マイクロ化学チップ
【課題】 圧電素子などの高価で複雑なポンプ駆動源を使用せずに簡単にポンプ動作を行うことができる簡易式マイクロポンプを集積化したマイクロ化学チップを提供する。
【解決手段】 第１の基板と、該第１の基板の一方の面側に接着される第２の基板とからなり、前記第１の基板又は第２の基板の少なくも何れか一方にマイクロチャネルが形成されているマイクロ化学チップにおいて、前記第１の基板に、上部が大気に開口したポンプ室と、弁座と、上部が大気に開口した吐出室とが形成されており、前記ポンプ室と弁座と吐出室とを覆う弁膜構造体が前記第１の基板上面に積重されており、前記弁膜構造体は外周部の型枠と該型枠内側の弁膜とからなり、前記吐出室は前記マイクロチャネルに連通していることを特徴とするマイクロ化学チップ。
【解決手段】 第１の基板と、該第１の基板の一方の面側に接着される第２の基板とからなり、前記第１の基板又は第２の基板の少なくも何れか一方にマイクロチャネルが形成されているマイクロ化学チップにおいて、前記第１の基板に、上部が大気に開口したポンプ室と、弁座と、上部が大気に開口した吐出室とが形成されており、前記ポンプ室と弁座と吐出室とを覆う弁膜構造体が前記第１の基板上面に積重されており、前記弁膜構造体は外周部の型枠と該型枠内側の弁膜とからなり、前記吐出室は前記マイクロチャネルに連通していることを特徴とするマイクロ化学チップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は遺伝子解析などの化学／生化学分析などに広く使用されるマイクロ流体制御機構付マイクロ化学チップに関する。更に詳細には、本発明は液体試料を送液するための簡易式マイクロポンプ機構を有する定量採取することができる流体制御機構を有するマイクロ化学チップに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、マイクロスケール・トータル・アナリシス・システムズ（μＴＡＳ）又はラブ・オン・チップ(Lab-on-Chip)などの名称で知られるように、基板内にマイクロチャネルや反応容器及びポートなどの微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び／又は分析など各種の操作を行うように構成されたマイクロデバイスが提案され、一部実用化されている。このような目的のために製作された、基板内にマイクロチャネル、ポート及び反応容器などの微細構造を有する構造物は総称して「マイクロ化学チップ」と呼ばれる。マイクロ化学チップは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニングなどの化学、生化学、薬学、医学、獣医学分野のみならず、化学工業、環境計測などの幅広い用途に使用できる。常用サイズの同種の装置に比べて、マイクロ化学チップは(1)サンプル及び試薬の使用量が著しく少ない、(2)分析時間が短い、(3)感度が高い、(4)現場に携帯し、その場で分析できる、及び(5)使い捨てできるなどの利点を有する。
【０００３】
従来のマイクロ化学チップ１００は、例えば、図９に示されるように、シリコン基板（例えば、ＰＤＭＳ基板）１０１に少なくとも１本のマイクロチャネル１０２が形成されており、このマイクロチャネル１０２の少なくとも一端には入出力ポート１０３，１０４が形成されており、シリコン基板１０１の下面側にガラス基板１０５が接着されている。このガラス基板１０５の存在により、ポート１０３，１０４及びマイクロチャネル１０２の底部が封止される。入出力ポート１０３，１０４の主な用途は、(a)試薬や検体サンプルの注入（分注）、(b)廃液や生成物の取り出し、(c)気体圧力の供給（主に、送液のための正圧や負圧の印加）、(d)大気開放（送液時に発生する内圧の分散や、反応で生じたガスの解放）及び(e)密閉（液体の蒸発防止や故意に内圧を発生させる目的のため）などである。
【０００４】
分析操作を自動化するために、分析に必要な構成要素１０６〜１０８を集積化してシリコン基板１０１及び／又はガラス基板１０５に配設したマイクロ化学チップ１００の開発が試みられている。例えば、ジーメンス(Siemens)社が開発した血液ガス分析用のマイクロ化学チップでは、シリコン基板上に酸素、二酸化炭素、ｐＨセンサの他、参照電極、温度センサ、温度コントローラ、周辺回路が集積化されており、血液サンプリングシステム中に装着した用いられる。また、ＤＮＡ分析を目的として、シリコン基板上にヒータ、温度センサ、蛍光検出用フォトダイオードを集積化した微小システムも開発されている。この微小システムにおいて、必要な構成要素で集積化されていないものは、励起光、圧力源と制御回路などである。
【０００５】
検出系、流体制御素子（例えば、マイクロポンプ及びバルブ）、周辺回路など必要な構成要素全てが同一のシリコン基板上に集積化された高度な微小システムは理想的であるかもしれないが、目的によっては、実用上又は経済上の観点から必ずしも正しいとは言えない。圧力センサ、加速度センサなどの物理センサやガスセンサのように、流体の制御を必要とせず、長期間の繰り返し使用が可能なものについてはシリコン基板上への周辺回路も含めた高度な集積化が進んでいる。しかし、血液などの液体状サンプルを対象とする多くの微小システムでは、血液の凝固やタンパク質の吸着などによる素子特性の劣化が考えられるうえ、洗浄などの煩雑な操作が必要となる。このため、劣化し易いか或いは繰り返し使用が困難な素子と、ISFETやフォトダイオードのように半永久的に使える素子を同一基板上に集積化し、繰り返し使用を行うことは、多くの場合困難か或いは経済的ではない。実用上の観点から、特に繰り返し使用が困難な構成要素を含む微小システムを構築するうえで、どこまでマイクロ化学チップ上に集積化するのかという点については検討を要する。
【０００６】
従来、マイクロ化学チップにおいて微少量の液体を搬送するためのマイクロポンプの主な方式としては、逆止弁を用いる機械的な第１の方式と、逆止弁の代わりに液体の流れる方向により流路抵抗が異なるノズルを用いた第２の方式などがある。第１の方式として、特許文献１には、ダイアフラムを稼働させることでポンプ内の液体を加圧し、この圧力を利用して逆止弁を開閉させて液体を搬送するマイクロポンプが記載されている。また、特許文献２には、圧力室に連通するノズル部に可動バルブを設け、圧電素子を可動バルブを開閉させて液体の流れの方向性を持たせるマイクロポンプが記載されている。更に、第２の方式として、特許文献３には、加圧室に連通するノズル部に突起物を設け、流れの方向により流路抵抗を異ならせることにより、所望の流れの方向とは逆方向への流れを起こり難くし、所望の一方向に液体を搬送することができるマイクロポンプが記載されている。
【０００７】
マイクロポンプを集積化する必要性についても検討の余地がある。シリコン基板（例えば、ＰＤＭＳ基板）をベースにしたものは、構造・プロセス的に複雑なものが多く、使い捨て的な用途に適したものは少ない。また、マイクロポンプを集積化する場合、無視できないスペースを必要とするため、圧電素子など多数の構成要素を微小なスペースに集積化する場合には使用するのが難しい。また、圧電素子などのポンプ駆動源を使用する場合、駆動回路や駆動プログラムが必要となる。更に、圧電素子でポンプ動作を行わせる場合、吐出量はプログラムされた量に限定され、吐出量を変化させる場合には圧電素子の駆動プログラムを変更しなければならず面倒である。従って、圧電素子でポンプ動作を行わせる場合、吐出量を自由自在にリアルタイムに変化させることは困難である。また、マイクロ化学チップの廃棄に伴い、チップ上に集積化された圧電素子も廃棄されることとなり、極めて不経済である。従って、送液が必要となる微小システムでは、現在でも外部のマイクロシリンジポンプ、ベリスタポンプが用いられており、送液機構の集積化にまで至っているマイクロ化学チップはそれほど多くはない。マイクロポンプなどの送液機構を集積化するのであれば、構造、プロセス、動作の単純化が重要な鍵となる。
【０００８】
【特許文献１】特許第３０２０４８８号公報
【特許文献２】特許第３２０２６４３号公報
【特許文献３】特開平１０−１１０６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明の目的は、圧電素子などの高価で複雑なポンプ駆動源を使用せずに簡単にポンプ動作を行うことができる簡易式マイクロポンプ駆動部を集積化したマイクロ化学チップを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するための手段として請求項１に係る発明は、第１の基板と、該第１の基板の一方の面側に接着される第２の基板とからなり、前記第１の基板又は第２の基板の少なくも何れか一方にマイクロチャネルが形成されているマイクロ化学チップにおいて、前記第１の基板に、上部が大気に開口したポンプ室と、弁座と、上部が大気に開口した吐出室とが形成されており、前記ポンプ室と弁座と吐出室とを覆う弁膜構造体が前記第１の基板上面に積重されており、前記弁膜構造体は外周部の型枠と該型枠内側の弁膜とからなり、前記吐出室は前記マイクロチャネルに連通していることを特徴とするマイクロ化学チップである。
【００１１】
このマイクロ化学チップによれば、ポンプ室上部の弁膜を適当な押圧手段（例えば、指先、アクチュエータ、ソレノイドなど）で押圧することにより、陽圧（正圧）又は陰圧（負圧）の何れの状態も創り出すことができる。例えば、ポンプ室内を液体で満たした状態でポンプ室上部の弁膜を押圧すると、ポンプ室内の液体をマイクロチャネルに流し出すことができる。特に、マイクロチャネル容積を小さくし、ポンプ室容積を大きくするれば、脈流を起こすことなく、マイクロチャネル内に液体を流すことが出来る。一方、マイクロチャネル内に液体が満たされ、反対にポンプ室内が空の状態でポンプ室上部の弁膜を押圧した後に押圧を解除するとポンプ室内が負圧状態になり、マイクロチャネル内の液体をポンプ室内に引き込むことができる。、
【００１２】
前記課題を解決するための手段として請求項２に係る発明は、前記第１の基板がポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）又はガラスから形成されており、前記弁膜構造体がＰＤＭＳから形成されており、前記弁膜構造体の型枠部分が第１の基板と恒久接着しており、弁膜部分が弁座と自己吸着していることを特徴とする請求項１記載のマイクロ化学チップである。
【００１３】
このマイクロ化学チップによれば、弁膜構造体の型枠部分が第１の基板と恒久接着し、弁膜部分が弁座と自己吸着しているので、弁膜構造体自体を第１の基板上に安定的に位置させることができるばかりか、弁膜をスムーズに動作させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のマイクロ化学チップにおけるマイクロポンプは簡易式であり、特別な電気素子又は機械要素を全く内蔵しないので、マイクロ化学チップを安価に製造することができるばかりか、チップそのものを簡素化することができる。従って、使い捨てのマイクロ化学チップとして最適である。第１の基板の形成材料にＰＤＭＳ又はガラスを使用することにより、ＰＤＭＳ製弁膜構造体の型枠をＰＤＭＳ製又はガラス製の第１の基板と恒久接着させ、弁膜構造体の弁膜をＰＤＭＳ製又はガラス製の第１の基板の弁座と自己吸着させることができる。その結果、弁膜構造体を第１の基板上に集積化できるばかりか、弁膜を安定的に伸縮動作させることが可能となる。また、弁膜の押込部を外部から適当な押圧手段で制御することができ、弁膜の押込部を押し下げる力を加減することによりポンプ室からの液体の吐出量又はポンプ室への液体の吸引量を自由にリアルタイムで変化させることができる。吐出量又は吸引量は目視により確認しながら任意に変化させることができるばかりか、弁膜の押込部を押し下げるタイミングも任意に選択することができる。更に、本発明のマイクロポンプは気体を送出又は吸引することもできる。例えば、マイクロチャネル内の液体を所望の位置にまで送るか又は引き込もうとする場合、本発明のマイクロポンプで空気を送るか又は引くことにより、マイクロチャネル内の圧力を正圧又は負圧にすることができ、その結果、マイクロチャネル内の液体を所望の位置にまで移動させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の簡易式マイクロポンプを集積化したマイクロ化学チップについて具体的に説明する。図１は本発明のマイクロ化学チップの一例の概要平面図である。図２は図１におけるII-II線に沿った断面図である。本発明のマイクロ化学チップ１は、第１の基板３とこの第１の基板３の下面側に接着される、第２の基板５とからなる。第１の基板３には、液体を供給するための入力ポート７と、液体を排出するための出力ポート９が配設されている。入力ポート７は第１のマイクロチャネル１１を介してポンプ室１３に連通している。出力ポート９は第２のマイクロチャネル１５の一端に連通している。弁座１７に隣接して吐出室１９が配設されている。従って、ポンプ室１３と吐出室１９は弁座１７により遮断されている。第２のマイクロチャネル１５の他端は吐出室１９に連通している。ポンプ室１３、弁座１７及び吐出室１９を覆うのに必要十分な広さを有する弁膜構造体２０が第１の基板３の上面に配設されている。弁膜構造体２０は弁膜２１を有する。弁膜２１は、ポンプ室１３上部部分に対応する押込部２１Ａと、弁座１７及び吐出室１９上部部分に対応する送流部２１Ｂとからなる。弁膜２１の周囲には型枠２３を一体的に設けることが好ましい。弁膜２１及び型枠２３が何れもＰＤＭＳから形成されている場合、型枠２３を下部の第１の基板３と恒久接着させ、弁膜２１を第１の基板３と自己吸着させることにより、弁膜２１をスムーズに動作させることができる。図２ではマイクロチャネル１５及び１１が第１の基板３側に形成されているが、第２の基板５側に形成することもできる。
【００１６】
第１の基板３の形成材料はＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）などのシリコーン樹脂又はガラス（例えば、石英ガラス）からなり、第２の基板５の形成材料はガラス（例えば、石英ガラス）又はシリコンからなり、弁膜構造体２０はＰＤＭＳからなることが好ましい。第１の基板３及び第２の基板５がガラス同士の場合、フッ化水素接合させることにより基板同士を恒久接着させることができ、第１の基板３がガラスで、第２の基板５がシリコンの場合、陽極接合させることにより基板同士を恒久接着させることができ、第１の基板３がＰＤＭＳであり、第２の基板がＰＤＭＳ又はガラスの場合、接着面をＯ２プラズマ処理することにより基板同士を恒久接着させることができる。
【００１７】
図３は本発明のマイクロ化学チップの別の例の概要平面図であり、図４は図３におけるIV-IV線に沿った断面図である。図１及び図２に示されたマイクロ化学チップ１では、弁膜２１の厚さが押込部２１Ａ及び送流部２１Ｂとも同一の厚さを有するが、図３及び図４に示されるマイクロ化学チップ１Ａでは、弁膜２０のうち、押込部２１Ａの膜厚が送流部２１Ｂの膜厚よりも厚いことである。押込部２１Ａを厚くすると、送流部２１Ｂの膜の動きが一層スムーズになる。
【００１８】
図５は、本発明のマイクロ化学チップ１における簡易式マイクロポンプの動作を説明する概要断面図である。先ず、図５（Ａ）に示されるように、入力ポート７から液体２５を送入し、ポンプ室１３を液体２５で満たす。弁膜２１が弁座１７に自己吸着しているため、液体２５はポンプ室１３内に貯留され、吐出室１９に移行することはない。その後、図５（Ｂ）に示されるように、ポンプ室１３の上部の弁膜押込部２１Ａを押圧道具（例えば、指先）２２などで押し下げる。指先の代わりに、先端が丸い押圧部材を指で把持し、その押圧部材の丸い先端を弁膜押込部２１Ａに押し当てることもできる。これら以外の押圧道具、例えば、Ｚ軸アクチュエータ又はプッシュ型ソレノイドなども当然使用できる。弁膜送流部２１Ｂは弁座１７の上面と自己吸着しているだけなので、強い圧力を受けると弁膜送流部２１Ｂは弁座１７から浮き上がり隙間２７が生じる。弁膜送流部２１Ｂと弁座１７との間に生じた隙間２７を介してポンプ室１３内の液体２５は吐出室１９から第２のマイクロチャネル１５内に流れ込む。ポンプ室１３上部の弁膜押込部２１Ａを押し下げる力を加減することによりポンプ室１３からの液体の吐出量を自由にリアルタイムで変化させることができる。吐出量は目視により確認しながら変化させることができる。弁膜押込部２１Ａを押し下げるタイミングも任意に選択することができる。ＰＤＭＳ製の型枠２３が下部の第１の基板３と恒久接着しているので、型枠２３と一体成型された弁膜２１は、ずれたりすることなくスムーズに伸縮動作することができる。弁膜押込部２１Ａから指先を外すと弁膜送流部２１Ｂは元の状態に戻り、弁膜送流部２１Ｂは再び弁座１７に自己吸着し、その結果、ポンプ室１３が封止される。図５（Ｃ）に示されるように、入力ポート７に送液チューブ２６を取付け、送液チューブ２６の他端を溶液槽２８に浸漬すれば、弁膜押込部２１Ａを押し下げるたびに、溶液槽２８内の液体２５をポンプ室１３に取り込むことができる。
【００１９】
図６は本発明の簡易式マイクロポンプを有するマイクロ化学チップの別の実施態様の部分概要断面図である。図１のマイクロ化学チップの場合、ポンプ室１３へ液体２５を供給するためには入力ポート７が必要になるが、このため、入力ポート７とポンプ室１３を連通させるためにマイクロチャネル１１も必要になる。このような複雑な構造を避けるために、図４（Ａ）に示されるように、ポンプ室１３を気密構造にし、ポンプ室１３には外部チューブ２９を介して液体２５を直接供給する。外部チューブ２９は型枠２３部分に接着剤３１などにより固着することができる。入力ポート７とポンプ室１３を連通させるためにマイクロチャネル１１が不要になる分だけ、構造が簡単になるばかりか、製造も容易になる。次いで、図４（Ｂ）に示されるように、外部チューブ２９の途中をクリップ３３で緊止してから、ポンプ室１３上部の弁膜押込部２１Ａを押圧道具２２で押し下げる。これにより、ポンプ室１３内の液体２５を効率的に吐出室１９に移行させることができる。この押圧道具２２は、指で把持された先端が丸い棒部材又は上下に昇降可能なＺ軸アクチュエータ或いはプッシュ型ソレノイドの丸みを帯びた先端部などである。ＰＤＭＳマイクロポンプの大きさがマイクロサイズであれば、ピエゾアクチュエータを押圧道具として使用可能であるが、本発明のマイクロ化学チップのようにｍｍオーダーのＰＤＭＳ弁膜を駆動させるには、ピエゾアクチュエータではストロークが小さいため、ステッピングモータを利用したＺ軸上下運動やＤＣソレノイドが好ましい。ＤＣソレノイドは電磁エネルギーを機械的な径位変化に置き換えると同時に、質量エネルギーを得ることが出来、自動制御を得ることができる。プッシュ型ソレノイドを使用すればストロークとしては、２〜２０ｍｍ、ストロークに対する吸引力はおおよそ１０〜３５００ｇであるため、ＰＤＭＳ弁膜押込部の厚さが１〜３ｍｍであっても使用できる。
【００２０】
図７は本発明の簡易式マイクロポンプを有するマイクロ化学チップの製造方法の一例を説明する工程図である。ステップ（Ａ）において、第１の基板３の形状の反転形を有するマスター（鋳型）３５と弁膜構造体の形状の反転形を有するマスター（鋳型）３７を準備する。このようなマスター３５及び３７は常用の光リソグラフィー法により容易に成型することができる。例えば、所望のサイズを有するシリコンウエハ（例えば、４インチウエハ）３９を準備する。シリコンウエハは予め乾燥させたり、表面処理などの所望の前処理を施すこともできる。その後、適当なレジスト材料（例えば、ネガティブフォトレジストＳＵ−８など）を５００ｒｐｍ〜５０００ｒｐｍの回転速度で数秒間〜数十秒間にわたってスピン塗布し、オーブン中で乾燥させ、所望の厚さのレジスト膜を形成する。次いで、このレジスト膜上にマスクを載置し、該マスクを通して、適当な露光装置で露光する。マスクは、製造しようとしている第１の基板及び弁膜構造体２０の形状に対応するレイアウトパターンを有する。その後、適当な現像液（例えば、１−メトキシ−２−プロピル酢酸）中で現像し、上面に第１の基板及び弁膜構造体の微細構造に対応するレジスト突起４１を有するマスター３５及び３７を成型する。所望により、このマスター３５及び３７を有機溶媒（例えば、イソプロピルアルコール）及び蒸留水で洗浄することができる。更に、マスター３５及び３７の表面をフルオロカーボン（ＣＨＦ３）の存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理することができる。このフルオロカーボン存在下の反応性イオンエッチング処理は、後のステップにおいて、マスター３５及び３７からＰＤＭＳ製シートを離型し易くする効果を有する。
【００２１】
ステップ（Ｂ）において、脱気して気泡を除いたＰＤＭＳプレポリマー混合液４３を前記マスター３５及び３７の上面に流し込む。この際、型枠を使用し、鋳込み型とし、その中に前記混合物を流し込んで型取りすることが好ましい。注型後、常温で十分な時間放置するか、又は、例えばオーブン中で６５℃で４時間加熱するか若しくは１００℃で１時間加熱して硬化させ、ＰＤＭＳ製の第１の基板３と弁膜構造体２０を成型させる。ＰＤＭＳプレポリマー混合液としては、例えば、米国のダウ・コーニング社製のSYLGARD 184 SILICONE ELASTOMERが好適に使用できる。これは液状のＰＤＭＳプレポリマーと硬化剤を１０対１の割合で混合するものである。言うまでもなく、これ以外のＰＤＭＳプレポリマー混合液及び／又は混合比率も同様に使用することができる。
【００２２】
ステップ（Ｃ）において、成型された第１の基板３及び弁膜構造体２０をマスター３５及び３７からそれぞれ剥離する。必要に応じて、トリミングなどの整形処理を行うこともできる。
【００２３】
ステップ（Ｄ）において、第１の基板３の弁座１７の上面部分及び弁膜構造体２０の弁膜２１部分を表面改質処理する。この表面改質処理により、弁膜構造体２０の型枠部分２３を恒久接着性とし、弁座１７及び弁膜２１を自己吸着性に変性させる。表面改質処理はエキシマＵＶ光により行うことが好ましい。その他の表面改質処理法も使用できる。所定の形状を有する石英ガラス製のマスク４５を通してＰＤＭＳ表面にエキシマＵＶ光を照射することによりＰＤＭＳ表面を選択的に改質することができる。エキシマＵＶ光照射によりＰＤＭＳ基板表面に水酸基が形成され、その水酸基の作用により恒久接着が達成されるものとされている。自己吸着の場合、ＰＤＭＳシートは比較的容易に剥離可能であるが、恒久接着の場合、剥離は困難であり、無理に剥離させようとすると破けてしまう。従って、恒久接着された型枠部分２３の存在により、自己吸着性の弁膜２１が安定的に動作可能となる。
【００２４】
ステップ（Ｅ）において、第１の基板３を第２の基板５に接着し、次いで、弁膜構造体２０を第１の基板３の所定位置に接着し、図２に示されるようなマイクロ化学チップ１を完成させる。下部の第１の基板３がＰＤＭＳ又はガラス製であり、弁膜構造体２０がＰＤＭＳ製であれば、前記の表面改質処理により、弁膜２１の送流部２１Ｂと弁座１７は自己吸着し、型枠２３は第１の基板３と恒久接着する。恒久接着性の型枠部分２３が無く、自己吸着性の弁膜２１だけだと、使用時に弁膜２１が不意に移動したり、剥離したりして、所定箇所に留め置くことが困難になることがある。
【００２５】
図８は本発明の簡易式マイクロポンプを有するマイクロ化学チップの製造方法の別の例を説明する工程図である。図７に示される製造方法のステップ（Ｄ）において表面改質処理された第１の基板３を第２の基板５に接着させる（ステップＡ）。次いで、型枠２３の接着面をＯ２プラズマ又はエキシマＵＶ光で表面処理する（ステップＢ）。その後、第１の基板３の所定の位置に型枠２３を恒久接着させる（ステップＣ）。次いで、弁膜２１の接着面を表面処理することなく、型枠２３の内側に配置する（ステップＤ）。次いで、型枠２３と弁膜２１との隙間にＰＤＭＳプレポリマー混合液４７を注入器４９で注入し、隙間をシールする（ステップＥ）。その後、この構造物をオーブン中に入れ、ＰＤＭＳプレポリマー混合液４７を硬化させ、型枠２３と弁膜２１とを一体化させて弁膜構造体２０を形成することにより、目的とする本発明のマイクロ化学チップ１を完成させる。
【００２６】
マイクロチャネル１１及び１５の幅及び高さは数百ミクロン程度であり、ポート７及び９の内径は数ミリ程度である。ポンプ室１３及び吐出室１９の容積は用途や使用目的に応じて適宜決定することができる。弁膜２１の厚さは数十ミクロン〜数十ミリ程度であることが好ましい。弁膜２１が薄すぎると押圧した時に簡単に破けてしまい、一方、厚すぎると柔軟性に欠け、ポンプ作用をスムーズに行うことが困難となる。弁膜２１が図３及び図４に示されるような厚さの異なる膜である場合、弁膜押込部２１Ａの厚さ対弁膜送流部２１Ｂの厚さの比率が４：１程度であることが好ましい。型枠２３の幅及び高さは数ミリ〜数十ミリ程度であることが好ましい。型枠２３が十分な幅及び高さを有しないと弁膜２１を保護することが困難となる。型枠２３の存在により弁膜構造体２０を第１の基板に接着させる作業性を大幅に向上させることができるという利点もある。
【実施例１】
【００２７】
（１）第１の基板の製造
先ず、４インチウエハ基板を準備した。プロセスの信頼性を得るために、レジストを使用する前にウエハ基板を洗浄・乾燥する必要があり、本実施例では、ピラニア・エッチング／クリーン（Ｈ２ＳＯ４およびＨ２Ｏ２）処理後、蒸留水でリンスした。その後、シリコンの表面酸化膜を除去するため、ＢＨＦ（バッファード弗酸）に１５分間浸し、蒸留水でリンスした。その後、表面の脱水のため、対流式のオーブン中で６０℃、３０分間程度ベークした。この表面処理済ウエハ上にＳＵ−８ネガティブフォトレジストを１０００ｒｐｍの回転速度で約２５秒間塗布し、溶媒を蒸発させ、膜を高密度化するためにソフトベークを６５℃で３０分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で９０分間（ＳＴＥＰ２）処理した。クーリング後、このレジスト膜上に、所定のパターンを有するマスクを被せ、露光装置（ユニオン光学製 ＰＥＭ−８００）で密着露光した。その後、レジスト膜の露光された部分の架橋を行うため６５℃で１５分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で２５分間（ＳＴＥＰ２）加温し、クーリング後、１−メトキシ−２−プロピル酢酸現像液で現像し、現像後、基板は短時間イソプロピルアルコール(IPA)でリンスした。その後、６５℃で３０分間乾燥後、１５０℃で５分間かけてハードベークし、マスターを完成させた。
このマスターの表面をフルオロカーボン（ＣＨＦ３）の存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理し、表面にＣＨＦ３剥離膜を形成した。マスターの剥離膜形成面上に、ＰＤＭＳプレポリマー混合液として、米国のダウ・コーニング社製のSYLGARD 184 SILICONE ELASTOMERを流し込み、脱気、加温（６５℃、４時間）した。４時間経過後、オーブンから取り出し、図２に示されるようなＰＤＭＳ製の第１の基板３をマスターから剥離した。得られた第１の基板３の厚さは２ｍｍであり、ポート７及び９の内径は何れも２ｍｍであり、マイクロチャネル１１の幅は２００μｍ、高さは２００μｍ、長さは３０ｍｍであり、マイクロチャネル１５の幅は２００μｍ、高さは２００μｍ、長さは３０ｍｍであった。ポンプ室１３は横１５ｍｍ、縦８ｍｍの概ね長方形状であり、吐出室１９は内径２ｍｍの円柱状であった。また、弁座１７の幅は３ｍｍであった。
（２）弁膜構造体の製造
先ず、４インチウエハ基板を準備した。プロセスの信頼性を得るために、レジストを使用する前にウエハ基板を洗浄・乾燥する必要があり、本実施例では、ピラニア・エッチング／クリーン（Ｈ２ＳＯ４およびＨ２Ｏ２）処理後、蒸留水でリンスした。その後、シリコンの表面酸化膜を除去するため、ＢＨＦ（バッファード弗酸）に１５分間浸し、蒸留水でリンスした。その後、表面の脱水のため、対流式のオーブン中で６０℃、３０分間程度ベークした。この表面処理済ウエハ上にＳＵ−８ネガティブフォトレジストを１０００ｒｐｍの回転速度で約２５秒間塗布し、溶媒を蒸発させ、膜を高密度化するためにソフトベークを６５℃で３０分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で９０分間（ＳＴＥＰ２）処理した。クーリング後、このレジスト膜上に、所定のパターンを有するマスクを被せ、露光装置（ユニオン光学製 ＰＥＭ−８００）で密着露光した。その後、レジスト膜の露光された部分の架橋を行うため６５℃で１５分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で２５分間（ＳＴＥＰ２）加温し、クーリング後、１−メトキシ−２−プロピル酢酸現像液で現像し、現像後、基板は短時間イソプロピルアルコール(IPA)でリンスした。その後、６５℃で３０分間乾燥後、１５０℃で５分間かけてハードベークし、マスターを完成させた。
このマスターの表面をフルオロカーボン（ＣＨＦ３）の存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理し、表面にＣＨＦ３剥離膜を形成した。マスターの剥離膜形成面上に、ＰＤＭＳプレポリマー混合液として、米国のダウ・コーニング社製のSYLGARD 184 SILICONE ELASTOMERを流し込み、脱気、加温（６５℃、４時間）した。４時間経過後、オーブンから取り出し、図２に示されるようなＰＤＭＳ製の弁膜構造体２０をマスターから剥離した。この弁膜構造体２０における型枠２３の幅は２ｍｍ、高さは４ｍｍであった。また、弁膜２１の厚さは１ｍｍ、であり、横３０ｍｍ，縦２０ｍｍの広さを有していた。
（３）マイクロ化学チップの製造
前記第１の基板３よりも若干大きいサイズのガラス板を準備した。ガラス板の接着面をエチルアルコールで洗浄し、蒸留水でリンスした。その後、エキシマＵＶ光を照射し、ガラス板接着面の表面酸化物を除去した。このガラス板に前記ＰＤＭＳ製の第１の基板を恒久接着させ、次いで、第１の基板の上面の所定箇所に弁膜構造体を載置し、型枠を恒久接着させ、弁膜を自己吸着させることにより、図１及び図２に示されるようなマイクロ化学チップ１を完成させた。
（４）送液テスト
入力ポート７から赤色に着色された水を送入し、ポンプ室１３を赤色水で満たした。ポンプ室１３の上部の弁膜２１を指先で押圧したところ、ポンプ室１３内の赤色水が弁座１７を越えて吐出室１９に入り、マイクロチャネル１５から出力ポート９に出てくるのが確認された。
【実施例２】
【００２８】
縦５０ｍｍ、横１００ｍｍの石英ガラスを２枚準備し、第１の石英ガラスはフォトリソグラフィーによりレジストを形成した後、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）法でドライエッチングし、深さ１００μｍ、幅２００μｍのマイクロチャネルとなる溝を形成し、ポンプ室部分として縦８ｍｍ、横１５ｍｍの凹状エリアを形成した。第２の石英ガラスには、マイクロチャネルのアクセスポートのＩＮとＯＵＴ、またポンプの弁座とつながるポート及びポンプ室部分エリアをＫｒＦエキシマレーザにより貫通孔形成した。この２枚のガラス基板をＨＦ接合法で接着した。第１の石英ガラスの溝形成面側に第２の石英ガラスを接着させた。ＨＦ接合法とは、室温で石英−石英界面に１wt％のフッ化水素酸を介在させ、チップの上下から０．０４〜１．４ＭＰａの圧力で加圧し、乾燥させることからなる接合法である。
ＰＤＭＳ製の型枠（縦２４ｍｍ、横３４ｍｍ、高さ４ｍｍ、幅２ｍｍ）をＯ２プラズマにより表面改質処理してから、前記のようにして得られたガラス接合体の第２の石英ガラスの上面に恒久接着させた。その後、型枠の内側に、弁膜（縦２０ｍｍ、横３０ｍｍ、送流部の厚さ０．５ｍｍ、押込部の厚さ２ｍｍ）を配置して第２の石英ガラスに自己吸着させた。型枠と弁膜との間をＰＤＭＳプレポリマー混合液でシールした。この構造物をオーブンに入れ、１００℃で３０分間加熱することにより、シール部のＰＤＭＳプレポリマー混合液を重合させ、型枠と弁膜を一体化させた。
出力ポートから赤色に着色された水をマイクロチャネルに送入し、ポンプ室を空の状態のままにした。ポンプ室の上部の弁膜を、先端が丸い押圧道具で押圧したところ、マイクロチャネル内の赤色の液体を出力ポートにまで移動させ押し戻すことができた。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の簡易式マイクロポンプはマイクロ化学チップに限らず、その他のマイクロ流体デバイスにおける流体制御素子としても利用することができる。
本発明の簡易式マイクロポンプを有するマイクロ化学チップは、液体の他に、気体、懸濁液、分散液、微粒子粉体なども移動物体として移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のマイクロ化学チップの一例の概要平面図である。
【図２】図１におけるII-II線に沿った断面図である。
【図３】本発明のマイクロ化学チップの別の例の概要平面図である。
【図４】図３におけるIV-IV線に沿った断面図である。
【図５】図１に示されたマイクロ化学チップにおける簡易式マイクロポンプの動作を説明する概要断面図である。
【図６】本発明の別の実施態様のマイクロ化学チップにおける簡易式マイクロポンプの動作を説明する概要断面図である。
【図７】本発明のマイクロ化学チップの製造方法の一例を説明する工程図である。
【図８】本発明のマイクロ化学チップの製造方法の別の例を説明する工程図である。
【図９】従来のマイクロ化学チップの一例の部分概要斜視図である。
【符号の説明】
【００３１】
１，１Ａ 本発明のマイクロ化学チップ
３ 第１の基板
５ 第２の基板
７ 入力ポート
９ 出力ポート
１１，１５ マイクロチャネル
１３ ポンプ室
１７ 弁座
１９ 吐出室
２０ 弁膜構造体
２１ 弁膜
２２ 指先
２３ 型枠
２５ 液体
２７ 弁膜と弁座との間に生じる隙間
２９ 外部チューブ
３１ 接着剤
３３ クリップ
３５，３７ マスター
３９ シリコンウェハ
４１ レジスト突起
４３ ＰＤＭＳプレポリマー混合液
４５ マスク
４７ ＰＤＭＳプレポリマー混合液
４９ 注入器
１００ 従来のマイクロ化学チップ
１０１ シリコン基板
１０２ マイクロチャネル
１０３，１０４ 入出力ポート
１０５ 対面基板
１０６〜１０８ 分析用構成要素
【技術分野】
【０００１】
本発明は遺伝子解析などの化学／生化学分析などに広く使用されるマイクロ流体制御機構付マイクロ化学チップに関する。更に詳細には、本発明は液体試料を送液するための簡易式マイクロポンプ機構を有する定量採取することができる流体制御機構を有するマイクロ化学チップに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、マイクロスケール・トータル・アナリシス・システムズ（μＴＡＳ）又はラブ・オン・チップ(Lab-on-Chip)などの名称で知られるように、基板内にマイクロチャネルや反応容器及びポートなどの微細構造を設け、該微細構造内で物質の化学反応、合成、精製、抽出、生成及び／又は分析など各種の操作を行うように構成されたマイクロデバイスが提案され、一部実用化されている。このような目的のために製作された、基板内にマイクロチャネル、ポート及び反応容器などの微細構造を有する構造物は総称して「マイクロ化学チップ」と呼ばれる。マイクロ化学チップは遺伝子解析、臨床診断、薬物スクリーニングなどの化学、生化学、薬学、医学、獣医学分野のみならず、化学工業、環境計測などの幅広い用途に使用できる。常用サイズの同種の装置に比べて、マイクロ化学チップは(1)サンプル及び試薬の使用量が著しく少ない、(2)分析時間が短い、(3)感度が高い、(4)現場に携帯し、その場で分析できる、及び(5)使い捨てできるなどの利点を有する。
【０００３】
従来のマイクロ化学チップ１００は、例えば、図９に示されるように、シリコン基板（例えば、ＰＤＭＳ基板）１０１に少なくとも１本のマイクロチャネル１０２が形成されており、このマイクロチャネル１０２の少なくとも一端には入出力ポート１０３，１０４が形成されており、シリコン基板１０１の下面側にガラス基板１０５が接着されている。このガラス基板１０５の存在により、ポート１０３，１０４及びマイクロチャネル１０２の底部が封止される。入出力ポート１０３，１０４の主な用途は、(a)試薬や検体サンプルの注入（分注）、(b)廃液や生成物の取り出し、(c)気体圧力の供給（主に、送液のための正圧や負圧の印加）、(d)大気開放（送液時に発生する内圧の分散や、反応で生じたガスの解放）及び(e)密閉（液体の蒸発防止や故意に内圧を発生させる目的のため）などである。
【０００４】
分析操作を自動化するために、分析に必要な構成要素１０６〜１０８を集積化してシリコン基板１０１及び／又はガラス基板１０５に配設したマイクロ化学チップ１００の開発が試みられている。例えば、ジーメンス(Siemens)社が開発した血液ガス分析用のマイクロ化学チップでは、シリコン基板上に酸素、二酸化炭素、ｐＨセンサの他、参照電極、温度センサ、温度コントローラ、周辺回路が集積化されており、血液サンプリングシステム中に装着した用いられる。また、ＤＮＡ分析を目的として、シリコン基板上にヒータ、温度センサ、蛍光検出用フォトダイオードを集積化した微小システムも開発されている。この微小システムにおいて、必要な構成要素で集積化されていないものは、励起光、圧力源と制御回路などである。
【０００５】
検出系、流体制御素子（例えば、マイクロポンプ及びバルブ）、周辺回路など必要な構成要素全てが同一のシリコン基板上に集積化された高度な微小システムは理想的であるかもしれないが、目的によっては、実用上又は経済上の観点から必ずしも正しいとは言えない。圧力センサ、加速度センサなどの物理センサやガスセンサのように、流体の制御を必要とせず、長期間の繰り返し使用が可能なものについてはシリコン基板上への周辺回路も含めた高度な集積化が進んでいる。しかし、血液などの液体状サンプルを対象とする多くの微小システムでは、血液の凝固やタンパク質の吸着などによる素子特性の劣化が考えられるうえ、洗浄などの煩雑な操作が必要となる。このため、劣化し易いか或いは繰り返し使用が困難な素子と、ISFETやフォトダイオードのように半永久的に使える素子を同一基板上に集積化し、繰り返し使用を行うことは、多くの場合困難か或いは経済的ではない。実用上の観点から、特に繰り返し使用が困難な構成要素を含む微小システムを構築するうえで、どこまでマイクロ化学チップ上に集積化するのかという点については検討を要する。
【０００６】
従来、マイクロ化学チップにおいて微少量の液体を搬送するためのマイクロポンプの主な方式としては、逆止弁を用いる機械的な第１の方式と、逆止弁の代わりに液体の流れる方向により流路抵抗が異なるノズルを用いた第２の方式などがある。第１の方式として、特許文献１には、ダイアフラムを稼働させることでポンプ内の液体を加圧し、この圧力を利用して逆止弁を開閉させて液体を搬送するマイクロポンプが記載されている。また、特許文献２には、圧力室に連通するノズル部に可動バルブを設け、圧電素子を可動バルブを開閉させて液体の流れの方向性を持たせるマイクロポンプが記載されている。更に、第２の方式として、特許文献３には、加圧室に連通するノズル部に突起物を設け、流れの方向により流路抵抗を異ならせることにより、所望の流れの方向とは逆方向への流れを起こり難くし、所望の一方向に液体を搬送することができるマイクロポンプが記載されている。
【０００７】
マイクロポンプを集積化する必要性についても検討の余地がある。シリコン基板（例えば、ＰＤＭＳ基板）をベースにしたものは、構造・プロセス的に複雑なものが多く、使い捨て的な用途に適したものは少ない。また、マイクロポンプを集積化する場合、無視できないスペースを必要とするため、圧電素子など多数の構成要素を微小なスペースに集積化する場合には使用するのが難しい。また、圧電素子などのポンプ駆動源を使用する場合、駆動回路や駆動プログラムが必要となる。更に、圧電素子でポンプ動作を行わせる場合、吐出量はプログラムされた量に限定され、吐出量を変化させる場合には圧電素子の駆動プログラムを変更しなければならず面倒である。従って、圧電素子でポンプ動作を行わせる場合、吐出量を自由自在にリアルタイムに変化させることは困難である。また、マイクロ化学チップの廃棄に伴い、チップ上に集積化された圧電素子も廃棄されることとなり、極めて不経済である。従って、送液が必要となる微小システムでは、現在でも外部のマイクロシリンジポンプ、ベリスタポンプが用いられており、送液機構の集積化にまで至っているマイクロ化学チップはそれほど多くはない。マイクロポンプなどの送液機構を集積化するのであれば、構造、プロセス、動作の単純化が重要な鍵となる。
【０００８】
【特許文献１】特許第３０２０４８８号公報
【特許文献２】特許第３２０２６４３号公報
【特許文献３】特開平１０−１１０６８１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従って、本発明の目的は、圧電素子などの高価で複雑なポンプ駆動源を使用せずに簡単にポンプ動作を行うことができる簡易式マイクロポンプ駆動部を集積化したマイクロ化学チップを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記課題を解決するための手段として請求項１に係る発明は、第１の基板と、該第１の基板の一方の面側に接着される第２の基板とからなり、前記第１の基板又は第２の基板の少なくも何れか一方にマイクロチャネルが形成されているマイクロ化学チップにおいて、前記第１の基板に、上部が大気に開口したポンプ室と、弁座と、上部が大気に開口した吐出室とが形成されており、前記ポンプ室と弁座と吐出室とを覆う弁膜構造体が前記第１の基板上面に積重されており、前記弁膜構造体は外周部の型枠と該型枠内側の弁膜とからなり、前記吐出室は前記マイクロチャネルに連通していることを特徴とするマイクロ化学チップである。
【００１１】
このマイクロ化学チップによれば、ポンプ室上部の弁膜を適当な押圧手段（例えば、指先、アクチュエータ、ソレノイドなど）で押圧することにより、陽圧（正圧）又は陰圧（負圧）の何れの状態も創り出すことができる。例えば、ポンプ室内を液体で満たした状態でポンプ室上部の弁膜を押圧すると、ポンプ室内の液体をマイクロチャネルに流し出すことができる。特に、マイクロチャネル容積を小さくし、ポンプ室容積を大きくするれば、脈流を起こすことなく、マイクロチャネル内に液体を流すことが出来る。一方、マイクロチャネル内に液体が満たされ、反対にポンプ室内が空の状態でポンプ室上部の弁膜を押圧した後に押圧を解除するとポンプ室内が負圧状態になり、マイクロチャネル内の液体をポンプ室内に引き込むことができる。、
【００１２】
前記課題を解決するための手段として請求項２に係る発明は、前記第１の基板がポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）又はガラスから形成されており、前記弁膜構造体がＰＤＭＳから形成されており、前記弁膜構造体の型枠部分が第１の基板と恒久接着しており、弁膜部分が弁座と自己吸着していることを特徴とする請求項１記載のマイクロ化学チップである。
【００１３】
このマイクロ化学チップによれば、弁膜構造体の型枠部分が第１の基板と恒久接着し、弁膜部分が弁座と自己吸着しているので、弁膜構造体自体を第１の基板上に安定的に位置させることができるばかりか、弁膜をスムーズに動作させることができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のマイクロ化学チップにおけるマイクロポンプは簡易式であり、特別な電気素子又は機械要素を全く内蔵しないので、マイクロ化学チップを安価に製造することができるばかりか、チップそのものを簡素化することができる。従って、使い捨てのマイクロ化学チップとして最適である。第１の基板の形成材料にＰＤＭＳ又はガラスを使用することにより、ＰＤＭＳ製弁膜構造体の型枠をＰＤＭＳ製又はガラス製の第１の基板と恒久接着させ、弁膜構造体の弁膜をＰＤＭＳ製又はガラス製の第１の基板の弁座と自己吸着させることができる。その結果、弁膜構造体を第１の基板上に集積化できるばかりか、弁膜を安定的に伸縮動作させることが可能となる。また、弁膜の押込部を外部から適当な押圧手段で制御することができ、弁膜の押込部を押し下げる力を加減することによりポンプ室からの液体の吐出量又はポンプ室への液体の吸引量を自由にリアルタイムで変化させることができる。吐出量又は吸引量は目視により確認しながら任意に変化させることができるばかりか、弁膜の押込部を押し下げるタイミングも任意に選択することができる。更に、本発明のマイクロポンプは気体を送出又は吸引することもできる。例えば、マイクロチャネル内の液体を所望の位置にまで送るか又は引き込もうとする場合、本発明のマイクロポンプで空気を送るか又は引くことにより、マイクロチャネル内の圧力を正圧又は負圧にすることができ、その結果、マイクロチャネル内の液体を所望の位置にまで移動させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、図面を参照しながら本発明の簡易式マイクロポンプを集積化したマイクロ化学チップについて具体的に説明する。図１は本発明のマイクロ化学チップの一例の概要平面図である。図２は図１におけるII-II線に沿った断面図である。本発明のマイクロ化学チップ１は、第１の基板３とこの第１の基板３の下面側に接着される、第２の基板５とからなる。第１の基板３には、液体を供給するための入力ポート７と、液体を排出するための出力ポート９が配設されている。入力ポート７は第１のマイクロチャネル１１を介してポンプ室１３に連通している。出力ポート９は第２のマイクロチャネル１５の一端に連通している。弁座１７に隣接して吐出室１９が配設されている。従って、ポンプ室１３と吐出室１９は弁座１７により遮断されている。第２のマイクロチャネル１５の他端は吐出室１９に連通している。ポンプ室１３、弁座１７及び吐出室１９を覆うのに必要十分な広さを有する弁膜構造体２０が第１の基板３の上面に配設されている。弁膜構造体２０は弁膜２１を有する。弁膜２１は、ポンプ室１３上部部分に対応する押込部２１Ａと、弁座１７及び吐出室１９上部部分に対応する送流部２１Ｂとからなる。弁膜２１の周囲には型枠２３を一体的に設けることが好ましい。弁膜２１及び型枠２３が何れもＰＤＭＳから形成されている場合、型枠２３を下部の第１の基板３と恒久接着させ、弁膜２１を第１の基板３と自己吸着させることにより、弁膜２１をスムーズに動作させることができる。図２ではマイクロチャネル１５及び１１が第１の基板３側に形成されているが、第２の基板５側に形成することもできる。
【００１６】
第１の基板３の形成材料はＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）などのシリコーン樹脂又はガラス（例えば、石英ガラス）からなり、第２の基板５の形成材料はガラス（例えば、石英ガラス）又はシリコンからなり、弁膜構造体２０はＰＤＭＳからなることが好ましい。第１の基板３及び第２の基板５がガラス同士の場合、フッ化水素接合させることにより基板同士を恒久接着させることができ、第１の基板３がガラスで、第２の基板５がシリコンの場合、陽極接合させることにより基板同士を恒久接着させることができ、第１の基板３がＰＤＭＳであり、第２の基板がＰＤＭＳ又はガラスの場合、接着面をＯ２プラズマ処理することにより基板同士を恒久接着させることができる。
【００１７】
図３は本発明のマイクロ化学チップの別の例の概要平面図であり、図４は図３におけるIV-IV線に沿った断面図である。図１及び図２に示されたマイクロ化学チップ１では、弁膜２１の厚さが押込部２１Ａ及び送流部２１Ｂとも同一の厚さを有するが、図３及び図４に示されるマイクロ化学チップ１Ａでは、弁膜２０のうち、押込部２１Ａの膜厚が送流部２１Ｂの膜厚よりも厚いことである。押込部２１Ａを厚くすると、送流部２１Ｂの膜の動きが一層スムーズになる。
【００１８】
図５は、本発明のマイクロ化学チップ１における簡易式マイクロポンプの動作を説明する概要断面図である。先ず、図５（Ａ）に示されるように、入力ポート７から液体２５を送入し、ポンプ室１３を液体２５で満たす。弁膜２１が弁座１７に自己吸着しているため、液体２５はポンプ室１３内に貯留され、吐出室１９に移行することはない。その後、図５（Ｂ）に示されるように、ポンプ室１３の上部の弁膜押込部２１Ａを押圧道具（例えば、指先）２２などで押し下げる。指先の代わりに、先端が丸い押圧部材を指で把持し、その押圧部材の丸い先端を弁膜押込部２１Ａに押し当てることもできる。これら以外の押圧道具、例えば、Ｚ軸アクチュエータ又はプッシュ型ソレノイドなども当然使用できる。弁膜送流部２１Ｂは弁座１７の上面と自己吸着しているだけなので、強い圧力を受けると弁膜送流部２１Ｂは弁座１７から浮き上がり隙間２７が生じる。弁膜送流部２１Ｂと弁座１７との間に生じた隙間２７を介してポンプ室１３内の液体２５は吐出室１９から第２のマイクロチャネル１５内に流れ込む。ポンプ室１３上部の弁膜押込部２１Ａを押し下げる力を加減することによりポンプ室１３からの液体の吐出量を自由にリアルタイムで変化させることができる。吐出量は目視により確認しながら変化させることができる。弁膜押込部２１Ａを押し下げるタイミングも任意に選択することができる。ＰＤＭＳ製の型枠２３が下部の第１の基板３と恒久接着しているので、型枠２３と一体成型された弁膜２１は、ずれたりすることなくスムーズに伸縮動作することができる。弁膜押込部２１Ａから指先を外すと弁膜送流部２１Ｂは元の状態に戻り、弁膜送流部２１Ｂは再び弁座１７に自己吸着し、その結果、ポンプ室１３が封止される。図５（Ｃ）に示されるように、入力ポート７に送液チューブ２６を取付け、送液チューブ２６の他端を溶液槽２８に浸漬すれば、弁膜押込部２１Ａを押し下げるたびに、溶液槽２８内の液体２５をポンプ室１３に取り込むことができる。
【００１９】
図６は本発明の簡易式マイクロポンプを有するマイクロ化学チップの別の実施態様の部分概要断面図である。図１のマイクロ化学チップの場合、ポンプ室１３へ液体２５を供給するためには入力ポート７が必要になるが、このため、入力ポート７とポンプ室１３を連通させるためにマイクロチャネル１１も必要になる。このような複雑な構造を避けるために、図４（Ａ）に示されるように、ポンプ室１３を気密構造にし、ポンプ室１３には外部チューブ２９を介して液体２５を直接供給する。外部チューブ２９は型枠２３部分に接着剤３１などにより固着することができる。入力ポート７とポンプ室１３を連通させるためにマイクロチャネル１１が不要になる分だけ、構造が簡単になるばかりか、製造も容易になる。次いで、図４（Ｂ）に示されるように、外部チューブ２９の途中をクリップ３３で緊止してから、ポンプ室１３上部の弁膜押込部２１Ａを押圧道具２２で押し下げる。これにより、ポンプ室１３内の液体２５を効率的に吐出室１９に移行させることができる。この押圧道具２２は、指で把持された先端が丸い棒部材又は上下に昇降可能なＺ軸アクチュエータ或いはプッシュ型ソレノイドの丸みを帯びた先端部などである。ＰＤＭＳマイクロポンプの大きさがマイクロサイズであれば、ピエゾアクチュエータを押圧道具として使用可能であるが、本発明のマイクロ化学チップのようにｍｍオーダーのＰＤＭＳ弁膜を駆動させるには、ピエゾアクチュエータではストロークが小さいため、ステッピングモータを利用したＺ軸上下運動やＤＣソレノイドが好ましい。ＤＣソレノイドは電磁エネルギーを機械的な径位変化に置き換えると同時に、質量エネルギーを得ることが出来、自動制御を得ることができる。プッシュ型ソレノイドを使用すればストロークとしては、２〜２０ｍｍ、ストロークに対する吸引力はおおよそ１０〜３５００ｇであるため、ＰＤＭＳ弁膜押込部の厚さが１〜３ｍｍであっても使用できる。
【００２０】
図７は本発明の簡易式マイクロポンプを有するマイクロ化学チップの製造方法の一例を説明する工程図である。ステップ（Ａ）において、第１の基板３の形状の反転形を有するマスター（鋳型）３５と弁膜構造体の形状の反転形を有するマスター（鋳型）３７を準備する。このようなマスター３５及び３７は常用の光リソグラフィー法により容易に成型することができる。例えば、所望のサイズを有するシリコンウエハ（例えば、４インチウエハ）３９を準備する。シリコンウエハは予め乾燥させたり、表面処理などの所望の前処理を施すこともできる。その後、適当なレジスト材料（例えば、ネガティブフォトレジストＳＵ−８など）を５００ｒｐｍ〜５０００ｒｐｍの回転速度で数秒間〜数十秒間にわたってスピン塗布し、オーブン中で乾燥させ、所望の厚さのレジスト膜を形成する。次いで、このレジスト膜上にマスクを載置し、該マスクを通して、適当な露光装置で露光する。マスクは、製造しようとしている第１の基板及び弁膜構造体２０の形状に対応するレイアウトパターンを有する。その後、適当な現像液（例えば、１−メトキシ−２−プロピル酢酸）中で現像し、上面に第１の基板及び弁膜構造体の微細構造に対応するレジスト突起４１を有するマスター３５及び３７を成型する。所望により、このマスター３５及び３７を有機溶媒（例えば、イソプロピルアルコール）及び蒸留水で洗浄することができる。更に、マスター３５及び３７の表面をフルオロカーボン（ＣＨＦ３）の存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理することができる。このフルオロカーボン存在下の反応性イオンエッチング処理は、後のステップにおいて、マスター３５及び３７からＰＤＭＳ製シートを離型し易くする効果を有する。
【００２１】
ステップ（Ｂ）において、脱気して気泡を除いたＰＤＭＳプレポリマー混合液４３を前記マスター３５及び３７の上面に流し込む。この際、型枠を使用し、鋳込み型とし、その中に前記混合物を流し込んで型取りすることが好ましい。注型後、常温で十分な時間放置するか、又は、例えばオーブン中で６５℃で４時間加熱するか若しくは１００℃で１時間加熱して硬化させ、ＰＤＭＳ製の第１の基板３と弁膜構造体２０を成型させる。ＰＤＭＳプレポリマー混合液としては、例えば、米国のダウ・コーニング社製のSYLGARD 184 SILICONE ELASTOMERが好適に使用できる。これは液状のＰＤＭＳプレポリマーと硬化剤を１０対１の割合で混合するものである。言うまでもなく、これ以外のＰＤＭＳプレポリマー混合液及び／又は混合比率も同様に使用することができる。
【００２２】
ステップ（Ｃ）において、成型された第１の基板３及び弁膜構造体２０をマスター３５及び３７からそれぞれ剥離する。必要に応じて、トリミングなどの整形処理を行うこともできる。
【００２３】
ステップ（Ｄ）において、第１の基板３の弁座１７の上面部分及び弁膜構造体２０の弁膜２１部分を表面改質処理する。この表面改質処理により、弁膜構造体２０の型枠部分２３を恒久接着性とし、弁座１７及び弁膜２１を自己吸着性に変性させる。表面改質処理はエキシマＵＶ光により行うことが好ましい。その他の表面改質処理法も使用できる。所定の形状を有する石英ガラス製のマスク４５を通してＰＤＭＳ表面にエキシマＵＶ光を照射することによりＰＤＭＳ表面を選択的に改質することができる。エキシマＵＶ光照射によりＰＤＭＳ基板表面に水酸基が形成され、その水酸基の作用により恒久接着が達成されるものとされている。自己吸着の場合、ＰＤＭＳシートは比較的容易に剥離可能であるが、恒久接着の場合、剥離は困難であり、無理に剥離させようとすると破けてしまう。従って、恒久接着された型枠部分２３の存在により、自己吸着性の弁膜２１が安定的に動作可能となる。
【００２４】
ステップ（Ｅ）において、第１の基板３を第２の基板５に接着し、次いで、弁膜構造体２０を第１の基板３の所定位置に接着し、図２に示されるようなマイクロ化学チップ１を完成させる。下部の第１の基板３がＰＤＭＳ又はガラス製であり、弁膜構造体２０がＰＤＭＳ製であれば、前記の表面改質処理により、弁膜２１の送流部２１Ｂと弁座１７は自己吸着し、型枠２３は第１の基板３と恒久接着する。恒久接着性の型枠部分２３が無く、自己吸着性の弁膜２１だけだと、使用時に弁膜２１が不意に移動したり、剥離したりして、所定箇所に留め置くことが困難になることがある。
【００２５】
図８は本発明の簡易式マイクロポンプを有するマイクロ化学チップの製造方法の別の例を説明する工程図である。図７に示される製造方法のステップ（Ｄ）において表面改質処理された第１の基板３を第２の基板５に接着させる（ステップＡ）。次いで、型枠２３の接着面をＯ２プラズマ又はエキシマＵＶ光で表面処理する（ステップＢ）。その後、第１の基板３の所定の位置に型枠２３を恒久接着させる（ステップＣ）。次いで、弁膜２１の接着面を表面処理することなく、型枠２３の内側に配置する（ステップＤ）。次いで、型枠２３と弁膜２１との隙間にＰＤＭＳプレポリマー混合液４７を注入器４９で注入し、隙間をシールする（ステップＥ）。その後、この構造物をオーブン中に入れ、ＰＤＭＳプレポリマー混合液４７を硬化させ、型枠２３と弁膜２１とを一体化させて弁膜構造体２０を形成することにより、目的とする本発明のマイクロ化学チップ１を完成させる。
【００２６】
マイクロチャネル１１及び１５の幅及び高さは数百ミクロン程度であり、ポート７及び９の内径は数ミリ程度である。ポンプ室１３及び吐出室１９の容積は用途や使用目的に応じて適宜決定することができる。弁膜２１の厚さは数十ミクロン〜数十ミリ程度であることが好ましい。弁膜２１が薄すぎると押圧した時に簡単に破けてしまい、一方、厚すぎると柔軟性に欠け、ポンプ作用をスムーズに行うことが困難となる。弁膜２１が図３及び図４に示されるような厚さの異なる膜である場合、弁膜押込部２１Ａの厚さ対弁膜送流部２１Ｂの厚さの比率が４：１程度であることが好ましい。型枠２３の幅及び高さは数ミリ〜数十ミリ程度であることが好ましい。型枠２３が十分な幅及び高さを有しないと弁膜２１を保護することが困難となる。型枠２３の存在により弁膜構造体２０を第１の基板に接着させる作業性を大幅に向上させることができるという利点もある。
【実施例１】
【００２７】
（１）第１の基板の製造
先ず、４インチウエハ基板を準備した。プロセスの信頼性を得るために、レジストを使用する前にウエハ基板を洗浄・乾燥する必要があり、本実施例では、ピラニア・エッチング／クリーン（Ｈ２ＳＯ４およびＨ２Ｏ２）処理後、蒸留水でリンスした。その後、シリコンの表面酸化膜を除去するため、ＢＨＦ（バッファード弗酸）に１５分間浸し、蒸留水でリンスした。その後、表面の脱水のため、対流式のオーブン中で６０℃、３０分間程度ベークした。この表面処理済ウエハ上にＳＵ−８ネガティブフォトレジストを１０００ｒｐｍの回転速度で約２５秒間塗布し、溶媒を蒸発させ、膜を高密度化するためにソフトベークを６５℃で３０分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で９０分間（ＳＴＥＰ２）処理した。クーリング後、このレジスト膜上に、所定のパターンを有するマスクを被せ、露光装置（ユニオン光学製 ＰＥＭ−８００）で密着露光した。その後、レジスト膜の露光された部分の架橋を行うため６５℃で１５分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で２５分間（ＳＴＥＰ２）加温し、クーリング後、１−メトキシ−２−プロピル酢酸現像液で現像し、現像後、基板は短時間イソプロピルアルコール(IPA)でリンスした。その後、６５℃で３０分間乾燥後、１５０℃で５分間かけてハードベークし、マスターを完成させた。
このマスターの表面をフルオロカーボン（ＣＨＦ３）の存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理し、表面にＣＨＦ３剥離膜を形成した。マスターの剥離膜形成面上に、ＰＤＭＳプレポリマー混合液として、米国のダウ・コーニング社製のSYLGARD 184 SILICONE ELASTOMERを流し込み、脱気、加温（６５℃、４時間）した。４時間経過後、オーブンから取り出し、図２に示されるようなＰＤＭＳ製の第１の基板３をマスターから剥離した。得られた第１の基板３の厚さは２ｍｍであり、ポート７及び９の内径は何れも２ｍｍであり、マイクロチャネル１１の幅は２００μｍ、高さは２００μｍ、長さは３０ｍｍであり、マイクロチャネル１５の幅は２００μｍ、高さは２００μｍ、長さは３０ｍｍであった。ポンプ室１３は横１５ｍｍ、縦８ｍｍの概ね長方形状であり、吐出室１９は内径２ｍｍの円柱状であった。また、弁座１７の幅は３ｍｍであった。
（２）弁膜構造体の製造
先ず、４インチウエハ基板を準備した。プロセスの信頼性を得るために、レジストを使用する前にウエハ基板を洗浄・乾燥する必要があり、本実施例では、ピラニア・エッチング／クリーン（Ｈ２ＳＯ４およびＨ２Ｏ２）処理後、蒸留水でリンスした。その後、シリコンの表面酸化膜を除去するため、ＢＨＦ（バッファード弗酸）に１５分間浸し、蒸留水でリンスした。その後、表面の脱水のため、対流式のオーブン中で６０℃、３０分間程度ベークした。この表面処理済ウエハ上にＳＵ−８ネガティブフォトレジストを１０００ｒｐｍの回転速度で約２５秒間塗布し、溶媒を蒸発させ、膜を高密度化するためにソフトベークを６５℃で３０分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で９０分間（ＳＴＥＰ２）処理した。クーリング後、このレジスト膜上に、所定のパターンを有するマスクを被せ、露光装置（ユニオン光学製 ＰＥＭ−８００）で密着露光した。その後、レジスト膜の露光された部分の架橋を行うため６５℃で１５分間（ＳＴＥＰ１）、９５℃で２５分間（ＳＴＥＰ２）加温し、クーリング後、１−メトキシ−２−プロピル酢酸現像液で現像し、現像後、基板は短時間イソプロピルアルコール(IPA)でリンスした。その後、６５℃で３０分間乾燥後、１５０℃で５分間かけてハードベークし、マスターを完成させた。
このマスターの表面をフルオロカーボン（ＣＨＦ３）の存在下で反応性イオンエッチングシステムにより処理し、表面にＣＨＦ３剥離膜を形成した。マスターの剥離膜形成面上に、ＰＤＭＳプレポリマー混合液として、米国のダウ・コーニング社製のSYLGARD 184 SILICONE ELASTOMERを流し込み、脱気、加温（６５℃、４時間）した。４時間経過後、オーブンから取り出し、図２に示されるようなＰＤＭＳ製の弁膜構造体２０をマスターから剥離した。この弁膜構造体２０における型枠２３の幅は２ｍｍ、高さは４ｍｍであった。また、弁膜２１の厚さは１ｍｍ、であり、横３０ｍｍ，縦２０ｍｍの広さを有していた。
（３）マイクロ化学チップの製造
前記第１の基板３よりも若干大きいサイズのガラス板を準備した。ガラス板の接着面をエチルアルコールで洗浄し、蒸留水でリンスした。その後、エキシマＵＶ光を照射し、ガラス板接着面の表面酸化物を除去した。このガラス板に前記ＰＤＭＳ製の第１の基板を恒久接着させ、次いで、第１の基板の上面の所定箇所に弁膜構造体を載置し、型枠を恒久接着させ、弁膜を自己吸着させることにより、図１及び図２に示されるようなマイクロ化学チップ１を完成させた。
（４）送液テスト
入力ポート７から赤色に着色された水を送入し、ポンプ室１３を赤色水で満たした。ポンプ室１３の上部の弁膜２１を指先で押圧したところ、ポンプ室１３内の赤色水が弁座１７を越えて吐出室１９に入り、マイクロチャネル１５から出力ポート９に出てくるのが確認された。
【実施例２】
【００２８】
縦５０ｍｍ、横１００ｍｍの石英ガラスを２枚準備し、第１の石英ガラスはフォトリソグラフィーによりレジストを形成した後、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）法でドライエッチングし、深さ１００μｍ、幅２００μｍのマイクロチャネルとなる溝を形成し、ポンプ室部分として縦８ｍｍ、横１５ｍｍの凹状エリアを形成した。第２の石英ガラスには、マイクロチャネルのアクセスポートのＩＮとＯＵＴ、またポンプの弁座とつながるポート及びポンプ室部分エリアをＫｒＦエキシマレーザにより貫通孔形成した。この２枚のガラス基板をＨＦ接合法で接着した。第１の石英ガラスの溝形成面側に第２の石英ガラスを接着させた。ＨＦ接合法とは、室温で石英−石英界面に１wt％のフッ化水素酸を介在させ、チップの上下から０．０４〜１．４ＭＰａの圧力で加圧し、乾燥させることからなる接合法である。
ＰＤＭＳ製の型枠（縦２４ｍｍ、横３４ｍｍ、高さ４ｍｍ、幅２ｍｍ）をＯ２プラズマにより表面改質処理してから、前記のようにして得られたガラス接合体の第２の石英ガラスの上面に恒久接着させた。その後、型枠の内側に、弁膜（縦２０ｍｍ、横３０ｍｍ、送流部の厚さ０．５ｍｍ、押込部の厚さ２ｍｍ）を配置して第２の石英ガラスに自己吸着させた。型枠と弁膜との間をＰＤＭＳプレポリマー混合液でシールした。この構造物をオーブンに入れ、１００℃で３０分間加熱することにより、シール部のＰＤＭＳプレポリマー混合液を重合させ、型枠と弁膜を一体化させた。
出力ポートから赤色に着色された水をマイクロチャネルに送入し、ポンプ室を空の状態のままにした。ポンプ室の上部の弁膜を、先端が丸い押圧道具で押圧したところ、マイクロチャネル内の赤色の液体を出力ポートにまで移動させ押し戻すことができた。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明の簡易式マイクロポンプはマイクロ化学チップに限らず、その他のマイクロ流体デバイスにおける流体制御素子としても利用することができる。
本発明の簡易式マイクロポンプを有するマイクロ化学チップは、液体の他に、気体、懸濁液、分散液、微粒子粉体なども移動物体として移動させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明のマイクロ化学チップの一例の概要平面図である。
【図２】図１におけるII-II線に沿った断面図である。
【図３】本発明のマイクロ化学チップの別の例の概要平面図である。
【図４】図３におけるIV-IV線に沿った断面図である。
【図５】図１に示されたマイクロ化学チップにおける簡易式マイクロポンプの動作を説明する概要断面図である。
【図６】本発明の別の実施態様のマイクロ化学チップにおける簡易式マイクロポンプの動作を説明する概要断面図である。
【図７】本発明のマイクロ化学チップの製造方法の一例を説明する工程図である。
【図８】本発明のマイクロ化学チップの製造方法の別の例を説明する工程図である。
【図９】従来のマイクロ化学チップの一例の部分概要斜視図である。
【符号の説明】
【００３１】
１，１Ａ 本発明のマイクロ化学チップ
３ 第１の基板
５ 第２の基板
７ 入力ポート
９ 出力ポート
１１，１５ マイクロチャネル
１３ ポンプ室
１７ 弁座
１９ 吐出室
２０ 弁膜構造体
２１ 弁膜
２２ 指先
２３ 型枠
２５ 液体
２７ 弁膜と弁座との間に生じる隙間
２９ 外部チューブ
３１ 接着剤
３３ クリップ
３５，３７ マスター
３９ シリコンウェハ
４１ レジスト突起
４３ ＰＤＭＳプレポリマー混合液
４５ マスク
４７ ＰＤＭＳプレポリマー混合液
４９ 注入器
１００ 従来のマイクロ化学チップ
１０１ シリコン基板
１０２ マイクロチャネル
１０３，１０４ 入出力ポート
１０５ 対面基板
１０６〜１０８ 分析用構成要素
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の基板と、該第１の基板の一方の面側に接着される第２の基板とからなり、前記第１の基板又は第２の基板の少なくも何れか一方にマイクロチャネルが形成されているマイクロ化学チップにおいて、前記第１の基板に、上部が大気に開口したポンプ室と、弁座と、上部が大気に開口した吐出室とが形成されており、前記ポンプ室と弁座と吐出室とを覆う弁膜構造体が前記第１の基板上面に積重されており、前記弁膜構造体は外周部の型枠と該型枠内側の弁膜とからなり、前記吐出室は前記マイクロチャネルに連通していることを特徴とするマイクロ化学チップ。
【請求項２】
前記第１の基板がポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）又はガラスから形成されており、前記弁膜構造体がＰＤＭＳから形成されており、前記弁膜構造体の型枠部分が第１の基板と恒久接着しており、弁膜部分が弁座と自己吸着していることを特徴とする請求項１記載のマイクロ化学チップ。
【請求項１】
第１の基板と、該第１の基板の一方の面側に接着される第２の基板とからなり、前記第１の基板又は第２の基板の少なくも何れか一方にマイクロチャネルが形成されているマイクロ化学チップにおいて、前記第１の基板に、上部が大気に開口したポンプ室と、弁座と、上部が大気に開口した吐出室とが形成されており、前記ポンプ室と弁座と吐出室とを覆う弁膜構造体が前記第１の基板上面に積重されており、前記弁膜構造体は外周部の型枠と該型枠内側の弁膜とからなり、前記吐出室は前記マイクロチャネルに連通していることを特徴とするマイクロ化学チップ。
【請求項２】
前記第１の基板がポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）又はガラスから形成されており、前記弁膜構造体がＰＤＭＳから形成されており、前記弁膜構造体の型枠部分が第１の基板と恒久接着しており、弁膜部分が弁座と自己吸着していることを特徴とする請求項１記載のマイクロ化学チップ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２００６−２１２４７３（Ｐ２００６−２１２４７３Ａ）
【公開日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２４８４１（Ｐ２００５−２４８４１）
【出願日】平成１７年２月１日（２００５．２．１）
【出願人】（００００００５２７）ペンタックス株式会社 (1,878)
【出願人】（５０２３３８４５４）フルイドウェアテクノロジーズ株式会社 (11)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月１７日（２００６．８．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月１日（２００５．２．１）
【出願人】（００００００５２７）ペンタックス株式会社 (1,878)
【出願人】（５０２３３８４５４）フルイドウェアテクノロジーズ株式会社 (11)
【Ｆターム（参考）】
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