(57)【要約】基板と、基板の片面に配列し選択的加熱および選択的冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子とを備え、各熱電素子が、熱電材料と、熱電材料に接触し電流の流れの下で温接点および冷接点の少なくとも一方を形成するペルチェ接触子と、熱電材料およびペルチェ接触子を通して電流を供給するように構成された電極とを含む、熱電加熱冷却装置。したがって、この熱電加熱冷却装置では、熱電素子に選択的にバイアスがかけられて、熱電装置の片面にグリッド状の局部的温接点および冷接点が設けられる。
2004534386.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
基板の片面に配列し、選択的加熱および選択的冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子とを備え、
各熱電素子が、
熱電材料と、
熱電材料に接触し、電流の流れの下で温接点および冷接点の少なくとも一方を形成するように構成されたペルチェ接触子と、
熱電材料およびペルチェ接触子を通して電流を供給するように構成された電極とを備える、熱電加熱冷却装置。
【請求項２】
熱電材料が、
n型熱電材料と、
p型熱電材料とを備え、n型熱電材料のペルチェ接触子とは反対側の面およびp型熱電材料のペルチェ接触子とは反対側の面と電極が接触するように、ペルチェ接触子がn型熱電材料とp型熱電材料を短縮している(abridging)、請求項1に記載の装置。
【請求項３】
各熱電素子の電極の、前記冷接点を形成する第1の方向および前記温接点を形成する第2の方向の少なくとも1方向に選択的にバイアスをかけるように構成されたコントローラをさらに備える、請求項2に記載の装置。
【請求項４】
前記複数の熱電素子に接触している表面ヘッダであって、前記表面ヘッダの厚さ方向の横方向熱伝導率が表面ヘッダの面に沿った方向の側方向熱伝導率よりも高い表面ヘッダをさらに備える、請求項3に記載の装置。
【請求項５】
表面ヘッダが、低熱伝導性マトリクス中にある高熱伝導性材料を含み、表面ヘッダの高熱伝導性材料が熱電素子と並ぶようにアレイグリッド上にパターン形成された、請求項4に記載の装置。
【請求項６】
n型熱電材料とp型熱電材料の両方が厚さ10m未満の薄膜熱電層を含む、請求項2に記載の装置。
【請求項７】
n型熱電材料とp型熱電材料の両方が高ZT熱電材料を含む、請求項2に記載の装置。
【請求項８】
ZT熱電材料が超格子構造薄膜材料を含む、請求項7に記載の装置。
【請求項９】
超格子構造薄膜材料が、Bi2Te3系超格子材料、Si/Ge超格子材料およびPbTe系超格子材料の少なくとも1つを含めた高ZT熱電材料を含む、請求項8に記載の装置。
【請求項１０】
薄膜熱電材料が、超小型電子技術によってパターン形成された薄膜熱電材料を含む、請求項1に記載の装置。
【請求項１１】
熱電素子に熱的に接触し、生体材料を受けとるように構成されたパッチのアレイを含むレセプタクルをさらに備える、請求項1に記載の装置。
【請求項１２】
レセプタクルのパッチが熱電素子と並んだ、請求項11に記載の装置。
【請求項１３】
パッチが1〜500mの寸法を有するようにリソグラフィ技術によってパターン形成された、請求項12に記載の装置。
【請求項１４】
生体材料がゲノミクス解析用DNA材料を含む、請求項11に記載の装置。
【請求項１５】
生体材料がプロテオミクス解析用タンパク質を含む、請求項11に記載の装置。
【請求項１６】
熱電素子が生体材料の加熱および冷却の少なくとも一方を実施するように構成された、請求項11に記載の装置。
【請求項１７】
パッチが一本鎖DNAを生体材料として受けとるように構成され、熱電対が多型コンホメーションのために一本鎖DNAの温度を制御するように構成された、請求項16に記載の装置。
【請求項１８】
熱電素子が、DNA二重らせん材料の加熱および冷却の少なくとも一方を行って一本鎖DNA材料を形成するように構成された、請求項16に記載の装置。
【請求項１９】
熱電素子が、局部的熱-遺伝子スイッチを備えて、DNAケミストリー、DNA-RNAケミストリー、タンパク質合成、優性遺伝子と劣性遺伝子の相互転換(cross conversion)および抗体製造の少なくとも1つのスイッチを入れるように構成された、請求項16に記載の装置。
【請求項２０】
パッチが一本鎖DNAをDNA材料として受けとるように構成され、熱電対が多型コンホメーションのために一本鎖DNAの温度を制御するように構成された、請求項16に記載の装置。
【請求項２１】
熱電素子が1.0ms未満の熱応答時間を有するように構成された、請求項16に記載の装置。
【請求項２２】
熱電素子が、DNA材料、タンパク質およびタンパク質関連DNAの少なくとも1つを含む生体材料に熱ショックを与えるように構成された、請求項21に記載の装置。
【請求項２３】
コントローラが、選択した熱電素子をスポット帯電させるために、選択した熱電素子にオフセット電圧をかけるように構成された、請求項11に記載の装置。
【請求項２４】
熱電素子が生体材料の加熱および冷却の少なくとも一方を実施するように構成された、請求項23に記載の装置。
【請求項２５】
熱電素子が1.0ms未満の熱応答時間を有するように構成された、請求項24に記載の装置。
【請求項２６】
熱電素子が、DNA材料、タンパク質およびタンパク質関連DNAの少なくとも1つを含めた生体材料に熱ショックを与えるように構成された、請求項25に記載の装置。
【請求項２７】
熱電素子が局部的熱-遺伝子スイッチを備えて、DNAケミストリー、DNA-RNAケミストリー、タンパク質合成、優性遺伝子と劣性遺伝子の相互転換および抗体製造の少なくとも1つのスイッチを入れるように構成された、請求項24に記載の装置。
【請求項２８】
パッチが一本鎖DNAをDNA材料として受けとるように構成され、各熱電対が多型コンホメーションのために一本鎖DNAの温度を制御するように構成された、請求項24に記載の装置。
【請求項２９】
熱電素子に熱的に接触した顕微手術ツールであって、顕微手術ツールに接触している生体組織の温度を制御するように構成された顕微手術ツールをさらに備える、請求項1に記載の装置。
【請求項３０】
複数の熱電素子と熱接触し、温度変化によって光媒体の屈折率を変えるように構成された熱光移相器をさらに備える、請求項1に記載の装置。
【請求項３１】
熱電素子が熱光移相器を加熱するように構成された、請求項30に記載の装置。
【請求項３２】
熱電素子が熱光移相器を冷却するように構成された、請求項30に記載の装置。
【請求項３３】
熱電素子が熱光移相器の温度を循環するように構成された、請求項30に記載の装置。
【請求項３４】
熱電素子が1.0ms未満の熱応答時間を有するように構成された、請求項33に記載の装置。
【請求項３５】
熱光移相器が、シリカガラスよりも大きな熱光学係数を有するフッ素化ポリマーを含む、請求項30に記載の装置。
【請求項３６】
複数の熱電素子に熱的に接続された少なくとも1つのレーザであって、少なくとも1つのレーザの発振周波数を制御するために熱電素子の温度変化によって変わるバンドギャップを規定する半導体材料を有する少なくとも1つのレーザをさらに備える、請求項1に記載の装置。
【請求項３７】
熱電素子が少なくとも1つのレーザを加熱するように構成された、請求項36に記載の装置。
【請求項３８】
熱電素子が少なくとも1つのレーザを冷却するように構成された、請求項36に記載の装置。
【請求項３９】
熱電素子が少なくとも1つのレーザの温度を循環するように構成された、請求項36に記載の装置。
【請求項４０】
熱電素子が1.0ms未満の熱応答時間を有するように構成された、請求項39に記載の装置。
【請求項４１】
レーザが垂直共振器表面発光レーザである、請求項36に記載の装置。
【請求項４２】
レーザが分布帰還レーザである、請求項36に記載の装置。
【請求項４３】
複数の熱電素子と熱接触している少なくとも1つの電子部品を含む一体型モジュールであって、一体型モジュールの少なくとも1つの電子部品の温度を制御するように構成された一体型モジュールをさらに備える、請求項1に記載の装置。
【請求項４４】
熱電素子が少なくとも1つの電子部品を選択的に加熱するように構成された、請求項43に記載の装置。
【請求項４５】
熱電素子が少なくとも1つの電子部品を選択的に冷却するように構成された、請求項43に記載の装置。
【請求項４６】
熱電素子が少なくとも1つの電子部品の温度を選択的に維持するように構成された、請求項43に記載の装置。
【請求項４７】
一体型モジュールがエレクトロニクスモジュールを含む、請求項43に記載の装置。
【請求項４８】
少なくとも1つの電子部品が、ダイオード、コンデンサ、インダクタ、フィルタネットワーク、メモリチップおよびCPUチップの少なくとも1つを含む、請求項47に記載の装置。
【請求項４９】
一体型モジュールが光電子モジュールを含む、請求項43に記載の装置。
【請求項５０】
光電子モジュールが、バイアス回路、レーザドライバ、モニタダイオード、VCSELアレイ、発信用光コネクタ、受信用光コネクタ、光検出器、プリアンプ回路およびポストアンプ回路の少なくとも1つを備える、請求項49に記載の装置。
【請求項５１】
一体型モジュールが赤外イメージングアレイを備える、請求項43に記載の装置。
【請求項５２】
複数の熱電素子に熱接触している光スイッチを含むスイッチング光ネットワークであって、スイッチング光ネットワーク中の光スイッチの温度を制御するように構成されたスイッチング光ネットワークをさらに備える、請求項1に記載の装置。
【請求項５３】
光スイッチがエレクトロホログラフィ光スイッチを含む、請求項52に記載の装置。
【請求項５４】
エレクトロホログラフィ光スイッチがニオブタンタル酸カリウムリチウム結晶を含む、請求項52に記載の装置。
【請求項５５】
光スイッチが熱キャピラリースイッチを含む、請求項52に記載の装置。
【請求項５６】
光スイッチがバブルジェット（登録商標）スイッチを含む、請求項55に記載の装置。
【請求項５７】
複数の熱電素子に熱接触しているマイクロストリップ遅延線路を含むセルラ通信ネットワークであって、セルラ通信ネットワーク中のマイクロストリップ遅延線路の温度を制御するように構成されたセルラ通信ネットワークをさらに備える、請求項1に記載の装置。
【請求項５８】
生体材料をアレイ上に自己集合させる方法であって、
アレイの少なくとも一部を横切って生体材料をデポジットすること、
アレイ上の選択した部位を冷却して第1の生体材料セットを選択部位上に付着させること、および
選択部位を加熱して、選択部位に架橋していない生体材料を引き離すことを含む方法。
【請求項５９】
加熱ステップと冷却ステップとの間に、付着した生体材料をUV光に曝して選択部位への架橋を促進することをさらに含む、請求項58に記載の方法。
【請求項６０】
冷却および加熱の各ステップが、
基板の片面に配列し、選択加熱および選択冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子を備える熱電冷却器を用いて選択部位の温度を制御することを含む、請求項58に記載の方法。
【請求項６１】
制御のステップが、
各熱電素子の電極の、冷接点を形成する第1の方向および温接点を形成する第2の方向の少なくとも1方向に選択的にバイアスをかけることをさらに含む、請求項60に記載の方法。
【請求項６２】
冷却のステップが、
少なくとも第1のDNA鎖セットおよび第1のタンパク質セットを生体材料として付着させることのステップを含む、請求項58に記載の方法。
【請求項６３】
冷却のステップが、
電荷結合およびイオン結合の少なくとも1つを利用して生体材料を付着させることを含む、請求項58に記載の方法。
【請求項６４】
付着のステップが、
冷却のステップの前に、アレイ上にリシンを供給すること、および
UV光暴露によって生体材料をリシンに架橋させることをさらに含む、請求項63に記載の方法。
【請求項６５】
選択した素子にバイアスをかけて選択した部位に生体材料をプールすることをさらに含む、請求項58に記載の方法。
【請求項６６】
DNAのハイブリッドを形成する方法であって、
DNAアレイの少なくとも一部に第1のDNA鎖セットをデポジットすること、
DNAアレイ上の選択部位を冷却して第1のDNA鎖セットを選択部位上に付着させること、
選択部位を加熱して、付着したDNA鎖を解き、また、選択部位に架橋していないDNA鎖を引き離すこと、および
付着したDNA鎖を第2のDNA鎖セットとハイブリッド形成させることを含む方法。
【請求項６７】
加熱ステップと冷却ステップとの間に、付着したDNA鎖をUV光に曝して選択部位への架橋を促進することをさらに含む、請求項66に記載の方法。
【請求項６８】
加熱および冷却の各ステップが、
基板の片面に配列し、選択加熱および選択冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子を備える熱電冷却器を用いて選択部位の温度を制御することを含む、請求項66に記載の方法。
【請求項６９】
各熱電素子の電極の、冷接点を形成する第1の方向および温接点を形成する第2の方向の少なくとも1方向に選択的にバイアスをかけることをさらに含む、請求項68に記載の方法。
【請求項７０】
冷却のステップが、
電荷結合およびイオン結合の少なくとも1つを利用して第1のDNA鎖セットを付着させることを含む、請求項66に記載の方法。
【請求項７１】
付着のステップが、
冷却のステップの前に、アレイ上にリシンを供給すること、およびUV光暴露によって第1のDNA鎖セットをリシンに架橋させることをさらに含む、請求項70に記載の方法。
【請求項７２】
選択部位のDNAに選択した素子のバイアスをかけることをさらに含む、請求項66に記載の方法。
【請求項７３】
アレイ上への生体材料の電気泳動中に温度を制御するための方法であって、
アレイの少なくとも一部に生体材料を横切って電気泳動によってデポジットすること、
電気泳動中にアレイ上の選択部位を冷却して第1の生体材料セットを選択部位上に付着させること、および
選択部位を加熱して、選択部位に架橋していない生体材料を引き離すことを含む方法。
【請求項７４】
加熱ステップと冷却ステップとの間に、付着した生体材料をUV光に曝して選択部位への架橋を促進することをさらに含む、請求項73に記載の方法。
【請求項７５】
冷却および加熱の各ステップが、
基板の片面に配列し、選択加熱および選択冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子を備える熱電冷却器を用いて選択部位の温度を冷却することを含む、請求項73に記載の方法。
【請求項７６】
制御のステップが、
各熱電素子の電極に、冷接点を形成する第1の方向および温接点を形成する第2の方向の少なくとも1方向に選択的にバイアスをかけることをさらに含む、請求項75に記載の方法。
【請求項７７】
冷却のステップが、
少なくとも第1のDNA鎖セットおよび第1のタンパク質セットを生体材料として付着させるステップを含む、請求項73に記載の方法。
【請求項７８】
冷却のステップが、
電荷結合およびイオン結合の少なくとも一方を利用して生体材料を付着させることを含む、請求項73に記載の方法。
【請求項７９】
付着のステップが、
冷却のステップの前に、アレイ上にリシンを供給すること、および
UV光暴露によって生体材料をリシンに架橋させることをさらに含む、請求項78に記載の方法。
【請求項８０】
選択した素子にバイアスをかけて選択した部位に生体材料をプールすることをさらに含む、請求項73に記載の方法。
【請求項８１】
光導波路スイッチング素子の選択部位の温度を制御すること、および
光導波路スイッチング素子の屈折率を変化させることによって、光導波路スイッチング素子における光の方向を光学的に変えることを含む光導波路スイッチング方法。
【請求項８２】
温度を制御するステップが、
基板の片面に配列し、選択加熱および選択冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子を備える熱電冷却器を用いて温度を制御することを含む、請求項81に記載の方法。
【請求項８３】
制御のステップが、
各熱電素子の電極に、冷接点を形成する第1の方向および温接点を形成する第2の方向の少なくとも1方向に選択的にバイアスをかけることをさらに含む、請求項82に記載の方法。
【請求項８４】
レーザ周波数を制御するための方法であって、
半導体レイジング材料の温度を制御して、半導体レイジング材料のバンドギャップを変化させることによってレーザ周波数を変えることを含む方法。
【請求項８５】
温度を制御するステップが、
基板の片面に配列し、選択加熱および選択冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子を備える熱電冷却器を用いて温度を制御することを含む、請求項84に記載の方法。
【請求項８６】
制御のステップが、
各熱電素子の電極に、冷接点を形成する第1の方向および温接点を形成する第2の方向の少なくとも1方向に選択的にバイアスをかけることをさらに含む、請求項85に記載の方法。
【請求項８７】
赤外イメージを作製するための方法であって、
熱電素子のアレイを用意すること、および
熱電素子のアレイ上の選択部位の温度を制御することを含む方法。
【請求項８８】
温度を制御するステップが、
基板の片面に配列し、選択加熱および選択冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の前記熱電素子を制御することを含む、請求項87に記載の方法。
【請求項８９】
制御のステップが、
各熱電素子の電極に、冷接点を形成する第1の方向および温接点を形成する第2の方向の少なくとも1方向に選択的にバイアスをかけることをさらに含む、請求項88に記載の方法。
【請求項９０】
光ネットワークにおけるスイッチング方法であって、
光ネットワークの選択部位の温度を制御すること、および
光ネットワークの熱キャピラリースイッチおよびバブルジェット（登録商標）スイッチの少なくとも1つの温度を変化させることによって、光ネットワークにおける光の方向を光学的に変えることを含む方法。
【請求項９１】
温度を制御するステップが、
基板の片面に配列し、選択加熱および選択冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子を備える熱電冷却器を用いて温度を制御することを含む、請求項90に記載の方法。
【請求項９２】
制御のステップが、
各熱電素子の電極に、冷接点を形成する第1の方向および温接点を形成する第2の方向の少なくとも1方向に選択的にバイアスをかけることをさらに含む、請求項91に記載の方法。
【請求項９３】
セルラ通信を改善するための方法であって、
マイクロストリップ遅延線路に熱的に接続された熱電素子のアレイを用意すること、および
セルラ通信システム内のマイクロストリップ遅延線路の温度を制御することを含む方法。
【請求項９４】
温度を制御するステップが、
基板の片面に配列し、選択加熱および選択冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子を備える熱電冷却器を用いて温度を制御することを含む、請求項93に記載の方法。
【請求項９５】
制御のステップが、
各熱電素子の電極に、冷接点を形成する第1の方向および温接点を形成する第2の方向の少なくとも1方向に選択的にバイアスをかけることをさらに含む、請求項94に記載の方法。
【請求項９６】
顕微手術装置の温度を制御するための方法であって、
顕微手術装置に熱的に接続された熱電素子のアレイを用意すること、および
顕微手術装置の温度を空間的に制御することを含む方法。
【請求項９７】
温度を制御するステップが、
基板の片面に配列し、選択加熱および選択冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子を備える熱電冷却器を用いて温度を制御することを含む、請求項96に記載の方法。
【請求項９８】
制御のステップが、
各熱電素子の電極に、冷接点を形成する第1の方向および温接点を形成する第2の方向の少なくとも1方向に選択的にバイアスをかけることをさらに含む、請求項97に記載の方法。
【請求項９９】
アレイ上に生体材料を自己集合させるためのシステムであって、
アレイの少なくとも一部を横切って生体材料をデポジットするように構成されたデポジット装置と、
アレイ上の選択部位を冷却して第1の生体材料セットを選択部位上に付着させるための手段と、
選択部位を加熱して、選択部位に架橋していない生体材料を引き離すための手段とを備えるシステム。
【請求項１００】
冷却手段および加熱手段が、
アレイの選択加熱および選択冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子を備える熱電冷却器と、
熱電冷却器を用いて選択部位の温度を制御するように構成された制御装置とを備える、請求項99に記載のシステム。
【請求項１０１】
DNA材料のハイブリッドを形成するシステムであって、
DNAアレイの少なくとも一部を横切って第1のDNA鎖セットをデポジットするように構成されたデポジット装置と、
DNAアレイ上の選択部位を冷却して第1のDNA鎖セットを選択部位上に付着させるための手段と、
選択部位を加熱して、付着したDNA鎖をほどき、また、選択部位に架橋していないDNA鎖を引き離すための手段と、
付着したDNA鎖を第2のDNA鎖セットとハイブリッド形成させるための手段とを備えるシステム。
【請求項１０２】
冷却手段および加熱手段が、
アレイの選択加熱および選択冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子を備える熱電冷却器と、
熱電冷却器を用いて選択部位の温度を制御するように構成された制御装置とを備える、請求項100に記載のシステム。
【請求項１０３】
アレイ上での生体材料の電気泳動中に温度を制御するためのシステムであって、
アレイの少なくとも一部を横切って生体材料を電気泳動によってデポジットするように構成されたデポジット装置と、
電気泳動中にアレイ上の選択部位を冷却して第1の生体材料セットを選択部位上に付着させるための手段と、
選択部位を加熱して、選択部位に架橋していない生体材料を引き離すための手段とを備えるシステム。
【請求項１０４】
冷却手段および加熱手段が、
アレイの選択加熱および選択冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子を備える熱電冷却器と、
熱電冷却器を用いて選択部位の温度を制御するように構成された制御装置とを備える、請求項103に記載のシステム。
【請求項１０５】
加熱手段が生体材料に熱ショックを与えるように構成された、請求項103に記載のシステム。
【請求項１０６】
光導波路スイッチング素子の選択部位の温度を制御するように構成された制御装置と、
光導波路スイッチング素子の少なくとも一部の屈折率を変化させることによって光導波路スイッチング素子における光の方向を光学的に変えるように構成されたスイッチング装置とを備える光導波路スイッチング用システム。
【請求項１０７】
制御装置が、
選択部位に熱的に接触し、スイッチング装置の選択加熱および選択冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子を含む熱電冷却器を備える、請求項106に記載のシステム。
【請求項１０８】
レーザ周波数を制御するためのシステムであって、
半導体レイジング材料の温度を制御して、半導体レイジング材料のバンドギャップを変化させることによってレーザ周波数を変えるように構成された制御装置を備えるシステム。
【請求項１０９】
制御装置が、
半導体レイジング材料に熱的に接触し、半導体レイジング材料の選択加熱および選択冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子を含む熱電冷却器を備える、請求項108に記載のシステム。
【請求項１１０】
赤外イメージを作製するためのシステムであって、
熱電素子のアレイと、
熱電素子のアレイ上の選択部位の温度を制御するように構成された制御装置とを備えるシステム。
【請求項１１１】
制御装置が、
選択部位に熱的に接触し、アレイ片面の選択加熱および選択冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子を含む熱電冷却器を備える、請求項110に記載のシステム。
【請求項１１２】
光ネットワークにおけるスイッチング用システムであって、
光ネットワークの選択部位の温度を制御するように構成された制御装置と、
光ネットワークの熱キャピラリースイッチおよびバブルジェット（登録商標）スイッチの少なくとも1つの温度を変化させることによって光ネットワークにおける光の方向を光学的に変えるように構成された少なくとも1つのスイッチング装置とを備えるシステム。
【請求項１１３】
制御装置が、
少なくとも1つのスイッチング装置に熱的に接触し、少なくとも1つのスイッチング装置の選択加熱および選択冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子を含む熱電冷却器を備える、請求項112に記載のシステム。
【請求項１１４】
セルラ通信を改善するためのシステムであって、
セルラ通信システム内の少なくとも1つのマイクロストリップ遅延線路の温度を制御するように構成された制御装置を備えるシステム。
【請求項１１５】
セルラ通信システムがスペクトル拡散方式である、請求項114に記載のシステム。
【請求項１１６】
制御装置が、
少なくとも1つのマイクロストリップ遅延線路に熱的に接触し、少なくとも1つのマイクロストリップ遅延線路の選択加熱および選択冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子を含む熱電冷却器を備える、請求項114に記載のシステム。
【請求項１１７】
顕微手術装置の温度を制御するためのシステムであって、
顕微手術装置に熱的に接続された熱電素子のアレイと、
顕微手術装置の温度を空間的に制御するように構成された制御装置とを備えるシステム。
【請求項１１８】
制御装置が、
顕微手術装置に熱的に接触し、顕微手術装置の片面の選択加熱および選択冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子を含む熱電冷却器を備える、請求項117に記載のシステム。
【請求項１１９】
基板と、
基板の片面に配列し、選択的加熱および選択的冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子とを備え、
各熱電素子が、
熱電材料と、
熱電材料に接触し、電流の流れの下で温接点および冷接点の少なくとも一方を形成するように構成されたペルチェ接触子と、
熱電材料およびペルチェ接触子を通して電流を供給するように構成された電極と、
熱電素子を試料に熱的に接続するように構成されたカンチレバーとを含む、熱電装置。
【請求項１２０】
カンチレバーが前記試料の細胞の様々な部分をスポット冷却およびスポット加熱するように構成された、請求項119に記載の装置。
【請求項１２１】
カンチレバーが0.1〜2000W/cm2の熱流束を伝えるように構成された、請求項119に記載の装置。
【請求項１２２】
カンチレバーが1N/m未満のばね定数を有する材料を含む、請求項119に記載の装置。
【請求項１２３】
カンチレバーが0.75W/cm-Kよりも大きな熱伝導率を有する熱伝導性の高い材料を含む、請求項119に記載の装置。
【請求項１２４】
カンチレバーが、表面放射率が0.3未満である材料を含む、請求項119に記載の装置。
【請求項１２５】
カンチレバーが、3.0g/cm3未満の密度を有する低密度材料を含む、請求項119に記載の装置。
【請求項１２６】
複数の熱電素子を通して電流を供給して、熱電素子に供給される外部熱負荷の電圧をカンチレバーが検出できるように構成された電流供給器をさらに備える、請求項119に記載の装置。
【請求項１２７】
電流供給器が無機試料からの電圧を検出できるように構成された、請求項126に記載の装置。
【請求項１２８】
電流供給器が有機試料からの電圧を検出できるように構成された、請求項126に記載の装置。
【請求項１２９】
熱電素子が有機試料中の化学反応で放出されるピコジュールの桁の熱量を検出するように構成された、請求項128に記載の装置。
【請求項１３０】
熱電素子が有機試料中の化学反応で放出されるフェムトジュールの桁の熱量を検出するように構成された、請求項128に記載の装置。
【請求項１３１】
熱電材料が、
n型熱電材料と、
p型熱電材料とを含み、n型熱電材料のペルチェ接触子とは反対側の面およびp型熱電材料のペルチェ接触子とは反対側の面と電極が接触するように、ペルチェ接触子がn型熱電材料とp型熱電材料を短縮している、請求項119に記載の装置。
【請求項１３２】
各熱電素子の電極の、前記冷接点を形成する第1の方向および前記温接点を形成する第2の方向の少なくとも1方向に選択的にバイアスをかけるように構成されたコントローラをさらに備える、請求項131に記載の装置。
【請求項１３３】
前記複数の熱電素子に接触している表面ヘッダであって、前記表面ヘッダの厚さ方向の横方向熱伝導率が表面ヘッダの面に沿った方向の側方向熱伝導率よりも高い表面ヘッダをさらに備える、請求項131に記載の装置。
【請求項１３４】
表面ヘッダが、低熱伝導性マトリクス中にある高熱伝導性材料を含み、表面ヘッダの高熱伝導性材料が熱電素子と並ぶようにアレイグリッド上にパターン形成された、請求項133に記載の装置。
【請求項１３５】
n型熱電材料とp型熱電材料の両方が厚さ10μm未満の薄膜熱電層を含む、請求項131に記載の装置。
【請求項１３６】
n型熱電材料とp型熱電材料の両方が高ZT熱電材料を含む、請求項131に記載の装置。
【請求項１３７】
n型熱電材料およびp型熱電材料が200uV/Kより大きなゼーベック係数を有する材料を含む、請求項131に記載の装置。
【請求項１３８】
ZT熱電材料が超格子構造薄膜材料を含む、請求項136に記載の装置。
【請求項１３９】
超格子構造薄膜材料が、Bi2Te3系超格子材料、Si/Ge超格子材料およびPbTe系超格子材料の少なくとも1つを含めた高ZT熱電材料を含む、請求項138に記載の装置。
【請求項１４０】
薄膜熱電材料が超小型電子技術によってパターン形成された薄膜熱電材料を含む、請求項119に記載の装置。
【請求項１４１】
カンチレバーが、ナノメートルの範囲の寸法を有する先端部を含む、請求項119に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、DNAゲノムチップおよびプロテオームチップ、熱光スイッチング(thermo-optical switching)回路および赤外線タグから、エレクトロホログラフィ光スイッチング(electro-holographic optical switching)、熱キャピラリーおよびバブルジェット（登録商標）光スイッチング、セルラ通信におけるパケット交換用マイクロストリップ遅延線路、ならびに顕微手術および生体組織分析のプローブ用温度制御の各異方性ヒートスプレッダに至る広範な用途向けの薄膜熱電加熱冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
本願は、2001年4月9日に出願した米国特許仮出願第60/282,185号「Thin-film Thermoelectric Cooling and Heating Devices for DNA Genomic and Protemic Chips、Thermo-optical Switching Circuits、and IR Tags」の35 U.S.C. §119に基づく優先権を主張するものであり、その内容全体を参照により本明細書に援用する。本願は、米国特許第6,071,351号、1997年3月31日に出願した米国特許出願第09/381,963号「Thin-film Thermoelectric Device and Fabrication Method of Same」、2000年3月に出願した米国特許仮出願第60/190,924号「Cascade Thermoelectric Cooler」、および2000年11月29日に出願した米国特許出願第60/253,743号「Spontaneous Emission Enhanced Heat Transport Method and Structure for Cooling、Sensing、and Power Generation」に開示した内容に関係する内容を含むものであり、これらの内容全体を参照により本明細書に援用する。
【０００３】
固体熱電装置によって、電子部品、光電子部品およびセンサの性能を向上させることができる。現在、バルク(厚さ約1mm)のp-BixSb2-XTe3およびn-Bi2Te3-xSex合金材料を基にした熱電装置が各種冷却用途に用いられている。図1Aは、ペルチェ接触子2cでの冷却に適切なバイアス電圧を有する2つの熱電材料2a、2bからなるバルク装置の概略図である。図1Bは、適切な逆バイアス電圧により、同じ装置がペルチェ接触子での加熱に使用できることを示している。バルク装置によって、熱電装置の上面全体にわたる冷却面または加熱面が提供される。これまでは(各素子の)サイズが大きく超小型電子技術タイプのプロセスが存在しなかったので、バルク熱電装置は、隣接域を加熱または冷却することなく局部領域を選択的に加熱または冷却するようには作られていなかった。したがって、選択的な加熱や冷却を必要とする用途に熱電装置は使用されなかった。
【特許文献１】
米国特許仮出願第60/282,185号「Thin-film Thermoelectric Cooling and Heating Devices for DNA Genomic and Protemic Chips, Thermo-optical Switching Circuits, and IR Tags」
【特許文献２】
米国特許第6,071,351号
【特許文献３】
米国特許出願第09/381,963号「Thin-film Thermoelectric Device and Fabrication Method of Same」
【特許文献４】
米国特許仮出願第60/190,924号「Cascade Thermoelectric Cooler」
【特許文献５】
米国特許出願第60/253,743号「Spontaneous Emission Enhanced Heat Transport Method and Structure for Cooling, Sensing, and Power Generation」
【特許文献６】
米国特許第6,154,266号
【非特許文献１】
「Proteomics in Genomeland」、Science、291巻、5507号、1221〜1224頁
【非特許文献２】
「Making Chips」、IEEE Spectrum、2001年3月、54〜60頁
【特許文献７】
米国特許第5,865,975号
【特許文献８】
米国特許第6,180,351号
【特許文献９】
米国特許第5,874,219号
【非特許文献３】
FitchおよびSokhansanj、Proc. of IEEE、2000年12月
【非特許文献４】
J.P. FitchおよびB. Sokhansanj、Proc. of IEEE、第88巻、第12号、1949〜1971頁、2000年
【非特許文献５】
http://faculty.virginia.edu/landers/project.htm
【特許文献１０】
米国特許第5,869,242号
【特許文献１１】
米国特許第6,084,050号
【特許文献１２】
米国特許第6,154,479号
【特許文献１３】
米国特許第6,072,925号
【特許文献１４】
米国特許第6,062,681号
【非特許文献６】
R. Hofmeister等、Physical Review Letters、69巻、1459〜1462頁(1992)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の一目的は、バルク装置の数百msに代わり数十μsの応答時間で冷却または加熱可能な薄膜熱電装置を提供することである。本発明の別の目的は、バルク熱電装置のmm2の面積に比べ、数十〜百μm2の極めて小さな面積を局部的に加熱または冷却することである。
【０００５】
したがって、本発明の一目的は、薄膜熱電装置のパターンおよび印加した電気的バイアスによって画定される局部でのスポット冷却およびスポット加熱を可能にすることである。
【０００６】
本発明の別の目的は、熱電装置の同一面でのスポット加熱および/またはスポット冷却を可能にすることである。
【０００７】
本発明のさらに別の目的は、選択した表面部品に対する迅速な加熱または冷却を可能にすることである。
【０００８】
本発明の別の目的は、ゲノムおよびプロテオームの各用途に対してDNA材料をマイクロアレイ形式に自己集合させることができる薄膜熱電装置を提供することである。
【０００９】
本発明の別の目的は、例えばDNA-RNA、RNA-RNA、DNA-RNA、タンパク質-DNA、タンパク質-RNA、タンパク質-リガンド、酵素-基質などのDNA間、DNAとRNA間、タンパク質分子間、酵素と反応物間、または一般に2つ以上の分子間などアレイ形式の分子間で、反応速度を温度制御することによって反応ケミストリーを制御することである。
【００１０】
本発明のさらに別の目的は、光ネットワーク内の光スイッチを熱光部品を介して制御することができる熱電装置を提供することである。
【００１１】
本発明の別の目的は、レーザ材料における温度由来のバンドギャップ変化によってレーザの発振周波数を制御できる熱電装置を提供することである。
【００１２】
本発明のさらに別の目的は、スポット冷却/加熱を行って認識タグ(identity tag)用の赤外線イメージを作製することができる熱電装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のこれらの目的およびその他の目的は、基板と、基板の片面に配列し選択的加熱および選択的冷却の少なくとも一方を実施するように構成された複数の熱電素子(thermoelectric element)とを備え、各熱電素子が熱電材料と、熱電材料に接触し電流の流れの下で温接点および冷接点の少なくとも一方を形成するペルチェ接触子と、熱電材料およびペルチェ接触子を通して電流を供給するように構成された電極とを備える、熱電加熱冷却装置を提供することによって達成される。したがって、この熱電加熱冷却装置では、個々の熱電素子それぞれに選択的にバイアスがかけられて、熱電装置の片面にグリッド状の局部的温接点および冷接点が設けられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面を参照する。ここで、いくつかの図面を通して、同一符号は同一部分または相当部分を示す。より具体的に図2Aを参照すると、図2Aは、本発明の熱電装置の冷却により作製された、赤外線影像で示す「ONR」および「DARPA」の形をしたスポット冷却イメージを示す図である。このような冷却においては、超小型電子技術のリソグラフィを用いて、基板表面全面に微細な熱電対(thermoelement)パターンが任意に形成される。図2Bの第2の図に、本発明の熱電装置のスポット加熱により作製した赤外線イメージを示す。薄膜熱電対を用いてスポット冷却やスポット加熱を得ることは、極めて低い抵抗率の比接触抵抗によって可能になり、薄膜熱電対を用いて得ることができる(接触抵抗の効果および材料の効果を含めた)比較的高い装置性能指数(300KでZT＞0.1)がもたらされる。熱電対に印加するバイアス電圧を反転させることによって、図2Bの加熱スポットイメージにより示されるようにスポットを加熱することができる。図2Aおよび図2Bに示す結果に基づき、図3および図4に示す装置モジュールは、表面局部スポットを冷却することも加熱することも随意にできる。
【００１５】
図3は、局部冷却または加熱用の一体型スポット冷却器の概略図である。図3では、数個の薄膜熱電素子が平行に配置され、これらの素子を流れる電流の方向しだいで特定の区域が加熱されまたは冷却される。図3に示すように、本発明の熱電加熱冷却装置は、基板1と、基板1上に配置された複数の熱電素子2を備える。各熱電素子2は、n型熱電材料2a、n型熱電材料2aに隣接して配置されるp型熱電材料2b、n型熱電材料2aをp型熱電材料2bに接続するペルチェ接触子2cを有する。電極3は、n型熱電材料2aのペルチェ接触子2cとは反対側の面、およびp型熱電材料2bのペルチェ接触子2cとは反対側の面の両方と接触している。熱電素子2の選択した方の熱電素子を通る電流に適切なバイアスをかけることによって、ペルチェ接触子2cは温接点7にも冷接点8にもなる。さらに、本発明の熱電加熱冷却装置は、電極に接続されて各熱電素子の電極の適切な方向に選択的にバイアスをかけて冷接点を形成し、または反対方向にバイアスをかけて温接点を形成するように構成されたコントローラを備える。図3に示すように、各熱電素子2は基板1上にパターン形成されている。このパターンの多くはグリッドパターンであるが、本発明の熱電加熱冷却装置が特定の用途に整合するように設計したその他多数のパターンも可能である。
【００１６】
本発明によれば、熱電素子の各々に配線グリッドを個別に連結することが可能であり、冷却用に適したバイアス、または加熱用の逆バイアスを印加するために各熱電素子にコントローラがアクセスすることが可能になる。本発明によれば、全熱電素子の片面を共通のアースに接続することができる。同様のグリッド配線接続および制御は、米国特許第6,154,266号に記載の液晶ディスプレイグリッドにも利用されており、その内容全体を参照により本明細書に援用する。ただし、別法として、同時に印加する電圧の極性が一般に同じように接続されるあらかじめ指定したセット(例えば、縦列と横列)でグリッドを接続または区分けすることもでき、これによってコントローラがあらかじめ指定したセットをブロックアドレス指定することが可能になる。
【００１７】
図3とは異なり、本発明の一実施形態では、加熱または冷却を行うためにただ1個の熱電素子しか必要にならない。この実施形態では、選択したタイプの熱電材料(すなわち、n型かp型)をペルチェ接触子2cと共に使用する。電極、熱電材料、ペルチェ接触子2cおよび次の電極を通って第1の方向に流れる電流により、ペルチェ接触子2cが温接点になる。第1の方向とは逆の第2の方向に流れる電流により、ペルチェ接触子2cに冷接点がもたらされる。実際、図2Aおよび図2Bに示すスポット冷却されたイメージは、電極、熱電材料、ペルチェ接触子2cおよび次の電極を流れる電流を利用して作製された。
【００１８】
図4は、低熱伝導率材料で作製した表面ヘッダ10のスポット冷却とスポット加熱を組み合わせた図である。表面ヘッダと対になるオーバレイチップ12も図4に示す。本発明の熱電装置の同一面上でスポット冷却とスポット加熱の両方が可能であることから、薄膜熱電装置を温度依存型のプロセス制御に適用する際の自由度が広がる。一部の用途においては、冷却または加熱スポットのパターンを維持するために、熱源ヘッダに断熱材(AlNのような高熱伝導性材料ではなく、例えば、ガラスや水晶などの低熱伝導性材料)を使用する必要がない。
【００１９】
本発明の一実施形態によれば、熱伝導率が表面ヘッダに垂直な方向(すなわち、冷却または加熱する必要がある点から装置のペルチェ接触子領域に至る熱流方向)で優れており、一方、表面ヘッダ面内の横方向(すなわち、表面ヘッダを横切る方向)の熱伝導性が低い異方性ヒートスプレッダである表面ヘッダ10に、本発明の薄膜熱電装置を熱的に連結する。この実施形態において、異方性ヒートスプレッダは、多結晶マトリクス中の高熱伝導性材料(例えば、配向結晶)または低熱伝導性マトリクス(例えば、ガラス)中の高熱伝導性ロッド(例えば、シリコンロッドまたは銅ロッド)からなる複合材料を含む。本発明によれば、この複合材料によって、表面ヘッダ10の面に垂直な方向に高い熱伝導性が付与され、表面ヘッダ10の面に平行な方向に低い熱伝導性が付与され、これによって本発明の薄膜熱電装置のスポット冷却/加熱特性が維持される。また、本発明によれば、異方性ヒートスプレッダは、エーロゲルマトリクス中のグラファイトや金属繊維など他の形態のヒートスプレッダを利用して、ヘッダ面内の低い熱伝導性に対しヘッダ面に垂直な方向に高い熱伝導性を達成することができる。
【００２０】
本発明の1〜10μmの薄膜熱電装置の一利点は、スポット冷却および/またはスポット加熱が極めて速いことにある。図5に、冷却を引き起こす電流をこれらの装置に流した後の、5μm厚の熱電装置の時間応答と、代表的な最新技術のバルク(1mm厚)素子の時間応答を示す。図5に示すように、本発明の薄膜熱電装置は15μs以内に応答し、一方、バルク熱電装置は0.40s以内に応答する。したがって、本発明の薄膜熱電装置がおよそ数マイクロ秒のオーダーの時定数を有しているのに対し、バルク熱電装置の時定数は数百ミリ秒である。この時定数の差は、熱電対が薄いほど熱応答時間(τr)が有意に短くなるということに直接起因する。τr値は、近似的に式(1)によって与えられる。
τr = 4L2/2D      (1)
上式で、Lは熱電装置の厚さであり、Dは温度拡散率である。したがって、本発明の薄膜熱電装置は、応答時間が短く表面温度の急激な変化が可能であり、したがってそのような表面温度変化に関連する化学的、物理的、機械的または光学的現象が迅速に制御される。バルク熱電装置のLはバルクで500〜2000ミクロンの範囲にあり、一方Dは0.01〜0.03cm2/sの範囲にある。これに対し、薄膜装置のLは1〜10ミクロンの範囲にあり、Bi2Te3超格子薄膜材料のDは0.001〜0.003cm2/s、Si/Ge薄膜材料のDは0.01〜0.05cm2/sの範囲にある。より高速の冷却/加熱用途にはより高いDが必要とされ、また冷却には適度なZTが必要とされる。温度のふれが小さい場合には、低いZTで十分である。したがって、本発明によれば、例えばInSbおよびその合金、PbTeおよびその合金などのより高いDを有する材料を用いることによって、加熱冷却をより高速にすることができる。
【００２１】
また、熱電装置の性能は、装置を作製するのに使用する熱電材料の性能指数(ZT)に依存する。本発明の加熱冷却は、高性能高ZTのBi2Te3系超格子構造薄膜材料を利用して、米国特許出願第09/381,963号に記載のような高い性能レベルを得ることができる。この特許の内容を参照により本明細書に援用する。別法として、非超格子構造熱電材料を本発明に使用することも可能である。一般に、本発明は、バルクまたは薄膜熱電装置のいかなる特定のデザイン、材料、または製造プロセスにも限定されない。
【００２２】
小面積/短応答時間の薄膜熱電装置における上記成果を利用することができる具体的な用途としては、DNAアレイの作製、ゲノム配列決定用DNA電気泳動、DNA機能ゲノミクス、DNAプロテオミクスなどの用途が挙げられるが、これらだけに限定されるものではない。ゲノミクスおよびプロテオミクスの研究は、「Proteomics in Genomeland」、Science、291巻、5507号、1221〜1224頁に記載されており、その内容全体を参照により本明細書に援用する。さらに、本発明の薄膜熱電装置は、高速光通信用電熱光スイッチングおよびその他の選択的冷却を受ける光電子工学用途にも使用できる。また、本発明の熱電冷却装置は、軍人、軍用システム、さらには商用システムの認識票としても使用可能である。本発明のスポット冷却またはスポット加熱を利用した認識票は、赤外線映像装置を用いて走査することができる。
【００２３】
従来の電気泳動用、ゲノミクス用またはプロテオミクス用DNAチップ(またはマイクロアレイ)の作製はガラスシリコン基板から始まる。この基板上に、数千個のプローブと称する一本鎖DNAのパッチが固定されまたは集められている。各パッチの横方向の寸法はわずか数十μmである。超小型電子技術のフォトリソグラフィ技術は、最高密度のプローブを得るには最良の技術である。従来の生産規模のマイクロアレイでは、20ミクロンサイズのパッチで400,000個のプローブを有することができる。従来のマイクロアレイ作製手順は、「Making Chips」、IEEE Spectrum、2001年3月、54〜60頁に記載されており、その内容全体を参照により本明細書に援用する。
【００２４】
マイクロアレイ構造物上でのDNA解析の第1の工程は、温度または生化学的方法を用いて階段の横木に沿ってDNAを解離(unzip)させることにより、撚り合さったDNA鎖を分離することである。DNAは、らせん階段を形成する2本の鎖が互いに重なったヌクレオチドからなる。らせん階段は、糖-リンの支持骨格を有する。階段の横木は塩基である。アデニンはチミンと対合し、グアニンはシトシンと対合する。
【００２５】
本発明によれば、DNA分子の解離した一本鎖の形成は、図6Aに示すように、スポット冷却/加熱電熱チップを用いて行われる。本発明のスポット冷却/加熱電熱チップにおいては、パッチは、リソグラフィによってレセプタクルアレイにパターン形成され、1〜500mの寸法である。図6A〜Dに、選択的電熱スポット温度制御により一本鎖のDNAを形成する工程の概略を示す。鋳型11は、DNAアレイを置くべき表面ヘッダ10に取り付けられる。DNA二重らせんは、一般に「温」点で解離する。しかし、ある種のDNA分子では、その分子の化学的性質により「冷」点で選択的に解離することがある。本発明の電熱チップのスポット冷却/加熱によって、図6Bに示すように、DNAが所定の温度まで加熱または冷却されてDNA鎖が解離する。「温」または「冷」のそれぞれの位置においてDNA鎖が解離した後、本発明の電熱チップは、電荷制御によって(DNA分子自体が帯電しているということを利用して)、電熱チップ表面上の所定の区域にDNAを付着させることができる。あるいは、選択的冷却を利用して、一本鎖DNAの特定部位への吸着を促進することができる。したがって、本発明の電熱チップによって、一本鎖の生成および所定の位置での選択的吸着がもたらされる。本発明によれば、これらの工程の後には、図6Cに示すように、隣接位置における別のDNA分子の付着および一本鎖の生成が続く。図6Dにおいて、所望の全部位での様々なDNA分子の選択的吸着プロセスが完了する。したがって、自己集合の後、DNAアレイは、例えば、質量スペクトル分析、NMR試験、X線解析などの分析によるキャラクタリゼーションに使用可能となる。
【００２６】
20ミクロンサイズのパッチで100,000から百万個に達するDNAマイクロアレイを、一般に、図7Aに示すように、ロボットデポジットによってガラスまたはシリコン基板上にデポジットすることができる。しかし、ロボットデポジットは時間がかかり、コストもかさむ。従来のロボットデポジット技術は、米国特許第5,865,975号に記載されており、その内容全体を参照により本明細書に援用する。本発明によれば、代わりに図7Bに示すような電熱冷却/加熱チップを用いて、選択したDNAまたはタンパク質をスポット温度制御により自己集合させる。図7Bは、本発明の電熱チップを用いた選択的温度制御によって得られる、DNA断片またはタンパク質分子の自己集合の概略図である。したがって、所定のゲノム用DNAアレイまたはプロテオーム研究用タンパク質アレイが、本発明の電熱ゲノムチップまたはプロテオームチップ上に生体材料をデポジットするときの生体材料の自己集合特性によって迅速に作製される。
【００２７】
また、本発明の薄膜熱電装置の空間的な制御温度を、既存のDNAアレイ作製方法で利用することができる。現在、DNAアレイはインクジェット式印刷またはインサイチュでの作製のいずれかによって作製されている。インクジェット式印刷方法は、米国特許第6,180,351号に記載されており、その内容全体を参照により本明細書に援用する。インクジェット式印刷方法では、一連のDNAの多数のコピーを含有する液滴を基板上にデポジットする。本発明の薄膜熱電装置によって、迅速な冷却/加熱と組み合わされた空間的温度制御が可能になり、DNA鎖の付着または吸着が促進される。さらに、米国特許第5,874,219号に記載されているようなフォトリソグラフィ法によるDNA配列のインサイチュ作製を、本発明の薄膜熱電装置上のスポット温度制御域でのDNAの選択的付着で置き換えることができる。上記特許の内容全体を参照により本明細書に援用する。例えば、(図7aに示すような)一度に1個のヌクレオチドをデポジットする従来のインサイチュDNA配列作製を、空間的制御温度のグリッド上での熱活性化または冷却促進吸着で置き換えることができる。したがって、本発明の自己集合法によれば、従来のフォトリソグラフィ法において必要とされるUV光へのDNAの暴露が回避される。UV照射は、DNAに意図しない化学的改変を引き起こす可能性がある。また、スポット光化学を本発明のスポット熱化学で置き換えることは、従来のフォトリソグラフィDNAアレイ法で使用するキャッピング用薬品を適用したときに起こり得る化学的改変を受けることなく、DNAがもとのまま保存されるという別の利点がある。
【００２８】
スポット温度制御に加え、本発明の他の実施形態においては、スポット温度制御をスポット電場と組み合わせることも可能である。例えば、本発明によれば、電気的に活性な(-1.3〜22.0ボルト)パッドのアレイによって、個々の部位へのDNAのプーリングを制御することができる。帯電部位へのDNAプーリングによって、DNAのハイブリッド形成反応は1000倍も加速される。ハイブリッド形成とは、遺伝的に異なる種に属する別個の遺伝子種が対合することである。例えば、相補的RNA鎖とDNA鎖は、対合して遺伝的に異なる起源からの「新しい」二本鎖を形成するRNA-DNAハイブリッドを形成することができる。図9Aは、各々二重らせんを含むDNA鎖、二本鎖の分離、およびハイブリッド形成しようとする新しいDNA鎖の導入を示す概略図である。図9Bは本発明の電熱チップの概略図であり、ゲノミクスおよびプロテオミクス研究に利用される空間的温度制御を示す。本発明においては、弱くハイブリッド形成している対を冷却して、ハイブリッド形成前早期に二本の鎖が解離するのを抑制することによって、新しい対合の形成を助けることができる。また、過度の温度はハイブリッド形成している対を解くことになり、遺伝子操作プロセスが失敗に終わる。
【００２９】
したがって、本発明の薄膜熱電装置によって導かれるような、選択的吸着、一本鎖生成およびハイブリッド形成のプロセスは、選択部位の温度を下げて、選択部位の鋳型上にすでに存在するリシンに第1のDNA鎖セットが電荷結合またはイオン結合するのを促進し、電荷結合またはイオン結合したDNA鎖をUV光に曝してリシンとDNA鎖を架橋し、選択部位を加熱して第1のDNA鎖セットの鎖を解き、それによって一本鎖がもはや付着しないようにし、第2のDNA鎖セットを導入し、この第2のDNA鎖セットを第1のセットの付着した一本鎖DNAとハイブリッド形成させることによって達成される。
【００３０】
また、本発明は、DNA細胞系の化学動力学的プロセスを調べて、温度だけでなく、他の物理的および化学的パラメータにも影響される反応速度を観察することができるツールを提供する。現在、ゲノムデータは、配列、構造といった静的なものである。DNAマイクロチップおよびアレイで反応動力学を測定する酵素学実験形式の動的な情報は、貴重な情報となろう。従来のDNAマイクロアレイで研究された反応動力学から、空間的温度制御によるより短い化学反応時間の研究によってより良い理解がもたらされ、最終的にDNA反応動力学の操作および制御が可能になるであろうことが示唆される。遺伝子工学技術者は、実験の繰り返しを減らしてDNA構造をより良く理解する必要があり、一方、機能ゲノミクスに意図的な変化を導入したときに迅速に分析する必要がある。DNA構造を制御することは、新しい作物、医薬品および遺伝子治療(genetic treatments)を安全に操作する速度と能力に大いに影響するはずである。本発明によれば、熱電素子は、DNAケミストリー、DNA-RNAケミストリー、タンパク質合成、優性遺伝子から劣性遺伝子へまたは劣性遺伝子から優性遺伝子への酵素により促進される遺伝子変換、および医用抗体製造にスイッチをいれる(すなわち、温度により活性化する)局部的熱-遺伝子(thermo-genetic)スイッチとして働くことができる。
【００３１】
また、DNAマイクロアレイからのデータを解釈することが主要な難題として出現した。アレイは、分子遺伝情報を大量に並行して提供する技術である。データを切り捨てる生物統計学およびバイオインフォマティクスは、アレイサンプリングの全体の目的を損なうものである。通常、このようなアレイのデータは、遺伝子の発現とその機能との論理的関連性を見出すことによって解釈される。生物学的および化学的プロセスは温度によって制御されるので、本発明によって可能となるマイクロアレイの温度制御は、コントロールレバーとして働くはずである。温度を上げて反応を促進し、温度を下げて反応を遅延することになる。データ解釈、特に機能的関連性の発見を促進するために、統計的管理可能域の迅速な温度制御(Statistically Manageable Areal Rapid Temperature-control)DNAアレイすなわちSMART DNAアレイを、本発明の熱電装置を用いて開発することができる。
【００３２】
本発明のスポット冷却/加熱法の利点には、(1)自己集合を助ける空間的温度制御薄膜熱電装置を用いたDNAマイクロアレイの高速インクジェット印刷、(2)DNAアレイを形成する空間的温度制御薄膜熱電装置を用いた熱化学によるフォトリソグラフィベースのDNAマイクロアレイの置換または増強、(3)DNA配列決定のための迅速な熱サイクル、(4)DNA鎖中に並んだ塩基対を決定するためのハイスループットプロセス用DNA配列決定などがある。
【００３３】
本発明の別の実施形態は、図8に示すような、空間的制御温度の電熱電気泳動チップである。理解しやすいように、図8には数個の冷却スポットおよび加熱スポットのみを示してある。しかし、この電気泳動チップには多数の電気泳動アレイスポットが存在する。本発明のスポットサイズは5μm×5μm〜1000μm×1000μmの範囲にあり、その結果スポット密度は1cm2あたり100〜百万スポット以上になる。本発明の電熱電気泳動チップは、DNAの電気泳動中に発生する温スポットを冷却する。例えば、電気泳動中に発生する熱は30〜100W/cm2近くに達し得る。このような大きな熱流束は、超小型電子技術によって加工された薄膜熱電装置(例えば、米国特許出願第09/381,963号参照)を用いて容易に除去することができる。また、電気泳動においては、制御された20μm×20μmパッチ、または他の類似形状物内の個々の冷却能力または加熱能力によって、DNA電気泳動を理解し、改変し、制御するためのツールが提供される。さらに、電荷制御を増強して、あらかじめ帯電させた部位における選択的吸着を可能にすることができる。
【００３４】
DNA鎖サイズを決定するためにDNA配列決定を行う最適な方法は、DNAの各塩基に特異的な蛍光標識を利用する4色蛍光電気泳動法である。このような分析においては、蛍光標識の付いていない余剰DNA、それ自体の上に折り畳まれた一本鎖DNAなどいくつかのノイズ源がある。これらのノイズ源は、ローディング前の試料の精製、ゲルおよび緩衝液の化学的性質の操作、ならびに温度の最適化によって減少し、これらいずれによっても分解能は高くなる。空間的制御温度の電熱電気泳動チップによって、これらの問題のいくつかを解決することが可能であり、DNA配列決定がより迅速になりその信頼性が高くなる。例えば、温度が最適以下であると、DNAの一本鎖の折り畳みによって、電気泳動図が変化し得ることが知られている。したがって、本発明の空間的制御温度の電熱電気泳動チップの使用によって、1プロセス工程における最適な温度範囲を得ることができ、DNA配列決定がより迅速になる。
【００３５】
本発明の別の実施形態は、生体材料自己集合用の空間的制御温度の電熱電気泳動チップである。現在、DNAマイクロアレイまたはバイオロジカルチップは以下のように作製される。ポリメラーゼ連鎖反応または生化学合成によって、DNAの鎖を分離する。フォトリソグラフィ技術を用いて、ガラス、プラスチックまたはシリコン基板をDNA鎖レセプタクルアレイに加工する。電気泳動による結合、ロボットデポジットまたは微小液滴スプレーを用いて遺伝物質を基板に付着させる。本発明により、レセプタクルアレイが、スポット冷却/加熱薄膜熱電モジュールに熱的に結合して、本発明の電熱チップが実現される。DNA鎖は、図6および図7に示すスポット温度制御方法によって自己集合することができる。電熱チップ中のスポット冷却/加熱薄膜熱電モジュールはレセプタクルからレセプタクルへと再利用可能である。したがって、本発明の電熱チップによって、DNAアレイの迅速な自己集合が可能になり、ロボットまたはフォトリソグラフィによるDNA導入技術の使用が回避されてDNAチップ作製コストが低減される。本発明の電熱チップは、最近のマイクロアレイのDNAパッチにおけるように、20μm×20μmスポットなど極めて小さな面積を冷却または加熱する。したがって、20μm×20μmパッチまたは他の類似形状物の各々は、個別に制御された方法で冷却または加熱すると、DNAゲノミクスを理解し、改変し、制御するためのツールになるものである。
【００３６】
タンパク質は、細胞核中の染色体のDNA塩基配列によって指定される順序に集合したアミノ酸の鎖である。RNA分子は、核から、メッセージRNAの3つの塩基セット(コドン)と個々のアミノ酸に結合している転移RNAの相補的コドンとを対応させてタンパク質を構築するリボゾームに、メッセージを伝える。この規則正しい配列によって、細胞中での遺伝子の「発現」とタンパク質の「活性」が関連づけられる。しかし、図10に示すように、この関係は多重のフィードバックループを伴い、非常に複雑である。
【００３７】
いくつかの複雑なヒト遺伝子は、調節とフィードバックによる改変の結果として、数百の様々なタンパク質を産生することができる。図10に示す非ゲノム(フィードバック)相互作用のハイスループット研究を行うためにツールが必要である。ゲノミクスの場合と異なり、多数のタンパク質の濃度を同時に測定するためのマイクロアレイはない。現在、様々なタンパク質を分離する唯一の方法は、質量によるものである。これは、異なるアミノ酸配列が異なる質量に対応するからである。本発明は、FitchおよびSokhansanj、Proc. of IEEE、2000年12月に開示されている、DNA配列決定に用いられる電気泳動に類似した2-Dゲル電気泳動を利用する。この文献の内容全体を参照により本明細書に援用する。1つの軸に沿って電場を印加して、試料中の特定のタンパク質の濃度を示す2-Dスポットを得る。本発明の電熱チップを利用した2次元アレイにおけるスポット冷却またはスポット加熱は、プロテオームチップの研究に新たな手法を提供するものである。また、電場の変化を温度変化と組み合わせて、実条件のシミュレーションにおけるタンパク質形成を操作することができる。
【００３８】
例えば、電熱チップの温度変化を遺伝子スイッチとして用いて、遺伝子のタンパク質合成手順における遺伝子経路を制御または調節することが可能である。電熱チップにおける短応答時間/小面積制御により、有用なタンパク質を秩序立って産生するための制御システムが提供される。したがって、本発明の電熱チップがもたらす、電場制御と組み合わされた短応答時間/小面積制御により、遺伝子の発現によってタンパク質を合成する安定な調節経路が実行される。また、本発明の電熱チップを利用したマイクロアレイにおける熱ショックタンパク質(および関連DNA)の合成、キャラクタリゼーションおよび操作は、温度を迅速に変化させる能力によって可能となる。ヒト毒物学に通常関係する総数約1367の遺伝子のうち、熱ショックタンパク質固有のものとして分類されている遺伝子は約23ある。
【００３９】
空間的温度制御電熱チップを用いた温度選択を利用して、mRNAの産生、mRNAの輸送、mRNAのタンパク質への翻訳を制御することができ、これらいずれの制御によっても、新しい作物、医薬品および遺伝子治療における新たな用途が可能となる。例えば、RNAポリメラーゼとDNAの結合を制御する反応速度定数を温度によって制御することができ、その結果リプレッサーの作用に打ち勝って、新たなタンパク質(酵素)を産生することができる。同様に、温度を制御することによって瞬間的に多量のmRNAを生成させてタンパク質を産生することもできる。
【００４０】
したがって、本発明の別の実施形態は、プロテオーム研究用の空間的制御温度の電熱チップである。先に記載したように、本発明の電熱チップは、最近のマイクロアレイのDNAタンパク質パッチにおけるように、20μm×20μmスポットなどの極めて小さな面積を冷却または加熱する。したがって、20μm×20μmパッチまたは他の類似形状物の各々は、個別に制御された方法で冷却または加熱されれば、プロテオミクスを理解し、改変し、制御するためのツールになるはずである。
【００４１】
DNAマイクロアレイにおいて、DNA解析、DNA増幅、タンパク質合成およびDNAケミストリーに対して温度制御が及ぼす影響についてはまだ研究されていない。その主な理由は好適なチップ技術がなかったからである。DNA解析、DNA増幅ならびに全般的なDNAおよびタンパク質のケミストリーに温度が非常に重要であることを示唆する研究がいくつかある。例えば、Yersinia pestisのDNA研究では、Yersinia pestisの毒性作用機序は37℃で活性化される。J.P. FitchおよびB. Sokhansanj、Proc. of IEEE、第88巻、第12号、1949〜1971頁、2000年(この内容全体を参照により本明細書に援用する)は、一部のYersinia pestis遺伝子が25℃でよりも37℃で多く発現し、他のYersinia pestis遺伝子が37℃でよりも25℃で多く発現することを示した。温度制御の研究は、本発明の空間的温度制御電熱チップを利用して1工程で達成可能である。IR照射による微小体積の迅速な加熱が、ポリメラーゼ連鎖反応(PCR)におけるDNA増幅に利用されており、例えば、IR媒介PCR(IR-Mediated PCR) http://faculty.virginia.edu/landers/project.htmを参照されたい。この内容全体を参照により本明細書に援用する。IR媒介加熱も酵素アッセイにおいて研究されている。
【００４２】
したがって、本発明の別の実施形態においては、本発明の電熱PCRチップを利用して、DNA試料を局部的に加熱または冷却する。この電熱PCRチップは、体積加熱技術、例えば、IR照射加熱に依拠する技術よりもより局部的に温度を制御することができる。本発明の一実施形態では、電熱PCRチップによって、光化学が局部的熱化学で置き換えられる。
【００４３】
先に記載したように、一部のYersinia pestis遺伝子は25℃でよりも37℃で多く発現し、他のYersinia pestis遺伝子は37℃でよりも25℃で多く発現する。遺伝子は、1つの特異なタンパク質を産生する部位として作用するときに発現され、毒性などの生物活性を生じる。DNAマイクロアレイは、遺伝子の発現パターンを理解するための強力な鋳型である。同様に、遺伝子発現の強さは特異なタンパク質が産生される量に依存する。したがって、局部的な熱化学制御によって、弱い遺伝子を強い遺伝子に変えることができる。遺伝子発現研究のための温度制御は、本発明の空間的温度制御電熱ゲノムチップを用いて1工程で容易に達成することができる。
【００４４】
同様に、通常ではある種の細菌感染と闘うことができない個体の固有の遺伝子を、細菌感染に対して化学的態勢をととのえることのできる、したがって細菌感染に対して耐性である遺伝子に、温度制御によって変換することも可能であろう。変換された遺伝子が発現した後、続く抗体、すなわち電熱チップの副産物を個体に「安全に」移すことができる。
【００４５】
従来のDNAマイクロアレイは比較的容易に作製されるが、多くのDNAアレイ実験に係わる深刻な問題は、ハイブリッド形成が完全ではないということである。これは冗長性を強いることになり、実験の速度を低下させる。電熱ゲノムチップを用いた空間的温度制御は、ハイブリッド形成を向上させるための最適温度を見つけるには都合のよい方法である。本発明によれば、電熱加熱/冷却は、マイクロチップと一体化されて、通常はハイブリッド形成反応を阻害するガラスなどの基板上でPCRを行うことができる。本発明の薄膜熱電装置に付随する短い応答時間は、PCR混合物の迅速で効果的な熱サイクルに有利である。
【００４６】
本発明の電熱電気泳動チップ、電熱PCRチップおよび電熱チップは、低熱伝導性シリカ、ガラス面またはナイロン膜に適合する。電気絶縁体としてのこれらの材料によって、スポット温度制御と電荷制御が一体化される。
【００４７】
また、詳細なキャラクタリゼーションに必要な高品質タンパク質結晶の生成は困難であった。本発明の空間的温度制御電熱プロテオームチップを用いて、温度を最適化することによって、タンパク質結晶を結晶化させることができる。温度を空間的に変化させることによって、一連の化学プロセスによりあらゆる結晶を生成することができ、それら結晶のキャラクタリゼーションを行うことができる。構造ゲノミクスは、ゲノム中の遺伝子すべてに対応する3-Dタンパク質構造を高い処理量で同定するためのものである。3-Dタンパク質構造を決定するための実験方法には2つある。すなわち、NMRとX線回折である。NMRは、磁場の影響下にある空間を通して、化学結合の両端の短い距離にある原子間のカップリングを測定する。本発明の空間分解電熱チップの様々なポイントに配置された同じタンパク質を、温度可変NMRで解析することによって、構造同定の新たな洞察を得ることができる。同様に、同じタンパク質の温度可変X線結晶構造解析によって、種々のタンパク質結晶の構造を理解することができる。
【００４８】
本発明の別の実施形態においては、本発明の熱電装置は、一本鎖高次構造多型(SSCP)検出のための電気泳動用途にアレイ形式で使用される。DNA配列多型の質量スペクトル研究およびPCR法は、米国特許第5,869,242号に記載されており、その内容全体を参照により本明細書に援用する。また、特定の温度においてのみ現れる突然変異の検出が正確な温度選択によって可能になるSSCPなどの用途において、温度制御が特に極めて重要であることが判明した。一般に、このような温度は、0℃近くから80℃までの範囲であり、1℃単位で制御される。本発明の熱電装置をSSCPアレイに熱的に接続することによって正確な温度制御が達成される。
【００４９】
本発明の別の実施形態においては、本発明の熱電装置を、顕微手術や生体組織に使用する探針や補綴における正確な温度制御に利用する。加熱、冷却モードでの迅速なスポット温度制御は、脳組織におけるような生体組織に係わる顕微手術などの医療用途に特に有用である。本発明の高性能熱電装置を用いたスポット温度制御、特に大量の熱放散を伴わない冷却モードでのスポット温度制御によって、生体組織の温度が長期的に制御されて、例えば脳の特定領域に由来するてんかん発作などの種々の疾患を軽減することが可能になる。本発明によれば、超格子などの高性能材料を基にした高性能熱電装置によって、このような長期の適用でもバッテリー寿命が延び、かつ近傍組織における付随的な熱放散が軽減される。
【００５０】
生物学的用途に加え、本発明の別の実施形態においては、短応答時間/小面積薄膜熱電装置は、高速、高密度光通信ネットワーク、ならびに集積光電子トランスミッタ/レシーバにおける種々の選択的(個々の部品で制御される)冷却または加熱のための電熱光スイッチに使用することができる。
【００５１】
例えば、空間分割光スイッチは、ファイバとファイバを連結するためにオプティカルで(in optical)使用される。大規模光ネットワークの場合、スイッチング用プレナ技術(planar technology)が好ましい。微小電子機械システム(MEMS)のミラーまたはマグネットなどの機械的に動作する部品を用いるメカニカルスイッチは、大規模M×Nスイッチに拡張することができない。また、MEMSミラーにおける可動部品の繰返し精度、衰耗および再現性、ならびに操作に必要とされる高電圧(約50ボルト)条件は望ましくない特質である。
【００５２】
導波路空間分割スイッチは、大規模N×Nスイッチを実現可能である。一般に、スイッチング機能は、導波路部品の屈折率を制御することによって発揮される。これら導波路の屈折率を制御するために用いられる物理的メカニズムは、導波路の材料によって決まる。シリカ平面導波路スイッチでは、一般に、熱光効果によって導波路の温度を変化させる電極が使用される。熱光装置は米国特許第6,084,050号に記載されており、その内容全体を参照により本明細書に援用する。その他の導波路空間分割スイッチとしては、電流注入によって制御する半導体導波路スイッチ、および印加電場によって制御する強誘電体結晶(LiNbO3)系スイッチが挙げられる。半導体系スイッチおよびLiNbO3系スイッチは高スイッチング速度(スイッチング時間約10-9秒)を達成できるが、これらの技術で偏光無依存型スイッチを実現することは困難である。
【００５３】
シリカ平面導波路スイッチは、基本スイッチング装置としてマッハツェンダー干渉計を採用している。例えば、干渉計内の熱光移相器によって干渉計の伝搬遅延が変化する。従来の熱光スイッチの応答時間はミリ秒の桁であるが、熱光スイッチは、偏光無依存性および環境変化に対する安定性など多数の利点を有する。スイッチ素子の損失が無く、入力電力の100%が所望の出力ポートに送られる限り、熱光スイッチを2×2のアレイに合体させることによって、大規模マトリクス光スイッチを実現することができる。しかし、実際のスイッチング素子においては、出力ポート間の損失の不均衡やクロストークを含むいくつかの問題が生じる。一般に、このような影響を克服するためにダミースイッチが使われる。
【００５４】
本発明によれば、マッハツェンダー干渉計スイッチは、本発明の短応答時間/小面積薄膜熱電装置を利用して増幅遅延を変化させることができる。本発明によれば、熱電的に加熱・冷却される薄膜熱電対をシリカ導波路に取り付けて、必要なスイッチング機能が得られる。導波路スイッチは、交差接続された導波路とすることができる。屈折率を変化させ、光路長に変化をもたらし、それによって建設的干渉が生じるか相殺的干渉が生じるかが決まるように、導波路の各セクションを加熱または冷却することができる。本発明の薄膜熱電素子は、数十μs(図5参照)またはそれより短い時間でもスイッチ可能である。本発明の熱電冷却器に接続された電熱マッハツェンダー光スイッチによって、従来の熱光スイッチよりも、速度が2桁から3桁改善されると見込まれる。例えば、本発明の薄膜熱電装置による(電流の逆転に伴う)温度可逆性を「クエンチング」モードで都合よく使用して、本発明の導波路スイッチング素子の速度をさらに上げることができる。
【００５５】
また、本発明によれば、(干渉計の一方の脚部における)加熱と(干渉計の他方の脚部における)冷却の同時進行によって、スイッチング効率の差動利得が高められる。この二重温度電熱マッハツェンダー光スイッチによって、一般に使用されるダミースイッチの数は相当数減る。この削減によって、損失が低減し、したがって定期的なファイバ増幅の必要も減少する。
【００５６】
本発明の薄膜短応答時間/小面積熱電冷却/加熱装置を、ポリマー光導波路スイッチと組み合わせることも同様に可能である。フッ素化ポリマーは大きな熱光学係数を有する。本発明によれば、このような大きな係数を薄膜熱電装置の加熱・冷却能力と組み合わせることによって、低損失で巨大な平面スイッチングネットワークを形成することができる。薄膜熱電制御熱光スイッチは、電熱光スイッチングネットワークとして作動することができ、低挿入損失、偏光に無感応な操作、長期の固体信頼性(solid-state reliability)、大規模集積に対する適合性などの利点を有する。
【００５７】
大規模なスイッチは、スイッチング素子での大きな屈折率変化を必要とする。この要件は、室温変動によるノイズからスイッチング現象が区別される前に平均的な室温のふれよりも大きな温度のふれを実現しなければならないことを意味する。従来の熱光スイッチにおけるように、このような大きな温度のふれを起こすには加熱は魅力的な方法ではない。というのは、高い加熱温度は、集積型光システム内の他の部品にとって望ましくないからである。しかし、冷却と加熱の組み合わせは、同時に使用すると、より大きな温度差を実現することができる。ポリマー導波路におけるように、例えば、dn/dT〜1e-4 K-1の熱光学係数の場合、約75℃の加熱(室温が25℃の場合〜100℃の温点を意味する)が、0.75%の屈折率差導波路(すなわち0.75%-D導波路)を得るために必要である。この0.75%-D導波路は、8×8スイッチングマトリクスに使用することができる。信頼性および性能損失がほぼ同じ場合、16×16マトリクスでは1.5%-D導波路が必要である。これは、dn/dT〜1e-4 K-1の場合、25℃の基準点に対して175℃の温点を意味する。しかし、同時加熱冷却を使用して大きな温度差を生じさせる場合、「温」点はより低くなるはずである。例えば、0.75%-D導波路の場合、本発明の場所と時間を選ばない(anywhere anytime)熱電冷却/加熱装置を用いて、50℃の温点および-25℃の冷点を採用することができる。同様に、1.5%-D導波路の場合、本発明の場所と時間を選ばない熱電冷却/加熱装置を用いて、100℃の温点と-50℃の冷点を採用することができる。1.5%-Dよりも大きな導波路を、少なくとも16×16スイッチングマトリクスを作製する冷却/加熱を組み合わせた熱電装置を利用して実現することができる。もたらされる屈折率変化が同じ場合、「より低い」絶対的に暖かい温度を使用することは、ポリマー材料の高温劣化を防止し、したがってこの用途で使用できる電気光学材料の範囲が広がる。
【００５８】
別の実施形態では、本発明の短応答時間/小面積熱電冷却/加熱薄膜技術を光電子回路に適用する。全光学式のネットワーキングを可能にする一技術は、多波長基板(multi-wavelength substrate)として知られる部品である。これを使用しない場合、厳密な諸性能を付与するためには、大規模な波長選択的ルーティングおよびアド/ドロップ性能が必要になり、したがって実施に費用がかかる。
【００５９】
光ネットワーク階層を設計し導入できる能力は、ウェハ上のレーザすべてが同じ発光波長およびレイジング特性を有する従来のプロセスでは限られていた。1つの手法は、エルビウムをドープしたファイバ増幅器の1530nm〜1560nmの利得帯域内の異なる発光波長を有するダイオードレーザ(例えば、分布帰還DFBレーザ)を単一ウェハ上に発生させ、グリッドのピッチを0.01nm未満の増分に制御することである。(電熱スポット冷却/加熱制御を用いた)温度変化をグリッド制御と組み合わせると、グリッドピッチの制御が極めて容易になり、装置収率が高くなる。温度が変化すると、レーザの作用領域においてレイジング用半導体材料のバンドギャップが変化し、それによって発振波長が制御される。例えば、周囲から30Kだけ加熱または冷却することによって、波長を約15nm変えることができる。したがって、30Kの冷却から30Kの加熱に変えることによって、波長は30nmシフトすることになる。したがって、多波長レーザ用途用の多波長ハイブリッド電熱スポット温度制御DFBレーザが本発明によって実現され、それによって活性な波長をシフトさせることができる。
【００６０】
垂直共振器表面発光レーザ(VCSEL)は、光電子用途に適している。これは、十分に密閉された環状の表面発光が、光ファイバへの容易で効率的な接続に適合し、さらに梱包前にこの装置をウェハレベルで予備試験できるためである。VCSELおよびVCSELベースの装置は、米国特許第6,154,479号に記載されており、その内容全体を参照により本明細書に援用する。VCSELは、ウェハ規模での製造に適合する。ここでも、電熱スポット冷却/加熱制御を利用し、それによって活性なレイジング材料のバンドギャップを制御して、多波長を発生させることができる。したがって、多波長電熱スポット温度制御レーザが、本発明の多波長電熱スポット温度制御VCSELによって実現される。大面積VECSEL装置は約0.01〜0.02cm2である。このような装置のスポット冷却は、本発明の熱電装置によって調節することができる。
【００６１】
全光学式のネットワーキングを可能にする別の技術は、光ネットワーク上のキャリアによって要求されるペイロードの透明性のために波長を変える能力である。本発明の多波長ハイブリッド電熱スポット温度制御DFBレーザおよび多波長電熱スポット温度制御VCSELは、マッハツェンダー光スイッチの電熱スポット加熱/冷却、減衰器およびフィルタと共に、波長操作および波長シフト操作を自由にできるようにする。DFBレーザを含めた光成分を光スイッチングネットワークに組み込むことは、米国特許第6,072,925号に記載されており、その内容全体を参照により本明細書に援用する。
【００６２】
本発明の別の実施形態において、本発明の熱電装置は、高速熱キャピラリースイッチの操作を可能にする熱キャピラリー光スイッチと熱的に接触している。熱キャピラリースイッチは、スリット中の気泡によって液体を密封している。熱キャピラリーおよびバブルスイッチは、米国特許第6,062,681号に記載されており、その内容全体を参照により本明細書に援用する。一般に、スリットの両端にある加熱器は、液体中のバブルを熱源から離れて左右に移動させて光路を操作し、したがって光ゲートとなっている。受動マイクロ加熱器を本発明の(電流の方向を切り換えることで可逆的に冷却することができる)能動熱電装置で置き換えることによって、スイッチング速度が増す。このようなスリットを本発明のスポット冷却および短時間応答熱電装置で増強することによって、スイッチング効率が高くなり、光損失が少なくなる。したがって、高速熱キャピラリースイッチは、光損失が同じ現在利用可能なスイッチよりも多数のポートを利用することができる。光損失が少ないので、本発明の高速熱キャピラリースイッチは、ネットワークの混乱を迂回して通信データを送る単なるプロテクションスイッチ以外の用途にも応用可能である。
【００６３】
本発明の別の実施形態において、本発明の熱電装置はバブルジェット（登録商標）光スイッチに熱的に接触しており、したがって高速バブルジェット（登録商標）スイッチの操作が可能になる。バブルジェット（登録商標）スイッチは、導波路と同じ屈折率を有する液体が充満した小さな穴を導波路の各交差点に有する。その結果、光は、そこに深い溝がないかのように各交差点を横断する。しかし、液体をマイクロ加熱すると、小さな気泡が交差点に形成され、光信号は別の経路にそらされる。受動マイクロ加熱器を本発明の(電流の方向を切り換えることで可逆的に冷却することができる)能動熱電装置で置き換えることによって、スイッチング速度が増す。このような導波路をスポット冷却およびスポット加熱で増強することによって、スイッチング効率が高くなり、光損失が少なくなる。
【００６４】
別の実施形態においては、1面の波長選択/制御用電熱スポット冷却/加熱薄膜熱電チップと、もう1面の方向性カップリング/スイッチング/減衰機能用の別の電熱スポット冷却/加熱薄膜熱電チップとを、「中間ウェハ」VCSELチップとモノリシックに一体化した3つの基板のサンドイッチを本発明によって実現することができる。
【００６５】
さらに別の実施形態において、本発明の電熱スポット冷却/加熱熱電技術を、本発明によれば、光電子モジュールと一体化することができる。例えば、一般的なVCSELベースのトランシーバモジュールは、バイアス回路、レーザドライバ、モニタダイオード、VCSELアレイ、発信用光コネクタ、受信用光コネクタ、光検出器、プリアンプ回路およびポストアンプ回路を備える。本発明の電熱スポット冷却/加熱チップを用いることによって、チップ上のこれら多数の部品の性能を個々に最適化することが可能である。
【００６６】
本発明の別の実施形態では、本発明の熱電装置の高速スポット温度制御をエレクトロホログラフィ光スイッチと熱的に結合させる。エレクトロホログラフィ光スイッチは、本発明によれば、パケットスイッチング光ネットワークにおいてニオブタンタル酸カリウムリチウム(KLTN)結晶を含むことができる。一般に、KLTN結晶は約2mm×2mm×1.5mmの寸法である。従来のバルク熱電技術は、このような小さな結晶中で冷却を行うにはあまり適切でない。R. Hofmeister等、Physical Review Letters、69巻、1459〜1462頁(1992)(その内容全体を参照により本明細書に援用する)には、KLTN結晶を温度約-23℃に冷却してエレクトロホログラフィ光スイッチングの基礎である2次電気光学効果を増大できることが示された。2次電気光学効果は、強誘電-常誘電転移温度である-23℃に近づくにつれ劇的に増大する。エレクトロホログラフィ光スイッチにおけるより高い回折効率または電気光学効率を達成するためにKLTN結晶を冷却することによって、スイッチングネットワークにおける大きな電圧の必要性を抑えることができる。例えば、KLTN結晶では、5%の回折効率をもたらす同じ2次電気光学効果のために、21℃ではほぼ1500V/cmの電場が必要であるのに対して-15℃ではわずか250V/cmの電場があればよい。したがって、厚さ1.5mmの所与の結晶に対して、この電場を設けるのに必要なDC電圧は、約225Vから約38Vに低下する。本発明によれば、例えば0.1mm×0.1mmなどの面積を有するスポット冷却KLTN結晶は、必要な電場を形成するために用いるべき電圧をより低くすることができる。電圧がより低いことは、システムを実施する上で魅力的である。
【００６７】
また、熱膨張効果によって、空間に分布した空間電荷として貯蔵される体積ホログラムのストレージが複雑になる。エレクトロホログラフィ光スイッチにおけるKLTN結晶の温度に対する安定性のため、本発明の熱電冷却技術によって、KLTN結晶により変換される様々な波長の高分解能(すなわち、最小の)スペーシングが可能になる。このスペーシングの分解能が高いほど、高密度波長多重(DWDM)ネットワークにおいて正確に変換することができる波長の数が増加する。同様に、本発明によれば、温度制御を利用して空間電荷の空間分布が変えられ、それによってホログラフィのグリッドが特定の波長に合わせられる。したがって、物理格子が同じであれば、本発明の熱電冷却技術が提供する可変温度制御によって、DWDM光ネットワークにおけるペイロードの透明性のために必要な波長変換が可能になる。図15は、本発明の熱電装置1504上に位置する多波長VCSELアレイ1502の概略図である。図16は、本発明の熱電装置1604上に位置するエレクトロホログラフィルータスイッチングマトリクス1602の概略図である。
【００６８】
本発明のさらに別の実施形態では、本発明の熱電装置の小面積/短応答時間を利用して、常誘電領域において動作する他の電気光学結晶が制御される。
【００６９】
本発明の別の実施形態では、エレクトロニクスモジュールにおいて本発明の熱電装置の小面積/短応答時間を利用して、例えばエレクトロニックモジュール上のダイオード、コンデンサ、インダクタ、フィルタネットワーク、メモリチップ、CPUチップなど別個のモジュール部品の温度を選択的に下げ、あるいは制御する。
【００７０】
さらに別の実施形態において、本発明の短応答時間/小面積薄膜熱電冷却装置は、軍人、軍用システム、さらには商用システム用の、赤外線映像装置によって走査される認識票として使用可能である。短応答時間/小面積冷却装置は、(図2に示すように)特定の順番に配列して短応答時間IRタグとすることができる。これらのIRタグは、信号が受信されたときにのみ作動するように作製することができる。これらのタグは、(図2に示すような)局部温スポットまたは冷スポットを基にしており、本発明によれば、デジタル化、暗号化および安全な電子伝達に適している。
【００７１】
本発明の別の実施形態において、本発明の短時間応答熱電装置は、細胞工学およびモレキュラ工学技術の用途で利用される。したがって、本発明の熱電装置は、顕微手術および生体組織プローブに用いられる探針および補綴において正確な温度制御をもたらす。寸法および制御の点で細胞レベルおよび分子レベルのスポット冷却またはスポット加熱を実施するための具体的な設計を例示の目的で以下に示す。また、本発明の具体的な適用例も示す。
【００７２】
図11は、試料1106の単一の細胞1104に局部的に接触している本発明の熱電プローブ1102の概略図である。大きさ約50μmの細胞の例を図11に示す。本発明によって可能になる0.1〜2000W/cm2の好ましい範囲にある流速レベルでスポット冷却またはスポット加熱が得られる能力を使用して、例えば細胞核などの特定の領域を、他の細胞域を操作している間、「冷」または「温」に維持することができる。同様に、核の化学成分を皮下針で操作しているときに、細胞のその他の部分を冷または温に維持することができる。
【００７３】
本発明の熱電モジュール1200は、カンチレバーとして例えばスプリングコイルを用いて細胞核の特定のスポットに熱的に接触しており、冷却/加熱モジュールがこれら細胞の特定のスポットを冷却または加熱する。図12は、単一の細胞1104に接触するカンチレバー1204を採用した本発明のナノスケールの熱変換器1202の概略図である。カンチレバーの設定では、ナノメートルの範囲の極めて小さな寸法に近い先端部1206は、より小さな下向きの力を壊れやすい細胞部分に及ぼす極めて柔軟な触針であり、その結果歪みや細胞損傷が少なくなる。チューブ1208は、試料1106に化学的または生物学的反応を誘発する要素を細胞1106に供給することができる。
【００７４】
本発明のカンチレバーは、原子間力顕微鏡(AFM)用の当分野で既知の装置に類似している。本発明のカンチレバーのばね定数は約0.1N/mであり、1N/mよりも小さい。熱電冷却/加熱装置またはモジュールとカンチレバー、特にAFMに使用されるものに類似したカンチレバーを一体化することによって、本発明によれば、生体組織、細胞およびおそらく例えばナノ自己集合などのナノテクノロジーにおける他の原子スケール構造体の「ナノメートルサイズの温度制御」が可能になる。
【００７５】
ばねの共鳴振動数は次式で与えられる。
【００７６】
【数１】
2004534386.tif 000003
【００７７】
式中、Kはばね定数、Mはばねの質量である。
したがって、AFMイメージでは高速イメージング用に高い共鳴振動数を維持するために(小さなばね定数に加えて)軽い質量が要求されるのに対して、本発明のナノ熱変換器(または、プローブ)では、走査モードで使用するのでなければ、それよりも重いばねを使用することができる。
【００７８】
特定の細胞内成分(features)のスポット冷却または加熱に加え、本発明のナノ熱変換器は、個々のDNA系統、ならびに糖、タンパク質などの巨大分子鎖など他の分子の操作に利用することができる。これらのナノ熱変換器は、(例えば、リボ核酸RNAなどの)反応媒介物の反応ケミストリーを制御することによって、例えば、糖およびタンパク質の反応を制御するなど、大規模および小規模分子構造体両方の反応ケミストリー、したがって生物学的プロセスを制御することができ、その結果、遺伝子工学の別の手法となり得る。
【００７９】
本発明によって、分子レベルの熱量測定の研究も可能になる。本発明のこの実施形態では、断熱系において、反応熱はナノ熱変換器を通して伝わり、熱電(TE)装置に熱負荷としてかかる。TE装置を流れる電流を一定にした場合、過剰な熱負荷によってTE装置両端間の示差温度(ΔT)は一定量だけ低下する。示差温度(ΔT)の低下は、熱電装置両端のペルチェ部品電圧の低下に変換される。
【００８０】
分子反応は、ある一定時間進行する。TE装置の電圧をより速く測定できるほど、TE装置は感度がより高くなる。それには、熱電素子の面積がより小さい必要がある。というのは、反応の熱流速が一定の場合、より小型の熱電対ほど大きなΔTを生じ、以下に示すように単一の分子反応によって発生する熱に近い感度が得られるからである。
【００８１】
図13は、DNAハイブリッド対1304などの巨大分子構造体の特定のスポットに接触するナノスケールカンチレバー1302を採用した本発明のナノスケール熱変換器を示す概略図である。ナノ熱変換器(すなわち、カンチレバー)に必要とされる材料には、高熱伝導率で低熱放射率の材料などがあり、おそらくダイアモンド様材料も考慮に入る。ナノスケール熱変換器では、例えば、熱伝導率が0.75〜20W/cm-K、放射率が0.3未満であることが好ましい。
【００８２】
ばね定数は、必要な振動数応答の関数である。例えば、高い空間分解能を有する分子熱量測定および走査モード熱量計の場合、低密度材料に加えてばね定数の低い材料が利用される。本発明では、例えば、ダイアモンド(例えば、2.25g/cm3)またはアルミニウム(例えば、2.7g/cm3)のような低密度材料(すなわち、3.0g/cm3未満)が好ましい。
【００８３】
DNAハイブリッド対先端の分子断片に接触したナノスケール熱制御の例を下記図14に示す。図14は、小規模領域から放出される熱を検出するための本発明の装置を示す概略図である。この装置は、図13の装置とほぼ同じであるが、熱電モジュール1200に一定の電流を送るように構成された一定電流の電源を備えている。図14に示すサンプルまたは試料は有機生物試料である。しかし、本発明は、無機試料および局部的に熱を発生または放散する他の装置から放出される熱の熱量測定に適用可能である。
【００８４】
本発明によれば、(ヒートポンプとしての)高出力密度(または、高出力流束)薄膜熱電装置とAFMチップ様ナノ熱変換器を併用してナノスケールまたは分子レベルで温度を制御する能力によって、ナノスケールまたは分子レベルまたは小さな形状(体積)での反応熱測定が可能になる。
図14の熱電装置両端の全電圧VTは、
【００８５】
【数２】
2004534386.tif 000004
【００８６】
で与えられ、VTは測定された全電圧、VRは電気抵抗成分、VOはペルチェ成分である。
また、
【００８７】
【数３】
2004534386.tif 000005
【００８８】
であり、式中Rは熱電モジュールの「オーム」抵抗、Iは熱電装置を通して供給される一定電流、αeffは熱電モジュールの有効ゼーベック係数である。例えば、m個の「p」素子およびm個の「n」素子を含み、それぞれαpおよびαnを有するモジュールは、
【００８９】
【数４】
2004534386.tif 000006
【００９０】
を有する。これらの式を合わせると、
(VT-IR)=αeffΔT=VO
となる。
【００９１】
したがって、上式から、VTを測定し、I、Rおよびαeffを求めることによって、ΔTが導かれる。熱電モジュールのRおよびαeffは、既知の温度変動値を補償する標準技術を用いて独立に測定することができる。
【００９２】
したがって、ΔT=(VT-IR)/αeff      (5)
となる。
【００９３】
エネルギーバランスを考慮すると、熱流Qは、
Q=πI-1/2I2R-KΔT      (6)
となる。式中πはモジュールのペルチェ係数、Kはモジュールの熱コンダクタンスであり、k(a/l)eff(kは熱伝導率、(a/l)effは熱電装置の幅aと長さlの有効アスペクト比である)により与えられる。式(5)および(6)から、kを求め、ΔT(したがって、VT)を測定することによって、Qも導くことができる。
【００９４】
したがって、Qは、図14に示す反応ゾーンから放出される単位時間当たりの熱となり得る。常に熱損失があることに留意されたい。また、本発明によれば、示差熱量測定を用いてQを導出することができる。
【００９５】
バックグラウンドQ1熱流束からのカンチレバープローブへの検出可能な熱負荷を含む第1の定常状態条件を考える。
ΔT1=(VT1-IR)/αeff
Q1=πI-1/2I2R-KΔT1
【００９６】
定常状態熱負荷と単位時間当たりの反応熱を考える。
ΔT2=(VT2-IR)/αeff
Q2=πI-1/2I2R-KΔT2
【００９７】
特定の電流Iに対するVT1およびVT2を測定し、π、k、αeff、Rが小さな温度変化では有意に変化しないと仮定すると、反応熱は以下のように導出される。
【００９８】
反応が発熱反応であり断熱条件を仮定すると、熱はすべて、ナノ熱変換器で放出される。したがって、熱電モジュールを通る電流Iが一定の場合、モジュール両端のΔTは、外部の熱負荷と共に減少するはずである。したがって、
【００９９】
【数５】
2004534386.tif 000007
【０１００】
反応熱「Q0」として定義されるQ2-Qは、
【０１０１】
【数６】
2004534386.tif 000008
【０１０２】
となる。
したがって、熱電モジュールの差動電圧で測定される、Aで発生する発熱反応器の熱Q0は、ワットまたはジュール/秒基準でK(VT1-VT2)/αeffである。
【０１０３】
Kが小さく、αeffが大きく、VT1-VT2が小さいと、測定されるQ0は小さくなる。すなわち、Kが小さく、αeffが大きく、VT1-VT2が小さいほど、Q0をより正確に測定することができる。
【０１０４】
例えば、ジュールまたはカロリーの標準「反応熱」を測定するためには、時間の関数として積分しなければならない。
【０１０５】
【数７】
2004534386.tif 000009
【０１０６】
一般に、定数(tR)の3〜5倍持続する反応では、その期間にVTだけ変化することがある。
したがって、
【０１０７】
【数８】
2004534386.tif 000010
【０１０８】
本発明の薄膜熱電素子の時間応答が速いために、全反応熱Joを正確に決定することが可能になる。薄膜モジュールの時間応答が速いために、本発明の熱電装置によって反応の時間依存応答を試験することも可能になる。
【０１０９】
kが熱伝導率であり、例えば、10mW/cm-Kである場合、膜の厚さを5μm、装置の面積を10μm×10μmと仮定すると、
【０１１０】
【数９】
2004534386.tif 000011
【０１１１】
となり、ΔVT=1μVの正確度を仮定すると、1個のpと1個のnの素子に対して、
αeff=500μV/K
となり、Q0の正確度は4×10-8Wとなる。3tR≒50μsの場合、JOの推定値は100×10-14ジュールまたは約1pJとなる。pおよびnの各素子がこれよりも多いと、αeffが増加し、したがって測定されるQ0の感度が増加することに留意されたい。
【０１１２】
1μm×1μmの熱電素子、1nVのΔVT正確度、高度な雑音低減技術およびデジタル信号処理の場合、本発明によれば、測定可能なJoの下限推定値は1×10-17ジュールまたは1/100フェムトジュールである。
【０１１３】
反応中に各分子によって放出される熱と比較して、反応熱=150Kcal/molと仮定する。
【０１１４】
【数１０】
2004534386.tif 000012
【０１１５】
したがって、Joが1×10-17ジュールであることから、測定される反応熱の下限がわずか約10分子の反応からなると予測される。
【０１１６】
また、0.1nVを測定可能な0.5μm×0.5μmの熱電対は、3tRを約30μsに短縮することができる。したがって、
【０１１７】
【数１１】
2004534386.tif 000013
【０１１８】
したがって、150kcal/molの反応またはおそらく22.5Kcal/molの低さでも、このような小さな熱電対では、その高い感度によって、約1分子の反応により生成する熱流束を測定することが容易である。各分子の反応熱がさらに低くても、より大きなαeffおよび/またはより多い熱電素子および/またはより高感度の設定によっておそらく測定可能である。
【０１１９】
上記教示に照らして本発明の多数の改変および変形が可能である。したがって、添付の特許請求の範囲内で、本明細書に具体的に記載した以外の方法で本発明を実施できることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
本発明およびそれに付随する多数の利点をより完全に理解することは容易なはずであり、それらは、以下の詳細な説明を参照し、添付の図面と関連させて考察することによってより良く理解される。
【図１Ａ】ペルチェ接触子を冷却するためにバイアス電圧を印加したバルク熱電装置の概略図である。
【図１Ｂ】ペルチェ接触子を加熱するために逆バイアス電圧を印加したバルク熱電装置の概略図である。
【図２Ａ】赤外線影像で示す「ONR」および「DARPA」の形をしたスポット冷却イメージの図である。参考までに温度目盛を参照されたい。
【図２Ｂ】赤外線影像で示す「ONR」および「DARPA」の形をしたスポット加熱イメージの図である。参考までに温度目盛を参照されたい。
【図３】局部冷却または加熱用の一体型スポット冷却器の概略図である。
【図４】低熱伝導性材料ヘッダ表面のスポット冷却とスポット加熱の組み合わせの図である。
【図５】バルク(1mm)の熱電対と比較した5μm薄膜熱電対の時間応答を示すグラフである。
【図６Ａ】本発明の薄膜熱電装置を用いた選択的電熱スポット温度制御により作製した一本鎖DNAの概略図である。
【図６Ｂ】本発明の薄膜熱電装置を用いた選択的電熱スポット温度制御により作製した一本鎖DNAの概略図である。
【図６Ｃ】本発明の薄膜熱電装置を用いた選択的電熱スポット温度制御により作製した一本鎖DNAの概略図である。
【図６Ｄ】本発明の薄膜熱電装置を用いた選択的電熱スポット温度制御により作製した一本鎖DNAの概略図である。
【図７Ａ】DNA材料をデポジットするために利用するロボットデポジット法の概略図である。
【図７Ｂ】本発明の電熱ゲノムチップまたは電熱プロテオームチップを用いた選択的温度制御によって得られる、DNA断片またはタンパク質分子の自己集合の概略図である。
【図８】空間的に制御された電熱電気泳動DNAチップの図である。
【図９】二重らせん鎖の付着と解離およびハイブリッド形成する新しいDNA鎖の導入を示す概略図である。DNA鎖は本発明の電熱チップに付着しており、ゲノムおよびプロテオミクスの研究に空間的な温度制御が利用されることを説明している。
【図１０】DNA、RNAおよびタンパク質間の多重フィードバックプロセスを示すフローチャートである。
【図１１】試料である単一の細胞に局部的に接触している本発明の熱電プローブの概略図である。
【図１２】単一の細胞に接触するカンチレバー機構を採用した本発明のナノスケール熱変換器の概略図である。
【図１３】ハイブリッドDNA対など巨大分子構造の特異的なスポットに接触するカンチレバー機構を採用した本発明のナノスケール熱変換器を示す概略図である。
【図１４】小規模領域から放出される熱を検出するための本発明の装置を示す概略図である。
【図１５】本発明の熱電装置上に配置された多波長VCSELアレイを示す概略図である。
【図１６】本発明の熱電装置上に配置されたエレクトロホログラフィルータスイッチングマトリクス(elecrto-holographic router switching matrix)を示す概略図である。
【符号の説明】
【０１２１】
１  基板
２  熱電素子
２ａ  熱電材料
２ｂ  熱電材料
２ｃ  ペルチェ接触子
３  電極
７  温接点
８  冷接点
１０  表面ヘッダ
１１  鋳型
１１０２  熱電プローブ
１１０４  細胞
１１０６  試料
１２００  熱電モジュール
１２０４  カンチレバー
１２０６  先端部
１２０８  チューブ
１３０２  ナノスケールカンチレバー
１３０４  ＤＮＡハイブリッド対
１５０２  多波長VCSELアレイ
１５０４  熱電装置
１６０２  エレクトロホログラフィルータスイッチングマトリクス
１６０４  熱電装置
【図１Ａ】
2004534386.tif 000014
【図１Ｂ】
2004534386.tif 000015
【図４】
2004534386.tif 000016
【図５】
2004534386.tif 000017
【図６Ａ】
2004534386.tif 000018
【図６Ｂ】
2004534386.tif 000019
【図７Ａ】
2004534386.tif 000020
【図１０】
2004534386.tif 000021
【図１５】
2004534386.tif 000022
【図１６】
2004534386.tif 000023
【国際公開パンフレット】
2004534386.tif 000024
2004534386.tif 000025
2004534386.tif 000026
2004534386.tif 000027
2004534386.tif 000028
2004534386.tif 000029
2004534386.tif 000030
2004534386.tif 000031
2004534386.tif 000032
2004534386.tif 000033
2004534386.tif 000034
2004534386.tif 000035
2004534386.tif 000036
2004534386.tif 000037
2004534386.tif 000038
2004534386.tif 000039
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2004534386.tif 000089
2004534386.tif 000090
2004534386.tif 000091
【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
2004534386.tif 000092
【国際調査報告】
2004534386.tif 000093