(57)【要約】  バルブハウジングを含み、バルブハウジングが、ハウジングキャビティを画定するとともに、ハウジング注入口、ハウジングベント、毛細配管注入口、および毛細配管排出口を備えている、凍結・解凍バルブ、および凍結・解凍バルブをマイクロ加工する方法が提示される。バルブ本体が、少なくともその一部をリソグラフィによって構成して設けられ、冷却剤注入口、冷却剤排出口、および膨張チャンバを含んでいる。膨張チャンバは、冷却剤注入口を冷却剤排出口に連通させるように配置され、流れ規制手段を有する規制領域を含んでいる。さらに、バルブ本体は、バルブハウジングとバルブ本体との間に絶縁チャネルを形成するようにハウジングキャビティ内に配置されている。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングキャビティを画定するとともに、少なくとも１つのハウジング注入口、少なくとも１つのハウジングベント、少なくとも１つのハウジング流体導管注入口、および少なくとも１つのハウジング流体導管排出口を備えているバルブハウジングと、
基板と、
少なくとも一部分がリソグラフィによって前記基板にエッチングされてなり、冷却剤注入口、冷却剤排出口、および前記冷却剤注入口と前記冷却剤排出口との間に流体を連通させるように配置されている前記膨張チャンバを含んでいる前記バルブ本体と、
前記バルブ本体内に配置され、導管注入口および導管排出口を有しており、前記少なくとも１つの導管に凍結・解凍領域を形成すべくその導管を通過して流れる流体への前記冷却剤の熱特性の伝達を促進するため、前記膨張チャンバに近接して配置されている少なくとも１つの導管と
を有している、凍結・解凍バルブ。
【請求項２】
前記バルブハウジングが、前記バルブ本体を前記バルブハウジング内に動かないように収容するため、少なくとも１つの取り付け構造を前記ハウジングキャビティ内に配置して備えている、請求項１に記載の凍結・解凍バルブ。
【請求項３】
前記バルブ本体が、少なくとも１つの導電性表面を有するとともに、前記バルブ本体の加熱を生じさせて前記少なくとも１つの導管の前記流体を解凍するため、外部の制御部に電気的に接続されている、請求項１に記載の凍結・解凍バルブ。
【請求項４】
前記バルブ本体が、前記ハウジングに配置されて前記バルブ本体の前記少なくとも１つの導電性表面に係合する複数の電気バネコンタクトによって、外部の制御部に電気的に接続されている、請求項３に記載の凍結・解凍バルブ。
【請求項５】
前記ハウジングに配置された前記複数の電気バネコンタクトが、配線ハーネスに接続されており、前記配線ハーネスが、バルブ本体と前記外部の制御との間に該配線ハーネスを介して電気的連続性をもたらす、請求項４に記載の凍結・解凍バルブ。
【請求項６】
前記バルブ本体が、前記バルブハウジングと前記バルブ本体との間に熱絶縁の空隙を形成するように前記ハウジングキャビティに配置されている、請求項１に記載の凍結・解凍バルブ。
【請求項７】
前記冷却剤排出口に近接して配置された多孔性部材をさらに含んでいる、請求項１に記載の凍結・解凍バルブ。
【請求項８】
前記少なくとも１つの導管が、前記少なくとも１つの導管に配置された少なくとも１つの毛細管を含んでおり、前記少なくとも１つの毛細管が、前記導管注入口および前記導管排出口から延びるように前記少なくとも１つの導管を横切っている、請求項１に記載の凍結・解凍バルブ。
【請求項９】
供給用毛細管をさらに含んでおり、前記供給用毛細管が、冷却剤配管導管を形成するように前記バルブ本体の前記冷却剤注入口に接合されている、請求項１に記載の凍結・解凍バルブ。
【請求項１０】
前記冷却剤配管導管が、前記膨張チャンバよりも小さな内径である、請求項９に記載の凍結・解凍バルブ。
【請求項１１】
前記バルブ本体が、前記膨張チャンバと前記冷却剤排出口との間に流れ規制領域をさらに含んでいる、請求項１に記載の凍結・解凍バルブ。
【請求項１２】
前記流れ規制領域が、前記冷却剤配管路を含んでいる、請求項１１に記載の凍結・解凍バルブ。
【請求項１３】
前記流れ規制領域が、前記膨張チャンバの上流かつ近傍に製作されたオリフィスを含んでおり、前記オリフィスが、前記膨張チャンバに通過するときに前記冷却剤に局所的な圧力低下を生じさせる規制手段を生み出している、請求項１１に記載の凍結・解凍バルブ。
【請求項１４】
前記バルブ本体が、少なくとも１つの蛇行部分を前記冷却剤注入口および前記冷却剤排出口に連通させてさらに含んでいる、請求項１に記載の凍結・解凍バルブ。
【請求項１５】
前記バルブ本体が、複数の実質的に平行なチャネルを前記膨張チャンバおよび前記冷却剤排出口に連通させてさらに含んでいる、請求項１に記載の凍結・解凍バルブ。
【請求項１６】
冷却剤ベントチャネルをさらに備えており、前記冷却剤ベントチャネルが、前記膨張チャンバを前記冷却剤排出口に連通させている、請求項１に記載の凍結・解凍バルブ。
【請求項１７】
前記バルブ本体が、接着剤を使用して前記ハウジングキャビティ内に動かないように配置されている、請求項２に記載の凍結・解凍バルブ。
【請求項１８】
前記バルブ本体が、シリコン、ガラス、セラミック、銀、および銅からなる群より選択された材料で形成されている、請求項１に記載の凍結・解凍バルブ。
【請求項１９】
前記バルブ本体の前記少なくとも１つの導電性表面が、前記バルブ本体の温度を検出すべく、前記バルブ本体の電気抵抗の変化を検出するために使用される、請求項３に記載の凍結・解凍バルブ。
【請求項２０】
前記バルブ本体の前記電気抵抗の変化が、前記バルブ本体へのヒータまたは冷却剤の適用をフィードバック制御するために使用される、請求項１９に記載の凍結・解凍バルブ。
【請求項２１】
マイクロ流体バルブ装置をマイクロ加工する方法であって、
平坦な基板を入手するステップと、
冷却剤注入口と、膨張チャンバと、冷却剤排出口とを連通させて含んでいる所定のパターンが前記平坦な基板にエッチングされるよう、前記平坦な基板に少なくとも第１のリソグラフィックプロセスを実行するステップと、
前記冷却剤注入口、膨張チャンバ、および冷却剤排出口を覆って対を成す構造を設けるステップと、
を備えている、方法。
【請求項２２】
前記平坦な基板にコンタクトパッド金属を蒸着させるステップと、
前記コンタクトパッド金属が前記平坦な基板上の少なくとも１つの導電部材に形成されるよう、前記平坦な基板に第２のリソグラフィックプロセスを実行するステップと、
加熱素子を前記平坦な基板上に、前記少なくとも１つの導電部材に電気的に連通させて形成するステップと、
をさらに含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記平坦な基板の少なくとも一部が、シリコン、ガラス、セラミック、銀、および銅からなる群より選択された材料である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２４】
前記所定のパターンが、導管注入口および導管排出口を有する少なくとも１つの導管をさらに含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２５】
前記所定のパターンが、少なくとも１つの蛇行部分を前記膨張チャンバに連通させてさらに含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記所定のパターンが、前記規制領域を含んでいる膨張チャンバをさらに含んでおり、規制領域が、流れ規制手段を含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【請求項２７】
前記所定のパターンが、ハードマスク材料を使用して形成され、前記ハードマスク材料が、約０．５ミクロンの厚さを有する窒化シリコン材料である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２８】
前記所定のパターンが、ハードマスク材料を使用して形成され、前記ハードマスク材料が、約０．２５ミクロンの厚さを有するアルミニウム材料である、請求項２１に記載の方法。
【請求項２９】
前記少なくとも１つのリソグラフィックプロセスが、湿式エッチングプロセスおよびボッシュエッチングプロセスのうちの少なくとも一方を含んでいる、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願）
この出願は、２００４年４月２１日付の米国特許仮出願第６０／５６４，２５６号明細書および２００４年９月１５日付の米国特許出願第１０／９４１，２１６号明細書にもとづく優先権を主張し、これらの出願の利益を主張する。これらの出願の内容は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、概して配管およびチャネルを通過する液体の流れを制御するための装置に関し、より詳細には、マイクロスケールの毛細配管およびチャネルを通過する液体の流れを、当該配管またはチャネルの一部分の液体を凍結および解凍することによって制御するための装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
ナノスケールの毛細管およびチャネルを流れる液体を凍結および解凍させることで、オン／オフ・スイッチまたはバルブとして機能させることが、当技術分野において知られており、例えば米国特許第６，３４２，１８４号明細書、米国特許第６，１５９，７４４号明細書、米国特許第６，００７，３０２号明細書、および米国特許第５，７９５，７８８号明細書を参照できる。この技法は、「凍結・解凍バルブ」と一般に称される流通切り換え装置を使用し、単純にチャネルまたは配管の一部分に含まれている液体を凍結および解凍させることによって、液体の流れを停止させ、あるいは別のチャネルまたはチャンバに向ける。この凍結・解凍バルブは、小径のチャネル内を流れる液体の管理および制御を可能し、いかなる可動部品も必要とせず、分析システム内に流れにさらされない行き止まりの空間をもたらすことがない。
【０００４】
凍結・解凍バルブは、典型的には、バルブ本体を絶縁ハウジング内に吊り下げて有しており、バルブ本体が、多孔性の金属製排気口を有する熱伝導性の膨張チャンバを囲んで備えている。流体が流れる毛細管が、バルブ本体の貫通穴に挿入され、バルブ本体と密に熱的に接触する。電気抵抗ヒータおよび熱電対が、凍結した流体の栓を解凍してバルブを開放するため、熱を供給すべくバルブ本体に取り付けられている。このような凍結・解凍バルブは、典型的には、ガスを加圧下で液化させてなる供給源からの液体二酸化炭素および／または液体窒素等の低温ガスのジェットを、チャネルまたは配管の一部分に直接投射することによって動作させられる。これが、チャネルまたは配管の当該部分を流れている液体を凍結させて、凍結した液体の栓を生み出し、これがバルブを通過する液体の流れを阻止し、すなわちバルブが「閉鎖」される。電気抵抗ヒータを、熱を生み出すべく動作させることができ、この熱が、バルブ本体の全体に伝わって凍結流体の栓を暖め、液体がバルブを通って流れることができるようにし、すなわちバルブが「開放」される。熱電対または測温抵抗体（ＲＴＤ）を、バルブ本体の加熱および冷却の制御のため、温度の検出をもたらすために使用することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
公知の凍結・解凍バルブは、従来からの機械加工技法を使用して３次元の形状に製造されており、結果として、これらのバルブが、より大きなサイズに限定されている。これは、バルブのサイズがバルブの速度、冷却剤の消費量、バルブの信頼性、および製造コストに悪影響を及ぼすため、多くの用途において望ましくない。例えば、バルブの性能は、バルブ本体の熱的特性に関係しており、例えばバルブの応答時間は、熱の拡散の時定数に支配されている。したがって、バルブ本体が大きくなると、熱の拡散の時定数も大きくなる傾向にあるため、バルブ本体の温度変化が、より緩徐に生じる傾向になる。この結果、より大きなバルブ本体においては、より小さなバルブ本体の場合と比べ、流体の栓の凍結および／または解凍により時間を要する。さらに、バルブにおける冷却剤および電気エネルギーの消費が、バルブ本体の熱質量によって支配されているため、より大きなバルブ本体は、より小さなバルブ本体に比べ、冷却剤および電気エネルギーをより大量に消費する傾向にある。また、バルブに加わる熱応力は、温度の一様性およびバルブの製造に用いられている材料の熱膨張の類似度に支配されているため、バルブの信頼性および寿命が、バルブのサイズおよび材料の選択によって不利な影響を受ける。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
公知のバルブの問題を克服するため、マイクロ加工による凍結・解凍バルブが製造され、マイクロ加工による凍結・解凍バルブは、ハウジングキャビティを画定するとともに、冷却剤配管注入口、冷却剤ベント、ならびに毛細配管作動流体注入口、および毛細配管作動流体排出口を含んでいるバルブハウジングを含んでいる。バルブ本体が、少なくともその一部をリソグラフィによって構成して設けられ、冷却剤注入口、冷却剤排出口、および膨張チャンバを備えている。膨張チャンバは、冷却剤注入口と冷却剤排出口との間に配置され、規制領域を含んでいる。膨張チャンバが、冷却剤排出口の上流に配置された多孔性構造を含んでもよい。さらにバルブ本体は、作動流体が通過して流れる毛細配管と密に熱接触する１つ以上の導管を含んでいる。
【０００７】
さらにバルブ本体は、電気ヒータと温度センサとが組み合わせられてなる素子を形成する本発明による造作を含んでおり、そのような素子は、その全体がここでの言及によって本明細書に取り入れられたものとするＯｒｏｓｙらの１９７４年の米国特許第３，７８９，１９０号明細書に記載されているように実現される。バルブ本体は、バルブハウジングとバルブ本体との間に熱絶縁の空隙を形成するようにハウジングキャビティ内に配置される。バルブ本体は、配線ハーネスおよび電気バネコンタクトによって外部の制御部に電気的に接続される。２つ以上の電気バネコンタクトがバルブハウジング内に配置され、所定の位置においてバルブ本体に接触し、配線ハーネスを介してバルブ本体と外部の制御部との間に電気的な連続性をもたらす。
【０００８】
本発明による凍結・解凍バルブ本体のマイクロ加工方法も提供され、シリコンウエハ基板を入手するステップ、リソグラフィを実行するステップ、マスクを行うステップ、およびエッチングを行うステップを含んでおり、複数の類似または異なるバルブ本体のための冷却剤流体用の造作および作動流体用チャネルが形成される。対を成すシリコンウエハ基板を一体に接合して、冷却剤流体用の造作および作動流体用チャネルを囲い込む。電気加熱および温度検出用の造作ならびに電気コンタクトパッドを生成するため、さらなる蒸着、リソグラフィ、およびエッチングのプロセスを実行することができる。接合済みのウエハアセンブリをサイコロ状に切り分けて、各々のサイコロの縁に沿った冷却剤の注入口および排出口ならびに作動流体用毛細配管の導管の注入口および排出口を設けることによって、個々のバルブ本体が得られる。
【０００９】
本発明によるバルブの利点としては、マイクロ製造技法を使用する製造によって、従来からの加工技術の能力を超えるバルブ本体の微細化が可能になる点を、挙げることができる。そのような実施は、バルブの速度、冷却剤の消費、性能の信頼性、および製造の経済性において、大幅な改善を好都合に可能にする。本発明によるマイクロ製造された凍結・解凍バルブは、バルブ応答時間およびエネルギー消費に顕著な改善を達成すべく、より小さいバルブとして製造できる。さらに、凍結・解凍バルブをマイクロ製造することで、冷却剤ノズル、膨張チャンバ、多孔性のベント、ヒータ、および温度センサといった内部の造作を一体的に、すなわちただ１つの基板材料および薄膜に製造することができ、熱膨張特性の一様性および熱応力の影響の緩和が好都合に確保される。バルブ本体は、シリコン基板上にマイクロ加工される。シリコンは、好都合なことに、装置の速度が高速で、冷却剤およびエネルギーの消費が少ないため、高い熱の拡散率をもたし、加熱および温度検出の能力という二重の機能を提供する。本発明によるバルブのマイクロ製造は、ただ１つの実施形態または異なるが関連している実施形態の複数の装置の平行バッチ加工を、好都合に可能にする。本発明による凍結・解凍バルブの用途および動作状況の範囲は、位置固定の用途から、バッテリ駆動の持ち運び可能な用途までである。
【００１０】
本発明の上記の特徴および利点ならびに他の特徴および利点が、添付の図面に関連して理解される例証としての実施形態についての以下の詳細な説明から、さらによく理解できるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１から図７Ｂを参照すると、凍結・解凍バルブ１００の第１の実施形態が、バルブ本体１０２（図２のコンテクストにおいて最もよく見て取ることができる）を、バルブハウジング１０４内に配置して備えている。バルブハウジング１０４が、バルブ本体１０２を収容するためのハウジングキャビティ１０５を画定している。図４および５を参照すると、バルブハウジング１０４は、ハウジング冷却剤注入口１０６、ハウジング冷却剤ベント１０８、作動流体用毛細配管注入口１１０、作動流体用毛細配管排出口１１２、および少なくとも１つの固定用造作１２４を備えている。
【００１２】
バルブ本体１０２は、図６、図７Ａ、および図７Ｂに最もよく示されているが、冷却剤注入口１２８、冷却剤注入口１２８から延びる冷却剤供給用毛細管１３０、膨張チャンバ１３２、冷却剤ベントチャネル１３４、および冷却剤排出口１３６を含んでいる。膨張チャンバ１３２は、後述するように種々の形態で実現することができるが、冷却剤注入口１２８および冷却剤排出口１３６と連通している。冷却剤供給用毛細管１３０が、冷却剤を膨張チャンバ１３２内に分散させるため、冷却剤注入口１２８に例えば接着させて接合されて配置されている。膨張チャンバ１３２は、冷却剤の消費を好都合に制限すべく気体の流れを規制するための流れ規制領域１３８を備えている（流れ規制要素１４０の他の構成については、図９から図１２に関して後述する）。さらにバルブ本体１０２は、各々が導管注入口１４４および導管排出口１４６を有している少なくとも１つの導管１４２を含んでいる。この少なくとも１つの導管１４２は、毛細配管１４８をバルブ本体１０２を通して引き回すため、膨張チャンバ１３２に近接して配置されており、毛細配管が、導管注入口１４４および導管排出口１４６を通って延びる。毛細配管１４８は、バルブ本体１０２を貫いて挿入でき、かつ容易に取り外しおよび交換が可能である少なくとも１つの毛細管を含んでいる。凍結・解凍バルブによって調節されるべき作動流体は、この毛細配管の内側を流れる。導管によって囲まれた毛細配管において、作動流体が流れを規制または停止すべく凍結され、流れを確立すべく解凍される。毛細配管を必ずしも少なくとも１つの導管を貫通して配置せずに、流体を少なくとも１つの導管を通して流すことができ、少なくとも１つの導管において凍結または解凍させることは可能であることを、理解すべきである。
【００１３】
図２から図５をさらに詳しく参照すると、バルブハウジング１０４が、複数の電気バネコンタクト１２２、およびバルブ本体１０２をバルブハウジング１０４内に配置するための少なくとも１つの取り付け構造体１２４を備えている。複数の電気バネコンタクト１２２は、例えば、バネで付勢された「ポゴピン（ｐｏｇｏ  ｐｉｎ）」型のプローブであり、バルブハウジング１０４の内壁に接続されている。このようなバネで付勢された「ポゴピン」を使用することで、好都合にも、バルブハウジング１０４への熱伝導を最小限にすることができる。通常の電気信号線が、電気プローブ１２２を外部の電源および／または機器に接続する。ハウジング注入口１０６、毛細配管注入口１１０、および毛細配管排出口１１２は、ハウジングキャビティ１０５内に含まれている水等の凝縮の可能性がある気体／蒸気を、ハウジングベント１０８を介して管理された様相で取り除くことができるよう、ハウジングキャビティ１０５と外部環境との間の大気の絶縁を好都合にもたらすために、充分に封止されている。バルブハウジング１０４は、バルブ本体１０２を機械的に支持するとともに、囲い込まれた空気および気化した冷却剤を使用して外部環境から熱的に絶縁する機械加工または射出成型による覆いであってよい。
【００１４】
次に図６を参照すると、バルブ本体１０２は、少なくとも１つの加熱素子１４９を、バルブ本体１０２の外表面に配置された複数の金属製コンタクトパッド１５０に接続して有している。金属製コンタクトパッド１５０は、電気化学的な蒸着、化学蒸着、物理蒸着、またはスパッタ蒸着によってバルブ本体１０２の外表面に蒸着させることができ、例えばアルミニウム、銅、金、白金、および／またはニッケルを含むことができる。加熱素子１４９は、標準的なリソグラフィおよび蒸着の技法を使用して一体化できる少なくとも１つの電気抵抗薄膜を備えることができる。導電性および半導電性の基板においては、加熱素子１４９を、基板そのものの電気ジュール加熱によって取り入れてもよい。
【００１５】
図２、３、および６を参照すると、バルブ本体１０２が、図３に最もよく示されているが絶縁キャビティ１５２がバルブ本体１０２とバルブハウジング１０４の内表面との間に画定されるように、少なくとも１つの取り付け構造体１２４によってハウジングキャビティ１０５の内側に配置されており、バルブ本体１０２が、バネ電気コンタクト１２２によって取り付け構造体１２４に機械的に押し付けられている。絶縁キャビティ１５２が、囲い込まれた空気および冷却剤排出口１３６から排気された冷却剤蒸気によって、バルブ本体１０２とバルブハウジング１０４との間に熱的な絶縁をもたらしている。さらに、バルブ本体１０２は、複数の電気プローブ１２２の各々が、バネ接触の様相で複数の金属製コンタクトパッド１５０の少なくとも１つに組み合わせられるように、ハウジングキャビティ１０５内に配置されている。さらに、バルブ本体１０２は、冷却剤供給用毛細管１３０がハウジング注入口１０６から延び、毛細配管１４８が毛細配管注入口１１０および毛細配管排出口１１２から延びるように、ハウジングキャビティ１０５内に配置されている。
【００１６】
図６および図７Ａを参照すると、第１の実施形態によれば、流体が毛細配管１４８を通って流れているとき、例えばＣＯ２である加圧された液体冷却剤が、冷却剤注入口１２８および冷却剤配管導管１２９に挿入された冷却剤供給用毛細管１３０から、膨張チャンバ１３２に注入される。冷却剤配管１３０は、外部の冷却剤供給源（図示されていない）に接続されるとともに、冷却剤配管導管１２９内に小さくされた内径をもたらしている。冷却剤は、冷却剤配管１３０を通って膨張チャンバ１３２（図７Ａ）に流れ、ここで大きくされた内径、すなわち冷却剤配管導管１２９の内径を超えて大きくされた内径が、圧力が低下した領域をもたらす。冷却剤が膨張チャンバ１３２に流入するとき、膨張チャンバ１３２の低い圧力によって、液体状態から低温気体状態に冷却剤の膨張が生じる。使用されている冷却剤が二酸化炭素である場合、膨張によって、低温のガスおよび固体（ドライアイス）の両方が生み出される。この膨張の際に、冷却剤がバルブ本体１０２から熱を奪い、バルブ本体１０２および毛細配管１４８を冷却する。これが、毛細配管１４８の少なくとも一部分を流れている液体の凍結を生じさせ、凍結した流体による栓を生み、これが毛細配管１４８内の液体の流れを好都合に塞ぐことで、毛細配管１４８が「閉じ」られる。
【００１７】
図７Ｂに示されているように、圧力の差を、他の構造によって生み出すことが可能である。この代案となる実施形態においては、冷却剤配管が、内径の小さな冷却剤配管導管１２９を形成すべく冷却剤注入口１２８に挿入されてはいない。代わりに、オリフィス１３１が、膨張チャンバ１３２の上流かつ近傍に作成されている。オリフィス１３１が、冷却剤がオリフィスを通過するときに膨張チャンバ１３２内の低圧領域に入るよう、突然の局所的な圧力低下を引き起こす。やはり、膨張チャンバ１３２の低い圧力が、冷却剤を液体状態から低温気体状態に膨張させ、この膨張の際に冷却剤がバルブ本体１０２から熱を奪い、バルブ本体１０２および毛細配管１４８を冷却する。低圧の膨張チャンバをもたらすため、種々の形状を膨張チャンバ１３２の入口に近接して導入できることを、理解すべきである。また、種々の任意の形状のオリフィスを、内径の小さい冷却剤配管導管１２９と組み合わせて使用できることも、理解すべきである。同様に、種々ある任意の接続具を、冷却剤配管から冷却剤注入口１２８に冷却剤を送達するために、導入することが可能である。
【００１８】
毛細配管１４８の凍結に加え、冷却剤の冷却効果は、膨張チャンバ１３２内に存在する低圧低温条件下で、冷却剤の固体粒子状二酸化炭素（ドライアイス）への凝固を生じさせる。この固体結晶が、流れ規制手段１３８（および、図９から図１２に示されている柱アレイまたはチャネル蛇行部位等の流れ規制要素１４０）に捕捉され、あるいは蒸着し、冷却剤の蒸気の流れを好都合に規制または阻害し、使用される冷却剤の体積を抑制する。結果として、冷却剤の流れが、僅かな量に減じられ、規制手段の領域において固体冷却剤が昇華する。この固体冷却剤の昇華が、継続した冷却をもたらし、凍結・解凍バルブ１００を閉じた状態に保つことができるようにする。一般に、流れ規制手段を通過して流れる僅かな量の冷却剤は、冷却剤排出口１３６を介して絶縁キャビティ１５２に排気され、バルブ本体１０２の外表面を覆って流れることができる。次いで、冷却剤は、ハウジングベント１０８を介して凍結・解凍バルブ１００から排気され、そこで捕捉されてもよい。二酸化炭素の場合には、害を引き起こすことがなく、かつ残余価値がほとんどないため、使用される少量は捕捉されない。液体窒素またはアルゴン等の冷却剤も、やはり回収せずに排気することができる。他の冷却剤は、蒸気を再圧縮し、かつ／または凝縮させるための装置に、より大きな直径の排気管を設けることによって、捕捉することができる。毛細配管１４８内の流体の流通を開始させるため、すなわち凍結・解凍バルブ１００を「開放」するため、凍結・解凍バルブ１００への冷却剤の流れを終了させ、かつ／または加熱素子１４９によってバルブ本体１０２を加熱することによって、バルブ本体１０２の温度が高められる。
【００１９】
図９および図９に示されている一例としての流れ規制要素１４０ａを参照すると、周囲の環境によってバルブ本体１０２の温度が高くなった場合に、固体の冷却剤が、液体の形態に復帰して、固体を拘束している規制領域１４０ａにピンホールまたは割れ目を生じることができ、液体冷却剤の流れを増加させることができる。この液体冷却剤が流れ規制領域１４０ａを出るとき、冷却剤が膨張して気体に戻り、固体冷却剤の割れ目を封じるために必要な冷却をもたらす。バルブ本体１０２は、凍結・解凍バルブ１００の温度を迅速に下げることができるよう、高い熱の拡散を有する材料で構成することができる。この閉じた自己封止状態において、凍結・解凍バルブ１００によって消費される冷却剤は、再封止の事象または規制手段の表面における冷却剤の昇華によるものである。さらに、凍結・解凍バルブ１００の効率を、冷却剤の消費に関して、バルブ本体１０２を周囲の環境から熱的に絶縁することによって改善でき、これはさらに、大気の湿度からの霜がバルブ本体１０２に蓄積することがないように機能する。
【００２０】
この構成が、バルブ本体１０２から排気されるＣＯ２ガス等の冷却剤を、バルブ本体１０２の外表面を覆ってハウジング排気口１０８から好都合に排気できるようにしていることを、理解すべきである。これは、水がバルブ本体１０２に凝縮して凍結するのを防止するうえで役に立つ。さらに、毛細配管１４８を使用することで、材料の適合性および／または流れのない行き止まりの空間に関して生じる諸問題を実質的になくすことができるとともに、１つ以上の毛細管を、容易に取り外しまたは交換ができるようにバルブ本体１０２を通って挿入するように含んでいることができる。作動流体毛細管の導管を複数設けることによって、ただ１つのバルブ本体で容易に複数の個別の作動流体の流れに同期して開閉でき、好都合である。
【００２１】
膨張チャンバ１３２の性能は、膨張チャンバ１３２の設計に依存する可能性があり、したがって膨張チャンバ１３２の設計の際には、冷却剤の最大流量、冷却剤の熱力学特性、冷却剤排出口１３６における冷却剤の温度、凍結・解凍バルブ本体１０２の熱質量、膨張チャンバ１３２内における冷却剤の圧力分布、および／または例えば固体の二酸化炭素である冷却剤による流れ規制領域１４０ａにおける冷却剤の流れの閉塞など、或るいくつかの特徴を考慮しなければならない。また、バルブ本体１０２の熱質量が、加熱／冷却の負荷を支配し、開閉される流体の溶融の潜熱を取るに足りないものとすることに、注意すべきである。したがって、バルブ本体１０２は、ガスの流れを塞いで冷却剤の消費を好都合に最小化すべく、流れ規制領域１４０ａにおいて例えば二酸化炭素である固体冷却剤を捕捉するために充分な経路をもたらしつつ、冷却剤が膨張チャンバ１３２および毛細配管１４８を充分に短い時間期間で冷却できるように充分に高速で膨張チャンバ１３２を通過して流れることができるよう、冷却剤チャネル１３０および冷却剤ベントチャネル１３４が充分に大きいように設計されるべきである。バルブ本体１０２は加熱素子１４９を備えているが、バルブ本体１０２を、凍結・解凍バルブ本体１０２の外表面に高温の空気または液体を加え、あるいは高周波、マイクロ波、赤外、可視、または電離放射線の放射を加えるなど、種々ある任意の適切な方法を使用して加熱することができる。
【００２２】
毛細管凍結・解凍バルブが、マイクロ流体用の幅広い領域にわたってきわめて広い用途を有していることを、理解すべきである。流れの管路として毛細管を使用することで、これらのバルブが、好都合なことに、毛細管路を一般的に使用しており、流れのない「行き止まり」の体積にとくに左右されやすいマイクロ分析およびマイクロ分離システムにおいて、とくに有用になる。好都合なことに、きわめて高い圧力下で上手く動作するというこれらのバルブの能力が、これらのバルブを、高圧の液体クロマトグラフィ・システムにとってとくに有用なものとしており、例えば、毛細管凍結・解凍バルブの凍結した流体による栓は、マイクロ内径の毛細管において１ミリメートル当たり１０，０００ｐｓｉを超える圧力勾配に耐えることができる。本明細書に開示される毛細管凍結・解凍バルブは、漏れが無視できる程度であるバルブを生み出すべく毛細管路内にきわめて密な封止を形成する凍結液体の栓をもたらすことによって、現在のマイクロ流体バルブ技術に対して大きな利点を有している。さらに、本明細書に開示される実施形態は、好都合なことに、毛細管チャネルを熱伝導性の冷却剤膨張チャンバ本体内に実質的に取り囲むことによって、毛細管チャネル内の流体を間接的に冷却することで、凍結・解凍バルブの制御の向上をもたらす。膨張チャンバ本体は、好都合なことに、膨張チャンバチャネルを固体二酸化炭素（ドライアイス）で塞ぐことによって冷却剤の流れを停止させるべく流体のエンタルピー変化のより多くを捉えて利用することで、冷却剤をより効率的に利用できるようにする。
【００２３】
凍結・解凍バルブ１００は、さまざまな材料から構成でき、凍結・解凍バルブ１００の製造方法は、使用される材料によって決まることになる。例えば、金属製の装置は、融着によって容易に製作できる一方で、きわめて低い温度への熱サイクルにより、金属への加熱素子の接合は困難である。一方で、標準的なマイクロ流体チップ技法によって製造されるガラス製の装置は、薄膜抵抗器をヒータとしてチップに一体化させて有することができる。さらに、シリコン製の装置は、エッチングおよび高温融着を含む標準的なマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）プロセスを使用して製造が可能であり、シリコンの塊そのものを抵抗加熱および温度検出のために使用することができるため、追加の加熱素子が不要であるかもしれない。バルブ本体１０２に配置された電気相互接続によって、この技術分野において知られているとおりバルブ本体または薄膜またはドーピング領域の電気抵抗の変化を、ヒータまたは冷却剤をフィードバック制御すべくバルブ本体１０２の温度を検出するために使用することができる。図１３は、凍結・解凍バルブ１００を製造するために単独または組み合わせにて使用できる種々の材料について、特性を示している。これらの材料は、凍結・解凍バルブ１００のための加熱／冷却時間およびエネルギー要件を計算するために有用な既知の特性を有している。例えば、材料の熱時定数が、その熱拡散性に反比例することが知られている。したがって、熱拡散性の大きい材料、すなわち銀、銅、およびシリコンが、すばやく加熱および冷却されて作動流体の迅速な開閉を好都合に可能にするため、望ましい。
【００２４】
比熱容量が小さく、凍結および解凍の各々のための冷却剤および電気エネルギーの必要を好都合に最小化できると考えられるため、二酸化シリコン（ガラス）および／またはシリコンを、構成材料として使用することができる。さらに、シリコンは、材料塊そのものを抵抗加熱のために使用することによって加熱を達成できるため、外部のヒータまたは温度センサを必要としないという追加の利点を有している。材料塊の抵抗が、当該材料の温度によって決まるため、凍結・解凍バルブ１００の温度を、材料の抵抗の変化から割り出すことができる。これらの温度測定値を、外部の機器に通信して、凍結・解凍バルブ１００のフィードバック制御に使用することができる。また、凍結・解凍バルブ１００を、流れのチャネルおよび毛細管導管を平坦な基板に画定することによって一体物として製造でき、そこでは冷却剤注入口１２８、冷却剤チャネル１３０、膨張チャンバ１３２、冷却剤ベントチャネル１３４、冷却剤排出口１３６、および流体導管１４２が、リソグラフィおよびエッチングの手順によって好都合に生成される。さらに、凍結・解凍バルブ１００を、バッチ加工を利用するため大きな基板上の装置のアレイとしてマイクロ製造することができる。
【００２５】
異なる膨張チャンバ設計の分類変形例を有する複数の実施形態を、平行バッチ加工方法を使用して実質的に同時に生成および製造できることを、理解すべきである。これらの実施形態としては、これらに限られるわけではないが、図７Ａから図１２に示されるような少なくとも５つの主たる設計の種類が挙げられる。
【００２６】
膨張チャンバの実施形態１：図７Ａを参照すると、バルブ本体１０２を、冷却剤注入口１２８と排出口１３６との間の一様な断面のチャネルからなる膨張チャンバを含んで設計できる。断面寸法が、図６および７Ａに示されているように、冷却剤供給用毛細管１３０の挿入に合わせて作られている。この例示の実施形態においては、チャネルが、気化する冷却剤とバルブ本体１０２との間に熱伝達のためにより長いチャネル長さをもたらすため、および固体二酸化炭素の付着を促進するため、蛇行する曲げを好都合に含んでいる。蛇行する曲げは、流れ規制手段の造作１３８（および、図９から図１２の実施形態の１４０）の機能の役目を果たし、冷却剤の流れを塞ぐべく二酸化炭素の付着を可能にしている。
【００２７】
膨張チャンバの実施形態２：図８および９を参照すると、バルブ本体１０２を、より小さな一様な断面の膨張チャンバ（図９に最もよく見ることができる）に連通する冷却剤供給用毛細配管導管１２９を含んで設計することができ、膨張チャンバが、規制的な蛇行流れ規制要素（図９の１４０ａ）を備え、規制要素が、冷却剤注入口１２８と排出口１３６との間に配置された冷却剤ベントチャネル１３４と連通している。本発明によるマイクロ製造された構造において、より一層の非一様な断面を、図９のように総断面寸法を小さくすることにより、あるいは図８のようにエッチングの幅または深さを小さくする等の、さまざまなやり方で達成できることを、理解すべきである。
【００２８】
膨張チャンバの実施形態３：図１０を参照すると、バルブ本体１０２を、より小さな非一様な断面の膨張チャンバに連通する冷却剤供給用毛細配管導管１２９を含んで設計することができ、膨張チャンバが、きわめて規制的な蛇行流れ規制要素１４０ｂに連通し、この規制要素１４０ｂが、冷却剤注入口１２８と排出口１３６との間に配置された冷却剤ベントチャネル１３４と連通している。
【００２９】
膨張チャンバの実施形態４：図１１を参照すると、バルブ本体１０２を、膨張チャンバとして機能する複数の平行なチャネル１４０ｃに連通する冷却剤供給用毛細配管導管１２９を含んで設計することができ、この膨張チャンバが、冷却剤注入口１２８と複数の排出口１３６との間に配置されたきわめて規制的な柱アレイ流れ規制ベント１４１に連通している。
【００３０】
膨張チャンバの実施形態５：図１２を参照すると、バルブ本体１０２を、複数の高度に規制的な蛇行規制要素１４０ｄに連通する膨張チャンバ１３２に連通する冷却剤供給用毛細配管導管１２９を含んで設計することができ、蛇行規制要素１４０ｄが、冷却剤注入口１２８と排出口１３６との間に配置された冷却剤ベントチャネル１３４と連通している。
【００３１】
膨張チャンバ１３２の性能を、膨張チャンバ、流れ規制手段、および冷却剤ベントの寸法を変化させることによって最適化できることを、理解すべきである。これらの寸法は、リソグラフィのマスクを変更することによって幅および長さにて、あるいはエッチングプロセスの深さで変化させることができる。一連のリソグラフィ、マスク処理、およびエッチングの工程を使用して、複数の造作の深さをバルブ本体１０２に取り入れることができることを、当業者であれば理解すべきである。具体的には、これは、毛細配管注入口１２８および１４４ならびに排出口１４６に必要とされる深さよりも小さい第１のエッチングを行うことによって基板上に造作を画定するべく使用できる第１のリソグラフィ段階によって達成できる。次いで、約１５０ミクロンから４００ミクロンの第２のエッチングを実行することによって基板上により深い造作を画定するため、第２のリソグラフィ段階を使用することができる。対称であるか否かにかかわらず、対を成す基板を、熱接合またはアノード接合のプロセスによって面同士を合わせて接合でき、接合した基板を、各々個別の装置に切り分けることができる。
【００３２】
図１４を参照すると、平坦な基板から凍結・解凍バルブの本体１０２をマイクロ加工するための方法２００が、示されている。ブロック２０１に示されているように、一旦平坦な基板が得られると、ハードマスク材料が塗布２０２され、第１のリソグラフィ段階２０３が実行されて、チャネル、膨張チャンバ、規制領域、およびポート等の内部の造作が画定される。蒸着させるハードマスクの材料の種類および厚さが、実行されるエッチングプロセスの種類によって決まることを、理解すべきである。例えば、エッチングプロセスが、シリコンの湿式エッチングである場合には、蒸着させる材料は、厚さ約０．５ミクロンの窒化シリコンを含むことができる。一方で、エッチングプロセスが、ボッシュ（Ｂｏｓｃｈ）プラズマエッチングである場合には、蒸着させる材料は、厚さ約０．２５ミクロンのアルミニウムを含むことができる。第１のリソグラフィ段階は、フォトレジストの塗布、フォトマスクを通してのフォトレジストの露光、およびパターンの現像を含んでいる。
【００３３】
パターンが、薄膜マスク湿式エッチングまたはプラズマエッチング２０４によって、ハードマスクに転写され、適切な深さを達成すべく制御された深い湿式エッチングまたはプラズマエッチング２０５によって、基板に転写される。シリコン基板においては、深いエッチングは、等方的であっても、異方性であってもよく、水酸化カリウムまたはエチレンジアミンピロカテコールの湿式エッチングプロセス、あるいはボッシュ・プラズマエッチングプロセスを使用して達成される。
【００３４】
基板の深いエッチングに続いて、ブロック２０６に示されているように、ハードマスク材料が基板から取り除かれ、基板が清浄化される。基板を、ピラニア（ｐｉｒａｎｈａ）溶液（例えば、Ｈ２ＳＯ４およびＨ２Ｏ２溶液の混合物）を使用して清浄化でき、かつ／あるいはＩＰＡ＋ＨＦ＋ＤＩ水等の所望の最終目的に適した任意の溶液によって清浄化できる。対称であるか否かにかかわらず、対を成す基板を、面と面とを合わせて接合すべく整列２０７させる。整列させた基板を、シリコン融着接合２０８のために、１１５０℃の炉内に配置する。
【００３５】
温度検出および基板の加熱の両機能の素子が、クロム等の薄い（＜１０００ｎｍ）金属膜を接合済みのウエハアセンブリの外面の片側に塗布２０９することによって、非導電性の基板上に形成される。チタニウムおよびタンタル等の付着促進層を、使用してもよい。金属製コンタクトパッド１５０が、抵抗膜の上に銅、アルミニウム、または金等のコンタクト金属を蒸着２１０させることによって、接合済みのウエハアセンブリの外面に製作される。コンタクトパッドのためのパターンが、内部の装置に整列したリソグラフィ２１１によって画定される。コンタクトパッドは、マスクされていないコンタクト金属を抵抗膜から選択的にエッチング２１２することによって実現される。次いで、清浄化工程２１３が実行される。
【００３６】
個々のバルブ本体が、基板を、例えば５ｍｍ×５ｍｍのサイコロなど、所定の寸法を有する複数の装置に切り分けることによって完成２１４される。切り分け作業は、各々のサイコロの注入口および排出口を露わにすべく実行される。一旦これが達成されると、ブロック２１５に示されているように、冷却剤チャネル１３０が、各々のウエハ基板に接着によって接合される。凍結・解凍バルブの本体１０２は、接合された２枚の４インチ径のシリコンウエハ基板から２００個もの個別独立したバルブ本体を生み出すことができるような寸法とすることができる。さらに、これらマイクロ加工された装置を、従来からの機械加工による小型の装置の体積の半分未満である０．０３０立方センチメートルの機械的な外囲を備えて、容易に構成することができる。
【００３７】
図１５を参照すると、平坦な基板から凍結・解凍バルブの本体１０２をマイクロ加工するための方法３００であって、追加のリソグラフィ工程からの浅い造作を有している方法が、示されている。ブロック３０１に示されているように、一旦シリコン基板が得られると、ブロック３０２に示されているとおり第１のリソグラフィ段階が実行され、シリコンの浅いパターンエッチングによって、規制領域およびノズルが生成される。この第１のリソグラフィ段階は、フォトレジストの塗布、フォトマスクを通してのフォトレジストの露光、およびパターンの現像を含んでいる。第１のリソグラフィパターンが、適切な深さを達成すべく制御された湿式化学またはプラズマエッチング工程によって、シリコン基板に転写される。フォトレジストが、アセトン中での溶媒洗浄、オゾンおよび紫外光への暴露、または酸素プラズマなど、典型的な技法を使用して取り除かれる。
【００３８】
第２のフォトリソグラフィ工程に先立って、ハードマスク材料が蒸着３０５させられる。ブロック３０６に示されているとおり、第２のフォトリソグラフィ段階が、深いパターンエッチングを生成すべく実行される。第２のフォトリソグラフィ段階の後で、第２のシリコンエッチングが実行され、基板に約１５０ミクロンから４００ミクロンの深い造作が画定される。
【００３９】
第２のリソグラフィ工程は、第１と同じ様相で実行される。第２のエッチングパターンが、湿式化学エッチングまたはプラズマエッチング３０７によって、ハードマスク材料に転写される。次いでパターンが、適切なエッチングプロセス３０８によって基板に転写される。シリコン基板においては、深いエッチングは、等方的であっても、異方性であってもよく、水酸化カリウムまたはエチレンジアミンピロカテコールの湿式エッチングプロセス、あるいはボッシュ・プラズマエッチングプロセスを使用して達成される。
【００４０】
第２のシリコンエッチングに続き、ブロック３０９に示されているとおり、ハードマスク材料が基板から取り除かれ、基板が清浄化される。
【００４１】
方法２００と同様、基板を合わせて接合し、温度検出および基板の加熱の両機能の素子を設け、切り分けを行うことによって装置が完成する。
【００４２】
代案として、温度検出および基板加熱の両機能の素子を、比較的高い導電性までドープされた基板上に装置を製作し、あるいは図１６の方法４００に示されている工程４１０であるが、熱によるウエハ接合工程に先立ってスピン−オン・ガラス等のドーパントを塗布することによって、シリコン基板上に形成することができる。工程４１３から４１６において、金属製コンタクトパッド１５０が、先と同様に、接合されたウエハアセンブリの外面に、リソグラフィによって内部の装置に整列して画定される。
【００４３】
上述のように、図１４から図１６の方法２００、３００、および４００の少なくとも一部を、コンピュータによって実行されるプロセス、およびそれらのプロセスを実施するための装置の形態で具現化することができる。さらに、方法２００、３００、および４００の少なくとも一部を、フロッピー（登録商標）ディスク、ＣＤ−ＲＯＭ、ハードディスクドライブ、またはコンピュータによって読み取ることができる他の任意の記憶媒体等の実態のある媒体に具現化させた命令を含んでいるコンピュータプログラムコードの形態に具現化することができ、このコンピュータプログラムコードがコンピュータによって読み込まれて実行されたとき、コンピュータが、本発明を実施するための装置となる。プログラム変更が可能な記憶装置（例えば、フラッシュメモリ）を有している既存のシステムを、本発明を実施すべく更新してもよい。さらには、方法２００、３００、および４００の少なくとも一部を、例えば記憶媒体に保存されて、コンピュータによって読み込みおよび／または実行され、あるいは電気配線またはケーブル、光ファイバ、または電磁放射等の何らかの通信媒体を介して伝送されるコンピュータプログラムコードの形態に具現化することができ、このコンピュータプログラムコードがコンピュータによって読み込まれて実行されたとき、コンピュータが、本発明を実施するための装置となる。
【００４４】
本発明を、典型的な実施形態を参照しつつ説明したが、本発明の技術的思想および技術的範囲から逸脱することなく、種々の変更、省略、および／または追加を行うことができ、その構成要素を均等物で置き換えることが可能であることを、当業者であれば理解すべきである。さらに、本発明の技術的範囲から離れることなく、本発明の教示に対して、特定の状況または材料にあわせるべく多数の変更を行うことができる。したがって、本発明は、ここに本発明を実行するために考えられる最良の形態として開示した特定の実施形態に限られるわけではなく、本発明は、添付の特許請求の範囲の範疇に包含されるすべての実施形態を含むものである。さらに、とくに述べられていない限り、第１、第２、等の用語の使用は、何らかの順番や重要性を意味するものではなく、第１、第２、等の用語は、或る要素を他の要素から区別するために使用されているに過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１】バルブ本体およびバルブハウジングを有している第１の実施形態によるマイクロ製造凍結・解凍バルブの構造の外観図である。
【図２】第１の実施形態によるマイクロ加工凍結・解凍バルブのアセンブリの分解図であり、マイクロ製造によるバルブ本体およびバルブハウジングの内部構造を明らかにしている。
【図３】凍結・解凍バルブアセンブリの構造について、図１の線Ａ−Ａに沿って得た側方断面図である。
【図４】第１の実施形態による図３の凍結・解凍バルブのハウジング・アセンブリの構造の側方断面図であり、ハウジングの内部造作を明らかにするためバルブ本体が除かれている。
【図５】第１の実施形態によるバルブハウジングの構造の前方断面図である。
【図６】第１の実施形態による凍結・解凍バルブアセンブリの構造の前方断面図であり、ハウジング内へのバルブ本体の配置を示している。
【図７Ａ】第１の実施形態によるマイクロ製造凍結・解凍バルブの本体の内部造作の図である。
【図７Ｂ】他の第１の実施形態によるマイクロ製造凍結・解凍バルブの本体の内部造作の図である。
【図８】第２の実施形態によるマイクロ製造凍結・解凍バルブの本体の内部造作の図である。
【図９】第３の実施形態によるマイクロ製造凍結・解凍バルブの本体の内部造作の図である。
【図１０】第４の実施形態によるマイクロ製造凍結・解凍バルブの本体の内部造作の図である。
【図１１】第５の実施形態によるマイクロ製造凍結・解凍バルブの本体の内部造作の図である。
【図１２】第６の実施形態によるマイクロ製造凍結・解凍バルブの本体の内部造作の図である。
【図１３】本発明による凍結・解凍バルブの構成に使用できるいくつかの材料について材料特性を示した表である。
【図１４】第１の典型的な実施形態による凍結・解凍バルブのマイクロ加工方法のブロック図である。
【図１５】第２の典型的な実施形態による凍結・解凍バルブのマイクロ加工方法のブロック図である。
【図１６】第３の典型的な実施形態による凍結・解凍バルブのマイクロ加工方法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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
2007533936.tif 000019