JP2007210094A - ２ｄ基板に基づく３ｄ構造 - Google Patents

２ｄ基板に基づく３ｄ構造 Download PDF

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Abstract

【課題】単純な構成または構造からなる３Ｄマイクロ流体構造ならびにその低コスト製造方法を提供する。
【解決手段】複数の個別の層を具備する積層構造を備えたマイクロ流体デバイス。少なくとも１つの層（１）は、マイクロ流体構造またはマイクロ流体チャネル（３）を備え、かつ該層の少なくとも片面に、３次元（３Ｄ）構造（１３）を備えた追加層（１１）が、該３Ｄ構造がマイクロ流体チャネル（３）内の流体の流動特性に作用するように配置される。
【選択図】図１

Description

本発明は、積層構造または構成（以下、いずれの用語も同義語として用いるものとする）を備えたマイクロ流体デバイス、およびかかるマイクロ流体デバイスの製造方法に関する。
従来の平面または２Ｄ（２次元）マイクロ流体デバイスに加えて、多層マイクロ流体デバイスが公知であり、これは流路もしくはチャネルまたは流体構造を具備する少なくとも１つの層を備える。これらの多層装置または個別の層は、エッチング、射出成形、打ち抜き加工、切断等の公知の技術を用いて製造される。
例えば、ＷＯ ０１／２５１３７は、層の大部分が、例えばフォトリソグラフィーから公知のエッチング加工によって製造および加工される多数の層を用いた、組み立て式３次元（３Ｄ）マイクロ流体デバイスの製造を提案する。提案されたデバイスの内部で流体チャネルは複数の層に配置され、該チャネルはそれぞれの層間で相互連絡し、それによって３Ｄ流体ネットワークを作り出す。
ＷＯ ９９／１９７１７またはＵＳ ６ ８２７ ９０６はそれぞれ、マイクロ構造アレイを包含する３Ｄマイクロ流体デバイスの製造を提案する。マイクロチャネルを介した流体の輸送は電気浸透流を用いてまたは電気泳動を用いて達成される。このマイクロ流体デバイスは多層アレイであり、各層はロールから連続的に引き出される薄層によって形成され、かつ開口部、貯水槽、流路等を製造するための加工ステップを経る。
さらに、ＥＰ １ ５４２ ０１０は、種々の層を備えた分析用チップユニットを記載し、ここでは流路が各層にわたってのびている。予め測定された物質と、流路に面して存在する特定の物質との相互作用に基づいて液体サンプルについての分析を行なうために、断面が閉じた形状である流路に流体サンプルを流す。このチップは前記流路に連結された凸状部材をさらに具備する。ＥＰ １ ５４２ ０１０の装置によれば、流体サンプルを高精度で効率的に分析できるようになると結論付けられている。
ＷＯ ０１／２５１３７ ＷＯ ９９／１９７１７ ＵＳ ６ ８２７ ９０６ ＥＰ １ ５４２ ０１０
既知の３Ｄマイクロ構造およびこれらの３Ｄマイクロ構造を製造する方法の不利な点は、これらが個別の２Ｄ基板の層を使用することによって、または数回のエッチング加工等の複雑な加工によってのみ取得できる点である。言い換えれば、既知の３Ｄマイクロ構造の製造コストは大変大きなものである。
したがって、本発明の一つの目的は、単純な構成または構造からなる３Ｄマイクロ流体構造を提供することである。本発明の別の目的は、マイクロ流体デバイス用の３Ｄマイクロ構造を、軽減したコストで取得できる３Ｄ構造を用いることによって製造する方法である。
第１の態様では、本発明は、請求項１に規定されるようなマイクロ流体デバイスを製造する方法に関する。
個々の薄層からなる積層構造または構成を備えたマイクロ流体デバイスを製造するための本発明の方法は、３Ｄ構造を備えた少なくとも１つの層を好ましくは平面２Ｄ層内に作製するために、特定の２Ｄパターンまたは２Ｄ構造が、エッチング、打ち抜き、切断、レーザー切断、ロール切断によって、または他の適当な任意の方法によって作製され、その後、機械的および／または熱成形手順により該２Ｄパターンまたは２Ｄ構造に対応する３Ｄ構造を作製することを特徴とする。
基板２Ｄ層は異方性基板材料からなり、この層上で３Ｄ構造を作製するためのパターンが適当な方法（打ち抜き、切断、エッチング等）によって作製され、その後、構築した基礎パターンが２Ｄ基板から押し出されて３Ｄ構造を生じるように、力を適用することによって基板が成形される。
３Ｄ構造は、機械的にもしくは熱的にまたはその他の適当な方法によってもたらすことができる。
２Ｄ基板の異方性（方向依存的性質を意味する）は、成形後に、最初に作製した基板上の基礎パターンが特定の方向で面外に押し出され、その結果、３Ｄ構造が追加層の隣に配置されている少なくとも１つの層内のマイクロ流体チャネルに作用することができるようなものでなければならない。
第２の態様では、本発明は請求項５に規定されるようなマイクロ流体デバイスに関する。
本発明のマイクロ流体デバイスは、個別の複数の層からなる多層積層構造または構成を備え、そのうち少なくとも１つの層はマイクロ流体チャネル構造またはマイクロ流体チャネルを備え、かつ該層の少なくとも片面にいわゆる３Ｄ構造を備えた追加層を備え、該３Ｄ構造は、該少なくとも１つの層内のマイクロ流体チャネルまたは構造内の流動特性に作用する。
３Ｄ構造を備えた層は異方性材料からなる基板２Ｄ層から誘導される。
一つの可能なデザインによれば、本発明のマイクロ流体デバイスは、少なくとも４つの層（基層、３Ｄ構造を含む追加層、マイクロ流体チャネル構造または構成を備えた少なくとも１つの層、および頂層など）を備え、基層および／または頂層は少なくとも１つの注入口と１つの排出口とを含む。
本発明のマイクロ流体デバイスの別の好ましいデザインは従属項に規定されている。
本発明の１つの考えられる例によれば、基板の両側または両面で、異なるレベルの弾性、曲げ強度または熱伸長係数を具備した基板材料を使用することができる。しかし、両面で他の異なる物理的性質（例えば、熱を適用することによって異なる熱成形をもたらすことができる、基板の異なる熱伝導性等）を有する基板材料を使用することも可能である。
さらに、別の可能性は、電流の適用によって基板の両面で異なる加熱作用が達成されるように、両面で異なる電気伝導性を有する材料を使用することであり、これも異なる熱成形をもたらすことができる。
さらに、本発明の別の可能性によれば、少なくともわずかに増大した厚さを有する層基板材料を、マイクロ構造を備えた少なくとも１つの追加層に使用することができる。わずかに厚さが増大した追加層内では、穴、チャネル等を備えた３Ｄパターンを、打ち抜き、切断、エッチング、レーザー切断等を用いて作製することができる。追加層の３Ｄ特性は、少なくともわずかに増大した厚さおよび追加層内の各パターン様構造によってもたらされる。
本発明の方法の別の実施形態は従属項に例示される。
本発明は、より詳細に添付の図面に示される例によって記載される。
図１は、例えば４つの異なる層（所定の様式で処理されるべきサンプル流体が様々な区域、区画、貯水槽等を流れるマイクロ流体チャネル構造３を備えた層１など）からなるマイクロ流体デバイスの構築の可能な一例を模式的に示す。マイクロ流体チャネルを具備した層１の隣に、３Ｄマイクロ構造１３を備えた追加層１１が示される。マイクロ構造の面から外れた部分は、層１内のマイクロ流体チャネル３中を移動する流体サンプルの流動特性に作用して、例えばチャネル３中を流れる間の流体サンプルの適当な混合、流体内の固体成分の溶解、流動抵抗等へ作用すること等を保証する。
最後に、２つの層１および１１の両側に、頂層３１および基層２１が備えられることにより、両側でマイクロ流体デバイスが完成する。サンプルを導入するために、ならびに最終的に処理され、反応し、かつ／または分析された試験サンプルを回収するために、頂層３１内に注入口３３および排出口３５が備えられる。
図２では、例えば個々の層を積層することにより、４つの層１、１１、２１および３１をどのように組み合わせることができるかを模式的に示す。
３Ｄ構造は、マイクロ流体チャネルを備えたデバイスとは独立に、本発明の方法に従って最初に好適な２Ｄ基板（例えばフィルムまたは金属シート等）から製造され、その後他の層と組み合わせて記載したマイクロ流体デバイスを形成することができる。当然、３Ｄ構造がマイクロ流体チャネルのデザインに対応するように製造されることが好ましい。別の図を参照しながら、３Ｄ構造を製造するための基板を構築しかつ成形する考えられる方法を詳細に記載する。全ての方法に共通することは、マイクロ構造の基本形状を作製するための好適な方法を用いることによって最初に平面２Ｄ基板が構築される点である。その後、考えられる１つの工程に従って、構築された基本パターンが２Ｄ基板の面外に押し出されて３Ｄ構造が得られるように基板が成形される。基板を構築するために、様々な既知の方法（例えば、エッチング、レーザー切断、従来の切断、打ち抜き、切断手段を使用することによるマイクロ構造切断等）が好適である。２Ｄ構造の変形は、機械的もしくは熱的に、または他の好適な方法により行うことができる。基本的には、異方性を有する平面基板を用いるのが好ましく、異方性とは、方向依存的性質のことであり、該平面基板内に作製された構造パターンの面外への変形のために、好ましくは該基板の面に対して垂直に向かう力を働かせる性質を意味する。基板内の異方性は、それぞれの力を適用することによって予め構築されたパターンが最終的に２Ｄ基板の同側方向へ押し出されるようなものであることが好ましい。
考えられる変形技術は機械的成形であり、以下の図３から７で示される。図３ａは、それぞれ構築されたパターン１２が好適な方法（例えば切断）によって作製された、平面２Ｄ基板１１を示す。図３ｂに示されるような突出部分１３を生じさせるために、変形力を適用することによって、予め構築されたパターン１２が平面１１'から押し出される。変形は、例えば平面１１の単純な曲げ動作によって、ロールもしくは刃に対して基板１１を押し付けることによって、または歪曲力を適用すること等によって達成することができる。
同様に、機械的変形によって、図４ａおよび５ａに示されるようなそれぞれの平面２Ｄ基板から出発して、図４ｂおよび図５ｂに示されるような３Ｄ構造１１'も達成することができる。
また、曲げ力または歪曲力の代わりに伸展力を図６ｂに示される２つの矢印Ｋに従って適用し得る場合も、機械的変形により図６ｂおよび図７ｂに示されるような３Ｄ構造が達成される。ここでも、３Ｄ構造の基礎は平板２Ｄ基板１１であり、その中に各構造１２が図６ａおよび７ａに示されるように作製される。しかし、当然、伸長力の代わりに、特に図７ｂによる３Ｄ構造を製造することが可能な曲げ力も適用することができる。
３Ｄ構造の斜視図の一例は図８に示され、ここでは基板プレート１１'上に各マイクロ構造１３が作製されている。
図９は、図１および２に示されるデバイスに対応するマイクロ流体デバイスの実例となる組み立て品を示す。マイクロ流体デバイスの基礎はここでも、層１のような１つの平面２Ｄシートであり、その中にマイクロ流体チャネル構造３が配置される。マイクロ流体チャネル構造は様々なチャネル、貯水槽、混合用区画等からなる。チャネル流路３に沿って流れるサンプルの流動に作用するように、追加層１５内に３Ｄマイクロ構造１３が配置され、これは図８に示されるように３Ｄマイクロ構造１３を備えた基板１１'を追加層１５内に挿入することによって導入することができる。最後に、図９によるマイクロ流体デバイスは基層２１および頂層３１を備え、後者は注入口３３および排出口３５を備える。当然、唯一の３Ｄ構造層１１'の代わりに、追加の３Ｄ構造層を追加層１５上に配置して、チャネルまたは流路３に沿った流体サンプルの流動に作用させることができる。
３Ｄマイクロ構造を達成すべく、平面２Ｄ基板１１を機械的にまたは熱的に成形する代わりに、平板基板１１の片面を特別な器具（例えば成形用工具）を用いて処理または加工して、図１０および１１に模式的に示されるような成形された構造１７および１８を得ることにより、３Ｄ構造を製造することも可能である。図１０では、斜めの溝１７が示され、図１１では折れ曲がった横溝１８が示されている。溝間の幅は例えば１０〜１００μｍであり、溝の深さは例えば３０μｍである。典型的に、図１１中の溝の角度は例えば４５°である。
溝の代わりに、図１２に模式的に示されるいわゆるピラーアレイ１９を具備することも可能である。これらのピラーアレイは例えばフォトリソグラフィーで使用される方法によるエッチングによって作製し得る。個々のピラー１９間の幅は、例えば２００μｍであり、ピラーの直径は例えば１００μｍであり、各ピラーのそれぞれの高さは例えば５０μｍである。
図１から１２を参照しながら示される構造が一般的にマイクロ流体デバイスに使用される。この３Ｄマイクロ構造が層状構成を具備するデバイス（これは種々の層を有するデバイスを意味する）に使用されることが好ましい。図１、２および９を参照しながら示されるように、これらのデバイスは、底層または基層としての土台、頂層、マイクロ流路を具備する１以上の層および本発明に記載された３Ｄ構造を具備する１以上の層を備える。
本発明のデバイスが、以下のように使用できることが好ましい：
−サンプル液と１以上の溶媒および／または試薬とを均質化するための、２以上の成分を混合するための、サンプル液の流速を特定の流速にするための、あるいはチャネル内での流動抵抗を変更するための、混合用構造（例えば、いわゆる矢筈模様）；
−サンプル液の流動方向に関して垂直方向で物質移動を引き起こすことができ、それにより、例えばマイクロ流体チャネルのチャネル底部に粘着して乾燥した成分をチャネルの断片全体にわたって均一に分散することができるようにする、溶解用構造。さらに、３Ｄマイクロ構造を用いることにより、一般的に、流動チャネル内の固体成分を液体サンプルによってより良く溶解でき、またはチャネル内の乾燥成分を溶媒により湿らせかつさらに溶解できるようになる；
−３Ｄマイクロ構造を用いることによる別の効果は、チャネル中の流体運動の流速（flow rate）、流動速度（flow velocity）または流動抵抗にそれぞれ作用すること、およびマイクロ流体チャネル内の特定の流動特性を実現することである。
例えばチャネルの中ごろで乾燥した成分は、毛管力の作用により、成分がチャネルの壁で蓄積する危険性なく、マイクロ構造を用いることによって溶解することができる。いったん蓄積した成分は、放物線状の流動特性に起因して流動速度が低下するため、壁から溶出するのは困難である。
例えば図１２に示されるピラーアレイのような溶解用構造は、乾燥成分が凝集した形で乾燥しないため、チャネル内で乾燥した成分の溶解を容易にすることができる。ピラーアレイのようなマイクロ構造によれば、乾燥成分を含む溶解用区画は溶媒に対して多数の接触点をもたらし、その結果、何の構造も存在しない場合よりも迅速な乾燥成分の溶解を可能にする。
別の用途は、いわゆるマイクロミラーアレイを作製してマイクロ流動チャネル内で共焦点光学検出を達成することによる、マイクロ光学での用途である。これに関して、図１３ａおよび１３ｂを参照するが、ここでは別の特定の３Ｄマイクロ構造が模式的に示されている。図１３ａでは、平面基板１１上に、各三角形の尖頭に検出スポット１４を備えた三角形様構造パターン１２が示される。曲げ力またはねじり力を適用することにより、個々の三角形１２が平面１１から押し出されて上側に曲がった三角形様部分１３（各尖頭に検出スポット１４を備える）を生じる。屈曲部分１３に対して特定の角度で特別な照明方法（例えば光ビーム）を適用することにより、光は検出スポット１４から反射され、その結果、屈曲していない部分のバックグラウンドシグナルを低減し得る。屈曲していない部分のバッググラウンドシグナルを低減する別の手法は、検出光学系の焦点を共焦点においてのみ屈曲部分に合わせること（焦点外の全ての光を遮断することを意味する）である。
スポット領域の一部分のみが屈曲部分に及ぶようにスポットを配置することにより、活性スポットサイズ（屈曲部上のスポット部分）を、スポット領域全体のサイズと比較して小さくすることができる。これによりスポット領域の全体サイズを縮小する必要なく、小さな有効スポットを作り出すことができる。
本発明で分析される液体サンプルは、例えば調製されたヒトまたは動物の体液（例えば血液）であり得る。
３Ｄマイクロ構造を作製するための別の可能性は、例えばマイクロ流体チャネルを備えた層の厚さよりも好ましくは十分に厚い層厚からなる追加の層を用いることである。厚さが増大した層の例は図１４〜１６に示されている。厚さが増大した基板４１内で、図１４ａに示される構造パターン４２が、例えば切断用ナイフを用いることによって作製される。作製した構造片４２を打ち抜くことによって、基板層４１内に穴４９が図１４ｂに模式的に示されるように作製される。同様に、マイクロ構造３Ｄパターン４４および４６が図１５および１６に模式的に示されるように作製される。また図１４〜１６に示される基板をマイクロ流体チャネルを包含する層と組み合わせて、図１、２および９に記載されるものと同様のマイクロ流体デバイスを製造することができる。図１４〜１６に示される構造が、３Ｄ構造の隣（例えば３Ｄ構造の上側）に位置するマイクロ流体層内のチャネルまたは流路中の液体サンプルの流動に作用できることは言うまでもない。
本発明の大きな利点は、マイクロ流体デバイスの３Ｄマイクロ構造をチャネル含有層に対して非常に精密かつ正確にそろえる必要がない点である。３Ｄマイクロ構造はチャネル含有構造とは独立に製造することができる。その後、この２つの構造を組み合わせて２つの層の重ね合わせとすることができる。これは完成したマイクロ流体デバイスの組み立て中の、２つの層の整列についての要求を減ずる。
図１〜１６は単に３Ｄマイクロ構造および本発明の３Ｄマイクロ構造を用いたマイクロ流体デバイスの例を示しかつ説明するものであり、マイクロ流体デバイスを製造するための他のデザインおよび他の組み合わせが可能である。重要なことは、３Ｄマイクロ構造が個別の層内に作製され、他の層と組み合わされてマイクロ流体デバイスが製造される点である。言い換えれば、例えば、フォトリソグラフィー技術で知られるように、複数のエッチングステップを使用して、１つの基板上に様々な層を構築する必要がない。さらに、３Ｄ構造を実現するために複数の層を使用する必要がなく、１つの層を用い、その後の例えば上述されるような機械的または熱的加工によって、３Ｄ構造を実現する。機械的、熱的または化学的処理の代わりに、厚さが増大した基板層を用いて３Ｄ構造を実現することも可能である。
本発明の方法および本発明の３Ｄ構造を使用することによって、技術水準の範囲内で公知のようにマスクを使用することによって種々の層を構築する必要なく、単純な様式で３Ｄ多機能性マイクロ構造を実現することが可能である。提案した３Ｄマイクロ構造を使用することによって、マイクロ流体デバイスの製造のための製造コストを低く抑えることが可能である。さらに、流動、流速、マイクロ流体機能、種々の液体サンプルの使用、乾燥成分の使用、化学反応等に応じて、３Ｄマイクロ構造を、マイクロ流体チャネルまたは該構造の機能との関連で独立に適合させることができる。
本発明のマイクロ流体デバイスの一例を製造するために、積層化によって組み合わせられる４つの層を模式的に示す。 マイクロ流体デバイスを製造するための、図１の各層の積層化を模式的に示す。 変形による３Ｄマイクロ構造層の製造を模式的に示す。 変形によって３Ｄマイクロ構造層を製造するための別の可能性を示す。 変形によって３Ｄマイクロ構造層の製造するための別の可能性を示す。 変形によって３Ｄマイクロ構造層を製造するための別の可能性を示す。 変形によって３Ｄマイクロ構造層を製造するための別の可能性を示す。 ３Ｄマイクロ構造層の一例を示す。 図８の３Ｄマイクロ構造を含む本発明のマイクロ流体デバイスの組み立て品を示す。 ３Ｄマイクロ構造層の別のデザインを示す。 ３Ｄマイクロ構造層の別の可能なデザインを示す。 ３Ｄマイクロ構造層の別の一例を示す。 例えば検出化学用のスポットを有する、予め構築された基板を備えた３Ｄマイクロ構造層として設計した追加層を示す。 厚さが増大した基板層を切断することによって３Ｄマイクロ構造を製造する別の可能性を示す。 厚さが増大した基板層に基づく別の３Ｄマイクロ構造を示す。 厚さが増大した基板層に基づく３Ｄマイクロ構造の別の例を示す。

Claims (9)

  1. 個別の薄層から作製される積層構造を包含するマイクロ流体デバイスを製造する方法であって、３Ｄ構造を包含する少なくとも１つの層を、好ましくは平面２Ｄ層内に作製するために、特定のパターンまたは２Ｄ構造を、エッチング、打ち抜き、カッティング、レーザー切断、ロール切断によって、または他の適当な任意の方法によって作製すること、ならびにその後、機械的および／または熱的成形手順により、該２Ｄパターンまたは２Ｄ構造に対応する３Ｄ構造を作製することを含み、３Ｄ構造層を作製するための基板２Ｄ層が異方性材料からなり、かつ２Ｄパターンまたは２Ｄ構造が面外に押し出された結果として３Ｄ構造を生じるように、該２Ｄ層を機械的または熱的成形によって処理することを特徴とする、上記方法。
  2. 最初に作製した２Ｄ層内のパターンまたは構造が面外に押し出されて３Ｄ構造が生じるように、ねじり力を適用することによって、２Ｄ層が曲げられ、刃に対して押し付けられ、または回転させられることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
  3. ３Ｄ構造がマイクロ流体チャネルを通る流体流動の流れに作用するように、３Ｄ構造を備える少なくとも１つの層がマイクロ流体チャネル構成を含む層と組み合わされるかまたは該層の隣に配置されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
  4. 少なくとも４つの層が組み合わされてマイクロ流体デバイスが製造され、該４つの層が、基層、マイクロ流体チャネル構成を含む少なくとも１つの層、３Ｄ構造を含む少なくとも１つの追加層、および１つの頂層を含み、基層および／または頂層が少なくとも１つの注入口と少なくとも１つの排出口を備えることを特徴とする、請求項３に記載の方法。
  5. 少なくとも１つの層がマイクロ流体構造またはマイクロ流体チャネルを含む、複数の個別の層を含む積層構造を備えたマイクロ流体デバイスであって、前記層の少なくとも片面に３Ｄ構造を含む追加層が配置され、それにより３Ｄ構造がマイクロ流体チャネル内の流体の流動特性に作用することができ、該追加層が異方性層材料を含む２Ｄ基板から誘導されることを特徴とする、上記マイクロ流体デバイス。
  6. 追加層内の３Ｄ構造が異方性層材料を含む２Ｄ基板の機械的成形または熱的成形を用いてもたらされ得ることを特徴とする、請求項５に記載のマイクロ流体デバイス。
  7. ３Ｄ構造を備える追加層が少なくともわずかに増加した厚さを有することを特徴とする、請求項５に記載のマイクロ流体デバイス。
  8. 前記デバイスが、基層、３Ｄ構造を備える追加層、マイクロ流体構造を含む少なくとも１つの層、および頂層等の、少なくとも４つの層を含み、基層および／または頂層が少なくとも１つの注入口および／または少なくとも１つの排出口を備えることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか１項に記載のマイクロ流体デバイス。
  9. 追加層内の３Ｄ構造が、３Ｄ構造を生じさせるために曲げ力またはねじり力を適用することによって該構造が２Ｄ平面外に押し出されるように、好ましくは層の両面で異なる物理的および／または熱的挙動を示す平面２Ｄ構造層に曲げ力またはねじり力を適用することによってもたらされ得ることを特徴とする、請求項５、６または８に記載のマイクロ流体デバイス。
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