JP2004184315A - マイクロチャンネルチップ - Google Patents

Abstract

【課題】要求される小型化を確保しながら、供給される原料流体を効率よく混合できるマイクロチャンネルチップを提供する。
【解決手段】反応流路３３に対応する基板２の外面に圧電素子４を接着してバイモルフ構造を構成する。圧電素子４にパルス電圧を印加すると、反応流路の形状が変化し、その変形が原料流体の流れを乱して原料流体の混合効率を高める。蓋板１に圧電素子を接着するのも、基板２および蓋板１の両方に圧電素子を接着するのも有効であり、基板を圧電体製として基板を直接に変形させるのも有効である。また、変形領域を分割して個個に変形を制御すると、混合効率がより高められる。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、微小な流路内で微小容量の流体を混合させたり反応させたりなどするマイクロチャンネルチップに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、進歩の著しいマイクロマシニング技術によって、シリコンやガラス、プラスチック等の基板を加工して、微小流路（マイクロチャンネル）をもつデバイスを作製し、その微小空間を各種反応（混合や合成、分離、分析等）の場として利用することが試みられ、注目を浴びている。このようなデバイスは、その使用目的に応じて、マイクロミキサーとかマイクロリアクタと呼ばれている。
通常、反応の場となる微小空間、すなわち反応流路、の等価直径が５００μｍより小さいものが微小流路（マイクロチャンネル）とされており、このような微小流路をもつチップがマイクロチャンネルチップである。マイクロチャンネルチップには、１つだけの微小流路をもつものもあれば、複数の微小流路を持つものもあり、多数の微小流路をもつウェハ状のものもある。
【０００３】
このようなマイクロチャンネルチップのように流路のスケールが微小化してくると、以下の特徴が得られる。
・ レイノルズ数が小さくなるので、流れは層流支配となる。
・ 単位体積当たりの表面積が非常に大きくなる。
・ 温度、圧力、濃度等の勾配が大きくなる。
これらの特徴によって、熱伝導や、拡散等の物質移動、等の効率が向上し、反応系での反応時間の短縮や、反応速度の向上、等の利点が得られる。更に、微小空間内での反応であっても適量合成とか高い再現性が得られるので、反応に使用される薬品や触媒、試薬等を含めた原料流体の量を大幅に低減することも可能となって、経済的なメリットも大きい。
【０００４】
ここで、先ず、マイクロチャンネルチップの一般的な構成を説明する。
図５は、従来技術によるマイクロチャンネルチップの一例の部品を示し、（ａ）は蓋板１の斜視図、（ｂ）は基板２の斜視図であり、図６は、この蓋板１および基板２が接合等で一体化されてマイクロチャンネルチップとなった状態での、第１の供給流路３１および反応流路３３に沿った断面図である。
蓋板１には、各種の原料流体（溶液や薬品、試薬等で、微小固体を含む液体や気体も含む）を混合等の反応のために供給する２つの供給口（図５では第１の供給口１１および第２の供給口１２）と、混合された結果として送り出されてくる混合流体や生成流体等の反応結果流体を取り出す取り出し口１３と、が形成されている。
【０００５】
基板２には、２つの供給口１１および１２からの供給流路となる第１の供給流路用溝２１および第２の供給流路用溝２２と反応流路となる反応流路用溝２３とが形成されている。反応流路用溝２３の幅は、２つの供給流路用溝２１等の幅より広く描かれているが、その長さと合わせて必要な反応時間との兼ね合いで決定される。
基板２上に蓋板１が接合されると、図６に示した様に、第１の供給流路３１、不図示の第２の供給流路および反応流路３３からなる流路３が形成される。
第１の供給口１１および第２の供給口１２ からそれぞれに供給された原料流体は、それぞれ第１の供給流路３１および第２の供給流路を通って反応流路３３へ導かれ、ここで混合や合成等の所定の反応をし、反応結果流体として取り出し口１３から取り出される。
【０００６】
等価直径が５００μｍ以下の微小流路のレイノルズ数は、１０〜数１００程度と極めて小さい。そのため、その内部を流れる流体は、前述したように層流支配状態となる。したがって、図５に示したような流路構成の微小流路の場合には、２つの供給口１１および１２から供給されたそれぞれの原料流体は、反応流路３３内においても２つの層流となって流れ、供給された２つの原料流体の混合は、主に２つの層流の間の拡散によって支配される。このため、両流体が完全な混合状態に達するまでには、微小流路ではあっても、ある程度の時間を必要とする。
この混合所要時間を更に短縮して効率化するために、流れを幾つにも分割して多数の層流を作り、拡散所要時間を短くしようとする試みも幾つか提案されている。
【０００７】
図７は、その一例の基板２ａの形状を示した平面図であって、この基板２ａ上に図５ （ａ） に示した蓋板１と同様の蓋板が接合されて、マイクロチャンネルチップとなる。なお、図７においては、流路用溝を流路として示している。
蓋板の２つの供給口１１および１２につながる第１の供給流路３１ａおよび第２の供給路３２ａは、それぞれに３段階で分岐されて、反応流路である細かい網目状のマルチ流路３３ａにつながれている。マルチ流路３３ａの出口側は供給流路側とは逆に段段に集められて取り出し口１３につながっている。供給される２種類の原料流体は、細かい網目状のマルチ流路３３ａで十分に混合される。
【０００８】
以上で説明したようなマイクロチャンネルチップの基板および蓋板用の素材には、通常、シリコンやガラス、金属、プラスチック等の板が用いられる。これら素材の中から、その使用目的に適合する材料が選択され、その材料に適した加工技術で微小流路等を加工され、接合や接着、Ｏ−リング締結等で一体化されてマイクロチャンネルチップとなる。
この種のマイクロチャンネルチップの構造等に関する従来技術としては、表面に異方性エッチングにより形成された複数の独立した反応チャンバ用溝を有するシリコン基板と、このシリコン基板の表面に陽極接合され反応チャンバを形成させる平板と、からなるものが知られている（特許文献１参照）。
【０００９】
【特許文献１】
特開平１０−３３７１７３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
図６等に示したような同一平面上に形成された微小流路内を流れる流体は、前述したように、外部から特別な状態を付与しない限り層流となるので、供給された原料流体の混合は、主に相互拡散に依存し、均一な混合状態を得るためには、その微小さの割には長い時間を必要とする。そのため、混合効率を高めるためには、流体の流れを幾つもの流れに分割して拡散に要する時間を短縮することが必要となり、図７に示したようなマルチ流路が採用されてきた。しかし、マルチ流路方式は、原料流体の数が多くなると流路を形成する基板の面積を大きくしなければならず、小型化の要求から乖離することになる。
【００１１】
この発明は、上記のような従来技術の問題点を解消するためになされたものであって、要求される小型化を確保しながら、供給される複数の原料流体を効率よく混合できるマイクロチャンネルチップを提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明は、原料流体を供給する複数の供給口と、供給された複数の原料流体が混合された結果として送り出されてくる反応結果流体を取り出す取り出し口と、を備え、且つ、供給口から取り出し口までの流体の流路となる凹部を有する基板と、凹部を蓋って流路を形成する蓋板と、が一体化されてなるマイクロチャンネルチップであって、前記流路の内の、複数の原料流体が混合される反応流路の形状を繰り返し変化させる反応流路変形手段を備えている。
反応流路変形手段が反応流路の形状を繰り返し変化させると、反応流路内を流れる流体の層流状態が乱されて、乱流状態が発生し、撹拌効果を生じる。
【００１３】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記反応流路変形手段として、反応流路を構成している基板および蓋板のいずれか又は両方の反応流路に対応する部分に圧電素子を貼着して構成したバイモルフ構造を用いる。
バイモルフ構造の圧電素子に電圧パルスを印加すると、電圧印加による圧電素子の伸縮に伴って基板または蓋板が湾曲するので、反応流路の形状が変化する。
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記圧電素子を独立駆動可能な複数の圧電素子とする。
複数の圧電素子を独立に駆動することによって、反応流路をより複雑に変形させることができ、撹拌効果を高めることができる。
【００１４】
請求項４の発明は、請求項１の発明において、前記基板を圧電体からなる基板とし、基板の凹部の底面および基板の外面のそれぞれに電圧印加用電極を形成して、圧電体からなる基板の一部を前記反応流路変形手段とする。
基板の凹部の底面および基板の外面のそれぞれに形成された電圧印加用電極に電圧パルスを印加すると、基板の凹部が拡張または収縮して、反応流路の形状を変化させる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
この発明によるマイクロチャンネルチップの特徴は、反応流路変形手段を備えて、供給された複数の原料流体が混合される反応流路の形状を繰り返し変化させることである。反応流路変形手段による反応流路の繰り返し変形が、複数の原料流体の反応流路内での層流支配の流れを乱して、層流状態の流れに乱流状態を発生させ、原料流体の混合効率を向上させる。
以下において、この発明の実施の形態について実施例を用いてより詳しく説明する。
【００１６】
なお、従来技術と同じ機能の部分には同じ符号を付ける。
〔第１の実施例〕
図１は、この発明によるマイクロチャンネルチップの第１の実施例の構成を示す断面図である。
この実施例の蓋板１および基板２は、図５に示した従来例の蓋板１および基板２と同じであり、図１は、従来例の図６に相当し、第１の供給流路３１および反応流路３３に沿った断面図である。
蓋板１には、各種の原料流体（溶液や薬品、試薬等で、微小固体を含む液体や気体も含む）を混合や化学反応等の反応をさせるために供給する２つの供給口１１および１２（図１には第１の供給口１１のみ表示）と、混合された結果として送り出されてくる混合流体や生成流体等の反応結果流体を取り出す取り出し口１３と、が貫通孔として形成されている。基板２には、２つの供給口１１および１２からの供給流路となる第１の供給流路用溝２１および第２の供給流路用溝（図１には第１の供給流路用溝２１のみ表示）と、反応流路となる反応流路用溝２３と、が形成されている。
【００１７】
基板２上に蓋板１が静電接合等によって接合されて、図６と同様に、第１の供給流路３１、不図示の第２の供給流路および反応流路３３からなる流路が形成されている。更に、基板２の下面の反応流路３３に対応する部分には、圧電素子４が、エポキシ系接着剤等で接着され、基板２とでバイモルフ構造を構成している。
第１の供給口１１および第２の供給口からそれぞれに供給された原料流体は、それぞれ第１の供給流路３１および第２の供給流路を通って反応流路３３へ導かれ、ここで混合や化学反応等をし、反応結果流体となって取り出し口１３から取り出される。
【００１８】
この際に、圧電素子４に不図示の外部電源から電圧パルスを印加すると、その電圧値およびパルス間隔に応じて、反応流路３３の底部に相当する基板２の部分が、湾曲して基板２に垂直な方向に変位する。この変位が、反応流路３３内の流体の流れを乱し、層流支配の流れに乱流状態を発生させて、撹拌運動を惹き起こし、その結果として、原料流体の混合効率を向上させる。
この実施例においては、基板２と圧電素子４とでバイモルフ構造を構成しているが、蓋板１にもバイモルフ構造を構成することができるし、両方にバイモルフ構造を構成することもできる。また、圧電素子を分割して複数のバイモルフ構造とすることも可能である。第２の実施例から第４の実施例は、このような実施例に相当する。
【００１９】
〔第２の実施例〕
図２ （ａ） は第２の実施例の構成を示す断面図である。
この実施例は、蓋板１の上面の反応流路３３に対応する部分に圧電素子４ａを接着してバイモルフ構造を構成したものである。このバイモルフ構造の機能は、第１の実施例のバイモルフ構造の機能と全く同様であるので、その説明を省略する。
〔第３の実施例〕
図２ （ｂ） は第３の実施例の構成を示す断面図である。
この実施例は、基板２の下面および蓋板１の上面のそれぞれの反応流路３３に対応する部分にそれぞれ圧電素子４および圧電素子４ａを接着して両方にバイモルフ構造を構成したものである。
【００２０】
２つの圧電素子４および４ａに同時に電圧パルスを印加して両バイモルフを同時に逆向きに駆動すれば、原料流体の混合効率が更に高められる。
〔第４の実施例〕
図２ （ｃ） は第４の実施例の構成を示す断面図である。
この実施例は、基板２の下面の反応流路３３に対応する部分に前記圧電素子４より小面積の圧電素子４ｂを３つ接着して複数のバイモルフ構造を構成したものである。
この構成においてそれぞれの圧電素子の駆動タイミングを制御すると、基板２を連続的に変形させたり、波打たせたりすることができ、原料流体の混合効率をより一層高めることができる。
【００２１】
このような複数の圧電素子を用いた複数のバイモルフ構造は、蓋板１側に構成しても有効であり、基板２および蓋板１の両方に構成すれば、その効果がより一層高くなる。
また、上記のような複数のバイモルフ構造は、図１の圧電素子４のような１つの圧電素子の不図示の外側電極を分割することによっても形成できる。
なお、基板２や蓋板１の表面の、圧電素子４または４ａ等を接着される部分には、圧電素子４または４ａ等の接着面側の電極を引き出すための導電層が必要であるので、基板２や蓋板１が金属である場合には、基板２や蓋板１をそのままで導電層として使用できるが、基板２や蓋板１が導電性のない材料である場合には、これらの表面に導電層を形成しておくことが必要である。
【００２２】
〔第５の実施例〕
図３は、第５の実施例の部品を示し、（ａ）は蓋板１の斜視図、（ｂ）は圧電体製基板２ｂの斜視図であり、図４は、これらの部品を一体化したこの実施例の断面図である。
蓋板１は従来例と全く同じであって、蓋板１には、原料流体を供給する２つの供給口１１および１２（図４には第１の供給口１１のみ表示）と、反応結果流体を取り出す取り出し口１３と、が貫通孔として形成されている。
流路用溝を形成される基板は、圧電体からなる圧電体製基板２ｂである。圧電体製基板２ｂには、２つの供給口１１および１２からの供給流路となる第１の供給流路用溝２１および第２の供給流路用溝２２（図４には第１の供給流路用溝２１のみ表示）と反応流路となる反応流路用凹部２３ｂとが形成されており、反応流路用凹部２３ｂの底面および２つの供給流路用溝２１および２２の合流部の底面、合流部の側面、この側面につながる圧電体製基板２ｂの上面の一部には、電圧印加用の内側共通電極２４が形成され、圧電体製基板２ｂの下面の反応流路用凹部２３ｂに対応する部分には、流体の流れ方向に３つに分割された外側電極２５が形成されている。これらの電極２４および２５の形成は、スッパタや蒸着、コーティング等の方法による。
【００２３】
このような圧電体製基板２ｂ上に蓋板１が接合されて、図４に示す構成となって、第１の供給流路３１、不図示の第２の供給流路および反応流路３３ｂからなる流路が形成されている。
内側共通電極２４と３つの外側電極２５との間にある圧電体製基板２ｂの３つの部分は、電圧パルスを印加された外側電極に対応してその部分だけが拡張または収縮する。したがって、この実施例においては、２つの供給口１１等から供給されて反応流路３３ｂ内を流れる原料流体は、３つの外側電極２５のそれぞれに印加タイミングを制御されて印加された電圧パルスによる反応流路３３ｂの底部の変形によって、層流支配の流れを乱されて撹拌される。その結果、原料流体の混合効率が向上する。
【００２４】
なお、反応流路３３ｂの幅が広く形成されているのは、圧電効果による圧電体製基板２ｂ自体の変形は、バイモルフ構造の変形に比べてはるかに小さいので、幅を広くすることによって、必要な変形量を確保しようとしているのである。
以上に説明してきた５つの実施例では、供給流路の数が、どの場合においても２つであったが、供給流路の数は２つに限定されるものではない。むしろ、この発明は、供給流路の数が多いものにおいて、その効果をより一層発揮する。
【００２５】
【発明の効果】
請求項１の発明においては、反応流路変形手段を備えて、複数の原料流体が混合される反応流路の形状を繰り返し変化させるので、この繰り返される形状変化が、反応流路内を流れる原料流体の層流支配の状態を乱して、乱流状態を発生させ、その結果、撹拌効果を生じる。
したがって、この発明によれば、要求される小型化を確保しながら、供給される複数の原料流体を効率よく混合することができるマイクロチャンネルチップを提供することができる。
【００２６】
請求項２の発明においては、反応流路変形手段として、反応流路を構成している基板および蓋板のいずれか又は両方の反応流路に対応する部分に圧電素子を貼着して構成したバイモルフ構造を用いる。バイモルフ構造の圧電素子に電圧パルスを印加すると、電圧印加による圧電素子の伸縮に伴って基板または蓋板が湾曲するので、反応流路の形状が変化し、その結果として、原料流体が撹拌されてよく混合される。しかも、圧電素子を貼着しても、マイクロチャンネルチップの厚さが少し増加するだけであり、面積を増加させないから、小型化の要求を十分に満たすことができる。
【００２７】
請求項３の発明においては、圧電素子を独立駆動可能な複数の圧電素子とするので、複数の圧電素子を独立に駆動することによって、反応流路をより複雑に変形させることができ、撹拌効果を高めることができる。
請求項４の発明においては、前記基板を圧電体からなる基板とし、基板の凹部の底面および基板の外面のそれぞれに電圧印加用電極を形成して、圧電体からなる基板の一部を前記反応流路変形手段とする。基板の凹部の底面および基板の外面のそれぞれに形成された電圧印加用電極に電圧パルスを印加すると、基板の凹部が拡張または収縮して、反応流路の形状を変化させる。しかも、電圧印加用電極は、その厚さが薄いので、マイクロチャンネルチップの大きさに関係せず、小型化の要求を十分に満たす。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明によるマイクロチャンネルチップの第１の実施例の構成を示す断面図
【図２】第２から第４の実施例の構成を示し、（ａ）は第２の実施例の断面図、（ｂ）は第３の実施例の断面図、（ｃ）は第４の実施例の断面図
【図３】第５の実施例の部品を示し、（ａ）は蓋板の斜視図、（ｂ）は基板の斜視図
【図４】第５の実施例の構成を示す断面図
【図５】従来技術によるマイクロチャンネルチップの一例の部品を示し、（ａ）は蓋板の斜視図、（ｂ）は基板の斜視図
【図６】図５の部品による従来例の断面図
【図７】従来技術によるマイクロチャンネルチップの他例の基板の形状を示す平面図
【符号の説明】
１ 蓋板
１１ 第１の供給口 １２ 第２の供給口
１３ 取り出し口
２， ２ａ 基板 ２ｂ 圧電体製基板
２１ 第１の供給流路用溝 ２２ 第２の供給流路用溝
２３ 反応流路用溝 ２３ｂ 反応流路用凹部
２４ 内側共通電極 ２５ 外側電極
３ 流路
３１， ３１ａ 第１の供給流路 ３２ａ 第２の供給流路
３３， ３３ｂ 反応流路 ３３ａ マルチ流路
４， ４ａ， ４ｂ 圧電素子

Claims (4)

1. 原料流体を供給する複数の供給口と、供給された複数の原料流体が混合された結果として送り出されてくる反応結果流体を取り出す取り出し口と、を備え、且つ、供給口から取り出し口までの流体の流路となる凹部を有する基板と、凹部を蓋って流路を形成する蓋板と、が一体化されてなるマイクロチャンネルチップであって、
   前記流路の内の、複数の原料流体が混合される反応流路の形状を繰り返し変化させる反応流路変形手段を備えている、
   ことを特徴とするマイクロチャンネルチップ。
2. 前記反応流路変形手段として、反応流路を構成している基板および蓋板のいずれか又は両方の反応流路に対応する部分に圧電素子を貼着して構成したバイモルフ構造を用いる、
   ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロチャンネルチップ。
3. 前記圧電素子を独立駆動可能な複数の圧電素子とする、
   ことを特徴とする請求項２に記載のマイクロチャンネルチップ。
4. 前記基板を圧電体からなる基板とし、基板の凹部の底面および基板の外面のそれぞれに電圧印加用電極を形成して、圧電体からなる基板の一部を前記反応流路変形手段とする、
   ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロチャンネルチップ。

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