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成分分離設(shè)備以及成分分離方法

文檔序號(hào):4870313閱讀:250來(lái)源:國(guó)知局
專利名稱:成分分離設(shè)備以及成分分離方法
技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明涉及成分分離設(shè)備以及成分分離方法,用以從以血液、乳液等為代表的由液體成分和固體成分混合而形成的流體中分離各成分。
背景技術(shù)
由固體成分和液體成分混合而形成的流體包括諸如河水、海水、血液、乳液等。這些流體內(nèi)包含的砂子、細(xì)菌、血細(xì)胞、乳劑等的固體成分以沉淀或分散等的狀態(tài)存在于流體內(nèi)。即,固體成分沒(méi)有溶于液體成分中,而是作為固體存在。
下面說(shuō)明從固體成分和液體成分的混合流體中分離各成分的分離方法和裝置,諸如血細(xì)胞/血漿分離裝置。
通常,血液檢查所采集的血液樣本為液體成分——血漿和固體成分——血細(xì)胞以及其他成分所構(gòu)成的完全血液的狀態(tài)。但是,血液檢查的必要成分通常僅為血細(xì)胞部分或相反的血漿部分。例如,為檢查血液中的血糖值,需要測(cè)定血漿成分中溶解的血糖。為了檢測(cè)DNA,需要從血細(xì)胞中的一種——白血球細(xì)胞中提取DNA。
因此,為了進(jìn)行血液檢查,在檢查前需要將血液中存在的各成分進(jìn)行分離的步驟?,F(xiàn)有的成分分離方法一般為將采集的完全血液狀態(tài)的血液樣品置入試管中,將其置于離心分離器,通過(guò)施加預(yù)定的離心力,從而將血液分離為血漿成分和血細(xì)胞成分。
通過(guò)該方法,試管內(nèi)的完全血液狀態(tài)的血液,通過(guò)離心分離器施加離心力。因此,各成分根據(jù)受到的離心力因質(zhì)量而不同而被分離。其后,通過(guò)提取浮在表面的液體取出血漿成分。從沉淀物中提取出血細(xì)胞等成分。其后,通過(guò)檢查步驟中預(yù)定的檢測(cè)進(jìn)行各成分的檢查。
通過(guò)離心分離器進(jìn)行成分的分離時(shí),由于離心分離器的操作需要,需要一定以上的量的流體,而該分離方法不能適用于分離少量樣品的情況。
作為少量液體樣品的分離方法為使用過(guò)濾器(filter)的方法。該方法被Yong-Kyu Yoon等所揭示,其利用過(guò)濾器的多孔性能而進(jìn)行。例如,過(guò)濾預(yù)定的尺寸以上的血細(xì)胞,從而獲得血漿成分,或者相反地,提取血細(xì)胞。按照該方法,過(guò)濾器的孔的尺寸、數(shù)量等會(huì)影響分離特性。因此,根據(jù)所分離的成分而需要設(shè)計(jì)最適合的過(guò)濾器。而且還需要過(guò)濾器的孔的尺寸、數(shù)量等的精確的再現(xiàn)。精確再現(xiàn)過(guò)濾器的孔的尺寸、數(shù)量等的方法例如為,通過(guò)使感光性保護(hù)層(resist)立體地感光而獲得網(wǎng)狀的過(guò)濾器的方法。該方法公開(kāi)于IEEE發(fā)行的Yong-Kyu Yoon“Integrated vertical screen microfilter systemusing inclined SU-8 structure.”MEMS2003,Kyoto,PP.227-230。
同樣可以利用處理(manipulation)懸浮于液體中的粒子的設(shè)備。該成分分離方法公開(kāi)于特表2001-525722號(hào)公報(bào)(下面稱為專利文獻(xiàn)1)。專利文獻(xiàn)1公開(kāi)的成分分離設(shè)備包括管(duct)、超聲波傳感器(transducer)、反射體(reflector)。設(shè)置管使得懸浮有粒子的流體可流動(dòng)。超聲波傳感器設(shè)置于管的一側(cè),并且反射體設(shè)置于管的相對(duì)的另一側(cè)。通過(guò)管、超聲波傳感器、反射體,產(chǎn)生在寬度方向上橫穿管的聲學(xué)駐波振動(dòng)(以下稱為駐波)。由于該駐波,流體中懸浮的粒子凝聚為與管的縱軸平行的一個(gè)或一個(gè)以上的平面的帶。因此,可以將固體成分的粒子和液體成分進(jìn)行分離。
在此構(gòu)成中,由于超聲波傳感器直接接觸管的內(nèi)部,超聲波傳感器可能會(huì)受到管內(nèi)流動(dòng)的流體的污染。而且,超聲波傳感器構(gòu)成為管的一部分。因此,不能自由設(shè)計(jì)超聲波傳感器,而且難于精確的定位管和超聲波傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供成分分離設(shè)備和成分分離方法,其可以通過(guò)產(chǎn)生高強(qiáng)度的聲學(xué)駐波,即使少量的樣品也可以進(jìn)行高精度的分離各成分。
本發(fā)明的成分分離設(shè)備包括基板,設(shè)置于基板的流體通道,致動(dòng)器,以及設(shè)置于致動(dòng)器周圍的槽。其中流體通道容納包含液體成分和固體成分的流體,致動(dòng)器在流體通道內(nèi)產(chǎn)生駐波。通過(guò)該構(gòu)成,可以通過(guò)槽反射振動(dòng)以傳送到流體通道側(cè)從而減小振動(dòng)損耗,在流體通道內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)度駐波,從而提供小尺寸高精度的成分分離設(shè)備。
本發(fā)明的成分分離方法,包括流體容納步驟、駐波產(chǎn)生步驟、反射步驟和分離步驟。流體容納步驟中,在設(shè)置于基板上的流體通道內(nèi)容納包括液體成分和固體成分的流體。駐波產(chǎn)生步驟中,對(duì)于在通過(guò)流體通道相對(duì)設(shè)置的多個(gè)致動(dòng)器施加高頻電壓使得產(chǎn)生振動(dòng),在流體通道內(nèi)部產(chǎn)生包括有波節(jié)的駐波。反射步驟中,在致動(dòng)器的除了流體通道側(cè)的周圍設(shè)置的槽中反射振動(dòng)。分離步驟中,從流體中分離出液體成分或固體成分中的至少一種。通過(guò)以上構(gòu)成,通過(guò)槽反射振動(dòng)以傳送到流體通道側(cè)從而降低振動(dòng)損耗,在流體通道內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)度的駐波,從而提供高精度的成分的分離方法。


圖1所示為本發(fā)明的第一實(shí)施例的成分分離設(shè)備的構(gòu)成的透視圖。
圖2為圖1所示成分分離設(shè)備從其背面觀看的透視圖。
圖3為圖1所示的成分分離設(shè)備的平面圖。
圖4為圖3所示的成分分離設(shè)備沿4-4線的斷面圖。
圖5為說(shuō)明使用圖1所示的成分分離設(shè)備的成分分離方法的示意圖。
圖6為說(shuō)明使用圖1所示的成分分離設(shè)備的成分分離方法的示意圖。
圖7為說(shuō)明使用圖1所示的成分分離設(shè)備的成分分離方法的示意圖。
圖8為說(shuō)明使用圖1所示的成分分離設(shè)備的成分分離方法的示意圖。
圖9為說(shuō)明圖1所示的成分分離設(shè)備的制造方法的斷面圖。
圖10為說(shuō)明圖1所示的成分分離設(shè)備的制造方法的斷面圖。
圖11為說(shuō)明圖1所示的成分分離設(shè)備的制造方法的斷面圖。
圖12為說(shuō)明圖1所示的成分分離設(shè)備的制造方法的斷面圖。
圖13為說(shuō)明圖1所示的成分分離設(shè)備的制造方法的斷面圖。
圖14為說(shuō)明圖1所示的成分分離設(shè)備的制造方法的斷面圖。
圖15所示為另一成分分離設(shè)備的構(gòu)成的斷面圖。
圖16所示為本發(fā)明第二實(shí)施例的成分分離設(shè)備的構(gòu)成的斷面圖。
圖17所示為本發(fā)明第三實(shí)施例的成分分離設(shè)備的構(gòu)成的斷面圖。
附圖標(biāo)記說(shuō)明31基板32流體通道33流入口34流出口35,35a,35b,35c槽
36,36a,36b,36c,36d下電極37,37a,37b,37c,37d壓電部件38,38a,38b,38c,38d上電極39致動(dòng)器39a第一致動(dòng)器39b第二致動(dòng)器39c第三致動(dòng)器39d第四致動(dòng)器40流體的流動(dòng)41固體成分41a第一固體成分41b第二固體成分42液體成分的流43,43a,43b固體成分的流44第一電極層45壓電層46第二電極層47第一抗蝕劑掩模48第二抗蝕劑掩模49第三抗蝕劑掩模50第四抗蝕劑掩模51第五抗蝕劑掩模52,52b,52c第一開(kāi)口部53,53b,53c第二開(kāi)口部54可動(dòng)部61上表面62下表面63,63a,65流體64液體成分65,65a,65b,65c壁面70,71波節(jié)
具體實(shí)施例方式
第一實(shí)施例下面參照

本發(fā)明第一實(shí)施例成分分離設(shè)備以及使用該設(shè)備進(jìn)行成分分離方法。
圖1為示出本發(fā)明的第一實(shí)施例的成分分離設(shè)備的結(jié)構(gòu)的透視圖。圖2為圖1所示的成分分離設(shè)備從下表面觀看的透視圖。圖3為圖1所示成分分離設(shè)備的平面圖。圖4為圖3所示的成分分離設(shè)備的沿4-4線的斷面圖。
圖5至圖8為說(shuō)明使用圖1所示的成分分離設(shè)備的成分分離方法的示意圖。圖9至圖14為說(shuō)明圖1所示的成分分離設(shè)備的制造方法的斷面圖。
圖1至圖4中,基板31由硅所組成的材料形成。基板31上形成預(yù)定寬度和深度的流體通道32。流體通道32設(shè)置在基板31的上表面61側(cè)。在流體通道32的兩端,分別設(shè)有流入口33和流出口34。由固體成分41和液體成分64混合而成的流體63由流體通道32的外部從流入口33流入,容納在流體通道32中。流體63從流出口34流出到流體通道32的外部。在流體63從流入口33流入并通過(guò)流體通道32到從流出口34排出的期間,成分分離設(shè)備30發(fā)揮作用,使得流體63中所含有的固體成分41和液體成分64分別被分離。通過(guò)利用硅作為基板31的材料,可以實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)性優(yōu)良的成分分離設(shè)備。
在基板31的下表面62側(cè)設(shè)置致動(dòng)器(actuator)39。致動(dòng)器39包括第一致動(dòng)器39a(下文稱為致動(dòng)器39a)、第二致動(dòng)器39b(下文稱為致動(dòng)器39b)、第三致動(dòng)器39c(下文成為致動(dòng)器39c)和第四致動(dòng)器39d(下文稱為致動(dòng)器39d)。致動(dòng)器39a、39b、39c和39d分別通過(guò)流體通道32相對(duì)并沿著流體通道32的兩側(cè)平行設(shè)置。通過(guò)驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器39a、39b、39c、39d以產(chǎn)生振動(dòng)。所產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)基板31被傳送,在流體通道32內(nèi)部產(chǎn)生駐波(standingwave)。
流體通道32和致動(dòng)器39a、39b、39c、39d面向基板31的同一軸方向(圖中X軸方向)構(gòu)成。從而可以進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)性優(yōu)良的成分分離設(shè)備30。
下面說(shuō)明包括四個(gè)致動(dòng)器39a、39b、39c、39d的成分分離設(shè)備30。但是,通過(guò)設(shè)置至少一個(gè)致動(dòng)器39可以實(shí)現(xiàn)本成分分離設(shè)備以及成分分離方法。另外,通過(guò)設(shè)置多個(gè)致動(dòng)器39,可以發(fā)揮致動(dòng)器39的作用,可以實(shí)現(xiàn)具有較高分離性能的小型成分分離設(shè)備30。
在基板31的上表面61設(shè)置流體通道32,在與上表面61相對(duì)的下表面62上,分別設(shè)置致動(dòng)器39a、39b、39c、39d。因此,致動(dòng)器39a、39b、39c、39d和流體通道32的配置位置彼此不影響,因此,可以自由設(shè)置致動(dòng)器。因此,容易獲得產(chǎn)生在流體通道32內(nèi)的駐波。可以容易地通過(guò)玻璃基板(未圖示)等密封流體通道32。從而,可以一邊目測(cè)成分的分離狀況一邊進(jìn)行成分分離。
致動(dòng)器39從與基板31接觸的部分開(kāi)始依次由下電極36、壓電部件37、上電極38構(gòu)成。各致動(dòng)器39a、39b、39c、39d分別包括下電極36a、36b、36c、36d,壓電部件37a、37b、37c、37d和上電極38a、38b、38c、38d。構(gòu)成下電極36a、36b、36c、36d材料包括鈦和鉑的至少一種。構(gòu)成壓電部件37a、37b、37c、37d的材料包括鋯鈦酸鉛(lead zirconate titanate)。構(gòu)成上電極38a、38b、38c、38d的材料包括鉛和金的至少一種。
如此構(gòu)成的39a、39b、39c、39d即使在被施加低電壓時(shí)也會(huì)發(fā)生大的位移。因此,可以有效地產(chǎn)生振動(dòng)。致動(dòng)器39a、39b、39c、39d包括具有良好粘附力的層疊結(jié)構(gòu),即使當(dāng)大的位移的振動(dòng)連續(xù)產(chǎn)生時(shí),也可以可靠地實(shí)現(xiàn)優(yōu)良的耐用性。構(gòu)成致動(dòng)器39a、39b、39c、39d的材料可以形成高精度的圖案,因此相對(duì)于流體通道32可以在準(zhǔn)確的位置配置39a、39b、39c、39d。因此,致動(dòng)器39a、39b、39c、39d可以進(jìn)一步有效地實(shí)現(xiàn)駐波的產(chǎn)生。從而,可以容易地形成小型的高性能的成分分離設(shè)備。
如圖1和圖2所示,在流體通道32的兩側(cè)分別設(shè)置各對(duì)致動(dòng)器39,可以在流體通道32的內(nèi)部有效地產(chǎn)生駐波。例如,通過(guò)致動(dòng)器39a和致動(dòng)器39b的組合,或致動(dòng)器39c和致動(dòng)器39d的組合,構(gòu)成為在流體通道32的兩側(cè)配置各對(duì)致動(dòng)器39。在與流體通道32平行的方向設(shè)置各對(duì)致動(dòng)器39,還可在流體通道32的內(nèi)部產(chǎn)生不同頻率的駐波。例如,通過(guò)組合致動(dòng)器39a和致動(dòng)器39c,或組合致動(dòng)器39b和致動(dòng)器39d,構(gòu)成為在與流體通道32平行的方向配置各對(duì)致動(dòng)器39。多個(gè)致動(dòng)器39a、39b、39c、39d有效地安裝時(shí),通過(guò)多個(gè)致動(dòng)器39a、39b、39c、39d彼此相互作用,可以充分發(fā)揮致動(dòng)器39a、39b、39c、39d的效能。
致動(dòng)器39a、39b、39c、39d的周圍,在沒(méi)有形成流體通道32的部分設(shè)置槽35。如圖4所示,槽35形成為從基板31的上表面61到下表面62完全貫通的通孔的形狀。因此,可以減小流體通道32產(chǎn)生的駐波的能量損耗。也就是,設(shè)置槽35可以抑止由致動(dòng)器39a、39b、39c、39d產(chǎn)生的振動(dòng)向基板31的周圍擴(kuò)散。因此,振動(dòng)可以有效地集中地傳送到流體通道32。從而,產(chǎn)生具有更高強(qiáng)度的駐波。另外,形成槽35以分隔彼此相鄰的致動(dòng)器39。因此,在彼此相鄰的致動(dòng)器39由不同的頻率驅(qū)動(dòng)時(shí),可以防止不同頻率的振動(dòng)彼此干擾。相鄰的致動(dòng)器39可以為例如致動(dòng)器39a和致動(dòng)器39c之間的關(guān)聯(lián),或致動(dòng)器39b和致動(dòng)器39d之間的關(guān)聯(lián)。
這樣,在致動(dòng)器39a、39b、39c、39d的周圍的沒(méi)有形成流體通道32的部分形成槽35。因此,由致動(dòng)器39a、39b、39c、39d產(chǎn)生的振動(dòng),被槽35的側(cè)壁65反射并傳送到流體通道32側(cè)。結(jié)果為,由致動(dòng)器39a、39b、39c、39d產(chǎn)生的,沿流體通道32以外方向傳送的振動(dòng)的損耗可以降低。由此可以容易地實(shí)行對(duì)傳送到流體通道32的振動(dòng)的控制。結(jié)果為,實(shí)現(xiàn)高效率的成分分離設(shè)備30。
接下來(lái),參照?qǐng)D5和圖6說(shuō)明使用成分分離設(shè)備30,從流體中將固體成分和液體成分各自進(jìn)行成分分離的方法。參照?qǐng)D7和圖8說(shuō)明性質(zhì)不同的固體成分各自進(jìn)行分離的分離方法。圖5至圖8分別表示成分分離設(shè)備30從上表面61側(cè)觀看的平面圖,特別示出流體通道32周圍部分。
首先,為固體成分41和液體成分64的混合物的流體63從流入口33流入。流體63容納于流體通道32中,并在充滿流體通道32后從流出口34流出。流體流動(dòng)40表示流體63的流動(dòng)方向。通常,成分分離設(shè)備30在非操作狀態(tài)下,流體63以固體成分41和液體成分64以不規(guī)則混合的狀態(tài)流入流體通道32內(nèi)。
成分分離設(shè)備30在操作狀態(tài)下,致動(dòng)器39a被施加高頻電壓。對(duì)致動(dòng)器39a施加的高頻電壓的頻率為使得流體通道32的寬度W為波長(zhǎng)λ的1/2(λ=2×W)的超音波頻帶的頻率。致動(dòng)器39a被施加高頻電壓時(shí)產(chǎn)生超聲波振動(dòng)。致動(dòng)器39a產(chǎn)生的超聲波振動(dòng)在基板31傳送,并在流體通道32的內(nèi)部產(chǎn)生駐波。駐波包括與流體通道32平行的奇數(shù)的一個(gè)波節(jié)(node)70。容納在流體通道32內(nèi)部的流體63,在流體通道32內(nèi)部流動(dòng)使得固體成分41凝聚在波節(jié)70上。因此,如圖5所示,產(chǎn)生固體成分的流43(下文稱為流43)和液體成分的流42(下文稱為流42)。在流43中,固體成分41凝聚。在流42中,固體成分稀釋。
其后,在流體63從流出口34流出后,流42和流43彼此分開(kāi)。因此,從流體通道32的壁面32a側(cè)提取出液體成分64,從流體通道32的中心部提取凝聚有固體成分41的流體65。
通過(guò)以上構(gòu)成,在流體通道32的內(nèi)部形成一個(gè)波節(jié)70。從而可以實(shí)現(xiàn)小型的成分分離設(shè)備30,在流體通道32的中心部固體成分41凝聚在波節(jié)70,從而可以容易地提取出固體成分41。另外,由于成分分離設(shè)備30由低電壓驅(qū)動(dòng),成分分離設(shè)備30實(shí)現(xiàn)進(jìn)行高效的成分分離的成分分離方法。
此外,與施加于致動(dòng)器39a的高頻電壓的頻率相同的,相位相差180度的高頻電壓被施加到致動(dòng)器39b。從而,流體通道32內(nèi)形成的駐波的強(qiáng)度加強(qiáng)。即,形成強(qiáng)度更高的駐波,其包括流體通道32的內(nèi)部與流體通道32平行形成的一個(gè)波節(jié)70。高強(qiáng)度的駐波可以獲得加強(qiáng)將固體成分41凝聚到波節(jié)70的力的效果。從而,從流體63分離固體成分41的分離性能得以提升。
與施加于致動(dòng)器39a的高頻電壓的頻率相同的,相位相同的高頻電壓被施加到致動(dòng)器39c。同時(shí),與施加于致動(dòng)器39b的高頻電壓的頻率相同,相位相同的高頻電壓被施加到致動(dòng)器39d上。從而,強(qiáng)度更強(qiáng)的駐波在流體通道32內(nèi)產(chǎn)生。同樣,駐波包括在流體通道32的內(nèi)部與流體通道32平行的一個(gè)波節(jié)70。強(qiáng)度更強(qiáng)的駐波,可以獲得進(jìn)一步加強(qiáng)將固體成分41凝聚到波節(jié)70的力的效果。從而,從流體63分離固體成分41的分離性能得以進(jìn)一步提升。
如上所述,通過(guò)包括奇數(shù)個(gè)波節(jié)70的駐波的產(chǎn)生,可以有效地從流體63分離固體成分41。將使流體通道32的寬度W為λ/2、或nλ+λ/2(n為正整數(shù))的高頻電壓施加于致動(dòng)器39a、39b、39c、39d。這樣,流體通道32的內(nèi)部產(chǎn)生包括奇數(shù)個(gè)波節(jié)70的駐波。
如圖6所示,使流體通道32的寬度和超聲波的波長(zhǎng)λ相同的頻率(W=λ)的高頻電壓也可以被施加到致動(dòng)器39a。這種情況下,流體通道32的內(nèi)部產(chǎn)生的駐波,包括與流體通道32平行的構(gòu)成偶數(shù)的2個(gè)波節(jié)71。在形成具有波節(jié)71的駐波時(shí),固體成分41凝聚為2列,形成2列流43。
如圖6所示,通過(guò)以上構(gòu)成,在流體通道32的中心部產(chǎn)生流42,在流體通道32的壁面32a側(cè)產(chǎn)生流43。在流體63從流出口34流出后,流42和流43分開(kāi),從流體通道32的壁面32a側(cè)提取凝聚了固體成分41的流體65,從流體通道32的中心部提取液體成分64。即,可以有效地從流體63中提取液體成分64。
向致動(dòng)器39a施加使流體通道32的寬度W為nλ(n為正整數(shù))的高頻電壓。因此,在流體通道32的內(nèi)部產(chǎn)生包括在流體通道32內(nèi)部與流體通道32平行的偶數(shù)個(gè)波節(jié)71的駐波。
與施加于致動(dòng)器39a的高頻電壓頻率相同的且相位相同的高頻電壓被施加到致動(dòng)器39b。因此,在流體通道32內(nèi)部產(chǎn)生包括2個(gè)波節(jié)71的強(qiáng)度更強(qiáng)的駐波。高強(qiáng)度的駐波獲得更大的將固體成分41凝聚到波節(jié)71的力的效果。從而,可以更有效地從流體63分離液體成分64。
下面參照?qǐng)D7和圖8說(shuō)明從含有多種尺寸不同的固體成分的粒子的流體分別分離固體成分的成分分離方法。
固體成分向駐波的波節(jié)的凝聚速度依固體成分的粒子的性質(zhì),例如粒子的尺寸而不同。換而言之,粒子的尺寸越大,受來(lái)自駐波的壓力的影響越大。因此,粒子尺寸大的粒子比尺寸小的粒子向波節(jié)70和71凝聚快。通過(guò)利用該性質(zhì),可以根據(jù)粒子的尺寸分離固體成分。
例如,在流體通道32的內(nèi)部,形成第一區(qū)域72(下文稱為區(qū)域72)和第二區(qū)域73(下文稱為區(qū)域73),其中區(qū)域72中產(chǎn)生包括奇數(shù)個(gè)波節(jié)70的駐波,區(qū)域73中產(chǎn)生包括偶數(shù)個(gè)波節(jié)71的駐波。這樣,可以容易地進(jìn)行液體成分和固體成分的分離或者性質(zhì)不同的固體成分的分離。即,流體從產(chǎn)生包括波節(jié)70的駐波的區(qū)域72移動(dòng)到產(chǎn)生包括波節(jié)71的駐波的區(qū)域73時(shí),可以利用性質(zhì)不同的兩種以上的固體成分向波節(jié)70、71凝聚速度不同的這個(gè)性質(zhì)。下面,參照?qǐng)D7和圖8詳細(xì)說(shuō)明利用向波節(jié)70、71凝聚速度不同的成分分離方法。
首先,如圖7所示,流體63從流入口33進(jìn)入流體通道32。流體63為混合固體成分41和液體成分64的混合流體。固體成分41包含各自尺寸不同的第一固體成分41a(下文稱為固體成分41a)和第二固體成分41b(下文稱為固體成分41b)。固體成分41a比固體成分41b的粒子尺寸小。通常,在成分分離設(shè)備30不工作時(shí),流體63在固體成分41a、41b和液體成分64不規(guī)則混合的狀態(tài)下流入流體通道32內(nèi)。
成分分離設(shè)備30工作時(shí),致動(dòng)器39a和致動(dòng)器39c分別被施加高頻電壓。致動(dòng)器39a、39c在被施加高頻電壓時(shí),分別產(chǎn)生超聲波振動(dòng)。
致動(dòng)器39a所被施加的高頻電壓的頻率為使得流體通道32的寬度W為波長(zhǎng)λ的1/2(λ=2×W)的超聲波頻帶的頻率。由致動(dòng)器39a產(chǎn)生的超聲波振動(dòng)在基板31傳送,以在流體通道32的內(nèi)部產(chǎn)生駐波。致動(dòng)器39a產(chǎn)生的駐波包括與流體通道32平行的奇數(shù)的一個(gè)波節(jié)70。流體通道32的內(nèi)部容納的流體63在流體通道32內(nèi)流動(dòng),使得固體成分41a、41b凝聚到波節(jié)70。
致動(dòng)器39c被施加的高頻電壓的頻率為使流體通道32的寬度W與波長(zhǎng)λ相同(λ=W)的超聲波頻帶的頻率。致動(dòng)器39c產(chǎn)生的超聲波振動(dòng)在基板31傳送,以在流體通道32的內(nèi)部產(chǎn)生駐波。致動(dòng)器39c產(chǎn)生的駐波包括與流體通道32平行的偶數(shù)的2個(gè)波節(jié)71。
這種情況下,控制施加到致動(dòng)器39c的高頻電壓,使得產(chǎn)生的駐波的強(qiáng)度的程度為使得固體成分41b向波節(jié)71凝聚,而固體成分41a難以受駐波的影響而不向波節(jié)71凝聚。因此,如圖7所示,在流體通道32的壁面32a側(cè)產(chǎn)生凝聚了固體成分41b的固體成分的流43b(下面稱為流43b),在流體通道32的中心部產(chǎn)生凝聚了固體成分41a的固體成分的流43a(下面稱為流43a)。從而,可以有效分離尺寸不同的固體成分41a和固體成分41b。
下面參照?qǐng)D8說(shuō)明尺寸不同的固體成分41a和固體成分41b的另一分離方法。
如圖8所示,致動(dòng)器39a和致動(dòng)器39c分別被施加高頻電壓。致動(dòng)器39a、39c在被施加高頻電壓時(shí)分別產(chǎn)生超聲波振動(dòng)。
致動(dòng)器39a被施加的高頻電壓的頻率為使得流體通道32的寬度W為與波長(zhǎng)λ相同(λ=W)的超聲波頻帶的頻率。通過(guò)向致動(dòng)器39a施加高頻電壓,在流體通道32內(nèi)部,產(chǎn)生具有與流體通道32平行的偶數(shù)的2個(gè)波節(jié)71的駐波。流體通道32的內(nèi)部容納的流體63在流體通道32內(nèi)流動(dòng),使得固體成分41a、41b向波節(jié)71凝聚。
致動(dòng)器39c被施加的高頻電壓的頻率為使得流體通道32的寬度W為波長(zhǎng)λ的1/2(λ=2×W)的超聲波頻帶的頻率。通過(guò)向致動(dòng)器39c施加高頻電壓,在流體通道32的內(nèi)部,產(chǎn)生具有與流體通道32平行的奇數(shù)的一個(gè)波節(jié)70的駐波。
在這種情況下,控制向致動(dòng)器39c施加的高頻電壓,使得產(chǎn)生駐波的強(qiáng)度的程度為固體成分41b向波節(jié)70凝聚,而固體成分41a難以受到駐波的影響而不向波節(jié)70凝聚。因此,如圖8所示,流體通道32的壁面32a側(cè)產(chǎn)生凝聚了固體成分41b的流43a,流體通道32的中心部產(chǎn)生凝聚了固體成分41b的流43b。從而可以有效地分離尺寸彼此不同的固體成分41a和固體成分41b。
通過(guò)上述構(gòu)成,從包含性質(zhì)不同的兩種以上的固體成分41a、41b的流體63中,利用固體成分41a、41b向波節(jié)70、71凝聚速度的不同,分別分離固體成分41a、41b。
另外,省略了有關(guān)驅(qū)動(dòng)致動(dòng)器39b、39d的說(shuō)明。但是,為了增大通過(guò)流體通道32分別相對(duì)的致動(dòng)器39a、39c所產(chǎn)生的駐波的強(qiáng)度,可向致動(dòng)器39b、39d施加預(yù)定的高頻電壓。
不僅可以由致動(dòng)器39a和39c的組合,還可以由致動(dòng)器39a和39d的組合,分離尺寸互不相同的固體成分41a和固體成分41b。
如上,說(shuō)明了根據(jù)粒子的尺寸分離彼此性質(zhì)不同的固體成分41a和固體成分41b。但是,不僅粒子尺寸的不同可以適用于上述成分的分離方法,諸如固體成分的比重、形狀、表面能等特性的不同也可以適用于上述成分分離方法。如上所述,成分分離設(shè)備30可以實(shí)現(xiàn)有效的成分分離方法。
下面,參照?qǐng)D9至圖14說(shuō)明成分分離設(shè)備30的制造方法,圖9至圖14所示為根據(jù)第一實(shí)施例的成分分離設(shè)備的制造工序的斷面圖。
首先,如圖9所示,在由硅制成的基板31上面,依次形成第一電極層44(下面稱為電極層44)和壓電層45和第二電極層46(下面稱為電極層46)。電極層44包含鈦和鉑的至少一種。壓電層45包含鋯鈦酸鉛。電極層46包含鈦和金的至少一種。電極層44、壓電層45以及電極層46通過(guò)薄膜制備技術(shù)形成。電極層44、45的形成所使用的薄膜制備方法為常用的濺鍍、氣相沉積等薄膜制備方法。
形成壓電層45所使用的薄膜制備方法,可以使用濺鍍、水熱合成法、溶膠-凝膠法等。特別地,通過(guò)使用鋯鈦酸鉛等材料,利用濺鍍法形成壓電層45,可以獲得高的壓電特性和穩(wěn)定的位移(displacement)特性的壓電薄膜。
其后,在為最上層的電極層46上面形成具有預(yù)定圖案的第一抗蝕劑掩模47(下面稱為掩模47)。如圖10所示,通過(guò)將掩模47作為用于蝕刻的掩模,通過(guò)蝕刻圖案化電極層64。從而形成上電極38。其后,通過(guò)蝕刻法等除去掩模47。
其后,在上電極38上形成具有預(yù)定圖案的第二抗蝕劑掩模18(下面稱為掩模48)。如圖11所示,通過(guò)將掩模48作為用于蝕刻的掩模,通過(guò)蝕刻圖案化壓電層45,從而被類似地分割。從而形成壓電部件37。其后,通過(guò)蝕刻法等除去掩模48。
其后,形成具有預(yù)定圖案的第三抗蝕劑掩模49(下面稱為掩模49),覆蓋上電極38和壓電部件37。如圖12所示,通過(guò)將掩模49作為用于蝕刻的掩模,通過(guò)蝕刻圖案化電極層44。從而形成下電極36。其后,通過(guò)蝕刻法等除去掩模49。
其后,上表面61形成具有預(yù)定圖案的第四抗蝕劑掩模50(下面稱為掩模50)。如圖13所示,通過(guò)將掩模50作為用于蝕刻的掩模,通過(guò)蝕刻圖案化基板31。從而形成流體通道32。其后通過(guò)蝕刻法等除去掩模50。
其后,下表面形成具有預(yù)定圖案的第五抗蝕劑掩模51(下面稱為掩模51)。如圖14所示,通過(guò)將掩模51作為用于蝕刻的掩模,基板31被蝕刻。從而在基板31形成槽35。這種情況下,槽35的深度越深,振動(dòng)的泄漏越小,振動(dòng)的反射越有效。因此,優(yōu)選地槽35為通孔。形成槽35后,通過(guò)蝕刻法等除去掩模51。
如圖13和14所示的步驟中,基板31的蝕刻方法使用干法蝕刻(dryetching)方法。從而具有精細(xì)形狀的流體通道32和槽35可被高精度地加工形成。在通過(guò)干法蝕刻法進(jìn)行加工的時(shí)候,通過(guò)混合促進(jìn)蝕刻的氣體和抑止蝕刻的氣體而進(jìn)行干法蝕刻。因此,可以進(jìn)一步高精度地加工流體通道32和槽35。
通過(guò)以上的制造方法,制造成分分離設(shè)備30。
根據(jù)具有上述構(gòu)成的成分分離設(shè)備30,槽35設(shè)有通孔的形狀。槽35包括下表面62側(cè)的第一開(kāi)口部52(下面稱為開(kāi)口部52)和上表面61側(cè)的第二開(kāi)口部53(下面稱為開(kāi)口部53)。但是,槽35不限于通孔。例如,圖15所示,槽35a可以包括僅在下表面62側(cè)開(kāi)口的開(kāi)口部52,而在上表面61側(cè)沒(méi)有開(kāi)口的底部的孔形狀。
即使槽35a包括有孔形狀,致動(dòng)器39產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)槽35a的壁面65a被反射并且反射波被傳送到流體通道32。由于在上表面61側(cè)沒(méi)有開(kāi)口部,通過(guò)槽35a可以防止流體63泄漏。可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械強(qiáng)度高的成分分離設(shè)備30a。
第二實(shí)施例下面參照

本發(fā)明第二實(shí)施例的成分分離設(shè)備。
圖16所示為本發(fā)明第二實(shí)施例的成分分離設(shè)備的構(gòu)成的斷面圖。第二實(shí)施例與第一實(shí)施例的不同點(diǎn)在于槽的斷面形狀。第二實(shí)施例的槽35b包括下表面62側(cè)的第一開(kāi)口部52b(下面稱為開(kāi)口部52b)和上表面61側(cè)的第二開(kāi)口部53b(下面稱為開(kāi)口部53b)。而且,開(kāi)口部52b比開(kāi)口部53b小。因此,槽35b的流體通道側(cè)的壁面65b和設(shè)有致動(dòng)器39的下表面62成銳角。
致動(dòng)器39產(chǎn)生的振動(dòng)包括直接傳送到流體通道32的振動(dòng)成分和被槽35b的壁面65b反射而傳送到流體通道32的反射波。通過(guò)使開(kāi)口部52b比開(kāi)口部53b小,壁面65b設(shè)有傾斜,反射波到達(dá)流體通道32的距離縮短。因此,振動(dòng)有效地從致動(dòng)器39向流體通道32傳送。結(jié)果是,流體通道32內(nèi)部形成的駐波的強(qiáng)度增大。
通過(guò)以上構(gòu)成,致動(dòng)器39產(chǎn)生的振動(dòng)可以利用達(dá)到流體通道32的距離短的反射波。而且,被傳送到流體通道32的駐波入射到流體通道32的壁面32a的入射角為更小的銳角。因此,實(shí)現(xiàn)了可以更有效地分離成分的成分分離設(shè)備30b。
通過(guò)濕法蝕刻方法,槽35b成為包括尺寸不同的開(kāi)口部52b、53b的通孔。例如,利用基板31的晶體各向異性,通過(guò)進(jìn)行蝕刻制造具有傾斜壁面65b的基板31。
第三實(shí)施例下面參照

本發(fā)明第三實(shí)施例的成分分離設(shè)備。
圖17所示為本發(fā)明第三實(shí)施例的成分分離設(shè)備的構(gòu)造的斷面圖。第三實(shí)施例和第一、第二實(shí)施例的不同點(diǎn)在于槽的斷面形狀。第三實(shí)施例的槽35c包括下表面62側(cè)的第一開(kāi)口部52c(下面稱為開(kāi)口部52c)和上表面61側(cè)的第二開(kāi)口部53c(下面稱為開(kāi)口部53c)。開(kāi)口部52c和開(kāi)口部53c通過(guò)壁面65c相連。壁面65c的斷面形狀為中心在槽35c側(cè)的圓弧或橢圓形曲線。
通過(guò)以上構(gòu)成,致動(dòng)器39產(chǎn)生的振動(dòng)通過(guò)壁面65c反射,從而進(jìn)一步縮短了到達(dá)流體通道32的距離。因此,可以利用更強(qiáng)的反射波。
在基板31的可動(dòng)部54設(shè)置致動(dòng)器39。通過(guò)使壁面65c的斷面形狀為圓弧或橢圓形曲線,可動(dòng)部24的厚度變薄。因此,致動(dòng)器39的振動(dòng)可以容易地傳送到流體通道32,可以進(jìn)一步獲得強(qiáng)度更大的駐波。
具有上述形狀的槽35c可以使用諸如XeF2、SF6等的氣體通過(guò)各向同性的干法蝕刻而形成。即,通過(guò)各向同性干法蝕刻方法,基板31從開(kāi)口部53c側(cè)蝕刻,從而可以容易地獲得槽35c的形狀。
工業(yè)適用性本發(fā)明可以從諸如血液、乳液等為代表的由液體成分和固體成分而形成的混合流體中,容易地分離各成分,并且可用于成分分離器、成分分析器等。
權(quán)利要求
1.一種成分分離設(shè)備,包括基板;流體通道,設(shè)置于所述基板以容納含有液體成分和固體成分的流體;致動(dòng)器,用于在所述流體通道內(nèi)產(chǎn)生駐波;以及槽,設(shè)置于所述致動(dòng)器周圍。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成分分離設(shè)備,其中所述槽為通孔。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成分分離設(shè)備,其中所述流體通道和所述致動(dòng)器設(shè)置在同一軸方向上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成分分離設(shè)備,其中多個(gè)所述致動(dòng)器布置成在所述流體通道兩側(cè)彼此相對(duì)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成分分離設(shè)備,其中多個(gè)所述致動(dòng)器沿著所述流體通道布置。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成分分離設(shè)備,其中所述流體通道設(shè)置于所述基板的上表面,并且所述致動(dòng)器設(shè)置于所述基板的下表面。
7.根據(jù)權(quán)利要求2所述的成分分離設(shè)備,其中所述槽包括第一開(kāi)口部,朝形成所述致動(dòng)器一側(cè)開(kāi)口,第二開(kāi)口部,朝與所述第一開(kāi)口部相對(duì)一側(cè)開(kāi)口,并且所述第一開(kāi)口部比所述第二開(kāi)口部小。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的成分分離設(shè)備,其中所述槽包括壁面,連接所述第一開(kāi)口部和所述第二開(kāi)口部,并且所述壁面的斷面形狀構(gòu)成為其中心位于所述槽側(cè)的圓弧和橢圓形曲線的至少一種。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成分分離設(shè)備,其中所述致動(dòng)器設(shè)置于所述基板的下表面,并且所述槽在所述流體通道側(cè)上的壁面和所述下表面所成的角為銳角。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成分分離設(shè)備,其中所述基板的材料為硅。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成分分離設(shè)備,其中所述致動(dòng)器包括下電極,壓電部件和上電極,所述下電極的材料包含鈦和鉑的至少一種,所述壓電部件的材料包含鋯鈦酸鉛,并且所述上電極的材料包含鈦和金的至少一種。
12.一種成分分離方法,包括流體容納步驟,在設(shè)置于基板的流體通道中容納含有液體成分和固體成分的流體;駐波產(chǎn)生步驟,對(duì)設(shè)置成通過(guò)所述流體通道相對(duì)的多個(gè)致動(dòng)器施加高頻電壓而產(chǎn)生振動(dòng),以在所述流體通道的內(nèi)部產(chǎn)生包含有波節(jié)的駐波;反射步驟,通過(guò)在所述致動(dòng)器的除所述流體通道側(cè)的周圍設(shè)置槽,以反射所述振動(dòng);以及分離步驟,從所述流體分離液體成分和固體成分的至少一種。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的成分分離方法,其中所述駐波產(chǎn)生步驟為對(duì)于分別在所述流體通道的兩側(cè)相對(duì)設(shè)置的第一致動(dòng)器和第二致動(dòng)器,分別施加相位相差180度的高頻電壓而產(chǎn)生振動(dòng),以在所述流體通道產(chǎn)生包含有奇數(shù)個(gè)波節(jié)的駐波。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的成分分離方法,其中所述駐波產(chǎn)生步驟為對(duì)于分別在所述流體通道的兩側(cè)相對(duì)設(shè)置的第一致動(dòng)器和第二致動(dòng)器,分別施加相位相同的高頻電壓而產(chǎn)生振動(dòng),以在所述流體通道內(nèi)產(chǎn)生包含有偶數(shù)個(gè)波節(jié)的駐波。
15.根據(jù)權(quán)利要求12所述的成分分離方法,其中所述駐波產(chǎn)生步驟為對(duì)于沿著所述流體通道分別設(shè)置的第一致動(dòng)器和第三致動(dòng)器,分別施加頻率不同的高頻電壓而產(chǎn)生振動(dòng),以在所述流體通道產(chǎn)生包含有奇數(shù)個(gè)波節(jié)的駐波和包含有偶數(shù)個(gè)波節(jié)的駐波。
全文摘要
一種成分分離設(shè)備(30),包括基板(31)、設(shè)置于基板(31)上的流體通道(32)、致動(dòng)器(39)、以及致動(dòng)器(39)周圍設(shè)置的槽(35),其中流體通道(32)容納含有液體成分和固體成分的流體,且致動(dòng)器(39)在流體通道(32)內(nèi)產(chǎn)生駐波。通過(guò)該構(gòu)成,振動(dòng)通過(guò)槽被反射而傳送到流體通道(32)側(cè),從而降低振動(dòng)損耗,流體通道(32)內(nèi)產(chǎn)生高強(qiáng)度的駐波,這樣可提供小型的高精度的成分分離設(shè)備(30)。
文檔編號(hào)C02F1/36GK1956765SQ20068000024
公開(kāi)日2007年5月2日 申請(qǐng)日期2006年4月24日 優(yōu)先權(quán)日2005年4月25日
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