WO2022172898A1 - 基材接着方法、基材接着システムおよびマイクロ流体デバイス - Google Patents

基材接着方法、基材接着システムおよびマイクロ流体デバイス Download PDF

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教幸 小粥
公昭 岩堀
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Ａｓｔｉ株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B29—WORKING OF PLASTICS; WORKING OF SUBSTANCES IN A PLASTIC STATE IN GENERAL
    • B29C—SHAPING OR JOINING OF PLASTICS; SHAPING OF MATERIAL IN A PLASTIC STATE, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; AFTER-TREATMENT OF THE SHAPED PRODUCTS, e.g. REPAIRING
    • B29C65/00—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor
    • B29C65/02—Joining or sealing of preformed parts, e.g. welding of plastics materials; Apparatus therefor by heating, with or without pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B1/00—Devices without movable or flexible elements, e.g. microcapillary devices

Definitions

  • the present invention relates to a substrate bonding method, a substrate bonding system, and a microfluidic device for bonding two substrates together.
  • microfluidic devices such as cartridges and lab-on-chips have been widely used in the bio, medical, and analytical fields.
  • Such a microfluidic device is produced by adhering another resin base material to a resin base material in which channels composed of grooves and recesses are formed.
  • a base material with an adhesive or adhesive is used, or the surface of the base material is exposed to a solvent to melt the surface for bonding.
  • adhesives and solvents may remain on the channel surface of the microfluidic device, and the adhesives and solvents may affect test results and measurement results.
  • Cited Document 1 discloses bonding two base materials made of plastic resin by thermocompression bonding without using an adhesive or a solvent. However, in Cited Document 1, it is necessary to perform pressure bonding at a temperature exceeding the glass transition temperature of the substrate, which may clog or deform the fine channels of the microfluidic device or warp the substrate itself containing the microfluidic device. There is
  • Cited Documents 2 and 3 disclose a method in which the substrates to be bonded are surface-modified in advance by plasma treatment, corona discharge treatment, or the like, and then press-bonded at a low temperature.
  • JP 2013-10076 A "Bonding Cycloolefin Polymers by Photosurface Activation: Evaluation of Bonding Strength and Application to Microchannels" Surface Technology Vol.65, No. 5, 2014 "Dissimilar Material Bonding of COP and Glass Substrate by Water Vapor Plasma” IEEJ Transactions Sensors and Micromachines Vol.138 No.8 pp.358-364, 2018
  • the adhesive state of the base material cannot be maintained for a long time.
  • the microfluidic device is used for liquid transfer or is placed under high temperature in a reagent-sealed state, the microfluidic device may be damaged due to its low water resistance.
  • surface modification may also affect the surface of the substrate opposite to the surface to be adhered.
  • the base material may be adhered to the mold during crimping with a press.
  • the surface is modified in advance and then the substrate is adhered, there is also a problem that the formed product becomes expensive.
  • a first substrate made of a first resin having a first glass transition temperature and a second resin made of a second resin having a second glass transition temperature lower than the first glass transition temperature a preparatory step of preparing two base materials; and a temporary bonding step of superimposing the second base material on the first base material and pressing them against each other at a predetermined temperature and with a predetermined pressure, wherein the predetermined temperature is the first base material. a temperature between one glass transition temperature and the second glass transition temperature;
  • a method of bonding substrates is provided that includes this bonding step of heating for a period of time.
  • a first substrate made of a first resin having a first glass transition temperature is combined with a second substrate made of a second resin having a second glass transition temperature lower than the first glass transition temperature. are superimposed and pressed against each other at a predetermined temperature and at a predetermined pressure, wherein the predetermined temperature is a temperature between the first glass transition temperature and the second glass transition temperature;
  • a substrate bonding system is provided comprising a bonding unit that heats the first substrate and the second substrate pressed together to a temperature approximately equal to the second glass transition temperature for a predetermined time.
  • the temperature is approximately equal to the second glass transition temperature. to heat these base materials (main bonding step). It suffices that the temperature applied to the two substrates is always lower than the first glass transition temperature. For this reason, two substrates can be inexpensively and firmly bonded without using adhesives or solvents, without warping or deforming the substrates, and without surface modification. can. Furthermore, the reliability of microfluidic devices produced by such bonding methods can be enhanced.
  • FIG. 1 is a schematic illustration of a substrate bonding system according to the present disclosure
  • FIG. 4 is a top view of the first substrate
  • Fig. 10 is a top view of another first base material
  • FIG. 10 is a side view of a first base material in another embodiment
  • FIG. 10 is a side view of a first base material and a second base material in another embodiment
  • FIG. 4 is a partial side view of the first base material and the second base material in the example
  • FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the time of the main bonding step and the amount of recession of the second base material
  • FIG. 1 is a schematic diagram showing a substrate bonding system according to the present disclosure.
  • the substrate bonding system 10 shown in FIG. 1 is used to bond a first substrate 21 and a second substrate 22 together in at least partial surface contact.
  • the "base material" in this specification is a concept including both a plate and a film.
  • the first base material 21 is formed from a first resin having a first glass transition temperature Tg1.
  • the second base material 22 is made of a second resin having a second glass transition temperature Tg2 lower than the first glass transition temperature Tg1.
  • the first resin is a cycloolefin polymer and the second resin is a cycloolefin copolymer.
  • FIG. 2A is a top view of the first substrate.
  • the first substrate 21 preferably has at least one of grooves A and recesses B formed on its surface. Grooves A and recesses B form the channels of the microfluidic device.
  • a through-hole may be formed instead of or in addition to the recess B, and the second substrate 22 is preferably flat.
  • the surface of the first base material 21 may be flat, and the flat first base material 21 and the second base material 22 may simply be adhered.
  • another member may be enclosed between the first base material 21 and the second base material 22 .
  • the base material bonding system 10 includes a temporary bonding unit 11 that superimposes a second base material 22 on a first base material 21 and presses them together at a predetermined temperature and a predetermined pressure, and a second base material that is pressure bonded to each other. and a main bonding unit 12 for heating the first base material 21 and the second base material 22 for a predetermined period of time.
  • the temporary adhesion unit 11 is preferably a press, for example, and the main adhesion unit 12 is preferably a constant temperature bath, for example.
  • other devices having functions equivalent to those described later may be used as the temporary adhesion unit 11 and the permanent adhesion unit 12 .
  • the thickness of the first base material 21 is preferably 5 mm or less, more preferably 2 mm or less, and the thickness of the second base material 22 is preferably about 10 ⁇ m to 1 mm, more preferably 30 ⁇ m to 200 ⁇ m.
  • the first base material 21 when the first base material 21 is thicker than the second base material 22, the first base material 21 functions as a base, and the second base material 22 serves as a cover covering the surface of the first base material 21. function as Therefore, it is advantageous when a channel structure including grooves A and recesses B is formed on the surface of the first base material 21 .
  • the thicknesses of the first base material 21 and the second base material 22 are not limited to the above, and may be the same thickness.
  • the first base material 21 is formed by injection molding and the second base material 22 is formed by extrusion molding.
  • the areas of the first base material 21 and the second base material 22 are preferably approximately equal to each other. Alternatively, if the second substrate 22 has a sufficient area to cover the channel structure or specific portions of the first substrate 21, the area of the second substrate 22 is larger than the area of the first substrate 21. Small is fine.
  • the first base material 21 and the second base material 22 are supplied to the temporary adhesion unit 11.
  • the temporary adhesion unit 11 for example, a press
  • the second base material 22 is superimposed on the first base material 21 .
  • the superimposed first base material 21 and second base material 22 are arranged between the upper mold 15 and the lower mold 16 .
  • the first substrate 21 may be overlaid on the second substrate 22 .
  • the first substrate 21 may be sandwiched between two second substrates 22 and placed between the upper mold 15 and the lower mold 16 .
  • the temperature T1 of the upper mold 15 and the lower mold 16 of the temporary adhesion unit 11 is a value between the first glass transition temperature Tg1 of the first base material 21 and the second glass transition temperature Tg2 of the second base material 22.
  • the temperature T1 may be approximately equal to Tg2, which has a lower glass transition temperature.
  • the upper mold 15 and the lower mold 16 may be set to a temperature other than the temperature T1.
  • the mold 16 may be below temperature T1.
  • the first base material 21 will not be deformed or warped by the heat of the temporary adhesion unit 11. Therefore, it is particularly advantageous when the channel structure is formed in the first base material 21 .
  • the second substrate 22 softens at the temperature T1, and as a result, exhibits stickiness and adheres to the first substrate 21 .
  • the pressure for pressing the first base material 21 and the second base material 22 is a value sufficient to obtain adhesive strength, for example, 1 MPa or more, more preferably 3 MPa or more.
  • the pressing time for pressing the first base material 21 and the second base material 22 is also a value sufficient to obtain adhesive strength, for example, 30 seconds or longer, preferably 60 seconds or longer, and more preferably 120 seconds or longer. be.
  • the pressure and pressing time of the temporary bonding unit 11 also change depending on the materials and shapes of the first base material 21 and the second base material 22 .
  • the second glass transition temperature Tg2 of the second substrate 22 is lower than the first glass transition temperature Tg1 of the first substrate 21.
  • the difference between the temperature T1 and the first glass transition temperature Tg1 is 5 to 40°C, preferably 5 to 20°C
  • the difference between the temperature T1 and the second glass transition temperature Tg2 is 0 to 40°C, preferably 0 to 20°C. °C is preferred.
  • the difference between the first glass transition temperature Tg1 and the second glass transition temperature Tg2 is preferably 5°C to 40°C, preferably 10°C to 30°C. In other words, it is required to prepare the first base material 21 and the second base material 22 having such glass transition temperatures Tg1 and Tg2.
  • first base material 21 and the second base material 22 are temporarily bonded in the temporary bonding unit 11.
  • the temporarily bonded first base material 21 and second base material 22 are supplied to the final bonding unit 12 .
  • the temporarily bonded first base material 21 and second base material 22 are placed in an environment of temperature T2 for a predetermined period of time.
  • the predetermined time in the main bonding unit 12 is preferably relatively long.
  • the predetermined time is 30 minutes or longer, preferably 60 minutes or longer, and more preferably 120 minutes or longer.
  • the temperature T2 is a value approximately equal to the second glass transition temperature Tg2 of the second substrate 22.
  • the temperature T2 may be slightly below or slightly above the second glass transition temperature Tg2.
  • the temperature T2 in some embodiments is the second glass transition temperature Tg2 ⁇ 20°C. More preferably, the temperature T2 is the second glass transition temperature Tg2 ⁇ 10°C.
  • a large constant temperature bath is used as the main bonding unit 12
  • a plurality of temporarily bonded substrates can be treated at once.
  • a reflow oven is used as the main bonding unit 12
  • FIG. 4A which will be described later, is a partial side view of the first base material 21 and the second base material 22 after the temporary bonding process and before the permanent bonding process in one embodiment.
  • a second substrate 22 having a smaller thickness than the first substrate 21 is used.
  • the temperature T1 in the temporary bonding process is higher than the second glass transition temperature Tg2, so when the temporary bonding process is completed, the loosened second base material 22 may drop into the concave portion B of the first base material 21. be.
  • the amount of depression of the second base member 22 into the concave portion B increases as the dimension of the concave portion B increases.
  • the temperature T2 of the main bonding unit 12 is approximately equal to the second glass transition temperature Tg2, the second base material 22 shrinks, and as a result, the second base material 22 is prevented from falling into the concave portion B. Therefore, when the first substrate 21 has the grooves A and the recesses B, it is possible to avoid changes in the dimensions of their internal spaces, and to form a microfluidic device having channels of the required dimensions.
  • the entire first base material 21 is not warped or deformed, and the grooves Neither does the shape of the channel structure such as A and/or recess B change. Therefore, the two base materials 21 and 22 can be firmly adhered at low cost without warping of the base materials. Furthermore, it is possible to provide a highly reliable bond consisting of the first base material 21 and the second base material 22 .
  • the first substrate 21 having the grooves A and/or the recesses B formed on both the front surface and the back surface as described above is sandwiched between the two second substrates 22, the first substrate
  • the grooves A and/or the recesses B formed on the front and back sides of 21 can be closed simultaneously with two second substrates 22 .
  • the present disclosure there is no need to use an adhesive, a cover material with an adhesive, or the like, and they do not remain. Furthermore, in the present disclosure, it is not necessary to previously perform surface modification of the first base material 21 and the second base material 22 by vacuum ultraviolet treatment, plasma treatment, or corona discharge treatment. In addition, autofluorescence that may occur during vacuum ultraviolet treatment does not remain on the first base material 21 and the second base material 22 . Furthermore, unlike plasma treatment and corona discharge treatment, the wettability of the surfaces of the first base material 21 and the second base material 22 does not change, so the liquid flowability is not affected. Furthermore, since no surface modification is performed, the substrates 21 and 22 are not adhered to the mold of the pressing machine.
  • the two substrates 21, 22 can be bonded at low cost. Furthermore, when it is desired to modify the surface of the channel such as the groove A and/or the recess B to make it hydrophilic, the two base materials 21 and 22 are bonded as described above after the surface modification. Also good. This enables a strong seal with high water resistance.
  • the first resin of the first substrate 21 is a cycloolefin polymer and the second resin of the second substrate 22 is a cycloolefin copolymer.
  • such olefin-based resins have low water absorption and low adsorption of proteins and the like. Substrates made of such olefinic resins can be adhered without surface modification. Thus, it is also possible to provide an olefinic bond consisting of the first substrate 21 and the second substrate 22 .
  • a press machine is used as the main adhesion unit 12, and a predetermined pressure is applied to the first base material 21 and the second base material 22 in the main adhesion process, for example, as compared with the case of the temporary adhesion process. A lower pressure may be applied.
  • FIG. 3A is a side view of a first base material in another embodiment.
  • a first base material 21 shown in FIG. 3A has a plurality of fine uneven portions 21a formed on its surface. Such an uneven portion 21a is assumed to be much smaller than the grooves A and recesses B described above.
  • the concave-convex portion 21a may be formed at the time of manufacturing the first base material 21, for example, at the time of injection molding, or may be formed after the first base material 21 is manufactured.
  • a first base material 21 and a second base material 22 shown in Table 1 were prepared.
  • the first base material 21 is made of cycloolefin polymer (COP), and has a first glass transition temperature Tg1 of 100° C. and a thickness of 1.2 mm.
  • the second base material 22 is made of cycloolefin copolymer (COC), has a second glass transition temperature Tg2 of 78° C., and a thickness of 0.1 mm.
  • the recess B of the first base material 21 was previously filled with the reagent. The same is true for Comparative Examples 1 and 2.
  • the temperature T1 was set to 90°C, the pressure was set to 4.4 MPa, and the time was set to 120 seconds. Time was set to 2 hours. Furthermore, in the temporary bonding process of Comparative Examples 1 and 2, the temperature T1 was set to 90° C., the pressure was set to 8 MPa, and the time was set to 120 seconds, and the main bonding process was not performed. Further, in Comparative Example 2, surface modification treatment is performed with vacuum ultraviolet light before the temporary bonding step. A press machine was used as the temporary adhesion unit 11 and a constant temperature bath was used as the main adhesion unit 12 .
  • Example 1 The adhesives of Example 1 and Comparative Examples 1 and 2 thus prepared were separately heated at 42° C. from the viewpoint of accelerated testing.
  • the reagent filled in the recesses B did not leak even after 48 hours or more.
  • the reagent filled in the recesses B leaked after 1 to 10 hours (variations among multiple samples or variations due to recess positions within the same sample).
  • Comparative Example 2 the reagent filled in the recesses B leaked after 1 to 6 hours. Therefore, the present disclosure can provide an olefin adhesive with high water resistance.
  • Example 2 Example 2
  • FIG. 4A is a partial side view of the first base material and the second base material in Example 2.
  • FIG. The first substrate 21 and the second substrate 22 are the same as in Example 1 in Table 1. Further, the depth of the concave portion B formed in the first base material 21 is 0.7 mm.
  • the second base material 22 partially falls into the recess B of the first base material 21 as shown in FIG. 4A.
  • Z be the amount of depression of the upper surface of the second base material 22 at the position corresponding to the concave portion B. As shown in FIG.
  • the susceptibility to depression varies depending on adhesion conditions and material characteristics.
  • FIG. 4B is a diagram showing the relationship between the time of the main bonding process and the amount of recession of the second base material.
  • the depression amount Z is about 0.11 mm immediately after the temporary bonding process (the time of the main bonding process is zero). Then, the main bonding step is performed under the conditions of Example 1 shown in Table 1. After performing the main bonding process for at least 2 hours, the depression amount Z was 0.02 mm, which indicates that the depression is almost eliminated.
  • the time for the main bonding step in Example 2 is preferably a time that substantially eliminates the sagging amount Z and satisfies the water resistance (see Table 2).
  • the first resin of the first base material 21 and the second resin of the second base material 22 are olefinic polymers.
  • the first resin is a cycloolefin polymer (COP) and the second resin is a cycloolefin copolymer (COC).
  • COP cycloolefin polymer
  • COC cycloolefin copolymer
  • first resin and the second resin can also be employed as the first resin and the second resin.
  • first resin and the second resin can also be employed as the first resin and the second resin.
  • the same type of resin such as a cycloolefin polymer, with different specifications, eg, molecular weights, may be used as the first and second resins, provided that the glass transition temperatures are different from each other.
  • a cycloolefin copolymer (COC) is selected as the first resin
  • the second resin is A cycloolefin polymer (COP) may be selected.
  • microfluidic devices that include a first substrate and a second substrate bonded by the substrate bonding method and/or substrate bonding system of the present disclosure.

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Abstract

表面改質などを行うことなしに、二つの基材を安価で且つ強固に接着する。　基材接着システム（１０）は、第一ガラス転移温度を有する第一樹脂からなる第一基材（２１）に、第一ガラス転移温度よりも小さい第二ガラス転移温度を有する第二樹脂からなる第二基材（２２）を重畳させて所定温度で且つ所定圧力で互いに圧着する仮接着ユニット（１１）を含む。所定温度は第一ガラス転移温度と第二ガラス転移温度との間の温度である。基材接着システム（１０）は、さらに、互いに圧着された第一基材および第二基材を第二ガラス転移温度に概ね等しい温度で所定時間に亙って加熱する本接着ユニットを含む。

Description

基材接着方法、基材接着システムおよびマイクロ流体デバイス
　本発明は、二つの基材を互いに接着する基材接着方法、基材接着システムおよびマイクロ流体デバイスに関する。
　近年、バイオ、医療、分析分野においては、マイクロ流体デバイス、例えばカートリッジ、ラボオンチップなどが広く利用されている。そのようなマイクロ流体デバイスは、溝や凹部からなるチャネルが形成された樹脂製基材に、他の樹脂製基材を接着することにより作成されている。
　二つの基材を接着するために、接着剤または粘着剤付きの基材を使用したり、基材の表面を溶媒に晒して表面を溶かして接着することが行われている。しかしながら、マイクロ流体デバイスのチャネル表面に接着剤や溶媒が残存する場合があり、接着剤や溶剤が検査結果、測定結果に影響を与える可能性がある。
　引用文献１は、接着剤や溶剤を使用することなしに、プラスチック樹脂製の二つの基材を熱圧着により接着することが開示されている。しかしながら、引用文献１では、基材のガラス転移温度を超える温度で圧着する必要があり、マイクロ流体デバイスの微細なチャネルが閉塞、変形したり、マイクロ流体デバイスを含む基材自体が反る可能性がある。
　このため、引用文献２および引用文献３は、接着されるべき基材をプラズマ処理やコロナ放電処理等により予め表面改質した後で低温で圧着する方法が開示されている。
特開２０１３－１００７６号公報 「光表面活性化によるシクロオレフィンポリマーの接合：接合強度評価とマイクロ流路への応用」表面技術　Vol.65, No. 5, 2014 「水蒸気プラズマによるCOPとガラス系基板の異種材料接合」IEEJ Transactions Sensors and Micromachines Vol.138 No.8 pp.358-364, 2018
　しかしながら、表面改質により生じた水素結合が水分に触れると切断されるので、基材の接着状態を長時間に亙って維持できない。特にマイクロ流体デバイスが送液に使用されたり、試薬封止状態で高温下に配置されたりすると、耐水性が低いためにマイクロ流体デバイスが破損する可能性がある。
　さらに、真空紫外線処理により表面改質を行う場合、基材に自家蛍光が残留するので、蛍光観察を行う用途などには不向きである。また、自家蛍光が少ない表面改質も可能であるが、そのための設備が非常に高価であり、真空プロセスなども要するため、量産化が効率的でない。
　さらに、基材全面を表面改質すると、表面の濡れ性が変化するので、チャネル内の液流れの状態も変化する。また表面の濡れ性は、時間とともに変化するという問題もある。
　さらに、表面改質は、基材の接着されるべき面とは反対側の面にも影響する場合がある。このような場合には、プレス機での圧着時に、基材が金型に接着されるという事態になりうる。また、表面改質を予め行って基材を接着する場合には、形成された製品が高価になるという問題もある。
　また、このような問題は、二つの基材を単に貼り合わせる用途や、二つの基材の間に他の部材を封入する用途等においても同様に生じうる。
　それゆえ、接着剤や溶剤を使用することなしに、基材が反ったり、形状変形したりすることなしに、および表面改質を行うことなしに、二つの基材を安価で且つ強固に接着する基材接着方法、基材接着システムおよびマイクロ流体デバイスが望まれている。
　本開示の一つの態様によれば、第一ガラス転移温度を有する第一樹脂からなる第一基材と、前記第一ガラス転移温度よりも小さい第二ガラス転移温度を有する第二樹脂からなる第二基材とを準備する準備工程と、前記第一基材に前記第二基材を重畳させて所定温度で且つ所定圧力で互いに圧着する仮接着工程と、を含み、前記所定温度は前記第一ガラス転移温度と前記第二ガラス転移温度との間の温度であり、さらに、前記互いに圧着された前記第一基材および前記第二基材を前記第二ガラス転移温度に概ね等しい温度で所定時間に亙って加熱する本接着工程を含む、基材接着方法が提供される。
　他の態様によれば、第一ガラス転移温度を有する第一樹脂からなる第一基材に、前記第一ガラス転移温度よりも小さい第二ガラス転移温度を有する第二樹脂からなる第二基材を重畳させて所定温度で且つ所定圧力で互いに圧着する仮接着ユニット、を具備し、前記所定温度は前記第一ガラス転移温度と前記第二ガラス転移温度との間の温度であり、さらに、前記互いに圧着された前記第一基材および前記第二基材を前記第二ガラス転移温度に概ね等しい温度で所定時間に亙って加熱する本接着ユニットを具備する、基材接着システムが提供される。
　これら態様においては、第一ガラス転移温度とそれよりも低い第二ガラス転移温度との間の温度で二つの基材を圧着（仮接着工程）した後で、第二ガラス転移温度に概ね等しい温度でこれら基材を加熱（本接着工程）している。二つの基材にかかる温度は第一ガラス転移温度よりも常に低くて足りる。このため、接着剤や溶剤を使用することなしに、基材が反ったり、形状変形したりすることなしに、および表面改質を行うことなしに、二つの基材を安価で且つ強固に接着できる。さらに、このような接着方法で作成されたマイクロ流体デバイスの信頼性を高めることができる。
　本発明の目的、特徴及び利点は、添付図面に関連した以下の実施形態の説明により一層明らかになろう。
本開示に基づく基材接着システムを示す略図である。 第一基材の頂面図である。 他の第一基材の頂面図である。 他の実施形態における第一基材の側面図である。 他の実施形態における第一基材および第二基材の側面図である。 実施例における第一基材および第二基材の部分側面図である。 本接着工程の時間と第二基材の落ち込み量との間の関係を示す図である。
　以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。全図面に渡り、対応する構成要素には共通の参照符号を付す。
　図１は本開示に基づく基材接着システムを示す略図である。図１に示される基材接着システム１０は、第一基材２１および第二基材２２を少なくとも部分的に面接触させて互いに接着するのに使用される。なお、本願明細書における「基材」はプレート、フィルムの両方を含む概念である。
　第一基材２１は第一ガラス転移温度Ｔｇ１を有する第一樹脂から形成される。第二基材２２は第一ガラス転移温度Ｔｇ１よりも低い第二ガラス転移温度Ｔｇ２を有する第二樹脂から形成される。一つの例においては、第一樹脂はシクロオレフィンポリマであり、第二樹脂はシクロオレフィンコポリマである。
　図２Ａは第一基材の頂面図である。図２Ａに示されるように第一基材２１はその表面に溝Ａおよび凹部Ｂのうちの少なくとも一方が形成されるのが好ましい。溝Ａおよび凹部Ｂはマイクロ流体デバイスのチャネルを形成する。図示しない実施形態においては、凹部Ｂに代わって、または凹部Ｂに加えて貫通孔が形成されていてもよい
また、第二基材２２は平坦であるのが好ましい。
　或いは、図２Ｂに示されるように、第一基材２１の表面が平坦であってもよく、平坦な第一基材２１および第二基材２２を単に接着するようにしてもよい。あるいは、第一基材２１と第二基材２２との間に他の部材を封入してもよい。
　再び図１を参照すると、基材接着システム１０は、第一基材２１に第二基材２２を重畳させて所定温度で且つ所定圧力で互いに圧着する仮接着ユニット１１と、互いに圧着された第一基材２１および第二基材２２を所定時間に亙って加熱する本接着ユニット１２とを備えている。仮接着ユニット１１は例えばプレス機であるのが好ましく、本接着ユニット１２は例えば恒温槽であるのが好ましい。ただし、後述するのと同等な機能を有する他の装置を仮接着ユニット１１および本接着ユニット１２として使用してもよい。
　以下、本発明の基材接着システム１０の動作を説明する。
　はじめに、第一基材２１および第二基材２２を準備する。第一基材２１の厚みは５ｍｍ以下であるのが好ましく、より好ましくは２ｍｍ以下、第二基材２２の厚みは１０μｍ～１ｍｍ程度であるのが好ましく、３０μｍ～２００μｍであるのがさらに好ましい。このように第一基材２１が第二基材２２よりも厚い場合には、第一基材２１はベースとして機能すると共に、第二基材２２は第一基材２１の表面を被覆するカバーとして機能する。従って、第一基材２１の表面に溝Ａおよび凹部Ｂからなるチャネル構造が形成されている場合に有利である。なお、第一基材２１および第二基材２２の厚みは上記に限定されるものではなく、互いに同じ厚さであってもよい。また、第一基材２１は射出成形により形成されると共に、第二基材２２は押出成形により形成されるのが好ましい。
　第一基材２１および第二基材２２の面積は互いに概ね等しいのが好ましい。或いは、第二基材２２が第一基材２１のチャネル構造または特定部位を被覆するのに十分な面積を有していれば、第二基材２２の面積が第一基材２１の面積より小さくても良い。
　次いで、第一基材２１および第二基材２２を仮接着ユニット１１に供給する。仮接着ユニット１１、例えばプレス機においては、第一基材２１上に第二基材２２を重畳させる。そして、重畳された第一基材２１および第二基材２２を上金型１５および下金型１６の間に配置する。図示しない実施形態においては第二基材２２上に第一基材２１を重畳させてもよい。あるいは、図示しない他の実施形態においては、第一基材２１を二つの第二基材２２の間に挟むようにして上金型１５および下金型１６の間に配置してもよい。
　仮接着ユニット１１の上金型１５および下金型１６の温度Ｔ１は、第一基材２１の第一ガラス転移温度Ｔｇ１と第二基材２２の第二ガラス転移温度Ｔｇ２との間の値に設定されるか、温度Ｔ１はガラス転移温度の低いＴｇ２とほぼ同等でも構わない。あるいは、第一基材２１および第二基材２２との間の接着界面が温度Ｔ１であれば、上金型１５および下金型１６は温度Ｔ１以外の温度に設定されてもよく、例えば下金型16が温度Ｔ１より低くても良い。
　温度Ｔ１がこのように設定される場合には、第一基材２１が仮接着ユニット１１の熱で変形したり反ったりすることはない。従って、第一基材２１にチャネル構造が形成されている場合に特に有利である。これに対し、温度Ｔ１は第二ガラス転移温度Ｔｇ２よりも高いので、第二基材２２は温度Ｔ１において軟化し、その結果、粘着性を呈して第一基材２１と接着するようになる。
　また、第一基材２１および第二基材２２をプレスする圧力は、接着力を得るのに十分な値、例えば１ＭＰａ以上、より好ましくは３ＭＰａ以上である。第一基材２１および第二基材２２をプレスするプレス時間も同様に、接着力を得るのに十分な値であり、例えば３０秒以上、好ましくは６０秒以上、より好ましくは１２０秒以上である。なお、仮接着ユニット１１の圧力およびプレス時間は、第一基材２１および第二基材２２の材質および形状によっても変化する。
　前述したように第二基材２２の第二ガラス転移温度Ｔｇ２は第一基材２１の第一ガラス転移温度Ｔｇ１よりも低い。温度Ｔ１と第一ガラス転移温度Ｔｇ１との差は５～４０℃、好ましくは５～２０℃であり、温度Ｔ１と第二ガラス転移温度Ｔｇ２との差は０～４０℃、好ましくは０～２０℃であるのが好ましい。あるいは、第一ガラス転移温度Ｔｇ１と第二ガラス転移温度Ｔｇ２との差は５℃～４０℃、好ましくは１０℃～３０℃であるのが好ましい。言い換えれば、このようなガラス転移温度Ｔｇ１、Ｔｇ２を有する第一基材２１および第二基材２２を準備することが要求される。
　このようにして、第一基材２１および第二基材２２は仮接着ユニット１１において仮接着される。次いで、仮接着された第一基材２１および第二基材２２は本接着ユニット１２に供給される。
　本接着ユニット１２において、仮接着された第一基材２１および第二基材２２は、所定時間にわたって温度Ｔ２の環境下に配置される。第一基材２１および第二基材２２を完全に接着させる目的で、本接着ユニット１２における所定時間は比較的長いのが好ましい。例えば所定時間は、３０分以上、好ましくは６０分以上、より好ましくは１２０分以上である。
　温度Ｔ２は第二基材２２の第二ガラス転移温度Ｔｇ２に概ね等しい値である。温度Ｔ２は第二ガラス転移温度Ｔｇ２をわずかながら下回るか、わずかながら上回ってもよい。或る実施例における温度Ｔ２は第二ガラス転移温度Ｔｇ２±２０℃である。より好ましくは温度Ｔ２は第二ガラス転移温度Ｔｇ２±１０℃である。温度Ｔ２と必要な上記配置時間は関係があり、要求仕様、製品形状、製品タクト等によって適宜設定される。
　本接着ユニット１２として大型の恒温槽を使用した場合には、仮接着された複数の基材を一度に処理できる。あるいは、本接着ユニット１２としてリフロー炉を使用した場合には、仮接着された複数の基材をライン上で順次処理することも可能である。
　ここで、後述する図４Ａは一つの実施例における仮接着工程の後で且つ本接着工程の前における第一基材２１および第二基材２２の部分側面図である。図４Ａにおいては、第一基材２１よりも厚さの小さい第二基材２２が使用されている。前述したように仮接着工程における温度Ｔ１は第二ガラス転移温度Ｔｇ２よりも高いので、仮接着工程が終了すると、弛んだ第二基材２２が第一基材２１の凹部Ｂ内に落ち込む場合がある。第二基材２２の凹部Ｂへの落ち込み量は、凹部Ｂの寸法が大きいほど大きい。
　本接着ユニット１２の温度Ｔ２は第二ガラス転移温度Ｔｇ２に概ね等しいので、第二基材２２は縮み、その結果、第二基材２２の凹部Ｂへの落ち込みが解消される。従って、第一基材２１が溝Ａおよび凹部Ｂを有する場合には、それらの内部空間の寸法が変化するのを避けられ、要求される寸法のチャネルを有するマイクロ流体デバイスを形成できる。
　このように本開示においては、仮接着ユニット１１において温度Ｔ１（Ｔｇ２＜Ｔ１＜Ｔｇ１）で仮接着した後で、本接着ユニット１２において温度Ｔ２（Ｔ２≒Ｔｇ２）で本接着を行っている。温度Ｔ１が第二ガラス転移温度Ｔｇ２よりも高いために第二基材２２は仮接着ユニット１１で弛むものの、温度Ｔ２が第二ガラス転移温度Ｔｇ２に概ね等しいために第二基材２２が縮むようになり、その結果、第二基材２２の弛みは本接着ユニット１２において解消される。
　本開示においては、仮接着工程および本接着工程の両方において第一ガラス転移温度Ｔｇ１よりも低い温度を用いているので、第一基材２１全体が反ったり変形したりすることはなく、また溝Ａおよび／または凹部Ｂ等のチャネル構造の形状が変化することもない。それゆえ、基材が反ることなしに、二つの基材２１、２２を安価で強固に接着することができる。さらに、第一基材２１および第二基材２２からなる信頼性の高い接着物を提供することができる。さらに、前述したように溝Ａおよび／または凹部Ｂが表面および裏面の両方に形成されている第一基材２１を二つの第二基材２２の間に挟んだ場合には、第一基材２１の表面側および裏面側に形成された溝Ａおよび／または凹部Ｂを二つの第二基材２２でもって同時に塞ぐことができるので有利である。
　また、本開示においては、接着剤、粘着剤付きカバー材などを用いる必要がなく、これらが残留することもない。さらに、本開示においては、真空紫外線処理、プラズマ処理やコロナ放電処理により第一基材２１および第二基材２２の表面改質を事前に行う必要がない。また、真空紫外線処理時に生じうる自家蛍光が第一基材２１および第二基材２２に残留することがない。さらに、プラズマ処理やコロナ放電処理とは異なり第一基材２１および第二基材２２の表面の濡れ性が変化しないので、液流れ性に影響を与えない。さらに、表面改質を行わないので、基材２１、２２がプレス機の金型に接着されるという事態も生じない。このようなことから、本開示においては、二つの基材２１、２２を安価で接着することができる。さらに、溝Ａおよび／または凹部Ｂなどの流路を表面改質して親水化したい場合には、表面改質を行った上で、前述したように二つの基材２１、２２を接着しても良い。それによって耐水性の高い強固なシールが可能となる。
　前述したように、一つの例においては、第一基材２１の第一樹脂はシクロオレフィンポリマであり、第二基材２２の第二樹脂はシクロオレフィンコポリマである。一般的にこのようなオレフィン系樹脂は吸水性が低く、タンパク質などの吸着性も低いことからマイクロ流体デバイスでは好まれる一方で、基材の接着が難しいとされているが、本開示においては、表面改質を行うことなしに、このようなオレフィン系樹脂からなる基材を接着できる。従って、第一基材２１および第二基材２２からなる、オレフィン系の接着物を提供することも可能である。
　なお、要求される場合には、本接着ユニット１２としてプレス機を採用し、本接着工程においても第一基材２１および第二基材２２に対し、所定の圧力、例えば仮接着工程の場合よりも低い圧力を加えても良い。
　図３Ａは他の実施形態における第一基材の側面図である。図３Ａに示される第一基材２１はその表面に複数の微細な凹凸部２１ａが形成されている。このような凹凸部２１ａは前述した溝Ａおよび凹部Ｂよりもかなり小型であるものとする。
　仮接着ユニット１１の温度Ｔ１は第二基材２２の第二ガラス転移温度Ｔｇ２よりも高いので、仮接着時に第二基材２２が軟化して第二基材２２が第一基材２１の凹凸部２１ａ内に入り込むようになる。これにより、仮接着工程の時間を短くしても、強固な接着作用がえられるのが分かるであろう。なお、凹凸部２１ａは第一基材２１の作成時、例えば射出成形時に同時に形成されてもよく、第一基材２１の作成後に形成するようにしてもよい。
　実施例１
　表１に示される第一基材２１および第二基材２２を準備した。第一基材２１はシクロオレフィンポリマ（ＣＯＰ）製であり、第一ガラス転移温度Ｔｇ１は１００℃、厚さは１．２ｍｍである。第二基材２２はシクロオレフィンコポリマ（ＣＯＣ）製であり、第二ガラス転移温度Ｔｇ２は７８℃、厚さは０．１ｍｍである。また、第一基材２１の凹部Ｂに試薬を予め充填した。比較例１、２の場合も同様である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
　表２に示されるように実施例１の仮接着工程においては、温度Ｔ１を９０℃、圧力を４．４ＭＰａ、時間を１２０秒に設定すると共に、本接着工程においては、温度Ｔ２を８０℃、時間を２時間に設定した。さらに、比較例１、２の仮接着工程においては、温度Ｔ１を９０℃、圧力を８ＭＰａ、時間を１２０秒に設定すると共に、本接着工程は行わなかった。また、比較例２では、仮接着工程の前に真空紫外光により表面改質処理を行っている。なお、仮接着ユニット１１としてプレス機を使用すると共に、本接着ユニット１２として恒温槽を使用した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
　このようにして作成された実施例１、比較例１、２の接着物を加速試験の観点で４２℃で別途加温した。実施例１では、４８時間以上経過後も、凹部Ｂに充填された試薬は漏洩しなかった。比較例１では、１～１０時間(複数サンプルのばらつきや同じサンプル内での凹部位置によるばらつき)経過すると、凹部Ｂに充填された試薬は漏洩した。比較例２では、１～６時間経過すると、凹部Ｂに充填された試薬は漏洩した。従って、本開示においては、耐水性の高いオレフィン系の接着物を提供することができる。
　実施例２
　図４Ａは実施例２における第一基材および第二基材の部分側面図である。第一基材２１および第二基材２２は表１における実施例１の場合と同様である。また、第一基材２１に形成された凹部Ｂの深さは０．７ｍｍである。
　表１に示される実施例１の条件で仮接着工程が行われると、図４Ａに示されるように第二基材２２が第一基材２１の凹部Ｂ内に部分的に落ち込むようになる。凹部Ｂに対応した位置に在る第二基材２２の上面の落ち込み量をＺとする。落ち込み易さは接着条件や材質の特性によって変わる。
　図４Ｂは本接着工程の時間と第二基材の落ち込み量との間の関係を示す図である。図４Ｂに示されるように、仮接着工程直後（本接着工程の時間ゼロ）においては落ち込み量Ｚは約０．１１ｍｍである。そして、表１に示される実施例１の条件で本接着工程を行う。本接着工程を少なくとも２時間行うと、落ち込み量Ｚは０．０２ｍｍとなり、落ち込みが概ね解消されていることが分かる。
　なお、実施例２における本接着工程の時間は、落ち込み量Ｚが概ね解消されると共に、耐水性（表２参照）を満たす時間であるのが望ましい。
　また、実施例１、２においては第一基材２１の第一樹脂および第二基材２２の第二樹脂はオレフィン系ポリマである。具体的には、第一樹脂はシクロオレフィンポリマ（ＣＯＰ）であり、第二樹脂はシクロオレフィンコポリマ（ＣＯＣ）である。この場合には、特にオレフィン系ポリマが有用とされる光学部材や医療用包装などのデバイスの接着に適用することが可能となる。
　当然のことながら、第一ガラス転移温度Ｔｇ１と第二ガラス転移温度Ｔｇ２との間の関係（Ｔｇ１＞Ｔｇ２）を満たす他の二種類の樹脂を第一樹脂および第二樹脂として採用することもできる。或いは、ガラス転移温度が互いに異なっていれば、仕様、例えば分子量の異なる同一種類の樹脂、例えばシクロオレフィンポリマを第一樹脂および第二樹脂として使用してもよい。さらに、第一ガラス転移温度Ｔｇ１と第二ガラス転移温度Ｔｇ２との間の関係（Ｔｇ１＞Ｔｇ２）を満たす場合には、第一樹脂としてシクロオレフィンコポリマ（ＣＯＣ）を選択すると共に、第二樹脂としてシクロオレフィンポリマ（ＣＯＰ）を選択してもよい。また、本開示における基材接着方法および／または基材接着システムにより接着された第一基材および第二基材を含むマイクロ流体デバイスは本開示の範囲に含まれる。
　以上、本発明の実施形態を説明したが、後述する請求の範囲の開示範囲から逸脱することなく様々な修正及び変更を為し得ることは、当業者に理解されよう。
　１０　　　基材接着システム
　１１　　　仮接着ユニット
　１２　　　本接着ユニット
　２１　　　第一基材
　２１ａ　　　凹凸部
　２２　　　第二基材

Claims (8)

  1. 　第一ガラス転移温度を有する第一樹脂からなる第一基材と、前記第一ガラス転移温度よりも低い第二ガラス転移温度を有する第二樹脂からなる第二基材とを準備する準備工程と、
    　前記第一基材に前記第二基材を重畳させて所定温度で且つ所定圧力で互いに圧着する仮接着工程と、を含み、前記所定温度は前記第一ガラス転移温度と前記第二ガラス転移温度との間の温度であり、
    　さらに、
    　前記互いに圧着された前記第一基材および前記第二基材を前記第二ガラス転移温度に概ね等しい温度で所定時間に亙って加熱する本接着工程を含む、基材接着方法。
  2. 　前記本接着工程においては前記第一基材および前記第二基材を圧着しないようにした、請求項１に記載の基材接着方法。
  3. 　前記所定温度と前記第一ガラス転移温度との差は５℃以上、好ましくは１０℃以上であり、且つ
    　前記所定温度と前記第二ガラス転移温度との差は５℃以上、好ましくは１０℃以上であるようにした、請求項１または２に記載の基材接着方法。
  4. 　前記第一ガラス転移温度と前記第二ガラス転移温度との差は１０℃～４０℃、好ましくは２０℃～３０℃であるようにした、請求項１から３のいずれか一項に記載の基材接着方法。
  5. 　前記第二基材に接触する前記第一基材の表面には、溝および凹部のうちの少なくとも一方が形成されている、請求項１から４のいずれか一項に記載の基材接着方法。
  6. 　前記第一樹脂はシクロオレフィンポリマおよびシクロオレフィンコポリマのうちの一方であり、前記第二樹脂はシクロオレフィンポリマおよびシクロオレフィンコポリマのうちの他方である、請求項１から５のいずれか一項に記載の基材接着方法。
  7. 　第一ガラス転移温度を有する第一樹脂からなる第一基材に、前記第一ガラス転移温度よりも低い第二ガラス転移温度を有する第二樹脂からなる第二基材を重畳させて所定温度で且つ所定圧力で互いに圧着する仮接着ユニット、を具備し、前記所定温度は前記第一ガラス転移温度と前記第二ガラス転移温度との間の温度であり、
    　さらに、
    　前記互いに圧着された前記第一基材および前記第二基材を前記第二ガラス転移温度に概ね等しい温度で所定時間に亙って加熱する本接着ユニットを具備する、基材接着システム。
  8. 　前記第一樹脂はシクロオレフィンポリマおよびシクロオレフィンコポリマのうちの一方であり、前記第二樹脂はシクロオレフィンポリマおよびシクロオレフィンコポリマのうちの他方であり、
    　請求項１から６のいずれか一項に記載の基材接着方法により互いに接着された前記第一基材および前記第二基材を含むマイクロ流体デバイス。
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