(57)【要約】【課題】Ｓｉ基板に刻設された微小流路の全壁面をガラス面とすることで流路抵抗を小さくする。【解決手段】Ｓｉ基板１の液体室２、液体溜室３、加圧室４、狭窄部５等を含む液体流路を形成する溝は、半導体プロセスによって刻設される。Ｓｉ基板１の上にガラスシートを載せて加熱・軟化させ、自重等によって上記溝に被着させることでガラスコート７を形成し、その上にガラス基板１０を接合し、圧電体１２からなる駆動素子を形成する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
断面の小さい液体流路となる溝を刻設した第１の基板と、前記溝を覆うガラス面を備えた第２の基板とを有する流路構造体であって、
前記第１の基板が、薄片化ガラスを加熱・軟化させて自重または加圧によって前記溝の壁面に被着させたガラスコートを有することを特徴とする流路構造体。
【請求項２】
断面の小さい液体流路となる溝を刻設した第１の基板と、前記溝を覆うガラス面を備えた第２の基板とを有する流路構造体の製造方法であって、半導体プロセスによって第１の基板に溝を刻設する工程と、溝を刻設された第１の基板に薄片化ガラスを載置し、加熱・軟化させて自重または加圧によって溝の壁面に被着させる工程と、薄片化ガラスを被着させた第１の基板に第２の基板を接合する工程とを有することを特徴とする流路構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、微少量の液体をマイクロポンプ作用で輸送するための、流路抵抗の小さい液体流路を構成する流路構造体およびその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体プロセスを用いたマイクロマシーニングにより、Ｓｉ基板を立体的にかつ微小に加工することが可能となり、この方法で、液体吐出ヘッドや液体輸送デバイス等の流路構造体の微細な液体流路が加工されている。一方で先端技術、健康増進を目指した予防医学あるいは医療の高度化や、環境問題の高まり、健康管理の意識拡大等と共に、環境測定や血液分析等の化学分析装置の需要が増加しており、微少量の液体を簡便にかつ定量的に取り扱うことが必要となってきた。
【０００３】
しかし、微小量の流体を搬送する流路の場合、流路壁面の撥水性のために、流体が流路を流れにくくなると言う問題点が生じている。これは、半導体プロセスによって加工が容易なＳｉ基板を用いて微小流路を形成するため、微小流路の加工面となるＳｉ表面が疎水性であることも一因になっている。
【０００４】
そこで、特開平７−６１５９０号公報には、液体接触表面を水などの液体と馴染みやすくするために、流路表面に多孔質Ｓｉ層を設け、かつ表面に酸化処理を施すことにより撥水性を低減することが開示されており、また、特開昭６０−８６４３９号公報に開示された微量定量装置では、液体流通路を厳密な寸法出しで内径が０．５ｍｍから１ｍｍの耐薬品性を有する硬質ガラスのノズルを形成している。
【０００５】
図７は一従来例による液体輸送デバイスを示すもので、これは、シリコン壁１１２でポンプ室１０８等の流路やバルブ１０９等を形成し、ガラス板１１１によって蓋をした容積変化型ポンプであり、圧電素子１１０の駆動によってポンプ室１０８を加圧する。液体の流動抵抗を少なくするために、ポンプ室１０８等の流路の液体接触部分を多孔質化後、酸化処理を行うことで、流路壁面の撥水性を低減している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来の技術では、流路内を親水性にするためにＳｉ酸化膜を表面に形成する場合は、半導体プロセスで流路をＳｉ基板に微細加工する工程で発生する微細凹凸については、微細加工後の表面を酸化処理によって親水性化しても凹凸が残り、流路表面の粗さはあまり減少しないこともある。加えて、上記の半導体プロセスによる微細加工では、流路の曲がり角での鋭い角を無くすことは困難である。
【０００７】
その結果、流路壁面での管内損失水頭圧が大きくなり、ポンプ等への負担が増大する。
【０００８】
また、硬質ガラス製の微小なノズルを用いる場合は、ガラス成形によって円筒状の複数個の微小流路を高密度に作製することは困難である。
【０００９】
本発明は上記従来の技術の有する未解決の課題に鑑みてなされたものであり、半導体プロセスを用いた微細加工によって作製された流路壁面を平滑化かつ親水性化し、さらに流路の曲がり角での鋭い角を除去して液体搬送時の管内損失を大幅に減少させ、ポンプ等への負担を軽減することのできる流路構造体およびその製造方法を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の流路構造体は、断面の小さい液体流路となる溝を刻設した第１の基板と、前記溝を覆うガラス面を備えた第２の基板とを有する流路構造体であって、前記第１の基板が、薄片化ガラスを加熱・軟化させて自重または加圧によって前記溝の壁面に被着させたガラスコートを有することを特徴とする。
【００１１】
【作用】
半導体プロセスによって第１の基板に刻設された溝の壁面に、平滑性および親水性にすぐれた液体の流動しやすいガラスコートを形成する。この工程は、ガラス面を有する第２の基板を接合する前に、薄片化ガラスを第１の基板に載置して加熱・軟化させて溝の壁面に被着させることによって行われる。第２の基板のガラス面と第１の基板のガラスコートにより、全壁面がガラスである流路抵抗の小さい液体流路を簡単に形成することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１３】
図１は第１の実施の形態による流路構造体を示すもので、第１の基板であるＳｉ基板１に第２の基板であるガラス基板１０を接合した接合構造を有し、Ｓｉ基板１は、液体流路の一部である液体室２、流路端部の液体溜室３、液体流路の一部である加圧室４、流路断面の小さい狭窄部５、流路端部の気体排出孔６、およびこれらの流路壁面を被覆するガラスコート７を備えている。液体流路の上方の壁面を構成するガラス面を有するガラス基板１０上には、加圧室４等の直上に形成した下電極１１、下電極１１上に形成した駆動素子となる圧電体１２、圧電体１２上に形成した上電極１３が配設されている。
【００１４】
この流路構造体の製造方法は、図２に示すように、まずＳｉ基板１に液体流路となる液体室２、液体溜室３、加圧室４および狭窄部５となる溝をフォトリソ技術による半導体プロセスを用いて刻設加工し、次いでＳｉ基板１に気体排出孔６となる溝を同様のフォトリソプロセスを用いて加工し、この後、Ｓｉ基板１上にガラスコート７を形成するために、例えば、ボロンシリケートガラスである耐熱ガラスのガラスシート（薄片化ガラス）７ａを載置する。この状態でガラスシート７ａの軟化点またはそれ以下の温度で熱処理することにより自重または加圧によって変形させて、各流路溝の壁面を被覆するガラスコート７を形成する。
【００１５】
次に、図３に示すように、Ｓｉ基板１上の流路壁面のガラスコート７となる部位以外のガラスシート７ａを平面研磨により除去することで、Ｓｉ基板１の溝周辺の端面１ａを露出させる。この後、Ｓｉ基板１の端面１ａ上に、ガラス基板１０として例えばボロンシリケートガラスである耐熱ガラスを載置して、図１に示すようにＳｉ基板１の端面１ａとの間を陽極接合する。このように、陽極接合によって接合されたガラス基板１０により流路の上方の壁面をガラスコート７と同じ耐熱ガラス等のガラス製とする。
【００１６】
そして、ガラス基板１０を薄片化、平坦化および平滑化研磨し、その上に、液体室２、液体溜室３および加圧室４に重なるように下電極１１、駆動源となる圧電体１２、上電極１３を順次形成する。
【００１７】
上記流路構造体において、液体室２に液体を流入させ、順次、圧電体１２に電圧を印加し、液体を液体室２から液体溜室３に搬送する。この搬送によって流路内に残留した気体は次第に押し出され、気体排出孔６から排出する。
【００１８】
（実施例１）
図１の流路構造体において、圧電体１２としてＰＺＴを用い、かつ下電極１１および上電極１３としてＰｔ膜を用いた液体搬送用流路を形成し、液体室２にＩＰＡ（イソプロピルアルコール）を導入し、該液体の進行方向の圧電体に順次電圧を印加したところ、該液体は所定の液体溜室３まで搬送することができた。
【００１９】
図４は第２の実施の形態を示すもので、この流路構造体はＳｉ基板２１とガラス基板３０を有し、Ｓｉ基板２１は、液体流路の一部である液体室２２、流路端部の液体溜室２３、液体流路の一部である加圧室２４、流路断面の小さい狭窄部２５、流路端部の気体排出孔２６、およびこれらの流路壁面を被覆するガラスコート２７、Ｓｉ基板２１の流路周辺の平坦な端面においてガラスコート２７上に形成したＳｉ膜からなる中間層２８を有し、中間層２８の上にガラス基板３０が接合されている。そして、加圧室２４等の直上に下電極３１、下電極３１上に駆動素子となる圧電体３２、圧電体３２上に上電極３３が形成されている。
【００２０】
本実施の形態による流路構造体の製造方法は以下の通りである。まずＳｉ基板２１に液体流路となる液体室２２、液体溜室２３、加圧室２４および狭窄部２５となる溝をフォトリソプロセスを用いて加工し、さらにＳｉ基板２１に気体排出孔２６となる溝をフォトリソプロセスを用いて加工する。この後Ｓｉ基板２１上にアルミノシリケートガラスであるＳＤ−２ガラス（ＨＯＹＡ（株）の商標登録）等のガラスシート２７ａを載置し、この状態でガラスシート２７ａの軟化点直下で熱処理し、ガラスシート２７ａを図５に示すようにＳｉ基板２１の流路壁面に密着させて被覆した。
【００２１】
そして、Ｓｉ基板２１に陽極として針状電極４１を、ガラスシート２７ａに陰極として針状電極４２を電気的に連結し、かつ針状電極４１、４２と電圧印加用電源４３との間をそれぞれリード線４４で電気的に連結し、Ｓｉ基板２１とガラスシート２７ａとの間に電圧を印加して陽極接合した。この陽極接合により、ガラスシート２７ａを流路壁面により強く密着させて被覆し、かつ、Ｓｉ基板２１に対してより強固に接合できる。
【００２２】
この後、Ｓｉ基板２１の端面上のガラスシート２７ａすなわち液体流路のガラスコート２７となる部分以外のガラスシート面を平滑化研磨し、図６に示すように、研磨部に接合を強化するためのＳｉ膜からなる中間層２８を形成し、さらに上方の流路壁面となるガラス基板３０を載置し、この状態で中間層２８とガラス基板３０を互いに陽極接合した。すなわち、この陽極接合により流路全体の壁面をＳＤ−２ガラス等のガラス製の壁面にすることができる。
【００２３】
この後液体室２２、液体溜室２３、加圧室２４および狭窄部２５に重なるようにガラス基板３０上にそれぞれ下電極３１、駆動源となる圧電体３２および上電極３３を順次形成した。
【００２４】
（実施例２）
図４の流路構造体において、圧電体３２としてＰＺＴを用い、下電極３１および上電極３３としてＰｔ膜を用いて液体搬送用流路を構成し、液体室２２にＩＰＡを導入し、該液体の進行方向の圧電体３２に順次電圧を印加していったところ、液体は所定の液体溜室２３まで搬送することができた。
【００２５】
上記の実施の形態において、Ｓｉ基板の流路壁面に被覆するガラスコートとしてはボロンシリケートガラスまたはアルミノシリケートガラスが望ましい。これらのガラスは、Ｓｉ基板の熱膨張係数に近いガラスであって、微小な凹凸を有する流路の内壁にガラスコートを設けることにより、平滑で親水性を有する壁面にし、かつＳｉ基板に形成した液体室、狭窄部、加圧室および液体溜室からなる流路の鋭い曲がり角を、丸みを帯びた流線型にすることができる。また、Ｓｉ基板の上にガラス基板を接合することで、流路の全壁面が流路抵抗の低いガラス面となり、その結果液体輸送時の管内損失を大幅に低減し、ポンプ負荷等を軽減できる。
【００２６】
なお、ガラスコートやガラス基板の材質は、親水性を有し流路抵抗を低くすることが可能なガラスであれば上記の耐熱ガラス等に限定されることなくどのようなガラス素材を用いてもよい。
【００２７】
上記の実施の形態によれば、Ｓｉ基板に液体室、狭窄部、加圧室、液体溜室および気体排出孔となる溝を半導体プロセスを用いて微細に形成し、この後薄片化ガラス（ガラスシート）をＳｉ基板上に載置し、ガラスの軟化点、あるいは軟化点以下の温度で熱処理し、薄片化ガラスを上記溝の壁面に重力あるいは加圧により密着させ、さらに薄片化ガラスとＳｉ基板を陽極接合し、この陽極接合によって薄片化ガラスをＳｉ基板に隙間なく密着させてガラスコートを形成し、その後に、ガラス基板を重ねて接合することで、流路の全壁面をガラス面とするものであるため、
【００２８】
（１）Ｓｉ基板を用いた半導体プロセスによって液体流路となる溝を形成するので、微小な流路を高密度に形成できる。
【００２９】
（２）ガラス軟化点温度以下の温度で薄片化ガラスを軟化させ、重力場で、あるいは加圧によって薄片化ガラスを溝の内壁に沿って密着させることが可能であり、かつＳｉ基板と薄片化ガラスを互いに陽極接合するので、ガラスコートをＳｉ基板の溝の壁面に強固に密着・接合することが可能である。
【００３０】
（３）Ｓｉ基板に加工した溝に薄片化ガラスを被覆することにより、半導体プロセスで形成した時点で生ずる溝壁面の微細な凹凸の影響を減少させ、流路壁面を平滑化できる。
【００３１】
（４）Ｓｉ基板に加工した溝に薄片化ガラスを被覆することにより、微小な液体流路を親水性にすることができる。
【００３２】
（５）Ｓｉ基板に加工した溝に薄片化ガラスを被覆することにより、凹凸のない平滑性にすぐれた流路壁面を得ることが可能になり、かつ流路の曲がり角を、鋭い角のない滑らかな曲線状（流線型）にすることが可能であり、これによって流体の管内損失を軽減し、ポンプの消費電力を低減できる。
【００３３】
本発明の実施態様は以下の通りである。
【００３４】
本発明の流路構造体は、断面の小さい液体流路となる溝を刻設した第１の基板と、前記溝を覆うガラス面を備えた第２の基板とを有する流路構造体であって、前記第１の基板が、薄片化ガラスを加熱・軟化させて自重または加圧によって前記溝の壁面に被着させたガラスコートを有することを特徴とする。
【００３５】
上記流路構造体において、前記第２の基板が前記ガラスコートと同じ材質のガラス基板であるとよい。
【００３６】
上記流路構造体において、前記第２の基板および前記ガラスコートの材質がボロンシリケートガラスまたはアルミノシリケートガラスであるとよい。
【００３７】
上記流路構造体において、前記第２の基板上に、前記液体流路の液体を加圧するための駆動素子が配設されているとよい。
【００３８】
本発明の流路構造体の製造方法は、断面の小さい液体流路となる溝を刻設した第１の基板と、前記溝を覆うガラス面を備えた第２の基板とを有する流路構造体の製造方法であって、半導体プロセスによって第１の基板に溝を刻設する工程と、溝を刻設された第１の基板に薄片化ガラスを載置し、加熱・軟化させて自重または加圧によって溝の壁面に被着させる工程と、薄片化ガラスを被着させた第１の基板に第２の基板を接合する工程とを有することを特徴とする。
【００３９】
上記流路構造体の製造方法において、前記第１の基板に前記第２の基板を接合する工程の前に、前記第１および前記第２の基板の接合部における前記薄片化ガラスを平面研磨によって局部的に除去する工程を有するとよい。
【００４０】
あるいは、前記第１の基板に前記第２の基板を接合する工程の前に、前記第１および前記第２の基板の接合部における前記薄片化ガラス上に接合を強化するための中間層を形成する工程を有するとよい。
【００４１】
上記流路構造体の製造方法において、前記薄片化ガラスを前記第１の基板に陽極接合するとよい。
【００４２】
【発明の効果】
本発明は上述のとおり構成されているので、以下に記載するような効果を奏する。
【００４３】
流路抵抗の小さい微小流路が高密度で配設された流路構造体を半導体プロセスを応用することによって効率的に製作できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施の形態による流路構造体を示すもので、（ａ）はその断面図、（ｂ）は平面図である。
【図２】第１の実施の形態による流路構造体の製造方法の第１工程を説明するものである。
【図３】第１の実施の形態による流路構造体の製造方法の第２工程を説明するものである。
【図４】第２の実施の形態による流路構造体を示すもので、（ａ）はその断面図、（ｂ）は平面図である。
【図５】第２の実施の形態による流路構造体の製造方法の第１工程を説明するものである。
【図６】第２の実施の形態による流路構造体の製造方法の第２工程を説明するものである。
【図７】一従来例を説明する図である。
【符号の説明】
１、２１    Ｓｉ基板
２、２２    液体室
３、２３    液体溜室
４、２４    加圧室
５、２５    狭窄部
６、２６    気体排出孔
７、２７    ガラスコート
７ａ、２７ａ    ガラスシート（薄片化ガラス）
１０、３０    ガラス基板
１１、３１    下電極
１２、３２    圧電体
１３、３３    上電極
２８    中間層
【図１】
2004308459.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004308459.tif 000007
【図６】
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【図７】
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