熱分析センサとこれを用いた熱分析装置
【課題】基板から熱分離した熱容量が極めて小さな薄膜に温度センサと試料ホルダを形成して、消費電力が小さく、高速応答の外部からの加熱手段で、少なくとも試料ホルダを均一な温度分布にする熱分析センサを実現し、これを用いた熱分析装置を提供する。
【解決手段】ＳＯＩ層などをカンチレバ状に形成した薄膜の先端部を試料ホルダとして利用し、この領域に薄膜温度センサを形成する。このＳＯＩ層のカンチレバの上側と下側に空隙を介して薄膜を挟むダイアフラムに加熱手段としての薄膜ヒータを形成するか、または薄膜を囲む薄膜ヒータを形成して試料ホルダを一様に加熱できるように加熱手段を有する熱分析センサを構成する。
【解決手段】ＳＯＩ層などをカンチレバ状に形成した薄膜の先端部を試料ホルダとして利用し、この領域に薄膜温度センサを形成する。このＳＯＩ層のカンチレバの上側と下側に空隙を介して薄膜を挟むダイアフラムに加熱手段としての薄膜ヒータを形成するか、または薄膜を囲む薄膜ヒータを形成して試料ホルダを一様に加熱できるように加熱手段を有する熱分析センサを構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板から熱分離した薄膜に形成した薄膜温度センサと試料ホルダと、この薄膜を略一様加熱するための加熱手段を具備した熱分析センサ、およびこれを用いた熱分析装置に関するもので、試料ホルダにある試料が生体試料である場合には、酵素反応を用いた熱型バイオセンサとして利用でき、また、熱容量の小さな加熱手段による温度走査により、試料のエンタルピ変化などを利用した低消費電力で極微量試料の検出ができる熱分析装置として利用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、示差熱量計としての熱分析装置があった。この装置では、試料ホルダが金属板からなる入れ物であり、二個の試料ホルダを温度制御された電気炉で所定の温度プログラムで温度走査のさせるもので、一方の試料ホルダには、非検出試料を設置し、他方には、標準試料を設置しておき、温度上昇に伴い、非検出試料にエンタルピ変化があると、このときの時刻で標準試料と非検出試料との間に温度差が生じるので、この温度差を時間経過とともに表示し、非検出試料の物性などを調べる装置があった。しかし、この従来の熱分析装置では、試料ホルダの熱容量が大きく、多量の非検出試料が必要であり、応答時間もその分遅く、試料ホルダを加熱する電気炉は、断熱材で覆うなど熱容量が大きいので、電力消費が大きく、更に応答時間も極めてゆっくりで、一回の計測に数時間かかるものであった。
【０００３】
これに対し本出願人は、基板から熱分離した薄膜に、少なくとも１個の試料ホルダと薄膜ヒータとを備え、所定の温度プログラムにより温度走査する熱分析装置を発明し（特許第３３７７１６２号；ＵＳＰ−６３３１０７４）、基板から熱分離した薄膜が７００μｍ角程度で、厚みが１０μｍ程度のものを利用した場合には、水のエンタルピ変化である沸点検出は、数十秒程度で検出できることを示した。
【０００４】
本出願人は、基板から熱分離した薄膜に、１個の薄膜ヒータと１個の温度センサＴｈＡと、更に、この薄膜ヒータから離れた箇所の薄膜にもう一つの温度センサＴｈＢを有する気体センシングデバイスを発明し（特願２００３−０７６６１９）、フローセンサ、ピラニ型真空センサや絶対湿度センサなどに利用できること、更に、温度センサＴｈＢの箇所に特定の酵素を薄膜に固定しておくことによる熱型バイオセンサとして利用できることも示した。
【０００５】
しかしながら、本出願人が発明した熱分析装置（特許第３３７７１６２号；ＵＳＰ−６３３１０７４）においては、微量液体の検出において、温度の走査時間中に試料の蒸発があり、時間経過と共に液体試料量が減少してしまうので、これを防ぐ工夫が必要であること、また、極微量液体試料の試料ホルダへの導入方法の問題、さらに、同一薄膜にマイクロヒータと温度センサとが形成されているために、マイクロヒータの熱容量が余分に存在し、また、薄膜内に加熱時の温度分布がやはり存在するので高感度で高精度になりにくいので、改良する必要があった。
【０００６】
また、本出願人が発明した気体センシングデバイスをバイオセンサとして利用するのに、やはり、極微量液体の導入問題、特に、温度の異なる液体試料をどのようにして試料ホルダにある酵素固定領域へ、一定量だけ導入するかの問題が存在していた。
【特許文献１】特許第３３７７１６２号公報
【特許文献２】特開２００４−２８６４９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする課題は、熱容量が極めて小さな薄膜に温度センサと試料ホルダを形成して、温度に対して高速応答で、高感度で、高精度な温度センサであり、しかも均一な温度分布を実現すること、更に消費電力が小さく、高速応答の上記薄膜の外部に加熱手段を形成すること、極微量液体試料を定量分だけ試料ホルダに導入し、蒸発を防ぐようにした熱分析センサを提供し、更にこれを用いた超小型の熱分析装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に係わる熱分析センサは、基板１から第１の空洞３を介して熱分離した薄膜２に、少なくとも１個の薄膜温度センサ５と試料ホルダ６とを備え、薄膜２のうちの少なくとも試料ホルダ６を略一様に昇温させる加熱手段を有し、この加熱手段は空隙３０を介して試料ホルダ６を囲む構造であり、試料ホルダ６に導入した試料の熱反応に基づく温度変化を前記薄膜温度センサ５で検出するようにしたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の請求項２に係わる熱分析センサは、加熱手段として、薄膜ヒータ２０とした場合である。
【００１０】
また、本発明の請求項３に係わる熱分析センサは、薄膜ヒータ２０として、薄膜２に形成された試料ホルダ６を上下で挟む形で構成してある一対の薄膜ヒータ２１、２２とした場合である。一方の薄膜ヒータ２１は、薄膜２を支持する基板１の第１の空洞３を介して直接形成したダイアフラム２５か、または基板１の薄膜２とは反対側に密着形成してある別の基板のダイアフラム２５に形成できる。他方の薄膜ヒータ２２は、基板１に密着形成した更に別の基板１０に形成されている第２の空洞１３を介して形成してあるダイアフラム２６に形成できる。
【００１１】
また、本発明の請求項４に係わる熱分析センサは、薄膜温度センサ５として、トランジスタサーミスタ、ダイオードサーミスタもしくは薄膜熱電対を用いた場合である。
【００１２】
また、本発明の請求項５に係わる熱分析センサは、試料ホルダ６に酵素７を固定した場合である。
【００１３】
また、本発明の請求項６に係わる熱分析センサは、毛細管現象もしくは電気浸透流により液体試料を試料ホルダ６に導くようにした場合である。
【００１４】
また、本発明の請求項７に係わる熱分析センサは、液体試料が蒸発し難いように試料ホルダ６に薄膜カバー５５を設けた構造の場合である。もちろん、試料注入孔から試料ホルダ６に至るまでのチャネル部分にも薄膜カバー５５を延在するなどして設けた方が良いし、液体試料に対してその液体に対して親和力が大きい材料を薄膜カバー５５の材料とした方が、毛細管現象を利用しやすいので好都合である。
【００１５】
また、本発明の請求項８に係わる熱分析装置は、請求項１から７に記載しているいずれかの熱分析センサを有し、その加熱手段の温度を制御する温度制御手段を具備してあり、この熱分析センサの試料ホルダ６に設置した試料の熱反応に基づく温度変化を、この熱分析センサの薄膜温度センサ５で検出するようにしたことを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の請求項９に係わる熱分析装置は、温度制御手段として、一定温度に保持したり、所定のプログラムに基づき温度走査ができるようにした場合である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の熱分析センサは、基板１から第１の空洞３を介して熱分離した薄膜２に、薄膜温度センサ５と試料ホルダ６とを備えてあり、この薄膜２を加熱手段は空隙３０介して薄膜２を取り囲む構造であるので、特に、空隙３０を狭くしておけば対流も無視できるようになり、容易に試料ホルダ６を略一様に昇温させる加熱させることができるという利点があり、更に、薄膜温度センサ５と試料ホルダ６とは、同一の宙に浮いた構造の薄膜２に形成されているので、熱容量が小さく、高速にしかも低消費電力で昇温させることができるという利点がある。
【００１８】
本発明の熱分析センサは、加熱手段として、薄膜ヒータ２０としているので、高速応答で、低消費電力のヒータとなり、しかも、ジュール加熱にすれば、電力供給の制御により微細な温度制御が可能になるという利点がある。
【００１９】
本発明の熱分析センサは、薄膜ヒータ２０として、薄膜２を支持する基板１を上下に密着形成した基板１０，１１にそれぞれ空洞３１，３２を介して形成されたダイアフラムに形成された場合で、特に、基板としてシリコン単結晶を利用すると、半導体のＭＥＭＳ技術が使用できるので、容易に、しかも同一基板に集積回路としての制御回路、演算回路、メモリ回路、駆動回路なども形成できるから、超小型の熱分析センサチップが作成できるとともに、これを熱分析装置に用いた場合、ハンディな熱分析装置が提供できるという利点がある。
【００２０】
本発明の熱分析センサは、薄膜温度センサ５として、極めて高感度で、超小型となるトランジスタサーミスタ、ダイオードサーミスタもしくは電流検出型熱電対を用いると、半導体の製作工程で一般に用いられているフォトリソグラフィーが利用できるし、大量生産性があるので、安価で、高感度の熱分析センサが達成できるという利点がある。
【００２１】
本発明の熱分析センサは、試料ホルダ６に酵素を固定すると、酵素反応を利用して、非検出試料中の特定物質成分との発熱反応から、極微量成分の分析ができる熱型バイオとして利用することができる。
【００２２】
また、基板１から熱分離した複数の薄膜２を基板１に形成し、それぞれの薄膜２に薄膜温度センサ５と試料ホルダ６と、異なる酵素を薄膜状に形成しておき、そこに非検出試料を導入できるようにしておくことにより、一気にそれぞれに対応する物質成分を特定することができるという利点がある。
【００２３】
本発明の熱分析センサは、毛細管現象もしくは電気浸透流により液体試料を試料ホルダ６に導くようにしてあるので、液体試料を一定量導入することが容易であるという利点がある。特に、毛細管現象を利用する場合は、試料の駆動部や電力が不必要であるという利点があり、電気浸透流を利用することにより、容易に、しかも高速に試料の導入が可能であるという利点がある。
【００２４】
本発明の熱分析センサは、液体試料が蒸発し難いように試料ホルダ６に薄膜カバー５５を設けてあるので、揮発性の試料でも熱分析ができると共に、この熱容量の極めて小さい薄膜カバーを利用して、所定の一定量の液体試料を試料ホルダに導入することができるという利点がある。
【００２５】
本発明の熱分析装置は、上述の利点を有する熱分析センサを利用するので、その加熱手段の温度を制御する温度制御手段も極めて小型で低消費電力にできるので、ハンディな熱分析装置を提供できるという利点がある。
【００２６】
本発明の熱分析装置は、上述の利点を有する熱分析センサを利用し、温度制御手段として、一定温度に保持できるようにしてあるので、例えば、試料ホルダとそこにある固定された薄膜状の酵素が最も活性な温度に保持して、そこに導入された液体試料中の特定成分の発熱的酵素反応により、その特定成分の種類と量を容易に分析できるという利点がある。
【００２７】
本発明の熱分析装置は、上述の利点を有する熱分析センサを利用し、温度制御手段として、所定のプログラムに基づき温度走査ができるようにしてあるので、液体試料ばかりでなく、極微量の固体試料も熱分析ができるハンディな熱分析装置が提供できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
ＳＯＩ基板のＳＯＩ層をカンチレバ状に形成し、この先端部を例えば幅広に形成して試料ホルダとして利用し、更に、この領域に薄膜温度センサを形成する。さらに、このＳＯＩ層のカンチレバの上側と下側に空隙を介してダイアフラムを形成してここに加熱手段としての薄膜ヒータを形成して、カンチレバの試料ホルダを一様に外部から加熱できるような加熱手段を有する熱分析センサを構成する。
【００２９】
上記の加熱手段を有する熱分析センサからの信号を増幅する回路、信号から所望の特性を算出する演算回路、加熱手段である薄膜ヒータの温度を制御する温度制御手段としての温度制御回路などの集積回路を、薄膜温度センサや試料ホルダを有するＳＯＩ層のカンチレバが形成されている同一のＳＯＩ基板に形成して、熱分析装置を構成する。このように熱分析センサ部とこれを駆動し演算する集積回路などを同一ＳＯＩ基板に形成することにより極めてコンパクトな熱分析装置が提供できる。
【実施例１】
【００３０】
図１は、本発明の熱分析センサを酵素反応に基づく熱型バイオセンサとした一実施例で、この熱分析センサのうちの熱分離した薄膜２を有する基板１の部分の平面概略図で、基板１からの熱分離のために中に浮いた薄膜２をカンチレバ９として実施した場合である。図２は、熱分析センサの一実施例を示す横断面の概略図であって、図１に示した基板１に基板１０の蓋１２を接合してあり、この蓋１２にも薄膜ヒータ２２を形成してあり、薄膜２を一様に加熱するようにしている。
【００３１】
基板１として、シリコン単結晶を用いた（１００）面のＳＯＩ基板を用い、ＳＯＩ基板にＳＯＩ層８の少なくとも一部を残して第１の空洞３を形成し、この第１の空洞３を介してカンチレバ９の形態で熱分離したＳＯＩ層８Aを薄膜２として利用する。この薄膜２に薄膜温度センサ５と試料ホルダ６を形成しておく。薄膜温度センサ５は、薄膜熱電対（例えば、縮退するほど高濃度のｎ型層を薄膜熱電対の要素５Ａとし、ニッケル薄膜を薄膜熱電対の要素５Ｂとして形成することで作成できる）を用いた場合であり、試料ホルダ６は単に、カンチレバ９の先端部を幅広にして、そこに、例えば、グルコースオキシダーゼなどの酵素７を薄膜状に固定した例である。
【００３２】
カンチレバ９の薄膜２を形成している基板１と同様に、図２に示すように、シリコン単結晶の（１００）面を有するＳＯＩ基板である基板１０を用い、上記熱分離した薄膜２の試料ホルダ６よりも十分大きな面積で、この試料ホルダ６を囲むように、２枚の基板１，１０にそれぞれ第１の空洞３と第２の空洞１３を介して２枚のダイアフラム２５，２６を形成し、これらのダイアフラム２５，２６に半導体の不純物拡散により低抵抗層領域を形成して、シリコン単結晶薄膜からなる面発熱する２枚の薄膜ヒータ２１，２２を作成する。これらの薄膜ヒータ２１，２２の領域は、試料ホルダ６を挟みこむように形成してあり、この試料ホルダの面積よりも十分大きく形成してあるので、試料ホルダ６がほぼ一様に加熱され、均一な温度分布になるようにしてある。
【００３３】
第１の空洞３と第２の空洞１３は、ヒドラジン水溶液などのシリコンの異方性エッチングにより容易に形成できるが、基板１に形成するダイアフラム２５は、異方性エッチングに耐性があるホウ素の高濃度添加により形成すると好都合である。この場合、ホウ素添加のシリコンはｐ型となるので、基板１であるＳＯＩ基板の下地基板はｎ型になるようにしておくと良い。
【００３４】
試料ホルダ６の温度と、そこに固定した酵素７と導入された試料６０との熱反応に基づく温度変化は、試料ホルダ６内に形成されている薄膜温度センサ５を利用して計測する。本実施例では、薄膜熱電対を薄膜温度センサ５として使用した場合であり、試料ホルダ６の温度を、薄膜熱電対を普通の熱電対（開放起電力の計測を利用する電圧検出型）として基板１と試料ホルダ６の温度差を検出しても良いし、本出願人が発明した薄膜熱電対をＯＰアンプの仮想短絡などのより等価的に短絡して、そこを流れる電流から温度差を計測する、所謂、電流検出型の熱電対として基板１と試料ホルダ６の温度差を検出しても良い。その場合、基板１の温度は、基板１に設けてあるサーミスタ１５を使用するとよい。本実施例では、薄膜熱電対の要素５A、５B として、それぞれ高濃度ｎ型シリコン層とニッケル薄膜とを使用した例であり、電流検出型の熱電対として使用する場合を示した。
【００３５】
酵素７としてグルコースオキシダーゼの場合、液体試料としてグルコース水溶液を用いると、試料ホルダ６の温度が３７℃程度になるように２枚の薄膜ヒータ２１，２２の温度を調節するとよい。液体の試料６０としてのグルコース水溶液は、試料注入孔１６から導入され、チャネル１７を毛細管現象で試料ホルダ6の方に移動し、途中37℃程度に暖められながら試料ホルダ６に固定してある薄膜状に固定したグルコースオキシダーゼと反応して、グルコースが酸化されて発熱反応を起こし、グルコースの濃度に応じて発熱量が変化するので、それに対応して試料ホルダ６が温度上昇するので、薄膜温度センサ５によるこの温度検出からグルコース水溶液の濃度を知ることができる。グルコース水溶液は、血液や尿、更には唾液などの体液を使用し校正すると、所謂、血糖値などを計測できる。
【００３６】
本実施例では、液体試料を用いた場合であるから、チャネル１７を通る液体試料が蒸発しないように薄膜カバー５５をチャネル１７上に被せてあり、毛細管現象も起こりやすくしている。薄膜カバー５５は、薄膜状態に固定した酵素７の上にも薄膜カバー５５を分割するなどして、試料ホルダ６上にまで延在させると、試料ホルダ６からの蒸発を抑制することもできる。
【実施例２】
【００３７】
図３は、本発明装置の加熱手段を有する熱分析センサを酵素反応に基づく熱型バイオセンサとして実施した一実施例であり、実施例１で述べた図１と図２に示した熱分析センサのうち、試料注入孔１６とチャネル１７とを除くセンシング部分（Ｓ１−Ｓ１４）を複数個（本実施例では１４個）設けた場合である。センシング部分には異なる酵素７を固定しておき、それぞれの酵素７が特定の物質と熱反応しやすい温度に設定しておく。試料注入孔１６から注入した液体の試料６０がチャネル１７を通って各センシング部分（Ｓ１−Ｓ１４）に流入する。試料６０と反応する酵素７を固定してある箇所のＳ１からＳ１４のうちのセンシング部分、例えば、Ｓ３のみが温度上昇するので、この特定酵素に反応する試料６０の成分を特定できるし、その発熱量から試料６０の反応している成分の量を計測することもできる。
【実施例３】
【００３８】
図４は、極微量の試料６０の熱分析するための本発明の熱分析センサの一実施例を示す模式図であり、同図（A）は、その断面構造図であり、同図（B）は、熱分析センサのうちの脱着可能なセンサチップ３００部分のみを抜き出して表示した断面構造図である。このセンサチップ３００は、例えば、使い捨て型（デスポーザブル型）として、安価に作成できるようにすることもできる。
【００３９】
図４（B）のセンサチップ３００から説明すると、単結晶シリコンの基板１から例えば異方性エッチング技術により空洞３を形成してカンチレバ型の基板１から熱分離した薄膜２を作成してある。薄膜２には、試料ホルダ６、薄膜温度センサ５としての薄膜熱電対、この薄膜熱電対の要素５A,５Bをカンチレバ型の薄膜２に延在して形成してあり、また、熱分析をする試料６０がその先端部にある試料ホルダ６に載せるようにしてある。基板１の側には、薄膜状の延在してある薄膜熱電対の要素５A,５Bからの電極として、厚めにした薄膜温度センサ用電極４１A，４１Bを形成してあり、ケース２００に装着後、ケース２００側の電極である薄膜温度センサ用接点４１Ｃ，４１Ｄと電気的に接続できるようにしてある。また、基板１の側には、基板１に形成した温度センサであるサーミスタ１５が形成されてあり、基板１の温度を検出して、そこを基準にして試料ホルダ６の微細な温度変化が薄膜熱電対である薄膜温度センサ５の出力から計測できるようにしてある。薄膜熱電対は、上述の電流検出型の熱電対としても使用することができる。なお、センサチップ３００は、脱着可能な形態をとっているので、ハンドリングがしやすいように、プラスチックなどのチップカバー３１０がしてあり、しかも、ケース２００への挿入時にその位置が定められるように、ストッパ３５０を付けてある。図では、チップカバー３１０が基板１の表面側にのみ形成してあるように描いているが、基板１をチップカバー３１０で包むようにしても良いことはもちろんで、むしろ、その方が、取扱に便利である。
【００４０】
図４（A）は、図４（B）で図示したセンサチップ３００をケース２００に装着した場合の図であり、断熱材でできているケース２００の内部には、薄膜ヒータ２０がケース２００の内側から空隙３１を介して宙に浮いた構造で形成されてあり、この薄膜ヒータ２０は、挿入されたセンサチップ３００の試料６０を搭載した薄膜２とは空隙３０で空間的に分離してあり、試料６０が一様に加熱されるように、薄膜２をほぼ密閉構造で取り囲むように形成してある。薄膜ヒータ２０と薄膜熱電対である薄膜温度センサ５からの端子は、配線１０１を介してケース２００の外側にそれぞれ薄膜ヒータ用端子４５A‘、４５B’と薄膜温度センサ用端子４１A‘，４１B’として形成してある。
【００４１】
本実施例の熱分析センサの動作の概要を説明すると次のようである。センサチップ３００の先端付近の試料ホルダ６に固体や液体の試料６０を、例えば定量だけ搭載し、ケース２００内に装着する。薄膜ヒータ２０に薄膜ヒータ用端子４５A‘、４５B’を通して電流を流して、薄膜ヒータ２０を温度上昇または降下させ、試料６０を搭載した薄膜２の温度を上昇または降下などの温度走査をさせる。この温度制御は、時間と共に直線的に温度を上昇や降下させるなど、薄膜ヒータ２０の温度を所定のプログラムで温度走査を行う。所定のプログラムは、試料６０を搭載しない空のセンサチップ３００、または、試料６０の代わりに、標準試料を搭載させて、試料ホルダ６のところの薄膜温度センサ５を用いて、温度上昇のテストを行っておき、これを基にして定めるとよい。試料６０の温度を時間と共に上昇させて行くと、試料６０の融点、沸点や更には他の状態の変化、また、化学反応に基づくエンタルピ変化で、熱の発生や吸熱反応が伴うので、特定の温度になったときに温度変化が発生する。試料６０が存在しないときや標準試料のときでは、その温度では何も起こらないので、試料６０がある場合と、ない場合または標準試料との時間経過に伴う温度変化の差を求めることにより、試料６０の熱特性が求められる。このようにして、試料６０の熱分析が可能になる。
【００４２】
上述の本発明の熱分析センサを用いた熱分析の実施例では、温度走査のための所定のプログラムは、試料６０を搭載しない空のセンサチップ３００、または、試料６０の代わりに、標準試料を搭載させて行う場合を示したが、初めから一つの基板１に、薄膜温度センサ５や試料ホルダ６を有する２個の同等なカンチレバ型の薄膜２を形成しておき、一方に試料６０を搭載し、他方には、標準試料か、空の試料状態（試料６０がない状態）にして、同時に温度走査を行い、これらの差動動作により差温度を時間と共に出力して、熱分析することも出来る。
【００４３】
また、上述の熱分析の実施例では、薄膜ヒータ２０自体の温度計測には触れていないが、薄膜ヒータ２０の抵抗温度係数が大きければ、薄膜ヒータ２０の抵抗値の大きさから薄膜ヒータ２０自体の平均的な温度を計測できるし、薄膜ヒータ２０に、他の温度センサを形成しておき、そこの温度計測から薄膜ヒータ２０の代表温度として利用することも出来る。
【００４４】
薄膜ヒータ２０の温度走査は、薄膜ヒータ２０自体の温度を基準にして、プログラム化しても良いし、薄膜２に搭載している薄膜温度センサ５を基準にしても良い。
【００４５】
上述の実施例では、薄膜２としてカンチレバ型にしていたが、これは両端支持の薄膜２でもよいし、ダイアフラムにスリットを入れて、基板１への熱伝導を小さくさせて、容易に昇温できるようにしても良い。
【実施例４】
【００４６】
図５には、本発明の熱分析装置の構成の一実施例の概略ブロック図を示している。本実施例では、例えば、試料６０を搭載しない空のセンサチップ３００を用いて、薄膜２に搭載している薄膜温度センサ５を基準にして、その温度が時間と共に一定の割合で上昇させるように温度制御手段である薄膜ヒータ２０の温度走査をプログラム化した場合である。先ず、空のセンサチップ３００を用いて、温度走査に従い薄膜温度センサ５の時間的に変化する時々刻々の温度に相当する出力を、出力増幅回路部を用いて増幅し演算回路部で演算して、空の時の薄膜温度センサ５が一定の割合で温度上昇するように、温度制御手段を介して加熱手段である薄膜ヒータ２０に時々刻々電力を供給する。また、このときの時々刻々の温度に対応する薄膜温度センサ５の出力は演算回路部にあるメモリに記録させておく。次に、試料６０を搭載したセンサチップ３００を用いて同一の温度走査を行い、空の場合の記録されていた時々刻々の出力と、試料６０を搭載した場合の対応する時々刻々の出力とを温度走査開始を基準にして、それぞれの温度差に相当する出力を演算回路部で時間経過の温度差に対応させて出力し、これを表示回路部でグラフ化させたり、時々刻々のデータを表示させるようにする。この温度走査範囲内に、試料６０にエンタルピ変化があれば、温度の停滞などが生じるので、試料６０がある場合とない場合の温度差が、試料６０にエンタルピ変化が生じる温度で、例えば、ピークとして観測されることになり、所謂、従来の熱分析装置のように動作させることができる。
【００４７】
上述の実施例では、温度走査を実施した場合であるが、試料６０を搭載する前に一定温度に試料ホルダ６の温度を一定に維持させるように加熱手段である薄膜ヒータ２０の温度を設定しておき、その後、試料６０を搭載して、例えば酵素７を用いた試料６０の酸化反応熱による温度変化を検出して、試料６０の中の特定成分の量を知ることもできる。
【００４８】
上述の実施例は、それぞれ一実施例に過ぎず、本願発明の主旨と作用および効果が同様でありながら、種々の変形があることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の熱分析センサのうちの熱分離した薄膜２を有する基板１の部分の平面概略図である。（実施例１）
【図２】本発明の熱分析センサの横断面概略図である。（実施例１）
【図３】本発明の熱分析センサのセンシング部を同一基板に複数個設けた場合の基板の平面概略図である。（実施例２）
【図４】本発明の熱分析センサの一実施例を示す模式図であり、同図（A）は、その断面構造概略図であり、同図（B）は、熱分析センサのうちの脱着可能なセンサチップ３００部分のみを抜き出して表示した断面構造図である。（実施例３）
【図５】本発明の熱分析装置の構成の一実施例の概略ブロック図である。（実施例４）
【符号の説明】
【００５０】
１、１０、１１ 基板
２ 薄膜
３、１３ 空洞
５ 薄膜温度センサ
５A、５B 薄膜熱電対の要素
６ 試料ホルダ
７ 酵素
８、８A、８B SOI層
９ カンチレバ
１２ 蓋
１５ サーミスタ
１６ 試料注入孔
１７ チャネル
２０、２１、２２ 薄膜ヒータ
２５、２６ ダイアフラム
３０、３１ 空隙
４１A，４１B 薄膜温度センサ用電極
４１A‘，４１B’ 薄膜温度センサ用端子
４１Ｃ，４１Ｄ 薄膜温度センサ用接点
４２A、４２B サーミスタ用電極
４３A、４３B 上部薄膜ヒータ用電極
４４A、４４B 下部薄膜ヒータ用電極
４５A、４５B 薄膜ヒータ用電極
４５A‘、４５B’ 薄膜ヒータ用端子
５０ 埋め込み絶縁膜（BOX層）
５１ 絶縁膜
５５ 薄膜カバー
６０ 試料
１０１ 配線
１２０ スペーサ
２００ ケース
３００ センサチップ
３１０ チップカバー
３５０ ストッパ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板から熱分離した薄膜に形成した薄膜温度センサと試料ホルダと、この薄膜を略一様加熱するための加熱手段を具備した熱分析センサ、およびこれを用いた熱分析装置に関するもので、試料ホルダにある試料が生体試料である場合には、酵素反応を用いた熱型バイオセンサとして利用でき、また、熱容量の小さな加熱手段による温度走査により、試料のエンタルピ変化などを利用した低消費電力で極微量試料の検出ができる熱分析装置として利用できるものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、示差熱量計としての熱分析装置があった。この装置では、試料ホルダが金属板からなる入れ物であり、二個の試料ホルダを温度制御された電気炉で所定の温度プログラムで温度走査のさせるもので、一方の試料ホルダには、非検出試料を設置し、他方には、標準試料を設置しておき、温度上昇に伴い、非検出試料にエンタルピ変化があると、このときの時刻で標準試料と非検出試料との間に温度差が生じるので、この温度差を時間経過とともに表示し、非検出試料の物性などを調べる装置があった。しかし、この従来の熱分析装置では、試料ホルダの熱容量が大きく、多量の非検出試料が必要であり、応答時間もその分遅く、試料ホルダを加熱する電気炉は、断熱材で覆うなど熱容量が大きいので、電力消費が大きく、更に応答時間も極めてゆっくりで、一回の計測に数時間かかるものであった。
【０００３】
これに対し本出願人は、基板から熱分離した薄膜に、少なくとも１個の試料ホルダと薄膜ヒータとを備え、所定の温度プログラムにより温度走査する熱分析装置を発明し（特許第３３７７１６２号；ＵＳＰ−６３３１０７４）、基板から熱分離した薄膜が７００μｍ角程度で、厚みが１０μｍ程度のものを利用した場合には、水のエンタルピ変化である沸点検出は、数十秒程度で検出できることを示した。
【０００４】
本出願人は、基板から熱分離した薄膜に、１個の薄膜ヒータと１個の温度センサＴｈＡと、更に、この薄膜ヒータから離れた箇所の薄膜にもう一つの温度センサＴｈＢを有する気体センシングデバイスを発明し（特願２００３−０７６６１９）、フローセンサ、ピラニ型真空センサや絶対湿度センサなどに利用できること、更に、温度センサＴｈＢの箇所に特定の酵素を薄膜に固定しておくことによる熱型バイオセンサとして利用できることも示した。
【０００５】
しかしながら、本出願人が発明した熱分析装置（特許第３３７７１６２号；ＵＳＰ−６３３１０７４）においては、微量液体の検出において、温度の走査時間中に試料の蒸発があり、時間経過と共に液体試料量が減少してしまうので、これを防ぐ工夫が必要であること、また、極微量液体試料の試料ホルダへの導入方法の問題、さらに、同一薄膜にマイクロヒータと温度センサとが形成されているために、マイクロヒータの熱容量が余分に存在し、また、薄膜内に加熱時の温度分布がやはり存在するので高感度で高精度になりにくいので、改良する必要があった。
【０００６】
また、本出願人が発明した気体センシングデバイスをバイオセンサとして利用するのに、やはり、極微量液体の導入問題、特に、温度の異なる液体試料をどのようにして試料ホルダにある酵素固定領域へ、一定量だけ導入するかの問題が存在していた。
【特許文献１】特許第３３７７１６２号公報
【特許文献２】特開２００４−２８６４９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
解決しようとする課題は、熱容量が極めて小さな薄膜に温度センサと試料ホルダを形成して、温度に対して高速応答で、高感度で、高精度な温度センサであり、しかも均一な温度分布を実現すること、更に消費電力が小さく、高速応答の上記薄膜の外部に加熱手段を形成すること、極微量液体試料を定量分だけ試料ホルダに導入し、蒸発を防ぐようにした熱分析センサを提供し、更にこれを用いた超小型の熱分析装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明の請求項１に係わる熱分析センサは、基板１から第１の空洞３を介して熱分離した薄膜２に、少なくとも１個の薄膜温度センサ５と試料ホルダ６とを備え、薄膜２のうちの少なくとも試料ホルダ６を略一様に昇温させる加熱手段を有し、この加熱手段は空隙３０を介して試料ホルダ６を囲む構造であり、試料ホルダ６に導入した試料の熱反応に基づく温度変化を前記薄膜温度センサ５で検出するようにしたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の請求項２に係わる熱分析センサは、加熱手段として、薄膜ヒータ２０とした場合である。
【００１０】
また、本発明の請求項３に係わる熱分析センサは、薄膜ヒータ２０として、薄膜２に形成された試料ホルダ６を上下で挟む形で構成してある一対の薄膜ヒータ２１、２２とした場合である。一方の薄膜ヒータ２１は、薄膜２を支持する基板１の第１の空洞３を介して直接形成したダイアフラム２５か、または基板１の薄膜２とは反対側に密着形成してある別の基板のダイアフラム２５に形成できる。他方の薄膜ヒータ２２は、基板１に密着形成した更に別の基板１０に形成されている第２の空洞１３を介して形成してあるダイアフラム２６に形成できる。
【００１１】
また、本発明の請求項４に係わる熱分析センサは、薄膜温度センサ５として、トランジスタサーミスタ、ダイオードサーミスタもしくは薄膜熱電対を用いた場合である。
【００１２】
また、本発明の請求項５に係わる熱分析センサは、試料ホルダ６に酵素７を固定した場合である。
【００１３】
また、本発明の請求項６に係わる熱分析センサは、毛細管現象もしくは電気浸透流により液体試料を試料ホルダ６に導くようにした場合である。
【００１４】
また、本発明の請求項７に係わる熱分析センサは、液体試料が蒸発し難いように試料ホルダ６に薄膜カバー５５を設けた構造の場合である。もちろん、試料注入孔から試料ホルダ６に至るまでのチャネル部分にも薄膜カバー５５を延在するなどして設けた方が良いし、液体試料に対してその液体に対して親和力が大きい材料を薄膜カバー５５の材料とした方が、毛細管現象を利用しやすいので好都合である。
【００１５】
また、本発明の請求項８に係わる熱分析装置は、請求項１から７に記載しているいずれかの熱分析センサを有し、その加熱手段の温度を制御する温度制御手段を具備してあり、この熱分析センサの試料ホルダ６に設置した試料の熱反応に基づく温度変化を、この熱分析センサの薄膜温度センサ５で検出するようにしたことを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明の請求項９に係わる熱分析装置は、温度制御手段として、一定温度に保持したり、所定のプログラムに基づき温度走査ができるようにした場合である。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の熱分析センサは、基板１から第１の空洞３を介して熱分離した薄膜２に、薄膜温度センサ５と試料ホルダ６とを備えてあり、この薄膜２を加熱手段は空隙３０介して薄膜２を取り囲む構造であるので、特に、空隙３０を狭くしておけば対流も無視できるようになり、容易に試料ホルダ６を略一様に昇温させる加熱させることができるという利点があり、更に、薄膜温度センサ５と試料ホルダ６とは、同一の宙に浮いた構造の薄膜２に形成されているので、熱容量が小さく、高速にしかも低消費電力で昇温させることができるという利点がある。
【００１８】
本発明の熱分析センサは、加熱手段として、薄膜ヒータ２０としているので、高速応答で、低消費電力のヒータとなり、しかも、ジュール加熱にすれば、電力供給の制御により微細な温度制御が可能になるという利点がある。
【００１９】
本発明の熱分析センサは、薄膜ヒータ２０として、薄膜２を支持する基板１を上下に密着形成した基板１０，１１にそれぞれ空洞３１，３２を介して形成されたダイアフラムに形成された場合で、特に、基板としてシリコン単結晶を利用すると、半導体のＭＥＭＳ技術が使用できるので、容易に、しかも同一基板に集積回路としての制御回路、演算回路、メモリ回路、駆動回路なども形成できるから、超小型の熱分析センサチップが作成できるとともに、これを熱分析装置に用いた場合、ハンディな熱分析装置が提供できるという利点がある。
【００２０】
本発明の熱分析センサは、薄膜温度センサ５として、極めて高感度で、超小型となるトランジスタサーミスタ、ダイオードサーミスタもしくは電流検出型熱電対を用いると、半導体の製作工程で一般に用いられているフォトリソグラフィーが利用できるし、大量生産性があるので、安価で、高感度の熱分析センサが達成できるという利点がある。
【００２１】
本発明の熱分析センサは、試料ホルダ６に酵素を固定すると、酵素反応を利用して、非検出試料中の特定物質成分との発熱反応から、極微量成分の分析ができる熱型バイオとして利用することができる。
【００２２】
また、基板１から熱分離した複数の薄膜２を基板１に形成し、それぞれの薄膜２に薄膜温度センサ５と試料ホルダ６と、異なる酵素を薄膜状に形成しておき、そこに非検出試料を導入できるようにしておくことにより、一気にそれぞれに対応する物質成分を特定することができるという利点がある。
【００２３】
本発明の熱分析センサは、毛細管現象もしくは電気浸透流により液体試料を試料ホルダ６に導くようにしてあるので、液体試料を一定量導入することが容易であるという利点がある。特に、毛細管現象を利用する場合は、試料の駆動部や電力が不必要であるという利点があり、電気浸透流を利用することにより、容易に、しかも高速に試料の導入が可能であるという利点がある。
【００２４】
本発明の熱分析センサは、液体試料が蒸発し難いように試料ホルダ６に薄膜カバー５５を設けてあるので、揮発性の試料でも熱分析ができると共に、この熱容量の極めて小さい薄膜カバーを利用して、所定の一定量の液体試料を試料ホルダに導入することができるという利点がある。
【００２５】
本発明の熱分析装置は、上述の利点を有する熱分析センサを利用するので、その加熱手段の温度を制御する温度制御手段も極めて小型で低消費電力にできるので、ハンディな熱分析装置を提供できるという利点がある。
【００２６】
本発明の熱分析装置は、上述の利点を有する熱分析センサを利用し、温度制御手段として、一定温度に保持できるようにしてあるので、例えば、試料ホルダとそこにある固定された薄膜状の酵素が最も活性な温度に保持して、そこに導入された液体試料中の特定成分の発熱的酵素反応により、その特定成分の種類と量を容易に分析できるという利点がある。
【００２７】
本発明の熱分析装置は、上述の利点を有する熱分析センサを利用し、温度制御手段として、所定のプログラムに基づき温度走査ができるようにしてあるので、液体試料ばかりでなく、極微量の固体試料も熱分析ができるハンディな熱分析装置が提供できるという利点がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
ＳＯＩ基板のＳＯＩ層をカンチレバ状に形成し、この先端部を例えば幅広に形成して試料ホルダとして利用し、更に、この領域に薄膜温度センサを形成する。さらに、このＳＯＩ層のカンチレバの上側と下側に空隙を介してダイアフラムを形成してここに加熱手段としての薄膜ヒータを形成して、カンチレバの試料ホルダを一様に外部から加熱できるような加熱手段を有する熱分析センサを構成する。
【００２９】
上記の加熱手段を有する熱分析センサからの信号を増幅する回路、信号から所望の特性を算出する演算回路、加熱手段である薄膜ヒータの温度を制御する温度制御手段としての温度制御回路などの集積回路を、薄膜温度センサや試料ホルダを有するＳＯＩ層のカンチレバが形成されている同一のＳＯＩ基板に形成して、熱分析装置を構成する。このように熱分析センサ部とこれを駆動し演算する集積回路などを同一ＳＯＩ基板に形成することにより極めてコンパクトな熱分析装置が提供できる。
【実施例１】
【００３０】
図１は、本発明の熱分析センサを酵素反応に基づく熱型バイオセンサとした一実施例で、この熱分析センサのうちの熱分離した薄膜２を有する基板１の部分の平面概略図で、基板１からの熱分離のために中に浮いた薄膜２をカンチレバ９として実施した場合である。図２は、熱分析センサの一実施例を示す横断面の概略図であって、図１に示した基板１に基板１０の蓋１２を接合してあり、この蓋１２にも薄膜ヒータ２２を形成してあり、薄膜２を一様に加熱するようにしている。
【００３１】
基板１として、シリコン単結晶を用いた（１００）面のＳＯＩ基板を用い、ＳＯＩ基板にＳＯＩ層８の少なくとも一部を残して第１の空洞３を形成し、この第１の空洞３を介してカンチレバ９の形態で熱分離したＳＯＩ層８Aを薄膜２として利用する。この薄膜２に薄膜温度センサ５と試料ホルダ６を形成しておく。薄膜温度センサ５は、薄膜熱電対（例えば、縮退するほど高濃度のｎ型層を薄膜熱電対の要素５Ａとし、ニッケル薄膜を薄膜熱電対の要素５Ｂとして形成することで作成できる）を用いた場合であり、試料ホルダ６は単に、カンチレバ９の先端部を幅広にして、そこに、例えば、グルコースオキシダーゼなどの酵素７を薄膜状に固定した例である。
【００３２】
カンチレバ９の薄膜２を形成している基板１と同様に、図２に示すように、シリコン単結晶の（１００）面を有するＳＯＩ基板である基板１０を用い、上記熱分離した薄膜２の試料ホルダ６よりも十分大きな面積で、この試料ホルダ６を囲むように、２枚の基板１，１０にそれぞれ第１の空洞３と第２の空洞１３を介して２枚のダイアフラム２５，２６を形成し、これらのダイアフラム２５，２６に半導体の不純物拡散により低抵抗層領域を形成して、シリコン単結晶薄膜からなる面発熱する２枚の薄膜ヒータ２１，２２を作成する。これらの薄膜ヒータ２１，２２の領域は、試料ホルダ６を挟みこむように形成してあり、この試料ホルダの面積よりも十分大きく形成してあるので、試料ホルダ６がほぼ一様に加熱され、均一な温度分布になるようにしてある。
【００３３】
第１の空洞３と第２の空洞１３は、ヒドラジン水溶液などのシリコンの異方性エッチングにより容易に形成できるが、基板１に形成するダイアフラム２５は、異方性エッチングに耐性があるホウ素の高濃度添加により形成すると好都合である。この場合、ホウ素添加のシリコンはｐ型となるので、基板１であるＳＯＩ基板の下地基板はｎ型になるようにしておくと良い。
【００３４】
試料ホルダ６の温度と、そこに固定した酵素７と導入された試料６０との熱反応に基づく温度変化は、試料ホルダ６内に形成されている薄膜温度センサ５を利用して計測する。本実施例では、薄膜熱電対を薄膜温度センサ５として使用した場合であり、試料ホルダ６の温度を、薄膜熱電対を普通の熱電対（開放起電力の計測を利用する電圧検出型）として基板１と試料ホルダ６の温度差を検出しても良いし、本出願人が発明した薄膜熱電対をＯＰアンプの仮想短絡などのより等価的に短絡して、そこを流れる電流から温度差を計測する、所謂、電流検出型の熱電対として基板１と試料ホルダ６の温度差を検出しても良い。その場合、基板１の温度は、基板１に設けてあるサーミスタ１５を使用するとよい。本実施例では、薄膜熱電対の要素５A、５B として、それぞれ高濃度ｎ型シリコン層とニッケル薄膜とを使用した例であり、電流検出型の熱電対として使用する場合を示した。
【００３５】
酵素７としてグルコースオキシダーゼの場合、液体試料としてグルコース水溶液を用いると、試料ホルダ６の温度が３７℃程度になるように２枚の薄膜ヒータ２１，２２の温度を調節するとよい。液体の試料６０としてのグルコース水溶液は、試料注入孔１６から導入され、チャネル１７を毛細管現象で試料ホルダ6の方に移動し、途中37℃程度に暖められながら試料ホルダ６に固定してある薄膜状に固定したグルコースオキシダーゼと反応して、グルコースが酸化されて発熱反応を起こし、グルコースの濃度に応じて発熱量が変化するので、それに対応して試料ホルダ６が温度上昇するので、薄膜温度センサ５によるこの温度検出からグルコース水溶液の濃度を知ることができる。グルコース水溶液は、血液や尿、更には唾液などの体液を使用し校正すると、所謂、血糖値などを計測できる。
【００３６】
本実施例では、液体試料を用いた場合であるから、チャネル１７を通る液体試料が蒸発しないように薄膜カバー５５をチャネル１７上に被せてあり、毛細管現象も起こりやすくしている。薄膜カバー５５は、薄膜状態に固定した酵素７の上にも薄膜カバー５５を分割するなどして、試料ホルダ６上にまで延在させると、試料ホルダ６からの蒸発を抑制することもできる。
【実施例２】
【００３７】
図３は、本発明装置の加熱手段を有する熱分析センサを酵素反応に基づく熱型バイオセンサとして実施した一実施例であり、実施例１で述べた図１と図２に示した熱分析センサのうち、試料注入孔１６とチャネル１７とを除くセンシング部分（Ｓ１−Ｓ１４）を複数個（本実施例では１４個）設けた場合である。センシング部分には異なる酵素７を固定しておき、それぞれの酵素７が特定の物質と熱反応しやすい温度に設定しておく。試料注入孔１６から注入した液体の試料６０がチャネル１７を通って各センシング部分（Ｓ１−Ｓ１４）に流入する。試料６０と反応する酵素７を固定してある箇所のＳ１からＳ１４のうちのセンシング部分、例えば、Ｓ３のみが温度上昇するので、この特定酵素に反応する試料６０の成分を特定できるし、その発熱量から試料６０の反応している成分の量を計測することもできる。
【実施例３】
【００３８】
図４は、極微量の試料６０の熱分析するための本発明の熱分析センサの一実施例を示す模式図であり、同図（A）は、その断面構造図であり、同図（B）は、熱分析センサのうちの脱着可能なセンサチップ３００部分のみを抜き出して表示した断面構造図である。このセンサチップ３００は、例えば、使い捨て型（デスポーザブル型）として、安価に作成できるようにすることもできる。
【００３９】
図４（B）のセンサチップ３００から説明すると、単結晶シリコンの基板１から例えば異方性エッチング技術により空洞３を形成してカンチレバ型の基板１から熱分離した薄膜２を作成してある。薄膜２には、試料ホルダ６、薄膜温度センサ５としての薄膜熱電対、この薄膜熱電対の要素５A,５Bをカンチレバ型の薄膜２に延在して形成してあり、また、熱分析をする試料６０がその先端部にある試料ホルダ６に載せるようにしてある。基板１の側には、薄膜状の延在してある薄膜熱電対の要素５A,５Bからの電極として、厚めにした薄膜温度センサ用電極４１A，４１Bを形成してあり、ケース２００に装着後、ケース２００側の電極である薄膜温度センサ用接点４１Ｃ，４１Ｄと電気的に接続できるようにしてある。また、基板１の側には、基板１に形成した温度センサであるサーミスタ１５が形成されてあり、基板１の温度を検出して、そこを基準にして試料ホルダ６の微細な温度変化が薄膜熱電対である薄膜温度センサ５の出力から計測できるようにしてある。薄膜熱電対は、上述の電流検出型の熱電対としても使用することができる。なお、センサチップ３００は、脱着可能な形態をとっているので、ハンドリングがしやすいように、プラスチックなどのチップカバー３１０がしてあり、しかも、ケース２００への挿入時にその位置が定められるように、ストッパ３５０を付けてある。図では、チップカバー３１０が基板１の表面側にのみ形成してあるように描いているが、基板１をチップカバー３１０で包むようにしても良いことはもちろんで、むしろ、その方が、取扱に便利である。
【００４０】
図４（A）は、図４（B）で図示したセンサチップ３００をケース２００に装着した場合の図であり、断熱材でできているケース２００の内部には、薄膜ヒータ２０がケース２００の内側から空隙３１を介して宙に浮いた構造で形成されてあり、この薄膜ヒータ２０は、挿入されたセンサチップ３００の試料６０を搭載した薄膜２とは空隙３０で空間的に分離してあり、試料６０が一様に加熱されるように、薄膜２をほぼ密閉構造で取り囲むように形成してある。薄膜ヒータ２０と薄膜熱電対である薄膜温度センサ５からの端子は、配線１０１を介してケース２００の外側にそれぞれ薄膜ヒータ用端子４５A‘、４５B’と薄膜温度センサ用端子４１A‘，４１B’として形成してある。
【００４１】
本実施例の熱分析センサの動作の概要を説明すると次のようである。センサチップ３００の先端付近の試料ホルダ６に固体や液体の試料６０を、例えば定量だけ搭載し、ケース２００内に装着する。薄膜ヒータ２０に薄膜ヒータ用端子４５A‘、４５B’を通して電流を流して、薄膜ヒータ２０を温度上昇または降下させ、試料６０を搭載した薄膜２の温度を上昇または降下などの温度走査をさせる。この温度制御は、時間と共に直線的に温度を上昇や降下させるなど、薄膜ヒータ２０の温度を所定のプログラムで温度走査を行う。所定のプログラムは、試料６０を搭載しない空のセンサチップ３００、または、試料６０の代わりに、標準試料を搭載させて、試料ホルダ６のところの薄膜温度センサ５を用いて、温度上昇のテストを行っておき、これを基にして定めるとよい。試料６０の温度を時間と共に上昇させて行くと、試料６０の融点、沸点や更には他の状態の変化、また、化学反応に基づくエンタルピ変化で、熱の発生や吸熱反応が伴うので、特定の温度になったときに温度変化が発生する。試料６０が存在しないときや標準試料のときでは、その温度では何も起こらないので、試料６０がある場合と、ない場合または標準試料との時間経過に伴う温度変化の差を求めることにより、試料６０の熱特性が求められる。このようにして、試料６０の熱分析が可能になる。
【００４２】
上述の本発明の熱分析センサを用いた熱分析の実施例では、温度走査のための所定のプログラムは、試料６０を搭載しない空のセンサチップ３００、または、試料６０の代わりに、標準試料を搭載させて行う場合を示したが、初めから一つの基板１に、薄膜温度センサ５や試料ホルダ６を有する２個の同等なカンチレバ型の薄膜２を形成しておき、一方に試料６０を搭載し、他方には、標準試料か、空の試料状態（試料６０がない状態）にして、同時に温度走査を行い、これらの差動動作により差温度を時間と共に出力して、熱分析することも出来る。
【００４３】
また、上述の熱分析の実施例では、薄膜ヒータ２０自体の温度計測には触れていないが、薄膜ヒータ２０の抵抗温度係数が大きければ、薄膜ヒータ２０の抵抗値の大きさから薄膜ヒータ２０自体の平均的な温度を計測できるし、薄膜ヒータ２０に、他の温度センサを形成しておき、そこの温度計測から薄膜ヒータ２０の代表温度として利用することも出来る。
【００４４】
薄膜ヒータ２０の温度走査は、薄膜ヒータ２０自体の温度を基準にして、プログラム化しても良いし、薄膜２に搭載している薄膜温度センサ５を基準にしても良い。
【００４５】
上述の実施例では、薄膜２としてカンチレバ型にしていたが、これは両端支持の薄膜２でもよいし、ダイアフラムにスリットを入れて、基板１への熱伝導を小さくさせて、容易に昇温できるようにしても良い。
【実施例４】
【００４６】
図５には、本発明の熱分析装置の構成の一実施例の概略ブロック図を示している。本実施例では、例えば、試料６０を搭載しない空のセンサチップ３００を用いて、薄膜２に搭載している薄膜温度センサ５を基準にして、その温度が時間と共に一定の割合で上昇させるように温度制御手段である薄膜ヒータ２０の温度走査をプログラム化した場合である。先ず、空のセンサチップ３００を用いて、温度走査に従い薄膜温度センサ５の時間的に変化する時々刻々の温度に相当する出力を、出力増幅回路部を用いて増幅し演算回路部で演算して、空の時の薄膜温度センサ５が一定の割合で温度上昇するように、温度制御手段を介して加熱手段である薄膜ヒータ２０に時々刻々電力を供給する。また、このときの時々刻々の温度に対応する薄膜温度センサ５の出力は演算回路部にあるメモリに記録させておく。次に、試料６０を搭載したセンサチップ３００を用いて同一の温度走査を行い、空の場合の記録されていた時々刻々の出力と、試料６０を搭載した場合の対応する時々刻々の出力とを温度走査開始を基準にして、それぞれの温度差に相当する出力を演算回路部で時間経過の温度差に対応させて出力し、これを表示回路部でグラフ化させたり、時々刻々のデータを表示させるようにする。この温度走査範囲内に、試料６０にエンタルピ変化があれば、温度の停滞などが生じるので、試料６０がある場合とない場合の温度差が、試料６０にエンタルピ変化が生じる温度で、例えば、ピークとして観測されることになり、所謂、従来の熱分析装置のように動作させることができる。
【００４７】
上述の実施例では、温度走査を実施した場合であるが、試料６０を搭載する前に一定温度に試料ホルダ６の温度を一定に維持させるように加熱手段である薄膜ヒータ２０の温度を設定しておき、その後、試料６０を搭載して、例えば酵素７を用いた試料６０の酸化反応熱による温度変化を検出して、試料６０の中の特定成分の量を知ることもできる。
【００４８】
上述の実施例は、それぞれ一実施例に過ぎず、本願発明の主旨と作用および効果が同様でありながら、種々の変形があることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本発明の熱分析センサのうちの熱分離した薄膜２を有する基板１の部分の平面概略図である。（実施例１）
【図２】本発明の熱分析センサの横断面概略図である。（実施例１）
【図３】本発明の熱分析センサのセンシング部を同一基板に複数個設けた場合の基板の平面概略図である。（実施例２）
【図４】本発明の熱分析センサの一実施例を示す模式図であり、同図（A）は、その断面構造概略図であり、同図（B）は、熱分析センサのうちの脱着可能なセンサチップ３００部分のみを抜き出して表示した断面構造図である。（実施例３）
【図５】本発明の熱分析装置の構成の一実施例の概略ブロック図である。（実施例４）
【符号の説明】
【００５０】
１、１０、１１ 基板
２ 薄膜
３、１３ 空洞
５ 薄膜温度センサ
５A、５B 薄膜熱電対の要素
６ 試料ホルダ
７ 酵素
８、８A、８B SOI層
９ カンチレバ
１２ 蓋
１５ サーミスタ
１６ 試料注入孔
１７ チャネル
２０、２１、２２ 薄膜ヒータ
２５、２６ ダイアフラム
３０、３１ 空隙
４１A，４１B 薄膜温度センサ用電極
４１A‘，４１B’ 薄膜温度センサ用端子
４１Ｃ，４１Ｄ 薄膜温度センサ用接点
４２A、４２B サーミスタ用電極
４３A、４３B 上部薄膜ヒータ用電極
４４A、４４B 下部薄膜ヒータ用電極
４５A、４５B 薄膜ヒータ用電極
４５A‘、４５B’ 薄膜ヒータ用端子
５０ 埋め込み絶縁膜（BOX層）
５１ 絶縁膜
５５ 薄膜カバー
６０ 試料
１０１ 配線
１２０ スペーサ
２００ ケース
３００ センサチップ
３１０ チップカバー
３５０ ストッパ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板（１）から第１の空洞（３）を介して熱分離した薄膜（２）に、少なくとも１個の薄膜温度センサ（５）と試料ホルダ（６）とを備え、薄膜（２）のうちの少なくとも試料ホルダ（６）を略一様に昇温させる加熱手段を有し、該加熱手段は空隙（３０）を介して試料ホルダ（６）を囲む構造であり、試料ホルダ（６）に導入した試料の熱反応に基づく温度変化を前記薄膜温度センサ（５）で検出するようにしたことを特徴とする熱分析センサ。
【請求項２】
加熱手段として、薄膜ヒータ（２０）とした請求項１記載の熱分析センサ。
【請求項３】
薄膜（２）を支持する基板（１）の第１の空洞（３）と、異なる基板（１０）に設けられた第２の空洞（１３）には、それぞれがダイアフラム（２５、２６）を備えてあり、薄膜ヒータ（２０）として、これらのダイアフラム（２５、２６）にそれぞれ形成した一対の薄膜ヒータ（２１、２２）とした請求項２記載の熱分析センサ。
【請求項４】
薄膜温度センサ（５）として、トランジスタサーミスタ、ダイオードサーミスタもしくは電流検出型熱電対を用いた請求項１から３のいずれかに記載の熱分析センサ。
【請求項５】
試料ホルダ（６）に酵素（７）を固定した請求項１から４のいずれかに記載の熱分析センサ。
【請求項６】
毛細管現象もしくは電気浸透流により液体試料を試料ホルダ（６）に導くようにした請求項５記載の熱分析センサ。
【請求項７】
試料ホルダ（６）に薄膜カバー（５５）を設けて、液体試料の蒸発を防ぐようにした構造の請求項６記載の熱分析センサ。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の熱分析センサを有し、その加熱手段の温度を制御する温度制御手段を具備してあり、前記熱分析センサの試料ホルダ（６）に設置した試料の熱反応に基づく温度変化を、前記熱分析センサの薄膜温度センサ（５）で検出するようにしたことを特徴とする熱分析装置。
【請求項９】
温度制御手段は、一定温度に保持したり、所定のプログラムに基づき温度走査ができるようにした請求項８記載の熱分析装置。
【請求項１】
基板（１）から第１の空洞（３）を介して熱分離した薄膜（２）に、少なくとも１個の薄膜温度センサ（５）と試料ホルダ（６）とを備え、薄膜（２）のうちの少なくとも試料ホルダ（６）を略一様に昇温させる加熱手段を有し、該加熱手段は空隙（３０）を介して試料ホルダ（６）を囲む構造であり、試料ホルダ（６）に導入した試料の熱反応に基づく温度変化を前記薄膜温度センサ（５）で検出するようにしたことを特徴とする熱分析センサ。
【請求項２】
加熱手段として、薄膜ヒータ（２０）とした請求項１記載の熱分析センサ。
【請求項３】
薄膜（２）を支持する基板（１）の第１の空洞（３）と、異なる基板（１０）に設けられた第２の空洞（１３）には、それぞれがダイアフラム（２５、２６）を備えてあり、薄膜ヒータ（２０）として、これらのダイアフラム（２５、２６）にそれぞれ形成した一対の薄膜ヒータ（２１、２２）とした請求項２記載の熱分析センサ。
【請求項４】
薄膜温度センサ（５）として、トランジスタサーミスタ、ダイオードサーミスタもしくは電流検出型熱電対を用いた請求項１から３のいずれかに記載の熱分析センサ。
【請求項５】
試料ホルダ（６）に酵素（７）を固定した請求項１から４のいずれかに記載の熱分析センサ。
【請求項６】
毛細管現象もしくは電気浸透流により液体試料を試料ホルダ（６）に導くようにした請求項５記載の熱分析センサ。
【請求項７】
試料ホルダ（６）に薄膜カバー（５５）を設けて、液体試料の蒸発を防ぐようにした構造の請求項６記載の熱分析センサ。
【請求項８】
請求項１から７のいずれかに記載の熱分析センサを有し、その加熱手段の温度を制御する温度制御手段を具備してあり、前記熱分析センサの試料ホルダ（６）に設置した試料の熱反応に基づく温度変化を、前記熱分析センサの薄膜温度センサ（５）で検出するようにしたことを特徴とする熱分析装置。
【請求項９】
温度制御手段は、一定温度に保持したり、所定のプログラムに基づき温度走査ができるようにした請求項８記載の熱分析装置。
【図２】
【図３】
【図４】
【図１】
【図５】
【図３】
【図４】
【図１】
【図５】
【公開番号】特開２００６−２２６８５０（Ｐ２００６−２２６８５０Ａ）
【公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−４１４２９（Ｐ２００５−４１４２９）
【出願日】平成１７年２月１７日（２００５．２．１７）
【出願人】（３９１０２５７４１）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１８年８月３１日（２００６．８．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年２月１７日（２００５．２．１７）
【出願人】（３９１０２５７４１）
【Ｆターム（参考）】
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