JP2020163272A - 流体デバイス用部材およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
[流体デバイス用部材の構成]
まず、第一実施形態の流体デバイス用部材の構成を説明する。図1に、本実施形態の流体デバイス用部材を備える流体デバイスの透過上面図を示す。図2に、同流体デバイスのII−II断面図を示す。図3に、同流体デバイスのIII−III断面図を示す。本実施形態において、流体デバイス用部材は、流体デバイスの下側部材として具現化されている。以下の図においては、上下方向が流体デバイスの厚さ方向に対応している。
次に、流体デバイス1の製造方法を説明する。はじめに、二種類の液状シリコーン材料を使用して下側部材20を製造する。まず、第二層22を形成するための液状シリコーン材料(高硬度液状シリコーンゴムポリマーを含む)を成形型に配置してプレス成形する(第一硬化工程)。続いて、第一層21を形成するための液状シリコーン材料(低硬度液状シリコーンゴムポリマーを含む)を、成形された第二層の上に配置してプレス成形する(第二硬化工程)。得られた成形物を、乾燥炉に入れ乾燥させて、下側部材20を製造する。ここで、第二層22を形成するための液状シリコーン材料は、本発明における第一の液状シリコーン材料の概念に含まれる。第一層21を形成するための液状シリコーン材料は、本発明における第二の液状シリコーン材料の概念に含まれる。
次に、本実施形態の流体デバイス用部材およびその製造方法の作用効果を説明する。本実施形態において、下側部材20の下面220の硬さはA70であり、上面210の硬さよりも大きい。このため、下側部材20は形状保持性に優れ、シリコーンゴム製であっても扱いやすい。例えば、流体デバイス1を下面220を下にして顕微鏡の試料台に設置すると、従来よりもすべり性が向上しているため、位置合わせがしやすい。また、検査などの操作終了後においても、試料台から流体デバイス1を取り外しやすい。仮に、試料台と下面220との間に気泡が入り込んでも、試料台との密着力が小さいため、気泡を取り除くことはそれほど難しくない。また、下側部材20によると、下面220から上面210に向かって、硬さがA50.5以上である硬質層の厚さは、下側部材20の全体の厚さの50%である。このため、下側部材20の剛性は大きく、形状保持性に優れる。
第一実施形態の流体デバイスと、本実施形態の流体デバイスと、の相違点は、下側部材(流体デバイス用部材)の構成とその製造方法である。よって、ここでは主に相違点を説明する。
図4に、本実施形態の流体デバイス用部材を備える流体デバイスの厚さ方向の断面図を示す。図4は、図2と対応しており、図2と同じ部位については同じ符号で示す。図4に示すように、流体デバイス1は、上側部材10と、下側部材30と、を有している。上側部材10と下側部材30とは上下方向に積層されている。上側部材10と下側部材30との間には、流路11が区画されている。
上記第一実施形態と同様に、二種類の液状シリコーン材料を使用して下側部材30を製造する。まず、第二層32を形成するための液状シリコーン材料(高硬度液状シリコーンゴムポリマーを含む)を成形型に配置する。続いて、第一層31を形成するための液状シリコーン材料(低硬度液状シリコーンゴムポリマーを含む)を第二層の上に配置する(材料配置工程)。そして、プレス成形することにより、二種類の液状シリコーン材料を同時に硬化する(硬化工程)。得られた成形物を、乾燥炉に入れ乾燥させて、下側部材30を製造する。ここで、第二層32を形成するための液状シリコーン材料は、本発明における第一の液状シリコーン材料の概念に含まれる。第一層31を形成するための液状シリコーン材料は、本発明における第二の液状シリコーン材料の概念に含まれる。最後に、第一実施形態と同様にして製造された上側部材10を、下側部材30の第一層31側に重ね合わせて、前出図4に示す流体デバイス1が製造される。
本実施形態の流体デバイス用部材およびその製造方法と、第一実施形態のそれとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。本実施形態の下側部材30は、中間層33を有する。中間層33の硬さは、下面320から上面310に向かう方向に漸次小さくなっている。中間層33は、二種類の液状シリコーン材料が混じり合って形成される。よって、第一層31と第二層32との接着性は高い。上面310の硬さおよび下面320の硬さの平均値はA50.5である。下面320から上面310に向かって、硬さがA50.5以上である硬質層の厚さは、下側部材30の全体の厚さの60%である。このため、下側部材30の剛性は大きく、形状保持性に優れる。本実施形態の製造方法によると、二種類の液状シリコーン材料が硬化する際、界面で混ざり合う。これにより、中間層33を有する下側部材30を容易に製造することができる。
第一実施形態の流体デバイスと、本実施形態の流体デバイスと、の相違点は、下側部材(流体デバイス用部材)がバリア層を有する点である。よって、ここでは主に相違点を説明する。
図5に、本実施形態の流体デバイス用部材を備える流体デバイスの厚さ方向の断面図を示す。図5は、図2と対応しており、図2と同じ部位については同じ符号で示す。図5に示すように、流体デバイス1は、上側部材10と、下側部材40と、を有している。上側部材10と下側部材40とは上下方向に積層されている。上側部材10と下側部材40との間には、流路11が区画されている。
まず、第一実施形態と同様にして、第一層21と第二層22との積層体(第一実施形態における下側部材20に相当)を製造する。次に、第一層21の上面210に、疎水性層41と親水性層42とを形成する。図6に、下側部材(流体デバイス用部材)の製造における改質工程を示す。図7に、下側部材の製造における疎水性層形成工程を示す。図8に、下側部材の製造における親水性層形成工程を示す。図9に、上側部材と下側部材との積層工程を示す。
本実施形態の流体デバイス用部材およびその製造方法と、第一実施形態のそれとは、構成が共通する部分に関しては、同様の作用効果を有する。本実施形態の下側部材40は、上面210に、疎水性層41および親水性層42を有する。例えば、有機溶媒に粒子が分散されている疎水性のサンプル液を流体デバイス1に流した場合、サンプル液と下側部材40の上面210との直接的な接触は、疎水性層41および親水性層42により回避される。このため、上面210にサンプル液が染み込みにくく、第一層21の膨潤が抑制される。したがって、第一層21の変形が抑制され、下側凹部23の大きさが変化しにくい。また、下側凹部23は疎水性層41で被覆され、流路部24の最表層は親水性層42である。さらに、流路11を区画する上側部材10の本体部12の下面全体にも親水性層13が配置される。流路11における下側凹部23以外の部分は全て親水性を有するため、下側凹部23以外の部分に疎水性のサンプル液が付着、残留しにくい。したがって、サンプル液中の所望の粒子を下側凹部23に漏れなく捕捉することができる。
以上、本発明の流体デバイス用部材およびその製造方法の実施の形態を示したが、本発明の流体デバイス用部材を備える流体デバイスの構成は、上記形態に限定されない。例えば、本発明の流体デバイス用部材に積層される相手部材の材質は、PDMSなどのシリコーンの他、フッ素樹脂、ガラスなどでもよい。相手部材の形状、大きさなども何ら限定されない。本発明の流体デバイス用部材と相手部材とは、単に積層させるだけでもよいが、接着剤などを用いて接着してもよい。
流体デバイス用部材は、シリコーン製である。本明細書において「シリコーン」とは、シリコーン樹脂およびシリコーンゴムの両方を含む概念である。流体デバイス用部材を製造するためのシリコーン材料は、白金などの触媒、硬化剤などを適宜含んでいてもよい。例えば、白金触媒を使用すると、シリコーン材料の硬化温度を低下させることができる。白金触媒の含有量は、硬化温度、硬化速度、流体デバイス用部材の光学特性などを考慮して適宜決定すればよい。例えば白金触媒の含有量が多いと、硬化温度は低下するが、ポットライフが短くなる、ヘイズ(濁度)が大きくなり光学特性が低下する、コストが高くなるなどの問題がある。
本発明の流体デバイス用部材の製造方法は、特に限定されない。例えば、一種類のシリコーン材料を使用して成形物を製造した後、第二面側から紫外線などの電磁波を照射して、第二面側のみを追加で硬化させることにより、第二面の硬さを第一面の硬さより大きくしてもよい。これ以外の好適な製造方法を、以下に説明する。
本工程は、第一の液状シリコーン材料を硬化する工程である。第一の液状シリコーン材料は、第一面を有する第一層、第二面を有する第二層のどちらかを形成するものであればよい。液状シリコーン材料は、シリコーンポリマーの他、硬化剤、触媒などを含むものである。上述したように、例えば白金触媒を使用した場合には、硬化温度を低くすることができる。具体的には、100℃以下の温度下であっても実用的な硬化時間で硬化物を得ることができる。本工程は、成形型を用いた射出成形法、プレス成形法などにより行えばよい。硬化温度、硬化時間などの条件は、液状シリコーン材料に応じて適宜決定すればよい。
本工程は、第一の液状シリコーン材料の硬化物の表面に、硬化後の硬さが該硬化物とは異なる第二の液状シリコーン材料を配置して、第二の液状シリコーン材料を硬化する工程である。
流体デバイス用部材における第二面の硬さをより大きくするという観点から、第一、第二硬化工程により二層からなる積層体を製造した後、第二面側から紫外線などの電磁波を照射して、第二面側のみを追加で硬化させる追加硬化工程を含めてもよい。また、第一面にバリア層を形成する場合には、第三実施形態にて説明したように、改質工程、疎水性層形成工程、親水性層形成工程などからなるバリア層形成工程を含めてもよい。
本工程は、第一の液状シリコーン材料を配置し、該第一の液状シリコーン材料の表面に、硬化後の硬さが該第一の液状シリコーン材料の硬化物とは異なる第二の液状シリコーン材料を配置する工程である。
本工程は、第一の液状シリコーン材料および第二の液状シリコーン材料を硬化する工程である。本工程においては、二種類の液状シリコーン材料を同時に硬化させる。硬化温度、硬化時間などの条件は、液状シリコーン材料に応じて適宜決定すればよい。
第二の製造方法においても、上述した第一の製造方法と同様に、追加硬化工程、バリア層形成工程などを含めてもよい。
[実施例1〜6]
二種類の液状シリコーン材料を使用して、上述した第一の製造方法により、上記第一実施形態の下側部材(流体デバイス用部材)を製造した。製造した下側部材の前後方向長さは50mm、左右方向長さは10mmである。下側凹部の前後方向長さ(幅)は6μm、左右方向長さは5mm、深さは10μm、凹部と凹部との間隔は10μmである(前出図1参照)。なお、下側部材の形状および寸法は、以下の実施例7〜12および比較例1、2についても同じである。
実施例1〜6と同じ二種類の液状シリコーン材料を使用し、製造方法を上述した第二の製造方法に変更して、上記第二実施形態の下側部材(流体デバイス用部材)を製造した。まず、高硬度液状シリコーンゴムポリマーD〜Fのうちの一つ、硬化剤、触媒などを含む高硬度液状シリコーン材料を混合して脱泡した後、成形型の下型のキャビティに注入した。高硬度液状シリコーン材料の注入量は、成形後の厚さが250μmになるように調整した。次に、低硬度液状シリコーンゴムポリマーA〜Cのうちの一つ、硬化剤、触媒などを含む低硬度液状シリコーン材料を混合して脱泡した後、下型に配置されている高硬度液状シリコーン材料の上に注入した。低硬度液状シリコーン材料の注入量も、成形後の厚さが250μmになるように調整した。そして、型面に流路形成用の凸部を有する上型を下型に重ねて型締めし、120℃下で10分間プレス成形することにより、高硬度液状シリコーン材料と低硬度液状シリコーン材料とを同時に硬化して、成形物を得た。それから、上型を外し、得られた成形物を下型から取り出した後、乾燥炉に入れ、150℃下で1時間乾燥した。このようにして、上面(第一面)に所定の凹部を有する下側部材を製造した。下側部材の厚さは500μmである。製造した下側部材を、実施例7〜12の下側部材と称す。実施例7〜12の下側部材は、本発明の流体デバイス用部材の概念に含まれる。
一種類の液状シリコーン材料を使用して、下側部材を製造した。まず、低硬度液状シリコーンゴムポリマーC、硬化剤、触媒などを含む低硬度液状シリコーン材料を混合して脱泡した後、成形型の下型のキャビティに注入した。次に、型面に流路形成用の凸部を有する上型を下型に重ねて型締めし、120℃下で10分間プレス成形することにより、低硬度液状シリコーン材料を硬化して成形物を得た。それから、上型を外し、得られた成形物を下型から取り出した後、乾燥炉に入れ、150℃下で1時間乾燥した。このようにして、上面に所定の凹部を有する下側部材を製造した。下側部材の厚さは500μmである。製造した下側部材を、比較例1の下側部材と称す。
一種類の液状シリコーン材料を使用して、下側部材を製造した。まず、高硬度液状シリコーンゴムポリマーE、硬化剤、触媒などを含む高硬度液状シリコーン材料を混合して脱泡した後、成形型の下型のキャビティに注入した。次に、型面に流路形成用の凸部を有する上型を下型に重ねて型締めし、120℃下で10分間プレス成形することにより、高硬度液状シリコーン材料を硬化して成形物を得た。それから、上型を外し、得られた成形物を下型から取り出した後、乾燥炉に入れ、150℃下で1時間乾燥した。このようにして、上面に所定の凹部を有する下側部材を製造した。下側部材の厚さは500μmである。製造した下側部材を、比較例2の下側部材と称す。
液状シリコーンゴムポリマーA:信越化学工業(株)製「KE−1950−30−A/B」、硬化物のタイプAデュロメータ硬さ(以下同じ):A31
液状シリコーンゴムポリマーB:同社製「KE−1950−50−A/B」、硬化物の硬さ:A49
液状シリコーンゴムポリマーC:同社製「KE−1950−60−A/B」、硬化物の硬さ:A57
液状シリコーンゴムポリマーD:同社製「KEG−2000−60−A/B」、硬化物の硬さ:A60
液状シリコーンゴムポリマーE:同社製「KEG−2000−70−A/B」、硬化物の硬さ:A70
液状シリコーンゴムポリマーF:同社製「KEG−2000−80−A/B」、硬化物の硬さ:A81
製造した下側部材に、上記実施形態の流体デバイスを構成する上側部材を積層して、流体デバイスを製造した(前出図1〜図4参照)。上側部材については以下の手順で製造した。まず、低硬度液状シリコーンゴムポリマーC、硬化剤、触媒などを含む低硬度液状シリコーン材料を混合して脱泡した後、成形型の下型のキャビティに注入した。次に、上型を下型に重ねて型締めし、120℃下で10分間プレス成形することにより、低硬度液状シリコーン材料を硬化して成形物を得た。それから、得られた成形物を成形型から取り出し、乾燥炉に入れて、150℃下で1時間乾燥した。このようにして、所定の形状の上側部材を製造した。上側部材において、流路を区画する上側凹部の深さは150μm、導入孔の直径は100μmである。製造した上側部材と下側部材とを積層して両者を接合した。このようにして製造された流体デバイスを、下側部材の番号に対応させて、実施例1の流体デバイスなどと称す。
[表面硬さ]
実施例および比較例の下側部材の上面(第一面)および下面(第二面)の硬さとして、使用した液状シリコーン材料のタイプAデュロメータ硬さを採用した。タイプAデュロメータ硬さは、使用した液状シリコーン材料から50mm角、厚さ6.0mmの試験片を作製し、JIS K6253−3:2012に準じて測定した。先の表1に、表面硬さの値をまとめて示す。
実施例および比較例の下側部材をガラス板の上に載置し、1分間放置した後、ピンセットで下側部材をガラス板から剥がす際の剥がしやすさを比較した。比較例1の下側部材を基準にして、剥がしやすい場合を取り扱い性良好(先の表1中、〇印で示す)と評価し、剥がしにくい場合を取り扱い性不良(同表中、×印で示す)と評価した。
下側部材の製造過程において、成形型から成形物を取り出すために上型を外した際に、下側部材の上面における凹部の欠けまたは変形の有無を調べた。実施例および比較例の下側部材を、各々、10個ずつ製造し、10個全てにおいて凹部に欠けまたは変形が見られなかった場合を離型性良好(先の表1中、○印で示す)と評価し、1個でも凹部に欠けまたは変形が見られた場合を離型性不良(同表中、×印で示す)と評価した。
AFMによる測定を行った結果、実施例7〜12の下側部材は、下面(第二面)から上面(第一面)に向かう方向に硬さが漸次小さくなる中間層を有することが確認された。実施例7〜12の下側部材によると、二種類の液状シリコーン材料を同時に硬化するため、界面で材料が混ざり合い中間層が形成される。このため、第一層と第二層との積層体からなる実施例1〜6の下側部材と比較して、部材の一体性が高まり層間剥離しにくい。
Claims (9)
- シリコーン製の流体デバイス用部材であって、厚さ方向の二つの面のうち、凹部を有し流体が接触する側の面を第一面、該第一面と反対側の面を第二面として、
該第二面の硬さは、該第一面の硬さよりも大きいことを特徴とする流体デバイス用部材。 - 前記第一面のタイプAデュロメータ硬さは、A30以上A65以下である請求項1に記載の流体デバイス用部材。
- 前記第二面のタイプAデュロメータ硬さは、A60以上A90以下である請求項1または請求項2に記載の流体デバイス用部材。
- 前記第二面から前記第一面に向かう方向に硬さが漸次小さくなる中間層を有する請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の流体デバイス用部材。
- 前記第一面を有する第一層と、前記第二面を有し該第一層よりも硬さが大きい第二層と、を有する積層体からなる請求項1ないし請求項3のいずれかに記載の流体デバイス用部材。
- 前記第一面の硬さおよび前記第二面の硬さの平均値を平均硬さとして、
該第二面から該第一面に向かって硬さが該平均硬さ以上である硬質層の厚さは、全体の厚さの40%以上90%以下である請求項1ないし請求項5のいずれかに記載の流体デバイス用部材。 - 前記第一面の少なくとも一部に、親水性または疎水性を有するバリア層を有する請求項1ないし請求項6のいずれかに記載の流体デバイス用部材。
- 請求項1に記載の流体デバイス用部材の製造方法であって、
第一の液状シリコーン材料を硬化する第一硬化工程と、
該第一の液状シリコーン材料の硬化物の表面に、硬化後の硬さが該硬化物とは異なる第二の液状シリコーン材料を配置して、該第二の液状シリコーン材料を硬化する第二硬化工程と、
を有することを特徴とする流体デバイス用部材の製造方法。 - 請求項1に記載の流体デバイス用部材の製造方法であって、
第一の液状シリコーン材料を配置し、該第一の液状シリコーン材料の表面に、硬化後の硬さが該第一の液状シリコーン材料の硬化物とは異なる第二の液状シリコーン材料を配置する材料配置工程と、
該第一の液状シリコーン材料および該第二の液状シリコーン材料を硬化する硬化工程と、
を有することを特徴とする流体デバイス用部材の製造方法。
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