(57)【要約】  本発明の実施例は、光学磁力計のアレイを含む装置に関する。磁力計は、光源、原子蒸気で満たされたチャンバを有するコンテナ、および原子蒸気の光学的性質を検出することができる受光器を含む。基板および磁力計のアレイは、磁力計が微弱な磁界を検出することができるようにデザインされる。さらに、磁力計は、アレイ内の単数または複数の磁力計を同時に使用して、不均一磁界のような磁界の個別部分を検出することができる。本発明の他の実施例は、光学磁力計のアレイを含む装置を製造する方法、および、装置を使用して磁界を検出する方法を含む。装置および方法は、人間の心臓および脳の生体磁気活動を検出するような医学的診断において使用することができる。
2009518657.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板および前記基板上に配置された光学磁力計のアレイを含む装置であって、前記磁力計の少なくとも１つは、原子蒸気で満たされたチャンバを有するコンテナを含み、前記原子蒸気は、前記チャンバを横切る外部磁界の存在によって変化する光学的性質を有することを特徴とする装置。
【請求項２】
前記装置は、前記チャンバ内の前記原子蒸気に光を送出することができる光源を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記少なくとも１つの磁力計は、前記原子蒸気に光を送出することができる光源を含むことを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項４】
前記装置は、前記原子蒸気の光学的性質を検出することができる受光器を含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項５】
前記少なくとも１つの磁力計は、前記原子蒸気の光学的性質を検出することができる受光器を含むことを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記チャンバの少なくとも１つを横切る振動磁界を生成することができる磁石をさらに含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項７】
前記振動磁界は、前記チャンバ内の前記原子蒸気に送出された前記光に対して約４５°に方向づけられることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記基板は、前記受光器からの信号を処理または分析することができるコンポーネントを含むことを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項９】
前記コンポーネントは、制御器、ディスプレイ、アンプ、マイクロプロセッサ、ＭＥＭＳ、および集積回路のうちの１またはそれ以上を含むことを特徴とする請求項８記載の装置。
【請求項１０】
前記光学磁力計のアレイは、前記基板の表面上に配置されることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１１】
前記光学磁力計のアレイは、人間の胸部上または近傍に配置することができ、また、前記装置は、前記人間の心臓の磁界を検出することができることを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
前記基板の前記表面は、平面、曲面、またはそれらの組合せであり、また、前記磁力計は、人間の胸部の少なくとも一部を覆うことができることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
前記光学磁力計のアレイは、人間の頭部上または近傍に配置することができ、また、前記装置は、前記人間の脳の磁界を検出することができることを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１４】
前記基板の前記表面は、曲面またはヘルメット状の形状を有し、また、前記光学磁力計のアレイは、人間の頭部の少なくとも一部を覆うことができることを特徴とする請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記磁力計の少なくとも一部は、独立して、スカラーまたはベクトル磁力計であることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１６】
前記光学磁力計のアレイは、前記外部磁界の二次元または三次元のマッピングを生成するためにデータを提供することができることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１７】
前記磁力計の少なくとも一部は、ポラライザ、クウォータ・プレート、フィルタ、またはそれらの組合せをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１８】
前記コンテナは、独立して、シリコン、ガラス、ポリマ、またはそれらの組合せを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項１９】
前記コンテナは、シリコンとガラスとの組合せを含むことを特徴とする請求項１８記載の装置。
【請求項２０】
前記コンテナおよび前記チャンバは、独立して、円筒、立方体、または立方体状の形状を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項２１】
前記コンテナは、約０．１ｍｍから約１０ｃｍの全体寸法を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項２２】
前記コンテナは、約１．０ｍｍから約５．０ｃｍの全体寸法を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項２３】
前記チャンバは、約１００（μｍ）３から約１．０（ｃｍ）３の容積を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項２４】
前記チャンバは、約１０００（μｍ）３から約１０（ｍｍ）３の容積を有することを特徴とする請求項２３記載の装置。
【請求項２５】
前記原子蒸気は、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、およびフランシウム（Ｆｒ）、あるいはそれらの組合せを含むことを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項２６】
前記チャンバは、さらに、バッファ・ガスで満たされることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項２７】
前記バッファ・ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、またはそれらの組合せを含むことを特徴とする請求項２６記載の装置。
【請求項２８】
前記光源は、レーザを含むことを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項２９】
前記レーザは、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）であることを特徴とする請求項２８記載の装置。
【請求項３０】
前記光源は、前記原子蒸気に円偏光レーザ・ビームを送出することができることを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項３１】
前記光源は、ビーム・スプリッタを含むことを特徴とする請求項２記載の装置。
【請求項３２】
前記受光器は、フォトダイオードであることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項３３】
前記チャンバの少なくとも一部のそれぞれを横切る外部磁界の存在は、前記チャンバの少なくとも一部のそれぞれの中で、前記原子蒸気の前記光学的性質を変化させることができることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３４】
前記外部磁界は、約１０−１６テスラ（Ｔ）から約１０−９Ｔまでの磁束密度を有することを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３５】
基板を提供する段階と、
前記基板の表面上に光学磁力計のアレイを形成する段階と、
から構成され、
前記磁力計の少なくとも１つは、原子蒸気で満たされたチャンバを有するコンテナを含み、前記原子蒸気は、前記チャンバを横切る外部磁界の存在によって変化する光学的性質を有する、
ことを特徴とする方法。
【請求項３６】
前記装置は、前記チャンバ内の前記原子蒸気に光を送出することができる光源を含むことを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
前記装置は、前記原子蒸気の光学的性質を検出することができる受光器を含むことを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項３８】
前記チャンバの少なくとも１つを横切る振動磁界を生成することができる磁石を提供する段階をさらに含むことを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項３９】
前記振動磁界は、前記チャンバ内の前記原子蒸気に送出された前記光に対して約４５°に方向づけられることを特徴とする請求項３８記載の方法。
【請求項４０】
前記基板は、前記受光器からの信号を処理または分析することができるコンポーネントを含むことを特徴とする請求項３６記載の方法。
【請求項４１】
前記コンポーネントは、制御器、ディスプレイ、アンプ、マイクロプロセッサ、ＭＥＭＳ、および集積回路のうちの１またはそれ以上を含むことを特徴とする請求項４０記載の方法。
【請求項４２】
前記光学磁力計のアレイは、前記基板の表面上に形成されることを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項４３】
前記光学磁力計のアレイは、人間の胸部上または近傍に配置することができ、また、前記装置は、前記人間の心臓の磁界を検出することができることを特徴とする請求項４２記載の方法。
【請求項４４】
前記光学磁力計のアレイは、人間の頭部上または近傍に配置することができ、また、前記装置は、前記人間の脳の磁界を検出することができることを特徴とする請求項４２記載の方法。
【請求項４５】
前記コンテナは、シリコン、ガラス、ポリマ、またはそれらの組合せを含むことを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項４６】
前記コンテナは、シリコンとガラスとの組合せを含むことを特徴とする請求項４５記載の方法。
【請求項４７】
前記コンテナおよび前記チャンバは、独立して、円筒、立方体、または立方体様の形状を有することを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項４８】
前記原子蒸気は、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、およびフランシウム（Ｆｒ）、あるいはそれらの組合せを含むことを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項４９】
前記チャンバは、さらに、バッファ・ガスで満たされることを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項５０】
前記受光器は、フォトダイオードであることを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項５１】
前記チャンバの少なくとも一部のそれぞれを横切る外部磁界の存在は、前記チャンバの少なくとも一部のそれぞれの中で、前記の原子蒸気の前記光学的性質を変化させることができることを特徴とする請求項３５記載の方法。
【請求項５２】
装置を提供する段階であって、前記装置は、基板および前記基板上に配置された光学磁力計のアレイを含む、段階と、
外部磁界内に前記装置を配置する段階と、
前記光学磁力計のアレイの少なくとも一部を同時に使用することによって前記外部磁界を検出する段階と、
から構成されることを特徴とする方法。
【請求項５３】
前記光学磁力計のアレイの少なくとも一部のそれぞれは、
原子蒸気で満たされたコンテナを有するチャンバ、
前記チャンバ内の前記原子蒸気に光を送出することができる光源、および、
前記チャンバの前記原子蒸気の光学的性質を検出することができる受光器、
を含むことを特徴とする請求項５２記載の方法。
【請求項５４】
前記チャンバの少なくとも１つを横切る振動磁界を提供する段階をさらに含むことを特徴とする請求項５３記載の方法。
【請求項５５】
外部磁界内に前記装置を配置する段階は、前記装置の位置および方向を調整する段階を含むことを特徴とする請求項５３記載の方法。
【請求項５６】
前記外部磁界を検出する段階は、別個の磁力計を使用して前記外部磁界の個別部分のそれぞれを検出する段階を含むことを特徴とする請求項５２記載の方法。
【請求項５７】
前記磁力計の少なくとも一部のそれぞれは、独立して、スカラーまたはベクトル磁力計であることを特徴とする請求項５２記載の方法。
【請求項５８】
前記外部磁界の二次元または三次元のマッピングを生成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項５２記載の方法。
【請求項５９】
前記方法は、磁気的に遮蔽された環境内で実行されることを特徴とする請求項５２記載の方法。
【請求項６０】
外部磁界内に前記装置を配置する段階は、人間の胸部上または近傍に前記装置を配置する段階を含むことを特徴とする請求項５２記載の方法。
【請求項６１】
人間の心磁図（ＭＣＧ）を生成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項６０記載の方法。
【請求項６２】
外部磁界内に前記装置を配置する段階は、人間の頭部上または近傍に前記装置を配置する段階を含むことを特徴とする請求項５２記載の方法。
【請求項６３】
人間の脳磁気図（ＭＥＧ）を生成する段階をさらに含むことを特徴とする請求項６２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施例は、光学磁力計のアレイを含む装置、および、当該装置を製造する方法、ならびに、当該装置を用いた磁界の検出に関する。より詳しくは、本実施例は、光学磁力計のアレイを用いて、生体磁界のような微弱および／または不均一な磁界を検出するための装置および方法に関する。本発明は、物理学、工学、材料化学、および医学的診断のようないくつかの科学的学問領域を超越する。
【背景技術】
【０００２】
微弱および／または不均一な磁界の測定は、地球物理学上のマッピング、地下埋蔵物の検出、ナビゲーション、および医学的診断のような多くの用途において、重要または不可欠である。例えば、生体磁気活動、または生体内の磁界の測定は、疾病の発見および治療においてますます重要になってきている。心臓および脳の磁気活動は、しばしばピコまたはフェムト・テスラ（ｐＴまたはｆＴ）というスケールで、人間の健康に関する大量かつ重要な情報をもたらす。しかしながら、生体磁気活動は、微弱であり、かつ人体上または人体周辺で独特な分布をしているために、測定および／または分析が難しい。
【０００３】
超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ: superconducting quantum interference device）は、生体磁気活動を測定するために使用されてきた。ＳＱＵＩＤは、薄い絶縁層によって分離された２つの超伝導材料から成り、２つの並列のジョセフソン接合を形成する。この素子は、生体磁界のような微弱な磁界を検出するために、磁力計として形成される。例えば、ＳＱＵＩＤは、人間用の心磁図（ＭＣＧ）および脳磁気図（ＭＥＧ）を生成するために使用されてきた。ＳＱＵＩＤはまた、ネズミのナビゲーション能力が体内コンパスに起因すると考えるのに十分な磁気が存在するか否かをテストするために、ネズミの脳内の磁界を測定するためにも使用されてきた。しかしながら、ＳＱＵＩＤは、その適用にあたって、少なくとも２つの欠点を有する。すなわち、使用している間は極低温冷却を要するのみならず、サイズが大きく、それによって様々な状況下で使用することが不便もしくは不可能になっている。光学磁力計は、生体磁気活動を含む微弱な磁界を測定し分析する際に、ＳＱＵＩＤに代わるものとしてますます探求されている。
【発明の開示】
【０００４】
本発明の実施例は、磁界を検出するための装置に関する。この装置は、基板に配置された光学磁力計のアレイを含む。各磁力計は、原子蒸気を満たしたチャンバを有する容器、チャンバ内の原子蒸気に光を送出することができる光源、および、チャンバ内の原子蒸気の光学的性質を検出することができる受光器を含む。この装置が外部磁界内に配置されたとき、原子蒸気の光学的性質が変化し、受光器によって検出される。
【０００５】
本発明の他の実施例は、磁界を検出するための装置を製造する方法に関する。この方法は、基板を提供すること、および、基板表面上に光学磁力計のアレイを作成することを含む。本実施例によれば、各光学磁力計は、原子蒸気を満たしたチャンバを有する容器、チャンバ内の原子蒸気に光を送出することができる光源、および、チャンバ内の原子蒸気の光学的性質を検出することができる受光器を含む。
【０００６】
本発明の第３の実施例は、磁界を検出する方法に関する。この方法は、基板および基板上に配置された光学磁力計のアレイを含む装置を提供すること、外部磁界内にその装置を配置すること、および、光学磁力計のアレイの少なくとも一部を同時に使用することにより、外部磁界を検出することを含む。
【０００７】
本明細書および請求項において使用されるように、単数形を示す「ある(a, an)」および「その(the)」は、その文脈で明白に示されている場合を除き、複数の意味を含む。例えば、用語「ある光学磁力計(an optical magnetometer)」は、その文脈で明白に示されている場合を除き、複数の光学磁力計を含むことがある。
【０００８】
「光学磁力計」は磁力計、あるいは、磁界を検出および／または測定するための装置であり、常磁性の原子の光学的および磁気的性質を検出および／または測定するために利用される。光学磁力計は、特に光ポンプ磁力計（ＯＰＭ:optically pumped magnetometer）を含み、そこで、アルカリ金属原子のような常磁性の原子は、光子を受け取り、上位エネルギー準位へジャンプする、または「励起」される。光子は、通常、レーザのような光子エミッタにより提供される。密閉された環境内のこのような原子の全てが十分な光子を受け取ったとき、原子はそれ以上光子を吸収せず、比較的安定した、あるいは較正された状態に達するであろう。光子は、密閉した環境内の原子を通り抜け、原子の別の光学的性質が光子エミッタの反対側の受光器によって検出および／または測定される。較正された原子が外部磁界に置かれたとき、原子のエネルギー準位の変化が受光器によって検出され、そして磁界が検出および／または測定される。光学磁力計は、スカラー磁力計またはベクトル磁力計である。スカラー磁力計は、それが受けている磁界の総強度を測定し、一方、ベクトル磁力計は、特定方向内の磁界の成分を測定することができ、それによって、磁界の強度、傾斜、および偏角をユニークに定義することができる。
【０００９】
本発明の実施例中で使用されるように、「〜と関連する(associated with)」または「〜に関連して(in association with)」とは、２またはそれ以上の物が、要望される結果または成果が達成されるほどの状態に置かれていることを意味する。例えば、光学磁力計において、光源、容器、および受光器が光学磁力計の基本機能を行なうために連携するとき、３つのコンポーネントは互いに「関連(associated)」している。換言すれば、光源は容器内へ光子を放射し、受光器は、コンテナ内の原子蒸気の光学的性質を検出する。ここで記述されるように、光学磁力計を設計し、または、光源、容器、および受光器を関連させるとき、光源の強度のタイプ、原子蒸気のタイプ、および受光器のタイプを含む多くの要因が考慮されるであろう。ここに示されるように、光源、コンテナ、および受光器の特定の位置および方向は、当業者が要望する特定の分析に基づいて決定されるであろう。
【００１０】
ここに使用されるように、「寸法(dimension, dimensions)」は、物体の高さ、幅、および長さのような、形状および／またはサイズを定義するために必要なパラメータまたは測定値である。ここに使用されるように、長方形、多角形、あるいは円のような二次元のオブジェクトの寸法は、オブジェクト上の任意の２点間における最長の直線距離である。したがって、円の寸法はその直径であり、長方形はその対角線であり、多角形はその最長の対角線である。三次元のオブジェクトの寸法は、オブジェクト上の任意の２点間における最長の直線距離である。例えば、光学磁力計内の立方体のコンテナの寸法は、その対向する２つの頂点間の距離である。ここで使用される寸法は、通常、センチメートル（ｃｍ）、ミリメートル（ｍｍ）、マイクロメートル（μｍ）、およびナノメートル（ｎｍ）によって測定される。
【００１１】
「アレイ(array)」、「マクロアレイ(macroarray)」、または「マイクロアレイ(microarray)」は、分子、開口、マイクロコイル、検出器および／またはセンサ（例えば磁力計）のような物質の、意図的に形成された集合体(collection)であり、ガラス、プラスチック、シリコン・チップ、あるいは他の基板のような固い表面に接着または組み立てられてアレイを形成する。アレイは、多くの反応または化合の発現レベルを同時に測定するために使用することができる。アレイ内の物質は、互いに同一であってもよく、相違してもよい。アレイは、様々なフォーマット、例えば可溶性分子のライブラリ、樹脂ビーズ、珪酸チップ、あるいは他の固体の支持物に拘束された化合物のライブラリを想定することができる。アレイは、アレイ上のパッドのサイズに依存して、マクロアレイまたはマイクロアレイのいずれでもよい。マクロアレイは、一般に約３００ミクロンまたはそれより大きいパッド・サイズを含み、ゲルおよびブロットのスキャナによって容易にイメージすることができる。マイクロアレイは、一般に３００ミクロンより小さいパッド・サイズを含むであろう。
【００１２】
光学磁力計のアレイは、シリコン、ガラス、または重合体基板のような基板上で組み立てられた光学磁力計の集合体である。各光学磁力計は、他の要素と関連し、対応し、あるいは接続され、それによって、磁力計によって検出された信号が、さらに処理または分析される。要素は、基板内に集積されてもよく、あるいは外部ソースによって提供されてもよい。光学磁力計のアレイは、各光学磁力計の位置を精密に較正するように整列しているので、従って光学磁力計によって検出される磁界の輪郭が描かれる。さらに、多くの生体磁気活動におけるように、磁界が均一に分布していない場合でも、各光学磁力計の微小なサイズおよびアレイ（配列）の工夫によって、単一の光学磁力計が受ける磁界は比較的均一となる。したがって、光学磁力計のアレイは、磁界の個々の部分を正確に検出できると同時に、磁界全体の正確なプロファイル（輪郭）を提供することができる。
【００１３】
「基板」とは、その上またはその中で、予め決められた方法に従って、他の材料または追加の材料が形成され、接着されあるいは連携される、材料あるいは材料の組合せを称する。基板は、しばしば、他の材料または追加の材料に物理的かつ機能的な支持を提供し、それによって、共に、それらは機能装置の全体または部分を形成する。基板は、２またはそれ以上の他の基板の組合せであってもよく、それは、組み合わせることにより、同一視することができる新たな基板になる。本発明の実施例では、基板は、シリコン、ガラス、金属、あるいは高分子材料を含んでもよい。より特定された実施例では、基板は、集積回路ダイのような集積材料を含む。
【００１４】
「ソリッド・サポート(solid support)」および「サポート(support)」とは、硬質または半硬質の表面を有する、材料または材料の集合体を称する。いくつかの観点では、少なくとも１つのソリッド・サポートの表面はほぼ水平になるが、いくつかの観点では、例えば、ウエル、隆起領域、ピン、エッチングされた溝等を用いて、異なる分子のための合成領域を物理的に分離することが望ましい。ある観点では、ソリッド・サポートは、ビーズ、樹脂、ゲル、マイクロスフィア、または他の幾何学図形の形状をとるであろう。
【００１５】
ここで使用されるように、「磁気の(magnetic)」、「磁気作用(magnetic effect)」、および「磁気(magnetism)」とは、ある材料が他の材料に対して引力または斥力を及ぼす現象を称する。理論上、全ての材料は磁気作用によってある角度から他の角度まで影響を受けるが、当業者は、磁気作用あるいは磁気は、単に特定の状況下でそれを探知可能にするために認識されると理解するであろう。
【００１６】
ここで使用されるように、「永久磁石」とは、外部からの影響に依存することなく、磁界を有する材料である。それらの不対電子のスピンにより、いくつかの金属は、それらが鉱石として自然の状態で発見されたときに磁気を帯びている。これには、鉄鉱石（磁鉄鉱または天然磁石）、コバルト、およびニッケルが含まれる。「常磁性体」とは、磁界内に置かれたとき、通常の磁石のように吸引および反発する材料を称する。常磁性体には、アルミニウム、バリウム、プラチナ、およびマグネシウムが含まれる。「強磁性体」は、自発磁化を示す材料である。強磁性は磁気の最も強い形態の１つであり、すべての永久磁石の基礎である。強磁性体には、鉄、ニッケル、およびコバルトが含まれる。「超常磁性体」は、キュリーまたはネール温度より低い温度で、常磁性体の振舞いに似た振舞いを示す磁性材料である。
【００１７】
「電磁石」は、磁界が電流の流れによって生成される磁石の一種である。電流がなくなると磁界は消失する。単純なタイプの電磁石は、電気的に接続されたコイル状の電線である。電磁石の利点は、電流を制御することにより、より広い範囲ですばやく磁界を操作することができることである。本発明の実施例では、強磁性体または非磁性体が電磁石を形成するために使用される。
【００１８】
「マイクロコイル」は、少なくともマイクロメートル（μｍ）または１０−３メートル（ｍｍ）よりも小さい寸法を有するコイル、あるいは１またはそれ以上の接続されたループである。マイクロコイルは、通常、芯または仮想芯の周囲に、渦巻き状、螺旋状、または他の形状に巻回または集積された細い材料から成る。マイクロコイルは、通常、画定された振動磁界を生成するために使用される。マイクロコイルは、材料自体、巻線の形状、および各巻線間の距離によって画定される。ソレノイド型のマイクロコイルは、多数の巻線ループであり、それが金属芯を取り巻く場合と取り巻かない場合がある。ソレノイド型のマイクロコイルは、それを通って電流が流れたときに磁界を生成し、抑制された磁界を形成することができる。ソレノイド型のマイクロコイル、予め決められた大きさのスペース内で一定の磁界を生成することができる。「平面」マイクロコイルは、現実または想像上の平面内にほぼ留まった巻線を有するマイクロコイルである。
【００１９】
用語「チップ」あるいは「マイクロチップ」とは、ある機能を実行するための要素を含む小型装置または基板を称する。チップは、シリコン、ガラス、金属、ポリマ、またはそれらの組合せから形成された基板を含み、マイクロアレイ、マクロアレイ、マイクロ流体装置、ＭＥＭＳ、および／または、集積回路として機能することが可能である。チップは、半導体材料で作られた超小型電子装置であり、１またはそれ以上の集積回路または１またはそれ以上の装置を有する。「チップ」または「マイクロチップ」は、典型的には、ウエハの断片であり、ウエハをスライスすることによって作られる。「チップ」または「マイクロチップ」は、単一の薄い長方形のシリコン、サファイア、ゲルマニウム、窒化ケイ素、シリコン・ゲルマニウム、または他の半導体材料の上に、多くの小型トランジスタおよび他の電子要素を含む。マイクロチップは、何ダース、何百、あるいは何百万個もの電子要素を含むことができる。本発明の実施例では、ここで述べられるように、マイクロチャンネル、マイクロ流体装置、および磁気トンネル接合センサも、マイクロチップに集積することができる。
【００２０】
「微小電子機械システム（ＭＥＭＳ: Micro-Electro-Mechanical Systems）」は、微細加工技術によって共通のシリコン基板上に機械的要素、センサ、アクチュエータ、および電子装置を集積したものである。電子装置が、集積回路（ＩＣ）プロセス・シーケンス（例えばＣＭＯＳ、バイポーラ、またはＢＩＣＭＯＳプロセス）を用いて組み立てられる一方で、微小機械要素は、シリコン・ウエハの一部を選択的にエッチングするか、または、新しい構造層を加えて機械的・電気機械的装置を形成するといった互換性のある「マイクロマシン加工」プロセスを用いて組み立てることができるであろう。微小電子集積回路は、システムの「頭脳」であると考えることができ、ＭＥＭＳは「目」および「腕」によってこの意思決定能力を増大させ、これによって、マイクロシステムが、環境を感知し、制御することを可能にする。センサは、機械的、熱的、生物的、化学的、光学的、および磁気的現象を測定することによって、環境から情報を収集する。その後、電子装置は、センサから送られた情報を処理し、いくつかの意志決定機能を介して、アクチュエータに、移動、位置決め、調整、吸入排出、および濾過によって応答することを命令し、それによって、ある望ましい結果または目的のために環境を制御する。ＭＥＭＳ装置は、集積回路のために使用されるバッチ組立技術に類似するバッチ組立技術を用いて製造されるので、先例がないレベルの機能性、信頼性、および洗練性を有する小さなシリコン・チップを、比較的低価格で実現することができる。本発明の実施例では、ここで述べるように、ＭＥＭＳ装置は、さらに、マイクロチャンネル、マイクロ流体装置、および／または磁気トンネル接合センサを集積し、それらが連携して、生物セルおよび生体分子の分離および検出機能を実行する。
【００２１】
「マイクロプロセッサ」は、集積回路（ＩＣ）チップ上のプロセッサである。プロセッサは、１またはそれ以上のＩＣチップ上の１またはそれ以上のプロセッサである。チップは、典型的には、何千もの電子要素を有するシリコン・チップであり、コンピュータあるいはコンピューティング装置の中央処理装置（ＣＰＵ）としての役割を果たす。
【００２２】
ここで使用される「ナノ材料」とは、約１〜１０００ナノメートル（ｎｍ）の範囲の長さで、原子、分子、高分子レベルの寸法を有する構造、装置、またはシステムを称する。好ましくは、ナノ材料は、そのサイズ故に特性および機能を有し、原子レベルで操作および制御することができる。
【００２３】
本発明の１つの実施例は、光学磁力計のアレイを使用して、磁界の検出および測定をするための装置に関する。装置は、基板および基板に配置された光学磁力計のアレイを含む。実施例によれば、少なくとも磁力計の１つは、原子蒸気を満たしたチャンバを有する容器を含み、原子蒸気は、チャンバを横切る外部磁界の存在によって変化するという光学的性質を有する。
【００２４】
一実施例では、装置は、チャンバ内の原子蒸気に光を送出することができる光源をさらに含む。特に、光源は、磁力計に含まれてもよい。また、装置は、原子蒸気の光学的性質を検出することができる受光器をさらに含んでもよい。特に、受光器は磁力計に含まれてもよい。外部磁界、すなわち測定される磁界は、光の方向に対して、互いに平行から４５°まで、または垂直まで、異なる角度に合わせることができる。特定の実施例では、外部磁界は光と平行である。
【００２５】
このように、本発明の実施例は、光ポンプ磁力計のアレイを含む装置を包含する。ここで示されるように、光ポンプ磁力計は、例えばレーザからの電離化光ビームを使用して、外部磁力に対するそれらの反応を観察する目的のために、サンプル体内の特定グループの原子からのいくつかの要素の１つを操作する。任意の１つの原子、通常はアルカリ金属、の核を操作および観察することによって、磁力で測定することができる。
【００２６】
アルカリ金属は、ある外部の力に非常に反応し、例えば光子あるいは電離化光エネルギーが加えられたとき、電子を容易に放出する。電子を外部の軌道へ励起する目的のために、光から一定のエネルギーを加えることを意味する用語が、「光ポンプ(optically pumped)」である。しかしながら、磁力は、電子を放出したアルカリ金属に安定効果を有し、放出したあらゆる電子をその安定した中立状態に取り戻そうとする傾向があり、それによって、電離化光エネルギーまたは光ポンプエネルギーを打ち消す。光放射によって実証されるように、電子の移動およびエネルギー準位における関連する変化は、充填された原子蒸気内で観察および測定することができる。例えば、より強い磁界は、より弱い磁界よりも速い速度で電子を安定させるであろう。電子がその外部軌道から追放されたときに獲得したエネルギーは、磁力のような反発エネルギーによってその中立状態に引き戻されたときに消失する。アルカリガス体内のエネルギーの得失を観察することによって、磁界強度を均衡して関連づけることができる。
【００２７】
本発明、すなわち光学磁力計、より明確には、光ポンプ磁力計の実施例では、セシウムまたはカリウムのようなアルカリ蒸気がチャンバを有する容器内に封止され、電離化光が、時には様々な光フィルタを通して、その中へ放出または「ポンプ」される。電離化光は、チャンバ内で分子にエネルギーを与え、個々の電子の外部軌道から電子を放出する。チャンバに近い外部磁界は、電子をそれらの安定状態に押し戻す。このプロセス中に、安定状態へ引き下がる電子によるエネルギー損が発散され、光のスパークとして放出される。受光器は、光強度を測定する装置であり、チャンバの他端で、放出された光の量を測定する。より大きい光強度は、強い磁界が電子をサンプル体内の正常状態に素早く押し戻すことを意味する。より弱い磁界は、同程度の速さで電子を正常に戻すことはないので、サンプル体内に生成する光は少ない。電子が正常に戻る率は磁界強度に比例し、したがって測定可能な値を提供する。
【００２８】
一実施例では、装置はさらに、チャンバを横切る振動磁界を生成することができる磁石を含む。特定の実施例では、磁石は、マイクロコイルの形状をしたような電磁石であり、振動磁界を生成することができる。ここに記述されるように、原子が回転するとき、磁気モーメントは原子に関係する。もし、他の振動する磁界が存在する場合は、原子のスピンは歳差運動をするかもしれない。この歳差は、振動磁界を使用して、原子の磁気共鳴効果を生成することにより、光学磁力計の感度を増強する。振動磁界、外部磁界、およびチャンバに入出する光の方向は、より敏感かつ／または正確な結果を達成するために、特定の用途および設計に従った様々な方法にアレンジすることができる。例えば、ある状況では、振動磁界は、外部磁界または測定される磁界に対して垂直に方向づけられる。この方向において、両方の磁界は、チャンバ内に送られる光の方向に対して約４５°の角度に方向づけられる。したがって、本発明の特定の実施例では、振動磁界は、チャンバ内の原子蒸気に送られた光に対して約４５°に方向づけられる。
【００２９】
本発明の他の実施例では、基板は、受光器からの信号を処理または分析できるコンポーネントを含む。さらに、コンポーネントは、１またはそれ以上の制御装置、ディスプレイ、アンプ、マイクロプロセッサ、ＭＥＭＳ、および集積回路を含む。実施例によれば、基板は、磁力計のアレイのために支持およびプラットフォームを提供するだけでなく、光学磁力計の機能を促進し、かつ磁力計によって検出されかつ収集されたデータを処理するために必要な電気的および／または機械的コンポーネントを提供する。この点において、基板は、機能を実行するためにシリコンおよび／またはガラスをベースとした集積回路を含む。  
シリコンは、微小電子機器または他のＭＥＭＳに結合された光学磁力計を形成し、および／または、装着するのに適切な材料である。それは、さらに、優れた剛性を有し、適切な硬さのマイクロ構造を形成することができるので、寸法の安定性に有用である。本発明の特定の実施例では、基板は、集積回路（ＩＣ）、パッケージ化された集積回路、および／または、集積回路ダイを含む。例えば、基板は、マイクロプロセッサ、ネットワーク・プロセッサ、または他の演算処理装置を含む、パッケージ化された集積回路である。基板は、例えば、Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｃｏｌｌａｐｓｅ  Ｃｈｉｐ  Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ（あるいは「Ｃ４」）組立技術を用いて構築され、ここで、複数のリードまたはボンド・パッドは、接続要素（例えば、ハンダ・バンプ、コラム）のアレイによって内部的に電気的に接続される。
【００３０】
さらに、基板として特に有用な材料は、ポリスチレン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ガラス、化学機能ガラス、ポリマ被覆ガラス、ニトロセルロース被覆ガラス、非被覆ガラス、水晶、天然ヒドロゲル、合成ヒドロゲル、プラスチック、金属、およびセラミックスを含むが、これらに制限されない。基板は、医学的診断を行なうために現在使用されるあらゆるプラットフォームまたは装置を含む。したがって、基板は、マイクロアレイまたはマクロアレイ、マルチウエル・プレート、マイクロ流体装置、またはそれらの組合せを含む。
【００３１】
他の具体例では、基板は、受光器によって検出された信号を、増幅し、処理し、および／または分析することができる回路を含む。あらゆる適切な従来型回路も、信号を増幅し、および／またはフィルタを含む処理をするために基板に使用され、集積される。集積回路は、独立して、あるいは磁界のプロファイルまたはマップを生成するための外部装置に接続されて、プロファイルまたはマップを生成することができる。
【００３２】
本発明の他の実施例によれば、磁力計は、スカラーまたはベクトル磁力計である。ここに示されるように、スカラー磁力計は、それが晒される磁界の総強度を測定し、一方、ベクトル磁力計は、特定方向における磁界の成分を測定する能力を有する。他の具体例では、装置上の光学磁力計のアレイは、外部磁界の二次元または三次元のマッピングを生成するためのデータを提供することができる。
【００３３】
本発明の一実施例では、光学磁力計のアレイは、基板の表面上に配置される。この実施例によれば、光学磁力計のアレイは、予め決められた方法によりそれ自体が表面を形成する。本実施例によって、装置は、人体の輪郭に従って光学磁力計のアレイを整列させることにより、人間の心臓および脳の磁気活動のような生体活動の検出および測定に使用することが可能になる。
【００３４】
一実施例では、光学磁力計のアレイは、人間の胸部の上または近傍に配置することができ、その装置は人間の心臓の磁界を検出することができる。さらに、基板の表面は、平面、曲面、またはその組合せであり、磁力計は人間の胸部の少なくとも一部をカバーすることが可能である。したがって、本実施例によれば、基板および光学磁力計のアレイは、磁力計が人間の胸部全体または一部をぴったりとカバーすることができるようにデザインされている。本実施例により、心臓の磁気活動を、より敏感に、より一貫して、より正確に検出および測定することが可能になる。
【００３５】
他の実施例では、光学磁力計のアレイは、人間の頭部の上または近傍に配置することができ、その装置は人間の脳の磁界を検出することができる。さらに、基板の表面は、曲面またはヘルメット状の形状を有し、磁力計は人間の頭の少なくとも一部をカバーすることが可能である。したがって、本実施例によれば、基板および光学磁力計のアレイは、磁力計が人間の頭部全体または一部をぴったりとカバーすることができるようにデザインされている。本実施例により、脳の磁気活動を、より敏感に、より一貫して、より正確に検出および測定することが可能になる。
【００３６】
本発明の実施例では、光学磁力計は、磁力計の機能、および磁界の検出および測定を促進および／または増強するコンポーネントをさらに含む。したがって、アレイ内の光学磁力計の少なくとも一部は、ポラライザ、クウォータ・プレート、フィルタ、またはそれらの組合せを含む。これらのコンポーネントは、チャンバ内に入る前に光源からの光を準備することを助けるので、特定の状況下における原子蒸気の適切な「ポンピング」を行なうことが可能になる。
【００３７】
本発明の一実施例では、コンテナは、シリコン、ガラス、ポリマ、またはそれらの組合せから成る。例えば、コンテナは、シリコンとグラスの組合せから成る。他の実施例では、コンテナおよびチャンバは、独立して、円筒状、立方体、または立方体様の形状を有する。コンテナは、約０．１ｍｍから約１０ｃｍまでの全体寸法、より詳しくは、約１．０ｍｍから約５．０ｃｍまでの全体寸法を有する。同時に、チャンバは、約１００（μｍ）３から約１．０（ｃｍ）３までの容量、より詳しくは、約１０００（μｍ）３から約１０（ｍｍ）３の容量を有する。
【００３８】
コンテナおよびチャンバは、光学磁力計における重要なコンポーネントである。コンテナおよびチャンバに対する材料および設計は、ここに開示された技術または従来技術に従って選択され作られる。一実施例によれば、シリコンおよびガラスの組合せが、コンテナおよびチャンバを製作するために用いられる。ガラスは、チャンバへの光の入出を可能にし、また、シリコンは、コンテナの容易な組み立て、およびコンテナを他のコンポーネントおよび装置に集積することを可能にする。コンテナおよびチャンバは、円筒状、立方体、または立方形様の形状を有することが多いが、特定の状況下では他の形状および輪郭も機能を助長することができる。さらに、チャンバの形状は、設計上必要であれば、チャンバの形状から独立させることができる。本発明の実施例によれば、コンテナおよびチャンバは幅広いサイズを有するが、光学磁力計のアレイを含む装置を製作するためには、小型化されたコンテナがより適切である。
【００３９】
本発明の実施例では、様々な材料がチャンバ内の原子蒸気として用いられる。一実施例によれば、チャンバ内の原子蒸気は、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、および、フランシウム（Ｆｒ）、またはそれらの組合せを含む。他の実施例によれば、チャンバもバッファ・ガスで満たされる。バッファ・ガスは、窒素、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノン、ラドン、またはそれらの組合せを含む。
【００４０】
原子蒸気およびバッファ・ガスは、ここに開示された方法に従ってチャンバに充填される。蒸気の量は、光学磁力計の特定の要求によって決定され、また、その蒸気は、チャンバの温度を制御することにより制御される。例えば、特定の抵抗線が、コンテナの外部周囲に巻かれたヒータを形成するために使用されてもよい。ヒータがこのように形成されるという事実にもかかわらず、測定される磁界が相殺されることを防ぐために、それは、なおもＡＣ波形で運転されなければならない。チャンバの温度はサーミスタによって監視されるので、それを調整することができる。
【００４１】
バッファ・ガスは、一部分が、蒸気中で原子が速く移動しすぎないようにするために使用される。チャンバの壁に衝突するあらゆる原子は、その状態をランダム化し、信号に相乗することはないであろう。極性の検知が反対にされる場合、チャンバの一方側から他方側まで横切るあらゆるものは、実際には信号から減じられるであろう。そのような環境において、バッファ・ガスは、通常は不活性ガスが必要である。
【００４２】
本発明の一実施例によれば、光源はレーザを含む。レーザは、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ:vertical-cavity surface-emitting laser）、活性周波数安定化ダイオード・レーザ、または他のタイプのレーザである。一実施例では、光源は、円偏光レーザ・ビームを原子蒸気に送ることが可能である。他の実施例では、光源はビーム・スプリッタを含む。光学磁力計内で使用される受光器は、フォトダイオードである。
【００４３】
本発明の実施例によれば、光学磁力計の光源は、レーザ・ランプのような光源またはソースからの光のいずれであってもよく、それは磁力計の外部または内部にある。例えば、磁力計は、それ自体がレーザ・ソースであるか、または、例えばスプリッタによって、レーザ・ビームを多くの他の磁力計と共有する。後者の場合、単一のレーザ・ソースは、光学磁力計のアレイの一部または全部に光を供給する。
【００４４】
本発明の一実施例によれば、１つの軌道から次の軌道へ電子を移動させるために必要とされる光は、特定の原子に必要とされるエネルギーに対応する周波数を有するべきである。本実施例によれば、アルカリ金属放電ランプが光源として使用される。ランプは、フィルタで除去されるべき望ましくない他の光と共に望ましい光を生成する。アルカリ金属は化学的に反応し、ランプ内部に電極を使用することができないので、ランプは誘導的に動力が供給される。ランプは、特定のアプリケーションのために決定された周波数で運転される誘導コイルによって包囲される。
【００４５】
ここで使用されるように、レーザは、コヒーレント・ビーム内で光子を放出する光学的なソースである。レーザ光線は、典型的には、ほぼ単色、すなわち単一の波長または色相から成り、狭いビーム内で放出される。これは、通常波長の広いスペクトル上で、ほぼ全方向にインコヒーレントな光子を放出する、白熱電球のような一般的な光源と対照的である。光は電磁波である。すべての電磁波において、伝播方向に対して直角に静電気ベクトルがある。直線偏光において、このベクトルは、光の進行に伴って、正方向に垂直に伸び、そして、０まで縮み、負方向に伸びると考えることができる。円偏光において、このベクトルの長さは一定であるが、その進行に伴って、ねじのねじ山のように回転する。
【００４６】
その伝播に伴ってフィールドが回転する方向に依存して、２つのタイプの回転偏光、すなわち左回りと右回りがある。光源からのレーザの光子が、正確に正しいエネルギー量を有する場合、チャンバ内の原子の電子は、それを吸収することができ、より高い軌道へ電子を移動させる。円偏光レーザ・ビームでは、これは、電子のスピンの方向が極性化の方向と一致する場合に、よりよく働く。円偏光レーザ・ビームがチャンバへ送出される場合、偏光の方向と一致するスピンを有する電子は光を吸収し、より高い軌道へ跳ね上げられるであろう。しかしながら、このより高い軌道内にあるとき、電子は安定しておらず、光としてのエネルギーを放出して直ちに衰弱するか、または再び落下し、それらのスピンの方向は、そのプロセスにおいてランダム化される。電子が落下するときに放出する光は、吸収された光のパスには整列しない。この理由により、チャンバを通過する光は、電子がそれを吸収することによって、わずかに暗くなるであろう。電子が落下するとき電子のスピン軸がランダムであるため、それが整列する可能性があり、その結果、光が再びより高い軌道へ跳ね上がることはできない。時間とともに、すべての電子は、最後には、それらが光を吸収できないような方法で、それらのスピン軸落ち着くであろう。これが生じたとき、光は吸収セルを通過して受光器に衝突し、それが光学事象を検出および／または測定する。
【００４７】
本発明の実施例によれば、光学磁力計からのデータは、３通りの方法の１つで収集することができる。１つの方法は、装置が磁界を通って移動するにつれて、データ値のみがコントロールパネルのような装置上に示される探索モードでデータを取得する方法であるが、しかし位置データは記録されない。他の方法は、オペレータが記録されるべき表示を望むたびに自動的に進む連続番号システムを使用してデータを収集する。増加する数値のそれぞれをいくつかのタイプの位置に結び付けることができる場合に、この方法は最も功を奏する。残りの方法は、調査される磁界の領域上に線および位置を有するグリッド・システムを設ける方法である。線は、グリッド座標システムと一致するように光学磁力計にプリプログラムされ、また、位置は、各線の終端で記録された一定のデータを開始および終了することによって取得される。内部プログラムは、グリッド座標を各データの位置ポイントへ自動的に記入するために使用される。このデータ収集方法は、一定の動きのペースが各線の開始と終了との間で維持されることを要求または仮定する。
【００４８】
本発明の一実施例では、各チャンバの少なくとも一部を横切る外部磁界の存在は、各チャンバ内の少なくとも一部の原子蒸気の光学的性質を変化させる。実施例によれば、装置は、光学磁力計のアレイの一部または全部を同時に使用して、外部磁界を測定することができる。本実施例は、外部磁界が一様に分布していないか、または別個の領域を含む状況において有用である。本実施例では、特に、各光学磁力計が十分に小さく、それゆえ個々の磁力計が受ける磁界がほぼ一定である場合に、装置は外部磁界のより詳細なプロファイルを検出することができる。
【００４９】
他の実施例では、外部磁界は、約１０−１６テスラ（Ｔ）から約１０−９Ｔの磁束密度を有する。本実施例は、装置が、生体磁界（例えば、人間の心臓および脳に見られる磁界）のような非常に弱い磁界を測定することを可能にする。ここに開示されるように、本装置は、そのような測定をするために磁力計を人間の胸部または頭部に密着できるような方法で設計される。
【００５０】
図１は、光学磁力計のアレイが単一の装置内で使用される場合の本発明の実施例を示す。図示のように、本装置は光学磁力計（図では４個が示される）のアレイを含む。各磁力計は、特定のデザインに依存して、互いに同一または相違する。磁力計は、各磁力計に光を割り当てるビーム・スプリッタを具備する単一のレーザ・ソースを使用する。本装置は、さらに、受光器（図示せず）を含む測定および制御システムを含み、それによって、装置のアプリケーション、および磁力計によって収集されたデータの処理および／または分析を促進する。
【００５１】
図２は、本発明の一実施例に従った光学磁力計のより詳細な図を示す。図示のように、光学磁力計はポラライザ、クオータ・ウエーブ・プレート、原子蒸気セルまたはコンテナ、およびフォトダイオードを含む。ポラライザおよびクオータ・ウエーブ・プレートは、光が原子蒸気コンテナに入射する前に、レーザ・ソースからの光を準備することを助ける。フォトダイオードは、コンテナが外部磁界内に浸されている間および前後に、原子蒸気コンテナからの光信号を検出する。フォトダイオードは、光信号を電気信号に変えるが、それは、さらなる処理および分析のために出力される。
【００５２】
図３は、本発明の他の実施例を示し、ここでは、光学磁力計のアレイを含む装置が、人間の脳の磁界を検出するために使用される。図示のように、基板の表面は、ヘルメット状のカーブを形成するように作成される。光学磁力計のアレイが表面上に形成される。磁力計は、頭部の少なくとも一部をカバーし、比較的一定の方法で頭部と接近する関係を有する。装置は、脳の磁界のプロファイルを構築するためにデータを生成することができる。
【００５３】
本発明の他の実施例は、光学磁力計のアレイを含む装置を作成する方法に関する。本方法は、基板を提供し、基板の表面上に光学磁力計のアレイを形成することを含む。本実施例によれば、光学磁力計の少なくとも１つは、チャンバを原子蒸気で満たされたコンテナを含み、原子蒸気は、チャンバを横切る外部磁界の存在によって変更することができる光学的性質を有する。
【００５４】
本実施例では、装置は、さらに、チャンバ内の原子蒸気に光を送出することができる光源を含む。より詳しくは、光源は磁力計に含まれる。さらに、装置は、原子蒸気の光学的性質を検出することができる受光器を含む。より詳しくは、受光器は磁力計に含まれる。
一実施例では、装置は、さらに、チャンバの少なくとも１つを横切る振動磁界を生成することができる磁石を含む。特定の実施例では、振動磁界は、チャンバ内の原子蒸気に送出された光に対して約４５°に方向づけられる。特定の実施例では、磁石は、振動磁界を生成可能な、例えばマイクロコイルの形状をした電磁石である。磁石は、基板上あるいは光学磁力計自体に形成される。
【００５５】
本発明の他の実施例では、基板は、受光器からの信号を処理または分析できるコンポーネントを含む。さらに、コンポーネントは、１またはそれ以上の制御装置、ディスプレイ、アンプ、マイクロプロセッサ、ＭＥＭＳ、および集積回路を含む。実施例によれば、基板は、磁力計のアレイのために支持およびプラットフォームを提供するだけでなく、光学磁力計の機能を促進し、かつ磁力計によって検出されかつ収集されたデータを処理するために必要な電気的および／または機械的コンポーネントを提供する。この点において、基板は、機能を実行するためにシリコンおよび／またはガラスをベースとした集積回路を含む。  
シリコンは、微小電子機器または他のＭＥＭＳに結合された光学磁力計を形成し、および／または、装着するのに適切な材料である。それは、さらに、優れた剛性を有し、適切な硬さのマイクロ構造を形成することができるので、寸法の安定性に有用である。本発明の特定の実施例では、基板は、集積回路（ＩＣ）、パッケージ化された集積回路、および／または集積回路ダイを含む。例えば、基板は、マイクロプロセッサ、ネットワーク・プロセッサ、または他の演算処理装置を含む、パッケージ化された集積回路である。基板は、例えば、Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｃｏｌｌａｐｓｅ  Ｃｈｉｐ  Ｃｏｎｎｅｃｔｉｏｎ（あるいは「Ｃ４」）組立技術を用いて構築され、ここで、複数のリードまたはボンド・パッドは、接続要素（例えば、ハンダ・バンプ、コラム）のアレイによって内部的に電気的に接続される。
【００５６】
基板として特に有用な材料は、さらに、ポリスチレン、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ガラス、化学機能ガラス、ポリマ被覆ガラス、ニトロセルロース被覆ガラス、非被覆ガラス、水晶、天然ヒドロゲル、合成ヒドロゲル、プラスチック、金属、およびセラミックスを含むが、これらに制限されない。基板は、医学的診断を行なうために現在使用されるあらゆるプラットフォームまたは装置を含む。したがって、基板は、マイクロアレイまたはマクロアレイ、マルチウエル・プレート、マイクロ流体装置、またはそれらの組合せを含む。
【００５７】
他の具体例では、基板は、受光器によって検出された信号を、増幅し、処理し、および／または分析することができる回路を含む。あらゆる適切な従来型回路も、信号を増幅し、および／またはフィルタを含む処理をするために基板に使用され、集積される。集積回路は、独立して、あるいは磁界のプロファイルまたはマップを生成するための外部装置に接続されて、プロファイルまたはマップを生成することができる。
【００５８】
本発明の一実施例では、光学磁力計のアレイは、基板の表面上に配置される。この実施例によれば、光学磁力計のアレイは、予め決められた方法によりそれ自体が表面を形成する。本実施例によって、装置は、人体の輪郭に従って光学磁力計のアレイを整列させることにより、人間の心臓および脳の磁気活動のような生体活動の検出および測定に使用することが可能になる。
【００５９】
一実施例では、光学磁力計のアレイは、人間の胸部の上または近傍に配置することができ、その装置は人間の心臓の磁界を検出することができる。他の実施例では、他の実施例では、光学磁力計のアレイは、人間の頭部の上または近傍に配置することができ、その装置は人間の脳の磁界を検出することができる。
【００６０】
本発明の実施例では、光学磁力計は、磁力計の機能、および磁界の検出および測定を促進および／または増強するコンポーネントをさらに含む。したがって、アレイ内の光学磁力計の少なくとも一部のそれぞれは、ポラライザ、クウォータ・プレート、フィルタ、またはそれらの組合せを含む。これらのコンポーネントは、チャンバ内に入る前に光源からの光を準備することを助けるので、特定の状況下において原子蒸気の適切な「ポンピング」を行なうことが可能になる。
【００６１】
本発明の一実施例では、コンテナは、シリコン、ガラス、ポリマ、またはそれらの組合せから成る。例えば、コンテナは、シリコンとグラスの組合せから成る。他の実施例では、コンテナおよびチャンバは、独立して、円筒状、立方体、または立方体様の形状を有する。
【００６２】
コンテナおよびチャンバは、光学磁力計における重要なコンポーネントである。コンテナおよびチャンバの材料および設計は、ここに開示された技術または従来技術に従って選択され作られる。一実施例によれば、シリコンおよびガラスの組合せが、コンテナおよびチャンバを製作するために用いられる。ガラスは、チャンバへの光の入出を可能にし、また、シリコンは、コンテナの容易な組立て、およびコンテナを他のコンポーネントおよび装置に集積することを可能にする。コンテナおよびチャンバは、円筒状、立方体、または立方形様の形状を有することが多いが、特定の状況下では他の形状および輪郭も機能を助長するかもしれない。さらに、チャンバの形状は、設計上必要であれば、チャンバの形状から独立させることができる。本発明の実施例によれば、コンテナおよびチャンバは幅広いサイズを有するが、光学磁力計のアレイを含む装置を製作するためには、小型化されたコンテナがより適切である。
【００６３】
本発明の実施例では、様々な材料がチャンバ内の原子蒸気として用いられる。一実施例によれば、チャンバ内の原子蒸気は、リチウム（Ｌｉ）、ナトリウム（Ｎａ）、カリウム（Ｋ）、ルビジウム（Ｒｂ）、セシウム（Ｃｓ）、およびフランシウム（Ｆｒ）、またはそれらの組合せを独立して含む。他の実施例によれば、チャンバの少なくとも一部のそれぞれもまた、バッファ・ガスで満たされる。原子蒸気およびバッファ・ガスは、ここに開示された方法に従ってチャンバ内に満たされる。蒸気の量は、光学磁力計の特定の要求によって決定され、チャンバの温度を制御することによって制御される。
【００６４】
本発明の一実施例によれば、光源はレーザを含む。レーザは、面発光レーザ（ＶＣＳＥＬ）、活性周波数安定ダイオード・レーザ、または他のタイプのレーザである。一実施例では、光源は、循環的に極性化されたレーザ・ビームを原子蒸気に送ることが可能である。他の実施例では、光源はビーム・スプリッタを含む。光学磁力計内で使用される受光器は、フォトダイオードである。
【００６５】
本発明の実施例によれば、光学磁力計の光源は、レーザ・ランプのような光源またはソースからの光のいずれであってもよく、それは磁力計の外部または内部にある。例えば、磁力計は、それ自体がレーザ・ソースであるか、または、例えばスプリッタによって、レーザ・ビームを多くの他の磁力計と共有する。後者の場合、単一のレーザ・ソースは、光学磁力計のアレイの一部または全部に光を供給する。
【００６６】
本発明の一実施例では、各チャンバの少なくとも一部を横切る外部磁界の存在は、各チャンバ内の少なくとも一部の原子蒸気の光学的性質を変化させることができる。実施例によれば、装置は、光学磁力計のアレイの一部または全部を同時に使用して、外部磁界を測定することができる。本実施例は、外部磁界が一様に分布していないか、または別個の領域を含む状況において有用である。本実施例では、特に、各光学磁力計が十分に小さく、それゆえ個々の磁力計によって経験される磁界がほぼ一定である場合に、装置は外部磁界のより詳細なプロファイルを検出することができる。
【００６７】
他の実施例では、外部磁界は、約１０−１６テスラ（Ｔ）から約１０−９Ｔの磁束密度を有する。本実施例は、装置が、生体磁界（例えば人間の心臓および脳に見られる磁界）のような非常に弱い磁界を測定することを可能にする。ここに開示されるように、装置は、そのような測定をするために磁力計を人間の胸部または頭部に密着できるような方法で設計される。
【００６８】
本発明の実施例の装置は、半導体製造方法、マイクロフォーム・プロセス、成形方法、材料堆積方法等、あるいはこれらの方法の適切な組合せを含む、任意の適切な製造方法で形成される。ある実施例では、１またはそれ以上の基板、磁力計、マイクロコイルのような磁石、および基板上の回路は、半導体製造方法によって半導体基板上に形成される。薄膜被覆は、基板表面の部分に選択的に堆積される。適切な堆積技術の例としては、真空スパッタリング、電子ビーム蒸着、ソリューション蒸着、および化学蒸着法を含む。被覆は様々な機能を果たす。導電性被覆は、マイクロコイルを形成するために使用される。被覆は、例えば表面上の特定の位置に流体を保持するために、表面上に物理的障壁を提供するために使用される。
【００６９】
本発明の実施例によれば、原子蒸気コンテナおよびチャンバ、光源、および受光器を含む光学磁力計は、エッチング、ボンディング、アニーリング、接着／シーディング、リソグラフィ、モールディング、およびプリンティングを含む多くの技術を用いて、基板上または基板内に形成される。物理蒸着法（ＰＶＤ）および化学蒸着法（ＣＶＤ）も用いることができる。一実施例では、光学磁力計は、深いフォトレジスト・モールドの内部に金属を電気めっきすることによって酸化シリコン基板上に形成され、その後、エポキシ・ベースのレジストを使用して不活性化（パッシベート）される。
【００７０】
本発明の一実施例によれば、光源、コンテナ、および受光器のためのコンポーネントを含む光学磁力計は、陽極接合法を用いて、基板上に形成することができる。陽極接合は、静電気支援のガラス−シリコン封着とも称され、ガラスの軟化点以下にしてシリコンをガラスに封着させるプロセスである。共に接合される２つの表面は、表面が密着することを可能にするために、通常約０．１μｍより小さい表面粗さを有する。接合される部分は、約４００から約５００℃の間の温度で大気中で組み立てられ、加熱される。ＤＣ電源がアセンブリに接続され、その結果、シリコンはガラスに対して正になる。数百ボルトのオーダーの電圧がアセンブリの両端に印加されたとき、ガラスは金属に封着する。
【００７１】
本発明の一実施例において、コンテナは、以下の方法によって形成することができる。両面が研磨されたシリコン・ウエハは、クリーン・ルーム内でフォトリソグラフィの方法を用いてパターン化され、ＫＯＨまたは反応性イオンのいずれかでエッチングされ、数十マイクロメートルから数ミリメートルの範囲にわたる寸法を有するほぼ正方形のホールを生成する。その後、シリコン・ウエハは、約０．５〜２．０センチメートルの寸法を有する個々のチップに、さいの目形に切断される。その後、シリコン・チップは、同様の大きさのガラスに、陽極接合される。ここで結合した部分は、正方形の空胴を有する。その後、空胴はカリウムおよびバッファ・ガスで満たされ、そして、空胴上部に第２のガラス・チップを陽極接合することにより密封され、それが、密封されたチャンバになる。カリウムおよびバッファ・ガスの充填は、化学反応または注入法によって行われてもよい。最終的なコンテナは、カリウムを含むチャンバの両側にある光学的に透明なガラス窓を有する、３層の接合構造から成る。
【００７２】
本発明の実施例では、光学磁力計もまた、シリコンおよびポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）のような適切な材料で、ソフト・リソグラフィ法を用いて形成することができる。これらの技術を用いると、３０ｎｍほどに小さい臨界的な寸法でパターンを生成することが可能である。これらの技術は、表面上にパターン化されたレリーフを有する透明な、弾性のＰＤＭＳ「スタンプ」を使用して特徴を生成する。スタンプは、従来のリソグラフィ技術によってパターン化されたマスタに対してプレポリマの型をとることによって作成することができるが、他の主要なマスタに対しても同様である。いくつかの異なる技術が、集合名詞的にソフト・リソグラフィとして知られている。それらは、下記のものである。
【００７３】
ニアフィールド位相シフト・リソグラフィ：表面上にレリーフを有する透明なＰＤＭＳ位相マスクは、フォトレジストの層と等角の接触を有するように配置される。スタンプを通過する光は、ニアフィールド内で調整される。４０〜１００ｎｍの間の寸法を有する特徴は、各位相エッジにおいてフォトレジスト内で生成される。
【００７４】
レプリカ・モールディング：ＰＤＭＳスタンプは、従来どおりにパターン化されたマスタに対してキャストされる。その後、ポリウレタンは、第２のＰＤＭＳマスタに対してモールドされる。この方法で、複数のコピーが、オリジナル・マスタを破損することなく形成される。当該技術は、３０ｎｍほどの小ささで特徴を複製することができる。
【００７５】
細管内マイクロモールディング（ＭＩＭＩＣ）：ＰＤＭＳスタンプが固体基板と等角接触するようにされた場合、連続的なチャネルが形成される。毛管作用によって、チャネルはポリマ前駆物質で満たされる。ポリマが硬化され、スタンプが除去される。ＭＩＭＩＣは、１μｍのサイズまで特徴を生成することができる。
【００７６】
マイクロトランスファー・モールディング（ＴＭ）：ＰＤＭＳスタンプは、プレポリマまたはセラミック前駆物質で満たされ、基板上に配置される。材料は硬化され、スタンプが除去される。当該技術は、２５０ｎｍほどの小ささで特徴を生成し、複数層のシステムを生成することができる。
【００７７】
ソルベントアシステッド・マイクロコンタクト・モールディング（ＳＡＭＩＭ）：少量の溶剤は、パターン化されたＰＤＭＳスタンプ上に塗布され、スタンプは、フォトレジストのようなポリマ上に配置される。溶剤は、ポリマを膨張させ、スタンプの表面レリーフを満たすためにそれを拡張させる。
６０ｎｍほど小ささの特徴が生成される。
【００７８】
マイクロコンタクト・プリンティング（ＣＰ）：アルカンチオールの「インク」は、パターン化されたＰＤＭＳスタンプに塗布される。その後、スタンプは基板に接触させられ、それは貨幣金属から酸化層までの範囲にすることができる。チオール・インクは基板に転写され、そこで、それは、エッチングに対するレジストとしての役割を果たすことができる自己集合単一層を形成する。３００ｎｍ程度の大きさの特徴は、このような方法で形成される。
【００７９】
他のグループで用いられる技術は、微小電子機械システム用のシリコンのマイクロマシン加工、および、パターン化された水晶を用いた加熱可塑性プラスチックのエンボス加工を含む。従来のリソグラフィと異なり、これらの技術は、湾曲した基板および反射する基板の両方の上に特徴を生成し、かつ、急速に広い領域をパターン化することができる。上記の技術を用いて、金属およびポリマを含む様々な材料をパターン化することができるであろう。上記方法は、既存のナノリソグラフ技術を補足および拡張し、約３０ｎｍの特徴サイズを有する高品質パターンおよび構造への新しいルートを提供する。
【００８０】
本発明の他の実施例は、光学磁力計のアレイを含む装置を使用して、磁界を検出し測定する方法に関する。方法は、基板、および基板に配置された光学磁力計のアレイを含む装置を提供すること、外部磁界内に装置を配置すること、および、光学磁力計のアレイの少なくとも一部を同時に使用することによって外部磁界を検出することを含む。特定の実施例では、各光学磁力計は、原子蒸気で満たされたチャンバを有するコンテナ、チャンバ内の原子蒸気に光を送出することができる光源、および、チャンバ内の原子蒸気の光学的性質を検出することができる受光器を含む。他の特定の実施例では、チャンバの少なくとも１つを横切る振動磁界が提供される。
【００８１】
一実施例では、外部磁界内に装置を配置することは、装置の位置および方向を調整することを含む。ここに記述されるように、外部磁界、すなわち測定される磁界は、互いに平行から４５°、垂直まで、光の方向と異なる角度で方向付けられる。装置の調整は、より敏感および／または正確な測定を達成するために、装置の特定の用途およびデザインにしたがって行われる。
【００８２】
本実施例によって、装置をより効果的に使用することができる。ここに記述されるように、本発明の実施例は、磁界強度を測定する際に、０．１秒毎に結果が得られるというより速い測定サイクル、ならびに、より高い精度を有する。しかしながら、内部コンポーネントを望ましい配置にしたことによる装置内の「不感帯」視野を回避するために、装置を使用する際には注意して扱うべきである。特定の位置または緯度（緯度で磁界の角度を決定する関係）のための装置を適切に位置決めまたは方向付けをすることによって、「不感帯」効果を低減し、効率的な測定ができるであろう。装置の角度を適切に設定する方法は、知識および／または利用可能な図、表、あるいは他のデータに基づいて得られるであろう。
【００８３】
本発明の実施例では、外部磁界を検出することは、別個の磁力計を使用して外部磁界の別個の部分をそれぞれ検出すること含む。本実施例によれば、本方法および装置は、アレイ内の個々の、あるいは一部または全部の光学磁力計を同時に使用して、外部磁界の別個の部分を検出および／または測定することができる。本実施例は、外部磁界が一様に及んでいないか、または別個の領域を含む状況において有用である。本実施例において、特に、各光学磁力が十分に小さいために個々の磁力計によって計られる磁界がほぼ一定であるとき、この方法は、外部磁界のより詳細なプロファイルを検出することができる。
【００８４】
本発明の他の実施例によれば、磁力計の少なくとも一部のそれぞれは、独立してスカラーまたはベクトル磁力計である。ここに記述されるように、スカラー磁力計は、それが晒される磁界の総強度を測定し、一方、ベクトル磁力計は、特定の方角内の磁界のコンポーネントを測定する能力を有する。他の実施例では、装置上の光学磁力計のアレイは、外部磁界の二次元または三次元のマッピングを生成するためにデータを提供することができる。
【００８５】
他の実施例では、磁界を検出する方法は、磁気的に遮蔽された環境内で実行される。本方法は、非常に微弱な生体磁界の検出が行われる医学的診断において特に有用である。磁気的に遮蔽された環境は、心臓および脳を含む様々な人体の部分から放射される瞬間の生体磁気信号を検出および測定する装置を使用するときに必要である。磁気的に遮蔽されたチャンバのような磁気的に遮蔽された環境は、背景磁気および他の妨害磁界を除去することにより、有用な信号の強度を向上させる。磁気的に遮蔽された環境は、優れた電気的導体でもある高透磁率金属の層を含むシェルで密閉することができる。これによって、病院のような建物内の多数のソースから放出される妨害磁界および電界を減衰または吸収することができる。
【００８６】
特定の実施例では、外部磁界内に装置を配置することは、人間の胸部の上または近傍に装置を配置することを含む。本実施例は、さらに、人間の心磁図（ＭＣＧ）を生成することを含む。したがって、本実施例は、医学的診断方法、特に、データを作成し、かつ、人間の心磁図（ＭＣＧ）を生成することを含む。
【００８７】
心磁図法は、人間の心筋の電気的な活性細胞による微弱な電流から、人間の心臓によって放出される磁界を測定する方法である。胴部におけるこれらの磁界の測定は、心電図記録法（ＥＣＧ）によって提供される情報を補足する情報を提供し、特に心臓機能の異常を診断するために使用される。ＭＣＧは、心臓の電気的な活動に関する情報を、ＥＣＧよりも多く提供することができ、また、臨床における多くの適用可能性を有する。例えば、現在判明していることは、心電磁図（ＥＭＣＧ）と称されるＥＣＧおよびＭＣＧの併用によって、いくつかの心臓病では、不正確に診断される患者数を、ＥＣＧのみが使用される場合の半数に減少することができる。
【００８８】
本実施例によれば、胸部上または近傍に緊密に配置された光学磁力計のアレイを具備する装置の設計、検出およびＭＣＧは、胸部周辺における心臓の磁界の通常のコンポーネントと同様に磁気的な心臓ベクトルから作成される。
【００８９】
他の特定の実施例では、外部磁界内に装置を配置することは、人間の頭部の上または近傍に装置を配置することを含む。本実施例は、さらに、人間の脳磁気図（ＭＥＧ）を生成することを含む。したがって、本実施例は、医学的診断方法、特に、データを作成し、かつ、人間の脳磁気図（ＭＥＧ）を生成することを含む。
【００９０】
脳磁気図（ＭＥＧ）は、脳の電気的な活性細胞による微小電流から人間の脳によって放出された磁界の測定である。ＭＥＧは、機能的な脳マッピングのための、無侵襲、無害の技術であり、空間的に良好な区別および時間的な分割を提供する。それは、脳から放出される関連する磁界を測定することにより、中枢神経系の電気的活動を配置し、かつ特徴づけることができる。ＭＥＧによって提供される情報は、コンピュータ断層撮影（ＣＴ）または磁気共鳴（ＭＲ）画像によって提供される情報とは異なる。後者の２つが構造的／解剖学的な情報を提供するのとは異なり、ＭＥＧは機能的なマッピング情報を提供する。ＭＥＧは、ＭＲＩ、およびＣＴの解剖学的画像能力を補完する機能的画像能力である。
【００９１】
本実施例によれば、方法および装置は、リアルタイムで脳の活動を測定するために使用することができる。単に静止画像を見るだけでなく、「活動中」の脳を観察することができる。この方法および装置によって得られたＭＥＧデータは、静止したＭＲＩスキャンで解剖学的に非常に明快に見られる頭脳構造の正常または異常な機能を識別するために使用することができる。
【００９２】
さらに、本方法および装置は、誘発反応源の位置を突きとめるだけでなく、光学磁力計のアレイを使用することによって、全皮質上の信号を素早く記録することができる。これによって、様々な課題における自発的な活動およびその変更に関する研究に焦点が導かれるであろう。
【００９３】
本発明の実施例のいくつかの特性が、図および例において示されるが、それらは単に本発明の典型例であることを意図している。本出願は、開示された数値範囲内の任意の範囲をサポートするようないくつかの数値範囲限定を開示する。しかし、本発明の実施例は、開示された全数値範囲にわたって実施することができるので、明細書中に正確な範囲限定が逐語的に記述されていない場合がある。最後に、本発明の全開示、および本出願に関する刊行物がある場合には、これらは参照として全てここに組み入れられる。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】光学磁力計のアレイを含む本発明の実施例を示す。
【図２】光学磁力計のより詳細な図を示す。
【図３】光学磁力計のアレイを含む装置が人間の脳の磁界を検出するために使用される場合における本発明の他の実施例を示す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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