JP2005313026A - 流体素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 μＴＡＳ等で発生する分析廃液等の有害物質の分解処理・有害性を低減を促進できる機能を備えた超小型の流体素子を提供する。
【解決手段】 基板に形成された、流体を搬送するための流路と、前記流路中に設けられ、前記流体を加熱するための加熱手段とを有し、前記加熱手段を用いて前記流体を加熱することにより、前記流体の超臨界状態が形成されることを特徴とする流体素子。
【選択図】 図１

Description

本発明は、液体素子に関し、具体的には化学分析装置や医療装置、バイオテクノロジー等の微量な液体の操作が必要な分野に用いる液体素子に関する。特に、チップ上で化学分析や化学合成を行う小型化分析システム（μＴＡＳ：Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）等に応用される流体素子に関し、μＴＡＳ等で発生する有害物質の無害化や、廃液からの原料の回収や再使用、及び分解、溶解、反応促進等に応用される流体素子に関する。

近年、立体微細加工技術の発展に伴い、ガラスやシリコン等の基板上に、微小な流路とポンプ、バルブ等の液体素子およびセンサを集積化し、その基板上で化学分析を行うシステムが注目されている。これらのシステムは、小型化分析システム、μ−ＴＡＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｔｏｔａｌ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｓｙｓｔｅｍ）あるいはＬａｂ ｏｎ ａ Ｃｈｉｐと呼ばれている。化学分析システムを小型化することにより、無効体積の減少や試料の分量の大幅な低減が可能となる。

また、分析時間の短縮やシステム全体の低消費電力化が可能となる。さらに、小型化によりシステムの低価格を期待することができる。μ−ＴＡＳは、システムの小型化、低価格化および分析時間の大幅な短縮が可能なことから、在宅医療やベッドサイドモニタ等の医療分野、ＤＮＡ解析やプロテオーム解析等のバイオ分野での応用が期待されている。

溶液を混合して反応を行った後、定量及び分析をしてから分離するという一連の生化学実験操作をいくつかのセルの組み合わせによって実現可能なマイクロリアクタが開示されている（特許文献１参照）。マイクロリアクタは、シリコン基板上に平板で密閉された独立した反応チャンバを有している。このリアクタは、リザーバセル、混合セル、反応セル、検出セル、分離セルが組み合わされている。このリアクタを基板上に多数個形成することにより、多数の生化学反応を同時に並列的に行うことができる。さらに、単なる分析だけでなく、タンパク質合成などの物質合成反応もセル上で行うことができる。

一方、環境問題への取り組みが不可欠となる状況の中で、ダイオキシンなどの有害な有機物質を完全分解できる技術として、超臨界水を使った廃液処理技術が提案されている。

重金属イオンと水溶性の錯体を形成しうる有機物質を含有する水生廃液を酸素とともにチタン製の容器を用いて、温度３７５℃以上、水の分圧２３０ａｔｍ以上になるように加熱加圧する廃液処理方法によって、重金属イオンを増加させることなく、廃液を有効に無害化する技術が開示されている（特許文献２参照）。

また、テトラ・メチル・アンモニウム・ハイドロオキサイド（ＴＭＡＨ）を含む廃液を、反応温度５５０〜６５０℃、反応圧力２３〜２５ＭＰａの条件下で、酸化剤として酸素または過酸化水素水を用いて超臨界水酸化処理することにより、半導体製造工場からの廃液に含まれる難分解性のＴＭＡＨを効率よく分解処理する技術が提案されている（特許文献３参照）。

また、陽極で分離濃縮された有機酸、特に気レート剤を超臨界水で分解する化学除染廃液の処理方法が提案されている（特許文献４参照）。

また、分析廃液と乳化剤を混合してエマルションを形成してから超臨界水で分解する分析廃液の処理方法が提案されている（特許文献５参照）。
特開平１０−３３７１７３号公報 特開平０３−１１３８５８号公報 特開平１１−２２１５８３号公報 特開平０６−２０１８９８号公報 特開２００３−１６４７５０号公報

現在、分析の分野では、環境問題への関心の高まりから、ダイオキシンなどの有害物質を分析する作業が増大する傾向にあり、有害物質を含む分析廃液の処理が重要な課題となっている。しかしながら、従来のμＴＡＳでは、有害物質の分解処理に有効な廃液処理手段を備えたシステムが提案されていず、有害な分析廃液は廃棄することが困難な状況であった。また、超臨界水を利用した処理装置は、３７４℃以上、２２ＭＰａ以上といった高温・高圧を必要とするために、従来、大型な設備と言うべき装置であり、小型化は困難であった。

本発明は、この様な背景技術に鑑みてなされたものであり、μＴＡＳ等で発生する分析廃液等の有害物質の分解処理・無害化を促進できる機能を備えた超小型の流体素子を提供することにある。

本発明は、基板に形成された、流体を搬送するための流路と、前記流路中に設けられ、前記流体を加熱するための加熱手段とを有し、前記加熱手段を用いて前記流体を加熱することにより、前記流体の超臨界状態が形成されることを特徴とする流体素子に関する。

以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。

（第１の実施の形態）
図１は本発明の特徴を示すである。１はＳｉ基板であり、２は加熱手段であるところの抵抗体薄膜、３は流路、６は有害物質の概念図であり、５は超臨界状態の発生領域を示す。また、４は高イナータンス流路、９はＳｉＯ２薄膜、８は抵抗薄膜加熱手段に電圧を印加したときの温度分布の概念図である。

すなわち、本発明は、同一基板内に形成した流路と該流路中に設けた加熱手段を有し、該加熱手段を用いて流体を加熱することにより超臨界状態を形成することによって、μＴＡＳ等で発生する分析廃液等の有害物質の分解処理・無害化を促進できる機能を備えた超小型の流体素子を提供できる効果がある。これは、同一基板内に形成したような微小な流路では、加熱時に流体がすぐに動くことができないため、装置を大型化することなく超臨界状態を得ることができるためである。

また、本発明は、特に前記加熱手段２に対して、積極的に断面積を狭くした高イナータンスとなる流路４を有することによって、より確実的に加熱時に流体がすぐに動けないようにすることにより、μＴＡＳ等で発生する分析廃液等の有害物質の分解処理・無害化を促進できる機能を備えた超小型の流体素子を提供できる効果がある。

また、本発明は、特に面積Ｓｈの抵抗薄膜加熱手段２と、該加熱手段に対して少なくともイナータンスがＡとなる流路を有し、圧力差ΔＰ＝２２ＭＰａ、流体移動許容ｄ０＝１μｍに対して、
ｔ０＜（（２ＡＳｈｄ０）／ΔＰ）^０．５、
より好ましくは、
ｔ０＜０．５（（２ＡＳｈｄ０）／ΔＰ）^０．５、
なるパルス幅ｔ０の電圧パルスを前記抵抗加熱手段に印加することにより、超臨界状態を形成することよって、さらに確実的に加熱時に流体がすぐに動けないようにすることにより、μＴＡＳ等で発生する分析廃液等の有害物質の分解処理・無害化を促進できる機能を備えた超小型の流体素子を提供できる効果がある。

いま、流路のイナータンスをＡ、流抵抗をＢ、体積変位をＶ、圧力差ΔＰとするとき、流路の運動はおおよそ次式で示される。
Ａｄ^２Ｖ／ｄｔ^２＋ＢｄＶ／ｄｔ＝ΔＰ、
よって、時刻ｔ＝０でｄＶ／ｄｔ＝０、ｔ＜０でΔＰ＝０とすると、流体系のステップ応答は
ｄＶ／ｄｔ＝（ΔＰ／Ｂ）（１−ｅｘｐ（−ｔ／τ）），
で表せる。ただし、次定数τ＝Ａ／Ｂである。ｔ−＞０の時、
ｄＶ／ｄｔ＝（ΔＰ／Ｂ）（１／τ）ｔ、
と表せるため、時刻ｔまでの体積移動量は
Ｖ＝０．５（ΔＰ／Ｂ）（１／τ）ｔ^２＝ΔＰ／（２Ａ）ｔ^２
となる。したがって、流路のイナータンスに由来する流体の動き難さを利用して、流体を超臨界状態にするためには、およそ、次の条件の時間間隔で加熱すれば、加熱時に体積膨張する前に超臨界状態に達することができることがわかる。
ΔＰ／（２Ａ）ｔ^２／Ｓｈ＜ｄ０，
ただし、ｄ０はヒータ表面付近の流体が発泡しない流体移動許容値を示す。

表面での発泡はヒータ表面付近（通常、０．２−１μｍ程度の厚さ）のスピノーダル境界線付近まで加熱された液体が液相から気相に急激に、体積変化を伴って変化する現象であるが。液体の移動許容値ｄ０＝１μｍとすれば、上式で決まる時間中での加熱に対して、液体はほとんど動くことができないことになり、発泡できずに注入された熱エネルギーは温度・上昇と圧力上昇に使われ、超臨界水状態を実現することができる。

図２は超臨界状態を説明する模式図であり、水の場合は３７４℃２２ＭＰａまで上げると超臨界の状態になる。超臨界とは、物質固有の状態点である気液臨界点を越えた温度・圧力領域にある非凝縮性高密度流体と定義される。超臨界流体の特徴は、分子の熱運動が激しく、しかも密度を理想気体に近い希薄な状態から液体に対応する高密度な状態まで連続的に変化させることが可能であり、密度の関数として表せる多くの平衡・輸送物性の制御ができる。圧力を変えてもあまり密度が変化しない通常の液体に比べ、超臨界流体においては微小な圧力の変化が、流体としての性質に大きく影響を及ぼすことになる。

図３は第一の実施の形態を示す平面模式図であり、３１は流路の壁材部である。第１の実施の形態は、特に、密度ρの流体と面積Ｓｈの抵抗薄膜加熱手段２を備えた液室３２を有し、該液室に対して断面積ＳでＧ＝Ｓｈ／Ｓなる条件を満たす長さＬの流路４ａ，４ｂを接続し、圧力差ΔＰ＝２２ＭＰａ、流体移動許容値ｄ０＝１μｍに対して、
ｔ０＜（（２ρＬｄ０Ｇ）／ΔＰ）^０．５、
より好ましくは、
ｔ０＜０．５（（２ＡＬｄ０Ｇ）／ΔＰ）^０．５、
なるパルス幅ｔ０の電圧パルスを前記抵抗加熱手段に印加することにより、超臨界状態を形成することにより、加熱時に流体がすぐに動けないようにすることにより、μＴＡＳ等で発生する分析廃液等の有害物質の分解処理・無害化を促進できる機能を備えた超小型の流体素子を提供できる効果がある。
ここで、ρ＝１０００ｋｇ／ｍ^３，ΔＰ＝２２ＭＰａ，Ｌ＝５００μｍ、Ｇ＝１とすると、
ｔ０＜０．２１３μｓ、より好ましくはｔ０＜０．１０６５μｓとなる。

また、Ｇ＝Ｓｈ／Ｓ＞１とすれば、イナータンスを上げることなくパルス幅をもっと長くする効果がある。例えば、Ｇ＝Ｓｈ／Ｓ＝４とすれば、
ｔ０＜０．４２６μｓ、より好ましくはｔ０＜０．２１３μｓとなる。

例えば、Ｇ＝Ｓｈ／Ｓ＝１６とすれば、
ｔ０＜０．８５２μｓ、より好ましくはｔ０＜０．４２６μｓとなる。

ここでは、流路４ａ−４ｂは、高さ１０μｍ、幅１０μｍの流路であり、Ｓ＝１０μｍｘ１０μｍ、ヒータ２の面積Ｓｈは、Ｓｈ＝４０μｍｘ４０μｍである。

特に、加熱手段と加熱時に高イナータンスとなる流路と前記加熱手段に接続された蓄熱・放熱手段を有し、急速加熱と放熱を繰り返し行うことによって、超臨界状態を繰り返し形成することにより、系全体を高温・高圧せずに、μＴＡＳ等で発生する分析廃液等の有害物質の分解処理・無害化を促進できる機能を備えた超小型の流体素子を提供できる効果がある。

特に、前記加熱手段が抵抗体薄膜２であり、該抵抗体薄膜２に印加する電圧パルスのパルス幅をｔ０とし、該抵抗体薄膜２に接する熱拡散率νの絶縁薄膜９（図１）が、
（νｔ０）^０．５＜ｄ＜４（νｔ０）^０．５
なる条件の膜厚ｄを有することにより、加熱しやすく冷却しやすい状態を実現でき、急速加熱と放熱を高い周波数で実施できる効果がある。

ここで、ｔ０＝０．４μｓ、絶縁薄膜９はＳｉＯ_２膜でν＝０．８５２ｘ１０^−６ｍ^２／ｓとすると、
０．５８４μｍ＜ｄ＜２．３３６μｍとなる。

ここで、ｄを厚くすれば、電圧印加後に冷めにくくなる傾向があり、超臨界状態を経たあと、体積の膨張を起こす。すなわち、超臨界状態後に気泡の発生と消滅を伴う。超臨界状態後に気泡の発生と消滅があると、キャビテーションにより、有害物質の分解が促進される効果がある。

また、ｄを薄くすると、電圧印加後に冷めやすくなる傾向があり、超臨界状態を経たあと、有意な体積膨張を起こす前に温度と圧力が低下する傾向となる。気泡の発生と消滅を伴わない場合には、キャビテーションによるヒータ表面の損傷を受け難くなる効果がある。

ここで、ヒータ２は厚さ約５０ｎｍ、ＴａＮ薄膜であり、１０−３０Ｖの矩形状パルスを１ＫＨｚ−１００ＫＨｚの周期で印加する。また、基板１は熱良導体であり、ここではＳｉ基板である。

（第２の実施の形態）
図４は第２の実施の形態を表す図であり、Ｖ１，Ｖ２，Ｖ３は電源、４１−４３は電極、４４は厚さ０．３μｍのＳｉＮ絶縁薄膜である。

特に、前記流路内で前記加熱手段付近に配置した第一の電極４１と流路内に配置した第二の電極４２を有し、第一及び第二の電極間に電圧を印加することにより、流路内に電界を形成し、前記加熱手段付近に電解質を集めて、表面加熱を行うことを特徴とすることを除いて、第１の実施の形態とほぼ同様である。

超臨界状態は高温を得やすい前記加熱手段付近で実現される傾向が強いため、電界で、前記電極付近に電解質を集めて表面加熱を行うと効率よく分解処理を行える効果がある。

（第３の実施の形態）
図５は第３の実施の形態の特徴を表す図である。第３の実施の形態は、流路５０ａ−５０ｂが特定方向に流れやすい流抵抗を有することを除いて、第１の実施の形態とほぼ同様である。５１は前記特定方向を示す。流路が特定方向５１に流れやすい流抵抗を有すると、電圧印加時に発生する圧力によって、特定方向に正味の流れが発生するためにポンプ機能を発揮できる効果がある。

（第４の実施の形態）
図６は第４の実施の形態を表す図である。第４の実施の形態は、複数の抵抗薄膜加熱手段２ａ−２ｂで液体を挟持して、前記抵抗加熱手段２ａ−２ｂにパルス電圧を印加することにより、超臨界状態領域６１を形成することを除いて、第１の実施の形態とほぼ同様である。複数の抵抗薄膜加熱手段２ａ−２ｂで液体を挟持して超臨界状態を形成するため、超臨界状態の領域の体積を大きくとれ、効率よく分解処理を行える効果がある。

（第５の実施の形態）
図７は第５の実施の形態を表す図である。第５の実施の形態は、網目構造を有する抵抗加熱体加熱手段７１にパルス電圧を印加することにより、超臨界状態を形成することを除いて第１の実施の形態、第４の実施の形態とほぼ同様である。網目構造を有する抵抗加熱体加熱手段７１では、液体に接する表面が増大するため、超臨界状態を形成する表面が増加し、効率よく分解処理を行える効果がある。

（第６の実施の形態）
図８は第６の実施の形態を表す図である。第６の実施の形態は、抵抗薄膜加熱手段２を備えた液室３２を有し、該液室に接続された流路４ａ−４ｂに対して、前記液室内側から閉まるアクティブ弁８１−８２を有し、該アクティブ弁８１−８２を閉じた状態で、前記抵抗加熱手段２にパルス電圧を印加することにより、超臨界状態を形成することを除いて第１の実施の形態，第４の実施の形態とほぼ同様である。アクティブ弁によってより確実に体積膨張を抑制できる効果がある。

（第７の実施の形態）
図９は第７の実施の形態の特徴を表す図であり、９１はμＴＡＳ素子等同一基板上に形成された廃液を発生させる素子であり、９２は追加注入用の貯水室、９３は乳化剤の貯蔵室、９４は廃液、水、乳化剤を混合し、エマルジョンを形成する液室であり、９５は超臨界水により廃液を処理する素子、９６は処理液保存室、９７はガス保存室を示す。第７の実施の形態は、廃液を発生する素子と流路内で超臨界状態を発生する流体素子が同一基板上に配置され、流路で接続されていることを特徴とする。廃液を発生する素子と超臨界状態を発生し廃液を処理できる素子が同一基板上に一体形成されているため、微小な廃液の処理が可能になる効果がある。

本発明の第１の実施の形態を示す概略図である。 超臨界状態を示す概略図である。 第１の実施の形態の平面構造を示す模式図である。 本発明の第２の実施の形態を示す概略図である。 本発明の第３の実施の形態を示す概略図である。 本発明の第４の実施の形態を示す概略図である。 本発明の第５の実施の形態を示す概略図である。 本発明の第６の実施の形態を示す概略図である。 本発明の第７の実施の形態を示す概略図である。

符号の説明

１ 基板
２ 加熱手段
３ 流路
４ 高イナータンス流路
５ 超臨界状態発生領域
８ 温度分布概念図
９ ＳｉＯ２絶縁層
１２ 流路構成材
３１ 流路構成部材
４ａ−４ｂ 高イナータンス流路
３２ 液室
４１−４３ 電極
４４ 絶縁膜
５０ａ−５０ｂ 方向性流路
５１ 流れやすい方向
１ａ−１ｂ 基板
２ａ−２ｂ 加熱手段
９ａ−９ｂ ＳｉＯ２絶縁層
６１ 超臨界状態発生領域
７１ 網目状ヒータ
８１−８２ 弁
９１ 廃液発生源
９２ 貯水室
９３ 乳化剤室
９４ 混合室
９５ 超臨界反応室
９６ 処理液保存室
９７ ガス室

Claims (8)

1. 基板に形成された、流体を搬送するための流路と、
   前記流路中に設けられ、前記流体を加熱するための加熱手段とを有し、
   前記加熱手段を用いて前記流体を加熱することにより、前記流体の超臨界状態が形成されることを特徴とする流体素子。
2. 前記流路は、前記加熱手段に対して高いイナータンスを有することを特徴とする請求項１記載の流体素子。
3. 下記一般式（１）で表されるパルス幅ｔ０の電圧パルスを、前記加熱手段に印加することにより、前記超臨界状態が形成されることを特徴とする請求項１または２記載の流体素子。
   一般式（１）
   ｔ０＜（（２ＡＳｈｄ０）／ΔＰ）^０．５
   （Ｓｈは加熱手段の面積、Ａは流路の加熱手段に対するイナータンスを表わす。また、圧力差ΔＰ＝２２ＭＰａ、流体移動許容ｄ０＝１μｍとする。）
4. 前記流路に接続され、前記加熱手段を備えた液室を更に有し、
   下記一般式（２）で表されるパルス幅ｔ０の電圧パルスを、前記加熱手段に印加することにより、前記超臨界状態が形成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の流体素子。
   一般式（２）
   ｔ０＜（（２ρＬｄ０Ｇ）／ΔＰ）^０．５
   （ρは流体の密度、Ｓｈは加熱手段の面積表す。また、流路の断面積をＳ及び長さをＬとしたときにＧ＝Ｓｈ／Ｓ＞１なる条件を満たす。また、圧力差ΔＰ＝２２ＭＰａ、流体移動許容ｄ０＝１μｍとする。）
5. 前記加熱手段に接続された蓄熱及び放熱するための手段を更に有し、
   蓄熱と放熱を繰り返し行うことによって、超臨界状態が繰り返し形成されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の流体素子。
6. 前記加熱手段が抵抗体薄膜であり、
   前記抵抗体薄膜に印加する電圧パルスのパルス幅をｔ０、前記抵抗体薄膜に接する絶縁薄膜の熱拡散率をνとしたときに、一般式（３）を満たす膜厚ｄを有すること特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の流体素子。
   一般式（３）
   （νｔ０）^０．５＜ｄ＜４（νｔ０）^０．５
7. 前記流路内に第一の電極と第二の電極とを更に有し、
   前記第一及び第二の電極間に電圧を印加することにより、前記流路内に電界を形成することにより、加熱を行うことを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の流体素子。
8. 前記流体が複数の加熱手段で挟持され、前記加熱手段にパルス電圧を印加することにより、前記超臨界状態が形成されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の流体素子。

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