JP2004184315A - マイクロチャンネルチップ - Google Patents
マイクロチャンネルチップ Download PDFInfo
- Publication number
- JP2004184315A JP2004184315A JP2002353690A JP2002353690A JP2004184315A JP 2004184315 A JP2004184315 A JP 2004184315A JP 2002353690 A JP2002353690 A JP 2002353690A JP 2002353690 A JP2002353690 A JP 2002353690A JP 2004184315 A JP2004184315 A JP 2004184315A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- substrate
- reaction
- flow path
- channel
- piezoelectric element
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analyzing Non-Biological Materials By The Use Of Chemical Means (AREA)
- Sampling And Sample Adjustment (AREA)
- Automatic Analysis And Handling Materials Therefor (AREA)
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
【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
【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)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002353690A JP2004184315A (ja) | 2002-12-05 | 2002-12-05 | マイクロチャンネルチップ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2002353690A JP2004184315A (ja) | 2002-12-05 | 2002-12-05 | マイクロチャンネルチップ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004184315A true JP2004184315A (ja) | 2004-07-02 |
Family
ID=32754921
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2002353690A Pending JP2004184315A (ja) | 2002-12-05 | 2002-12-05 | マイクロチャンネルチップ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2004184315A (ja) |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008014791A (ja) * | 2006-07-05 | 2008-01-24 | Nipro Corp | 液体混合デバイス、液体混合方法及び微量検体測定方法 |
KR100916557B1 (ko) | 2009-04-16 | 2009-09-14 | 주식회사 이바이오젠 | 다층구조 바이오칩 및 압전재료를 이용한 혼성화 반응시스템 |
KR100932024B1 (ko) | 2006-11-29 | 2009-12-15 | 가부시끼가이샤 도시바 | 마이크로 화학 분석 장치, 마이크로 혼합 장치 및 이를구비하는 마이크로 화학 분석 시스템 |
JP2012068267A (ja) * | 2012-01-10 | 2012-04-05 | Toshiba Corp | マイクロ化学分析システム及びマイクロ化学分析装置 |
CN102436267A (zh) * | 2011-11-04 | 2012-05-02 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 高真空环境下实现液体样品池厚度微量可控装置及其控制方法 |
KR101246861B1 (ko) | 2010-12-17 | 2013-03-25 | 한국생산기술연구원 | 피지티 소자를 이용한 능동형 마이크로 믹서 및 평가방법 |
US10755688B2 (en) | 2016-07-15 | 2020-08-25 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Microphone unit and noise reduction device using same, and integrated circuit component |
-
2002
- 2002-12-05 JP JP2002353690A patent/JP2004184315A/ja active Pending
Cited By (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2008014791A (ja) * | 2006-07-05 | 2008-01-24 | Nipro Corp | 液体混合デバイス、液体混合方法及び微量検体測定方法 |
KR100932024B1 (ko) | 2006-11-29 | 2009-12-15 | 가부시끼가이샤 도시바 | 마이크로 화학 분석 장치, 마이크로 혼합 장치 및 이를구비하는 마이크로 화학 분석 시스템 |
US9327255B2 (en) | 2006-11-29 | 2016-05-03 | Kabushiki Kaisha Toshiba | Microchemical analysis device, a micro mixing device, and a microchemical analysis system comprising the same |
KR100916557B1 (ko) | 2009-04-16 | 2009-09-14 | 주식회사 이바이오젠 | 다층구조 바이오칩 및 압전재료를 이용한 혼성화 반응시스템 |
KR101246861B1 (ko) | 2010-12-17 | 2013-03-25 | 한국생산기술연구원 | 피지티 소자를 이용한 능동형 마이크로 믹서 및 평가방법 |
CN102436267A (zh) * | 2011-11-04 | 2012-05-02 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 高真空环境下实现液体样品池厚度微量可控装置及其控制方法 |
CN102436267B (zh) * | 2011-11-04 | 2013-08-21 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 高真空环境下实现液体样品池厚度微量可控装置 |
JP2012068267A (ja) * | 2012-01-10 | 2012-04-05 | Toshiba Corp | マイクロ化学分析システム及びマイクロ化学分析装置 |
US10755688B2 (en) | 2016-07-15 | 2020-08-25 | Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. | Microphone unit and noise reduction device using same, and integrated circuit component |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Papautsky et al. | A low-temperature IC-compatible process for fabricating surface-micromachined metallic microchannels | |
US6890093B2 (en) | Multi-stream microfludic mixers | |
EP1463579B1 (en) | Microfluidic aperture mixers | |
Kikutani et al. | Pile-up glass microreactor | |
US6851846B2 (en) | Mixing method, mixing structure, micromixer and microchip having the mixing structure | |
US20070047388A1 (en) | Fluidic mixing structure, method for fabricating same, and mixing method | |
JP3605102B2 (ja) | 液体混合装置 | |
JP2003039396A (ja) | マイクロ流体用途用マイクロ構造体の製造方法および流体デバイスの製造方法 | |
JP2003220322A (ja) | 液体混合機構 | |
JP2004184315A (ja) | マイクロチャンネルチップ | |
JP2004016870A (ja) | マイクロリアクター及びそれを用いた化学反応方法 | |
JP3888275B2 (ja) | マイクロミキサー | |
CN1319617C (zh) | 一种主动式微流体混合器及混合方法 | |
JP2004113967A (ja) | マイクロミキサー | |
JP2004354180A (ja) | マイクロ化学チップ | |
JP2004202613A (ja) | マイクロチャンネルチップ | |
JP2005169219A (ja) | マイクロミキサ | |
KR100485317B1 (ko) | 마이크로 혼합기 및 그의 제조방법 | |
JP4059073B2 (ja) | 合流装置における液体の圧送方法および合流装置 | |
JP2005024316A (ja) | マイクロ化学チップおよびその製造方法 | |
JP2005169218A (ja) | マイクロミキサ | |
WO2004082823A1 (ja) | 微小流路構造体 | |
US20050079098A1 (en) | Microchemical chip | |
JP2005028531A (ja) | マイクロチャンネルチップ | |
JP2006208188A (ja) | マイクロ化学チップ |