JP5000204B2 - 熱感知 - Google Patents
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Description
Torres,F.E.、Kuhn,P.、De Bruyker,D.、Bell,A.G.、Wolkin,M.V.、Peeters.E.、Williamson,J.R.、Anderson,G.B.、Schmitz,G.P.、Recht,M.I.、Schweizer,S.、Scott,L.G.、Ho,J.H.、Elrod,S.A.、Schultz,P.G.、Lerner,R.A.、及びBruce,R.H.著、「Enthalpy arrays」、Proceedings of National Academy of Sciences、第101巻第26、2004年6月29日、pp.9517‐9522(「Torres他の論文」)は、大きい基板上に96個の検知器エンタルピー・アレイを製造すること、及び、分子間相互作用を検知するためのナノ熱量測定検知器としてそれらを使用することを説明する。
米国特許出願第2005/0254552号に説明されるように、一般に、図1のシステム1100によって行われる温度測定値の解像度は、幾つかの要因によって制限される。システム1100の実施時に雑音分析を行うことによって、雑音に対して電気部品を最適化することが可能である。
雑音に対して他の部品を最適化した後、雑音及びTCRの両方に対してサーミスタ1110及び1112を最適化することによって、さらなる改善を得ることが依然として可能である。それを行うための技術が、米国特許出願第2005/0254552号に説明される。
10nmの厚さの金製層として実装することができ、熱伝導性部品1160の隣接する部分間の容量結合を防止するように働く抗結合層1164が、熱伝導性部品1160の上に堆積される。この層1164は非常に薄いため、熱伝導率が低く、熱分離を保存する。部品1160を接地に結合させること、及び、スラブ1142及び1144が、熱入力信号への応答に影響を与え得る付加的な電荷を容量蓄積するのを防止することによって、層1164が雑音を減少させると考えられる。層1164の実装及び他の適用可能な抗結合手段の実装が、図5及び9により詳細に説明される。熱伝導性部品が横方向に熱変化を伝えることが有利である場合には、抗結合手段を適用することによって容量結合を防止することが有利であることも多い。
米国特許出願公開第2005/0254552号に説明されるように、リード線1150、1152、1154及び1156の上に付加的な層を堆積させ、電気の安定化、環境障壁、及び疎水性表面を提供することができる。
フレーム1202は、アイランド部1204及び1206が配置される凹部のコーナー部に、位置合わせ構造体1210を例証として有している。フレーム1202は、米国特許出願第2005/0254552号に説明される方法で形成することができる。
サーミスタ・スラブ1142及び1144(図2及び図3)について上述したように、サーミスタ・スラブ1230、1232、1234及び1236の各々を実装し、一方がスラブ1230及び1232を有し、他方がスラブ1234及び1236を有する2組のサーミスタ対を提供することができる。コンタクト・パッドを種々の方法で接続し、米国特許出願第2005/0254552号に説明される方法で、ブリッジ1102を実装することができる。
図5の断面1250より前に、ポリマー層1162は、米国特許出願第2005/0254552号に説明される方法で、次の作動に備える。
断面1250は、障壁層1170の上に堆積された半導体材料を有する層1252も示す。層1252は、酸化バナジウム(VOX)、高濃度にpドープされたアモルファス・シリコン、又は低雑音サーミスタに好適な他の材料を含むこともできる。層1152は、米国特許出願第2005/0254552号に説明される方法で成功裏に実装された。
米国特許出願第2005/0254552号に説明されるように、層1252が堆積された後、アニール操作により低雑音特性が改善される。
層1252を生成するための技術、及びその特性、並びに低雑音サーミスタ・センサの他の半導体層の特性についての付加的な情報が、米国特許出願公開第2005/0238080号に説明される。
断面1280は、熱伝導性部品1160が形成されたポリマー層1162の反対側を示す。断面1280は、ポリマー層1162の反対側のプロファイルで示される、センサ構造体1278に対する部品1160の関係も示す。
コーティング1164が堆積された後、結果として得られた構造体を、処理中に該構造体が取り付けられたフレームから切り離し、フレーム1202(図4)に取り付けることができる。フレーム1202は、層1162をピンと張った平坦な状態に保持するための補強材として働く。ブリッジ1102を平衡させるために、スラブ1142及び1144をレーザ・トリミングするなどの、さらなる操作を行うこともできる。
回路1100(図1)に接続されたとき、米国特許出願第2005/0254552号に説明される方法で、セル1200を作動させることができる。
図7に示されるように、ポリマー層1162は、一方の側に熱伝導性部品1160を有し、他方の側に障壁層1170を有する。障壁層1170上では、構造体が、熱センサ1310、並びに電極1320、1322及び1324を含む。熱センサ1310は、概略的に示され、上部又は下部接触表面にわたって延びる導電性ライン、或いは、他の好適な部品を有する、図5のスラブ1230のような半導体構造を用いて実装することができる。
滴併合信号を含む、電気接続及び信号は、米国特許出願第2005/024552号に説明されるように提供することができる。
熱センサ1310に達する信号の望ましくない結果を理解するために、このような信号が、どのように抵抗率に影響を及ぼすかを考えることが有用である。上述のように、熱センサ1310は、スラブ1230のような半導体材料を含むことができる。特に、米国特許出願公開第2005/0238080号により詳細に説明されるように、熱センサ1310は、酸化バナジウムのようなアモルファス半導体を用いて実装することができる。
電極1320及び1322に印加され、膜を通して容量結合によって熱センサ1310に伝えられる電圧が、熱センサ1310における自由電荷キャリアの量を変えることになる。また、キャパシタンス1336にわたる何らかの著しい電圧降下が、大きい電場を引き起こし、熱センサ1310内の電荷キャリアの量及び移動度を変える。その結果、ライン1150及び1152への電気接続を通して検知されるような、熱センサ1310の抵抗率の変化が、温度変化のみからもたらされる抵抗率の変化とは著しく異なることがある。
あまり感度がよくない実施においては、他の源からの雑音が十分に大きいので、滴併合信号による電荷キャリアの量及び移動度の変化が精度に影響を及ぼさない。しかしながら、低雑音の熱センサにおいては、滴併合信号が大きな雑音源となり、他の場合には検知可能である低い振幅の熱信号ピークの検知を妨げることがある。
したがって、抵抗1342は、容量結合から、場合によっては膜内の他の電気相互作用から結果として生じる問題を軽減する。抵抗1342が低いので、有限のRC時定数が、電極1320及び1322の間に適用され、一方では、接地に適用される。このRC時定数を滴併合信号の立ち上がり時間及び立ち下がり時間より小さくできる場合には、膜内の滴併合信号の伝搬を減衰させ、熱センサ1310への影響を減らすことができる。
上述した解決法は、上述の抗結合部品1164によって、以下で説明される抗結合部品の他の実施の1つによって、或いは、他の何らかの適切な抗結合部品又は技術によって、実施することができる。抗結合部品は、多くの方法で実施することができるが、抗結合部品の影響は、膜の修正に類似しているので、抵抗1342が著しく減少される。上述のように、抵抗1342についての低い値は、電極1320及び1322と接地との間により低いRC時定数をもたらす。
ポリマー層1162の両端にかかる12mVは非常に低い電場であり、注入された電荷に関連する問題を引き起こす可能性が低いので、25オームより小さい抵抗をもつ接地面を、容量結合に関連する問題を防ぐのに十分なものにする必要がある。次に、好適な設計戦略は、ポリマー層1162と同じ熱伝導率を有する金の厚さを見つけ、その抵抗を計算するというものであり、その抵抗が25オームより小さい場合には、その厚さが上述の両方の制約を満たす必要がある。
ように計算される厚さを有する必要がある。
ように概算することができる。
ここで、lは、部品1160と導電性フレームとの間の間隔であり(図8)、pは、部品1160の周囲の長さであり(例えば、矩形の場合には、その長さの2倍にその幅の2倍を加えたもの)、dは、金の厚さである(図3)。抵抗RAUは、上で計算された25オームの最大値より低いものである。したがって、これらの計算は、十分に低い抵抗1342を提供し、過度の熱伝導率も回避する金の厚さの範囲があることを示し、厚さの範囲は、0.4オーム<RAU<25オームであるものを含む。
そこに説明されるように、幾つかの理由のいずれかにより、測定された抵抗と推定された抵抗との間の差が生じ得る。
しかしながら、薄い金層の電気伝導率と熱伝導率の比は、バルク金とおおよそ同じであると想定することが妥当である。したがって、0.4オームから25オームまでの間の抵抗を有する金層は、電気接地と熱抵抗との間の必要な均衡を満たす必要があり、熱伝導率の電気伝導率に対する比がバルク金と同じであると想定される。米国特許出願第2005/0254552号にさらに説明されるように、熱伝導率を十分に低く保持しながら、適用される金の量が25オームより低い抵抗をもたらした。
別の手法においては、層1164を堆積させる前に、フレーム1382を膜内に積層させることができ、この場合、フレーム1382はポリマー層1162と直接接触することができ、層1164は、フレーム1382、部品1160、及びフレーム1382と部品1160との間の領域においてポリマー層1162の露出された部分を覆う。フレーム1382の積層中に損傷されない、高品質で低い抵抗の抗結合部品を生成するので、この技術は有利なものである。
要約すれば、上の技術に従った膜は、感知領域を電気的に隔離しない。代わりに、この膜は、他の場合に正確な温度測定を妨げる雑音源を減少させるための感知領域において、部品のための接地(すなわち、接地のための低抵抗の経路)を提供する。
例えば、膜1400の上面の滴1410は、反応物質を含む2つの滴を併合することから生じる。反応物質間の反応が熱変化を生成することがあり、図9は、熱変化が反応熱である場合を示す。反応熱は、滴1410から離れた幾つかの異なる経路をたどることができ、その幾つかが図9の矢印によって表される。例えば、矢印1412は、一部が図9の矢印によって示される、例えば、矢印1412は、滴1410からの熱伝導を表し、矢印1414は、滴1410からの蒸着を表す。同様に、矢印1416は、部品1160からの伝導、又は、膜1400の下側における別の熱伝導性部品を表す。最後に、矢印1418は、部品1160を通して反応熱を示す熱信号を受け取り、何らかのオーム熱を生成する電気駆動信号も受け取る、熱センサ1310からの熱伝導を表す。
図10は、各導管1450に示される反応から熱センサ1310に熱の流れの方向を有する導管1450の選択された例を示す。一方に、電極1320、1322及び1324の間に3つの導管1450が示され、他方に、熱伝導性部品1160が示される。同様に、1つの導管1450が、熱伝導性部品1160と熱センサ1310との間に延びるように示される。しかしながら、実施においては、製造プロセスの結果として、熱伝導性導管1450は、ポリマー層1162を通して均一に分布することができる。
図10において、部品1160が、上述の方法のいずれかにおいて実施することができる抗結合部品を表す抵抗1342を通して接地に接続されるように示される。
上述のような膜は、米国特許出願第2005/0254552号に説明される、具体的に説明されるものに加えて、種々の熱伝導性経路を含むことができる。
米国特許出願公開第2005/0254552号に説明されるように、上述の技術は、熱量測定の測定及び他の種々の方法において有用である。
上の例示的な実施の一部は、特定の材料と、種々の形状、寸法、或いは他の数値特性又は質的特性を有する部品を含むものであるが、材料、形状、寸法、或いは他の特性のいずれか、或いは、他の何らかの変形、修正、又は代替物が、米国特許出願公開第2005/0254552号に説明されている。
1102:サーミスタ・ブリッジ
1104:計測増幅器
1106:ロックイン増幅器
1110、1112、1140:サーミスタ
1160:部品
1162、1174:ポリマー層
1164:抗結合部品
1200:セル
1212、1214、1216、1218、1220、1222、1224:コンタクト・パッド
1244、1246、1248:導電性ライン
1330、1332、1334、1346:キャパシタンス
1340、1342:抵抗
1400:膜
1410:滴
Claims (7)
- 第1及び第2の面を有し、且つ、前記第1の面と前記第2の面との間に厚みを有し、熱伝導性を有する熱分離支持層と、
前記熱分離支持層の前記第1の面にある温度計要素と、
前記熱分離支持層の前記第2の面にある熱伝導性構造体と、を備え、
前記熱伝導性構造体は、該熱伝導性構造体が前記熱分離支持層の厚みを通じて温度を受け取る第1の領域と、前記温度計要素が前記熱分離支持層の厚みを通じて前記熱伝導性構造体と熱接触する第2の領域とを有し、前記第1の領域と前記第2の領域との間で、前記第2の面上に横方向に延びており、
前記熱分離支持層は、前記熱伝導性構造体の第1の領域に対応する第1の領域と、前記熱伝導性構造体の第2の領域に対応する第2の領域とを有し、少なくとも、前記熱分離支持層の第1の領域で受け取られる温度が、前記熱分離支持層を横方向に通じて前記熱分離支持層の第2の領域で受け取られる前に前記熱分離支持層の第2の領域へ前記熱伝導性構造体を通じて達するように、熱を横方向に分離する機能を有し、
前記熱伝導性構造体は、該熱伝導性構造体の第1の領域で受け取った温度を該熱伝導性構造体の第2の領域へ横方向に伝導し、そこから、前記受け取った温度は、前記熱分離支持層の厚みを通じて前記温度計要素へ伝導され、前記温度計要素は、前記受け取った温度に応答する、ことを特徴とする熱感知装置。 - 横方向に延び且つ互いに離れた第1及び第2の面を有し、且つ、前記第1の面と前記第2の面との間で厚み方向に延びる熱分離支持層と、
前記熱分離支持層の前記第1の面上の温度計要素と、
前記熱分離支持層の前記第2の面上の熱伝導性構造体と、
前記厚み方向に前記熱分離支持層に延び、前記受け取った温度に応答する、前記熱伝導性構造体と前記温度計要素との間の熱伝導性導管と、
を備え、
前記熱伝導性構造体は、該熱伝導性構造体が前記熱分離支持層の前記熱伝導性導管を通じて温度を受け取る第1の領域と、前記温度計要素が前記熱伝導性導管を通じて前記熱伝導性構造体と熱接触する第2の領域との間で、前記第2の面上に横方向に延びており、
前記熱伝導性構造体はまた、前記第1の領域で受け取った温度を前記第2の領域へ横方向に伝導し、そこから、前記受け取った温度は、前記熱分離支持層の前記熱伝導性導管を通じて前記温度計要素へ伝導され、前記温度計要素は、前記受け取った温度に応答するようになっている、
ことを特徴とする熱感知装置。 - 前記熱伝導性構造体と前記温度計要素との間の容量結合を減少させるように前記熱伝導性構造体の近傍に堆積された抗結合層を更に備える請求項1又は2に記載の熱感知装置。
- 第1及び第2の面を有し、且つ、前記第1の面と前記第2の面との間に厚みを有し、熱伝導性を有する熱分離支持層と、
各々が、
前記熱分離支持層の前記第1の面上の温度計要素と、
前記熱分離支持層の前記第2の面上の熱伝導性構造体と、
を含む、前記熱分離支持層上の1つ以上の熱感知装置と、
を備え、
前記熱伝導性構造体は、該熱伝導性構造体が前記熱分離支持層の厚みを通じて温度を受け取る第1の領域と、前記温度計要素が前記厚みを通じて前記熱伝導性構造体と熱接触する第2の領域とを有し、前記第1の領域と前記第2の領域と、の間で、前記第2の面上に横方向に延びており、
前記熱分離支持層は、前記熱伝導性構造体の第1の領域に対応する第1の領域と、前記熱伝導性構造体の第2の領域に対応する第2の領域とを有し、少なくとも、前記熱分離支持層の第1の領域で受け取られる温度が、前記熱分離支持層を横方向に通じて前記熱分離支持層の第2の領域で受け取られる前に前記熱分離支持層の前記第2の領域へ前記熱伝導性構造体を通じて達するように、熱を横方向に分離する機能を有し、
前記熱伝導性構造体は、該熱伝導性構造体の第1の領域で受け取った温度を該熱伝導性構造体の第2の領域へ横方向に伝導し、そこから、前記受け取った温度は、前記熱分離支持層の厚みを通じて前記温度計要素へ伝導され、前記温度計要素は、前記受け取った温度に応答する、ことを特徴とするアレイ。 - 前記熱伝導性構造体と前記温度計要素との間の容量結合を減少させるように前記熱伝導性構造体の近傍に堆積された抗結合層が更に設けられている請求項4に記載のアレイ。
- 熱感知装置を生成する方法であって、
第1及び第2の面を有する熱分離支持層において、温度計要素と熱伝導性構造体とを生成するステップであって、前記熱分離支持層は、前記第1の面と前記第2の面との間に厚みを有し、且つ、熱伝導性を有する、前記ステップを備え、
前記温度計要素と熱伝導性構造体とを生成するステップは、
前記熱分離支持層の前記第1の面上の温度計要素と、前記熱分離支持層の前記第2の面上の熱伝導性構造体とを生成するステップを含み、前記熱伝導性構造体は、該熱伝導性構造体が前記熱分離支持層の厚みを通じて温度を受け取る第1の領域と、前記温度計要素が前記熱分離支持層の厚みを通じて前記熱伝導性構造体と熱接触する第2の領域とを有し、前記第1の領域と前記第2の領域との間で、前記第2の面上に横方向に延びており、
前記熱分離支持層は、前記熱伝導性構造体の第1の領域に対応する第1の領域と、前記熱伝導性構造体の第2の領域に対応する第2の領域とを有し、少なくとも、前記熱分離支持層の第1の領域で受け取られる温度が、前記熱分離支持層を横方向に通じて前記熱分離支持層の第2の領域で受け取られる前に前記熱分離支持層の第2の領域へ前記熱伝導性構造体を通じて達するように、熱を横方向に分離する機能を有し、
前記熱伝導性構造体は、該熱伝導性構造体の第1の領域で受け取った温度を該熱伝導性構造体の第2の領域へ横方向に伝導し、そこから、前記受け取った温度は、前記熱分離支持層の厚みを通じて前記温度計要素へ伝導され、前記温度計要素は、前記受け取った温度に応答する、ことを特徴とする方法。 - 前記熱伝導性構造体と前記温度計要素との間の容量結合を減少させるように前記熱伝導性構造体の近傍に堆積された抗結合層を生成するステップをさらに含む請求項6に記載の方法。
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