JP2017534840A - 微細構造分離フィルタ - Google Patents

Abstract

微細構造分離フィルタ並びにクロマトグラフィー及び他の分離装置が、ここに提供される。一つの例示的なフィルタ装置は、入口チャネル及び出口チャネルを作り出すようにエッチングされた、交互に並ぶ構造材料及び／又は犠牲材料の複数の層を有する微細構造フィルタを含む。入口チャネル及び出口チャネルの隣接するものは、入口チャネルから出口チャネルに向かって流体をろ過する交差チャネルによって互いから離間されている。交差チャネルは、層の一部分をエッチングして除くことにより形成されているフィルタ機構を含む。装置はまた、微細構造フィルタを受容するように構成されたハウジングを含む。

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１４年９月５日に出願された米国仮出願番号第６２／０７０，７７８号、２０１４年１１月２５日に出願された米国仮出願番号第６２／１２３，７１７号、２０１５年２月９日に出願された米国仮出願番号第６２／１７６，１２５号及び２０１５年５月１１日に出願された米国仮出願番号第６２／１７９，５８２号の優先権の利益を主張する。それらの全ては、それらが引用する全ての引用文献を含むそれらの全体について、参照によって本明細書に取り込まれる。本出願はまた、２０１５年５月１日に出願された米国特許出願第１４／７０１，５２８号に関連し、それは、それが引用する全ての引用文献を含むその全体について、参照によって本明細書に取り込まれる。

本技術は概して分離フィルタ及びクロマトグラフィーに関し、より具体的には、但し限定的にではなく、微細構造パネル、複合流オリフィスを有する微細構造基板、並びにこれらの基板から構成される様々な種類のろ過システム、例えばクロマトグラフィー装置に関する。

いくつかの実施形態によれば、本技術は：（ａ）入口チャネル及び出口チャネルを作り出すように離間された複数の構造材料（structural material）の層を有する微細構造フィルタ（microstructure filter）であり、入口チャネル及び出口チャネルの隣接するものは、入口チャネルから出口チャネルに向かって流体をろ過する交差チャネル（cross channels）によって互いから離間されており、交差チャネルは、複数の構造材料の層の一部分を除去することにより形成されているフィルタ機構（filter features）を有する、微細構造フィルタ；及び（ｂ）微細構造フィルタを受容するように構成されたハウジングであり、ハウジングは流体を試験するための装置に接続するように構成されている、ハウジング、を有する、クロマトグラフィー又は他の種類の分離装置に向けられ得る。

本技術は：（ａ）入口チャネル及び出口チャネルを作り出すようにエッチングされた（etched）、複数の犠牲材料（sacrificial material）の層及び構造材料の外層を有する微細構造フィルタであり、入口チャネル及び出口チャネルの隣接するものは、入口チャネルから出口チャネルに向かって流体をろ過する交差チャネルによって互いから離間されており、交差チャネルは、犠牲層の一部分をエッチングして除くこと（etching away）により形成されているフィルタ機構を有し、複数の犠牲材料の層は：（ｉ）ベース材料；（ｉｉ）等距離に互いから離間されている犠牲材料のセクションの第一層であり、第一層はベース材料上に配置されている、第一層；（ｉｉｉ）第一層上に堆積させられている（deposited）第二層であり、第二層は、第一層のセクションの間の空間を覆うように、第一層のセクションからずらして配置されている犠牲のセクションの二つ組み（pairs）を有する、第二層；（ｉｖ）第二層上に堆積させられている第三層であり、第二層は、第二層のセクションからずらして配置されている犠牲のセクションの三つ組み（triplets）を有する、第三層；及び（ｖ）第三層上に堆積させられている第四層であり、セクションは、連続的であり且つ微細構造フィルタの長さの半分にわたって延びる、第四層；を有し、（ｖｉ）構造材料の外層は、第四層上に配置されている；微細構造フィルタ、並びに（ｂ）微細構造フィルタを受容するように構成されたハウジングであり、ハウジングは流体を試験するためのクロマトグラフ装置に接続するように構成されている、ハウジング、を有する、フィルタ装置に向けられ得る。

更に他の実施形態によれば、本技術は：（ａ）入口チャネルから出口チャネルに向かって流体をろ過する交差チャネルを有する微細構造フィルタであり、交差チャネルは、犠牲層の一部分をエッチングして除くことにより形成されている微細構造フィルタ機構を有し、微細構造フィルタ機構はナノ構造を有し、ナノ構造は、入口チャネルから出口チャネルに向かって流体がフィルタ機構を通過する際に流体内に存在する粒子を引きつけるフィルタ機構の表面積を増大させる、微細構造フィルタ；及び（ｂ）微細構造フィルタを受容するように構成されたハウジングであり、ハウジングは流体を試験するためのクロマトグラフ装置に接続するように構成されている、ハウジング、を有する、フィルタ装置に向けられ得る。

本技術の特定の実施形態が、添付の図面によって例示される。図面は必ずしも一定の縮尺ではないこと、及び技術の理解のために必要でない詳細又は他の詳細を認識することを困難にする詳細は省略され得ることが、理解されるであろう。本技術は本明細書において例示される具体的な実施形態に必ずしも限定されないことが、理解されるであろう。

本技術に従って構築された、分離フィルタの等角図である。

図１のフィルタパネルの等角図である。

図２に示されるフィルタパネルの正面図である。

図３に示される微細構造領域の拡大正面図である。

図４に示される微細構造領域の等角図である。

流体流線を含む、図４に示されるものに類似する拡大図である。

一つの代替的な実施形態を示す、図４に示されるものに類似する拡大図である。

一つの代替的な実施形態を示す、図４に示されるものに類似する拡大図である。

一つの代替的な実施形態を示す、図４に示されるものに類似する拡大図である。

図９に示される一つの代替的な実施形態の等角図である。

図１０に示される等角図の異なる視点である。

図１０の拡大図である。

図１２に示される拡大図の側面図である。

層状微細構造の製作プロセスを示す。

感知領域を含む、フィルタパネルの一つの代替的な実施形態の正面図である。

二つの微細構造領域及び二つの感知領域を含む、フィルタパネルの一つの代替的な実施形態の正面図である。

多数のフィルタパネルを備えた分離フィルタの一つの代替的な実施形態の等角図である。

図１７に示されるスルーホールフィルタパネルセクションの等角図である。

ずらして配置された注入口及び流出口を備えた、図１８に示されるような一つの代替的なフィルタパネルの等角図である。

流体流線を含む、図４に示されるフィルタパネルの微細構造領域の一つの代替的な実施形態の拡大図である。

例示的な寸法を含む、図２０の拡大図である。

図４に示される微細構造領域の一つの代替的な実施形態の拡大図正面である。

一つの例示的な微細構造フィルタパネルの斜視図である。

図２３の微細構造フィルタパネルの拡大斜視図である。

図２３‐２４の微細構造フィルタパネルの側方斜視図である。

積み重ねられた構成の複数の微細構造フィルタパネルの斜視図である。

クロマトグラフ装置において使用するための、一つの例示的な微細構造フィルタ装置の斜視図である。

図２７の例示的な微細構造フィルタ装置の断面図である。

図２８の微細構造フィルタ装置の端面図である。

微細構造フィルタの斜視図である。

微細構造フィルタの他の斜視図である。

スペーサー及び微細構造フィルタの層の開口を集合的に示す。 スペーサー及び微細構造フィルタの層の開口を集合的に示す。

微細構造フィルタ装置のフィルタ機構に塗布される（applied）ナノスケール被覆を示す。

他の例示的な微細構造フィルタ装置である。

図３４の微細構造フィルタ装置の第一端の拡大図である。

図３４の微細構造フィルタ装置の微細構造フィルタを更に拡大した図である。

図３６の更に拡大した図である。

管状構成の一つの例示的な微細構造フィルタ装置の斜視図である。

図３８の微細構造フィルタ装置を切断図で示す。

一つの例示的なクロマトグラフ装置の斜視図である。

微細構造フィルタを示すクロマトグラフ装置の分解図である。

図４０の装置の微細構造フィルタの一部分の図である。

図４２の微細構造フィルタの更に拡大した図である。

微細構造フィルタの追加的な斜視図を示す。 微細構造フィルタの追加的な斜視図を示す。

チャネル及びバーを示す、微細構造フィルタの斜視図である。

スペーサー（構造）材料を示す、微細構造フィルタの斜視図である。

ナノスケール被覆を備えたフィルタ機構を表示する切断断面を示す。

微細構造フィルタの層の上から見下ろす図を示し、層のずれ（offsetting）を表示する。

微細構造フィルタを作り出すためのフォトレジスト、堆積及びエッチングのプロセスを示す。

クロマトグラフコネクタと組み合わせてフリットを示す。

フリットの斜視図を集合的に示し、複数の通路を表示する。 フリットの斜視図を集合的に示し、複数の通路を表示する。

一つの例示的な円盤形状微細構造フィルタ装置の正面図を示す。 一つの例示的な円盤形状微細構造フィルタ装置の正面図を示す。

図５３‐図５４の微細構造フィルタ装置の微細構造フィルタの拡大図を示す。 図５３‐図５４の微細構造フィルタ装置の微細構造フィルタの拡大図を示す。 図５３‐図５４の微細構造フィルタ装置の微細構造フィルタの拡大図を示す。 図５３‐図５４の微細構造フィルタ装置の微細構造フィルタの拡大図を示す。 図５３‐図５４の微細構造フィルタ装置の微細構造フィルタの拡大図を示す。

微細構造フィルタ装置の微細構造フィルタの他の細部セクション（detail section）を示す。

層状構成を備えた一つの例示的な円盤形状微細構造フィルタ装置の正面図を示す。

微細構造フィルタ装置の微細構造フィルタのフィルタ機構の拡大斜視図である。

微細構造フィルタのフィルタ機構を形成する細いバーを作り出すためのプロセスを集合的に示す。 微細構造フィルタのフィルタ機構を形成する細いバーを作り出すためのプロセスを集合的に示す。 微細構造フィルタのフィルタ機構を形成する細いバーを作り出すためのプロセスを集合的に示す。

本技術は多くの異なる形態の実施形態が可能であるが、いくつかの特定の実施形態が図面に示され、本明細書において詳細に記述されることになるが、本開示は、本技術の原理の例示として考慮されるべきであり、本技術を例示された実施形態に限定するように意図されていないことを理解されたい。

本明細書において使用される用語は、具体的な実施形態のみを記述するためのものであり、本技術を限定するように意図されていない。本明細書において使用される場合、単数形の「一つ」、「ある」及び「前記」及び数値を示さない場合は、文脈が明確に異なる示唆をしない限り、複数形も含むように意図されている。本明細書で使用される場合、用語「有する」及び／又は「含む」は、述べられた特徴、整数（integers）、ステップ、操作、要素及び／又は構成要素の存在を特定するが、一つ又はそれ以上の他の特徴、整数、ステップ、操作、要素及び／又は構成要素、並びに／又はそれらの群の存在又は追加を排除しないことが、更に理解されるであろう。

本明細書において参照される、同様の又は類似の要素及び／又は構成要素は、図面を通じて、同様の参照文字を用いて特定され得ることが理解されるであろう。図面のいくつかは本技術の単なる模式的な表現であることが、更に理解されるであろう。そのため、構成要素のいくつかは図示上の明りょうさのためにそれらの実際の縮尺から歪められているかも知れない。

図１‐図２２は、微細構造化されたパネルを備えた分離フィルタを集合的に示す。微細構造化されたパネルは、半導体処理技術を用いて作られたツーリング（tooling）からフィルム上に正確に複製される。分離パネルは、取り囲まれたパネルを形成するために、前カバーで覆われてもよく又は互いの上に層状に重ねられてもよい。微細構造化されたパネルを通る液体の流れは、材料を用いてパネルの表面を被覆すること又は流体内の粒子又は分子を引きつけるか又は反発する材料で構築されることによって、影響を与えられてもよい。代替的に、分離パネルは、半導体マスタから複製されるのではなく、半導体材料から作られてもよい。

図１を参照すると、分離フィルタが示されている。流体は、入口管で分離フィルタの中に入る。入口管の開口は、前板を貫通して延びる。分離フィルタを出る流体は、出口管を経由して分離フィルタを出る。出口管の開口もまた、前板を貫通して延びる。フィルタパネルは、前板の背面に密閉されている。前パネルの背面は概して平らな面であり、図示されていない。

図２を参照すると、入口管、出口管及び前板なしでフィルタパネルが示されている。入口領域は、入口管の開口と一致している。同様に出口領域は、出口管の開口と一致している。入口領域は、フィルタパネル内の窪んだポケットである。流体は、入口領域から入口拡大領域に向かって流れる。入口拡大領域もまた、分離パネル内の窪んだポケットである。

入口拡大領域の断面は、流路に沿って増大するように示されている。拡大又は縮小の量は、分離フィルタの特定の用途のために設計されることになるパラメータになる。拡大の深さは、一定であるように図示されている。これは、必ずしもそうである必要はない。

入口拡大領域は、微細構造領域に接続されている。図２，図３，図４及び図５は、様々な角度及び詳細さの水準で微細構造領域を示す。微細構造領域は、入口領域及び入口拡大領域と同じ深さを共有する。微細構造領域は、概してポケットの深さと同じ高さである。

上述したように、微細構造パネルの表面被覆又は微細構造パネルの材料組成は、流体内の化合物と相互作用する種類のものであろう。飲用水からの化学物質又は粒子の除去は、開示される分離フィルタの一つの用途であり得る。この種類のフィルタを用いて、流体からの化学物質又は粒子を留めておくことが望ましい。

分離パネルの他の用途は、クロマトグラフィーである。クロマトグラフィーに使用される場合、流体が分離フィルタを通って流れる際に、通常、異なる化合物が、異なる比率で互いから分離される。

フィルタの特定の分離課題のために使用されるフィルタと共に展開される被覆又は材料は本発明の部分ではないことが、留意されるべきである。特定の用途のために使用される分離フィルタ及び材料の分野の当業者は、特定の流体のための材料を設計し得る。

図５を参照すると、微細構造を拡大等角図で見ることができる。微細構造は、概してダイヤモンド形状の断面であり、分離パネルのポケット面から分離パネルの前面に向かって延びる。この具体的な実施形態は、ベースから前面まで一定の断面を有する。ダイヤモンド形の微細構造の幾何学的形状は、概して、微細構造領域を通る流体経路の一定の断面を結果としてもたらす。

図６を参照すると、微細構造の周りを流れる流体の流線が示されている。これらの流線は、コンピュータによる流体動力学解析を用いて生成された。開示される種類のフィルタの大半の用途に関して、流れは層流の種類であろうことが、留意されるべきである。

流体が微細構造の表面に沿って流れる際に、境界層が発達し、厚さが成長する。フィルタ微細構造の表面と接触する流体は、隣接する微細構造との間の中間を流れる流体との関係において、本質的に静的（stationary）である。流体が微細の表面から遠いほど、粒子は微細構造の表面に引きつけられにくくなる。

中間点は、流体速度が最も大きな場所である。このより高い速度の流体は、微細構造の次のカラムの先端に当たる。微細構造の次のカラムの先端において形成し始める境界層は、以前は微細構造の最初のカラムの表面から最も離れていた。

図７を参照すると、微細構造の一つの代替的な実施形態が示されている。これらの微細構造もまた、ダイヤモンド形のデザインと同じように、流路を分けるように配列されている。

図８を参照すると、微細構造の他の代替的な実施形態が示されている。微細構造は、流路に沿って細長く（テーパ状に）なっており、境界層の成長を相殺する。

図９，図１０，図１１，図１２及び図１３を参照すると、微細構造の他の代替的な実施形態が示されている。これらの微細構造は、それらは一定の断面を有しないという点において、先に開示された微細構造と異なっている。これらの微細構造は、比較的大きな構造材料の薄い平面の間に置かれた、（断面が）小さなスペーサーを有する。この実施形態は、分離フィルタパネルのセクションにつき、より大きな表面積を生み出す。この種類のパネルは、より複雑な製造プロセスを要求する。

図１４を参照すると、これらの微細構造を製作するためのプロセスが記述されている。

図１５を参照すると、追加的な“配管”が分離パネルに加えられている。感知領域へ及び感知領域からのチャネルが示されている。これらの追加的な機構は、本開示において開示される如何なる実施形態にも追加されることができる。感知領域は、流体が分離フィルタを出る際の流体の光透過又は反射を測定するために使用されることができる。これは、分離フィルタがクロマトグラフィーのために使用された場合に有用であろう。

図１６を参照すると、二つの異なる微細構造化された領域及び二つの感知領域が、流路に沿って直列に組み合わせられている。第一の微細構造領域は、第二の領域とは異なる材料で被覆されてもよい。

図１７を参照すると、分離フィルタの他の代替的な実施形態が示されている。分離フィルタは、前パネルと後パネルとの間に挟み込まれた多数のスルーホールフィルタパネルを備えて構成されている。

図１８を参照すると、スルーホールフィルタパネルが示されている。スルーホールフィルタパネルの入口領域は、パネル全体を貫通する。これは、入口及び出口流体が、サンドイッチ構造内のパネルの全てに流れることを可能にする。後パネルは、如何なる穴も有しない。

図１９を参照すると、垂直方向にずらして配置された（offset）入口領域及び出口領域を備えた、フィルタパネルの一つの代替的な実施形態が示されている。この幾何学的形状は、先の図面において開示されたものよりも、更に長さが共通する流路を生み出す。

図２０を参照すると、微細構造領域内に、微細構造の垂直高さにおいて、わずかな垂直方向のオフセット（offsets）を伴う、フィルタパネルの一つの代替的な実施形態が示されている。微細構造の高さをわずかにずらして配置することによって、微細構造の先端は流路内のわずかに異なる点を切り裂く。オフセットが無ければ、流れが微細構造を通って進む際に、流れの同じ断面が微細構造の表面に繰り返し接触するであろう。

流線は、流体流れのうちの一つの高さに関して示されるのみである。この種類の分離フィルタを通る流れは、低いレイノルズ数を有するものである可能性が高いであろう。低いレイノルズ数の流れは、層状の種類の境界層を結果として生じさせる。

第一のカラムは、特定の高さでフローストリームを切断する。微細構造が半導体型のプロセスから直接的に製作された場合に、又はそれらが半導体プロセスで作られたツールから複製されるならば、これらの高さは正確に位置付けられることができる。微細構造の第二のカラムは、第一のカラムにおける微細構造の間の流れの中心で直接的に流れ場（flow field）を切断する。

第三のカラムは、第一のカラムからわずかに垂直方向にずらして配置されている。微細構造の第三のカラムによって切断される流体は、微細構造の第一のカラムによって切断される経路よりわずかに上方で切断される。流速並びに流体内の粒子又は化合物と微細構造の表面との間の引力を考慮するうちに、この垂直方向のオフセットをデザインすることが望まれるであろう。

連続する微細構造のカラムは、同じ量だけずらして配置されるであろう。比較的少ない数の微細構造がずらして配置されるだけでも、流路の全ての領域が微細構造の表面にごく接近して通過することを確かにすることができる。

図２０に示される実施形態の例示的な寸法が、図２１に示されている。そのデザインは、微細構造の全ての間に２０μｍの空間を伴って示されている。微細構造の第三のカラムは、２μｍだけ微細構造の第一のカラムから垂直方向上向きにずらして配置されている。複数の微細構造の第一のカラムの中心の２μｍ上方を流れる流体は、いずれ第三のカラムの微細構造の先端によって半分に切断されるであろう。複数の微細構造の第一のカラムの中心の４μｍ上を流れる流体は、第五のカラムの微細構造の先端によって半分に切断されるであろう。２μｍ間隔ごとに流体流れを切断するためには、合計で２０カラムの微細構造が要求されるであろう。１μｍ間隔ごとに流体流れを切断するためには、２倍多くの微細構造のカラムが要求されるであろう。カラムの二つ組みのオフセットを変動させることによって、システムは、流体からの粒子又は化合物の効率的な分離に適するようにデザインされることができる。２μｍのカラムのオフセットについては、粒子は表面から１μｍより遠く離れていないことが留意されるべきである。それは、微細構造の表面から１μｍ未満だけ上方であるか又は１μｍ超だけ下方であるかとなる。流体の層流が要求されることが、更に留意されるべきである。もし流れが乱流になるならば、切断の列（アライメント）が乱されるであろう。

これらの値は、３Ｄ微細構造フィルタ技術の幾何学的利点を記述するために与えられていることが、留意されるべきである。流体化学において知識が豊富な者は、特定の流体、粒子、微細構造表面材料及び流速のための構造を設計することを望むであろう。

図示される微細構造は、半導体プロセスで作られたもの又はそれらから複製されたものと一貫するものである。これらの製造技術は、幅の１０倍の深さの機構（features）を一貫して生産する。このガイドラインに従って、微細構造は、３００μｍの深さになり得る。流れ場の全断面は、そのとき１５平方ｍｍ（ｓｑ．ｍｍ）となる。流れの微細構造の長さは、２μｍの切断間隔のために２ｍｍの長さであるだけでよい。１μｍの切断間隔のためには、長さは、４ｍｍの長さとなるであろう。４ｍｍの長さのためには、微細構造体積の全体積は、わずか０．６立方ｍｍ又は０．６μｌとなる。この小さな体積のために、小さなサンプルサイズのみが要求される。さらに、短い経路長のために、微細構造を通して流体を動かすための圧力は、比較的小さくなる。更なる利点は、全ての流路の長さ及び断面が等しいことである。この共通の経路長は、流路に沿った粒子の一貫した引きつけに同等である。もしより多量の流体を有することが望ましいならば、フィルタパネルは、図１７に示されるように一緒に重ね合わされてもよい。

図２２を参照すると、フィルタパネルの一つの代替的な実施形態が、末端側において先端を切り取った形状の微細構造と共に示されている。先端を切り取ることは、流れを妨害及び概して混合し、その流れを垂直方向に混合する。混合された流れは、流路の全ての領域が少なくとも一つの微細構造の表面にごく接近することができる可能性を高める。この実施形態は、先に記述された実施形態ほど望ましくはないが、尚も合理的な性能をもたらすであろう。

本技術は分離に向けられており、より具体的には、しかし限定としてではなく、分離において一般に使用される材料から作られたか又は被覆された多数の微細構造を有する分離メカニズムに向けられている。これらの材料のいくつかは、先行技術のセクションにおいて言及されている。これらの分離微細構造パネルは、流体内部の化合物の分離を最大化するように構成されている。分離フィルタは、クロマトグラフィー又は逆型のクロマトグラフィーに使用されてもよい。

図２３は、一つの例示的な多層微細構造フィルタパネル２３００を示す。パネル２３００は、図２４及び図２５においてより詳細に示されている。パネル２３００の一つのセクションの拡大図が図２４に示され、一方でフィルタパネル２３００の第二の断面図が図２５に示されている。パネル２３００は、ウエハーとも呼ばれるベース材料２３０２から成る。複数の交互に並ぶ（alternating）構造層及び犠牲層（例えば構造層２３４及び犠牲層２３０６）は、ベース材料２３０２上に配置されている。層状構造を作り出すための一つの例示的なプロセスは、より詳細に上記されている。また、微細構造フィルタ作成の追加的な態様は、出願人の係属中の米国特許出願（出願番号Ｘ、出願日Ｘ）に見出される。当該米国特許出願は、その中で引用されている全ての参考文献を含め、その全体について、ここでの参照により本明細書に組み込まれる。

交互に並ぶ構造層及び犠牲層は、入口チャネル及び出口チャネル、例えば入口チャネル２３０８及び出口チャネル２３１０を作り出すようにエッチングされる。犠牲層の一部分が除去されるときに、入口チャネル２３０８と出口チャネル２３１０との間の開口（例えば、穴、スリット、切り込み、スロット等）が作り出され、それは、それらの間の流体の交差流れ（クロスフロー）（cross flow）を可能にする。開口の大きさは、流体から粒子を除去するように機能する。いくつかの実施形態において、開口を有するよりはむしろ、犠牲材料が、流体をろ過する多孔質材料から成っていてもよい。

いくつかの実施形態において、パネル２３００は外層２３１２を有し、外層２３１２はフォトレジスト層を有してもよい。一つの実施形態において、構造層のそれぞれは、およそ７５ナノメートルの高さであり、一方で犠牲層のそれぞれは、およそ１５ナノメートルの高さである。外層２３１２は、およそ１．５ミクロンの高さを有してもよい。前述したように、犠牲層は、孔又は開口を作り出すために部分的にエッチングされてもよい。

図２６を参照すると、一緒に積み重ねられた複数の多層微細構造フィルタパネルが示されている。図示されているように、流体２６０２は、入口チャネル２６０４及び２６０６のような入口チャネルに入り、交差チャネル２６０８及び２６１０の領域を通過し、最終的に出口チャネル２６１２及び２６１４のような出口チャネルから出る。

確かに（To be sure）、以下でより詳細に記述されるように、多層微細構造フィルタパネル及び多層微細構造フィルタパネルの積み重ねは、様々なろ過装置、並びにクロマトグラフ装置を製造するために利用されることができる。

図２７は、複数の多層微細構造フィルタパネルから構築された他の例示的なフィルタ装置２８００を示す。パネルは、複数の多層微細構造フィルタパネルを保持するベースハウジング２８０２を有する。ベースハウジング２８０２は、ガラス若しくはシリコン材料から、又はそれらの前に本開示を伴う当業者に知られるであろう他の材料から製造されてもよい。装置２８００は、装置２８００の一端に入り、装置２８００の終点の反対側の端を出る流体２８０１をろ過するように構成されている。

複数の多層微細構造フィルタパネルの詳細は、図２７‐図３２Ｂにより詳細に示されている。図２８は、図２７の微細構造フィルタ装置２８００の断面図である。微細構造フィルタパネル２８０４は、入口２８０３及び出口２８０５を有する。入口及び出口は、エッチング又は他の類似のプロセスを使って作り出されてもよい。

図２９は、装置２８００の端面図であり、ベースハウジング２８０２の内部に収められた（nested）微細構造フィルタパネル２８０４を示している。図３０は、様々なスペーサー層（構造層）、例えば構造層２８０６を示している。一連の構造層及び犠牲層は、微細構造フィルタパネル２８０４を構成する。一つの実施形態において、微細構造フィルタパネル２８０４がエッチングされて複数の層状セクション（layered sections）、例えば層状セクション２８０８を露出させる。

図３１は、微細構造フィルタパネル２８０４の構造層セクションの拡大斜視図である。構造層セクションは、構造層の様々な層、例えば構造層２８１０及び犠牲層２８１２を示す。一連のスペーサー、例えばスペーサー２８１０は、犠牲材料から成っていてもよい。

図３２Ａ及び図３２Ｂは、微細構造フィルタパネル２８０４の追加的な斜視図を集合的に示し、微細構造フィルタパネル２８０４の内部に作り出された層構造及び開口（the layering and openings）を示す。微細構造フィルタパネル２８０４は、犠牲層２８１２のスペーサー、構造層２８０６、及び流体がそれを通って流れることができる開口２８１４を作り出すために部分的に（又は全体的に）除去された犠牲層セクションと共に示されている。

いくつかの実施形態において、交差チャネルのような、微細構造フィルタパネルの有効表面積又は流体の表面積は、表面上のナノスケール構造又は他のテクスチャリング（texturing）を作り出すことによって、増大させられることができる。例えば、図３３は、ナノスケール被覆３４０４を施された交差チャネルセクション３４０２の拡大図である。ナノスケール被覆３４０４は、堆積（depositing）プロセスを使って若しくは犠牲材料をエッチングして除くことによって、作り出されてもよい。

それらの前に本開示を伴う当業者は、微細構造フィルタパネルの表面上の三次元の機構（features）を被覆するために他の従来の被覆プロセスを使用することができることが、理解されるであろう。

微細構造フィルタパネルの三次元の特質は、ナノスケールクラッディングを含んでいても又は含んでいなくても、より低い次元のフィルタ装置と比較して、粒子引力の５倍の増大を提供する。

図３４は、他の例示的なフィルタ装置３５００を示す。装置３５００もベースハウジング３５０２を有し、ベースハウジング３５０２は、ガラス若しくはシリコン材料から、又はそれらの前に本開示を伴う当業者に知られるであろう他の材料から製造されてもよい。ベースハウジング３５０２は、入口ノッチ３５０４（図３５に拡大図が示されている）及び出口ノッチ３５０６を備えて構成されている。いくつかの実施形態において、入口ノッチ３５０４の一部分は、基準線Ｘに対して角度をつけられている。いくつかの実施形態において、出口ノッチ３５０６の一部分もまた、基準線Ｘに対して角度をつけられている。一つの実施形態において、入口ノッチ３５０４は、ベースハウジング３５０２の第一端から延びるとともに、上向きに角度を成し、出口ノッチ３５０６は、狭い部分から、第一端の反対側であるベースハウジング３５０２の第二端に向かって角度を成している。

複数の多層微細構造フィルタパネルは、基準線Ｘに対して角度θを成して配置された微細構造フィルタ３５０８を作り出すように組み合わされている。フィルタパネル３５０８は、入口ノッチ３５０４と出口ノッチ３５０６との間に延びる。

流体は、入口ノッチ３５０４に入り、微細構造フィルタ３５０８の中に分散させられることができる。流体は、微細構造フィルタパネル３５０８を通過して出口ノッチ３５０６の中に入る。確かに、流体は、入口ノッチ３５０４の長さに沿って微細構造フィルタ３５０８に入り出口ノッチ３５０６の長さに沿って微細構造フィルタ３５０８を出ることができる。

図３６は、微細構造フィルタ３５０８の一部分の拡大図を示す。複数の層状セクション、例えば層状セクション３５１０、及び複数の構造／支持セクション３５１２が示されている。再び、層状セクションは、構造材料及び犠牲材料の層から成ってもよい。

図３７は、図３６に表示された微細構造フィルタ３５０８の一部分の更なる拡大図を示す。層状セクション３５１０は、流体が微細構造フィルタ３５０８を通過する際に流体をろ過する一連のチャネル及び側壁３５１４から成る。層のそれぞれは、異なる幅のチャネル及び側壁を有してもよい。例えば、入口ノッチ３５０４の付近に配置されるチャネル及び側壁は、出口ノッチ３５０６（図３４）に近接するチャネル及び側壁によって引きつける粒子よりも大きな粒子を引きつけるような大きさであってもよい。

図３８は、本技術に従って構築された一つの例示的なフィルタ装置３９００である。フィルタ装置３９００は管状ハウジング３９０２を含み、管状ハウジング３９０２は入口ポート３９０４及び出口ポート（図示なし）を有する。出口ポートは、入口ポート３９０４と同一であるが、フィルタ装置３９００の反対側の端に配置されている。

図３９は、図３４‐図３７の例示的なフィルタ装置３５００がフィルタ装置３９００内で利用されることを示す。すなわち、ハウジング３９０２は、例示的なフィルタ装置３５００を受容するように構成されている。フィルタ装置３５００は、任意の数の用途のために任意の流体をろ過するために使用されてもよい。

図４０は、試験カラムの形の一つの例示的なフィルタ装置４１００を示す。装置４１００は、接続具４１０４及び４１０６を備えたハウジング４１０２を有する。いくつかの実施形態において、ハウジング４１０２は、図４１に示されるように第一セクション４１０８及び第二セクション４１１０に分離可能である。装置４１００は、微細構造フィルタ４１１２を有する。第二セクション４１１０は、微細構造フィルタ４１１２の最上部の（又は最も外側の）層に境界をつける覆い（カバー）として働き、流体が微細構造フィルタ４１１２を通って通過することを確かにする。入口管４１０１は、接続具４１０４から微細構造フィルタ４１１２に流体を送る。

図４２は、微細構造フィルタ４１１２をより詳細に示す。微細構造フィルタ４１１２は、入口４１１４及び出口４１１６を有する。いくつかの実施形態において、入口及び出口は、それぞれおよそ１ミリメートル幅である。微細構造フィルタ４１１２は、層状セクション４１２０及び支持セクション４１２２を有する。微細構造フィルタ４１１２は、図４３において、互いからわずかにずらして配置されている複数の層状セクション４１２０Ａ、４１２０Ｂ及び４１２０Ｃを有するものとして示されている。例えば、層状セクション４１２０Ｂの構造機構（structural features）４１２４は、層状セクション４１２０Ｃの構造機構４１２６よりもわずかに高く位置付けられている。交差チャネル４１２８のような交差チャネルは、およそ５０マイクロメートルの高さを有し、層状セクションの幅はおよそ３２マイクロメートルである。いくつかの実施形態において、個別の交差チャネル機構の間のピッチは、１０マイクロメートルである。

図４４Ａ及び図４４Ｂは、微細構造フィルタ４１１２の拡大図である。

図４５は、微細構造フィルタ４１１２の層状セクションの拡大図であり、チャネル、例えば（“バー（bars）”とも呼ばれる）層状セクションの中に形成されたチャネル４１３０を示す。

いくつかの実施形態において、スペーサー材料４１３２は、図４６に示されるように層状セクションの間隔を保持するために利用される。

図４７は、層状セクション（例えば、４１２０Ａ‐Ｃ）の個別の構造層が三次元被覆４１３４を用いて被覆されるか又は三次元被覆４１３４を用いて製造され得ることを示す。再び、これは層状セクションの表面積を増大させ、微細構造フィルタ４１１２のろ過能力を向上させる。再び、当業者は、構造層上に三次元の態様の作成を結果としてもたらすアーティファクトを作り出すために、個別の構造層を被覆するための様々な被覆プロセスを使用し得る。

図４８は、断面図Ａ‐Ａにわたって取得された、微細構造フィルタ４１１２の上から見下ろす図である。層状セクションは、個別の交差チャネルフィルタ、例えばフィルタ機構４１３６を有するものとして示されている。再び、隣接する層状セクションのフィルタ機構４１３６は互いにずらして配置されてもよく、それは、流体が構造層の表面の近くを流れることを可能にし、流体が少なくとも一つの表面に接触することを確かにする。

いくつかの実施形態において、構造層の機構は、およそ１ナノメートルだけ又はデザイン要求ごとに任意の他の距離だけ、互い違いに（若しくはジグザグに）配列されるか（staggered）又は互いからずらして配置されてもよい。構造層をずらして配置することは、流体４１３８をフィルタ機構４１３６から隣接するフィルタ機構４１４０に向かって下方向に逸らせる。また、層をずらして配置すること及び結果として生じる機構は、直線状のチャネル又は経路を使って一般的に起こるような流体の加速の効果を低減する且つ／或いは無くす。図２１の装置において、同じ効果がもたらされる。

図４９は、犠牲層のフォトリソグラフィー及び堆積のステップ５００２で始まる微細構造フィルタの作成を示す。犠牲材料のセクションは、互いから離間している。ステップ５００４は、ステップ５００２の犠牲層からずらして配置された他の犠牲層のフォトリソグラフィー及び堆積を含む。第二の犠牲層のセクションの二つ組み（Pairs of sections）は、第一層のセクションの半分が見えるように、犠牲層の第一のセクション上に置かれている。

ステップ５００６において、第三の犠牲層のフォトリソグラフィー及び堆積が、ステップ５００４における第二の犠牲層からずらして配置されているように示されている。犠牲層の三つ組みのセクションは、第二の犠牲層及び第一の犠牲層のセクションに重なる。

ステップ５００８において、第四の犠牲層のフォトリソグラフィー及び堆積が示されている。第四層は、連続的なセクションで第三層の上に堆積させられており、微細構造フィルタのおよそ半分を覆う。次に、ステップ５０１０において、構造層が、覆いを作り出すように犠牲層の上に堆積させられる。その後、装置は、ステップ５１１２においてエッチングされて、開口、例えば開口５１１４を作り出す。

要するに、一連のフォトリソグラフィープロセス、堆積プロセス及びエッチングプロセスによって、互い違いに配列されたバーが作り出されることができる。４つの“デジタル”層で１６のステップが作り出されることができ、層は、１ナノメートル又はそれ以下の距離で徐々に増加して互い違いに配列されることができる。

図５０は、フリット（frit）５１０２を有する一つの例示的なフィルタ装置コネクタ５１００を示す。フリット５１０２は、流体連通部５１０４の経路内でコネクタの本体の中に置かれる。フリット５１０２は、粒子を留めることができると共に、フィルタ装置を通るこれらの粒子の長手方向の分散も低減されることを確かにすることができる。確かに、フィルタ装置コネクタ５１００は、図４０の接続具４１０４として利用されてもよい。

フリット５１０２は、図示されるように直径Ｄ及び幅（若しくは厚さ）を有する。

図５１及び図５２は、複数の通路のセクションを囲む外周側壁５１０６を有する、一つの例示的なフリット５１０２を集合的に示す。例えば、フリット５１０２は、環状の構成にそれぞれ配置された、セクション５１０８Ａ‐Ｅを含んでもよい。いくつかの実施形態において、複数のセクションは通路の六角形状に配列されているが、他の形状も同様に使用を企図される。

いくつかの実施形態において、漸進的に外向きに動く各セクションは、異なる大きさの粒子を捕捉するような大きさであってもよい。例えば、セクション５１０８Ａは、直径が最も小さい通路を有し、一方でセクション５１０８Ｅは、直径が最も大きい通路を有する。セクション５１０８Ａとセクション５１０８Ｅとの間のセクションは、漸進的に、それらが包囲するセクションより大きな通路を有する。いくつかの実施形態において、各セクションは通路の特有の大きさを有してもよく、これらのセクションは通過サイズに関して線形に配列される必要はない。

いくつかの実施形態において、通路の直径だけでなく、通路の間隔もまた変動してもよい。通路の密度は、装置の動作のためのデザイン要求に対して調整されてもよい。

図５３‐図６５は、本開示の装置において利用され得る微細構造フィルタの更なる実施例を集合的に示す。概して、これらの微細構造フィルタは、流体から粒子又は溶質のいずれかをろ過する微細構造（例えば、フィルタ機構）を備えた円盤（disk）を有してもよい。典型的に、円盤の上面は、微細構造化された円盤上の流れチャネルを取り囲むように、平らな面に組み合わされることになる。いくつかの実施形態において、円盤の層は、互いの上に積み重ねられてもよい。円盤は、並列構成又は直列構成に構成されてもよい。

他の微細構造フィルタと同様に、これらの円板は、流体内の異なる溶質をろ過するために異なる材料で被覆されてもよい。これらの被覆は、ナノスケール構造を含んでもよい。異なる被覆を備えた円盤は、同様に並列構成又は直列構成のいずれに構成されてもよい。いくつかの実施形態において、構造は、銅、亜鉛、炭素、樹脂で被覆されてもよく、ＳｉＯ_２はいくつかの材料であるが、多数の他の被覆が使用され得る。

図５３は、円盤形状の微細構造フィルタ５４００を示す。フィルタ５４００は、複数の入口チャネル、例えば入口チャネル５４０２を有する。入口チャネルは、複数の水平チャネル、例えば水平チャネル５４０４に流体を供給する、フィルタ５４００はまた、水平チャネルから流体を集める出口チャネル５４０６を有する。確かに、入口チャネル及び出口チャネルは、出口チャネルが入口チャネルになりその逆も同様であるように、それらの構成に対して切換えられてもよい。

図５４は、より詳細に本明細書において記述される二つの細部セクション５４０８及び５４１０を示す。図５５‐図５９において、細部セクション５４０８のフィルタ機構を示す。例えば、図５５において、大きな流れチャネル及び小さな流れチャネルの両方が示されている。入口チャネル５４１２が示されており、入口チャネル５４１２は入口水平チャネル５４１６及び出口水平チャネル５４１８に流体を送り込む。出口チャネル５４２０は、入口水平チャネル５４１６及び出口水平チャネル５４１８からろ過された流体を集める。

図５６は、ポストフィルタ機構（post filter features）５４２２を備えた水平チャネルを示す。様々な大きさ及び形状のスリット、ノッチ及び溝のような他のフィルタ機構も、同様に利用され得る。

図５７は、入口水平チャネル５４１６及び出口水平チャネル５４１８の上から見下ろす図を示す。

図５８は、ポストフィルタ機構を備えた入口水平チャネル５４１６及び出口水平チャネル５４１８の上から見下ろす図を示す。また図５９は、図５８の図の一つのセクションの拡大図である。

図６０は、細部セクション５４１０をより詳細に示す。細部セクションは、垂直出口チャネル５４２４、水平入口チャネル５４１６及び出口ポート５４１８を含む。いくつかの実施形態において、垂直出口チャネル５４２４、水平入口チャネル５４１６及び支持層は、互いに同一平面状にある。

図６１は、層状のデザインを備えた円盤形状の他の微細構造フィルタ６２００を示す。フィルタ６２００のフィルタ機構６２０２のより詳細な図が、図６２に示されている。フィルタ機構は、ポストの代わりに側壁を有する。図６４において、側壁のより詳細な図が提供されている。いくつかの実施形態において、壁は、０．１（“．１”）ナノメートルの高さ及び０．０５（“．０５”）ナノメートルの幅であってもよい。

図６３‐図６５は、側壁を作り出すための層堆積プロセスを示す。図６３において、細いバー（thin bars）６４０２は、支持面６４０４の上に印刷されるか又は被覆される。この堆積プロセスに使用される材料は、犠牲材料であってもよい。第二層６４０６は、バー６４０２の上に堆積させられ、犠牲材料から作り出されてもよい。

図６４に示されるように、構造材料及び／又は犠牲材料の追加的なバーは、バー６４０２に塗布されてもよい。

完成したフィルタ円盤のセクションの図が、図６５に示されている。確かに、犠牲層が除去されたときに、フィルタオリフィス６６０２（フィルタ機構）が作り出される。再び、これらのバーの一つの表面及び複数の表面は、必要に応じて被覆されてもよい。

以上、様々な実施形態が記述されたが、それらは例示としてのみ提示され、限定ではないことが理解されるべきである。記述は、本技術の範囲を、本明細書において説明された具体的な形態に限定するように意図されていない。したがって、好ましい実施形態の幅及び範囲は、上記の例示的な実施形態のいずれによっても限定されるべきでない。上の記述は、例示的なものであり、限定的なものではないことが理解されるべきである。対照的に、本記述は、そのような代替、変更及び均等を、添付の特許請求の範囲によって定義されるように及び他に当業者によって理解されるように、本技術の精神及び範囲に含まれ得るものとして包含するように意図されている。したがって、本技術の範囲は、上の記述を参照して決定されるべきではなく、代わりに、それらの均等の全範囲と共に、添付の特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。

Claims (20)

1. 入口チャネル及び出口チャネルを作り出すように離間された複数の構造材料の層を有する微細構造フィルタであり、前記入口チャネル及び前記出口チャネルの隣接するものは、前記入口チャネルから前記出口チャネルに向かって流体をろ過する交差チャネルによって互いから離間されており、前記交差チャネルは、前記複数の構造材料の層の一部分を除去することにより形成されているフィルタ機構を有する、微細構造フィルタ、及び
   前記微細構造フィルタを受容するように構成されたハウジングであり、前記ハウジングは前記流体を試験するためのクロマトグラフ装置に接続するように構成されている、ハウジング、
   を有する、フィルタ装置。
2. 前記微細構造フィルタは、積み重ねられた複数の前記微細構造フィルタから作り出された複数のフィルタパネルを有する、請求項１に記載のフィルタ装置。
3. 前記フィルタ機構は、前記流体内に存在する粒子を捕捉する大きさの開口を有する、請求項１に記載のフィルタ装置。
4. 前記微細構造フィルタは、前記複数の構造層の隣接するものの間に構造的支持を提供する複数のスペーサー領域を有し、前記フィルタ機構は、前記複数のスペーサー領域の隣接するものの間に配置されている、請求項１に記載のフィルタ装置。
5. 前記複数のスペーサー領域の隣接するものは、前記複数の層の隣接する層の前記フィルタ機構を互い違いに配列するように、互いからずらして配置されている、請求項１に記載のフィルタ装置。
6. 微細構造パネルは、流体が、前記微細構造パネルの第一端に入り、前記微細構造パネルの第二端を出るように、前記ハウジングの中に収められている、請求項１に記載のフィルタ装置。
7. 微細構造パネルは、エッチングされた入口セクション及びエッチングされた出口セクションを有する、請求項１に記載のフィルタ装置。
8. 前記ハウジングは入口ノッチ及び出口ノッチを有し、微細構造パネルは、前記入口ノッチと前記出口ノッチとの間に配置されている、請求項１に記載のフィルタ装置。
9. 前記入口ノッチ及び前記出口ノッチの両方は、前記微細構造パネルの正中線軸に沿って延びる基準線に対して角度を成して、前記微細構造パネルに沿って延びる、請求項８に記載のフィルタ装置。
10. 微細構造パネルは、前記基準線に準じて角度を成している、請求項９に記載のフィルタ装置。
11. 前記入口ノッチは、前記ハウジングの第一端から延びるとともに、上向きに角度を成し、前記出口ノッチは、狭い部分から、前記第一端の反対側である前記ベースハウジングの第二端に向かって角度を成している、請求項９に記載のフィルタ装置。
12. 前記ハウジングは内側シェルを有する管状ケースであり、前記内側シェルは、微細構造パネルを受容するためのノッチを含む、請求項１に記載のフィルタ装置。
13. 前記フィルタ機構の少なくとも一部分には、前記フィルタ機構の表面積を増大させ、従って前記フィルタ機構によって前記流体内の粒子に対して働かさられる引力を増大させるためのナノスケール表面処理が施されている、請求項１に記載のフィルタ装置。
14. 前記ハウジングは、微細構造パネルに流体を供給する第一コネクタを有し、前記第一コネクタは、前記微細構造パネルに入る前に流体をろ過するように構成されている、請求項１に記載のフィルタ装置。
15. フリットは、複数の通路のセクションを囲む外周側壁を有する、請求項１４に記載のフィルタ装置。
16. 前記複数の通路のセクションは、環状の構成に配置され、前記フリットの中心に近いセクションの通路が、前記外周側壁に近いセクションの通路よりも小さな直径の通路をもつように配列されている、請求項１５に記載のフィルタ装置。
17. 前記複数の通路のセクションは、特有の間隔又は直径を備えた複数の通路をそれぞれ有する、請求項１５に記載のフィルタ装置。
18. 入口チャネル及び出口チャネルを作り出すようにエッチングされた、複数の犠牲材料の層及び構造材料の外層を有する微細構造フィルタであり、前記入口チャネル及び前記出口チャネルの隣接するものは、前記入口チャネルから前記出口チャネルに向かって流体をろ過する交差チャネルによって互いから離間されており、前記交差チャネルは、前記犠牲層の一部分をエッチングして除くことにより形成されているフィルタ機構を有し、前記複数の犠牲材料の層は：
    ベース材料；
    等距離に互いから離間されている犠牲材料のセクションの第一層であり、前記第一層は前記ベース材料上に配置されている、第一層；
    前記第一層上に堆積させられている第二層であり、前記第二層は、前記第一層のセクションの間の空間を覆うように、前記第一層のセクションからずらして配置されている犠牲のセクションの二つ組みを有する、第二層；
    前記第二層上に堆積させられている第三層であり、前記第二層は、前記第二層のセクションからずらして配置されている犠牲のセクションの三つ組みを有する、第三層；及び
    前記第三層上に堆積させられている第四層であり、セクションは、連続的であり且つ前記微細構造フィルタの長さの半分にわたって延びる、第四層；
    を有し、
    前記構造材料の外層は、前記第四層上に配置されている；
    微細構造フィルタ、並びに
    前記微細構造フィルタを受容するように構成されたハウジングであり、前記ハウジングは前記流体を試験するためのクロマトグラフ装置に接続するように構成されている、ハウジング、
    を有する、フィルタ装置。
19. 空間は、前記微細構造フィルタの中にエッチングされ、スペーサー領域の間に開口を作り出す、請求項１８に記載のフィルタ装置。
20. 入口チャネルから出口チャネルに向かって流体をろ過する交差チャネルを有する微細構造フィルタであり、前記交差チャネルは、犠牲層の一部分をエッチングして除くことにより形成されている微細構造フィルタ機構を有し、前記微細構造フィルタ機構はナノ構造を有し、前記ナノ構造は、前記入口チャネルから前記出口チャネルに向かって前記流体が前記フィルタ機構を通過する際に前記流体内に存在する粒子を引きつける前記フィルタ機構の表面積を増大させる、微細構造フィルタ、及び
    前記微細構造フィルタを受容するように構成されたハウジングであり、前記ハウジングは前記流体を試験するためのクロマトグラフ装置に接続するように構成されている、ハウジング、
    を有する、フィルタ装置。