(57)【要約】濃縮器５２３、６２３および２つの分離器５２４、５２５、６２４、６２５、６５１、６５４を有するマイクロ型流体分析器５００、６００、６１０、６２０。分析器は１つまたは２つのポンプ５２１、５２２、６４０、６２１、６２２を有することができる。分析器５００はいくつかのチャネル５２７を有する上流前濃縮器５２６を有することができる。分析器の流路に沿って定置された多数の検出器５３１、５３２、５３３、５３４、６３１、６３２、６３３、６３４がある。同様に、１つまたは複数の細孔５４１、５４２、６４４、６４５、６４７、６４８、６５３、６５６およびマイクロ型弁６４１、５４１、６６１は流路内に設置することができる。濃縮器５２３、６２３は、流体中の熱の上昇する濃度を提供するために流路に沿って移動する熱パルスを供給する加熱器要素２０、２２、２４、２６のアレイを有することができる。分析器は多流体または多ガスのクロマトグラフとして構成することができる。
2006515673.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の平行なチャネル（５２７）を有する前濃縮器（５２６）と、
前記前濃縮器（５２６）に接続された濃縮器（５２３）と、
前記濃縮器（５２３）に接続された第１の分離器（５２４）と、を含む流体分析器（５００）。
【請求項２】
前記濃縮器（５２３）内に定置された第１の複数の加熱器要素（２０、２２、２４、２６）をさらに含む請求項１に記載の分析器。
【請求項３】
前記第１の分離器（５２４）に接続された第２の分離器（５２５）をさらに含む請求項２に記載の分析器。
【請求項４】
前記前濃縮器（５２６）の前記チャネルにおいて第２の複数の加熱器要素（２０、２２、２４、２６）をさらに含む請求項３に記載の分析器。
【請求項５】
濃縮された熱パルスを供給するために、前記第１および第２の複数の加熱器要素（２０、２２、２４、２６）に接続された制御装置（５３５）をさらに含む請求項４に記載の分析器。
【請求項６】
濃縮器（６２３）と、
前記濃縮器（６２３）に接続された第１の分離器（６２４）と、
前記第１の分離器（６２４）に接続された第２の分離器（６２５）と、
前記第１の分離器（６２４）に接続された第１の端部を有するバイパス管（６４３）と、
前記第２の分離器（６２５）の出口および前記バイパス管（６４３）の第２の端部に接続されたポンプ（６４０）と、を含む流体分析器（６００）。
【請求項７】
複数の流体クロマトグラフの構成を有する請求項６に記載の流体分析器。
【請求項８】
前記バイパス管（６４３）に定置されたマイクロ型弁（６４１）をさらに含む請求項７に記載の分析器。
【請求項９】
濃縮器（６２３）と、
前記濃縮器（６２３）に接続された第１の分離器（６２４）と、
前記第１の分離器（６２４）に接続された第２の分離器（６２５）と、
前記第２の分離器（６２５）の出力に接続されたポンプ（６４０）と、
分析器（６１０）内の流体流の経路に沿って定置された複数の検出器（６３１、６３２、６３３、６３４）と、を含み、
前記流体分析器（６１０）は多流体クロマトグラフの構成を有する、流体分析器（６１０）。
【請求項１０】
複数の位相加熱器要素（２０、２２、２４、２６）を有する濃縮器（６２３）と、
前記濃縮器（６２３）に接続された第１の分離器（６５１）と、
前記第１の分離器（６５１）に接続された第２の分離器（６５４）と、
前記濃縮器（６２３）の入力に接続された第１のポンプ（６２１）と、
前記第２の分離器（６５４）の出力に接続された第２のポンプ（６２２）と、
前記分析器（６２０）の流体流路に沿って定置された複数の検出器（６３１、６３２、６５２、６５５）と、を含み、
前記分析器（６２０）は少なくとも２つのクロマトグラフの構成を有する流体分析器（６２０）。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流体の検出に関する。特に、本発明は位相加熱器アレイ構造に関し、より詳細には、流体成分の同定および定量化のためのセンサとしてのこの構造の応用に関する。用語「流体」は主として気体および液体を含む一般的な用語として使用される。例えば、空気、ガス、水、および、油は流体である。
【背景技術】
【０００２】
本出願は、参照により本明細書に組み込まれている２００３年１月１５日に出願の「ＰＨＡＳＥＤ−ＩＩＩ  ＳＥＮＳＯＲ」と題された同時係属の米国仮特許出願第６０／４４０１０８号の米国特許法第１１９条（ｅ）（１）に基づく優先権を主張する。また、本出願は、参照により本明細書に組み込まれている２００２年９月２７日に出願の「ＰＨＡＳＥＤ  ＳＥＮＳＯＲ」と題された同時係属の米国仮特許出願第６０／４１４２１１号の米国特許法第１１９条（ｅ）（１）に基づく優先権も主張する。
【０００３】
流体分析器に関連した構造および工程の態様は、参照により本明細書に組み込まれているＵｌｒｉｃｈ  Ｂｏｎｎｅ他に対して２００２年５月２８日に発行の「Ｇａｓ  Ｓｅｎｓｏｒ  ｗｉｔｈ  Ｐｈａｓｅｄ  Ｈｅａｔｅｒｓ  ｆｏｒ  Ｉｎｃｒｅａｓｅｄ  Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ」と題された米国特許第６３９３８９４Ｂ１号、参照により本明細書に組み込まれているＵｌｒｉｃｈ  Ｂｏｎｎｅ他に対して２００１年１０月３０日に発行の「Ｓｅｌｆ−Ｎｏｒｍａｌｉｚｉｎｇ  Ｆｌｏｗ  Ｓｅｎｓｏｒ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｓａｍｅ」と題された米国特許第６３０８５５３Ｂ１号、および、参照により本明細書に組み込まれているＲｏｇｅｒ  Ｌ．Ａａｇａｒｄ他に対して１９９０年７月２４日に発行の「Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ  ａｎｄ  Ｓｐｅｃｉｆｉｃ  Ｈｅａｔ」と題された米国特許第４９４４０３５号に開示されているものとすることができる。
【０００４】
現在利用可能な気体組成分析器は選択的かつ高感度にすることができるが、未知の成分を持つサンプル・ガス混合物の成分を同定する能力を欠いており、その上、全般に大きく、かつ、高価である。先端技術の組み合わせ分析器である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、高性能の望ましい組み合わせに近づいているが、大きく、高価で、動作が遅く、かつ、電池駆動の実用例には不適切である。ＧＣ−ＡＥＤ（ガス・クロマトグラフ−原子発光検出器）において、ＡＥＤは単独では１００ワット以上を使用し、水冷を使用し、１０ＭＨｚのマイクロ波を超える放電を有し、かつ、高価である。
【０００５】
当初、位相加熱器アレイ・センサは濃縮器、分離器、ならびに、チップ外流量センサのための個別の各チップから構成されていた。これらは１つのチップ上に集積することができ、構造上の完全性および温度制御における改善を提供している一方、電力消費量を低減している。次に現れた位相加熱器アレイ・センサは分析対象物質の検出、同定、および、定量化のための集積可能なマイクロ型放電デバイスの追加を含んでいた。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集積が不足していたため、ドーター・ボードからマザー・ボードへと約１１０本のワイヤをマザー・ボードのマイクロ・プロセッサ制御のＦＥＴスイッチにワイヤ・ボンディング、経路決定、接続、および、経路決定する必要性が未だにあり、このことは大きな体積および人件費の原因となっていた。加えて、位相加熱器アレイ・センサ分析器および従来のＧＣは、オンラインで前濃縮および分離の能力を変化させるための柔軟性を欠いているようである。
【０００６】
より安価、効率的、かつ、安価な形での非常に小さな量の流体の検出、同定および分析が所望されている。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、流体成分の存在、同定、および、定量化を達成するためのコンパクト、高速、低消費電力、大気圧、最小型のポンプ使用スペクトル分析デバイスのアレイと共働する選択的、高感度、高速、かつ、低消費電力の位相加熱器要素のアレイからなるセンサ・システム／マイクロ型分析器の設計および動作である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
このマイクロ型流体分析器は濃縮器および２つ以上の分離器を有することができる。分析器は１台、２台、または、それを超えるポンプを有することができる。分析器はいくつかのチャネルを有する上流前濃縮器を有することができる。分析器の流路に沿って数多くの検出器が定置されている。同様に、流路内には１つまたは複数の開口部およびマイクロ型弁を定置することができる。濃縮器は、増大しつつある密度の熱を供給するために流路に沿って移動する熱パルスを供給する位相加熱器要素のアレイを有することができる。分析器は多重流体またはガス・クロマトグラフとして構成することができる。
【０００９】
加えて、柔軟性、低費用、および、コンパクトさの各特徴が、ドーターＰＣＢ（僅か約１０本のリード線を介してマザーＰＣＢに接続された印刷回路板）上のワイヤ・ボンディングまたはハンダ・バンプを介して位相加熱器アレイ・センサ・チップに接続された同じ、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、制御論理回路を介して組み込まれており、前濃縮および分離、ならびに、分析論理の選択のための加熱可能な全要素の一部を選択することができる柔軟性をユーザに提供している。
【００１０】
多重流体の検出および分析は、経済的に可能な、その場での、超高感度、低消費電力、低維持負荷、かつ、コンパクトなマイクロ型検出器および分析器を介して自動化することができ、この検出器および分析器は、無線で、または、他の媒体（例えば、有線もしくは光ファイバ）により、自身の検出および／または分析の結果を中央または人間のいる他の基地に送信することができる。マイクロ型流体分析器は位相加熱器アレイ、濃縮器、分離器、および、多様な手法を組み込むことができる。マイクロ型流体分析器は、５０十億分率（ｐｐｂ）の最大発光の目標物を使用してオゾンを感知するための低費用の手法となることができる。分析器は、ホストもしくはベース・サンプル・ガス中の微量化合物の、または、ホスト液体中の微量化合物の混合物を検出することが可能とすることができる。
【００１１】
流体分析器は、連動するマイクロ型制御装置またはプロセッサに対する接続用の構成を含むことができる。センサの実用例は、従来のＣＯ２、Ｈ２Ｏ、および、ＣＯに加えて、アルデヒド、酪酸、トルエン、ヘキサンなどの航空機飛行空間における大気汚染物質の検出および分析を含むことができる。他の感知は、ＣＯ２、Ｈ２Ｏ、アルデヒド、炭化水素、および、アルコールなどの気体のレベルに対する状態調整された屋内空間、ならびに、化学薬品、精製、製品純度、食品、紙類、金属、ガラス、および、医薬品の各産業におけるものなどの屋外空間および工程ラインを感知することを含むことができる。同様に、感知は環境の保証および保護においても重要な位置を有することができる。感知は、化学物質の濃度が上昇し、かつ、有害になる前に、化学物質の早期検出により施設の内外において防衛的安全性を提供することができる。
【００１２】
センサの大部分は、従来の半導体プロセスまたはマイクロ型電子機械システム（ＭＥＭＳ）の各技術を使用してチップ上に集積することができる。この種の製造はマイクロ型分析器の小型、低電力消費、かつ、その場への配置をもたらす。モニタを介した空気または気体サンプルの流速も非常に小さくすることができる。さらに、サンプルに対するキャリヤ・ガスは必ずしも必要ではなく、そのため、キャリヤ・ガスのこの不在は試験されているサンプルの希釈を低減することができ、その上、付随するメンテナンス、および、加圧ガス・タンクの取り扱いの大部分を排除する。この手法は、センサが素早い分析および迅速な結果を提供することを可能にし、いくつかの従来技術のデバイスより少なくとも１桁速くすることができる。このことは、労働集約型の実験室分析の遅延および費用を回避する。センサは、センサが、検出された気体の分析および決定のための集積マイクロ型制御装置を有することができる点、ならびに、精度を維持することができ、問題なく動作し、かつ、人間のいない離れた位置へ、および、そこから情報を通信することができるという点で知的である。センサは、「接続するだけで動作する」適合度および簡略さを備えたかなりの距離を介したホスト・システムへの完全な双方向通信の能力を使用して、ユーティリティ回線、または、光もしくは無線媒体を介して、検出器情報、分析、および、結果を通信することができる。センサはネットワーク上で作業可能とすることができる。センサは、他の気体状態調整デバイス（例えば、粒子フィルタ、弁、流量センサ、および、圧力センサ）、局所メンテナンス制御点と相互接続可能とすることができ、インターネットを介した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、非常に強い電場および磁場を有する高度の電磁干渉（ＥＭＩ）環境においても精度を維持することができる。センサは高感度を有する。センサは、１から１０ｐｐｍ（百万分率）の範囲における感度を提供することができる従来のガス・クロマトグラフなどの従来の技術よりも１００から１万倍も優れているサブｐｐｍレベルの検出を提供する。センサは、ガス・クロマトグラフの、中でもより低消費電力、より高速、かつ、よりコンパクト、より高感度、ならびに、経済的なバージョンである。センサは構造的な完全性を有することができ、かつ、非常に大きな差分圧力範囲にわたり加圧流体サンプルを検出および分析する実用例における漏出のリスクを非常に低くするか、または、全くなくすことができる。
【００１３】
センサにおいて、Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  ＭｅｓｏＰｕｍｐ（商標）などの小型ポンプはサンプルをシステム内に吸引することができる一方、そのサンプルの一部のみが（Ｈｏｎｅｙｗｅｌｌ  ＭｅｓｏＶａｌｖｅ（商標）またはＨｏｅｒｂｉｇｅｒ  ＰｉｅｚｏＶａｌｖｅ（商標）とすることができる）弁により制御された速度で位相加熱器センサを介して流れることができる。この手法は、長いサンプル採取回線にもかかわらず高速のサンプル獲得を可能とすることができ、かつ、調節済みの約０．１から３ｃｍ３／分の流量を検出器に対してさらに供給することができる。センサのポンプは、高速のサンプル獲得および位相加熱器センサを介した調節済みの流れの双方を提供する形で、フィルタを介してサンプル・ガスを吸引するように構成することができる。
【００１４】
ポンプがセンサを介してサンプル・ガスを吸引すると、ガスは膨張することができ、したがって、その体積を増加させ、かつ、線形速度を上昇させることができる。制御回路は、加熱器の「波」をセンサ内の変化するガス速度に同期したままに保つために、この速度変化を補償するように設計することができる。加熱器チャネルを介することを強いられる間のサンプル・ガスの体積の変化を補償するために、ポンプの電子回路は、内部のガス流量を加熱器の「波」と同期したままに保つために、流量制御および／または加熱器の「波」の速度のいずれかを調整する必要があるとすることができる。
【００１５】
ガス調査の動作中、（他のいずれかのより動作の遅いガス・クロマトグラフのように）センサの能力は、約３３０から７００ｐｐｍのＣＯ２、約１から２ｐｐｍのＣＨ４、および、約０．５から２．５％のＨ２Ｏなどの空気の複数の微量構成要素を感知することができる。このことは、出力溶出時間のオンライン較正、ならびに、天然ガス、プロパン、または、他のガス・パイプラインの漏れを可能に示唆するエタンなどのさらに多くのピークの存在のチェックを可能とすることができる。したがって、サンプル・ガスの構成要素のピークの高さの比は、自動車の排気ガスまたはガソリンの蒸気を含むことができる微量ガスの発生源についての手掛かりを明らかにすることができる。
【００１６】
センサは、輸送または分配用パイプライン・システムに沿った天然ガスまたはプロパン・ガス、および、化学プラントにおける他のガスの安全性が託された定期的漏出調査に対して、センサを特に十分に適したものにする感度、速度、携帯性、および、低消費電力を有することができる。
【００１７】
センサは、漏出感知用実用例において、較正マーカ（溶出時間は気体構成要素の性質を同定する）および／または漏出源の識別子として、いくつか、または、全てのサンプル・ガス構成要素（および、それらのピーク比）を使用することができる。もし（約１から２ｐｐｍで山の空気に存在する）メタンなどの特定のピークの存在のみが知られるのであれば、その構成要素の発生源が沼地ガス、天然もしくはパイプラインのガス、または、他の流体からであることを示唆するための十分な情報となることができない。
【００１８】
センサは携帯用デバイスとして、または、固定位置に据え付けて使用することができる。相当する従来技術のセンサとは対照的に、センサは、水素タンクの大きな体積を必要としない、携帯用火炎電離検出器よりコンパクトなものにすることができ、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とすることができ、さらに、従来および／または携帯用のガス・クロマトグラフよりもはるかに高速、コンパクト、かつ、省電力とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
図１のセンサ１５による検出および分析は、流体構成要素の検出、同定、および、定量化を含むことができる。このことは、検出された流体の濃度または百万分率の決定を含む。センサ１５は環境中の流体を検出するために使用することができる。同様に、センサ１５は状態調整されたか、または、試験されている空間の雰囲気環境における汚染物質の非常に小さな量を検出することができる。センサ１５は、雰囲気空気または吸入された空気における無害性および人間に対する有害物質のレベルを示すことができる。
【００２０】
図１は低電力センサ・システム１１の例示的な図を示す。工程の流れ、雰囲気空間、または、体積６１からのサンプル流体２５は、センサまたはマイクロ型ガス装置１５の入力３４に接続された導管またはチューブ１９に進入することができる。流体２５はセンサ１５により処理することができる。処理された流体３７はセンサ１５の出力３６を外出することができ、導管またはチューブ３９を介して体積６１または指定されたどこでも他の体積に排気することができる。
【００２１】
センサ１５の結果は分析、ならびに、即座のまとめおよび結果のためにマイクロ型制御装置／プロセッサ２９に送ることができる。この情報は、見出された結果についての検討、ならびに、さらなる分析、評価、および、決定のために観測者基地３１に送ることができる。データおよび制御情報は基地３１からマイクロ型制御装置／プロセッサ２９に送ることができる。データおよび情報はセンサ１１および基地３１における送信機／受信機３３により無線媒体を介して送信および受信することができる。または、データおよび情報はモニタ１１および基地３１におけるモデム３５により通信の有線または光回線を介して送信および受信することができる。データおよび情報はＳＣＡＤＡ（監視制御およびデータ収集）システムに送信することができる。これらのシステムは、特定のガスを検出し、かつ、検出に関連した情報を離れた受領者に提供するために、産業界（加工、製造、サービス、保健）において使用することができる。
【００２２】
マイクロ型制御装置またはプロセッサ２９は制御、調整、較正、または、他の目的のために様々な信号を分析器１５に送ることができる。同様に、マイクロ型制御装置／プロセッサ２９は、検出結果に基づき環境の予測を提供するようにプログラムすることができる。分析の算出、結果、または、他の情報は、回線、ファイバ、または、他の同様の媒体を介して基地３１に送信されるための信号への変換のためにモデム３５に送ることができる。同様に、モデム３５へのそのような出力は、特にもし携帯用デバイスとして使用されていれば、例えばＧＰＳを介して、得られた検出の実際の位置に関する情報を添えて、基地３１への無線送信のために送信機３３に、代わりに、または、同時に送ることができる。同様に、基地３１は、制御、調整、較正、または、他の目的のためにマイクロ型制御装置またはプロセッサ２９に転送されることが可能な様々な信号を、モデム３５および受信機３３に送ることができる。
【００２３】
図１において、空間６１は開放または閉鎖とすることができる。センサ・システム１１は、航空機の客室、機械室、工場、または、他の環境内の何らかの場所などの閉鎖空間６１において使用可能である接続部を有することができる。または、センサ・システム１１は地球の環境の開放空間６１においても使用可能とすることができる。入力用チューブまたはパイプ１９の末端は開放空間６１内とすることができ、出口チューブ３７の排気は閉鎖空間６１から幾分離れた距離に定置することができる。空間６１に対するシステム１１は、空間６１が処理の流れである場合に特に下流で、チューブ３９が空間６１に外出することができることを除き、システム１１自体が空間６１内とすることができる。
【００２４】
図２はマイクロ型ガス装置１５の特定の詳細を示す。同装置１５のさらなる詳細および変形は、その後の図面と共に以下に説明されている。サンプルの流れ２５はパイプまたはチューブ１９から入力ポート３４に進入することができる。装置１５に進入する流体２５の流れから汚れおよび他の粒子を除去するための粒子フィルタ４３があってもよい。この除去は装置の保護のためであり、濾過は流体２５の組成を正確に分析するための装置の能力を低減させてはならない。（懸濁物質または液体不揮発性粒子で）汚れた流体は適切なセンサ機能を阻害する可能性がある。流体２５の部分４５は、差分熱伝導性検出器（ＴＣＤ、または、化学センサ（ＣＲＤ）、または、光電離センサ／検出器（ＰＩＤ）、または、他のデバイス）１２７の第１の脚枝部を介して流れることができ、流体２５の部分４７はチューブ４９を介してポンプ５１に流れる。取入口４５にすぐ隣接して「Ｔ型」チューブを設置することにより、最小の時間的遅延でのサンプル採取を、フィルタのパージ時間を短縮することを促進するための比較的大きな流量４７により達成することができる。ポンプ５１は、流体４７を粒子フィルタ４３の出力からチューブ４９を介して流し、かつ、ポンプ５１から外出させることができる。ポンプ５３は流体４５の流れをチューブ５７を介してセンサを通過させることができる。今、ポンプ５１は１ｐｓｉの圧力降下（Δｐ）未満で１０から３００ｃｍ３／分の吸込み能力を提供することができ、低流量能力ポンプ５３は、最大１０ｐｓｉのΔｐで０．１から３ｃｍ３／分を提供することができる。図２におけるシステム１５に対しては、さらに多くの、または、より少ないポンプ、および、様々なチューブもしくは配管の配置もしくは較正があってもよい。検出器１２７および１２８からのデータは、制御装置１３０に送ることができ、制御装置１３０は今度はデータを、処理のためにマイクロ型制御装置および／またはプロセッサ２９に中継することができる。結果として得られた情報は基地３１に送ることができる。
【００２５】
ポンプ５１および５３は、どこかからの可能なガスの検出のためにチェックされている流体のサンプルを吸引するために実施されている非常に経済的かつ効率的な構成とすることができる。使用していない時のスリープ・モードを有する低電力電子回路を利用することができる。分析器システム１１の濃縮器および／または測定サイクルの開始の前に約１から１０秒以下のみ運転できるこの特に経済的ながら適切に機能的なポンプ５１および５３の使用、ならびに、制御装置１３０および／または（使用していない時のスリープ・モードを使用できる）マイクロ型制御装置／プロセッサ２９のための低電力電子回路の使用は、そのような電力の使用において約２倍の削減をもたらすことができる。
【００２６】
図３は、図２における濃縮器１２４または分離器１２６の一部を示すセンサ装置１０、１５の一部の概略図である。センサ装置は基板１２および制御装置１３０を含むことができる。制御装置１３０は基板１２に組み込まれていてもいなくてもよい。基板１２は、自身の上に定置された、いくつかの薄膜加熱器要素２０、２２、２４、および、２６を有することができる。４つの加熱器要素のみが示されている一方、例えば２と１０００の間であるが、典型的には２０から１００の範囲にあるいかなる数の加熱器要素も設けることができる。加熱器要素２０、２２、２４、および、２６は、８０％のニッケルおよび２０％の鉄を有するパーマロイと呼ばれることもあるニッケル−鉄合金、白金、白金珪素化合物、および、ポリシリコンなどのいかなる適した電気伝導体、安定した金属、または、合金フィルムで製造することができる。加熱器要素２０、２２、２４、および、２６は図４および５に示す薄い、低熱質量、低平面熱導電性の支持部材３０上に設けることができる。支持部材または膜３０はＳｉ３Ｎ４または他の適切もしくは同様の材料から作成することができる。加熱器要素はＰｔまたは他の適切もしくは同様の材料から作成することができる。
【００２７】
基板１２は、図４に示す、サンプル流体の流れ４５を受領するためのチャネル３２を有する形のはっきりした単一チャネルの加熱器機構４１を有することができる。図５はチャネル３１および３２を有する二重チャネル位相加熱器の設計４１を示す。基板１２および部分またはウェハ６５は流れているサンプル流体４５を受領するための形のはっきりしたチャネル３１および３２を有することができる。チャネルは、支持部材３０の下のシリコン・チャネル・ウェハ基板１２および支持部材の上方のウェハまたは部分６５を選択的にエッチングすることにより作成することができる。チャネルは進入ポート３４および排気ポート３６を含むことができる。
【００２８】
センサ装置は、流れているサンプル流体４５に露出されるように、チャネル３１および３２の内部にいくつかの相互作用可能な要素も含むことができる。相互作用可能な要素の各々は、対応する加熱器要素に隣接して、すなわち、最も近い可能な接触のために定置することができる。例えば、図４において、相互作用可能な要素４０、４２、４４、および、４６は、チャネル３２における支持部材３０の下部表面上に、かつ、それぞれ加熱器要素２０、２２、２４、および、２６に隣接して設けることができる。図５において、追加の相互作用可能な要素１４０、１４２、１４４、および、１４６は、第２のチャネル３１における支持部材３０の上部表面上に、かつ、同じくそれぞれ加熱器要素２０、２２、２４、および、２６に隣接して設けることができる。本例示的実施例には示されていない追加の相互作用可能なフィルム要素を備えた他のチャネルがあってもよい。相互作用可能な要素はシリカ・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、多孔シリカ、Ｎａｎｏｇｌａｓｓ（商標）、活性炭素、および、他のポリマー物質などの液体またはガスのクロマトグラフにおいて一般に使用されているいかなる数のフィルムからも形成することができる。さらに、上記の相互作用可能な物質は、目標とされた分析対象物質の最適な吸着および／または分離を達成するために、極性および／または疎水性の変化する程度を達成するために、適するドーパントにより修正することができる。
【００２９】
図６ａは２チャネル位相加熱器機構４１の断面端面図を示す。図６ａ、６ｂ、および、６ｃにおける各部分の上面および底面透視図は、必ずしも同じに見えなくてよい。図６ｂおよび６ｃにおいて、単一チャネル位相加熱器機構４１の端面図は支持部材３０および基板１２、ならびに、それらの間の品目を含むことができる。図６ｂは露出された１ミクロンの膜を有する位相加熱器機構４１のバージョンを示す。図６ｂに示すものは開放空間３９２である。図６ｃは小さな閉鎖空間３９４を有する耐衝撃性を持たせた低電力バージョンを示す。支持部材３０は頂部構造６５に装着することができる。アンカー６７はチャネル３１を基準として適切な位置に支持部材３０を保持することができる。より少ないアンカー６７のポイントは支持部材３０から構造４１の他の部分への熱伝道損失を最小に抑える。加熱器要素からのほとんどない熱伝道に対する少ない数のアンカー・ポイントを有する加熱器膜があってもよい。通常のアンカー設置方式とは対照的に、本実施例は残っている加熱器要素の入力電力の約１．５倍の節約をもたらすために、アンカー・ポイントの低減を有することができる。
【００３０】
位相加熱器アレイの加熱器要素には、入来する検出されたガスのより少ない電力の放散およびより効率的な加熱のために双方の表面、すなわち、頂部側および底部側上に、吸着材料を使用してコーティングすることができる。加熱器要素は低減された電力放散に対する小さな幅を有することができる。
【００３１】
相互作用可能なフィルム要素は、単一チャネル加熱機構４１のチャネル３２を介して所望の吸着剤材料を搬送する材料の流れを通過させることにより形成することができる。このことは、チャネル全体を通じて相互作用可能な層を設けることができる。もし別個になった相互作用可能な要素４０、４２、４４、４６が所望されるなら、コーティングは、図６ａにおける頂部ウェハ６５を装着する前に、底部ウェハ１２に装着された基板３０上にスピン・コーティングし、続いて、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の方法を使用するか、または、加熱要素２０、２２、２４、および、２６を介してコーティングに温度変化を設けるかのいずれかにより、選択的に「現像」することができる。
【００３２】
吸着剤材料を使用してコーティングされた設計により意図的にそれらの表面を除いた加熱器アレイの内部チャネルの表面は、非吸着性断熱層を使用してコーティングすることができる。吸着剤のコーティングまたはフィルムの厚さは低減され、それにより、吸着および脱離のために必要な時間を短縮する。図６ａにおけるように、非吸着性断熱材料のコーティング６９は、設計により相互作用可能要素などの吸着材料がコーティングされている表面のある部分を除いて、単一チャネル加熱器４１のチャネル３１の内部壁および二連チャネル加熱器機構４１のチャネル３１および３２の壁に塗布することができる。コーティング６９は必要な加熱器要素電力を約１．５倍低減することができる。材料はチャネルの壁に使用されている材料よりも実質的に小さな熱伝導を有さなければならない。後者はシリコンとすることができる。コーティング６９の代替材料はＳｉＯ２または他の金属酸化物を含むことができる。コーティング６９は支持部材３０における加熱器要素のために使用される電力を低減することができる。移動相／固定相体積の合理的な比を保持する一方での加熱器要素膜ならびに吸着剤フィルムのサイズ（幅、長さ、および、厚さ）の最小化または低減は、約４倍の電力低減をもたらす。最小化または低減された吸着剤フィルムの厚さは吸着−脱離のために必要な時間を短縮することができ、流体の分析当たりに必要なエネルギーを約１．５倍節約することができる。
【００３３】
加熱器要素２０、２２、２４、および、２６は頂部側および底部側の双方をＧＣフィルム・コーティングすることができ、それによって、加熱器要素表面の幅および電力放散を約２倍にすることができる。これらの加熱器要素は２つのコーティング工程を含み、第２の工程は、第２のウェハの内側の第１のコーティングを保護して第１のウェハを溶解した後に、ウェハ対ウェハのボンディングおよびコーティングを必要とする。
【００３４】
所望の堅牢性（すなわち、薄い膜２０、２２、２４、．．．を外部環境に露出させない）であるが、これら頂部および底部の双方をコーティングする必要のないものを達成する他の手法は、頂部のみをコーティングし、かつ、底部チャネル３２を小さな高さに低減することであり、図６ａを参照されたいが、そのため、体積比（空気／フィルム）は５００未満の値となる。
【００３５】
マイクロ型ガス分析器は、濃縮器および分離機要素の所定のパターンが（ＧＣの文献では固定相として知られている）異なった吸着剤材料Ａ、Ｂ、Ｃ、．．．、でコーティングされるように；濃縮工程に寄与するため、および、分離器に電子的に注入されるために、濃縮器要素／分離器要素の比が選択されるだけでなく、Ａ、Ｂ、Ｃなどでコーティングされたそれらの比（および、何度の堆積温度で）も選択できるようにし、ここでは、再び要素温度の急激な変化の速度が、Ｂ、Ｃ、．．．の要素に対して異なるようにＡの速度に対して選択することができ、さらに、「Ａ」要素のグループからガスを分離した後で他の組のガスを「Ｂ」要素のグループから分離することができる形でこのシステムに多様性を追加するような、繰り返される連続してスピン・コーティングされる（または、他の堆積手段の）工程を介して作成された加熱器要素４０、４２、．．．、４４、４６、および、１４０、１４２、．．．、１４４、１４６を有することができる。分離器加熱器要素に対する濃縮器の比は、制御装置１３０に接続された比率制御機構４９０により設定または変更することができる。
【００３６】
制御装置１３０は、図３に示すように、加熱器要素２０、２２、２４、２６、および、検出器５０の各々に電気的に接続することができる。制御装置１３０は、対応する相互作用可能要素４０、４２、４４、および、４６の各々が加熱状態となり、かつ、１つまたは複数の上流相互作用可能要素により生成された上流濃度パルスがその相互作用可能要素に到達する時点の付近で選択された成分を上流サンプル流体４５中に脱離するように、（図７の最下段を参照されたい）時間位相シーケンスにおいて加熱器要素２０、２２、２４、および、２６に電力を供給することができる。いかなる数の相互作用可能要素も、濃度パルスにおける成分ガスの所望の濃度を達成するために使用することができる。結果として得られた濃度パルスは検出および分析のために検出器５０、１２８に供給することができる。検出器５０、１２７、または、１２８（図２および図３）は、熱伝道検出器、放電電離検出器、ＣＲＤ、ＰＩＤ、ＭＤＤ、または、ガスもしくは流体クロマトグラフィにおいて使用されるものなどのいかなる他のタイプの検出器とすることもできる。
【００３７】
図７は、例示的相対加熱器温度を各加熱器要素において生成される対応する濃度パルスと共に示すグラフである。上記に示したように、制御装置１３０は電圧信号７１を使用して時間位相シーケンスにおいて加熱器要素２０、２２、２４、および、２６に電力を供給することができる。加熱器要素２０、２２、２４、および、２６に対する例示的時間位相加熱器相対温度は、それぞれ温度プロファイルまたは線６０、６２、６４、および、６６により示されている。
【００３８】
示す実施例において、制御装置１３０（図３）は、第１の加熱器要素２０を、図７の線６０において示す同要素２０の温度を上昇させるために電力を供給することができる。第１の加熱器要素２０が第１の相互作用可能要素４０と熱的に結合されているため（図４および５）、もしいずれの他の加熱器要素もパルスを送られなければ、第１の相互作用可能要素は、検出器１２８または５０において第１の濃度パルス７０（図７）を生成するために、流れているサンプル流体４５中に選択された成分を脱離する。流れているサンプル流体４５は、矢印７２により示すように、第１の濃度パルス７０を第２の加熱器要素２２に向けて下流に搬送する。
【００３９】
次に、制御装置１３０は、要素２０に対するエネルギー・パルスが停止された時点またはその後に開始して、線６２において示すように第２の加熱器要素の温度を上昇させるために同要素２２に電力を供給することができる。第２の加熱器要素２２が第２の相互作用可能要素４２に熱的に結合されているため、第２の相互作用可能要素も、第２の濃度パルスを生成するために、選択された成分を流れているサンプル流体４５中に脱離する。制御装置１３０は、図７に示すように、より高い濃度パルス７４を生成するために第２の濃度パルスが第１の濃度パルス７０と実質的に重なるように、第２の加熱器要素２２に電力を供給することができる。流れているサンプル流体４５は、矢印７６により示すように、第３の加熱器要素２４に向けてより大きな濃度パルス７４を下流に搬送する。
【００４０】
続いて、制御装置１３０は、図７の線６４において示すように、第３の加熱器要素２４に、同要素２４の温度を上昇させるために電力を供給することができる。第３の加熱器要素２４が第３の相互作用可能要素４４に熱的に結合されているため、第３の相互作用可能要素４４は、第３の濃度パルスを生成するために、選択された成分を流れているサンプル流体中に脱離することができる。制御装置１３０は、さらにより高い濃度パルス７８を生成するために第３の濃度パルスが第１および第２の加熱器要素２０および２２により供給されたより大きい濃度パルス７４と実質的に重なるように、第３の加熱器要素２４に電力を供給することができる。流れているサンプル流体４５は、矢印８０により示すように、「第Ｎ」の加熱器要素２６に向けてこのより大きな濃度パルス７８を下流に搬送する。
【００４１】
続いて、制御装置１３０は、線６６において示すように、「第Ｎ」の加熱器要素２６に、同要素２６の温度を上昇させるために電力を供給することができる。「第Ｎ」の加熱器要素２６が「第Ｎ」の相互作用可能要素４６に熱的に結合されているため、「第Ｎ」の相互作用可能要素４６は、「第Ｎ」の濃度パルスを生成するために、選択された成分を流れているサンプル流体４５中に脱離することができる。制御装置１３０は、「第Ｎ」の濃度パルスが、その前のＮ−１個の相互作用可能要素により生成されたより大きな濃度パルス７８と実質的に重なるように、「第Ｎ」の加熱器要素２６に電力を供給することができる。流れているサンプル流体は、以下に説明するように、分離器１２６または検出器５０もしくは１２８のいずれかに、「第Ｎ」の濃度パルス８２を搬送する。
【００４２】
上記に示したように、加熱器要素２０、２２、２４、および、２６は共通の長さを有することができる。そのため、制御装置１３０は各加熱器要素に等しい電圧、電流、または、電力のパルスを供給することにより各加熱器要素の等しい温度を達成することができる。電圧、電流、または、電力のパルスは、三角形、四角形、鐘形、または、他のいかなる形状も含むいかなる所望の形状も有することができる。１つのほぼ四角形の電圧、電流、または、電力のパルスは図７に示す温度プロファイル６０、６２、６４、および、６６を達成するために使用される。各温度プロファイルはそのように見えるが、電圧パルスを基準とした小さな時間遅延を伴って、脱離した実体が発生されることに注意されたい。
【００４３】
図８は、第一に、濃度が、後に続く各要素の状態が流れているサンプル流体の速度と適切に同期するような段階的な形で、どのように上昇するのかを、および、第二に、個々の要素の長さが、濃度のレベルおよび購買が上昇するように、質量拡散束の予想上昇速度にどのように適合されているかを、示すためにいくつかの加熱器要素を示すグラフである。ここで、図８に示す要素に先立って、要素１００（Ｈ１）として示す要素よりＦ倍長い長さを持つ最初の要素にパルスを印加することにより、または、代わりに、要素１、２、．．．、Ｆに同時にパルスを印加し、要素１００（Ｈ１）にパルスを印加する前にまだ冷えている要素１００を使用して全ての脱離した分析対象物質を収集することにより、分析対象物質の濃度が係数Ｆで既に増倍しておくことができることを指摘すべきであろう。濃度パルスの各々は、チャネル３２を走行すると、拡散により、振幅が減少し、かつ、長さが増大する可能性のあることが理解されよう。この増大した長さを収容するために、並んでいる各加熱器要素の長さを流れているサンプル流体に沿って増大することができることが考えられる。例えば、第２の加熱器要素１０２は第１の加熱器要素１００の長さＷ１より長い長さＷ２を有することができる。同様に、第３の加熱器要素１０４は第２の加熱器要素１０２の長さＷ２より長い長さＷ３を有することができる。したがって、各加熱器要素１００、１０２、および、１０４の長さは、隣接する上流側の加熱器要素と比較して、拡散による上流側の加熱器要素の濃度パルスの予想された増大した長さに対応する分だけ、増大させることができると考えられる。しかし、目標の分析対象物質の濃度が非常に低いか、または、吸着フィルムの容量が非常に大きいいくつかの場合において、特定の時間の間に濃縮器を介してポンプ吸引された（図２のポンプ５１）特定の体積のサンプル・ガスから特定の量の分析対象物質を吸着させることができ、従って、（最後の加熱器要素の）サンプル体積／フィルム体積の同じ比により分析対象物質の濃度を上昇させることができるフィルム体積を最小に抑えることに基づく、濃縮器の機能の最大の対象絞込み性能を達成するために、後に続くか、または、最後の加熱器要素の長さを大幅に減少させることは可能かつ有利とすることができる。
【００４４】
加熱器要素の制御を簡略化するために、並んでいる各加熱器要素の長さは、加熱器要素間に同じ全体的加熱器抵抗を生成するために、一定に保つことができ、これにより、等しい電圧、電流、または、電力のパルスが、同じ温度プロファイルを生成するために使用されることを可能にする。別法として、各加熱器要素は異なった長さを有することができ、制御装置は、同じ温度プロファイルを生成するために各加熱器要素に異なった電圧、電流、または、電力のパルス振幅を供給することができる。
【００４５】
図９は、１００％の濃度レベルを達成する濃度パルス１１０を示すグラフである。例え、濃度パルス１１０が１００％などの最大濃度レベルに到達したとしても、対応する成分の濃度は、それでも決定できることが理解されよう。これを行なうために、検出器５０、１２８、１６４は濃度パルス１１０を検出することができ、制御装置１３０は、流れ４５の本来のサンプルにおける対応成分の濃度を決定するために、時間にわたって検出器の出力信号を積分することができる。
【００４６】
「ＧＣピーク同定」においては、ガス・クロマトグラフ（ＧＣ）から外出する各ガスのピークを１つの化学化合物に明確に関連付けることが所望されており、ＧＣは個々の成分の互いからのこのような分離を達成するための手段となっている。ガスの構成要素を同定するためには、いくつかの手法がある。ＧＣ−ＭＳの組み合わせにおいて、各ＧＣ−ピークはその質量に対して分析される一方、ＭＳの取入口における必要なイオン化処理の結果として得られる分子の破片を処理する。ＧＣ−ＧＣの組み合わせにおいて、化合物の同定に役立つ可能性のある分析記録に情報を追加するために、第１および第２のＧＣにおいては異なった分離カラム材料が使用されている。ＧＣ−ＡＥＤの組み合わせにおいて、マイクロ波給電のガス放電は、ガス放電プラズマにおけるＧＣ−ピークのガスの同定に役立てるための内容を提示する光学スペクトル発光線（原子）および発光バンド（分子）を発生することができる。ＧＣ−ＭＤＤまたはＧＣ−ＧＣ−ＭＤＤの構成においては、ＧＣまたはＧＣ−ＧＣから分析対象物質のピークが溶出する間に、マイクロ型放電デバイス（ＭＤＤ）がそれらのピークのスペクトルを発光させることができ、かつ、分子および原子の構造、および、従って分析対象物質の各ピークの身元を明らかにすることができる。
【００４７】
ＡＥＤの選択的波長チャネルがＧＣにより分離された化合物の原子的な組成をどのようにして同定することができるかの例を図１１に示す。同図は、Ｃ、Ｈ、Ｎ、Ｏ、Ｓ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｐ、Ｄ、Ｓｉ、および、Ｆの原子発光に対する個別のチャネルを、図１０の表にあるチャネルの対応するリストと共に示す。図１１は、元素およびその元素の概ねの量を示すことができる様々なピークを持つ多元素試験混合物のクロマトグラムを示す。ピーク３０１は２．５ナノグラムの４−フルオロアニソールを示し、ピーク３０２は２．６ナノグラムの１−ブロモヘキサンを示し、ピーク３０３は２．１ナノグラムのテトラエチルオルト珪酸塩を示し、ピーク３０４は１．９ナノグラムのｎ−過重水素デカンを示し、ピーク３０５は２．７ナノグラムのニトロベンゼンを示し、ピーク３０６は２．４ナノグラムのトリエチル燐酸塩を示し、ピーク３０７は２．１ナノグラムのｔ−ブチル二硫化物を示し、ピーク３０８は３．３ナノグラムの１，２，４−トリクロロベンゼンを示し、ピーク３０９は１７０ナノグラムのｎ−ドデカンを示し、ピーク３１０は１７ナノグラムのｎ−トリデカンを示し、かつ、ピーク３１１は５．１ナノグラムのｎ−テトラデカンを示す。このようなクロマトグラムに対して、ＧＣの条件は、３．３ｍＬ／分のカラム流量、３６：１の分割比、および、３０℃／分での６０℃から１８０℃までのオーブンのプログラムを含むことができる。
【００４８】
低電力マイクロ型放電を使用して発生されたＮｅの中性かつイオン化された発光体のＵＶスペクトルの一部を図１２に示す。この図に同じく示すことは、スペクトルの核種が、「Ｎｅ」の圧力が変化するに従い強度を変化させることである。光学的出力は、放電空洞の幾何学的形状、印加される電圧および圧力などのいくつかのパラメータに依存することができる。分子発光バンドは、発光され、かつ、ジェット・エンジンの高温排気中にあるガスの「ＮＯ」の測定に対して使用することさえできる。
【００４９】
マイクロ型放電デバイスに環境ガスのサンプルを送り込むことにより、有用なガス組成情報を得ることができる。第１の手法において、１つのマイクロ型ガス放電デバイスを使用することができ、同デバイスの動作パラメータ（電圧、圧力、流量、．．．、および、可能に幾何学的形状）は、そのような発光データの評価および処理の後でガス・サンプルの成分のタイプおよび濃度に関する情報が作成できるように、出力発光スペクトルにおける変化を作り出すために、変更することができる。第２の手法において、いくつかのマイクロ型ガス放電デバイスを使用することができ、それにより、第１の手法にあるような発行出力の評価のために各デバイスの動作パラメータを変更することができ、かつ、統計的解析を介してより優れた結果を得ることができる。第３の手法は、各マイクロ型放電は１つの状態のみだが、他のマイクロ型放電の設定点の状態とは異なるように設定されて動作することができることを除き、第１の手法と同様とすることができる。
【００５０】
図１３は第３の手法を示し、同手法により、ガス・サンプルは１つのタイプの放電から次の放電へと順に通過することができ、仮定できることは、ガス・サンプルの性質がこの処理の間に変化しないということである。図１３は、様々な圧力および電圧におけるガス４５の流れにおけるガス組成の感知のための光源−検出器の組のアレイ３５０を示す。異なった電圧＋Ｖ１、＋Ｖ２、．．．、ならびに、圧力Ｐ１およびＰ２は、このように記号が付けられている。光源ブロック３５１からのマイクロ型放電３５２のプラズマは、（＋）と（−）の電極間の楕円により示す。光源ブロック３５１と向き合っているのは、光源放電３５２からの光の検出器３５４として動作するマイクロ型ガス放電デバイスを有する検出器ブロック３５３である。検出器３５４上に固定されたフィルタがあってもよい。各フィルタは異なってもよく、かつ、ガスの特定のグループの検出および分析のために選択することができる。マイクロ型放電からのガスの発光の様々な線は検出することができ、かつ、検出されたガスの成分を決定するために同定することができる。アレイ３５０は制御装置１３０に接続することができる。プロセッサはマイクロ型放電の制御、および、アレイ３５０を介したガス４５の流れにおける放電の影響の検出に利用することができる。
【００５１】
光源ブロック３５１はシリコンで作ることができる。ブロック３５１に固定されているのは、デバイス３５０を介してガス４５の流れを含むためのチャネルを形成するＳｉ３Ｎ４またはＰｙｒｅｘ（商標）の壁状構造体３５５とすることができる。構造体３５５の頂部上には、ＰｔまたはＣｕ材料３５６の伝導層があってもよい。Ｐｔ材料上には、流れチャネルを覆って延長することができるＳｉ３Ｎ４の層３５７がある。層３５７の頂部上には、検出器３５４のためのチャネルを形成するためのＰｔの層３５８およびＳｉ３Ｎ４の層３５９があってもよい。第４の手法は、順を追う形よりも、むしろ並行して各放電にガス・サンプルを供給することを除き、第３の手法と同様とすることができる。
【００５２】
第５の手法は、ガス・サンプルが、例えば従来のＧＣにより供給される間に、分離処理を受けさせておくことができることを除き、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、分離処理に先立ち、問題のサンプル分析対象物質が従来の前濃縮工程により最初に濃縮することができることを除き、第５の手法と同様とすることができる。
【００５３】
第７の手法は、分離処理に先立ち、問題のサンプル分析対象物質が多段前濃縮処理により予め濃縮しておくことができ、続いて、位相加熱器アレイ・センサにより供給される間に分離器内に電子的に注入することができることを除き、第６の手法と同様とすることができる。
【００５４】
図２を参照すると、第６および第７の手法において、着想はＧＣカラムから溶出する個々のガス分析対象物質ピークまたは位相加熱器アレイ・センサ分離器チャネルを、放電の示すアレイにおける各放電デバイスに送り込むことである。
【００５５】
ガスの流れは図１３に示すように順番に行なうことができる。または、最適なピーク同定のために必要とすることができる並列とすることもでき、それにより、（分析に総時間を最小に抑えるために）各放電区画は（アレイの出口において、例えばＭｅｓｏｐｕｍｐ（商標）により、真空ポンプまたは吸込みポンプにより決定された）印加電圧、ガス圧力の固定された条件で動作することができる。図１３において、第４と第５の放電要素の間にある流量の制約により容易に達成されるような２つの圧力のみを例の形により示すことができる。流速、（局所マイクロ型加熱器を介した）温度、または、幾何学的形状（区画の識別における単純な変化に加えて、空洞カソードまたは平板放電）などの放電パラメータにおけるいくつかの変更は示さないが、そのように実施することはできる。
【００５６】
これらのセンサの典型的に小さなサイズ（１０から１００マイクロメータ）のために、これらのセンサは大きな専有面積を使用しているようには見えないようにすることができ、かつ、図２のブロック１２８に含めることができる。
【００５７】
センサ１５は濃縮器１２４と分離器１２６の間に固定された流量センサ１２５、および、濃縮器１２４の入力において伝導性検出器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ができる。放電機構３５０の出力に熱導電率検出器があってもよい。センサ１５は、所望の実用例によっては、図２のセンサ１２８における様々な位置に、述べた構成部分のいくつかによる様々な組み合わせを含むことができる。図２のセンサ１５の図はセンサの例示的な例である。センサ１５は同図には示さない他の構成を有することができる。
【００５８】
ガスマイクロ型放電区画は魅力的な機能を提供することができ、それらの機能は位相加熱器アレイ・センサの有用性、多目的性、および、価値を大幅に高めることができる。機能の例は、１）低電力性能（各放電は、マイクロ型ＴＤＣによってさえ達成されない最小電力であるように見える１．２ミリワットに等しくなり得る１０マイクロメータにおける直流１２０ボルトほどに小さい電圧を使用して７００から９００トル（０．９２から１．１８バール）において動作する）２）図１２の挿入図に示すコンパクトさ（５０×５０マイクロメータ）を備えた組立の容易さ、３）（水冷が必要である）１００ワットのマイクロ波駆動のＡＥＤなどの他の光源では行なうことが知られていない、図１４における１００マイクロメータマイクロ型放電とＳｉのＡＰＤの間のスペクトル応答性の比較により示すことができる光検出器としてのマイクロ型放電の動作可能性、４）モノリシックＳｉフォトダイオードの製造のためにＳｉドーピングに依存しなければならないことのない、位相加熱器アレイ構造体との放電光源およびフォトダイオードの集積可能性およびウェハのレベルでの組立、および、５）上記に述べられている如くの放電パラメータを変化させることによる追加の寸法（すなわち、選択性）を含む。
【００５９】
本発明は、１）マイクロ型ガス放電デバイスとの位相加熱器アレイ・センサの組み合わせ、２）１）の組み合わせであって、それにより、ガス放電デバイスの１セットまたはアレイがスペクトル発光を提供することができ、（狭帯域・帯域通過フィルタまたはマイクロ型分光計を備えていてもいなくても）別の相補的なセットは光検出機能を提供することができるもの、３）第１から第７の手法に基づく上記に説明されている設計の適切な並べ換えを伴う２）の組み合わせ、および、４）最適な前濃縮または分離の性能を達成するために、特定の分析のために必要とされる如くの位相加熱器アレイ構造体の追加の前濃縮器または追加の分離器要素として加熱可能な要素をプログラムするための柔軟性を有するマイクロ型放電を介したガス組成感知能力を有することができる。
【００６０】
既に提案されたマイクロ型ガス分析器に対する位相加熱器アレイ・センサ−マイクロ型放電検出器のこの組み合わせは、いずれの他のマイクロ型分析器も達成したとは知られていない、マイクロ型ガス放電デバイスの寄与による選択性、「ピーク同定」能力、低電力、光源および検出能力、集積可能性、単純さ、および、コンパクトさと組み合わされた、位相加熱器アレイ・センサの感度、速度、携帯性、および、低電力を提供することができる。
【００６１】
図１５は、他のチップにも同様に接続している回路板上に搭載および接続される単一のチップ４０１上のマイクロ型ガス装置１５（すなわち、位相加熱器アレイ構造体）のセンサ、前濃縮器および／または濃縮器１２４、ならびに、分離器１２６の集積を示す。１つのそのような他のチップはＦＥＴスイッチ、シフト・レジスタ、および、論理回路を保持することができる。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チップおよび主回路板は本来約１１０本のワイヤにより接続されていた。しかし、ドーター・ボード上の個別のチップ上へのスイッチの全ての集積の後、リード線およびコネクタ・ピンを張り回している印刷回路板の数は約１０（すなわち、差分温度補償、流量センサ、スイッチ・クロック、論理回路、電力、および、接地のため）に削減された。個別のＩＣ上に位置するＦＥＴスイッチ、シフト・レジスタ、および、制御論理回路は、ワイヤ・ボンドまたはハンダ・バンプを介して位相加熱器アレイ構造体チップに接続することができる。ＦＥＴの新しい論理を使用すれば、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させるために全加熱可能要素の一部を選択することができる。
【００６２】
図１６はセンサ・システム１１のための制御論理回路の例示的な例４０２の概略図である。回路４１０はアレイ内の論理セルの例とすることができる。回路４１０はＤフリップ・フロップ４０３、Ｒ−Ｓフリップ・フロップ４０４、ＡＮＤゲート４０５および４１５、ＯＲゲート４０６、ＦＥＴ４０７、ならびに、インバータ４０８に加えて、必要に応じた追加の回路を含むことができる。クロック・ライン４１１はＤフリップ・フロップ４０３のクロック入力に接続することができる。分離器可能化ライン４１３はＡＮＤゲート４０５の第１の入力に接続することができる。データイン・ライン４１２はフリップ・フロップ４０３のＤ入力に接続することができる。リセット・ライン４１４はフリップ・フロップ４０４のＳ入力およびフリップ・フロップ４０３のリセット入力に接続することができる。フリップ・フロップ４０４のＱ出力はＡＮＤゲート４０５の第２の入力に接続することができる。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入力およびＡＮＤゲート４１５の第１の入力に接続することができる。分離器可能化ライン４１３はインバータ４０８の入力に接続することができる。インバータ４０８の出力はＡＮＤゲート４１５の第２の入力に接続することができる。ＡＮＤゲート４１５および４０５の出力はＯＲゲート４０６のそれぞれ第１および第２の入力に接続することができる。ＯＲゲート４０６の出力はＦＥＴ４０７のゲートに接続することができる。ＦＥＴ４０７の他の端末はそれぞれＦＥＴ共通ライン４１６およびＦＥＴ出力端末４１７に接続することができる。最も右の論理セルはデータ・アウト・ライン４１８に接続されたフリップ・フロップ４０３のＱ出力を有することができる。
【００６３】
この論理は、ユーザが、後に区分された分離器の一部として機能することができる残りの加熱器要素の全てに対して、温度を一旦休止してから急上昇させる前に、回路がパルスを印加し、加熱する前濃縮器要素の数を事前選択することを可能にする。適切なマスク法を介したチップ４０１チップの位相加熱器アレイ・センサ要素のいずかの上への異なった材料の堆積を考慮することができる機能の追加の重要性があり、それにより、優先的な前濃縮、干渉の濾過、および、カスケード式分離を可能とすることができる。
【００６４】
図１６は、各々が０．５オーム以下のオン抵抗を有し、かつ、約１２ボルトの電位をスイッチング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・論理回路により制御することができるかをさらに示す。オンチップ論理回路は、個々のモードが制御ライン・ビットにより決定される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る。第１のモードは、リセット後に各低抵抗ＦＥＴを連続的にオンにし、その同じＦＥＴと連動するフリップ・フロップを不能にするシフト・レジスタを含むことができる。次のクロック・サイクルにおいて、第１のＦＥＴはオフとなり、次のＦＥＴはオンとなり、かつ、それの連動フリップ・フロップは不能となる。このシーケンスは、いくつかの外部駆動電子回路がクロックをオフにし、かつ、第２の動作モードを可能にするまで繰り返すことができる。一旦第２のモードが可能になれば、フリップ・フロップが不能になっていないＦＥＴの全ては、同時にオンとなることができる。この第２のモードは、リセットが起動され、かつ、フリップ・フロップがリセットされるまで存続することができ、ＦＥＴがオフとなり、工程は繰り返すことができる。
【００６５】
２つのチップは、連続したスイッチングが第１のチップから第２のチップに進行するように、チップの側面の各々上にある（最大５０個の）位相加熱器アレイ・センサ・チップ・パッドにボンディングするために直列に使用することができる。第１のチップ上の最後のスイッチからの信号が、第２のチップ上の最初のスイッチを起動することが必要であるとすることができる。並列の残りのＦＥＴの連続的なアドレシングからのモード・スイッチが、スイッチングが第２のチップに移動する幾分前または後に発生できることは可能である。所望の分析対象物質前濃縮、分析対象物質の濾過、および、選択されたグループ前濃縮器パルスまたは（時間における）カスケード式前濃縮器分析対象物質パルスの分析とすることができる分析結果を達成するために、２つ以上の吸着剤材料を使用して前濃縮器もしくは分離器のいずれか、または、双方における個々の要素または要素のグループを変更すること、および、図１６にあるように、または、前濃縮器および等しくもしくは異なって分離器における特定のタイプのコーティングを（印加された最大の電圧または温度の点で）支持して、スイッチに対する論理プログラムを調整することなどにより、位相加熱器アレイ・センサ加熱器要素内に吸着剤コーティングの多様性を導入することができる。
【００６６】
ユーザには、分析の問題により課された様々なニーズに対して、位相加熱器アレイ・センサの動作および性能を調整するための大きな柔軟性が利用可能とすることができる。すなわち、ユーザは、分離器に対する前濃縮器として機能させるために全加熱器アレイ要素の数または一部を選択することができ、したがって、分離を基準として分析対象物質の濃度、すなわち、分析対象物質成分の分解能および選択性を変化させる一方、構造的完全性、最適対象絞り込み機能、分析対象物質の選択性／濾過、ならびに、前濃縮、分離、流量制御、および、ＴＣおよびマイクロ型プラズマ放電センサなどの検出技術のしっかりした集積を特徴とする低電力、最適に温度制御された加熱器要素を設計および製造する能力を保持する。ＣＭＯＳ駆動電子回路を位相加熱器アレイ・センサ流れチャネル・チップに集積することができる。
【００６７】
健康を脅かす毒素、化学薬剤、または、処理などの重要なガス分析の状況においては、発光が、不確実性がほとんどなく（偽陽性になる確率が低い状態で）同定され、かつ、定量化される必要があり、従来の検出器および分光計（ＭＳ、ＧＣ、または、光学性のもの）は偽陽性の確率Ｒｆｐの所望の低レベルを提供することができない。
【００６８】
ＧＣ−ＭＳおよびＧＣ−ＧＣシステムにおけるような組み合わせ分析器は所望の低いＲｆｐの値に近づくことができるが、２セットの複雑かつかさばる注入システム、かさばるＭＳポンプ・システム、および、各分析のために必要な大量のエネルギーのために、典型的に携帯不能のデスクトップ・システムとなっている。最も重要なことは、例え分離能力が優れていても、もしデスクトップまたは携帯用のシステムが必要とされる感度を提供できなければ、偽陽性の確率は急速に高まる。
【００６９】
解決策は図１７に示すマイクロ型分析器５００において具体化されており、解決策は、もし必要であれば、すなわち、もし単純なマイクロ型ガス・クロマトグラフ（μＧＣ）が組み合わせなければ、μＧＣ−μＧＣ状の構成により提供される選択性を、ならびに、多レベル多段前処理により保持可能となっている感度を組み合わせることができる。この構成において、マイクロ型分析器５００は自身の（パーム・トップから１インチ（２．５４ｃｍ）立方タイプまでの）コンパクトさ、３秒間分析、ｐｐｂ感度、柔軟性、知的さ、集積構造、低電力、および、低コストの特徴をそれでも保持することができる。他の解決策は図２１のマイクロ型分析器６００において具体化することができる。
【００７０】
マイクロ型分析器５００は、入力を介してフィルタ５２７に流体５３０のサンプル流れを取り入れることができる。フィルタ５２７から、流体５３０は、マイクロ型検出器（μＤ）５３１を通過して、並列のチャネル５２７を有する第１のレベルの前濃縮器５２６に進行することができる。流体５３０は、マイクロ型分析器５００の主要部分を介してポンプ５２１またはポンプ５２２によりチャネル５２７を介して吸引することができる。ポンプ５２１および５２２は同時に、または、個々の予定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を通過し、かつ、流量センサ５３２を通過して進行することができる。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、マイクロ型検出器５３３、分離器５２５、および、マイクロ型検出器５３４を通過することができる。分離器５２４および５２５はそれぞれ約１４０ミクロンおよび７０ミクロンの内径を有することができる。流体５３０はポンプ５２２に流れることができる。ポンプ５２１および５２２から外出した流体５３０は、この流体が当初吸引された場所または他の場所に戻すことができる。マイクロ型検出器５３１、５３３、および、５３４の各々は、ＴＣＤ、ＭＤＤ、ＰＩＤ、ＣＲＤ、ＭＳ、または、他の種類の検出器とすることができる。分析器５００は示す検出器より多い、または、少ない検出器を有することができる。分析器５００はそれぞれマイクロ型検出器５３３および５３４の排出口において細孔５４１および５４２などの流れ細孔も有することができる。分析器５００は弁および他の構成部分も有することができる。制御デバイス５３５またはマイクロ型制御装置もしくはプロセッサは、本説明に説明されているマイクロ型流体分析器の動作と同様とすることができる分析器５００の動作を適切に制御および調整するために、ポンプ５２１および５２２、検出器５３１、５３３、および、５３４、センサ５３２、濃縮器５２３、分離器５２４および５３５、並びに、必要に応じて他の構成部分に接続することができる。
【００７１】
マイクロ型分析器５００の特徴は、追加の前濃縮の各体積の導入に関連させることができる。これらの各々は図１７に概略を示すように、後に続く前濃縮の動作に対して、高められた分析対象物質濃度を供給する。これは、以前に提案され、かつ、構築された単一レベル多段前濃縮（ＰＣ）とは異なっている。多レベルＰＣシステムにおいて、第１のレベルのＰＣにおいて達成され、かつ、次または最後のレベルの（多要素かつ多段の）前濃縮器に吸着のために提供された分析対象物質濃度は、第１のレベルの前濃縮器により既に高められており、以前のこの前濃縮は、第２のレベルまたは最後の前濃縮器のほぼ完全な動作のために必要とされる時間の長さにわたり分析対象物質を解放することを可能とするために十分大きい必要がある。
【００７２】
固定相に対する移動相の体積比、ならびに、吸着温度および脱離温度における分配関数の比が、仮想の分析対象物質に対してＧ＝１００倍の濃度利得が達成できるようなものであると仮定すると、濃度レベルを高めるタイミングは、以下のように図１８において番号５１１、５１２、５１３、５１４、５１５、および、５１６のシーケンスにより示す通りである（ガスの拡散に対して、辺ｄ＝０．０１ｃｍの四角形の断面のチャネルにおいて除去または脱離されたガスを均一に再配分することは、Δｔ＝ｄ２／（２Ｄ）＝０．０１２／２／０．１＝０．０００５秒しかかからないことを思い出すことは役立つ）。
【００７３】
多レベルＰＣの動作は、以下の各工程のシーケンスを介して進行すると説明することができる。すなわち、１）吸着時間Ｚａ。モル分率Ｘ＝１ｐｐｔの分析対象物質は、固定相と平衡するために十分な時間Ｚａにわたりｖ＝１１０ｃｍ／秒でサンプル・ガスと共に流れる。すなわち、Ｚａ＝Ｎ１ＧＬ／ｖ、ここで、Ｎ１＝吸着要素の数、Ｌ＝流れの方向における吸着フィルム要素の長さである。Ｎ１＝５００およびＬ＝０．５ｃｍに対しては、ｚ＝５００×１００×０．５／１１０＝２２７秒を得ることができる。全ての工程が完了した後でさえ、Ｘが１に比較して小さければ、ＺａはＸとは独立していることに注意されたい。（Ｎ１＝５０を持つチップに対して、時間は２２．７秒となり、Ｌ＝０．１を持つチップに対して、この時間は４．３秒となり得る。サンプル・ガスの流速を上昇させることはこの時間を短縮するが、フィルムの厚さを増すことはこの時間を増加させる。）
２）飽和。この時間の最後にはｚ＝Ｚａとなり、第１段の吸着剤は大きく飽和する（ここでは、明確化のために、サンプル・ガスから固定相フィルムへの差分質量搬送の指数的な性質を無視することができる。）一方、サンプル・ガスはダッシュ線により示すように、分析対象物質濃度ｘで流れ続ける。図１８において、このことはそれぞれガスおよび固定相に対する濃度領域５１１および５１２により示されている。
【００７４】
３）第１のレベルの脱離開始。ｚ≧ｚａであるいつでも、例えば、ｚ＝ｚ０であれば、全てのＮ１個の要素を迅速（１ミリ秒以内）に加熱することができ、続いて、それらの要素は１００倍高い濃度、すなわち、ｘ＝１００ｐｐｔ（図１８の領域５１３を参照）でサンプル・ガス・チャネルを満たす。この１００倍豊かになったサンプル・ガスの「プラグ」が次のレベルのＰＣであるＮ２個の第１の要素に進入すると、プラグは、その前の領域５１２における濃度より１００倍高い分析対象物質濃度（図１８における領域５１４）を持つＮ２のＮ１／Ｇ個の吸着剤要素の次のセットを平衡させ、かつ、飽和させようと試みる。
【００７５】
４）第２のレベルの吸着時間。これを行なうための利用可能な有限の時間、および、速度ｖで移動するガスの有限のプラグまたはカラムのみを、未濃縮のサンプル・ガスが濃縮された分析対象物質を図１８の領域５１４からパージする前に有することができる。利用可能な時間は、上記に対してはｚ≒Ｎ３Ｌ／ｖ＝ｚａ／Ｇ、または、２．２７秒であるが、任意の例ではＮ１＝５００、Ｌ＝０．５ｃｍ、および、ｖ＝１１０ｃｍ／秒である。
【００７６】
５）第２のレベルの脱離時間開始。第２の脱離は、Ｎ２個の要素の最初の要素のみを、１秒と５マイクロ秒の間とすることができる（例においては、Δｚ＝４．５ミリ秒）時間Δｚ＝Ｌ／ｖにわたり加熱することによりｘ＝ｘ０＋ｚａ／Ｇより遅くならずに開始すべきである。これは、チャネル（図１８における領域５１５）における分析対象物質の濃度を、本来のｘの値に比較して１０，０００倍に発生および上昇させることができる。時間Δｚが経過すると、全てのＮ２＝Ｎ１／Ｇ個の要素にパルスが印加され、したがって、通過するガスにそれらの脱離した分析対象物質を追加するまで第２の要素などは加熱されることができる。これを行なうために必要な時間は、Ｎ１＝５００、Ｎ２＝Ｎ１／Ｇ＝５、Ｌ＝０．５ｃｍ、かつ、ｖ＝１１０ｃｍ／秒を持つ任意の例に対して、Σ（Δｚ）＝Δｚ・Ｎ２＝（Ｎ１／Ｇ）（Ｌ／ｖ）＝ｚａ／Ｇ２、または、２２７／１０４＝２３ミリ秒とすることができる。
【００７７】
６）第２の脱離時間。図１８の領域５１６におけるこの前濃縮を外出する最終的な分析対象物質濃度は、ｘ＝ｘ０Ｇ２Ｎ２＝ｘ０Ｎ２Ｇ＝５０，０００、すなわち、サンプル・ガスにおける分析対象物質の開始濃度に対して５０，０００倍の上昇とすることができる。このことは、供給源の分析対象物質が、１セットの位相要素のみを使用して１回のみ吸着され、かつ、濃縮された時に達成された利得よりも約１０倍高い前濃縮利得とすることができる。
【００７８】
上記で使用されたＮ１＝５００を持つサンプルは、図１９の表中の行Ａとして入力された。行ＢからＥは、増大する要素数および達成された対応して大きくなった総濃縮利得を持つ追加の例を掲げている。しかし、断面において１００×１００マイクロメータの典型的なＭＥＭＳチャネルを介した圧力降下は、図２０の表中に示すように要素の数を増やすに従って急速に増大する。ちょうどＮ１＝５０、ｖ＝１００ｃｍ／秒、および、Ｌ＝０．５ｃｍに対しては、サンプル・ガス中の主成分として空気を使用すると、Δｐ＝２．６ｐｓｉｄを得ることができる。５．３および１０．６ｐｓｉのΔｐの値をそれぞれ示す図２０に計算され、かつ、掲げられている圧力降下およびピーク・パワーのデータを介して示すように、例え各要素がＬ＝０．１ｃｍに短縮されたとしても、Ｎ１＋Ｎ２＝５０５または１０１０個の要素の前濃縮器に対するΔｐは急速に非実用的に大きくなり得る。吸込みポンプを介してサンプルが吸引されるシステムに対しては特に不要であるこの大きな圧力降下を軽減する１つの方法は、２つ以上の等しい、かつ、平行なチャネルにおけるＮ１個の要素を設置することによるものである。ｑ個の平行なチャネルに対して、圧力降下は、ソーキング時間または必要なピーク・パワーを変更せずに、Δｐ／ｇに降下し得る。なぜなら、各チャネルに適切な弁調節が行なわれない限り、Ｎ１個の全ての平行な要素の脱離は必ず同時に発生し、そのため、各要素が順に脱離することができないからである。好ましくは、図１７に示すように、ソーキング時間が２つのポンプ５２１および５２２を使用することにより、弁がなくても、この平行チャネルの方式により短縮できる。
【００７９】
ポンプ５２１および５２２の双方は、ソーキング期間中にサンプル・ガスを吸引することができ、マイクロ型分析器５００を介した流れは、同分析器５００のポンプ５２２のより強い真空のために影響を受けないようにできるが、第１のレベルの前濃縮器５２６が同濃縮器５２６のポンプ５２１を使用して１０から１００倍大きな流速を吸引することを可能にし、したがって、このソーキング期間を１０から１００倍短い時間で完了することができる。ソーキング期間の終了の後、ポンプ５２１を停止することができ、ポンプ５２２に、マイクロ型分析器５００の濃縮器５２３ならびに分離器５２４および５２５の双方を介してサンプル・ガスを吸引させ、かつ、前濃縮器５２６に平行チャネル５２７を追加した。
【００８０】
上流前濃縮器５２６、濃縮器５２３、および、濃縮器６２３は、図３から５に示すように、相互作用可能要素４０、４２、４４、および、４６などを、および、別法として追加の相互作用可能要素１４０、１４２、１４４、１４６などを備えた加熱器要素２０、２２、２４、２６などを含むチャネルを有することができる。制御器５３５および６３５は加熱器要素２０、２２、２４、２６の各々に電気的に接続されている。制御器５３５および６３５は、対応する相互作用可能要素４０、４２、４４、および、４６の各々が加熱状態となり、かつ、１つまたは複数の上流側相互作用可能要素により生成された上流側濃度パルスが相互作用可能要素に到達する時点付近で、流れているサンプル流体５３０および６３０中に選択された成分を脱離するように、時間位相シーケンス（図７の最下段を参照）において加熱器要素２０、２２、２４、および、２６に給電することができる。いかなる数の相互作用可能要素も、納所パルス中の成分ガスの所望の濃度を達成するために使用することができる。
【００８１】
マイクロ型分析器５００の特徴は、１）多レベル多段前濃縮を行なうための手法の他のマイクロ型分析器への組み込み、２）そのような手法を、低圧ポンプに対する目的がフィルタ・パージ速度を単に加速することであった一方、ここで、これを、第１のレベルの前濃縮器ソーキング時間を短縮するための方法として利用することができることを除き、マイクロ型分析器５００におけるように２つのポンプを使用して遂行すること、３）第１のレベルの前濃縮の出力が、多段タイプのものとしてよい第２のレベルの前濃縮器に対するより高い濃度の分析対象物質供給源として簡単に機能できるような方法で、第１のレベルの前濃縮を行なうこと、４）（例えば、ｐｐｔ以下のレベルで存在する分析対象物質に対する）極端な感度を必要とする場合において、第１のレベルの前濃縮の出力が、第２のレベルの前濃縮器に対するより高い濃度の分析対象物質供給源として暫時働くことができ、これは次いで、多段タイプのものとしてよい第３のレベルの前濃縮器に対するより高い濃度の分析対象物質供給源として機能できるような方法で第１のレベルの前濃縮を行なうこと、５）最後の前濃縮器のレベルに対する１００倍高い濃度の分析対象物質飽和供給源として機能するための（もしＧ＝１００が各吸着−脱離段において達成可能な濃度利得であれば、既に開示した多段前濃縮器より約１００倍長い）単に非常に長いチャネルではない第１のレベルの前濃縮器であって、はるかに大きい圧力降下をもたらすことができるが、最終前濃縮レベルの圧力降下よりはるかに小さい圧力降下を達成するための平行になったいくつかのチャネルからなるもの、６）この小さな圧力降下を、ガス／固定相の望ましく小さい体積比を犠牲にせずに、前濃縮チャネル、加熱器、および、吸着剤フィルムを拡幅することにより達成すること、７）この小さな圧力降下を、脱離時間を不当に延長しないが、ガス／固定相の望ましく小さい体積比を低下させて、吸着剤フィルムの厚さを増加させることにより達成すること、および、８）例えば、平行な第１のレベルの前濃縮器を動作させずに、および／または、第２の分離器（第２号μＧＣ）を、もしそのような究極の分離が必要でなければ使用せずに、低感度分析に対する要件を満たすためなどの柔軟な形で、マイクロ型分析器５００構造体を動作させることが可能であることを含むことができる。
【００８２】
第１号ＧＣおよび第２号ＧＣは、マイクロ型分析器のそれぞれ第１および第２の流体またはガス・クロマトグラフを指すことができる。それぞれ第１号および第２号カラムと見なすことができる第１および第２の分離器は、マイクロ型分析器の他の構成部分と共に、それぞれ第１号ＧＣおよび第２号ＧＣの一部とすることができる。
【００８３】
マイクロ型分析器５００の長所は、１）そのような選択性、ピーク容量、および、感度のμＧＣに対する（薄膜に基づく固定フィルム支持体による）非常に短い分析時間、２）選択性または分析速度を損なわずに（非常に高いＰＣレベルによる）最高の可能な感度の達成、および、３）（低圧パージおよびソーキング機能、ならびに、最終前濃縮レベルおよび分離機能のための高圧パージに対する２つの別個のポンプの使用による）最高の可能な感度、選択性、および、分析当たりの低エネルギー能力の同時の達成を含むことができる。
【００８４】
図２１はＧＣ−ＧＣタイプの二次元構造体を有するマイクロ型分析器６００を示す。キャリヤ・ガスとしても機能することができるサンプル・ガスの流れ６３０は粒子フィルタ６２７の入力に進入することができ、２つの平行チャネルを介してポンプ６４０によりポンプ排気することができる。主チャネルにおいて、流体６３０はそれぞれマイクロ型検出器６３１および濃縮器６２３を介して進行することができる。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を介して、約１００ミクロンの内径を有することができる分離器６２４に流れることができる。分離器６２４から、流体６３０は第２の分離器６２５とマイクロ型検出器６３３を介して流れるために分割することができる。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の出力はマイクロ型検出器６３４および細孔６４４を介して進行することができる。マイクロ型検出器６３３からの流体６３０の出力はライン６４３を介してマイクロ型弁６４１を介して進行することができる。ライン６４６を介してポンプ排気されたフィルタ６２７の出力における「Ｔ字型」接続部からの流体６３０の流れは、細孔６４５により制御することができる。制御、マイクロ型制御装置、または、プロセッサ６３５は、分析器６００の適切な動作を達成するために、ポンプ６４０、マイクロ型検出器６３１、６３３、および、６３４、流量センサ６３２、濃縮器６２３、分離器６２４および６２５、ならびに、マイクロ型弁６４１に接続することができる。マイクロ型検出器６３１、６３３、および、６３４の各々は、ＴＣＤ、ＭＤＤ、ＰＩＤ、ＥＣＤ、または、他の種類の検出器とすることができる。分析器６００は示す検出器より多い、または、少ない検出器を有することができる。分析器６００は、追加の弁および他の構成部分も有することができる。他の実施形態において、マイクロ型弁６４１は排除することができ、そのため、制御されていないポンプおよび臨界細孔流量調節のみが残る。
【００８５】
主チャネルは本明細書に開示されており、第２のμＧＣを具体化している第２のチャネルは、現れつつあり、比較的幅広い（第１号μＧＣのピークの半値幅）第２号μＧＣの総「自由」溶出時間ｔ０を「サンプル採取」している。
【００８６】
マイクロ型流体分析器の集積構造体内に構築された２つ以上の分離フィルム材料を含む微量流体分析器を介して分離できないものは、拡張された伝統的なＧＣ−ＧＣ構造を使用してここに実現することができる。比較的緩慢に移動する第１のＧＣは、この第１のＧＣの終端における検出器により起動される時間に、または、需要のいずれかに基づいた、パルスを印加された第２のＧＣにより２０から１００ミリ秒ごとに分析されることができる１０から３０ミリ秒の半値幅を持つピークを発生することができる。第２のＧＣは、自身の第１の加熱器要素の（約１ｍｓ）急速な加熱および冷却を介して取入口ピークを付加的に絞り込むことができ、そのため、同ＧＣの電子的に、または、マイクロ型弁により制御された注入ピークは１ミリ秒を超えない半値幅を有する。
【００８７】
第１号実施形態である図２１の分析器６００において、第１号μＧＣは能動的マイクロ型弁６４１により制御することができる一方、バイパスおよび第２号カラムを介した流れは、６３４および６４５などの固定細孔により制御、すなわち、設定することができる。第２号実施形態において、マイクロ型弁６４１は追加の固定細孔流量制御器により置き換えることができる。
【００８８】
第３号実施形態において、第１号μＧＣの流体６３０の流量の全ては第２号μＧＣに流入することができ、この流量は（高いが制御されない速度の）ポンプ６４０の前の１つの固定細孔６４７により制御することができ、かつ、必要であれば、他の固定細孔／制約器６４８の後で第２号カラムの断面への遷移の時点で自動的に加速される。図２２を参照。
【００８９】
図２３は流体６３０のより良好なポンプ排気のために２つのポンプ６２１および６２２を有するマイクロ型分析器６２０を示す。流量センサ６３２に隣接するものは約１４０ミクロンの内径を有する分離器６５１とすることができる。分離器からの流れ６３０はそれぞれマイクロ型検出器６５２、および、細孔６５３を介して進行することができる。細孔６５３から、流体６３０は約７０ミクロンの内径を有する分離器６５４を介して進行することができる。分離器６５４から、流体６３０はそれぞれマイクロ型検出器、細孔６５６、および、ライン６５７を介してポンプ６２２に進行することができる。任意に、それぞれ分析器５００、６１０、および、６２０の分離器５２５、６２５、および、６５４に接続されたマイクロ型バルブ５６１、６６１があってもよい。
【００９０】
全ての場合において、サンプル採取されている幅広いピークは、固定相フィルム材料および第１号カラムの厚さで好ましくは作られた、第２号μＧＣカラムにおける短い第１の吸着要素の支援を得て、短い対象絞込み期間を介して、かつ、それの後に第２号μＧＣに「注入」することができる。第２号μＧＣカラムのその後の急速な加熱および脱離は、その分析対象物質を第２号μＧＣに注入するために使用することができ、第２号μＧＣは、第２号μＧＣの最大分解能のためのより大きな最適速度に近づくために、より狭いカラム、より大きな速度、および、より薄い吸着フィルムを特徴とする。より大きな速度は、第２号カラム全体を通じた大きな圧力降下を介して、または、第２号カラムの上記の第１号要素の終端と第２号カラムの残り部分の間、もしくは、第１号と第２号のカラム間の交差点における（図２１には示さない）固定細穴を介してのいずれかで、このカラムにおけるより低い圧力によっても実施することができる。
【００９１】
動作中、対象絞込み工程は固定された時間間隔で、または、第１号カラム検出器がピークを感知した時のみのいずれかで繰り返すことができる。したがって、このような対象絞込み動作は、典型的に２×Δｔピーク半値幅、例えば２×２０ミリ秒となる（図２４の表１を参照）の期間にわたり第２号カラムの第１の要素の温度の鋭い急落と共に開始することができる。このような濃縮期間ｔｃの後、吸着された分析対象物質は急速に放出され、約２ミリ秒のピーク半値幅をもたらす。図２４に掲げた例示的データの他の特徴は、第３号実施形態に対しては等しくなる必要があるとできる第１号および第２号カラムにおけるサンプル・ガスの流速Ｖ、濃縮時間ｔｃ＝ｔ０（第２号）＝２Δｔ（第１号）を含み、サンプル・ガスの速度ｖはｋ＝（ｔＲ−ｔ０）／ｔ０の時に０≦ｋ≦５の中間範囲に対して分解能Ｒ＝ｔＲ／Δｔを最大化するための最適速度に近い必要があるとすることができ、ならびに、第２号カラムの第１の要素（または、第１号カラムの最後の要素）からの脱離のための時間約Δｔ／２は局所流速にも対応可能とする必要があるとすることができ、それにより、１／ｖ≦Δｔ（第２号）≦２  １／ｖとなる。
【００９２】
偽陽性の確率は低下される。なぜなら、特にもしμＤがＭＤＤ、μＥＣＤ、μＦＤ（マイクロ型蛍光検出器）などの多チャネル検出器であれば、独立した測定値（すなわち、分解可能なピーク、または、総ピーク容量）の数がμＧＣ−μＧＣ−μＤでははるかに大きくなってもよいためである。もし第１号μＧＣの総ピーク容量が５０までであれば、第２号μＧＣの同容量は３０までであり、ＭＤＤの同容量は１０までであり、独立した測定値の総数は５０×３０×１０＝１５，０００とすることができる。
【００９３】
マイクロ型分析器６００、６１０、および／または、６２０の特徴は、１）追加の検出器のさらなる集積と、可能により重要に、ＰＣ、第１号ＧＣおよび第２号ＧＣのフィルム、ならびに、マイクロ型検出器μＤに対する材料の最適混合および相乗効果の利用という選択肢を備え、そのため、μＤが感じ易い干渉が保持されず、かつ／または、前濃縮されないが、目標分析対象物質が前濃縮され、かつ、十分に分離される、１つのチップ上での多段前濃縮器（ＰＣ）−μＧＣ−μＧＣ−検出器の集積、２）分離器（Ｓ）に対する前濃縮器（ＰＣ）として機能するための全加熱器アレイ要素の数または一部のユーザによる選択、および／または、（様々な前濃縮器要素からの全ての材料の脱離に対するものとして）どの前濃縮器材料から選択および脱離されたかの化合物のタイプのユーザによる選択を例えば備えた、本マイクロ型分析器の１つまたは双方のμＧＣの知的かつ柔軟な動作、３）項目１）の設計の（パーム・トップから１インチ（２．５４ｃｍ）立方タイプまで）のコンパクトさ、３秒間分析、ｐｐｂ以下の感度、柔軟性、知的さ、集積構造、低電力、無弁電子注入、および、全体的な低費用の特徴を保持する本段落の項目１）の設計、４）本段落の項目１）および３）の設計であって、それにより、示す、かつ、能動的な図２１のマイクロ型弁６４１が排除され、そのため、制御されていないポンプおよび臨界細孔のみが流量調節のために残ることができる設計、５）本段落の項目１から４に従った設計であって、それにより、第１号および第２号μＧＣを介した質量流速は等しくすることができるが、これらのカラム（および、第１号カラムの終端における固定された圧力降下細孔またはノズル）は、（約ｔ０から２ｔ０の時間内に）適切に完了された分析が、第１号カラムから溶出したピークの半値幅の時間内に第２号カラムにより行なわれることを可能にするために、流速を第１号カラムのレベルの３から１０倍だけ上昇させるように構成（音響ノズルを介してポンプ速度を制御するためのＩＤ、ポンプ能力、および、他の固定細孔）することができ、かつ、ゴレーの式に対する値を最適に満たす吸着剤フィルムの調整済みの厚さを特徴とすることができる設計、６）（同じ、または、好ましくは半分の大きさまでの）適する要素および２Δｔの時間内での第１号カラムから完全なピーク（図２４を参照、Δｔ＝２０ミリ秒）を「対象絞込み」することによるマイクロ型分析器６００、６１０、および／または、６１０の動作の達成であって、それにより、そのピークが１から２ミリ秒である時間Δｔ２内に脱離および洗い流しすることができる動作の達成、７）２つの作業の最大質量流量、ポンプ排気時間、および、圧力の要件の全てを満足しなければならないとすることができる１つのポンプをむしろ使用して、特定の流速および吸込み圧力でポンプ排気するために各々が設計されている図２３の２つのポンプ６２１および６２２の使用、８）２つの分離機能、すなわち、（分光学的関数、例えば分析対象物質をそれらの物質の光吸収、質量、沸点などの特性に基づき分離するための関数を介した）選択性、および、非選択的だが非常に高感度な検出器を介した選択性をマイクロ型分析器に内蔵することに好ましくはよって、独立した測定値の数を増加することができるに従い低下する偽陽性の確率を低減するための多くのタイプの集積された検出器の集積および使用を含むことができる。
【００９４】
マイクロ型分析器の第３号実施形態の長所は、１）異なる吸着剤フィルム材料の余分のマスクおよび堆積のための費用のぎりぎりの上昇に対してより高い分解能、したがって、より完全な分析を可能にするためのμＧＣ−μＧＣの組み合わせ、２）「加熱器波」の伝播の電子的に制御された速度の小さな調整を介した能動弁の排除および適切な同期の管理に基づいた費用削減、３）加熱器速度の電子的な調整を介した、流量センサに対して従来必要であった較正精度の低減による（流量はこの流量センサの支援を得て近似的に測定および調整することができるが、最適同期は本段落の第２項に説明されているように遂行することができる）さらなる費用の削減、４）（同じ費用で）必要とされるより２０から８０％高いポンプ能力を使用するが、ポンプ速度の制御に関わる制御の設計およびデバグの努力を節約することによる費用およびメンテナンスのさらなる削減（余剰能力は固定細孔により制限された流量を介して単に制御することができる）、５）各々が自身の課題に対して設計された図２３におけるような２つのポンプ６２１および６２２の使用は、最大の流速、ポンプ排気時間、および、圧力の要件の全てを満たさなければならない１つのポンプを使用することより効率的であり、かつ、追加の細孔の費用および設計努力を節約できる、および、６）要素ＰＣ−μＧＣ−μＧＣ−μＤ３．．．μＤｍのｍ個の連鎖からなるシステムにおける各ｎ１の寄与は、偽陽性の確率Ｐｆｐを最小に抑えることに役立てることができ、ここで、
１／Ｐｆｐ＝［１−ｅｘｐ｛−（ＲＳＮ−１）／４｝］（ｎ１，ｎ２，．．．ｎｍ）０，８（Ｙ＋１）、
かつ、ＲＳＮ＝信号／雑音比、ｎ１、ｎ２、ｎ３、．．．ｎｍ、＝独立した測定または排除の基準の数（例えば、選択的ＰＣ要素を介した濾過工程、第１号μＧＣおよび第２号μＧＣを介した分光学的分解能要素、または、いくつかの異なったμＤｊの各々を介した測定チャネル）、および、Ｙ＝１／Ｐ、すなわち、特定の偽陽性が、一旦登録されれば、冗長なセンサを介してそれとして確認することができる確率の逆数が測定を反復し、センサ・グリッド中の近隣のセンサおよび／または通常は高い相互感度の干渉の出現の発生、を含むことができる。
【００９５】
本発明は少なくとも１つの例示的実施形態に関して説明されたが、本明細書を読むと、当業者には多くの改変および修正が明らかにある。したがって、全てのそのような改変および修正を含むために、冒頭の特許請求の範囲は従来技術に鑑みて可能な限り広く解釈されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】センサ・システムを示す図である。
【図２】マイクロ型ガス装置の詳細を示す図である。
【図３】例示的位相加熱器機構のレイアウトを示す図である。
【図４】直線状チャネル上の加熱器要素の長さ方向断面図である。
【図５】直線状チャネル上の二連フィルム加熱器要素の長さ方向断面図である。
【図６ａ】二連フィルム加熱器要素の断面端面図である。
【図６ｂ】単一フィルム加熱器要素の断面端面図である。
【図６ｃ】単一フィルム加熱器要素の断面端面図である。
【図７】加熱器温度のプロファイルを、センサ装置の各加熱器要素において生成された対応する濃度パルスと共に示すグラフである。
【図８】分析対象物質の濃度に対する各段ごとの増強を示すためにいくつの加熱器要素を示すグラフである。
【図９】１００％の濃度レベルに到達している濃度パルスを示すグラフである。
【図１０】様々な元素に対する検出限界および選択性を示す表である。
【図１１】多重元素試験用混合物のクロマトグラフを示す図である。
【図１２】１つの気体に対する相対強度、放電対圧力のグラフである。
【図１３】気体検出のための光源および検出器（ＭＤＤ）の組のアレイの断面図である。
【図１４】ＭＤＤとＳｉフォト・ダイオードの間のスペクトル応答の比較のグラフである。
【図１５】センサ、濃縮器、および、分離器を含む位相加熱器アレイ構造についての集積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の部分のための論理加熱要素の選択の図である。
【図１７】マイクロ型分析器を示す図である。
【図１８】濃度レベルを高めるタイミングを示すグラフである。
【図１９】分析対象物質質量をフィルム長ｘ濃度で示す表である。
【図２０】断面において１００×１００マイクロメータの典型的なＭＥＭＳチャネルを介した圧力降下を示す表である。
【図２１】ＧＣ−ＧＣタイプの二次元構造体を有するマイクロ型分析器を示す図である。
【図２２】別のマイクロ型分析器を示す図である。
【図２３】さらにまた別のマイクロ型分析器を示す図である。
【図２４】位相構造に基づいたμＧＣ−ＧＣシステムの設計を示す表である。
【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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【国際調査報告】
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