[go: up one dir, main page]

JP2010188265A - Droplet atomizing device - Google Patents

Droplet atomizing device Download PDF

Info

Publication number
JP2010188265A
JP2010188265A JP2009034341A JP2009034341A JP2010188265A JP 2010188265 A JP2010188265 A JP 2010188265A JP 2009034341 A JP2009034341 A JP 2009034341A JP 2009034341 A JP2009034341 A JP 2009034341A JP 2010188265 A JP2010188265 A JP 2010188265A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
droplet
flow path
splitting
atomization apparatus
wall
Prior art date
Legal status (The legal status 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 status listed.)
Pending
Application number
JP2009034341A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Nagahiro Tsukada
修大 塚田
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Hitachi Ltd
Original Assignee
Hitachi Ltd
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
Application filed by Hitachi Ltd filed Critical Hitachi Ltd
Priority to JP2009034341A priority Critical patent/JP2010188265A/en
Priority to PCT/JP2010/052143 priority patent/WO2010095577A1/en
Publication of JP2010188265A publication Critical patent/JP2010188265A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0093Microreactors, e.g. miniaturised or microfabricated reactors
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/02Burettes; Pipettes
    • B01L3/0241Drop counters; Drop formers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00788Three-dimensional assemblies, i.e. the reactor comprising a form other than a stack of plates
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01JCHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00781Aspects relating to microreactors
    • B01J2219/00891Feeding or evacuation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00Moving or stopping fluids
    • B01L2400/02Drop detachment mechanisms of single droplets from nozzles or pins
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0415Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic
    • B01L2400/0427Electrowetting
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01LCHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502769Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements
    • B01L3/502784Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Clinical Laboratory Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)

Abstract

【課題】マイクロ流体チップを用いた生成液滴を微粒化する装置を提供する。
【解決手段】マイクロ流体チップの微小流路内を流れる互いに混じり合わない2種類の液体からせん断力によって第一の液滴1を生成する液滴生成部と、前記流路下流部の内壁に形成された少なくとも一対の駆動電極401,402に電圧を印加し前記液滴を分裂させることで第二の液滴1011,1012を生成する液滴分裂部と、を有する。
【選択図】図1
An apparatus for atomizing generated droplets using a microfluidic chip is provided.
A droplet generation unit that generates a first droplet 1 from two kinds of liquids that do not mix with each other flowing in a microchannel of a microfluidic chip by a shearing force and an inner wall of a downstream portion of the channel A droplet splitting unit that generates a second droplet 1011 or 1012 by applying a voltage to at least the pair of drive electrodes 401 and 402 to split the droplet.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は、マイクロ流体チップを用いた液滴生成技術に関する。   The present invention relates to a droplet generation technique using a microfluidic chip.

近年、微小液滴を生成する技術として、マイクロ流体チップを用いた技術が提唱されている。マイクロ流体チップとは、幅および深さが数十から数百μmの微小な流路を持ち、その流路に液体を供給させることで様々な液体操作を行うデバイスである。この微小流路内に、互いに混じり合わない2種類の液体を供給し、それに伴うせん断力によってどちらか一方の液体をせん断して液滴を生成することができる(特許文献1、特許文献2)。生成される液滴の大きさは、流路幅に対しておおよそ0.5〜2倍である。液体をせん断する流れは安定した層流であるため、生成液滴の径分布が非常に小さくなることが特徴である。   In recent years, a technique using a microfluidic chip has been proposed as a technique for generating microdroplets. A microfluidic chip is a device that has a minute flow channel with a width and depth of several tens to several hundreds of μm, and performs various liquid operations by supplying liquid to the flow channel. Two types of liquids that do not mix with each other are supplied into the microchannel, and either one of the liquids is sheared by the accompanying shearing force to generate droplets (Patent Documents 1 and 2). . The size of the generated droplet is approximately 0.5 to 2 times the channel width. Since the flow that shears the liquid is a stable laminar flow, the diameter distribution of the generated droplets is very small.

一方、液体を操作する技術として、エレクトロウェッティングが知られている。エレクトロウェッティングとは、電極上にある液体に対して電極との間に電位差を与えることで、液体の電極に対する見かけの接触角が変化する現象である(非特許文献1)。この現象を利用し、液滴を生成する技術が報告されている(特許文献3、非特許文献2)。   On the other hand, electrowetting is known as a technique for manipulating a liquid. Electrowetting is a phenomenon in which an apparent contact angle of a liquid with respect to an electrode changes by applying a potential difference between the liquid on the electrode and the electrode (Non-Patent Document 1). A technique for generating droplets using this phenomenon has been reported (Patent Document 3, Non-Patent Document 2).

特開2004-81924号公報JP 2004-81924 JP 特開2004-98225号公報JP 2004-98225 A 特表2006-500596号公報Special Table 2006-500596

Frieder Mugele and Jean-Christophe Baret, “Electrowetting: from basics to applications”, J. Phys.: Condens. Matter, Vol.17 (2005), pp.R705-R774.Frieder Mugele and Jean-Christophe Baret, “Electrowetting: from basics to applications”, J. Phys .: Condens. Matter, Vol.17 (2005), pp.R705-R774. Vijay Srinivasan, Vamsee K. Pamula and Richard B. Fair, “An integrated digital microfluidic lab-on-a-chip for clinical diagnostics on human physiological fluids”, Lab Chip, Vol.4(2004), pp.310 - 315.Vijay Srinivasan, Vamsee K. Pamula and Richard B. Fair, “An integrated digital microfluidic lab-on-a-chip for clinical diagnostics on human physiological fluids”, Lab Chip, Vol. 4 (2004), pp. 310-315.

特許文献1、特許文献2のようなマイクロ流体チップを用いた液滴生成技術では、生成可能な液滴のサイズには下限があるという課題がある。小さい液滴を生成するには、それに応じた小さい流路幅が必要である。流路幅dは、流路の圧力損失△P、流路長さl、μは液体粘度、Qは流量とすると、以下の式で表すことができる。
△P = 128μlQ / πd4 (1)
In the droplet generation technology using a microfluidic chip such as Patent Document 1 and Patent Document 2, there is a problem that there is a lower limit to the size of droplets that can be generated. In order to generate a small droplet, a small channel width corresponding to the droplet is required. The channel width d can be expressed by the following equation, where the channel pressure loss ΔP, the channel length l, μ is the liquid viscosity, and Q is the flow rate.
ΔP = 128μlQ / πd 4 (1)

流路の圧力損失△Pは、マイクロ流体チップの耐圧、もしくは送液ポンプの最高圧力より小さくなければならない。例えば、マイクロ流体チップの送液に用いられるシリンジポンプの最高圧力損失△Pを0.5Mpaとする場合、最も小さい液滴を生成できる条件として、液体粘度μを1mPa・s、流路長さlを200μm、流量Qを1×10-11m3/sとすると、流路幅dは11μmとなる。したがって、この場合には流路幅の0.5倍である5.5μmよりも小さい液滴を生成することはできない。 The pressure loss ΔP of the flow path must be smaller than the pressure resistance of the microfluidic chip or the maximum pressure of the liquid feed pump. For example, when the maximum pressure loss ΔP of a syringe pump used for liquid feeding of a microfluidic chip is 0.5 Mpa, the liquid viscosity μ is 1 mPa · s and the channel length l is set as a condition for generating the smallest droplet. Assuming 200 μm and a flow rate Q of 1 × 10 −11 m 3 / s, the flow path width d is 11 μm. Therefore, in this case, a droplet smaller than 5.5 μm which is 0.5 times the channel width cannot be generated.

一方、特許文献3、非特許文献2に記載のエレクトロウェッティングを用いた液適生成方法では、液滴を分裂させることができるため微小液滴を生成するのに適しているものの、単位時間当たりの液滴生成数が少ないという課題がある。この方法では、0.1mmオーダーの間隔を持つ2枚の基板間に液溜りから液滴を注入し、エレクトロウェッティングによって基板に対して水平な方向に電極1ピッチ0.5mm引き伸ばして分裂させ、微小な液滴を生成する。つまり、電極電圧のスイッチング制御によって液滴を帯電させ、静電力で移動・分裂させる。このとき、基板間隔に対する電極ピッチの比はおおよそ0.2よりも小さい必要がある。電極に電圧を印加してから液滴が分裂するのに要する時間は、液滴粘性による抵抗等を考えると液滴移動速度は高々30mm/sであるため、電極1ピッチ分移動するのに少なくとも17ms必要である。したがって、単位時間当たりの液滴生成数は毎秒60個程度であり、上記マイクロ流体チップを用いた液滴生成方法に比べて十分な量を供給することはできない。   On the other hand, the liquid suitable generation method using electrowetting described in Patent Document 3 and Non-Patent Document 2 is suitable for generating minute droplets because it can divide the droplets. There is a problem that the number of droplets generated is small. In this method, a droplet is injected from a liquid pool between two substrates with an interval of the order of 0.1 mm, and the electrodes are stretched by 0.5 mm in the horizontal direction with respect to the substrate by electrowetting. Generate droplets. That is, the droplets are charged by switching control of the electrode voltage, and are moved and split by electrostatic force. At this time, the ratio of the electrode pitch to the substrate interval needs to be smaller than about 0.2. The time required for the droplet to break up after the voltage is applied to the electrode is at least 30 mm / s, considering the resistance due to the viscosity of the droplet, etc. 17ms is required. Accordingly, the number of droplets generated per unit time is about 60 per second, and a sufficient amount cannot be supplied compared to the droplet generating method using the microfluidic chip.

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであり、より微小な液滴を生成するものである。また、エレクトロウェッティングによる分裂液滴生成速度を、せん断力によって生成した液滴の生成速度と同期した数百Hzオーダーまで追従可能とするものである。   The present invention has been made in view of such circumstances, and produces finer droplets. In addition, the split droplet generation speed by electrowetting can be tracked to the order of several hundred Hz in synchronization with the generation speed of the droplet generated by the shearing force.

上記課題を解決するために、本発明は、マイクロ流体チップの微小流路内のせん断力によって生成した液滴を、流路内部の流れ場を利用して下流へ移動させ、その流路の下流における流れ場の中で、エレクトロウェッティングによって流路壁面に対して垂直に分裂させる。   In order to solve the above-described problem, the present invention moves a droplet generated by a shearing force in a microchannel of a microfluidic chip downstream using a flow field inside the channel, and downstream of the channel. In the flow field in Fig. 1, it is split perpendicularly to the channel wall surface by electrowetting.

すなわち、本発明の液滴微粒化装置は、マイクロ流体チップの微小流路内を流れる互いに混じり合わない2種類の液体からせん断力によって第一の液滴を生成する液滴生成部と、前記流路下流部の内壁に形成された少なくとも一対の駆動電極に電圧を印加し前記液滴を分裂させることで第二の液滴を生成する液滴分裂部と、を有することを特徴とする。   That is, the droplet atomization apparatus of the present invention includes a droplet generation unit that generates a first droplet by shearing force from two kinds of liquids that do not mix with each other flowing in a microchannel of the microfluidic chip, and the flow And a droplet splitting portion that generates a second droplet by applying a voltage to at least a pair of drive electrodes formed on the inner wall of the downstream portion of the path to split the droplet.

また、本発明の液滴微粒化装置は、マイクロ流体チップの微小流路内を流れる互いに混じり合わない2種類の液体からせん断力によって第一の液滴を生成する液滴生成部と、前記流路下流部の内壁に形成された少なくとも3つの電極をスイッチング制御によって電圧変化させ前記液滴を分裂させることで第二の液滴を生成する液滴分裂部と、を有することを特徴とする。   Further, the droplet atomization apparatus of the present invention includes a droplet generation unit that generates a first droplet by shearing force from two kinds of liquids that do not mix with each other flowing in a microchannel of the microfluidic chip, and the flow It has a droplet splitting portion that generates a second droplet by changing the voltage of at least three electrodes formed on the inner wall of the downstream portion of the path by switching control to split the droplet.

本発明によれば、液滴分裂に必要な流路幅は液滴と同程度であるため、流路の圧力損失を大きくすることなく、より微小な液滴を生成することができる。
また、分裂後の液滴径の分布は、分裂前の液滴径の分布とほぼ等しくなる。
According to the present invention, since the flow path width necessary for the liquid droplet splitting is approximately the same as that of the liquid droplet, it is possible to generate a finer liquid droplet without increasing the pressure loss of the flow path.
Further, the distribution of the droplet diameter after the division is almost equal to the distribution of the droplet diameter before the division.

さらに、エレクトロウェッティングによる壁面に垂直方向の液滴分裂は、数百Hzオーダーまで追従可能である。したがって、せん断力によって生成した液滴の生成速度に同期して液滴を分裂することが可能であり、単位時間当たりの液滴生成数は従来と同程度となる。   Furthermore, droplet breakup in the direction perpendicular to the wall surface due to electrowetting can follow up to the order of several hundred Hz. Therefore, it is possible to divide the droplets in synchronism with the generation rate of the droplets generated by the shearing force, and the number of droplets generated per unit time is about the same as the conventional one.

本発明の基本構成と動作原理Basic configuration and operation principle of the present invention 流路幅を拡大して液滴を分裂させる方法A method of splitting droplets by expanding the channel width 流路幅を連続的に拡大して液滴を分裂させる方法A method of splitting droplets by continuously expanding the channel width 液滴を流路に対して斜め方向に分裂させる方法Method of splitting a droplet in an oblique direction with respect to the flow path 分裂後の液滴接触角を制御する方法Method for controlling droplet contact angle after breakup 流路内の電極配置Electrode arrangement in the flow path 分裂後の液滴接触角を制御する方法Method for controlling droplet contact angle after breakup 流路内の電極配置Electrode arrangement in the flow path 分裂後の液滴径の調整方法Adjustment method of droplet size after splitting 本発明を用いた液適微粒化装置全体Whole liquid atomization apparatus using the present invention

以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。ただし、本実施形態は本発明を実現するための一例に過ぎず、本発明の技術的範囲を限定するものではないことに留意すべきである。また、各図において共通の構成については同一の参照番号が付されている。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. However, it should be noted that this embodiment is merely an example for realizing the present invention, and does not limit the technical scope of the present invention. In each drawing, the same reference numerals are assigned to common components.

(装置全体の構成)
図10は、本発明の液滴生成部および液滴分裂部を有する液滴微粒化装置全体の概略構成図である。
(Configuration of the entire device)
FIG. 10 is a schematic configuration diagram of the entire droplet atomization apparatus having the droplet generation unit and the droplet splitting unit of the present invention.

本発明の液滴微粒化装置は、液滴の原料となる液体22とその媒体2、液体22と媒体2を送液するための送液ポンプ20、21とその制御装置26、液滴22と媒体2を輸送するための配管18、19、液滴を生成、微粒化するためのマイクロ流体チップ17、マイクロ流体チップを制御するための電源9とその配線801、802、生成された液滴を輸送するための配管24とそれを回収するための回収容器25、を備えている。   The droplet atomization apparatus of the present invention includes a liquid 22 that is a raw material of a droplet and its medium 2, liquid feeding pumps 20 and 21 for feeding the liquid 22 and the medium 2, its control device 26, and the droplet 22. Pipes 18 and 19 for transporting the medium 2, a microfluidic chip 17 for generating and atomizing droplets, a power source 9 and its wiring 801 and 802 for controlling the microfluidic chip, and the generated droplets A pipe 24 for transportation and a collection container 25 for collecting the pipe 24 are provided.

また、マイクロ流体チップ17は、液体22と媒体2から液滴を生成する液滴生成部304、生成された液滴と媒体が流れる流路3、流路3の下流部で液滴を分裂させるための液滴分裂部305、を備えている。   In addition, the microfluidic chip 17 splits the liquid droplets in the liquid droplet generation unit 304 that generates liquid droplets from the liquid 22 and the medium 2, the flow path 3 in which the generated liquid droplets and the medium flow, and the downstream part of the flow path 3. The liquid droplet splitting unit 305 is provided.

(装置の動作)
上述のような構成を有する液滴微粒化装置では、はじめに、液体22と媒体2から液滴が生成される。流路3を内部に形成したマイクロ流体チップ17は、配管18、19によって送液ポンプ20、21に接続される。ポンプ20、21は液滴の原料である液体22と、媒体2をそれぞれ送液する。マイクロ流体チップ17内に送液された液体22と媒体2から、流路3の液滴生成部304において液体のせん断力によって液滴が生成される。
(Device operation)
In the droplet atomization apparatus having the above-described configuration, first, droplets are generated from the liquid 22 and the medium 2. The microfluidic chip 17 in which the flow path 3 is formed is connected to the liquid feeding pumps 20 and 21 by pipes 18 and 19. The pumps 20 and 21 send the liquid 22 which is the raw material of the droplets and the medium 2 respectively. From the liquid 22 and the medium 2 fed into the microfluidic chip 17, droplets are generated by the liquid shear force in the droplet generation unit 304 of the flow path 3.

次に、その下流の液滴分裂部305においてエレクトロウェッティングによって液滴が分裂される。生成された液滴を含む媒体2は、配管24を通して回収容器25に貯蔵される。送液ポンプ20、21と電源9は、制御装置26によって流れの速度と電圧の大きさを同期して制御される。   Next, the droplet is split by electrowetting in the droplet splitting portion 305 downstream thereof. The medium 2 containing the generated droplets is stored in the recovery container 25 through the pipe 24. The liquid feeding pumps 20 and 21 and the power source 9 are controlled by the control device 26 in synchronization with the flow speed and the voltage magnitude.

このように、マイクロ流体チップの微小流路内のせん断力によって生成した液滴を、その流路の下流における流れ場の中で、エレクトロウェッティングによって流路壁面に対して垂直に分裂させることで、より微小な液滴を生成することができる。また、同一流路の層流中でせん断作業と分裂作業とを行うことで、エレクトロウェッティングによる分裂液滴生成速度を、せん断力によって生成した液滴の生成速度と同期した数百Hzオーダーまで追従可能とすることが可能となる。   In this way, the droplets generated by the shear force in the microchannel of the microfluidic chip are split perpendicularly to the channel wall surface by electrowetting in the flow field downstream of the channel. , Finer droplets can be generated. In addition, by performing shearing and splitting operations in a laminar flow in the same flow path, the split droplet generation rate by electrowetting can be reduced to the order of several hundreds of Hz synchronized with the generation rate of droplets generated by shearing force. It becomes possible to follow.

以下、上記効果を有しつつ、さらにエレクトロウェッティングを利用した本発明特有の液滴分裂部について詳細に説明する。
(液滴分裂のための基本構成と動作原理)
図1を用いて、本発明におけるエレクトロウェッティングによる液滴分裂の基本構造と動作原理を説明する。液滴1と液滴周囲の媒体2が、流路の外部に接続された送液ポンプによって流路3の内部を流される。液滴1は流路3の内壁に接している。流路3の向かい合う2つの内壁701、702の表面上には駆動電極401、402が、さらにその上に撥水性を有する絶縁膜501、502が形成されている。絶縁膜501、502が撥水性を有しない場合は、それらは図1中には示していない撥水膜6で覆われている。駆動電極401、402は、配線801、802によって電源9に接続され、制御回路26が時間により電圧を切り替える。切り替え時間は、液滴と媒体の物性に合わせて適宜調整可能である。たとえば、液滴1が純水,媒体2が粘度1mPa・s程度のシリコーンオイル,流路幅(すなわち、内壁701と702間の距離)が11μmのとき,スイッチング切り替え時間が10ms以上であれば、充分に液滴分裂は可能である。
Hereinafter, the droplet splitting portion unique to the present invention using the electrowetting while having the above effect will be described in detail.
(Basic configuration and operating principle for droplet breakup)
The basic structure and operation principle of droplet breakup by electrowetting in the present invention will be described with reference to FIG. The liquid droplet 1 and the medium 2 around the liquid droplet are caused to flow inside the flow path 3 by a liquid feed pump connected to the outside of the flow path. The droplet 1 is in contact with the inner wall of the flow path 3. Drive electrodes 401 and 402 are formed on the surfaces of the two inner walls 701 and 702 facing each other in the flow path 3, and insulating films 501 and 502 having water repellency are further formed thereon. When the insulating films 501 and 502 do not have water repellency, they are covered with a water repellent film 6 not shown in FIG. The drive electrodes 401 and 402 are connected to the power source 9 by wirings 801 and 802, and the control circuit 26 switches the voltage according to time. The switching time can be appropriately adjusted according to the physical properties of the droplet and the medium. For example, when the droplet 1 is pure water, the medium 2 is silicone oil having a viscosity of about 1 mPa · s, and the flow path width (that is, the distance between the inner walls 701 and 702) is 11 μm, the switching switching time is 10 ms or more. Sufficient droplet breakup is possible.

電源9の電圧が0ボルトでは、液滴1の絶縁膜501、502に対する接触角は大きい(図1(1))。
電源9の電圧をV1ボルトとすると、エレクトロウェッティングによって液滴1の絶縁膜501、502に対する接触角が減少する。このとき、液滴1内部と電源9の電荷が絶縁膜501、502を挟む位置に移動する。それに伴って、液滴1が分裂液滴101、102に分裂する(図1(2))。
When the voltage of the power source 9 is 0 volts, the contact angle of the droplet 1 with respect to the insulating films 501 and 502 is large (FIG. 1 (1)).
When the voltage of the power source 9 is V1 volts, the contact angle of the droplet 1 with respect to the insulating films 501 and 502 is reduced by electrowetting. At this time, the electric charge of the inside of the droplet 1 and the power source 9 moves to a position where the insulating films 501 and 502 are sandwiched. Accordingly, the droplet 1 is split into split droplets 101 and 102 (FIG. 1 (2)).

分裂液滴101、102内の絶縁膜501、502の表面に移動した電荷は、絶縁膜501、502のリーク電流によって、電源9に徐々に移動する。それによって、分裂液滴101、102の絶縁膜501、502に対する接触角は増大し、元の大きさに復元する(図1(3))。
接触角が復元した分裂液滴1011、1012は、流路内の流れ場によって下流方向に流される(図1(4))。
The charges that have moved to the surfaces of the insulating films 501 and 502 in the split droplets 101 and 102 gradually move to the power source 9 due to the leakage current of the insulating films 501 and 502. As a result, the contact angle of the split droplets 101 and 102 with respect to the insulating films 501 and 502 is increased and restored to the original size (FIG. 1 (3)).
The split droplets 1011 and 1012 whose contact angles are restored are caused to flow downstream by the flow field in the flow path (FIG. 1 (4)).

このように、液滴分裂に必要な流路幅を液滴と同程度とすることで、流路の圧力損失を大きくすることなく、より微小な液滴を生成することができる。   In this way, by setting the flow path width necessary for the liquid droplet splitting to the same level as the liquid droplets, it is possible to generate smaller liquid droplets without increasing the pressure loss of the flow path.

また、分裂後の液滴径は、分裂前液滴の壁面に対する接触面積に依存することから、微小流路内が安定した層流を供給することで、液滴の壁面に対する接触面積が常に一定となる。これにより、分裂後の液滴径の分布を分裂前の分布とほぼ等しくでき、均一の流径にすることができる。   In addition, since the droplet diameter after splitting depends on the contact area with the wall surface of the droplet before splitting, the contact area with the wall surface of the droplet is always constant by supplying a stable laminar flow in the microchannel. It becomes. Thereby, the distribution of the droplet diameter after the division can be made substantially equal to the distribution before the division, and a uniform flow diameter can be obtained.

(拡大流路による液滴分裂)
液滴1の接触角を変化させるには、液滴1は絶縁膜501、502の両方に接する必要があるため、流路3の幅は液滴1の直径よりも同程度である必要がある。図1の場合は、流路幅が小さいために、液滴の物性によっては電源9に電圧を印加した際に液滴が分裂しない場合が生じる。
(Drop breakup by expansion channel)
In order to change the contact angle of the droplet 1, the droplet 1 needs to be in contact with both of the insulating films 501 and 502, so the width of the flow path 3 needs to be about the same as the diameter of the droplet 1. . In the case of FIG. 1, since the flow path width is small, depending on the properties of the droplets, the droplets may not break when a voltage is applied to the power source 9.

図2は、本発明の液滴分裂部の流路幅を拡大する概略構成を示す。
電源9の電圧が0ボルトでは、流路3の拡大前部分301にある液滴1の絶縁膜501、502に対する接触角は大きい(図2(1))。
電源9の電圧をV1ボルトとすると、流路3の拡大前部分301にある液滴1の絶縁膜501、502に対する接触角が減少する(図2(2))。
FIG. 2 shows a schematic configuration for enlarging the channel width of the droplet splitting portion of the present invention.
When the voltage of the power source 9 is 0 volts, the contact angle of the droplet 1 in the pre-expansion portion 301 of the flow path 3 with respect to the insulating films 501 and 502 is large (FIG. 2 (1)).
When the voltage of the power source 9 is V1 volts, the contact angle of the droplet 1 in the pre-enlargement portion 301 of the flow path 3 with respect to the insulating films 501 and 502 decreases (FIG. 2 (2)).

接触角が減少した液滴103は、流路内の流れ場によって、流路3の拡大部分302を通過して拡大後部分303に移動する。このとき、液滴103は静電気力によって、絶縁膜501、502から離れないために、流路に垂直な方向に伸張する(図2(3))。
電源9の電圧をV1ボルトよりも大きいV2ボルトにすることによって、流路3の拡大後部分303にある液滴104が分裂液滴101、102に分裂する(図2(4))。
The droplet 103 having a reduced contact angle passes through the enlarged portion 302 of the flow channel 3 and moves to the post-enlarged portion 303 by the flow field in the flow channel. At this time, the droplet 103 does not separate from the insulating films 501 and 502 due to electrostatic force, and thus extends in a direction perpendicular to the flow path (FIG. 2 (3)).
By setting the voltage of the power source 9 to V2 volts, which is larger than V1 volts, the droplet 104 in the enlarged portion 303 of the flow path 3 is split into split droplets 101 and 102 (FIG. 2 (4)).

図1(3)と同様に、絶縁膜501、502のリーク電流によって、分裂液滴101、102の接触角が復元する(図2(5))。その後、流路内の流れ場によって、下流に移動する。   Similar to FIG. 1 (3), the contact angle of the split droplets 101 and 102 is restored by the leakage current of the insulating films 501 and 502 (FIG. 2 (5)). Then, it moves downstream by the flow field in the flow path.

このように、液滴分裂時の流路幅を拡大する構成を採ることで、流路入り口が液滴径に対して0.5〜1.0倍程度の狭い場合においても、図1の場合よりも確実に液滴を分裂させることができる。   In this way, even when the flow path entrance is narrow, about 0.5 to 1.0 times the droplet diameter, by adopting a configuration in which the flow path width at the time of droplet breakup is enlarged, the case of FIG. It is possible to break the droplet more reliably.

図3は、本発明の液滴分裂部の流路幅が連続的に拡大する概略構成を示す。
電源9の電圧が0ボルトでは、液滴1は絶縁膜501、502に接している(図3(1))。
電源9の電圧をV1ボルトとすると、液滴1の絶縁膜501、502に対する接触角が減少する(図3(2))。
FIG. 3 shows a schematic configuration in which the flow path width of the droplet splitting portion of the present invention continuously increases.
When the voltage of the power supply 9 is 0 volts, the droplet 1 is in contact with the insulating films 501 and 502 (FIG. 3 (1)).
When the voltage of the power source 9 is V1 volts, the contact angle of the droplet 1 with respect to the insulating films 501 and 502 decreases (FIG. 3 (2)).

接触角が減少した液滴103は、流路内の流れ場によって下流に移動する。このとき、液滴103は静電気力によって、絶縁膜501、502から離れないために、流路に垂直な方向に伸張する(図3(3))。
流路3の幅がある値よりも大きくなったところで、液滴103が分裂する(図3(4))。
The droplet 103 having a reduced contact angle moves downstream by the flow field in the flow path. At this time, the droplet 103 does not separate from the insulating films 501 and 502 due to electrostatic force, and thus extends in a direction perpendicular to the flow path (FIG. 3 (3)).
When the width of the flow path 3 becomes larger than a certain value, the droplet 103 is split (FIG. 3 (4)).

図1(3)と同様に、絶縁膜501、502のリーク電流によって、分裂液滴101、102の接触角が復元する(図3(5))。その後、流路内の流れ場によって、下流に移動する。   Similar to FIG. 1 (3), the contact angle of the split droplets 101 and 102 is restored by the leakage current of the insulating films 501 and 502 (FIG. 3 (5)). Then, it moves downstream by the flow field in the flow path.

このように、流路幅が連続的に拡大する構成を採ることで、流れ場の中で自然と液滴を分裂させることが可能となり、図2のように電源電圧を2段階に変化させる必要が無くなる。また、流路幅が連続的に拡大するため、分裂可能となる最大液滴径を限定する必要は無く、様々な径の液滴に対応することができる。   In this way, by adopting a configuration in which the flow path width continuously increases, it becomes possible to spontaneously break up the droplet in the flow field, and it is necessary to change the power supply voltage in two stages as shown in FIG. Disappears. In addition, since the channel width continuously increases, it is not necessary to limit the maximum droplet diameter that can be split, and droplets of various diameters can be handled.

(駆動電極の斜め配置による液滴分裂)
図4は、本発明の液滴分裂部の駆動電極が電極中心線が一致しない斜めの位置に配置された概略構成を示す。
電源9の電圧が0ボルトでは、液滴1の絶縁膜501、502に対する接触角は大きい(図4(1))。
(Drop breakup due to oblique arrangement of drive electrodes)
FIG. 4 shows a schematic configuration in which the drive electrode of the droplet splitting portion of the present invention is disposed at an oblique position where the electrode center lines do not coincide.
When the voltage of the power source 9 is 0 volts, the contact angle of the droplet 1 with respect to the insulating films 501 and 502 is large (FIG. 4 (1)).

液滴1が駆動電極401、402の両方に接する位置に移動したときに、電源9の電圧をV1ボルトとすると、エレクトロウェッティングによって液滴1の絶縁膜501、502に対する接触角が減少する。それに伴って、液滴1が分裂液滴101、102に分裂する(図4(2))。   If the voltage of the power source 9 is set to V1 volts when the droplet 1 moves to a position in contact with both the drive electrodes 401 and 402, the contact angle of the droplet 1 with respect to the insulating films 501 and 502 is reduced by electrowetting. Accordingly, the droplet 1 is split into split droplets 101 and 102 (FIG. 4 (2)).

図1と同様に、絶縁膜501、502のリーク電流によって、分裂液滴101、102の接触角が復元する(図4(3))。その後、流路内の流れ場によって、下流に移動する。   As in FIG. 1, the contact angle of the split droplets 101 and 102 is restored by the leakage current of the insulating films 501 and 502 (FIG. 4 (3)). Then, it moves downstream by the flow field in the flow path.

このように、駆動電極401、402が液滴1に対して斜めに配置され、液滴1を流路3に対して斜め方向に分裂させることで、図2、図3のように流路の幅を変化させる必要も、図2のように電源電圧を2段階に変化させる必要も無くなる。また、流路に対する液滴径が比較的大きい場合でも、分裂後の液滴同士に距離が生ずるため、一度分裂した液滴同士が合体しにくくなる。   In this way, the drive electrodes 401 and 402 are arranged obliquely with respect to the droplet 1, and by dividing the droplet 1 in an oblique direction with respect to the flow channel 3, the flow path of the flow channel as shown in FIGS. There is no need to change the width, and no need to change the power supply voltage in two stages as shown in FIG. Further, even when the droplet diameter with respect to the flow path is relatively large, a distance is generated between the divided droplets, so that the droplets once divided are difficult to merge.

なお、電極中心線が一致しなければ、斜めに向かい合う一方の駆動電極端は他方の駆動電極端の位置と重なり合っても同様の効果を有することは言うまでもない。   Needless to say, if the electrode center lines do not coincide with each other, one drive electrode end facing diagonally has the same effect even if it overlaps the position of the other drive electrode end.

(第一の分裂液滴の接触角復元制御)
図1の場合、分裂後の液滴101、102間の距離が小さい、もしくは電圧V1が大きいと、101、102の間に働く静電気力により、互いに引き合って合体する場合がある。これは、分裂後に液滴内部の電荷が、もう一方の液滴側の面に移動するためである。
(Contact angle restoration control of the first split droplet)
In the case of FIG. 1, when the distance between the droplets 101 and 102 after the division is small or the voltage V1 is large, the electrostatic forces acting between the 101 and 102 may attract each other and merge. This is because the charge inside the droplet moves to the surface on the other droplet side after splitting.

図5を用いて、本発明の第一の分裂液滴の接触角復元を制御する構成と動作原理を説明する。
液滴1には絶縁膜501、502以外に接地電極1201、1202が接続されている。駆動電極401、402は配線801、802とスイッチ1001、1002を介して、電源901、902に接続されるか、接地される。接地電極1201、1202は配線1101、1102を介して常に接地されており、絶縁膜で覆われる必要は無い。スイッチ1001、1002は、制御回路26によって時間により切り替えられる。切り替え時間は液滴と媒体の物性に合わせて適宜調整可能である。
The configuration and operation principle for controlling the contact angle restoration of the first split droplet according to the present invention will be described with reference to FIG.
In addition to the insulating films 501 and 502, ground electrodes 1201 and 1202 are connected to the droplet 1. The drive electrodes 401 and 402 are connected to the power sources 901 and 902 via the wirings 801 and 802 and the switches 1001 and 1002 or are grounded. The ground electrodes 1201 and 1202 are always grounded via the wirings 1101 and 1102 and do not need to be covered with an insulating film. The switches 1001 and 1002 are switched by the control circuit 26 according to time. The switching time can be appropriately adjusted according to the physical properties of the droplet and the medium.

はじめに、駆動電極401、402は、スイッチ1001、1002を介して接地されている(図5(1))。
スイッチ1001、1002を電源901、902側へ切り替えることで、駆動電極401、402に電圧を印加する。すると、絶縁膜501で覆われた駆動電極401および絶縁膜で覆われていない設置電極1201の双方に接していた液滴1に、接地電極1201のみから電荷が直ちに移動する結果、液滴は負に帯電する。他方の駆動電極402、接地電極1202でも同様である。これによって、液滴1は液滴101と液滴102に分裂する(図5(2))。
First, the drive electrodes 401 and 402 are grounded via the switches 1001 and 1002 (FIG. 5 (1)).
A voltage is applied to the drive electrodes 401 and 402 by switching the switches 1001 and 1002 to the power sources 901 and 902 side. Then, the electric charge immediately moves from only the ground electrode 1201 to the droplet 1 that is in contact with both the drive electrode 401 covered with the insulating film 501 and the installation electrode 1201 that is not covered with the insulating film. Is charged. The same applies to the other drive electrode 402 and the ground electrode 1202. As a result, the droplet 1 is split into a droplet 101 and a droplet 102 (FIG. 5 (2)).

スイッチ1001のみを接地側に切り替える。これによって、駆動電極401、液滴101内部の電荷が移動する。すると、絶縁膜501に対する液滴101の接触角が復元する(図5(3))。
接触角の復元によって、液滴101が絶縁膜501から離れる。その結果、液滴101は流路3の下流側に流される(図5(4))。
Only the switch 1001 is switched to the ground side. As a result, the charges inside the drive electrode 401 and the droplet 101 move. Then, the contact angle of the droplet 101 with respect to the insulating film 501 is restored (FIG. 5 (3)).
The droplet 101 is separated from the insulating film 501 by the restoration of the contact angle. As a result, the droplet 101 flows to the downstream side of the flow path 3 (FIG. 5 (4)).

スイッチ1002を接地側に切り替える。これによって、駆動電極402、液滴102内部の電荷が移動する。すると、絶縁膜502に対する液滴102の接触角が復元する(図5(5))。
接触角の復元によって、液滴102が流路内壁から離れる。その結果、液滴102は流路3の下流側に流される。
Switch 1002 is switched to the ground side. As a result, the charges inside the drive electrode 402 and the droplet 102 move. Then, the contact angle of the droplet 102 with respect to the insulating film 502 is restored (FIG. 5 (5)).
Due to the restoration of the contact angle, the droplet 102 is separated from the inner wall of the flow path. As a result, the droplet 102 is caused to flow downstream of the flow path 3.

このように、分裂後の液滴101、102の接触角復元のタイミングをスイッチング制御することで、一度分裂した液滴の合体を防ぐことができる。   In this manner, by controlling the switching of the contact angle restoration timing of the droplets 101 and 102 after splitting, it is possible to prevent the droplets that have been split once from being combined.

(第一の電極配置の態様)
図6(a)〜(d)は、本発明の図5の分裂方法を実現するための、流路3内面の駆動電極401、402、接地電極1201、1202の複数の配置例を示した概略構成図である。駆動電極401、402上には絶縁膜が形成されているが、図中では省略されている。接地電極1201、1202上には絶縁膜はない。図6(d)は、接地電極1201、1202を一つの電極12とした場合であり、製造のしやすさの点で優れている。
(Mode of first electrode arrangement)
6A to 6D are schematic views showing a plurality of arrangement examples of the drive electrodes 401 and 402 and the ground electrodes 1201 and 1202 on the inner surface of the flow path 3 for realizing the splitting method of FIG. 5 of the present invention. It is a block diagram. An insulating film is formed on the drive electrodes 401 and 402, but is omitted in the drawing. There is no insulating film on the ground electrodes 1201 and 1202. FIG. 6D shows a case where the ground electrodes 1201 and 1202 are formed as one electrode 12, which is excellent in terms of ease of manufacturing.

(第二の分裂液滴の接触角復元制御)
図7を用いて、本発明の第二の分裂液滴の接触角復元を制御する構成と動作原理を説明する。駆動電極4011、4021は配線8011、8021とスイッチ1001、1002を介して、電源901、902に接続されるか、接地される。接地電極4012、4022は配線8012、8022を介して常に接地される。スイッチ1001、1002は、制御回路26によって時間により切り替えられる。切り替え時間は液滴と媒体の物性に合わせて適宜調整可能である。
(Contact angle restoration control of the second split droplet)
The configuration and operation principle for controlling the contact angle restoration of the second split droplet of the present invention will be described with reference to FIG. The drive electrodes 4011 and 4021 are connected to the power sources 901 and 902 via the wirings 8011 and 8021 and the switches 1001 and 1002, or are grounded. The ground electrodes 4012 and 4022 are always grounded via the wirings 8012 and 8022. The switches 1001 and 1002 are switched by the control circuit 26 according to time. The switching time can be appropriately adjusted according to the physical properties of the droplet and the medium.

はじめに、駆動電極4011、4021は、スイッチ1001、1002を介して接地されている(図7(1))。
液滴1が駆動電極4011、4012、4021、4022に接する位置で、スイッチ1001、1002を電源901、902側に切り替えることで、駆動電極4011、4021に電圧を印加する。これによって、液滴1は液滴101と液滴102に分裂する(図7(2))。
First, the drive electrodes 4011 and 4021 are grounded via the switches 1001 and 1002 (FIG. 7 (1)).
A voltage is applied to the drive electrodes 4011 and 4021 by switching the switches 1001 and 1002 to the power sources 901 and 902 side at positions where the droplet 1 is in contact with the drive electrodes 4011, 4012, 4021 and 4022. As a result, the droplet 1 is split into a droplet 101 and a droplet 102 (FIG. 7 (2)).

スイッチ1001のみを接地側に切り替える。これによって、駆動電極4011、4012、液滴101内部の電荷が移動する。すると、絶縁膜501に対する液滴101の接触角が復元する(図7(3))。
接触角の復元によって、液滴101が流路内壁から離れる。その結果、液滴101は流路3の下流側に流される(図7(4))。
Only the switch 1001 is switched to the ground side. As a result, the charges inside the drive electrodes 4011 and 4012 and the droplet 101 move. Then, the contact angle of the droplet 101 with respect to the insulating film 501 is restored (FIG. 7 (3)).
Due to the restoration of the contact angle, the droplet 101 is separated from the inner wall of the flow path. As a result, the droplet 101 flows to the downstream side of the flow path 3 (FIG. 7 (4)).

スイッチ1002を接地側に切り替える。これによって、駆動電極4021、4022、液滴102内部の電荷が移動する。すると、絶縁膜502に対する液滴102の接触角が復元する(図7(5))。
接触角の復元によって、液滴102が流路内壁から離れる。その結果、液滴102は流路3の下流側に流される。
Switch 1002 is switched to the ground side. As a result, the charges inside the drive electrodes 4021 and 4022 and the droplet 102 move. Then, the contact angle of the droplet 102 with respect to the insulating film 502 is restored (FIG. 7 (5)).
Due to the restoration of the contact angle, the droplet 102 is separated from the inner wall of the flow path. As a result, the droplet 102 is caused to flow downstream of the flow path 3.

このように、分裂後の液滴101、102の接触角復元のタイミングをスイッチング制御することで、一度分裂した液滴の合体を防ぐことができる。   In this manner, by controlling the switching of the contact angle restoration timing of the droplets 101 and 102 after splitting, it is possible to prevent the droplets that have been split once from being combined.

(第二の電極配置の態様)
図8(a)〜(c)は、本発明の図7の分裂方法を実現するための、流路3内面の駆動電極4011、4012、4021、4022の複数の配置例を示した概略構成図である。駆動電極4011、4012、4021、4022上には絶縁膜が形成されているが、図中では省略されている。図8(d)は駆動電極を一つの流路壁上に複数形成した電極列411,412とした場合である。電極列411,412上には絶縁膜が形成されているが、図中では省略されている。
(Second electrode arrangement mode)
8A to 8C are schematic configuration diagrams showing a plurality of arrangement examples of the drive electrodes 4011, 4012, 4021, and 4022 on the inner surface of the flow path 3 for realizing the splitting method of FIG. 7 of the present invention. It is. An insulating film is formed on the drive electrodes 4011, 4012, 4021, and 4022, but is omitted in the drawing. FIG. 8D shows the case where the electrode rows 411 and 412 are formed by forming a plurality of drive electrodes on one flow path wall. An insulating film is formed on the electrode rows 411 and 412, but is omitted in the drawing.

(分裂後の液滴径の調整)
図9を用いて、本発明の分裂後の液滴径を調整する方法について説明する。図5もしくは図7のように、各流路壁面上の駆動電極に対して独立に電圧を印加できる場合、分裂後の液滴径を調整することが可能である。図9は図7と同一の構成であり、配線、スイッチ、電源は図9内では省略してある。スイッチは、制御回路によって時間により切り替えられる。切り替え時間は液滴と媒体の物性に合わせて適宜調整可能である。
(Adjustment of droplet size after splitting)
The method for adjusting the droplet diameter after splitting according to the present invention will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 5 or FIG. 7, when a voltage can be independently applied to the drive electrodes on each channel wall surface, it is possible to adjust the droplet diameter after splitting. FIG. 9 has the same configuration as FIG. 7, and wirings, switches, and power supplies are omitted in FIG. The switch is switched over time by the control circuit. The switching time can be appropriately adjusted according to the physical properties of the droplet and the medium.

はじめに、駆動電極4011、4021は接地され、0ボルトである(図9(1))。
液滴が分裂しない程度に、駆動電極4011にV1ボルト、4021にV2ボルトの電圧を印加する。V1よりもV2の方が大きいため、絶縁膜502に対する接触角は、絶縁膜501に対する接触角よりも小さくなる。それによって、液滴1の絶縁膜502に対する接触面積は、絶縁膜501に対する接触面積よりも大きくなる(図9(2))。
First, the drive electrodes 4011 and 4021 are grounded and at 0 volts (FIG. 9 (1)).
A voltage of V1 volts is applied to the drive electrode 4011 and V2 volts is applied to the 4021 so that the droplet does not break. Since V2 is larger than V1, the contact angle with respect to the insulating film 502 is smaller than the contact angle with respect to the insulating film 501. As a result, the contact area of the droplet 1 with the insulating film 502 is larger than the contact area with the insulating film 501 (FIG. 9B).

駆動電極4011、4021にV3ボルトを印加する。V3はV2よりも大きいため、液滴は分裂する。このとき、分裂液滴101、102の体積は、分裂前の接触面積に依存して異なる(図9(3))。   V3 volts is applied to the drive electrodes 4011 and 4021. Since V3 is larger than V2, the droplet breaks up. At this time, the volumes of the split droplets 101 and 102 differ depending on the contact area before splitting (FIG. 9 (3)).

駆動電極4011のみを接地する。これによって、絶縁膜501に対する液滴101の接触角が復元する(図9(4))。
接触角の復元によって、液滴101が流路内壁から離れる。その結果、液滴101は流路3の下流側に流される(図9(5))。
Only the drive electrode 4011 is grounded. As a result, the contact angle of the droplet 101 with respect to the insulating film 501 is restored (FIG. 9 (4)).
Due to the restoration of the contact angle, the droplet 101 is separated from the inner wall of the flow path. As a result, the droplet 101 flows to the downstream side of the flow path 3 (FIG. 9 (5)).

駆動電極4021を接地する。これによって、絶縁膜502に対する液滴102の接触角が復元する(図9(6))。
接触角の復元によって、液滴102が流路内壁から離れる。その結果、液滴102は流路3の下流側に流される。
The drive electrode 4021 is grounded. As a result, the contact angle of the droplet 102 with respect to the insulating film 502 is restored (FIG. 9 (6)).
Due to the restoration of the contact angle, the droplet 102 is separated from the inner wall of the flow path. As a result, the droplet 102 is caused to flow downstream of the flow path 3.

このように、各流路壁面上の駆動電極をスイッチング制御によって独立に電圧を印加することで、分裂後の液滴径を調整することが可能である。   In this way, it is possible to adjust the droplet diameter after splitting by independently applying a voltage to the drive electrodes on each channel wall surface by switching control.

(まとめ)
本発明によれば、マイクロ流体チップの微小流路内のせん断力によって生成した液滴を、その流路の下流における流れ場の中で、エレクトロウェッティングによって流路壁面に対して垂直に分裂させることで、より微小な液滴を生成することができる。また、同一流路の層流中でせん断作業と分裂作業とを行うことで、エレクトロウェッティングによる分裂液滴生成速度を、せん断力によって生成した液滴の生成速度と同期した数百Hzオーダーまで追従可能とすることが可能となる。
(Summary)
According to the present invention, the droplet generated by the shearing force in the microchannel of the microfluidic chip is split vertically to the channel wall surface by electrowetting in the flow field downstream of the channel. As a result, finer droplets can be generated. In addition, by performing shearing and splitting operations in a laminar flow in the same flow path, the split droplet generation rate by electrowetting can be reduced to the order of several hundreds of Hz synchronized with the generation rate of droplets generated by shearing force. It becomes possible to follow.

また、分裂後の液滴径は、分裂前液滴の壁面に対する接触面積に依存することから、微小流路内が安定した層流を供給することで、液滴の壁面に対する接触面積が常に一定となる。これにより、分裂後の液滴径の分布を分裂前の分布とほぼ等しくでき、均一の流径にすることができる。   In addition, since the droplet diameter after splitting depends on the contact area with the wall surface of the droplet before splitting, the contact area with the wall surface of the droplet is always constant by supplying a stable laminar flow in the microchannel. It becomes. Thereby, the distribution of the droplet diameter after the division can be made substantially equal to the distribution before the division, and a uniform flow diameter can be obtained.

さらに、エレクトロウェッティングによる壁面に垂直方向の液滴分裂は、数百Hzオーダーまで追従可能である。したがって、せん断力によって生成した液滴の生成速度に同期して液滴を分裂することが可能であり、単位時間当たりの液滴生成数は従来と同程度となる。   Furthermore, droplet breakup in the direction perpendicular to the wall surface due to electrowetting can follow up to the order of several hundred Hz. Therefore, it is possible to divide the droplets in synchronization with the generation rate of the droplets generated by the shearing force, and the number of droplets generated per unit time is about the same as the conventional one.

(その他)
以上、本発明の例を説明したが、本発明は上述の例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲にて様々な変更が可能である。
本発明の液滴微粒化装置は、上記で説明した様々な液滴分裂部を組み合わせることも可能である。
(Other)
As mentioned above, although the example of this invention was demonstrated, this invention is not limited to the above-mentioned example, A various change is possible in the range of the invention described in the claim.
The droplet atomization apparatus of the present invention can be combined with the various droplet splitting portions described above.

流路断面は必ずしも長方形である必要は無く、台形、円形、その他の形状でも本発明を実現することは可能である。
制御回路26の電圧切り替えは、時間で行う以外にも、例えば電極に誘電率モニタを設けて行っても良い。
The cross section of the flow path does not necessarily have to be a rectangle, and the present invention can be realized by a trapezoidal shape, a circular shape, or other shapes.
The voltage switching of the control circuit 26 may be performed by providing a dielectric constant monitor on the electrode, for example, in addition to the time switching.

1・・・液滴
101・・・分裂後の液滴
102・・・分裂後の液滴
103・・・電圧印加後の液滴
104・・・電圧印加後の液滴
1011・・・分裂後に接触角が復元した液滴
1012・・・分裂後に接触角が復元した液滴
2・・・媒体
3・・・流路
301・・・流路拡大前部
302・・・流路拡大部
303・・・流路拡大後部
304・・・液滴生成部
305・・・液滴分裂部
401・・・駆動電極
402・・・駆動電極
4011・・・駆動電極
4012・・・駆動電極
4021・・・駆動電極
4022・・・駆動電極
411・・・駆動電極列
412・・・駆動電極列
501・・・絶縁膜
502・・・絶縁膜
6・・・撥水膜
701・・・流路壁
702・・・流路壁
801・・・配線
802・・・配線
9・・・電源
901・・・電源
902・・・電源
1001・・・スイッチ
1002・・・スイッチ
1101・・・配線
1102・・・配線
1201・・・接地電極
1202・・・接地電極
17・・・マイクロ流体チップ
18・・・配管
19・・・配管
20・・・送液ポンプ
21・・・送液ポンプ
22・・・液滴原料
24・・・配管
25・・・回収容器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Droplet 101 ... Droplet 102 after splitting ... Droplet 103 after splitting ... Droplet 104 after applying voltage ... Droplet 1011 after applying voltage ... After splitting Droplet 1012 with contact angle restored ... Droplet 2 with contact angle restored after splitting ... Medium 3 ... Channel 301 ... Channel expansion front 302 ... Channel expansion unit 303 ··· Channel expansion rear portion 304 ··· Droplet generating portion 305 ··· Droplet splitting portion 401 ··· Driving electrode 402 ··· Driving electrode 4011 ··· Driving electrode 4012 ··· Driving electrode 4021 ··· Drive electrode 4022 ... Drive electrode 411 ... Drive electrode row 412 ... Drive electrode row 501 ... Insulating film 502 ... Insulating film 6 ... Water-repellent film 701 ... Flow path wall 702 ..Channel wall 801... Wiring 802... Wiring 9. Power supply 1001 ... Switch 1002 ... Switch 1101 ... Wiring 1102 ... Wiring 1201 ... Ground electrode 1202 ... Ground electrode 17 ... Microfluidic chip 18 ... Pipe 19 ... Pipe 20 ... Liquid feed pump 21 ... Liquid feed pump 22 ... Droplet raw material 24 ... Pipe 25 ... Recovery container

Claims (12)

マイクロ流体チップの微小流路内を流れる互いに混じり合わない2種類の液体からせん断力によって第一の液滴を生成する液滴生成部と、
前記流路下流部の内壁に形成された少なくとも一対の駆動電極に電圧を印加し前記液滴を分裂させることで第二の液滴を生成する液滴分裂部と、
を有することを特徴とする液滴微粒化装置。
A droplet generator that generates a first droplet by shearing force from two types of liquids that do not mix with each other flowing in the microchannel of the microfluidic chip;
A droplet splitting portion that generates a second droplet by applying a voltage to at least a pair of drive electrodes formed on the inner wall of the downstream portion of the flow path to split the droplet;
A droplet atomization apparatus comprising:
前記液滴分裂部は、前記第一の液滴の粒径の0.5倍以上の流路幅を有することを特徴とする請求項1に記載の液滴微粒化装置。   2. The droplet atomization apparatus according to claim 1, wherein the droplet splitting portion has a flow path width of 0.5 times or more the particle size of the first droplet. 前記流路下流部は、層流方向に向かって幅が拡大する流路幅拡大部を有することを特徴とする請求項1または2に記載の液滴微粒化装置。   The droplet atomization apparatus according to claim 1, wherein the downstream portion of the flow path includes a flow path width expanding portion whose width increases in a laminar flow direction. 前記流路下流部は、さらに、前記第一の液滴の粒径以下の幅を有する第一の流路部と、前記第一の液滴の流径よりも広い幅を有する第二の流路部と、を有することを特徴とする請求項3に記載の液滴微粒化装置。   The downstream portion of the flow path further includes a first flow path portion having a width equal to or smaller than a particle diameter of the first droplet, and a second flow having a width wider than the flow diameter of the first droplet. The droplet atomization apparatus according to claim 3, further comprising a passage portion. 前記駆動電極は、対面していることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の液滴微粒化装置。   The droplet atomization apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the drive electrode faces each other. 前記駆動電極は、前記流路下流部の対面する内壁に前記駆動電極の中心線が一致しない位置に形成されていることを特徴とする請求項1に記載の液滴微粒化装置。   2. The droplet atomization apparatus according to claim 1, wherein the drive electrode is formed at a position where a center line of the drive electrode does not coincide with an inner wall facing the downstream portion of the flow path. マイクロ流体チップの微小流路内を流れる互いに混じり合わない2種類の液体からせん断力によって第一の液滴を生成する液滴生成部と、
前記流路下流部の内壁に形成された少なくとも3つの電極をスイッチング制御によって電圧変化させ前記液滴を分裂させることで第二の液滴を生成する液滴分裂部と、
を有することを特徴とする液滴微粒化装置。
A droplet generator that generates a first droplet by shearing force from two types of liquids that do not mix with each other flowing in the microchannel of the microfluidic chip;
A droplet splitting section for generating a second droplet by changing the voltage of at least three electrodes formed on the inner wall of the downstream portion of the flow path by switching control to split the droplet;
A droplet atomization apparatus comprising:
前記液滴分裂部は、
前記内壁に対面する一対の駆動電極と、
前記内壁に対面する一対の接地電極、前記内壁の同一面上を並走する一対の接地電極、前記駆動電極と異なる前記内壁面に位置する1個の接地電極、のうち少なくとも1つと、
を有することを特徴とする請求項7に記載の液滴微粒化装置。
The droplet splitting part is
A pair of drive electrodes facing the inner wall;
At least one of a pair of ground electrodes facing the inner wall, a pair of ground electrodes running in parallel on the same surface of the inner wall, and one ground electrode located on the inner wall surface different from the drive electrode;
The droplet atomization apparatus according to claim 7, wherein:
前記液滴分裂部は、絶縁膜で覆われていない接地電極を有することを特徴とする請求項8に記載の液滴微粒化装置。   The droplet atomization apparatus according to claim 8, wherein the droplet splitting portion includes a ground electrode that is not covered with an insulating film. 前記液滴分裂部は、絶縁膜で覆われた駆動電極または接地電極を有することを特徴とする請求項8に記載の液滴微粒化装置。   9. The droplet atomizing device according to claim 8, wherein the droplet splitting portion has a drive electrode or a ground electrode covered with an insulating film. 前記液滴分裂部は、前記内壁の同一面上に絶縁膜で覆われた2つ以上の駆動電極を有することを特徴とする請求項8に記載の液滴微粒化装置。   9. The droplet atomization device according to claim 8, wherein the droplet splitting portion has two or more drive electrodes covered with an insulating film on the same surface of the inner wall. 前記液滴分裂部は、対面する二対の電極、垂直面上に位置する二対の電極、同一面上に複数の電極列が形成された一対の電極、のうち少なくとも1つの電極を有し、該電極は個々独立して電圧が設定されることを特徴とする請求項8に記載の液滴微粒化装置。   The droplet splitting unit has at least one of a pair of electrodes facing each other, a pair of electrodes positioned on a vertical plane, and a pair of electrodes formed with a plurality of electrode rows on the same plane. 9. The droplet atomization apparatus according to claim 8, wherein a voltage is set for each of the electrodes independently.
JP2009034341A 2009-02-17 2009-02-17 Droplet atomizing device Pending JP2010188265A (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009034341A JP2010188265A (en) 2009-02-17 2009-02-17 Droplet atomizing device
PCT/JP2010/052143 WO2010095577A1 (en) 2009-02-17 2010-02-15 Atomizer

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2009034341A JP2010188265A (en) 2009-02-17 2009-02-17 Droplet atomizing device

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2010188265A true JP2010188265A (en) 2010-09-02

Family

ID=42633859

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2009034341A Pending JP2010188265A (en) 2009-02-17 2009-02-17 Droplet atomizing device

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP2010188265A (en)
WO (1) WO2010095577A1 (en)

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014140841A (en) * 2013-01-23 2014-08-07 Sharp Corp AM-EWOD device and driving method of AM-EWOD device by AC drive with variable voltage
WO2017077409A1 (en) * 2015-11-04 2017-05-11 International Business Machines Corporation Continuous, capacitance-based monitoring of liquid flows in a microfluidic device
CN113368918A (en) * 2021-06-21 2021-09-10 合肥瀚海星点生物科技有限公司 Multi-channel liquid separation device and method based on microfluidic printing

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102095770A (en) * 2010-11-22 2011-06-15 复旦大学 Electrochemical sensor chip based on digital microfluidic technology
EP4450162A3 (en) * 2017-06-21 2025-01-08 Lightcast Discovery Ltd Microdroplet manipulation device
CN113811389B (en) * 2020-02-28 2023-04-11 京东方科技集团股份有限公司 Micro-fluidic chip and micro-fluidic system

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06173777A (en) * 1992-12-07 1994-06-21 Ryoju Shoji Kk Device for producing high voltage applied emuslion fuel oil
JP2005049273A (en) * 2003-07-30 2005-02-24 Aisin Seiki Co Ltd Micro fluid control system
JP2005270894A (en) * 2004-03-26 2005-10-06 Japan Science & Technology Agency Droplet generation method and apparatus
JP2006500596A (en) * 2002-09-24 2006-01-05 デューク・ユニバーシティ Method and apparatus for manipulating droplets using electrowetting technology
JP2007098322A (en) * 2005-10-06 2007-04-19 Foundation For The Promotion Of Industrial Science Method for forming droplet according to micro droplet fusion and device therefor
JP2007516067A (en) * 2003-05-16 2007-06-21 ヴェロシス,インク. Process for making emulsions using microchannel process technology
JP2008512235A (en) * 2004-09-09 2008-04-24 アンスティテュート キュリー Device for manipulating packets in microchannels or other microcontainers
JP2008100182A (en) * 2006-10-20 2008-05-01 Hitachi Plant Technologies Ltd Emulsification device and fine particle production device
JP2008517251A (en) * 2004-10-09 2008-05-22 フォルシュングスツェントルム・ユーリッヒ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング Nano manipulator for analyzing or processing an object

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20050221339A1 (en) * 2004-03-31 2005-10-06 Medical Research Council Harvard University Compartmentalised screening by microfluidic control

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH06173777A (en) * 1992-12-07 1994-06-21 Ryoju Shoji Kk Device for producing high voltage applied emuslion fuel oil
JP2006500596A (en) * 2002-09-24 2006-01-05 デューク・ユニバーシティ Method and apparatus for manipulating droplets using electrowetting technology
JP2007516067A (en) * 2003-05-16 2007-06-21 ヴェロシス,インク. Process for making emulsions using microchannel process technology
JP2005049273A (en) * 2003-07-30 2005-02-24 Aisin Seiki Co Ltd Micro fluid control system
JP2005270894A (en) * 2004-03-26 2005-10-06 Japan Science & Technology Agency Droplet generation method and apparatus
JP2008512235A (en) * 2004-09-09 2008-04-24 アンスティテュート キュリー Device for manipulating packets in microchannels or other microcontainers
JP2008517251A (en) * 2004-10-09 2008-05-22 フォルシュングスツェントルム・ユーリッヒ・ゲゼルシャフト・ミット・ベシュレンクテル・ハフツング Nano manipulator for analyzing or processing an object
JP2007098322A (en) * 2005-10-06 2007-04-19 Foundation For The Promotion Of Industrial Science Method for forming droplet according to micro droplet fusion and device therefor
JP2008100182A (en) * 2006-10-20 2008-05-01 Hitachi Plant Technologies Ltd Emulsification device and fine particle production device

Cited By (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014140841A (en) * 2013-01-23 2014-08-07 Sharp Corp AM-EWOD device and driving method of AM-EWOD device by AC drive with variable voltage
US9169573B2 (en) 2013-01-23 2015-10-27 Sharp Kabushiki Kaisha AM-EWOD device and method of driving with variable voltage AC driving
WO2017077409A1 (en) * 2015-11-04 2017-05-11 International Business Machines Corporation Continuous, capacitance-based monitoring of liquid flows in a microfluidic device
GB2558839A (en) * 2015-11-04 2018-07-18 Ibm Continuous, capacitance-based monitoring of liquid flows in a microfluidic device
US10369567B2 (en) 2015-11-04 2019-08-06 International Business Machines Corporation Continuous, capacitance-based monitoring of liquid flows in a microfluidic device
GB2558839B (en) * 2015-11-04 2021-04-14 Ibm Continuous, capacitance-based monitoring of liquid flows in a microfluidic device
CN113368918A (en) * 2021-06-21 2021-09-10 合肥瀚海星点生物科技有限公司 Multi-channel liquid separation device and method based on microfluidic printing
CN113368918B (en) * 2021-06-21 2022-04-26 合肥瀚海星点生物科技有限公司 Multi-channel liquid separation device and method based on microfluidic printing

Also Published As

Publication number Publication date
WO2010095577A1 (en) 2010-08-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Anna et al. Formation of dispersions using “flow focusing” in microchannels
JP2010188265A (en) Droplet atomizing device
Ozen et al. Monodisperse drop formation in square microchannels
US8439487B2 (en) Continuous ink jet printing of encapsulated droplets
US8697008B2 (en) Droplet generator
CN101765502B (en) Continuous Jet Drop Generator
US8544974B2 (en) Droplet selection mechanism
Castro-Hernández et al. Breakup length of AC electrified jets in a microfluidic flow-focusing junction
Castrejón-Pita et al. A novel method to produce small droplets from large nozzles
US20130277461A1 (en) Method And Electro-Fluidic Device To Produce Emulsions And Particle Suspensions
Castro-Hernández et al. AC electrified jets in a flow-focusing device: Jet length scaling
He et al. Low-frequency ac electro-flow-focusing microfluidic emulsification
Tse et al. Airflow assisted printhead for high-resolution electrohydrodynamic jet printing onto non-conductive and tilted surfaces
Wang et al. An electrode design for droplet dispensing with accurate volume in electro-wetting-based microfluidics
US8272716B2 (en) Method of continuous inkjet printing
Zhang et al. High-throughput production of uniformly sized liquid metal microdroplets using submerged electrodispersion
US8974041B2 (en) Droplet selection mechanism
Wu et al. Shear-induced tail breakup of droplets (bubbles) flowing in a straight microfluidic channel
Chen et al. Electric-field triggered, on-demand formation of sub-femtoliter droplets
Jeong et al. Polymer micro-atomizer for water electrospray in the cone jet mode
EP1931456A1 (en) Microfluidic network and method
Chen et al. Micromachined bubble-jet cell sorter with multiple operation modes
CN114308150A (en) Feedback control type double-pulse driving liquid drop generating system and liquid drop generating method
Zhang et al. Printing of liquid metal by electrically modulating of interface tension in liquid environment
KR20110019613A (en) Electrowetting device for improving electrowetting efficiency

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20110209

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20130409

A02 Decision of refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20130806