JP2009115692A - マイクロ流体装置及びマイクロ流体装置の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】第１及び第２の電極間で発生する電流を増幅することができるマイクロ流体装置及びマイクロ流体装置の製造方法を提供する。
【解決手段】マイクロ流体装置１は、下側基板２と上側基板３との間に、流路用の貫通穴を有する樹脂モールド４とを積層して構成されている。下側基板２及び上側基板３は、樹脂モールド４との接合面側に形成された配線パターン１１Ａ，１１Ｂと、それら配線パターン１１Ａ，１１Ｂにそれぞれ接続され、他の基板側に向かうように設けられた複数のカソード電極１２０及びアノード電極１２１とをそれぞれ有する。
【選択図】図３

Description

本発明は、マイクロ流体装置及びマイクロ流体装置の製造方法に関する。

従来、電気泳動により分離された試料の検出を行う電気泳動チップが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この電気泳動チップは、一対の基板からなり、一方の基板に交差する電気泳動用の溝を形成し、他方の基板に溝に対応する貫通穴を設けたものである。そして、電気泳動用の溝の適当な位置に検出器を配置しておくことにより、電気泳動により分離された試料の検出を行うことができる。

また、検出器としてくし型電極を用いたマイクロチップが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。

このマイクロチップは、流路の所定の壁面上に従来の露光プロセスを用いて作製されたくし状の電極が２つあり、くしの歯が交互に噛み合った構造を有する。そして、それらくし状の電極上で酸化還元反応により発生した電流の電流値を測定することにより、対象となる試料の検量を行うことができる。

特開２０００−３１４７１９号公報 シャープ技法 第９４号 ２００６年８月 ｐ.４６−５１

本発明の目的は、第１及び第２の電極間で発生する電流を増幅することができるマイクロ流体装置及びマイクロ流体装置の製造方法を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下のマイクロ流体装置及びマイクロ流体装置の製造方法を提供する。

［１］流路が形成された流路構造体と、前記流路の壁面に形成された第１及び第２の配線パターンと、前記第１及び第２の配線パターンにそれぞれ接続され、前記壁面に対向する前記流路の壁面に向かうように設けられた複数の第１及び第２の電極とを備えたマイクロ流体装置。

［２］前記第１及び第２の配線パターンは、互いに対向する前記壁面に形成された前記［１］に記載のマイクロ流体装置。

［３］前記複数の第１及び第２の電極は、２次元状に設けられた前記［１］に記載のマイクロ流体装置。

［４］前記複数の第１及び第２の電極は、複数の薄膜を積層して形成された前記［１］に記載のマイクロ流体装置。

［５］柱上の複数の第１及び第２の電極がそれぞれ形成される第１及び第２の配線パターンがそれぞれ形成された第１及び第２の板部材を準備し、基板上に形成された薄膜部材をパターンニングすることにより、前記複数の第１及び第２の電極の断面パターンに対応する複数の薄膜パターンを形成し、前記第１及び第２の板部材と前記複数の薄膜パターンとの接合面を洗浄化し、洗浄化された前記第１及び第２の板部材に洗浄化された前記複数の薄膜パターンを直接接触されることにより前記複数の薄膜パターンを接合し、前記複数の薄膜パターンが接合された前記第１及び第２の板部材の間に、流路用の貫通穴を有する第３の板部材を積層したマイクロ流体装置の製造方法。

請求項１に係るマイクロ流体装置によれば、第１及び第２の電極間で発生する電流を増幅することができる。

請求項２に係るマイクロ流体装置によれば、流路構造体に配線パターンを形成する工程を簡略化することができる。

請求項３に係るマイクロ流体装置によれば、本構成を有していない場合と比較して、複数の第１及び第２の電極を効果的に配列することができる。

請求項４に係るマイクロ流体装置によれば、複数の第１及び第２の電極を容易に形成することができる。

請求項５に係るマイクロ流体装置の製造方法によれば、複数の第１及び第２の電極を容易に製造することができる。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体装置を示し、図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は分解斜視図である。また、図２（ａ）は、マイクロ流体装置の上面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。

このマイクロ流体装置１は、下側基板２と上側基板３との間に、流路用の貫通穴を有する樹脂モールド４とを積層して構成されている。樹脂モールド４が有する貫通穴は、下側基板２及び上側基板３により、その下側及び上側が塞がれることにより流路を形成する。すなわち、本実施の形態では、下側基板２、上側基板３及び樹脂モールド４が流路を形成する流路構造体を構成する。

マイクロ流体装置１は、上記のように流路として形成された短辺流路４ａと、短辺流路４ａより流路長が長い長辺流路４ｂと、それら短辺流路４ａ及び長辺流路４ｂが合流する合流する合流部４ｃとを備える。

樹脂モールド４は、熱硬化性を有する樹脂、例えば、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）等のシリコーン樹脂や、熱可塑性を有する樹脂により形成されている。なお、樹脂モールド４は、樹脂の代わりに、例えば、石英、ガラス、シリコン等により形成してもよい。

下側基板２には、樹脂モールド４との接合面側に設けられ、長辺流路４ｂ内に収納される検出部１２と、下側基板２上に形成され、検出部１２に接続された配線パターン１１Ａとが設けられている。なお、検出部１２及び配線パターン１１Ａの詳細については後述する。

上側基板３は、流体を導入する第１〜第４の入口３ａ〜３ｄを有する。第１及び第３の入口３ａ，３ｃは、短辺流路４ａの両端部に対応して設けられており、第２及び第４の入口３ｂ，３ｄは、長辺流路４ｂの両端部に対応して設けられている。また、上側基板３には、下側基板２と同様に、樹脂モールド４との接合面側に検出部１２及び配線パターン１１Ｂが設けられている。

下側基板２及び上側基板３は、例えば、石英、ガラス、シリコン等からなる。また、配線パターン１１Ａ，１１Ｂは、例えば、白金、銅等の導電体からなる。なお、下側基板２及び上側基板３は、異なる材質により形成されていてもよい。

図３は、検出部１２及び配線パターン１１Ａ，１１Ｂの詳細を示し、図３（ａ）は、図２（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。

検出部１２は、複数のカソード電極（第１の電極）１２０と、複数のアノード電極（第２の電極）１２１とを備える。複数のカソード電極１２０は、配線パターン１１Ａに電気的に接続され、複数のアノード電極１２１は、配線パターン１１Ｂに電気的に接続されている。

カソード電極１２０及びアノード電極１２１は、円柱状の構造を有し、それらカソード電極１２０及びアノード電極１２１が設けられた下側基板２及び上側基板３の壁面と対向する他の基板の壁面に向かうようにそれぞれ設けられている。なお、カソード電極１２０及びアノード電極１２１の形状は、柱状であればよく、その断面形状は、円形の他に矩形でもよいし、これらに限られない。

また、カソード電極１２０及びアノード電極１２１は、例えば、白金等の導電体からなり、複数の金属薄膜を積層して形成されている。

また、複数のカソード電極１２０及びアノード電極１２１は、２次元状に設けられている。例えば、複数のカソード電極１２０及びアノード電極１２１は、図３（ａ）に例示するように、長辺流路４ｂによる流体の流れ方向とその流れ方向に対して交差する交差方向とにおいて、所定のピッチで交互に配列されている。なお、流れ方向に対して一定の角度で配列されていてもよい。

（製造方法）
次に、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体装置の製造方法について説明する。

（１）上側基板、下側基板の製作
まず、複数のカソード電極１２０及びアノード電極１２１の断面パターンに対応する複数の電極パターンを積層することにより、下側基板２及び上側基板３に複数のカソード電極１２０及びアノード電極１２１をそれぞれ形成するため、電極パターンの製作工程、電極パターンの接合工程について、図４、図５Ａ及び図５Ｂを参照して説明する。

（１−Ａ）電極パターンの製作
図４（ａ）、図４（ｂ）は、電極パターンの製作工程を示す断面図、図４（ｃ）は、ドナー基板上に形成された電極パターンを示す平面図である。

図４（ａ）に例示するように、ドナー基板１３上に離型層１４を形成し、離型層１４上に電極膜１５を着膜する。

ドナー基板１３には、シリコンウェハ、石英基板、ガラス基板等を用いることができる。本実施の形態では、シリコンウェハを用いる。

離型層１４は、例えば、ポリイミド、フッ化ポリイミド、酸化シリコン等の公知の材料を用いることができる。本実施の形態では、ポリイミドを用いる。なお、ドナー基板に熱酸化処理を行って形成される熱酸化膜を用いてもよい。離型層１４のドナー基板１３上への形成は、スパッタリング法、分子線ビームエピタキシャル法、化学気相堆積法、真空蒸着法、スピン塗布法等の一般的な薄膜形成方法を用いることができる。

電極膜１５の着膜方法としては、例えば、電子ビーム加熱蒸着法、抵抗加熱蒸着法、スパッタリング法、化学蒸着法等の真空蒸着法、スピンコート法等を用いることができる。本実施の形態では、抵抗加熱蒸着法により電極膜１５を２０μｍ着膜する。

次に、電極膜１５をパターニングすることにより、図４（ｂ）及び図４（ｃ）に例示するように、円形にパターニングされた複数の電極パターン１５１が千鳥格子状に配列され、それら複数の電極パターン１５１からなる第１及び第２の電極パターン群１５０Ａ，１５０Ｂが形成される。

パターニングとしては、例えば、リソグラフィー法、集束イオンビーム（ＦＩＢ）法、電子ビーム直接描画法等を用いることができるが、高い平面形状精度が得られ、量産性が高い点で、リソグラフィー法が好ましい。本実施の形態では、リソグラフィー法により電極膜１５をエッチング除去する。エッチングには、化学薬品を用いて被加工物を溶かし込むウエットエッチングや、イオンを利用して被加工物を気化して取り除くドライエッチング等を用いることができる。本実施の形態では、ドライエッチングを用いる。

形成された１つの電極パターン１５１の直径は、例えば、１０μｍである。

（１−Ｂ）電極パターンの接合
図５（ａ）〜（ｆ）は、電極パターンの接合工程を示す断面図、図５（ｇ）は、接合工程により製作された複数の電極を示す断面図である。

第１及び第２の電極パターン群１５０Ａ，１５０Ｂが形成されたドナー基板１３を図示しない真空槽内の下部ステージ（図示せず）に配置し、配線パターン１１Ａが形成された下側基板２を、その配線パターン１１Ａが形成された面を下向きにして上部ステージ（図示せず）に配置する。

なお、配線パターン１１Ａは、例えば、リソグラフィー法、集束イオンビーム（ＦＩＢ）法、電子ビーム直接描画法等により下側基板２に形成することができる。

下部ステージは、ｘ方向、ｙ方向、θ（ｚ軸周り）方向に移動可能となっており、上部ステージは、ｚ方向に移動可能となっている。次に、真空槽内を排気し、高真空状態あるいは超真空状態にする。

次に、図５（ａ）に例示するように、下部ステージを移動させて下側基板２をドナー基板１３の第１の電極パターン群１５０Ａ上に位置決めし、下側基板２の表面、及びドナー基板１３の表面、すなわち第１の電極パターン群１５０Ａの表面をＦＡＢ(Fast Atom Beam)処理により清浄化する。ＦＡＢ処理とは、例えば、アルゴン、クリプトン、キセノン等の不活性ガスを高電圧で加速して接合面に照射し、接合面の酸化膜、不純物等を除去する処理をいう。本実施の形態では、不活性ガスとしてアルゴンを用いる。

次に、図５（ｂ）に例示するように、上部ステージを移動させて下側基板２を降下させ、下側基板２と第１の電極パターン群１５０Ａとを荷重を加えて圧接して常温接合する。次に、図５（ｃ）に例示するように、上部ステージを移動させて下側基板２を上昇させて第１の電極パターン群１５０Ａを下側基板２に転写させる。

ここで、「常温接合」とは、上記のＦＡＢによって清浄化された接合面同士を常温雰囲気で接触させ、原子同士を直接結合させる接合方法をいい，表面活性化接合ともいう。常温接合（表面活性化接合）の他に、清浄化された接合面同士が拡散を生じさせない程度の温度（例えば、１００℃程度）で加熱して接合してもよい。

次に、図５（ｄ）に例示するように、下部ステージを移動させて下側基板２をドナー基板１３上の第２の電極パターン群１５０Ｂ上に位置決めし、下側基板２の表面、すなわち第１の電極パターン群１５０Ａの裏面（ドナー基板１３側に接触していた面）、及びドナー基板１３の表面、すなわち第２の電極パターン群１５０Ｂの表面にＡｒビームを照射して清浄化する。

次に、図５（ｅ）に例示するように、上部ステージを移動させて下側基板２を降下させ、下側基板２上の第１の電極パターン群１５０Ａを第２の電極パターン群１５０Ｂに圧接して常温接合する。

次に、図５（ｆ）に例示するように、上部ステージを移動させて下側基板２を上昇させて第２の電極パターン群１５０Ｂを下側基板２に転写させる。

次に、他の電極パターン群（図示せず）をさらに複数回（例えば、３回）下側基板２に転写することにより、下側基板２には、図５（ｇ）に例示するように、複数の電極パターン群が積層された複数のカソード電極１２０が形成される。

そして、上部ステージと下側基板２との間の犠牲層をエッチングにより除去して、下側基板２を上部ステージから分離することにより、複数のアノード電極１２１が形成された下側基板２が製作される。

また、上記と同様の方法により、上側基板３に対しても複数の電極パターン群が積層された複数のアノード電極１２１を形成することができる。

（２）樹脂モールドの製作
樹脂モールド４は、その材料としてＰＤＭＳを用いた場合には、シリコンウェハ上にフォトレジスト（例えば、ＳＵ−８）を塗布して、リソグラフィー法により、短辺流路４ａ及び長辺流路４ｂを反転した鋳型を製作する。そして、その鋳型にＰＤＭＳを流し込んで加熱して成型することにより樹脂モールド４を製作することができる。

（３）貼り合わせ
上記のように製作した下側基板２、上側基板３、及び樹脂モールド４を、図１に例示するように、樹脂モールド４を下側基板２及び上側基板３で挟むように位置合わせして貼り合わせ、マイクロ流体装置１が製作される。

なお、樹脂モールド４の材料としてＰＤＭＳを用いた場合には、ＰＤＭＳの自己接着性により、下側基板２及び上側基板３が樹脂モールド４に接合される。また、接着剤により下側基板２及び上側基板３と樹脂モールド４とを接合してもよいし、樹脂モールド４を樹脂の代わりに石英基板等により形成した場合には、常温接合により下側基板２及び上側基板３と石英基板等とを接合してもよい。

（実施の形態の動作）
次に、本実施の形態に係るマイクロ流体装置１を用いて電気泳動を行う場合の動作について、図６及び図７を用いて説明する。図６における測定器１６は、カソード電極１２０及びアノード電極１２１にそれぞれ接続されて、それら電極間を流れる電流の電流値を測定するための装置である。

まず、図６（ａ）に例示するように、第１〜第４の入口３ａ〜３ｄのいずれかから流動液Ｌを注入し、短辺流路４ａ及び長辺流路４ｂ内を流動液Ｌで満たす。

次に、図６（ｂ）に例示するように、第１の入口３ａから試料Ｓを注入し、短辺流路４ａの両端部である第１及び第３の入口３ａ，３ｃに印加電圧Ｖ１を印加する。

そして、第１の入口３ａに注入された試料Ｓは、印加電圧Ｖ１により第１の入口３ａから第３の入口３ｃの方向に流れ、短辺流路４ａは、試料Ｓで満たされる。

次に、図６（ｃ）に例示するように、長辺流路４ｂの両端部である第２及び第４の入口３ｂ，３ｄに印加電圧Ｖ２を印加する。

そして、合流部４ｃにおける試料Ｓは、印加電圧Ｖ２により第４の入口３ｄの方向に流れていき、検出部１２に到達する。

検出部１２に到達した試料Ｓは、複数のカソード電極１２０及びアノード電極１２１の間で酸化還元反応を繰り返し行う。

ここで、図７は、試料Ｓが酸化還元反応を繰り返し行う状態を示す模式図である。なお、図７は、複数のカソード電極１２０及びアノード電極１２１のうち試料Ｓの流れ方向に２列に並んだ複数のカソード電極１２０及びアノード電極１２１を取り出したものである。

検出部１２に到達した試料Ｓは、カソード電極１２０で還元反応Ｒが行われる。次に、その還元された試料Ｓは、拡散によりアノード電極１２１に移動し、アノード電極１２１で酸化反応Ｏｘが行われる。そして、酸化した試料Ｓは、拡散により再びカソード電極１２０に移動し、還元反応Ｒが行われる。

このようにして、酸化還元反応が複数のカソード電極１２０及びアノード電極１２１の間で繰り返し行われることにより、カソード電極１２０及びアノード電極１２１を介して測定器１６に流れる電流が増幅される。そして、酸化還元反応により発生した電流の電流値が、測定器１６により測定され、試料Ｓの検量が行われる。

（実施例１）
次に、本発明の実施例１について説明する。この実施例１は、マイクロ流体装置をクロノアンペロメトリ法による特定タンパク質の検量に用いたものである。

クロノアンペロメトリ法とは、検出部１２に設けられたカソード電極１２０及びアノード電極１２１上で酸化還元反応により発生した電流の電流値を測定することにより、試料としての特定たんぱく質の検量を行う方法である。

実施例１に係るマイクロ流体装置は、流路の幅が７００μｍ、流路の高さが１００μｍである。カソード電極１２０及びアノード電極１２１の直径は、１０μｍであり、各電極間のピッチは、２０μｍで配列したものである。また、カソード電極、アノード電極の配列数は、それぞれ６５個である。

特定タンパク質１ｎｇ／ｍｌを検量した結果、従来のくし型電極（例えば、電極幅１０μｍ、電極長さ２ｍｍ、電極間のピッチ２０μｍ）では、検出電流１０〜１５ｎＡであったのに対し、実施例１に係るマイクロ流体装置では、検出電流８０〜１２０ｎＡであった。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記実施の形態に限定されず、本発明の要旨を変更しない範囲内で種々に変形実施が可能である。例えば、上記実施の形態では、流路構造体により形成される流路の断面形状は四角形であるが、円形でもよいし、他の多角形でもよいし、これらに限られない。

また、上記実施の形態では、配線パターン１１Ａ，１１Ｂは、流路構造体により形成される流路の互いに対向する壁面にそれぞれ形成されたが、配線パターン１１Ａ，１１Ｂを同一の壁面に絶縁状態を保持した状態で形成し、それら配線パターン１１Ａ，１１Ｂに接続される複数のカソード電極１２０及びアノード電極１２１を、配線パターン１１Ａ，１１Ｂが形成された壁面に対向する他の壁面に向かうように設けてもよい。

図１（ａ）は、本発明の実施の形態に係るマイクロ流体装置の一例を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、分解斜視図である。 図２（ａ）は、マイクロ流体装置の上面図、図２（ｂ）は、図２（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。 図３は、検出部及び配線パターンの詳細を示し、図３（ａ）は、図２（ｂ）のＢ−Ｂ線断面図、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＣ−Ｃ線断面図である。 図４（ａ）、図４（ｂ）は、電極パターンの製作工程を示す断面図、図４（ｃ）は、ドナー基板上に形成された電極パターンを示す平面図である。 図５（ａ）〜（ｃ）は、電極パターンの接合工程を示す断面図である。 図５（ｄ）〜（ｆ）は、電極パターンの接合工程を示す断面図、図５（ｇ）は、接合工程により製作された電極を示す断面図である。 図６は、マイクロ流体装置の動作の一例を示す図である。 図７は、試料が酸化還元反応を繰り返し行う状態を示す模式図である。

符号の説明

１ マイクロ流体装置
２ 下側基板
３ 上側基板
３Ａ パターン層
３Ｂ パターン層
３ａ〜３ｄ 入口
４ 樹脂モールド
４ａ 短辺流路
４ｂ 長辺流路
４ｃ 合流部
１１Ａ，１１Ｂ 配線パターン
１２ 検出部
１３ ドナー基板
１４ 離型層
１５ 電極膜
１６ 測定器
１２０ カソード電極
１２１ アノード電極
１５０Ａ，１５０Ｂ 電極パターン群
１５１ 電極パターン

Claims (5)

1. 流路が形成された流路構造体と、
   前記流路の壁面に形成された第１及び第２の配線パターンと、
   前記第１及び第２の配線パターンにそれぞれ接続され、前記壁面に対向する前記流路の壁面に向かうように設けられた複数の第１及び第２の電極とを備えたマイクロ流体装置。
2. 前記第１及び第２の配線パターンは、互いに対向する前記壁面に形成された請求項１に記載のマイクロ流体装置。
3. 前記複数の第１及び第２の電極は、２次元状に設けられた請求項１に記載のマイクロ流体装置。
4. 前記複数の第１及び第２の電極は、複数の薄膜を積層して形成された請求項１に記載のマイクロ流体装置。
5. 柱上の複数の第１及び第２の電極がそれぞれ形成される第１及び第２の配線パターンがそれぞれ形成された第１及び第２の板部材を準備し、
   基板上に形成された薄膜部材をパターンニングすることにより、前記複数の第１及び第２の電極の断面パターンに対応する複数の薄膜パターンを形成し、
   前記第１及び第２の板部材と前記複数の薄膜パターンとの接合面を洗浄化し、
   洗浄化された前記第１及び第２の板部材に洗浄化された前記複数の薄膜パターンを直接接触されることにより前記複数の薄膜パターンを接合し、
   前記複数の薄膜パターンが接合された前記第１及び第２の板部材の間に、流路用の貫通穴を有する第３の板部材を積層したマイクロ流体装置の製造方法。

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