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WO2017047032A1 - マイクロ逆止弁装置 - Google Patents

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WO2017047032A1
WO2017047032A1 PCT/JP2016/004010 JP2016004010W WO2017047032A1 WO 2017047032 A1 WO2017047032 A1 WO 2017047032A1 JP 2016004010 W JP2016004010 W JP 2016004010W WO 2017047032 A1 WO2017047032 A1 WO 2017047032A1
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WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
micro
check valve
chamber
valve device
channel
Prior art date
Application number
PCT/JP2016/004010
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
牧 平岡
菱田　光起
山田　晃久
利徳 山中
年伸 松野
Original Assignee
パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from JP2016146505A external-priority patent/JP2017056545A/ja
Application filed by パナソニックＩｐマネジメント株式会社 filed Critical パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Publication of WO2017047032A1 publication Critical patent/WO2017047032A1/ja
Priority to US15/472,404 priority Critical patent/US20170198833A1/en

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B5/00—Devices comprising elements which are movable in relation to each other, e.g. comprising slidable or rotatable elements
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16K—VALVES; TAPS; COCKS; ACTUATING-FLOATS; DEVICES FOR VENTING OR AERATING
    • F16K15/00—Check valves
    • F16K15/02—Check valves with guided rigid valve members
    • F16K15/04—Check valves with guided rigid valve members shaped as balls
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/08—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor using a stream of discrete samples flowing along a tube system, e.g. flow injection analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N37/00—Details not covered by any other group of this subclass

Definitions

  • the present invention relates to a micro check valve device connected to a micro flow channel device.
  • ⁇ -TAS Micro-total-analysis-system
  • ⁇ -TAS Micro-total-analysis-system
  • a card-like chip (thickness is several mm, vertical is several centimeters, horizontal is several centimeters) included in the microchannel device is a network of fine channels having a width of 0.1 mm and a depth of 0.1 mm It has.
  • a card-like chip a small amount of liquid sample is circulated through a fine channel, and the liquid sample is analyzed.
  • the amount of liquid required for this analysis process is on the order of 10 ⁇ L.
  • Chemical processing including mixing of biological sample and drug solution, target extraction, and marker molecule detection, and analysis processing such as medical diagnosis are performed only within the chip of the microchannel device. Since all the analysis steps are completed in the chip, the chip can be made disposable, which reduces the risk of contamination due to the outflow of biological material, and is convenient for handling as a simple diagnostic device.
  • a micro flow channel device for automatically processing a precise minute amount liquid feeding operation is connected to a micro check valve as one of important components.
  • Non-Patent Document 1 discloses a check valve having a spherical body with a taper.
  • Non-Patent Document 2 discloses various micro check valves. However, since the operating flow rate is mL / min and the reverse flow rate is in the order of mL, application to the ⁇ -TAS chip is not suitable.
  • An object of the present invention is to provide a micro check valve device that operates when a floating valve body closes a flow path, and has a small back flow rate and little variation in operation from chip to chip.
  • a check valve device is a micro check valve device connected to a microchannel device, A substrate, A chamber located inside the substrate and having a top surface having protrusions and a tapered portion located at the bottom; A micro discharge channel connected to the side of the chamber; A micro-introduction channel connected to the bottom of the tapered portion of the chamber through an opening; And a spherical valve capable of opening and closing the opening of the micro-introducing channel by moving up and down in the chamber and coming into contact with and separating from the tapered portion.
  • micro check valve device of the above aspect of the present disclosure when a back flow that closes the spherical valve occurs, the flow of pushing the spherical valve by the upper surface having the protrusion is increased, so that the back flow rate is small, A micro check valve device with little variation in operation can be provided.
  • FIG. 3 is a bottom view of the first substrate of the micro check valve device according to the first embodiment.
  • 1 is a longitudinal sectional view of a micro check valve device according to Embodiment 1.
  • FIG. FIG. 6 is a top view of a second substrate of the micro check valve device according to the first embodiment.
  • the longitudinal cross-sectional view of the micro check valve apparatus which concerns on a reference example.
  • the longitudinal cross-sectional explanatory drawing which shows operation
  • FIG. 3 is a bottom view of the first substrate of the micro check valve device according to the first embodiment.
  • 1 is a longitudinal sectional view of a micro check valve device according to Embodiment 1.
  • FIG. 6 is a top view of a second substrate of the micro check valve device according to the first embodiment. The figure which shows a measurement system. The top view of the chamber for a measurement. The top view of the chamber for a measurement. Sectional drawing of the chamber for a measurement.
  • Sectional drawing of the chamber for a measurement The figure which shows a mode that the pump formed in the chip
  • the micro check valve device 100 includes a substrate 101, a micro introduction channel 103, a micro discharge channel 102, a chamber 10, and a spherical valve 200.
  • the micro check valve device 100 means a check valve device used by being connected to a micro flow channel device.
  • the micro introduction channel 103, the micro discharge channel 102, the chamber 10, and the spherical valve 200 are located inside the substrate 101.
  • the substrate 101 may include a plurality of substrates.
  • the substrate 101 includes a first substrate 101a, a second substrate 101b, and a third substrate 101c.
  • FIG. 1A shows a bottom view of the first substrate 101 a in the micro check valve device 100.
  • the first substrate 101a shown in FIG. 1A has a second flow path 102b described later and a part of the chamber 10.
  • FIG. 1B shows a cross-sectional view of the micro check valve device 100 cut along the cutting line AA of FIG. 1A.
  • the first substrate 101a, the second substrate 101b, and the third substrate 101c are sequentially located from top to bottom.
  • the second substrate 101b includes a fifth channel 102a, a fourth channel 102b, a part of the chamber 10, a spherical valve 200, a second channel 103a, and a first channel 103b.
  • FIG. 1C shows a top view of the second substrate 101 b in the micro check valve device 100.
  • the micro discharge channel 102 is connected to the side surface of the chamber 10.
  • the micro introduction channel 103 is connected to the bottom surface of the chamber 10.
  • the liquid introduced upward from the micro introduction channel 103 into the chamber 10 in FIG. 1B passes through the micro introduction channel 103, the chamber 10, and the micro discharge channel 102 and is discharged from the check valve device 100.
  • an example of the micro discharge channel 102 is connected to the fifth channel 102a that flows in the in-plane direction of the substrate 101 and the fifth channel 102a, and A fourth flow path 102b flowing in the direction, and a third flow path 102c connected to the fourth flow path 102b and flowing in the in-plane direction of the substrate 101.
  • the third channel 102 c is connected to the side surface of the chamber 10. As the micro discharge channel 102, the liquid discharged from the chamber 10 is discharged through the third channel 102c, the fourth channel 102b, and the fifth channel 102a in this order.
  • 1A to 1C is connected to the bottom surface of the chamber 10 and is connected to the second flow channel 103a flowing in the direction perpendicular to the surface of the substrate 101 and the second flow channel 103a. And a first flow path 103b flowing in the in-plane direction.
  • the micro introduction channel 103 the liquid introduced into the chamber 10 is introduced through the first channel 103b and the second channel 103a in this order.
  • the width of the micro introduction channel 103 and the width of the micro discharge channel 102 are, for example, 10 ⁇ m or more and 1 mm or less, respectively.
  • the depth of the micro introduction channel 103 and the depth of the micro discharge channel 102 are, for example, 10 ⁇ m or more and 1 mm or less, respectively.
  • the micro introduction channel 103 and the micro discharge channel 102 correspond to a recess functioning as a channel formed in the substrate 101.
  • the chamber 10 is surrounded by a wall surface inside the substrate 101. Each side of the space inside the chamber 10 is larger than the width and depth of the micro introduction channel 103 and the micro discharge channel 102 to be connected.
  • the chamber 10 has a side surface connected to the micro discharge channel 102 and a bottom surface connected to the micro introduction channel 103.
  • the liquid that has entered the chamber 10 from the micro introduction channel 103 flows toward the micro discharge channel 102.
  • the cross section of the chamber 10 cut perpendicularly toward the liquid traveling direction of the micro introduction channel 103 in the chamber 10 gradually increases from the bottom connected to the micro introduction channel 103 in the chamber 10 toward the liquid traveling direction. Become bigger.
  • a portion connected to the micro introduction channel 103 in the chamber 10 has a tapered shape.
  • a portion having a tapered shape in the chamber 10 is also referred to as a tapered portion 10a.
  • the chamber 10 has a protrusion 11 on the upper part (indentation) of the inner wall surface of the chamber, which is the first substrate 101a.
  • the protrusion 11 has a convex shape toward the bottom.
  • An example of the convex shape is a truncated cone shape.
  • the protrusion 11 has a height of 30 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less.
  • the height of the protrusion 11 is the longest distance between the apex of the protrusion 11 and the upper surface of the inner wall surface of the substrate 101 (in other words, the bottom surface of the annular recess 111 around the protrusion 11).
  • the height of the protrusion 11 is a distance between the highest position inside the chamber 10 and the vertex of the protrusion 11 in FIG. 1B above the vertex of the protrusion 11.
  • the protrusion 11 is located above the micro introduction channel 103. More specifically, when viewed from the film thickness direction of the substrate 101, the protrusion 11 is positioned so as to overlap with the opening 103 e of the micro introduction channel 103 connected to the bottom surface of the chamber 10. Further, when viewed from the film thickness direction of the substrate 101, the protrusion 11 is positioned so as to overlap with a spherical valve 200 positioned at a tapered portion 10 a described later, and is smaller than the spherical valve 200. As an example, the shortest distance between the spherical valve 200 and the protrusion 11 located at the position where the opening 103e of the micro introduction channel 103 is closed is 50 ⁇ m or more and 300 ⁇ m or less.
  • the protrusion 11 has the same meaning as that the chamber 10 has an upper surface having a recess 111 adjacent to the protrusion 11 and having a depth of 30 ⁇ m or more. At this time, the recess 111 is preferably formed so as to surround the protrusion 11.
  • a spherical valve 200 is located inside the chamber 10 and is capable of opening and closing the opening 103e of the micro-introducing channel 103 by contacting and separating from the tapered portion 10a.
  • the spherical valve 200 has a diameter larger than the width of the micro introduction channel 103 (opening 103e). Further, the spherical valve 200 has a diameter larger than the side having the longest cross section in the micro introduction channel 103. Thereby, when the spherical valve 200 is positioned inside the chamber 10, the opening 103 e of the micro introduction channel 103 can be closed.
  • Examples of the shape of the spherical bulb 200 are a true sphere, an ellipse, a cylinder, or a cone.
  • the spherical valve 200 may have a spherical shape on the cut surface obtained by cutting the micro check valve device 100 in the film thickness direction of the substrate 101 and can be brought into and out of contact with the tapered portion 10a.
  • the spherical valve 200 Before the liquid enters the inside of the chamber 10, the spherical valve 200 is located at a position in contact with the tapered portion 10 a of the chamber 10 so as to close the opening 103 e of the micro introduction channel 103. Specifically, the spherical valve 200 is positioned at the tapered portion 10 a of the chamber 10, thereby closing the opening 103 e of the micro introduction channel 103.
  • spherical valve 200 for example, a material such as SUS, alumina, or glass can be used.
  • the spherical valve 200 When a liquid enters the inside of the chamber 10 from the opening 103e of the micro introduction channel 103 on the bottom surface of the chamber 10, the spherical valve 200 is pushed up in the chamber 10 from the position where it is in contact with the tapered portion 10a due to the flowing force of the liquid. It is done. The spherical valve 200 that has blocked the micro introduction channel 103 is pushed up, and the liquid flows from the chamber 10 to the micro discharge channel 102.
  • the projection 11 causes a part of the liquid flowing force to move in a direction to return the spherical valve 200 to the position in contact with the tapered portion 10 a.
  • the spherical valve 200 returns to the position in contact with the tapered portion 10a.
  • the spherical valve 200 can quickly return to the position in contact with the tapered portion 10 a, so that the liquid discharged from the chamber 10 to the micro discharge channel 102 by the spherical valve 200 flows back into the chamber 10. Can be reduced.
  • FIGS. 3A to 3C are enlarged views of the chamber 10.
  • FIG. 3A to FIG. 3C show the time series from before the liquid enters the chamber 10 to after the liquid is discharged from the chamber 10.
  • FIG. 3A shows the situation before the liquid is introduced into the chamber 10.
  • the spherical valve 200 is disposed in contact with the tapered portion 10 a in the chamber 10 and closes the opening 103 e of the micro introduction channel 103.
  • the tapered portion 10a means a portion surrounded by a dotted line.
  • FIG. 3B shows a situation in which the spherical valve 200 that has blocked the micro introduction channel 103 is pushed up and the liquid is introduced into the chamber 10.
  • the liquid introduced into the second flow path 103 a of the micro introduction flow path 103 enters the chamber 10 by the spherical valve 200 being pushed up from the bottom of the chamber 10.
  • the arrow 300 shown in FIG. 3B indicates the flow of the liquid that has entered the chamber 10. A force generated by the liquid flow 300 entering the chamber 10 is applied to the spherical valve 200, and the spherical valve 200 is pushed up from the tapered portion 10 a and moves to the upper portion of the chamber 10.
  • the liquid that has entered the chamber 10 proceeds to the micro discharge channel 102 on the side of the chamber 10.
  • the spherical valve 200 moves to the upper part of the chamber 10 and receives the maximum force from the liquid flow 300.
  • the force due to the liquid flow 301 that is separated from the liquid flow 300 and passes through the space between the wall surface of the chamber 10 and the spherical valve 200 and including the recess 111 is more governed by the viscous force than the inertial force. Become.
  • FIG. 3C shows a situation when the introduction of the liquid from the micro introduction channel 103 to the chamber 10 is stopped.
  • the liquid introduced into the chamber 10 from the second flow path 103 a disappears, and only the liquid flow 302 that flows back from the micro discharge flow path 102 and the chamber 10 to the second flow path 103 a of the micro introduction flow path 103 exists.
  • the force applied to the spherical valve 200 by the liquid flow 300 to be introduced is also eliminated, the force applied to the spherical valve 200 by the backflowing liquid flow 302, and the liquid flow 301 between the wall surface of the chamber 10 including the recess 111 and the spherical valve 200.
  • the spherical valve 200 moves downward.
  • the spherical valve 200 moves downward and returns to a position where it contacts the tapered portion 10 a. As a result, the spherical valve 200 closes the opening 103 e of the micro introduction channel 103, and the liquid that has attempted to flow backward from the micro discharge channel 102 and the chamber 10 to the micro introduction channel 103 cannot return to the micro introduction channel 103. That is, the spherical valve 200 can prevent the liquid from flowing back from the chamber 10 to the micro introduction channel 103.
  • the operation until the spherical valve 200 returns to the position where it contacts the tapered portion 10a will be described.
  • the liquid introduced into the chamber 10 from the second flow path 103a of the micro introduction flow path 103 disappears, and the spherical valve 200 and the tapered portion 10a from the inside of the micro discharge flow path 102 and the chamber 10 The liquid flows back to the second flow path 103a through the gap.
  • the spherical valve 200 receives a force attracted in the direction in which the liquid flows backward through the gap between the spherical valve 200 and the tapered portion 10a.
  • the spherical valve 200 moves downward so as to approach the second flow path 103a. That is, the spherical valve 200 approaches the tapered portion 10a.
  • the magnitude of the force due to the liquid flow changes depending on the Reynolds coefficient of the liquid.
  • inertial force and viscous force are variables.
  • the Reynolds coefficient of the liquid in a check valve device having a length or width of several mm or more is large because the inertial force is dominant. That is, the force by the liquid is large. Therefore, in the check valve device having a length or width of several mm or more, a large force acts in the direction of closing the valve due to the flow of liquid.
  • the micro introduction channel 103, the chamber 10, and the micro discharge channel 102 are smaller than a predetermined size (for example, the width and depth are 10 ⁇ m or more and 1 mm or less, respectively). Since the viscous force of the liquid becomes dominant, the Reynolds coefficient is small. Therefore, the force for bringing the spherical valve 200 close to the tapered portion 10a is small. Therefore, since the time until the spherical valve 200 approaches the tapered portion 10a is delayed, the amount of liquid flowing back from the chamber 10 to the micro introduction channel 103 is increased.
  • a predetermined size for example, the width and depth are 10 ⁇ m or more and 1 mm or less, respectively. Since the viscous force of the liquid becomes dominant, the Reynolds coefficient is small. Therefore, the force for bringing the spherical valve 200 close to the tapered portion 10a is small. Therefore, since the time until the spherical valve 200 approaches the tapered portion 10a is delayed, the amount of liquid flowing back from the chamber 10 to the micro introduction channel 103 is increased
  • a liquid flow 301 is generated in the recess 111 by the protrusion 11.
  • the liquid flow 301 causes the spherical valve 200 to generate a liquid force toward the tapered portion 10a.
  • FIG. 3B when there is a liquid flow 300 introduced into the chamber 10 from the second flow path 103 a of the micro introduction flow path 103, the force due to the liquid flow 300 is greater than the force due to the liquid flow 301.
  • the spherical valve 200 does not return to the tapered portion 10a but is positioned at the upper portion of the chamber 10.
  • the liquid flow 300 disappears, and the liquid flow flows backward from the inside of the micro discharge channel 102 and the chamber 10 through the gap between the spherical valve 200 and the tapered portion 10a to the micro introduction channel 103.
  • the liquid flow 301 generated by the protrusion 11 together with the liquid flow 302 also becomes a force to return the spherical valve 200 to the tapered portion 10a, and the spherical valve 200 can be returned to the tapered portion 10a faster.
  • the backflow of the liquid from the discharge channel 102 and the chamber 10 to the micro introduction channel 103 can be reduced.
  • FIGS. 2A to 2C show the operation of the micro check valve device 91 having no protrusion shown in FIGS. 2A to 2C with reference to FIG. 3D.
  • the micro check valve device 91 having no protrusions shown in FIGS. 2A to 2C has the same configuration as the micro check valve device 100 of the present embodiment shown in FIGS. 1A to 1C except that the protrusions 11 are not provided.
  • FIG. 2A shows a top view of the first substrate 101a of the micro check valve device 91 having no protrusion.
  • 2B is a longitudinal sectional view taken along a cutting line BB in FIG. 2A.
  • FIG. 2C shows a top view of the second substrate 101b in the micro check valve device 91 having no protrusion.
  • the inner wall surface of the chamber 10 does not have the protrusion 11 and is a flat surface protruding upward.
  • FIG. 3D shows the same state as FIG. 3C.
  • the liquid flow 301 generated by the protrusion 11 does not occur in the micro check valve device 91 that does not have the protrusion of FIG. 3D.
  • the micro check valve device 91 having no protrusion does not have a force to return the spherical valve 200 to the tapered portion 10a by the liquid flow 301.
  • the micro check valve device 91 having no protrusion has a slower time until the spherical valve 200 returns to the taper portion 10a, and the micro check valve device 91 and the micro discharge valve 102 and the chamber 10 are microscopic. The amount of liquid that flows back to the introduction flow path 103 increases.
  • Example 1 A micro check valve device 100 according to Example 1 shown in FIGS. 4A to 4C was manufactured. Each of FIGS. 4A to 4C corresponds to FIGS. 1A to 1C.
  • the second substrate 101b in the micro check valve device 100 shown in FIGS. 4A to 4C is composed of two substrates 101b-1 and 101b-2.
  • FIG. 4A is a top view of the first substrate 101a of the micro check valve device 100 according to the first embodiment.
  • FIG. 4B is a longitudinal sectional view taken along the section line CC of FIG. 4A.
  • FIG. 4C is a top view of the micro check valve device 100 excluding the first substrate 101a.
  • the micro check valve device 100 described in FIGS. 1A to 1C is the same as the micro check valve device 100 except that the third adhesive layer 403 is provided between the first substrate 101b and the third substrate 101c. Note that having the first adhesive layer 401, the second adhesive layer 402, and the third adhesive layer 403 does not affect the performance of the micro check valve device 100.
  • the material of the substrate 101 was polydimethylsiloxane.
  • the shape of the tapered portion 10a of the chamber 10 was flat.
  • the material of the spherical bulb 200 was glass.
  • the specific gravity of the glass was 2.5.
  • the performance of the micro check valve device 100 was measured by the measurement system shown in FIG. FIG. 5 conceptually shows the measurement system.
  • the measurement system shown in FIG. 5 includes a reservoir 220 for introducing a test solution, a measurement chamber 218 having a diaphragm pump, a plurality of micro check valve devices 100 (100a and 100b), a measurement channel 221, And a connection channel 219.
  • the liquid reservoir 220, the micro check valve device 100a, the measurement chamber 218, the micro check valve device 100b, and the measurement flow channel 221 are connected by the connecting flow channel 219 in this order.
  • the liquid is transported in the direction of the arrow shown in FIG. 5 (the order of the liquid reservoir 220, the micro check valve device 100a, the measurement chamber 218, the micro check valve device 100b, and the measurement flow channel 221).
  • the micro check valve device 100a, the measurement chamber 218, and the micro check valve device 100b function as the diaphragm type pump 230, the performance of the micro check valve device 100 was measured.
  • the inlet of the measurement chamber 218 was connected to the micro check valve device 100a, and the outlet of the measurement chamber 218 was connected to the micro check valve device 100b.
  • the liquid in the connection channel 219 was sucked into the measurement chamber 218 from the fifth channel 102a of the micro check valve device 100a.
  • the liquid is introduced into the micro check valve device 100a from the connection channel 219 through the first flow channel 103b of the micro check valve device 100a.
  • the liquid is sent from the fifth channel 102a of the micro check valve device 100a to the connection channel 219 on the downstream side of the micro check valve device 100a.
  • the liquid flows from the connection channel 219 into the micro check valve device 100b through the first flow channel 103b of the micro check valve device 100b.
  • the introduced liquid was discharged from the fifth channel 102a of the micro check valve device 100b to the connection channel 219 on the downstream side of the micro check valve device 100b.
  • the liquid discharged from the fifth flow path 102a of the micro check valve device 100b reaches the measurement flow path 221 through the connection flow path 219. The flow rate of the liquid that reached the measurement channel 221 was measured.
  • the check valve device 91 according to the comparative example was manufactured in the same manner as the micro check valve device 100 of the example except that the check valve device 91 was not provided.
  • the check valve device 91 according to the comparative example is the same as the check valve device 91 shown in FIGS. 2A to 2C.
  • the measurement method in the measurement system shown in FIG. 5 with the check valve device 91 according to the comparative example was the same as the check valve device 100 according to the example except that the chamber 10 did not have a protrusion.
  • the chamber and the reservoir for constituting the pump were also designed to be integrated with a common substrate, and were simultaneously manufactured by the same method as the valve.
  • the measurement chamber 218 includes a substrate layer 2, a diaphragm layer 1, a top plate layer 3, and a pump chamber 4 surrounded by the diaphragm layer 1 and the substrate layer 2.
  • the substrate layer 2, the diaphragm layer 1, and the top plate layer 3 were positioned in this order from the bottom to the top.
  • An adhesive layer 6 was fixed between the substrate layer 2 and the diaphragm layer 1 and between the diaphragm layer 1 and the top plate layer 3.
  • FIG. 6A is a top view of the measurement chamber 218.
  • the top plate layer 3 includes a top plate 31, a spring 33, and a frame 32.
  • the top plate 31 and the frame 32 are connected by a spring 33.
  • the top plate layer 3 was produced by cutting or injection molding the substrate.
  • the top plate 31 was supported by the spring 33 at three points.
  • FIG. 6B is a top view of the measurement chamber 218 with the top layer 3 removed.
  • Diaphragm layer 1 was produced by injection molding a substrate.
  • FIG. 6C is a cross-sectional view taken along the line DD in FIG.
  • the diaphragm layer 1 includes a fixed portion 12, a pump layer 13, and a deformable portion 110.
  • 6C is a cross-sectional view taken along line EE in FIG.
  • the substrate layer 2 has an introduction channel 21 and a discharge channel 22. A liquid is introduced into the pump chamber 4 via the introduction channel 21. The liquid is discharged from the pump chamber 4 through the discharge channel 22.
  • the deformable portion 110 When a downward force is applied to the top plate 31, the deformable portion 110 is deformed, the pump layer 13 moves toward the substrate layer 2, and the space of the pump chamber 4 disappears. Moreover, when the upward force is applied to the top plate 31 by the spring 33, the deformable portion 110 is deformed and the pump layer 13 is moved upward, so that the space of the pump chamber 4 is increased (the state shown in FIG. 6C). Return). In this way, the measurement chamber 218 functioned as a pump.
  • valve Next, the processing of the valve will be described.
  • Each layer constituting the valve was the same as each layer constituting the pump, and was formed simultaneously with the processing of the pump.
  • the valve body used the stainless steel bulb
  • This liquid is an aqueous solution to which pluronic F127 purchased from Sigma-Aldrich, an amphiphilic polymer, and a dye are imitated as a test liquid for bioanalysis.
  • FIG. 7A shows a state in which liquid is introduced into the pump chamber (chamber) 4.
  • FIG. 7B shows a state where the top plate 31 is pushed, the pump chamber (chamber) 4 is eliminated, and all the liquid in the pump chamber (chamber) 4 is removed.
  • the stroke operation is a stroke operation.
  • the stroke speed was dependent on the speed of pushing or pulling the push rod, and was about 0.5 seconds each.
  • the performance of the check valve device was evaluated by estimating the amount of liquid delivered per stroke from an image of the movement of the liquid in the flow path with a camera.
  • the pump used in the experiment is a pump constituted by a check valve device according to the above-described embodiment of the present invention, a pump constituted by a shallow conventional check valve device, and a pump constituted by a deep conventional check valve device. Three types were produced, and four identical pumps were produced for each pump. For all of these pumps, the amount of liquid delivered for 5 strokes was measured to determine the amount of liquid delivered per stroke.
  • the amount of liquid delivered per stroke was 0.29 ⁇ 0.01 ⁇ L for the pump constituted by the check valve device according to the example, whereas the error from the design value was within 10%.
  • the pump constituted by the shallow conventional check valve device was 0.07 ⁇ 0.05 ⁇ L
  • the pump constituted by the deep conventional check valve device was 0.14 ⁇ 0.04 ⁇ L.
  • the check valve device according to the embodiment is more accurate in the amount of liquid delivery than the conventional check valve device in which the reverse flow rate is large and the liquid feed amount per stroke is unstable. Operates with low reverse flow rate.
  • the performance of the pump constituted by the check valve device having the shallow groove was lower than that of the pump constituted by the check valve device according to the comparative example having the deep groove. This is because the shallower the groove, the smaller the space when the spherical valve is floating, so that the effect of viscous flow works greatly. As a result, even when the liquid is flowing, the amount of movement of the spherical valve is small, and the spherical valve is likely to return to the initial position.
  • check valve device according to the embodiment had a smaller back flow rate than the check valve devices according to both comparative examples.
  • the embodiment of the present invention can be used as a check valve device capable of obtaining an accurate rectifying effect, and can provide a pump with an accurate liquid feeding amount even when configured as a pump component.
  • Table 1 shows the control factors and levels.
  • control factors three factors were used: the type (specific gravity) of the valve body, the shape of the tapered portion, and the shape of the space (a recess or a recess around the protrusion).
  • levels 1 and 3 glass (2.5) and stainless steel, that is, SUS (7.8) and alumina (3.9) were used for the type (specific gravity) of the valve body.
  • the diameter of each sphere as a valve body is 0.5 mm.
  • the shape of the tapered portion is straight (flat), curved with a radius of 0.5 mm, and curved with a radius of 1 mm as levels 1, 2, and 3 for the taper of the section AA in FIG. 4B.
  • the shape (ceiling) of the recess formed in the chamber 10 of the substrate 101 has three levels prototyped in the above example as levels 1, 2 and 3, that is, the shape (projection) of the example of the present invention, a shallow conventional example. (Depth 0.1 mm), a deep conventional shape (depth 0.2 mm).
  • Table 2 shows the noise factors.
  • Level 1 (N1) was set as the condition for operating preferentially, and Level 2 (N2) was set as the condition for operating inferior.
  • concentration or absence of an amphiphilic polymer Pluronic F127, purchased from Sigma-Aldrich, and the stroke speed were used.
  • An amphiphilic polymer usually improves wettability, prevents wall surface deposits such as bubbles, and makes it easy to reliably obtain a fluid effect.
  • Level 1 is an aqueous solution containing approximately 0.5 seconds of stroke and pluronics as a preferential operating condition.
  • Level 1 (N1) is our standard operating condition, and the flow rate is about 38 ⁇ L / min.
  • Level 2 (N2) is a disadvantageous condition for the operation of the check valve device, does not include pluronics, and slows the flow rate to about 5 ⁇ L / min.
  • Fig. 8 shows the experimental results of all 26 elements. Element NO. Since all N2 of 1 could not be tested due to a prototype failure, estimation processing was performed as a missing value. That is, the average value of the S / N ratio of the experimental value excluding the missing value is used as the S / N ratio of the missing value, and the missing value is estimated from the analysis of variance to obtain the temporary value of the binding value, and then the temporary value. The S / N ratio including the unity value of the values was obtained, and the estimated values were converged by the successive approximation method that repeated the work of estimating the missing values from the analysis of variance.
  • Fig. 9 shows the factor effect diagram of the desired characteristics obtained from the analysis of variance of the experimental results.
  • a factor with a larger intensity change has a greater influence on the effect.
  • the unassigned factor is a dummy factor, indicating the magnitude of the experimental error. That is, the experimental result includes an error about the distribution of dummy factors.
  • the shape of the tapered portion hardly affects the performance of the check valve device.
  • the valve body simply shows that the heavier one has a shorter time to fall on the tapered portion, and the valve closes earlier.
  • the shape of the depression on the ceiling the difference in the depth of the depression hardly affects the performance, suggesting that the presence of protrusions greatly improves the performance.
  • the check valve device according to the present embodiment is easy to manufacture by the same manufacturing method and material structure as the conventional one, has a smaller back flow rate than the conventional check valve device, and reverses the accurate rectifying effect.
  • a valve stop device is provided. That is, when a back flow that closes the sphere valve occurs, the flow of pushing the sphere valve by the upper surface having the protrusion increases, so that it is possible to provide a micro check valve device that has a small back flow rate and little operation variation for each chip.
  • the micro check valve device In order to reduce the dead volume of the liquid remaining in the check valve device, it is desirable that the micro check valve device has a fine structure and a small gap, and can be used in a small external device. Therefore, it is desirable to operate automatically according to the flow direction without requiring a power source outside the chip.
  • a check valve device having a cylindrical channel, a tapered portion in the middle of the channel, and a sphere fitted in the tapered portion. That is, when a sphere serving as a valve body is fitted into the taper portion, the valve closes to stop the flow, and when it floats from the taper portion, the valve opens to allow the flow to pass.
  • Patent Document 1 Since the opening and closing of the valve is determined by the direction of the flow, this function realizes the function of stopping the backflow. So far, Patent Document 1 has proposed a structure of a micro check valve suitable for mounting in a card-like chip. Non-Patent Document 1 reports a prototype example of a micro check valve.
  • Non-Patent Document 2 summarizes their efforts.
  • Four examples of non-patent document 1 check valves with a sphere floating from a taper have been reported. However, since the operating flow rate is mL / min and the reverse flow rate is in the order of mL, the ⁇ -TAS chip is used. Application to is not suitable.
  • As another type of check valve a method has been proposed in which a part of a fin-like valve body is fixed to a valve seat. However, the force that blocks the flow path by the elastic force of the fixing part to the valve seat is proposed. However, liquid leakage is unlikely to occur, but it requires a pressure difference to bend the elastic body and open the valve, and high alignment accuracy is required to sufficiently reduce dead volume. Only high-cost technology such as Si-MEMS is available.
  • the flow is viscous in the micro flow path, and the movement of the valve body is basically the Hagen-Poiseuille of the Navier-Stokes equation.
  • the flow around the valve body causes the valve body to move closer to or away from the taper part, and until the valve body reaches the taper part and blocks the flow.
  • Backflow occurs.
  • the range of practical dimensions is roughly limited.
  • the thickness of the tip is preferably about 1 mm to several mm, in order to reduce the installation volume of the check valve device and fit it in the size of the tip, a flow path connected to the check valve device is not provided.
  • Patent Document 1 a configuration is adopted in which the connection is made along the in-plane direction of the substrate constituting the chip, that is, laterally.
  • the micro check valve disclosed in Patent Document 1 the flow path is connected perpendicularly to the taper portion. For this reason, the number of substrates and adhesive layers constituting the flow path increases one by one.
  • a micro check valve that uses a sphere as a valve body is well known as a check valve. Actually, the backflow could not be prevented and sufficient performance could not be demonstrated so far.
  • Non-Patent Document 1 a flow rate of the order of mL / min is required for operation while the basic structure is successfully processed, and the reverse flow rate is also in the order of mL.
  • the function as a check valve is remarkably deteriorated, which indicates that it is not suitable for a liquid feeding operation on the order of ⁇ L. Therefore, although it is easy to manufacture with a space-saving and simple structure and can be manufactured in a size suitable for use in a disposable small ⁇ -TAS chip, the conventional check valve is suitable for use in a ⁇ -TAS device. There wasn't.
  • Patent Document 1 by making the flow of fluid around the valve body linear, such as making the flow path with the taper longer than the size of the valve body, the flow that brings the valve body closer to the taper It can be produced reliably.
  • the volume of the surrounding flow path with respect to the valve body increases, the amount of liquid remaining in the check valve, that is, the dead volume increases, and the characteristics of ⁇ -TAS that can be analyzed in a small amount are impaired.
  • the moving distance of the valve body increases and the reverse flow rate increases.
  • the tip becomes thick and it is difficult to reduce the size.
  • the valve body is made smaller and accommodated in a linear flow, it is difficult to manufacture the small valve body and dispose it on the substrate, which increases the processing cost.
  • the space is formed by fixing a lid (for example, the first substrate 101a) to a substrate (for example, the second substrate 101b) having a groove formed on the surface thereof. , Having a microchannel, and a chamber (for example, chamber 10) is formed in the channel.
  • One channel for example, the micro discharge channel 102 and the micro introduction channel 103 is connected to each of a part of the side surface and the bottom surface of the chamber.
  • a channel on the bottom side of the chamber (for example, the micro introduction channel 103) is connected to an external channel by a through hole formed on the bottom surface of the chamber, and the through hole has a tapered portion (for example, a taper) that narrows toward the bottom surface.
  • a spherical valve body (for example, spherical valve 200) is located at the tapered part, and has a protruding structure (for example, protrusion 11) formed on the chamber side surface of the lid.
  • a micro check valve device (for example, the micro check valve device 100) is provided in which the protruding structure is disposed, for example, in the vicinity of the center line of the through hole.
  • the flow of the fluid that pushes the valve body after the valve body floats in the chamber and the valve opens due to the flow of the fluid that pushes the valve body from the through hole (for example, the micro introduction channel 103).
  • the fluid flow in the chamber is reversed and the valve closes.
  • the viscous fluid around the projecting structure pushes the valve body toward the through hole and causes the taper portion to approach, and the effect that the valve body quickly approaches the taper portion is obtained.
  • the problem of a large amount of backflow occurring before the valve is closed is solved, and the manufacture of a micro check valve device with a low backflow rate is facilitated.
  • the micro check valve device according to the first aspect, wherein the protrusion is formed on a surface of a recess formed in the lid.
  • the protrusion protrudes from the chamber side surface of the lid by 30 ⁇ m or more, and when the valve body is located at the taper portion, the surface of the protrusion and the valve
  • the distance of the body is in the range of 50 ⁇ m to 300 ⁇ m, and the width of the flat part of the top of the protrusion is such that the width facing the valve body is equal to or less than the diameter of the valve body
  • the distance between the surface of the protrusion and the valve body in the range of 50 ⁇ m to 300 ⁇ m, the flow rate of the backflow to the tapered portion is reduced and the viscous resistance is increased, so that the whole is directed toward the through hole. Since the pushing action is relatively large, the effect that the valve body quickly approaches the tapered portion is obtained, and the valve body does not rise greatly.
  • the width of the flat portion of the projection top is equal to or less than the diameter of the valve body, the action of pushing the valve body toward the through hole is increased. Therefore, the valve body floating in the chamber quickly returns to the taper when the valve is closed, and the problem that a large amount of backflow occurs before the valve is closed is solved.
  • the device can be manufactured easily.
  • the spherical valve 200 is applied to the spherical valve 200 as a force that moves in a direction to return to the position where the spherical valve 200 is in contact with the tapered portion 10a. For this reason, the spherical valve 200 can quickly return to the position in contact with the tapered portion 10a, and the liquid discharged from the chamber 10 to the micro discharge channel 102 by the spherical valve 200 is prevented from flowing back into the chamber 10. it can.
  • the micro check valve device for example, as a check valve device configured in a card-like micro flow path, automatically operates according to the flow direction with a small dead volume, and has a low reverse flow rate.
  • a stop valve device can be provided.
  • the micro check valve device according to the present disclosure is arranged before and after the flow generated in the diaphragm type chamber, the flow can be rectified to produce an accurate continuous liquid feed pump with a low reverse flow rate and an accurate flow rate. It can be used as a component of a ⁇ -TAS device.

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Abstract

マイクロ流路デバイスと接続されるマイクロ逆止弁装置（１００）であって、基板（１０１）と、前記基板の内部に位置し、突起（１１）を有する上面と、下部に位置するテーパー部（１０ａ）とを有するチャンバー（１０）と、前記チャンバーの側面に接続されるマイクロ排出流路（１０２）と、前記チャンバーのテーパー部に接続されるマイクロ導入流路（１０３）と、前記テーパー部に位置する球体バルブ（２００）とを備える。

Description

マイクロ逆止弁装置
　本発明は、マイクロ流路デバイスと接続されるマイクロ逆止弁装置に関する。
　検体又は薬液を含む数μＬ程度の微小溶液を操作し、正確な送液操作を自動処理して分析を行う、μ－ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ－ｔｏｔａｌ－ａｎａｌｙｓｉｓ－ｓｉｓｔｅｍ）と呼ばれるマイクロ流路デバイスがある。
　マイクロ流路デバイスに含まれるカード状のチップ（厚みが数ｍｍ、縦が数ｃｍ、横が数ｃｍ）は、０．１ｍｍの幅、かつ０．１ｍｍの深さを有する微細な流路のネットワークを備えている。カード状のチップにおいて、少量の液体サンプルを微細な流路に流通させて、液体サンプルの分析処理がされる。
　この分析処理に要する液量は、１０μＬオーダー程度である。生体サンプル及び薬液の混合、ターゲットの抽出、及びマーカー分子の検出を含む化学処理と、医療診断などの分析処理とが、マイクロ流路デバイスのチップ内のみで行われる。全ての分析工程がチップ内で完結するため、チップを使い捨てにすることができ、生体物質の流出による汚染の心配が低減し、簡易な診断装置としての取り扱いに便利である。
　正確な微少量の送液操作を自動処理するためのマイクロ流路デバイスは、重要な部品の一つとして、マイクロ逆止弁と接続される。
　非特許文献１には、テーパーに球体を有する逆止弁が開示されている。また、非特許文献２には、様々なマイクロ逆止弁が開示されている。しかし、いずれも動作流速がｍＬ／分であり、逆流量がｍＬのオーダーで生じるため、μ－ＴＡＳチップへの応用は適さない。
米国特許第４９１１６１６号明細書
Ｃｈｒｉｓｔｏｐｈｅ　Ｙａｍａｈａｔａ，　Ｆｒ'ｅｄ'ｅｒｉｃ　Ｌａｃｈａｒｍｅ，　Ｙｖｅｓ　Ｂｕｒｒｉ，Ｍａｒｔｉｎ　Ａ．Ｍ．　Ｇｉｊｓ著「Ａ　ｂａｌｌ　ｖａｌｖｅ　ｍｉｃｒｏｐｕｍｐ　ｉｎ　ｇｌａｓｓ　ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ　ｂｙ　ｐｏｗｄｅｒ　ｂｌａｓｔｉｎｇ」、　Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　Ｂ、　１１０巻、出版、　２００５年２月１１日　（Ｐ１－Ｐ７） Ｋｗａｎｇ　Ｗ　Ｏｈ、Ｃｈｏｎｇ　Ｈ　Ａｈｎ著「Ａ　ｒｅｖｉｅｗ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｖａｌｖｅｓ」、　ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＭＩＣＲＯＭＥＣＨＡＮＩＣＳ　ＡＮＤ　ＭＩＣＲＯＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ、　１６巻、　ＩＮＳＴＩＴＵＴＥ　ＯＦ　ＰＨＹＳＩＣＳ　ＰＵＢＬＩＳＨＩＮＧ出版、　２００６年３月２４日　（Ｐ１３－Ｐ３９）
　本発明は、浮遊する弁体が流路を塞ぐことによって動作するマイクロ逆止弁装置において、逆流量が少なく、チップごとの動作ばらつきの少ないマイクロ逆止弁装置を提供することを目的とする。
　本開示の一態様による逆止弁装置は、マイクロ流路デバイスと接続されるマイクロ逆止弁装置であって、
　基板と、
　前記基板の内部に位置し、突起を有する上面と、下部に位置するテーパー部とを有するチャンバーと、
　前記チャンバーの側面に接続されるマイクロ排出流路と、
　前記チャンバーの前記テーパー部の底部に開口を介して接続されるマイクロ導入流路と、
　前記チャンバー内で上下動して前記テーパー部に接離することにより前記マイクロ導入流路の前記開口を開閉可能である球体バルブとを備える。
　本開示の前記態様のマイクロ逆止弁装置によれば、球体バルブが閉じる逆流が生じたときに、突起を有する上面によって球体バルブを押す流れが大きくなることで、逆流量が少なく、チップごとの動作ばらつきの少ないマイクロ逆止弁装置を提供できる。
実施の形態１に係るマイクロ逆止弁装置の第１の基板の下面図。 実施の形態１に係るマイクロ逆止弁装置の縦断面図。 実施の形態１に係るマイクロ逆止弁装置の第２の基板の上面図。 参考例に係るマイクロ逆止弁装置の第１の基板の下面図。 参考例に係るマイクロ逆止弁装置の縦断面図。 参考例に係るマイクロ逆止弁装置の第２の基板の上面図。 本実施形態のマイクロ逆止弁装置の動作を示す縦断面説明図。 本実施形態のマイクロ逆止弁装置の動作を示す縦断面説明図。 本実施形態のマイクロ逆止弁装置の動作を示す縦断面説明図。 本実施形態のマイクロ逆止弁装置の動作を示す縦断面説明図。 実施の形態１に係るマイクロ逆止弁装置の第１の基板の下面図。 実施の形態１に係るマイクロ逆止弁装置の縦断面図。 実施の形態１に係るマイクロ逆止弁装置の第２の基板の上面図。 測定システムを示す図。 測定用チャンバーの上面図。 測定用チャンバーの上面図。 測定用チャンバーの断面図。 測定用チャンバーの断面図。 チップに形成したポンプを下面から撮影した様子を示す図。 チップに形成したポンプを下面から撮影した様子を示す図。 実施例の実験結果を示す図。 パラメータ設計の実験結果の要因効果を示す図。
　（実施の形態１）
　以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
　図１Ａ～図１Ｃは、実施の形態１におけるマイクロ逆止弁装置１００を示す。マイクロ逆止弁装置１００は、基板１０１と、マイクロ導入流路１０３と、マイクロ排出流路１０２と、チャンバー１０と、球体バルブ２００とを備える。
　マイクロ逆止弁装置１００とは、マイクロ流路デバイスと接続されて用いられる逆止弁装置を意味する。
　（基板１０１）
　マイクロ導入流路１０３と、マイクロ排出流路１０２と、チャンバー１０と、球体バルブ２００とは、基板１０１の内部に位置する。
　基板１０１は、複数の基板を含んでも良い。例えば、基板１０１は、第１の基板１０１ａと、第２の基板１０１ｂと、第３の基板１０１ｃとを含む。図１Ａは、マイクロ逆止弁装置１００における第１の基板１０１ａの下面図を示す。図１Ａに示す第１の基板１０１ａは、後述する第２の流路１０２ｂと、チャンバー１０の一部とを有する。
　図１Ｂは、図１Ａの切断線Ａ－Ａで切断されたマイクロ逆止弁装置１００の断面図を示す。図１Ｂに示すように、第１の基板１０１ａと、第２の基板１０１ｂと、第３の基板１０１ｃとは、上から下に順に位置する。第２の基板１０１ｂは、第５の流路１０２ａと、第４の流路１０２ｂと、チャンバー１０の一部と、球体バルブ２００と、第２の流路１０３ａと、第１の流路１０３ｂとを有する。図１Ｃは、マイクロ逆止弁装置１００における第２の基板１０１ｂの上面図を示す。
　（マイクロ導入流路１０３及びマイクロ排出流路１０２）
　図１Ｂに示すように、マイクロ排出流路１０２は、チャンバー１０の側面と接続される。マイクロ導入流路１０３は、チャンバー１０の底面と接続される。マイクロ導入流路１０３からチャンバー１０に図１Ｂにおいて上向きに導入される液体は、マイクロ導入流路１０３、チャンバー１０、及びマイクロ排出流路１０２を通過して、逆止弁装置１００から排出される。
　図１Ａ～図１Ｃに示すように、マイクロ排出流路１０２の一例は、基板１０１の面内方向を流れる第５の流路１０２ａと、第５の流路１０２ａと接続され、基板１０１の面直方向を流れる第４の流路１０２ｂと、第４の流路１０２ｂと接続され、基板１０１の面内方向を流れる第３の流路１０２ｃとを含む。図１Ｂに示すように、第３の流路１０２ｃは、チャンバー１０の側面と接続される。マイクロ排出流路１０２としては、チャンバー１０から排出される液体は、第３の流路１０２ｃと第４の流路１０２ｂと第５の流路１０２ａとの順に通って排出される。
　図１Ａ～図１Ｃに示すマイクロ導入流路１０３は、チャンバー１０の底面と接続され、基板１０１の面直方向を流れる第２の流路１０３ａと、第２の流路１０３ａと接続され、基板１０１の面内方向を流れる第１の流路１０３ｂとを含む。マイクロ導入流路１０３としては、チャンバー１０に導入される液体は、第１の流路１０３ｂと第２の流路１０３ａとの順に通って導入される。
　例えば、マイクロ導入流路１０３の幅及びマイクロ排出流路１０２の幅は、それぞれ、例えば、１０μｍ以上、１ｍｍ以下である。また、マイクロ導入流路１０３の深さ及びマイクロ排出流路１０２の深さは、それぞれ、例えば、１０μｍ以上、１ｍｍ以下である。
　マイクロ導入流路１０３及びマイクロ排出流路１０２は、基板１０１に形成される流路として機能する凹部に相当する。
　（チャンバー１０）
　チャンバー１０は、基板１０１の内部の壁面で囲まれている。チャンバー１０の内部の空間の各辺は、接続されるマイクロ導入流路１０３及びマイクロ排出流路１０２の幅及び深さよりも大きい。
　チャンバー１０は、マイクロ排出流路１０２と接続される側面と、マイクロ導入流路１０３と接続される底面とを有する。マイクロ導入流路１０３からチャンバー１０に進入した液体は、マイクロ排出流路１０２に向かって流れる。
　チャンバー１０におけるマイクロ導入流路１０３の液体の進行方向に向かって垂直に切断されたチャンバー１０の断面は、チャンバー１０におけるマイクロ導入流路１０３と接続される底部から液体の進行方向に向かって、徐々に大きくなる。チャンバー１０におけるマイクロ導入流路１０３と接続される部分は、テーパー形状を有する。チャンバー１０におけるテーパー形状を有する部分を、テーパー部１０ａとも表記される。
　チャンバー１０は、第１の基板１０１ａであるチャンバー内壁面の上部（の窪み）に、突起１１を有する。突起１１は、下に向かって凸の形状を有する。凸の形状の一例としては、円錐台状の形状である。突起１１は、３０μｍ以上でかつ１００μｍ以下の高さを有する。突起１１の高さは、突起１１の頂点と基板１０１の内壁面の上面（言い換えれば、突起１１の回りの環状の凹部１１１の底面）との間における最も長い距離である。例えば、突起１１の高さは、図１Ｂにおいて、突起１１の頂点より上部にあり、かつ、チャンバー１０の内部の最も高い位置と、突起１１の頂点との間の距離である。
　突起１１は、マイクロ導入流路１０３の上方に位置する。より具体的には、基板１０１の膜厚方向から見たとき、突起１１は、チャンバー１０の底面と接続されるマイクロ導入流路１０３の開口１０３ｅと重なるように位置する。また、基板１０１の膜厚方向から見たとき、突起１１は、後述するテーパー部１０ａに位置する球体バルブ２００と重なるように位置し、かつ球体バルブ２００よりも小さい。一例として、マイクロ導入流路１０３の開口１０３ｅを閉じる位置に位置する球体バルブ２００と突起１１との間の最短距離は、５０μｍ以上３００μｍ以下である。
　なお、突起１１を有することは、チャンバー１０が、突起１１に隣接して、３０μｍ以上の深さを有する凹部１１１を有する上面を有することと同じ意味である。このとき、凹部１１１は、突起１１を囲むように形成されていることが望ましい。
　（球体バルブ２００）
　球体バルブ（Ｓｐｈｅｒｉｃａｌ　ｖａｌｖｅ）２００は、チャンバー１０の内部に位置して、テーパー部１０ａに接離することによりマイクロ導入流路１０３の開口１０３ｅを開閉可能とする。球体バルブ２００は、マイクロ導入流路１０３の幅（開口１０３ｅ）よりも大きい直径を有する。また、球体バルブ２００は、マイクロ導入流路１０３における断面の最も大きな長さを有する辺よりも大きい直径を有する。これにより、球体バルブ２００がチャンバー１０の内部に位置するときに、マイクロ導入流路１０３の開口１０３ｅを塞ぐことができる。
　球体バルブ２００の形状の例は、真球、楕円、円柱、または円錐である。球体バルブ２００は、マイクロ逆止弁装置１００を基板１０１の膜厚方向に切断した切断面において、球形状を有して、テーパー部１０ａに接離可能な形状であれば良い。
　液体がチャンバー１０の内部に進入する前は、球体バルブ２００は、マイクロ導入流路１０３の開口１０３ｅを塞ぐようにチャンバー１０のテーパー部１０ａに接触する位置に位置している。具体的には、球体バルブ２００は、チャンバー１０のテーパー部１０ａに位置することにより、マイクロ導入流路１０３の開口１０３ｅは塞がれる。
　球体バルブ２００としては、例えば、ＳＵＳ、アルミナ、又は、ガラスなどの材料が使用できる。
　チャンバー１０の底面のマイクロ導入流路１０３の開口１０３ｅからチャンバー１０の内部に液体が進入したとき、液体の流れる力により、テーパー部１０ａに接触していた位置から球体バルブ２００がチャンバー１０内で押し上げられる。マイクロ導入流路１０３を塞いでいた球体バルブ２００が押し上げられ、液体はチャンバー１０からマイクロ排出流路１０２に流れる。
　マイクロ導入流路１０３からチャンバー１０に液体が供給されなくなったときに、突起１１により、液体の流れる力の一部が、球体バルブ２００がテーパー部１０ａに接触した位置に戻る向きに移動する力として球体バルブ２００に加わり、球体バルブ２００は、テーパー部１０ａに接触した位置に戻る。その結果、球体バルブ２００は、テーパー部１０ａに接触した位置に早く戻ることできるため、球体バルブ２００によりチャンバー１０からマイクロ排出流路１０２に排出された液体が、チャンバー１０の内部に逆流することを低減できる。
　（逆止弁装置の動作）
　図３Ａ～図３Ｃの部分的な断面図を用いて、本実施形態のマイクロ逆止弁装置１００の動作を具体的に説明する。図３Ａ～図３Ｃに、チャンバー１０の拡大図を示す。図３Ａ～図３Ｃは、液体がチャンバー１０に進入する前から液体がチャンバー１０から排出された後までの状況を時系列で示す。
　図３Ａは、液体がチャンバー１０に導入される前の状況を示す。球体バルブ２００は、チャンバー１０におけるテーパー部１０ａに接して配置されて、マイクロ導入流路１０３の開口１０３ｅを閉じている。図３Ａにおいて、テーパー部１０ａは点線で囲まれている部分を意味する。
　図３Ｂは、マイクロ導入流路１０３を塞でいた球体バルブ２００が押し上げられてチャンバー１０に液体が導入されている状況を示す。マイクロ導入流路１０３の第２の流路１０３ａに導入される液体は、チャンバー１０の底部から球体バルブ２００が押し上げてチャンバー１０内に進入する。図３Ｂに示す矢印３００は、チャンバー１０に進入した液体の流れを示す。チャンバー１０に進入した液体の流れ３００による力が球体バルブ２００に加わり、球体バルブ２００は、テーパー部１０ａから押し上げられて、チャンバー１０の上部に移動する。
　マイクロ導入流路１０３を塞でいた球体バルブ２００の位置が変わった結果、チャンバー１０に進入した液体は、チャンバー１０の側方のマイクロ排出流路１０２に進む。球体バルブ２００は、チャンバー１０の上部に移動し、液体の流れ３００から受ける力が最大となる。球体バルブ２００が上部に移動することによって、チャンバー１０の壁面と球体バルブ２００との間の空間が狭くなる。液体の流れ３００から分かれて、チャンバー１０の壁面と球体バルブ２００との間の空間であって、凹部１１１を含む空間を通過する液体の流れ３０１による力は、慣性力よりも粘性力がより支配的になる。
　図３Ｃは、マイクロ導入流路１０３からチャンバー１０への液体の導入を停止したときの状況を示す。第２の流路１０３ａからチャンバー１０に導入される液体がなくなり、マイクロ排出流路１０２及びチャンバー１０からマイクロ導入流路１０３の第２の流路１０３ａに逆流する液体の流れ３０２のみが存在する。導入する液体の流れ３００により球体バルブ２００に加わる力も無くなり、逆流する液体の流れ３０２により球体バルブ２００に加わる力と、凹部１１１を含むチャンバー１０の壁面と球体バルブ２００との間の液体の流れ３０１により球体バルブ２００に加わる力とだけとなり、球体バルブ２００が下方に移動する。
　チャンバー１０の内部において、液体の流れがなくなった後、図３Ａに示すように、球体バルブ２００は下方に移動してテーパー部１０ａに接触する位置まで戻る。その結果、球体バルブ２００によりマイクロ導入流路１０３の開口１０３ｅが塞がれ、マイクロ排出流路１０２及びチャンバー１０からマイクロ導入流路１０３に逆流しようとした液体はマイクロ導入流路１０３に戻れなくなる。つまり、球体バルブ２００により、液体がチャンバー１０からマイクロ導入流路１０３への逆流を防止できる。
　より具体的に、球体バルブ２００がテーパー部１０ａに接触いる位置まで戻るまでの動作を説明する。図３Ｃに示すように、マイクロ導入流路１０３の第２の流路１０３ａからチャンバー１０に導入される液体がなくなり、かつマイクロ排出流路１０２及びチャンバー１０の内部から球体バルブ２００とテーパー部１０ａとの隙間を通って第２の流路１０３ａに液体が逆流する状態になる。
　このとき、球体バルブ２００は、液体が球体バルブ２００とテーパー部１０ａとの隙間を通って逆流する方向に引き寄せられる力を受ける。この力により、球体バルブ２００は、下方に向けて第２の流路１０３ａに近づくように移動する。すなわち、球体バルブ２００は、テーパー部１０ａに近づく。
　液体の流れに起因する力の大きさは、液体のレイノルズ係数に依存して変化する。レイノルズ係数は、慣性力及び粘性力が変数である。例えば、数ｍｍ以上の長さ又は幅を有する逆止弁装置における液体のレイノルズ係数は慣性力が支配的になるため、レイノルズ係数は大きい。つまり、液体による力が大きいことを意味する。したがって、数ｍｍ以上の長さ又は幅を有する逆止弁装置では、液体の流れにより、バルブを閉じる方向に、大きな力を働く。
　一方、本実施形態のように、マイクロ導入流路１０３、チャンバー１０、及びマイクロ排出流路１０２が所定以上に小さい（例えば、幅及び深さがそれぞれ１０μｍ以上、１ｍｍ以下の）大きさを有する場合、液体の粘性力が支配的になるため、レイノルズ係数は小さい。よって、球体バルブ２００をテーパー部１０ａに近づける力が小さい。よって、球体バルブ２００がテーパー部１０ａに近づくまでの時間が遅くなるため、チャンバー１０からマイクロ導入流路１０３に逆流する液体の量が大きくなる。
　そこで、本実施形態のマイクロ逆止弁装置１００では、突起１１により凹部１１１で液体の流れ３０１を発生させている。液体の流れ３０１により球体バルブ２００をテーパー部１０ａに向かう液体の力を発生させている。図３Ｂに示すように、マイクロ導入流路１０３の第２の流路１０３ａからチャンバー１０に導入する液体の流れ３００がある場合には、液体の流れ３０１による力よりも、液体の流れ３００による力の方が大きく、球体バルブ２００はテーパー部１０ａに戻らず、チャンバー１０の上部に位置する。
　しかし、図３Ｃのように、液体の流れ３００が無くなり、マイクロ排出流路１０２及びチャンバー１０の内部から球体バルブ２００とテーパー部１０ａとの隙間を通ってマイクロ導入流路１０３に逆流する液体の流れ３０２が発生するとき、液体の流れ３０２とともに、突起１１により発生する液体の流れ３０１も球体バルブ２００をテーパー部１０ａに戻す力となり、より速く球体バルブ２００をテーパー部１０ａに戻すことができ、マイクロ排出流路１０２及びチャンバー１０からマイクロ導入流路１０３への液体の逆流を低減できる。
　このように、突起１１を有することにより、図３Ｂ及図３Ｃに示すチャンバー１０の断面図において、液体の流れ３０２とは別に、液体の流れ３０１が突起１１の左右に発生する。これにより、球体バルブ２００の上部に、テーパー部１０ａに向かう力をより均等に加えることができる。
　（突起を有さないマイクロ逆止弁装置による動作）
　比較のため、図３Ｄを用いて、図２Ａ～図２Ｃに示す突起を有さないマイクロ逆止弁装置９１による動作を説明する。図２Ａ～図２Ｃに示す突起を有さないマイクロ逆止弁装置９１は、図１Ａ～図１Ｃに示す本実施形態のマイクロ逆止弁装置１００と、突起１１を有しない以外は、同様の構成を有する。図２Ａは、突起を有さないマイクロ逆止弁装置９１の第１の基板１０１ａの上面図を示す。図２Ｂは、図２Ａの切断線Ｂ－Ｂにおける縦断面図である。図２Ｃは、突起を有さないマイクロ逆止弁装置９１における第２の基板１０１ｂの上面図を示す。
　具体的には、突起を有さないマイクロ逆止弁装置９１は、図２Ｂに示すように、チャンバー１０の内壁面は、突起１１を有さず、上向きに突状の平面である。
　図３Ｄは、図３Ｃと同様の状態を示す。図３Ｃのマイクロ逆止弁装置１００は、突起１１により発生する液体の流れ３０１が、図３Ｄの突起を有さないマイクロ逆止弁装置９１では発生しない。このため、突起を有さないマイクロ逆止弁装置９１は、液体の流れ３０１による球体バルブ２００をテーパー部１０ａに戻す力がない。突起を有さないマイクロ逆止弁装置９１は、マイクロ逆止弁装置１００と比較して、球体バルブ２００がテーパー部１０ａに戻るまでの時間が遅くなり、マイクロ排出流路１０２及びチャンバー１０からマイクロ導入流路１０３に逆流する液体の量が大きくなる。
　（実験例）
　実験例は本発明の前記実施の形態をより詳細に説明する。本発明者らは、突起１１及びマイクロ逆止弁装置１００の性能の間の関係を明らかにするために以下の実験を行った。
　（実施例１）
　図４Ａ～図４Ｃに示す実施例１によるマイクロ逆止弁装置１００が製造された。図４Ａ～図４Ｃのそれぞれは、図１Ａ～図１Ｃに対応する。図４Ａ～図４Ｃに示すマイクロ逆止弁装置１００における第２の基板１０１ｂは、２つの基板１０１ｂ－１，１０１ｂ－２で構成された。図４Ａは、実施例１によるマイクロ逆止弁装置１００の第１の基板１０１ａの上面図である。図４Ｂは、図４Ａの切断線Ｃ－Ｃの縦断面図である。図４Ｃは、第１の基板１０１ａを除くマイクロ逆止弁装置１００の上面図である。
　また、第１の基板１０１ａ及び第２の基板１０１ｂの間に第１の接着層４０１と、複数の第２の基板１０１ｂ－１，１０１ｂ－２の間に第２の接着層４０２と、第２の基板１０１ｂ及び第３の基板１０１ｃの間に第３の接着層４０３とを有すること以外は、図１Ａ～図１Ｃに記載のマイクロ逆止弁装置１００と同じであった。なお、第１の接着層４０１、第２の接着層４０２、及び第３の接着層４０３を有することは、マイクロ逆止弁装置１００の性能に影響しない。
　基板１０１の材料は、ポリジメチルシロキサンであった。チャンバー１０のテーパー部１０ａの形状はフラットであった。球体バルブ２００の材料は、ガラスであった。ガラスの比重は２．５であった。
　（マイクロ逆止弁装置１００の性能の測定）
　図５に示す測定システムにより、マイクロ逆止弁装置１００の性能を測定した。図５は測定システムを概念的に示す。図５に示す測定システムは、試験液を導入する液だめ２２０と、ダイアフラムポンプを有する測定用チャンバー２１８と、複数のマイクロ逆止弁装置１００（１００ａ及び１００ｂ）と、測定用流路２２１と、連結流路２１９とを備える。
　液だめ２２０、マイクロ逆止弁装置１００ａ、測定用チャンバー２１８、マイクロ逆止弁装置１００ｂ、及び測定用流路２２１は、この順に、連結流路２１９により接続されている。図５に示す矢印の方向に（液だめ２２０、マイクロ逆止弁装置１００ａ、測定用チャンバー２１８、マイクロ逆止弁装置１００ｂ、及び測定用流路２２１の順番）、液体が輸送される。マイクロ逆止弁装置１００ａ、測定用チャンバー２１８、およびマイクロ逆止弁装置１００ｂをダイアフラム式のポンプ２３０として機能させることにより、マイクロ逆止弁装置１００の性能を測定した。
　測定用チャンバー２１８の入口はマイクロ逆止弁装置１００ａに接続され、測定用チャンバー２１８の出口はマイクロ逆止弁装置１００ｂに接続されていた。
　測定用チャンバー２１８のダイアフラムを引くことにより、内部に負圧を発生され、マイクロ逆止弁装置１００ａの第５の流路１０２ａから連結流路２１９の液体が測定用チャンバー２１８に吸引された。この結果、マイクロ逆止弁装置１００ａの上流側では、連結流路２１９からマイクロ逆止弁装置１００ａの第１の流路１０３ｂを介してマイクロ逆止弁装置１００ａ内に液体が導入され、導入された液体が、マイクロ逆止弁装置１００ａの下流側で、マイクロ逆止弁装置１００ａの第５の流路１０２ａから連結流路２１９に送られる。測定用チャンバー２１８のダイアフラムを押し込むことにより、マイクロ逆止弁装置１００ｂでは、連結流路２１９からマイクロ逆止弁装置１００ｂの第１の流路１０３ｂを介してマイクロ逆止弁装置１００ｂ内に液体が導入され、導入された液体が、マイクロ逆止弁装置１００ｂの下流側で、マイクロ逆止弁装置１００ｂの第５の流路１０２ａから連結流路２１９に液体が排出された。マイクロ逆止弁装置１００ｂの第５の流路１０２ａから排出された液体は、連結流路２１９を介して測定用流路２２１に到達する。測定用流路２２１に到達した液体の流量が測定された。
　（比較例）
　比較例による逆止弁装置９１は、突起１１を有さないこと以外は、実施例のマイクロ逆止弁装置１００と同様に作製された。比較例による逆止弁装置９１は、図２Ａ～図２Ｃに示す逆止弁装置９１と同様である。比較例による逆止弁装置９１での図５に示す測定システムでの測定方法は、チャンバー１０が突起を有さないこと以外は、実施例による逆止弁装置１００と同様であった。
　（ポンプの作製方法）
　ポンプを構成するためのチャンバーおよび液だめについても、共通の基板に一体化して設計し、バルブと同じ工法で、同時に作製した。
　（ポンプ）
　図６Ａ～図６Ｃにポンプの具体的な構成の一例を示す。測定用チャンバー２１８（図５参照）は、基板層２と、ダイアフラム層１と、天板層３と、ダイアフラム層１及び基板層２とで囲まれるポンプ室４とを備える。基板層２と、ダイアフラム層１と、天板層３とは、下から上に向かって、この順に位置していた。基板層２及びダイアフラム層１の間、ダイアフラム層１及び天板層３の間は、接着層６で固定された。
　図６Ａは、測定用チャンバー２１８の上面図である。天板層３は、天板３１と、ばね３３と、フレーム３２とを有する。天板３１及びフレーム３２はばね３３により接続される。
　天板層３は、基板を切削もしくは射出成型することにより、作製された。天板３１が、ばね３３によって３点で支持されていた。
　図６Ｂは、測定用チャンバー２１８から、天板層３を取り除いた上面図である。ダイアフラム層１は、基板を射出成型により作製された。
　図６Ｃは、図１における切断線Ｄ－Ｄにおける断面図である。ダイアフラム層１は、固定部１２と、ポンプ層１３と、変形部１１０とを有する。図６Ｃは、図１における切断線Ｅ－Ｅにおける断面図である。基板層２は、導入流路２１と、排出流路２２とを有する。導入流路２１を介してポンプ室４に液体が導入される。排出流路２２を介してポンプ室４から液体が排出される。
　天板３１に下向きの力が加わることによって、変形部１１０が変形し、ポンプ層１３が基板層２に向かって移動し、ポンプ室４の空間がなくなる。また、ばね３３により天板３１が上に向きの力が加わることによって、変形部１１０が変形し、ポンプ層１３が上に移動することによって、ポンプ室４の空間が増える（図６Ｃの状態に戻る）。このようにして、測定用チャンバー２１８はポンプとして機能した。
　（バルブ）
　次に、バルブの加工について説明をする。バルブを構成する各層は、全て、ポンプを構成する各層と同一であり、ポンプの加工と同時に形成した。また、弁体は直径０．５ｍｍのステンレス球を使用した。
　図７Ａ及び図７Ｂに、チップに形成したポンプを下面から撮影した様子を示す。濃い色は、流路に導入された液体である。この液体は、生体分析をするときの試験液を模した、両親媒性ポリマーのシグマ－アルドリッチ社から購入したプルロニックＦ１２７および色素を添加した水溶液である。
　図７Ａは、ポンプ室（チャンバー）４に液体が導入されている状態を示す。また、図７Ｂは、天板３１を押し、ポンプ室（チャンバー）４がなくなり、ポンプ室（チャンバー）４内の液体が全て排除された状態を示す。
　液体をチャンバー４に導入する動きと、排出する動きとを繰り返すことをストローク動作と呼ぶ。逆止弁装置が逆流無く完全に動作する場合、理想的には１ストロークあたり０．３２μＬの液体が送液される。ストロークの速度は、押し棒を押すまたは引く速度に依存し、それぞれ約０．５秒にした。１ストロークあたりの送液量を、カメラで流路中の液体の動きを撮影した映像から見積もることで、逆止弁装置の性能を評価した。実験に使用したポンプは、本発明の前記実施例にかかる逆止弁装置により構成したポンプと、浅い従来の逆止弁装置により構成したポンプと、深い従来の逆止弁装置により構成したポンプの
３通り作製し、各ポンプについて同一のポンプを４個ずつ作製した。それら全てのポンプについて、５ストローク分の送液量を測定し、１ストロークあたりの送液量を求めた。
　上記実験の結果、ストロークあたりの送液量は、実施例による逆止弁装置により構成したポンプが０．２９±０．０１μＬであり、設計値との誤差が１０％以内であったのに対し、浅い従来の逆止弁装置により構成したポンプは０．０７±０．０５μＬであり、また、深い従来の逆止弁装置により構成したポンプは０．１４±０．０４μＬであった。
　この実験結果から明らかなように、実施例による逆止弁装置は、従来の逆流量が大きく１ストロークあたりの送液量が不安定な逆止弁装置と比べて、送液量が正確で、少ない逆流量で動作する。
　また、比較例による逆止弁装置では、浅い溝を有する逆止弁装置で構成したポンプのほうが、深い溝を有する比較例による逆止弁装置で構成したポンプよりも性能が低くなっていた。これは、溝が浅いほうが、球体バルブが浮遊したときの空間が狭いため、粘性流の効果が大きく働く。その結果、液体が流れているときでも球体バルブが動く量が小さくなり、球体バルブが初期の位置に戻りやすいためである。
　ただし、これら両方の比較例による逆止弁装置よりも、実施例による逆止弁装置は、逆流量がさらに小さくなっていた。
　以上、本発明の実施例は、正確な整流効果が得られる逆止弁装置として利用できる他、ポンプの部品として構成しても、正確な送液量のポンプを提供することができる。
　（その他の実験例）
　以下に、マイクロ逆止弁装置を創作するにあたり、事前に最適な形状の検討を、パラメータ設計の手法により行った結果を示す。
　表１に、制御因子と水準とを示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 　制御因子として、弁体の種類（比重）、テーパー部の形状、空間の窪み形状（突起の周りの窪み又は凹部）の３因子を用いた。また、水準１，２，３として、弁体の種類（比重）については、ガラス（２．５）、ステンレス、すなわち、ＳＵＳ（７．８）、アルミナ（３．９）を用いた。弁体としての各球の直径は０．５ｍｍである。
　また、テーパー部の形状は、図４Ｂの断面Ａ－Ａのテーパーについて、水準１，２，３として、直線（フラット）、半径０．５ｍｍの湾曲、半径１ｍｍの湾曲である。
　また、基板１０１のチャンバー１０に形成した窪みの形状（天井）は、水準１，２，３として、上記実施例で試作した３形態、すなわち本発明の実施例の形状（突起）、浅い従来例の形状（深さ０．１ｍｍ）、深い従来例の形状（深さ０．２ｍｍ）である。
　表２にノイズ因子を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
 　優位に動作する条件として水準１（Ｎ１）と、劣位に動作する条件として水準２（Ｎ２）とを設定した。シグマ－アルドリッチ社から購入した両親媒性ポリマー、プルロニックＦ１２７の有無と、ストロークの速度を用いた。両親媒性ポリマーは、通常、濡れ性が向上し、気泡などの壁面付着物を防止し、流体の効果を確実に得易くする。
　ただし、本実験では、気泡の残留は、どの実験でもあまり影響無い様であったので、この因子の影響はあまり大きくないかもしれない。また、ストロークの速度は、小さいほど、μ流路に特有な粘性抵抗が大きくなる。
　左記２因子を用いて、水準１（Ｎ１）は、優位に動作する条件として、ストローク約０．５秒、プルロニックを含む水溶液である。
　ちなみに、水準１（Ｎ１）は、当社の標準的な動作条件であり、流速は約３８μＬ／分である。また、水準２（Ｎ２）は、逆止弁装置の動作に不利な条件であり、プルロニックを含まず、また、流速を約５μＬ／分程度に遅くした。
　本実験では、直交表Ｌ9（３4）に因子を割り振り、因子列の４列目を、ダミー因子とした。表３に、直交表を示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000003
 　Ｌ9（３4）の９通りの素子を各々６個ずつ、合計５４素子作製し、ノイズ因子Ｎ１を３点、Ｎ２を３点ずつ評価するよう設計した。ただし、試作において、基板１０１を構成するＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）の射出成型時に、加工不良により貫通孔１０３ａに繋がる穴が貫通せず、薄い皮膜で塞がっている素子が含まれてしまったため、実際にポンプの送液試験を行えた素子数は、２６素子であった。薄い皮膜の有無は、実験後にチップを分解して、顕微鏡で視認して選別した。
　図８に、全２６素子の実験結果を示す。素子ＮＯ．１のＮ２は、全て試作不良で試験できなかったため、欠測値として、推定処理を行った。すなわち、欠測値を除いた実験値のＳＮ比の平均値を、欠測値のＳＮ比として、さらに分散分析から欠測値の推定をし、結束値の仮の値とし、次に仮の値の結束値を含むＳＮ比を求め、さらに分散分析から欠測値の推定を行う作業を繰り返す逐次近似法によって、推定値を収束させた。
　図９に、実験結果の分散分析から得られた望大特性の要因効果図を示す。強度変化が大きい因子ほど、効果に対する影響が大きい因子である。また、割付なしの因子はダミー因子であり、実験の誤差の大きさを示している。すなわち、実験結果は、ダミー因子の分布程度の誤差を含んでいる。この誤差を踏まえた上でも、テーパー部の形状はほとんど逆止弁装置の性能に影響しないということが明らかである。また、弁体は、単純に重いほうがテーパー部に落ちる時間が短く、弁が早く閉じる結果を示している。一方、天井の窪みの形状については、窪みの深さの違いは性能にほとんど影響せず、突起が有ることで、性能が大きく向上することを、示唆している。
　以上、本実施の形態における逆止弁装置は、従来と同様の製造法と材料の構成によって製造が容易で、かつ、従来の逆止弁装置よりも逆流量が少なく、正確な整流効果の逆止弁装置を提供する。すなわち、球体バルブが閉じる逆流が生じたときに、突起を有する上面によって球体バルブを押す流れが大きくなることで、 逆流量が少なく、チップごとの動作ばらつきの少ないマイクロ逆止弁装置を提供できる。
　（本開示の基礎となる知見）
　マイクロ逆止弁装置は、逆止弁装置中に残留する液体のデッドボリュームを削減するために、寸法が微細かつ隙間の少ない構造であることが望ましく、さらに、小型の外部装置で利用可能とするために、チップ外部の動力源を必要とせず、流れの方向に従い自動的に動作することが望ましい。そのための構成として、円柱状の流路があり、さらに流路の途中にテーパー部があり、かつそのテーパー部に球体がはまっている構造の逆止弁装置が、良く知られている。すなわち、弁体となる球体が、テーパー部に嵌ると弁が閉じて流れを止め、また、テーパー部から浮くと弁が開いて流れを通すよう動作する。弁の開け閉めは、流れの方向で決まるので、この動作により、逆流を止める機能を実現する。これまでに、特許文献１に、カード状のチップ内への実装に適したマイクロ逆止弁の構造が提案されている。また、非特許文献１に、マイクロ逆止弁の試作例が報告されている。
　これまでに、様々なマイクロ逆止弁が提案され、試作されており、非特許文献２には、その取り組みがまとめられている。非特許文献１を含むテーパーから球体が浮く方式の逆止弁は４例報告されているが、いずれも動作流速がｍＬ／分であり、逆流量がｍＬのオーダーで生じるため、μ－ＴＡＳチップへの応用は適さない。また、別方式の逆止弁として、ひれ状の弁体の一部が弁座に固定されている方式が提案されているが、弁座への固定部の弾性力で流路を塞ぐ力を担保しているために液漏れは生じにくいが、弾性体を曲げて弁を開くための圧力差が必要であることと、デッドボリュームを十分削減するためには位置合わせの高い加工精度を要し、Ｓｉ－ＭＥＭＳなどの高コストな技術しか製法が無い。
　テーパー部から球体が浮遊して動作する方式の逆止弁について、マイクロ流路においては流れが粘性的であり、弁体の動きは、最も基本的には、ナビエ・ストークス方程式のハーゲン・ポアズイユの式に従う流体中に置かれた物体の挙動に従い、弁体周囲に生じる流れによって弁体がテーパー部に近接したり、離れたりし、弁体がテーパー部に到達して流れを塞ぐまでの間に、逆流が生じる。逆流量が小さいほど、整流作用が大きくなるので、逆止弁としてよく機能する。
　産業上の製造容易性を考慮した場合の、実用的な寸法の範囲はおおよそ限定される。弁体となる球体は小さいほど望ましいが、入手または製造容易な寸法は、直径Φ０．５ｍｍ～１ｍｍ程度であり、逆止弁装置はこの弁体を収容できる大きさかつデッドボリュームが少なくなるよう、設計される。また、チップの厚みは１ｍｍ～数ｍｍ前後が望ましいことから、逆止弁装置の設置体積を小さくしてチップ内の寸法に収めるためには、逆止弁装置に接続される流路を、非特許文献１のようにチップを構成する基板の面内方向に沿って、すなわち横向きに接続する構成を取る。一方、特許文献１のマイクロ逆止弁では、流路をテーパー部に対し垂直に接続しているが、そのために流路を構成する基板および接着層の数が、１枚ずつ増えてしまう。
　また、コストが高くなり製造に適さないこともあり、実際の試作例が報告されていない。
　しかしながら、球体を弁体とするマイクロ逆止弁は、逆止弁の形態としては良く知られているにもかかわらず、単に従来の設計から、寸法を小さくすることでマイクロ逆止弁として試作すると、実際には逆流を防止できず、これまで十分な性能を発揮することができなかった。
　例えば非特許文献１では、基本的な構造の加工に成功していながらも、動作させるためにはｍＬ／分オーダーの流速が必要であり、逆流量もｍＬオーダーになってしまう。これは、水のような流体であっても、マイクロ流路中を流れる場合は、粘性的になり、流速を大きくすることで粘性流の影響を弱めないと弁体が十分な速度で移動せず、逆止弁としての機能が著しく低下してしまい、μＬオーダーの送液操作に適さないことを示している。よって、省スペースで単純な構造で製造し易く、使い捨ての小型μ－ＴＡＳチップへの利用に適する寸法で製造可能にもかかわらず、従来の逆止弁は、μ－ＴＡＳ装置への利用に適さなかった。
　また、特許文献１のように、テーパーの付いた流路を弁体の大きさよりも長くするなど、弁体周囲の流体の流れを直線的にすることで、弁体をテーパーに近接させる流れを確実に生み出すことができる。しかしながら、弁体に対して周囲の流路体積が大きくなってしまい、逆止弁に残留する液体の量、すなわちデッドボリュームが大きくなり、少量で分析ができるμ－ＴＡＳの特徴が損なわれてしまう。さらに前述の通り、弁体の移動距離が大きくなり、逆流量が増大してしまう。さらに、流路を直線状に配置した逆止弁を形成する必要があるためチップが厚くなってしまい、小型化しにくくなってしまう。また、逆に弁体を小さくして直線上の流れの中に収める場合、小さな弁体の製造および基板への配置が難しくなり、加工コストが増大してしまう。
　（本開示のその他の態様の例示）
　本開示の第１の態様によれば、表面に溝が形成された基板（例えば第２の基板１０１ｂ）に、蓋（例えば第１の基板１０１ａ）が固定されることにより形成される空間からなる、マイクロ流路を有し、流路中にチャンバー（例えばチャンバー１０）が形成されている。チャンバーの側面および底面の一部に、それぞれ一つずつ流路（例えばマイクロ排出流路１０２とマイクロ導入流路１０３）が接続されている。チャンバーの底面側の流路（例えばマイクロ導入流路１０３）は、チャンバー底面に形成された貫通孔により、外部の流路に接続されており、貫通孔は、底面に向かい狭まるテーパー部（例えばテーパー部１０ａ）を有しており、テーパー部に球状の弁体（例えば球体バルブ２００）が位置しており、蓋のチャンバー側表面に形成された突状の構造体（例えば突起１１）を有し、突状の構造体は、例えば貫通孔の中心線上近傍に配置されていることを特徴とする、マイクロ逆止弁装置（例えばマイクロ逆止弁装置１００）が提供される。
　本構成によって、前記貫通孔（例えばマイクロ導入流路１０３）から前記弁体を押す流体の流れによって、弁体がチャンバー内で浮遊して弁が開いた後に、前記弁体を押す流体の流れが停止されると、チャンバー内の流体の流れが反転して、弁が閉じる。このとき、前記突状の構造体周囲の粘性的な流体が、弁体を貫通孔に向かって押し、テーパー部に近接させる作用が生じ、テーパー部へ弁体が速く近接する効果が得られ、弁が閉じるまでに多量の逆流が生じてしまう課題が解決され、逆流量が少ないマイクロ逆止弁装置の製造が容易になる。
　第２の態様によれば、前記突起は、前記蓋に形成された窪みの表面上に形成されていることを特徴とする、第１の態様に記載のマイクロ逆止弁装置が提供される。
　本構成によって、前記貫通孔から前記弁体を押す流れによって、弁体がチャンバー内で浮遊して弁が開いた後に、チャンバー内の流体の流れが反転して弁が閉じるときに、前記突状の構造体周囲の粘性的な流体が、弁体を貫通孔に向かって押し、テーパー部に近接させる作用が生じる。テーパー部へ弁体が速く近接する効果が得られ、弁が閉じるまでに多量の逆流が生じてしまう課題が解決され、逆流量が少ないマイクロ逆止弁装置の製造が、前記基板のテーパー部および蓋の窪みに弁体を納めることでチップの厚みを薄くするよう設計したチップについても、容易になる。
　第３の態様によれば、前記突起は、前記蓋のチャンバー側表面から、３０μｍ以上突出しており、かつ、前記弁体が、前記テーパー部に位置しているときに、前記突起の表面と弁体の距離が、５０μｍから３００μｍの範囲であり、かつ、突起頂部の平坦部の幅について、弁体と対向する幅が、弁体の直径以下であることを特徴とする、第１または２の態様に記載のマイクロ逆止弁装置が提供される。
　本構成によって、前記貫通孔から前記弁体を押す流体の流れによって、弁体がチャンバー内で浮遊して弁が開いた後に、弁体を押す流体の流れが停止されると、チャンバー内の流体の流れが反転して弁が閉じる。このとき、前記突起が前記蓋のチャンバー側表面から、３０μｍ以上突出することにより、前記突状の構造体周囲の粘性的な流体が、弁体を貫通孔に向かって押し、テーパー部に近接させる作用が生じる。また、前記突起の表面と弁体の距離を、５０μｍから３００μｍの範囲にすることにより、テーパー部への逆流の流量が小さくなり、粘性抵抗が大きくなることで、前記全体を貫通孔に向かって押す作用が相対的に大きくなるため、テーパー部へ弁体が速く近接する効果が得られ、かつ、弁体が大きく浮き上がらない。また、突起頂部の平坦部の幅が、弁体の直径以下であることにより、弁体を貫通孔に向かって押す作用が、大きくなる。よって、チャンバー内で浮遊した弁体が、弁が閉じるときにテーパー部に早く戻るようになり、弁が閉じるまでに多量の逆流が生じてしまう課題が解決され、逆流量が少ないマイクロ逆止弁装置の製造が容易になる。
　（本開示の効果）
　本開示の前記態様のマイクロ逆止弁装置１００によれば、マイクロ導入流路１０３からチャンバー１０に液体が供給されなくなったときに、突起１１により、チャンバー１０内での液体の流れる力の一部が、球体バルブ２００がテーパー部１０ａに接触した位置に戻る向きに移動する力として球体バルブ２００に加わる。このため、球体バルブ２００は、テーパー部１０ａに接触した位置に早く戻ることでき、球体バルブ２００によりチャンバー１０からマイクロ排出流路１０２に排出された液体が、チャンバー１０の内部に逆流することを低減できる。
　なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。
　本開示にかかるマイクロ逆止弁装置は、例えばカード状のマイクロ流路内に構成するための逆止弁装置として、少ないデッドボリュームで、流れの方向に従い自動的に動作し、逆流量が少ない逆止弁装置を提供することができる。また、本開示にかかるマイクロ逆止弁装置は、ダイアフラム式のチャンバーで発生する流れの前後に配置すれば、流れを整流し、逆流量が少なく流量の正確な連続送液ポンプを製造することが出来るなどの、μ－ＴＡＳ装置を構成する部品として利用できる。
１　ダイアフラム層
２　基板層
３　天板層
４　ポンプ室
１０　チャンバー
１０ａ　テーパー部
１１　突起
１２　固定部
１３　ポンプ層
２１　導入流路
２２　排出流路
３１　天板
３２　フレーム
３３　ばね
９１　突起を有さないマイクロ逆止弁装置
１００，１００ａ，１００ｂ　マイクロ逆止弁装置
１０１　基板
１０１ａ　第１の基板
１０１ｂ，１０１ｂ－１，１０１ｂ－２　第２の基板
１０１ｃ　第３の基板
１０２　マイクロ排出流路
１０２ａ　第５の流路
１０２ｂ　第４の流路
１０２ｃ　第３の流路
１０３　マイクロ導入流路
１０３ａ　第２の流路１０３ｂ　第１の流路
１０３ｅ　マイクロ導入流路の開口
１１０　変形部
１１１　突起の回りの凹部２００　球体バルブ
２１８　測定用チャンバー
２１９　連結流路
２２０　液だめ
２２１　測定用流路
３００　チャンバーに進入した液体の流れ
３０１　チャンバーの壁面と球体バルブとの間を通過する液体の流れ
３０２　逆流する液体の流れ
４０１，４０２，４０３　接着層

Claims (6)

  1. 　マイクロ流路デバイスと接続されるマイクロ逆止弁装置であって、
    　基板と、
    　前記基板の内部に位置し、
    突起を有する上面と、下部に位置するテーパー部とを有するチャンバーと、
    　前記チャンバーの側面に接続されるマイクロ排出流路と、
    　前記チャンバーの前記テーパー部の底面に開口を介して接続されるマイクロ導入流路と、
    　前記チャンバー内で上下動して前記テーパー部に接離することにより前記マイクロ導入流路の前記開口を開閉可能である球体バルブとを備えるマイクロ逆止弁装置。
  2. 　前記基板の膜厚方向から見たとき、前記突起は前記開口と重なるように位置している、
    請求項１に記載のマイクロ逆止弁装置。
  3. 　前記突起は、３０μｍ以上でかつ１００μｍ以下の高さを有する、
    請求項１又は２に記載のマイクロ逆止弁装置。
  4. 　前記開口を閉じる位置に位置する前記球体バルブと前記突起との間の最短距離は、５０μｍ以上３００μｍ以下である、
    請求項１～３のいずれか１つに記載のマイクロ逆止弁装置。
  5. 　前記突起の周囲には凹部が形成されて、
    　前記球体バルブは、前記マイクロ導入流路から前記チャンバーへの流体の流れが停止したとき前記突起の周囲の前記凹部内の流体の流れで前記テーパー部に接触するように押し付けられて前記開口を閉じる、
    請求項１～４のいずれか１つに記載のマイクロ逆止弁装置。
  6. 　前記突起の頂部の平坦部の幅が、前記球体バルブの直径以下である、
    請求項１～５のいずれか１つに記載のマイクロ逆止弁装置。
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