JP4726419B2 - 流路部材及び流路装置 - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータによって流量を増減可能な流路部材及び流路装置に関するものである。

近年、半導体産業における微細加工技術の発展により、シリコンやガラス基板、樹脂基板上に微細な配線を作製する技術が広く用いられるようになり、小型の電気化学センサーが作製され、環境、医療分野に応用されてきている。

また、近年、ＤＮＡの解析技術が大きく発展し、ガラス基板上に微細な流路を形成した装置を利用して、電気泳動法を応用した解析が行なわれており、このような微細加工技術を用いた小型の分析手法μＴＡＳ（Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｔｅｍ）が話題となっている。また、化学装置においても、マイクロリアクタの考え方が出てきており、反応装置を小型することで、資源の節約や、実験の手軽さを実現することが期待され、それに伴う実験数の増加が期待される。また、医療分野においては、その場で、血液の分析等が可能となり、迅速な医療処置がおこなわれる可能性がある。

マイクロリアクタの流路形成方法は比較的簡単ではあるが、流路内の流体の流量調整は試行錯誤で流路を設計して行われ、そのたびに試作する必要がある。さらに、流体の粘度等が変化した場合、微調整が困難であった。

このような課題に対し、流路内の流体の流量を調整するために、例えば、流路の途中に微小バルブを設けることで流路の流れを調整する方法（特許文献１参照）や、微小流路を流れる流体に、刺激によりゾルーゲル転移する物質を添加し、微小流路上の所望の箇所に刺激を与え、流体をゲル化させて流れを制御する方法（特許文献２参照）が提案されている。
特開２００２−２８２６８２号公報 特開２００２−１６３０２２号公報

しかしながら特許文献１の方法では、バルブでは開閉が行えるのみであるため流量を調整することはできない。また、特許文献２の方法では、精密な調整を行うためには、刺激量と流量との相関を予め測定する必要があり、また、応答速度、再現性において信頼性が高いとは考えられず、精密な流量調整ができるとは言い難い。

本発明は、流量調整精度に優れた、流路部材およびその製造方法ならびに流路装置を提供することを目的とする。

本発明の流路部材は、絶縁基板と、該絶縁基板に内蔵された流路と、圧電素子の電歪作用によって前記流路の形状を変化させて流量を増減するアクチュエータと、を具備してなり、該アクチュエータは前記流路に隣接するように前記絶縁基板に固定され、かつ前記アクチュエータは、圧電絶縁層と内部電極層とが交互に流路側に向けて積層された圧電素子に、前記圧電絶縁層の両側に前記積層された圧電素子の側面に層状に形成されるとともに前記内部電極層にそれぞれ接続された一対の外部電極を設けて、前記アクチュエータの前記絶縁基板側に固定された主面側の端部にて前記一対の外部電極が前記絶縁基板に設けられた貫通導体とそれぞれ電気的に接続されることによって構成されており、該一対の外部電極を介して前記圧電絶縁層に電圧を印加することにより、前記圧電素子の寸法を前記圧電絶縁層の厚み方向に前記絶縁基板に固定された主面とは逆の主面側に向かって増減させて前記流路の断面積を増減させることを特徴とする。

また、本発明の流路部材は、前記流路を構成する前記絶縁基板の壁面に前記アクチュエータが配置されていることが望ましい。

また、本発明の流路部材は、流路と圧電素子との間に圧電素子保護層が設けられていることが望ましい。

また、本発明の流路部材は、異なる流体を流通させる複数の流路を備えるとともに、前記複数の流路が合流し、前記の異なる流体を混合させる混合場を具備してなることが望ましい。

また、本発明の流路部材は、複数の流路のそれぞれに、該流路の形状を変化させて流量を増減するアクチュエータが設けることが望ましい。

また、本発明の流路部材は、流路を挟持するように、複数のアクチュエータが配置されてなることが望ましい。

また、本発明の流路部材は、絶縁基板が少なくとも樹脂を含有してなることが望ましい。

また、本発明の流路部材は、絶縁基板を構成する樹脂が熱可塑性樹脂であることが望ましい。

また、本発明の流路部材は、絶縁基板がセラミックスを主成分とすることが望ましい。

また、本発明の流路部材は、前記絶縁基板は前記アクチュエータの外部電極に電圧を印加する導体配線層を有しており、該導体配線層が金、銀、銅、アルミニウムの少なくとも１種を含む低抵抗金属からなることが望ましい。

また、本発明の流路装置は、以上説明した流路部材に連結部材を介してポンプが接続されてなることを特徴とする。

また、本発明の流路装置は、以上説明した流路部材に連結部材を介して流量測定器が接続されてなることを特徴とする。

本発明の流路部材では、絶縁基板に内蔵された流路の断面積をアクチュエータを用いて変化させ、流体の流量を迅速に精密に制御することが可能となった。

また、流路の壁面にアクチュエータを配置することで、より、簡単な構造で流路の制御を行うことができ、流路部材のコストダウンを可能とし、また、信頼性を向上させることができる。

また、圧電素子を圧電素子保護層で保護することにより、流体による圧電素子の劣化を防止し、流路部材の寿命を延ばすことができる。

また、異なる流体を流通させる複数の流路を備えるマイクロリアクタとして異なる流体が混合反応する場を設けることで、いろいろな反応を行うことが可能となる。

また、複数の流路のそれぞれに、該流路の形状を変化させて流量を増減するアクチュエータを設けることにより、反応の場へ供給する各流路の流量を制御でき、反応の微調整がさらに可能となる。

また、アクチュエータ１個の変位量で流量制御困難な場合は２個以上のアクチュエータを流路を挟持するように、配置組み合わせることにより大きく流量を制御できる。

また、絶縁基板として加工性に優れた樹脂を用いることにより、微細な流路であっても、容易に形成することができる。また、透明の樹脂を用いた場合には、流体の流れている様子を可視化でき、分光学的測定が可能となる。

また、樹脂を熱可塑性樹脂にすることにより、インプリント等の加工技術を用いることが可能となり、量産化が容易となりさらに、低コスト化が可能となる。

また、流体としては、水系、溶剤系が考えられるが、溶剤系の場合、絶縁基板として樹脂を用いることが困難となる。また、流体が強酸、強アルカリ等の場合も、樹脂が分解される可能性があるため、樹脂を用いることができない場合がある。このような場合であっても耐溶剤性、耐薬品性に優れたセラミック材料で絶縁基板を形成することにより、流体として有機溶剤や強酸、強アルカリ等を流体として使用できる。また、温度を制御する場合はセラミックであれば高温にすることも可能となる。

また、配線回路に金、銀、銅、アルミニウムの少なくとも１種を含む低抵抗金属を用いることで、高電圧の電流を流しても発熱しないので、精密な温度制御が必要な場合には、特に望ましい。

また、本発明の流路装置を用いることで、流体抵抗を発生させることができ、微小流量発生のポンプを用いて原料流体を流した場合に発生する脈動並びに脈流を整流化することができる。

また、流路部材に連結部材を介して流量測定器を接続することにより、実際の流量が実測可能となり、より精密な測定が可能となる。

本発明の流路部材は、例えば、図１に示すように、絶縁基板１である配線側基板１ａと、流路側基板１ｂとの積層体であり、配線側基板１ａにはアクチュエータ３が埋め込まれており、アクチュエータ３の＋側外部電極５ａ、―側外部電極５ｂには、アクチュエータ３に電流を供給する貫通導体１５および導体配線層１７が接続されている。なお、アクチュエータ３は配線側基板１ａに接着シート７により固定されている。また、アクチュエータ３である圧電素子３は樹脂などからなる圧電素子保護層９により保護することが望ましい。また、流路１１は流路側基板１ｂの配線側基板１ａと接する側の面に設けられた溝と、この溝を塞ぐ配線側基板１ａとで構成されている。

そして、流路部材に内蔵され、流路１１の近傍に配置されたアクチュエータ３に、導体配線層１７、貫通導体１５、外部電極５を介して電圧を印加することで、アクチュエータ３の寸法が増減し、流路１１の断面積を増減させて流路１１に流れる流体の流量を変化させることができるのである。

図２（ａ）、（ｂ）、（ｃ）にアクチュエータ３である圧電素子３の詳細な構造を示す。図２（ａ）に示すように、圧電素子３は、薄膜の圧電絶縁層１９と薄膜の内部電極層２１とを交互に積層して構成される。さらに内部電極層２１には＋側内部電極層２１ａと−側内部電極層２１ｂがあり、圧電絶縁層１９を挟んで交互に積層されている。この＋側内部電極層２１ａは全て＋側外部電極５ａに接続され、一方、−側内部電極層２１ｂは全て−側外部電極５ｂに接続されている。

図２（ｂ）は内部電極層２１の形状を示す平面図である。例えば、圧電絶縁層１９の主面に形成された＋側内部電極層２１ａは、圧電素子３の一端部に形成された＋側外部電極５ａと電気的に接続されるため、図２（ｂ）の例では、右側の端部には延びており、それ以外の３辺とは電気的に絶縁する必要があるため、それぞれの辺に対して＋側内部電極層２１ａを設けていない絶縁部が形成されている。そして、圧電絶縁層１９の主面のうち、＋側内部電極層２１ａが形成された主面とは逆の主面には、−側内部電極層２１ｂが形成されており、＋側内部電極層２１ａとは逆の形状となっている。即ち、＋側外部電極５ａとは逆に、左側の辺に−側内部電極層２１ｂが延びた構造となっている。

また、図２（ｃ）は圧電素子３が電圧を制御することにより、垂直方法に変位することを示している。

即ち、本発明の流路部材は、電圧を制御することにより垂直方向に変位するアクチュエータ３を流路１１に隣接するように内蔵することで、流路部材の流路１１の断面積を精密に制御することができ、流路１１が極端に微細なものであったとしても、流路１１を流れる流体の流量を迅速に、精密に制御することができるのである。

図３に本発明の流路部材内に形成された流路１１の構成例を示す。まず、ポンプを用いて流体Ａ〜Ｄが流路１１ａ〜１１ｄに導入される。これらの流体のうち流路１１ｂに導入された流体Ｂは、流路ｂから分岐した流路１１ｅと流路１１ｆとに分かれて流れる。そして、流路１１ａ〜１１ｄに導入された流体はアクチュエータ３（図示せず）が設けられた流量調整部４Ａ〜４Ｅで、それぞれ、流量を調整され、流路１１ｇ〜１１ｋへと流れていく。

例えば、流路１１ａ、流量調整部４Ａを経て、流路１１ｇを通過した流体Ａと、流路１１ｂ、流路１１ｅ、流量調整部４Ｂを経て、流路１１ｈを通過した流体Ｂとは、流路１１ｇと流路１１ｈとが合流して形成された流路１１ｍで混合される。例えば、流体ＡとＢとが、反応しうる物質である場合には、流路１１ｍは、流体Ａと流体Ｂとの反応場となる。

また、流路１１ｆを通過した流体Ｂは流量調整部４Ｃで、流量を調整されて、流路１１ｉへと流れ出す。また、流路１１ｃに導入された流体Ｃは流量調整部４Ｄを経て、流路１１ｊへ流れ出し、流路１１ｉと合流し、流路１１ｎで流路１１ｉからの流体Ｂと混合される。そして、流体Ｂと流体Ｃとが反応する場合には、この流路１１ｎは流体Ｂと流体Ｃとの反応場となる。さらに、流体Ｂと流体Ｃとの混合流体あるいは反応流体は、流路１１ｄ、流量調整部４Ｅ、流路１１ｋを経て、流路１１ｎと合流した流体Ｄと流路１１ｐで混合、あるいは反応することになる。

図３に示すように、本発明の流路部材によれば、複数の流体を高精度に混合、反応させることができ、また、非常に少量の流体であっても混合、反応を行うことができる。また、連続して異なる組成の流体を混合、反応させることも可能である。

このような流路部材において、流量調整部４Ａ〜４Ｅにはアクチュエータ３が配置されているが、流量調整部４Ａ〜４Ｅはアクチュエータ３の体積の増減方向に対して、幅広く、浅く形成することが望ましい。このような構造にすることで断面構造変化による抵抗発生のため、ポンプで発生した脈流を整流することができる。さらに、アクチュエータの変位が微量でも流量を大きく変化させることができる。

また、流量調整部４Ａ〜４Ｅにおいて、流路１１を挟み込むように、アクチュエータ３を配置した場合には、アクチュエータ３の変位による流路１１の体積の増減量、並びに増減速度を２倍にすることができるため、より迅速に、流量を大きく変化させることができる。

なお、それぞれのアクチュエータ３は必要に応じて、それぞれが独立して制御できることは言うまでもない。

本発明の流路部材に形成された流路１１は、以上説明したように種々の気体、液体、および混層流体を流通させるもので、その目的に合わせて形状を適宜設計、変更することが望ましい。例えば、大気中の成分分析、液体のｐＨを測定するなど、流体に他の成分を混合するなどの処理を行う必要が無い場合には、流路１１の断面構造は流体と壁の抵抗が小さくなるような構造が望ましく、例えば、図４（ａ）に示すように略半円とすることが望ましい。

また、流体を薬品と混合するなどして、処理した流体を検査する場合には流体と薬品とを混合する必要があるため、流体抵抗が大きい流路断面として、流体の混合を促進することが望ましく、例えば、図４（ｂ）に示すように流路断面を矩形とすることが望ましい。また、より短い距離で混合、反応を終わらせるためには、流路１１の壁面に流体の流れ方向に略垂直な方向に溝を形成するなどして流体が乱流を起こすような形態とすることが望ましい。

このように、流路１１の断面形状はその目的に合わせて、断面構造を最適化することが望ましい。いうまでもなく、流路１１の最適な断面形状は流体の特性によっても変化する。例えば、粘度の低い流体は流路１１の幅が狭くても流体は充分に流れるが、流体の粘度が高くなると流路１１の断面積を広くする必要がある。このような観点から、流路１１の幅は、１００〜７００μｍ程度が適当である。また、流路１１の深さについても同様であり、粘度が低いと浅く、粘度が高いと深くすることが望ましく、１００〜５００μｍが適当である。

また、本発明の流路部材に用いられる配線側基板１ａ、流路側基板１ｂの材料は熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、セラミック材料が用いられ、実験の目的に合して選択できる。配線側基板１ａ、流路側基板１ｂの材料は、材料の加工性を考慮すると熱可塑性樹脂を用いることが望ましく、スチロール系樹脂、アクリル系樹脂、メタクリル系樹脂、ポリエステル系樹脂、シリコーン系樹脂、および熱可塑性弗素系樹脂などが好適に用いられる。とくに、分光学的測定における検出器として用いる場合には、透明性が重要となるので、透明な樹脂基板が得られるような加工条件を選択したり、透明度の高い樹脂基板を選択することが好ましい。また、熱可塑性樹脂はインプリントやナノインプリントの加工方法を用いることが可能であり、同じ形状を多量に作製する場合に適している。また、熱硬化性樹脂は耐溶剤性に優れており、特に、有機溶剤を流体として用いて分光学的測定を行う用途に適している。このような熱硬化性樹脂としては、エポキシ樹脂、フェノール樹脂、ウレタン樹脂、熱硬化性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリイミド樹脂等が用いられる。セラミック材料としては、アルミナ、ムライト、窒化アルミニウム等が用いられる。セラミック材料は耐溶剤性と耐薬品性が優れており、特に樹脂が用いることのできない場合に適している。また、絶縁基板１をセラミック材料により形成した場合には、耐熱性に優れていることから、発熱反応を伴う場合であっても何ら問題なく長時間の使用が可能である。

また、絶縁基板１をセラミック材料により形成した場合には、外部ヒーターにより加熱することもできる。また、ヒータ電極を内蔵させることも可能であり、その場合には装置全体の小型化が可能となる。

また、アクチュエータ３の圧電絶縁層１９の材料としては、ペロブスカイト構造を有するジルコン酸チタン酸鉛Ｐｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３（ＰＺＴ）や、その他マグネシウムニオブ酸鉛Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３（ＰＺＮ）等が用いられる。また、外部電極５には金属粉末と樹脂との混合物である導電性ペーストが用いられる。内部電極層２１は電気抵抗等を考慮して、銀あるいは銀パラジウム合金ペーストあるいはニッケルペースト等が用いられる。

また、アクチュエータ３を配線側基板１ａに搭載する場合には、アクチュエータ３と配線側基板１ａとの間に粘着力あるいは接着力を有するアクチュエータ接着層７を設けることが望ましい。アクチュエータ接着層７としては、半導体素子などをマウントする際に用いられるエポキシシートを好適に用いることができる。なお、粘着性あるいは接着性があれば、特に材料を限定する必要はない。また、アクチュエータ接着層７を用いずにアクチュエータ３を貫通導体１５に半田実装するなどしてもよい。

また、配線側基板１ａを貫通して設けられた貫通導体１５は、例えば、炭酸レーザ等を用いて加工された貫通孔１５ａに導電性の金属と熱硬化性樹脂から構成される導電性ペーストを充填して形成される。金属成分としては、銅あるいは銀コート銅、はんだコート銅等の単独または低融点金属との混合物が好適に用いられる。樹脂は熱硬化性樹脂であれば良く、汎用のエポキシ樹脂を用いても良い。エポキシ樹脂としては、ビスフェノール型エポキシ樹脂、ノボラック型エポキシ樹脂、フェノールノボラック型エポキシ樹脂、他官能型エポキシ樹脂などが好適に用いられ、さらに硬化剤として酸無水物系、アミン系、イミダゾール系を混合して貫通導体１５となる導電性ペーストとする。また、樹脂としてフェノール樹脂を用いても良い。

導体配線層１７は、従来の配線基板として導体配線層を形成するに好適な金属より形成され、例えば、金、銀、銅、アルミニウムの少なくとも１種を含む低抵抗金属の金属箔が好適に使用される。導体配線層１７の厚みは１〜５０μｍが良く、望ましくは５〜２０μｍが良い。導体配線１７の厚みを５〜２０μｍにすることにより、良好に電気信号を伝えることができる。導体配線層１７の厚みが１μｍより小さいと導体配線層１７の抵抗が大きくなり、また、５０μｍより大きいと、積層時に配線側基板１ａの変形が大きくなったり、配線側基板１ａへの導体配線層１７の埋め込み量が多くなり、配線側基板１ａの歪みが大きくなり、全製造工程後に配線側基板１ａが変形を起こしやすいなどの問題がある。また、導体配線層１７が厚くなることにより、導体配線層１７のパターンをエッチングして形成する場合には、エッチングしにくくなるため精度のよい微細な回路が得られないという問題もある。なお、導体配線層１７の表面にＮｉやＡｕなどのメッキを施してもよい。

次に、本発明の流路部材の製造方法について図５〜１３を用いて説明する。

まず、アクチュエータ３の製造方法を示す。アクチュエータ３は、その製造方法が広く公開されている。図５に薄膜技術を応用した積層型圧電素子３の製造プロセスを示す。焼成までの前工程は、積層セラミックコンデンサと類似の方法で製造される。各種セラミック原料粉末を所定の組成で秤量、混合後、予焼し、得られた圧電セラミックス粉末に、適量の有機バインダ、溶剤、可塑剤及び分散剤を添加混練し、スラリーを作製する。バインダとしては、ポリビニルブチラールやアクリレート系バインダが使用される。また、溶剤としては、トルエンなどの有機溶剤が好適に用いられる。また、可塑剤としては、ＤＯＰ（ジオクチルフタレート）のような高沸点系の有機溶剤が用いられる。また、分散剤は市販のものであれば特に規定されない。これらの成分は必要に応じて適宜、配合比を調整することができる。このようにして作製したスラリーを成膜装置により１５〜１００μｍの厚みのグリーンシートとし、適当な寸法に切断した後、その片面上に内部電極用金属ペーストを印刷し、これを所要枚数積層し、熱圧着により生積層体をつくる。次に生積層体の内部に含まれる有機成分を熱分解するために３００〜４００℃、１０〜８０ｈで脱バインダ処理を行う。なお、この脱バインダ処理においては、バインダ成分を完全に除去せずに、保形性を維持している。次に、脱バインダした生積層体を所要の寸法に切断後、８００〜１５００℃の温度で焼成することでセラミック積層体が得られる。次に、この焼結体から余分なバリなどを取り除き、寸法精度を高め、さらにＣ面加工し、さらに、この積層体の各内部電極層２１が露出した側面に外部電極ペーストを塗布し、熱処理することで内部電極層２１と外部電極５が接続され、アクチュエータ３となる。なお、内部電極層２１や外部電極５となる金属ペーストは、従来、周知のＡｇ−Ｐｄ系金属ペーストが好適に用いられる。

アクチュエータ３を構成する圧電絶縁層１９のシート厚みはアクチュエータ３全体の厚みを薄くできるので薄いほど良い。しかしながら、セラミック粗大粒子のために絶縁性劣化が考えられるため、圧電絶縁層１９のシート厚みは１０μｍ以上が好ましい。圧電絶縁層１９を複数層、積層してアクチュエータ３を作製するのであるが、必要な圧電絶縁層１９の積層数は必要な変位量から計算して求められる。具体的には、アクチュエータ３の変位量は圧電絶縁層１９の圧電歪係数Ｄ３３と圧電絶縁層１９の厚み、圧電絶縁層１９の総層数から理論的に求めることができる。

次に、配線側基板１ａに形成される導体配線層１７の製造方法を説明する。

図６（ａ）に示す転写シートＡは、樹脂フィルム２３に接着層２７を介して金属箔１７が接着されて形成されてなるものである。樹脂フィルム２３は、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリイミド、ポリフェニレンサルファイド、塩化ビニル、ポリプロピレン等公知のものが使用できる。樹脂フィルム２３の厚みは、１０〜５００μｍが適当であり、望ましくは２０〜３００μｍが良い。樹脂フィルム２３の厚みは、１０〜５００μｍの範囲であれば十分に柔軟であり、後の工程で銅箔１７の転写を問題なく行うことができる。これは、樹脂フィルム２３の厚みが１０μｍより小さいと樹脂フィルム２３の変形や折れ曲がりにより形成した導体配線層１７が断線を引き起こし易くなり、厚みが５００μｍより大きいと樹脂フィルム２３の柔軟性がなくなるため、樹脂フィルム２３並びに接着層２７の剥離が難しくなるためである。接着層２７としては、アクリル系、ゴム系、シリコーン系、エポキシ系等公知の接着剤が好適に用いることができる。また、接着層２７の厚みは、接着力とも関係するが、１〜２０μｍが適当である。

この導体配線層１７は銅をメッキ成長させた銅箔１７を用いることが望ましく、メッキ成長させた銅箔１７は通常マット面（荒れた面）とシャニー面（スムーズ面）からなるが、シャニー面もエッチング液（例えばメック社のＣＺ液）にて処理すると荒れた面とすることができ、樹脂を含有する配線側基板１ａや流路側基板１ｂに高温で押し付けることで、界面に物理的な接続力であるアンカー効果が発現する。

そして、このような転写シートＡにおいて、樹脂フィルム２３と接着層２７の粘着力は、５０〜７００ｇ／２０ｍｍが良く、望ましくは１００〜５００ｇ／２０ｍｍが良い。樹脂フィルム２３と接着層２７の粘着力が５０〜７００ｇ／２０ｍｍあれば銅箔が配線側基板に充分に密着し、問題なく電気信号を伝えることが可能となる。上記の粘着力が５０ｇ／２０ｍｍより弱いと、回路形成するためのエッチング処理の際、導体配線層２５が樹脂フィルム２３より剥離し、導体配線層１７の断線を引き起こす。また、７００ｇ／２０ｍｍより大きいと、回路形成後、配線側基板１ａに転写し、樹脂フィルム２３並びに接着層２７を剥離する際、配線側基板１ａの変形、導体配線層１７の断線等を引き起こす。なお、この粘着力は、図１６に示すように、接着層２７を介して導体配線層１７が接着された樹脂フィルム２３から樹脂フィルム２３を導体配線層１７から１８０°の方向に引き剥がす時の応力を表したものである。

次に、樹脂フィルム２３に接着された導体配線層１７からエッチング法により不要部分を除去して導体回路を形成する。先ず、図６（ａ）の転写シートＡに、図６（ｂ）に示すように導体配線層１７上にフォトレジスト、スクリーン印刷等の方法で導体回路状にレジスト２９を形成した後、不要な部分をエッチング除去して、図６（ｃ）に示すような樹脂フィルム２３上に所望の回路パターンを有する導体配線層１７を形成することができる。

なお、このエッチング工程において導体配線層１７の断面形状が図６（ｃ）に示すように樹脂フィルム２３に対して台形になる。次に、図６（ｄ）に示すように、導体配線層１７の不要部分をエッチング除去した後に、レジスト２９をレジスト除去液等により取り除き、洗浄して、配線付き転写フィルムＢを得ることができる。

次に、本発明の配線側基板１ａの製造方法について説明する。

図７（ａ）に示すように、まず、アクチュエータ３を収納する配線側基板１ａに形成されるくぼみと逆形状の凹凸をリソグラフィやエッチングにより施されたガラス基板３３と、配線側基板１ａを用意する。

次に、図７（ｂ）に示すように、平行熱板３５間に、ガラス基板３３の凹凸が施された側の面と配線側基板１ａとが対面するように配置して、配線側基板１ａのガラス転移温度以上、融点以下の温度で加圧することにより、配線側基板１ａにくぼみ１２を転写、形成して、図７（ｃ）に示すような主面にくぼみ１２が形成された配線側基板１ａを作製する。

次に、図８（ａ）に示すように、マイクロドリルまたは炭酸レーザなどのレーザ光を用いて、くぼみ１２と連通する貫通孔１５ａを形成する。さらに、図８（ｂ）に示すように、くぼみ１２の底面に、貫通孔１５ａを塞がぬようにＢステージのエポキシ製のアクチュエータ接着シート７を貼り付ける。

次に、図９（ａ）に示すように、くぼみ１２にアクチュエータ３を挿入し、図９（ｂ）に示すようにアクチュエータ３をアクチュエータ接着シート７を介して配線側基板１ａに固定する。

次に、図１０（ａ）に示すようにマスクシート３１をアクチュエータ３以外の部分全体に貼り付ける。次に、図１０（ｂ）に示すように弾性率の低い、シリコーンゴムやアクリロニトリルゴムなどの希釈溶液をアクチュエータ３を覆うように塗布し、乾燥して、薄膜の圧電素子保護層９を形成する。さらに図１０（ｃ）に示すようにマスクシート３１を剥がすことにより不必要な圧電素子保護層９を除去する。

次に図１１に示すように貫通孔１５ａに導電性ペーストを埋め込み、貫通導体１５とする。

次に、流路側基板１ｂの製造方法について説明する。

例えば、図１２（ａ）、（ｂ）に示すように、流路側基板１ｂは、流路側基板１ｂの少なくとも一方の主面に流路１１が形成されており、その一部は、幅広になり、流量調整部４となっている。この流量調整部４の大きさはアクチュエータ３を収納できる大きさとすることが望ましい。このような構造の流路側基板１ｂは、図７（ａ）〜（ｃ）を用いて説明したように、インプリント法、ナノインプリント法を用いることで容易に作製することができる。また、流路側基板１ｂに直接マイクロドリルを用いて機械的に切削してもよく、レーザ光を用いて流路側基板１ｂを直接加工してもよい。

そして、以上説明した、流路側基板１ｂと配線側基板１ａと配線付き転写フィルムＢとを、図１３（ａ）に示すように、順次位置あわせして積層し、プレス機にて熱圧着する。この工程ではアクチュエータ３を固定するアクチュエータ接着シート７の硬化機能と、導体配線層１７を転写する機能と、配線側基板１ａと流路側基板１ｂとを熱接着させる一括積層機能をもつ。３つの機能を成立させる条件としては、配線側基板１ａと流路側基板１ｂのＴｇ以上の温度で加熱することが重要である。他の条件は任意に制御できる。

次に、図１３（ｂ）に示すように、樹脂フィルム２３と、接着剤２７を剥離することで、本発明の流路部材を作製することができる。なお、図１３（ｂ）で示した流路部材の断面は、流路１１の流れ方向に対して垂直な方向の断面であり、図１で示した流路１１の流れ方向に対して平行な方向の断面において、流路１１が狭くなるアクチュエータ３が設けられた位置の断面である。

そして、アクチュエータ３が設けられた流量調整部４の形状は、図１２（ａ）に示すような形状であってもよいが、図１４（ａ）に示すように、流量調整部４と流路１１との連結部において流路１１の幅が徐々に広がるように形成することで、流路１１に流体が滞留しないようにすることができる。また、図１４（ｂ）に示すように、流路１１に比べて流量調整部４の底面を高く形成することで、流量調整部４の底面とアクチュエータ３との距離を小さくすることができ、アクチュエータ３の変位量が小さい場合でも、流量調整の能力を大きくすることができる。

以上説明した例ではアクチュエータ３を一つ形成する工程を示したが、複数個のアクチュエータ３を搭載してもよく、また、流路１１の構造、数も任意に設計可能である。

また、絶縁基板１をセラミックにより形成する場合には、流路側基板１ｂと配線側基板１ａとをセラミック基板で作製し、流路１１をレーザ光やマイクロドリルにより形成し、例えば、流路側基板１ｂと配線側基板１ａとを低融点ガラスや、ロウ材、樹脂系接着剤などの接着剤により接合することで流路部材を作製することができる。

なお、アクチュエータ３を収納するためのくぼみ１２や貫通孔１５ａは、流路側基板１ｂや配線側基板１ａの焼成前に成形体の段階で形成しておくことが望ましい。

また、基板１の材料が熱硬化性樹脂もしくはセラミックの場合は配線側基板１ａと流路側基板１ｂの基板同士の接着方法としては接着シートを基板間に挟み、硬化させる方法を取ることもできる。この場合には、例えば、図１０で形成したアクチュエータ保護層９のアクチュエータ３を覆っていない部分を除去せずに、接着層として用いることができる。なお、導体配線層１７は銅タングステンペーストを用いたメタライズもしくは電解、無電界めっき工法を用いることでも作製することが可能である。

また、本発明の流路部材に連結部材を介して、流量測定器を連結することで、流量をより正確に制御することができる。また、例えば、流路部材にマイクロコイルを内蔵させて、フレミングの左手の法則を利用した流量測定器を内蔵させることで、複雑に分岐、合流する流路１１の場合であっても、精密な流量の制御が可能となる。

厚み１００μｍのポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）フィルム２３の表面にアクリル系樹脂からなる接着剤２７を３μｍ塗布し、厚さ１２μｍ、表面粗さ０．８μｍの銅箔を接着剤２７に接着し転写フィルムＡとした。この転写フィルムＡに対して所定の配線形成用マスク、ＤＦＲ（ドライフィルムレジスト）を用いてフォト工程、エッチング工程を行い配線付き樹脂フィルムＢとした。

配線側基板１ａとして、厚み１ｍｍのポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を用いた。まず、くぼみ１２をＰＭＭＡからなる配線側基板１ａに形成するために、ガラス基板３３に従来のリソグラフィ、およびエッチング技術を用いて凹凸構造を作製し、平坦な厚み１ｍｍのＰＭＭＡからなる配線側基板１ａに、ガラス基板３３の凹凸構造を有する側の面を当接させ、ホットプレスを用い１６０℃、３ＭＰａ、５分間、配線側基板１ａにガラス基板３３を押し付けて処理することによりガラス基板３３上の凹凸をＰＭＭＡからなる配線側基板１ａに転写し、くぼみ１２を形成した。このくぼみ１２の大きさはアクチュエータ３の大きさおよび流量を考慮して設計されるもので、０．６８ｍｍ角、深さ０．５５ｍｍとした。

次に配線側基板１ａに孔径２００μｍの貫通孔１５ａをマイクロドリルを用いて形成した。

次にくぼみ１２の底面に１００μｍの厚みの京セラケミカル製のボンディングシートＴＦＡ―８８０Ｃをアクチュエータ接着シート７として貼り付けてアクチュエータ３を搭載した。なお、アクチュエータ３はマグネシウムニオブ酸鉛Ｐｂ（Ｍｇ_１／３Ｎｂ_２／３）Ｏ_３（ＰＺＮ）を圧電絶縁層１９として用い、１５μｍの圧電絶縁層１９（電極層含）を３２層積層した０．６ｍｍ角、厚み０．５ｍｍの形状のものを用いた。このアクチュエータ３の圧電歪定数Ｄ３３は２×１０^−９ｍ／Ｖであった。

次に、積水化学社製の２４μｍ厚みのＰＥＴフィルム２３を図１０のようにして、アクチュエータ３以外の部分に貼り付けた。

次に、日本ゼオン社製のＮＢＲ（アクリロニトリルラバー）をトルエンに１０質量％希釈し、配線側基板１ａのアクチュエータ３を形成した側の全面に塗布し、乾燥させ、約５μの厚みのＮＢＲ膜を作製した。

次に、マスキング用接着ＰＥＴフィルムをＮＢＲ膜と一緒に剥がして、アクチュエータ３の周りのみにＮＢＲ膜を残した。ＮＢＲは柔軟性があり、アクチュエータ３の変位に十分に追従でき、アクチュエータ３を保護する機能を十分に発揮できるものである。また、くぼみ１２とアクチュエータ３との隙間にも圧電素子保護層９であるＮＢＲ膜が充填され、アクチュエータ３を完全に被覆保護していた。

次にマイクロドリルで形成した貫通孔１５ａに導電性の金属と熱硬化性樹脂から構成される導電性ペーストを充填して貫通導体１５を形成した。

導電性ペーストは平均粒径５μｍの銀コート胴粉１００部に対してビスフェノールＡ型エポキシ樹脂（油化シェルエポキシ社製：エピコート８２８）１０部、酸無水物（日本化薬製：カヤハードＭＣＤ）を３部、硬化促進剤としてイミダゾール（四国化成社製：キュアゾール２ＥＭＺ）を０．３部配合して作製した。

次に、流路側基板１ｂの作製方法について説明する。

流路側基板１ｂとして、厚み５００μｍのポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）を用いた。まず、流路１１をＰＭＭＡからなる流路側基板１ｂに形成するために、まずガラス基板３３に従来のリソグラフィ、およびエッチング技術を用いて凹凸構造を作製し、平坦な厚み５００μｍのＰＭＭＡからなる流路側基板１ｂに、ガラス基板３３の凹凸構造を有する側の面を当接させ、ホットプレスを用い１６０℃、３ＭＰａ、５分間、流路側基板１ｂにガラス基板３３を押し付けて処理することによりガラス基板上の凹凸をＰＭＭＡからなる流路側基板１ｂに転写して流路１１を形成した。

今回の流量調整する具体的形状を、図１４（ａ）、（ｂ）に示す。流路１１は深さｈ１を１００μｍ、幅Ｗ１を２００μｍとし、アクチュエータ３が変位していないときの流量調整部４の深さｈ２を３３μｍ、幅Ｗ２を７５０μｍ、長さＬ１を７５０μｍとした。なお、流量調整部４においては、底面を流路１１よりも１２μｍ高くなるようにした。

次に配線付き樹脂フィルムＢと配線側基板１ａと流路側基板１ｂとを位置あわせし、ホットプレスにて１７０℃、３ＭＰａ、６０分間、熱処理することにより、ＰＭＭＡからなる配線側基板１ａに導体配線層３を埋め込んだ。その後、ＰＥＴからなる樹脂フィルム２３と接着剤２７を同時に剥ぎ取り、流路基板とした。

用いたアクチュエータ３の解放状態での変位量を図１５（ａ）に、流体として２５℃の純水を用いた場合の流量変化を図１５（ｂ）に示す。この図１５（ａ）によれば、アクチュエータ３は２００Ｖの印加で２０μｍ変位して、アクチュエータ３と流量調整部４の底面との距離ｈ２が、３３μｍから１３μｍへと変化し、図１５（ｂ）に示すように流量を約６０％まで減少させることができた。

なお、アクチュエータ３の変位量は、配線基板を作製するまえにアクチュエータ３単独で測定した値である。このようなアクチュエータ３の変位のトルクは非常に大きく、本発明の配線基板に組み込んだ場合でもほぼ、解放状態の場合と同じ変位となる。また、流量変化は、配線基板に連結部材を介して流量計を連結して流路装置として測定した。

また、測定に当たっては、流路部材に連結器を介してポンプを連結し、流路装置とした。この流路装置では、ポンプの脈動を流路部材が吸収し、脈動のないスムーズに流体を流通させることができた。

図１７に本発明の流路部材３１にチューブなどの連結部材３３で連結されたポンプ３５、流量測定器３７によって構成される本発明の流路装置を示す。連結部材３３は、例えば、両端に連結治具３３ａを設けたチューブ３３ｂからなり、一方の連結治具３３ａは、ポンプの流体排出口に接続され、他方の連結治具３３ａは、流路部材３１の流路１１の流体流入側の端部に接続されている。そして、流体は、ポンプ３５から連結部材３１を経由して流路部材３１の流体流入側の端部から流路１１に導入され、流路１１を通過して、流路部材３１の流体排出側の端部から排出される。そして、流路部材３１の流体排出側の端部には、他の連結部材３３が連結され、流路部材３１の流体排出側の端部から排出された流体は、他の連結部材３３を経由して、他の連結部材３３に連結された流量測定器３７に導入される。そして、この流量測定器３７によって流体の流量が測定される。

この流量測定器３７によって、測定された流量に基づき、流量部材３１に内蔵されたアクチュエータ３を駆動して、流量を精密に、迅速に制御することができる。

なお、ポンプ３５としては、例えば、信頼性の高いダイアフラム式のポンプ３５が好適に用いられる。また、流体がガスの場合にはポンプ３５は、例えば、圧送式のガスタンクを用いてもよい。流量測定器３７は、流量の経時的な変化を測定できるものが望ましい。

本発明の流路部材並びに流路装置は、小型流量調整器、血液検査器、小型反応装置、小型混合装置として、特に微量の流体の、混合、反応、検査等に好適に用いられる。また、携帯用装置に組み込むなどの利用方法が挙げられる。

本発明の流路部材を示す断面図である。 （ａ）は、アクチュエータの断面図、（ｂ）は、アクチュエータの配線構造を説明する平面図、（ｃ）は、アクチュエータの変位方向を示す斜視図である。 本発明の流路部材に形成された流路の模式図である。 本発明の流路の形状を説明する透過斜視図である。 本発明の作製工程を示す工程フローである。 本発明の流路部材の製造方法を説明する工程図である。 本発明の流路部材の製造方法を説明する工程図である。 本発明の流路部材の製造方法を説明する工程図である。 本発明の流路部材の製造方法を説明する工程図である。 本発明の流路部材の製造方法を説明する工程図である。 本発明の流路部材の製造方法を説明する工程図である。 本発明の流路部材の製造方法を説明する工程図である。 本発明の流路部材の製造方法を説明する工程図である。 本発明の流路部材の流量調整部を説明する要部拡大図である。 （ａ）は、本発明の流路部材に用いたアクチュエータの印加電圧と変位量の関係図、（ｂ）は、本発明の流路部材のアクチュエータに印加した電圧と流量変化率の関係図である。 転写シートにおける樹脂フィルムと接着層の粘着力の測定方法を示す模式図である。 本発明の流路装置を説明する模式図である。

符号の説明

１・・・絶縁基板
１ａ・・・配線側基板
１ｂ・・・流路側基板
３・・・アクチュエータ
９・・・圧電素子保護層
１１・・・流路
３１・・・流路装置
３３・・・連結部材
３５・・・ポンプ
３７・・・流量測定器

Claims (12)

1. 絶縁基板と、該絶縁基板に内蔵された流路と、圧電素子の電歪作用によって前記流路の形状を変化させて流量を増減するアクチュエータと、を具備してなり、該アクチュエータは前記流路に隣接するように前記絶縁基板に固定され、かつ前記アクチュエータは、圧電絶縁層と内部電極層とが交互に流路側に向けて積層された圧電素子に、前記圧電絶縁層の両側に前記積層された圧電素子の側面に層状に形成されるとともに前記内部電極層にそれぞれ接続された一対の外部電極を設けて、前記アクチュエータの前記絶縁基板側に固定された主面側の端部にて前記一対の外部電極が前記絶縁基板に設けられた貫通導体とそれぞれ電気的に接続されることによって構成されており、前記一対の外部電極を介して前記圧電絶縁層に電圧を印加することにより、前記圧電素子の寸法を前記圧電絶縁層の厚み方向に前記絶縁基板に固定された主面とは逆の主面側に向かって増減させて前記流路の断面積を増減させることを特徴とする流路部材。
2. 前記流路を構成する前記絶縁基板の壁面に前記アクチュエータが配置されていることを特徴とする請求項１に記載の流路部材。
3. 前記流路と前記圧電素子との間に圧電素子保護層が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の流路部材。
4. 異なる流体を流通させる複数の前記流路を備えるとともに、前記複数の前記流路が合流し、前記異なる流体を混合させる混合場を具備してなることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の流路部材。
5. 前記複数の流路のそれぞれに、該流路の形状を変化させて流量を増減する前記アクチュエータが設けられたことを特徴とする請求項４に記載の流路部材。
6. 前記流路を挟持するように、複数の前記アクチュエータが配置されてなることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の流路部材。
7. 前記絶縁基板が、少なくとも樹脂を含有してなることを特徴とする請求項１乃至６のうちいずれかに記載の流路部材。
8. 前記絶縁基板を構成する前記樹脂が熱可塑性樹脂であることを特徴とする請求項７に記載の流路部材。
9. 前記絶縁基板がセラミックスを主成分とすることを請求項１乃至６のうちいずれかに記載の流路部材。
10. 前記絶縁基板は前記アクチュエータの外部電極に電圧を印加する導体配線層を有しており、該導体配線層が金、銀、銅、アルミニウムの少なくとも１種を含む低抵抗金属からなることを特徴とする請求項１乃至９のうちいずれかに記載の流路部材。
11. 請求項１乃至１０のうちいずれかに記載の流路部材に連結部材を介してポンプが接続されてなることを特徴とする流路装置。
12. 請求項１乃至１０のうちいずれかに記載の流路部材に連結部材を介して流量測定器が接続されてなることを特徴とする流路装置。

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