專利名稱：成分分離裝置及其制造方法、以及使用它的成分分離方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于將液體成分和固體成分混合的例如血液、乳液等流體中的各成分分離的成分分離裝置及其制造方法、以及使用該裝置的成分分離方法。
背景技術：
作為混合多種固體成分的流體，可以舉出例如河川水、海水、血液等。這些都是混合液體成分和固體成分而成，砂子、細菌、血細胞等固體成分通過沉淀或者分散以固體形式存在而不是溶解(dissolved)在液體成分中。
對分離這些多個成分的方法例如從血液中分離血細胞的裝置進行說明。通常，血液是以由作為液體成分的血漿和作為固體成分的血細胞以及其他成分構成的全血狀態(tài)被采集的。然而，大多數(shù)情況下用于血液檢查所需的成分僅是血細胞部分或者相反僅是血漿部分。
例如，為了檢查血液中的血糖值，有必要測定溶解于血漿成分中的血糖。為了檢測DNA而從血球中的白細胞取出DNA。因此，為了將采用以往的一般方法而采集的血液分離成血漿、血細胞成分，將全血放進試管中后，利用離心分離器施加規(guī)定的離心力。由此，試管內(nèi)的全血受到與各個成分對應的離心力，并通過質量的不同將這些成分分離開來。
此后，通過萃取上清液而取出血漿成分，從沉淀物中取出血細胞成分。此后，對已被分離的各個成分通過檢查工序進行規(guī)定的測量。
在使用離心分離器的以往的方法中存在以下問題。即，試管中的全血必須是某一程度的量，例如必須是從數(shù)毫升到數(shù)十毫升程度的試樣。因此，該方法在試樣的量少的情況下很難進行液體成分和固體成分的分離。
在“Integrated vertical screen microfilter system using inclined SU-8structure.”(Yong-Kyu Yoon，MEMS 2003，Kyoto，pp.227-230IEEE發(fā)行)中，公開了使用過濾器從微量試樣中分離固體成分的方法。利用多孔質性的過濾器，將規(guī)定大小以上的血細胞進行過濾，從而分離并分別取出血漿成分和血球。在該方法中，過濾器的孔的尺寸和數(shù)目影響分離特性。因此過濾器必須設計成與想要分離的成分相對應的最佳結構。例如，使感光性抗蝕層進行立體式感光，而能夠以高精度制成網(wǎng)目狀的過濾器，進而能以良好的精度制作過濾器的孔的大小和數(shù)目。
在采用過濾器的以往的方法中，基于多種成分混合的流體或者粉流體(powder fluid)通過過濾器時的壓力，通過的固體成分的顆粒的大小不同。尤其很難用該方法分離多種大小的固體成分顆粒。為了取出規(guī)定的顆粒，確定過濾器的孔的大小以便只使比其小的顆粒通過。該規(guī)定的顆粒被過濾器捕獲，所以有時堵塞過濾器的孔而妨礙小顆粒通過。
在特表2001-525722號公報中，公開了用于進行在流體內(nèi)懸浮的顆粒的操作(manipulation)的裝置。該裝置具備用于流過懸濁有顆粒的流體的導管、配置在導管的單側的超聲波換能器(transducer)、以及配置在導管的相反側的反射器。超聲波換能器設置在導管的流路的側面。超聲波換能器與導管內(nèi)部直接接觸。在該裝置中產(chǎn)生在寬度方向上橫穿導管的聲駐波，由此使顆粒濃縮，通過顆粒形成與導管的縱軸平行的一個以上的平面狀的帶，從而將液體成分和作為固體成分的顆粒分離。
在該裝置中，由聲駐波使顆粒集中在流體的規(guī)定位置，因此沒必要擔心過濾器的堵塞。但是，由于超聲波換能器直接與導管內(nèi)部接觸，因此有可能受到導管內(nèi)的流體的污染。此外，由于超聲波換能器構成導管的一部分，因此導管必須以平面狀構成，因而超聲波換能器的振動面也是平面。因此，可以產(chǎn)生的聲波僅限于平面波。此外，很難將超聲波換能器準確設置在導管的側面。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的成分分離裝置，具備基板，其形成有用于收容含有液體成分和固體成分的流體的流路；促動器(actuator)，其使收容在流路中的流體振動；取出部，其用于取出流體的液體成分和固體成分當中的一方。促動器具備從遠離流路并設在基板上的第一電極、設在第一電極上的壓電體、以及設在壓電體上的第二電極。
通過該分離裝置，可以在不使促動器被流體污染的情況下有效地分離成分。


圖1是本發(fā)明的實施方式一的成分分離裝置的立體圖。
圖2是實施方式一的成分分離裝置的俯視圖。
圖3是實施方式一的成分分離裝置的俯視圖。
圖4是表示在實施方式一的成分分離裝置的促動器上施加的電壓。
圖5是實施方式一的另外的成分分離裝置的立體圖。
圖6是用于說明實施方式一的成分分離裝置的制造工序的截面圖。
圖7是用于說明實施方式一的成分分離裝置的制造工序的截面圖。
圖8是用于說明實施方式一的成分分離裝置的制造工序的截面圖。
圖9是用于說明實施方式一的成分分離裝置的制造工序的截面圖。
圖10是用于說明實施方式一的成分分離裝置的制造工序的截面圖。
圖11是用于說明實施方式一的成分分離裝置的制造工序的截面圖。
圖12是用于說明實施方式一的成分分離裝置的制造工序的截面圖。
圖13是本發(fā)明的實施方式二的成分分離裝置的立體圖。
圖14是實施方式二的另外的成分分離裝置的立體圖。
圖15是圖14所示的成分分離裝置的俯視圖。
圖16是圖14所示的成分分離裝置的俯視圖。
圖中1-基板，2-流路，3-促動器，5-通用電極，6A-壓電體，6B-壓電體，7A-驅動電極，7B-驅動電極，8-流入口，9-流出口，10A-貫通孔，10B-貫通孔，11-固體成分，12-液體成分，13-抗蝕劑掩模，14-抗蝕劑掩模，15-抗蝕劑掩模，16-抗蝕劑掩模，18-電極層，19-壓電層，20-電極層，26-基板，27-流路，28-促動器，29-流入口，30-流出口。
具體實施例方式
(實施方式一)圖1是本發(fā)明的實施方式一的成分分離裝置的立體圖。由硅構成的基板1上形成有流路2。由裝置的外部混合了固體成分和液體成分的流體從流入口8流入，并通過流路2從流出路9流出，即，流體被流路2收容。在流路2的底面2A上設有貫通至與底面2A相反側的面1A的貫通孔10A、10B。設在基板1的上面1B上且在流路2的外側具有長邊方向3A的促動器3，遠離流路2設置。促動器3的長邊方向3A與流路2的側面2B平行。促動器3由以下部分構成，即，在基板1上設置的由鉑構成的通用電極5、在通用電極5上的由鈦酸鋯酸鉛(チタン酸ジルコン酸鉛)構成的壓電體6A、6B、以及在壓電體6A、6B上分別設置的由金構成的驅動電極7A、7B。通用電極5和驅動電極7A、7B也可以含有金、鉻、鈦以及鉑中的至少一種。促動器3雖很小但能在低電壓下有效產(chǎn)生大的振動。
促動器3的長邊方向3A平行于和面1B連接的流路2的側面2B，因此，如后所述，促動器3能夠更有效地產(chǎn)生振動。在圖1所示的裝置中，有兩個促動器3分別設在流路2的兩個側面的外側，但也可以僅用一個促動器產(chǎn)生振動。
下面，對使用該成分分離裝置對混合了固體成分和液體成分的流體中的各個成分進行分離的方法進行說明。圖2和圖3是成分分離裝置的俯視圖。
首先，將混合有固體成分11和液體成分12的流體101從流入口8投入。當流體101充滿流路2之后，從流出口9流出。通常在沒有進行任何動作的情況下，如圖2所示，流體101的固體成分11和液體成分12無規(guī)流動。
接著，向促動器3施加以規(guī)定頻率振動的高頻電壓。通用電極5保持例如0V的規(guī)定電位。圖3表示與促動器3連接的電路，圖4表示向驅動電極7A、7B分別施加的高頻電壓Va、Vb。高頻電壓Va、Vb例如通過180度移相器102而使相位相互錯開180度。隨著高頻電壓Va、Vb，壓電體6A、6B各自重復伸縮振動，該振動被傳遞到基板1并到達流路2內(nèi)。其中，如圖4所示，高頻電壓Va、Vb優(yōu)選通過直流電源施加偏壓E，以使壓電體6A和通用電極5的電位的高低不發(fā)生逆轉、且壓電體6B和通用電極5的電位的高低不發(fā)生逆轉。由此，壓電體6A、6B不容易產(chǎn)生由反向電壓施加引起的偏振衰減(polarization relaxation)，可以穩(wěn)定地驅動，沒有特性劣化。其中，只要能使壓電體6A和通用電極5的電位的高低不發(fā)生逆轉、且使壓電體6B和通用電極5的電位的高低不發(fā)生逆轉，則直流偏壓值E可以是正也可以是負。
根據(jù)流路2的形狀和振動頻率，流路2內(nèi)可在規(guī)定條件下產(chǎn)生振動的駐波。如果在流路2內(nèi)產(chǎn)生駐波，則如圖3所示，固體成分11集中到駐波3的波節(jié)部分，一邊排成線，一邊在流路2中流動。圖3模式地表示了在流路2中的駐波的三個波節(jié)集中并流動的固體成分11。
基板1的貫通孔10A設在固體成分11集中流動的部分的下面。從而，如果從貫通孔10A向基板1的下面?zhèn)任黧w101，則能夠將固體成分11與少量液體成分12一同從貫通孔10A取出。基板1的貫通孔10B設在固體成分11集中流動的部分的下面以外的部分上。從而，如果從貫通孔10B吸引流體101，則能夠只取出液體成分12。貫通孔10A、10B作為從流體101分別取出固體成分11和液體成分12的成分取出部而發(fā)揮功能。在只需要固體成分11和液體成分12當中的一方，例如只需要固體成分11的情況下，裝置不需要具備與另外一方即液體成分12相對應的貫通孔10B。貫通孔10A、10B的尺寸、數(shù)目沒有必要為了分離特定的血漿、血球而個別設計，該裝置可以普遍使用。
圖5是實施方式一的另外的成分分離裝置的立體圖。如圖5所示，促動器16還可以設在基板1的下面1A上。促動器16可以設在下面1A上的流路2的下面部分的位置上，從而可以更有效傳遞振動。
接著，對如圖1所示的實施方式一的成分分離裝置的制造方法進行說明。圖6～圖12是表示成分分離裝置的制造工序的截面圖。
首先，如圖6所示，在由硅構成的基板1上形成由鉑構成的電極層18，在電極層18上由鈦酸鋯酸鉛形成壓電層19，并在壓電層19上形成由金構成的電極層20。電極層18、20是通過濺射、蒸鍍等常用的方法形成。由鈦酸鋯酸鉛形成的壓電層19可以通過濺射法、水熱合成法、溶膠凝膠法等形成。尤其是通過濺射法形成的壓電層19具有優(yōu)良的壓電特性，可以穩(wěn)定移位。
接著，如圖7所示，在電極層20上形成具有規(guī)定圖案的抗蝕劑掩模13。此后，如圖8所示，對電極層20進行蝕刻形成相互分離的驅動電極7A、7B。接著，如圖9所示，對由鈦酸鋯酸鉛形成的壓電層19進行蝕刻，形成相互分離的壓電體6A、6B。此后除去抗蝕劑掩模13。
接著，如圖10所示，在電極7A、7B上、電極層18上形成具有規(guī)定圖案的抗蝕劑掩模14，通過蝕刻電極層18，形成通用電極5。在完成蝕刻后除去抗蝕劑掩模14。
接著，如圖11所示，在電極7A、7B上、電極層18上、基板1的上面1B上形成具有規(guī)定圖案的抗蝕劑掩模15，通過蝕刻基板1，在由硅構成的基板1上形成具有流入口8和流出口9的流路2。此后除去抗蝕劑掩模15。通過利用干式蝕刻法對由硅構成的基板1進行蝕刻，能夠高精度地加工成微細形狀。使用混合了促進蝕刻的氣體和抑制蝕刻的氣體的氣體進行干式蝕刻，由此能夠更高精度地加工基板1。由此能夠減小裝置尺寸。
接著，如圖12所示，在基板1的下面1A上形成具有規(guī)定圖案的抗蝕劑掩模21，蝕刻基板1，在流路2的底部形成貫通孔10A、10B。完成蝕刻后除去抗蝕劑掩模21，獲得實施方式一的成分分離裝置。
根據(jù)上述方法，由于在基板1的上面設有促動器3，因此與半導體處理工序一樣，能夠用一個晶片一次性地有效獲得多個成分分離裝置。
由于促動器3、16不與流路2內(nèi)的流體接觸，因此不被流體污染。此外，促動器3、16是具有與流路2的側面2B平行的長邊方向3A的形狀。而且，基于實施方式一的裝置能夠在流路2內(nèi)準確且無損失地產(chǎn)生振動，因此能有效分離成分。
其中，在制造如圖5所示的成分分離裝置時，電極層和壓電層在基板1的下面1A上方形成。
(實施方式二)圖13是本發(fā)明的實施方式二的成分分離裝置的立體圖。在該裝置中，在由硅構成的基板26內(nèi)形成的流路27，從流入口29一直增大其寬度，并從最大寬度W1的部分開始朝向流出口30，其寬度一直減小。流路27在部分27A的最大寬度W1比流入口29和流出口30的寬度W1、W2更寬。多個促動器28被設置在流路27的周邊。通過多個促動器28向較大寬度W1的流路27施加各種振動，由此可以產(chǎn)生各種駐波，能夠分離更多的成分。此外，在較大寬度的流路27的周邊能夠容易地設置多個促動器28，可以更有效地分離成分。
圖14是實施方式二的另外的成分分離裝置的立體圖。圖15和圖16是圖14所示的成分分離裝置的俯視圖。在基板31上形成有與流入口38連接的流路32、與流出口39連接的流路44、以及流路32和流路44之間的流路33。流路32的寬度W32小于流路33的寬度W33。流路33的寬度W33是流路32的寬度W32的3倍?？邕^流路32、33，在流路32、33的兩個外側分別設置促動器34。
下面對使用該成分分離裝置進行成分分離的方法進行敘述。向流入口32注入混合有大小彼此不同的固體成分41和42以及液體成分43的流體45，則如圖15所示，流體45以與固體成分41、42與大小無關而無規(guī)分散，流體45在流動。固體成分42比固體成分41小。
接著，使用促動器34，向流路32的流體45施加振動，所述振動的波長是流路32的寬度W32的兩倍。由此，在流路32中產(chǎn)生在將寬度W32作為半波長的基本模式下振動的駐波，如圖16所示，固體成分41、42集中流動的一個區(qū)域R1以平行于流路32的方式形成。
促動器34由于也向流路33的兩個外側延伸，因此在流路33中也產(chǎn)生以與流路32相同的波長進行振動的駐波。該駐波的波長是流路33的寬度W33的2/3倍，因此在流路33中產(chǎn)生寬度W33的3倍模式的駐波。如圖16所示，固體成分41、42集中流動的三個區(qū)域R2、R3、R4以平行于流路33的方式形成。
小的固體成分或者密度小的固體成分很難受到駐波的影響。因此，在流路32中，集中到區(qū)域R1的固體成分41、42中的小的固體成分42，如圖16所示，在流路32的區(qū)域R1處比固體成分41更容易分散。在流路33中，從流路32流入的固體成分42，集中聚集到比區(qū)域R2更靠流路33的壁33A的區(qū)域R3、R4。即，能夠通過固體成分的大小或者密度控制集中流動的區(qū)域，并能從液體成分有效分離不同的固體成分。固體成分41、42或者液體成分43可以與圖1所示的實施方式一的成分分離裝置一樣，從貫通孔40A、40B以及流路44取出。
在圖14所示的裝置中，流路33的寬度W33是流路32的寬度W32的三倍，因此通過促動器34產(chǎn)生的振動，在流路32中產(chǎn)生基本模式的駐波、流路33中產(chǎn)生三倍模式的駐波，形成固體成分集中流動的區(qū)域R1～R4。在流路32和流路33的外側分別設有不同的促動器，分別產(chǎn)生不同波長的振動。因此，流路33的寬度W33不一定是流路32的寬度W32的三倍。在如圖14所示的實施方式二的裝置中，不需要將不同的促動器分別設在流路33、32的外側，可以更簡便地制造和使用成分分離裝置。
其中，在圖14所示的裝置中，促動器34分別設在流路33、32的兩側。但促動器34的數(shù)目不限定于此，而是只要能施加適當?shù)恼駝蛹纯伞?br> 在實施方式二的圖14所示的裝置中，促動器34具備基板31上的通用電極35、通用電極35上的壓電體36A、36B、以及壓電體36A、36B上的驅動電極37A、37B，可以與實施方式一的促動器3一樣驅動。
工業(yè)上的可利用性本發(fā)明的成分分離裝置，能夠對例如血液、乳液等混合了液體成分和固體成分的流體中的各成分進行有效分離。
權利要求
1.一種成分分離裝置，具備基板，其具有第一面和與所述第一面相反側的所述第二面，在所述第一面形成有對含有液體成分和固體成分的流體進行收容的流路；促動器，其具備遠離所述流路而設在所述基板上的第一電極、設在所述第一電極上的第一壓電體、以及設在所述第一壓電體上的第二電極，使收容在所述流路中的所述流體產(chǎn)生振動；取出部，其用于取出所述流體的所述液體成分和所述固體成分當中的一方。
2.如權利要求1所述的成分分離裝置，其中，在所述基板上形成有用于將所述流體導入到所述流路中且與所述流路連接的流入口、和用于將所述流體從所述流路排出且設在所述流路上的流出口。
3.如權利要求1所述的成分分離裝置，其中，所述促動器的所述第一電極設在所述基板的所述第一面上。
4.如權利要求1所述的成分分離裝置，其中，所述促動器的所述第一電極設在所述基板的所述第二面上。
5.如權利要求1所述的成分分離裝置，其中，所述促動器使收容在所述流路中的所述流體產(chǎn)生駐波。
6.如權利要求1所述的成分分離裝置，其中，所述促動器還具備設在所述第一電極上的第二壓電體、和設在所述第二壓電體上的第三電極。
7.如權利要求1所述的成分分離裝置，其中，所述促動器的所述第一電極由金、鉻、鈦以及鉑當中的至少一種金屬構成，所述促動器的所述第二電極由金、鉻、鈦以及鉑當中的至少一種金屬構成，所述促動器的所述第三電極由金、鉻、鈦以及鉑當中的至少一種金屬構成，所述第一壓電體和所述第二壓電體由鈦酸鋯酸鉛構成。
8.如權利要求1所述的成分分離裝置，其中，所述流路具有寬度大于所述流入口寬度和所述流出口寬度的部分。
9.如權利要求8所述的成分分離裝置，其中，所述流路的寬度從所述流入口開始到所述部分一直增加，從所述部分開始到所述流出口一直減少。
10.如權利要求1所述的成分分離裝置，其中，所述流路具有與所述基板的所述第一面相連的側面，所述促動器的所述第一電極和所述第二電極和所述第一壓電層具有與所述流路的所述側面平行的長邊方向。
11.如權利要求1所述的成分分離裝置，其中，從所述流路貫通至所述基板的所述第二面的貫通孔作為所述取出部形成于所述基板上。
12.如權利要求1所述的成分分離裝置，其中，所述基板由硅構成。
13.如權利要求1所述的成分分離裝置，其中，所述促動器的所述第一電極由金、鉻、鈦以及鉑當中的至少一種金屬構成，所述促動器的所述第二電極由金、鉻、鈦以及鉑當中的至少一種金屬構成，所述第一壓電體由鈦酸鋯酸鉛構成。
14.一種成分分離裝置的制造方法，包括在基板上形成第一電極層的步驟；在所述第一電極上形成壓電層的步驟；在所述壓電體上形成第二電極層的步驟；將所述第一電極層和所述壓電層和所述第二電極層加工成規(guī)定圖案形狀而形成促動器的步驟；和在所述基板上通過蝕刻形成流路的步驟。
15.如權利要求14所述的成分分離裝置的制造方法，其中，還包括在所述基板上通過蝕刻形成與所述流路連接的流入口和流出口的步驟。
16.如權利要求14所述的成分分離裝置的制造方法，其中，通過蝕刻在所述基板上形成流路的步驟包含通過干式蝕刻在所述流路上形成所述流路的步驟。
17.如權利要求16所述的成分分離裝置的制造方法，其中，通過干式蝕刻在所述流路上形成所述流路的步驟包含通過使用混合了促進蝕刻的氣體和抑制蝕刻的氣體而成的氣體對所述流路進行干式蝕刻，形成所述流路的步驟。
18.如權利要求14所述的成分分離裝置的制造方法，其中，所述第一電極層由金、鉻、鈦以及鉑當中的至少一種構成，所述第二電極層由金、鉻、鈦以及鉑當中的至少一種構成。
19.如權利要求14所述的成分分離裝置的制造方法，其中，所述壓電層由鈦酸鋯酸鉛構成。
20.一種成分分離方法，包括準備成分分離裝置的步驟，該成分分離裝置具備基板，具有第一面和與所述第二面相反側的所述第二面且在所述第一面形成有流路；促動器，具備遠離所述流路而設在所述基板上的第一電極、設在所述第一電極上的第一的第二壓電體、以及分別設在所述第一和第二壓電體上的第二和第三電極；將含有液體成分和固體成分的流體收容在所述流路中的步驟；將振動且具有直流偏壓的第一電壓施加在所述第一電極和所述第二電極之間、并將以相位與所述第一電壓相差180度的方式振動且具有直流偏壓的第二電壓施加在所述第一電極和所述第三電極之間，從而使所述促動器振動的步驟；通過所述振動的促動器使在所述流路中收容的流體產(chǎn)生駐波的步驟；和從產(chǎn)生了所述駐波的所述流體分離所述固體成分和所述液體成分當中的一方的步驟。
全文摘要
本發(fā)明提供一種成分分離裝置，具備基板，其形成有對含有液體成分和固體成分的流體進行收容的流路；促動器，其使收容在流路中的流體振動；取出部，其用于取出流體的液體成分和固體成分當中的一方。促動器具備遠離流路設在基板上的第一電極、設在第一電極上的壓電體、以及設在壓電體上的第二電極。使用該分離裝置，可以在不使促動器被流體污染的情況下有效地分離成分。
文檔編號B81C1/00GK1753718SQ20048000538
公開日2006年3月29日 申請日期2004年11月25日 優(yōu)先權日2003年12月17日
發(fā)明者中谷將也 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社