WO2009065241A1 - Calorimeter for receiving small quantities of fluid - Google Patents

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WO2009065241A1
WO2009065241A1 PCT/CH2008/000486 CH2008000486W WO2009065241A1 WO 2009065241 A1 WO2009065241 A1 WO 2009065241A1 CH 2008000486 W CH2008000486 W CH 2008000486W WO 2009065241 A1 WO2009065241 A1 WO 2009065241A1
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WO
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reaction chamber
chamber
calorimeter
contact points
calorimeter according
Prior art date
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PCT/CH2008/000486
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Inventor
Rudolf Buser
Jürg Gentsch
Cosmas Malin
Original Assignee
Liconic Ag
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    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K17/00Measuring quantity of heat
    • G01K17/006Microcalorimeters, e.g. using silicon microstructures
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01KMEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K7/00Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements
    • G01K7/02Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples
    • G01K7/028Measuring temperature based on the use of electric or magnetic elements directly sensitive to heat ; Power supply therefor, e.g. using thermoelectric elements using thermoelectric elements, e.g. thermocouples using microstructures, e.g. made of silicon
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/20Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity
    • G01N25/48Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating the development of heat, i.e. calorimetry, e.g. by measuring specific heat, by measuring thermal conductivity on solution, sorption, or a chemical reaction not involving combustion or catalytic oxidation
    • G01N25/4806Details not adapted to a particular type of sample
    • G01N25/4813Details not adapted to a particular type of sample concerning the measuring means
    • G01N25/482Details not adapted to a particular type of sample concerning the measuring means concerning the temperature responsive elements

Definitions

  • the invention relates to a calorimeter for receiving small amounts of liquid according to the preamble of claim 1.
  • "Small amounts of liquid” in this context amounts in the range of 200 to 1000 nanoliters to understand.
  • Such calorimeters are used in particular in the field of drug discovery and in the study of chemical reactions. They have a reaction chamber for receiving a substance or mixture of substances and measure, for example, the enthalpy of a reaction in the chamber. The enthalpy leads to a change in temperature, which may only be fractions of 1 itiK.
  • Known calorimeters of this type have a substrate on which the reaction chamber is arranged.
  • a measuring resistor is provided as a temperature sensor. The resistance value of the measuring resistor is measured with a measuring current. From a change in the resistance value, the temperature change in the reaction chamber can be determined.
  • Object of the present invention is the resolution or sensitivity of a calorimeter this Kind of improving. This object is fulfilled by the calorimeter according to claim 1.
  • thermopile is used as the temperature sensor.
  • the use of a thermopile as a temperature sensor has the advantage that the measurement can be carried out without having to send a measuring current through the temperature sensor. This has the advantage that heating up of the temperature sensor by the measuring flow does not occur and the associated thermal
  • the thermopile has a plurality of first interconnects of a first material and a plurality of second interconnects of a second material.
  • the tracks extend between inner and outer contact points. At each contact point, a first and a second conductor track are connected to each other.
  • the width of the first and / or the second conductor tracks may increase from the inner contact points towards the outer contact points. As a result, the available space is used optimally to achieve the lowest possible internal resistance of the thermopile.
  • those tracks which consist of the material of lower conductivity, should increase towards the outside in their width more than those tracks, which consist of the material of higher conductivity.
  • the available space is used optimally.
  • thermopile is covered by a protective layer which protects it from the liquid in the reaction chamber.
  • the protective layer of a photoresist.
  • an evaporation chamber which can be filled with a reference liquid, can be arranged around the reaction chamber. The evaporation of reference liquid increases the saturation of the surrounding gas and thus reduces the evaporation of liquid from the reaction chamber interfering with the measurement.
  • the calorimeter according to the invention is particularly suitable for the thermal analysis of chemical and / or biological reactions or physical processes, e.g. Phase transitions.
  • thermopiles are advantageously arranged in a two-dimensional matrix on the substrate.
  • FIG. 2 shows a section through the calorimeter along line II-II of FIG. 1
  • FIG. 3 shows a section through a second embodiment of the calorimeter
  • thermocouples 5 shows the useful signal as a function of the measuring diameter for a minimum width of the thermocouples of 16 ⁇ m
  • FIG. 6 shows a detail from FIG. 5,
  • Fig. 7 shows the useful signal depending on the length of the thermocouples
  • Fig. 8 shows a third embodiment of the calorimeter from above
  • 9 shows a fourth embodiment of the calorimeter from above.
  • thermopile is a Se ⁇ riean extractor
  • thermocouple is a component of two different and at one end interconnected conductors, through which an electrical clamping ⁇ voltage produced due to the Seeback-effect.
  • the embodiment of the calorimeter according to FIGS. 1 and 2 has a substrate 1 made of quartz glass. On the substrate 1, a thermopile 2 is arranged, as well as a Re ⁇ action chamber 3 for receiving a sample liquid. 4
  • quartz glass as a material for the substrate 1 is advantageous, since quartz glass has a low thermal conductivity and, in addition, can be subjected to processes with very high temperatures. These high process temperatures are particularly advantageous in the production of polysilicon. It is also suitable for coating with polysilicon.
  • the quartz glass can also be polished down to a very small thickness in order to allow a visual inspection of the reaction by means of a microscope also from below. It is also conceivable, however, instead of
  • Quartz glass to use another material, such as silicon.
  • silicon has approximately 100 times higher conductivity than quartz glass
  • the silicon in the region of the reaction chamber in this case should be e.g. be recessed and spanned by a thin membrane on which the reaction chamber is arranged.
  • Corresponding arrangements and production techniques based on anisotropic etching processes are known to the person skilled in the art.
  • the quartz glass substrate and plastic can be used instead of the quartz glass substrate and plastic can be used. In this case, the manufacturing process for the thermopile are adjusted accordingly.
  • the thermopile 2 consists of an electrical series connection of several thermocouples.
  • Each thermocouple comprises a first interconnect 5 of a first material and a second interconnect 6 of a second material.
  • the first and second traces extend between inner contact points 7 and sweet contact points 8, a portion of which are provided with the corresponding reference numerals 7 and 8, respectively, in FIG.
  • a first and a second conductor track 5 and 6 are connected to each other.
  • the term contact point also encompasses a non-point-shaped, extended contact area, such as e.g. illustrated by the elongated sweeter contact points 8.
  • the inner contact points 7 are arranged on a circle. They are located vertically below the reaction chamber 3 so that they are in good thermal contact therewith.
  • the circle is coaxial with the vertical center line M of the rotationally symmetrical, circular reaction chamber 3.
  • the outer contact points 8 are arranged on a circle, namely offset laterally to
  • Reaction chamber 3 ie not directly below it vertically, so that it is thermally insulated from the reaction chamber. are lier. This circle is also coaxial with the vertical center line M of the reaction chamber 3.
  • the reaction chamber 3 is surrounded by a side wall 9. This is formed by a wall layer 10, which is arranged above the substrate 1 and recessed in the region of the reaction chamber 3.
  • the wall layer 10 is covered by a photoresist, e.g. SU8, as such can be easily structured. However, it can also be made of another organic or inorganic material.
  • the outer contact points 8 are arranged vertically below or (viewed from the center axis M) radially outside and below the wall layer 10 in order to achieve good thermal insulation from the reaction chamber 3.
  • thermopile 2 As can be seen from FIG. 2, a protective layer 12 is arranged between the thermopile 2 or the printed conductors 6, 7 and the reaction chamber 3. This has the task to isolate the thermopile chemically and electrically from the liquid 4. It can e.g. of an organic material, e.g. Photoresist (SU8) or a dielectric such as e.g. SiN, insist.
  • an organic material e.g. Photoresist (SU8) or a dielectric such as e.g. SiN, insist.
  • Fig. 1 seen running the first and second conductive lines 5, 6 in substantially straight and radially relative to the vertical center line M of the reaction chamber, since there is in this direction the largest temperature gradient, and because too long way vermie ⁇ should be as these would increase the internal resistance of the thermopile and thus impair the signal / noise ratio.
  • the first interconnects 5 are made of aluminum and the second interconnects 6 of doped polysilicon.
  • Information on doping will be given below.
  • both interconnects 5 and 6 are made of differently doped polysilicon or another semiconductor material, in particular of p- and n-doped polysilicon, consist.
  • NiCr and Ni as first and second material for the tracks, or Cr and Ni, for which materials the Seeback coefficient is less than for aluminum and doped polysilicon.
  • the space available for the material of the tracks should be well used - and as there is more space to the outside, the tracks can be wider there.
  • the second conductor tracks 6 are wider towards the outside. This is useful because the second interconnects 6, which consist of the doped polysilicon, have a substantially lower conductivity than the first interconnects 5 made of aluminum.
  • the first and the second conductor tracks overlap only in the area of the contact points 7, 8, and are otherwise arranged next to one another. This arrangement makes it possible to shift to an insulating intermediate layer between the conductor tracks.
  • the interconnects with an intermediate insulating layer, e.g. of SiC> 2 or SiN, one above the other, whereby windows are provided in the intermediate layer to form the contact points.
  • an intermediate insulating layer e.g. of SiC> 2 or SiN
  • thermocouples and their size within certain These limits can be selected or the doping of the polysilicon can be determined in a suitable manner.
  • Boron ions are used for the doping of the polysilicon since p-doped silicon has a lower thermal conductivity than n-doped silicon.
  • the doping concentration changes the specific electrical resistance. In order to obtain a conductivity significantly better than 10 ⁇ 2 Q cm and thus to keep the noise low, the doping concentration should be at least 10 ⁇ 0 cm ⁇ 3, for example.
  • thermopile In order to choose the dimensioning of the thermopile, one can assume a given size of the reaction chamber. Typical diameters of the reaction chamber are between 1000 and 2000 ⁇ m.
  • the temperature distribution within the calorimeter can be calculated.
  • the width of the individual thermocouples should be as low as possible, since in this case more thermocouples can be accommodated and the measuring signal increases with the number of thermocouples.
  • the noise increases because with increasing number of thermal elements ⁇ the conductor tracks have to be designed thinner and thinner, to raise its resistance. The longer the thermocouples are, that is, the farther the contact points 7 and 8 are apart, the greater the fundamental difference in temperature and therefore the measured voltage, but at the same time the noise increases as the internal resistance increases.
  • the diameter of the circle on which the inner contact points 7 lie is also an important factor. ger design parameters. If the diameter is very small, the voltage per thermocouple increases, but the maximum number of thermocouples decreases because the inner contacts can not be arbitrarily small. Based on these considerations, as
  • Payload signal for example, the product of measurement signal multiplied by signal / noise ratio depending on the diameter of the circle of the inner contact points 7 and the length of the thermocouples are calculated.
  • Diameter being designated for illustration in Fig. 4 is provided 5 and 6 ⁇ , "gage diameter" of the diameter of the circle of the inner contact points. In this case, it was assumed that the thermal elements must have a width of at least 16 microns.
  • the optimum measuring diameter and the optimum length of the thermocouples from the minimum width of the traces are substantially un ⁇ dependent.
  • the number of Thermoelemen ⁇ te should be at least about 10, however, so that a reasonably strong signal is generated when klei ⁇ nen temperature differences still.
  • the inner contact points 7 should lie on a circle with a diameter between 400 and 800 .mu.m.
  • thermocouples As far as the length of the thermocouples is concerned, an optimum range between approximately 800 and 2000 .mu.m is evident from the useful signal according to FIG. 7 calculated for a reaction chamber with a diameter of 1500 .mu.m.
  • the calorimeter is produced, for example, starting from a quartz glass substrate, which is coated with known processes using a polysilicon coating. will see.
  • the polysilicon is doped with boron, eg by ion implantation. Then it is structured, for example, by means of photolithographic and etching techniques in a known manner to form the second interconnects 6. Then, an annealing step may follow to distribute the boron evenly in "polysilicon.
  • the structured polysilicon is covered with a layer of aluminum, which is then in turn structured and thus forms the first conductor tracks 5.
  • the protective layer 12 may be applied and, if desired, patterned.
  • the wall layer 10 is applied and also structured to form the reaction chambers 3.
  • a plurality of calorimeters are created on a common substrate 1. Depending on the application, these can then remain on the same substrate or be separated by sawing.
  • a reference chamber may be provided in the vicinity of the reaction chamber 3.
  • a corresponding embodiment is shown in Fig. 3.
  • the reference chamber 15 is arranged rotationally symmetrical and annular around the reaction chamber 3 and separated from it by an annular portion 16 of the wall layer 10.
  • the thermopile 2 or its thermocouples extend between the reaction chamber 3 and the reference chamber 15.
  • the inner contact points 7 are in the reaction chamber 3 and the outer contact points 8 arranged at the reference chamber 15, so that the temperature difference between the two chambers can be measured with the thermocouple.
  • the reference chamber 15 is filled with a reference liquid having approximately the same rate of evaporation and evaporation energy as the liquid in the reaction chamber 3. A remaining temperature difference between the two chambers in this case is primarily due to the enthalpy of the reaction taking place in the reaction chamber 3 ,
  • the reference chamber 15 is arranged around the reaction chamber 3.
  • FIG. 8 An alternative, advantageous execution is shown in Fig. 8, where the reference chamber 15 is arranged laterally next to the reac ⁇ tion chamber 3 and the two chambers have the same shape. As a result, the evaporation rates are better symmetrized.
  • two thermaulauls 2a, 2b are provided, one for the reaction chamber 3 and a second one for the reference chamber 15.
  • the thermocouples 2a, 2b are connected in series in opposite directions, so that their voltages subtract and the output signal corresponds to the temperature difference between the two chambers 3, 15. It is also conceivable, analogous to the embodiment according to FIG. 3, to use only one thermopile, whose one row of contact points 7 are arranged below the reaction chamber 3 and whose other row of contact points 8 are below the reference chamber 15.
  • FIG. 9 A further embodiment is shown in FIG. 9. This combines the advantages of the embodiments according to FIGS. 3 and 8.
  • two identically constructed chambers 3, 15 are provided, one of which serves as a reaction chamber 3 and the other as a reference chamber 15.
  • the chambers 3, 15 are each provided two further chambers 20, hereinafter referred to as evaporation chambers. These chambers are filled during operation with a reference liquid, which has approximately the same evaporation rate and evaporation energy as the liquid in the reaction chamber 3 and reference chamber 15.
  • the evaporating from the evaporation chambers liquid increases the partial pressure of the vaporized substance in the ambient air, resulting in in that the evaporation from the chambers 3, 15 decreases, as a result of which undesired evaporation effects in the reaction chamber 3 and in the reference chamber 15 are reduced.
  • two Ver ⁇ dampfungshuntn 20 are provided, each of which extends annularly around each one of the chambers 3 and 15 respectively. It is conceivable, however, only one evaporation chamber
  • both chambers 3 and 15 surrounded by at least one evaporation chamber 20, wherein the evaporation chamber 20 is common to both chambers 3, 15 or each of the chambers 3, 15 is associated with their own evaporation ⁇ chamber.
  • An evaporation chamber can also be provided for calorimeters without a reference chamber.
  • a reference chamber 15 preferably several calorimeters or more reaction chambers and thermopiles are arranged in a two-dimensional matrix on the same substrate 1, so that, similar to a microtiter plate, a plurality of experiments can be carried out simultaneously and automatically ,
  • a heating may additionally be provided in the reaction chamber 3, for example consisting of an annular resistor 18 (polysilicon in the present embodiment) and Supply lines 19 (made of aluminum). This makes it possible to control the temperature in the reaction chamber or, using the signal from the thermopile 2, to control it.
  • annular resistor 18 polysilicon in the present embodiment
  • Supply lines 19 made of aluminum

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Abstract

A calorimeter for the calorimetric measurement of quantities of fluid in the nanoliter range comprises a reaction chamber (3), the temperature of which is to be measured. To this end, a thermopile (2) comprising a plurality of thermal elements disposed in a star shape is disposed beneath the reaction chamber (3). Said elements allow very precise temperature measurement, without the measuring current influencing the temperature in the reaction chamber (3). In order to improve the signal/noise behavior, the conductive tracks (5, 6) of the thermal elements are configured wider toward the outside, whereby the internal resistance thereof decreases.

Description

Kalorimeter zur Aufnahme kleiner Flüssigkeitsmengen Calorimeter for taking small amounts of liquid
Hinweis auf verwandte AnmeldungenReference to related applications
Diese Anmeldung beansprucht die Priorität derThis application claims the priority of
Schweizer Patentanmeldung 1782/07, die am 19. Oktober 2007 eingereicht wurde und deren ganze Offenbarung hiermit durch Bezug aufgenommen wird.Swiss Patent Application 1782/07, filed Oct. 19, 2007, the entire disclosure of which is hereby incorporated by reference.
Hintergrundbackground
Die Erfindung betrifft ein Kalorimeter zur Aufnahme kleiner Flüssigkeitsmengen gemäss Oberbegriff von Anspruch 1. Unter „kleine Flüssigkeitsmengen" sind in diesem Zusammenhang Mengen im Bereich von 200 bis 1000 Nanolitern zu verstehen.The invention relates to a calorimeter for receiving small amounts of liquid according to the preamble of claim 1. "Small amounts of liquid" in this context amounts in the range of 200 to 1000 nanoliters to understand.
Derartige Kalorimeter werden insbesondere im Bereich der Wirkstoffforschung und bei der Untersuchung chemischer Reaktionen eingesetzt. Sie besitzen eine Reaktionskammer zur Aufnahme eines Stoffs oder Stoffgemisches und messen beispielsweise die Enthalpie einer Reaktion in der Kammer. Die Enthalpie führt dabei zu einer Temperaturänderung, welche unter Umständen lediglich Bruchteile von 1 itiK beträgt.Such calorimeters are used in particular in the field of drug discovery and in the study of chemical reactions. They have a reaction chamber for receiving a substance or mixture of substances and measure, for example, the enthalpy of a reaction in the chamber. The enthalpy leads to a change in temperature, which may only be fractions of 1 itiK.
Bekannte Kalorimeter dieser Art besitzen ein Substrat, auf welchem die Reaktionskammer angeordnet ist. Zudem ist ein Messwiderstand als Temperatursensor vorgesehen. Der Widerstandswert des Messwiderstands wird mit einem Messstrom gemessen. Aus einer Änderung des Widerstandswerts kann die Temperaturänderung in der Reaktionskammer ermittelt werden.Known calorimeters of this type have a substrate on which the reaction chamber is arranged. In addition, a measuring resistor is provided as a temperature sensor. The resistance value of the measuring resistor is measured with a measuring current. From a change in the resistance value, the temperature change in the reaction chamber can be determined.
Darstellung der ErfindungPresentation of the invention
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Auflösung bzw. Sensitivität eines Kalorimeters dieser Art zu verbessern. Diese Aufgabe wird vom Kalorimeter ge- mäss Anspruch 1 erfüllt.Object of the present invention is the resolution or sensitivity of a calorimeter this Kind of improving. This object is fulfilled by the calorimeter according to claim 1.
Demgemäss wird als Temperatursensor also eine Thermosäule verwendet. Die Verwendung einer Thermosäule als Temperatursensor hat den Vorteil, dass die Messung durchgeführt werden kann, ohne dass ein Messstrom durch den Temperatursensor geschickt werden muss. Dies hat den Vorteil, dass ein Aufheizen des Temperatursensors durch den Mess- ström unterbleibt und die damit verbundene thermischeAccordingly, a thermopile is used as the temperature sensor. The use of a thermopile as a temperature sensor has the advantage that the measurement can be carried out without having to send a measuring current through the temperature sensor. This has the advantage that heating up of the temperature sensor by the measuring flow does not occur and the associated thermal
Störung des Systems vermieden wird, wodurch eine Erhöhung der Messgenauigkeit erreicht wird.Disturbance of the system is avoided, whereby an increase in the measurement accuracy is achieved.
Vorzugsweise weist die Thermosäule eine Mehrzahl von ersten Leiterbahnen aus einem ersten Material und eine Mehrzahl von zweiten Leiterbahnen aus einem zweiten Material auf. Die Leiterbahnen erstrecken sich zwischen inneren und äusseren Kontaktpunkten. An jedem Kontaktpunkt sind jeweils eine erste und eine zweite Leiterbahn miteinander verbunden. Um das Signal/Rauschverhältnis zu verbessern, kann die Breite der ersten und/oder der zweiten Leiterbahnen von den inneren Kontaktpunkten gegen die äusseren Kontaktpunkte hin zunehmen. Dadurch wird der zur Verfügung stehende Platz optimal genutzt um einen möglichst geringen Innenwiderstand der Thermosäule zu erreichen.Preferably, the thermopile has a plurality of first interconnects of a first material and a plurality of second interconnects of a second material. The tracks extend between inner and outer contact points. At each contact point, a first and a second conductor track are connected to each other. In order to improve the signal-to-noise ratio, the width of the first and / or the second conductor tracks may increase from the inner contact points towards the outer contact points. As a result, the available space is used optimally to achieve the lowest possible internal resistance of the thermopile.
Insbesondere sollten diejenigen Leiterbahnen, die aus dem Material geringerer Leitfähigkeit bestehen, gegen aussen in ihrer Breite mehr zunehmen als diejenigen Leiterbahnen, die aus dem Material höherer Leitfähigkeit bestehen. Dadurch wird der zur Verfügung stehende Platz optimal genutzt .In particular, those tracks, which consist of the material of lower conductivity, should increase towards the outside in their width more than those tracks, which consist of the material of higher conductivity. As a result, the available space is used optimally.
Vorteilhaft wird die Thermosäule von einer Schutzschicht bedeckt, welche sie von der Flüssigkeit in der Reaktionskammer schützt. In einer besonders einfach herstellbaren Variante ist die Schutzschicht aus einem Fotolack. Weiter kann um die Reaktionskammer eine Verdunstungskammer angeordnet werden, welche mit einer Referenzflüssigkeit gefüllt werden kann. Die Verdunstung von Referenzflüssigkeit erhöht die Sättigung des umgebenden Gases und reduziert so die die Messung störende Verdunstung von Flüssigkeit aus der Reaktionskammer.Advantageously, the thermopile is covered by a protective layer which protects it from the liquid in the reaction chamber. In a particularly easy to manufacture variant, the protective layer of a photoresist. Furthermore, an evaporation chamber, which can be filled with a reference liquid, can be arranged around the reaction chamber. The evaporation of reference liquid increases the saturation of the surrounding gas and thus reduces the evaporation of liquid from the reaction chamber interfering with the measurement.
Das erfindungsgemässe Kalorimeter eignet sich insbesondere für die thermische Analyse von chemischen und/oder biologischen Reaktionen oder physikalischen Pro- zessen, wie z.B. Phasenübergängen.The calorimeter according to the invention is particularly suitable for the thermal analysis of chemical and / or biological reactions or physical processes, e.g. Phase transitions.
Vorteilhaft sind hierzu eine Vielzahl von Reaktionskammern und Thermosäulen in einer zweidimensionalen Matrix auf dem Substrat angeordnet.For this purpose, a plurality of reaction chambers and thermopiles are advantageously arranged in a two-dimensional matrix on the substrate.
Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings
Weitere bevorzugte Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen sowie aus der nun folgenden Beschreibung anhand der Figuren. Dabei zei- gen:Further preferred embodiments of the invention will become apparent from the dependent claims and from the following description with reference to FIGS. Show:
Fig. 1 eine erste Ausführung eines Kalorime¬ ters von oben,1 shows a first embodiment of a Kalorime ¬ ters from above,
Fig. 2 einen Schnitt durch das Kalorimeter entlang Linie II-II von Fig. 1, Fig. 3 einen Schnitt durch eine zweite Ausführung des Kalorimeters,2 shows a section through the calorimeter along line II-II of FIG. 1, FIG. 3 shows a section through a second embodiment of the calorimeter,
Fig. 4 das Nutzsignal abhängig von der Ther- mosäulengeometrie,4 shows the useful signal as a function of the thermopile geometry,
Fig. 5 das Nutzsignal abhängig vom Messdurch- messer für eine minimale Breite der Thermoelemente von 16 μm,5 shows the useful signal as a function of the measuring diameter for a minimum width of the thermocouples of 16 μm,
Fig. 6 ein Detail aus Fig. 5,6 shows a detail from FIG. 5,
Fig. 7 das Nutzsignal abhängig von der Länge der Thermoelemente, Fig. 8 eine dritte Ausführung des Kalorimeters von oben und Fig. 9 eine vierte Ausführung des Kalorimeters von oben.Fig. 7 shows the useful signal depending on the length of the thermocouples, Fig. 8 shows a third embodiment of the calorimeter from above and 9 shows a fourth embodiment of the calorimeter from above.
Wege zur Ausführung der ErfindungWays to carry out the invention
Definitionen:definitions:
Im Rahmen der Beschreibung und Ansprüche werden die folgenden Definitionen verwendet: Die Richtungen „unten" und „oben" definieren sich aus der relativen Anordnung von Reaktionskämmer und Substrat und zwar so, dass die Reaktionskämmer als oben und das Substrat als unten liegend definiert sind.Within the scope of the specification and claims, the following definitions are used: The directions "bottom" and "top" are defined by the relative arrangement of reaction chambers and substrate such that the reaction chambers are defined as above and the substrate as below.
Der Begriff „vertikal" versteht sich als die Verbindungsrichtung zwischen oben und unten.The term "vertical" is understood as the connection direction between top and bottom.
Eine Thermosäule ( „thermopile" ) ist eine Se¬ rieanordnung einer Vielzahl von Thermoelementen. Ein Thermoelement ist ein Bauteil aus zwei unterschiedlichen und an einem Ende miteinander verbundenen Leitern, über denen aufgrund des Seeback-Effekts eine elektrische Span¬ nung entsteht.A thermopile ( "thermopile") is a Se ¬ rieanordnung a plurality of thermocouples. A thermocouple is a component of two different and at one end interconnected conductors, through which an electrical clamping ¬ voltage produced due to the Seeback-effect.
Kalorimeter-Aufbau :Calorimeter Construction:
Die Ausführung des Kalorimeters nach Fig. 1 und 2 besitzt ein Substrat 1 aus Quarzglas. Auf dem Substrat 1 ist eine Thermosäule 2 angeordnet, sowie eine Re¬ aktionskammer 3 zur Aufnahme einer Probeflüssigkeit 4.The embodiment of the calorimeter according to FIGS. 1 and 2 has a substrate 1 made of quartz glass. On the substrate 1, a thermopile 2 is arranged, as well as a Re ¬ action chamber 3 for receiving a sample liquid. 4
Die Verwendung von Quarzglas als Material für das Substrat 1 ist vorteilhaft, da Quarzglas eine geringe Wärmeleitfähigkeit aufweist und zudem Prozessen mit sehr hohen Temperaturen unterworfen werden kann. Diese hohen Prozesstemperaturen sind vor allem bei der Herstellung von Polysilizium vorteilhaft. Zudem eignet es sich zur Beschichtung mit Polysilizium. Ausserdem kann das Quarz- glas auch auf eine sehr geringe Dicke herunterpoliert werden um eine Sichtkontrolle der Reaktion mittels Mikroskop auch von unten zu ermöglichen. Denkbar ist es jedoch auch, anstelle vonThe use of quartz glass as a material for the substrate 1 is advantageous, since quartz glass has a low thermal conductivity and, in addition, can be subjected to processes with very high temperatures. These high process temperatures are particularly advantageous in the production of polysilicon. It is also suitable for coating with polysilicon. In addition, the quartz glass can also be polished down to a very small thickness in order to allow a visual inspection of the reaction by means of a microscope also from below. It is also conceivable, however, instead of
Quarzglas ein anderes Material einzusetzen, beispielsweise Silizium. Da Silizium aber eine rund 100-mal höhere Leitfähigkeit als Quarzglas besitzt, sollte das Silizium im Bereich der Reaktionskammer in diesem Fall z.B. ausgespart und von einer dünnen Membran überspannt sein, auf welcher die Reaktionskammer angeordnet ist. Entsprechende Anordnungen und Herstellungstechniken basierend auf anisotropen Ätzverfahren sind dem Fachmann bekannt. Weiter kann anstelle des Quarzglas-Substrats auch Kunststoff verwendet werden. In diesem Falle sind die Herstellungsverfahren für die Thermosäule entsprechend anzupassen.Quartz glass to use another material, such as silicon. However, since silicon has approximately 100 times higher conductivity than quartz glass, the silicon in the region of the reaction chamber in this case should be e.g. be recessed and spanned by a thin membrane on which the reaction chamber is arranged. Corresponding arrangements and production techniques based on anisotropic etching processes are known to the person skilled in the art. Further, instead of the quartz glass substrate and plastic can be used. In this case, the manufacturing process for the thermopile are adjusted accordingly.
Die Thermosäule 2 besteht aus einer elektri- sehen Serieschaltung von mehreren Thermoelementen. Jedes Thermoelement umfasst eine erste Leiterbahn 5 aus einem ersten Material und eine zweite Leiterbahn 6 aus einem zweiten Material. Die ersten und die zweiten Leiterbahnen erstrecken sich zwischen inneren Kontaktpunkten 7 und Süsseren Kontaktpunkten 8, wobei ein Teil davon in Fig. 1 mit den entsprechenden Bezugsziffern 7 bzw. 8 versehen sind. An jedem Kontaktpunkt ist jeweils eine erste und eine zweite Leiterbahn 5 bzw. 6 miteinander verbunden. Der Begriff KontaktpunArt umfasst dabei auch einen nicht punktförmigen, ausgedehnten Kontaktbereich, wie z.B. durch die länglichen Süsseren Kontaktpunkte 8 illustriert .The thermopile 2 consists of an electrical series connection of several thermocouples. Each thermocouple comprises a first interconnect 5 of a first material and a second interconnect 6 of a second material. The first and second traces extend between inner contact points 7 and sweet contact points 8, a portion of which are provided with the corresponding reference numerals 7 and 8, respectively, in FIG. At each contact point in each case a first and a second conductor track 5 and 6 are connected to each other. The term contact point also encompasses a non-point-shaped, extended contact area, such as e.g. illustrated by the elongated sweeter contact points 8.
Die inneren Kontaktpunkte 7 sind auf einem Kreis angeordnet. Sie befinden sich vertikal unterhalb der Reaktionskammer 3, so dass sie in gutem thermischem Kontakt mit dieser stehen. Der Kreis ist koaxial zur vertikalen Mittellinie M der rotationssymmetrischen, kreisförmigen Reaktionskammer 3.The inner contact points 7 are arranged on a circle. They are located vertically below the reaction chamber 3 so that they are in good thermal contact therewith. The circle is coaxial with the vertical center line M of the rotationally symmetrical, circular reaction chamber 3.
Auch die äusseren Kontaktpunkte 8 sind auf einem Kreis angeordnet, und zwar seitlich versetzt zurThe outer contact points 8 are arranged on a circle, namely offset laterally to
Reaktionskammer 3, d.h. nicht unmittelbar vertikal darunter, so dass sie thermisch von der Reaktionskammer iso- liert sind. Auch dieser Kreis ist koaxial zur vertikalen Mittellinie M der Reaktionskammer 3.Reaction chamber 3, ie not directly below it vertically, so that it is thermally insulated from the reaction chamber. are lier. This circle is also coaxial with the vertical center line M of the reaction chamber 3.
Die Reaktionskammer 3 ist von einer Seitenwand 9 umgeben. Diese wird von einer Wandschicht 10 ge- bildet, die über dem Substrat 1 angeordnet und im Bereich der Reaktionskammer 3 ausgespart ist. Vorzugsweise wird die Wandschicht 10 von einem Fotolack, z.B. SU8, gebildet, da ein solcher einfach strukturiert werden kann. Sie kann jedoch auch aus einem anderen organischen oder anor- ganischen Material hergestellt sein.The reaction chamber 3 is surrounded by a side wall 9. This is formed by a wall layer 10, which is arranged above the substrate 1 and recessed in the region of the reaction chamber 3. Preferably, the wall layer 10 is covered by a photoresist, e.g. SU8, as such can be easily structured. However, it can also be made of another organic or inorganic material.
In der Ausführung nach Fig. 2 sind die äusse- ren Kontaktpunkte 8 vertikal unterhalb oder (von der Mittelachse M gesehen) radial ausserhalb und unterhalb der Wandschicht 10 angeordnet um eine gute thermische Isola- tion von der Reaktionskammer 3 zu erreichen.In the embodiment according to FIG. 2, the outer contact points 8 are arranged vertically below or (viewed from the center axis M) radially outside and below the wall layer 10 in order to achieve good thermal insulation from the reaction chamber 3.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist zwischen der Thermosäule 2 bzw. den Leiterbahnen 6, 7 und der Reaktionskammer 3 eine Schutzschicht 12 angeordnet. Diese hat die Aufgabe, die Thermosäule chemisch und elektrisch von der Flüssigkeit 4 zu isolieren. Sie kann z.B. aus einem organischen Material, wie z.B. Photolack (SU8) oder aus einem Dielektrikum, wie z.B. SiN, bestehen.As can be seen from FIG. 2, a protective layer 12 is arranged between the thermopile 2 or the printed conductors 6, 7 and the reaction chamber 3. This has the task to isolate the thermopile chemically and electrically from the liquid 4. It can e.g. of an organic material, e.g. Photoresist (SU8) or a dielectric such as e.g. SiN, insist.
Wie insbesondere aus Fig. 1 ersichtlich, verlaufen die ersten und die zweiten Leiterbahnen 5, 6 im Wesentlichen gerade und radial zur vertikalen Mittellinie M der Reaktionskammer, da in dieser Richtung der grösste Temperaturgradient herrscht und da zu lange Wege vermie¬ den werden sollen, da diese den Innenwiderstand der Thermosäule erhöhen und somit das Signal/Rauschverhältnis be- einträchtigen würden.As shown particularly in Fig. 1 seen running the first and second conductive lines 5, 6 in substantially straight and radially relative to the vertical center line M of the reaction chamber, since there is in this direction the largest temperature gradient, and because too long way vermie ¬ should be as these would increase the internal resistance of the thermopile and thus impair the signal / noise ratio.
In der gezeigten Ausführung bestehen die ersten Leiterbahnen 5 aus Aluminium und die zweiten Leiterbahnen 6 aus dotiertem Polysilizium. Angaben zur Dotierung werden weiter unten gegeben. Denkbar ist jedoch auch, dass beide Leiterbahnen 5 und 6 aus unterschiedlich dotiertem Polysilizium oder einem anderen Halbleitermaterial, insbesondere aus p- und n-dotiertem Polysilizium, bestehen. Geeignet sind auch NiCr und Ni als erstes und zweites Material für die Leiterbahnen, oder Cr und Ni, für welche Materialien der Seeback-Koeffizient jedoch geringer ist als für Aluminium und dotiertes Polysilizium. Als weitere Massnahme zur Reduktion des Signal/Rauschverhältnisses nimmt die Breite der. Leiterbahnen 6 und/oder 7 gegen aussen hin zu. Dem liegt die Überlegung zugrunde, dass zur Reduktion des Signalrauschens ein möglichst geringer Innenwiderstand der Thermosäule ge- wünscht wird. Somit sollte der verfügbare Platz für das Material der Leiterbahnen gut genutzt werden - und da nach aussen hin mehr Platz zur Verfügung steht, können dort die Leiterbahnen breiter werden.In the embodiment shown, the first interconnects 5 are made of aluminum and the second interconnects 6 of doped polysilicon. Information on doping will be given below. However, it is also conceivable that both interconnects 5 and 6 are made of differently doped polysilicon or another semiconductor material, in particular of p- and n-doped polysilicon, consist. Also suitable are NiCr and Ni as first and second material for the tracks, or Cr and Ni, for which materials the Seeback coefficient is less than for aluminum and doped polysilicon. As a further measure to reduce the signal / noise ratio, the width of the. Tracks 6 and / or 7 towards the outside to. This is based on the consideration that in order to reduce the signal noise, the lowest possible internal resistance of the thermopile is desired. Thus, the space available for the material of the tracks should be well used - and as there is more space to the outside, the tracks can be wider there.
In der Ausführung nach Fig. 1 werden nur die zweiten Leiterbahnen 6 gegen aussen hin breiter. Dies ist deshalb sinnvoll, weil die zweiten Leiterbahnen 6, welche aus dem dotierten Polysilizium bestehen, eine wesentlich geringere Leitfähigkeit besitzen als die ersten Leiterbahnen 5 aus Aluminium. In der Ausführung nach Fig. 1 überlappen sich die ersten und die zweiten Leiterbahnen nur im Bereich der Kontaktpunkte 7, 8, und sind ansonsten nebeneinander angeordnet. Diese Anordnung erlaubt es, auf eine isolierende Zwischenschicht zwischen den Leiterbahnen zu ver- ziehten. Denkbar ist jedoch auch, die Leiterbahnen mit einer zwischenliegenden Isolationsschicht, z.B. aus SiC>2 oder SiN, übereinander anzuordnen, wobei zur Bildung der Kontaktpunkte Fenster in der Zwischenschicht vorgesehen sind. Dadurch steht für die einzelnen Leiterbahnen mehr Platz zur Verfügung und der Innenwiderstand der Thermosäule kann weiter reduziert oder die Zahl der Thermoelemente erhöht werden.In the embodiment of Fig. 1, only the second conductor tracks 6 are wider towards the outside. This is useful because the second interconnects 6, which consist of the doped polysilicon, have a substantially lower conductivity than the first interconnects 5 made of aluminum. In the embodiment according to FIG. 1, the first and the second conductor tracks overlap only in the area of the contact points 7, 8, and are otherwise arranged next to one another. This arrangement makes it possible to shift to an insulating intermediate layer between the conductor tracks. However, it is also conceivable to use the interconnects with an intermediate insulating layer, e.g. of SiC> 2 or SiN, one above the other, whereby windows are provided in the intermediate layer to form the contact points. As a result, more space is available for the individual interconnects and the internal resistance of the thermopile can be further reduced or the number of thermocouples can be increased.
Optimierungskriterien Das beschriebene Bauteil kann in verschiedenen Aspekten optimiert werden. Beispielsweise können die Zahl der Thermoelemente und deren Grosse innerhalb gewis- ser Grenzen gewählt oder die Dotierung des Polysiliziums in geeigneter Weise festgelegt werden. Im Folgenden werden einige Kriterien angegeben, welche es erlauben, die Parameter des Kalorimeters zu optimieren.Optimization criteria The component described can be optimized in various aspects. For example, the number of thermocouples and their size within certain These limits can be selected or the doping of the polysilicon can be determined in a suitable manner. The following are some criteria that allow to optimize the parameters of the calorimeter.
Dotierungendowment
Für die Dotierung des Polysiliziums werden Bor-Ionen verwendet, da p-dotiertes Silizium eine geringere Wärmeleitfähigkeit besitzt als n-Dotiertes. Durch die Dotierungskonzentration wird der spezifische elektrische Widerstand verändert. Um eine Leitfähigkeit deutlich besser als 10~2 Q cm zu erhalten und somit das Rauschen gering zu halten, sollte die Dotierungskonzentration beispielsweise mindestens 10^0 cm~3 betragen.Boron ions are used for the doping of the polysilicon since p-doped silicon has a lower thermal conductivity than n-doped silicon. The doping concentration changes the specific electrical resistance. In order to obtain a conductivity significantly better than 10 ~ 2 Q cm and thus to keep the noise low, the doping concentration should be at least 10 ^ 0 cm ~ 3, for example.
Dimensionierung der Thermosäule Um die Dimensionierung der Thermosäule zu wählen, kann von einer gegebenen Grosse der Reaktionskammer ausgegangen werden. Typische Durchmesser der Reakti- onskammer betragen zwischen 1000 und 2000 um.Dimensioning of the thermopile In order to choose the dimensioning of the thermopile, one can assume a given size of the reaction chamber. Typical diameters of the reaction chamber are between 1000 and 2000 μm.
Ausgehend von der gegebenen Grosse kann die Temperaturverteilung innerhalb des Kalorimeters berechnet werden. Die Breite der einzelnen Thermoelemente soll einerseits möglichst gering sein, da in diesem Fall mehr Thermoelemente Platz finden und sich das Messsignal mit der Zahl Thermoelemente erhöht. Gleichzeitig nimmt aber auch das Rauschen zu, da mit steigender Zahl der Thermo¬ elemente die Leiterbahnen immer dünner dimensioniert werden müssen, so dass deren Widerstand ansteigt. Je länger die Thermoelemente sind, d.h. je weiter die Kontaktpunkte 7 und 8 auseinander liegen, desto grösser wird grundsätzlich auch der Temperaturunterschied und somit die gemessene Spannung, gleichzeitig nimmt aber auch das Rauschen zu, da der Innenwiderstand ansteigt.Based on the given size, the temperature distribution within the calorimeter can be calculated. On the one hand, the width of the individual thermocouples should be as low as possible, since in this case more thermocouples can be accommodated and the measuring signal increases with the number of thermocouples. At the same time, the noise increases because with increasing number of thermal elements ¬ the conductor tracks have to be designed thinner and thinner, to raise its resistance. The longer the thermocouples are, that is, the farther the contact points 7 and 8 are apart, the greater the fundamental difference in temperature and therefore the measured voltage, but at the same time the noise increases as the internal resistance increases.
Der Durchmesser des Kreises, auf welchem die inneren Kontaktpunkte 7 liegen, ist ebenfalls ein wichti- ger Designparameter. Ist der Durchmesser sehr klein, so nimmt zwar die Spannung pro Thermoelement zu, die maximale Zahl der Thermoelemente nimmt aber ab, da die inneren Kontakte nicht beliebig klein sein können. Basierend auf diesen Überlegungen kann alsThe diameter of the circle on which the inner contact points 7 lie is also an important factor. ger design parameters. If the diameter is very small, the voltage per thermocouple increases, but the maximum number of thermocouples decreases because the inner contacts can not be arbitrarily small. Based on these considerations, as
Nutzsignal beispielsweise das Produkt aus Messsignal multipliziert mit Signal/Rauschverhältnis abhängig vom Durchmesser des Kreises der inneren Kontaktpunkte 7 und der Länge der Thermoelemente errechnet werden. Eine ent- sprechende Grafik für eine Reaktionskammer mit 1500 μmPayload signal, for example, the product of measurement signal multiplied by signal / noise ratio depending on the diameter of the circle of the inner contact points 7 and the length of the thermocouples are calculated. A corresponding graphic for a reaction chamber with 1500 μm
Durchmesser ist zur Illustration in Fig. 4, 5 und 6 dar¬ gestellt, wobei „Messdurchmesser" dem Durchmesser des Kreises der inneren Kontaktpunkte bezeichnet. Dabei wurde davon ausgegangen, dass die Thermoelemente eine Breite von mindestens 16 μm besitzen müssen.Diameter being designated for illustration in Fig. 4, is provided 5 and 6 ¬, "gage diameter" of the diameter of the circle of the inner contact points. In this case, it was assumed that the thermal elements must have a width of at least 16 microns.
Es zeigt sich, dass der optimale Messdurchmesser sowie die optimale Länge der Thermoelemente von der minimalen Breite der Leiterbahnen im wesentlichen un¬ abhängig sind. Vorteilhaft sollte die Zahl der Thermoelemen¬ te jedoch mindestens rund 10 betragen, so dass bei klei¬ nen Temperaturdifferenzen immer noch ein einigermassen starkes Signal erzeugt wird.It is found that the optimum measuring diameter and the optimum length of the thermocouples from the minimum width of the traces are substantially un ¬ dependent. Advantageously, the number of Thermoelemen ¬ te should be at least about 10, however, so that a reasonably strong signal is generated when klei ¬ nen temperature differences still.
Wie sich aus Fig. 5 und 6 zeigt, sollten bei einem Messkammerdurchmesser von 1500 μm die inneren Kontaktpunkte 7 auf einem Kreis mit einem Durchmesser zwischen 400 und 800 μm liegen.As can be seen from FIGS. 5 and 6, with a measuring chamber diameter of 1500 .mu.m, the inner contact points 7 should lie on a circle with a diameter between 400 and 800 .mu.m.
Was die Länge der Thermoelemente angeht, so zeigt sich aus dem für eine Reaktionskammer mit 1500 μm Durchmesser berechneten Nutzsignal gemäss Fig. 7 ein optimaler Bereich zwischen rund 800 und 2000 μm.As far as the length of the thermocouples is concerned, an optimum range between approximately 800 and 2000 .mu.m is evident from the useful signal according to FIG. 7 calculated for a reaction chamber with a diameter of 1500 .mu.m.
Herstellung Die Herstellung des Kalorimeters erfolgt z.B. ausgehend von einem Quarzglassubstrat, welches mit bekannten Verfahren mit einer Polysiliziumbeschichtung ver- sehen wird. Das Polysilizium wird mit Bor dotiert, z.B. mittels Ionenimplantation. Sodann wird es z.B. mittels photolithographischer und ätztechnischer Verfahren in bekannter Weise strukturiert um die zweiten Leiterbahnen 6 zu bilden. Dann kann ein Annealing-Schritt folgen, um das Bor gleichmässig im "Polysilizium zu verteilen.Production The calorimeter is produced, for example, starting from a quartz glass substrate, which is coated with known processes using a polysilicon coating. will see. The polysilicon is doped with boron, eg by ion implantation. Then it is structured, for example, by means of photolithographic and etching techniques in a known manner to form the second interconnects 6. Then, an annealing step may follow to distribute the boron evenly in "polysilicon.
In einem nächsten Schritt wird das strukturierte Polysilizium mit einer Schicht Aluminium bedeckt, welche sodann ihrerseits strukturiert wird und so die ersten Leiterbahnen 5 bildet. Nun kann die Schutzschicht 12 aufgebracht und, falls gewünscht, strukturiert werden. Schliesslich wird die Wandschicht 10 aufgebracht und e- benfalls strukturiert um die Reaktionskämmer 3 zu bilden. Vorzugsweise wird eine Vielzahl von Kalorime- tern auf einem gemeinsamen Substrat 1 erstellt. Je nach Anwendung können diese sodann auf dem gleichen Substrat verbleiben oder durch Sägen vereinzelt werden.In a next step, the structured polysilicon is covered with a layer of aluminum, which is then in turn structured and thus forms the first conductor tracks 5. Now, the protective layer 12 may be applied and, if desired, patterned. Finally, the wall layer 10 is applied and also structured to form the reaction chambers 3. Preferably, a plurality of calorimeters are created on a common substrate 1. Depending on the application, these can then remain on the same substrate or be separated by sawing.
Referenzkammer, VerdunstungskammerReference chamber, evaporation chamber
Werden mehr oder weniger flüchtige Flüssigkeiten in die Reaktionskammer 3 eingebracht, so kann deren Verdunstung zu einem starken Temperatursignal führen, welches unter Umständen die Enthalpie der Reaktion zu ü- berdecken vermag. Um die Verdampfung der Flüssigkeit zu verringern, können die Untersuchungen in geeignet gesättigter Umgebungsatmosphäre stattfinden.If more or less volatile liquids are introduced into the reaction chamber 3, their evaporation can lead to a strong temperature signal, which under certain circumstances is able to cover the enthalpy of the reaction. In order to reduce the evaporation of the liquid, the investigations can take place in a suitably saturated ambient atmosphere.
Weiter oder zusätzlich hierzu kann in der Nähe der Reaktionskammer 3 eine Referenzkammer vorgesehen sein. Eine entsprechende Ausführung ist in Fig. 3 dargestellt. Bei dieser Ausführung ist die Referenzkammer 15 rotationssymmetrisch und ringförmig um die Reaktionskammer 3 angeordnet und von dieser durch einen ringförmigen Abschnitt 16 der Wandschicht 10 abgetrennt. Die Thermo- säule 2 bzw. deren Thermoelemente erstrecken sich zwischen der Reaktionskammer 3 und der Referenzkammer 15. Die inneren Kontaktpunkte 7 sind bei der Reaktionskammer 3 und die ausseren Kontaktpunkte 8 bei der Referenzkammer 15 angeordnet, so dass mit der Thermosaule der Temperaturunterschied zwischen den beiden Kammern gemessen werden kann. Im Betrieb wird die Referenzkammer 15 mit einer Referenzflussigkeit gefüllt, welche ungefähr die gleiche Verdunstungsrate und Verdunstungsenergie besitzt wie die Flüssigkeit in der Reaktionskammer 3. Ein verbleibender Temperaturunterschied zwischen den beiden Kammern ist in diesem Fall primär auf die Enthalpie der in der Reaktionskammer 3 stattfindenden Reaktion zurückzuführen .Further or additionally thereto, a reference chamber may be provided in the vicinity of the reaction chamber 3. A corresponding embodiment is shown in Fig. 3. In this embodiment, the reference chamber 15 is arranged rotationally symmetrical and annular around the reaction chamber 3 and separated from it by an annular portion 16 of the wall layer 10. The thermopile 2 or its thermocouples extend between the reaction chamber 3 and the reference chamber 15. The inner contact points 7 are in the reaction chamber 3 and the outer contact points 8 arranged at the reference chamber 15, so that the temperature difference between the two chambers can be measured with the thermocouple. In operation, the reference chamber 15 is filled with a reference liquid having approximately the same rate of evaporation and evaporation energy as the liquid in the reaction chamber 3. A remaining temperature difference between the two chambers in this case is primarily due to the enthalpy of the reaction taking place in the reaction chamber 3 ,
In der Ausfuhrung nach Fig. 3 ist die Referenzkammer 15 um die Reaktionskammer 3 angeordnet. Eine alternative, vorteilhafte Ausfuhrung ist in Fig. 8 dargestellt, wo die Referenzkammer 15 seitlich neben der Reak¬ tionskammer 3 angeordnet ist und die beiden Kammern die gleiche Form haben. Dadurch werden die Verdunstungsraten besser symmetrisiert . In der Ausfuhrung nach Fig. 8 sind zwei Ther- mosaulen 2a, 2b vorgesehen, eine für die Reaktionskammer 3 und eine Zweite für die Referenzkammer 15. Die Thermo- saulen 2a, 2b sind gegenläufig in Serie geschaltet, so dass sich ihre Spannungen subtrahieren und das Ausgangs- signal der Temperaturdifferenz zwischen den beiden Kammern 3, 15 entspricht. Denkbar ist es auch, analog zur Ausfuhrung nach Fig. 3, nur eine Thermosaule zu verwenden, deren eine Reihe von Kontaktpunkten 7 unter der Reaktionskammer 3 und deren andere Reihe von Kontaktpunkten 8 unter der Referenzkammer 15 angeordnet sind.In the embodiment according to FIG. 3, the reference chamber 15 is arranged around the reaction chamber 3. An alternative, advantageous execution is shown in Fig. 8, where the reference chamber 15 is arranged laterally next to the reac ¬ tion chamber 3 and the two chambers have the same shape. As a result, the evaporation rates are better symmetrized. In the embodiment according to FIG. 8, two thermaulauls 2a, 2b are provided, one for the reaction chamber 3 and a second one for the reference chamber 15. The thermocouples 2a, 2b are connected in series in opposite directions, so that their voltages subtract and the output signal corresponds to the temperature difference between the two chambers 3, 15. It is also conceivable, analogous to the embodiment according to FIG. 3, to use only one thermopile, whose one row of contact points 7 are arranged below the reaction chamber 3 and whose other row of contact points 8 are below the reference chamber 15.
Eine weitere Ausfuhrung ist in Fig. 9 dargestellt. Diese kombiniert die Vorteile der Ausfuhrungen gemass Fig. 3 und 8. Wie in der Ausfuhrung nach Fig. 8 sind zwei gleich aufgebaute Kammern 3, 15 vorgesehen, von denen die eine als Reaktionskammer 3 und die andere als Referenzkammer 15 dient. Jedoch sind zusatzlich um die Kammern 3, 15 jeweils zwei weitere Kammern 20 vorgesehen, die im Folgenden als Verdampfungskämmern bezeichnet werden. Auch diese Kammern werden im Betrieb mit einer Referenzflüssigkeit gefüllt, welche ungefähr die gleiche Verdunstungsrate und Verdunstungsenergie besitzt wie die Flüssigkeit in der Reaktionskammer 3 bzw. Referenzkammer 15. Die aus den Verdampfungskammern verdampfende Flüssigkeit erhöht den Partialdruck des verdampften Stoffs in der Umgebungsluft, was dazu führt, dass die Verdampfung aus den Kammern 3, 15 abnimmt, wodurch unerwünschte Ver- dampfungseffekte in der Reaktionskammer 3 sowie in der Referenzkammer 15 reduziert werden.A further embodiment is shown in FIG. 9. This combines the advantages of the embodiments according to FIGS. 3 and 8. As in the embodiment of FIG. 8, two identically constructed chambers 3, 15 are provided, one of which serves as a reaction chamber 3 and the other as a reference chamber 15. However, in addition to the chambers 3, 15 are each provided two further chambers 20, hereinafter referred to as evaporation chambers. These chambers are filled during operation with a reference liquid, which has approximately the same evaporation rate and evaporation energy as the liquid in the reaction chamber 3 and reference chamber 15. The evaporating from the evaporation chambers liquid increases the partial pressure of the vaporized substance in the ambient air, resulting in in that the evaporation from the chambers 3, 15 decreases, as a result of which undesired evaporation effects in the reaction chamber 3 and in the reference chamber 15 are reduced.
In der Ausführung nach Fig. 8 sind zwei Ver¬ dampfungskammern 20 vorgesehen, von denen sich jede ringförmig jeweils um eine der Kammern 3 bzw. 15 erstreckt. Denkbar ist es jedoch, auch nur eine VerdampfungskammerIn the embodiment according to Fig. 8, two Ver ¬ dampfungskammern 20 are provided, each of which extends annularly around each one of the chambers 3 and 15 respectively. It is conceivable, however, only one evaporation chamber
20 vorzusehen, welche sich um beide Kammern 3 bzw. 15 er¬ streckt. Mit anderen worden sind beide Kammern 3, 15 von mindestens einer Verdampfungskammer 20 umgeben, wobei die Verdampfungskammer 20 für beide Kammern 3, 15 gemeinsam ist oder jeder der Kammern 3, 15 ihre eigene Verdamp¬ fungskammer zugeordnet ist.20 to provide, which extends around both chambers 3 and 15 he ¬ stretches. With other both chambers 3, 15 surrounded by at least one evaporation chamber 20, wherein the evaporation chamber 20 is common to both chambers 3, 15 or each of the chambers 3, 15 is associated with their own evaporation ¬ chamber.
Eine Verdampfungskammer kann auch für Kalorimeter ohne Referenzkammer vorgesehen werden.An evaporation chamber can also be provided for calorimeters without a reference chamber.
Weitere Ausführungenfurther explanation
Unabhängig davon, ob eine Referenzkammer 15 vorgesehen ist, werden vorzugsweise mehrere Kalorimeter bzw. mehrere Reaktionskammern und Thermosäulen in einer zweidimensionalen Matrix auf dem selben Substrat 1 angeordnet, so dass, ähnlich wie auf einer Mikrotiterplatte, eine Vielzahl von Experimenten gleichzeitig und automatisiert durchgeführt werden können.Regardless of whether a reference chamber 15 is provided, preferably several calorimeters or more reaction chambers and thermopiles are arranged in a two-dimensional matrix on the same substrate 1, so that, similar to a microtiter plate, a plurality of experiments can be carried out simultaneously and automatically ,
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, kann bei der Re- aktionskammer 3 zusätzlich eine Heizung vorgesehen sein, z.B. bestehend aus einem ringförmigen Widerstand 18 (im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus Polysilizium) und Zuleitungen 19 (aus Aluminium) . Dadurch wird es möglich, die Temperatur in der Reaktionskämmer zu steuern oder, it Hilfe des Signals von der Thermosäule 2, zu regeln. As can be seen from FIG. 1, a heating may additionally be provided in the reaction chamber 3, for example consisting of an annular resistor 18 (polysilicon in the present embodiment) and Supply lines 19 (made of aluminum). This makes it possible to control the temperature in the reaction chamber or, using the signal from the thermopile 2, to control it.

Claims

Ansprüche claims
1. Kalorimeter zur Aufnahme kleiner Flüssigkeitsmengen mit einem Substrat (1), einer auf dem Sub- strat (1) angeordneten Reaktionskammer (3) und einem auf dem Substrat (1) bei der Reaktionskammer (3) angeordneten Temperatursensor, dadurch gekennzeichnet, dass der Temperatursensor eine Thermosäule (2) ist.A calorimeter for receiving small amounts of liquid comprising a substrate (1), a reaction chamber (3) arranged on the substrate (1) and a temperature sensor arranged on the substrate (1) in the reaction chamber (3), characterized in that Temperature sensor is a thermopile (2).
2. Kalorimeter nach Anspruch 1, wobei die Thermosäule (2) eine Mehrzahl von ersten Leiterbahnen (5) aus einem ersten Material und eine Mehrzahl von zweiten Leiterbahnen (6) aus einem zweiten Material aufweist und wobei sich die Leiterbahnen (5, 6) zwischen inneren und äusseren Kontaktpunkten (7, 8) erstrecken, wo jeweils ei- ne erste und eine zweite Leiterbahn (5, 6) miteinander verbunden sind.2. calorimeter according to claim 1, wherein the thermopile (2) comprises a plurality of first conductor tracks (5) made of a first material and a plurality of second conductor tracks (6) made of a second material and wherein the conductor tracks (5, 6) between inner and outer contact points (7, 8) extend, where each one ne first and a second conductor track (5, 6) are interconnected.
3. Kalorimeter nach Anspruch 2, wobei eine Breite der ersten und/oder zweiten Leiterbahnen (5, 6) von den inneren Kontaktpunkten (7) gegen die äusseren Kontaktpunkte (8) zunimmt.3. calorimeter according to claim 2, wherein a width of the first and / or second conductor tracks (5, 6) increases from the inner contact points (7) against the outer contact points (8).
4. Kalorimeter nach Anspruch 3, wobei eine Leitfähigkeit des ersten Materials grösser als eine Leitfähigkeit des zweiten Materials ist, und wobei die Breite der zweiten Leiterbahnen (6) gegen die äusseren Kontakt- punkte (8) hin mehr zunimmt als die Breite der ersten Leiterbahnen (5).4. calorimeter according to claim 3, wherein a conductivity of the first material is greater than a conductivity of the second material, and wherein the width of the second conductor tracks (6) towards the outer contact points (8) toward more increases than the width of the first conductor tracks (5).
5. Kalorimeter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei bei einem Messkammerdurchmesser von rund 1500 μm die ersten Kontaktpunkte auf einem Kreis mit einem Durch- messer zwischen 400 und 800 μm liegen und/oder die Thermoelemente eine Länge zwischen 800 und 2000 μm aufweisen.5. calorimeter according to one of claims 2 to 4, wherein at a measuring chamber diameter of about 1500 microns, the first contact points on a circle with a diameter between 400 and 800 microns and / or the thermocouples have a length between 800 and 2000 microns.
6. Kalorimeter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf dem Substrat (1) eine Wandschicht6. Calorimeter according to one of the preceding claims, wherein on the substrate (1) has a wall layer
(10) angeordnet ist, welche im Bereich der Reaktionskam- mer (3) ausgespart ist und eine Seitewand (9) für die Reaktionskammer (3) bildet, wobei die Wandschicht (10) ein Fotolack ist. (10), which is recessed in the region of the reaction chamber (3) and forms a side wall (9) for the reaction chamber (3), wherein the wall layer (10) is a photoresist.
7. Kalorimeter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Substrat (1) aus Quarzglas ist.7. Calorimeter according to one of the preceding claims, wherein the substrate (1) is made of quartz glass.
8. Kalorimeter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zwischen der Thermosäule (2) und der Re- aktionskammer (3) eine Schutzschicht (12) aus Fotolack angeordnet ist.8. Calorimeter according to one of the preceding claims, wherein between the thermopile (2) and the reaction chamber (3) a protective layer (12) of photoresist is arranged.
9. Kalorimeter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei bei der Reaktionskammer (3) eine Referenzkammer (15) angeordnet ist und wobei das Kalorimeter Mittel (2; 2a, 2b) aufweist, um einen Temperaturunterschied zwischen den beiden Kammern zu messen.9. Calorimeter according to one of the preceding claims, wherein in the reaction chamber (3) a reference chamber (15) is arranged and wherein the calorimeter means (2; 2a, 2b), to measure a temperature difference between the two chambers.
10. Kalorimeter nach Anspruch 9, wobei sich die Thermosäule (2) zwischen der Reaktionskammer (3) und der Referenzkammer (15) erstreckt, um den Temperaturun- terschied zwischen den beiden Kammern zu messen.10. A calorimeter according to claim 9, wherein the thermopile (2) extends between the reaction chamber (3) and the reference chamber (15) to measure the temperature difference between the two chambers.
11. Kalorimeter nach Anspruch 10, wobei die inneren Kontaktpunkte (7) bei der Reaktionskammer (3) und die äusseren Kontaktpunkte (8) bei der Referenzkammer (15) angeordnet sind. 11. A calorimeter according to claim 10, wherein the inner contact points (7) in the reaction chamber (3) and the outer contact points (8) at the reference chamber (15) are arranged.
12. Kalorimeter nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die Referenzkammer (15) ringförmig um die Reaktionskammer (3) angeordnet ist.12. Calorimeter according to one of claims 9 to 11, wherein the reference chamber (15) is arranged annularly around the reaction chamber (3).
13. Kalorimeter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei um die Reaktionskammer (3) mindestens eine Verdunstungskammer (15, 20) zur Aufnahme einer zu verdunstenden Flüssigkeit angeordnet ist.13. Calorimeter according to one of the preceding claims, wherein the reaction chamber (3) at least one evaporation chamber (15, 20) is arranged for receiving a liquid to be evaporated.
14. Kalorimeter nach Anspruch 13, wobei bei der Reaktionskammer (3) eine Referenzkammer (15) angeordnet ist und wobei das Kalorimeter Mittel (2; 2a, 2b) auf- weist, um einen Temperaturunterschied zwischen den beiden Kammern zu messen, und wobei sowohl die Referenzkammer (15) als auch die Reaktionskammer (3) von mindestens einer Verdunstungskammer (20) umgeben sind.14. A calorimeter according to claim 13, wherein a reference chamber (15) is disposed in the reaction chamber (3), and wherein the calorimeter comprises means (2; 2a, 2b) for measuring a temperature difference between the two chambers, and both the reference chamber (15) and the reaction chamber (3) are surrounded by at least one evaporation chamber (20).
15. Kalorimeter nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei auf dem Substrat (1) eine Vielzahl von15. Calorimeter according to one of the preceding claims, wherein on the substrate (1) a plurality of
Reaktionskammern (3) und Thermosäulen (2) in einer zweidimensionalen Matrix angeordnet sind. Reaction chambers (3) and thermopile (2) are arranged in a two-dimensional matrix.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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US5288147A (en) * 1992-11-09 1994-02-22 Ta Instruments, Inc. Thermopile differential thermal analysis sensor
WO2007065648A1 (en) * 2005-12-08 2007-06-14 Universite Du Maine Calorimeter for studying a chemical reaction continuously

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