。 - 前記第1の調節ステップは、前記マイクロ流体チャネルの前記第2の端部から前記第1の端部に向かう方向に、前記マイクロ流体チャネルを通る流体流れが発生するように、前記第1の持続時間を前記第2の持続時間よりも短くするステップを含む、請求項1の方法。
- 前記第1の調節ステップは、前記マイクロ流体チャネルの前記第1の端部から前記第2の端部に向かう方向に、前記マイクロ流体チャネルを通る流体流れが発生するように、前記第1の持続時間を前記第2の持続時間よりも長くするステップを含む、請求項1または2の方法。
- 前記第2の調節ステップは、前記マイクロ流体チャネルの前記第1の端部から前記第2の端部に向かう方向に、前記マイクロ流体チャネルを通る流体流れが発生するように、前記第3の持続時間を前記第4の持続時間よりも短くするステップを含む、請求項1〜3のいずれかの方法。
- 前記第2の調節ステップは、前記マイクロ流体チャネルの前記第2の端部から前記第1の端部に向かう方向に、前記マイクロ流体チャネルを通る流体流れが発生するように、前記第3の持続時間を前記第4の持続時間よりも長くするステップを含む、請求項1〜4のいずれかの方法。
- 前記第1の変位を生成するステップが、前記マイクロ流体チャネル内の領域が小さくなるように、前記第1の流体アクチュエーターを構成する第1の膜を前記マイクロ流体チャネルの内側に向かって曲げるステップを含み、
前記第2の変位を生成するステップが、前記マイクロ流体チャネル内の領域が大きくなるように、前記第1の膜を前記マイクロ流体チャネルの外側に向かって曲げるステップを含むことからなる、請求項1〜5のいずれかの方法。 - 前記第3の変位を生成するステップが、前記マイクロ流体チャネル内の領域が小さくなるように、前記第2の流体アクチュエーターを構成する第2の膜を前記マイクロ流体チャネルの内側に向かって曲げるステップを含み、
前記第4の変位を生成するステップが、前記マイクロ流体チャネル内の領域が大きくなるように、前記第2の膜を前記マイクロ流体チャネルの外側に向かって曲げるステップを含むことからなる、請求項1〜6のいずれかの方法。 - 前記第1の変位を生成するステップ及び前記第2の変位を生成するステップが、機械読み取り可能命令を実行するコントローラによって前記第1の流体アクチュエーターを作動させるステップを含み、
前記第3の変位を生成するステップ及び前記第4の変位を生成するステップが、前記コントローラによって前記第2の流体アクチュエーターを作動させるステップを含むことからなる、請求項1〜7のいずれかの方法。
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