マイクロ流路デバイス及びマイクロ流路デバイスの製造方法
【課題】対流の発生を抑制し、意図しない流体同士の混合や、流体内の粒子の偏在が生じにくいマイクロ流路デバイスを提供すること。さらに、前記マイクロ流路デバイスの好適な製造方法を提供すること。
【解決手段】複数の流体が層流を形成して送流されるマイクロ流路を有し、該マイクロ流路の内壁に、流体の流れと略平行であり、かつ、前記複数の流体が形成する界面に対して略垂直方向に突出する凸部を有することを特徴とするマイクロ流路デバイス。前記マイクロ流路は湾曲部を有し、前記凸部は、マイクロ流路の湾曲部に設けられていることが好ましい。
【解決手段】複数の流体が層流を形成して送流されるマイクロ流路を有し、該マイクロ流路の内壁に、流体の流れと略平行であり、かつ、前記複数の流体が形成する界面に対して略垂直方向に突出する凸部を有することを特徴とするマイクロ流路デバイス。前記マイクロ流路は湾曲部を有し、前記凸部は、マイクロ流路の湾曲部に設けられていることが好ましい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ流路デバイスに関し、特にマイクロ流路を有するマイクロ流路デバイス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流路では流体が層流となって流れやすいため、２液が混合することなく分離したまま流れる層流とすることができる。流体間の接触時間を増大させるためには流路を長くする必要があり、限られたスペースでは湾曲部を設けて流路を折り返し、流路長を長くすることが行われている。しかし、湾曲部では遠心力によりＤｅａｎ渦と呼ばれる対流が発生する（非特許文献１参照）。
特に微粒子を分散した層流では、微粒子が湾曲部の外側に移動して意図しない混合や粒子の偏在が発生しやすかった。
【０００３】
特許文献１では、速度分布を改善するために流路に並行又は垂直な複数の凸状平板が備えられたマイクロ流路が開示されている。
また、特許文献２では、曲がり部を有する場合であっても界面の安定性を失わないマイクロ流路を提供するために、一対の案内板を有するマイクロ流路が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１５２５４号公報
【特許文献２】特開２００６−２７２２３１号公報
【非特許文献１】大川原真一、外３名、化学工学論文集、第３０巻、第２号、ｐ．１３５〜１４０（２００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の発明では、速度分布の改善には効果が期待できるものの、流路の湾曲部等で生じる層流の乱れに対しては十分な効果が得られなかった。また、特許文献２に記載の発明では、案内板により界面の面積が減少するため十分な流体間の接触面積を得ることができなかった。
本発明は上記課題を解決することを目標とするものである。
すなわち、本発明は、対流の発生を抑制し、意図しない流体同士の混合や、流体内の粒子の偏在が生じにくいマイクロ流路デバイスを提供することを目標とするものである。さらに、本発明は、前記マイクロ流路デバイスの好適な製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の上記課題は＜１＞及び＜６＞に記載の手段により解決された。好ましい実施態様である＜２＞から＜５＞及び＜７＞から＜９＞と共に以下に記載する。
＜１＞ 複数の流体が層流を形成して送流されるマイクロ流路を有し、該マイクロ流路の内壁に、流体の流れと略平行であり、かつ、前記複数の流体が形成する界面に対して略垂直方向に突出する凸部を有することを特徴とするマイクロ流路デバイス、
＜２＞ 前記マイクロ流路は湾曲部を有し、前記凸部は、マイクロ流路の湾曲部に設けられている＜１＞に記載のマイクロ流路デバイス、
＜３＞ 前記凸部は、マイクロ流路の湾曲部の外周側内壁にのみ設けられている＜２＞に記載のマイクロ流路デバイス、
＜４＞ 前記凸部の高さが、マイクロ流路幅の５０％以下である＜１＞から＜３＞いずれか１つに記載のマイクロ流路デバイス、
＜５＞ 前記マイクロ流路デバイスが、薄膜パターン部材を積層してなる＜１＞から＜４＞いずれか１つに記載のマイクロ流路デバイス、
＜６＞ 第１の基板上に目的とするマイクロ流路デバイスの各断面形状に対応した複数の薄膜パターン部材を形成する工程、及び、前記複数の薄膜パターン部材が形成された前記第１の基板と第２の基板との接合及び離間を繰り返すことにより前記第１の基板上の前記複数の薄膜パターン部材を前記第２の基板上に転写する工程を含むことを特徴とする＜１＞から＜５＞いずれか１つに記載のマイクロ流路デバイスの製造方法、
＜７＞ 前記第１の基板と前記第２の基板との接合は、常温接合又は表面活性化接合によるものである＜６＞に記載のマイクロ流路デバイスの製造方法、
＜８＞ 前記第１の基板上への前記複数の薄膜パターンの形成が、電鋳法によるものである＜６＞又は＜７＞に記載のマイクロ流路デバイスの製造方法、
＜９＞ 前記薄膜パターン部材がニッケル又はニッケルを主成分とする合金もしくは銅又は銅を主成分とする合金で形成されている＜６＞から＜８＞いずれか１つに記載のマイクロ流路デバイスの製造方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、対流の発生を抑制し、意図しない流体同士の混合や、流体内の粒子の偏在が生じにくいマイクロ流路デバイスを提供することができる。さらに、本発明によれば、前記マイクロ流路デバイスの好適な製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明のマイクロ流路デバイスは、複数の流体が層流を形成して送流されるマイクロ流路を有し、該マイクロ流路の内壁に、流体の流れと略平行であり、かつ、前記複数の流体が形成する界面に対して略垂直方向に突出する凸部を有することを特徴とする。
本発明マイクロ流路デバイスは、流路の内壁に流れと略平行であり、かつ、複数の流体が形成する界面に対して略垂直方向に突出する凸部を有するため、流体の層流が保持され、意図しない混合や流体内の粒子の偏在が生じにくい。そのため、安定した層流を得ることができる。
【０００９】
本発明のマイクロ流路デバイスは、特に用途を限定されるものではなく、公知の様々な用途に使用可能であり、用途に応じて流路長、流速、流体の種類、温度等を適宜選択することが好ましい。具体的には、医療分野における分析装置や、微粒子の製造・分級・洗浄装置、化学反応装置例えば合成装置や重合装置としても使用できる。
【００１０】
本発明において、マイクロ流路とは、極微量の液体やガスなどを流す微小な流路であって、その幅が数μｍ以上数千μｍ以下のものである。なお、本発明において、マイクロ流路とはマイクロスケールの流路をいうが、ミリスケールの流路も含む意である。
流路幅は目的により適宜選択することができるが、１０μｍ以上１，０００μｍ以下であることが好ましく、２０μｍ以上５００μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００１１】
本発明において、マイクロ流路は、マイクロスケールであるので、寸法及び流速がいずれも小さく、マイクロ流路を流れる流体のレイノルズ数は２，３００以下となる。従って、マイクロスケールの流路を有する本発明のマイクロ流路デバイスは、乱流支配ではなく層流支配の装置である。
ここで、レイノルズ数（Ｒｅ）は、下記式で表されるものであり、２，３００以下のとき層流支配となる。
Ｒｅ＝ｕＬ／ν （ｕ：流速、Ｌ：代表長さ、ν：動粘性係数）
本発明のマイクロ流路デバイスは、層流支配を維持するために、マイクロ流路の内壁に、流体の流れと略平行であり、かつ、前記複数の流体が形成する界面に対して略垂直方向に突出する凸部を有するものである。
【００１２】
本発明のマイクロ流路デバイスは、複数の流体が層流を形成して送流される。マイクロ流路デバイスは複数の流体導入口から２以上の流体が送流され、層流を形成する合流部を有することが好ましい。また、本発明のマイクロ流路デバイスは、１つ以上の排出口を有し、層流に対応した複数の排出口を設けることも好ましい。
【００１３】
本発明において、マイクロ流路は、基材によって外部と隔離された微小な径を有する流路であり、基材は、基板であっても良いし、管状であっても良い。
本発明において、マイクロ流路の形状は特に限定されないが、通常管状である。また、マイクロ流路の断面形状は特に制限されず、いかなる形状を使用することもできる。マイクロ流路の流路軸に直交する面の断面形状としては、円形、楕円形、半円形、四角形、三角形、その他の多角形、だるま形状等、が挙げられるが、本発明はこれに限定されない。これらの中でも、マイクロ流路デバイスの作製の容易さから、マイクロ流路の断面形状は四角形（矩形）であることが好ましい。
また、本発明において、マイクロ流路の一部又は全部は、その内壁に流体の流れと略平行であり、かつ、流体が形成する界面に対して略垂直方向に突出する凸部を有する。すなわち、本発明において、マイクロ流路は、内壁の一部に凸部を有する四角形の断面形状を有するマイクロ流路であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明において、流路軸形状は特に限定されず、直線状、曲線状等のいかなる形状でも良い。ここで、流路軸形状とは、マイクロ流路における流体の流れ方向の軸を意味する。
上述の通り、流路軸形状は特に限定されないが、一定の面積に対して流路長を確保するためには、湾曲部を形成することが好ましい。なお、湾曲部とは、マイクロ流路の流路軸が折り返し形状、円弧形状又は角度を持った形状等を有することにより流れの方向を変える部分を意味する。特に、本発明において、湾曲部は円弧形状であることが好ましい。円弧形状の一例として、半円形状が例示できる。
すなわち、流路軸形状は、全体としては直線部と湾曲部を有する形状とし、一定面積におけるマイクロ流路長が長くなるように形成されていることが好ましい。
【００１５】
マイクロ流路の内壁に設けられた凸部の形状は特に限定されないが、流体の流れと略平行に設けられている。なお、本発明において、凸部は流体の流れと略平行に設けられているが、流体の流れと厳密に平行である必要はなく、流体の流れを阻害しない範囲で角度を選択することが可能である。本発明において、「流体の流れと略平行な」とは、流体の流れに対して１０度以下の角度であることを意味する。５度以下であることが好ましく、３度以下であることがより好ましく、流体の流れに対して０度、すなわち平行であることがさらに好ましい。
例えばマイクロ流路の流体の流れと垂直な方向の断面形状が四角形状である場合、一方の凸部は、その一辺から流路内部に直角に突出していることが好ましい。また、対向する凸部を有する場合、もう一方の凸部はその対辺上の相対する位置から同様に対辺に対して直角に突出していることが好ましい。また、後述するように、凸部は流体が形成する界面に対して略垂直方向に突出している。
【００１６】
本発明において、マイクロ流路の内壁に設けられた凸部は、複数の流体が形成する界面に対して略垂直方向に突出している。なお、本発明において、凸部は流体により形成される界面と略垂直に設けられているが、界面と厳密に垂直である必要はなく、界面の変形を阻害しない範囲で角度を選択することが可能である。本発明において、「複数の流体が形成する界面に対して略垂直方向突出している」とは、流体により形成される界面に対して９０度の角度からのずれが１０度以下の角度であることを意味する。５度以下であることが好ましく、３度以下であることがより好ましく、流体により形成される界面に対して０度、すなわち直角であることがさらに好ましい。
なお、３以上の層流が形成され、界面が２以上存在する場合には、少なくとも１つの界面に対して略垂直方向に突出していれば良いが、全ての界面に略垂直方向に突出していることがより好ましく、これを満足するように界面を形成することが好ましい。
【００１７】
凸部の形状としては、平板状でも良いし、内壁から流路内の先端に向かって厚さが薄くなる形状や、厚くなる形状としても良い。また、流路軸方向に向かって徐々に厚くする又は薄くする形状とすることもできる。これらの中でも、凸部の形状としては内壁から流路内の先端に向かって同じ厚さを有し、流路軸と直交する断面の形状が矩形であることが好ましく、矩形の板状凸部が設けられていることがより好ましい。
【００１８】
ここで、「凸部」とは、流路内壁から突出し、かつ流路軸方向に伸びた板状の構造をいう。
また、凸部は、流路の導入口から排出口までの流路軸方向に連続して設けることもできるし、途中で一部中断していても良い。
また、凸部は、流路断面のいずれの箇所に設けることもでき、層流が形成する界面の向きに応じて、上面及び下面に設けることもできるが、流路湾曲部の外周側内壁及び内周側内壁に該当する部分の流路軸方向に設けることが好ましい。すなわち、湾曲部の遠心力に対して、外周側及び内周側となる流路内壁に設けることが好ましい。なお、このとき層流は外周側と内周側とに形成されている。
本発明においては、凸部は流路の湾曲部のみに設けることが好ましく、流路の湾曲部の外周側内壁にのみ設けることがより好ましい。凸部をこのように配置すると、湾曲部における対流を防ぐことにより層流を安定化させ、流体の混合を抑制することができるので好ましい。
【００１９】
凸部は、１つのみを設けることもできるし、複数の凸部を流路の内壁に設けることもできる。すなわち、流路内の同一断面に、平行した凸部を複数設けることもできる。このような場合、凸部は１つ以上５つ以下設けることが好ましく、１つ以上３つ以下設けることがより好ましい。
すなわち、発明において、流路の湾曲部の外周側内壁に複数の凸部を設けることが好ましく、特に、複数の湾曲部を有するマイクロ流路デバイスの場合には、すべての湾曲部の外周側内壁に複数の凸部を設けることが好ましい。
【００２０】
凸部の高さは、流路幅の５０％以下であることが好ましい。ここで「凸部の高さ」とは、流路内壁から流路軸に垂直な方向に対向している流路内壁までの幅を１００％としたときの凸部の高さを意味する。凸部の高さは５％以上５０％以下であることがより好ましく、１０％以上２５％以下であることがさらに好ましい。
凸部の高さが流路幅の５０％以下であると、安定した層流を得ることができるので好ましい。
【００２１】
以下、図１から図７を参照して本発明を詳細に説明する。
なお、以下、同一の符号は同一の対象を指すものとして使用する。
図１は、本発明のマイクロ流路デバイスの好ましい一例を示す平面概略図である。
基板２２にマイクロ流路２０が設けられており、マイクロ流路デバイス１０のマイクロ流路２０に流体Ａ及び流体Ｂを導入するための導入口２４Ａ、２４Ｂ並びに流体Ａ及び流体Ｂを排出するための排出口２６Ａ、２６Ｂが設けられている。
図１では２つの流体を導入する態様が示されているが、本発明はこれに限定されず、３以上の流体を導入しても良い。また、流体の一種類を微粒子分散液とし、マイクロ流路デバイスを微粒子の分級装置あるいは微粒子の洗浄装置として使用することもできる。流体としては、気体及び液体のいずれも使用することができるが、本発明において、流体は液体であることが好ましい。
【００２２】
図１では、２つの流体（流体Ａ及び流体Ｂ）が導入口２４Ａ及び２４Ｂから導入され、１つのマイクロ流路２０に層流として送液されている。図１において、マイクロ流路２０に送液された２つの液体（図１では、流体Ａ及び流体Ｂ）は、その後、層流として１つの合一流路を流れる。
その後、排出口２６Ａ及び２６Ｂから、それぞれ流体Ａ及び流体Ｂが排出されている。なお、本発明において、排出口の数は特に限定されず、１以上の排出口を設ければよく、目的に応じて適宜選択することができる。また、流路に沿って複数の排出口を設けたり、流路の上下に分けて排出口を設けても良い。
【００２３】
図１において、同一面積の基板に十分な長さのマイクロ流路を形成するために、湾曲部３０が設けられている、なお、湾曲部以外の場所は直線部３２となっている。但し、本発明のマイクロ流路デバイスはこれに限定されるものではなく、例えば蛇行部等の曲線部等を有するものでも良い。
【００２４】
図２は、図１に示すマイクロ流路デバイスの湾曲部を含む拡大図である。
図２において、流路の湾曲部３０の外周側に流体Ａが送液されており、流路の湾曲部３０内周側に流体Ｂが送液されており、２つの流体間に界面５５が形成されている。
図３は図２に示すマイクロ流路のＸ−Ｘ’断面図を示す。図３において、マイクロ流路２０は湾曲部内周側内壁４０、湾曲部外周側内壁４２、上面４４、及び下面４６を有し、流路幅Ｗの断面を有している。
従来のマイクロ流路（図３（ｃ）参照）では、凸部が設けられていないため、湾曲部における遠心力のため、流体Ｂと流体Ａの意図しない混合（矢印で図示）が生じ、湾曲部を経た流体Ｂと流体Ａの界面では混合が生じてしまう。
図３（ａ）は、本発明のマイクロ流路デバイス１０の湾曲部３０におけるマイクロ流路２０の断面図の一例である。ここで流体Ａ及び流体Ｂは紙面手前から奥に向かって湾曲して送流されており、界面５５を形成している。マイクロ流路２０の湾曲部内周側内壁４０及び湾曲部外周側内壁４２には流体の流れと平行、かつ、界面５５に対して垂直方向に矩形の板状凸部５０が設けられている。
図３（ａ）では凸部５０が流体の流れと平行に３対設けられているが、本発明はこれに限定されるものではなく、凸部５０は１つ以上設けられていれば良く、安定した層流が得られるように、設ける凸部の数を選択することが好ましい。また、上述した通り、凸部の断面形状は内壁から流路の内側へ向かって厚みを増す形状とすることもできるし、これとは逆に内壁から流路の内側へ向かって薄くなる形状とすることもできる。
【００２５】
また、湾曲部外周側内壁に設けられた凸部の高さＷ’及び湾曲部内周側内壁に設けられた凸部の高さＷ”は、それぞれ流路幅Ｗの５０％以下であることが好ましく、それぞれ５％以上５０％以下であることがより好ましく、１０％以上２５％以下であることがさらに好ましい。凸部の高さを上記範囲内とすることにより、安定した層流を維持することができるので好ましい。
また、Ｗ’とＷ”は同一の高さとすることもできるし、異なる高さを選択することもできる。
【００２６】
また、図３（ａ）に示すように、対向する内壁の双方に凸部を設ける場合、凸部の高さの合計（Ｗ’＋Ｗ”）がＷの６０％以下であることが好ましく、１０％以上５０％以下であることがより好ましく、２０％以上４０％以下であることがさらに好ましい。凸部の高さの合計を上記範囲内とすることにより、層流速度を減少させることなく、安定した層流が形成可能であるので好ましい。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、対向する内壁の双方に凸部を設ける場合、対向する凸部はいずれの位置に設けることもできるが、平行に設けることが好ましい。即ち、マイクロ流路の基板からの高さ方向（図３では、上面と下面を結ぶ方向）に対して同一の高さに設けることが好ましい。このように凸部を配置することにより、安定した層流を形成することができるので好ましい。
【００２８】
凸部の幅ａ及び凸部の間隔ｂは、目的に応じて適宜選択することができ、安定した層流が得られるように適宜選択することが好ましい。Ｗ’／ｂは３以下が好ましく、１．５以下がさらに好ましい。
【００２９】
さらに、図３（ａ）に示すように、複数の凸部５０が設けられている場合、それぞれの凸部の形状、凸部の高さＷ’及びＷ”、凸部の幅ａはそれぞれ同じであっても異なっていても良く、適宜選択することが好ましい。さらに、凸部が３つ以上設けられている場合には、２つ以上の凸部の間隔ｂはそれぞれ同じであっても異なっていても良く、適宜選択することが好ましい。
【００３０】
図３（ｂ）に図２のＸ−Ｘ’断面の他の好ましい一実施態様を示す。
図３（ｂ）では、湾曲部外周側内壁にのみ凸部５０が設けられている。この場合、凸部５０の高さＷ’は、マイクロ流路２０の幅Ｗの５０％以下であることが好ましい。凸部５０の高さＷ’を上記範囲内とすることにより遠心力による対流を防ぎ安定した層流が形成可能であるので好ましい。
【００３１】
なお、上述のＷ’及びＷ”の好ましい高さは、最大高さを意味し、マイクロ流路に設けられた凸部の最大高さが上記範囲内であることが好ましい。また、後述するように、湾曲部中央において最大高さを有する凸部とすることが好ましい。
【００３２】
凸部５０はこれに限定されず、後述するように、マイクロ流路２０の上面４４又は下面４６に設けることもできるが、安定した層流を得る目的からは、図３（ａ）又は図３（ｂ）に示すように湾曲部内周側内壁４０及び／又は湾曲部外周側内壁４２に設けることが好ましく、特に図３（ｂ）に示すように、湾曲部外周側内壁４２に設けることが好ましい。
【００３３】
本発明において、湾曲部に設けられる凸部は、凸部の高さが湾曲部中央で最大となることが好ましく、湾曲部の手前から徐々に高くなり、湾曲部の終わりに向けて徐々に低くなるように設けることが好ましい。
図４を参照して説明する。図４は、図２に示すマイクロ流路の断面図を示している。図４（ａ）は、湾曲部３０の手前のＭ−Ｍ’断面であり、当該断面には凸部は設けられていない。凸部は、湾曲部の手前から徐々に高さを増すように設けられており、図４（ｂ）に示すＮ−Ｎ’断面では、低い高さの凸部が設けられており、湾曲部中央であるＸ−Ｘ’断面（図４（ｃ））では凸部の高さが最も高い。また、湾曲部終わりに向けて徐々に低くなるように設けられており、図４（ｄ）示すマイクロ流路のＰ−Ｐ’断面では、Ｘ−Ｘ’断面と比較して低い高さの凸部が設けられている。また、図４（ｅ）に示すように、湾曲部の終わりであるＱ−Ｑ’断面では、凸部が設けられていない。すなわち、Ｎ−Ｎ’断面、Ｘ−Ｘ’断面、Ｐ−Ｐ’断面において、外周側内壁に設けられた凸部の高さをそれぞれＷb’、Ｗc’、Ｗd’、内周側内壁に設けられた凸部の高さをそれぞれＷb”、Ｗc”、Ｗd”とすると、Ｗb’＜Ｗc’＞Ｗd’、Ｗb”＜Ｗc”＞Ｗd”が成立している
【００３４】
次に、図５を用いて、流路軸方向に垂直な断面としたとき、上下に２つの流体が送流されている本発明のマイクロ流路デバイスの一実施態様について説明する。
図５（ａ）は本発明のマイクロ流路デバイスの湾曲部における流路断面を示す他の一実施態様である。
図５（ａ）では、流体Ａ及び流体Ｂで示される２つの流体が層流を形成して紙面手前から奥に向かって湾曲して送流されている。図５（ａ）は湾曲部における流路断面を示し、流路２０は湾曲部内周内壁４０、湾曲部外周内壁４２、上面４４及び下面４６で構成されている。
流路内壁には、流体Ａ及び流体Ｂにより形成された界面５５に対して垂直方向に突出する凸部５０が設けられている。なお、凸部５０は流体の流れと平行に形成されており、図５（ａ）では紙面の手前から奥に向かって湾曲しながら形成されている。
【００３５】
形成する凸部の高さＷ2’、及びＷ2”は、それぞれ流路幅Ｗ2に対して５０％以下であることが好ましく、それぞれ５％以上５０％以下であることがより好ましく、１０％以上２５％以下であることがさらに好ましい。凸部の高さを上記範囲内とすることにより、安定した層流を維持することができるので好ましい。また、Ｗ2’とＷ2”は同一とすることもできるし、異なる高さを選択することもできる。
また、図５（ａ）に示すように、対向する内壁の双方に凸部を設ける場合、凸部の高さの合計（Ｗ2’＋Ｗ2”）が流路の幅Ｗ2の６０％以下であることが好ましく、１０％以上５０％以下であることがより好ましく、２０％以上４０％以下であることがさらに好ましい。凸部の高さの合計を上記範囲内とすることにより、層流速度を減少させることなく、安定した層流が形成可能であるので好ましい。
さらに、凸部の幅ａ及び凸部の間隔ｂは、上記と同様に適宜選択することができる。
なお、上下の２層流とした場合にも、凸部の高さは屈曲部中央で最大となるように設けることも好ましい。その態様については上述の通りである。
【００３６】
図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す流路断面において生じる二次流速度ベクトルを示す。図５（ａ）に示すように、上下に流体を配した場合には、１対のＤｅａｎ渦が上下に形成される。二次流速度の最も大きな領域は上下のＤｅａｎ渦の中間に存在している。湾曲部において、このような二次流速度分布が生じることにより、特に流体内に粒子を含有する場合には粒子の不均一な分布（偏在）を生じることがある。
本発明においては上述のように凸部を設けることにより、このような粒子の不均一な分布を抑制することができ、安定して層流を形成することができる。
【００３７】
本発明において、マイクロ流路デバイスは、いずれの方法により作製することもできるが、以下の本発明に好適に使用可能なマイクロ流路デバイスの製造方法について説明する。
本発明のマイクロ流路デバイスは、所定の二次元パターンが形成された薄膜パターン部材が積層されて形成されたマイクロ流路デバイスであることが好ましく、薄膜の面同士が直接接触して接合された状態で積層されていることがより好ましい。
【００３８】
本発明のマイクロ流路デバイスの好ましい製造方法としては、
（ｉ）第１の基板上に目的とするマイクロ流路デバイスの各断面形状に対応した複数の薄膜パターンを形成する工程（ドナー基板作製工程）、及び、
（ii）前記複数の薄膜パターンが形成された前記第１の基板と第２の基板との接合及び離間を繰り返すことにより前記第１の基板上の前記複数の薄膜パターンを前記第２の基板上に転写する工程（接合工程）、
を含むことを特徴とするマイクロ流路デバイスの製造方法が例示できる。
【００３９】
本発明のマイクロ流路デバイスの製造方法についてさらに詳述する。
（ドナー基板作製工程）
本発明において、ドナー基板は電鋳法を用いて作製することが好ましい。ここで、ドナー基板とは、第１の基板上に目的とするマイクロ流路デバイスの各断面形状に対応した複数の薄膜パターンが形成された基板である。第１の基板は、金属、セラミックス又はシリコンから形成されていることが好ましく、ステンレス等の金属が好適に使用できる。
まず、第１の基板を準備し、第１の基板上に厚膜フォトレジストを塗布し、作製するマイクロ流路デバイスの各断面形状に対応したフォトマスクにより露光し、フォトレジストを現像して各断面形状のポジネガ反転したレジストパターンを形成する。次に、このレジストパターンを有する基板をめっき浴に浸漬し、フォトレジストに覆われていない金属基板の表面に例えばニッケルめっきを成長させる。薄膜パターンは電鋳法を用いて、銅又はニッケルにより形成されていることが好ましい。
次に、レジストパターンを除去することにより、第１の基板上にマイクロ流体デバイスの各断面形状に対応した薄膜パターンを形成する。
【００４０】
図６は、図２に示す部分を形成するための薄膜パターンの説明図である。図６（ａ）に、図２に示す湾曲部のＸ−Ｘ’断面形状を示す。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、３つの凸部を有するマイクロ流路デバイスが、順番に、５０１Ａ1、５０２Ｂ1、５０２Ｂ2、５０３Ｃ1、５０２Ｂ3、５０３Ｃ2、５０２Ｂ4、５０３Ｃ3、５０２Ｂ5、５０２Ｂ6及び５０１Ａ2の計１１枚の薄膜パターンの積層により形成されていることを示している。
図６（ｃ）は、ドナー基板の湾曲部を含む一部分のみを示す。第１の基板５００上に設けられた薄膜パターン５０１Ａ1及び５０１Ａ2は、それぞれマイクロ流路の上面及び下面を形成する部分に対応するものである。また、薄膜パターン５０３Ｃ1、５０３Ｃ2、５０３Ｃ3は、凸部が位置する部分に対応するものであり、薄膜パターン５０２Ｂ1、５０２Ｂ2、５０２Ｂ3、５０２Ｂ4、・・・・は、突出部が設けられていない部分のマイクロ流路に対応するものである。
【００４１】
（接合工程）
接合工程とは、複数の薄膜パターンが形成された前記第１の基板（ドナー基板）と第２の基板（ターゲット基板）との接合及び離間を繰り返すことにより前記ドナー基板上の前記複数の薄膜パターンを前記ターゲット基板上に転写する工程である。接合は、常温接合又は表面活性化接合により行われることが好ましい。
図７（ａ）から（ｆ）は、本発明に好適に使用できるマイクロ流路デバイスの製造方法の一実施態様を示す製造工程図である。
次に、図７（ａ）に示すように、上記ドナー基板５０５を真空槽内の図示しない下部ステージ上に配置し、ターゲット基板５１０を真空層内の図示しない上部ステージ上に配置する。続いて、真空槽内を排気して高真空状態あるいは超高真空状態にする。次に、下部ステージを上部ステージに対して相対的に移動させてターゲット基板５１０の直下にドナー基板５０５の１層目の薄膜パターン５０１Ａ1を位置させる。次に、ターゲット基板５１０の表面、及び第１層目の薄膜パターン５０１Ａ1の表面にアルゴン原子ビームを照射して清浄化する。
【００４２】
次に、図７（ｂ）に示すように、上部ステージを下降させ、所定の荷重力（例えば、１０ｋｇｆ／ｃｍ2）でターゲット基板５１０とドナー基板５０５とを所定の時間（例えば、５分間）押圧し、ターゲット基板５１０と１層目の薄膜パターン５０１Ａ1とを常温接合（表面活性化接合）する。本実施の形態では、薄膜パターン５０１Ａ1、５０２Ｂ1、５０２Ｂ2、５０３Ｃ1、５０２Ｂ3、５０３Ｃ2、５０２Ｂ4、５０３Ｃ3、５０２Ｂ5、５０２Ｂ6、５０１Ａ2の順に積層する。
【００４３】
次に、図７（ｃ）に示すように、上部ステージを上昇させて、ドナー基板とターゲット基板を離間させると、１層目の薄膜パターン５０１Ａ1が金属基板（第１の基板）５００から剥離し、ターゲット基板５１０側に転写される。これは、薄膜パターン５０１Ａ1とターゲット基板５１０との密着力が薄膜パターン５０１Ａ1と金属基板（第１の基板）５００との密着力よりも大きいからである。
【００４４】
次に、図７（ｄ）に示すように、下部ステージを移動させ、ターゲット基板５１０の直下にドナー基板５０５上の２層目の薄膜パターン５０２Ｂ1を位置させる。次に、ターゲット基板５１０側に転写された薄膜パターン５０１Ａ1の表面（金属基板５００に接触していた面）、及び２層目の薄膜パターン５０２Ｂ1の表面を前述したように清浄化する。
【００４５】
次に、図７（ｅ）に示すように、上部ステージを下降させ、１層目の薄膜パターン５０１Ａ1と２層目の薄膜パターン５０２Ｂ1を接合させ、図７（ｆ）に示すように、上部ステージを上昇させると、２層目の薄膜パターン５０２Ｂ1が金属基板（第１の基板）５００から剥離し、ターゲット基板５１０側に転写される。
【００４６】
他の薄膜パターン（５０２Ｂ2、５０３Ｃ1、５０２Ｂ3、５０３Ｃ2、５０２Ｂ4、５０３Ｃ3、５０２Ｂ5、５０２Ｂ6、５０１Ａ2）も同様に、ドナー基板５０５とターゲット基板５１０との位置決め、接合及び離間を繰り返すことにより、マイクロ流路デバイスの各断面形状に対応した複数の薄膜パターンがターゲット基板上に転写される。ターゲット基板５１０上に転写された積層体を上部ステージから取り外し、ターゲット基板５１０を除去すると、図６に示したマイクロ流路デバイスが得られる。
【００４７】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、その発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々な変形が可能である。また、発明の要旨を逸脱しない範囲内で各実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。
【００４８】
上記各実施の形態では、ドナー基板を電鋳法を用いて作製したが、半導体プロセスを用いて作製しても良い。例えば、Ｓｉウェハからなる基板を準備し、この基板上にポリイミドからなる離型層をスピンコーティング法により着膜し、この離型層の表面にマイクロ流路デバイスの構成材料となるＡｌ薄膜をスパッタ法により着膜し、Ａｌ薄膜をフォトリソグラフィー法によりパターニングすることにより、ドナー基板を作製することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明のマイクロ流路デバイスの好ましい一例を示す平面概略図である。
【図２】図１に示すマイクロ流路デバイスの湾曲部を含む拡大図である。
【図３】図２に示すマイクロ流路のＸ−Ｘ’断面図である。
【図４】図２に示すマイクロ流路の断面図である。
【図５】本発明のマイクロ流路デバイスにおける湾曲部の他の一実施態様を示す断面図である。
【図６】図２に示す部分を形成するための薄膜パターンの説明図である。
【図７】本発明に好適に使用できるマイクロ流路デバイスの製造方法の一実施態様を示す製造工程図である。
【符号の説明】
【００５０】
Ａ、Ｂ 流体
Ｗ、Ｗ2 流路幅
Ｗ’ 湾曲部外周側内壁に設けられた凸部の高さ
Ｗ” 湾曲部内周側内壁に設けられた凸部の高さ
Ｗ2’ 湾曲部上面内壁に設けられた凸部の高さ
Ｗ2” 湾曲部下面内壁に設けられた凸部の高さ
ａ 凸部の幅
ｂ 凸部の間隔
１０ マイクロ流路デバイス
２０ マイクロ流路
２２ 基板
２４Ａ、２４Ｂ 導入口
２６Ａ、２６Ｂ 排出口
３０ 湾曲部
３２ 直線部
４０ 湾曲部内周側内壁
４２ 湾曲部外周側内壁
４４ 上面
４６ 下面
５０ 凸部
５５ 界面
５００ 第１の基板
５０１、５０２、５０３ 薄膜パターン
５０５ ドナー基板
５１０ ターゲット基板
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ流路デバイスに関し、特にマイクロ流路を有するマイクロ流路デバイス及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ流路では流体が層流となって流れやすいため、２液が混合することなく分離したまま流れる層流とすることができる。流体間の接触時間を増大させるためには流路を長くする必要があり、限られたスペースでは湾曲部を設けて流路を折り返し、流路長を長くすることが行われている。しかし、湾曲部では遠心力によりＤｅａｎ渦と呼ばれる対流が発生する（非特許文献１参照）。
特に微粒子を分散した層流では、微粒子が湾曲部の外側に移動して意図しない混合や粒子の偏在が発生しやすかった。
【０００３】
特許文献１では、速度分布を改善するために流路に並行又は垂直な複数の凸状平板が備えられたマイクロ流路が開示されている。
また、特許文献２では、曲がり部を有する場合であっても界面の安定性を失わないマイクロ流路を提供するために、一対の案内板を有するマイクロ流路が開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１５２５４号公報
【特許文献２】特開２００６−２７２２３１号公報
【非特許文献１】大川原真一、外３名、化学工学論文集、第３０巻、第２号、ｐ．１３５〜１４０（２００４）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載の発明では、速度分布の改善には効果が期待できるものの、流路の湾曲部等で生じる層流の乱れに対しては十分な効果が得られなかった。また、特許文献２に記載の発明では、案内板により界面の面積が減少するため十分な流体間の接触面積を得ることができなかった。
本発明は上記課題を解決することを目標とするものである。
すなわち、本発明は、対流の発生を抑制し、意図しない流体同士の混合や、流体内の粒子の偏在が生じにくいマイクロ流路デバイスを提供することを目標とするものである。さらに、本発明は、前記マイクロ流路デバイスの好適な製造方法を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の上記課題は＜１＞及び＜６＞に記載の手段により解決された。好ましい実施態様である＜２＞から＜５＞及び＜７＞から＜９＞と共に以下に記載する。
＜１＞ 複数の流体が層流を形成して送流されるマイクロ流路を有し、該マイクロ流路の内壁に、流体の流れと略平行であり、かつ、前記複数の流体が形成する界面に対して略垂直方向に突出する凸部を有することを特徴とするマイクロ流路デバイス、
＜２＞ 前記マイクロ流路は湾曲部を有し、前記凸部は、マイクロ流路の湾曲部に設けられている＜１＞に記載のマイクロ流路デバイス、
＜３＞ 前記凸部は、マイクロ流路の湾曲部の外周側内壁にのみ設けられている＜２＞に記載のマイクロ流路デバイス、
＜４＞ 前記凸部の高さが、マイクロ流路幅の５０％以下である＜１＞から＜３＞いずれか１つに記載のマイクロ流路デバイス、
＜５＞ 前記マイクロ流路デバイスが、薄膜パターン部材を積層してなる＜１＞から＜４＞いずれか１つに記載のマイクロ流路デバイス、
＜６＞ 第１の基板上に目的とするマイクロ流路デバイスの各断面形状に対応した複数の薄膜パターン部材を形成する工程、及び、前記複数の薄膜パターン部材が形成された前記第１の基板と第２の基板との接合及び離間を繰り返すことにより前記第１の基板上の前記複数の薄膜パターン部材を前記第２の基板上に転写する工程を含むことを特徴とする＜１＞から＜５＞いずれか１つに記載のマイクロ流路デバイスの製造方法、
＜７＞ 前記第１の基板と前記第２の基板との接合は、常温接合又は表面活性化接合によるものである＜６＞に記載のマイクロ流路デバイスの製造方法、
＜８＞ 前記第１の基板上への前記複数の薄膜パターンの形成が、電鋳法によるものである＜６＞又は＜７＞に記載のマイクロ流路デバイスの製造方法、
＜９＞ 前記薄膜パターン部材がニッケル又はニッケルを主成分とする合金もしくは銅又は銅を主成分とする合金で形成されている＜６＞から＜８＞いずれか１つに記載のマイクロ流路デバイスの製造方法。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、対流の発生を抑制し、意図しない流体同士の混合や、流体内の粒子の偏在が生じにくいマイクロ流路デバイスを提供することができる。さらに、本発明によれば、前記マイクロ流路デバイスの好適な製造方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
本発明のマイクロ流路デバイスは、複数の流体が層流を形成して送流されるマイクロ流路を有し、該マイクロ流路の内壁に、流体の流れと略平行であり、かつ、前記複数の流体が形成する界面に対して略垂直方向に突出する凸部を有することを特徴とする。
本発明マイクロ流路デバイスは、流路の内壁に流れと略平行であり、かつ、複数の流体が形成する界面に対して略垂直方向に突出する凸部を有するため、流体の層流が保持され、意図しない混合や流体内の粒子の偏在が生じにくい。そのため、安定した層流を得ることができる。
【０００９】
本発明のマイクロ流路デバイスは、特に用途を限定されるものではなく、公知の様々な用途に使用可能であり、用途に応じて流路長、流速、流体の種類、温度等を適宜選択することが好ましい。具体的には、医療分野における分析装置や、微粒子の製造・分級・洗浄装置、化学反応装置例えば合成装置や重合装置としても使用できる。
【００１０】
本発明において、マイクロ流路とは、極微量の液体やガスなどを流す微小な流路であって、その幅が数μｍ以上数千μｍ以下のものである。なお、本発明において、マイクロ流路とはマイクロスケールの流路をいうが、ミリスケールの流路も含む意である。
流路幅は目的により適宜選択することができるが、１０μｍ以上１，０００μｍ以下であることが好ましく、２０μｍ以上５００μｍ以下であることがさらに好ましい。
【００１１】
本発明において、マイクロ流路は、マイクロスケールであるので、寸法及び流速がいずれも小さく、マイクロ流路を流れる流体のレイノルズ数は２，３００以下となる。従って、マイクロスケールの流路を有する本発明のマイクロ流路デバイスは、乱流支配ではなく層流支配の装置である。
ここで、レイノルズ数（Ｒｅ）は、下記式で表されるものであり、２，３００以下のとき層流支配となる。
Ｒｅ＝ｕＬ／ν （ｕ：流速、Ｌ：代表長さ、ν：動粘性係数）
本発明のマイクロ流路デバイスは、層流支配を維持するために、マイクロ流路の内壁に、流体の流れと略平行であり、かつ、前記複数の流体が形成する界面に対して略垂直方向に突出する凸部を有するものである。
【００１２】
本発明のマイクロ流路デバイスは、複数の流体が層流を形成して送流される。マイクロ流路デバイスは複数の流体導入口から２以上の流体が送流され、層流を形成する合流部を有することが好ましい。また、本発明のマイクロ流路デバイスは、１つ以上の排出口を有し、層流に対応した複数の排出口を設けることも好ましい。
【００１３】
本発明において、マイクロ流路は、基材によって外部と隔離された微小な径を有する流路であり、基材は、基板であっても良いし、管状であっても良い。
本発明において、マイクロ流路の形状は特に限定されないが、通常管状である。また、マイクロ流路の断面形状は特に制限されず、いかなる形状を使用することもできる。マイクロ流路の流路軸に直交する面の断面形状としては、円形、楕円形、半円形、四角形、三角形、その他の多角形、だるま形状等、が挙げられるが、本発明はこれに限定されない。これらの中でも、マイクロ流路デバイスの作製の容易さから、マイクロ流路の断面形状は四角形（矩形）であることが好ましい。
また、本発明において、マイクロ流路の一部又は全部は、その内壁に流体の流れと略平行であり、かつ、流体が形成する界面に対して略垂直方向に突出する凸部を有する。すなわち、本発明において、マイクロ流路は、内壁の一部に凸部を有する四角形の断面形状を有するマイクロ流路であることが好ましい。
【００１４】
また、本発明において、流路軸形状は特に限定されず、直線状、曲線状等のいかなる形状でも良い。ここで、流路軸形状とは、マイクロ流路における流体の流れ方向の軸を意味する。
上述の通り、流路軸形状は特に限定されないが、一定の面積に対して流路長を確保するためには、湾曲部を形成することが好ましい。なお、湾曲部とは、マイクロ流路の流路軸が折り返し形状、円弧形状又は角度を持った形状等を有することにより流れの方向を変える部分を意味する。特に、本発明において、湾曲部は円弧形状であることが好ましい。円弧形状の一例として、半円形状が例示できる。
すなわち、流路軸形状は、全体としては直線部と湾曲部を有する形状とし、一定面積におけるマイクロ流路長が長くなるように形成されていることが好ましい。
【００１５】
マイクロ流路の内壁に設けられた凸部の形状は特に限定されないが、流体の流れと略平行に設けられている。なお、本発明において、凸部は流体の流れと略平行に設けられているが、流体の流れと厳密に平行である必要はなく、流体の流れを阻害しない範囲で角度を選択することが可能である。本発明において、「流体の流れと略平行な」とは、流体の流れに対して１０度以下の角度であることを意味する。５度以下であることが好ましく、３度以下であることがより好ましく、流体の流れに対して０度、すなわち平行であることがさらに好ましい。
例えばマイクロ流路の流体の流れと垂直な方向の断面形状が四角形状である場合、一方の凸部は、その一辺から流路内部に直角に突出していることが好ましい。また、対向する凸部を有する場合、もう一方の凸部はその対辺上の相対する位置から同様に対辺に対して直角に突出していることが好ましい。また、後述するように、凸部は流体が形成する界面に対して略垂直方向に突出している。
【００１６】
本発明において、マイクロ流路の内壁に設けられた凸部は、複数の流体が形成する界面に対して略垂直方向に突出している。なお、本発明において、凸部は流体により形成される界面と略垂直に設けられているが、界面と厳密に垂直である必要はなく、界面の変形を阻害しない範囲で角度を選択することが可能である。本発明において、「複数の流体が形成する界面に対して略垂直方向突出している」とは、流体により形成される界面に対して９０度の角度からのずれが１０度以下の角度であることを意味する。５度以下であることが好ましく、３度以下であることがより好ましく、流体により形成される界面に対して０度、すなわち直角であることがさらに好ましい。
なお、３以上の層流が形成され、界面が２以上存在する場合には、少なくとも１つの界面に対して略垂直方向に突出していれば良いが、全ての界面に略垂直方向に突出していることがより好ましく、これを満足するように界面を形成することが好ましい。
【００１７】
凸部の形状としては、平板状でも良いし、内壁から流路内の先端に向かって厚さが薄くなる形状や、厚くなる形状としても良い。また、流路軸方向に向かって徐々に厚くする又は薄くする形状とすることもできる。これらの中でも、凸部の形状としては内壁から流路内の先端に向かって同じ厚さを有し、流路軸と直交する断面の形状が矩形であることが好ましく、矩形の板状凸部が設けられていることがより好ましい。
【００１８】
ここで、「凸部」とは、流路内壁から突出し、かつ流路軸方向に伸びた板状の構造をいう。
また、凸部は、流路の導入口から排出口までの流路軸方向に連続して設けることもできるし、途中で一部中断していても良い。
また、凸部は、流路断面のいずれの箇所に設けることもでき、層流が形成する界面の向きに応じて、上面及び下面に設けることもできるが、流路湾曲部の外周側内壁及び内周側内壁に該当する部分の流路軸方向に設けることが好ましい。すなわち、湾曲部の遠心力に対して、外周側及び内周側となる流路内壁に設けることが好ましい。なお、このとき層流は外周側と内周側とに形成されている。
本発明においては、凸部は流路の湾曲部のみに設けることが好ましく、流路の湾曲部の外周側内壁にのみ設けることがより好ましい。凸部をこのように配置すると、湾曲部における対流を防ぐことにより層流を安定化させ、流体の混合を抑制することができるので好ましい。
【００１９】
凸部は、１つのみを設けることもできるし、複数の凸部を流路の内壁に設けることもできる。すなわち、流路内の同一断面に、平行した凸部を複数設けることもできる。このような場合、凸部は１つ以上５つ以下設けることが好ましく、１つ以上３つ以下設けることがより好ましい。
すなわち、発明において、流路の湾曲部の外周側内壁に複数の凸部を設けることが好ましく、特に、複数の湾曲部を有するマイクロ流路デバイスの場合には、すべての湾曲部の外周側内壁に複数の凸部を設けることが好ましい。
【００２０】
凸部の高さは、流路幅の５０％以下であることが好ましい。ここで「凸部の高さ」とは、流路内壁から流路軸に垂直な方向に対向している流路内壁までの幅を１００％としたときの凸部の高さを意味する。凸部の高さは５％以上５０％以下であることがより好ましく、１０％以上２５％以下であることがさらに好ましい。
凸部の高さが流路幅の５０％以下であると、安定した層流を得ることができるので好ましい。
【００２１】
以下、図１から図７を参照して本発明を詳細に説明する。
なお、以下、同一の符号は同一の対象を指すものとして使用する。
図１は、本発明のマイクロ流路デバイスの好ましい一例を示す平面概略図である。
基板２２にマイクロ流路２０が設けられており、マイクロ流路デバイス１０のマイクロ流路２０に流体Ａ及び流体Ｂを導入するための導入口２４Ａ、２４Ｂ並びに流体Ａ及び流体Ｂを排出するための排出口２６Ａ、２６Ｂが設けられている。
図１では２つの流体を導入する態様が示されているが、本発明はこれに限定されず、３以上の流体を導入しても良い。また、流体の一種類を微粒子分散液とし、マイクロ流路デバイスを微粒子の分級装置あるいは微粒子の洗浄装置として使用することもできる。流体としては、気体及び液体のいずれも使用することができるが、本発明において、流体は液体であることが好ましい。
【００２２】
図１では、２つの流体（流体Ａ及び流体Ｂ）が導入口２４Ａ及び２４Ｂから導入され、１つのマイクロ流路２０に層流として送液されている。図１において、マイクロ流路２０に送液された２つの液体（図１では、流体Ａ及び流体Ｂ）は、その後、層流として１つの合一流路を流れる。
その後、排出口２６Ａ及び２６Ｂから、それぞれ流体Ａ及び流体Ｂが排出されている。なお、本発明において、排出口の数は特に限定されず、１以上の排出口を設ければよく、目的に応じて適宜選択することができる。また、流路に沿って複数の排出口を設けたり、流路の上下に分けて排出口を設けても良い。
【００２３】
図１において、同一面積の基板に十分な長さのマイクロ流路を形成するために、湾曲部３０が設けられている、なお、湾曲部以外の場所は直線部３２となっている。但し、本発明のマイクロ流路デバイスはこれに限定されるものではなく、例えば蛇行部等の曲線部等を有するものでも良い。
【００２４】
図２は、図１に示すマイクロ流路デバイスの湾曲部を含む拡大図である。
図２において、流路の湾曲部３０の外周側に流体Ａが送液されており、流路の湾曲部３０内周側に流体Ｂが送液されており、２つの流体間に界面５５が形成されている。
図３は図２に示すマイクロ流路のＸ−Ｘ’断面図を示す。図３において、マイクロ流路２０は湾曲部内周側内壁４０、湾曲部外周側内壁４２、上面４４、及び下面４６を有し、流路幅Ｗの断面を有している。
従来のマイクロ流路（図３（ｃ）参照）では、凸部が設けられていないため、湾曲部における遠心力のため、流体Ｂと流体Ａの意図しない混合（矢印で図示）が生じ、湾曲部を経た流体Ｂと流体Ａの界面では混合が生じてしまう。
図３（ａ）は、本発明のマイクロ流路デバイス１０の湾曲部３０におけるマイクロ流路２０の断面図の一例である。ここで流体Ａ及び流体Ｂは紙面手前から奥に向かって湾曲して送流されており、界面５５を形成している。マイクロ流路２０の湾曲部内周側内壁４０及び湾曲部外周側内壁４２には流体の流れと平行、かつ、界面５５に対して垂直方向に矩形の板状凸部５０が設けられている。
図３（ａ）では凸部５０が流体の流れと平行に３対設けられているが、本発明はこれに限定されるものではなく、凸部５０は１つ以上設けられていれば良く、安定した層流が得られるように、設ける凸部の数を選択することが好ましい。また、上述した通り、凸部の断面形状は内壁から流路の内側へ向かって厚みを増す形状とすることもできるし、これとは逆に内壁から流路の内側へ向かって薄くなる形状とすることもできる。
【００２５】
また、湾曲部外周側内壁に設けられた凸部の高さＷ’及び湾曲部内周側内壁に設けられた凸部の高さＷ”は、それぞれ流路幅Ｗの５０％以下であることが好ましく、それぞれ５％以上５０％以下であることがより好ましく、１０％以上２５％以下であることがさらに好ましい。凸部の高さを上記範囲内とすることにより、安定した層流を維持することができるので好ましい。
また、Ｗ’とＷ”は同一の高さとすることもできるし、異なる高さを選択することもできる。
【００２６】
また、図３（ａ）に示すように、対向する内壁の双方に凸部を設ける場合、凸部の高さの合計（Ｗ’＋Ｗ”）がＷの６０％以下であることが好ましく、１０％以上５０％以下であることがより好ましく、２０％以上４０％以下であることがさらに好ましい。凸部の高さの合計を上記範囲内とすることにより、層流速度を減少させることなく、安定した層流が形成可能であるので好ましい。
【００２７】
図３（ａ）に示すように、対向する内壁の双方に凸部を設ける場合、対向する凸部はいずれの位置に設けることもできるが、平行に設けることが好ましい。即ち、マイクロ流路の基板からの高さ方向（図３では、上面と下面を結ぶ方向）に対して同一の高さに設けることが好ましい。このように凸部を配置することにより、安定した層流を形成することができるので好ましい。
【００２８】
凸部の幅ａ及び凸部の間隔ｂは、目的に応じて適宜選択することができ、安定した層流が得られるように適宜選択することが好ましい。Ｗ’／ｂは３以下が好ましく、１．５以下がさらに好ましい。
【００２９】
さらに、図３（ａ）に示すように、複数の凸部５０が設けられている場合、それぞれの凸部の形状、凸部の高さＷ’及びＷ”、凸部の幅ａはそれぞれ同じであっても異なっていても良く、適宜選択することが好ましい。さらに、凸部が３つ以上設けられている場合には、２つ以上の凸部の間隔ｂはそれぞれ同じであっても異なっていても良く、適宜選択することが好ましい。
【００３０】
図３（ｂ）に図２のＸ−Ｘ’断面の他の好ましい一実施態様を示す。
図３（ｂ）では、湾曲部外周側内壁にのみ凸部５０が設けられている。この場合、凸部５０の高さＷ’は、マイクロ流路２０の幅Ｗの５０％以下であることが好ましい。凸部５０の高さＷ’を上記範囲内とすることにより遠心力による対流を防ぎ安定した層流が形成可能であるので好ましい。
【００３１】
なお、上述のＷ’及びＷ”の好ましい高さは、最大高さを意味し、マイクロ流路に設けられた凸部の最大高さが上記範囲内であることが好ましい。また、後述するように、湾曲部中央において最大高さを有する凸部とすることが好ましい。
【００３２】
凸部５０はこれに限定されず、後述するように、マイクロ流路２０の上面４４又は下面４６に設けることもできるが、安定した層流を得る目的からは、図３（ａ）又は図３（ｂ）に示すように湾曲部内周側内壁４０及び／又は湾曲部外周側内壁４２に設けることが好ましく、特に図３（ｂ）に示すように、湾曲部外周側内壁４２に設けることが好ましい。
【００３３】
本発明において、湾曲部に設けられる凸部は、凸部の高さが湾曲部中央で最大となることが好ましく、湾曲部の手前から徐々に高くなり、湾曲部の終わりに向けて徐々に低くなるように設けることが好ましい。
図４を参照して説明する。図４は、図２に示すマイクロ流路の断面図を示している。図４（ａ）は、湾曲部３０の手前のＭ−Ｍ’断面であり、当該断面には凸部は設けられていない。凸部は、湾曲部の手前から徐々に高さを増すように設けられており、図４（ｂ）に示すＮ−Ｎ’断面では、低い高さの凸部が設けられており、湾曲部中央であるＸ−Ｘ’断面（図４（ｃ））では凸部の高さが最も高い。また、湾曲部終わりに向けて徐々に低くなるように設けられており、図４（ｄ）示すマイクロ流路のＰ−Ｐ’断面では、Ｘ−Ｘ’断面と比較して低い高さの凸部が設けられている。また、図４（ｅ）に示すように、湾曲部の終わりであるＱ−Ｑ’断面では、凸部が設けられていない。すなわち、Ｎ−Ｎ’断面、Ｘ−Ｘ’断面、Ｐ−Ｐ’断面において、外周側内壁に設けられた凸部の高さをそれぞれＷb’、Ｗc’、Ｗd’、内周側内壁に設けられた凸部の高さをそれぞれＷb”、Ｗc”、Ｗd”とすると、Ｗb’＜Ｗc’＞Ｗd’、Ｗb”＜Ｗc”＞Ｗd”が成立している
【００３４】
次に、図５を用いて、流路軸方向に垂直な断面としたとき、上下に２つの流体が送流されている本発明のマイクロ流路デバイスの一実施態様について説明する。
図５（ａ）は本発明のマイクロ流路デバイスの湾曲部における流路断面を示す他の一実施態様である。
図５（ａ）では、流体Ａ及び流体Ｂで示される２つの流体が層流を形成して紙面手前から奥に向かって湾曲して送流されている。図５（ａ）は湾曲部における流路断面を示し、流路２０は湾曲部内周内壁４０、湾曲部外周内壁４２、上面４４及び下面４６で構成されている。
流路内壁には、流体Ａ及び流体Ｂにより形成された界面５５に対して垂直方向に突出する凸部５０が設けられている。なお、凸部５０は流体の流れと平行に形成されており、図５（ａ）では紙面の手前から奥に向かって湾曲しながら形成されている。
【００３５】
形成する凸部の高さＷ2’、及びＷ2”は、それぞれ流路幅Ｗ2に対して５０％以下であることが好ましく、それぞれ５％以上５０％以下であることがより好ましく、１０％以上２５％以下であることがさらに好ましい。凸部の高さを上記範囲内とすることにより、安定した層流を維持することができるので好ましい。また、Ｗ2’とＷ2”は同一とすることもできるし、異なる高さを選択することもできる。
また、図５（ａ）に示すように、対向する内壁の双方に凸部を設ける場合、凸部の高さの合計（Ｗ2’＋Ｗ2”）が流路の幅Ｗ2の６０％以下であることが好ましく、１０％以上５０％以下であることがより好ましく、２０％以上４０％以下であることがさらに好ましい。凸部の高さの合計を上記範囲内とすることにより、層流速度を減少させることなく、安定した層流が形成可能であるので好ましい。
さらに、凸部の幅ａ及び凸部の間隔ｂは、上記と同様に適宜選択することができる。
なお、上下の２層流とした場合にも、凸部の高さは屈曲部中央で最大となるように設けることも好ましい。その態様については上述の通りである。
【００３６】
図５（ｂ）は、図５（ａ）に示す流路断面において生じる二次流速度ベクトルを示す。図５（ａ）に示すように、上下に流体を配した場合には、１対のＤｅａｎ渦が上下に形成される。二次流速度の最も大きな領域は上下のＤｅａｎ渦の中間に存在している。湾曲部において、このような二次流速度分布が生じることにより、特に流体内に粒子を含有する場合には粒子の不均一な分布（偏在）を生じることがある。
本発明においては上述のように凸部を設けることにより、このような粒子の不均一な分布を抑制することができ、安定して層流を形成することができる。
【００３７】
本発明において、マイクロ流路デバイスは、いずれの方法により作製することもできるが、以下の本発明に好適に使用可能なマイクロ流路デバイスの製造方法について説明する。
本発明のマイクロ流路デバイスは、所定の二次元パターンが形成された薄膜パターン部材が積層されて形成されたマイクロ流路デバイスであることが好ましく、薄膜の面同士が直接接触して接合された状態で積層されていることがより好ましい。
【００３８】
本発明のマイクロ流路デバイスの好ましい製造方法としては、
（ｉ）第１の基板上に目的とするマイクロ流路デバイスの各断面形状に対応した複数の薄膜パターンを形成する工程（ドナー基板作製工程）、及び、
（ii）前記複数の薄膜パターンが形成された前記第１の基板と第２の基板との接合及び離間を繰り返すことにより前記第１の基板上の前記複数の薄膜パターンを前記第２の基板上に転写する工程（接合工程）、
を含むことを特徴とするマイクロ流路デバイスの製造方法が例示できる。
【００３９】
本発明のマイクロ流路デバイスの製造方法についてさらに詳述する。
（ドナー基板作製工程）
本発明において、ドナー基板は電鋳法を用いて作製することが好ましい。ここで、ドナー基板とは、第１の基板上に目的とするマイクロ流路デバイスの各断面形状に対応した複数の薄膜パターンが形成された基板である。第１の基板は、金属、セラミックス又はシリコンから形成されていることが好ましく、ステンレス等の金属が好適に使用できる。
まず、第１の基板を準備し、第１の基板上に厚膜フォトレジストを塗布し、作製するマイクロ流路デバイスの各断面形状に対応したフォトマスクにより露光し、フォトレジストを現像して各断面形状のポジネガ反転したレジストパターンを形成する。次に、このレジストパターンを有する基板をめっき浴に浸漬し、フォトレジストに覆われていない金属基板の表面に例えばニッケルめっきを成長させる。薄膜パターンは電鋳法を用いて、銅又はニッケルにより形成されていることが好ましい。
次に、レジストパターンを除去することにより、第１の基板上にマイクロ流体デバイスの各断面形状に対応した薄膜パターンを形成する。
【００４０】
図６は、図２に示す部分を形成するための薄膜パターンの説明図である。図６（ａ）に、図２に示す湾曲部のＸ−Ｘ’断面形状を示す。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、３つの凸部を有するマイクロ流路デバイスが、順番に、５０１Ａ1、５０２Ｂ1、５０２Ｂ2、５０３Ｃ1、５０２Ｂ3、５０３Ｃ2、５０２Ｂ4、５０３Ｃ3、５０２Ｂ5、５０２Ｂ6及び５０１Ａ2の計１１枚の薄膜パターンの積層により形成されていることを示している。
図６（ｃ）は、ドナー基板の湾曲部を含む一部分のみを示す。第１の基板５００上に設けられた薄膜パターン５０１Ａ1及び５０１Ａ2は、それぞれマイクロ流路の上面及び下面を形成する部分に対応するものである。また、薄膜パターン５０３Ｃ1、５０３Ｃ2、５０３Ｃ3は、凸部が位置する部分に対応するものであり、薄膜パターン５０２Ｂ1、５０２Ｂ2、５０２Ｂ3、５０２Ｂ4、・・・・は、突出部が設けられていない部分のマイクロ流路に対応するものである。
【００４１】
（接合工程）
接合工程とは、複数の薄膜パターンが形成された前記第１の基板（ドナー基板）と第２の基板（ターゲット基板）との接合及び離間を繰り返すことにより前記ドナー基板上の前記複数の薄膜パターンを前記ターゲット基板上に転写する工程である。接合は、常温接合又は表面活性化接合により行われることが好ましい。
図７（ａ）から（ｆ）は、本発明に好適に使用できるマイクロ流路デバイスの製造方法の一実施態様を示す製造工程図である。
次に、図７（ａ）に示すように、上記ドナー基板５０５を真空槽内の図示しない下部ステージ上に配置し、ターゲット基板５１０を真空層内の図示しない上部ステージ上に配置する。続いて、真空槽内を排気して高真空状態あるいは超高真空状態にする。次に、下部ステージを上部ステージに対して相対的に移動させてターゲット基板５１０の直下にドナー基板５０５の１層目の薄膜パターン５０１Ａ1を位置させる。次に、ターゲット基板５１０の表面、及び第１層目の薄膜パターン５０１Ａ1の表面にアルゴン原子ビームを照射して清浄化する。
【００４２】
次に、図７（ｂ）に示すように、上部ステージを下降させ、所定の荷重力（例えば、１０ｋｇｆ／ｃｍ2）でターゲット基板５１０とドナー基板５０５とを所定の時間（例えば、５分間）押圧し、ターゲット基板５１０と１層目の薄膜パターン５０１Ａ1とを常温接合（表面活性化接合）する。本実施の形態では、薄膜パターン５０１Ａ1、５０２Ｂ1、５０２Ｂ2、５０３Ｃ1、５０２Ｂ3、５０３Ｃ2、５０２Ｂ4、５０３Ｃ3、５０２Ｂ5、５０２Ｂ6、５０１Ａ2の順に積層する。
【００４３】
次に、図７（ｃ）に示すように、上部ステージを上昇させて、ドナー基板とターゲット基板を離間させると、１層目の薄膜パターン５０１Ａ1が金属基板（第１の基板）５００から剥離し、ターゲット基板５１０側に転写される。これは、薄膜パターン５０１Ａ1とターゲット基板５１０との密着力が薄膜パターン５０１Ａ1と金属基板（第１の基板）５００との密着力よりも大きいからである。
【００４４】
次に、図７（ｄ）に示すように、下部ステージを移動させ、ターゲット基板５１０の直下にドナー基板５０５上の２層目の薄膜パターン５０２Ｂ1を位置させる。次に、ターゲット基板５１０側に転写された薄膜パターン５０１Ａ1の表面（金属基板５００に接触していた面）、及び２層目の薄膜パターン５０２Ｂ1の表面を前述したように清浄化する。
【００４５】
次に、図７（ｅ）に示すように、上部ステージを下降させ、１層目の薄膜パターン５０１Ａ1と２層目の薄膜パターン５０２Ｂ1を接合させ、図７（ｆ）に示すように、上部ステージを上昇させると、２層目の薄膜パターン５０２Ｂ1が金属基板（第１の基板）５００から剥離し、ターゲット基板５１０側に転写される。
【００４６】
他の薄膜パターン（５０２Ｂ2、５０３Ｃ1、５０２Ｂ3、５０３Ｃ2、５０２Ｂ4、５０３Ｃ3、５０２Ｂ5、５０２Ｂ6、５０１Ａ2）も同様に、ドナー基板５０５とターゲット基板５１０との位置決め、接合及び離間を繰り返すことにより、マイクロ流路デバイスの各断面形状に対応した複数の薄膜パターンがターゲット基板上に転写される。ターゲット基板５１０上に転写された積層体を上部ステージから取り外し、ターゲット基板５１０を除去すると、図６に示したマイクロ流路デバイスが得られる。
【００４７】
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、その発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々な変形が可能である。また、発明の要旨を逸脱しない範囲内で各実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。
【００４８】
上記各実施の形態では、ドナー基板を電鋳法を用いて作製したが、半導体プロセスを用いて作製しても良い。例えば、Ｓｉウェハからなる基板を準備し、この基板上にポリイミドからなる離型層をスピンコーティング法により着膜し、この離型層の表面にマイクロ流路デバイスの構成材料となるＡｌ薄膜をスパッタ法により着膜し、Ａｌ薄膜をフォトリソグラフィー法によりパターニングすることにより、ドナー基板を作製することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明のマイクロ流路デバイスの好ましい一例を示す平面概略図である。
【図２】図１に示すマイクロ流路デバイスの湾曲部を含む拡大図である。
【図３】図２に示すマイクロ流路のＸ−Ｘ’断面図である。
【図４】図２に示すマイクロ流路の断面図である。
【図５】本発明のマイクロ流路デバイスにおける湾曲部の他の一実施態様を示す断面図である。
【図６】図２に示す部分を形成するための薄膜パターンの説明図である。
【図７】本発明に好適に使用できるマイクロ流路デバイスの製造方法の一実施態様を示す製造工程図である。
【符号の説明】
【００５０】
Ａ、Ｂ 流体
Ｗ、Ｗ2 流路幅
Ｗ’ 湾曲部外周側内壁に設けられた凸部の高さ
Ｗ” 湾曲部内周側内壁に設けられた凸部の高さ
Ｗ2’ 湾曲部上面内壁に設けられた凸部の高さ
Ｗ2” 湾曲部下面内壁に設けられた凸部の高さ
ａ 凸部の幅
ｂ 凸部の間隔
１０ マイクロ流路デバイス
２０ マイクロ流路
２２ 基板
２４Ａ、２４Ｂ 導入口
２６Ａ、２６Ｂ 排出口
３０ 湾曲部
３２ 直線部
４０ 湾曲部内周側内壁
４２ 湾曲部外周側内壁
４４ 上面
４６ 下面
５０ 凸部
５５ 界面
５００ 第１の基板
５０１、５０２、５０３ 薄膜パターン
５０５ ドナー基板
５１０ ターゲット基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の流体が層流を形成して送流されるマイクロ流路を有し、
該マイクロ流路の内壁に、流体の流れと略平行であり、かつ、前記複数の流体が形成する界面に対して略垂直方向に突出する凸部を有することを特徴とする
マイクロ流路デバイス。
【請求項２】
前記マイクロ流路は湾曲部を有し、前記凸部は、マイクロ流路の湾曲部に設けられている請求項１に記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項３】
前記凸部は、マイクロ流路の湾曲部の外周側内壁にのみ設けられている請求項２に記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項４】
前記凸部の高さが、マイクロ流路幅の５０％以下である請求項１から３いずれか１つに記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項５】
前記マイクロ流路デバイスが、薄膜パターン部材を積層してなる請求項１から４いずれか１つに記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項６】
第１の基板上に目的とするマイクロ流路デバイスの各断面形状に対応した複数の薄膜パターン部材を形成する工程、及び、
前記複数の薄膜パターン部材が形成された前記第１の基板と第２の基板との接合及び離間を繰り返すことにより前記第１の基板上の前記複数の薄膜パターン部材を前記第２の基板上に転写する工程を含むことを特徴とする
請求項１から５いずれか１つに記載のマイクロ流路デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記第１の基板と前記第２の基板との接合は、常温接合又は表面活性化接合によるものである請求項６に記載のマイクロ流路デバイスの製造方法。
【請求項８】
前記第１の基板上への前記複数の薄膜パターンの形成が、電鋳法によるものである請求項６又は７に記載のマイクロ流路デバイスの製造方法。
【請求項９】
前記薄膜パターン部材がニッケル又はニッケルを主成分とする合金もしくは銅又は銅を主成分とする合金で形成されている請求項６から８いずれか１つに記載のマイクロ流路デバイスの製造方法。
【請求項１】
複数の流体が層流を形成して送流されるマイクロ流路を有し、
該マイクロ流路の内壁に、流体の流れと略平行であり、かつ、前記複数の流体が形成する界面に対して略垂直方向に突出する凸部を有することを特徴とする
マイクロ流路デバイス。
【請求項２】
前記マイクロ流路は湾曲部を有し、前記凸部は、マイクロ流路の湾曲部に設けられている請求項１に記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項３】
前記凸部は、マイクロ流路の湾曲部の外周側内壁にのみ設けられている請求項２に記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項４】
前記凸部の高さが、マイクロ流路幅の５０％以下である請求項１から３いずれか１つに記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項５】
前記マイクロ流路デバイスが、薄膜パターン部材を積層してなる請求項１から４いずれか１つに記載のマイクロ流路デバイス。
【請求項６】
第１の基板上に目的とするマイクロ流路デバイスの各断面形状に対応した複数の薄膜パターン部材を形成する工程、及び、
前記複数の薄膜パターン部材が形成された前記第１の基板と第２の基板との接合及び離間を繰り返すことにより前記第１の基板上の前記複数の薄膜パターン部材を前記第２の基板上に転写する工程を含むことを特徴とする
請求項１から５いずれか１つに記載のマイクロ流路デバイスの製造方法。
【請求項７】
前記第１の基板と前記第２の基板との接合は、常温接合又は表面活性化接合によるものである請求項６に記載のマイクロ流路デバイスの製造方法。
【請求項８】
前記第１の基板上への前記複数の薄膜パターンの形成が、電鋳法によるものである請求項６又は７に記載のマイクロ流路デバイスの製造方法。
【請求項９】
前記薄膜パターン部材がニッケル又はニッケルを主成分とする合金もしくは銅又は銅を主成分とする合金で形成されている請求項６から８いずれか１つに記載のマイクロ流路デバイスの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００８−２３８３１３（Ｐ２００８−２３８３１３Ａ）
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−８０７６８（Ｐ２００７−８０７６８）
【出願日】平成１９年３月２７日（２００７．３．２７）
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１０月９日（２００８．１０．９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年３月２７日（２００７．３．２７）
【出願人】（０００００５４９６）富士ゼロックス株式会社 (21,908)
【Ｆターム（参考）】
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