(57)【要約】  １つの例では、基板によって支持されたマイクロ流体チャネルを含む装置が提供される。光学分光計は、基板によって支持された導波路を含む。導波路は、カプラ及び出力カプラを含む。光源が導波路のカプラに光を向ける。基板によって光学センサが支持される。光学センサの各々は、出力カプラのうちの１つに光学的に結合される。【選択図】図１
2018509601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板によって支持されるマイクロ流体チャネルと、
光学分光計であって、
前記基板によって支持され、入力カプラ及び出力カプラを有する導波路と、
前記導波路の前記入力カプラに光を向ける光源と、
前記基板によって支持され、各々が前記出力カプラのうちの１つに光学的に結合される光学センサと、
を備える光学分光計と、
を備える装置。
【請求項２】
前記基板によって支持され、前記マイクロ流体チャネルを通して流体を移動させるマイクロ流体ポンプを更に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記マイクロ流体ポンプはサーマルインクジェット抵抗器を含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記光学センサ及び前記出力カプラは、前記マイクロ流体チャネルの同じ側にある、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
前記光学センサ及び前記出力カプラは、前記マイクロ流体チャネルの反対側にある、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記基板によって支持される第２のマイクロ流体チャネルと、
前記基板によって支持され、第２の入力カプラ及び第２の出力カプラを有する第２の導波路と、
前記光とは異なる第２の光を、前記第２のマイクロ流体チャネルを横切って前記第２の導波路の前記第２の入力カプラと係合するように向ける第２の光源と、
前記基板によって支持され、各々が前記第２の出力カプラのうちの１つに光学的に結合される第２の光学センサと、
を更に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項７】
前記基板によって支持される基準マイクロ流体チャネルと、
前記基板によって支持され、基準カプラ及び基準出力カプラを有する基準導波路と、
前記基準マイクロ流体チャネルへの入力部であって、ピラーフィルタを有する、入力部と、
基板によって支持され、各々が前記基準出力カプラのうちの１つに光学的に結合されている基準光学センサと、
を更に備える、請求項１に記載の装置。
【請求項８】
前記光源は、前記マイクロ流体チャネルを横切って前記導波路の前記入力カプラに光を向けるように配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項９】
前記出力カプラは、前記マイクロ流体チャネルを横切ってそれらのそれぞれの光学センサに向かって、選択された光の波長を向けるように配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項１０】
基板と、
光学分光計であって、
前記基板によって支持される光学センサと、
前記光学センサに形成され、カプラ及び出力カプラを有し、該出力カプラの各々は前記光学センサのうちの１つに動作可能に結合される、導波路と、
前記導波路の前記カプラに光を向ける光源と、
を備える光学分光計と、
を備える装置。
【請求項１１】
前記光源と、前記導波路の前記カプラと、の間にマイクロ流体チャネルを更に備える、請求項１０に記載の装置。
【請求項１２】
前記基板によって支持されたマイクロ流体ポンプを更に備え、該マイクロ流体ポンプ、前記光学センサ、及び前記出力カプラは、前記マイクロ流体チャネルの同じ側にある、請求項１０に記載の装置。
【請求項１３】
基板に光学センサを形成するステップと、
前記基板に導波路を形成するステップであって、該導波路はカプラ及び出力カプラを有し、該出力カプラは、フォトマスクプロセスを用いるそれらの形成中に前記光学センサに光学的に結合される、ステップと、
前記導波路の前記カプラに光を向けるように光源を準備するステップと、
を含む方法。
【請求項１４】
前記導波路にマイクロ流体チャネルを形成するステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記基板にマイクロ流体ポンプを形成するステップを更に含む、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
光学分光計は、波長又は周波数に応じて光の強度を検出する。既存の分光計は、製造が困難でありかつ費用がかかる。既存の分光計は、サイトメトリ（血球計算）用のマイクロ流体システムに容易に統合されない。
【図面の簡単な説明】
【０００２】
【図１】マイクロ流体の流体センサ例を概略的に示す断面図である。
【図２】別のマイクロ流体の流体センサ例を概略的に示す断面図である。
【図３】マイクロ流体の流体センサを用いて流体を検知する方法例のフロー図である。
【図４】別のマイクロ流体の流体センサ例を概略的に示す上面図である。
【図５】別のマイクロ流体の流体センサ例の形成を示す断面図である。
【図６】別のマイクロ流体の流体センサ例の形成を示す断面図である。
【図７】別のマイクロ流体の流体センサ例の形成を示す断面図である。
【図８】別のマイクロ流体の流体センサ例の形成を示す断面図である。
【図９】別のマイクロ流体の流体センサ例の形成を示す断面図である。
【図１０】別のマイクロ流体の流体センサ例の形成を示す断面図である。
【図１１】別のマイクロ流体の流体センサ例の形成を示す断面図である。
【図１２】別のマイクロ流体の流体センサ例の形成を示す断面図である。
【図１３】別のマイクロ流体の流体センサ例の形成を示す断面図である。
【図１４】別のマイクロ流体の流体センサ例の形成を示す断面図である。
【図１５】別のマイクロ流体の流体センサ例の形成を示す断面図である。
【図１６】別のマイクロ流体の流体センサ例の形成を示す断面図である。
【図１７】図５〜図１６において製造されたマイクロ流体の流体センサの完成を示す断面図である。
【図１８】図１７のマイクロ流体センサの上面図である。
【図１９】別のマイクロ流体の流体センサ例を概略的に示す断面図である。
【図２０】図１９のマイクロ流体の流体センサの上面図である。
【図２１】分光計及び分光計を含むマイクロ流体の流体センサを形成する方法例のフロー図である。
【図２２】分光計例の断面図である。
【図２３】図２１の分光計とともに形成されるマイクロ流体の流体センサの断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００３】
図１は、例としてのマイクロ流体の流体センサ２０を示す断面図である。マイクロ流体の流体センサ２０は、流体及び流体の成分を分析するために光学分光計を組み込んでいる。マイクロ流体の流体センサ２０は、基板２２、マイクロ流体チャネル２４及び光学分光計２５を備えている。
【０００４】
基板２２は、基部又はプラットフォームを含み、その上に、センサ２０の残りの構成要素及び関連する電子回路が支持される。１つの実施態様では、基板２２はシリコンを含む。他の実施態様では、基板２２は他の材料を含むことができる。１つの実施態様では、基板２２は、個々のチップにダイカットされるウエハの一部として提供される。
【０００５】
マイクロ流体チャネル２４は、基板２２の上又は中に形成された導管又は通路を含み、検知されかつ分析されている流体はそこを通るように向けられる。マイクロ流体チャネル２４は、各々が１ミリメートル未満（サブミリメータ）の規模である幅及び高さを有する。１つの実施態様では、マイクロ流体チャネル２４は、各々が５μｍ〜２００μｍ、名目上は５μｍ〜５０μｍの寸法を有する、幅及び高さを有する。直線であるように示すが、マイクロ流体チャネル２４は、湾曲、蛇行、分岐又は他の形状を有することができる。
【０００６】
光学分光計２５は、光学分光測定法を用いてマイクロ流体チャネル２４内の流体の種々の特徴を検出又は検知する装置を含む。マイクロ流体チャネル２４を横切るか又は通って進みかつチャネル２４内の流体と相互作用した光を、光学分光計２５が分析する。光学分光計２５は、こうした光をモード干渉によって分析する。図示する例では、光学分光計２５は、単一の基板又はチップの一部としてマイクロ流体チャネル２４と統合されている。本開示の目的で、チップ、基板又はマイクロ流体チャネルに対して「統合される（integrated）」という用語は、装置若しくは構成要素がチップ若しくは基板と一体化しているか、又は、装置若しくは構成要素は、チップ若しくは基板の一部を切断するか若しくは切り離さなければその構造を容易に分離することができないように、チップ若しくは基板の上に形成若しくは製作されているという点で、チップ若しくは基板に組み込まれるか若しくはその一部として構築されることを意味する。その結果、マイクロ流体の流体センサ２０は、小型（スモールフォームファクタ）であり、より単純であり、独立型とすることができる。
【０００７】
光学分光計２５は、導波路２７、光学センサ２８、及び発光体又は光源３０を備える。導波路２７は、電磁波を誘導するライトパイプ又は他の構造を備える。導波路２７は、種々の周波数又は周波数範囲の光を伝送する。導波路２７は、可視及び近赤外周波数を通して光の伝送を促進する窒化ケイ素、炭化ケイ素及びリン酸ガリウム等の１種又は複数種の材料を含むことができる。
【０００８】
導波路２７は、入力カプラ３６及び出力カプラ３８を備える。入力カプラ３６は、導波路２７内への光の入力を促進するように導波路２７内に統合されている。１つの実施態様では、入力カプラ３６は、グレーティングカプラを含み、グレーティングカプラには、入射光の回折及び／又は反射に対して所定のピッチ、エッチング角度及び／又はデューティサイクルが与えられる。別の実施態様では、入力カプラ３６は、全内部反射を通して入射光を導波路内に向けるための角度付き小平面（ファセット）を備える。１つの実施態様では、入力カプラ３６は、特定の周波数又は周波数範囲の導波路２７への入力を促進する。
【０００９】
出力カプラ３８は、導波路２７内に統合され、導波路２７によって伝送されている光の選択された成分、スペクトル又は周波数の排出又は出力を促進する。図示する例では、出力カプラ３８は、散乱物体として機能する回折格子を備える。出力カプラ３８は、マルチモード干渉により導波路２７内に形成される光強度の定常波パターンをサンプリングする。このサンプリングされた光パターンは、フォトダイオード７０２に向けられる。検出される光パターンを（例えば、離散コサイン変換を用いて）デジタルに処理して、導波路２７内の光の周波数スペクトルを取得することができる。
【００１０】
１つの実施態様では、出力カプラ３８は、各々、定常波パターンの一部をサンプリングする散乱体を備え、光のサンプルは、対応する光学センサ２８に向けられる。こうした実施態様では、幾つかの方法で散乱自体を起こすことができる。１つの実施態様では、出力カプラ３８を形成する散乱体は、２又は３のみの周期及び浅くエッチングされた溝を備える「弱い」回折格子を備える。これらの回折格子から散乱する光は幾分か指向性があるが、フォトダイオードに達する光の部分は増大する。別の実施態様では、出力カプラを形成する散乱体は、導波路２７内に単一の溝又は穴を備えることができる。この場合、光は、全く指向性がないが、こうした散乱体は、作製が比較的容易であり、広い周波数範囲にわたって機能することができる。更に別の実施態様では、出力カプラ３８を形成する散乱体は、導波路２７の上部又は下部に配置された金属の隆起又は出っ張りを備えることができる。
【００１１】
光学センサ２８は、対応する出力カプラ３８からの放出される光、エネルギー及び／又は信号を収集する。図示する例では、各光学センサ２８は、出力カプラ３８のうちの対応するものと相互に位置合せされ、対応する出力カプラ３８と実質的に同じ空間周波数を有する。１つの実施態様では、光学センサ２８の各々は、電荷結合素子等の光能動センサを含む。電荷結合素子の１つの例はフォトダイオードである。各光学センサ２８は、対応する出力カプラ３８からの受け取られた光サンプルに基づいて信号を出力する。フォトダイオードの全てからの情報は、結合され、（フーリエ解析又は関連するタイプの再構成アルゴリズムを用いて）合わせて解析されて、光の周波数が求められ、マイクロ流体チャネル２４内の流体の求められた特性が検出される。
【００１２】
光源３０は、光等の電磁放射線を、マイクロ流体チャネル２４を横切って最終的に光学センサ２８に向ける、基板の上又は中に形成されたデバイスを含む。光源３０は、マイクロ流体チャネル２４を横切って導波路２７まで光を伝送する。１つの実施態様では、発光体３０は、或る範囲の周波数及び／又は波長の光を放出するか又は伝送する。１つの実施態様では、光源３０は、発光ダイオード等の発光デバイスを含む。１つの実施態様では、光源３０は、紫外線発光ダイオード等の狭帯域光源を含む。幾つかの実施態様では、紫外光を用いて、マイクロ流体チャネル２４内の流体内の発光マーカからのフォトルミネッセンス応答を刺激することができる。別の実施態様では、光源３０は、反射及び散乱信号又はフォトルミネッセンス応答を刺激するように、白色発光ダイオード等の広帯域光源を含む。別の実施態様では、光源３０は、開口部又は透明な窓を備え、そこを通して、必ずしも基板２２によって支持されていない外部光源（広帯域光源又は狭帯域ＵＶ光源のいずれか）からの光が、マイクロ流体チャネル２４を照明する。
【００１３】
図２は、マイクロ流体の流体センサ１２０、すなわち、上述したマイクロ流体の流体センサ２０の実施態様例を概略的に示す断面図である。センサ１２０は、基板２２、マイクロ流体チャネル２４、光学分光計１２５、ポンプ１２６、出力部１３２及び流体解析電子回路１３４を備える。基板２２及びマイクロ流体チャネル２４については、センサ２０に関して上述した。図２に示す断面図では、チャネル２４は、透明な基板層１３５によって部分的に包囲されている。
【００１４】
光学分光計１２５は、光学分光計２５と類似している。光学分光計１２５は、導波路１２７、光学センサ２８（上述）及び光源１３０を備える。導波路１２７は、種々の周波数又は周波数範囲の光を伝送する。導波路１２７は、窒化ケイ素、炭化ケイ素及びリン酸ガリウム等、可視及び近赤外周波数を通して光の伝送を促進する１種又は複数種の材料を含むことができる。
【００１５】
導波路１２７は、入力カプラ３６、モードフィルタ１３７及び出力カプラ３８を備えることができる。入力カプラ３６及び出力カプラ３８については上述した。図示する例では、導波路１２７は基板２２の上で作製され、接着層１３９によって基板１２２に接着されている。
【００１６】
モードフィルタ１３７は、入力カプラ３６と、出力カプラ３８を含む導波路１２７のマルチモード部と、の間に延在している。モードフィルタ１３７は、単一の空間モードのみを伝送し、中心からずれてマルチモード導波路１２７に接続されている。これにより、十分に制御された励振条件をもたらすことができ、そこでは、マルチモード導波路１２７の開始時、空間モードの特定の重畳が励起される。１つの実施態様では、モードフィルタ１３７はまた、光の幾つかの周波数を選択的に除去するように集積グレーティングフィルタ（図示せず）も含む。これは、例えば、蛍光分光法において、不要な励起光を除去するために有用である場合がある。こうした実施態様では、グレーティングフィルタは、特定の周波数又は周波数範囲の光を回折及び／又は後方反射するために、所定ピッチ、エッチング角度、及び／又はデューティサイクルを有する。幾つかの実施態様では、特定の周波数又は周波数範囲は、レーザ又は他の光源からの出力に対応することができ、特定の周波数又は周波数の範囲は、下流の解析において重要ではない。グレーティングフィルタにより、こうした周波数は、マルチモード導波路１３７に入る前に回折するか又は散乱する。
【００１７】
マイクロ流体ポンプ１２６は、マイクロ流体チャネル２４を通して流体を圧送（pump）するか又は移動させる装置を含む。図示する例では、マイクロ流体ポンプ１２６は、チップの一部として統合され、基板２２の一部として統合されている。１つの実施態様では、マイクロ流体ポンプ１２６は、慣性ポンプを含む。１つの実施態様では、マイクロ流体ポンプ１２６は、バブルジェット（登録商標）式慣性ポンプを含み、そこでは、ポンプは、最初に膨張する気泡を生成して、その気泡から離れるように隣接する流体を移動させるか又は追いやる。バブルジェット式ポンプの１つの例は、サーマルインクジェット（ＴＩＪ）ポンプ等、マイクロヒータを備える。ＴＩＪポンプは、電流が通過する電気抵抗器を利用することができる。電流が抵抗器を通過する際に抵抗器によって生成される熱は、抵抗器に近接する流体を気化させて気泡を生成することができる。この気泡は、最初に生成され膨張する際、最初に、隣接する流体を気泡から追いやる。こうした実施態様では、マイクロ流体ポンプ１２６は、或るリザーバに近接しかつ異なるリザーバ又は流体相互作用構成要素とは距離を置いて、チャネル２４に沿って配置される。言い換えれば、慣性ポンプは、リザーバと他のリザーバ又は流体相互作用構成要素との間の総流体路の長さの半分未満の距離、そのリザーバから間隔を空けて配置される。慣性ポンプは、チャネルが接続する２つのリザーバと比較して相対的に狭い該チャネル内の慣性及び運動量を利用して、流体流を生成することができる。本開示の目的で、「慣性ポンプ」という用語は、最初に、チャネルが接続するリザーバに対して比較的狭い該チャネル内において両方向に流体を押し流すポンピング装置であるが、リザーバの間で非対称に配置されて、流体が２つのリザーバのうちの最も遠い方に向かう方向に押し流されるという最終結果になるようにする、ポンピング装置を指す。
【００１８】
光源１３０は、基板２２上のチップ及び構成要素とは別個の電磁放射線又は光の供給源を備え、光源１３０は、透明な基板又はカバー層１４１を通してマイクロ流体チャネル２４内に光を向ける。１つの実施態様では、光源１３０は、発光ダイオード等の発光デバイスを含む。１つの実施態様では、光源１３０は、紫外線発光ダイオードを有する狭帯域光源を含む。幾つかの実施態様では、紫外光を用いて、マイクロ流体チャネル２４内の流体の発光マーカからのフォトルミネッセンス応答を刺激することができる。別の実施態様では、光源１３０は、反射及び散乱信号又はフォトルミネッセンス応答を刺激するように、白色発光ダイオード等、広帯域光源を含む。更に他の実施態様では、基板２２上にセンサ１２０の一部として光源１３０を統合することができる。例えば、１つの実施態様では、透明なカバー層１４１内に又は透明なカバー層１４１の上に、光源１３０を設けることができる。
【００１９】
出力部１３２は、電子回路１３４による液体の解析の結果を提示及び／又は記憶するデバイスを備える。１つの実施態様では、出力部１３２は、表示画面又はモニタを備える。１つの実施態様では、表示画面又はモニタは更に、タッチスクリーンを含む入力デバイスとしての役割を果たす。１つの実施態様では、出力部１３２はメモリを備え、そこに、マイクロ流体チャネル２４を通って流れる液体の検知及び解析からのデータが記憶される。１つの実施態様では、出力部１３２は、チップの外部に又はチップとは独立して配置されて、センサ１２０の他の構成要素を提供し、そこでは、出力部１３２は、電子回路１３４に有線又は無線で接続される。
【００２０】
電子回路１３４は、センサ１２０の動作を制御しかつ光学センサ１２５から信号を受け取るデバイスを備え、こうした信号を（未加工フォーマットで、又はこうした信号が電子回路１３４によってフィルタリングされ、変換され又は処理された後に）利用して、マイクロ流体チャネル２２２を通って流れる流体の特徴を特定するか又は決定することができる。例えば、１つの実施態様では、電子回路１３４は、非一時的コンピュータ可読媒体又はメモリに含まれる命令に従い、光学センサ２８から受け取る信号を解析して、マイクロ流体チャネル６２４内を流れる液体又は流体における特定の成分又は細胞のカウント又は数を特定する。別の実施態様では、電子回路６３４は、非一時的コンピュータ可読媒体に含まれる命令に従って、マイクロ流体チャネル２４内を流れる等の流体の特定の成分又は流体における成分の特徴を特定する。こうした解析の結果は出力部６３２に伝送することができる。
【００２１】
この応用の目的で、「処理ユニット」という用語は、メモリに含まれる命令のシーケンスを実行するハードウェア（例えば、プロセッサ）を備える、現時点で開発されているか又は将来開発される処理ユニットを意味するものとする。命令のシーケンスの実行により、処理ユニットは、制御信号の生成等のステップを実行する。命令は、リードオンリメモリ（ＲＯＭ）、大容量記憶装置又は他の何らかの永続記憶装置から、処理ユニットが実行するためにランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）にロードすることができる。他の実施態様では、記載する機能を実施するために、ソフトウェア命令の代わりに又はそれと組み合わせて、ハードワイヤード回路を使用することができる。例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）の一部として電子回路１３４を設けることができる。特に断りのない限り、コントローラは、ハードウェア回路及びソフトウェアのいかなる具体的な組合せにも、処理装置によって実行される命令に対するいかなる特定の供給源にも限定されない。
【００２２】
１つの実施態様では、より低い空間周波数にエイリアシングされかつ出力カプラ３８の回折格子によって放出される、個々の光学センサ２８（例えば、光能動センサ）等の個々の検出器によって収集される（例えば、捕捉される）エネルギー、光及び／又は信号、並びに、幾つかの実施態様では、光源１３０によって提供される入力光の特徴が、電子回路１３４によって（例えば、フーリエ解析を用いて）解析及び／又は較正されて、検知されている流体の特徴を特定する特定の特徴（例えば、スペクトル）が求められる。
【００２３】
１つの実施態様では、電子回路は、光学センサ２８からの種々の電子信号を種々の流体成分カウント及び／又は種々の流体成分特徴と相関させる所定のルックアップテーブルを記憶するメモリを備える。こうした実施態様では、処理ユニットは、センサ２８からの電気信号をルックアップテーブルの種々の値と比較することにより、流体成分カウント又は流体成分特徴を特定する。１つの実施態様では、電子回路３４。別の実施態様では、電子回路１３４は、式の一部として種々の電気パラメータ信号に基づく値を利用して、流体流量を計算するか又は推定する。
【００２４】
１つの実施態様では、流体センサ１２０は、マイクロ流体チャネル２４を含む基板２２又は回路チップの上に、完全に収容されるか又は統合される。例えば、１つの実施態様では、電子回路１３４は、マイクロ流体チャネル２４が中又は上に設けられるチップ又は基板２２の一部として統合される。更に他の実施態様では、流体センサ１２０の幾つかの部分は、別個の基板又は装置の間で分散される。例えば、１つの実施態様では、出力部１３２及び電子回路１３４は、センサ１２０の残りの要素を含むチップの上に設けられた電気接点又は電気接点パッドに電気的に接続される別個の装置によって提供される。
【００２５】
図３は、流体を検知し分析するシステム１２０によって実行することができる例としての方法２００のフロー図である。ブロック２０４によって示すように、電子回路１３４は、本発明による流体ポンプ１２６に対して、チャネル２４を通して流体を移動させるか又は圧送するように指示する制御信号を出力する。ブロック２０６によって示すように、光源１３０は、チャネル２４内の流体を通して、導波路１２７の入力カプラ３６等の入力カプラに光を向ける。図２によって概略的に示すように、光は、流体２２２によって運ばれる成分２２０から反射され及び／又は屈折し、そこでは、光は入力カプラ３６に入射する。他の実施態様では、入力カプラ３６は、マイクロ流体チャネル２４の光源１３０とは反対側に位置し、光源１３０からの光は、チャネル２４を通りかつ横切って入力カプラ３６まで進む。
【００２６】
ブロック２０８によって示すように、導波路１２７は光を出力カプラ３８に向け、各出力カプラは、定常波パターンをサンプリングして、光強度のサンプルを対応する光学センサ２８に向けることができる。矢印２２８によって示すように、光のサンプルは、対応する光学センサ２８に伝送される。
【００２７】
１つの実施態様では、光は、モードフィルタ１３７に通され、モードフィルタ１３７は、単一の空間モードしか透過させず、選択された周波数を、中心がずれたマルチモード導波路１２７によって伝送される光から、フィルタリング処理により取り除くか又は除去する。この結果、十分に制御された励振条件がもたらされ、そこでは、マルチモード導波路１２７の開始時、空間モードの特定の重畳が励起される。
【００２８】
ブロック２１０によって示すように、光学センサ２８は、出力カプラ３８から受け取られる光を検知する。光学センサ２８は、電子回路１３４に伝送される電気信号を出力する。１つの実施態様では、基板２２は、電気接点パッドを備え、それにより、電子回路１３４、外部基板２２、及び基板２２によって形成されるチップが接続される。別の実施態様では、電子回路１３４は、基板２２の上に統合される。
【００２９】
ブロック２１２によって示すように、電子回路１３４は、光学センサ２８からのわずかな信号によって表される光の定常波形式を解析して、流体の特徴を求める。１つの実施態様では、定常波パターンからのサンプルは、電子信号のフーリエ解析（例えば、離散コサイン変換）又はセンサ較正データを組み込むことができる、より複雑な再構成方法（例えば、最小二乗法に基づく）を用いてスペクトル情報に変換される。電子回路１３４は、スペクトル情報に基づいて流体の特徴を求める。こうした特徴としては、流体の細胞、粒子若しくは成分のカウント若しくは数、こうした細胞、粒子若しくは成分のサイズ若しくは密度、及び／又は特定の細胞、粒子若しくは成分の特定を挙げることができる。解析の結果は、出力部６３２に記憶及び／又は提示される。
【００３０】
図４は、マイクロ流体の流体センサ３２０、すなわちマイクロ流体の流体センサ２０の別の実施態様例を概略的に示す上面図である。マイクロ流体の流体センサ３２０は、複数のチャネル内の流体を検知する以外は流体センサ１２０と同様である。マイクロ流体の流体センサ３２０は、基板２２、流体入力部３２３Ａ、３２３Ｂ、３２３Ｃ（まとめて入力部３２３と呼ぶ）、マイクロ流体チャネル３２４Ａ、３２４Ｂ、３２４Ｃ（まとめてチャネル３２４と呼ぶ）、マイクロ流体ポンプ３２６Ａ、３２６Ｂ、３２６Ｃ（まとめてポンプ３２６と呼ぶ）、導波路３２７Ａ、３２７Ｂ、３２７Ｃ（まとめて導波路３２７と呼ぶ）、光学センサ３２８Ａ、３２８Ｂ、３２８Ｃ（まとめて光学センサ３２８と呼ぶ）、光源３３０Ａ、３３０Ｂ、３３０Ｃ（まとめて光源３３０と呼ぶ）、ピラーフィルタ（pillar filter）３３１、出力部１３２及び電子回路１３４を備える。流体入力部３２３は、通路又はポートを備え、それにより、流体はチャネル３２４に導入される。図示する例では、チャネル３２４Ａ及び３２４Ｂは、流体を、並置された分光計に向ける。チャネル３２４Ｃは、基準チャネルを含む。図示する例では、ピラーフィルタ３３１は、流体インポート３２３Ｃを通して導入される流体をフィルタリングして、細胞の接近からチャネル３２４Ｃを保護する。
【００３１】
チャネル３２４は、各々、上述したチャネル２４と同様である。チャネル３２４は、直線であるように示すが、他の実施態様では、チャネル３２４は他の形状を有することができる。ポンプ３２６は、各々、上述したポンプ１２６と同様である。同様に、導波路３２７は、上述した導波路１２７と同様である。導波路３２７は、入力カプラ３６及び複数の関連する出力カプラ３８を備える。光学センサ３２８は、各々、上述した光学センサ２８と同様である。
【００３２】
光源３３０は、電磁放射線又は光の供給源を備え、各光源１３０は、マイクロ流体チャネル３２４のうちのそのそれぞれ１つに光を向けることができる。１つの実施態様では、各光源１３０は、発光ダイオード等の発光デバイスを含む。１つの実施態様では、光源３３０Ａは、紫外線発光ダイオードを有する狭帯域光源を含む。幾つかの実施態様では、紫外光を用いて、マイクロ流体チャネル２４内の流体における発光マーカからのフォトルミネッセンス応答を刺激することができる。光源３３０Ｂは、反射及び散乱信号又はフォトルミネッセンス応答を刺激するように、白色発光ダイオード等の広帯域光源を備える。光源３３０Ｃは、基準チャネル３２４Ｃに対して光を提供する。基準チャネル３２４Ｃは、光源３３０Ｃによって提供される広帯域照明を用いる差分フォトルミネッセンス単一検出を促進する。基準チャネル３２４Ｃ及びその関連する構成要素を設けることにより、細胞検出及び識別のロバスト性が向上する。
【００３３】
出力部１３２及び電子回路１３４については上述した。動作時、サンプル流体が流体入口部３２３を通して導入される時等の解析開始時、電子回路１３４は、それぞれのチャネル３２４を通して流体を移動させるようにポンプ３２６を作動させる制御信号を出力する。光源３３０からの光はチャネル３２４内に向けられ、そこで、流体に入射する。入力カプラ３６は、入射光を受け取り、その光を出力カプラ３８に向け、出力カプラ３８は、光学センサ３２８によって検出される様々な周波数又は成分において光をスペクトル的に分離する。光学センサ３２８からの信号は、電子回路１３４によって受け取られ、フーリエ解析等を通して解析されて、流体の特徴を求めるように検出される。こうした流体特徴の検出は、流体における発光マーカからフォトルミネッセンス応答を検出することと、流体成分の反射又は散乱の検出とを含むことができる。こうした信号は、ピラーフィルタ３３１によってフィルタリングされた基準チャネル３２４内に収容された流体と比較することができる。こうした解析の結果は、出力部１３２において提示及び／又は記憶される。
【００３４】
図５〜図１８は、例としてのマイクロ流体光学流体センサ６２０の形成（図１７及び図１８に完成した状態を示す）を示す。図５によって示すように、基板６２２に対して半導体製造プロセスを実施して、基板６２２の上に電界効果トランジスタ７００（ソース、ドレン、ゲート及び半導体チャネルを備える）とフォトダイオード７０２のアレイとを形成する。図示する例では、トランジスタ７００の一部及びフォトダイオード７０２は、各々、同時に形成されたｐ型ドーピング領域７０３及びｎ型ドーピング領域７０５を含む。基板６２２の上に金属／誘電体層６２３を形成するか又はパターニングし、それらは、トランジスタ７００及びフォトダイオード７０２のための様々な電気的相互接続７０４を備える。図示する例では、こうした構造を形成するために、相補型金属酸化膜半導体プロセスを採用する。図示する例では、基板６２２は、シリコン基板を含むことができる。他の実施態様では、他の半導体プロセスを採用することができ、基板６２２は、他の材料から形成することができ、及び／又は他の材料を含むことができる。
【００３５】
図６によって示すように、センサ６２０は、導波路を採用して、光を形成されたフォトダイオード７０２まで伝送する。図示する例では、金属／誘電体層６２３の上に、導波路層７０６を形成する材料の層を堆積させかつパターニングする。１つの実施態様では、導波路層７０６用の材料は窒化ケイ素を含む。１つの実施態様では、プラズマ化学気相成長又は減圧化学気相成長を用いて、導波路層７０６を形成する窒化ケイ素又は他の材料を堆積させる。他の実施態様では、導波路層７０６は、他の材料から形成することができ、他の方法で形成することができる。
【００３６】
図７によって示すように、導波路層７０６の一部を除去して、シングルモード領域７１０及びマルチモード領域７１２を形成するか又は画定する。図示する例では、こうした領域を画定するために、エッチングを通して導波路層７０６の一部を除去する。図８によって示すように、マルチモード領域７１２の幾つかの部分を更に除去して、様々な出力カプラ又は回折格子７１４を形成するか又は画定する。出力カプラ又は回折格子７１４は、散乱物体を備え、それにより、導波路層７０６を通って進む光の定常波強度パターンがサンプリングされ、フォトダイオード７０２の形態の対応する光学センサに向けられる。１つの実施態様では、こうした回折格子７１４は、導波路層７０６に沿って規則的な間隔（空間周波数）で隔置される。回折格子７１４は、最上面にあるため、導波路の頂部の近くの電界をサンプリングすることができる。
【００３７】
１つの実施態様では、回折格子７１４は、散乱物体として機能し、それにより、回折格子７１４は、マルチモード干渉に起因して導波路７０６に形成される光強度の定常波パターンをサンプリングする。このサンプリングされた光パターンはフォトダイオード７０２に向けられる。検出された光パターンをデジタルで（例えば、離散コサイン変換を用いて）処理して、導波路２７内の光の周波数スペクトルを取得することができる。
【００３８】
図９によって示すように、入力カプラ７２０を形成して導波路の側壁を画定するように、導波路層７０６の追加の部分を更に除去する。図示する例では、入力カプラ７２０はグレーティングカプラを含む。入力カプラ７２０としての役割を果たすグレーティングカプラは、発光体からの入射光等、入射光の回折及び／又は反射のために所定のピッチ、エッチング角度及び／又はデューティサイクルを有することができ、導波路層７０６に沿って回折格子７１４まで意図された方向に進むように、入射光の向きを変えることができる。
【００３９】
図１０によって示すように、入力カプラ７２０と出力カプラとしての役割を果たす回折格子７１４とが形成されると、導波路層７０６の上に、最上誘電体層７２４を施すか又は堆積させる。図１１によって示すように、最上誘電体層７２４の上の、出力カプラとしての役割を果たす回折格子７１４とは反対側の領域に、金属反射又は光遮蔽層７２６を堆積させる。図１２によって示すように、金属反射又は光遮蔽層７２６の上に、追加の誘電体層７２８を堆積させる。図１３によって示すように、層７２８、７２４及び６２３をエッチングしてビア７３０を形成する。図１４によって示すように、誘電体層７２８の上にサーマルインクジェット抵抗器７３４を形成し、ビア７３０を介してトランジスタ７００に電気的に接続する。図１５に示すように、層７２８及び抵抗器７３４の上にチャネル形成層７３８を形成する。１つの実施態様では、層７３８は、ＳＵ−８（γ−ブチロラクトンＧＢＬ又はシクロペンタノン等の有機溶剤に溶解したビスフェノールＡノボラック型エポキシ樹脂）等のエポキシ系ネガ型フォトレジスト等、透明なフォトレジスト材料の層を含む。図１６によって示すように、層７３８を更に露出させかつ成長させて、マイクロ流体チャネル６２４を形成する。最後に、図１７によって示すように、マイクロ流体チャネル６２４の上又はそれにわたって層７３８の上に透明なカバー層７４０を形成するか又は堆積させる。幾つかの実施態様では、マイクロ流体チャネル６２４とは反対側に又はその上にレンズを更に形成することができる。
【００４０】
図１８は、完成したマイクロ流体光学流体センサ６２０の上面図である。図１８によって示すように、センサ６２０は、マイクロ流体チャネル６２４、バブルジェット式慣性ポンプ６２６、光学センサ６２８、光源３０（図２に図示する）、出力部６３２、並びに制御及び解析電子回路６３４を備える。マイクロ流体チャネル６２４、バブルジェット式慣性ポンプ６２６、光学センサ６２８、発光体３０は、システム２０に関して上述したマイクロ流体チャネル２４、バブルジェット式慣性ポンプ２６、光学センサ２８及び発光体３０に関して上述した全体的な機能を実行及び実施する。こうした構成要素の各々は、基板６２２を含む様々な層を備えることができる検知チップ（図１９に図示する）の上に一体的に形成される。
【００４１】
出力部６３２は、電子回路６３４による液体の解析の結果を提示及び／又は記憶するデバイスを更に備えることができる。１つの実施態様では、出力部６３２は、表示画面又はモニタを備える。１つの実施態様では、表示画面又はモニタは更に、タッチスクリーンを含む入力デバイスとしての役割を果たす。１つの実施態様では、出力部６３２はメモリを備え、そこに、マイクロ流体チャネル６２４を通って流れる液体の検知及び解析からのデータを記憶することができる。１つの実施態様では、出力部６３２は、チップの外部に又はチップとは独立して位置し、センサ６２０の他の構成要素を提供し、出力部６３２は、電子回路６３４に有線又は無線で接続される。
【００４２】
センサ６２０の動作を制御しかつ光学センサ６２５から信号を受け取り、こうした信号を（未加工フォーマットで、又はこうした信号が電子回路６３４によってフィルタリングされ、変換され又は処理された後に）利用して、マイクロ流体チャネル６２４を通って流れる流体の特徴を特定するか又は決定するデバイスを、電子回路６３４は、備えることができる。例えば、１つの実施態様では、電子回路６３４は、非一時的コンピュータ可読媒体又はメモリに含まれる命令に従って、光学センサ６２８から受け取る信号を解析して、マイクロ流体チャネル６２４内を流れる液体又は流体内の特定の成分又は細胞のカウント又は数を特定する。別の実施態様では、電子回路６３４は、非一時的コンピュータ可読媒体に含まれる命令に従って、マイクロ流体チャネル６２４内を流れる等の流体の特定の成分又は流体における成分の特徴を特定する。こうした解析の結果は出力部６３２に伝送される。
【００４３】
図１９及び図２０は、マイクロ流体センサ８２０、すなわち、マイクロ流体センサ２０の別の実施態様を示す。マイクロ流体の流体センサ８２０は、導波路層７２４の代わりに導波路層８２４を備えることを除き、マイクロ流体の流体センサ６２０と同様である。導波路層８２４自体は、導波路層７２４と類似しているが、導波路層７２４の向きから９０度ずれた向きを有していることが異なる。言い換えれば、導波路層８２４は水平に向けられ、それにより、導波路層８２４は、回折格子７１４の垂直方向ではなく水平方向に面する出力カプラとしての役割を果たす回折格子８１４基準を有する。この構造の１つの利点は、１つの実施態様では、３段階ではなく単一のフォトリソグラフィ段階で構造を製造することができるということである。他の点ではマイクロ流体の流体センサ６２０の構成要素に対応するマイクロ流体の流体センサ８２０の残りの構成要素には、同様に番号を付す。
【００４４】
図１〜図２０に示す例では、導波路層７０６、導波路１２７又は導波路３２７は、基板２２上の先行して形成された光学センサ２８、３２８、７０２の上部にわたって形成される。１つの実施態様では、導波路層７０６、導波路１２７又は導波路３２７は、集積回路相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）サーマルインクジェット製造プロセスを用いて形成される。こうした製造プロセス中、出力カプラ３８又は回折格子７１４、８１４は、フォトマスクプロセスによって光学センサ２８、３２８、７０２と位置合せされて製造される。その結果、組立の複雑性を低減させることができる。
【００４５】
図２１は、上述したマイクロ流体の流体センサの各々の一部である分光計を形成する例としての方法９００のフロー図である。ブロック９１０によって示すように、基板２２の上に光学センサ２８、３２８又は７０２を形成する。１つの実施態様では、こうした光学センサは、ＣＭＯＳ製造プロセスを用いて形成される。ブロック９１４によって示すように、基板２２の上に、入力カプラ３６、７２０及び出力カプラ３８又は回折格子７１４、８１４を提供する導波路層７０６を堆積させる。フォトマスクプロセスを通して、出力カプラ３８又は回折格子７１４、８１４を、それぞれ光学センサ２８、３２８又は７０２と正確に位置合せする。ブロック９１６によって示すように、入力カプラ３６、７２０に光を向けるように、光源を設けるか又は形成する。１つの実施態様では、透明なカバーガラスを形成することによって光源を設ける。１つの実施態様では、光源は、レンズを更に備える。幾つかの実施態様では、光源は、発光ダイオード等の発光体を含む。
【００４６】
ブロック９１８によって示すように、このように形成された分光計が、上述したもの等のマイクロ流体の流体センサの一部として使用される応用では、マイクロ流体チャネル及びポンプは、導波路の上に又はその上方に形成される。したがって、層ＣＭＯＳ製造プロセスによって、層を通して構成要素の各々が形成され、分光計又は分光計を利用するマイクロ流体の流体センサのいずれかに対するあらゆる組立てが縮小される。
【００４７】
図２２は、方法９００のブロック９１０、９１４及び９１６によって形成される例としての分光計１０２０を示す断面図である。分光計１０２０は、基板２２、導波路層７０６、反射層１０２１及び光学センサ６２８を備える。基板２２及び導波路層７０６については上述した。反射層１０２１は、ミラーとしての役割を果たし、導波路層７０６内に光を保持する。
【００４８】
図２２によって示すように、基板２２の上に直接光学センサ２８が形成されている。光学センサ２８の上部に導波路層７０６が形成されている。導波路層７０６の上部に反射層１０２１が形成されている。したがって、層の積重ねを用いて分光計１０２０を形成することができる。図示する例では、反射層１０２１は、入力カプラ７２０の上に延在せず、外部光源１０３０が入力カプラ７２０に光を供給するのを可能にする。破線によって示すように、他の実施態様では、反射層１０２１は、入力カプラ７２０の上にかつそれにわたって延在することができ、（参照符号１０２３によって示すような）入力カプラ７２０の真下の基板２２の部分を除去して、光通路を形成することができ、又はそうした部分を透明にすることができる。こうした実施態様では、下にある光源１０３０’が、入力カプラ７２０に光を向けることができる。
【００４９】
図２３は、マイクロ流体の流体センサ１１２０を形成するための、図２２において単一チップとして形成された分光計１０２０の使用を示す。図２３によって示すように、第２のチップ１１２１を分光計１０２０に接合することにより、マイクロ流体の流体センサ１１２０が形成される。第２のチップ１１２１は、基板１１２２、電気的相互接続層１１２３、マイクロ流体チャネル１１２４、マイクロ流体ポンプ１１２６及び接合層１１２８、１１２９を備える。基板１１２２は、電気的相互接続層１１２３及びマイクロ流体ポンプ１１２６を支持する基板を含む。１つの実施態様では、基板１１２２は、基板２２と実質的に同様である。
【００５０】
電気的相互接続層１１２３は、導電トレース又はワイヤとともにマイクロ流体ポンプ１１２６を選択的に作動させるトランジスタがパターニングされている誘電体層を備えることができる。１つの実施態様では、電気的相互接続層１１２３は、上述した層６２３、トランジスタ７０１、相互接続７０４と同様である。図２３によって示すように、基板１１２２の一部及び電気的相互接続層１１２３は、光源１０３０から基板１１２２及び層１１２３を通りマイクロ流体チャネル１１２４に入る光の透過を容易にするように、開口部を有し、及び／又は透明である。図示する例では、チップ１１２１は、チップ１１２１がチップに接合されて分光計１０２０を提供するとき、光源１０３０から入力カプラ７２０の上に光を集束する任意選択的なレンズ１１３３を備える。図２３によって示すように、こうした光は、マイクロ流体チャネル１１２４内の流体内で運ばれる細胞又は他の粒子１１３５（概略的に表す）の上に入射する。
【００５１】
マイクロ流体チャネル１１２４は、導波路層７０６の入力カプラ７２０とは反対側に延在するようなサイズ及び形状である通路を備える。マイクロ流体チャネル１１２４は、マイクロ流体ポンプ１１２６によって圧送される流体を、光源１０３０からの光と入力カプラ７２０との間に向ける。マイクロ流体ポンプ１１２６は、上述したマイクロ流体ポンプ７３４と同様である。図示する例では、マイクロ流体ポンプ１１２６はバブルジェット式慣性ポンプを含む。他の実施態様では、マイクロ流体ポンプ１１２６は、圧電抵抗式慣性ポンプ等、他の形態のポンプを含むことができる。
【００５２】
接合層１１２８、１１２９は、２チップマイクロ流体分光計又はマイクロ流体の流体センサ１１２０を形成するようにチップ１１２１の分光計１０２０への固定を促進する。１つの実施態様では、接合層１１２８は、オルトケイ酸テトラエチル（ＴＥＯＳ）を含む。接合層１１２９は接着剤又は下塗り剤を含む。他の実施態様では、接合層１１２８及び／又は１１２９は、他の接着剤又は他の接合材料を含むことができる。光学センサ６２８及び導波路７０６の出力カプラ７１４は、単一基板用の単一チップの上に形成されるため、光学センサ６２８及び出力カプラ７１４の位置合せを達成することができ、それにより、分光計１０２０を形成するチップにチップ１１２１を組み付けるためのより大きい公差が促進される。
【００５３】
本開示は、実施態様例を参照して記載したが、当業者は、請求項に係る主題の趣旨及び範囲から逸脱することなく、形式及び細部に変更を行うことができることを理解するであろう。例えば、種々の実施態様例について、利益を提供する特徴を含むものとして記載したが、記載した実施態様例において又は他の代替実施態様において、記載した特徴を相互に交換するか、又は代替的に互いに組み合わせることができることが企図される。本開示の技術は比較的複雑であるため、技術における全ての変更を予測することはできない。実施態様例を参照して記載しかつ以下の特許請求項に示す本開示は、可能な限り広いように明確に意図される。例えば、特に断りのない限り、単一の特定の要素を記載する請求項は、複数のこうした特定の要素も包含する。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【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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【国際調査報告】
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