液体搬送装置
【課題】 二次元方向に液体を搬送する基板について，搬送に必要な電極を同一基板上に備え，電位を制御する機構の数を抑える。
【解決手段】 表面が撥水性の表面をもつ誘電体に覆われ，基板平面上に配置された矩形電極１３１と，矩形電極１３１をｘ方向に連結した第一軸電極列１３１１〜１３２２と，矩形電極１３１をｙ方向に連結した第二軸電極列１３３１〜１３４２を持つ液体搬送基板１３を用いる。これにより，液滴の搬送に必要な電極を同一基板上に備え，電位を制御する機構の数を抑えることができる。
【解決手段】 表面が撥水性の表面をもつ誘電体に覆われ，基板平面上に配置された矩形電極１３１と，矩形電極１３１をｘ方向に連結した第一軸電極列１３１１〜１３２２と，矩形電極１３１をｙ方向に連結した第二軸電極列１３３１〜１３４２を持つ液体搬送基板１３を用いる。これにより，液滴の搬送に必要な電極を同一基板上に備え，電位を制御する機構の数を抑えることができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電力を利用して微小液滴を操作する液体搬送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題に対する高い関心や、高度医療社会の要望などから、微量な化学物質や生体物質を、簡便に分析する技術及び装置が求められるようになっている。これらの要求に対し、従来の分析技術に比べ、コスト、簡便性、測定時間の短縮などの利点があることから、マイクロ化学分析システム（μTAS（Micro Total Analysis System）やLab-On-Chipとも称される）の研究が盛んになっている。
【０００３】
マイクロ化学分析システムは、サンプルの混合、反応、分離などの一連の化学操作をミクロ化し、ガラスやプラスチック基板上に集積化したものである。これまで、マイクロ化学分析システムの研究は、サンプルである液体を、連続流体として扱う研究が主流であったが、最近、ポンプやバルブを必要としないことや、消費電力が少ないなどの理由から、液体を小滴として扱う研究が注目を集めている（特許文献１−２、非特許文献１−４）。
【０００４】
液体を小滴として扱う方法の一つが、通称エレクトロウェッティングと呼ばれている方法である。エレクトロウェッティングは、電圧の印加により、固体表面への液体の濡れを制御する技術であり、これらの液滴の搬送の原理は、非特許文献１，２、特許文献１にて、電気毛管現象あるいは電気湿潤現象で説明されている。
【０００５】
M.G.Pollack氏らは、非特許文献１にて、複数の制御用電極を平面上に有した下部基板と、接地電極を平面上に有した上部基板を、隙間を成すよう平行に配置したデバイスを構成し、その隙間にシリコーンオイルを満たし，電解質の液滴を入れたデバイスを考案した。複数の制御用電極に連結したスイッチを切り替え、制御用電極の電位を制御することで、シリコーンオイルで満たされた基板間に存在する電解液の液滴を、４０Ｖから８０Ｖの印加電圧で搬送したことを報告している。このとき、下部基板上の複数の制御用電極は誘電体層（パリレン、厚さ７００ｎｍ）で 覆われ、さらにその表面は撥水性の物質（テフロン（登録商標）、厚さ２００ｎｍ）で覆われている。また、上部基板上の接地電極は、（テフロン（登録商標）、厚さ２００ｎｍ）で覆われている。また、M.G.Pollack氏らは、特許文献１にて、接地電極と制御電極を同一基板上に備え、搬送機構を片面に備えたデバイスを記載している。
【０００６】
非特許文献１と同じ構造で、充填物にシリコーンオイルを用いず、空気中で液滴の搬送を行った例として、H.Moon氏らのデバイスがある。H.Moonらは、非特許文献２にて、誘電体に高誘電体材料であるＢＳＴ（Barium Strontium Titanate）を利用することで、１５Ｖの印加電圧で液滴の搬送ができたことを報告している。
【０００７】
M.G.Pollack氏やH.Moon氏らのデバイスは，一次元方向に動かすデバイスであったが， S.-K.Fan氏らは，非特許文献３にて，Ｎ本の短冊状の電極を持った下部基板とＭ本の短冊状の電極を持った上部基板を，お互いの電極が直角になるように組み合わせ，上下の電極によって構成されるＮ×Ｍ個の格子点の位置に液滴を動かすEWOD(Electro Wetting On Dielectric)送液デバイスを開発したことを報告している。
【０００８】
液滴を小滴として扱うもう一つの方法は、液滴下方に存在する電極の電位を切り替えることで、液滴表面のマクスウェル応力分布を変化し、液滴を搬送する方法である。
【０００９】
鷲津氏は、非特許文献４にて、複数の電極を平面上に備えたデバイスを用い、電極の電位を順次切り替えることで、デバイス上に存在する液滴を、４００Ｖｒｍｓの印加電圧で一次元方向に搬送することに成功している。このとき、基板上の複数の電極は誘電体層（SC450（登録商標）、厚さ１０μｍ）で 覆われ、さらにその表面は撥水性の物質（テフロン（登録商標））で覆われている。また、鷲津氏は、特許文献２にて、複数の電極を平面上に備えたデバイス上に撥水性表面の管路を設けた構造についても記載している。
【００１０】
【特許文献１】US2004/0058450
【特許文献２】特開平10-267801号公報
【非特許文献１】Applied Physics Letters, Vol.77, No.11, pp.1725-1726
【非特許文献２】Journal of Applied Physics,Vol.92,No.7,pp.4080-4087
【非特許文献３】Proc.MEMS2003,pp. 694 697
【非特許文献４】IEEE Industry Applications Society, Annual meeting, New Orleans, Louisiana, October 5-9,1997, “Electrical actuation of liquid droplet for microreactor applications”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記方法を使用したデバイスを化学分析装置などに適用するにあたり、使用者の目的および用途に応じたさまざまな化学反応をデバイス内で実現し，測定することが重要となる。すなわち，任意の量の液体を二次元方向に自在に搬送する汎用性，目的の位置まで精度よく搬送する正確性，センサやリアクタの混載を可能にする多目的化が重要になる。電気的制御により、液体を小滴として扱う方法に関しては、以下のような課題が考えられる。
【００１２】
特許文献１，２，非特許文献１，２，４記載のデバイスは，液体を搬送する位置毎に各々独立した電極を配置する構造のため，搬送する位置の数の増加とともに電極の数は増加し，電極毎の電位を制御する配線やスイッチの数も増加する。配線やスイッチの数の増加はシステム装置への負担を増すことから，より少ない配線やスイッチの数で目的の液滴を搬送することが望ましい。
【００１３】
非特許文献３記載のデバイスは，上下の電極が構成するＮ×Ｍ個の格子点の位置に，Ｎ＋Ｍ本の電極およびそれぞれ対応するスイッチで液滴を自在に搬送することができるが，上下の両方の基板に，駆動に必要な電極を備える必要があるため，センサやリアクタを基板上に混載することは難しい。
【００１４】
一方，非特許文献４では，駆動に必要な複数の電極を一平面上に備えているため，センサやリアクタをもう一方の基板に設置することが可能であるが，一定の液量を搬送する定量性や，搬送した液体を決められた位置に精度よく搬送し，停止する正確性については考慮していない。以上のようにセンサやリアクタとの混載が容易で，正確に位置あわせができるデバイスは実現できていない。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
我々は，上記問題を解決するために一の平面上に液滴搬送用の電極を形成することを考えた。図１は，複数の矩形電極２３１を辺方向に連結した液体搬送基板２３の一部分のモデル図で，複数の矩形電極２３１の基板平面上での位置関係を示す。図２（１），（２）は複数の矩形電極２３１を辺方向に連結した液体搬送基板２３において，矩形電極２３１をｘ軸方向に連結した第一軸電極列２３１５〜２３２０と，矩形電極２３１をｙ方向に連結した第二軸電極列２３３５〜２３４０から，一組の第一軸電極列および第二軸電極列に電位差を与えたときの複数の矩形電極２３１の電位を示した図である。
【００１６】
図１において，液体搬送基板２３は，基板の表面上に敷き詰めた複数の矩形電極２３１を備え，複数の矩形電極２３１は，矩形電極１３１のいずれかの一つの辺方向，すなわち図中におけるｘ方向もしくはｙ方向に連結されている。矩形電極２３１をｘ方向に連結する導線すべてを第一軸連結導線２３２，ｙ方向に連結する導線すべてを第二軸連結導線２３３とする。第一軸連結導線２３２によりｘ方向に連結されている矩形電極２３１を，行ごとに一つの電極列とみなし，第一軸電極列２３１１〜２３１４と呼ぶことにする。また，第二軸連結導線２３３により，ｙ方向に連結されている矩形電極２３１を，列ごとに一つの電極列とみなし，図中左から，第二軸電極列２３３１〜２３３４とする。第一軸連結導線２３２は第二軸電極列を構成する矩形電極２３１の下層に，第二軸連結導線２３３は第一軸電極列を構成する矩形電極２３１の下層に位置するよう構成している。第一軸連結導線２３２と第二軸電極列を構成する矩形電極２３１，第二軸連結導線２３３と第一軸電極列を構成する矩形電極は絶縁層により電気的に絶縁されている。
【００１７】
図２において， 液体搬送基板２３の第一軸電極２３１７と第二軸電極２３３７に電位差を与えたとき，二つの電極が交差する範囲２４１は，矩形電極が縦に３個並んだ長方形となり，縦方向に大きい勾配の電界が発生する。また第二軸電極列２３３７の隣の第二軸電極列である第二軸電極列２３３８と第一軸電極２３１７に電位差を与えたとき，二つの電極が交差する領域２４２は，矩形電極が横に３個並んだ長方形となり，横方向に大きい勾配の電界が発生する。すなわち，矩形電極２３１を辺方向に連結した液体搬送基板２３は，電位差を与えた第一軸電極と第二軸電極の組み合わせにより，電界の勾配に応じた液滴の形状の変化が大きくなる。
【００１８】
本発明の目的は，配線やスイッチの数を少なくしても，センサやリアクタとの混載が容易で，液滴を安定して搬送し，正確な位置あわせがデバイスを供給することである。
【００１９】
本発明の液体搬送基板の一実施例は，基板と，前記基板上に設置され，かつ第１の軸方向の複数の列に配置された複数の第1電極と，前記複数の第1電極のうち隣接する２つの前記第1電極を各々接続し，前記第１の軸方向に沿って配置される複数の第1導線と，前記基板上に設置され，かつ前記第１の軸方向と交わる第２の軸方向の複数の列に配置された複数の第２電極と，前記複数の第２電極のうち隣接する２つの前記第２電極を各々接続し，前記第２の軸方向に沿って配置され，かつ一の前記第1導線と各々交差する複数の第２導線と，前記第1導線と前記第２導線とを絶縁する絶縁層とを有し，一の前記第1導線と一の前記第2導線とは，前記第1電極が実質的に配置される面からみて前記第1電極及び前記第2電極の各々の位置しない領域で交差し，前記絶縁層は，少なくとも前記交差する領域に位置することを特徴とする。
【００２０】
また，第２電極は，第１の軸方向の，連続した二つの列に隣接して配置された４つの第１電極の重心から構成される格子内に配置されてもよい。
【００２１】
また，第１電極および第２電極および第１導線および第２導線は，撥水性表面を備えた誘電体で覆われてもよい。
【００２２】
複数の第１電極および第２電極の形状は，多角形であり，好ましくは偶数角形さらに好ましくは四角形としてよい。第１電極および第２電極の形状が四角形の場合，第1の軸方向に第1頂点と第１頂点と対向する第２頂点とを配置し，第２の軸方向に第３頂点と第３頂点に対向する第４頂点とを配置する。もっともわかりやすい例は市松模様配置である。
【００２３】
また，液滴搬送効率を考えると，液滴と電極の静電容量が素子の静電容量より十分大きいことが必要になる。第１電極および第２電極は，面積が１μｍ２以上，１ｍｍ２以下となるように設計する。
【００２４】
また，本発明に関わる液体搬送の方法では，複数の第１電極の電位を変更する第１電極制御装置と，複数の第２電極の電位を変更する第２電極制御装置を備えてもよく，第１電極手段および第２電極制御手段により，少なくとも一組の第１電極および第２電極に電位差を与える。このとき，電位差を与えた少なくとも一組の第１電極および第２電極の電位を一定時間後に，切り替えてもよい。
【００２５】
また，第１電極と第２電極を備える基板に対し，もう一つの平面基板を対向に実質的に平行配置してもよく，第１電極と第２電極を備える基板と平面基板の間隔は１００ｎｍ以上，１ｍｍ以下となるよう設計してもよい。
【００２６】
また，温度調節器，センサ，リアクタを備えた基板を実質的に平行配置してもよく，温度調節器，センサからの出力の解析と，目的の液滴の搬送のための信号を出力するシステム装置と，システム装置の信号より，複数の第１電極の電位を変更する第１電極制御装置と，複数の第２電極の電位を制御する第２電極制御装置を備えてもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によると，誘電体に覆われている電極を基板表面上で二次元に配置し，第１の軸もしくは第２の軸方向に連結した各電極群に対し，少なくとも一組の第１の軸方向の電極と第２の軸方向の電極に電位差を与えることで，液滴を搬送，停止させることができる。本発明のデバイスは，液体を搬送する位置毎に電位を制御するスイッチを備える必要が無いため，操作に必要なスイッチ数を少なくし，操作を制御するシステム装置への負担を軽減することができる。デバイス表面に流路溝を形成しなくても，デバイス上の液滴を使用者の目的に応じた経路で搬送することができる。また，与える電位を切り替えることで，搬送した液滴の位置のずれを修正することができる。また，上記デバイスの上部に液滴の搬送に必要な電極を備えた基板を用いる必要が無いため，温度調節器，センサやリアクタを備えた基板を備えることが容易になる。さらに，このとき，液滴の搬送経路を変更することで，温度調節器，センサやリアクタに接する順番や時間を変えることができるため，多用な目的に対応が可能な化学分析装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００２９】
図３は，本実施例の液体搬送装置の構成例を示す図である。本実施例の液体搬送装置１は，液滴１５を保持する液体搬送素子１０と，液体搬送素子１０に印加する電圧を制御するための第一軸電圧制御装置１６および第二軸電圧制御装置１７と，第一軸電圧制御装置１６および第二軸電圧制御装置１７に制御のための信号を出力するシステム装置１９で構成されている。
【００３０】
液体搬送素子１０は，上部基板１２および，駆動のための複数の矩形電極１３１を備えた液体搬送基板１３を，スペーサ１８により，隙間を形成するよう配置することで構成され，二つの基板の隙間内に搬送する液滴１５を保持している。上部基板１２と液体搬送基板１３とは実質的に平行配置とすることが望ましい。図中にて，液体搬送素子１０は，スペーサ１８，上部基板１３の一部を断面図で表現した鳥瞰図で表現する。
【００３１】
スペーサ１８には，厚さ１０μｍ〜１０００μｍの電子機器用の両面テープ，例えば，ポリエステルフィルムの基材およびアクリル系の粘着剤を使用した両面テープを使用した。さらに厚さを薄くするためには、フォトレジストなどの感光性材料で形成したスペーサーを使用するか、Deep RIE（Deep Reactive Ion Etching）などを使用した半導体の製造工程により、上部基板１２もしくは液体搬送基板１３に段差を設けることが挙げられる。
【００３２】
上部基板１２には，液滴１５側に上部基板撥水層１２１を備えたガラスを使用した。上部基板１２に用いる他の材料としては，平面度の高い物質が好ましく、液滴１５の動作観察などのため、透明性が必要であれば石英、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル(ポリメチルメタクリレート、アクリル樹脂)）が挙げられる。上部基板撥水層１２１はフッ素樹脂で構成し，フッ素樹脂以外の撥水材料としてはシリコーン樹脂が挙げられる。ここでの撥水性とは水の接触角が９０°以上になることをいう。本実施例では，液体の搬送を説明するため，上部基板１２にはリアクタやセンサを構成していない。リアクタやセンサなどが配置された上部基板を用いても同様の搬送が可能である。液体搬送基板１３については以下で説明する。
【００３３】
システム装置１９より出力された信号に従い，第一軸電圧制御装置１６および第二軸電圧制御装置１７は，第一軸液体搬送用スイッチ１６１１〜１６２２および第二軸液体搬送用スイッチ１７１１〜１７２２を切り替え，矩形電極群１３１の電気的状態を接地，電源により与えられる電位，フローティングの一つに制御し，液滴１５を搬送する。
【００３４】
図４は液体搬送素子１０を構成する液体搬送基板１３の構造を示すための，液体搬送基板１３の全体の平面図と液体搬送基板１３の一部の拡大図である。複数の矩形電極１３１の基板平面上での位置関係を示す。液体搬送基板１３は，基板の表面上に敷き詰めた複数の矩形電極１３１を備え，複数の矩形電極１３１は，矩形電極１３１のいずれかの一つの対角線方向，すなわち図中におけるｘ方向もしくはｙ方向に連結されている。電極は矩形としているが、多角形、特に偶数角形であってもよい。四角形の場合には、第一軸方向に
第1頂点と前記第１頂点と対向する第２頂点とを配置し、第二軸方向に第３頂点と第３頂点に対向する第４頂点とを配置する。矩形電極１３１をｘ方向に連結する導線すべてを第一軸連結導線１３２，ｙ方向に連結する導線すべてを第二軸連結導線１３３とする。第一軸連結導線１３２によりｘ方向に連結されている矩形電極１３１を，行ごとに一つの電極列とみなし，図中下から，第一軸電極列１３１１〜１３２２と呼ぶことにする。また，第二軸連結導線１３３により，ｙ方向に連結されている矩形電極１３１を，列ごとに一つの電極列とみなし，図中左から，第二軸電極列１３３１〜１３４２とする。第一軸連結導線１３２および第二軸連結導線１３３は，矩形電極１３１の間の領域にて，絶縁膜をはさんだ階層構造をとる。このような構成により、基板の上面からみたときの電極同士の重なり領域を排除し、かつ第一軸連結導線及び第二軸連結導線の重なり領域を極小化させ、x方向の電極列とy方向の電極列との間でコンデンサ効果が生じて、電力が消費されることを回避することができる。本実施例においては，第一軸連結導線１３２は第二軸連結導線１３３の下層に位置するよう構成している。第一軸連結導線及び第二軸連結導線とは、複数の矩形電極が実質的に配置される面からみて、ｘ方向に連結されている電極列群とｙ方向に連結されている電極列群の各々の位置しない領域で交差する。絶縁膜は、少なくとも交差の領域の第一軸連結導線と第二軸連結導線との間には位置するように配置される。
【００３５】
図５は，図４における下部基板１３のＡ−Ａ´断面およびＢ−Ｂ´断面での断面図であり，特に，第一軸連結導線１３２と第二軸連結導線１３３の交差領域での構造を示すものである。第一軸連結導線１３２は，下層導線１３５９とプラグ１３５７で構成されている。液体搬送基板１３は，下層より，基礎基板１３５１，底面絶縁層１３５２，電極列間絶縁層１３５３，下層導線１３５９，プラグ１３５７，第二軸連結導線１３３，矩形電極１３１，誘電体層１３５４，液体搬送基板上の撥水層１３５５で構成されている。第一軸連結導線１３２と第二軸連結導線１３３の交差する領域において，第一軸連結導線１３２と第二軸連結導線１３３の間に電極列間絶縁層１３５３が存在するため，二つの電極列は電気的に絶縁されている。
【００３６】
基礎基板１３５１の材料としてシリコンを、底面絶縁層１３５２，電極間絶縁層１３５３には酸化シリコンを、矩形電極１３１，第一軸連結導線１３２、第二軸連結導線１３３にはタングステンを、誘電体層１３５４には厚さ７５ｎｍの窒化シリコンを、液体搬送基板上の撥水層１３５５には、フッ素系樹脂を使用した。基礎基板１３５１に用いる他の材料としては、液滴１５の動作観察などのため、透明性を重視するのであればガラスや石英が挙げられる。底面絶縁層１３５２，電極間絶縁層１３５３に用いる他の材料としては、絶縁性の高い物質として、窒化シリコンなどが挙げられる。基礎基板１３５１にガラスや石英など絶縁体を用いる場合は，底面絶縁層１３５２はなくてもよい。矩形電極１３１，第一軸連結導線１３２、第二軸連結導線１３３に用いる他の材料としては、アルミニウム、金、白金などの金属材料や、透明性を重視するのであれば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）が挙げられる。誘電体層１３５４に用いる他の材料としては、高誘電体材料が好ましく、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタル、ＢＳＴ（Barium Strontium Titanate）、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ランタンなどの金属酸化物や金属窒化物、ハフニウム・アルミネート（ＨｆＡｌＯ）等これらの材料を組み合わせた絶縁体などが挙げられる。液体搬送基板上の撥水層１３５５の他の材料としては、シリコーン樹脂が挙げられる。ここでの撥水性とは水の接触角が９０°以上になることをいう。
【００３７】
図６は，液滴１５の搬送時の液体搬送装置１の動作説明図である。図６を用いて、液滴１５を、目的位置１４１に搬送する工程を説明する。第一軸液体搬送用スイッチ１６１１〜１６２２，第二軸液体搬送用スイッチ１７１１〜１７２２の動作は、システム装置１９より出力される信号に従い、第一軸電圧制御装置１６および第二軸電圧制御装置１７で制御する。
【００３８】
液滴１５の搬送が始めるまで，第一軸電極列１３１１〜１３２２および第二軸電極列１３３１〜１３４２はフローティングの状態になっているか，もしくは，液滴１５を停止させる目的より，第一軸電極列１３１３，１３１４は設定電位Ｖ１に，第二軸電極列１３３３，１３３４は設定電位Ｖ２に，残りの電極列はフローティングの状態になっている（ただしＶ１＞Ｖ２）。このとき，液滴１５の一部が誘電層１３５４を介し，第一軸電極列１３１５かつ第二軸電極列１３３４，１３３５接している。
【００３９】
次に，目的位置１４１を通る第一軸電極列１３１５，１３１６の電位を設定電位Ｖ１に，目的位置１４１を通る第二軸電極列１３３３，１３３４の電位を設定電位Ｖ２になるよう，第一軸液体搬送用スイッチ１６１５，１６１６および第二軸液体搬送用スイッチ１７１３，１７１４を切り変える。例えば，誘電体層に厚さ１００ｎｍの窒化シリコンを用いたとき，Ｖ１＝１５，Ｖ２＝−１５とした。目的位置１４１において，第一軸電極列１３１５，１３１６および第二軸電極列１３３３，１３３４は交差する。その電極列間では液滴１５を介して電位差が生じ，表面のみかけの濡れ性がエレクトロウェッティングにより増すため，液滴１５は目的位置１４１に移動する。図中，電位Ｖ１の状態になっている第一軸電極列１３１５，１３１６は縦線のハッチング処理を，電位Ｖ２の状態になっている第二軸電極列１３３３，１３３４は横線のハッチング処理をして，その他の電極列と区別する。このとき，第一軸電極列１３１５，１３１６が電位Ｖ２，第二軸電極列１３３３，１３３４が電位Ｖ１でも，液滴１５は目的位置１４１に移動する。すなわち，電位をＶ１（もしくはＶ２）に設定した第一軸電極列および電位をＶ２（もしくはＶ１）に設定した第二軸電極列が隣接する領域に，近傍の液滴１５は移動する。
【００４０】
１２行の第一軸電極列１３１１〜１３２２および１２列の第二軸電極列１３３１〜１３４２から，二列ずつ第一軸電極列および第二軸電極列を選択する選択数は１２１通りである。すなわち，１２個の第一軸液体搬送用スイッチ１６１１〜１６２２および１２個の第二軸液体搬送用スイッチ１７１１〜１７２２を組み合わせることで，液滴１５を液体搬送基板１３上の１２１箇所に搬送することができる。
【００４１】
また，同時に電位差を与える第一軸電極列および第二軸電極列の本数を変え，電位差を与えた第一軸電極列および第二軸電極列の交差する領域の有効面積を変更することができる。液滴と領域の面積の関係について，領域の有効面積は，搬送する液滴と液体搬送基板１３との接触面積より少し小さくする。液滴１５の量は，液滴と液体搬送基板１３との接触面積と，上部基板１２（図３）と液体搬送基板１３の間隔の積と等しいため，電位差を与える第一軸電極列および第二軸電極列の本数を変えることで，量の大小にかかわらず液滴１５を搬送することができる。
【００４２】
また，液体搬送素子１０は，液体の必要な電極すべてを液体搬送基板１３に備えているため，上部基板１２やスペーサ１８を使用しない開放型の液体搬送素子としての使用もできる。
【００４３】
上記の方法に加えて，電圧の印加方法を工夫することで，液滴の搬送力を高めることができる。
【００４４】
図７は，液滴１５の搬送力を上げるための電圧の印加方法をタイムチャートで示した図である。液滴１５を目的位置１４１に搬送するにあたり，搬送前の液滴１５の位置を通る第一軸電極列１３１３，１３１４，目的位置１４１を通る第一軸電極列１３１５，１３１６，目的位置１４１と搬送前の液滴１５の位置を通る第二軸電極列１３３３，１３３４は，第一軸電圧制御装置１６もしくは第二軸電圧制御装置１７により，電位Ｖ１の状態１８１，フローティングの状態１８２，電位Ｖ２の状態１８３のいずれかになる。（ａ）は，搬送前の液滴１５の位置を通る第一軸電極列１３１３，１３１４の電位の状態を，（ｂ）は，第二軸電極列１３３３，１３３４の電位の状態を，（ｃ）は第一軸電極列１３１５，１３１６の電位の状態を時系列で表したものである。
【００４５】
液滴１５の搬送前において，液滴１５を静止させる目的により，第一軸電極列１３１３，１３１４，第二軸電極列１３３３，１３３４に対し，一方の電極列がＶ１のとき，もう一方の電極列はＶ２となるよう周期的に繰り返す。電位がＶ１からＶ２（もしくはＶ２からＶ１）に替わる間は，両方の電極列ともフローティングの状態を経る。液滴１５の位置が安定したところで繰り返しをとめてもよい。また，液滴と電極形状のずれが生じるが，両方の電極列をフローティングの状態にしてもよい。
【００４６】
次に液滴１５を目的位置１４１に搬送するにあたり，第一軸電極列１３１３，１３１４をフローティングの状態になるように切り替え，同時に，第一軸電極列１３１５，１３１６と第二軸電極列１３３３，１３３４に対し，一方の電極列の電位がＶ１のとき，もう一方の電極列の電位がＶ２となるよう周期的に繰り返すように切り替える。切り替えた時点から液滴１５の目的位置１４１への搬送が始まる。電位がＶ１からＶ２（もしくはＶ２からＶ１）に替わる間は，両方の電極列ともフローティングの状態を経る。電極列の電位の繰返し周期は１ミリ秒から１秒の間とした。
【００４７】
選択した第一軸電極列と第二軸電極列がフローティングの状態になり，表面のみかけの濡れ性が元に戻ると，液滴の形状を元に戻す復元力が生じる。また，反対の電位の状態になるときに，液滴１５下面に誘起された電荷と両方の電極列で反発力が生じる。これら二つの生じた力が液滴の搬送力になり，より液滴１５の搬送力を上げることができる。第一軸電圧制御装置及び第二軸電圧制御装置は，各々反対の位相の電圧を印加し，所定の間隔で電圧の正負を切り替えてもよい。
【００４８】
またこの電圧の印加方法では，液滴１５の搬送の際に，液滴１５が目的位置より少しずれた場合においても，液滴の位置を修正することができる。
【００４９】
図８〜図１０は，液滴１５を二つの液滴に分割するときの液体搬送装置１の動作説明図である。第一軸液体搬送用スイッチ１６１１〜１６２２，第二軸液体搬送用スイッチ１７１１〜１７２２の状態および，各動作における液滴１５の挙動を示す。
【００５０】
図８〜図１０を用いて，液滴１５を，二つの液滴１５１および１５２に分割する工程を説明する。第一軸液体搬送用スイッチ１６１１〜１６２２および第二軸液体搬送用スイッチ１７１１〜１７２２の動作は，システム装置１９より出力される信号に従い，第一軸電圧制御装置１６および第二軸電圧制御装置１７で制御する。
【００５１】
図８は，液滴１５の分割前の状態を示す。この状態において，第一軸液体搬送用スイッチ１６１１〜１６２２および第二軸液体搬送用スイッチ１７１１〜１７２２は，対応する第一軸電極列１３１１〜１３２２および第二軸電極列１３３１〜１３４２が，すべてがフローティングの状態になるようにする。またこの状態において，フローティングの状態でもよいが，液滴の存在する領域に電位差を与えるように選択した第一軸電極列および第二軸電極列に電位Ｖ１およびＶ２をかけてもよい。
【００５２】
次に図９は，液滴１５の分割の途中過程における液滴１５の形状と，第一軸液体搬送用スイッチ１６１１〜１６２２，第二軸液体搬送用スイッチ１７１１〜１７２２の状態を示す。このとき第一軸電極列１３１５，１３１６は電位Ｖ１（もしくはＶ２）の状態，第二軸電極列１３３４，１３３５，１３３８，１３３９が電位Ｖ２（もしくはＶ１）となるよう第一軸液体搬送用スイッチ１６１６，１６１７および第二軸液体搬送用スイッチ１７１４，１７１５，１７１８，１７１９を切り替える。すなわち，第１軸方向において少なくとも１つの電極列を含む１の列群について電位印加の状態とした上，第２軸方向において少なくとも１つの電極列を各々含む，少なくとも２つの列群について電圧印加の状態とする。ここで，列群が複数の電極列を含むときには互いに隣接する電極列からなることとする。電位Ｖ１の第一軸電極列１３１５，１３１６と電位Ｖ２の第二軸電極列１３３４，１３３５，１３３８，１３３９が隣り合う領域の表面から，液滴１５は相反する方向に駆動力を受け，引き離される。
【００５３】
次に図１０は，液滴１５を二つの液滴１５１と１５２に分割したときの第一軸液体搬送用スイッチ１６１１〜１６２２，第二軸液体搬送用スイッチ１７１１〜１７２２の状態を示す。このとき第一軸電極列１３３５，１３３６は電位Ｖ１（もしくはＶ２）の状態，第二軸電極列１３１３，１３１４，１３１９，１３２０は電位Ｖ２（もしくはＶ１）となるよう第一軸液体搬送用スイッチ１６１６，１６１７および第二軸液体搬送用スイッチ１７１３，１７１４，１７１９，１７２０は切り替わる。すなわち，第１軸方向において電位印加の状態とした，少なくとも１つの電極列を含む１の列群の位置を保ちながら，第２軸方向において電圧印加の状態とする，少なくとも１つの電極列を各々含む，少なくとも２つの列群の位置を各々が離れる方向へ変更する。電位Ｖ１の第一軸電極列１３１５，１３１６と電位Ｖ２の第二軸電極列１３３３，１３１４，１３３９，１３４０が隣り合う領域の表面から，液滴１５は相反する方向に駆動力を受ける。さらに引き離すことで，液滴１５を液滴１５１と液滴１５２に分割した状態で保持できる。
【００５４】
一方，上記と逆の手順で，二つの液滴１５１と１５２に対し，向かい合う方向に駆動力を与えることで，二つの液滴を一つの液滴に合体することができる。
【００５５】
図１１は、液体搬送基板１３の作製方法を示す工程断面図である。断面は，図４におけるＡ−Ａ´断面である。
（１）基礎基板（シリコン）１３５１に熱酸化処理を施し、表面に底面絶縁層１３５２である厚さ３００ｎｍのシリコン酸化膜層を形成した。
（２）第一軸連結導線１３２の一部である下層導線１３５９を形成するための導電体層１３５６として、窒化チタン／タングステン層を厚さ２０ｎｍ／１５０ｎｍになるよう化学気相堆積法により堆積する。
（３）ホトリソグラフィによりパターン形成し、導電体層１３５６をエッチングし、下層導線１３５９を形成する。
（４）電極間絶縁層１３５３として、ここではシリコン酸化膜層を堆積する。
（５）プラグ１３２２のための貫通孔の形成のためホトリソグラフィとエッチングを行う。続けて，窒化チタン／タングステン層を化学気相堆積法により堆積し、エッチバックを行いプラグ１３２２を形成する。
（６）矩形電極１３１及び第二軸連結導線１３３のための導電体層１３５８として、窒化チタン／タングステン層を厚さ２０ｎｍ／１５０ｎｍになるよう化学気相堆積法により堆積する。
（７）ホトリソグラフィによりパターン形成し、導電体層１３５８をエッチングし、矩形電極１３１および第二軸連結導線１３３を形成する。
（８）誘電体層１３５４として、窒化シリコンを厚さ７５ｎｍになるよう化学気相堆積法により堆積する。外部電源と矩形電極１３１の配線箇所を接続するために，ホトリソグラフィによるパターン形成の後，配線箇所を覆う誘電体層１３５４をエッチングにより取り除く。
（９）撥水層１３５５として使用するフッ素系樹脂をスピンコートする。
本方法では，プラグ形成１３２２をエッチバックを行って，金属膜の埋め込みを行っているが，この工程を削除して，プラグ１３２２の形成を矩形電極１３１，第二軸連結導線１３３を同時に形成してもよい。
【００５６】
図１２は，液体搬送基板１３の矩形電極１３１を正六角形電極３３１に置き換えた液体搬送基板３３のモデル図であり，図１３は，液体搬送基板１３の矩形電極１３１を正八角形電極４３１に置き換えた液体搬送基板４３のモデル図である。矩形電極１３１を対角線方向に連結した液体搬送基板１３において，第二軸電極列を構成する一つの矩形電極は，連続した二列の第一軸電極列上の隣接した４つの矩形電極の重心を頂点とした格子の内部に位置する配置になる。
【００５７】
それぞれ，図中ｘ軸方向に連結されている電極は，区別のためハッチング処理している。それぞれ，電極の重心の位置と，図３記載の液体搬送基板１３の矩形電極１３１の重心の位置が一致するように配置する。
図１４は，液体搬送基板１３の一部のモデル図で，矩形電極１３１の一辺の長さＤを，第一軸連結導線１３２および第二軸連結導線１３３の幅ｄから見積もるためのものである（ただしＤ＞ｄとする）。
【００５８】
矩形電極１３１を図中のｘ方向に連結する導線すべてを第一軸連結導線１３２，図中のｙ方向に連結する導線すべてを第二軸連結導線１３３とする。第一軸連結導線１３２によりｘ方向に連結されている矩形電極１３１を，行ごとに一つの電極列とみなし，第一軸電極列１３２３〜１３２４と呼ぶことにする。また，第二軸連結導線１３３により，ｙ方向に連結されている矩形電極１３１を，列ごとに一つの電極列とみなし，第二軸電極列１３４３〜１３４４と呼ぶことにする。図中，第一軸電極列１３２３〜１３２４を構成する矩形電極１３１および第一軸連結導線１３２は，ハッチング処理をし，第一軸連結導線１３２と第二軸連結導線１３３の交差する領域１３６１は，下層に位置する連結導線を点線で描写している。
【００５９】
第一軸連結導線１３２と第二軸連結導線１３３の交差する領域１３６１にて，二つの連結導線は，電極間誘電層１３５３（図５）を挟み，電気容量（以下，配線間電気容量）を構成する。電極間絶縁層１３５３（図５）は誘電率がε，厚さをｈとすると，第一軸連結導線１３２と第二軸連結導線１３３の交差する領域，一つあたりの電気容量は，εｄ２／ｈとなる。
【００６０】
また，液滴１５が誘電体層１３５４を介して，矩形電極１３１に接しているとき，液滴を介した矩形電極１３１間の電気容量（以下，電極間電気容量）を構成する。
【００６１】
電極間電気容量が大きく，配線間電気容量は小さいほど，低い電位差で液滴を搬送できる。配線間電気容量と矩形電極間電気容量の比を１：１００より大きいとし，ε≒ε´，ｈ≒Ｈ，ｄ＞１００ｎｍとすると，Ｄ＞１μｍとなる。また，電極列の数をＮとすると，矩形電極群の総面積Ｓはおよそ２Ｎ２Ｄ２となるため，Ｎ＜１０００，Ｓ＜１００×１００ｃｍ２とすると，Ｄ＜１ｍｍとなる。また，矩形電極１３１の面積Ｄ２の範囲は，１μｍ２＜Ｄ２＜１ｍｍ２となる。図１２の六角形電極３３１のような，矩形電極以外の形状の電極においても，電極の面積を上記範囲内に収まるように設計するのがよい。
【００６２】
図１５は，液体搬送基板１３とセンサ・リアクタ基板５２を組み合わせた化学反応分析素子５０を使用した化学反応分析装置５の構成図である。図１５にて，化学反応分析素子５０は，展開図で表現されているが，使用時には，液体搬送基板１３と化学分析素子５０は，スペーサ１８により隙間を形成するように配置される。液体搬送基板１３と化学分析素子５０は実質的には平行配置することが望ましい。化学反応分析装置５は，液体搬送基板１３に印加する電圧を制御するための第一軸電圧制御装置１６および第二軸電圧制御装置１７と，第一軸電圧制御装置１６および第二軸電圧制御装置１７に制御のための信号を出力し，センサ・リアクタ基板より出力された信号を解析するシステム装置５９で構成されている。
【００６３】
化学反応解析素子５０は，液体搬送基板１３とセンサ・リアクタ基板５２を，スペーサ１８により，隙間を形成するよう平衡配置することで構成され，隙間内に搬送する液滴２５１〜２５４を保持している。
【００６４】
センサ・リアクタ基板５２は，液滴５５１〜５５４の温度を調整する温度調整部５２１，５２２，温度調整部５２１，５２２の中央部に配置され，液滴の温度を測定するための温度計５２３，５２４，液滴中の特定の分子やイオンを検出するセンサ５２５，液滴中の特定の分子やイオンの化学反応を促進するための触媒を備えたリアクタ５２６を備えている。
【００６５】
システム装置５９より出力された信号に従い，第一軸電圧制御装置１６および第二軸電圧制御装置１７は，第一軸液体搬送用スイッチ１６１０〜１６２１および第二軸液体搬送用スイッチ１７１０〜１７２１を切り替え，矩形電極群１３１の電気的状態を接地，電源により与えられる電位，フローティングの一つに制御し，液滴５５１〜５５４を搬送する。システム装置５９は，液滴の搬送の制御のほかに，温度調整部５２１，５２２の制御や温度計５２３，５２４，センサ５２５の出力された信号の処理も行う。
【００６６】
図１６は，化学反応分析素子２０による化学分析の一例を示すための，液滴２５１〜２５４の搬送の経路図である。
【００６７】
液滴２５１〜２５２を経路２２８に沿って搬送する。経路２２８は，液滴２５１〜２５２を一つの液滴に合体させた後，温度調節器２２１に搬送し，加熱もしくは冷却する。このときの液滴の温度は温度センサ２２３によりモニタリングする（温度調整工程）。次に，リアクタ２２６に搬送し，リアクタの化学物質もしくは生体物質と液滴中の物質を反応する（化学反応工程）。次に，温度調節器２２３に搬送し，加熱や冷却をする。このときの液滴の温度は温度センサ２２４によりモニタリングする（温度調整工程）。最後に，センサ２２３に搬送し，液滴中に含まれる化学物質もしくは生体物質の量をモニタリングする（分析工程）。
【００６８】
液滴２５１〜２５４の搬送経路は二次元面内で自由に選ぶことができる。搬送経路を目的に応じ変更することで，液滴の混合，分割の基本操作から，温度調節器２２１，２２２と温度センサ２２３，２２４による温度調整工程，リアクタ２２６，２２７による化学反応工程，センサ２２５による分析工程を，使用者の目的に応じ，組み合わせることができる。また，液体の搬送経路を変更し，センサによる検出，温度調節器による温度検出，及びリアクタによる反応の順を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】矩形電極を辺方向に連結した液体搬送基板のモデル図。
【図２】矩形電極を辺方向に連結した液体搬送基板の動作状況の説明図。
【図３】液体搬送装置の構成例を示す図。
【図４】液体搬送基板の平面図。
【図５】液体搬送基板の断面図。
【図６】液体搬送装置による液体を搬送するときの動作説明図。
【図７】液体搬送装置による電圧の印加方法を示すタイムチャート図。
【図８】液体搬送装置による液体を分割するときの動作説明図。
【図９】液体搬送装置による液体を分割するときの動作説明図。
【図１０】液体搬送装置による液体を分割するときの動作説明図。
【図１１】液体搬送素子の作製手順の説明図。
【図１２】正六角形電極を連結した液体搬送基板の平面図。
【図１３】正八角形電極を連結した液体搬送基板の平面図。
【図１４】液体搬送基板のモデル図。
【図１５】化学分析装置の構成例を示す図。
【図１６】化学分析装置の使用例を示す図。
【符号の説明】
【００７０】
１…液体搬送装置、５…化学反応分析装置，１０…液体搬送素子、１２…上部基板、１３…液体搬送基板、１５…液滴、１６…第一軸電圧制御装置、１７…第二軸電圧制御装置、１８…スペーサー、１９…システム装置、２３…液体搬送基板，３３…液体搬送基板，４３…液体搬送基板，５０…化学反応分析素子，５２…センサ・リアクタ基板、５９…システム装置、１２１…上部基板撥水層、１３１…矩形電極、１３２…第一軸連結導線、１３３…第二軸連結導線、１４１…目的位置、１５１，１５２…液滴，１８１…電位Ｖの状態，１８２…フローティングの状態，１８３…電位０の状態，２３１…矩形電極，２４１…範囲，３３１…正六角形電極，４３１…正八角形電極，５２１〜５２２…温度調節器，５２３〜５２４温度センサ，５２５…センサ，５２６〜５２７…リアクタ，５５１〜５５４…液滴１３５１…基礎基板，１３５２…底面絶縁層，１３５３…電極間絶縁層，１３５４…誘電体層，１３５５…撥水層，１３５６…導電体層，１３５７…プラグ，１３５８…導電体層，１３５９…下層導線，１３６１…領域，１３１１〜１３２４…第一軸電極列，１３３１〜１３４４…第二軸電極列，１６１１〜１６２２…第一軸液体搬送用スイッチ，１７１１〜１７２２…第二軸液体搬送用スイッチ，２３１１〜２３２０…第一軸電極列，２３３１〜２３２０…第二軸電極列。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電力を利用して微小液滴を操作する液体搬送装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、環境問題に対する高い関心や、高度医療社会の要望などから、微量な化学物質や生体物質を、簡便に分析する技術及び装置が求められるようになっている。これらの要求に対し、従来の分析技術に比べ、コスト、簡便性、測定時間の短縮などの利点があることから、マイクロ化学分析システム（μTAS（Micro Total Analysis System）やLab-On-Chipとも称される）の研究が盛んになっている。
【０００３】
マイクロ化学分析システムは、サンプルの混合、反応、分離などの一連の化学操作をミクロ化し、ガラスやプラスチック基板上に集積化したものである。これまで、マイクロ化学分析システムの研究は、サンプルである液体を、連続流体として扱う研究が主流であったが、最近、ポンプやバルブを必要としないことや、消費電力が少ないなどの理由から、液体を小滴として扱う研究が注目を集めている（特許文献１−２、非特許文献１−４）。
【０００４】
液体を小滴として扱う方法の一つが、通称エレクトロウェッティングと呼ばれている方法である。エレクトロウェッティングは、電圧の印加により、固体表面への液体の濡れを制御する技術であり、これらの液滴の搬送の原理は、非特許文献１，２、特許文献１にて、電気毛管現象あるいは電気湿潤現象で説明されている。
【０００５】
M.G.Pollack氏らは、非特許文献１にて、複数の制御用電極を平面上に有した下部基板と、接地電極を平面上に有した上部基板を、隙間を成すよう平行に配置したデバイスを構成し、その隙間にシリコーンオイルを満たし，電解質の液滴を入れたデバイスを考案した。複数の制御用電極に連結したスイッチを切り替え、制御用電極の電位を制御することで、シリコーンオイルで満たされた基板間に存在する電解液の液滴を、４０Ｖから８０Ｖの印加電圧で搬送したことを報告している。このとき、下部基板上の複数の制御用電極は誘電体層（パリレン、厚さ７００ｎｍ）で 覆われ、さらにその表面は撥水性の物質（テフロン（登録商標）、厚さ２００ｎｍ）で覆われている。また、上部基板上の接地電極は、（テフロン（登録商標）、厚さ２００ｎｍ）で覆われている。また、M.G.Pollack氏らは、特許文献１にて、接地電極と制御電極を同一基板上に備え、搬送機構を片面に備えたデバイスを記載している。
【０００６】
非特許文献１と同じ構造で、充填物にシリコーンオイルを用いず、空気中で液滴の搬送を行った例として、H.Moon氏らのデバイスがある。H.Moonらは、非特許文献２にて、誘電体に高誘電体材料であるＢＳＴ（Barium Strontium Titanate）を利用することで、１５Ｖの印加電圧で液滴の搬送ができたことを報告している。
【０００７】
M.G.Pollack氏やH.Moon氏らのデバイスは，一次元方向に動かすデバイスであったが， S.-K.Fan氏らは，非特許文献３にて，Ｎ本の短冊状の電極を持った下部基板とＭ本の短冊状の電極を持った上部基板を，お互いの電極が直角になるように組み合わせ，上下の電極によって構成されるＮ×Ｍ個の格子点の位置に液滴を動かすEWOD(Electro Wetting On Dielectric)送液デバイスを開発したことを報告している。
【０００８】
液滴を小滴として扱うもう一つの方法は、液滴下方に存在する電極の電位を切り替えることで、液滴表面のマクスウェル応力分布を変化し、液滴を搬送する方法である。
【０００９】
鷲津氏は、非特許文献４にて、複数の電極を平面上に備えたデバイスを用い、電極の電位を順次切り替えることで、デバイス上に存在する液滴を、４００Ｖｒｍｓの印加電圧で一次元方向に搬送することに成功している。このとき、基板上の複数の電極は誘電体層（SC450（登録商標）、厚さ１０μｍ）で 覆われ、さらにその表面は撥水性の物質（テフロン（登録商標））で覆われている。また、鷲津氏は、特許文献２にて、複数の電極を平面上に備えたデバイス上に撥水性表面の管路を設けた構造についても記載している。
【００１０】
【特許文献１】US2004/0058450
【特許文献２】特開平10-267801号公報
【非特許文献１】Applied Physics Letters, Vol.77, No.11, pp.1725-1726
【非特許文献２】Journal of Applied Physics,Vol.92,No.7,pp.4080-4087
【非特許文献３】Proc.MEMS2003,pp. 694 697
【非特許文献４】IEEE Industry Applications Society, Annual meeting, New Orleans, Louisiana, October 5-9,1997, “Electrical actuation of liquid droplet for microreactor applications”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記方法を使用したデバイスを化学分析装置などに適用するにあたり、使用者の目的および用途に応じたさまざまな化学反応をデバイス内で実現し，測定することが重要となる。すなわち，任意の量の液体を二次元方向に自在に搬送する汎用性，目的の位置まで精度よく搬送する正確性，センサやリアクタの混載を可能にする多目的化が重要になる。電気的制御により、液体を小滴として扱う方法に関しては、以下のような課題が考えられる。
【００１２】
特許文献１，２，非特許文献１，２，４記載のデバイスは，液体を搬送する位置毎に各々独立した電極を配置する構造のため，搬送する位置の数の増加とともに電極の数は増加し，電極毎の電位を制御する配線やスイッチの数も増加する。配線やスイッチの数の増加はシステム装置への負担を増すことから，より少ない配線やスイッチの数で目的の液滴を搬送することが望ましい。
【００１３】
非特許文献３記載のデバイスは，上下の電極が構成するＮ×Ｍ個の格子点の位置に，Ｎ＋Ｍ本の電極およびそれぞれ対応するスイッチで液滴を自在に搬送することができるが，上下の両方の基板に，駆動に必要な電極を備える必要があるため，センサやリアクタを基板上に混載することは難しい。
【００１４】
一方，非特許文献４では，駆動に必要な複数の電極を一平面上に備えているため，センサやリアクタをもう一方の基板に設置することが可能であるが，一定の液量を搬送する定量性や，搬送した液体を決められた位置に精度よく搬送し，停止する正確性については考慮していない。以上のようにセンサやリアクタとの混載が容易で，正確に位置あわせができるデバイスは実現できていない。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
我々は，上記問題を解決するために一の平面上に液滴搬送用の電極を形成することを考えた。図１は，複数の矩形電極２３１を辺方向に連結した液体搬送基板２３の一部分のモデル図で，複数の矩形電極２３１の基板平面上での位置関係を示す。図２（１），（２）は複数の矩形電極２３１を辺方向に連結した液体搬送基板２３において，矩形電極２３１をｘ軸方向に連結した第一軸電極列２３１５〜２３２０と，矩形電極２３１をｙ方向に連結した第二軸電極列２３３５〜２３４０から，一組の第一軸電極列および第二軸電極列に電位差を与えたときの複数の矩形電極２３１の電位を示した図である。
【００１６】
図１において，液体搬送基板２３は，基板の表面上に敷き詰めた複数の矩形電極２３１を備え，複数の矩形電極２３１は，矩形電極１３１のいずれかの一つの辺方向，すなわち図中におけるｘ方向もしくはｙ方向に連結されている。矩形電極２３１をｘ方向に連結する導線すべてを第一軸連結導線２３２，ｙ方向に連結する導線すべてを第二軸連結導線２３３とする。第一軸連結導線２３２によりｘ方向に連結されている矩形電極２３１を，行ごとに一つの電極列とみなし，第一軸電極列２３１１〜２３１４と呼ぶことにする。また，第二軸連結導線２３３により，ｙ方向に連結されている矩形電極２３１を，列ごとに一つの電極列とみなし，図中左から，第二軸電極列２３３１〜２３３４とする。第一軸連結導線２３２は第二軸電極列を構成する矩形電極２３１の下層に，第二軸連結導線２３３は第一軸電極列を構成する矩形電極２３１の下層に位置するよう構成している。第一軸連結導線２３２と第二軸電極列を構成する矩形電極２３１，第二軸連結導線２３３と第一軸電極列を構成する矩形電極は絶縁層により電気的に絶縁されている。
【００１７】
図２において， 液体搬送基板２３の第一軸電極２３１７と第二軸電極２３３７に電位差を与えたとき，二つの電極が交差する範囲２４１は，矩形電極が縦に３個並んだ長方形となり，縦方向に大きい勾配の電界が発生する。また第二軸電極列２３３７の隣の第二軸電極列である第二軸電極列２３３８と第一軸電極２３１７に電位差を与えたとき，二つの電極が交差する領域２４２は，矩形電極が横に３個並んだ長方形となり，横方向に大きい勾配の電界が発生する。すなわち，矩形電極２３１を辺方向に連結した液体搬送基板２３は，電位差を与えた第一軸電極と第二軸電極の組み合わせにより，電界の勾配に応じた液滴の形状の変化が大きくなる。
【００１８】
本発明の目的は，配線やスイッチの数を少なくしても，センサやリアクタとの混載が容易で，液滴を安定して搬送し，正確な位置あわせがデバイスを供給することである。
【００１９】
本発明の液体搬送基板の一実施例は，基板と，前記基板上に設置され，かつ第１の軸方向の複数の列に配置された複数の第1電極と，前記複数の第1電極のうち隣接する２つの前記第1電極を各々接続し，前記第１の軸方向に沿って配置される複数の第1導線と，前記基板上に設置され，かつ前記第１の軸方向と交わる第２の軸方向の複数の列に配置された複数の第２電極と，前記複数の第２電極のうち隣接する２つの前記第２電極を各々接続し，前記第２の軸方向に沿って配置され，かつ一の前記第1導線と各々交差する複数の第２導線と，前記第1導線と前記第２導線とを絶縁する絶縁層とを有し，一の前記第1導線と一の前記第2導線とは，前記第1電極が実質的に配置される面からみて前記第1電極及び前記第2電極の各々の位置しない領域で交差し，前記絶縁層は，少なくとも前記交差する領域に位置することを特徴とする。
【００２０】
また，第２電極は，第１の軸方向の，連続した二つの列に隣接して配置された４つの第１電極の重心から構成される格子内に配置されてもよい。
【００２１】
また，第１電極および第２電極および第１導線および第２導線は，撥水性表面を備えた誘電体で覆われてもよい。
【００２２】
複数の第１電極および第２電極の形状は，多角形であり，好ましくは偶数角形さらに好ましくは四角形としてよい。第１電極および第２電極の形状が四角形の場合，第1の軸方向に第1頂点と第１頂点と対向する第２頂点とを配置し，第２の軸方向に第３頂点と第３頂点に対向する第４頂点とを配置する。もっともわかりやすい例は市松模様配置である。
【００２３】
また，液滴搬送効率を考えると，液滴と電極の静電容量が素子の静電容量より十分大きいことが必要になる。第１電極および第２電極は，面積が１μｍ２以上，１ｍｍ２以下となるように設計する。
【００２４】
また，本発明に関わる液体搬送の方法では，複数の第１電極の電位を変更する第１電極制御装置と，複数の第２電極の電位を変更する第２電極制御装置を備えてもよく，第１電極手段および第２電極制御手段により，少なくとも一組の第１電極および第２電極に電位差を与える。このとき，電位差を与えた少なくとも一組の第１電極および第２電極の電位を一定時間後に，切り替えてもよい。
【００２５】
また，第１電極と第２電極を備える基板に対し，もう一つの平面基板を対向に実質的に平行配置してもよく，第１電極と第２電極を備える基板と平面基板の間隔は１００ｎｍ以上，１ｍｍ以下となるよう設計してもよい。
【００２６】
また，温度調節器，センサ，リアクタを備えた基板を実質的に平行配置してもよく，温度調節器，センサからの出力の解析と，目的の液滴の搬送のための信号を出力するシステム装置と，システム装置の信号より，複数の第１電極の電位を変更する第１電極制御装置と，複数の第２電極の電位を制御する第２電極制御装置を備えてもよい。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によると，誘電体に覆われている電極を基板表面上で二次元に配置し，第１の軸もしくは第２の軸方向に連結した各電極群に対し，少なくとも一組の第１の軸方向の電極と第２の軸方向の電極に電位差を与えることで，液滴を搬送，停止させることができる。本発明のデバイスは，液体を搬送する位置毎に電位を制御するスイッチを備える必要が無いため，操作に必要なスイッチ数を少なくし，操作を制御するシステム装置への負担を軽減することができる。デバイス表面に流路溝を形成しなくても，デバイス上の液滴を使用者の目的に応じた経路で搬送することができる。また，与える電位を切り替えることで，搬送した液滴の位置のずれを修正することができる。また，上記デバイスの上部に液滴の搬送に必要な電極を備えた基板を用いる必要が無いため，温度調節器，センサやリアクタを備えた基板を備えることが容易になる。さらに，このとき，液滴の搬送経路を変更することで，温度調節器，センサやリアクタに接する順番や時間を変えることができるため，多用な目的に対応が可能な化学分析装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。
【実施例１】
【００２９】
図３は，本実施例の液体搬送装置の構成例を示す図である。本実施例の液体搬送装置１は，液滴１５を保持する液体搬送素子１０と，液体搬送素子１０に印加する電圧を制御するための第一軸電圧制御装置１６および第二軸電圧制御装置１７と，第一軸電圧制御装置１６および第二軸電圧制御装置１７に制御のための信号を出力するシステム装置１９で構成されている。
【００３０】
液体搬送素子１０は，上部基板１２および，駆動のための複数の矩形電極１３１を備えた液体搬送基板１３を，スペーサ１８により，隙間を形成するよう配置することで構成され，二つの基板の隙間内に搬送する液滴１５を保持している。上部基板１２と液体搬送基板１３とは実質的に平行配置とすることが望ましい。図中にて，液体搬送素子１０は，スペーサ１８，上部基板１３の一部を断面図で表現した鳥瞰図で表現する。
【００３１】
スペーサ１８には，厚さ１０μｍ〜１０００μｍの電子機器用の両面テープ，例えば，ポリエステルフィルムの基材およびアクリル系の粘着剤を使用した両面テープを使用した。さらに厚さを薄くするためには、フォトレジストなどの感光性材料で形成したスペーサーを使用するか、Deep RIE（Deep Reactive Ion Etching）などを使用した半導体の製造工程により、上部基板１２もしくは液体搬送基板１３に段差を設けることが挙げられる。
【００３２】
上部基板１２には，液滴１５側に上部基板撥水層１２１を備えたガラスを使用した。上部基板１２に用いる他の材料としては，平面度の高い物質が好ましく、液滴１５の動作観察などのため、透明性が必要であれば石英、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル(ポリメチルメタクリレート、アクリル樹脂)）が挙げられる。上部基板撥水層１２１はフッ素樹脂で構成し，フッ素樹脂以外の撥水材料としてはシリコーン樹脂が挙げられる。ここでの撥水性とは水の接触角が９０°以上になることをいう。本実施例では，液体の搬送を説明するため，上部基板１２にはリアクタやセンサを構成していない。リアクタやセンサなどが配置された上部基板を用いても同様の搬送が可能である。液体搬送基板１３については以下で説明する。
【００３３】
システム装置１９より出力された信号に従い，第一軸電圧制御装置１６および第二軸電圧制御装置１７は，第一軸液体搬送用スイッチ１６１１〜１６２２および第二軸液体搬送用スイッチ１７１１〜１７２２を切り替え，矩形電極群１３１の電気的状態を接地，電源により与えられる電位，フローティングの一つに制御し，液滴１５を搬送する。
【００３４】
図４は液体搬送素子１０を構成する液体搬送基板１３の構造を示すための，液体搬送基板１３の全体の平面図と液体搬送基板１３の一部の拡大図である。複数の矩形電極１３１の基板平面上での位置関係を示す。液体搬送基板１３は，基板の表面上に敷き詰めた複数の矩形電極１３１を備え，複数の矩形電極１３１は，矩形電極１３１のいずれかの一つの対角線方向，すなわち図中におけるｘ方向もしくはｙ方向に連結されている。電極は矩形としているが、多角形、特に偶数角形であってもよい。四角形の場合には、第一軸方向に
第1頂点と前記第１頂点と対向する第２頂点とを配置し、第二軸方向に第３頂点と第３頂点に対向する第４頂点とを配置する。矩形電極１３１をｘ方向に連結する導線すべてを第一軸連結導線１３２，ｙ方向に連結する導線すべてを第二軸連結導線１３３とする。第一軸連結導線１３２によりｘ方向に連結されている矩形電極１３１を，行ごとに一つの電極列とみなし，図中下から，第一軸電極列１３１１〜１３２２と呼ぶことにする。また，第二軸連結導線１３３により，ｙ方向に連結されている矩形電極１３１を，列ごとに一つの電極列とみなし，図中左から，第二軸電極列１３３１〜１３４２とする。第一軸連結導線１３２および第二軸連結導線１３３は，矩形電極１３１の間の領域にて，絶縁膜をはさんだ階層構造をとる。このような構成により、基板の上面からみたときの電極同士の重なり領域を排除し、かつ第一軸連結導線及び第二軸連結導線の重なり領域を極小化させ、x方向の電極列とy方向の電極列との間でコンデンサ効果が生じて、電力が消費されることを回避することができる。本実施例においては，第一軸連結導線１３２は第二軸連結導線１３３の下層に位置するよう構成している。第一軸連結導線及び第二軸連結導線とは、複数の矩形電極が実質的に配置される面からみて、ｘ方向に連結されている電極列群とｙ方向に連結されている電極列群の各々の位置しない領域で交差する。絶縁膜は、少なくとも交差の領域の第一軸連結導線と第二軸連結導線との間には位置するように配置される。
【００３５】
図５は，図４における下部基板１３のＡ−Ａ´断面およびＢ−Ｂ´断面での断面図であり，特に，第一軸連結導線１３２と第二軸連結導線１３３の交差領域での構造を示すものである。第一軸連結導線１３２は，下層導線１３５９とプラグ１３５７で構成されている。液体搬送基板１３は，下層より，基礎基板１３５１，底面絶縁層１３５２，電極列間絶縁層１３５３，下層導線１３５９，プラグ１３５７，第二軸連結導線１３３，矩形電極１３１，誘電体層１３５４，液体搬送基板上の撥水層１３５５で構成されている。第一軸連結導線１３２と第二軸連結導線１３３の交差する領域において，第一軸連結導線１３２と第二軸連結導線１３３の間に電極列間絶縁層１３５３が存在するため，二つの電極列は電気的に絶縁されている。
【００３６】
基礎基板１３５１の材料としてシリコンを、底面絶縁層１３５２，電極間絶縁層１３５３には酸化シリコンを、矩形電極１３１，第一軸連結導線１３２、第二軸連結導線１３３にはタングステンを、誘電体層１３５４には厚さ７５ｎｍの窒化シリコンを、液体搬送基板上の撥水層１３５５には、フッ素系樹脂を使用した。基礎基板１３５１に用いる他の材料としては、液滴１５の動作観察などのため、透明性を重視するのであればガラスや石英が挙げられる。底面絶縁層１３５２，電極間絶縁層１３５３に用いる他の材料としては、絶縁性の高い物質として、窒化シリコンなどが挙げられる。基礎基板１３５１にガラスや石英など絶縁体を用いる場合は，底面絶縁層１３５２はなくてもよい。矩形電極１３１，第一軸連結導線１３２、第二軸連結導線１３３に用いる他の材料としては、アルミニウム、金、白金などの金属材料や、透明性を重視するのであれば、ＩＴＯ（Indium Tin Oxide）が挙げられる。誘電体層１３５４に用いる他の材料としては、高誘電体材料が好ましく、酸化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタル、ＢＳＴ（Barium Strontium Titanate）、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウム、酸化アルミニウム、酸化チタン、酸化ランタンなどの金属酸化物や金属窒化物、ハフニウム・アルミネート（ＨｆＡｌＯ）等これらの材料を組み合わせた絶縁体などが挙げられる。液体搬送基板上の撥水層１３５５の他の材料としては、シリコーン樹脂が挙げられる。ここでの撥水性とは水の接触角が９０°以上になることをいう。
【００３７】
図６は，液滴１５の搬送時の液体搬送装置１の動作説明図である。図６を用いて、液滴１５を、目的位置１４１に搬送する工程を説明する。第一軸液体搬送用スイッチ１６１１〜１６２２，第二軸液体搬送用スイッチ１７１１〜１７２２の動作は、システム装置１９より出力される信号に従い、第一軸電圧制御装置１６および第二軸電圧制御装置１７で制御する。
【００３８】
液滴１５の搬送が始めるまで，第一軸電極列１３１１〜１３２２および第二軸電極列１３３１〜１３４２はフローティングの状態になっているか，もしくは，液滴１５を停止させる目的より，第一軸電極列１３１３，１３１４は設定電位Ｖ１に，第二軸電極列１３３３，１３３４は設定電位Ｖ２に，残りの電極列はフローティングの状態になっている（ただしＶ１＞Ｖ２）。このとき，液滴１５の一部が誘電層１３５４を介し，第一軸電極列１３１５かつ第二軸電極列１３３４，１３３５接している。
【００３９】
次に，目的位置１４１を通る第一軸電極列１３１５，１３１６の電位を設定電位Ｖ１に，目的位置１４１を通る第二軸電極列１３３３，１３３４の電位を設定電位Ｖ２になるよう，第一軸液体搬送用スイッチ１６１５，１６１６および第二軸液体搬送用スイッチ１７１３，１７１４を切り変える。例えば，誘電体層に厚さ１００ｎｍの窒化シリコンを用いたとき，Ｖ１＝１５，Ｖ２＝−１５とした。目的位置１４１において，第一軸電極列１３１５，１３１６および第二軸電極列１３３３，１３３４は交差する。その電極列間では液滴１５を介して電位差が生じ，表面のみかけの濡れ性がエレクトロウェッティングにより増すため，液滴１５は目的位置１４１に移動する。図中，電位Ｖ１の状態になっている第一軸電極列１３１５，１３１６は縦線のハッチング処理を，電位Ｖ２の状態になっている第二軸電極列１３３３，１３３４は横線のハッチング処理をして，その他の電極列と区別する。このとき，第一軸電極列１３１５，１３１６が電位Ｖ２，第二軸電極列１３３３，１３３４が電位Ｖ１でも，液滴１５は目的位置１４１に移動する。すなわち，電位をＶ１（もしくはＶ２）に設定した第一軸電極列および電位をＶ２（もしくはＶ１）に設定した第二軸電極列が隣接する領域に，近傍の液滴１５は移動する。
【００４０】
１２行の第一軸電極列１３１１〜１３２２および１２列の第二軸電極列１３３１〜１３４２から，二列ずつ第一軸電極列および第二軸電極列を選択する選択数は１２１通りである。すなわち，１２個の第一軸液体搬送用スイッチ１６１１〜１６２２および１２個の第二軸液体搬送用スイッチ１７１１〜１７２２を組み合わせることで，液滴１５を液体搬送基板１３上の１２１箇所に搬送することができる。
【００４１】
また，同時に電位差を与える第一軸電極列および第二軸電極列の本数を変え，電位差を与えた第一軸電極列および第二軸電極列の交差する領域の有効面積を変更することができる。液滴と領域の面積の関係について，領域の有効面積は，搬送する液滴と液体搬送基板１３との接触面積より少し小さくする。液滴１５の量は，液滴と液体搬送基板１３との接触面積と，上部基板１２（図３）と液体搬送基板１３の間隔の積と等しいため，電位差を与える第一軸電極列および第二軸電極列の本数を変えることで，量の大小にかかわらず液滴１５を搬送することができる。
【００４２】
また，液体搬送素子１０は，液体の必要な電極すべてを液体搬送基板１３に備えているため，上部基板１２やスペーサ１８を使用しない開放型の液体搬送素子としての使用もできる。
【００４３】
上記の方法に加えて，電圧の印加方法を工夫することで，液滴の搬送力を高めることができる。
【００４４】
図７は，液滴１５の搬送力を上げるための電圧の印加方法をタイムチャートで示した図である。液滴１５を目的位置１４１に搬送するにあたり，搬送前の液滴１５の位置を通る第一軸電極列１３１３，１３１４，目的位置１４１を通る第一軸電極列１３１５，１３１６，目的位置１４１と搬送前の液滴１５の位置を通る第二軸電極列１３３３，１３３４は，第一軸電圧制御装置１６もしくは第二軸電圧制御装置１７により，電位Ｖ１の状態１８１，フローティングの状態１８２，電位Ｖ２の状態１８３のいずれかになる。（ａ）は，搬送前の液滴１５の位置を通る第一軸電極列１３１３，１３１４の電位の状態を，（ｂ）は，第二軸電極列１３３３，１３３４の電位の状態を，（ｃ）は第一軸電極列１３１５，１３１６の電位の状態を時系列で表したものである。
【００４５】
液滴１５の搬送前において，液滴１５を静止させる目的により，第一軸電極列１３１３，１３１４，第二軸電極列１３３３，１３３４に対し，一方の電極列がＶ１のとき，もう一方の電極列はＶ２となるよう周期的に繰り返す。電位がＶ１からＶ２（もしくはＶ２からＶ１）に替わる間は，両方の電極列ともフローティングの状態を経る。液滴１５の位置が安定したところで繰り返しをとめてもよい。また，液滴と電極形状のずれが生じるが，両方の電極列をフローティングの状態にしてもよい。
【００４６】
次に液滴１５を目的位置１４１に搬送するにあたり，第一軸電極列１３１３，１３１４をフローティングの状態になるように切り替え，同時に，第一軸電極列１３１５，１３１６と第二軸電極列１３３３，１３３４に対し，一方の電極列の電位がＶ１のとき，もう一方の電極列の電位がＶ２となるよう周期的に繰り返すように切り替える。切り替えた時点から液滴１５の目的位置１４１への搬送が始まる。電位がＶ１からＶ２（もしくはＶ２からＶ１）に替わる間は，両方の電極列ともフローティングの状態を経る。電極列の電位の繰返し周期は１ミリ秒から１秒の間とした。
【００４７】
選択した第一軸電極列と第二軸電極列がフローティングの状態になり，表面のみかけの濡れ性が元に戻ると，液滴の形状を元に戻す復元力が生じる。また，反対の電位の状態になるときに，液滴１５下面に誘起された電荷と両方の電極列で反発力が生じる。これら二つの生じた力が液滴の搬送力になり，より液滴１５の搬送力を上げることができる。第一軸電圧制御装置及び第二軸電圧制御装置は，各々反対の位相の電圧を印加し，所定の間隔で電圧の正負を切り替えてもよい。
【００４８】
またこの電圧の印加方法では，液滴１５の搬送の際に，液滴１５が目的位置より少しずれた場合においても，液滴の位置を修正することができる。
【００４９】
図８〜図１０は，液滴１５を二つの液滴に分割するときの液体搬送装置１の動作説明図である。第一軸液体搬送用スイッチ１６１１〜１６２２，第二軸液体搬送用スイッチ１７１１〜１７２２の状態および，各動作における液滴１５の挙動を示す。
【００５０】
図８〜図１０を用いて，液滴１５を，二つの液滴１５１および１５２に分割する工程を説明する。第一軸液体搬送用スイッチ１６１１〜１６２２および第二軸液体搬送用スイッチ１７１１〜１７２２の動作は，システム装置１９より出力される信号に従い，第一軸電圧制御装置１６および第二軸電圧制御装置１７で制御する。
【００５１】
図８は，液滴１５の分割前の状態を示す。この状態において，第一軸液体搬送用スイッチ１６１１〜１６２２および第二軸液体搬送用スイッチ１７１１〜１７２２は，対応する第一軸電極列１３１１〜１３２２および第二軸電極列１３３１〜１３４２が，すべてがフローティングの状態になるようにする。またこの状態において，フローティングの状態でもよいが，液滴の存在する領域に電位差を与えるように選択した第一軸電極列および第二軸電極列に電位Ｖ１およびＶ２をかけてもよい。
【００５２】
次に図９は，液滴１５の分割の途中過程における液滴１５の形状と，第一軸液体搬送用スイッチ１６１１〜１６２２，第二軸液体搬送用スイッチ１７１１〜１７２２の状態を示す。このとき第一軸電極列１３１５，１３１６は電位Ｖ１（もしくはＶ２）の状態，第二軸電極列１３３４，１３３５，１３３８，１３３９が電位Ｖ２（もしくはＶ１）となるよう第一軸液体搬送用スイッチ１６１６，１６１７および第二軸液体搬送用スイッチ１７１４，１７１５，１７１８，１７１９を切り替える。すなわち，第１軸方向において少なくとも１つの電極列を含む１の列群について電位印加の状態とした上，第２軸方向において少なくとも１つの電極列を各々含む，少なくとも２つの列群について電圧印加の状態とする。ここで，列群が複数の電極列を含むときには互いに隣接する電極列からなることとする。電位Ｖ１の第一軸電極列１３１５，１３１６と電位Ｖ２の第二軸電極列１３３４，１３３５，１３３８，１３３９が隣り合う領域の表面から，液滴１５は相反する方向に駆動力を受け，引き離される。
【００５３】
次に図１０は，液滴１５を二つの液滴１５１と１５２に分割したときの第一軸液体搬送用スイッチ１６１１〜１６２２，第二軸液体搬送用スイッチ１７１１〜１７２２の状態を示す。このとき第一軸電極列１３３５，１３３６は電位Ｖ１（もしくはＶ２）の状態，第二軸電極列１３１３，１３１４，１３１９，１３２０は電位Ｖ２（もしくはＶ１）となるよう第一軸液体搬送用スイッチ１６１６，１６１７および第二軸液体搬送用スイッチ１７１３，１７１４，１７１９，１７２０は切り替わる。すなわち，第１軸方向において電位印加の状態とした，少なくとも１つの電極列を含む１の列群の位置を保ちながら，第２軸方向において電圧印加の状態とする，少なくとも１つの電極列を各々含む，少なくとも２つの列群の位置を各々が離れる方向へ変更する。電位Ｖ１の第一軸電極列１３１５，１３１６と電位Ｖ２の第二軸電極列１３３３，１３１４，１３３９，１３４０が隣り合う領域の表面から，液滴１５は相反する方向に駆動力を受ける。さらに引き離すことで，液滴１５を液滴１５１と液滴１５２に分割した状態で保持できる。
【００５４】
一方，上記と逆の手順で，二つの液滴１５１と１５２に対し，向かい合う方向に駆動力を与えることで，二つの液滴を一つの液滴に合体することができる。
【００５５】
図１１は、液体搬送基板１３の作製方法を示す工程断面図である。断面は，図４におけるＡ−Ａ´断面である。
（１）基礎基板（シリコン）１３５１に熱酸化処理を施し、表面に底面絶縁層１３５２である厚さ３００ｎｍのシリコン酸化膜層を形成した。
（２）第一軸連結導線１３２の一部である下層導線１３５９を形成するための導電体層１３５６として、窒化チタン／タングステン層を厚さ２０ｎｍ／１５０ｎｍになるよう化学気相堆積法により堆積する。
（３）ホトリソグラフィによりパターン形成し、導電体層１３５６をエッチングし、下層導線１３５９を形成する。
（４）電極間絶縁層１３５３として、ここではシリコン酸化膜層を堆積する。
（５）プラグ１３２２のための貫通孔の形成のためホトリソグラフィとエッチングを行う。続けて，窒化チタン／タングステン層を化学気相堆積法により堆積し、エッチバックを行いプラグ１３２２を形成する。
（６）矩形電極１３１及び第二軸連結導線１３３のための導電体層１３５８として、窒化チタン／タングステン層を厚さ２０ｎｍ／１５０ｎｍになるよう化学気相堆積法により堆積する。
（７）ホトリソグラフィによりパターン形成し、導電体層１３５８をエッチングし、矩形電極１３１および第二軸連結導線１３３を形成する。
（８）誘電体層１３５４として、窒化シリコンを厚さ７５ｎｍになるよう化学気相堆積法により堆積する。外部電源と矩形電極１３１の配線箇所を接続するために，ホトリソグラフィによるパターン形成の後，配線箇所を覆う誘電体層１３５４をエッチングにより取り除く。
（９）撥水層１３５５として使用するフッ素系樹脂をスピンコートする。
本方法では，プラグ形成１３２２をエッチバックを行って，金属膜の埋め込みを行っているが，この工程を削除して，プラグ１３２２の形成を矩形電極１３１，第二軸連結導線１３３を同時に形成してもよい。
【００５６】
図１２は，液体搬送基板１３の矩形電極１３１を正六角形電極３３１に置き換えた液体搬送基板３３のモデル図であり，図１３は，液体搬送基板１３の矩形電極１３１を正八角形電極４３１に置き換えた液体搬送基板４３のモデル図である。矩形電極１３１を対角線方向に連結した液体搬送基板１３において，第二軸電極列を構成する一つの矩形電極は，連続した二列の第一軸電極列上の隣接した４つの矩形電極の重心を頂点とした格子の内部に位置する配置になる。
【００５７】
それぞれ，図中ｘ軸方向に連結されている電極は，区別のためハッチング処理している。それぞれ，電極の重心の位置と，図３記載の液体搬送基板１３の矩形電極１３１の重心の位置が一致するように配置する。
図１４は，液体搬送基板１３の一部のモデル図で，矩形電極１３１の一辺の長さＤを，第一軸連結導線１３２および第二軸連結導線１３３の幅ｄから見積もるためのものである（ただしＤ＞ｄとする）。
【００５８】
矩形電極１３１を図中のｘ方向に連結する導線すべてを第一軸連結導線１３２，図中のｙ方向に連結する導線すべてを第二軸連結導線１３３とする。第一軸連結導線１３２によりｘ方向に連結されている矩形電極１３１を，行ごとに一つの電極列とみなし，第一軸電極列１３２３〜１３２４と呼ぶことにする。また，第二軸連結導線１３３により，ｙ方向に連結されている矩形電極１３１を，列ごとに一つの電極列とみなし，第二軸電極列１３４３〜１３４４と呼ぶことにする。図中，第一軸電極列１３２３〜１３２４を構成する矩形電極１３１および第一軸連結導線１３２は，ハッチング処理をし，第一軸連結導線１３２と第二軸連結導線１３３の交差する領域１３６１は，下層に位置する連結導線を点線で描写している。
【００５９】
第一軸連結導線１３２と第二軸連結導線１３３の交差する領域１３６１にて，二つの連結導線は，電極間誘電層１３５３（図５）を挟み，電気容量（以下，配線間電気容量）を構成する。電極間絶縁層１３５３（図５）は誘電率がε，厚さをｈとすると，第一軸連結導線１３２と第二軸連結導線１３３の交差する領域，一つあたりの電気容量は，εｄ２／ｈとなる。
【００６０】
また，液滴１５が誘電体層１３５４を介して，矩形電極１３１に接しているとき，液滴を介した矩形電極１３１間の電気容量（以下，電極間電気容量）を構成する。
【００６１】
電極間電気容量が大きく，配線間電気容量は小さいほど，低い電位差で液滴を搬送できる。配線間電気容量と矩形電極間電気容量の比を１：１００より大きいとし，ε≒ε´，ｈ≒Ｈ，ｄ＞１００ｎｍとすると，Ｄ＞１μｍとなる。また，電極列の数をＮとすると，矩形電極群の総面積Ｓはおよそ２Ｎ２Ｄ２となるため，Ｎ＜１０００，Ｓ＜１００×１００ｃｍ２とすると，Ｄ＜１ｍｍとなる。また，矩形電極１３１の面積Ｄ２の範囲は，１μｍ２＜Ｄ２＜１ｍｍ２となる。図１２の六角形電極３３１のような，矩形電極以外の形状の電極においても，電極の面積を上記範囲内に収まるように設計するのがよい。
【００６２】
図１５は，液体搬送基板１３とセンサ・リアクタ基板５２を組み合わせた化学反応分析素子５０を使用した化学反応分析装置５の構成図である。図１５にて，化学反応分析素子５０は，展開図で表現されているが，使用時には，液体搬送基板１３と化学分析素子５０は，スペーサ１８により隙間を形成するように配置される。液体搬送基板１３と化学分析素子５０は実質的には平行配置することが望ましい。化学反応分析装置５は，液体搬送基板１３に印加する電圧を制御するための第一軸電圧制御装置１６および第二軸電圧制御装置１７と，第一軸電圧制御装置１６および第二軸電圧制御装置１７に制御のための信号を出力し，センサ・リアクタ基板より出力された信号を解析するシステム装置５９で構成されている。
【００６３】
化学反応解析素子５０は，液体搬送基板１３とセンサ・リアクタ基板５２を，スペーサ１８により，隙間を形成するよう平衡配置することで構成され，隙間内に搬送する液滴２５１〜２５４を保持している。
【００６４】
センサ・リアクタ基板５２は，液滴５５１〜５５４の温度を調整する温度調整部５２１，５２２，温度調整部５２１，５２２の中央部に配置され，液滴の温度を測定するための温度計５２３，５２４，液滴中の特定の分子やイオンを検出するセンサ５２５，液滴中の特定の分子やイオンの化学反応を促進するための触媒を備えたリアクタ５２６を備えている。
【００６５】
システム装置５９より出力された信号に従い，第一軸電圧制御装置１６および第二軸電圧制御装置１７は，第一軸液体搬送用スイッチ１６１０〜１６２１および第二軸液体搬送用スイッチ１７１０〜１７２１を切り替え，矩形電極群１３１の電気的状態を接地，電源により与えられる電位，フローティングの一つに制御し，液滴５５１〜５５４を搬送する。システム装置５９は，液滴の搬送の制御のほかに，温度調整部５２１，５２２の制御や温度計５２３，５２４，センサ５２５の出力された信号の処理も行う。
【００６６】
図１６は，化学反応分析素子２０による化学分析の一例を示すための，液滴２５１〜２５４の搬送の経路図である。
【００６７】
液滴２５１〜２５２を経路２２８に沿って搬送する。経路２２８は，液滴２５１〜２５２を一つの液滴に合体させた後，温度調節器２２１に搬送し，加熱もしくは冷却する。このときの液滴の温度は温度センサ２２３によりモニタリングする（温度調整工程）。次に，リアクタ２２６に搬送し，リアクタの化学物質もしくは生体物質と液滴中の物質を反応する（化学反応工程）。次に，温度調節器２２３に搬送し，加熱や冷却をする。このときの液滴の温度は温度センサ２２４によりモニタリングする（温度調整工程）。最後に，センサ２２３に搬送し，液滴中に含まれる化学物質もしくは生体物質の量をモニタリングする（分析工程）。
【００６８】
液滴２５１〜２５４の搬送経路は二次元面内で自由に選ぶことができる。搬送経路を目的に応じ変更することで，液滴の混合，分割の基本操作から，温度調節器２２１，２２２と温度センサ２２３，２２４による温度調整工程，リアクタ２２６，２２７による化学反応工程，センサ２２５による分析工程を，使用者の目的に応じ，組み合わせることができる。また，液体の搬送経路を変更し，センサによる検出，温度調節器による温度検出，及びリアクタによる反応の順を制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６９】
【図１】矩形電極を辺方向に連結した液体搬送基板のモデル図。
【図２】矩形電極を辺方向に連結した液体搬送基板の動作状況の説明図。
【図３】液体搬送装置の構成例を示す図。
【図４】液体搬送基板の平面図。
【図５】液体搬送基板の断面図。
【図６】液体搬送装置による液体を搬送するときの動作説明図。
【図７】液体搬送装置による電圧の印加方法を示すタイムチャート図。
【図８】液体搬送装置による液体を分割するときの動作説明図。
【図９】液体搬送装置による液体を分割するときの動作説明図。
【図１０】液体搬送装置による液体を分割するときの動作説明図。
【図１１】液体搬送素子の作製手順の説明図。
【図１２】正六角形電極を連結した液体搬送基板の平面図。
【図１３】正八角形電極を連結した液体搬送基板の平面図。
【図１４】液体搬送基板のモデル図。
【図１５】化学分析装置の構成例を示す図。
【図１６】化学分析装置の使用例を示す図。
【符号の説明】
【００７０】
１…液体搬送装置、５…化学反応分析装置，１０…液体搬送素子、１２…上部基板、１３…液体搬送基板、１５…液滴、１６…第一軸電圧制御装置、１７…第二軸電圧制御装置、１８…スペーサー、１９…システム装置、２３…液体搬送基板，３３…液体搬送基板，４３…液体搬送基板，５０…化学反応分析素子，５２…センサ・リアクタ基板、５９…システム装置、１２１…上部基板撥水層、１３１…矩形電極、１３２…第一軸連結導線、１３３…第二軸連結導線、１４１…目的位置、１５１，１５２…液滴，１８１…電位Ｖの状態，１８２…フローティングの状態，１８３…電位０の状態，２３１…矩形電極，２４１…範囲，３３１…正六角形電極，４３１…正八角形電極，５２１〜５２２…温度調節器，５２３〜５２４温度センサ，５２５…センサ，５２６〜５２７…リアクタ，５５１〜５５４…液滴１３５１…基礎基板，１３５２…底面絶縁層，１３５３…電極間絶縁層，１３５４…誘電体層，１３５５…撥水層，１３５６…導電体層，１３５７…プラグ，１３５８…導電体層，１３５９…下層導線，１３６１…領域，１３１１〜１３２４…第一軸電極列，１３３１〜１３４４…第二軸電極列，１６１１〜１６２２…第一軸液体搬送用スイッチ，１７１１〜１７２２…第二軸液体搬送用スイッチ，２３１１〜２３２０…第一軸電極列，２３３１〜２３２０…第二軸電極列。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設置され、かつ第１の軸方向の複数の列に配置された複数の第1電極と、
前記複数の第1電極のうち隣接する２つの前記第1電極を各々接続し、前記第１の軸方向に沿って配置される複数の第1導線と、
前記基板上に設置され、かつ前記第１の軸方向と交わる第２の軸方向の複数の列に配置された複数の第２電極と、
前記複数の第２電極のうち隣接する２つの前記第２電極を各々接続し、前記第２の軸方向に沿って配置され、かつ一の前記第1導線と各々交差する複数の第２導線と、
前記第1導線と前記第２導線とを絶縁する絶縁層とを有し、
一の前記第1導線と一の前記第2導線とは、前記第1電極が実質的に配置される面からみて前記第1電極及び前記第2電極の各々の位置しない領域で交差し、前記絶縁層は、少なくとも前記交差する領域に位置することを特徴とする液体搬送基板。
【請求項２】
請求項１記載の液体搬送基板であって，
前記第２電極は，前記第１の軸方向の，連続した二つの列に隣接して配置された４つの第１電極の重心から構成される格子内に配置されていることを特徴とする液体搬送基板。
【請求項３】
請求項１記載の液体搬送基板であって，
前記基板よりみて前記第１電極と，前記第２電極と，前記第１導線と，前記第２導線との上に配置される誘電体層をさらに有し，前記誘電体層材は撥水性の表面を有することを特徴とする液体搬送基板。
【請求項４】
請求項１記載の液体搬送基板であって，
前記第１電極と前記第２電極とは，各々多角形であることを特徴とする液体搬送基板。
【請求項５】
請求項１記載の液体搬送基板において，
前記第１電極と前記第２電極とは，各々偶数角形であることを特徴とする液体搬送基板。
【請求項６】
請求項１記載の液体搬送基板であって，
前記第1電極と前記第2電極とは各々四角形であり、前記第1の軸方向に第1頂点と前記第１頂点と対向する第２頂点とを配置し、前記第２の軸方向に第３頂点と前記第３頂点に対向する第４頂点とを配置するものであることを特徴とする液体搬送基板。
【請求項７】
請求項１記載の液体搬送基板であって，前記複数の第1電極への電圧印加を制御する第１電圧制御手段と，前記複数の第２電極への電圧印加を制御する第２電圧制御手段とをさらに有し，前記第１電圧制御手段と前記第２電圧制御手段とは，各々電圧を印加する前記列の数を制御することを特徴とする液体搬送基板。
【請求項８】
請求項７記載の液体搬送基板であって，前記第１電圧制御手段は前記第１の軸方向で少なくとも１つの前記列を含む１の列群について電位印加し，前記第２電圧制御手段は前記第2の軸方向で少なくとも１つの前記列を各々含む少なくとも２つの列群について電圧印加することを特徴とする液体搬送基板。
【請求項９】
請求項１記載の液体搬送基板であって，
前記第１電極または前記第２電極の面積は，１μｍ２以上かつ１ｍｍ２以下であることを特徴とする液体搬送基板。
【請求項１０】
請求項１記載の液体搬送基板であって，
前記液体搬送基板に対し，平面基板を，１００nm以上かつ１ｍｍ以下の間隔で平行配置したことを特徴とする液体搬送素子。
【請求項１１】
基板と、
前記基板上に設置され、かつ第１の軸方向の複数の列に配置された複数の第1電極と、
前記複数の第1電極のうち隣接する２つの前記第1電極を各々接続し、前記第１の軸方向に沿って配置される複数の第1導線と、
前記基板上に設置され、かつ前記第１の軸方向と交わる第２の軸方向の複数の列に配置された複数の第２電極と、
前記複数の第２電極のうち隣接する２つの前記第２電極を各々接続し、前記第２の軸方向に沿って配置され、かつ一の前記第1導線と各々交差する複数の第２導線と、
前記第1導線と前記第２導線とを絶縁する絶縁層と、
前記第１電極に印加する電圧を制御する第１電圧印加制御手段と、
前記第２電極に印加する電圧を制御する第２電圧印加制御手段とを有し、一の前記第1導線と一の前記第2導線とは、前記第1電極が実質的に配置される面からみて前記第1電極及び前記第2電極の各々の位置しない領域で交差し、前記絶縁層は、少なくとも前記交差する領域に位置し、前記第１電圧印加制御手段と前記第２電圧制御手段は、前記第１電極と前記第２電極の間に電位差を与えることを特徴とする液体搬送装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の液体搬送装置であって，前記第１電圧印加制御手段と，前記第２電圧印加制御手段は，反対の位相の電圧を印加し，所定の間隔で電圧の正負を切り替えることを特徴とする液体搬送装置。
【請求項１３】
請求項１１記載の液体搬送装置であって，センサ，温度調節器，リアクタの少なくともいずれかをさらに有することを特徴とする液体搬送装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の化学分析装置を用いる化学分析方法であって，液体の搬送経路を変更し，センサによる検出，温度調節器による温度検出，及びリアクタによる反応の順を制御することを特徴とする化学分析方法。
【請求項１】
基板と、
前記基板上に設置され、かつ第１の軸方向の複数の列に配置された複数の第1電極と、
前記複数の第1電極のうち隣接する２つの前記第1電極を各々接続し、前記第１の軸方向に沿って配置される複数の第1導線と、
前記基板上に設置され、かつ前記第１の軸方向と交わる第２の軸方向の複数の列に配置された複数の第２電極と、
前記複数の第２電極のうち隣接する２つの前記第２電極を各々接続し、前記第２の軸方向に沿って配置され、かつ一の前記第1導線と各々交差する複数の第２導線と、
前記第1導線と前記第２導線とを絶縁する絶縁層とを有し、
一の前記第1導線と一の前記第2導線とは、前記第1電極が実質的に配置される面からみて前記第1電極及び前記第2電極の各々の位置しない領域で交差し、前記絶縁層は、少なくとも前記交差する領域に位置することを特徴とする液体搬送基板。
【請求項２】
請求項１記載の液体搬送基板であって，
前記第２電極は，前記第１の軸方向の，連続した二つの列に隣接して配置された４つの第１電極の重心から構成される格子内に配置されていることを特徴とする液体搬送基板。
【請求項３】
請求項１記載の液体搬送基板であって，
前記基板よりみて前記第１電極と，前記第２電極と，前記第１導線と，前記第２導線との上に配置される誘電体層をさらに有し，前記誘電体層材は撥水性の表面を有することを特徴とする液体搬送基板。
【請求項４】
請求項１記載の液体搬送基板であって，
前記第１電極と前記第２電極とは，各々多角形であることを特徴とする液体搬送基板。
【請求項５】
請求項１記載の液体搬送基板において，
前記第１電極と前記第２電極とは，各々偶数角形であることを特徴とする液体搬送基板。
【請求項６】
請求項１記載の液体搬送基板であって，
前記第1電極と前記第2電極とは各々四角形であり、前記第1の軸方向に第1頂点と前記第１頂点と対向する第２頂点とを配置し、前記第２の軸方向に第３頂点と前記第３頂点に対向する第４頂点とを配置するものであることを特徴とする液体搬送基板。
【請求項７】
請求項１記載の液体搬送基板であって，前記複数の第1電極への電圧印加を制御する第１電圧制御手段と，前記複数の第２電極への電圧印加を制御する第２電圧制御手段とをさらに有し，前記第１電圧制御手段と前記第２電圧制御手段とは，各々電圧を印加する前記列の数を制御することを特徴とする液体搬送基板。
【請求項８】
請求項７記載の液体搬送基板であって，前記第１電圧制御手段は前記第１の軸方向で少なくとも１つの前記列を含む１の列群について電位印加し，前記第２電圧制御手段は前記第2の軸方向で少なくとも１つの前記列を各々含む少なくとも２つの列群について電圧印加することを特徴とする液体搬送基板。
【請求項９】
請求項１記載の液体搬送基板であって，
前記第１電極または前記第２電極の面積は，１μｍ２以上かつ１ｍｍ２以下であることを特徴とする液体搬送基板。
【請求項１０】
請求項１記載の液体搬送基板であって，
前記液体搬送基板に対し，平面基板を，１００nm以上かつ１ｍｍ以下の間隔で平行配置したことを特徴とする液体搬送素子。
【請求項１１】
基板と、
前記基板上に設置され、かつ第１の軸方向の複数の列に配置された複数の第1電極と、
前記複数の第1電極のうち隣接する２つの前記第1電極を各々接続し、前記第１の軸方向に沿って配置される複数の第1導線と、
前記基板上に設置され、かつ前記第１の軸方向と交わる第２の軸方向の複数の列に配置された複数の第２電極と、
前記複数の第２電極のうち隣接する２つの前記第２電極を各々接続し、前記第２の軸方向に沿って配置され、かつ一の前記第1導線と各々交差する複数の第２導線と、
前記第1導線と前記第２導線とを絶縁する絶縁層と、
前記第１電極に印加する電圧を制御する第１電圧印加制御手段と、
前記第２電極に印加する電圧を制御する第２電圧印加制御手段とを有し、一の前記第1導線と一の前記第2導線とは、前記第1電極が実質的に配置される面からみて前記第1電極及び前記第2電極の各々の位置しない領域で交差し、前記絶縁層は、少なくとも前記交差する領域に位置し、前記第１電圧印加制御手段と前記第２電圧制御手段は、前記第１電極と前記第２電極の間に電位差を与えることを特徴とする液体搬送装置。
【請求項１２】
請求項１１記載の液体搬送装置であって，前記第１電圧印加制御手段と，前記第２電圧印加制御手段は，反対の位相の電圧を印加し，所定の間隔で電圧の正負を切り替えることを特徴とする液体搬送装置。
【請求項１３】
請求項１１記載の液体搬送装置であって，センサ，温度調節器，リアクタの少なくともいずれかをさらに有することを特徴とする液体搬送装置。
【請求項１４】
請求項１３記載の化学分析装置を用いる化学分析方法であって，液体の搬送経路を変更し，センサによる検出，温度調節器による温度検出，及びリアクタによる反応の順を制御することを特徴とする化学分析方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【公開番号】特開２００８−１４６８３（Ｐ２００８−１４６８３Ａ）
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１８３９７９（Ｐ２００６−１８３９７９）
【出願日】平成１８年７月４日（２００６．７．４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年１月２４日（２００８．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年７月４日（２００６．７．４）
【出願人】（０００００５１０８）株式会社日立製作所 (27,607)
【Ｆターム（参考）】
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