(57)【要約】【課題】マイクロミキサーに要求される小型化を維持しつつ、混合・撹拌効率を高めたマイクロミキサーを提供する。【解決手段】このマイクロミキサー１００は、混合すべき複数の流体を導入するための複数の供給口１１、１２が設けられた蓋板１０と、混合された流体を取り出すための１又は複数の流出口４１が設けられた底板４０との間に、水平微小流路２２、２３、２４が形成されている水平流路基板２０と、垂直微小流路３１が形成されている垂直流路基板３０とが交互に複数枚積層配置されており、供給口１１、１２から水平微小流路２２、２３、２４、及び垂直微小流路３１を介して、流出口４１に連通する連続流路が形成されている。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
混合すべき複数の流体を導入するための複数の供給口が設けられた蓋板と、混合された流体を取り出すための１又は複数の流出口が設けられた底板との間に、前記蓋板と前記底板に水平な方向に水平微小流路が形成されている水平流路基板と、前記蓋板と前記底板に垂直な方向に垂直微小流路が形成されている垂直流路基板とが交互に複数枚、積層配置されており、前記供給口から前記水平微小流路及び前記垂直微小流路を介して、前記流出口に連通する連続流路が形成されていることを特徴とするマイクロミキサー。
【請求項２】
前記蓋板、底板、水平流路基板、及び垂直流路基板の材質がステンレス鋼であり、それぞれの板材が拡散接合によって一体化されて積層されている請求項１記載のマイクロミキサー。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、基板上に形成された微小な流路を用いて、微小容量の気体、液体、固体の撹拌、混合を行うマイクロミキサーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、マイクロマシニング技術を用いてシリコンやガラス、プラスチックなどの基板上に微小流路（マイクロチャンネル）を作製し、その微小空間を各種溶液類の混合、化学反応、分析、等の場に利用する試みが注目されている。これらの分野に供されるデバイス、装置は、その使用目的に応じて、マイクロミキサーやマイクロリアクタと呼ばれている。
【０００３】
このようなマイクロミキサーにおいては、通常、反応流路の等価直径（流路の断面を円に換算したときの直径）が５００μｍより小さいものが微小流路（マイクロチャンネル）とされている。このように、流路のスケールが微小化してくると、▲１▼レイノルズ数が小さくなるので流れは層流支配となる、▲２▼単位体積当たりの表面積が非常に大きくなる、という特徴が得られる。
【０００４】
この特徴によって、温度、圧力、濃度などの勾配が大きくなるため、熱伝導、物質移動拡散などの効率が向上し、反応系での反応時間の短縮、反応速度の向上等の利点が得られることになる。更に、微小反応で適量合成が可能であり、高い再現性も得られるので、薬品や触媒試薬類などの使用量を大幅に低減でき、経済的にも有効である。
【０００５】
このようなマイクロミキサーの構造に関する従来技術として、以下のような各種の平面的な構造が提案されている（例えば、非特許文献１〜３参照）。
【０００６】
先ず、図３、４に示すような、Ｙ型と呼ばれるマイクロミキサーが知られている。図３は、Ｙ型マイクロミキサーの一例の各構成部材を示す図であって、（Ａ）蓋板、（Ｂ）基板、の平面図であり、図４は、図３の基板と蓋板の接合後におけるＣ−Ｃ’矢示線に沿った断面図である。
【０００７】
このマイクロミキサー５０は、蓋板５１と基板５２より構成されており、図３（Ｂ）に示すように、基板５２にＹ字状の微小流路５６が形成されている。また、図３（Ａ）に示すように、蓋板５１には、Ｙ字状の微小流路５６の両端に連通する位置に、各種溶液、薬品、試薬等を微小流路５６に供給するための供給口５３、５４が設けられ、更に、Ｙ字状の微小流路５６の合流後の先端部に連通する位置には、混合又は反応した流体を取り出すための流出口５５が形成されている。
【０００８】
そして、図４に示すように、蓋板５１と基板５２が接合され、供給口５３、５４から供給された各種流体は、微小流路５６で混合され、流出口５５から外部に取り出すことができるように連続流路が形成されている。
【０００９】
また、上記の基板５２の代わりに、図５に示すような、Ｔ字状の微小流路６１を形成した基板６０を用いた、Ｔ型と呼ばれるマイクロミキサーも知られている。
【００１０】
上記のような、等価直径が５００μｍ以下の微小流路内では、レイノルズ数が１０〜数１００程度と極めて小さいため、流れは層流状態である。よって、上記のようなＹ型やＴ型のマイクロミキサーにおいては、２つの供給口５３、５４から供給された溶液は微小流路では２層の流れとなり、その２層の撹拌、混合は拡散に支配されるため、完全混合にはある一定の時間を必要とする。
【００１１】
そこで、この混合時間を短縮するため、２層の流れを平面上で多数に分割して、多数の層流を作り、混合・撹拌効率を上げることも提案されている。
【００１２】
図６は、このような基板の一例であり、上記の基板５２、６０の代わりに、２層の流れをいくつもに分割して多数の層流を作り出すマルチ流路７１を形成した基板７０を用いている。そして、このマルチ流路７１を用いることによって、２つの供給口５３、５４から導入された流体を、マルチ流路７１内で多数の層流に分割し、撹拌、混合効率を向上するものである。
【００１３】
また、その他のマイクロミキサーの構造に関する従来技術として、例えば、１０００以上の多数の生化学反応を同時に並列的に行うことができ、かつ、単なる分析だけではなく、蛋白質合成などの物質合成反応をもセル上で行うことができる生化学反応用マイクロリアクタとして、シリコン基板の表面に異方性エッチングにより形成された複数の独立した反応チャンバと、該シリコン基板の表面に陽極接合され前記反応チャンバを密閉する平板とからなるマイクロリアクタが開示されている（特許文献１参照）。
【００１４】
【非特許文献１】
Ｂ．Ｈｅ，Ｎ．Ｔａｉｔ，Ｆ．Ｒｅｇｎｉｅｒ：Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．７０，３７９０（１９９８）
【非特許文献２】
Ｗ．Ｅｈｒｆｅｌｄ，Ｖ．Ｈｅｓｓｅｌ，Ｈ．Ｌｏｗｅ：Ｍｉｃｒｏｒｅａｃｔｏｒｓ．，ＰＰ６４−６６，Ｗｉｌｅ・ＶＨＣ（２０００）
【非特許文献３】
草壁、外輪、諸岡：マイクロリアクタの研究動向と熱化学への応用．計装，第４５巻，１号（２００２年）
【特許文献１】
特開平１０−３３７１７３号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の技術における、いずれのマイクロミキサーにおいても、通常、基板としてシリコン又はガラスなどを用い、その基板上にドライプラズマエッチングもしくは湿式エッチングなどの方法で微小な流略を形成し、蓋板を接合、接着して構成される。したがって、混合に供する微小流路は、いずれも平面的に配置されている。
【００１６】
そして、上記のように、平面的に形成された微小流路内の流体は層流となるので、撹拌、混合は拡散で支配される。このため、層流状態で混合効率を上げるには流れをいくつもに分割して多数の層流を作りだす必要があり、図６に示したようなマルチ流路が要求される。
【００１７】
しかしながら、上記のマルチ流路においても、やはり平面的に形成された微小流路であるので流体は層流であり、撹拌、混合は拡散で支配されるので効率が低いという問題があった。
【００１８】
また、マルチ流路を平面上に形成すると、基板面積が大となって装置・デバイスのマイクロ化することが困難になるという問題があり、このことは、混合の為の溶液が２種類でなく、多元系に及ぶ場合には特に問題となっていた。
【００１９】
本発明は、以上の問題点を鑑みなされたもので、マイクロミキサーに要求される小型化を維持しつつ、流れの方向を組み合わせることで撹拌、混合効率を高めたマイクロミキサーを提供することを目的とする。
【００２０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のマイクロミキサーは、混合すべき複数の流体を導入するための複数の供給口が設けられた蓋板と、混合された流体を取り出すための１又は複数の流出口が設けられた底板との間に、前記蓋板と前記底板に水平な方向に水平微小流路が形成されている水平流路基板と、前記蓋板と前記底板に垂直な方向に垂直微小流路が形成されている垂直流路基板とが交互に複数枚積層配置されており、前記供給口から前記水平微小流路及び前記垂直微小流路を介して、前記流出口に連通する連続流路が形成されていることを特徴とする。
【００２１】
これによれば、蓋板と底板の間に、微小流路が形成された水平流路基板と垂直流路基板とが交互に複数枚積層配置されているので、従来の平面的な構造に比べて、垂直微小流路によって乱流が生じやすく、流体の流れの変化（転回）がより多くなる。したがって、混合効率をより向上することができる。
【００２２】
また、水平流路基板と垂直流路基板との積層枚数を増加させることにより、連通流路の長さを自由に調節できるので、１枚あたりの流路長さを短縮できる。これにより、混合効率を低下させずに、マイクロミキサーを従来より小型化することができる。
【００２３】
本発明のマイクロミキサーにおいては、前記蓋板、底板、水平流路基板、及び垂直流路基板の材質がステンレス鋼であり、それぞれの板材が拡散接合によって一体化されて積層されていることが好ましい。
【００２４】
これによれば、ステンレス鋼は耐薬品性に優れて安定であり、しかも拡散接合で容易に接合できる材質である。また、多数の供給口、流出口、微小流路を容易に形成できるので、低コストで生産性に優れるマイクロミキサーを提供できる。
【００２５】
また、拡散接合により接合の際の接着剤等が不要となるので、試料溶液との化学的反応やコンタミネーション等を有効に防止でき、更に、充分な接合強度で、それぞれの板材を一体化して積層できる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を更に詳細に説明する。図１、２には、本発明のマイクロミキサーの一実施形態が示されている。図１は本発明のマイクロミキサーの各構成部材を示す図であって、（Ａ）蓋板、（Ｂ）第１水平流路基板、（Ｃ）第１垂直流路基板、（Ｄ）第２水平流路基板、（Ｅ）第２垂直流路基板、（Ｆ）底板、の平面図、図２は、図１（Ａ）〜（Ｆ）の接合後におけるＧ−Ｇ’矢示線に沿った断面図である。
【００２７】
図１、２に示すように、このマイクロミキサー１００は、混合すべき複数の流体を導入するための蓋板１０と、混合された流体を取り出すための底板４０との間に、第１水平流路基板２０、第１垂直流路基板３０、第２水平流路基板２０’、第２垂直流路基板３０’とが順に積層されて一体化されている。
【００２８】
蓋板１０には、図１（Ａ）に示すように、流体を供給するための複数の供給口１１、１２が貫通孔として設けられている。
【００２９】
蓋板１０の材質としては特に限定されず、金属、シリコン、ガラス、プラスチック等からなる従来公知の材料が使用できるが、耐薬品性に優れて安定であり、しかも後述するように拡散接合で容易に接合できる材質であり、また、多数の供給口を容易に形成できる点から、金属を用いることが好ましい。金属としては、チタン、ニッケル、ステンレス鋼等が好ましく用いられる。なかでも、エッチング等で微小流路を形成しやすく、加工精度にも優れる点から、ステンレス鋼を用いることがより好ましい。
【００３０】
また、蓋板１０の厚さは特に限定されないが、１０〜５００μｍのものが好ましく用いられる。
【００３１】
供給口１１、１２は、流路の形状に合わせて、所定の位置に適宜形成される。供給口の数も、混合する流体の数に合わせて適宜選択でき限定されない。この供給口１１、１２は、例えば、湿式エッチングや、ドリル加工、超音波加工、放電加工もしくはパンチ打抜き等によって形成することができる。
【００３２】
蓋材１０の下面には第１水平流路基板２０が接合される。この第１水平流路基板２０には、図１（Ｂ）に示すように、蓋材１０の供給口１１、１２に連通する位置に、流体溜２１が線状に貫通形成されており、更に、流体溜２１から、複数の水平微小流路２２、２３、２４が、櫛状に伸びるように貫通形成されている。
【００３３】
第１水平流路基板２０の材質、厚さ、微小流路の形成方法等は、蓋板１０と同様のものを用いることができる。
【００３４】
また、水平微小流路２２、２３、２４の形状、長さ、本数は特に限定されず、適宜選定できる。例えば、各微小流路の形状は、図１（Ｂ）のような直線形状に限らず、Ｓ字やジグザグ状であってもよい。微小流路の幅も特に限定されないが、好ましくは１０〜５００μｍである。微小流路の幅が１０μｍ未満であると、流路が閉塞しやすくなるので好ましくなく、５００μｍを超えると、混合に要する拡散時間が長くなるので好ましくない。
【００３５】
更に、第１水平流路基板２０の下面には、第１垂直流路基板３０が接合される。この第１垂直流路基板３０には、図１（Ｃ）に示すように、第１水平流路基板２０の水平微小流路２２、２３、２４の末端に連通する位置に、垂直微小流路３１が線状に貫通形成されている。
【００３６】
第１垂直流路基板３０の材質、厚さ、微小流路の形成方法等は、蓋板１０と同様のものを用いることができる。また、垂直微小流路３１の幅も特に限定されないが、好ましくは５０〜５００μｍである。
【００３７】
更に、第１垂直流路基板３０の下面には、第２水平流路基板２０’が接合される。この第２水平流路基板２０’は、図１（Ｄ）に示すように、第１水平流路基板２０と同じ構造であり、第１水平流路基板２０とは１８０度回転して逆方向に配置されている。すなわち、第１垂直流路基板３０の垂直微小流路３１に連通する位置に、流体溜２１’が線状に貫通形成されており、更に、流体溜２１’から、複数の水平微小流路２２’、２３’、２４’が、櫛状に伸びるように貫通形成されている。
【００３８】
更に、第２水平流路基板２０’の下面には、第２垂直流路基板３０’が接合される。この第２垂直流路基板３０’は、図１（Ｅ）に示すように、第１垂直流路基板３０と同じ構造であり、第１垂直流路基板３０とは１８０度回転して逆方向に配置されている。すなわち、第２水平流路基板２０’の水平微小流路２２’、２３’、２４の末端に連通する位置に、垂直微小流路３１’が線状に貫通形成されている。
【００３９】
更に、第２垂直流路基板３０’の下面には、底板４０が接合される。底板４０には、図１（Ｆ）に示すように、第２垂直流路基板３０’の垂直微小流路３１’に連通する位置に、混合した流体を取り出すための流出口４１が貫通孔として設けられている。なお、本発明においては、流出口４１はこの実施形態のように１つでもよく、複数設けられていてもよい。
【００４０】
上記のそれぞれの基板は、従来公知の方法によって接合して一体化される。接合方法としては、例えば、エポキシ樹脂等の有機系接着剤による接合する方法、ハンダ、銀ロー等の接合材を用いて接合する方法、ふっ素系樹脂を主として含有する溶液を加熱処理して形成されるふっ素系樹脂層を接着層として接合する方法、有機金属化合物の加水分解・脱水縮合生成物を加熱処理して形成した金属酸化物層を接着層として接合する方法、拡散接合等が利用できるが、なかでも拡散接合を用いることが好ましい。
【００４１】
拡散接合は、真空下で加熱加圧することにより、金属同士の拡散を利用して直接接合する方法であり、接着剤や接合層を介さないので、接合条件に不整合がある場合においても微小流路を閉塞することがない。また、接合層の不均一による、微小流路間でのリークを防止できる。更に、基板材料として上記のようにステンレスを用いることにより、各種の溶剤薬品、試薬などに対する化学的耐性や耐熱性にも優れる。
【００４２】
拡散接合は、従来公知の拡散接合装置により行なうことができる。拡散接合の条件は、接合材料によって適宜選択されるが、例えばステンレス鋼の場合には、加熱温度７５０〜１０００℃、荷重負荷０．１〜１．０ｋｇ／ｍｍ２、真空度１０−４ｔｏｒｒ以下、保持時間１〜５時間であることが好ましい。
【００４３】
このようにして得られたマイクロミキサー１００は、図２に示すように、供給口１１、１２から流体溜２１を介して水平微小流路２１、２２、２３に連通し、更に、垂直微小流路３１を介して水平微小流路２１’、２２’、２３’に連通し、最後に垂直微小流路３１’を介して流出口４１に連通するように、供給口１１、１２から流出口４１への連続流路が形成されている。
【００４４】
なお、本発明においては、蓋板１０と底板４０との間に設けられる水平流路基板と垂直流路基板の数は限定されず、適宜設定可能である。水平流路基板と垂直流路基板の数を増加させることにより、流体の流れの変化（転回）がより多くなるので混合効率はより向上してくる。また、連続流路の長さも増加できるので、１枚あたりの微小流路の長さを短縮できる。したがって、混合効率を低下させずに、マイクロミキサーを小型化することができる。
【００４５】
また、マイクロミキサー１００の基板面積は、水平流路基板２０、２０’に形成する微小流路の幅、本数等によって適宜設定される。例えば、基板面積を１０ｍｍ×１０ｍｍとすれば、微小流路の幅を０．０８ｍｍとした場合、少なくとも水平流路基板１枚あたり、４０〜５０本の微小流路を形成することができる。
【００４６】
このマイクロミキサー１００は、例えば、以下のように使用される。
まず、図示しない試料流体供給手段により、混合すべき複数の試料流体を供給口１１、１２注入する。複数の試料流体としては、液体、気体、微小固体、又はこれらの組合せ等が適用可能であり、特に溶液には限定されない。また、試料流体の供給は、重力と毛細管現象を利用して供給してもよく、マイクロシリンジポンプ等によって加圧注入してもよい。
【００４７】
それぞれの試料溶液は、流体溜２１で合流した後、水平微小流路２２、２３、２４によって２層の層流となって拡散により混合される。その後、それぞれの水平微小流路の末端に到達した後、垂直微小流路３１によって垂直に落下する。これにより流れの方向が変化し、その流れ方向の転回で２つの溶液の接触界面が増大するとともに乱流も発生して、２つの流体の攪拌、混合の効率が向上する。
【００４８】
垂直微小流路３１によって垂直に落下した混合流体は、第２水平流路基板２０’の流体溜２１’から、水平微小流路２２’、２３’、２４’によって、再度拡散によって混合されつつ、それぞれの水平微小流路の末端に到達した後、再び垂直微小流路３１’によって垂直に落下する。これにより再度の乱流が生じて、攪拌、混合の効率が向上する。
【００４９】
その後、底板４０の流出口４１より混合後の流体が排出されて、一連の混合処理が終了する。
【００５０】
なお、上記の混合においては、混合条件を制御するために、目的に応じてマイクロミキサー１００にはヒータ装置や、混合状態を監視するための分析装置等が装着されていてもよい。
【００５１】
【実施例】
以下、実施例を挙げて、本発明を更に具体的に説明する。
【００５２】
＜各基板の形成＞
図１に示す形状で、蓋板１０、第１水平流路基板２０、第１垂直流路基板３０、第２水平流路基板２０’、第２垂直流路基板３０’、底板４０を形成した。また、各基板における供給口、微小流路、流出口等は、王水を使用した湿式エッチングによって貫通形成した。なお、上記の各基板の大きさは、すべて１０×２０ｍｍとした。
蓋板１０としては、厚さ０．２ｍｍのステンレス薄板を用い、供給口１１、１２として、穴径０．５ｍｍの貫通穴を形成した。
第１水平流路基板２０、第２水平流路基板２０’としては、厚さ０．１ｍｍのステンレス薄板を用い、流体溜２１の幅０．１５ｍｍ、水平微小流路２２、２３、２４の幅は０．０８ｍｍで形成した。
第１垂直流路基板３０、第２垂直流路基板３０’としては、厚さ０．５ｍｍのステンレス薄板を用い、垂直微小流路３１、３１’の幅は０．５ｍｍで形成した。
底板４０としては、厚さ０．５ｍｍのステンレス薄板を用い、流出口４１として、穴径０．５ｍｍの貫通穴を形成した。
【００５３】
＜各基板の接合＞
上記の各基板を、図２に示すように順に積層し、拡散接合によって接合して総厚さ１．９ｍｍの実施例のマイクロミキサー１００を得た。
なお、拡散接合の条件は、０．１ｋｇ／ｍｍ２の荷重を負荷し、１×１０−４ｔｏｒｒ以下の真空雰囲気で、９５０℃、１時間保持して一体化した。
【００５４】
上記の実施例のマイクロミキサー１００においては、Ｘ線による撮像と超音波探傷法などによって、図２に示すように、蓋板１０の供給口１１、１２から、底板４０の流出口４１への連続流路が形成されていることが確認できた。
【００５５】
また、各基板は完全に一体化しており、接合界面での溶液の洩れなどは一切、認められなかった。
【００５６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、マイクロミキサーに要求される小型化を維持しつつ、流れの方向を組み合わせることで撹拌、混合効率を高めたマイクロミキサーを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のマイクロミキサーの一実施形態を示す各構成部材を示す図であって、（Ａ）蓋板、（Ｂ）第１水平流路板、（Ｃ）第１垂直流路板、（Ｄ）第２水平流路板、（Ｅ）第２垂直流路板、（Ｆ）底板、の平面図である。
【図２】図１（Ａ）〜（Ｆ）の接合後におけるＧ−Ｇ’矢示線に沿った断面図である。
【図３】従来のマイクロミキサーの一例を示す各構成部材を示す図であって、（Ａ）蓋板、（Ｂ）基板、の平面図である。
【図４】図３の基板と蓋板の接合後におけるＣ−Ｃ’矢示線に沿った断面図である。
【図５】従来のマイクロミキサーにおける、基板の他の例を示す平面図である。
【図６】従来のマイクロミキサーにおける、基板の更に他の例を示す平面図である。
【符号の説明】
１０：蓋板
１１、１２：供給口
２０：第１水平流路基板
２０’：第２水平流路基板
２１、２１’：流体溜
２２、２２’、２３、２３’、２４、２４’：水平微小流路
３０：第１垂直流路基板
３０’：第２垂直流路基板
３１、３１’：垂直微小流路
４０：底板
４１：流出口
１００：マイクロミキサー
【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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【図６】
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