(57)【要約】【課題】空隙部を有するマイクロチップ基板の熱融着による接合において、基板の熱変形を低減する接合方法を提供すること。【解決手段】表面にマイクロチャネル有する第１のマイクロチップ基板と、第１のマイクロチップ基板のマイクロチャネルを有する面と密着する面を有する第２のマイクロチップ基板とを接合する方法であって、第１のマイクロチップ基板及び／又は第２のマイクロチップ基板が空隙部を有し、第１のマイクロチップ基板及び／又は第２のマイクロチップ基板がプラスチック材料からなり、空隙部に、空隙部と同様の形状を有する、プラスチック材料よりも熱膨張係数の低い素材よりなる基板を嵌め込み、加圧しながら加熱して融着するマイクロチップの接合方法。【選択図】 図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面にマイクロチャネル有する第１のマイクロチップ基板と、第１のマイクロチップ基板のマイクロチャネルを有する面と密着する面を有する第２のマイクロチップ基板とを接合する方法であって、第１のマイクロチップ基板及び／又は第２のマイクロチップ基板が空隙部を有し、第１のマイクロチップ基板及び／又は第２のマイクロチップ基板がプラスチック材料からなり、前記空隙部に、空隙部と同様の形状を有する、前記プラスチック材料よりも熱膨張係数の低い素材よりなる基板を嵌め込み、加圧しながら加熱して融着することを特徴とするマイクロチップの接合方法。
【請求項２】
プラスチックよりも熱膨張係数の低い素材が、金属であることを特徴とする請求項１記載のマイクロチップの接合方法。
【請求項３】
プラスチック材料がポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、環状ポリオレフィン、ポリメチルペンテン、ポリメチルメタアクリレート、ポリエチレン、及びポリエチレンテレフタレートから選ばれる少なくとも１つを含む請求項１又は２記載のマイクロチップの接合方法。
【請求項４】
請求項１〜３いずれか記載のマイクロチップの接合方法より得られるマイクロチップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロチャネルを有するマイクロチップ基板の接合方法およびマイクロチップに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近はマイクロリアクターやマイクロアナリシスシステムと呼ばれる微細加工技術を利用した化学反応や分離システムの微小化の研究が盛んになっており、微細流路を持つマイクロチップ上で行う核酸、タンパク質などの分析や合成、微量化学物質の迅速分析、医薬品・薬物のハイスループットスクリーニングへの応用が期待されている。このようなシステムのマイクロ化の利点としては、サンプルや試薬の使用量あるいは廃液の排出量が軽減され、省スペースで持ち運び可能な安価なシステムの実現が考えられている。また体積に対する表面積の比率が向上することにより、熱移動・物質移動の高速化が実現でき、その結果、反応や分離の精密な制御、高速・高効率化、副反応の抑制が期待される。
【０００３】
微細流路は少なくとも一方の部材に微細加工を有するマイクロチップ基板の部材２つを張り合わせることにより製造されている。これまではマイクロチップ基板の材料として、主にガラス基板が用いられてきた。ガラス基板で微細流路をつくるためには、例えば、基板に金属、フォトレジスト樹脂をコートし、微細流路のパターンを焼いた後にエッチング処理を行う方法がある。その後、陽極接合などでガラス基板を接合する（非特許文献１参照）。しかし、ガラスのエッチングにはフッ酸などの非常に危険な薬品を用いたり、一枚ごとにパターンを焼いたりするため、大量に生産を行うには非常に高コストである。
【０００４】
これらのマイクロチップは、種々のプラスチックを使用しても射出成形により製造することが可能である。射出成形では型キャビティ内へ溶融した熱可塑性プラスチック材料を導入し、キャビティを冷却させて樹脂を硬化させることで、効率よく経済的にマイクロチップを製造でき、大量生産に適している。基板の接合方法として熱プレス、超音波による熱融着や接着剤を用いる方法等が主に行われている（特許文献１参照）。しかし、接着剤を用いる方法は、接着剤は基板の間より余剰分が出やすく、微細流路の封鎖、内壁の汚染が生じやすいなどの問題がある。熱プレスによる方法における問題点は、熱をかけることにより材料を一部溶融状態にして溶着させているため、熱的変形（熱収縮）を伴うことである。この結果、寸法、マイクロチャネルの位置の精度が低下する支障をきたす。特に、内部に空隙を有するマイクロチップ基板を熱プレスにより融着させる場合の熱収縮は著しい。例えば、基板ホルダーに設置されたコネクターを通じて、マイクロチップ基板のマイクロチャネルのインレットに送液させようとした場合、本来あるべき位置よりも、外れているために送液が困難になる。このように、空隙を有するマイクロチップ基板の熱融着は、熱収縮の制御が非常に困難であった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１３９４１９号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】本田宣昭、化学工学、第６６巻  第２号、ｐ７１−７４（２００２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、空隙部を有するマイクロチップ基板の熱融着による接合において、基板の熱変形を低減する接合方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、以下の通りである。
（１）表面にマイクロチャネルを有する第１のマイクロチップ基板と、第１のマイクロチップ基板のマイクロチャネルを有する面と密着する面を有する第２のマイクロチップ基板とを接合する方法であって、第１のマイクロチップ基板及び／又は第２のマイクロチップ基板が空隙部を有し、第１のマイクロチップ基板及び／又は第２のマイクロチップ基板がプラスチック材料からなり、前記空隙部に、空隙部と同様の形状を有する、前記プラスチック材料よりも熱膨張係数の低い素材よりなる基板を嵌め込み、加圧しながら加熱して融着することを特徴とするマイクロチップの接合方法。
（２）プラスチックよりも熱膨張係数の低い素材が、金属であることを特徴とする（１）記載のマイクロチップの接合方法。
（３）プラスチック材料がポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、環状ポリオレフィン、ポリメチルペンテン、ポリメチルメタアクリレート、ポリエチレン、及びポリエチレンテレフタレートから選ばれる少なくとも１つを含む（１）又は（２）記載のマイクロチップの接合方法。
（４）（１）〜（３）いずれか記載のマイクロチップの接合方法より得られるマイクロチップ。
【発明の効果】
【０００９】
本発明により、空隙部を有するマイクロチップ基板の熱融着による接合において、基板の熱変形を低減することができるため、精度のよいマイクロチップ基板の作製が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明に使用する第１のマイクロチップ基板の一実施形態の平面概略図
【図２】本発明に使用する第２のマイクロチップ基板の一実施形態の平面概略図第２のマイクロチップ基板の平面概略図
【図３】本発明に使用する金属製の基板の一実施形態の平面概略図
【図４】本発明の接合方法による第１のマイクロチップ基板及び第２のマイクロチップ基板を接合する際の状態を示す平面概略図
【図５】本発明の接合方法による第１のマイクロチップ基板及び第２のマイクロチップ基板を接合する際の状態を示す正面概略図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明のマイクロチップ基板の接合方法の実施形態の一例を図１〜５に示す模式図に従って説明する。
図１は第１のマイクロチップ基板１の平面概略図であり、表面にマイクロチャネル２および空隙部７を有するプラスチックからなるマイクロチップ本体である。
【００１２】
本発明の流路デバイスにおける微細流路は、サンプルや試薬の使用量あるいは廃液の排出量、かつ、熱移動・物質移動の高速化の観点から、幅は１μｍ以上１０００μｍ以下が好ましく、深さは１μｍ以上５００μｍ以下が好ましい。但し、これらマイクロチャネルの流路設計は検出対象物、利便性を考慮に適宜設計されるため上記に限定はしない。また、マイクロチャネルの機能としてマイクロディバイス、具体的には、膜、ポンプ、バルブ、センサー、モーター、ミキサー、ギア、クラッチ、マイクロレンズ、電気回路等を装備したり、複数本のマイクロチャネルを同一基板上に加工することにより複合化することが可能である。
【００１３】
空隙部の形状や寸法は、特に限定はなく、使用方法に応じて設計することができるが、空隙部に嵌め込むための空隙部と同様の形状を有する基板の加工のしやすさを考えると、四角状、円状、扇状、凸凹状などの単純な構造のものが好ましい。
本発明の空隙部を有するマイクロチップ基板は、空隙部に他のマイクロチップ基板又は部材を装着して使用される場合がある。
【００１４】
図２は第２のマイクロチップ基板１１の平面概略図であり、マイクロチップ本体のマイクロチャネルを有する面に対しほぼ密着可能な面を有し、かつ第１のマイクロチップ基板の空隙部７に対してほぼ同じ位置に空隙部７１を有するマイクロチップ蓋基板である。更にインレット３、４、およびアウトレット５を有している。マイクロチップ蓋基板には、空隙部がない場合もある。
【００１５】
マイクロチップ本体及びマイクロチップ蓋基板の材質は、それらの界面が熱により溶融し融着する性質があるものであれば特に限定されないが、用途に応じて材質を選べ加熱すると溶融し常温では固体状態であるプラスチック材料を用いることが好ましい。更に好ましくは常温時での堅牢性、耐久性を考慮するとプラスチック材料としてポリプロピレン、ポリスチレン、ポリカーボネート、環状ポリオレフィン、ポリメチルペンテン、ポリメチルメタアクリレート、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレートを用いることが好ましい。
【００１６】
図３は、図１のマイクロチップ本体及び図２のマイクロチップ蓋基板の空隙部のサイズに合った金属製の基板の平面概略図である。
【００１７】
マイクロチップ本体及びマイクロチップ蓋基板に嵌め込む基板は、マイクロチップに使用するプラスチック材料よりも、熱膨張係数が低ければ特に限定されないが、金属製であることが好ましい。さらには、加工性の良いＳＵＳであることが最も好ましい。また、マイクロチップの空隙部が複数個あれば、複数個に基板を嵌め込むことができる。また、熱膨張係数は、長さまたは体積が温度上昇によって膨張する割合を、1 K (℃) 当たりで示したものであり、長さの変化の場合は線膨張係数、体積の変化の場合は体積膨張係数で表されることも多く、熱膨張係数を線膨張係数または体積膨張係数で比較してもよい。
【００１８】
図４は、図１及び図２の基板を接合する際の状態を示す平面概略図である。図５は、図４の正面概略図である。すなわち、図１のマイクロチップ本体、および図２のマイクロチップ蓋基板に、図３の金属製の基板を嵌め込んだ状態で、重ね合わせた後、それら基板の一方或いは両基板の外側より加熱した圧板を介して加圧し基板界面を融着させる事により接合する。融着後にマイクロチップ本体のプラスチックは、熱収縮により、収縮しようとするが、嵌め込まれている金属製の基板があるために、マイクロチャネル２の流路方向では金属の収縮分だけが収縮される。これにより、マイクロチップ本体のプラスチックは熱収縮を制御することができる。
【００１９】
空隙部と嵌め込む基板は、空隙部に対して、同様の形状を有するものであり、、ほぼ同一の寸法を有するが、平面サイズが０．０１ｍｍ〜２ｍｍ小さいことが好ましい。下限値未満では、空隙部への基板の嵌め込みおよび圧着後の取り外しが難しいため、好ましくない。上限値を超えると、プラスチックが収縮以上の差が開いており、本発明の効果が発揮されないため、好ましくない。
【実施例】
【００２０】
以下に実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらの例によって何ら限定されるものではない。
（実施例１）
飽和環状ポリオレフィン樹脂を用い、４０ｍｍ×８０ｍｍ、厚さ２ｍｍで、表面に幅２００μｍ、深さ２００μｍ、長さ６０ｍｍのマイクロチャネル２と、１５ｍｍ×５０ｍｍ×高さ２ｍｍの空隙部７を図１に示すように配置した基板を、射出成形により成形してマイクロチップ本体とした。
飽和環状ポリオレフィン樹脂を用い、４０ｍｍ×８０ｍｍ、厚さ２ｍｍで、マイクロチップ本体の流路の両端に位置する箇所に、１．０ｍｍφのインレット３、４、およびアウトレット５と、１５．０ｍｍ×５０．０ｍｍ×高さ２ｍｍの空隙部７１を２箇所図２に示すように配置した基板を、射出成形により成形してマイクロチップ蓋基板とした。
次に、図３に示すような、１４．８ｍｍ×４９．８ｍｍ×厚さ２．０ｍｍのＳＵＳ基板を切削加工により得た。
次に、ＳＵＳ基板をマイクロチップ本体の空隙部７に嵌め込んだ後に、マイクロチップ本体の流路を有する面とマイクロチップ蓋基板を重ね合わせ、基板界面を熱融着させ、冷却後にＳＵＳ基板を除去してマイクロチップを得た。このときの飽和環状ポリオレフィンの線膨張係数は、７×１０−５／℃、ＳＵＳの線膨張係数は、２×１０−５／℃であった。熱融着は、１３０℃、１０００Ｎ、２０分で行なった。これを３回実施し、マイクロチップを３つ得た。
熱融着前と熱融着後のインレット３とアウトレット５の距離を表１に示す。
【００２１】
（比較例１）
実施例１と同じ寸法、形状、材質のマイクロチップ本体、マイクロチップ蓋基板を用意し、マイクロチップ本体の流路を有する面とマイクロチップ蓋基板を重ね合わせ、ＳＵＳ基板を使用せずに基板界面を熱融着させて、マイクロチップを得た。これを３回実施した。熱融着前と熱融着後のインレット３とアウトレット５の距離を表１に示す。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
実施例と比較例の結果を比べると、実施例では、熱融着前後のインレット３とアウトレット５の距離の差が、比較例のそれと比べて、低くなっていることがわかる。また、収縮量のばらつきも実施例と比較例を比較すると、実施例のほうが低い値となり、安定して融着できていることが示された。
以上の結果より、本発明のマイクロチップの接合方法が有効であることが示された。
【符号の説明】
【００２４】
１  第１のマイクロチップ基板（マイククロチップ本体）
２  マイクロチャンネル
３  インレット
４  インレット
５  アウトレット
６  金属基板
７、７１  空隙部
１１  第２のマイクロチップ基板（マイクロチップ蓋基板）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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