JP5218191B2 - Microchip substrate bonding method and microchip - Google Patents

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Description

本発明は、マイクロチャネルを有するマイクロチップ基板の接合方法およびマイクロチップに関するものである。   The present invention relates to a method for bonding a microchip substrate having a microchannel and a microchip.

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、微細流路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。     Recently, research on miniaturization of chemical reactions and separation systems using microfabrication technology called microreactors and microanalysis systems has become active, and analysis of nucleic acids, proteins, etc. performed on microchips with microchannels Applications are expected for synthesis, rapid analysis of trace chemicals, and high-throughput screening of pharmaceuticals and drugs. As an advantage of such a micro system, it is considered to realize an inexpensive system that can be carried in a small space because the amount of sample and reagent used or the amount of discharged waste liquid is reduced. Further, by increasing the ratio of the surface area to the volume, it is possible to increase the speed of heat transfer and mass transfer. As a result, precise control of reaction and separation, high speed and high efficiency, and suppression of side reactions are expected.

微細流路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。ガラス基板で微細流路をつくるためには、例えば、基板に金属、フォトレジスト樹脂をコートし、微細流路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1参照)。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。   The microchannel is manufactured by bonding two members of a microchip substrate having microfabrication to at least one member. Until now, glass substrates have been mainly used as materials for microchip substrates. In order to create a fine flow path with a glass substrate, for example, there is a method in which a metal or a photoresist resin is coated on the substrate and a pattern of the fine flow path is baked and then an etching process is performed. Thereafter, the glass substrate is bonded by anodic bonding or the like (see Non-Patent Document 1). However, since extremely dangerous chemicals such as hydrofluoric acid are used for etching glass or patterns are baked one by one, it is very expensive for mass production.

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り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。基板の接合方法として熱プレス、超音波による熱融着や接着剤を用いる方法等が主に行われている(特許文献1参照)。しかし、接着剤を用いる方法は、接着剤は基板の間より余剰分が出やすく、微細流路の封鎖、内壁の汚染が生じやすいなどの問題がある。熱プレスによる方法における問題点は、熱をかけることにより材料を一部溶融状態にして溶着させているため、熱的変形(熱収縮)を伴うことである。この結果、寸法、マイクロチャネルの位置の精度が低下する支障をきたす。特に、内部に空隙を有するマイクロチップ基板を熱プレスにより融着させる場合の熱収縮は著しい。例えば、基板ホルダーに設置されたコネクターを通じて、マイクロチップ基板のマイクロチャネルのインレットに送液させようとした場合、本来あるべき位置よりも、外れているために送液が困難になる。このように、空隙を有するマイクロチップ基板の熱融着は、熱収縮の制御が非常に困難であった。   These microchips can be manufactured by injection molding even when various plastics are used. In injection molding, a molten thermoplastic material is introduced into a mold cavity, and the cavity is cooled to harden the resin, whereby a microchip can be manufactured efficiently and economically, and is suitable for mass production. As a method for bonding the substrates, a hot press, heat fusion using ultrasonic waves, a method using an adhesive, and the like are mainly performed (see Patent Document 1). However, the method using an adhesive has a problem that an excess of the adhesive is easily generated between the substrates, and the fine flow path is blocked and the inner wall is easily contaminated. The problem with the method by hot pressing is that it is accompanied by thermal deformation (heat shrinkage) because the material is partially melted and deposited by applying heat. As a result, the size and the accuracy of the position of the microchannel are hindered. In particular, the thermal shrinkage when a microchip substrate having voids inside is fused by hot pressing is remarkable. For example, when it is attempted to send liquid to the microchannel inlet of the microchip substrate through a connector installed on the substrate holder, it is difficult to send the liquid because it is out of the original position. As described above, it is very difficult to control the heat shrinkage in the heat fusion of the microchip substrate having the voids.

特開2002−139419号公報JP 2002-139419 A

本田宣昭、化学工学、第66巻 第2号、p71−74(2002)Nobuaki Honda, Chemical Engineering, Vol. 66, No. 2, p71-74 (2002)

本発明の目的は、空隙部を有するマイクロチップ基板の熱融着による接合において、基板の熱変形を低減する接合方法を提供することである。     An object of the present invention is to provide a bonding method for reducing thermal deformation of a substrate in bonding by thermal fusion of a microchip substrate having a gap.

本発明は、以下の通りである。
(1)表面にマイクロチャネルを有する第1のマイクロチップ基板と、第1のマイクロチップ基板のマイクロチャネルを有する面と密着する面を有する第2のマイクロチップ基板とを接合する方法であって、第1のマイクロチップ基板及び/又は第2のマイクロチップ基板が空隙部を有し、第1のマイクロチップ基板及び/又は第2のマイクロチップ基板がプラスチック材料からなり、前記空隙部に、空隙部と同様の形状を有する、前記プラスチック材料よりも熱膨張係数の低い素材よりなる基板を嵌め込み、加圧しながら加熱して融着することを特徴とするマイクロチップの接合方法。
(2)プラスチックよりも熱膨張係数の低い素材が、金属であることを特徴とする(1)記載のマイクロチップの接合方法。
(3)プラスチック材料がポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、環状ポリオレフィン、ポリメチルペンテン、ポリメチルメタアクリレート、ポリエチレン、及びポリエチレンテレフタレートから選ばれる少なくとも1つを含む(1)又は(2)記載のマイクロチップの接合方法。
(4)(1)〜(3)いずれか記載のマイクロチップの接合方法より得られるマイクロチップ。
The present invention is as follows.
(1) A method of bonding a first microchip substrate having a microchannel on a surface thereof and a second microchip substrate having a surface in close contact with a surface of the first microchip substrate having a microchannel, The first microchip substrate and / or the second microchip substrate have a void portion, and the first microchip substrate and / or the second microchip substrate are made of a plastic material, and the void portion includes a void portion. A method of joining microchips, wherein a substrate made of a material having a shape similar to that of the plastic material and having a lower thermal expansion coefficient than that of the plastic material is fitted and heated to be fused while being pressed.
(2) The microchip bonding method according to (1), wherein the material having a lower thermal expansion coefficient than plastic is a metal.
(3) The bonding of the microchip according to (1) or (2), wherein the plastic material includes at least one selected from polypropylene, polystyrene, polycarbonate, cyclic polyolefin, polymethylpentene, polymethyl methacrylate, polyethylene, and polyethylene terephthalate. Method.
(4) A microchip obtained by the microchip bonding method according to any one of (1) to (3).

本発明により、空隙部を有するマイクロチップ基板の熱融着による接合において、基板の熱変形を低減することができるため、精度のよいマイクロチップ基板の作製が可能となる。     According to the present invention, since the thermal deformation of the substrate can be reduced in the bonding by thermal fusion of the microchip substrate having the void portion, it is possible to manufacture the microchip substrate with high accuracy.

本発明に使用する第1のマイクロチップ基板の一実施形態の平面概略図Schematic plan view of one embodiment of a first microchip substrate used in the present invention 本発明に使用する第2のマイクロチップ基板の一実施形態の平面概略図第2のマイクロチップ基板の平面概略図Schematic plan view of one embodiment of a second microchip substrate used in the present invention Schematic plan view of a second microchip substrate 本発明に使用する金属製の基板の一実施形態の平面概略図Schematic plan view of an embodiment of a metal substrate used in the present invention 本発明の接合方法による第1のマイクロチップ基板及び第2のマイクロチップ基板を接合する際の状態を示す平面概略図Schematic plan view showing a state when the first microchip substrate and the second microchip substrate are bonded by the bonding method of the present invention. 本発明の接合方法による第1のマイクロチップ基板及び第2のマイクロチップ基板を接合する際の状態を示す正面概略図Schematic front view showing a state when the first microchip substrate and the second microchip substrate are bonded by the bonding method of the present invention.

以下、本発明のマイクロチップ基板の接合方法の実施形態の一例を図1〜5に示す模式図に従って説明する。
図1は第1のマイクロチップ基板1の平面概略図であり、表面にマイクロチャネル2および空隙部7を有するプラスチックからなるマイクロチップ本体である。
Hereinafter, an example of an embodiment of a bonding method of a microchip substrate of the present invention will be described with reference to schematic diagrams shown in FIGS.
FIG. 1 is a schematic plan view of a first microchip substrate 1, which is a microchip body made of plastic having a microchannel 2 and a gap 7 on the surface.

本発明の流路デバイスにおける微細流路は、サンプルや試薬の使用量あるいは廃液の排出量、かつ、熱移動・物質移動の高速化の観点から、幅は1μm以上1000μm以下が好ましく、深さは1μm以上500μm以下が好ましい。但し、これらマイクロチャネルの流路設計は検出対象物、利便性を考慮に適宜設計されるため上記に限定はしない。また、マイクロチャネルの機能としてマイクロディバイス、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、複数本のマイクロチャネルを同一基板上に加工することにより複合化することが可能である。   The fine channel in the channel device of the present invention preferably has a width of 1 μm or more and 1000 μm or less from the viewpoint of increasing the amount of sample or reagent used or the amount of waste liquid discharged and increasing the speed of heat transfer / mass transfer. 1 to 500 μm is preferable. However, the flow path design of these microchannels is not limited to the above because it is appropriately designed in consideration of the detection object and convenience. In addition, the microchannel function is equipped with microdevices, specifically membranes, pumps, valves, sensors, motors, mixers, gears, clutches, microlenses, electrical circuits, etc., or multiple microchannels on the same substrate It can be compounded by processing on top.

空隙部の形状や寸法は、特に限定はなく、使用方法に応じて設計することができるが、空隙部に嵌め込むための空隙部と同様の形状を有する基板の加工のしやすさを考えると、四角状、円状、扇状、凸凹状などの単純な構造のものが好ましい。
本発明の空隙部を有するマイクロチップ基板は、空隙部に他のマイクロチップ基板又は部材を装着して使用される場合がある。
The shape and dimensions of the gap are not particularly limited and can be designed according to the method of use, but considering the ease of processing a substrate having the same shape as the gap for fitting into the gap A simple structure such as a square shape, a circular shape, a fan shape, or an uneven shape is preferable.
The microchip substrate having a void portion of the present invention may be used with another microchip substrate or member attached to the void portion.

図2は第2のマイクロチップ基板11の平面概略図であり、マイクロチップ本体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し、かつ第1のマイクロチップ基板の空隙部7に対してほぼ同じ位置に空隙部71を有するマイクロチップ蓋基板である。更にインレット3、4、およびアウトレット5を有している。マイクロチップ蓋基板には、空隙部がない場合もある。     FIG. 2 is a schematic plan view of the second microchip substrate 11, which has a surface that can substantially adhere to the surface of the microchip main body having the microchannels, and the gap 7 of the first microchip substrate. And a microchip lid substrate having a gap 71 at substantially the same position. Furthermore, it has inlets 3 and 4 and an outlet 5. The microchip lid substrate may not have a gap.

マイクロチップ本体及びマイクロチップ蓋基板の材質は、それらの界面が熱により溶融し融着する性質があるものであれば特に限定されないが、用途に応じて材質を選べ加熱すると溶融し常温では固体状態であるプラスチック材料を用いることが好ましい。更に好ましくは常温時での堅牢性、耐久性を考慮するとプラスチック材料としてポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、環状ポリオレフィン、ポリメチルペンテン、ポリメチルメタアクリレート、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレートを用いることが好ましい。   The material of the microchip body and the microchip lid substrate is not particularly limited as long as the interface has a property of melting and fusing by heat, but it can be melted when selected and heated according to the application and is solid at room temperature. It is preferable to use a plastic material. More preferably, polypropylene, polystyrene, polycarbonate, cyclic polyolefin, polymethylpentene, polymethyl methacrylate, polyethylene, and polyethylene terephthalate are preferably used as the plastic material in consideration of fastness and durability at normal temperature.

図3は、図1のマイクロチップ本体及び図2のマイクロチップ蓋基板の空隙部のサイズに合った金属製の基板の平面概略図である。 3 is a schematic plan view of a metal substrate that matches the size of the gap of the microchip body of FIG. 1 and the microchip lid substrate of FIG.

マイクロチップ本体及びマイクロチップ蓋基板に嵌め込む基板は、マイクロチップに使用するプラスチック材料よりも、熱膨張係数が低ければ特に限定されないが、金属製であることが好ましい。さらには、加工性の良いSUSであることが最も好ましい。また、マイクロチップの空隙部が複数個あれば、複数個に基板を嵌め込むことができる。また、熱膨張係数は、長さまたは体積が温度上昇によって膨張する割合を、1 K (℃) 当たりで示したものであり、長さの変化の場合は線膨張係数、体積の変化の場合は体積膨張係数で表されることも多く、熱膨張係数を線膨張係数または体積膨張係数で比較してもよい。   The substrate to be fitted into the microchip body and the microchip lid substrate is not particularly limited as long as it has a lower thermal expansion coefficient than the plastic material used for the microchip, but is preferably made of metal. Furthermore, it is most preferable that it is SUS with good workability. Further, if there are a plurality of microchip gaps, a plurality of substrates can be fitted. The coefficient of thermal expansion indicates the rate at which the length or volume expands due to temperature rise per 1 K (° C). When the length changes, the linear expansion coefficient, and when the volume changes It is often expressed by a volume expansion coefficient, and the thermal expansion coefficient may be compared by a linear expansion coefficient or a volume expansion coefficient.

図4は、図1及び図2の基板を接合する際の状態を示す平面概略図である。図5は、図4の正面概略図である。すなわち、図1のマイクロチップ本体、および図2のマイクロチップ蓋基板に、図3の金属製の基板を嵌め込んだ状態で、重ね合わせた後、それら基板の一方或いは両基板の外側より加熱した圧板を介して加圧し基板界面を融着させる事により接合する。融着後にマイクロチップ本体のプラスチックは、熱収縮により、収縮しようとするが、嵌め込まれている金属製の基板があるために、マイクロチャネル2の流路方向では金属の収縮分だけが収縮される。これにより、マイクロチップ本体のプラスチックは熱収縮を制御することができる。     FIG. 4 is a schematic plan view showing a state when the substrates of FIGS. 1 and 2 are bonded. FIG. 5 is a schematic front view of FIG. That is, after superposing the metal substrate of FIG. 3 on the microchip body of FIG. 1 and the microchip lid substrate of FIG. 2, heating was performed from the outside of one or both of the substrates. Bonding is performed by applying pressure through a pressure plate and fusing the substrate interface. After the fusion, the plastic of the microchip body tends to shrink due to heat shrinkage, but since there is a metal substrate that is fitted, only the shrinkage of the metal is shrunk in the flow direction of the microchannel 2. . Thereby, the plastic of the microchip body can control thermal shrinkage.

空隙部と嵌め込む基板は、空隙部に対して、同様の形状を有するものであり、、ほぼ同一の寸法を有するが、平面サイズが0.01mm〜2mm小さいことが好ましい。下限値未満では、空隙部への基板の嵌め込みおよび圧着後の取り外しが難しいため、好ましくない。上限値を超えると、プラスチックが収縮以上の差が開いており、本発明の効果が発揮されないため、好ましくない。     The substrate to be fitted with the gap portion has the same shape as the gap portion and has almost the same dimensions, but the plane size is preferably smaller by 0.01 mm to 2 mm. If it is less than the lower limit value, it is not preferable because it is difficult to fit the substrate into the gap and to remove it after pressure bonding. When the upper limit is exceeded, the difference between the plastic and the shrinkage is widened, and the effect of the present invention is not exhibited.

以下に実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。
(実施例1)
飽和環状ポリオレフィン樹脂を用い、40mm×80mm、厚さ2mmで、表面に幅200μm、深さ200μm、長さ60mmのマイクロチャネル2と、15mm×50mm×高さ2mmの空隙部7を図1に示すように配置した基板を、射出成形により成形してマイクロチップ本体とした。
飽和環状ポリオレフィン樹脂を用い、40mm×80mm、厚さ2mmで、マイクロチップ本体の流路の両端に位置する箇所に、1.0mmφのインレット3、4、およびアウトレット5と、15.0mm×50.0mm×高さ2mmの空隙部71を2箇所図2に示すように配置した基板を、射出成形により成形してマイクロチップ蓋基板とした。
次に、図3に示すような、14.8mm×49.8mm×厚さ2.0mmのSUS基板を切削加工により得た。
次に、SUS基板をマイクロチップ本体の空隙部7に嵌め込んだ後に、マイクロチップ本体の流路を有する面とマイクロチップ蓋基板を重ね合わせ、基板界面を熱融着させ、冷却後にSUS基板を除去してマイクロチップを得た。このときの飽和環状ポリオレフィンの線膨張係数は、7×10−/℃、SUSの線膨張係数は、2×10−5/℃であった。熱融着は、130℃、1000N、20分で行なった。これを3回実施し、マイクロチップを3つ得た。
熱融着前と熱融着後のインレット3とアウトレット5の距離を表1に示す。
EXAMPLES The present invention will be specifically described below with reference to examples, but the present invention is not limited to these examples.
Example 1
A saturated cyclic polyolefin resin is used, and a microchannel 2 having a width of 200 μm, a depth of 200 μm, and a length of 60 mm, and a void 7 having a size of 15 mm × 50 mm × height of 2 mm are shown in FIG. The substrate thus arranged was molded by injection molding to obtain a microchip body.
Saturated cyclic polyolefin resin, 40 mm × 80 mm, 2 mm in thickness, located at both ends of the flow path of the microchip body, 1.0 mmφ inlets 3, 4 and outlet 5, 15.0 mm × 50. A substrate in which gaps 71 of 0 mm × 2 mm in height were arranged at two locations as shown in FIG. 2 was molded by injection molding to obtain a microchip lid substrate.
Next, a SUS substrate having a size of 14.8 mm × 49.8 mm × thickness 2.0 mm as shown in FIG. 3 was obtained by cutting.
Next, after the SUS substrate is fitted into the gap 7 of the microchip body, the surface having the flow path of the microchip body and the microchip lid substrate are overlapped, the substrate interface is thermally fused, and the SUS substrate is cooled and cooled. Removal gave a microchip. Linear expansion coefficient of the saturated cyclic polyolefins in this case, 7 × 10- 5 / ℃, linear expansion coefficient of SUS was 2 × 10 -5 / ℃. Thermal fusion was performed at 130 ° C. and 1000 N for 20 minutes. This was carried out three times to obtain three microchips.
Table 1 shows the distance between the inlet 3 and the outlet 5 before heat fusion and after heat fusion.

(比較例1)
実施例1と同じ寸法、形状、材質のマイクロチップ本体、マイクロチップ蓋基板を用意し、マイクロチップ本体の流路を有する面とマイクロチップ蓋基板を重ね合わせ、SUS基板を使用せずに基板界面を熱融着させて、マイクロチップを得た。これを3回実施した。熱融着前と熱融着後のインレット3とアウトレット5の距離を表1に示す。
(Comparative Example 1)
Prepare a microchip body and a microchip lid substrate having the same dimensions, shape, and material as in Example 1, and superimpose the microchip body on the surface having the flow path and the microchip lid substrate, without using the SUS substrate Was heat-sealed to obtain a microchip. This was done three times. Table 1 shows the distance between the inlet 3 and the outlet 5 before heat fusion and after heat fusion.

Figure 0005218191
Figure 0005218191

実施例と比較例の結果を比べると、実施例では、熱融着前後のインレット3とアウトレット5の距離の差が、比較例のそれと比べて、低くなっていることがわかる。また、収縮量のばらつきも実施例と比較例を比較すると、実施例のほうが低い値となり、安定して融着できていることが示された。
以上の結果より、本発明のマイクロチップの接合方法が有効であることが示された。
Comparing the results of the example and the comparative example, in the example, it can be seen that the difference in the distance between the inlet 3 and the outlet 5 before and after heat fusion is lower than that of the comparative example. Further, the variation in shrinkage amount was also lower when comparing the example and the comparative example, indicating that the fusion was stably performed.
From the above results, it was shown that the microchip bonding method of the present invention is effective.

1 第1のマイクロチップ基板(マイククロチップ本体)
2 マイクロチャンネル
3 インレット
4 インレット
5 アウトレット
6 金属基板
7、71 空隙部
11 第2のマイクロチップ基板(マイクロチップ蓋基板)
1 First microchip substrate (microphone chip body)
2 Microchannel 3 Inlet 4 Inlet 5 Outlet 6 Metal substrate 7, 71 Cavity 11 Second microchip substrate (microchip lid substrate)

Claims (4)

表面にマイクロチャネル有する第1のマイクロチップ基板と、第1のマイクロチップ基板のマイクロチャネルを有する面と密着する面を有する第2のマイクロチップ基板とを接合する方法であって、第1のマイクロチップ基板及び/又は第2のマイクロチップ基板が空隙部を有し、第1のマイクロチップ基板及び/又は第2のマイクロチップ基板がプラスチック材料からなり、前記空隙部に、空隙部と同様の形状を有する、前記プラスチック材料よりも熱膨張係数の低い素材よりなる基板を嵌め込み、加圧しながら加熱して融着することを特徴とするマイクロチップの接合方法。 A method of bonding a first microchip substrate having a microchannel on a surface thereof and a second microchip substrate having a surface in close contact with a surface of the first microchip substrate having a microchannel, The chip substrate and / or the second microchip substrate has a void portion, and the first microchip substrate and / or the second microchip substrate are made of a plastic material, and the void portion has the same shape as the void portion. A method of joining microchips, comprising: inserting a substrate made of a material having a lower thermal expansion coefficient than that of the plastic material, and heating and welding while pressing. プラスチックよりも熱膨張係数の低い素材が、金属であることを特徴とする請求項1記載のマイクロチップの接合方法。 2. The method of joining microchips according to claim 1, wherein the material having a lower thermal expansion coefficient than plastic is a metal. プラスチック材料がポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、環状ポリオレフィン、ポリメチルペンテン、ポリメチルメタアクリレート、ポリエチレン、及びポリエチレンテレフタレートから選ばれる少なくとも1つを含む請求項1又は2記載のマイクロチップの接合方法。 The method for joining microchips according to claim 1 or 2, wherein the plastic material contains at least one selected from polypropylene, polystyrene, polycarbonate, cyclic polyolefin, polymethylpentene, polymethyl methacrylate, polyethylene, and polyethylene terephthalate. 請求項1〜3いずれか記載のマイクロチップの接合方法より得られるマイクロチップ。 A microchip obtained from the microchip bonding method according to claim 1.
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