JP5754693B2 - Calorie sensor, calorific value detection device using the same, and method of manufacturing caloric sensor - Google Patents

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Description

本発明は、例えば、生体の細胞1個から発生する熱による温度変化を検出可能な熱量センサ及びそれを用いた熱量検出装置並びに熱量センサの製造方法に関する。   The present invention relates to a heat quantity sensor capable of detecting a temperature change due to heat generated from one cell of a living body, a heat quantity detection device using the same, and a method of manufacturing the heat quantity sensor, for example.

近年、バイオテクノロジー分野において、生体機能の研究が進み、その対象が組織や器官から単一細胞、単一生体分子へと移行している。これらの内、例えば単一細胞レベルでの熱反応の計測が求められている。特に、単一細胞や単一生体分子の熱分析を行う場合、マイクロ体積のサンプルのマイクロ熱量を計測する必要がある。   In recent years, research on biological functions has progressed in the biotechnology field, and the target has shifted from tissues and organs to single cells and single biomolecules. Among these, for example, measurement of a thermal reaction at a single cell level is required. In particular, when performing thermal analysis of a single cell or a single biomolecule, it is necessary to measure the microcaloric value of a microvolume sample.

特許文献1には、水晶振動子温度センサを用いて、発振周波数変化から温度を計測するバイオセンサが開示されている。   Patent Document 1 discloses a biosensor that measures a temperature from a change in oscillation frequency using a crystal resonator temperature sensor.

従来、卓上式の熱量計が市販されているが、価格が1千万円以上と高価で、また、測定サンプルが1cmで、細胞数では10個の平均された熱量のデータしか得られない。 Conventionally, tabletop calorimeters are commercially available, but the price is as high as 10 million yen or more, the measurement sample is 1 cm 3 , and only 10 6 averaged calorie data is obtained for the number of cells. Absent.

近年、バイオテクノロジー分野において、生体現象の解明に関する研究が行われ、ナノデバイスの需要も高まっている。熱は生体にとって重要なパラメータの一つであり、細胞や、蛋白質やDNAなどの生体分子の熱特性が測定されている(非特許文献1参照)。   In recent years, research on elucidation of biological phenomena has been conducted in the biotechnology field, and the demand for nanodevices has also increased. Heat is an important parameter for living organisms, and thermal properties of cells, biomolecules such as proteins and DNA are measured (see Non-Patent Document 1).

しかし、これらの測定はバルク状態、つまり多数の細胞の塊で行われている。単一細胞または単一生体分子レベルでの熱測定が実現すれば、生化学反応を介した生体の熱現象の解明や、異常細胞などのモニタリングへの応用が見込まれる。例えば、褐色脂肪細胞は、発熱機能を有する代表的なサンプルであり、バルク状態における温度や発熱量が計測されている(非特許文献2〜5参照)。その値は一細胞あたり約5nWと見積もられるが、単一細胞の発熱量を実際に計測した報告はない。   However, these measurements are performed in bulk, that is, in a large number of cell masses. If thermal measurement at the single cell or single biomolecule level is realized, it is expected to be applied to elucidation of biological thermal phenomena through biochemical reactions and monitoring of abnormal cells. For example, brown adipocytes are a representative sample having a heat generation function, and the temperature and heat generation in a bulk state are measured (see Non-Patent Documents 2 to 5). The value is estimated to be about 5 nW per cell, but there is no report that actually measured the calorific value of a single cell.

一方、微細加工技術を用いて、薄膜上にマイクロヒーターやサーモパイルを集積化した各種のマイクロ熱量センサが報告されている(非特許文献6〜14参照)。   On the other hand, various micro calorimetric sensors in which micro heaters and thermopiles are integrated on a thin film using a fine processing technique have been reported (see Non-Patent Documents 6 to 14).

Olson等は、Si基板に容量35nL(1nL=1×10−9リットル)のSi製チャンバーと、温度センサとしても動作する金属ヒーターを作製し、52nLのインジウムの溶解熱を3μWの感度で計測した(非特許文献7参照)。 Olson et al. Fabricated a Si chamber with a capacity of 35 nL (1 nL = 1 × 10 −9 liter) on a Si 3 N 4 substrate and a metal heater that also operates as a temperature sensor, and the sensitivity of melting heat of 52 nL of indium to 3 μW. (Refer nonpatent literature 7).

Johannessenらは、Si上面にサーモパイルとヒーターを作製し、マウスの肝細胞一つを加水分解する時の産生熱を計測した(非特許文献8参照)。この時、容量が720pL(1pL=1×10−12リットル)のポリイミドからなるチャンバーを利用し、その熱量分解能は、10〜25nWであった。マイクロ統合分析システム(TAS)分野で頻繁に用いられるマイクロ流体チップを用いた熱分析システムも報告されている。 Johannessen et al. Produced a thermopile and a heater on the upper surface of Si 3 N 4 and measured the heat of production when one mouse hepatocyte was hydrolyzed (see Non-Patent Document 8). At this time, a chamber made of polyimide having a capacity of 720 pL (1 pL = 1 × 10 −12 liters) was used, and the calorimetric resolution was 10 to 25 nW. A thermal analysis system using a microfluidic chip frequently used in the field of micro integrated analysis system (TAS) has also been reported.

Zhangらは、Si膜上に熱電対列、ヒーターを作製した基板を、ガラス製のマイクロ流路と接合した(非特許文献11参照)。この時、サンプル容量は大きくなるが、複数の流入口を設けることで複数の流体を制御することが可能になる。その利点を活かし、酵素を用いた触媒反応の熱計測を行った。 Zhang et al. Bonded a substrate having a thermocouple array and a heater on a Si 3 N 4 film to a glass microchannel (see Non-Patent Document 11). At this time, the sample volume is increased, but a plurality of fluids can be controlled by providing a plurality of inlets. Taking advantage of this advantage, we measured the heat of catalytic reactions using enzymes.

また、ポリジメチルシロキサン(Polydimethylsiloxane、PDMS)を用いてマイクロ流路、サンプル用チャンバー及びリファレンスチャンバーを形成し、示差走査熱量測定を行った報告もある(非特許文献14参照)。褐色脂肪細胞の体積が約1.3fL(1fL=1×10−15リットル)であること、発熱量が約5nWであることを考慮すると、上記チャンバーの容量、感度ともにさらなる改善が必要である。 There is also a report that differential scanning calorimetry was performed by forming a microchannel, a sample chamber, and a reference chamber using polydimethylsiloxane (PDMS) (see Non-Patent Document 14). Considering that the volume of brown adipocytes is about 1.3 fL (1 fL = 1 × 10 −15 liters) and the calorific value is about 5 nW, further improvement in the capacity and sensitivity of the chamber is necessary.

また、試薬刺激による応答を観察する場合、溶液置換を容易に行うためにマイクロ流路を設ける必要があるが、マイクロ流体チップを用いた熱量センサで、nWオーダーの感度、pLオーダーのサンプル容量を有するものは報告されていない。   In addition, when observing the response due to reagent stimulation, it is necessary to provide a microchannel to facilitate solution replacement. However, a calorimetric sensor using a microfluidic chip has nW order sensitivity and pL order sample capacity. No one has been reported.

また、細胞の活性を保ったまま、熱計測を行うには細胞が液中にある必要がある。しかし、液中では熱の拡散が生じることが報告されている(非特許文献15参照)。 Further, in order to perform heat measurement while maintaining the activity of the cell, the cell needs to be in the liquid. However, it has been reported that heat diffusion occurs in the liquid (see Non-Patent Document 15).

本発明者等は、厚さ175nmのSiと厚さ50nmのAu(金)で作製した薄膜バイメタルカンチレバー型熱センサを集光したレーザーで加熱し、その変位を測定することで空気中における熱の逃げを比較した。真空中を基準として、空気中では82%の熱の逃げが生じた。液中においては、96%程度の熱の逃げが生じることが予想される(非特許文献16参照)。このため、熱の拡散によりセンサへ入力される熱が少なくなり、実際の発熱量よりも小さな値で測定される問題が生じる。 The present inventors heated a thin-film bimetallic cantilever type thermal sensor made of Si 3 N 4 with a thickness of 175 nm and Au (gold) with a thickness of 50 nm with a focused laser, and measured the displacement in the air. Compared the heat escape in 82% of the heat escape occurred in air relative to the vacuum. It is expected that about 96% of heat escape occurs in the liquid (see Non-Patent Document 16). For this reason, the heat input to the sensor is reduced due to the diffusion of heat, and there is a problem that the measurement is performed with a value smaller than the actual calorific value.

特開平6−294763号公報JP-A-6-294863

日本熱計測学会編、“熱量測定・熱分析ハンドブック”、丸善、2010The Japan Society for Thermal Measurements, “The calorimetric / thermal analysis handbook”, Maruzen, 2010 J. Nedergaard, B. Cannon, O.Lindberg, “Microcalorimetry of isolated mammalian cells”, Nature, Vol.267, p.518-p.520, 1977J. Nedergaard, B. Cannon, O. Lindberg, “Microcalorimetry of isolated mammalian cells”, Nature, Vol.267, p.518-p.520, 1977 N. J. Rothwell and M. J. Stock, “Whither Brown Fat”, Biosciqnce Reports, Vol. 6, p.3-p.18, 1986N. J. Rothwell and M. J. Stock, “Whither Brown Fat”, Biosciqnce Reports, Vol. 6, p.3-p.18, 1986 D. G. Clark, M. Brinkman and S. D. Neville, “Microcalorimetric measurements of heat production in brown adipocytes from control and cafeteria-fed rats”, Biochemical Journal, Vol.235, p.337-p.342, 1986D. G. Clark, M. Brinkman and S. D. Neville, “Microcalorimetric measurements of heat production in brown adipocytes from control and cafeteria-fed rats”, Biochemical Journal, Vol.235, p.337-p.342, 1986 K. Inokuma, Y. Ogura-Okamatsu, C. Toda, K. Kimura, H. Yamashita, and M. Saito, “Uncoupling Protein 1 Is Necessary for Norepinephrine-Induced Glucose Utilization in Brown Adipose Tissue”, Diabetes, Vol.54, p.1386-1391, 2005K. Inokuma, Y. Ogura-Okamatsu, C. Toda, K. Kimura, H. Yamashita, and M. Saito, “Uncoupling Protein 1 Is Necessary for Norepinephrine-Induced Glucose Utilization in Brown Adipose Tissue”, Diabetes, Vol.54 , p.1386-1391, 2005 K, Verhaegen, K. Baert, J. Simaels, W. V. Driessche, “A high-throughput silicon microphysiometer”, Sensors and Actuators, Vol.82, p.186-p.190, 2000K, Verhaegen, K. Baert, J. Simaels, W. V. Driessche, “A high-throughput silicon microphysiometer”, Sensors and Actuators, Vol.82, p.186-p.190, 2000 E. A. Olson, M. Yu. Efremov, A. T. Kwan, S. Lai, V, Petrova, F. Schiettekatte, J. T. Warren, M. Zhang, and L. H. Allen, “Scanning calorimeter for nanoliter-scale liquid samples”, Applied Physics Letters, Vol. 77, No. 17, p.2671-p.2673, 2000EA Olson, M. Yu. Efremov, AT Kwan, S. Lai, V, Petrova, F. Schiettekatte, JT Warren, M. Zhang, and LH Allen, “Scanning calorimeter for nanoliter-scale liquid samples”, Applied Physics Letters, Vol. 77, No. 17, p.2671-p.2673, 2000 E. A. Johannessen and J. M. R. Weaver, P. H. Cobbold, J. M. Cooper, “Heat conduction nanocalorimeter for pl-scale single cell measurements”, Applied Physics Letters, Vol.80, No.11, p.2029-p.2031, 2002E. A. Johannessen and J. M. R. Weaver, P. H. Cobbold, J. M. Cooper, “Heat conduction nanocalorimeter for pl-scale single cell measurements”, Applied Physics Letters, Vol. 80, No. 11, p.2029-p.2031, 2002 J. L. Garden, E. Chateau, and J. Chaussy, “Highly sensitive ac nanocalorimeter for microliter-scale liquids or biological samples”, Applied Physics Letters, Vol.84, No.18, p.3597-p.3599, 2004J. L. Garden, E. Chateau, and J. Chaussy, “Highly sensitive ac nanocalorimeter for microliter-scale liquids or biological samples”, Applied Physics Letters, Vol.84, No.18, p.3597-p.3599, 2004 E. B. Chancellor, J. P. Wikswo, and F. Baudenbacher, M. Radparvar and D. Osterman, “Heat conduction calorimeter for massively parallel high throughput measurements with picoliter sample volumes”, Applied Physics Letters, Vol.85, No.12, p.2408-p.2410, 2004EB Chancellor, JP Wikswo, and F. Baudenbacher, M. Radparvar and D. Osterman, “Heat conduction calorimeter for massively parallel high throughput measurements with picoliter sample volumes”, Applied Physics Letters, Vol.85, No.12, p.2408 -p.2410, 2004 (11)Y. Zhang, S. Tadigadapa, “Calorimetric biosensors with integrated microfluidic channels”, Biosensors and Bioelectronics, Vol.19, p.1733-p.1743, 2004(11) Y. Zhang, S. Tadigadapa, “Calorimetric biosensors with integrated microfluidic channels”, Biosensors and Bioelectronics, Vol. 19, p.1733-p.1743, 2004 中別府 修、坂寄 純一、”MEMSセンサによる少数細胞の代謝熱モニタリング”,Thermal Science & Engineering., Vol. 14, No.4, p.115-p.120, 2006Osamu Nakabeppu, Junichi Sakayoro, “Metabolic fever monitoring of small number of cells with MEMS sensor”, Thermal Science & Engineering., Vol. 14, No.4, p.115-p.120, 2006 K. S. Suh, H. J. Kim, Y. D. Park and K. H. Kim, “Development and Characterization of a Microcalorimeter Based on a Si-N Membrane for Measuring a Small Specific Heat with Submicro-Joule Precision”, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 49, No. 4, p.1370-1378, 2006KS Suh, HJ Kim, YD Park and KH Kim, “Development and Characterization of a Microcalorimeter Based on a Si-N Membrane for Measuring a Small Specific Heat with Submicro-Joule Precision”, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 49, No. 4, p.1370-1378, 2006 M. Toda, N. Inomata, T. Ono, “Bimorph Cantilevers Actuated by Focused Laser from the Side”, IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines, in pressM. Toda, N. Inomata, T. Ono, “Bimorph Cantilevers Actuated by Focused Laser from the Side”, IEEJ Transactions on Sensors and Micromachines, in press L. Wang, B. Wang, Q. Lin, “Demonstration of MEMS-based differential scanning calorimetry for determining thermodynamic properties of biomolecules”, Sensors and Actuators B, Vol. 134, p.953-p.958, 2008L. Wang, B. Wang, Q. Lin, “Demonstration of MEMS-based differential scanning calorimetry for determining thermodynamic properties of biomolecules”, Sensors and Actuators B, Vol. 134, p.953-p.958, 2008 M.Toda, T. Ono, F.Liu and I. Voiculescu, “Evaluation of biomaterial cantilever beam for heat sensing at atmospheric pressure”, Review of Science Instruments, Vol. 81, 055104, 2010M. Toda, T. Ono, F. Liu and I. Voiculescu, “Evaluation of biomaterial cantilever beam for heat sensing at atmospheric pressure”, Review of Science Instruments, Vol. 81, 055104, 2010

細胞や生体分子を扱う場合、活性を保つために液中もしくは気体中にて温度測定等の観察を行う必要がある。従来の熱分析デバイスは、熱伝導率の比較的小さい窒化シリコン薄膜上に金属細線でヒーターや温度センサを設け、その上にマイクロ流体チップを用いてマイクロチャンバーとマイクロ流路を作製したものが多く見られる。しかし、サンプル容量が多く必要であり、数十pL程度の体積を有する単一細胞や生体分子の測定に適しているとは言い難い。液中では細胞が発熱しても、その周囲に拡散するため、正確な熱量測定が難しい。   When handling cells or biomolecules, it is necessary to observe temperature measurement or the like in liquid or gas in order to maintain activity. Many conventional thermal analysis devices have a heater or temperature sensor with a thin metal wire on a silicon nitride thin film with a relatively low thermal conductivity, and a microfluidic chip is used to produce a microchamber and a microchannel. It can be seen. However, it requires a large sample volume and is not suitable for measurement of single cells or biomolecules having a volume of about several tens of pL. Even if the cell generates heat in the liquid, it diffuses around it, making accurate calorimetry difficult.

マイクロ流体チップを用いず、マイクロチャンバーのみを作製した従来のデバイスも存在する。このデバイスでは、サンプル容量も少なくなり、熱感度も改善されたが、これでもサンプル容量、熱感度が十分であるとも言えない。さらにマイクロ流路を設けないため、細胞刺激に必要な試薬導入が不可能である。また、チャンバーが開放系であるため、液体の蒸発や汚染、外乱が問題となる。   There is also a conventional device in which only a microchamber is manufactured without using a microfluidic chip. In this device, the sample volume is reduced and the thermal sensitivity is improved, but it cannot be said that the sample volume and the thermal sensitivity are sufficient. Furthermore, since a microchannel is not provided, it is impossible to introduce a reagent necessary for cell stimulation. In addition, since the chamber is an open system, liquid evaporation, contamination, and disturbance are problematic.

本発明は、上記課題に鑑み、細胞の活性を維持したまま、液体中の細胞からの熱量を高精度に測定することができる熱量センサを提供することを第1の目的とし、熱量センサを用いた熱量検出装置を提供することを第2の目的とし、熱量センサの製造方法を提供することを第3の目的としている。   In view of the above problems, the present invention has as its first object to provide a calorific sensor capable of measuring the calorific value from a cell in a liquid with high accuracy while maintaining the activity of the cell. A second object is to provide a calorific value detection device, and a third object is to provide a method of manufacturing a caloric sensor.

本発明者等は、カンチレバー型の熱量センサの一端を真空マイクロチャンバーに封止することで周辺環境への熱の逃げを抑えることにより、液中の測定対象からの発熱として、体積1nL未満の細胞1個の熱量を、より正確に高感度で測定し得る熱量センサを実現し、本発明に想到した。   The present inventors have sealed one end of a cantilever-type calorimeter sensor in a vacuum micro-chamber to suppress the escape of heat to the surrounding environment, thereby generating a cell having a volume of less than 1 nL as heat generation from the measurement target in the liquid. The present inventors have realized a heat quantity sensor capable of measuring one heat quantity more accurately and with high sensitivity, and arrived at the present invention.

上記第1の目的を達成するため、本発明の熱量センサは、測定室と、測定室に隣接して配設される側壁と、側壁に隣接して配設されるマイクロ流路と、測定室、側壁及びマイクロ流路に配設される梁と、を含み、梁は、測定室に浮遊して配置される測定部と、マイクロ流路に浮遊して配置されるマイクロ流路接触部と、側壁上に配設され、測定部とマイクロ流路接触部とを連結する連結部と、から構成されており、マイクロ流路で発生する熱を、梁の温度変化として検知する構成を有している。   In order to achieve the first object, a calorimetric sensor according to the present invention includes a measurement chamber, a side wall disposed adjacent to the measurement chamber, a microchannel disposed adjacent to the side wall, and a measurement chamber. A beam disposed on the side wall and the microchannel, the beam is floated in the measurement chamber, and the microchannel contact portion is disposed in the microchannel, A connecting portion that is disposed on the side wall and connects the measurement portion and the microchannel contact portion, and has a configuration that detects heat generated in the microchannel as a temperature change of the beam. Yes.

上記構成において、梁は、好ましくは、同じ材料からなるが、2つ以上の材料からなっていてもよい。マイクロ流路は、好ましくは、入口及び出口を有している。
前記梁の測定部の表面には、さらにミラー層が形成されている。
In the above configuration, the beams are preferably made of the same material, but may be made of two or more materials. The microchannel preferably has an inlet and an outlet.
A mirror layer is further formed on the surface of the measurement portion of the beam.

上記第2の目的を達成するため、本発明の熱量検出装置は、上記熱量センサと、熱量センサの温度変化を検知する検知部と、を備えている。   In order to achieve the second object, a heat quantity detection device of the present invention includes the heat quantity sensor and a detection unit that detects a temperature change of the heat quantity sensor.

上記構成において、好ましくは、測定室を排気する排気部を有している。
さらに、好ましくは梁を強制振動するための振動部を有する。振動部は、好ましくは、圧電アクチュエータ、静電引力アクチュエータ及び光駆動の何れかを有している。振動部は、好ましくは、梁を有する自励発振回路を備えている。
検知部は、好ましくは、熱量センサと該熱量センサに隣接して配設される電極との間に生じる静電容量からなる発振回路の周波数を検出する。検知部は、好ましくは、レーザードップラー振動計、レーザー干渉計及び光てこ法の何れかにより梁の共振周波数を検出する。
In the above-described configuration, it preferably has an exhaust part for exhausting the measurement chamber.
Furthermore, it preferably has a vibration part for forcibly vibrating the beam. The vibration unit preferably includes any one of a piezoelectric actuator, an electrostatic attraction actuator, and an optical drive. The vibration unit preferably includes a self-excited oscillation circuit having a beam.
Preferably, the detection unit detects the frequency of the oscillation circuit including a capacitance generated between the heat quantity sensor and an electrode disposed adjacent to the heat quantity sensor. The detection unit preferably detects the resonance frequency of the beam by any one of a laser Doppler vibrometer, a laser interferometer, and an optical lever method.

上記第3の目的を達成するため、本発明の熱量センサの製造方法は、第1及び第2のガラス基板に、測定室と測定室に隣接して配設される側壁と側壁に隣接して配設されるマイクロ流路とを形成する工程と、第1のガラス基板の測定室、側壁及びマイクロ流路を形成した面上にSi基板とSiO層と上層Si層とからなるSOI基板の上層Si層を接合する工程と、SOI基板のSi基板及びSiO層を除去する工程と、上層Si層をパターンニングして熱伝導用の梁を形成する工程と、第2のガラス基板に、測定室の排気口とマイクロ流路の入口及び出口とを形成する工程と、梁が配設された第1のガラス基板と第2のガラス基板とを接合する工程と、を含んで構成されている。 In order to achieve the third object, a method for manufacturing a calorific sensor according to the present invention includes a measurement chamber, a side wall disposed adjacent to the measurement chamber, and a side wall adjacent to the first and second glass substrates. A step of forming a microchannel to be disposed; and a SOI substrate comprising a Si substrate, a SiO 2 layer, and an upper Si layer on a surface on which a measurement chamber, a side wall, and a microchannel are formed. A step of bonding the upper Si layer, a step of removing the Si substrate and the SiO 2 layer of the SOI substrate, a step of patterning the upper Si layer to form a beam for heat conduction, and a second glass substrate. The method includes a step of forming an exhaust port of the measurement chamber and an inlet and an outlet of the microchannel, and a step of joining the first glass substrate on which the beam is disposed and the second glass substrate. Yes.

上記構成において、SOI基板のSi基板及びSiO層を除去した後に、好ましくはミラー層をパターンニングする工程を備える。 In the above configuration, the method preferably includes a step of patterning the mirror layer after removing the Si substrate and the SiO 2 layer of the SOI substrate.

本発明の熱量センサによれば、体積1nL未満の細胞1個の熱量が測定できる感度の高い低コストの熱量センサを提供することができる。   According to the heat quantity sensor of the present invention, it is possible to provide a low-cost heat quantity sensor with high sensitivity capable of measuring the heat quantity of one cell having a volume of less than 1 nL.

本発明の熱量センサを用いた熱量検出装置によれば、体積1nL未満の細胞1個の熱量が測定できる感度の高い低コストの熱量検出装置を提供することができる。   According to the calorie detector using the calorie sensor of the present invention, it is possible to provide a low-cost calorie detector with high sensitivity capable of measuring the calorie of one cell having a volume of less than 1 nL.

本発明の熱量センサの製造方法によれば、所謂マイクロマシンの製造方法により体積1nL未満の細胞1個の熱量が測定できる感度の高い熱量センサを低コストで製造することができる。   According to the method for manufacturing a caloric sensor of the present invention, a highly sensitive caloric sensor capable of measuring the calorific value of a cell having a volume of less than 1 nL can be manufactured at a low cost by a so-called micromachine manufacturing method.

本発明の熱量センサの構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the calorie | heat amount sensor of this invention. 図1の拡大図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のI−I線に沿った断面図である。It is an enlarged view of FIG. 1, (a) is a top view, (b) is sectional drawing along the II line | wire of (a). 本発明の熱量センサの梁の共振周波数の温度変化を示す図である。It is a figure which shows the temperature change of the resonant frequency of the beam of the calorie | heat amount sensor of this invention. 測定室を真空にした際のカンチレバーの温度分布を解析した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having analyzed the temperature distribution of the cantilever when a measurement chamber is evacuated. 測定室を真空又は水にした際のカンチレバーの温度分布を解析した結果を示す図である。It is a figure which shows the result of having analyzed the temperature distribution of the cantilever when a measurement chamber is made into vacuum or water. 本発明の熱量センサを用いた熱量検出装置の構成を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the structure of the calorie | heat amount detection apparatus using the calorie | heat amount sensor of this invention. レーザードップラー振動計を用いた熱量検出装置のブロック図である。It is a block diagram of the calorific value detection apparatus using a laser Doppler vibrometer. カンチレバーの静電容量を用いた熱量検出装置のブロック図である。It is a block diagram of the calorie | heat amount detection apparatus using the electrostatic capacitance of a cantilever. 熱量センサの製造方法を、順次に示す模式的な断面図である。It is typical sectional drawing which shows the manufacturing method of a calorie sensor sequentially. 熱量センサの梁を異なる材料で形成するときの製造方法を説明する図である。It is a figure explaining the manufacturing method when forming the beam of a calorific value sensor with a different material. 製作した熱量センサの第1のガラス基板とカンチレバーとを示す走査型電子顕微鏡(SEM)像の図である。It is a figure of the scanning electron microscope (SEM) image which shows the 1st glass substrate and cantilever of the manufactured heat quantity sensor. 製作した熱量センサを示す光学顕微鏡像の図であり、(a)は光学顕微鏡像、(b)は(a)のA−A’線に沿った断面図である。It is a figure of the optical microscope image which shows the produced heat quantity sensor, (a) is an optical microscope image, (b) is sectional drawing along the A-A 'line of (a). カンチレバーのQ値を示す図であり、(a)はマイクロ流路へ溶液を導入する前のQ値、(b)はマイクロ流路へ溶液を導入した後のQ値を示す図である。It is a figure which shows Q value of a cantilever, (a) is Q figure before introducing a solution into a microchannel, (b) is a figure which shows Q value after introducing a solution into a microchannel. 側壁の幅と測定室側のカンチレバーへ伝わる熱量の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the width | variety of a side wall, and the calorie | heat amount transmitted to the cantilever by the side of a measurement chamber. カンチレバーの共振周波数の変動を調べた図である。It is the figure which investigated the fluctuation | variation of the resonant frequency of a cantilever. ノルエピネフリンを添加する前の褐色脂肪細胞の温度変化を示す図である。It is a figure which shows the temperature change of the brown fat cell before adding norepinephrine. ノルエピネフリンを添加し、脂肪燃焼による発熱が確認されたときの温度変化を示す図である。It is a figure which shows a temperature change when the norepinephrine is added and the heat_generation | fever by fat burning is confirmed. アジ化ナトリウムによって不活性(死んだ)細胞の温度変化を示す図である。It is a figure which shows the temperature change of an inactive (dead) cell by sodium azide.

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
(熱量センサ)
図1は、本発明の熱量センサ1の構造を示す斜視図であり、図2は、図1の拡大図で、(a)は平面図、(b)は(a)のI−I線に沿った断面図である。
図1及び図2に示すように、本発明の熱量センサ1は、測定室2と、測定室2に隣接して配設される側壁3と、側壁3に隣接して配設されるマイクロ流路4と、測定室2、側壁3及びマイクロ流路4に配設される梁5と、を含んで構成されている。梁5は、マイクロカンチレバー又は単にカンチレバーとも呼ぶ。
本発明の熱量センサ1は、さらにマイクロ流路4に流入させる溶液の供給部等を備えて構成してもよい。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(Heat quantity sensor)
FIG. 1 is a perspective view showing the structure of a calorie sensor 1 of the present invention, FIG. 2 is an enlarged view of FIG. 1, (a) is a plan view, and (b) is a line I-I in (a). FIG.
As shown in FIGS. 1 and 2, the calorie sensor 1 of the present invention includes a measurement chamber 2, a side wall 3 disposed adjacent to the measurement chamber 2, and a micro flow disposed adjacent to the side wall 3. The channel 4 and the beam 5 disposed in the measurement chamber 2, the side wall 3, and the microchannel 4 are configured. The beam 5 is also called a micro cantilever or simply a cantilever.
The calorie sensor 1 of the present invention may further include a solution supply unit that flows into the microchannel 4.

マイクロ流路4はガラス等の材料からなり、細胞6や溶液を流すための流路である。このマイクロ流路4の流路は、例えば幅がμmのオーダーである。マイクロ流路4には、梁5を挟んで溶液や気体からなる媒体の入口4aと出口4bとが備えられている。   The micro flow path 4 is made of a material such as glass and is a flow path for flowing cells 6 and a solution. The flow path of the micro flow path 4 is, for example, on the order of a width of μm. The microchannel 4 is provided with an inlet 4a and an outlet 4b for a medium made of a solution or gas with the beam 5 interposed therebetween.

梁5は、測定室2内に入り込んでこの内壁とは接触しない、つまり浮遊して配置される測定部5aと、マイクロ流路4に入り込んでこの内壁とは接触しないで浮遊して配置されるマイクロ流路接触部5bと、側壁3上に配設され測定部5aとマイクロ流路接触部5bとを連結する連結部5cと、から構成されている。梁5は、Si等で作製することができる。以下の説明では、特に断らない限り、梁5をSiカンチレバーとして説明する。梁5のマイクロ流路接触部5bは、Siカンチレバー5の一端をマイクロ流路4内に、もう一端、つまり梁5の測定部5aが真空マイクロチャンバーとなる測定室2に突き出るように設けられる。マイクロ流路接触部5bは、マイクロ流路4に流される溶液等の媒体との接触部sである。マイクロ流路接触部5b及びその近傍は、媒体に混入されて流入する細胞等の観察物が載置されてもよい。本発明の熱量センサ1では、上記マイクロ流路4で発生する熱を、梁の温度変化として検知する。   The beam 5 enters the measurement chamber 2 and does not come into contact with the inner wall, that is, the measurement unit 5a arranged to float, and the beam 5 enters the microchannel 4 and floats without contacting the inner wall. The microchannel contact portion 5b and a connecting portion 5c that is disposed on the side wall 3 and connects the measurement portion 5a and the microchannel contact portion 5b. The beam 5 can be made of Si or the like. In the following description, the beam 5 will be described as a Si cantilever unless otherwise specified. The micro-channel contact portion 5b of the beam 5 is provided so that one end of the Si cantilever 5 protrudes into the micro-channel 4 and the other end, that is, the measurement unit 5a of the beam 5 protrudes into the measurement chamber 2 serving as a vacuum microchamber. The microchannel contact portion 5 b is a contact portion s with a medium such as a solution that flows through the microchannel 4. An observation object such as a cell mixed in the medium and flowing in may be placed on the microchannel contact portion 5b and its vicinity. In the heat quantity sensor 1 of the present invention, the heat generated in the micro flow path 4 is detected as a temperature change of the beam.

本発明の熱量センサ1では、測定室2とマイクロ流路4との間には、例えばガラスからなる壁に仕切りとなる側壁3があり、この側壁3がカンチレバーセンサ5を支えている。測定室2側に配設される梁5の測定部5aが熱センサとなる。マイクロ流路4側に配設される梁5が、梁5のマイクロ流路接触部5bである。溶液よりも熱伝導率の高いSiをカンチレバー5の素材として用いて、細胞6からの熱が周囲の溶液へ拡散する前に測定部5aへと伝達する。   In the calorie sensor 1 of the present invention, a side wall 3 serving as a partition is formed on a wall made of glass, for example, between the measurement chamber 2 and the micro flow path 4, and this side wall 3 supports the cantilever sensor 5. The measurement part 5a of the beam 5 disposed on the measurement chamber 2 side serves as a thermal sensor. The beam 5 disposed on the microchannel 4 side is the microchannel contact portion 5 b of the beam 5. Si having a higher thermal conductivity than that of the solution is used as a material for the cantilever 5, and the heat from the cells 6 is transmitted to the measurement unit 5a before diffusing into the surrounding solution.

側壁3の幅を小さくすることで熱の逃げを小さくすることはできる。さらに、側壁3と梁5の連結部5cとの接着層として、熱伝導率の低いポリマーを用いることで、カンチレバー5からガラスでなる側壁3に逃げる熱量を減少させることができる。   The escape of heat can be reduced by reducing the width of the side wall 3. Furthermore, by using a polymer having low thermal conductivity as an adhesive layer between the side wall 3 and the connecting portion 5c of the beam 5, the amount of heat escaping from the cantilever 5 to the side wall 3 made of glass can be reduced.

測定室2の真空度つまり圧力は、例えば1Pa〜200Pa程度とすることができる。梁5の測定部5aを真空中に配置することで、周囲への熱の逃げを極力小さくすることができる。測定室2内は、図示しない測定室2に設けた排気口2aから真空ポンプを使用した排気装置で排気してもよい。   The degree of vacuum, that is, the pressure of the measurement chamber 2 can be set to about 1 Pa to 200 Pa, for example. By disposing the measurement part 5a of the beam 5 in a vacuum, the escape of heat to the surroundings can be minimized. The inside of the measurement chamber 2 may be exhausted by an exhaust device using a vacuum pump from an exhaust port 2a provided in the measurement chamber 2 (not shown).

梁5の各部は、上記したようにSiのような単一の材料ではなく、二つ以上の異なる材料で形成してもよい。例えば、測定部5a及びマイクロ流路接触部5bをSiで形成し、連結部5cを金属で形成してもよい。   Each part of the beam 5 may be formed of two or more different materials instead of a single material such as Si as described above. For example, the measurement part 5a and the microchannel contact part 5b may be formed of Si, and the connection part 5c may be formed of metal.

図3は、本発明の熱量センサ1の梁の共振周波数の温度変化を示す図である。
図3では、カンチレバー5の共振周波数の温度依存性を示しており、温度が上昇すると共振周波数が低下することを示している。つまり、熱量センサ1のカンチレバー5の共振周波数は、温度で変化し、温度が上昇すると共振周波数が低下する。本発明の熱量センサ1においては、Siからなるカンチレバー5の一端が、測定室2に封入され、周囲への熱の逃げがなくなり、カンチレバー5の温度上昇が大きくなることにより大きな共振周波数変化が得られる。また、測定室2を真空又は低圧力にすることで、液体、気体による梁5の振動減衰を著しく低下させることができる。これにより、本発明の熱量センサ1では、温度上昇を正確にかつ、高感度で計測することができる。
FIG. 3 is a diagram showing a temperature change of the resonance frequency of the beam of the heat quantity sensor 1 of the present invention.
FIG. 3 shows the temperature dependence of the resonance frequency of the cantilever 5 and shows that the resonance frequency decreases as the temperature rises. That is, the resonance frequency of the cantilever 5 of the heat quantity sensor 1 varies with temperature, and the resonance frequency decreases as the temperature increases. In the calorie sensor 1 of the present invention, one end of the cantilever 5 made of Si is enclosed in the measurement chamber 2, so that no heat escapes to the surroundings, and the temperature rise of the cantilever 5 increases, resulting in a large change in resonance frequency. It is done. In addition, by making the measurement chamber 2 vacuum or low pressure, vibration attenuation of the beam 5 by liquid or gas can be remarkably reduced. Thereby, in the calorie | heat amount sensor 1 of this invention, a temperature rise can be measured correctly and with high sensitivity.

(熱量センサの解析)
測定室2の真空封止の有用性を確認するため、有限要素法によるソフトウェア(COMSOL社製、COMSOL Multiphysics)を用いて、解析を行った。
カンチレバー5の材質はSiで、幅30μm、長さ150μm、厚さ1.5μmとした。マイクロ流路4の材質はガラスとした。測定室2は一辺300μmで深さ20μmとした。Siカンチレバー5の途中に幅30μmのガラスでなる側壁3と接する領域がある。周囲の温度を25℃として、水で満たされたマイクロ流路4側にあるマイクロ流路接触部5bに4.5μWの熱量を与え、測定室2が真空の場合と、水で満たされた場合について解析を行った。
(Analysis of heat sensor)
In order to confirm the usefulness of vacuum sealing of the measurement chamber 2, analysis was performed using software (COMSOL Multiphysics, manufactured by COMSOL) using a finite element method.
The cantilever 5 is made of Si and has a width of 30 μm, a length of 150 μm, and a thickness of 1.5 μm. The material of the microchannel 4 was glass. The measurement chamber 2 was 300 μm on a side and 20 μm in depth. In the middle of the Si cantilever 5, there is a region in contact with the side wall 3 made of glass having a width of 30 μm. When the ambient temperature is 25 ° C., a heat amount of 4.5 μW is applied to the microchannel contact portion 5b on the microchannel 4 side filled with water, and the measurement chamber 2 is in a vacuum and when it is filled with water Analysis was performed.

図4は、測定室2を真空にした際のカンチレバー5の温度分布を解析した結果を示す図であり、図5は、測定室2を真空及び水にした際のカンチレバー5の各温度分布を解析した結果を示す図である。
カンチレバー5の温度を比較すると、測定室2が真空の場合には35.7℃で一様であった。測定室2を水にした場合には、カンチレバー5の先端に向かうにつれて温度が下がり、26.4℃であった。この結果より、測定室2の真空封止又は低圧力とすることで熱をカンチレバー5の測定部5aへ減衰しないで伝達することができると推測できる。
FIG. 4 is a diagram showing the results of analyzing the temperature distribution of the cantilever 5 when the measurement chamber 2 is evacuated. FIG. 5 shows the temperature distribution of the cantilever 5 when the measurement chamber 2 is evacuated and water. It is a figure which shows the result of having analyzed.
When the temperature of the cantilever 5 was compared, it was uniform at 35.7 ° C. when the measurement chamber 2 was vacuum. When the measurement chamber 2 was made water, the temperature decreased toward the tip of the cantilever 5 and was 26.4 ° C. From this result, it can be inferred that heat can be transferred to the measurement unit 5a of the cantilever 5 without being attenuated by setting the measurement chamber 2 to vacuum sealing or low pressure.

後述するレーザードップラー振動計では、測定用レーザーをカンチレバー5に照射する。この際、測定用レーザーのカンチレバー5への照射により、温度が上昇する。カンチレバー5の温度変化を測定する場合、定常的な熱の流入は実際の計測にはあまり影響がないが、カンチレバー5の絶対温度が測定結果に影響を及ぼす場合には注意が必要である。カンチレバーの絶対温度を測定する場合には、カンチレバー5の温度上昇がないように、カンチレバーの測定室2側の光を反射するためのミラー層8(図9(c)参照)を設けてもよい。   In a laser Doppler vibrometer, which will be described later, the measuring laser is irradiated onto the cantilever 5. At this time, the temperature rises due to irradiation of the measuring laser to the cantilever 5. When measuring the temperature change of the cantilever 5, steady heat inflow does not significantly affect the actual measurement, but care must be taken when the absolute temperature of the cantilever 5 affects the measurement result. When measuring the absolute temperature of the cantilever, a mirror layer 8 (see FIG. 9C) for reflecting light on the measurement chamber 2 side of the cantilever may be provided so that the temperature of the cantilever 5 does not increase. .

(熱量検出装置)
次に、本発明の熱量センサ1を用いた熱量検出装置10について説明する。
図6は、本発明の熱量センサ1を用いた熱量検出装置10の構成を示すブロック図である。
図6に示すように、本発明の熱量検出装置10は、熱量センサ1と、熱量センサ1の検知部12と、を含んで構成されている。
熱量検出装置10は、熱量センサ1のマイクロ流路4に媒体を供給する媒体供給部14を備えていてもよく、さらに、測定室2内を排気する排気部16を有していてもよい。また、測定室2の圧力を制御する圧力制御を備えていてもよい。マイクロ流路4の媒体に細胞6等を供給する場合には、細胞6等を観察する観察部18を設ける。観察部18は、各種の顕微鏡、カメラ、撮像素子を用いたモニタ等を使用することができる。
(Heat quantity detection device)
Next, the heat quantity detection apparatus 10 using the heat quantity sensor 1 of the present invention will be described.
FIG. 6 is a block diagram showing a configuration of a heat quantity detection device 10 using the heat quantity sensor 1 of the present invention.
As shown in FIG. 6, the heat quantity detection device 10 of the present invention includes a heat quantity sensor 1 and a detection unit 12 of the heat quantity sensor 1.
The heat quantity detection device 10 may include a medium supply unit 14 that supplies a medium to the micro flow path 4 of the heat quantity sensor 1, and may further include an exhaust unit 16 that exhausts the inside of the measurement chamber 2. Moreover, you may provide the pressure control which controls the pressure of the measurement chamber 2. FIG. When supplying the cells 6 and the like to the medium of the microchannel 4, an observation unit 18 for observing the cells 6 and the like is provided. The observation unit 18 can use various microscopes, cameras, monitors using image sensors, and the like.

検知部12は、熱量センサ1の測定部5aの温度変化を検知するために設けられている。温度変化は、図3で説明したように熱量センサ1の梁5の共振周波数が温度で変化することを利用して検知することができる。梁5の共振周波数の変化を測定するために、レーザードップラー振動計、レーザー干渉計及び光てこ法の何れかを使用することができる。   The detection unit 12 is provided to detect a temperature change of the measurement unit 5a of the calorie sensor 1. The temperature change can be detected by utilizing the fact that the resonance frequency of the beam 5 of the calorie sensor 1 changes with temperature as described with reference to FIG. Any one of a laser Doppler vibrometer, a laser interferometer and an optical lever method can be used to measure the change in the resonance frequency of the beam 5.

(レーザードップラー振動計)
レーザードップラー振動計は、参照信号と、振動部となる梁5からの周波数が変化する信号を干渉させ、ビート信号を発生させる。ビート信号は振動部の周波数変化つまり、周波数シフトで変調されているため、振動部の周波数シフトを測定できる。
(Laser Doppler Vibrometer)
The laser Doppler vibrometer causes a reference signal and a signal whose frequency is changed from the beam 5 serving as a vibration part to interfere with each other to generate a beat signal. Since the beat signal is modulated by the frequency change of the vibration part, that is, the frequency shift, the frequency shift of the vibration part can be measured.

(レーザー干渉計)
レーザー干渉計は、参照信号となるレーザー光と振動部となる梁5に照射されるレーザー光からの信号を重ね合わせ、位相を比較する。この位相差を測定することで対象物までの距離を計測することができる。この距離から梁5の変位を得、梁5の変位をもとにした振動数の変化から温度変化を算出することができる。レーザー干渉計を用いた場合には、梁5のように振動する測定物以外の非振動、つまり振動しない測定物の温度変化でも測定が可能である。
(Laser interferometer)
The laser interferometer superimposes the signal from the laser beam that serves as the reference signal and the signal from the laser beam that is applied to the beam 5 that serves as the vibrating portion, and compares the phases. By measuring this phase difference, the distance to the object can be measured. The displacement of the beam 5 is obtained from this distance, and the temperature change can be calculated from the change in the frequency based on the displacement of the beam 5. When the laser interferometer is used, measurement is possible even with non-vibration other than the object to be vibrated like the beam 5, that is, temperature change of the object to be vibrated.

(光てこ法)
光てこ法は、温度変動に伴う梁5の共振周波数を検出する方法としてよく用いられる方法である。梁5が温度変動により生じる変位は、梁5の測定部5aに照射したレーザー光の梁5による反射光の位置変化として測定することができる。
(Optical lever method)
The optical lever method is often used as a method for detecting the resonance frequency of the beam 5 due to temperature fluctuation. The displacement caused by the temperature variation of the beam 5 can be measured as a change in the position of the reflected light by the beam 5 of the laser beam irradiated on the measurement unit 5a of the beam 5.

検知部12は、熱量センサ1の梁5と梁5に隣接して配設される電極との間に生じる静電容量を利用した検知部としてもよい。この静電容量変化は、容量変化の測定や静電容量を用いた発振器の周波数を検出してもよい。このような発振器は、梁5に生じる静電容量(C)と抵抗とからなるCR発振器や、梁5に生じる静電容量とインダクタンス(L)とからなるLC発振器を用いることができる。梁5の温度変化により静電容量が変化し、静電容量が変化することにより、例えばLC発振器の周波数が変化する。インダクタンスの温度変化が静電容量の温度変化に比較して無視できる場合には、梁5の温度変化と発振周波数の変化の関係を予め調べておけば、LC発振器の周波数変化から梁5の温度を測定することができる。   The detection part 12 is good also as a detection part using the electrostatic capacitance which arises between the beam 5 of the calorie | heat amount sensor 1, and the electrode arrange | positioned adjacent to the beam 5. FIG. The capacitance change may be measured by measuring the capacitance change or detecting the frequency of the oscillator using the capacitance. As such an oscillator, a CR oscillator including a capacitance (C) and resistance generated in the beam 5 and an LC oscillator including a capacitance and inductance (L) generated in the beam 5 can be used. The capacitance changes due to the temperature change of the beam 5, and the capacitance changes, for example, the frequency of the LC oscillator changes. If the temperature change of the inductance is negligible compared with the temperature change of the capacitance, if the relationship between the temperature change of the beam 5 and the change of the oscillation frequency is examined in advance, the temperature of the beam 5 can be determined from the frequency change of the LC oscillator. Can be measured.

さらに、熱量検出装置は、梁5を強制振動するための振動部22を有していてもよい。振動部22は、梁5を強制振動するための圧電素子のような圧電アクチュエータ、静電引力アクチュエータ及び光駆動の何れかを使用することができる。振動部22には、梁5を含む自励発振回路が接続されてもよい。   Furthermore, the calorific value detection device may have a vibrating part 22 for forcibly vibrating the beam 5. As the vibration unit 22, any one of a piezoelectric actuator such as a piezoelectric element for forcibly vibrating the beam 5, an electrostatic attraction actuator, and an optical drive can be used. A self-excited oscillation circuit including the beam 5 may be connected to the vibration unit 22.

さらに、マイクロ流路4に供給する細胞6等の測定物に、刺激を与える試薬等の反応物を注入する反応物注入部24を備えていてもよい。図示の場合には、反応物注入部24が、媒体供給部14に接続されている。   Furthermore, a reactant injection unit 24 that injects a reactant such as a reagent that gives a stimulus to a measurement object such as a cell 6 supplied to the microchannel 4 may be provided. In the illustrated case, the reactant injection unit 24 is connected to the medium supply unit 14.

(レーザードップラー振動計を用いた熱量検出装置)
図7は、レーザードップラー振動計28を用いた熱量検出装置10のブロック図である。この図に示すように、熱量センサ1を用いた温度測定装置10は、熱量センサ1を収容する容器26と、カンチレバー5上に配設されるレーザードップラー振動計28と、レーザードップラー振動計28に接続される位相シフター32及び位相同期回路34(PLL回路とも呼ぶ)と含んで構成されている。熱量センサ1の下部には、振動部22として圧電材料からなる板が配設されている。圧電材料としては、PZT板22aを用いることができる。振動部22はPZT板22aとして説明する。PZT板22aは、位相シフター33に接続される利得が調整可能な増幅器35に接続されている。レーザードップラー振動計28は、カンチレバー5の振動周波数を電圧信号として出力する。このレーザードップラー振動計28の出力は、位相シフター32とPLL回路33に入力される。
(A calorific value detector using a laser Doppler vibrometer)
FIG. 7 is a block diagram of the calorific value detection device 10 using the laser Doppler vibrometer 28. As shown in this figure, the temperature measuring device 10 using the calorimeter sensor 1 includes a container 26 that houses the calorie sensor 1, a laser Doppler vibrometer 28 disposed on the cantilever 5, and a laser Doppler vibrometer 28. The phase shifter 32 and the phase synchronization circuit 34 (also referred to as a PLL circuit) to be connected are included. A plate made of a piezoelectric material is disposed as the vibrating portion 22 below the heat sensor 1. As the piezoelectric material, a PZT plate 22a can be used. The vibration unit 22 will be described as a PZT plate 22a. The PZT plate 22a is connected to an amplifier 35 with adjustable gain connected to the phase shifter 33. The laser Doppler vibrometer 28 outputs the vibration frequency of the cantilever 5 as a voltage signal. The output of the laser Doppler vibrometer 28 is input to the phase shifter 32 and the PLL circuit 33.

位相シフター32に出力されたレーザードップラー振動計28の出力は、位相シフター32で位相を90度ずらして、さらに増幅器35で適切な電圧振幅となるように利得調整がされて、PZT板22aに入力される。PZT板22aがカンチレバー5を強制振動させることによって、カンチレバー5が自励発振する。   The output of the laser Doppler vibrometer 28 output to the phase shifter 32 is phase-shifted by 90 degrees by the phase shifter 32 and further gain adjusted by the amplifier 35 so as to have an appropriate voltage amplitude, and input to the PZT plate 22a. Is done. When the PZT plate 22a forcibly vibrates the cantilever 5, the cantilever 5 self-oscillates.

PLL回路34は、位相比較器36と、位相比較器36に接続されるローパスフィルタ37と、ローパスフィルタ37に接続される電圧制御発振器38とから構成されている。ローパスフィルタ37の出力の一部が、周波数シフト信号(dF)39として出力される。ローパスフィルタ37の出力信号は、電圧制御発振器38で交流信号となり、位相比較器36に参照信号38aとして出力される。   The PLL circuit 34 includes a phase comparator 36, a low pass filter 37 connected to the phase comparator 36, and a voltage controlled oscillator 38 connected to the low pass filter 37. A part of the output of the low-pass filter 37 is output as a frequency shift signal (dF) 39. The output signal of the low-pass filter 37 is converted into an AC signal by the voltage controlled oscillator 38 and output to the phase comparator 36 as a reference signal 38a.

レーザードップラー振動計28を用いた熱量検出装置10によれば、梁5の共振周波数の温度変化をレーザードップラー振動計28で検出することができる。   According to the calorific value detection apparatus 10 using the laser Doppler vibrometer 28, the temperature change of the resonance frequency of the beam 5 can be detected by the laser Doppler vibrometer 28.

(熱量センサの静電容量を用いた熱量検出装置10A)
図8は、カンチレバー5の静電容量41を用いた熱量検出装置10Aを示すブロック図である。
図8に示すように、熱量センサ1を用いた温度測定装置10Aは、熱量センサ1と、カンチレバー5に接続されるインダクタンス42と、周波数混合器43と、局部発振器44と、FM復調器45と、周波数カウンター46と、FM復調器45に接続される位相シフター32と、位相シフター32に接続される利得が調整可能な増幅器35と、熱量センサ1の下部に配設されるPZT板22aと、を含んで構成されている。位相シフター32に接続される利得が調整可能な増幅器35は、PZT板22aに接続されている。熱量センサ1のカンチレバー5に生じる静電容量41とインダクタンスL42とからLC発振器が構成されている。LC発振器の出力信号と局部発振器44の出力信号とが周波数混合器43に入力され、LC発振器の出力信号と局部発振器44の出力信号との周波数差が、中間周波数信号(IF信号)として、FM復調器45に出力される。IF信号の周波数は例えば、100Hzから10MHz程度である。
(Amount of heat detection device 10A using the capacitance of the amount of heat sensor)
FIG. 8 is a block diagram showing a calorific value detection device 10 </ b> A using the capacitance 41 of the cantilever 5.
As shown in FIG. 8, the temperature measurement device 10 </ b> A using the heat quantity sensor 1 includes a heat quantity sensor 1, an inductance 42 connected to the cantilever 5, a frequency mixer 43, a local oscillator 44, and an FM demodulator 45. A frequency counter 46, a phase shifter 32 connected to the FM demodulator 45, an amplifier 35 with adjustable gain connected to the phase shifter 32, a PZT plate 22 a disposed below the heat sensor 1, It is comprised including. The amplifier 35 with adjustable gain connected to the phase shifter 32 is connected to the PZT plate 22a. An LC oscillator is constituted by the capacitance 41 and the inductance L42 generated in the cantilever 5 of the calorific value sensor 1. The output signal of the LC oscillator and the output signal of the local oscillator 44 are input to the frequency mixer 43, and the frequency difference between the output signal of the LC oscillator and the output signal of the local oscillator 44 is FM as an intermediate frequency signal (IF signal). It is output to the demodulator 45. The frequency of the IF signal is, for example, about 100 Hz to 10 MHz.

本発明の熱量センサ1によれば、周辺環境への熱の逃げを極力小さくすることができる。また、測定室2を真空とすることにより、周辺環境へ熱が逃げる前に梁5の測定部5aへ熱を伝えることができる。   According to the heat quantity sensor 1 of the present invention, the escape of heat to the surrounding environment can be minimized. Moreover, by making the measurement chamber 2 into a vacuum, the heat can be transmitted to the measurement unit 5a of the beam 5 before the heat escapes to the surrounding environment.

本発明の熱量センサ1を用いた熱量検出装置10、10Aによれば、熱感度を高めるために、カンチレバー5を用いた熱量センサ1を用いることにより、従来は細胞6の発熱による溶媒の温度上昇を計測していたが、細胞6を熱量センサ1に接触又は近傍に配設させることで直接発熱を計測できる。
また、熱量センサ1はマイクロ流路4を備えているので、マイクロ流路4への溶液置換を容易にし、溶液の外乱や汚染、蒸発を防止することができる。
According to the calorific value detection devices 10 and 10A using the caloric sensor 1 of the present invention, the temperature of the solvent is conventionally increased by the heat generation of the cells 6 by using the caloric sensor 1 using the cantilever 5 in order to increase the thermal sensitivity. However, the heat generation can be directly measured by placing the cell 6 in contact with or near the calorific sensor 1.
Moreover, since the calorie sensor 1 includes the micro flow path 4, it is possible to easily replace the solution with the micro flow path 4 and prevent disturbance, contamination, and evaporation of the solution.

(熱量センサの製造方法)
図9は、熱量センサ1の製造方法を、順次に示す模式的な断面図である。
図9(a)に示すように、最初にガラス基板に、測定室2と側壁3とマイクロ流路4となる領域をエッチングで形成する。このガラス基板を1組つまり、第1及び第2のガラス基板51、52(図9(e)参照)を作成する。
図9(b)に示すように、SOI基板60を用意し、陽極接合により上記第1のガラス基板51に接合する。SOI基板60は、Si基板61上にSiO層から成る犠牲層62と上層Si層63が順に積層されている。具体的には、例えば、厚さが200μmのシリコン基板41の表面に、厚さ0.5μmのSiOから成る犠牲層62を介して、厚さ1.5μmの上層Si層63が形成されている。SOI基板60の上層Si層63の面と、第1のガラス基板51の測定室2及びマイクロ流路4が形成される領域の面と、が対向するように陽極接合がされる。
次に、図9(c)に示すように、シリコン基板41と犠牲層62とが除去され、上層Si層63だけにする。ミラー層8を形成する場合には、この段階で上層Si層63にミラー層8を形成する。ミラー層8の形成は、ミラー層8となるCr、Au等の金属薄膜を蒸着法やスパッタリング法で堆積した後、フォトリソグラフィーによるパターンニングで形成することができる。
次に、図9(d)に示すように、上層Si層63をパターンニングしてカンチレバー5を形成する。さらに、第1のガラス基板51上には、後述する陽極接合の接着層66となるパターンも形成している。
次に、図9(e)に示すように、第2のガラス基板52の一方に、マイクロ流路4の入口4a及び出口4bの形成を行う。このガラスのエッチングには、サンドブラストを使用することができる。この段階で、測定室の排気口2aを設けてもよい。
最後に、図9(f)に示すように、図9(b)〜(d)で加工した第1のガラス基板51と、図9(e)で加工した入口4a及び出口4bの形成された第2のガラス基板52とを陽極接合により接合する。陽極接合の雰囲気は、測定室2の圧力を制御して行えばよい。陽極接合の条件の一例として、温度が450℃で、500Vの電圧を10分印加して行うことができる。
以上で、熱量センサ1が作製される。
(Method of manufacturing calorific sensor)
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view sequentially showing a method for manufacturing the heat quantity sensor 1.
As shown in FIG. 9A, first, regions to be the measurement chamber 2, the side wall 3, and the micro flow path 4 are formed on the glass substrate by etching. One set of the glass substrates, that is, the first and second glass substrates 51 and 52 (see FIG. 9E) are prepared.
As shown in FIG. 9B, an SOI substrate 60 is prepared and bonded to the first glass substrate 51 by anodic bonding. In the SOI substrate 60, a sacrificial layer 62 composed of a SiO 2 layer and an upper Si layer 63 are sequentially laminated on a Si substrate 61. Specifically, for example, an upper Si layer 63 having a thickness of 1.5 μm is formed on the surface of a silicon substrate 41 having a thickness of 200 μm via a sacrificial layer 62 made of SiO 2 having a thickness of 0.5 μm. Yes. Anodic bonding is performed so that the surface of the upper Si layer 63 of the SOI substrate 60 and the surface of the first glass substrate 51 where the measurement chamber 2 and the microchannel 4 are formed face each other.
Next, as shown in FIG. 9C, the silicon substrate 41 and the sacrificial layer 62 are removed, leaving only the upper Si layer 63. When the mirror layer 8 is formed, the mirror layer 8 is formed on the upper Si layer 63 at this stage. The mirror layer 8 can be formed by depositing a metal thin film such as Cr or Au to be the mirror layer 8 by vapor deposition or sputtering, and then patterning by photolithography.
Next, as shown in FIG. 9D, the upper Si layer 63 is patterned to form the cantilever 5. Further, on the first glass substrate 51, a pattern to be an anodic bonding adhesive layer 66 described later is also formed.
Next, as illustrated in FIG. 9E, the inlet 4 a and the outlet 4 b of the microchannel 4 are formed on one side of the second glass substrate 52. Sand blasting can be used for etching the glass. At this stage, an exhaust port 2a of the measurement chamber may be provided.
Finally, as shown in FIG. 9F, the first glass substrate 51 processed in FIGS. 9B to 9D, and the inlet 4a and the outlet 4b processed in FIG. 9E are formed. The second glass substrate 52 is bonded by anodic bonding. The atmosphere of anodic bonding may be performed by controlling the pressure in the measurement chamber 2. As an example of the conditions for anodic bonding, a temperature of 450 ° C. and a voltage of 500 V can be applied for 10 minutes.
Thus, the heat quantity sensor 1 is manufactured.

(熱量センサの製造方法の変形例)
熱量センサ1の製造方法の変形例として、梁5を異なる材料で形成するときの製造方法について説明する。
図10は、熱量センサ1の梁5を異なる材料で形成するときの製造方法を説明する図である。
図10(a)に示すように、図9(c)に示されたSOI基板60のシリコン基板41と犠牲層62とが除去され、SOI基板60の上層Si層63において、連結部5cとなる上層Si層63をエッチングする。
次に、図10(b)に示すように、上層Si層63に連結部5cとなる金属層65を堆積する。
次に、図10(c)に示すように、連結部5cを除いた金属層65をエッチングで除去する。これにより、連結部5cが金属層65で形成される。さらに、上層Si層63をパターンニングして、連結部5c以外の梁5となる測定部5a及びマイクロ流路接触部5bを形成する。この工程は、図9(d)と同一の工程である。
上記工程の後で、図9(e)及び(f)の工程を行うことにより、Siからなる測定部5a及びマイクロ流路接触部52bと、金属層65からなる連結部5cとからなる梁5が形成された熱量センサ1を製造することができる。
(Modified example of manufacturing method of heat quantity sensor)
As a modified example of the manufacturing method of the heat quantity sensor 1, a manufacturing method when the beam 5 is formed of different materials will be described.
FIG. 10 is a diagram for explaining a manufacturing method when the beam 5 of the heat quantity sensor 1 is formed of different materials.
As shown in FIG. 10A, the silicon substrate 41 and the sacrificial layer 62 of the SOI substrate 60 shown in FIG. 9C are removed, and a connection portion 5c is formed in the upper Si layer 63 of the SOI substrate 60. The upper Si layer 63 is etched.
Next, as shown in FIG. 10B, a metal layer 65 to be the connection portion 5 c is deposited on the upper Si layer 63.
Next, as shown in FIG. 10C, the metal layer 65 excluding the connecting portion 5c is removed by etching. Thereby, the connection part 5 c is formed of the metal layer 65. Further, the upper Si layer 63 is patterned to form the measurement part 5a and the micro-channel contact part 5b that become the beams 5 other than the connection part 5c. This step is the same step as FIG.
9E and 9F, the beam 5 including the measurement portion 5a and the microchannel contact portion 52b made of Si and the connecting portion 5c made of the metal layer 65 is performed. Can be manufactured.

(熱量センサの製作)
図9で説明した製造方法で、熱量センサ1を作製した。材料としてはガラス板とSOI基板60を用いた。カンチレバー5の材質はSiで、幅30μm、長さ150μm、厚さ1.5μmとした。測定室2は、一辺が300μmの正方形で深さ20μmとした。マイクロ流路4の幅は100μmで深さは、20μmとした。測定室からマイクロ流路4との間の側壁3の厚さは、150μm、100μm、50μm、35μm、15、10μmと変えた。パターンニングは、紫外線による光露光で行い、Si等のエッチングはプラズマエッチングで行った。
図11は、製作した熱量センサ1の第1のガラス基板51とカンチレバー5とを示す走査型電子顕微鏡(SEM)像の図である。この図に示すように、図8(a)〜(d)の工程により、第1のガラス基板51の側壁3上にカンチレバー5が形成されていることが分かる。
(Production of heat quantity sensor)
The calorie sensor 1 was manufactured by the manufacturing method described in FIG. As a material, a glass plate and an SOI substrate 60 were used. The cantilever 5 is made of Si and has a width of 30 μm, a length of 150 μm, and a thickness of 1.5 μm. The measurement chamber 2 was a square having a side of 300 μm and a depth of 20 μm. The microchannel 4 has a width of 100 μm and a depth of 20 μm. The thickness of the side wall 3 between the measurement chamber and the microchannel 4 was changed to 150 μm, 100 μm, 50 μm, 35 μm, 15, 10 μm. Patterning was performed by light exposure with ultraviolet rays, and etching of Si or the like was performed by plasma etching.
FIG. 11 is a scanning electron microscope (SEM) image showing the first glass substrate 51 and the cantilever 5 of the manufactured heat quantity sensor 1. As shown in this figure, it can be seen that the cantilever 5 is formed on the side wall 3 of the first glass substrate 51 by the steps of FIGS.

図12は、製作した熱量センサ1を示す光学顕微鏡像の図であり、(a)は光学顕微鏡像、(b)は(a)のA−A’線に沿った断面図である。図12に示すように、さらに図8(e)〜(f)の工程により、第1のガラス基板51に第2のガラス基板52が接合され、説明のための側面図に示すように、梁5の測定部5aが測定室2に浮遊状態で、梁5のマイクロ流路接触部5bがマイクロ流路4に浮遊状態で配設されていることが分かる。さらに、梁5の測定部5aにはAuからなるミラー層8が形成されていることが分かる。   12A and 12B are views of an optical microscope image showing the manufactured heat quantity sensor 1. FIG. 12A is an optical microscope image, and FIG. 12B is a cross-sectional view taken along line A-A ′ of FIG. As shown in FIG. 12, the second glass substrate 52 is joined to the first glass substrate 51 by the steps of FIGS. 8E to 8F, and as shown in the side view for explanation, the beam It can be seen that the measurement unit 5 a of 5 is in a floating state in the measurement chamber 2 and the micro-channel contact unit 5 b of the beam 5 is in a floating state in the micro-channel 4. Further, it can be seen that a mirror layer 8 made of Au is formed on the measurement portion 5a of the beam 5.

(液体を導入した際のQ値の変化)
次にマイクロ流路4に液体(水)を導入し、カンチレバー5のQ値の変化を比較した。図13は、カンチレバー5のQ値を示す図であり、(a)はマイクロ流路4へ溶液を導入する前のQ値、(b)はマイクロ流路4へ溶液を導入した後のQ値を示す図である。縦軸はカンチレバーの振動の振幅(mm)、横軸は共振周波数(kHz)である。
先ず、液体を入れる前に、測定室2、マイクロ流路4共に真空の状態でQ値を測定したところ、4200であった。マイクロ流路4に水を導入した後、Q値を測定すると、測定室2の場合、4188と変化はなかった。
(Change in Q value when liquid is introduced)
Next, liquid (water) was introduced into the microchannel 4 and the change in the Q value of the cantilever 5 was compared. FIG. 13 is a diagram illustrating the Q value of the cantilever 5, (a) is the Q value before introducing the solution into the microchannel 4, and (b) is the Q value after introducing the solution into the microchannel 4. FIG. The vertical axis represents the amplitude (mm) of the cantilever vibration, and the horizontal axis represents the resonance frequency (kHz).
First, before putting the liquid, the Q value was measured in a vacuum state in both the measurement chamber 2 and the microchannel 4 to be 4200. When water was introduced into the microchannel 4 and the Q value was measured, in the case of the measurement chamber 2, there was no change from 4188.

液体の導入前後において、測定室2側のカンチレバー5のQ値に変化はなかった。これは、液体導入後も真空状態が維持されていることを示している。カンチレバー5の測定感度は、Q値に依存する。カンチレバー5の片側を液体に晒しても、もう一方のカンチレバー5の感度を維持できるため、液中のサンプルの熱量をより高感度に測定できる可能性を示唆している.   There was no change in the Q value of the cantilever 5 on the measurement chamber 2 side before and after the introduction of the liquid. This indicates that the vacuum state is maintained even after the liquid is introduced. The measurement sensitivity of the cantilever 5 depends on the Q value. Even if one side of the cantilever 5 is exposed to a liquid, the sensitivity of the other cantilever 5 can be maintained, suggesting the possibility that the amount of heat of the sample in the liquid can be measured with higher sensitivity.

(カンチレバーのガラス壁を介した熱伝導)
このとき、カンチレバー5を支持するガラス壁からなる側壁2の幅の依存性も検証した。Siカンチレバー5だけでなく、側壁2への熱の逃げも十分考えられる。
一方、Siカンチレバー5に優先的に伝熱するのであれば、カンチレバー5への伝熱は側壁2の幅に依存しない。マイクロ流路接触部5bをレーザーで加熱し、測定室2側のカンチレバー5の共振周波数変化を測定し、温度変化に換算した。レーザーを照射したマイクロ流路接触部5bもカンチレバー5構造を有するので、同様にして温度変化を求めた。ここで、伝熱効率を(カンチレバーセンサの温度変化)/(マイクロ流路接触部5bの温度変化)と定義し、伝熱効率を評価した。
(Heat conduction through the glass wall of the cantilever)
At this time, the dependency of the width of the side wall 2 made of a glass wall supporting the cantilever 5 was also verified. The escape of heat not only to the Si cantilever 5 but also to the side wall 2 is conceivable.
On the other hand, if heat is transferred preferentially to the Si cantilever 5, the heat transfer to the cantilever 5 does not depend on the width of the side wall 2. The microchannel contact portion 5b was heated with a laser, and the change in the resonant frequency of the cantilever 5 on the measurement chamber 2 side was measured and converted into a temperature change. Since the microchannel contact portion 5b irradiated with the laser also has the cantilever 5 structure, the temperature change was obtained in the same manner. Here, the heat transfer efficiency was defined as (temperature change of cantilever sensor) / (temperature change of microchannel contact portion 5b), and the heat transfer efficiency was evaluated.

図14は、側壁3の幅と測定室2側のカンチレバー5への伝熱効率の関係を示す図である。図14の横軸は側壁3の幅(μm)、縦軸は伝熱効率である。
図14に示すように、側壁3の幅が広くなるほど、センサ側への伝熱効率は減少した。本発明の熱量センサ1において、伝熱効率の最大値は55%で、その際の側壁3の幅は10μmであった。Siカンチレバー5に優先的に伝達しているわけではなく、側壁3にも熱が逃げていることが推測できる。伝熱効率55%は決して高い値とは言えないが、大気中においても82%の熱が拡散することを考慮すると、十分改善できていると言える。
また、マイクロ流路4に液体を流した際もその効率は維持することができた。伝熱が側壁3に依存する原因として、カンチレバー5を支持する側壁3、その間の接着層のSiへの熱の逃げが考えられる。接着層として、熱伝導率の低いポリマーを用いることで、カンチレバー5からガラス製の側壁3に逃げる熱量を減少させることができる。
FIG. 14 is a diagram showing the relationship between the width of the side wall 3 and the heat transfer efficiency to the cantilever 5 on the measurement chamber 2 side. The horizontal axis of FIG. 14 is the width (μm) of the side wall 3, and the vertical axis is the heat transfer efficiency.
As shown in FIG. 14, the heat transfer efficiency toward the sensor side decreased as the width of the side wall 3 increased. In the heat quantity sensor 1 of the present invention, the maximum value of the heat transfer efficiency was 55%, and the width of the side wall 3 at that time was 10 μm. It is not preferentially transmitted to the Si cantilever 5, and it can be assumed that heat is also escaping from the side wall 3. Although the heat transfer efficiency of 55% is not necessarily a high value, it can be said that the heat transfer efficiency is sufficiently improved considering that 82% of heat diffuses even in the atmosphere.
Further, the efficiency could be maintained when the liquid was allowed to flow through the microchannel 4. As a cause of the heat transfer depending on the side wall 3, the escape of heat to Si of the side wall 3 supporting the cantilever 5 and the adhesive layer therebetween can be considered. By using a polymer having low thermal conductivity as the adhesive layer, the amount of heat escaping from the cantilever 5 to the glass side wall 3 can be reduced.

さらに、マイクロ流路4に脱イオン水(DI水)からなる液体を導入し、同様の実験を行った。
マイクロ流路接触部5bの伝熱効率は48%であった。真空中における伝熱と比較すると、若干下がっている。この原因として、入力した温度変化は、液中で入力した温度変化が測定できなかったため、真空中における値を用いた。さらに、真空中に比べ、液中ではレーザーの集光が上手くできなかったので、真空中での入力熱量よりも実際に液中で入力された熱量の方が小さいと考えられる。以上により、液中における伝熱が真空中での伝熱よりも小さくなった理由は、実際の入力熱量が小さかったためという可能性が高く、水への散乱が大きかったとは言えない。また、伝熱効率の48%という値は、絶対値としては大きいとは言えないが、従来研究の94%という値を考慮すれば、大きく改善されたと言える。
Further, a liquid consisting of deionized water (DI water) was introduced into the microchannel 4 and the same experiment was performed.
The heat transfer efficiency of the microchannel contact portion 5b was 48%. Compared to heat transfer in vacuum, it is slightly lower. As the cause, the input temperature change was measured in vacuum because the input temperature change in the liquid could not be measured. Further, since the laser could not be focused well in the liquid as compared to the vacuum, it is considered that the amount of heat actually input in the liquid is smaller than the amount of heat input in the vacuum. As described above, the reason why the heat transfer in the liquid is smaller than the heat transfer in the vacuum is highly likely that the actual input heat amount is small, and it cannot be said that the scattering into water is large. Moreover, the value of 48% of the heat transfer efficiency cannot be said to be large as an absolute value, but it can be said that it has been greatly improved considering the value of 94% of the conventional research.

(ミラー層の効果検証)
カンチレバー5の共振周波数を、レーザードップラー振動計28を用いて測定すると、測定用レーザーにより温度が上昇することが確認された。これは温度を測定する際の外乱となる。Auからなるミラー層28は測定用レーザーによるカンチレバー5の温度上昇抑制に効果があることがわかった。以上により、測定用レーザーを用いた共振周波数測定により温度を正確に測定するには、ミラー層8が必要になると言える。
(Verification of effect of mirror layer)
When the resonance frequency of the cantilever 5 was measured using the laser Doppler vibrometer 28, it was confirmed that the temperature was increased by the measuring laser. This is a disturbance when measuring the temperature. It has been found that the mirror layer 28 made of Au is effective in suppressing the temperature rise of the cantilever 5 by the measuring laser. From the above, it can be said that the mirror layer 8 is necessary to accurately measure the temperature by the resonance frequency measurement using the measurement laser.

(カンチレバー5の共振周波数の変動)
図15は、カンチレバー5の測定部5aの共振周波数の変動を調べた図である。図15の横軸は信号積分時間(秒)、左縦軸は周波数変動(×10−2ppm)、右縦軸はアラン分散(Hz)である。
図15に示すように、本デバイスの安定性を評価するため、アラン分散を求めたところ、その値は0.05〜0.20Hzとなった。
ここで、褐色脂肪細胞の発熱量(約5nW)を例とすると、1秒間の発熱で5nJとなる。Siの密度、比熱よりマイクロ流路接触部5bの温度上昇に必要な熱量は約8nJとなる。細胞6からの熱量が全てカンチレバー5に伝わり、マイクロ流路4に液体を流した状態でも50%の伝熱効率を維持できると仮定すると、カンチレバー5に伝わる熱量は、4nJである。
図15に示すように、アラン分散の最小値の0.015Hzを基に、S/N比が1以上(S/N>1)となるマイクロ流路接触部5b側の熱分解能を求めると、1.6mKであり、熱量は5.2pJであった。これらの値は、褐色脂肪細胞の熱量を測定するには十分な分解能である。
(Change in resonance frequency of cantilever 5)
FIG. 15 is a diagram in which the variation of the resonance frequency of the measurement unit 5a of the cantilever 5 is examined. In FIG. 15, the horizontal axis represents signal integration time (seconds), the left vertical axis represents frequency variation (× 10 −2 ppm), and the right vertical axis represents Allan variance (Hz).
As shown in FIG. 15, in order to evaluate the stability of this device, when the Allan dispersion was determined, the value was 0.05 to 0.20 Hz.
Here, taking the calorific value of brown adipocytes (about 5 nW) as an example, the heat generation for 1 second becomes 5 nJ. From the Si density and specific heat, the amount of heat required to raise the temperature of the microchannel contact portion 5b is about 8 nJ. Assuming that the amount of heat from the cells 6 is all transmitted to the cantilever 5 and that the heat transfer efficiency of 50% can be maintained even when the liquid flows through the microchannel 4, the amount of heat transferred to the cantilever 5 is 4 nJ.
As shown in FIG. 15, on the basis of 0.015 Hz which is the minimum value of Allan dispersion, the thermal resolution on the microchannel contact portion 5b side where the S / N ratio is 1 or more (S / N> 1) is obtained. It was 1.6 mK, and the calorific value was 5.2 pJ. These values are of sufficient resolution to measure the calories of brown adipocytes.

上記測定結果から、カンチレバー5の支持部となるガラス壁による伝熱の影響を測定した結果、伝熱効率は50%程度であった。マイクロ流路4側に液体を流して、カンチレバー5のQ値の変化を測定したところ、測定室2側のカンチレバー5のQ値は4000のまま変化はなかった。ミラー層8を設けることで、温度上昇を改善できることを確認した。以上より、カンチレバー型の熱量センサ1を測定室2に低圧力又は真空で封止することで、液中のサンプルからの発熱を計測できた。   As a result of measuring the influence of heat transfer by the glass wall serving as the support part of the cantilever 5 from the above measurement results, the heat transfer efficiency was about 50%. When the liquid was allowed to flow to the microchannel 4 side and the change in the Q value of the cantilever 5 was measured, the Q value of the cantilever 5 on the measurement chamber 2 side remained at 4000. It was confirmed that the temperature rise can be improved by providing the mirror layer 8. As described above, the heat generation from the sample in the liquid could be measured by sealing the cantilever-type heat quantity sensor 1 in the measurement chamber 2 with low pressure or vacuum.

(褐色脂肪細胞の温度測定)
実際に、液中にある単一の褐色脂肪細胞からの発熱量を計測することに成功した。褐色脂肪細胞は試薬(ノルエピネフリン)の添加により、自身の脂肪を燃焼し、発熱現象を起こす細胞である。
図16は、ノルエピネフリンを添加する前の褐色脂肪細胞の温度変化を示す図である。横軸は時間(分)であり、縦軸は温度変化(℃)である。図に示すように、ノルエピネフリンを添加する前の褐色脂肪細胞の場合には、数分毎に急激な温度変化が観測された。
(Temperature measurement of brown adipocytes)
Actually, the calorific value from a single brown adipocyte in the liquid was successfully measured. Brown adipocytes are cells that burn their own fat and cause a fever phenomenon by the addition of a reagent (norepinephrine).
FIG. 16 is a diagram showing the temperature change of brown adipocytes before adding norepinephrine. The horizontal axis represents time (minutes), and the vertical axis represents temperature change (° C.). As shown in the figure, in the case of brown adipocytes before adding norepinephrine, a rapid temperature change was observed every few minutes.

図17は、ノルエピネフリンを添加し、脂肪燃焼による発熱が確認されたときの温度変化を示す図である。横軸及び縦軸は図16と同じである。
図17に示すように、発熱は数分間観察されその後減少した。つまり約20分の発熱が観察された。ノルエピネフリンを添加する前は数分毎に急激な温度変化が観察され、ノルエピネフリンの添加後は緩やかな温度変化が確認された。不活性の褐色脂肪細胞では、このような事象は観察されなかったので、急激な温度変化も生体反応の一部であると推測できる。
FIG. 17 is a diagram showing a temperature change when norepinephrine is added and heat generation due to fat burning is confirmed. The horizontal and vertical axes are the same as in FIG.
As shown in FIG. 17, the exotherm was observed for several minutes and then decreased. That is, an exotherm of about 20 minutes was observed. A sudden temperature change was observed every few minutes before the addition of norepinephrine, and a gradual temperature change was confirmed after the addition of norepinephrine. Since such events were not observed in inactive brown adipocytes, it can be assumed that rapid temperature changes are also part of the biological response.

熱量センサ1を用いた熱量検出装置10による温度の分解能は1.6mKであり、5.2pJの発熱量を観察できた。この発熱量は細胞1個の発熱量に相当している。ノルエピネフリンを添加する前は数分毎に急激な温度変化が、添加後は緩やかな温度変化が確認された。不活性の褐色脂肪細胞では、このような事象は観察されなかったので、急激な温度変化も生体反応の一部であると推測できる。   The resolution of temperature by the calorific value detection device 10 using the calorific value sensor 1 was 1.6 mK, and a calorific value of 5.2 pJ could be observed. This calorific value corresponds to the calorific value of one cell. A rapid temperature change was confirmed every few minutes before the addition of norepinephrine, and a gradual temperature change was confirmed after the addition. Since such events were not observed in inactive brown adipocytes, it can be assumed that rapid temperature changes are also part of the biological response.

図18はアジ化ナトリウムによって不活性(死んだ)細胞の温度変化を示す図である。横軸及び縦軸は図16と同じである。図18に示すように、アジ化ナトリウムによって不活性にされた褐色脂肪細胞の場合には、温度変化がないことが分かった。   FIG. 18 is a graph showing the temperature change of cells that are inactive (dead) by sodium azide. The horizontal and vertical axes are the same as in FIG. As shown in FIG. 18, it was found that there was no temperature change in the case of brown adipocytes inactivated by sodium azide.

図17に示したように、ノルエピネフリンを添加した褐色脂肪細胞においては脂肪燃焼による緩やかな発熱現象だけでなく、図16に示すとおり、褐色脂肪細胞においては急激な発熱現象も観測された。アジ化ナトリウムで不活性にされた褐色脂肪細胞(図18参照)では、図16に示すような温度変化は観測されなかったので、この急激な発熱現象も生命活動の一環であると言える。   As shown in FIG. 17, not only a slow exothermic phenomenon due to fat burning was observed in brown adipocytes added with norepinephrine, but also a rapid exothermic phenomenon was observed in brown adipocytes as shown in FIG. In brown adipocytes inactivated with sodium azide (see FIG. 18), no temperature change as shown in FIG. 16 was observed, so it can be said that this rapid exothermic phenomenon is also part of life activity.

以上の結果から、従来は細胞の発熱によって温められた溶媒の温度を計測していたため、時定数が高くなかったが、時定数の高いカンチレバー熱量センサ1に細胞を接触させ、直接温度上昇を測ることが可能である。また、マイクロ流路4を用いることで、開放系で問題となる液体の蒸発や汚染、外乱の問題が解決できた。   From the above results, since the temperature of the solvent heated by the exotherm of the cells was conventionally measured, the time constant was not high. It is possible. In addition, the use of the microchannel 4 has solved the problems of liquid evaporation, contamination, and disturbance, which are problems in the open system.

本発明は、上記実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれることはいうまでもない。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications are possible within the scope of the invention described in the claims, and it goes without saying that these are also included in the scope of the present invention. .

1:熱量センサ 2:測定室
2a:排気口
3:側壁
4:マイクロ流路
4a:入口
4b:出口
5:梁
5a:測定部
5b:マイクロ流路接触部
5c:連結部
6:細胞
8:ミラー層
10、10A:熱量検出装置
12:検知部
14:媒体供給部
16:排気部
18:観察部
22:振動部
22a:PZT板
24:反応物注入部
26:容器
28:レーザードップラー振動計
32:位相シフター
33:位相同期回路
35:増幅器
36:位相比較器
37:ローパスフィルタ
38:電圧制御発振器
38a:参照信号
41:静電容量
42:インダクタンス43:周波数混合器
44:局部発振器
45:FM復調器
46:周波数カウンター
51:第1のガラス基板
52:第2のガラス基板
60:SOI基板
61:Si基板
62:犠牲層
63:上層Si層
65:金属層
66:接着層
1: Calorie sensor 2: Measurement chamber 2a: Exhaust port 3: Side wall 4: Microchannel 4a: Inlet 4b: Outlet 5: Beam 5a: Measuring unit 5b: Microchannel contact unit 5c: Connection unit 6: Cell 8: Mirror Layer 10, 10A: Calorific value detection device 12: Detection unit 14: Medium supply unit 16: Exhaust unit 18: Observation unit 22: Vibration unit 22a: PZT plate 24: Reactant injection unit 26: Container 28: Laser Doppler vibrometer 32: Phase shifter 33: Phase synchronization circuit 35: Amplifier 36: Phase comparator 37: Low pass filter 38: Voltage controlled oscillator 38a: Reference signal 41: Capacitance 42: Inductance 43: Frequency mixer 44: Local oscillator 45: FM demodulator 46: frequency counter 51: first glass substrate 52: second glass substrate 60: SOI substrate 61: Si substrate 62: sacrificial layer 63: upper Si layer 65: metal layer 6 : Adhesive layer

Claims (11)

測定室と、該測定室に隣接して配設される側壁と、該側壁に隣接して配設されるマイクロ流路と、該測定室、該側壁及び該マイクロ流路に配設される梁と、を含み、
上記梁は、上記測定室に浮遊して配置される測定部と、上記マイクロ流路に浮遊して配置されるマイクロ流路接触部と、上記側壁上に配設され上記測定部と上記マイクロ流路接触部とを連結する連結部と、から構成されており、
上記マイクロ流路で発生する熱を上記測定室に配置された梁の温度変化として検知する、熱量センサ。
A measurement chamber, a sidewall disposed adjacent to the measurement chamber, a microchannel disposed adjacent to the sidewall, a beam disposed in the measurement chamber, the sidewall, and the microchannel And including
The beam includes a measurement unit that is suspended in the measurement chamber, a microchannel contact unit that is suspended in the microchannel, and the measurement unit and the microstream that are disposed on the side wall. A connecting portion that connects the road contact portion,
A heat quantity sensor that detects heat generated in the microchannel as a temperature change of a beam disposed in the measurement chamber.
前記梁は、同じ材料又は2つ以上の異なる材料からなる、請求項1に記載の熱量センサ。   The heat sensor according to claim 1, wherein the beams are made of the same material or two or more different materials. 前記マイクロ流路は、入口及び出口を有している、請求項1に記載の熱量センサ。   The heat sensor according to claim 1, wherein the microchannel has an inlet and an outlet. 前記梁の測定部の表面には、さらにミラー層が形成されている、請求項1に記載の熱量センサ。   The heat sensor according to claim 1, wherein a mirror layer is further formed on a surface of the measurement portion of the beam. 請求項1〜4の何れかに記載の熱量センサと、
上記熱量センサの温度変化を検知する検知部と、
を備える、熱量センサを用いた熱量検出装置。
A calorie sensor according to any one of claims 1 to 4,
A detection unit for detecting a temperature change of the heat quantity sensor;
A calorific value detection device using a caloric sensor.
前記測定室を排気する排気部を有している、請求項5に記載の熱量センサを用いた熱量検出装置。   The calorific value detection apparatus using the calorific value sensor according to claim 5, further comprising an exhaust part that exhausts the measurement chamber. さらに、前記梁を強制振動するための振動部を有しており、該振動部は、圧電アクチュエータ、静電引力アクチュエータ及び光駆動の何れかを有している、請求項5に記載の熱量センサを用いた熱量検出装置。   The heat quantity sensor according to claim 5, further comprising: a vibration part for forcibly vibrating the beam, wherein the vibration part includes any one of a piezoelectric actuator, an electrostatic attraction actuator, and an optical drive. Calorific value detection device using 前記振動部は、前記梁を有する自励発振回路を備えている、請求項7に記載の熱量センサを用いた熱量検出装置。   The calorific value detection device using the calorific value sensor according to claim 7, wherein the vibration unit includes a self-excited oscillation circuit having the beam. 前記検知部は、レーザードップラー振動計、レーザー干渉計及び光てこ法の何れかにより前記梁の共振周波数を検出するか、又は前記熱量センサと該熱量センサに隣接して配設される電極との間に生じる静電容量からなる発振回路の周波数を検出する、請求項5に記載の熱量センサを用いた熱量検出装置。   The detection unit detects a resonance frequency of the beam by any of a laser Doppler vibrometer, a laser interferometer, and an optical lever method, or between the heat sensor and an electrode disposed adjacent to the heat sensor. The calorific value detection device using the calorific value sensor according to claim 5, wherein the frequency of an oscillation circuit including an electrostatic capacitance generated therebetween is detected. 第1及び第2のガラス基板に、測定室と、該測定室に隣接して配設される側壁と、該側壁に隣接して配設されるマイクロ流路と、を形成する工程と、
上記第1のガラス基板の測定室、側壁及びマイクロ流路を形成した面上にSi基板とSiO層と上層Si層とからなるSOI基板の該上層Si層を接合する工程と、
上記SOI基板のSi基板及びSiO層を除去する工程と、
上記上層Si層をパターンニングして、測定部とマイクロ流路接触部と連結部とからなる梁を形成する工程と、
上記第2のガラス基板に、上記マイクロ流路の入口及び出口とを形成する工程と、
上記梁が配設された第1のガラス基板と上記第2のガラス基板とを接合する工程と、
を含む、熱量センサの製造方法。
Forming a measurement chamber, a side wall disposed adjacent to the measurement chamber, and a microchannel disposed adjacent to the side wall on the first and second glass substrates;
Bonding the upper Si layer of the SOI substrate comprising the Si substrate, the SiO 2 layer, and the upper Si layer on the surface of the first glass substrate on which the measurement chamber, the side wall, and the microchannel are formed;
Removing the Si substrate and the SiO 2 layer of the SOI substrate;
Patterning the upper Si layer to form a beam composed of a measurement part, a microchannel contact part and a connection part;
Forming an inlet and an outlet of the microchannel on the second glass substrate;
Bonding the first glass substrate on which the beam is disposed and the second glass substrate;
A method for manufacturing a calorific sensor.
前記SOI基板のSi基板及びSiO層を除去した後に、ミラー層をパターンニングする工程を備える、請求項10に記載の熱量センサの製造方法。 The manufacturing method of the heat quantity sensor according to claim 10, further comprising a step of patterning a mirror layer after removing the Si substrate and the SiO 2 layer of the SOI substrate.
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