JP2005503262A - マイクロコンポーネント - Google Patents

Abstract

化学反応を実施するためのマイクロコンポーネント（１）は、マイクロコンポーネント（１）の表面上に直接的に配設された電気加熱エレメントを有する。この電気加熱エレメントは、例えば、マイクロコンポーネント（１）の表面に被着されたプリント導電トラック（３）を有することができる。マイクロコンポーネント（１）の加熱は、本質的に抵抗温度計（４）で構成される温度センサを使用して連続的に計測することができる。マイクロコンポーネント（１）および電気加熱エレメントは、半導体製造方法によって製作できる。複雑な反応過程を実施するために、複数のマイクロコンポーネント（１）を、互いに横並びに配設して使用することができる。

Description

【０００１】
本発明は、化学反応を実施するためのマイクロコンポーネントに関する。
【０００２】
化学，薬品およびバイオ産業において、研究または製造目的で実施される反応プロセスは、絶え間なく、かつ加速的に小型化されている。これによって、例えば、試薬および物質の要求量の低減、およびそのプロセスを実施するのに要する反応時間の短縮が可能となる。ミクロ領域の寸法で、プロセスを実行することを可能にする、個々のマイクロコンポーネントの使用が増大している。
そのような微小な寸法を有する反応コンポーネントは、試作、試験済みの公知の設計による寸法を、単に低減するだけで製作できるものではない。使用する物質が非常に少量になることから、とりわけ、全く異なる流れと反応特性が頻繁に発生する。さらに、個々のマイクロコンポーネント用の、新規の製造プロセスに加えて、それらの設計も、マイクロ領域において主流となる特性に合致させなくてはならない。
【０００３】
特に研究開発活動においては、できる限り迅速に進行するとともに、それに必要な物質が少量ですむ反応プロセスを容易にする、マイクロコンポーネントを利用するのが有利である。これは、特に、有害または健康リスクのある物質を使用する際に好ましく、高い吸熱性または発熱性を示す反応のための、プロセスの実行を簡略化する。大幅に低減されるスペース要件と合わせて、研究目的でのテスト反応を、多数同時に実施することができる。こうすることによって、比較的低い財務コストで、新製品または化学プロセスの開発時間を大幅に低減することが可能である。
【０００４】
小型化された反応プロセスを実施するために使用される個々のマイクロコンポーネントは、すでに知られている。ポンプ、ミキサー、ホールドアップ要素、リアクタ、および熱交換器などの別個のマイクロコンポーネントを直列に接続することによって、完全な反応プロセスを、微小スケールで実施することができる。例えば、複数の物質の混合などの、個々の反応ステップに対しては、高度に効率的なマイクロミキサが、多大な努力で開発されているが、それに対して、反応プロセスを決定する温度の制御は、加熱浴または熱交換器を用いる従来方法で実施されている。ある所定温度を、何れかの、あるいは複数のプロセスステップに対して、できる限り一定に維持しようとする場合には、関連するマイクロプロセッサが、加熱浴に導入される。通常使用される加熱浴または低温保持装置は、マイクロコンポーネントに対しては不必要に大きな体積を有する。加熱浴の温度変更は、例えば、異なる指定反応温度における、同じ反応の実験シリーズに対しては必須条件であるが、それには付随する時間を要し、この種の実験シリーズの決定的な時間要因となる可能性がある。
【０００５】
多くの反応プロセスは、高温においてより迅速、かつ／または効率的に進行する。通常使用される加熱浴は、簡単な媒体を使用すると加熱浴温度として約８０℃までしか使用できない。加熱媒体として水を使用する際には，１００℃を超える温度を達成するのは非常に困難である。この最大可能温度範囲は、特別な添加物や油を使用しても大幅に広げることができない。
したがって本発明の目的は、個々のマイクロコンポーネントを、可能な限り簡単な手段を使用して、効率的に加熱することを確実にすることがある。大規模な実験シリーズの迅速な実行を容易にするために、反応ステップに対して設定されている温度を、簡単かつ迅速に変更できなくてはならない。
【０００６】
本発明によれば、この目的は、マイクロコンポーネントの表面に電気加熱エレメントを配設することによって達成される。個々のマイクロコンポーネントの寸法は、マイクロコンポーネントに適合される電気加熱エレメントに対して十分に小さくし、それによってマイクロコンポーネントを迅速、かつ十分に均一に加熱できることを確実にする。電気加熱エレメントは、非常に簡単な手段を用いて、マイクロコンポーネントの表面に取り付けることができる。このようにすることで、マイクロコンポーネント内部の設計変更は不要となる。
【０００７】
電気加熱エレメントによってマイクロコンポーネントを加熱できるので、加熱のために加熱浴を使用することは余分となる。この種のマイクロコンポーネントで構成される、反応プロセスの構造および過程は、加熱浴の空間的特徴によって、もはや制限されることがない。電気加熱エレメントによって極めて短時間にマイクロコンポーネントを加熱することが可能であり、これは加熱浴の温度制御に必要な待ち時間が発生しないことを意味する。
【０００８】
反応中に１つまたは複数のマイクロコンポーネントを通過して流れる、液体物質との反応が、頻繁に実施される。これらにおいて、マイクロコンポーネントと、それに必要な供給および排出ラインの両方、そして特に接続要素は、プロセスが中断されることなく進行することを確実にするために、完全に漏出防止されていなくてはならない。加熱浴中では、漏出位置から漏出する液体を検出することは実施的に不可能であるが、乾燥状態で使用される電気加熱を備えるマイクロコンポーネントによって、漏洩の迅速な検出と位置同定が可能となる。これによって、危険物質または健康に有害な物質を使用する場合のリスクが大幅に低下すると同時に、実施される反応の信頼性が向上する。
【０００９】
電気加熱エレメントの最高可能加熱温度は、約１００℃までの範囲の限定されることはなく、このことは、はるかに高い温度において反応を実施することもできることを意味する。このように、実験に使用できる温度範囲は、様々な実験ステップに対して、大幅に拡大されて、研究条件の改善と、まったく新規な応用がもたらされる。
【００１０】
好ましくは、電気加熱エレメントは、マイクロコンポーネントの表面に配設されたプリント導体トラックを有する。加熱しようとするマイクロコンポーネントの表面は、平坦面として容易に設計可能である。実質的に任意形状のプリント回路を製造するための、簡単かつ安価なプロセスは公知である。例えば加熱コイルの形状をしたプリント導体トラックは、マイクロコンポーネントの平坦表面に、強固に付着させて配設することができる。電気導体トラックとマイクロコンポーネントの表面とが直接接触することによって、マイクロコンポーネントへの、最大限可能な熱移送が確保される。例えば、断面を変更することのできる、プリント導体トラックの形状と寸法によって、非常に均一な、または領域ごとに異なるマイクロコンポーネントの加熱が可能となる。
【００１１】
プリント導体トラックは、実質的に追加のスペースを必要とせず、それに必要な電気接続部は、実質的に望む限りに小さな寸法にすることができる。ミクロン範囲の寸法を有する導体トラックを、既知の製造技術を使用して製作することが可能であり、このことは、この種の電気加熱エレメントは、マイクロコンポーネントのさらなる小型化に対しての制約とはならないことを意味している。
【００１２】
本発明概念の改善によれば、電気加熱エレメントは加熱フォイルで提供される。マイクロコンポーネントに接着接合した加熱フォイルを用いることによって、すでに使用しているマイクロコンポーネントを電気的に加熱可能にすることができる。このようにして、実質的に任意所望のマイクロコンポーネントに、電気加熱エレメントを設けることができる。電気加熱フォイルは安価で、マイクロコンポーネントの非平滑面にも取り付けることができる。既成の加熱フォイルの温度制御用コンポーネントは、簡易な手段を使用して実験室または生産操業における固有要件に合致させることが可能であり、これらはすでに存在している。
【００１３】
温度センサは、マイクロコンポーネントの表面に配設するのが好ましい。温度センサは、マイクロコンポーネントの温度を連続的に計測することを可能にする。これによって、温度調整を達成することができる。特に、高い吸熱性または発熱性の反応に起因する温度変化を、反応プロセスおよびそれに適合されて加熱エレメントの制御中においても、考慮に入れることができる。
【００１４】
温度センサは、本質的に抵抗温度計で構成するのが特に有利である。抵抗温度計の温度計測の精度は、広い温度範囲にわたって比較的高い。これらは、その熱容量が小さいことによって、マイクロコンポーネントの加熱に対しては実質的に明白な影響はないが、温度変化に対しては迅速かつ正確に応答する。
【００１５】
本発明概念の改善によれば、電気加熱エレメントの接続部をマイクロコンポーネントの側縁の領域に配設する。マイクロコンポーネントは、例えば、プレート形マイクロコンポーネント用の公知の接続保持具に挿入するこができる（DE 198 54 096 A1）。側縁の領域に接続部を配設することによって、接続保持具に挿入された側縁における接触表面を介して、作動に対して必要となる電気加熱エレメントの接触をもたらすことができる。
【００１６】
加熱エレメントの接続部には、その一側面に配設した電気接点面を設けるのが特に有利である。次いで、マイクロコンポーネントの前面上の接触面を介して、省スペースで加熱エレメントの接触を実現する。これによると、複数のマイクロコンポーネントを互いにすぐ横に並べて配設することができるとともに、それぞれの加熱エレメントの接触が、それに調和させて互いに横に並べて配設した接触面を介して、マイクロコンポーネントに対面する接続保持具上面で行われるので、接続保持具の設計複雑度が低減される。
【００１７】
本発明は、化学反応を実施するためのマイクロコンポーネントの製造方法にも関係し、その方法においては、マイクロコンポーネントおよび電気加熱エレメントは、半導体製造方法を用いて製作される。この場合のマイクロコンポーネントは、ミクロ構造化可能な（microstructurable）材料、例えばシリコンやガラスで製作される。シリコンで製作されたマイクロコンポーネントは、非常に好ましい熱伝導特性を有する。
【００１８】
マイクロコンポーネントの製造および機械加工には、半導体製造、例えばチップ生産の方法および経験を頼ることができる。これらと同じ方法を使用して、例えばプリント導体トラックの形態で、電気加熱エレメントをマイクロコンポーネントの表面上に配設することができる。電気加熱エレメントに必要な追加の作業および材料の量は非常に少なく、このことは、電気加熱エレメントによって、マイクロコンポーネント製作コストはほとんどまったく増加しないことを意味する。
【００１９】
本発明は、さらに、共通ベースプレート上での複数のマイクロコンポーネントの配設に関係する。これによって、例えば、複数の混合物や異なる残留成分との複雑な反応順序を非常に簡単に達成することができる。
共通ベースプレート上に配設した個別のホルダを、それぞれのマイクロコンポーネントに割り当てるのが有利である。それぞれのホルダは、使用する化学物質を供給および排出するための別個の接続部と、マイクロコンポーネントの加熱エレメント用の電気接点とを有する。これによって、非常に柔軟な反応条件の設定が可能となり、この設定は反応全体過程においても可変であり、かつ共通ベースプレート上で達成され、かつ個々の反応ステップに対して変化する。
【００２０】
本発明概念の改善によれば、隣接するホルダの関連する接続部は、永久的に取り付けられた接続ラインを有する、個々のマイクロコンポーネントを交換する場合には、関連する接続ラインを切断して、再接続する必要がない。したがって、反応順序の変更を、迅速かつ確実に実施することができ、個々の成分との異なる反応を、絶え間なく実施して、短時間で成し遂げることができる。
【００２１】
好ましくは、ベースプレートは、複数のマイクロコンポーネント用の共通ホルダを有する。この非常に高密度の配設によって、すべてのマイクロコンポーネントに対する共通反応温度を迅速に設定することが可能となる。
本発明概念のさらなる有利な改善は、さらにべつの従属請求項の主題である。
【００２２】
以下に、本発明の実用例をより詳細に説明するとともに図面に示す。
図１〜３は、薄い、長方形プレートの形態のマイクロコンポーネント１を示す。導体トラック３が、電気加熱エレメントとしてマイクロコンポーネント１の前面２に配設されている。導体トラック３は、本質的に、マイクロコンポーネント１の前面２の広い領域にわたる蛇行形状の経路を有する。このようにして、導電トラック３による高度で、均一な加熱作用を達成することができる。
【００２３】
抵抗温度計４は、温度センサとして作用し、これが導体トラックの蛇行形状経路の領域内に配設されている。導体トラック３および抵抗温度計４の両方とも、マイクロコンポーネント１の下面６の領域内に電気接点５を有する。電気加熱エレメントとしての導体トラック３は、これらの電気接点５を介して制御可能である。同じ方法で、抵抗温度計４は、温度センサとして容易に作動させることができ、この抵抗温度計４からの計測信号が、導体トラック３の加熱作用を調節するのに使用される。
【００２４】
導電トラック３および抵抗温度計４の両方とも、公知の半導体製造方法を用いて、本質的にプリント導体トラックとして製作することができる。このために、例えば、マイクロコンポーネント１の表面に金属層を被着させ、この金属層をフォトレジストで被覆し、次いでフォトレジストを所望の設計による導体トラックの経路領域において露光させて、その後のエッチングによって、非露光領域の金属層を再び除去する。
【００２５】
図３はマイクロコンポーネント１の後面７を示し、この後面７には下面６の近傍に３つの開口８がある。これらの開口８は、マイクロコンポーネント１を供給および排出ラインに接続する役割をして、それによって反応ステップに必要な物質をマイクロコンポーネント１に供給し、かつそこから排出する。
【００２６】
図４および５は、複数の個別ホルダ９を示し、それぞれの中に、図示した３つのマイクロコンポーネント１の１つが、共通ベースプレート１０上で互いに横並びに収容されている。外部ホルダ９のそれぞれは、使用する物質を供給、排出するための接続部１１を有する。これらのライン接続部１１は、標準化されて、十分に安定な接続デバイスの形態とすることによって、接続されたラインの簡易な取り扱いと頻繁な交換が可能となる。各ホルダ９は、その中に収容されたマイクロコンポーネント１の加熱エレメント用の電気接続部１２を有する。これらは、ゆるやかに曲げて装着された、接触面の形態をしている。
【００２７】
接続ライン１３は、隣接するホルダ間に永久的に設置されており、これによって長期の作動期間にわたって漏洩がないことが保証される。個々のマイクロコンポーネント１間の接続ライン１３を対応させて設計にすることによって、複数の個別ステップからなる複雑な反応過程を、この方法で実施することができる。この結果として、個々のマイクロコンポーネント１が、省スペース、高密度に配設され、個々のマイクロコンポーネント間の複雑な接続要素が不要となる。しかしながら、個々のマイクロコンポーネント１は、それぞれの加熱エレメントを用いて、別個の所定の温度にすることができる。各マイクロコンポーネント１における現行の温度を、温度センサによって計測し、調節された温度制御を可能とすることができる。
【００２８】
図６および７は、ベースプレート１０上に装着された、複数のマイクロコンポーネント１用の共通ホルダ１４を示す。ホルダ１４は、Ｕ形収容デバイス１５からなり、この中に複数のマイクロコンポーネント１が側面部品１７を用いて配設され、この側面部品はねじ１６で取り付けることができる。隣接するマイクロコンポーネント１は、その間に置かれた耐薬品性のあるプラスチック、例えばＰＴＦＥフィルムの薄い層１８によって、互いに分離かつ密封されている。このホルダは、使用する化学物質の供給と排出を行うための、複数の接続部１１を有する。
【００２９】
複数のマイクロコンポーネント用の、共通ホルダの場合には、ホルダに、各マイクロコンポーネントの個々の加熱エレメントを制御するための、別個の電気接続部を設けることが可能である。ベースプレート１０のマイクロコンポーネント１に面する側に、関連するマイクロコンポーネント１を加熱エレメントに接続するための電気接続部１９が、各マイクロコンポーネント１用の別個の接触面として配設されている。この非常に高密度な配設によって、マイクロコンポーネント１を、所望の共通反応温度まで、迅速かつ確実に加熱することができる。それぞれの場合に、個々のマイクロコンポーネント１、または複数のマイクロコンポーネントを充填した全体ホルダ１４を、加熱浴に導入する必要がなく、この方法によって、全反応過程を、反応過程全体としては同一であるが、それぞれの場合に異なる所定温度においても、非常に簡単な手段を使用して、迅速に実行することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】電気加熱エレメントおよび温度センサを備えるマイクロコンポーネントの図である。
【図２】図１に示すマイクロコンポーネントの別の図である。
【図３】図１および２に示すマイクロコンポーネントの背面図である。
【図４】共通ベースプレート上の個別ホルダ内に１つずつ配設された複数のマイクロコンポーネントの模式図である。
【図５】図４に示す配設の線ＶＩ−ＶＩに沿った断面図である。
【図６】共通ホルダ内に収容された複数のマイクロコンポーネントを示す図である。
【図７】図６に示す配設を示す分解図である。

Claims (15)

1. 電気加熱エレメントがマイクロコンポーネント（１）の表面上に配設されていることを特徴とする、化学反応を実施するためのマイクロコンポーネント。
2. 電気加熱エレメントが本質的に電気導体であることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロコンポーネント。
3. 電気加熱エレメントが、マイクロコンポーネント（１）の表面に被着されたプリント導体トラック（３）を有することを特徴とする、請求項１に記載のマイクロコンポーネント。
4. 加熱エレメントが、加熱フォイルであることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロコンポーネント。
5. 温度センサが、マイクロコンポーネント（１）の表面上に配設されていることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロコンポーネント。
6. 温度センサが、本質的に抵抗温度計（４）からなることを特徴とする、請求項５に記載のマイクロコンポーネント。
7. 電気加熱エレメントの接続部が、マイクロコンポーネントの側縁の領域に配設されていることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロコンピュータ。
8. 加熱エレメントの接続部が、側面上に配設された電気接点面を有することを特徴とする、請求項７に記載のマイクロコンポーネント。
9. マイクロコンポーネント（１）および電気加熱エレメントが、半導体製造方法を用いて製作されることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロコンポーネントを製造するための方法。
10. 金属層をマイクロコンポーネント（１）の表面に被着させ、前記金属層をフォトレジストで被覆し、該フォトレジストを導体トラックの経路領域内で露光させ、その後に、エッチングによって非露光領域の前記金属層を除去することを特徴とする、請求項９に記載の方法。
11. 請求項１に記載のマイクロコンポーネントを複数、共通ベースプレート（１０）上へ配設する配設構造。
12. 共通ベースプレート（１０）上に配設された個別ホルダー（９）が、それぞれのマイクロコンポーネント（１）に割り当てられていることを特徴とする、請求項１１に記載の配構造。
13. 隣接するホルダー（９）に関連する接続部が、永久的に取り付けられた接続ライン（１３）を有することを特徴とする、請求項１２に記載の配設構造。
14. ベースプレート（１０）が、複数のマイクロコンポーネント（１）用の共通ホルダー（１４）を有することを特徴とする、請求項１１に記載の配設構造。
15. ホルダー（１４）が、各マイクロコンポーネント（１）の個々の加熱エレメントを制御するための別個の電気接続部（１９）を有することを特徴とする、請求項１４に記載の配設構造。

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