JP2001509260A - 集積されたマイクロ流体素子 - Google Patents
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Abstract
(57)【要約】
少なくとも1枚の板(3)が、密封された微細な溝状部(7)を形成するための別な板(5)に向かい合う表面上に、エッチングされた溝状部(7)の構造またはパターンを有する互いに接合されている並置されたた2枚の板(3,5)からなる集積されたマイクロ流体素子(1)であって、上記のエッチングされた構造またはパターンの外側に上記の1枚の板のエッチングされた表面にわたって分布されている微細なスペーサまたは柱状部(11)と、高さがこのスペーサまたは柱状部(11)の高さに等しい、上記の溝状部(7)を囲む壁状部(9)とを有する、集積されたマイクロ流体素子およびこのような素子を製造する方法。
Description
【発明の詳細な説明】
集積されたマイクロ流体素子
本発明は集積マイクロ流体素子(integrated micro fluidic element)および
これを製造する方歩に関する。このような素子は互いに接合されている並置され
た2枚の板からしばしばなり、この場合、板の一つはべつな板に向かい合う表面
にエッチングされた溝状部の構造またはパターンを有し、密封された微細な溝状
部を形成している。
微細機械加工技術によって微細化された分析用電気泳動計測器を製作するのに
近年、ガラス基板が使用されている(Harrison,D.J.,Fluri,K.,Seiler,K.
,Fan,Z.,Effenhauser,C.S.,Manz,A.,Science,261(1993)895-897ペー
ジ;Effenhauser,C.S.,Manz,A.,Widmer,H.M.,Anal.Chem.,65(1993)26
37-2642ページ;Seiler,K.,Harrison,D.J.,Manz,A.,Anal.Chem.,65(199
3)1481-1488ページ;Jacobson,S.C.,
2369-2373ページ;Effenhauser,C.S.,Paulus,A.,Manz,A.,Widmer,H.M.,A
nal.Chem.,66(1994)2949-2953ページ;Seiler,K.,Fan,Z.H.,Fluri,K.
,Harrison,D.J.,Anal.Chem.,66(1994)3485-3491ペ
Ramsey,J.M.,Anal.Chem.,66(1994)3472-3476ページ)。
絶縁性のガラス材料は迅速でそして効率的な分離を達成できる高い電圧の使用
を可能とし、またその透明性はガラス上での試料の鋭敏な光学検出を可能にする
。
板状構造物の接合はマイクロ計測器の製作に必要な重要な工程である。電気泳
動、クロマトグラフィー、流体注入(flow injection)分析またはフィールドー
フロー(field-flow)分別のような分析技術に微細に製作さ
れた流動用溝状物を利用するために、構造体間の接合は直接的であるのが望まし
い。従って、毛細管を閉塞し、そして効率または液体の流動パターンにマイナス
に作用することが有り得る接着剤は避けるべきである。そこで例えばガラス中に
エッチングされる構造物は、ガラス部分を変形せずに融着をを可能とする温度で
溶融接合して他のガラス板に密着させて、均一に組み立てられた溝状構造物を製
作することによるものが好ましい。
基板の分野では、平面性、滑らかさおよび清浄性という点に関して基板材料に
対する要求が増大するので、不揃いのない接合された大型の組み立て物を製作す
るのは困難である。さらに、それらのインターフェースでの粒子汚染を取り除く
ことができるように、極度のクリーンルーム条件の下で表面を結合するのが通常
必要である。接合がいろいろな場所で同時に開始されるとき、工程サイクル中で
しばしば空孔の発生が起きる。一旦、空孔が出来ると閉じ込められたガスは閉塞
部から輩出できない。マイクロマシンニング実験室で最も普通に使用されるガラ
ス材料は、その熱膨張の点に関してのシリコンとの調和性に基づく、Pyrex Corn
ing 7740の研磨された基板である。この高価な材料はマイクロセンサーの製造に
おいてシリコンへの陽極接合のために広汎に使用される(Cozma,A.;Puers,B.
J.,Micromech.Microeng.5(1995),98-10ページ)。しかしながら、微細機械
加工構造体のガラス−ガラス溶融接合に関する詳細は文献中に極めて乏しい。報
告されている接合法は低い効率を特徴とし、この方法はしばしば接合が劣悪な領
域の上に置かれる重錘の使用を含む(Fan,Z.,Harrison,D.,J.Anal.Chem.6
6(1994),177-184ページ)、サイクルの反復を伴う(Harrison,D.J.,Fluri,K.
,Seiler,K.,Fan,Z.,Effenhauser,C.S.,Manz,A.,Science,261(1993),
895-897ページ)。最近、特殊なマイクロマシンニング実験室においてのみ利用可
能である精巧な研磨および清浄
化の器具(Fluri,K.,Fitzpatrick,G.,Chiem.N.,Harrison,D.J.,Anal.C
hiem.68(1996),4285-4290ページ)を使用することによって収率が改善されて
いる。
試料を検出するために、例えば口径値の大きい顕微鏡の対物レンズを使用する
とき、多くの適用においてガラス基板の一つが極めて薄い(0.15〜0.20mm)こと
が必要である。高度の拡大が必要であるこのような応用の重要な例は、蛍光顕微
鏡によってDNAポリマーの動きを直接に観察することである。市販で入手でき
る薄いカバーガラスは延伸法によって製造され、従って極めて平面ではないこと
を主な理由として、薄いガラスの接合は追加的な問題を生み出す。RaleyらはCOR
NING 7740の最初の二つの厚手の鞘状物を互いに接合し、次いでこれらの鞘状物
の一つをエッチング工程およびいくつかの研削工程によって薄くするエッチ−バ
ック(etch-back)技術を報告している(Raley,N.F.,Davidson,J.C.,Balch,
J.W.,Proc.SPIE-Int.Soc.Opt.Eng.2639(1995),40-45ページ)。彼らのガ
ラス−ガラス接合の最良の結果は、もとの厚さが800μmである5×5cm〜5×18
cmのガラス試験片に関する面積的なカバーレッジは85%程度であることを報告し
ている。しかしながらこのエッチ−バック技術はエッチング工程をいかに最適化
できるかにかかっていると思われる。
本発明は集積されたマイクロ流体素子を提供する新たな技術をその主な目的と
して提供するもので、ここでは上記したような先行技術で遭遇する問題が消去さ
れるか、または少なくとも大幅に低減されるものである。
本発明の別な目的は、互いに接合すべき板の間にガスが閉じ込められるのを避
けることのできる集積されたマイクロ流体素子を製造する方法を提供することで
ある。
本発明のさらに別な目的は、熱膨張率の異なる2枚の板の接合に際して
出会う問題が大幅に避けられるこのような製造に関する方法を提供することであ
る。
本発明のさらに別な目的は、好ましくない空孔(voids)がなく、そして熱膨
張率の不一致からくる障害の程度がより少ない集積されたマイクロ流体素子を提
供することである。
以下の開示から明らかとなるこれらのそして別な目的のために、本発明は、互
いに接合されている並置された2枚の板からなる集積されたマイクロ流体素子で
あって、少なくとも一つの板が密封された微細な溝状部を形成するための別な板
に向かい合う表面に、エッチングされた溝状部の構造またはパターンを有するも
のを製造するための方法を提供する。この方法は上記の1枚の板のエッチングさ
れた表面にわたって分布するように、微細なスペーサまたは柱状部11を上記の
エッチングされた構造またはパターンの外側に形成することを、またこのスペー
サまたは柱状部11の高さに等しい、上記の溝状部を囲む壁状部9を形成し、次
いで2枚の板3、5を互いに接合して上記の素子を製作することを特徴とする。
これらの板はそれらの軟化温度を越えない高い温度で溶融接合することにより
互いに接合することができる。
これらの板は場に支援された接合方法によって互いに接合されてもよい。
使用する接合技術は本発明にとって重要ではなく、慣用的な任意の接合方法を使
用できる。このような慣用の接合方法の例は、ガラス板のシリコン基板への陽極
接合である。
使用する板は通常のガラス、シリコン、石英、ダイヤモンド、炭素、セラミッ
クまたはポリマーのような当該技術で使用される材料からなってよい。特に有用
な材料はガラス、石英およびシリコンである。
本発明の方法では溝状部のパターンの構造をエッチングによって形成す
るのを同時にスペーサまたは柱状体も形成するのが好ましい。
別法によればエッチングは溝状部を形成する第1の段階とスペーサまたは柱状
部を形成する第2の段階の二つの段階で実施することができる。このような別法
によって、エッチングされた部分の深さを変化させることができる。
ある場合には、形成される溝状部に特別な特性を付与するのが好ましく、この
場合、板を互いに接合する前に、板の並置される表面が薄層によって覆われる。
このような層は例えば化学蒸着(CVD)によって形成することができ、またこ
の層は窒化珪素、金属、ガラスなどのような所望の任意の物質から構成すること
ができる。
本発明のマイクロ流体素子に形成される溝状部へのアクセスは溝状部に合致す
る位置で2枚の板のいずれか一方または両方に孔を設けることによって好適に達
せられる。
本発明のマイクロ流体素子の最適性能の達成のためには、両方の板の間の接触
面が各々の板の面積の約50%より少ないのが好ましい。ここにいうこの表面は、
並置されて伴われる板に向かい合う板の表面に対する板の主要な側方の表面であ
る。
本発明はまた互いに接合されている並置されている2枚の板からなる集積され
たマイクロ流体素子であって、少なくとも一つの板が密封された微細溝を形成す
るための別な板に向かい合う表面上に溝状にエッチングされた構造またはパター
ンを有するものを提供する。このような素子は、上記の1枚の板のエッチングさ
れた表面にわたって上記のエッチングされた構造またはパターンの外側に分布し
ている微細なスペーサまたは柱状物を特徴とし、また上記の溝状部を囲む壁状部
を特徴とする。壁状部は上記のスペーサまたは柱状部と等しい高さを有する。
柱状部または「ライン」は、エッチングされた構造またはパターンの外側の領
域において、板のエッチングされた表面にわたって殆ど均等に分布しているのが
好ましい。
上記に概説したように本発明は先行技術に関連する問題を効率的に減らし、あ
るいは無くする。従って、板のエッチングされた表面にわたって分布している微
細なスペーサまたは柱状部を使用すると、粉塵粒子、非平面性および熱膨張率の
不一致または差異が原因でありうる、板の試験片での空孔または割れの形成に関
する危険を著しく低下させる。さらにまた本発明の思想は、2枚の板の熱膨張率
の差異に関わりなく、組み込まれる張力がより小さい可撓性の構造を与える。最
後に本発明によらず、現在利用できる慣用の方法を応用するなら、事実上使用が
不可能であろう通常のソーダー石灰マイクロスライドガラスのような高価でない
材料を使用できる。
さまざまな基板または材料を板に使用することを可能にする本発明の特別な態
様によると、互いに向かい合う板の表面は、エッチングの後に化学蒸着(CVD
)によるなどして、石英(SiO2)の薄層でコーティングされる。このようにして
2枚の板は高められた温度での溶融接合のような慣用的な接合技術によって、互
いに接合することができる。このような方法は2枚の板を互いに容易に接合し、
そして均一な構造を有する溝状部のライニングを同時に得ることを可能にすると
いう二重の目的に役立つ。このような石英層の厚さは数分の1ミクロンから約10
ミクロンでありうる。
添付の図面を参照しつつ限定的でない実施例によって、本発明を一層詳細にさ
らに説明する。
図1は本発明の素子の側面の断面図である。
図2は図1のA−Aの線に沿ってみた図1の素子の平面図である。
図3は毛細管状の電気泳動チップのためのフォトマスクのレイアウトで
ある。
本発明に従う素子の製造のためにガラス板を使用することに主として関して以
下に本発明を説明するが、本発明がこのようなガラス板の使用のみに決して限定
されず、意図する目的にとって好適なあらゆる種類の物質に応用できることに留
意すべきである。
ガラス板を使用する場合、その厚さは約0.1〜1mmの間で、そしてエッチングの
深さは約1μ〜約100μの間で変化してよい。本発明は異なる材料を2枚の板に
使用すること、例えば1枚のガラス板を石英またはシリコンの1枚板と組み合わ
せることを著しく容易にする。
実施例 1
溝状部を作成する方法には、ガラス基板3に溝状部と配列された柱状部11とを
同時にHFエッチングし;ガラス基板3中の溝状部に対して連続孔8をさん孔し、
そして形成された溝状部7をガラスの軟化点より低い温度で薄いカバースリップ
5と接合する工程が含まれる(図1および図2)。
溝状部7をエッチングするために厚さが1mm(±0.1mm)のMenzelのソーダー
石灰マイクロスライドガラス板3(76×25mm)を基板として使用した。カバーガ
ラス板(0.17mm)もまたMenzelから入手した。熱膨張率に関して製造者によって
与えられたデータはマイクロスライド片およびカバーガラス片についてそれぞれ
90.6×10-7K-1および(73〜74)×10-7K-1である。対応する軟化点は720℃お
よび732〜736℃である。
フォトリトグラフィーのマスクは通常のCADプログラムにより作成し、そし
て透明フィルム上にフォトセッターを使用して印刷した。処理用の薬
(ドイツのDarmstadt)から得た。処理溶液はすべて0.2μmのフィルター(Milli
pore)を通じて濾過したMilli-Qシステム(Millipore,マサチュー
セッツ州のBedford)からの脱イオン水を使用して調製した。
ガラス基板をまずRCA-1(5部の蒸留水:1部のNH3(25%):1部のH2O2(20%)
中そしてRCA-2(6部のH2O:1部のHCl(37%):1部のH2O2(20%))中で10分間注
意深く清浄化し、そしてオーブン(130℃)で20分間脱水した。フォトレジスト
の接着を改善するために、基板をMicroposit Primer(Shipley,マサチューセッ
ツ州,Marlborough)の煙霧に3分間曝露することによりまず下塗りした。次に
けばのない紙の助けをかりてガラス基板をポジレジスト(Microposit S1813 Pho
to Resist,Shipley)でコーティングしそしてオーブン(90℃)内で35分間緩く
焼付けた。次に紫外線リトグラフィーを行い、続いて現像浴(Microposit Develo
per 351,Shipley)中に1分間浸漬し、そして蒸留水中で清浄化し、下にあるガ
ラスの紫外線に露光した部分を引き続いてエッチングするために開放した。45分
間の強い焼付け(130℃)工程の後、5%の緩衝されたHF(7部の40%NH4F;1
部の50%HF)と9.25%の濃HClとの激しく撹拌した水性混合物中で室温で45〜60
分間エッチングを行い、溝状部7、壁状部9および柱状部11を形成させた。得
られるエッチングの深さは約80μmであった。
流動用溝状部への連結口8はカーバイド−ドリル鋼(直径0.5mm)を使用して
マイクロスライドをさん孔することによって作った。残留するさん孔粉塵は超音
波、RCA-1およびRCA-2でのリンス工程で除去した。接合はまず、清浄なフード内
でウェーファを注意深く突き合わせそしてカバーガラスを下向にして基板を630
℃のオーブン内に8時間置いた。下にある支持体への融着そして支持体からの擦
過痕の転写を避けるために研磨されたガラス様のカーボン(V25級、フランスのGe
nnevilliersのLe Carbone-Lorraine)を利用した。
実施例 2
本例にはマイクロ流体構造物を製造するために新規な接合技術を用いることを
例示する。口径値の大きい顕微鏡下で分離が進行している個々のDNAポリマー
の蛍光像を直接観察するために、ガラスの溝状部を設計した。この毛細管状の電
気泳動チップを製造するために使用するフォトマスクを、毛細管泳動チップ用の
フォトマスクのレイアウトとして図3に示す。黒塗りの部分は溝状部の壁9およ
び柱状部を指し示し、また溝状部の寸法は大きな溝状部17については500μm×
3mmであり、また薄い溝状部については50μm×40mmであった。緩衝用貯留部2
1および試料用貯留部23はそれぞれ直径が2mmである。正方形の柱状部の寸法
は400μm×400μmであった。
ここに示すフォトリトグラフィ一技術には先進的な蒸着工程またはマスクの配
位工程は何ら関与しない。普通に使用されるクロム/金コーティングを用いる代
わりに、直接エッチングマスクとしてポジレジストを使用することによって工程
が容易になった。フォトマスクのパターンは紫外線リトグラフィーによって感光
性のポジレジストに単純に転写され、続いてこのポジレジストによってエッチン
グ法によってガラス基板に幾何学的形状を移した。希釈されている緩衝されたH
Fエッチング溶液に濃HClが添加されるとき、ポジレジストは室温でこの溶液に
少なくとも1時間まで耐えた。このエッチング時間は通常のソーダ石灰の顕微鏡
用スライドに深くエッチングした溝状構造を作成するのに十分であった。本発明
者は、より低いpHがエッチング工程そのものにとって有益であることを認めた。
緩衝されたHFにっいて採用した濃度で、HClを添加しない場合に比べて、溝状
部の壁の平滑性が著しく改善された。さらにより大きいpHおよびHF濃度で、本
発明者はEDAXによってCaF2であることが分かった結晶性沈殿を認めた。
支持するための機械的要素として柱状部の配列を利用するとき、熱的接合工程
の後に残留する空孔または破断が存在しないことが認められた。このように認め
た主な理由は、開放している溝状部の2次元的な網目構造を通じてガスを排出で
きるという事実による。従って、基板を加熱するとき、閉じ込められた空孔中で
のガスの膨張が起きることは決してなかった。さらに接合工程に際して、エッチ
ングされた基板とカバーガラス材料との間の熱膨張係数の不一致のために、割れ
が発生するということはなかった。柱状部のより高度な可撓性によって基板の間
の境界面に加わる歪みが減少するので、この問題は高さを上げた柱状部の格子に
よってもまた減らされた。このことによって、石英−ガラス、シリコン−ガラス
などのように、熱膨張係数の差の大きい材料の溶融接合の可能性を開き、またや
はり高温で実施される陽極接合技術(Cozma,A.,Puers,B.,J.Micromech.Mi
croeng.5(1995),98-102ページ)のためのガラス材料の選択の巾を広げた。
本発明は上述した特定の態様に限定されず、むしろ広汎に応用可能であること
を認めるべきであり、また本発明が添付する請求の範囲に規定されること以外に
限定されると解すべきでない。
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フロントページの続き
(81)指定国 EP(AT,BE,CH,DE,
DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,IT,L
U,MC,NL,PT,SE),OA(BF,BJ,CF
,CG,CI,CM,GA,GN,ML,MR,NE,
SN,TD,TG),AP(GH,GM,KE,LS,M
W,SD,SZ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY
,KG,KZ,MD,RU,TJ,TM),AL,AM
,AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,
CA,CH,CN,CU,CZ,DE,DK,EE,E
S,FI,GB,GE,GH,GM,GW,HU,ID
,IL,IS,JP,KE,KG,KP,KR,KZ,
LC,LK,LR,LS,LT,LU,LV,MD,M
G,MK,MN,MW,MX,NO,NZ,PL,PT
,RO,RU,SD,SE,SG,SI,SK,SL,
TJ,TM,TR,TT,UA,UG,US,UZ,V
N,YU,ZW
(71)出願人 ヴィオヴィ,ジャン・ルイ
フランス国 エフ―75231 パリ・セデッ
クス05.リュー・ペー・エ・エム・キュリ
ー11.アンスティテュ・キュリー・セクシ
オン・ドゥ・ルシェルシュ.ラボラトワー
ル・ドゥ・フィジコ―シミー
(72)発明者 リンドベルイ,ペーテル
スウェーデン国 エス―131 40 ナーカ
ー.セーレナード ヴェーゲン30
(72)発明者 ルーエラーデ,ヨーハン
スウェーデン国 エス−147 40 トゥム
バ.ソーグヴェーゲン 4
(72)発明者 シェーンストレム,モーテン
スウェーデン国 エス−114 54 ストッ
クホルム.スティールマンスガータン23
(72)発明者 ヴィオヴィ,ジャン・ルイ
フランス国 エフ−75231 パリ・セデッ
クス05.リュー・ペー・エ・エム・キュリ
ー11.アンスティテュ・キュリー・セクシ
オン・ドゥ・ルシェルシュ.ラボラトワー
ル・ドゥ・フィジコ―シミー
Claims (1)
- 【特許請求の範囲】 1.互いに接合されている並置された2枚の板(3,5)からなる集積されたマイ クロ流体素子(1)であって、少なくとも1枚の板(3)が密封された微細な溝状部 (7)を形成するための別な板(5)に向かい合う表面上に、エッチングされた溝状 部(7)の構造またはパターンを有するものを製造する方法において、上記の1枚 の板のエッチングされた表面にわたって分布するように、微細なスペーサまたは 柱状部(11)を上記のエッチングされた構造またはパターンの外側に形成し、そ して高さがこのスペーサまたは柱状部(11)の高さに等しい、上記の溝状部(7) を囲む壁状部(9)を形成し、次いでこれらの2枚の板(3,5)を相互に接合して 上記の素子を製作することを特徴とする、上記素子の製造方法。 2.2枚の板(3,5)がそれらの軟化温度を越えない高められた温度で溶融接合 することによって互いに接合される請求項1記載の方法。 3.2枚の板(3,5)が場に支援された接合技術によって互いに接合される請求 項1または2記載の方法。 4.2枚の板(3,5)が通常のガラス、石英およびシリコンから選択される材料 からなる、請求項1から3のいずれか1項に記載の方法。 5.スペーサまたは柱状部(11)と壁状部(9)がエッチングによって形成される 、請求項1から4のいずれか1項に記載の方法。 6.溝状部(7)とスペーサまたは柱状部(11)との双方を同時に形成するように 、一工程でエッチングが実施される請求項5記載の方法。 7.溝状部(7)を形成するための第1の工程そしてスペーサまたは柱状部(11) を形成するための第2の工程である二つの工程でエッチングが実施される請求項 5記載の方法。 8.2枚の板(3,5)を互いに接合する前に、これらの板の並置される表 面を薄い層によって被覆して所望の特性を有する溝状部のライニングが形成され る、請求項1から7のいずれか1項に記載の方法。 9.化学蒸着(CVD)によって薄層が形成される請求項8記載の方法。 10.形成された溝状体へのアクセスが2枚の板(3,5)のいずれかまたは両方に 孔(8)をあけることによって達せられる、請求項1から9のいずれか1項に記載 の方法。 11.2枚の板(3,5)の間の接触面が各々の板の表面の約50%より少ない、請求 項1から10のいずれか1項に記載の方法。 12.互いに接合されている並置された2枚の板(3,5)からなる集積されたマイ クロ流体素子(1)であって、少なくとも1枚の板(3)が密封された微細な溝状部 (7)を形成するための別な板(5)に向かい合う表面上に、エッチングされた溝状 部(7)の構造またはパターンを有するものにおいて、上記のエッチングされた構 造またはパターンの外側に、上記の1枚の板のエッチングされた表面にわたって 分布している微細なスペーサまたは柱状部(11)と、そして高さがこのスペーサ または柱状部(11)の高さに等しい、上記の溝状部(7)を囲む壁状部(9)とを特 徴とする、上記の集積されたマイクロ流体素子。 13.2枚の板(3,5)が通常のガラス、石英およびシリコンから選択される材料 からなる、請求項12の集積されたマイクロ流体素子。 14.2枚の板(3,5)を互いに接合する前に、これらの板の並置される表面を薄 い層によって被覆して所望の特性を有する溝状部のライニングが形成される、請 求項12または13の集積されたマイクロ流体素子。 15.形成された溝状体へのアクセスが2枚の板(3,5)のいずれかまたは両方に 孔(8)をあけることによって達せられる、請求項12から14のいずれか1項に記載 の集積されたマイクロ流体素子。 16.2枚の板(3,5)の間の接触面が各々の板の表面の約50%より少ない、請求 項12から15のいずれか1項に記載の集積されたマイクロ流体素子。
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