(57)【要約】流体を計量供給するための方法及びシステムが記載されている。流体計量供給装置は、基板及びこの基板に形成された複数のノズルを含む。各ノズルは、開放ティップ、及びティップと流体源との間に流体案内チャンネルを備えている。非導電性スペーサが基板上に設けられ、ゲート電極を基板から電気的に絶縁している。このゲート電極は、少なくとも１つのノズルのティップ近傍に配置され、ゲート電極とノズル又はノズル内の流体との間に印加された電圧に応答して、そのノズル内の流体を計量供給する。一実施形態では、ゲート電極は、ノズルを選択的に動作させるのに用いる複数の個別アドレス指定可能なゲート電極を備えている。
2005532166.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体計量供給装置であって、
基板と、
前記基板に形成された複数のノズルであって、それぞれが、開放ティップ及び当該ティップと流体源との間に流体案内チャンネルを備えた、複数のノズルと、
前記基板上に設けた非導電性スペーサと、
前記非導電性スペーサにより前記基板から電気的に絶縁されたゲート電極であって、前記ノズルの少なくとも１つの前記ティップ近傍に配置されて、印加される電圧に応答して、前記少なくとも１つのノズルからの流体の計量供給を実行するゲート電極とを含む、流体計量供給装置。
【請求項２】
前記計量供給された流体が、小滴及び流動の一方から成る、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記複数ノズルの少なくとも１つが非導電性である、請求項１に記載の装置。
【請求項４】
前記複数ノズルの少なくとも１つが非導電性であり、前記複数ノズルの他の１つが導電性である、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記複数ノズルの密度が、１平方センチメートル当たり少なくとも１０６個のノズルである、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記ゲート電極が、複数の個別アドレス指定可能ゲート電極を含み、前記個別アドレス指定可能ゲート電極それぞれが、少なくとも１つのノズルの近傍に配置され、当該個別アドレス指定可能ゲート電極に印加された電圧に応答して、前記少なくとも１つのノズルの前記ティップからのイオンの分離を実行する、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
異なる電圧を異なる個別アドレス指定可能ゲート電極に選択的に提供可能な電圧源を更に含む、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記個別アドレス指定可能ゲート電極に印加される電圧が、複数ノズルの前記ティップから流体を同時又は順次に分離させる、請求項６に記載の装置。
【請求項９】
前記印加電圧がパルスを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
前記印加電圧が、任意のパルス周波数及びデューティサイクルでの一連のパルスを含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１１】
前記印加電圧の大きさが、概ね２００ボルト未満である、請求項１に記載の装置。
【請求項１２】
前記複数ノズルに共同使用される流体源を更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１３】
複数の流体源を更に含み、前記複数ノズルの異なるノズルが、前記複数流体源の内の異なる流体源から流体を受け取る、請求項１に記載の装置。
【請求項１４】
少なくとも１つのノズルに含まれる流体が非導電性である、請求項１に記載の装置。
【請求項１５】
前記複数ノズルの少なくとも１つに含まれる流体が非導電性であり、前記複数ノズルの少なくとも他の１つに含まれる流体が導電性である、請求項１に記載の装置。
【請求項１６】
前記少なくとも１つのノズルと電気的に連通した導体を更に含む、請求項１に記載の装置。
【請求項１７】
前記装置が微小製作される、請求項１に記載の装置。
【請求項１８】
前記計量供給された流体が、有機液体と、無機液体と、有機及び無機液体の組み合わせとの何れかから成る、請求項１に記載の装置。
【請求項１９】
流体計量供給装置であって、
基板と、
前記基板に形成された複数のノズルであって、それぞれが、開放ティップ及び当該ティップと流体源との間に流体案内チャンネルを備えた複数のノズルと、
前記基板に支持された複数の個別アドレス指定可能ゲート電極であって、それぞれが、少なくとも１つノズルの近傍に配置され、印加された電圧に応答して、前記少なくとも１つのノズルからのイオンの分離を実行する個別アドレス指定可能ゲート電極とを含む、流体計量供給装置。
【請求項２０】
流体計量供給装置であって、
基板と、
前記基板に形成されたノズルであって、開放ティップ及び当該ティップと流体源との間に流体案内チャンネルを備えたノズルと、
前記基板上に設けられた非導電性スペーサと、
前記非導電性スペーサにより前記基板から電気的に絶縁されたゲート電極であって、前記ノズルの前記ティップ近傍に配置されて、印加される電圧に応答して、前記ノズル内の流体の計量供給を実行するゲート電極とを含む、流体計量供給装置。
【請求項２１】
前記ノズルが、非導電性及び導電性の一方である、請求項２０に記載の装置。
【請求項２２】
前記計量供給された流体が、小滴及び流動の一方から成る、請求項２０に記載の装置。
【請求項２３】
前記ゲート電極が、前記計量供給された流体の何れも収集しない、請求項２０に記載の装置。
【請求項２４】
前記ノズルと電気的に連通した導体を更に含む、請求項２０に記載の装置。
【請求項２５】
流体を前記ノズルの前記チャンネルに供給するための、前記チャンネルに連結された流体収容タンクを更に含む、請求項２０に記載の装置。
【請求項２６】
前記印加電圧の大きさが、概ね２００ボルト未満である、請求項２０に記載の装置。
【請求項２７】
前記ゲート電極が、前記ノズルから概ね１ミクロン以内に空間的に配置されている、請求項２０に記載の装置。
【請求項２８】
前記印加電圧がパルスを含む、請求項２０に記載の装置。
【請求項２９】
前記印加電圧が、任意のパルス周波数及びデューティサイクルでの一連のパルスを含む、請求項２０に記載の装置。
【請求項３０】
前記装置が製作された後は、前記流体源が前記装置に内蔵されている、請求項２０に記載の装置。
【請求項３１】
前記流体源が前記装置の外部にある、請求項２０に記載の装置。
【請求項３２】
前記流体が、非導電性及び導電性の一方である、請求項２０に記載の装置。
【請求項３３】
前記装置が微小製作される、請求項２０に記載の装置。
【請求項３４】
前記ゲート電極に印加される前記電圧を提供するための電圧源を更に含む、請求項２０に記載の装置。
【請求項３５】
前記計量供給された流体が、有機液体と、無機液体と、有機及び無機液体の組み合わせとの何れかから成る、請求項２０に記載の装置。
【請求項３６】
流体源と、
電圧源と、
基板上に微小製作されると共に、開放ティップ及び当該ティップと前記流体源との間に流体案内チャンネルを備えたノズルと、前記基板から電気的に絶縁されたゲート電極とを備えた流体計量供給装置であって、前記チャンネルが前記流体源から流体を受け取り、前記ゲート電極が、前記ノズルの前記ティップ近傍に配置され、前記電圧源によって前記ゲート電極に印加された電圧に応答して、前記ノズルから流体の計量供給を実行する、流体計量供給装置とを備えた、器具。
【請求項３７】
任意の電圧でバイアスを掛けられた受け取り電極であって、前記計量供給された流体を引きつけ且つ受け取るため、前記ノズルに対向して位置決めされている受け取り電極を更に含む、請求項３６に記載の器具。
【請求項３８】
前記受け取り電極に印加される前記バイアス電圧が、前記ゲート電極に印加される電圧と大きさが少なくとも等しい、請求項３６に記載の器具。
【請求項３９】
前記流体計量供給装置から計量供給される前記流体の蒸発を制御するための手段を更に含む、請求項３６に記載の器具。
【請求項４０】
複数のノズルと複数の個別アドレス指定可能ゲート電極とを備えた流体計量供給装置であって、各ノズルが、開放ティップ及び当該ティップと流体源との間に流体案内チャンネルを備え、前記個別アドレス指定可能ゲート電極それぞれが、前記複数ノズルの少なくとも１つの前記ティップ近傍に配置され、当該個別アドレス指定可能ゲート電極に電圧が印加されると、前記ティップから流体の計量供給を実行する、流体計量供給装置を用いて流体を混合するための方法で、
前記複数ノズルの第１及び第２ノズルから計量供給される流体を受け取るため、容器を前記流体計量供給装置に対して位置合わせする段階と、
第１電圧を第１個別アドレス指定可能ゲート電極に印加し、第１流体を第１流量で前記第１ノズルから前記容器に計量供給する段階と、
第２電圧を第２個別アドレス指定可能ゲート電極に印加し、第２流体を第２流量で前記第２ノズルから前記容器に計量供給して、前記第２流体を前記第１流体と混合する段階とを含む、流体計量供給装置を用いて流体を混合するための方法。
【請求項４１】
前記第１流量が前記第２流量とは異なる、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記第１印加電圧の大きさが、前記第２印加電圧の大きさとは異なる、請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
前記１電圧を前記第１個別アドレス指定可能ゲート電極に印加する前記段階と、前記２電圧を前記第２個別アドレス指定可能ゲート電極に印加する前記段階とが同時に生起する、請求項４０に記載の方法。
【請求項４４】
前記１電圧を前記第１個別アドレス指定可能ゲート電極に印加する前記段階と、前記２電圧を前記第２個別アドレス指定可能ゲート電極に印加する前記段階とが順次に生起する、請求項４０に記載の方法。
【請求項４５】
前記第１個別アドレス指定可能ゲート電極に印加される前記第１電圧を、任意のパルス周波数及びデューティサイクルでパルス印加して、前記第１流量を達成する段階を更に含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４６】
前記第１個別アドレス指定可能ゲート電極に印加される前記第１電圧を調節して、前記第１流量を達成する段階を更に含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４７】
電圧を印加するために、前記第１及び第２個別アドレス指定可能ゲート電極を選択する段階を更に含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４８】
前記流体計量供給装置に第２容器を位置合わせして前記複数ノズルの内の第３ノズルから計量供給される流体を受け取り、更に、第３電圧を第３個別アドレス指定可能ゲート電極に印加して、第３流体を第３流量で前記第３ノズルから前記第２容器に計量供給する段階を更に含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４９】
複数のノズルと複数の個別アドレス指定可能ゲート電極とを備えた流体計量供給装置であって、各ノズルが、開放ティップ及び当該ティップと流体源との間に流体案内チャンネルを備え、前記個別アドレス指定可能ゲート電極それぞれが、前記複数ノズルの少なくとも１つの前記ティップ近傍に配置され、当該個別アドレス指定可能ゲート電極に電圧が印加されると、前記ティップから流体の計量供給を実行する、流体計量供給装置を用いて流体を計量供給するための方法で、
電圧を印加するため、前記個別アドレス指定可能ゲート電極の１つを選択する段階と、
前記選択した個別アドレス指定可能ゲート電極に電圧を印加して、前記流体計量供給装置の他のノズルを作動させずに、前記ノズルの少なくとも１つから流体を計量供給する段階とを含む、流体計量供給装置を用いて流体を計量供給するための方法。
【請求項５０】
電圧を印加し且つ前記ノズルの少なくとも１つからの流体計量供給を実行するため、複数の個別アドレス指定可能ゲート電極を選択する段階を更に含み、流体を計量供給させる前記ノズルが、前記流体計量供給装置上の特定位置に配置されており、前記計量供給された流体を用いて任意のパターンを形成する、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
前記パターンが英数字である、請求項４９に記載の方法。
【請求項５２】
前記印加電圧を任意のパルス周波数でパルス印加して、任意の流量を達成する段階を更に含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５３】
前記パルス周波数を変化させて、前記流量を変化させる段階を更に含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５４】
前記パルス印加のデューティサイクルを変化させて、前記流量を変化させる段階を更に含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５５】
前記印加電圧の大きさを調節して、任意の流量を達成する段階を更に含む、請求項４９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、少量の流体を処理し、計量供給するためのシステム及び方法に関する。より詳細には、本発明は、ピコリットル及びピコリットル未満の流体を処理し、計量供給するための微小製作（原語：micro-fabricated）装置、並びにそうした装置を用いる方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、物質の化学構造の分析、化学及び生化学反応の経過のモニタリング、及び生物流体の微量成分の存在特定など現在の多くの化学及び生化学分析は、液体の試料採取を必要とする。しばしば、こうした分析には、微少量の試料及び試薬を使用する必要がある。現在の技法では、多数のそうしたミクロ小滴を、スライドガラス、マイクロカード、チップ、又はメンブレンなどの基体又は容器の表面又は内部に互いに非常に近接させて配列することにより、こうした量をミクロ小滴として計量供給（原語：dispense）する。高密度アレー（又はミクロアレー）であれば、多数の反応を並行に進行させることができる。
【０００３】
しかし、フェムトリットル（１０−１５）量の流体を処理し、計量供給するには、適切に寸法設定した構造体と制御システムが必要である。又、こうした構造体及び制御システムは、このような微量の流体を適切に処理するために要求される正確さゆえ、電子制御可能とすべきである。
【０００４】
少量の流体を計量供給するため開発されたある種類の装置は、エレクトロスプレー装置と呼ばれている。一般に、エレクトロスプレー装置は、静電気を用いて、この装置の毛細管開口部から、近傍に配置した抽出電極まで流体を引き出す。典型的には、抽出電極は、エレクトロスプレー装置とは別個の、毛細管から引き出した流体をサンプリングする機器（例えば質量分析計）への入口に設けられた機器又は電極である。この機器は、エレクトロスプレー装置から数ミリメートル以内に配置し且つ帯電させて、流体の収集装置として機能させ、高電界を発生し且つ流体のエレクトロスプレー装置からの分離を引き起こす電位源として機能させる。
【０００５】
より詳細には、抽出電極とエレクトロスプレー装置の毛細管内の導電性又は部分的に導電性の流体との間に電位差を印加する。この電位差が、毛細管の端部に集中した電界を発生させる。電界の向きの線が、毛細管の端部から放射され、抽出電極に向けて延伸する。毛細管内の一定量の流体は、毛細管の端部からテーラーの円錐と呼ばれる円錐形状となって引き出される。小滴が、テーラーの円錐の先端に形成され、抽出電極まで引きつけられる。
【０００６】
エレクトロスプレー作用を誘発するのに必要な電位差の大きさは、毛細管中の流体の表面張力、毛細管の直径、及び抽出電極から毛細管までの距離に依存する。典型的には、必要な電界は、概ね１０６Ｖ／ｍ台である。
【０００７】
多くのエレクトロスプレー装置の実装例に共通した短所は、エレクトロスプレー作用を引き起こす電界の発生に高電圧を必要とすることである。幾つかのエレクトロスプレー装置では、こうした電圧は５００ボルトから数キロボルトの範囲に至る。こうした高電圧は、毛細管と抽出電極との間にアーク放電を発生させることがあり、進行中の分析を失敗に終わらせ、エレクトロスプレー装置及びサンプリング機器を損傷させる可能性もある。更に、エレクトロスプレーを発生させる多数の毛細管を備えたエレクトロスプレー装置も存在するが、１本の毛細管で生成される電界が隣接する毛細管に干渉するので、高電圧が、個別の毛細管の独立した動作を妨害する。又、こうした高電圧は、流動可能な流体量に下限を設定してしまう。現在の流体移送毛細管は、ナノリットル乃至ピコリットルの範囲であり、フェムトリットル範囲の量の移送は達成できていない。
【０００８】
従って、上述した現在のエレクトロスプレー装置の動作電圧を下回る電圧で動作可能な、フェムトリットル範囲の微少量流体を処理し且つ計量供給するためのシステム及び方法に対する必要性がなお存在する。
発明の概要
【０００９】
一局面では、本発明は、基板と当該基板に形成された複数のノズルとを含む流体計量供給装置を提供する。各ノズルは、開放ティップ、及び当該ティップと流体源との間に流体案内チャンネルを備えている。非導電性スペーサが基板上に設けられ、ゲート電極は、前記非導電性スペーサによって前記基板から電気的に絶縁されている。前記ゲート電極は、少なくとも１つのノズルの前記ティップ近傍に配置され、前記ゲート電極に印加された電圧に応答して、前記少なくとも１つのノズルから流体の計量供給を実行する。
【００１０】
別の面では、本発明は、基板と当該基板に形成された１つのノズルとを含む流体計量供給装置を提供する。前記ノズルは、開放ティップ、及び当該ティップと流体源との間に流体案内チャンネルを備えている。非導電性スペーサが、前記基板上に設けられている。前記非導電性スペーサが、ゲート電極を前記基板から電気的に絶縁している。前記ゲート電極は、前記ノズルの前記ティップ近傍に配置され、前記ゲート電極に印加された電圧に応答して、前記ノズル内の流体の計量供給を実行する。
【００１１】
更に別の局面では、本発明は、基板と当該基板に形成された複数のノズルとを含む流体計量供給装置を提供する。各ノズルは、開放ティップ、及び当該ティップと流体源との間に流体案内チャンネルを備えている。前記装置は、前記基板により支持された複数の個別アドレス指定可能ゲート電極も含む。前記個別アドレス指定可能ゲート電極それぞれは、少なくとも１つのノズルの前記ティップ近傍に配置され、当該個別アドレス指定可能ゲート電極に印加された電圧に応答して、前記少なくとも１つのノズルの前記ティップからのイオンの分離を実行する。
【００１２】
更に、本発明は、流体源と、基板上に微小製作された流体計量供給装置と、電圧源とを含む器具を提供する。前記流体計量供給装置は、ノズル及びゲート電極を備える。前記ノズルは、開放ティップ、及び当該ティップと前記流体源との間に流体案内チャンネルを備えている。前記チャンネルは、前記流体源から流体を得る。前記ゲート電極は、前記基板から電気的に絶縁され、前記ノズルの前記ティップ近傍に配置され、前記電圧源によって前記ゲート電極に印加された電圧に応答して、前記ノズルから流体の計量供給を実行する。
【００１３】
又、更に別の局面では、本発明は、複数のノズルと複数の個別アドレス指定可能ゲート電極とを備えた流体計量供給装置を用いて流体を混合するための方法も提供する。各ノズルは、開放ティップ、及び当該ティップと流体源との間に流体案内チャンネルを備えている。前記個別アドレス指定可能ゲート電極それぞれは、前記複数ノズルの少なくとも１つの前記ティップ近傍に配置され、当該個別アドレス指定可能ゲート電極に電圧が印加されると、前記ティップから流体の計量供給を実行する。前記複数ノズルの第１及び第２ノズルから計量供給された流体を受け取るため、容器が前記流体計量供給装置に対して位置合わせされている。第１電圧が、第１個別アドレス指定可能ゲート電極に印加され、第１流体を第１流量で前記第１ノズルから前記容器に計量供給する。第２電圧が第２個別アドレス指定可能ゲート電極に印加され、第２流体を第２流量で前記第２ノズルから前記容器に計量供給して、前記第２流体を前記第１流体と混合可能とする。
【００１４】
又、本発明は、複数のノズルと複数の個別アドレス指定可能ゲート電極とを備えた流体計量供給装置によって流体を計量供給する方法も提供する。各ノズルは、開放ティップ、及び当該ティップと流体源との間に流体案内チャンネルを備えている。前記個別アドレス指定可能ゲート電極それぞれは、前記複数ノズルの少なくとも１つの前記ティップ近傍に配置され、当該個別アドレス指定可能ゲート電極に電圧が印加されると、前記ティップから流体の計量供給を実行する。本方法は、前記個別アドレス指定可能ゲート電極の中から、電圧が印加される１つの電極を選択する段階と、前記電圧を前記選択した個別アドレス指定可能ゲート電極に印加して、前記流体計量供給装置の他のノズルを作動させずに、前記ノズルの少なくとも１つから流体を計量供給する段階とを含む。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明のゲート電荷放出装置は、様々な用途において有用である。概略的に述べると、ゲート電荷放出装置は、組み込みゲート（すなわちゲート電極）及び電子又はイオンが放出されるエミッタとを備えた微小製作装置である。本明細書では「組み込み」という用語は、ゲート電極が、エミッタを含んだ微小製作構造体の一部を成すという意味であり、本明細書では「微小製作される」という語句は、これら装置が、集積回路を製造するのに用いる種類の製作技法により製造されるという意味である。ゲート電極とエミッタとの間に印加される電圧は、電子又はイオンのエミッタからの分離を誘発する。流体を処理するゲート電荷放出装置の実施形態（流体計量供給装置と呼ぶ）に関しては、印加する電圧が、エミッタ（すなわち微小ノズル）による微少量の流体の計量供給を引き起こす。
【００１６】
微量流体の取扱い及び計量供給には、医学的診断及び処置用の微少量流体のサンプリング及び送出システム、生物学的研究、質量分析、エアロゾル薬物送達（すなわち、液体を小滴ミストに変える噴霧器及び吸入器）、流体及び食品加工、半導体分析及び処理、化学処理、印刷、及び一般的な流体制御を含むが、それらに限定されない広い範囲の産業分野に実用的な用途がある。更に、本発明の流体計量供給装置は、後に詳述するように流体計量供給の精度及び選択性を向上させるため、質量分析で使用されるエレクトロスプレー毛細管の代替品としてエレクトロスプレー応用分野で使用できる。又、本発明の流体計量供給装置による流体移動の制御は、表面改質及び変性、データ格納、計算処理及び制御システムなどの他の機能を実現するためにも利用できる。宇宙空間での用途も、本発明の流体計量供給装置を利用できる種類の用途であって、例えば、本装置は、宇宙物体を宇宙ブラズマ環境で推進させるイオン又は流体スラスタとして利用できる。上述した応用例の一覧は、全てを網羅することを意図したものではない。
【００１７】
図１は、宇宙物体２と外部周囲宇宙ブラズマ環境６との間の局地電位差を測定し、且つ制御するためのシステム１の一実施形態を示す。一実施形態では、宇宙物体２は、宇宙探査機、衛星、太陽電池アレー、宇宙望遠鏡、スペースシャトル、宇宙ステーション、若しくはプラットフォームなどの宇宙飛行体、又は他の宇宙構造体である。宇宙物体２は、地球又は他の天体を回る軌道（地球低軌道、対地球同期軌道、又は、極軌道）上にあってもよいし、星間空間を移動可能としてもよい。宇宙物体２は、周囲宇宙プラズマ環境６に露出した、すなわち囲まれた構造体（すなわちフレーム）７を備えている。
【００１８】
システム１は、制御システム８と通信する電気制御可能な電荷放出装置４を含む。電荷放出装置４は、物体構造体７に取り付けられており、２つの端子を含む。図示したように、一方の端子はゲート端子（ゲート）１６で、他方の端子は電荷放出端子（エミッタ）１４である。流体を計量供給する電荷放出装置の実施形態に関しては、エミッタはノズルと呼ぶ。
【００１９】
一実施形態では、ゲート１６は、外部表面と同一平面を成すように物理的に取り付けられているが、外部表面からは制御システム８により電気的に絶縁されている。ゲート１６及び電荷放出端子１４に対する関連した電圧を利用して、電荷放出装置４からの電荷放出を開始させ且つ制御する。従って、電荷放出装置４は、ゲート電荷放出装置とも呼ばれる。
【００２０】
電荷放出端子１４は、電荷１７が、ゲート端子１６を介して宇宙プラズマ環境６に放射される放出元となる複数エミッタティップ１５を含む。電荷放出装置の幾つかの応用例では、放出された電荷１７はゲート１６に戻る。放出電荷１７は、電荷放出装置４の２つの端子に印加される電圧のバイアスに部分的に従って、正極性或いは負極性を持つことができる。電荷放出装置４は、制御システム８の制御下で電荷１７を放出する。
【００２１】
制御システム８は、物体構造体７への内部基準接地接続を備え、適切なバイアス電圧（典型的には、エミッタ１４とゲート１６との間で１００Ｖ未満）を提供可能な内部電源（図示しない）からの電力１０を受け取る。流体を計量供給する電荷放出装置の実施形態では、幾つかの実施形態におけるバイアス電圧は、ゲート１６とエミッタ（すなわちノズル）１４（又はノズル中の流体）との間は概ね２００ボルト未満である。制御システム８は、遠隔測定及び指令信号１２も受信する。こうした信号１２は、地上管制又は別の宇宙飛行体から発信したものでよい。実施形態によっては、制御システム８は、物体２及び物体構成要素と、宇宙プラズマ環境６との相互作用に起因する、放出端子１４とゲート１６との間の電圧のような単純なものとしてもよい。従って、こうした相互作用により自然に得られる電圧が、電荷放出装置４により放出された電荷を駆動できる。
【００２２】
通常は、物体２は、電荷１８が物体構造体７上で蓄積されるように周囲宇宙プラズマ環境６と相互作用する。この電荷蓄積により、物体２と周囲宇宙プラズマ環境６との間に電位差が形成される。典型的には、環境６との相互作用の性質によって、物体２は、宇宙プラズマ環境６に対して負に帯電する。一実施形態では、電荷放出装置４は、構造体７からの負に帯電した電子からなる電流２０を引き寄せ、これら電子を電流１７として周囲宇宙プラズマ環境６中に放出する。
【００２３】
電子１７の環境６への放出率によっては、電荷放出装置４は、物体２と環境６との間の負電位差を降下（すなわち、負の度合いを減少させる）又は維持可能である。別の実施形態では、電荷放出装置４は、周囲宇宙プラズマ環境６に正電荷イオンを放出するように構成されており、この場合、物体２とその環境６との間の負電位差は増大する。
【００２４】
他の状況では、物体２は、環境６に対して正に帯電可能である。こうした状態では、電荷放出装置４は、周囲宇宙プラズマ環境６に正イオンを放出するように構成可能で、この場合、物体２とその環境６との間の正電位差は、降下（すなわち、正の度合いを減少させる）又は増大する。或いは、電荷放出装置４は、周囲宇宙プラズマ環境６に電子又は負電荷イオンを放出するように構成可能で、この場合、物体２とその環境６との間の正電位差は増大する。
【００２５】
上述の各実施形態では、宇宙プラズマ環境６は、電荷１７が、電荷放出装置４すなわち物体２自体から遠ざかりつつ伝播可能な、ほぼ真空の状態を提供する。流体を計量供給する電荷放出装置の実施形態では、真空は必要でなく、流体は空気又はその他の媒質中を移動してもよい。
電界放出装置
【００２６】
図２を参照すると、電荷放出装置４の具体的な一実施形態は、ゲート１６’及びエミッタ６６のアレーを備えた電子電界放出装置アレー５０である。本明細書を通じて、電子電界放出装置アレーという用語は、電界放出装置と互換可能に使用する。
【００２７】
電界放出装置５０の一実施形態は、カリフォルニア州メンローパーク所在のＳＲＩインターナショナル社が製造するシュピント・カソード装置であり、１９７４年２月５日付けでシュピント等に発行された米国特許第３，７８９，４７１号に記載されている。一般に、電界放出装置５０の電流放出レベルは、エミッタ６６のティップに対するゲート１６’の電圧を調節することで制御する。ゲート１６’及びエミッタ６６の小規模形状によって、各エミッタティップ６６からの電流放出を制御するための動作電圧は、典型的には５０ボルト乃至１００ボルトの範囲になる。従って、電界放出装置５０は、必要とする電力が低いながらも効率的に電子を発生するという利点を備えている。より具体的には、閾値を超える動作電圧を印加すると、エミッタティップ６６による電子放出を誘発し、この電圧を更に増大することで、放出電流が増大する。電界放出装置５０の別の利点としては、この装置５０が清浄に動作する、すなわち、電子銃からの熱電子放出に関連した汚染物質又は、中空カソード装置のようなプラズマ接触器に関わる電離ガスの流動に関連した汚染物質なしで動作する。
【００２８】
電界放出装置５０は、典型的には半導体（例えばシリコン）又は絶縁体（例えばガラス）製だが、それらには限定されない基板５４上に製作される。基板５４は、アレー５０におけるエミッタ６６からの放出の均一性を向上させるため、上位抵抗層５８（例えば、１００Ｍオーム）を含むことができる。放出電流を増大させるには高い駆動電圧が必要となるが、抵抗層５８は、エミッタティップをティップバイアスによる故障から十分保護し、宇宙プラズマ環境６における電界放出装置の信頼性及びエミッタティップの耐用寿命を増加させる。
【００２９】
絶縁酸化物層６２（例えば、シリコン酸化膜）が、基板５４（又は抵抗層５８）を覆っている。
【００３０】
導電皮膜（例えば、モリブデン）には、絶縁層６２を塗布している。この導電皮膜は、金属、抵抗材料、又は半導体でよい。半導体製造技術を用いて、多数の穴（又はキャビティ）のアレーが、導電皮膜及び絶縁層６２を通過して基板５４まで（又は抵抗層５８まで）エッチングされている。これら穴のエッチング後に残った導電皮膜が、電界放出装置５０のゲート１６’を形成している。
【００３１】
導電物質（例えば、モリブデン）からなるエミッタ６６が、穴の内部に形成されている。１平方センチメートル当たり約１０７個までのエミッタ６６を備えたデバイスがこれまでに作製されているが、これが上限というわけではない。一実施形態では、各エミッタ６６の基部は、基板５４上に（或いは抵抗層５８上に）設け、各エミッタ６６のティップ（すなわち、エミッタティップ）は、ゲート１６’と同一平面内に位置している。ティップのアスペクト比、その長さ及び幅、並びに形状は、デバイス５０の特性に合わせて設計してよい。抵抗層５８を備えた実施形態に関しては、各エミッタティップは、事実上、抵抗器と直列であるかのように動作する。
【００３２】
個別のエミッタティップが小規模形状なので、アレー５０が、アレー５０の動作する環境６の化学的性質に敏感となる。結果的に、無害良好な環境が保証できない場合は、非反応性被覆剤又は材料を用いて、表面化学作用及び非吸収物質による劣化に対する脆弱性を低下させるのが望ましい。一般的に使用されるティップ材料はモリブデンであり、モリブデンは、地球を囲む低軌道プラズマ環境では主要化学種である原子酸素と反応性を持つことが知られている。モリブデン製ティップは、その堅牢さが証明されており、大気暴露及び多くの気体環境における動作に対する耐性がある。酸化ケイ素、チタン、及びクロムなど、他のティップ材料を考慮してもよい。ティップ被覆剤は、一定レベルの電流を放出するのに必要なゲート電圧が低くなるという二次的な利点も提供できる。
【００３３】
電界放出装置５０を作製する手順を修正して、他の選択した物質、絶縁体、及び幾何学形状を組み込んだ電界放出装置を製造してもよい。例えば、楔形のエミッタアレーは、穴の代わりにスロット形状のキャビティを用いて形成できる。
【００３４】
別の例としては、図３は、別の電極７０を図２の構造体に付加して（抵抗層５８なしで）複数電極を備えた構造体を形成した、形状変形例を示す。電極７０は、ゲート１６”上に被覆した絶縁層７４を覆う金属層から形成されている。電極７０は、放出された電子の軌道を決定するか、付加的な組み込みゲートとして機能することで、エミッタ６６’により放出されたビームを調節又は制御する。更に、付加的なガード電極７０を用いれば、ゲート１６”を外部プラズマ環境６から遮蔽することで、より正確なゲート電流測定が可能となる。
【００３５】
形状変形の別の例としては、ゲート１６’に対するエミッタ６６のティップの位置を変更することがある。各エミッタ６６のティップがゲート１６’の面より下方に位置して、結果的にキャビティ開口部より遠くに位置するよう、エミッタ６６の高さを短くすることで、エミッタティップから放出されるより多くの電流が、プラズマ環境６でなくゲート１６’に流れるようになる。この形状変形例を用いれば、ゲート電流を測定可能な量まで増加することで、より正確なゲート電流の測定が可能となる。
【００３６】
図４は、単一の集積回路（ＩＣ）８２上に製作され、内部にエミッタティップ６６が設けられる例示的に配置したキャビティ７８を備えた、電界放出装置５０の一実施形態の上面図である。現在の製作能力では、１平方メートル当たり５×１０７個のエミッタティップの実装密度を有するＩＣ８２を作製可能である。各エミッタティップ６６が１００μＡを放出する検定済み能力を有するので、ＩＣ８２は、１平方メートル当たり５０００アンペアを生成可能と考えられる。更に、この種の電界放出装置５０は、これまでに−２７０℃乃至９００℃の温度範囲にわたる動作実績がある。
【００３７】
図５は、電界放出装置５０（すなわち、５百万個のエミッタティップからなるアレーを備えたシュピント・カソード装置）の一実施形態の、３０乃至１００ボルトの印加電圧に関するモデル化したＩ−Ｖ特性のグラフを示す。図示したように、このシュピント・カソード装置は、ゲート１６とエミッタのベースとの間に概ね６０ボルトを印加した場合、０．１アンペアの放出電流を達成可能である。ゲート電圧を概ね７０ボルトまで増加させると、放出電流が概ね１アンペアまで増加する。このシュピント・カソード装置のゲート構造により、ゲート電極とエミッタティップとの間の低電圧が電子の放出を制御するという、この装置及び一般的な電界放出装置の特性が、このグラフには示されている。
【００３８】
図６は、標準ＴＯ−５ヘッダ上に載置された電界放出装置５０を含んだ、図４の組み込み回路８２を示す。図示したように、標準ＴＯ−５ヘッダの図示した実施形態の直径は、約１０ｍｍである。電界放出装置５０の動作温度範囲は広く、他の電子放出技術（例えば、電子ガン）に比べて計量且つ小型なので、この装置５０は、宇宙空間での利用ではそうした放出技術よりも適している。
【００３９】
図７は、図２に示した電界放出装置５０の一実施形態の動作概略図を示す。この実施形態では、電界放出装置５０は、宇宙プラズマ環境６’内に位置しており、環境６’に対して負電位となっている。電界放出装置５０と宇宙プラズマ環境６’との間のこの負電位差は、外部電界Ｅをもたらす。電位差が大きいほど、この電界Ｅは大きくなる。
【００４０】
電圧ＶＧＥが、ゲート１６’とエミッタティップ６６のベースとの間に印加される。典型的には、ＶＧＥは１００ボルト未満だが、１００ボルトを上回る電圧も使用できる。印加した電圧ＶＧＥは、エミッタティップからの電子１７’の放電を誘発する。この放出率がエミッタ電流（Ｉエミッタ）を発生させるが、これは電流モニタ８８により監視できる。エミッタ電流Ｉエミッタの放出電子１７の一部は、宇宙プラズマ環境６’まで流れ、他の電子１７はゲート１６’まで流れてゲート電流Ｉゲートに貢献する。ゲート電流Ｉゲートは、電流モニタ８６により測定できる。ゲート電流は、エミッタ電流と電界Ｅとの関数である（Ｉゲート＝ｆ（Ｉエミッタ，Ｅ））。
【００４１】
印加電圧ＶＧＥが一定であれば、そして結果的に、エミッタ電流Ｉエミッタが一定であれば、又、電界Ｅの強度が減少すれば、ゲート１６’に流れる電流は典型的には増加する。すなわち、宇宙プラズマ環境６’に到達するかわりに、典型的にはゲート１６’に収集されるエミッタ電流Ｉエミッタの電子１７’が増大する。
【００４２】
反対に、電界Ｅの強度が増大すると、エミッタ電流のより多くの電子１７’がゲート１６’に収集されるのかわりに、ゲート１６’を介して宇宙プラズマ環境６’に至るので、ゲートへ流れる電子の数は典型的には減少する。こうした装置５０は、これまでに継続的な稼働も行われており、且つ電流を変化させるか又は毎秒１０９サイクルを上回る速度でオン・オフサイクルさせる切り替えモードで稼働されている。
電界イオン化装置
【００４３】
電荷放出装置４の別の実施形態は、正又は負イオンを放出する電界イオン化装置アレーである。この電界イオン化装置アレーの一実施形態では、各エミッタ６６は、微小な火山形状に構成されている。図８は、電界イオン化装置アレーの穴８５内部にある、こうした微小な火山エミッタ（すなわちノズル）８４の１つの走査型電子顕微鏡写真を示す。微小火山型エミッタ８４は導電性で、気体、液体、及び液体金属のような流体を案内するための開放チャンネル９０を含む。組み込み導電ゲート８７は、エミッタ８４に隣接して設けられている。組み込みゲート８７は、エミッタ８４を周回する材質上に作製されており、周回する材料が導電性であれば絶縁物質上に作製されるのが好ましい。
【００４４】
気体、液体、又は液体金属が、正イオン源として電界イオン化装置アレーを介して供給される。ゲートと微小火山型エミッタとの間のバイアス電圧が負であれば、正イオンが宇宙プラズマ環境６に放出される。バイアス電圧を反転させ、消費（原語：expendables）なしで動作させれば、微小火山型エミッタによる電子放出を誘発可能である。従って、この実施形態の電荷放出装置４は、電子放出とイオン放出との間で切り替え可能である。本発明の原理を実施するのに適した電界イオン化装置アレーの一例が、１９９０年５月１５日付けでチャールズ・エー・シュピントに発行された米国特許第４，９２６，０５６号に記載されている。
【００４５】
この種の電界イオン化装置を用いる別の種類の応用例は、フェムトリットル範囲内（大きな量を計量供給するための能力により）の制御された少量の流体を計量供給するためのものである。本発明を例示する目的では、次の記載は、流体としての液体のイオン化又は計量供給に関したものだが、本発明の原理は、気体状又は超臨界（すなわち液体でも気体でもない）状態にある流体のイオン化すなわち計量供給にも適用できる。この電界イオン化装置（以降は流体計量供給装置と呼ぶ）及び後述する流体計量供給装置により供給可能な種類の流体には、水性液体（すなわち水及び水性）、有機液体、無機液体、有機、無機、及び水性液体の混合物、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、ＤＮＡ、ＲＮＡ、及びタンパク質などの生物分子、又は他の水溶性有機溶剤、油、試薬、インク、化学物質、及び液体金属を含有する液体を含むが、それらには限定されない。流体計量供給装置において液体を用いてイオン、液体小滴、又は流動を発生させる場合は、２つの仕組みが、計量供給を誘発する上で一定の役割を果たしうる。これら２つの仕組みは、典型的には気体に関連した電界イオン化、及び典型的には液体に関連した電界蒸発である。
【００４６】
この種の応用例では、微小火山型エミッタ８４は、流体を案内する微小ノズル又は毛細管（以降はノズルと呼ぶ）として機能する。導電性ノズル８４は電極として機能し、導電性流体とともに使用可能だが、この導電性ノズルは、例えば油、インク、又は任意の低導電性液体のような低導電性又は非導電性流体と組み合わせても動作する。
【００４７】
組み込みゲート８７は、第２電極（以降はゲート電極と呼ぶ）として機能する。ノズル８４を備えた流体計量供給構造体に、ノズル８４のティップのごく近傍で（例えば１ミクロン未満の分離）ゲート電極８７を組み込むことで、高電圧（すなわち５００ボルトを上回る）でバイアスを掛けた付加的な抽出電極を必要とせずに、チャンネル９０からの流体抽出が可能となる。
【００４８】
流体計量供給装置の動作時に、計量供給される流体は、毛管作用（流体が液体の場合は）によりチャンネル９０の開放ティップまで引きつけられる。別の実施形態では、ポンプ手段が流体をチャンネルティップまで持ち上げる。次に、ノズル８４とゲート電極８７との間に十分な電圧を印加することで、流体の計量供給が実行される。正又は負電圧差の何れも印加できるが、ノズル８４にはゲート電極８７に対して正バイアスを掛けて、負バイアスを用いる場合よりも安定した流体の計量供給を達成するのが好ましい。
【００４９】
流体の計量供給は、静電気力を用いて制御する。流体計量供給構造体が小型であることと、静電気力の作用により決まる流体形状とにより、テーラー円錐を形成させる電界強度が、流体の近傍で発生する。計量供給されている流体の特性（例えばその導電性、比誘電率、及び表面張力）が、静電気力の流体との相互作用に影響を与える。幾つかの流体では、電界が、テーラー円錐を形成する影響力（原語：regime）を上回ると、イオンが最初に放出される。本明細書では、イオンとは、単一の原子又はＤＮＡ分子のような帯電原子又は帯電分子であり、流体のみではない。電界が増大するにつれ、個々の小滴が、次には小滴の流れがノズルティップから放出される。他の流体では、流体の初期抽出はミクロ小滴の形状をとる。典型的には、計量供給される流体は正味電荷を備えているが、流体によっては、計量供給される流体が正味電荷を備えていない（無電荷）こともある。
【００５０】
この流体計量供給構造体が小型であることと、静電気の制御で流体を送出することにより、流体計量供給の制御に関わる電圧を、電極間で約０．５キロボルト以上の電圧を必要とする従来のエレクトロスプレー装置に比べてかなり低くすることができる。組み込みゲート８７が、流体抽出に必要となる電圧をこのように減少できるのは、ゲート電極が、計量供給される流体に対して極めて近接しているからである。更に、ゲート電極８７の形状及び静電気力がもたらす流体形状による電界集中によって、テーラー円錐のティップ付近において電界勾配が更に増大し、従って、イオン化及びテーラー円錐の形成に必要な電圧が低くなる。
【００５１】
従って、幾つかの実施形態では、流体の流動を誘発するのに十分な印加電圧の大きさは、概ね２００ボルト未満である。５０乃至１００ボルト範囲のより低い電圧でも、イオン化（又はイオン送出）を誘発できる。電圧差が増大すると（例えば、５０乃至１００ボルト、−５０乃至−１００ボルト）、流体のミストすなわち小滴がノズル８７から出る。電圧差が更に増大すると、更に大きな液滴が、次に流体の噴流又は流動が流れる。従って、印加電圧を制御することにより、所望の流体流動率を実現できる。
【００５２】
ゲート電極８７は計量供給された流体（電流を表す）を遮断しないので、この流体計量供給構造体では電力も軽減される。テーラー円錐のティップにおける高度に集中した電界が、ゲート電極８７による収集を防止するのに十分な慣性及び方向性のある運動を流体に与える。結果として、ゲート電極８７の動作に必要な電力は、従来のエレクトロスプレー技術に比べて小さくなる。又、低電力の流体計量供給装置を具現化する計器、機器、ユニット、及びシステムは、携帯型とすることが可能である。
【００５３】
図９は、微小ノズル（以降はノズルと呼ぶ）１０８のアレー１０４と組み込みゲート電極１１２とを含む流体計量供給装置１００の別の実施形態の一部を示す。ノズルの２×２アレーのみを図示したが、１平方メートル当たり約１０６個のノズルを備えたノズルアレーが現在までに製作されている。
【００５４】
ノズル１０８は基板１２０（例えばシリコン）に形成され、図示した実施形態では、非導電物質（例えば、シリコン酸化膜又は窒化ケイ素）から構成されている。ノズルの寸法は、直径で概ね０．１乃至１００ミクロンの範囲である。ノズル１０８が非導電性である実施形態では、ノズル１０８内の流体は導電性として、従って、流体を抽出するために協同する２つの電極の一方として機能可能とするのが好ましい。この構成では、ゲート電極１１２が他方の電極である。導電性流体の例としては、液体金属、水溶液、ＤＭＳＯ、血液などを含むが、それらに限定されない。
【００５５】
各ノズル１０８は、開放した流体案内チャンネル１１０を含む。更に、この実施形態では、ノズル１０８は円柱形状を備えている。本発明のノズルは、ノズルの内の流体が上述したようにテーラー円錐を形成できさえすれば、一般に様々な形状（例えば、円錐、円柱状、長方形状など）としてよい。
【００５６】
誘電体スペーサ１１６が、ゲート電極１１２と基板１２０との間に挟持され、ゲート電極１１２を基板１２０から電気的に絶縁している。スペーサ１１６を作製するための誘電体材料の例としては、シリコン酸化膜及び窒化ケイ素が含まれる。誘電体スペーサ１１６の厚さは、動作電圧での破壊を防止できるように、又、作製工程全体にわたり装置構造体の物理的保全性を維持できるように寸法設定する。ゲート電極１１２及びその下方に横たわる誘電体スペーサ１１６は、ノズル１０８のそれぞれの上方に位置した開口部を備え、チャンネル１１０の開放端部から放射される流体が、ゲート電極１１２を通過して受け取り装置（図示しない）に到達可能とする。図示した実施形態では、ゲート電極１１２は、ノズルに関して対称に配置されている。他の実施形態では（図示しない）、ゲート電極１１２の位置は、ノズルティップに関して非対称（例えば、ノズルティップの一端よりも別の端部に近い）となっている。
【００５７】
ゲート電極１１２を作製するための材料の例としては、シリコン及び多結晶シリコンなどの半導体、並びにニッケル、白金、及びアルミなどの導体が含まれるが、それらに限定されない。図示した実施形態では、更に、流体抽出用のゲート電極１１２は、ノズルの開放ティップから概ね１乃至３ミクロンほど離間している。ゲート電極１１２は、本発明の原理から逸脱することなく、３ミクロンを上回る距離でノズルティップから離間させることが可能だが、それには、誘電破壊及び／又はアーク放電を発生させるような高電圧を、流体計量放出に必要としない離間であることが条件である。
【００５８】
別の実施形態（図示しない）では、ゲート電極１１２は、ノズル１０８の誘電体材料上に作製されおり、ゲート電極１１２を、図示した実施形態よりもノズルティップにおける流体に近づけている。
【００５９】
ノズル１０８のアレー１０４においても、流体計量供給は、導電性ノズルを備えた流体計量供給構造体に関して図８で上述したものと同一の原理で実行される。図９に示した実施形態では、ゲート電極１１２に印加される電圧（ノズル１０８内の流体に対して）の作用で、アレーの各ノズル１０８において、流体がテーラー円錐を形成し、次に電界の向きの線に沿ってノズル１０８から遊離する。
【００６０】
この流体計量供給装置が小型であることと、ゲート電極１１２が各ノズル１０８に極めて近接していることは、流体の計量供給に必要な高電界が、ゲート電極１１２とノズル１０８との間の領域に限定されることを意味する。結果として、１つのノズル１０８を作動しても（すなわち、流体計量供給を引き起こす電圧を印加しても）、他のノズル１０８において意図しない動作を引き起こす電界を発生させることはない。従って、アレー内の個々のノズルは、ノズル中心間の距離が数ミクロンという密度を実現する寸法であって、個別にゲート制御可能であり、従って所与の応用例の必要に応じて、個別に、グループ若しくはサブアレー毎に、列毎に若しくは行毎に、一斉に、順次若しくは同時に作動させうる。同時作動とは、全てのノズルが流体の計量供給を開始するか、或いは現時点で同時に流体を計量供給していること（必ずしも同時に開始又は停止しない）を意味する。順次動作とは、異なるノズルが、異なる時間に計量供給を開始することを意味する。こうした順次作動されるノズルは、時間的に重複した、或いは重複しない流体の計量供給が可能であり、同時又は異なる時間に計量供給を停止してもよい。
【００６１】
従って、一実施形態では、ゲート電極１１２は、複数の個別アドレス指定可能なゲート電極に分割されている。個別アドレス指定可能なゲート電極は、アレー１０４内のノズル１０８の部分集合（すなわち、１つ又は複数）の流体計量供給を作動及び制御できる。例えば、単一の流体計量供給装置では、幾つかの個別アドレス指定可能ゲート電極が１つのノズルを作動させるように構成し、他の電極が、数十、数百、数千、数万、及び／又は数十万のノズルを作動させるように構成可能である。一実施形態では、個別アドレス指定可能ゲート電極に選択的に電圧を印加するためのこれら電極へのアドレス指定は、集積回路のメモリ素子における個別記憶セルのアドレス指定に類似の様態で実行する。
【００６２】
図８及び図９に関連して上述したもののような、流体計量供給構造体（すなわち、ノズル及び組み込みゲート電極付きの構成体）を備えた装置の微小製作は、半導体の標準的な製作技法に基づいている。こうした装置を製作するのに使用可能な材料の特性は、導電性及び非導電性材料も含め様々であり、特定の用途及び対象となる液体（例えば、液体金属、生物体液、有機及び無機溶剤、ＤＮＡ、タンパク質、及び他の生物学的マーカなどの溶存物質又は懸濁分子を含む液体、導電性ノズルを用いる場合は非導電性液体及び気体）に合わせて調節できる。一実施形態では、電界放出装置に関して上述したものと類似の材料及び作製技法が用いられる。
【００６３】
標準的な微小製作技法の利点は、ミクロン未満尺度に至る分解能を備えた（更に、大規模生産を実行した場合は、低コストの）小型の再現可能な流体計量供給装置の位置決め及び製作制御が可能となること、様々な寸法の基板上に流体計量供給装置を再生産し、従って並列構造体（すなわちアレー）を備えた装置の生産が可能となること、更に、電子技術及び半導体製作に基づいた既存技術を上述の装置に統合可能となることである。
【００６４】
図１０は、複数のノズル２０４、２０４’、２０４”（一般にノズル２０４と呼ぶ）及び組み込みゲート電極２０８を含む微小製作した流体計量供給装置２００の一実施形態の一部の断面図を示す。ノズル２０４は基板２１２に形成され、この実施形態では、非導電材料で作製されている。他の実施形態では、ノズル２０４の幾つかを非導電性とする一方、他のノズル２０４を導電性（又は半導性）として、非導電材料でゲート電極２０８から絶縁する。ノズルにこうした異なる導電性が付与されていることで、ノズルが様々な種類の流体に使用できる（例えば、導電性ノズルは、導電性が低い流体と組み合わせると性能が向上し、非導電性ノズルは、導電性流体と組み合わせる良好に動作し、こうした流体と化学的相互作用をあまり起こさない）。
【００６５】
各ノズル２０４、２０４’、２０４”は、開放ティップ及び流体案内チャンネル２２０、２２０’、２２０”をそれぞれ備え、各チャンネル２２０は、それぞれの開放ティップを流体源に接続して、毛管現象及びポンピングなどのそれぞれ受動又は能動的手段で流体を供給する。この流体源は、装置２００の基板２１２内の流体タンク或いは外部源でよい。流体タンクを備えた流体計量供給装置は、事実上、計量供給、検査、混合、及び処理工程への暴露などの様々な目的で、例えば反応要素を保持する能力を備えた微小容器である。
【００６６】
図１０に示した実施形態では、流体計量供給装置２００は、複数の流体タンク２２４、２２４”を含んでいる。各ノズル２０４は、１つの流体タンクを共同使用するか、排他的に使用する。例えば、ノズル２０４、２０４’は流体タンク２２４を共同利用し、ノズル２０４”は流体タンク２２４”を排他的に使用する。別々のタンクであれば、異なる流体を異なるノズルで計量供給可能であり、これは混合及び検査に関し有用な機能となる。別の実施形態（図示しない）では、流体計量供給装置に設けられた全てのノズルが、単一の流体タンクを共同使用する。
【００６７】
流体は、装置２００の製作時にタンク２２４、２２４”へ投入可能であり、従って、流体は、装置２００の発送又は販売時には装置２００内部に含まれているが、装置２００の使用時に（すなわち、製作後に）流体を投入することも可能である。流体を流体タンクに投入する装置としては、ピペット、スポイト、他の微少量流体を送出する構造体、計量供給構造体、チャンネル構造体、又は本明細書に記載した種類の微小ノズル構造体（すなわち、カスケード流体計量供給装置）を含むが、それらには限定されず、様々な量を扱うため異なる寸法としてよい。
【００６８】
スペーサすなわち層２１６が、ゲート電極２０８と基板２１２との間に設けられている。非導電性の基板２１２に付いては、ゲート電極２０８は、基板２１２上に設けてもよい（すなわち、介在スペーサ２１６を用いない）。基板２１２が導電性であれば、非導電性のスペーサ２１６を用いて、ゲート電極２０８を基板２１２から電気的に絶縁する。又、電圧を導電性基板２１２に印加して、ノズルティップにおける電界の向きの線を制御でき、且つこれら電界の向きの線を制御することで、計量供給したイオン又は流体のゲート電極２０８に向かう動きを制限できる。
【００６９】
図示した実施形態では、ゲート電極２０８は、複数の個別アドレス指定可能ゲート電極２１０、２１０’、２１０”（一般に、ゲート電極２１０と呼ぶ）を含んでいる。個別アドレス指定可能ゲート電極２１０それぞれは、対応するノズル２０４の開放された流体計量供給ティップに隣接して配置されている（典型的には、ティップから２乃至３ミクロン以内）。個別アドレス指定可能ゲート電極２１０は、対応するノズル２０４の開放ティップの上方、下方、又は同一平面上に配置可能である。
【００７０】
各ゲート電極２１０と対応するノズル２０４内の流体との間に電圧を印加可能とするため、導電性膜又は層２１８を用いるか、流体に電極２３２（例えば、導電性ニードル）の一方又は両方を接触させることで、流体との電気的接触を確立する。陰影を付けた領域として示したこの導電性層２１８は、非導電性ノズルと共に用いるのが好ましく、流体タンク２２４、２２４”及び各チャンネル２２０の内壁の内側を覆って、流体との電気的接触を確立する。導電性ノズルを用いる実施形態に関しては、ノズル２０４は、絶縁基板２１２又は非導電性スペーサ２１６によりゲート電極２１０からは絶縁されており、更に、ノズル２０４との電気的接触が確保される限りは、導電性層２１８は不要である。他の導電性膜２３４、２３４”（陰影を付けた）も装置２００の底面に沿って延伸させて、液体又はノズル２０４と電気的接触を確立する露出外面を形成できる。この電気的接触は、装置２００から受け取り、且つ装置２００への電気的接続を形成するよう適合されたソケット又はプラグを介して達成される（腕時計バッテリの外部ベース電極と機能及び動作が類似している）。
【００７１】
ノズル２０４から流体の計量供給を引き起こすには、個別アドレス指定可能ゲート電極２１０それぞれと、対応するノズル２０４内の流体との間に電圧を印加する。個別アドレス指定可能ゲート電極の特徴は、異なる電圧を印加することで、異なるノズルに異なる流量の流体を計量供給させうる点である。例えば、図１０に示したように、印加電圧ＶＧＥ１、ＶＧＥ２、及びＶＧＥ３により局部的に生成された電界の影響下で、それぞれ、ノズル２０４はミスト２４４を計量供給し、ノズル２０４’は小滴２４８を計量供給し、ノズル２０４”はイオン２５２を計量供給する。抽出されたミスト２４４、小滴２４８、及びイオン２５２は、それぞれテーラー円錐２４２、２４２’、及び２４２”のティップから現れる。この例では、ＶＧＥ２はＶＧＥ１とは強度が異なり、ＶＧＥ１はＶＧＥ３とは強度が異なるので、異なる量の抽出流体が計量供給される。
【００７２】
本発明の幾つかの実施形態は、ノズルを離れたイオン又は流体を引き寄せて、収集するようバイアスを掛けられた受け取りタンク又は電極を含む。ただし、こうした電極は、ノズルからの計量供給の実行には必要でない。受け取り電極には、流体又はノズルに対してゲート電極と同一方向にバイアスが掛けられているが、その電位差は、ゲート電極の電位差よりも大きいか、同一の電位差である。一般に、この受け取り電極は、流体送出を改善して大きな流体流量を実現する（特に、高密度のアレー構造体では）。この受け取り要素が電極の場合は、計量供給された流体（イオン化されていれば）は、受け取り要素において電荷中立化できる。電荷中立性を実現する１つの技法は、電子源を流体計量供給装置の近傍に設けて、流体がノズルから計量供給される際に中立化することを含む。他の技法は、受け取り要素の接地を含む。
【００７３】
図１０における受け取り電極（受け取り要素）２３６は、こうした受け取り要素の一例である。流体計量供給装置２００からの受け取り要素２３６の距離は、受け取り要素２３６を使用する用途及び計量供給される流体の量により決定される。例えば、液体が少量であれば、受け取り要素２３６までの距離を短くして、受け取り要素２３６への到達以前に蒸発により失われる液体量を減少可能である。蒸発で失われる液体の量を減少させるため、本発明の幾つかの実施形態は、封入容器、湿度調節チャンバ、及び環境調節チャンバ（すなわち、温度及び湿度を制御する）などの、蒸発を制御する手段を含む。一般に、こうした蒸発制御手段は、流体計量供給装置２００及び受け取り要素２３６を封入する。
【００７４】
受け取り要素２３６は、ノズル２０４の上方に位置決めされた複数のウェル２４０、２４０’を備え、ウェル２４０がミスト２４４を収集し、ウェル２４０’が小滴２４８及びイオン２５２を収集する。２つの異なる種類の流体を収容可能な２つの異なるタンク２４０、２４０’から計量供給された流体のこの収集動作は、流体計量供給装置２００を用いてどのように複数流体を混合可能かを示すものである。
【００７５】
受け取り要素２３６と流体との間に電圧ＶＲを印加する。受け取り要素２３６に印加する電圧ＶＲの大きさは、ゲート電極２１０と流体との間に印加する最大電圧（ここではＶＧＥ２）と同等又はそれより大きい（従って、例えばＶＧＥ２＝２００Ｖであれば、ＶＲは２００Ｖより大きいか同等であり、例えば、ＶＧＥ２＝−２００Ｖであれば、ＶＲは−２００Ｖ未満か同等である）。
【００７６】
図１１は、微小製作した流体計量供給装置に統合した、流体を処理し且つ計量供給する工程を自動化するための電気制御システムの一例を示す。この制御システムは、流体計量供給装置に取り付けるか、この装置と同一の基板上に直接的に作製できる。事前及び事後分析、並びに流体処理ステージも、こうした流体計量供給装置と統合化できる。従って、流体計量供給装置は、航空宇宙、資材管理及び製作、生化学、物理分析計装、化学サンプリング、送出、及び工程管理などの様々な分野で有用である。
【００７７】
より具体的には、図１１は、使用する特定の用途に従ってカスタマイズ可能な流体処理システム２７０の一実施形態を示している。用途の一例としては、システム２７０のアレー又は他の構成要素内で実行する化学的診断又はその他の診断に従って決定される微小レベルでの化学混合（例えば、化学試料、阻害物質、又はトレーサー）がある。別の例としては、流体処理システム２７０は、流体計量供給装置を、微少量の送出が望ましい用途における計量供給構成要素又は「バルブ様」構成要素として用いる。
【００７８】
流体処理システム２７０は、制御システム２７８と通信する微小製作された流体計量供給装置２７４と、流体受け取り要素２８２とを含む。流体計量供給装置２７４（一部を例示的な断面図として図示した）は、基板２９８と、基板２９８上に形成した複数の円柱状ノズル２８６と、基板２９８上に設けた誘電体層３００上のゲート電極とを含む。導電性膜２９６は、ノズル２８６又はノズル２８６内の流体に電気的接点を提供する。一実施形態では、ゲート電極は、複数の個別アドレス指定可能なゲート電極２９０を備えている。各ノズル２８６は、そのティップから外部流体源（図示しない）まで延伸するチャンネル２９４を含む。同一又は異なる流体源が、同一又は異なる流体をチャンネル２９４を介してノズル２８６まで供給できる。
【００７９】
制御システム２７８は、制御回路３０６と通信するマイクロプロセッサ３１０を含む。マイクロプロセッサ３１０は、流体処理システム２７０による実現を意図した特定機能を達成するソフトウェアを実行する。制御回路３０６は、電圧供給源３０２と、信号線２７６を介して、流体計量供給装置２７４と、信号線２８０を介して、流体受け取り要素２８２と通信する。電圧供給源３０２は、供給線２９２を介して、個別アドレス指定可能ゲート電極２９０のぞれぞれと、供給線２９３を介して、流体又はノズル２８６（導電性膜２９６によって）と、供給線２９５を介して、流体受け取り要素２８２と電気的に連通している。一実施形態では、電圧供給源３０２は動的に調節可能であり、更に、単一のパルス又は様々なパルス周波数による一連のパルスとして電圧信号を印加可能である。
【００８０】
制御システム２７８は、ノズル２８６からの流体の計量供給を処理する。例えば、ある技法では、ゲート電極とノズル（又は流体）との間に印加される電圧振幅を変化させる。別の技法では、印加する電圧信号のパルス長（すなわち持続時間）を変化させる。この例では、制御システム２７８のマイクロプロセッサ３１０及び制御回路３０６は、電圧を単一の電気パルスとして印加する。
【００８１】
更に別の技法では、電圧をパルス印加し（例えば、概ね１ｋHzの周波数で）、デューティサイクルを変化させる。この例では、制御回路３０６は、電圧供給源３０２に指令して、可変デューティサイクルを備えた一連の電気パルスとして電圧を印加する。流体の体積が小さいこと、使用される流体計量供給構造体が小型であること、更に、パルスのデューティサイクルを変化さうることによって、小滴の寸法を正確に制御可能な様態で電界強度がパルス化（すなわち調節）される。小滴の寸法を制御する能力により、送出する量を正確に制御できる。従って、計量供給する流体の量は、ノズル２８６又はノズル２８６内の流体と、対応するゲート電極２９０との間に印加される電圧振幅、印加電圧の持続時間、一連の電気パルスのデューティサイクル及び周波数、又はこれら電圧印加手段の組み合わせの関数である。
【００８２】
計量供給は、基板を覆う多数の微小ノズルを備えたアレーで実行できるので、こうした計量供給ノズルの位置合わせは電子的に処理できる。一実施形態では、流体受け取り要素２８２は、確定構成体又は位置合わせマーク（例えば、光学ラベル、構造的位置合わせマークなど）を備えている。制御システム２７８は、例えば位置合わせマークを読み取るセンサーを用いて、所望の計量供給位置に対する位置合わせマークの位置を登録し、次に、所望の目標位置に位置合わせしたこれらノズルを作動に備えて選択する。
【００８３】
ノズル間の干渉を起こさずに、特定のノズル又はノズルのサブアレーを作動するために、特定のゲート電極を個別アドレス指定する能力により、複雑なパターンの形成（すなわち印刷）と、計量供給及び収集領域の正確な位置合わせとを可能とし、従って、超精密な物理的位置合わせを備えた整合装置（原語：matching device）を提供する必要がなくなる。図１１では、代表的な例として、幾つかのノズル２８６が作動され、流体２８８を計量供給しているが、他のノズルはオフ状態となっている。
【００８４】
動作に備えて特定のノズルを目標に向けるこの機能は、宇宙空間でも用途がある。例えば、宇宙空間での１つの用途は、ゲート流体計量供給装置２７４をイオン又は流体スラスタとして用いるというものである。この用途では、流体計量供給装置２７４により計量供給されるイオン又は流体が宇宙プラズマ環境に放出されるように、装置２７４を宇宙物体に接続する。（この用途では、受け取り要素２８２は存在していないか、宇宙プラズマ環境を受け取り要素と考えることができる。）計量供給したイオン又は流体は、宇宙物体を、計量供給した物質とは反対方向に推進させるよう作用する。イオンの計量供給に関しては、イオン加速電極をイオン通路の近傍に配置して、イオンの運動を加速し、宇宙物体を推進させるスラストを増大可能である。特定のノズル、例えば、装置２７４の何れか一方側に配置したノズルを作動させると、宇宙物体に働く動作の方向制御が可能となる。
【００８５】
特定の好適な実施形態を参照しつつ本発明を図示し且つ説明してきたが、通常の技能を備えた当業者であれば、形式及び細部は、次の特許請求の範囲に定義された本発明の精神及び範囲から逸脱することなく様々に変更できることは理解するはずである。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
本発明は、添付の特許請求の範囲で詳細に記載されている。本発明の上述の利点及び更なる利点は、添付の図面と共に次の説明を参照すればより良く理解できるはずである。
【図１】物体と周囲宇宙プラズマ環境との間の電位差を測定し、制御するためのシステムであって、ゲート及びエミッタティップのアレーを備えた電荷放出装置を含むシステムの一実施形態の図である。
【図２】図１の電荷放出装置の特定の実施形態である電界放出装置の一実施形態の部分断面図である。
【図３】電界放出装置の別の実施形態の部分断面図である。
【図４】電界放出装置の一実施形態の上面図である。
【図５】電界放出装置の一実施形態におけるモデル化したＩ−Ｖ特性のグラフである。
【図６】電界放出装置を組み込んだ要素の一実施形態を示す図である。
【図７】宇宙プラズマを仮想アノードとして用いた電界放出装置の動作概略図を示す。
【図８】図１の電荷放出装置を具体的に実施した、本発明の原理に従って流体を計量供給するのに使用可能な電界イオン化装置の一実施形態の走査型電子顕微鏡写真であり、この電界イオン化装置は、導電性ノズル及び組み込みゲート電極を含む流体計量供給装置を備えている。
【図９】非導電性ノズルのアレー及び組み込みゲート電極を備えた流体計量供給装置の別の実施形態の一部を示す走査型電子顕微鏡写真である。
【図１０】ノズルアレー及び個別アドレス指定ゲート電極を備えた流体計量供給装置の一実施形態の一部を示す断面図である。
【図１１】本発明の原理を具体化した流体計量供給装置の一実施形態のブロック図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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