JP4383053B2 - 超小型流体用バルブ、および、超小型バルブ用マイクロアクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、超小型装置、および、超小型装置を作動させるアクチュエータ装置について述べられている。さらに詳細には、本発明は、超小型流体装置において使用するためのバルブ構造、および、超小型バルブを作動させるための超小型装置について述べられている。

様々な超小型装置は、その分野において知られており、異なる作業を行う。近年、関心事となる一つの用途は、流体制御装置における分野、特に、超小型バルブである。その超小型バルブは、薬物送達の分野、内燃機関の燃料送出システム、ならびにインクジェットプリンタなどの多くの産業上の用途において有効であることが明らかとなっている。これらの装置は、多くの異なる方法により作られる。

電子機器および集積回路チップの製造において通常使用されるその多くの技術は、超小型機械装置のマイクロマシニングに適している。これらの超小型装置は、代表的には、マイクロエレクトリカルメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）と呼称される。その装置は、非常に小さく、多数の種類の材料で作られ得る。一般的な材料は、集積回路部門で使用されるシリコンウェーハ形のシリコンである。使用され得る他の材料は、ガラスおよびセラミックである。

超小型バルブの例としては、ｊｏｈｎｓｏｎ等に与えられた米国特許第６０５６６９号に開示されている。その超小型バルブは、バルブシートを備えるシリコンダイヤフラムおよび流路を含んでいる。そのダイヤフラムは、ダイヤフラムが撓んだ場合、バルブシートに対し閉じるように位置決めされている。別個の作動力が、バルブを開閉するようにそのダイヤフラムに加えられる。その作動装置は、そのダイヤフラムの一方側に力を加えるための圧力がかかっている液体、またはソレノイド機構であってもよい。

ガスクロマトグラフィーアッセンブリにおけるバルブのソレノイド作動は、Ｔｅｒｒｙ等に与えられた米国特許第４５８２６２４号に開示されるように知られている。その作動力は制御することが難しく、また、十分な力をもたらすことが困難なのでこれらの装置は、そのバルブを作動するうえで必ずしも有効ではない。また、そのソレノイド作動式装置は、製造するのに高価であり、装置の一部が効率よく製造されない。

他の超小型アクチュエータ装置は、Ｔｒａｈ等に与えられた米国特許第５３４４１１７号に開示されている。そのアクチュエータは、シリコン本体の下部に形成される凹部内に湾曲される湾曲要素を有するシリコン本体で作られている。圧力要素は、その湾曲要素の上面に結合され、その湾曲要素の撓みを引き起こす。その圧力要素は、熱膨張および熱収縮で作用するように開示されている。

超小型バルブ装置を作動させる他の方法は、柔軟なダイヤフラムを撓ませるために静電力を使用するものである。そのダイヤフラムは、バルブシートを接触させることにより、そのバルブの出口を密封するために使用されている。その静電力は、確実かつ安定した方法で作り出されないことがわかる。この形式の装置の例としては、米国特許第４５２６２４号に開示されている。

超小型ポンプは、また、様々用途で知られており、特にインクジェットプリンタを駆動させることで知られている。これらのポンプは、代表的には、その膜を移動させポンピング動作を引き起こすことができる膜に固定された圧電性結晶を有している。この形式の装置の利点は、その膜が温度変化とともに変形できるので温度により変化をもたらされることである。

他の形式の超小型装置は、電動アクチュエータにより作動される。一例としては、バイメタル材料で作られた複数の脚部を有する装置である。そのバイメタルの脚部は、加熱され、それぞれ異なる膨張係数により脚部内に応力および反りを引き起こす。その脚部の反りがその装置を作動させる。アクチュエータがオリフィス内の流体流れを増減させるように制御することをもたらすことができるのでこれが、超小型バルブを作動させる典型的な方法である。

他の超小型バルブの構造、および、そのバルブの制御および作動方法は、Ｇｏｒｄｏｎ等に与えられた米国特許第５０５８８５６号、Ｂａｒｔｈに与えられた米国特許第５７８０７８０号、Ｌｉｓｅｃ等に与えられた米国特許第５６８１０２４号、Ｓｔｅｖｅｎｓｏｎ等に与えられた米国特許第５４２９７１３号に開示されている。

米国特許第６０５６６９号明細書 米国特許第４５８２６２４号明細書 米国特許第５３４４１１７号明細書 米国特許第４５２６２４号明細書 米国特許第５０５８８５６号明細書 米国特許第５７８０７８０号明細書 米国特許第５６８１０２４号明細書 米国特許第５４２９７１３号明細書

超小型装置、特に超小型バルブを制御するための先の装置は、多くの目的についてうまくいっている。しかし、他の目的においては不十分な成果しかあがっていない。

従って、様々な超小型装置用の改善された作動装置がその業界において必要とされている。

本発明は、超小型バルブ、および、超小型装置を作動させるためのアクチュエータ装置について述べられている。さらに詳細には、本発明は、超小型バルブのような超小型流体装置、および、超小型装置を作動させるためのアクチュエータについて述べられている。

従って、本発明の第１の目的は、薬物送達の分野のような様々の医療用途に使用され得る超小型バルブを提供することである。

本発明の他の目的は、マイクロマシン技術により製造され得る超小型バルブを提供することである。

本発明のさらなる目的は、マイクロエレクトロメカニカル法により製造され得る超小型アクチュエータを提供することを目的とする。

本発明の更なる他の目的は、最小限の数の移動部品を有し、製造するのも経済的である超小型バルブを提供することである。

本発明の他の目的は、ポリマー材料で作られた膜を有する超小型バルブを提供することであり、そのポリマー材料は、その膜がバルブシートに接触しそのバルブを閉じるように電流をその膜に供給することにより変形される。

本発明の他の目的は、透過膜を備える電極パッドを有する超小型バルブを提供することであり、その透過膜の厚さは、電流をその電極に供給することにより、膨張可能な厚さである。

本発明の他の目的は、バルブシートから離隔され取り付けられる透水膜を備える超小型バルブを提供することを目的とし、その膜は、正の電荷が電極パッドに供給される場合、第１の方向に変形し、負の電荷が供給される場合、第２の方向に変形する。

本発明のさらなる目的は、超小型装置のアクチュエータを提供することであり、そのアクチュエータは、電極、および、電流が電極に供給される場合、変形せしめられる透過層を含む。

本発明のさらなる他の目的は、透過膜を備える電極を有する超小型装置のアクチュエータを提供することであり、その膜は、電流が供給される場合、その電極に対し垂直の方向に膨張する。

本発明の他の目的は、超小型装置用アクチュエータを提供することであり、そのアクチュエータは、超小型装置に影響を与え、正の電荷または負の電荷をそのアクチュエータに選択的に供給することにより作動される。

本発明の様々な目的および利点は、基本的には、超小型装置用アクチュエータを提供することにより達成される。そのアクチュエータは、透水膜を有する電極パッドと、その透水膜に接触するアクチュエータ部材とを含む。その透水膜は、膨張し、そのアクチュエータ部材を移動させるために電流が電極パッドに供給される場合、接触するように選択される。

本発明の目的は、さらに、電極パッド上に透過膜を備える少なくとも一つの電極パッドを有する基底基板を含む超小型バルブを提供することにより達成される。
その透過膜は、電流が電極パッドに供給される場合、変形可能である。上壁は、透水膜から離隔され、透水膜との間に流路を形成する。その透過膜は、電流が電極パッドに供給される場合、実質的に流路を閉鎖するように変形可能である。

本発明の目的は、さらに超小型流体装置のバルブアッセンブリを作動させる方法を提供することにより達成される。その方法は、少なくとも一つの電極パッドを備える基底基板と、電極パッド上の変形可能な透水膜とを有する超小型バルブアッセンブリを設けるステップを含んでいる。上壁は、透過膜との間に流路を形成するように透過膜から離隔されている。電流は、電極パッドに十分な期間供給され、透水膜を膨張させ、流路を閉じる。

本発明における目的、利点、および他の顕著な特徴は、この最初の開示の一部を形成する添付された図面とともに、本発明の以下の詳細な説明から当業者にとって明らかとなるだろう。

本発明は、超小型装置および超小型装置を作動させるための動作装置について述べられている。さらに、本発明は、超小型の電気機械装置、および、超小型の電気機械装置を作動させる方法に関する。図に示される本発明の第１実施例における超小型電気機械のアクチュエータ装置は、アクチュエータ１２およびバルブハウジング１４を含むバルブ本体１０である。バルブ１０は、多数の異なる形式の超小型装置に使用され得るものであり、特に、生物学的試料のテストおよび分析のための超小型流体用装置に適している。本発明において示される実施例では、本発明がマイクロバルブに限られるものではないことは了解されるであろうが、アクチュエータ１２は、マイクロバルブで使用される。当業者は、超小型装置の動作が必要とされる多数の異なる用途のためにそのアクチュエータが使用され得ることを理解するだろう。

本発明の第１実施例を示す図１〜図５を参照するに、本発明の第１実施例は、基底基板１６および透過膜１８を有するアクチュエータ１２を含んでいる。ベース１６は、バルブ本体１０を形成するようにハウジング１４に結合される。

ベース１６は、示されるように上面２０および下面２２を有する概ね平板状の部材である。さらなる実施例において上面２０は、特にそのバルブの設計上の要求に対応するように湾曲され、または、カーブがつけられ得るが、図１に示される実施例においては、上面２０は、概ね平面である。電極２４および対電極２６は、ベース１６の上面２０に結合されている。本発明の好ましい実施例において、電極２４および２６は、十分な間隔をもって互いに離隔され、もっと詳細に後述されるように透過膜１８における選択された領域に電荷をもたらす。電極２４および２６は、それぞれ、リード２５および２７により適当な電源に接続される。代替的に、電極２４および２６は、その分野において知られる配線または他の適切な電気回路により電源に接続され得る。

電極２４および２６は、アクチュエータ１２の使用中、安全な位置で電極を維持するようにベース１６に接合される電気導電性金属で作られている。好ましい実施例において、電極２４および２６は、電気部品および電気回路の知られた製造方法により作られ、ベース１６に固定される。それらの電極は、代表的には、集積回路を製造するために通常使用されるフォトリソグラフィーの方法により作られる。

図１〜図５の実施例において、単一の電極２４および単一の対電極２６は、ベース１６に設けられている。いくつかの電極および対電極は、アクチュエータ１２の特定の必要条件に依存して使用され得ることは理解されるだろう。絶縁層２９、即ち、不動態化層は、電極２４および対電極２６上に露出した部分を形成するようにベース１６および電極２４の一部に施される。透過膜１８は、知られた方法でベース１６と、電極２４および電極２６とに接合されている。本発明の好ましい実施例において、透過膜１８は、電極１６、電極２４および２６上に積層または直接的に形成される透水膜である。示される実施例において、透過膜１８は、ベース１２のかなりの部分に重なるように寸法を有している。好ましくは、透過膜１８は、電極２４および対電極２６の露出部分を完全に覆うように寸法を有している。

図２に示されるように、透過膜１８は、第１の大きな部分２８および大きな部分２８と一体に形成される第２の小さな部分３０を有している。透過膜１８の小さな部分３０は、電極２４の露出部分に重なり、大きな部分２８の厚さより大なる厚さを有する透過膜１８の中央に、厚くした部分を形成する。好ましい実施例において、第１の大きな部分２８は、ベース１６、電極２４および２６と同一の広がりをもっている。透過膜１８の第２の小さな部分３０は、電極２４を覆うような寸法を有する。本発明における好ましい実施例において、電気的な絶縁層２９は、電極２４を包囲し、電極２４と対電極２６とを絶縁するように含まれている。
さらなる実施例においては、その透過膜１８が、ベース１６全体に渡って均一な厚さで作られてもよい。

バルブハウジング１４は、図１〜５に示される上壁３４を含み、概ね平坦な構成をもった外面３６を有している。好ましくは、バルブハウジング１４および上壁３４は、ベース１２の外寸法を補完する寸法を有している。上壁３４は、その相対向する外縁３８から下方に向けて延在する脚部３６を含んでいる。脚部３６は、ベース１２の外縁３８に結合される外縁４０を有し、ベース１２から上壁３４までの長さを有している。脚部３６は、上壁３４と透過膜１８との間の流体用の溝４４を形成するように寸法を有している。その流体用溝４４の寸法は、膜１８の変形量により決定される。代表的には、上壁３４は、膜が弛緩した状態の場合、約３〜６ミクロンの距離、膜１８から離れている。開口４６は、外面３６と内面４８との間に広がる上壁３４内に設けられている。開口４６は、好ましくは、電極２４のすぐ上に配置される。示される実施例において、上壁３４は、上壁３４に結合され、開口４６を取り囲み、バルブ１０の溝４４からの流体を導く環状のコラム５０を含んでいる。

図１〜図３の実施例において、バルブ１０の溝４４は、第１の入口端５２および第２の出口端５４で開口し、バルブ１０内に延在する連続した流路をもたらす。
第１の開口端５２は、パイプまたは他の適当な導管により流体源に連結される流体用の入口を形成する。溝４４は、第２の端部５４までバルブ１０内を完全に貫通している。それにより、流体が第２の出口用開口のような他の位置に導かれる。代替的に、第２の端部５４は、流体を必要とされる位置に導くようにパイプまたは導管に連結され得る。

一実施例において、マイクロバルブ１０は、図１Ａに示されるような薬物の注入装置５６内に内臓され得る。薬物の注入装置５６は、導管６０によりマイクロバルブ１０に連結される薬物用貯留槽５８を含んでいる。導管６０は、適当な流体継手により入口端５２に接続されている。コラム５０は、流体を送出装置６４に導く導管６２に接続されている。電源６６は、バルブ１０を作動させるための電極２４および２６に接続されている。コントローラ６８は、選択的に電流を電極２４および２６に供給するように電源６６に接続される。電源６６は、必要に応じて正または負の電流を電極２４に、選択された間隔で所定期間、供給できる直流（ＤＣ）電源である。

透過膜１８は、好ましくは、ヒドロゲル材料のような透水膜である高分子材料である。適切なヒドロゲル材料は、アガロース、および、ポリアクリルアミドポリマーを含む。電極２４に印加された電荷が、透過膜１８における変形を生じさせることはわかった。好ましい実施例において、正の電流が電極２４に供給され、従って、該電極が陽極として作動する場合、電極２４に接触する透過膜１８の部分６９が、正の電荷を得ながら電極２４に対し垂直に収縮する。この膜の収縮は、膜の厚さの減少と伴っている。その後、その電流が遮断される場合、透過層内に電荷があると、その膜が、透過膜１８の平面に対し垂直の方向に膨張する。

透過膜１８における膨張量、即ち、膨張の程度は、ポリマーの性質および組成、透過膜１８に供給される電流の強さおよび極性、電流の供給される期間、透過膜の厚さにより、決定される。電極の電気的な励起が、その膜内に電荷、またはイオンを生じさせ、電流が停止した場合、電荷が静電気の斥力を生じるように作用し、垂直方向の膨張をもたらすと考えられる。代表的には、その膜は、約１〜６ミクロン膨張する。

完全に理解されているわけではないが、そのメカニズムは、電極２４に負の電位が加えられるとき、アニオン種の同様な発生によるアニオン媒介性パームレイヤーの膨張にも適用され得ると考えられる。さらに実施例において、また、帯電した種（双極性、陽イオン、または負イオンのコモノマー等）を含む透過層は、電極２４における反対の電荷の電位に従う期間およびときにおいて、容易く収縮せしめられ得ると考えられる。同様に、その透過層は、同じ電荷の電位に従う期間およびとき、膨張せしめられる。

図面を参照するに、透過膜１８は、出口用開口４６が開き、流体が溝４４を通過でき、開口４６を通じて出るように通常、弛緩状態にある。正の電荷は、電極２４に加えられる。一方、負の電荷が、数ミリ秒から数分までの期間、対電極２６に加えられる。電気的な対処が終了するとき、透過膜１８は、部分６９で膨張し、図４に示されるように突起７０を形成する。電極２４および開口４６は、突起７０が膨張し開口４６を閉鎖し流体流れを妨害するように配置されている。正の電荷は、短期間、加えられて遮断され、膜１８が膨張し完全に開口４６を閉鎖し得ることがわかった。電流が遮断されるとき、透過膜の変形は、開口４６がこの期間閉鎖されたままであるようにある期間そのままであることがわかった。透過膜の変形は、透過膜１８の組成および電流次第で数分から数時間の間そのままである。このようにして、電流は、バルブ１０を閉鎖状態に維持するように断続的に加えられ得る。透過膜１８は、電流が遮断された後、最終的に弛緩状態に戻るだろう。

共有結合、または層に単純に捕捉されるカチオン種の存在などの透過層の種類および組成次第で、電極２４に加えられる負の電荷が、帯電した部分の収縮を生じさせ、透過膜１８の厚さを減少させると考えられる。このようにして、断続的な正の電荷は、電極２４に加えられると、透過膜を変形させ、バルブ１０を閉じる。負の電荷が、加えられると、透過膜１８がその最初の形状に収縮または弛緩し、バルブ１０を開ける。好ましい実施例において、制御装置６８は、必要に応じてバルブ１０を開閉するために正または負の電荷を加えるように選択的に電源６６を作動させることができる。

バルブ１０は、好ましくは、約１．５ｃｍ×約１．５ｃｍ未満の外寸を有するマイクロバルブである。バルブ１０の実際の寸法は、使用目的次第で変更できる。図１〜５における実施例において、いくつもの出口および電極が設けられ得るが、単一の出口用開口が示されている。

アクチュエータ１２およびハウジング１４は、好ましくは、バルブ１０の最終の形状および寸法を作り出すように超小型電気機械の方法（ＭＥＭＳ）により製造される。バルブ１０は、シリコン、ガラス、二酸化珪素、プラスチック、またはセラミック材料などのような様々な材料で作られ得る。

アクチュエータ１２は、Ｎａｎｏｇｅｎ， Ｉｎｃにより製造され、その全体が本明細書の一部を構成する米国特許第６０５１３８０号公報に開示される“バイオチップ”に実質的に類似した構造を有している。示される実施例において、アクチュエータ１２は、略正方形の電極２４を有する電極パッドである。電極は、望み通りに円形または長方形であってもよい。電極の大きさは、約５ミクロンから約５００ミクロンまでの範囲を有する。代表的には、電極２４は、製造技術次第で約１０ミクロンから約１００ミクロンの範囲を有する。

電極は、その分野で知られたマイクロリソグラフィーおよび／またはマイクロマシン技術により製造され得る。使用され得る他の技術は、電子線リソグラフィー、イオンビームリソグラフィー、および、分子線エピタキシーを含む。電極２４は、基本的に、基材に金属層を適切な方法で張り付けることにより製造される。使用される実際の方法は、基材および張り付けられる特定の金属次第であろう。

フォトレジスト層が、付けられ、電極の所望の形状が過剰金属をエッチングすることにより、作られる。残った金属が、超小型電極部位として機能する。超小型電極を作るために適した金属および他の材料は、アルミウム、銅、炭素、鉄、銀、金、パラジウム、プラチナ、および、インジウム錫酸化物を含む。代表的に、絶縁材料は、超小型電極を互いに分離するように施される。適切な絶縁材料は、限定されるわけではないが、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、ガラス、レジスト材料、ポリアミド、ゴム、プラスチック、セラミック材料を含む。

酸化金属層は、超小型電極上に施され、即ち、形成され得るものであり、透過層１８の結合のための基材をもたらす。単独あるいは結合した金属酸化物およびヒドロキシル基、ならびに、他の知られた材料は、超小型電極に透過層を付けるための共通結合の部位をもたし得る。いくつかの用途において、共有結合され超小型電極の表面に取り付けられた透過層を有することが望ましい。他の実施例において、透過層は、透過層の物理的な被膜により施され得る。例えば、プラチナまたは金で作られた超小型電極は、透過膜で覆われてもよい。

本発明における一つの実施例において、アクチュエータ１２は、標準的なマスクデザインおよび標準的なマイクロリソグラフィー技術により製造される。基底基板は、代表的には、約０．５ｍｍの厚さを有する１から２ｃｍまでの正方のシリコンウェーハである。そのシリコンウェーハは、１から２ミクロンまでの厚さの二酸化ケイ素の絶縁被膜で先ず保護被覆されている。その二酸化ケイ素は、プラズマ強化化学蒸着法（ＰＥＣＶＤ）により施され得る。

アルミニウムのような金属層は、真空蒸着により蒸着され、約０．２ミクロンから０．５ミクロンまでの厚さの層を形成する。または、その金属層は、スパッタリング技術により付けられる。様々な方法および材料が、基材に対する金属層の接合を強化するように基材に適用され得る。ポジタイプのフォトレジストは、それから、付けられ、所望の電極形状でマスキングが行われる。フォトレジスト層は、露光および現像される。光可溶化されたレジストは、除去され、露出された金属層は、所望されるパターンを作るようにエッチングされる。

約０．２ミクロンから０．４ミクロンまでの厚さの二酸化ケイ素の層に次いで載せられる０．１ミクロンから０．２ミクロンまでの窒化ケイ素（Ｓｉ_３Ｎ_４）は、その基材に施される。その基材は、それから、ポジタイプのフォトレジストで覆われ、電極用にマスキングされ、露出されて現像される。その光可溶化されたレジストは、除去され、その二酸化ケイ素および窒化ケイ素層は、電極を露出させるようにエッチングされる。

その透過膜は、それから、露出された電極に張り付けられる。透過膜を張り付けるために使用され得るその設計および技術は、綿織物（ローン）、織り布（メッシュ）、多孔質体を含んでいる。その透過膜は、約１０ミクロンから３０ミクロンの厚さの層を有している。ひとつの実施例において、修飾親水性ゲルは、基材内の空孔を満たすように２０％から３５％までのポリアクリルアミド、０．１％のポリリシンを含むものが施される。この材料は、約２ｎｍから約１０ｎｍまでの空孔精度をもってゲル状の被膜を形成する。その透過膜により、その電極がＤＣモードで役立つことができ、小さな対イオンがその透過膜を通過できる。

ローンタイプの透過膜は、その表面から垂直方向に直線状分子、またはポリマーの配列を含んでいる。これらの構造は、分子間の最小の橋かけで親和性ポリマー分子を金属表面に付けることにより形成される。

メッシュタイプの透過膜は、ポリマー分子の不規則な配列により形成される。その分子は、橋かけの程度により決定される平均空孔サイズを有するメッシュ状構造を形成する。これらの構造は、ヒドロゲル型の材料で作られ得る。適した材料の例としては、アガロース、グリオキシルアガロース、ポリアクリルアミド、ポリメタクリルアミド、ポリアクリラート、ポリメタクリレートおよびそれらのコポリマーからなる群から選択されたポリマーを含む。重合、および架橋された他の生物学的材料または非生物学的材料は、使用され得る。一般に、ポリマーは、ビニルモノマー（ｖｉｎｙｌｉｃ ｍｏｎｏｍｅｒｓ）で作られる。これらの材料は、その基材の表面上にスピンコーティングにより施される。本発明の他の実施例において、透過膜は、帯電しているポリマー、または、電界を受けるとき、電荷を捕捉できるポリマーで作られ得る。

ポアタイプの透過膜は、透過膜の表面形式で電極パッドに溝または孔を直接に形成する材料を使用する。適した材料の例としては、ポリカーボネイト、ポリスルホン、およびガラス材料などを含む。この形式の透過膜は、物理的および化学的に金属表面に固定されなければならない。

ハウジング１４は、同様なマイクロマシンまたはフォトリソグラフィーの方法により形成され得る。ハウジング１４の脚部３６は、リソグラフィーまたは機械加工により形成され得る。代替的に、脚部３６は、適切な技術により上壁３４に接合される個別の部材として形成されてもよい。脚部３６は、超小型機械装置産業において通常使用される知られた接合技術を使って基底１６に接合されている。

図１〜図５は、その透過膜が変形しバルブ構造において出口用開口に接触し密封する超小型バルブを製造するための本発明に係る一つの実施例を示す。図６に示される本発明における代替的な実施例において、バルブ７０は、アクチュエータ７２およびハウジング７４を含んでいる。アクチュエータ７２は、図１〜図５のアクチュエータと実質的に同様であり、基底７６、電極パッド７８、絶縁層８０、および、透過膜８２を含む。ハウジング１４は、その中を延在する通路８６を有する本体部８４で作られている。溝８８は、出口用溝を形成するように通路８６に連通する本体部８４の上面に形成されている。上壁９０は、溝８８および通路８６を包囲するように本体部８４に取り付けられている。バルブ７０は、所定期間、電荷を電極パッド７８に加えることによる同様な方法で作動される。その結果、透過膜は、図６の想像線により示されるように、膨張し通路８６を閉鎖する。上述の実施例のように、その電流は、バルブ１０を選択的に開閉するように反転され得る。

図７および図８における実施例
図７および図８は、本発明に従うバルブ９０の第２の実施例を示す。バルブ９０は、図１〜図５における実施例に類似しており、アクチュエータ９０およびバルブハウジング９４を含んでいる。アクチュエータ９２は、上述の実施例と類似しており、ベース９５、電極パッド９６、および電極パッド９６を包囲する絶縁層９８を含んでいる。透過膜１００は、電極パッド９６および絶縁層９８上に施されている。
ハウジング９４は、下面１０２および上面１０４を有している。下面１０２は、第１の端部１０８からハウジング９４の第２の端部１１０まで延在する流れ溝１０６を含んでいる。図７に示されるように、溝１０６は、透過膜１００および電極９６の真上に延在している。溝１０６は、概ね平坦な上面１１２および真っ直ぐな側壁１１４で形成されるように示されている。代替的な実施例において、溝１０６は、Ｖ字状の溝を形成するような傾斜した側壁、または、Ｕ字状の溝を形成するように湾曲した側壁を有するものでもよい。好ましい実施例において、溝１０６は、マイクロマシンまたはフォトリソグラフィー法により形成される。従来、溝１０６を形成するために使用されるその方法は、溝１０６の最終形状を決定する。例えば、溝１０６をエッチングするために使用される腐食液が、真っ直ぐな側壁が形成されるか、傾斜した側壁が形成されるかを決定する。
図７および図８において、ハウジング９４の下面１０２は、下面１０２と透過膜１００との間に流体流れがないようにじかにアクチュエータ９２に結合される。
代替的な実施例において、下面１０２は、上述の実施例のように透過膜１００から離隔されてもよい。

バルブ９０は、上述の実施例と同様な方法で作動される。電荷は、電極パッド９６に供給されて、透過膜１００が図８に想像線により示されるような形状に膨張し、溝１０６の断面部を埋め、その通路を閉鎖する。上述の実施例のように、電極パッド９６に通じる電流を反転させると、透過膜１００がその最初の形状に戻り溝１０６を開く。

図９〜図１２の実施例
図９〜図１２を参照するに、本発明の他の実施例は、アクチュエータ１２２およびバルブハウジング１２４を含むバルブアッセンブリ１２０について述べられる。アクチュエータ１２２は、上述の実施例と実質的に同様であり、ベース１２６、電極パッド１２８、絶縁層１３０、透過膜１３２を含む。
バルブハウジング１２４は、上面１３８に形成され長手方向の流れ用の溝１３６を有する本体１３４を含む。実施例に示される溝１３６は、概ねＵ字形を有し、第１の端部１４０から第２の端部１４１まで延在している。開口１４２は、上面１３８から下面１４４まで本体１３４を貫通している。開口１４２は、図１１に示されるように、溝１３６が開口１４２の中心を貫通するように溝１３６と同心とされている。バルブ用部材１４６は、開口１４２内に設けられ図９に示される開いた位置と図１２に示される閉じた位置との間を往復する。

図９および図１０を参照するに、バルブ用部材１４６は、開口１４２の形状および寸法を相補する側壁１４８を有する概ね円柱状部材である。バルブ用部材１４６の下端１５０は、概ね平坦であり、透過膜１３２に接触する。上壁１５２は、開口１４２の上端および溝１３６を閉鎖するようにバルブ本体１３４に結合されている。バルブ用部材１４６の上端１５４は、バルブ用部材１４６が閉じた場合、上壁１５２に合うように概ね平坦である。

バルブアッセンブリ１２０は、電流を電極パッド１２８に供給することにより、透過膜１３２が図１２に示されるように変形し膨張することによって作動される。
透過膜１３２の膨張が、バルブ部材１４６を上壁１５２に向けて押し動かし、溝１３６を閉じる。示される実施例において、凹部１５６は、透過膜１３２の膨張のための逃げ部を形成するようにバルブ本体１３４の下面１４４に設けられている。バルブ部材１４６は、透過膜１３２の膨張および収縮により開口１４２内を往復動するように透過膜１３２に取り付けられ得る。更なる実施例においては、バルブ部材１４６は、開状態となるように透過膜１３２に向かって付勢されてもよい。

図１３の実施例
図１３は、マルチバルブアッセンブリを使用するためのアクチュエータ１６０の他の実施例を示す。示されるようなアクチュエータ１６０は、ベース１６２、および、ベース上から離隔されるいくつかの電極パッド１６４を含む。この実施例において、二つの対電極１６６が設けられている。上述の実施例のように、変形可能な透過膜およびバルブハウジング（不図示）が設けられている。得られるバルブは、上述の実施例と同じようにして作動される。

いくつかの実施例が、本発明を説明するために選択されたが、本装置の様々な変更および修正が添付した請求の範囲において定義されたような発明の範囲から逸脱することなくなされ得ることは当業者によって理解されるだろう。

電極パッドおよびバルブハウジングを示す本発明の第１の実施例におけるマイクロバルブ装置の分解した斜視図である。 本発明の装置を合体する薬物送出装置の概略図である。 解放され開状態にあるバルブ構造を示す図１のマイクロバルブ装置の側断面図である。 解放され開状態にあるバルブ構造を示す図１のマイクロバルブ装置の端部の断面図である。 作動され閉状態にあるバルブ構造を示す図１のマイクロバルブの構造の側断面図である。 作動され閉状態にあるバルブを示す図１のバルブ装置の端部の断面図である。 本発明の第２の実施例におけるマイクロバルブの構造の側断面図である。 本発明の第３の実施例におけるマイクロバルブの構造の端部の断面図である。 図７の実施例におけるマイクロバルブの側断面図である。 電極パッド、可動弁、バルブハウジングを示す本発明の第４の実施例におけるマイクロバルブの構造の側断面図である。 図９における１０−１０線に沿って示されるマイクロバルブの構造の断面図である。 図９における１１−１１線に沿って示されるマイクロバルブの構造の上部の断面図である。 閉状態における図９のマイクロバルブの構造の側断面図である。 本発明の他の実施例におけるマイクロバルブ装置の電極パッドおよび膜の平面図である。

Claims (39)

1. ベースに設けられる電極パッドと、
   前記ベースに重なる第１の部分と、前記電極パッドに重なる第２の部分とを備え、縦寸法を有し前記電極パッド上の平坦な透過膜と、
   前記電極パッドに対向する領域内の前記透過膜に接触する部材と、を備え、
   前記透過膜は、ヒドロゲルポリマーであり、電流が前記電極パッドに供給される場合、該透過膜が前記縦寸法を横切る方向に収縮し、前記電流が遮断される場合、前記電極パッドの領域内で該透過膜から突出する突起を形成するように該透過膜が前記縦寸法を横切る方向に膨張し、それにより、前記部材を該突起によって動かす超小型電気機械装置用アクチュエータ。
2. 前記電気機械装置は、超小型流体装置である請求項１記載のアクチュエータ。
3. 前記電気機械装置は、前記部材と協働する流体用溝を有するバルブであり、該作動部材の動作が、該流体用溝を閉鎖する請求項１記載のアクチュエータ。
4. 前記部材は、バルブ本体であり、該バルブ本体は、前記透過膜に結合される請求項３記載のアクチュエータ。
5. 前記電極パッドは、基板、該基板に結合される電極、および、該電極の露出部分を形成するように該基板および該電極の部分上に重なる絶縁層とを含み、該透過膜は、該電極の露出部分に接触する請求項１記載のアクチュエータ。
6. 前記電極パッドに接続され、所定期間、所定の間隔で正または負の電荷を該電極パッドに選択的に供給するＤＣ電源をさらに含む請求項１記載のアクチュエータ。
7. 少なくとも一つの電極パッドを有する基底基板と、
   前記基板に重なる第１の部分と、前記電極パッドに重なる第２の部分とを備え、前記電極パッド上の高分子ヒドロゲルの平坦な透過膜であって、縦寸法を有し、電流が前記電極パッドに供給される場合、該縦寸法を横切る方向に変形可能である透過膜と、
   前記透過膜から離隔され、該膜との相互間の流路であって該透過膜が弛緩状態の場合、開口する流路を形成する壁とを含み、
   前記透過膜は、電流が前記電極パッドに供給される場合、実質的に前記流路を閉鎖するように該縦寸法を横切る方向に、前記電極パッドにより画定される領域内に突起を形成するように変形可能である超小型バルブ。
8. 前記透過膜は、約１０ミクロンから約３０ミクロンまでの厚さを有する請求項７記載の超小型バルブ。
9. 前記透過膜は、アガロース、グリオキシルアガロース、ポリアクリルアミド、ポリメタクリルアミド、ポリアクリレート、メタクリル酸ポリマー、および、それらのコポリマーからなる群より選択されたポリマーである請求項７記載の超小型バルブ。
10. 前記透過膜は、ビニルモノマーから作られたポリマーである請求項７記載の超小型バルブ。
11. 前記透過膜は、帯電しているポリマーまたは電界を受けるとき、電荷を捕捉することができるポリマーである請求項７記載の超小型バルブ。
12. 前記壁は、前記透過膜との間に前記流路からの流体用出口を形成する少なくとも一つの開口を含む請求項７記載の超小型バルブ。
13. 前記少なくとも一つの開口が、前記電極パッドに対向する前記壁に配され、前記電流を前記電極パッドに供給することにより、前記透過膜が該電極パッドの一領域において変形し、該少なくとも一つの開口を閉じる請求項１２記載の超小型バルブ。
14. 前記壁は、外面および前記透過膜に対向する内面を含み、該内面に形成される前記流体用流路を有する請求項７記載の超小型バルブ。
15. 前記壁は、前記流路を形成するように前記超小型バルブの流体用入口から流体用出口まで延在する凹部を含む請求項７記載の超小型バルブ。
16. 前記凹部は、前記電極パッドに対向して配され、前記透過膜は、電流が該電極パッドに供給される場合、該凹部を実質的に閉じるように変形可能である請求項１５記載の超小型バルブ。
17. 前記電極パッドに接続され、所定期間、正または負の電荷を該電極パッドに選択的に供給するための制御部を含むＤＣ電源をさらに含む請求項７記載の超小型バルブ。
18. バルブハウジング、および、バルブ本体内に取り付けられ開放位置と閉鎖位置との間を移動するバルブ本体を含み、
    該バルブ本体は、前記透過膜に結合される請求項７記載の超小型バルブ。
19. 超小型流体装置のバルブアッセンブリを作動させる方法であって、
    少なくとも一つの電極パッドを備える基底基板と、該基板に重なる第１の部分と、該電極パッドに重なる第２の部分とを有し、該電極パッド上の変形可能なヒドロゲルの平坦な透過膜と、該透過膜との間の流路であって該透過膜が弛緩状態の場合、開口する流路を形成するように該透過膜から離隔される壁とを有する超小型バルブアッセンブリを設けるステップと、
    電流を前記電極パッドに十分な期間供給し、それから、該電流を遮断し、前記電極パッドの領域内の前記透過膜から突出する突起を形成するように前記透過膜を膨張させ、該流路を該突起により閉じるステップと、
    を含んでなる方法。
20. 前記アッセンブリは、選択的に前記流路を開閉するように電極パッドへの電流を制御する制御部をさらに含む請求項１９記載の方法。
21. 正の電荷を、前記バルブアッセンブリを選択的に開閉させるように前記電極パッドに選択的に供給し、また、負の電荷を、前記バルブアッセンブリを選択的に閉じるように前記電極パッドに供給するステップを含む請求項１９記載の方法。
22. 前記バルブアッセンブリは、前記透過膜と連動されるバルブ部材をさらに含む請求項１９記載の方法。
23. 前記バルブアッセンブリは、前記透過膜と連動するバルブ部材を含み、前記上壁は流体用出口を含み、前記電流を前記電極パッドに供給し、前記上壁に接触する該バルブ部材を移動させ、該流体用出口を閉鎖するステップを含む請求項１９記載の方法。
24. 前記透過膜は、アガロース、グリオキシルアガロース、ポリアクリルアミド、ポリメタクリルアミド、ポリアクリレート、ポリメタクリレート、および、それらのコポリマーからなる群より選択されたポリマーである請求項１９記載の方法。
25. 前記透過膜は、ビニルモノマーで作られるポリマーである請求項１９記載の方法。
26. 前記透過膜は、帯電しているポリマーまたは、電界を受けるとき、電荷を捕捉することができるポリマーである請求項１９記載の方法。
27. 前記壁は、流体用出口を形成する少なくとも一つの開口を含み、前記方法は、電流を前記電極パッドに供給し前記透過膜を変形させ、該少なくとも一つの開口を閉じるステップを含む請求項１９記載の方法。
28. 前記壁は、外面と、流体用流路を形成する少なくとも一つの凹部を有する内面とを含み、前記方法は、電流を前記電極パッドに供給し前記透過膜を変形させ、該凹部を閉じるステップを含む請求項１９記載の方法。
29. 前記バルブアッセンブリは、複数の前記電極パッドと、複数の流体用流路を含む前記壁とを含み、前記方法は、選択的に前記電極パッドを作動させ、前記透過膜を変形させ、各流体用流路を閉じるステップを含む請求項１９記載の方法。
30. 前記透過膜は、透水膜である請求項１記載のアクチュエータ。
31. 前記透過膜は、該透過膜が膨張するとき、増大し、該透過膜が収縮するとき、減少する厚さを有している請求項１記載のアクチュエータ。
32. 正の電流が前記電極パッドに供給される場合、前記透過膜の厚さは、減少し、該正の電流が遮断される場合、該透過膜の厚さは、増大する請求項１記載のアクチュエータ。
33. 前記電極パッドに接続される直流電源をさらに含み、該電源は、所定の期間、正または負の電荷を前記電極パッドに供給し、該透過膜の変形状態を維持するように該正または負の電荷を断続的に該電極パッドに供給するためのコントローラを有する請求項１記載のアクチュエータ。
34. 正の電流が前記電極パッドに供給される場合、前記透過膜の厚さは、減少し、該正の電流が遮断された場合、該透過膜の厚さは、増大する請求項７記載の超小型バルブ。
35. 前記透過膜は、該透過膜が膨張するとき、増大し、該透過膜が収縮するとき、減少する厚さを有している請求項７記載の超小型バルブ。
36. 前記透過膜は、該透過膜が膨張した場合、増大する厚さを有している請求項１９記載の方法。
37. 正の電流が前記電極パッドに供給される場合、前記透過膜の厚さは、減少し、正の電流が遮断される場合、該透過膜の厚さは、減少する請求項１９記載の方法。
38. 少なくとも１つの電極パッドを有する基底基板と、
    前記基板に重なる第１の部分と、前記電極パッドに重なる第２の部分とを備え、縦寸法を有し、電流が前記電極パッドに供給される場合、該縦寸法を横切る方向に変形可能とされる前記電極パッド上の平坦な高分子透過膜と、
    前記電極パッドに接続され、所定の期間、正または負の電荷を選択的に該電極パッドに供給するためのコントローラを含む直流電源と、
    前記透過膜から離隔され、該膜との間に流路を形成する壁とを含み、該透過膜は、
    電流が前記電極パッドに供給され、該電流が遮断されるとき、前記電極パッドの領域における該透過膜から突出する突起を形成するように該透過膜を膨張させ、実質的に該流路を該突起により閉鎖する場合、変形可能であり、
    前記直流電源の前記コントローラは、前記透過膜の変形状態を維持するように前記電極パッドに断続的に前記電荷を供給する超小型バルブ。
39. 超小型流体装置のバルブアッセンブリを作動させる方法であって、
    少なくとも一つの電極パッドを備える基底基板と、該基板における第１の部分、および、該電極パッド上の第２の部分を有する変形可能な透過膜と、該透過膜との間に流路を形成するように該透過膜から離隔される上壁とを有する超小型バルブアッセンブリを設け、該透過膜は、前記流路を閉鎖するように電流が遮断後、ある期間、該電極パッドにおける領域内に突起を形成し、変形したままであるステップと、
    突起を形成するように前記透過膜を膨張させ、該流路を該突起により閉じるように変形した状態で該透過膜を維持するように、所定の間隔および十分な期間、電流を前記電極パッドに供給するステップと、
    を含んでなる方法。

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