WO2013027393A1 - マイクロ流体デバイス - Google Patents
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Abstract
Description
本発明に係る反応流路を有するマイクロ流体デバイスは、
温度が異なる少なくとも2つの温度領域をそれぞれ含んで成る複数の温度サイクル領域が繰り返し設けられており、反応流路が複数の温度サイクル領域を通過するように形成されることを特徴とする。
マイクロ流体デバイスは、ヒータ部を含んで成り、
ヒータ部は、異なる温度に設定された複数のヒータを有し、
ヒータ周縁域に温度領域が形成される。
ヒータ部は、少なくとも基板と蓋板のいずれか一方に有って成り、
反応流路は、基板と蓋板との間に形成されて成る。
並列に配置された少なくとも2つの反応流路が、同じ試料注入部から接続されている。
<基板3の形成>
図3は、本発明のデバイス1内の基板3の形成プロセス断面図である。まず、酸素および水素雰囲気の拡散炉中でシリコン基板12の表裏面に酸化膜11を形成する(図3(a))。次いで、酸化膜11上にフォトリソグラフィによりレジストを形成し、反応性イオンエッチング(RIE)により酸化膜11をエッチングする(図3(b))。次いで、レジストを除去し、シリコンが露出した部分をエッチングし、試料注入部4の一部を構成する凹部、反応試薬担持部9、反応流路8、検出部10および試料排出部7の一部を構成する凹部のチャンネル14を形成する(図3(c))。次いで、表裏面の酸化膜11をフッ酸等によるエッチングにより除去する(図3(d))。最後に、反応流路8の親水性を高めるため、熱酸化膜13を形成して基板3を得る(図3(e))。上記方法以外に基板3の材質がシリコン以外の例えば樹脂である場合には、チャンネル14の形成方法は射出成形などの方法によって設けられてもよい。
図4は、本発明のデバイス1内の蓋板2の形成プロセス断面図である。まず、サンドブラストやドリル加工等を用いて、ガラス板15に貫通孔を形成する(図4(a))。次いで、メッキ等により貫通孔に金属16、例えば銅を充填する(図4(b))。次いで、ヒータとなる金属薄膜17、例えばアルミニウム薄膜をスパッタリングにより形成する。本発明では特に金属薄膜の種類は限定しないが、例えばアルミニウムや金、白金などが好ましい(図4(c))。次いで、スパッタリングにより成膜したアルミニウムをフォトリソグラフィ、およびエッチングによりパターニングする(図4(d))。この金属薄膜が本発明のデバイス1内のヒータ5aおよび5bに相当する。次いで、ヒータ5aおよびヒータ5bとなるアルミニウム薄膜が直接反応流体に触れるのを防ぐため、プラズマCVDによりシリコン酸化膜18を形成する(図4(e))。次いで、化学機械的研磨(CMP)により成膜した酸化膜18を平坦化する(図4(f))。次いで、検出電極6を設置するため、酸化膜18をフォトリソグラフィ、フッ酸によるエッチングにより除去して、検出電極6の設置部19を形成する(図4(g))。最後に、金または白金薄膜をスパッタリングにより検出電極6を形成して、蓋板2を得る(図4(h))。
図5は、本発明のデバイス1内の基板3と蓋板2の接合プロセス断面図である。まず、図4(h)で得られた蓋板2(図5(b))を上下反転させたものを上板に、又図3(e)で得られた基板3(図5(a))を下板となるようにする。次いで、両板を重ね、300℃~400℃程度に加熱、保持する。次いで、両板が所望の温度になったところで、400V~800Vの電圧を蓋板2側に印加する。電圧を印加した状態で20分~60分保持することで基板3と蓋板2を接合させ、本発明のデバイス1を得る(図5(c))。接合方法は、陽極接合に限るものではなく、例えば表面活性化接合等を用いれば常温で接合することも可能である。
(1)反応流路8を蛇行させることなく形成できること
(2)反応流路8を蛇行させることなく形成できることによって、1つのデバイス1内に複数の反応流路8を効率良く並列に配置することができること
(3)安定な反応流れを実現できることで、反応流体の流動制御および流動操作が容易となること
(4)デバイス1の小型化を図ることができること
の効果を有する。
本発明のデバイス1内の基板3の形成プロセスである。本実施例では、基板3としてシリコンを用いる。
(1)熱酸化
酸素および水素雰囲気の拡散炉中で、シリコン基板12の表裏面に500nm~1μm程度のシリコン酸化膜11を形成する。
(2)シリコン酸化膜11除去
シリコン酸化膜11上にフォトリソグラフィによりレジストをパターニングし、反応性イオンエッチング(RIE)によりシリコン酸化膜11をエッチングする。
(3)Siエッチング
レジストを除去し、シリコンが露出した部分を、深堀りRIE(DRIE)により、例えば20μm~100μmエッチングし、デバイスの試料注入部4の一部を構成する凹部、反応試薬担持部9、反応流路8、検出部10および試料排出部7の一部を構成する凹部のチャンネル14を形成する。このシリコンのエッチングはDRIEに限らず、例えばTMAH等を用いたウェット・エッチングでもよい。
(4)シリコン酸化膜11除去
表裏面のシリコン酸化膜11をフッ酸等によるエッチングにより除去する。
(5)熱酸化
反応流路8の親水性を高めるため、50nm~100nm程度の酸化膜を形成する。
本発明のデバイス1内の蓋板2の形成プロセスである。本実施例では、蓋板2としてガラスを用いる。
(1)貫通孔加工
サンドブラストやドリル加工等を用いて、ガラス板15に貫通孔を形成する。
(2)金属16埋め込み
メッキ等により、貫通孔に金属16、例えば銅を充填する。
(3)ヒータ金属薄膜の形成
ヒータとなる金属薄膜17、例えば0.5μm~1.5μm程度のアルミニウム薄膜をスパッタリングにより形成する。本発明では特に金属薄膜17の種類は限定しないが、例えばアルミニウムや金、白金などが好ましい。
(4)金属薄膜17のパターニング
スパッタリングにより成膜したアルミニウムをフォトリソグラフィ、およびエッチングによりパターニングする。
(5)保護膜形成
プラズマCVDにより、1μm~2μm程度のシリコン酸化膜18を形成する。ヒータとなるアルミニウム薄膜が直接液に触れるのを防ぐ。
(6)平坦化
化学機械的研磨(CMP)により、成膜したシリコン酸化膜18を平坦化する。
(7)酸化膜パターニング
検出電極6を形成する部分の酸化膜をフォトリソグラフィ、フッ酸によるエッチングにより除去する。
(8)検出電極6の形成
検出電極6として、金または白金薄膜をスパッタリングにより形成する。
本発明のデバイス1内の基板3と蓋板2の接合プロセスである。
接合の方法としては、例えば陽極接合によって接合する。まず、基板3と蓋板2とを重ね、300℃~400℃程度に加熱、保持する。次いで、基板3と蓋板2が所望の温度になったところで、基板3に対して400V~800Vの電圧を蓋板2側に印加する。電圧を印加した状態で20分~60分保持することで良好な接合を実現することができる。接合方法は、陽極接合に限るものではなく、例えば表面活性化接合等を用いれば常温で接合することも可能である。
2 蓋板
3 基板
4 試料注入部
5 ヒータ部
5a ヒータ
5b ヒータ
6 検出電極
7 試料排出部
8 反応流路
8a 反応流路
8b 反応流路
8c 反応流路
8d 反応流路
8e 反応流路
9 反応試薬担持部
10 検出部
11 シリコン酸化膜
12 シリコン基板
13 酸化膜
14 チャンネル
15 ガラス板
16 金属
17 金属薄膜
18 シリコン酸化膜
19 検出電極設置部
Claims (10)
- 反応流路を有するマイクロ流体デバイスにおいて、
温度が異なる少なくとも2つの温度領域をそれぞれ含んで成る複数の温度サイクル領域が繰り返し設けられており、前記反応流路が複数の前記温度サイクル領域を通過するように形成されることを特徴とする、
マイクロ流体デバイス。 - 前記マイクロ流体デバイスがヒータ部を含んで成り、
前記ヒータ部は、異なる温度に設定された複数のヒータを有し、
前記ヒータ周縁域に前記温度領域が形成される、
請求項1に記載のマイクロ流体デバイス。 - 前記マイクロ流体デバイスが、結合された基板と蓋板とを含んで成り、
前記ヒータ部は、少なくとも前記基板と前記蓋板のいずれか一方に有って成り、
前記反応流路は、前記基板と前記蓋板との間に形成されて成る、
請求項2に記載のマイクロ流体デバイス。 - 少なくとも2つの前記反応流路が並列に配置されている、請求項1~3のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
- 並列に配置された少なくとも2つの前記反応流路が、同じ前記ヒータ部を共有する、請求項4に記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記マイクロ流体デバイスが、試料注入部および試料排出部を含んで成り、
並列に配置された少なくとも2つの前記反応流路が、同じ前記試料注入部から接続されている、請求項4又は5に記載のマイクロ流体デバイス。 - 前記ヒータが金属薄膜ヒータから成る、請求項2~6のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記反応流路内を流れる反応流体の濃度を測定するための検出電極を含んで成る、請求項1~7のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
- 前記試料注入部と複数の前記温度サイクル領域を通過する前記反応流路との間に、反応試薬が担持されている、請求項6~8のいずれかに記載のマイクロ流体デバイス。
- 請求項1~9のいずれかに記載のマイクロ流体デバイスが、直列に若しくは並列に又はこれらを組み合わせて配列されている、マイクロ流体デバイス。
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