JP2009025196A - 微細流路構造体及び微細流路構造体の製造方法 - Google Patents

微細流路構造体及び微細流路構造体の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】電極を微細流路の内表面の複数形成することにより、流路内を流れる液体の濃度、あるいはまた液体中の目的物質の濃度等を正確に検出することができる微細流路構造体及び微細流路構造体の製造方法を提供する。
【解決手段】薄膜からなる電極2a,2b,2cが形成された基板1a,1b,1cが順次積層された積層体に、所定の断面形状の微細流路3が形成された微細流路構造体10であって、前記微細流路3が前記積層体の積層方向αに対して垂直な垂直方向βに形成されると共に、前記微細流路3の内表面3a、3bは、前記積層体の積層方向αに対して鋭角の角度θを有し、前記電極2a,2b,2cが前記微細流路3の内表面3a、3bの積層方向αに複数露出して形成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、化学プロセス中で反応場等として用いられる微細流路構造体及び微細流路構造体の製造方法に関する。
従来から、微量の液体試料中に含まれる物質を分離したり、分析したりする微細流路構造体が知られている。
例えば、特許文献1には、図8に示すように、第1の基板(ガラス基板)101の一面に周縁部に隙間を有することなく埋め込み形成されこの第1の基板101の一面と同一平面をなす電極部103と、この第1の基板101の前記一面に一面が接して設けられた第2の基板102と、前記第1の基板101と第2の基板(ガラス基板)102によって形成された流路104を具備した微細流路構造体100が提案されている。
この種の微細流路構造体100にあっては、流路104中に電極部103が形成されているために、流れる微量の液体の濃度、あるいはまた液体中の目的物質の濃度等を検出することができる。
特開2006−224014号公報
ところで微細流路内に、例えば複数の液体を流しながら混合する場合、微細流路断面方向における液体の濃度は一般的に均一にはならない。そのため、特許文献1で提案されているような微細流路構造体にあっては、電極部が第1の基板と第2の基板との接合面、即ち流路の底部のみに電極部が形成されているため、流路内を流れる液体の濃度、あるいはまた液体中の目的物質の濃度等を正確に検出することができないという課題があった。
本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、流路内を流れる液体の濃度、あるいはまた液体中の目的物質の濃度等を正確に検出することができる微細流路構造体及び微細流路構造体の製造方法を提供することを目的とするものである。
前記した課題を解決するために、本発明に係る微細流路構造体は、基板と前記基板上に設けられた電極とが順次積層された積層体に、微細流路が形成された微細流路構造体であって、前記微細流路は、前記積層体の積層方向に対して鋭角の角度を備える内表面を有し、前記電極が前記内表面の前記積層方向に複数露出して形成されていることを特徴としている。
このように、電極が前記微細流路の内表面の積層方向に複数露出して形成されているため、流路内を流れる液体の濃度、あるいはまた液体中の目的物質の濃度等を正確に検出することができる。
更に、前記内表面は、基板と前記基板上に設けられた電極とが順次積層された積層体の積層方向に対して鋭角の角度を備えているため、前記内表面に露出する電極の露出面積を広く形成することができるため、各々の電極の感度を高めることができ、より、流路内を流れる液体の濃度、あるいはまた液体中の目的物質の濃度等を正確に検出することができる。
ここで、前記電極が、前記微細流路の内表面の前記積層方向及び前記微細流路の流路方向に、複数露出して形成されていることが望ましい。このように、電極が前記微細流路の内表面の積層方向のみならず、前記微細流路の流路方向にも複数露出して形成されているため、流路方向における液体の濃度変化、あるいはまた液体中の目的物質の濃度変化等をも正確に検出することができる。
また、前記角度は、30°以上60°以下であることが好ましい。前記角度が、上記範囲内にある場合には、前記内表面を比較的容易に形成することが可能となる。
また、前記微細流路の内表面の形状が三角形状に形成されていることが望ましい。また、前記電極は前記基板上の一部に矩形形状に形成され、かつ前記微細流路の内表面の一部に、線状の電極が前記積層方向に所定間隔をもって露出していることが望ましい。更には、前記基板上の一部に複数の矩形形状の電極が形成され、かつ前記微細流路の内表面の一部に、線状の電極が前記積層方向及び前記微細流路の流路方向に所定間隔をもって露出していることが望ましい。
このような構成を備えることで、前記内表面を比較的容易に形成することが可能となる。
前記した課題を解決するために、本発明に係る微細流路構造体の製造方法は、薄膜からなる電極が形成された基板を順次積層し、積層体を形成する工程と、前記積層体の上面から前記積層体の積層方向に対して鋭角の角度を備える内表面を有する溝を形成し、前記溝の内表面に前記電極を前記積層方向、あるいは前記積層方向及び前記溝の延設方向に複数露出させる工程と、前記積層体の上面に形成された溝の開口部を塞ぎ、前記溝を微細流路として形成する工程とを含むことを特徴としている。
このような製造方法によれば、微細流路の内表面の積層方向、あるいは前記積層方向及び微細流路の流路方向に電極を、容易に複数形成することができる。尚、前記溝の断面形状はV字形状であることが望ましい。溝形状がV字形状の場合、容易に溝を形成することができる。
前記した課題を解決するために、本発明に係る微細流路構造体の製造方法は、薄膜からなる電極が形成された基板を順次積層し、第1の積層体を形成する工程と、前記第1の積層体の上面から前記第1の積層体の第1の積層方向に対して鋭角の角度を備える内表面を有する第1の溝を形成し、前記第1の溝の内表面に前記電極を前記第1の積層方向、あるいは前記第1の積層方向及び前記第1の溝の延設方向に複数露出させる工程とを含む第1の基体を形成する工程と、薄膜からなる電極が形成された基板を順次積層し、第2の積層体を形成する工程と、前記第2の積層体の上面から前記第2の積層体の第2の積層方向に対して鋭角の角度を備える内表面を有する第2の溝を形成し、前記第2の溝の内表面に前記電極を前記第2の積層方向、あるいは前記第2の積層方向及び前記第2の溝の延設方向に複数露出させる工程とを含む第2の基体を形成する工程と、前記第1の基体に形成された第1の溝と、前記第2の基体に形成された第2の溝が対峙するように、前記第1の基体と前記第2の基体とを貼り合せ、前記第1の溝及び第2の溝からなる微細流路を形成する工程を含むことを特徴としている。
このような製造方法によれば、微細流路の内表面の積層方向、あるいは積層方向及び微細流路の流路方向に電極を、容易に複数形成することができる。尚、前記溝の断面形状はV字形状であることが望ましい。溝形状がV字形状の場合、比較的容易に溝を形成することができる。この場合形成される微細流路は四角形(例えば、菱型形状)となる。
本発明によれば、流路内を流れる液体の濃度、あるいはまた液体中の目的物質の濃度等を正確に検出することができる微細流路構造体及び微細流路構造体の製造方法を得ることができる。
以下、本発明に係る微細流路構造体の第1の実施形態について図1に基づいて説明する。尚、図1は第1の実施形態に係る微細流路構造体10の概略構造を示す図であって、(a)は斜視図、(b)は(a)に示したA−A断面図である。
図1に示すように、この微細流路構造体10は薄膜(例えば、厚さ0.1〜10μm)からなる電極2a,2b,2cが形成された基板1a,1b,1cが順次積層され、更に、前記電極2cが形成された基板1c上に電極が形成されない基板1d、1eが積層されている。
また、前記基板1a,1b,1c,1d,1eが積層された積層体に、微細流路3が前記電極2a,2b,2cを横切る(切断する)ように形成されている。
すなわち、微細流路3は、前記積層体の積層方向αに対して垂直な垂直方向βに形成されるように、積層体内に形成されている。
また、微細流路3の内表面3a、3bは、前記積層体の積層方向αに対して鋭角の角度θを備えている。
更に、各電極2a,2b,2cは、微細流路3の内表面3a、3bの一部の積層方向αに所定間隔をもって複数露出して形成されている。
このように、電極2a,2b,2cが微細流路3の内表面3a、3bの積層方向αに複数露出して形成されているため、流路内を流れる液体の濃度、あるいはまた液体中の目的物質の濃度等を正確に検出することができる。
更に、内表面3a、3bは、積層方向αに対して鋭角の角度θを備えている。なお、前記角度θが0°(内表面3a、3bが積層方向αに対して平行な場合、すなわち、微細流路3の形状が四角の場合)は、内表面3a、3bに露出する電極2a,2b,2cの露出面積は、電極2a,2b,2cの膜厚に相当するものとなる。この場合、電極2a,2b,2cの膜厚が薄く、電極2a,2b,2cの露出面積が小さい場合には、流路内を流れる液体の濃度、あるいはまた液体中の目的物質の濃度の検出感度が低下してしまう。このため、電極2a,2b,2cの膜厚はある程度の厚さを有している必要がある。
しかしながら、本実施形態に示すように、内表面3a、3bを、積層方向αに対して鋭角の角度θを備える構成とすることで、積層方向αに平行な場合(θ=0°)よりも、電極2a,2b,2cの膜厚相当分以上の露出面積を得ることができる。これによって、内表面3a、3bに露出する各々の電極の感度を高めることができ、より流路内を流れる液体の濃度、あるいはまた液体中の目的物質の濃度等を正確に検出することができる。
前記角度θは、30°以上60°以下であることが好ましい。前記角度が、上記範囲内にある場合には、製造上、比較的、容易に前記内表面3a、3bを形成することが可能となる。
本実施形態では、微細流路3の内表面3a、3bの形状は三角形状に形成されている。なお、微細流路3の内表面3a、3bの形状は三角形状に限定されるものではなく、前記積層方向αに対して鋭角の角度θを有していれば、内表面3a、3bの形状が半円形状であってもよく、また、図示しないが、内表面3a、3bを側壁として、底部として、積層方向αに垂直な角度(θ=90°)の平面を備えた台形の流路形状を有する微細流路3であってもよい。但し、微細流路3の内表面3a、3bの形状を三角形状で構成する場合には、内表面3a、3bが形成しやすく、比較的、容易に微細流路構造体を得ることができる。
但し、前記微細流路3の内表面3a、3bの一部に、電極2a,2b,2cが積層方向に所定間隔をもって形成するために、前記微細流路3は、電極2a,2b,2cを横切る(切断する)ように形成されている必要がある。
本実施形態では電極2a,2b,2cは、各基板1a,1b,1cの一部に矩形形状に形成されており、前記基板1a,1b,1cを積層した状態において、積層方向に重なるように形成されている。また、各基板1a,1b,1cは一定の厚さに形成されており、電極2a,2b,2cは、積層方向に一定の間隔をもって配置される。
なお、電極2a,2b,2cの形状は、一端が微細流路3の内表面3a、3bに露出し、かつ、他端が積層体の外周近傍又は外周に露出していれば、矩形形状に限定されるものではなく、その他、多種多様の形状を採用することができる。但し、矩形形状は形状的にシンプルであるため、比較的容易に基板1a,1b,1c上に形成することができる。
基板1a,1b,1c,1d,1eの材質は電気絶縁性を有するものであれば、特に限定されるものではない。好適には、プラスチック基板やガラス基板を用いることができる。
また、電極2a,2b,2cの材質は、電気を通すものであれば、特に限定されるものではないが、例えば、アルミニウム、銀、ニッケル、モリブデン、銅、金、白金等の金属類、又は、これらの二種類以上の合金やI T O 、酸化インジウム、導電性酸化錫、導電性酸化亜鉛等の導電金属酸化物類、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェンなどの導電性高分子類等の材質が好適に用いられる。
尚、この電極2a,2b,2cを基板1a,1b,1cに形成する方法も、剥がれや断線を生じない方法であれば特に限定されず、例えば、電子ビーム加熱蒸着法や熱フィラメント蒸着法といった蒸着法、スパッタリング法、イオンプレーティング法、レーザアブレーション法といった各種のP V D 法; 各種のC V D 法; スクリーン印刷法; リフトオフ法; ゾル・ゲル法等を挙げることができる。即ち、リソグラフィ技術及びエッチング技術に基づき、電極2a,2b,2cを基板1a,1b,1cに形成することができる。
次に、図2、図3に基づいて第1の実施形態にかかる微細流路構造体の製造方法の一実施形態を説明する。尚、図2は、第1の実施形態にかかる微細流路構造体の製造工程を示す図であり、図3は図2(c)に示したB−B断面図である。
先ず、図2(a)に示すように、3枚の基板1a,1b,1c上にそれぞれ電極2a,2b,2cを形成する。ここでは、基板1a,1b,1cとしてガラス基板を用い、例えば、モリブデンで構成された電極2a,2b,2cを、リソグラフィ技術及びエッチング技術に基づき、矩形形状にパターニングして、各々厚さ0.5μm形成する。
次に、図2(b)に示すように、前記電極2a,2b,2cが垂直方向(積層方向α)に重なり合うように前記基板1a,1b,1cを重ね合わせ、更に、基板1c上に電極が形成されていない基板1dを重ね合わせ、積層させる。
そして、積層された基板1a,1b,1c、1dを加熱し、基板1a,1b,1c、1dを融着し、一体化する。尚、各基板を一体化する方法は、融着以外にも、各基板1a,1b,1c、1d間に接着剤を介して貼り合せても良い。
そして、図2(c)に示すように、積層した基板1a,1b,1c、1dの上面、すなわち、基板1dの電極2cと接する面に対向する面上から機械加工を行い、断面形状が積層方向αに対して鋭角の角度θを備える内表面を有する溝(本実施形態ではV字形状の溝、以下、V溝という)3cを形成する。
尚、この溝加工は基板1a,1b,1c、1dの材質に合った加工方法が任意に選択できるが、電極2a,2b,2cと基板1a,1b,1c、1dとが異なる性質を持つことから、エッチングなどの化学的な除去方法よりはドリルやエンドミル、バイトなどを用いた機械加工が好適である。その際、溝の変形や電極の剥がれに注意して加工条件を決定する必要がある。
このV溝3cは、積層した基板1a,1b,1c、1dの上面から積層方向αに対して垂直方向βに延設され、前記V溝3cの内表面3a、3bに前記電極2a,2b,2cが積層方向αに露出する。即ち、図2(c)、図3に示すようにV溝3cの内表面3a、3bに電極2a,2b,2cが相対向して夫々一対の電極が露出すると共に、V溝3cの内表面3a、3bの積層方向αに所定の間隔(基板の厚さの間隔)をもって規則正しく電極2a,2b,2cが露出する。
前記V溝3cは、基板1a,1b,1c、1dの積層方向αに対する角度θが90度未満(鋭角)に形成されている。好ましくは、積層方向に対する角度θが30°以上60°以下に形成されているのが良い。
前記したV溝3cを形成した後、図2(d)に示すように、基板1eを前記基板1dの上面に融着、あるいは接着剤を介して貼り合わせる。これにより、積層された積層体に形成されたV溝3cの開口部が塞がれ、前記V溝3cは三角形状の断面形状を有する微細流路3として形成される。
次に、本発明に係る微細流路構造体の第2の実施形態について図4に基づいて説明する。図4は、本発明の微細流路構造体の第2の実施形態を示す図であって、(a)は正面図、(b)は(a)に示したB−B断面図である。
本実施形態に関る微細流路構造体20は、前記した図2(c)に示した基板1a,1b,1c,1dを積層し、V溝3cが形成された積層体(第1の積層体)20aを用意し、更に前記第1の積層体20aと同様に、基板11a,11b,11c,11dを積層し、V溝3dが形成された積層体(第2の積層体)20bを用意する。この基板11a,11b,11cにも、前記基板1a,1b,1cと同様に電極12a,12b,12cが形成されている。
そして、前記第1の積層体20aに形成された溝3cと、前記第2の積層体20bに形成された溝3dが対峙するように、前記第1の積層体20aと前記第2の積層体20bとを貼り合せ、微細流路13を形成する。
このようにして形成された微細流路構造体20の微細流路13はその断面形状が四角形(例えば、菱型形状)となり、その内表面により多くの電極(本実施形態では6対の計12個の電極)が形成され、微細流路13の積層方向αの濃度分布等をより正確に測定することができる。
その他の構成、製法は第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
更に、本発明に係る微細流路構造体の第3の実施形態について図5、6に基づいて説明する。図5は、第3の実施形態に係る微細流路構造体の製造方法を示す図、図6は、第3の実施形態に係る微細流路構造体の概略構造を示す図である。
本実施形態に関る微細流路構造体30は、各基板1a,1b,1c,1dに形成される電極2a1〜2a4,2b1〜2b4、2c1〜2c4を複数形成した点に特徴がある。
前記第1の実施形態にあっては、基板には矩形形状の一つの電極が形成され、その微細流路3を流れる液体が液体流路3の内表面に露出した前記電極に接触した際の濃度等を測定することができる。しかし、微細流路3の流れ方向の濃度変化等は測定することができない。
本第3の実施形態にあっては、図6に示すように、基板1a、1b、1c、1dの積層方向αのみならず、微細流路3の流れ方向(流路方向、前述した垂直方向βと同じ方向)γにも複数の電極2a1〜2a4,2b1〜2b4、2c1〜2c4が形成されている。
このように、電極が微細流路の内表面の積層方向のみならず、微細流路の流路方向にも複数露出して形成されているため、流路方向における液体の濃度変化、あるいはまた液体中の目的物質の濃度変化等をも正確に検出することができる。
その他の構成、製法は第1の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
なお、前述した第1から第3の微細流路構造体については、基板と基板上に設けられた電極とが順次積層し、さらに、その上に電極が形成されていない基板を積層した積層体の構成で説明されているが、本願発明はこれに限定されるものはなく、電極が形成されていない基板を用いなくてもよい。この場合には、図2に示す積層した基板1a,1b,1cの上面、すなわち、基板1cの電極2cの面上から機械加工を行うことでV溝3cを形成する。
また、図7に示すように、微細流路3の頂点が電極2aに位置するように溝3を形成しても良い。
更に、前述した第3の実施形態の微細流路構造体の構成、即ち微細流路3の流れ方向に複数の電極を形成する構成を、第2の実施形態の微細流路構造体の構成に取り入れても同様な効果を奏するには言うまでもない。
続いて、本発明に係る微細流路構造体について、実施例に基づきさらに説明する。
一辺が20mmの正方形形状で、厚さが0.2mmのホウ珪酸塩ガラス基板の表面に、膜厚500nm、矩形形状のMo電極パターンを、リソグラフィ技術及びエッチング技術により形成した。そして、このMo電極パターンが形成されたホウ珪酸塩ガラス基板を2枚製作した。更に、一の基板の電極面側に、他の基板の非電極面側が位置するように積層した。
そして、前記他の基板の電極面側に、Mo電極パターンが形成されていない一辺が20mmの正方形形状、厚さが0.2mmのホウ珪酸塩ガラス基板を配置し、一の基板の非電極面側に、Mo電極パターンが形成されていない一辺が20mmの正方形形状、厚さが3mmのホウ珪酸塩ガラス基板を配置した。
その後、Mo電極パターンが形成されていない二つの前記ホウ珪酸塩ガラス基板で、前記Mo電極パターンを有するホウ珪酸塩ガラス基板を挟み込みながら650℃の真空中で加圧して熱融着した。
その後、Mo電極パターンが形成されていない一辺が20mmの正方形形状、厚さが0.2mmのホウ珪酸塩ガラス基板側から、φ2mm、先端Rが4μmの単結晶ダイヤモンド・ドリルの先端で、深さ0.6mmのV溝となるように、微細流路となるパターンを機械加工し、V溝が形成された積層体を製作した。
さらに、前述と同様にして、同一の構成を有する、もう一つのV溝が形成された積層体を製作した。そして、両積層体を、互いの溝パターンが一致するように対向させて固定し、650℃に加熱して熱融着し、微細流路を形成した。
これによって、微細流路内表面の積層方向に、4対、計8個の電極が形成できた。
図1は、第1の実施形態に係る微細流路構造体の概略構造を示す図であって、(a)は斜視図、(b)は(a)に示したA−A断面図である。 図2は、第1の実施形態に係る微細流路構造体の製造方法を示す図である。 図3は、図2(c)示された工程のB−B断面図である。 図4は、本発明の微細流路構造体の第2の実施形態を示す図であって、(a)は正面図、(b)は(a)に示したB−B断面図である。 図5は、第3の実施形態に係る微細流路構造体の製造方法を示す図である。 図6は、第3の実施形態に係る微細流路構造体の概略構造を示す図である。 図7は、第1の実施形態に係る微細流路構造体の変形例を示す断面図である。 図8は、従来の微細流路構造体を示す側面図である。
符号の説明
1a…基板
1b…基板
1c…基板
1d…基板
1e…基板
2a…電極
2a1,2a2,2a3,2a4…電極
2b…電極
2b1,2b2,2b3,2b4…電極
2c…電極
2c1,2c2,2c3,2c4…電極
3…微細流路
3a,3b…内表面
3c,3d…溝
11a…基板
11b…基板
11c…基板
11d…基板
12a…電極
12b…電極
12c…電極
13…微細流路
10…微細流路構造体
20…微細流路構造体
20a…第1の積層体
20b…第2の積層体
30…微細流路構造体

Claims (9)

  1. 基板と前記基板上に設けられた電極とが順次積層された積層体に、微細流路が形成された微細流路構造体であって、
    前記微細流路は、前記積層体の積層方向に対して鋭角の角度を備える内表面を有し、前記電極が前記内表面の前記積層方向に複数露出して形成されていることを特徴とする微細流路構造体。
  2. 前記電極が、前記微細流路の内表面の前記積層方向及び前記微細流路の流路方向に、複数露出して形成されていることを特徴とする請求項1記載の微細流路構造体。
  3. 前記角度は、30°以上60°以下であることを特徴とする請求項1または2記載の微細流路構造体。
  4. 前記微細流路の内表面の形状が三角形状に形成されていることを特徴とする請求項1乃至請求項3いずれか記載の微細流路構造体。
  5. 前記電極は前記基板上の一部に矩形形状に形成され、かつ前記微細流路の内表面の一部に、線状の電極が前記積層方向に所定間隔をもって露出していることを特徴とする請求項1乃至請求項4いずれか記載の微細流路構造体。
  6. 前記基板上の一部に複数の矩形形状の電極が形成され、かつ前記微細流路の内表面の一部に、線状の電極が前記積層方向及び前記微細流路の流路方向に所定間隔をもって露出していることを特徴とする請求項2記載の微細流路構造体。
  7. 薄膜からなる電極が形成された基板を順次積層し、積層体を形成する工程と、
    前記積層体の上面から前記積層体の積層方向に対して鋭角の角度を備える内表面を有する溝を形成し、前記溝の内表面に前記電極を前記積層方向、あるいは前記積層方向及び前記溝の延設方向に複数露出させる工程と、
    前記積層体の上面に形成された溝の開口部を塞ぎ、前記溝を微細流路として形成する工程とを含むことを特徴とする微細流路構造体の製造方法。
  8. 薄膜からなる電極が形成された基板を順次積層し、第1の積層体を形成する工程と、
    前記第1の積層体の上面から前記第1の積層体の第1の積層方向に対して鋭角の角度を備える内表面を有する第1の溝を形成し、前記第1の溝の内表面に前記電極を前記第1の積層方向、あるいは前記第1の積層方向及び前記第1の溝の延設方向に複数露出させる工程とを含む第1の基体を形成する工程と、
    薄膜からなる電極が形成された基板を順次積層し、第2の積層体を形成する工程と、
    前記第2の積層体の上面から前記第2の積層体の第2の積層方向に対して鋭角の角度を備える内表面を有する第2の溝を形成し、前記第2の溝の内表面に前記電極を前記第2の積層方向、あるいは前記第2の積層方向及び前記第2の溝の延設方向に複数露出させる工程とを含む第2の基体を形成する工程と、
    前記第1の基体に形成された第1の溝と、前記第2の基体に形成された第2の溝が対峙するように、前記第1の基体と前記第2の基体とを貼り合せ、前記第1の溝及び第2の溝からなる微細流路を形成する工程を含むことを特徴とする微細流路構造体の製造方法。
  9. 前記溝の断面形状がV字形状であることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の微細流路構造体の製造方法。
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