JP2009236555A - 流体デバイス及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】流路や反応容器等に残留する気泡を減少させる。
【解決手段】カバー基板１１及びベース基板１３が貼り合わされ、その接合面には液体を流す流路１７，２３と反応容器１５が形成されている。両基板の接合面の材質は流路を流れる液体が両基板の接合面に対して９０°以上の接触角をもつように選定されている。両基板の少なくとも一方には、流路１７，１９及び反応容器１５とデバイスの端面との間に、凹凸が形成されていることにより空隙が形成されている。この空隙の大きさは気体を通過させ液体を通過させない大きさである。
【選択図】図１

Description

本発明は微小量のサンプルで有機物を合成する有機化学やＰＣＲ(polymerase chain reaction)法などを行う生化学に関し、特に、微量の液体成分を分析する機能や前処理機能等を集積したマイクロチップであるμＴＡＳ（Micro Total Analysis System）などの流体デバイス及びその製造方法に関するものである。

生化学的分析や通常の化学分析に使用する小型の反応装置としてマイクロマルチチャンバ装置が使用されている。そのような装置としては、例えば平板状の基板表面に反応容器としての複数のウエルが形成されたマイクロタイタープレートなどのマイクロウエル反応容器プレートが用いられている（特許文献１参照。）。

従来、微量の液体試料の分析や反応を行うマイクロチップデバイスは、図３に示すように、液体を流すための流路１７，１９及び反応容器１５が形成されたベース基板１３にカバー基板１１が貼り合わされることによって形成されている。
このようなデバイスでは基板に樹脂材料がよく使用されている。樹脂材料はガラス等の材料と比較して水系の試料に対して濡れにくい性質を有している。

特開２００５−１７７７４９号公報

上述のような樹脂材料で流体デバイスを作製し、液体試料として水系試料を対象とした場合、流体デバイス内の流路や反応容器の一部に液体試料中の気泡が残留してしまい、分析や反応の妨げになることがあった。
そこで本発明は、流路や反応容器等に残留する気泡を減少させることが可能な流体デバイス及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の流体デバイスは、少なくとも２つの部材が貼り合わされて両部材により液体を流す流路が形成された流体デバイスにおいて、両部材間の接合面の材質は上記流路を流れる液体が両部材間の接合面に対して９０°以上の接触角をもつように選定されており、両部材間の接合面の少なくとも一方に凹凸が形成されていることにより両部材間に空隙が形成されており、前記空隙の大きさは毛細管力による圧力の絶対値が前記流路を流れる液体の空隙に接する流路内圧力より大きくなることにより気体を通過させ液体を通過させない大きさであり、かつ上記空隙は上記流路からその流体デバイスの外部にまで通じていることを特徴としている。

流体デバイス中の液体の流れを調整するため、上記流路には液体の流れを制御するバルブが備えられているようにしてもよい。そのバルブを閉じ、流路に液体を供給することにより、流路内の圧力を高めて液体中の気泡を両部材間の空隙から外部へ放出するように使用する。

上記微細凹凸は高さが５００μｍ以下であることが好ましい。

本発明の流体デバイス製造方法は、ベース基板とカバー基板を含む少なくとも２つの部材が貼り合わされて両部材により液体を流す流路が形成され、両部材間の接合面の少なくとも一方に凹凸が形成されていることにより両部材間に空隙が形成されるものである。そして、上記ベース基板は、上記流路に対応する部分が凸部となり接合面に対応する部分が凹部となり、かつその凹部の底面には微細凹凸が形成されている型を使用して樹脂成型を行うことにより、平坦面に流路となる溝をもちその平坦面には微細凹凸をもつベース基板として作成することを特徴としている。

また、上記型を製作する好ましい一例は以下の工程（Ａ）から（Ｃ）を備えた方法である。すなわち、（Ａ）シリコン基板表面に耐エッチング膜を形成し、写真製版とエッチングにより上記流路となる部分に上記耐エッチング膜を残し、接合面となる部分を露出させるようにパターン化を施す工程、（Ｂ）上記耐エッチング膜パターンをもつシリコン基板に対し、エッチングガスとエッチング保護膜形成ガスを交互に導入しながらドライエッチングを行なうことにより、接合面となる部分に凹部を形成するとともに、その凹部の底面に微細凹凸を形成する工程、及び（Ｃ）その後、上記耐エッチング膜パターンを除去する工程である。

本発明の流体デバイスは、流路を形成するように貼り合わされた２つの部材間の接合面の材質が、流路を流れる液体が両部材間の接合面に対して９０°以上の接触角をもつように選定され、両部材間に気体を通過させ液体を通過させない大きさの空隙が形成され、かつその空隙は流路から流体デバイスの外部にまで通じているので、流体デバイス内に残留する気泡を外部に除去しやすくなる。

液体の流れを制御するバルブを流路中に備えるようにすれば、流体デバイスの試料排出口を塞がない場合でも流路を流れる液体の圧力を調整することができるようになる。

以下に本発明の実施例を説明する。
図１は一実施例における流体デバイスの概略図を示しており、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘにおける垂直断面図である。

ベース基板１３の一表面に例えば内径３ｍｍ、深さ１．０ｍｍの開口部を持つ円柱型の反応容器１５が形成されている。反応容器１５の内径及び深さは特に限定されるものではない。ベース基板１３には反応容器１５につながる液体導入流路１７及び液体排出流路１９が形成されている。液体導入流路１７及び液体排出流路１９の幅と深さは例えば１ｍｍ以下である。

反応容器１５を含むベース基板１３の材質はこの流体デバイスで扱う液体の接触角が９０°以上となるものであれば特に限定されるものではないが、流体デバイスを使い捨て可能として用いる場合、安価に入手可能な素材であることが好ましい。そのような素材として、例えばポリジメチルシルオキサン（ＰＤＭＳ）、ポリプロピレン、ポリカーボネートなどの樹脂素材が好ましい。反応容器１５内の物質の検出を吸光度、蛍光、化学発光又は生物発光などの光により行なう場合には、底面側から光学的な検出ができるようにするために光透過性の樹脂で形成されていることが好ましい。特に蛍光検出を行なう場合には、ベース基板１３の材質として低自蛍光性（それ自身からの蛍光発生が少ない性質のこと）で光透過性の樹脂、例えばポリカーボネートなどの素材で形成されていることが好ましい。ベース基板１３の厚さは例えば２．０〜４.０ｍｍである。蛍光検出用の低自蛍光性の観点からは反応容器１５部分のベース基板１３の厚さは薄い方が好ましい。

ベース基板１３上には、反応容器１５、流体導入流路１７及び流体排出流路１９を覆ってカバー基板１１が接合されている。カバー基板１１の材質はこの流体デバイスで扱う液体の接触角が９０°以上となるものであれば特に限定されるものでないが、例えばＰＤＭＳやシリコーンゴムなどからなるものである。カバー基板１１の厚みは例えば１.０〜４.０ｍｍである。

カバー基板１１には流路１７，１９の端部に対応する位置に流体導入口となる穴２１及び流体排出口となる穴２３が開けられている。液体導入流路１７の一端は液体の導入に利用される液体導入口２１に接続され、他端は反応容器１５に接続されている。また、液体排出流路１９の一端は液体の排出に利用される液体排出口２３に接続され、他端は液体導入流路１７の他端が接続する位置とは別の位置で反応容器１５に接続されている。

液体導入口２１にはシリンジポンプなどの送液装置が接続されて液体試料が送液され、液体試料が排出される液体排出口２３にはドレインが接続されて液体試料が排出される。図１に示す実施例の場合、液体導入口２１及び液体排出口２３はカバー基板１１に貫通穴として形成されているが、ベース基板１３に形成されていてもよい。

基板１１，１３の接合面には微細な凹凸２５が形成されている。微細凹凸２５は反応容器１５、流路１７、流路１９に隣接する位置から、基板１３の外周に至るまで形成され、外部にまでつながっている。両基板１１，１３の接合面に微細凹凸２５が連続的に形成されることにより、液体試料が流される流路と流体デバイスの外周部までの間に空隙が連続的に生じる。空隙の大きさは５００μｍ以下であることが好ましいが、微細凹凸２５の一つ一つの大きさは、１０ｎｍ〜１０００ｎｍ、高さは１０ｎｍ〜１０００ｎｍであればよい。また、流路を流れる液体試料の基板１１，１３の接合面に対する接触角は９０°以上であるため、微細凹凸２５による空隙にはガスのみが通過し、液体は通過しないようになっている。

次に本発明の流体デバイスの製造方法について説明する。
図２は一実施例における流体デバイスの製造工程を説明するフロー図である。
（Ａ）耐エッチング膜としてのクロム膜２９を、シリコン基板２７ａの一表面上に形成し、写真製版とエッチングにより反応容器１５、流路１７、流路１９の部分（図１を参照。）を被い、基板の接合面となる部分（底面３１）を露出させるようにパターニングする。耐エッチング膜としては、クロム膜に限らず、シリコン酸化膜を用いても良い。

（Ｂ）クロム膜２９をエッチングマスクとしてドライエッチングを行う。このときのドライエッチングの方法としては、例えば、ICP-RIE（誘導プラズマ−反応性イオンエッチング）によるボッシュ（Bosch）プロセスを用いる。この方法ではエッチングガスとエッチング保護膜形成ガスを交互に導入し、エッチング工程とエッチング保護膜形成工程を交互に行う。このときエッチング工程とエッチング保護膜形成工程のバランスを、若干保護膜形成過多に調整することで、エッチングにより形成される凹部の底面３１に微細凹凸３３ａを形成することができる。

また、微細凹凸３３ａの形成方法の他の例としては、エッチングマスクとしてクロム等のメタルマスクを用いた場合、エッチング時にマスク表面でスパッタリングが生じ、スパッタリングされたメタル原子がエッチングにより形成される凹部の底面３１に付着することで、マイクロマスクと呼ばれる現象を引き起こす。このマイクロマスクにより、底面３１に微細凹凸３３ａを形成することもできる。

（Ｃ）次に、ウェットエッチングを行なうことによりシリコン基板２７ａの一表面からエッチングマスク２９を除去する。
上記工程が施されたシリコン基板２７ａは反応容器１５、流路１７及び流路１９の部分が凸形状となり、それら以外の部分が凹部となり、その凹部の底面３１に微細凹凸３３ａをもった型２７ｂとなる。

（Ｄ）この型２７ｂを用いて、ＰＤＭＳ樹脂１３に凹凸形状の成型を行う。
微細凹凸３３ａは型２７ｂの凹部の底面３１にのみ形成されているので、その型２７ｂの凹凸形状をＰＤＭＳ樹脂１３に転写した場合、形成されるベース基板１３の反応容器１５及び流路１７，１９となる部分の底面１４は平滑になり、ベース基板１３の表面には微細凹凸３３ｂが形成される。

（Ｅ）最後に、液体導入口２１と液体排出口２３としての貫通穴が形成されたカバー基板１１をベース基板１３に貼り合わせて接合することで、流体デバイスが完成する。

この実施例ではベース基板１３の一表面に微細凹凸２５が形成されているデバイスの作製方法を示したが、カバー基板１１の一表面に微細凹凸２５が形成されているようにしてもよい。

また、基板の接合面に微細凹凸２５を作製する他の方法として、金属基板表面をサンドブラスト法により荒らし、その基板を型としてＰＤＭＳなどの樹脂を成型することによってベース基板１３の表面に微細凹凸２５を形成してもよい。サンドブラスト法を用いる場合、基板上の広い面積に微細凹凸２５を一度に形成することができるので、製造工程の観点から優れている。

次に本発明の流体デバイスによる毛細管力について説明する。
図１では、カバー基板１１とベース基板１３の接合面に微細凹凸２５が形成され、両基板１１，１３間には空隙が設けられている。液体試料の両基板の接合面に対する接触角が９０°以上である場合、この空隙に液体試料が入り込もうとすると、流路内壁から負の毛細管力を受ける。このときの毛細管力による圧力は式（１）で表すことができる。

ここで、ΔPは毛細管力による圧力、ｗは微細凹凸２５の幅、ｄは微細凹凸２５の深さ、γ_LGは液体試料の界面張力、θは液体試料の基板に対する接触角である。

式（１）からθが９０°以上でcosθが負になるので、流路の寸法に対して微細凹凸２５の大きさが小さい場合、ΔＰは負の大きな値となり、流路と比較して両基板間の空隙に液体試料が侵入しにくいことがわかる。

さらに、凹凸の寸法を式（１）に代入して得られるΔpの絶対値が液体試料の送液圧力に比べ大きい場合、液体試料をデバイス内に送液した場合でも、両基板内の空隙に液体試料が侵入することがないことがわかる。

このような流体デバイスに液体試料を導入し、流路や反応室に気泡が残留した場合、例えば試料排出口２３を塞ぎ、試料導入口２１から圧力を印加すると、気泡を形成する空気は両基板１１，１３間の空隙を通じて流体デバイスの外側に排出され、流体デバイス内の気泡を外部に追い出すことができる。

本発明の流体デバイスでは、カバー基板１１及びベース基板１３は例えばともにＰＤＭＳからなるものである。ＰＤＭＳにダウコーニング社製Sylgard184を用いた場合、脱イオン水の基板表面に対する接触角は約１０８度である。

液体導入流路１７の幅及び深さがともに１ｍｍである場合、式（１）で与えられる負の毛細管力は約−９０Ｐａである。

また、液体を流路に流す際の送液圧力は経験的に式（２）で表される。

ここで、

である。

Ｃ_frは流路形状に関する補正項であり、流路形状が矩形断面の場合は約９６の値である。Ａは液体導入流路１７の断面積、Ｌは液体導入流路１７の長さ、μは流れる液体試料の粘性、Ｑは送液流量である。例えば液体導入流路１７の長さが４０ｍｍで、脱イオン水を１００μＬ／ｍｉｎで送液した場合、送液圧力は約１９２Ｐａとなる。

また、カバー基板１１とベース基板１３の接合面に形成されている微細凹凸２５の形状寸法が幅１μｍ、深さ０．５μｍの場合、式（１）で与えられる負の毛細管力は約−１３５ｋＰａである。つまり、上述の実施例の場合、送液圧力に対して両基板１１，１３間の空隙に生じる負の毛細管力が充分大きいため、空隙としての微細凹凸２５に液体試料が侵入することはない。

このデバイスにおいて気泡が流路や反応室等に残留した場合、試料排出口２３を塞ぎ、試料導入口２１から毛細管力の絶対値より小さい数１０ｋＰａの圧力で液体試料を送液することで、液体試料中のガス成分のみが微細凹凸２５を通過し、両基板１１，１３間の空隙を通じて液体から気泡を除去することができる。

また、本実施例では試料排出口２３を塞ぐことによって液体試料の流れを制御していたが、デバイス中にマイクロバルブを集積化することでも同様の効果が得られる。

そのようなマイクロバルブを備えた流体デバイスの一例を図４に示す。マイクロバルブは流路１７と１９のいずれに配置してもよいが、この実施例では液体排出流路１９に配置する。ベース基板１３の液体排出流路１９上でバルブを形成する位置に流路１９と同じ深さのバルブ下部凹部４０を形成する。カバー基板１１にはバルブを形成する位置にバルブ下部凹部４０を被う大きさの貫通穴からなる圧力印加部４２を形成する。例えば、バルブ下部凹部４０の大きさは直径３ｍｍ、圧力印加部４２の大きさは直径４ｍｍとする。ベース基板１３とカバー基板１１の間に厚さが３０μｍ程度のＰＤＭＳフィルム４４を挟み込む。そのＰＤＭＳフィルム４４には液体導入口２１と液体排出口２３の位置に予め穴を開けておく。ベース基板１３とカバー基板１１は間にＰＤＭＳフィルム４４を挟み込んだ状態で接合して流体デバイスとする。

圧力印加部４２には外部から１００ｋＰａ程度の圧力で空気を供給することによりＰＤＭＳフィルム４４を撓ませて流路１９を閉じることができ、空気の圧送を解除してＰＤＭＳフィルム４４の弾性力により撓みを解除することにより流路１９を開くことができる。マイクロバルブは液体の流量を完全にゼロにしなくてもよい。マイクロバルブを用いて流量を下げることで液体の圧力は上昇し、気泡が除去されるからである。

また、凹凸をできるだけ接合面の全体に形成するようにすれば、流体デバイスのより広い場所から気泡を除去することが可能となる。

一実施例における流体デバイスの概略図を示しており、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘにおける垂直断面図である。 同実施例における流体デバイスの製造工程を説明するフロー図である。 従来の流体デバイスの概略図を示しており、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘにおける垂直断面図である。 マイクロバルブを備えた流体デバイスの一実施例を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は流路に沿った断面図である。

符号の説明

１１ カバー基板
１３ ベース基板
１５ 反応容器
１７ 液体導入流路
１９ 液体排出流路
２１ 液体導入口
２３ 液体排出口
２５ 微細凹凸
４２ マイクロバルブの圧力印加部

Claims (5)

1. 少なくとも２つの部材が貼り合わされて両部材により液体を流す流路が形成された流体デバイスにおいて、
   両部材間の接合面の材質は前記流路を流れる液体が両部材間の接合面に対して９０°以上の接触角をもつように選定されており、
   両部材間の接合面の少なくとも一方に凹凸が形成されていることにより両部材間に空隙が形成されており、
   前記空隙の大きさは毛細管力による圧力の絶対値が前記流路を流れる液体の空隙に接する流路内圧力より大きくなることにより気体を通過させ液体を通過させない大きさであり、かつ前記空隙は前記流路から該流体デバイスの外部にまで通じていることを特徴とする流体デバイス。
2. 前記流路には液体の流れを制御するバルブが備えられている請求項１に記載の流体デバイス。
3. 前記凹凸は高さが５００μｍ以下である請求項１又は２に記載の流体デバイス。
4. ベース基板とカバー基板を含む少なくとも２つの部材が貼り合わされて両部材により液体を流す流路が形成され、両部材間の接合面の少なくとも一方に凹凸が形成されていることにより両部材間に空隙が形成されている流体デバイスの製造方法において、
   前記ベース基板は、前記流路に対応する部分が凸部となり接合面に対応する部分が凹部となり、かつその凹部の底面には微細凹凸が形成されている型を使用して樹脂成型を行うことにより、平坦面に流路となる溝をもちその平坦面には微細凹凸をもつベース基板として作成することを特徴とする製造方法。
5. 前記型を以下の工程（Ａ）から（Ｃ）を備えて製作する請求項４に記載の流体デバイスの製造方法。
   （Ａ）シリコン基板表面に耐エッチング膜を形成し、写真製版とエッチングにより前記流路となる部分に前記耐エッチング膜を残し、接合面となる部分を露出させるようにパターン化を施す工程、
   （Ｂ）前記耐エッチング膜パターンをもつシリコン基板に対し、エッチングガスとエッチング保護膜形成ガスを交互に導入しながらドライエッチングを行なうことにより、接合面となる部分に凹部を形成するとともに、その凹部の底面に微細凹凸を形成する工程、及び
   （Ｃ）その後、前記耐エッチング膜パターンを除去する工程。

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