Study on real-time monitoring of droplets by thermal sensor in microchannel

Research Project

Project/Area Number	19K23497
Research Category	Grant-in-Aid for Research Activity Start-up
Allocation Type	Multi-year Fund
Review Section	0301:Mechanics of materials, production engineering, design engineering, fluid engineering, thermal engineering, mechanical dynamics, robotics, aerospace engineering, marine and maritime engineering, and related fields
Research Institution	Meiji University
Principal Investigator	鎌田慎明治大学, 研究・知財戦略機構(生田), 研究推進員(ポスト・ドクター) (20847016)
Project Period (FY)	2019-08-30 – 2021-03-31
Project Status	Granted (Fiscal Year 2019)
Budget Amount *help	¥2,860,000 (Direct Cost: ¥2,200,000、Indirect Cost: ¥660,000) Fiscal Year 2020: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000) Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
Keywords	熱物性 / 熱工学 / マイクロ熱流体 / 液滴ベースマイクロ流体 / MEMS / 液滴単位マイクロ流体
Outline of Research at the Start	微小液滴を用いたマイクロ流体技術はpL～nLという極微量を単位とする分析や高品位な合成への利用が期待されており，実用化には微小な液滴の情報を高速に取得する技術が肝要となる．本研究ではMEMS熱センサを適用し，液滴サイズや生成速度に対して高い空間分解能・応答性および温度分解能を兼ね備えた計測基盤を構築する．さらに，取得される温度および伝熱特性を液滴内の合成反応へリアルタイムにフィードバックする系など，微小液滴モニタリングに基づく新たなマイクロ熱流体システムを創出する．
Outline of Annual Research Achievements	微小液滴を用いたマイクロ流体技術はpL～nLという極微量を単位とした分析や，均一な濃度・温度場を利用した高品位な反応・合成への適用が期待される．極微量の液滴を単位としたマイクロ流体技術の実用化には，微小領域において液滴や液滴内部に分散した反応物を高速に分析する技術が肝要となる．そこで本研究では，液滴サイズや生成速度に対して高い空間分解能・応答性および温度分解能を兼ね備えたマイクロ流路内微小液滴熱計測の基盤を築く．さらに，熱センサにより取得される温度および伝熱特性を反応条件へリアルタイムに反映するフィードバック系など，微小液滴単位の熱的なモニタリングに基づく新たなマイクロ熱流体システムの創出を目的とした．以下に本年度の実績を示す．・MEMS熱センサの開発：マイクロ流路を移動する微小液滴の高時間分解能・高空間分解能な分析に向けて，MEMS白金測温抵抗体を試作した．その他，センサと水溶液との電気的な絶縁方法について絶縁層薄膜を成膜し，成膜条件や適用性を検討した．また，MEMS白金測温抵抗体を用いた温度変化の高感度検出に向けて，駆動回路や信号増幅回路の作製とその応答特性の評価を行ったほか，計測した温度データからセンサ近傍で起こる過渡的な熱伝導現象を解析する方法について検討し，マイクロ流路内モニタリングに向けたMEMS熱センサの設計・開発指針を得た．・マイクロ流体システムの構築：マイクロ流路内へ測定試料を送液し，高精度に流量を制御することで微小液滴を形成可能とする送液システムを構築した．その他，微小液滴形成に必要な界面活性剤，フィードバック対象とする合成反応系などを選定し，計画2年目に予定している熱センサによる反応合成フィードバックに向けた実験準備を進めた．
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 当初の計画で1年目予定していた水・エタノールの微小液滴を用いた熱伝導特性における違いの検知に至っていないため，その点については研究の進展が急がれる．一方でMEMS熱センサで取得したデータの解析方法や計画2年目の反応合成システムに向けた進捗ついて，期待していたよりも進度があったため，研究課題全体としてはおおむね順調に進展していると判断される．
Strategy for Future Research Activity	これまで個別に検証を進めてきた要素技術を集積し，熱センサ実装マイクロ流体チップを用いて，水―エタノール液滴の伝熱特性を識別する検証実験を早急に進める．その上で，反応合成系モニタリングに着手し，合成流路および合成条件を制御するヒーターを実装した反応合成用チップを製作する．第1段階としてマイクロ流路内において連続的な反応合成場を形成し，温度モニタリングおよび流路内のヒーターへのフィードバックを行い，生成物均一化について検証する．第2段階として微小液滴内の反応合成・モニタリングへと発展させ，微小液滴における反応フィードバックの有用性の実験検証を進める．