JP2006515667A - 位相マイクロ型分析器 - Google Patents

Abstract

サンプル中の、または、他の場所における流体混合物の存在、身元、および、濃度を感知するための濃縮器１２４、分離器１２６、および、検出器を備えた位相加熱器アレイ構造体４１を組み込んだセンサ１０。センサ１０はガス放電デバイス３５０、化学センサ、および、光電離センサのアレイを利用することができる。各センサは、濃縮器１２４および分離器１２６に対する加熱器要素２０、２２、２４、２６の可変部分およびタイプの選択のための制御論理４９０を有することができる。検出器１２７、１２５、１２８、濃縮器１２４、および、分離器１２６は、位相加熱器アレイと共にチップ上に集積することができる。レジスタおよび制御論理４０２は、ワイヤボンディングもしくはハンダ・バンプまたはｚ軸導電性エラストマを介して、位相加熱器アレイ構造体４１を含むチップに接続可能なチップに集積することができる。

Description

本発明は流体の検出に関する。特に、本発明は位相加熱器アレイ構造に関し、より詳細には、流体成分の同定および定量化のためのセンサとしてのこの構造の応用に関する。用語「流体」は主として気体および液体を含む一般的な用語として使用することができる。例えば、空気、ガス、水、および、油は流体である。

本出願は、参照により本明細書に組み込まれている２００３年１月１５日に出願の「ＰＨＡＳＥＤ−ＩＩＩ ＳＥＮＳＯＲ」と題された同時係属の米国仮特許出願第６０／４４０１０８号の米国特許法第１１９条（ｅ）（１）に基づく優先権を主張する。また、本出願は、参照により本明細書に組み込まれている２００２年９月２７日に出願の「ＰＨＡＳＥＤ ＳＥＮＳＯＲ」と題された同時係属の米国仮特許出願第６０／４１４２１１号の米国特許法第１１９条（ｅ）（１）に基づく優先権も主張する。

流体分析器に関連した構造および工程の態様は、参照により本明細書に組み込まれているＵｌｒｉｃｈ Ｂｏｎｎｅ他に対して２００２年５月２８日に発行の「Ｇａｓ Ｓｅｎｓｏｒ ｗｉｔｈ Ｐｈａｓｅｄ Ｈｅａｔｅｒｓ ｆｏｒ Ｉｎｃｒｅａｓｅｄ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ」と題された米国特許第６３９３８９４Ｂ１号、参照により本明細書に組み込まれているＵｌｒｉｃｈ Ｂｏｎｎｅ他に対して２００１年１０月３０日に発行の「Ｓｅｌｆ−Ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ Ｆｌｏｗ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｓａｍｅ」と題された米国特許第６３０８５５３Ｂ１号、および、参照により本明細書に組み込まれているＲｏｇｅｒ Ｌ．Ａａｇａｒｄ他に対して１９９０年７月２４日に発行の「Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｔｈｅｒｍａｌ Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ ａｎｄ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｈｅａｔ」と題された米国特許第４９４４０３５号に開示されているものとすることができる。

現在利用可能な気体組成分析器は選択的かつ高感度にすることができるが、未知の成分を持つサンプル・ガス混合物の成分を同定する能力を欠いており、その上、全般に大きく、かつ、高価である。先端技術の組み合わせ分析器であるＧＣ−ＧＣおよびＧＣ−ＭＳ（ガス・クロマトグラフ−質量分析器）は、選択性、感度、および、高性能の望ましい組み合わせに近づいているが、大きく、高価で、動作が遅く、かつ、電池駆動の実用例には不適切である。ＧＣ−ＡＥＤ（ガス・クロマトグラフ−原子発光検出器）において、ＡＥＤは単独では１００ワット以上を使用し、水冷を使用し、１０ＭＨｚのマイクロ波を超える放電を有し、かつ、高価である。

当初、位相加熱器アレイ・センサは濃縮器、分離器、ならびに、チップ外流量センサのための個別の各チップから構成されていた。これらは１つのチップ上に集積することができ、構造上の完全性および温度制御における改善を提供している一方、電力消費量を低減している。次に現れた位相加熱器アレイ・センサは分析対象物質の検出、同定、および、定量化のための集積可能なマイクロ型放電デバイスの追加を含んでいた。しかし、ＦＥＴスイッチおよびシフト・レジスタのチップ上への完全な集積が不足していたため、ドーター・ボードからマザー・ボードへと約１１０本のワイヤをマザー・ボードのマイクロ・プロセッサ制御のＦＥＴスイッチにワイヤ・ボンディング、経路決定、接続、および、経路決定する必要性が未だにあり、このことは大きな体積および人件費の原因となっていた。加えて、位相加熱器アレイ・センサ分析器および従来のＧＣは、オンラインで前濃縮および分離の能力を変化させるための柔軟性を欠いているようである。

より安価、効率的、かつ、安価な形での非常に小さな量の流体の検出、同定および分析が所望されている。

本発明は、流体成分の存在、同定、および、定量化を達成するためのコンパクト、高速、低消費電力、大気圧、最小型のポンプ使用スペクトル分析デバイスのアレイと共働する選択的、高感度、高速、かつ、低消費電力の位相加熱器要素のアレイからなるセンサ・システム／分析器の設計および動作である。

加えて、柔軟性、低費用、および、コンパクトさの各特徴が、ドーターＰＣＢ（僅か約１０本のリード線を介してマザーＰＣＢに接続された印刷回路板）上のワイヤ・ボンディングまたはハンダ・バンプを介して位相加熱器アレイ・センサ・チップに接続された同じ、または、別個のチップ上に、ＦＥＴスイッチ、シフト・レジスタ、および、制御論理回路を介して組み込まれており、前濃縮および分離、ならびに、分析論理の選択のための加熱可能な全要素の一部を選択することができる柔軟性をユーザに提供している。

多重流体の検出および分析は、経済的に可能な、その場での、超高感度、低消費電力、低維持負荷、かつ、コンパクトなマイクロ型検出器および分析器を介して自動化することができ、この検出器および分析器は、無線で、または、他の媒体（例えば、有線もしくは光ファイバ）により、自身の検出および／または分析の結果を中央または人間のいる他の基地に送信することができる。マイクロ型流体分析器は位相加熱器アレイ、濃縮器、分離器、および、多様な手法を組み込むことができる。マイクロ型流体分析器は、５０十億分率（ｐｐｂ）の最大発光の目標物を使用してオゾンを感知するための低費用の手法となることができる。分析器は、ホストもしくはベース・サンプル・ガス中の微量化合物の、または、ホスト液体中の微量化合物の混合物を検出することが可能とすることができる。

流体分析器は、連動するマイクロ型制御装置またはプロセッサに対する接続用の構成を含むことができる。センサの実用例は、従来のＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、および、ＣＯに加えて、アルデヒド、酪酸、トルエン、ヘキサンなどの航空機飛行空間における大気汚染物質の検出および分析を含むことができる。他の感知は、ＣＯ_２、Ｈ_２Ｏ、アルデヒド、炭化水素、および、アルコールなどの気体のレベルに対する状態調整された屋内空間、ならびに、化学薬品、精製、製品純度、食品、紙類、金属、ガラス、および、医薬品の各産業におけるものなどの屋外空間および工程ラインを感知することを含むことができる。同様に、感知は環境の保証および保護においても重要な位置を有することができる。感知は、化学物質の濃度が上昇し、かつ、有害になる前に、化学物質の早期検出により施設の内外において防衛的安全性を提供することができる。

センサの大部分は、従来の半導体プロセスまたはマイクロ型電子機械システム（ＭＥＭＳ）の各技術を使用してチップ上に集積することができる。この種の製造はマイクロ型分析器の小型、低電力消費、かつ、その場への配置をもたらす。モニタを介した空気または気体サンプルの流速も非常に小さくすることができる。さらに、サンプルに対するキャリヤ・ガスは必ずしも必要ではなく、そのため、キャリヤ・ガスのこの不在は試験されているサンプルの希釈を低減することができ、その上、付随するメンテナンス、および、加圧ガス・タンクの取り扱いの大部分を排除する。この手法は、センサが素早い分析および迅速な結果を提供することを可能にし、いくつかの従来技術のデバイスより少なくとも１桁速くすることができる。このことは、労働集約型の実験室分析の遅延および費用を回避する。センサは、センサが、検出された気体の分析および決定のための集積マイクロ型制御装置を有することができる点、ならびに、精度を維持することができ、問題なく動作し、かつ、人間のいない離れた位置へ、および、そこから情報を通信することができるという点で知的である。センサは、「接続するだけで動作する」適合度および簡略さを備えたかなりの距離を介したホスト・システムへの完全な双方向通信の能力を使用して、ユーティリティ回線、または、光もしくは無線媒体を介して、検出器情報、分析、および、結果を通信することができる。センサはネットワーク上で作業可能とすることができる。センサは、他の気体状態調整デバイス（例えば、粒子フィルタ、弁、流量センサ、および、圧力センサ）、局所メンテナンス制御点と相互接続可能とすることができ、インターネットを介したモニタリングを提供することができる。センサは堅牢である。センサは、非常に強い電場および磁場を有する高度の電磁干渉（ＥＭＩ）環境においても精度を維持することができる。センサは高感度を有する。センサは、１から１０ｐｐｍ（百万分率）の範囲における感度を提供することができる従来のガス・クロマトグラフなどの従来の技術よりも１００から１万倍も優れているサブｐｐｍレベルの検出を提供する。センサは、ガス・クロマトグラフの、中でもより低消費電力、より高速、かつ、よりコンパクト、より高感度、ならびに、経済的なバージョンである。センサは構造的な完全性を有することができ、かつ、非常に大きな差分圧力範囲にわたり加圧流体サンプルを検出および分析する実用例における漏出のリスクを非常に低くするか、または、全くなくすことができる。

センサにおいて、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ ＭｅｓｏＰｕｍｐ（商標）などの小型ポンプはサンプルをシステム内に吸引することができる一方、そのサンプルの一部のみが（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ ＭｅｓｏＶａｌｖｅ（商標）またはＨｏｅｒｂｉｇｅｒ ＰｉｅｚｏＶａｌｖｅ（商標）とすることができる）弁により制御された速度で位相加熱器センサを介して流れることができる。この手法は、長いサンプル採取回線にもかかわらず高速のサンプル獲得を可能とすることができ、かつ、調節済みの約０．１から３ｃｍ^３／分の流量を検出器に対してさらに供給することができる。センサのポンプは、高速のサンプル獲得および位相加熱器センサを介した調節済みの流れの双方を提供する形で、フィルタを介してサンプル・ガスを吸引するように構成することができる。

ポンプがセンサを介してサンプル・ガスを吸引すると、ガスは膨張することができ、したがって、その体積を増加させ、かつ、線形速度を上昇させることができる。制御回路は、加熱器の「波」をセンサ内の変化するガス速度に同期したままに保つために、この速度変化を補償するように設計することができる。加熱器チャネルを介することを強いられる間のサンプル・ガスの体積の変化を補償するために、ポンプの電子回路は、内部のガス流量を加熱器の「波」と同期したままに保つために、流量制御および／または加熱器の「波」の速度のいずれかを調整する必要があるとすることができる。

ガス調査の動作中、（他のいずれかのより動作の遅いガス・クロマトグラフのように）センサの能力は、約３３０から７００ｐｐｍのＣＯ_２、約１から２ｐｐｍのＣＨ_４、および、約０．５から２．５％のＨ_２Ｏなどの空気の複数の微量構成要素を感知することができる。このことは、出力溶出時間のオンライン較正、ならびに、天然ガス、プロパン、または、他のガス・パイプラインの漏れを可能に示唆するエタンなどのさらに多くのピークの存在のチェックを可能とすることができる。したがって、サンプル・ガスの構成要素のピークの高さの比は、自動車の排気ガスまたはガソリンの蒸気を含むことができる微量ガスの発生源についての手掛かりを明らかにすることができる。

センサは、輸送または分配用パイプライン・システムに沿った天然ガスまたはプロパン・ガス、および、化学プラントにおける他のガスの安全性が託された定期的漏出調査に対して、センサを特に十分に適したものにする感度、速度、携帯性、および、低消費電力を有することができる。

センサは、漏出感知用実用例において、較正マーカ（溶出時間は気体構成要素の性質を同定する）および／または漏出源の識別子として、いくつか、または、全てのサンプル・ガス構成要素（および、それらのピーク比）を使用することができる。もし（約１から２ｐｐｍで山の空気に存在する）メタンなどの特定のピークの存在のみが知られるのであれば、その構成要素の発生源が沼地ガス、天然もしくはパイプラインのガス、または、他の流体からであることを示唆するための十分な情報となることができない。

センサは携帯用デバイスとして、または、固定位置に据え付けて使用することができる。相当する従来技術のセンサとは対照的に、センサは、水素タンクの大きな体積を必要としない、携帯用火炎電離検出器よりコンパクトなものにすることができ、熱フィラメントまたは金属酸化物可燃ガス・センサよりも高速かつ高感度とすることができ、さらに、従来および／または携帯用のガス・クロマトグラフよりもはるかに高速、コンパクト、かつ、省電力とすることができる。

図１のセンサ１５による検出および分析は、流体構成要素の検出、同定、および、定量化を含むことができる。このことは、検出された流体の濃度または百万分率の決定を含む。センサ１５は環境中の流体を検出するために使用することができる。同様に、センサ１５は状態調整されたか、または、試験されている空間の雰囲気環境における汚染物質の非常に小さな量を検出することができる。センサ１５は、雰囲気空気または吸入された空気における無害性および人間に対する有害物質のレベルを示すことができる。

図１は低電力センサ・システム１１の例示的な図を示す。工程の流れ、雰囲気空間、または、体積６１からのサンプル流体２５は、センサまたはマイクロ型ガス装置１５の入力３４に接続された導管またはチューブ１９に進入することができる。流体２５はセンサ１５により処理することができる。処理された流体３７はセンサ１５の出力３６を外出することができ、導管またはチューブ３９を介して体積６１または指定されたどこでも他の体積に排気することができる。

センサ１５の結果は分析、ならびに、即座のまとめおよび結果のためにマイクロ型制御装置／プロセッサ２９に送ることができる。この情報は、見出された結果についての検討、ならびに、さらなる分析、評価、および、決定のために観測者基地３１に送ることができる。データおよび制御情報は基地３１からマイクロ型制御装置／プロセッサ２９に送ることができる。データおよび情報はセンサ１１および基地３１における送信機／受信機３３により無線媒体を介して送信および受信することができる。または、データおよび情報はモニタ１１および基地３１におけるモデム３５により通信の有線または光回線を介して送信および受信することができる。データおよび情報はＳＣＡＤＡ（監視制御およびデータ収集）システムに送信することができる。これらのシステムは、特定のガスを検出し、かつ、検出に関連した情報を離れた受領者に提供するために、産業界（加工、製造、サービス、保健）において使用することができる。

マイクロ型制御装置またはプロセッサ２９は制御、調整、較正、または、他の目的のために様々な信号を分析器１５に送ることができる。同様に、マイクロ型制御装置／プロセッサ２９は、検出結果に基づき環境の予測を提供するようにプログラムすることができる。分析の算出、結果、または、他の情報は、回線、ファイバ、または、他の同様の媒体を介して基地３１に送信されるための信号への変換のためにモデム３５に送ることができる。同様に、モデム３５へのそのような出力は、特にもし携帯用デバイスとして使用されていれば、例えばＧＰＳを介して、得られた検出の実際の位置に関する情報を添えて、基地３１への無線送信のために送信機３３に、代わりに、または、同時に送ることができる。同様に、基地３１は、制御、調整、較正、または、他の目的のためにマイクロ型制御装置またはプロセッサ２９に転送されることが可能な様々な信号を、モデム３５および受信機３３に送ることができる。

図１において、空間６１は開放または閉鎖とすることができる。センサ・システム１１は、航空機の客室、機械室、工場、または、他の環境内の何らかの場所などの閉鎖空間６１において使用可能である接続部を有することができる。または、センサ・システム１１は地球の環境の開放空間６１においても使用可能とすることができる。入力用チューブまたはパイプ１９の末端は開放空間６１内とすることができ、出口チューブ３７の排気は閉鎖空間６１から幾分離れた距離に定置することができる。空間６１に対するシステム１１は、空間６１が処理の流れである場合に特に下流で、チューブ３９が空間６１に外出することができることを除き、システム１１自体が空間６１内とすることができる。

図２はマイクロ型ガス装置１５の特定の詳細を示す。同装置１５のさらなる詳細および変形は、その後の図面と共に以下に説明されている。サンプルの流れ２５はパイプまたはチューブ１９から入力ポート３４に進入することができる。装置１５に進入する流体２５の流れから汚れおよび他の粒子を除去するための粒子フィルタ４３があってもよい。この除去は装置の保護のためであり、濾過は流体２５の組成を正確に分析するための装置の能力を低減させてはならない。（懸濁物質または液体不揮発性粒子で）汚れた流体は適切なセンサ機能を阻害する可能性がある。流体２５の部分４５は、差分熱伝導性検出器（ＴＣＤ、または、化学センサ（ＣＲＤ）、または、光電離センサ／検出器（ＰＩＤ）、または、他のデバイス）１２７の第１の脚枝部を介して流れることができ、流体２５の部分４７はチューブ４９を介してポンプ５１に流れる。取入口４５にすぐ隣接して「Ｔ型」チューブを設置することにより、最小の時間的遅延でのサンプル採取を、フィルタのパージ時間を短縮することを促進するための比較的大きな流量４７により達成することができる。ポンプ５１は、流体４７を粒子フィルタ４３の出力からチューブ４９を介して流し、かつ、ポンプ５１から外出させることができる。ポンプ５３は流体４５の流れをチューブ５７を介してセンサを通過させることができる。今、ポンプ５１は１ｐｓｉの圧力降下（Δｐ）未満で１０から３００ｃｍ^３／分の吸込み能力を提供することができ、低流量能力ポンプ５３は、最大１０ｐｓｉのΔｐで０．１から３ｃｍ^３／分を提供することができる。図２におけるシステム１５に対しては、さらに多くの、または、より少ないポンプ、および、様々なチューブもしくは配管の配置もしくは較正があってもよい。検出器１２７および１２８からのデータは、制御装置１３０に送ることができ、制御装置１３０は今度はデータを、処理のためにマイクロ型制御装置および／またはプロセッサ２９に中継することができる。結果として得られた情報は基地３１に送ることができる。

ポンプ５１および５３は、どこかからの可能なガスの検出のためにチェックされている流体のサンプルを吸引するために実施されている非常に経済的かつ効率的な構成とすることができる。使用していない時のスリープ・モードを有する低電力電子回路を利用することができる。分析器システム１１の濃縮器および／または測定サイクルの開始の前に約１から１０秒以下のみ運転できるこの特に経済的ながら適切に機能的なポンプ５１および５３の使用、ならびに、制御装置１３０および／または（使用していない時のスリープ・モードを使用できる）マイクロ型制御装置／プロセッサ２９のための低電力電子回路の使用は、そのような電力の使用において約２倍の削減をもたらすことができる。

図３は、図２における濃縮器１２４または分離器１２６の一部を示すセンサ装置１０、１５の一部の概略図である。センサ装置は基板１２および制御装置１３０を含むことができる。制御装置１３０は基板１２に組み込まれていてもいなくてもよい。基板１２は、自身の上に定置された、いくつかの薄膜加熱器要素２０、２２、２４、および、２６を有することができる。４つの加熱器要素のみが示されている一方、例えば２と１０００の間であるが、典型的には２０から１００の範囲にあるいかなる数の加熱器要素も設けることができる。加熱器要素２０、２２、２４、および、２６は、８０％のニッケルおよび２０％の鉄を有するパーマロイと呼ばれることもあるニッケル−鉄合金、白金、白金珪素化合物、および、ポリシリコンなどのいかなる適した電気伝導体、安定した金属、または、合金フィルムで製造することができる。加熱器要素２０、２２、２４、および、２６は図４および５に示す薄い、低熱質量、低平面熱導電性の支持部材３０上に設けることができる。支持部材または膜３０はＳｉ_３Ｎ_４または他の適切もしくは同様の材料から作成することができる。加熱器要素はＰｔまたは他の適切もしくは同様の材料から作成することができる。

基板１２は、図４に示す、サンプル流体の流れ４５を受領するためのチャネル３２を有する形のはっきりした単一チャネルの加熱器機構４１を有することができる。図５はチャネル３１および３２を有する二重チャネル位相加熱器の設計４１を示す。基板１２および部分またはウェハ６５は流れているサンプル流体４５を受領するための形のはっきりしたチャネル３１および３２を有することができる。チャネルは、支持部材３０の下のシリコン・チャネル・ウェハ基板１２および支持部材の上方のウェハまたは部分６５を選択的にエッチングすることにより作成することができる。チャネルは進入ポート３４および排気ポート３６を含むことができる。

センサ装置は、流れているサンプル流体４５に露出されるように、チャネル３１および３２の内部にいくつかの相互作用可能な要素も含むことができる。相互作用可能な要素の各々は、対応する加熱器要素に隣接して、すなわち、最も近い可能な接触のために定置することができる。例えば、図４において、相互作用可能な要素４０、４２、４４、および、４６は、チャネル３２における支持部材３０の下部表面上に、かつ、それぞれ加熱器要素２０、２２、２４、および、２６に隣接して設けることができる。図５において、追加の相互作用可能な要素１４０、１４２、１４４、および、１４６は、第２のチャネル３１における支持部材３０の上部表面上に、かつ、同じくそれぞれ加熱器要素２０、２２、２４、および、２６に隣接して設けることができる。本例示的実施例には示されていない追加の相互作用可能なフィルム要素を備えた他のチャネルがあってもよい。相互作用可能な要素はシリカ・ゲル、ポリメチルシロキサン、ポリジメチルシロキサン、ポリエチレングリコール、多孔シリカ、Ｎａｎｏｇｌａｓｓ（商標）、活性炭素、および、他のポリマー物質などの液体またはガスのクロマトグラフにおいて一般に使用されているいかなる数のフィルムからも形成することができる。さらに、上記の相互作用可能な物質は、目標とされた分析対象物質の最適な吸着および／または分離を達成するために、極性および／または疎水性の変化する程度を達成するために、適するドーパントにより修正することができる。

図６ａは２チャネル位相加熱器機構４１の断面端面図を示す。図６ａ、６ｂ、および、６ｃにおける各部分の上面および底面透視図は、必ずしも同じに見えなくてよい。図６ｂおよび６ｃにおいて、単一チャネル位相加熱器機構４１の端面図は支持部材３０および基板１２、ならびに、それらの間の品目を含むことができる。図６ｂは露出された１ミクロンの膜を有する位相加熱器機構４１のバージョンを示す。図６ｂに示すものは開放空間３９２である。図６ｃは小さな閉鎖空間３９４を有する耐衝撃性を持たせた低電力バージョンを示す。支持部材３０は頂部構造６５に装着することができる。アンカー６７はチャネル３１を基準として適切な位置に支持部材３０を保持することができる。より少ないアンカー６７のポイントは支持部材３０から構造４１の他の部分への熱伝道損失を最小に抑える。加熱器要素からのほとんどない熱伝道に対する少ない数のアンカー・ポイントを有する加熱器膜があってもよい。通常のアンカー設置方式とは対照的に、本実施例は残っている加熱器要素の入力電力の約１．５倍の節約をもたらすために、アンカー・ポイントの低減を有することができる。

位相加熱器アレイの加熱器要素には、入来する検出されたガスのより少ない電力の放散およびより効率的な加熱のために双方の表面、すなわち、頂部側および底部側上に、吸着材料を使用してコーティングすることができる。加熱器要素は低減された電力放散に対する小さな幅を有することができる。

相互作用可能なフィルム要素は、単一チャネル加熱機構４１のチャネル３２を介して所望の吸着剤材料を搬送する材料の流れを通過させることにより形成することができる。このことは、チャネル全体を通じて相互作用可能な層を設けることができる。もし別個になった相互作用可能な要素４０、４２、４４、４６が所望されるなら、コーティングは、図６ａにおける頂部ウェハ６５を装着する前に、底部ウェハ１２に装着された基板３０上にスピン・コーティングし、続いて、標準的なフォトレジスト・マスキングおよびパターニングの方法を使用するか、または、加熱要素２０、２２、２４、および、２６を介してコーティングに温度変化を設けるかのいずれかにより、選択的に「現像」することができる。

吸着剤材料を使用してコーティングされた設計により意図的にそれらの表面を除いた加熱器アレイの内部チャネルの表面は、非吸着性断熱層を使用してコーティングすることができる。吸着剤のコーティングまたはフィルムの厚さは低減され、それにより、吸着および脱離のために必要な時間を短縮する。図６ａにおけるように、非吸着性断熱材料のコーティング６９は、設計により相互作用可能要素などの吸着材料がコーティングされている表面のある部分を除いて、単一チャネル加熱器４１のチャネル３１の内部壁および二連チャネル加熱器機構４１のチャネル３１および３２の壁に塗布することができる。コーティング６９は必要な加熱器要素電力を約１．５倍低減することができる。材料はチャネルの壁に使用されている材料よりも実質的に小さな熱伝導を有さなければならない。後者はシリコンとすることができる。コーティング６９の代替材料はＳｉＯ_２または他の金属酸化物を含むことができる。コーティング６９は支持部材３０における加熱器要素のために使用される電力を低減することができる。移動相／固定相体積の合理的な比を保持する一方での加熱器要素膜ならびに吸着剤フィルムのサイズ（幅、長さ、および、厚さ）の最小化または低減は、約４倍の電力低減をもたらす。最小化または低減された吸着剤フィルムの厚さは吸着−脱離のために必要な時間を短縮することができ、流体の分析当たりに必要なエネルギーを約１．５倍節約することができる。

加熱器要素２０、２２、２４、および、２６は頂部側および底部側の双方をＧＣフィルム・コーティングすることができ、それによって、加熱器要素表面の幅および電力放散を約２倍にすることができる。これらの加熱器要素は２つのコーティング工程を含み、第２の工程は、第２のウェハの内側の第１のコーティングを保護して第１のウェハを溶解した後に、ウェハ対ウェハのボンディングおよびコーティングを必要とする。

所望の堅牢性（すなわち、薄い膜２０、２２、２４、．．．を外部環境に露出させない）であるが、これら頂部および底部の双方をコーティングする必要のないものを達成する他の手法は、頂部のみをコーティングし、かつ、底部チャネル３２を小さな高さに低減することであり、図６ａを参照されたいが、そのため、体積比（空気／フィルム）は５００未満の値となる。

マイクロ型ガス分析器は、濃縮器および分離機要素の所定のパターンが（ＧＣの文献では固定相として知られている）異なった吸着剤材料Ａ、Ｂ、Ｃ、．．．、でコーティングされるように；濃縮工程に寄与するため、および、分離器に電子的に注入されるために、濃縮器要素／分離器要素の比が選択されるだけでなく、Ａ、Ｂ、Ｃなどでコーティングされたそれらの比（および、何度の堆積温度で）も選択できるようにし、ここでは、再び要素温度の急激な変化の速度が、Ｂ、Ｃ、．．．の要素に対して異なるようにＡの速度に対して選択することができ、さらに、「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を「Ｂ」要素のグループから分離することができる形でこのシステムに多様性を追加するような、繰り返される連続してスピン・コーティングされる（または、他の堆積手段の）工程を介して作成された加熱器要素４０、４２、．．．、４４、４６、および、１４０、１４２、．．．、１４４、１４６を有することができる。分離器加熱器要素に対する濃縮器の比は、制御装置１３０に接続された比率制御機構４９０により設定または変更することができる。

制御装置１３０は、図３に示すように、加熱器要素２０、２２、２４、２６、および、検出器５０の各々に電気的に接続することができる。制御装置１３０は、対応する相互作用可能要素４０、４２、４４、および、４６の各々が加熱状態となり、かつ、１つまたは複数の上流相互作用可能要素により生成された上流濃度パルスがその相互作用可能要素に到達する時点の付近で選択された成分を上流サンプル流体４５中に脱離するように、（図７の最下段を参照されたい）時間位相シーケンスにおいて加熱器要素２０、２２、２４、および、２６に電力を供給することができる。いかなる数の相互作用可能要素も、濃度パルスにおける成分ガスの所望の濃度を達成するために使用することができる。結果として得られた濃度パルスは検出および分析のために検出器５０、１２８に供給することができる。検出器５０、１２７、または、１２８（図２および図３）は、熱伝道検出器、放電電離検出器、ＣＲＤ、ＰＩＤ、ＭＤＤ、または、ガスもしくは流体クロマトグラフィにおいて使用されるものなどのいかなる他のタイプの検出器とすることもできる。

図７は、例示的相対加熱器温度を各加熱器要素において生成される対応する濃度パルスと共に示すグラフである。上記に示したように、制御装置１３０は電圧信号７１を使用して時間位相シーケンスにおいて加熱器要素２０、２２、２４、および、２６に電力を供給することができる。加熱器要素２０、２２、２４、および、２６に対する例示的時間位相加熱器相対温度は、それぞれ温度プロファイルまたは線６０、６２、６４、および、６６により示されている。

示す実施例において、制御装置１３０（図３）は、第１の加熱器要素２０を、図７の線６０において示す同要素２０の温度を上昇させるために電力を供給することができる。第１の加熱器要素２０が第１の相互作用可能要素４０と熱的に結合されているため（図４および５）、もしいずれの他の加熱器要素もパルスを送られなければ、第１の相互作用可能要素は、検出器１２８または５０において第１の濃度パルス７０（図７）を生成するために、流れているサンプル流体４５中に選択された成分を脱離する。流れているサンプル流体４５は、矢印７２により示すように、第１の濃度パルス７０を第２の加熱器要素２２に向けて下流に搬送する。

次に、制御装置１３０は、要素２０に対するエネルギー・パルスが停止された時点またはその後に開始して、線６２において示すように第２の加熱器要素の温度を上昇させるために同要素２２に電力を供給することができる。第２の加熱器要素２２が第２の相互作用可能要素４２に熱的に結合されているため、第２の相互作用可能要素も、第２の濃度パルスを生成するために、選択された成分を流れているサンプル流体４５中に脱離する。制御装置１３０は、図７に示すように、より高い濃度パルス７４を生成するために第２の濃度パルスが第１の濃度パルス７０と実質的に重なるように、第２の加熱器要素２２に電力を供給することができる。流れているサンプル流体４５は、矢印７６により示すように、第３の加熱器要素２４に向けてより大きな濃度パルス７４を下流に搬送する。

続いて、制御装置１３０は、図７の線６４において示すように、第３の加熱器要素２４に、同要素２４の温度を上昇させるために電力を供給することができる。第３の加熱器要素２４が第３の相互作用可能要素４４に熱的に結合されているため、第３の相互作用可能要素４４は、第３の濃度パルスを生成するために、選択された成分を流れているサンプル流体中に脱離することができる。制御装置１３０は、さらにより高い濃度パルス７８を生成するために第３の濃度パルスが第１および第２の加熱器要素２０および２２により供給されたより大きい濃度パルス７４と実質的に重なるように、第３の加熱器要素２４に電力を供給することができる。流れているサンプル流体４５は、矢印８０により示すように、「第Ｎ」の加熱器要素２６に向けてこのより大きな濃度パルス７８を下流に搬送する。

続いて、制御装置１３０は、線６６において示すように、「第Ｎ」の加熱器要素２６に、同要素２６の温度を上昇させるために電力を供給することができる。「第Ｎ」の加熱器要素２６が「第Ｎ」の相互作用可能要素４６に熱的に結合されているため、「第Ｎ」の相互作用可能要素４６は、「第Ｎ」の濃度パルスを生成するために、選択された成分を流れているサンプル流体４５中に脱離することができる。制御装置１３０は、「第Ｎ」の濃度パルスが、その前のＮ−１個の相互作用可能要素により生成されたより大きな濃度パルス７８と実質的に重なるように、「第Ｎ」の加熱器要素２６に電力を供給することができる。流れているサンプル流体は、以下に説明するように、分離器１２６または検出器５０もしくは１２８のいずれかに、「第Ｎ」の濃度パルス８２を搬送する。

上記に示したように、加熱器要素２０、２２、２４、および、２６は共通の長さを有することができる。そのため、制御装置１３０は各加熱器要素に等しい電圧、電流、または、電力のパルスを供給することにより各加熱器要素の等しい温度を達成することができる。電圧、電流、または、電力のパルスは、三角形、四角形、鐘形、または、他のいかなる形状も含むいかなる所望の形状も有することができる。１つのほぼ四角形の電圧、電流、または、電力のパルスは図７に示す温度プロファイル６０、６２、６４、および、６６を達成するために使用される。各温度プロファイルはそのように見えるが、電圧パルスを基準とした小さな時間遅延を伴って、脱離した実体が発生されることに注意されたい。

図８は、第一に、濃度が、後に続く各要素の状態が流れているサンプル流体の速度と適切に同期するような段階的な形で、どのように上昇するのかを、および、第二に、個々の要素の長さが、濃度のレベルおよび購買が上昇するように、質量拡散束の予想上昇速度にどのように適合されているかを、示すためにいくつかの加熱器要素を示すグラフである。ここで、図８に示す要素に先立って、要素１００（Ｈ１）として示す要素よりＦ倍長い長さを持つ最初の要素にパルスを印加することにより、または、代わりに、要素１、２、．．．、Ｆに同時にパルスを印加し、要素１００（Ｈ１）にパルスを印加する前にまだ冷えている要素１００を使用して全ての脱離した分析対象物質を収集することにより、分析対象物質の濃度が係数Ｆで既に増倍しておくことができることを指摘すべきであろう。濃度パルスの各々は、チャネル３２を走行すると、拡散により、振幅が減少し、かつ、長さが増大する可能性のあることが理解されよう。この増大した長さを収容するために、並んでいる各加熱器要素の長さを流れているサンプル流体に沿って増大することができることが考えられる。例えば、第２の加熱器要素１０２は第１の加熱器要素１００の長さＷ_１より長い長さＷ_２を有することができる。同様に、第３の加熱器要素１０４は第２の加熱器要素１０２の長さＷ_２より長い長さＷ_３を有することができる。したがって、各加熱器要素１００、１０２、および、１０４の長さは、隣接する上流側の加熱器要素と比較して、拡散による上流側の加熱器要素の濃度パルスの予想された増大した長さに対応する分だけ、増大させることができると考えられる。しかし、目標の分析対象物質の濃度が非常に低いか、または、吸着フィルムの容量が非常に大きいいくつかの場合において、特定の時間の間に濃縮器を介してポンプ吸引された（図２のポンプ５１）特定の体積のサンプル・ガスから特定の量の分析対象物質を吸着させることができ、従って、（最後の加熱器要素の）サンプル体積／フィルム体積の同じ比により分析対象物質の濃度を上昇させることができるフィルム体積を最小に抑えることに基づく、濃縮器の機能の最大の対象絞込み性能を達成するために、後に続くか、または、最後の加熱器要素の長さを大幅に減少させることは可能かつ有利とすることができる。

加熱器要素の制御を簡略化するために、並んでいる各加熱器要素の長さは、加熱器要素間に同じ全体的加熱器抵抗を生成するために、一定に保つことができ、これにより、等しい電圧、電流、または、電力のパルスが、同じ温度プロファイルを生成するために使用されることを可能にする。別法として、各加熱器要素は異なった長さを有することができ、制御装置は、同じ温度プロファイルを生成するために各加熱器要素に異なった電圧、電流、または、電力のパルス振幅を供給することができる。

図９は、１００％の濃度レベルを達成する濃度パルス１１０を示すグラフである。例え、濃度パルス１１０が１００％などの最大濃度レベルに到達したとしても、対応する成分の濃度は、それでも決定できることが理解されよう。これを行なうために、検出器５０、１２８、１６４は濃度パルス１１０を検出することができ、制御装置１３０は、流れ４５の本来のサンプルにおける対応成分の濃度を決定するために、時間にわたって検出器の出力信号を積分することができる。

「ＧＣピーク同定」においては、ガス・クロマトグラフ（ＧＣ）から外出する各ガスのピークを１つの化学化合物に明確に関連付けることが所望されており、ＧＣは個々の成分の互いからのこのような分離を達成するための手段となっている。ガスの構成要素を同定するためには、いくつかの手法がある。ＧＣ−ＭＳの組み合わせにおいて、各ＧＣ−ピークはその質量に対して分析される一方、ＭＳの取入口における必要なイオン化処理の結果として得られる分子の破片を処理する。ＧＣ−ＧＣの組み合わせにおいて、化合物の同定に役立つ可能性のある分析記録に情報を追加するために、第１および第２のＧＣにおいては異なった分離カラム材料が使用されている。ＧＣ−ＡＥＤの組み合わせにおいて、マイクロ波給電のガス放電は、ガス放電プラズマにおけるＧＣ−ピークのガスの同定に役立てるための内容を提示する光学スペクトル発光線（原子）および発光バンド（分子）を発生することができる。ＧＣ−ＭＤＤまたはＧＣ−ＧＣ−ＭＤＤの構成においては、ＧＣまたはＧＣ−ＧＣから分析対象物質のピークが溶出する間に、マイクロ型放電デバイス（ＭＤＤ）がそれらのピークのスペクトルを発光させることができ、かつ、分子および原子の構造、および、従って分析対象物質の各ピークの身元を明らかにすることができる。

ＡＥＤの選択的波長チャネルがＧＣにより分離された化合物の原子的な組成をどのようにして同定することができるかの例を図１１に示す。同図は、Ｃ、Ｈ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｐ、Ｄ、Ｓｉ、および、Ｆの原子発光に対する個別のチャネルを、図１０の表にあるチャネルの対応するリストと共に示す。図１１は、元素およびその元素の概ねの量を示すことができる様々なピークを持つ多元素試験混合物のクロマトグラムを示す。ピーク３０１は２．５ナノグラムの４−フルオロアニソールを示し、ピーク３０２は２．６ナノグラムの１−ブロモヘキサンを示し、ピーク３０３は２．１ナノグラムのテトラエチルオルト珪酸塩を示し、ピーク３０４は１．９ナノグラムのｎ−過重水素デカンを示し、ピーク３０５は２．７ナノグラムのニトロベンゼンを示し、ピーク３０６は２．４ナノグラムのトリエチル燐酸塩を示し、ピーク３０７は２．１ナノグラムのｔ−ブチル二硫化物を示し、ピーク３０８は３．３ナノグラムの１，２，４−トリクロロベンゼンを示し、ピーク３０９は１７０ナノグラムのｎ−ドデカンを示し、ピーク３１０は１７ナノグラムのｎ−トリデカンを示し、かつ、ピーク３１１は５．１ナノグラムのｎ−テトラデカンを示す。このようなクロマトグラムに対して、ＧＣの条件は、３．３ｍＬ／分のカラム流量、３６：１の分割比、および、３０℃／分での６０℃から１８０℃までのオーブンのプログラムを含むことができる。

低電力マイクロ型放電を使用して発生されたＮｅの中性かつイオン化された発光体のＵＶスペクトルの一部を図１２に示す。この図に同じく示すことは、スペクトルの核種が、「Ｎｅ」の圧力が変化するに従い強度を変化させることである。光学的出力は、放電空洞の幾何学的形状、印加される電圧および圧力などのいくつかのパラメータに依存することができる。分子発光バンドは、発光され、かつ、ジェット・エンジンの高温排気中にあるガスの「ＮＯ」の測定に対して使用することさえできる。

マイクロ型放電デバイスに環境ガスのサンプルを送り込むことにより、有用なガス組成情報を得ることができる。第１の手法において、１つのマイクロ型ガス放電デバイスを使用することができ、同デバイスの動作パラメータ（電圧、圧力、流量、．．．、および、可能に幾何学的形状）は、そのような発光データの評価および処理の後でガス・サンプルの成分のタイプおよび濃度に関する情報が作成できるように、出力発光スペクトルにおける変化を作り出すために、変更することができる。第２の手法において、いくつかのマイクロ型ガス放電デバイスを使用することができ、それにより、第１の手法にあるような発行出力の評価のために各デバイスの動作パラメータを変更することができ、かつ、統計的解析を介してより優れた結果を得ることができる。第３の手法は、各マイクロ型放電は１つの状態のみだが、他のマイクロ型放電の設定点の状態とは異なるように設定されて動作することができることを除き、第１の手法と同様とすることができる。

図１３は第３の手法を示し、同手法により、ガス・サンプルは１つのタイプの放電から次の放電へと順に通過することができ、仮定できることは、ガス・サンプルの性質がこの処理の間に変化しないということである。図１３は、様々な圧力および電圧におけるガス４５の流れにおけるガス組成の感知のための光源−検出器の組のアレイ３５０を示す。異なった電圧＋Ｖ１、＋Ｖ２、．．．、ならびに、圧力Ｐ１およびＰ２は、このように記号が付けられている。光源ブロック３５１からのマイクロ型放電３５２のプラズマは、（＋）と（−）の電極間の楕円により示す。光源ブロック３５１と向き合っているのは、光源放電３５２からの光の検出器３５４として動作するマイクロ型ガス放電デバイスを有する検出器ブロック３５３である。検出器３５４上に固定されたフィルタがあってもよい。各フィルタは異なってもよく、かつ、ガスの特定のグループの検出および分析のために選択することができる。マイクロ型放電からのガスの発光の様々な線は検出することができ、かつ、検出されたガスの成分を決定するために同定することができる。アレイ３５０は制御装置１３０に接続することができる。プロセッサはマイクロ型放電の制御、および、アレイ３５０を介したガス４５の流れにおける放電の影響の検出に利用することができる。

光源ブロック３５１はシリコンで作ることができる。ブロック３５１に固定されているのは、デバイス３５０を介してガス４５の流れを含むためのチャネルを形成するＳｉ_３Ｎ_４またはＰｙｒｅｘ（商標）の壁状構造体３５５とすることができる。構造体３５５の頂部上には、ＰｔまたはＣｕ材料３５６の伝導層があってもよい。Ｐｔ材料上には、流れチャネルを覆って延長することができるＳｉ_３Ｎ_４の層３５７がある。層３５７の頂部上には、検出器３５４のためのチャネルを形成するためのＰｔの層３５８およびＳｉ_３Ｎ_４の層３５９があってもよい。第４の手法は、順を追う形よりも、むしろ並行して各放電にガス・サンプルを供給することを除き、第３の手法と同様とすることができる。

第５の手法は、ガス・サンプルが、例えば従来のＧＣにより供給される間に、分離処理を受けさせておくことができることを除き、第４または第３の手法と同様とすることができる。第６の手法は、分離処理に先立ち、問題のサンプル分析対象物質が従来の前濃縮工程により最初に濃縮することができることを除き、第５の手法と同様とすることができる。

第７の手法は、分離処理に先立ち、問題のサンプル分析対象物質が多段前濃縮処理により予め濃縮しておくことができ、続いて、位相加熱器アレイ・センサにより供給される間に分離器内に電子的に注入することができることを除き、第６の手法と同様とすることができる。

図２を参照すると、第６および第７の手法において、着想はＧＣカラムから溶出する個々のガス分析対象物質ピークまたは位相加熱器アレイ・センサ分離器チャネルを、放電の示すアレイにおける各放電デバイスに送り込むことである。

ガスの流れは図１３に示すように順番に行なうことができる。または、最適なピーク同定のために必要とすることができる並列とすることもでき、それにより、（分析に総時間を最小に抑えるために）各放電区画は（アレイの出口において、例えばＭｅｓｏｐｕｍｐ（商標）により、真空ポンプまたは吸込みポンプにより決定された）印加電圧、ガス圧力の固定された条件で動作することができる。図１３において、第４と第５の放電要素の間にある流量の制約により容易に達成されるような２つの圧力のみを例の形により示すことができる。流速、（局所マイクロ型加熱器を介した）温度、または、幾何学的形状（区画の識別における単純な変化に加えて、空洞カソードまたは平板放電）などの放電パラメータにおけるいくつかの変更は示さないが、そのように実施することはできる。

これらのセンサの典型的に小さなサイズ（１０から１００マイクロメータ）のために、これらのセンサは大きな専有面積を使用しているようには見えないようにすることができ、かつ、図２のブロック１２８に含めることができる。

センサ１５は濃縮器１２４と分離器１２６の間に固定された流量センサ１２５、および、濃縮器１２４の入力において伝導性検出器を有することができる。センサ１５は濃縮器１２４と分離器１２６の間に熱伝導率検出器を有することができる。放電機構３５０の出力に熱導電率検出器があってもよい。センサ１５は、所望の実用例によっては、図２のセンサ１２８における様々な位置に、述べた構成部分のいくつかによる様々な組み合わせを含むことができる。図２のセンサ１５の図はセンサの例示的な例である。センサ１５は同図には示さない他の構成を有することができる。

ガスマイクロ型放電区画は魅力的な機能を提供することができ、それらの機能は位相加熱器アレイ・センサの有用性、多目的性、および、価値を大幅に高めることができる。機能の例は、１）低電力性能（各放電は、マイクロ型ＴＤＣによってさえ達成されない最小電力であるように見える１．２ミリワットに等しくなり得る１０マイクロメータにおける直流１２０ボルトほどに小さい電圧を使用して７００から９００トル（０．９２から１．１８バール）において動作する）２）図１２の挿入図に示すコンパクトさ（５０×５０マイクロメータ）を備えた組立の容易さ、３）（水冷が必要である）１００ワットのマイクロ波駆動のＡＥＤなどの他の光源では行なうことが知られていない、図１４における１００マイクロメータマイクロ型放電とＳｉのＡＰＤの間のスペクトル応答性の比較により示すことができる光検出器としてのマイクロ型放電の動作可能性、４）モノリシックＳｉフォトダイオードの製造のためにＳｉドーピングに依存しなければならないことのない、位相加熱器アレイ構造体との放電光源およびフォトダイオードの集積可能性およびウェハのレベルでの組立、および、５）上記に述べられている如くの放電パラメータを変化させることによる追加の寸法（すなわち、選択性）を含む。

本発明は、１）マイクロ型ガス放電デバイスとの位相加熱器アレイ・センサの組み合わせ、２）１）の組み合わせであって、それにより、ガス放電デバイスの１セットまたはアレイがスペクトル発光を提供することができ、（狭帯域・帯域通過フィルタまたはマイクロ型分光計を備えていてもいなくても）別の相補的なセットは光検出機能を提供することができるもの、３）第１から第７の手法に基づく上記に説明されている設計の適切な並べ換えを伴う２）の組み合わせ、および、４）最適な前濃縮または分離の性能を達成するために、特定の分析のために必要とされる如くの位相加熱器アレイ構造体の追加の前濃縮器または追加の分離器要素として加熱可能な要素をプログラムするための柔軟性を有するマイクロ型放電を介したガス組成感知能力を有することができる。

既に提案されたマイクロ型ガス分析器に対する位相加熱器アレイ・センサ−マイクロ型放電検出器のこの組み合わせは、いずれの他のマイクロ型分析器も達成したとは知られていない、マイクロ型ガス放電デバイスの寄与による選択性、「ピーク同定」能力、低電力、光源および検出能力、集積可能性、単純さ、および、コンパクトさと組み合わされた、位相加熱器アレイ・センサの感度、速度、携帯性、および、低電力を提供することができる。

図１５は、他のチップにも同様に接続している回路板上に搭載および接続される単一のチップ４０１上のマイクロ型ガス装置１５（すなわち、位相加熱器アレイ構造体）のセンサ、前濃縮器および／または濃縮器１２４、ならびに、分離器１２６の集積を示す。１つのそのような他のチップはＦＥＴスイッチ、シフト・レジスタ、および、論理回路を保持することができる。４０１チップはドーター・ボード上に存在することができる。４０１チップおよび主回路板は本来約１１０本のワイヤにより接続されていた。しかし、ドーター・ボード上の個別のチップ上へのスイッチの全ての集積の後、リード線およびコネクタ・ピンを張り回している印刷回路板の数は約１０（すなわち、差分温度補償、流量センサ、スイッチ・クロック、論理回路、電力、および、接地のため）に削減された。個別のＩＣ上に位置するＦＥＴスイッチ、シフト・レジスタ、および、制御論理回路は、ワイヤ・ボンドまたはハンダ・バンプを介して位相加熱器アレイ構造体チップに接続することができる。ＦＥＴの新しい論理を使用すれば、センサ・システム１５のユーザは、分離器に対する前濃縮器として動作させるために全加熱可能要素の一部を選択することができる。

図１６はセンサ・システム１１のための制御論理回路の例示的な例４０２の概略図である。回路４１０はアレイ内の論理セルの例とすることができる。回路４１０はＤフリップ・フロップ４０３、Ｒ−Ｓフリップ・フロップ４０４、ＡＮＤゲート４０５および４１５、ＯＲゲート４０６、ＦＥＴ４０７、ならびに、インバータ４０８に加えて、必要に応じた追加の回路を含むことができる。クロック・ライン４１１はＤフリップ・フロップ４０３のクロック入力に接続することができる。分離器可能化ライン４１３はＡＮＤゲート４０５の第１の入力に接続することができる。データイン・ライン４１２はフリップ・フロップ４０３のＤ入力に接続することができる。リセット・ライン４１４はフリップ・フロップ４０４のＳ入力およびフリップ・フロップ４０３のリセット入力に接続することができる。フリップ・フロップ４０４のＱ出力はＡＮＤゲート４０５の第２の入力に接続することができる。フリップ・フロップ４０３のＱ出力はフリップ・フロップ４０４のＲ入力およびＡＮＤゲート４１５の第１の入力に接続することができる。分離器可能化ライン４１３はインバータ４０８の入力に接続することができる。インバータ４０８の出力はＡＮＤゲート４１５の第２の入力に接続することができる。ＡＮＤゲート４１５および４０５の出力はＯＲゲート４０６のそれぞれ第１および第２の入力に接続することができる。ＯＲゲート４０６の出力はＦＥＴ４０７のゲートに接続することができる。ＦＥＴ４０７の他の端末はそれぞれＦＥＴ共通ライン４１６およびＦＥＴ出力端末４１７に接続することができる。最も右の論理セルはデータ・アウト・ライン４１８に接続されたフリップ・フロップ４０３のＱ出力を有することができる。

この論理は、ユーザが、後に区分された分離器の一部として機能することができる残りの加熱器要素の全てに対して、温度を一旦休止してから急上昇させる前に、回路がパルスを印加し、加熱する前濃縮器要素の数を事前選択することを可能にする。適切なマスク法を介したチップ４０１チップの位相加熱器アレイ・センサ要素のいずかの上への異なった材料の堆積を考慮することができる機能の追加の重要性があり、それにより、優先的な前濃縮、干渉の濾過、および、カスケード式分離を可能とすることができる。

図１６は、各々が０．５オーム以下のオン抵抗を有し、かつ、約１２ボルトの電位をスイッチングすることができる最大５０個のＦＥＴスイッチがどのようにしてオンチップ・論理回路により制御することができるかをさらに示す。オンチップ論理回路は、個々のモードが制御ライン・ビットにより決定される２つのモード、すなわち、濃縮器または第１のモードおよび分離器または第２のモードで動作することができる。第１のモードは、リセット後に各低抵抗ＦＥＴを連続的にオンにし、その同じＦＥＴと連動するフリップ・フロップを不能にするシフト・レジスタを含むことができる。次のクロック・サイクルにおいて、第１のＦＥＴはオフとなり、次のＦＥＴはオンとなり、かつ、それの連動フリップ・フロップは不能となる。このシーケンスは、いくつかの外部駆動電子回路がクロックをオフにし、かつ、第２の動作モードを可能にするまで繰り返すことができる。一旦第２のモードが可能になれば、フリップ・フロップが不能になっていないＦＥＴの全ては、同時にオンとなることができる。この第２のモードは、リセットが起動され、かつ、フリップ・フロップがリセットされるまで存続することができ、ＦＥＴがオフとなり、工程は繰り返すことができる。

２つのチップは、連続したスイッチングが第１のチップから第２のチップに進行するように、チップの側面の各々上にある（最大５０個の）位相加熱器アレイ・センサ・チップ・パッドにボンディングするために直列に使用することができる。第１のチップ上の最後のスイッチからの信号が、第２のチップ上の最初のスイッチを起動することが必要であるとすることができる。並列の残りのＦＥＴの連続的なアドレシングからのモード・スイッチが、スイッチングが第２のチップに移動する幾分前または後に発生できることは可能である。所望の分析対象物質前濃縮、分析対象物質の濾過、および、選択されたグループ前濃縮器パルスまたは（時間における）カスケード式前濃縮器分析対象物質パルスの分析とすることができる分析結果を達成するために、２つ以上の吸着剤材料を使用して前濃縮器もしくは分離器のいずれか、または、双方における個々の要素または要素のグループを変更すること、および、図１６にあるように、または、前濃縮器および等しくもしくは異なって分離器における特定のタイプのコーティングを（印加された最大の電圧または温度の点で）支持して、スイッチに対する論理プログラムを調整することなどにより、位相加熱器アレイ・センサ加熱器要素内に吸着剤コーティングの多様性を導入することができる。

ユーザには、分析の問題により課された様々なニーズに対して、位相加熱器アレイ・センサの動作および性能を調整するための大きな柔軟性が利用可能とすることができる。すなわち、ユーザは、分離器に対する前濃縮器として機能させるために全加熱器アレイ要素の数または一部を選択することができ、したがって、分離を基準として分析対象物質の濃度、すなわち、分析対象物質成分の分解能および選択性を変化させる一方、構造的完全性、最適対象絞り込み機能、分析対象物質の選択性／濾過、ならびに、前濃縮、分離、流量制御、および、ＴＣおよびマイクロ型プラズマ放電センサなどの検出技術のしっかりした集積を特徴とする低電力、最適に温度制御された加熱器要素を設計および製造する能力を保持する。ＣＭＯＳ駆動電子回路を位相加熱器アレイ・センサ流れチャネル・チップに集積することができる。

本発明は少なくとも１つの例示的実施形態に関して説明されたが、本明細書を読むと、当業者には多くの改変および修正が明らかにある。したがって、全てのそのような改変および修正を含むために、冒頭の特許請求の範囲は従来技術に鑑みて可能な限り広く解釈されることが意図されている。

センサ・システムを示す図である。 マイクロ型ガス装置の詳細を示す図である。 例示的位相加熱器機構のレイアウトを示す図である。 直線状チャネル上の加熱器要素の長さ方向断面図である。 直線状チャネル上の二連フィルム加熱器要素の長さ方向断面図である。 二連フィルム加熱器要素の断面端面図である。 単一フィルム加熱器要素の断面端面図である。 単一フィルム加熱器要素の断面端面図である。 加熱器温度のプロファイルを、センサ装置の各加熱器要素において生成された対応する濃度パルスと共に示すグラフである。 分析対象物質の濃度に対する各段ごとの増強を示すためにいくつの加熱器要素を示すグラフである。 １００％の濃度レベルに到達している濃度パルスを示すグラフである。 様々な元素に対する検出限界および選択性を示す表である。 多重元素試験用混合物のクロマトグラフを示す図である。 １つの気体に対する相対強度、放電対圧力のグラフである。 気体検出のための光源および検出器（ＭＤＤ）の組のアレイの断面図である。 ＭＤＤとＳｉフォト・ダイオードの間のスペクトル応答の比較のグラフである。 センサ、濃縮器、および、分離器を含む位相加熱器アレイ構造についての集積レイアウトの図である。 センサの濃縮器および分離器の部分のための論理加熱要素の選択の図である。

Claims (10)

1. 濃縮器（１２４）と、
   前記濃縮器（１２４）に接続された分離器（１２６）と、
   前記濃縮器（１２４）内に定置された第１の複数の加熱器要素（２０、２２、２４、２６）、および、前記分離器（１２６）内に定置された第２の複数の加熱器要素（２０、２２、２４、２６）を有する位相加熱器アレイと、
   第２の複数の加熱器要素を基準として第１の複数の加熱器要素の比を変更するための比率制御機構（４９０）と、を含む流体センサ（１０、１５）。
2. 前記分離器（１２６）に接続された第１の検出器（３５４）と、
   前記第１の検出器（３５４）に近接しているマイクロ型放電（３５２）機構と、をさらに含む請求項１に記載のセンサ。
3. 前記濃縮器（１２４）に接続した第２の検出器（３５４）をさらに含む請求項２に記載のセンサ。
4. 前記濃縮器（１２４）および前記分離器（１２６）に接続された流量センサ（１２５）をさらに含む請求項３に記載のセンサ。
5. 位相加熱器構造体（４１）と、
   前記位相加熱器構造体（４１）に近接している少なくとも１つの放電（３５２）デバイスと、を含む流体センサ（１０、１５）。
6. 第１のチップ上に近接している位相加熱器構造体（４１）と、
   第２のチップ上の複数のスイッチおよび／または論理構成部分と、を含み、
   前記第１のチップと第２のチップは接続されている流体センサ（１０、１５）。
7. 前記第１および第２のチップはハンダ・バンプを介して接続されている請求項６に記載のセンサ。
8. 第１の複数の加熱器要素（２０、２２、２４、２６）を有する濃縮器（１２４）と、
   第２の複数の加熱器要素（２０、２２、２４、２６）を有する分離器（１２６）と、
   前記濃縮器（１２４）および分離器（１２６）に接続された制御装置（１３０）と、を含み、
   前記第１および第２の複数の加熱器要素の比は前記制御装置（１３０）を介して変更することができる、流体センサ。
9. 位相をずらした形で加熱器要素（２０、２２、２４、２６）を使用して流体を濃縮するための手段（１２４）と、
   加熱器要素（２０、２２、２４、２６）を使用して前記流体の成分を分離するための手段（１２６）と、
   前記流体に少なくとも１つの放電（３５２）を印加するための手段と、を含む流体センサ。
10. 位相をずらした形で加熱器要素（２０、２２、２４、２６）を使用して流体を濃縮する工程と、
    加熱器要素（２０、２２、２４、２６）を使用して前記流体の成分を分離する工程と、
    前記流体に少なくとも１つの放電（３５２）を印加する工程と、
    前記流体に印加された少なくとも１つの放電（３５２）を検出する工程と、を含む流体を感知するための方法。

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