JP2016017890A - 流体デバイス及び流体デバイスの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 接着接合法によって形成される流体デバイスにおいて、接着剤に内包された気泡が連結することによって発生する、接着層内での流路間の連通を低減する。
【解決手段】 第１の基板１０と第２の基板１１とを接着層１２を介して接合することで形成されるマイクロ流体デバイス１は、第１のマイクロ流路１３１と第２のマイクロ流路１３２とを有する。マイクロ流体デバイス１は、接着層１２における気泡の連通を低減する連通低減部１００を有する。連通低減部１００は、第１の基板１０が有する凸部１４によって接着層１２が周囲よりも薄く配置された第１の領域１０１と、第１の領域１０１と並んで配置され、第１の基板１０または第２の基板１１の少なくとも一方が有する凹部１５または貫通孔１８によって接着層１２が周囲よりも低密度に配置された第２の領域１０２と、を有する。
【選択図】 図１

Description

本発明は流体デバイス及びその製造方法に関し、特に複数枚の基板を接着接合して作製されるマイクロ流体デバイス及びその製造方法に関する。

化学反応や生化学反応等の経過や結果を確認するために、濃度や成分などの情報を得ることは分析化学の基礎的な事項である。そのため、これらの情報の取得を目的としたさまざまな装置やセンサが開発されている。中でもこれらの装置やセンサを微細化し、所望の情報を得るための分析や検査の全工程を１つのマイクロ流体デバイス内で実現する技術は、マイクロ・トータル・アナリシス・システム（μ−ＴＡＳ）またはラボオンチップと呼ばれている。

マイクロ流体デバイスは一般に、表面に０．１μｍ〜１０００μｍ程度の断面寸法の微細な凹部を有する基板を、この凹部が覆われるようにして他の基板と接合することで作製される。基板を接合する方法の１つに、接着層を介して接合する方法（以下、「接着接合法」と称する）がある。

接着接合法によってマイクロ流体デバイスを作製する場合、接着層を形成するために塗布する接着剤に気泡が内包されることが多い。塗布した接着剤に気泡が内包されていると、接合後の基板同士の接着強度が低下してしまう。

特許文献１には、接着接合法によって２枚のプラスチック基板を接合してマイクロ流体デバイスを形成する際に、少なくとも１枚のプラスチック基板に溝を形成しておく技術が記載されている。この溝によって、接着剤に内包された気泡をマイクロ流体デバイスの外部に排出する。

特開２００７−２１７９０号公報

マイクロ流体デバイスに複数のマイクロ流路を設けた場合、特に、それらを密に設けた場合には、接着剤に内包された気泡が連結することで、例えば隣接するマイクロ流路同士が連通してしまうという課題があった。

さらに、マイクロ流体デバイスを形成する基板は、反りを有する基板である場合がある。反りを有する基板を用いてマイクロ流体デバイスを作製すると、接着層に膜厚が厚い部分が生じることがある。この場合は、特許文献１に記載の技術を用いても、接着剤に内包された気泡を完全に除去することは難しい。そのため特許文献１の技術では、前述の課題を解決することができない場合があった。

そこで本発明は、接着接合法によって形成される流体デバイスにおいて、接着剤に内包された気泡が連結することによって発生する、接着層内での流路間の連通を低減することを目的とする。

そこで、本発明の流体デバイスは、第１の基板と第２の基板とを接着層を介して接合し、前記第１の基板と前記第２の基板との間に第１の流路と第２の流路とが形成された流体デバイスであって、前記流体デバイスは、前記第１の流路と前記第２の流路との間の領域に配置された前記接着層における気泡の連通を低減する連通低減部を有しており、前記連通低減部は、前記第１の基板が有する凸部によって前記接着層が周囲よりも薄く配置された第１の領域と、前記第１の領域と並んで配置され、前記第１の基板または前記第２の基板の少なくとも一方が有する凹部または貫通孔によって前記接着層が周囲よりも低密度に配置された第２の領域と、を有することを特徴とする。

また、本発明の流体デバイスの製造方法は、凸部を有する第１の基板と、第２の基板とを接着層を介して接着接合することによって形成され、前記第１の基板と前記第２の基板との間に第１の流路と第２の流路と有する流体デバイスの製造方法であって、前記第１の基板または前記第２の基板の表面の少なくとも一部に前記接着層を配置するステップと、前記第１の基板と前記第２の基板とを貼り合わせることによって、前記凸部の先端面と前記第２の基板とに挟まれた第１の領域に隣接するように、前記第１の領域における前記接着層の内圧よりも前記接着層の内圧が低い第２の領域を配置するステップと、前記第１の基板と前記第２の基板とを貼り合わせてから所定の時間経過した後で、前記接着層を硬化させるステップと、を有することを特徴とする。

本発明によれば、接着接合法によって形成される流体デバイスにおいて、接着剤に内包された気泡が連結することによって発生する、接着層内での流路間の連通を低減することができる。

第１の実施形態に係るマイクロ流体デバイスのマイクロ流路の流路方向に垂直な断面図と、第２の実施形態に係る連通低減部を拡大して示す模式図である。 本発明に係る連通低減部を概念的に示す概念図である。 第１の実施形態に係るマイクロ流体デバイスの凸部の先端面と基板とに挟まれた領域から気泡が消滅するメカニズムを示す模式図である。 基板と基板に挟まれた接着層に内包された気泡の経時変化を観察した結果を示すグラフである。 第２の実施形態に係るマイクロ流体デバイスの流路方向に垂直な断面図と、第２の実施形態に係る連通低減部を拡大して示す模式図である。 第３の実施形態に係るマイクロ流体デバイスの流路方向に垂直な断面図である。 その他の実施形態に係るマイクロ流体デバイスの流路方向に垂直な断面図である。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）
まず、第１の実施形態に係るマイクロ流体デバイスについて、図１を用いて説明する。図１（ａ）は、第１の実施形態に係るマイクロ流体デバイスのマイクロ流路の流路方向に垂直な断面図である。図１（ｂ）は、第１の実施形態に係るマイクロ流体デバイスが有する連通低減部を拡大して示した模式図である。

本実施形態のマイクロ流体デバイス１（以下、「デバイス１」と称する）は、２枚の基板、すなわち第１の基板である基板１０と、第２の基板である基板１１とを接着層１２を介して接着接合することによって形成されている。

基板１０および基板１１の材質は、接着層１２を介して接合することができる材質であれば、特に限定されない。基板１０および基板１１の材質としては、例えばプラスチック、ガラス、金属、無機化合物等を用いることができる。プラスチックとしては、例えばアクリル樹脂、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、ナイロンなどを用いることができる。一種類のプラスチックから成る基板を用いても良いし、複数種のプラスチックを含む基板を用いても良い。ガラスとしては、例えば石英ガラス、アルカリガラス、無アルカリガラスなどを用いることができる。金属としては、例えばアルミ、ニッケル、鉄、銅などの金属や、ステンレス、真鍮などの合金を用いることができる。無機化合物としては、窒化ホウ素やアルミナ、ジルコニア、シリカ等の金属酸化物などのセラミックを用いることができる。

基板１１は、少なくとも２つの凹部を表面に有する。基板１１の表面のうち、凹部を有する面に対して基板１０を接合することによって、マイクロ流路１３１およびマイクロ流路１３２が形成される。このとき、基板１０の基板１１に接合する面のうち、マイクロ流路１３１およびマイクロ流路１３２を形成する部分は平坦であることが好ましい。このように、基板１１の表面の凹部を、基板１０の面で覆うことで、マイクロ流路１３１およびマイクロ流路１３２が形成される。基板１１が有する凹部は、断面の寸法が０．１μｍ〜１０００μｍ程度であることが好ましい。

基板１０と基板１１との接合は、以下のように行う。まず、基板１０または基板１１に接着剤を塗布して接着層１２を形成する。このとき、表面に凹部を有する基板１１に接着剤を塗布する場合は、基板１１の表面の凹部をマスクした上で基板１１に接着剤を塗布し、その後マスクを外すようにしても良い。次に、基板１０と基板１１とを貼り合わせる。このとき、接着層１２の厚みが厚く、接着層１２が加圧されると、接着剤がマイクロ流路１３１やマイクロ流路１３２へと侵入してしまう。そのため一般に、接着層１２の厚みは、２０μｍ以下に抑えられることが多い。

接着層１２を形成する接着剤は、基板１０と基板１１とを接合できるものであれば、特に限定されない。例えば、本実施形態における接着剤としては、アクリル樹脂系接着剤や、ウレタン樹脂系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤等を用いることができる。

基板１０や基板１１の材質としてプラスチックを用いることで、デバイス１の材料コストや製造コストを低減することができる。プラスチックを成形し、基板を形成する方法には様々な方法があるが、原料プラスチックを溶融させ、金型に射出して成形する射出成形が最も一般的である。射出成形によって成形されたプラスチックの基板は、金型の温度ムラや射出圧力による残留圧力、樹脂の配向による成形収縮率の違い等の様々な要因によって生じる反りを有する。

このとき、基板１０および基板１１のサイズを数ｃｍ四方と、比較的小さなサイズにしても、反りを２０μｍ以下にすることは困難である。ここで、反りとは、基板１０を水平な面上に載置したときに、上面あるいは下面のどちらか一方について、最も低い点と最も高い点との間の高さの差のことを指す。

基板１０が反りを有する基板である場合、例えば加圧して平坦化し、反りを矯正することで基板１１と接合することができる。しかし、加圧して反りを矯正すると、接合後の基板１０の内部応力が高まり、接合した基板同士が剥がれやすくなってしまう。そこで、反りを有する基板である基板１０と基板１１とを接合する際には、使用する接着剤の量を増やして接着層１２を厚くすることで、基板１０の反りを矯正せずに基板１１と接合することが可能である。

基板１０の反りが２０μｍ以上ある場合、接着層１２を厚くすることで基板１０の反りを矯正せずに基板１１と接合すると、接合後の接着層１２の厚みも２０μｍ以上となる。この場合、基板１０と基板１１とを接合する際に基板１０または基板１１を、自重より大きな圧力で加圧すると、接着剤がマイクロ流路１３に侵入してしまう可能性がある。そのため、接合時に加える圧力はできる限り低いことが好ましい。

基板の反りは、プラスチックの基板において特に発生しやすいが、プラスチック以外の材質の基板においても発生し得る。すなわち、本発明は少なくとも一方の基板がプラスチックの基板であるときに好適であるが、接合する両方の基板がプラスチック以外の基板である場合でも本発明を適用することができる。

接着剤を基板に塗布する際や基板同士を接合させる際には、接着剤に空気が巻き込まれることが多い。接着剤は比較的粘性が高いものが多いため、接着剤に巻き込まれた空気は接着層１２の内部に内包された気泡として存在する。接着層１２の内部に気泡が存在する可能性は、接着層１２の厚みが厚いほど高い。すなわち、接着層１２の厚みが２０μｍ以上と厚くなると、接着層１２の厚みが２０μｍ以下の場合と比べて接着剤の内部に気泡が存在する可能性が高くなる。

接着層１２の内部に存在する気泡同士が連結していくと、例えば隣接するマイクロ流路であるマイクロ流路１３１とマイクロ流路１３２とが連通する可能性がある。そこで本実施形態に係るデバイス１は、マイクロ流路１３１とマイクロ流路１３２とが、接着層１２の内部の領域で連通することを低減する連通低減部１００を有している。以下、連通低減部１００の概念について説明する。

図２は、接着層に内包された気泡が連結することで接着層内でマイクロ流路同士が連通することを防ぐ、本発明に係る連通低減部を概念的に示す概念図である。図２は、デバイス１を、マイクロ流路１３１およびマイクロ流路１３２の流路方向に垂直な平面で切った断面を模式的に示している。

基板１０と基板１１とに挟まれた領域のうち、マイクロ流路１３１の右側の縁部を通り基板１１に垂直な曲面１３３と、マイクロ流路１３２の左側の縁部を通り基板１１に垂直な曲面１３４と、に挟まれた領域を領域１０３とする。さらにこの領域１０３の内部の領域のうち、曲面１３３を平行移動して得られる曲面１３５と、曲面１３４を平行移動して得られる曲面１３６と、によって挟まれた領域を領域１０１とする。マイクロ流路１３１とマイクロ流路１３２とを、領域１０３の内部に任意の通路を形成することで連通させようとすると、領域１０１を必ず通過することになる。そのため、領域１０１を領域内に気泡が存在しない領域とすれば、領域１０３の内部で気泡同士がいくら連結しても、マイクロ流路１３１とマイクロ流路１３２とが連通することはなくなる。すなわち、この領域１０１によって、マイクロ流路１３１とマイクロ流路１３２との間を遮蔽し、領域１０３の内部で気泡が連結することによってマイクロ流路１３１とマイクロ流路１３２とが連通することを防ぐことができる。

ここで、曲面１３５および曲面１３６は、それぞれ曲面１３３と曲面１３４を平行移動して得られる曲面とした。しかし、曲面１３５および曲面１３６は、それぞれ曲面１３３と曲面１３４を平行移動して得られる曲面に限定はされない。曲面１３５および曲面１３６は、マイクロ流路１３１とマイクロ流路１３２とを結ぶ領域１０３内の任意の通路が必ず領域１０１を通過するように、領域１０１を規定できる曲面であればいかなる曲面であっても良い。

このように領域１０３の中に、領域内に気泡が存在しない領域である領域１０１を連通低減部１００によって設けることにより、マイクロ流路１３１とマイクロ流路１３２とが、接着層１２の内部で連通することを防ぐことができる。

なお、本発明において「マイクロ流路１３１とマイクロ流路１３２との間の領域」とは、上記のように定義される曲面１３３と曲面１３２とに挟まれた領域を指すものとする。

次に、マイクロ流路１３１とマイクロ流路１３２との間の領域内に、接着層１２の内部に気泡が存在しない領域を形成するための、本実施形態に係るデバイス１の構成について図１および図３を用いて説明する。

本実施形態に係るデバイス１は、図１（ａ）に示すように、マイクロ流路１３１とマイクロ流路１３２との間に連通低減部１００を有する。連通低減部１００は、前述の領域１０１をマイクロ流路１３１とマイクロ流路１３２との間の領域内に生じさせ、マイクロ流路１３１とマイクロ流路１３２とが接着層１２内で連通することを低減させる部分である。連通低減部１００は、凸部１４および凹部１５を有する。凸部１４は基板１０の下面に設けられ、凹部１５は基板１１の上面に設けられている。

凹部１５は、基板１１の上面であって、マイクロ流路１３１を形成する凹部とマイクロ流路１３２を形成する凹部との間に設けられている。例えばマイクロ流路１３１およびマイクロ流路１３２がともに上面から見て直線状で、互いに平行に配置されている場合、凹部１５もそれに平行な直線状の凹部であることが好ましい。しかし、凹部１５はマイクロ流路１３１またはマイクロ流路１３２に必ずしも平行である必要はない。凹部１５は、マイクロ流路１３１を形成する凹部およびマイクロ流路１３２を形成する凹部と交差しない凹部であり、マイクロ流路１３１またはマイクロ流路１３２に沿うように配置された凹部であれば、曲線状の凹部であっても良い。

凸部１４は、基板１０の下面に設けられている。凸部１４は、基板１０と基板１１とを対向させたときに凹部１５に沿うような形状を有しており、凹部１５に対応するような位置に設けられている。

凸部１４および凹部１５の断面形状は特に限定されない。凸部１４および凹部１５の断面形状は例えば矩形、台形、三角形、半円形等とすることができる。また、凸部１４および凹部１５を上面から見たときの形状は直線状であっても曲線状であっても良い。また、凸部１４および凹部１５を上面から見たときの形状は、連続した実線状ではなく、一部途切れた部分が存在する点線状または破線状であっても良い。

図３は、本実施形態に係るマイクロ流体デバイスの凸部と基板とに挟まれた領域から気泡が消滅するメカニズムを示す模式図である。図３は、本実施形態に係るデバイス１のマイクロ流路１３１およびマイクロ流路１３２の流路方向に垂直な断面であって、凸部１４および凹部１５の近傍の領域を拡大して模式的に示している。

本実施形態では、凸部１４の断面形状は矩形である。すなわち、凸部１４の先端は平面であり、凸部１４の先端面は基板１１と対向している。なお、凸部１４の断面形状が三角形や半円形等である場合は、凸部１４の先端の形状は平面ではなく線または点となる。本明細書における凸部１４の「先端面」は、前記の場合における凸部１４の先端の線または点を含むものとする。また、この場合は、凸部１４の先端の線または点だけでなく、その近傍の領域を含めて凸部１４の「先端面」としても良い。

本実施形態では、基板１０の反りを考慮した上で凸部１４の高さを調整している。本実施形態では、凸部１４の先端面と基板１１の上面との間の間隔１７が５０μｍ以下になるように、凸部１４の高さを調整している。以降、間隔１７が５０μｍである場合について説明する。

また、本実施形態では凸部１４および凹部１５を、凸部１４の先端面の少なくとも一部が凹部１５と対向するように配置している。すなわち凸部１４の先端面は、基板１１と基板１０とを対向させたときに、基板１１の上面と凹部１５の底面との２つの面に対向する。

このとき図３に示すように、凸部１４の左側の縁部を通る曲面を曲面１３５とし、凹部１５の左側の縁部を通る曲面を曲面１３６とする。本実施形態では、この曲面１３５と曲面１３６とに囲まれた領域が領域１０１となる。本実施形態では、この領域内には気泡が存在しない。すなわち、接着剤を塗布して基板１０と基板１１とを貼り合わせた際に領域１０１の内部に気泡が混入したとしても、接着層１２を硬化させて基板１０と基板１１とを接合するまでの間に、領域１０１の内部の気泡は消失するか、領域１０１の外部に移動する。

なお、接着層１２のうち凸部１４から離れた領域には、気泡が存在していても構わない。また、凸部１４の先端面と基板１１の上面との間の間隔１７が凸部１４の高さより十分に小さい場合は、凸部１４の先端面と基板１１の上面との間の流路抵抗が、基板１０と基板１１との間の他の領域の流路抵抗に比べて大きくなる。そのため、接着層１２のうち凸部１４から離れた領域に存在する気泡が、凸部１４の先端面と基板１１の上面との間の領域に受動的に流入する可能性はほとんどない。

図３において、凹部１５の上側の領域で、凹部１５と基板１０の下面および凸部１４の先端面とに挟まれた領域を領域１０２とする。凹部１５は、内部に接着層１２が存在せず、空隙を有している。そのため、領域１０２の接着層１２の内部圧力は、領域１０２以外の部分の接着層１２の内部圧力よりも低圧になっている。そのため、接着層１２を硬化させると、領域１０２内の接着層１２の密度は領域１０２外の周囲の接着層１２の密度に比べて低くなる。

次に、本実施形態の領域１０１に存在する気泡が消失あるいは領域外へ移動するメカニズムを説明する。領域１０１の内部に存在する気泡を、領域１０１の高さ未満のサイズを有する小さな気泡１６１と、領域１０１の高さ以上のサイズを有する大きな気泡１６２とに分けて説明する。ここでは、領域１０１の高さは５０μｍであるので、小さな気泡１６１は直径が５０μｍ未満の気泡であり、大きな気泡１６２は直径が５０μｍ以上の気泡である。

まず、領域１０１に小さな気泡１６１が存在した場合について説明する。図３（ａ）は、領域１０１に５０μｍ未満のサイズを有する気泡１６１が存在した場合を示す概念図である。

一般に、直径が５０μｍ以下の気泡はマイクロバブルと呼ばれる。マイクロバブルは一般的な気泡とは異なった特性を有することが知られている。

気泡１６１は、気泡の周囲全体が接着剤に覆われている。液体中に内包された気泡１６１には、その気液界面に界面張力σが作用する。界面張力σは、その界面の面積を小さくするように作用するため、気泡１６１は球形になる。なお、界面張力σは気泡１６１の内部の気体を圧縮する力として機能する。すなわち、気泡１６１の内部の気体は、界面張力σによって加圧されている。

このとき、気泡１６１の直径をＤとすると、気泡１６１の内部の圧力は、気泡１６１の外部の接着剤の圧力よりも圧力差Δｐだけ高い。この圧力差Δｐは、ヤング・ラプラスの式（式（３））によって次のように求められる。

一般に、気体はヘンリーの法則に従って液体に溶解するため、液体への気体の溶解度は圧力に比例して大きくなる。気泡１６１の内部の気体が周囲の接着剤に溶解すると、気泡１６１の直径Ｄは小さくなる。式（１）において直径Ｄが小さくなると圧力差Δｐが大きくなり、気泡１６１の内部の気体はさらに加圧される。この効果は、自己加圧効果と呼ばれている。

これが繰り返されることにより、気泡１６１の内部の気体は加速度的に周囲の接着剤に溶解していき、気泡１６１の内部の圧力も加速度的に上昇していく。これにより、最終的には気泡１６１は消滅する。

このように、接着剤に内包された気泡１６１は、気泡１６１の内部の気体が接着剤に徐々に溶解していくため、最終的には消滅する。このとき、気泡１６１の大きさに制限はなく、理論上はどんなに大きな気泡でも、長時間経過すればいずれ消滅することになる。

２枚の基板に挟まれた接着層の内部に存在する気泡の経時変化を観察した結果を、図４（ａ）に示す。２枚の基板の間の間隔は約３μｍとし、接着層内に生じた気泡のうち、直径８０μｍ以下の比較的小さな気泡について、気泡を基板の上から見たときの直径の経時変化を観察した。気泡の直径は、基板の上方から一定時間ごとに取得した画像を画像解析することによって算出した。

図４（ａ）から、各気泡は時間の経過とともに縮小していくことがわかった。なお、画像を取得し始めてからしばらくの間はそれぞれの気泡が球形に近づくように変形するため、気泡の初期形状によって気泡が縮小していく挙動は異なっていた。しかし、直径が５０μｍ程度以下の気泡については、基板同士を接着層を介して貼り合わせた後に１５分程度静置することによって消滅させることができることが確認できた。

以上のように、基板１０と基板１１とを貼り合わせる際に領域１０１内に発生した小さな気泡１６１は、時間の経過とともに領域１０１内で消滅する。

次に、領域１０１に大きな気泡１６２が存在した場合について説明する。図３（ｂ）は、領域１０１に５０μｍ以上のサイズを有する大きな気泡１６２が存在した場合を示す概念図である。

５０μｍ以上のサイズを有する気泡１６２は、基板１０と基板１１とを貼り合わせる際に、凸部１４の先端面と基板１１の上面とに挟まれて押しつぶされる。そのため気泡１６２は、凸部１４の先端面と基板１１の上面とに、接触角θを有して接触している。このとき、間隔１７は５０μｍと小さいため、図３（ｂ）の気泡１６２の左側の気液界面には毛管力が支配的に作用する。

ここで、凸部１４の右方向には内部に空隙を有する凹部１５が存在している。そのため、凹部１５の上方向に存在する領域１０２内の接着層１２の内部圧力は、領域１０１内の接着層１２の内部圧力よりも低くなっている。この内部圧力差によって、領域１０１に存在する気泡１６２の左側の気液界面は、接着層１２の内部圧力がより低い領域１０２の方向へと毛管力によって移動していく。

ここで、間隔１７をｂ、凸部１４の長手方向の長さをａ、接着層１２を形成する接着剤の粘度をμ、経過時間をｔとする。さらに、凸部１４の先端面と基板１１の上面との間に存在する気泡１６２の気液界面が移動した距離Ｌとする。すると気液界面の移動距離Ｌは、ルーカス・ウォッシュバーンの式を長方形の毛管に浸透する液体の進行を示すように変形することで導かれ、式（１）のよう表される。

つまり、気泡１６２の気液界面の移動距離Ｌは、経過時間ｔの平方根に比例する。すなわち、時間の経過に伴って、気泡１６２の左側の気液界面は凹部１５のほうへ移動する。また気泡１６２の右側の気液界面についても、凹部１５が存在することによって発生する圧力差により、凹部１５のほうへ移動する。これにより、気泡１６２は凹部１５のほうへと移動して領域１０１の外部に移動し、気泡１６２は最終的には凹部１５に格納されることにより消滅する。したがって、基板１０と基板１１とを貼り合わせる際に領域１０１内に発生した大きな気泡１６２は、凹部１５によって生じる接着剤の内圧の差によって移動し、領域１０１の外部へと移動する。

凹部を有する基板と他の基板とに挟まれた接着層の内部に存在する気泡の経時変化を観察した結果を、図４（ｂ）に示す。２枚の基板の間の間隔は約３μｍとし、接着層内に生じた気泡のうち、直径８０μｍより大きい比較的大きな気泡について観察を行った。ここでは、凹部と最も離れた気液界面と凹部との間の距離の経時変化を観察した。観察は、比較的小さな気泡の場合と同様に、画像を取得して、取得した画像を画像処理することによって行なった。

図４（ｂ）から、それぞれの気泡の凹部から最も離れた気液界面は、時間の経過とともに凹部に接近していくことがわかった。特に、数百μｍを超えた直径を有する大きな気泡についても、時間の経過とともに気液界面が凹部に向かって移動し、最終的には凹部内に気泡が格納されることによって気泡が消滅することが確認できた。

一方、凹部を設けない場合は、十分な時間が経過した後においても気泡が残存していることが確認できた。これは、凹部が設けられていないために、接着層の内部に圧力の低い領域が生じていなかったためであると考えられる。そのため気泡の移動が生じず、比較的小さい気泡は自己加圧効果により消滅したものの、比較的大きな気泡については自己加圧効果が弱く、消滅せずに残留したものと考えられる。

本実施形態では以上のように、凸部１４の先端面と基板１１の上面との間の間隔１７を接着層１２の厚みより十分小さくし、間隔１７が５０μｍ以下となる第１の領域（領域１０１）を生じさせる。さらに、凸部１４の先端面の一部と対向するように凹部１５を設けることで、凸部１４の先端面と基板１１の上面とに挟まれた接着剤よりも、内圧が低い第２の領域（領域１０２）を生じさせる。

これにより、領域１０１内に生じた５０μｍ未満のサイズを有する小さな気泡１６１は、自己加圧効果により１０分〜１５分程度以下の時間で消滅させることができる。一方、領域１０１内に生じた５０μｍ以上のサイズを有する大きな気泡１６２についても同様に一定時間保持することによって消滅させることもできるが、大きな気泡１６２が完全に消失するまでにはかなり長い時間を要する。そこで本実施形態では、接着層１２の内部圧力が低い領域である領域１０２を凹部１５によって生じさせている。これにより生じる接着層１２の内部圧力の差によって大きな気泡１６２を領域１０１の外へと排出することにより、大きな気泡１６２についても短時間で領域１０１から除去することができる。

本実施形態では、凸部１４の先端面の一部が凹部１５と対向するように、凸部１４および凹部１５を配置した。すなわち、凸部１４の先端面のうち、一部は基板１１の上面と対向し、そして残りの部分は凹部１５の底面と対向するように構成した。このように凸部１４および凹部１５を配置することで、領域１０２と領域１０１とを隣接して配置することができ、領域１０１から気泡を短時間で除去することができる。

しかし、凸部１４の先端面と凹部１５の底面は必ずしも対向していなくても良い。すなわち、凹部１５は基板１１の凸部１４が対向する部分ではなく、その近傍に配置されていても良い。凸部１４の先端面と凹部１５の底面とが対向していなくとも、領域１０１と領域１０２とが並んで配置されており、領域１０１と領域１０２との間に十分な圧力差が生じるように凹部１５が配置されていれば良い。

例えば、凸部１４の右端から右方向に１０μｍ離れた位置に凹部１５の左側の縁部が位置するように凹部１５を配置する。また、凸部１４の左端から左方向に１ｍｍ離れた位置に流路１３１を配置する。そして、凹部１５の底面の上側には接着剤がない状態とする。このとき、凸部１４の下および左側に存在する接着剤と、右側に存在する接着剤とで、内部圧力に差が生じる。すなわち、凸部１４の下および左側に存在する接着剤の方が、凸部１４の右側に存在する接着剤よりも内部圧力が大きい。よって、基板１０と基板１１とを貼り合わせる際に領域１０１に大きなサイズの気泡が発生したとしても、気液界面は毛管力によって凹部１５の方向へと移動し、領域１０１から気泡が除去される。

領域１０１と領域１０２の位置関係は、接着層１２として用いる接着剤の粘性や、デバイス１を後述する方法によって作製する過程において、領域１０１から気泡を除去するための保持時間として許容できる最大時間等によって決定する。領域１０１と領域１０２との間には上述のように０でない間隔があっても良いが、領域１０１と領域１０２は隣接していることが好ましい。

次に、本実施形態に係るデバイス１の作製方法について説明する。

まず、基板１０の下面に接着剤を塗布し、基板１０と基板１１とを貼り合わせる。このとき、接着層の厚みは凸部１４の高さと略等しくなるように調整する。あるいは、基板１１に形成されている流路１３１および流路１３２を形成するための溝や凹部１５を避けるようにして基板１１の上面に接着剤を印刷塗布し、基板１０と貼り合わせても良い。このとき、基板１１に形成されている流路１３１および流路１３２を形成するための溝と凹部１５とをマスクで覆った後に、基板１１の上面に接着剤を塗布しても良い。このようにして基板１０と基板１１とを貼り合わせることで、流路１３１、流路１３２、凹部１５のそれぞれの内部に接着剤を侵入させることなく、デバイス１を作製することができる。

次に、基板１０と基板１１とを接着層を介して貼り合わせたものを、一定時間保持する。これにより、上述のとおり、基板１０と基板１１とを貼り合わせた際に凸部１４の先端面と基板１１の上面との間の接着層１２に内包された気泡が消滅または移動する。

一定時間経過後、凸部１４の先端面と基板１１の上面とに挟まれた領域に気泡が存在しないこと確認する。この確認は任意の手法を用いて行なうことができる。

気泡が存在しないことが確認されたら、接着層１２に対して紫外線の照射や熱の印加等の処理を行うことによって接着剤を硬化させ、接着層１２を形成する。接着層１２の硬化方法は、接着剤の種類や基板１０および基板１１の種類に応じて任意の方法を用いることができる。このとき、硬化した接着層１２のうち、領域１０２内の接着層１２の密度は、領域１０２外の接着層１２の密度よりも低密度になっている。

なお、本実施形態では接着層１２の領域１０１内に気泡が存在しないことを確認した後に接着層１２を硬化させているが、気泡が存在しないことの確認は必ずしも行わなくても良い。例えば、接着層１２の領域１０１から気泡が除去されるまでに要する時間を実測や計算等によって予め取得しておく。その上で、接着剤を塗布して基板１０と基板１１とを貼り合わせてから予め取得しておいた時間だけ静置した後に、接着層１２の硬化を行っても良い。

接着層１２の領域１０１から気泡が除去されるまでに要する時間は、式（１）を用いて求めても良い。すなわち、式（１）を変形することで得られる式（２）に、各種パラメータを代入することで計算によって求めることができる。

以上の方法によって、接着層１２の内部においてマイクロ流路１３１とマイクロ流路１３２とが連通していない、本実施形態に係るデバイス１を作製することができる。

なお、本実施形態では隣接するマイクロ流路１３１とマイクロ流路１３２との間の、接着層１２の内部における連通を低減する構成について説明した。しかし、本実施形態と同様に凸部１４と凹部１５とを設けることによって、例えば隣接するマイクロ流路と液溜めとの間、あるいは隣接する液溜めと液溜めとの間の、接着層１２の内部における連通を低減することが可能である。また、隣接していないマイクロ流路同士の連通についても、本実施形態と同様の構成によって低減することが可能である。したがって、これらの場合も本発明に含まれる。

（第２の実施形態）
次に、第２の実施形態に係るマイクロ流体デバイス２（以下、「デバイス２」と称する）について、図５を用いて説明する。図５は、第２の実施形態に係るデバイス２の流路方向に垂直な断面図と、断面図のうち凸部の近傍を拡大して示した模式図である。

本実施形態に係るデバイス２は、マイクロ流路１３１とマイクロ流路１３２との間に、連通低減部１００を有する。連通低減部１００は、図５（ａ）のように、凸部１４と、凸部１４に対向する基板１１に設けられた貫通孔１８とを有する。貫通孔１８は、貫通孔１８の開口縁部全体が凸部１４の先端面に対向するように設けられている。また、貫通孔１８は複数個設けられており、複数の貫通孔１８は基板１１を基板１０と対向させたときに凸部１４に沿うような配列で、任意の間隔で並べられている。

図５（ｂ）は、図５（ａ）の連通低減部１００の近傍を拡大して模式的に示した模式図である。気泡１６１および気泡１６２は凸部１４と基板１１とに挟まれた領域内に存在する気泡である。気泡１６１は凸部１４の先端面と基板１１の上面との間の間隔１７より小さい直径を有する気泡であり、気泡１６２は間隔１７より大きい直径を有する気泡である。気泡１６１および気泡１６２は、第１の実施形態と同様のメカニズムによって消滅、あるいは移動して領域１０１の外部に排出される。

本実施形態では凸部１４の直下の領域内に圧力差を設けるために、基板１１に貫通孔１８を設けた。しかし、凸部１４の直下に凹部１５を設けても良い。一方で、第１の実施形態で設けた凹部１５の代わりに、貫通孔１８を基板１１に設けても良い。

凹部１５と貫通孔１８のどちらを基板１１に形成するかは、基板の加工方法によって決定することができる。例えば基板１１がガラス基板である場合であれば、基板１１に多数の貫通孔１８を形成するより、マイクロ流路１３１やマイクロ流路１３２をエッチングによって形成すると同時にエッチングによって凹部１５を形成すると効率的である。一方で、マイクロ流路１３１やマイクロ流路１３２をメカニカルミリングによって形成する場合に、凹部１５もメカニカルミリングによって形成すると、加工時間と加工コストが増大する。このようなときは、凹部１５の代わりに貫通孔１８を用いたほうが効率的である。

なお、凸部１４の幅は、想定される気泡１６２の大きさによって決定しても良い。例えば貫通孔１８の側壁を延長した面まで５００μｍの位置に気液界面が生じると想定される場合、凸部１４の側壁を延長した面と貫通孔１８の側壁を延長した面との間の距離が５００μｍ以上となるように、凸部１４の幅を調整すれば良い。

ただし、凸部１４の幅が長すぎると、気泡１６２が移動して貫通孔１８の内部へと移動して消滅するまでに過剰な時間がかかる。気泡１６２が消滅するまでに要する時間は式（１）を用いれば見積もることができるため、式（１）を用いて見積もった時間に基づいて凸部１４の幅の上限を決めても良い。

例えば、式（１）を用いて、気液界面が１ｍｍ移動するのに要する時間を以下のように求める。まず、凸部１４の長手方向の長さ（ａ）を１０ｍｍ、間隔１７（ｂ）を５０μｍ、界面張力（σ）を２０ｍＮ／ｍ、接触角（θ）を３０°、接着層１２を形成する接着剤の粘度（μ）を５０Ｐａ・ｓとする。次に、式（１）を、Ｌ＝１ｍｍとして時間ｔについて解く。すると気液界面が１ｍｍ移動するのに要する時間ｔは、およそ１７２秒となる。

基板１０と基板１１とを貼り合わせた後に、約３分間の間静置する工程を許容できるのであれば、凸部１４の側壁を延長した面と貫通孔１８の側壁を延長した面との間の距離が１ｍｍとなるように、凸部１４の幅を調整しても良い。なお、式（１）から分かるように、気液界面が距離Ｌを移動するのに要する時間ｔは、気液界面の移動距離（Ｌ）の２乗に比例する。そのため、凸部１４の幅を小さくすることで、２枚の基板を貼り合わせた後の静置時間を大きく減少させることができる。そのため凸部１４の幅は、基板１０と基板１１とを貼り合わせた後に静置することができる最大の時間と、式（１）と、から取得される幅Ｌ以下とすると良い。

以上のように、凸部１４の周辺に存在する接着剤に圧力差を生じさせるためには、第１の実施形態のように凹部１５を設ける他、本実施形態のように貫通孔１８を設けても良い。また、凸部１４の幅については、マイクロ流体デバイスを作製する上で許容できる静置時間を元に、式（１）に基づいて決定しても良い。

（第３の実施形態）
次に、第３の実施形態に係るマイクロ流体デバイス３（以下、「デバイス３」と称する）について、図６を用いて説明する。図６は、第１および第２の実施形態に係るマイクロ流体デバイスを形成する基板１０の有する反りに対して、反対向きの反りを有する基板２０を第１の基板として用いた場合のデバイス３を示している。

本実施形態に係るデバイス３は、マイクロ流路１３１とマイクロ流路１３２との間に連通低減部１００を有している。連通低減部１００は、凸部１４と凹部１５とを有し、凸部１４によって生じる領域１０１と、凹部１５によって生じる領域１０２とを有している。凸部１４と凹部１５の配置は第１の実施形態と同様である。すなわち、凸部１４の先端面の少なくとも一部が凹部１５と対向するように、凸部１４および凹部１５を配置している。このような構成とすることで、第１の実施形態の場合と同様に、凸部１４の先端面と基板１１の上面とに挟まれた領域に、気泡の存在しない領域を形成することができる。

図５のように、基板２０の反りの外側の頂点近傍に凸部１４を設けた場合、基板２０と基板１１とは凸部１４の先端面で接触することになる。そのため、第１および第２の実施形態のように基板１０の反りの内側に凸部１４を設けた場合と比べて、凸部１４の高さに関して設計の自由度が高まる。

例えば、第１および第２の実施形態では、基板１１と接合させたときに凸部１４の先端面と基板１１との間の間隔が５０μｍ以下になるように、基板１０を製造する際に凸部１４の高さを調整することが好ましい。凸部１４の高さが基板１０の反りよりも小さい場合、凸部１４の先端面と基板１１との間の間隔は、接着層１２の厚みと凸部１４の高さ、基板１０の反りによって決定される。特に、基板１０に凸部１４を複数設ける場合は、それぞれの凸部１４について基板１０の反りの形状や度合いに合わせた高さの調整を行う必要がある。そのために基板１０を加工するための工程が増え、時間がかかる。

一方、本実施形態に係るデバイス３の基板２０は、反りの外側に凸部１４を有する。そのため、基板２０と基板１１は接着層１２を介して凸部１４の先端面で接触するので、凸部１４の先端面と基板１１の上面との間の間隔は、接着層１２の厚みで制御することができる。よって、反りを有する基板の反りの外側に凸部１４を設けることで、凸部１４の高さに関して設計の自由度を高めることができる。

以上にように、反りを有する基板の反りの向きが第１および第２の実施形態とは逆であっても、本発明を適用できる。

（その他の実施形態）
次に、その他の実施形態に係るマイクロ流体デバイスとして、マイクロ流路同士が接着層の内部で連通することを防ぐ構造の変形例を、図７を用いて説明する。

図７（ａ）は、マイクロ流路の近傍に凸部を設けた変形例に係るマイクロ流体デバイスの断面図である。図７（ａ）は、基板１０に凸部を２つ設け、マイクロ流路１３１の近傍に凸部１４１が、マイクロ流路１３２の近傍に凸部１４２が、それぞれ配置されるように設けたマイクロ流体デバイス４を示している。

凸部１４１は、凸部１４１の左側の側壁を延長した面と、マイクロ流路１３１の右側の側壁を延長した面との間の距離が約１０μｍとなるように配置されている。同様に、凸部１４２は、凸部１４２の右側の側壁を延長した面と、マイクロ流路１３２の左側の側壁を延長した面との間の距離が約１０μｍとなるように配置されている。また、基板１１には、凸部１４１が対向する部分と凸部１４２が対向する部分との間の部分に、凹部１５を設けている。凹部１５は、凸部１４１の先端面の一部および凸部１４２の先端面の一部と対向するように配置されている。

このように凸部１４１および凸部１４２と凹部１５とを設けることによって、凸部１４１の先端面と基板１１の上面とに挟まれた領域と、凸部１４１の先端面と基板１１の上面とに挟まれた領域とを気泡が含まれない領域１０１とすることができる。また、このようにマイクロ流路１３１とマイクロ流路１３２との間の領域に凸部（１４１および１４２）を２つ設けることによって、マイクロ流路１３１およびマイクロ流路１３２からの流体の漏れを低減することができる。

図７（ｂ）は、１つの凸部に対して複数の凹部を設けた変形例に係るマイクロ流体デバイスの断面図である。図７（ｂ）は、基板１１に凹部を２つ設け、凹部１５１および凹部１５２の両者を、基板１０の凸部１４と対向するように、それぞれ配置されるように設けたマイクロ流体デバイス５を示している。すなわち、本変形例のマイクロ流体デバイス５の凸部１４の先端面は、基板１１の上面と対向する部分と、凹部１５１の底面と対向する部分と、凹部１５２の底面と対向する部分と、を有する。

凸部１４の先端面と基板１１の上面とに挟まれた領域Ｂは、凹部１５１と凹部１５２との間の領域に存在する。凹部１５１および凹部１５２の上に存在する接着剤の内圧は、凸部１４の下に存在する接着剤の内圧よりも低いため、領域Ｂは気泡が存在しない領域となる。このように、凸部１４の左右両方に接着剤の内圧が低い領域を作ることによって、領域１０１内に存在していた気泡が領域１０１内から消滅するまでに要する時間を、凹部１５を１つだけ設けた場合に比べて短縮することができる。

図７（ｃ）は、図７（ｂ）のマイクロ流体デバイス５において、凹部１５１と凹部１５２、凸部１４を基板１１に並べて配置した変形例を示している。このように、凸部１４と凹部１５１または凹部１５２とを同一の基板上に並べて配置しても、図７（ｃ）に示すように連通低減部１００を構成することができる。すなわち、凹部１５１（１５２）の上側に配置される接着層１２が流動して凹部１５１（１５２）の空隙へと侵入することで、凹部１５１（１５２）の上側に配置される接着層１２の密度が低下するために、領域１０２が形成される。そのため、凸部１４によって形成される領域１０１と、凹部１５１（１５２）によって形成される領域１０２とが十分に近づくように凸部１４と凹部１５１（１５２）を配置することで、連通低減部１００を構成することができる。

１０ 第１の基板
１１ 第２の基板
１２ 接着層
１３１、１３２ マイクロ流路
１４ 凸部
１５ 凹部
１８ 貫通孔
１００ 連通低減部
１０１ 第１の領域
１０２ 第２の領域

Claims (11)

1. 第１の基板と第２の基板とを接着層を介して接合し、前記第１の基板と前記第２の基板との間に第１の流路と第２の流路とが形成された流体デバイスであって、
   前記流体デバイスは、前記第１の流路と前記第２の流路との間の領域に配置された前記接着層における気泡の連通を低減する連通低減部を有しており、
   前記連通低減部は、
   前記第１の基板が有する凸部によって前記接着層が周囲よりも薄く配置された第１の領域と、
   前記第１の領域と並んで配置され、前記第１の基板または前記第２の基板の少なくとも一方が有する凹部または貫通孔によって前記接着層が周囲よりも低密度に配置された第２の領域と、を有することを特徴とする流体デバイス。
2. 前記凹部または前記貫通孔が前記第２の基板に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の流体デバイス。
3. 前記第１の領域と前記第２の領域とが、隣接していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流体デバイス。
4. 第１の基板と第２の基板とを接着層を介して接合し、前記第１の基板と前記第２の基板との間に第１の流路と第２の流路とが形成された流体デバイスであって、
   前記第１の基板は、前記第２の基板と対向する面に凸部を有し、
   前記凸部は、前記凸部の先端面が前記第２の基板の前記第１の基板と対向する面と前記接着層を介して対向するように配置され、
   前記第２の基板は、前記凸部が前記接着層を介して対向する部分またはその近傍に凹部または貫通孔を有し、
   前記凸部と、前記凹部または前記貫通孔は、前記第１の流路と前記第２の流路との間の領域に配置されていることを特徴とする流体デバイス。
5. 前記凹部または前記貫通孔が、前記凸部に沿うように配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の流体デバイス。
6. 前記凸部の先端面の少なくとも一部が、前記凹部または前記貫通孔と対向することを特徴とする請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載の流体デバイス。
7. 前記接着層の最も厚い部分の厚さが、前記凸部の高さ以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の流体デバイス。
8. 前記凸部の先端面と、前記第２の基板との間の間隔が、５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の流体デバイス。
9. 前記接着層の最も厚い部分の厚さが、２０μｍ以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれか一項に記載の流体デバイス。
10. 前記第１の流路、前記第２の流路、前記凸部、前記凹部がすべて上面から見たときに直線状であり、それらが互いに平行に配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項９のいずれか一項に記載の流体デバイス。
11. 凸部を有する第１の基板と、第２の基板とを接着層を介して接着接合することによって形成され、前記第１の基板と前記第２の基板との間に第１の流路と第２の流路と有する流体デバイスの製造方法であって、
    前記第１の基板または前記第２の基板の表面の少なくとも一部に前記接着層を配置するステップと、
    前記第１の基板と前記第２の基板とを貼り合わせることによって、前記凸部の先端面と前記第２の基板とに挟まれた第１の領域に隣接するように、前記第１の領域における前記接着層の内圧よりも前記接着層の内圧が低い第２の領域を配置するステップと、
    前記第１の基板と前記第２の基板とを貼り合わせてから所定の時間経過した後で、前記接着層を硬化させるステップと、
    を有することを特徴とする流体デバイスの製造方法。