JP2017052060A

JP2017052060A - マイクロ素子

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Publication number: JP2017052060A
Application number: JP2015178757A
Authority: JP
Inventors: 菱田　光起; Mitsuki Hishida; 光起菱田; 真伊豫田; Makoto Iyoda
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2017-03-16

Abstract

【課題】液体を送るときに液体の一部が先に進行する毛細管現象問題を軽減することができるマイクロ素子を提供する。【解決手段】液体５が流れる溝３を有するベース１と、ベースの溝を覆うカバー２と、溝に対向してカバーの内面２ａに固定され、液体の流れる方向と交差する方向に延在し、溝で露出し、かつ溝内で液体の流れる方向においてカバーの内面の露出面の後に配置されかつカバーの内面の露出面の接触角θ１よりも大きな接触角θ２を有するとともに、５ｎｍ以上１４μｍ以下の厚さを有する液体流れ制御膜部４ａとを備える、マイクロ素子。【選択図】図１Ａ

Description

本発明は、毎秒数μＬ（リットル）から数百μＬの液を扱うマイクロデバイス又はマイクロチップなどのマイクロ素子に関する。

毎秒数μＬから数百μＬまでの液体を扱うマイクロデバイス又はマイクロチップなどのマイクロ素子は、送液量に見合った装置の小型化と低コスト化とが望まれている。従来、マイクロデバイス又はマイクロチップの液体を流す流路及び液体を溜めるチャンバーは、扱う液体が外に漏れ出ない様に、２つ以上の部品を貼り合わせて構成され、液体の出入り口を除き、密閉された構造からなる。

マイクロデバイス又はマイクロチップのチャンバーは、単数又は、複数を持ち、そのチャンバーを単数、又は複数の流路で連結して、マイクロデバイス又はマイクロチップが構成される（特許文献１を参照）。

特許第２９５８５０２号公報（特願平３−２８５７４８号）

マイクロデバイス又はマイクロチップのチャンバーに液体を注入する際、ポンプなどを用い、液体を送液するが、チャンバー又は流路は２つ以上の部品で貼り合わせて構成されている。この２つの部品の貼り合わせた部分は、微小な領域が存在するため、毛細管現象が発生し、任意で送液したい液体の場所より、液体が先に進行する毛細管現象問題が発生する。この毛細管現象の発生により、チャンバー及び流路内で任意の量の液体が送液できない問題が生じる。

また、毛細管現象により先に進行する液体は、チャンバー又は流路で、流路の断面積が小さくなる部分に到達すると、液体が流路を満たし、チャンバー又は流路に気泡が残留する問題も発生する。この泡残りの発生は、チャンバー内の液体の制御に更に影響を及ぼす課題がある。

従って、本発明の目的は、前記問題を解決することにあって、液体を送るときに液体の一部が先に進行する毛細管現象問題を軽減することができるマイクロ素子を提供することにある。

本発明の第１の態様によれば、液体が流れる溝を有するベースと、
前記ベースの前記溝を覆うカバーと、
前記溝に対向して前記カバーの内面に固定される膜とを備え、
前記膜は、前記ベースの膜厚方向から見たとき、前記液体の流れる方向と交差する方向における前記溝と同じ幅を有する液体流れ制御膜部を有し、
前記液体流れ制御膜部は、前記溝で露出されて配置され、
前記液体流れ制御膜部は、前記液体の流れる方向において、前記カバーの内面における露出面の後に位置し、
前記液体流れ制御膜部は、前記カバーの前記内面における前記露出面の接触角よりも大きな接触角を有し、
前記液体流れ制御膜部は、５ｎｍ以上１４μｍ以下の厚さを有する、
マイクロ素子を提供する。

本発明の前記態様によれば、毛細管現象により先行する液体の進行を遅らせる事が出来る。先行する液体の進行を遅らす事により、チャンバー又は流路などの溝内の泡残りが抑制され、チャンバー又は流路の正確な液体制御が可能となる。

本発明の第１実施形態におけるマイクロ素子の流路の断面側面図。図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線の切断端面図。図１Ａの１Ｃ−１Ｃ線の切断端面図。本発明の第１実施形態におけるマイクロ素子においてカバーを取除いた状態での膜と流路とを示す平面図。固体の表面での液体に作用する表面張力などの説明図。接触角の違う材料上を液体が通過する場合における、液体固体の表面での液体に作用する表面張力などの説明図。従来例のマイクロチップの断面側面図。図３Ａの３Ｂ−３Ｂ線の縦断面図。従来例のマイクロチップにおいてカバーを取除いた状態での平面図。従来例のマイクロチップにおいて、毛細管現象により、液体が本流より先に流れる様子の流路断面側面図。図４Ａの４Ｂ−４Ｂ線の縦断面図。従来例のマイクロチップにおいてカバーを取除いた状態での毛細管現象により、液体が本流より先に流れる様子を示す平面図。本発明の第１実施形態の実例にかかるマイクロチップを使用してシミュレーション実験を行なったときのマイクロチップの溝の形状を示す平面図。本発明の第１実施形態の実例にかかるマイクロチップを使用してシミュレーション実験を行なったときのマイクロチップのベースの平面図。図５Ａの５Ｃ−５Ｃ線の縦断面図。図５Ａの５Ｄ−５Ｄ線の縦断面図。本発明の第１実施形態の実例にかかるマイクロチップを使用してシミュレーション実験を行なったときのマイクロチップのカバーを取除いた状態での平面図。本発明の第１実施形態において、シミュレーション実験を行った実験結果の比較を表す図。本発明の第１実施形態において、シミュレーション実験を行った実験結果の比較を示す表形式の説明図。従来の流路の状態で、シミュレーション実験を行った場合、先走り液が、シミュレーション計算範囲外に到達したときの、本流液体と、先走り液の位置関係を示す図。本発明の第１実施形態において、膜の膜厚が１５μｍである場合のシミュレーション実験を行った場合、先走り液が、シミュレーション計算範囲外に到達したときの、本流液体と、先走り液の位置関係を示す図。本発明の第１実施形態において、膜の膜厚が１０μｍである場合のシミュレーション実験を行った場合、先走り液が、シミュレーション計算範囲外に到達したときの、本流液体と、先走り液の位置関係を示す図。本発明の第１実施形態におけるマイクロ素子において、溝が蛇行している場合のマイクロチップのカバーを取除いた状態での平面図。図９Ａの本発明の第１実施形態におけるマイクロ素子において、シミュレーション実験を行った場合、本流液体と先走り液との位置関係を示す平面図。図９Ａの本発明の第１実施形態におけるマイクロ素子において、シミュレーション実験を行った場合、図９Ｂに続く、本流液体と先走り液との位置関係を示す平面図。本発明の第２実施形態におけるマイクロ素子において、溝が蛇行している場合のマイクロチップのカバーを取除いた状態での平面図。図１０Ａの本発明の第１実施形態におけるマイクロ素子において、シミュレーション実験を行った場合、本流液体と先走り液との位置関係を示す平面図。図１０Ａの本発明の第１実施形態におけるマイクロ素子において、シミュレーション実験を行った場合、図１０Ｂに続く、本流液体と先走り液との位置関係を示す平面図。本発明の第２実施形態におけるマイクロ素子において、溝が蛇行している場合のマイクロチップのカバーを取除いた状態で、膜部を均等配置したときの平面図。本発明の第２実施形態におけるマイクロ素子において、溝が蛇行している場合のマイクロチップのカバーを取除いた状態で、小さな幅の膜部を溝の幅方向両端部に配置したときの平面図。本発明の第２実施形態におけるマイクロ素子において、溝が蛇行している場合のマイクロチップのカバーを取除いた状態で、膜部の無い領域と膜部のある領域とを有するときの平面図。

以下に、本発明にかかる実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。

以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。

前記態様によれば、毛細管現象により先行する液体の進行を遅らせる事が出来る。先行する液体の進行を遅らす事により、チャンバー又は流路内の泡残りが抑制され、チャンバー又は流路の正確な液体制御が可能となる。

本発明の第２の態様によれば、前記液体流れ制御膜部の前記接触角と前記カバーの前記内面の前記露出面の前記接触角との差は、少なくとも２０度である、第１の態様に記載のマイクロ素子を提供する。

前記態様によれば、液体流れ制御膜部の前記接触角と前記カバーの前記内面の前記露出面の前記接触角との差が少なくとも２０度になることにより、接触角の差異に基づいて異なる材料の境界で液体の流れ方向に対して接触角が大きくなることにより発生する先走り遅れ力（引戻し力）を液体に確実に作用させることができて、毛細管現象により先行する液体の進行を遅らせる事が出来る。

本発明の第３の態様によれば、前記溝は、前記液体が前記溝内に導入される液体入口を一端に有し、前記液体入口から導入された前記液体が流れて排出される液体出口を他端に有し、
前記膜は、前記液体の流れ方向に、前記溝の幅と同じ大きさを有する複数の貫通穴を有し、
前記液体流れ制御膜部は、前記複数の貫通穴の間に位置する、第１の態様に記載のマイクロ素子を提供する。

前記態様によれば、前記カバーと前記ベースを貼り合わせた場合、前記液体流れ制御膜部と前記ベースとが接触して設置できるため、前記膜と前記カバーとの段差が生じる事を回避でき、前記溝から前記液体の流出を抑えられる。

本発明の第４の態様によれば、前記溝は、前記液体が前記溝内に導入される液体入口を一端に有し、前記液体入口から導入された前記液体が流れて排出される液体出口を他端に有し、
前記液体流れ制御膜部は、湾曲した湾曲部を有し、前記溝の幅方向の両端部において、前記湾曲部での曲率半径の小さい側の端部での前記液体流れ制御膜部との接触回数は、前記湾曲部での曲率半径の大きい側の端部での前記液体流れ制御膜部との接触回数よりも多い、第１の態様に記載のマイクロ素子を提供する。

前記態様によれば、前記ベースにある前記溝を任意の場所に湾曲して配置する事により、より小さい面積で前記ベース内に構成できる。

本発明の第５の態様によれば、前記溝は、前記液体が前記溝内に導入される液体入口を一端に有し、前記液体入口から導入された前記液体が流れて排出される液体出口を他端に有するとともに、
前記溝は、前記液体入口に接続されかつ前記液体流れ制御膜部が配置されていない液体流れ非制御領域と、前記液体流れ非制御領域に隣接しかつ前記液体流れ制御膜部が配置されて前記液体の流れを制御する液体流れ制御領域とを、前記液体入口から前記液体出口に向けて順に備える、第１〜４のいずれか１つの態様に記載のマイクロ素子を提供する。

前記態様によれば、前記液体の流れを、任意の場所で制御する事ができる。

以下、本発明をその実施形態を用いて、図面を参照しながら具体的に説明する。

（第１実施形態）
図１Ａ〜及び図１Ｄは、本発明の第１実施形態における、マイクロデバイス又はマイクロチップなどのマイクロ素子の流路機構の断面側面図、１Ｂ-１Ｂ線の切断端面図、１Ｃ-１Ｃ線の切断端面図、及び、カバーを取除いた状態での膜及び流路の平面図である。

第１実施形態におけるマイクロ素子６は、ベース１と、カバー２と、膜部（言い換えれば、液体流れ制御膜部）４ａとを備えて構成されている。

ベース１は、例えばシリコンなどで構成されている。例えば、長方形板状のベース１の上面には、チャンバー又は流路として機能する溝３を長手方向沿いに形成している。溝３の一例は、図１Ｄに点線で示すように、中央部に延在した長方形状の凹部である。溝３は、この形状に限られるものではなく、後述するように一部湾曲した部分を有する形状を含む任意の形状でもよい。溝３の一端（例えば図１Ａ及び図１Ｄの左端）は液体入口７ａとし、溝３の他端（例えば図１Ａ及び図１Ｄの右端）は液体出口７ｂとする。一例として、溝３の深さは一定である。

ベース１上にカバー２が重ねて貼り合わされて固定され、溝３を含むベース１の上面の全面がカバー２で覆われている。カバー２は、例えば、長方形板状のガラスで構成されている。よって、このマイクロ素子６では、液体５は、溝３とカバー２の下面である内面２ａとの間で形成された空間８内を液体入口７ａから液体出口７ｂに向けて流れる以外には、液体５がマイクロ素子外部に流れ出ないような密閉された構造となっている。

膜４は、溝３に対向するように、カバー２の内面２ａに固定されて、複数の膜部４ａを有している。膜４は、カバー２の内面２ａを構成する材料とは接触角が異なる材料で構成されている。膜４は、一例として、図１Ｄに示すように、長方形状の薄い膜で構成され、その中央部の長手方向（言い換えれば、液体５が流れる方向沿い）に、溝３の上面に対応する領域に、長方形のスリット状の貫通穴４ｂと長方形の膜部４ａとを交互に配置するとともに、膜４の液体流れ方向の両端部に長方形の領域として膜端部４ｃを配置している。各貫通穴４ｂでは、カバー２の内面２ａが露出面として露出するようにしている。よって、液体流れ制御膜部４ａは、液体の流れる方向において、カバー２の内面２ａにおける露出面の後に位置している。各貫通穴４ｂ、各膜部４ａ、及び、各膜端部４ｃの長手方向は、それぞれ、液体５が流れる方向に対して、交差する方向に延在している。交差する方向とは、一例として、液体５が流れる方向に対して直交する方向である。各膜部４ａの幅は、溝３の幅と同じである。より具体的には、各膜部４ａは、ベース１の膜厚方向から見て、液体５の流れる方向と交差する方向における溝３と同じ幅を有する。

図１Ｂは、図１Ａの１Ｂ−１Ｂ線の切断端面図である。この図１Ｂでは、膜部４ａを通る切断線１Ｂ−１Ｂで縦方向に切断しており、膜部４ａが溝３内に突出して、溝３内で液体５が膜部４ａに接触可能な状態を示している。これに対して、図１Ｃは、図１Ａの１Ｃ−１Ｃ線の切断端面図である。この図１Ｃでは、膜部４ａではなく、貫通穴４ｂを通る切断線１Ｃ−１Ｃで縦方向に切断しており、膜部４ａが溝３内に無く、溝３内で液体５がカバー２の内面２ａの露出面に接触可能な状態を示している。

膜部４ａ及び貫通穴４ｂの幅は、下記する接触角θの差による抑制制御機能が低下しないようにするため、溝３の幅は同じである。

また、膜部４ａは、５ｎｍ以上１４μｍ以下の厚さを有している。５ｎｍ未満の厚みを有する膜４は、均一な膜として製造されるのが困難である。１４μｍより大きい厚みを有する膜４は、カバー２の内面２ａの露出面に液体５が接触しなくなり、下記する接触角θの差による抑制制御機能が低下する。

よって、溝３内を流れる液体５は、液体入口７ａから、膜端部４ｃ、カバー２の内面２ａの露出面、膜部４ａ、カバー２の内面２ａの露出面、膜部４ａ、カバー２の内面２ａの露出面、膜部４ａ、カバー２の内面２ａの露出面、膜端部４ｃの順に、液体出口７ｂに向けて、異なる材料に接触しながら流れることになる。

なお、カバー２の内面２ａの露出面を露出させるための貫通穴４ｂと、膜部４ａとは、少なくとも一個ずつ配置すればよい。

カバー２の内面２ａと膜４とは材料が異なっているため、膜４の膜部４ａの接触角θ１よりも、カバー２の内面２ａにおける露出面が大きな接触角θ２を有する。ここで、このように接触角θ１，θ２の異なる材料で構成する理由について、以下に詳述する。

まず、接触角θとは、図２Ａに示すように、液体２１の滴２１ａと固体表面２２とで形成される角度θである。ヤング（Young）の式によれば、

固体Ｓの表面張力γ_SV＝固体Ｓと液体Ｌの表面張力γ_SL＋（液体Ｌの表面張力γ_LV×cosθ）
が成立する。

そこで、図２Ｂに示すように、接触角θの違う材料上を液体Ｌが通過する場合、液体Ｌが、接触角θａが小さい材料の第１の固体Ｓａから、接触角θｂが大きい材料の第２の固体Ｓｂに移る際、液体Ｌの受ける表面張力は、接触角θｂが大きい材料２５で働く表面張力のみを受けることになる。すなわち、以下のように考えられる。

まず、第１の固体Ｓａでは、
第１の固体Ｓａと周囲の気体との界面に働く表面張力γ_SV(a)＝第１の固体Ｓａと液体Ｌとの界面に働く表面張力γ_SL(a)＋（第１の固体Ｓａにおいて液体Ｌと周囲の気体との界面に働く表面張力γ_LV(a)×cosθ）
が成立する（図２Ｂの右端図参照）。

次に、第２の固体Ｓｂでは、
第２の固体Ｓｂと周囲の気体との界面に働く表面張力γ_SV(b)＝第２の固体Ｓｂと液体Ｌの界面に働く表面張力γ_SL(b)＋（第２の固体Ｓｂにおいて液体Ｌと周囲の気体との界面に働く表面張力γ_LV(b)×cosθ）
が成立する（図２Ｂの左端図参照）。

一方、第１の固体Ｓａと第２の固体Ｓｂとの境では、
境の部分の第１の固体Ｓａと周囲の気体との界面に働く表面張力γ_SV(a)＝第１の固体Ｓａと液体Ｌとの界面に働く表面張力γ_SL(b)＋（第２の固体Ｓｂにおいて液体Ｌと周囲の気体との界面に働く表面張力γ_LV(a)×cosθ）
が成立する（図２Ｂの中央図参照）。

すなわち、接触角θａ，θｂが違う材料の第１及び第２の固体Ｓａ，Ｓｂ上を液体Ｌが通過する場合、接触角θａが小さい材料の第１の固体Ｓａから、接触角θｂが大きい材料の第２の固体Ｓｂに移る際、液体Ｌの受ける表面張力は、接触角θａが小さい材料の第１の固体Ｓａでの表面張力γ_LV(a)は受けずに、接触角θｂが大きい材料の第２の固体Ｓｂでの表面張力γ_LV(ｂ)のみを受けることになる。すると、接触角θａ，θｂの違う材料の第１及び第２の固体Ｓａ，Ｓｂの境目では、液体Ｌの流れ方向とは逆方向の力（γ_LV(ｂ)）として、それまで通過していた材料である第１の固体Ｓａでの、液体Ｌの流れ方向とは逆方向の力（γ_LV(a)）よりも大きい、第２の固体Ｓｂでの表面張力γ_LV(ｂ)を液体Ｌが受けることになり、先走り遅れ力（Ｆ_ｄ）、言い換えれば、抑制力が液体Ｌに発生することになる。ここで、先走り遅れ力（Ｆ_ｄ）は、
Ｆ_d＝（γ_SL(b)+γ_LV(a)×cosθ）−γ_SV(a)
である。

この先走り遅れ力（Ｆ_ｄ）が、接触角θａ，θｂの差による抑制制御機能として、液体Ｌに働く結果、液体Ｌの先走りが抑制されることになる。

具体的には、液体入口７ａから溝３内に導入される液体５は、まず、図１Ａ及び図１Ｄの左端の膜端部４ｃと接触しながら溝３内に導入される。

次いで、液体５が溝３内で流れ始めると、液体５は、図１Ａ及び図１Ｄの左端の膜端部４ｃに隣接する貫通穴４ｂにおいてカバー２の内面２ａの露出面と接触することになる。

次いで、液体５が溝３内でさらに流れると、液体５は、貫通穴４ｂに隣接する膜部４ａと接触しながら溝３内を流れる。

次いで、液体５が溝３内でさらに流れると、液体５は、膜部４ａに隣接する貫通穴４ｂにおいてカバー２の内面２ａの露出面と接触しながら溝３内を流れる。

ここで、カバー２の内面２ａの露出面の接触角θｂは、膜部４ａの接触角θａよりも大きいため、膜部４ａに接触して流れていた液体５が、カバー２の内面２ａの露出面に接触するようになると、膜部４ａとカバー２の内面２ａの露出面との境目で、前記したように、先走り遅れ力（Ｆ_ｄ）が抑制力として作用する。すなわち、接触角θａ，θｂの差による抑制制御機能が、液体５に働くことになる。その結果、液体５の先走りが抑制され、本流液体１０５ｂの先端と先走り液１０５ａの先端との距離が従来よりも小さい状態で、液体５が流れることになる。このように、膜４である膜端部４ｃ又は膜部４ａとカバー２の内面２ａの露出面とに交互に接触しながら、液体５が液体入口７ａから液体出口７ｂに向けて溝３内を流れるとき、液体５と接触する材料が異なる度に、先走り遅れ力（Ｆ_ｄ）が、接触角θａ，θｂの差による抑制制御機能として液体５に働き、液体５の先走りが効果的に抑制されることになる。

（比較例）
図３Ａ〜図３Ｃには、比較例として、膜４が配置されていない従来例のマイクロチップ１１６において、毛細管現象の問題が発生する情況を説明する断面側面図、図３Ａの３Ｂ−３Ｂ線の縦断面図、及び、カバー１０２を取除いた状態での平面図を示す。

この比較例のマイクロチップ１１６では、ポンプなどを用いて液体１０５を溝１０３に入り口１０７ａから注入した場合、図４Ａ〜図４Ｃに示すように、カバー１０２と、溝１０３を有するベース１０１との間で微小な隙間が有るため、毛細管現象が発生し、液体１０５の先走り液１０５ａが発生する。なお、液体については、これ以降の図において、黒色で示して、明りょうにわかるようにしている。具体的には、溝１０３の幅方向の両側の隅部でかつベース１０１とカバー１０２と貼り合わされた部分に形成された微小な隙間において、溝１０３の隅部沿いの液体流れ方向に、液体１０５の一部の細い先走り液１０５ａが、本流液体１０５ｂよりも先に流れることになる。この液体１０５の先走り液１０５ａは、液体１０５の溝１０３への注入を停止したときでも進行する場合がある。

このような先走り液１０５ａを第１実施形態にかかるマイクロ素子６では、抑制力を作用させて、抑制することができるものである。

（第１実施形態の第１実施例）
第１実施形態の第１実施例として実際に作成したマイクロチップ６Ｂは、図５Ａ〜図５Ｄに示すように、チャンバー又は流路として機能する溝３Ｂを有するベース１に、シリコンウエハーを用い、ドライエッチング処理により溝３Ｂを作成した。このときのシリコンウエハーの接触角θ１は大凡２７度程度であった。溝３Ｂを覆ってチャンバー又は流路を形成するカバー２は、透明で平坦なガラスを用い、ガラスの接触角θ２は大凡６２度であった。接触角θａ，θｂの差を小さくしないように、このカバー２に、ベース１となるシリコンウエハーと同じ接触角θ２を製膜するため、アモルファスシリコン膜で、膜部４ａを有する膜４を厚さ５ｎｍ以上１４μｍ以下で製膜する。カバー２の内面２ａに製膜された膜４は、複数の膜部４ａを有するとともにシリコンウエハーの接触角θ２=２７度に近い膜４で構成され、ガラスの接触角θ１＝６２度とは大きく異なる。膜４はパターニングされて複数の膜部４ａを有するため、先走り液１０５ａは、液体１０５の進行方向に進むと、接触角θ=２７度の膜部４ａと、接触角θ=６２度のカバー２の双方に交互に接触する構造となる。膜部４ａとカバー２とが交互に露出するようにパターニング除去された膜４の膜部４ａ及び貫通穴４ｂのそれぞれの幅は、チャンバー又は流路として形成された溝３Ｂの幅と同等とする。

＜第１実施例の検証実験＞
第１実施例の効果確認のため、膜４が形成されていない比較例と、第１実施例に相当する構造を有しかつ膜４の膜厚を１０種類異ならせた実験例とを、粒子法に基づいた流体解析ソフトウェア「Ｐａｒｔｉｃｌｅｗｏｒｋｓ」（プロメテック・ソフトウェア株式会社の流体解析ソフトウェアの製品名）で作成し、シミュレーション実験を行なった。

シミュレーション実験の比較例及び実験例でそれぞれ用いた溝１０３，３Ｂの構造図は、図５Ａ〜図５Ｅに示す溝３Ｂである。溝３Ｂの細い液体入口７ａがベース１の長手方向の一端でかつ幅方向の端面に配置されている点が、図１Ａ〜図１Ｄなどの第１実施形態とは異なっている。よって、液体入口７ａからベース１の長手方向に向けて９０度に円弧状に湾曲した湾曲部３Ｂａと、湾曲部３Ｂａに接続されかつベース１の長手方向沿いに液体出口７ｂまで延びた本流部３Ｂｂとで溝３Ｂを構成している。液体入口７ａの路幅は、０．１ｍｍ、深さ０．２８ｍｍの細い流路で構成して、液体５を液体入口７ａから注入する。溝３Ｂの本流部３Ｂｂの幅は、０．５ｍｍ、深さ０．２８ｍｍ、長さ３．３１ｍｍで構成した。このシミュレーション実験で使用した構造は、実在するマイクロチップと同じサイズ及び形状を再現しており、実際に比較例として、ベース１とカバー２とを用いかつ膜４を除いて作成したマイクロチップでは、毛細管現象により先走り液１０５ａが実存し問題となっている。

溝形状以外は図３Ａ〜図３Ｃの従来構造と同じで、何も製膜されていない（言い換えれば、膜４が形成されていない）カバー２で覆う構造を比較例とし、図５Ａ〜図５Ｅに示すようにカバー２に膜４を製膜及びパターニングで膜部４ａが形成されたカバー２で溝３Ｂを覆う構造を実験例とし、合計２種類の構造をシミュレーション実験に用いた。図５Ｃ及び図５Ｄは、カバー２の内面２ａに膜４がパターニングされて形成された図５Ａの５Ｃ−５Ｃ線の切断端面図及び５Ｄ−５Ｄ線の切断端面図を示している。図５Ｅには、カバー２の内面２ａに膜４がパターニングされて形成された後、膜４で溝３Ｂを覆う状態を上から見た図を示す。

図７に示すように、実験例１〜１０の膜４の膜厚は、３μｍから５０μｍの１０種類の膜厚で比較実験を行った。膜４のパターニングでは、シミュレーション実験中で、先走り液１０５ａが、膜部４ａとカバー２の内面２ａの露出面とに双方とも均等な長さで交互に３回接するようにパターニングをしている。液体入口７ａから流入する液体５は、流量１．１９（μＬ／ｓｅｃ）で注入し、溝３Ｂの接触角は２７度、カバー２の内面２ａの露出面の接触角は６７度、膜部４ａの接触角は２７度で、シミュレーション実験を行なった。

先走り液１０５ａの比較実験として、図５Ｂで示す溝３Ｂの液体出口７ｂに、液体１０５の先走り液１０５ａの先端が到達したとき、液体１０５の本流液体１０５ｂの先端と、先走り液１０５ａの先端との距離を比較値として用いた。この比較値が小さいほど、先走り距離が小さいことがいえる。

＜比較例及び実験例第１実施形態の検証実験結果＞
図６及び図７に、膜４が形成されていない比較例と、第１実施例に相当する構造を有しかつ膜４の膜厚を１０種類異ならせた実験例との実験結果を示す。

図６及び図７の実験例１〜６より、膜厚は、１４μｍ以下から、先走り距離が急激に改善される結果が得られた。

先走り液１０５ａは、接触角θの小さい膜部４ａから、接触角θの大きいカバー２の内面２ａの露出面に接する際、表面張力と接触角との違いにより、先走り液１０５ａの進行方向とは逆の方向に力Ｆｄが働いた為、先走り液１０５ａの進行が遅れたと考えられる。また、接触角θの小さい膜部４ａの膜厚が１４μｍを越えて厚すぎると、先走り液１０５ａは、接触角θの大きいカバー２の内面２ａの露出面に接触することが出来ず、カバー２の内面２ａの露出面ではなく、溝３の側面を通り過ぎたため、膜部４ａによる抑制効果が発揮できなかった。本実験により、この抑制効果が発揮できる膜厚が、１４μｍ以下〜３μｍである結果が得られた。実験上は、最低膜厚は３μｍであるが、それ以下でも効果があると推定され、均一な膜として製造することを考慮すると、膜４の最低厚さは５ｎｍとする。

接触角が小さい膜部４ａから接触角が大きいカバー２の内面２ａの露出面に接触する事で、先走り液１０５ａの抑制効果が発揮できることから、接触角が小さい膜部４ａと、接触角の大きいカバー２の内面２ａの露出面との段差は、１４μｍ以下にすることが重要である。

図８Ａに、比較例のシミュレーション実験を行なった結果を示す。この場合、先走り液１０５ａの先端が液体出口７ｂに到達したとき、本流液体１０５ｂの先端と先走り液１０５ａの先端との距離１０６は、２．３２μｍである。

図８Ｂに、膜部４ａの厚みを１５μｍにした実験例７のシミュレーション結果を示す。この場合、液体５と同じ液体１０５の先走り液１０５ａの先端が液体出口７ｂに到達したとき、本流液体１０５ｂの先端と先走り液１０５ａの先端との距離１０７は、２．１７μｍである。距離１０７は、比較例の距離１０６とほとんど変わらない結果となっている。

図８Ｃに、第１実施例に相当しかつ膜部４ａの厚みを１０μｍにした実験例２のシミュレーション結果を示す。この場合、先走り液１０５ａの先端が液体出口７ｂに到達したとき、本流液体１０５ｂの先端と先走り液１０５ａの先端との距離１０８は、０．４３μｍである。この距離１０８は、先の２つの距離１０６，１０７と比較して、大幅に小さくなっており、抑制効果が発揮されていることがわかる。

このように実験結果によれば、接触角が小さい膜部４ａと接触角の大きいカバー２の内面２ａの露出面との段差、言い換えれば、膜部４ａの厚さを１４μｍ以下にすれば、先走り距離が改善される。

なお、接触角の差は、膜部表面の汚れを考慮すると、少なくとも２０度あれば、液体５に対して抑制力を発生させることができる。

前記実施形態によれば、膜部４ａとカバー内面２ａの露出面とを交互に溝３内に配置するとともに、膜部４ａの厚さを１４μｍ以下にして、異なる材料の境界で液体５の流れ方向に対して接触角θが大きくなることにより発生する先走り遅れ力（引戻し力）を液体５に作用させて、毛細管現象により先行する液体１０５ａの進行を遅らせる事が出来る。このように、先行する液体１０５ａの進行を遅らす事により、チャンバー又は流路などの溝３内の液体５，１０５の先走りが抑制され、液体先走りに伴う泡残りが抑制されて、チャンバー又は流路の正確な液体制御が可能となる。

（第２実施形態）
本発明は、第１実施形態に限定されるものではなく、その他種々の態様で実施できる。例えば、膜部４ａは、溝３、すなわち、流路に沿ってほぼ均等に配置するものに限らず、以下に示すように、偏って配置するようにしてもよい。

図９Ａ〜及び図９Ｄは、本発明の第１実施形態におけるマイクロ素子において、例えば溝３Ｃが蛇行している場合について示している。

図９Ａは、Ｕ字状に蛇行した溝３Ｃが、入口側の第１湾曲部３Ｃａと、直線状の第１本流部３Ｃｂと、中間の第２湾曲部３Ｃｃと、直線状の第２本流部３Ｃｄと、出口側の第３湾曲部３Ｃｅとで構成されている。このとき、第１本流部３Ｃｂと第２湾曲部３Ｃｃと第２本流部３Ｃｄと第３湾曲部３Ｃｅとに、ほぼ均一な間隔で、膜部４ａと同様な第１の材料の第１膜部４Ｃａを配置する。

このように配置することにより、図９Ｂに示すように、液体入口７ａから液体１０５が導入されるとき、第１本流部３Ｃｂでは、溝３Ｃの外側の先走り液１０５ｃの先端と内側の先走り液１０５ｄの先端とは、第１膜部４Ｃａで速度が抑制されながら同じように移動している。

しかしながら、図９Ｃに示すように、第２湾曲部３Ｃｃに至ると、第１膜部４Ｃａにより速度が抑制されながら、溝３Ｃの外側の先走り液１０５ｃの先端が、内側の先走り液１０５ｄの先端よりも遅く第２本流部３Ｃｄに到達するように流れてしまう。これは、溝３Ｃの内側の距離が外側の距離よりも大幅に短いためである。

このように、均等に配置された第１膜部４Ｃａが配置されていても、溝３Ｃの外側の先走り液１０５ｃの先端と、内側の先走り液１０５ｄの先端とで到達時間が異なる場合には、図１０Ａに示すように、内側の先走り液１０５ｄの流路（言い換えれば、曲率半径の小さい側の流路）に、第１膜部４Ｃａと同様な第２膜部４Ｃｂを複数個配置すればよい。例えば、具体的には、内側の先走り液１０５ｄの流路（言い換えれば、曲率半径の小さい側の流路）にのみ、９個の第２膜部４Ｃｂを配置して、内側の先走り液１０５ｄと第２膜部４Ｃｂとの接触回数を少なく多くする。一方、外側の先走り液１０５ｃの流路（言い換えれば、曲率半径の大きい側の流路）には、２個の第１膜部４Ｃａと同様な第３膜部４Ｃｃを配置して、外側の先走り液１０５ｃと第３膜部４Ｃｃとの接触回数を内側の先走り液１０５ｄの場合よりも少なくするようにする。各第２膜部４Ｃｂの幅は、内側の先走り液１０５ｄが接触する程度の幅寸法でよい。同様に、第１膜部４Ｃａの幅は、外側の先走り液１０５ｃが接触する程度の幅寸法でよい。ここでは、第１膜部４Ｃａと第２膜部４Ｃｂと第３膜部４Ｃｃとは、同じ材料で同じ幅で同じ接触角を有している。もちろん、可能ならば、第１膜部４Ｃａと第２膜部４Ｃｂと第３膜部４Ｃｃとは、材料と幅と接触角とをそれぞれ異ならせるようにしてもよい。

このように構成すれば、図１０Ｂに示すように、液体入口７ａから液体１０５が導入されるとき、第１本流部３Ｃｂでは、溝３Ｃの外側の先走り液１０５ｃの先端と内側の先走り液１０５ｄの先端とは、第１膜部４Ｃａで速度が抑制されながら同じように移動している。

その後、図１０Ｃに示すように、第２湾曲部３Ｃｃから第２本流部３Ｃｃに至るとき、溝３Ｃの外側の先走り液１０５ｃは、外側に配置された２個の第３膜部４Ｃｃで速度が抑制されるだけであるが、内側の先走り液１０５ｄは、内側に配置された９個の第２膜部４Ｃｂで速度が抑制されるため、大きく減速して、第２本流部３Ｃｃでは、溝３Ｃの外側の先走り液１０５ｃの先端と内側の先走り液１０５ｄの先端とは、同じように移動することになる。

このように、溝３の形状に応じて、膜部の材料、幅、厚さ、配置間隔、又は個数を適宜調整して配置することにより、液体１０５の溝３Ｃの外側の先走り液１０５ｃと内側の先走り液１０５ｄに対する速度抑制力を調整することができる。

すなわち、図１１Ａに示すように、同じ材料、幅、及び厚さの膜部４Ｃａを、溝３Ｃで形成する流路に対して平行にほぼ均等間隔で配置するものに限らず、図１１Ｂに示すように、溝３Ｃの中央部分には配置せず、先走り液１０５ｄ，１０５ｃが流れる溝３Ｃの内側と外側の部分にのみ、小さな幅の膜部４Ｃｆを配置するようにしてもよい。

また、図１１Ｃに示すように、蛇行する溝３Ｄは、膜部を配置せずに、ポンプ吐出力により一気に吐出される領域（非先走り抑制制御領域）３Ｄａと、膜部４Ｄａを配置して先走り抑制制御を行う領域（先走り抑制制御領域）３Ｄｂとに区分けするようにしてもよい。このような構成によれば、非先走り抑制制御領域３Ｄａでは、膜部が無いため、液体５は、ポンプ吐出力により一気に吐出されて流れる。これに対して、非先走り抑制制御領域３Ｄａに隣接する先走り抑制制御領域３Ｄｂでは、液体５が膜部４Ｄａに接触するため抑制力が働き、前記した抑制効果を奏することができる。

また、膜部４ａを有する膜４をカバー側に配置した理由は、ベース側に膜部を形成するよりも、一般的に形成しやすいためであり、ベース側に膜部を形成できる場合には、ベース側に形成するようにしてもよい。要するに、溝３内を流れる液体５が接触する位置に膜部があればよい。

なお、前記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。また、実施形態同士の組み合わせ又は実施例同士の組み合わせ又は実施形態と実施例との組み合わせが可能であると共に、異なる実施形態又は実施例の中の特徴同士の組み合わせも可能である。

本発明にかかるマイクロ素子は、液体を送るときに液体の一部が先に進行する毛細管現象問題を軽減することができて、毎秒数μＬ（リットル）から数百μＬの液を扱うマイクロデバイス及びマイクロチップなどのマイクロ素子として有用である。

１ベース
２カバー
２ａカバーの内面
３，３Ｂ，３Ｃ溝
３Ｂａ湾曲部
３Ｂｂ本流部
３Ｃａ入口側の第１湾曲部
３Ｃｂ第１本流部
３Ｃｃ第２湾曲部
３Ｃｄ第２本流部
３Ｃｅ第３湾曲部
３Ｄａ非先走り抑制制御領域
３Ｄｂ先走り抑制制御領域
４，４Ｃ膜
４ａ，４Ｃａ，４Ｃｆ膜部
４ｂ貫通穴
４ｃ膜端部
４Ｄａ膜部
５，１０５液体
１０５ａ先走り液
１０５ｂ本流液体
１０５ｃ外側の先走り液
１０５ｄ内側の先走り液
６マイクロ素子
６Ｂマイクロチップ
７ａ液体入口
７ｂ液体出口
８空間

Claims

液体が流れる溝を有するベースと、
前記ベースの前記溝を覆うカバーと、
前記溝に対向して前記カバーの内面に固定される膜とを備え、
前記膜は、前記ベースの膜厚方向から見たとき、前記液体の流れる方向と交差する方向における前記溝と同じ幅を有する液体流れ制御膜部を有し、
前記液体流れ制御膜部は、前記溝で露出されて配置され、
前記液体流れ制御膜部は、前記液体の流れる方向において、前記カバーの内面における露出面の後に位置し、
前記液体流れ制御膜部は、前記カバーの前記内面における前記露出面の接触角よりも大きな接触角を有し、
前記液体流れ制御膜部は、５ｎｍ以上１４μｍ以下の厚さを有する、
マイクロ素子。
前記液体流れ制御膜部の前記接触角と前記カバーの前記内面の前記露出面の前記接触角との差は、少なくとも２０度である、請求項１に記載のマイクロ素子。
前記溝は、前記液体が前記溝内に導入される液体入口を一端に有し、前記液体入口から導入された前記液体が流れて排出される液体出口を他端に有し、
前記膜は、前記液体の流れ方向に、前記溝の幅と同じ大きさを有する複数の貫通穴を有し、
前記液体流れ制御膜部は、前記複数の貫通穴の間に位置する、
請求項１に記載のマイクロ素子。
前記溝は、前記液体が前記溝内に導入される液体入口を一端に有し、前記液体入口から導入された前記液体が流れて排出される液体出口を他端に有し、
前記液体流れ制御膜部は、湾曲した湾曲部を有し、前記溝の幅方向の両端部において、前記湾曲部での曲率半径の小さい側の端部での前記液体流れ制御膜部との接触回数は、前記湾曲部での曲率半径の大きい側の端部での前記液体流れ制御膜部との接触回数よりも多い、請求項１に記載のマイクロ素子。
前記溝は、前記液体が前記溝内に導入される液体入口を一端に有し、前記液体入口から導入された前記液体が流れて排出される液体出口を他端に有するとともに、
前記溝は、前記液体入口に接続されかつ前記液体流れ制御膜部が配置されていない液体流れ非制御領域と、前記液体流れ非制御領域に隣接しかつ前記液体流れ制御膜部が配置されて前記液体の流れを制御する液体流れ制御領域とを、前記液体入口から前記液体出口に向けて順に備える、請求項１〜４のいずれか１つに記載のマイクロ素子。