JP6629227B2 - 真空および機械的力の順次印加による剛性基板の積層のための方法および装置 - Google Patents

Description

（分野）
本発明の実施形態は、概して、剛性基板の積層のための方法および装置に関し、より具体的には、積層されたマイクロ流体デバイスを加工するための方法および装置に関する。

（背景）
微小体積の生物学的および化学的流体を操作する技術は、広く、マイクロフルイディクスと称される。マイクロフルイディクスの実現および潜在的用途として、疾患診断、生命科学研究、生物学的および／または化学的センサの開発、ならびに当業者によって理解されるその他が挙げられる。

１つまたは複数のマイクロ流体チャネルもしくは経路を有する基板と、流体路を伴うカバープレートまたは第２もしくは複数の基板とを含むマイクロ流体構造は、一般に、マイクロ流体チップまたはカートリッジと称され得、その流体路は、相互接続されてもよく、または相互接続されなくてもよい。高度に統合されたマイクロ流体チップは、時として、「ラボオンチップ」と呼ばれる。

マイクロ流体構造またはデバイスは、一般に、ポリマー「プラスチック」材料から作製される。ポリマーマイクロ流体構造は、有利な低材料コストおよび大量生産の潜在性を有する。しかしながら、ポリマーマイクロ流体チップの加工は、種々の課題を呈する。例えば、マイクロ流体チップは、密閉されたマイクロ構造を含み得る。これらは、事前に加工された流体路または他のマイクロ特徴を有する基板を薄いカバープレートまたは１つもしくは複数の付加的基板で封入し、３次元流体ネットワークを形成することによって、形成されることができる。経路または他のマイクロ構造は、数マイクロメートルから数ミリメートルの範囲内の典型的寸法を有する。このマルチレイヤマイクロ流体構造は、種々の従来の技法によって、ともに統合または継合される。これらの技法は、熱、超音波、および溶媒接合を含む。残念ながら、これらの技法は、例えば、前述の接合条件下におけるポリマー材料の低次元剛性に起因して、多くの場合、噛合される表面を変化させ、歪曲または完全に遮断されたマイクロ流体経路をもたらす。

接着剤積層の使用は、過剰な熱エネルギーまたは強力な有機溶媒の使用を回避することによって、これらの潜在的難点のうちのいくつかを避け得る。従来の積層システムは、対向する円筒形ローラを採用する。積層のための基板材料は、２つの可動ローラ間の間隙を通して給送され、２つの可動ローラは、積重された材料がシステムを通過するにつれて、圧力を積重された材料の前縁に印加し、それらをともに接合する。本プロセスは、積層された製品に最小の変形をもたらしながら、気泡の取り込みを伴わずに、可撓性フィルムを基板に接合するための効果的手段である。しかしながら、ローラベースのシステムの湾曲表面は、剛性基板の積層のために最適ではない。例えば、そのような基板は、統合されたマイクロ流体特徴の完全性を確実にするために重要な精密な基板位置合わせを維持する態様で、可動ローラを通して給送するために要求される可撓性を欠いている場合がある。

剛性基板の積層のための代替システムおよび方法として、平面プレスまたは「ヒンジ」システムが挙げられ、平面プレスまたは「ヒンジ」システムにおいて、基板が、積層力の印加に先立って、上側プラットフォームと下側プラットフォームと間に積重または「挟入」される。マイクロ流体デバイスの加工の際の本アプローチの想定される短所の１つは、気泡または隙間等、最終製品に変形をもたらす、積層中の積重された基板間への空気の取り込みである。そのような変形は、特に、流体チャネルまたは光学ディスプレイ窓等の特徴内に生じるとき、積層されたマイクロ流体デバイスの機能を有意に損なわせる場合がある。故に、本発明の実施形態は、現在の技術状態のこれらの認識される欠点に対処し、当業者が理解するようなさらなる利益および利点を提供する、剛性構造の積層のための方法および装置を対象とする。

（簡単な概要）
本発明は、真空および機械的力の順次印加による、基板の積層のための方法および装置を提供する。本方法および装置の利点として、空気ポケットまたは隙間が実質的にない、剛性の積層された製品を製造することが挙げられる。

一側面では、本方法は、剛性基板部材の積重を積層装置のベース部分上に提供するステップと、第１の力を積層装置のカバー部分に提供することにより、カバー部分をベース部分上のガスケットと密着接触させ、ベース部分とカバー部分との間に密閉されたチャンバを作り出すステップと、真空を密閉されたチャンバに印加することにより、空気をチャンバから取り除くステップと、第２の力を装置のカバー部分に提供することにより、ガスケットおよび基板の積重を圧縮し、気泡または隙間が実質的にない積層された製品を生成するステップとを伴う。

一実施形態では、第１の力は、長ストロークシリンダによって提供され、第２の力は、短ストロークシリンダによって提供される。代替実施形態では、第１の力および第２の力は、同一のシリンダによって提供される。さらに別の実施形態では、本方法はさらに、抵抗力を第１の力に提供するステップを含んでもよく、抵抗力は、真空を密閉されたチャンバに印加するステップの前に、ガスケットの圧縮を防止する。ある実施形態では、抵抗力は、ばねによって提供される。

他の実施形態では、剛性基板部材は、実質的に平坦であり、ポリマー材料であってもよい。さらに別の実施形態では、剛性基板部材は、マイクロ流体デバイスの層であり、さらに、接着剤層であり得る少なくとも１つの可撓性層を含んでもよい。

さらに他の実施形態では、本方法はまた、熱を密閉されたチャンバに印加するステップを含んでもよい。

本発明の別の実施形態は、剛性基板部材を積層するための装置を対象とし、本装置は、剛性基板の積重を支持するように構成されたベース部分であって、圧縮可能ガスケットと、少なくとも１つの整合ピンとを含むベース部分と、剛性基板部材の積重を封入する密閉されたチャンバを形成するために圧縮可能ガスケットに密着接触するように構成されたカバー部分と、カバー部分まで拡張し、第１の力を印加することにより、カバー部分を整合ピンおよびベース部分のガスケットと接触させ、密閉されたチャンバを形成するように構成された少なくとも１つのストローク生成シリンダと、真空源への取付のために構成された真空ポートとを含む。

ある実施形態では、本装置はさらに、密閉されたチャンバまで拡張し、第２の力を提供することにより、ガスケットおよび剛性基板の積重を圧縮し、積層された製品を生成するように構成された第２のストローク生成シリンダを含む。代替実施形態では、本装置は、抵抗力をストローク生成シリンダに提供するように構成された少なくとも１つのばねを含み、ストローク生成シリンダはさらに、密閉されたチャンバの形成後、抵抗力を克服し、ガスケットおよび剛性基板の積重を圧縮し、積層された製品を生成するように構成されてもよい。

さらに別の実施形態では、本装置はさらに、熱源を含んでもよい。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
剛性基板部材の積層を製造する方法であって、前記方法は、
ａ）剛性基板部材の積重を積層装置のベース部分上に提供することと、
ｂ）第１の力を前記積層装置のカバー部分に提供することにより、前記カバー部分を前記ベース部分上のガスケットと密着接触させ、前記ベース部分と前記カバー部分との間に密閉されたチャンバを作り出すことと、
ｃ）真空を前記密閉されたチャンバに印加することにより、空気を前記チャンバから取り除くことと、
ｄ）第２の力を前記装置の前記カバー部分に提供することにより、前記ガスケットおよび基板の積重を圧縮し、気泡または隙間が実質的にない積層された製品を生成することと
を含む、方法。
（項目２）
前記第１の力は、長ストロークシリンダによって提供され、前記第２の力は、短ストロークシリンダによって提供される、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記第１の力および前記第２の力は、同一のシリンダによって提供される、項目１に記載の方法。
（項目４）
抵抗力を前記第１の力に提供するステップをさらに含み、前記抵抗力は、前記真空を前記密閉されたチャンバに印加するステップの前に前記ガスケットの圧縮を防止する、項目３に記載の方法。
（項目５）
前記抵抗力は、ばねによって提供される、項目４に記載の方法。
（項目６）
前記剛性基板部材は、実質的に平坦である、項目１に記載の方法。
（項目７）
前記剛性基板部材は、ポリマー材料を備える、項目１に記載の方法。
（項目８）
前記剛性基板部材は、マイクロ流体デバイスの層を備える、項目１に記載の方法。
（項目９）
前記マイクロ流体デバイスの層はさらに、少なくとも１つの可撓性層を備える、項目８に記載の方法。
（項目１０）
前記少なくとも１つの可撓性層は、接着剤層を備える、項目９に記載の方法。
（項目１１）
熱を前記密閉されたチャンバに印加するステップをさらに含む、項目１に記載の方法。
（項目１２）
剛性基板部材を積層するための装置であって、前記装置は、
ａ）剛性基板の積重を支持するように構成されたベース部分であって、前記ベース部分は、圧縮可能ガスケットと、少なくとも１つの整合ピンとを備える、ベース部分と、
ｂ）前記剛性基板部材の積重を封入する密閉されたチャンバを形成するために、前記圧縮可能ガスケットに密着接触するように構成されたカバー部分と、
ｃ）前記カバー部分まで拡張し、第１の力を印加することにより、前記カバー部分を前記整合ピンおよび前記ベース部分のガスケットと接触させ、前記密閉されたチャンバを形成するように構成された少なくとも１つのストローク生成シリンダと、
ｄ）真空源への取付のために構成された真空ポートと
を備える、装置。
（項目１３）
前記密閉されたチャンバまで拡張し、第２の力を提供することにより、前記ガスケットおよび剛性基板の積重を圧縮し、積層された製品を生成するように構成された第２のストローク生成シリンダをさらに備える、項目１２に記載の装置。
（項目１４）
抵抗力を前記ストローク生成シリンダに提供するように構成された少なくとも１つのばねをさらに備える、項目１２に記載の装置。
（項目１５）
前記ストローク生成シリンダは、前記密閉されたチャンバの形成後、前記抵抗力を克服し、前記ガスケットおよび剛性基板の積重を圧縮することにより、積層された製品を生成するように構成されている、項目１４に記載の装置。
（項目１６）
熱源をさらに備える、項目１２に記載の装置。

図１Ａは、シリンダが引き込められた装填位置における、本発明の積層装置の一実施形態の切断図である。 図１Ｂは、長ストロークシリンダが整合ピンおよびガスケットに向かって拡張している、本発明の積層装置の一実施形態の拡大図である。 図２Ａは、長ストロークシリンダがガスケットまで拡張されている、本発明の積層装置の一実施形態の切断図である。 図２Ｂは、長ストロークシリンダがガスケットまで拡張され、密閉されたチャンバを作り出している、本発明の積層装置の一実施形態の拡大図である。 図２Ｃは、短ストロークシリンダが拡張し、ガスケットを圧縮している、本発明の積層装置の一実施形態の拡大図である。 図３は、短ストロークシリンダが拡張し、積重された基板を圧縮して、積層された製品にしている、本発明の積層装置の一実施形態の拡大図である。 図４は、シリンダが引き込められ、ばねが弛緩構成にある、装填位置における、本発明の積層装置の別の実施形態の拡大図である。 図５は、シリンダが整合ピンおよびガスケットまで拡張し、ばねが抵抗力を提供している、本発明の積層装置の別の実施形態の拡大図である。 図６は、ばね抵抗力が克服され、基板の積重を圧縮し、積層された製品にしている、本発明の積層装置の別の実施形態の拡大図である。

（詳細な説明）
図１Ａおよび図１Ｂは、それぞれ、装填位置における、本発明の積層装置１００の一実施形態の切断図および拡大図を示す。本構成では、シリンダ１１０およびシリンダ１２０は、引き込められた位置にある。ある実施形態では、シリンダ１１０は、「長ストロークシリンダ」と称され得、シリンダ１２０は、「短ストロークシリンダ」と称され得る。本実施形態では、装置の上側表面は、「上部真空チャック」と称され得るカバー部分１３０によって提供され、下側表面は、「底部真空チャック」と称され得るベース部分１４０によって提供される。本描写では、装置は、積層されるべき基板の積重を受け取るように構成される。上部真空チャックは、随意に、柔軟なシリコーン圧力パッド１３５を提供されてもよい。底部真空チャック１４０は、積層の間、表面および基板の精密な位置合わせおよび整合を維持するために、１つまたは複数の整合ピン１４５を提供されてもよい。ガスケット１５０は、上部真空チャック１３０と底部真空チャック１４０との間に密閉されたチャンバの形成を提供する。ガスケット１５０は、圧縮下にある間、上部真空チャックと底部真空チャックとの間に気密シールを維持する任意の材料から加工されてもよい。例証的ガスケット材料として、任意のゴムまたはＰＶＣ材料、例えば、シリコーン、ブチル、ネオプレン、ニトリル、ビニル、および同等物が挙げられる。動作時、積層２００および３００のための基板が、シリンダ１１０および１２０が引き込められている間、上部真空チャック１３０および底部真空チャック１４０上に載置される。他の実施形態では、基板は、直接、相互に積重され、真空チャックのいずれか上に載置されてもよい。他の実施形態では、２つまたはそれを上回る基板の積層が、想定される。ある実施形態では、少なくとも３つの基板の積層が、想定され、本明細書にさらに説明されるように、接着剤材料をさらに備え得る、フィルム等の可撓性基板を含んでもよい。

図２Ａおよび図２Ｂは、それぞれ、長ストロークシリンダ１１０が拡張された構成にある、本発明の積層装置１００の一実施形態の切断図および拡大図を示す。動作時、「長ストローク」として本明細書に説明される第１のシリンダストロークは、シリンダ１１０を拡張させ、上部真空チャック１３０を底部真空チャック１４０のガスケット１５０と接触させ、密閉されたチャンバを形成する。上部基板２００および底部基板３００は、密閉されたチャンバの形成の間、１つまたは複数の整合ピン１４５によって精密な位置合わせに維持される。短ストロークシリンダ１２０は、密閉されたチャンバの形成の間、作動されない。密閉されたチャンバは、真空源からの真空の印加によって、空気を取り除かれてもよい。本発明に関連して使用される場合、用語「真空」は、周囲圧力と比較した負圧を説明する。本用語は、絶対もしくは極端に負圧の真空が、引かれる、または維持されることを要求するものではない。但し、いくつかの事例では、本発明と関連して、大きな負圧を達成することが可能性として考えられる、および／または望ましくあり得る。動作時、真空は、密閉されたチャンバ内の基板２００と基板３００との間から実質的に全ての空気を除去するために十分となる。このように、全ての空気は、基板の積層に先立って除去され、最終積層製品内の問題となる気泡または隙間の形成を防止する。図２Ｃは、短ストロークシリンダ１２０の作動によって、および／または密閉されたチャンバ内の空気圧力を減少させることによって遂行され得る、圧縮下にあるガスケット１５０を示す。

図３は、短ストロークシリンダ１２０が拡張された構成にある、本発明の積層装置１００の一実施形態の拡大図を描写する。動作時、本明細書では「短ストローク」と称される第２のストロークは、短ストロークシリンダ１２０を作動させ、これは、拡張された機械的力を上部真空チャック１３０および底部真空チャック１４０に印加し、基板を圧縮し、積層された製品５００にする。基板積層を達成するために必要な機械的力の量は、基板の物理的特性に依存するが、これは、当業者に容易に明白となる。積層プロセスを完了するために、装置に印加される圧力または力の例示的量は、最大約１０ｐｓｉ、より具体的には、０〜２．５ｐｓｉである。積層プロセスの例証的圧縮時間は、数秒から数分である。本明細書に説明される場合、長ストロークシリンダおよび短ストロークシリンダの順次作動は、密閉されたチャンバの初期形成を可能にし、密閉されたチャンバは、真空によって空気を取り除かれた後、機械的力によるチャンバの圧縮が続き、基板を積層し得る。本明細書に説明されるように、真空および機械的力の順次印加は、積層された製品内に隙間または欠陥を作り出す気泡の取り込みを防止する。

図４は、装填位置における、本発明の積層装置６００の代替実施形態の拡大図を描写する。シリンダ６１０は、引き込められており、抵抗ばね６１５は、圧縮下にない。上部真空チャック６３０および底部真空チャック６４０は、開放構成にある。底部真空チャック６４０は、１つまたは複数の真空整合ピン６２０およびガスケット６４５を提供される。本実施形態では、積層されるべき全ての基板は、シリンダ６１０が引き込められているとき、底部真空チャック６４０上に積重６５０として提供される。

図５は、シリンダ６１０が拡張されている、積層装置６００の拡大図を描写する。本構成では、ばね６１５は、圧縮されておらず、抵抗力をシリンダ６１０に提供する。動作時、シリンダ６１０の拡張は、上部真空チャック６３０を底部真空チャック６４０上のガスケット６４５と接触させ、密閉されたチャンバを作り出す。上部真空チャックおよび底部真空チャックは、１つまたは複数の整合ピン６４５によって整合され、積層に先立って、積重される基板の適切な整合および位置合わせを維持する。ばね６１５は、上部真空チャックと底部真空チャックとの間で接触が行われると、抵抗力をシリンダ６１０に提供し、シリンダ６１０の下向き移動を一時的に停止させ、密閉されたチャンバを作り出す。密閉されたチャンバは、次いで、本明細書に説明されるように、真空の印加によって、空気を取り除かれてもよい。

図６は、シリンダ６１０が完全に拡張された、積層装置６００の拡大図を描写する。動作時、ばね６１５によって提供される抵抗力は、シリンダ６１０によって克服され、拡張された力を上部真空チャック６３０および底部真空チャック６４０に印加し、密閉されたチャンバを圧縮し、基板積層を完了する。シリンダ６１０の完全拡張に先立って密閉されたチャンバから空気を取り除くことは、積層された製品６５０内への気泡の取り込みを防止し、これは、当技術分野における明白な前進である。

本明細書に説明される方法および装置は、少なくとも１つの剛性基板層から成る任意の製品を製造する際に好適である。本発明の一例示的実施形態は、積層されたポリマーマイクロ流体構造を製造するための方法および装置を対象とする。本明細書で使用される場合、単語「マイクロ流体構造」は、概して、約０．１マイクロメートル〜約１０００マイクロメートルの範囲内の少なくとも１つの寸法を有する壁を伴う、マイクロ流体基板構成要素上の構造特徴を指す。これらの特徴は、限定ではないが、マイクロチャネル、マイクロ流体経路、マイクロリザーバ、マイクロ弁、またはマイクロフィルタであり得る。

マイクロ流体構造、例えば、マイクロ流体カートリッジまたはカードは、基板層をともに接合するプロセスによって製造されるプラスチック本体から成る。本発明の実施形態では、層をともに接合することは、積層によって達成される。各カートリッジは、ともに接合された一対の基板部材もしくは層によって、または複数の層から形成されることができる。用語「層」は、カートリッジを構成する、１つまたは複数の略平面の固体基板部材のいずれかを指す。「層」または「基板」は、概して、剛性構造であるが、糊層または可撓性シート、フィルム、感圧式接着剤（ＰＳＡ）、または熱接着剤も含み得る。

用語「ポリマー」は、高分子構造または材料を指し、高分子構造または材料は、構成モノマーより実質的に高い分子量を有し、重合反応によって生成される。一般に本明細書で「プラスチック」材料と称される全ての材料は、ポリマー材料である。プラスチックは、本発明のマイクロ流体デバイスを構築するために好ましい材料である。使用され得るプラスチックとして、オレフィン、環状ポリオレフィン、環状オレフィンコポリマー、ポリエステル、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリスチレン、ポリカーボネート、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリウレタン、ポリエーテルスルホン、ポリ塩化ビニル、ポリ酢酸ビニル、ポリアミド、ポリイミド、ポリアクリレート、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、ポリテトラフルオロエチレン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリシラン、三酢酸セルロース、熱可塑性材料全般等が挙げられる。複合材およびコポリマーもまた、頻繁に使用される。プラスチックまたは他の固体基板および従来の接着剤を選択するための知識は、関連技術分野において広く知られている。

前述の特定の実施形態は、本発明の実践の例証である。本発明の種々の修正および改変は、本発明の範囲から逸脱することなく、当業者に明白となり、本発明は、本明細書に記載される例証的実施形態に不当に限定されないことを理解されたい。

Claims (14)

1. 剛性基板部材の積層を製造する方法であって、前記方法は、
   ａ）剛性基板部材の積重を積層装置のベース部分上に提供することと、
   ｂ）第１の力を前記積層装置のカバー部分に提供することにより、前記カバー部分を前記ベース部分上のガスケットと密着接触させ、前記ベース部分と前記カバー部分との間に密閉されたチャンバを作り出すことと、
   ｃ）前記第１の力に対する抵抗力を提供することと、
   ｄ）真空を前記密閉されたチャンバに印加することにより、空気を前記チャンバから取り除くことと、
   ｅ）第２の力を前記装置の前記カバー部分に提供することにより、前記ガスケットおよび基板の積重を圧縮し、気泡または隙間が実質的にない積層された製品を生成することと
   を含み、前記抵抗力は、前記真空を前記密閉されたチャンバに印加するステップの前に前記ガスケットの圧縮を防止する、方法。
2. 前記第１の力は、長ストロークシリンダによって提供され、前記第２の力は、短ストロークシリンダによって提供される、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の力および前記第２の力は、同一のシリンダによって提供される、請求項１に記載の方法。
4. 前記抵抗力は、ばねによって提供される、請求項１に記載の方法。
5. 前記剛性基板部材は、実質的に平坦である、請求項１に記載の方法。
6. 前記剛性基板部材は、ポリマー材料を備える、請求項１に記載の方法。
7. 前記剛性基板部材は、マイクロ流体デバイスの層を備える、請求項１に記載の方法。
8. 前記マイクロ流体デバイスの層はさらに、少なくとも１つの可撓性層を備える、請求項７に記載の方法。
9. 前記少なくとも１つの可撓性層は、接着剤層を備える、請求項８に記載の方法。
10. 熱を前記密閉されたチャンバに印加するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。
11. 剛性基板部材を積層するための装置であって、前記装置は、
    ａ）剛性基板の積重を支持するように構成されたベース部分であって、前記ベース部分は、圧縮可能ガスケットと、少なくとも１つの整合ピンとを備える、ベース部分と、
    ｂ）前記剛性基板部材の積重を封入する密閉されたチャンバを形成するために、前記圧縮可能ガスケットに密着接触するように構成されたカバー部分と、
    ｃ）前記カバー部分まで拡張し、第１の力を印加することにより、前記カバー部分を前記整合ピンおよび前記ベース部分のガスケットと接触させ、前記密閉されたチャンバを形成するように構成された少なくとも１つのストローク生成シリンダと、
    ｄ）前記ストローク生成シリンダに対する抵抗力を提供するように構成された少なくとも１つのばねと、
    ｅ）真空源への取付のために構成された真空ポートと
    を備える、装置。
12. 前記密閉されたチャンバまで拡張し、第２の力を提供することにより、前記ガスケットおよび剛性基板の積重を圧縮し、積層された製品を生成するように構成された第２のストローク生成シリンダをさらに備える、請求項１１に記載の装置。
13. 前記ストローク生成シリンダは、前記密閉されたチャンバの形成後、前記抵抗力を克服し、前記ガスケットおよび剛性基板の積重を圧縮することにより、積層された製品を生成するように構成されている、請求項１２に記載の装置。
14. 熱源をさらに備える、請求項１１に記載の装置。
    
    

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