特開 2024-66878 液体操作デバイス、これを用いたセンサデバイス、熱スイッチ及び液体操作方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024066878

(43)【公開日】2024-05-16

(54)【発明の名称】液体操作デバイス、これを用いたセンサデバイス、熱スイッチ及び液体操作方法

(51)【国際特許分類】

   B01J 19/00 20060101AFI20240509BHJP

   G01N 37/00 20060101ALI20240509BHJP

   G01N 1/00 20060101ALI20240509BHJP

【ＦＩ】

B01J19/00 B

G01N37/00 101

G01N1/00 101G

【審査請求】未請求

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022176652

(22)【出願日】2022-11-02

(71)【出願人】

【識別番号】305013910

【氏名又は名称】国立大学法人お茶の水女子大学

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】矢菅 浩規

(72)【発明者】

【氏名】奥村 剛

【テーマコード（参考）】

2G052

4G075

【Ｆターム（参考）】

2G052AD06

2G052AD46

2G052BA02

2G052BA14

2G052CA04

2G052CA39

4G075AA02

4G075AA39

4G075AA65

4G075BB05

4G075BB10

4G075CA14

4G075DA02

4G075EB50

4G075FA02

4G075FC11

4G075FC15

(57)【要約】

【課題】任意の方向から、または任意の方向への液体の輸送を含む液体操作技術を提供する。
【解決手段】液体操作デバイスは、３次元的に配置されたマイクロキャビティの周期構造を有する導電性の構造体と前記構造体を覆う誘電層とを有するマイクロ格子構造を備え、前記構造体と液体との間の電圧の印加と解除を選択的に制御することで、前記マイクロ格子構造の内部への前記液体の取り込みと排出が操作可能である。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

３次元的に配置されたマイクロキャビティの周期構造を有する導電性の構造体と、前記構造体を覆う誘電層とを有するマイクロ格子構造、
を備え、
前記構造体と液体との間の電圧の印加と解除を選択的に制御することで、前記マイクロ格子構造の内部への前記液体の取り込みと排出が操作可能な液体操作デバイス。

【請求項2】

前記構造体は、導電体で形成されているか、または、前記マイクロキャビティを形成する骨格と前記骨格を覆う導電層とを有する、
請求項１に記載の液体操作デバイス。

【請求項3】

前記マイクロ格子構造は、前記マイクロキャビティを構成する多面体の立体形状、ジャイロイド、または格子構造を有する、
請求項１に記載の液体操作デバイス。

【請求項4】

前記電圧の印加により、分子内に極性をもつ第１の液体を前記マイクロ格子構造の内部に取り込み、その後に前記電圧の印加をオフにすることで、前記マイクロキャビティ内に前記第１の液体の液滴を保持したまま、前記マイクロ格子構造の内部の前記第１の液体を、分子内に極性を持たない第２の液体と置換する
請求項１に記載の液体操作デバイス。

【請求項5】

複数の前記マイクロ格子構造を有し、
複数の前記マイクロ格子構造の中の２以上のマイクロ格子構造を選択して前記電圧を印加または解除することで前記液体を任意の方向へ移送する、
請求項１に記載の液体操作デバイス。

【請求項6】

前記２以上のマイクロ格子構造と前記液体との間の前記電圧の印加と解除を制御することで、複数の前記マイクロ格子構造の間で前記液体を移送、分割、混合または融合する、
請求項５に記載の液体操作デバイス。

【請求項7】

複数の前記マイクロ格子構造のうちの第１のマイクロ格子構造から第１の液体を取り込み、第２のマイクロ格子構造から第２の液体を取り込み、複数の前記マイクロ格子構造への前記電圧の印加と解除を制御することで、前記第１の液体と前記第２の液体を移送、融合、または分割する、
請求項５に記載の液体操作デバイス。

【請求項8】

請求項１から７のいずれか１項に記載の液体操作デバイスと、
前記マイクロ格子構造の内部に取り込まれた前記液体の物理量または前記液体に含まれる所定の物質を検知するセンサと、
を有するセンサデバイス。

【請求項9】

前記電圧の印加と解除を制御することで所望のタイミングで前記液体のサンプリングが可能な請求項８に記載のセンサデバイス。

【請求項10】

前記液体のサンプリングタイミングを制御する制御部と、
前記センサによる検出結果を送信する送信機と、
を有する請求項９に記載のセンサデバイス。

【請求項11】

熱源とヒートシンクの間に請求項１から７のいずれか１項に記載の液体操作デバイスを配置し、前記構造体と前記液体の間への前記電圧の印加と解除を制御して前記熱源と前記ヒートシンクの間の空間の熱特性を切り替える、
熱スイッチ。

【請求項12】

３次元的に配置されたマイクロキャビティの周期構造を有する導電性の構造体を誘電層で覆ったマイクロ格子構造を作製し、
前記構造体と、前記マイクロ格子構造に接する液体との間の電圧の印加と解除を選択的に制御して、前記マイクロ格子構造の内部への前記液体の取り込みと排出を操作する、
液体操作方法。

【請求項13】

複数の前記マイクロ格子構造を１次元、２次元、または３次元に配置し、
複数の前記マイクロ格子構造の中の２以上のマイクロ格子構造を選択することで前記液体をサンプリングし、任意の方向へ移送し、融合、混合、分割、または排出する
請求項１２に記載の液体操作方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、マイクロ周期構造を用いて任意の方向に液体を操作する液体操作デバイス、これを用いたセンサデバイス、熱スイッチ、及び液体操作方法に関する。

【背景技術】

【0002】

現在、様々なモノとサイバー空間をつなぐＩｏＴ（Internet of Things）デバイスの開発が盛んに行われている。たとえば、環境水、下水、工業関連液体、ヒトの体液など、様々な液体の状態をモニタリングするＩｏＴ型デバイスの必要性が唱えられており、簡易な構成での効率的な液体サンプリングが求められている。

【0003】

微小な流路で構成されたマイクロ流体デバイスで海水中のリン酸塩をモニタリングする技術や（たとえば、非特許文献１参照）、ハニカム状に配置されるマイクロチャネルを用いて電気的毛管圧力により液体を吸引し、排出する技術（たとえば、非特許文献２）が実証されている。ナノスケールの多孔質状の金（Ａｕ）の構造体と液体の間に電圧を与えて液体を吸引する技術も提案されている（たとえば、非特許文献３参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0004】

【非特許文献1】M. M. Grand et al., "A Lab-On-Chip Phosphate Analyzer for Long-term In Situ Monitoring at Fixed Observatories: Optimization and Performance Evaluation in Estuarine and Oligotrophic Coastal Waters," Front. Mar. Sci., vol. 4, 2017, doi: 10.3389/fmars.2017.00255.

【非特許文献2】M. W. J. Prins, W. J. J. Welters, and J. W. Weekamp, "Fluid control in multichannel structures by electrocapillary pressure," Science, vol. 291, no. 5502, pp. 277-280, 2001, doi: 10.1126/science.291.5502.277.

【非特許文献3】Y. Xue, J. Markmann, H. Duan, J. Weissmuller, and P. Huber, "Switchable imbibition in nanoporous gold.," Nat. Commun., vol. 5, no. May, p. 4237, 2014, doi: 10.1038/ncomms5237.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

非特許文献１に記載されるモニタリングデバイスは機械式ポンプを用いており、流入口と流出口を除いて流路の完全な封止が必要である。流路が詰まった場合、システムは機能しなくなる。非特許文献２は、直線状のマイクロチャネルをハニカム状に集合させた構成を有し、マイクロチャネルが延びる方向にしか液体を輸送できない。非特許文献３は、ナノスケールのランダムな金属多孔質体を用いており、多孔質体の内部に絶縁被膜を形成することが難しい。そのため、多孔質体の内部に液体を吸引できても、吸引した液体を排出することができない。

【0006】

本発明は、任意の方向から、または任意の方向への液体の輸送を含む液体操作技術を提供することをひとつの目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0007】

一実施形態において、液体操作デバイスは、
３次元的に配置されたマイクロキャビティの周期構造を有する導電性の構造体と、前記構造体を覆う誘電層とを有するマイクロ格子構造、
を備え、前記構造体と液体との間の電圧の印加と解除を選択的に制御することで、前記マイクロ格子構造の内部への前記液体の取り込みと排出を操作可能とする。

【発明の効果】

【0008】

任意の方向から、または任意の方向への液体の輸送を含む液体操作技術が提供される。この技術を利用することで、液体のサンプリング、移送、融合、分離などの操作や、様々なセンサデバイス、熱スイッチ等への適用が実現される。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施形態の液体操作デバイスの基本構成を示す模式図である。

【図2】液体操作デバイスで用いられるマイクロ格子構造の作製例を示す図である。

【図3】スパッタリングによる金属コーティングを示す図である。

【図4】無電解メッキによる金属コーティングを示す図である。

【図5】ＥＷＯＤ（electrowetting-on-dielectric）による接触角変化の実験セットアップと測定結果を示す図である。

【図6】ＥＷＯＤによる液滴吸収の第１の構成例の図である。

【図7】図６の構成における電圧印加直後の液滴吸収のスナップショットである。

【図8】ＥＷＯＤによる液滴吸収の第２の構成例の図である。

【図9】図８の構成における電圧印加直後の液滴吸収のスナップショットである。

【図10】図８の構成における電圧オフ直後の液滴排出のスナップショットである。

【図11】ＥＷＯＤを利用して微小液滴アレイを生成する第３の構成例の図である。

【図12】第２実施形態の液体操作デバイスの基本構成を示す模式図である。

【図13A】図１２の液体操作デバイスを用いた１次元輸送の模式図である。

【図13B】図１２の液体操作デバイスを用いた２次元輸送の模式図である。

【図13C】図１２の液体操作デバイスを用いた３次元輸送の模式図である。

【図14】液体操作デバイスによる液滴融合の模式図である。

【図15】液体操作デバイスによる液滴分割の模式図である。

【図16】液体操作デバイスを用いたセンサデバイスの一例を示す模式図である。

【図17】液体操作デバイスを用いたセンサデバイスの別の例を示す模式図である。

【図18】液体操作デバイスを用いたバイオセンサの一例を示す模式図である。

【図19】図１８のバイオセンサでの液体操作の一例を示す図である。

【図20】液体操作デバイスを用いたバイオセンサの別の例を示す模式図である。

【図21】図２０のバイオセンサでの液体操作の一例を示す図である。

【図22】液体操作デバイスの熱スイッチへの適用例を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下で、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。下記の実施形態は、発明の技術思想を具体化するための例示であり、本発明を下記の構成に限定するものではない。図面中、同一の構成要素には同一符号を付して、重複する記載を省略する場合がある。図面に示される部材の大きさや位置関係は、発明の理解を容易にするために誇張されている場合がある。

【0011】

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の液体操作デバイス１００の基本構成を示す模式図である。液体操作デバイス１００は、ＥＷＯＤを利用して、任意の方向に液体を操作する。液体の操作には、液体のサンプリング、吸引、移送、融合、混合、分割、排出、その他の処理が含まれる。これを実現するために、３次元的なマイクロキャビティの周期構造を有するマイクロ格子構造１０を用いる。

【0012】

図１の（ａ）はマイクロ格子構造１０の模式図、（ｂ）はＥＷＯＤを利用した液体操作デバイス１００の模式図である。マイクロ格子構造１０は、３次元的に配置されたマイクロキャビティ１１５の周期構造を有する導電性の構造体１１Ａまたは１１Ｂ（以下、適宜「構造体１１」と総称する）と、構造体１１を覆う誘電層１４とで形成される。図１の例では、マイクロピラー１１１で構成される多面体でマイクロキャビティ１１５が形成されているが、この例に限定されず、ジャイロイドや、面心格子、体心格子、六方格子などの周期構造のマイクロキャビティが形成されていてもよい。周期構造のマイクロキャビティ１１５の大きさがミリメートルオーダーになると、重力の影響が大きくなり、任意の方向への液体の吸引が難かしくなる。マイクロキャビティ１１５をより微細にすると吸引力が増大するが、粘性の影響が大きくなり、排出が難しくなる。ここから、マイクロキャビティの大きさまたは径は、ミクロンオーダー、好ましくは数１０μｍから数１００μｍである。

【0013】

導電性の構造体１１は、ＥＷＯＤを実現可能であれば、一部に非導電体が含まれていてもよい。たとえば、マイクロ格子構造１０Ａの構造体１１Ａは、骨格１２と、骨格１２を覆う導電層１３で形成され、骨格１２は、樹脂、セラミック、ガラスなどの非導電性の材料で形成されていてもよい。骨格１２の表面の導電層１３を覆って、誘電層１４が形成される。一方、マイクロ格子構造１０Ｂのように、構造体１１Ｂの全体が導電性の材料で形成されていてもよい。この場合、構造体１１Ｂの表面を覆って誘電層１４が形成される。いずれの場合も、マイクロ格子構造１０Ａまたは１０Ｂに電圧を印加することで、ＥＷＯＤ技術を利用することができる。

【0014】

ＥＷＯＤは、液体と、絶縁被膜で覆われた導電性の基材との間に電圧を印加して、液体に対する基材の濡れ性を変化させる技術である。図１の（ｂ）に示すように、電源１５の一方の端子をマイクロ格子構造１０の導電性の構造体１１に接続し、他方の端子を液体１２０に接続して電圧を印加することで、液体１２０に対するマイクロ格子構造１０の濡れ性が変化する。濡れ性を高くすることで、液体１２０を３次元的なマイクロキャビティ１１５の内部に吸引することができる。電圧印加によってマイクロ格子構造１０の内部に取り込まれる液体１２０は、純水、水溶液、イオン液体、液体金属、またはエチレングルコール（２価アルコール）やグリセリン（３価アルコール）などの一部のアルコール類であってもよい。電圧印加を解除することで、液体１２０はマイクロキャビティ１１５から排出される。電圧のオン・オフにより、液体１２０に対する濡れ性を変化させることができる。電圧が印加された状態を初期状態とし、電圧印加の解除により液体をマイクロ格子構造１０の内部に取り込む場合、液体は極性をもたないオイル類であってもよい。

【0015】

公知の構成（非特許文献２参照）では、マイクロチャネルが延びる一定の方向にしか液体を輸送することができない。これに対し、液体操作デバイス１００は、マイクロキャビティの３次元配列を有するマイクロ格子構造１０を用いるため、任意の方向から液体１２０を吸収し、任意の方向に液体１２０を排出することができる。

【0016】

＜マイクロ格子構造の作製＞
図２は、液体操作デバイス１００で用いられるマイクロ格子構造１０の作製例を示す。実施例では、３Ｄプリンタによりマイクロ格子構造１０の骨格１２を作製する。具体的には、光造形方式の３Ｄプリンタを用い、光硬化性樹脂により、３次元の周期構造の骨格１２を作製する。図２の（ａ）は実際に作製した骨格１２の画像、（ｂ）は骨格１２の模式図、（ｃ）は骨格１２を構成する単位構造１１０の模式図である。

【0017】

骨格１２は、アクリル系樹脂で形成されており、５×５×３の単位構造１１０を含む。単位構造１１０の寸法（Ｗ×Ｌ×Ｈ）は１ｍｍ×１ｍｍ×１ｍｍ以下であり、単位構造１１０の内部にミクロンオーダーのマイクロキャビティ１１５が形成される。マイクロキャビティ１１５を構成するマイクロピラー１１１の幅ｔは０．２ｍｍである。骨格１２を導電層１３で覆うことで、導電性の構造体１１Ａ（図１の（ａ）参照）が得られる。なお、金属３Ｄプリンタを用いて、全体が導体で形成された構造体１１Ｂを作製してもよい。

【0018】

図３は、スパッタリングによる金属コーティングを示し、図４は、無電解メッキによる金属コーティングを示す。図２で作製した樹脂の骨格１２に金属コーティングを施して、導電性の構造体１１Ａを得る。骨格１２に導電性を与えることができれば、どのようなコーティング方法を用いてもよいが、ここでは、樹脂の軟化温度より低い温度で成膜できるスパッタリング、または無電解メッキを用いる。

【0019】

図３の（ａ）はスパッタリング後の構造体１１Ａの光学像、（ｂ）は走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）像である。クロム（Ｃｒ）とＡｕのターゲットを用いて、骨格１２の上にＣｒ／Ａｕの薄膜を形成する。下層のＣｒ膜は、骨格１２への密着層として機能する。Ｃｒ／Ａｕ薄膜のトータルの厚さは約７５ｎｍである。光学像（ａ）から、Ａｕの光沢が観察される。テスターでＣｒ／Ａｕ薄膜の電気的な導通が確認された。

【0020】

図４の（ａ）は無電解メッキ後の構造体１１Ａの光学像、（ｂ）はＳＥＭ像である。ニッケル（Ｎｉ）の無電解メッキにより、骨格１２の表面に厚さ約３００ｎｍのＮｉ薄膜を形成する。Ｎｉ無電解メッキ膜の上に、Ａｕ電解メッキ膜を積層してもよい。テスターでＮｉ薄膜の電気的な導通が確認された。導電層１３の材料は、ＡｕとＮｉに限定されず、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ａｌ、Ｉｎ、Ｔｉ、Ｃｏ、Ｔａ、Ｉｒ、Ｖ、Ｗなどの他の良導体を用いてもよい。あるいは、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）、酸化インジウム・酸化亜鉛（ＩＺＯ））、酸化インジウム亜鉛スズ（ＩＺＴＯ）、酸化インジウムガリウム亜鉛（ＩＧＺＯ）などの透明導電膜を用いてもよい。

【0021】

図３または図４の金属コーティングの表面に、誘電層１４を形成する。誘電層１４は、シリコーン、ポリ塩化ビニル、ポリパラキシリレン（「パリレン（登録商標）」として知られている）等で形成され得る。シリコーンまたは塩化ビニルの誘電層１４を形成する場合は、シリコーンまたはポリ塩化ビニルを含む有機溶剤またはゾルに構造体１１Ａを浸漬し、引き上げることで、膜厚が約１０μｍの絶縁性の樹脂膜が形成される。ポリパラキシリレンの誘電層１４は、化学蒸着法により１μｍから１０μｍの厚さに形成される。誘電層１４の種類はシリコーン、ポリ塩化ビニル、ポリパラキシリレンに限定されず、他の絶縁性ポリマ薄膜を形成してもよい。ポリパラキシリレン薄膜の上に、ポリパラキシリレンよりも撥水性の高いフッ素系のポリマ薄膜を形成して、電圧印加を解除したときの液体の排出を容易にしてもよい。あるいはマイクロキャビティ１１５内にあらかじめ鉱油やシリコーンオイルを満たしておくことで、潤滑作用を働かせてもよい。これにより、マイクロ格子構造１０が得られる。

【0022】

導電性の構造体１１の表面にポリパラキシリレンの誘電層１４を形成したサンプルを用いて、ＥＷＯＤによる液体吸引を確認する。液体が接触したときの漏電を防ぐために、ポリパラキシリレンの誘電層１４の厚さを８μｍから９μｍにする。ヤング・リップマンの式
ｃｏｓθ＝ｃｏｓθ_０＋（ε_０ε_ｒ／２γｔ）Ｖ^２
から、誘電層１４の厚さｔを薄くすることで、印加電圧Ｖを低減できる。ここで、θはＥＷＯＤによる変化後の接触角、θ_０は誘電層１４上の静的接触角、ε_０は真空の誘電率、ε_ｒは誘電体の比誘電率、γは表面張力である。用いる誘電体の種類に応じて、漏電しない範囲内で誘電層１４を薄くして、印加電圧Ｖを低減してもよい。

【0023】

ＥＷＯＤによる液体吸引の予備実験として、印加電圧を変えたときの接触角の変化を測定する。図５の（ａ）は、電圧印加による接触角変化の実験セットアップの模式図、（ｂ）は測定結果である。樹脂基板２０１上にＮｉ薄膜２０２とポリパラキシリレン層２０３をこの順で形成した基材２１０の上に、２０μＬの１Ｍ ＫＣｌ水溶液を滴下する。電源１５のプラス端子を液滴１２１に接続し、ＧＮＤ端子をＮｉ薄膜２０２に接続して電位差を与えたときの接触角θを測定する。

【0024】

図５の（ｂ）に示すように、印加電圧（Ｖ）を上げていくと、接触角θ（度）が小さくなり、濡れ性が大きくなる。４００～７００Ｖ近傍で、接触角θに大きな変化が生じなくなる。８００Ｖ以上では、不安定な状態の液滴が確認される。図５の予備実験に基づき、３次元の周期的なマイクロキャビティを有するマイクロ格子構造１０のサンプルを用いてＥＷＯＤによる液体吸収を観察する。

【0025】

＜液体操作デバイスによる液体吸収の実証＞
図６は、ＥＷＯＤによる液滴吸収の第１の構成例を示す模式図、図７は、電圧印加直後の液滴吸収のスナップショットである。図６に示すように、マイクロ格子構造１０の外周に導電性の構造体１１と接続される電極１６を設ける。電極１６を電源１５のグランド電位に接続して、液体操作デバイス１００Ａを構成する。マイクロ格子構造１０の上方から１Ｍ ＫＣｌの液滴１２１を滴下し、液滴１２１を電源１５の正電位に接続して、５００Ｖの電圧を印加する。

【0026】

図７の（ａ）～（ｅ）はそれぞれ、電圧印加開始から０．００秒後、０．０３秒後、０．０６秒後、０．０９秒後、及び０．１２秒後のスナップショットである。液滴１２１にＡｕの電極２０５を接触させて液滴１２１とマイクロ格子構造１０の間に５００Ｖの電圧を印加すると、液滴１２１はマイクロ格子構造１０の内部に入り込み、０．１２秒後には完全に吸収される。このように、マイクロ格子構造１０を用いた液体操作デバイス１００Ａによる液体吸引が実証された。

【0027】

図８は、ＥＷＯＤによる液滴吸収の第２の構成例を示す模式図、図９は、電圧印加直後の液滴吸収のスナップショット、図１０は、電圧オフ直後のスナップショットである。図８の液体操作デバイス１００Ｂにおいて、電極１６に接続されたマイクロ格子構造１０を非導電性の基材１８の上に置き、動粘度が１０ｃＳｔのシリコーンオイル１２５でマイクロ格子構造１０を満たす。

【0028】

電極１６を電源１５の正電位に接続して、液体操作デバイス１００Ｂを構成する。シリコーンオイル１２５で満たされたマイクロ格子構造１０の上に、１Ｍ ＫＣｌの液滴１２３を滴下する。Ａｕの電極２０５で、液滴１２３をグランド電位に接続する。電極１６との液滴１２３の間に５００Ｖの電圧を印加する。

【0029】

図９の（ａ）～（ｄ）はそれぞれ、電圧印加開始から０．００秒後、０．０３秒後、０．０６秒後、及び０．０９秒のスナップショットである。図１０の（ａ）～（ｆ）はそれぞれ、電圧印加の解除から０．００秒後、０．０３秒後、０．０６秒後、０．０９秒後、０．１２秒後、及び０．１５秒後のスナップショットである。高電位のマイクロ格子構造１０と、グランド電位の液滴１２３の間に５００Ｖの電圧を印加することで、シリコーンオイル１２５で満たされたマイクロ格子構造１０の内部に液滴１２３が吸収される。電圧の印加をオフにすることで、マイクロ格子構造１０から液滴１２３を引き出すことができる。このように、マイクロ格子構造１０を用いた液体操作デバイス１００Ｂによる液体の吸収と排出が実証された。

【0030】

図１１は、ＥＷＯＤを利用して微小液滴アレイを生成する第３の構成例を示す模式図である。第３の構成例では、マイクロ格子構造１０の内部に、微小液滴１２９を生成する。水溶液１２７とオイル１２８のような非混和性の液体１２６の界面をマイクロ格子構造１０に通過させることで、マイクロ格子構造１０の内部に微小液滴１２９のアレイが生成される。

【0031】

液体操作デバイス１００Ｃは、マイクロ格子構造１０に接続された電極１６と、電源１５と、マイクロ格子構造１０への電圧印加のオン・オフを切り替えるスイッチ１７とを有する。電極１６を円筒または多角形の筒型に形成して、非混和性の液体１２６の容器として用いてもよい。

【0032】

スイッチ１７が開いているときは、マイクロ格子構造１０は水溶液１２７に対して疎水性または撥水性であり、水溶液１２７とオイル１２８は、マイクロ格子構造１０の表面で分離している。電圧印加のない状態で、マイクロ格子構造１０はオイル１２８に対しては濡れやすいが、オイル１２８の比重は水溶液１２７の比重よりも小さいので、水溶液１２７の層の上にオイル１２８の層が形成されている。

【0033】

スイッチ１７を閉じて水溶液１２７とマイクロ格子構造１０の間に電圧を印加すると、マイクロ格子構造１０はオイル１２８よりも水溶液１２７に濡れやすくなり、水溶液１２７がマイクロ格子構造１０の内部に吸収される。オイル１２８はマイクロ格子構造１０の表面に残る。

【0034】

スイッチ１７を開放して電圧印加を解除することで、マイクロ格子構造１０は水溶液１２７に対して撥水性になり、水溶液１２７よりもオイル１２８に濡れやすくなる。水溶液１２７はマイクロ格子構造１０から排出され、オイル１２８がマイクロ格子構造１０の内部に吸収される。マイクロ格子構造１０の内部に吸収されていた水溶液１２７は、オイル１２８と置換されるが、マイクロキャビティ１１５にトラップされた水溶液１２７の微小液滴１２９が残る。マイクロキャビティ１１５の周期的な配列により、マイクロ格子構造１０の内部に微小液滴１２９のアレイが生成される。

【0035】

液体操作デバイス１００Ｃは、液体を微小液滴１２９に分割してサンプリングすることができ、バイオセンサやバイオアッセイへの適用が期待される。たとえば、微小液滴１２９のアレイを用いて、デジタルＰＣＲ（ポリメラーゼ連鎖反応：polymerase chain reaction）や、デジタルＥＬＩＳＡ（酵素結合免疫吸着測定法：enzyme-linked immuno-sorbent assay）など、高感度の感染・疾患の診断が可能になる。

【0036】

＜第２実施形態＞
図１２は、第２実施形態の液体操作デバイス２００の基本構成を示す模式図である。液体操作デバイス２００は、複数のマイクロ格子構造１０の配列を用いて、所望の方向に液体を移送、融合、分割する。

【0037】

液体操作デバイス２００は、基板２１の上に配置される複数のマイクロ格子構造１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、及び１０ｄ（以下、適宜「マイクロ格子構造１０」と総称する）を有する。用いられるマイクロ格子構造１０の数は４個に限定されず、２以上の任意の数のマイクロ格子構造１０を用いることができる。また、マイクロ格子構造１０の配列は一方向に限定されず、面内の２次元配置、空間内の３次元配置が可能である。図１２の座標系でマイクロ格子構造１０が配置される基板２１の面内をＸＹ面、ＸＹ面と直交する方向をＺ方向とすると、マイクロ格子構造１０は、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向のいずれにも配置可能である。

【0038】

各マイクロ格子構造１０は、スイッチング可能なリレーアレイ２４を介して電源２２に接続されている。基板２１はグランド電位に接地されている。マイクロコンピュータ２５でスイッチングを制御することで、各マイクロ格子構造１０への電圧印加を個別に制御して、液体１２０を所望の方向に移送できる。

【0039】

図１３Ａは液体操作デバイス２００を用いた１次元輸送の模式図、図１３Ｂは液体操作デバイス２００を用いた２次元輸送の模式図、図１３Ｃは液体操作デバイス２００を用いた３次元輸送の模式図である。図１３Ａから図１３Ｃでは、３次元に配置されるマイクロキャビティ１１５（図１参照）の周期構造を有するマイクロ格子構造１０を、立方体として簡略表記している。

【0040】

図１３Ａの１次元輸送では、マイクロ格子構造１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄを順次選択して電圧を印加することで、液体１２０を所望のタイミングでＸ方向に移送することができる。図１３Ｂの２次元輸送では、ＸＹ面内にマイクロ格子構造１０ａ～１０ｄと１０ｅ～１０ｈを２列に配置し、１０ａ→１０ｅ→１０ｆ→１０ｂ→１０ｃ→１０ｇ→１０ｈ→１０ｄの順に液体を移送している。液体の移送経路は図１３Ｂの例に限定されず、電圧を印加するマイクロ格子構造１０を選択することで、どの順にでも液体１２０を移送できる。たとえば、１０ａ→１０ｂ→１０ｃ→１０ｄ→１０ｈ→１０ｇ→１０ｆ→１０ｅの順に液体を移送し、マイクロ格子構造１０ａと１０ｅを、それぞれ取り込み口と排出口として用いてもよい。この場合、途中のマイクロ格子構造１０のいくつかにフィルタリング機能を設けてもよい。マイクロ格子構造１０の２次元配列はＸＹ面内に限定されず、ＸＺ面内やＹＺ面内に設けてもよい。

【0041】

図１３Ｃの３次元輸送では、マイクロ格子構造１０ｅ、１０ｆ、１０ｇ、及び１０ｈの２次元配列と、マイクロ格子構造１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、及び１０ｄの２次元配列がＺ方向に２段に重ねられている。たとえば、マイクロ格子構造１０ｆに吸引した液体１２０を、マイクロ格子構造１０ｂ→１０ａ→１０ｅ→１０ｈ→１０ｄの順で移送してもよいし、マイクロ格子構造１０ｂ→１０ｃ→１０ｄの順で移送してもよい。

【0042】

図１３Ａから図１３Ｃにおいて、マイクロ格子構造１０に吸引され保持される液体の量はマイクロ格子構造１０の寸法によって決まり、常に一定体積の液体１２０を内部に取り込むことができる。一定体積の液体１２０の１次元、２次元、または３次元の自在な輸送は、公知の構成では実現できない技術である。

【0043】

図１３Ａから図１３Ｃのいずれの構成でも、マイクロ格子構造１０の各々が、３次元方向に連通する周期的なマイクロキャビティ１１５（図１参照）を有しており、マイクロ格子構造１０のアレイを移動する液体を観察することができる。このことは、液体操作デバイス２００と光学機器との組み合わせを示唆している。複数のマイクロ格子構造１０の配列を用いることで、ＤＮＡやＲＮＡの増幅を色の変化で確認するカラーメトリックな検出や、蛍光検出が可能になる。各マイクロ格子構造１０のマイクロキャビティ１１５の周期構造により、液体操作デバイス２００を傾斜させたり、上下を反転させたりしても、電圧印加の制御により、液体１２０を落下させずにマイクロ格子構造１０の内部に保持し、所望の方向に移送することができる。光学機器との組み合わせやデバイスの上下を反転させた状態での液体の移送は、公知の構成では実現が難しい。

【0044】

＜液滴の融合と分割＞
図１４は、液体操作デバイス２００による液滴融合の模式図である。図１４の（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。図示の便宜上、図１４でもマイクロ格子構造１０を立方体として簡略表記している。実線で示されるマイクロ格子構造１０は接地電位に接続されて電圧印加オフ状態であり、点線で示されるマイクロ格子構造１０は高電位に接続されて電圧印加オン状態である。

【0045】

たとえば、３×３のアレイに配置されたマイクロ格子構造１０ａ～１０ｉ（以下、適宜「マイクロ格子構造１０」と総称する）を用いる。マイクロ格子構造１０ｃと１０ｇに電圧を印加して、液滴１２１ａと１２１ｂをそれぞれ吸引する。その後、マイクロ格子構造１０ｃと１０ｇの電圧印加をオフにして所望の経路のマイクロ格子構造１０に電圧を印加することで、液滴１２１ａと１２１ｂをひとつの液滴１２２に融合することができる。液滴１２１ａに対して、マイクロ格子構造１０ｆと１０ｅを順に選択して電圧を印加し、液滴１２１ｂに対して、マイクロ格子構造１０ｄと１０ｅを順に選択して電圧を印加することで、マイクロ格子構造１０ｅで液滴１２１ａと１２１ｂを融合し、液滴１２２を生成、保持できる。

【0046】

なお、マイクロ格子構造１０ｆと１０ｄを介さずに、液滴１２１ａを直接マイクロ格子構造１０ｃから１０ｅに移送し、液滴１２１ｂを直接マイクロ格子構造１０ｇから１０ｅに移送して融合してもよい。各マイクロ格子構造１０は３次元方向に連通するマイクロキャビティ１１５を有し、どの方向にも開放されているので、３×３のアレイの斜め方向にも液滴１２１を移送できる。

【0047】

図１５は、液体操作デバイス２００による液滴分割の模式図である。図１５の（ａ）は斜視図、（ｂ）は上面図である。図１４と同様に、マイクロ格子構造１０を立方体として簡略表記し、接地電位に接続されるマイクロ格子構造１０を実線で、高電位に接続されるマイクロ格子構造１０を破線で示す。

【0048】

マイクロ格子構造１０ａ～１０ｉの３×３のアレイのマイクロ格子構造１０ｅに保持されている液滴１２２を分割する。マイクロ格子構造１０ｅに印加されていた電圧をオフにし、マイクロ格子構造１０ｅの両側で隣接するマイクロ格子構造１０ｄと１０ｆに電圧を印加することで、液滴１２２をマイクロ格子構造１０ｄと１０ｆに吸引する。液滴１２２がマイクロ格子構造１０ｄと１０ｆに吸引された後に、マイクロ格子構造１０ｄと１０ｆへの電圧印加を解除して、マイクロ格子構造１０ｃと１０ｇに電圧を印加する。これにより、分割された液滴１２１ａと１２１ｂを、それぞれマイクロ格子構造１０ｃと１０ｇに移送することができる。

【0049】

各マイクロ格子構造１０は３次元方向に連通するマイクロキャビティ１１５を有し、どの方向にも開放されているので、マイクロ格子構造１０ｃと１０ｇを選択することで、マイクロ格子構造１０ｅの液滴１２２を直接斜め方向に分割することもできる。あるいは、液滴１２２をマイクロ格子構造１０ｄと１０ｆに分割した後に、それぞれのマイクロ格子構造に隣接する２つのマイクロ格子構造を選択することで、分割された液滴１２１ａと１２１ｂのそれぞれを、さらに分割することができる。たとえば、マイクロ格子構造１０ｄに保持される液滴１２１ａに対して、マイクロ格子構造１０ａと１０ｇを選択し、マイクロ格子構造１０ｆに保持される液滴１２１ａに対して、マイクロ格子構造１０ｃと１０ｉを選択して、４つの液滴に分割してもよい。

【0050】

＜センサデバイスへの適用例＞
図１６は、液体操作デバイス１００を用いたセンサデバイス３０Ａの模式図である。センサデバイス３０Ａは、マイクロ格子構造１０による電気的な液体の吸引と排出を利用して、外部のバルク液体３０１のサンプリングとセンシングを行う。外部のバルク液体３０１には、環境水、下水、排水、工業関連液体が含まれる。

【0051】

センサデバイス３０Ａは、センサ本体３２と、サンプリング及び検出部３１と、通信部３３を有する。センサ本体３２に制御部３５が設けられて、センサデバイス３０Ａの全体の動作を制御する。制御部３５は、たとえばマイクロプロセッサとメモリで構成される。通信部３３は、無線通信機能を有していてもよいし、ケーブル接続による通信機能を有していてもよい。

【0052】

センサデバイス３０Ａは、サンプリング及び検出部３１の少なくとも一部がバルク液体３０１に浸るように、下水道や排水管の壁面３０２に取り付けられる。サンプリング及び検出部３１は、接地管３１０Ａと、接地管３１０Ａの内部に配置されるマイクロ格子構造１０と、センサプローブ３１１と、電源１５とを有する。電源１５の正電位がマイクロ格子構造１０の導電性の構造体１１に接続され、グランド電位が接地管３１０Ａに接続されている。設置管３１０のインレット３１２をバルク液体３０１に浸した状態で、マイクロ格子構造１０に高電位を与えると、マイクロ格子構造１０はバルク液体３０１に対して親水性となり、バルク液体３０１から所定量を吸引する。吸引した液体とセンサプローブ３１１が接することで、バルク液体３０１の物理量またはバルク液体３０１に含まれる所定の物質が検知される。バルク液体３０１の物理量は、温度、ｐＨ値、水位などである。所定の物質は、特定の分子、細菌、ウィルス、トリチウム、重金属などである。

【0053】

センサデバイス３０Ａは、連続的にバルク液体３０１をサンプリングし、センシングしてもよいし、所定のタイミングでサンプリング及びセンシングを行ってもよい。制御部３５は、電源１５による電圧印加のタイミングを制御してもよい。電圧印加オンのタイミングで、マイクロ格子構造１０は毎回、所定量の液体を内部に取り込む。通信部３３は、センサデバイス３０Ａによるセンシング結果を、サーバ、クラウド等に送信してもよい。

【0054】

センサプローブ３１１として、特定の物質と結合するように修飾されたバイオプローブを用いる場合は、下水中や環境水中の特定の分子を検出することができる。多数のセンサデバイス３０Ａを下水道に設置して下水中のバイオマーカの分布をモニタすることができる。バイオマーカの分布のモニタリングにより、感染症のまん延状況を可視化することができる。センサデバイス３０Ａを便器ボウルの壁面に取り付けて、尿たんぱくや尿糖を検知することで、個人の健康モニタリングを行ってもよい。

【0055】

図１７は、図１２の液体操作デバイス２００を用いたセンサデバイス３０Ｂの模式図である。センサデバイス３０Ｂは、複数のマイクロ格子構造１０ａ～１０ｇ（適宜、「マイクロ格子構造１０」と総称する）を用いて、所定量の液滴を分割してサンプリングする。センサデバイス３０Ｂは、接地管３１０Ｂと、接地管３１０Ｂの内部に配置される複数のマイクロ格子構造１０ａ～１０ｇを有する。複数のマイクロ格子構造１０ａ～１０ｇの各々は、図１２に示すようにリレーアレイ２４（図１２参照）を介して電源２２（図１２参照）の正電位に接続されている。電圧が印加されているマイクロ格子構造１０を点線の立方体で模式的に示し、電圧印加がオフにされているマイクロ格子構造１０を実線の立方体で模式的に示す。

【0056】

マイクロ格子構造１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、…に順番に電圧を印加することで、マイクロ格子構造１０の寸法で決まる所定量の液体１２０を、リレー方式で隣接するマイクロ格子構造１０に移送できる。マイクロ格子構造１０ａに吸引された液体１２０が次のマイクロ格子構造１０ｂに移送されマイクロ格子構造１０ｂへの電圧印加がオフにされたタイミングで、マイクロ格子構造１０ａと１０ｃへの電圧印加をオンにすることで、新たに液体１２０をサンプリングできる。電圧を印加するマイクロ格子構造１０を一つおきに選択することで、所定量の液体１２０に分割しながらサンプリングすることができる。

【0057】

図１８は、液体操作デバイス２００Ａを用いたバイオセンサ４０の模式図である。バイオセンサ４０は、センサデバイスの一例である。液体操作デバイス２００Ａによる液滴のサンプリング、移送、融合、及び分割を利用することで、抗原・抗体検査（イノムアッセイ）などのバイオセンサ４０が実現される。液体操作デバイス２００Ａは複数のマイクロ格子構造１０を有し、図１２に示したように、各マイクロ格子構造１０への電圧印加が個別に制御可能である。図示の便宜上、各マイクロ格子構造１０は、立法体で模式化されている。複数のマイクロ格子構造１０には、試薬４１の取り込み口に接続されるマイクロ格子構造１０Ｒと、検体４２の取り込み口に接続されるマイクロ格子構造１０Ｓと、抗原テスト用のマイクロ格子構造１０Ｍｔと、コントロール用のマイクロ格子構造１０Ｍｃが含まれる。

【0058】

試薬４１には標識抗体４１１が含まれている。検体４２は血液、唾液などであり、特定の抗原４２１が含まれている可能性がある。抗原テスト用のマイクロ格子構造１０Ｍｔのマイクロピラー１１１の表面は、抗原４２１と特異的に結合する抗体４０２で修飾されている。コントロール用のマイクロ格子構造１０Ｍｃのマイクロピラー１１１の表面は、コントロール抗体４０１で修飾されている。マイクロ格子構造１０Ｓに接触した検体４２と、マイクロ格子構造１０Ｒに接触した試薬４１は、複数のマイクロ格子構造１０に対する電圧印加を選択的に制御することで、サンプリング、移送、融合、分割され、最終的に抗原テスト用のマイクロ格子構造１０Ｍｔと、コントロール用のマイクロ格子構造１０Ｍｃに供給される。標識抗体４１１で標識された抗原４２１は、抗体４０２と特異的に反応する。コントロール抗体４０１は、検出結果が特異な抗原抗体反応に基づくものかどうかの判定に用いられる。

【0059】

図１９は、図１８のバイオセンサ４０での液体操作の一例を示す。電圧が印加されているマイクロ格子構造１０を破線の四角で示し、電圧印加がオフのマイクロ格子構造１０を実線で示す。マイクロ格子構造１０Ｓに供給された検体４２は、隣接するマイクロ格子構造１０ａを高電位とすることで、マイクロ格子構造１０ａの内部に取り込まれ、サンプリングされる。マイクロ格子構造１０Ｒに供給された試薬４１は、隣接するマイクロ格子構造１０ｂを高電位とすることで、マイクロ格子構造１０ｂの内部に取り込まれ、サンプリングされる。マイクロ格子構造１０ａと１０ｂへの電圧印加をオフにし、マイクロ格子構造１０ｃに電圧を印加することで、試薬４１と検体４２は、それぞれマイクロ格子構造１０ｂと１０ａからマイクロ格子構造１０ｃに取り込まれる。マイクロ格子構造１０ｃで試薬４１と検体４２は自発的に融合する。

【0060】

マイクロ格子構造１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、及び１０ｆを順次選択することで、試薬４１と検体４２は混合され、液体４３が得られる。試薬４１と検体４２の混合は、図示のように時計回りに移送する例に限定されず、少なくとも２つのマイクロ格子構造１０の間を行き来させることで実現可能である。

【0061】

次に、マイクロ格子構造１０ａと１０ｆに同時に電圧を印加して、混合された液体４３を２つの液滴４５に分割する。マイクロ格子構造１０ｇと１０Ｍｔを順次選択することで、一方の液滴４５を抗原テスト用のマイクロ格子構造１０Ｍｔに供給して反応させる。マイクロ格子構造１０ｅと１０Ｍｃを順次選択することで、他方の液滴４５をコントロール用のマイクロ格子構造１０Ｍｃに供給して反応させる。

【0062】

所定時間経過後に、マイクロ格子構造１０Ｍｔと１０Ｍｃへの電圧印加を解除して、液滴４５を排出し、検出を行う。図の例では、マイクロ格子構造１０ｇ、１０ｄ、１０ｅと液滴をリレーすることで、バイオセンサ４０の排出口に接続されるマイクロ格子構造１０ｈから液滴が排出される。マイクロ格子構造１０Ｍｔと１０Ｍｃの両方で色が変われば、抗原が含まれていたことを示し、どちらの色も変化しなければアッセイ失敗を意味する。検出後に、マイクロ格子構造１０ｉから洗浄液を注入し、ｐＨ処理や高温処理によりすべてのマイクロ格子構造１０を洗浄する。バイオセンサ４０の繰り返し使用が可能となる。バイオセンサ４０は、ウィルスや細菌の迅速な検査に利用可能である。

【0063】

図２０は、液体操作デバイス２００Ｂを用いたバイオセンサ５０の模式図である。バイオセンサ５０は、センサデバイスの一例である。液体操作デバイス２００Ｂによる液滴のサンプリング、移送、融合、及び分割を利用することで、リアルタイムＰＣＲ検査を行うバイオセンサ５０が実現される。液体操作デバイス２００Ｂは複数のマイクロ格子構造１０を有し、図１２に示したように、各マイクロ格子構造１０への電圧印加が個別に制御可能である。図示の便宜上、マイクロ格子構造１０は、立法体で模式化されている。複数のマイクロ格子構造１０には、試薬５１の取り込み口に接続されるマイクロ格子構造１０Ｒと、検体５２の取り込み口に接続されるマイクロ格子構造１０Ｓと、冷却装置に接続されるマイクロ格子構造１０Ｐｃと、加熱装置に接続されるマイクロ格子構造１０Ｐｈと、蛍光検出装置に接続されるマイクロ格子構造１０ＦＤが含まれる。

【0064】

試薬５１には、蛍光プローブ５１１と、プライマー５１２と、ポリメラーゼ５１３と、デオキシヌクレオシド三リン酸（ｄＮＴＰｓ）５１４が含まれ、バッファリングされている。検体５２にはウィルス等のＲＮＡ及び／またはＤＮＡ５２１が含まれている可能性がある。マイクロ格子構造１０Ｓに接触した検体５２と、マイクロ格子構造１０Ｒに接触した試薬５１は、複数のマイクロ格子構造１０に対する選択的な電圧印加により、サンプリング、混合、分割、融合され、マイクロ格子構造１０ＦＤで複数回、蛍光検出される。

【0065】

図２１は、図２０のバイオセンサ５０での液体操作の一例を示す。電圧が印加されているマイクロ格子構造１０を破線の四角で示し、接地されているマイクロ格子構造１０を実線で示す。マイクロ格子構造１０Ｓに供給された検体５２は、隣接するマイクロ格子構造１０ａを高電位とすることで、マイクロ格子構造１０ａの内部に取り込まれ、サンプリングされる。マイクロ格子構造１０Ｒに供給された試薬５１は、隣接するマイクロ格子構造１０ｂを高電位とすることで、マイクロ格子構造１０ｂの内部に取り込まれ、サンプリングされる。マイクロ格子構造１０ａと１０ｂへの電圧印加をオフにし、マイクロ格子構造１０ｃに電圧を印加することで、試薬５１と検体５２は、それぞれマイクロ格子構造１０ａと１０ｂからマイクロ格子構造１０ｃに取り込まれる。マイクロ格子構造１０ｃで試薬５１と検体５２は自発的に融合する。

【0066】

マイクロ格子構造１０ｃ、１０ｄ、１０ｅ、及び１０ｆを順次選択することで、試薬５１と検体５２は混合されて液体５３が得られる。試薬５１と検体５２の混合は、図示のように時計回りに移送する例に限定されず、少なくとも２つのマイクロ格子構造１０の間を行き来させることで、実現可能である。

【0067】

次に、液体５３をマイクロ格子構造１０Ｐｃと１０Ｐｈに交互に移送して冷却と加熱を繰り返す。マイクロ格子構造１０Ｐｃで冷却されている液滴を符号５５で示し、マイクロ格子構造１０Ｐｈで加熱されている液滴を符号５６で示しているが、同じ液体５３が異なる処理を受けているものである。この加熱と冷却で１サイクルのポリメラーゼ連鎖反応（ＰＣＲ）によりＤＮＡが増幅され、マイクロ格子構造１０ＦＤで蛍光検出される。ＬＥＤ５８から出射される光でマイクロ格子構造１０ＦＤを照射し、センサ・フィルタ５７で蛍光強度を検出する。液滴の加熱及び冷却と、蛍光検出を必要なサイクル数だけ繰り返し、リアルタイムでＰＣＲ蛍光検出を行う。

【0068】

必要なサイクル数のＰＣＲ蛍光検出が終了すると、検査対象の液滴を排出し、すべてのマイクロ格子構造１０を洗浄することで、バイオセンサ５０を繰り返し使用可能とする。バイオセンサ５０は、ウィルスや細菌の検出や、がんの遺伝子分析、生物学研究に利用可能である。

【0069】

このように、３次元的に配置されたマイクロキャビティの周期構造を有するマイクロ格子構造１０を用いることで、高感度の感染・疾病の診断が可能となる。マイクロ格子構造１０を用いた液体操作は、３次元的に配置されたマイクロキャビティの周期構造を有する導電性の構造体を誘電層で覆ったマイクロ格子構造を作製し、導電性の構造体と液体との間に選択的に電圧を印加することで、マイクロ格子構造１０の内部への前記液体の取り込みと排出を操作する。

【0070】

複数のマイクロ格子構造１０を１次元、２次元、または３次元に配置し、複数のマイクロ格子構造１０の中の２以上のマイクロ格子構造を選択することで、液体をサンプリングし、任意の方向へ移送し、融合、混合、分割、排出することができる。サンプリングや液体移送の態様は上述した例に限定されず、マイクロ格子構造１０に電圧を印加した状態で水中に沈めて、電圧を解除することでオイル類をマイクロ格子構造１０内に吸引する構成にしてもよい。複数のマイクロ格子構造１０の間でオイルを移送する場合は、マイクロ格子構造１０に印加されている電圧を選択的に解除することで、所望の方向にオイルを移送してもよい。

【0071】

＜熱スイッチへの適用例＞
図２２は、実施形態の液体操作デバイス１００の熱スイッチ６０への適用例を示す。電気自動車のバッテリーは、低温時に熱伝導性を低くして断熱性を高め、高温時に放熱性を高める必要がある。断熱性と放熱性を切り替える熱スイッチング技術に、実施形態の液体操作技術が適用可能である。

【0072】

熱スイッチ６０は、熱源６１０とヒートシンク６２０の間に配置される液体操作デバイス１００を有する。液体操作デバイス１００のマイクロ格子構造１０は、熱源６１０とヒートシンク６２０の間に配置される。電源１５の一方の端子を液体１２０に接続し、他方の端子をマイクロ格子構造１０の導電性の構造体１１Ａまたは１１Ｂ（図１参照）に接続する。スイッチ１７のオン・オフで電圧の印加と解除を制御することで、液体１２０に対するマイクロ格子構造１０の濡れ性を変えて、マイクロ格子構造１０の内部への液体１２０の吸引と排出を制御する。

【0073】

液体１２０が極性をもつ水溶液の場合、図２２の（ｂ）及び（ｃ）に示すように、電圧の印加によりマイクロ格子構造１０の内部を液体１２０で満たし、電圧印加を解除することで、液体１２０を排出して図２２の（ａ）の状態に切り替える。マイクロ格子構造１０の内部の流体が空気である場合、２０℃での熱伝導率は０．０２５７Ｗ／ｍ・Ｋである。マイクロ格子構造１０の内部の流体が水である場合、２０℃での熱伝導率は０．５８２Ｗ／ｍ・Ｋであり、熱源６１０とヒートシンク６２０の間の空間の熱伝導率を、２０倍程度変化させることができる。液体１２０として不凍液を用いてもよい。熱スイッチ６０を用いることで、低温時と高温時の熱特性を変えることができる。

【符号の説明】

【0074】

１０、１０ａ～１０ｉ、１０Ｓ、１０Ｒ、１０Ｍｔ、１０Ｍｃ、１０Ｐｃ、１０Ｐｈ、１０ＦＤ マイクロ格子構造
１１Ａ、１１Ｂ 導電性の構造体
１２ 骨格
１３ 導電層
１４ 誘電層
１５、２２ 電源
１６ 電極
１７ スイッチ
２４ リレーアレイ
２５ マイクロコンピュータ
３０Ａ、３０Ｂ センサデバイス
３１ サンプリング及び検出部
３２ センサ本体
３５ 制御部
４０、５０ バイオセンサ（センサデバイス）
６０ 熱スイッチ
１００、１００Ａ、１００Ｂ、２００、２００Ａ、２００Ｂ 液体操作デバイス
１１０ 単位構造
１１１ マイクロピラー
１１５ マイクロキャビティ
１２０ 液体
１２１、１２３ 液滴
１２５ シリコーンオイル
１２７ 水溶液
１２８ オイル
１２９ 微小液滴

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13A】

【図13B】

【図13C】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】