マイクロ流体デバイスおよびその製造方法
【課題】微少量の流体(おもに液体)をマイクロポンプなどの送液手段を必要としないで、効率的に安定して供給でき、小型で一体構造内に複雑な３次元流路を簡便に作製できるマイクロ流体デバイスおよびその製造方法を提供する。
【解決手段】このマイクロ流体デバイス１は、積層されたシート状部材２〜５で構成され、各シート状部材２〜５は多孔質材に充填材が充填されて流体が透過できない流体非透過部２Ａ,２Ｂ,２Ｃ,３Ａ,３Ｂ,３Ｃ,４Ａ,４Ｂ,５Ａ,５Ｂと、多孔質材からなり流体が通過可能な領域である流路６〜１１とを有する。流路６〜１１が多孔質材で形成されているので、この流路の多孔質構造内の毛管流動によって流体が移動する。よって、気泡などによって流路が閉塞することなく、微少量の流体に対してもマイクロポンプなどの送液手段を必要としないで、効率的に安定して流体を搬送,供給することができる。
【解決手段】このマイクロ流体デバイス１は、積層されたシート状部材２〜５で構成され、各シート状部材２〜５は多孔質材に充填材が充填されて流体が透過できない流体非透過部２Ａ,２Ｂ,２Ｃ,３Ａ,３Ｂ,３Ｃ,４Ａ,４Ｂ,５Ａ,５Ｂと、多孔質材からなり流体が通過可能な領域である流路６〜１１とを有する。流路６〜１１が多孔質材で形成されているので、この流路の多孔質構造内の毛管流動によって流体が移動する。よって、気泡などによって流路が閉塞することなく、微少量の流体に対してもマイクロポンプなどの送液手段を必要としないで、効率的に安定して流体を搬送,供給することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、微小な流量の流体を搬送でき、また、上記流体の流量を制御できるマイクロ流体デバイスおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流体デバイスは、微小な流路、反応槽、分離機構などを有し、微少量の流体を搬送できる化学的および生物学的物質を混合し、反応させ、検出・測定することができることから、例えば、特許文献１(特開２００４−９３５５８号公報)に開示されているような微小分析デバイスや化学的・物理化学的な微小反応デバイス(マイクロリアクター)としての使用が検討されている。
【０００３】
通常、マイクロ流体デバイスは、シリコン、ガラス、またはポリマーなどの基板が使用され、エッチングなどの微細加工手段によって微細溝が形成されている。このような微細な流路で形成されたマイクロ流路デバイスを稼働させるためには、特許文献１に記載されるように、マイクロシリンジ微量送液ポンプなどの送液手段が必要となる不便さがあった。
【０００４】
一方、特許文献２(特表２００３−５０３７１５号公報)には、送液ポンプなのどの外力によらず、毛管流動で流体搬送できる微細化流路の集合を用いるマイクロ流体デバイスが開示されている。
【０００５】
しかし、特許文献２に記載のマイクロ流体デバイスでは、流路部に微細形状を形成する微細加工が必要になる。また、流路の分岐させたり合流させたりする複雑な３次元構造のマイクロ流路をマイクロ流体デバイスの一体構造内に作製することは困難であるので、マイクロ流路デバイスとして望ましい機能を実現しにくい課題があった。
【特許文献１】特開２００４−９３５５８号公報
【特許文献２】特表２００３−５０３７１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、この発明の課題は、微少量の流体(おもに液体)をマイクロポンプなどの送液手段を必要としないで、効率的に安定して供給でき、小型で一体構造内に複雑な３次元流路を簡便に作製できるマイクロ流体デバイスおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、この発明のマイクロ流体デバイスは、流体が通過可能な多孔質材で形成されている貫通した流路を少なくとも１つ有する複数の積層部材を備え、
上記複数の積層部材は積層されており、上記積層方向に隣接する複数の積層部材の複数の上記流路が連通しており、上記連通している複数の流路が少なくとも１つの連通流路を構成しており、
上記連通流路は、上記積層方向の一端の上記積層部材に形成された上記少なくとも１つの流路を含み、
上記積層部材は、
上記流路に隣接していると共に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部を有することを特徴としている。
【０００８】
この発明のマイクロ流体デバイスによれば、流路が多孔質材で形成されているので、この流路の多孔質構造内の毛管流動によって流体が移動する。よって、気泡などによって流路が閉塞することなく、微少量の流体に対してもマイクロポンプなどの送液手段を必要としないで、効率的に安定して流体を搬送,供給することができる。
【０００９】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスでは、上記複数の積層部材のうちの少なくとも１つの積層部材の流路の積層方向の透過係数は、
上記複数の積層部材のうちの他の積層部材の流路の積層方向の透過係数とは異なっている。
【００１０】
この実施形態によれば、積層方向の透過係数の大きな流路では、ポート(上記積層方向の一端の積層部材に形成された流路)から導入された流体(一例としてのメタノールや水)を、積層方向の透過係数の小さな流路に比べて、よりすばやく次層の多孔質の流路へ導入できる。また、上記積層方向の透過係数の大きな流路から上記ポートへ流体が逆流することを防止する効果もある。
【００１１】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスでは、上記複数の積層部材のうちの少なくとも１つの積層部材の流路の積層方向と直交する方向の透過係数は、
上記複数の積層部材のうちの他の積層部材の流路の積層方向と直交する方向の透過係数とは異なっている。
【００１２】
この実施形態によれば、上記積層方向と直交する方向の透過係数が大きな積層部材では、上記積層方向と直交する方向の透過係数が小さな積層部材に比べて、多孔質の流路に導入された流体を素早く多孔質の流路全体に行き渡らせて効率良く混合できる。
【００１３】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスでは、上記複数の積層部材のうちの少なくとも１つの積層部材が有する少なくとも１つの流路は、上記流体の透過量を調整するための透過量調整材が充填されている。
【００１４】
この実施形態によれば、上記複数の積層部材の流路が同一の多孔質材で形成されていても、流路に上記透過量調整材を充填することで、透過量や逆流量の調整が可能になる。また、流路に上記透過量調整材を充填することで、メタノールと水のように、透過し易さの異なる流体を透過させる場合でも、水とメタノールの流量差を減らすように調整したり、多孔質の流路内のメタノール濃度を所定の濃度以下に調整したりすることができる。
【００１５】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスでは、上記流路内の流体を引き込んで反応場となる部材が上記連通流路内に配置されている。
【００１６】
この実施形態によれば、上記連通流路を通して反応場に流体を導入して改質反応などの化学反応をさせることが可能となる。
【００１７】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスでは、配線を除いて上記複数の積層部材が構成する一体構造体内に封じ込められたヒータ部材を備える。
【００１８】
この実施形態によれば、マイクロ流体デバイス全体を小型化できるだけでなく、上記ヒータ部材によって必要な所だけを局所的に加熱することができるので、加熱が不必要な他の積層部材や充填材として耐熱性の低い材料を採用することも可能となる。
【００１９】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスでは、上記積層方向に隣接する２つの積層部材の流体非透過部が接合している接合領域に上記充填材が充填されている。
【００２０】
この実施形態によれば、上記流体非透過部が接合している接合領域に上記充填材が充填されたことで、流体が上記連通流路や上記反応場となる部材以外の部分を通過することを防いで、上記複数の積層部材が構成する一体構造体内に導入された流体を上記連通流路や上記反応場となる部材へ確実に導入できる。よって、流体が未反応でポートから排出されるのを抑制して、供給された流体を効率よく反応させることができる。
【００２１】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスでは、上記反応場となる部材とこの反応場となる部材に隣接している上記積層部材との間に上記充填材が充填されている。
【００２２】
この実施形態によれば、流体が上記反応場となる部材以外の部分を通過することを防いで、上記流体を上記反応場となる部材へ確実に導入でき、効率よく反応させることができる。
【００２３】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスの製造方法では、転写用基板の凸部に充填材を含む材料層を形成し、
上記充填材を含む材料層が形成された転写用基板の上記凸部を、流体の通過可能な多孔質材で形成されている多孔質部材に重ね合わせて、上記充填材を含む材料を上記多孔質部材に転写し、上記凸部が重ね合わされた上記多孔質部材の領域に上記充填材を充填して、上記領域を上記流体が通過できない流体非透過部とすると共に、上記流体非透過部に隣接していて上記流体が通過可能な流路を形成し、
上記流路と流体非透過部が形成された上記多孔質部材を複数積層して、上記複数の多孔質部材の流路が連通している少なくとも１つの連通流路を備えた実質的に一体構造の積層構造体を形成する。
【００２４】
この実施形態によれば、流体の通過可能な多孔質材で形成されている多孔質部材の流体非通過部とする部分に充填材を充填して上記流体非通過部と流体が通過できる流路とを同時に形成する。したがって、基板に形成した流路溝に多孔質材を詰め込んで多孔質構造の流路を形成する場合と比較して、多孔質構造の流路とこの流路を画定する壁面(流体非通過部)との間に隙間が生じることを回避できる。よって、流体が多孔質の流路と流路壁の界面との隙間を通って多孔質材の透過係数以上に透過してしまうことがなく、多孔質材の透過係数でもって流体の透過を安定して制御できるマイクロ流体デバイスを作製できる。
【００２５】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスの製造方法では、上記充填材を含む材料層が形成された材料基板の上記材料層に、転写用基板の凸部を押し付けて、上記凸部に上記充填材を含む材料を転写し、上記転写用基板の凸部に上記充填材を含む材料層を形成する。
【００２６】
この実施形態によれば、転写用基板の凸部のみに充填材を含む材料層を容易に形成することができる。
【００２７】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスの製造方法では、上記充填材を含む材料層が形成された転写用基板の上記凸部を、流体の通過可能な多孔質材で形成されている多孔質部材に重ね合わせて、上記充填材を含む材料を上記多孔質部材に転写するときに、アニールによって上記充填材を上記多孔質部材に含浸させる。
【００２８】
この実施形態によれば、上記アニールによって上記充填材を上記多孔質部材内に含浸させるので、上記充填材を多孔質部材内に十分行き渡らせることができ、流路からの流体の漏れを確実に抑えることができる。
【００２９】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスの製造方法では、上記流路と流体非透過部が形成された上記多孔質部材を複数積層し、アニールによって上記流体非透過部の上記充填材を隣接する２つの多孔質部材間の接合領域に含浸させることにより、上記複数の多孔質部材を貼り合わせる。
【００３０】
この実施形態によれば、上記アニールによって上記充填材を多孔質部材間の界面に含浸させることができて上記多孔質部材同士の接合部の接合を強固にできると共に、上記多孔質部材の界面に沿って流体が漏れることを抑制できる。
【００３１】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスの製造方法では、上記多孔質部材に形成された上記流路と流体非透過部のうちの上記流体非透過部上に上記充填材を含む材料層を上記流体非透過部の厚さよりも薄く形成してから、上記多孔質部材を複数積層し、上記アニールによって上記流体非透過部の上記充填材を隣接する２つの多孔質部材間の接合領域に含浸させる。
【００３２】
この実施形態によれば、上記アニールによって上記充填材を多孔質部材間の界面に確実に含浸させることができて上記多孔質部材同士の接合部の接合をより強固にできると共に、上記多孔質部材の界面に沿って流体が漏れることを確実に抑制できる。
【００３３】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスの製造方法では、上記流体の透過量を調整するための透過量調整材を含む材料層が形成された透過量調整材転写用基板を、上記流路と流体非透過部とが形成された上記多孔質部材に重ね合わせて、上記多孔質部材の上記流路と流体非透過部のうちの上記流路に上記透過量調整材を充填する。
【００３４】
この実施形態によれば、上記多孔質部材内の上記流路に上記透過量調整材を充填するので、上記透過量調整材でもって上記流路の透過量や逆流量を調整できる。
【００３５】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスの製造方法では、上記流路内の流体を引き込んで反応場となる部材もしくはヒータ部材のうちの少なくとも一方を、隣り合う２つの上記多孔質部材間に封入するように、上記流路と流体非透過部が形成された上記多孔質部材を複数積層する。
【００３６】
この実施形態によれば、反応場となる部材もしくはヒータ部材を隣り合う２つの多孔質部材間に封入するので、反応場での化学反応をさせることができ、また、ヒータ部材による加熱による反応の促進を図れるマイクロ流体デバイスを作製できる。
【発明の効果】
【００３７】
この発明のマイクロ流体デバイスによれば、流路が多孔質材で形成されているので、この流路の多孔質構造内の毛管流動によって流体が移動する。よって、気泡などによって流路が閉塞することなく、微少量の流体に対してもマイクロポンプなどの送液手段を必要としないで、効率的に安定して流体を搬送,供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３９】
なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。また、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、この発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、この発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。
【００４０】
(第１の実施の形態)
図１Ａと図１Ｂは、この発明の第１実施形態に係るマイクロ流体デバイスの１例を示す平面図と断面図である。
【００４１】
図１Ａ,図１Ｂに示すように、この第１実施形態に係るマイクロ流体デバイス１は、流体が通過可能な多孔質構造の積層部材としてのシート状部材２、３、４、５を積層した実質的な一体構造を有するマイクロ流体デバイスである。
【００４２】
上記シート状部材２は、多孔質材からなり流体が通過可能な領域である流路６と流路７と、この流路６,７に隣接していて上記多孔質材に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部２Ａ,２Ｂ,２Ｃを有している。また、シート状部材３は、多孔質材からなり流体が通過可能な領域である流路８と流路９と、この流路８,９に隣接していて上記多孔質材に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部３Ａ,３Ｂ,３Ｃを有している。
【００４３】
また、シート状部材４は、多孔質材からなり流体が通過可能な領域である流路１０と、この流路１０に隣接していて上記多孔質材に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部４Ａ,４Ｂを有している。また、シート状部材５は、多孔質材からなり流体が通過可能な領域である流路であるポート１１と、このポート１１に隣接していて上記多孔質材に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部５Ａ,５Ｂを有している。
【００４４】
このように、各シート状部材２〜５は、上記多孔質材に充填材が充填されている流体非透過部によって、各流路６〜１１が画定されている。
【００４５】
図１Ｂに示すように、シート状部材２の流路６はポートをなし、このポートをなす流路６はシート状部材３の流路８に連通している。このシート状部材３の流路８はシート状部材４の流路１０に連通している。また、上記流路１０はシート状部材５の流路１１に連通している。この流路１１はポートをなす。また、シート状部材２のポートをなす流路７はシート状部材３の流路９に連通し、この流路９はシート状部材４の流路１０に連通している。上記流路６〜１１は、シート状部材２〜５からなる一体構造の積層体を貫通した連通流路としての３次元マイクロ流路をなす。
【００４６】
また、この第１実施形態では、各シート状部材２〜５の界面にも上記流路６〜１１の領域を除いて、上記充填材が充填されている。
【００４７】
この実施形態のマイクロ流体デバイス１によれば、一例として、メタノールと水を微少量においても効率的に混合し、マイクロポンプなどの送液手段を必要としないで、下記の式(１)に示す水蒸気改質反応を引き起こして水素ガスを生成するための装置(図示せず)に安定して供給することができる。上記水蒸気改質反応を行う装置では、通常２００℃から３００℃程度の温度で式(１)に示す水蒸気改質反応が促進される。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ３Ｈ２＋ＣＯ２ … (１)
【００４８】
このマイクロ流体デバイス１では、たとえばメタノールはポート(流路)６へ供給され、水はポート(流路)７へ供給される。そして、各ポート６,７が有する多孔質構造の吸収力によってポート６内へメタノールが導入され、ポート７内へ水が導入される。上記ポート６へ導入されたメタノールは多孔質構造の吸収力によって多孔質構造の流路８に導入され、上記ポート７へ導入された水は多孔質構造の吸収力によって多孔質構造の流路９に導入される。
【００４９】
そして、上記多孔質構造の流路８に導入されたメタノールと上記多孔質構造の流路９に導入された水は、多孔質構造の吸収力によりシート状部材４の多孔質の流路１０内に導入され、上記多孔質の流路１０内で混合される。この多孔質の流路１０内で混合されたメタノールと水は、多孔質構造の流路１１へ導入され、この流路１１から上記水蒸気改質反応を行う装置へ導出される。
【００５０】
上記マイクロ流体デバイス１において、上記メタノール,水は、全て、流路６〜１１における多孔質構造内の毛管流動によって移動するので、気泡などによって各流路６〜１１が閉塞することがない。よって、上記マイクロ流体デバイス１によれば、上記メタノールと水とを、ポンプなどの送液手段を用いることなく、安定して効率良く混合できる。さらに、上記流路６〜１１は、連通流路として３次元マイクロ流路を形成しているので、平面的な流路レイアウトの流路デバイスに比べて微小な領域での液体の混合が可能となる。
【００５１】
この実施形態において、各シート状部材２、３、４、５を構成する多孔質材,充填材のうちの上記多孔質材としては、例えば、多孔質シリコン、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属、さらにポリイミド、アクリル系などの多孔質樹脂などの耐薬品性を備えた多孔質材が使用可能である。ここで、上記多孔質材の多孔質構造としては、流体の毛管流動を誘起する構造であればよく、繊維構造であってもよい。また、各シート状部材２、３、４、５を構成する多孔質材,充填材のうちの上記充填材としては、ＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)、アクリル系、ポリイミド系などの樹脂を用いることができる。
【００５２】
この実施形態における典型的な一例では、シート状部材２〜５の厚さは、３０μｍから２００μｍ程度で、上記充填材の充填領域である流体非透過部２Ａ〜２Ｃ,３Ａ〜３Ｃ,４Ａ,４Ｂ,５Ａ,５Ｂによって画定される透過領域である流路６〜１１の幅は、例えば１０μｍから２００μｍ程度である。なお、本発明においては、上記通過領域の幅は、シート状部材の拡散速度や厚さなどによって相対的に決まることから、特にサイズを上述の値に限定するものではない。また、各流路の幅は必ずしも互いに同じでなくてもよい。また、本発明は流路の本数やレイアウトを図１Ａ,図１Ｂに示す形態に限定するものでは無いことは勿論で、複数のポートや流路を並列して配置してもよい。さらには、これらの流路が分岐しても良いことは言うまでもない。
【００５３】
上記一体構造に積層された多孔質構造のシート状部材２〜５のうちの少なくとも一つは、積層方向の透過係数が他のシート状部材２〜５と異なるものを用いてもよい。例えば、図１に示すマイクロ流体デバイス１において、シート状部材３を構成する多孔質材として、シート状部材２を構成する多孔質材よりも積層方向の透過係数の大きな材料を用いてもよい。この場合、ポート６に吸収されたメタノールおよびポート７に吸収された水を、ポート６,７内におけるよりも速やかにシート状部材３の多孔質の流路８,９内へ導入することができとと共に、多孔質の流路８,９からポート６,７への逆流防止に効果がある。
【００５４】
ここで、上記場合において、上記シート状部材３の多孔質材は、シート状部材２の多孔質材よりも透過し易い材料であればよく、多孔質構造の透過係数や平均孔径などは、シート状部材２の多孔質材に応じて相対的に決まるものであり、特に限定されない。例えば、シート状部材２の多孔質材として膜厚が３０μｍ程度で、多孔質材の平均孔径が０.０１μｍ程度のものを用いた場合、シート状部材３の多孔質材は、ガーレー試験機法により透気度を測定した場合に例えばシート状部材２の透過係数に対して一桁程度低い透過係数となることが好ましい。
【００５５】
また、一体構造に積層された多孔質構造のシート状部材２〜５のうちの少なくとも一つは、上記積層方向と直交する平面に沿った方向の透過係数が他のシート状部材と異なるものを用いてもよい。例えば、図１に示す実施形態において、シート状部材４の多孔質材として、シート状部材３の多孔質材よりも上記平面に沿った方向の透過係数の大きな材料を用いてもよい。この場合、多孔質材からなる流路８から多孔質材からなる流路１０に導入されたメタノール、および多孔質材の流路９から多孔質材の流路１０に導入された水を、多孔質の流路１０全体にすばやく行き渡らせることができる。よって、メタノールと水を効率よく混合させることができる。上記場合において、上記シート状部材４の多孔質材は、シート状部材３の多孔質材よりも上記平面に沿った方向に透過し易い材料であればよい。このシート状部材４の多孔質構造の透過係数や平均孔径などは、シート状部材３に応じて相対的に決まるものであり、特に限定されない。例えば、透気度を測定した場合に、シート状部材４の多孔質材の上記平面に沿った方向の透過係数がシート状部材３の多孔質材の上記平面に沿った方向の透過係数に対して、例えば一桁から二桁程度大きい数値となることが好ましい。
【００５６】
また、シート状部材３側からシート状部材４の多孔質の流路１０に、メタノールと水をすばやく吸収し、また、メタノールと水がシート状部材３側へ逆流するのを防止するためには、シート状部材４の多孔質材の積層方向の透過係数がシート状部材３の多孔質材の積層方向の透過係数よりも大きいほうが好ましい。さらに、多孔質の流路１０内でメタノールと水の混合を均一に行うためには、シート状部材５の出口側のポート１１の積層方向の透過係数が、シート状部材４の多孔質の流路１０の積層方向の透過係数よりも小さい方が好ましい。これにより、多孔質の流路１０内からのメタノールと水の排出をポート１１の透過速度で制限することができる。よって、多孔質の流路１０に導入されたメタノールと水を多孔質の流路１０内に、一旦、十分に充満させてから、ポート１１から排出させることができ、多孔質の流路１０内の混合物の均一性を高めることが可能となる。
【００５７】
また、一体構造に積層された多孔質構造のシート状部材２〜５のうちの少なくとも一つに、上記通過可能領域をなす流路６〜１１に、上記メタノール,水の透過量を調整するための透過量調整材を充填してもよい。例えば、図１に示す実施形態において、シート状部材３の多孔質の流路８および９に上記透過量調整材を充填することで、上記流路８および９を透過する水やメタノールの量を少なくすることができるとともに、流路８,９からポート６,７へメタノール,水が逆流するのを防止する効果をさらに強めることができる。このように、上記透過量調整材を流路６〜１１のうちの少なくともいずれか１つに充填することで、各シート部材２〜５が同じ多孔質構造の多孔質材で構成されていても、各シート部材２〜５の各流路６〜１１の透過量や逆流量を調整可能になる。
【００５８】
また、図１Ａ,図１Ｂに示す実施形態において、シート状部材３の多孔質材の流路９はそのままで、多孔質の流路８のみに上記透過量調整材を充填することで、流路９を透過する水の量はほとんど変えずに、流路８を透過するメタノールの量のみを少なく抑制することができる。この場合、メタノールと水のように透過しやすさの異なる流体を透過させる場合においても、水とメタノールの流量差を軽減するように調整したり、多孔質の流路１０内のメタノール濃度を所定の濃度以下に調整したりすることができる。
【００５９】
ここで、上記透過量調整材としては、例えば、ポリイミド、ＰＴＦＥ、アクリル系などの樹脂を用いることができ、透過させる流体に対して、化学的に安定な材料であれば採用可能である。
【００６０】
(第２の実施の形態)
次に、図２Ａ,図２Ｂを参照して、この発明のマイクロ流体デバイスの第２実施形態を説明する。図２Ａは、この第２実施形態のマイクロ流体デバイス３４の平面図であり、図２Ｂは、上記マイクロ流体デバイス３４の断面図である。
【００６１】
図２Ａ,図２Ｂに示すように、この第２実施形態に係るマイクロ流体デバイス３４は、流体が通過可能な多孔質構造の積層部材としてのシート状部材２２、２３、２４、２５を積層した実質的な一体構造を有するマイクロ流体デバイスである。
【００６２】
上記シート状部材２２は、多孔質材からなり流体が通過可能な領域である流路２６と流路２７と、この流路２６,２７に隣接していて上記多孔質材に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部２２Ａ,２２Ｂ,２２Ｃを有している。なお、上記流路２６と２７はポートをなす。また、シート状部材２３は、多孔質材からなり流体が通過可能な領域である流路である流路２８と流路２９と、この流路２８,２９に隣接していて上記多孔質材に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部２３Ａ,２３Ｂ,２３Ｃを有している。
【００６３】
また、シート状部材２４は、多孔質材からなり流体が通過可能な領域である流路３０と、この流路３０に隣接していて上記多孔質材に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部２４Ａ,２４Ｂを有している。また、シート状部材２５は、多孔質材からなり流体が通過可能な領域である流路であるポート３１と、このポート３１に隣接していて上記多孔質材に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部２５Ａ,２５Ｂを有している。このように、各シート状部材２２〜２５は、上記多孔質材に充填材が充填されている流体非透過部によって、各流路２６〜３１が画定されている。
【００６４】
さらに、このマイクロ流体デバイス３４では、上記シート状部材２４と２５との間に、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂとマイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂとが配設されている。この反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂとマイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂとは、上記流路３０とポート３１との間に位置しており、上記一体構造内に封じ込められている。なお、図２Ａにおいて、３６Ａ,３６Ｂは、マイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂへの配線である。
【００６５】
よって、この第２実施形態では、各シート状部材２２〜２５の多孔質構造の流体通過可能領域をなす流路２６,２８,３０が積層方向に接続し、また、流路２７,２９,３０が積層方向に接続している。さらに、流路３０は、上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂを介して、ポート３１へ連通している。これにより、このマイクロ流体デバイス３４は、出入り口をなすポート２６,２７,３１から連通した３次元のマイクロ流路が一体構造内に形成されたマイクロ流体デバイスとなっている。
【００６６】
また、この第２実施形態では、前述の第１実施形態と同様、各シート状部材２２〜２５の界面にも上記流路２６〜３１の領域を除いて、上記充填材が充填されている。また、この第２実施形態において、上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂは、流体としてのメタノール,水が通過可能な材質あるいは構造のものが用いられている。また、上記マイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂは、上記流体としてのメタノール,水を透過しない耐熱性,耐薬品性のすぐれた材料でコートされていることが好ましい。
【００６７】
この第２実施形態において、メタノールをポート２６へ供給し、水をポート２７へ供給すると、このメタノール,水はそれぞれ多孔質構造の吸収力によってシート状部材２２のポート２６,２７内へ導入される。上記ポート２６へ導入されたメタノールはシート状部材２３の多孔質構造の流路２８の吸収力によって多孔質の流路２８に導入され、上記ポート２７へ導入された水は、シート状部材２３の多孔質構造の流路２９の吸収力によって多孔質の流路２９に導入される。
【００６８】
そして、上記流路２８からのメタノールと上記流路２９からの水とが、多孔質構造の吸収力によりシート状部材２４の多孔質の流路３０内に導入されて混合される。これらの流路２６〜３０の全てにおいて、多孔質構造内の毛管流動によって流体としてのメタノール,水が移動するため、気泡などによって流路２６〜３０が閉塞することがない。よって、上記メタノールと水を、ポンプなどの送液手段を用いることなく、流路３０に安定して効率良く供給して混合させることができる。
【００６９】
さらに、多孔質の流路３０内で混合されたメタノールと水は、多孔質の流路３０から反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂへ浸透する。この反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂは、マイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂにより加熱されている。よって、上記メタノールと水の混合物が、上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂ内を通過する際にメタノールの改質反応が促進される。反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂ内で生成した水素および二酸化炭素は、多孔質の流路３０内よりも圧力の低いポート３１側に排出される。
【００７０】
この実施形態のマイクロ流体デバイス３４によれば、上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂにおいて、上記メタノールと水の混合物から、前述の式(１)に示す水蒸気改質反応を引き起こして水素ガスを生成する。すなわち、この第２実施形態によれば、マイクロポンプなどの送液手段を必要とすることなく、メタノールと水を微少量においても流路３０から反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂへ効率的に安定に供給して混合し、改質反応により水素ガスを生成することができる。さらに、この実施形態では、上記３次元のマイクロ流路構造を有するので、平面的な流路レイアウトの流路デバイスに比べて微小な領域で水素ガスの生成が可能となる。
【００７１】
この実施形態において、シート状部材２２,２３,２４,２５としては、例えば、多孔質シリコン、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、多孔質ポリイミド樹脂など、耐薬品性を備えた多孔質材が使用可能である。また、各シート状部材２２〜２５を構成する多孔質材における多孔質構造は、流体の毛管流動を誘起する構造であればよく、繊維構造であってもよい。この実施形態における典型的な例では、上記シート状部材２２〜２５の厚さは、３０μｍから２００μｍ程度で、上記充填材の充填領域によって画定される透過領域つまり流路２６〜３１の幅は、例えば１０μｍから２００μｍ程度である。尚、本発明においては、通過領域である各流路の幅は、シート状部材の拡散速度や厚さなどによって相対的に決まるものであり、特にサイズを上記寸法に限定されるものではなく、必ずしも互いに同じでなくてもよい。なお、上記充填材としては、アクリル系、ポリイミド系などの樹脂を用いることができる。
【００７２】
また、上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂとしては、たとえば、多孔質シリコン、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属など、耐薬品性を備えた多孔質材が使用可能である。もっとも、上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂの材質としては、特に上記材質に限定されるものではなく、多孔質の流路３０からの流体を引き込み得るような孔径の多孔質材であって、反応熱等による温度上昇に耐え得る耐熱性を有するものあればよい。この実施形態における典型的な例では、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂとして、平均孔径が数μｍから数１０μｍ程度の多孔質カーボン焼結体が用いられている。
【００７３】
また、上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂの表面には、改質触媒が形成されていてもよい。この改質触媒は、メタノールおよび水に対して化学反応を促進する作用を有し、メタノールおよび水から水素および二酸化炭素を生成する機能を有するものである。
【００７４】
さらに、この実施形態においては、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂは、多孔質の流路３０よりも上記メタノールと水の混合物を透過しにくい方がよい。例えば、ガーレー試験機法により透気度を測定した場合に、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂの透気度は、多孔質の流路３０の透気度よりも一桁から二桁程度低い数値となることが好ましい。これにより、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂでは、多孔質の流路３０から導入されたメタノールの排出が抑制される。よって、メタノールと水が多孔質の流路３０内に均一に充満し、多孔質の流路３０から反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂの全体に均一にメタノールと水の混合物を供給できる。なお、多孔質の流路３０内に上記混合物が均一に充満していない場合には、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂへの上記混合物の供給が著しく不均一になりやすい。
【００７５】
なお、上記マイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂは、必ずしも図２Ａ,図２Ｂに示すようにシート状部材２２〜２５の一体構造に内蔵されていなくてもよい。すなわち、マイクロ流体デバイス３４の一体構造の全体を外部から加熱することも可能である。もっとも、図２Ａ,図２Ｂに示すように、マイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂを上記一体構造に内蔵することで、デバイス全体を小型化できるだけでなく、必要な箇所だけを局所的に加熱することができ、他のシート状部材や充填材に耐熱性の低い材料を採用することも可能となる。
【００７６】
さらに、上記シート状部材２４と２５との界面、上記反応場となる部材３７Ａと上記シート状部材２４との界面、上記反応場となる部材３７Ｂと上記シート状部材２５との界面のうちの少なくとも１つに上記充填材を充填してもよい。また、上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂとマイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂとの界面に上記充填材を充填してもよい。上記充填材の充填によって、上記メタノールと水の混合物が上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂの周囲のシート状部材２４,２５やマイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂとの間の隙間を通過することを防止できる。よって、上記多孔質の流路３０からの混合物が上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂ内を通過せずに上記隙間を通過してポート３１側に排出されることを防止できる。したがって、上記流路３０からの上記混合物が未反応のままでポート３１から排出されることを抑制でき、上記混合物を上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂに確実に供給して効率よく反応させることができる。
【００７７】
なお、上記第１,第２実施形態では、流体がメタノール,水である一例を説明したが、上記流体としては、他の液体であってもよく、気体、固液混相流体、気液混相流体等でもよい。
【００７８】
(第３の実施の形態)
次に、図３Ａ〜図３Ｃおよび図４Ａ,図４Ｂを参照して、この発明の第３実施形態としてのマイクロ流体デバイスの製造方法を説明する。図３Ａ〜図３Ｃは、本発明のマイクロ流体デバイスを構成する積層部材１４を作製する工程を示す工程断面図であり、上記積層部材１４は、上述の第１実施形態のマイクロ流体デバイスのシート状部材２もしくはシート状部材３に相当している。また、図４Ａは、図３Ａ〜図３Ｃと同様の工程で作製した第１実施形態のシート状部材２,３およびシート状部材４,５を示す平面図であり、図４Ｂは、図４Ａのシート状部材２〜５を積層して一体構造としたマイクロ流体デバイスを示す断面図である。
【００７９】
このマイクロ流体デバイスの製造方法では、図３Ａに示すように、多孔質材で形成されている多孔質部材としての多孔質構造のシート状部材１４上に、転写用基板１２を配置する。この転写用基板１２は、上記凸部１２Ａ,１２Ｂ,１２Ｃを有し、この凸部１２Ａ〜１２Ｃに充填材を含む材料層１３が積層されている。上記凸部１２Ａ〜１２Ｃは、上記多孔質構造のシート状部材１４に上記充填材を充填すべき領域に上記材料層１３を転写できるようにパターニングされている。
【００８０】
次に、図３Ｂに示すように、上記転写用基板１２の上記材料層１３が積層された凸部１２Ａ,１２Ｂ,１２Ｃを上記シート状部材１４の流体非透過部１４Ａ,１４Ｂ,１４Ｃとする領域に重ね合わせてプレスする。これにより、上記材料層１３の充填材を含む材料が上記シート状部材１４に転写され、図３Ｃに示すように、上記領域に上記充填材が充填されて上記流体非透過部１４Ａ,１４Ｂ,１４Ｃが形成される。また、上記流体非透過部１４Ａ,１４Ｂ,１４Ｃに隣接していて流体が通過可能な流路１６,１７が形成される。
【００８１】
この実施形態によれば、多孔質のシート状部材１４に、充填材を充填して、流路１６,１７と流体非透過部１４Ａ〜１４Ｃを形成している。したがって、この実施形態の製造方法では、基板に形成した流路溝に多孔質材を詰め込むことによって多孔質構造の流路を形成する場合と異なり、多孔質構造の流路とこの流路を画定する壁面との間に隙間を生じない。よって、流体が多孔質材からなる流路１６,１７と流路壁との界面の隙間を通って多孔質材の透過係数以上に透過してしまうことがなく、多孔質材の透過係数で流体の透過を安定して制御できる。
【００８２】
シート状部材１４を構成する多孔質材としては、すでに述べたように、多孔質シリコン、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、多孔質ポリイミド樹脂が使用可能である。ここでは、上記多孔質材として、平均孔径０.０５μｍ、厚さ３０μｍ程度の多孔質ポリイミド樹脂を使用する場合の条件の一例を説明する。上記充填材を含む材料層１３としては、塗布し易いように溶剤に溶かしたアクリル系樹脂を用いた。また、材料層１３の膜厚を約５０μｍとした。上記充填材を含む材料層１３の膜厚は、シート状部材１４の膜厚に応じて設定するので、上記値に限定するものではないが、シート状部材１４の膜厚の１倍から３倍程度とするのがよい。上記材料層１３の膜厚が小さ過ぎると、シート状部材１４内に十分充填できなくなる。逆に、上記材料層１３の膜厚が大き過ぎると、充填される領域１４Ａ〜１４Ｃが厚さ方向と直交する平面に沿った方向に広がりすぎて、流体の透過可能領域である流路１６および１７を狭くし過ぎてしまう。
【００８３】
また、上記実施形態において、図３Ｂに示すように、転写用基板１２を多孔質構造のシート状部材１４に重ね合わせて、充填材を含む材料層１３を転写用基板１２から多孔質構造のシート状部材１４に転写し、流体非透過部１４Ａ〜１４Ｃとする領域に上記充填材を充填する行程において、アニールによって上記充填材を上記多孔質構造内に含浸させることが好ましい。上記アニールすることで、プレスのみで上記充填材を含む材料層１３を上記領域に転写する場合に比べて、充填材をシート状部材１４の多孔質構造内に十分行き渡らせることができ、流路１６,１７からの流体の漏れを確実に抑制できる。
【００８４】
上記アニール条件については、例えば、８０℃から１２０℃程度の温度で１０分から６０分程度アニールすれば、ポリイミドの多孔質構造内に上記充填材を十分に含浸させることができる。アニール温度やアニール時間は、シート状部材１４の膜厚や平均孔径、上記充填材の粘性などに依存するので、これに限定するものではないが、本実施形態の条件においては、上記アニール温度が８０℃以下では充填材を含む材料を塗布するために用いた溶剤が十分揮発せず、シート状部材１４内での充填材の固着が不十分になる虞がある。また、上記アニール温度が１２０℃以上では、シート状部材１４内での上記充填材を含む材料の拡散が速く、微細な流路パターンへの適用が困難になる虞がある。充填材の拡散を抑制し、確実にシート状部材１４内に充填材を固着させるためには、３０分程度の時間をかけて徐々に温度を上げ１００℃以上の温度で１０分程度アニールするとよい。
【００８５】
次に、図４Ａの平面図に、上述の図３Ａ〜図３Ｂと同様の工程で作製した第１実施形態のシート状部材２,３,４,５を示す。このシート状部材２〜５を位置合わせして積層し、図４Ｂに示すように、実質的に一体構造のマイクロ流体デバイス１を形成できる。
【００８６】
上記位置合わせして積層してから、好ましくはアニールを行う。このアニールを行うことによって、シート状部材２,３,４,５内の充填材がシート状部材２,３,４,５間の界面にも含浸させられる。これにより、上記界面に充填材含浸領域２１ａ,２１ｃ,２１ｂを形成することができる。よって、図４Ｂに示すように、シート状部材２,３,４,５同士が接合されると共に、シート状部材２〜５間の界面に沿って流体が漏れることを抑制できる。
【００８７】
次に、図５Ａ〜図５Ｃの工程断面図を参照して、図３Ａに示す転写用基板１２の製造方法の一例を説明する。まず、図５Ａに示すように、充填材を含む材料層５３が表面に形成された基板５２を用意し、この基板５２の材料層５３に対向するように、凸部１２Ａ〜１２Ｃを有する転写用基板１２を配置する。次に、図５Ｂに示すように、上記転写用基板１２の凸部１２Ａ〜１２Ｃを上記基板５２上の充填材を含む材料層５３に押し付ける。これにより、図５Ｃに示すように、上記転写用基板１２の凸部１２Ａ〜１２Ｃに上記充填材を含む材料層１３を積層することができる。このようにして、上記転写用基板１２の凸部１２Ａ〜１２Ｃのみに上記充填材を含む材料層１３を容易に形成できる。
【００８８】
なお、上記基板５２は、特に材料を限定するものではないが、フレキシブルで平坦性の高いものを用いるのが望ましい。ここでは、ＰＥＴ(ポリエチレンテレフタレート)シートを用いた。ＰＥＴは柔軟性があるので、転写用基板１２から基板２２を剥がし易くなる。また、ＰＥＴは平坦性が高いので、充填材を含む材料層５３がＰＥＴシートの基板５２から剥がれ易くなる。これにより、転写用基板１２に転写された充填材を含む材料層１３の膜厚を十分に確保できる。
【００８９】
さらに、この第３実施形態の製造方法では、図６Ａ〜図６Ｄの工程断面図を参照して説明する以下の工程を有することが好ましい。すなわち、図６Ａの工程断面図に示すように、充填材を含む材料層６８が凸部６６Ａに積層された転写用基板６６を、上記シート状部材５に対向配置させ、図６Ｂに示すように、上記転写用基板６６の凸部６６Ａの上記充填材を含む材料層６８を上記シート状部材５の流体非透過部５Ａ,５Ｂに重ね合わせて押し付ける。これにより、図６Ｃに示すように、上記シート状部材５の流体非透過部５Ａ,５Ｂとポート１１のうちの上記流体非透過部５Ａ,５Ｂ上だけに上記充填材を含む材料層６８を薄く転写させる。そして、図６Ｄに示すように、上記充填材を含む材料層６８が流体非透過部５Ａ,５Ｂ上に薄く積層された上記シート状部材５に上記シート状部材４を重ね合わせることで、シート状部材４とシート状部材５との間の界面に上記充填材を含む材料層６８による充填材含浸領域７０を形成できる。これにより、シート状部材５の流体非透過部５Ａ,５Ｂとシート状部材４の流体非透過部４Ａ,４Ｂとの接合をより強固にできると共に、シート状部材４とシート状部材５との界面に沿って流体(メタノール,水等)が漏れることを確実に抑制できる。なお、上記シート状部材４，３にもシート状部材３,２と接合する前に予め、上記シート状部材５と同様にして、上記充填材を含む材料層を形成して、各シート状部材間の接合を強固にすると共に接合界面に沿って流体が漏れることを抑制することが好ましい。
【００９０】
ここで、上記転写用基板６６と上記充填材を含む材料層６８しては、図３Ａに示した転写用基板１２,充填材を含む材料層１３と同様の材質を採用できる。また、上記充填材を含む材料層６８の積層の厚さとしては５μｍ程度とした。この充填材を含む材料層６８は、シート状部材の界面を充填するのに十分な量の充填材があればよい。
【００９１】
次に、図７Ａ〜図７Ｃを参照して、図３Ｃに示したように、流体非透過部１４Ａ〜１４Ｃと流体が通過可能な流路１６,１７が形成されたシート状部材１４の上記流路１６,１７のうちの流路１６に流体の透過量を調整するための透過量調整材を充填する工程を説明する。
【００９２】
まず、図７Ａに示すように、透過量調整材を含む材料層７２が凸部７１Ａに積層された転写用基板７１を、上記シート状部材１４に対向させ、このシート状部材１４の流路１６に上記凸部７１Ａに積層した上記透過量調整材を含む材料層７２を対向させる。次に、図７Ｂに示すように、上記透過量調整材を含む材料層７２を上記シート状部材１４の流路１６に重ね合わせて、流路１６に上記透過量調整材を含む材料層７２を転写する。これにより、上記流路１６に上記透過量調整材が充填されて、図７Ｃに示すように、上記透過量調整材が上記流路１６に充填されたシート状部材１４を作製できる。
【００９３】
ここで、透過量調整材を含む材料層７２が形成された転写用基板７１は、図５Ａ〜図５Ｃの工程断面図を参照して図３Ａに示す転写用基板１２を製造する方法を説明したのと同様の方法で作製できる。すなわち、基板上に上記透過量調整材を含む材料層７２を形成して、この透過量調整材を含む材料層７２に転写用基板７１の凸部７１Ａを押し付けることで、この凸部７１Ａに上記透過量調整材を含む材料層７２が転写され、凸部７１Ａに上記透過量調整材を含む材料層７２を形成できる。ここで、上記透過量調整材としては、上述の通り、ポリイミド,ＰＴＦＥ,アクリル系などの樹脂を用いることができ、透過させる流体に対して、化学的に安定な材料であれば採用可能である。
【００９４】
また、図７Ｂに示す工程において、上記透過量調整材を含む材料層７２を上記流路１６に充填する際のアニール条件については、例えば、上記透過量調整材としてポリイミド樹脂を用いた場合は、８０℃から１５０℃程度の温度で５分から１５分程度のアニールを行うことで、シート状部材１４の多孔質構造内に上記透過量調整材を含浸させる。このように短時間のアニールを行うことによって、シート状部材１４の多孔質構造内の膜厚方向全域には上記透過量調整材が行き渡らなく部分的な領域に上記透過量調整材が充填される。この部分的な透過量調整材の充填により、流路１６において流体の透過率が抑制された透過量調整構造が形成される。上記アニール温度やアニール時間は、シート状部材１４の膜厚や平均孔径、上記透過量調整材の粘性などに依存するので、上述した値に限定するものではない。上記シート状部材１４の流路１６の多孔質構造内に上記透過量調整材を充填させる。この透過量調整材による流量調整により、上記流路１６の透過量や逆流量を調整でき、上記シート状部材間の界面領域での漏れのない安定した透過構造が得られる。
【００９５】
また、図２Ａ,図２Ｂに示した第２実施形態のマイクロ流体デバイスも、図１Ａ,図１Ｂに示す第１実施形態のマイクロ流体デバイスと同様、上記説明した第３実施形態の製造方法により作製することができることが理解できる。
【００９６】
図２Ａ,図２Ｂに示した第２実施形態を製造する工程では、シート状部材２４とシート状部材２５との間に、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂおよびマイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂを封入する工程を要する。この工程においては、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂおよびマイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂをシート状部材２４とシート状部材２５の間で積層する。そして、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂおよび上記マイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂの周囲のシート状部材２４と２５とを重ね合わせて、アニールを行い、充填材をシート状部材２４と２５との界面に含浸させることにより、シート状部材２４と２５との重ね合わせ部分を接合できる。これによって、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂおよびマイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂを上記一体構造内に封じ込めることが可能となる。このように、可撓性のあるシート状部材２４,２５間に反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂとマイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂを封入することで、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂおよびマイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂに密着した封止が容易になり、流体の周囲への漏れを抑制し易い構造を実現できる。
【００９７】
以上、この発明の実施の形態について説明したが、上記開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１Ａ】この発明の第１実施形態に係るマイクロ流体デバイスを示す平面図である。
【図１Ｂ】上記第１実施形態に係るマイクロ流体デバイスを示す断面図である。
【図２Ａ】この発明の第２実施形態に係るマイクロ流体デバイスを示す平面図である。
【図２Ｂ】上記第２実施形態に係るマイクロ流体デバイスを示す断面図である。
【図３Ａ】上記第１実施形態のマイクロ流体デバイスの製造工程を説明するための工程断面図である。
【図３Ｂ】上記第１実施形態のマイクロ流体デバイスの製造工程を説明するための工程断面図である。
【図３Ｃ】上記第１実施形態のマイクロ流体デバイスの製造工程を説明するための工程断面図である。
【図４Ａ】図３Ａ〜図３Ｂに示す工程と同様の工程で作製した第１実施形態のシート状部材２,３,４,５の平面図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示すシート状部材２,３,４,５が積層され接合されて形成された一体構造のマイクロ流体デバイスの断面図である。
【図５Ａ】図３Ａに示す転写用基板１２の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図５Ｂ】図３Ａに示す転写用基板１２の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図５Ｃ】図３Ａに示す転写用基板１２の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図６Ａ】上記第３実施形態の製造方法において、シート状部材５とシート状部材４との間の界面に充填材含浸領域７０を形成する工程を説明するための断面図である。
【図６Ｂ】上記第３実施形態の製造方法において、上記充填材含浸領域７０を形成する工程を説明するための断面図である。
【図６Ｃ】上記第３実施形態の製造方法において、上記充填材含浸領域７０の形成工程を説明するための断面図である。
【図６Ｄ】上記第３実施形態の製造方法において、上記充填材含浸領域７０の形成工程を説明するための断面図である。
【図７Ａ】上記第３実施形態の製造方法において、シート状部材１４の流路１６に透過量調整材を充填する工程を説明するための断面図である。
【図７Ｂ】上記第３実施形態の製造方法において、シート状部材１４の流路１６に透過量調整材を充填する工程を説明するための断面図である。
【図７Ｃ】上記第３実施形態の製造方法において、シート状部材１４の流路１６に透過量調整材を充填する工程を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００９９】
１,３４ マイクロ流体デバイス
２,３,４,５,１４,２２,２３,２４,２５ シート状部材
６,７,１１,２６,２７,３１ ポート
８,９,１０,１６,１７,２８,２９,３０ 多孔質の流路
２Ａ〜２Ｃ,３Ａ〜３Ｃ,４Ａ,４Ｂ,５Ａ,５Ｂ 流体非透過部
１２,６６,７１ 転写用基板
１３,５３,６８,７２ 充填材を含む材料層
１４Ａ,１４Ｂ,１４Ｃ 流体非透過部
２１ａ〜２１ｃ 充填材含浸領域
２２Ａ〜２２Ｃ,２３Ａ〜２３Ｃ,２４Ａ,２４Ｂ,２５Ａ,２５Ｂ 流体非透過部
３５Ａ,３５Ｂ マイクロヒータ
３６Ａ,３６Ｂ マイクロヒータ配線
３７Ａ,３７Ｂ 反応場となる部材。
５２ 基板
７０ 充填材含浸領域
【技術分野】
【０００１】
この発明は、例えば、微小な流量の流体を搬送でき、また、上記流体の流量を制御できるマイクロ流体デバイスおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流体デバイスは、微小な流路、反応槽、分離機構などを有し、微少量の流体を搬送できる化学的および生物学的物質を混合し、反応させ、検出・測定することができることから、例えば、特許文献１(特開２００４−９３５５８号公報)に開示されているような微小分析デバイスや化学的・物理化学的な微小反応デバイス(マイクロリアクター)としての使用が検討されている。
【０００３】
通常、マイクロ流体デバイスは、シリコン、ガラス、またはポリマーなどの基板が使用され、エッチングなどの微細加工手段によって微細溝が形成されている。このような微細な流路で形成されたマイクロ流路デバイスを稼働させるためには、特許文献１に記載されるように、マイクロシリンジ微量送液ポンプなどの送液手段が必要となる不便さがあった。
【０００４】
一方、特許文献２(特表２００３−５０３７１５号公報)には、送液ポンプなのどの外力によらず、毛管流動で流体搬送できる微細化流路の集合を用いるマイクロ流体デバイスが開示されている。
【０００５】
しかし、特許文献２に記載のマイクロ流体デバイスでは、流路部に微細形状を形成する微細加工が必要になる。また、流路の分岐させたり合流させたりする複雑な３次元構造のマイクロ流路をマイクロ流体デバイスの一体構造内に作製することは困難であるので、マイクロ流路デバイスとして望ましい機能を実現しにくい課題があった。
【特許文献１】特開２００４−９３５５８号公報
【特許文献２】特表２００３−５０３７１５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、この発明の課題は、微少量の流体(おもに液体)をマイクロポンプなどの送液手段を必要としないで、効率的に安定して供給でき、小型で一体構造内に複雑な３次元流路を簡便に作製できるマイクロ流体デバイスおよびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、この発明のマイクロ流体デバイスは、流体が通過可能な多孔質材で形成されている貫通した流路を少なくとも１つ有する複数の積層部材を備え、
上記複数の積層部材は積層されており、上記積層方向に隣接する複数の積層部材の複数の上記流路が連通しており、上記連通している複数の流路が少なくとも１つの連通流路を構成しており、
上記連通流路は、上記積層方向の一端の上記積層部材に形成された上記少なくとも１つの流路を含み、
上記積層部材は、
上記流路に隣接していると共に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部を有することを特徴としている。
【０００８】
この発明のマイクロ流体デバイスによれば、流路が多孔質材で形成されているので、この流路の多孔質構造内の毛管流動によって流体が移動する。よって、気泡などによって流路が閉塞することなく、微少量の流体に対してもマイクロポンプなどの送液手段を必要としないで、効率的に安定して流体を搬送,供給することができる。
【０００９】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスでは、上記複数の積層部材のうちの少なくとも１つの積層部材の流路の積層方向の透過係数は、
上記複数の積層部材のうちの他の積層部材の流路の積層方向の透過係数とは異なっている。
【００１０】
この実施形態によれば、積層方向の透過係数の大きな流路では、ポート(上記積層方向の一端の積層部材に形成された流路)から導入された流体(一例としてのメタノールや水)を、積層方向の透過係数の小さな流路に比べて、よりすばやく次層の多孔質の流路へ導入できる。また、上記積層方向の透過係数の大きな流路から上記ポートへ流体が逆流することを防止する効果もある。
【００１１】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスでは、上記複数の積層部材のうちの少なくとも１つの積層部材の流路の積層方向と直交する方向の透過係数は、
上記複数の積層部材のうちの他の積層部材の流路の積層方向と直交する方向の透過係数とは異なっている。
【００１２】
この実施形態によれば、上記積層方向と直交する方向の透過係数が大きな積層部材では、上記積層方向と直交する方向の透過係数が小さな積層部材に比べて、多孔質の流路に導入された流体を素早く多孔質の流路全体に行き渡らせて効率良く混合できる。
【００１３】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスでは、上記複数の積層部材のうちの少なくとも１つの積層部材が有する少なくとも１つの流路は、上記流体の透過量を調整するための透過量調整材が充填されている。
【００１４】
この実施形態によれば、上記複数の積層部材の流路が同一の多孔質材で形成されていても、流路に上記透過量調整材を充填することで、透過量や逆流量の調整が可能になる。また、流路に上記透過量調整材を充填することで、メタノールと水のように、透過し易さの異なる流体を透過させる場合でも、水とメタノールの流量差を減らすように調整したり、多孔質の流路内のメタノール濃度を所定の濃度以下に調整したりすることができる。
【００１５】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスでは、上記流路内の流体を引き込んで反応場となる部材が上記連通流路内に配置されている。
【００１６】
この実施形態によれば、上記連通流路を通して反応場に流体を導入して改質反応などの化学反応をさせることが可能となる。
【００１７】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスでは、配線を除いて上記複数の積層部材が構成する一体構造体内に封じ込められたヒータ部材を備える。
【００１８】
この実施形態によれば、マイクロ流体デバイス全体を小型化できるだけでなく、上記ヒータ部材によって必要な所だけを局所的に加熱することができるので、加熱が不必要な他の積層部材や充填材として耐熱性の低い材料を採用することも可能となる。
【００１９】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスでは、上記積層方向に隣接する２つの積層部材の流体非透過部が接合している接合領域に上記充填材が充填されている。
【００２０】
この実施形態によれば、上記流体非透過部が接合している接合領域に上記充填材が充填されたことで、流体が上記連通流路や上記反応場となる部材以外の部分を通過することを防いで、上記複数の積層部材が構成する一体構造体内に導入された流体を上記連通流路や上記反応場となる部材へ確実に導入できる。よって、流体が未反応でポートから排出されるのを抑制して、供給された流体を効率よく反応させることができる。
【００２１】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスでは、上記反応場となる部材とこの反応場となる部材に隣接している上記積層部材との間に上記充填材が充填されている。
【００２２】
この実施形態によれば、流体が上記反応場となる部材以外の部分を通過することを防いで、上記流体を上記反応場となる部材へ確実に導入でき、効率よく反応させることができる。
【００２３】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスの製造方法では、転写用基板の凸部に充填材を含む材料層を形成し、
上記充填材を含む材料層が形成された転写用基板の上記凸部を、流体の通過可能な多孔質材で形成されている多孔質部材に重ね合わせて、上記充填材を含む材料を上記多孔質部材に転写し、上記凸部が重ね合わされた上記多孔質部材の領域に上記充填材を充填して、上記領域を上記流体が通過できない流体非透過部とすると共に、上記流体非透過部に隣接していて上記流体が通過可能な流路を形成し、
上記流路と流体非透過部が形成された上記多孔質部材を複数積層して、上記複数の多孔質部材の流路が連通している少なくとも１つの連通流路を備えた実質的に一体構造の積層構造体を形成する。
【００２４】
この実施形態によれば、流体の通過可能な多孔質材で形成されている多孔質部材の流体非通過部とする部分に充填材を充填して上記流体非通過部と流体が通過できる流路とを同時に形成する。したがって、基板に形成した流路溝に多孔質材を詰め込んで多孔質構造の流路を形成する場合と比較して、多孔質構造の流路とこの流路を画定する壁面(流体非通過部)との間に隙間が生じることを回避できる。よって、流体が多孔質の流路と流路壁の界面との隙間を通って多孔質材の透過係数以上に透過してしまうことがなく、多孔質材の透過係数でもって流体の透過を安定して制御できるマイクロ流体デバイスを作製できる。
【００２５】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスの製造方法では、上記充填材を含む材料層が形成された材料基板の上記材料層に、転写用基板の凸部を押し付けて、上記凸部に上記充填材を含む材料を転写し、上記転写用基板の凸部に上記充填材を含む材料層を形成する。
【００２６】
この実施形態によれば、転写用基板の凸部のみに充填材を含む材料層を容易に形成することができる。
【００２７】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスの製造方法では、上記充填材を含む材料層が形成された転写用基板の上記凸部を、流体の通過可能な多孔質材で形成されている多孔質部材に重ね合わせて、上記充填材を含む材料を上記多孔質部材に転写するときに、アニールによって上記充填材を上記多孔質部材に含浸させる。
【００２８】
この実施形態によれば、上記アニールによって上記充填材を上記多孔質部材内に含浸させるので、上記充填材を多孔質部材内に十分行き渡らせることができ、流路からの流体の漏れを確実に抑えることができる。
【００２９】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスの製造方法では、上記流路と流体非透過部が形成された上記多孔質部材を複数積層し、アニールによって上記流体非透過部の上記充填材を隣接する２つの多孔質部材間の接合領域に含浸させることにより、上記複数の多孔質部材を貼り合わせる。
【００３０】
この実施形態によれば、上記アニールによって上記充填材を多孔質部材間の界面に含浸させることができて上記多孔質部材同士の接合部の接合を強固にできると共に、上記多孔質部材の界面に沿って流体が漏れることを抑制できる。
【００３１】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスの製造方法では、上記多孔質部材に形成された上記流路と流体非透過部のうちの上記流体非透過部上に上記充填材を含む材料層を上記流体非透過部の厚さよりも薄く形成してから、上記多孔質部材を複数積層し、上記アニールによって上記流体非透過部の上記充填材を隣接する２つの多孔質部材間の接合領域に含浸させる。
【００３２】
この実施形態によれば、上記アニールによって上記充填材を多孔質部材間の界面に確実に含浸させることができて上記多孔質部材同士の接合部の接合をより強固にできると共に、上記多孔質部材の界面に沿って流体が漏れることを確実に抑制できる。
【００３３】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスの製造方法では、上記流体の透過量を調整するための透過量調整材を含む材料層が形成された透過量調整材転写用基板を、上記流路と流体非透過部とが形成された上記多孔質部材に重ね合わせて、上記多孔質部材の上記流路と流体非透過部のうちの上記流路に上記透過量調整材を充填する。
【００３４】
この実施形態によれば、上記多孔質部材内の上記流路に上記透過量調整材を充填するので、上記透過量調整材でもって上記流路の透過量や逆流量を調整できる。
【００３５】
また、一実施形態のマイクロ流体デバイスの製造方法では、上記流路内の流体を引き込んで反応場となる部材もしくはヒータ部材のうちの少なくとも一方を、隣り合う２つの上記多孔質部材間に封入するように、上記流路と流体非透過部が形成された上記多孔質部材を複数積層する。
【００３６】
この実施形態によれば、反応場となる部材もしくはヒータ部材を隣り合う２つの多孔質部材間に封入するので、反応場での化学反応をさせることができ、また、ヒータ部材による加熱による反応の促進を図れるマイクロ流体デバイスを作製できる。
【発明の効果】
【００３７】
この発明のマイクロ流体デバイスによれば、流路が多孔質材で形成されているので、この流路の多孔質構造内の毛管流動によって流体が移動する。よって、気泡などによって流路が閉塞することなく、微少量の流体に対してもマイクロポンプなどの送液手段を必要としないで、効率的に安定して流体を搬送,供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３８】
以下、この発明を図示の実施の形態により詳細に説明する。
【００３９】
なお、同一または相当する部分に同一の参照符号を付し、その説明を繰返さない場合がある。また、以下に説明する実施の形態において、個数、量などに言及する場合、特に記載がある場合を除き、この発明の範囲は必ずしもその個数、量などに限定されない。また、以下の実施の形態において、各々の構成要素は、特に記載がある場合を除き、この発明にとって必ずしも必須のものではない。また、以下に複数の実施の形態が存在する場合、特に記載がある場合を除き、各々の実施の形態の構成を適宜組合わせることは、当初から予定されている。
【００４０】
(第１の実施の形態)
図１Ａと図１Ｂは、この発明の第１実施形態に係るマイクロ流体デバイスの１例を示す平面図と断面図である。
【００４１】
図１Ａ,図１Ｂに示すように、この第１実施形態に係るマイクロ流体デバイス１は、流体が通過可能な多孔質構造の積層部材としてのシート状部材２、３、４、５を積層した実質的な一体構造を有するマイクロ流体デバイスである。
【００４２】
上記シート状部材２は、多孔質材からなり流体が通過可能な領域である流路６と流路７と、この流路６,７に隣接していて上記多孔質材に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部２Ａ,２Ｂ,２Ｃを有している。また、シート状部材３は、多孔質材からなり流体が通過可能な領域である流路８と流路９と、この流路８,９に隣接していて上記多孔質材に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部３Ａ,３Ｂ,３Ｃを有している。
【００４３】
また、シート状部材４は、多孔質材からなり流体が通過可能な領域である流路１０と、この流路１０に隣接していて上記多孔質材に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部４Ａ,４Ｂを有している。また、シート状部材５は、多孔質材からなり流体が通過可能な領域である流路であるポート１１と、このポート１１に隣接していて上記多孔質材に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部５Ａ,５Ｂを有している。
【００４４】
このように、各シート状部材２〜５は、上記多孔質材に充填材が充填されている流体非透過部によって、各流路６〜１１が画定されている。
【００４５】
図１Ｂに示すように、シート状部材２の流路６はポートをなし、このポートをなす流路６はシート状部材３の流路８に連通している。このシート状部材３の流路８はシート状部材４の流路１０に連通している。また、上記流路１０はシート状部材５の流路１１に連通している。この流路１１はポートをなす。また、シート状部材２のポートをなす流路７はシート状部材３の流路９に連通し、この流路９はシート状部材４の流路１０に連通している。上記流路６〜１１は、シート状部材２〜５からなる一体構造の積層体を貫通した連通流路としての３次元マイクロ流路をなす。
【００４６】
また、この第１実施形態では、各シート状部材２〜５の界面にも上記流路６〜１１の領域を除いて、上記充填材が充填されている。
【００４７】
この実施形態のマイクロ流体デバイス１によれば、一例として、メタノールと水を微少量においても効率的に混合し、マイクロポンプなどの送液手段を必要としないで、下記の式(１)に示す水蒸気改質反応を引き起こして水素ガスを生成するための装置(図示せず)に安定して供給することができる。上記水蒸気改質反応を行う装置では、通常２００℃から３００℃程度の温度で式(１)に示す水蒸気改質反応が促進される。
ＣＨ３ＯＨ＋Ｈ２Ｏ → ３Ｈ２＋ＣＯ２ … (１)
【００４８】
このマイクロ流体デバイス１では、たとえばメタノールはポート(流路)６へ供給され、水はポート(流路)７へ供給される。そして、各ポート６,７が有する多孔質構造の吸収力によってポート６内へメタノールが導入され、ポート７内へ水が導入される。上記ポート６へ導入されたメタノールは多孔質構造の吸収力によって多孔質構造の流路８に導入され、上記ポート７へ導入された水は多孔質構造の吸収力によって多孔質構造の流路９に導入される。
【００４９】
そして、上記多孔質構造の流路８に導入されたメタノールと上記多孔質構造の流路９に導入された水は、多孔質構造の吸収力によりシート状部材４の多孔質の流路１０内に導入され、上記多孔質の流路１０内で混合される。この多孔質の流路１０内で混合されたメタノールと水は、多孔質構造の流路１１へ導入され、この流路１１から上記水蒸気改質反応を行う装置へ導出される。
【００５０】
上記マイクロ流体デバイス１において、上記メタノール,水は、全て、流路６〜１１における多孔質構造内の毛管流動によって移動するので、気泡などによって各流路６〜１１が閉塞することがない。よって、上記マイクロ流体デバイス１によれば、上記メタノールと水とを、ポンプなどの送液手段を用いることなく、安定して効率良く混合できる。さらに、上記流路６〜１１は、連通流路として３次元マイクロ流路を形成しているので、平面的な流路レイアウトの流路デバイスに比べて微小な領域での液体の混合が可能となる。
【００５１】
この実施形態において、各シート状部材２、３、４、５を構成する多孔質材,充填材のうちの上記多孔質材としては、例えば、多孔質シリコン、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属、さらにポリイミド、アクリル系などの多孔質樹脂などの耐薬品性を備えた多孔質材が使用可能である。ここで、上記多孔質材の多孔質構造としては、流体の毛管流動を誘起する構造であればよく、繊維構造であってもよい。また、各シート状部材２、３、４、５を構成する多孔質材,充填材のうちの上記充填材としては、ＰＴＦＥ(ポリテトラフルオロエチレン)、アクリル系、ポリイミド系などの樹脂を用いることができる。
【００５２】
この実施形態における典型的な一例では、シート状部材２〜５の厚さは、３０μｍから２００μｍ程度で、上記充填材の充填領域である流体非透過部２Ａ〜２Ｃ,３Ａ〜３Ｃ,４Ａ,４Ｂ,５Ａ,５Ｂによって画定される透過領域である流路６〜１１の幅は、例えば１０μｍから２００μｍ程度である。なお、本発明においては、上記通過領域の幅は、シート状部材の拡散速度や厚さなどによって相対的に決まることから、特にサイズを上述の値に限定するものではない。また、各流路の幅は必ずしも互いに同じでなくてもよい。また、本発明は流路の本数やレイアウトを図１Ａ,図１Ｂに示す形態に限定するものでは無いことは勿論で、複数のポートや流路を並列して配置してもよい。さらには、これらの流路が分岐しても良いことは言うまでもない。
【００５３】
上記一体構造に積層された多孔質構造のシート状部材２〜５のうちの少なくとも一つは、積層方向の透過係数が他のシート状部材２〜５と異なるものを用いてもよい。例えば、図１に示すマイクロ流体デバイス１において、シート状部材３を構成する多孔質材として、シート状部材２を構成する多孔質材よりも積層方向の透過係数の大きな材料を用いてもよい。この場合、ポート６に吸収されたメタノールおよびポート７に吸収された水を、ポート６,７内におけるよりも速やかにシート状部材３の多孔質の流路８,９内へ導入することができとと共に、多孔質の流路８,９からポート６,７への逆流防止に効果がある。
【００５４】
ここで、上記場合において、上記シート状部材３の多孔質材は、シート状部材２の多孔質材よりも透過し易い材料であればよく、多孔質構造の透過係数や平均孔径などは、シート状部材２の多孔質材に応じて相対的に決まるものであり、特に限定されない。例えば、シート状部材２の多孔質材として膜厚が３０μｍ程度で、多孔質材の平均孔径が０.０１μｍ程度のものを用いた場合、シート状部材３の多孔質材は、ガーレー試験機法により透気度を測定した場合に例えばシート状部材２の透過係数に対して一桁程度低い透過係数となることが好ましい。
【００５５】
また、一体構造に積層された多孔質構造のシート状部材２〜５のうちの少なくとも一つは、上記積層方向と直交する平面に沿った方向の透過係数が他のシート状部材と異なるものを用いてもよい。例えば、図１に示す実施形態において、シート状部材４の多孔質材として、シート状部材３の多孔質材よりも上記平面に沿った方向の透過係数の大きな材料を用いてもよい。この場合、多孔質材からなる流路８から多孔質材からなる流路１０に導入されたメタノール、および多孔質材の流路９から多孔質材の流路１０に導入された水を、多孔質の流路１０全体にすばやく行き渡らせることができる。よって、メタノールと水を効率よく混合させることができる。上記場合において、上記シート状部材４の多孔質材は、シート状部材３の多孔質材よりも上記平面に沿った方向に透過し易い材料であればよい。このシート状部材４の多孔質構造の透過係数や平均孔径などは、シート状部材３に応じて相対的に決まるものであり、特に限定されない。例えば、透気度を測定した場合に、シート状部材４の多孔質材の上記平面に沿った方向の透過係数がシート状部材３の多孔質材の上記平面に沿った方向の透過係数に対して、例えば一桁から二桁程度大きい数値となることが好ましい。
【００５６】
また、シート状部材３側からシート状部材４の多孔質の流路１０に、メタノールと水をすばやく吸収し、また、メタノールと水がシート状部材３側へ逆流するのを防止するためには、シート状部材４の多孔質材の積層方向の透過係数がシート状部材３の多孔質材の積層方向の透過係数よりも大きいほうが好ましい。さらに、多孔質の流路１０内でメタノールと水の混合を均一に行うためには、シート状部材５の出口側のポート１１の積層方向の透過係数が、シート状部材４の多孔質の流路１０の積層方向の透過係数よりも小さい方が好ましい。これにより、多孔質の流路１０内からのメタノールと水の排出をポート１１の透過速度で制限することができる。よって、多孔質の流路１０に導入されたメタノールと水を多孔質の流路１０内に、一旦、十分に充満させてから、ポート１１から排出させることができ、多孔質の流路１０内の混合物の均一性を高めることが可能となる。
【００５７】
また、一体構造に積層された多孔質構造のシート状部材２〜５のうちの少なくとも一つに、上記通過可能領域をなす流路６〜１１に、上記メタノール,水の透過量を調整するための透過量調整材を充填してもよい。例えば、図１に示す実施形態において、シート状部材３の多孔質の流路８および９に上記透過量調整材を充填することで、上記流路８および９を透過する水やメタノールの量を少なくすることができるとともに、流路８,９からポート６,７へメタノール,水が逆流するのを防止する効果をさらに強めることができる。このように、上記透過量調整材を流路６〜１１のうちの少なくともいずれか１つに充填することで、各シート部材２〜５が同じ多孔質構造の多孔質材で構成されていても、各シート部材２〜５の各流路６〜１１の透過量や逆流量を調整可能になる。
【００５８】
また、図１Ａ,図１Ｂに示す実施形態において、シート状部材３の多孔質材の流路９はそのままで、多孔質の流路８のみに上記透過量調整材を充填することで、流路９を透過する水の量はほとんど変えずに、流路８を透過するメタノールの量のみを少なく抑制することができる。この場合、メタノールと水のように透過しやすさの異なる流体を透過させる場合においても、水とメタノールの流量差を軽減するように調整したり、多孔質の流路１０内のメタノール濃度を所定の濃度以下に調整したりすることができる。
【００５９】
ここで、上記透過量調整材としては、例えば、ポリイミド、ＰＴＦＥ、アクリル系などの樹脂を用いることができ、透過させる流体に対して、化学的に安定な材料であれば採用可能である。
【００６０】
(第２の実施の形態)
次に、図２Ａ,図２Ｂを参照して、この発明のマイクロ流体デバイスの第２実施形態を説明する。図２Ａは、この第２実施形態のマイクロ流体デバイス３４の平面図であり、図２Ｂは、上記マイクロ流体デバイス３４の断面図である。
【００６１】
図２Ａ,図２Ｂに示すように、この第２実施形態に係るマイクロ流体デバイス３４は、流体が通過可能な多孔質構造の積層部材としてのシート状部材２２、２３、２４、２５を積層した実質的な一体構造を有するマイクロ流体デバイスである。
【００６２】
上記シート状部材２２は、多孔質材からなり流体が通過可能な領域である流路２６と流路２７と、この流路２６,２７に隣接していて上記多孔質材に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部２２Ａ,２２Ｂ,２２Ｃを有している。なお、上記流路２６と２７はポートをなす。また、シート状部材２３は、多孔質材からなり流体が通過可能な領域である流路である流路２８と流路２９と、この流路２８,２９に隣接していて上記多孔質材に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部２３Ａ,２３Ｂ,２３Ｃを有している。
【００６３】
また、シート状部材２４は、多孔質材からなり流体が通過可能な領域である流路３０と、この流路３０に隣接していて上記多孔質材に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部２４Ａ,２４Ｂを有している。また、シート状部材２５は、多孔質材からなり流体が通過可能な領域である流路であるポート３１と、このポート３１に隣接していて上記多孔質材に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部２５Ａ,２５Ｂを有している。このように、各シート状部材２２〜２５は、上記多孔質材に充填材が充填されている流体非透過部によって、各流路２６〜３１が画定されている。
【００６４】
さらに、このマイクロ流体デバイス３４では、上記シート状部材２４と２５との間に、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂとマイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂとが配設されている。この反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂとマイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂとは、上記流路３０とポート３１との間に位置しており、上記一体構造内に封じ込められている。なお、図２Ａにおいて、３６Ａ,３６Ｂは、マイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂへの配線である。
【００６５】
よって、この第２実施形態では、各シート状部材２２〜２５の多孔質構造の流体通過可能領域をなす流路２６,２８,３０が積層方向に接続し、また、流路２７,２９,３０が積層方向に接続している。さらに、流路３０は、上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂを介して、ポート３１へ連通している。これにより、このマイクロ流体デバイス３４は、出入り口をなすポート２６,２７,３１から連通した３次元のマイクロ流路が一体構造内に形成されたマイクロ流体デバイスとなっている。
【００６６】
また、この第２実施形態では、前述の第１実施形態と同様、各シート状部材２２〜２５の界面にも上記流路２６〜３１の領域を除いて、上記充填材が充填されている。また、この第２実施形態において、上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂは、流体としてのメタノール,水が通過可能な材質あるいは構造のものが用いられている。また、上記マイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂは、上記流体としてのメタノール,水を透過しない耐熱性,耐薬品性のすぐれた材料でコートされていることが好ましい。
【００６７】
この第２実施形態において、メタノールをポート２６へ供給し、水をポート２７へ供給すると、このメタノール,水はそれぞれ多孔質構造の吸収力によってシート状部材２２のポート２６,２７内へ導入される。上記ポート２６へ導入されたメタノールはシート状部材２３の多孔質構造の流路２８の吸収力によって多孔質の流路２８に導入され、上記ポート２７へ導入された水は、シート状部材２３の多孔質構造の流路２９の吸収力によって多孔質の流路２９に導入される。
【００６８】
そして、上記流路２８からのメタノールと上記流路２９からの水とが、多孔質構造の吸収力によりシート状部材２４の多孔質の流路３０内に導入されて混合される。これらの流路２６〜３０の全てにおいて、多孔質構造内の毛管流動によって流体としてのメタノール,水が移動するため、気泡などによって流路２６〜３０が閉塞することがない。よって、上記メタノールと水を、ポンプなどの送液手段を用いることなく、流路３０に安定して効率良く供給して混合させることができる。
【００６９】
さらに、多孔質の流路３０内で混合されたメタノールと水は、多孔質の流路３０から反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂへ浸透する。この反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂは、マイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂにより加熱されている。よって、上記メタノールと水の混合物が、上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂ内を通過する際にメタノールの改質反応が促進される。反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂ内で生成した水素および二酸化炭素は、多孔質の流路３０内よりも圧力の低いポート３１側に排出される。
【００７０】
この実施形態のマイクロ流体デバイス３４によれば、上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂにおいて、上記メタノールと水の混合物から、前述の式(１)に示す水蒸気改質反応を引き起こして水素ガスを生成する。すなわち、この第２実施形態によれば、マイクロポンプなどの送液手段を必要とすることなく、メタノールと水を微少量においても流路３０から反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂへ効率的に安定に供給して混合し、改質反応により水素ガスを生成することができる。さらに、この実施形態では、上記３次元のマイクロ流路構造を有するので、平面的な流路レイアウトの流路デバイスに比べて微小な領域で水素ガスの生成が可能となる。
【００７１】
この実施形態において、シート状部材２２,２３,２４,２５としては、例えば、多孔質シリコン、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、多孔質ポリイミド樹脂など、耐薬品性を備えた多孔質材が使用可能である。また、各シート状部材２２〜２５を構成する多孔質材における多孔質構造は、流体の毛管流動を誘起する構造であればよく、繊維構造であってもよい。この実施形態における典型的な例では、上記シート状部材２２〜２５の厚さは、３０μｍから２００μｍ程度で、上記充填材の充填領域によって画定される透過領域つまり流路２６〜３１の幅は、例えば１０μｍから２００μｍ程度である。尚、本発明においては、通過領域である各流路の幅は、シート状部材の拡散速度や厚さなどによって相対的に決まるものであり、特にサイズを上記寸法に限定されるものではなく、必ずしも互いに同じでなくてもよい。なお、上記充填材としては、アクリル系、ポリイミド系などの樹脂を用いることができる。
【００７２】
また、上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂとしては、たとえば、多孔質シリコン、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、発泡金属など、耐薬品性を備えた多孔質材が使用可能である。もっとも、上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂの材質としては、特に上記材質に限定されるものではなく、多孔質の流路３０からの流体を引き込み得るような孔径の多孔質材であって、反応熱等による温度上昇に耐え得る耐熱性を有するものあればよい。この実施形態における典型的な例では、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂとして、平均孔径が数μｍから数１０μｍ程度の多孔質カーボン焼結体が用いられている。
【００７３】
また、上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂの表面には、改質触媒が形成されていてもよい。この改質触媒は、メタノールおよび水に対して化学反応を促進する作用を有し、メタノールおよび水から水素および二酸化炭素を生成する機能を有するものである。
【００７４】
さらに、この実施形態においては、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂは、多孔質の流路３０よりも上記メタノールと水の混合物を透過しにくい方がよい。例えば、ガーレー試験機法により透気度を測定した場合に、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂの透気度は、多孔質の流路３０の透気度よりも一桁から二桁程度低い数値となることが好ましい。これにより、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂでは、多孔質の流路３０から導入されたメタノールの排出が抑制される。よって、メタノールと水が多孔質の流路３０内に均一に充満し、多孔質の流路３０から反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂの全体に均一にメタノールと水の混合物を供給できる。なお、多孔質の流路３０内に上記混合物が均一に充満していない場合には、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂへの上記混合物の供給が著しく不均一になりやすい。
【００７５】
なお、上記マイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂは、必ずしも図２Ａ,図２Ｂに示すようにシート状部材２２〜２５の一体構造に内蔵されていなくてもよい。すなわち、マイクロ流体デバイス３４の一体構造の全体を外部から加熱することも可能である。もっとも、図２Ａ,図２Ｂに示すように、マイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂを上記一体構造に内蔵することで、デバイス全体を小型化できるだけでなく、必要な箇所だけを局所的に加熱することができ、他のシート状部材や充填材に耐熱性の低い材料を採用することも可能となる。
【００７６】
さらに、上記シート状部材２４と２５との界面、上記反応場となる部材３７Ａと上記シート状部材２４との界面、上記反応場となる部材３７Ｂと上記シート状部材２５との界面のうちの少なくとも１つに上記充填材を充填してもよい。また、上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂとマイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂとの界面に上記充填材を充填してもよい。上記充填材の充填によって、上記メタノールと水の混合物が上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂの周囲のシート状部材２４,２５やマイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂとの間の隙間を通過することを防止できる。よって、上記多孔質の流路３０からの混合物が上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂ内を通過せずに上記隙間を通過してポート３１側に排出されることを防止できる。したがって、上記流路３０からの上記混合物が未反応のままでポート３１から排出されることを抑制でき、上記混合物を上記反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂに確実に供給して効率よく反応させることができる。
【００７７】
なお、上記第１,第２実施形態では、流体がメタノール,水である一例を説明したが、上記流体としては、他の液体であってもよく、気体、固液混相流体、気液混相流体等でもよい。
【００７８】
(第３の実施の形態)
次に、図３Ａ〜図３Ｃおよび図４Ａ,図４Ｂを参照して、この発明の第３実施形態としてのマイクロ流体デバイスの製造方法を説明する。図３Ａ〜図３Ｃは、本発明のマイクロ流体デバイスを構成する積層部材１４を作製する工程を示す工程断面図であり、上記積層部材１４は、上述の第１実施形態のマイクロ流体デバイスのシート状部材２もしくはシート状部材３に相当している。また、図４Ａは、図３Ａ〜図３Ｃと同様の工程で作製した第１実施形態のシート状部材２,３およびシート状部材４,５を示す平面図であり、図４Ｂは、図４Ａのシート状部材２〜５を積層して一体構造としたマイクロ流体デバイスを示す断面図である。
【００７９】
このマイクロ流体デバイスの製造方法では、図３Ａに示すように、多孔質材で形成されている多孔質部材としての多孔質構造のシート状部材１４上に、転写用基板１２を配置する。この転写用基板１２は、上記凸部１２Ａ,１２Ｂ,１２Ｃを有し、この凸部１２Ａ〜１２Ｃに充填材を含む材料層１３が積層されている。上記凸部１２Ａ〜１２Ｃは、上記多孔質構造のシート状部材１４に上記充填材を充填すべき領域に上記材料層１３を転写できるようにパターニングされている。
【００８０】
次に、図３Ｂに示すように、上記転写用基板１２の上記材料層１３が積層された凸部１２Ａ,１２Ｂ,１２Ｃを上記シート状部材１４の流体非透過部１４Ａ,１４Ｂ,１４Ｃとする領域に重ね合わせてプレスする。これにより、上記材料層１３の充填材を含む材料が上記シート状部材１４に転写され、図３Ｃに示すように、上記領域に上記充填材が充填されて上記流体非透過部１４Ａ,１４Ｂ,１４Ｃが形成される。また、上記流体非透過部１４Ａ,１４Ｂ,１４Ｃに隣接していて流体が通過可能な流路１６,１７が形成される。
【００８１】
この実施形態によれば、多孔質のシート状部材１４に、充填材を充填して、流路１６,１７と流体非透過部１４Ａ〜１４Ｃを形成している。したがって、この実施形態の製造方法では、基板に形成した流路溝に多孔質材を詰め込むことによって多孔質構造の流路を形成する場合と異なり、多孔質構造の流路とこの流路を画定する壁面との間に隙間を生じない。よって、流体が多孔質材からなる流路１６,１７と流路壁との界面の隙間を通って多孔質材の透過係数以上に透過してしまうことがなく、多孔質材の透過係数で流体の透過を安定して制御できる。
【００８２】
シート状部材１４を構成する多孔質材としては、すでに述べたように、多孔質シリコン、カーボンペーパー、カーボンの焼結体、ニッケルなどの焼結金属、多孔質ポリイミド樹脂が使用可能である。ここでは、上記多孔質材として、平均孔径０.０５μｍ、厚さ３０μｍ程度の多孔質ポリイミド樹脂を使用する場合の条件の一例を説明する。上記充填材を含む材料層１３としては、塗布し易いように溶剤に溶かしたアクリル系樹脂を用いた。また、材料層１３の膜厚を約５０μｍとした。上記充填材を含む材料層１３の膜厚は、シート状部材１４の膜厚に応じて設定するので、上記値に限定するものではないが、シート状部材１４の膜厚の１倍から３倍程度とするのがよい。上記材料層１３の膜厚が小さ過ぎると、シート状部材１４内に十分充填できなくなる。逆に、上記材料層１３の膜厚が大き過ぎると、充填される領域１４Ａ〜１４Ｃが厚さ方向と直交する平面に沿った方向に広がりすぎて、流体の透過可能領域である流路１６および１７を狭くし過ぎてしまう。
【００８３】
また、上記実施形態において、図３Ｂに示すように、転写用基板１２を多孔質構造のシート状部材１４に重ね合わせて、充填材を含む材料層１３を転写用基板１２から多孔質構造のシート状部材１４に転写し、流体非透過部１４Ａ〜１４Ｃとする領域に上記充填材を充填する行程において、アニールによって上記充填材を上記多孔質構造内に含浸させることが好ましい。上記アニールすることで、プレスのみで上記充填材を含む材料層１３を上記領域に転写する場合に比べて、充填材をシート状部材１４の多孔質構造内に十分行き渡らせることができ、流路１６,１７からの流体の漏れを確実に抑制できる。
【００８４】
上記アニール条件については、例えば、８０℃から１２０℃程度の温度で１０分から６０分程度アニールすれば、ポリイミドの多孔質構造内に上記充填材を十分に含浸させることができる。アニール温度やアニール時間は、シート状部材１４の膜厚や平均孔径、上記充填材の粘性などに依存するので、これに限定するものではないが、本実施形態の条件においては、上記アニール温度が８０℃以下では充填材を含む材料を塗布するために用いた溶剤が十分揮発せず、シート状部材１４内での充填材の固着が不十分になる虞がある。また、上記アニール温度が１２０℃以上では、シート状部材１４内での上記充填材を含む材料の拡散が速く、微細な流路パターンへの適用が困難になる虞がある。充填材の拡散を抑制し、確実にシート状部材１４内に充填材を固着させるためには、３０分程度の時間をかけて徐々に温度を上げ１００℃以上の温度で１０分程度アニールするとよい。
【００８５】
次に、図４Ａの平面図に、上述の図３Ａ〜図３Ｂと同様の工程で作製した第１実施形態のシート状部材２,３,４,５を示す。このシート状部材２〜５を位置合わせして積層し、図４Ｂに示すように、実質的に一体構造のマイクロ流体デバイス１を形成できる。
【００８６】
上記位置合わせして積層してから、好ましくはアニールを行う。このアニールを行うことによって、シート状部材２,３,４,５内の充填材がシート状部材２,３,４,５間の界面にも含浸させられる。これにより、上記界面に充填材含浸領域２１ａ,２１ｃ,２１ｂを形成することができる。よって、図４Ｂに示すように、シート状部材２,３,４,５同士が接合されると共に、シート状部材２〜５間の界面に沿って流体が漏れることを抑制できる。
【００８７】
次に、図５Ａ〜図５Ｃの工程断面図を参照して、図３Ａに示す転写用基板１２の製造方法の一例を説明する。まず、図５Ａに示すように、充填材を含む材料層５３が表面に形成された基板５２を用意し、この基板５２の材料層５３に対向するように、凸部１２Ａ〜１２Ｃを有する転写用基板１２を配置する。次に、図５Ｂに示すように、上記転写用基板１２の凸部１２Ａ〜１２Ｃを上記基板５２上の充填材を含む材料層５３に押し付ける。これにより、図５Ｃに示すように、上記転写用基板１２の凸部１２Ａ〜１２Ｃに上記充填材を含む材料層１３を積層することができる。このようにして、上記転写用基板１２の凸部１２Ａ〜１２Ｃのみに上記充填材を含む材料層１３を容易に形成できる。
【００８８】
なお、上記基板５２は、特に材料を限定するものではないが、フレキシブルで平坦性の高いものを用いるのが望ましい。ここでは、ＰＥＴ(ポリエチレンテレフタレート)シートを用いた。ＰＥＴは柔軟性があるので、転写用基板１２から基板２２を剥がし易くなる。また、ＰＥＴは平坦性が高いので、充填材を含む材料層５３がＰＥＴシートの基板５２から剥がれ易くなる。これにより、転写用基板１２に転写された充填材を含む材料層１３の膜厚を十分に確保できる。
【００８９】
さらに、この第３実施形態の製造方法では、図６Ａ〜図６Ｄの工程断面図を参照して説明する以下の工程を有することが好ましい。すなわち、図６Ａの工程断面図に示すように、充填材を含む材料層６８が凸部６６Ａに積層された転写用基板６６を、上記シート状部材５に対向配置させ、図６Ｂに示すように、上記転写用基板６６の凸部６６Ａの上記充填材を含む材料層６８を上記シート状部材５の流体非透過部５Ａ,５Ｂに重ね合わせて押し付ける。これにより、図６Ｃに示すように、上記シート状部材５の流体非透過部５Ａ,５Ｂとポート１１のうちの上記流体非透過部５Ａ,５Ｂ上だけに上記充填材を含む材料層６８を薄く転写させる。そして、図６Ｄに示すように、上記充填材を含む材料層６８が流体非透過部５Ａ,５Ｂ上に薄く積層された上記シート状部材５に上記シート状部材４を重ね合わせることで、シート状部材４とシート状部材５との間の界面に上記充填材を含む材料層６８による充填材含浸領域７０を形成できる。これにより、シート状部材５の流体非透過部５Ａ,５Ｂとシート状部材４の流体非透過部４Ａ,４Ｂとの接合をより強固にできると共に、シート状部材４とシート状部材５との界面に沿って流体(メタノール,水等)が漏れることを確実に抑制できる。なお、上記シート状部材４，３にもシート状部材３,２と接合する前に予め、上記シート状部材５と同様にして、上記充填材を含む材料層を形成して、各シート状部材間の接合を強固にすると共に接合界面に沿って流体が漏れることを抑制することが好ましい。
【００９０】
ここで、上記転写用基板６６と上記充填材を含む材料層６８しては、図３Ａに示した転写用基板１２,充填材を含む材料層１３と同様の材質を採用できる。また、上記充填材を含む材料層６８の積層の厚さとしては５μｍ程度とした。この充填材を含む材料層６８は、シート状部材の界面を充填するのに十分な量の充填材があればよい。
【００９１】
次に、図７Ａ〜図７Ｃを参照して、図３Ｃに示したように、流体非透過部１４Ａ〜１４Ｃと流体が通過可能な流路１６,１７が形成されたシート状部材１４の上記流路１６,１７のうちの流路１６に流体の透過量を調整するための透過量調整材を充填する工程を説明する。
【００９２】
まず、図７Ａに示すように、透過量調整材を含む材料層７２が凸部７１Ａに積層された転写用基板７１を、上記シート状部材１４に対向させ、このシート状部材１４の流路１６に上記凸部７１Ａに積層した上記透過量調整材を含む材料層７２を対向させる。次に、図７Ｂに示すように、上記透過量調整材を含む材料層７２を上記シート状部材１４の流路１６に重ね合わせて、流路１６に上記透過量調整材を含む材料層７２を転写する。これにより、上記流路１６に上記透過量調整材が充填されて、図７Ｃに示すように、上記透過量調整材が上記流路１６に充填されたシート状部材１４を作製できる。
【００９３】
ここで、透過量調整材を含む材料層７２が形成された転写用基板７１は、図５Ａ〜図５Ｃの工程断面図を参照して図３Ａに示す転写用基板１２を製造する方法を説明したのと同様の方法で作製できる。すなわち、基板上に上記透過量調整材を含む材料層７２を形成して、この透過量調整材を含む材料層７２に転写用基板７１の凸部７１Ａを押し付けることで、この凸部７１Ａに上記透過量調整材を含む材料層７２が転写され、凸部７１Ａに上記透過量調整材を含む材料層７２を形成できる。ここで、上記透過量調整材としては、上述の通り、ポリイミド,ＰＴＦＥ,アクリル系などの樹脂を用いることができ、透過させる流体に対して、化学的に安定な材料であれば採用可能である。
【００９４】
また、図７Ｂに示す工程において、上記透過量調整材を含む材料層７２を上記流路１６に充填する際のアニール条件については、例えば、上記透過量調整材としてポリイミド樹脂を用いた場合は、８０℃から１５０℃程度の温度で５分から１５分程度のアニールを行うことで、シート状部材１４の多孔質構造内に上記透過量調整材を含浸させる。このように短時間のアニールを行うことによって、シート状部材１４の多孔質構造内の膜厚方向全域には上記透過量調整材が行き渡らなく部分的な領域に上記透過量調整材が充填される。この部分的な透過量調整材の充填により、流路１６において流体の透過率が抑制された透過量調整構造が形成される。上記アニール温度やアニール時間は、シート状部材１４の膜厚や平均孔径、上記透過量調整材の粘性などに依存するので、上述した値に限定するものではない。上記シート状部材１４の流路１６の多孔質構造内に上記透過量調整材を充填させる。この透過量調整材による流量調整により、上記流路１６の透過量や逆流量を調整でき、上記シート状部材間の界面領域での漏れのない安定した透過構造が得られる。
【００９５】
また、図２Ａ,図２Ｂに示した第２実施形態のマイクロ流体デバイスも、図１Ａ,図１Ｂに示す第１実施形態のマイクロ流体デバイスと同様、上記説明した第３実施形態の製造方法により作製することができることが理解できる。
【００９６】
図２Ａ,図２Ｂに示した第２実施形態を製造する工程では、シート状部材２４とシート状部材２５との間に、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂおよびマイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂを封入する工程を要する。この工程においては、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂおよびマイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂをシート状部材２４とシート状部材２５の間で積層する。そして、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂおよび上記マイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂの周囲のシート状部材２４と２５とを重ね合わせて、アニールを行い、充填材をシート状部材２４と２５との界面に含浸させることにより、シート状部材２４と２５との重ね合わせ部分を接合できる。これによって、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂおよびマイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂを上記一体構造内に封じ込めることが可能となる。このように、可撓性のあるシート状部材２４,２５間に反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂとマイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂを封入することで、反応場となる部材３７Ａ,３７Ｂおよびマイクロヒータ３５Ａ,３５Ｂに密着した封止が容易になり、流体の周囲への漏れを抑制し易い構造を実現できる。
【００９７】
以上、この発明の実施の形態について説明したが、上記開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。この発明の範囲は特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１Ａ】この発明の第１実施形態に係るマイクロ流体デバイスを示す平面図である。
【図１Ｂ】上記第１実施形態に係るマイクロ流体デバイスを示す断面図である。
【図２Ａ】この発明の第２実施形態に係るマイクロ流体デバイスを示す平面図である。
【図２Ｂ】上記第２実施形態に係るマイクロ流体デバイスを示す断面図である。
【図３Ａ】上記第１実施形態のマイクロ流体デバイスの製造工程を説明するための工程断面図である。
【図３Ｂ】上記第１実施形態のマイクロ流体デバイスの製造工程を説明するための工程断面図である。
【図３Ｃ】上記第１実施形態のマイクロ流体デバイスの製造工程を説明するための工程断面図である。
【図４Ａ】図３Ａ〜図３Ｂに示す工程と同様の工程で作製した第１実施形態のシート状部材２,３,４,５の平面図である。
【図４Ｂ】図４Ａに示すシート状部材２,３,４,５が積層され接合されて形成された一体構造のマイクロ流体デバイスの断面図である。
【図５Ａ】図３Ａに示す転写用基板１２の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図５Ｂ】図３Ａに示す転写用基板１２の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図５Ｃ】図３Ａに示す転写用基板１２の製造方法を説明するための工程断面図である。
【図６Ａ】上記第３実施形態の製造方法において、シート状部材５とシート状部材４との間の界面に充填材含浸領域７０を形成する工程を説明するための断面図である。
【図６Ｂ】上記第３実施形態の製造方法において、上記充填材含浸領域７０を形成する工程を説明するための断面図である。
【図６Ｃ】上記第３実施形態の製造方法において、上記充填材含浸領域７０の形成工程を説明するための断面図である。
【図６Ｄ】上記第３実施形態の製造方法において、上記充填材含浸領域７０の形成工程を説明するための断面図である。
【図７Ａ】上記第３実施形態の製造方法において、シート状部材１４の流路１６に透過量調整材を充填する工程を説明するための断面図である。
【図７Ｂ】上記第３実施形態の製造方法において、シート状部材１４の流路１６に透過量調整材を充填する工程を説明するための断面図である。
【図７Ｃ】上記第３実施形態の製造方法において、シート状部材１４の流路１６に透過量調整材を充填する工程を説明するための断面図である。
【符号の説明】
【００９９】
１,３４ マイクロ流体デバイス
２,３,４,５,１４,２２,２３,２４,２５ シート状部材
６,７,１１,２６,２７,３１ ポート
８,９,１０,１６,１７,２８,２９,３０ 多孔質の流路
２Ａ〜２Ｃ,３Ａ〜３Ｃ,４Ａ,４Ｂ,５Ａ,５Ｂ 流体非透過部
１２,６６,７１ 転写用基板
１３,５３,６８,７２ 充填材を含む材料層
１４Ａ,１４Ｂ,１４Ｃ 流体非透過部
２１ａ〜２１ｃ 充填材含浸領域
２２Ａ〜２２Ｃ,２３Ａ〜２３Ｃ,２４Ａ,２４Ｂ,２５Ａ,２５Ｂ 流体非透過部
３５Ａ,３５Ｂ マイクロヒータ
３６Ａ,３６Ｂ マイクロヒータ配線
３７Ａ,３７Ｂ 反応場となる部材。
５２ 基板
７０ 充填材含浸領域
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体が通過可能な多孔質材で形成されている貫通した流路を少なくとも１つ有する複数の積層部材を備え、
上記複数の積層部材は積層されており、上記積層方向に隣接する複数の積層部材の複数の上記流路が連通しており、上記連通している複数の流路が少なくとも１つの連通流路を構成しており、
上記連通流路は、上記積層方向の一端の上記積層部材に形成された上記少なくとも１つの流路を含み、
上記積層部材は、
上記流路に隣接していると共に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部を有することを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロ流体デバイスにおいて、
上記複数の積層部材のうちの少なくとも１つの積層部材の流路の積層方向の透過係数は、
上記複数の積層部材のうちの他の積層部材の流路の積層方向の透過係数とは異なっていることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項３】
請求項１または２に記載のマイクロ流体デバイスにおいて、
上記複数の積層部材のうちの少なくとも１つの積層部材の流路の積層方向と直交する方向の透過係数は、
上記複数の積層部材のうちの他の積層部材の流路の積層方向と直交する方向の透過係数とは異なっていることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つに記載のマイクロ流体デバイスにおいて、
上記複数の積層部材のうちの少なくとも１つの積層部材が有する少なくとも１つの流路は、上記流体の透過量を調整するための透過量調整材が充填されていることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載のマイクロ流体デバイスにおいて、
上記流路内の流体を引き込んで反応場となる部材が上記連通流路内に配置されていることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１つに記載のマイクロ流体デバイスにおいて、
上記複数の積層部材が構成する一体構造体内に封じ込められたヒータ部材を備えることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１つに記載のマイクロ流体デバイスにおいて、
上記積層方向に隣接する２つの積層部材の流体非透過部が接合している接合領域に上記充填材が充填されていることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項８】
請求項５に記載のマイクロ流体デバイスにおいて、
上記反応場となる部材とこの反応場となる部材に隣接している上記積層部材との間に上記充填材が充填されていることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項９】
転写用基板の凸部に充填材を含む材料層を形成し、
上記充填材を含む材料層が形成された転写用基板の上記凸部を、流体の通過可能な多孔質材で形成されている多孔質部材に重ね合わせて、上記充填材を含む材料を上記多孔質部材に転写し、上記凸部が重ね合わされた上記多孔質部材の領域に上記充填材を充填して、上記領域を上記流体が通過できない流体非透過部とすると共に、上記流体非透過部に隣接していて上記流体が通過可能な流路を形成し、
上記流路と流体非透過部が形成された上記多孔質部材を複数積層して、上記複数の多孔質部材の流路が連通している少なくとも１つの連通流路を備えた実質的に一体構造の積層構造体を形成することを特徴とするマイクロ流体デバイスの製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載のマイクロ流体デバイスの製造方法において、
上記充填材を含む材料層が形成された材料基板の上記材料層に、転写用基板の凸部を押し付けて、上記凸部に上記充填材を含む材料を転写し、上記転写用基板の凸部に上記充填材を含む材料層を形成することを特徴とするマイクロ流体デバイスの製造方法。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載のマイクロ流体デバイスの製造方法において、
上記充填材を含む材料層が形成された転写用基板の上記凸部を、流体の通過可能な多孔質材で形成されている多孔質部材に重ね合わせて、上記充填材を含む材料を上記多孔質部材に転写するときに、アニールによって上記充填材を上記多孔質部材に含浸させることを特徴とするマイクロ流体デバイスの製造方法。
【請求項１２】
請求項９から１１のいずれか１つに記載のマイクロ流体デバイスの製造方法において、
上記流路と流体非透過部が形成された上記多孔質部材を複数積層し、アニールによって上記流体非透過部の上記充填材を隣接する２つの多孔質部材間の接合領域に含浸させることにより、上記複数の多孔質部材を貼り合わせることを特徴とするマイクロ流体デバイスの製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載のマイクロ流体デバイスの製造方法において、
上記多孔質部材に形成された上記流路と流体非透過部のうちの上記流体非透過部上に上記充填材を含む材料層を上記流体非透過部の厚さよりも薄く形成してから、上記多孔質部材を複数積層し、上記アニールによって上記流体非透過部の上記充填材を隣接する２つの多孔質部材間の接合領域に含浸させることを特徴とするマイクロ流体デバイスの製造方法。
【請求項１４】
請求項９から１３のいずれか１つに記載のマイクロ流体デバイスの製造方法において、
上記流体の透過量を調整するための透過量調整材を含む材料層が形成された透過量調整材転写用基板を、上記流路と流体非透過部とが形成された上記多孔質部材に重ね合わせて、上記多孔質部材の上記流路と流体非透過部のうちの上記流路に上記透過量調整材を充填することを特徴とするマイクロ流体デバイスの製造方法。
【請求項１５】
請求項９から１４のいずれか１つに記載のマイクロ流体デバイスの製造方法において、
上記流路内の流体を引き込んで反応場となる部材もしくはヒータ部材のうちの少なくとも一方を、隣り合う２つの上記多孔質部材間に封入するように、上記流路と流体非透過部が形成された上記多孔質部材を複数積層することを特徴とするマイクロ流体デバイスの製造方法。
【請求項１】
流体が通過可能な多孔質材で形成されている貫通した流路を少なくとも１つ有する複数の積層部材を備え、
上記複数の積層部材は積層されており、上記積層方向に隣接する複数の積層部材の複数の上記流路が連通しており、上記連通している複数の流路が少なくとも１つの連通流路を構成しており、
上記連通流路は、上記積層方向の一端の上記積層部材に形成された上記少なくとも１つの流路を含み、
上記積層部材は、
上記流路に隣接していると共に充填材が充填されて上記流体が透過できない流体非透過部を有することを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロ流体デバイスにおいて、
上記複数の積層部材のうちの少なくとも１つの積層部材の流路の積層方向の透過係数は、
上記複数の積層部材のうちの他の積層部材の流路の積層方向の透過係数とは異なっていることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項３】
請求項１または２に記載のマイクロ流体デバイスにおいて、
上記複数の積層部材のうちの少なくとも１つの積層部材の流路の積層方向と直交する方向の透過係数は、
上記複数の積層部材のうちの他の積層部材の流路の積層方向と直交する方向の透過係数とは異なっていることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１つに記載のマイクロ流体デバイスにおいて、
上記複数の積層部材のうちの少なくとも１つの積層部材が有する少なくとも１つの流路は、上記流体の透過量を調整するための透過量調整材が充填されていることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１つに記載のマイクロ流体デバイスにおいて、
上記流路内の流体を引き込んで反応場となる部材が上記連通流路内に配置されていることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１つに記載のマイクロ流体デバイスにおいて、
上記複数の積層部材が構成する一体構造体内に封じ込められたヒータ部材を備えることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１つに記載のマイクロ流体デバイスにおいて、
上記積層方向に隣接する２つの積層部材の流体非透過部が接合している接合領域に上記充填材が充填されていることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項８】
請求項５に記載のマイクロ流体デバイスにおいて、
上記反応場となる部材とこの反応場となる部材に隣接している上記積層部材との間に上記充填材が充填されていることを特徴とするマイクロ流体デバイス。
【請求項９】
転写用基板の凸部に充填材を含む材料層を形成し、
上記充填材を含む材料層が形成された転写用基板の上記凸部を、流体の通過可能な多孔質材で形成されている多孔質部材に重ね合わせて、上記充填材を含む材料を上記多孔質部材に転写し、上記凸部が重ね合わされた上記多孔質部材の領域に上記充填材を充填して、上記領域を上記流体が通過できない流体非透過部とすると共に、上記流体非透過部に隣接していて上記流体が通過可能な流路を形成し、
上記流路と流体非透過部が形成された上記多孔質部材を複数積層して、上記複数の多孔質部材の流路が連通している少なくとも１つの連通流路を備えた実質的に一体構造の積層構造体を形成することを特徴とするマイクロ流体デバイスの製造方法。
【請求項１０】
請求項９に記載のマイクロ流体デバイスの製造方法において、
上記充填材を含む材料層が形成された材料基板の上記材料層に、転写用基板の凸部を押し付けて、上記凸部に上記充填材を含む材料を転写し、上記転写用基板の凸部に上記充填材を含む材料層を形成することを特徴とするマイクロ流体デバイスの製造方法。
【請求項１１】
請求項９または１０に記載のマイクロ流体デバイスの製造方法において、
上記充填材を含む材料層が形成された転写用基板の上記凸部を、流体の通過可能な多孔質材で形成されている多孔質部材に重ね合わせて、上記充填材を含む材料を上記多孔質部材に転写するときに、アニールによって上記充填材を上記多孔質部材に含浸させることを特徴とするマイクロ流体デバイスの製造方法。
【請求項１２】
請求項９から１１のいずれか１つに記載のマイクロ流体デバイスの製造方法において、
上記流路と流体非透過部が形成された上記多孔質部材を複数積層し、アニールによって上記流体非透過部の上記充填材を隣接する２つの多孔質部材間の接合領域に含浸させることにより、上記複数の多孔質部材を貼り合わせることを特徴とするマイクロ流体デバイスの製造方法。
【請求項１３】
請求項１２に記載のマイクロ流体デバイスの製造方法において、
上記多孔質部材に形成された上記流路と流体非透過部のうちの上記流体非透過部上に上記充填材を含む材料層を上記流体非透過部の厚さよりも薄く形成してから、上記多孔質部材を複数積層し、上記アニールによって上記流体非透過部の上記充填材を隣接する２つの多孔質部材間の接合領域に含浸させることを特徴とするマイクロ流体デバイスの製造方法。
【請求項１４】
請求項９から１３のいずれか１つに記載のマイクロ流体デバイスの製造方法において、
上記流体の透過量を調整するための透過量調整材を含む材料層が形成された透過量調整材転写用基板を、上記流路と流体非透過部とが形成された上記多孔質部材に重ね合わせて、上記多孔質部材の上記流路と流体非透過部のうちの上記流路に上記透過量調整材を充填することを特徴とするマイクロ流体デバイスの製造方法。
【請求項１５】
請求項９から１４のいずれか１つに記載のマイクロ流体デバイスの製造方法において、
上記流路内の流体を引き込んで反応場となる部材もしくはヒータ部材のうちの少なくとも一方を、隣り合う２つの上記多孔質部材間に封入するように、上記流路と流体非透過部が形成された上記多孔質部材を複数積層することを特徴とするマイクロ流体デバイスの製造方法。
【図１Ａ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【図１Ｂ】
【図２Ａ】
【図２Ｂ】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図７Ｃ】
【公開番号】特開２００９−２９１７５８（Ｐ２００９−２９１７５８Ａ）
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１５０１８１（Ｐ２００８−１５０１８１）
【出願日】平成２０年６月９日（２００８．６．９）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１２月１７日（２００９．１２．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年６月９日（２００８．６．９）
【出願人】（０００００５０４９）シャープ株式会社 (33,933)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]