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KR101885936B1 - 무선 전력이 공급되는 전자 회로를 포함하는 미세 유체 - Google Patents

무선 전력이 공급되는 전자 회로를 포함하는 미세 유체 Download PDF

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KR101885936B1
KR101885936B1 KR1020137013040A KR20137013040A KR101885936B1 KR 101885936 B1 KR101885936 B1 KR 101885936B1 KR 1020137013040 A KR1020137013040 A KR 1020137013040A KR 20137013040 A KR20137013040 A KR 20137013040A KR 101885936 B1 KR101885936 B1 KR 101885936B1
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유화 로
웬 차오
조규진
강휘원
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더 리젠츠 오브 더 유니버시티 오브 캘리포니아
순천대학교 산학협력단
(주) 파루
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Abstract

인쇄된 회로를 미세 유체 디바이스와 결합시키고, 미세 유체 디바이스에 무선으로 전력을 제공하는 기술들, 디바이스들 및 시스템들이 설명되어 있다. 일 양상에서, 미세 유체 디바이스는 입자를 가지는 유체의 경로를 제공하는 유체 채널을 가지는 기판을 포함한다. 유체 채널은 유체 입구 및 출구를 포함한다. 입구 및 출구 인근 전극의 쌍은 전극들의 쌍들에서 얻어지는 교류 전류(alternating current, AC) 주파수 전압에 응답하여 네가티브-유전영동(dielectrophoresis, DEP) 효과를 사용함으로써 유체 채널의 중심을 향하여 입자들을 인도한다. 추가적 전극 쌍들 중 다른 하나들로부터 수신된 상이한 주파수의 AC 전압에 응답하여 포지티브 및 네가티브 DEP 효과를 사용함으로써 입자들의 부분집단(subpopulation)을 고립시키기 위해 전극들의 추가적인 쌍들이 유체 채널의 입구 및 출구 인근 전극들의 쌍들 사이에서 유체 채널의 경계를 따라 배치되어 있다.

Description

무선 전력이 공급되는 전자 회로를 포함하는 미세 유체{Microfluidics with Wirelessly Powered Electronic Circuits}
본 발명은 이 출원의 개시물의 일부로서 참조로서 제공되는 2010년 10월 21일에 출원된 미국 특허 출원(61/405,626)을 우선권으로 청구한다.
본 발명은 인쇄 회로들을 포함하는 미세유체 디바이스들, 방법들 및 시스템들 및 미세 유체 기술에 관한 것이다.
미세유체 기술은 단일 다이(single die)로 벤치 탑(bench top) 화학적 또는 생의학적 실험적 셋업(experimental setup)을 감소시킴으로써 랩온어칩(lab-on-a-chip) 컨셉(concept)을 실현하기 위해 사용되었다. 랩온어칩 컨셉은 종래 방법보다 훨씬 더 적은 양의 시약들(reagents)을 가지고 테스트 쓰루풋(test throughput)을 잠재적으로 증가시킬 수 있고, 같은 시간에, 종래 방법보다 더 적은 양의 생물학적 유해물질 및 폐기물(wastes)을 생성한다. 그의 결과로서, 랩온어칩 컨셉은 일반적으로 화학공학, 식품 산업, 의약 발견, 현장 진단(POC(point-of-care diagnostics)), 유전체학 및 생의학적 연구에서 다양한 응용을 갖는다.
기술들, 디바이스들 및 시스템들은 전자 및 유체 디바이스들 사이의 프로세스 비호환성(process incompatibility)에 중개(bridge) 역할을 하기 위해, 유체 또는 미세유체 디바이스로 인쇄 전자 회로를 추가(incorporating)하기 위해 설명된다.
개시된 실시예들 중 한 양태는 부유 입자(suspended particle)를 갖는 유체에 대한 경로를 제공하기 위한 유체 채널을 포함하는 기판 - 여기서, 유체 채널은 유체에 대한 입구 및 출구를 포함함 - 을 포함하는 미세유체 디바이스에 관한 것이다. 미세유체 디바이스는 또한 전극의 쌍에서 수신되는 AC(alternating current) 주파수 전압에 응답하여 네가티브(negative) DEP(dielectrophoresis) 효과를 이용하여 유체 채널의 중심을 향해 입자들을 안내하기 위한 유체 채널의 입구 및 출구 근처에 위치한 한 쌍의 전극을 포함한다. 더욱이, 미세유체 디바이스는 추가적인 전극들 중 서로 다른 어느 것들에서 수신되는 서로 다른 주파수의 AC 전압들에 응답하여 포지티브(positive) 및 네가티브 DEP 효과들을 이용하여 상기 입자들의 부분집단(subpopulation)을 격리(isolate)시키기 위해 두 쌍의 전극들 사이의 유체 채널의 경계를 따라 위치한 추가적인 전극들을 포함한다.
소정 실시예에 있어서, 유체 채널은 기판 상에 형성되는 영구적인 유체 채널을 포함한다. 다른 실시예에 있어서, 유체 채널은 기판 상에 배치되는 제거가능한 유체 채널을 포함하고, 기판은 유체에 대한 경로를 제공하도록 패터닝된다.
또 다른 실시예에 있어서, 미세유체 디바이스는 또한 유체 채널의 입구 및 출구에서 전극 쌍으로 AC 전압을 공급하고, 추가적인 전극들 중 서로 다른 어느 것들로 서로 다른 주파수의 AC 전압을 공급하도록 구성되는 접적 회로를 포함한다. 이러한 실시예에 있어서, 인덕터는 외부 송신기로부터 집적 회로로 전력(power)을 결합하도록(couple) 구성된다. 일 실시예에 있어서, 인덕터는 안테나를 포함한다. 예컨대, 안테나는 외부 송신기로부터 집적 회로로 전력을 유도 결합시키기 위한 루프들(loops)을 포함한다. 게다가, 안테나는 집적 회로로부터 외부 송신기로 전력을 되돌려(back) 결합시키도록 구성된다.
소정 실시예들에 따르면, 집적 회로는 하나 이상의 메모리, 레지스터(register), 프로세서(processor) 및 스위치를 포함한다. 어떤 실시예에 있어서, 집적 회로는, 전극 쌍 및 각각의 추가적인 전극들에 인가되는 AC 전압을 턴온(turn on)시키고 턴 오프시키도록 구성되고; 임피턴스, 위상, 또는 전류 중 적어도 어느 하나를 포함하는 데이터를 저장하도록 구성되며; 및/또는 데이터를 외부 장치로 전송하도록 구성된다.
개시된 실시예의 다른 양태는, 미세유체 디바이스 내의 유체 채널의 입구를 통해 부유 입자(suspended particle)를 갖는 유체를 흘리는(flowing) 단계 - 유체 채널은 유체 채널의 입구 및 출구 근처에 위치하는 한 쌍의 전극을 갖음 - 를 포함하는, 유체 내에 부유된 입자들의 부분집단을 격리시키는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 네가티브 DEP(dielectophoresis) 효과를 이용하여 유체 채널의 중심부를 향해 입자를 안내하여 전극 쌍으로 AC 전압을 인가하는 단계, 및 포지티브 및 네가티브 DEP 효과들을 이용하여 입자들의 부분집단(subpopulation)을 격리시키도록 전극 쌍 사이의 유체 채널의 경계를 따라 위치하는 추가적인 전극들 중 서로 다른 것들에서 서로 다른 주파수의 AC 전압을 인가하는 단계를 또한 더 포함한다. 일 실시예에 따르면, 이 방법은 무선 매체(medium)을 매개로 유체 디바이스로 전력을 제공하는 단계를 더 포함한다.
개시된 실시예의 다른 양태는 유체 내에 부유된 입자들을 갖는 유체를 수신하기 위한 입구 및 쉬스 플로우(sheath flow)를 수신하기 위한 하나 이상의 쉬스 플로우(flow) 입구들을 갖는 유체 채널을 갖는 기판을 포함하는 미세유체 디바이스에 관한 것이다. 이러한 미세유체 디바이스는 또한, 입구 근처에 위치하는 적어도 한 쌍의 전극들 - 한 쌍의 전극은 DC(direct current) 전압이 공급되는 때 부유 입자들을 전기영동으로(electrophoretically) 분리하도록 구성됨 - 을 포함한다. 이 미세유체 디바이스는 유체 채널을 따라 배열되는 일련의 전극들(a series of electrodes) - 일련의 전극들은 서로 다른 주파수의 AC 전압이 공급되는 때 포지티브 및 네거티브 DEP 효과를 이용하여 분리된 입자들을 분류(sort)하도록 구성됨 - 을 더 포함한다.
소정 실시예들에 있어서, 유체 채널은, 유체 샘플이 플로우 방향(flow direction)을 횡단하여 널리 퍼지도록(spread out) 허용하기 위한 프리-플로우(free-flow) 디자인(design)을 갖는다. 다른 실시예에 있어서, 적어도 한 쌍의 전극들은 EP(electrophoretic) 효과에 기초하여 전하(charge), 모양 및 질량 중 적어도 하나에 따라 상기 입자들을 그룹들로 분리시키도록 구성된다. 또 다른 실시예에 있어서, 일련의 전극들의 각각의 쌍은 일련의 전극들의 적어도 다른 쌍으로부터 서로 다른 주파수의 AC 전압을 수신하도록 구성된다.
다른 실시예에 따르면, 일련의 전극들의 각각의 쌍은 비대칭 구조를 갖는다. 게다가, 소정 실시예들에 있어서, 일련의 전극들은 포지티브 DEP 효과를 경험한 입자들을 일련의 전극들의 에지(edge)로 끌어당기도록 구성되고, 그리고 네가티브 DEP 효과를 경험한 입자들을 전기장의 기울기(gradient)가 0(zero)인 일련의 전극들 사이의 경로들을 향해 우회하도록 구성된다. 또 다른 실시예에 있어서, 미세유체 디바이스는 유체 채널의 입구 및 출구에서 적어도 하나의 전극 쌍으로 AC 전압을 공급하고, 추가적인 전극들 중 서로 다른 어느 것들로 서로 다른 주파수의 AC 전압을 공급하도록 구성되는 접적 회로뿐만 아니라 외부 송신기로부터 집적 회로로 전력을 결합(couple)하도록 구성되는 인덕터를 더 포함한다.
개시된 실시예들의 다른 양태는 미세유체 디바이스 내의 유체 채널의 샘플 입구를 통해 부유 입자들을 포함하는 유체 샘플을 도입하는(introducing) 단계 및 하나 이상의 쉬스 플로우(sheath flow) 입구들을 통해 쉬스 플로우를 도입하는 단계를 포함하는, 미세유체 디바이스 내의 입자들을 분류하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 샘플 입구 근처의 DC 바이어싱된(biasing) 두 쌍의 전극들에 의해 전기영동으로 입자들을 분리하는 단계 및 유체 채널을 따라 배열된 일련의 전극들을 이용하여 네가티브 및 포지티브 DEP 효과들을 사용하여 분리된 입자들을 분류하는 단계 - 일련의 전극들 내의 적어도 한 쌍의 전극들은 일련의 전극들 내의 다른 전극에 의해 수신되는 AC 전압 주파수와 다른 주파수의 AC 전압을 수신함 - 를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 이 방법은 무선 매체를 매개로 미세유체 디바이스로 전력을 제공하는 단계를 더 포함한다.
개시된 실시예들 중 다른 양태는 부유 입자들을 갖는 샘플 용액을 수신하기 위한 샘플 입구 및 쉬스 플로우(sheath flow) 입구를 갖는 유체 채널을 포함하는 기판 - 샘플 입구 및 쉬스 플로우 입구는 분류 연결점(sort junction) 이전에 유체 채널의 하부 부분 내의 부유 입자들의 적어도 일부분을 한정하고(confine) 유체 채널로 쉬스 플로우를 허용하도록 서로에 대하여 배열됨 - 을 포함하는 미세유체 디바이스에 관한 것이다. 이 미세유체 디바이스는 또한, 네가티브 DEP 효과를 경험한 입자들이 상부 챔버로 향하도록 하고 그리고 포지티브 DEP 효과의 대상이 된 입자들이 하부 챔버로 향하도록 하는 비균일 필드(field)를 생성하도록 구성되고 샘플 입구 근처에 위치한 한 쌍의 전극들을 포함한다. 미세유체 디바이스는 추가적으로 전극들의 주어진 병렬 어레이(array)의 서로 다른 전극들에 인가되는 서로 다른 위상들의 전압들에 대응하여 생성되는 순회 DEP 영향력(traveling DEP force)을 이용하여 각각의 챔버 내의 입자들을 더 세분화하도록(subdivide) 구성된 전극들의 하나 이상의 병렬 어레이를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 장치는 또한, 유체 채널의 입구 근처의 전극 쌍으로 전압을 공급하고, 전극들의 주어진 어레이 내의 서로 다른 전극들에 서로 다른 위상들의 전압들을 공급하도록 구성되는 접적 회로뿐만 아니라, 외부 송신기로부터 집적 회로로 전력을 결합하도록(couple) 구성되는 인덕터를 포함한다.
개시된 실시예들 중 다른 양태는 유체 채널의 샘플 입구에서 부유 입자들을 갖는 샘플 유체를 수신하는 단계 및 분류 연결점(sorting junction) 이전에 유체 채널의 하부 내의 부유 입자들의 일부분을 한정하도록 샘플 입구와 관련하여 배열된 쉬스 플로우 입구로부터 쉬스 플로우를 수신하는 단계를 포함하는, 입자들을 분류하는 방법에 관한 것이다. 이 방법은 네가티브 DEP 효과를 겸험한 입자들을 상부 챔버로 향하게 하고 포지티브 DEP 효과의 대상이 되는 셀들을 하부 챔버로 향하게 하기 위해, 샘플 입구 근처의 한 쌍의 전극들에 비균일 필드를 생성하는 단계 및 전극들의 주어진 병렬 어레이의 서로 다른 전극들에 서로 다른 위상들의 전압들을 인가함으로써 전극들의 하나 이상의 병렬 어레이에 의해 생성되는 순회 DEP 영향력(traveling DEP force)을 이용하여 입자들을 세분화(subdividing)하는 단계를 더 포함한다.
개시된 실시예의 다른 양태는 유체(fluids)를 운반하기 위한 하나 이상의 채널들을 형성하기 위해 패터닝된 기판, 및 하나 이상의 채널들 내의 유체 플로우를 제어하도록 구성되고 기판 상에 형성된 미세유체 소자를 포함하는 미세유체 디바이스에 관한 것이다. 이 미세유체 디바이스는 또한, 하나 이상의 미세 유체 소자들로 전기적 전력을 공급하기 위해 하나 이상의 미세유체 소자들에 전기적으로 결합되고 기판 상에 형성된 회로를 포함한다. 이 회로는 무선으로 전자기파 신호를 수신하고 그리고 하나 이상의 미세유체 소자들로 공급되는 전기적 전력을 생성하기 위해 무선으로 수신된 전자기파 신호를 이용하는 안테나를 포함한다.
본 발명에 따르면, 인쇄된 회로를 미세 유체 디바이스와 결합시키고, 미세 유체 디바이스에 무선으로 전력을 제공하는 기술들, 디바이스들 및 시스템들을 제공할 수 있다.
도 1a는 실시예에 따른 미세유체 디바이스를 도시한 도면,
도 1b는 실시예에 따라 추가된(incorporated) 전자 회로를 갖는 도 1a의 미세유체 디바이스를 도시한 도면,
도 2a는 다른 실시예에 따른 미세유체 디바이스를 도시한 도면,
도 2b는 실시예에 따라 추가된(incorporated) 전자 회로를 갖는 도 2a의 미세유체 디바이스를 도시한 도면,
도 3a는 다른 실시예에 따른 미세유체 디바이스를 도시한 도면,
도 3b는 실시예에 따라 추가된(incorporated) 전자 회로를 갖는 도 3a의 미세유체 디바이스를 도시한 도면,
도 4a는 본 발명의 미세유체 디바이스 내에서 사용될 수 있는 인쇄 회로의 사진,
도 4b는 도 4a의 인쇄 회로의 회로도,
도 5a는 실시예에 따라 미세유체 디바이스와 인쇄 회로를 집적화하는 과정을 도시한 도면,
도 5b는 다른 실시예에 따라 미세유체 디바이스와 인쇄 회로를 집적화하는 과정을 도시한 도면,
도 5c는 또 다른 실시예에 따라 미세유체 디바이스와 인쇄 회로를 집적화하는 과정을 도시한 도면,
도 6은 실시예에 따라 RF 송신기에 의해 무선으로 전력 공급되는 미세유체 디바이스의 다이어그램,
도 7은 실시예에 따라 미세유체 디바이스를 가지고 동작하도록 구성되는 상용화된 현미경을 도시한 도면,
도 8은 실시예에 따라 RF 트랜스폰더(transponder)와 미세유체 디바이스 사이에서 정보를 통신하기 위한 프로세스를 도시한 도면,
도 9는 실시예에 따라서 유체 내에 부유된 입자들의 부분모집합을 격리시키기 위해 수행될 수 있는 한 세트의 동작들을 도시한 도면,
도 10은 실시예에 따라서 미세유체 디바이스 내의 입자들을 분류하기 위해 수행될 수 있는 한 세트의 동작들을 도시한 도면,
도 11은 실시예에 따라서 미세유체 디바이스 내의 입자들을 분류하기 위해 수행될 수 있는 한 세트의 동작들을 도시한 도면,
도 12는 플라스틱 기판 상에 인쇄된 통합 전자 기기 및 미세유체 소자를 포함하는 미세유체 디바이스의 사진을 도시한다.
랩-온-어-칩(lab-on-a-chip) 내부에 통합 미세유체(Incorporating microfluidics)는 피펫들 및 테스트 튜브들을 사용하는 종래의 방법들에 비하여 마이크로리터, 나노리터, 피코리터, 또는 펨토리터 범위의 훨씬 더 작은 체적의 화학 물질들과 부유 바이오파티클들(suspended bioparticles)을 갖는 유체를 수송, 저장 및 조작할 수 있는 능력을 제공한다. 미세유체는 다양한 샘플 센싱, 진단, 처리, 조작 및 기타 다른 작업들과 기능들에 대한 광학, 음향, 자기, 및 전기장과 같은 다른 물리적 매커니즘과 유체 내의 물체와의 상호작용을 이용하기 위한 유용하고 다양한 기술 플랫폼을 제공한다. 형광, 산란들, 표면 플라스몬들(surface plasmonics), 및 표면 증강 라만 산란(surface enhanced Raman scattering)은 미세유체 환경 내의 광학 바이오-및 화학- 검출(optical bio- and chemical- detection)의 예들이다. 이러한 방법들은 시험중인 종들의 속성에 대한 중요한 정보를 나타낼(reveal) 수 있다. 음향 및 전자기학 분야들은 샘플 분류(sorting) 및 분리와 같은 유용한 기능들을 생성함으로써, 원격으로 자기적 속성들과 적절한 밀도들(densities)의 종들과 상호작용할 수 있다. 또한, 부유 물체들(suspended objects)과 인가된 전기장(applied electric field) 사이의 상호작용은 식별되고 설명될 수 있다. 소형화된 polymerase chain reaction (PCR)시스템들에서 샘플을 가열하기 위하여 전류를 사용하는 것 이외에도, 부유 물체(suspended object)는 예를 들어, 전기영동 효과(electrophoresis effect, EP), 직류-유전이동 효과(current-dielectrophoresis effect, DC-DEP), 및 교류-유전이동(Alternating current-dielectrophoresis, AC-DEP) 효과를 포함하는 다양한 방식으로 전기장(electric field)과 상호작용할 수 있다.
예를 들어 부유되는 균일한 구형 입자(suspended homogeneous spherical particle)를 이용하여, 외부 전기장 E 하에서 유체에 대한 입자의 속도는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013044931953-pct00001
여기서, vEP 는 유체에 대한 입자의 속도이며, q는 입자의 전하(charge)의 총합이며, μ는 유체의 점도이며, a는 입자의 반경이다. 그러나, 미세채널 내부의 충전된 입자의 동전기적 모션(electrokinetic motion)에 대하여, 전기삼투 플로우(electroosmotic flow, EOP)은 전기영동(electrophoresis, EP) 효과와 서로 독립적이지 않으며(즉, 유체 매체는 전기장 하에서 고정(static)되지 않을 수 있다.) 함께 고려되어야만 한다. 결과적으로, 구형 입자의 동전기상의 모션(electrokinetic motion)의 겉보기 속도는 Helmholtz-Smoluchowski 식에 따라 주어진다.
Figure 112013044931953-pct00002
여기서, v p 는 전기장 E 하에서 미세유체 채널 내의 충전된 입자의 겉보기 속도(apparent velocity)이다. ε m 은 부유하는 매체(suspending medium)의 유전율(permittivity)이며, ξw와 ξp는 각각 미세유체 채널 벽과 입자의 제타 전위들(zeta potentials)이다. 따라서, 입자 속도는 전기장(E-field)의 크기에 비례하고, 매체의 점도에 반비례하며, 채널 벽 물질과 부유 입자(suspended particle) 사이의 제타 전위의 차이이다. 식(2)에서 관계는 균일한 구 입자들(homogeneous spherical particles)에 적용되며, 입자들의 다른 모양은 고려하지 않는다. EP 효과에 따른 겉보기 속도는 입자의 모양에 의존한다. 미세모세관 전기영동(microcapillary electrophoresis), 미세유체 프리-플로우 전기영동(microfluidic free-flow electrophoresis, FFE), 프리-플로우 존 전기영동(free-flow zone electrophoresis ,FFZE), 프리-플로우 등전점전기영동(free-flow isoelectric focusing, FFIEF), 프리-플로우 등속전기영동( free-flow isotachophoresis, FFITP), 및 프리-플로우 장 단계 전기영동(free-flow field step electrophoresis, FFFSE), 마이크로 및 나노 어레이들(micro- and nano- arrays)의 디자인을 이용하여, 사람들은 포유동물 셀들(mammalian cells), 미생물들(microbes), 바이러스, 면역학적 검증(immunoassay), 단백질, DNA들, 등의 분류(sorting) 및 분리를 증명하고 있다.
전기영동 효과에 더하여, 부유 입자(suspended particle)는 유전이동(dielectrophoresis, DEP) 효과를 경험할 수 있다. 균일한 구형 입자(homogeneous spherical particle )의 DEP 힘은 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013044931953-pct00003
여기서 K CM 은 Clausius-Mossotti factor 이고 전기장(E-field)의 유전율,ε, 전도도 σ, 및 주파수, ω의 함수이다. 따라서, KCM의 값은 매체(medium) 및 입자의 속성들에 의존하며, 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112013044931953-pct00004
여기서,
Figure 112013044931953-pct00005
은 입자, p, 및 매체, m의 복소 유전율들(complex permittivities)이며, 다음과 같이 주어진다.
Figure 112013044931953-pct00006
여기서, ε는 유전율(permittivity)의 실수 부분(real part)이며, σ는 전도도(conductivity)이다. 앞서 언급한바와 같이, a는 입자의 반경이다. 식 (3)에 표시된 바와 같이, DEP 효과는 전기장의 크기의 기울기(the gradient of the magnitude of the electric field)에 비례한다. 미세유체에서, 전극은 벌크 매체 내에서보다 훨씬 뚜렷한 DEP 효과를 만드는 충분히 큰 기울기를 만들기 위하여 서로 가까이 배치될 수 있다. EP와 DEP 효과를 모두 고려하는 가장 일반적인 조건에서, 부유 입자(suspended particle)의 순 겉보기 속도(net apparent velocity)는 다음과 같이 쓸 수 있다.
Figure 112013044931953-pct00007
입자의 반경의 제곱 의존(square dependence of the radius of the particle)으로 인해, DEP 효과는 셀들, 곰팡이, 기생충, 및 박테리아와 같은 더 큰 바이오파티클들(bioparticles)을 분리하기 위해 종종 이용된다. 물이나 일반적인 전해질은 매우 큰 DC 유전 상수(dielectric constant)(대략 78)을 갖기 때문에, Clausius-Mossotti factor KCM은 종종 네가티브(negative)이다. 따라서, 입자는 소위 네가티브(negative) DEP(n-DEP) 효과라 불리는, 필드 기울기가 가장 강한 곳으로부터 멀리 이동하려는 경향이 있다. 다시, 강한 크기 의존성 때문에, DC-DEP 효과는 그들의 크기에 의해 입자들을 분리하는 데 매우 효과적일 수 있다. 그러나, 높이 인가된 DC 전압은 브라운 운동들(Brownian motions)에 따라 유사한 크기의 입자들의 혼합과 물의 가수분해를 일으킬 수 있다. 그것은 인가된 AC 전압이 효력을 갖는 AC-DEP를 사용하는 특정 응용들에서 바람직할 수 있다. 충분히 높은 주파수에서, 전해질 가수분해가 일어나지 않거나, 전기장( E-field)의 충분한 크기가 전극들 사이에서 인가될 수 있도록 하기 위해 그 효과는 불충분할 수 있다. 샘플 분류 및 분리의 유연성(flexibility)과 해결책(resolution)은 매체와 샘플의 분산 특성들을 활용하여 크게 향상될 수 있다. 입자와 매체의 복소 유전율(complex permitivity)은 양쪽 주파수에 따라 변한다. 특정 주파수 범위에서, 하나 또는 그 이상의 입자들은 포지티브(positive) AC-DEP 힘을 경험할 수 있고 하나 또는 그 이상의 다른 입자들은 네가티브(negative) AC-DEP를 경험할 수 있다. 그 결과로, 포지티브(positive) AC-DEP를 경험하는 입자들은 필드 기울기가 가장 강하게 디자인된 전극(들)의 가장자리에 끌릴 수 있고, 네가티브(negative) AC-DEP를 경험하는 다른 입자들은 전극들로부터 배출(expel)된다. 원하지 않는 입자들을 씻어낸 이후에, 원래 끌린 입자들이 방출되고(released) 수집되기 위하여 인가된 전압의 주파수는 네가티브(negative) AC-DEP 영역으로 수정될 수 있다. 만일 미세유체 디바이스들이 서로 다른 주파수들에서 각각 동작하는 전극들의 여러 단계를 갖도록 설계된다면, 생물 입자들의 서로 다른 종류들은 서로 다른 위치로 분리될 수 있고 순서대로 수집되고 방출됨(released)으로써, 순수 바이오 표본들(pure bio-specimens)을 생성할 수 있다.
미세유체들 내에서 DEP 효과들의 응용들은 수많고 독특하다. 예를들어, 병리학에서 그리고 및 식품 물 검사(food water inspection)를 위해서, AC-DEP 효과들은 박테리아의 낮은 농도를 검출하기 위한 샘플들로부터 병원균(pathogens)을 분리할 수 있다. 암 진단 및 암에 대한 화학요법의 유효성의 모니터링을 위하여, AC-DEP 효과는 말초 혈액(peripheral blood)으로부터 매우 드믄 순환 암 셀들(circulating cancer cells , CTCs)을 수집하기 위하여 이용될 수 있다. 유전학에 대하여, AC DEP는 암 줄기 셀들(cancer stem cells)에 대한 중요한 정보를 밝힐 수 있는 단일-셀 유전자형(single-cell genotyping)과 같은 단일-셀 분석(single-cell analysis)을 위하여 단일 셀들(single cells)을 분리할 수 있다. 후생유전학(epigenetics)을 위하여, AC-DEP는 DNA 샘플들로부터 크로마틴들(chromatins)을 분리하고 셀들의 라이프 사이클(life cycle)에 따라 크로마틴들(chromatins)을 분류하는 데 이용될 수 있다. 식품 산업을 위하여, AC-DEP는 비-독자생존가능한(non-viable) 효모 셀들로부터 독자생존가능한 효모셀들을 분리하기 위하여 이용될 수 있다. 일반적으로, 혈액, 가래(sputum), 점액(mucus), 소변 및 체액(body fluids)에서 검출될 수 있는 많은 질병들은 전기영동(electrophoresis) 및 유전영동(dielectrophoresis) 효과들을 활용함으로써 미세유체에서 훨씬 높은 감도로 검출될 수 있다.
상기 공개된 방법들, 디바이스들 및 시스템들은 전자 기기와 유체 디바이스들간의 프로세스 비호환성(process incompatibility)을 극복하기(bridge) 위하여 유체 또는 미세유체 디바이스에 인쇄 전자 회로들(printed electronic circuits)를 포함한다. 상기 설명된 기술들, 디바이스들 및 시스템들은 단지 수동적인 전극을 넘는다. 오히려, 트랜지스터들 및 다이오드들 및 집적 회로들(integrated circuits, ICs)과 같은 능동적인 전자 부품들이 랩-온-어-칩(lab-on-a-chip) 미세유체 회로들과 통합될 수 있다. 결과적으로 클리닉 기술자는 전압, 전류, 주파수, 위상 및 기타 패라미터들(parameters)을 설정하기 위한 다수의 전자 기기들의 동작을 파악하거나, "랩-온-어-칩(lab-on-a-chip)"에 모든 전기적 연결을 하지 않고 EP 또는 DEP 효과를 활용할 수 있다. 능동적인 전자장치들과 랩-온-어-칩(lab-on-a-chip) 유체 또는 미세유체 회로를 통합함으로써, 실용적이며, 경제적 그리고 에러 방지 시스템이 구현될 수 있다.
관리 의료업의 관점(point-of-care clinics)에서 랩-온-어-칩(lab-on-a-chip) 미세유체 디바이스를 채택하는 기술적 문제에 대한 설명된 기술적 해결책은 다음 사항을 포함할 수 있다: (a) 미세유체 디바이스들에 인쇄 집적 회로들의 통 합(incorporation) (b) 무선으로 랩-온-어-칩(lab-on-a-chip) 디바이스에 전력을 공급. 종래의 ICs 기반의 실리콘과는 달리, 인쇄 집적 회로는 회로당 1센트에 접근하는 전망의 상당한 비용 절감을 제공하고, 미세유체에 이용되는 다양한 기판들(유리, 폴리머, 플라스틱 등)에 제작될 수 있다. 무선으로 회로에 전력을 공급하는 것(powering)은 사용자에 의해 전기적 연결 및 배선을 만들기 위한 필요성을 완전히 제거할 수 있다, 따라서 크게 작업을 단순화하고 오류들에 대한 가능성을 줄일 수 있다.
유체 또는 미세유체 디바이스들에 인쇄 전자 회로를 통합함(incorporating)으로써, 시스템들, 방법들은 건강을 모니터하고, 질병을 진단하고, 물과 음식 품질을 진단하기 위하여 박테리아, 미생물들, 바이러스, DNAs, 단백질, 기생충, 병원균, 효모, 곰팡이, 동물 셀들, 비즈(beads) 및 나노 입자들을 포함하는 바이오파티클들(bioparticles)을 트래핑, 분리, 분류, 검출하기 위해 구현될 수 있다. 아래에서 자세히 설명된 바와 같이, 설명된 방법들, 디바이스들 및 시스템들은 이러한 회로들 및 장치들을 구현하는 시스템 뿐만 아니라, 미세유체-전자공학적 랩-온-어-칩 회로들과 유사한 디바이스들의 서로 다른 실시예들의 다양성을 포괄할 수 있다. 이러한 회로들 및 디바이스들은 무선으로 전력이 공급될 수 있고, 예를 들어, 플로우 사이토메트리(flow cytometry) 및 생물학적 입자들의 존재를 검출하는 것과 같은 다양한 목적을 위해 채택될 수 있다. 또한, 설명된 방법들, 디바이스들 및 시스템들은 이러한 집적 회로들과 디바이스들(및/또는 이러한 집적 회로들과 디바이스들을 구현하는 시스템들)의 제조 및 동작의 다양한 기술들을 포괄할 수 있다. 적어도 일부 실시예들에서, 미세유체-전기영동/유전영동 집적 회로들은 롤투롤 인쇄(roll-to-roll printing), 잉크젯 프린팅, 마이크로 몰딩, 폴리머 접착 및 모세관 충전, 또는 이들의 조합을 포함하는 프로세스의 방법으로 제작될 수 있다.
인쇄 집적 회로들은 커버 슬립과 유리 슬라이드 사이의 공간이 충분히 작은 경우에 프리-플로우(free-flow) 미세유체 디바이스를 형성하고, 커버 슬립을 갖는 단순한 유리 슬라이드 또는 복잡한 랩-온-어-칩(lab-on-a-chip) 디바이스가 될 수 있는 미세유체 디바이스들의 모든 유형에 통합될 수 있다. 집적회로(IC)는 레지스터들, 캐패시터들, 인덕터들, 다이오드들, 트랜지스터들, 프로세서들, 버스들(busses),등을 포함하는 수십 또는 수백의 능동 및 수동 전자 부품들을 포함할 수 있다. 인쇄 IC는 또한 바이오파티클들(bioparticles)의 동전기학(electrokinetics)에 유리하도록 서로 다른 형상들(geometries) 및 구성들의 다수의 접촉 전극들을 갖는다. 전극들의 각 쌍에서, 서로 다른 크기(magnitude), 극성, 주파수, 및 파형의 출력 전압들(output voltages)이 설정될 수 있다. 예를 들어, 서로 다른 주파수에서 AC 출력들(outputs)을 갖는 전극들의 배열(array)은 포지티브(positive) AC DEP 효과들을 통해 위임된 위치들(delegated locations)에서 특정 셀 유형들(specific cell types)을 트랩할 수 있다. 낮은 주파수 또는 DC 전압을 생성하는 한 쌍의 전극들은 네가티브(negative) DEP 효과에 기반하여 플로우의 중심 스트림(center stream of the flow)으로 바이오파티클들을 "집중(focus)"시킬 수 있고, 이러한 플로우 포커싱(flow focusing)은 랩-온-어-칩 플로우 사이토미터(lab-on-a-chip flow cytometers)에 필수적이다. 전기 펄스는 표적 셀 타입들(targeted cell types)로부터 염색체들(chromosomes)과 단백질들과 같은 유전 물질들과 세포기관들(organelles)을 추출하기 위한 온칩 셀 용해(on-chip cell lysis)를 초래할 수 있다.
집적회로 없이는, 기껏해야 전극들의 형상을 제어할 수 있고, 모든 원하는 신호들은 파워 서플라이, 파형 발생기, 주파수 합성기, 증폭기, 및 필터 등과 같은 전자 기기의 배열로부터 외부에서 제공되어야 한다. 이것은 상기 동작이 비싸고, 복잡하고, 오류가 발생하기 쉽고, 임상 응용들(clinical applications)에 부적합하게 한다. 모든 이러한 기능들이 전자 회로에 포함될 때, 상기 디바이스는 동작하기 위하여 전자기기 내에 외부 장치와 지식이 요구되지 않는, 컴팩트(compact)하고 자급식(self contained)이 될 수 있다. 인쇄 ICs가 메모리들과 신호 처리 기능들을 포함할 수 있기 때문에, 더 많은 인텔리전스(intelligence)가 "스마트 슬라이드들" 또는 스마트 "랩-온-어-칩" 디바이스들을 만들기 위한 미세유체 전자 디바이스들에 구축될 수 있다.
인쇄 회로에서, 안테나와 같은, 인쇄 인덕터는 미세유체 디바이스에 포함된 집적 회로들에 무선 전력을 제공하기 위해 포함될 수 있다. 회전수들, 인덕터에 의해 둘러싸인 영역,와 금속 와이어들의 저항은 옴 손실(Ohmic loss) 및 전력결합(coupling) 효율을 결정한다. 인덕터에 결합된 AC 전력(power)은 송신기로부터 입력 신호로서 동일한 주파수에서 AC 전압 신호를 생성한다. AC 전압은 그 후에 다이오드들과 커패시터들로 만들어진 정류 회로(rectifier circuit)에 의해 DC 출력으로 변환된다. DC 출력 신호는 그 후에 집적 회로를 구동하기 위한 메인 파워 서플라이로서 이용될 수 있다. 무선 송신기는 특정 주파수(예를 들어, 13.56 MHz)에서 오실레이터를 포함한다. 송신 안테나를 통해 송신기는 RF 에너지를 갖는 수신기 회로를 조사(irradiate)한다. 수신기로 전송된 RF 에너지의 양은 안테나(인덕터) 디자인, 송신기의 전력(power), 및 송신기와 수신기 사이의 거리에 의존한다. 일 측면에서, 상용 RFID 시스템들의 일부 구성요소들은 미세유체-전자 디바이스의 하나 또는 그 이상의 동작을 가능하게 할 수 있다. 예를 들면, RFID 리더는 미세 유체-전자-디바이스로 파워를 제공하는데 사용될 수 있다. 대부분의 상황에서, RFID 리더(reader)는 전력의 매우 제한적인 양(밀리와트로에서 마이크로와트 순서로)만을 전송할 수 있다 따라서 회로 기능들의 양을 제한하는 것이 가능하다. 그러나, 주로 바이오파티클(bioparticles)을 제어하기 위해 요구되는 전력의 양은 다른 상황에 비하여 현저하게 낮기 때문에, 전력 제한(power limit)은 공개된 미세유체-전자 디바이스의 동작에서 중요한 제약을 강요하지 않는다. 기본적으로 미세유체 내의 DC 또는 AC 전류는 이온들, 분자들 및 셀들에 의해 수행된다. 이러한 전하 캐리어들(charge carriers)의 이동성(mobility)은 반도체 내의 전자들보다 낮은(lower) 차수배(several orders of magnitude)이기 때문에, 피크 전류 레벨(peak current level)은 나노암페어(nanoampers) 단위일 수 있다. 그 결과, 셀 분류(sort), 분리, 또는 용해(lysing)를 위한 소비 전력(power consumption)은 마이크로와트(microwatts)에 지나지 않는다. 낮은 소비 전력으로 인하여, 유체 매체(fluidic medium)는 단백질들과 셀들을 포함하는 생검출(biodetection)에 중요한, 최소 온도로 어려움을 겪을 수 있다.
도 1a는 실시예에 따른 미세유체 디바이스(10)를 나타낸다. 도 1a의 미세유체 디바이스는 서로 다른 주파수들의 전기 신호들에 반응하는 바이오파티클들(bioparticles)을 트래핑하는 것을 허용할 수 있다. 유체 채널(110)은 유리 또는 폴리머 기판(미도시) 상에 형성된다. 유체 채널(110)은 부유 입자를 갖는 유체를 위한 경로를 제공하기 위한 패턴 기판을 덮는 커버 슬립을 배치함으로써 형성된 임시 구조 또는 본딩 또는 몰딩 프로세스를 통해 영구적으로 형성된 채널일 수 있다. AC 전압은 유체 채널(110)의 입구 및 출구 근처의 전극 쌍들(120, 121) 및 (170, 171)에서 발생한다. 전극 쌍들 (120, 121) 및 (170, 171)의 목적은 유체 채널(110)의 중심부를 향해 바이오파티클들(bioparticles)을 안내하여 네가티브-DEP 효과를 이용하기 위한 것이다. 일부 실시예들에서, 미세유체 장치는 단일 쌍의 전극들(예를 들어, (120, 121) 및 (170, 171) 중 하나)만으로 구성된다. 서로 다른 주파수들에서 AC 전압들이 추가적인 전극들 (130, 131), (140, 141), (150, 151), 및(160, 161)의 각각의 쌍으로 인가될 수 있다. 추가적인 전극 쌍들은 필요한 때에 분리 능력을 향상시키기 위한 장치(10)에 추가될 수 있다.
추가적인 전극의 쌍들 (130, 131), (140, 141), (150, 151), 및 (160, 161)의 형상은 전기장의 최대 기울기가 (130, 131, 140, 141, 150, 151, 160, 161) 전극들의 에지들(edges)에서 발생하고 전기장의 가장 낮은 기울기가 기판의 위에서(above) 발생하는 방식으로 디자인된다. 결과로, 포지티브 DEP 효과를 보여주는 바이오파티클들(bioparticles)은 전극들로 끌리고 무시할만한 DEP 효과를 경험하거나 네가티브 DEP 효과를 경험하는 것들은 전극 위의 채널 안으로 이동한다. 예를 들어, 각각의 전극들 쌍에 인가된 AC 전압의 주파수는 각각 200kHz, 400kHz, 800kHz, and 1600kHz에서 점차적으로(increasingly) 설정될 수 있다. DEP 효과의 대상인 입자에 대하여, 네가티브 DEP로부터 포지티브 DEP로 전환 주파수 (transition frequency)가 있다. 위의 배열에서, 더 낮은 전환 주파수를 갖는 입자들은 입구에 더 가까운 전극들로 끌리고 더 높은 전환 주파수를 갖는 입자들은 출구에 더 가까운 전극들로 끌린다. 무시할만한 DEP 효과 또는 매우 높은 전환 주파수를 갖는 이러한 입자들은 트랩되지 않고 채널을 떠날 수 있다. 세척(wash) 이후에, 전극들의 마지막 쌍이 처음으로 꺼지고 전극들의 첫번째 쌍이 마지막인 순서에 따라 AC 신호들을 끌 수 있다. 이러한 경우에, 매번(each time) 바이오파티클들의 하나의 특정한 부분집단(subpopulation)이 수집될 수 있다.
도 1a의 장치(10)는 또한 암 생물학(cancer biology), 줄기 셀 생물학(stem cell biology), 신경생물학(neurobiology), 합성 생물학(synthetic biology)와 생물연료(biofuel) 및 약물 개발에서 점점 더 중요해지고 있는 단일 셀 분석(single cell analysis)을 지원(support)할 수 있다. 전극들의 각 쌍으로부터 셀 방출 과정(cell release process)에서, 특정 전극의 주파수 또는 전압은 다시 복구되기 전에 갑자기 꺼질(switched off) 수 있다. 트랩되는 하나 또는 많지 않은 셀들은 그러한 짧은 시간 이내에 방출될 수 있다. 현미경이 단일 셀이 방출되었는가 여부를 검증하는데 이용될 수 있거나 다운스트림 전극들(170, 171)이 셀들 통과 (cells passing)의 수를 모니터하기 위하여 셀 카운터로 이용될 수 있다. 예를 들어, 셀(특히 포유류 셀)가 두 개의 전극들 사이의 공간을 통해 이동할 때, 전극들 사이의 임피던스(크기 및 위상)가 변하고 이런 임피던스 변화는 셀들을 세는(count) 데 이용될 수 있다는 것이 보여진다.
도 1b의 디바이스(11)는 미세유체-전자 랩-온-어-칩(microfluidic-electronic lab-on-a-chip) 디바이스를 형성하기 위한 집적회로와 도 1a의 디바이스(10)를 포함한다. 이 문서를 통하여, 미세유체-전자 랩-온-어-칩 디바이스(microfluidic-electronic lab-on-a-chip device) 용어는 때때로 미세유체 디바이스로 단축된다는 것이 언급되어야 한다. 다양한 구현들에서, 이러한 미세유체 디바이스는 칩과 그것의 동작들에 전력을 제공하는 오프-칩 RF 송신기(off-chip RF transmitter)로부터 RF 전력을 무선으로 수신하기 위한 적절한 안테나/루프를 포함하는 전자 부분과 유체 부분을 포함하도록 구성될 수 있다. 구체적인 예에서, 도 1b의 회로는 무선 RF 에너지를 수신하는 인덕터 안테나(190)와 전극들(120, 121), (170, 171), (130, 131), (140, 141), (150, 151), 및 (160, 161)에 (거의) 특정한 주파수들의 AC 전압들을 생성하기 위하여 수신된 RF 에너지를 이용하는 집적회로(180)를 포함한다. 집적회로(180)은 메모리들, 레지스터들, 스위치들, 프로세서들, 버스들(busses) 및 그리고 그와 같은 것을 포함할 수 있고, 이러한 회로 요소들은 다른 집적 회로들과 유사한 방법으로 구현될(implemented) 수 있다. 이러한 요소들은 각 전극에 출력 전압들을 켜거나 끌 수 있고 임피던스, 위상, 또는 전류와 같은 데이터를 저장할 수 있고 외부 세계로 되돌리는 정보를 전송할 수 있다. 안테나(190)는 일반적으로 송신기로부터 온칩 회로(the on-chip circuit)로 전력을 유도 결합시키기 위한 메탈 루프들(metal loops)의 구조를 갖는다. 안테나(190) 전력의 양은 안테나의 옴 손실(Ohmic loss)과 형상 및 송신기로부터의 거리에 의존한다. 일부 구현들에서, 똑같은 안테나(190)는 송신기 칩 뒷면에 집적 회로로부터 전력을 결합(couple)하는 데 역시 이용될 수 있다
도 9는 실시예에 따른 유체 내에 부유 입자(suspended particle)들의 부분집단(subpopulation)을 격리(isolate)시키기 위하여 수행될 수 있는 일련의 동작들을 보여준다. 902 동작은 미세유체 디바이스 내에서 유체 채널의 입구를 통해 부유 입자들(suspended particles)과 함께 유체가 흐르는 것을 포함한다. 유체 채널은 유체 채널의 입구와 출구 근처에 위치한 한 쌍의 전극을 갖는다. 동작 904는 네가티브(negative) DEP 효과를 이용하여 유체 채널의 중심부를 향해 입자들을 안내하여 전극 쌍으로 AC 전압을 인가하는 것을 포함한다. 906에서, 서로 다른 주파수의 AC 전압들이 포지티브(positive) 그리고 네가티브(negative) DEP 효과를 이용하여 입자들의 부분집단(subpopulation)을 격리(isolate)시키기 위해 전극 쌍들의 사이의 유체 채널의 경계를 따라 위치하는 추가적인 전극들 중 서로 다른 것들에 인가된다.
도 2a는 다른 실시예에 따른 미세유체 디바이스(20)를 보여준다. 도 2a의 디바이스(20)는 서로 다른 주파수의 전기 신호에 반응하는 바이오파티클들(bioparticles)의 트래핑 및 분류를 허용할 수 있다. 유체 샘플은 입구(210)로부터 도입되며 쉬스 플로우(sheath flow)는 입구 (280) 및 (281)로부터 도입된다. 일부 실시예에서, 추가적인 또는 더 적은 쉬스 입구들이 이용될 수 있다. 미세유체 채널은 유체 샘플이 플로우 방향을 횡단하여 널리 퍼지도록(spread out) 허용하기 위한 프리-플로우 디자인(free-flow design)을 갖는다. 유체 샘플의 인풋 근처에 (230, 231) 및 (240, 241) 두 쌍의 전극들은 전기영동으로(electrophoretically) 분자들과 입자들을 분리하기 위한 DC 바이어스(DC biased)이다. 한 쌍 대신 두 쌍의 전극은 입자 분리를 위하여 더 좋은 해결책(resolution)과 더 많은 유연성(flexibility)을 제공하게 위하여 이용된다. 입자들과 분자들은 전기영동(EP)효과에 기인하여 그들의 전하(charge), 등전점(isoelectric point) 또는 크기에 따라 220, 221, 222, 223로 도시된 그룹으로 분리된다. 일반적으로, DNA 분자들은 223 근처에 있을 수 있고, 포유동물 셀들은 그들의 훨씬 더 큰 크기와 질량 때문에 220에서 상단 근처이다. 이러한 조악하게 분리된 바이오파티클들(bioparticles)은 서로 다른 주파수의 전압을 갖는 일련의 전극들(250, 251), (260, 261), (270, 271)을 통해 이동한다. 전극들의 각 쌍은 도 2a에 도시된 바와 같이 비대칭 구조를 갖는다. 포지티브(positive) DEP 효과를 경험하는 입자들은 원형 전극들의 에지(edge)에 부착되고, 네가티브(negative) DEP 효과를 경험하는 입자들은 전기장의 기울기가 0(zero)인 원형 전극 사이의 경로를 따라간다.
도 2a에 있는 디자인의 일 응용은 프리 오염(free contaminating) DANs를 제거하는 것이다. 각각의 단일 포유류 셀는 플로우가 마이크로리터의 체적 내에서 마이크로그램의 프리(free) DNAs를 포함할 수 있는 나노그램의 DNA만을 포함할 수 있다. 따라서, 단일 셀 유전자형을 위하여, 오염(contaminating) DNAs는 단일 셀로부터 추출된 DNA보다 수천배 많을 수 있다. 도 2a와 같은 디자인은 두 쌍의 전극들(230, 231) 및 (240, 241)을 갖는 전기영동효과에 의해 프리(free) DNAs가 제거된다. 채널이 젤들(gels) 또는 폴리머들(polymers)로 가득찰때, 도 2a에 있는 디바이스는 서로 다른 길이와 모포지티브(positive) DNA 세그먼트들(segments)을 분리하기 위하여 이용된다. 소수의 염기 쌍을 갖는 DNA 세그먼트들은 그들의 상대적으로 작은 드래그 포스(drag force) 때문에 223을 향하여 이동하려는 경향이 있다. 이러한 DNA 세그먼트들은 그 다음 전극들(subsequent electrodes)에 고정될 수 있다. 상기 디바이스의 다른 응용은 단백질들을 분리하고 정제하기 위한 것이다. 등전위 상태 근처에 단백질들을 위한 이동 경로(travel path)는 전극들 (230, 231) 및 (240, 241)에 의하여 최소한으로 영향받는다. 단백질 정제 및 분리를 위하여, 입구(210)의 위치는 단백질이 전해질(electrolyte)의 PH 값에 따라 어느 방향으로든(either direction) 분리될 수 있도록 하기 위하여 디바이스의 중앙으로 이동할 수 있다.
도 2b에 있는 디바이스(21)는 완벽한 미세유체-전자 통합 디바이스(integrated device)를 형성하기 위하여 집적회로와 도 2a에 있는 디바이스(20)가 포함된다. 도 2b에 있는 회로는 전극(230, 231) (240, 241)에 DC 전압(들)과 전극(250, 251), (260, 261) 및 (270, 271)에 특정 주파수의 AC 전압들을 생성하는 집적회로(280)과 안테나(290)으로 구성된다. 일부 구현들에서, 상기 집적회로(280)와 상기 안테나(290)는 각각 도 1b에 있는 180 및 190과 유사한 구조를 갖도록 구성될 수 있다.
도 10은 실시예에 따른 미세유체 디바이스 내의 입자들을 분류(sort)하기 위해 수행되는 일련의 동작들을 나타낸다. 1002에서, 부유 입자들(suspended particles)을 포함하는 유체 샘플은 미세유체 디바이스 내의 유체 채널의 샘플 입구를 통해 도입된다. 1004에서, 하나 또는 그 이상의 쉬스 플로우(sheath flow) 입구들을 통해 쉬스 플로우(sheath flow)는 상기 유체 채널 안으로 도입된다. 1006에서, 입자들은 샘플 입구 근처의 DC 바이어싱(DC biasing)된 두 쌍의 전극들에 의해 전기영동으로 분리된다. 그 후에, 1008에서, 상기 분리된 입자들은 유체 채널을 따라 배열된 일련의 전극들을 이용하여 네가티브(negative)와 포지티브(positive) DEP 효과를 사용하여 분류된다. 여기서, 상기 일련의 전극들 내의 적어도 한 쌍의 전극들은 일련의 전극들 내의 다른 전극에 의하여 수신되는 ac 전압 주파수와 다른 주파수에서 ac 전압을 수신한다.
도 3a는 다른 실시 예에 따른 미세 유체 디바이스(mictofluidie device, 40)를 도시한다. 도 3a의 미세 유체 디바이스(40)는 셀-카운팅(cell-counting), 탐지(detection), 및 입자들의 분류(sorting of particles)를 수행하기 위해 사용될 수 있다. 샘플 용액(sample solution)은 입구(inlet, 420)으로부터 주입되고 쉬스 플로우(sheath flow)는 입구(410)으로부터 도입되어 바이오 입자들(bioparticles)은 분류 연결점(sorting junction) 이전의 채널의 하위 부분(lower part)에서 제한된다. 미세 유체 디바이스는 적어도 두개의 챔버(chamber)- 상위 챔버(upper chamber, 464) 및 하위 챔버(lower chamber, 465), 각 챔버는 둘 이상의 섹션들(460, 461, 462 및 463)을 포함함-를 갖는다. 비-균일(non-uniform) 필드가 전극(electrode) 430 및 431에 의해 생성된다. 상이한 사이즈의 셀들과 클라지우스-모조티 인자(Clausius-Mossotti factor)는 전극 쌍(electrode pair) 430 및 431을 통과하여 지나갈 때 상이한 양의 유전영동력(dielectrophoretic force)을 경험한다. 포지티브 DEP(positive DEP)의 영향을 받는 셀들이 하위 챔버(465)로 흐르는 반면에 네가티브 DEP(negative DEP)를 경험하는 셀들은 상위 챔버(464)의 내부를 향하여 방향을 바꾸게 된다. 그리고 셀들은 전극들의 병렬 어레이 440, 441, 442, 443 및 450, 451, 452, 453에 의해 생성된 순회(travelling) DEP 힘에 의하여 더 작게 나누어 진다. 이러한 전극들의 위상 차는 90°이다. 예를 들면, 전극 400이 0°의 위상을 가지면, 전극 441, 442, 443은 각각 90°, 180° 및 270°의 위상을 가진다. 포지티브 순회 DEP(positive traveling DEP)의 영향을 받는 셀들은 섹션 460, 463으로 방향을 바꾸고, 네가티브 DEP의 영향을 받는 셀들은 섹션 461, 462로 방향을 바꾼다. 이러한 방식으로, 셀들은 디바이스의 상이한 영역으로 그룹된다.
도 3b의 디바이스 41은 완전한 미세 유체-전자 집적 디바이스를 구성하기 위해 도 3a의 디바이스 40 및 집적 회로를 포함한다. 도 3b의 회로는 전극 (430, 431), (440, 441, 442, 443) 및 (450, 451, 452, 453)로 특정 주파수의 AC 전압 및 위상을 제공하는 집적 회로(480) 및 안테나(490)로 구성된다. 집적회로(480) 및 안테나(490) 모두는 도 1b의 180 및 190과 유사하다
도 11은 일 실시 예에 따른 미세 유체 디바이스에서 입자들을 분류(sort)하기 위해 수행될 수 있는 작동들의 집합을 도시한다. 1102에서, 부유 입자들과 함께 샘플 유체는 유체 채널의 샘플 입구에서 받아진다. 1104에서의 작동은 분류 연결점 이전에 유체 채널의 하위 부분 내의 부유 입자들의 적어도 일 부분을 제한하기 위해 샘플 입구에 대하여 배열된 쉬스 플로우 입구(sheath flow inlet)로부터 쉬스 플로우를 받는 단계를 포함한다. 1106에서, 네가티브 DEP 효과를 경험하는 입자들을 상위 챔버로 향하게 하고 포지티브 DEP 효과를 받는 셀들을 하위 챔버로 향하게 하기 위해 비-균일 필드(non-uniform field)가 샘플 입구 주변의 전극들의 쌍에서 생성된다. 1108에서, 입자들은 전극들의 주어진 병렬 어레이 내의 서로 다른 전극들에 서로 다른 위상의 전압들을 인가함으로써 전극들의 적어도 하나의 병렬 어레이에 의해 생성되는 순회 DEP 영향력을 이용하여 세분화된다.
도 4a는 본 발명의 미세 유체 디바이스에 사용될 수 있는 인쇄된(printed) 회로(30)의 사진이다. 도 4a의 사진은 플라스틱 재료에 인쇄되고, 안테나(310), 정류기(rectifier, 320) 및 AC 시그널을 생성하는 5 단계 링 오실레이터(330)로 구성되는 인쇄된 회로(30)을 도시한다. 정류기(rectifier, 320)는 AC 전압을 DC 전압으로 바꾸는 커페시터(capacitors) 및 다이오드(diodes)와 같은 구성요소를 포함한다. DC 전압의 규모(magnitude)는 연속된(series) 다이오드의 개수, 다이오드의 항복 전압(break down voltage), 다이오드의 역 누설 전류(reverse leakage current), 및 커페시터의 값에 의해 결정된다. 링 오실레이터(330)는 연속된 5개의 인버터로 구성된다. 각각의 인버터는 로드 레지스터(load resistor) 또는 트랜지스터와 함께 연속적으로 MOS 트랜지스터를 포함한다. 오실레이션 주파수(oscillation frequency)는 모든 5개 인버터의 전달 지연(propagation delay)의 합으로 결정된다. 롤-투-롤(Roll-to-roll) 인쇄된 회로를 위하여, 물질(material)은 최대 오실레이터 주파수의 한계를 가지는 비교적 낮은 이동성을 가진다. 오실레이션 주파수 또한 주파수에 선형적으로 비례하는 전력 소비(power consumption)에 의해 제한된다. 다양한 경우에 있어서, 전력 소비, 및 그 뒤 회로의 오실레이션 주파수 또한 외부의 부하(load)에 의해 제한된다. 그러나, 미세 유체 랩-온-어-칩 디바이스(microfluidic lab-on-a-chip devices)를 위하여, 오실레이터는 이온(ions), 분자, 및 극도로 작은 이동성에 따라 매우 작은 전류(나노 암페어)를 생성하는 셀들을 몰아간다(drive). 미세 유체 디바이스를 위한 낮은 전력 소비는 무선 전력 제공(wireless powering)을 위해 적합하다.
도 4b는 도 4a의 인쇄된 회로(30)의 도식화 다이어그램을 도시한다. 전력(power)은 트랜스미터(예를 들면, RFID 리더)로부터 인쇄된 회로(30)의 집적 회로로 유도 결합(inductive coupling)을 통해 무선으로 전송될 수 있다. 인쇄된 회로(30)의 안테나/인덕터(310)가 트랜스미터에 의해 전송된 전자기장 내에 위치할 때, AC 전류는 인덕터(310)의 두 말단(terminal) 사이에서 유도된다. 310의 두 말단은 링 오실레이터(330)에 연결된 정류기(rectifier, 320)의 입력 포트에 연결된다. 이러한 유도적 전력 결합 메커니즘(inductive power coupling mechanism)은 RFID(radio frequency identification) 및 다른 무선 전력 전송 디바이스에 적용되고 있다. 이런 방법은 특히 미세 유체 랩-온-어-칩 디바이스에 매력적이다. 무선 결합은 유체(fluid) 및 전자 디바이스 사이의 인터페이스를 대단히 간소화 하기 때문이다.
집적 회로를 롤-투-롤 그라비어인쇄(roll-to-roll gravure), 잉크젯, 패드 프린팅 및 기타와 같이 인쇄하는 여러 방법이 존재한다. 도 5a는 일 실시 예에 따른 미세 유체 디바이스와 인쇄된 회로를 집적하는 단계를 도시한다. 도 5a의 최상단에 도시된 첫 단계는 전자 회로(520)를 플라스틱 박 기판(plastic foil substrate) 또는 글래스 슬라이드(glass slide, 510)에 위에서 언급된 방법 중 하나를 사용하여 인쇄하는 것이다. 도 5a의 중간 행에 나타나는 다음 단계는 회로가 인쇄된 기판(510, 520)을 단층 화학적(monolayer chemical)(예를 들어, 폴리-알릴아민 염산염(Poly-allylamine hydrochloride, PAH) 및 폴리아크릴산(Polyacrylic acid; PAA)) 코팅을 사용하여 소수성(hydrophobic) 및 친수성(hydrophilic) 표면으로 패턴화 하는 것이다. 미세 유체 회로는 유체 내에 부유하는 셀 및 미생물(microbe)을 유도하는데 사용되는 상기 공간(540)은 친수성(hydrophilic)이고, 다른 부분들(530)은 소수성(hydrophobic)이도록 만들어진다. 최종적으로, 도 5의 최하단행에 나타난 바와 같이 커버 슬립(550)이 디바이스의 상단 위에 위치한다. 패턴을 만드는 것은 단층 처리로 수행되어 미세 유체 회로가 UV/가시광선(visible light)에 의해 보여지지 않고, 시각적 검출을 방해하지 않도록 한다. 샘플 유체는 모세관력(capillary force)에 의해 슬라이드의 패턴된 영역(540)으로 유입될 수 있다. 이러한 방식으로, 외부 펌프는 제거될 수 있다.
도 5b에 미세 유체 디바이스와 함께 인쇄된 회로를 통합하기 위한 다른 예의 처리가 도시되어 있다. 도 5b의 최 상단 행에 도시된 바와 같이, 첫번째 단계는 사진 평판 처리(photolithography process)를 사용하여 미세유체 회로와 함께 실리콘 웨이퍼(570) 위에 마스크(560) (예를 들면, SU8)를 패턴화하는 것이다. 도 5b의 중간 행에는, 미세 유체 회로는 폴리머 시트(polymer sheet, 580)(예를 들어, 폴리다이메틸실록산 시트(Polydimethylsiloxane(PDMS) sheet))로 더욱 캐스트(cast) 되어 있다. 최종적으로, 유체 챔버 및 채널을 형성하기 위해, 도5b의 최하단에 도시된 바와 같이, 캐스트 폴리머 시트(cast polymer sheet, 580)는 마스크(560) 및 실리콘 웨이퍼(570)으로부터 분리되고, 인쇄된 회로(520)를 포함하는 기판(510)에 결합된다.
도 5c는 다른 실시 예에 따라 인쇄된 회로를 미세 유체 디바이스와 통합하는 것을 도시한다. 만약 플로우(flow)에서 생물학적 입자의 제한(confinement)을 더욱 향상시키기 위해 3D 플로우 포커싱(3D flow focusing)이 요구된다면, 전극은 채널의 상단 및 하단 양쪽에 형성될 것이 요구된다. 도 5c에 도시된 실시 예의 상단 두 행에서, 폴리머(예를 들어, SU8) 미세 유체 회로(590)는 사진 평판술(photolithography)을 사용하여 IC-인쇄 기판(IC-printed substrate510)(인쇄된 회로(520)을 포함하는)에 제작된다(fabricated). 그리고, 도 5c의 세번째 행에 도시된 바와 같이 부착층(adhesion layer, 59)은 폴리머 미세 유체 회로(590)의 상단 위에 지어진다(spin). 최종적으로, 도 5c의 최 하단 행에 나타나는 바와 같이, IC-인쇄 기판(510)(인쇄된 회로(520)을 포함하는)은 최종 디바이스를 형성하도록 유사하게 만들어진 다른 디바이스에 결합되고 정렬된다.
전자적 회로를 인쇄하기 위한 예시적인 롤-투-롤 프린팅 프로세스가 이하에 설명되어 있다. 두가지 타입의 잉크 유닛을 가진 그라비어(gravure) 프린터가 안테나, 전극, 와이어 및 유전체 층(dielectric layer)을 롤-투-롤 인라인 프로세스에서 인쇄 하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들면, 그라비어 프린팅은 0.8x10-3Pa의 롤 압력 및 분당 4미터의 웹 스피드(web speed) 아래에서 수행될 수 있다. 75μm두께의 폴리(에틸렌 테레프탈레이트)(poly(ethylene terephtalate), PET)박이 이의 낮은 가격, 좋은 기계적 견고성(strength), 높은 온도에서의 탁월한 피로 저항성(fatigue resistance) 및 270℃의 높은 녹는 점을 이유로 선택될 수 있다. 첫번째 단계로, 코일된 안테나, 다이오드의 와이어 및 바닥 전극 및 커페시터가 실버 그라비어 잉크를 사용하여 인쇄 될 수 있다. 실버 잉크의 점도(viscosity) 및 표면 장력은 각각 200cP 및 36mN/M이다. 다음으로, 인쇄된 플라스틱 필름은 생성되도록 양생하기 위해(curing to occur) 히팅 챔버(예를 들어 150℃)를 5초간 통과한다. 인쇄된 안테나들, 전극들 및 와이어들의 전자적 저항력(electrical resistivity)은 20μΩ·cm이다. 양생 시간(curing time) 및 프린팅 스피드와 같은 프로세스 파라미터들은 낮은 생산 비용을 위한 높은 쓰루풋을 유지하는 반면에 인쇄된 안테나를 위해 요구되는 RF 주파수(예를 들어 13.56MHz)에서 최적의 공진기(resonator) 품질 요소(Q)를 제공하기 위해 선택될 수 있다. 첫번째 히팅 챔버에서의 양생 이후에, 인쇄된 필름은 와이어 및 커페시터의 지정된 영역에 유전체 층(dielectric layer)을 인쇄 하기 위한 두번째 프린팅 유닛을 통과한다. 유전체를 형성하기 위해 사용되는 잉크는 200cP의 점도, 13의 유전체 상수(dielectric constant) 및 30mN/m의 표면장력을 가지는 BaTiO3 하이브리드 폴리(메틸 메타크리레이트)(poly(methyl methacrylate))일 수 있다. 본 실시 예에서의 롤-투-롤-인쇄 유전체 층의 두께는 높은 누설 전류 및 조기의 항복현상(breakdown)을 예방하기 위해 70nm의 표면 거칠기를 가지는 약 4.5μm일 수 있다.
쇼트키 다이오드(Schottky diodes)를 형성하기 위해, 반도체 층(semiconducting layer)은 실버 전극에 인쇄 될 수 있고 10초간 150℃에서 건조될 수 있다. 예를 들어, 반도체 잉크는 코발트가 피착된(cobalt-doped) ZnO 나노 와이어들 및 폴리아닐린(polyaniline)(PANI)으로 부터 제작될 수 있다. 코발트가 피착된 ZnO 나노와이어의 길이는 2에서 10μm이고 지름은 30nm일 수 있다. 전극의 최상단은 쇼트키(Schottky)가 인쇄된 반도체 층에 접촉하도록 하기 위해 4.2eV의 낮은 일함수(work function)와 A1 페이스트(paste)를 사용하여 인쇄될 수 있다. 쇼트키(Schottky)가 인쇄된 A1 전극들에 접촉하지만, 하이브리드 ZnO 나노 와이어-PANI 층은 실버 전극에 접촉하는 저항을 형성한다. 최종적으로, Ag 잉크는 커페시터를 위한 최상단 전극을 형성하기 위해 유전체 층에 인쇄된 그라비어에 추가적으로 인쇄될 수 있다. 인쇄된 페케시터의 정전 용량(capacitance)은 1.2nF/cm2이다. 롤-투-롤 프린팅 기법을 사용하여, PET박 상의 집적 회로는 각각 약 3센트의 비용을 소모하고 비용이 1센트 더 줄어들 수 있다. 따라서, 종래의 현미경 슬라이드의 비용과 적합하며, 일회용(disposable)으로 사용될 수 있다.
예를 들어, 도 5a 내지 도 5c와 관련하여 논의된 하나 또는 이상의 테크닉에 따라 생성된 미세 유체 구성요소(micro fluidic components)는, 예를들어, 글래스 슬라이드의 크기로 잘라진 더블(double) 부착 필름을 사용하여 회로가 그려진 PET기판의 지정된 영역에 장착(mount)될 수 있다. 하나 또는 그 이상의 전극은 미세 유체 챔버를 형성하기 위해 패턴된 글래스에 고정(clamp)될 수 있다. 실버 페이스트(paste)는 마이크로 칩의 하나 또는 그 이상의 전극들에 인쇄된 회로의 생산물(output)을 연결하기 위해 사용될 수 있다. 에폭시가 연결을 강화하기 위해 실버 페이스트의 최상단에 접착될 수 있다. 도 12는 플라스틱 기판에 인쇄된 미세 유체 구성요소 및 집적 전자 디바이스를 포함하는 미세 유체 디바이스의 사진이다. RFID 리더가 미세 유체 디바이스와 양방향 또는 단방향 무선 통신을 수행하기 위해 사용될 수 있다.
도 6은 일 실시 예에 따른 RF 트랜스미터(610)에 의해 무선으로 전력을 얻는 미세 유체-전자 디바이스(microfluidic-electronic device)(620)(종종 미세 유체 디바이스로 단축될 수 있다.)의 도식이다. 트랜스미터(610)는 로컬 오실레이터(612) 및 인덕터(614)를 포함한다. 로컬 오실레이터(612)는 FCC에서 승인된 상이한 주파수에서 작동될 수 있다. 예를 들면, 오실레이터는 13.56MHz에서 작동될 수 있다. 트랜스미터(610)의 인덕터(614)는 최대 전력 커플링 효율성(maxium power coupling efficiency)을 위하여 수신하는 인덕터(610)에 매치되는 구조를 가질 수 있다. 전력 커플링 효율성은 전송하는 인덕터(614) 및 수신하는 인덕터(614) 사이의 물리적 거리에도 또한 의존된다. 효율성은 상기 거리가 줄어들수록 증가한다. 이는 자기장이 대부분의 물질을 뚫을 수 있고, 커플링 효율은 두 인덕터 사이의 비-강자성(non-ferromagnetic) 물질에 영향을 받지 않기 때문이다.
예를들어, 도4a와의 관계에서 먼저 언급 되었듯이, 수신하는 인덕터(610) 내의 유도된 필드는 미세 유체 디바이스(620)의 일 부분 처럼 도 6의 일 부분으로 도시된 인쇄된 전자 회로를 위해 전력을 생산하도록 사용될 수 있다. 상기 전자적 회로는 메모리 요소들, 다이오드들, 전기 용량적, 유도적 및 저항적 요소들, 트랜지스터들, 스위치들, 레지스터들, 프로세서들, 버스들 및 다른 전자적 회로를 포함할 수 있다. 상기 회로는 집적된 미세 유체 디바이스내의 유체들의 플로우를 제어하고, 박테리아, 미생물(microbes), 바이러스, DNA, 단백질, 기생충(parasites), 병원균(pathogens), 이스트(yeast), 균류(fungi), 포유류의 셀들, 비드(beads) 및 나노 입자들을 포함하는 입자들의 트래핑(trapping), 분리(separating), 분류(sorting), 및 검출(detecting)을 가능하게 하는 차례차례 집적된 미세 유체 구성요소들(도 1a, 1b, 2a, 2b, 3a 및 3b에 도시된 한가지와 같은 전극을 포함함)의 동작들을 컨트롤할 수 있다. 하나의 예시적 실시 예에서, 미세 유체 디바이스 내의 메모리 구성 요소는 분류(sorting), 트래핑(trapping), 기타 다양한 동작을 수행하도록 미세 유체 디바이스를 구성하며 미세 유체 디바이스 내 프로세서에 의해 실행되고 접근되는 프로세서 실행 코드를 포함할 수 있다.
도 7은 무선 전력 미세 유체-전자 랩-온-어-칩 디바이스(620)를 포함하도록 구성된 상업적 현미경(710)을 도시한다. RF 트랜스미터(610)가 미세 유체-전자 랩-온-어-칩 디바이스(620)내의 샘플을 가지고 있는 현미경 플랫폼 아래에 위치한다. 샘플의 크기는 표준적인 1"x3" 글래스 슬라이드이거나 또는 다른 크기일 수 있다. 대물 렌즈(objective lens)가 플랫폼의 아래에 있는 반전된 현미경을 위하여, RF 트랜스미터(610)은 대물렌즈의 반대편에 위치할 수 있다.
공개된 집적 미세 유체-전자 디바이스는 미세 유체-전자 디바이스의 인쇄된 IC에 의해 생성된 정보를 무선으로 더 전송할 수 있다. 그러한 정보는 입자 카운트 및 다른 정보와 같은 집적 미세 유체 디바이스로부터 얻어진 정보에 더하여 미세 유체-전자 디바이스 및 리더 사이에서 통신된 핸드쉐이킹 및 프로토콜 정보를 포함할 수 있다. 이러한 디자인에서, 미세 유체-전자 디바이스의 인쇄된 회로는 트랜스폰더 및 RF 리더/트랜스미터나 또한 트랜스시버처럼 기능할 수 있다.
오늘날 일부 상업적 RFID 디바이스들에 사용되는 프로토콜 및 알고리즘을 포함하여 RFID 태그 및 리더 사이의 다양한 핸드쉐이킹 프로토콜 및 다양한 데이터 인코딩 알고리즘이 이 문서에 설명된 디바이스들을 구현하는데 사용될 수 있다. 도 8은 일 실시 예에 따른 미세 유체-전자 디바이스(820)(때로 미세 유체 디바이스로 축약되어 언급됨) 및 RF 트랜스폰더(transponder, 810) 사이의 통신 정보를 처리하는 과정을 도시한다. 미세 유체-전자 디바이스(820)는, 예를들어, 셀 카운팅 동작을 수행하도록 구성될 수 있다. 미세 유체-전자 디바이스(820)의 집적 회로는 미세 유체 구성요소에 전력을 공급하고, 디바이스를 특정한 셀 타입을 감지하고(sense), 카운하며(count), 및 정제하도록(purify) 디바이스를 구성하기 위해 충분한 에너지를 리더(810)으로부터 수신한다. 예를 들어, 미세 유체 구성요소의 두 전극 간의 임피던스(규모(magnitude) 및 위상) 변화는 정제된 셀의 개체수를 모니터하기 위해 사용될 수 있다. 그러한 변경(도 8의 로우 데이터(raw data)로 표시된)은 집적 회로 내 메모리 내의 데이터와 같이 처리되고 저장될수 있고, 궁극적으로 리더(810)으로 전송될 수 있다. 일 실시 예에 있어서, 모여진 로우 데이터(예를 들면, 검출된 셀의 수)는 미세 유체-전자 디바이스(820)의 안테나 회로에 연결된 트랜지스터를 조절할(modulate) 수 있다. 조절된 트랜지스터는 안테나 회로의 전압 조절(modulation)을 유발하는 인코드된 모듈레이션 시그널(즉, 데이터)에 따라 안테나 회로를 전기적으로 단락(short) 시킬 수 있다. 리더(810)는 태그의 진폭 변화(amplitude variation)를 감지하고, 모듈레이션 데이터를 추출하기 위해 피크-검출기(peak-detector)를 사용한다.
본 문서가 다수의 한정(specifics)을 포함하고 있으나, 이러한 것들은 일부의 발명의 범위를 한정하거나 청구되는 것의 범위를 한정하는 것으로 이해되어서는 안될 것이며 그것보다는 특정 발명의 특정 실시예에 대한 상세한 특징의 설명으로 볼 것이다. 또한 세분화된 실시예들의 문맥 내에서 본 특허 명세서에 설명되는 소정 특징들은 단일 실시예 내에서 조합되어 실행될 수 있다. 반대로, 단일 실시예의 문맥 내에서 설명되는 다양한 특징들은 분리되어 복수의 실시예들 내에서 또는 어떤 적합한 부분 조합 내에서 실시될 수 있다. 더욱이, 특징들이 어떤한 조합들 내에서 기재됨으로써 설명될 수 있고 및 심지어 이와 같이 최초 청구되었다고 하더라도, 청구된 조합으로부터 하나 이상의 특징들의 소정 경우에 있어서 조합으로부터 삭제될 수 있고, 그리고 청구된 조합이 부분-조합 또는 부분-조합의 변형으로 지시될 수 있다.
유사하게, 동작들이 특정한 순서 내에서 도면들 내에 도시되어 있다고 하더라도, 이는 이러한 동작들이 도시된 특정한 순서 또는 시계열적 순서 내에서, 또는 수행되어져야 함 또는 모든 도시된 동작들이 원하는 결과들을 달성하기 위해 수행되어져야 하는 것을 요구하는 것으로 이해되서는 안 될 것이다. 특정 상황에서, 위에서 설명된 실시 예들의 다양한 시스템 구성요소들의 분리는 모든 실시 예에서의 그러한 분리가 요구되는 것으로 이해되지 않아야 한다. 더하여, 단지 매우 적은 실시 예 및 예제가 설명되었고 다른 실시 예, 개선물(enhancements) 및 변형(variations)이 이 문서에서 설명되고 도시하는 것에 기초하여 생성될 수 있다.

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  12. 유체 내에 부유 입자들을 갖는 상기 유체를 수신하기 위한 입구 및 쉬스 플로우(sheath flow)를 수신하기 위한 적어도 하나의 쉬스 플로우(flow) 입구들을 갖는 기판내의 유체 채널;
    상기 입구 근처에 위치하는 적어도 한 쌍의 직류 전류(DC) 전극들 - 상기 한 쌍의 전극은 DC(direct current) 전압이 공급될 때 상기 부유 입자들을 전기영동으로(electrophoretically) 분리하도록 구성됨 -;
    상기 유체 채널을 따라 배열되는 AC 전극들의 쌍들 - 여기서 상기 전극들의 쌍들은 각각의 다른 쌍들의 AC 전극들이 상이한 주파수에서 AC 전압으로 공급될 때 포지티브 DEP(dielectrophoresis) 효과 및 네가티브 DEP 효과의 적어도 하나를 이용하여 상기 분리된 입자들을 분류(sort) 하도록 구성되고, AC 전극들의 각각의 쌍은 원형 전극 및 직선 전극을 포함하고, 상기 포지티브 DEP 효과를 경험한 입자들을 원형 전극들의 에지(edge)로 끌어당겨지며 상기 네가티브 DEP 효과를 경험한 입자들을 상기 원형 전극들 사이의 경로들을 향해 우회하도록 함-;
    상기 상이한 주파수에서 상기 AC 전압들을 생성하도록 구성된 상기 기판상의 인쇄 집적 회로 - 여기서 상기 인쇄 집적 회로는 적어도 하나의 능동 전자 디바이스들을 포함 함 -; 및
    외부 송신기에서 상기 인쇄 집적회로까지 무선 라디오 주파수(RF) 신호로부터 전력들을 결합하도록 구성된 상기 기판상의 인덕터
    를 포함하는 미세유체 디바이스.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 유체 채널은, 유체 샘플이 플로우 방향(flow direction)을 횡단하여 널리 퍼지도록(spread out) 허용하기 위한 프리-플로우(free-flow) 디자인(design)을 갖는 것을 특징으로 하는 미세유체 디바이스.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 적어도 한 쌍의 직류 전류(DC) 전극들은 EP(electrophoretic) 효과에 기초하여 전하(charge), 모양 및 질량 중 적어도 하나에 따라 상기 입자들을 그룹들로 분리시키도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미세유체 디바이스.
  15. 제 12항에 있어서, 상기 AC 전극들의 쌍들의 각각은 AC 전극들의 적어도 다른 쌍과 주파수가 다른 AC 전압을 수신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 미세유체 디바이스.
  16. 제 12항에 있어서, 상기 AC 전극들의 쌍들의 각각은 비대칭 구조를 갖는 것을 특징으로하는 미세유체 디바이스.
  17. 제 12항에 있어서, 전기장의 기울기(GRADIENT)가 0(ZERO)인 것을 특징으로 하는 미세유체 디바이스.
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  25. 제 12항에 있어서, 상기 기판은 유리, 폴리머 및 플라스틱 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세 유체 디바이스.
  26. 제 12항에 있어서, 상기 인덕터는 상기 무선 라디오 주파수(RF) 신호로부터 상기 인쇄 집적 회로까지 상기 전력을 유도 결합시키는 루프(loop)를 포함하는 것을 특징으로 하는 미세유체 디바이스.
  27. 제 12항에 있어서, 상기 인덕터는 실버(Silver)를 포함하고, 상기 인덕터는 실버 그라비어(gravure) 잉크를 사용하여 상기 기판 위에 프린트된 인덕터인 것을 특징으로 하는 미세 유체 디바이스.
  28. 기판 내의 유체 채널의 입구에서 부유 입자들을 갖는 샘플 유체를 수신하고 적어도 하나의 쉬스 플로우(sheath flow)입구에서 쉬스 플로우를 수신하는 단계;
    상기 입구 근처에 위치된 직류(DC) 전극들의 적어도 하나의 쌍들에 DC 전압을 공급하여 상기 부유 입자들을 분리하는 단계;
    상기 분리 된 입자들을 상기 유체 채널을 따라 배열된 AC 전극들의 쌍들을 통해 분류하는 단계 - 여기서, 상기 분류는 포지티브 DEP(dielectrophoresis) 효과 및 네가티브 DEP 효과 중 적어도 하나를 이용하고, 각각의 상기 AC 전극들의 쌍들은 서로 다른 주파수에서 AC 전압들로 공급되며, 상기 AC 전극들의 쌍들은 원형 전극 및 직선 전극을 포함하고, 상기 포지티브 DEP 효과를 경험하는 입자들은 상기 원형 전극들의 에지(edge)로 끌어당겨지며, 상기 네가티브 DEP 효과를 경험한 입자들은 상기 원형 전극들 사이들을 향해 우회하도록 함-;
    상기 기판 상에 인쇄된 집적 회로를 통해 상이한 주파수에서 AC 전압을 생성하는 단계 - 상기 인쇄된 집적 회로는 하나 이상의 능동 전자 디바이스를 포함 함 -; 및
    외부 송신기로부터 상기 집적 회로로 발사되는 무선 라디오 주파수 (RF) 신호로부터 상기 기판상의 인덕터에서 결합 된 전력을 수신하는 단계를 포함하는 입자들을 분류하는 방법.
  29. 제 28 항에 있어서, 상기 유체 채널은 유체 샘플이 플로우 방향(flow direction)을 횡단하여 퍼지도록(spread out) 허용하기 위한 프리 - 플로우(free flow) 디자인(design)을 갖는 것을 특징으로 하는 입자들을 분류하는 방법.
  30. 제 28 항에 있어서, 상기 적어도 한 쌍의 직류(DC) 전극들은 EP(electrophoretic) 효과에 기초하여 전하, 모양 및 질량 중 적어도 하나에 따라 상기 입자들을 그룹들로 분리하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 입자들을 분류하는 방법.
  31. 제 28 항에 있어서, 상기 AC 전극들의 쌍들의 각각은 상기 AC 전극들의 쌍 중 적어도 다른 하나와 주파수가 상이한 AC 전압을 수신하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 입자들을 분류하는 방법.
  32. 제 28 항에 있어서, 상기 AC 전극들의 쌍들의 각각은 비대칭 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 입자들을 분류하는 방법.
  33. 제 28항에 있어서, 전기장의 기울기(gradient)가 0(zero)인 것을 특징으로 하는 입자들을 분류하는 방법.
  34. 제 28항에 있어서, 상기 기판이 유리, 폴리머 및 플라스틱 중 적어도 하나를 포함하는 입자들을 분류하는 방법.
  35. 제 28 항에 있어서, 상기 인덕터는 상기 무선 라디오 주파수(RF) 신호로부터의 상기 결합 된 전력을 상기 인쇄 집적 회로에 유도 결합시키는 루프를 포함하는 입자들을 분류하는 방법.
  36. 제 28 항에 있어서, 상기 인덕터는 실버(Siver)를 포함하고, 상기 인덕터는 실버 그라비어(gravure) 잉크를 이용하여 상기 기판 상에 프린트 된 인덕터인 것을 특징으로 하는 입자들을 분류하는 방법.
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