JP2006348906A - 送液装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】参照極・対極用基板1、電解液蓄積板2、作用極用基板、隔膜4、及び流路用基板5が順次重ねられ、参照極・対極用基板1は、その表面に参照極10と作用極13が形成されており、電解液蓄積板2は、開口部8を有し、この開口部8内に電解液9が蓄積されており、作用極用基板5は、貫通孔12を有し、その内面に作用極13が形成されており、隔膜4は、貫通孔12に面する部分がダイアフラム状に膨張可能であり、流路用基板5には、微小流路6と貫通孔12に対応し、隔膜4が膨張して入り込める断面凹形のバルブ孔14及びポンプ孔が形成されている
【選択図】図1
Description
(1)サンプル、試薬量の微量化
(2)応答の高速化
(3)ハイスル−プット化
本発明に係る送液装置では、ポンプ、バルブの駆動に電気化学的に生成、消滅させる気泡を用いる。気泡は過熱等の手段でも形成することができるが、電気化学的反応を利用すれば、より効率良く行うことができる。このような気泡は、導入するサンプル溶液を電気分解することでも生成、消滅することが可能であるが、これではサンプル溶液にダメージを与える。
図1は、バルブ部7(送液装置のバルブを構成する部分)を示す図である。バルブ部7では、図1(a)に示すように、電解液蓄積板2に開口部8が形成され、この開口部8内に電解液9が蓄積(収容)されている。この開口部8内において、参照極・対極用基板1の上面に参照極10と対極11が形成されている。
図1(c)は、本発明の送液装置のバルブ部7の変形例を示す図である。この変形例は、図1(a)、(b)に示す構成とほぼ同じであるが、電解液蓄積板2と作用極用基板3との間に微細孔を有する親水性多孔質膜16(微細な透過孔を有するフィルター膜)を配置した構成を特徴とする。親水性多孔質膜16としては、例えばニトロセルロース膜、アセチルセルロース膜などを用いることができる。親水性多孔質膜16を設けることにより、より効果的に下部への気泡の流入を抑えることができる。
図2は、送液装置のポンプ部17(送液装置のポンプを構成する部分)を示す図である。図2(a)に示すように、バルブ部7と同様に電解液蓄積板2に開口部8が形成され、この開口部8内に電解液9が蓄積(収容)されている。この開口部8内において、参照極・対極用基板1の上面に参照極10と対極11が形成されている。
図2(c)は、本発明の送液装置のポンプ部17の変形例を示す図である。この変形例は、図2(a)、(b)に示す構成とほぼ同じであるが、バルブ部7の変形例(図1(c)参照)と対応した構成であり、電解液蓄積板2と作用極用基板3との間に微細孔を有する親水性多孔質膜16(微細な透過孔を有するフィルター膜)を配置した構成を特徴とする。
以下、本発明に係る送液装置の具体的な作製工程を、図1〜3に加えて、図4〜6を参照し、順を追って説明する。以下の説明では、送液装置の1チップ分のしかも、例として、バルブ部の作製方法を説明するが、実際には1枚の基板上に多数の送液装置が一括して作製され、またポンプ部についても同様に作製される。
1.作用極用基板3の作製
2.参照極・対極用基板1上に対極11及び参照極10の形成
3.流路用基板5の作製
4.送液装置の組み立て
この作製工程では、作用極用基板3としてシリコン基板(以下、「シリコン基板3」とする。)を利用する。
1.1 シリコン基板3の穴あけ加工
(1)基板の洗浄
(イ)シリコン基板3を沸騰させた、29%NH4OH:31%H2O2:純水=1:1:4の溶液中で5分間洗浄する。
(ロ)純水中で2回10分間ずつリンスする。
(ハ)自然乾燥させる。
シリコン基板3を1050℃で400分ウェット熱酸化する。その結果、1.4mm厚のSiO2膜29が形成される。
レジストパターンを形成したシリコン基板3の両面に、80nm厚のクロム層30をスパッタ装置(芝浦メカトロニクス製、CFS−4ES−231)により形成(アルゴン雰囲気3×10−1Pa中にて、出力100W、スパッタ時間は10分間。)する。((2)〜(3)は図4(a)参照)
(イ)ネガ型フォトレジストを片面(クロム層30表面)にスピンコーティングする(500rpmで5秒、続けて、2000rpmで10秒)。
(ロ)80℃で5分間ベーキングする。
(ハ)裏面にも(イ)と同様にスピンコーティングする。
(ニ)80℃で30分プリベークを行う。
(イ)マスクアライナー(露光器)で、20秒間露光する。
(ロ)露光後、現像液中にて現像し、リンス液によりリンスした。また、裏面にもレジストを塗布し、150℃で30分ベーキングした。(図4(b)参照)
(イ)NaOH:K3Fe(CN)6:H2O=1:2:8 溶液中で、レジストパターン31で覆われていない部分のクロム30’をエッチングする。
(ロ)その後、シリコン基板3を純水で十分に洗浄し、自然乾燥した。
(イ)50%HF:40%NH4F=1:6 溶液中で、レジストパターン31で覆われていない部分のSiO2膜29をエッチングする。
(ロ)その後、シリコン基板3を純水で十分に洗浄し、自然乾燥する。その結果、レジストで覆われていない部分にシリコンが露出した。(図4(c)参照)
(イ)レジストパターン31を、99%H2SO4:30%H2O2=2:1の溶液中で剥離する。
(ロ)その後、純水で洗浄し、自然乾燥させる。
シリコン基板3を80℃の35%KOH+0.1%イソプロピルアルコール溶液中でエッチングする。(エッチング速度は、1.2mm/minである。)これにより、シリコン基板3上にバルブ孔14が形成された。(図4(d)参照)
NaOH:K3Fe(CN)6:H2O=1:2:8 溶液中でクロム層30を除去した。その後、シリコン基板3を純水で十分に洗浄し、自然乾燥した。
50%HF:40%NH4F=1:6 溶液中で、SiO2膜29除去した。その後、シリコン基板3を純水で十分に洗浄し、自然乾燥した。(図4(e)参照)
エッチングを施したシリコン基板3を、沸騰させた29%NH4OH:31%H2O2:純水=1:1:4 溶液中で5分間沸騰させ、さらに純水中で2回5分間ずつ沸騰させ、その後自然乾燥させた。
シリコン基板3を1050℃で400分ウェット熱酸化する。その結果、1.4mm厚のSiO2膜32が形成された。(図4(f)参照)
(1)リフトオフパターンの形成
(イ)貫通孔14の内面等にPVA(ポリビニルアルコール)を塗布する。
(ロ)80℃で10分ベークする。
(ハ)ポジ型フォトレジスト33(SHIPLEY製、S1818)をスピンコーティングする。(500rpmで5秒、続けて2000rpmで20秒。)(図5(a)参照)
(ニ)その後、80℃で30分プリベークを行う。次にマスクアライナー(ミカサ製、MA−10型)で、60秒間露光する
(ホ)露光後、30℃で1分間トルエン処理する。
(ヘ)その後、80℃で15分間プリベ−クする。
(ト)プリベ−クされたシリコン基板3を現像液(SHIPLEY製、MF−319)を使用し、現像する。その後、純水でリンスし、窒素ガスで乾燥させる。
(チ)純水中に浸し、PVAを溶解させる。
(リ)窒素ガスで乾燥させる。
レジストパターン33を形成したシリコン基板3(図5(b)参照)上に、約40mm厚のクロム層34、300mm厚の白金層35をスパッタ装置(芝浦メカトロニクス製、CFS−4ES−231)により形成(アルゴン雰囲気3.0×10−1Pa中において装置の出力は100W、時間はクロム:5分間、白金:30分間。)する。(図5(c)参照)
(イ)白金をスパッタしたシリコン基板3をアセトン中に浸漬して、レジストパターン33を剥離させる。
その後、再びアセトンで濯ぐ。
(ロ)窒素を吹きつけて乾燥させる。
(イ)ダイシングにあたり、パターンの形成されている面にポジ型フォトレジストを保護膜として形成する。
(ロ)その後、作製したシリコン基板3をダイシングソー(東京精密製、A−WD−10A)によりダイシング(1チップずつに切断)する。微小システムの1チップの大きさは20mm×18mmである。1枚のシリコンウェハから8チップ得られた。
(ハ)アセトンで2回洗浄し、チップ上の汚れを十分洗い落とし、自然乾燥させる。
(イ)10 mMの塩酸にポリイミド基板作用極部を、白金対極(白金板)、市販の参照極10(堀場製作所製#2080A−06T、内部液:飽和KCl)ととも100mlビーカーに入れ、ポテンショスタットを用い、定電位(−1.2V)で作用極の表面の清浄を行う。電位を印加する時間は、バルブ部の作用極については、30秒間(ポンプ部の作用極については、13分間)。
(ロ)約1gの塩化白金酸(H2PtCl6)を30mlの純水に溶かして電解液を調製する(H2PtCl6:81.3mM)。また、鉛が共存すると良好な白金黒ができるため、この電解液に約10mgの酢酸鉛((CH3COO)2Pb)を添加する((CH3COO)2Pb:1.025mM)。
(ハ)この電解液に、作用極13を、白金対極(白金板)とマクロ参照極(堀場製作所製#2080A、内部液:飽和KCl)とともに100mlビーカーに入れ、ガルバノスタットを用い定電流でカソード分極し、白金の電析反応)を進行させる。印加電流とメッキ時間は、バルブ部については−0.1mAで1分間(ポンプ部については−0.3mAで2分間)。これによって、徐々に白金表面35’が黒くなっていくのがみられた。(図5(d)参照)
(ニ)このメッキ反応後、作用極13を水洗する。
(ホ)さらに、0.1MのH2SO4水溶液中でガルバノスタットを用い定電流で作用極13の硫酸処理を行う。バルブ部7については−0.1mAで30秒間電流を印加し、続けて0.1mAで30秒間、再び−0.1mAで30秒間電流を印加する。なお、ポンプ部17については−0.1mAで1分間電流を印加し、続けて0.1 mAで1分間、再び−0.1mAで1分間電流を印加する。この間スターラーによってよく液をかき混ぜ、発生した水素ガスが電極表面に留まらないようにする。
この作製工程では、隔膜4としてシリコーンゴム膜(以下、「シリコーンゴム膜4」という。)を形成する。
(イ)ポジ型フォトレジスト36を、貫通孔12を埋設するかのように作用極13の部分に塗布する。(図5(e)参照)
(ロ)80℃で30分プリベークを行う
(ハ)シリコーンゴム4(信越シリコーン製 1液型RTVゴム)を500rpmで10秒、2000rpmで30秒スピンコーティングする。膜厚は7.0μmである。
(ニ)自然乾燥する。
(ホ)アセトン中に浸し、ポジ型フォトレジスト36を溶解させる。(図5(f)参照)
(ヘ)自然乾燥する。
(ト)内部電解液9(0.1M KCl−HCl緩衝液(pH 2.2))の入ったビーカー中に浸して真空ポンプ部17で真空をひき、穴の内部まで完全に溶液が満たされるよう注入する。
2.1 対極11及び参照極10の電極パターンの形成
(1)参照極・対極用基板1の洗浄
参照極・対極用基板1としてガラス基板(複数のガラス基板1に切断する前の原材料のガラス基板を以下「ガラス基板1’」(ウェハ)という。)を利用する。このガラス基板1’を、29%NH4OH:31%H2O2:純水=1:1:4の溶液中で3分間沸騰させ、さらに純水中で2回3分間ずつ沸騰させ、その後自然乾燥させる。
(イ)ポジ型フォトレジスト(SHIPLEY製、S1818)を、ガラス基板1’上にスピンコーティングする。(500rpmで5秒、続けて2000rpmで20秒。)
(ロ)その後、80℃で30分プリベークを行う。次にマスクアライナー(ミカサ製、MA−10型)で、60秒間露光する。
(ハ)露光後、30℃で1分間トルエン処理する。
(ニ)その後、80℃で15分間ポストベークする。
(ホ)プリベ−クされたガラス基板1’を現像液(SHIPLEY製、MF−319)を使用し、現像する。その後、純水でリンスし、窒素ガスで乾燥させ、レジストパターン37が形成される。(図6(a)参照)
レジストパターン37を形成したガラス基板1’上に、約40mm厚のクロム層38、300mm厚の白金層39をスパッタ装置(芝浦メカトロニクス製、CFS−4ES−231)により形成。(アルゴン雰囲気3.0×10−1Pa中において装置の出力は100W、時間はクロム:5分間、白金:30分間。)(図6(b)参照)
(イ)ガラス基板をアセトンで洗浄し、レジストパターン37を剥離させる。
(ロ)その後、もう一度アセトンで洗浄し、自然乾燥する。
(イ)ポジ型フォトレジスト40をガラス基板1’上にスピンコーティングする。これも500rpmを5秒、続けて2000rpmで20秒行う。(図6(c)参照)
(ロ)80℃で30分間ベーキング。次に銀のマスクパターンをマスクアライナーで、60秒間露光する。
(ハ)露光後、30℃で1分間トルエン処理する。
(ニ)その後、80℃で15分間プリベークする。
(ホ)30℃で90秒間現像し、純水でリンスする。
(ヘ)窒素で乾燥させた。
スパッタ装置で参照極10上に銀層41を形成する。(アルゴン雰囲気3×10−1Pa中において装置の出力は100W、時間は30分間。)銀層41の厚さは980nm。(図6(d)参照)
(イ)銀をスパッタした基板をアセトン中に浸漬して、レジストを剥離させる。
その後、再びアセトンで濯ぐ。(図6(e)参照)
(ロ)窒素を吹きつけて乾燥させる。
(イ)ポリイミドプレポリマー(東レ製、セミコファインSP−341)を700rpmで10秒、6000rpmで30秒スピンコーティングする。
(ロ)80℃で30分プリベークを行う。
(ハ)ポジ型フォトレジストを基板上にスピンコーティングする。これも500rpmを5秒行ない、続けて2000rpmで20秒行う。
(ニ)80℃で30分ベークする。
(イ)マスクアライナーで60秒露光する。
(ロ)露光後したガラス基板1’を現像液(SHIPLEY製、MF−319)を使用して60秒間現像し、同時にポリイミド42をエッチングする。すると、対極11側のポリイミド42が削除される(図6(f)参照)。その後、純水でリンスする。
(ハ)乾燥後、エタノールに浸漬し、フォトレジストを溶解・除去する。
ポリイミド42を硬化させるために、140℃で30分、200℃で30分、300℃で60分キュアをする。
(イ)ダイシングにあたり、パターンの形成されている面にポジ型フォトレジストを保護膜として形成する。
(ロ)その後、作製したガラス基板1’をダイシングソー(東京精密製、A−WD−10A)によりダイシング(1チップずつに切断)する。本発明の送液装置20の1チップ(原材料であるガラス基板1’から切断した1つの送液装置分の「ガラス基板1」に相当する。)の大きさは20mm×22mmである。3インチのガラス基板1’から6チップ(ガラス基板1)が得られた。
(ハ)アセトンで2回洗浄し、上の汚れを十分洗い落とし、自然乾燥させる。(チップ上にゴミがついていると、塩化銀の形成がうまくいかないことがある。)
(イ)1M KCl−HCl緩衝液(pH2.2)溶液中にチップ(ガラス基板1)の参照極10を、白金対極11(白金板)及び市販の参照極10(堀場製作所製#2080A−06T、内部液:飽和KCl)とともに、100mlビーカーに入れる。
(ロ)ガルバノスタットを使い0.1mAの定電流を流し、塩化銀層を形成する。形成時間は10分間。
(ハ)その後、チップ(ガラス基板1)をビーカーから取り出し、蒸留水で十分洗浄し、乾燥させる。これにより、チップ上の銀層に塩化銀層が形成された。
(1)電解液蓄積板2の作製
(イ)シリコーンゴムシート(厚さ1mm)を口の字型に切り出し、開口部8を形成する。
(ロ)参照極10と対極11を持ったガラス基板1(チップ)に、口の字型のシリコーンゴムを接着する。接着剤として、プライマーを用いた。
(イ)PVA−SbQ( SPP−US−130)と0.1M KCl−HCl緩衝液(pH2.2)を3:7の割合で混ぜる。
(ロ)マスクアライナーで15分露光し、光硬化させる。
この作製工程では、流路用基板5としてPMDS基板(polydimethylsiloxane)を利用する。
(1)PMDS基板作製用の型の支持基板となるガラス板の洗浄
(イ)ガラス板を沸騰させた 29%NH4OH:31%H2O2:純水=1:1:4の溶液中で3分間洗浄する。
(ロ)純水中で2回3分間ずつリンスする。
(ハ)自然乾燥させる。
厚膜フォトレジスト(SU−8)の密着性を高めるため、ガラス板上にポリイミドの密着層を形成する。
(イ)ポリイミドプレポリマー(東芝ケミカル製、CT−4700)を500rpmで30秒、続けて6000rpmを30秒スピンコーティングする。
(ロ)オーブン80℃で15分間ベークする。
(ハ)マスクアライナーで90秒間露光する。
ポリイミドを硬化させるために、150℃で15分、200℃で15分、300℃で30分キュアをする。
(イ)厚膜フォトレジスト(SU−8)を500rpmで20秒、840rpmで15秒スピンコーティングする。
(ロ)微小容器用のマスクを用いマスクアライナーで30分間露光する。
(ハ)露光後、専用の現像液(SU−8 developer)で現像し、純水で濯いだ後、乾燥させる。
以上で、PDMS基板作製用の型がガラス板上に形成された。膜厚は70〜72μm。
(イ)PDMSを主成分とするシリコーンゴム(信越シリコーン製、KE−1300T)を適量とり、専用の硬化剤(信越シリコーン製CAT−1300)とKE−1300T:CAT−1300=10:1の割合で混合する。
(ロ)真空中におき、溶剤の脱泡を行う。
(ハ)上記(1)〜(4)で形成した型に流し込み、再び真空脱泡する。
(ニ)その後、24時間放置し、硬化させる。
(ホ)硬化後、PDMS基板をレジストパターンから剥がし、1チップごとに切り出す。吸引口25はドリル等によって開口する。
ゲル状電解液9を開口部8に含む電解液蓄積板2(容器)を、対極11、参照極10の形成されたガラス基板1の上に載置する。そして、この電解液蓄積板2上に、シリコーンゴム膜4(ダイアフラムとして機能する膜)が上面に付与された作用極用基板(シリコン基板3)を載置する。最後に微小流路6の形成されたPDMS基板(流路用基板5)をその上に張り合わせ、外部からアクリル板によって作製したホルダーを用いてクランプして固定する。以上で、本発明に係る送液装置20が完成される。
1’参照極・対極用基板の材料であるガラス基板
2 電解液蓄積板
3 作用極用基板
4 隔膜
5 流路用基板
6 微小流路
7 バルブ部
8 開口部
9 電解液
10 参照極
11 対極
12 貫通孔
13 作用極
14 バルブ孔
15 気泡
16 親水性多孔質膜
17 ポンプ部
18 ポンプ孔
19 駆動モジュール
21 参照極ピンホール
22 周枠
23 流路系
24 排出流路
25 サンプル導入口
26 導入流路
27 Y字路
28 排出口
29 SiO2膜
30 クロム層
31 レジストパターン
32 SiO2膜
33 フォトレジスト
34 クロム層
35 白金層
35’白金表面
36 フォトレジスト
37 レジストパターン
38 クロム層
39 白金層
40 ポジ型フォトレジスト
41 銀層
Claims (8)
- 順次重ねられた、参照極・対極用基板、電解液蓄積板、作用極用基板、隔膜、及び流路用基板を備え、微少量の液体を送液する送液装置であって、
前記参照極・対極用基板は、その表面に参照極と作用極が形成されており、
前記電解液蓄積板は、前記参照極と作用極が内側に入る開口部を有し、該開口部と前記参照極・対極用基板で囲むスペース内に電解液が蓄積されており、
前記作用極用基板は、該基板の板厚方向に貫通する貫通孔を有し、少なくとも該貫通孔の内面に作用極が形成されており、
前記隔膜は、柔軟性のある材料で形成され、前記貫通孔に面する部分がダイアフラム状に膨張可能であり、
前記流路用基板は、前記隔膜側の内面に微小流路が形成されているとともに、該内面に前記貫通孔に対応し、前記隔膜が膨張して入り込める断面凹形の孔が形成されていることを特徴とする送液装置。 - 前記作用極は、白金黒電極であることを特徴とする請求項1記載の送液装置。
- 前記断面凹形の孔は、バルブ又はポンプを構成するバルブ孔又はポンプ孔であることを特徴とする請求項1又は2記載の送液装置。
- 前記貫通孔は、隔膜方向に開いた形状であることを特徴とする請求項1、2又は3記載の送液装置。
- 前記ポンプ孔の貫通孔が複数個形成されていることを特徴とする請求項1、2、3又は4記載の送液装置。
- 前記参照極は銀/塩化銀から形成されており、前記電解液中に一定濃度の塩化物イオンを含むことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の送液装置。
- 前記流路基板は、シリコーンゴムから形成されていることを特徴とする請求項1〜6のいずれかに記載の送液装置。
- 前記電解液蓄積板と作用極用基板との間に、親水性多孔質膜が設けられていることを特徴とする請求項1〜7のいずれかに記載の送液装置。
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