(57)【要約】【課題】流路が詰まることなく、効率よく繰り返し利用が可能な流路構造体およびその製造方法を提供する。【解決手段】この流路構造体１は、流路用溝２０を有する流路基板２と、流路基板２の上面（第１の接合面）２ａおよび流路用溝２０の側面２０ａ，２０ｂおよび底面２０ｃに成膜された光触媒膜（第１の光触媒膜）４Ａと、流路基板２上に接合された蓋基板３と、蓋基板３の下面（第１の接合面）３ａに成膜された光触媒膜（第２の光触媒膜）４Ｂとを備え、流路基板２の上面２ａおよび蓋基板３の下面３ａを常温接合により接合して形成したものである。【選択図】図１
2009113007.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
清浄化された第１の接合面と前記第１の接合面に形成された流路用溝と前記流路用溝の壁面に成膜されたアナターゼ構造の二酸化チタンからなる光触媒膜とを有する第１の板部材と、
清浄化された第２の接合面を有し、前記二酸化チタンの前記アナターゼ構造が保たれる温度条件下で前記第２の接合面を前記第１の板部材の前記第１の接合面に直接接触させることにより接合された第２の板部材とを備えた流路構造体。
【請求項２】
清浄化された第１の接合面と前記第１の接合面に形成された流路用溝と前記流路用溝の壁面に成膜されたアナターゼ構造の二酸化チタンからなる第１の光触媒膜とを有する第１の板部材と、
清浄化された第２の接合面と少なくとも前記流路用溝に対向する表面部分に成膜されたアナターゼ構造の二酸化チタンからなる第２の光触媒膜とを有し、前記二酸化チタンの前記アナターゼ構造が保たれる温度条件下で前記第２の接合面を前記第１の板部材の前記第１の接合面に直接接触させることにより接合された第２の板部材とを備えた流路構造体。
【請求項３】
前記二酸化チタンは、不純物を含んだ可視光応答性の二酸化チタンであることを特徴とする請求項１又は２に記載の流路構造体。
【請求項４】
さらに、前記光触媒膜に隣接して設けられた電極を備えた請求項１から３のいずれか１項に記載の流路構造体。
【請求項５】
さらに、前記電極と前記流路用溝中を流れる流体を介して閉回路を構成する他の電極を備えた請求項４に記載の流路構造体。
【請求項６】
前記電極は、透明電極である請求項４に記載の流路構造体。
【請求項７】
互いに接合される第１および第２の接合面をそれぞれ有する第１および第２の板部材を準備し、
前記第１の板部材の前記第１の接合面に流路用溝を形成し、
前記第１の板部材の前記流路用溝の壁面にアナターゼ構造の二酸化チタンからなる光触媒膜を成膜し、
前記第１および第２の板部材の前記第１および第２の接合面を清浄化し、
前記二酸化チタンの前記アナターゼ構造が保たれる温度条件下で、清浄化された前記第１および第２の接合面を直接接触させることにより前記第１および第２の板部材を接合させる流路構造体の製造方法。
【請求項８】
互いに接合される第１および第２の接合面をそれぞれ有する第１および第２の板部材を準備し、
前記第１の板部材の前記第１の接合面に流路用溝を形成し、
前記第１の板部材の前記流路用溝の壁面にアナターゼ構造の二酸化チタンからなる第１の光触媒膜を成膜し、
前記第２の板部材の前記第２の接合面の少なくとも前記流路用溝に対応する表面部分にアナターゼ構造の二酸化チタンからなる第２の光触媒膜を成膜し、
前記第１および第２の板部材の前記第１および第２の接合面を清浄化し、
前記二酸化チタンの前記アナターゼ構造が保たれる温度条件下で、清浄化された前記第１および第２の接合面を直接接触させることにより前記第１および第２の板部材を接合させる流路構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路構造体およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
流路直径０．５ｍｍ以下の微小流路（マイクロチャンネルともいう。）内は、層流となるため、混合、合成、分離等の反応を効率的に行えるというメリットがあることから、近年、微小流路を用いて液体を混合させるマイクロミキサー、２種類の液体を合成させるマイクロリアクタ等の微小流路構造体が注目されている。
【０００３】
しかし、長期の使用においては、供給した流体の成分やその反応生成物が流路壁面に付着堆積して新たな反応の阻害要因となり、また既に付着堆積していたものが剥離や再溶解して不純物となる等の悪影響を及ぼす場合も発生する。また、側壁に意図しない材料、副生成物や残留物の付着が流路を詰まらせる場合もある。
【０００４】
これらの問題点を光触媒の強い酸化作用に基づいて、防汚作用、防曇作用、抗菌作用、減菌作用、浄化作用等を発揮させ、流路壁面に易洗浄性を付与したマイクロチャンネルチップが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このマイクロチャンネルチップは、シリコンウェハからなる基板の主面に流路用溝を形成し、基板の主面側に光触媒活性を有する二酸化チタンからなる光触媒膜を成膜し、研磨によって流路用溝以外の光触媒膜を除去し、シリコンウェハの流路用溝側の面に硼酸ガラス板を静電接合（温度４８０℃）によって接合したものである。
【０００６】
一方、二酸化チタンは、アナターゼ構造が光触媒性能が高く、加熱温度が４００℃以上になると、光触媒性能の低いルチル構造に転移することが知られている（例えば、非特許文献１参照。）。
【特許文献１】特開２００４−２０２３３６
【非特許文献１】平成14年度三重県科学技術振興センター工業研究部研究報告No.27（2003）10：”真空蒸着法による光触媒薄膜の製造に関する研究”
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の目的は、流路が詰まることなく、効率よく繰り返し利用が可能な流路構造体およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下の流路構造体およびその製造方法を提供する。
【０００９】
［１］清浄化された第１の接合面と前記第１の接合面に形成された流路用溝と前記流路用溝の壁面に成膜されたアナターゼ構造の二酸化チタンからなる光触媒膜とを有する第１の板部材と、清浄化された第２の接合面を有し、前記二酸化チタンの前記アナターゼ構造が保たれる温度条件下で前記第２の接合面を前記第１の板部材の前記第１の接合面に直接接触させることにより接合された第２の板部材とを備えた流路構造体。
【００１０】
［２］清浄化された第１の接合面と前記第１の接合面に形成された流路用溝と前記流路用溝の壁面に成膜されたアナターゼ構造の二酸化チタンからなる第１の光触媒膜とを有する第１の板部材と、清浄化された第２の接合面と少なくとも前記流路用溝に対向する表面部分に成膜されたアナターゼ構造の二酸化チタンからなる第２の光触媒膜とを有し、前記二酸化チタンの前記アナターゼ構造が保たれる温度条件下で前記第２の接合面を前記第１の板部材の前記第１の接合面に直接接触させることにより接合された第２の板部材とを備えた流路構造体。
【００１１】
［３］前記二酸化チタンは、不純物を含んだ可視光応答性の二酸化チタンであることを特徴とする前記［１］又は［２］に記載の流路構造体。
【００１２】
［４］さらに、前記光触媒膜に隣接して設けられた電極を備えた前記［１］から［２］のいずれか１つに記載の流路構造体。
【００１３】
［５］さらに、前記電極と前記流路用溝中を流れる流体を介して閉回路を構成する他の電極を備えた前記［４］に記載の流路構造体。
【００１４】
［６］前記電極は、透明電極である前記［４］に記載の流路構造体。
【００１５】
［７］互いに接合される第１および第２の接合面をそれぞれ有する第１および第２の板部材を準備し、前記第１の板部材の前記第１の接合面に流路用溝を形成し、前記第１の板部材の前記流路用溝の壁面にアナターゼ構造の二酸化チタンからなる光触媒膜を成膜し、前記第１および第２の板部材の前記第１および第２の接合面を清浄化し、前記二酸化チタンの前記アナターゼ構造が保たれる温度条件下で、清浄化された前記第１および第２の接合面を直接接触させることにより前記第１および第２の板部材を接合させる流路構造体の製造方法。
【００１６】
［８］互いに接合される第１および第２の接合面をそれぞれ有する第１および第２の板部材を準備し、前記第１の板部材の前記第１の接合面に流路用溝を形成し、前記第１の板部材の前記流路用溝の壁面にアナターゼ構造の二酸化チタンからなる第１の光触媒膜を成膜し、前記第２の板部材の前記第２の接合面の少なくとも前記流路用溝に対応する表面部分にアナターゼ構造の二酸化チタンからなる第２の光触媒膜を成膜し、前記第１および第２の板部材の前記第１および第２の接合面を清浄化し、前記二酸化チタンの前記アナターゼ構造が保たれる温度条件下で、清浄化された前記第１および第２の接合面を直接接触させることにより前記第１および第２の板部材を接合させる流路構造体の製造方法。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１に係る流路構造体によれば、流路が詰まることなく、効率よく繰り返し利用が可能となる。
【００１８】
請求項２に係る流路構造体によれば、請求項２の構成と比較して光触媒膜の面積を大きくすることができる。
【００１９】
請求項３に係る流路構造体によれば、純粋な二酸化チタンに比べて光応答の適用範囲が長波長側に変位するため、紫外線という特殊な波長を用いずに、流路が詰まることなく、効率よく繰り返し利用が可能な流路構造体を提供することができる。
【００２０】
請求項４に係る流路構造体によれば、紫外線照射によって光触媒膜に帯電した電子を電極から外部に逃がして除去することができる。
【００２１】
請求項５に係る流路構造体によれば、紫外線照射によって光触媒膜に帯電した電子を電極から他の電極を介して外部に逃がして除去することができる。
【００２２】
請求項６に係る流路構造体によれば、電極を設けた側から紫外線を照射する場合に、紫外線の光量減衰を抑制することができる。
【００２３】
請求項７に係る流路構造体の製造方法によれば、流路が詰まることなく、効率よく繰り返し利用が可能となる。
【００２４】
請求項８に係る流路構造体の製造方法によれば、請求項６の構成と比較して光触媒膜の面積を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る流路構造体の斜視図、図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。
【００２６】
この流路構造体１は、流路用溝２０を有する流路基板２と、流路基板２の上面（第１の接合面）２ａおよび流路用溝２０の側面２０ａ，２０ｂおよび底面２０ｃに成膜された光触媒膜（第１の光触媒膜）４Ａと、流路基板２上に接合された蓋基板３と、蓋基板３の下面（第１の接合面）３ａに成膜された光触媒膜（第２の光触媒膜）４Ｂとを備える。流路用溝２０の上部開放側が蓋基板３によって閉塞されることにより流路２１が形成される。
【００２７】
流路基板２および蓋基板３の材料として、Ａｌ，Ｎｉ、Ｃｕ等の金属や、セラミックス、シリコン、誘電体、ガラス等の非金属等を用いることができる。流路基板２および蓋基板３は、同じ材料からなる基板の他に、異なる材料からなる基板を用いてもよい。本実施の形態では、流路基板２および蓋基板３は、ともにガラス基板を用いる。
【００２８】
光触媒膜４Ａ，４Ｂは、アナターゼ構造の二酸化チタン（ＴｉＯ２）からなる。なお、二酸化チタンは、不純物を含んだ可視光応答性の二酸化チタンでもよい。不純物を含んだ可視光応答性の二酸化チタンとは、ＴｉＯ２の酸素部分に窒素をドープしたものであり、この二酸化チタンを用いることにより、純粋な二酸化チタンに比べて光応答の適用範囲が長波長側に変位するため、紫外線という特殊な波長を用いずに、流路が詰まることなく、効率よく繰り返し利用が可能となる。
【００２９】
流路２１の幅及び高さのサイズは、５００μｍ以下のマイクロチャンネルである。
【００３０】
（製造方法）
図３（ａ）〜（ｆ）は、第１の実施の形態に係る流路構造体の製造方法の一例を示す。
【００３１】
まず、図３（ａ）に示すように、流路基板２となるガラス基板２００の表面に、図３（ｂ）に示すように、半導体製造方法に用いるフォトリソグラフィー法を用いて流路パターンを形成してエッチングを行い、幅２００μｍ、深さ２００μｍの流路用溝２０を形成し、流路基板２を作製する。エッチングには、化学薬品を用いて被加工物を溶かし込むウエットエッチングや、イオンを利用して被加工物を気化して取り除くドライエッチング等を用いることができる。本実施の形態では、フッ化水素酸でエッチングを行うウエットエッチングを用いる。
【００３２】
次に、図３（ｃ）に示すように、流路用溝２０の側面２０ａ，２０ｂ、底面２０ｃ、および流路基板２の上面２ａに、スパッタ法によりアナターゼ構造の二酸化チタン（ＴｉＯ２）からなる光触媒膜４Ａを１μｍ成膜する。
【００３３】
一方、図３（ｄ）に示すガラス基板からなる蓋基板３の下面３ａに、図３（ｅ）に示すように、スパッタ法によりアナターゼ構造の二酸化チタン（ＴｉＯ２）からなる光触媒膜４Ｂを成膜する。
【００３４】
光触媒膜４Ａ，４ＢのＴｉＯ２は、１μｍの厚さで成膜した。これらのＴｉＯ２がともに光触媒活性が高いアナタース構造であることをＸ線回折の測定で確認した。
【００３５】
流路基板２および蓋基板３を光触媒膜４Ａ，４Ｂで対向させて常温接合により接合する。すなわち、光触媒膜４Ａ，４Ｂが成膜された流路基板２および蓋基板３を真空槽内に配置し、真空槽内を排気して高真空状態または超真空状態にする。本実施の形態では、真空度１×１０−４Ｐａの高真空状態とする。次に、流路基板２および蓋基板３の接合する面に１．２ｋＶ／１０ｍＡのＡｒ原子ビームの照射して表面を清浄化し、荷重を加えて接合する。この常温接合で、触媒活性能が低いルチル構造にならず触媒活性能の高いアナターゼ構造の二酸化チタンを成膜した流路２１が形成できる。
【００３６】
ここで「常温接合」とは、清浄化した接合面同士を常温（例えば、１５〜２５℃）雰囲気中で接触させ、原子同士を直接結合させる接合方法をいい、表面活性化接合ともいう。接合の際は、無荷重でもよい。なお、常温接合の他に、清浄化された接合面同士を二酸化チタンのアナターゼ構造が保たれる程度の温度（例えば、１００℃以下）で加熱して接合してもよい。
【００３７】
この流路構造体１の洗浄効果を確認するために、１０ｐｐｍのメチレンブルー水溶液を流路２１に通して流路２１を着色した後、流路２１に水を通しながら流路構造体１全体に紫外線（波長３８０ｎｍ以下）を照射したところ、着色された流路２１は、約３分程度で脱色された。
【００３８】
二酸化チタンは、ｎ型半導体であるため、そのバンドギャップに相当する波長３８０ｎｍ以下の波長の紫外線が照射されると、正孔が生成されて表面に移動する。正孔は強い酸化力を持つので表面に吸着されている有機物が酸化分解される。このような光触媒作用は、アナターゼ構造がルチル構造よりも強く発揮される。
【００３９】
本実施の形態の流路構造体１は、基板を接合した後も二酸化チタンのアナターゼ構造が保たれるため、アナターゼ構造の二酸化チタンにより迅速に酸化反応が開始し、短時間で流路洗浄が可能となり、使用効率を上げることができる。
【００４０】
［第２の実施の形態］
図４は、本発明の第２の実施の形態に係る流路構造体の斜視図、図５は、図４のＢ−Ｂ断面図である。
【００４１】
本実施の形態は、第１の実施の形態において、蓋基板３の光触媒膜４Ｂとの間に電極５を配置したものであり、他は第１の実施の形態と同様に構成されている。すなわち、本実施の形態の流路構造体１は、流路用溝２０を有する流路基板２と、流路基板２の上面２ａおよび流路用溝２０の側面２０ａ，２０ｂおよび底面２０ｃに成膜された光触媒膜４Ａと、流路基板２上に接合された蓋基板３と、蓋基板３の下面３ａに成膜された光触媒膜４Ｂと、蓋基板３と光触媒膜４Ｂとの間に配置された電極５とを備える。流路用溝２０の上部開放側が蓋基板３によって閉塞されることにより流路２１が形成される。
【００４２】
電極５の材料は、蓋基板３側から光触媒膜４Ａ，４Ｂに紫外線を照射する際に、紫外線の光量の減衰を抑制するため、紫外線に対して透明な電極材料、例えば、ＩＴＯ（酸化インジウムスズ）等を用いる。
【００４３】
（製造方法）
図６（ａ）〜（ｇ）は、第２の実施の形態に係る流路構造体の製造方法の一例を示す。
【００４４】
まず、図６（ａ）に示すように、流路基板２となるガラス基板２００の表面に、図６（ｂ）に示すように、半導体製造方法に用いるフォトリソグラフィー法を用いて流路パターンを形成してフッ化水素酸でエッチングを行い、幅２００μｍ、深さ２００μｍの流路用溝２０を形成し、流路基板２を作製する。
【００４５】
次に、図６（ｃ）に示すように、流路用溝２０の側面２０ａ，２０ｂ、底面２０ｃ、および流路基板２の上面２ａに、スパッタ法によりアナターゼ構造の二酸化チタン（ＴｉＯ２）からなる光触媒膜４Ａを１μｍ成膜する。
【００４６】
一方、図６（ｄ）に示すガラス基板からなる蓋基板３の下面３ａに、図６（ｅ）に示すように、スパッタによりアナターゼ構造の二酸化チタン（ＴｉＯ２）からなる光触媒膜４Ｂを成膜する。
【００４７】
光触媒膜４Ａ，４ＢのＴｉＯ２は、１μｍの厚さで成膜した。これらのＴｉＯ２がともに光触媒活性が高いアナタース構造であることをＸ線回折の測定で確認した。
【００４８】
次に、図６（ｆ）に示すように、光触媒膜４Ｂ上にＩＴＯからなる電極５を形成する。電極５の膜厚は、０．１μｍとする。
【００４９】
流路基板２および蓋基板３を光触媒膜４Ａと、電極５で対向させて第１の実施の形態と同様の条件で常温接合により接合する。この常温接合で、触媒活性能が低いルチル構造にならず触媒活性能の高いアナターゼ構造の二酸化チタンを成膜した流路２１が形成できる。
【００５０】
図７（ａ）〜（ｃ）は、流路構造体の利用態様を示す図である。図７（ａ）に示すように、流路構造体１内の流路２１に続く供給側流路１０に供給側電極６を配置し、供給側電極６と流路構造体１側の電極５との間をスイッチ７を介して接続して供給側流路１０及び流路２１を流れる水を介して閉回路を構成する。
【００５１】
図７（ｂ）に示すように、供給側流路１０および流路２１に流体Ｌを流して一般的な化学反応を行った後、供給側流路１０および流路２１に水を注入するとともに、紫外線８を蓋基板３側から光触媒膜４Ａ、４Ｂに照射することにより、光触媒膜４Ａ，４Ｂの光触媒作用によって流路２１の壁の付着物を分解、除去することができる。なお、紫外線８の照射は、水注入の前又は後でもよい。また、紫外線を流路基板２側から光触媒膜４Ａ，４Ｂに照射してもよい。
【００５２】
紫外線照射によって流路２１の壁の付着物を分解、除去した後、図７（ｃ）に示すように、電源９からスイッチ７を介して交流バイアス（例えばプラスマイナス２Ｖ）を印加することにより、光触媒膜４Ａ，４Ｂに光照射して帯電した電子を除去することができる。なお、電源９は、交流でも直流でもよい。直流の場合は直流電源の出力をオンオフする。
【００５３】
この流路構造体１の洗浄効果を確認するために、第１の実施の形態と同様にメチレンブルーを流路構造体１の流路２１に通して流路２１を着色した後、流路２１に水を通しながら、スイッチ７をオンにし、紫外線８を照射した。着色された流路２１は、約２分程度で脱色された。洗浄後すぐに光触媒活性が終了したことを確認するため、メチレンブルーを再び通水したら流路２１が着色した。このように流路構造体１は、紫外線照射と電極５，６間の接続により光触媒の迅速な酸化反応の開始と終了が可能となるため、使用効率を上げることができる。
【００５４】
［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、その発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々と変形実施が可能である。
【００５５】
例えば、上記各実施の形態では、流路基板に流路用溝を形成したが、流路基板を複数の基板から構成し、貫通穴を形成した基板と何も加工していない基板、又は溝を形成した基板とを接合したものを用いてもよい。
【００５６】
また、上記各実施の形態では、流路基板の流路用溝側の面全体に光触媒膜を成膜したが、流路用溝の側面と底面のみに光触媒膜を成膜してもよい。また、上記各実施の形態では、蓋基板の下面全体に光触媒膜を成膜したが、流路用溝に対応する表面部分のみに光触媒膜を成膜してもよい。
【００５７】
また、第２の実施の形態では、電極を蓋基板側に設けたが、流路基板側に設けてもよい。この場合は、基板に形成した溝の側面および底面と基板の上面、又は溝の側面と底面に電極を形成した後、溝の側面および底面と基板の上面に光触媒膜を形成する。また、この構成において、蓋基板側から紫外線を照射する場合は、電極は透明でなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】図１は、本発明の第１の実施の形態に係る流路構造体の斜視図である。
【図２】図２は、図１のＡ−Ａ断面図である。
【図３】図３（ａ）〜（ｆ）は、第１の実施の形態に係る流路構造体の製造方法の一例を示す図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施の形態に係る流路構造体の斜視図である。
【図５】図５は、図４のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】図６（ａ）〜（ｇ）は、第２の実施の形態に係る流路構造体の製造方法の一例を示す図である。
【図７】図７（ａ）〜（ｃ）は、流路構造体の利用態様を示す図である。
【符号の説明】
【００５９】
１  流路構造体
２  流路基板
２ａ  上面
３  蓋基板
３ａ  下面
４Ａ，４Ｂ  光触媒膜
５  電極
６  供給側電極
７  スイッチ
８  紫外線
９  電源
１０  供給側流路
２０  流路用溝
２０ａ，２０ｂ  側面
２０ｃ  底面
２１  流路
２００  ガラス基板
【図１】
2009113007.tif 000003
【図２】
2009113007.tif 000004
【図３】
2009113007.tif 000005
【図４】
2009113007.tif 000006
【図５】
2009113007.tif 000007
【図６】
2009113007.tif 000008
【図７】
2009113007.tif 000009