JP2009233843A - Micro-machining method and apparatus for the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、柔軟で自己粘着性を有する高分子材料基板に対するマイクロ加工方法、特にマイクロ流路の製造に適したマイクロ加工方法、及びそのための装置に関する。 The present invention relates to a micromachining method for a flexible and self-adhesive polymer material substrate, particularly to a micromachining method suitable for manufacturing a microchannel, and an apparatus therefor.
マイクロ流体素子は、マイクロ流体デバイス、ラブ・オン・チップ、μ−TAS(micro total analysis system)などと呼ばれるデバイスであり、微細加工技術を用いてチップ上に微小な流路、反応室、混合室等を設けることにより、一つのチップもしくはデバイスで、化学反応、分離、或いは分析等が行えるようにしたものであって、このマイクロ流体素子の利用により、サンプル液を分析機器などを備えた場所に送ることなく現場で直ちに分析できるばかりでなく、非常に少ないサンプル量での分析が可能となるという利点を有する。
こうしたマイクロ流体素子は、医療分野、工業分野、農業分野、遺伝子解析等の幅広い分野での利用が考えられている。
A microfluidic device is a device called a microfluidic device, a lab-on-chip, a micro-TAS (micro total analysis system), or the like. By using this microfluidic device, the sample solution can be placed in a place equipped with an analytical instrument, etc. Not only can it be analyzed immediately on site without sending it, but it also has the advantage that analysis with a very small sample volume is possible.
Such microfluidic devices are considered to be used in a wide range of fields such as the medical field, the industrial field, the agricultural field, and gene analysis.
マイクロ流体素子に形成される微細な流路、すなわちマイクロ流路を構成する材料は、流路を流れる、血液やDNAをはじめとする様々な試料の成分、及び反応後の試料の成分等と反応することなく、また化学反応や分析等に影響を与えないものである必要がある。また、マイクロ流路を一面に形成することができ、基板との密着性、粘着性に優れた材料が好ましい。
このような特性を有する代表的な材料として、シリコーン樹脂の一種であるポリジメチルシロキサン(PDMS)がある。
The micro flow path formed in the microfluidic device, that is, the material constituting the micro flow path reacts with the components of various samples such as blood and DNA flowing through the flow path, and the components of the sample after the reaction. Without affecting the chemical reaction or analysis. Moreover, the material which can form a microchannel on the one surface and was excellent in adhesiveness and adhesiveness with a board | substrate is preferable.
A typical material having such characteristics is polydimethylsiloxane (PDMS) which is a kind of silicone resin.
PDMSは、柔軟で自己粘着性を有する樹脂であって、こうした特性を有するPDMS基板におけるマイクロ流路は、通常、フォトリソグラフィ法により作製された型を用い、これに液状のPDMSを流し込み硬化させることで形成されている(特許文献1,2参照)。
図11は、PDMSを用いたマイクロ流路形成法を示すもので、シリコン基板上にフォトレジストをスピンコートして薄膜を形成した後、流路パターンを描いてあるマスクを重ねて露光して硬化し、未硬化部を溶解除去して、シリコン基板上に凸状のパターンを形成する。ついで、これを型にして液状のPDMSを流し込み、硬化させた後、型から外すとPDMSに凹型パターンが転写される。
こうして凹型パターンが形成されたPDMSをセンサーチップに押しつけることでチップ上に微細な空間が生じる。その空間に送液することで、微小量の解析が可能となる。
PDMS is a flexible and self-adhesive resin, and the microchannel in a PDMS substrate having such characteristics is usually a mold produced by photolithography, and liquid PDMS is poured into it and cured. (See Patent Documents 1 and 2).
FIG. 11 shows a micro-channel forming method using PDMS. After a thin film is formed by spin-coating a photoresist on a silicon substrate, a mask on which a channel pattern is drawn is superimposed and exposed to be cured. Then, the uncured part is dissolved and removed to form a convex pattern on the silicon substrate. Subsequently, liquid PDMS is poured into the mold, cured, and then removed from the mold, and the concave pattern is transferred to the PDMS.
By pressing the PDMS on which the concave pattern is formed in this way against the sensor chip, a fine space is generated on the chip. By feeding the liquid into the space, analysis of a minute amount becomes possible.
しかしながら、フォトリソグラフィ法を用いた微細加工方法は、単純流路で流路パターンが一定であるチップの大量生産には適しているが、複雑流路で流路パターンが様々であるチップを受注生産するような多変種少量生産に不向きである。また、多工程が必要なことから加工時間が数日に及ぶことや、溶剤、現像剤、エッチング液などを使用するため環境負荷が非常に大きいことなどの問題がある。
また、従来の凹型を転写する方法では、型から外すために抜け角度をつける必要があり、底面と壁面とが垂直な溝を高精度に形成することはできなかった。
さらに、マイクロ流体素子においては、チップに種々の機能を付加させるために、3次元化する必要があり、最近の研究では、2次元形状の溝を持つチップを積層することで3次元形状の微細な溝を実現することが提案されている(非特許文献1参照)が、フォトリソグラフィ法による加工では、より一層複雑な工程が必要となり、加工時間は著しく長くなる。
However, the microfabrication method using the photolithographic method is suitable for mass production of chips with a simple flow path and a constant flow path pattern. It is not suitable for small-scale production of multivariate species. In addition, since a multi-step process is required, there are problems such as a processing time of several days and a very large environmental load due to the use of a solvent, a developer, an etching solution, and the like.
Further, in the conventional method of transferring a concave mold, it is necessary to make a pulling angle in order to remove it from the mold, and it has been impossible to form a groove with a bottom surface and a wall surface that are perpendicular to each other with high accuracy.
Furthermore, in the microfluidic device, it is necessary to make it three-dimensional in order to add various functions to the chip, and in recent research, a three-dimensional fine structure is formed by stacking chips having a two-dimensional groove. Although it has been proposed to realize a simple groove (see Non-Patent Document 1), the processing by the photolithography method requires a more complicated process, and the processing time is significantly increased.
一方、プラスチック製品を少量多品種製造する場合、よく用いられる方法として切削加工が挙げられる。
この切削加工法によりマイクロ流路の形成を行うと、加工精度、特に流路の表面の平滑性の点で問題があったところ、特許文献3では、底刃フラット、即ち径方向のすかし角が0℃の底刃を有するエンドミルを用いることにより該問題を解決し、アクリル樹脂などのプラスチック基板へのマイクロ流路の形成を可能としている。
しかしながら、こうした切削加工などの機械的な加工法は、アクリル樹脂などの硬い樹脂基板を用いた場合には適用できるが、前述のとおり、マイクロ流路の材料として好ましいとされているPDMSをはじめ、柔軟で自己粘着性を有する樹脂材料に対して、切削加工などの機械的加工法による微細加工は困難である。
On the other hand, when plastic products are produced in small quantities and in a wide variety, a method often used is cutting.
When the micro-channel is formed by this cutting method, there is a problem in processing accuracy, particularly in terms of the smoothness of the surface of the channel. In Patent Document 3, the bottom blade flat, that is, the radial angle This problem is solved by using an end mill having a bottom blade of 0 ° C., and a micro flow path can be formed on a plastic substrate such as an acrylic resin.
However, mechanical processing methods such as cutting can be applied when a hard resin substrate such as an acrylic resin is used. As described above, including PDMS, which is preferable as a material for a microchannel, Fine processing by a mechanical processing method such as cutting is difficult for a flexible and self-adhesive resin material.
また、従来から、軟質材料を冷凍硬化させ、冷凍硬化したものに、研磨作業、ドリル作業、切削作業等の機械加工を行うことは知られているが(特許文献4,5等)、いずれも、スポンジゴム、発泡ウレタン等の軟質材料を用いるものであって、自己粘着性を有する樹脂材料に関して適用した例はなく、しかも、マイクロ流路に必要とされる高い平滑性等を満たす高精度なマイクロサイズの機械加工を施すものではなかった。
このように、PDMS等の柔軟で自己粘着性を有する高分子基板における、マイクロ流路の形成に代表されるマイクロサイズの加工には、フォトリソグイラフィーによる微細加工が用いられているが、大量生産に適しているものの変種変量生産においては高コスト化するという問題があり、さらに、マイクロ流体素子においては、チップに様々な機能を付加することが要求され、形成されるマイクロ流路の3次元化が必要となってきているのが現状である。
本発明は、以上のような事情に鑑みてなされたものであって、柔軟で自己粘着性を有する樹脂を用いたマイクロサイズの加工方法において、従来のフォトリソグラフィー技術に代わり、エンドユーザーから要求された様々なパターンに対応でき、且つ、複雑な3次元形状も高効率・高精度に加工することができる新らたなマイクロ加工方法を提供することを目的とするものである。
In this way, microfabrication using photolithographic techniques is used for micro-size processing such as the formation of microchannels on flexible and self-adhesive polymer substrates such as PDMS. However, there is a problem of high cost in the production of varieties and variable quantities, and in the microfluidic device, it is required to add various functions to the chip, and the three-dimensional microchannel formed is made Is currently required.
The present invention has been made in view of the above circumstances, and is required by end users in place of conventional photolithography technology in a micro-size processing method using a flexible and self-adhesive resin. It is an object of the present invention to provide a new micromachining method that can deal with various patterns and that can process a complicated three-dimensional shape with high efficiency and high accuracy.
本発明者は、上記の問題を解決すべく検討した結果、柔軟で自己粘着性のある高分子材料に極低温冷却を適用してガラス転移温度以下に冷却し、ガラス状態として、一刃あたりの切り取り量をサブマイクロスケールにした延性モード切削を適用することで、機械的切削加工によりマイクロサイズの溝や穴を極めて精度よく形成でき、しかも得られた切削表面が非常に高い平滑性を有していることを見いだした。さらに検討を重ねたところ、常温で任意の形状に弾性変形させて、これを極低温冷却して切削加工を行うことにより、特殊形状を有する溝や穴を形成しうることも見いだした。 As a result of studying to solve the above problems, the present inventor applied cryogenic cooling to a flexible and self-adhesive polymer material to cool it to a glass transition temperature or lower, and in a glass state, per blade By applying ductile mode cutting with a cut-off amount of sub-micro scale, micro-sized grooves and holes can be formed with high accuracy by mechanical cutting, and the obtained cutting surface has extremely high smoothness. I found out. As a result of further studies, it has been found that grooves and holes having special shapes can be formed by elastically deforming into an arbitrary shape at room temperature and then cooling it to a cryogenic temperature for cutting.
本発明は、これらの知見に基づいて完成されたものであり、以下の発明を提供するものである。
(1)柔軟で自己粘着性を有する高分子材料基板を、該高分子材料のガラス転移温度以下の温度に冷却して硬化させた後、機械的切削加工により、マイクロサイズの溝及び/又は穴を形成することを特徴とするマイクロ加工方法。
(2)前記基板を、液体窒素中で冷却することを特徴とする(1)のマイクロ加工方法。
(3)前記凹路の形状が3次元形状を有することを特徴とする(1)1又は(2)のマイクロ加工方法。
(4)前記基板を予め所定の形状に変形させた後に冷却することにより、特殊形状の溝及び/又は穴を形成することを特徴とする(1)又は(2)のマイクロ加工方法。
(5)前記変形が湾曲である請求項4に記載のマイクロ加工方法。
(6)前記変形が中心線に沿ったねじりであり、ねじった状態で中心線からずらして穴を形成することを特徴とする(4)のマイクロ加工方法。
(7)前記柔軟で自己粘着性を有する高分子材料が、ポリジメチルシロキサンである(1)〜(6)のいずれか1項に記載のマイクロ加工方法。
(8)前記マイクロ加工方法が、マイクロ流路の製造方法であることを特徴とする請求項(1)〜(7)のいずれか1項に記載のマイクロ加工方法。
(9)機械的切削加工により、柔軟で自己粘着性を有する高分子材料基板にマイクロサイズの溝及び/又は穴を形成するための装置であって、少なくとも、液体窒素を貯溜するチャンバーと、該チャンバー内に設置された基板ホルダーと、前記基板ホルダー内に設けられた流路に液体窒素を流す手段と、該基板ホルダーの上面に設けられた前記基板を固定するクランプと、該基板の上方向に設置された3軸方向移動可能な小径エンドミルとを有することを特徴とするマイクロ加工装置。
The present invention has been completed based on these findings, and provides the following inventions.
(1) After a flexible and self-adhesive polymer material substrate is cured by cooling to a temperature lower than the glass transition temperature of the polymer material, micro-sized grooves and / or holes are obtained by mechanical cutting. A micro-machining method characterized by forming.
(2) The micromachining method according to (1), wherein the substrate is cooled in liquid nitrogen.
(3) The micromachining method according to (1) 1 or (2), wherein the shape of the concave path has a three-dimensional shape.
(4) The micro-machining method according to (1) or (2), wherein the substrate is cooled in advance after being deformed into a predetermined shape to form a specially shaped groove and / or hole.
(5) The micromachining method according to claim 4, wherein the deformation is curved.
(6) The micromachining method according to (4), wherein the deformation is a twist along a center line, and the hole is formed by being shifted from the center line in a twisted state.
(7) The micromachining method according to any one of (1) to (6), wherein the flexible and self-adhesive polymer material is polydimethylsiloxane.
(8) The micromachining method according to any one of (1) to (7), wherein the micromachining method is a microchannel manufacturing method.
(9) An apparatus for forming micro-sized grooves and / or holes in a flexible and self-adhesive polymer material substrate by mechanical cutting, at least a chamber for storing liquid nitrogen; A substrate holder installed in the chamber; means for flowing liquid nitrogen in a flow path provided in the substrate holder; a clamp for fixing the substrate provided on an upper surface of the substrate holder; and an upward direction of the substrate And a small-diameter end mill capable of moving in three axial directions.
本発明により、柔軟で自己粘着性を有する高分子材料基板に、形状精度の高いマイクロサイズの溝及び/又は穴、或いは更に複雑な3次元形状を有するマイクロサイズの溝及び/又は穴を短時間で形成することができるとともに、従来の転写法では形成できなかった底面と壁面とが垂直な溝を形成することが可能である。また、従来の手法では形成が不可能であった微細な曲がり穴又は特殊形状の微細溝を容易に短時間で形成することができる。 According to the present invention, a micro-sized groove and / or hole having a high shape accuracy or a micro-sized groove and / or hole having a more complicated three-dimensional shape is formed on a flexible and self-adhesive polymer material substrate in a short time. In addition, it is possible to form a groove whose bottom surface and wall surface are perpendicular to each other, which cannot be formed by the conventional transfer method. Further, it is possible to easily form a minute bent hole or a specially shaped fine groove, which could not be formed by the conventional method, in a short time.
本発明の方法は、柔軟で自己粘着性を有する高分子材料基板を、ガラス転移温度以下の極低温に冷却した後、該基板に、機械的な切削加工により、マイクロ流路等のマイクロサイズの溝及び/穴を形成することを特徴とするマイクロ加工方法である。
本発明において、マイクロサイズの加工とは、幅1mm以下、深さ1mm以下の溝及び/又は穴を形成することを意味し、好ましくは、幅100μm以下、深さ100μm以下の溝が好ましい。また、その長さ、屈曲、分岐等の有無などの形状は限定されず、さらに、溝の形状も特に矩形に限定されない。
また、本発明における切削加工は、このようなマイクロサイズの溝及び/又は穴が機械的な加工により切削されるものであれば特に限定されず、また、機械的な切削加工であれば、加工の種類、装置の詳細、切削治具の形状、材質、及び表面状態などに関しても特に限定されない。
According to the method of the present invention, a flexible and self-adhesive polymer material substrate is cooled to an extremely low temperature not higher than the glass transition temperature, and then the substrate is subjected to mechanical cutting to form a micro-sized microchannel or the like. A micromachining method characterized by forming grooves and / or holes.
In the present invention, micro-size processing means forming a groove and / or a hole having a width of 1 mm or less and a depth of 1 mm or less, and preferably a groove having a width of 100 μm or less and a depth of 100 μm or less. Further, the shape such as the length, presence or absence of bending, branching or the like is not limited, and the shape of the groove is not particularly limited to a rectangle.
Further, the cutting in the present invention is not particularly limited as long as such micro-sized grooves and / or holes are cut by mechanical processing, and if it is mechanical cutting, There are also no particular restrictions on the type of device, the details of the apparatus, the shape, material, and surface condition of the cutting jig.
本発明において用いられる柔軟で自己粘着性を有する高分子材料としては、ポリジメチルシロキサン(PDMS)の他、シリコーンゴム、シリコーンゲル等が挙げられる。
以下、本発明について、マイクロ流体素子の代表的な基板材料であるPDMSを用いて、さらに詳しく説明する。
Examples of the flexible and self-adhesive polymer material used in the present invention include polydimethylsiloxane (PDMS), silicone rubber, silicone gel, and the like.
Hereinafter, the present invention will be described in more detail using PDMS, which is a typical substrate material of a microfluidic device.
PDMSは、Si−O結合を主鎖とする高分子材料であるが、Siの原子半径がCの原子半径よりも大きいために、このSi−O結合は分子運動が容易であり、常温ではゴム状態にある。
PDMS等の高分子材料はガラス転移点を有しており、該ガラス転移点以下の温度になると分子運動が抑制され、ゴム状態からガラス状態に遷移する。
本発明の方法においては、PDMS等の柔軟で自己粘着性を有する高分子材料を、そのガラス転移温度(PDMSのTg:−123℃)より十分に低い温度に維持した状態で、一刃あたりの切り取り量をサブマイクロスケールにした延性モード切削加工を行うことにより、精度が非常に高い加工を可能とするものである。
PDMS is a polymer material having a Si—O bond as the main chain, but since the atomic radius of Si is larger than the atomic radius of C, this Si—O bond is easy for molecular motion, and at room temperature, rubber Is in a state.
A polymer material such as PDMS has a glass transition point, and when the temperature becomes lower than the glass transition point, molecular motion is suppressed and the rubber state transitions to the glass state.
In the method of the present invention, a flexible and self-adhesive polymer material such as PDMS is maintained at a temperature sufficiently lower than its glass transition temperature (PDMS Tg: −123 ° C.). By performing ductile mode cutting with a cut-out amount of sub-micro scale, processing with extremely high accuracy is possible.
具体的には、−196℃以下の液体窒素中に保持すると、PDMSはゴム状態からガラス状態に変化し、精度の高い、微細な加工が可能となる硬さのPDMSを得ることができるものである。
図1は、液体窒素を用いて冷却した場合のPDMSの硬度の変化を、デュロメータ(durometer)で測定した結果を示すものであって、図から明らかなように、ガラス転移温度以下の極低温でのPDMSの硬さは、常温でのPDMSの硬さに比べて非常に高く、硬質樹脂として知られているPMMA(ポリメチルメタクリレート)の硬度に近いも
のが得られることが判明した。
Specifically, when held in liquid nitrogen at −196 ° C. or lower, PDMS changes from a rubber state to a glass state, and a PDMS having a hardness that enables high precision and fine processing can be obtained. is there.
FIG. 1 shows the result of measuring the change in hardness of PDMS when cooled with liquid nitrogen using a durometer, and as is clear from the figure, at a very low temperature below the glass transition temperature. The hardness of PDMS is extremely higher than that of PDMS at room temperature, and it has been found that a hardness close to that of PMMA (polymethyl methacrylate) known as a hard resin can be obtained.
本発明の方法によりマイクロ流路を形成する場合には、形成された流路表面の加工精度が特に重要であり、その表面粗さが、Raで0.1μm以下であることが必要である。表面粗さRaがこれ以上であると、マイクロ流路における光学検出が困難となり、バイオチップやマイクロ分析チップとしての性能が低下することとなる。
本発明において、加工面が平滑で、溝底面と壁面の垂直精度の高いマイクロ加工のためには、マイクロスクエアエンドミルなどの小径エンドミルを用いるのが好ましい。
本発明の方法において、ガラス転移温度以下の極低温冷却されたPDMSを、小径エンドミルを用いて切削する場合、一刃あたりの切り取り量をサブマイクロスケールとした延性モード切削を実現できる加工条件とすることが望ましい。具体的な加工条件として,工具径はφ1.0mm以下で、送り速度が遅いほど平滑な表面が得られるが、好ましくは、2000mm/min以下、より好ましくは200mm/min以下であり、10mm/minでは、Ra=50nmの平滑性が得られることが判明した。
また、回転数が高いほど高い平滑性が得られるが、好ましくは、5000rpm以上、さらに好ましくは50000rpm以上であり、回転数20000rpmにおいて、Ra=50nmの平滑性が得られることが判明した。
When the microchannel is formed by the method of the present invention, the processing accuracy of the formed channel surface is particularly important, and the surface roughness is required to be 0.1 μm or less in terms of Ra. If the surface roughness Ra is more than this, optical detection in the microchannel becomes difficult, and the performance as a biochip or microanalysis chip is deteriorated.
In the present invention, it is preferable to use a small-diameter end mill such as a micro square end mill for micro machining with a smooth machining surface and high vertical accuracy between the groove bottom surface and the wall surface.
In the method of the present invention, when a cryogenic cooled PDMS having a glass transition temperature or lower is cut using a small diameter end mill, the processing conditions are such that ductile mode cutting with a cutting amount per blade being sub-microscale can be realized. It is desirable. As specific processing conditions, the tool diameter is φ1.0 mm or less, and the smoother the surface is obtained as the feed rate is slower, preferably 2000 mm / min or less, more preferably 200 mm / min or less, and 10 mm / min. Then, it was found that a smoothness of Ra = 50 nm was obtained.
Further, the higher the rotation speed, the higher the smoothness is obtained. However, it is preferably 5000 rpm or more, more preferably 50000 rpm or more, and it was found that the smoothness of Ra = 50 nm can be obtained at the rotation speed of 20000 rpm.
以下、本発明のマイクロ加工法に用いられる装置について説明する。
図2は、本発明の装置の1例を模式的に示す図である。
液体窒素を収納したチャンバー内に基板ホルダーが設置されている。
チャンバーは、高い熱伝導性を有するアルミ製の内壁と、その外周に設けられた断熱壁とする構成を有している。該断熱壁は、熱を遮断して液体窒素がガス状になるのを防止するものである。
基板ホルダーは、チャンバー内壁と同様に、高い熱伝導性を有するアルミ製であって、その上面に載置された基板を所定の位置に固定するためのクランプを有するとともに、基板ホルダーの内部には、液体窒素を流すための流路が設けられている。
基板を液体窒素中で加工できるように、基板の上方向には、小径エンドミが、3軸方向に移動可能に設置されている。
Hereinafter, the apparatus used for the micromachining method of the present invention will be described.
FIG. 2 is a diagram schematically showing an example of the apparatus of the present invention.
A substrate holder is installed in a chamber containing liquid nitrogen.
The chamber has an aluminum inner wall having high thermal conductivity and a heat insulating wall provided on the outer periphery thereof. The heat insulating wall blocks heat and prevents liquid nitrogen from becoming gaseous.
The substrate holder is made of aluminum having high thermal conductivity like the inner wall of the chamber, and has a clamp for fixing the substrate placed on the upper surface in a predetermined position. A flow path for flowing liquid nitrogen is provided.
In order to be able to process the substrate in liquid nitrogen, a small-diameter endomi is installed above the substrate so as to be movable in three axial directions.
本発明の方法によれば、前記基板の常温低弾性の特性と、極低温下で機械加工可能であることを利用して、該基板に特殊形状の溝・穴加工を施すことが可能である。
図3及び図4は、その例を模式的に示す図である。
図3に示す方法は、柔軟で自己粘着性を有する基板を、常温で任意の形状に湾曲させ、これを極低温冷却し、湾曲した状態で単純溝加工を施し((a)工程)、その後、これを常温に戻すことにより、特殊形状の溝を形成することができる((b)工程)。
また、図4に示す方法は、柔軟で自己粘着性を有する基板を、常温で中心線に沿ってねじり((a)工程)、これを極低温冷却し、ねじった状態で中心線からずらして穴加工を施し((b)工程)、その後、これを常温下で元の形状に戻すことにより、曲がった形状の穴を形成することができる((c)工程)。
According to the method of the present invention, it is possible to perform special-shaped groove / hole processing on the substrate by utilizing the property of the substrate at low temperature and low elasticity and being machineable at extremely low temperatures. .
3 and 4 are diagrams schematically showing an example thereof.
In the method shown in FIG. 3, a flexible and self-adhesive substrate is curved into an arbitrary shape at room temperature, cooled at a cryogenic temperature, and subjected to simple groove processing in the curved state (step (a)). By returning this to room temperature, a specially shaped groove can be formed (step (b)).
Also, the method shown in FIG. 4 is to twist a flexible and self-adhesive substrate along the center line at room temperature (step (a)), cool it at a low temperature, and shift it from the center line in a twisted state. A hole with a bent shape can be formed by performing hole processing (step (b)) and then returning it to the original shape at room temperature (step (c)).
このように、本発明の方法によれば、常温で柔軟な高分子材料を任意の形状に弾性変形させて、これを極低温冷却して通常の穴加工や溝加工を施し、その後これを常温で元の形状に戻すことで、従来のリソグラフィ−や金型による加工プロセスはもちろん、通常の機械加工でも不可能であった特殊形状の微細穴や微細溝、具体的には、曲がり穴などの特殊穴や、台形や楕円形の特殊形状溝を、容易に加工することが可能となる。
また、弾性変形量(ねじり量や曲げ量)を調整することで加工形状を任意にコントロールすることができる。
特に、ナノ流体チップにおいては、引張りを利用した加工による3次元形状のナノ流路を有するナノ流体チップの開発や、曲がり穴加工によるマイクロ流体チップの継ぎ手の製作などが実現可能になる。
さらに、この特殊形状の加工方法は、自己粘着性を有しない柔軟な高分子材料に対しても適用可能である。
As described above, according to the method of the present invention, a flexible polymer material is elastically deformed into an arbitrary shape at room temperature, and this is cooled at a cryogenic temperature to perform normal hole processing and groove processing, and then this is performed at room temperature. By returning to the original shape, it is possible not only to process with conventional lithography and molds, but also with specially shaped fine holes and grooves, which were impossible with normal machining, such as bent holes. Special holes and trapezoidal or elliptical special grooves can be easily machined.
Further, the processing shape can be arbitrarily controlled by adjusting the elastic deformation amount (twist amount or bending amount).
In particular, in the nanofluidic chip, it becomes possible to develop a nanofluidic chip having a three-dimensionally shaped nanochannel by processing using tension, or to manufacture a joint of a microfluidic chip by bending hole processing.
Furthermore, this special shape processing method can be applied to a flexible polymer material having no self-adhesiveness.
以下、図2に示す装置を用いて、PDMS基板にマイクロ流路を形成した例を記載するが、本発明は、これらの実施例により限定されるものではない。
(実施例1)
PDMSのモノマー(信越シリコーン社製 商品番号KE-1606)及び硬化剤(信越シリコーン社製,商品番号CAT-RG)を混合し、気泡を除去した後、混合物を型枠中に注入して、室温・減圧環境下で24時間放置し、硬化させた。
硬化したPDMSを型枠から剥がし、図2に示すワークホルダー上に載置し、2枚刃マイクロスクエアエンドミル(φ0.5mm、日進工具社製)を用いて微細加工を行った。工具の回転フレ精度は3μm以下とし、切削条件は、回転数5000rpm、加工速度10.0mm/minとした。
また、比較として、液体窒素を用いないこと以外は、実施例1と同様にして微細加工を行った。
Hereinafter, although the example which formed the microchannel on the PDMS board | substrate using the apparatus shown in FIG. 2 is described, this invention is not limited by these Examples.
Example 1
PDMS monomer (Shin-Etsu Silicone Co., Ltd., product number KE-1606) and curing agent (Shin-Etsu Silicone Co., Ltd., product number CAT-RG) are mixed, air bubbles are removed, and the mixture is poured into a mold at room temperature. -It was allowed to stand for 24 hours under reduced pressure to be cured.
The cured PDMS was peeled off from the mold, placed on the work holder shown in FIG. 2, and finely processed using a two-blade microsquare end mill (φ0.5 mm, manufactured by Nisshin Tool Co., Ltd.). The rotational flare accuracy of the tool was 3 μm or less, and the cutting conditions were a rotational speed of 5000 rpm and a processing speed of 10.0 mm / min.
For comparison, fine processing was performed in the same manner as in Example 1 except that liquid nitrogen was not used.
図5は、電子顕微鏡(SEM)で観察された、切削溝の形状を撮影した写真である。
図中、左側の(a)は常温での切削結果を示し、右側の(b)は極低温での切削結果を示すものであり、それぞれ上段は上面の撮影写真であり、下段は側面の撮影写真である。
(a)に示すように、常温では全く加工できないのに対し、(b)に示すように、液体窒素中の極低温下では、微細な溝を形成することができた。形成された溝の幅は516μmであり、深さはおよそ200μmであった。熱収縮を考慮した理論加工幅は514μmであり,加工精度は±1%であることが判明した。
次に、送り速度を変えて、カッティングマークの発生との関係を調べたところ、低速になるほど、カッティングマークが表れなくなり、平滑な表面が得られ、特に、1.0mm/minでは、切削表面の表面粗さRaは80nmにまで達した。
また、回転数を高くする、或いは、溝の深さを小さくすると、切削表面の表面粗さが更に改善されることも判明した。
FIG. 5 is a photograph of the shape of the cutting groove observed with an electron microscope (SEM).
In the figure, (a) on the left side shows the cutting results at room temperature, (b) on the right side shows the cutting results at cryogenic temperature, the upper row is a photograph of the upper surface, and the lower row is a photograph of the side surface. It is a photograph.
As shown in (a), it was not possible to process at room temperature at all, but as shown in (b), fine grooves could be formed under extremely low temperature in liquid nitrogen. The formed groove had a width of 516 μm and a depth of about 200 μm. The theoretical processing width considering heat shrinkage was 514 μm, and the processing accuracy was found to be ± 1%.
Next, when the feed rate was changed and the relationship with the generation of the cutting mark was examined, the lower the speed, the more the cutting mark did not appear, and a smooth surface was obtained. The surface roughness Ra reached 80 nm.
It has also been found that the surface roughness of the cutting surface can be further improved by increasing the rotational speed or decreasing the groove depth.
(実施例2)
実施例1と同様にして、複雑な3次元流路を形成した。加工に要した時間は、60分であった。図6は、形成された形状を上から撮影した写真であり、右側の写真は、左側の写真の一部を拡大した写真である。
従来のフォトリソグラフィーでは数日を必要とする複雑な3次元流路を、本発明による方法では、数十分〜数時間で行うことができることが明らかとなった。
(Example 2)
In the same manner as in Example 1, a complicated three-dimensional flow path was formed. The time required for processing was 60 minutes. FIG. 6 is a photograph of the formed shape taken from above, and the right photograph is an enlarged view of a part of the left photograph.
It has been revealed that a complicated three-dimensional flow path that requires several days in conventional photolithography can be performed in tens of minutes to several hours with the method according to the present invention.
(実施例3)
本実施例では、実施例1と同様にして硬化させたPDMSを常温で湾曲または伸張させ、この湾曲または伸張したPDMSをその形状が保たれるようにワークホルダー上に載置し、単純な溝を加工した。その後、これを常温に戻すことにより、特殊形状の溝または実際の工具径よりも微細な流路を形成することができた。
図7は、PDMS基板を湾曲して得られた溝の断面形状を撮影した電子顕微鏡写真であって、底面円弧の先細り溝が形成されていることがわかる。
(Example 3)
In the present embodiment, the PDMS cured in the same manner as in the first embodiment is curved or stretched at room temperature, and the curved or stretched PDMS is placed on the work holder so that its shape is maintained, and a simple groove is formed. Was processed. Then, by returning this to room temperature, a specially shaped groove or a flow path finer than the actual tool diameter could be formed.
FIG. 7 is an electron micrograph of the cross-sectional shape of the groove obtained by bending the PDMS substrate, and it can be seen that a tapered groove having a bottom arc is formed.
(実施例4)
本実施例では、実施例3と同様にPDMSを中央線に沿って湾曲させ、中央線よりずらしてスクエアエンドミルにより溝加工することで三角溝を形成した。
図8は、得られた特殊形状の溝の断面形状を撮影した電子顕微鏡写真であって、非対称な三角溝が形成されていることがわかる。
Example 4
In this example, similarly to Example 3, the PDMS was curved along the center line, and the triangular groove was formed by shifting the groove from the center line using a square end mill.
FIG. 8 is an electron micrograph of a cross-sectional shape of the obtained special-shaped groove, and it can be seen that asymmetric triangular grooves are formed.
(実施例5)
本実施例においては、市販の、大きさ100mm×100mm、厚さ1mmのシリコーンゴムシート(入間川ゴム株式会社製 IS−825 硬さ(A形):50、耐熱性:200℃)を用いた。
市販のシリコーンゴムシートの表面及び裏面にある剥離シートを取り除き、図2に示すワークホルダー上に載置し、2枚刃マイクロスクエアエンドミル(φ0.5mm、日進工具社製)を用いて、実施例1と同じ条件で、液体窒素を用いた微細加工(極低温)と、液体窒素を用いない微細加工(常温)を行った。
図9は、電子顕微鏡(SEM)で観察された、切削溝の形状を撮影した写真である。
図中、左側の(a)は常温での切削結果を示し、右側の(b)は極低温での切削結果を示すものであり、それぞれ上段は上面の撮影写真であり、下段は側面の撮影写真である。
(Example 5)
In this example, a commercially available silicone rubber sheet having a size of 100 mm × 100 mm and a thickness of 1 mm (Irimagawa Rubber Co., Ltd. IS-825 hardness (A type): 50, heat resistance: 200 ° C.) was used.
Example: Using a two-blade microsquare end mill (φ0.5 mm, manufactured by Nisshin Tool Co., Ltd.) after removing the release sheets on the front and back surfaces of a commercially available silicone rubber sheet and placing them on the work holder shown in FIG. Under the same conditions as in No. 1, fine processing (very low temperature) using liquid nitrogen and fine processing (normal temperature) not using liquid nitrogen were performed.
FIG. 9 is a photograph of the shape of the cutting groove observed with an electron microscope (SEM).
In the figure, (a) on the left side shows the cutting results at room temperature, (b) on the right side shows the cutting results at cryogenic temperature, the upper row is a photograph of the upper surface, and the lower row is a photograph of the side surface. It is a photograph.
(実施例6)
本実施例においては、市販の、大きさ100mm×100mm、厚さ1mmのシリコーンゲルシート(株式会社ミスミ製 GELS 針入度:55)を用いた。
市販のシリコーンゲルシートの表面には、べたつき防止パウダーが塗布されており、裏面は、感圧接着剤層を有しているために剥離紙が設けられているが、シリコーンゲルは、実施例1で用いた硬化したPDMSに比べて、非常に柔らかく、粘着性も高いので、剥離紙を取り除くことなく、図2に示すワークホルダー上に載置し、2枚刃マイクロスクエアエンドミル(φ0.5mm、日進工具社製)を用いて、実施例1と同じ条件で、液体窒素を用いた微細加工(極低温)と、液体窒素を用いない微細加工(常温)を行った。
図10は、電子顕微鏡(SEM)で観察された、切削溝の形状を撮影した写真である。
図中、左側の(a)は常温での切削結果を示し、右側の(b)は極低温での切削結果を示すものであり、それぞれ上段は上面の撮影写真であり、下段は側面の撮影写真である。
(Example 6)
In this example, a commercially available silicone gel sheet having a size of 100 mm × 100 mm and a thickness of 1 mm (GELS penetration by MISUMI Corporation: 55) was used.
The surface of a commercially available silicone gel sheet is coated with an anti-sticking powder, and the back surface is provided with a release paper because it has a pressure-sensitive adhesive layer. Compared to the cured PDMS used, it is very soft and sticky, so it was placed on the work holder shown in Fig. 2 without removing the release paper, and a two-blade microsquare end mill (φ0.5mm, Nisshin) Using a tool company), fine processing using liquid nitrogen (very low temperature) and fine processing without using liquid nitrogen (room temperature) were performed under the same conditions as in Example 1.
FIG. 10 is a photograph of the shape of the cutting groove observed with an electron microscope (SEM).
In the figure, (a) on the left side shows the cutting results at room temperature, (b) on the right side shows the cutting results at cryogenic temperature, the upper row is a photograph of the upper surface, and the lower row is a photograph of the side surface. It is a photograph.
本発明によれば、従来の手法では形成が不可能であった特殊形状の微細穴又は微細溝を容易に短時間で形成することができるため、PDMSに代表される柔軟で自己粘着性を有する樹脂材料基板を用いた複雑な3次元形状を有するマイクロ流路の形成ばかりでなく、種々の微細加工の分野に応用することが可能となる。具体的には、曲がり穴等の特殊穴や、台形や楕円形等の特殊形状溝、工具径以下の微細溝を容易に加工することができ、また、ねじり・曲げ・引張りなどの弾性変形量を調整することで、加工形状をコントロールすることが可能となる。特に、ナノ流体チップにおいては、引張りを利用した加工により、3次元形状のナノ流路を有するナノ流体チップの開発や曲がり穴加工により、マイクロ流体チップの継ぎ手の製作などが実現可能になる。また、シリコーンゲルの場合は、PDMSに比べて非常に柔軟で自己粘着性も高いために、これまでは一般的な機械加工では加工できなかったが、本発明によれば、機械加工による加工が可能となり、バイオ分野や医療分野での利用可能性がますます広がると期待される。さらに、本発明の方法は、自己粘着性のない弾性材料にも適用可能である。 According to the present invention, it is possible to easily form in a short time a micro hole or micro groove having a special shape that could not be formed by a conventional method, and thus has a flexible and self-adhesive property typified by PDMS. In addition to forming a micro flow path having a complicated three-dimensional shape using a resin material substrate, it can be applied to various fine processing fields. Specifically, special holes such as bent holes, specially shaped grooves such as trapezoids and ellipses, and fine grooves below the tool diameter can be easily machined, and the amount of elastic deformation such as torsion, bending, and tension. It is possible to control the processing shape by adjusting. In particular, in a nanofluidic chip, it becomes possible to realize a microfluidic chip joint or the like by developing a nanofluidic chip having a three-dimensionally shaped nanochannel by processing using a tensile force or by bending a hole. In the case of silicone gel, since it is very flexible and high in self-adhesiveness compared with PDMS, it could not be processed by general machining so far, but according to the present invention, machining by machining is not possible. It becomes possible, and it is expected that the use in the bio field and the medical field will expand more and more. Furthermore, the method of the present invention can also be applied to elastic materials that are not self-adhesive.
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