JP3640089B2

JP3640089B2 - Pipette manufacturing method

Info

Publication number: JP3640089B2
Application number: JP5865695A
Authority: JP
Inventors: 純永田; 治町田; 邦裕玉橋; 正男三谷
Original assignee: リコープリンティングシステムズ株式会社
Priority date: 1995-03-17
Filing date: 1995-03-17
Publication date: 2005-04-20
Anticipated expiration: 2020-04-20
Also published as: JPH08252465A

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、極微少量の液体を正確に吐出するピペットの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のピペットには、例えば、ガラス製のピペット本体にゴム袋を取付けたものや、ピペット本体をインジェクション成形法を用いた合成樹脂製として、これにマイクロシリンジを装備させたものがある。
【０００３】
前者は、比較的多量の液体を分注するものであり、ゴム袋を圧縮復元することによりサンプル液を吸入排出する構造になっている。
【０００４】
後者は１０~²ｌ〜10~⁷ｌの微少量液体を分注するもので、マイクロシリンジを持つ本体と、テーパ状に形成された使い捨て式のチップ（ノズル）からなり、マイクロシリンジの吸引、加圧によって、液体の吸入排出を行うようになっており、先端部のチップが使い捨てであるから、サンプル液交換時にピペットを洗浄する必要がなく、また他のサンプル液との混濁を容易に防ぐことができる。
【０００５】
その他、電磁モータ、圧電ポンプ等を用いたオートピペッタが考案されている。また、最近では、細胞、血液、遺伝子等の解析技術の発達にともない、解析の迅速化、使用サンプル液の低減が要求されるようになり、ピペットにおいてもナノオーダ（実際には１０~⁹ｌ〜１０~¹²ｌ）の分注能力を持つピペットへのニーズが高まりつつある。しかし、従来のピペットでは、上述したように１０~⁷ｌの分注が限界であり、その精度も十分とは言えない。
【０００６】
このような事情から、最近は、インクジェットプリンタのヘッドで用いられるインク噴出機構が注目されており、実験段階ではあるが、論文も発表されている。
【０００７】
このインクジェット方式は、円筒型圧電素子を応用したアクチュエータを使用するものと、積層型またはスティック型圧電素子を使用するものとがある。
【０００８】
このうち、前者は、アクチュエータ（円筒型圧電素子）の内側にノズル部に通じるチューブ（サンプル液供給管）を挿入した構造となっている。アクチュエータに電圧を印加すると、その円筒型圧電素子の内径が縮み、チューブ内のサンプル液に圧力が加えられ、ナノオーダのサンプル液がノズル部より吐出される。
【０００９】
後者は、チャンバの壁の１つが圧電素子を接着した膜板（可撓性を有する薄板）となっており、圧電素子に電圧を印加して薄板を撓ませることにより、チャンバに圧力を加えてサンプル液をノズル先端より吐出させる。両者ともサンプル液はリザーバから供給される。吐出されたサンプル液の速度は、数m/s〜数十m/sである。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
インクジェット方式をピペットに採用した場合には、次のような改善すべき点があった。
【００１１】
(1)分注量を極微少量にする目的は、高コストの試薬の総使用量を低減することにあり、より微少なチャンバーとその製造方法が要求される。従来の製造方法では、コスト及び精度の点から作製は困難である。特に、インジェクション成形法ではノズル先端部の精度に限界がある。
【００１２】
(2)微小な領域に分注液供給路などの複雑な構造を形成するため、一体成形は困難である。また、構成部品の接合に接着剤等を用いると接着剤の余分な部分へのはみだし、すなわち、液や気泡のスムーズな流れの妨げとなるようなサンプル液流路等への接着剤のはみだしや、接着剤のサンプル液への汚染などのクリーン度の低下を招くおそれがある。
【００１３】
本発明は、以上のような問題点を解決し、１０~⁶ｌ以下の極微少量の液体を精度良く扱え、しかも試薬等の使用に耐えるクリーン度の高いピペットの製造方法を提供することを目的としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記目的を達成するために、基本的には、次のような課題解決手段を提案する。
【００１５】
先端部に毛管現象により液体を吸い上げ可能にしたノズルを有し、その上部にチャンバが配置され、該チャンバの上部に、電気信号により微小変位する駆動機構を介して撓み力が付与される膜板が配置され、この膜板の撓み動作によりチャンバ内に満たされた液体を吐出させる構成からなるピペットにおいて、チャンバ、リザーバ、ノズル形成の際にマスキング及びエッチング加工を行う工程と、該チャンバ、リザーバ、ノズル接合の際に陽極結合を行う工程を含むことを特徴とする。
【００１６】
また、前記ピペットの構成部品全てをマスキング及びエッチングで形成した後、陽極結合することにより、複数個のピペットを１ロットで作成することを特徴とする。
【００１７】
【作用】
上記の製造方法によれば、低コストで量産に適用し易く、特に集積化されたピペットの製造に最も有効である。更に、この製造方法では接着剤を用いないので、サンプル液流路等への接着剤のはみ出しがなく、クリーン度の高いピペットを製造できる。
【００１８】
【実施例】
〔実施例１〕
図１に本発明のピペットの側面からみた要部断面図を示す。
【００１９】
図１において、先端部に毛管機能を有するノズル１、サンプル液収容部となるチャンバ２、可撓性を有する薄板で形成された膜板４、通気管（通気路；連通路）３、液溜め部となるリザーバ５、圧電素子６等がある。圧電素子６は静電アクチュエータに代えてもよい。
【００２０】
ピペット本体となる一つの組立体は、三層の組立要素（板体）１１、１２、１３を接合して構成され、下層の組立要素１１にはテーパ状の細径ノズル１が形成され、中層の組立要素１２にはノズル１より大きな内径を有するチャンバ２が形成されると共に通気管３及びリザーバ５の底部が形成され、上層の組立要素１３には圧電素子６の一部を収容するスペースとリザーバ５の底部以外の部分とが形成されている。
【００２１】
これらの組立要素１１、１２、１３を三層に積層、接合することで一つの組立体１が構成され、組立要素１２、１３間に膜板４となるべき薄板を介在させる。これにより、ノズル１の上部にチャンバ２が配置され、チャンバ２の上部に膜板４が配置され、膜板４の接する位置にチャンバ２内に生じる気泡を逃すための通気管３が配置される。また、チャンバ２の斜め上方には、リザーバ５が大気開放の状態で配置される。リザーバ５は、その底部がチャンバ２の上部と同レベル或いはそれより上の位置にあって、このリザーバ５底部とチャンバ２上部とが通気管３を介して連通して成る。チャンバ２とリザーバ５とは、隔壁１３ａを介して上下方向に斜め隣に位置するレイアウト構成となっている。これにより、ノズル１、チャンバ２、通気管３、リザーバ５は一つの組立体（ピペット本体）に集中的に且つ一連に配設される。
【００２２】
膜板４のうちリザーバ５を横切る部分は開孔してリザーバ５が通気管３に通じるようにしてある。
【００２３】
図２は製造工程のフローチャートである。
【００２４】
まず、組立要素１１の作製を行う。組立要素１１の材料としてはシリコンウエハが好ましい。この組立要素（以下シリコンウエハという）１１にエッチングを行い、ノズル先端部を作製する。
【００２５】
図３に示すように、１μｍの酸化層(ＳｉＯ₂層１０)を(100)面に持つシリコンウエハ１１にレジスト９を塗布し、露光及び現像を行う。次にフッ化水素とフッ化アンモニウムの混合液でＳｉＯ₂層１０を部分的にエッチングし、さらに、フッ化水素でシリコンウェハー１１の異方性エッチングを行う。
【００２６】
本実施例で作製したノズル１の縦断面図を図４に示す。
異方性エッチングの傾斜は約５４°であるので、シリコンウェハー１１の厚さとマスクのサイズによりノズル先端の穴の大きさを次式で決定できる。
【００２７】
【数１】

【００２８】
ここで、Ａは先端穴の辺の長さ、Ｂはマスキング後にエッチングされる領域の辺の長さ、Ｔはシリコンウェハーの厚さである。なお、本実施例で得られた先端穴の大きさは５０μｍ□であった。
【００２９】
次に、組立要素１２でチャンバー２を作製を行う。組立要素１２の材料としては感光性ガラスがよい。
【００３０】
図５のように、感光性ガラス１２にメタルマスク１４をおいて光を当てるとマスクのない部分が結晶化し、フッ化水素によりエッチングされる。
【００３１】
エッチング時間及びマスキングの位置を変え、図６に示すチャンバ２を得た。
【００３２】
なお、次工程の組立要素１３にリザーバ５を作製する過程においても同様の方法を用いた。
【００３３】
膜板４（ダイヤフラム）は、金属等を圧延加工で引き延ばすことにより得られるが、その材料の熱膨張係数は、感光性ガラス１２と同等かもしくはより高いものを選択する必要がある。これは、膜板４とチャンバ２、リザーバ５を接合する際に行う陽極結合では材料を３００℃〜６００℃に加熱するが、接合後に、加圧壁である膜板４に適度な弛みをつけるため、また熱膨張係数の差による接合界面の破壊を避けるためである。
【００３４】
本実施例で作製した膜板４を図７に示す。
厚さは１０μｍ、材質はチタンであり、前述したようにリザーバ５を横切る部分を開孔すべく連結穴１７が設けてある。
【００３５】
図８に陽極結合による接合例として、チャンバ２と膜板４の接合を示す。
【００３６】
チャンバ２が形成されている感光性ガラス１２を陰極側とし、４００℃に加熱した後、電圧１．５ｋＶを電極１５間に５分間印加した。この方法は接着剤を使用しないのでピペットのクリーン度を容易に保つことができ、また接着剤等のはみ出しがないため、接合面に位置する通気管を正確に、且つ容易に形成できる。
【００３７】
圧電素子６の接着はエポキシ系樹脂を用い、１５０℃に加熱して硬化させた。
【００３８】
［実施例２］
本実施例は実施例１の方法を用いて複数個のピペットを１ロットで作製するものである。
【００３９】
ピペットの量産方法を図９に示す。
【００４０】
各材料を、複数個の部品を形成できるように作製したマスクを用いてエッチングし、位置合わせを行った後一度の陽極結合で各材料を接合する。この際、ピペットは接合された１つの部材に複数個並べた形で成形されている。これを冶具に固定し、図１０のようにスライサで切断ラインに沿って切断することにより、複数個のピペットが得られる。また、スライサによる切断工程を省くことにより、集積型ピペットが容易に得られる。
【００４１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明による製造方法によれば量産性が高く安価で、かつクリーン度の高い良好なピペットを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる製造方法で作製したピペットの縦断面図。
【図２】作製工程のフローチャート。
【図３】ノズル部作製方法を示す断面図。
【図４】ノズルの縦断面図。
【図５】チャンバー作製方法を示す断面図。
【図６】チャンバーの縦断面図。
【図７】薄板の作製例。
【図８】陽極結合の実施例。
【図９】ピペットの量産方法を示す縦断面図。
【図１０】ピペットの量産方法を示す縦断面図。
【符号の説明】
１はノズル、２はチャンバ、３は通気管、４は薄板、５はリザーバ、６は圧電素子、７は電極基板、８は基板、９はレジスト、１０はＳｉＯ₂層、１１はシリコンウェハ、１２、１３は感光性ガラス、１４はメタルマスク、１５は電極、１６は切断ライン、１７は連結穴である。[0001]
[Industrial application fields]
The present invention relates to a method for manufacturing a pipette that accurately discharges a very small amount of liquid.
[0002]
[Prior art]
Conventional pipettes include, for example, those in which a rubber bag is attached to a glass pipette body, and those in which the pipette body is made of a synthetic resin using an injection molding method and is equipped with a microsyringe.
[0003]
The former dispenses a relatively large amount of liquid, and has a structure for sucking and discharging the sample liquid by compressing and restoring the rubber bag.
[0004]
The latter dispenses a small amount of 10 ~ ² l ~ 10 ~ ⁷ l, and consists of a main body with a microsyringe and a disposable tip (nozzle) formed in a tapered shape. Since the suction and discharge of liquid is performed by pressurization and the tip at the tip is disposable, there is no need to wash the pipette when exchanging the sample liquid, and it is easy to prevent turbidity with other sample liquids be able to.
[0005]
In addition, an auto pipettor using an electromagnetic motor, a piezoelectric pump, or the like has been devised. Recently, cells, blood, with the development of analytical techniques such as a gene, faster analysis, is as reduce the use sample liquid is required, nano-order even in the pipette (actually 10 ~ ⁹ l to there is a growing need for pipette with a dispensing capacity of 10 ~ ¹² l). However, in the conventional pipette, as described above, the dispensing of 10 to ⁷ l is the limit, and the accuracy is not sufficient.
[0006]
Under these circumstances, recently, an ink ejection mechanism used in the head of an ink jet printer has been attracting attention, and although it is in an experimental stage, a paper has been published.
[0007]
There are two types of ink jet systems that use actuators that apply cylindrical piezoelectric elements, and those that use laminated or stick type piezoelectric elements.
[0008]
Among these, the former has a structure in which a tube (sample liquid supply pipe) leading to the nozzle portion is inserted inside the actuator (cylindrical piezoelectric element). When a voltage is applied to the actuator, the inner diameter of the cylindrical piezoelectric element shrinks, pressure is applied to the sample liquid in the tube, and the nano-order sample liquid is discharged from the nozzle portion.
[0009]
In the latter, one of the walls of the chamber is a membrane plate (a thin plate having flexibility) to which a piezoelectric element is bonded. By applying a voltage to the piezoelectric element and bending the thin plate, pressure is applied to the chamber. The sample liquid is discharged from the nozzle tip. In both cases, the sample liquid is supplied from the reservoir. The speed of the discharged sample liquid is several m / s to several tens m / s.
[0010]
[Problems to be solved by the invention]
When the inkjet method was adopted for a pipette, there were the following points to be improved.
[0011]
(1) The purpose of making the dispensing amount extremely small is to reduce the total amount of high-cost reagent used, and a smaller chamber and a manufacturing method thereof are required. In the conventional manufacturing method, production is difficult in terms of cost and accuracy. In particular, the accuracy of the nozzle tip is limited in the injection molding method.
[0012]
(2) Since a complicated structure such as a dispensing liquid supply path is formed in a minute area, integral molding is difficult. In addition, if an adhesive is used to join the components, it will protrude into the excess part of the adhesive, that is, the adhesive will overflow into the sample liquid flow path, etc., which will hinder the smooth flow of liquid and bubbles. There is a risk that the cleanliness will be lowered due to contamination of the sample liquid with the adhesive.
[0013]
An object of the present invention is to solve the above-mentioned problems and to provide a method for manufacturing a pipette having a high degree of cleanness that can handle a very small amount of liquid of 10 to ⁶ l or less with high accuracy and can withstand the use of reagents and the like. It is said.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the present invention basically proposes the following problem solving means.
[0015]
A membrane plate that has a nozzle capable of sucking up liquid by capillary action at the tip, a chamber is disposed above the nozzle, and a bending force is applied to the top of the chamber via a drive mechanism that is minutely displaced by an electrical signal In the pipette configured to discharge the liquid filled in the chamber by the bending operation of the membrane plate, a step of performing masking and etching when forming the chamber, the reservoir, and the nozzle, and the chamber, the reservoir, It includes a step of performing anodic bonding at the time of nozzle joining.
[0016]
In addition, after forming all the components of the pipette by masking and etching, a plurality of pipettes are produced in one lot by anodic bonding.
[0017]
[Action]
According to the above manufacturing method, it is easy to apply to mass production at low cost, and is most effective for manufacturing an integrated pipette. Furthermore, since this manufacturing method does not use an adhesive, the adhesive does not protrude into the sample liquid flow path and the like, and a pipette with a high cleanliness can be manufactured.
[0018]
【Example】
[Example 1]
FIG. 1 shows a cross-sectional view of the main part viewed from the side of the pipette of the present invention.
[0019]
In FIG. 1, a nozzle 1 having a capillary function at the tip, a chamber 2 serving as a sample liquid storage part, a membrane plate 4 formed of a flexible thin plate, a vent pipe (venting path; communication path) 3, a liquid reservoir There are a reservoir 5, a piezoelectric element 6 and the like. The piezoelectric element 6 may be replaced with an electrostatic actuator.
[0020]
One assembly serving as a pipette body is formed by joining three layers of assembly elements (plate bodies) 11, 12, and 13, and the lower assembly element 11 is formed with a tapered small-diameter nozzle 1. The assembly element 12 includes a chamber 2 having an inner diameter larger than that of the nozzle 1 and a bottom portion of the vent pipe 3 and the reservoir 5. The upper assembly element 13 includes a space for accommodating a part of the piezoelectric element 6. A portion other than the bottom of the reservoir 5 is formed.
[0021]
These

assembly elements

11, 12, and 13 are laminated and joined in three layers to form one assembly 1, and a thin plate to be the membrane plate 4 is interposed between the

assembly elements

12 and 13. As a result, the chamber 2 is disposed above the nozzle 1, the membrane plate 4 is disposed above the chamber 2, and the vent pipe 3 for releasing bubbles generated in the chamber 2 is disposed at a position where the membrane plate 4 contacts. . In addition, a reservoir 5 is arranged in an open state to the atmosphere above the chamber 2. The bottom of the reservoir 5 is at the same level as or above the top of the chamber 2, and the bottom of the reservoir 5 and the top of the chamber 2 are communicated with each other via the vent pipe 3. The chamber 2 and the reservoir 5 have a layout configuration that is positioned obliquely next to each other in the vertical direction via the partition wall 13a. As a result, the nozzle 1, the chamber 2, the vent pipe 3, and the reservoir 5 are intensively and sequentially arranged in one assembly (pipette body).
[0022]
A portion of the membrane plate 4 that crosses the reservoir 5 is opened so that the reservoir 5 communicates with the vent pipe 3.
[0023]
FIG. 2 is a flowchart of the manufacturing process.
[0024]
First, the assembly element 11 is manufactured. The material of the assembly element 11 is preferably a silicon wafer. This assembly element (hereinafter referred to as a silicon wafer) 11 is etched to produce a nozzle tip.
[0025]
As shown in FIG. 3, a resist 9 is applied to a silicon wafer 11 having a 1 μm oxide layer (SiO ₂ layer 10) on the (100) plane, and exposure and development are performed. Next, the SiO ₂ layer 10 is partially etched with a mixed solution of hydrogen fluoride and ammonium fluoride, and the silicon wafer 11 is anisotropically etched with hydrogen fluoride.
[0026]
A longitudinal sectional view of the nozzle 1 produced in this example is shown in FIG.
Since the inclination of the anisotropic etching is about 54 °, the size of the hole at the tip of the nozzle can be determined by the following equation based on the thickness of the silicon wafer 11 and the size of the mask.
[0027]
[Expression 1]

[0028]
Here, A is the length of the side of the tip hole, B is the length of the side of the region to be etched after masking, and T is the thickness of the silicon wafer. The size of the tip hole obtained in this example was 50 μm □.
[0029]
Next, the chamber 2 is manufactured by the assembly element 12. Photosensitive glass is preferable as the material of the assembly element 12.
[0030]
As shown in FIG. 5, when a metal mask 14 is placed on the photosensitive glass 12 and irradiated with light, the portion without the mask is crystallized and etched with hydrogen fluoride.
[0031]
The chamber 2 shown in FIG. 6 was obtained by changing the etching time and the masking position.
[0032]
A similar method was used in the process of manufacturing the reservoir 5 in the assembly element 13 in the next process.
[0033]
The film plate 4 (diaphragm) can be obtained by stretching a metal or the like by rolling, and it is necessary to select a material whose thermal expansion coefficient is equal to or higher than that of the photosensitive glass 12. This is because the material is heated to 300 ° C. to 600 ° C. in the anodic bonding performed when the membrane plate 4 and the chamber 2 and the reservoir 5 are joined, but after the joining, the membrane plate 4 that is a pressure wall is moderately slackened. Therefore, it is also for avoiding the destruction of the joint interface due to the difference in thermal expansion coefficient.
[0034]
The membrane plate 4 produced in this example is shown in FIG.
The thickness is 10 μm, and the material is titanium. As described above, the connecting hole 17 is provided to open the portion crossing the reservoir 5.
[0035]
FIG. 8 shows joining of the chamber 2 and the membrane plate 4 as an example of joining by anodic bonding.
[0036]
The photosensitive glass 12 in which the chamber 2 was formed was set as the cathode side, heated to 400 ° C., and then a voltage of 1.5 kV was applied between the electrodes 15 for 5 minutes. Since this method does not use an adhesive, the cleanliness of the pipette can be easily maintained, and since no adhesive or the like protrudes, a vent pipe located on the joining surface can be formed accurately and easily.
[0037]
The piezoelectric element 6 was bonded by using an epoxy resin and heated to 150 ° C. to be cured.
[0038]
[Example 2]
In this example, a plurality of pipettes are produced in one lot using the method of Example 1.
[0039]
A method for mass production of pipettes is shown in FIG.
[0040]
Each material is etched using a mask prepared so that a plurality of parts can be formed, and after aligning, each material is joined by one anodic bonding. At this time, the pipette is formed in a form in which a plurality of pipettes are arranged on one joined member. This is fixed to a jig, and a plurality of pipettes are obtained by cutting along a cutting line with a slicer as shown in FIG. Further, an integrated pipette can be easily obtained by omitting the cutting process by the slicer.
[0041]
【The invention's effect】
As described above, according to the production method of the present invention, it is possible to obtain a good pipette having a high productivity and a low cost and a high cleanliness.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of a pipette produced by a production method according to the present invention.
FIG. 2 is a flowchart of a manufacturing process.
FIG. 3 is a cross-sectional view showing a nozzle part manufacturing method.
FIG. 4 is a longitudinal sectional view of a nozzle.
FIG. 5 is a cross-sectional view illustrating a chamber manufacturing method.
FIG. 6 is a longitudinal sectional view of the chamber.
FIG. 7 shows an example of manufacturing a thin plate.
FIG. 8 shows an example of anodic bonding.
FIG. 9 is a longitudinal sectional view showing a mass production method for pipettes.
FIG. 10 is a longitudinal sectional view showing a pipette mass production method.
[Explanation of symbols]
1 is a nozzle, 2 is a chamber, 3 is a vent tube, 4 is a thin plate, 5 is a reservoir, 6 is a piezoelectric element, 7 is an electrode substrate, 8 is a substrate, 9 is a resist, 10 is a SiO ₂ layer, 11 is a silicon wafer, 12 and 13 are photosensitive glass, 14 is a metal mask, 15 is an electrode, 16 is a cutting line, and 17 is a connecting hole.

Claims

A membrane plate that has a nozzle capable of sucking up liquid by capillary action at the tip, a chamber is disposed above the nozzle, and a bending force is applied to the top of the chamber via a drive mechanism that is minutely displaced by an electrical signal In the pipette configured to discharge the liquid filled in the chamber by the bending operation of the membrane plate, a step of performing masking and etching when forming the chamber, the reservoir, and the nozzle, and the chamber, the reservoir, A pipette manufacturing method comprising a step of performing anodic bonding at the time of nozzle joining.

2. The pipette manufacturing method according to claim 1, wherein a silicon wafer is used as a material of the nozzle, and the size of the nozzle tip hole is controlled by the thickness of the silicon wafer.

The pipette manufacturing method according to claim 1, wherein the membrane plate is selected from materials having a thermal expansion coefficient equal to or higher than that of glass.

2. The vent pipe constituted by the groove and the membrane plate is formed by forming at least one groove in the upper portion of the chamber and then anodically bonding the chamber and the membrane plate. Pipette manufacturing method.

The pipette manufacturing method according to claim 1, wherein a plurality of pipettes are formed in one lot by forming all of the pipette components by masking and etching and then anodic bonding.

6. The method of manufacturing a pipette according to claim 5, wherein the pipette is an integrated pipette having a plurality of nozzles.