JP4590542B2

JP4590542B2 - マイクロ液滴輸送デバイス

Info

Publication number: JP4590542B2
Application number: JP2003164644A
Authority: JP
Inventors: 隆安田
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2003-06-10
Filing date: 2003-06-10
Publication date: 2010-12-01
Anticipated expiration: 2023-06-10
Also published as: JP2005000744A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明はマイクロ液滴輸送デバイス、詳しくは表面張力を利用してマイクロ液滴を一方向に輸送するデバイスの技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体の製造技術および微細加工技術などが発達し、近年、微小な構造、機械、さらにはシステムなどの技術分野が注目されている。そして、これらの技術分野を用いて、微小な流路やチャンバ、ポンプなどを製作し、化学実験、環境分析に貢献しようとする試みがなされている。
例えば、化学実験において、実験装置類のマイクロ化により、試料や廃液を少なくすることで反応の高速化が図れる。また、爆発の危険を伴う反応において、実験装置類のマイクロ化により安全に実験することができる。
医療の分野において、装置、器具の汚染は重要な問題である。衛生面上、装置や器具を毎回新しいものと交換する必要がある。この医療の分野では、マイクロ化して安価な装置や器具を製作する試みがなされている。特に、血液や尿などのマイクロ液滴を診断、分析する医療診断チップが注目されている。ハンドリングせずに血液や尿などのマイクロ液滴を輸送する方法があれば、医療診断チップなどにも応用できる。
現状、マイクロ液滴を輸送するには、外部から空気圧を加える方法またはマイクロ液滴を吸引する方法がある。微小な電極アレイを用いて静電気力でマイクロ液滴を引きつけて輸送する方法もある。さらに、熱、静電気、光などを用いて液滴前後の表面張力に差を与えることにより駆動力を発生させ輸送する方法なども存在する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、これらの方法を実現するには、外部に圧力源、電源、熱源、光源などを構築する必要があった。また、微小のシステムを製作するのに、全体のシステムや製造方法が大掛かりで複雑かつ高価なものとなってしまうという問題があった。これらの問題が、医療診断チップや環境分析チップなどへの応用を阻む大きな要因となっていた。
【０００４】
【発明の目的】
この発明は、外部に特別な機構を必要とせず、マイクロ液滴を一方向に確実に輸送できるマイクロ液滴輸送デバイスを得ることを目的とする。また、使い捨てができるほど安価であり、しかも簡便なマイクロ液滴輸送デバイスを提供することを目的とする。さらに、医療診断チップや環境分析チップに使用されるマイクロ液滴輸送デバイスを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の発明は、基板と、この基板の上面に搭載された断面凹字型のカバーと、このカバーの開口側を上記基板の上面に重ね合わせることによって画成された一方向に延びる流路と、この流路の上流から下流に向かって液滴を輸送させる液滴輸送手段と、を備えたマイクロ液滴輸送デバイスであって、上記カバーの内面を疎水面で構成し、上記基板の上面で構成される上記流路の一面を親水面と疎水面とを含んで構成し、上記液滴輸送手段は、上記流路の一面についてその親水面の面積をその疎水面のそれで除した値をその上流から下流に向け連続的に増加させて水分を含む液滴を輸送させるマイクロ液滴輸送デバイスである。
表面張力は、液体または固体の表面が、自ら収縮してできるだけ小さな面積をとろうとする力である。液滴と固体面との関係において、液滴は親水性を有する固体面に対して表面張力があまり働かない。すなわち、液滴は親水面に対してなじみやすい。一方、液滴は疎水性を有する固体面に対しては表面張力が働きやすい。すなわち、液滴は疎水面に対してなじみにくい。
この性質を生かして、流路の一面を親水面と疎水面とを含んで構成し、これを基板上に形成する。この流路には、一方向に向かって液滴を輸送する液滴輸送手段を設ける。すなわち、流路の上流は疎水性の強い面、下流は親水性の強い面を基板上に設けることで構成する。例えば、三角形パターンからなる疎水面および親水面を交互に組み合わせて形成する。これらの三角形パターンからなる親水面の面積を疎水面の面積で除した値を上流から下流に向け連続的に増加させるように形成する。
なお、流路は複数設けてもよい。または、始めは複数の流路を形成し、その途中で一つの流路に統合してもよい。もしくは、始めは一つの流路を形成し、その途中で複数の流路に分岐するようにしてもよい。
流路の一面、例えば、底面を構成する疎水面の素材等は限定されない。また、親水面の素材等も限定されない。疎水面はフッ素系のポリマー、例えば、ＣＰＦＰをパーフルオロ溶媒で薄めたポリマー（商品名：ＣｙｔｏｐＣＴＬ−８０９Ｍ、旭硝子）で形成する。親水面は、例えば、ＳｉＯ_２で形成する。フッ素系ポリマーおよびＳｉＯ_２は、シリコンウェーハ表面上にフォトリソグラフィ等の半導体プロセスを用いて形成する。
基板の素材は、限定されない。例えば、シリコンウェーハやガラス基板などを使用する。
カバーの素材は、限定されない。例えば、シリコンウェーハ、シリコン樹脂を使用する。シリコン樹脂のカバーの製造方法は、鋳型を作製し、シリコン樹脂を流し込み固化させ、鋳型からシリコン樹脂を引き抜き、カバーを完成させる。
【０００６】
マイクロ液滴は、カバーに接しながら流路内を一方向に輸送される。そのためカバーは、液滴が吸着しない疎水性の面で構成される。カバーを親水性の素材で形成するとカバーに液滴が吸着し、液滴を輸送できないおそれがある。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、上記流路の一面での上記親水面は、上流から下流に向かって、面積が徐々に増加した三角形パターンで形成され、上記流路の一面での上記疎水面は、上流から下流に向かって、面積が徐々に減少する三角形パターンで形成され、上記親水面の三角形パターンと、上記疎水面の三角形パターンとを隣接させて１組の三角形パターンとし、複数組の三角形パターンを流路の幅方向に並べた請求項１に記載のマイクロ液滴輸送デバイスである。
【０００８】
上記液滴を輸送する能力は、断面の大きさも一つの要因である。液滴の輸送能力を高めるために、上流から下流に向け徐々に流路の断面を大きくすることもできる。
【０００９】
上流には、流路を流れる液滴を供給する。液滴の供給方法は、限定されない。例えば、カバーの上流部に孔を設け、この孔から液滴を供給する。または、流路の流入口からスポイトなどの供給手段を用いて供給する。供給する液滴は、例えば、血液や尿、環境因子を含む検体などである。
また、下流には、血液や尿、環境因子を含む検体を分析する試験媒体を設ける。試験媒体には、例えば、ＩＳＦＥＴ（イオン感受性ＦＥＴ）やバイオセンサなどを設ける。
【００１０】
【作用】
請求項１，２に記載のマイクロ液滴輸送デバイスにあっては、基板の上面にカバーを搭載し、基板とカバーとの間に一方向に延びる流路を形成する。流路を構成する基板の上面は、親水面と疎水面とを含んで構成する。その上流は、疎水面の割合を多くし、その下流に向けて連続的に親水面の割合を多くする。これにより、上流から下流に向けて流路内で液滴を自動的に輸送することができる。この結果、液滴を輸送するための外部からの空気圧や熱などの駆動源および配線が不要である。また、駆動源が不要であるため、マイクロ液滴輸送デバイスを安価に製造することができる。
【００１１】
また、マイクロ液滴は、カバーに接しながら移動する。カバーが親水性の素材で形成されると、カバーにマイクロ液滴が吸着し移送されないおそれがある。そこで、カバーを疎水性の面で構成すると、カバーに液滴が吸着されない。これにより、液滴を一方向にスムーズに輸送することができる。
【００１２】
また、マイクロ液滴輸送デバイスにあっては、上記流路の断面が上流から下流に向かって徐々に増大される。この結果、上流から下流に向かって液滴を輸送する能力が増す。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、この発明の第１の実施形態を図１、図２を参照して説明する。
本実施形態に係るマイクロ液滴輸送デバイス１０は、矩形平面のシリコンウェーハからなる所定厚さの基板１１と、この基板１１の上面に搭載され、シリコン樹脂からなる断面凹型のカバー１２とで構成される。すなわち、カバー１２は凹型の開口側を基板１１の上面に重ね合わせて搭載されている。そして、基板１１と、凹型のカバー１２との間の矩形断面の空間部が、液滴１６を輸送する流路１３を構成する。流路１３のうち基板１１側の面を、疎水面１４と親水面１５とで構成する。疎水面１４はフッ素系のポリマー、例えば、ＣＰＦＰをパーフルオロ溶媒で薄めたポリマー（商品名：ＣｙｔｏｐＣＴＬ−８０９Ｍ、旭硝子）を使用して形成する。また、親水面１５は、ＳｉＯ_２をシリコンウェーハの表面に酸化処理して形成する。
疎水面１４は、底辺が１μｍから２００μｍ、高さが１０μｍから２００μｍの三角形パターンで形成する。また、親水面１５も同様に、１μｍから２００μｍ、高さが１０μｍから２００μｍの三角形パターンによって形成する。これらの三角形のパターンを、親水面１５と疎水面１４とが交互になるよう組み合わせて形成する。図１に示すように、流路の上流は疎水面１４の面積が親水面１５のそれに対して大きい面で、下流は親水面１５の面積が疎水面１４のそれに対して大きい面となるように形成する。すなわち、上流から下流に向け、親水面１５の面積を疎水面１４の面積で除した値が連続的に増加させるように上記三角形パターンを形成する。なお、親水面１５と疎水面１４を形成するパターンは、三角形パターンに限られない。
【００１４】
次にマイクロ液滴輸送デバイス１０の製造方法を、図２を参照して説明する。ここでは、半導体製造プロセスを用いて流路１３を基板上に形成する。まず、図２（ａ）に示すように、シリコンウェーハの基板２１を準備する。図２（ｂ）に示すように、このシリコンウェーハ２１を９００℃、２時間の熱酸化により、表裏面にＳｉＯ_２１５を形成する。次いで、図２（ｃ）に示すように、所定厚さのＳｉＯ_２１５の表面にフッ素系ポリマー１４を、スピンコート法により所定厚さ塗布して薄膜とする。さらに、図２（ｄ）に示すように、このフッ素系ポリマー１４上にレジスト２２を塗布して、所定のフォトプロセスを用いて露光装置により露光して所定のレジストでパターンを形成する。さらに、図２（ｅ）に示すように、このレジスト２２をマスクにこのフッ素系ポリマー１４をＯ_２のプラズマによりエッチングする。そして、図２（ｆ）に示すように、レジスト２２を除去する。これにより、基板１１上に液滴１６を輸送する流路の底面が形成される。
初めにＳｉＯ_２１５を形成してからフッ素系ポリマー１４を形成する流路が形成し易い。ＳｉＯ_２１５は、シリコンウェーハを熱酸化することにより簡単に得られるからである。また、疎水面のフッ素系ポリマー１４は、親水面のＳｉＯ_２１５の上に形成しやすいからである。
次に、シリコンカバー１２の製造方法について説明する。図２（ｇ）に示すように、シリコンカバー１２を成形するための鋳型２３を準備する。次いで、図２（ｈ）に示すように、この鋳型２３に溶融したシリコン樹脂１２を流し込む。そして、所定時間を経てこのシリコン樹脂１２を硬化する。図２（ｉ）に示すように、硬化したシリコン樹脂１２を鋳型２３から取り出す。そして、カバー１２の表面などの仕上げをして完成させる。カバー１２の素材は、シリコン樹脂に限定されず、シリコンウェーハなどを使用してもよい。
さらに、図２（ｊ）に示すように、上記製造方法により作製された、流路１３の底面が形成された基板１１上にカバー１２の凹面を下にして接着する。この結果、基板１１の上面とカバー１２の凹面との間に所定の流路１３が形成される。流路１３は、偏平な矩形断面で上流から下流に向かって均一断面積を有している。流路１３内の液滴１６が蒸発したり、漏れたりしないように、基板１１とカバー１２とを強固に密着する必要がある。接着は、酸素プラズマで処理する。これにより基板１１とカバー１２との強固な接着ができる。
【００１５】
さらに、このマイクロ液滴の輸送手段について図１を参照して説明する。
流路１３は、上流から下流に向かって疎水性の強い面から親水性の強い面になるように形成する。そして、この流路１３の一面に液滴１６を裁置する。すると液滴１６の前端と後端において流路１３の面に対する液滴１６の接触角が異なる。これは、液滴１６の前後において、流路１３の疎水性と親水性との強さが異なることによる。この結果、液滴１６を親水面１５の強い方向に向かって輸送することができる。
液滴１６を一方向に確実に輸送するには、流路を構成するその内壁面に図１に示すような複数の三角形のパターンを構成するとよい。三角形パターンの底辺の長さと高さと、三角形パターンの数とは、基板１１の大きさや流路１３の長さや幅によって決定される。これらのパラメータ（長さ、幅）は、液滴１６を輸送する駆動能力にも影響を及ぼす。三角形パターンの高さを一定とした場合、その底辺の長さを大きくした方が、親水性と疎水性との単位長さの変化の割合が大きくなる。すなわち、疎水面１４から親水面１５への変化が大きくなる。したがって、底辺の長さを大きくすれば、流路１３の輸送能力が大きくなる。
【００１６】
さらに、この発明の第２の実施形態を、図１および図３を参照して説明する。本実施形態に係るマイクロ液滴輸送デバイス１０は、上記実施形態に係るマイクロ液滴輸送デバイス１０に対して以下の変更を加えたものである。
すなわち、図１において、凹型カバー１２の内面を疎水面１４で形成する。カバー１２の疎水面１４は、フッ素系ポリマー１４で形成する。カバー１２の内面にフッ素系ポリマー１４を形成するには、例えば、図３に示すように、シリコンウェーハ３１の裏面にスピンコート法によりフッ素系ポリマー１４を塗布して薄膜化する。そして、このシリコンウェーハ３１の下面に、疎水面１４と親水面１５とを形成したシリコンウェーハ３３を重ね合わせる。そして、シリコンウェーハから加工された２つの長い棒状の板材３２ａ、３２ｂとで、シリコンウェーハ３１とシリコンウェーハ３３とを貼り合わせる。なお、シリコンウェーハ３１の表面と、シリコンウェーハ３３との裏面には図示しないパイレックス（登録商標）ガラス板を重ねる。パイレックス（登録商標）ガラス板に０Ｖ、板材３２ａ、３２ｂに５００Ｖ〜１０００Ｖの電圧をかける。すると、パイレックス（登録商標）ガラス板内に含まれていた正イオンが電極側に移動する。そして、シリコンウェーハ３１，３３間に静電引力が生じ、シリコンウェーハ同士が密着する。この陽極接合は、接着剤を使用しないので、シリコンウェーハ表面が汚れない。
液滴１６は、カバー１２の内面に接しながら流路１３を移動する。カバー１２の内面を親水面１５で形成すると、カバー１２に液滴１６が吸着して、輸送されないおそれがある。そこで、カバー１２の内面を疎水面１４で形成すると、カバー１２に液滴１６が吸着されない。これにより、液滴１６を流路内の一方向に向かってスムーズに輸送することができる。
【００１７】
さらに、この発明の第３の実施形態を、図４を参照して説明する。本実施形態に係るマイクロ液滴輸送デバイス１０は、上記実施形態に係るマイクロ液滴輸送デバイス１０に対して以下の変更を加えたものである。
すなわち、図４において、カバー１２の凹部の断面を上流から下流へ向け連続的に大きくなるように形成する。断面を上流から下流へ向け連続的に大きくすると、基板１１に形成される流路１３の単位面積の親水面１５と疎水面１４との単位長さ当たりの変化量が、断面が一定の場合と比べて大きくなる。すなわち、疎水性から親水性への変化が大きくなる。これにより、断面が一定の場合と比べてより輸送能力の大きな流路１３を得ることができる。
【００１８】
さらに、この発明の第４の実施形態を、図５を参照して説明する。本実施形態に係るマイクロ液滴輸送デバイス１０は、上流に液滴１６を供給する供給部４１を設け、下流部にこの液滴１６を分析する試験媒体４２を設ける。例えば、カバー１２の上流部に液滴１６を供給する孔４１を設ける。一方、下流には液滴１６を分析する試験媒体４２、例えば、バイオセンサなどを設ける。上流の孔４１から血液や尿を供給し、液滴１６は流路１３により下流に向けて輸送され、下流に設けた試験媒体４２に供給される。試験媒体４２によりこの液滴１６を分析し、液滴１６の組成や液質などを調査することができる。
また、上流を複数の流路１３にて形成し、下流はこれらの流路１３をまとめて一つの流路１３にする。上流から複数の液滴１６を供給し、これらの液滴１６は、流路１３の途中で混合され、下流に設けたＩＳＦＥＴやバイオセンサなどで混合液を分析するように構成してもよい。上記のような構成は、医療診断チップや環境分析チップなどに応用できる。
【００１９】
【発明の効果】
この発明によれば、基板と、基板の上面に搭載されたカバーと、基板とカバーとの間に画成された一方向に延びる流路を形成する。基板の上面である流路の一面を親水面と疎水面とで構成する。上流から下流に向け、親水面に対して疎水面を除した値を連続的に増加させるようにする。これにより、液滴を一方向に確実に輸送することができる。そのため、液滴を輸送する外部からの空気圧や熱などの駆動源および配線が不要である。さらに、駆動源が不要であるため、このマイクロ液滴輸送デバイスを安価に製造することができる。さらに、上流に液滴の供給部を設け、下流に液滴を分析する試験媒体を設けるなどして、医療診断チップや環境分析チップなどに応用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の第１の実施形態に係るマイクロ液滴輸送デバイスの構成を示す斜視図である。
【図２】この発明の第１の実施形態に係るマイクロ液滴輸送デバイスの製造方法を示すフロー図である。
【図３】この発明の第２の実施形態に係るマイクロ液滴輸送デバイスの構成を示す斜視図である。
【図４】この発明の第３の実施形態に係るマイクロ液滴輸送デバイスの構成を示す斜視図である。
【図５】この発明の第４の実施形態に係るマイクロ液滴輸送デバイスの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
１０マイクロ液滴輸送デバイス
１１基板、
１２カバー、
１３流路、
１４疎水面（フッ素系ポリマー）、
１５親水面（ＳｉＯ_２）、
１６液滴。

Claims

基板と、
この基板の上面に搭載された断面凹字型のカバーと、
このカバーの開口側を上記基板の上面に重ね合わせることによって画成された一方向に延びる流路と、
この流路の上流から下流に向かって液滴を輸送させる液滴輸送手段と、を備えたマイクロ液滴輸送デバイスであって、
上記カバーの内面を疎水面で構成し、
上記基板の上面で構成される上記流路の一面を親水面と疎水面とを含んで構成し、
上記液滴輸送手段は、上記流路の一面についてその親水面の面積をその疎水面のそれで除した値をその上流から下流に向け連続的に増加させて水分を含む液滴を輸送させるマイクロ液滴輸送デバイス。
上記流路の一面での上記親水面は、上流から下流に向かって、面積が徐々に増加した三角形パターンで形成され、
上記流路の一面での上記疎水面は、上流から下流に向かって、面積が徐々に減少する三角形パターンで形成され、
上記親水面の三角形パターンと、上記疎水面の三角形パターンとを隣接させて１組の三角形パターンとし、
複数組の三角形パターンを流路の幅方向に並べた請求項１に記載のマイクロ液滴輸送デバイス。