JP2005514224A - ミクロ流体基材の射出成形ミクロ複製のためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

ポリマー材料（２１０、２２０）の射出成形を使用して高度に規定されかつ詳細なミクロチャネル構成要素（６２０、６４０、６６０）を形成するための方法が、提供される。このようなミクロチャネル構成要素（６２０、６４０、６６０）は、ポリマーが注入される間に、ポリマー材料（２１０、２２０）のガラス転移温度（Ｔｇ）を超える温度に注入キャビティーおよび鋳型の温度を保持することによって、生成され得る。ポリマー材料（２１０、２２０）はまた、高度に規定されたミクロ特徴の形成を容易にする圧力（Ｐ）下で注入され得る。次いで、新たに生成されたポリマー基材（６１０）は、鋳型から取り出され、そして精密かつ均一なミクロチャネル構造を必要とするミクロ流体適用および他の適用において使用され得る。

Description

以下の開示は、一般に、射出成形に関し、そして、より具体的には、ミクロ流体基材の射出成形に関する。

(背景）
ミクロ流体は、分離、反応、化学操作、分析などに関連する分野において多大な将来性を保持し続けている。これらの操作の多くは、小型キャピラリー中の流体を操作することについて、光学的および電磁気学的な装置の使用を必要とする。これらのキャピラリーまたはマイクロチャネルは、代表的には、ネットワークとして配置されており、このネットワークの各々において、小容量の流体を操作することによって分析の工程、分析の一連の工程、または完全な分析を独立して実施することが可能である。試薬を混合、希釈、濃縮、および分離することを含む操作は、極めて正確に実施され得る。ポリマー基材は、ミクロ流体構造のアレイを形成する複数のこのようなネットワークの中に配置され得る。しかし、この基材に亘るこれらのネットワークは、一貫した一様性および高い精度を保持しなければならない。このような基材を製造する１つの方法は、射出成形である。

可塑性成分の射出成形は、周知の製造方法である。一般に、このプロセスは、ポリマー（しばしば、これは、ペレット形態である）を、このポリマーが液化するまで加熱し、次いで、この溶融したポリマーを型キャビティに流し込むことを含む。このポリマーをこの型に流し込むと、これは、その型の形状を保持して冷却される。新規デバイスは、この型から取り出され、そして、これらのプロセスが繰り返される。大容量の溶融ポリマーが使用されて、そして成形された部分の得られた形状および構造的特徴が、高い精度という必要性を満たす必要がない場合に、これらのプロセスは、十分に機能する。しかし、微量構造構成要素またはミクロ製造構成要素は、正確でかつ一貫した結果を必要とし、そして、このような精度の必要性は、それに伴い、複雑性と困難性を持ち合わせる。このようなマイクロチャネル構成要素の用途を反映した米国特許および米国特許出願としては、以下が挙げられる：米国特許第号５，５６０，８１１号、米国特許第５，８５８，１８８号、米国特許第５，７７０，０２９号、米国特許第６，００７，６９０号、米国特許第６，０７４，８２７号、米国特許第０９／６６０，９９２号、および米国特許出願第６０／２０１，５７５号。

本明細書中で使用される場合、用語「ミクロ構造」、「微小規模」または「ミクロ製造」とは、一般に、約０．１μｍ〜約５００μｍの範囲にある少なくとも１つの製造寸法を有するデバイスの構造的要素または特徴をいう。一般に、本明細書で使用される、数個の用語による簡潔な定義は、引用符によって囲まれた用語によって先行される。このような定義は、簡潔ではあるが、当業者が、本明細書の詳細な説明に基づいて本発明の局面をより完全に理解することの一助となる。このような定義は、（特許請求の範囲を含む）全体としての本発明の説明によってさらに、規定され、それらのような定義によって単に規定されるわけではない。したがって、ミクロ製造または微小規模として言及されるデバイスは、約０．１μｍ〜約５００μｍの範囲にある寸法を有する少なくとも１つの構造的要素または特徴を含む。流体要素（例えば、通路、アッセイ、チャンバ、または導管）を記載するために使用される場合に、微小規模、ミクロ製造、ミクロ構造、または「ミクロ流体」との用語は、一般に、５００μｍ未満であり、代表的には、約０．１μｍと２００μｍとの間である、少なくとも１つの内部断面寸法（例えば、深さ、幅、長さ、直径など）を有している１以上の、通路、チャンバ、または導管をいう。代表的には、ミクロ流体デバイスは、しばしば単一の本体の中で交差する１以上のミクロ規模チャネルを備える。この交差は、「Ｔ」、「Ｘ」、または、２以上のチャネルの交差によって規定される任意の数の他の構造のような任意の断面設計物を備え得る。

一般的に、射出成形を使用するミクロ構造デバイスの製造は、高圧下で型の中に配置されるポリマー性物質を必要とする。この圧力は、この型への充填ならびに所望の構造的寸法の形成を組み立てることを補助する。従来型の射出成形は、３．５ｃｍ^３の過剰量の成形ショットのための射出プロセスの間に、代表的には、約３５２バール〜１７６０バールの圧力を生成する。しかし、３．５ｃｍ^３以下の型を使用する従来型の射出のプロセスの適用は、同様の結果を達成するために７０４２バールの過剰量の圧力を必要とし得る。これは、ポリマー性材料による、適切な充填および成形の種々の局面の複製を確かなものにするために必要である。代表的には、この大きさの射出圧力を用いると、この射出時間は、０．１秒未満である。この圧力に耐えるために、これらの成形は、強力で、かつ耐性のある物質から構成されなければならず、これは、複雑なミクロ構造の形成を制限する。

ミクロ構造体の射出プロセスは、この射出成形プロセスに対して、他の要求も提示する。代表的に、従来の射出方法において、液化ポリマー材料を、本明細書中に記載されるように、圧力下で冷成形キャビティー中に導入する。この射出されたポリマー材料は、冷成形鋳型との接触の際に、凝固する。このプロセスの間、成形鋳型中の射出された物質は、成形された製品中の個々のポリマー分子鎖を、射出の方向に整列する傾向を有する。ポリマー鎖は、その天然のランダムな状態を好むので、ポリマー分子のこの整列または配向は、硬化した製品において、固有の応力または凝固応力を生じる。この凝固応力は、しばしば、整列したポリマーの長径において、幅と比較して、成形された部品が遷移温度またはその近傍の温度まで加熱される場合、これらの部品の不均衡な収縮を生じる。次いで、この収縮は、微小規模の構造体の変形および全体としての部品のねじれさえも導く。

ミクロ構造体の従来の射出成形に関するより重大な問題は、漸増し、かつ有害な凝固層の存在である。「凝固層」は、自由に流動する液体から定常固体へと、流体が遷移する領域である。成形鋳型の表面において、ポリマー材料は、凝固され、そして不動である。成形鋳型から離れるにつれて、ポリマー材料は、流動する液体へと遷移する。凝固層は、不動の表面から自由に流動する液体への速度勾配である境界層とは区別される。境界層において、物質は、液体状態のままであるが、その動力学的速度は、表面での０から、流動内の均一な速度まで変化する。ポリマー材料は、冷成形鋳型との接触の際に凝固するので、種々の速度状態を有する成長する凝固層は、この成形鋳型のミクロ構造の各々を取り囲む。成形鋳型内の密度が増大するにつれて、これらの特徴の各々を取り囲む凝固層は、成形鋳型の充填を妨害し始める。この結果は、物質を充填する進入口から出口までの有害な圧力勾配であり、これは、成形鋳型キャビティー中に一貫性のない不均一な結果を最終的に生じる。

射出成形鋳型からの基材の取り出しは、なお別の問題を示す。成形鋳型の開放の際の部品の変形を防止するために、このポリマーは、物質の降伏応力を超えることなく取り出し（ｅｊｅｃｔｉｏｎ）力を分散させるのに、十分に剛性でなければならない。チャネル、チャンバまたはコンジットの、小さい永続的なねじれまたはひずみさえも、流体特徴および光学特徴の低下を生じ得る。現在、低い凝固応力を有する基材の作製と、射出成形特徴のミクロ複製と、長いサイクル時間と、商業的実行可能性との間の関係は、受容可能でなければならない。プラスチック製造の多くの問題点が克服されているが、ミクロ構造基材のアレイの、忠実度の高いミクロ複製は、ミクロ流体産業を悩ませ続けている。

（要旨）
高度に規定されかつ詳細なミクロチャネル基材のミクロ複製は、射出成形を使用して達成され得、ここで、射出キャビティーおよび成形鋳型の温度は、成形鋳型キャビティー全体のポリマーの分散を確実にするのに十分な期間にわたって、ポリマーのガラス転移温度より上で維持される。ミクロチャネルデバイス（ミクロ流体基材を含む）は、しばしば、極度の正確性、均質性および一貫性を備えて製造される必要のある、複雑に設計されたチャネルおよびレザバのネットワークを有する。ポリマー材料から製造された基材は、ポリマー材料を液化状態まで加熱し、そして加熱された成形鋳型のコアおよびキャビティーにそのポリマー材料を射出する射出成形方法を使用して、これらの必要性を満たし得る。

多数の異なる手段によって加熱され得る射出成形鋳型キャビティーは、液化ポリマーに成形鋳型キャビティー中を流れさせ、射出成形鋳型の最も微細な特徴さえも充填するのに十分な時間にわたって、このポリマーのガラス転移温度を超える温度で維持される。一旦充填されると、射出成形鋳型の温度は、ガラス転移温度より低く下げられて、その中のポリマーを凝固させる。ポリマーが凝固すると、射出成形鋳型のミクロチャネル特徴をここで備える基材は、成形鋳型から放出され得る。

この方法を用いて形成されたミクロ流体基材は、その基材中の構造的特徴における最小の変動を有する。ミクロチャネル特徴のこの一貫性および均質性は、多数のミクロ流動適用および分析技術の正確な動作の助けとなる。さらに、このプロセスのサイクル時間は、商業的実行可能性を達成するような時間である。本発明の他の局面は、圧力下で液化ポリマーを射出すること、ならびに射出の前に成形鋳型キャビティーを脱気（ｅｖａｃｕａｔｅ）することを含む。

図面において、同じ参照番号は、同一または実質的に類似の要素または作用を同定する。任意の特定の要素または作用の考察を容易に同定するために、参照番号中の最上位の数字は、その要素が最初に紹介された図の番号をいう（例えば、要素４０４は、図４において最初に紹介され、そして図４に関して考察される）。

文字「Ａ」、「Ｂ」、「Ｃ」などの前の図番号は、以下のいずれかを示す：（１）２つ以上の図が一緒に完全な図を形成する（例えば、図８Ａおよび８Ｂは、一緒に、単一の完全な図８を形成する）が、紙面のサイズ制限、コンピュータスクリーンウインドウ内の見える面積の量などに起因して、２つ以上の図に分割されている、あるいは（２）２つ以上の図は、本発明の局面における代替的な実施形態または方法を示す。

ミクロ流体表示の分野において従来的であるように、種々の基材およびネットワークの側方サイズおよび厚さは、一定の拡大比率で描かれているのではなく、これらの種々の部分は、図面の読みやすさを改善するために、任意に拡大されている。構成要素の細部は、このような細部が本発明にとって必要ではない場合に、構成要素の位置およびこのような構成要素間の特定の正確な接続のような細部を排除するために、図において抽象化されている。

（詳細な説明）
以下の開示は、ポリマー材料の射出成形を使用して、ミクロ流体基材の構造をミクロ複製するためのシステムのいくつかの実施形態を記載する。１つの実施形態において、ミクロ構造のミクロ複製は、加熱された鋳型キャビティー内にポリマー材料を射出成形することによって達成される。射出されるポリマー材料のガラス転移温度よりも上の温度に鋳型キャビティーおよびコアを加熱し、そして圧力下でこの材料を射出することによって、ミクロ流体構造のミクロ複製は、達成され得る。以下の記載において、多くの特定の詳細（例えば、特定の温度、時間、ミクロチャネル設計、ミクロチャネルネットワークの方向など）は、本発明の実施形態の完全な理解を伝えるため、および本発明の実施形態についての説明のために提供される。しかし、当業者は、本発明が、１つ以上の特定の工程、温度領域、時間などを用いることなく、実施され得ることを認識する。他の例において、周知の構造または操作は、本発明の局面を不明確にすることを避けるために、示されず、詳細に記載されない。

図１は、ポリマー基材において一貫して均一にミクロ構造をミクロ複製するための方法についての１つの実施形態のフローダイアグラムである。ポリマー材料を使用して、ミクロ流体基材において見出されるミクロ構造は、射出プロセスの間、射出成形鋳型の温度を、ポリマーのガラス転移温度より上に上昇および保持することによって、必要な正確性および一貫性の要件内で形成され得る。本明細書中に記載されるミクロ流体デバイスを作製するために使用されるポリマー材料は、代表的に、広範な種々のポリマー材料から選択され、これには、ポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、ポリビニルクロリド、ポリジメチルシロキサン、ポリスルホン、ポリスチレン、ポリメチルペンテン、ポリプロピレン、ポリビニリデンフルオリド、およびアクリロニトリル−ブタジエン−スチレンコポリマーが挙げられるが、これらに限定されない。材料の型を選択するために使用される基準は、ミクロチャネル基材の適用に従って変化し、そして、費用、剛性、硬さ、熱物理特性、光学的透明度、蛍光、屈折率、コヒーレント光およびインコヒーレント光の分散特性、複屈折、吸水性などのような考慮が含まれ得る。

完全な充填およびポリマーによる鋳型の対応する冷却を促進するために、ミクロ流体デバイスは、ポリマー材料を加熱された鋳型キャビティー内に射出することによって形成され得る。射出の前に、鋳型キャビティーを、ポリマーのガラス転移温度を超える温度に上昇させて、液化したポリマーが、鋳型中を流れることを可能にする。一旦、キャビティーが充填されると、鋳型の温度は、低下され、ポリマー材料を凝固させる。鋳型コアおよび鋳型キャビティーの最大温度は、ポリマーの結晶構造が変化することを妨げるように制御される。このような変化は、得られる基材の光学的特性および他の物理的特性を、許容可能な限界を超えて低下させ得る。

図１に示される実施形態は、選択されたポリマー材料をそのガラス転移温度１１０より上に上昇させることによって開始する。本明細書中で使用される場合、ガラス転移温度（「Ｔ_ｇ」）は、材料が、ガラス様材料から流動化した液体状態に変わる温度を規定する。詳細には、Ｔ_ｇは、ポリマー鎖が、固体状態にある場合よりも、より自由に滑る温度である。物質の粘度は、その組成を構成する分子鎖の滑りまたは移動に直接関連する。水のような結晶物質、またはポリプロピレンおよびポリエチレンのような半結晶ポリマーとは異なり、アモルファス材料は、その材料が、固体から液体に幅広い温度範囲にわたって変化するガラス転移領域を示す。例えば、水は０℃で相転移し、アモルファスポリマー材料は、各々のポリマーに独特の温度範囲にわたって変化する。アモルファスポリマー材料において、その物質がそのガラス転移温度に達するとき、その物質の粘度は、低下する。粘度の低下の速度は、温度の対応する変化の速度よりも速い。例えば、そのガラス転移温度に達した材料において、温度の１％の増加は、その材料の粘度の２％の減少を生じ得る。ポリマー材料のガラス転移温度の決定は、いくつかの因子（本明細書中に記載されない）によって影響されるとして、当業者によって認識される。

鋳型の温度は、Ｔｇを超えて上昇され得、ポリマー材料の粘度を減少させ、従って、凝固された層を減少させる。先に記載されたように、ポリマー材料は、代表的に、鋳型特徴を取り囲む特徴的な凝固層を作り出す。鋳型のミクロ特徴の密度が増加すると、凝固された層は、入口ゲートから鋳型の端部へのポリマー材料の流れを妨げ得る。鋳型キャビティーの温度を、Ｔ_ｇを超えて上昇させることは、これらの制限を減少させ得る。

図１によって示されるように、ミクロ流体デバイスを形成するための本発明に従う方法の１つの実施形態は、以下の工程を包含する：
工程１１０：射出成形鋳型の温度を、選択されたポリマー材料のガラス転移温度より高い値に上昇させる工程。
工程１２０：選択されたポリマー材料の温度を、選択されたポリマー材料の融点より上の値に上昇させる工程。
工程１３０：鋳型キャビティーを排気する工程。
工程１４０：液化したポリマーを加熱した射出成形鋳型内に射出する工程。
工程１５０：射出成形鋳型の温度を、ポリマー材料のガラス転移温度より上の値に維持する工程。
工程１６０：射出成形鋳型の温度を、ポリマー材料のガラス転移温度より下の値に低下させる工程。
工程１７０：射出成形鋳型からポリマー材料を取り出す工程。

図１を参照して、本発明の１つの実施形態は、ポリマー材料を加熱して、射出成形鋳型内への射出のために粘度を減少させること、ならびに射出成形鋳型キャビティーおよびコアを、選択されたポリマー材料のガラス転移温度よりも高い温度に加熱することによって開始する。射出成形鋳型コアおよび射出成形鋳型キャビティーならびにポリマー材料の加熱は、加熱オイル回路、誘導加熱、電気および抵抗加熱、放射加熱、ならびに温度環境の一定の正確な制御が維持され得る任意の他の手段を含むいくつかの手段によって達成され得る。本発明の１つの実施形態は、鋳型全体にわたる不均一な温度分布を達成するための、鋳型キャビティーおよび鋳型コアの能動的かつ可変の熱制御を含む。このような温度分布は、特定の鋳型特徴（すなわち、高い密度のミクロ特徴）に対する凝固層の影響を軽減することによって、鋳型成形環境を最適化し得る。バレル、またはポリマー材料が最初に液化される位置は、鋳型キャビティーおよび鋳型コアから独立して、加熱および熱制御され得る。従来の鋳型成形は、代表的に、バレル内のポリマー材料を加熱し、そして液化したポリマーを静的な調節されていない鋳型内に射出する。他の従来の技術は、鋳型を加熱するが、均質な温度分布を維持する様式でそのようにする。

射出鋳型は、種々の材料を用いて、当業者に公知である方法を使用して、熱伝導性、圧縮強度、硬度、靭性、熱膨張係数、多孔性、粒径、機械加工性、アロイの均一性などのような要因が考慮されるように、構築され得る。薄い電鋳の誘導加熱もまた使用されて、鋳型キャビティーおよび鋳型コアを、Ｔ_ｇより高温に上昇させ得る。薄い電鋳は、高度な熱伝導性を有し得、冷却および加熱のサイクル時間の短縮を容易にする。電鋳鋳型はまた、ミクロ流体チャネル内にウェルを形成するための、コアピンを組み込み得る。ミクロ流体基材におけるコアピンの一体化の詳細な記載は、Ｐｏｌｏｓｋｙ、国際特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０２／２１９７４に見出され得る。請求項に記載の本発明は、凝固層を減少させ、従って局所的な注入圧力が低下するので、これらのピンの変形および破損が最小にされ得る。このことは、最終製品の正確さを増加させ得る。さらに、射出鋳型キャビティー、コア、およびポリマー材料の加熱は、独立したシステムまたは同じ加熱システムを使用して、達成され得る。射出鋳型、射出キャビティー、およびポリマー材料の温度が、ポリマーのガラス転移温度より高い状態で、液化ポリマーが、この鋳型に注入される。

ポリマーが鋳型に流入すると、鋳型キャビティーおよびコアの表面の上昇した温度は、最小の圧力変動で、このポリマーを、この鋳型全体にわたって一貫して均一にそれ自身を分配させる。この一貫した圧力プロフィールは、このポリマーの低下した粘度に直接起因し、より小さい凝固層をもたらす。上昇した温度は、ポリマー材料の接触凝固（これは、鋳型の特定の領域への制限されたポリマーの流れ、および本明細書中に記載されるような基材の不完全な形成をもたらし得る）を防止する。

別の実施形態において、接触凝固に起因する制限されたポリマーの流れは、鋳型にわたる圧力を上昇させることによって、克服され得る。ミクロ流体ネットワークを含む高度に正確な基材は、ポリマー材料を、加熱された鋳型に、圧力下で注入することによって作製され得る。しかし、圧力が上昇するにつれて、鋳型のミクロ特徴はひずみ得る。さらに、ミクロ構造ネットワークの密度が増加するにつれて、凝固層が増大し得、圧力勾配が射出鋳型を横切って一貫しなくなる。これらの問題を軽減するために、より低い射出圧力が、ポリマーのガラス転移温度より高温に加熱された鋳型キャビティーとともに使用される。鋳型キャビティーの上昇した温度と組み合わせた、より低い射出圧力は、単一の基材において、ミクロ流体ネットワークの高密度アレイの形成を可能にし得る。ポリマー分布の均一性はまた、鋳型にわたる均一な温度および圧力の分布とともに、射出プロセスの間にポリマー分子が整列する傾向に起因する固有の分子配向を最小にし得る。この均一性は、ミクロチャネルを有する構造体の一貫したミクロ複製が可能なプロセスを与える。

図２は、ミクロチャネルを有する基材を形成するためのプロセスの１つの実施形態において使用されるポリマー材料についての、粘度対温度のグラフである。このグラフ上のプロットは、アモルファスポリマー２１０と半結晶ポリマー２２０の両方における、粘度と温度との関係を反映する。従来の鋳型の温度を表す線２３０、ガラス転移温度を表す線２４０、およびＴ_ｇを超えて上昇した温度の鋳型を表す線２５０が、このグラフに重ねられている。このグラフは、ポリマー材料の粘度が、Ｔ_ｇを超える温度に加熱される場合に、有意に低下することを示す。

低下した粘度を有するポリマーに鋳型を曝露することの重要性は、図３に見られ得る。図３は、ミクロチャネルを有するポリマー構造体を形成するための方法の１つの実施形態において使用される、鋳型キャビティーの断面図である。この図の垂直軸は、この図の下部を鋳型キャビティー３２０の中心線とし、そして上部を鋳型壁３３０とした、鋳型の断面を表す。水平軸は、キャビティー３４０内に配置されるポリマー材料の粘度を表し、左から右へと粘度が上昇する。鋳型壁において、この粘度は非常に大きい数であり、ポリマー材料が本質的に壁に沿って凝固することを反映する。これは、凝固層３５０を作製する。凝固層３５０でのこのポリマーの粘度は、鋳型壁３３０から外側に、鋳型キャビティー３２０の中心線へと移動するにつれて変動する。この粘度の低下は、凝固層３５０によって同定される小さい領域にわたって有意であり、そしてずり速度が温度と粘度との間の関係を支配し始めると、変曲点に達する。最小粘度の領域３６０は、ポリマーの摩擦加熱に起因して、凝固層のすぐ外側に生じる。摩擦加熱（これはまた、ずり速度の反映である）は、材料が鋳型を充填するにつれて、凝固層の近くのポリマー分子が互いに衝突する結果である。鋳型キャビティーの中心３２０において、このような融解粘度勾配は、最小にされる。凝固層３５０の深さは、鋳型壁３３０の温度を、そのポリマーのガラス転移温度より高温に上昇させて、ポリマー流体がより容易に流動することを可能にすることによって、減少され得る。

図１を続けると、鋳型キャビティーが液化ポリマーで充填される間に、射出鋳型コアおよび鋳型キャビティーは、ポリマー材料のガラス転移温度より高い温度で維持される。一旦、ポリマー融解物が鋳型キャビティーを体積で充填すると、射出鋳型キャビティーおよびコアの温度は、ポリマー材料のガラス転移温度より低温に低下され得る。ポリマー材料の温度がそのガラス転移温度より低く低下すると、このポリマーは固化して、鋳型内に存在するミクロ流体構造体を保持する。代表的に、鋳型は、３０〜１２０秒の範囲にわたって、より好ましくは１５〜３０秒間の範囲にわたって、そして最適には、５秒間未満で、ガラス転移温度より低い温度に冷却される。冷却温度（これは、ポリマーのガラス転移温度より低い）は、代表的に、ガラス転移温度未満より２０℃以上低く、そしてガラス転移温度未満より５０〜１００℃の範囲内で低くあり得る。

図４は、ポリマー射出成形を用いる、ミクロチャネルを有する基材のミクロ複製のためのプロセスの１つの実施形態を使用する、代表的な成形サイクル時間を示す。このグラフは、鋳型の温度がガラス転移温度と関連してどのように変化するかの、温度対時間の図示である。先の基材が取り除かれた後に、時刻０における鋳型の温度４１０は、最大標的温度４３０に達するまで、Ｔ_ｇ４２０より高く上昇する。この加熱プロセスは、代表的に、最大標的温度４３０を超える温度に維持された等温加熱材料（例えば、油）を使用する。これによって、鋳型の温度プロフィールの曲率によって表される、回収を減少させる効果を生じる。１つの実施形態において、鋳型は、鋳型の温度がＴ_ｇ４２０に達するかまたはそれを超えた後に、充填される。一旦充填されると、能動的冷却プロセスが開始され、そして鋳型は、異なる等温材料を使用して、Ｔ_ｇ４２０より低温に冷却される。鋳型キャビティーを冷却するための他の方法が使用され得、そして関連分野の当業者に公知である。鋳型の温度がＴ_ｇ４２０より低い（しばしば、Ｔ_ｇ４２０より２０℃を超えて低い）状態で、成形された部品が排出され、そしてプロセスが繰り返される。

ポリマー材料が鋳型内で固化した状態で、この鋳型が開かれ得、ポリマー基材が排出されることを可能にする。この基材の任意の可塑性変形を防止するために、材料は、排出力を分布させるために十分な剛性を提供する温度に冷却される。排出プロセスは、巻き上がりまたはひずみのいかなる機械的導入（これは、基材およびそこに含まれるミクロチャネルの機能に有害に影響を与え得る）をも防ぐような様式でなされ得る。一旦、基材が射出鋳型から取り出されると、射出キャビティーおよび射出鋳型コアは、別の射出プロセスを容易にするために、再加熱される。基材は、ミクロチャネルがインタクトなままで、関連分野の当業者に公知である種々の技術を使用して薄膜または他の類似の材料に結合され、チャネルを収容し得、そして密封されたミクロチャネルネットワークを形成る。

図５は、請求項に記載の発明を用いてポリマー基材中に形成されたアッセイウェル５２０の断面の１つの実施形態を示す。ミクロ流体適用で用いられるこのようなアッセイは、正確なミクロ複製を所有する特徴を必要とする。ミクロ流体デバイス中のミクロ構造のさらなる説明および例は、Ｓｉｎｇｈら、国際特許公開ＷＯ００／６７９０７中に見出され得る。本発明の１つの実施形態では、アッセイウェルは、ミクロチャネルと流体連結しているように形成され得る。代表的には、ウェルは、従来の穿孔または穴抜き技法を用いることにより、基材中に、かつチャネルと連結して導入される。これらの従来技法は、ミクロ流体構造の受容不能な変形を導入し得る。このアッセイの断面図は、基材５１０とアッセイウェル５２０とを示す。このアッセイウェルは、流体５３０のメニスカスを用いて停止接続部を構成し、ウェルの底部を形成する。基材内に含まれるミクロ流体ネットワークの性能に直接影響するこの停止接続部の性能は、ウェルを境する特徴５４０のミクロ複製によって決定される。代表的なミクロ流体基材上には、多くのネットワークおよび対応するウェルが存在する。正確度および一貫性をもつ特徴５４０を形成するために、ポリマー材料は、注入の間に鋳型のキャビティーを通って自由に流れなければならない。狭い断面領域５５０は、ポリマー材料の流れを特徴５４０と衝突させ、鋳型を横切る好ましくない圧力勾配を生成し得る。従来の射出成形を用い、凝固層は、鋳型５５２の頂部部分および鋳型５５４の底部部分の両方から延び、特徴５４０を収容するキャビティー中へのポリマー材料の流れを低減またはブロックする。狭窄またはブロックは、ハウジングを横切る逆の圧力勾配を生成する。本明細書で論議されるように、鋳型の温度をＴ_ｇを超えて上昇させると、凝固層の厚さは減少する。凝固層が減少すると、狭窄領域５５０は、より少ない制限を経験し得、ポリマー材料の流れが鋳型を適切に満たし、かつ特徴５４０をミクロ複製することを可能にする。この同じ理由付け、およびプロセスが、大きな平面基材を横切って、ミクロ流体基材の重要構造が一貫して、かつ正確に形成されることを確実にするように、基材に全体に亘って適用され得る。

図６は、射出成形を用いて形成された、ミクロチャネルネットワークのアレイを所有するポリマー基材の１つの実施形態を示す。示される基材６１０は、基材の全体に亘って等しく分散された６４のミクロチャネルネットワークを所有する。基材６１０中のミクロチャネルネットワーク６２０、６４０、および６６０の各々は同じデザインである。ミクロチャネル基材のその他の実施形態は、より多いかまたはより少ないミクロチャネルネットワークを含み得、そして変動するミクロネットワークデザインを含み得る。本明細書中に記載されるように、ミクロ流体を含む操作の重要な性質は、基材の全体に亘って一貫性のあるネットワークのミクロ複製を必要とする。基材６４０、６２０の鋳型のキャビティーの出口ゲートに位置するミクロチャネルネットワークを構成するミクロチャネルの特徴幾何学における変動は、本明細書に記載の注入プロセスを用いることにより、基材６６０の注入点または入口ゲート近傍に位置するミクロチャネルネットワークの構造および幾何学と比較したとき最小にされ得る。さらに、得られる基材の平面状表面は、実質的に平坦であり、任意のタイプの表面歪みまたは反りを低減する。

図７は、ミクロチャネルネットワークを構成する２つ以上のミクロチャネルおよびチャンバーの１つの実施形態を示す。基材中のミクロチャネルは、ミクロ流体ネットワーク７０５とは独立であり得るか、またはその中に一体化され得る。一体化されたチャネルおよびチャンバーは、特定の目的のために設計され得る；すなわち、ある特定のチャネルは、サンプルを注入するためであり、その一方、別のチャネルは、分析または分離のために設計され得る。チャネルは、一般に、約１０〜２００μｍの深さ、および約１〜５００μｍの範囲の幅を有する。検出ゾーン７２０は、一般に、分離またはその他の分析の目的のために設計されているチャネル中に取り込まれる。分析チャネルの長さに沿ったこれら検出ゾーン７２０の位置は、ネットワークが用いられている適用に依存する。供給リザーバーおよび廃棄リザーバー、またはアッセイ７１０、７１２、７１４および７１６は、基材中に、そしてネットワーク７０５内のミクロチャネルと流体連結して配置され得る。

図８Ａ〜８Ｄは、本明細書に記載されるミクロチャネルネットワーク中に含まれ得るミクロチャネルの実施形態の断面図を示す。図８Ａは、「Ｖ」字型ミクロチャネル８１０を示し、このチャネルの壁は、代表的には、基材８１８の平面状表面と４５゜の角度８１５を形成する。ミクロチャネルの壁により形成されるこの角度は、一般に３０〜６０゜の範囲、好ましくは４０〜５５゜の範囲、そして最適には４５゜であり得る。図８Ｂは、台形断面８２０をもつミクロチャネルを示す。台形ミクロチャネル８２０の壁は、本明細書に記載の「Ｖ」字型ミクロチャネル８１０とほぼ類似して配向している。図８Ｃは、Ｄ字型断面ミクロチャネル８３０を示し、そして図８Ｄは、矩形のミクロチャネル８４０を示す。この矩形断面は、一般に、平面状表面に平行なフロア８４５をもつ基材８１８のこの平面状表面に実質的に垂直である壁を所有する。操作要求に依存して、その他の幾何学的形状がミクロ流体デバイスを形成する際に用いられ得る。これらの幾何学的形状間の変動は、チャネルにより保持される媒体と基材自身の組成との間の関係に関与するパラメーターに依存する。

図９は、ミクロチャネルの矩形断面９４０の２つの拡大図を示す。基材８１８の平面状表面とミクロチャネル９０５の垂直壁との交差により生成される外部コーナー９１０が拡大されている。外部コーナー９１０は、射出成形プロセスの関数である曲率半径９２０を所有する。同様に、矩形断面８４０の内部コーナー９４０は、曲率半径９５０を示して拡大されている。内部コーナー９４０と外部コーナー９１０の鋭さは、本明細書に記載される射出成形プロセスの有効性により直接決定され、そして請求項に記載の方法により達成されるミクロ複製の代表である。ミクロ流体チャネルを通る流体流れの特徴は、ミクロ流体チャネルの形状およびテクスチャーの関数である。本明細書に記載の方法を用い、ミクロ流体チャネルが、３〜３３μｍの範囲の曲率半径を有する内部コーナーおよび外部コーナーを備えて基材の全体に亘ってミクロ複製され得る。

ミクロチャネルネットワークの変動係数は、本明細書に記載の製作方法により最小にされ得る。変動係数は、平均で除される標準偏差として規定される。例えば、湾曲の外部半径の調査が、２μｍの標準偏差で２４μｍの平均を生成した場合、変動係数は、０．０８３３すなわち８．３％であり得る。本明細書に記載の方法を用い、ポリマー射出成形された基材内に含まれたミクロ構造の変動係数は、一般に１．０より少なく、そして通常０．０１〜０．５の範囲であり、好ましくは０．００１〜０．０１の範囲、そして最適には０．００１より少なくあり得る。

例えば、ポリマー材料であるポリオレフィンノルボルネンを用い、必要な操作許容範囲に合致するミクロ流体基材が、本明細書に記載の射出成形方法を用いて形成され得る。ガラス転移温度を超える温度まで射出鋳型を上昇すること、および加圧下で鋳型中に液化ポリマーを注入することにより、１．０より小さい変動係数を有するミクロ流体基材が達成され得る。

図１を再び参照して、鋳型のキャビティーの任意の大気（ａｔｍｏｓｐｈｅｒ）を排出するさらなるステップは、射出成型鋳型のキャビティーの加熱と組み合わせて達成され得、基材の形成を容易にする。一般に、本明細書に記載の代替物および代替の実施形態は、先に記載の実施形態に実質的に類似しており、そして共通の部材および作用またはステップは、同じ参照番号によって識別される。構成または操作における顕著な差異のみが詳細に説明される。射出成型鋳型のキャビティー内の大気を除去することにより、ポリマーは、それが鋳型中に配置されるとき、別の流体を置換する必要はない。空気は、液化ポリマーとかなり似た流体であるが、異なる特徴を所有している。大気ガスと液化ポリマーの物理的特性は実質的に異なるが、両者は同じ空間を占領することはできない。一貫性があり、かつ均一なポリマー基材を生成するために、液化ポリマーは、鋳型のキャビティーを完全に占領しなければならない。このキャビティーが、注入の前に大気によって占領される場合、所望の一貫性があり、かつ均一な結果を達成するために、この大気は、置換されるか、またはポリマー中に圧縮されなければならない。鋳型のキャビティーを、真空またはほぼ真空まで排気することにより、液化ポリマーは、鋳型中に自由に流れることができ、そして基材の均一性を破壊し得る任意の捕獲された大気を除去する。

同様に、液化ポリマーを高圧下で送達することが、請求項に記載の発明の別の局面である。液化ポリマーを鋳型中に送達することは、鋳型のキャビティー中に存在し得る任意の残存大気を置換することでポリマーを支援し得る。さらに、本明細書に記載されるように、液化ポリマーの固有の高粘度は、ミクロ流体デバイスを規定する鋳型中にしばしば見られる微細特徴を占領する能力を妨害し得る。ポリマーを高圧下で注入することにより、周囲圧力下で不完全に形成される領域は、ミクロ流体中の使用にほぼ受容される詳細および一貫性のレベルを達成し得る。

文脈が明瞭にその他であることを要求しなければ、明細書および請求項において、語句「含む」、「備える」などは、排除する意味か、または排他的意味とは反対の包括的な意味で解釈されるべきである；すなわち、「含むが制限されるわけではない」の意味である。単数または複数を用いる語もまた、複数または単数の数をそれぞれ含む。さらに、本出願で用いられるとき、語「本明細書中」、「本明細書中以後」、および同様の移入の語は、本出願の全体について言及し、そして本出願の任意の特定の部分に言及するものではない。

本発明の例示の実施形態の上記の記載は、本発明を、専ら開示された正確な形態に、またはそれに限定することは意図されていない。本発明の詳細な実施形態、およびそのための実施例は、例示の目的のために本明細書に記載されているが、当業者が認識するように、種々の等価な改変が、本発明の範囲内で可能である。本明細書に提供される本発明の教示は、本明細書に記載のミクロチャネル成分の射出成形のためだけではなく、その他の射出成形方法に適用され得る。

本明細書に記載の種々の実施形態の部材および局面は、既に記載されたものを超えるさらなる実施形態を提供するために組み合わせられ得る。すべての上記の参考文献および米国特許および特許出願は、本明細書中に参考として援用される。請求項に記載の発明の局面は、必要であれば、改変され得て、本明細書に記載の種々の特許および出願のシステム、機能および概念を採用し、請求項に記載の発明のなおさらなる実施形態を提供する。

これらの変更およびその他の変更が、上記の詳細な説明を考慮してなされ得る。一般に、上記の請求項において、用いられる用語は、明細書および請求項において、上記の特定の実施形態に本発明を限定すると解釈されるべきではなく、ミクロ流体ポリマー基材を生成するための方法を提供する請求項の下で作動するすべての射出成形システムを含むと解釈されるべきである。従って、本発明は、本開示によって制限されず、それに代わり、本発明の範囲は、請求項により完全に決定されるべきである。

本発明の特定の局面が、特定の請求項の形態で上に提示されているが、本発明者らは、任意の数の請求項の形態で本発明の種々の局面を企図している。例えば、本発明のただ一つの局面が注入プロセスで具現化されると記載されているが、その他の局面も同様に、ミクロチャネルデバイス中で具現化される。従って、本発明者らは、本発明のその他の局面のためのこのようなさらなる請求項の形態を追求するために、本出願を提出した後、さらなる請求項を付加する権利を確保している。

図１は、ミクロチャネルデバイスの射出成形のための方法の１実施形態のフローチャートである。 図２は、射出成形を使用して、ポリマーミクロチャネル基材を形成するための方法の１実施形態における、ポリマー材料の温度 対 ポリマー材料の粘度を示すグラフである。 図３は、本発明の１実施形態において使用される成形鋳型キャビティーの断面図である。 図４は、１実施形態についての、射出成形の加熱および冷却のサイクル時間を示すグラフである。 図５は、ポリマーミクロ流体基材の１実施形態の断面図である。 図６は、ミクロ流体チャネルデバイスの射出成形のための方法を使用して形成された、ミクロ流体ネットワークのアレイを備えるミクロ流体基材の１実施形態を示す。 図７は、ミクロチャネルネットワークを構成する、２つ以上のミクロチャネルおよびチャンバの１実施形態を示す。 図８Ａ〜Ｄは、ミクロチャネル断面の種々の実施形態を示す。図８Ａは、「ｖ字形」断面のミクロチャネルの１実施形態を示す。図８Ｂは、台形断面のミクロチャネルの１実施形態を示す。図８Ｃは、Ｄ字鋳型断面のミクロチャネルを示す。図８Ｄは、矩形断面のミクロチャネルを示す。 図９は、矩形断面のミクロチャネルを形成する角の拡大図を示す。

Claims (4)

1. ミクロ流体デバイスを形成するための方法であって、該方法は、以下：
   射出成形鋳型の温度Ｔ１をポリマーのガラス転移温度Ｔ２より高い温度まで上昇させる工程であって、該射出成形鋳型は、少なくとも２インチの側面寸法を有する平らな表面を有するポリマー基材を規定し、該平らな表面は、ミクロチャネルネットワークのアレイを規定する２つ以上のミクロチャネルネットワークを備え、各ネットワークは、該平らな表面にわたって分布する２つ以上のミクロチャネルを備える、工程；
   該ポリマーの温度をＴ２より高い温度まで増加させ、液化ポリマーを生成する工程；
   圧力Ｐの下、液化ポリマーを射出成形鋳型に注入する工程；
   該射出成形鋳型の温度をＴ２より高い温度に維持し、液化ポリマーを鋳型全体に分散させる工程；
   射出成形鋳型の温度をＴ２より低い温度まで低下させ、液化ポリマーを固化させる工程；ならびに
   射出成形鋳型からポリマー基材を取り出す工程であって、該ポリマー基材の平らな表面は、実質的に平面である、工程、
   を包含する方法。
2. 請求項１に記載の方法に従って形成されたミクロ流体基材。
3. 少なくとも２インチの側面寸法を有する移動領域およびミクロチャネルネットワークのアレイを規定する２つ以上のミクロチャネルネットワークを有するポリマー基材から構成されるミクロ流体デバイスを、射出成形鋳型に液化ポリマーを注入することによって、形成する方法であって、各ネットワークが２つ以上のミクロチャネルを備え、該ポリマー基材に形成されかつ全面に分布し、改善として、以下：
   該鋳型の温度を該ポリマーのガラス転移温度より高い温度まで上昇させる工程であって、該鋳型の温度をポリマーのガラス転移温度より高い温度に維持する、工程；
   該液化ポリマーを該射出成形鋳型に注入する工程；
   該射出成形鋳型の温度を該ポリマーのガラス転移温度より高い温度に維持し、該ポリマーを該鋳型全体に分布させる工程；
   該鋳型の温度を該ポリマーのガラス転移温度より低い温度まで冷却し、実質的に平面の移動領域を有する基材を作製する工程、
   を包含する、改善方法。
4. ミクロ流体基材であって、注入より前に、ポリマーのガラス転移温度より高い温度まで上昇され、次いで、ポリマーの注入後にガラス転移温度より低い温度まで冷却される温度の射出成形鋳型を用いて該射出成形鋳型において形成されたポリマー基材を備え、ここで、該ポリマー基材は、少なくとも２インチの側面寸法を有する平らな表面を有し、かつミクロチャネルネットワークのアレイを規定する２つ以上のミクロチャネルネットワークを有し、各ネットワークは、互いに流体連通する２つ以上のミクロチャネルを備え、該アレイは、該平らな表面の全面に分布する、ミクロ流体基材。

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