JP4014500B2 - マイクロチップ基板の接合方法及びマイクロチップ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラスチック材料より製造され表面にマイクロチャネルを有するマイクロチップ基板を接着剤により接合する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
最近はマイクロリアクターやマイクロアナリシスシステムと呼ばれる微細加工技術を利用した化学反応や分離システムの微小化の研究が盛んになっており、マイクロチャネルを持つマイクロチップ上で行う核酸、タンパク質などの分析や合成、微量化学物質の迅速分析、医薬品・薬物のハイスループットスクリーニングへの応用が期待されている。このようなシステムのマイクロ化の利点としては、サンプルや試薬の使用量あるいは廃液の排出量が軽減され、省スペースで持ち運び可能な安価なシステムの実現が考えられている。また体積に対する表面積の比率が向上することにより、熱移動・物質移動の高速化が実現でき、その結果、反応や分離の精密な制御、高速・高効率化、副反応の抑制が期待される。
【０００３】
マイクロチャネルは少なくとも一方の部材に微細加工を有するマイクロチップ基板の部材２つを張り合わせることにより製造されている。これまではマイクロチップ基板の材料として、主にガラス基板が用いられてきた。ガラス基板でマイクロチャネルをつくるためには、例えば、基板に金属、フォトレジスト樹脂をコートし、マイクロチャネルのパターンを焼いた後にエッチング処理を行う方法がある。その後、陽極接合などでガラス基板を接合する。（非特許文献１）
しかし、ガラスのエッチングにはフッ酸などの非常に危険な薬品を用いたり、一枚ごとにパターンを焼いたりするため、大量に生産を行うには非常に高コストである。
【０００４】
これらのマイクロチップは、種々のプラスチックを使用しても射出成形によって製造することが可能である。射出成形では型キャビティ内へ溶融した熱可塑性プラスチック材料を導入し、キャビティを冷却させて樹脂を硬化させることで、効率よく経済的にマイクロチップを製造でき、大量生産に適している。基板を張り合わせる方法として、接着剤を用いるか超音波やレーザーを用いた熱溶着が主に行われている。（特許文献１）しかし、接着剤は基板の間より余剰分が出やすく、マイクロチャネルの封鎖、内壁の汚染が生じやすい。また、超音波やレーザーを用いた熱溶着では、熱や振動によって樹脂の溶解が過度になりマイクロチャネルの断面が変形したり、マイクロチップに内包する装置やデバイスにダメージを与えたりしやすく、正常に機能、動作を示さない可能性がある。
【０００５】
またプラスチック基板の少なくとも一方をキャスティングによる成形し、熱硬化性プラスチックの重合途中で離型し、基板を密着させてから重合反応を完了させて、マイクロチャネルを製造する方法も提案されている。（特許文献２）熱硬化性プラスチックでは低温で加工できるため、装置やデバイスに熱や振動によるダメージを与えずマイクロチップに内包することが可能である。しかし、冷却硬化時間が長いため大量生産に適しておらず、また型キャビティからの離型が困難でマイクロチャネルを破損する恐れがあり、型キャビティ自身の破損も起こるため型の寿命が短い問題がある。
【０００６】
【非特許文献１】
本田宣昭、化学工学、第６６巻 第２号、ｐ７１−７４（２００２）
【特許文献１】
特開２００２−１３９４１９号公報
【特許文献２】
特開２００２−２０７０２７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、プラスチック材料より製造され表面にマイクロチャネルを有するマイクロチップ基板を、接着剤によるマイクロチャネルの封鎖、内壁の汚染や、内包する装置類にダメージを与えることなく接合する方法とこの方法によって製造しうるマイクロチップを提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
すなわち本発明は、
［１］表面に少なくとも一つのマイクロチャネルを有するマイクロチップ基板と、前記マイクロチップ基板のマイクロチャネルを有する面に対しほぼ密着可能な面を少なくとも一つ有する別のマイクロチップ基板とを接合する方法であって、（１）前記２つのマイクロチップ基板を最終的に接合した形態で密着し、（２）マスキング剤を含む溶液をマイクロチャネルに注入してマイクロチャネル内壁の少なくとも一部をマスクし、（３）マイクロチップ基板を２つに離し、（４）前記２つの、またはいずれかのマイクロチップ基板の接合する部位に接着剤を付与して、（５）マイクロチップ基板を接合した後に（６）マイクロチャネル内壁のマスキング剤を除去する、ことを特徴とするマイクロチップ基板の接合方法、
［２］表面に少なくとも一つのマイクロチャネルを有するマイクロチップ基板の接合する部位はマイクロチャネルを除いてほぼ平坦な面であり、かつもう一方のマイクロチップ基板で前記マイクロチップ基板のマイクロチャネルを有する面に対しほぼ密着可能な面がほぼ平坦な面である［１］記載のマイクロチップ基板の接合方法、
［３］前記２つのマイクロチップ基板の少なくとも１つは、プラスチック材料より製造される［１］または［２］記載のマイクロチップ基板の接合方法、
［４］前記２つのマイクロチップ基板を最終的に接合した形態で密着する方法が、外部の力で抑え固定する方法である［１］〜［３］いずれか記載のマイクロチップ基板の接合方法、
［５］前記マスキング剤が、親水性ポリマー、両親媒性ポリマー、界面活性剤、蛋白質、複合脂質、及びゲル未反応物の群から選ばれるうちの少なくとも一つである［１］〜［４］いずれか記載のマイクロチップ基板の接合方法、
［６］マイクロチップ基板を２つに離す工程の前に、マイクロチャネル内の溶液を除去し、または／及びマイクロチップ基板を２つに離す工程の前後に乾燥、温度による処理を行う［１］〜［５］いずれか記載のマイクロチップ基板の接合方法、
［７］マイクロチップ基板を接合する工程より以前に、マイクロチップ基板に表面改質あるいは追い加工を行う［１］〜［６］いずれか記載のマイクロチップ基板の接合方法、
［８］前記表面改質がマイクロチップ基板表面への官能基の導入、機能性材料の固定化、親水性の付与、及び疎水性の付与の群から選ばれるうちの少なくとも一つである［７］記載のマイクロチップ基板の接合方法、
［９］前記追い加工が、マイクロチャネル、膜、ポンプ、バルブ、センサー、モーター、ミキサー、ギア、クラッチ、マイクロレンズ、電気回路の群から選ばれるうちの少なくとも一つをマイクロチップ基板に付与する［７］記載のマイクロチップ基板の接合方法、
［１０］前記接着剤が、平均粒径１０μｍ以下のマイクロカプセルに封入されている［１］〜［９］いずれか記載のマイクロチップ基板の接合方法、
［１１］前記２つのマイクロチップ基板を最終的に接合した形態で密着させ、前記マイクロカプセルが破壊され内部の接着剤が硬化あるいは重合を行えるのに十分な圧力と温度を加える［１０］記載のマイクロチップ基板の接合方法、
［１２］前記接着剤が、平均粒径５００ｎｍ以下のミセルである［１］〜［９］いずれか記載のマイクロチップ基板の接合方法、
［１３］前記２つのマイクロチップ基板を最終的に接合した形態で密着させ、前記ミセルの接着剤が硬化あるいは重合を行えるのに十分な圧力と温度を加える［１２］記載のマイクロチップ基板の接合方法、
である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図１〜６のマイクロチップ基板の接合方法を示す模式図に従って詳細に説明する。
図１は表面に少なくとも一つのマイクロチャネル３を有するマイクロチップ基板１と、前記マイクロチップ基板のマイクロチャネルを有する面に対しほぼ密着可能な面を少なくとも一つ有する別のマイクロチップ基板２を最終的に接合した形態で密着した状態を示している。図には記していないが、この密着状態を維持し、次の工程でマスキング剤を含む溶液がマイクロチャネルより漏れないようにするため、相応の力で基板を抑え込むように負荷を加えることが好ましい。
本発明では、余剰な接着剤によるマイクロチャネルの封鎖、内壁の汚染が生じる危険を抑えるため、基板の接合に用いる接着剤層を可能な限り少量で行う。このため、基板を最終的に接合した形態にしたとき、接合面の一部でも密着されていない個所があると、基板が接合されていない部分が生じて、その周辺部に応力の負担がかかり易くなり基板が剥離する要因となる。接合面が密着するのであればマイクロチャネルの基板の形状に特に制限は無いが、前記理由により接合面が密着しやすく、また微細加工処理を行い易いため、好ましくは基板の接合面はマイクロチャネルの加工部分以外ほぼ平坦な面であることが好ましい。
また本発明では基板の接合には接着剤を用いて行われる、基板の材料としてはガラス、シリコンウェハー、プラスチックなど特に制限は無いが、複雑な形状を加工することが可能で接合の手段が限定されるプラスチック製の基板に用いることに適している。
【００１０】
図２ではマスキング剤を含む溶液４をマイクロチャネル３に注入されている状態を示している。マスキング剤としてはマイクロチャネルの内壁に対して物理的結合により付着、吸着はするが、化学的結合により固定化されないものが好ましく、具体的には、親水性ポリマー、両親媒性ポリマー、界面活性剤、蛋白質及び複合脂質が挙げられる。またこの溶液の溶媒は特に限定は無いが、マイクロチャネルの表面性状への影響が少なく、溶液の伸展性が過度に大きくない水が好適である。前記のマスキング剤を含む溶液をマイクロチャネルに注入し一定の時間静置すると、マスキング剤がマイクロチャネルの内壁に吸着し覆うようになる。注入するときは抑えただけのマイクロチャネルから液が漏れないよう圧力を加えずに行うのが好適である。その後、溶液を除き、乾燥するとマスキング剤はマイクロチャネルに残留し、マスクとなる。
またマスキング剤としてゲル化を起す前の未反応物を用いた場合、溶液には粘性があるため注入が困難であるが、マスクされた状態を目視で確認できる利点がある。溶液を注入後すぐに除去すると、粘性の液体はマイクロチャネルの内壁に少なからず残留する。これにゲル化のために必要な処理、例えばゲル化未反応物が中性可溶化コラーゲンであれば温度を与えることにより、マイクロチャネルの内壁に付着したゲルの薄層が形成されマスクとなる。これにより、マイクロチャネル内壁が接着剤に接触しても、マイクロチャネルより接着剤を除去しやすくなる。
また、この後の工程でマイクロチャネルの基板の一部に表面改質を施したり、追い加工を施したりするため、マイクロチャネル全体にマスキング剤を含む溶液を注入せず、表面張力の効果も利用して、マイクロチャネルの必要箇所にのみマスクを行ってもよい。
【００１１】
図３ではマイクロチップ基板１，２を一旦、2つに離している状態を示している。この後、基板に接着剤を付与する工程を施すため、この段階ではマスキング剤の乾燥またはゲル化が完全に終了していることが好ましい。さらに、この段階で接着剤が基板と強固に結合しやすいように、接合面に対して官能基の導入や親水化の付与を行うとより好ましい。またマイクロチャネルの内壁についても、マイクロチャネルの一部に限定して表面改質、例えば官能基の導入、機能性材料の固定化、親水性の付与、及び疎水性の付与を行う場合、表面改質の対象でないマイクロチャネル内壁がマスクされているので、作業を行う上で都合がよい。マイクロチャネル内壁のマスク４ａはこれら前記表面改質によってマイクロチャネル内壁の表面が変性することを防止する。
また基板にマイクロデバイス、具体的には、膜、ポンプ、バルブ、センサー、モーター、ミキサー、ギア、クラッチ、マイクロレンズ、電気回路等を装備したり、ホットエンボスなどの方法により新しいマイクロチャネルを追加したりする追い加工を行うことが可能である。
マイクロデバイスの装備は、接着剤の付与の作業のしやすさと接着剤による汚染を考慮する必要があるため、この段階で行うか接着剤付与後に行うか作業内容に応じて好ましい方を選択する。
【００１２】
図４では一方のマイクロチップ基板１の接合する部位に接着剤５を付与した状態を示している。接着剤は一方のみではなく両方の基板に付与しても良い。接着剤の付与の方法としては塗布、スタンプ、スプレー、インクジェットなど特に限定しない。接着剤の種類には特に限定しないが、接着剤を付与するときはマイクロチャネル内壁に相当する箇所を汚染しないようにすることが重要である。一般的な接着剤は接着成分が溶解している液体状であり、これを基板表面に可能な限り薄層にして付与して用いることも可能であるが、局面的に接着剤が過剰となってマイクロチャネルに滲出して汚染し、薄層で付与されているため基板の接合前に重合、硬化が終了して接合が不十分となる恐れはある。
【００１３】
本発明では幅５００μｍ以下のマイクロチャネルを有する基板の接着剤として、平均粒径１０μｍ以下のマイクロカプセルに封入されており、封入された状態では硬化あるいは重合が進行しないものを使用するのが好ましい。この接着剤は基板に付与された状態では接着性を示さず、カプセルを分散した溶媒を常温下で乾燥した後に２枚の基板を繰り返し重ね合わせて位置調整を行うことが可能である。その後、十分な圧力と温度を加えることによってマイクロカプセルを破壊し、内部の接着剤を滲出させて硬化あるいは重合させて基板の接合が行われる。このとき溶媒は乾燥により除去されており直径１０μｍ以下のマイクロカプセル内の接着剤のみが接合面上で伸展するため、過剰量によりマイクロチャネル内に滲出することはほぼ無い。さらに接着剤の付与の作業で誤ってマイクロチャネルを汚染した場合でも、マイクロカプセルはマイクロチャネルの空隙にあるためカプセルを破壊する圧力が加わらず、接着剤として機能しない。後の工程でマイクロカプセルを洗浄除去することでマイクロチャネルの汚染を極力抑えられる。
【００１４】
また本発明では、幅２０μｍ以下のマイクロチャネルを有する基板の接着剤として、平均粒径５００ｎｍ以下のミセルであり、ミセルの状態では硬化あるいは重合が進行しないものを使用することが好ましい。この接着剤を基板に付与した状態では接着性を示さず、ミセルを分散した溶媒を常温下で乾燥した後に２枚の基板を繰り返し重ね合わせて位置調整を行うことが可能である。その後、十分な圧力と温度を加えることによってミセルを破壊し、接着剤として硬化あるいは重合させて基板の接合が行われる。このとき溶媒は乾燥により除去されており直径５００ｎｍ以下のミセルの接着剤のみが接合面上で伸展するため、過剰量によりマイクロチャネル内に滲出することはほぼ無い。
【００１５】
図５ではマイクロチップ基板１，２を密着させ接合した状態を示している。図には記していないが、この密着状態を維持し、接着剤として前記のマイクロカプセルやミセルを用いた場合には、これらを破壊し、接着剤として硬化あるいは重合させて基板の接合を行うのに十分な圧力と温度を加えられる。この状態で一定時間、具体的には接着剤の硬化あるいは重合が終了するまで静置することにより、基板の接合を完了させる。
【００１６】
図６ではマイクロチャネル内壁３のマスキング剤を除去した状態を示す。マスキング剤として使用した親水性ポリマー、両親媒性ポリマー、界面活性剤、蛋白質及び複合脂質は水溶性であり、洗浄剤、具体的には界面活性剤、アルコール溶媒、酸化剤あるいは還元剤でマイクロチャネル基板と反応性を示さないものを用いて、超音波洗浄や流水により徹底した洗浄を行うことによりマスクを除去できる。このときマスク上の汚染物質も除去可能であり、未反応の前記マイクロカプセルやミセルの接着剤も除去できる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明によって、プラスチック材料より製造され表面にマイクロチャネルを有するマイクロチップ基板を、接着剤によるマイクロチャネルの封鎖、内壁の汚染や、内包する装置類にダメージを与えることなく接合する方法とこの方法によって製造されたマイクロチップを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロチップ基板の接合方法の一工程を示す模式図である。
【図２】本発明のマイクロチップ基板の接合方法の一工程を示す模式図である。
【図３】本発明のマイクロチップ基板の接合方法の一工程を示す模式図である。
【図４】本発明のマイクロチップ基板の接合方法の一工程を示す模式図である。
【図５】本発明のマイクロチップ基板の接合方法の一工程を示す模式図である。
【図６】本発明のマイクロチップ基板の接合方法の一工程を示す模式図である。
【符号の説明】
１．マイクロチャネルを有するマイクロチップ基板
２．マイクロチャネルを有するマイクロチップ基板のマイクロチャネルを有する面に対しほぼ密着可能な面を有する別のマイクロチップ基板
３．マイクロチャネル
４．マスキング剤を含む溶液
４ａ．マスク
５．接着剤

Claims (13)

1. 表面に少なくとも一つのマイクロチャネルを有するマイクロチップ基板と、前記マイクロチップ基板のマイクロチャネルを有する面に対しほぼ密着可能な面を少なくとも一つ有する別のマイクロチップ基板とを接合する方法であって、（１）前記２つのマイクロチップ基板を最終的に接合した形態で密着し、（２）マスキング剤を含む溶液をマイクロチャネルに注入してマイクロチャネル内壁の少なくとも一部をマスクし、（３）マイクロチップ基板を２つに離し、（４）前記２つの、またはいずれかのマイクロチップ基板の接合する部位に接着剤を付与して、（５）マイクロチップ基板を接合した後に（６）マイクロチャネル内壁のマスキング剤を除去する、ことを特徴とするマイクロチップ基板の接合方法。
2. 表面に少なくとも一つのマイクロチャネルを有するマイクロチップ基板の接合する部位はマイクロチャネルを除いてほぼ平坦な面であり、かつもう一方のマイクロチップ基板で前記マイクロチップ基板のマイクロチャネルを有する面に対しほぼ密着可能な面がほぼ平坦な面である請求項１記載のマイクロチップ基板の接合方法。
3. 前記２つのマイクロチップ基板の少なくとも１つは、プラスチック材料より製造される請求項１または２記載のマイクロチップ基板の接合方法。
4. 前記２つのマイクロチップ基板を最終的に接合した形態で密着する方法が、外部の力で抑え固定する方法である請求項１〜３いずれか記載のマイクロチップ基板の接合方法。
5. 前記マスキング剤が、親水性ポリマー、両親媒性ポリマー、界面活性剤、蛋白質、複合脂質、及びゲル未反応物の群から選ばれるうちの少なくとも一つである請求項１〜４いずれか記載のマイクロチップ基板の接合方法。
6. マイクロチップ基板を２つに離す工程の前に、マイクロチャネル内の溶液を除去し、または／及びマイクロチップ基板を２つに離す工程の前後に乾燥、温度による処理を行う請求項１〜５いずれか記載のマイクロチップ基板の接合方法。
7. マイクロチップ基板を接合する工程より以前に、マイクロチップ基板に表面改質あるいは追い加工を行う請求項１〜６いずれか記載のマイクロチップ基板の接合方法。
8. 前記表面改質がマイクロチップ基板表面への官能基の導入、機能性材料の固定化、親水性の付与、及び疎水性の付与の群から選ばれるうちの少なくとも一つである請求項７記載のマイクロチップ基板の接合方法。
9. 前記追い加工が、マイクロチャネル、膜、ポンプ、バルブ、センサー、モーター、ミキサー、ギア、クラッチ、マイクロレンズ、電気回路の群から選ばれるうちの少なくとも一つをマイクロチップ基板に付与する請求項７記載のマイクロチップ基板の接合方法。
10. 前記接着剤が、平均粒径１０μｍ以下のマイクロカプセルに封入されている請求項１〜９いずれか記載のマイクロチップ基板の接合方法。
11. 前記２つのマイクロチップ基板を最終的に接合した形態で密着させ、前記マイクロカプセルが破壊され内部の接着剤が硬化あるいは重合を行えるのに十分な圧力と温度を加える請求項１０記載のマイクロチップ基板の接合方法。
12. 前記接着剤が、平均粒径５００ｎｍ以下のミセルである請求項１〜９いずれか記載のマイクロチップ基板の接合方法。
13. 前記２つのマイクロチップ基板を最終的に接合した形態で密着させ、前記ミセルの接着剤が硬化あるいは重合を行えるのに十分な圧力と温度を加える請求項１２記載のマイクロチップ基板の接合方法。

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