JP2015075365A - 加熱デバイス - Google Patents

Abstract

【課題】加熱デバイスを取り巻く環境の温度が変化して、加熱デバイスの温度がキャリブレーション時の温度からずれてしまった場合にも、安定して温度分布を制御するようことが可能であるような加熱デバイスを提供すること。
【解決手段】第一の材料を有する第一の加熱領域と、第一の加熱領域よりも抵抗の温度係数が小さい第二の材料を有する第二の加熱領域とを有し、第一の加熱領域と第二の加熱領域とは接続されている、加熱デバイス。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱デバイスに関する。

近年、１枚のチップ上で化学・生化学分析に必要な全ての要素を組み込むマイクロトータルアナリシスシステム（μ‐Ｔａｓ）と呼ばれる技術についての研究開発が盛んである。μ‐Ｔａｓでは、チップは一般にマイクロ流体デバイスと呼ばれ、マイクロ流路、温度制御機構、濃度調整機構、送液機構、反応検出機構などから構成される。

マイクロ流体デバイスの開発は近年盛んに行われているが、その中でも特に、ヒトゲノムの１塩基多型（ＳＮＰ）などの遺伝情報の検査を目的としたＤＮＡ分析デバイスに注目が集まっており、研究が盛んに行われている。

ＤＮＡの分析は２つの工程を含む。（１）ＤＮＡを増幅する工程と（２）ＤＮＡを判定する工程である。

（１）のＤＮＡを増幅する工程では、ＰＣＲ（Ｐｏｌｙｍｅｒａｓｅ Ｃｈａｉｎ Ｒｅａｃｔｉｏｎ）法が一般的に用いられる。これは増幅対象のＤＮＡの一部に対して相補的なプライマと酵素等を増幅対象のＤＮＡと混合し、サーマルサイクルをかけることでＤＮＡを増幅させる手法である。本工程では、正確かつ反応時間短縮のための高速な温度制御が要求される。

（２）のＤＮＡを判定する工程には様々な種類があるが、例えばＳＮＰの判定では熱融解法が用いられることがある。熱融解法とは、ＰＣＲ後にＤＮＡ溶液の温度を徐々に上昇させることでＤＮＡの融解温度（以下、Ｔｍ）を検出する方法である。蛍光色素がインターカレートされたＤＮＡは、温度が低い時には、２本鎖を形成しているため、蛍光シグナルが検出される。その後、徐々に温度が上昇しＴｍに達すると、ＤＮＡが解離し１本鎖になるため、蛍光シグナルが急激に低下する。この温度と蛍光シグナルとの関係からＴｍを求め、ＳＮＰを検出する手法である。本工程では、Ｔｍを比較することによりＤＮＡ判定を行うため、正確な温度測定が求められる。

以上のように、ＤＮＡを分析する際には温度制御が重要であり、特に高速性と正確性の２つが要求される。

特許文献１では、マイクロ流路内で高速に流路の温度変化を起こすことを目的として、微小流路と流路に沿って配置されたヒータとを有するマイクロ流体デバイスが開示されている。
マイクロ流体デバイスを用いることは、高速な温度制御の観点から大きなメリットがある。各種反応を熱容量の小さい微小流路内で行うため、高速な加熱冷却が可能となるためである。

また特許文献１では、マイクロ流体デバイスにおいて正確な温度制御、特に流路内の温度測定するために、マイクロ流路下部にヒータ兼温度センサーの抵抗体を配置し、流路内温度と抵抗体の抵抗値を対応付けることで温度制御を行っている。ヒータの材質には白金を用いており、ヒータ全体を同一の構成で形成している。

特開２０１２−１９３９８３号公報

マイクロ流体デバイスには、デバイスを構成する要素の熱容量が小さいために伝熱を速めることができ、高速に温度制御できるという利点がある。一方で、均一に温度を制御するためには、目的の領域よりも大きなヒータを用いて加熱する必要がある。温度の上昇に伴って変化するヒータの抵抗値は、ヒータ中央部の温度と一対一の対応がとれる。特許文献１では、これによりヒータの抵抗値を目的の温度との対応に置いて事前に把握することで、抵抗値を測定して温度を知ることを可能としている。ここで、特許文献１の温度測定には、ヒータに全体の温度の分布も測定した温度に対して一対一対応しているとする前提がある。現実には、チップを取り巻く環境の温度が変化して、チップの温度がキャリブレーション時のそれからずれてしまった場合、ヒータの一部分では当然温度分布もキャリブレーション時から変化している可能性もある。そのため、より精密に温度分布を制御する技術に対する要求は高い。

本発明は、第一の材料を有する第一の加熱領域と、第一の加熱領域よりも抵抗の温度係数が小さい第二の材料を有する第二の加熱領域とを有し、第一の加熱領域と第二の加熱領域とは接続されている、加熱デバイスに関する。

本発明に係る加熱デバイスによれば、デバイス周囲の温度が変化した際にその影響を抑制することが可能となる。

本発明の第一の実施形態の概念を示す上面図。 本発明の第一の実施形態に係る、金属膜の構成を説明するための図。 本発明の第二の実施形態に係る、金属膜の構成を説明するための図。 本発明の第四の実施形態の概念を示す上面図。 本発明の第五の実施形態の概念を示す上面図。 本発明の第五の実施形態の概念を示す断面図。

以下、本発明を詳細に説明する。

以下に実施例を示し、本発明をさらに具体的に説明する。

本発明の第一の実施例に係る加熱デバイスの概念を示す上面図を図１に示す。本実施例に係る加熱デバイスは、第一の加熱領域１と第二の加熱領域２とを有する。第一の加熱領域１は加熱と温度測定を担う領域で、1mmの長さで約7Ωの抵抗となるように幅と膜厚が設計された白金の薄膜からなる。ここでは膜厚を約100nm、幅を300μmとした。第二の加熱領域２は、第一の加熱領域１よりも加熱デバイスの端部側に設けた。第二の加熱領域２は、金によって構成された薄膜を長手方向に4回折り返した。第二の加熱領域２の膜厚は約200nm、幅は95μmとして、1mmの長さにしたときの抵抗が約7Ωになるように設計した。なお、図１は概念図であり、本実施例の寸法を正確に反映したものではない。折り返す際のパターンの間は10μmのスペースを空けた。一般に、加熱デバイスでは、熱源は一定の大きさで均一に存在することが望ましい。そのため、折り返した際のそれぞれの膜の間のスペースは作製プロセス上許容できる寸法で最小の寸法とした。これにより、第二の加熱領域２の全体でほぼ同じ発熱量が得られる。幅が95μmで折り返しているパターンの更に外側には、やはり金を用いて電力供給用のリードパターン４を構成した。リードパターン４の膜厚は約200nmで、幅は300μm以上になるように設計した。なお、リードパターン４の寸法は、実使用時の目的に於いて95μm幅のパターンの外側における発熱が問題とはならない条件とすればよい。第一の加熱領域１と第二の加熱領域２とは異なる材料で構成されているので、電気的な接続を実現するため、接続部はプロセスの位置誤差を許容できる程度オーバーラップして構成されている。図２に図１の加熱デバイスの断面図を示す。図２では、第二の加熱領域２が部分的に第一の加熱領域１の上部（デバイスのうち、温度変化をさせる面の側）に位置する構成となっている。

有限なサイズの加熱ヒータでは、実際には端部で温度が下がるような温度分布をとる。加熱デバイスの全体の抵抗値を測定して温度を知るシステムにおいては、実験的、理論的、いずれの方法に於いても一定の条件下で温度と抵抗値の対応を予め決めておく。しかし、前提とした条件のうち、周囲温度が変化した際には、周囲温度の変化によってヒータの端部で特に温度分布の変化を生じるため、予め決めておいた抵抗値と温度との対応関係からのずれが生じる可能性がある。通常、最も温度分布が均一であり、種々の目的に使用される可能性の高いヒータ中心に及ぶ変化が小さいように、加熱デバイスは構成される。その結果として、特に端部において周囲温度の変化の影響が大きくなってしまい、この温度変化の影響による端部での温度分布の変化が、加熱デバイスの抵抗値を変動させてしまうため、ずれが生じることになる。

そこで、本実施例では、ヒータを第一の加熱領域１と第二の加熱領域２とを有する構成とすることで、発熱の均一性を向上している。ここで、体積抵抗率の0℃と100℃の間の平均温度係数を比較すると、白金の3.79（10^-3/℃）に比べ、金は0.83（10^-3/℃）と、約1/4.5も小さい。つまり、本実施例では、加熱デバイスの中央のヒータは白金で構成し、温度に対して線形性が高い抵抗値の変化を示す構成にした。また白金の端部側には金で構成したヒータを、略同程度の抵抗値となるように構成することで、ほぼ均等な発熱分布を実現した。このとき、金の温度変化に対する抵抗値の変化は白金のそれに比べて約1/4.5と小さいので、周囲温度の変化によって温度分布に変化が生じた場合においても、従来の加熱デバイスの構成に比べて端部における影響を約1/4.5に圧縮することできる。このように中央部で加熱と温度測定の機能を担い、中央部よりも抵抗の温度係数が小さい材料からなる周辺部で加熱の機能を担うことにより、周囲温度の影響を低減することが可能となる。なお、第一の加熱領域１および第二の加熱領域２に用いられる材料は白金と金に限定されるものではなく、加熱に用いられる材料であって互いに抵抗の温度係数が異なっていればよい。

［第二の実施例］
本発明の第二の実施例を図３に示す。第一の加熱領域１は白金、第二の加熱領域２は金からなる。白金、金はドライプロセスにおいて加工が非常に難しい材料である。そのためリフトオフと呼ばれるプロセス工程が用いられることが多い。本実施例では図３に示す通り、パターンの前面（デバイスのうち、温度変化をさせない面の側）に白金を配置した。また、金で構成したい第二の加熱領域では白金の上部（デバイスのうち、温度変化をさせる面の側）に金を積層させ、白金／金の積層構造とした。これにより、白金の上に金を積層させたあと、第一の加熱領域１に該当する部分の金をエッチング等で除去することによって加熱デバイスを製造することができるため、金属パターンを形成するためのパターニング工程を一度に集約することできた。これにより、加熱デバイスの製造プロセスをより簡便なものにすることができた。

本実施例の構成において、金と白金が積層されている場所では、白金に比べて金のシート抵抗値が一桁低いため、下地に積層されている白金層の影響はほとんど無視できる。本実施例の形態においても、加熱デバイスは良好に機能した。

［第三の実施例］
本発明の第三の実施例は、金の平面上のパターンサイズと共に金の膜厚を変化させたものである。第一の実施例では電力供給リードと発熱するヒータ領域とで金の膜厚に違いを持たせなかった。本実施例では折り返した細線により加熱部として機能させる第二の加熱領域２の金の膜厚を薄膜化した。その結果、パターンの幅のみならず膜厚というパラメータが増えたために設計の自由度が増えた。このような構成により、第二の加熱領域２を加熱を担当する領域として良好に機能させつつ、ヒータを構成する領域のパターンの折り返しで生じるスペース部分の数を減らすことができた。

［第四の実施例］
本発明の第四の実施例を図４に示す。図４は本実施例に係る加熱デバイスの概念を示す上面図で、第一から第三の実施例で示したような加熱デバイスが複数個、横方向に並べられている。このような加熱デバイスは処理を並列化して、系全体の処理の高速化に特に有用である。本実施例においてはデバイスを並列化することで、繰り返し方向の温度の均一性が向上する。ただし、そのためには極力加熱デバイス間のスペースを小さく、詰めて配置することが望ましい。このように並列化処理のためにデバイスを並べた場合に、温度測定単体の目的のために温度測定手段を置くことは難しく、加熱の機能と温度測定の機能を兼ね合わせることが特に有用である。本実施例において周囲温度の変化が温度測定結果に与える影響を最小化できる。

［第五の実施例］
本発明の第五の実施例を図５及び図６に示す。図５は本実施例に係る加熱デバイスの概念を示す上面図で、図６はその断面図である。第一から第三の実施例で示したような加熱デバイスの上（デバイスのうち、温度変化をさせる面の側）に流路３を有し、加熱デバイスはこの流路３を加熱するために使用される。

本実施例では流路の温度とヒータの抵抗値とを事前にキャリブレーションする工程を用いて、第一の加熱領域１でヒータの温度を測定すること等によって得られるヒータの抵抗値から、流路３の温度を知ることができる。本実施例においても、キャリブレーションを実施した際の周囲温度と、実使用時における周囲温度との間に差異が生じた際にも、周囲温度が与える影響を小さくすることができて、加熱と温度測定による流路３の温度制御が良好に行われる。

ここで、流路３を、たとえば流路径が１ｍｍ未満の微小流路とすることで、液体を微小量で保持することが可能になる。さらに加熱対象の体積が小さくなることで、温度の変化も高速に発生させることができる。

１ 第一の加熱領域
２ 第二の加熱領域
３ 流路
４ 電力供給用のリードパターン

Claims (8)

1. 第一の材料を有する第一の加熱領域と、
   該第一の加熱領域よりも抵抗の温度係数が小さい第二の材料を有する第二の加熱領域とを有し、
   該第一の加熱領域と該第二の加熱領域とは接続されている、
   加熱デバイス。
2. 前記第二の加熱領域は、前記第一の加熱領域よりも加熱デバイスの端部側に設けられることを特徴とする、請求項１に記載の加熱デバイス。
3. 前記第一の加熱領域で温度測定を行うことを特徴とする、請求項１または２に記載の加熱デバイス。
4. 前記第二の加熱領域は、前記第一の材料と前記第二の材料とが積層されてなり、前記第一の材料の加熱デバイスの温度変化をさせる面の側に前記第二の材料が積層されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の加熱デバイス。
5. 前記第一の材料は白金で、前記第二の材料は金であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の加熱デバイス。
6. さらに流路を有することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の加熱デバイス。
7. 前記流路は微小流路である、請求項６に記載の加熱デバイス。
8. 請求項４に記載の加熱デバイスの製造方法であって、
   前記第一の材料の上に前記第二の材料を積層し、前記第一の加熱領域に該当する部分の前記第二の材料を除去する工程を含むことを特徴とする、方法。

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