JP7307601B2

JP7307601B2 - マイクロ流路デバイス

Info

Publication number: JP7307601B2
Application number: JP2019114044A
Authority: JP
Inventors: 幸雄小沢; 高史山田; 知大久保; まどか綾野; 知之金岩
Original assignee: FUKOKU BUSSAN CO. LTD.
Current assignee: FUKOKU BUSSAN CO. LTD.
Priority date: 2018-07-24
Filing date: 2019-06-19
Publication date: 2023-07-12
Anticipated expiration: 2039-06-19
Also published as: JP2020018999A

Description

本発明は、積層させた２枚の基板の対向する接合面間を接合し、その間にマイクロ流路が形成されるマイクロ流路デバイスに関する。

マイクロ流路デバイスは、２枚の積層する基板間に幅５００ｎｍ乃至１ｍｍ程度の微細なマイクロ流路が形成されたデバイスであり、マイクロ流路に連通する注入孔から有機化合物、生体試料などの微量の試料をマイクロ流路に注入し、試料を混合、反応、合成、抽出、分析する等の用途で用いられている。

マイクロ流路の形状や大きさは、マイクロ流路に注入する試料についてのこれらの用途の判定に影響しないように高精度に製造されるが、基板の接合面間を接合する際に、気泡が残っていたり、加熱接合や接着剤の収縮等の影響で、接合した２枚の基板が湾曲し、マイクロ流路も変形するという問題があった。

また、２枚の積層する基板の間に形成されるマイクロ流路の形状や数は、マイクロ流路デバイスの用途に応じて任意に設計されるが、基板間の２次元平面内という制約を受けるので、近年は、それぞれ２枚の積層する基板の間にマイクロ流路を形成した複数のマイクロ流路チップを、積層方向に多段に重ね、積層方向で重ねられるマイクロ流路チップのマイクロ流路間を、積層方向に基板を貫通させた貫通孔を介して連通し、マイクロ流路を３次元の立体形状で形成するマイクロ流路デバイスが検討されている。

このマイクロ流路デバイスでは、各マイクロ流路チップを構成する基板がわずかに湾曲しても、多段に重ねることによって湾曲する変位が累積されて全体で大きく湾曲したり、水平面に沿ってマイクロ流路チップを多段に重ねることが困難となっていた。

そこで、マイクロ流路が形成される基板や、接合面の間にマイクロ流路を形成して接合される２枚の積層する基板の湾曲や反りを防止する種々の方法が提案されている。このうち、特許文献１のマイクロ流路デバイスは、積層する２枚の基板の接合面に基板を溶解しない揮発性液体を介在させて接合面に残る空気を揮発させ、その後、揮発性液体を除去した基板間を密着し、加熱及び加圧により接合している。従って、接合面間に残留する気泡によって接合する基板が湾曲することがない。

また、特許文献２のマイクロ流路デバイスは、一方の基板の接合面のマイクロ流路に沿った周囲に微小突起を形成し、微小突起の部分と対向する接合面との間を超音波溶着により接合する。これにより、２枚の基板の対向する接合面間に空気が残留していても、微小突起の部分で接合するので、気泡が残留することによるマイクロ流路の変形や基板の反りを防止できる。

また、特許文献３のマイクロ流路デバイスは、マイクロ流路が形成されていない接合面の一部にマイクロ流路として使用しないダミー流路を形成する。接合面にダミー流路が形成されるので、成形金型から離型しやすくなり、離型の際に発生する基板の反りが防止される。

また、特許文献４のマイクロ流路デバイスは、第１基板の可変形温度を第２基板の可変形温度より高い材質とし、積層させた第１基板と第２基板をそれぞれの加熱変形温度の間で加熱し、湾曲する張り合わせ面の一方に合わせて他方の張り合わせ面が追従して密着するように湾曲させる。

また、特許文献５のマイクロ流路デバイスは、樹脂製フィルムが接合する基板の接合面より側方に突出する出っ張り部を基板の側面に形成し、基板の接合面に樹脂フィルムを加熱接合する際に、出っ張り部を冶具で押さえつけて、基板の反りを抑える。

特開２００５－１８６０３３号公報特開２００５－２２４６８８号公報特開２００７－２８９８１８号公報特開２０１８－９９２４号公報国際公開ＷＯ２００９／１２５７５７号公報

特許文献１のマイクロ流路デバイスは、基板間を接合する前に、揮発性液体を接合面に付着させる必要があり、また、基板の一部が変形している場合には、その変形による隙間の空気は除去することができない。また、特許文献２のマイクロ流路デバイスは、微小突起の部分でのみ接合するので、接合強度が弱く、更に、特許文献１と特許文献２に記載のいずれのマイクロ流路デバイスも、基板自体に応力が発生することによる湾曲や反りを防止するものではなく、基板の一部が湾曲していると、基板の接合面の隙間からマイクロ流路に注入する試料が漏れ出す恐れがある。

また、特許文献３では、ダミー流路を形成することと、金型からの離型が容易で基板の反りが防止されるとの因果関係が必ずしも明確ではないが、多数のダミー流路が同一方向に形成されているだけなので、基板の接合面間に残留する気泡や、接合工程において基板に発生する応力によって各方向に発生する恐れのある基板の湾曲や反りを防止することはできない。

また、特許文献４のマイクロ流路デバイスは、接合する２枚の基板の材料に加熱変形温度の異なる材料とする制約があるとともに、変形した一枚の基板に対して他方の基板を合わせるので、マイクロ流路は湾曲した基板に沿って形成され、特許文献５のマイクロ流路デバイスは、基板の各方向への反りを防止するために、基板の４カ所の各側面に出っ張り部を設ける必要があり、基板間を接合する工程で、基板を平坦面に維持する冶具が必要となるので、いずれも実用的ではない。

更に、２枚の基板の接合前に、２枚の基板の対向する接合面の間に潤滑液を介在させ、２枚の基板間のスライドを容易にして、２枚の基板を相対位置決めしているが、潤滑液が気化するまでは、接合させることができず、生産スループット低下の原因となっていた。

本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、２枚の基板の接合面の間に気泡が残留していたり、基板を接合する工程において基板の一部に応力が発生しても、接合した２枚以上の多段流路基板が湾曲したり、反りが生じることがないマイクロ流路デバイスを提供することを目的とする。

また、２枚の積層する基板のいずれかに簡単な加工を加えるだけで、接合した２枚の基板の平面性を維持できるマイクロ流路デバイスを提供することを目的とする。

また、潤滑液を用いて接合する２枚の基板間の位置決めを行っても、短時間に接合工程を行うことができるマイクロ流路デバイスを提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、請求項１に記載のマイクロ流路デバイスは、表面にマイクロ流路が凹設された平板状の第１樹脂基板と、第１樹脂基板の表面上に積層される第２樹脂基板を備え、第１樹脂基板の表面のマイクロ流路が凹設された部位を除く第１接合領域と、第１接合領域に積層方向で対向する第２樹脂基板の第２接合領域が一体に接合されるマイクロ流路デバイスであって、
第１接合領域と第２接合領域のいずれか一方若しくは双方の接合面のマイクロ流路が凹設された部位に接しない接合領域に、凹溝若しくはスリットからなる応力緩和部が格子状に形成されていることを特徴とする。

第１接合領域と第２接合領域の接合面の間に気泡が残留していたり、第１接合領域と第２接合領域の接合面を接合する工程に起因して、接合する第１接合領域と第２接合領域の一部に接合面に沿った応力が発生しても、接合面に形成される凹溝若しくはスリットからなる応力緩和部において応力による歪が吸収され、部分的に発生した応力は、応力緩和部を越えて伝達されず、接合する第１樹脂基板と第２樹脂基板の全体に湾曲や反りは生じない。

応力緩和部は、接合面に格子状に形成されているので、接合面に沿っていずれの方向の応力が発生しても、応力緩和部を超えて伝達されず、接合する第１樹脂基板と第２樹脂基板はいずれの方向にも湾曲しない。

請求項２に記載のマイクロ流路デバイスは、接合面に応力緩和部が形成される第１樹脂基板若しくは第２樹脂基板は、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）で成形され、第１接合領域と第２接合領域の双方の接合面を表面改質して、第１接合領域と第２接合領域が一体に接合されることを特徴とする。

接合する第１樹脂基板と第２樹脂基板の少なくとも一方が、エラストマーであるＰＤＭＳで成形されるので、一方の接合領域にわずかな湾曲部があっても、対向する他方の接合領域と密着し、表面改質してむらなく一体に接合できる。

また、応力緩和部は、エラストマーであるＰＤＭＳで成形される第１樹脂基板若しくは第２樹脂基板に形成されるので、応力緩和部において接合面に沿った大きい伸縮変位が吸収される。

また、マイクロ流路を囲う第１樹脂基板若しくは第２樹脂基板のいずれかが、半透明あるいは透明材料であるＰＤＭＳを成形材料として成形されるので、マイクロ流路へ注入する試料の色や量を目視確認できる。

請求項３に記載のマイクロ流路デバイスは、第１樹脂基板が、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を成形材料として成形され、応力緩和部は、第１接合領域の接合面に形成される凹溝からなることを特徴とする。

マイクロ流路が凹設される第１樹脂基板の表面と同一面に応力緩和部が形成されるので、マイクロ流路を形成する金型の成形面を加工するだけで、格子状の応力緩和部が形成される。

マイクロ流路と応力緩和部が形成される第１樹脂基板が、金型の成形面への転写性にすぐれたＰＤＭＳを成形材料として成形されるので、微細なマイクロ流路と応力緩和部を高精度に第１接合領域の接合面に形成できる。

請求項４に記載のマイクロ流路デバイスは、マイクロ流路と凹溝の第１接合領域の接合面からの深さが同一であることを特徴とする。

フォトリソグラフィー技術によるレジストエッチングあるいは電鋳工法により、マイクロ流路と凹溝を形成する同一高さの突部を有する型が容易に得られる。

請求項５に記載のマイクロ流路デバイスは、応力緩和部が、接合する第１樹脂基板と第２樹脂基板の側面に開口する凹溝からなることを特徴とする。

第１接合領域と第２接合領域を接合する際にその間に残される気泡は、周囲の凹溝を通して凹溝の開口から外部に排出され、第１接合領域と第２接合領域の接合面間に残留する気泡が圧縮されることよる応力は発生しない。

請求項６に記載のマイクロ流路デバイスは、それぞれ第１樹脂基板と第２樹脂基板を積層してなる複数のマイクロ流路チップが、積層方向に多段に積層されて一体に接合され、多段に積層された各マイクロ流路チップに形成されるマイクロ流路間は、第１樹脂基板若しくは第２樹脂基板を積層方向に貫通する貫通孔を介して連通するとともに、積層方向で対向するマイクロ流路チップの第１接合領域と第２接合領域の一方若しくは双方の接合面に、凹溝若しくはスリットからなる応力緩和部が格子状に形成されていることを特徴とする。

第１樹脂基板と第２樹脂基板の間にマイクロ流路が形成されるマイクロ流路チップが多段に重ねられ、各マイクロ流路チップに形成されるマイクロ流路間が貫通孔を介して連通するので、３次元の立体形状でマイクロ流路を形成できる。

多段に重ねられる各マイクロ流路チップの接合面に部分的に発生する応力は、応力緩和部を越えて伝達されず、接合するマイクロ流路チップの全体に湾曲や反りが生じないので多段に重ねることができ、また多段に重ねても、各マイクロ流路は水平面に沿って形成される。

請求項７に記載のマイクロ流路デバイスは、表面にマイクロ流路が凹設された平板状の第１樹脂基板と、第１樹脂基板の表面上に積層される第２樹脂基板を備え、第１樹脂基板の表面のマイクロ流路が凹設された部位を除く第１接合領域と、第１接合領域に積層方向で対向する第２樹脂基板の第２接合領域が一体に接合されるマイクロ流路デバイスであって、
第１接合領域と第２接合領域のいずれか一方若しくは双方の接合面のマイクロ流路が凹設された部位に接しない接合領域の全体に、接合する第１樹脂基板と第２樹脂基板の側面に開口する多数の凹溝が形成されていることを特徴とする。

第１樹脂基板と第２樹脂基板を接合する前に、２枚の基板の対向する接合面の間に潤滑液を介在させ、２枚の基板間のスライドを容易にして相対位置決めしても、潤滑液は、凹溝に流れて接合面に残留せず、また、外部に開口して通気する凹溝内で早期に気化する。

第１接合領域と第２接合領域の接合面の間に気泡が残留していたり、第１接合領域と第２接合領域の接合面を接合する工程に起因して、接合面に沿って凹溝に交差する方向の応力が発生しても、その応力による歪は凹溝で吸収され、凹溝を超えて伝達されず、接合する第１樹脂基板と第２樹脂基板の湾曲が緩和される。

請求項８に記載のマイクロ流路デバイスは、第１樹脂基板と第２樹脂基板の少なくとも一方は、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）で成形され、第１接合領域と第２接合領域の双方の接合面を表面改質して、第１接合領域と第２接合領域が一体に接合されることを特徴とする。

ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）の自己吸着性により密着する第１樹脂基板と第２樹脂基板の接合面間に潤滑液を介在させることにより、２枚の基板間のスライドを容易にして相対位置決めすることができる。接合面間に介在させた潤滑液は、凹溝に流れて接合面に残留せず、また、外部に開口して通気する凹溝内で早期に気化する。

請求項９に記載のマイクロ流路デバイスは、凹溝が、第１接合領域の接合面に形成され、マイクロ流路と凹溝の第１接合領域の接合面からの深さが同一であることを特徴とする。

請求項１０に記載のマイクロ流路デバイスは、それぞれ第１樹脂基板と第２樹脂基板を積層してなる複数のマイクロ流路チップが、積層方向に多段に積層されて一体に接合され、多段に積層された各マイクロ流路チップに形成されるマイクロ流路間は、第１樹脂基板若しくは第２樹脂基板を積層方向に貫通する貫通孔を介して連通するとともに、積層方向で対向するマイクロ流路チップの第１接合領域と第２接合領域の一方若しくは双方の接合面の全体に、接合する第１樹脂基板と第２樹脂基板の側面に開口する多数の凹溝が形成されていることを特徴とする

多段に重ねられた各マイクロ流路チップの２枚の基板の対向する接合面の間に潤滑液を介在させ、全てのマイクロ流路間が貫通孔を介して連通するように、積層される多数の第１樹脂基板と第２樹脂基板を同時にスライドさせて相対位置決めしても、潤滑液は、各接合面に形成される凹溝に流れて接合面に残留せず、また、外部に開口して通気する凹溝内で早期に気化する。

請求項１の発明によれば、２枚の接合させる樹脂基板の間に気泡が残留していたり、樹脂基板の接合面を接合する工程において、接合面の一部に応力が発生しても、接合面に格子状に形成する応力緩和部を越えて応力が伝達されないので、接合した２枚の樹脂基板を平坦にできる。従って、２枚の樹脂基板の間に形成されるマイクロ流路を、その一部が傾斜したり、内径が変化することがなく、高精度に形成できる。

請求項２の発明によれば、接合する第１樹脂基板と第２樹脂基板の少なくとも一方が、エラストマーであるＰＤＭＳで成形されるので、第１接合領域若しくは第２接合領域に部分的に大きな応力が生じても、接合する第１接合領域と第２接合領域の全体を平坦に維持できる。

また、接合する第１樹脂基板と第２樹脂基板の接合面を表面改質して接合するので、第１接合領域と第２接合領域がむらなく一体に接合され、第１接合領域と第２接合領域の隙間からマイクロ流路に注入した試料が漏れ出ない。

請求項３の発明によれば、マイクロ流路を形成する型の成形面に加工を加えるだけで、格子状の応力緩和部を形成できる。

また、微細なマイクロ流路と応力緩和部とを高精度に接合面に形成できる。

請求項４と請求項９の発明によれば、マイクロ流路と格子状の応力緩和部の凹溝を、高精度の成形が可能な電鋳の金型あるいはフォトリソグラフィー技術によるレジストエッチング型で成形することができる。

請求項５の発明によれば、接合する第１接合領域と第２接合領域の接合面間に気泡が残留することがなく、残留する気泡が圧縮されることよる応力が接合面に発生しない。

請求項６の発明によれば、第１樹脂基板と第２樹脂基板を積層したマイクロ流路チップを多段に重ねて、マイクロ流路を立体形状で設計でき、また、マイクロ流路チップを多段に重ねても、各マイクロ流路チップのマイクロ流路は水平面に沿って形成される。

請求項７の発明によれば、第１樹脂基板と第２樹脂基板間の接合面間の摩擦を減じて２枚の基板間の相対位置決めを容易にするするために、接合面に潤滑液を介在させても、潤滑液は早期に気化し、若しくは凹溝に収容されて接合面に残らないので、相対位置決め後に、早期に第１樹脂基板と第２樹脂基板間を接合できる。

また、２枚の接合させる樹脂基板の間に気泡が残留していたり、樹脂基板の接合面を接合する工程において、接合面の一部に応力が発生しても、接合面に形成する凹溝を越えて応力による歪が伝達されないので、接合した２枚の樹脂基板を平坦に近づけることができる。

請求項８の発明によれば、少なくとも一方の接合面が自己吸着性を有するＰＤＭＳであって、密着する接合面間のスライドを容易にするために潤滑液を介在させても、スライドさせて相対位置決めした後の接合面間に潤滑液が残留しないので、表面改質した接合面間を早期に接合できる。

また、接合する第１樹脂基板と第２樹脂基板の少なくとも一方が、エラストマーであるＰＤＭＳで成形されるので、第１接合領域若しくは第２接合領域に部分的に大きな応力が生じても、接合する第１接合領域と第２接合領域の全体を平坦に維持できる。

また、第１樹脂基板と第２樹脂基板の接合面を表面改質して接合するので、第１接合領域と第２接合領域がむらなく一体に接合され、第１接合領域と第２接合領域の隙間からマイクロ流路に注入した試料が漏れ出ない。

請求項１０の発明によれば、潤滑液を用いて、多段に積層された各マイクロ流路チップの第１樹脂基板と第２樹脂基板を同時にスライドさせて相対位置決めしても、潤滑液が各接合面間に残らず、多段に積層された全てのマイクロ流路チップ間を早期に一体に接合できる。

本発明の第１実施の形態に係るマイクロ流路デバイス１の分解斜視図である。マイクロ流路デバイス１の縦断面図である。ベースシート２を含む成形シート１０の平面図である。マイクロ流路５と格子状の凹溝４からなる応力緩和部が凹設されたベースシート２の平面図である。図４の要部拡大平面図である。図５のＡ－Ａ線断面図である。図６に示すベースシート２を成形する金型の製造工程を示し、（ａ）は、平滑度の高い基材１３上にフォトレジスト１１を付着させた工程を、（ｂ）は、フォトレジスト１１をパターンニングした工程を、（ｃ）は、電鋳により、基材１３上にパターンニングしたフォトレジスト１１の表面に沿って、金属板１４と金属突部１４ａを電着した工程を、（ｄ）は、フォトレジスト１１を除去し、電鋳した金属突部１４ａの端面を研磨し、金型１２の成型面とした工程を、それぞれ示す要部縦断面図である。本発明の第３実施の形態に係るマイクロ流路デバイス２０の分解斜視図である。マイクロ流路デバイス２０の縦断面図である。凹溝４が凹設された第１接合領域２Ａと第２接合領域３Ａの一方の接合面と、突条８が突設された他方の接合面とを接合した状態を示す部分拡大断面図である。本発明の第２実施の形態に係るマイクロ流路デバイス３０の分解斜視図である。マイクロ流路５と凹溝３１が凹設されたマイクロ流路デバイス３０のベースシート３２の平面図である。本発明の第４実施の形態に係るマイクロ流路デバイス４０の分解斜視図である。

以下、本発明の第１実施の形態に係るマイクロ流路デバイス１を、図１乃至図７を用いて説明する。このマイクロ流路デバイス１は、積層する２枚の樹脂基板であるベースシート２とカバーシート３とから構成され、ベースシート２とカバーシート３を積層することにより、その間に形成されるマイクロ流路５に有機化合物、生体試料などの微量の試料を注入し、マイクロ流路５内に注入される試料を混合、反応、合成、抽出、分離、若しくは分析する用途で使用される。

ベースシート２は、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を成形材料として、後述する電鋳の金型を用いたインジェクション成形で全体が薄肉の平板状に形成され、図４乃至図６に示すように、その表面（カバーシート３との対向面）に、幅及び深さが５００ｎｍ乃至１ｍｍのマイクロ流路５を形成する凹部５ａと、凹部５ａと同一深さの応力緩和部となる多数の凹溝４が形成されている。マイクロ流路５を形成する凹部５ａは、マイクロ流路デバイス１の用途に応じて、その長さや形状、本数が任意に設計され、凹部５ａの一端は、後述する注入孔６や排出孔７にマイクロ流路５に連通させるために凹部５ａの幅より長い内径の円筒形となっている。また、応力緩和部となる多数の凹溝４は、直交する２方向に沿った多数の凹溝４が、ベースシート２の表面のマイクロ流路５を形成する凹部５ａの形成部位を除く第１接合領域２Ａの全域に、それぞれ交差して格子状にむらなく形成される。

ベースシート２を金型で成形する成形材料を、金型内で流動性の高いＰＤＭＳとするので、金型の成形面への転写性にすぐれ、微小なマイクロ流路５を形成する凹部５ａや凹溝４をベースシート２の表面に高精度に形成できる。

本実施の形態において、ベースシート２の表面に凹設するマイクロ流路５を形成する凹部５ａや応力緩和部となる凹溝４を同一の深さとするので、微細なマイクロ流路５を形成する凹部５ａや凹溝４を高精度に成形可能な電鋳の金型１２を用いて、ベースシート２をインジェクション成形することができる。以下、ベースシート２を成形する電鋳の金型１２の製造方法を図７で説明する。

図７（ａ）は、シリコンウェハーやガラス基板等の平滑度の高い基材１３の表面に、スピンコートなどで薄膜のフォトレジスト１１を塗布した工程を示し、フォトレジスト１１の厚さは、マイクロ流路５を形成する凹部５ａ及び凹溝４の深さと同一とする。

つづいて、このフォトレジスト１１のマイクロ流路５を形成する凹部５ａの成形部１１ａと凹溝４の成形部１１ｂをフォトマスクを通して露光し、露光部分をエッチングで除去してパターンニングし、図７（ｂ）に示すように、パターンニングした成形部１１ａ、１１ｂにシリコンウェハーやガラス基板等の基材１３を露出させる。

尚、ここで得られるレジストエッチング型は、図示するように、成形するベースシート２と同一形状となるが、フォトレジスト１１のマイクロ流路５を形成する凹部５ａの成形部１１ａと凹溝４の成形部１１ｂ以外の部分をフォトマスクを通して露光し、露光部分をエッチングで除去してパターンニングすれば、成形するベースシート２と反転形状のレジストエッチング型が得られるので、この反転形状のレジストエッチング型をそのまま成形型として用いてベースシート２を成形することもできる。

その後、フォトレジスト１１をパターンニングした図７（ｂ）のレジストエッチング型にニッケル電鋳処理を行い、ニレジストエッチング型の表面に沿って、ニッケルの金属板１４と基材１３が露出する成形部１１ａ、１１ｂの部分に金属突部１４ａを電着する（図７（ｃ））。電鋳処理により形成する金属突部１４ａは、それぞれマイクロ流路５を形成する凹部５ａと凹溝４を形成する成形面となるので、その高さは、凹部５ａと凹溝４の深さと同一となる。

電鋳で金属板１４と金属突部１４ａを形成した後、平滑度の高い基材１３から金属板１４と金属突部１４ａを剥離し、その周囲の残るフォトレジスト１１を全て取り除いて、金属突部１４ａの端面を研磨し、図７（ｄ）に示すベースシート２を成形する金型のキャビティ１２を得る。

図７に示す工程で製造される金型のキャビティ１２は、ベースシート２の輪郭を含む成形面で、マイクロ流路５を形成する凹部５ａの成形部１１ａを除く成形面の全域に、凹溝４を形成する金属突部１４ａが格子状に突設されている。従って、金型のコアとキャビティ１２の間でＰＤＭＳをインジェクション成形して得られる成形シート１０は、図３に示すように、マイクロ流路５を形成する凹部５ａが凹設されている他、その周囲の残る全域に格子状に凹溝４が凹設されている。

ベースシート２は、図３に示す成形シート１０から図中破線で示すベースシート２の輪郭に沿って切断して製造するので、輪郭で切断したベースシート２の側面には、凹溝４の端面が表れる。

ベースシート２の表面に積層されるカバーシート３も、ＰＤＭＳを成形材料として、金型を用いたインジェクション成形によって全体がベースシート２と同一の輪郭の平板状に形成され、ベースシート２の円筒形となった凹部５ａの各一端の位置に合わせて、マイクロ流路５へ試料を注入する注入孔６とマイクロ流路５から試料を排出する排出孔７が穿設されている。

尚、上述のように、ベースシート２とカバーシート３は、いずれもインジェクション成形で成形しているが、金型を用いて量産可能に成形できれば、流動数、ＰＤＭＳの種類、ベースシート２やカバーシート３の形状に合わせて、適宜トランスファー成形、コンプレッション成形等の種々の成形法で成形することができる。

また、２枚の樹脂基板であるベースシート２とカバーシート３は、樹脂であればその素材について制約はないが、応力緩和部において大きい歪を吸収するようにＰＤＭＳ等の透明若しくは半透明の熱可塑性エラストマーで形成することが好ましい。

このようにして製造されたベースシート２とカバーシート３とは、ベースシート２の表面の第１接合領域２Ａと、第１接合領域２Ａに対向するカバーシート３の裏面の第２接合領域３Ａとにそれぞれプラズマを照射するプラズマ処理を行って表面改質した後、ベースシート２とカバーシート３の輪郭を一致させて積層し、格子状の凹溝４を除いて対向する全ての第１接合領域２Ａと第２接合領域３Ａの対向面を接合面として、接合面間を隙間なく密着し、これにより第１接合領域２Ａと第２接合領域３Ａが一体化され強固に接合される。

ここで第１接合領域２Ａと第２接合領域３Ａの接合面を密着させる際には、第１接合領域２Ａに格子状に形成された凹溝４がベースシート２とカバーシート３を積層させた側面に開口するので、ベースシート２の第１接合領域２Ａとカバーシート３の第２接合領域３Ａの接合面間に気泡が残されていても、両者の接合面を密着させる過程で、残留する気泡は、その周囲に形成される凹溝４を介して外部に排出される。

表面改質した接合面間を密着させて一体化する過程では、表面改質の反応が第１接合領域２Ａと第２接合領域３Ａの接合面の全域で一様に進行せず、一部が収縮した後にその周囲が一体に接合する等の原因で、接合する第１接合領域２Ａと第２接合領域３Ａの一部に接合面に沿った残留応力が生じることがある。しかしながら、その接合面に沿った残留応力の方向がいずれの方向であっても、残留応力によって生じる接合面に沿った歪は、その周囲に形成された応力緩和部である凹溝４の幅が変化することにより吸収され、残留応力は凹溝４を越えて伝達されない。その結果、接合する第１接合領域２Ａと第２接合領域３Ａは、湾曲せず、ベースシート２とカバーシート３とは、平坦性を保った状態で一体に積層される。

また、表面改質され、一体化して接合される第１接合領域２Ａと第２接合領域３Ａの接合面の間に気泡が残留しないので、残留する気泡によって第１接合領域２Ａや第２接合領域３Ａが湾曲することがない。

尚、第１接合領域２Ａと第２接合領域３Ａの接合面にプラズマを照射するプラズマ処理は、真空プラズマ処理と大気圧プラズマ処理のいずれであってもよく、また、両者の接合面を表面改質する処理としては、プラズマ処理の他に、エキシマランプから接合面に真空紫外線（ＶＵＶ）を照射する真空紫外線（ＶＵＶ）処理、コロナー放電処理等であってもよい。

ベースシート２の表面に同一の輪郭のカバーシート３を積層させることにより、ベースシート２の凹部５ａがカバーシート３で覆われ、外部に対して密封されたマイクロ流路５が形成され、また、図２に示すように、円筒形の凹部５ａの各一端で連通する注入孔６と排出孔７を介してマイクロ流路５がカバーシート３の表面に開口し、注入孔６からマイクロ流路５へ試料を注入し、排出口７からマイクロ流路５に注入された試料を排出するマイクロ流路デバイス１０が製造される。

このマイクロ流路デバイス１は、平坦に製造されるので、マイクロ流路５は、湾曲したり、内径が変化することがなく、水平面に沿って支持されるマイクロ流路５へ試料を通過させることができる。

次に、本発明の第２実施の形態に係るマイクロ流路デバイス３０を、図１１と図１２を用いて説明する。この第２実施の形態の説明においては、上述のマイクロ流路デバイス１について、ベースシート３２の第１接合領域３２Ａに形成される凹溝３１の形状が異なるだけであるので、マイクロ流路デバイス１の構成と同一若しくは同様に作用する構成については、同一番号を付してその詳細な説明を省略する。

このマイクロ流路デバイス３０は、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を成形材料として成形される２枚のベースシート３２とカバーシート３とから構成され、ベースシート３２の表面（カバーシート３との対向面）に、幅及び深さが５００ｎｍ乃至１ｍｍのマイクロ流路５を形成する凹部５ａと、凹部５ａの形成部位を除く第１接合領域３２Ａの全域に、凹部５ａと同一深さの多数の凹溝３１がむらなく形成されている。

多数の凹溝３１は、第１実施の形態にかかる凹溝４のように、必ずしも格子状に形成する必要はなく、その一端がベースシート３２の縁に達し、接合したベースシート３２とカバーシート３の側面に開口する形状であれば、所望の形状とすることができ、ここでは図１２に示すように、互いに平行な水平線と、水平線に直交する鉛直線に沿って形成されている。

このベースシート２とカバーシート３２を積層させて一体に接合する工程では、ベースシート２の表面の第１接合領域２Ａと、第１接合領域３２Ａに対向するカバーシート３２の裏面の第２接合領域３２Ａとにそれぞれプラズマを照射するプラズマ処理を行って表面改質し、その後、ベースシート２とカバーシート３２を積層させ、その輪郭が一致するように、積層面に沿って相対的に摺動させて位置決めする。この位置決め工程では、ベースシート２とカバーシート３２とが自己吸着性を有するＰＤＭＳで形成されているので、相互に密着し、積層面に沿って摺動させることができない。

そこで、表面改質したベースシート２とカバーシート３２を、ＰＤＭＳに影響せず、積層面に不純物が残留しない超純水、メタノール、エタノール、イソプロピルアルコール等の潤滑液に浸漬して、接合する第１接合領域２Ａと第２接合領域３２Ａの間にこれらの潤滑液を介在させ、接合面に沿ったベースシート２とカバーシート３２のスライドを容易にして相対位置決めする。

ベースシート２とカバーシート３２間が相対的にスライドする間に、第１接合領域２Ａと第２接合領域３２Ａが対向する接合面の間に介在していた潤滑液は、凹溝３１内に流れ込み、表面改質した第１接合領域２Ａと第２接合領域３２Ａが対向する接合面に残らない。また、外部に連通し、通気性のある凹溝３１に滞留した潤滑液は、短時間に気化し、消失する。

その結果、表面改質した第１接合領域２Ａと第２接合領域３２Ａ間が直接密着することにより、相対位置決めした後、早期に接合する。

次に、本発明の第３実施の形態に係るマイクロ流路デバイス２０を、図８、図９を用いて説明する。この第３実施の形態の説明においても、上述の第１実施の形態にかかるマイクロ流路デバイス１の構成と同一若しくは同様に作用する構成については、同一番号を付してその詳細な説明を省略する。

マイクロ流路デバイス２０は、図８に示すように、上下２段に積層されたマイクロ流路チップ２１、２２から構成され、各マイクロ流路チップ２１、２２は、それぞれベースシート２の第１接合領域２Ａとカバーシート３の第２接合領域３Ａの接合面が表面改質され、一体に接合されている。更に、積層方向で対向するマイクロ流路チップ２１、２２の対向面、すなわち、マイクロ流路チップ２１のベースシート２の裏面とマイクロ流路チップ２２のカバーシート３の表面の接合面も表面改質され、一体に接合され、図９に示すように、４枚のシート２、３が相互に一体に接合した状態で積層される。

接合されるマイクロ流路チップ２１の裏面とマイクロ流路チップ２２の表面の少なくとも一方、ここではマイクロ流路チップ２２のカバーシート３の表面にも、応力緩和部となる多数の凹溝４が、後述する貫通孔２５Ｂの形成部位を除く表面の全域に、格子状にむらなく形成されている。従って、積層方向で対向するマイクロ流路チップ２１の裏面とマイクロ流路チップ２２の表面を表面改質して一体に接合する際にも、マイクロ流路チップ２１、２２が湾曲したり反りが生じることがなく、全体を平坦面に沿って積層できる。

各マイクロ流路チップ２１、２２のベースシート２とカバーシート３との間に形成されるマイクロ流路２３、２４は、所望の任意形状に形成され、マイクロ流路チップ２１、２２を積層した状態で、図９の破線で示すように、上段のマイクロ流路チップ２１のベースシート２に積層方向に穿設された貫通孔２５Ａと、下段のマイクロ流路チップ２２のカバーシート３に積層方向に穿設された貫通孔２５Ｂを介して連通している。貫通孔２５Ａ、２５Ｂでマイクロ流路２３、２４間を連通させる連通位置も任意に設計できるので、マイクロ流路２３、２４と貫通孔２５Ａ、２５Ｂにより所望のマイクロ流路を立体形状で設計できる。

本実施の形態によれば、多数のベースシート２とカバーシート３を重ねても、積層方向で対向する接合面のいずれかに応力緩和部となる多数の凹溝４が格子状に凹設されているので、個々のベースシート２とカバーシート３が湾曲したり、反ることがなく、全体が平坦面に沿って形成される。従って、マイクロ流路デバイス２０を水平に支持することによって、各マイクロ流路チップ２１、２２のマイクロ流路２３、２４も傾斜することなく水平に支持され、設計値通りに試料を流動させることができる。

尚、この第３実施の形態に係るマイクロ流路デバイス２０においては、下段のマイクロ流路チップ２１のカバーシート３を省略し、上段のマイクロ流路チップ２１を構成するベースシート２の裏面と、下段のマイクロ流路チップ２１を構成するベースシート２の表面の第１接合領域２Ａを一体に接合すれば、ベースシート２とカバーシート３からなる３枚の樹脂基板を積層させるだけで、貫通孔２５Ａで連通するマイクロ流路チップ２１のマイクロ流路２３と、マイクロ流路チップ２２のマイクロ流路２４を形成できる。

この第３実施の形態に係るマイクロ流路デバイス２０のベースシート２に形成される凹溝４についても、図１３に示すマイクロ流路デバイス４０の凹溝４１のように、必ずしも格子状に形成する必要はなく、その一端がベースシート３２の縁に達し、接合したベースシート２とカバーシート３の側面に開口する形状であれば、曲線を含む任意の形状に沿って形成するこもできる。

上述の各実施の形態において、応力緩和部となる凹溝４や凹溝３１、４１は、縦断面の輪郭が矩形であるが、その形状は任意の形状とすることができる。また、図１０に示すように、第１接合領域２Ａ若しくは第２接合領域３Ａの一方の接合面に凹設する凹溝４に対して、対向する他方の第２接合領域３Ａ若しくは第１接合領域２Ａの接合面から、両者を接合した際に凹溝４内に遊嵌する突条８を一体に突設してもよい。このように、応力緩和部の変形を拘束しない突条８を対向する第２接合領域３Ａ若しくは第１接合領域２Ａの接合面に突設すれば、突条８の部分の縦断面についての積層方向（図中上下方向）に関する断面二次モーメントが増大し、突条８が突設され部分で湾曲しにくくなるので、接合する相手側の第２接合領域３Ａ若しくは第１接合領域２Ａも平坦とすることができる。

また、接合面に凹設される凹溝４を応力緩和部としたが、接合面に沿って発生する応力が主として圧縮応力である場合には、接合面に格子状に形成するスリットを応力緩和部とすることもできる。このようなスリットは、例えば、格子状のトムソン刃を、第１接合領域２Ａ若しくは第２接合領域３Ａの接合面からシート２、３の肉厚内に押し込んで形成する。切削刃で形成するスリットは、電鋳の金型で成形する深さ２０μｍ程度の凹溝４より、接合面の内奥深くまで形成することができるので、応力緩和部においてより効果的に応力の伝達を遮断できる。

このように第１接合領域２Ａ若しくは第２接合領域３Ａの接合面に形成する応力緩和部である凹溝４やスリット若しくは潤滑液の気化を促進させる凹溝３１、４１は、マイクロ流路５を形成する凹部５ａに接しないその限界まで接近させてむらなく形成するのが好ましい。

更に、凹溝４若しくはスリットからなる応力緩和部若しくは凹溝３１、４１は、対向する第１接合領域２Ａ若しくは第２接合領域３Ａのいずれの接合面に形成してもよく、また、第１接合領域２Ａと第２接合領域３Ａのそれぞれの接合面に形成してもよい。一方、応力緩和部は、必ずしも第１接合領域２Ａ若しくは第２接合領域３Ａの全面にむらなく形成する必要はなく、接合によって湾曲や反りが生じやすい部分や湾曲やそりを解消したい部分にのみ形成してもよい。

また、上述の各実施の形態では、ベースシート２の第１接合領域２Ａとカバーシート３の第２接合領域３Ａの接合面を表面改質して一体に接合しているが、接着剤により接合面間を接着したり、超音波溶着により接合するなど、接合面を他の接合方法で接合するものであってもよい。

２枚の積層させた樹脂基板間を一体に接合し、その間にマイクロ流路を形成するマイクロ流路デバイスに適している。

１マイクロ流路デバイス
２ベースシート（第１樹脂基板）
２Ａ第１接合領域
３カバーシート（第２樹脂基板）
３Ａ第２接合領域
４凹溝（応力緩和部）
５マイクロ流路
２０マイクロ流路デバイス
２１、２２マイクロ流路チップ
２３、２４マイクロ流路
３１、４１凹溝

Claims

表面にマイクロ流路が凹設された平板状の第１樹脂基板と、
第１樹脂基板の表面上に積層される第２樹脂基板を備え、
第１樹脂基板の表面の前記マイクロ流路が凹設された部位を除く第１接合領域と、第１接合領域に積層方向で対向する第２樹脂基板の第２接合領域が一体に接合されるマイクロ流路デバイスであって、
第１接合領域と第２接合領域のいずれか一方若しくは双方の接合面の前記マイクロ流路が凹設された部位に接しない接合領域に、凹溝若しくはスリットからなる応力緩和部が格子状に形成されていることを特徴とするマイクロ流路デバイス。
前記接合面に応力緩和部が形成される第１樹脂基板若しくは第２樹脂基板は、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）で成形され、第１接合領域と第２接合領域の双方の接合面を表面改質して、第１接合領域と第２接合領域が一体に接合されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ流路デバイス。
第１樹脂基板は、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）を成形材料として成形され、前記応力緩和部は、第１接合領域の接合面に形成される凹溝からなることを特徴とする請求項１又は請求項２のいずれか１項に記載のマイクロ流路デバイス。
前記マイクロ流路と前記凹溝の前記第１接合領域の接合面からの深さが同一であることを特徴とする請求項３に記載のマイクロ流路デバイス。
前記応力緩和部は、接合する第１樹脂基板と第２樹脂基板の側面に開口する凹溝からなることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のマイクロ流路デバイス。
それぞれ第１樹脂基板と第２樹脂基板を積層してなる複数のマイクロ流路チップが、積層方向に多段に積層されて一体に接合され、多段に積層された前記各マイクロ流路チップに形成されるマイクロ流路間は、第１樹脂基板若しくは第２樹脂基板を前記積層方向に貫通する貫通孔を介して連通するとともに、前記積層方向で対向するマイクロ流路チップの第１接合領域と第２接合領域の一方若しくは双方の接合面に、凹溝若しくはスリットからなる応力緩和部が格子状に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のマイクロ流路デバイス。
表面にマイクロ流路が凹設された平板状の第１樹脂基板と、
第１樹脂基板の表面上に積層される第２樹脂基板を備え、
第１樹脂基板の表面の前記マイクロ流路が凹設された部位を除く第１接合領域と、第１接合領域に積層方向で対向する第２樹脂基板の第２接合領域が一体に接合されるマイクロ流路デバイスであって、
第１接合領域と第２接合領域のいずれか一方若しくは双方の接合面の前記マイクロ流路が凹設された部位に接しない接合領域の全体に、接合する第１樹脂基板と第２樹脂基板の側面に開口する多数の凹溝が形成されていることを特徴とするマイクロ流路デバイス。
第１樹脂基板と第２樹脂基板の少なくとも一方は、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）で成形され、第１接合領域と第２接合領域の双方の接合面を表面改質して、第１接合領域と第２接合領域が一体に接合されることを特徴とする請求項７に記載のマイクロ流路デバイス。
前記凹溝は、第１接合領域の接合面に形成され、前記マイクロ流路と前記凹溝の前記第１接合領域の接合面からの深さが同一であることを特徴とする請求項８に記載のマイクロ流路デバイス。
それぞれ第１樹脂基板と第２樹脂基板を積層してなる複数のマイクロ流路チップが、積層方向に多段に積層されて一体に接合され、多段に積層された前記各マイクロ流路チップに形成されるマイクロ流路間は、第１樹脂基板若しくは第２樹脂基板を前記積層方向に貫通する貫通孔を介して連通するとともに、前記積層方向で対向するマイクロ流路チップの第１接合領域と第２接合領域の一方若しくは双方の接合面の全体に、接合する第１樹脂基板と第２樹脂基板の側面に開口する多数の凹溝が形成されていることを特徴とする請求項７乃至請求項９のいずれか１項に記載のマイクロ流路デバイス。