JP5003702B2

JP5003702B2 - マイクロ流体素子及びマイクロ流体制御方法

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Publication number: JP5003702B2
Application number: JP2009063109A
Authority: JP
Inventors: 睦也高橋; 匡紀廣田; 高幸山田
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd; Fujifilm Business Innovation Corp
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2029-03-16
Also published as: US20100229987A1; JP2010214286A; US8585278B2

Description

本発明は、マイクロ流体素子及びマイクロ流体制御方法に関する。

従来、複数種の流体を、例えば、直径０．５ｍｍ以下のマイクロ流路内に層流として流通させ、それらの流体を分子拡散により混合して複合反応を行わせるマイクロ流体素子が知られている（例えば、特許文献１，２参照）。

特許文献１に記載されたマイクロ流体素子は、マイクロ流路入口の径方向断面に格子状に分割された多数の微細な導入口を有し、その導入口に接続する流体導入路が集積された流体導入部と、複数種の流体を多数の流体導入路に分配して、流体導入部が有する導入口からマイクロ流路に導入することにより、マイクロ流路入口の径方向断面において流体が分割された複数の流体セグメントを形成する分配部とを備える。

特許文献２に記載されたマイクロ流体素子は、同心円状に形成され、第１の流体が流れる内側流路、及び第２の流体が流れる外側流路と、内側流路及び外側流路に接続し、第１の流体と第２の流体が接触して流れる共通流路と、内側流路または外側流路に設けられ、第１の流体または第２の流体に円周方向に沿う流速を付与する整流部とを備える。

特開２００５−２６２０５３号公報特開２００６−３４１１４０号公報

本発明の目的は、隣接する２つの流体の界面での流れ方向が互いに逆方向ではない場合に比べて、剪断力が効果的に生じるようにしたマイクロ流体素子及びマイクロ流体制御方法を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下のマイクロ流体素子及びマイクロ流体制御方法を提供する。

［１］微粒子を含む第１の流体が導入される少なくとも１つの第１の導入管と、微粒子を含む又は含まない第２の流体が導入されると共に前記第１の導入管に隣接して配置させた少なくとも１つの第２の導入管と、前記第１及び第２の導入管に個別に設けられ、円周方向に所定の角度ずつ変位させた複数の整流板を備えて前記第１の流体と第２の流体に同一円周方向に螺旋状の流れを生じさせる第１の整流部と、前記第１及び第２の導入管に接続し、前記第１の導入管から前記整流部により螺旋状に流出した前記第１の流体と、前記第２の導入管から前記整流部により螺旋状に流出した第２の流体とが接触するように合流させる共通流路と、を備えたマイクロ流体素子。

［２］前記共通流路の軸方向に所定間隔で複数の場所に設置され、かつ前段と後段とで流路方向における位置が重ならないように配置されている第２の整流部をさらに有する［１］に記載のマイクロ流体素子。

［３］［１］又は［２］に記載のマイクロ流体素子を用いて、前記第１の流体及び前記第２の流体を個別に流して同一円周方向の螺旋状に回転させると共に、前記螺旋状にした後の前記第１の流体と前記第２の流体との界面での流れ方向が互いに逆方向で接触するように制御するマイクロ流体制御方法。

請求項１に記載の発明によれば、隣接する２つの流体の界面での流れ方向が互いに逆方向ではない場合に比べて、剪断力を効果的に生じさせることができるとともに、円周方向に所定の角度ずつ変位させた複数の整流板を備えていない場合に比べて、微小な整流部を構成することができる。

請求項２に記載の発明によれば、本構成を有さない場合に比べて、流体に対し、更に効果的に剪断力を付与することができる。

請求項３に記載の発明によれば、隣接する２つの流体の界面での流れ方向が互いに逆方向ではない場合に比べて、剪断力を効果的に生じさせることができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ流体素子の全体構成の一例を示す斜視図である。図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。図３は、図２の共通流路側から見た流体分岐部の整流ユニットの全体を示す側面図である。図４（ａ），（ｂ）は、図３における整流部の１つを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。図５は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ流体素子の製造に用いられるドナー基板の構成を示す平面図である。図６（ａ）〜（ｆ）は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ流体素子の製造工程を示す図である。図７（ａ）〜（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ流体素子の流体分岐部における第１の流体及び第２の流体の流れを示す図である。図８は、本発明の第２の実施の形態に係るマイクロ流体素子を示す断面図である。図９は、図８のＣ−Ｃ線断面図である。図１０は、図８のＤ−Ｄ線断面図である。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るマイクロ流体素子の全体構成の一例を示す斜視図であり、図２は、図１におけるＡ−Ａ線断面図である。

このマイクロ流体素子１は、導入された第１及び第２の流体Ｌ１，Ｌ２のそれぞれに螺旋流を生じさせて排出する流体分岐部１０と、流体分岐部１０から排出された第１の流体Ｌ１及び第２の流体Ｌ２を流通させる共通流路１１とから構成されている。なお、第１及び第２の流体Ｌ１，Ｌ２は、例えば、液体、粉体、気体等である。

マイクロ流体素子１は、共通流路１１内において第１の流体Ｌ１と第２の流体Ｌ２との化学反応を伴うマイクロ流体装置の一種である。このマイクロ流体装置には、例えば、共通流路１１内において第１の流体Ｌ１と第２の流体Ｌ２とを単に混合し、又は粉体等の粒径を整えるためのマイクロミキサ、マイクロリアクタも含まれる。
共通流路１１は、Ａｌ，Ｎｉ、Ｃｕ等の金属や、セラミックス、シリコン、誘電体等の非金属等を用いて製作されている。共通流路１１は、整流ユニット２０から図２に示すように排出された第１の流体Ｌ１と第２の流体Ｌ２とを合流させ、それにより得られた混合体Ｌ３が出口１１０から排出する機能を有している。

（整流部の構成）
図３は、図２の共通流路側から見た整流ユニットの全体を示す側面図である。整流ユニット２０は、第１及び第２の導入管２，３毎に第１及び第２の流体Ｌ１，Ｌ２に対して螺旋流を生じさせる同一構成の整流部４ａ〜４ｐ（以下、整流部４ともいう。）からなり、これらは同一平面に４段４列に等間隔に並べられている。整流部４ａ，４ｃ，４ｆ，４ｈ，４ｉ，４ｋ，４ｎ，４ｐには、それぞれ第１の導入管２が接続され、整流部４ｂ，４ｄ，４ｅ，４ｇ，４ｊ，４ｌ，４ｍ，４ｏには、それぞれの第２の導入管３が接続されている。なお、整流部４ａ〜４ｐは、この数に限定されるものではなく、用途等に応じて任意の数にすることができる。

図４（ａ），（ｂ）は、図３における整流部の１つを示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。上記したように整流部４ａ〜４ｐのそれぞれは同一構成である。そこで、ここでは図４を参照し、整流部４ａの構成について説明する。整流部４ａは、十字形部と環部とを有する複数の薄膜パターンからなる整流板４０を積層してなり、第１の導入管２の出口部に設けられている。

（マイクロ流体素子の製造に用いられるドナー基板の構成）
図５は、マイクロ流体素子の製造に用いられるドナー基板の構成を示す平面図である。ここでは、整流部４ａを製造するものとする。まず、ステンレス等の金属からなる金属基板１０１を準備し、金属基板１０１の上に厚膜フォトレジストを塗布する。次に、作製するマイクロ流体素子１の各断面形状に対応したフォトマスクにより厚膜フォトレジストの塗布面を露光し、フォトレジストを現像して、各断面形状のポジネガ反転したレジストパターンを形成する。次に、このレジストパターンを有する金属基板１０１をめっき浴に浸漬し、フォトレジストに覆われていない金属基板１０１の表面にニッケルめっきを成長させる。

次に、金属基板１０１の各レジストパターンを除去すると、金属基板１０１上には、整流ユニット２０の各断面形状に対応した複数（Ｍ）の薄膜パターン１０２_１，１０２_２，・・・１０２_Ｍ（以下、これらを薄膜パターン１０２ともいう。）を形成する。

金属基板１０１上の薄膜パターン１０２は、整流板４０に相当する部分である。薄膜パターン１０２は、以下に説明する図６の手順により積層され、これにより整流ユニット２０が作製される。

（整流部の製造方法）
図６（ａ）〜（ｆ）は、整流ユニット２０の製造工程を示す図である。ここでは薄膜パターンの積層を常温接合によって行っている。「常温接合」とは、室温で原子同士を直接接合することをいう。まず、図６（ａ）に示すように、ドナー基板（第１の基板）１００を真空槽内の図示しない下部ステージ上に配置し、ターゲット基板（第２の基板）２００を真空層内の図示しない上部ステージ上に配置する。続いて、真空槽内を排気して高真空状態又は超高真空状態にする。次に、下部ステージを上部ステージに対して相対的に移動させてターゲット基板２００の直下にドナー基板１００の薄膜パターン１０２_１を位置させる。次に、ターゲット基板２００の表面及びドナー基板１００の薄膜パターン１０２_１の表面にアルゴン原子ビームを照射して清浄化する。

次に、図６（ｂ）に示すように、上部ステージによってターゲット基板２００を下降させ、予め定めた荷重力（例えば、１０ｋｇｆ／ｃｍ²）及び予め定めた時間（例えば、５分間）によってターゲット基板２００をドナー基板１００に押圧し、ターゲット基板２００と薄膜パターン１０２_１とを常温接合する。

次に、図６（ｃ）に示すように、上部ステージによってターゲット基板２００を上昇させると、薄膜パターン１０２_１が金属基板１０１から剥離し、ターゲット基板２００側に薄膜パターン１０２_１が転写される。これは、薄膜パターン１０２_１とターゲット基板２００との接合力が薄膜パターン１０２_１と金属基板１０１との接合力よりも大きいからである。

次に、図６（ｄ）に示すように、下部ステージによってドナー基板１００を矢印方向へ移動させ、ターゲット基板２００の直下にドナー基板１００上の２層目の薄膜パターン１０２_２を位置させる。次に、ターゲット基板２００側に転写された薄膜パターン１０２_１の表面（金属基板１０１に接触していた面）及び２層目の薄膜パターン１０２_２の表面を前述したように清浄化する。

次に、図６（ｅ）に示すように、上部ステージによってターゲット基板２００を下降させ、ターゲット基板２００側の薄膜パターン１０２_１と薄膜パターン１０２_２とを接合させる。ついで図６（ｆ）に示すように、上部ステージによってターゲット基板２００を上昇させると、薄膜パターン１０２_２が金属基板１０１から剥離し、ターゲット基板２００側に転写される。以後、同様にして薄膜パターン１０２_３〜１０２_Ｍの全てをドナー基板１００からターゲット基板２００へ転写する。

以上のように、順次、ドナー基板１００とターゲット基板２００との位置決め、接合、離間を繰り返すことにより、整流ユニット２０の各断面形状に対応した複数の薄膜パターン１０２がターゲット基板２００上に転写される。上部ステージからターゲット基板２００を取り外し、ターゲット基板２００上に転写された積層体をターゲット基板２００から剥がすと、整流部４ａ〜４ｐが一括して作製される。

なお、整流部４ａ〜４ｐの製造は、半導体プロセスを用いて作製してもよい。例えば、Ｓｉウェハからなる基板を準備し、この基板上にポリイミドからなる離型層をスピンコーティング法により着膜し、この離型層の表面に整流板の材料となるＡｌ薄膜をスパッタ法により着膜し、Ａｌ薄膜をフォトリソグラフィー法によりパターニングすることにより、ドナー基板を作製する。

（整流部における流体の流れ）
図７（ａ），（ｂ），（ｃ）は、マイクロ流体素子の流体分岐部における第１の流体及び第２の流体の流れを示す図である。整流部４ａ，４ｃ，４ｆ，４ｈ，４ｉ，４ｋ，４ｎ，４ｐのそれぞれの第１の導入管２には第１の流体Ｌ１が導入され、整流部４ｂ，４ｄ，４ｅ，４ｇ，４ｊ，４ｌ，４ｍ，４ｏのそれぞれの第２の導入管３には第２の流体Ｌ２が導入される。第１及び第２の流体Ｌ１，Ｌ２は、本実施の形態の場合、ここでは微粒子（例えばトナー）を含む。

第１及び第２の流体Ｌ１，Ｌ２は、整流部４ａ〜４ｐを通過する際、それぞれの整流板４０によって螺旋状に回転する。整流部４ａ〜４ｐの出口では、第１の流体Ｌ１の螺旋流Ｆ１及び第２の流体Ｌ２の螺旋流Ｆ２は、図７（ａ）に示すように全て同一方向（ここでは反時計方向）に生じている。

整流部４ａ〜４ｐを出た直後の第１の流体Ｌ１及び第２の流体Ｌ２は、互いを仕切る障壁が無いので、図７（ｂ）に示すように、整流部４ａ〜４ｐのそれぞれに対応して生じている螺旋流Ｆ１と螺旋流Ｆ２とは接触する状態になる。例えば、整流部４ａを出た螺旋流Ｆ１と整流部４ｂを出た螺旋流Ｆ２とは、図７（ｃ）に示すように、両者の界面Ｒで互いに逆方向に流れる。従って、界面Ｒにおいて第１の流体Ｌ１と第２の流体Ｌ２との間には剪断力が発生し、第１の流体Ｌ１と第２の流体Ｌ２、及びそれらに含まれる微粒子にもせん断力が印加されることで、出口１１０から排出される微粒子の大きさや分布の制御が容易になる。

その後、第１及び第２の流体Ｌ１，Ｌ２は共通流路１１内を進み、第１の流体Ｌ１と第２の流体Ｌ２とが合流し、混合体Ｌ３となって出口１１０から排出される。

なお、上記実施の形態では、整流部のみを薄膜パターンを積層して形成したが、整流部とその周辺の本体部の部分とを薄膜パターンを積層して形成してもよい。

［第２の実施の形態］
図８は、本発明の第２の実施の形態に係るマイクロ流体素子を示す断面図、図９は、図８のＣ−Ｃ線断面図、図１０は、図８のＤ−Ｄ線断面図である。なお、図９及び図１０においては、各整流部６，７における整流板４０の図示を省略している。

本実施の形態は、図２に示す第１の実施の形態において、整流ユニット２０に代えて整流ユニット３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄを流体の流れ方向に一定間隔に配設したものである。なお、整流ユニット３０Ａ〜３０Ｄは、この４つに限定されるものではなく、任意の数にすることができる。

整流ユニット３０Ａ，３０Ｃは図９に示す構成を有し、整流ユニット３０Ｂ，３０Ｄは図１０に示す構成を有している。整流ユニット３０Ａ〜３０Ｄは、いずれも５列の整流部からなり、１つの列は５つの整流部６と１つの整流部７とからなる。整流ユニット３０Ａの場合、整流板４０の構造及び外径が整流部４ａ〜４ｐと同一である複数の整流部６と、整流板４０の構造が同一で外径が整流部６の略１／２である複数の整流部７とを備えている。

整流ユニット３０Ａ，３０Ｃは、図９に示すように、第１列（左側端の列）は５つの整流部６の最上端に整流部７が配置され、第２列（左側から２つ目の列）は５つの整流部６の最下端に整流部７が配置されている。更に、第３列（中央）及び第５列（右側端の列）は第１列と同じ配列であり、第４列は第２列と同じ配列である。この様な構成により、隣接する整流部６同士は密着した配置になる。なお、整流ユニット３０Ａの整流部６のそれぞれには第１及び第２の導入管２，３が接続され、整流部７には第３の導入管５が接続されている。

また、整流ユニット３０Ｂ，３０Ｄは、図１０に示すように、整流ユニット３０Ａの各列に配置した整流部７の位置を上下逆にしたものである。なお、本実施の形態の動作は、第１の実施の形態と同様であるので、説明を省略する。

［他の実施の形態］
本発明は、上記各実施の形態に限定されず、その要旨を変更しない範囲内で種々な変形が可能である。例えば、各実施の形態間の構成要素の組合せは任意に行うことができる。

また、上記各実施の形態では２つの流体を合流させる構成を示したが、２つの流体は同一の流体であっても、異なる流体であってもよく、また、同一もしくは異なる２つ以上の流体を合流させる構成であってもよい。

また、流体分岐部の本体部や共通流路も薄膜パターンを積層して形成してもよい。

また、上記各実施の形態では、流体分岐部にて２つの流体が隣接するように流れを分岐した後に整流部にて各流体に螺旋状の流れを生じさせる構成を示したが、先に整流部にて各流体に螺旋状の流れを生じさせた後に流体分岐部にて２つの流体が隣接するように流れを分岐し、合流流路にて合流させてもよい。

１…マイクロ流体素子、２…第１の導入管、３…第２の導入管、４ａ〜４ｐ…整流部、
５…第３の導入管、６…整流部、７…整流部、１０…流体分岐部、１０ａ…本体部、
１１…共通流路、２０…整流ユニット、３０Ａ〜３０Ｄ…整流ユニット、４０…整流板、
１００…ドナー基板、１０１…金属基板、１０２Ａ_１〜１０２Ａ_Ｍ…薄膜パターン、
１０２Ｂ_１〜１０２Ｂ_Ｎ…薄膜パターン、１０２Ｃ_１〜１０２Ｃ_Ｐ…薄膜パターン、
１１０…出口、２００…ターゲット基板

Claims

微粒子を含む第１の流体が導入される少なくとも１つの第１の導入管と、
微粒子を含む又は含まない第２の流体が導入されると共に前記第１の導入管に隣接して配置させた少なくとも１つの第２の導入管と、
前記第１及び第２の導入管に個別に設けられ、円周方向に所定の角度ずつ変位させた複数の整流板を備えて前記第１の流体と第２の流体に同一円周方向に螺旋状の流れを生じさせる第１の整流部と、
前記第１及び第２の導入管に接続し、前記第１の導入管から前記整流部により螺旋状に流出した前記第１の流体と、前記第２の導入管から前記整流部により螺旋状に流出した第２の流体とが接触するように合流させる共通流路と、
を備えたマイクロ流体素子。
前記共通流路の軸方向に所定間隔で複数の場所に設置され、かつ前段と後段とで流路方向における位置が重ならないように配置されている第２の整流部をさらに有する請求項１に記載のマイクロ流体素子。
請求項１又は請求項２に記載のマイクロ流体素子を用いて、前記第１の流体及び前記第２の流体を個別に流して同一円周方向の螺旋状に回転させると共に、前記螺旋状にした後の前記第１の流体と前記第２の流体との界面での流れ方向が互いに逆方向で接触するように制御するマイクロ流体制御方法。