(57)【要約】【課題】  接着剤を用いずに、対向する基板の少なくとも一方の基板の対向面に微小な流路が形成された複数の基板を接合させるマイクロリアクターチップの作製方法であって、特に問題となる流路脇の接合界面に気泡が入らず均一に接合でき、流体の漏れなどが発生しないだけでなく、接合時に流路の内径変化、形状変化がなく、さらに、最終的なマイクロリアクターチップが薄い場合でも、前記接合不良の問題がなく、反りなどが発生しないマイクロリアクターチップ作製方法を提供する。【解決手段】  対向する基板の少なくとも一方の基板の対向面に微小な流路が形成された複数の基板を、該微小な流路が形成された面と対向する基板の対向面とが接合面となるようにして接合させるマイクロリアクターチップの作製方法であって、少なくとも前記微小な流路が形成された面における接合させようとする部分に微小突起を設け、該微小突起と対向する基板の対向面とを密着させ、該微小突起に超音波を照射することにより接合面を接合させることを特徴とするマイクロリアクターチップの作製方法。【選択図】    なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する基板の少なくとも一方の基板の対向面に微小な流路が形成された複数の基板を、該微小な流路が形成された面と対向する基板の対向面とが接合面となるようにして接合させるマイクロリアクターチップの作製方法であって、
少なくとも前記微小な流路が形成された面における接合させようとする部分に微小突起を設け、該微小突起と対向する基板の対向面とを密着させ、該微小突起に超音波を照射することにより接合面を接合させることを特徴とするマイクロリアクターチップの作製方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロリアクター、すなわち、一般的に「微細加工を利用して作られ、等価直径が５００μｍ以下の微小な流路（マイクロチャネル）で反応を行う装置」と定義されている微小な化学デバイスの作製方法に関し、さらに詳しくは、前記マイクロリアクターを構成するマイクロリアクターチップの作製方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロリアクターを構成するマイクロリアクターチップとしては、金属、セラミック、ガラス、シリコーン、樹脂などの材質で作製されたものが知られている。そして、これらへの微小な流路を形成するための微細加工方法としては、例えば、Ｘ線を用いたＬＩＧＡ技術を用いる方法、フォトリソグラフィー法によりレジスト部を構造体として使用する方法、レジスト開口部をエッチング処理する方法、マイクロ放電加工法、レーザー加工法、ダイアモンドのような硬い材料で作られたマイクロ工具を用いる機械的マイクロ切削加工法などがある。これらの技術は単独、あるいは、組み合わせて用いられる。
【０００３】
前記マイクロリアクターは、これら微細加工された基板、部品を、種々の方法により接合し、基本的には内部に微小な流路を持つマイクロリアクターチップとして組み立てられ、使用される。上記接合に一般的に用いられる接合技術としては、ネジ止め、かしめなどの他、大別して固相接合と液相接合とがある。該固相接合には、陽極接合、直接接合、活性化直接接合、拡散接合等がある。また、上記液相接合には、融接、接着剤を用いた接合等がある。
【０００４】
一方、マイクロリアクターを構成する部品としては、安価、透明性、加工性などの観点から、ガラスを用いることが多く、近年では、さらに、成型性、耐衝撃性、安価などの観点から、樹脂を用いたものが多くなってきている。これらの材質からなる部品の接合には、一般的に、加圧しながら熱を加える融接が用いられる。しかしながら、この融接では、圧力が高過ぎる、あるいは加熱が大きすぎると、微小な流路が潰れてしまい、所望の内径あるいは流路形状のマイクロリアクターが得られない。逆に、前記圧力、加熱が不足すると接合が不十分となり、流路からの流体の漏れなどが発生してしまう。
【０００５】
したがって、前記融接における最適条件を得るには、材料種、マイクロリアクターチップの大きさなどを考慮して条件を細かく詰める必要がある。しかし、最適条件を得たとしても、実際には、接合面に気泡が残ることが多く、残留した気泡が流路と重なり、流体の漏れの原因となることが多い。
【０００６】
これらの課題を解決する方法として、接着剤を用いる方法が行われている。これは、低粘度で、基板と親和性の高い接着剤を用い、毛細管現象を使って、接合面界面に接着剤をしみ込ませ、均一に面と面とを接着させる方法である。この方法は、接着界面に気泡が入りにくいと思われるが、流路に接着剤が入るという大きな課題がある。
【０００７】
そこで、表面に凹部を有する部材と他の部材との間を、完全に密着させた状態で接着し、しかも接着剤が微小な空間を閉塞することなく接着一体化させる方法として以下が提案されている。
【０００８】
一つは、部材の凹部が形成された面と他方の部材の面とを、エネルギー線硬化性化合物を含有する組成物を介して接触させ、部材に形成された凹部を除く部分にエネルギー線を照射して組成物を硬化させた後、部材の凹部と他方の部材との間に形成された空間中に存在する未硬化の組成物を除去することを特徴とするマイクロケミカルデバイスの製造方法である（例えば、特許文献１参照）。
【０００９】
そして、もう一つは、部材に架橋重合性化合物を含有する組成物を塗布し、次いで、該架橋重合性化合物を含有する組成物が流動性を喪失し、かつ未反応の重合性基が残存する程度に半硬化させた状態で、部材の架橋重合性化合物を含有する組成物からなる塗布面と他方の部材の溝を有する面とを接触させ、その状態で架橋重合性化合物を含有する組成物を完全に硬化させることにより接着させることを特徴とする微小ケミカルデバイスの製造方法である（例えば、特許文献２参照）。
【００１０】
しかしながら、前記両製造方法ともに、毛細管現象を利用して接着剤を染み込ませることが難しいため、気泡の発生の可能性があった。また、前者の提案では、微小な流路に残留したエネルギー線硬化性化合物を完全には除去することが難しく、後者では、流路内壁の一面に架橋重合性化合物を含有する組成物が残ることになり、送液あるいは流路内の液体に影響を与える可能性もあった。
さらに、これらの方法も含め、従来の方法では、特に基板が薄い場合、気泡の発生がより多くなり、しかも、均一な接着が困難となるだけでなく、反りなどの発生の課題があった。
【００１１】
一方、一般的な樹脂成型体を、接着剤を一切用いず、接合を行う方法として、超音波接着法がある。係る方法は、非常に密着性よく接着を行うことができる。
【特許文献１】特開２０００−２４６０９２号公報
【特許文献２】特開２０００−２４８０７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
本発明は、上記従来技術の問題点を解決することを目的とする。
すなわち、本発明は、接着剤を用いずに、対向する基板の少なくとも一方の基板の対向面に微小な流路が形成された複数の基板を接合させるマイクロリアクターチップの作製方法であって、特に問題となる流路脇の接合界面に気泡が入らず均一に接合でき、流体の漏れなどが発生しないだけでなく、接合時に流路の内径変化、形状変化がなく、さらに、最終的なマイクロリアクターチップが薄い場合でも、前記接合不良の問題がなく、反りなどが発生しないマイクロリアクターチップ作製方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上記課題は、以下の本発明により達成される。すなわち本発明は、
＜１＞  対向する基板の少なくとも一方の基板の対向面に微小な流路が形成された複数の基板を、該微小な流路が形成された面と対向する基板の対向面とが接合面となるようにして接合させるマイクロリアクターチップの作製方法であって、少なくとも前記微小な流路が形成された面における接合させようとする部分に微小突起を設け、該微小突起と対向する基板の対向面とを密着させ、該微小突起に超音波を照射することにより接合面を接合させることを特徴とするマイクロリアクターチップの作製方法である。
【００１４】
＜２＞  前記微小突起が、少なくとも微小な流路の近傍に、該微小な流路に沿って形成されていることを特徴とする＜１＞に記載のマイクロリアクターチップの作製方法である。
＜３＞  前記微小突起が、連続的に連なりリブを形成していることを特徴とする＜１＞又は＜２＞に記載のマイクロリアクターチップの作製方法である。
【００１５】
＜４＞  前記微小突起の淵に沿って、溝が形成されていることを特徴とする＜１＞〜＜３＞の何れか１つに記載のマイクロリアクターチップの作製方法である。
＜５＞  前記微小突起の高さが、１００μｍ以下であることを特徴とする＜１＞〜＜４＞の何れか１つに記載のマイクロリアクターチップの作製方法である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、特に流路脇の接合界面に気泡が入らず、均一に接着し、漏れなどが発生せず、流路の内径変化、形状変化がなく、さらに、マイクロリアクターチップが薄い場合でも接合不良の問題がなく、反りなどが発生しないマイクロリアクターチップ作製方法を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明のマイクロリアクターチップの作製方法は、対向する基板の少なくとも一方の基板の対向面に微小な流路が形成された複数の基板を、該微小な流路が形成された面と対向する基板の対向面とが接合面となるようにして接合させるマイクロリアクターチップの作製方法であって、少なくとも前記微小な流路が形成された面における接合させようとする部分に微小突起を設け、該微小突起と対向する基板の対向面とを密着させ、該微小突起に超音波を照射することにより接合面を接合させることを特徴とする。
【００１８】
本発明の作製方法は、マイクロリアクターチップを構成する基板を、接着剤を用いずに融接により接合するものである。加圧しながら熱を加える融接により基板の接合を行う場合、接合面における接合界面に気泡を残さない均一な接合を、微小な流路形状等を変形させることなく行うことはかなり困難である。その理由は、基板表面には微小な凹凸があり、流路形状等を変形させない程度の加圧で接合を行った場合、上記微小な凹凸に閉じ込められた空気を完全に追い出すことができないためである。
【００１９】
本発明においては、このような状況から、接合時に大きな圧力や熱をかけなくても接合面の微小な空間に存在する空気を除去する方法について検討した。その結果、本発明者等は、前記微小な流路が形成された面における接合させようとする部分に微小突起を設け、該微小突起と対向する基板の接合面側とを密着させ、該微小突起に超音波を照射することにより、不要な圧力や熱をかけず、基本的に流路形成に必要な部分だけを接合する方法を見出した。この場合、流路に接し気泡などが発生しないため、漏れも発生しない。
【００２０】
以下、本発明の一実施形態について説明する。
本発明におけるマイクロリアクターチップは、前述のマイクロリアクターを構成するものであるが、マイクロリアクターチップそのものがマイクロリアクターとして取り扱われる場合もある。
【００２１】
前記マイクロリアクターとは、マイクロスケールの複数の微小な流路（チャンネル）を有する反応装置である。マイクロリアクターには、ヒーターやポンプなどの微小な機能部品を組み込む場合があり、さらに、使用する流体が漏れないように、前記流路を基板内に内在させるための基板面の接合等を完全に行う必要がある。
【００２２】
本発明に用いる基板の材質としては、ガラス転移点を有する樹脂などが適している。該樹脂としては、耐衝撃性、耐熱性、耐薬品性、透明性などが、行う反応や単位操作に適した樹脂が好ましく、例えば、ポリエステル樹脂、スチレン樹脂、アクリル樹脂、スチレン・アクリル樹脂、テルペン樹脂、クマリン樹脂、アミド樹脂、アミドイミド樹脂、ブチラール樹脂、エチレン・酢酸ビニル樹脂等が挙げられ、これらの中で好ましくはメチルメタクリレート樹脂などのアクリル系樹脂、スチレン樹脂である。また、前記樹脂のガラス転移点は、９０℃〜１５０℃の範囲であることが好ましく、１００℃〜１４０℃の範囲であることがより好ましい。
【００２３】
前記基板の大きさ（マイクロリアクターチップを作製する場合の大きさ）は、例えば正方形または長方形の面積で、１〜１００ｃｍ2の範囲が好ましく、１０〜４０ｃｍ2の範囲がより好ましい。
また、前記基板の厚みは、２〜３０ｍｍの範囲が好ましく、３〜１５ｍｍの範囲がより好ましい。
【００２４】
本発明における基板の、対向する基板の少なくとも一方の基板の対向面には、微小な流路が形成される。すなわち、本発明の作製方法は、基本的には２枚の基板を接合させて基板間に密閉した流路を設けるものであるが、３枚以上の複数の基板を同時に接合することもできる。
【００２５】
この場合、上記複数の基板の、対向させる少なくとも一方の面に微小な流路が形成されていればよい。例えば、３枚の基板を重ねて接合する場合には、３枚の基板の対向させる面にすべて流路を形成してもよいし、中央に挟む基板の両面にのみ流路が形成されてもよい。
【００２６】
また、前記２枚の基板を接合させて基板間に密閉した流路を設ける場合にも、前記微小な流路は、２枚の基板の一方のみに形成されてもよいし、両方の基板の対向する面に形成されてもよい。
【００２７】
前記微小な流路はマイクロスケールである。即ち、流路の幅（流路径）は、５０００μｍ以下であり、好ましくは１０〜１０００μｍの範囲であり、より好ましくは３０〜５００μｍの範囲である。また。流路の深さは、好ましくは１０〜５００μｍの範囲である。さらに、流路の長さは、形成される流路の形状にもよるが、好ましくは５〜４００ｍｍの範囲であり、より好ましくは１０〜２００ｍｍの範囲である。
【００２８】
前記微小な流路は、基板上に微細加工技術により作製される。微小な流路を形成するための微細加工方法としては、例えば、Ｘ線を用いたＬＩＧＡ技術を用いる方法、マイクロ放電加工法、レーザー加工法、ダイアモンドのような硬い材料で作られたマイクロ工具を用いる機械的マイクロ切削加工法がある。これらの技術は単独で用いてもよく、組み合わせて用いてもよい。
【００２９】
さらに、基板には必要に応じて、例えばマイクロリアクターに流体を送液するための送液口や、マイクロリアクターから流体を回収するための回収口などを設けてもよい。
【００３０】
前記微小突起は、前記微小な流路が形成された面における少なくとも接合させようとする部分に設けられていればよく、前記微小な流路の近傍に、該微小な流路に沿って形成されていることが好ましい。ここで、前記微小な流路の近傍とは、後述する超音波の照射により、溶融した微小突起が前記微小な流路内に流れ込まない範囲内において、該微小な流路に近い位置を意味し、具体的には、溶融した微小突起が前記微小な流路内に流れ込まない範囲内において、該微小な流路と前記微小突起との最短距離が、該微小な流路の等価直径の１／５０〜１／５の範囲内であることを意味し、１／２５〜１／１０の範囲内であることが好ましい。
【００３１】
前記微小突起は、超音波の照射により溶融したときに、該溶融物が連続的に連なり、前記微小な流路に液体を流した場合に、該液体が前記連続的に連なった溶融物を通り越し、反対側に漏れでなければ、断続的（所定の間隔を空けながら）に形成されていてもよいが、確実に前記液体の漏れを無くすという観点から、連続的に連なって形成され、リブを形成していることが好ましい。
【００３２】
また、本発明においては、後述する超音波の照射により、溶融した微小突起が前記微小な流路内に確実に流れ込まないようにする観点から、前記微小突起の淵に沿って、溝が形成されていることが好ましい。
更に、前記溝の体積（容量）は、前記微小突起の体積と同じであることがより好ましい。このようにすることにより、前記溶融した微小突起を溝に収容することができ、前記微小な流路内への流れ込みを防止できる。
【００３３】
前記微小突起の高さは、１００μｍ以下であることが好ましく、５０μｍ以下であることがより好ましく、１０μｍ以下であることが更に好ましく、５μｍ以下であることが特に好ましい。
【００３４】
前記微小突起の形状は、特に限定されず、例えば該微小突起が断続的に形成されている場合、基板に形成された微小突起を基板に対して垂直方向から見た形状は、円状、多角形の何れでも構わない。また、前記断続的に形成された微小突起を基板に対して水平方向から見た形状は、長方形（微小突起の上端部分の面積と土台部分の面積とが同じ）、台形（微小突起の上端部分の面積が土台部分の面積より小さい）の何れでも構わない。
一方、前記微小突起が連続的に連なって形成されされている場合、基板に形成された微小突起を基板に対して水平方向から見た形状は、長方形、台形の何れでも構わない。
【００３５】
全ての微小突起の体積の総和は、それぞれの基板が接合されれば特に限定されないが、基板の体積が大きくなるに従って、大きくなる傾向がある。
【００３６】
前記微小突起の材質は、前記基板の材質と同様のものが好ましく用いられる。
また、前記微小突起の形成方法は、特に限定されないが、基板と共に一体成形する方法が好ましく挙げられる。
【００３７】
本発明では、前記微小突起と対向する基板の対向面とを密着させた状態にして、該微小突起に超音波を照射することにより接合させることにより、微小突起を有する面と、対向する基板の対向面とを接合する。
前記超音波の照射条件としては、前記微小突起が溶融し、それぞれの基板が接合されれば特に限定されない。又、好ましい超音波の照射条件は、例えば、素材がアクリル樹脂の場合には、照射強度は、３５〜２４００Ｗが好ましく、３５〜１０００Ｗがより好ましい。照射時間は、０．２〜２秒が好ましく、０．３〜１秒がより好ましい。周波数は、１５〜６０ｋＨｚが好ましく、４０〜６０ｋＨｚがより好ましい。
【００３８】
また、本発明の作製方法では、接合する際、補助的（微小な流路等を変形させないレベル）に外部から同時に熱を与え、より効率よく接合することもできる。
【００３９】
前述のように、本発明の作製方法では、融接時に大きな圧力をかける必要がないため、基板としても比較的薄いものを使用することができる。したがって、作製されたマイクロリアクターチップも、通常より薄いものを、反りなどの発生がなく、良好に接合されたものとして得ることができる。
【００４０】
本発明では、測定部分によって厚みが違うマイクロリアクターチップにおいて、特に薄い部分の厚みが全体の２０％より多いときの厚みを最低厚みとした場合、作製されたマイクロリアクターチップの最低厚みが０．５〜２ｍｍの範囲であっても反りなどがなく、良好に接合することができ、さらに、０．５〜１．５ｍｍの範囲であっても同様に接合することができる。
【実施例】
【００４１】
以下、実施例により本発明を更に具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に何ら限定されるものではない。
＜実施例１＞
本実施例では、２枚の基板を接合させて得られる本発明のマイクロリアクターチップについて説明する。
（マイクロリアクターチップの作製）
図１は、本実施例で用いた基板の正面図である。基板Ａ、Ｂは、メタクリル酸メチル樹脂板（日東樹脂製クラレックスSの破砕品から成形、Ｔｇ：１０５℃、）であり、図１におけるＬ1、Ｌ3は約７０ｍｍ、Ｌ2、Ｌ4は約３０ｍｍ、厚さは共に約１ｍｍである。
【００４２】
基板Ａは、流路加工のない平坦な板であるが、基板Ｂの表面には、精密金型により、図１に示すような、幅約１００μｍ、深さ約４０μｍ、長さ約６０ｍｍの微小な流路ｋが形成されている。なお、流路ｋの両末端には、各々送液口ａ、ｂ及び回収口ｃ、ｄが設けられている。
【００４３】
更に、基板Ｂの表面には、図２に示すように流路ｋの淵から５μｍの位置に、高さ３μｍ、上底２μｍ、下底５μｍのリブＤが形成されている。図２は、図１の点線部を拡大した断面斜視図である。
次に、基板Ａの接合面と基板Ｂの流路加工面とが接合するように、Ｌ1とＬ3、及びＬ2とＬ4とを合わせ、ここに超音波ウェルダーにより、周波数：６０ｋＨｚ、照射強度：３５Ｗの超音波を０．３秒間与え、それぞれの接合した。接合後、取り出して放置し、図３の拡大断面斜視図、及び図４の側面図に示すような、基板Ａと基板Ｂとが重ね合わされた密着体（マイクロリアクターチップ）Ｃを得た。
【００４４】
得られた密着体（マイクロリアクターチップ）Ｃを確認したところ、基板Ａ及びＢの流路の淵の界面は完全に接合していた。また、気泡などの混入もなく、しかも、流路の変形などないことも確認した。
【００４５】
更に、密着体Ｃについて、図５に示すように、接合したマイクロリアクターチップ１０を固定治具１１で固定し、前記送液口ａ、ｂ及び回収口ｃ、ｄに、各々キャピラリーチューブ２１及びキャピラリーチューブ２２を接続し、該キャピラリーチューブ２１の送液口ａ、ｂとは反対側の末端に接続されたマイクロシリンジ２３内に装填された蒸留水を、図示しないポンプにより送液し、マイクロリアクターチップ１０の微小な流路ｋにおける蒸留水（流体）の流れ等を確認した。
【００４６】
具体的には、図５におけるマイクロリアクターチップ１０の下側から光源３０により光照射し、マイクロリアクターチップ１０の上側から、パソコン３２により制御されたＣＣＤカメラ付の顕微鏡３１により、図５の円内に示す流路ｋの各部分における流体の流れ、漏れを拡大して確認した。
【００４７】
その結果、微小な流路ｋのどの部分においても流体の詰まりや漏れがなく、また、２層の層流が形成され、回収口ｃ、ｄから排出された流体が容器２４に回収されることが確認された。
【００４８】
＜実施例２＞
実施例１で用いた基板Ｂを図６に示す基板Ｂ’に変更した以外実施例１と同様にして密着体Ｃ’を作製した。尚、基板Ｂ’は図６に示すように、リブＤの両側の淵に、溝Ｅ及びＦが設けられている（溝Ｅ及びＦの体積（容積）は同じであり、その合計は、リブＤと同じになる。）。密着体Ｃ’では、溶融した樹脂組成物が溝に入り、より精度の高い接合ができた。気泡などの発生もなく、漏れなども起こらなかった。また、反りなども発生しなかった。更に図５に示す装置を用いて、実施例１と同様に、マイクロリアクターチップ１０の微小な流路ｋにおける蒸留水（流体）の流れ等を確認した。その結果、微小な流路ｋのどの部分においても流体の詰まりや漏れがなく、また、２層の層流が形成され、回収口ｃ、ｄから排出された流体が容器２４に回収されることが確認された。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】（ａ）本発明に用いる基板の内、微小な流路が設けられていない基板の一例を示す正面図である。（ｂ）本発明に用いる基板の内、微小な流路が設けられている基板の一例を示す正面図である。
【図２】本発明に用いる基板の一例における拡大断面斜視図である。
【図３】本発明のマイクロリアクターチップの接合面（密着体）の一例を示す拡大断面斜視図である。
【図４】本発明のマイクロリアクターチップの接合面（密着体）の一例を示す側面図である。
【図５】マイクロリアクターチップの送液状態を確認している状態を示す概略図である。
【図６】本発明に用いる基板の他の例における拡大断面斜視図である。
【符号の説明】
【００５０】
１０  マイクロリアクターチップ
１１  固定治具
２１、２２  キャピラリーチューブ
２３  マイクロシリンジ
２４  容器
３０  光源
３１  ＣＣＤカメラ付顕微鏡
３２  パソコン
Ａ，Ｂ，Ｂ’  基板
Ｃ，Ｃ’  密着体
Ｄ  リブ
Ｅ，Ｆ  溝
ａ、ｂ  送液口
ｃ、ｄ  回収口
ｋ  微小な流路
【図１】
2005224688.tif 000002
【図２】
2005224688.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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