JP7339603B2 - マイクロチップ - Google Patents

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Description

この発明は、主面及び側面を有する複数の基板の主面同士が貼り合わされてなる接合基板の内部にマイクロ流路を有するマイクロチップに関する。
従来、細胞及び組織の培養、観察及び分析等は、寒天又は培地とした培養ディッシュやプレートを使用して行われてきた。これら培養ディッシュやプレートを用いた細胞及び組織の、培養、観察及び分析等は、2次元(平面)の環境で行われるものであるため、細胞外微小環境を再現することができない。そこで、近年、3次元(立体)の実験環境を作製するために、基板の内部にマイクロ流路を有するマイクロチップ(「バイオチップ」とも称される)を使用することが提案されている。
下記特許文献1には、マイクロチップの一例として、溝が形成された基板の主面に、樹脂フィルム等の厚みの小さい基板の主面を貼り合わせて中空状のマイクロ流路を有する接合基板を形成し、該接合基板をマイクロチップに使用することが記載されている。
下記特許文献2には、接合基板を使用したマイクロチップにおいて、接合基板の側面に接触する位置決め治具が、接合基板を構成する樹脂フィルムに接触すると、樹脂フィルムが剥離するという問題に対応するため、接合基板の位置決め治具が接触する領域に、樹脂フィルムの接合しない非接合面を設けることが記載されている。
特開2018-047614号公報 国際公開第2009/101845号
接合基板を使用したマイクロチップについて、通常はマイクロチップ単体に触れないよう、マイクロチップ運搬具に収容してマイクロチップを取り扱う。しかしながら、マイクロチップ単体の側面を作業者の手指で把持しなければならない機会が、往々にして存在する。例えば、光学顕微鏡によるマイクロチップ観察時には、マイクロチップ運搬具からマイクロチップ単体を取り外し、取り外したマイクロチップ単体、すなわち接合基板の側面を作業者の手指で把持する必要がある。接合基板の側面を繰り返し把持すると、接合基板を構成する各々の基板が繰り返し応力を受けて変形し、接合基板が剥離することがある。作業者が接合基板の側面のどの領域を把持するかは定まっていないため、側面の特定領域に非接合面を設ける等の対策は十分でない。加えて、把持する際に過剰な把持力を加えた場合にも基板が剥離することがある。このような基板の剥離がマイクロ流路まで到達すると、剥離した箇所からマイクロ流路にある液が漏れ出すという問題が生じ得る。
また、接合基板をマイクロチップ運搬具に収容して取り扱うときも、マイクロチップ運搬に伴う揺れや振動等により、接合基板が基板把持手段から繰り返し応力を受け、その結果、基板が剥離し、マイクロ流路からの液漏れの問題が懸念されている。
本発明は、上記の事情を考慮してなされたものであり、その目的は、貼り合わせた接合基板の剥離を効果的に抑止し、液漏れしにくいマイクロチップを提供することである。
本発明に係るマイクロチップは、主面及び側面を有する複数の基板の前記主面同士が貼り合わされてなる接合基板の内部にマイクロ流路を備えるマイクロチップであって、
前記複数の基板は、厚みの大きい第一基板と、前記第一基板より厚みの小さい残りの基板とからなり、
前記主面に平行な方向から前記接合基板の一端部を見たとき、少なくとも前記第一基板の側面は勾配を有し、且つ、最も外側まで延びている。
なお、上記にいう「残りの基板」とは、マイクロチップが有する第一基板以外の基板という意味であり、その枚数は1枚には限られず、2枚以上の基板であっても構わない。
マイクロチップを構成する複数の基板のうち、一の基板が単独で変形すると、両基板の接合面にずれが生じることになる。そして、大きなずれや繰り返しのずれは、基板の剥離を招くおそれがある。
これに対し、上記構成によれば、第一基板の厚みが残りの基板の厚みよりも大きく、さらに、第一基板の側面が残りの基板よりも外側まで延びているため、マイクロチップの側面を把持する作業者の手指やマイクロチップ固定部材、ピンセットなどの基板把持手段が第一基板に接触する接触確率は、相対的に上昇する。他方、前記基板把持手段が、残りの基板に接触する接触確率は、相対的に低下する。第一基板より厚みの小さい残りの基板の剛性は、通常、第一基板と比べて相対的に小さいため、残りの基板の前記接触確率を相対的に低下させると、基板把持手段の接触に因る残りの基板の変形の機会を低減できる。残りの基板の変形の機会を低減することで、残りの基板が第一基板から剥離しにくくなり、接合基板の剥離が抑止される。
さらに、上記構成によれば、基板把持手段の接触確率が相対的に高い第一基板の側面は勾配を有している。そのため、基板把持手段が第一基板の側面に接触した場合においても、勾配により加えた力が分散する。よって、座屈、圧縮など第一基板を変形させる力が小さくなる。上述のとおり、第一基板を変形させる力が小さくなると、残りの基板が第一基板から剥離しにくくなる。そのため、接合基板の剥離が抑止される。
前記残りの基板は第二基板のみからなり、前記主面に平行な方向から前記接合基板の一端部を見たとき、前記第二基板の側面は勾配を有するものとしても構わない。基板把持手段が第二基板の側面に接触した場合でも、勾配により接触した力の一部が逃げるため、第一基板を変形させる力が小さくなり、残りの基板が第一基板から剥離しにくくなる。そのため、接合基板の剥離が抑止される。
前記残りの基板は、第二基板と、一方の主面にて前記第一基板に接合され他方の主面にて前記第二基板に接合される第三基板と、からなり、前記主面に平行な方向から前記接合基板の一端部を見たとき、前記第二基板の側面は勾配を有するものとしても構わない。第一基板と第二基板との間に第三基板が挟まれた接合基板の場合でも、第二基板の勾配により接触した力の一部が逃げるため、第一基板を変形させる力が小さくなり、残りの基板が第一基板から剥離しにくくなる。そのため、接合基板の剥離が抑止される。
前記主面に平行な方向から前記接合基板の一端部を見たとき、前記第二基板の側面は、前記第三基板の側面よりも外側まで延びていてもよい。基板把持手段が第三基板に接触する接触確率が相対的に低下するため、第三基板の接触に伴う変形の機会を低減できる。斯くして、第三基板が第一基板又は第二基板から剥離しにくくなり、接合基板の剥離が抑止される。
前記主面に平行な方向から前記接合基板の一端部を見たとき、前記第一基板において前記残りの基板と接合される主面は、前記第一基板の一側面の中で最も外側に位置する最外側部を含んでおり、前記第二基板において前記第一基板に最も近い主面は、前記第二基板の一側面の中で最も外側に位置する最外側部を含んでいても構わない。これにより、第一基板及び第二基板それぞれの勾配は、第一基板及び第二基板それぞれの最外側部から、接合していない主面に向かって形成される。係る勾配の向きは、基板把持手段が接合基板を押圧する押圧力の一部が、反作用により接合基板を互いに接合させる方向に働く。よって、接合基板の剥離が抑止される。
前記主面に平行な方向から前記接合基板の一端部を見たとき、前記第一基板の側面は前記残りの基板の側面との間に段差を生じないとよい。段差がないので、基板把持手段が接合基板を押圧する押圧力が局所的に集中しない。よって、接合基板の剥離が抑止される。
前記主面に平行な方向から前記接合基板の長手方向側面を見たとき、前記第一基板の両端部のそれぞれにおいて、前記第一基板が前記残りの基板と接合されない非接合領域を含んでいるとよい。これにより、接合基板の長手方向両端部において、基板把持手段が残りの基板と接触する接触確率が相対的に低下し、接合基板の剥離が抑止される。
前記主面に平行な方向から前記接合基板の短手方向側面を見たとき、前記第一基板の両端部のそれぞれにおいて、前記第一基板が前記残りの基板と接合されない非接合領域を含んでいるとよい。これにより、接合基板の短手方向両端部において、基板把持手段が残りの基板と接触する接触確率が相対的に低下し、接合基板の剥離が抑止される。
前記接合基板の主面に直交する方向から前記接合基板の角部のいずれか一つを見たとき、
前記残りの基板の前記角部は面取り形状を呈し、前記第一基板の前記角部は、前記残りの基板の前記角部よりも、前記接合基板の重心から離れて位置しているとよい。これにより、基板把持手段が、残りの基板の角部に接触する接触確率が相対的に低下する。また、残りの基板の角部は面取り形状を有することから、基板把持手段による押圧力が分散し、残りの基板が変形しにくくなる。斯くして、接合基板の剥離が特に発生し易い角部での剥離が抑止される。
前記接合基板の主面に直交する方向から前記接合基板の角部のいずれか一つを見たとき、前記第一基板の前記角部の少なくとも一つは、円弧状の面取り形状を呈し、前記残りの基板を構成する少なくとも一つの基板の前記角部は、直線又は折れ線形状を呈してもよい。これにより、基板把持手段が、残りの基板の角部に接触する接触確率が相対的に低下する。さらに、第一基板は円弧状の面取り形状を呈しているから、基板把持手段による押圧力が分散し、残りの基板が変形しにくくなる。斯くして、接合基板の剥離が特に発生し易い角部での剥離が抑止される。
本発明によれば、接合基板の剥離をより効果的に抑止して液漏れの可能性を低減したマイクロチップが実現される。
本発明に係るマイクロチップの第1実施形態の斜視概略図である。 第1実施形態に係る接合基板の一端部の一例を示す図である。 図2AにおけるB部の拡大図である。 図2AにおけるC部の拡大図である。 第1実施形態の第1変形例に係る接合基板の一端部を示す図である。 第1実施形態の第2変形例に係る接合基板の一端部を示す図である。 第1実施形態の第3変形例に係る接合基板の一端部を示す図である。 第1実施形態に係る接合基板の一例である。 第1実施形態に係る接合基板の別の例である。 第1実施形態に係る接合基板のさらなる例である。 第1実施形態の第4変形例に係る接合基板の一端部を示す図である。 第2実施形態に係る接合基板の一端部を示す図である。 第2実施形態の第1変形例に係る接合基板の一端部を示す図である。 第2実施形態の第2変形例に係る接合基板の一端部を示す図である。 第2実施形態の第3変形例に係る接合基板の一端部を示す図である。 第2実施形態の第4変形例に係る接合基板の一端部を示す図である。 第3実施形態に係る接合基板の一端部を示す図である。 第3実施形態の第1変形例に係る接合基板の一端部を示す図である。 第3実施形態に第2変形例に係る接合基板の一端部を示す図である。 第3実施形態の第3変形例に係る接合基板の一端部を示す図である。 第4実施形態に係る接合基板の角部拡大図である。 第4実施形態の第1変形例に係る接合基板の角部拡大図である。 第4実施形態の第2変形例に係る接合基板の角部拡大図である。
本発明に係るマイクロチップにつき、図面を参照しながら説明する。なお、本明細書に開示された各図面は、あくまで模式的に図示されたものである。すなわち、図面上の寸法比と実際の寸法比とは必ずしも一致しておらず、また、各図面間においても寸法比は必ずしも一致していない。
[第1実施形態]
本発明に係るマイクロチップの一例を、第1実施形態として説明する。
<マイクロチップの概要>
図1は、本実施形態のマイクロチップの斜視概略図である。マイクロチップ1は、第一基板10の主面10aに第二基板20の主面20aを積層し、両基板を接合した接合基板50aで構成される。主面とは、基板(10,20)を構成する面のうち他の面よりもはるかに面積の大きい面を指す。詳細は後述するが、主面は必ずしも平坦な面であるとは限らず、溝等の設けられた凹凸のある面を含む。第一基板10には二つの主面(10a,10b)があり、この二つの主面は互いに対向配置される。第二基板20には二つの主面(20a,20b)があり、この二つの主面は互いに対向配置される。接合後の接合基板50aは、互いに対向配置された第一基板10の主面10bと第二基板20の主面20bを有する。
以下において、接合基板50aの主面(10b,20b)と平行な方向をXY平面とし、このXY平面に直交する方向をZ方向とする、XYZ座標系を適宜参照して説明される。なお、この座標系を参照すれば、Z方向は接合基板50aの厚み方向に対応する。
また、本明細書において、方向を表現する際に、正負の向きを区別する場合には、「+X方向」、「-X方向」のように、正負の符号を付して記載される。また、正負の向きを区別せずに方向を表現する場合には、単に「X方向」と記載される。すなわち、本明細書において、単に「X方向」と記載されている場合には、「+X方向」と「-X方向」の双方が含まれる。Y方向及びZ方向についても同様である。
接合基板50aの主面を除く他の面は側面である。本実施形態において、第一基板10は、XZ平面に略平行でX軸方向を長手方向とする二つの側面(15,16)と、YZ平面に略平行でY軸方向を長手方向とする二つの側面(17,18)とを有する。第二基板20も同様に、XZ平面に略平行でX軸方向を長手方向とする二つの側面(25,26)と、YZ平面に略平行でY軸方向を長手方向とする二つの側面(27,28)とを有する。側面については後で詳述する。
基板(10,20)を構成する材料は、実質的に非多孔質体の材料を使用するとよい。ここで、「実質的に非多孔質体」であるとは、基板の見かけ状の表面積が、実際の表面積に近似している状態を指す。上記のような非多孔質体を形成する材料の例としては、ガラスやシリコンなどの無機材料、又はポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリカーボネート(PC)、シクロオレフィンコポリマー(COC)、シクロオレフィンポリマー(COP)、ポリスチレン(PS)、シリコーン等の樹脂材料が挙げられる。なお、これらの樹脂材料が2種以上組み合わせられていても構わない。また、第一基板10と第二基板20との間で使用する材料を異ならせてもよい。
第一基板10の主面10aには溝が形成されている。主面10aが第二基板20の主面20aと接合される。このとき、主面10aのうち溝の形成されていない領域は、主面20aと貼り合わせられる。主面10aのうち溝の形成された領域は、主面20aと貼り合わせられず、前記溝には第二基板20からなる蓋が配されるように、互いの主面(10a,20a)が対向配置される。蓋の配された前記溝は、中空状の空間を形成する。中空状の空間の一部は、流路13として機能する。流路13は、その幅寸法等が微小であることから、広くマイクロ流路と呼ばれる。しかしながら、流路の幅寸法等がミクロンオーダーであることに拘泥されない。
流路13の両端には、それぞれ、第一基板10の主面10bに向かって開口する液体流通口(11、12)が形成されている。本実施形態では、第二基板20は流路を形成するための溝や液体流通口として機能する開口を有していないが、第二基板20が流路を形成するための溝や液体流通口として機能する開口を有していてもよい。
基板(10,20)に溝や開口を設けるには、例えば、射出成型、フォトリソグラフィ工程とエッチング工程との組合せ、鋳造、切削加工等の手段があるが、基板を構成する材料に応じて最適な手段を選択するとよい。一例として、第二基板20を、上述したようにポリメチルメタクリレート(PMMA)、ポリカーボネート(PC)、シクロオレフィンコポリマー(COC)、シクロオレフィンポリマー(COP)、ポリスチレン(PS)、シリコーン等の樹脂材料で構成することで、射出成型により容易に凹部(13)を形成することができる。また、第一基板10については、凹部を設けない場合には、上記樹脂材料の他、ホウケイ酸ガラスなどのガラス材料を用いても構わない。
液体流通口(11,12)は、細胞及び組織を含む液体試料を注入又は抽出する開口として使用される。液体流通口(11,12)は、液体試料をマイクロチップ1に注入する目的と、液体をマイクロチップ1から排出する目的と、の少なくとも一方の目的を有する。例えば、一方の液体流通口11が液体注入口として使用され、他方の液体流通口12が液体排出口として使用されてもよい。流路13は、流路13内に液体があるときに、該液体が流れを形成する状態にあるとはかぎらない。例えば、液体が貯留されている状態等、液体の流れの無い状態を含む。上述した流路の形状及び液体流通口の数並びにそれらのレイアウトは例示であって、所望のものに設計すると好ましい。
流路13は、このような液体試料を培養、混合、分離、反応、合成又は分析する場として使用される。このような場に液体試料を収容するための大空間を要するとき、流路13の途中に液体試料の貯留部を設けてもよい。また、係る大空間の床又は壁面に検出対象物(例えば、特定のタンパク質)に反応して蛍光を発する物質を固定化し、蛍光顕微鏡の検出部として使用してもよい。
<第一基板及び第二基板の形状及び寸法>
本実施形態において、第一基板10及び第二基板20は、それぞれ主面が矩形状を呈した基板である。しかしながら、第一基板10及び第二基板20の主面は、必ずしも矩形状である必要はない。第一基板10及び第二基板20の主面は、正方形状でもよく、三角形状でも、5角以上の多角形状でもよく、円形状や楕円形状でもよい。なお、図10A~図11を参照して第4実施形態において後述されるように、矩形を含む多角形状の主面を有した第一基板10又は第二基板20において、第一基板10及び第二基板20のうち、少なくとも一方の基板の角部が面取りされていても構わない。以下、各基板(10,20)の構造の詳細について、図2A以下の図面を参照して説明する。
図2Aは、図1におけるA矢視方向から見た接合基板50aの一端部における側面図である。A矢視方向は、接合基板50aの主面に平行な方向であり、ここではX方向である。第一基板10の厚み(Z方向における幅寸法)T10は第二基板20の厚みT20よりも大きい。第一基板10の厚みT10は1mm以上であるとよく、5mm以下であるとよい。第一基板10の厚みT10は、マイクロチップ1を通常使用する上で屈曲しない程度の剛性を提供し得る。
第二基板20の厚みT20は10μm以上であるとよく、3mm以下であるとよい。第二基板20は、通常、第一基板10よりも剛性が小さい。マイクロチップ1を観察や分析に使用する場合では、第二基板20の厚みT20が薄くなるほど、マイクロチップ1は観察及び分析性能に優れる。第二基板20は、例えば、可撓性のあるフィルム状の基板でもよい。第一基板10及び第二基板20の厚み以外の寸法については後述する。
(接合基板の側面)
ところで、マイクロチップ1は、通常、接合基板50aの側面を把持して運搬、位置決め又は固定される。つまり、マイクロチップ1を運搬する作業者の手や、マイクロチップ1を位置決め又は固定するための部材などの基板把持手段を、接合基板50aの側面に接触させ、該側面に接合基板50aを支持又は固定できる程度の大きさの押圧力を与える。
基板把持手段が接合基板50aの側面に接触するとき、第一基板10の厚みT10が第二基板20の厚みT20よりも大きいと、第一基板10への接触確率が相対的に大きく、第二基板20への接触確率が相対的に小さくなる。第二基板20は、通常、第一基板10よりも剛性が小さいから、剛性の小さい第二基板20への接触確率を低下させることにより、第二基板20の変形の機会を低減できる。よって、第二基板20の第一基板10からの剥離を抑止できる。
図2Aにおいて、第一基板10のYZ平面に略平行な側面17は平面状に、XZ平面に略平行な側面15は線状に表れている。第二基板20も同様に、YZ平面に略平行な側面27は平面状に、XZ平面に略平行な側面25は線状に表れている。接合基板50aが矩形である本実施形態の場合、側面(15,25)全体が一端部として認識される。しかしながら、接合基板50aが、例えば円形基板である場合、曲がる側面の一部領域のみが一端部として認識される。
図2Aにおいて、XZ平面に略平行である側面15は、詳細に見れば勾配を有している。ここでは、第一基板10の+Z側(第二基板20側)の主面10aが、-Z側(第二基板20とは反対側)の主面10bよりも、Z方向に見て外側に位置するような勾配を有する。端的に言えば、第一基板10は、Z方向に関して主面10bから主面10aに近づくに連れて、Y方向に係る長さが大きくなるような勾配を有する。
図2Bは、図2AにおけるB部の拡大図である。当図を使用して側面15が勾配を有することの利点を説明する。基板把持手段が、第一基板10の側面15に接合基板を支持又は固定するために必要な押圧力Fgを与えることを考える。押圧力Fgは、第一基板10に力Frを与える。力Frは、側面15に垂直に作用する力Fr2と、側面15と平行に作用する力Fr3とに分解される。Fr2は第一基板10を変形させる要因になる一方で、Fr3は勾配方向に加わるため、Fr3は第一基板10を変形させる要因にならない。勾配があることにより、摩擦力より大きなFr3を与えるとき、基板は、加圧領域から逃げる方向に基板把持手段から滑る。よって、必然的に基板把持手段の押圧力Fgを小さくすることになる(手で挟持する場合には力を抜いて把持することになる)。したがって、基板把持手段が基板を変形させる力を低減させることが可能となる。その結果、第二基板20が第一基板10から剥離しにくくなる。
図2Bにおいて、第一基板10の主面10bと側面15との間の角部152は、面取り形状を呈している。また、図2Cは、図2AにおけるC部の拡大図である。図2Cにおいて、第一基板10の主面10aと側面15との間の角部151は、面取り形状を呈している。本明細書において、面取り形状とは、角部を削り、削った部分に新たな面を作ったような形状を意味するものであるが、実際に角部を削って面取りを設けることに拘泥されない。基板を成型する段階で、面取り形状を有した状態を成型してもよい。面取り形状には、C面取り等の面取り面が平面である形状やR面取り等の面取り面が曲面である形状など、様々なタイプを使用できる。
本明細書において、主面と側面との間に設けられた面取り形状は、主面と側面との間に形成された新たな面取り面の、Y方向及びZ方向における幅が、それぞれ1mm以下のものを指す。Y方向及びZ方向における幅のいずれか一方が1mmを超えるものは、部分的な勾配である(詳細は図3B及び図3Cとともに後述する)。
角部を面取り形状にすることで、基板把持手段の押圧力の分散を図ることができる。そして、押圧力の分散により、当該角部の欠損の発生を抑え、欠損に因る破片の飛散等の問題が生じにくくする。加えて、他部品へのダメージや作業者の取扱時の怪我等を低減できる。主面と側面との間に形成される何れの角部の面取りに関する記載は、続く変形例及び他の実施形態における基板の有するいずれの角部について適用できる。
図2Aにおいて、第一基板の側面15の中で、Z方向に見たときに、最も外側(Y方向の絶対値が大きい)に位置する最外側部は、第一基板10の主面10a上に位置する角部である。角部151が面取り形状を呈する場合には、面取りにより生じる新たな面(例えば、図2Cにおける角部151の面取り面)は、主面を構成する一部として捉える。ゆえに、角部151が面取り形状を呈する場合にも、最外側部は、第一基板10の主面10a上に位置する角部である。
図2Aでは、接合基板50aの一端部のみが、Z方向に対して所定の角度をなす勾配を有することを示したが、他の一端部についても、Z方向に対して所定の角度をなす勾配を有するとよい。つまり、側面16、側面17及び側面18についても、側面15と同様に勾配が設けられているとよい。
側面15の勾配角θ15(側面15に沿う方向が、基板の厚み方向Zとの間になす角)は、1度以上であると好ましく、3度以上であればより好ましい。これにより、第一基板10の変形の要因となる力を効果的に抑止できる。また、前記勾配角θ15は、5度以下であると好ましい。これにより、把持による押圧力を、側面15に適度に与えて、安定して接合基板を支持できる。
第一基板10のYZ平面に略平行な側面17は、接合基板50aの+Y方向の最も外側まで延びている。そして、本実施形態における第一基板10は、X方向又は-Z方向に見たとき、第二基板20の外側(+Y側)に非接合領域10nを有している。これにより、基板把持手段が接合基板50aの側面に接触するとき、基板把持手段が第一基板10の側面15に接触する接触確率が、第二基板20の側面25に接触する接触確率よりも高くなる。上述のとおり、第二基板20は、通常、第一基板10よりも相対的に小さい剛性を有するから、第二基板20の接触に伴う変形の機会を低減できる。斯くして、第二基板20が第一基板10から剥離しにくくなる。
図2Aでは、接合基板50aの一端部において側面17が接合基板50aの最も外側まで延び、非接合領域10nを有することを示したが、他の一端部についても同様に外側まで延び、非接合領域10nを有するとよい。
図2Aでは、側面15は勾配角θ15が一定である平面から構成されているが、側面15には様々な形態がある。図3Aに示される第1変形例では、第一基板10の側面15は、厚み方向位置によって勾配角θ15が変動する曲面から構成されている。当図において、側面15が複数の円弧が連なる曲線で示される。図3Bに示される第2変形例では、第一基板10の側面15は、部分的な勾配形成面154とXZ平面に平行な平面153とから構成されている。図3Cに示される第3変形例では、側面15は、二種類の勾配形成面(155,156)から構成され、勾配形成面155と勾配形成面156との交線が最外側部157を形成している。図3B及び図3Cに示された、側面の部分的な勾配を有する勾配形成面は、勾配面のY方向及びZ方向における幅の少なくともいずれか一方が、1mmを超えるものを指す。図3B及び図3Cにおいて、部分的な勾配形成面における勾配角は一定でなくても構わない。部分的な勾配形成面における勾配角は、厚み方向位置によって勾配角が変動しても構わない。
図4Aは、複数の一端部において側面がそれぞれ最も外側まで延び、複数の非接合領域を有する接合基板の一例を示したものである。図4Aでは、YZ平面に略平行の側面17が、+Y方向及び-Y方向それぞれ最も外側まで延びている。そして、第一基板10の短手方向(Y軸方向)両端部それぞれにおいて、第一基板10が第二基板20と接合されない非接合領域10nを有している。
第一基板10の主面10aの短手方向一端部と、第二基板20の主面20aの短手方向一端部との最短距離、すなわち、非接合領域10nの短手方向における幅W1は、0.05mm以上であるとよい。接合基板50aの短手方向両端部において、第二基板20と接触しにくくなる。また、マイクロ流路形成スペースを確保するためには、幅W1は、0.5mm以下であるとよい。
図4Bは、複数の一端部において側面が最も外側まで延び、複数の非接合領域を有する接合基板の別の例を示したものである。図4Bでは、XZ平面に略平行の側面15が、+X方向及び-X方向それぞれ最も外側まで延びている。そして、第一基板10の長手方向(X軸方向)両端部それぞれにおいて、第一基板10が第二基板20と接合されない非接合領域10nを有している。
第二基板20の主面10aの長手方向端部と、第一基板10に接合される第二基板20の主面20aの長手方向端部との最短距離、すなわち、非接合領域10nの長手方向における幅W2は、0.05mm以上であるとよい。接合基板50aの長手方向両端部において、第二基板20と接触しにくくなる。また、マイクロ流路形成スペースを確保するためには、幅W2は、0.5mm以下であるとよい。
図4Cは、接合基板を囲む四つの側面において、第一基板10の側面が最も外側まで延び、複数の非接合領域を有する接合基板のさらなる例を示したものであり、接合基板を+Z方向から見た図である。本実施例において、接合基板50aの長手方向両端部においてそれぞれ幅W1の非接合領域10nを有し、かつ、接合基板50bの長手方向両端部においてそれぞれ幅W2の非接合領域10nを有している。幅W1と幅W2とは、同じ値でもよく異なる値でもよい。長手方向と短手方向それぞれの両端部において非接合領域10nを含むため、基板把持手段がいずれの方向から接触する場合においても、第二基板20への接触確率を下げることができる。
図5は、第1実施形態の第4変形例であり、図2Aと同様に、第一基板10又は第二基板20の主面に平行な方向(ここではX方向)から見た接合基板50bの一端部を示している。Z方向に見て、第一基板10の側面15の中で最も外側に位置する角部151は、第一基板10の主面10b上に位置する。そのため、第一基板10の勾配の向きが図2Aの逆になっている。図5に示された勾配の向きであっても、勾配により接触した力の一部が逃げるため、第一基板10の変形の要因となる力を抑止できる。よって、第二基板20が第一基板10から剥離しにくくなる。
図5の角部151は鋭角をなす。角部151を面取り形状にしておくと、欠損の発生が抑えられる等の、面取り形状に係る上述の効果が得られる。ただし、角部151近傍の微小な欠損では、欠損箇所が内部のマイクロ流路まで到達せず、液漏れ問題とならないのが通常である。さらに、突発的に生じた過剰な力の一部が欠損の発生により吸収され、第一基板10において変形の要因となる力を抑止することから、角部151を面取り形状とせずに、鋭角のままにしておいてもよい。続く実施形態及び変形例において各基板に鋭角がある場合にも同様である。
<基板の接合方法>
第一基板10と第二基板20とを接合するには、接着剤や接着テープを使用してもよいが、本実施形態では、接着剤等が不要な以下の手順で接合する。
まず、両基板の接合面(10a,20a)に対して、表面を活性化する処理を行う。表面活性化処理の方法としては、紫外線を照射する方法や、プラズマガスを接触させる方法が利用できる。
紫外線を照射する方法は、例えば、波長172nmに輝線を有するキセノンエキシマランプなどの紫外線光源から、第二基板20の主面20a、及び第一基板10の主面10aに対して、波長200nm以下の真空紫外線を照射することで実行される。紫外線光源の他の例としては、185nmに輝線を有する低圧水銀ランプ、波長120~200nmの範囲に輝線を有する重水素ランプを好適に用いることができる。真空紫外線の照度は、例えば5~500mW/cmである。照射時間は樹脂に応じて適宜設定されるが、例えば5~600秒間である。
プラズマガスを接触させる方法は、プロセスガスを大気圧プラズマによってプラズマ化したものを、第二基板20の主面20a、及び第一基板10の主面10aに対して接触させることで実行される。プロセスガスには、例えば、窒素ガスやアルゴンガスなどを主成分とし、酸素ガスが0.01~5体積%含有してなるものを使用してもよい。窒素ガスとクリーンドライエア(CDA)との混合ガスを用いることも可能である。プラズマガスの接触時間は、例えば5~100秒間である。
次に、表面活性化処理が施された両基板の接合面(10a,20a)を接触させるように第一基板10と第二基板20とを重ね合わせ、プレス機を使用して両基板(10,20)を押圧し接合する接合工程を行う。接合工程は、表面活性化状態を維持するために、紫外線照射工程が完了してから所定時間内、例えば10分以内に行うとよい。
この接合工程は、接合を強固にするために、必要に応じて加熱された環境において行われる。接合工程において、加熱温度や押圧力等の接合条件は、第一基板10の構成材料及び第二基板20の構成材料に応じて設定される。具体的な条件を挙げると、押圧する際の温度は、例えば40~150℃であり、接合するための押圧力は、例えば、0.1~10MPaである。
第一基板10と第二基板20とが接合された基板を所定時間加圧した後、必要に応じてさらに所定時間加熱してもよい。接合基板50aを加圧した後に加熱することにより、加圧後の積層基板における接合界面に、十分な接合状態が得られている部分と、十分な接合状態が得られていない部分とが混在している場合であっても、加熱により、十分な接合状態が得られていない部分において、その接合状態を、所期の状態とすることができる。
その後、冷却工程を経て、第一基板10の一主面上に第二基板20が接合された接合基板50aが作製される。
[第2実施形態]
第2実施形態は、マイクロチップの接合基板の形状を下記の如く構成したこと以外は、第1実施形態と同様であるため、共通した事項について記載を省略する。第3実施形態についても同様である。
図6は、第2実施形態のマイクロチップの接合基板51を示している。図2Aと同様に、X方向から見た接合基板51の一端部を示している。本実施形態では、第一基板10の側面15に加えて第二基板20の側面25も勾配を有している。
基板把持手段が第二基板20の側面25に接触する接触確率は、第一基板10の側面15に接触する接触確率よりも低いものの、ゼロではない。基板把持手段が側面25に接触した場合においても、側面25の勾配により接触した力の一部が逃げるため、第二基板20全体において変形の要因となる力が小さくなり、第二基板20が第一基板10から剥離しにくくなる。
側面25の勾配角θ25(側面25に沿う方向が、基板の厚み方向Zとの間になす角)は、1度以上であると好ましく、3度以上であればより好ましい。これにより、第二基板20の変形の要因となる力を効果的に抑止できる。また、前記勾配角θ25は、5度以下であると好ましい。これにより、把持による押圧力を、側面25に適度に与えて、安定して接合基板を支持できる。また、側面26、側面27及び側面28についても、側面25と同様に勾配形状が設けられているとよい。
図7Aは、第2実施形態の第1変形例であり、第一基板10と、第二基板20と、一方の主面にて第一基板10に接合され他方の主面にて第二基板20に接合される第三基板30と、からなる接合基板52を有する。当図は、各基板の主面に平行な方向から見た接合基板52の一端部を示している。接合基板52は、第三基板30の厚みT30は、第一基板10の厚みT10より小さい。さらに、第三基板30の厚みT30は第二基板20の厚みT20よりも小さくても構わない。第三基板30は、例えば、特定の細胞や組織が通過し得る多孔質メンブレンでもよい。第三基板30に多孔質メンブレンを使用することで、接合基板52から構成されるマイクロチップを細胞や組織の分離等に使用できる。
接合基板52をZ方向に見たときに、第一基板10の側面15は第三基板の側面35よりも外側にある。図7Aで図示されている箇所に着目すれば、第一基板10の側面15は第三基板の側面35よりも+Y側にある。これにより、基板把持手段が側面15に接触する接触確率は相対的に上昇する一方で、基板把持手段が第一基板10より薄い第三基板30の側面35に接触する接触確率が相対的に低下する。なお、本実施形態において、第一基板10の側面15及び第二基板20の側面25はそれぞれ勾配を有しているが、第二基板20の側面25は、勾配を有していなくてもよい。
図7Bは、第2実施形態の第2変形例であり、各基板の主面に平行な方向から見た接合基板53の一端部を示している。本変形例では、第一基板10の側面17に加えて、第二基板20の側面27が、第三基板30の側面37よりも外側まで延びている。図7Bで図示されている箇所に着目すれば、第一基板10の側面15及び第二基板20の側面25は、Z方向に見たときに、それぞれ第三基板30の側面35よりも外側(+Y側)に位置する。これにより、基板把持手段が側面15及び側面25に接触する接触確率は、相対的に上昇する一方で、基板把持手段が第三基板30に接触する接触確率は、相対的に低下する。
図8Aは、第2実施形態の第3変形例であり、上述の実施形態と同様に、各基板の主面に平行な方向から見た接合基板54aの一端部を示している。図8Aで図示されている箇所に着目すれば、接合基板54aをZ方向に見たときに、角部151は、第一基板10の側面15の中で最も外側(+Y側)に位置する。言い換えると、角部151は、第一基板10の側面15の中で第一基板10の重心より離れた位置にある。
角部151が位置する第一基板10の主面10aは、第二基板20と接合される面である。図8Aで図示されている箇所に着目すれば、Z方向に見たときに、角部251は、第二基板20の側面25の中で最も外側(+Y側)に位置する。角部251が位置する第二基板20の主面20aは、第一基板10と接合される面である。端的に言えば、角部(151,251)が位置する主面(10a,20a)は、各々の基板で対向する主面(10b,20b)よりも、接合基板の厚み方向内側にある。
これにより、厚み方向内側の角部(151,251)から各々の基板の厚み方向外側に向かって勾配が形成される。勾配の向きは、基板把持手段が接合基板54aを押圧する押圧力の一部が、反作用により接合基板54aを互いに接合させる方向に働く。よって、第二基板20の第一基板10からの剥離を抑止する。
図8Bは、第2実施形態の第4変形例であり、上述の実施形態と同様に、各基板の主面に平行な方向から見た接合基板54bの一端部を示している。接合基板54bは、第一基板10と、第二基板20と、一方の主面にて第一基板10に接合され他方の主面にて第二基板20に接合される第三基板30と、からなる。
図8Bで図示されている箇所に着目すれば、第一基板10の角部151は、Z方向に見たときに、第一基板10の側面15の中で最も外側(+Y側)に位置する。角部151が位置する第一基板10の主面10aは、残りの基板を構成する第三基板30の一主面と接合される面である。角部251は、Z方向に見たときに、第二基板20の側面25の中で最も外側(+Y側)に位置する。第二基板20において第一基板10に最も近い主面20aは、角部251を含んでいる。端的に言えば、この変形例においても、角部(151,251)が位置する主面(10a,20a)は、各々の基板で対向する主面(10b,20b)よりも、接合基板の厚み方向内側にある。
これにより、厚み方向内側の角部(151,251)からそれぞれの基板の厚み方向外側に向かって勾配が形成される。本実施形態において、勾配の向きは、基板把持手段が接合基板54bを押圧する押圧力の一部が、反作用により接合基板54bを互いに接合させる方向に働く。さらに、第一基板10及び第二基板20の第三基板30に接する両主面(10a、20a)が、角部(151,251)を含むことから、第三基板30は第一基板10及び第二基板20の側面からより深く位置することになり、基板把持手段が第三基板30の側面35に接触する接触確率がさらに低下する。
[第3実施形態]
図9Aは、第3実施形態のマイクロチップであり、上述の実施形態と同様に、各基板の主面に平行な方向から見た接合基板55aの一端部を示している。第一基板10の側面15は、接合される第二基板20の側面25との間に段差を生じないように配置されている。基板把持手段の押圧力が基板の角部などに局所的に集中せず、接合基板55aの側面全体(15,25)で分散できるため、接合基板55a全体において変形の要因となる力が小さくなり、それゆえ、第二基板20が第一基板10から剥離しにくくなる。また、段差(非接合面)を有することなく接合されることで、基板の接合面積を大きくして接合力を強化できる。
図9Bは、第3実施形態の第1変形例を示している。第1変形例においても、第一基板10の側面15は、接合される第二基板20の側面25との間に段差を生じないように配置されている。角部151を含む主面10aと、角部251を含む主面20aとが、接合されることで、接合基板における接合面積を最大化して接合力を強化できる。さらに、両側面(15,25)における勾配の向きは、基板把持手段が接合基板55bを押圧する押圧力の一部が、反作用により接合基板55bを互いに接合させる方向に働き、接合基板55bの剥離が抑止される。
2枚の基板から構成される図9A,図9Bと同様の効果が3枚の基板の場合でも得られる。図9Cは、第3実施形態の第2変形例を示し、図9Dは、第3実施形態の第3変形例を示している。接合基板(55c,55d)は、それぞれ、第一基板10と、第二基板20と、一方の主面にて第一基板10に接合され他方の主面にて第二基板20に接合される第三基板30と、からなる。第一基板10の側面15は、接合される第三基板30の側面35との間に段差を生じないように配置されている。第二基板20の側面25は、接合される第三基板30の側面35との間に段差を生じないように配置されている。
[第4実施形態]
図10Aは、第4実施形態のマイクロチップにおける、接合基板58aを+Z方向から見た一つの角部(基板の二つの側面に挟まれる角部)の拡大図である。つまり、当図には、第一基板10及び第二基板20から構成される接合基板58aの角部の一つを、接合基板58aの第二基板20側から見た様子が示されている。第二基板20の角部は面取り形状23を呈し、第一基板10の角部14は、第二基板の面取り形状23よりも、接合基板58aの重心から離れて位置している。面取り形状とは、角部を削り、削った部分に新たな面を作ったような形状を意味するものであり、実際に角部を削って面取りを設けることに拘泥されない。
このような、基板の二つの側面に挟まれる角部は、従来、基板把持手段の接触及び押圧により特に剥離しやすい場所である。しかしながら、第二基板20の二つの側面に挟まれる角部を面取り形状23にすることで、第二基板20の角部(面取り形状23)に接触する接触確率が相対的に低下する。また、基板把持手段が、第二基板の面取り形状23に接触したとしても、基板把持手段の接触を面で受けるため、押圧力が分散し、第二基板20が変形しにくくなる。
本実施形態では、面取り形状23は、R面取り、すなわち、角を形成しないように曲面を呈する。しかしながら、面取り形状23を、C面取り、すなわち、交わる二つの基板側面を同じ幅だけ面取り(言い換えると、面取り部分が二等辺三角形となるように面取り)するような形状でも構わない。R面取り及びC面取りは、基板把持手段による押圧力の分散効果が高い。また、交わる二つの基板側面を互いに異なる幅で面取りしても構わない(面取り部分の三角形が二等辺でなくても構わない)。さらに、上記実施形態では、接合基板58aの一つの角部を面取り形状にすることを説明したが、他の角部においても同様に面取り形状にするとよい。後述する変形例についても同様である。
図10Bは、第4実施形態の第1変形例である、接合基板58bの角部の拡大図である。第一基板10の角部はC面取り形状141を有している。第二基板20の角部は面取り部分が折れ線形状231、すなわち、角度の異なる複数の辺(図10Bでは二辺)から構成されている。面取り部分の辺の数を増加させることにより、面取り部分に生じる角度が大きくなり、基板把持手段による押圧力が分散する。辺の数を無限に増やしたものはR面取り形状となる。また、図10A及び図10Bに設けられた面取り部分はいずれも基板の外に向かって突出する凸状であるが、凹状(基板のうちに向かって突出する形状)であってもよい。
また、第1~第3実施形態では、第一基板10や第二基板20の辺に厚み方向(Z方向)に対する勾配を設けたが、これら基板(10,20)の辺に厚み方向の勾配を設けず、これら基板(10,20)の角部にのみ厚み方向に対する勾配を設けてもよい。勾配を、基板の辺よりも基板把持手段が接触しやすい基板の角部に設けることにより、基板把持手段による押圧力に対する変形を抑止できる。
図11は、第4実施形態の第2変形例であり、接合基板59を+Z方向から見た一つの角部の拡大図である。つまり、第一基板10及び第二基板20から構成される接合基板59の角部を第二基板20側から見た様子が示されている。第一基板10の角部及び第二基板20の角部は、それぞれ、R面取り形状、すなわち、円弧状の面取り形状を有する。
これにより、基板把持手段が、第二基板20の面取り形状23の角部に接触する接触確率が相対的に低下する。さらに、両基板(10,20)は円弧状の面取り形状を呈しているから、基板把持手段による押圧力が分散し、残りの基板が変形しにくくなる。ただし、両基板は、いずれも、直線状又は折れ線状の面取り形状としてもよい。
以上の実施形態及び各種変形例では、接合基板を構成する複数の基板のうち、相対的に厚みの大きい基板を第一基板とし、相対的に厚みの小さい基板を第二基板(及び第三基板)とした。すなわち、各基板の厚みに基づいて第一基板を決定した。しかしながら、基板の剛性を基準にして第一基板を決定してもよい。つまり、接合基板を構成する複数の基板のうち、相対的に剛性の大きい基板を第一基板とし、相対的に剛性の小さい基板を残りの基板(第二基板や第三基板)としてもよい。上述のあらゆる記載において、「相対的に厚みの大きい基板」と「相対的に厚みの小さい基板」に代えて、それぞれ、「相対的に剛性の大きい基板」と「相対的に剛性の小さい基板」を採用しても、成立し得る。基板の剛性は、基板の材質と、内部に設けた溝や開口の大きさ、数及び配置によって決定される。剛性が互いに異なる基板が使用される場合、剛性が互いに異なる基板同士の厚みが同じであってもよい。
以上の実施形態では、2枚の基板からなる接合基板及び3枚の基板からなる接合基板のみを開示しているが、4枚以上の基板からなる接合基板でもよい。また、上述した実施形態又は各種変形例は、適宜組み合わせることも可能である。さらに、本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内で種々の改良変更が可能である。
1 :マイクロチップ
10 :第一基板
10a,10b:(第一基板の)主面
10n :非接合領域
11,12:液体流通口
13 :流路
14 :角部
15,16,17,18:(第一基板の)側面
20 :第二基板
20a,20b:(第二基板の)主面
23 :面取り形状
25,26,27,28:(第二基板の)側面
30 :第三基板
35,37:(第三基板の)側面
50a,50b,51,52,53,54a,54b,55a~55d,58a,58b,59:接合基板
141 :C面取り形状
151,152,251 :角部
153 :平面
154,155,156:勾配形成面
157 :最外側部
231 :折れ線形状

Claims (7)

  1. 主面及び側面を有する複数の基板の前記主面同士が貼り合わされてなる接合基板の内部にマイクロ流路を備えるマイクロチップであって、
    前記複数の基板は、厚みの大きい第一基板と、前記第一基板より厚みの小さい残りの基板とからなり、
    前記主面に平行な方向から前記接合基板の一端部を見たとき、少なくとも前記第一基板の側面は勾配を有し、且つ、前記第一基板の前記勾配を有する前記側面は最も外側まで延びており、
    前記主面に平行な方向から、前記接合基板の長手方向側面、又は、前記接合基板の短手方向側面を見たとき、前記第一基板が前記残りの基板と接合される主面の両端部のそれぞれにおいて、前記第一基板が前記残りの基板と接合されない非接合領域を含む
    ことを特徴とするマイクロチップ。
  2. 前記残りの基板は第二基板のみからなり、
    前記主面に平行な方向から前記接合基板の一端部を見たとき、前記第二基板の側面は勾配を有することを特徴とする、請求項1に記載のマイクロチップ。
  3. 前記残りの基板は、第二基板と、一方の主面にて前記第一基板に接合され他方の主面にて前記第二基板に接合される第三基板と、からなり、
    前記主面に平行な方向から前記接合基板の一端部を見たとき、前記第二基板の側面は勾配を有することを特徴とする、請求項1に記載のマイクロチップ。
  4. 前記主面に平行な方向から前記接合基板の一端部を見たとき、前記第二基板の側面は、前記第三基板の側面よりも外側まで延びていることを特徴とする、請求項3に記載のマイクロチップ。
  5. 前記主面に平行な方向から前記接合基板の一端部を見たとき、前記第一基板において前記残りの基板と接合される主面は、前記第一基板の一側面の中で最も外側に位置する最外側部を含んでおり、前記第二基板において前記第一基板に最も近い主面は、前記第二基板の一側面の中で最も外側に位置する最外側部を含んでいることを特徴とする、請求項2~4のいずれか一項に記載のマイクロチップ。
  6. 前記接合基板の主面に直交する方向から前記接合基板の角部のいずれか一つを見たとき、
    前記残りの基板の前記角部は面取り形状を呈し、
    前記第一基板の前記角部は、前記残りの基板の前記角部よりも、前記接合基板の重心から離れて位置していることを特徴とする、請求項1~のいずれか一項に記載のマイクロチップ。
  7. 前記接合基板の主面に直交する方向から前記接合基板の角部のいずれか一つを見たとき、
    前記第一基板の前記角部の少なくとも一つは、円弧状の面取り形状を呈し、
    前記残りの基板を構成する少なくとも一つの基板の前記角部は、直線又は折れ線形状を呈することを特徴とする、請求項に記載のマイクロチップ。
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