JP2023147914A - Fluid passage and use thereof - Google Patents

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宏哉 田中
Hiroya Tanaka
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Abstract

To provide a fluid passage high in design freedom of transfer characteristics such as transfer directivity and a driving force of a fluid and easily manufactured.SOLUTION: This fluid passage comprises one, two or more transfer regions 2 having fine structures 4 formed so as to incline as surface free energy is gradually larger in the transfer direction of a fluid 10. The transfer regions 2 are configured to be gradually smaller in surface tension of the fluid 10 in the transfer direction. The transfer regions 2 have structural slopes of the fine structures 4.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本明細書は、流体の移送等を制御可能な流体流路及びその利用に関する。 TECHNICAL FIELD This specification relates to a fluid flow channel that can control fluid transfer, etc., and its use.

流体を、外部エネルギーを用いることなく意図した方向に移動する流体移送装置が開示されている(特許文献1)。この移送装置では、疎水性表面と親水性表面とを交互に配置したパターンを連続して配置して、それぞれの表面に単一液滴に接触させることにより、液滴を大きな接触角をもつ表面から小さな接触角にもつ表面に移動させる。そして、これを連続的に生じさせることにより液体がパターンの形成方向に移送されるようになっている。 A fluid transfer device that moves fluid in an intended direction without using external energy is disclosed (Patent Document 1). This transfer device uses a series of alternating patterns of hydrophobic and hydrophilic surfaces to contact each surface with a single droplet, thereby directing the droplet to a surface with a large contact angle. to a surface with a small contact angle. By causing this to occur continuously, the liquid is transferred in the pattern forming direction.

また、別に、傾斜した鋸歯面を有する鋸歯状の凸部を連続的に形成し、鋸歯面では基部近傍では高接触角を持ち、先端部では低接触角を持つことを利用して、液滴を鋸歯の低接触角側に移動させる。そして、これを連続的に生じさせることにより、液体が、鋸歯の形成方向に移送されるようになっている。 Separately, a serrated convex portion with an inclined serrated surface is continuously formed, and the serrated surface has a high contact angle near the base and a low contact angle at the tip. is moved to the lower contact angle side of the sawtooth. By causing this to occur continuously, the liquid is transported in the direction in which the sawtooth is formed.

特表2012-503137号公報Special Publication No. 2012-503137

特許文献1に記載の装置では、液体が、装置の所定の表面に適用されると自律的に意図した単一の方向に移送される。しかしながら、上記装置では、移送方向に沿って異種材料を用いたり、鋸歯状の凸部を形成したりしなければならない。このため、液体を単一方向に移送することは比較的容易であっても、流体の種々の方向性やパターンで移送させるように構成ことは困難であった。また、上記装置では、低接触角側への反復移動による移送を利用しており、移送の駆動力も大きいとはいえなかった。 In the device described in US Pat. No. 5,301,300, a liquid is autonomously transported in a single intended direction when applied to a predetermined surface of the device. However, in the above-mentioned device, it is necessary to use different materials or to form sawtooth-like protrusions along the transport direction. For this reason, although it is relatively easy to transfer liquid in a single direction, it has been difficult to configure the device to transfer fluid in various directions or patterns. Furthermore, the above-mentioned apparatus utilizes transfer by repeated movement toward the low contact angle side, and the driving force for transfer cannot be said to be large.

本明細書は、流体の移送の方向性や駆動力などの移送特性の設計自由度に優れ、また、容易に作製できる流体流路を提供する。また、本明細書は、かかる流体流路を用いたデバイスなどへの利用を提供する。 The present specification provides a fluid flow path that has excellent flexibility in designing transfer characteristics such as directionality of fluid transfer and driving force, and can be easily manufactured. Furthermore, this specification provides use in devices and the like using such fluid flow channels.

本発明者らは、流体が有する表面自由エネルギー(表面張力)が徐々に小さくなるような傾斜したエネルギー場を流路表面に形成できれば、その流体の表面自由エネルギーが小さくなる方向に移送できると考えた。さらに、本発明者らは、固体表面の表面自由エネルギーは、微細構造等によって大きく変化することから、固体の表面自由エネルギーが大きくなるような傾斜を微細構造に付与することで、固体の表面自由エネルギーが徐々に大きくなるエネルギー場を形成できるであろうと考えた。 The present inventors believe that if an inclined energy field can be created on the channel surface in which the surface free energy (surface tension) of the fluid gradually decreases, the fluid can be transferred in the direction of decreasing its surface free energy. Ta. Furthermore, since the surface free energy of a solid surface changes greatly depending on the microstructure, etc., the present inventors have found that by giving a gradient to the microstructure that increases the surface free energy of the solid, the surface free energy of the solid can be increased. We thought that it would be possible to form an energy field in which the energy gradually increases.

本発明者らは、流路表面の表面自由エネルギーが徐々に大きくなるように傾斜したエネルギー場を形成することで、流路表面に接する流体の表面自由エネルギーを徐々に低下させ、それにより流体の移送が可能であることを見出した。一方、流路表面の表面自由エネルギーが徐々に小さくなるように傾斜したエネルギー場を形成することで、流路表面に接する流体の表面自由エネルギーを徐々に大きくさせ、それにより流体の移送抑止、すなわち、停止又は保持が可能であることを見出した。本明細書は、かかる知見に基づき以下の手段を提供する。 The present inventors gradually lowered the surface free energy of the fluid in contact with the channel surface by forming a sloped energy field so that the surface free energy of the channel surface gradually increased. It was discovered that transport is possible. On the other hand, by forming a sloped energy field so that the surface free energy of the channel surface gradually decreases, the surface free energy of the fluid in contact with the channel surface gradually increases, thereby inhibiting fluid transfer, i.e. , it has been found that it is possible to stop or hold it. This specification provides the following means based on this knowledge.

[1]流体流路であって、
流体の移送方向に向かって表面自由エネルギーが徐々に大きくなる傾斜を有するように形成された微細構造を有する移送領域を1又は2以上備える、流体流路。
[2]前記移送領域は、前記移送方向に沿って、前記流体の表面張力が徐々に小さくなるように構成されている、[1]に記載の流体流路。
[3]前記移送領域は、前記微細構造の構造上の傾斜を有する、[1]又は[2]に記載の流体流路。
[4]前記微細構造は、前記移送領域の表面における凸状部及び/又は凹状部を含む、[1]~[3]のいずれかに記載の流体流路。
[5]前記凸状部及び/又は前記凹状部は、前記移送領域の構成材料の表面を凹状に加工して形成されている、[4]に記載の流体流路。
[6]前記移送領域は、前記移送方向に沿って、前記流体に対する化学的親和性が増大している、[1]~[5]のいずれかに記載の流体流路。
[7]前記移送領域の一部又は前記移送領域とは別に、前記流体の移送抑止方向に向かって表面自由エネルギーが徐々に小さくなる傾斜を有するように形成された微細構造を有する移送抑止領域を備える、[1]~[6]のいずれかに記載の流体流路。
[8]流体流路であって、
流体の移送抑止方向に向かって表面自由エネルギーが徐々に小さくなる傾斜を有するように形成された微細構造を有する移送抑止領域を備える、流体流路。
[9][1]~[8]のいずれかに記載の流体流路を備える、流体デバイス。
[10]流体流路の製造方法であって、
流体流路の構成材料の表面を凹状に加工して、複数の凸状部及び/又は凹状部を、流体流路を移送される流体の移送方向に向かって表面自由エネルギーが徐々に大きくなる傾斜又は複数の凸状部及び/又は凹状部を、前記流体流路を移送される流体の移送抑止方向に向かって表面自由エネルギーが徐々に小さくなる傾斜を有するように形成する工程を備える、製造方法。
[1] A fluid flow path,
A fluid channel comprising one or more transfer regions having a microstructure formed such that the surface free energy gradually increases in the direction of fluid transfer.
[2] The fluid flow path according to [1], wherein the transfer region is configured such that the surface tension of the fluid gradually decreases along the transfer direction.
[3] The fluid flow path according to [1] or [2], wherein the transfer region has a structural slope of the microstructure.
[4] The fluid flow path according to any one of [1] to [3], wherein the fine structure includes a convex portion and/or a concave portion on the surface of the transfer region.
[5] The fluid flow path according to [4], wherein the convex portion and/or the concave portion are formed by processing the surface of the material constituting the transfer region into a concave shape.
[6] The fluid flow path according to any one of [1] to [5], wherein the transfer region has increasing chemical affinity for the fluid along the transfer direction.
[7] A part of the transfer region or separate from the transfer region, a transfer inhibition region having a fine structure formed such that the surface free energy gradually decreases in the direction of inhibiting the transfer of the fluid. The fluid flow path according to any one of [1] to [6].
[8] A fluid flow path,
A fluid flow channel comprising a transfer inhibiting region having a microstructure formed to have a slope in which surface free energy gradually decreases in a fluid transfer inhibiting direction.
[9] A fluid device comprising the fluid channel according to any one of [1] to [8].
[10] A method for manufacturing a fluid flow path, comprising:
The surface of the material constituting the fluid channel is processed to have a concave shape, and the plurality of convex and/or concave portions are inclined so that the surface free energy gradually increases in the direction of transport of the fluid transferred through the fluid channel. Alternatively, a manufacturing method comprising the step of forming a plurality of convex portions and/or concave portions so that the surface free energy gradually decreases in the direction of inhibiting the transfer of the fluid transferred through the fluid flow path. .

本明細書に開示される移送領域の概要の一例を示す図であり、(a)は、微細構造が有する表面自由エネルギーの傾斜の一例を示し、(b)は、移送領域の上流側における液滴を示し、(c)は、移送領域の下流側における液滴を示す。FIG. 3 is a diagram showing an example of an outline of the transfer region disclosed in this specification, in which (a) shows an example of the slope of surface free energy of a microstructure, and (b) shows a diagram showing an example of the slope of the surface free energy of a microstructure; (c) shows a droplet downstream of the transfer region; 実施例1の移送領域の構造を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the structure of a transfer area in Example 1. 実施例1の移送領域における液体の移送状態を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the state of liquid transfer in the transfer region of Example 1. 実施例2における移送領域の構造及び液体移送状態を示す図である。7 is a diagram illustrating the structure of a transfer region and the liquid transfer state in Example 2. FIG.

本明細書の開示は、流体流路及びその利用に関する。本明細書に開示される流体流路によれば、流路における移送領域を、流路表面の表面自由エネルギーが徐々に大きくなる傾斜を有するように形成された微細構造を有することができる。これにより、したがって、異種材料を用いたり、特定の鋸歯状体の反復パターンを用いたりすることなく移送領域を形成し、流体を自律的に意図する方向に移送することができる。同様に、流路表面の表面自由エネルギーが徐々に小さくなる傾斜を有するように形成された微細構造も有することができる。これにより、上記と同様、容易にかつ自律的に液体の移送を抑止することができる。 TECHNICAL FIELD The disclosure herein relates to fluid flow paths and their uses. According to the fluid flow path disclosed in this specification, the transfer region in the flow path can have a microstructure formed such that the surface free energy of the flow path surface gradually increases. This, therefore, allows the transfer region to be formed without the use of dissimilar materials or the use of specific repeating patterns of serrations to autonomously transfer fluid in the intended direction. Similarly, it is also possible to have a microstructure formed so that the surface free energy of the channel surface has a slope that gradually decreases. As a result, the transfer of liquid can be easily and autonomously inhibited, as described above.

以上のとおり、本明細書に開示される流体流路は、表面自由エネルギーが変化するように微細構造を備えることにより、流体の移送方向、駆動力、停止/保持等を設計できるとともに、高い設計自由度で、流体の移送を容易に制御することができる。 As described above, the fluid flow path disclosed in this specification has a fine structure that changes the surface free energy, so that it is possible to design the fluid transfer direction, driving force, stopping/holding, etc. With degrees of freedom, fluid transfer can be easily controlled.

図1(a)は、流体流路の移送領域2の一例の拡大図である。図1(a)に示すように、移送領域2における微細構造4は固体で形成されており、多数個の円柱状の凸状部6が、矢印方向に沿って徐々にその直径が小さくなり、相対的に底部8が拡大するように配置されている。なお、この移送領域2はSi基板の表面をエッチングして凸状部6を形成したものであり、露出された底部8及び凸状部6の側面は、凸状部6よりも大きい表面自由エネルギーを備えている。 FIG. 1(a) is an enlarged view of an example of the transfer region 2 of the fluid flow path. As shown in FIG. 1(a), the microstructure 4 in the transfer region 2 is made of solid material, and has a large number of cylindrical convex portions 6 whose diameter gradually decreases in the direction of the arrow. The bottom portion 8 is arranged so as to be relatively enlarged. Note that this transfer region 2 is formed by etching the surface of the Si substrate to form a convex portion 6, and the exposed bottom portion 8 and side surfaces of the convex portion 6 have a surface free energy larger than that of the convex portion 6. It is equipped with

図1(a)中、移送領域2の右斜め上方は、固体の表面自由エネルギーが小さい領域となっている。ここで、固体の表面自由エネルギーが小さければ、かかる固体上の液体(流体)10は、液体自身の表面自由エネルギーが最小になる作用が優り、結果として、図1(b)に示すように、液体10が自身の表面積を小さくするように、すなわち、接触角が大きくなる。この状態では、液体10の表面自由エネルギーは一定の高さを保持している。 In FIG. 1(a), the diagonally upper right side of the transfer region 2 is a region where the surface free energy of the solid is small. Here, if the surface free energy of the solid is small, the liquid (fluid) 10 on the solid has the effect of minimizing the surface free energy of the liquid itself, and as a result, as shown in FIG. 1(b), As the liquid 10 reduces its surface area, ie the contact angle increases. In this state, the surface free energy of the liquid 10 maintains a constant height.

一方、図1(a)中、移送領域2の左斜め下方は、固体の表面自由エネルギーが大きい領域となっている。固体の表面エネルギーが大きければ、固体自身の表面自由エネルギーが最小になるように固体表面に液体を吸着する作用が勝り、結果として、図1(c)に示すように、液体10は固体表面に吸着されて広がり、接触角が小さくなる。この状態では、液体10の表面自由エネルギーは低下している。 On the other hand, in FIG. 1(a), the diagonally lower left side of the transfer region 2 is a region where the surface free energy of the solid is large. If the surface energy of the solid is large, the effect of adsorbing the liquid to the solid surface is dominant so that the surface free energy of the solid itself is minimized, and as a result, as shown in FIG. 1(c), the liquid 10 is absorbed onto the solid surface. It is adsorbed and spreads, reducing the contact angle. In this state, the surface free energy of the liquid 10 has decreased.

液体10を含めた物体は、自身の表面自由エネルギーが小さくなる状態になろうとする。固体の表面自由エネルギーが徐々に大きくなる微細構造4上では、液体10は、自身の表面自由エネルギーをより小さくするために、固体上のより大きな表面自由エネルギーを有する側に駆動されることになる。 Objects including the liquid 10 tend to be in a state where their surface free energy becomes smaller. On the fine structure 4 where the surface free energy of the solid gradually increases, the liquid 10 will be driven to the side of the solid having a larger surface free energy in order to make its own surface free energy smaller. .

一方、移送領域2の左斜め下方から右斜め上方に向かって、固体の表面自由エネルギーを徐々に小さくなっており、液体10の表面自由エネルギーが増大してしまうため、液体の当該方向への移送は抑止されることになる。 On the other hand, the surface free energy of the solid gradually decreases from the diagonally lower left to the upper right of the transfer region 2, and the surface free energy of the liquid 10 increases. will be suppressed.

このように、本明細書に開示される流体流路の移送領域は、固体の表面自由エネルギーを大きくする傾斜を有する微細構造によって、液体の表面自由エネルギーを小さくする方向に液体を駆動することにより、液体を移送することができる。 Thus, the transfer region of the fluid flow path disclosed herein is achieved by driving the liquid in a direction that reduces the surface free energy of the liquid by means of a microstructure with a slope that increases the surface free energy of the solid. , capable of transporting liquids.

なお、図1においては、Si基板のエッチングにより、移送領域2において、底部8等と凸状部6の頂面とが異なる表面自由エネルギーを有することになり、結果として、固体の表面自由エネルギーの傾斜が増大されている。しかしながら、微細構造の構造上の傾斜のみによって固体の表面自由エネルギーを大きくすることができることは明らかであり、本明細書に開示される流体流路の移送領域は、図1に示される形態に限定されるものではない。 In FIG. 1, due to the etching of the Si substrate, the bottom 8 etc. and the top surface of the convex portion 6 have different surface free energies in the transfer region 2, and as a result, the surface free energy of the solid is The slope has been increased. However, it is clear that the surface free energy of a solid can be increased solely by the structural gradient of the microstructure, and the transfer region of the fluid flow path disclosed herein is limited to the configuration shown in FIG. It is not something that will be done.

以下、本明細書に開示される流体流路(以下、単に、流体流路ともいう。)及びその製造方法等について詳細に説明する。 Hereinafter, the fluid flow path (hereinafter also simply referred to as a fluid flow path) and the manufacturing method thereof disclosed in this specification will be described in detail.

(流体流路)
流体流路は、流体の移送領域を有している。ここで、流体とは、液体を意味している。液体の種類は、特に限定するものではなく、移送領域を形成する材料を選択することにより、種々の液体を移送する移送領域を形成できる。
(Fluid flow path)
The fluid flow path has a fluid transfer region. Here, fluid means liquid. The type of liquid is not particularly limited, and by selecting the material for forming the transfer area, a transfer area for transferring various liquids can be formed.

液体としては、例えば、水、溶質を含む水溶液、水と相溶する有機溶媒との混液、水と相溶する極性の高い有機溶媒などの親水性液体が挙げられる。また、液体としては、親油性液体であってもよく、非極性の有機溶媒や、油脂、あるいはこれらの混液等が挙げられる。 Examples of the liquid include hydrophilic liquids such as water, an aqueous solution containing a solute, a mixed solution with an organic solvent that is compatible with water, and a highly polar organic solvent that is compatible with water. Further, the liquid may be a lipophilic liquid, such as a non-polar organic solvent, oil or fat, or a mixture thereof.

移送領域は、流体を、意図した移送方向に移送するための領域である。流体流路は、移送領域を1又は2以上有することができる。移送領域を構成する材料は、特に限定するものではないが、微細構造の制御により、液体の移送方向を制御するのに好適な表面自由エネルギーを有する材料が選択される。当業者であれば、移送しようとする液体と、こうした液体の移送に適した材料を、公知の材料から適宜選択できる。例えば、流体流路が有する1つの移送領域は、単一材料から形成されている。単一材料で形成されることで、この1つの移送領域の移動方向の制御が容易であり、こうした移送領域の作製も容易である。流体流路が有する全ての移送領域が同一材料であってもよい。 The transfer area is an area for transferring fluid in the intended transfer direction. A fluid flow path can have one or more transfer regions. The material constituting the transfer region is not particularly limited, but a material is selected that has surface free energy suitable for controlling the direction of liquid transfer by controlling the microstructure. Those skilled in the art can appropriately select the liquid to be transferred and a material suitable for transferring such a liquid from known materials. For example, a fluid flow path has one transfer region formed from a single material. By being formed of a single material, it is easy to control the movement direction of this one transfer region, and it is also easy to manufacture such a transfer region. All transfer areas of the fluid flow path may be of the same material.

移送領域における流体の移送方向は、直線であってもよく、2以上の方向性を持った直線成分の組合せ、すなわち、屈曲点を有する直線であってもよい。また、移送方向は、曲線であってもよい。移送領域における移送方向を、微細構造の傾斜によりデザインできるため、1つの移送領域においても、多様な移送方向を形成することができる。 The transfer direction of the fluid in the transfer region may be a straight line, or may be a combination of two or more directional linear components, that is, a straight line having a bending point. Further, the transfer direction may be a curve. Since the transfer direction in the transfer region can be designed by the inclination of the microstructure, a variety of transfer directions can be formed even in one transfer region.

さらに、移送方向は、概ね水平面内における方向であってもよいが、一定の場合、鉛直方向に角度を有する傾斜面における方向であってもよい。傾斜面における方向の場合、重力に従う方向(いわゆる下方)側を指向するほか、重力に逆らう方向であってもよい。 Furthermore, the transport direction may be a direction in a generally horizontal plane, but in certain cases may be a direction in an inclined plane having an angle to the vertical direction. In the case of a direction on an inclined surface, it may be directed in a direction that follows gravity (so-called downward direction), or may be directed in a direction that opposes gravity.

移送領域は、流体の移送方向に向かって表面自由エネルギーが徐々に大きくなる傾斜を有するように形成された微細構造を有している。ここで、微細構造とは、具体的には、移送領域の表面における、幾何学的な表面の凹凸構造である。かかる凹凸構造としては、特に限定するものではないが、例えば、表面における凸状部及び凹状部であり、さらに、これらの組合せであって、規則的あるいは不規則な凹凸反復構造などが挙げられる。 The transfer region has a microstructure formed such that the surface free energy gradually increases in the direction of fluid transfer. Here, the fine structure specifically refers to a geometric surface unevenness structure on the surface of the transfer region. Such an uneven structure is not particularly limited, but includes, for example, convex portions and concave portions on the surface, and a combination thereof, such as a regular or irregular repeated uneven structure.

ここで、凸状部とは、例えば、表面上に個々に独立して計数できるように形成されているとき、凸状部で凹凸構造を特徴付けることができる。また、凹状部とは、表面上において凹状部が独立して計数できるように形成されているとき、凹状部で凹凸構造を特徴付けることができる。また、凸状部及び凹状部は、表面に平行な断面又は開口の形状が、方形状、球状等、特に限定されない。また、凸状部及び凹状部は、表面に垂直な方向の断面又は深さ方向の開口形状が、方形状、三角形状、球状、半球状、台形状等、特に限定するものではないが、に Here, when the convex portions are formed on the surface so that they can be counted individually, the convex and convex structure can be characterized by the convex portions. Further, when the concave portions are formed on the surface so that the concave portions can be counted independently, the concave and convex structure can be characterized by the concave portions. In addition, the shape of the cross section parallel to the surface or the shape of the opening of the convex portion and the concave portion is not particularly limited, and may be rectangular, spherical, or the like. In addition, the convex portion and the concave portion may have a cross section perpendicular to the surface or an opening shape in the depth direction, but are not particularly limited to the shape of a rectangle, triangle, sphere, hemisphere, or trapezoid.

また、規則的な凹凸反復構造としては、例えば、波線構造や、櫛歯状構造、鋸歯状構造のほか、フラクタル表面等が挙げられる。不規則な凹凸反復構造としては、例えば、プラズマやエッチング処理などによる粗面処理表面などが挙げられる。 Further, examples of the regular uneven repeating structure include a wavy line structure, a comb-tooth structure, a sawtooth structure, and a fractal surface. Examples of the irregular repeating uneven structure include a surface roughened by plasma treatment, etching treatment, or the like.

移送方向に向かって表面自由エネルギーが徐々に大きくなる傾斜を有する微細構造としては、換言すれば、移送方向に向かって液体の表面張力が徐々に小さくなるように、液体の撥液性が小さくなるように構成されているといえる。 In other words, a fine structure having a slope in which the surface free energy gradually increases in the direction of transport, in other words, the liquid repellency of the liquid decreases as the surface tension of the liquid gradually decreases in the direction of transport. It can be said that it is structured as follows.

こうした、表面自由エネルギーの傾斜は、凹凸構造の構造上の傾斜により付与することができる。こうした構造上の傾斜の付与にあたっては、移送領域を構成する材料が本来的に有する表面自由エネルギーのほか、当業者によく知られたWenzel状態の粗面におけるWenzel式、複合面におけるCassie-Baxter式、ピン止め効果等が適宜参照される。凹凸構造と撥液性等の関係には、個々の形状のほか、そのパターンや向きなども重要であり、場合によっては、材料によってまた液体によって逆の構造上の変化が、移送しようとする液体の撥液性を低下させる場合がある。 Such a gradient of surface free energy can be imparted by a structural gradient of the uneven structure. In imparting such a structural gradient, in addition to the surface free energy inherent in the material constituting the transport region, the Wenzel equation for rough surfaces in the Wenzel state, which is well known to those skilled in the art, and the Cassie-Baxter equation for composite surfaces, , pinning effect, etc. are referred to as appropriate. In addition to the individual shape, the pattern and orientation of the uneven structure are important for the relationship between the uneven structure and liquid repellency. may reduce the liquid repellency of

移送方向に向かって表面自由エネルギーが徐々に大きくなる傾斜を有する微細構造としては、換言すれば、移送方向に向かって液体の表面張力が徐々に小さくなるように、撥液性が小さくなるように構成されているといえる。撥液性を小さくするとは、例えば、いわゆる、各種公知の撥液性を向上させる凹凸構造とは逆の特徴を増大するようにすればよい。 In other words, the microstructure has a slope in which the surface free energy gradually increases in the direction of transport, in other words, the surface tension of the liquid gradually decreases in the direction of transport, and the liquid repellency decreases. It can be said that it is configured. Reducing the liquid repellency may be achieved by, for example, increasing the characteristics opposite to the various known uneven structures that improve liquid repellency.

撥液性を変化させるには、異なる個数及び/又は異なるサイズ及び/又は異なる配置密度を凹凸構造に適用すればよい。例えば、凸状部又は凹状部の数を増減、サイズの増減、密度の増減が挙げられる。例えば、凸状部又は凹状部の個数/サイズ/密度を徐々に減少させれば、表面自由エネルギーは大きくなる場合があり、また、逆の場合もある。 In order to change the liquid repellency, a different number and/or a different size and/or a different arrangement density may be applied to the uneven structure. For example, the number of convex portions or concave portions may be increased or decreased, the size may be increased or decreased, and the density may be increased or decreased. For example, gradually decreasing the number/size/density of convexities or concavities may increase the surface free energy, and vice versa.

また例えば、凹凸反復構造の、凹凸の振幅、周期等の増減が挙げられる。例えば、凹凸反復構造の凹凸の振幅/周期を徐々に小さくすることで、表面自由エネルギーは大きくなる場合があり、また逆の場合もある。 Another example is an increase/decrease in the amplitude, period, etc. of the unevenness in the uneven repeating structure. For example, by gradually decreasing the amplitude/period of the asperities in a concavo-convex repeating structure, the surface free energy may increase, and vice versa.

さらに、これらに加えて又は独立して、凹凸構造自体の表面自由エネルギーを大きくさせるような形状に徐々に変化させてもよい。 Furthermore, in addition to or independently of these, the shape of the uneven structure itself may be gradually changed to increase the surface free energy.

こうした凹凸構造の変化に加えて、凹凸構造の少なくとも一部に液体との化学的親和性を増大させることで、結果として、凹凸構造の表面自由エネルギーを増大させることができる。例えば、移送領域を形成する材料の表面を、例えば、化学エッチングやプラズマエッチングにより凹状に加工して、凸状部、凹状部及びこれらの凹凸反復構造などを形成した場合、エッチングされて材料から露出された面には、エッチングによる粗面化による物理学的親和性向上のほか、エッチングにより発生した化学種が生成したり、不純物が残留したりすることがある。このような表面状態が形成されると、液体に対し化学的親和性を増大させる場合がある。例えば、材料の表面を凹状に加工して形成された複数の凸部を形成したとき、凸部の頂部は加工前と同じ化学的親和性を有しているが、凸部の周囲の露出された底部や、凸部の側面は、加工により露出されたため、加工に伴って液体に対する物理的親和性及び化学的親和性が変化している場合がある。 In addition to such changes in the uneven structure, by increasing the chemical affinity with the liquid in at least a portion of the uneven structure, the surface free energy of the uneven structure can be increased as a result. For example, if the surface of the material forming the transfer region is processed into a concave shape by chemical etching or plasma etching to form convex portions, concave portions, and a repeated structure of these concave and convex portions, the surface of the material that forms the transfer region is etched and exposed from the material. In addition to improving physical affinity due to surface roughening caused by etching, chemical species generated by etching may be generated or impurities may remain on the etched surface. The formation of such surface conditions may increase chemical affinity for liquids. For example, when multiple convex parts are formed by machining the surface of a material into concave shapes, the tops of the convex parts have the same chemical affinity as before processing, but the exposed areas around the convex parts Since the bottom portion and the side surface of the convex portion are exposed due to processing, the physical affinity and chemical affinity for the liquid may change as a result of processing.

例えば、液体が水であり、移送領域を形成する材料が、単結晶又は多結晶性のSi系材料の場合、こうして露出された表面が、凹凸構造の形成とともに、水に対する化学的親和性を増大させて、液体の移送の駆動力を増大させることがある。 For example, if the liquid is water and the material forming the transfer region is a monocrystalline or polycrystalline Si-based material, the exposed surface will form an uneven structure and increase the chemical affinity for water. This may increase the driving force for liquid transfer.

こうした凹状加工により、結果として、異種の表面が形成されて液体に対する化学的親和性が向上されるなどして固体の表面自由エネルギーが大きくなるように傾斜する移送領域も、本明細書に開示される流体流路の移送領域に包含される。 Also disclosed herein are transport regions that are sloped such that such concavities result in increased surface free energy of the solid, such as by creating a heterogeneous surface and increasing chemical affinity for the liquid. included in the transfer region of the fluid flow path.

以上説明したように、流体流路の移送領域においては、微細構造に表面自由エネルギーが大きくなるような傾斜を付与することで、液体の移送方向を制御することができる。このため、緻密な移送方向制御も可能になる。また、この移送領域においては、半導体などにおける微細構造の作製技術の適用により、容易に、微細構造に表面自由エネルギーの傾斜を形成できる。 As described above, in the transfer region of the fluid channel, the direction of liquid transfer can be controlled by providing a fine structure with an inclination that increases the surface free energy. Therefore, precise control of the transfer direction is also possible. In addition, in this transfer region, by applying fine structure manufacturing techniques in semiconductors or the like, it is possible to easily form a gradient in surface free energy in the fine structure.

本明細書によれば、移送領域の表面自由エネルギーを徐々に増大させることで、その傾斜方向に従い液体を移送することができる。同時に、表面自由エネルギーを徐々に小さくなる傾斜を有するように形成された微細構造を有する移送抑制領域を形成することもできる。かかる移送抑止領域では、その傾斜方向への液体の移送を抑制できる。すなわち、液体を停止又は保持することができる。こうした移送抑止領域を備えることで、一層、液体の移送方向の制御も容易にかつ精度を高めることができる。また、こうした移送抑止領域を備えることで、液体を意図した領域に保持又は停止させることもできる。 According to this specification, by gradually increasing the surface free energy of the transfer region, it is possible to transfer the liquid according to the direction of the inclination. At the same time, it is also possible to form a transport-suppressing region having a microstructure formed such that the surface free energy gradually decreases. In such a transfer suppression area, transfer of liquid in the inclined direction can be suppressed. That is, the liquid can be stopped or held. By providing such a transfer inhibiting area, the control of the liquid transfer direction can be further facilitated and the accuracy can be further improved. Further, by providing such a transfer inhibiting area, the liquid can be held or stopped in the intended area.

流体流路は、こうした移送抑止領域を、移送領域の一部又は移送領域とは独立して備えることができる。移送抑止領域は、例えば、移送領域の一部や端部に形成されていてもよく、移送領域を構成する材料から移送領域と同時に形成されていてもよい。 The fluid flow path may include such a transfer inhibiting region as part of or independent of the transfer region. The transfer inhibiting area may be formed, for example, at a portion or an end of the transfer area, or may be formed simultaneously with the transfer area from a material constituting the transfer area.

(流体デバイス)
本明細書に開示される流体デバイスは、上記した各種態様の移送領域ないし流体流路を備える。こうした流体デバイスは、複数の異なる方向に流体を容易に移送することができる。したがって、従来に比較して、より小型化でき、かつ精度の高い、液体制御が可能な流体デバイスを提供できる。流体デバイスとしては、液体の流通を伴うデバイスであれば特に限定するものではないが、例えば、各種の診断、検査、計測などに用いるバイオデバイス、環境評価等のための評価デバイスなど、種々の化学反応を行う流体デバイスが挙げられる。
(fluid device)
The fluidic devices disclosed herein include the various transfer regions or fluid flow paths described above. Such fluidic devices can easily transport fluid in multiple different directions. Therefore, it is possible to provide a fluid device that is smaller in size and capable of highly accurate liquid control than in the past. Fluid devices are not particularly limited as long as they involve the flow of liquid, but include various chemical devices such as biodevices used for various diagnoses, tests, and measurements, evaluation devices for environmental evaluation, etc. Examples include fluidic devices that perform reactions.

(流体流路の製造方法)
本明細書に開示される流体流路の製造方法は、流体流路の構成材料の表面を凹状に加工して、複数の凸状部及び/又は凹状部を、流体流路を移送される流体の移送方向に向かって表面自由エネルギーが徐々に大きくなる傾斜、又は複数の凸状部及び/又は凹状部を、前記流体流路を移送される流体の移送抑止方向に向かって表面自由エネルギーが徐々に小さくなる傾斜を有するように形成する工程を備える、ことができる。この製造方法によれば、容易にしかも多様な形態で表面自由エネルギーが変化させて、液体の高度な移送制御が可能となる。
(Method for manufacturing fluid channel)
The method for manufacturing a fluid channel disclosed herein involves processing the surface of a material constituting the fluid channel into a concave shape to form a plurality of convex portions and/or concave portions for the fluid to be transferred through the fluid channel. The surface free energy gradually increases in the direction of inhibiting the transfer of the fluid transferred through the fluid flow path. The method may include a step of forming the surface to have a slope that becomes smaller. According to this manufacturing method, the surface free energy can be changed easily and in various forms, making it possible to highly control the transfer of liquid.

こうした複数の凹状部及び凸状部は、移送領域を構成する材料を、種々のエッチング、切削加工等により、凹状に加工することにより、得ることができる。こうした各種の凹状加工の手法は、半導体分野において公知の手法を適宜採用することができる。例えば、スパッタエッチング、ガスエッチング、リアクティブイオンエッチング(RIE)を含むプラズマエッチングなどの物理的エッチングを用いると、加工表面の粗面化(凹凸面積の増大)が期待でき、表面自由エネルギーの増大に効果的な場合がある。 Such a plurality of concave portions and convex portions can be obtained by processing the material constituting the transfer region into a concave shape by various types of etching, cutting, etc. As these various concave processing methods, methods known in the semiconductor field can be appropriately adopted. For example, when physical etching such as sputter etching, gas etching, and plasma etching including reactive ion etching (RIE) is used, the processed surface can be expected to become rougher (increase in the uneven area), leading to an increase in surface free energy. It can be effective.

以下、本明細書の開示をより具体的に説明するために具体例としての実施例を記載する。以下の実施例は、本明細書の開示を説明するためのものであって、その範囲を限定するものではない。 Hereinafter, examples will be described as specific examples to more specifically explain the disclosure of this specification. The following examples are intended to illustrate the disclosure herein and are not intended to limit its scope.

本実施例では、Si単結晶基板を用いて、移送領域を形成し、この移送領域に水を所定量滴下して、移送領域上の水の移動状況を観察した。 In this example, a transfer region was formed using a Si single crystal substrate, a predetermined amount of water was dropped onto the transfer region, and the movement of water on the transfer region was observed.

図2に示すように、Si単結晶基板の表面に、RIEであって、CF4ガスの基板への衝突作用による物理的エッチングが優位となる条件で、図中A点を含んで基板の短手方向に沿って伸びる帯状領域に直径50μmで高さ200nmの複数の円柱体の配列を形成し(図中A枠参照)、さらに、図中B点に向かって徐々に小さい直径で同一高さ(200nm)の円柱体の配列を複数の帯状領域に渡って形成し、図中B点を含む帯状領域では、直径200nmで高さ200nmの複数の円柱体の配列を形成した(図中B枠参照)。なお、図2の左図は、基板における周期的構造を示す光学顕微鏡像であり、右図は、A点及びB点の各近傍の電子線顕微鏡像を示す。 As shown in Fig. 2, the surface of the Si single crystal substrate was etched by RIE on the short side of the substrate, including point A in the figure, under conditions in which physical etching due to the impact of CF4 gas on the substrate was dominant. A plurality of cylindrical bodies with a diameter of 50 μm and a height of 200 nm are formed in a band-shaped region extending along the direction (see frame A in the figure), and further, columns with gradually smaller diameters and the same height (see frame A in the figure) are formed in a band-shaped region extending along the direction An array of cylindrical bodies with a diameter of 200 nm and a height of 200 nm was formed across multiple strip regions, and in a strip region including point B in the figure, an array of cylindrical bodies with a diameter of 200 nm and a height of 200 nm was formed (see frame B in the figure). ). The left diagram in FIG. 2 is an optical microscope image showing the periodic structure in the substrate, and the right diagram is an electron microscope image in the vicinity of point A and point B.

この基板においては、円柱体の頂面は、当初のSi基板の表面自由エネルギーを有するが、円柱体の外周面及び露出された底部では、RIEの作用により、化学種が残存したこと及び粗面化により、化学的親和性と物理的親和性との双方が向上していることが考えられ、これらの表面では、頂面よりも表面自由エネルギーが増大しているといえる。この結果、A点側からB点側に向かって、結果として、移送領域の表面自由エネルギーが徐々に大きくなっていると考えられた。 In this substrate, the top surface of the cylinder has the surface free energy of the original Si substrate, but on the outer peripheral surface and exposed bottom of the cylinder, due to the action of RIE, chemical species remained and the rough surface It is thought that both the chemical affinity and the physical affinity are improved by the oxidation, and it can be said that the surface free energy of these surfaces is higher than that of the top surface. As a result, it was considered that the surface free energy of the transfer region gradually increased from the A point side to the B point side.

この加工したSi基板表面のA点に、1~3μlの純水の液滴を連続的に滴下して基板上の液滴の形状を観察した。また、B点に、1~5μlの純水の液滴を連続的に滴下して同様に観察した。結果を、図3に示す。 A droplet of 1 to 3 μl of pure water was continuously dropped at point A on the surface of the processed Si substrate, and the shape of the droplet on the substrate was observed. Furthermore, 1 to 5 μl of pure water droplets were continuously dropped at point B and observed in the same manner. The results are shown in Figure 3.

図3左図に示すように、A点に滴下された純水は、滴下量が増大するにつれ、徐々にB点側(X方向)に拡張するように移動する傾向を示した。一方、図3右図に示すように、B点に滴下された純水は、滴下量が増大しても、A点側に拡張できずB点側に留まる傾向を示した。 As shown in the left diagram of FIG. 3, the pure water dropped at point A showed a tendency to gradually expand toward point B (in the X direction) as the amount of dropped water increased. On the other hand, as shown in the right diagram of FIG. 3, the pure water dropped at point B could not expand toward point A and tended to remain at point B even if the amount of water dropped increased.

以上のことから、本実施例で作製したSi基板のような微細構造を形成することで、移送領域における表面自由エネルギーをA点からB点への増大することができ、液体の移送方向をA点からB点へ方向制御できることがわかった。また、B点からA点への向かうように、表面自由エネルギーを減少させることにより、B点において液体を保持又は停止させうることもわかった。 From the above, by forming a fine structure like the Si substrate produced in this example, the surface free energy in the transfer region can be increased from point A to point B, and the direction of liquid transfer can be changed to A. It turns out that it is possible to control the direction from point to point B. It has also been found that by decreasing the surface free energy from point B to point A, it is possible to retain or stop the liquid at point B.

本実施例でも、Si単結晶基板を用いて、移送領域を形成し、この移送領域に水を所定量滴下して、移送領域上の水の移動状況を観察した。 In this example as well, a transfer region was formed using a Si single crystal substrate, a predetermined amount of water was dropped onto the transfer region, and the movement of water on the transfer region was observed.

図4左図に示すように、Si単結晶基板の表面に、RIEであって、CF4ガスの基板への衝突作用による物理的エッチングが優位となる条件で、基板の中心から左右側に向かう逆V字状の帯状領域を、基板の上下方向に複数設定した。基板最上端の帯状領域では、その中心から左右方向に直径が5μmから4μm(高さ200nm)で徐々に小さくなる複数の円柱体の配列を形成した。さらに、基板下端側に向かう帯状領域で、基板中心から左右方向に、5μmよりも小さい直径から左右方向にさらに徐々に直径が小さくなる円柱体(高さ200nm)の配列を形成した。順次、こうした帯状領域を形成し、基板の最下端の帯状領域では、基板中心から左右方向に、直径が1.2μmから0.2μmに徐々に小さくなる円柱体(高さ200nm)の配列を形成した。この結果、基板の中心部においては、円柱体の直径サイズが、5μmから1.2μmに減少し、基板の両端部においては、円柱体の直径サイズが、4μmから0.2μmに減少する配列となった。なお、図4の左図は、周期的構造を示す光学顕微鏡像である。 As shown in the left figure of Figure 4, the surface of a Si single crystal substrate is etched in a reverse direction from the center of the substrate to the left and right sides using RIE, under conditions where physical etching is dominant due to the collision effect of CF4 gas on the substrate. A plurality of V-shaped strip areas were set in the vertical direction of the substrate. In the strip-shaped region at the uppermost end of the substrate, a plurality of cylindrical bodies were formed which gradually decreased in diameter from 5 μm to 4 μm (height 200 nm) in the left-right direction from the center. Further, in a band-shaped region toward the lower end of the substrate, an array of cylindrical bodies (height: 200 nm) was formed in the horizontal direction from the center of the substrate, starting from a diameter smaller than 5 μm and gradually decreasing in diameter in the horizontal direction. These strip-shaped regions are sequentially formed, and in the strip-shaped region at the bottom of the substrate, an array of cylindrical bodies (height 200 nm) whose diameter gradually decreases from 1.2 μm to 0.2 μm from the center of the substrate in the left-right direction is formed. did. As a result, in the center of the substrate, the diameter size of the cylinders decreases from 5 μm to 1.2 μm, and at both ends of the substrate, the diameter size of the cylinders decreases from 4 μm to 0.2 μm. became. Note that the left diagram in FIG. 4 is an optical microscope image showing a periodic structure.

この基板においても、実施例1と同様に、円柱体の頂面は、当初のSi基板の表面自由エネルギーを有するが、円柱体の外周面及び露出された底部では、化学的親和性と物理的親和性との双方が向上していることが考えられ、これらの表面では、頂面よりも表面自由エネルギーが増大しているといえる。すなわち、単結晶基板には、基板中心部から左右方向に表面自由エネルギーが徐々に大きくなるとともに、基板上方から下方に向かっても表面自由エネルギーが徐々に大きくなる、表面自由エネルギーの傾斜構造が形成されていると考えられた。 In this substrate, as in Example 1, the top surface of the cylinder has the surface free energy of the original Si substrate, but the outer peripheral surface and exposed bottom of the cylinder have chemical affinity and physical free energy. It can be said that the surface free energy of these surfaces is higher than that of the top surface. In other words, a single-crystal substrate has a gradient surface free energy structure in which the surface free energy gradually increases from the center of the substrate in the left-right direction, and also gradually increases from the top to the bottom of the substrate. It was thought that this was done.

この加工したSi基板表面のC点に、5μlの純水の液滴を連続的に滴下して基板上の液滴の形状を観察した。結果を、併せて図3に示す。 A droplet of 5 μl of pure water was continuously dropped at point C on the surface of the processed Si substrate, and the shape of the droplet on the substrate was observed. The results are also shown in FIG. 3.

図3右図に示すように、C点に滴下された純水は、C点が含まれる帯状領域から右斜め下方に移動し、さらに、下方に移動したが、中心線を超えなかった。 As shown in the right diagram of FIG. 3, the pure water dropped at point C moved diagonally downward to the right from the band-shaped region including point C, and further moved downward, but did not cross the center line.

以上のことから、本実施例で作製したSi基板では、基板中心部から左右方向に表面自由エネルギーが徐々に大きくなるとともに、基板上方から下方に向かっても表面自由エネルギーが徐々に大きくなる、表面自由エネルギーの傾斜構造が形成されているために、液滴に対して、斜め下方を指向する駆動力が作用して、右斜め下方に移動したと考えられた。
このように、表面自由エネルギーの傾斜構造を組み合わせること(本実施例では2方向性の傾斜構造の組合せ)により、液体の移送方向をデザインして、任意の方向を指向させうることがわかった。
From the above, in the Si substrate manufactured in this example, the surface free energy gradually increases in the horizontal direction from the center of the substrate, and also gradually increases from the top to the bottom of the substrate. It is thought that due to the formation of a free energy gradient structure, a driving force directed diagonally downward acted on the droplet, causing it to move diagonally downward to the right.
In this way, it has been found that by combining the surface free energy gradient structures (in this example, a combination of bidirectional gradient structures), it is possible to design the direction of liquid transport and direct it in any direction.

Claims (10)

流体流路であって、
流体の移送方向に向かって表面自由エネルギーが徐々に大きくなる傾斜を有するように形成された微細構造を有する移送領域を1又は2以上備える、流体流路。
A fluid flow path,
A fluid channel comprising one or more transfer regions having a microstructure formed such that the surface free energy gradually increases in the direction of fluid transfer.
前記移送領域は、前記移送方向に沿って、前記流体の表面張力が徐々に小さくなるように構成されている、請求項1に記載の流体流路。 The fluid flow path according to claim 1, wherein the transfer region is configured such that the surface tension of the fluid gradually decreases along the transfer direction. 前記移送領域は、前記微細構造の構造上の傾斜を有する、請求項1又は2に記載の流体流路。 3. A fluid flow path according to claim 1 or 2, wherein the transfer region has a structural slope of the microstructure. 前記微細構造は、前記移送領域の表面における凸状部及び/又は凹状部を含む、請求項1~3のいずれかに記載の流体流路。 The fluid flow path according to any one of claims 1 to 3, wherein the microstructure includes convex portions and/or concave portions on the surface of the transfer region. 前記凸状部及び/又は前記凹状部は、前記移送領域の構成材料の表面を凹状に加工して形成されている、請求項4に記載の流体流路。 The fluid flow path according to claim 4, wherein the convex portion and/or the concave portion are formed by processing a surface of a material forming the transfer region into a concave shape. 前記移送領域は、前記移送方向に沿って、前記流体に対する化学的親和性が増大している、請求項1~5のいずれかに記載の流体流路。 A fluid flow path according to any preceding claim, wherein the transfer region has increasing chemical affinity for the fluid along the transfer direction. 前記移送領域の一部又は前記移送領域とは別に、前記流体の移送抑止方向に向かって表面自由エネルギーが徐々に小さくなる傾斜を有するように形成された微細構造を有する移送抑止領域を備える、請求項1~6のいずれかに記載の流体流路。 A transfer inhibiting region is provided, which is part of the transfer region or separate from the transfer region, and has a microstructure formed such that the surface free energy gradually decreases toward a direction in which the fluid transfer is inhibited. Item 7. The fluid flow path according to any one of Items 1 to 6. 流体流路であって、
流体の移送抑止方向に向かって表面自由エネルギーが徐々に小さくなる傾斜を有するように形成された微細構造を有する移送抑止領域を備える、流体流路。
A fluid flow path,
A fluid flow channel comprising a transfer inhibiting region having a microstructure formed to have a slope in which surface free energy gradually decreases in a fluid transfer inhibiting direction.
請求項1~8のいずれかに記載の流体流路を備える、流体デバイス。 A fluidic device comprising the fluid flow path according to any one of claims 1 to 8. 流体流路の製造方法であって、
流体流路の構成材料の表面を凹状に加工して、複数の凸状部及び/又は凹状部を、流体流路を移送される流体の移送方向に向かって表面自由エネルギーが徐々に大きくなる傾斜又は複数の凸状部及び/又は凹状部を、前記流体流路を移送される流体の移送抑止方向に向かって表面自由エネルギーが徐々に小さくなる傾斜を有するように形成する工程を備える、製造方法。
A method of manufacturing a fluid channel, the method comprising:
The surface of the material constituting the fluid channel is processed to have a concave shape, and the plurality of convex and/or concave portions are inclined such that the surface free energy gradually increases in the direction of transport of the fluid transferred through the fluid channel. Alternatively, a manufacturing method comprising the step of forming a plurality of convex portions and/or concave portions so that the surface free energy gradually decreases in the direction of inhibiting the transfer of the fluid transferred through the fluid flow path. .
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