JP4050971B2

JP4050971B2 - ダイアフラムを用いフィルタ機能を有するバルブ

Info

Publication number: JP4050971B2
Application number: JP2002294471A
Authority: JP
Inventors: 正樹叶井; 博昭中西; 習一庄子
Original assignee: Shimadzu Corp; National Agriculture and Food Research Organization
Current assignee: Shimadzu Corp; National Agriculture and Food Research Organization
Priority date: 2002-10-08
Filing date: 2002-10-08
Publication date: 2008-02-20
Anticipated expiration: 2022-10-08
Also published as: JP2004132708A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばμＴＡＳ（Micro Total Analysis Systems）分野のような、チップ上で微量な試料を用いて化学分析や化学反応を行う際に、微量な試料の流れを制御するために用いられるバルブに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、微量流体を対象としたマイクロバルブについて、いくつかの研究グループにより開発が行われており、特に近年多くの発表がなされている。
ダイアフラムを用いたものとしては、シリコンゴム製のダイアフラム部を平らな面に押し当てて液体を完全に止める構造のもの（非特許文献１参照。）、シリコン製のダイアフラム部をシリコン製の台座に押し当てて液体を完全に止める構造のもの（非特許文献２参照。）等がある。
また、微小なボールを円形のシリコンの台座に押し当てて液体を完全に止める構造のもの（非特許文献３参照。）もある。
【０００３】
【非特許文献１】
Micro Total Analysis Systems 2000, pp.335-338
【非特許文献２】
Transducers '01, pp.924-927
【非特許文献３】
Micro Total Analysis Systems '98, pp.399-402
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来開発されてきたバルブは試料流体を完全に止めてしまうことを目的に設計されている。例えば細胞を含んだ試料流体を扱う場合、細胞周囲の培養液は絶えず置換することが好ましいが、従来のバルブを用いた場合バルブを閉じた状態では培養液の置換は行われず、細胞の活動に悪影響を及ぼしてしまう。
【０００５】
そこで、本発明は開いたときには試料流体全体を流し、閉じたときには試料流体のうち細胞のような所定以上の大きさをもった固形物を止め培養液のような液体は常に流すことができるバルブを提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するために、本発明のバルブは流体の流入口と流出口をもつバルブキャビティと、前記バルブキャビティの内壁に対し離されるか押し当てられるかにより前記流入口と流出口間の開閉を行うダイアフラムと、前記バルブキャビティの内壁に設けられて前記流入口と流出口間を接続するとともに、少なくとも一部の断面形状が所定の大きさ以下となっており、前記ダイアフラムが前記バルブキャビティの内壁に押し当てられた閉状態においても前記ダイアフラムによって閉じられることのない溝とを備えている。
【０００７】
溝の断面形状を規定する所定の大きさとは、扱う流体に含まれる固体物質で、このバルブにより通過させるか否かを制御しようとする固体物質の大きさにより定まる大きさのことである。また溝の断面とは溝を流れる流体の流れ方向に対して直交する方向での断面を指している。
【０００８】
【作用】
ダイアフラムがバルブキャビティの内壁から離された開状態においては、流体は流入口からバルブキャビティに入リ、流出口から出て流れていく。
一方、ダイアフラムがバルブキャビティの内壁に押し当てられた閉状態においては、前記溝の断面形状以上の大きさの物質はバルブキャビティを通過できないが、溝の断面形状より小さな物質はバルブキャビティを通過する。
このように、ダイアフラムにより溝の断面形状以上の大きさの物質のみの通過を制御し、溝の断面形状より小さな物質は常に通過される機能を、本発明ではフィルタ機能と呼ぶ。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の主要部を示したものであり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線位置での断面図、（Ｃ）はそのＢ−Ｂ線位置での断面図である。
２はバルブキャビティであり、基台４に凹部として形成されている。バルブキャビティ２の互いに離れた位置には流体の流入口６と流出口８が形成されている。バルブキャビティ２の上部開口部を被ってダイアフラム１０が設けられており、ダイアフラム１０はバルブキャビティ２の内壁に対し離されるか押し当てられるかにより流入口６と流出口８間の開閉を行う。
【００１０】
バルブキャビティ２の内壁には流入口６と流出口８間を接続するとともに、少なくとも一部の断面形状が所定の大きさ以下となっており、ダイアフラム１０がバルブキャビティ２の内壁に押し当てられた閉状態においてもダイアフラム１０によって閉じられることのない溝１２が設けられている。
【００１１】
図２はこのバルブにより流体１４を流すときの状態を示したものであり、（Ａ）はバルブが“開”の状態、（Ｂ）はバルブが“閉”の状態を表している。いずれの状態も図１（Ａ）におけるＡ−Ａ線位置での断面図とＢ−Ｂ線位置での断面図により示されている。
【００１２】
流体１４は細胞を含む培養液のように液１６に固体１８を分散させたものであり、その固体１８の大きさは溝１２の最も狭い部分の断面形状より大きい。
バルブが“開”の状態（Ａ）では、固体１８を含む流体１４全体が流れる。一方、バルブが“閉”の状態（Ｂ）では、ダイアフラム１０がバルブキャビティ２の内壁に押し当てられているが、溝１２は閉じられてはいない。そのため、溝１２の断面形状よりも大きな固体１８はせき止められるが、液１６は流れ続けるため、流体１４が細胞溶液の場合には細胞の流れを止めるが培養液は置換し続けることができる。
【００１３】
バルブが“閉”の状態での液の流れを多くするためには、溝１２は複数本が並列に設けられていることが好ましい。
このバルブの１つの好ましい用途は、細胞を含む培養液を扱うバルブであって、溝１２の最も狭い部分の断面形状がその培養液に含まれる細胞より小さく設定されているものである。
【００１４】
【実施例】
以下に、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明する。
図３（Ａ）は培養液に細胞を分散させた細胞溶液を流すために使用する一実施例のバルブの斜視図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線位置での断面図、（Ｃ）はそのＢ−Ｂ線位置での断面図である。
【００１５】
基台は上部基板２０と下部基板２２を張り合わせた構造になっており、上部基板２０にはバルブキャビティ２となる貫通穴が形成されており、下部基板２２には溝１２と、その溝１２の両端の貫通穴６，８が形成されている。溝１２は中央部の培養液通過流路１２ａと両端部の試料流路１２ｂとからなっており、液の流通方向に対して直交する方向の断面形状は、試料流路１２ｂでは大きく、培養液通過流路１２ａではそれより小さく、細胞の大きさよりも小さく設定されている。試料流路１２ｂは幅が１０μｍ〜１０００μｍ、深さが１０μｍ〜１０００μｍ、培養液通過流路１２ａは幅が１μｍ〜２０μｍ、深さが０.１μｍ〜５μｍである。培養液通過流路１２ａは複数本に分岐して並列に設けられており、バルブキャビティ２内に位置している。貫通穴６，８はバルブキャビティ２の外側に位置して一方が試料流入口、他方が試料流出口となる。
【００１６】
上部基板２０にはバルブキャビティ２の上部開口を閉じるようにテフロン（商標）製のダイアフラム１０が取りつけられている。ダイアフラム１０はアクチュエータ（図示略）により駆動されて、バルブキャビティ２の底面に押しつけらて閉じた状態にされたり、図示のようにバルブキャビティ２の底面から離されて開の状態にされたりすることができる。
【００１７】
次に、図4〜図６により本発明のバルブの製造方法の一例について説明する。図４は上部基板２０の加工工程、図５は下部基板２２の加工工程、図６はバルブの組立て工程をそれぞれ示している。図4〜図６の（ａ）〜（ｉ）は図３中のＢ−Ｂ線位置での断面図として表したものであり、（ｆ'）と（ｇ'）は図３中のＡ−Ａ線位置での断面図として表したものである。上部基板２０と下部基板２２の加工には、半導体製造で一般的に用いられている方法を使用する。
【００１８】
上部基板２０の加工について図４に基づいて説明する。
（ａ，ｂ）下部基板となる石英ガラス基板２０の表面にシリコン膜３０をスパッタ成膜により成膜する。
【００１９】
（ｃ）シリコン膜３０上にフォトリソグラフイによりバルブキャビティ用のレジストパターン３２を形成し、そのレジストパターン３２をマスクとしてＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によりシリコン膜３０をエッチングしてパターニングする。
【００２０】
（ｄ）シリコン膜３０をマスクとして石英ガラス基板２０をエッチングしバルブキャビティ２を形成する。石英ガラス基板２０のエッチングには、例えば５０％のフッ酸溶液を用いて等方的にウエットエッチングする。
（ｅ）その後、フォトレジスト３２とシリコン膜３０を除去する。シリコン膜の除去には、例えば９０℃に加熱した２５％ＴＭＡＨ（tetra methyl ammonium hydroxide：テトラメチルアンモニウムヒドロキサイド）溶液を用いる。
【００２１】
下部基板２２の加工について図５に基づいて説明する。
（ａ，ｂ）上部基板となる石英ガラス基板２２の表面にシリコン膜４０をスパッタ成膜により成膜する。
（ｃ）シリコン膜４０上にフォトリソグラフイにより試料流路となる溝用のレジストパターン４２を形成し、そのレジストパターン４２をマスクとしてＲＩＥによりシリコン膜４０をエッチングしてパターニングする。
【００２２】
（ｄ）シリコン膜４０をマスクとして石英ガラス基板２２を例えば５０％のフッ酸溶液を用いてエッチングし、試料流路１２ｂを形成する。
（ｅ）一旦フォトレジスト４２とシリコン膜４０を除去した後、再度シリコン膜４４をスパッタ法により成膜し、その上にフォトレジスト４６を塗布する。
【００２３】
（ｆ）フォトレジスト４６にフォトリソグラフイにより培養液通過流路となる細い溝用のレジストパターンを形成し、そのレジストパターンをマスクとしてＲＩＥによりシリコン膜４４をエッチングしてパターニングする。（ｆ'）はパターンを示すために、図３中のＡ−Ａ線位置での断面図として表している。
【００２４】
（ｇ'）シリコン膜４４をマスクとして石英ガラス基板２２をエッチングして培養液通過流路１２ａを形成する。
このときのエッチング深さ、及び細溝パターン幅によってせき止める物質の大きさを制御することができる。
【００２５】
（ｈ）フォトレジスト４６とシリコン膜４４を除去する。
（ｉ）溝１２ａ，１２ｂ側を上面側として、超音波加工により石英ガラス基板２２の下面から試料流路１２ｂの端部位置に貫通穴６，８を形成することにより下部基板２２が完成する。
【００２６】
上部基板２０と下部基板２２を接合してバルブとする工程を図６に示す。
（ａ）上部基板２０と下部基板２２を位置合わせし、接合する。
位置合わせは基板２０，２２の外形であわせてもよいし、あらかじめ両基板２０，２２に位置合わせ用の目印をいれておいてもよい。
【００２７】
接合には、例えば希フッ酸を用いた接合法（フッ酸接合法）を用いることができる。フッ酸接合法では、例えば１％のフッ酸水溶液を接合しようとする両基板２０，２２の界面に介在させ、必要に応じて１ＭＰａ程度の荷重を印加しつつ、室温で２４時間程度放置する。
【００２８】
（ｂ）接合した基板２０，２２の下部基板２２の下面に保護テープ５２を貼りつける。続いて上部基板２０側からバルブキャビティ２内に犠牲層５０となるフォトレジスト又はワックスを滴下する。
【００２９】
（ｃ）犠牲層５０が固化するのを待って、フッ素アモルファス樹脂（ＣＹＴＯＰ、旭硝子株式会社製）をスピンコートする。その後ホットプレート上で加熱しフッ素アモルファス樹脂を乾燥させてダイアフラム１０とする。ここでの加熱の条件は１２０℃、１時間である。
【００３０】
次に、保護テープ５２を剥がし、犠牲層５０を除去する。犠牲層５０の除去には、例えば犠牲層５０としてフォトレジストを用いた場合はアセトン等の有機溶媒、犠牲層５０としてワックスを用いた場合は専用の除去液等を用いる。
以上の工程で本発明のバルブが完成する。
【００３１】
本実施例では、上部基板２０のバルブキャビティ２を上部基板２０の貫通穴加工により作製しているので、バルブキャビティ２の深さは上部基板２０の厚みと等しくなる。
【００３２】
しかし、バルブキャビティを上部基板２０が貫通しない深さの底をもつ凹部として形成することにより、バルブキャビティの深さを上部基板２０の厚みよりも浅く形成することも可能である。その場合、試料流入口、試料流出口からバルブキャビティに通じる貫通穴は上部基板下面より貫通穴加工を行うことにより形成することができ、バルブキャビティ内壁の溝はバルブキャビティの形成とは別のエッチング工程により形成することができる。そのような貫通穴加工は、例えばスパッタ成膜したアルミニウム膜をマスクとしてＩＣＰ−ＲＩＥ（誘導結合プラズマＲＩＥ）によって行うことができる。
【００３３】
また、本実施例のバルブのダイアフラムの駆動には、空気圧や外部アクチュエータを用いる。しかし駆動カはこれらに限らたものではなく、例えばバルブキャビティの底面及びダイアフラム上面に電極を形成し、静電気カによってダイアフラムを駆動させてもよい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のバルブでは、ダイアフラムにより開閉されるバルブキャビティの内壁に少なくとも一部の断面形状が所定の大きさ以下で、ダイアフラムがバルブキャビティの内壁に押し当てられた閉状態においてもダイアフラムによって閉じられることのない溝を形成したので、バルブが閉じた状態でも一定の大きさ以下の物質が通過できるため、例えば、細胞を含む培養液を扱う場合、細胞の流れを止め、かつ培養液の置換を行うことが可能になる。
また、扱う物質の大きさに応じて溝の大きさや形状を最適化することにより、物質の振り分け等のフィルタリングが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の主要部を示したものであり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線位置での断面図、（Ｃ）はそのＢ−Ｂ線位置での断面図である。
【図２】本発明のバルブにより流体を流すときの状態を示したものであり、（Ａ）はバルブ開の状態、（Ｂ）はバルブ閉の状態を表す断面図であり、図１（Ａ）におけるＡ−Ａ線位置での断面図とＢ−Ｂ線位置での断面図である。
【図３】（Ａ）は培養液に細胞を分散させた細胞溶液を流すために使用する一実施例のバルブの斜視図、（Ｂ）はそのＡ−Ａ線位置での断面図、（Ｃ）はそのＢ−Ｂ線位置での断面図である。
【図４】上部基板の加工工程を示す工程断面図である。
【図５】下部基板の加工工程
【図６】バルブの組立て工程を示す工程断面図である。
【符号の説明】
２バルブキャビティ
４基台
６液流入口
８液流出口
１０ダイアフラム
１２溝
１２ａ培養液通過流路
１２ｂ試料流路
１４流体
１６液
１８固体
２０上部基板
２２下部基板

Claims

固体物質を分散させた溶液を扱うチップにおけるマイクロバルブであって、
流体の流入口と流出口をもつバルブキャビティと、
前記バルブキャビティの内壁に対し離されるか押し当てられるかにより前記流入口と流出口間の開閉を行うダイアフラムと、
前記バルブキャビティの内壁に設けられて前記流入口と流出口間を接続するとともに、少なくとも一部の断面形状が前記固体物質よりも小さくなっており、前記ダイアフラムが前記バルブキャビティの内壁に押し当てられた閉状態においても前記ダイアフラムによって閉じられることのない溝とを備えたことを特徴とするマイクロバルブ。
前記溝は複数本が並列に設けられている請求項１に記載のマイクロバルブ。
前記溶液は細胞を含む培養液であって、前記溝の断面形状がその培養液に含まれる細胞より小さく設定されている請求項１又は２に記載のマイクロバルブ。