JP2008101969A - 液体搬送方法および液体搬送装置 - Google Patents

Abstract

【課題】弾性表面波によって液体を搬送する方法、弾性表面波によって液体を搬送する装置において、基板の表面に液体が広がることを抑制することを目的とする。
【解決手段】基板の上に固体片を置くステップと、基板の上に液体を滴下するステップと、基板に弾性表面波を励振するステップと、基板の上に滴下された液体と基板の上に置かれた固体片とを接触させ、固体片と基板との間に液体を入り込ませるステップと、を含み、固体片と基板との間に入り込んだ液体を、弾性表面波によって固体片と共に搬送する。
【選択図】図３

Description

本発明は、弾性表面波によって液体を搬送する方法、弾性表面波によって液体を搬送する装置に関する。

基板に励振された弾性表面波によって液体を搬送する液体搬送装置が広く用いられている。基板上の液体は、励振された弾性表面波が伝播する方向に力を受け搬送される。このような液体搬送装置は、液体に含まれる物質の性質を解析する基板上の解析装置に液体を搬入するため等に用いられる。

特表２００４−５３４６３３号公報 特表２００３−５３５３４９号公報

従来の液体搬送装置では、液体が基板上に搬送されるときに基板の表面に液体が広がり、液体と基板との間の摩擦力が大きくなるという問題があった。このため、液体を搬送するための弾性表面波の強度を強くする必要があった。また、基板の表面に液体が広がるため、液体の蒸発が促進されるという問題があった。本発明は、このような課題に対してなされたものである。すなわち、弾性表面波によって液体を搬送する方法、弾性表面波によって液体を搬送する装置において、基板の表面に液体が広がることを抑制することを目的とする。

本発明は、基板の上に固体片を置くステップと、前記基板の上に液体を滴下するステップと、前記基板に弾性表面波を励振するステップと、前記基板の上に滴下された前記液体と前記基板の上に置かれた固体片とを接触させ、前記固体片と前記基板との間に前記液体を入り込ませるステップと、を含み、前記固体片と前記基板との間に入り込んだ前記液体を、前記弾性表面波によって前記固体片と共に搬送することを特徴とする。

また、本発明は、弾性表面波が伝播する基板と、前記基板に弾性表面波を励振する励振源と、前記基板の上に固体片を置くセット部と、前記基板の上に液体を滴下する滴下部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る液体搬送装置においては、前記セット部は、気体が流通する穴を有し、前記固体片を吸引することによって前記固体片を前記穴が設けられている位置に保持し、前記穴から気体を吐き出すことよって当該保持された前記固体片を放つ構成とすることを特徴とする。

また、本発明に係る液体搬送装置においては、前記固体片は、板状の固体部材であり、対向する２つの面の一方の面が他方の面より疎水性が高いものとすることが好適である。

また、本発明に係る液体搬送装置においては、前記固体片は、球状の固体部材とすることが好適である。

また、本発明に係る方法または装置に適用される板状部材として、弾性表面波が伝播する基板の上に滴下された液体と接触する位置に配置され、当該基板との間に当該液体を入り込ませ、入り込んだ当該液体と共に当該弾性表面波によって搬送される板状部材であって、対向する２つの面の一方の面が他方の面より疎水性が高いものを適用することが好適である。

本発明によれば、弾性表面波によって液体を搬送する方法、弾性表面波によって液体を搬送する装置において、基板の表面に液体が広がることを抑制することができる。

図１に本発明の第１の実施形態に係る解析システムの斜視図を示す。解析システムは、基板１０、解析装置１２、案内壁１４ａ，１４ｂ、電極対１６、液体滴下器１８、チップセット器２０、チップＴｐ、およびチップ回収器２２を備えて構成される。図２は、解析システムから、液体滴下器１８、チップセット器２０およびチップ回収器２２を取り除き、基板１０の上側から見た図である。ただし、液体滴下器１８、チップセット器２０およびチップ回収器２２が取り付けられる位置を、それぞれ、点Ｐ１、Ｐ２、およびＰ３で示している。

基板１０は、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム等、圧電現象によって弾性表面波を発生させることが可能な圧電材料によって形成される。

解析装置１２は基板１０上に設けられる。解析装置１２は、開口１２Ｂを備える筐体１２Ａに覆われる。ここでは、筐体１２Ａは直方体形状を有し、その１つの面に長方形の開口１２Ｂを有するものとしている。解析装置１２は、開口１２Ｂから搬入された液体に含まれる物質の量、性質等を解析する。解析装置１２としては、例えば、電磁波に対する共振周波数、電磁波の伝搬特性、光の透過性および反射性、電気抵抗の測定等によって液体に含まれる物質の性質を解析することができるものが適用される。

案内壁１４ａおよび１４ｂは、解析装置１２の開口１２Ｂを挟んで基板１０上に平行に配置される。案内壁１４ａと案内壁１４ｂとの間の距離は開口１２Ｂの幅よりもやや広いものとする。案内壁１４ａおよび１４ｂのそれぞれの一方の端は、筐体１２Ａの開口１２Ｂが設けられている面に接合される。案内壁１４ａおよび１４ｂはエポキシ樹脂等、粘性の液体の状態で成形加工することができる樹脂で形成することが好適である。また、これらの壁の延伸方向に垂直な断面の形状は任意であるが、ここでは長方形であるものとする。

電極対１６は、１本の線状の基幹導体ｒに複数の線状導体ｅをすだれ状に接続したすだれ状電極Ｅ１およびＥ２を備える。すだれ状電極Ｅ１およびＥ２は、すだれ状電極Ｅ１に属する線状導体ｅと、すだれ状電極Ｅ２に属する線状導体ｅとが交互に配列されるよう配置される。互いに隣接する２つの線状導体ｅの間の距離は、励振する弾性表面波の波長のおよそ半分の距離とすることが好適である。

電極対１６は、案内壁１４ａの解析装置１２に接合されていない側の端、および案内壁１４ｂの解析装置１２に接合されていない側の端の近傍に配置される。電極対１６は、案内壁１４ａの案内壁１４ｂを臨む面に接する直線Ａと、案内壁１４ｂの案内壁１４ａを臨む面に接する直線Ｂとの間に配置されることが好適である。電極対１６は、線状導体ｅの延伸方向が、案内壁１４ａの延伸方向および案内壁１４ｂの延伸方向とほぼ垂直となるよう配置される。

電極対１６の形状としては、図１および図２に示したものの他、様々なものを適用することができる。例えば、基幹導体ｒと線状導体ｅとの間のなす角を９０°とは異なる角度とした電極、一方の端から他方の端に至るまでの間で幅が変化する線状導体ｅを備える電極、互いに隣接する線状導体ｅの間隔が均一とならないよう線状導体ｅを配置した電極等を適用することが可能である。すなわち、電極は、励振する弾性表面波の周波数範囲、伝播させる方向等に基づいて任意の形状とすることができる。

電極対１６から弾性表面波を励振する動作について説明する。電極対１６が備えるすだれ状電極Ｅ１およびＥ２との間に所定の周波数の交流電圧を印加すると、圧電効果によって、電極対１６から離れて解析装置１２に向かう方向に弾性表面波ＳＡＷが励振される。弾性表面波ＳＡＷは、案内壁１４ａと案内壁１４ｂとの間に挟まれる領域を伝播し、解析装置１２が設けられている位置を通過して伝播する。

なお、電極対を配置する方向と励振される弾性表面波が伝播する方向との間の関係は、電極の形状、基板の物性等によって異なる。したがって、電極対１６が配置される方向は、それぞれ弾性表面波ＳＡＷが所定の方向に伝播するよう決定される。本実施形態は、そのように決定された電極対１６の配置方向の一例を示している。

液体滴下器１８は、支柱１８Ａ、アーム１８Ｂおよび滴下部１８Ｆを備えて構成される。支柱１８Ａおよびアーム１８Ｂは、金属、プラスチック等の剛性の材料によって棒状に形成される。

支柱１８Ａは、その延伸方向が基板１０の表面と垂直となるよう基板１０に取り付けられる。支柱１８Ａが取り付けられる位置は、案内壁１４ｂの解析装置１２に接合されていない側の端の近傍から案内壁１４ｂの延伸方向にほぼ垂直な方向に所定の距離だけ離れた点Ｐ１の位置とする。

アーム１８Ｂは、点Ｐ１から、案内壁１４ａと案内壁１４ｂとの間の中心線である直線Ｆに引いた垂線の長さとほぼ同一の長さを有する。アーム１８Ｂの一方の端は、支柱１８Ａの基板１０に接合されていない側の端に接合される。アーム１８Ｂの支柱１８Ａに接合されていない側の端には滴下部１８Ｆが取り付けられる。アーム１８Ｂは、搬送開始領域Ｓｔ近傍の上方に滴下部１８Ｆが固定される方向に、その延伸方向が基板１０の表面と平行になるよう支柱１８Ａに接合される。ここで、搬送開始領域Ｓｔは、案内壁１４ａの解析装置１２に接合されていない側の端および案内壁１４ｂの解析装置１２に接合されていない側の端の近傍の案内壁１４ａと案内壁１４ｂとの間に挟まれる領域であり、液体の搬送が開始される領域である。

本実施形態で適用される滴下部１８Ｆは、細長い管の形状に形成され、管の一方の端には液体を滴下するための滴下口１８Ｈが設けられる。滴下部１８Ｆは、滴下口１８Ｈが基板１０側を向き、滴下口１８Ｈが基板１０の表面から所定の距離だけ隔てられるようアーム１８Ｂに取り付けられる。滴下部１８Ｆは、ピペット等によって構成することができる。液体滴下器１８は、滴下部１８Ｆの制御により基板１０上に液体を滴下する。

チップセット器２０は、支柱２０Ａ、アーム２０Ｂおよびセット部２０Ｆを備えて構成される。支柱２０Ａおよびアーム２０Ｂは、金属、プラスチック等の剛性の材料によって棒状に形成される。

支柱２０Ａは、その延伸方向が基板１０の表面と垂直となるよう基板１０に取り付けられる。支柱２０Ａが取り付けられる位置は、搬送開始領域Ｓｔから案内壁１４ｂの延伸方向にほぼ垂直な方向に所定の距離だけ離れた点Ｐ２の位置とする。

アーム２０Ｂは、点Ｐ２から直線Ｆに引いた垂線の長さとほぼ同一の長さを有する。アーム２０Ｂの一方の端は、支柱２０Ａの基板１０に接合されていない側の端に接合される。アーム２０Ｂの支柱２０Ａに接合されていない側の端には、セット部２０Ｆが取り付けられる。アーム２０Ｂは、搬送開始領域Ｓｔの上方にセット部２０Ｆが固定される方向に、その延伸方向が基板１０の表面と平行になるよう支柱２０Ａに接合される。

本実施形態で適用されるセット部２０Ｆは、細長い管の形状に形成され、管の一方の端には、液体を搬送する際に用いる固体物質の小片であるチップＴｐを気体圧によって吸着または離脱する着脱穴２０Ｈが設けられる。セット部２０Ｆは、着脱穴２０Ｈが基板１０側を向き、着脱穴２０Ｈが基板１０の表面から所定の距離だけ隔てられるようアーム２０Ｂに取り付けられる。セット部２０Ｆは、気体の吸引または吐出によってチップＴｐを吸着または離脱する真空吸着器、外部からの制御によって開閉するピンセット等によって構成することができる。

チップセット器２０は、セット部２０Ｆの制御によりチップＴｐを保持しまたはチップＴｐを放つ。セット部２０Ｆとして真空吸着器を適用した場合には、セット部２０Ｆを吸引状態とすることによってチップＴｐを保持し、セット部２０Ｆを吐出状態とすることでチップＴｐを放つ。

チップＴｐは、図２の直線Ｆにおける断面を示す図３（ｃ）および（ｄ）に示されるように、解析装置１２において解析の対象となる物質を含む解析液体Ｌｑを基板１０との間に入り込ませ、解析液体Ｌｑを引き寄せるための固体物質の小片である。なお、チップＴｐと解析液体Ｌｑとの間の相互作用については後述する。チップＴｐは、直径が開口１２Ｂの幅より大きく、案内壁１４ａと案内壁１４ｂとの間に挟まれる領域の幅よりも小さい円板状に形成されることが好適である。チップＴｐは、円板の他、任意の多角形の板状に形成してもよい。チップＴｐは、シリコン、ガラス、プラスチック等の剛性の材料で形成することが好適である。

チップＴｐは、解析液体Ｌｑが接しない側の面を解析液体Ｌｑが接する面より疎水性の性質が強くなるよう加工する。ここで疎水性とは、板状の部材を水平に設置し、その上に液体を滴下したときに、その液体の形状が球形に近くなる性質をいう。その液体が板の表面に広がるような場合は、疎水性の性質が弱く親水性の性質が強いということができる。チップＴｐの表面の疎水性の性質の強弱は、表面に施すプラズマ処理、表面に施す化学薬品による処理等によって調整することができる。解析液体Ｌｑが接しない側の面を解析液体Ｌｑが接する面より疎水性の性質が強くなるよう加工することで、チップＴｐが解析液体Ｌｑ中に没することを回避することができる。

チップ回収器２２は、支柱２２Ａ、アーム２２Ｂおよび回収部２２Ｆを備えて構成される。支柱２２Ａおよびアーム２２Ｂは、金属、プラスチック等の剛性の材料によって棒状に形成される。

支柱２２Ａは、その延伸方向が基板１０の表面と垂直となるよう基板１０に取り付けられる。支柱２２Ａが取り付けられる位置は、回収領域Ｅｄから案内壁１４ｂの延伸方向にほぼ垂直な方向に所定の距離だけ離れた点Ｐ３の位置とする。ここで、回収領域Ｅｄは、解析装置１２の開口１２Ｂの近傍の案内壁１４ａと案内壁１４ｂとの間に挟まれる領域である。

アーム２２Ｂは、点Ｐ３から直線Ｆに引いた垂線とほぼ同一の長さを有する。アーム２２Ｂの一方の端は、支柱２２Ａの基板１０に接合されていない側の端に接合される。アーム２２Ｂの支柱２２Ａに接合されていない側の端には回収部２２Ｆが取り付けられる。アーム２２Ｂは、回収領域Ｅｄの上方に回収部２２Ｆが固定される方向に、その延伸方向が基板１０の表面と平行となるよう支柱２２Ａに接合される。

本実施形態で適用される回収部２２Ｆは、セット部２０Ｆと同一の構成および機能を有する。回収部２２Ｆは、その着脱穴２２Ｈが基板１０側を向き、着脱穴２２Ｈが基板１０の表面から所定の距離だけ隔てられるようアーム２２Ｂに取り付けられる。

チップ回収器２２は、回収部２２Ｆの制御によりチップＴｐを吸引し保持する。回収部２２Ｆとして真空吸着器を適用した場合には、回収部２２Ｆを吸引状態にすることによってチップＴｐを回収し保持する。

解析液体Ｌｑを解析装置１２に搬送する処理について図３（ａ）〜（ｅ）を参照しつつ説明する。図３（ａ）〜（ｅ）は、解析システムを直線Ｆにおける断面を以て示したものである。図１および図２と同一のものについては同一の符号を付し、以下ではその説明を省略する。まず、図３（ａ）に示すように、チップセット器２０をチップＴｐを保持した状態とする。また、電極対１６には所定の交流電圧を印加し、弾性表面波ＳＡＷが励振された状態とする。この状態で、チップセット器２０は、図３（ｂ）に示すように搬送開始領域Ｓｔ上にチップＴｐを放つ。液体滴下器１８は、解析液体Ｌｑを基板１０上に置かれたチップＴｐと電極対１６との間の基板１０上の領域に滴下する。

滴下された解析液体Ｌｑは、弾性表面波ＳＡＷの放射圧によって弾性表面波ＳＡＷが伝播する方向に進む力を受け移動する。チップＴｐが置かれた位置まで移動しチップＴｐに接触した解析液体Ｌｑは、表面張力によって基板１０の表面とチップＴｐとの間に形成された隙間に入り込む。この様子を示したものが図３（ｃ）である。一般に液体は、表面張力によって、固体に囲まれたより狭い領域に入り込む性質、および表面積が小さくなるよう互いに引き寄せ合う性質を有する。そのため、チップＴｐに接触した解析液体Ｌｑは、チップＴｐと基板１０の表面との間に形成された隙間に入り込み、まとまりのある液滴を形成する。

チップＴｐと基板１０の表面との間に解析液体Ｌｑが入り込んだ後は、チップＴｐは解析液体Ｌｑに接していない面が受ける空気圧によって、解析液体Ｌｑへの接触が維持される状態となる。これによって、チップＴｐはあたかも解析液体Ｌｑに引きつけられているような状態となり、解析液体Ｌｑが形成する液滴が基板１０の表面上を移動する場合には、チップＴｐは解析液体Ｌｑが形成する液滴と共に移動する。

なお、ここではチップＴｐを放ち、その後に解析液体Ｌｑを滴下する処理について説明したが、先に解析液体Ｌｑを滴下し、その解析液体Ｌｑの上にチップＴｐを放つ処理を実行してもよい。この場合、電極対１６に交流電圧を印加するタイミングは、解析液体Ｌｑを滴下する前であっても解析液体Ｌｑを滴下した後チップＴｐを放つ前であってもよい。

解析液体Ｌｑは、チップＴｐと基板１０の表面との間に液滴を形成しつつ、弾性表面波ＳＡＷの放射圧によって弾性表面波ＳＡＷが伝播する方向に進む力を受け、チップＴｐと共に移動する。そして、案内壁１４ａおよび１４ｂに導かれつつ回収領域Ｅｄに搬送される。図３（ｄ）は解析液体ＬｑおよびチップＴｐが、弾性表面波ＳＡＷが伝播する方向と同一の方向に移動する様子を示している。

解析液体ＬｑおよびチップＴｐが回収領域Ｅｄまで搬送されると、図３（ｅ）に示すようにチップ回収器２２はチップＴｐを回収する。回収領域Ｅｄに搬送された解析液体Ｌｑは、開口１２Ｂから解析装置１２の内部へと搬送される。解析装置１２は、開口１２Ｂから搬入された解析液体Ｌｑに含まれる物質の量、性質等を解析する。

このような構成によれば、解析液体Ｌｑは、チップＴｐと基板１０の表面との間に入り込み、まとまりをもった液滴として搬送される。これによって解析液体Ｌｑが基板１０の表面上に広がることを回避することができ、解析液体Ｌｑと基板１０との間の摩擦力を低減することができる。そのため、強度の弱い弾性表面波によって解析液体Ｌｑを搬送することができ、ひいては、電極対１６に交流電圧を印加するための装置（図示せず）を小型化することができる。また、解析液体Ｌｑが基板１０の表面上に広がることを回避することができるため、搬送の際に解析液体Ｌｑが蒸発することを回避することができる。

なお、本実施形態においては、チップセット器２０およびチップ回収器２２を個別に設ける構成とした。これらは、チップＴｐを着脱するという共通の機能を有するため、これらを共通化したチップセット回収器を構成することができる。この場合、チップＴｐを着脱する真空吸着器等を懸垂させつつ、案内壁１４ａと案内壁１４ｂとの間に挟まれる領域の上方を当該領域の延伸方向に往復させる懸垂レールを設け、当該懸垂レールに真空吸着器等を懸垂させた構成とすればよい。

また、このようなチップＴｐを着脱する器具を設けることなく、ピンセット等を用いて手作業にてチップＴｐの配置または回収を行ってもよい。同様に、液体滴下器１８に代えて、ピペット等を用いて手作業によって液体を滴下してもよい。

本発明の実施形態に係る解析システムの斜視図を示す図である。 液体滴下器、チップセット器およびチップ回収器を取り除いた解析システムを、基板の上側から見た図である。 液体を搬送する処理を示す図である。

符号の説明

１０ 基板、１２ 解析装置、１２Ａ 筐体、１２Ｂ 開口、１４ａ，１４ｂ 案内壁、１６ 電極対 １８ 液体滴下器、１８Ａ，２０Ａ，２２Ａ 支柱、１８Ｂ，２０Ｂ，２２Ｂ アーム、１８Ｆ 滴下部、１８Ｈ 滴下口、２０Ｆ セット部、２０Ｈ，２２Ｈ 着脱穴、２２Ｆ 回収部、２０ チップセット器、２２ チップ回収器、ｒ 基幹導体、ｅ 線状導体、Ｔｐ チップ、Ｌｑ 解析液体 ＳＡＷ 弾性表面波。

Claims (4)

1. 基板の上に固体片を置くステップと、
   前記基板の上に液体を滴下するステップと、
   前記基板に弾性表面波を励振するステップと、
   前記基板の上に滴下された前記液体と前記基板の上に置かれた固体片とを接触させ、前記固体片と前記基板との間に前記液体を入り込ませるステップと、
   を含み、
   前記固体片と前記基板との間に入り込んだ前記液体を、前記弾性表面波によって前記固体片と共に搬送することを特徴とする液体搬送方法。
2. 弾性表面波が伝播する基板と、
   前記基板に弾性表面波を励振する励振源と、
   前記基板の上に固体片を置くセット部と、
   前記基板の上に液体を滴下する滴下部と、
   を備えることを特徴とする液体搬送装置。
3. 請求項２に記載の液体搬送装置であって、
   前記セット部は、
   気体が流通する穴を有し、
   前記固体片を吸引することによって前記固体片を前記穴が設けられている位置に保持し、前記穴から気体を吐き出すことよって当該保持された前記固体片を放つことを特徴とする液体搬送装置。
4. 請求項２または請求項３に記載の液体搬送装置であって、
   前記固体片は、
   板状の固体部材であり、
   対向する２つの面の一方の面が他方の面より疎水性が高いことを特徴とする液体搬送装置。

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