JP6004446B2 - 多層マイクロ流体プローブ・ヘッド及びその製造方法 - Google Patents

多層マイクロ流体プローブ・ヘッド及びその製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、マイクロ流体（microfluidic）プローブ・デバイスに関り、さらに詳細に説明すれば、マイクロ流体プローブ・ヘッド及びその製造方法に関る。
一般に、マイクロ流体デバイスとは、液体を供給し、抽出し、混合し、分析し、投与するために使用される、微細加工されたデバイスを意味する。その顕著な特徴は、液体がマイクロメートル長のスケールで示す特異な挙動に由来する（非特許文献１及び２）。典型的には、マイクロ流体デバイス内の液体の流れは、層流である。マイクロメートル領域の横寸法を有する構造体を製造することにより、１ナノリットルを遙かに下回る容積を得ることができる。（反応剤の拡散によって）大きなスケールでは制限される反応について、これを加速することができる（非特許文献３）。最後に、液体の並列ストリームが正確に且つ再現可能に制御され、液体／液体界面及び液体／固体界面における化学反応及び勾配を生じさせることが可能になる（非特許文献４）。従って、マイクロ流体デバイスは、ライフ・サイエンスにおける種々の応用のために使用される。
殆どのマイクロ流体デバイスは、ユーザ・チップ・インタフェース及び閉じた流路を有する。閉じた流路は、漏れ及び蒸発に関係する問題を最小限に留めつつ、１つのデバイスへの機能素子（例えば、加熱素子、混合器、ポンプ、紫外線検出器、弁など）の組み込みを容易にする。しかし、かかるマイクロ流体デバイスについては、表面を処理又はパターン化することは困難である。
インクジェットは、例えば、非接触モードでインクを供給するように設計されたが、液体の存在下でインクを供給するように設計されなかった（非特許文献５）。他の技術は、より高い解像度で表面をパターン化することができるが、液体環境内で作動するそれらの能力は制限されている（非特許文献６及び７）。液体環境は、乾燥による影響及び生体分子の変性を最小限に留めるだけでなく、生きている微生物について作業することを可能にする。
液体環境の存在下における表面のパターン化及び表面上のサンプルの分析については、閉じたマイクロ流体デバイスの制限を克服するための幾つかの方法が開発された。その幾つかの方法は、表面の近傍に液体を閉じ込めることに依存するか（非特許文献８及び９）、又は依然として、正確な量の生体分子を明確に定められた液体の領域内に供給することに依存する（非特許文献１０）。また、表面上にマイクロメートルの精度で生体分子をパターン化するための、スキャン用のナノピペット及び中空の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）プローブが開発された（非特許文献１１、１２及び１３）。
他の例として、非接触式のマイクロ流体プローブ技術（ＭＦＰ）が開発された（特許文献１）。この技術は、生体分子を付加するか又は除去することにより表面をパターン化し、表面上に付着されたタンパク質の表面密度勾配を作成し、表面に近接した液相間における反応を局所化し、表面上の付着細胞を染色し且つ除去することを可能にする（非特許文献１４）。他の応用がテストされた（非特許文献１５及び１６）。
図１（Ａ）〜図１（Ｄ）は、かかるＭＦＰヘッド１００及びその動作原理を示す。液体を閉じ込めるヘッド１００の部分１０５（図１（Ｄ））は、２つのアパーチャ１０１、１０２を有するＳｉチップである。この部分１０５は、関心のある基板３００に近づけられる。チップ１００の他の表面上の水平マイクロチャネル１１５（図１（Ｃ））は、これらのアパーチャを、図１（Ａ）のポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）接続ブロック９０内に形成されたビア９１、９２と連結する。ＰＤＭＳ接続ブロック９０内に挿入された毛細管８１、８２は、電動ポンプとアパーチャ１０１、１０２との間の接続を提供する。従って、１つのアパーチャ１０１を通して注入された液体４２０の流量を制御するとともに、これを（多少の浸液４１０と一緒に）他のアパーチャ１０２から再吸引することにより、注入された液体４２０が閉じ込められる（図１（Ｄ））。図１（Ｃ）は、かかるＭＦＰヘッドの組立体を概略的に示す。
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この技術は、広範な応用について、多くの点で有利であるが、製造の観点からは、解決すべき課題が依然として残っている。特に、Ｓｉヘッド１００をＰＤＭＳ接続ブロック９０と組み立てるとともに、ガラス製の毛細管８１、８２を挿入することは、非常に労力を要する。また、かかる作業は、Ｓｉチップ１０５及びＰＤＭＳ接続ブロック９０が小さく、取り扱うことが困難であるため、歩留まりが低くなっている。さらに、Ｓｉヘッドにボンディング接続を行い且つ毛細管８１、８２を挿入する間のＰＤＭＳ接続ブロック９０内の応力は、ＰＤＭＳ接続ブロック９０の分離に結びつくことがある。さらに、深堀り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）又はプラズマ・エッチングを使用して、厚いＳｉウェハ内に小さなアパーチャを微細加工することは、例えば、機械的安定性のために、ヘッドが有さなければならない厚さの所為で、困難であり且つ多大な時間を必要とする。かかる制限は、ＭＦＰ技術の産業的展開を妨げることがある。
さらに、注入された液体４２０を浸液内に閉じ込めることも解決すべき課題として残っている。
なお、完全を期すために、特許文献１、２及び３は、マイクロ流体デバイス又はリアクタの製造方法を開示することを指摘しておく。
一実施形態では、本発明は、基層を有するマイクロ流体プローブ・ヘッドを提供する。マイクロ流体プローブ・ヘッドは、基層の一表面上で処理液アパーチャと流体連結（fluid communication）する処理液マイクロチャネルと、基層の一表面上で浸液アパーチャと流体連結する浸液マイクロチャネルを備える。マイクロ流体プローブ・ヘッドは、作動中、処理液アパーチャを通して供給される処理液（processing liquid）が、浸液アパーチャを通して供給される浸液（immersion liquid）と混合することができるように構成される。
他の実施形態では、プローブ・ヘッドは、次の１つ以上の特徴を有することができる。
処理液マイクロチャネル及び浸液マイクロチャネルの各々は、基層の１つ以上の表面上で開放されていること。
処理液マイクロチャネルの少なくとも一部は、基層の上表面上で開放されているグルーブ（溝）であり、浸液マイクロチャネルの少なくとも一部は、追加の層の下表面によって閉じることができるように、基層の上表面上で開放されていること。
マイクロ流体プローブ・ヘッドは、カバー層をさらに備え、処理液マイクロチャネル及び浸液マイクロチャネルの少なくとも一部は、ヘッドの１つの層の下表面の一部によって閉じられること。
処理液マイクロチャネル及び浸液マイクロチャネルの各々は、基層の上表面と基層の一表面上のそれぞれのアパーチャとの間で流体連結を可能にすること。
マイクロ流体プローブ・ヘッドは、カバー層の上表面から延びる管ポート（tubing port）をさらに備え、カバー層は、管ポートとカバー層の下表面との間の流体連結を可能にするビアを有し、マイクロ流体プローブ・ヘッドは、ビアと１つ以上のマイクロチャネルとの間の流体連結を可能にするように構成されること。
処理液マイクロチャネルの少なくとも一部は、処理液アパーチャまで延びるグルーブであり、処理液アパーチャは、基層の上表面のエッジのレベルにおいてグルーブの一端に配置されること。
処理液マイクロチャネル及び／又は浸液マイクロチャネルの特性は、マイクロチャネルに沿って連続的に変化すること。
マイクロ流体プローブ・ヘッドは、１つ以上のマイクロチャネルを加熱するのに適した加熱素子をさらに備えること。
マイクロ流体プローブ・ヘッドは、基層の一表面上で第２の処理液アパーチャと流体連結する第２の処理液マイクロチャネルと、基層の一表面上で第２の浸液アパーチャと流体連結する第２の浸液マイクロチャネルをさらに備え、マイクロ流体プローブ・ヘッドは、作動中、１つ以上の異なるアパーチャを通して注入（deposit）されたある流体を第２の処理液アパーチャにおいて吸引することを可能にするように構成されること。
マイクロ流体プローブ・ヘッドは、基層の一表面上で第２の浸液アパーチャとそれぞれ流体連結する第２の浸液マイクロチャネルをさらに備え、マイクロ流体プローブ・ヘッドは、作動中、第１の処理液アパーチャを通して供給される処理液が、第２の浸液アパーチャを通して供給される浸液と混合することができるように構成されること。
２つのマイクロチャネルは、処理液アパーチャによる処理液注入の平均方向に関して非対称的に構成されること。
２つのマイクロチャネルは、異なる流動抵抗を有すること。
マイクロ流体プローブ・ヘッドは、１つの処理液アパーチャを通して提供され且つ１つの浸液アパーチャを通して供給される浸液と混合する処理液が、実質的に層流であるように構成されること。
他の実施形態では、本発明は、基層を提供するステップと、基層内にマイクロチャネル及びアパーチャを形成するステップとを有する、マイクロ流体プローブ・ヘッドの製造方法を提供する。
本発明は、マイクロ流体デバイスをよりコンパクトにすることができ、その製造をより簡単にすることができるという効果を奏する。
従来技術のＭＦＰ及びその動作原理を示す図である。 本発明の一実施形態に従った、ＭＦＰヘッドの処理端部についての３Ｄ表示である。 追加の特徴を備えた、同様のＭＦＰヘッドの分解３Ｄ表示である。 他の実施形態に従った、ＭＦＰヘッドの３Ｄ表示である。 種々の実施形態に従った、ＭＦＰヘッドを示す概略図である。 種々の実施形態に従った、ＭＦＰヘッドを示す概略図である。 種々の実施形態に従った、ＭＦＰヘッドを示す概略図である。 種々の実施形態に従った、ＭＦＰヘッドを示す概略図である。 種々の実施形態に従った、ＭＦＰヘッドを示す概略図である。 種々の実施形態に従った、ＭＦＰヘッドを示す概略図である。 一実施形態に従った、製造の初期段階におけるＭＦＰヘッドの基層を示す概略図である。 供給端部に近い、処理液マイクロチャネルの形状の変形例を示す図である。 供給端部に近い、処理液マイクロチャネルの形状の変形例を示す図である。
以下の説明に対する概論として、先ず、マイクロ流体プローブ（ＭＦＰ）ヘッドに向けられた本発明の一般的な側面を説明する。既知の解決方法とは異なり、浸液マイクロチャネルは、処理液マイクロチャネルとともに、ヘッドの上、すなわちその基層上に直接的に設けられる。各マイクロチャネルは、基層の表面上に配置されたアパーチャと流体連結する。典型的には、これらのマイクロチャネルは、ヘッドの追加の層によって閉じられるように、基層の同じ表面上に機械加工される。マイクロ流体プローブ・ヘッドは、作動中、処理液アパーチャを通して供給される処理液が、浸液アパーチャを通して供給される浸液と混合することができるようにさらに構成される。例えば、ヘッドは、一端部で鋭くすることができる。この端部は、処理液アパーチャが設けられ且つその近傍に浸液アパーチャが存在するような場所にある。浸液マイクロチャネルを、処理液マイクロチャネルとともに、ヘッドの上に直接的に設けると、ヘッドをよりコンパクトにすることができ、しかもフットプリント（専有面積）をより小さくすることができる。
さらに、マイクロ流体デバイスの製造がより簡単になる。１つの理由は、処理液及び浸液の両方の流路を、同じチップ（基層）上に形成するために、実質的に同じ技術を使用することができるという点にある。また、多層設計を考慮することができる。すなわち、典型的には、ヘッドは、（基層に面する）追加のカバー層及び管ポートを備える。管ポートはカバー層から延び、カバー層はこれらのポートに面するビアを有するから、カバー層を通して基層の方向への流体連結を可能にすることができる。そこで、マイクロチャネルは、この流体連結を基層の表面上のアパーチャに中継する。
かかる多層ＭＦＰヘッドは、背景技術の項で説明したような一体構造を有するヘッドと比較すると、製造し且つパッケージ化するのがより簡単である。特に、マイクロチャネルは、２つの層の間の結合面のレベルにおいてグルーブとして彫り込むことができる。ＭＦＰヘッドは、例えば、管ポート用の標準的な継ぎ手を使用して、管と結合することができる。本発明は、例えば、表面上に生体分子の連続的及び非連続的なパターンをパターン化するための、及びレジスト材料を非接触モードで直接に処理するための、実質的な可能性を有する。
図２は、本発明の一実施形態に従った、多層ＭＦＰヘッド１００の処理端部を示す。図示のように、ヘッド１００が有する基層１２０の内部には、処理液マイクロチャネル１２３、１２４が、浸液マイクロチャネル２２３、２２４とともに設けられる。各マイクロチャネルは、アパーチャ１２１、１２２、２２１、２２２と流体連結する。各アパーチャは、基層１２０の（必ずしも同じではない）一表面上に位置し、好ましくは互いに接近している。ヘッド１００を一表面の近傍に移動させる場合 アパーチャ１２１を通して供給される処理液は、浸液と混合し、好ましくは、湾曲した太い矢印によって示されるように、アパーチャ２２１及び２２２を介して供給される浸液内に導入されるであろう。太い矢印は、説明の便宜上のものであり、それぞれの寸法は、故意に誇張されている。好ましくは、このデバイスは、層流を得るように構成される。各アパーチャの寸法は、例えば、数十マイクロメートルとすることができる。典型的には、これらのアパーチャは、互いに数百マイクロメートルの間隔を置かれる。ここでは、処理液マイクロチャネル／アパーチャの複数の対が使用されるので、処理液は、多少の浸液と一緒に、アパーチャ１２２で再吸引することができる。アパーチャ１２１とアパーチャ１２２との間の流路を逆にすることができる点に留意されたい。すなわち、アパーチャ１２２から処理液を注入し、アパーチャ１２１から処理液を吸引することができる、ということである。処理液は、実質的にアパーチャ１２１及び１２２の近傍に位置し、そして実質的にヘッド１００の近くに存在する浸液によって囲まれている。
好ましくは、図示のように、カバー層１１０は、基層１２０の上表面上で開放されているマイクロチャネルを閉じる。変形例では、固有の層の厚さ方向においてマイクロチャネルを設けることができるであろう。しかし、かかる変形例は、製造するのがより困難である。
図３は、図２と同様の処理端部を有するヘッドの拡大図である。多層ヘッド１００は、依然としてカバー層１１０及び基層１２０を備える。再び、基層１２０は、その一表面上で開いているアパーチャ１２１、１２２、２２１、２２２を有する。マイクロチャネル１２３、１２４、２２３、２２４は、（カバー層１１０の下表面に面する）基層１２０の上表面から前記アパーチャへの流体連結を可能にする。
さらに、ヘッド１００は、（管ポート１８１及び１８２とカバー層１１０を組み立てた後に）カバー層１１０の上表面から延びる、管ポート１８１及び１８２を有するように示される。カバー層１１０は、ビア１１１及び１１２をさらに有する。図３に示すように、ビア及びポートは、ポートからカバー層１１０の下表面への（つまり、基層１２０に向かう方向の）流体連結を可能にするように構成される。マイクロチャネルの対応する端部は、ビアに面しなければならない。前記端部は、例えば、マイクロチャネルの平均断面積に比較して、より大きな寸法を有するであろう。同様に、ポート１８１及び１８２に類似する１つ以上の追加の管ポートを、１つ以上の追加のビアと一緒に設けて、これらのポートから浸液アパーチャ（明瞭さのために図示せず）への流体連結を可能にすることができる。従って、好ましい構成とは、マイクロチャネルが（大きいことが多い）ビアから比較的小さいそれぞれのアパーチャまでの流体連結を可能にするようなものである。さらに、アパーチャ１２１、１２２、２２１、２２２は、以下で詳述する応用については、互いに近くなっていることが多い。
図２又は図３のＭＦＰヘッド１００は、容易に製造することができる。第１に、追加の層を使用すると、その上に管ポートを容易に装着することができる。これは、背景技術の項で説明したようなＰＤＭＳ接続ブロック内の毛細管よりも、容易に扱うことができる。第２に、マイクロチャネルを形成するための実質的な機械加工は、より下位の層１２０だけについて必要となるに過ぎない。
さらに、処理液マイクロチャネルの部分は、好ましくは、基層１２０の上表面上で開いている、基層１２０の層厚さ方向におけるグルーブ１２３'、１２４'として設けられる。かかるマイクロチャネルの形成は、その横寸法（小さいことが多い、例えば、数十マイクロメートル）にも拘わらず、容易に達成される。組み立ての後、グルーブは、カバー層１１０の一部によって閉じられる。このグルーブは、工具によって基層１２０の上表面上に直接的に彫り込むことができる。このグルーブは、任意の適切な断面（例えば、円形、正方形、Ｕ字型又はＶ字型の断面）を有することができる。典型的には、必要な工具は、基層１２０の材料によって選ばれる。変形例では、レーザ・アブレーションを考慮することができる。最も有利であるのは、マイクロチャネルを形成するのに深堀り反応性イオン・エッチング（ＤＲＩＥ）が使用されることである。
図２又は図３に示すように、グルーブ１２３'、１２４'は、それぞれのアパーチャ１２１、１２２まで延びる。同様に、浸液マイクロチャネル２２３、２２４は、それぞれのアパーチャ２２１及び２２４に到達する。この例では、マイクロチャネルとアパーチャは、ヘッド１００の上表面の主軸のまわりで対称的に配置される。一のアパーチャは、基層１２０の前端３２０のエッジ３１０のレベルにおいてグルーブの一端に直接的に形成される。ここで、基層１２０の前端３２０は、再び容易に機械加工される。典型的には、前端３２０は鋭くされ、その結果、関心のある表面上に液体をコンパクトに付着することが可能となり、容易な光学的モニタリングのためのスペースを残す。
可能な製造方式は、２つの主要な段階を有する。例えば、第１の段階中には、次のことを行う。
例えば、ＤＲＩＥを使用して、カバー層１１０内に１つ以上のビアを形成すること。
例えば、ＤＲＩＥによって、基層１２０内に１つ以上のマイクロチャネルを形成すること。
図２又は図３のヘッド１００では、前端３２０を切断するときに、アパーチャが直接的に得られる。他の設計が考慮されている場合には、ＤＲＩＥをも使用して、依然として基層１２０内にアパーチャを形成することができる。典型的には、アパーチャは、数十マイクロメートルの横寸法を有する。
その後の第２の段階は、カバー層１１０及び基層１２０を組み立てることから成る。好ましくは、その後にポートが装着される。
以下、ＭＦＰヘッドの主要な特徴の好ましい製造方法の詳細を説明する。図２及び図３に示すような多層ＭＦＰヘッド１００は、他の材料を使用することができるが、好ましくは、Ｓｉウェハを使用して微細加工される。カバー層１１０をＳｉリッド（Si lid）と称し、基層１２０をＨＦＣチップと称するものとする。Ｓｉリッド及びＨＦＣチップについて、研磨された片面及び両面のＳｉウェハがそれぞれ使用される。両ウェハは、例えば、直径が１０．２センチメートル（４インチ）で、厚さがで４００マイクロメートルである（Siltronix、ジュネーブ、スイス）
標準的なフォトリソグラフィ、フォトプロットされたポリマ・マスク（Zitzmann GmbH、エチング、ドイツ）及びＤＲＩＥを使用して、微細構造体が製造される（例えば、STS ICP、Surface Technology Systems、ニューポート、英国を参照）。ＨＦＣチップのマイクロチャネルは、ＨＦＣウェハの上表面へ５０マイクロメートルの深さまでエッチングすることができる。必要であれば、このウェハの底部側を処理して、任意の所望のメサ及び／又はポストを５０マイクロメートルの高さまで形成することができる。必要であれば、ＨＦＣウェハの底部側からのＤＲＩＥエッチングを使用して、アパーチャを開口することが行われる。こうすることによって、１０マイクロメートル未満の横寸法を有する、明確に定められたアパーチャを得ることができる。ＨＦＣチップについて薄いＳｉウェハが使用される場合は、アパーチャをより正確に形成することができる。これに対し、リッド・ウェハは、ヘッドに対し機械的強度を与えるために、厚いままに留まることができる。
Ｓｉリッドは、研磨された片面ウェハを通して直径８００マイクロメートルを有するビアをエッチングすることにより形成される。次に、両ウェハの組み立ては、リッド・ウェハの研磨された側に３マイクロメートル以下のポリイミド接着剤（HD Microsystems GmbH、ノイ・イーゼンブルク、ドイツ）をスピン・コーティングし、続いて両ウェハを整列させ且つボンディングすることにより達成される。ボンディングは、２バールの圧力で且つ摂氏３２度の温度において１０分間にわたって行われる（PRESSYS LE、Paul-Otto Weber GmbH、レムズハルデン、ドイツ）。その後、ＭＦＰヘッドは、ダイスされ、格納することができる。
ポートの装着は、エポキシ接着剤リング（UpchurchScientific, Ercatech, ベルン、スイスからNanoport（ＴＭ）アセンブリ、エポキシ接着剤が供給される）を使用して、行うことができる。また、ＭＦＰヘッドには、ＭＦＰヘッド用のスロットを有する機械加工された構造体を装着することができる。この構造体の内部にある管は、結合を簡単にするように、（Ｏリングを使用して）ＭＦＰヘッドに結合される。例えば、成形されたＰＤＭＳ接続ブロックの代わりに、標準的なポート及び継ぎ手を使用すると、ヘッドを組み立てるのに必要とされる作業を減少させることができる。好ましくは、ＭＦＰヘッドは、ポートを実際に装着する前に、漏れ及び詰まりに関してテストされる。というのは、マイクロチャネルへの溶剤の流入は、省くことができないからである。この点に関連して、使い捨てのピペット・ティップは、ビアのサイズと一致するように切断することができ、そして液体は、液滴が各所で漏れることなくアパーチャから出ることができるか否かを拡大鏡で観察しつつ、マイクロチャネルを通して押し出すことができる。最後に、ポートとビアとの整列を、手動的に行うことができる。その後のボンディングは、ホットプレート上又は炉内で、例えば、摂氏１４０度の温度において１時間以内にわたって行われる。
フォトリソグラフィ・ステップに戻って簡述すると、多層ＭＦＰヘッドの製造は、ＨＦＣチップについては３つのフォトリソグラフィ・ステップ（レジストの塗布、露光、現像、その後のＳｉのエッチング）を使用し、Ｓｉリッドについては１つのステップを使用することができる。これと比較すると、従来技術において既知のモノリシックＭＦＰヘッドは、３つのステップを必要としていた。これに加えて、従来技術において既知のヘッドは、ＰＤＭＳ接続ブロックを成形し、これをプラズマ処理してＳｉチップに結合することを必要としていたから、前述の欠陥を免れることができなかった。
ＰＤＭＳ接続ブロックを使用するのとは対照的に、本明細書に開示する新しい製造方法は、（例えば、直径が１ミリメートルの範囲内にある）大きなビアを有するＳｉリッドをもたらす。これらのビアは、ポートとＨＦＣチップとの間で構造体を接続する。一方、ＨＦＣチップは、全ての微細構造体を備える。特に、（例えば、ＨＦＣチップの上側にある）マイクロチャネルは、ビアとアパーチャとの間の流体接続を提供する。メサのまわりのポストは、もしあれば、実験のためにＭＦＰヘッドを調整するときに、水平化支援手段として使用することができる。
前述のようなＭＦＰヘッドは、表面処理応用に特に有用である。これらの表面処理応用は、生物学的応用とは異なり、潜在的により小さなパターン並びに広範囲の液体及び化学薬品に対処する。ＨＦＣチップを製造するために（例えば、厚さが１００マイクロメートルの）薄いＳｉウェハを利用する場合、通常のＤＲＩＥ又は集束イオン・ビームを使用して、１０マイクロメートル未満の横寸法を有する明確に定められたアパーチャを製造することができる。ヘッドの機械的強度は、Ｓｉリッドによってのみ提供される。
なお、本明細書に開示するような多層ヘッドは、多くの処理液を使用することに適している。というのは、水平マイクロチャネルが十分に扇型に広がるように、小さいアパーチャを互いに接近して配置し、その結果、Ｓｉリッド上に多数のポートを追加するための十分なスペースを残すことができるからである。
一般に、本発明のＭＦＰ技術は、表面をパターン化し、材料を処理し、表面上の生体分子及び細胞を注入及び除去し、表面上の細胞及び生体分子を解析し、表面上に化学勾配を作成し、組織切片のような複雑な生物試料を研究し、先細形空洞のような独特の側面を有する構造体を作成するための可能性を有する。
以下、図４〜図１１を参照して、多層ヘッドの他の実施形態を説明する。
図４は、ＭＦＰヘッドの３Ｄ表示である。そのヘッド１００は、図２又は図３のそれに実質的に類似する、アパーチャ１２１、１２２、２２１、２２２及び対応するマイクロチャネルを備えている。カバー層１１０上には、ビア１１１、１１２が設けられる。図示されている追加のビア２１１は、流体連結を浸液マイクロチャネル２２３、２２４に中継することを可能にするものである（ここでは、両方の浸液マイクロチャネルに浸液を供給するための１つのビアだけが設けられている）。対応する管ポートを設けることができる（図示せず）。これらのマイクロチャネルは、前述の如く、ビアに面するようにそれらの端部を配置される。
図５〜図１０は、可能な変形例の概略図である。但し、これらの図面には、基層１２０だけが示されている。全てのケースでは、マイクロチャネルは、基層１２０の一表面、好ましくは異なる表面まで延びる。対応するアパーチャは、マイクロチャネルの一端に形成される。基本的には、かかる実施形態は、アパーチャの明確（explicit）な製造をスキップすることを可能にする。例えば、マイクロチャネルは、基層１２０のエッジまで広がるグルーブとして彫り込まれ（例えば、ダイスされ）、追加の機械加工を必要とすることなくアパーチャを生じさせる。
さらに、図５〜図１０に示す変形例の各々において、１つ以上の浸液アパーチャ２２１、２２２などが設けられ、注入／吸引アパーチャ１２１、１２２の近傍で浸液を供給することを可能にする。ヘッドの処理端部は「鋭い」形状を有するようにされる。セットアップ構成のおかげで、「垂直」ＭＦＰヘッドについて言及することができる。図示された設計は、例えば、処理液の流れの閉じ込めを妨げないようにするため、注入／吸引アパーチャの近傍における領域が浸液に浸されることを保証する。典型的には、浸液アパーチャは、注入／吸引アパーチャよりも大きい。例えば、浸液アパーチャは、数マイクロリットルの液体を供給するように設計されるのに対し、注入／吸引アパーチャは、数ピコリットルを供給するように設計される。なお、注入／吸引アパーチャ１２１、１２２を有するヘッド表面だけを研磨する必要がある。大きな浸液アパーチャは、これを研磨する必要がない。
図示された構造体は、容易に製造される。製造の歩留まりを改良するには、製造及びパッケージングの間（ダイシング中、研磨中）に生ぜられる破片の詰まりを最小限に留めるために、マイクロチャネル内に蝋を満たすことができる。この点に関連して、追加の蝋供給マイクロチャネルを設け、これをＭＦＰヘッド上の全てのマイクロチャネルに接続するように配置することができる。さらに、同じ基板上で複数のＭＦＰヘッドを機械加工し、その全てを単一の「蝋供給マイクロチャネル」に接続することができる。その場合、例えば、溶けた蝋が全てのマイクロチャネルに侵入するように、蝋を供給することができる。最後に、蝋は、ＭＦＰヘッドのパッケージ化及び出荷用のマイクロチャネル後処理中に残すことができる（その後、例えば、病理応用において知られているように、蝋の除去処理が容易に達成される）。
かかる構造体は、細長く且つコンパクトな（例えば、内視鏡検査応用用の）ＭＦＰヘッドを必要とする応用に適している。さらに、ＭＦＰヘッドの小さなフットプリントは、製造中のスループットを増加させ且つコストを減少させるであろう。
図５は、図４の設計に実質的に対応する表示であって、マイクロチャネル断面の特徴を示す。図示されたマイクロチャネル端部１１１'、１１２'、２１１'は、図４のビア１１１、１１２、２１１に対応する。
図６は、他の非対称的な設計に関係し、参照番号２２４'によって象徴的に表示されるような、非対称的な流動抵抗を含む。この点に関連して、コンパクトなフットプリントを有するＭＦＰヘッドを設計すると、マイクロチャネルを単一の流路に組み合わせることにつながることがある。これは、さらに減少された界面又は結合面に帰着するであろう。しかし、コンパクトな構造体によれば、（図６に示すように）マイクロチャネルの対称性を壊す必要があり、その結果、異なる液体流量に帰着する。そこで、追加の流体抵抗補償器（例えば、流路に沿った異なるマイクロチャネル形状）を設けると、マイクロチャネル内に等しい抵抗を回復させるために有用であろう。
一般に、２つのマイクロチャネルは、別個の流動抵抗を有するように設計することができる。流動抵抗は、異なる流路内の液体の流量に影響する。構造体の特性である流動抵抗は、液体（非圧縮性であると仮定）に加えられる圧力と、当該構造体内の当該液体の流量との間の比として定義することができる。マイクロチャネルの流動抵抗は、主として、その寸法及び形状によって決定されるが、他の要因も流動抵抗に影響することがある。流動抵抗、流量及び圧力と、電気抵抗、電流及び電圧を使用して記述される電気回路との間には、類似性がある。等しい形状及び長さを有するマイクロチャネルは、等しい流動抵抗を有する。
従って、流体抵抗補償器（又は異なる流動抵抗を有するマイクロチャネル）は、図７に示すような、非対称的なマイクロチャネルの複数対にとって特に有用である。ここで、垂直ＭＦＰは、垂直的に減少されたフットプリントを有する（すなわち、関心のある表面上への当該ヘッドの垂直投影が小さくなる）ように、設計されている。このようにすると、当該ヘッドは、対象とする表面の陥凹領域にアクセスすることができる。
次に、図８を参照すると、１つ以上のマイクロチャネル（例えば、浸液マイクロチャネル）を加熱するために、加熱素子０１、４０２を設けることができる。確かに、幾つかの生物学的応用（例えば、細胞の取り扱い）は、制御された温度環境を必要とすることがある。これは浸液によって提供することができる。これを達成するために、電極を形成するための既知のプロセスを使用して、例えば、ＭＦＰヘッドのガラス製カバー層上に、金属電極をパターン化することができる。基板上で浸液を供給する前に、当該浸液を加熱し且つその温度を感知するための熱素子／電極を使用することができる。また、これらの電極は、処理される基板の表面上又はその界面において、ＭＦＰヘッドの電気化学処理を行うために使用することができる。
図９に示すように、２つ以上の浸液マイクロチャネルを考慮することができる。ここでは、追加の浸液マイクロチャネル３２３、３２４は、それぞれのアパーチャ３２１、３２２に隣接する。確かに、幾つかの応用は、処理液を閉じ込めるために、複数の浸液を必要とすることがある。可能なシナリオは、（ａ）処理される基板に対する処理液の侵食性が強い場合、又は（ｂ）医学的応用において、組織の小さな領域に致死率が高い薬剤を投与する場合である。これらのケースでは、複数の浸液で遮蔽することにより、隣接組織の最小露出を保証することを望むであろう。例えば、外側の浸液は、処理液内に存在する非常に反応性が高い化学種を中和する化学薬品を含み、内側の浸液は、当該処理液と当該外側の浸液との間の分離器として作用することができる。このアプローチを使用すると、複数の反応を種々の（液体）界面で行うことができる。
最後に、本明細書に開示する殆どの実施形態は、基層１２０の同じ（例えば、上側）表面上に設けられた浸液マイクロチャネルを有するが、これらの浸液マイクロチャネルは、そのように対称的である必要はない。例えば、浸液マイクロチャネルは、基層１２０の他の表面上に存在する部分を有することができる。一の変形例では、図１０に示すように、浸液マイクロチャネルは、基層１２０の上表面の平面上で機械加工されるのではなく、そのエッジ端で又は依然として当該上表面のエッジに近いところで機械加工される。これは、浸液のフットプリントを最小化する必要のある応用に特に有用である。従って、１つのアプローチは、ヘッドの上表面のエッジに沿ってグルーブ２２３、２２４を作成することにより形成されたマイクロチャネルを使用して、注入／吸引アパーチャ１２１及び１２２の近傍で浸液を供給することである。
前述の実施形態に対する幾つかの変形例は、依然として考慮することができる。例えば、マイクロチャネルの一特性（すなわち、平均断面積）が当該マイクロチャネルに沿って連続的に変わるように、マイクロチャネルを製造することができる。従って、例えば、２つの層１１０、１２０を組み立てた後に、これらの層を単に切断することにより、問題となっている特性を調整することができる。
図１１は、これを概略的に示す。図１１は、実際には、層１１０、１２０のうちの１つの平均平面と平行な、ＭＦＰ層の部分断面図を表す。特に、図１１は、２つのマイクロチャネル１２３、１２４が（断面図で見て）エッジ３１０に向かって広がるにつれて、それらの断面積が減少することを示している。さらに、図１１は、種々の切断用／ダイシング用マーク４１０、４１２、４２０を示す。切断は、例えば、ブレード、ミクロトーム、ダイシング又は切削工具を使用して行うことができる。
従って、エッジ３１０は、任意のマーク４２０及びマーク４１０、４１２の任意の対に沿って切断又は除去することができ、その結果、マイクロチャネルの端部における種々の可能なアパーチャ・サイズが得られる。参照番号１２１'、１２２'は、切断前のアパーチャを表す。
さらに、マイクロチャネル１２３、１２４（及び／又は２２３、２２４）相互間の相対距離は、切断後のアパーチャ相互間の相対距離を簡単に調整することができるように、同様に変えることができる。
一の変形例では、図１２に示すように、２つのマイクロチャネル相互間の最小距離を同じに留めつつ、エッジを切断することにより、アパーチャの寸法だけが変更される。ここで、当該マイクロチャネルの断面の形状は、エッジの切断が主としてアパーチャ・サイズの変更に帰着するも、当該マイクロチャネル相互間の相対距離を実質的に変更しないように設計されている。他の変形例は、アパーチャ相互間の距離だけを調整し、当該アパーチャの寸法を変更しないことから成るであろう。
さらに、図１３に示すように、エッジ３１０のレベルにおいて所望の曲率を与えるように、１対のマイクロチャネルをエングレーブすることができる。ここで、エッジ３１０を切断すると、アパーチャの入射角の変更に帰着するであろう。従って、試料表面に関する流体の入射角を変更することができる。このことは、特に、アパーチャから放出され且つアパーチャによって吸引される液体の運動量に影響を与える。これは、幾つかの応用に有用である。
一般に、１つ以上のマイクロチャネルは、その１つ以上の特性が当該マイクロチャネルに沿って変更されるように、エッジ３１０まで延びて、基層１２０の上表面と平行に製造することができる。前述のように、この特性は、マイクロチャネル相互間の相対距離、当該マイクロチャネルのフレアの向き又はその組み合わせとすることができる。その結果、エッジ３１０を切断すると、ターミナル・アパーチャの特性を調整することが可能となる。
製造上の観点からは、これが有利であるのは、ＭＦＰ層１１０及び１２０のための唯１つの設計テンプレートが、実際にＭＦＰヘッド内のアパーチャの種々の異なる最終構成を得るための基礎となるような場合である。
以上、特定の実施形態を参照して本発明を説明したが、当業者には明らかなように、本発明の範囲から逸脱することなく、種々の変更を行い且つ均等物を置換することができる。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の教示に従った特定の状況又は材料に適応するように多くの変更を施すことができる。従って、本発明は、開示された特定の実施形態に制限されるものではなく、請求項の範囲内に属する全ての実施形態を含むことが意図される。例えば、ポート、ビア、アパーチャなどの対を設ける代わりに、２つ以上のマイクロチャネルに供給するために１つのポート／ビアを設けることができる。一般に、ポート、マイクロチャネルなどの種々の組み合わせを考慮することができる。さらに、「層」という用語が使用されたが、例えば、ＭＦＰ基層は、「平坦」である必要がないことを理解されたい。 例えば、基層は、外周表面上にグルーブされたマイクロチャネルを備える、スティックとすることができるであろう。その場合、マイクロチャネルは、最上部に適用された同心円層で閉じることができるであろう。しかし、基層は、必ずしも第２の層によって閉じる必要はない。
１００・・・マイクロ流体プローブ・ヘッド
１１０・・・カバー層
１１１、１１２・・・ビア
１２０・・・基層
１３０・・・追加の層
１２１、１２２・・・処理液アパーチャ
１２３、１２４・・・処理液マイクロチャネル
１２４、１２４'・・・グルーブ
１８１、１８２・・・管ポート
２２１、２２２、３２１、３２２・・・浸液アパーチャ
２２３、２２４、３２４、４２４・・・浸液マイクロチャネル
３１０・・・エッジ
４０１、４０２・・・加熱素子

Claims (13)

  1. 基層を有するマイクロ流体プローブ・ヘッドであって、
    前記基層の一端面上の処理液アパーチャと流体連結する処理液マイクロチャネルと、
    前記基層の一端面上の浸液アパーチャと流体連結する浸液マイクロチャネルを備え、
    前記マイクロ流体プローブ・ヘッドは、作動中、前記処理液アパーチャから供給される処理液が、前記浸液マイクロチャネルを通して前記浸液アパーチャから供給される浸液と混合することができるように構成される、マイクロ流体プローブ・ヘッド。
  2. 前記処理液マイクロチャネル及び前記浸液マイクロチャネルの各々は、それぞれ、前記基層の上面と平行し、１つ以上の面上で開放されている、請求項１に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  3. 前記処理液マイクロチャネルの少なくとも一部は、前記基層の上面上で開放されているグルーブであり、前記浸液マイクロチャネルの少なくとも一部は、追加の層の下面によって閉じることができるように、前記基層の前記上面上で開放されている、請求項１に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  4. 追加のカバー層をさらに備え、
    前記処理液マイクロチャネル及び前記浸液マイクロチャネルの少なくとも一部は、前記ヘッドの１つの層の下面の一部によって閉じられる、請求項３に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  5. 前記処理液マイクロチャネル及び前記浸液マイクロチャネルの各々は、前記基層の上面と前記基層の一端面上のそれぞれのアパーチャとの間で流体連結を可能にする、請求項４に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  6. 前記カバー層の上面から延びる管ポートをさらに備え、
    前記カバー層は、前記管ポートと前記カバー層の下面との間の流体連結を可能にするビアを有し、前記マイクロ流体プローブ・ヘッドは、前記ビアと１つ以上の前記マイクロチャネルとの間の流体連結を可能にするように構成される、請求項５に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  7. 前記処理液マイクロチャネルの少なくとも一部は、前記処理液アパーチャまで延びるグルーブであり、前記処理液アパーチャは、前記基層の上面のエッジのレベルにおいて前記グルーブの一端に配置される、請求項１ないし請求項６の何れか１項に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  8. 前記処理液マイクロチャネル及び／又は前記浸液マイクロチャネルは、前記マイクロチャネルに沿って特性が連続的に変化するよう構成されている、請求項１ないし請求項７の何れか１項に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  9. １つ以上の前記マイクロチャネルを加熱するのに適した加熱素子をさらに備える、請求項１ないし請求項８の何れか１項に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  10. 前記基層の一端面上の第２の処理液アパーチャと流体連結する第２の処理液マイクロチャネルと、
    前記基層の一端面上の第２の浸液アパーチャと流体連結する第２の浸液マイクロチャネルをさらに備え、
    前記マイクロ流体プローブ・ヘッドは、作動中、前記第２の処理液アパーチャにおいて、前記第２の処理液アパーチャとは別のいずれか１つ以上のアパーチャを通して注入された流体を吸引することを可能にするように構成される、請求項１ないし請求項９の何れか１項に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  11. 前記基層の一端面上の第２の浸液アパーチャとそれぞれ流体連結する第２の浸液マイクロチャネルとをさらに備え、
    前記マイクロ流体プローブ・ヘッドは、作動中、前記浸液アパーチャを通して供給される浸液が、前記第２の浸液アパーチャを通して供給される浸液と混合することができるように構成される、請求項１ないし請求項９の何れか１項に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  12. 前記マイクロ流体プローブ・ヘッドは、前記処理液アパーチャを通して提供され且つ前記浸液アパーチャを通して供給される浸液と混合する処理液が、実質的に層流であるように構成される、請求項１ないし請求項９の何れか１項に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッド。
  13. 前記基層を提供するステップと、
    前記基層内に前記マイクロチャネル及び前記アパーチャを製造するステップと
    を有する、請求項１ないし請求項１２の何れか１項に記載のマイクロ流体プローブ・ヘッドの製造方法。
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