专利名称：成分分离装置及其制造方法、以及使用它的成分分离方法
技术领域：
本发明涉及用于将液体成分和固体成分混合的例如血液、乳液等流体中的各成分分离的成分分离装置及其制造方法、以及使用该装置的成分分离方法。
背景技术：
作为混合多种固体成分的流体，可以举出例如河川水、海水、血液等。这些都是混合液体成分和固体成分而成，砂子、细菌、血细胞等固体成分通过沉淀或者分散以固体形式存在而不是溶解(dissolved)在液体成分中。
对分离这些多个成分的方法例如从血液中分离血细胞的装置进行说明。通常，血液是以由作为液体成分的血浆和作为固体成分的血细胞以及其他成分构成的全血状态被采集的。然而，大多数情况下用于血液检查所需的成分仅是血细胞部分或者相反仅是血浆部分。
例如，为了检查血液中的血糖值，有必要测定溶解于血浆成分中的血糖。为了检测DNA而从血球中的白细胞取出DNA。因此，为了将采用以往的一般方法而采集的血液分离成血浆、血细胞成分，将全血放进试管中后，利用离心分离器施加规定的离心力。由此，试管内的全血受到与各个成分对应的离心力，并通过质量的不同将这些成分分离开来。
此后，通过萃取上清液而取出血浆成分，从沉淀物中取出血细胞成分。此后，对已被分离的各个成分通过检查工序进行规定的测量。
在使用离心分离器的以往的方法中存在以下问题。即，试管中的全血必须是某一程度的量，例如必须是从数毫升到数十毫升程度的试样。因此，该方法在试样的量少的情况下很难进行液体成分和固体成分的分离。
在“Integrated vertical screen microfilter system using inclined SU-8structure.”(Yong-Kyu Yoon，MEMS 2003，Kyoto，pp.227-230IEEE发行)中，公开了使用过滤器从微量试样中分离固体成分的方法。利用多孔质性的过滤器，将规定大小以上的血细胞进行过滤，从而分离并分别取出血浆成分和血球。在该方法中，过滤器的孔的尺寸和数目影响分离特性。因此过滤器必须设计成与想要分离的成分相对应的最佳结构。例如，使感光性抗蚀层进行立体式感光，而能够以高精度制成网目状的过滤器，进而能以良好的精度制作过滤器的孔的大小和数目。
在采用过滤器的以往的方法中，基于多种成分混合的流体或者粉流体(powder fluid)通过过滤器时的压力，通过的固体成分的颗粒的大小不同。尤其很难用该方法分离多种大小的固体成分颗粒。为了取出规定的颗粒，确定过滤器的孔的大小以便只使比其小的颗粒通过。该规定的颗粒被过滤器捕获，所以有时堵塞过滤器的孔而妨碍小颗粒通过。
在特表2001-525722号公报中，公开了用于进行在流体内悬浮的颗粒的操作(manipulation)的装置。该装置具备用于流过悬浊有颗粒的流体的导管、配置在导管的单侧的超声波换能器(transducer)、以及配置在导管的相反侧的反射器。超声波换能器设置在导管的流路的侧面。超声波换能器与导管内部直接接触。在该装置中产生在宽度方向上横穿导管的声驻波，由此使颗粒浓缩，通过颗粒形成与导管的纵轴平行的一个以上的平面状的带，从而将液体成分和作为固体成分的颗粒分离。
在该装置中，由声驻波使颗粒集中在流体的规定位置，因此没必要担心过滤器的堵塞。但是，由于超声波换能器直接与导管内部接触，因此有可能受到导管内的流体的污染。此外，由于超声波换能器构成导管的一部分，因此导管必须以平面状构成，因而超声波换能器的振动面也是平面。因此，可以产生的声波仅限于平面波。此外，很难将超声波换能器准确设置在导管的侧面。
发明内容
本发明的成分分离装置，具备基板，其形成有用于收容含有液体成分和固体成分的流体的流路；促动器(actuator)，其使收容在流路中的流体振动；取出部，其用于取出流体的液体成分和固体成分当中的一方。促动器具备从远离流路并设在基板上的第一电极、设在第一电极上的压电体、以及设在压电体上的第二电极。
通过该分离装置，可以在不使促动器被流体污染的情况下有效地分离成分。
图1是本发明的实施方式一的成分分离装置的立体图。
图2是实施方式一的成分分离装置的俯视图。
图3是实施方式一的成分分离装置的俯视图。
图4是表示在实施方式一的成分分离装置的促动器上施加的电压。
图5是实施方式一的另外的成分分离装置的立体图。
图6是用于说明实施方式一的成分分离装置的制造工序的截面图。
图7是用于说明实施方式一的成分分离装置的制造工序的截面图。
图8是用于说明实施方式一的成分分离装置的制造工序的截面图。
图9是用于说明实施方式一的成分分离装置的制造工序的截面图。
图10是用于说明实施方式一的成分分离装置的制造工序的截面图。
图11是用于说明实施方式一的成分分离装置的制造工序的截面图。
图12是用于说明实施方式一的成分分离装置的制造工序的截面图。
图13是本发明的实施方式二的成分分离装置的立体图。
图14是实施方式二的另外的成分分离装置的立体图。
图15是图14所示的成分分离装置的俯视图。
图16是图14所示的成分分离装置的俯视图。
图中1-基板，2-流路，3-促动器，5-通用电极，6A-压电体，6B-压电体，7A-驱动电极，7B-驱动电极，8-流入口，9-流出口，10A-贯通孔，10B-贯通孔，11-固体成分，12-液体成分，13-抗蚀剂掩模，14-抗蚀剂掩模，15-抗蚀剂掩模，16-抗蚀剂掩模，18-电极层，19-压电层，20-电极层，26-基板，27-流路，28-促动器，29-流入口，30-流出口。
具体实施例方式
(实施方式一)图1是本发明的实施方式一的成分分离装置的立体图。由硅构成的基板1上形成有流路2。由装置的外部混合了固体成分和液体成分的流体从流入口8流入，并通过流路2从流出路9流出，即，流体被流路2收容。在流路2的底面2A上设有贯通至与底面2A相反侧的面1A的贯通孔10A、10B。设在基板1的上面1B上且在流路2的外侧具有长边方向3A的促动器3，远离流路2设置。促动器3的长边方向3A与流路2的侧面2B平行。促动器3由以下部分构成，即，在基板1上设置的由铂构成的通用电极5、在通用电极5上的由钛酸锆酸铅(チタン酸ジルコン酸鉛)构成的压电体6A、6B、以及在压电体6A、6B上分别设置的由金构成的驱动电极7A、7B。通用电极5和驱动电极7A、7B也可以含有金、铬、钛以及铂中的至少一种。促动器3虽很小但能在低电压下有效产生大的振动。
促动器3的长边方向3A平行于和面1B连接的流路2的侧面2B，因此，如后所述，促动器3能够更有效地产生振动。在图1所示的装置中，有两个促动器3分别设在流路2的两个侧面的外侧，但也可以仅用一个促动器产生振动。
下面，对使用该成分分离装置对混合了固体成分和液体成分的流体中的各个成分进行分离的方法进行说明。图2和图3是成分分离装置的俯视图。
首先，将混合有固体成分11和液体成分12的流体101从流入口8投入。当流体101充满流路2之后，从流出口9流出。通常在没有进行任何动作的情况下，如图2所示，流体101的固体成分11和液体成分12无规流动。
接着，向促动器3施加以规定频率振动的高频电压。通用电极5保持例如0V的规定电位。图3表示与促动器3连接的电路，图4表示向驱动电极7A、7B分别施加的高频电压Va、Vb。高频电压Va、Vb例如通过180度移相器102而使相位相互错开180度。随着高频电压Va、Vb，压电体6A、6B各自重复伸缩振动，该振动被传递到基板1并到达流路2内。其中，如图4所示，高频电压Va、Vb优选通过直流电源施加偏压E，以使压电体6A和通用电极5的电位的高低不发生逆转、且压电体6B和通用电极5的电位的高低不发生逆转。由此，压电体6A、6B不容易产生由反向电压施加引起的偏振衰减(polarization relaxation)，可以稳定地驱动，没有特性劣化。其中，只要能使压电体6A和通用电极5的电位的高低不发生逆转、且使压电体6B和通用电极5的电位的高低不发生逆转，则直流偏压值E可以是正也可以是负。
根据流路2的形状和振动频率，流路2内可在规定条件下产生振动的驻波。如果在流路2内产生驻波，则如图3所示，固体成分11集中到驻波3的波节部分，一边排成线，一边在流路2中流动。图3模式地表示了在流路2中的驻波的三个波节集中并流动的固体成分11。
基板1的贯通孔10A设在固体成分11集中流动的部分的下面。从而，如果从贯通孔10A向基板1的下面侧吸引流体101，则能够将固体成分11与少量液体成分12一同从贯通孔10A取出。基板1的贯通孔10B设在固体成分11集中流动的部分的下面以外的部分上。从而，如果从贯通孔10B吸引流体101，则能够只取出液体成分12。贯通孔10A、10B作为从流体101分别取出固体成分11和液体成分12的成分取出部而发挥功能。在只需要固体成分11和液体成分12当中的一方，例如只需要固体成分11的情况下，装置不需要具备与另外一方即液体成分12相对应的贯通孔10B。贯通孔10A、10B的尺寸、数目没有必要为了分离特定的血浆、血球而个别设计，该装置可以普遍使用。
图5是实施方式一的另外的成分分离装置的立体图。如图5所示，促动器16还可以设在基板1的下面1A上。促动器16可以设在下面1A上的流路2的下面部分的位置上，从而可以更有效传递振动。
接着，对如图1所示的实施方式一的成分分离装置的制造方法进行说明。图6～图12是表示成分分离装置的制造工序的截面图。
首先，如图6所示，在由硅构成的基板1上形成由铂构成的电极层18，在电极层18上由钛酸锆酸铅形成压电层19，并在压电层19上形成由金构成的电极层20。电极层18、20是通过溅射、蒸镀等常用的方法形成。由钛酸锆酸铅形成的压电层19可以通过溅射法、水热合成法、溶胶凝胶法等形成。尤其是通过溅射法形成的压电层19具有优良的压电特性，可以稳定移位。
接着，如图7所示，在电极层20上形成具有规定图案的抗蚀剂掩模13。此后，如图8所示，对电极层20进行蚀刻形成相互分离的驱动电极7A、7B。接着，如图9所示，对由钛酸锆酸铅形成的压电层19进行蚀刻，形成相互分离的压电体6A、6B。此后除去抗蚀剂掩模13。
接着，如图10所示，在电极7A、7B上、电极层18上形成具有规定图案的抗蚀剂掩模14，通过蚀刻电极层18，形成通用电极5。在完成蚀刻后除去抗蚀剂掩模14。
接着，如图11所示，在电极7A、7B上、电极层18上、基板1的上面1B上形成具有规定图案的抗蚀剂掩模15，通过蚀刻基板1，在由硅构成的基板1上形成具有流入口8和流出口9的流路2。此后除去抗蚀剂掩模15。通过利用干式蚀刻法对由硅构成的基板1进行蚀刻，能够高精度地加工成微细形状。使用混合了促进蚀刻的气体和抑制蚀刻的气体的气体进行干式蚀刻，由此能够更高精度地加工基板1。由此能够减小装置尺寸。
接着，如图12所示，在基板1的下面1A上形成具有规定图案的抗蚀剂掩模21，蚀刻基板1，在流路2的底部形成贯通孔10A、10B。完成蚀刻后除去抗蚀剂掩模21，获得实施方式一的成分分离装置。
根据上述方法，由于在基板1的上面设有促动器3，因此与半导体处理工序一样，能够用一个晶片一次性地有效获得多个成分分离装置。
由于促动器3、16不与流路2内的流体接触，因此不被流体污染。此外，促动器3、16是具有与流路2的侧面2B平行的长边方向3A的形状。而且，基于实施方式一的装置能够在流路2内准确且无损失地产生振动，因此能有效分离成分。
其中，在制造如图5所示的成分分离装置时，电极层和压电层在基板1的下面1A上方形成。
(实施方式二)图13是本发明的实施方式二的成分分离装置的立体图。在该装置中，在由硅构成的基板26内形成的流路27，从流入口29一直增大其宽度，并从最大宽度W1的部分开始朝向流出口30，其宽度一直减小。流路27在部分27A的最大宽度W1比流入口29和流出口30的宽度W1、W2更宽。多个促动器28被设置在流路27的周边。通过多个促动器28向较大宽度W1的流路27施加各种振动，由此可以产生各种驻波，能够分离更多的成分。此外，在较大宽度的流路27的周边能够容易地设置多个促动器28，可以更有效地分离成分。
图14是实施方式二的另外的成分分离装置的立体图。图15和图16是图14所示的成分分离装置的俯视图。在基板31上形成有与流入口38连接的流路32、与流出口39连接的流路44、以及流路32和流路44之间的流路33。流路32的宽度W32小于流路33的宽度W33。流路33的宽度W33是流路32的宽度W32的3倍。跨过流路32、33，在流路32、33的两个外侧分别设置促动器34。
下面对使用该成分分离装置进行成分分离的方法进行叙述。向流入口32注入混合有大小彼此不同的固体成分41和42以及液体成分43的流体45，则如图15所示，流体45以与固体成分41、42与大小无关而无规分散，流体45在流动。固体成分42比固体成分41小。
接着，使用促动器34，向流路32的流体45施加振动，所述振动的波长是流路32的宽度W32的两倍。由此，在流路32中产生在将宽度W32作为半波长的基本模式下振动的驻波，如图16所示，固体成分41、42集中流动的一个区域R1以平行于流路32的方式形成。
促动器34由于也向流路33的两个外侧延伸，因此在流路33中也产生以与流路32相同的波长进行振动的驻波。该驻波的波长是流路33的宽度W33的2/3倍，因此在流路33中产生宽度W33的3倍模式的驻波。如图16所示，固体成分41、42集中流动的三个区域R2、R3、R4以平行于流路33的方式形成。
小的固体成分或者密度小的固体成分很难受到驻波的影响。因此，在流路32中，集中到区域R1的固体成分41、42中的小的固体成分42，如图16所示，在流路32的区域R1处比固体成分41更容易分散。在流路33中，从流路32流入的固体成分42，集中聚集到比区域R2更靠流路33的壁33A的区域R3、R4。即，能够通过固体成分的大小或者密度控制集中流动的区域，并能从液体成分有效分离不同的固体成分。固体成分41、42或者液体成分43可以与图1所示的实施方式一的成分分离装置一样，从贯通孔40A、40B以及流路44取出。
在图14所示的装置中，流路33的宽度W33是流路32的宽度W32的三倍，因此通过促动器34产生的振动，在流路32中产生基本模式的驻波、流路33中产生三倍模式的驻波，形成固体成分集中流动的区域R1～R4。在流路32和流路33的外侧分别设有不同的促动器，分别产生不同波长的振动。因此，流路33的宽度W33不一定是流路32的宽度W32的三倍。在如图14所示的实施方式二的装置中，不需要将不同的促动器分别设在流路33、32的外侧，可以更简便地制造和使用成分分离装置。
其中，在图14所示的装置中，促动器34分别设在流路33、32的两侧。但促动器34的数目不限定于此，而是只要能施加适当的振动即可。
在实施方式二的图14所示的装置中，促动器34具备基板31上的通用电极35、通用电极35上的压电体36A、36B、以及压电体36A、36B上的驱动电极37A、37B，可以与实施方式一的促动器3一样驱动。
工业上的可利用性本发明的成分分离装置，能够对例如血液、乳液等混合了液体成分和固体成分的流体中的各成分进行有效分离。
权利要求
1.一种成分分离装置，具备基板，其具有第一面和与所述第一面相反侧的所述第二面，在所述第一面形成有对含有液体成分和固体成分的流体进行收容的流路；促动器，其具备远离所述流路而设在所述基板上的第一电极、设在所述第一电极上的第一压电体、以及设在所述第一压电体上的第二电极，使收容在所述流路中的所述流体产生振动；取出部，其用于取出所述流体的所述液体成分和所述固体成分当中的一方。
2.如权利要求1所述的成分分离装置，其中，在所述基板上形成有用于将所述流体导入到所述流路中且与所述流路连接的流入口、和用于将所述流体从所述流路排出且设在所述流路上的流出口。
3.如权利要求1所述的成分分离装置，其中，所述促动器的所述第一电极设在所述基板的所述第一面上。
4.如权利要求1所述的成分分离装置，其中，所述促动器的所述第一电极设在所述基板的所述第二面上。
5.如权利要求1所述的成分分离装置，其中，所述促动器使收容在所述流路中的所述流体产生驻波。
6.如权利要求1所述的成分分离装置，其中，所述促动器还具备设在所述第一电极上的第二压电体、和设在所述第二压电体上的第三电极。
7.如权利要求1所述的成分分离装置，其中，所述促动器的所述第一电极由金、铬、钛以及铂当中的至少一种金属构成，所述促动器的所述第二电极由金、铬、钛以及铂当中的至少一种金属构成，所述促动器的所述第三电极由金、铬、钛以及铂当中的至少一种金属构成，所述第一压电体和所述第二压电体由钛酸锆酸铅构成。
8.如权利要求1所述的成分分离装置，其中，所述流路具有宽度大于所述流入口宽度和所述流出口宽度的部分。
9.如权利要求8所述的成分分离装置，其中，所述流路的宽度从所述流入口开始到所述部分一直增加，从所述部分开始到所述流出口一直减少。
10.如权利要求1所述的成分分离装置，其中，所述流路具有与所述基板的所述第一面相连的侧面，所述促动器的所述第一电极和所述第二电极和所述第一压电层具有与所述流路的所述侧面平行的长边方向。
11.如权利要求1所述的成分分离装置，其中，从所述流路贯通至所述基板的所述第二面的贯通孔作为所述取出部形成于所述基板上。
12.如权利要求1所述的成分分离装置，其中，所述基板由硅构成。
13.如权利要求1所述的成分分离装置，其中，所述促动器的所述第一电极由金、铬、钛以及铂当中的至少一种金属构成，所述促动器的所述第二电极由金、铬、钛以及铂当中的至少一种金属构成，所述第一压电体由钛酸锆酸铅构成。
14.一种成分分离装置的制造方法，包括在基板上形成第一电极层的步骤；在所述第一电极上形成压电层的步骤；在所述压电体上形成第二电极层的步骤；将所述第一电极层和所述压电层和所述第二电极层加工成规定图案形状而形成促动器的步骤；和在所述基板上通过蚀刻形成流路的步骤。
15.如权利要求14所述的成分分离装置的制造方法，其中，还包括在所述基板上通过蚀刻形成与所述流路连接的流入口和流出口的步骤。
16.如权利要求14所述的成分分离装置的制造方法，其中，通过蚀刻在所述基板上形成流路的步骤包含通过干式蚀刻在所述流路上形成所述流路的步骤。
17.如权利要求16所述的成分分离装置的制造方法，其中，通过干式蚀刻在所述流路上形成所述流路的步骤包含通过使用混合了促进蚀刻的气体和抑制蚀刻的气体而成的气体对所述流路进行干式蚀刻，形成所述流路的步骤。
18.如权利要求14所述的成分分离装置的制造方法，其中，所述第一电极层由金、铬、钛以及铂当中的至少一种构成，所述第二电极层由金、铬、钛以及铂当中的至少一种构成。
19.如权利要求14所述的成分分离装置的制造方法，其中，所述压电层由钛酸锆酸铅构成。
20.一种成分分离方法，包括准备成分分离装置的步骤，该成分分离装置具备基板，具有第一面和与所述第二面相反侧的所述第二面且在所述第一面形成有流路；促动器，具备远离所述流路而设在所述基板上的第一电极、设在所述第一电极上的第一的第二压电体、以及分别设在所述第一和第二压电体上的第二和第三电极；将含有液体成分和固体成分的流体收容在所述流路中的步骤；将振动且具有直流偏压的第一电压施加在所述第一电极和所述第二电极之间、并将以相位与所述第一电压相差180度的方式振动且具有直流偏压的第二电压施加在所述第一电极和所述第三电极之间，从而使所述促动器振动的步骤；通过所述振动的促动器使在所述流路中收容的流体产生驻波的步骤；和从产生了所述驻波的所述流体分离所述固体成分和所述液体成分当中的一方的步骤。
全文摘要
本发明提供一种成分分离装置，具备基板，其形成有对含有液体成分和固体成分的流体进行收容的流路；促动器，其使收容在流路中的流体振动；取出部，其用于取出流体的液体成分和固体成分当中的一方。促动器具备远离流路设在基板上的第一电极、设在第一电极上的压电体、以及设在压电体上的第二电极。使用该分离装置，可以在不使促动器被流体污染的情况下有效地分离成分。
文档编号B81C1/00GK1753718SQ20048000538
公开日2006年3月29日 申请日期2004年11月25日 优先权日2003年12月17日
发明者中谷将也 申请人:松下电器产业株式会社