JP6016217B2 - マイクロ流体デバイスおよびマイクロ流体デバイスを作製する方法 - Google Patents
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Description
本発明は、一般にマイクロ流体デバイスおよびマイクロ流体デバイスを作製する方法の分野に関する。詳細には、本発明は、相互接続部が設けられたマイクロ流体デバイスを対象とする。
マイクロフルイディクスは、一般に、液体を汲上げ、抜き取り、混合し、分析し、投与するために用いられる微細加工されたデバイスを指す。このデバイスの際だった特徴は、液体がマイクロメートル長スケールで示す特異な振る舞いに由来する（Brody J P, Yager P, Goldstein R E and Austin R H 1996 Biotechnologyat low Reynolds Numbers Biophys. J. 71 3430-3441、ならびにKnightJ B, Vishwanath A, Brody J P and Austin R H 1998 Hydrodynamic Focusing on aSilicon Chip: Mixing Nanoliter in Microseconds Phys. Rev. Lett. 80 3863-3866参照）。マイクロフルイディクス中の液体の流れは、通常、層流である。マイクロメートル・レンジの横方向寸法を有する構造を作製することによって、１ナノリットルをはるかに下回る容積に達することができる。大きなスケールでは（反応物の拡散によって）制限される反応を加速することができる（Squires T M and Quake S R 2005 Microfluidics: Fluid physics at thenanoliter scale Rev. Mod. Phys. 77 977-1026参照）。最後に、平行な液流が、最大限正確に、再現性よく制御されえて、液体／液体および液体／固体の界面で化学反応を起こし、化学勾配を作ることができる（Kenis P J A, Ismagilov R F and Whitesides G M 1999 MicrofabricationInside Capillaries Using Multiphase Laminar Flow Patterning Science 285 83-85）。したがって、マイクロフルイディクスは、ライフ・サイエンスにおいてさまざまな用途に向けて使用される。
多くのマイクロ流体デバイスは、ユーザ・チップ・インターフェースおよび閉じた流路を有する。閉じた流路によって、リークおよび蒸発に関連する問題を最小限に抑えながら、機能要素（例えば、ヒーター、ミキサー、ポンプ、ＵＶ検出器、バルブなど）を１つのデバイスに集積化することが容易になる。
マイクロ流体デバイス内で処理された液体は、一般に流体の相互接続部を使用して導入される。しかし、そうした相互接続部は、すべての用途には適してない場合がある。
例えば、N. H. Bings et al., Anal.Chem., 71(15), pp 3292-3296, 1999において開発されているような解決策は、ガラスに部分的に開けられた孔およびその孔に挿入された融解石英に依拠する。しかし、得られた相互接続部は、高い機械的ストレスのため明らかに適していない。
別の解決策（例えば、C. Chiou et al., J. Micromech.Microeng. 14 1484, 2004参照）は、テフロン（Ｒ）のケーシングに毛細管を挿入し、次にこのテフロン（Ｒ）のケーシングをドリル孔に固着することから成る。しかし、この解決策は、複雑で高価な組み立てを必要とする。
さらに別の解決策（例えば、A. Puntambekar et al., J.Micromech. Microeng. 12 35, 2002参照）は、ポリマーのフランジ付き挿入物を使用する複合チューブ・ロッキング・システムを使用することである。しかし、この解決策は、複雑な組み立て、複合材料を伴い、高価である。
さらに、上記の解決策のそれぞれは、大きな労力を要する。
完全性を期して、他の解決策が開発されており、例えば、以下を参照されたい。
− D. Sabourin et al., Microfluidics &Nanofluidics, vol. 9, no. 1, pp. 87-93, 2010
− T. Thorsen et al., Science, Vol. 298 no.5593 pp. 580-584, 2002
− C. F. Chen et al., 9(1):50-5, Lab Chip,2009
− D. M. Hartmann et al., Lab on a Chip, 8,609-616, 2008
− D. Sabourin et al., Microfluidics &Nanofluidics, vol. 9, no. 1, pp. 87-93, 2010
− T. Thorsen et al., Science, Vol. 298 no.5593 pp. 580-584, 2002
− C. F. Chen et al., 9(1):50-5, Lab Chip,2009
− D. M. Hartmann et al., Lab on a Chip, 8,609-616, 2008
しかし、こうした解決策は、多くの用途には適さず、複雑すぎるかもしくは特殊すぎて、ガラスおよびシリコンなどのいくつかの材料には適さず、または大きな労力を要するなどである。
最後に、恐らく最も広く使用されている解決策とされるものは、マイクロ流体デバイス上に固着された市販のポート（例えば、Upchurch Scientific参照）に依拠する。例えば、www.idex-hs.com/を参照されたい。しかし、この解決策は、結果として大きな占有面積となり、実質的に無駄な空間を生む。この解決策は、孔の上でポートを位置合わせすることがさらに必要であり、このことは時間がかかり、位置合わせのための器具を必要とする可能性がある。
Brody J P, Yager P, Goldstein R EおよびAustin R H 1996 Biotechnology at low Reynolds Numbers Biophys. J. 713430-3441
Knight J B, Vishwanath A, Brody J Pand Austin R H 1998 Hydrodynamic Focusing on a Silicon Chip: Mixing Nanoliterin Microseconds Phys. Rev. Lett. 80 3863-3866
Squires T M and Quake S R 2005Microfluidics: Fluid physics at the nanoliter scale Rev. Mod. Phys. 77 977-1026
Kenis P J A, Ismagilov R F andWhitesides G M 1999 Microfabrication Inside Capillaries Using MultiphaseLaminar Flow Patterning Science 285 83-85
N. H. Bings et al., Anal.Chem., 71(15), pp 3292-3296, 1999
C. Chiou et al., J. Micromech.Microeng. 14 1484, 2004
A. Puntambekar et al., J.Micromech. Microeng. 12 35, 2002
D. Sabourin et al., Microfluidics& Nanofluidics, vol. 9, no. 1, pp. 87-93, 2010
T. Thorsen et al., Science, Vol.298 no. 5593 pp. 580-584, 2002
C. F. Chen et al., 9(1):50-5, LabChip, 2009
D. M. Hartmann et al., Lab on aChip, 8, 609-616, 2008
様々な用途に適した相互接続部を有するマイクロ流体デバイスを提供する。
第１の態様によると、本発明はマイクロ流体デバイスとして具現化され、マイクロ流体デバイスは、互いに向き合うように組み立てられた第１の層および第２の層と、第２の層内のマイクロチャネルと、テーパ部を有するテーパ付けされた導管とを備え、テーパ部が、マイクロチャネルと導管との間で流体連通が可能になるようにマイクロチャネルの端部のレベルにおいて第１の層内に形成された対応する形状のバイア内に挿入され、組み立てられた第１の層および第２の層を通ってバイア内でブロックされる。
他の実施形態において、前記マイクロ流体デバイスは、以下の特徴のうちの１つまたは複数を備えることができる。すなわち、
− テーパ部は、バイア内でブロックされるように、第２の層の上部表面と接触する下側端部を有する。
− マイクロチャネルの少なくとも一部は、第２の層の上部表面上で開口する溝であり、この溝が第１の層の下部表面の一部によって閉じられ、第１の層の下部表面が第２の層の上部表面と向き合い、導管が、好ましくは第１の層と第２の層との界面に垂直な方向に沿って延在する。
− マイクロチャネルの端部は、テーパ部に向き合う、第２の層内のくぼみであり、このくぼみが、第１の層と第２の層との界面のレベルにおいてテーパ部の内部領域と実質的に同一平面にあるテーパ部の内部領域内に含まれる開放領域を有する。
− デバイスは、くぼみの下部表面からテーパ部へ向かって、好ましくはテーパ部内へ突出する突起部をさらに含み、この突起部が、好ましくはテーパ付けされた、または円錐の形状を有する。
− テーパ部は、６０°〜１２０°の、好ましくは実質的に９０°に等しい平均の開き角度αを呈する。
− 導管内の流体通路方向に沿って測定されるテーパ部の高さは第１の層の厚さと実質的に等しく、この第１の層の厚さが好ましくは０．３ｍｍよりも大きく、より好ましくは実質的に０．５ｍｍに等しい。
− 導管は、単一の本体で、好ましくは化学的に不活性であり、より好ましくはこの単一の本体は、この単一の本体を化学的に不活性にするために薄膜材料で被覆されている。
− デバイスは、テーパ部とそれに対応する形状のバイアとの間の空間内に含まれるエポキシなどの接合手段をさらに備える。
− デバイスは、マイクロチャネルとは実質的に異なる、前記空間と流体連通する接合手段供出チャネルをさらに備える。
− 導管は、テーパ部に加えてパイプをさらに備え、テーパ部が、マイクロチャネルとパイプとの間で流体連通が可能になるように、マイクロチャネルの端部のレベルにおいて第１の層内に形成された対応する形状のバイア内に挿入され、パイプが第１の層から第２の層とは反対側に延在し、好ましくは、パイプの平均外径ｄｐｏが１．６ｍｍ未満、好ましくは１．０ｍｍ未満であり、より好ましくは実質的に０．８ｍｍに等しく、テーパ部の平均外径ｄｍｏが３．０ｍｍ未満、好ましくは２．０ｍｍ未満であり、より好ましくは実質的に１．５ｍｍに等しい。
− 導管は、テーパ部に加えてパイプをさらに備え、テーパ部が、マイクロチャネルとパイプとの間で流体連通が可能になるように、マイクロチャネルの端部のレベルにおいて第１の層内に形成された対応する形状のバイア内に挿入され、パイプが第１の層から第２の層とは反対側に延在し、好ましくは、パイプの平均内径ｄｐｉが０．３〜０．７ｍｍであり、好ましくは実質的に０．５ｍｍに等しく、テーパ部の平均内径ｄｍｉが０．８〜１．６ｍｍであり、好ましくは実質的に１．２ｍｍに等しい。
− デバイスは、互いに向き合う第１の層と第２の層との界面のレベルに各マイクロチャネルが設けられたマイクロチャネルの第１の組と、第１の組のマイクロチャネルとテーパ付けされた導管との間で流体連通が可能になるように、各テーパ付けされた導管が、第１の組のマイクロチャネルの端部のレベルにおいて第１の層内に形成されたそれぞれの対応する形状のバイア内に挿入されたテーパ部を備える、テーパ付けされた導管の第２の組とをさらに備える。
− デバイスは、第２の層とは反対側に、テーパ付けされた導管に挿入されたチューブをさらに備える。
− テーパ部は、バイア内でブロックされるように、第２の層の上部表面と接触する下側端部を有する。
− マイクロチャネルの少なくとも一部は、第２の層の上部表面上で開口する溝であり、この溝が第１の層の下部表面の一部によって閉じられ、第１の層の下部表面が第２の層の上部表面と向き合い、導管が、好ましくは第１の層と第２の層との界面に垂直な方向に沿って延在する。
− マイクロチャネルの端部は、テーパ部に向き合う、第２の層内のくぼみであり、このくぼみが、第１の層と第２の層との界面のレベルにおいてテーパ部の内部領域と実質的に同一平面にあるテーパ部の内部領域内に含まれる開放領域を有する。
− デバイスは、くぼみの下部表面からテーパ部へ向かって、好ましくはテーパ部内へ突出する突起部をさらに含み、この突起部が、好ましくはテーパ付けされた、または円錐の形状を有する。
− テーパ部は、６０°〜１２０°の、好ましくは実質的に９０°に等しい平均の開き角度αを呈する。
− 導管内の流体通路方向に沿って測定されるテーパ部の高さは第１の層の厚さと実質的に等しく、この第１の層の厚さが好ましくは０．３ｍｍよりも大きく、より好ましくは実質的に０．５ｍｍに等しい。
− 導管は、単一の本体で、好ましくは化学的に不活性であり、より好ましくはこの単一の本体は、この単一の本体を化学的に不活性にするために薄膜材料で被覆されている。
− デバイスは、テーパ部とそれに対応する形状のバイアとの間の空間内に含まれるエポキシなどの接合手段をさらに備える。
− デバイスは、マイクロチャネルとは実質的に異なる、前記空間と流体連通する接合手段供出チャネルをさらに備える。
− 導管は、テーパ部に加えてパイプをさらに備え、テーパ部が、マイクロチャネルとパイプとの間で流体連通が可能になるように、マイクロチャネルの端部のレベルにおいて第１の層内に形成された対応する形状のバイア内に挿入され、パイプが第１の層から第２の層とは反対側に延在し、好ましくは、パイプの平均外径ｄｐｏが１．６ｍｍ未満、好ましくは１．０ｍｍ未満であり、より好ましくは実質的に０．８ｍｍに等しく、テーパ部の平均外径ｄｍｏが３．０ｍｍ未満、好ましくは２．０ｍｍ未満であり、より好ましくは実質的に１．５ｍｍに等しい。
− 導管は、テーパ部に加えてパイプをさらに備え、テーパ部が、マイクロチャネルとパイプとの間で流体連通が可能になるように、マイクロチャネルの端部のレベルにおいて第１の層内に形成された対応する形状のバイア内に挿入され、パイプが第１の層から第２の層とは反対側に延在し、好ましくは、パイプの平均内径ｄｐｉが０．３〜０．７ｍｍであり、好ましくは実質的に０．５ｍｍに等しく、テーパ部の平均内径ｄｍｉが０．８〜１．６ｍｍであり、好ましくは実質的に１．２ｍｍに等しい。
− デバイスは、互いに向き合う第１の層と第２の層との界面のレベルに各マイクロチャネルが設けられたマイクロチャネルの第１の組と、第１の組のマイクロチャネルとテーパ付けされた導管との間で流体連通が可能になるように、各テーパ付けされた導管が、第１の組のマイクロチャネルの端部のレベルにおいて第１の層内に形成されたそれぞれの対応する形状のバイア内に挿入されたテーパ部を備える、テーパ付けされた導管の第２の組とをさらに備える。
− デバイスは、第２の層とは反対側に、テーパ付けされた導管に挿入されたチューブをさらに備える。
別の態様によると、本発明は、上記の実施形態のうちの１つによるデバイスを作製する方法として具現化され、この方法は、バイアを備える第１の層、ならびにマイクロチャネルおよび第２の層内で加工されたマイクロチャネルの端部を有する第２の層を設けるステップと、テーパ部が第１の層内に形成された対応する形状のバイアに嵌まるまで、バイアを貫いて導管を挿入するステップと、第１の層と第２の層とを組み立てるステップとを含み、好ましくは、設けるステップの前に、第１の層または第２の層あるいはその両方をパターニングして、前記形状のバイアまたはマイクロチャネルあるいはその両方をそれぞれ得るステップをさらに含む。
ここで本発明を具現化するデバイスおよび方法について、非限定的な例によって、および添付図面を参照して説明する。
以下の説明への導入として、最初にマイクロ流体デバイスを対象とする本発明の一般的な態様に向けて説明する。そうしたデバイスは、互いに向き合う少なくとも２つの層を有し、マイクロチャネルが第２の層内に、例えば２つの層間の界面のレベルにおいて開口する溝として設けられている。テーパ付けされた導管は、マイクロチャネルの端部のレベルにおいて、第１の層内に形成された対応する形状のバイア内に挿入される。必要な場合は、導管の一方の端部は、第１の層から第２の層とは反対側に突出してもよい。テーパ付けされた導管のもう一方の（広い方の）端部は、マイクロチャネルと流体連通が可能になるように配置される。テーパ付けされた導管は、組み立てられた層を通ってバイア内でブロックされる。そうした設計は、機械的に強固で、理想的にリークのない相互接続部を提供し、この相互接続部が、容易に速やかに作製され、その上小さな占有面積を有するように設計されうる。さらに、この設計は、容易に複製されてチップ上にアレイを形成する。
図１および図２は、本発明の実施形態によるマイクロ流体デバイス１００を示す。図１は、デバイスの断面図（デバイスの導管を通って切断された断面）であり、図２は、いくつかの導管を備えるデバイスの（導管の１つを通る断面を有する）斜視図である。
上記のように、デバイス１００は、第１の層１０および第２の層２０を備え、この第２の層が第１の層と向き合う。第１の層が第２の層とどのように固定されるかは、本発明の詳細に関して重要ではない（マイクロ流体デバイスにおける２つの層を固定するためのいくつかの方法が知られている）。１つまたは複数のマイクロチャネル３０が、第２の層内に、例えば第１の層１０と第２の層２０との間の界面１５のレベルにさらに設けられる。図１および２の例において、界面は、実質的には２つの層１０、２０間の境界面に限定されているが、変形形態において、界面は、層１０と層２０との間に設けられた、例えば、２つの層１０、２０を接合するための追加の層として物理的に具現化されてもよい。加えて、１つまたは複数のテーパ付けされた導管が設けられる。図面でわかるように、テーパ付けされた導管５０は、マイクロチャネル３０の端部３５のレベルにおいて、第１の層１０内に形成された対応する形状のバイア１１内に挿入される。導管５０は、界面１５と交差する方向に沿って延在する。添付図面に示す例のそれぞれにおいて、導管は、それぞれ、２つの明確に識別可能な部分であるパイプ部５１およびテーパ部５２を備え、このテーパ部がじょうごの裾広がりの口に似ている。しかし、導管は、（少なくとも一部分が）テーパ付けされているだけでよい。この点において、導管５０の外部包絡面は、テーパ付けされているだけでよい。反対に、内部中空キャビティは、例えば、（一定の断面を有する）円筒形もしくは円錐形などであってもよく、または任意の適切な輪郭を有してもよい。前記部分は、導管を貫いて流体連通を可能にする中空キャビティである。
導管に明確に識別可能なパイプ部５１が設けられている場合、パイプ部５１は、場合により、第１の層１０の上部表面から第２の層２０とは反対側に延在することができ、これによってチューブの挿入が容易になる（また、より薄い層の使用に対しても状況はすべて同じである）。変形形態において、導管の上側縁部は、第１の層１０の上部表面と同じ高さに配置されてもよく、またはこの上部表面に対してわずかにへこんでさえいてもよく、これにより依然チューブの挿入が可能である。しかし、パイプ部が層１０の上部表面から突出している場合は、（より小さな径の）チューブを（より大きな径の）パイプ部に挿入することができ、または（より小さな径の）パイプ部を（より大きな径の）チューブに挿入することができることに留意されたい。
テーパ部の下側端部５３は、導管とマイクロチャネルとの間の流体連通を可能にするように、マイクロチャネルの端部のレベルに配置されている。下側端部５３、すなわち周辺縁部は、テーパ部５２が組み立てられた層１０、２０を通ってバイア１１内で（少なくとも部分的に）ブロックされるように、例えば層２０の上部表面上に載っており、したがって導管をかみ合わせた構成が得られる。変形形態において（図示せず）、この下側端部は、対応する形状の凹部に配置されてもよい。いずれの場合も、この下側端部は、導管がバイア内でブロックされるように、層２０の上部表面と接触する。他の変形形態において（図示せず）、導管をブロックするために、追加の層または接合手段がバイア内に設けられてもよい。すべての場合において、導管をブロックするために、層１０、２０の適切な組み立てが使用される。テーパ付けされた導管５０が対応するバイア１１内に容易に挿入され、これによりデバイスの作製が著しく簡単になることを理解することができる。その簡単さにもかかわらず、テーパ付けされた導管は、結果として機械的に強固な相互接続部となる。
また、図２に示すように、図１に示すものと同じ設計を複製して、同一チップ上に複数の相互接続部を作ることができる。その場合、デバイス１００は、典型的には互いに類似する１組のマイクロチャネル３０、およびそれぞれが第１の層を貫いて挿入される１組の導管５０を備える。各導管は、それぞれのマイクロチャネルと流体連通を可能にするように配置される。しかし、２つの導管を同じマイクロチャネルなどに接続することができる。加えて、マイクロチャネルは、表面処理応用を可能にするために、さまざまな設計を有してもよく、例えば、層２０を横断してもよく、または界面１５のレベルにおいて溝として設けられてもよく、場合により第２の層２０を貫いて設けられた横断する開口に接続してもよい。したがって多くの変形形態を考えることができる。
図示した導管の例にもかかわらず、導管は、さまざまな可能性のある形状を有してもよいことがわかる。上記のように、導管の本体の外部包絡面は、少なくとも一部分テーパ付けされている。したがって、導管は、添付図面のように、明確に識別可能な部分５１、５２を呈することができる。それでも、導管は、例えば単一の連続的にテーパ付けされた中空体であってもよい。どんな形状であっても、広い方の部分（裾広がりの口）を適切に成形されたバイア１１を通って挿入させることができれば都合がよい。また、広い方の部分を挿入し、狭い方の部分が層１０の上部表面から出ることができるようにする任意の形状を同様に考えることができる。それにもかかわらず、いずれのそうした導管も広い方の部分（口）および狭い方の部分を備えるとして説明されうる。本明細書では、および例示のために、以降、導管５０は、パイプ部５１およびテーパ部５２を備え、パイプ５１が必ずしも円筒形ではないが、テーパ部５２よりも狭いと考えるものとする。
図１に示すように、テーパ部は、好ましくは６０°〜１２０°の（平均）開き角度αを呈し、この角度が実際上ほとんどの用途に適し、必要な強固さを提供することがわかった。この角度は、好ましくは９０°（または実質的にこの値、すなわちこの値±１０％）に設定され、これによって特に層１０が小さな厚さを有している場合に、強固さを最大にすることができる。導管が２つの明確に識別可能な部分、すなわち円筒形パイプ５１および円錐形の部分５２からなる場合、外角βは、１５０°〜１８０°、好ましくは１３５°である。
この点に関して、テーパ部５２の（垂直）高さ、すなわち流体通路方向に沿って測定される高さは、第１の層１０の厚さと実質的に等しい。多くの適切な材料に対して、０．３ｍｍの厚さですでに十分な強固さを達成することができる。典型的には、この厚さは、実質的に０．５ｍｍに等しい（または、それよりも大きい）。また、パイプの最小の（平均）外径ｄｐｏは、ほとんどのマイクロ流体用途において、典型的には１．６ｍｍ未満である。特定の用途では、この最小の（平均）外径ｄｐｏが１．０ｍｍ未満であり、より好ましくは実質的に０．８ｍｍに等しいことが必要である。また、テーパ部の平均の最大の外径ｄｍｏは、典型的には３．０ｍｍ未満、好ましくは２．０ｍｍ未満であり、より好ましくは実質的に１．５ｍｍに等しい。外径ｄｍｏが小さくなればなるほど、相互接続部アレイの密度が高くなる（または、より一般には必要なチップ面積がより小さくなる）。次に、パイプ部５１に対する平均内径ｄｐｉは、０．３ｍｍ〜０．７ｍｍである。それにもかかわらず、０．５ｍｍ（±１０％）の値が実際上最適であるとわかった。同様に、テーパ部５２の適切な平均内径ｄｍｉは、０．８〜１．６ｍｍの間に含まれ、好ましくは１．２ｍｍに等しい。最後に、突出するパイプ部を有することは、必須ではなく、その結果テーパ付けされた導管が、例えば導管のテーパ部５２だけに限られてもよく、パイプ部に対して上で示した寸法が、実際、テーパ部５２の上側部分に同様に適用されてもよい。また、上で示した径の例は、「平均の」径であり、すなわち、対応する断面は円形である必要はないことに留意されたい。例えば、特にそれぞれのバイア内に挿入した後に回転を避けたい場合、テーパ部を、正方形、六角形などにするのが有利である。同様に、パイプは、円筒形である必要はない。その場合、「平均の」径は、実際のパイプまたはテーパ部の実際の断面積と同じ面積を有する円板に対応するその径である。
実施形態において、導管は、化学的に不活性にされる。導管は、典型的には単一の本体からなり、この本体が、この本体を化学的に不活性にするために好ましくは薄膜材料で被覆される。単一の本体は、好ましくは以下の材料、すなわち、ステンレス鋼もしくは黄銅などの導電性材料、ポリマー、ガラス、または融解石英のうちの１つを含む。本体は、（例えば、本体を化学的に不活性にするために）フッ化材料の薄膜で被覆されてもよい。流体の相互接続部に加えて、本体は、すなわち、導電性材料を本体に対して使用する場合、電極として使用されうる。さらに、導管本体は、銅被覆、金被覆などされてもよく、他の例が後で示される。
マイクロチャネル３０の少なくとも一部は、第２の層２０の上部表面上で開口する溝３０として設けられるのが好ましい（図２も参照）。この溝３０は、例えば、第２の層２０の上部表面と向かい合う表面である第１の層１０の下部表面の一部によって閉じられる。そうしたマイクロチャネルは、後で論じるように容易に加工される。しかし、上記のように、マイクロチャネルは、さまざまな構成を有することができる。好ましくは、および図１または２に示すように、導管５０は、横断して、すなわち界面１５に垂直な方向に沿って配置される。必要とされる相互接続部のタイプに応じて、任意の（縮退してない）角度が考えられてもよいのは明らかである。しかし、横断する構成は、加工するのがより簡単で、より強固である。
この点に関して、陽極接合したガラスおよびシリコンを備え、単一の錫被覆された黄銅導管をかみ合わせたデバイスを用いてテストを行った。３．１ｋｇの負荷のかけることによって、得られた相互接続部の強度をチェックした。テストは、１時間行われ、マイクロ流体デバイスまたは相互接続部の顕著な劣化はなかった。完全性を期して、デバイス／界面は、過度に大きな荷重（＞５ｋｇ）をかけることによって破損することを示した。すなわち、導管の近傍のガラスは、破損したが、相互接続部は、無傷のままであった。
実施形態において、マイクロチャネル３０の端部３５は、第２の層２０内のくぼみ３５として成形される。このくぼみ３５は、マイクロチャネルの部分３０と同様に、第２の層２０の上部表面上で開口することができる。くぼみ３５は、テーパ部５２と向き合い、くぼみ３５の上部（中空）領域は、界面１５のレベルにおいてテーパ部５２の内部領域内に含まれる（または、せいぜい内接する）。図２の例において、テーパ部５２の内部領域は、周辺縁部５３によって境界が定められている。
ここで、テストにより、図２に示すような幾何学形状において、領域３５が、一部の用途において望ましくない無駄な空間を生成する可能性があり、泡が形成される場合があることが明らかとなった。したがって、図３および４に示すような実施形態において、デバイス１００は、突起部６０および６２をさらに備えることができる。それぞれ、側部（断面）図は、平面ＡＡから見たときの下面（断面）図によって補足されている。この突起部は、くぼみ３５の下部表面からテーパ部５２へ突出する、例えば、円筒形状（例えば、円筒形ポスト）、またはテーパ付けされたもしくは円錐の形状（円錐形ポスト）を有することができる。図４でわかるように、突起部は、テーパ部５２内の中空（内部）空間が突起部６２の上方部６３を覆うように、テーパ部５２内の中空（内部）空間にさらに突出してもよい。面外に突出するそうした追加の構造は、無駄な空間を減少させ、したがって気泡形成の危険性を低減する。その目的に対して、追加の突起部は、好ましくはくぼみ３５内の中心に置かれ、テーパ部の中空キャビティ内に同心円状に突出し、その結果、流体が循環することが可能な、突起部のまわりのくぼみ３５内の中空空間が低減されることになる。ここで、所望の用途および適用される条件（流体圧力、速度、粘性など）に応じて、無駄な空間を低減し、流体の混合を増加／減少させ、乱流を生成し、または気泡の形成を低減／増加させ、あるいはそれらすべてを行うなどのために、他の面外に突出する特有の幾何学形状を設計することができる。
次に、上記の実施形態によるデバイスを作製する一部の方法について、図５を参照して論じることとする。基本的に、作製は、以下のステップを含む。すなわち、
− Ｓ１〜Ｓ３：第１の層１０にバイア１１を設ける。
− Ｓ５：テーパ部が対応する形状のバイアに嵌まるまで、バイア１１を貫いて導管５０を挿入する。
− Ｓ９：例えば、陽極接合を使用して、第１の層と第２の層とを組み立てる。例えば、基板を４５０°Ｃに加熱しながら、電極に１２００ボルトを約３０分間印加することによってエッチングされたガラス層１０をシリコン層２０と接合する。
− Ｓ１〜Ｓ３：第１の層１０にバイア１１を設ける。
− Ｓ５：テーパ部が対応する形状のバイアに嵌まるまで、バイア１１を貫いて導管５０を挿入する。
− Ｓ９：例えば、陽極接合を使用して、第１の層と第２の層とを組み立てる。例えば、基板を４５０°Ｃに加熱しながら、電極に１２００ボルトを約３０分間印加することによってエッチングされたガラス層１０をシリコン層２０と接合する。
もちろん、上記のステップは、層１０および２０がすでに加工されている、すなわち、例えば、ウェットエッチングまたはフォトリソグラフィ法を使用してそれぞれのパターニング・ステップを経ているものと仮定している。
例えば、図５に示すように、フォトレジスト層１２、２２で各層１０、２０を被覆することができる（それぞれ、ステップＳ１およびＳ６）。次いで、ステップＳ２およびＳ７に示すように、フォトリソグラフィに続いて層１０内のバイアを得るためのウェットエッチングを行い、層２０内のチャネルを微細加工するための深掘り反応性イオン・エッチングを行うことによって所望のパターンが得られる。したがって、適切に加工された層１０、２０が得られ（それぞれ、ステップＳ３およびＳ８）、組み立ての準備が整う。次いで、両方の層が導管と、例えば陽極接合されて組み立てられる（導管はステップＳ５で事前組み立てされている）。上記のように、必要ならば、中間の接合層が含まれてもよい（図示せず）。
本設計および作製方法が高密度の相互接続部を有するマイクロ流体デバイスを大量作製するのに適していることに留意されたい。この点に関して、貫通するバイア１１を、同時にエッチングすることができる。例えば、狭いパイプ部５１において０．８ｍｍ、および広い方の部分５２において約１．５ｍｍの外径を有する導管を考えると、１ｃｍ２のマイクロ流体デバイス内に５０個の相互接続部を嵌め込むことができる。
次に、作製時に必要な公差のために、図６のステップＳ１０に示すように、テーパ部５２の外側包絡面とバイア１１との間で一部の空間が空のままになることがある。それにもかかわらず、図６〜８に示すように、空間１２において接合手段２（エポキシなどの接着剤または固着剤）をさらに施すことによって、この部分でリークのない相互接続部を得ることができる。
図６において、接着剤は、単純に層１０の上部表面から施され（ステップＳ２０）、この接着剤が、ギャップ１２に滲み出して充填し（ステップＳ３０）、確実に界面のリークがないようにする。
（断面ＢＢから見た）下面図によって補足された３つの側部（断面）図を示す図７においてさらに例示するように、多少より複雑な設計に依拠にすることができる。ここで、デバイス１００は、ギャップ１２と流体連通している接合手段供出チャネル７０をさらに含む。この供出チャネルは、この場合のマイクロチャネル３０とは実質的に異なる。このようにして、供出チャネルは、確実に接着剤がマイクロ流体チャネル内に滲み出さないようにする。この目的に向けて、供出チャネルは、図７に示すように、層を組み立てるときに層２０によって閉じられる層１０の下部表面内の溝として設けられるのが有利である。結果として、供出チャネルの方向は、導管の主軸に垂直であり、供出チャネルは、実質的にテーパ部５２の外側縁部５３と同一平面内にある。供出チャネルの出口は、空間１２に通じる。また、バイアとテーパ部との間およびテーパ部の周り一面、空間（公差）が空のままならば、供出チャネルによって、確実に相互接続部の周りに接着剤を均一に施すことができる。下面図を参照されたい。
図８（層１０の下面図のみ）において、多数の相互接続部に確実に接着剤を迅速および均一に供出する供出チャネル・ネットワークが設けられた実施形態が開示されている。要するに、図示するように、ネットワークは、いくつかの供出チャネル７０が同じ入口ポート７１から分岐して、いくつかの接合部７２を発生させるように構成される。所望の接着性、導管の表面密度などに応じて、例えば、いくつかの入口ポートを有する他のタイプの供出チャネル・ネットワークを考えることができる。
ここで、好ましい実施形態に対応するより詳細な仕様を示すこととする。
導管に対する好ましい材料は、
− 錫被覆された、金被覆された、銅被覆された黄銅、
− ステンレス鋼、ポリマー、押し出し法で注入されたプラスチック・モールド、
− ガラス、
− 融解石英
である。
導管に対する好ましい寸法は、
− パイプ部の内径ｄｐｉが０．５ｍｍ、
− パイプ部の外径ｄｐｏが０．８ｍｍ、
− （パイプおよびテーパ部を含む）導管の全長が０．５〜５ｍｍ、
− 「テーパ付けされた」部分の長さが０．５ｍｍ（実施形態において、導管がテーパ部だけに限られてもよいことに留意されたい）、
− テーパ（開き）角度αが９０°（β＝１３５°）、
− テーパ部の径ｄｍｉが１．２ｍｍ（ｄｍｏ＝１．５ｍｍ）
である。
層１０、２０に対する好ましい材料は、
− ガラス（例えば、ボロフロート（ｂｏｒｏｆｌｏａｔ）ＢＦ３３（Ｒ）、Ｓｃｈｏｔｔ ＡＧ、ドイツ）、
− シリコン、
− 硬質プラスチック／ポリマー、
− 金属、または
− セラミックス
である（必要な場合は、１つの層内にいくつかの材料が含まれてもよいことに留意されたい）。
第１の層（層１０）に対する好ましい寸法は、
− 厚さが０．５ｍｍ、
− 占有面積（チップの面積）が１つの導管当たり少なくとも４ｍｍ２（導管／層の実際の寸法／材料に依存する）、
− 接着剤の供出チャネルは、深さが１０〜１５０μｍ、幅がｄｍｉよりも小さく、例えば０．８ｍｍ
である。
第２の層（層２０）に対する好ましい寸法は、
− 厚さが０．５ｍｍ、
− 占有面積（チップの面積）が１つの導管当たり少なくとも４ｍｍ２、
− マイクロ流体チャネルは、深さが１０〜１５０μｍ、幅がｄｍｉよりも小さく、例えば０．８ｍｍ
である。
導管に対する好ましい材料は、
− 錫被覆された、金被覆された、銅被覆された黄銅、
− ステンレス鋼、ポリマー、押し出し法で注入されたプラスチック・モールド、
− ガラス、
− 融解石英
である。
導管に対する好ましい寸法は、
− パイプ部の内径ｄｐｉが０．５ｍｍ、
− パイプ部の外径ｄｐｏが０．８ｍｍ、
− （パイプおよびテーパ部を含む）導管の全長が０．５〜５ｍｍ、
− 「テーパ付けされた」部分の長さが０．５ｍｍ（実施形態において、導管がテーパ部だけに限られてもよいことに留意されたい）、
− テーパ（開き）角度αが９０°（β＝１３５°）、
− テーパ部の径ｄｍｉが１．２ｍｍ（ｄｍｏ＝１．５ｍｍ）
である。
層１０、２０に対する好ましい材料は、
− ガラス（例えば、ボロフロート（ｂｏｒｏｆｌｏａｔ）ＢＦ３３（Ｒ）、Ｓｃｈｏｔｔ ＡＧ、ドイツ）、
− シリコン、
− 硬質プラスチック／ポリマー、
− 金属、または
− セラミックス
である（必要な場合は、１つの層内にいくつかの材料が含まれてもよいことに留意されたい）。
第１の層（層１０）に対する好ましい寸法は、
− 厚さが０．５ｍｍ、
− 占有面積（チップの面積）が１つの導管当たり少なくとも４ｍｍ２（導管／層の実際の寸法／材料に依存する）、
− 接着剤の供出チャネルは、深さが１０〜１５０μｍ、幅がｄｍｉよりも小さく、例えば０．８ｍｍ
である。
第２の層（層２０）に対する好ましい寸法は、
− 厚さが０．５ｍｍ、
− 占有面積（チップの面積）が１つの導管当たり少なくとも４ｍｍ２、
− マイクロ流体チャネルは、深さが１０〜１５０μｍ、幅がｄｍｉよりも小さく、例えば０．８ｍｍ
である。
本発明は、ある特定の実施形態に関して説明したが、本発明の範囲から逸脱せずに、さまざまな変更を行うことができ均等物に置き換えることができることを当業者は理解されるであろう。加えて、本発明の範囲から逸脱せずに、特定の状況または材料を本発明の教示に適合させるように、多くの改変を行うことができる。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲内にある実施形態をすべて含むことが意図されている。例えば、本デバイスは、重畳された層１０、２０のそれぞれを貫いて反対方向または同一方向に挿入され、隣接するマイクロチャネルに接続されうる導管を用いて具現化されてもよい。導管に連結するマイクロチャネルのいくつかの設計を考えることができる。３つ以上の層などの間で流体連通を可能にするように、導管が２つ以上の層を貫いて挿入され、いくつかの界面でマイクロチャネルの溝が彫られた、層１０、２０と類似したいくつかの重畳された層を作製することができる。１対の層１０、２０間などに界面層をやはり設けることができる。
Claims (15)
- 互いに向き合うように組み立てられた第１の層および第２の層と、
前記第２の層内のマイクロチャネルと、
テーパ部を有するテーパ付けされた導管と
を備え、
前記テーパ部が、
前記マイクロチャネルと前記導管との間で流体連通が可能になるように前記マイクロチャネルの端部のレベルにおいて前記第１の層内に形成された対応する形状のバイア内に挿入され、
前記組み立てられた第１の層および第２の層によって前記バイア内でブロックされ、
前記テーパ部と前記対応する形状のバイアとの間の空間内を充填する接合手段と、
前記空間と流体連通し、前記マイクロチャネルとは異なる、前記接合手段を前記空間に供出するためのチャネルと
をさらに備える、マイクロ流体デバイス。 - 前記テーパ部が前記バイア内でブロックされるように、前記テーパ部が前記第２の層の上部表面と接触する下側端部を有する、請求項１に記載のデバイス。
- 前記マイクロチャネルの少なくとも一部が、前記第２の層の上部表面上で開口する溝であり、前記溝が前記第１の層の下部表面の一部によって閉じられ、前記第１の層の前記下部表面が前記第２の層の前記上部表面と向き合い、前記導管が、前記第１の層と前記第２の層との界面に垂直な方向に沿って延在する、請求項１に記載のデバイス。
- 前記マイクロチャネルの前記端部が、前記テーパ部に向き合う、前記第２の層内のくぼみであり、前記くぼみが、前記第１の層と前記第２の層との界面のレベルにおいて前記テーパ部の内部領域と実質的に同一平面にある前記テーパ部の内部領域内に含まれる開放領域を有する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記くぼみの下部表面から前記テーパ部へ向かって突出する突起部をさらに含み、前記突起部が、テーパ付けされた、または円錐の形状を有する、請求項４に記載のデバイス。
- 前記テーパ部が、６０°〜１２０°の平均の開き角度αを呈する、請求項１ないし５のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記導管内の流体通路方向に沿って測定される前記テーパ部の高さが前記第１の層の厚さに実質的に等しく、前記第１の層の厚さが０．３ｍｍよりも大きい、請求項１ないし６のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記導管が、単一の本体を含み、前記単一の本体が前記単一の本体を化学的に不活性にするための薄膜材料で被覆されている、請求項１ないし７のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記接合手段は、エポキシである、請求項１ないし８のいずれか一項に記載のデバイス。
- 前記導管が前記テーパ部に加えてパイプをさらに備え、前記テーパ部が、前記マイクロチャネルと前記パイプとの間で流体連通が可能になるように、前記マイクロチャネルの前記端部の前記レベルにおいて前記第１の層内に形成された前記対応する形状のバイア内に挿入され、前記パイプが前記第１の層から前記第２の層とは反対側に延在し、
前記パイプの平均外径ｄｐｏが１．６ｍｍ未満であり、前記テーパ部の平均外径ｄｍｏが３．０ｍｍ未満である、請求項１ないし９のいずれか一項に記載のデバイス。 - 前記導管が前記テーパ部に加えてパイプをさらに備え、前記テーパ部が、前記マイクロチャネルと前記パイプとの間で流体連通が可能になるように、前記マイクロチャネルの前記端部の前記レベルにおいて前記第１の層内に形成された前記対応する形状のバイア内に挿入され、前記パイプが前記第１の層から前記第２の層とは反対側に延在し、
前記パイプの平均内径ｄｐｉが０．３〜０．７ｍｍであり、前記テーパ部の平均内径ｄｍｉが０．８〜１．６ｍｍである、請求項１ないし１０のいずれか一項に記載のデバイス。 - 互いに向き合う第１の層と第２の層との界面のレベルに各マイクロチャネルが設けられたマイクロチャネルの第１の組と、
前記第１の組のマイクロチャネルとテーパ付けされた導管との間で流体連通が可能になるように、各テーパ付けされた導管が、前記第１の組のマイクロチャネルの端部のレベルにおいて第１の層内に形成されたそれぞれの対応する形状のバイア内に挿入されたテーパ部を備える、テーパ付けされた導管の第２の組と
を備える、請求項１ないし１１のいずれか一項に記載のデバイス。 - 前記第２の層とは反対側に、テーパ付けされた導管に挿入されたチューブをさらに備える、請求項１ないし１２のいずれか一項に記載のデバイス。
- 互いに向き合うように組み立てられた第１の層および第２の層と、
前記第２の層内のマイクロチャネルと、
テーパ部を有するテーパ付けされた導管と
を備え、
前記テーパ部が、
前記マイクロチャネルと前記導管との間で流体連通が可能になるように前記マイクロチャネルの端部のレベルにおいて前記第１の層内に形成された対応する形状のバイア内に挿入され、
前記組み立てられた第１の層および第２の層によって前記バイア内でブロックされ、
前記マイクロチャネルの前記端部が、前記テーパ部に向き合う、前記第２の層内のくぼみであり、前記くぼみが、前記第１の層と前記第２の層との界面のレベルにおいて前記テーパ部の内部領域と実質的に同一平面にある前記テーパ部の内部領域内に含まれる開放領域を有し、前記くぼみの下部表面から前記テーパ部へ向かって突出する突起部をさらに含み、前記突起部が、テーパ付けされた、または円錐の形状を有する、マイクロ流体デバイス。 - バイアを備える第１の層、ならびにマイクロチャネルおよび第２の層内で加工された前記マイクロチャネルの端部を有する前記第２の層を設けるステップと、
テーパ部が前記第１の層内に形成された対応する形状のバイアに嵌まるまで、前記バイアを貫いて導管を挿入するステップと、
前記第１の層と前記第２の層とを組み立てるステップと
を含み、
前記設けるステップの前に、前記第１の層または前記第２の層あるいはその両方をパターニングして、前記形状のバイアまたは前記マイクロチャネルあるいはその両方をそれぞれ得るステップをさらに含む、請求項１ないし１４のいずれか一項に記載のマイクロ流体デバイスを作製する方法。
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