JP2004291187A - 静電マイクロバルブ及びマイクロポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】構造が単純で、試料流体を選ばず、ストロークを大きくすることができ、基板上に集積可能なマイクロ化学分析システム用のマイクロバルブ・マイクロポンプを得る。
【解決手段】弾性変形可能な膜６に電極５ｂをつけ、これと対向するもう一つの電極５ａとの間に絶縁物の作動流体を満たした加圧槽７を基板に設ける。一方、同じ基板には試料流路３の壁面も弾性変形可能な膜２で作製し、この膜２をはさんで反対側に設けた駆動槽４に加圧槽７からの作動流体が流れ込める構造とする。電極５ａ，５ｂに電圧を印加すると、静電引力で電極５ａ，５ｂが引き合い、これにより作動流体が加圧されて試料流路３を圧迫し、試料流路３の流体の流れを止めるバルブとして、あるいは試料流体を送り出すポンプとして働く。
【選択図】 図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばμＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ）分野のような、チップ上で微量な試料を用いて化学分析や化学反応を行う際に、微量な試料の流れを制御するために用いられるマイクロバルブとマイクロポンプに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ化学分析システムは、化学分析に必要な試料の前処理、試薬との反応、後処理、分離分析、検出などの一連の単位操作を、流路によりつながれた１枚の基板上の微小素子により連続的に行うものである。マイクロ化学分析システムは装置の小型化のみならず、分析の高速化、低価格化、ディスポーザブル化、マイクロセンサや信号処理回路の集積化などに適するため、オンサイト分析、環境モニタリング、ベッドサイド診断などの新しい技術として期待されている。
【０００３】
マイクロ化学分析システムにおける最大の開発要素の一つは、ポンプやバルブなどの流体制御・駆動手段である。
従来、微量流体を対象としたマイクロバルブについて、いくつかの研究グループにより開発が行われており、特に近年多くの発表がなされている。
【０００４】
ダイアフラムを用いたものとして、シリコンゴム製のダイアフラム部を平らな面に押し当てて液体を止める構造のもの（非特許文献１参照。）、シリコン製のダイアフラム部をシリコン製の台座に押し当てて液体を止める構造のもの（非特許文献２参照。）等がある。
また、微小なボールを円形のシリコンの台座に押し当てて液体を止める構造のもの（非特許文献３参照。）もある。
【０００５】
マイクロバルブの駆動方法としては、ピエゾ素子を用いるもの、電磁駆動を用いるもの、外部におかれたコンプレッサーからのエアーを用いるもの、加熱による流体の膨張又は相変化を用いるものなどが開発されているが、ピエゾ、電磁駆動、エアー駆動はいずれも装置が大型化するという欠点があり、熱的なものには、発熱による試料の温度上昇や、駆動のエネルギー効率が悪いという問題点がある。
【０００６】
一方、静電力を原理とする静電アクチュエータ方式もある。静電アクチュエータ方式は、試料液を流す試料流路を駆動するダイヤフラムなどの駆動部材を静電力により直接駆動するものであり、構造が簡単で小型化にも向くが、一般にストロークが小さいという欠点がある。また、電気力線が液体の中に入るようなタイプの静電アクチュエータでは、試料液体が絶縁物であるときしか動作しないという問題点がある。
【０００７】
【非特許文献１】
Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ ２０００， ｐｐ．３３５−３３８
【非特許文献２】
Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ’０１， ｐｐ．９２４−９２７
【非特許文献３】
Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍｓ ’９８， ｐｐ．３９９−４０２
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、静電アクチュエータ方式のマイクロバルブとマイクロポンプにおいて、ストロークを大きくすることができ、また試料液体の種類によらず使用できるようにすることを目的とするものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の静電マイクロバルブは、基板に形成され試料流体を流すための試料流路と、前記基板に形成され、前記試料流路との間が弾性膜で隔てられ、作動流体を介して前記弾性膜を変形させることにより前記試料流路を開閉する駆動槽と、前記基板に形成され前記駆動槽に流路で接続された加圧槽であって、この加圧槽の容積を変化させて前記作動流体の加圧を変化させる駆動弾性膜、並びにその駆動弾性膜に支持されて駆動弾性膜とともに変形可能な電極及びその電極に対向して固定された電極からなる一対の電極を備え、その一対の電極間の静電力により前記駆動弾性膜を変形させる加圧槽とを備えている。
【００１０】
本発明では、試料流路が設けられているのと同一の基板に、静電駆動のための加圧槽を設け、ここで発生した圧力を流路を通じて作動流体により駆動槽で試料流路上の弾性膜に伝え、この弾性膜により試料流路を閉鎖することにより試料流路の流体の流れを制御する。すなわち、静電駆動を行う場所と流体制御を行う場所を分離し、両者の間を流路で結んで作動流体により圧力を伝達する構造をとる。この構造によれば、加圧槽の駆動弾性膜の面積を大きくとることにより、駆動槽で任意の大きさのストロークが実現できる。また、駆動槽では試料流体に電気力線が作用しないので、扱う試料流体の種類は制約を受けない。
【００１１】
本発明のマイクロポンプは、この静電マイクロバルブを利用したものであり、その一態様はこの静電マイクロバルブ３個が、それらの試料流路が直列につながる状態に配置され、両端の静電マイクロバルブの開閉のタイミングを異ならせ、中央の静電マイクロバルブの開閉制御により試料流路の送液を行なうようにしたものである。
【００１２】
本発明のマイクロポンプの他の態様は、この静電マイクロバルブが複数個、それらの試料流路が直列につながる状態に配置され、試料流路に沿って静電マイクロバルブを順次閉じていくように静電マイクロバルブを開閉制御することにより前記試料流路の送液を行なうようにしたものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
静電マイクロバルブにおいて、加圧槽の一対の電極は、そのうちの少なくとも一方が平面状でなく、両電極に電圧を印加しない状態で両電極間に絶縁膜を介在させて一部で接触しており、電圧の印加によりその部分から電極間が閉じていくものとしてもよい。その場合、小さい印加電圧でも加圧槽を駆動できるようになる。
【００１４】
電極を複数の部分に分割しておき、電圧が印加される電極部分の数の調節により、一部閉状態から全閉状態までの閉状態を制御できるようにしてもよい。
【００１５】
一態様の静電マイクロポンプにおいて、中央の静電マイクロバルブの電極を複数の部分に分割しておき、電圧が印加される電極部分の数の調節により送液流量を制御できるようにしてもよい。
【００１６】
以下に、図面を参照して本発明を詳細に説明する。
図１は一実施例の静電マイクロバルブを示す図である、（Ａ）は概略平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ’線位置での断面図である。
基板は下側基板１ａと上側基板１ｂとが接合されたものであり、材質としては合成石英ガラス基板、パイレックス（登録商標）ガラス基板、その他のガラス基板、シリコン基板などを用いることができる。
【００１７】
下側基板１ａの表面には試料流路３が凹部として形成されており、試料流路に試料液を導入する導入口１０と、排出する排出口１１が流路３から基板１ａの裏面につながる貫通穴として設けられている。
【００１８】
試料流路３上には上側基板１ｂにより駆動槽４が形成されており、駆動槽４と試料流路３の間が弾性膜２で隔てられている。駆動槽４は上側基板１ｂに形成された凹部により構成されている。弾性膜２は、作動流体により加圧されていないときは平面状となっていて試料流路３の試料の流れを妨害せず、作動流体により加圧されて試料流路３を閉じるように変形し試料流路３の試料の流れを停止する。このようにして、弾性膜２により試料流路３の開閉がなされる。
【００１９】
試料流路３及び駆動槽４から離れた位置には加圧槽７が上側基板１ｂの凹部と下側基板１ａの表面により形成されている。加圧槽７には加圧槽７の容積を変化させることができるように弾性膜６が設けられており、弾性膜６の内側には弾性膜６とともに変形可能な薄膜電極５ｂが設けられている。１５は電極５ｂにつながる端子であり、端子１５を介して外部の電源装置に接続される。電極５ｂに対向して加圧槽７の壁面、すなわち下側基板１ａの表面には他方の薄膜電極５ａが固定されており、電極５ａの上部、すなわち加圧槽７の内側になる面は絶縁膜８で覆われている。この絶縁膜８があることにより、弾性膜６が変形して電極５ｂが電極５ａ側に変形しても両電極５ａ，５ｂ間の電気的接触が防がれる。電極５ａを外部の電源装置に接続するための端子は図示されていないが、例えば基板１ａと１ｂの接合面を介して外部に取り出したり、基板１ａに貫通穴を開けることにより端子を取りだすことができる。
【００２０】
弾性膜２，６としては、厚さが数十μｍ〜数百μｍのシリコーン樹脂膜、フッ素アモルファス樹脂（例えば、ＣＹＴＯＰ：旭硝子株式会社製）や、ＰＤＭＳ（ポリジメチルシロキサン）などを用いることができる。弾性膜２，６以外の構造材料は、弾性変形が小さいことが望ましいが、例えば、弾性膜２，６と同じ材料で、厚さを厚くして弾性膜２，６と一体で製作することも可能である。
電極５ａ，５ｂとしては金や白金などを、厚さ数十ｎｍ〜数百ｎｍの薄膜として用いることができる。
【００２１】
加圧槽７は流路９により駆動槽４に接続されており、駆動槽４、加圧槽７及びその間を結ぶ流路９には作動流体１３が充填されている。作動流体１３としては、シリコーンオイルなどの絶縁性液体が好ましい。
【００２２】
次にこの実施例の動作について説明する。
図２（Ａ）は加圧槽７の電極５ａ，５ｂに電圧が印加されず、試料流路３を試料が流れうる状態を示している。図２（Ｂ）は加圧槽７の電極５ａ，５ｂに電源装置１２から電圧が印加されたときの状態を表わしたものである。電極５ａ，５ｂへの電圧印加により電極５ａ，５ｂ間に静電引力が働き、弾性膜６が変形し、加圧槽７の容積が縮小する。これにより作動流体１３が加圧槽７から流路を経て駆動槽４に送り出され、駆動槽４の容積が膨張し、弾性膜２を変形させる。これにより試料流路３が閉塞されることになる。なお、電極５ａ，５ｂ間には絶縁層８が存在するので、電極５ａ，５ｂ間は短絡しない。
【００２３】
次に、この実施例のマイクロバルブを製造する方法について図３と図４を参照して説明する。
図３は上側基板１ｂを製作する工程を示したものである。
【００２４】
（Ａ）上側基板１ｂとして厚さ２００μｍのシリコン基板を使用し、その一方の面に膜厚１μｍ程度のＳｉＯ_２膜（シリコン酸化膜）２０をスパッタ法により成膜する。そのＳｉＯ_２膜２０上及び反対側の基板表面にフォトレジスト層２２を塗布する。
【００２５】
（Ｂ）ＳｉＯ_２膜２０上のフォトレジスト層２２にフォトリソグラフィーにより試料流路、加圧槽及びその間を結ぶ流路が形成される領域のレジスト層を除去するようにパターン化を施す。
そのレジストパターンをマスクとしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）法によりＳｉＯ_２膜２０をエッチングし、さらに続けてそのＳｉＯ_２膜２０のパターンをマスクにして基板１ｂを５μｍ程度掘り込む。
その後、フォトレジスト層２２とＳｉＯ_２膜２０を除去する。ＳｉＯ_２膜の除去には、例えば５０％のフッ酸溶液を用いる。
【００２６】
（Ｃ）基板１ｂの凹部を形成した面とは反対側の表面に白金又は金をスパッタ成膜する。その金属膜をフォトリソグラフィーとエッチングによりパターン化して電極５ｂを形成する。この電極５ｂは加圧槽７における一方の電極である。
基板１ｂの表面で電極５ｂを形成した側の面に、シリコーン樹脂膜、フッ素アモルファス樹脂膜、ＰＤＭＳ膜などの絶縁樹脂層６をコーティングし、加熱硬化させる。その後、電極５ｂのリード部分が露出するように、絶縁樹脂層６をパターン化する。
【００２７】
（Ｄ）基板１ｂの裏面側（電極５ｂのある側の反対側）の表面に膜厚１μｍ程度のＳｉＯ_２膜２４をスパッタ法により成膜する。
【００２８】
（Ｅ）ＳｉＯ_２膜２４上にフォトリソグラフィーによりレジストパターンを形成し、それをマスクにしてＳｉＯ_２膜２４と基板１ｂをＲＩＥにより電極５ｂが露出するまで貫通エッチングを行なう。
【００２９】
（Ｆ）その後、ＳｉＯ_２膜２４を例えば５０％のフッ酸溶液を用いて除去する。
これで上側基板１ｂが完成する。
【００３０】
図４は下側基板１ａの製作工程を示したものである。
（Ａ）下側基板１ａとしてはパイレックス（登録商標）ガラス基板又は石英ガラス基板を用い、その表面に白金や金をスパッタ成膜し、リソグラフィーとエッチングによりパターン化して電極５ａを形成する。この電極５ａは、加圧槽７において上側基板１ｂに形成した一方の電極５ｂに対向する他方の電極である。
【００３１】
（Ｂ）基板１ａの表面のうち、電極５ａが設けられている側の基板表面にフォトレジスト層３０を塗布する。
【００３２】
（Ｃ）そのフォトレジスト層３０に対し、試料流路を形成する位置に開口を設けるようにフォトリソグラフィーによりパターン化を施し、そのパターン化されたフォトレジスト層３０をマスクにして基板１ａをウエットエッチングする。このウエットエッチングのエッチング液としてはバッファドフッ酸（ＢＨＦ）を用い、等方的にエッチングする。
【００３３】
（Ｄ）フォトレジスト層３０を除去した後、電極５ａが設けられている側の基板表面に厚さ１μｍ程度のＳｉＯ_２膜８をスパッタ法により成膜する。
基板１ａの裏面側（電極５ａが設けられている側とは反対側）にもＳｉＯ_２膜をスパッタ法により成膜し、そのＳｉＯ_２膜上にフォトレジスト層を形成し、試料流路の導入口と排出口となる貫通穴を開けるためにそのフォトレジスト層をフォトリソグラフィーによりパターン化する。そして、そのレジストパターンをマスクにしてＲＩＥによりＳｉＯ_２膜をエッチングし、続いて基板１ａを貫通エッチングして貫通穴１０，１１を形成する。
【００３４】
（Ｅ）フォトレジスト層を除去した後、基板１ａの裏面側に保護テープを張り、試料流路３となる部分に犠牲層３２となるフォトレジスト又はワックスを滴下する。
犠牲層３２が固化するのを待って、フッ素アモルファス樹脂をスピンコートする。その後ホットプレート上で加熱しフッ素アモルファス樹脂を乾燥させて弾性膜２とする。ここでの加熱の条件は、例えば１２０℃、１時間である。
【００３５】
（Ｆ）次に、保護テープを剥がし、犠牲層３２を除去する。犠牲層３２の除去には、例えば犠牲層３２としてフォトレジストを用いた場合はアセトン等の有機溶媒、犠牲層３２としてワックスを用いた場合は専用の除去液等を用いる。
以上の工程で下基板１ａが完成する。
【００３６】
このようにして得られた上基板１ｂと下基板１ａを図１（Ｂ）に示すように密着し、接合すると実施例のマイクロバルブとなる。その接合方法を示すと、上基板１ｂと下基板１ａを位置合わせする。位置合わせは基板１ａ，１ｂの外形であわせてもよいし、あらかじめ両基板１ａ，１ｂに位置合わせ用の目印をいれておいてもよい。接合には、例えば希フッ酸を用いた接合法（フッ酸接合法）を用いることができる。フッ酸接合法では、例えば１％のフッ酸水溶液を接合しようとする両基板１ａ，１ｂの界面に介在させ、必要に応じて１ＭＰａ程度の荷重を印加しつつ、室温で２４時間程度放置する。
【００３７】
図５は他の実施例である。
この実施例では、加圧槽７における一方の電極５ａは基板２１ｂに固定されていて平面状であるが、弾性膜６に設けられた他方の電極５ｂは両電極５ａ，５ｂに電圧を印加しない状態で平面状ではなく、湾曲した形状になっている。両電極５ａ，５ｂは一端側において両電極５ａ，５ｂ間に絶縁膜である弾性膜６を介在させて接触している。両電極５ａ，５ｂに電圧が印加されると、その接触部分から電極５ａ，５ｂ間が閉じていくように動作する。これにより、電極間隙が短くなるので、低い電圧での駆動が可能になる。
【００３８】
このような湾曲した弾性膜６と電極５ｂを形成するには、基板２１ａの該当する部分に凹部を形成し、その凹部に電極５ｂと弾性膜６を形成した後、基板２１ａの裏面側から電極５ｂを露出させるような開口をエッチングにより形成すればよい。
【００３９】
これらのマイクロバルブにおいて、試料流路３を全閉とするのみならず、印加電圧を調整することにより、あるいは電極を複数の部分に分割しておき、電圧を印加する部分の数を変えることにより、流量の制御をすることも可能である。
【００４０】
図６は本発明のマイクロバルブを試料流路に沿って３個配列することによりマイクロポンプを構成した実施例を示したものである。ここでは試料流路３は基板面に沿って液が流れるように形成されており、その試料流路３に沿って直列に３つの駆動槽４ａ，４ｂ，４ｃが配置されている。各駆動槽槽４ａ，４ｂ，４ｃには流路９ａ，９ｂ，９ｃにより加圧槽７ａ，７ｂ，７ｃがそれぞれ接続されており、駆動槽４ａ，４ｂ，４ｃ、加圧槽７ａ，７ｂ，７ｃ及びそれらの間を結ぶ流路９ａ，９ｂ，９ｃによりそれぞれのマイクロバルブが構成されている。駆動槽４ａ，４ｂ，４ｃ及び加圧槽７ａ，７ｂ，７ｃの構造は図１に示したものと同じである。
【００４１】
このマイクロポンプでは、両端のマイクロバルブの開閉のタイミングを異ならせ、中央のマイクロバルブの開閉制御により試料流路３の送液を行なうことができる。
【００４２】
中央のマイクロバルブの電極を複数の部分に分割しておき、電圧が印加される電極部分の数の調節により送液流量を制御するようにしてもよい。
また、中央のマイクロバルブの電極への印加電圧の大きさによって送液流量を制御するようにしてもよい。
【００４３】
また、図６のマイクロポンプにおいて、マイクロバルブを試料流路３に沿って順次圧迫していくことにより、ペリスタリティックポンプとしての働きを行うこともできる。
【００４４】
【発明の効果】
本発明では、試料流路が設けられているのと同一の基板に、静電駆動のための加圧槽を設け、ここで発生した圧力を流路を通じて作動流体により駆動槽で試料流路上の弾性膜に伝え、この弾性膜により試料流路を閉鎖することにより試料流路の流体の流れを制御するようにしたので、構造が単純で、試料流体を選ばず、ストロークを大きくすることもでき、基板上に集積可能なマイクロ化学分析システム用のマイクロバルブが得られる。
また、本発明のマイクロバルブを複数個組み合わせることにより、基板上に集積可能なマイクロ化学分析システム用のマイクロポンプが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】一実施例の静電マイクロバルブを示す図であり、（Ａ）は概略平面図、（Ｂ）は（Ａ）のＸ−Ｘ’線位置での断面図である。
【図２】同実施例の動作を示す断面図である。
【図３】同実施例の静電マイクロバルブの製造工程における上側基板の加工工程を示す工程断面図である。
【図４】同実施例の静電マイクロバルブの製造工程における下側基板の加工工程を示す工程断面図である。
【図５】他の実施例の静電マイクロバルブを示す概略平面図である。
【図６】一実施例の静電マイクロポンプを示す概略平面図である。
【符号の説明】
１ａ，１ｂ，２１ａ，２１ｂ 基板
２，６ 弾性膜
３ 試料流路
４，４ａ，４ｂ，４ｃ 駆動槽
５ａ，５ｂ 電極
７，７ａ，７ｂ，７ｃ 加圧槽
８ 絶縁層
９，９ａ，９ｂ，９ｃ 駆動槽と加圧槽をつなぐ流路
１０ 試料流路入口
１１ 試料流路出口
１３ 作動流体

Claims (6)

1. 基板に形成され試料流体を流すための試料流路と、
   前記基板に形成され、前記試料流路との間が弾性膜で隔てられ、作動流体を介して前記弾性膜を変形させることにより前記試料流路を開閉する駆動槽と、
   前記基板に形成され前記駆動槽に流路で接続された加圧槽であって、この加圧槽の容積を変化させて前記作動流体の加圧を変化させる駆動弾性膜、並びにその駆動弾性膜に支持されて駆動弾性膜とともに変形可能な電極及びその電極に対向して固定された電極からなる一対の電極を備え、その一対の電極間の静電力により前記駆動弾性膜を変形させる加圧槽とを備えたことを特徴とする静電マイクロバルブ。
2. 前記一対の電極は、そのうちの少なくとも一方が平面状でなく、両電極に電圧を印加しない状態で両電極間に絶縁膜を介在させて一部で接触しており、電圧の印加によりその部分から電極間が閉じていくものである請求項１に記載の静電マイクロバルブ。
3. 前記電極が複数の部分に分割されており、電圧が印加される電極部分の数の調節により閉状態が制御される請求項１又は２に記載の静電マイクロバルブ。
4. 請求項１又は２に記載の静電マイクロバルブ３個が、それらの試料流路が直列につながる状態に配置され、両端の静電マイクロバルブの開閉のタイミングを異ならせ、中央の静電マイクロバルブの開閉制御により前記試料流路の送液を行なうことを特徴とするマイクロポンプ。
5. 前記中央の静電マイクロバルブの電極が複数の部分に分割されており、電圧が印加される電極部分の数の調節により送液流量が制御される請求項４に記載の静電マイクロポンプ。
6. 請求項１又は２に記載の静電マイクロバルブが複数個、それらの試料流路が直列につながる状態に配置され、試料流路に沿って静電マイクロバルブを順じ閉じていくように静電マイクロバルブを開閉制御することにより前記試料流路の送液を行なうことを特徴とするマイクロポンプ。

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