流体分析器用の３ウェーハチャネル構造
流体分析器用の３ウェーハチャネルまたはカラム構造。本構造は、ヒータおよび相互作用要素を含む支持部材、膜または支持ウェーハ（４２）を有することができる。この膜は、相互作用要素の側に面した１つのウェーハ（３０）のチャネル（３２）および他方の側に面した他のウェーハ（４４）のスペース（４６）を有することができる。膜（４２）は、膜の両側の圧力を等しくするための穴（４５）を有することができる。サンプルが膜の両側にあることがあるので、膜中の検出器は、優れた感度のために、チャネル（３２）とスペース（４６）の両方にさらされていることがある。これらのウェーハは、非流動性粘性材料の薄い膜で接着されることがある。毛細管が、チャネルの入口および出口に取り付けられ、チャネルの長くされた寸法に対して平行であることがある。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体分析器構造に関し、特に、微小流体分析器に関する。より詳細には、本発明は、分析器の流体輸送構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００５年５月１７日に出願された米国特許仮出願第６０／６８１，７７６号の恩恵を主張する。本出願は、２００６年３月１５日に出願された米国特許仮出願第６０／７４３，４８６号の恩恵を主張する。
【０００３】
米国政府は、本出願に一定の権利を有することができる。
Ｕ．Ｂｏｎｎｅ等による「Ａｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏ−ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ」という名称の２００６年５月１６日に出願された米国特許出願第１１／３８３，７２３号、代理人整理番号Ｈ０００８１３１（１１００．１３７１１０１）は、参照により本発明書に組み込まれる。Ｕ．Ｂｏｎｎｅ等による「Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｆｌｕｉｄ Ａｎａｌｙｚｅｒｓ」という名称の２００６年５月１６日に出願された米国特許出願第１１／３８３，７２８号、代理人整理番号Ｈ０００９３３３（１１００．１４１０１０１）は、参照により本発明書に組み込まれる。Ｕ．Ｂｏｎｎｅ等による「Ａ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｕｍｐ」という名称の２００６年５月１６日に出願された米国特許出願第１１／３８３，６６３号、代理人整理番号Ｈ００１０１６０（１１００．１４１２１０１）は、参照により本発明書に組み込まれる。Ｎ．Ｉｗａｍｏｔｏ等による「Ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ ｆｏｒ ａ Ｍｉｃｒｏ Ｆｌｕｉｄ Ａｎａｌｙｚｅｒ」という名称の２００６年５月１６日に出願された米国特許出願第１１／３８３，６５０号、代理人整理番号Ｈ００１０５０３（１１００．１４１１１０１）は、参照により本発明書に組み込まれる。２００５年５月１７日に出願された米国特許仮出願第６０／６８１，７７６号は、参照により本発明書に組み込まれる。２００６年３月１５日に出願された米国特許仮出願第６０／７４３，４８６号は、参照により本発明書に組み込まれる。２００４年７月３０日に出願された米国特許出願第１０／９０９，０７１号は、参照により本発明書に組み込まれる。２００２年５月２８日に発行された米国特許第６，３９３，８９４号は、参照により本発明書に組み込まれる。２００５年１月４日に発行された米国特許第６，８３７，１１８号は、参照により本発明書に組み込まれる。２００６年２月２１日に発行された米国特許第７，０００，４５２号は、参照により本発明書に組み込まれる。これらの出願および特許は、流体分析器に関係した構造およびプロセスの態様を開示している可能性がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、分析器用の流体輸送チャネル、カラムまたは毛細管の構造であり、チャネルまたは同様なものの膜にギャップまたは開口を有する。この構造は、そのようなチャネルに位置付けされた熱伝導度検出器の感度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明は、サンプル分析用のヒータおよび固定相を支持する膜に沿ったサンプルの流れのための１つのチャネルまたは複数のチャネルを含むことができる。１つのチャネルまたは複数のチャネルは、微小流体分析器の一体化部分であることがある。分析器は、１つのチャネルまたは複数のチャネルを組み込む事前濃縮器（ＰＣ）（つまり、濃縮器）またはクロマトグラフィ分離器（ＣＳ）を有することができる。図１は、検出強化（位相調整）微小ガス分析器（ＭＧＡ）１０用の位相調整ヒータアレイ構造であることがある流体分析器のシステム図である。この図は、本明細書で説明される特別設計チャネルを含むことができる微小ガス装置１０の特定の細部を明らかにしている。位相調整ＭＧＡ１０およびこれの変形物は、様々なクロマトグラフィ用途に使用されることがある。
【０００６】
サンプルの流れ１１は、差動熱伝導度検出器（ＴＣＤ）（または、他のデバイス）１５の第１の脚部の入力ポート１２に入ることができる。ポンプ１６は、チューブ１７を介して装置１０を通り抜ける流体の流れ１１を引き起こすことができる。このポンプは、熱ポンプまたは非熱的ポンプであってもよく、かつ、濃縮器２１および／または分離器２３に一体化されてもよく、または、濃縮器もしくは分離器の外にあってもよい。図１のシステム１０のために、追加のポンプまたはより少ないポンプ、および様々なチューブまたは配管の配列もしくは構成があってもよい。流体１１は、ＴＤＣ１５、濃縮器２１、流量センサ２２、分離器２３、およびＴＤＣ１８を通って移送されることがある。制御装置１９は、流体の流れと、濃縮器２１および分離器２３の活動状態とを管理することができる。制御装置１９は、ＴＤＣ１５、濃縮器２１、流量センサ２２、分離器２３、ＴＤＣ１８、およびポンプ１６に接続されることがある。検出器１５および１８ならびにセンサ２２からのデータは、制御装置１９に送られることがあり、そして次に、制御装置１９がデータを処理することができる。用語「流体」は、ガスもしくは液体、または両方を意味することができる。
【０００７】
図２は、センサ装置１０の部分の模式図であり、図１の濃縮器２１および／または分離器２３のヒータ部分を表す。センサ装置１０のこの部分は、基板またはホルダ２４および制御装置１９を含むことができる。制御装置１９は、基板２４の中に組み込まれてもよく、または組み込まれなくてもよい。基板２４は、これに位置付けされたいくつかの薄膜ヒータ要素２５、２６、２７、および２８を有することができる。４つのヒータ要素のみが示されているが、任意の数、例えば２から１０００のヒータ要素が設けられてもよいが、一般に、２０〜１００の範囲である。ヒータ要素２５、２６、２７および２８は、任意の適切な電気導体、すなわち、安定な金属、合金膜または他の材料から製造されてもよい。ヒータ要素２５、２６、２７、および２８は、図２および３に示されるように、低熱質量、低面内熱伝導の薄い膜、基板または支持部材２４に設けられることがある。
【０００８】
図３で、基板３０は、サンプル流体の流れ１１を受け入れるためのチャネル３２を有する適切に画定された単チャネル位相調整ヒータ機構およびチャネル構造３１を有することができる。このチャネルは、支持部材２４の近くのシリコン・チャネル・ウェーハ基板３０を選択的にエッチングすることによって製造されることがある。このチャネルは、入力ポート３３および排出ポート３４を含むことができる。
【０００９】
センサ装置１０は、また、流れるサンプル流体１１にさらされるようにいくつかの相互作用要素をチャネル３２の内部に含むことができる。相互作用要素の各々は、対応するヒータ要素に隣接して、すなわちできるだけ密に熱接触するように位置付けされることがある。例えば、図３では、相互作用要素３５、３６、３７、および３８は、チャネル３２中の支持部材２４の表面に設けられ、ヒータ要素２５、２６、２７、および２８にそれぞれ隣接していることがある。チャネル３２の端部に検出器１５および１８があることがある。支持部材２４の他方の側にチャネルまたはスペース４６があることがあり、そこのすみずみまでサンプル流体１１が同様に存在することがある。チャネルまたはスペース４６は、ウェーハまたは下部キャップ４１によって塞がれた端部を有することがあり、このチャネルまたはスペース４６には、スペース４６が密封閉じ込めと同様であるような具合に入口３３および出口３４が位置付けされている。チャネルまたはスペース４６中のサンプル１１の流入および流出は、図５ａ、５ｂおよび６に示されるように、支持部材または膜２４の穴４５を通してであることがある。機構３１のウェーハ４１および関連した部品の構造上の構成は、図３に示された例示の実施例のものと違っていることがある。
【００１０】
この例示の実施例には示されていない相互作用膜要素を有する他のチャネルがあることがある。相互作用要素は、液体またはガスクロマトグラフィで一般的に使用される任意の数の物質から形成された膜であることがある。さらに、相互作用物質は、様々な度合いの極性および／または疎水性を達成するために、目標分析物の最適な吸着および／または分離を達成するために、適切なドーパントによって部分修正されることがある。
【００１１】
微小ガス分析器１０は、様々な吸着材料Ａ、Ｂ、Ｃ、．．．（ガスクロマトグラフィ（ＧＣ）の文献で固定相として知られている）をコーティングされた、濃縮器および分離器要素の予め配列されたパターンがあるような具合に、様々な方法で製造された相互作用要素３５、３６、．．．、３７および３８を有することがある。濃縮器２１要素と分離器２３要素の比が選ばれるだけでなく、どの要素がＡ、Ｂ、Ｃ．．．などをコーティングされるかが、濃縮および分離プロセスに貢献するように決定されることがある（選ばれた脱着温度と共に）。Ｂ、Ｃ、．．．、要素のものと異なるＡのための要素温度ランピング速度の選択肢が選ばれることがある。「Ａ」要素のグループからガスを分離した後で、他の組のガスが「Ｂ」要素のグループから分離されるなどのやり方で、このシステムに汎用性が付加されることがある。
【００１２】
制御装置１９は、図２に示されるように、ヒータ要素２５、２６、２７、２８および検出器１５および１８の各々に電気的に接続されることがある。１つまたは複数の上流相互作用要素によって生成された上流濃度パルスがその相互作用要素に達したほぼそのときに、対応する相互作用要素３５、３６、３７、および３８の各々が加熱され、流れるサンプル流体１１の中に選ばれた成分を脱着するように、制御装置１９は、時間位相調整シーケンスでヒータ要素２５、２６、２７および２８に給電することができる（図４の最下部を参照されたい）。濃度パルスの成分ガスの所望の濃度を達成するために、任意の数の相互作用要素が使用されてもよい。結果として生じる濃度パルスは、制御装置１９による分析のために検出器１８で感知されることがある。
【００１３】
図４は、各ヒータ要素で生成された対応する濃度パルスと共に、例示の相対的なヒータ温度を示すグラフである。ここに示されるように、制御装置１９は、電圧信号５０を用いて時間位相調整シーケンスでヒータ要素２５、２６、２７および２８に給電することができる。ヒータ要素２５、２６、２７および２８の時間位相調整ヒータ相対的温度は、温度プロファイルすなわち線５１、５２、５３および５４でそれぞれ示されることがある。
【００１４】
示された実施例では、制御装置１９（図２）は、最初にヒータ要素２５に給電して、図４の線５１で示されるようにそれの温度を上昇させることができる。第１のヒータ要素２５は第１の相互作用要素３５に熱的に結合されているので（図３）、第１の相互作用要素は、流れるサンプル流体１１の中に選ばれた成分を脱着して第１の濃度パルス６１を生成するが（図４）、一方で、他のヒータ要素はどれも未だパルス給電されない。流れるサンプル流体１１は、矢印６２で示されるように、第１の濃度パルス６１を下流に第２のヒータ要素２６の方へ運ぶ。
【００１５】
制御装置１９は、次に、第２のヒータ要素２６に給電して、要素２５に対するエネルギーパルスが止まる以前に始まって、線５２で示されるようにそれの温度を上昇させる。第２のヒータ要素２６は第２の相互作用要素３６に熱的に結合されているので、第２の相互作用要素も選ばれた成分を流れるサンプル流体１１の中に脱着して、第２の濃度パルスを生成する。制御装置１９は、図４に示されるように、第２の濃度パルスが第１の濃度パルス６１に実質的に重なってより高い濃度パルス６３を生成するようなやり方で、第２のヒータ要素２６に給電することができる。流れるサンプル流体１１は、矢印６４で示されるように、より大きな濃度パルス６３を下流に第３のヒータ要素２７の方へ運ぶことができる。
【００１６】
制御装置１９は、次に、第３のヒータ要素２７に給電して、図４に線５３で示されるようにそれの温度を上昇させることができる。第３のヒータ要素２７は第３の相互作用要素３７に熱的に結合されているので、第３の相互作用要素３７は、選ばれた成分を流れるサンプル流体の中に脱着して、第３の濃度パルスを生成することができる。制御装置１９は、第３の濃度パルスが、第１および第２のヒータ要素２５および２６によって生成されたより大きな濃度パルス６３に実質的に重なって、さらに大きな濃度パルス６５を生成するように、第３のヒータ要素２７に給電することができる。流れるサンプル流体１１は、矢印６６で示されるように、このより大きな濃度パルス６５を下流に「Ｎ番目」のヒータ要素２８の方へ運ぶことができる。
【００１７】
制御装置１９は、次に、「Ｎ番目」のヒータ要素２８に給電して、線５４で示されるようにそれの温度を上昇させることができる。「Ｎ番目」のヒータ要素２８は「Ｎ番目」の相互作用要素３８に熱的に結合されているので、「Ｎ番目」の相互作用要素３８は、選ばれた成分を流れるサンプル流体１１の中に脱着して、「Ｎ番目」の濃度パルスを生成することができる。制御装置１９は、「Ｎ番目」の濃度パルスが、前のＮ−１の相互作用要素によって生成されるような大きな濃度パルス６５に実質的に重なって、より大きな濃度パルス６７を生成するようなやり方で、「Ｎ番目」のヒータ要素２８に給電することができる。流れるサンプル流体１１は、結果として得られた「Ｎ番目」の濃度パルス６７を分離器２３および／または検出器１８のどちらかに運ぶことができる。
【００１８】
図５ａおよび６は、分析器１０の位相調整ヒータ機構３１の端部断面図を示す。チャネル位相調整ヒータ機構は、膜または支持部材２４中に組み込まれることがある。支持部材２４は、構造、ウェーハまたは基板３０に取り付けられることがある。固定具４３が、支持部材３０を構造３０および内部チャネル３２に対して所定の位置に保持することができる。支持部材２４は、構造、支持物またはウェーハ４１と支持部材２４の間の支持部材２４に近接してまたはこれの下にスペース、チャネルまたは開口４６を有することがある基板またはウェーハ４２の上に位置付けされることがある。図５ａおよび６に示されるように、下部キャップまたはウェーハ４１の上に、膜または支持部材２４を支持するためのウェーハ４２があることがある。図５ａは、開口の付いた膜も支持する薄くされた（下部チャネルの望ましい高さに等しいレベルに）中間ウェーハを有する構造を表すことができる。図６は、同じ上部および下部チャネルを実現することができるが、中間ウェーハを薄くするのではなく、下部ウェーハが、下部チャネルを所望の高さまで部分的に「埋め」る「ペグ」を有している。図５ａおよび６の特徴３２および４６は、２つのチャネル、例えば上チャネルおよび下チャネルと見なされてもよい。
【００１９】
構造３１において、膜の開口は、上および下（第１および第２）チャネル中の圧力を等しくし、かつ、加熱された膜と、１つまたは複数のチャネルの１つまたは複数の壁との間の熱伝導を妨げることができる。この構造は膜中に位置付けされた検出器を有することができ、この検出器は、第１のチャネルに面し、かつ第２のチャネルに面している感知領域を有することができる。上部ウェーハ、中間ウェーハ、下部ウェーハ（図５ａおよび６の方向から）および膜の構造のうちの少なくとも１つの要素は、シリコンよりも低熱伝導度の材料を有することがある。
【００２０】
図５ａの構造３１は、ウェーハ４２の上端と同じ高さである表面を有する下部キャップウェーハ４１を有することがある。図６の構造３１は、ウェーハ４２のスペース４６の底部分よりも高くなった、下部キャップウェーハ４１に付いた部分を有することができる。スペース４６を最小限にする態様は、場合によっては望ましいことがある。図５ａ、５ｂおよび６の構造３１は、チャネルまたはスペース３２と４６の間の膜または支持部材２４に切取り部、穴またはポート４５を有することがあり、その結果、サンプル流体がこれらのチャネルまたはスペースの間を動くことができるようになる。
【００２１】
相互作用要素または固定相などの設計に基づいた吸着物コーティング表面のあるところを除いて、非吸着熱絶縁性材料のコーティング４４が、ヒータおよびサンプル輸送機構構造３１のチャネル３２の内壁に塗られることがある。
【００２２】
図５ａ、５ｂおよび６に示されるように切取り部４５の付いた膜または支持部材２４の製造を用いた本チャネル構造３１は、チャネル３２の膜２４が漏れるか破裂するかもしれないという重大な危険性のない高サンプルガス圧力下での使用を含んだ多くの有利点を有することがあり、膜２４からこれの支持構造４２（シリコン、重合体、または他の材料）への高熱伝導損失はあったとしても小さく、したがって、膜の下の空気を介した環境への高熱伝導損失の減少を維持する。また、本構造３１は、チャネル中の集積化ＴＣＤ１５または１８がこれの上面および下面からサンプル分析物ピークにさらされることを可能にすることができ、したがって、１つの検出器表面曝露の約２倍の感度向上を実現する。本構造３１は、また、熱またはエレクトロニクス微小ポンプまたはポンプ１６の一体化を容易にすることができる。
【００２３】
図５ａ、５ｂおよび６に示された本３ウェーハ構造３１は、ヒータ機構およびチャネル構造３１の特殊な下部キャップ４１の製造および組立にもかかわらず、本明細書で指摘された有利点を妥当な製造コストで実現することができる。直接曝露固定相、例えば固定相３５を有しない部分またはスペース４６に、膜２４の下のサンプルガスの流れがあることがある。はっきりさせるために、固定相または相互作用要素３５は図５ｂに示されていない。膜または支持物２４のへりに沿った開口、ポートまたは切取り部４５は、膜２４の両方の広い表面の圧力を等しくすることができる。下部キャップ４１は、機構３１の外の環境からの部分またはスペース４６の封じ込めまたは密封を行うことができる。チャネルスペース３２は、同様に、外部環境から保護または密封される。開口またはポート４５によって、膜２４およびスペース４６の１つの側のチャネルスペース３２は、他方の側と、システム１０によって分析される同じサンプルまたは分析物１１を共有することができる。ポートまたは開口４５の寸法の例には、長さ２００ミクロンおよび幅５ミクロンがあることがある。チャンバスペース３２の壁に近接した縁部に取り付けられた開口４５の間に、約２０ミクロンの膜２４があることがある。膜２４の２０ミクロンは、膜支持物６９と見なされることがある。各ポートまたは開口４５の間に支持物６９があることがある。
【００２４】
本構造３１は、ウェーハレベルで製造され、それによってそのコストを低く保つことができる。材料には、シリコン、１つまたは複数の重合体、および／または他の材料があることがある。本構造は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されることがある。３つのウェーハには、上部キャップ３０、膜２４を保持するための中間キャップ４２、およびスペース４６を含むための下部キャップ４１があることがある。膜の一方の側だけに固定相３５のある本構造３１の分解能の低下は、もしあったとして、同じ全体積ガス／液体比を維持しかつ膜２４の下のまたは近接したスペース４６を最小限にすることによって、修正されることがある。ウェーハ間（Ｗ−Ｗ）接着に使用される接着剤は、溶融されたとき非常に流動性があり、密封接着するように意図された領域をそのままにしておく傾向があることがある。代わりに、Ｗ−Ｗ接着は、部分的にベークされた重合体（例えば、ＳＵ８または同様なもの）の薄膜などのより粘性の高い材料を用いて行われて、より優れたより弾性の高い密封を実現し、さらに、密封表面から流れ出しかつ／またはチャネルを塞ぐ（例えば、内部で丸くなる）ことのないように、以前の構造で使用された液体インジウム「接着剤」を排除することができる。Ｗ−Ｗ接着は、粘性重合体、半田金属、および陽極接着を形成するための要素から成るグループからの材料を用いて行われることがある。
【００２５】
本構造３１は、膜２４の両方の広い表面をサンプル１１にさらすことを実現することができる。膜２４の２つの広い側の間に差圧がないために薄い層が圧力応力を受けないので、この薄い層を膜２４として構造化すること、またはエッチングすることが可能である。ヒータおよび固定相（相互作用要素）のためのこの薄膜および支持部材２４は、全体的な低製造コストと共に、優れた信頼性、応用性、エネルギー節約、集積化検出器感度、および微小ポンプとの一体化性を有する位相調整システム１０を実現することができる。
【００２６】
要約すると、本構造３１は、医療、産業、環境および行政用途のために、高いサンプル１１圧力、低電池使用、コンパクトさ、感度、携帯性、安全性（ＩＳ認証）、および他の要素への応用性に関する位相調整システム１０改善を実現することができる。
【００２７】
本３レベルまたはウェーハ位相調整構造３１は、それの固定相支持膜２４の破裂圧力によって制限されないサンプルガス圧力に耐え、そのような膜の低エネルギー動作を可能にし、さらにチャネル３２中に位置付けされた検出器１５および１８の高性能を可能にすることができる。検出器の高性能は、検出器の最上部と底部での分析物ピークへの曝露によっている可能性がある。
【００２８】
本構造３１は、以下の特徴を含むことができる。機構３１の構造材料としてＳｉに対してエポキシ樹脂または重合体を使用することで、例えば約１４９／０．２＝７４５であることがあるＳｉ／重合体の熱伝導度（ＴＣ）の比によって部分的に支配される係数だけ、加熱された膜２４からの熱の放散速度を減少させることができる。温度変化による反りを防ぐために、チャネル材料（例えば、ＳＵ８または同等物）は、シリコンウェーハに接着されることがある。分析物の吸着に対して有機チャネル材料を「不動態化」するために、不活性非触媒性かつ無視可能な吸着能力の材料４４（例えば、Ｎｉ、Ａｕ、または同様なもの）の非常に薄いコーティングが、共形コーティング方法によってチャネル３２の壁の内側に真空堆積されることがある。この材料は、また、ウェーハ４１および４２の内部表面であることがある、スペース４６の壁または内部表面に堆積されることがある。
【００２９】
ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）は、本チャネルまたはスペース３２の固定相材料に似ていることがある、流体分析器の毛細管の内側の固定相材料３５として使用されることがある。また、位相調整事前濃縮器２１および／または分離器２３のチャネルの内部の相互作用要素３５としてＣＮＴを成長してもよい。そのような材料の特定の例は、ＧＣ要求に合わせて調整されてもよい「処理された」ＣＮＴ（おそらくＬａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｓから入手可能）であることがある。
【００３０】
Ｓｉ３Ｎ４（使用されることがある）、熱成長ＳｉＯ２、およびＳｉの膨張温度係数（ＴＣＥ）および膜歪みが、ここで表にそれぞれ示されている。この表から、中間膜材料が望ましいことを決定することができる。
【００３１】
【表１】
【００３２】
図７ａおよび７ｂは、構造３１の側面断面図および上面図をそれぞれ示す。本ウェーハ構造３１は、それぞれの毛細管が、通常行われるように、チップの長手方向寸法に対して直角ではなくほぼ平行な状態で、毛細管７１が入口および出口から位相調整チップに入りまた出るように毛細管７１を取り付けること可能にすることができ、これによって、スペースを節約し、大規模生産においてウェーハをチップダイシングすること（生産プロセスにいて水およびくずが位相調整チャネルに入らないように）との両立性を提供することができる。各毛細管７１は、エポキシ樹脂７２でウェーハ３０または他の適切な構造部分に取り付けられてもよい。図７ａに、下部キャップウェーハ４１、ヒータウェーハ４２および上部キャップウェーハ３０が示されている。図７ｂは、エポキシ樹脂７２を用いた毛細管７１取付けの上面図である。
【００３３】
図８は、例示の実施例として熱伝導度検出器（ＴＣＤ）１５または１８のような検出器の例示の実施例の配置を示し、この検出器は、本チャネル構造３１の支持部材または膜２４の中に配置されることがある。サンプル１１は、検出器要素７３の上および下を流れることができる。検出器１５、１８の位置は、チャネル構造３１の壁膜支持物６９およびチャネルスペース３２の近くのギャップまたは開口４５を含むことがある。リードアウト７４は、検出器要素７３への電気接続を行うことができる。検出器の寸法７５は、約１００ミクロンであることがある。図５ｂのポートまたはギャップ４５は、内部チャネル３２のチャネル構造３１の壁と一直線に並んでいるように見える。図８において、検出器１５または１８に関して、ギャップ４５は、チャネルまたはスペース３２の壁との整列から数ミクロン離れて一直線に並べられているように見える。検出器配置の様々な設計が実施されることがある。感知要素７３は、検出器の感度向上のために、支持部材または膜２４の両側に位置付けされるか、さらされることがある。
【００３４】
重合体膜をベースにしたセンサは、一般に、微量ガスにさらされると、膜抵抗率、誘電率、歪みおよび／または重量のどれかを変化させることがある。また、金属酸化物膜は、抵抗率を変化させ、検出器要素として働くことができる。多孔質のスピンコーティング可能な材料は、分析器１０の濃縮器２１および分離器２３のＧＣ事前濃縮および分離部分でそれぞれ使用されることがある。
【００３５】
また、重合体膜は、ＳＡＷ検出器（膜質量の変化に敏感な表面音響波）の形のガスクロマトグラフィでガス検出のために使用されることがある。有用な検出器の結果が、ＭＰＮ（ドデカンチオール単分子層で保護された金ナノ粒子）膜で得られることがあり、ＭＰＮ膜は、異なるガスにさらされたとき、電気伝導度が変化する。この膜は、毛細管カラムまたはチャネルでＧＣ分離器膜として使用されたとき、優れた結果を有することがある。
【００３６】
本明細書において、内容の一部は、他のやり方または時制で述べられているが、仮説的または予言的性質のものであることがある。
本発明は、少なくとも１つの例示の実施例に関連して説明されたが、本明細書を読むと、多くの変形物および修正物が当業者には明らかになるだろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、全てのそのような変形物および修正物を含むように、従来技術を考慮してできるだけ広く解釈される意図である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本チャネルおよび熱伝導度検出器を含むことができる検出強化流体分析器用の例示の位相調整ヒータアレイ構造を示すシステム図である。
【図２】位相調整ヒータ配列を示す上面図である。
【図３】ヒータ配列および関連した相互作用要素を示す断面図である。
【図４】位相調整ヒータ配列の動作を示すグラフである。
【図５Ａ】分析器のチャネルの例示の実施例を示す断面図である。
【図５Ｂ】分析器のチャネルの例示の実施例を示す上面図である。
【図６】分析器のチャネルの他の例示の実施例を示す断面図である。
【図７Ａ】分析器のチャネルへの毛細管取付けの例示の実施例を示す断面図である。
【図７Ｂ】分析器のチャネルへの毛細管取付けの例示の実施例を示す上面図である。
【図８】分析器のチャネル中に位置付けされた熱伝導度検出器の例示の実施例を示す上面図である。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体分析器構造に関し、特に、微小流体分析器に関する。より詳細には、本発明は、分析器の流体輸送構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、２００５年５月１７日に出願された米国特許仮出願第６０／６８１，７７６号の恩恵を主張する。本出願は、２００６年３月１５日に出願された米国特許仮出願第６０／７４３，４８６号の恩恵を主張する。
【０００３】
米国政府は、本出願に一定の権利を有することができる。
Ｕ．Ｂｏｎｎｅ等による「Ａｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏ−ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ」という名称の２００６年５月１６日に出願された米国特許出願第１１／３８３，７２３号、代理人整理番号Ｈ０００８１３１（１１００．１３７１１０１）は、参照により本発明書に組み込まれる。Ｕ．Ｂｏｎｎｅ等による「Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ ｆｏｒ Ｆｌｕｉｄ Ａｎａｌｙｚｅｒｓ」という名称の２００６年５月１６日に出願された米国特許出願第１１／３８３，７２８号、代理人整理番号Ｈ０００９３３３（１１００．１４１０１０１）は、参照により本発明書に組み込まれる。Ｕ．Ｂｏｎｎｅ等による「Ａ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｐｕｍｐ」という名称の２００６年５月１６日に出願された米国特許出願第１１／３８３，６６３号、代理人整理番号Ｈ００１０１６０（１１００．１４１２１０１）は、参照により本発明書に組み込まれる。Ｎ．Ｉｗａｍｏｔｏ等による「Ｓｔａｔｉｏｎａｒｙ Ｐｈａｓｅ ｆｏｒ ａ Ｍｉｃｒｏ Ｆｌｕｉｄ Ａｎａｌｙｚｅｒ」という名称の２００６年５月１６日に出願された米国特許出願第１１／３８３，６５０号、代理人整理番号Ｈ００１０５０３（１１００．１４１１１０１）は、参照により本発明書に組み込まれる。２００５年５月１７日に出願された米国特許仮出願第６０／６８１，７７６号は、参照により本発明書に組み込まれる。２００６年３月１５日に出願された米国特許仮出願第６０／７４３，４８６号は、参照により本発明書に組み込まれる。２００４年７月３０日に出願された米国特許出願第１０／９０９，０７１号は、参照により本発明書に組み込まれる。２００２年５月２８日に発行された米国特許第６，３９３，８９４号は、参照により本発明書に組み込まれる。２００５年１月４日に発行された米国特許第６，８３７，１１８号は、参照により本発明書に組み込まれる。２００６年２月２１日に発行された米国特許第７，０００，４５２号は、参照により本発明書に組み込まれる。これらの出願および特許は、流体分析器に関係した構造およびプロセスの態様を開示している可能性がある。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明は、分析器用の流体輸送チャネル、カラムまたは毛細管の構造であり、チャネルまたは同様なものの膜にギャップまたは開口を有する。この構造は、そのようなチャネルに位置付けされた熱伝導度検出器の感度を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本発明は、サンプル分析用のヒータおよび固定相を支持する膜に沿ったサンプルの流れのための１つのチャネルまたは複数のチャネルを含むことができる。１つのチャネルまたは複数のチャネルは、微小流体分析器の一体化部分であることがある。分析器は、１つのチャネルまたは複数のチャネルを組み込む事前濃縮器（ＰＣ）（つまり、濃縮器）またはクロマトグラフィ分離器（ＣＳ）を有することができる。図１は、検出強化（位相調整）微小ガス分析器（ＭＧＡ）１０用の位相調整ヒータアレイ構造であることがある流体分析器のシステム図である。この図は、本明細書で説明される特別設計チャネルを含むことができる微小ガス装置１０の特定の細部を明らかにしている。位相調整ＭＧＡ１０およびこれの変形物は、様々なクロマトグラフィ用途に使用されることがある。
【０００６】
サンプルの流れ１１は、差動熱伝導度検出器（ＴＣＤ）（または、他のデバイス）１５の第１の脚部の入力ポート１２に入ることができる。ポンプ１６は、チューブ１７を介して装置１０を通り抜ける流体の流れ１１を引き起こすことができる。このポンプは、熱ポンプまたは非熱的ポンプであってもよく、かつ、濃縮器２１および／または分離器２３に一体化されてもよく、または、濃縮器もしくは分離器の外にあってもよい。図１のシステム１０のために、追加のポンプまたはより少ないポンプ、および様々なチューブまたは配管の配列もしくは構成があってもよい。流体１１は、ＴＤＣ１５、濃縮器２１、流量センサ２２、分離器２３、およびＴＤＣ１８を通って移送されることがある。制御装置１９は、流体の流れと、濃縮器２１および分離器２３の活動状態とを管理することができる。制御装置１９は、ＴＤＣ１５、濃縮器２１、流量センサ２２、分離器２３、ＴＤＣ１８、およびポンプ１６に接続されることがある。検出器１５および１８ならびにセンサ２２からのデータは、制御装置１９に送られることがあり、そして次に、制御装置１９がデータを処理することができる。用語「流体」は、ガスもしくは液体、または両方を意味することができる。
【０００７】
図２は、センサ装置１０の部分の模式図であり、図１の濃縮器２１および／または分離器２３のヒータ部分を表す。センサ装置１０のこの部分は、基板またはホルダ２４および制御装置１９を含むことができる。制御装置１９は、基板２４の中に組み込まれてもよく、または組み込まれなくてもよい。基板２４は、これに位置付けされたいくつかの薄膜ヒータ要素２５、２６、２７、および２８を有することができる。４つのヒータ要素のみが示されているが、任意の数、例えば２から１０００のヒータ要素が設けられてもよいが、一般に、２０〜１００の範囲である。ヒータ要素２５、２６、２７および２８は、任意の適切な電気導体、すなわち、安定な金属、合金膜または他の材料から製造されてもよい。ヒータ要素２５、２６、２７、および２８は、図２および３に示されるように、低熱質量、低面内熱伝導の薄い膜、基板または支持部材２４に設けられることがある。
【０００８】
図３で、基板３０は、サンプル流体の流れ１１を受け入れるためのチャネル３２を有する適切に画定された単チャネル位相調整ヒータ機構およびチャネル構造３１を有することができる。このチャネルは、支持部材２４の近くのシリコン・チャネル・ウェーハ基板３０を選択的にエッチングすることによって製造されることがある。このチャネルは、入力ポート３３および排出ポート３４を含むことができる。
【０００９】
センサ装置１０は、また、流れるサンプル流体１１にさらされるようにいくつかの相互作用要素をチャネル３２の内部に含むことができる。相互作用要素の各々は、対応するヒータ要素に隣接して、すなわちできるだけ密に熱接触するように位置付けされることがある。例えば、図３では、相互作用要素３５、３６、３７、および３８は、チャネル３２中の支持部材２４の表面に設けられ、ヒータ要素２５、２６、２７、および２８にそれぞれ隣接していることがある。チャネル３２の端部に検出器１５および１８があることがある。支持部材２４の他方の側にチャネルまたはスペース４６があることがあり、そこのすみずみまでサンプル流体１１が同様に存在することがある。チャネルまたはスペース４６は、ウェーハまたは下部キャップ４１によって塞がれた端部を有することがあり、このチャネルまたはスペース４６には、スペース４６が密封閉じ込めと同様であるような具合に入口３３および出口３４が位置付けされている。チャネルまたはスペース４６中のサンプル１１の流入および流出は、図５ａ、５ｂおよび６に示されるように、支持部材または膜２４の穴４５を通してであることがある。機構３１のウェーハ４１および関連した部品の構造上の構成は、図３に示された例示の実施例のものと違っていることがある。
【００１０】
この例示の実施例には示されていない相互作用膜要素を有する他のチャネルがあることがある。相互作用要素は、液体またはガスクロマトグラフィで一般的に使用される任意の数の物質から形成された膜であることがある。さらに、相互作用物質は、様々な度合いの極性および／または疎水性を達成するために、目標分析物の最適な吸着および／または分離を達成するために、適切なドーパントによって部分修正されることがある。
【００１１】
微小ガス分析器１０は、様々な吸着材料Ａ、Ｂ、Ｃ、．．．（ガスクロマトグラフィ（ＧＣ）の文献で固定相として知られている）をコーティングされた、濃縮器および分離器要素の予め配列されたパターンがあるような具合に、様々な方法で製造された相互作用要素３５、３６、．．．、３７および３８を有することがある。濃縮器２１要素と分離器２３要素の比が選ばれるだけでなく、どの要素がＡ、Ｂ、Ｃ．．．などをコーティングされるかが、濃縮および分離プロセスに貢献するように決定されることがある（選ばれた脱着温度と共に）。Ｂ、Ｃ、．．．、要素のものと異なるＡのための要素温度ランピング速度の選択肢が選ばれることがある。「Ａ」要素のグループからガスを分離した後で、他の組のガスが「Ｂ」要素のグループから分離されるなどのやり方で、このシステムに汎用性が付加されることがある。
【００１２】
制御装置１９は、図２に示されるように、ヒータ要素２５、２６、２７、２８および検出器１５および１８の各々に電気的に接続されることがある。１つまたは複数の上流相互作用要素によって生成された上流濃度パルスがその相互作用要素に達したほぼそのときに、対応する相互作用要素３５、３６、３７、および３８の各々が加熱され、流れるサンプル流体１１の中に選ばれた成分を脱着するように、制御装置１９は、時間位相調整シーケンスでヒータ要素２５、２６、２７および２８に給電することができる（図４の最下部を参照されたい）。濃度パルスの成分ガスの所望の濃度を達成するために、任意の数の相互作用要素が使用されてもよい。結果として生じる濃度パルスは、制御装置１９による分析のために検出器１８で感知されることがある。
【００１３】
図４は、各ヒータ要素で生成された対応する濃度パルスと共に、例示の相対的なヒータ温度を示すグラフである。ここに示されるように、制御装置１９は、電圧信号５０を用いて時間位相調整シーケンスでヒータ要素２５、２６、２７および２８に給電することができる。ヒータ要素２５、２６、２７および２８の時間位相調整ヒータ相対的温度は、温度プロファイルすなわち線５１、５２、５３および５４でそれぞれ示されることがある。
【００１４】
示された実施例では、制御装置１９（図２）は、最初にヒータ要素２５に給電して、図４の線５１で示されるようにそれの温度を上昇させることができる。第１のヒータ要素２５は第１の相互作用要素３５に熱的に結合されているので（図３）、第１の相互作用要素は、流れるサンプル流体１１の中に選ばれた成分を脱着して第１の濃度パルス６１を生成するが（図４）、一方で、他のヒータ要素はどれも未だパルス給電されない。流れるサンプル流体１１は、矢印６２で示されるように、第１の濃度パルス６１を下流に第２のヒータ要素２６の方へ運ぶ。
【００１５】
制御装置１９は、次に、第２のヒータ要素２６に給電して、要素２５に対するエネルギーパルスが止まる以前に始まって、線５２で示されるようにそれの温度を上昇させる。第２のヒータ要素２６は第２の相互作用要素３６に熱的に結合されているので、第２の相互作用要素も選ばれた成分を流れるサンプル流体１１の中に脱着して、第２の濃度パルスを生成する。制御装置１９は、図４に示されるように、第２の濃度パルスが第１の濃度パルス６１に実質的に重なってより高い濃度パルス６３を生成するようなやり方で、第２のヒータ要素２６に給電することができる。流れるサンプル流体１１は、矢印６４で示されるように、より大きな濃度パルス６３を下流に第３のヒータ要素２７の方へ運ぶことができる。
【００１６】
制御装置１９は、次に、第３のヒータ要素２７に給電して、図４に線５３で示されるようにそれの温度を上昇させることができる。第３のヒータ要素２７は第３の相互作用要素３７に熱的に結合されているので、第３の相互作用要素３７は、選ばれた成分を流れるサンプル流体の中に脱着して、第３の濃度パルスを生成することができる。制御装置１９は、第３の濃度パルスが、第１および第２のヒータ要素２５および２６によって生成されたより大きな濃度パルス６３に実質的に重なって、さらに大きな濃度パルス６５を生成するように、第３のヒータ要素２７に給電することができる。流れるサンプル流体１１は、矢印６６で示されるように、このより大きな濃度パルス６５を下流に「Ｎ番目」のヒータ要素２８の方へ運ぶことができる。
【００１７】
制御装置１９は、次に、「Ｎ番目」のヒータ要素２８に給電して、線５４で示されるようにそれの温度を上昇させることができる。「Ｎ番目」のヒータ要素２８は「Ｎ番目」の相互作用要素３８に熱的に結合されているので、「Ｎ番目」の相互作用要素３８は、選ばれた成分を流れるサンプル流体１１の中に脱着して、「Ｎ番目」の濃度パルスを生成することができる。制御装置１９は、「Ｎ番目」の濃度パルスが、前のＮ−１の相互作用要素によって生成されるような大きな濃度パルス６５に実質的に重なって、より大きな濃度パルス６７を生成するようなやり方で、「Ｎ番目」のヒータ要素２８に給電することができる。流れるサンプル流体１１は、結果として得られた「Ｎ番目」の濃度パルス６７を分離器２３および／または検出器１８のどちらかに運ぶことができる。
【００１８】
図５ａおよび６は、分析器１０の位相調整ヒータ機構３１の端部断面図を示す。チャネル位相調整ヒータ機構は、膜または支持部材２４中に組み込まれることがある。支持部材２４は、構造、ウェーハまたは基板３０に取り付けられることがある。固定具４３が、支持部材３０を構造３０および内部チャネル３２に対して所定の位置に保持することができる。支持部材２４は、構造、支持物またはウェーハ４１と支持部材２４の間の支持部材２４に近接してまたはこれの下にスペース、チャネルまたは開口４６を有することがある基板またはウェーハ４２の上に位置付けされることがある。図５ａおよび６に示されるように、下部キャップまたはウェーハ４１の上に、膜または支持部材２４を支持するためのウェーハ４２があることがある。図５ａは、開口の付いた膜も支持する薄くされた（下部チャネルの望ましい高さに等しいレベルに）中間ウェーハを有する構造を表すことができる。図６は、同じ上部および下部チャネルを実現することができるが、中間ウェーハを薄くするのではなく、下部ウェーハが、下部チャネルを所望の高さまで部分的に「埋め」る「ペグ」を有している。図５ａおよび６の特徴３２および４６は、２つのチャネル、例えば上チャネルおよび下チャネルと見なされてもよい。
【００１９】
構造３１において、膜の開口は、上および下（第１および第２）チャネル中の圧力を等しくし、かつ、加熱された膜と、１つまたは複数のチャネルの１つまたは複数の壁との間の熱伝導を妨げることができる。この構造は膜中に位置付けされた検出器を有することができ、この検出器は、第１のチャネルに面し、かつ第２のチャネルに面している感知領域を有することができる。上部ウェーハ、中間ウェーハ、下部ウェーハ（図５ａおよび６の方向から）および膜の構造のうちの少なくとも１つの要素は、シリコンよりも低熱伝導度の材料を有することがある。
【００２０】
図５ａの構造３１は、ウェーハ４２の上端と同じ高さである表面を有する下部キャップウェーハ４１を有することがある。図６の構造３１は、ウェーハ４２のスペース４６の底部分よりも高くなった、下部キャップウェーハ４１に付いた部分を有することができる。スペース４６を最小限にする態様は、場合によっては望ましいことがある。図５ａ、５ｂおよび６の構造３１は、チャネルまたはスペース３２と４６の間の膜または支持部材２４に切取り部、穴またはポート４５を有することがあり、その結果、サンプル流体がこれらのチャネルまたはスペースの間を動くことができるようになる。
【００２１】
相互作用要素または固定相などの設計に基づいた吸着物コーティング表面のあるところを除いて、非吸着熱絶縁性材料のコーティング４４が、ヒータおよびサンプル輸送機構構造３１のチャネル３２の内壁に塗られることがある。
【００２２】
図５ａ、５ｂおよび６に示されるように切取り部４５の付いた膜または支持部材２４の製造を用いた本チャネル構造３１は、チャネル３２の膜２４が漏れるか破裂するかもしれないという重大な危険性のない高サンプルガス圧力下での使用を含んだ多くの有利点を有することがあり、膜２４からこれの支持構造４２（シリコン、重合体、または他の材料）への高熱伝導損失はあったとしても小さく、したがって、膜の下の空気を介した環境への高熱伝導損失の減少を維持する。また、本構造３１は、チャネル中の集積化ＴＣＤ１５または１８がこれの上面および下面からサンプル分析物ピークにさらされることを可能にすることができ、したがって、１つの検出器表面曝露の約２倍の感度向上を実現する。本構造３１は、また、熱またはエレクトロニクス微小ポンプまたはポンプ１６の一体化を容易にすることができる。
【００２３】
図５ａ、５ｂおよび６に示された本３ウェーハ構造３１は、ヒータ機構およびチャネル構造３１の特殊な下部キャップ４１の製造および組立にもかかわらず、本明細書で指摘された有利点を妥当な製造コストで実現することができる。直接曝露固定相、例えば固定相３５を有しない部分またはスペース４６に、膜２４の下のサンプルガスの流れがあることがある。はっきりさせるために、固定相または相互作用要素３５は図５ｂに示されていない。膜または支持物２４のへりに沿った開口、ポートまたは切取り部４５は、膜２４の両方の広い表面の圧力を等しくすることができる。下部キャップ４１は、機構３１の外の環境からの部分またはスペース４６の封じ込めまたは密封を行うことができる。チャネルスペース３２は、同様に、外部環境から保護または密封される。開口またはポート４５によって、膜２４およびスペース４６の１つの側のチャネルスペース３２は、他方の側と、システム１０によって分析される同じサンプルまたは分析物１１を共有することができる。ポートまたは開口４５の寸法の例には、長さ２００ミクロンおよび幅５ミクロンがあることがある。チャンバスペース３２の壁に近接した縁部に取り付けられた開口４５の間に、約２０ミクロンの膜２４があることがある。膜２４の２０ミクロンは、膜支持物６９と見なされることがある。各ポートまたは開口４５の間に支持物６９があることがある。
【００２４】
本構造３１は、ウェーハレベルで製造され、それによってそのコストを低く保つことができる。材料には、シリコン、１つまたは複数の重合体、および／または他の材料があることがある。本構造は、ＭＥＭＳ技術を用いて製造されることがある。３つのウェーハには、上部キャップ３０、膜２４を保持するための中間キャップ４２、およびスペース４６を含むための下部キャップ４１があることがある。膜の一方の側だけに固定相３５のある本構造３１の分解能の低下は、もしあったとして、同じ全体積ガス／液体比を維持しかつ膜２４の下のまたは近接したスペース４６を最小限にすることによって、修正されることがある。ウェーハ間（Ｗ−Ｗ）接着に使用される接着剤は、溶融されたとき非常に流動性があり、密封接着するように意図された領域をそのままにしておく傾向があることがある。代わりに、Ｗ−Ｗ接着は、部分的にベークされた重合体（例えば、ＳＵ８または同様なもの）の薄膜などのより粘性の高い材料を用いて行われて、より優れたより弾性の高い密封を実現し、さらに、密封表面から流れ出しかつ／またはチャネルを塞ぐ（例えば、内部で丸くなる）ことのないように、以前の構造で使用された液体インジウム「接着剤」を排除することができる。Ｗ−Ｗ接着は、粘性重合体、半田金属、および陽極接着を形成するための要素から成るグループからの材料を用いて行われることがある。
【００２５】
本構造３１は、膜２４の両方の広い表面をサンプル１１にさらすことを実現することができる。膜２４の２つの広い側の間に差圧がないために薄い層が圧力応力を受けないので、この薄い層を膜２４として構造化すること、またはエッチングすることが可能である。ヒータおよび固定相（相互作用要素）のためのこの薄膜および支持部材２４は、全体的な低製造コストと共に、優れた信頼性、応用性、エネルギー節約、集積化検出器感度、および微小ポンプとの一体化性を有する位相調整システム１０を実現することができる。
【００２６】
要約すると、本構造３１は、医療、産業、環境および行政用途のために、高いサンプル１１圧力、低電池使用、コンパクトさ、感度、携帯性、安全性（ＩＳ認証）、および他の要素への応用性に関する位相調整システム１０改善を実現することができる。
【００２７】
本３レベルまたはウェーハ位相調整構造３１は、それの固定相支持膜２４の破裂圧力によって制限されないサンプルガス圧力に耐え、そのような膜の低エネルギー動作を可能にし、さらにチャネル３２中に位置付けされた検出器１５および１８の高性能を可能にすることができる。検出器の高性能は、検出器の最上部と底部での分析物ピークへの曝露によっている可能性がある。
【００２８】
本構造３１は、以下の特徴を含むことができる。機構３１の構造材料としてＳｉに対してエポキシ樹脂または重合体を使用することで、例えば約１４９／０．２＝７４５であることがあるＳｉ／重合体の熱伝導度（ＴＣ）の比によって部分的に支配される係数だけ、加熱された膜２４からの熱の放散速度を減少させることができる。温度変化による反りを防ぐために、チャネル材料（例えば、ＳＵ８または同等物）は、シリコンウェーハに接着されることがある。分析物の吸着に対して有機チャネル材料を「不動態化」するために、不活性非触媒性かつ無視可能な吸着能力の材料４４（例えば、Ｎｉ、Ａｕ、または同様なもの）の非常に薄いコーティングが、共形コーティング方法によってチャネル３２の壁の内側に真空堆積されることがある。この材料は、また、ウェーハ４１および４２の内部表面であることがある、スペース４６の壁または内部表面に堆積されることがある。
【００２９】
ＣＮＴ（カーボンナノチューブ）は、本チャネルまたはスペース３２の固定相材料に似ていることがある、流体分析器の毛細管の内側の固定相材料３５として使用されることがある。また、位相調整事前濃縮器２１および／または分離器２３のチャネルの内部の相互作用要素３５としてＣＮＴを成長してもよい。そのような材料の特定の例は、ＧＣ要求に合わせて調整されてもよい「処理された」ＣＮＴ（おそらくＬａｗｒｅｎｃｅ Ｌｉｖｅｒｍｏｒｅ Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｌａｂｓから入手可能）であることがある。
【００３０】
Ｓｉ３Ｎ４（使用されることがある）、熱成長ＳｉＯ２、およびＳｉの膨張温度係数（ＴＣＥ）および膜歪みが、ここで表にそれぞれ示されている。この表から、中間膜材料が望ましいことを決定することができる。
【００３１】
【表１】
【００３２】
図７ａおよび７ｂは、構造３１の側面断面図および上面図をそれぞれ示す。本ウェーハ構造３１は、それぞれの毛細管が、通常行われるように、チップの長手方向寸法に対して直角ではなくほぼ平行な状態で、毛細管７１が入口および出口から位相調整チップに入りまた出るように毛細管７１を取り付けること可能にすることができ、これによって、スペースを節約し、大規模生産においてウェーハをチップダイシングすること（生産プロセスにいて水およびくずが位相調整チャネルに入らないように）との両立性を提供することができる。各毛細管７１は、エポキシ樹脂７２でウェーハ３０または他の適切な構造部分に取り付けられてもよい。図７ａに、下部キャップウェーハ４１、ヒータウェーハ４２および上部キャップウェーハ３０が示されている。図７ｂは、エポキシ樹脂７２を用いた毛細管７１取付けの上面図である。
【００３３】
図８は、例示の実施例として熱伝導度検出器（ＴＣＤ）１５または１８のような検出器の例示の実施例の配置を示し、この検出器は、本チャネル構造３１の支持部材または膜２４の中に配置されることがある。サンプル１１は、検出器要素７３の上および下を流れることができる。検出器１５、１８の位置は、チャネル構造３１の壁膜支持物６９およびチャネルスペース３２の近くのギャップまたは開口４５を含むことがある。リードアウト７４は、検出器要素７３への電気接続を行うことができる。検出器の寸法７５は、約１００ミクロンであることがある。図５ｂのポートまたはギャップ４５は、内部チャネル３２のチャネル構造３１の壁と一直線に並んでいるように見える。図８において、検出器１５または１８に関して、ギャップ４５は、チャネルまたはスペース３２の壁との整列から数ミクロン離れて一直線に並べられているように見える。検出器配置の様々な設計が実施されることがある。感知要素７３は、検出器の感度向上のために、支持部材または膜２４の両側に位置付けされるか、さらされることがある。
【００３４】
重合体膜をベースにしたセンサは、一般に、微量ガスにさらされると、膜抵抗率、誘電率、歪みおよび／または重量のどれかを変化させることがある。また、金属酸化物膜は、抵抗率を変化させ、検出器要素として働くことができる。多孔質のスピンコーティング可能な材料は、分析器１０の濃縮器２１および分離器２３のＧＣ事前濃縮および分離部分でそれぞれ使用されることがある。
【００３５】
また、重合体膜は、ＳＡＷ検出器（膜質量の変化に敏感な表面音響波）の形のガスクロマトグラフィでガス検出のために使用されることがある。有用な検出器の結果が、ＭＰＮ（ドデカンチオール単分子層で保護された金ナノ粒子）膜で得られることがあり、ＭＰＮ膜は、異なるガスにさらされたとき、電気伝導度が変化する。この膜は、毛細管カラムまたはチャネルでＧＣ分離器膜として使用されたとき、優れた結果を有することがある。
【００３６】
本明細書において、内容の一部は、他のやり方または時制で述べられているが、仮説的または予言的性質のものであることがある。
本発明は、少なくとも１つの例示の実施例に関連して説明されたが、本明細書を読むと、多くの変形物および修正物が当業者には明らかになるだろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、全てのそのような変形物および修正物を含むように、従来技術を考慮してできるだけ広く解釈される意図である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】本チャネルおよび熱伝導度検出器を含むことができる検出強化流体分析器用の例示の位相調整ヒータアレイ構造を示すシステム図である。
【図２】位相調整ヒータ配列を示す上面図である。
【図３】ヒータ配列および関連した相互作用要素を示す断面図である。
【図４】位相調整ヒータ配列の動作を示すグラフである。
【図５Ａ】分析器のチャネルの例示の実施例を示す断面図である。
【図５Ｂ】分析器のチャネルの例示の実施例を示す上面図である。
【図６】分析器のチャネルの他の例示の実施例を示す断面図である。
【図７Ａ】分析器のチャネルへの毛細管取付けの例示の実施例を示す断面図である。
【図７Ｂ】分析器のチャネルへの毛細管取付けの例示の実施例を示す上面図である。
【図８】分析器のチャネル中に位置付けされた熱伝導度検出器の例示の実施例を示す上面図である。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体分析器用のチャネル構造であって、
第１のウェーハと、
前記第１のウェーハ上に位置付けされた第２のウェーハと、
前記第２のウェーハ上に位置付けされた膜と、
前記膜上に位置付けされた第３のウェーハと、
前記膜上に位置付けされた、前記流体分析器の固定相と、
前記固定相に面した開放側を有する、前記第３のウェーハ中に位置付けされた第１のチャネルと、
前記膜に面した開放側を有する、前記第１のウェーハ中に位置付けされた第２のチャネルと、を備えるチャネル構造。
【請求項２】
前記膜が、前記第１のチャネルと第２のチャネルとの間に開口を有する、請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記固定相に近接した前記膜中に位置付けされたヒータをさらに備える、請求項２に記載の構造。
【請求項４】
前記膜の前記開口が、前記第１および第２のチャネル中の圧力を等しくし、かつ前記加熱された膜と少なくとも１つのチャネルの１つまたは複数の壁との間の熱伝導を妨げる、請求項３に記載の構造。
【請求項５】
前記膜中に位置付けされた検出器をさらに備え、
前記検出器が、前記第１のチャネルに面しかつ前記第２のチャネルに面する感知領域を有する、請求項２に記載の構造。
【請求項６】
前記第１のウェーハ、前記第２のウェーハ、前記第３のウェーハおよび前記膜を備える構造の少なくとも１つの要素が、シリコンよりも低熱伝導度の材料を備える、請求項１に記載の構造。
【請求項７】
分析器用の流体の流れのための構造であって、
中間ウェーハの長くされた寸法に沿って位置付けされた開口を有する中間ウェーハと、
前記中間ウェーハの前記開口に近接して位置付けされ、前記中間ウェーハの前記長くされた寸法にほぼ平行な長くされた寸法を有する支持部材と、
前記中間ウェーハの前記長くされた寸法にほぼ平行なトップキャップ・ウェーハの長くされた寸法に沿ってチャネルを有するトップキャップ・ウェーハであって、前記チャネルが、前記中間ウェーハの前記長くされた寸法に沿って開口を有し、かつ、前記支持部材に面した前記チャネルの前記開口を有するトップキャップ・ウェーハと、
前記中間ウェーハに近接して位置付けされ、前記トップキャップ・ウェーハの前記チャネルに面した前記中間ウェーハの前記開口の側と反対の、前記中間ウェーハの前記開口の側を覆う下部キャップウェーハと、を備える構造。
【請求項８】
前記支持要素が、前記トップキャップの前記チャネルと前記中間ウェーハの前記開口との間に少なくとも１つの穴を有する、請求項７に記載の構造。
【請求項９】
前記支持部材中に位置付けされた少なくとも１つのヒータ要素と、
前記ヒータ要素に近接した少なくとも１つの相互作用要素と、をさらに備える、請求項８に記載の構造。
【請求項１０】
前記支持部材および前記相互作用要素の表面が、サンプル流体にさらされることができ、
前記支持部材中の検出器が、前記トップキャップの前記チャネル間の前記開口に面した前記支持部材の表面に近接しかつ前記中間ウェーハの前記開口に面した表面に近接した能動感知領域を有することがある、請求項９に記載の構造。
【請求項１１】
前記支持部材が、粘性重合体、半田金属、および陽極接着を形成するための要素から成るグループからの材料を用いて、前記中間ウェーハに接着され、
前記トップキャップ・ウェーハが、粘性重合体、半田金属、および陽極接着を形成するための要素から成るグループからの材料を用いて、前記支持部材に接着され、
前記下部キャップウェーハが、粘性重合体、半田金属、および陽極接着を形成するための要素から成るグループからの材料を用いて、前記中間ウェーハに接着される、請求項７に記載の構造。
【請求項１２】
前記チャネルが、入口および出口を有し、
前記入口が、これに結合された第１の毛細管を有し、
前記出口が、これに結合された第２の毛細管を有する、請求項７に記載の構造。
【請求項１３】
前記第１の毛細管が、エポキシ樹脂で前記チャネルの前記入口に結合された一端を有し、
前記第２の毛細管が、エポキシ樹脂で前記チャネルの前記出口に結合された一端を有し、
前記第１および第２の毛細管が、前記チャネルの前記長くされた寸法に平行な面内で前記チャネル入口および出口にそれぞれ結合されている、請求項９に記載の構造。
【請求項１４】
熱ポンプが、前記支持部材中の前記少なくとも１つのヒータ要素間に一体化されている、請求項９に記載の構造。
【請求項１５】
支持ウェーハと、
第１のチャネルを形成するように前記支持ウェーハの第１の側に位置付けされた第１のキャップウェーハと、
第２のチャネルを形成するように前記支持ウェーハの第２の側に位置付けされた第２のキャップウェーハと、を備える流体分析器用のチャネルであって、
前記支持ウェーハが、前記第１のチャネルと前記第２のチャネルの間に少なくとも１つの開口を有するチャネル。
【請求項１６】
前記支持ウェーハ中に位置付けされた少なくとも１つのヒータ要素と、
前記少なくとも１つのヒータ要素に近接した少なくとも１つの相互作用要素と、をさらに備える、請求項１５に記載のチャネル。
【請求項１７】
前記第１のチャネルの入口に結合された第１の毛細管と、
前記第１のチャネルの出口に結合された第２の毛細管と、をさらに備え、
前記第１および第２の毛細管が、前記支持ウェーハの前記入口と前記出口を横切る線にほぼ平行に並べられている、請求項１５に記載のチャネル。
【請求項１８】
前記第１のキャップウェーハが、粘性材料の薄い層で前記支持ウェーハの前記第１の側に接着され、さらに、
前記第２のキャップウェーハが、粘性材料の薄い層で前記支持ウェーハの前記第２の側に接着されている、請求項１５に記載のチャネル。
【請求項１９】
前記第１のチャネルの中に一体化され、少なくとも１つのヒータ要素および弁を備える熱ポンプをさらに備える、請求項１６に記載のチャネル。
【請求項２０】
前記支持ウェーハ中に位置付けされた検出器をさらに備え、
前記検出器が、前記支持ウェーハの前記第１の側および前記第２の側に感知用曝露部分を有する、請求項１５に記載のチャネル。
【請求項１】
流体分析器用のチャネル構造であって、
第１のウェーハと、
前記第１のウェーハ上に位置付けされた第２のウェーハと、
前記第２のウェーハ上に位置付けされた膜と、
前記膜上に位置付けされた第３のウェーハと、
前記膜上に位置付けされた、前記流体分析器の固定相と、
前記固定相に面した開放側を有する、前記第３のウェーハ中に位置付けされた第１のチャネルと、
前記膜に面した開放側を有する、前記第１のウェーハ中に位置付けされた第２のチャネルと、を備えるチャネル構造。
【請求項２】
前記膜が、前記第１のチャネルと第２のチャネルとの間に開口を有する、請求項１に記載の構造。
【請求項３】
前記固定相に近接した前記膜中に位置付けされたヒータをさらに備える、請求項２に記載の構造。
【請求項４】
前記膜の前記開口が、前記第１および第２のチャネル中の圧力を等しくし、かつ前記加熱された膜と少なくとも１つのチャネルの１つまたは複数の壁との間の熱伝導を妨げる、請求項３に記載の構造。
【請求項５】
前記膜中に位置付けされた検出器をさらに備え、
前記検出器が、前記第１のチャネルに面しかつ前記第２のチャネルに面する感知領域を有する、請求項２に記載の構造。
【請求項６】
前記第１のウェーハ、前記第２のウェーハ、前記第３のウェーハおよび前記膜を備える構造の少なくとも１つの要素が、シリコンよりも低熱伝導度の材料を備える、請求項１に記載の構造。
【請求項７】
分析器用の流体の流れのための構造であって、
中間ウェーハの長くされた寸法に沿って位置付けされた開口を有する中間ウェーハと、
前記中間ウェーハの前記開口に近接して位置付けされ、前記中間ウェーハの前記長くされた寸法にほぼ平行な長くされた寸法を有する支持部材と、
前記中間ウェーハの前記長くされた寸法にほぼ平行なトップキャップ・ウェーハの長くされた寸法に沿ってチャネルを有するトップキャップ・ウェーハであって、前記チャネルが、前記中間ウェーハの前記長くされた寸法に沿って開口を有し、かつ、前記支持部材に面した前記チャネルの前記開口を有するトップキャップ・ウェーハと、
前記中間ウェーハに近接して位置付けされ、前記トップキャップ・ウェーハの前記チャネルに面した前記中間ウェーハの前記開口の側と反対の、前記中間ウェーハの前記開口の側を覆う下部キャップウェーハと、を備える構造。
【請求項８】
前記支持要素が、前記トップキャップの前記チャネルと前記中間ウェーハの前記開口との間に少なくとも１つの穴を有する、請求項７に記載の構造。
【請求項９】
前記支持部材中に位置付けされた少なくとも１つのヒータ要素と、
前記ヒータ要素に近接した少なくとも１つの相互作用要素と、をさらに備える、請求項８に記載の構造。
【請求項１０】
前記支持部材および前記相互作用要素の表面が、サンプル流体にさらされることができ、
前記支持部材中の検出器が、前記トップキャップの前記チャネル間の前記開口に面した前記支持部材の表面に近接しかつ前記中間ウェーハの前記開口に面した表面に近接した能動感知領域を有することがある、請求項９に記載の構造。
【請求項１１】
前記支持部材が、粘性重合体、半田金属、および陽極接着を形成するための要素から成るグループからの材料を用いて、前記中間ウェーハに接着され、
前記トップキャップ・ウェーハが、粘性重合体、半田金属、および陽極接着を形成するための要素から成るグループからの材料を用いて、前記支持部材に接着され、
前記下部キャップウェーハが、粘性重合体、半田金属、および陽極接着を形成するための要素から成るグループからの材料を用いて、前記中間ウェーハに接着される、請求項７に記載の構造。
【請求項１２】
前記チャネルが、入口および出口を有し、
前記入口が、これに結合された第１の毛細管を有し、
前記出口が、これに結合された第２の毛細管を有する、請求項７に記載の構造。
【請求項１３】
前記第１の毛細管が、エポキシ樹脂で前記チャネルの前記入口に結合された一端を有し、
前記第２の毛細管が、エポキシ樹脂で前記チャネルの前記出口に結合された一端を有し、
前記第１および第２の毛細管が、前記チャネルの前記長くされた寸法に平行な面内で前記チャネル入口および出口にそれぞれ結合されている、請求項９に記載の構造。
【請求項１４】
熱ポンプが、前記支持部材中の前記少なくとも１つのヒータ要素間に一体化されている、請求項９に記載の構造。
【請求項１５】
支持ウェーハと、
第１のチャネルを形成するように前記支持ウェーハの第１の側に位置付けされた第１のキャップウェーハと、
第２のチャネルを形成するように前記支持ウェーハの第２の側に位置付けされた第２のキャップウェーハと、を備える流体分析器用のチャネルであって、
前記支持ウェーハが、前記第１のチャネルと前記第２のチャネルの間に少なくとも１つの開口を有するチャネル。
【請求項１６】
前記支持ウェーハ中に位置付けされた少なくとも１つのヒータ要素と、
前記少なくとも１つのヒータ要素に近接した少なくとも１つの相互作用要素と、をさらに備える、請求項１５に記載のチャネル。
【請求項１７】
前記第１のチャネルの入口に結合された第１の毛細管と、
前記第１のチャネルの出口に結合された第２の毛細管と、をさらに備え、
前記第１および第２の毛細管が、前記支持ウェーハの前記入口と前記出口を横切る線にほぼ平行に並べられている、請求項１５に記載のチャネル。
【請求項１８】
前記第１のキャップウェーハが、粘性材料の薄い層で前記支持ウェーハの前記第１の側に接着され、さらに、
前記第２のキャップウェーハが、粘性材料の薄い層で前記支持ウェーハの前記第２の側に接着されている、請求項１５に記載のチャネル。
【請求項１９】
前記第１のチャネルの中に一体化され、少なくとも１つのヒータ要素および弁を備える熱ポンプをさらに備える、請求項１６に記載のチャネル。
【請求項２０】
前記支持ウェーハ中に位置付けされた検出器をさらに備え、
前記検出器が、前記支持ウェーハの前記第１の側および前記第２の側に感知用曝露部分を有する、請求項１５に記載のチャネル。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図６】
【図７Ａ】
【図７Ｂ】
【図８】
【公表番号】特表２００９−５３４６２９（Ｐ２００９−５３４６２９Ａ）
【公表日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５００５３７（Ｐ２００９−５００５３７）
【出願日】平成１９年２月１３日（２００７．２．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０６２０６８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／００５５８８
【国際公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年９月２４日（２００９．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年２月１３日（２００７．２．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０６２０６８
【国際公開番号】ＷＯ２００８／００５５８８
【国際公開日】平成２０年１月１０日（２００８．１．１０）
【出願人】（５００５７５８２４）ハネウェル・インターナショナル・インコーポレーテッド (1,504)
【Ｆターム（参考）】
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