专利名称：分离微小固体成分的器件及其制造方法
技术领域：
本发明涉及一种从例如血液或乳液等液体成分与微小固体成分混合后的溶液中分离微小固体成分的器件及其制造方法、和使用该器件的微小固体成分的分离方法。
背景技术：
作为多个固体成分混合后的流体或粉流体，例如河川水、海水、血液等。其中，液体成分与固定成分混合，砂、细菌、血球细胞等固体成分不会通过沉淀或分散而溶融在液体成分中，作为固体存在。
说明分离这些多个成分的方法、例如从血液中分离血球的装置。通常，在作为液体成分的血浆、作为固体成分的血球细胞和其它成分构成的全血状态下采集血液。但是，多数情况下，血液检查必需的成分仅为血球细胞部分，或仅为血浆部分。
例如，为了检查血液中的血糖值，必需测定溶融在血浆成分中的血糖。为了检测DNA，需从血球中的白血球细胞中取出DNA。因此，在现有的一般方法中，为了将采集到的全血分离成血浆、血球成分，在将全血放入试管中后，由离心器施加规定的离心力。从而，试管内的全血受到对应于各成分的离心力，这些成分由于质量不同而被分离。
之后，通过抽取上层澄清液体，取出血浆成分，从沉淀物中取出血球成分。之后，分离出的各成分在检查工序中进行规定的测定。
在使用离心器的现有方法中存在以下问题。即，试管中必需有一定程度的量、例如数毫升至数十毫升全血的样品。从而，该方法在样品量少的情况下难以分离液体成分和固体成分。
使用过滤器从微量的样品中分离固体成分的方法于[A novel fabricationof In-channel 3-Dmicromesh structure using maskless multi-angle exposureand its microfilter application](Hironobu Sato，MEMS2003，Kyoto，pp.223-226 IEEE发行)和[Integrated vertical screen microfilter systemusing inclined SU-8 structure.](Yong-Kyu Yoon，MEMS2003，Kyoto，pp.227-230 IEEE发行)中公开了。通过多孔质性的过滤器，过滤规定大小以上的血球，分离血浆成分与血球后分别取出。在该方法中，过滤器的孔的尺寸与数量对分离特性造成影响。因此，必需对应于想分离的成分来最佳设计过滤器。例如，使感光性抗蚀剂立体感光，可高精度形成网孔状的过滤器，可高精度形成过滤器的孔的尺寸与数量。
在基于过滤器的现有方法中，通过的固体成分的粒子的大小因多个成分混合后的流体或粉流体通过过滤器中时的压力不同而不同。尤其是多个大小的固体成分粒子在该方法下难以分离。为了取出规定粒子，确定过滤器的孔的大�。允菇霰绕湫〉牧Ｗ油ü�。因为该规定粒子在过滤器中被捕集，所以过滤器的孔堵塞，有时妨碍小的粒子通过。
发明内容
分离微小固体成分的器件具备具有第1面和其反向侧的第2面的基板；和设置在该基板的第1面上的隔膜。基板形成有形成于第2面中、具有底的槽；开口于第1面的空洞；和连结槽的底部与空洞的第1通孔。隔膜在对应于空洞的位置上形成直径比第1通孔小的第2通孔。
通过该器件和使用该器件的方法，可不堵塞地仅使小的固体成分从大小不同的多个固体成分混合后的流体中通过。
图1是本发明实施方式1的分离微小固体成分的器件的立体图。
图2是实施方式1的器件的切割立体图。
图3是说明实施方式1的器件动作的截面图。
图4是说明实施方式1的器件动作的截面图。
图5是说明实施方式1的器件动作的截面图。
图6是说明实施方式1的器件动作的截面图。
图7是说明实施方式1的器件动作的截面图。
图8是说明实施方式1的器件动作的截面图。
图9是说明实施方式1的器件动作的截面图。
图10是说明实施方式1的器件制造方法的截面图。
图11是说明实施方式1的器件制造方法的截面图。
图12是说明实施方式1的器件制造方法的截面图。
图13是说明实施方式1的器件制造方法的截面图。
图14是说明实施方式1的器件制造方法的截面图。
图15是说明实施方式1的器件制造方法的截面图。
图16是本发明实施方式2的分离微小固体成分的器件的切割立体图。
图17是说明实施方式2的器件制造方法的截面图。
图18是说明实施方式2的器件制造方法的截面图。
图19是说明实施方式2的器件制造方法的截面图。
图20是说明实施方式2的器件制造方法的截面图。
图21是说明实施方式2的器件制造方法的截面图。
图22是说明实施方式2的器件制造方法的截面图。
图23是说明实施方式2的器件制造方法的截面图。
图24是本发明实施方式3的分离微小固体成分的器件的切割立体图。
具体实施例方式
(实施方式1)图1是本发明实施方式1的分离微小固体成分的器件的立体图，图2是该器件的局部切割立体图。在由硅构成的基板1中挖出一部分，设置槽2。在槽2的底部形成通孔3和连接于通孔3并开口于基板1的下面1A的空洞4。在空洞4的下方、基板1的下面1A上设置隔膜5。隔膜5由设置在基板1的下面1A上的由铂构成的导电体层6、导电体层6上的由钛酸锆酸铅构成的压电体层7、和压电体层7上的由金构成的导电体层8构成。在对应于空洞4的中央附近的隔膜5的部分中设置通孔9，基板1的槽2内的空间通过通孔3、空洞4、通孔9通到基板1的下方以外。即，通孔3使空洞4和槽2的底部连通。
用图3-图9来说明使用实施方式1的分离微小固体成分的器件，从混合了不同固体成分的流体中分离的方法。图3至图9是说明该器件动作的截面图。
首先，如图3所示，将混合了流体成分13(例如水)、和多个不同的固体成分、例如直径为5微米的固体成分10和直径为6微米的固体成分11等两种微小固体成分(例如苯乙烯空心颗粒)的流体100注入器件的槽2内，由流体充满通孔3与空洞4。
通孔3的直径设定得比固体成分10、11的直径大。通孔9的直径设定得比固体成分10的直径大，比固体成分11的直径小。
之后，通过重力、减压、加压等，将槽2内的压力设定得比通孔9内的压力高。从而，如图4所示将液体成分13和固体成分10、11导入空洞4中。之后，直径为5微米的固体成分10通过通孔9，另一方面，如图5所示，直径为6微米的固体成分11不通过通孔9而堵住通孔9。
在固体成分11堵住通孔9时，固体成分10也不能通过通孔9。向导电体层6、8之间施加电压，压电体层7振动，即如图6所示，向隔膜5施加振动5A。此时，固体成分11离开通孔9，进而固体成分10可通过。
下面说明从流体100中分离固体成分11的其它方法。
如图7所示，槽2内存在将直径为5微米的固体成分10与直径为4微米的固体成分12混合在液体成分2中的流体101。通孔3的直径设定得比固体成分10、12的直径大。通孔9的直径设定得比固体成分10、11的直径大。若向导电体层6、8之间施加电压、使隔膜5振动，则振动5B也传递到液体2和固体成分10、12，但振动5B的传递程度主要因固体成分的大小而不同。固体成分10、12具有对应于各自大小的谐振频率。施加了自身谐振频率的振动的固体成分振动大，妨碍通孔9的通过。
直径为5微米的大的固体成分10通常与直径为4微米的微小固体成分12一起通过通孔9。但是，如图8所示，若由隔膜5施加固体成分10的谐振频率的振动5B，则固体成分10振动大，不通过通孔9。这样仅使大的固体成分12通过，可分离微小固体成分。即，通过谐振仅使规定的固体成分振动大，选择地仅使该固体成分不通过通孔9。
也可从隔膜5的下方部照射声波来产生振动5A、5B。即，由声波振动的空气使隔膜5振动。
隔膜5是由导电体层6、压电体层7、导电体层8构成的层叠体。若向导电体层6与导电体层8之间施加电压，则压电体层7产生变形。压电体层7的变形主要是导电体层6与导电体层8向与作为相向方向的电场方向成直角的方向伸缩的变形、即向与隔膜5的面平行的方向伸缩的变形。将在该方向上产生的变形量对该施加电压大小的比称为压电常数d31。压电体层7在该方向产生变形，另一方面，压电体层7牢固地固定在导电体层6与导电体层8上。因此，隔膜5如图9所示弯曲。可通过施加于隔膜5上的电压的大小与频率来任意设定振动5A、5B的振幅与频率。
若隔膜5弯曲，则设置在隔膜5中的通孔9的直径对应于隔膜5的厚度5C与振动的振幅变化，可变更通过通孔9的粒子的大小。即，得到通用性高的分离微小固体成分的器件，可通过施加于导电体层6、8之间的电压的大小来改变通孔9的直径，从而可改变通过的粒子的大小。
也可从隔膜5的下方部照射声波来产生振动5A、5B。即，由声波振动的空气使隔膜5振动。
说明制造基于实施方式1的分离微小固体成分的器件的方法。图10-图15是说明制造基于实施方式1的器件步骤的截面图。
首先，如图10所示，通过溅射法在由硅构成的基板1的下面1A中形成由铂构成的导电体层6。通过溅射在导电体层6上形成由钛酸锆酸铅构成的压电体层7。通过溅射法或真空蒸镀法在压电体层7上形成由金构成的导电体层8，并形成隔膜5。也可使用金、铂、铬、钛、铝之一或它们的复合或层叠材料代替金来作为导电体层8。
接着，如图11所示，在隔膜5上形成具有蚀刻孔14A的抗蚀剂掩模14。
之后，如图12所示，通过蚀刻隔膜5直到到达基板1的下面1A，形成通孔9。为了防止通孔9的侧壁蚀刻，期望该蚀刻方法为干蚀刻。
接着，如图13所示，使用作为促进硅的蚀刻的气体的XeF2气体来在基板1中形成空洞4。若用XeF2气体蚀刻由硅构成的基板1，则基板1被各向同性地蚀刻，如图所示，得到半球形的空洞4。作为促进蚀刻的气体，由等离子体分解SF6气体的气体同样地通过各向同性蚀刻来形成空洞4。
接着，如图14所示，使用作为促进硅的蚀刻的气体的SF6与作为抑制蚀刻的气体的C4F8，从面1A开始蚀刻基板1。通过抑制蚀刻的气体在基板1的被蚀刻壁面上形成保护膜，所以通过促进蚀刻的气体，从孔14A仅沿与抗蚀剂掩模14成直角的方向蚀刻基板1。由此，在基板1中形成空洞4与通孔3。
这里，如图14所示，通过将距离空洞4的底部一定距离的抗蚀剂掩模14与通孔9作为掩模的蚀刻来形成通孔3，所以通孔3的直径比通孔9的直径大些。这种直径的关系适于使期望大小的固体成分通过通孔9。即，通孔3可防止大的固体成分流入空洞4，可防止通孔9堵塞。
为了形成通孔9、3与空洞4，共同使用抗蚀剂掩模14。从而可以极简单的光刻法来形成通孔9、3与空洞4。
之后，如图15所示，在基板1的上面1B上形成抗蚀剂掩模15，通过蚀刻形成槽2。最后去除抗蚀剂掩模14、15，并清洗基板1与隔膜5，得到图1-图9所示的基于实施方式1的分离微小固体成分的器件。
如通常的半导体加工一样，在一个硅晶片上统一形成多个硅基板1与分别对应于多个基板1的多个隔膜5，最后通过切割将晶片分割成各基板1和与之对应的隔膜5，从而可高效地一次制造多个器件。
通过由硅形成基板1，可具有良好结晶结构地形成构成导电体层6、8的铂和构成压电体层7的钛酸锆酸铅。
因为从硅晶片切出形成在基板1中形成的槽2、通孔3、9、空洞4，所以可高密度配置它们，得到极小的器件。因此，与基于离心器的现有方法不同，不必为了分离微小固体成分而采用大量的样品。
(实施方式2)图16是本发明实施方式2的分离微小固体成分的器件的切割立体图。
基于实施方式2的器件代替基于实施方式1的图1-图9中示出的器件的基板1，具备具有硅层16A、16B和其间的氧化膜层17的基板16。在基板16的硅层16B中，于下面16C中形成空洞20，设置连接于空洞20的通孔19。在基板16的下面16C上设置隔膜21。在对应于隔膜21的空洞20的中心附近的位置上形成通孔25。另外，在基板16的上面16D中形成通过硅层16A与氧化膜层17后到达硅层16B的槽18。
基于实施方式2的分离微小固体成分的器件的基本结构和动作与图1-图9中示出的基于实施方式1的器件相同，制造方法不同。
下面说明基于实施方式2的器件的制造方法。图17-图23是说明制造实施方式2的器件的步骤的截面图。
首先，如图17所示，通过溅射法在由硅层16A、硅层16A上的氧化膜层17和硅层16B构成的基板16的下面16C上形成由铂构成的导电体层22。通过溅射在导电体层22上形成由钛酸锆酸铅构成的压电体层23，并通过溅射法或真空蒸镀法在压电体层23上形成由金构成的导电体层24，并形成隔膜41。
接着，如图18所示，在隔膜41的下面24A上形成具有蚀刻孔26A的抗蚀剂掩模26。
之后，如图19所示，蚀刻隔膜41，形成到达基板16的下面16C的通孔25。此时，作为蚀刻的方法，为了防止通孔25的侧面蚀刻，期望为干蚀刻。
接着，如图20所示，向蚀刻孔26A与通孔25中通入作为促进硅的蚀刻的气体的XeF2气体，蚀刻硅层16B，形成空洞20。若用XeF2气体蚀刻硅层16B，则各向同性地进行蚀刻，形成半球形的空洞20。另外，作为促进蚀刻的气体，利用等离子体分解后SF6气体，同样可各向同性地蚀刻硅层16B来形成半球状的空洞20。
接着，如图21所示，使用作为促进蚀刻的气体的SF6气体与作为抑制蚀刻的气体的C4F8，从下面16C开始蚀刻硅层16B，形成通孔19。通过抑制蚀刻的气体在被蚀刻的通孔16的壁面上形成保护膜，从抗蚀剂孔26A沿与抗蚀剂掩模26成直角的方向蚀刻硅层16B，在基板16的硅层16B中形成空洞20与通孔19。
通过基板16的氧化膜层17，但硅层16B的蚀刻在通孔19到达氧化膜层17时就基本上完全停止，可容易高精度控制通孔19的深度。
之后，如图22所示，在基板16的上面16D上形成抗蚀剂掩模27后，蚀刻基板16的硅层16A，形成槽18A。因为硅层16A的蚀刻在氧化膜层17中基本完全停止，所以可防止槽18过深。另外，由于该阶段中残留的氧化膜层17，不会在通孔19中遗漏蚀刻气体，所以可防止蚀刻通孔19或空洞20。
之后，如图23所示，蚀刻除去优选干法蚀刻除去氧化膜层17的部分17A(图22)形成槽18，去除抗蚀剂掩模26、27，并清洗基板16与隔膜41，得到基于实施方式2的分离微小固体成分的器件。
如通常的半导体加工一样，在一个硅晶片上统一形成多个硅基板16与分别对应于多个基板16的多个隔膜41，最后通过切割将晶片分割成各基板16和与之对应的隔膜41，从而可高效地一次制造多个器件。
(实施方式3)图24是根据本发明实施方式3的分离微小固体成分的器件的切割立体图。该器件具备硅构成的基板28和基板28的下面28A上的隔膜30。隔膜30由多个层叠体34和保持层叠体34的保持体38构成，将层叠体34与保持体38配置在平面上。层叠体34具有在基板28的下面28A上露出于空洞32的导电体层35、导电体层35上的压电体层36、和压电体层36上的导电体层37。在基板28的上面28B中挖出一部分，形成槽29。基板28形成有连接于槽29的底的通孔31、和连接于通孔31并开口于下面28A的空洞32。在对应于空洞32的中央附近的隔膜30的部分中，形成从隔膜38的下面38A连接于空洞32的通孔33。
层叠体34的导电体层35由铂构成，压电体层36由钛酸锆酸铅构成，导电体层37由铬、钛、金、铂、铝之一或其混合体构成。
保持体38适用聚酰亚胺、改质丙烯酸脂、硅树脂等树脂类材料，尤其是硅树脂，杨氏模量低，可进行大变形，所以适于基于实施方式3的器件中。
实施方式3中的分离微小固体成分的器件，具备具有多个层叠体34和保持其的保持体38的隔膜30，代替图1-图9中示出的基于实施方式1的器件的隔膜1。另外，也可使用图24中示出的隔膜38来代替图16中示出的基于实施方式2的器件的隔膜41。
分离微小固体成分的动作与基于实施方式1的器件相同，所以省略详细说明。
在实施方式3的器件中，保持体38由树脂类材料形成，可不妨碍向导电体层35与导电体层37之间施加电压后产生的层叠体34的变形来使层叠体34大变形。因此，通孔33的直径变化也比基于实施方式1、2的器件的通孔9、25大。即，因为通孔33的直径变化大，所以可得到能够控制很宽范围大小的微小固体成分的通过、分离微小固体成分的通用性高的器件。
权利要求
1.一种分离微小固体成分的器件，其特征在于，具备基板，具有第1面和其反向侧的第2面，形成有形成于所述第2面中、具有底的槽；开口于所述第1面的空洞；和使所述槽的所述底部与所述空洞连通的第1通孔；和隔膜，设置在所述基板的所述第1面上，在对应于所述空洞的位置上形成直径比所述第1通孔小的第2通孔。
2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述隔膜包含所述基板的所述第1面上的第1导电体层；所述第1导电体层上的压电体层；和所述压电体层上的第2导电体层。
3.根据权利要求2所述的器件，其特征在于，所述第1导电体层包含铂，所述压电体层包含钛酸锆酸铅，所述第2导电体层包含金、铂、铬、钛、铝中的至少之一。
4.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述隔膜包含层叠体和保持所述层叠体的保持体，该层叠体具有露出于所述基板的所述空洞的第1导电体层；所述第1导电体层上的压电体层；和所述压电体层上的第2导电体层。
5.根据权利要求4所述的器件，其特征在于，所述第1导电体层包含铂，所述压电体层包含钛酸锆酸铅，所述第2导电体层包含金、铂、铬、钛、铝中的至少之一。
6.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述隔膜包含多个层叠体和保持所述多个层叠体的保持体，该多个层叠体分别具有露出于所述基板的所述空洞的第1导电体层；所述第1导电体层上的压电体层；和所述压电体层上的第2导电体层。
7.根据权利要求6所述的器件，其特征在于，所述第1导电体层包含铂，所述压电体层包含钛酸锆酸铅，所述第2导电体层包含金、铂、铬、钛、铝中的至少之一。
8.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述基板由硅构成。
9.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述空洞具有开口于所述基板的所述第1面的半球形。
10.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述基板包含第1硅层、所述第1硅层上的氧化膜层；和所述氧化膜层上的第2硅层，所述槽形成于所述第1硅层与所述氧化膜层中，所述第1通孔形成于所述第2硅层中。
11.一种分离微小固体成分的器件的制造方法，其中，具备如下步骤在具有第1面和所述第1面的反向侧的第2面的基板的所述第1面上设置隔膜；在设置在所述基板的所述第1面上的所述隔膜中，通过蚀刻形成第1孔；在形成所述第1孔的步骤之后，将促进蚀刻的第1气体通入所述隔膜的所述第1孔中，蚀刻所述基板，从而在所述隔膜的所述第1孔周围的所述基板部分中形成空洞；将混合促进蚀刻的第2气体与抑制蚀刻的第3气体后的气体通入所述隔膜的所述第1孔与所述空洞中，蚀刻所述基板，从而在所述基板中形成第2孔；和在所述基板的所述第2面中形成到达所述第2孔的槽。
12.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，设置所述隔膜的步骤包含如下步骤在所述基板的所述第1面上设置第1导电体层；在所述第1导电体层上设置压电体层；和在所述压电体层上设置第2导电体层。
13.根据权利要求12所述的制造方法，其特征在于，所述基板包含硅，所述第1导电体层包含铂，所述压电体层包含钛酸锆酸铅，所述第2导电体层包含铬、钛、金、铂、铝中的至少之一，所述第1气体包含XeF2，所述第2气体包含SF6，所述第3气体包含C4F8。
14.根据权利要求11所述的制造方法，其特征在于，所述基板包含具有对应于所述基板的所述第1面的面的第1硅层、所述第1硅层上的氧化膜层；和设置在所述氧化膜层上并具有对应于所述基板的所述第2面的面的第2硅层，形成所述空洞的步骤包含在所述第2硅层中形成所述空洞的步骤，形成所述第2孔的步骤包含在所述第2硅层中形成从所述空洞到达所述氧化膜层的所述第2孔的步骤，形成所述槽的步骤包含形成从所述第1硅层的所述面到达所述氧化膜层的第1槽的步骤、和去除露出于所述第1槽的所述氧化膜层的部分的步骤。
15.根据权利要求14所述的制造方法，其特征在于，去除所述氧化膜层的所述部分的步骤包含通过干蚀刻来去除所述氧化膜层的所述部分的步骤。
16.一种分离微小固体成分的方法，从包含第1固体成分、第2固体成分和液体成分的流体中分离所述第1固体成分和所述第2固体成分，其中，具备如下步骤准备器件，该器件具有基板和隔膜，所述基板具有第1面和其反向侧的第2面，形成有形成于所述第2面中、具有底的槽；开口于所述第1面的空洞；和使所述槽的所述底部与所述空洞连通的第1通孔，所述隔膜设置在所述基板的所述第1面上，在对应于所述空洞的位置上形成直径比所述第1通孔小的第2通孔；向基板的所述槽中注入所述流体，用所述流体来填充所述第1通孔与所述空洞；使所述隔膜振动；和通过所述隔膜的第2通孔，从所述基板的所述空洞中取出所述第1固体成分。
17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述隔膜包含所述基板的所述第1面上的第1导电体层；所述第1导电体层上的压电体层；和所述压电体层上的第2导电体层，使所述隔膜振动的步骤包含向所述第1导电体层与所述第2导电体层之间施加电压，使所述隔膜弯曲的步骤。
18.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，使所述隔膜振动的步骤包含以所述第2固体成分的谐振频率来使所述隔膜振动的步骤。
全文摘要
一种分离微小固体成分的器件，具备具有第1面和其反向侧的第2面的基板、和设置在该基板的第1面上的隔膜。基板形成有形成于第2面中、具有底的槽；开口于第1面的空洞；和连结槽的底部与空洞的第1通孔。隔膜在对应于空洞的位置上形成直径比第1通孔小的第2通孔。通过该器件和使用其的方法，可从混合了大小不同的多个固体成分的流体中仅使不会堵塞的小的固体成分通过。
文档编号G01N33/48GK1572353SQ20041004937
公开日2005年2月2日 申请日期2004年6月10日 优先权日2003年6月13日
发明者中谷将也 申请人:松下电器产业株式会社
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