(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
セル内に画成した液体試料の流路を挟んでその両側に発光部および受光部を配し、かつ発光部と受光部との間の光路に対応して流路に接するセル内の側壁に測光窓を開口した構成になるフローセルにおいて、前記測光窓を微小な貫通穴とした上で穴内壁面を撥水処理し、その撥水処理面の表面張力と流路側の液体圧力との釣合いにより、測光窓の内側への液体浸入を防止するようにしたフローセルであって、発光部および受光部と測光窓の裏面側との間に、外気に対して封止された小室を画成するとともに、該小室の室内空間を加熱するヒータ，および流路側の圧力と小室内の圧力との差圧を検出する圧力センサを設け、該圧力センサの検出信号を基に、前記加熱ヒータの発熱制御により小室内の気体圧力を調整して液体が流路側から測光窓を通じて小室に流入することを防止するようにしたことを特徴とするフローセル。
【請求項２】
請求項１記載のフローセルにおいて、小室を、発光部および受光部を搭載した基板と測光窓を開口して前記基板と重ね合わせたシリコン基板との間に画成し、かつ加熱ヒータを薄膜ヒータ、圧力センサを半導体式圧力センサとして前記シリコン基板の基板上に作り込んだことを特徴とするフローセル。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば飲料水や生体試料などを化学分析する測光分析計に適用するフローセルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
飲料水や生体試料など液体の化学分析に用いる吸光度測定では、液体試料をフローセルの内部に流し、そのセル側面に開口した測光窓を通して発光部から出射した光を液体流路に入射し、反対側の測光窓を通して受光部で受光するようにしている。
【０００３】
また、そのフローセルの従来構造では、例えば特開平１０−１１１２３５号公報で開示されているように、セル内に画成した液体試料の流路を挟んでその両側の側面に開口した測光窓を通じて発光部と受光部の間に光路を形成し、かつ測光窓には光透過性に優れた石英ガラスなどにより液体流路と発光部，受光部との間を液密にシールするようにしており、さらに測光窓にワイパーを付設して液体試料の成分が付着した測光窓の汚れをワイパーの操作で排除するようにしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
前記した従来構造のフローセルでは、液体試料に含まれる成分がフローセルの内壁面に付着し、これを長期に亘って放置すると測光窓に配した石英ガラスの光透過性が劣化して測定精度が低下するようになることから、メンテナンス作業として定期的にセル内の洗浄，および測光窓のワイピングを行って清浄な状態に維持するようにしている。
【０００５】
ところで、フローセルの測光窓をワイピングするには、ワイパー，洗浄ブラシなどの付属機構を要して大型化するほか、そのワイピング作業にも手間がかかるなど、コストおよび保守管理面に問題があつた。
本発明は上記の点に鑑みなされたものであり、従来構造のフローセルの測光窓に配した石英ガラスを省略し、測光窓への試料成分の付着，汚れに対するワイピングを不要にしてセルの小形化，メンテナンスフリーを実現したフローセルを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によれば、セル内に画成した液体試料の流路を挟んでその両側に発光部および受光部を配し、かつ発光部と受光部との間の光路に対応して流路に接するセル内の側壁に測光窓を開口した構成になるフローセルにおいて、前記測光窓を微小な貫通穴とした上で穴内壁面を撥水処理し、その撥水処理面の表面張力と流路側の液体圧力との釣合いにより、測光窓の内側への液体浸入を防止するように構成する。
【０００７】
そして、本発明によれば、周囲温度変化に伴うセル内圧力，液体試料の圧力変化などに対して、前記した液体浸入防止機能を安定確保させるために、発光部および受光部と測光窓の裏面側との間に、外気に対して封止された小室を画成するとともに、該小室の室内空間を加熱するヒータ，および流路側の圧力と小室内の圧力との差圧を検出する圧力センサを設け、該圧力センサの検出信号を基に、前記加熱ヒータの発熱制御により小室内の気体圧力を調整して液体が流路側から測光窓を通じて小室に流入することを防止するようにする（請求項１）。
その具体的な態様として、前記の小室を発光部および受光部を搭載した基板と測光窓を開口して前記基板と重ね合わせたシリコン基板との間に画成し、かつ圧力センサおよびヒータをそれぞれ半導体式圧力センサ，および薄膜ヒータとして前記シリコン基板の基板上に作り込んで構成する（請求項２）。
【０００８】
上記の構成により、撥水加工を施した測光窓における表面張力に対して、セル内の流路を流れる試料の液体圧力が小さい範囲では、液体圧力と表面張力との釣合いにより、液体流路側から測光窓を通じて発光部，受光部側に液体が浸入することが阻止される。
また、測光窓部における表面張力に対して流路側の液体圧力が大きい場合でも、前記の圧力センサで検出した差圧信号を基に、ヒータの加熱により測光窓の内側に画成した小室の圧力を高めるように制御することで、流路側からの液体浸入を防止できる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図示実施例に基づいて説明する。
〔実施例１〕
図１(a),(b) はフローセルの構造を示すものである。図において、１は発光素子、２は受光素子、３は発光素子１，受光素子２を搭載したガラス基板、３ａはガラス基板３の内側に形成した凹状の小室、４は板面に微小な測光窓穴４ａを開口したシリコン基板、５は液体試料を流す流路６を画成するガラス基板であり、前記の発光素子１，受光素子２および測光窓穴４ａが一直線上に並ぶように各基板３，４，５を重ね合わせ、その相互間を結合してフローセルを構成している。
【００１０】
また、前記シリコン基板４に開口した測光窓穴４ａは、外側から流路６に向けて縮小したテーパ状の穴として、流路側から窓穴の中に液体が浸入し難い形状となし、さらにその測光窓穴４ａの内壁面にはフッ素樹脂などで撥水処理を施して液体の濡れ性が低い撥水層７が形成されている。なお、図１(b) のセル組立状態では、測光窓４ａの裏面側に画成されている小室３ａの空間は周囲の外気に対して封止された空間となる。
【００１１】
ここで、前記の測光窓穴４ａを円形穴として、その窓穴の半径をｒ、流路６に通流する試料液体の表面張力をγ、撥水処理を施した窓穴の内壁面と液体との接触角をβ、小室３ａ（小室には空気が封じ込められている）の内圧をＰg 、流路６の液体圧力Ｐl とすると、流路６から測光窓穴４ａを通じて背後の小室３ａに試料液体が浸入しない条件は、毛細管力と小室内圧力と流路内圧力との釣合いから、次式(1),(2) によって決まる。
【００１２】
【式１】
πｒ2 Ｐg ＋２πｒγ・ｃｏｓθ＞Ｐl （πｒ2 ）  ………(1)
【００１３】
【式２】
ｒ＜（２γ・ｃｏｓθ）／（Ｐl −Ｐg ）          ………(2)
そして、上式(2) を基に、圧力差（流路６と小室３ａとの相対圧）と測光窓穴４ａの開口部最大半径との関係をプロットして表すと図２のようになる。
【００１４】
すなわち、流路６と小室３ａとの相対圧（差圧）に対して撥水処理を施した測光窓穴４ａの穴径を図２に表した特性線以下に設定する、あるいは流路６の液体圧力に対応して小室３ａの内圧を後記の実施例２で述べるように調整制御すれば、表面張力と液体圧力との釣合いによって流路６から測光窓穴４ａを通じて小室３ａに試料液体が浸入しなくなる。
【００１５】
したがって、この封止手段をフローセルの測光窓穴４ａに適用することにより、従来構造のように石英ガラスで測光窓を液密シールしたり、測光窓に付着した試料の汚れを清掃するために行うワイピングが不要となり、フローセルのメンテナンスフリー化が実現できる。
〔実施例２〕
次に、前記実施例１をさらに改良した実施例の構成を図３で説明する。この実施例では、発光素子１，受光素子２を搭載したガラス基板３と測光窓穴４ａを開口したシリコン基板４との間に画成された小室３ａに対して、シリコン基板４の基板上には半導体式圧力センサ８，および薄膜ヒータ９が作り込まれている。
【００１６】
すなわち、当該フローセルを使って液体試料の化学分析を行っている状態で、
周囲温度の変化に伴う小室３ａ内の圧力変動、あるいは試料液体の脈動によって測光窓穴４ａにおけるメニスカス（毛細管の液体表面がつくる球面状の表面）が変化すると、発光素子１と受光素子２との間の光路が微妙に変化し、これが受光素子の検出信号にノイズとして現れてフローセルの測定精度を低下させる。
【００１７】
そこで、この実施例では、前記のようにシリコン基板４の裏面側に作り込んだ半導体式圧力センサ８および薄膜ヒータ９を用い、圧力センサ８の検出信号を基にしたフィードバック制御によりヒータ９を通電制御し、小室３ａに封じ込められている気体（空気）の温度，したがってその室内圧力（気体圧）を流路６の液体圧力に対応して可変調整して、流路６側から液体が測光窓穴４ａを通じて小室３ａに浸入しないようにしている。
【００１８】
ここで、前記圧力センサ８はシリコン基板４の一部に形成したダイヤフラム８ａの上にピエゾ抵抗８ｂを形成し、流路６側の圧力と小室３ａの内圧との圧力差に応動するダイヤフラム８ａの歪みをピエゾ抵抗８ｂの抵抗値変化して差圧を検出する。そして、圧力センサ８の出力信号を基に、薄膜ヒータ９に流す電流をフィードバック制御することにより、小室３ａ内の気体温度を変えて、先記の(2)式，および測光窓穴におけるメニスカスの形状を一定に維持する条件を満たす圧力を発生させる。なお、差圧，温度の変動に対する制御の応答性を高めるためには、小室３ａの容積はできるだけ小さい方が望ましい。また、薄膜ヒータ９は、基板側への熱放散をできるだけ抑えるために、シリコン基板４と熱絶縁するのがよい。
【００１９】
次に、実施例１で述べたフローセルの製造方法を図４，図５で説明する。まず、シリコン基板４の加工工程を図４(a) 〜(c) に示す。すなわち、面方位（100)の単結晶シリコン基板４（(a) 図参照）の表面にシリコン酸化膜１０を形成した上で、測光窓穴４に対応するマスクをフォトリソグラフイーによりパターニングする（(b) 図参照）。次に、K0H などシリコンの結晶異方性エッチヤントによりシリコン基板４にテーパ形状の測光窓穴４ａを加工する（(c) 図参照）。なお、シリコンの結晶異方性エッチングを行う場合は窓穴４ａの形状は図１(a) で示すような角穴とするが、ドライエッチング法により円形状の窓穴にテーパをつけることも可能である。そして、エッチング処理の後はシリコン酸化膜１０をバッファードふっ酸により洗浄して除去する。
【００２０】
一方、受光素子１，受光素子２（図１参照）を搭載するガラス基板３の加工は、図５(a),(b) で示すように、ガラス基板３に取付ける発光素子（発光ダイオード），受光素子、あるいはこれに代わる光ファイバなどの外形サイズに合わせて、ガラス基板３の表面にフォトレジストのマスク１１を作っておき（(a) 図参照）、サンドブラスト法などにより両面から小室３ａとなる凹所，および発光素子，受光素子の装着穴３ｂを加工する（(b) 図参照）。
【００２１】
そして、前記の加工方法で作製した各基板を図１で示すように組合せて積層した上で各基板の相互間を接合する。なお、この接合方法としては、例えば、各基板を４００℃程度まで加熱して密着させた上で、ガラス基板３と５との間に電圧を印加する陽極接合法が採用できる。
次に、実施例２で述べたシリコン基板４の製造方法を図６(a) 〜(e) で説明する。まず、(a) 図に示すシリコン基板４の表面にフォトレジストにより圧力センサ８のピエゾ抵抗８ａに対応するマスク、および薄膜ヒータ９に対応するマスクをパターン形成した上で、イオン注入法などによりホウ素を高濃度に拡散してピエゾ抵抗８ｂ，薄膜ヒータ９を作り込む。なお、薄膜ヒータ９は白金などの金属をシリコン基板４の表面に成膜しても良い。続いて、ピエゾ抵抗８ｂ，薄膜ヒータ９の電極や配線の導体パターンを形成した後、シリコン基板４の表裏両面にシリコン酸化膜１０を形成した上で、測光窓穴４ａおよび圧力センサ８のダイヤフラム８ａに対応するマスクをパターニングする（(b) 図参照）。次に、シリコン基板４の裏面側から反応性イオンエッチング法などによりエッチングして測光窓穴４ａの半開穴４ａ-1，および薄肉なダイヤフラム８ａを残しての凹所８ａ-1を形成する（(c) 図参照）。なお、前記ダイヤフラム部８ａの肉厚は、目標とする圧力センサ感度から定めてエッチング時間により調整する。続いて、シリコン基板４の表面側からも同様な方法でエッチングを行い、先に裏面側から加工した半開穴４ａ-1と貫通させた上で、さらに貫通穴のコーナーからエッチングを進めてテーパ状の測光窓穴４ａを完成する（(d) 図参照）。最後に、シリコン酸化膜１０を除去して圧力センサ８および薄膜ヒータ９が作り込まれたシリコン基板４が完成する（(e) 図参照）。そして、実施例１と同様にガラス基板３，５と組合せて積層，接合することにより図３に示したフローセルが完成する。
【００２２】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、セル内に画成した液体試料の流路を挟んでその両側に発光部および受光部を配し、かつ発光部と受光部との間の光路に対応して流路に接するセル内の側壁に測光窓を開口した構成になるフローセルにおいて、前記測光窓を微小な貫通穴とした上で穴内壁面を撥水処理し、その撥水処理面の表面張力と流路側の液体圧力との釣合いにより、測光窓の内側への液体浸入を防止するようにしたことにより、従来構造のフローセルでその測光窓に配した石英ガラスの省略、および測光窓への試料成分の付着，汚れに対するワイピングを不要にしてフローセルの小形化，メンテナンスフリー化が図れる。
【００２３】
また、周囲温度，流路の液体圧力の変動に対しても、圧力センサで検出した差圧信号を基に、ヒータの加熱により測光窓の内側に画成した小室の圧力を高めるように制御することで、流路側からの液体浸入を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１に係るフローセルの構成図であり、(a) は分解斜視図、(b) は組立状態での要部の拡大断面図
【図２】  図１(b) における液体流路／セル内小室の圧力差とこれに表面張力が釣り合う測光窓穴の最大半径との関係図
【図３】  本発明の実施例２に係るフローセルの要部構造の断面図
【図４】  図１におけるシリコン基板の製造方法の説明図であり、(a）〜(c) はその加工工程図
【図５】  図１におけるガラス基板の製造方法の説明図であり、(a),(b) はその加工工程図
【図６】  図３におけるシリコン基板の製造方法の説明図であり、(a) 〜(e) はその加工工程図
【符号の説明】
１    発光素子
２    受光素子
３    ガラス基板
３ａ  小室
４    シリコン基板
４ａ  測光窓穴
６    液体流路
７    撥水層
８    半導体式圧力センサ
９    薄膜ヒータ
【図１】
0004380087.tif 000002
【図２】
0004380087.tif 000003
【図３】
0004380087.tif 000004
【図４】
0004380087.tif 000005
【図５】
0004380087.tif 000006
【図６】
0004380087.tif 000007