(57)【要約】  最大約１００００ｐｓｉ（〜７００ｂａｒ）の圧力で流体試料を濃縮および分離するための濃縮器および分離器を有する流体アナライザ。濃縮器および分離器は、ソリッドステート薄膜ヒータ−吸収体と、固体基板によって支持されるチャンネルとから構成され得る。濃縮器は、試料流体の構成成分を吸収および脱着するための複数の加熱される相互作用的要素を有することができる。相互作用的要素は、ヒータによって時間段階的シーケンス方式で加熱されることができる。分離器は、化合物によって試料流体を分離することができる。熱伝導率検出器、流量センサ、および導電率検出器が、チャンネルに隣接して存在することができる。濃縮器、分離器、ヒータ、およびセンサからなるこのシステムは、試料流体組成についての情報を提供することができる。試料流体がチャンネル内を通り抜けるように、ポンプがチャンネルに接続されることができる。
2007517223.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
固体支持の第１のソリッドステート薄膜ヒータ−吸収体支持チャンネルを有する濃縮器と、
前記第１のソリッドステート薄膜ヒータ−吸収体支持チャンネルに隣接するフェーズド・ヒータ・アレイと、
前記第１のソリッドステート薄膜ヒータ−吸収体支持チャンネルに接続された第２のソリッドステート薄膜ヒータ−吸収体支持チャンネルを有する分離器と、
を備える流体アナライザ。
【請求項２】
前記濃縮器および前記分離器に接続されたコントローラをさらに備える、請求項１に記載のアナライザ。
【請求項３】
前記コントローラに接続された少なくとも１つの検出器をさらに備える、請求項２に記載のアナライザ。
【請求項４】
前記第１および第２のソリッドステート薄膜ヒータ−吸収体支持チャンネルが、５０ｐｓｉ（≒３．５ｂａｒ）より大きい圧力を有する流体を濃縮および分離するためのものである、請求項３に記載のアナライザ。
【請求項５】
前記第１および第２のソリッドステート薄膜ヒータ−吸収体支持チャンネルが、最大約１００００ｐｓｉ（≒７００ｂａｒ）の圧力にさらされる流体を濃縮および分離するためのものである、請求項４に記載のアナライザ。
【請求項６】
前記ヒータ・アレイは、
分析される流体の流れの方向に沿って列をなす複数のヒータを備え、
前記複数のヒータのうちの各ヒータは、分析される流体の流れに等しい方向に動きの速度で順番にオンにされることができる、請求項５に記載のアナライザ。
【請求項７】
前記第１および第２のソリッドステート薄膜ヒータ−吸収体支持チャンネルが、珪素、二酸化珪素、ガラス、石英、サファイア、スチール、およびその他からなる群に属する少なくとも１つの素材を含むマイクロブリック構造の基板を有する、請求項６に記載のアナライザ。
【請求項８】
前記第１および第２のソリッドステート薄膜ヒータ−吸収体支持チャンネルは、十分に安定で、耐熱性および断熱性を有する素材を含む、請求項７に記載のアナライザ。
【請求項９】
区分化されたヒータを備える前記第１および第２のソリッドステート薄膜ヒータ−吸収体支持チャンネルは、毛細管である、請求項６に記載のアナライザ。
【請求項１０】
前記毛細管は、吸収素材で被覆された内部表面を有する、請求項９に記載のアナライザ。
【請求項１１】
前記複数のヒータのうちの各ヒータは、毛細管壁の膜セグメントとして形成される、請求項１０に記載のアナライザ。
【請求項１２】
前記毛細管は、ガラス、石英、サファイア、スチール、およびその他からなる群に属する素材を含む、請求項１１に記載のアナライザ。
【請求項１３】
前記第２のソリッドステート薄膜ヒータ−吸収体支持チャンネルは、毛細管である、請求項９に記載のアナライザ。
【請求項１４】
少なくとも１つのソリッドステート薄膜ヒータ−吸収体支持チャンネルに隣接する流量センサをさらに備える、請求項１３に記載のアナライザ。
【請求項１５】
少なくとも１つのソリッドステート薄膜ヒータ−吸収体支持チャンネルに隣接する導電率検出器を備える、請求項１４に記載のアナライザ。
【請求項１６】
前記第１のソリッドステート薄膜ヒータ−吸収体支持チャンネルに接続された第３のソリッドステート薄膜ヒータ−吸収体支持チャンネルを有するハイパー濃縮器をさらに備える、請求項１５に記載のアナライザ。
【請求項１７】
高圧力下でフェーズド加熱によって流体を濃縮する手段と、
高圧力下で流体を分離する手段とを備え、
高圧力が、約５０ｐｓｉ（〜３．５ｂａｒ）と１００００ｐｓｉ（〜７００ｂａｒ）の間にある、流体を分析する手段。
【請求項１８】
流体の流量を検出する手段と、
流体の熱伝導率を検出する手段とをさらに備える、請求項１７に記載の手段。
【請求項１９】
流体の流量および熱伝導率を処理する手段をさらに備える、請求項１８に記載の手段。
【請求項２０】
前記高圧力は、約５０ｐｓｉ（〜３．５ｂａｒ）と１００００ｐｓｉ（〜７００ｂａｒ）の間にある、請求項１９に記載の手段。
【請求項２１】
流体を濃縮する前記手段は、第１の毛細管を備えることができ、
分離する前記手段が、第２の毛細管を備えることができる、請求項２０に記載の手段。
【請求項２２】
流体の導電率を検出する手段をさらに備える、請求項２１に記載の手段。
【請求項２３】
高圧力下で流体のフェーズド加熱によって流体を濃縮するステップと、
高圧力下で前記流体を分離するステップとを備え、
前記高圧力が、約５０ｐｓｉ（〜３．５ｂａｒ）より大きい、流体を分析する方法。
【請求項２４】
前記流体の流量を検出するステップと、
前記流体の熱伝導率を検出するステップとをさらに備える、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記流体の特性を決定するために流量および熱伝導率を処理するステップを備える、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
高圧力が、約１００００ｐｓｉ（≒７００ｂａｒ）より大きい、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
複数のヒータを有する第１のチャンネルと、
前記第１のチャンネルに接続された第２のチャンネルと、
前記第１のチャンネルは、内部高圧力に十分耐える構造を有し、
前記第２のチャンネルは、内部高圧力に十分耐える構造を有し、
前記内部高圧力は、１００００ｐｓｉ（≒７００ｂａｒ）より大きい流体アナライザ。
【請求項２８】
少なくとも１つのチャンネル内に配置された少なくとも１つの熱伝導率検出器と、
少なくとも１つのチャンネル内に配置された少なくとも１つの流量センサとをさらに備える、請求項２７に記載のアナライザ。
【請求項２９】
前記第１のチャンネルと、前記第２のチャンネルと、前記少なくとも１つの熱伝導率検出器と、前記少なくとも１つの流量センサとに接続されたコントローラをさらに備える、請求項２８に記載のアナライザ。
【請求項３０】
前記第１のチャンネルが、前記複数のヒータのうちの各ヒータ要素に対応する少なくとも１つの相互作用的要素を含み、
前記複数のヒータ要素が、前記対応する少なくとも１つの相互作用的要素を加熱するために、時間段階的シーケンスで電圧を印加されることができる、請求項２９に記載のアナライザ。
【請求項３１】
各対応する相互作用的要素は、前記第１のチャンネルにおいて流体の構成成分を吸収および脱着することができる、請求項３０に記載のアナライザ。
【請求項３２】
前記第２のチャンネルは、化合物によって流体を分離することができる、請求項３１に記載のアナライザ。
【請求項３３】
前記第１のチャンネルは、第１の毛細管である、請求項３２に記載のアナライザ。
【請求項３４】
前記第２のチャンネルは、第２の毛細管である、請求項３３に記載のアナライザ。
【請求項３５】
内部表面と外部表面とを有する細長い構造と、
前記構造の前記内部表面上に形成された吸収素材と、
前記外部表面上に形成されたヒータ材料とを備える流体アナライザ。
【請求項３６】
前記ヒータ材料は、非電導ギャップをその間に有するセグメントをなすように形成される、請求項３５に記載のアナライザ。
【請求項３７】
前記ヒータ・セグメントは、前記構造の長手方向に沿って移動する熱パルスを供給するために、フェーズド・ヒータ回路に接続される、請求項３６に記載のアナライザ。
【請求項３８】
ヒータ膜は、前記構造全体にわたって連続する、請求項３５に記載のアナライザ。
【請求項３９】
前記ヒータ膜上に形成された導体をさらに備え、前記導体は、電源回路に接続される、請求項３８に記載のアナライザ。
【請求項４０】
前記構造は、濃縮器である、請求項３５に記載のアナライザ。
【請求項４１】
前記構造は、分離器である、請求項３５に記載のアナライザ。
【請求項４２】
前記構造は、毛細管である、請求項３５に記載のアナライザ。
【請求項４３】
前記細長い構造は、濃縮器および分離器である、請求項３５に記載のアナライザ。
【請求項４４】
内部表面と外部表面とを有する細長い構造と、
前記内部表面上に形成されたヒータ材料と、
前記ヒータ材料上に成された吸収素材と、
を備える流体アナライザ。
【請求項４５】
ヒータ膜は、マイクロ波源に結合される、請求項４４に記載のアナライザ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、２００３年１月１５日に出願された「ＰＨＡＳＥＤ−ＩＩＩ  ＳＥＮＳＯＲ」と題する同時係属中の米国仮特許出願第６０／４４０１０８号に基づく、米国特許法１１９条（ｅ）（１）の下での優先権を主張し、同文書は参照により本明細書に組み込まれる。本出願はまた、２００３年９月４日に出願された「ＰＨＡＳＥＤ  Ｖ，ＶＩ  ＳＥＮＳＯＲ  ＳＹＳＴＥＭ」と題する同時係属中の米国仮特許出願第６０／５００８２１号に基づく、米国特許法１１９条（ｅ）（１）の下での優先権を主張し、同文書は参照により本明細書に組み込まれる。本出願は、２００２年９月２７日に出願された米国仮出願第６０／４１４２１１号の恩典を主張する、２００３年９月２６日に出願された「ＰＨＡＳＥＤ  ＭＩＣＲＯ  ＡＮＡＬＹＺＥＲ  Ｖ，ＶＩ」と題する同時係属中の米国非仮出願第１０／６７２４８３号に対する一部継続出願としての優先権を主張し、同時係属中の米国非仮出願第１０／６７２４８３号は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本発明は、流体の検出に関する。詳細には、本発明は、フェーズド・ヒータ・アレイ（ｐｈａｓｅｄ  ｈｅａｔｅｒ  ａｒｒａｙ）構造に関し、より詳細には、流体成分の同定および定量化用センサとしてのフェーズド・ヒータ・アレイ構造の応用に関する。「流体」という用語は、種として気体および液体を含む汎用語として使用されてよい。例えば、空気、ガス、水、油は、流体である。
【背景技術】
【０００３】
流体アナライザに関する構造および処理の態様が、Ｕｌｒｉｃｈ  Ｂｏｎｎｅ他に対して２００２年５月２８日に発行された「Ｇａｓ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｗｉｔｈ  Ｐｈａｓｅｄ  Ｈｅａｔｅｒｓ  ｆｏｒ  Ｉｎｃｒｅａｓｅｄ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ」と題する米国特許第６３９３８９４  Ｂ１号（同特許は参照により本明細書に組み込まれる）、Ｕｌｒｉｃｈ  Ｂｏｎｎｅ他に対して２００１年１０月３０日に発行された「Ｓｅｌｆ−Ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ  Ｆｌｏｗ  Ｓｅｎｓｏｒ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅ」と題する米国特許第６３０８５５３  Ｂ１号（同特許は参照により本明細書に組み込まれる）、およびＲｏｇｅｒ  Ｌ．Ａａｇａｒｄ他に対して１９９０年７月２４日に発行された「Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ａｎｄ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｈｅａｔ」と題する米国特許第４９４４０３５号（同特許は参照により本明細書に組み込まれる）に開示されている。
【０００４】
現在利用可能な気体組成アナライザは、選択性に優れ、高感度であり得るが、未知成分を含む試料気体混合物の成分を同定する能力を欠いているうえ、一般に大型で費用がかかる。最新の組み合わせアナライザＧＣ−ＧＣおよびＧＣ−ＭＳ（ガスクロマトグラフ−質量分析器）は、選択性、感度、および機能性（ｓｍａｒｔｎｅｓｓ）の所望の組み合わせをほぼ実現しているが、大型で費用がかかり、速度も遅く、バッテリ動作の機器には適さない。ＧＣ−ＡＥＤ（ガスクロマトグラフ−原子発光検出器）では、ＡＥＤだけが、１００ワット超の電力、および水冷を使用し、１０ＭＨｚ超のマイクロ波放電を有し、費用がかかる。
【０００５】
フェーズド・ヒータ・アレイ・センサは、濃縮器、分離器用に、およびオフチップ流量センサ用に別々のチップを有することができる。しかし、これらは、１つのチップ上に統合され、電力消費を削減しながら、構造的統合性および温度制御上の改善を提供することができる。次のフェーズド・ヒータ・アレイ・センサは、分析物の検出、同定、および定量化のための統合可能なマイクロ放電装置を追加的に含んでいた。しかし、ＦＥＴスイッチおよびシフトレジスタのチップ上への完全な統合を欠いており、ドーターボード（ｄａｕｇｈｔｅｒ−ｂｏａｒｄ）から、マイクロプロセッサ制御ＦＥＴスイッチを有するマザーボードまで、約１１０本のワイヤをワイヤボンドし、ルート付けし、接続し、ルート付けする必要が依然として存在し、そのことが、大型化および人件費の原因になっていた。加えて、フェーズド・ヒータ・アレイ・センサ・アナライザおよび従来のＧＣは、前濃縮および分離をオンラインで変更する柔軟性を欠いているように思われる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
より低コストで効率のよい方式により、ごく少量の流体を検出、同定、および分析することが望まれる。関連技術の液体クロマトグラフィ・アナライザは、可搬性がなく、多くの電力を消費し、速度が遅く、かなり費用がかかる。（例えば、医学、製薬、食品および水質、薬物試験、ならびに工業的に）分析を必要とする試料の８０パーセントは液体であるが、そのための関連技術アナライザは、特に差圧が５０ポンド／平方インチ（ｐｓｉ）から１００００ｐｓｉ（〜３．５から７００バール）の範囲になる場合、あまり適していない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明のマイクロアナライザは、改善された構造的統合性を有し、（石英キャピラリの圧力限界と類似した）実用的に限界のない圧力範囲を特徴とし、実質的に漏れ問題のないフェーズド・アナライザである。従来のＨＰＬＣ／ＣＬＣアナライザと比べて、本発明のアナライザは、価格がはるかに手ごろであり（例えば、人件費および設備償却費を節約し）、より速度が速く、液体または気体いずれかの試料分析に適し得るのでより広い用途をもつことができる。
【０００８】
ヒータ要素は、時間段階的シーケンス（ｔｉｍｅ−ｐｈａｓｅｄ  ｓｅｑｕｅｎｃｅ）で電圧を加えられ得るので、省略的に、「フェーズド・ヒータ」、「フェーズド・ヒータ・アレイ」、「フェーズド・アナライザ」、「フェーズド・センサ」などと見なされ得る。そのようなヒータと、濃度パルス（ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ  ｐｕｌｓｅ）を発生させ、それが複数のヒータを通過するにつれて濃度パルスのサイズを増大させる関連する相互作用的要素構成とを有するアナライザまたはセンサは、「高度検出用フェーズド・ヒータ・アレイ構造（ｐｈａｓｅｄ  ｈｅａｔｅｒ  ａｒｒａｙ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｆｏｒ  ｅｎｈａｎｃｅｄ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）」と見なされ、それぞれに頭字語「ＰＨＡＳＥＤ」を付けて呼ばれることができる。
【０００９】
センサシステム／マイクロアナライザは、流体成分の存在、同定、および定量化を達成するために、選択性に優れ、高感度で、速度が速く、低電力のＰＨＡＳＥＤヒータ要素のアレイと、コンパクトで、速度が速く、低電力の周囲圧力、最小ポンピング・スペクトル分析装置のアレイとから構成される。
【００１０】
マイクロ流体アナライザは、濃縮器と、２以上の分離器とを有することができる。アナライザは、１つ、２つ、またはより多くのポンプを有することができる。アナライザは、複数のチャンネルを有するハイパー前濃縮器を有することができる。アナライザの流路に沿って複数の検出器が配置される。また、１つまたは複数の開口部およびマイクロバルブも、流路内に配置されることができる。アナライザは、多流体または多ガスクロマトグラフとして構成されることができる。
【００１１】
濃縮器は、流路に沿って移動する熱パルスを提供して、より一層集中した熱を試料流体ストリームに提供するＰＨＡＳＥＤヒータ要素のアレイを有することができる。相互作用的要素は、試料流体ストリームに沿って間隔をおいて配置され、試料流体ストリームにさらされる。相互作用的要素は各々、相互作用的要素の温度に応じて流体ストリームの構成成分を吸収および脱着できる相互作用物質を含むことができる。各相互作用的要素は、それと熱伝達を行うヒータ要素を有することができる。ヒータ要素に時間段階的シーケンスで電圧を加えるため、コントローラが、ヒータ要素に結合されることができる。コントローラは、第１のヒータ要素に第１のエネルギーパルスによって電圧を加え、その後、第１のヒータ要素の下流に配置される第２のヒータ要素に第２のエネルギーパルスによって電圧を加え、それ以降も同様である。対応する相互作用的要素は、順次熱せられ、選択された構成成分を試料流体ストリームに脱着することができる。第１の要素は、試料流体ストリームによって下流の第２のヒータ要素へと搬送される第１の濃度パルスを生成することができ、第２のヒータ要素は、第１の濃度パルスが第２の相互作用的要素に到達すると、電圧を加えられ、第２の相互作用的要素を熱することができる。ここにおいて、第１のエネルギーパルスと第２のエネルギーパルスとが順番に混成されて、流体ストリーム内でより大きな複合濃度温度パルスとなり、そのパルスは、濃縮器のチャンネルを下流へと進行し、後続要素によってさらにサイズを増大させられる。
【００１２】
加えて、柔軟性、低コスト、およびコンパクト性といった特徴が、ドーターＰＣＢ（約１０本のリード線だけを介してマザーＰＣＢに接続されるプリント回路基板）上でワイヤボンドまたははんだバンプを介してフェーズド・ヒータ・アレイ・センサ・チップに接続される同一または別個のチップ上に、ＦＥＴスイッチ、シフトレジスタ、および制御ロジックによって組み込まれ、前濃縮および分離のために全加熱可能要素の一部を選択できるユーザ柔軟性と、分析ロジックの選択性とを提供する。
【００１３】
多流体検出および分析は、価格が手ごろで、現場で利用でき、超高感度で、電力消費が少なく、保守に手間のかからない、コンパクトなマイクロ検出器およびアナライザによって自動化されることができ、マイクロ検出器およびアナライザは、検出および／または分析結果を中央ステーションまたは他の有人ステーションに無線または別の媒体（例えば、有線もしくは光ファイバ）によって送信することができる。マイクロ流体アナライザは、フェーズド・ヒータ・アレイと、濃縮器と、分離器と、多様な手法を含むことができる。このアナライザは、ホストもしくはベース試料気体内の微量化合物またはホスト液体内の微量化合物の混合物を検出することができる。
【００１４】
流体アナライザは、関連するマイクロコントローラまたはプロセッサへの接続構成を含むことができる。センサの応用は、従来のＣＯ２、Ｈ２Ｏ、ＣＯの他、アルデヒド、酪酸、トルエン、ヘキサンなど、航空機空間内の空気汚染物の検出および分析を含むことができる。その他のセンシングは、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、アルデヒド、炭化水素、アルコールなどの気体に関して、空調屋内空間をセンシングすること、ならびに戸外空間、および化学、精錬、製品純度、食品、紙、金属、ガラス、製薬産業などの産業のステップの流れをセンシングすることを含むことができる。また、センシングは、環境保証および保護において重要な場所を占めることができる。センシングは、化学物質の濃度が増して危険になる前に化学物質を早期検出することによって、施設の内外で防御的安全性を提供することができる。
【００１５】
センサの大半の部分は、従来の半導体プロセスまたは電気機械システム（ＭＥＭＳ）技法を用いてチップ上に組み込まれることができる。この種の製造は、小型で低電力消費のマイクロアナライザという結果を、またマイクロアナライザの現場内配置という結果をもたらす。監視器を通る空気または気体試料の流量も、非常にわずかであることができる。さらに、試料用のキャリアガスは、必ずしも必要ではなく、その結果、このキャリアガスの欠如は、試験される試料の希釈化を弱めるだけでなく、関連する保守、および加圧ガスタンク操作の大半を排除するこの手法は、センサが迅速な分析および即座の結果を提供することを可能にし、いくつかの関連技術の装置より少なくとも１桁分は高速であり得る。この手法は、労働集約的な研究室での分析から発生する遅延および費用を回避する。センサは、検出された気体を分析および決定するための組み込みマイクロコントローラを有することができ、また無人の遠隔地で正確性を維持し、正常に動作することができ、無人の遠隔地から情報を伝えることができるという点でインテリジェントである。センサは、検出器情報、分析、および結果を、有用回線または光もしくは無線媒体を介して、全２重通信機能によって、「プラグアンドプレイ」に対応し簡易性を備えた相当距離の離れたホストシステムに伝えることができる。センサは、ネットワークに対応することができる。センサは、その他の気体試料コンディショニング装置（例えば、粒子フィルタ、バルブ、流れおよび圧力センサ）、ローカル保守制御地点と相互接続可能であり、インターネットを介してモニタリングを提供することができる。センサは、堅牢である。センサは、非常に強い電界および磁界を有する高電磁干渉（ＥＭＩ）環境において正確性を維持することができる。センサは、高い感度を有する。センサは、１から１０ｐｐｍの範囲の感度を提供できる従来のガスクロマトグラフィなどの関連技術より１００から１００００倍良好な、サブｐｐｍ（１００万分率）レベルの検出を提供する。センサは、中でもとりわけ、より電力消費が少なく、より速度が速く、よりコンパクトで、より感度が良く、価格が手ごろなガスクロマトグラフの変型である。センサは、構造的統合性を有することができ、非常に大きな差圧範囲にわたって加圧流体試料を検出および分析する応用において、漏れの恐れは非常に低いか、またはまったくない。
【００１６】
センサでは、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  ＭｅｓｏＰｕｍｐ（登録商標）などの小型ポンプが、システム内に試料を取り込むことができるが、その一部だけが、（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  ＭｅｓｏＶａｌｖｅ（登録商標）またはＨｏｅｒｂｉｇｅｒ  ＰｉｅｚｏＶａｌｖｅ（登録商標）とすることができる）バルブによって制御される速度でフェーズド・ヒータ・センサ内を流れ抜けることができる。この手法は、サンプリングラインが長いにもかかわらず、高速の試料取得を可能にし、規制されたほぼ０．１から３ｃｍ３／分の流れを検出器に供給することができる。センサのポンプは、高速の試料取得と、フェーズド・ヒータ・センサ内での規制された流れとを共に提供するような方法で、フィルタを通して試料気体を取り込むように構成されることができる。
【００１７】
ポンプが試料気体をセンサに取り込むと、気体は膨張し、その結果、体積と線速度を増すことがある。制御回路は、この速度変化を補償して、センサ内でヒータ「波」を変化する気体速度に同期した状態に保つように設計されることができる。試料気体がヒータチャンネル内を通されるとき、その体積変化を補償するため、ヒータの電子機器は、流量制御および／またはヒータ「波」速度を調整して、内部気体流れ速度をヒータ「波」に同期した状態に保つ必要があり得る。
【００１８】
気体調査活動中、センサの能力は（その他の任意のより低速なガスクロマトグラフィと同様に）、約３３０から７００ｐｐｍのＣＯ２、約１から２ｐｐｍのＣＨ４、約０．５から２．５パーセントのＨ２Ｏなど、空気の多数の微量構成成分を感知することができる。これは、出力溶離時間のオンライン較正を可能にし、天然ガス、プロパンまたはその他のガスの導管の漏れをおそらく指摘するエタンなどの追加的ピークの存在を検査することも可能にする。したがって、試料気体構成成分ピーク高の比率は、自動車の排気またはガソリン蒸気を含み得る微量気体の出所についての手掛かりを明かすことができる。
【００１９】
センサは、安全性の観点から命じられる、伝送または配送導管システムに沿った天然ガスまたはプロパンガスの定期的な漏れ調査、および化学処理工場でのその他の気体の定期的な漏れ調査にとって、それを特に良く適したものにする、感度、速度、可搬性、および低電力性を有することができる。
【００２０】
センサは、漏れ感知用途において、一部または全部の試料気体構成成分（およびそれらのピーク率）を、較正マーカ（溶離時間は気体構成成分の性質を識別する）および／または漏れ源識別情報として使用する。（山の空気に約１から２ｐｐｍ存在する）メタンなどある種のピークの存在だけでは、その構成成分の出所が沼気なのか、天然もしくは導管ガスなのか、または別の流体なのかを指摘するための十分な情報になり得ない場合。
【００２１】
センサは、ポータブル装置として使用されることができ、または固定場所に設置されることができる。同等の関連技術センサとは対照的に、センサは、かさばる水素タンクを必要としないポータブル水素炎イオン化検出器よりもコンパクトであることができ、熱フィラメントまたは金属酸化物可燃ガスセンサよりも高速かつ高感度であることができ、従来および／またはポータブル・ガスクロマトグラフィよりもはるかに高速、コンパクト、かつ電力節約的であることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
図１のセンサ１５による検出および分析は、流体成分の検出、同定、および定量化を含むことができる。それは、検出された流体の濃度または１００万分率の決定を含むことができる。センサ１５は、環境内の流体を検出するために使用されることができる。また、センサ１５は、空調または試験空間の周囲環境における微小量の汚染物を検出することができる。センサ１５は、周囲空気または発散空気の衛生および人体への毒素レベルを示すことができる。
【００２３】
図１は、低電力センサシステム１１の例示的な図を示している。処理ストリーム、周囲空間、または容積６１からの試料流体２５は、センサまたはマイクロガス装置１５の入力３４に接続された導管またはチューブ１９に入ることができる。流体２５は、センサ１５によって処理されることができる。処理された流体３７は、センサ１５の出力３６から出て、導管またはチューブ３９を介して、容積６１にまたは指定されれば別の容積に排出されることができる。
【００２４】
センサ１５の結果は、分析を行い、即座の結論および結果を得るために、マイクロコントローラ／プロセッサ２９に送信されることができる。この情報は、再検査およびさらなる分析、評価、ならびに見出された結果の判定のために、観測ステーション３１に送信されることができる。データおよび制御情報は、ステーション３１からマイクロコントローラ／プロセッサ２９に送信されることができる。データおよび情報は、センサ１１およびステーション３１の送信機／受信機３３によって無線媒体を介して送信および受信されることができる。あるいは、データおよび情報は、モニタ１１およびステーション３１のモデム３５によって通信用の有線または光回線を介して送信および受信されることができる。データおよび情報は、ＳＣＡＭ（監視制御およびデータ取得）システムに送信されることができる。これらのシステムは、ある種の気体を検出し、検出に関する情報を遠隔の受信者に提供するために産業（加工、製造、サービス、保健など）において使用されることができる。
【００２５】
マイクロコントローラまたはプロセッサ２９は、制御、調整、較正、またはその他の目的のため、様々な信号をアナライザ１５に送信することができる。また、マイクロコントローラ／プロセッサ２９は、検出結果に基づいて環境予測を提供するためにプログラムされることができる。分析計算、結果、またはその他の情報は、回線、ファイバ、またはその他の類似媒体を介してステーション３１に送信される信号への変換のため、モデム３５に送信されることができる。また、モデム３５へのそのような出力は、ステーション３１への無線送信のため、代わりにまたは同時に送信機３３に送信されることができ、ポータブル装置として使用される場合は特に、例えば、ＧＰＳを介して取得された実際の検出位置に関する情報と一緒に送信されることができる。また、ステーション３１は、制御、調整、較正、またはその他の目的のため、マイクロコントローラまたはプロセッサ２９に渡されることができる様々な信号を、モデム３５および受信機３３に送信することができる。
【００２６】
図１では、空間６１は、開かれた空間でも、または閉じられた空間でもよい。センサシステム１１は、航空機のキャビン、機械室、工場、または別の環境での何らかの場所などの閉じられた空間６１で使用可能な接続部を有することができる。あるいは、センサシステムは、地球環境の開かれた空間６１で使用可能であることができる。入力チューブまたは管１９の端部は、開かれた空間６１にあることができ、出口チューブ３７の排気は、閉じられた空間６１から幾分離れた地点に排出されることができる。空間６１が処理ストリームである場合に特に下流でチューブ３９が空間６１に出て行くことができる以外は、空間６１のためのシステム１１は、それ自体が空間６１内に存在することができる。
【００２７】
図２は、マイクロガス装置１５のいくらか詳細に示している。マイクロガス装置のさらなる細部および変形は、後続の図に関連させて以下で説明される。試料ストリーム２５は、管またはチューブ１９から入力ポート３４に入ることができる。これから装置１５に入る流体２５のストリームからごみおよびその他の粒子を除去するための粒子フィルタ４３が存在することができる。この除去は、装置を保護するためであり、フィルタリングが、流体２５の組成を正確に分析する装置能力を低下させるべきではない。（浮遊する固体または液体の不揮発性粒子で）汚れた流体は、適切なセンサ機能を損ねることがある。流体２５の一部４５は、示差熱伝導度検出器（ＴＣＤ、または化学センサ（ＣＲＤ）、または光イオン化センサ／検出器（ＰＩＤ）、またはその他の装置）１２７の第１の脚を流れ抜けることができ、流体２５の一部４７は、チューブ４９を通ってポンプに流れ込むことができる。相対的により高い流動性４７はフィルタ浄化時間の短縮に役立つので、「Ｔ」チューブを導入口４５のすぐ隣に配置することによって、最小時間遅延によるサンプリングが達成されることができる。ポンプ５１は、流体４７が粒子フィルタ４３の出力からチューブ４９を通ってポンプ５１から出て行く原因となることができる。ポンプ５３は、チューブ５７を介してセンサを通る流体４５の流れに影響することができる。ポンプ５１は、１ｐｓｉ（〜７ｋＰａ）より低い圧力降下（Δｐ）で１０〜３００ｃｍ３／分の吸込み容量を提供することができ、低流れ容量ポンプ５３は、最大１０ｐｓｉ（〜７０ｋＰａ）のΔｐで０．１〜３ｃｍ３／分を実現することができる。図２のシステム１５用に、追加のポンプまたはより少数のポンプが存在することができ、様々なチューブまたは配管の配置または構成が存在することができる。検出器１２７および１２８からのデータは、コントローラ１３０に送信されることができ、コントローラは、処理するためにデータをマイクロコントローラおよび／またはプロセッサ２９に中継することができる。結果の情報は、ステーション３１に送信されることができる。
【００２８】
ポンプ５１および５３は、ある場所から可能な気体を検出するために検査される流体の試料を取り込むために実施される非常に節約的かつ効率的な構成であることができる。使用されていないときのスリープモードを有する低電力電子機器が利用されることができる。濃縮器および／またはアナライザシステム１１の測定サイクルの開始前に約１〜１０秒または約１〜１０秒未満だけ動作できるこの特定の節約的だが適切に機能するポンプ５１および５３の使用、およびコントローラ１３０および／またはマイクロコントローラ／プロセッサ２９用の（使用されていないときにスリープモードを使用できる）低電力電子機器の使用は、そのような電力使用量を約２倍低減するという結果をもたらすことができる。
【００２９】
図３は、図２の濃縮器１２４または分離器１２６の一部を表す、センサ装置１０、１５の部分の概略図である。センサ装置は、基板１２と、コントローラ１３０を含むことができる。コントローラ１３０は、基板１２に組み込まれても、または組み込まれなくてもよい。基板１２は、基板上に配置された複数の薄膜ヒータ要素２０、２２、２４、２６を有することができる。４つのヒータ要素しか示されていないが、例えば、２から１０００の間の、しかし一般には、２０〜１００の範囲の任意の数のヒータ要素が、設けられることができる。ヒータ要素２０、２２、２４、２６は、パーマロイと呼ばれることもある８０パーセントのニッケルと２０パーセントの鉄という組成をもつニッケル−鉄合金、白金、白金シリコン、および多結晶シリコンなど、任意の適切な電気導体、安定な金属、または合金膜から製作されることができる。ヒータ要素２０、２２、２４、２６は、図４および図５に示されるように、薄く、熱質量が低く、平面内熱伝導が低い支持部材３０上に設けられることができる。支持部材または膜３０は、Ｓｉ３Ｎ４またはその他の適切もしくは同様の素材から作成されることができる。ヒータ要素は、Ｐｔまたはその他の適切もしくは同様の素材から作成されることができる。
【００３０】
基板１２は、図４に示されるように、試料流体ストリーム４５を受け入れるためのチャンネル３２を有する明確に定義された単一チャンネルのフェーズド・ヒータ機構４１を有することができる。図５は、チャンネル３１および３２を有する２重チャンネルのフェーズド・ヒータ機構４１を示している。基板１２および部分またはウェーハ６５は、ストリーミング試料流体４５を受け入れるためのチャンネル３１および３２を確定することができる。チャンネルは、支持部材３０および支持部材の上側のウェーハまたは部分６５の下方のシリコンチャンネルウェーハ基板１２を選択的にエッチングすることによって製作されることができる。チャンネルは、流入ポート３４と、排出ポート３６とを含むことができる。
【００３１】
センサ装置は、チャンネル３１および３２の内部にストリーミング試料流体４５にさらされるように複数の相互作用的要素も含むことができる。相互作用的要素の各々は、対応するヒータ要素に隣接して、すなわち、可能な限り近く接するように配置されることができる。例えば、図４では、相互作用的要素４０、４２、４４、４６は、チャンネル３２内の支持部材３０の下側面に設けられ、それぞれヒータ要素２０、２２、２４、２６に隣接することができる。図５では、追加の相互作用的要素１４０、１４２、１４４、１４６が、チャンネル３１内の支持部材３０の上側面に設けられ、それぞれヒータ要素２０、２２、２４、２６に隣接することができる。本発明の例示的な実施例には示されていないが、追加の相互作用的膜要素を備えるその他のチャンネルが存在することもできる。相互作用的要素は、シリカゲル、ポリメチルシロキサン、ポリジメチルシロキサン、ポリエチレングリコール、多孔質シリカ、Ｎａｎｏｇｌａｓｓ（登録商標）、活性炭、およびその他の高分子物質など、液体またはガスクロマトグラフィで一般に使用される任意の数の膜から形成されることができる。さらに、上記の相互作用的物質は、極性および／または疎水性の程度を変化させるため、対象分析物の最適吸収および／または分離を達成するため、適切なドーパントによって改質されることができる。
【００３２】
図６ａは、２チャンネルフェーズド・ヒータ構成４１の横断端面図を示している。図６ａ、図６ｂ、および図６ｃの部分の上部および下部透視または方向付けは、必ずしも同じように見えなくてもよい。図６ｂおよび図６ｃでは、単一チャンネルフェーズド・ヒータ構成４１の端面図は、支持部材３０と、基板１２と、それらの間の品目を含むことができる。図６ｂは、さらされる１ミクロンの膜を有するフェーズド・ヒータ構成４１の変形を示している。図６ｂには、開かれた空間３９２が示されている。図６ｃは、狭い閉じられた空間３９４を有する耐久性が高く低電力の変形を示している。支持部材３０は、上部構造６５に結合されることができる。アンカー６７は、支持部材３０をチャンネル３１に対して適切な位置に保持することができる。アンカー６７の接点が少ないほど、支持３０から構造４１のその他の部分への熱伝導による熱損失を最小限に抑える。ヒータ要素からの熱伝導を少なくするために少数のアンカー接点を有するヒータ膜が存在することができる。通常の固定方式とは対照的に、本発明の実施例は、固定具接点を減らすことができ、残りのヒータ要素の入力電力を約１．５倍節約するという結果をもたらす。
【００３３】
フェーズド・ヒータ・アレイのヒータ要素は、より少ない電力損および入ってくる検出対象気体のより効率的な加熱のため、両面、すなわち、上側および下側を吸収素材で被覆されることができる。ヒータ要素は、電力損を低減するため、狭い幅をもつことができる。
【００３４】
相互作用的膜要素は、所望の吸収素材を運ぶ素材ストリームを単一チャンネル加熱機構４１のチャンネル３２の中を通すことによって形成されることができる。これによって、チャンネル全体に相互作用的層を形成することができる。別々の相互作用的要素４０、４２、４４、４６が望ましい場合、図６ａの上部ウェーハ６５に結合する前に、被覆が、下部ウェーハ１２に結合された基板３０にスピンコーティングされ、その後、標準的なフォトレジストマスキングおよびパターニング方法を使用することによって、またはヒータ要素２０、２２、２４、２６を介して被覆に温度変化を与えることによって、選択的に「現像される」ことができる。
【００３５】
ヒータ・アレイの内部チャンネルの表面は、設計により意図的に吸収素材で被覆された表面を除いて、非吸収断熱層で被覆されることができる。吸収被覆または膜の厚さは、減らされ、それによって、吸収および脱着に必要な時間を短くすることができる。図６ａにあるように、非吸収断熱素材の被覆６９は、設計により相互作用的要素などの吸収被覆面が存在する場所を除いて、単一チャンネルヒータ４１のチャンネル３１の内壁、および２重チャンネルヒータ機構４１のチャンネル３１および３２の壁に施されることができる。被覆６９は、必要とされるヒータ要素電力を焼く１．５倍削減することができる。素材は、チャンネル壁に使用される素材よりかなり小さい熱伝導性を有するべきである。後者はシリコンとすることができる。被覆６９の代替素材は、ＳｉＯ２またはその他の金属酸化物を含むことができる。被覆６９は、支持３０内のヒータ要素用に使用される電力を削減することができる。移動相／固定相容積の妥当な比率を保持しながら、ヒータ要素膜および吸収膜のサイズ（幅、長さ、厚さ）を最小化または低減することで、約４倍の電力削減という結果をもたらすことができる。最小化または低減された吸収膜の厚さは、吸収−脱着に必要とされる時間を短縮し、流体分析当たりに必要とされるエネルギーを約１．５倍節約する。
【００３６】
ヒータ要素２０、２２、２４、２６は、上側および下側にＧＣ膜被覆が施され、その結果、ヒータ要素表面の幅および電力散逸が約２倍である。これらのヒータ要素の製作は、２つの被覆ステップを含み、第２のステップは、ウェーハ対ウェーハ接合と、第２のウェーハ内の第１の被覆を保護し、第１のウェーハを溶解した後に被覆を行うことを必要とする。
【００３７】
所望の耐久性を達成する（すなわち、薄膜２０、２２、２４．．．を外部環境にさらさない）が、上側および下側の両方を被覆する必要のない別の手法は、上側だけを被覆し、下側チャンネル３２の高さを低くするもので（図６ａ参照）、その結果、容積率（空気／膜）は、５００より小さな値になる。
【００３８】
マイクロガスアナライザは、順次反復スピンコーティング（またはその他の付着手段）ステップを介して製作されるヒータ要素４０、４２、．．．、４４、４６および１４０、１４２、．．．、１４４、１４６を有することができ、その結果、濃縮器および分離器要素の予定パターンが、（ＧＣ文献では固定相として知られる）異なる吸収素材Ａ、Ｂ、Ｃ、．．．で被覆され、その結果、濃縮器／分離器要素の比率を選択することができるだけでなく、濃縮ステップに寄与し、電子的に分離器に注入されるために、Ａ、Ｂ、Ｃなどで被覆されたそれらのいずれかを（いずれかの脱着温度で）選択することができ、分離器ではやはり、要素の温度ランピングレートの選択を、Ｂ、Ｃ、．．．要素とは異なるようにＡのために行うことができ、さらに、「Ａ」要素の群から気体を分離した後、「Ｂ」要素の群から別の気体の組が分離されることができ、以下も同様であるような方法で、このシステムに多用性を追加する。濃縮器の分離器ヒータ要素に対する比率は、一定であっても、コントローラ１３０に接続された比率制御機構４９０によって変更されてもよい。
【００３９】
コントローラ１３０は、図３に示されるように、各ヒータ要素２０、２２、２４、２６と、検出器５０とに電気的に接続されることができる。コントローラ１３０は、時間段階的シーケンスで（図７の下部を参照）ヒータ要素２０、２２、２４、２６に電圧を加え、その結果、対応する相互作用的要素４０、４２、４４、４６の各々が加熱され、１つまたは複数の上流の相互作用的要素によって生成された上流濃度パルスが相互作用的要素に到達したあたりの時点で、選択された構成成分をストリーミング試料流体４５に脱着することができる。濃度パルスにおいて構成成分気体の所望の濃度を達成するために、任意の数の相互作用的要素が使用されることができる。結果の濃度パルスは、検出および分析のために検出器５０、１２８に提供されることができる。検出器５０、１２７、または１２８（図２および図３）は、熱伝導検出器、放電イオン化検出器、ＣＲＤ、ＰＩＤ、ＭＤＤ、または一般にガスまたは流体クロマトグラフィで使用されるその他の任意のタイプの検出器とすることができる。
【００４０】
図７は、例示的な関連するヒータ温度を、各ヒータ要素で生成される対応する濃度パルスとともし示したグラフである。上で指摘されたように、コントローラ１３０は、電圧信号７１によって時間段階的シーケンスでヒータ要素２０、２２、２４、２６に電圧を加えることができる。ヒータ要素２０、２２、２４、２６用の例示的な時間段階的ヒータ関連温度が、それぞれ温度プロフィールまたは線６０、６２、６４、６６によって示されている。
【００４１】
示された例では、コントローラ１３０（図３）は、最初に第１のヒータ要素２０に電圧を加えて、その温度を図７の線６０に示されるように上昇させることができる。第１のヒータ要素２０は、第１の相互作用的要素４０（図４および図５）に熱的に結合されているので、第１の相互作用的要素は、選択された構成成分をストリーミング試料流体４５に脱着して、その他のヒータ要素が律動的に動作させられないならば、検出器１２８または５０で第１の濃度パルス７０（図７）を生成する。ストリーミング試料流体４５は、矢印７２に示されるように、第１の濃度パルス７０を第２のヒータ要素２２へと運ぶ。
【００４２】
コントローラ１３０は、次に第２のヒータ要素２２に電圧を加えて、要素２０へのエネルギーパルスが止められるときまたは前に始まる線６２で示されるようにその温度を上昇させることができる。第２のヒータ要素２２は、第２の相互作用的要素４２に熱的に結合されているので、第２の相互作用的要素も、選択された構成成分をストリーミング試料流体４５に脱着して、第２の濃度パルスを生成する。コントローラ１３０は、図７に示されるように、第２の濃度パルスが第１の濃度パルス７０と実質的にオーバラップして、より高い濃度パルス７４を生成するように、第２のヒータ要素２２に電圧を加えることができる。ストリーミング試料流体４５は、矢印７６に示されるように、より大きな濃度パルス７４を下流の第３のヒータ要素２４へと運ぶ。
【００４３】
コントローラ１３０は、次に第３のヒータ要素２４に電圧を加えて、図７の線６４で示されるようにその温度を上昇させることができる。第３のヒータ要素２４は、第３の相互作用的要素４４に熱的に結合されているので、第３の相互作用的要素４４は、選択された構成成分をストリーミング試料流体に脱着して、第３の濃度パルスを生成することができる。コントローラ１３０は、第３の濃度パルスが第１および第２のヒータ要素２０および２２によって提供されたより大きな濃度パルス７４と実質的にオーバラップして、さらにより大きな濃度パルス７８を生成するように、第３のヒータ要素２４に電圧を加えることができる。ストリーミング試料流体４５は、矢印８０に示されるように、このより大きな濃度パルス７８を下流の「第Ｎ」のヒータ要素２６へと運ぶ。
【００４４】
コントローラ１３０は、次に「第Ｎ」のヒータ要素２６に電圧を加えて、線６６で示されるようにその温度を上昇させることができる。「第Ｎ」のヒータ要素２６は、「第Ｎ」の相互作用的要素４６に熱的に結合されているので、「第Ｎ」の相互作用的要素４６は、選択された構成成分をストリーミング試料流体４５に脱着して、「第Ｎ」の濃度パルスを生成することができる。コントローラ１３０は、「第Ｎ」の濃度パルスがそれまでのＮ−１個の相互作用的要素によって提供されたより大きな濃度パルス７８と実質的にオーバラップするように、「第Ｎ」のヒータ要素２６に電圧を加えることができる。ストリーミング試料流体は、「第Ｎ」の濃度パルス８２を、以下で説明される分離器１２６または検出器５０もしくは１２８に運ぶ。
【００４５】
上で指摘されたように、ヒータ要素２０、２２、２４、２６は、共通の長さを有することができる。その場合、コントローラ１３０は、等しい電圧、電流、または電力パルスを各ヒータ要素に供給することによって、等しい温度のヒータ要素を達成することができる。電圧、電流、または電力パルスは、三角形状、四角形状、釣鐘形状、またはその他の任意の形状を含む任意の所望の形状を有することができる。ほぼ四角形状の電圧、電流、または電力パルスが、図７に示された温度プロフィール６０、６２、６４、６６を達成するために使用される。温度プロフィールはそのように見え、脱着種は電圧パルスに対してわずかな時間遅延をもって生成されることに留意されたい。
【００４６】
図８は、第１に、後続要素による脱着がストリーミング試料流体速度に適切に同期させられる場合、濃度がどのように段階的に上昇するかを図説するため、第２に、個々の要素の長さが濃度レベルおよび勾配が上昇するときの質量拡散流束の期待上昇率にどのように調和させられるかを図説するための、複数のヒータ要素を示したグラフである。要素１００（Ｈ１）として示される要素よりＦ倍長い最初の要素にパルスを印加することによって、あるいは代替として、要素１、２、．．．、Ｆに同時にパルスを印加し、パルスを印加する前のまた低温の要素１００（Ｈ１）ですべての脱着分析物を収集することによって、分析物濃度は図８に示された要素の前で係数Ｆだけすでに拡大されていることがここで指摘されるべきである。各濃度パルスは、チャンネル３２を下流に進むとき、拡散のために振幅を低下させ、長さを増大させる傾向をもち得ることが理解される。この増大した長さに対処するため、連続する各ヒータ要素の長さをストリーミング試料流体に沿って増大させることが企図される。例えば、第２のヒータ要素１０２は、第１のヒータ要素１００の長さＷ１より大きい長さＷ２を有することができる。同様に、第３のヒータ要素１０４は、第２のヒータ要素１０２の長さＷ２より大きい長さＷ３を有することができる。したがって、各ヒータ要素１００、１０２、１０４の長さは、隣接する上流のヒータ要素と比べて、拡散に起因する上流ヒータ要素での濃度パルスの予想増大長に対応する量だけ増大させ得ることが企図される。しかし、対象分析物濃度が非常に低い場合や、吸収膜容量が非常に大きい場合などには、一定時間の間にポンプ（図２のポンプ５１）で濃縮器に通される一定量の試料気体から一定量の分析物を吸収できる膜体積を最小化することに基づく、濃縮器機能の最大集束性能を達成して、その結果、試料体積／（最後のヒータ要素の）膜体積と同じ比率だけ分析物濃度を上昇させるため、後続または最後のヒータ要素の長さを著しく縮小することが可能であり有利であり得る。
【００４７】
ヒータ要素の制御を簡単にするため、連続する各ヒータ要素の長さは、ヒータ要素間で同じ全ヒータ抵抗を生成するように一定に保たれることができ、それによって、同様の温度プロフィールを生成するために、等しい電圧、電流、電力パルスが使用されることを可能にする。代替として、ヒータ要素は、異なる長さを有することができ、コントローラは、同様の温度プロフィールを生成するために、ヒータ要素に異なる電圧、電流、電力パルス振幅を供給することができる。
【００４８】
図９は、１００パーセント濃度レベルを達成する濃度パルス１１０を示したグラフである。濃度パルス１１０が１００パーセントなどの最大濃度レベルを達成しても、対応する構成成分の濃度はまだ決定され得ることが理解される。そのようにするため、検出器５０、１２８、１６４は、濃度パルス１１０を検出することができ、コントローラ１３０は、元試料のストリーム４５内の構成成分の濃度を決定するため、検出器の出力信号を時間で積分することができる。
【００４９】
「ＧＣピーク同定」では、個々の構成成分の互いからの分離を達成するツールであるガスクロマトグラフ（ＧＣ）から出る各気体ピークに化学化合物を明瞭に結び付けることが望ましい。気体の成分を同定するための複数の手法が存在する。ＧＣ−ＭＳの組み合わせでは、ＭＳ入口で必要とされるイオン化処理から得られる分子フラグメントを処理しながら、各ＧＣピークが質量に関して分析される。ＧＣ−ＧＣの組み合わせでは、化合物同定に役立ち得る情報を分析記録に追加するため、第１および第２のＧＣで異なる分離カラム素材が使用される。ＧＣ−ＡＥＤの組み合わせでは、マイクロ波給電気体放電が、気体放電プラズマにおけるＧＣピークの気体の同定に役立つように、証拠となる光スペクトル発光線（原子）および発光帯（分子）を生成することができる。ＧＣ−ＭＤＤまたはＧＣ−ＧＣ−ＭＤＤ構成では、マイクロ放電装置（ＭＤＤ）が、分析物がＧＣまたはＧＣ−ＧＣから溶離するときに分析物ピークのスペクトルを発し、分子および原子構造を明かし、その結果、分析物ピークを同定することができる。
【００５０】
ＡＥＤの選択波長チャンネルがＧＣによって分離された化合物の原子構成をいかにして同定できるかの例が、図１１に示されており、図１１は、Ｃ、Ｈ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｐ、Ｄ、Ｓｉ、およびＦ原子発光用の別個のチャンネルを示し、図１０の既知の検出限界および感度の表には、対応するチャンネルの一覧が示されている。図１１は、元素およびその近似量を示すことができる様々なピークをもつ多元素試験混合物の知られた最新のクロマトグラムを示している。ピーク３０１は、２．５ｎｇの４−フルオロアニソールを示し、ピーク３０２は、２．６ｎｇの１−ブロモヘキサンを示し、ピーク３０３は、２．１ｎｇのテトラエチルオルトシリケートを示し、ピーク３０４は、１．９ｎｇのｎ−過重水素化デカン（ｎ−ｐｅｒｄｅｕｔｅｒｏｄｅｃａｎｅ）を示し、ピーク３０５は、２．７ｎｇのニトロベンゼンを示し、ピーク３０６は、２．４ｎｇのトリエチルホスフェートを示し、ピーク３０７は、２．１ｎｇのｔ−ブチルジスルフィドを示し、ピーク３０８は、３．３ｎｇの１，２，４−トリクロロベンゼンを示し、ピーク３０９は、１７０ｎｇのｎ−ドデカンを示し、ピーク３１０は、１７ｎｇのｎ−トリデカンを示し、ピーク３１１は、５．１ｎｇのｎ−テトラデカンを示す。そのようなクロマトグラムの場合、ＧＣ条件は、３．３ｍＬ／分のカラム流量、３６：１のスプリットレシオ、および摂氏３０度／分で摂氏６０度から１８０度のオーブンプログラムを含むことができる。低電力マイクロ放電で生成される、Ｎｅの中性およびイオン化放射源のＵＶスペクトルの一部が、図１２に示されている。図１２のグラフは、イリノイ大学によって行われた研究からのものである。この図には、「Ｎｅ」圧力が変化すると、スペクトル種が強度を変化させることも示されている。光出力は、放電キャビティ形状寸法、印加電圧、および圧力など複数のパラメータに依存することができる。分子帯が放射され、ジェットエンジンの高温排気中の気体などの「ＮＯ」測定用に使用されることすらできる。
【００５１】
環境気体試料をマイクロ放電装置に供給することによって、有益な気体組成情報を得ることができる。第１の手法では、１つのマイクロガス放電装置を使用することができ、その動作パラメータ（電圧、圧力、流量、．．．場合によっては形状寸法）は、出力発光スペクトルに変化を生じさせるために変更されることができ、その結果、そのような発光データの評価および処理の後で、気体試料構成成分のタイプおよび濃度に関する情報が作成されることができる。第２の手法では、複数のマイクロガス放電装置を使用することができ、各々の動作パラメータは、第１の手法でのように、発光出力評価のために変更されることができ、統計分析によってより良好な結果を得ることができる。第３の手法は、各マイクロ放電は他のマイクロ放電の設定点の条件とは異なるように設定された１つの条件だけで動作させることができる点を除いて、第１の手法と同じであることができる。
【００５２】
図１３は、第３の手法を表しており、気体試料は、１つのタイプの放電から次の放電へと直列に進行することができ、気体試料の性質は、このステップの間変化しないと仮定することができる。この図は、様々な圧力および電圧で気体４５のストリームの気体組成を感知するための光源−検出器の対のアレイ３５０を示している。異なる電圧＋Ｖ１、＋Ｖ２、．．．ならびに圧力Ｐ１およびＰ２は、そのようなものとして特徴付けられることができる。光源ブロック３５１からのマイクロ放電３５２のプラズマは、（＋）および（−）電極の間の楕円面によって示されている。光源ブロック３５１の反対側に、光源の放電３５２からの光の検出器３５４として動作するマイクロガス放電装置を有する検出器ブロック３５３が存在する。検出器３５４上に配置されたフィルタが存在してもよい。フィルタは、特定の群の気体の検出および分析用に異なることができ、選択されることができる。マイクロ放電からの気体の発光の様々な線が、検出される気体の組成を決定するため、検出され、同定されることができる。アレイ３５０は、コントローラ１３０に接続されることができる。プロセッサは、マイクロ放電の制御、およびアレイ３５０を通る気体４５の流れにおける放電の影響の検出に利用されることができる。
【００５３】
光源ブロック３５１は、シリコンから作成されることができる。ブロック３５１上には、Ｓｉ３Ｎ４またはパイレックス(登録商標)の壁状構造３５５が配置されることができ、装置３５０を通る気体４５の流れを含むためのチャンネルを形成する。構造３５５の上には、ＰｔまたはＣｕ素材の導電層３５６が存在することができる。Ｐｔ素材の上には、流路の上に広がることができるＳｉ３Ｎ４の層３５７が存在する。層３５７の上には、検出器３５４用のチャンネルを形成するための壁として、Ｐｔの層３５８とＳｉ３Ｎ４の層３５９が存在することができる。第４の手法は、直列方式ではなく並列に各放電に気体試料を供給する点を除いて、第３の手法と同様とすることができる。
【００５４】
第５の手法は、気体試料が、例えば、従来のＧＣによって提供されるような分離ステップを経ることができる点を除いて、第４または第３の手法と同様とすることができる。第６の手法は、分離ステップの前に、対象試料分析物が従来の前濃縮ステップによって最初に濃縮されることができる点を除いて、第５の手法と同様とすることができる。
【００５５】
第７の手法は、分離ステップの前に、フェーズド・ヒータ・アレイ・センサによって提供されるように、対象試料分析物が多段階前濃縮ステップによって事前に濃縮され、その後、分離器に電子的に注入されることができる点を除いて、第６の手法と同様とすることができる。
【００５６】
図２に関連する第６および第７の手法では、その発想は、ＧＣカラムまたはフェーズド・ヒータ・アレイ・センサ分離器チャンネルから溶離する個々の気体分析物ピークを、示された放電のアレイにおいて各放電装置に供給するというものである。
【００５７】
気体の流れは、図１３に示されるように、直列であることができる。あるいは、気体の流れは、最適ピーク同定に必要であり得る並列であることもでき、それによって、（全体の分析時間を最小化するために）各放電セルは、一定の条件の印加電圧、（アレイの出口の真空または吸引ポンプによって、例えば、Ｍｅｓｏｐｕｍｐ（登録商標）によって決定される）気体圧力で動作することができる。図１３では、第４および第５の放電要素の間の流れ制限によって容易に達成されるように、例として、２つの圧力だけが示されている。流速、（局所的マイクロヒータによる）温度、形状寸法（中空陰極放電または平板放電、さらにはセルの識別における簡単な変更）など、放電パラメータの複数の変更は示されていないが、同様に実施されることができる。
【００５８】
これらのセンサは、一般には小さなサイズ（１０〜１００μｍ）のため、多くの場所を使用しないように思われ、図２のブロック１２８に含まれることができる。
【００５９】
センサ１５は、濃縮器１２４と分離器１２６の間に配置される流量センサ１２５と、濃縮器１２４の入力にある熱伝導率検出器とを有することができる。センサ１５は、濃縮器１２４と分離器１２６の間に熱伝導率検出器を有することもできる。熱伝導率検出器は、放電機構３５０の出力に存在することもできる。センサ１５は、所望の用途に応じて、図２のセンサ１２８の様々な位置に、いくつかの良く知られた構成要素の様々な組み合わせを含むことができる。図２のセンサ１５の図面は、センサの説明的な例である。センサ１５は、この図に示されていないその他の構成を有することもできる。
【００６０】
ガスマイクロ放電セルは、フェーズド・ヒータ・アレイ・センサの有用性、多用性、および価値を著しく高め得る魅力的な特徴を提供することができる。特徴の例は、１）各放電が７００〜９００Ｔｏｒｒ（０．９２〜１．１８ｂａｒ）、１２０Ｖほどの小さなＤＣ、１０μｍで動作し、それは１．２ｍＷに相当することができ、マイクロＴＤＣによっても達成されない最小電力であると思われる低電力能力と、２）図１２の挿入図に示される、コンパクト性（５０×５０ｎｍ）を伴う構築の容易性と、３）（水冷を必要とする）１００Ｗマイクロ波駆動ＡＥＤなどの他のどのような光源も行うことが知られていない、（イリノイ大学による研究からのグラフである）図１４の１００μｍマイクロ放電とＳｉ  ＡＰＤの間の分光感度比較によって示され得る光検出器としてのマイクロ放電器の運用性と、４）モノリシックＳｉ光ダイオードを製造するためにＳｉドーピングに頼る必要のない、フェーズド・ヒータ・アレイ構造による、放電源と光ダイオードの統合可能性およびウェーハレベル集成と、５）上で述べられたように放電パラメータを変更することによる追加次元（すなわち、選択性）とを含む。
【００６１】
本発明は、１）フェーズド・ヒータ・アレイ・センサとマイクロガス放電装置との組み合わせと、２）ガス放電装置の１つの組またはアレイがスペクトル発光を提供でき、（狭帯域バンドパスフィルタまたはマイクロスペクトロメータを有するまたは有しない）別の相補的な組が光検出機能を提供できる１）の組み合わせと、３）２）と第１から第７の手法に関して上で説明された設計の適切な置換との組み合わせと、４）最適前濃縮または分離性能を達成するために、特定の分析にとって必要であるならば、加熱可能要素をフェーズド・ヒータ・アレイ構造の追加の前濃縮器または追加の分離器要素としてプログラムする柔軟性とを有する、マイクロ放電による気体組成感知機能を有することができる。
【００６２】
これまで提案されたマイクロガスアナライザにまさる本発明のフェーズド・ヒータ・アレイ・センサとマイクロ放電検出器の組み合わせは、他のどのマイクロアナライザも達成したことが知られていない、マイクロガス放電装置によって与えられる選択性、「ピーク同定」能力、低電力、光源および検出能力、統合可能性、簡易性、コンパクト性と結び付けられた、フェーズド・ヒータ・アレイ・センサの感度、速度、可搬性、および低電力を提供することができる。
【００６３】
図１５は、回路基板に取り付けられ、接続され、その回路基板も他のチップに同様に接続されるシングルチップ４０１上への、マイクロガス装置１５（すなわち、フェーズド・ヒータ・アレイ構造）のセンサと、前濃縮器および／または濃縮器１２４と、分離器１２６の統合を示している。そのような他のチップの１つは、ＦＥＴスイッチ、シフトレジスタ、およびロジックを有することができる。４０１チップは、ドーターボード上に存在することができる。４０１チップと主回路基板は、元々は約１１０本のワイヤで接続されていた。しかし、すべてのスイッチをドーターボード上の別個のチップ上に統合した後、プリント回路基板配線およびコネクタピンの数は、約１０本に減少した（すなわち、示差温度補償、流量センサ、スイッチクロック、ロジック、電源、およびアース用）。別個のＩＣに配置されるＦＥＴスイッチ、シフトレジスタ、および制御ロジックは、ワイヤボンドまたははんだバンプによってフェーズド・ヒータ・アレイ構造チップに接続されることができる。ＦＥＴの新しいロジックによって、センサシステム１５のユーザは、分離器に対する前濃縮器として動作する加熱可能要素全体のうちの一部を選択することができる。
【００６４】
図１６は、センサシステム１１用の制御ロジックの説明的な実施例の回路図である。回路４１０は、アレイ内のロジックセルの一例とすることができる。回路４１０は、Ｄフリップフロップ４０３と、Ｒ−Ｓフリップフロップ４０４と、ＡＮＤゲート４０５および４１５と、ＯＲゲート４０６と、ＦＥＴ４０７と、インバータ４０８と、さらに必要ならば追加の回路を含むことができる。ｃｌｏｃｋライン４１１は、Ｄフリップフロップ４０３のｃｌｏｃｋ入力に接続されることができる。ｓｅｐａｒａｔｏｒ  ｅｎａｂｌｅライン４１３は、ＡＮＤゲート４０５の第１の入力に接続されることができる。ｄａｔａ−ｉｎライン４１２は、フリップフロップ４０３のＤ入力に接続されることができる。ｒｅｓｅｔライン４３４は、フリップフロップ４０４のＳ入力とフリップフロップ４０３のｒｅｓｅｔ入力とに接続されることができる。フリップフロップ４０４のＱ出力は、ＡＮＤゲート４０５の第２の入力に接続されることができる。フリップフロップ４０３のＱ出力は、フリップフロップ４０４のＲ入力とＡＮＤゲート４１５の第１の入力とに接続されることができる。ｓｅｐａｒａｔｏｒ  ｅｎａｂｌｅライン４１３は、インバータ４０８の入力に接続されることができる。インバータ４０８の出力は、ＡＮＤゲート４１５の第２の入力に接続されることができる。ＡＮＤゲート４１５および４０５の出力は、ＯＲゲート４０６の第１および第２の入力にそれぞれ接続されることができる。ＯＲゲート４０６の出力は、ＦＥＴ４０７のゲートに接続されることができる。ＦＥＴ４０７のその他の端子は、ＦＥＴ  ｃｏｍｍｏｎライン４１６およびＦＥＴ出力端子４１７にそれぞれ接続されることができる。最も右側のロジックセルは、ｄａｔａ  ｏｕｔライン４１８に接続されたフリップフロップ４０３のＱ出力をもつことができる。
【００６５】
このロジックは、区分された分離器の部分としてその後機能し得る残りのヒータ要素のすべての温度を停止させ、次に上昇させる前に、回路がパルスを印加し、加熱する前濃縮器要素の数をユーザが事前選択することを可能にする。選択的な前濃縮、干渉のフィルタリング、およびカスケード分離が可能にされ得るように、適切なマスキングによってチップ４０１チップのフェーズド・ヒータ・アレイ・センサ要素のいずれかに異なる素材を付着させることを可能にする柔軟性の追加の次元が存在する。
【００６６】
図１６はさらに、各々が０．５オームまたはそれ未満でオン抵抗を有し、約１２ボルトの電位差をスイッチすることができる最大５０個のＦＥＴスイッチが、どのようにしてオンチップロジックによって制御されることができるかを示している。オンチップロジックは、２つのモード、すなわち、濃縮器または第１のモードおよび分離器または第２のモードで動作することができ、それぞれのモードは、制御ラインビットによって決定される。第１のモードは、リセット後に、順次低抵抗ＦＥＴをオンにし、それと同じＦＥＴに関連付けられたフリップフロップを使用不可にするシフトレジスタを含むことができる。次のクロックサイクルで、第１のＦＥＴはオフになり、次のＦＥＴがオンになり、その関連フリップフロップが使用不可にされる。このシーケンスは、いくつかの回路部駆動電子機器がクロックをオフにし、第２の動作モードを使用可能にするまで繰り返されることができる。第２のモードが使用可能にされると、フリップフロップが使用不可にされていたすべてのＦＥＴは、同時にオンになることができる。第２のモードは、リセットがトリガされ、フリップフロップがリセットされ、ＦＥＴがオフにされ、プロセスが繰り返されることができるまで、その状態に留まることができる。
【００６７】
順次スイッチングが第１のチップから第２のチップに進むように、２つのチップが直列に使用されて、その各側面の（最大５０個の）フェーズド・ヒータ・アレイ・センサ・チップ・パッドに接合することができる。第１のチップの最後のスイッチからの信号が、第２のチップの最初のスイッチをトリガすることが必要であることもある。スイッチングが第２のチップに移動する前または後のあるときに、並列の残りのＦＥＴの順次アドレシングからのモードスイッチが起こることが可能である。
【００６８】
吸収被覆の多様性をフェーズド・ヒータ・アレイ・センサのヒータ要素に導入することができ、その結果、前濃縮器もしくは分離器または両方の個々の要素または要素グループを２以上の吸収素材を用いて交互に変え、図１６にあるようなスイッチ用のロジックプログラムを調整するか、または（最大印加電圧もしくは温度に関して）前濃縮器ではあるタイプの被覆を、分離器では等しいもしくは異なる被覆を選択することによって、所望の分析物前濃縮、分析物フィルタリング、および選択グループ前濃縮器パルスまたは（時間的）カスケード前濃縮器分析物パルスの分析とすることができる分析結果を達成する。
【００６９】
ユーザは、分析問題によって課された様々な必要に合わせて、フェーズド・ヒータ・アレイ・センサの動作および実行を大きな柔軟性をもって調整することができる。ユーザは、分離器に対する前濃縮器として機能するヒータ・アレイ要素の数または全ヒータ・アレイ要素の一部を選択することができ、したがって、ＴＣおよびマイクロプラズマ放電センサなど、構造的統合性、最適集束特徴、分析物選択性／フィルタリング、ならびに前濃縮、分離、流量制御、および検出技術の高機能統合を特徴とする、低電力の最適温度制御ヒータ要素を設計および製作する能力を保持しながら、分離に関連する分析物の濃度、すなわち、分析物成分の分離度および感度を変化させることができる。ＣＭＯＳ駆動電子機器をフェーズド・ヒータ・アレイ・センサ流路チップと統合することができる。
【００７０】
健康を脅かす毒素など重大な気体分析状況では、化学薬剤またはプロセス発光（ｐｒｏｃｅｓｓ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ）は、小さな不確実性（低確率の偽陽性）で同定および定量化される必要があり、従来の検出器は、所望の低レベルの偽陽性確率Ｐｆｐを提供することができず、（ＭＳ、ＧＣ、または光）スペクトロメータでさえもできない。
【００７１】
ＧＣ−ＭＳおよびＧＣ−ＧＣシステムなどの組み合わせアナライザは、所望のＰｆｐ値に近づくことができるが、２組の複雑で大型の注入システム、大型のＭＳポンプシステム、および各分析で必要とされる大量のエネルギーのため、一般に非ポータブルのデスクトップシステムである。より重要なことに、デスクトップまたはポータブルシステムが必要な感度を提供できないと、分離能力が優れているとしても、偽陽性確率は速やかに上昇する。
【００７２】
解決策は、図１７に示されるマイクロアナライザ５００で実施され、マイクロアナライザは、必要ならば、すなわち、単純でないマイクロガスクロマトグラフ（μＧＣ）が役立つならば、μＧＣ−μＧＣのような構成によって提供される選択性、および複数レベル多段階前濃縮によって与えられる感度を結合する。この構成では、マイクロアナライザ５００は、その（パームトップから立方インチ型までの）コンパクト性、３秒分析、ｐｐｂ感度、柔軟性、機能性、統合構造、低電力、および低コストといった特徴を依然として保持することができる。別の解決策は、図２１のマイクロアナライザ６００で実施されることができる。
【００７３】
マイクロアナライザ５００は、流体５３０の試料ストリームを入力からフィルタ５２７に取り込む。フィルタ５２７から、流体５３０は、マイクロ検出器（μＤ）５３１を通り、並列チャンネル５２７を有する第１のレベルの前濃縮器５２６に入る。流体５３０は、ポンプ５２１またはポンプ５２２によって、チャンネル５２７からマイクロアナライザ５００の主要部分に取り込まれることができる。ポンプ５２１および５２２は、同時または個々のスケジュールに従って動作することができる。流体５３０の一部は、濃縮器５２３と、流量センサ５３２を通ることができる。濃縮器５２３は、約１００ミクロンの内径を有することができる。流量センサ５３２から、流体５３０は、分離器５２４と、マイクロ検出器５３３と、分離器５２５と、マイクロ検出器５３４を通ることができる。分離器５２４および５２５は、約１４０ミクロンおよび７０ミクロンの内径をそれぞれ有することができる。流体５３０は、ポンプ５２２に流れ込むことができる。ポンプ５２１および５２２から出た流体５３０は、流体が最初に取り込まれた場所または別の場所に戻されることができる。マイクロ検出器５３１、５３３、および５３４は、ＴＣＤ、ＭＤＤ、ＰＩＤ、ＣＲＤ、ＭＳ、または別の種類の検出器とすることができる。アナライザ５００は、図示されたものより多いまたは少ない検出器を有することができる。アナライザ５００は、マイクロ検出器５３３および５３４の出口にそれぞれあるオリフィス５４１および５４２などのオリフィスも有することができる。アナライザ５００は、バルブおよびその他の構成要素も有することができる。制御装置５３５またはマイクロコントローラまたはプロセッサは、この説明で説明されるマイクロ流体アナライザの動作と同様とすることができるアナライザ５００の動作を適切に制御し調整するために、必要に応じて、ポンプ５２１、５２２と、検出器５３１、５３３、５３４と、センサ５３２と、濃縮器５２３と、分離器５２４、５２５と、その他の構成要素に接続されることができる。
【００７４】
マイクロアナライザ５００の特徴は、追加の前濃縮次元に関することができる。これらの各々は、図１７に概略的に示されるように、高められた分析物濃度を後続の前濃縮器動作に与える。これは、先に提案され構築された単一レベル多段階前濃縮器（ＰＣ）とは異なる。複数レベルＰＣシステムでは、第１のレベルのＰＣで達成され、吸収のため次または最終レベルの（多要素および多段階）前濃縮器に提供される分析物濃度は、第１のレベルの前濃縮器によってすでに高められ、この前の前濃縮器は、第２のレベルまたは最後の前濃縮器のほぼ完全な動作で必要とされる時間のうちに分析物を解放できるように十分に大きいことが必要である。
【００７５】
移動相の固定相に対する容積比率、ならびに吸収および脱着温度での分配関数の比率は、Ｇ＝１００倍濃度増加が仮想分析物で達成され得るようなものと仮定すると、上昇濃度レベルのタイミングは、以下のように図１８の番号５１１、５１２、５１３、５１４、５１５、５１６のシーケンスによって示される（それは、除去または脱着される気体を横断側面が正方形のチャンネルに均等に再配分する気体拡散の場合、ｄ＝０．０１ｃｍは、Δｔ＝ｄ２／（２Ｄ）＝０．０１２／２／０．１＝０．０００５秒しか要さないことを思い出させるのに役立つ）。
【００７６】
多段階ＰＣ動作は、一連のステップを通るものとして説明されることができる。１）吸収時間ｚａ。モル分率Ｘ＝１ｐｐｔの分析物が、固定相と平衡を保つため、試料気体と共にｖ＝１１０ｃｍ／ｓで十分な時間ｚａの間流れ、ｚａ＝Ｎ１ＧＬ／ｖであり、ここで、Ｎ１＝吸収要素の数、Ｌは流れ方向の吸収膜要素の長さである。Ｎ１＝５００、Ｌ＝０．５ｃｍの場合、ｚ＝５００×１００×０．５／１１０＝２２７秒を得ることができる。すべての前濃縮ステップが完了された後であっても、Ｘが１に比べて小さい場合、ｚａはＸとは独立であることに留意されたい（Ｎ１＝５０のチップの場合、時間は２２．７秒、Ｌ＝０．１の場合、この時間は４．３秒になることができる。試料気体の流速を上げると、この時間は短くなるが、膜の厚さを大きくすると、この時間は長くなる）。
【００７７】
２）飽和。ｚ＝ｚａとなる時間の終わりで、第１段階の吸収器は、大きく飽和させられるが（明瞭性のため、試料気体から固定膜への拡散物質移動の指数的性質を無視することができる）、破線によって示されるように、試料気体は、分析物濃度ｘで流れ続ける。図１８では、これは、それぞれ気体および固定相のための濃縮領域５１１および５１２によって示されている。
【００７８】
３）第１レベルの脱着開始。例えば、ｚ＝ｚｏなどｚ≧ｚａである任意の時間で、速やかに（１ｍｓ以内に）Ｎ１個の要素すべてを加熱することができ、その後、それらは、試料気体チャンネルを１００倍高い濃度、すなわち、ｘ＝１００ｐｐｔで満たす（図１８の領域５１３参照）。この１００倍濃縮された試料気体の「プラグ（ｐｌｕｇ）」が、次のレベルのＰＣであるＮ２の最初の要素に入ると、それは、Ｎ２のＮ１／Ｇ個の吸収器要素からなる次の組を平衡させ、前の領域５１２におけるよりも１００倍高い分析物濃度で飽和させようと試みる（図１８の領域５１４）。
【００７９】
４）第２レベルの吸収時期。非濃縮試料気体が濃縮分析物を図１８の領域５１４から追い出す前に、これを行うために、利用可能な有限の時間と、速度ｖで移動する気体の有限のプラグまたはカラムをもち得るだけである。Ｎ１＝５００、Ｌ＝０．５ｃｍ、ｖ＝１１０ｃｍ／ｓである上記のしかし恣意的な例の場合、利用可能な時間は、ｚ≒Ｎ１Ｌ／ｖ＝ｚａ／Ｇ、または２．２７秒である。
【００８０】
５）第２レベルの脱着時間開始。第２の脱着は、Ｎ２個の要素の最初のものだけを、１から５ｍｓの間とすることができる時間Δｚ＝Ｌ／ｖ（例ではΔｚ＝４．５ｍｓ）の間加熱することによって、ｚ＝ｚｏ＋ｚａ／Ｇまでには開始するべきである。これは、ちゃんチャンネル内の分析物濃度（図１８の領域５１５）を生成し、元のｘ値に比べて１００００倍に上昇させることができる。時間Δｚが経過すると、第２の要素が加熱されることができ、Ｎ２＝Ｎ１／Ｇ個の要素すべてがパルスの印加を受け、その結果、それらの脱着分析物を通過気体に加えるまで繰り返されることができる。これを行うのに必要な時間は、Ｎ１＝５００、Ｎ２＝Ｎ１／Ｇ＝５、Ｌ＝０．５ｃｍ、ｖ＝１１０ｃｍ／ｓである任意の例の場合、Σ（Δｚ）＝Δｚ・Ｎ２＝（Ｎ１／Ｇ）（Ｌ／ｖ）＝ｚａ／Ｇ２、すなわち２２７／１０４＝２３ｍｓとすることができる。
【００８１】
６）第２レベルの脱着期間。図１８の領域５１６でこの前濃縮器から出る最終分析物濃度は、ｘ＝ｘｏＧ２Ｎ２＝ｘｏＮ１Ｇ＝５００００、すなわち、試料気体中の開始分析物濃度より５００００倍の上昇とすることができる。これは、元の分析物が１度だけ吸収され、１組だけのフェーズド要素で濃縮される場合に達成されるよりも〜１０倍高い前濃縮増加であることができる。
【００８２】
上で使用されたＮ１＝５００の例は、図１９の表に行Ａとして載せられた。行Ｂ〜Ｅは、次第に個数が多くなる要素と対応するより大きな達成される全濃度増加についての追加の例を載せている。しかし、図２０の表に示されるように、要素の数を増やすにつれて、横断面が１００×１００μｍの典型的なＭＥＭＳチャンネルによる圧力降下は速やかに増大する。ちょうどＮ１＝５０、ｖ＝１００ｃｍ／ｓ、Ｌ＝０．５ｃｍの場合、試料気体中の主要成分を空気として、Δｐ＝２．６ｐｓｉｄ（〜１８ｋＰａ  ｄ）を得ることができる。それぞれ５．３および１０．６ｐｓｉ（〜３６．５および７３．１ｋＰａ）のΔｐ値を示す計算され図２０に載せられた圧力降下と、ピーク電力データによって示されるように、Ｎ１＋Ｎ２＝５０５または１０１０要素の前濃縮器の場合のΔｐは、各要素がＬ＝０．１ｃｍに短縮されたとしても、速やかに非実際的なほど大きくなることができる。試料が吸引ポンプを介して取り込まれるシステムで特に望ましくないこの高い圧力降下を緩和する１つの方法は、２つまたはより多くの等しい並列チャンネル内にＮ１個の要素を設定することによる。ｑ本の並列チャンネルの場合、Ｎ１のすべての並列要素の脱着は、それらが順次脱着され得るように、各チャンネルに適切なバルブが設けられない限り、同時に生じる必要があるので、ソーキング時間（ｓｏａｋｉｎｇ  ｔｉｍｅ）または必要なピーク電力を変更することなく、圧力降下はΔｐ／ｑまで落ちることができる。好ましくは、ソーキング時間は、並列チャンネルというこの方式によって、バルブなしに、図１７に示されるように２つのポンプ５２１および５２２を使用することによって短縮されることができる。
【００８３】
ポンプ５２１および５２２は共にソーキング期間中に試料気体を取り込むことができるが、マイクロアナライザ５００を通る流れは、ポンプ５２２のより強力な真空のため影響を受けず、しかし、第１のレベルの前濃縮器５２６が、ポンプ５２１を用いて１０〜１００倍大きな流量を取り込み、その結果、このソーキング期間を１０〜１００分の１の時間で完了することを可能にすることができる。ソーキング期間の終了後、ポンプ５２１を止め、ポンプ５２２にマイクロアナライザ５００の濃縮器５２３および分離器５２４、５２５、ならびに並列チャンネル５２７を有する追加の前濃縮器５２６へと試料気体を取り込ませることができる。
【００８４】
ハイパー前濃縮器５２６、濃縮器５２３、および濃縮器６２３は、図３〜図５でのように、相互作用的要素４０、４２、４４、４６などおよび代替として追加の相互作用的要素１４０、１４２、１４４、１４６などを伴うヒータ要素２０、２２、２４、２６などを含むチャンネルを有することができる。コントローラ５３５および６３５は、各ヒータ要素２０、２２、２４、２６に電気的に接続されることができる。コントローラ５３５および６３５は、時間段階的シーケンスで（図７の下部を参照）ヒータ要素２０、２２、２４、２６に電圧を印加し、その結果、対応する各相互作用的要素４０、４２、４４、４６が加熱され、１つまたは複数の上流の相互作用的要素によって生成された上流濃度パルスが相互作用的要素に到達するほぼそのときに、選択された構成成分をストリーミング試料流体５３０および６３０に脱着する。任意の数の相互作用的要素が、濃度パルスにおいて所望の濃度の構成成分気体を達成するために使用されることができる。
【００８５】
マイクロアナライザ５００の特徴は、１）他のマイクロアナライザに複数レベル多段階前濃縮を実行する手法を組み込むことと、２）低圧力ポンプの目的が、そのときは単純にフィルタパージ速度を加速するためであったのが、ここでは第１レベルの前濃縮器のソーキング時間を短縮する方法として利用し得る点を除いて、マイクロアナライザ５００でのように、２つのポンプを用いて達成されるそのような手法を有することと、３）第１レベルの前濃縮の出力が、多段階タイプとすることができる第２レベルの前濃縮器用のより高濃度の分析物源として簡潔に機能できるような方法で、第１レベルの前濃縮を実行することと、４）（例えば、サブｐｐｔレベルで存在する分析物用など）きわめて高い感度を必要とする場合、第１レベルの前濃縮の出力が、第２レベルの前濃縮器用のより高濃度の分析物源として簡潔に機能でき、今度は第２レベルの前濃縮器が、多段階タイプとすることができる第３レベルの前濃縮器用のより高濃度の分析物源として機能できるような方法で、第１レベルの前濃縮を実行することと、５）あまりに高い圧力降下を引き起こし得る最終前濃縮器レベル用の１００倍高濃度の分析物の飽和源として機能する、（Ｇ＝１００が各吸収−脱着段階で達成可能な濃度増加である場合、これまで開示された多段階前濃縮器より〜１００倍長い）単に非常に長いチャンネルというわけではない第１レベルの前濃縮器であって、最終前濃縮器レベルの圧力降下よりはるかに低い圧力降下を達成する並列の複数のチャンネルから構成される第１レベルの前濃縮器と、６）前濃縮チャンネル、ヒータ、および吸収膜の幅を広げることによって、気体／固定相の望ましい低容積比率を犠牲にすることなく、その低い圧力降下を達成することと、７）吸収膜の厚さを増やすことによって、不適当に脱着時間を増やすことなく、しかし、気体／固定相の望ましい低容積比率を低下させて、その低い圧力降下を達成することと、８）例えば、並列の第１レベルの前濃縮器を動作させることなく、かつ／またはそのような究極の分離が必要でないならば第２の分離器（μＧＣ）をもたず、低感度分析に対する必要を満たすために、柔軟な方法でマイクロアナライザ５００構造を動作させ得ることとを含むことができる。
【００８６】
ＧＣ＃１およびＧＣ＃２は、マイクロアナライザの第１および第２の流体またはガスクロマトグラフをそれぞれ指示することができる。それぞれカラム＃１および＃２と見なされ得る第１および第２の分離器は、マイクロアナライザのその他の構成要素と共に、それぞれＧＣ＃１およびＧＣ＃２の一部とすることができる。
【００８７】
マイクロアナライザ５００の利点は、１）そのような選択性、ピーク容量、および感度のμＧＣのための（薄膜ベースの固定膜支持に起因する）非常に短い分析時間と、２）選択性または分析速度を低下させることなく（非常に高いＰＣレベルに起因する）可能な限りで最高の感度を達成することと、３）（低圧力のパージおよびソーキング機能と、最終前濃縮レベルおよび分離機能用のより高圧力の機能のための２つの別々のポンプの使用による）可能な限りで最高の感度、選択性、低い分析当たりエネルギーの能力の同時達成とを含むことができる。
【００８８】
図２１は、ＧＣ−ＧＣタイプの２次元構造を有するマイクロアナライザ６００を示している。キャリアガスとしても機能し得る試料気体ストリーム６３０は、粒子フィルタ６２７の入力に入り、ポンプ６４０によって２つの並列チャンネルを介して取り込まれる。主要チャンネルでは、流体６３０は、マイクロ検出器６３１と、濃縮器６２３とをそれぞれ通って進むことができる。濃縮器６２３は、約１００ミクロンの直径を有することができる。流体６３０は、濃縮器６２３から流量センサ６３２を通って、約１００ミクロンの内径を有することができる分離器６２４に流れ込むことができる。分離器６２４から、流体６３０は、第２の分離器６２５とマイクロ検出器６３３とを通って流れるために分かれることができる。分離器６２５は、約５０ミクロンの内径を有することができる。分離器６２５からの流体６３０の出力は、マイクロ検出器６３４とオリフィス６４４とを通ることができる。マイクロ検出器６３３からの流体６３０の出力は、管路６４３を介してマイクロバルブ６４２を通ることができる。ポンプで管路６４６に取り込まれる、フィルタ６２７の出力における「Ｔ」接続からの流体６３０の流れは、オリフィス６４５によって制御されることができる。コントロール、マイクロコントローラ、またはプロセッサ６３５は、アナライザ６００の適切な動作を達成するため、ポンプ６４０と、マイクロ検出器６３１、６３３、６３４と、流量センサ６３２と、濃縮器６２３と、分離器６２４、６２５と、マイクロバルブ６４１とに接続されることができる。各マイクロ検出器６３１、６３３、６３４は、ＴＣＤ、ＭＤＤ、ＰＩＡ、ＥＣＤ、または別の種類の検出器とすることができる。アナライザ６００は、図示されたものより多いまたは少ない検出器を有することができる。アナライザは、追加のバルブおよびその他の構成要素も有することができる。その他の実施形態では、無制御ポンプおよび不可欠なオリフィス流量規制だけが残るように、マイクロバルブ６４１は、除去されることができる。
【００８９】
主要チャンネルが、本明細書で開示され、第２のμＧＣを実施する第２のチャンネルは、発生する相対的に広い（μＧＣ＃１のピークの半値幅−μＧＣ＃２の全「自由」溶離時間ｔｏ）を「サンプリング」する。
【００９０】
その統合構造に構築された２以上の分離膜素材を伴うマイクロ流体アナライザ構造によって分離され得ないものが、ここでは拡張された従来のＧＣ−ＧＣ構造によって実現されることができる。相対的に遅く動く第１のＧＣは、１０〜３０ｍｓの半値幅を有するピークを生成することができ、それは、決められた時間に基づきまたはその第１のＧＣの終わりで検出器によってトリガされる要求に基づき、２０〜１００ｍｓごとにパルスを印加される第２のＧＣによって分析されることができる。第２のＧＣは、第１のヒータ要素の急速な（〜１ｍｓ）加熱および冷却によって、入口ピークを追加的に集束することができ、その結果、その電子的にまたはマイクロバルブで制御される注入ピークは、〜１ｍｓ以上にはならない半値幅を有する。
【００９１】
図２１のアナライザ６００である実施形態＃１では、μＧＣ＃１の流れは、能動マイクロバルブ６４１によって制御されることができ、バイパスおよびカラム＃２を通る流れは、６３４および６４５などの固定のオリフィスによって制御、すなわち、設定されることができる。実施形態＃２では、マイクロバルブ６４１は、追加の固定オリフィス流量制御によって置き換えられることができる。
【００９２】
図２２を参照すると、実施形態＃３では、μＧＣ＃１のすべての流体６３０の流れは、μＧＣ＃２に流れ込むことができ、その流れは、（高いが無制御の速度について）ポンプ６４０の前の１つの固定オリフィス６４７によって制御されることができ、必要ならば別の固定オリフィス／制限６４８の後で、カラム＃２の横断面に移動する際に、自動的に加速されることができる。
【００９３】
図２３は、流体６３０をポンプでより良く取り込むために２つのポンプ６２１および６２２を有するマイクロアナライザ６２０を示している。流量センサ６３２に隣接して、約１４０ミクロンの内径を有する分離器６５１が存在することができる。分離器からの流れ６３０は、マイクロ検出器６５２と、マイクロ検出器６５２と、オリフィス６５３をそれぞれ通り抜けることができる。オリフィス６５３から、流体６３０は、約７０ミクロンの内径を有する分離器６５４を通り抜けることができる。分離器６５４から、流体６３０は、マイクロ検出器と、オリフィス６５６と、管路６５７をそれぞれ通り抜け、ポンプ６２２に到ることができる。オプションで、アナライザ５００、６１０、６２０の分離器５２５、６２５、６５４にそれぞれ接続されたマイクロバルブ５６１、６６１が存在することができる。
【００９４】
すべての場合で、サンプリングされた広いピークが、短い集束期間を介しておよびその後で、好ましくは固定相膜素材で作成される、カラム＃１の厚さをもったμＧＣ＃２カラムの短い第１の吸収要素の助けを借りて、μＧＣ＃２に「注入」されることができる。その後の急速な加熱および脱着は、その分析物をμＧＣ＃２に注入するために使用されることができ、μＧＣ＃２は、μＧＣ＃２の最大分離度のためのより高い最適速度に接近するため、より狭いカラム、より高い速度、およびより薄い吸収膜を特徴とすることができる。そのより高い速度は、カラム＃２全体にわたる大きな圧力降下を介する、またはカラム＃２の上記要素＃１の終わりとカラム＃２の残りとの間の接合点、もしくはカラム＃１とカラム＃２の間の接合点における（図２１には図示されない）固定オリフィスを介する、そのカラム内のより低い圧力によって実施されることもできる。
【００９５】
動作中、集束プロセスは、一定の時間間隔で、またはカラム＃１の検出器がピークを感知した時だけ、繰り返されることができる。そのような集束動作は、一般に２×ピークの半値幅Δｔの期間、例えば、２×２０ｍｓ（図２４の表１を参照）の期間に、カラム＃２の第１の要素の温度の急峻な降下で始まることができる。そのような濃縮期間ｔｃの後、吸収分析物は速やかに解放されて、約２ｍｓのピーク半値幅を生じさせる。図２４に列挙された例示的なデータのその他の特徴は、実施形態＃３では等しいことを必要とする、カラム＃１および＃２における試料気体の流量Ｖと、濃縮時間ｔｃ＝ｔｏ（＃２）＝２Δｔ（＃１）と、ｋ＝（ｔＲ−ｔｏ）／ｔｏであるとし、０≦ｋ≦５の中程度で、分離度Ｒ＝ｔＲ／Δｔを最大化するために最適速度に近いことを必要とする試料気体の速度ｖと、１／ｖ≦Δｔ（＃２）≦２  １／ｖとなるように局所流速と適合することを必要とする、カラム＃２の第１の要素（またはカラム＃１の最終要素）からの脱着のための時間〜Δｔ／２とを含む。
【００９６】
独立測定（すなわち、分解可能ピークまたは全ピーク容量）の数は、μＧＣ−μＧＣ−μＤでは、特にμＤがＭＤＤ、μＥＣＤ、μＦＤ（μ蛍光検出器）などの多チャンネル検出器の場合は、はるかに大きくなり得るので、偽陽性の確率は、低下させられることができる。μＧＣ＃１の全ピーク容量が〜５０、μＧＣ＃２の全ピーク容量は〜３０、ＭＤＤの全ピーク容量は〜１０である場合、独立測定の総数は、５０×３０×１０＝１５０００となることができる。
【００９７】
マイクロアナライザ６００、６１０、および／または６２０の特徴は、１）多段階前濃縮器（ＰＣ）−μＧＣ−μＧＣ−検出器の１つのチップ上への統合であって、追加の検出器のさらなる統合のオプションを有し、おそらくより重要なこととして、μＤが反応する干渉物質は保持および／または前濃縮されないが、目標分析物は前濃縮され、良く分離されるように、ＰＣ、ＧＣ＃１、およびＧＣ＃２膜、ならびにマイクロ検出器μＤ用の素材の最適混合および相乗作用を使用する統合と、２）例えば、分離器（Ｓ）に対する前濃縮器（ＰＣ）として機能するヒータ・アレイ要素の数もしくは全ヒータ・アレイ要素の一部をユーザが選択し、かつ／または（様々な前濃縮器要素からすべての物質を脱着するのとは反対に）それぞれの前濃縮器素材から選択および脱着される化合物のタイプをユーザが選択するなど、本発明のマイクロアナライザの一方または両方のμＧＣの機能的かつ柔軟な動作と、３）（パームトップから立方インチ型までの）コンパクト性、３秒分析、≦ｐｐｂ感度、柔軟性、機能性、統合構造、低電力、無バルブ電子注入、および全体的低コストといった特徴を保持する、この段落の項目１）の設計と、４）図２１に示された能動マイクロバルブ６４１が除去されることができ、無制御ポンプおよび不可欠なオリフィスだけが流れ規制のために残るようにする、この段落の項目１）および３）の設計と、５）μＧＣ＃１および＃２を通る質量流量は等しいが、これらのカラム（およびカラム＃１の終わりでの固定圧力降下オリフィスまたはノズル）が、流速をカラム＃１のレベルの〜３〜１０倍だけ上昇させるように、またほぼ完了（約ｔｏから２ｔｏの時間内）の分析がカラム＃１から溶離するピークの半値幅の時間内にカラム＃２によって達成されることが可能なように、（ＩＤ、ポンプ容量、および音速ノズルを介してポンプ速度を制御するためのその他の固定オリフィスについて）構成されることができ、ゴレイの式（Ｇｏｌａｙ’ｓ  ｅｑｕａｔｉｏｎ）の値を最適に満たすように調整された吸収膜厚さを特徴とすることができる、この段落の項目１から４による設計と、６）適切な（同じまたは好ましくは約半分のサイズの）要素内および２Δｔの時間内で、カラム＃１からの完全なピークを「集束」し（図２４を参照、Δｔ＝２０ｍｓ）、それが〜１〜２ｍｓのΔｔ２の時間内に脱着および出水され得るようにすることによって、マイクロアナライザ６００、６１０、および／または６１０の動作を達成することと、７）２つの作業の最大質量流量、ポンピング時間、および圧力要件を共に満たさなければならない１つのポンプを使用するのではなく、各々が特定の流量および吸引圧力でポンプ動作を行うように設計された、図２３の２つのポンプ６２１および６２２の使用と、８）独立測定の数を増やすにつれて低下する偽陽性の確率を低下させるための、好ましくは２つの別個の機能を、すなわち、（例えば、光吸収、質量、沸点などの属性に基づいて分析物を分離するスペクトロメータ機能による）選択性と、非選択的だが非常に高感度の検出器による感度とをマイクロアナライザに組み込むことによる、多くのタイプの組み込み検出器の組み込みおよび使用とを含むことができる。
【００９８】
マイクロアナライザの実施形態＃３の利点は、１）より大きな分離度を可能にし、その結果、異なる吸収膜素材の特別のマスクおよび付着のためのコストが必要最低限だけ増加するより完全な分析を可能にする、μＧＣ−μＧＣの組み合わせと、２）能動バルブを除去することと、「ヒータ波」伝播の電子的に制御される速度のわずかな調整を介して適切な同期を管理することに基づくコスト削減と、３）ヒータ速度の電子的調整を介する流量センサ用にこれまで必要とされていた較正精度の低下に起因する（流れはこの流量センサの助けでおおまかに測定および調整されることができるが、最適同期はこの段落の項目２）で説明されたように達成されることができる）、さらなるコスト削減と、４）（コストは同じで）必要とされるよりも２０〜８０％高いポンプ容量を使用する一方で、ポンプ速度制御で必要とされる制御設計およびデバッギング労力を省くことによる（超過容量は単に固定オリフィスによって制限される流れを介して制御されることができる）、さらなるコストおよび保守削減と、５）特定の作業用に設計された各ポンプが、最大流量、ポンピング時間、および圧力要件を共に満たさなければならない１つのポンプを使用するよりも効率的であり、追加のオリフィスのコストおよび設計労力を節約できる、図２３にあるような２つのポンプ６２１および６２２の使用と、６）偽陽性の確率Ｐｆｐを最小化するのに役立つことができる、要素のｍチェーンＰＣ−μＧＣ−μＧＣ−μＤ３．．．μＤｍから構成されるシステム内の各ｎｉの寄与であって、ここで、
１／Ｐｆｐ＝［１−ｅｘｐ｛−（ＲＳＮ−１）／４｝］（ｎ１，ｎ２，．．．ｎｍ）０．８（Ｙ＋１）
であり、ＲＳＮ＝信号／雑音比、ｎ１，ｎ２，ｎ３，．．．ｎｍ＝独立測定または除去基準（例えば、選択的ＰＣ要素によるフィルタリングステップ、μＧＣ＃１およびμＧＣ＃２による分光分解要素、または複数の異なるμＤｉの各々による測定チャンネル）の数、Ｙ＝１／Ｐ、すなわち、１度登録された特定の偽陽性が、冗長センサ、繰り返し測定、センサグリッド内の近隣センサ、および／または交差感度が異常に高い干渉物質の出現の発生を介してそのようなものとして確認され得る確率の逆数であるシステム内の各ｎｉの寄与とを含むことができる。
【００９９】
図２５は、ＨＰＬＣ／ＣＬＣマイクロアナライザ７０１の図である。ＨＰＬＣは、高圧液体クロマトグラフィのことであり、ＣＬＣは、毛細管液体クロマトグラフィのことである。アナライザ７０１は、アナライザに入力されるストリーム７１１および７１２に分割されることができる入力試料ストリーム７１０をフィルタリングするための入口粒子フィルタ７０２を有することができる。ストリーム７１１は、熱伝導率（ＴＣ）検出器７０２を通って進むことができる。検出器７０２の後、ストリーム７１１の分析物は、フェーズド・ヒータ２０、２２、２４、２６および設計に応じてより多くのフェーズド・ヒータを有する濃縮器７０４によって濃縮されることができる。その後、ストリーム７１１は、流量センサ７０５を通り抜け、分析物が化合物によって分離される分離器７０６に到ることができる。
【０１００】
その後、ストリーム７１１は、ＴＣ検出器７０７を通り抜けることができる。コントローラ７０８は、ストリーム７１１に対する濃縮器内でのフェーズド・ヒータ・パルスの移動を制御するため、濃縮器７０４に接続されることができる。コントローラ７０８は、分離器７０６と、ＴＣ検出器７０３、７０７と、流量センサ７０５にも接続されることができる。センサおよび検出器の情報、ならびに濃縮器および分離器への入力信号を用いて、試料の情報は処理されることができる。検出器７０７を出て行くストリーム７１１は、「Ｔ」接続７０９においてストリーム７１２と合流して、出力ストリーム７１３を形成することができる。
【０１０１】
バルブ７１４は、ストリーム７１２の流れを、それが接続７０９に来たときにストリーム７１１の流れと比例するように制御することができる。Ｔ接続７０９の出力には、ポンプ７１５およびアナライザ７０１から出力されるストリーム７１３を引き込むポンプ７１５が存在することができる。バルブ７１４およびポンプ７１５は、ストリーム７１１の流れを制御するコントローラ７０８に接続され、ストリーム７１１の流れは、濃縮器７０４内を移動していくにつれて増大するストリーム７１１中の熱パルスを維持するように、バルブ７１４およびポンプ７１５によって、適切なフェーズド加熱のための特定の速度で濃縮器を通り抜ける。
【０１０２】
本発明のＰＨＡＳＥＤマイクロアナライザの態様は、液体および気体のための２重使用を含む。これらの態様は、図６ｃ、図６ｄ、図２６ａ、図２６ｂの助けを借りて以下で説明されるが、図２５は、これらのすべてのためのシステムを表している。
【０１０３】
図６ｂは、フェーズド・ヒータ（ＰＨＡＳＥＤ）マイクロアナライザの基準設計４１を示している。この図は、フェーズド・ヒータ・アナライザのＩおよびＩＩの横断面図であり、約１ミクロンの厚さをもつことができる露出された膜７１６を示している。膜の露出は、開かれた空間３９２に向いている。膜７１６は、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）から構成され、膜の内部にＰｔヒータ２０、２２、．．．を有することができる。この設計は、その膜ベースのヒータ要素が環境に関する約５０ｐｓｉ（≒３．５ｂａｒ）より大きい圧力に耐えることができないので、主として気体分析物の初期アナライザ用とすることができる。
【０１０４】
図６ｃは、ＰＨＡＳＥＤ  （すなわち、バージョンＩＩＩ）マイクロアナライザを示している。この設計は、図６ｂの基準設計のようには、マイクロチャンネル内３２の５０ｐｓｉ（≒３．５ｂａｒ）の最大圧力に制約されない。図６ａにも、類似の設計が存在し、（膜の上側および下側に）サイズが等しく、それぞれ吸収被覆１４０および４０を有するチャンネル３１および３２を有する点だけが異なる。図６ｃの手法は、断熱用には十分深いより低いチャンネル３９４を作成し、質量拡散に依存して上部および下部の気体濃度を平衡させることによって、問題を解決することができる。液体と共に使用される場合、膜７１６が十分に丈夫であり、十分に速い液体拡散速度を有するかどうかについての問題が起こり得る。
【０１０５】
図２６ａは、Ｍｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（登録商標）マイクロアナライザまたはＰＨＡＳＥＤ  ＩＶアナライザと見なされ得るアナライザ７０１のマイクロブリック（ｍｉｃｒｏ−ｂｒｉｃｋ）ベースの設計７２０を示している。この設計は、液体と共に使用される場合の丈夫さおよび拡散速度についての問題をなくすことができる特徴を有する。示されるように、丈夫さは、Ｓｉ、シリカ（ＳｉＯ２）、Ｐｙｒｅｘ（登録商標）、シリコン水上の厚いシリカ被覆、ポリマ、またはその他の十分に安定で耐熱性があるが断熱性の素材から構成され得る固体（マイクロ）基板（すなわち、れんがのような固体、したがって、Ｍｉｃｒｏｂｒｉｃｋ（登録商標）と呼ばれ得るマイクロブリック）上に、ヒータ要素２０、２２、２４、．．．のアレイ、（例えば、Ｐｔヒータを内部に有するＳｉ３Ｎ４とすることができる）膜７１６、（例えば、ＳｉＯ２とすることができる）誘電体７１７、およびセンサを構築することによって達成される。基板７１８は、ヒータを有することができる。この丈夫さとのトレードオフは、特定電力消費の約３から８倍の増加とすることができる。マイクロブリッジ（ｍｉｃｒｏ−ｂｒｉｄｇｅ）、マイクロ膜、およびマイクロブリック流量センサ設計の間でそれぞれ、約２０から１０度への、および約２度Ｃ／ｍＷへの加熱能力の低下が測定された。マイクロ膜ベースのＰＨＡＳＥＤ装置の場合、５０００×１００の各マイクロメータ・ヒータ要素について、０．４３度Ｃ／ｍＷが測定された。液体において許されるヒータ温度の上昇は、気体の約４から１０分の１に低くできるので、液体を分析するのにこの構造が使用されて、ヒータ温度上昇が２０から２５度Ｃを超えないならば、スイッチング要素および回路の電力要求はほぼ同じ水準を維持することが予想され得るが、最大２００から２５０度Ｃの温度上昇を使用する気体については、図６ｃの設計４１と比べて約４倍高くなる。層７１７は、ウェーハ７１８上に形成されることができる。
【０１０６】
図２６ｂは、毛細管ベースの設計７３０を示している。図６ｂ、図６ｃ、および図２６ａのマイクロチャンネル設計の１つのあり得る短所は、吸収膜４０が長方形チャンネル３２の４つの側面のうち１つだけしか被覆せず、それが容積移動相／固定相比率を増大させることである。この比率は、（一定の膜の厚さを仮定すれば）分離度および溶離時間に影響するべきではなく、固定容積「吸収容量」が移動相の容積に比べてはるかに小さいならば、感度に影響を与えることができる。したがって、チャンネルの最適使用のため、感度を低下させないのならば、できるだけ薄くあるべき吸収膜で覆われた可能な限りで最大の内部表面を有することができる望ましい。図２６ｂは、そのような１つの設計７３０を概略的に示している。
【０１０７】
１００マイクロメートルの例示的な内径と３００マイクロメートルの外径を有する毛細管７３０は、適切な吸収素材など所望のＧＣ膜素材７３２および厚さで内側を被覆されることができる。外側（または吸収被覆の下の内側）に、均一な抵抗性のヒータ膜７３１が、１００マイクロメートルの非導電ギャップ７３４によって隔てられた長さ７３３が５ミリメートルの例示的なセグメント７３５に配置されることができる。基本フェーズド設計および動作において各要素が加熱されると、前濃縮器７０４の毛細管セグメント７３５は、次のセグメント７３５に切り換わる前に各々約５ミリ秒、加熱されることができる。毛細管７３０の寸法および構成要素は、ここで述べられたのとは異なることもできる。
【０１０８】
毛細管７３０は、本発明の説明で説明された流体アナライザの構造において適用例を有することができる。分離器７０６の場合、より重い分析物の溶離時間を短縮するため、温度が上昇するようにプログラムされることができる。より小さい要素が、流量センサ７０５、熱伝導率検出器（ＴＣＤ）７０３、７０７、および使用されるならば導電率検出器（ＥＧＣ）のために使用されることができる。ＥＤＣは、（壁が非導電性の場合に限り）毛細管壁７３６によって導電率を感知するため、ＡＣモードで使用されることができる。流量センサ７０５およびＴＣセンサ７０３、７０７も、（非導電性の如何に関わらず）毛細管壁７３６によって流れおよび熱伝導率を測定するために使用されることができる。代替として、ヒータ膜７３１は、毛細管７３０の内側のＧＣ膜７３２の下に配置されることができ、その結果、それらが約０．５マイクロメートルの厚さの窒化シリコンだけによって気体から隔てられる場合、マイクロブリッジおよびマイクロブリック設計で測定可能な≦１ミリ秒から上への応答時間の増大を回避する。別のヒータ膜構造７３１は、毛細管７３０全体で連続しており、約１００マイクロメートルの幅と約５ミリメートルの間隔の導電金属膜リング７３５を特徴とする構造とすることができ、その結果、スイッチング回路は、移動窓（ｍｏｖｉｎｇ  ｗｉｎｄｏｗ）におけるように、１度に約５ミリ秒、１つのセグメントに電圧を印加することができる（この特徴は、ヒータ膜が外側にある場合、より製造し易すくなる）。導電リング７３５は、プリント基板（ＰＣＢ）７３７上の対応するバンプにはんだバンプされることもできる。ＰＣＢ７３７は、アナライザ７０１の毛細管７３０を加熱されて流れ抜ける試料液体７１１に熱パルスを与えるためのヒータ要素７３５に順番に電力を切り替えるためのスイッチング回路を有することができる。毛細管７３０は、１０から１５センチメートルの長さで十分ならば真直ぐであることができ、あるいは石英またはスチール毛細管曲率半径の有限最小半径を可能にするため、０度のところにだけ、または１８０度のところにも、または９０度ごとに、または１〜５ｍｍの適当な距離ごとに電気接点を有する、「８」もしくは「０」字状、蛇行、または（管状もしくは平らの）コイル巻線の形状をとることができる。このように、最大１００センチメートルの毛細管長は、コンパクトされ、ＰＣＢ７３１上の４０から２００個の電気接点に適合されることができる。
【０１０９】
そのような毛細管ヒータ７３５のステンレス鋼上への実装は、ステンレス素材の抵抗がヒータとして使用され得るならば、約５ミリメートルずつ間隔を置いた導電リングの配置を必要とするだけとすることができる。石英毛細管の場合、加熱要素の内部アレイへの接続は、最近現れたＴＴＷ（スルー・ザ・ウェーブ（ｔｈｒｏｕｇｈ  ｔｈｅ  ｗａｖｅ））はんだ技術の使用を必要とする。したがって、より簡単な製造方法は、ヒータ膜７３１の外部適用に基づくことができる。内部薄膜ヒータ膜のオプションは、薄膜導電性素材へのマイクロ波結合を介して加熱されることができる。
【０１１０】
上記の設計のいずれかを実現するには、多段階前濃縮が有効であり得るように、安定で寿命が長く反復可能な流量制御を必要とする。開発された圧電、静電、および電磁バルブおよびポンプが利用可能であり得る。最適性能を達成する１つの手法は、前濃縮器７０４および分離器７０６用に毛細管カラム７３０を選択するが、毛細管構造７３５の終わりを示差熱伝導および示差電気伝導のセンサの入力およびに出力ポートに合わせることであり得る。ゴレイの式によれば、長さ２５センチメートル、カラム内径１００マイクロメートル、膜厚０．６マイクロメートルの場合の最適水速度は、１５ｐｓｉ（〜１ｂａｒ）の圧力降下に打ち勝ちながら、約毎秒１０センチメートルであり、１５：１（Ｄｓ＝０．００００１、Ｄｍ＝０．０１ｃｍ２／秒）の分離度を達成する。
【０１１１】
ゴレイの式は、以下の形をとることができる。
【０１１２】
【数１】
2007517223.tif 000003
【０１１３】
ここで、Ｈは与えられた溶質のカラム単位長当たりの分散、ｋ’は溶質の容量率（ｃａｐａｃｉｔｙ  ｆａｃｔｏｒ）、Ｋは２つの相の間の溶質の分布係数、Ｄｍは移動相における溶質の拡散率、Ｄｓは固定相における溶質の拡散率、ｒはカラム半径、ｕは移動相の線速度である。
【０１１４】
ＰＨＡＳＥＤベースのＨＰＬＣ／ＣＬＣマイクロアナライザ７０１は、以下の特徴を含むことができる。１つの特徴は、フェーズド多段階前濃縮および電子注入、そのような前濃縮、注入、分離、流れセンシング、および検出の統合機能、製作中における固定相用のスピンオン被覆素材の挿入、試料フローチャンネルの製作用の統合真空パッケージング（ＩＶＰ）技術の使用、有利なキャリア液体としての大量の試料液体の使用、直接または間接流れおよびＴＣセンシング用の熱マイクロセンサ技術の利用の、液体クロマトグラフィ応用とすることができる。
【０１１５】
前濃縮、分離、流れセンシング、ならびに熱および電気示差伝導センシング機能用の毛細管７３０カラムの具体的設計は、様々な特性に基づくことができる（図２６ｂを参照）。カラムおよびセンサのＩＶＰ統合用の手法として、ブリッジおよび１つの主要試料フローチャンネルの一方の側に吸収素材を有する、（高圧の影響を受けない）マイクロブリッジ技術を含むことができる。しかし、マイクロ膜技術はそれ自体、５０ｐｓｉ（≒３．５ｂａｒ）を超える液体圧力の適用に耐久性をもたないことがあり得る。装置は、カラムおよびセンサのＩＶＰ統合用にマイクロブリック技術を含むことができる。別の特性または特徴は、ヒータおよびセンサ用の外部被覆を有し、適切なヒータスイッチング手段およびセンサ入力／出力回路（Ｉ／Ｏ）を有する回路に圧着される、石英またはスチール毛細管の１つまたは複数のターンを含むことができる。
【０１１６】
１つの手法は、前濃縮器の圧力降下によって取り込まれた分析物が波速度を加速させ、膨張するときに、検出器ピークの半値幅を感知し、その幅を最小化するように流量を調整することに基づいて、エネルギーパルスをヒータ・アレイの要素に同期させることであり得る。
【０１１７】
従来のＨＰＬＣ／ＣＬＣにまさるマイクロアナライザ７０１の利点は、１００から１００００倍の感度の上昇を含むことができる。ＰＨＡＳＥＤマイクロアナライザ７０１の動作は、キャリア流体を必要とせず、使用が非常に容易であり、信頼性がより高く、より低コストであることができるが、それは現在の単純な電子注入のコストが、より信頼性が低く、より複雑で、よりエネルギー消費が高い機械バルビングに依存する注入よるはるかに低いからである。従来のＨＰＬＣ／ＣＬＣの動作は、少量の試料が機械バルビングによって注入される非導電キャリア液体の使用を含むことができる。ＰＨＡＳＥＤマイクロアナライザ７０１では、キャリア流体の使用は、任意選択とすることができる。本発明のアナライザでキャリア流体が使用される場合、キャリア流体および試料流体は、継続的に混合されることができる。有効に希釈された分析物濃度は、試料前濃縮ステップ中に回復され（かつ上回る）ことができる。マイクロブリック７２０または毛細管７３０構成のアナライザ７０１は、（環境的および構造的に）非常に丈夫であり、液体または気体を分析することができる。ＨＰＣＬ／ＬＣ／ＧＣアナライザ７０１は、必ずしもＳｉ加工を必要としない。
【０１１８】
本発明は、少なくとも１つの例示的な実施形態に関して説明されたが、本明細書を読めば、当業者には多くの変形および変更が明らかであろう。したがって、添付の特許請求の範囲は、すべてのそのような変形および変更を含むため、従来技術に照らして、できるだけ広く解釈されることを意図している。
【図面の簡単な説明】
【０１１９】
【図１】センサシステムの図である。
【図２】マイクロガス装置の細部の図である。
【図３】例示的なフェーズド・ヒータ機構のレイアウトである。
【図４】強化チャンネル上の薄膜ヒータ要素の長手方向断面図である。
【図５】強化チャンネル上の薄膜ヒータ要素の第２の実施形態の長手方向断面図である。
【図６ａ】膜が２つのヒータ要素の実施形態の横断端面図である。
【図６ｂ】膜が単一の要素の実施形態の横断端面図である。
【図６ｃ】膜が単一の要素の実施形態の横断端面図である。
【図７】ヒータ温度プロフィールをセンサ装置の各ヒータ要素で生成される対応する濃度パルスと共に示したグラフである。
【図８】前濃縮器における分析物濃度の段階的積み上げを説明するための複数のヒータ要素を示したグラフである。
【図９】約１００パーセントの濃度レベルに達した濃度パルスを示したグラフである。
【図１０】様々な元素の既知の検出限界および感度の表である。
【図１１】多元素試験混合物の知られた最新のクロマトグラムを示す図である。
【図１２】ある気体の相対強度、放電対圧力のグラフである。
【図１３】気体感知用の光源と検出器（ＭＤＤ）の対のアレイの断面図である。
【図１４】ＭＤＤとＳｉ光ダイオードの間の分光感度比較のグラフである。
【図１５】センサと、濃縮器と、分離器とを含むフェーズド・ヒータ・アレイ構造用の統合レイアウトの図である。
【図１６】センサの濃縮器および分離器部分用の加熱要素選択ロジックの回路図である。
【図１７】ハイパー前濃縮器を備えるマイクロアナライザの図である。
【図１８】時間および分析物の位置に対する分析物濃度のグラフである。
【図１９】分析物の質量および対応する膜の長さおよび濃度の表である。
【図２０】横断面が１００×１００ミクロンのチャンネルによる要素の数に対する圧力降下を示す表である。
【図２１】一般的なガスクロマトグラフ−ガスクロマトグラフタイプの２次元構造を有するマイクロアナライザの図である。
【図２２】図２１の構造に類似するが異なる構成を有する構造の図である。
【図２３】図２１の構造に類似するが異なる構成を有する構造の図である。
【図２４】デュアル・マイクロガスクロマトグラフ・システムの設計および性能パラメータの表である。
【図２５】高圧液体クロマトグラフの図である。
【図２６Ａ】高圧クロマトグラフのマイクロブリック構成要素の図である。
【図２６Ｂ】高圧クロマトグラフの毛細管構成要素の図である。
【図１】
2007517223.tif 000004
【図２】
2007517223.tif 000005
【図３】
2007517223.tif 000006
【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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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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【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６Ａ】
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【図２６Ｂ】
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【国際調査報告】
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