(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単一の流体流から複数の噴霧を生成する電気噴霧装置であって、
a）注入面と、
b）注入面に向かい合う吐出面とを有する基板を備え、基板が、i）各噴霧ユニットが単一の電気噴霧プリュームを生成することができ、各噴霧ユニットの入口開口部が互いに流体連通している複数の噴霧ユニット、またはii）各噴霧ユニットが複数の電気噴霧プリュームを生成することができ、各噴霧ユニットの入口開口部が互いに流体連通している複数の噴霧ユニット、またはiii）複数の電子噴霧プリュームを生成することができる単一の噴霧ユニットを有しており、流体を噴霧する一体のモノリスであり、
各噴霧ユニットが、
注入面上の入口開口部と、
吐出面上の出口開口部と、
入口開口部と出口開口部との間に延びる流路と、
出口開口部を囲み、注入面と吐出面との間に位置する凹部とを備え、
該基板が、
c）少なくとも1つの出口開口部を囲む電界を形成するように位置する電界生成源をさらに備える電気噴霧装置。
【請求項２】
請求項1の複数の電気噴霧装置のアレイを備える、流体を噴霧する電気噴霧システム。
【請求項３】
流体の複数の噴霧を処理する方法であって、
請求項1記載の電気噴霧装置を設ける段階と、
該電気噴霧装置の少なくとも1つの入口開口部に少なくとも1つの流体試料を供給する装置を設ける段階と、
該電気噴霧装置から流体または液滴の複数の噴霧を受ける装置を設ける段階と、
流体を供給する装置から流体を該電気噴霧装置に送る段階と、
少なくとも1つの噴霧ユニットの出口開口部から排出された流体が電気噴霧または液滴を形成するように、該少なくとも1つの噴霧ユニットの出口開口部を囲む電界を生成する段階と、
該電気噴霧または液滴を該電気噴霧装置から受容装置に送る段階とを含む方法。
【請求項４】
電気噴霧装置の単一の流体流から複数の噴霧を生成する方法であって、
a）注入面と
b）注入面に向かい合う吐出面とを有しており、各噴霧ユニットの入口開口部が互いに流体連通している複数の噴霧ユニットを有する一体のモノリスである基板を備え、
各噴霧ユニットが、
注入面上の入口開口部と、
吐出面上の出口開口部と、
入口開口部と出口開口部との間に延びる流路と、
出口開口部を囲み、注入面と吐出面との間に位置する凹部とを備え、該基板が、
c）各噴霧ユニットが、該電気噴霧装置の他の噴霧ユニットから放出された流体の噴霧と重なり合うことのできる流体の少なくとも1つの噴霧を生成する、各出口開口部を囲む電界を形成するように位置する電界生成源をさらに備える、流体を噴霧する電気噴霧装置を設ける段階と、
流体試料からの分析物を注入面上に堆積させる段階と、
注入面上に堆積した分析物を溶出流体で溶出する段階と、
分析物を含む溶出流体を入口開口部に送り込み、流路と、各噴霧ユニットの出口開口部とを通過させる段階と、
各噴霧ユニットの出口開口部から排出された流体が電気噴霧を形成するように出口開口部を囲む電界を生成する段階とを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本出願は、1999年12月30日に出願され、引用によって本明細書に全体的に組み入れられる米国仮特許出願第60/173,674号の恩典を主張するものである。
【０００２】
発明の分野
本発明は、概して、微小電気機械システム（MEMS）を使用して製造される一体型小形流体システムに関し、特に、単一の流体システムから複数の噴霧を生成することのできる一体型モノリシック超小形装置に関する。
【０００３】
発明の背景
薬物の発見および開発における新しい傾向のために、分析技法に対する新たな要求が生じている。たとえば、新しいリード化合物を発見するか、またはリード化合物の変形物を生成するときには組合せ化学が使用されることが多い。組合せ化学技法では、数千個の化合物（コンビナトリアルライブラリー）を比較的短時間（数日ないし数週間程度）で生成することができる。このような多数の化合物の生物学的活動をタイムリーにかつ効率的に試験するには、各候補化合物の特性を迅速に評価できるようにするハイスループットのスクリーニング方法が必要である。
【０００４】
生物学的スクリーニング・データの妥当性を評価するために、結合ライブラリーおよび結合ライブラリーに含まれる化合物の品質が使用されている。各化合物または統計的に適切な数の化合物について正しい分子量が化合物の純度で同定されていることの確認は、結合ライブラリーの品質の２つの重要な尺度である。化合物は、各ウェルから溶液の一部を除去し、質量分析計に結合された液体クロマトグラフィまたは毛管電気泳動機器などの分離装置に内容物を注入することによって分析的に特徴付けることができる。
【０００５】
これらの新規の目標に関する実現可能なスクリーニング方法の開発は、アッセイの結果を分析する迅速分離・分析技法が利用できるかどうかに依存することが多い。たとえば、候補薬物の潜在的な有毒代謝生成物に対するアッセイでは、候補薬物とその候補の代謝生成物との両方を同定する必要がある。新規の化合物が人体にどのように吸収され、どのように代謝されるかを理解することにより、治療効果が高まる可能性があるかどうかを予測することができる。
【０００６】
膨大な数の新規の化合物が日々生成されているので、薬物の発見に関して潜在的な医療価値を有する分子を同定する改良されたシステムも必須である。したがって、潜在的な薬物候補を同定するための、化合物目標反応のハイスループット・スクリーニングおよび同定が必須である。
【０００７】
液体クロマトグラフィ（LC）は、続いて行われる、分析および／または同定される流体の成分の分離のための十分に確立された分析方法である。従来、液体クロマトグラフィでは、直径5μmの密に詰め込まれた粒子が満たされた、内径4.6mm、長さ25cmの寸法を有する円筒形チューブなどの分離カラムが利用されている。最近では、より短いカラムで直径3μmの粒子が使用されている。この小さな粒径により、静止相を形成する様々な化学作用によって修正できる大きな表面積が得られる。カラム寸法および粒径に基づく最適化された流量でLCカラムから液体溶離液が汲み出される。この液体溶離液を移動相と呼ぶ。LCカラムの前に移動相に、ある体積の試料が注入される。試料中の分析物は、各分析物ごとの分配係数に基づいて静止相と相互作用する。分析物が、静止相と相互作用する時間が長ければ長いほど、分配係数が大きくなり、分析物がLCカラム内に保持される時間が長くなる。移動相における分析物の拡散率（移動相物質移動）も分配係数に影響を与える。移動相物質移動は、粒径が2μmよりも大きいときに分離カラムの性能を制限する可能性がある（KnoxJ, J.H.J.著J.Chromatogr.Sci. 18:453ページないし461ページ（1980年））。静止相サポートとしてより小さな粒径を使用するとクロマトグラフィ分離が向上する。
【０００８】
LCカラムの目的は、選択された検出器からの各分析物ごとの固有の反応を定量測定または定性測定について得られるように分析物を分離することである。LCカラムの分離能力は、カラムの寸法および静止相を支持する粒径によって決定される。LCカラムが所与の分析物を分離する能力の尺度を理論段数Ｎと呼ぶ。分析物の保持時間は、移動相成分および分析物の分配係数を変えることによって調整することができる。所与の分析物の分配係数に関して、実験および基本的に理解することによって、どの静止相を選択するかが決定される。
【０００９】
LC分析のスループットを高めるには、LCカラムの寸法および静止相粒径を小さくする必要がある。LCカラムの長さを25cmから5cmに短くすると、分析物の保持時間が係数５だけ小さくなる。同時に、理論段が５倍少なくなる。5μmの粒子を詰め込まれた長さ25cmのカラムの理論段を維持するには、5cmのカラムに1μmの粒子を詰め込む必要がある。しかし、そのような小さな粒子を使用すると、多くの技術的な問題が起こる。
【００１０】
これらの技術的な問題の１つは、このようなカラムのそれぞれに移動相を押し込むことによって生じる背圧である。この背圧は、移動相を所与の流量でLCカラムから汲み出すことによって、分離カラム内で生成される圧力の尺度である。たとえば、5μmの粒子が詰め込まれた内径4.6mm長さ25cmのカラムの典型的な背圧では、流量1.0mL/分で100バールの背圧が生成される。1μmの粒子が詰め込まれた5cmのカラムは、5μmの粒子が詰め込まれた25cmのカラムの５倍高い背圧を生成する。大部分の市販のLCポンプは、動作圧が400バール未満に制限されており、したがって、このような小さな粒子を有するLCカラムの使用は実現不能である。
【００１１】
LCカラム上で分離された分析物の検出は従来、分光検出器を使用することによって行われている。分光検出器は、分離された成分を検出するのに適した波長による励起後の屈折率、紫外線および／または可視光線吸収、または蛍光の変化に依存する。また、LCカラムの溶出液を噴霧し、カラムから溶出する分析物の光散乱特性を測定するチャンバに吹き込まれるエーロゾルを生成することができる。あるいは、分離された成分を液体クロマトグラフィカラムから分析用の他の種類の分析器具に送り込むことができる。分離効率および分析感度を維持するために、LCカラムから検出器に送られる体積は最小限に抑えられる。分離カラムから直接得られるものではないすべてのシステム体積を、死体積または余分なカラム体積と呼ぶ。
【００１２】
液体分離技法をナノスケールに小型化する場合、カラムの内径を小さくし（<100μm）、移動相流量を低くする（即ち、<300nL/分）必要がある。現在、毛管ゾーン電気泳動（CZE）、ナノLC、開管液体クロマトグラフィ（OTLC）、毛管エレクトロクロマトグラフィ（CEC）などの技法は、従来のスケールの高性能液体クロマトグラフィ（HPLC）に勝る多数の利点を実現している。これらの利点には、分離効率が高くなること、高速分離、低体積試料の分析、および二次元技法同士の結合が可能であること含まれる。小型分離技法を使用する場合の１つの問題は、小さなピーク体積をどのように検出するかと、このような小さな体積を許容できる検出器の数が限られていることである。しかし、J.N. Alexander IVら著Rapid Commun. Mass Spectrom. 12:1187ページないし1191ページ（1998年）に示されたように、低流量液体分離技法を電気噴霧質量分析計と結合することにより、うまく適合する技法同士が組み合わされる。毎分数ナノリットル（「nL」）程度の流量での電気噴霧を「ナノ電気噴霧」と呼ぶ。
【００１３】
毛管電気泳動は、小さな毛管内の分子の電気泳動性および／または流体の電気浸透流を利用して流体の成分を分離する技法である。通常、内径100μm以下の融解シリカ毛管に、電解液を含む緩衝液が満たされる。毛管の各端分が、緩衝電解液を含む分離流体容器内に配置される。一方の緩衝容器内にポテンシャル電圧が配置され、他方の緩衝容器内に第２のポテンシャル電圧が配置される。正および負に荷電された種が、緩衝容器に印可された２つのポテンシャル電圧によって確立される電界の影響を受けて毛管内で互いに反対方向に移動する。電気浸透流は、荷電された種が、印可された電界の影響を受けて、緩衝溶液から移動することによる、毛管の壁に沿った流体流として定義される。いくつかの分子は、溶液中には荷電種として存在し、分子種の電荷質量比に基づいて毛管内で移動する。この移動は、電気泳動移動度として定義される。流体の各成分の電気浸透流および電気泳動移動は、各流体成分ごとの全体的な移動を決定する。電気浸透流から得られる流体流プロファイルは、分離流路の壁に沿った摩擦抗力が低下するために平坦である。このため、圧力駆動流のために流体プロファイルが放物線状になる液体クロマトグラフィと比べて分離効率が改善される。
【００１４】
毛管電気クロマトグラフィは、液体クロマトグラフィに典型的な固体静止相を詰め込まれた毛管カラム内で電気浸透分離法の電気駆動流特性を利用する混成技法である。毛管電気クロマトグラフィは、反転相液体クロマトグラフィの分離力と毛管電気泳動の高い効率を結合したものである。電気浸透流から得られる流量プロファイルは、圧力駆動流から得られる放物線状の流量プロファイルと異なり、分離流路の壁に沿った摩擦抗力が低下するために平坦であるので、液体クロマトグラフィを介した毛管電気クロマトグラフィ分離ではより高い効率を得ることができる。さらに、毛管電気クロマトグラフィでは、電気浸透流によって背圧が生成されないので、液体クロマトグラフィよりも小さな粒径を使用することができる。電気泳動とは異なり、毛管電気クロマトグラフィは、液体クロマトグラフィ分離メカニズムを使用することによってカラム粒子の静止相と移動相との間で分析物が分配されるので中立分子を分離することができる。
【００１５】
多数の試料を迅速に分析するためのマイクロチップに基づいた分離装置が開発されている。他の従来型の分離装置と比べて、これらのマイクロチップに基づいた分離装置では、試料スループットがより高くなり、試料および試薬の消費量が少なくなり、薬品廃棄量が少なくなる。マイクロチップに基づいた分離装置では、ほとんどの適用に対して、毎分約１ナノリットルないし300ナノリットルの範囲である。マイクロチップに基づいた分離装置の例には、毛管電気泳動（「CE」）、毛管電気クロマトグラフィ（「CEC」）、および高性能液体クロマトグラフィ（「HPLC」）用の分離装置が含まれる（Harrionら著Science 261: 859ページないし897ページ（1993年）; Jacobsonら著Anal.Chem. 66: 1114ページないし1418ページ（1994年）; Jacobsonら著Anal.Chem. 66: 2369ページないし2373ページ（1994年）; Kutterら著Anal.Chem. 69: 5165ページないし5171ページ（1997年）、およびHeら著Anal.Chem. 70: 3790ページないし3797ページ（1998年））。このような分離装置は、他の従来の分析器具と比べて、高速の分析が可能であり、改善された精度および信頼性を実現する。
【００１６】
Heら著Anal.Chem. 70: 3790ページ〜3797ページ（1998年）の研究には、ガラス基板で製造できるいくつかの種類の構造が示されている。この研究では、同一位置に配置された各モノリシック支持構造（またはポスト）を、反応性イオン・エッチング（RIE）技法を使用して、ガラス基板に再現可能にエッチングできることが示されている。現在、ガラス基板に対する異方性RIE技法は、深さが20μm以下のエッチング微細形状に制限されている。この研究では、深さが10μmである、5μm x 5μmの矩形のポストが示されており、これよりも深さの大きな構造を実現するのは困難であったと述べられている。各ポストはまた、1.5μmだけ分離されている。各ポストは、LCカラムおよびCECカラム中の粒子と同様に静止相を支持する。これらのポストの、従来のLCおよびCECに勝る利点は、静止相支持構造が基板に対してモノリシックであり、したがって動かないことである。
【００１７】
Heらはまた、分離流路の全長にわたって一定の断面積を維持することの重要性を説明している。断面積が大きく変動すると、圧力駆動流システムの圧力を降下することができる。界面動電駆動流システムでは、分離流路の長さに沿った断面積が大きく変動すると、流量が制限され、分離流路内に気泡を形成しうる。分離流路内を流れる流体は、可動溶媒イオンのソースおよびキャリアとして機能するので、分離流路内に気泡が形成されると、電気浸透流が妨害される。
【００１８】
電気噴射イオン化によって液体試料の大気圧イオン化が実現される。電気噴霧プロセスにより、蒸発時に、溶液に含まれる種を表すイオンを生成する高荷電液滴が形成される。質量分析計のイオン・サンプリング・オリフィスを使用して、このような気相イオンを質量分析のためにサンプリングすることができる。質量分析計のイオン・サンプリング・オリフィスに設けられた抽出電極などの抽出電極に対して、毛管の先端に正の電圧が印可されると、電界によって、流体中に正に荷電されたイオンは、毛管の先端にある流体の表面に移動する。質量分析計のイオン・サンプリング・オリフィスに設けられた抽出電極などの抽出電極に対して、毛管の先端に負の電圧が印可されると、電界によって、流体中に負に荷電されたイオンは、毛管の先端にある流体の表面に移動する。
【００１９】
溶媒イオンの斥力が、電気噴霧されている流体の表面張力を超えると、毛管の先端から延びるテイラー・コーン（Taylor cone）と呼ばれるコーンの形状にある体積の流体が引き込まれる。テイラー・コーンの先端から液体ジェット60が延び、この液体ジェットは不安定になり、荷電液滴を生成する。このような小さな荷電液滴は抽出電極の方へ引かれる。小さな液滴の荷電量が多くなり、液滴から溶媒が蒸発することにより、電気噴霧されている流体中の分析物分子上に存在する液滴が過度に荷電される。荷電された分子およびイオンは、質量分析ができるように質量分析計のイオン・サンプリング・オリフィスに引き込まれる。この現象はたとえば、Doleら著Chem.Phys. 49:2240（1968年）およびヤマシタら著J.Phys.Chem. 88: 4451（1984年）に記載されている。電気噴霧を開始するのに必要なポテンシャル電圧（「V」）は、たとえばSmith著IEEE Trans.Ind.Appl. 1986、IA-22:527ページないし535ページ（1986年）に記載されているように溶液の表面張力に依存する。通常、電界は約106V/m程度である。毛管の物理的サイズおよび流体の表面張力は、電気噴霧を開始するのに必要な電界線の密度を決定する。
【００２０】
溶媒イオンの斥力が、毛管の先端から出る流体の表面張力に打ち勝つのに十分な力でないとき、荷電が不十分である大きな液滴が形成される。毛管から出る導電性流体または部分的に導電性の流体と電極との間に印可される電位差が、テイラー・コーンを形成する流体表面張力に打ち勝つのに十分な電位差でないときには、流体液滴が生成される。
【００２１】
R.B. Cole、ISBN 0-471-14564-5、John Wiley & Sons, Inc、ニューヨークによって編集されたElectrospray Ionization Mass Spectrometry: Fundamentals, Instrumentation, and Applicationsは、電気噴霧の基本的な研究の多くについて概略的に説明している。電気噴霧の原則を説明するために、いくつかの数学的モデルが生成されている。数式１は、接地電位に保持された対電極から距離ｄの位置に電圧Vcが印可された場合の、半径rcの毛管の先端における電界Ecを定義している。
【数１】
0005057318.tif 000002
【００２２】
毛管の先端に流れる流体のテイラー・コーンおよび液体ジェットとを形成するのに必要な電界Eonは、次式のように近似される。
【数２】
0005057318.tif 000003
式中、γは流体の表面張力であり、θはテイラー・コーンの半角であり、ε0は真空の誘電率である。数式３は、数式１と数式２を組み合わせることによって導かれたものであり、流体の毛管からの電気噴霧を開始するのに必要な開始電圧Vonを近似している。
【数３】
0005057318.tif 000004
【００２３】
数式３を調べるとわかるように、必要な開始電圧は、対電極からの距離ではなく毛管半径に依存する。
【００２４】
CE、CEC、およびLCで一般に使用されているすべての流体の安定な電気噴霧を形成することのできる電気噴霧装置を定義することが望ましい。このような分離用の移動相として、一般に使用されている溶媒の表面張力は100%水（γ=0.073N/m）から100%メタノール（γ=0.0226N/m）の範囲である。一例として、1000Vの開始電圧を用いて100%水溶液を電気噴霧するには、先端直径が14μmの毛管が必要である。M.S.Wilmら著Int.J.Mass Spectrom.Ion Processes 136:167ページないし180ページ（1994年）の研究ではまず、外径が5μmになるまで引っ張られた融解シリカ毛管からの、25nL/分の流量のナノ電気噴霧を示している。具体的には、電気噴霧を備えた質量分析計のイオン・サンプリング・オリフィスから1mmないし2mmの距離で600Vないし700Vの電圧を印可することにより、内径が2μmで外径が5μmになるまで引っ張られた融解シリカ毛管で25nL/分のナノ電気噴霧が実現された。
【００２５】
API質量分析計のイオン・サンプリング・オリフィスの前方の電気噴霧では、毛管から流れる液体に存在する分析物分子によって、質量分析計検出器から定量応答が生成される。電気噴霧の１つの利点は、質量分析計によって測定される分析物の応答が流体中の分析物の濃度に依存し、流体の流量には依存しないことである。所与の濃度の溶液中の分析物の応答は、電気噴霧を質量分析計を組み合わせて使用した場合、流量が100μL/分でも100nL/分でも同等である。D.C.Galeら著Rapid Commun.Mass Specrom. 7:1017（1993年）は、分析物のイオン化効率が高まることによって、より低い流量でより高い電気噴霧感度が達成されることを示している。したがって、毎分ナノリットル範囲の流量で流体の電気噴霧を行い、これを質量分光と組み合わせたときに、流体内に含まれる分析物に対する最良の感度が得られる。
【００２６】
したがって、マイクロチップに基づいた分離装置とAPI-MS計器を一体化する電気噴霧装置を提供することが望ましい。この一体化により、マイクロチップ上にノズルを形成する毛管チップが制限される。このノズルは、すべての態様において、分離装置および／または電気噴霧装置を形成する基板に対して平面状またはほぼ平面状に存在する。この同一平面形状またはほぼ平面状の形状が存在するとき、ノズルの周りの電界が形成されず、また制御されない場合に、ノズルの先端から放出される電界線が増強されることはなく、したがって、電気噴霧は比較的高い電圧を流体に印加することによってのみ実現することができる。
【００２７】
マイクロチップに基づいた分離用の電気噴霧装置を製造する試みがなされている。Ramseyら著Anal.Chem. 69: 1174ページないし1178ページ（1997年）は、電気噴霧質量分析計と結合されたマイクロチップに基づいた分離装置について説明している。Jacobsonら著Anal.Chem. 66: 1114ページないし1118ページ（1994年）およびJacobsonら著Anal.Chem. 66: 2369ページないし2373（1994年）を含む、この研究グループによる以前の研究では、オンチップ蛍光検出を使用したインプレッシブ分離が示されている。これより新しい研究では、平面状ガラス・マイクロチップの縁部からの90nL/分のナノ電気噴霧が示されている。マイクロチップに基づいた分離流路は、深さ10μm、幅60μm、長さ33mmの寸法を有する。90nL/分の流量を生成するために電気浸透流が使用されている。API質量分析計のイオン・サンプリング・オリフィスから3mmないし5mmの距離にあるマイクロチップの縁部で分離流路から出る流体に4800Vの電圧を印可することによって電気噴霧が生成される。マイクロチップの縁部からテイラー・コーンおよび安定なナノ電気噴霧が形成される前にマイクロチップの縁部に約12nLの試料流体が収集される。このマイクロチップに基づいた分離流路の容積は19.8nLである。毛管電気泳動または毛管電気クロマトグラフィ分離後のこのマイクロチップ装置の縁部からナノ電気噴霧は実際的なものではない。というのは、このシステムは、カラム（流路）体積の約60%の死体積を有するからである。さらに、この装置は平坦な表面を形成し、したがって、電気噴霧を形成するための物理的凹凸が比較的少ないため、電気噴霧を開始する場合に、流体表面張力に打ち勝つために実際的でないほど高い電圧を必要とする。
【００２８】
Xue, Qら著Anal.Chem. 69: 426ページないし430ページ（1997年）も、深さ25μm、幅60μm、長さ35mmないし50mmの閉流路を有する平面状ガラス・マイクロチップの縁部からの安定なナノ電気噴霧について説明している。API質量分析計のイオン・サンプリング・オリフィスから3mmないし8mmの距離にあるマイクロチップの縁部で分離流路から出る流体に4200Vの電圧を印可することによって電気噴霧が形成される。流量100nL/分ないし200nL/分でガラス・マイクロチップに試料流体を供給するためにシリンジ・ポンプが使用されている。ガラス・マイクロチップの縁部は、ナノ電気噴霧の安定性をわずかに向上させる平坦な表面からのナノ電気噴霧に伴う難点のいくつかを軽減するために疎水性コーティングで処理されている。それにもかかわらず、マイクロチップの縁部のテイラー・コーンの体積は、分離流体の容積と比べて過度に大きく、したがって、マイクロチップの縁部から直接電気噴霧を行うこの方法は、クロマトグラフィ分離装置と組み合わされたときに実際的な方法ではなくなってしまう。
【００２９】
T.D.Leeら著1997 International Coference on Solid-State Sensors and Actuators Chicago、927ページないし930ページ（1997年６月16日〜19日）は、直径または幅1μmないし3μm、長さ40μmのシリコン・マイクロチップの縁部にノズルを形成し、API質量分析計のイオン・サンプリング・オリフィスから0.25mmないし0.4mmの距離にあるマイクロチップ全体に4000Vの電圧を印可するマルチステップ・プロセスについて説明している。質量分析計のイオン・サンプリング・オリフィスに非常に近接した位置にノズルを配置して電気噴霧を形成するには比較的高い電圧が必要であるので、この装置の電気噴霧は非効率的であり、イオンがオリフィスに入る前に液滴を十分に蒸発させることができない。マイクロチップの縁部からノズルを延ばすと、ノズルが誤って破壊される可能性がある。最近、T.D.Leeらは、1999 Twelfth IEEE International Micro Electro Mechanical Systems Conference（1999年１月17日〜21日）で、表面の近傍で電界の制御が不十分になるこの現象に打ち勝つために、電気噴霧構成要素がマイクロチップの縁部を2.5mmだけ越えて延びるように製造される、同じ概念を発表した。
【００３０】
したがって、制御可能な噴霧を行う電子噴霧装置と、容易に再現可能でありかつ大量生産が可能であるような装置を製造する方法とを提供することも望ましい。
【００３１】
Laermerらの米国特許第5,501,893号は、容易に再現可能で制御可能な、深さの大きな垂直構造を製造する方法を実現するシリコンの異方性プラズマ・エッチング（ボッシュ・プロセス）法を報告している。このシリコン異方性プラズマ・エッチングには２段階プロセスが組み込まれている。ステップ１は、六フッ化硫黄（SF6）の反応性イオン・エッチング（RIE）ガス・プラズマを使用する異方性エッチ・ステップである。ステップ２は、シリコン基板の垂直表面上にポリマーを堆積させる不動態化ステップである。この重合ステップでは、ステップ１で露出された垂直表面上にエッチ・ストップが形成される。エッチングおよび不動態化から成るこの２ステップ・サイクルは、所望の構造の深さが得られるまで繰り返される。この異方性プラズマ・エッチングは、エッチングされている微細形状のサイズに応じて、シリコン3μm/分を超えるエッチング速度を実現する。このプロセスでは、シリコンのエッチングの、二酸化ケイ素またはレジストに対する選択性が100:1を超える。この選択性は、深さの大きなシリコン構造が必要であるときに重要である。Laermerらは、1999 Twelfth IEEE International Micro Electro Mechanical Systems Conference（1999年１月17日〜21日）で、ボッシュ・プロセスの改良態様を報告した。この改良には、10μm/分に近いエッチング速度、二酸化ケイ素マスクに対する300:1を超える選択性、サイズが様々である微細形状に対するより一様なエッチング速度が含まれる。
【００３２】
本発明は、すでに開示されているマイクロチップに基づいた電気噴霧システムの感度を向上させるように上記の新規の特徴を利用することに関する。
【００３３】
発明の概要
本発明は、注入面と、注入面に向かい合う吐出面とを有する絶縁基板を含む、流体を噴霧する電気噴霧装置に関する。基板は、単一の流体流から複数の噴霧を生成する単一の噴霧ユニットまたは複数の噴霧ユニットを有する一体のモノリスである。各噴霧ユニットは、注入面上の入口開口部と、吐出面上の出口開口部と、入口開口部と出口開口部との間に延びる流路と、出口開口部を囲み、注入面と吐出面との間に位置する凹部とを含む。複数の噴霧ユニットのそれぞれの入口開口部は互いに流体連通しており、各噴霧ユニットは流体の電気噴霧を生成する。電気噴霧装置は、出口開口部を囲む電界を形成するように位置する電界生成源をさらに含んでいる。一態様において、電界生成源は、基板に取り付けられており、該基板に第1の電位を印加する第1の電極と、第2の電位を印加する第2の電極とを含んでいる。第1および第2の電極は、出口開口部を囲む電界を形成するように位置している。この装置は、各噴霧ユニットから流体の複数の電気噴霧を生成し、複数の噴霧ユニットから流体の単一の組み合わされた電気噴霧を生成し、かつ複数の噴霧ユニットから流体の複数の電気噴霧を生成するように動作させることができる。この装置は、流体の電気噴霧を処理するシステム、流体の電気噴霧を生成する方法、質量分光分析の方法、液体クロマトグラフィック分析の方法と共に使用することもできる。
【００３４】
本発明の他の態様は、単一の流体流から複数の噴霧を生成する電気噴霧システムに関する。このシステムは、複数の上記の電気噴霧装置のアレイを含んでいる。電気噴霧装置は、約5個/cm2、約16個/cm2、約30個/cm2、または約81個/cm2を超える装置密度でアレイ状に設けることができる。電気噴霧装置は、約30個/cm2から約100個/cm2の装置密度でアレイ状に設けることもできる。
【００３５】
本発明の他の態様は、単一の流体流から複数の噴霧を生成する複数の上記の電気噴霧装置のアレイに関する。電気噴霧装置は、互いに隣接する装置間の吐出面間の間隔がそれぞれ約9mm以下、約4.5mm以下、約2.2mm以下、約1.1mm以下、約0.56mm以下、または約0.28mmであるアレイ状に設けることができる。
【００３６】
本発明の他の態様は、流体を噴霧する電気噴霧装置が設けられる、電気噴霧を生成する方法に関する。電気噴霧装置は、注入面と、注入面に向かい合う吐出面とを有する絶縁基板を含んでいる。基板は、注入面上の入口開口部と、吐出面上の出口開口部と、入口開口部と出口開口部との間に延びる流路と、出口開口部を囲み、注入面と吐出面との間に位置する凹部とを含む一体のモノリスである。この方法は、各噴霧ユニットから流体の複数の電気噴霧を生成し、複数の噴霧ユニットから流体の単一の組み合わされた電気噴霧を生成し、かつ複数の噴霧ユニットから流体の複数の電気噴霧を生成するように行うことができる。電気噴霧装置は、出口開口部を囲む電界を形成するように位置する電界生成源をさらに含んでいる。一態様において、電界生成源は、基板に取り付けられており、該基板に第1の電位を印加する第1の電極と、第2の電位を印加する第2の電極とを含んでいる。第1および第2の電極は、出口開口部を囲む電界を形成するように位置している。流体試料の分析物が注入面上に堆積させられ、次いで溶出流体を用いて溶出される。分析物を含む溶出流体は、入口開口部に送り込まれ、流路および出口開口部を通過する。第1の電極に第1の電位が印加され、第2の電極を通して流体に第2の電位が印加される。第1および第2の電位としては、各噴霧ユニットの出口開口部から排出された流体が電気噴霧を形成するような電位が選択される。
【００３７】
本発明の他の態様は、各表面にエッチング抵抗材料を介してフォトレジストが被覆された互いに向かい合う第1および第2の表面を有する基板を設けることを含む、電気噴霧装置を作製する方法に関する。第1の表面上のフォトレジストを画像に曝し、第1の表面上に少なくとも1つのリングの形のパターンを形成する。次いで、少なくとも1つのリングの外側および内側にある第1の表面上のフォトレジストを除去して環状部を形成する。フォトレジストが除去された部分のエッチング抵抗材料を基板の第1の表面から除去してエッチング抵抗材料に穴を形成する。随意に第1の表面上に残っているフォトレジストを除去する。次いで、第1の表面に第2のフォトレジスト・コーティングを被覆する。少なくとも1つのリング内の第2のフォトレジスト・コーティングを画像に曝しかつ除去して少なくとも1つの穴を形成する。第1の表面上の第2のフォトレジスト層の少なくとも1つの穴に一致する材料を基板から除去し、第1の表面上の第2のフォトレジスト層を通って基板内に延びる少なくとも1つの通路を形成する。次いで、第1の基板からフォトレジストを除去する。基板の第1の表面側のすべての露出された表面にエッチング抵抗層を塗布する。少なくとも1つのリングの周りにあるエッチング抵抗層を第1の表面から除去し、少なくとも1つのリングの周りの除去されたエッチング抵抗層によって露出された材料を基板から除去し、第1の表面上に少なくとも1つのノズルを形成する。次いで、第2の表面上のフォトレジストを画像に曝し、第1の表面のエッチング抵抗材料に形成された少なくとも1つの穴の延長部を形作るパターンを形成する。次いで、パターンがある部分の、第2の表面上のフォトレジストを除去する。第2の表面上のフォトレジストのパターンが除去された部分に一致する材料を基板から除去し、少なくとも1つの通路に連結されるのに必要な程度に基板内に延びるレザバーを形成する。次いで、基板のすべての表面にエッチング抵抗材料を塗布して電気噴霧装置を形成する。この方法は、基板のすべての露出された表面にエッチング抵抗材料を塗布した後にすべての表面上に窒化ケイ素層を塗布するステップをさらに含む。
【００３８】
本発明の他の態様は、第1の側にエッチング抵抗材料を介してフォトレジストが被覆されている、互いに向かい合う第1および第2の表面を有する基板を設けることを含む、電気噴霧装置を作製する他の方法に関する。第1の表面上のフォトレジストを画像に曝して第1の表面上に少なくとも1つのリングの形のパターンを形成する。少なくとも1つのリングの外側および内側にある第1の表面上の露光されたフォトレジストを除去して、露光されていないフォトレジストを残す。露光されたフォトレジストが除去された部分のエッチング抵抗材料を基板の第1の表面から除去してエッチング抵抗材料に穴を形成する。第1の表面からフォトレジストを除去する。第1の表面上にエッチング抵抗材料を介してフォトレジストを設け、フォトレジストを画像に曝し、第1の表面のエッチング抵抗材料に形成された少なくとも1つの穴の延長部を形作るパターンを形成する。第2の表面上の露光されたフォトレジストを除去する。フォトレジストが除去された部分に一致する第2の表面上のエッチング抵抗材料を除去する。第2の表面上のエッチング抵抗材料が除去された部分に一致する材料を基板から除去し、基板内に延びるレザバーを形成する。第2の表面上の残りのフォトレジストを除去する。第2の表面にエッチング抵抗材料を被覆する。第1の表面に第2のフォトレジスト・コーティングを被覆する。少なくとも1つのリング内の第2のフォトレジスト・コーティングを画像に曝す。少なくとも1つのリング内から露光された第2のフォトレジスト・コーティングを除去して少なくとも1つの穴を形成する。第1の表面上の第2のフォトレジスト層の少なくとも1つの穴に一致する材料を基板から除去し、レザバーを被覆しているエッチング抵抗材料に到達するのに必要な程度に第1の表面上の第2のフォトレジスト層を通って基板内に延びる少なくとも1つの通路を形成する。第1の表面からフォトレジストを除去する。少なくとも1つのリングの周りの除去されたエッチング抵抗層によって露出された材料を基板から除去して、第1の表面上に少なくとも1つのノズルを形成する。レザバーを被覆しているエッチング抵抗材料を基板から除去する。エッチング抵抗材料を塗布して基板のすべての露出された表面を被覆し、電気噴霧装置を形成する。
【００３９】
本発明の電気噴霧装置は、単一の流体流から複数の電気噴霧を生成することができ、同時に質量分光と組み合わせることができる。各電気噴霧は、流体内の含まれる分析物の濃度に比例する、該分析物に関する信号を生成する。1つのノズルから複数の電気噴霧が生成されるとき、質量分光計によって測定される、ノズルから放出される電気噴霧の数が増えるにつれて、所与の分析物のイオン強度が高くなる。
【００４０】
本発明は、電気噴霧質量分光による分析物の高感度分析に関する顕著な利点を実現する。互いに近接して配置された電気噴霧ノズルの周りの電界を制御する方法は、互いに近接して配置されたノズルから複数の電気噴霧を、適切に制御しながら生成する方法を実現する。生成される電気噴霧の総数が増えるにつれて増大する、質量分光計によって測定されるイオン応答を生じさせるために、ある溶液の複数の電気噴霧を生成する電気噴霧ノズルのアレイを開示する。本発明は、単一の電気噴霧を形成する単一のノズルを組み込んだ微小流体チップに基づいた装置と組み合わされるすでに開示されている電気噴霧システムおよび方法と比べて顕著な利点を実現する。
【００４１】
本発明の電気噴霧装置は一般に、装置によって生成される電気噴霧が吐出面に対して概ね垂直になるように注入面上の入口開口部と吐出面（主面）上のノズルとの間に流路を形成するシリコン基板材料を含んでいる。ノズルは、内径および外径を有し、吐出面に対して凹状の環状部によって形成されている。凹状の環状領域は外径から半径方向に延びている。ノズルの先端は、吐出面と同一平面内に存在するか、または吐出面と同一水準にあり、吐出面を越えることはない。したがって、ノズルが誤って破壊されることはない。ノズル、流路、および凹状の環状領域は、深反応性イオン・エッチングおよび他の標準半導体処理技術によってシリコン基板からエッチングされる。
【００４２】
シリコン基板のすべての表面は好ましくは、各表面、シリコン基板、および液体試料に個別に異なる電位電圧を印加することができるように液体試料を基板から電気的に絶縁すると共に吐出面と注入面を互いに電気的に絶縁する絶縁層を有する。絶縁層は一般に、窒化ケイ素層と組み合わされた二酸化ケイ素層を構成する。窒化ケイ素層は、水およびイオンが基板に進入するのを妨げ、したがって、流路内で移動する流体と基板との間の電気的破壊を妨げる水分バリアを形成する。電気噴霧装置は好ましくは、基板に電気的に接触し、基板に電位を印加する少なくとも1つの制御電極を含む。
【００４３】
好ましくは、ノズル、流路、および凹部は、反応性イオン・エッチングおよび他の標準半導体処理技術によってシリコン基板からエッチングされる。注入側微細形状、基板貫通流路、吐出側微細形状、および制御電極は、単結晶シリコン基板から一体的に形成され、すなわち、互いに独立した構成要素の処理も組立ても必要としない製造シーケンス中にかつ該製造シーケンスの結果として形成される。
【００４４】
電気噴霧装置が反応性イオン・エッチングおよび他の標準半導体処理技術を使用して製造されるので、このような装置のノズルの寸法は非常に小さくてよく、たとえば内径2μmおよび外径5μmほど小さくてよい。したがって、たとえば内径が5μmで基板の厚さが250μmの基板貫通流路の容積は4.9pL（「ピコリットル」）に過ぎない。電気噴霧装置のマイクロメートル・スケールの寸法によって死体積が最小限に抑えられ、それにより、この装置を分離装置と組み合わせたときに効率および分析感度が向上する。
【００４５】
本発明の電気噴霧装置によって、電気噴霧を効率的かつ効果的に形成することができる。この装置では、マイクロメートル・オーダーの寸法を有する、流体が吐出される電気噴霧面（すなわち、ノズルの先端）を設けることにより、テイラー・コーンおよびその後の電気噴霧を生成するのに必要な電圧が制限される。電気噴霧装置のノズルは、大きな電界が集中する、マイクロメートル・オーダーの物理的凹凸を形成する。さらに、電気噴霧装置のノズルは、絶縁性の二酸化ケイ素層および窒化ケイ素層により、ノズル内を移動する流体から絶縁された、導電性シリコンの薄い領域を含んでいる。流体および基板の電圧と、シリコン基板を流体から分離する絶縁層の厚さとによって、ノズルの先端における電界が決定される。電位を印加し、流体および基板の電位とは無関係に調節することのできる他の電極を吐出面上に組み込み、電気噴霧によって生成される気相イオンを集束させるように電界を修正し最適化できるので有利である。
【００４６】
本発明のマイクロチップに基づいた電気噴霧装置は、余分なカラム容積を削減することによって余分なカラム分散を最小限に抑えると共に、電気噴霧を効率的に、再現可能に、確実に、かつ安定に形成することができる。この電気噴霧装置は、マイクロチップに基づいた分離装置から流体を電気噴霧させる手段として極めて適している。この電気噴霧装置の構造はまた、装置を費用有効で生産性の高いプロセスで容易に大量生産できるほど頑丈である。
【００４７】
電気噴霧装置は、特定の用途に応じてサンプリング装置とその下流側で相互接続または一体化してよい。たとえば、分析物を表面に電気噴霧してその表面を被覆しても、搬送、分析、および／または合成を目的として別の装置に電気噴霧してもよい。前述のように、大気圧において、電気噴霧装置により、ナノリットル・スケールの体積の分析物から高度に充電された液滴が形成される。高度に充電された液滴により、溶剤分子が十分に蒸発したときに気相イオンが生成され、たとえば、電気噴霧された流体を分析する大気圧イオン化質量分光計（「API-MS」）のイオン・サンプリング・開口部を通してこの気相イオンをサンプリングすることができる。
【００４８】
したがって、マルチシステム・チップにより、微小電気機械システム（「MEMS」）技術を使用して製造される高速順次化学分析システムが得られる。このマルチシステム・チップによって、多数の試料を自動的に順次分離し注入することができ、それによって質量分光計の分析性能および利用度が著しく向上し、薬物の発見につながる化合物の検出率が高くなる。
【００４９】
本発明の他の態様は、液体試料の電気噴霧を生成するシリコン・マイクロチップに基づいた電気噴霧装置を提供する。この電気噴霧装置は、電気噴霧された流体を分析する大気圧イオン化質量分光計（「API-MS」）とその下流側で相互接続してよい。
【００５０】
複数のノズルを使用して同じ流体流から流体を電気噴霧すると、マイクロチップに基づいた電気噴霧装置の有効流量範囲が拡張される。したがって、総流量がすべてのノズル間で分割されるので、複数の電気噴霧装置に流体を比較的高い流量で導入することができる。たとえば、流体流路当たり10個のノズルを使用すると、流路当たり1個のノズルしか使用しないときよりも流量を10倍多くすることができる。同様に、流体流路あたり100個のノズルを使用すると、流路当たり1個のノズルしか使用しないときよりも流量を100倍多くすることができる。このような電気噴霧ノズルを形成するのに用いられる製造方法によって、複数のノズルを単一の流体流流路と容易に組み合わせることができ、それにより有効流量範囲が大幅に拡張され、微小流体装置の質量分光感度が高くなる。
【００５１】
発明の詳細な説明
ノズルの先端における電界の制御は、微小流体マイクロチップチップに基づいたシステム用の電気噴霧を首尾良く生成するための重要な要素である。本発明は、互いに近接して配置されたノズルから複数の電気噴霧を形成できるようにモノリシック・シリコン基板から微小製造されたノズル内および該ノズルの周りの電界を十分に制御し形成することができる。本発明のノズル・システムは、シリコン基板から三次元微細形状を微小加工するように構成された微小電気機械システム（Micro-ElectroMechanical System：「MEMS」）製造技術を使用して製造される。MEMS技術、特に深反応性イオン・エッチング（deep reactive ion etching：「DRIE」）は、流体を首尾良くナノ電気噴霧できるようにノズルの形のマイクロメートル寸法の表面を形成するのに必要な小さな垂直微細形状をエッチングできるようにする。好ましくはシリコン・デバイス内を流れる流体に電位電圧を印加し、シリコン基板に電位電圧を印加することにより、ノズルを囲む電界を独立に印加するのに二酸化ケイ素および窒化ケイ素の絶縁層が用いられる。このように、ノズル先端から出る流体およびシリコン基板に電位電圧を独立に印加することによって、ノズルの先端で108V／mオーダーのこのように高い電界が形成される。ノズルの先端におけるこの高い電界により、流体の電気噴霧を特徴付けるテイラー・コーン、流体ジェット、および高度に充電された流体液滴が形成される。この2つの電圧、すなわち流体電圧および基板電圧は、このマイクロチップに基づいた電気噴霧装置から安定に電気噴霧を形成できるように制御する。
【００５２】
シリコンおよびシリコンに基づく材料の電気的性質は明らかにされている。シリコン基板の表面で成長させるかまたは該表面に堆積させた二酸化ケイ素層および窒化ケイ素層を使用すると、電気絶縁特性が得られることが公知である。形成されたノズルを有するモノリシック・シリコン電気噴霧装置に二酸化ケイ素層および窒化ケイ素層を組み込むと、モノリシック・シリコン基板からエッチングされた微細形状内および該微細形状の周りの電界を増大することができる。これは、ノズルから出る流体と、ノズルを囲む領域とに独立に電圧を印加することによって行われる。二酸化ケイ素層は、炉内で熱によって所望の厚さに成長させることができる。窒化ケイ素は、低圧化学蒸着（Low pressure chemical vapor deposition：「LPCVD」）を使用して付着させることができる。デバイスの表面上に電位電圧を印加することができるようにこれらの表面にさらに金属を蒸着させることができる。二酸化ケイ素と窒化ケイ素は共に電気絶縁体として働き、それにより、デバイスの表面に印加される電位電圧とは異なる電位電圧を基板に印加することができる。窒化ケイ素層の重要な機能は、シリコン基板と、二酸化ケイ素と、デバイスに接触する流体試料との間に水分バリアを形成することである。窒化ケイ素は、水およびイオンが二酸化ケイ素層を通ってシリコン基板に拡散し、流体とシリコン基板との間で電気的破壊が起こるのを妨げる。シリコンに基づいたデバイスに化学的機能を与えるために窒化ケイ素層上に追加的な二酸化ケイ素層、金属層、および他の材料層をさらに付着させてもよい。
【００５３】
図1A〜1Dはそれぞれ、本発明の1ノズル電気噴霧装置、2ノズル電気噴霧装置、3ノズル電気噴霧装置、および14ノズル電気噴霧装置の平面図である。図2A〜2Dはそれぞれ、シリコン基板200からエッチングされた1つのノズル232、2つのノズル232、3つのノズル232、および14個のノズル232を示す電気噴霧装置のノズル側の斜視図である。図3A〜3Dはそれぞれ、1ノズル電気噴霧装置、2ノズル電気噴霧装置、3ノズル電気噴霧装置、および14ノズル電気噴霧装置の断面図である。装置のノズル側すなわち吐出側と装置のレザバー側すなわち注入側はウェーハ貫通流路224で連結されており、したがってシリコン基板200を貫通する流体経路が形成される。
【００５４】
流体は、プローブ、導管、毛管、マイクロピペット、マイクロチップなどの流体供給装置によってこの超小形電気噴霧装置に導入することができる。図4の斜視図には、本発明の電気噴霧装置の注入側すなわちレザバー側に接触するプローブ252が示されている。このプローブは使い捨ての先端を有してよい。この流体プローブは、プローブ先端と基板200の注入面との間を密閉するシール、たとえばOリング254を先端に有している。図4には、モノリシック基板上に製造された複数の電気噴霧装置のアレイが示されている。図を明確にするために1つの液体試料取り扱い装置が示されているが、本発明に係る1つまたは複数の電気噴霧装置に1つまたは複数の流体試料を供給するのに複数の液体サンプリング装置を用いることができる。流体プローブおよび基板は、質量分光計または他の試料検出装置の前方に、たとえば様々な装置を段状に配置できるように三次元操作することができる。
【００５５】
図5に示されているように、電気噴霧を生成する場合、たとえば毛管256、マイクロピペット、またはマイクロチップによって電気噴霧装置250の基板貫通流路224に流体を供給することができる。流体は、毛管256またはレザバー242内で、あるいはレザバー表面上に設けられ周囲の表面領域および基板200から分離された電極を介して電位電圧を受ける。電位電圧は、シリコン基板200の縁部上の電極246を介してシリコン基板に印加してもよく、その値は好ましくは、電気噴霧特性を最適化できるように調整することができる。流体は、流路224内を流れ、テイラー・コーン258、液体ジェット260、および非常に微細で高度に充電された流体液滴262の形でノズル232から出る。図5は、本発明の2ノズル・アレイの断面図である。図5Aは、単一の流体流について各ノズルから1つの電気噴霧を生成する2ノズル電気噴霧装置の断面図である。図5Bは、単一の流体流について各ノズルから2つの電気噴霧を生成する2ノズル電気噴霧装置の断面図である。
【００５６】
ノズル232は、テイラー・コーン258の形成と、流体256の効率的な電気噴霧262とを推進するための物理的な凹凸を形成する。ノズル232はまた、ウェーハ貫通流路224の連続部を形成し、該流路224の出口開口部として働く。凹状の環状領域230は、ノズル232を表面から物理的に分離する働きをする。本発明では、たとえば、流体256の電位電圧と基板200の電位電圧を独立に調節することにより、ノズル232から出る流体256から放出される電界線を最適化することができる。
【００５７】
図6A〜6Dにはそれぞれ、1つのノズル232から生成された1つの電気噴霧、2つの電気噴霧、3つの電気噴霧、および4つの電気噴霧が示されている。図7A〜7Bはそれぞれ、1つのノズルから1つの電気噴霧を生成し、1つのノズルから2つの電気噴霧を生成する本発明の超小形電気噴霧装置のビデオ捕捉写真である。図8には、単一のノズルから1つから4つの電気噴霧を生成する本発明の超小形電気噴霧装置から得られた質量分光結果が示されている。印加される流体電位電圧と印加される基板電位電圧との比により、生成される電気噴霧の数が調節される。図8Aは、本発明の超小形電気噴霧装置からの流体の電気噴霧の結果として得られた濃度が5μmの分析物を含む溶液の総イオン・クロマトグラム（total ion chromatogram：「TIC」）である。この例の基板電圧は0Vに保持され、一方、流体電圧は、ノズルから出る電気噴霧の数を調節するように変化させられる。図8Bは、m/z315における分析物の選択された質量クロマトグラムである。この例において、領域Iでは、流体電圧950Vでノズル先端から1つの電気噴霧が出る。領域IIでは、流体電圧1050Vでノズル先端から2つの電気噴霧が出る。領域IIIでは、流体電圧1150Vでノズル先端から3つの電気噴霧が出る。領域IVでは、流体電圧1250Vでノズル先端から4つの電気噴霧が出る。領域Vでは、ノズル先端から2つの電気噴霧が出る。
【００５８】
図9Aは、1つの電気噴霧によって領域Iから得られた質量スペクトルである。図9Bは、2つの電気噴霧によって領域IIから得られた質量スペクトルである。図9Cは、3つの電気噴霧によって領域IIIから得られた質量スペクトルである。図9Dは、ノズル先端から出る4つの電気噴霧によって領域IVから得られた質量スペクトルである。これらの結果から、質量分光計によって測定され、ノズル先端から出る電気噴霧の数に比例する分析物応答を増大させることができることは明らかである。図10には、ノズル先端から出る1つ、2つ、3つ、および4つの電気噴霧に関するm/z315の場合のイオン強度が示されている。
【００５９】
図11A〜11Cには、電気噴霧装置の2 x 2アレイを有するシステムが示されている。各装置は、単一の流体試料源を含む1つの共通のレザバーと連通する4つの電気噴霧ノズルの群を有している。したがって、このシステムは、最大で4つの異なる流体流のそれぞれについて複数の噴霧を生成することができる。
【００６０】
ノズル先端における電界は、SIMION（商標）イオン光学機器ソフトウェアを使用してシミュレートすることができる。SIMION（商標）では、定義された電極アレイに関する電界線をシミュレートすることができる。図12Aは、直径が20μmでノズル高さが50μmのノズル232の断面図を示す。ノズル232内を流れ半球の形でノズル先端から出る流体256は1000Vの電位電圧を有する。基板200の電位電圧は0Vである。シミュレートされた第3の電極（図面のスケールのために図示されていない）は、基板のノズル側から5mm離れて位置しており、0Vの電位電圧を有している。この第3の電極は一般に、大気圧イオン化質量分光計のイオン・サンプリング・開口部である。この場合、電気噴霧を維持するのに必要な電界ではなく、テイラー・コーンを形成するのに必要な電界がシミュレートされる。図12Aには50V刻みの等電位線が示されている。等電位線の間隔が密であればあるほど電界が大きくなる。これらの寸法および電位電圧を有する流体先端におけるシミュレートされた電界は8.2 x 107V/mである。図12Bには、等電位線を詳しく示す、図12Aのノズルの周りの領域の拡大図である。図12Cには、流体電位電圧が1000Vで、基板電圧が0Vで、第3の電極電圧が800Vの同じノズルの周りの等電界線が示されている。ノズル先端における電界は8.0 x 107V/mであり、この第3の電極に印加される電圧がノズル先端における電界に対してほとんど効果を有さないことがわかる。図12Dには、流体電位電圧が1000Vで、基板電圧が800Vで、第3の電極電圧が0Vの同じノズルの周りの等電界線が示されている。ノズル先端における電界は著しく低減しており、値は2.2 x 107V/mである。これにより、本発明では、印加された流体および基板電圧を独立に制御することによってノズル先端における電界を非常に微細に制御することができ、かつこの制御が装置から最大で5mm離れて配置された他の電極の影響を受けないことが分かる。ノズル先端における電界のこの制御レベルは、基板の表面と同一平面内にあるノズルから流体を電気噴霧するうえで極めて重要である。
【００６１】
電界をこのように微細に制御することによって、これらのノズルからの流体の電気噴霧を厳密に制御することができる。本発明から流体を電気噴霧すると、電界をこのように微細に制御することによって、単一のノズルから複数のテイラー・コーンおよび電気噴霧を制御しながら形成することができる。基板電圧を0Vに維持しつつ単に流体電圧を高くすることにより、図6および図7に示されているように、1つのノズルから放出される電気噴霧の数を1から4まで段階的に増加させることができる。
【００６２】
ノズル先端における大きな電界によって、ノズルから出る流体内に含まれるイオンに力が加わる。この力は、基板の電位電圧に対して正の電圧が流体に印加されたときに、正に充電されたイオンを流体表面に押し付ける。充電されている可能性の高いイオンの斥力のために、一般に、テイラー・コーンの表面積により、流体表面上に存在することのできるイオンの総数が定められ制限される。一般に、電気噴霧の場合、分析物の気相イオンは、流体の表面上に存在するとき、その分析物によって最も容易に形成できると考えられる。流体の総表面積は、ノズル先端におけるテイラー・コーンの数が増加するにつれて大きくなり、その結果、電気噴霧が形成される前の、流体の表面における溶液相イオンが増大する。質量分光計によって測定されるイオン強度は、上記の例に示されているように電気噴霧の数が多くなると高くなる。
【００６３】
本発明の他の重要な特徴は、各ノズルの周りの電界が好ましくはノズル先端における流体および基板の電圧によって既定されるので、複数のノズルを10ミクロンのオーダーで互いに近接して配置できることである。本発明のこの新規の特徴によって、複数のノズルから単一の流体流の複数の電気噴霧を形成することができ、したがって、マイクロチップに基づく電気噴霧装置で得られる電気噴霧感度が高くなる。互いに流体連通する電気噴霧装置の複数のノズルは、感度を高めるだけでなく、装置の流量機能も向上させる。たとえば、内径10ミクロン、外径20ミクロン、長さ50ミクロンの各寸法を有する1つのノズルを通過する単一の流体流の流量は約1μL/分であり、そのような200個のノズルにおける流量は約200μL/分である。したがって、流量が最大で約2μL/分、約2μL/分から約1mL/分、約100nL/分から約500nL/分、および約2μL/分を超える容量を有する装置を製造することができる。
【００６４】
任意のノズル数および形式を有する複数の電気噴霧装置のアレイを本発明に従って製造することができる。電気噴霧装置は、装置の低密度アレイから高密度アレイまで形成できるように配置することができる。互いに隣接する装置間の間隔が、それぞれ9mm、4.5mm、2.25mm、1.12mm、0.56mm、0.28mm、およびそれ以下から約50μmまでであり、市販の液体取り扱い計器または電気噴霧装置からの試料を受け入れる市販の計器で使用される間隔に対応するアレイを設けることができる。同様に、装置密度が約5個/cm2を超え、約16個/cm2を超え、約30個/cm2を超え、約81個/cm2を超え、好ましくは約30個/cm2から約100個/cm2であるアレイ状の電気噴霧装置のシステムを製造することができる。
【００６５】
電気噴霧装置の寸法は、特定の用途、レイアウト構成、電気噴霧装置が相互接続または一体化される上流側装置および／または下流側装置のような様々な因子に応じて決定することができる。さらに、流路およびノズルの寸法は、流体試料の所望の流量に対して最適化することができる。反応性イオン・エッチング技術を使用することにより、たとえば内径が2μmで外径が5μmの、直径の小さなノズルを再現可能にかつ費用有効に製造することができる。このようなノズルを20μmの間隔で近接して製造し、最大で約160,000個/cm2の密度を得ることができる。電気噴霧装置内に最大で約10,000/cm2、最大で約15,625/cm2、最大で約27,566/cm2、および最大で約40,000/cm2のノズル密度を実現することができる。同様に、噴霧ユニットの互いに隣接する出口開口部の中心間の、吐出面上の間隔がそれぞれ、約500μm未満、約200μm未満、約100μm未満、および約50μm未満であるノズルを設けることができる。たとえば、外径が20μmの1つのノズルを有する電気噴霧装置はそれぞれ、幅が30μmの周囲の試料ウェルを有する。このようなノズルの密に充填されたアレイは、ノズルの中心から測定したときに、50μmほどの小さな間隔で配置することができる。
【００６６】
現在好ましい態様において、電気噴霧装置のシリコン基板は厚さが約250μm〜500μmであり、基板貫通流路の断面積は約2,500μm2未満である。流路が円形の断面を有する場合、流路およびノズルの内径は最大で50μm、より好ましくは最大で30μmであり；ノズルの外径は最大で60μm、より好ましくは最大で40μmであり；ノズルの高さ（および環状領域の深さ）は最大で100μmである。凹状部は好ましくは、ノズルから外側に最大で300μm延びている。二酸化ケイ素層の厚さは約1μm〜4μmであり、好ましくは1μm〜3μmである。窒化ケイ素層の厚さは約2μm未満である。
【００６７】
さらに、電気噴霧装置は、比較的大きな最小限に充電された液滴を生成するように動作させることができる。これは、ノズル出口における電界を、所与の電界の、電気噴霧を生成するのに必要な値よりも小さな値に低減させることによって行われる。流体の電位電圧と基板の電位電圧との比を調整すると、電界が制御される。液滴を形成する場合、流体と基板の電位電圧比は約2未満であることが好ましい。この動作モードの液滴直径は、流体の表面張力と、印加される電圧と、液滴を受けるウェルまたはプレートまでの距離とによって調節される。この動作モードは、多数の離散した量の流体を搬送し、かつ／または配分するのに最適であり、インク・ジェット・プリンタや、流体の制御された分散が必要な機器および器具で使用することができる。
【００６８】
本発明の電気噴霧装置は、装置によって生成された電気噴霧がノズル面に概ね垂直になるように、レザバー面上の入口開口部とノズル面上のノズルとの間に流路を形成するシリコン基板材料を含んでいる。ノズルは、内径および外径を有しており、表面に対して凹状の環状部によって形成されている。凹状の環状領域は、ノズルの外径から半径方向に延びている。ノズルの先端は、基板表面と同一平面内にあるかまたは基板表面と同一水準にあり、好ましくは基板表面を越えることはない。このように、ノズルが誤って破壊されることはない。ノズル、流路、レザバー、および凹状の環状領域は、反応性イオン・エッチングおよび他の標準半導体処理技術によってシリコン基板からエッチングされる。
【００６９】
シリコン基板のすべての表面は好ましくは、基板および液体試料に個別に異なる電位電圧を印加することができるように液体試料を基板から電気的に絶縁する絶縁層を有する。絶縁層は、窒化ケイ素層と組み合わされた二酸化ケイ素層を構成することができる。窒化ケイ素層は、水およびイオンが基板に進入するのを妨げ、したがって、流路内で移動する流体と基板との間の電気的破壊を妨げる水分バリアを形成する。電気噴霧装置は好ましくは、基板に電気的に接触し、基板に電位を印加する少なくとも1つの制御電極を含む。
【００７０】
好ましくは、ノズル、流路、および凹部は、反応性イオン・エッチングおよび他の標準半導体処理技術によってシリコン基板からエッチングされる。ノズル側微細形状、基板貫通流路、レザバー側微細形状、および制御電極は好ましくは、単結晶シリコン基板から一体的に形成され、すなわち、互いに独立した構成要素の処理も組立ても必要としない製造シーケンス中にかつ該製造シーケンスの結果として形成される。
【００７１】
電気噴霧装置が反応性イオン・エッチングおよび他の標準半導体処理技術を使用して製造されるので、このような装置のノズルの寸法は非常に小さくてよく、たとえば内径2μmおよび外径5μmほど小さくてよい。したがって、たとえば内径が5μmで基板厚さが250μmの基板貫通流路の容積は4.9pLに過ぎない。電気噴霧装置のマイクロメートル・スケールの寸法によって死体積が最小限に抑えられ、それにより、この装置を分離装置と組み合わせたときに効率および分析感度が向上する。
【００７２】
本発明の電気噴霧装置によって、電気噴霧を効率的かつ効果的に形成することができる。この装置では、テイラー・コーンを生成するのに必要な電圧がノズルの直径、流体の表面張力、抽出電極からノズルまでの距離に依存するので、マイクロメートル・オーダーの寸法を有する、流体が吐出される電気噴霧面を設けることにより、テイラー・コーンを生成するのに必要な電圧が制限される。電気噴霧装置のノズルは、大きな電界が集中する、マイクロメートル・オーダーの物理的凹凸を形成する。さらに、電気噴霧装置は、流体および抽出電極の電位とは独立に電位を印加し調節することができる追加の電極であって、有利には流体の電気噴霧によって生成される気相イオンを集束させるように電界を修正し最適化する電極を吐出面上に設けてよい。したがって、ノズルとこの追加の電極を組み合わせると、ノズルと基板と抽出電極との間の電界が増大する。この電極は好ましくは、出口開口部から約500ミクロン以内に配置され、より好ましくは出口開口部から約200ミクロン以内に配置される。
【００７３】
本発明のマイクロチップに基づいた電気噴霧装置は、余分なカラム容積を削減することによって余分なカラム分散を最小限に抑えると共に、電気噴霧を効率的に、再現可能に、確実に、かつ安定に形成することができる。この電気噴霧装置は、マイクロチップに基づいた分離装置から流体を電気噴霧させる手段として極めて適している。この電気噴霧装置の構造はまた、装置を費用有効で生産性の高いプロセスで容易に大量生産できるほど頑丈である。
【００７４】
動作時には、注入面上の基板貫通流路の入口開口部に導電性または部分的に導電性の液体試料が導入される。液体は、電気噴霧装置に対する導電性流体供給装置、または注入面上に形成され周囲の表面領域および基板から絶縁されている電極によって、ある電位電圧に保持される。ノズルの先端における電界強度は、好ましくは0Vから、流体に印加される電圧の約2分の1未満までの値の電圧を基板および／または吐出面に印加することによって増大する。したがって、本発明の電気噴霧装置では、流体／ノズル電圧および基板／吐出面電圧を独立に制御することにより、ノズルから放出される電界を最適化することができる。本発明の電気噴霧装置は、毎分数ナノリットルの範囲の流量で安定なナノ電気噴霧を確立するように大気圧イオン化（atmospheric pressure：「API」）質量分光計の開口部から1〜2mmまたは最大で10mm離して配置することができる。
【００７５】
電気噴霧装置は、特定の用途に応じてサンプリング装置とその下流側で相互接続または一体化してよい。たとえば、分析物を表面に電気噴霧してその表面を被覆しても、搬送、分析、および／または合成を目的として別の装置に電気噴霧してもよい。上述のように、大気圧において、電気噴霧装置により、ナノリットル・スケールの体積の分析物から高度に充電された液滴が形成される。高度に充電された液滴により、溶剤分子が十分に蒸発したときに気相イオンが生成され、たとえば、電気噴霧された流体を分析する大気圧イオン化質量分光計（atmospheric pressure ionization mass spectrometer：「API-MS」）のイオン・サンプリング・開口部を通してこの気相イオンをサンプリングすることができる。
【００７６】
本発明の一態様は、大量の並行処理を可能にする複数の電気噴霧装置のアレイの形である。単一のウェーハに対する大量並行処理によって製造された複数の電気噴霧装置またはシステムをさらに複数の装置またはシステムに切断するか、または他の方法で複数の装置またはシステムに分離することができる。
【００７７】
電気噴霧装置は、ナノ電気噴霧付着または液滴法によって試料を親プレートから子プレートに再現可能に分散させ付着させるように働くこともできる。反応ウェルブロックを含むチップに基づいたコンビナトリアルケミストリーシステムにより、組合せ合成された化合物から得られた反応生成物を含むレザバーのアレイを形成することができる。反応ウェルブロックはさらに、各レザバー内の流路が対応する流路内を流れ、対応するノズルから液滴の形で出るように流路、ノズル、および凹状部を形成する。反応ウェルブロックは、各レザバーが適切な寸法および形状を有する任意の数のレザバーを任意の所望の構成で形成することができる。レザバーの容積は、数ピコリットルから数マイクロリットルの範囲でよい。
【００７８】
反応ウェルブロックは、電気噴霧装置の液滴法を使用して、離散した量の生成物溶液を受容プレートまたは子プレートに再現可能に分配できるように、マイクロチップに基づいた化学合成装置と相互接続される親プレートとしてはたらくことができる。子プレートは、各レザバーに対応する受容ウェルを規定する。その後、子プレート内の分配された生成物溶液を使用して、コンビナトリアルケミカルライブラリを生物学的標的に対してスクリーニングすることができる。
【００７９】
電気噴霧装置は、例えば新しい薬物候補のプロテオミック（proteomic）スクリーニングのために親プレートから子プレートに試料のアレイを再現可能に分配し堆積させる働きをすることもできる。これは、液滴形成動作モードまたは電気噴霧動作モードのいずれかにより行われうる。電気噴霧装置は、コンビナトリアルケミカルライブラリを合成することのできるマイクロデバイスにエッチングすることができる。ノズルは、所望の時に、所望の量の試料または試薬を親プレートから子プレートに配分することができる。ノズル寸法、印加電圧、および時間を調節することにより、マトリックス支援レーザ脱着／イオン化飛行時間型（time-of flight）質量分光計（「MALDI-TOFMS」）によって分子量が求められる試料プレートを生成することなどのためにノズルのアレイから試料を配分するかまたは堆積させる厳密で再現可能な方法が実現される。分析物を親プレートから子プレートに移す能力を使用して、プロテオミックスクリーニングのような他の種類のアッセイ用の他の子プレートを作ることもできる。流体（fluid）と基板の電位電圧比としては、特定の用途に基づいて電気噴霧モードまたは液滴モードを形成できるような比を選択することができる。
【００８０】
複数の電気噴霧装置のアレイを、インク・ジェット・プリンタで使用されるインクを分散させるように構成することができる。基板上のノズルの出口における電界を制御し増大させることにより、ノズル直径の約２倍の液滴、または様々な色のインクを混合するための高度に充電されたマイクロメートル未満の液滴を形成することを含む、インク配分方式を変更することができる。
【００８１】
本発明の電気噴霧装置は、質量分光計を使用して検出される液体試料を効率的に電気噴霧する小型液体試料取り扱い装置と一体化することができる。電気噴霧装置は、ハイスループットスクリーニング技術と共に使用するための流体試料を分配し配分するのに用いることもできる。電気噴霧装置は、たとえば、キャピラリー電気泳動、キャピラリー電気クロマトグラフィ、親和性クロマトグラフィ、液体クロマトグラフィ（「LC」）、または任意の他の濃縮相分離技術が可能なプラスチック製、ガラス製、またはシリコン製のマイクロチップに基づく液体分離装置にチップ間結合またはウェーハ間結合してよい。
【００８２】
本発明の複数の電気噴霧装置のアレイまたはマトリックスを、適切に制御される標準薄膜プロセスを使用して単一のマイクロチップ上でシリコン構造として製造することができる。これによって、このような微小構成要素の取り扱いが不要になるだけでなく、機能的に類似した要素を高速で並行処理することが可能になる。このような電気噴霧装置はコストが低いため、様々な液体試料からの相互汚染がなくなるような、使い捨てを可能にする。
【００８３】
図13A〜図13Eには、本発明の電気噴霧装置上に離散した試料を堆積させる様子が示されている。図13A〜図13Cには、流体プローブが試料を注入面上のレザバーに堆積させるかまたは該レザバーに移す様子が示されている。流体試料は、一般に100nLよりも少ない離散した体積としてレザバーに輸送される。「点」は、流体内に含まれる分析物を表している。図13Dには、流体試料体積が蒸発し、レザバー面上に分析物が残った様子が示されている。このレザバー面には、流体内に含まれる分析物のレザバー面への分離を増大させるため、一般にLC適用に使用される疎水C18様相などの保持相を被覆してよい。図13Eには、注入面を密封するように流体プローブが取り付けられ、流体移動相がマイクロチップに輸送され、移された分析物が電気噴霧質量分光計によって分析できるように再構成される様子が示されている。プローブは、キャピラリー、マイクロピペット、マイクロチップのような使い捨てチップを有してよい。
【００８４】
したがって、マルチシステム・チップにより、微小電気機械システム（「MEMS」）技術を使用して製造される高速順次化学分析システムが実現される。たとえば、マルチシステム・チップによって、多数の試料を自動的に順次分離し注入することができ、その結果、分析スループットが著しく高くなり、質量分析計を使用して、たとえば、薬物を発見するための化合物を多量に検出することができる。
【００８５】
本発明の他の態様では、液体試料の電気噴霧を生成するシリコン・マイクロチップに基づいた電気噴霧装置が提供される。この電気噴霧装置は、電気噴霧される流体を分析する大気圧イオン化質量分析計（「API-MS」）の下流側に相互接続または一体化することができる。本発明の他の態様は、たとえば、ガラス、プラスチック、またはシリコン製の基板を有することのできる一体化小形液相分離装置である。
【００８６】
電気噴霧装置製造手順
電気噴霧装置250は、好ましくは、熱酸化、フォトリソグラフィ、反応性イオン・エッチング（RIE）、化学蒸着、イオン注入、金属蒸着など十分に確立された制御可能な薄膜シリコン処理技法を使用して、モノリシック・シリコン基板として製造される。このようなシリコン処理技法を使用した製造は、互いに類似した装置の大量並行処理を容易にし、時間およびコスト面で効率的であり、重要な寸法をより厳しく制御することを可能にし、容易に再現可能であり、全体的に一体的な装置をもたらし、それによって組立て要件をなくす。さらに、この製造シーケンスは、流体供給システムとの相互接続および接続を容易にするか、単一の一体化システムを形成するために流体供給サブシステムとの一体化を容易にするための物理的アスペクトまたは微細形状を、電気噴霧装置の注入面および／または吐出面上に形成するように容易に延長することができる。
【００８７】
ノズル面の処理
図14A〜図14Eおよび図15A〜図15Iには、本発明の電気噴霧装置の製造における基板のノズル側または吐出（ejection）側の処理ステップが示されている。図14Aの平面図を参照すると、完成した電気噴霧装置250においてノズル形状を形成すると考えられるパターン202を得るためにマスクが用いられている。円204および246の形のパターンはそれぞれ、完成した電気噴霧装置のウェーハ貫通流路およびノズルの周りの凹状の環状空間を形成する。図14Bは、図14Aの線14B-14Bに沿った断面図である。両面研磨シリコン・ウェーハ200は酸化環境で高温にさらされ、基板200のノズル側に二酸化ケイ素の層または膜210が成長し、基板200のレザバー側に二酸化ケイ素の層または膜212が成長する。得られる各二酸化ケイ素層210、212の厚さは約1μm〜3μmである。二酸化ケイ素層210、212は、後でシリコン基板200のある領域を選択的にエッチングするためのマスクとしてはたらく。
【００８８】
基板200のノズル側の二酸化ケイ素層210上にポジティブワーキング(positive-working)フォトレジスト膜208を付着させる。図14Cを参照すると、フォトレジスト204の、ウェーハ貫通流路の入口に対応する領域と、フォトレジストの、凹状の環状領域206に対応し、後でエッチングされる領域が、365ナノメートル、405ナノメートル、または436ナノメートルの波長を有する青色光や近紫外線などの短波長光を通過させる光学リソグラフィック露光ツールによってマスク（図14A）を通して選択的に露光されている。
【００８９】
図14Cの断面図に示されているように、フォトレジスト208を現像した後、フォトレジストの露光された領域204を除去して、下にある二酸化ケイ素層214に開放し、フォトレジストの露光された領域206を除去して、下にある二酸化ケイ素層216に開放する。一方、露出されない領域は依然としてフォトレジスト208によって保護される。図14Dを参照すると、図14Cに続いて、二酸化ケイ素層210の露出された領域214、216が、保護フォトレジスト208に対する高度の異方性および選択性を持つフッ素ベースのプラズマによって、シリコン基板218、220に達するまでエッチングされている。図14Eの断面図に示されているように、残りのフォトレジスト208をシリコン基板200から除去する。
【００９０】
図15Aの平面図を参照すると、マスクを使用して円の形のパターン204が形成されている。図15Bは、図15Aの線15B-15Bに沿った断面図である。基板200のノズル側の二酸化ケイ素層210上にポジティブワーキング・フォトレジスト膜208'を付着させる。図15Cを参照すると、フォトレジスト204の、ウェーハ貫通流路の入口に対応する領域が、365ナノメートル、405ナノメートル、または436ナノメートルの波長を有する青色光や近紫外線などの短波長光を通過させる光学リソグラフィック露光ツールによってマスク（図15A）を通して選択的に露光されている。
【００９１】
図15Cの断面図に示されているように、フォトレジスト208'を現像した後、フォトレジストの露光された領域204を、下にある二酸化ケイ素層218まで除去する。その後のフッ素ベースのDRIEシリコン・エッチング中に、残りのフォトレジスト208'をマスクとして使用して、図15Dに示されているウェーハ貫通流路224を垂直方向にエッチングする。ウェーハ貫通流路224をエッチングした後、残りのフォトレジスト208'をシリコン基板200から除去する。
【００９２】
図15Eの断面図に示されているように、フォトレジスト208'を除去することにより、二酸化ケイ素210に形成された図14Aのマスク・パターンを露出させる。図15Fを参照すると、図15Eのシリコン・ウェーハが酸化環境で高温にさらされ、ウェーハのすべての露出されたシリコン表面上に二酸化ケイ素の層または膜226、228が成長している。図15Gを参照すると、図15Fに続いて、二酸化ケイ素226が、高度の異方性および選択性を持つフッ素ベースのプラズマによって、シリコン基板220に達するまでエッチングされている。二酸化ケイ素層228は、ノズル232および凹状の環状領域230を形成するのに用いられる図15HのDRIEエッチング中にエッチング・ストップとしてはたらくように構成されている。
【００９３】
ここで説明する製造プロセスの利点は、このプロセスによって、ウェーハ貫通流路と凹状の環状領域との位置合わせが簡略化されることである。このため、マスクの複雑な位置合わせなしにより小さなノズルをより容易に製造することができる。アスペクト比（すなわち、深さ対幅）のような貫通流路の寸法を確実にかつ再現可能に制限し調節することができる。
【００９４】
レザバー面の処理
図16A〜図16Iには、本発明の電気噴霧装置250の製造における基板200のレザバー側または注入側の処理ステップが示されている。図16Bの断面図（図16Aの線16B-16Bに沿った断面図）に示されているように、二酸化ケイ素層212にポジティブワーキング・フォトレジスト膜236を付着させる。基板貫通位置合わせを使用して、レザバー側のパターンを、基板のノズル側にすでに形成されているパターンと位置合わせする。
【００９５】
位置合わせの後、365ナノメートル、405ナノメートル、または436ナノメートルの波長を有する青色光や近紫外線などの短波長光を通過させる光学リソグラフィック露光ツールによって、フォトレジスト236の、円形レザバー234に対応する領域をマスク（図16A）を通して選択的に露光する。図16Cの断面図に示されているように、露光の後で、フォトレジスト236を現像し、レザバー領域が下にある二酸化ケイ素層238に開放され、一方、露出されていない領域が依然としてフォトレジスト236によって保護されるように、フォトレジスト234の露光された領域を除去する。次いで、図16Dに示されているように、保護フォトレジスト236に対する高度の異方性および選択性を持つフッ素ベースのプラズマにより、二酸化ケイ素層212の露出された領域238をシリコン基板240に達するまでエッチングする。
【００９６】
図16Eに示されているように、フッ素ベースのエッチングにより、レザバー242を形成する円柱形領域が形成される。レザバー242は、ウェーハ貫通流路224に到達するまでエッチングされる。所望の深さに達した後、図16Fに示されているように、酸素プラズマ、または過酸化水素（H2O2）で活性化された硫酸（H2SO4）のような活性酸化化学浴で、残りのフォトレジスト236を除去する。
【００９７】
電気絶縁のための基板の調製
図16Gを参照すると、シリコン・ウェーハ200が酸化環境で高温にさらされ、すべてのシリコン表面上に二酸化ケイ素の層または膜244が約1μm〜3μmの厚さに成長している。二酸化ケイ素層は電気絶縁層としてはたらく。図16Hに示されているように、低圧化学蒸着（LPCVD）を使用して、窒化ケイ素246をさらに付着させ、すべての表面上に窒化ケイ素の共形コーティングを最大で2μmの厚さに設ける。LPCVD窒化ケイ素はまた、電気絶縁を増強すると共に、電気噴霧装置に導入され窒化ケイ素に含まれている流体およびイオンが流体とシリコン基板200を電気的に接続するのを妨げる流体バリアを形成する。これにより、この電気噴霧装置を用いて流体と基板に電位電圧を独立に印加し、マイクロチップ・デバイスから流体を首尾よくナノ電気噴霧するのに必要な大きな電界をノズル先端で生成することができる。
【００９８】
単一のシリコン・ウェーハ上に複数の電気噴霧装置を製造した後、ウェーハをダイシングまたは切断して個々の装置を得ることができる。これにより、図16Iの断面図に示されているように、シリコン基板200の、導電金属層248が付着する部分が露出される。
【００９９】
すべてのシリコン表面を酸化し、酸化温度および酸化時間を適切に選択することによって調節できる厚さを持つ二酸化ケイ素を形成する。すべての二酸化ケイ素層にLPCVDによって窒化ケイ素を被覆する。二酸化ケイ素および窒化ケイ素の最終的な厚さとしては、装置に所望の電気絶縁度をもたらす厚さを選択することができる。二酸化ケイ素層および窒化ケイ素層が厚ければ厚いほど、電気的破壊に対する抵抗が大きくなる。シリコン基板の縁部を金属化するために、シリコン基板を所望のサイズの電気噴霧装置または所望の電気噴霧装置アレイに分割する。図16Iに示されているように、公知の熱蒸着技術および金属付着技術を使用して、シリコンの縁部に導電材料248を被覆する。
【０１００】
この製造方法では、組立ての必要なしに、単結晶シリコン基板から電気噴霧装置の微細形状をエッチングすることにより、製造される電気噴霧装置に優れた機械的安定性が与えられる。この位置合わせ方式では、2μmよりも薄いノズル壁および外径が最小で5μmのノズルを再現可能に製造することができる。さらに、凹状の環状領域の横方向範囲および形状をその深さとは無関係に調節することができる。凹状の環状領域の深さはまた、ノズルの高さを決定し、かつ基板のノズル側のエッチングの範囲によって決定される。
【０１０１】
電気噴霧装置用の上述の製造シーケンスを、単一のモノリシック基板で実施された複数の流路および／または複数の吐出ノズルを含む複数の電気噴霧装置を備える単一のモノリシック・システムの同時製造に容易に適合させることができ、かつ該製造に適用することができる。さらに、これらの処理ステップは、単に、たとえばレイアウト構造を修正し、かつ／またはフォトマスクの極性を変更し、ポジティブワーキング・フォトレジストではなくネガティブワーキング・フォトレジストを利用することによって、互いに類似したまたは異なる電気噴霧装置を製造するように修正することができる。
【０１０２】
他の態様における他の製造技術を図17〜図20で説明する。この技術は、主として基板のレザバー側に付着させたエッチング・ストップの機能により、従来の技術に勝るいくつかの利点を有する。この機能は、全長にわたって一定の直径を有するウェーハ貫通流路の製造を改善する。このエッチング・プロセスにより、内部から基板の露出された表面に近づくときに一定の流路直径を維持することが困難になるという問題が生じる。通常、このエッチング・プロセスでは、流路の開放部が形成されるときに流路の端部の直径がわずかに小さくなる。このことは、エッチング・ストップに接触する際に流路をわずかにオーバーエッチングする機能によって改善される。さらに、流路をエッチングする前にレザバーをエッチングしてエッチング・ストップを付着させることの他の利点は、側面パッシベーションの結果として生じ流路の開放部に残る微小突起が無くなることである。エッチング・ストップは、スルー・ホールを設けるときにプラズマ領域を冷却ガスから分離し、生成物のエッチングによる汚染を回避する働きもする。
【０１０３】
図17A〜図17Eおよび図19A〜図19Gには、本発明の電気噴霧装置の製造における基板のノズル側または吐出側に対する処理ステップが示されている。図18A〜図18Gには、本発明の電気噴霧装置の製造における基板のレザバー側または注入側に対する処理ステップが示されている。図20A〜図20Cには、基板に電気絶縁を施す様子が示されている。
【０１０４】
図17Aの平面図を参照すると、完成した電気噴霧装置250のノズル形状を形成するパターン302を得るためにマスクが用いられている。円304および306の形のこのパターンはそれぞれ、完成した電気噴霧装置のウェーハ貫通流路およびノズルの周りの凹状の環状空間を形成する。図17Bは、図17Aの線17B-17Bに沿った断面図である。両面研磨シリコン・ウェーハ300を酸化環境で高温にさらし、基板300のノズル側に二酸化ケイ素の層または膜310を成長させ、基板300のレザバー側に二酸化ケイ素の層または膜312を成長させる。得られる各二酸化ケイ素層310、312の厚さは約1μm〜3μmである。二酸化ケイ素層310、312は、後でシリコン基板300のある領域を選択的にエッチングするためのマスクとしてはたらく。
【０１０５】
基板300のノズル側の二酸化ケイ素層310上にポジティブワーキング・フォトレジスト膜308を付着させる。図17Cを参照すると、フォトレジスト304の、ウェーハ貫通流路の入口に対応する領域と、フォトレジストの、凹状の環状領域306に対応し、後でエッチングされる領域が、365ナノメートル、405ナノメートル、または436ナノメートルの波長を有する青色光や近紫外線などの短波長光を通過させる光学リソグラフィック露光ツールによってマスク（図17A）を通して選択的に露光されている。
【０１０６】
図17Cの断面図に示されているように、フォトレジスト308を現像した後、フォトレジストの露光された領域304を除去して、下にある二酸化ケイ素層314に開放し、フォトレジストの露光された領域306を除去して、下にある二酸化ケイ素層310に開放する。一方、露出されない領域は依然としてフォトレジスト308によって保護される。図17Dを参照すると、図17Cに続いて、二酸化ケイ素層310の露出された領域314、316が、保護フォトレジスト308に対する高度の異方性および選択性を持つフッ素ベースのプラズマによって、シリコン基板318、320に達するまでエッチングされている。図17Eの断面図に示されているように、残りのフォトレジスト308をシリコン基板300から除去する。
【０１０７】
図18Aの平面図を参照すると、マスクを使用して円の形のパターン324が形成されている。図18Bは、図18Aの線18B-18Bに沿った断面図である。図18Bの断面図に示されているように、二酸化ケイ素層312上にポジティブワーキング・フォトレジスト膜326を付着させる。基板貫通位置合わせを使用して、レザバー側のパターンを、基板のノズル側にすでに形成されているパターンと位置合わせする。
【０１０８】
位置合わせの後、365ナノメートル、405ナノメートル、または436ナノメートルの波長を有する青色光や近紫外線などの短波長光を通過させる光学リソグラフィック露光ツールによって、フォトレジスト326の、円形レザバー324に対応する領域をマスク（図18A）を通して選択的に露光する。図18Cの断面図に示されているように、露光の後で、フォトレジスト326を現像し、レザバー領域が下にある二酸化ケイ素層328に開放され、一方、露出されていない領域が依然としてフォトレジスト326によって保護されるように、フォトレジスト324の露光された領域を除去する。次いで、図18Dに示されているように、保護フォトレジスト326に対する高度の異方性および選択性を持つフッ素ベースのプラズマにより、二酸化ケイ素層312の露出された領域328をシリコン基板330に達するまでエッチングする。
【０１０９】
図18Eに示されているように、フッ素ベースのエッチングにより、レザバー332を形成する円柱形領域が形成される。レザバー332は、ウェーハ貫通流路に到達するまでエッチングされる。所望の深さに達した後、図18Fに示されているように、酸素プラズマ、または過酸化水素（H2O2）で活性化された硫酸（H2SO4）のような活性酸化化学浴で、残りのフォトレジスト326を除去する。
【０１１０】
図18Gを参照すると、後で、図19Dに示されている基板貫通流路336をエッチングするためのエッチング・ストップとしてはたらく二酸化ケイ素層334が、プラズマ強化化学蒸着（「PECVD」）によって基板300のレザバー側に付着している。
【０１１１】
図19Bに示されているように、基板300のノズル側の二酸化ケイ素層310上にポジティブワーキング・フォトレジスト膜308'を付着させる。図19Cを参照すると、365ナノメートル、405ナノメートル、または436ナノメートルの波長を有する青色光や近紫外線などの短波長光を通過させる光学リソグラフィック露光ツールにより、フォトレジスト304の、ウェーハ貫通流路の入口に対応する領域がマスク（図19A）を通して選択的に露光されている。
【０１１２】
図19Cの断面図に示されているように、フォトレジスト308'を現像した後、フォトレジストの露光された領域304を除去して、下にある二酸化ケイ素層318に開放する。その後のフッ素ベースのDRIEシリコン・エッチング中に、残りのフォトレジスト308'をマスクとして使用して、図19Dに示されているウェーハ貫通流路336を垂直方向にエッチングする。ウェーハ貫通流路336をエッチングした後、図19Eの断面図に示されているように、残りのフォトレジスト308'をシリコン基板300から除去する。
【０１１３】
図19Eに示されているように、フォトレジスト308'を除去することにより、二酸化ケイ素310に形成された図17Aのマスク・パターンを露出させる。図19Fに示されているように、フッ素ベースのDRIEシリコン・エッチングを使用して凹状の環状領域338を垂直方向にエッチングする。図19Gを参照すると、フッ化水素酸プロセスによって二酸化ケイ素層310、312、および334が基板から除去されている。
【０１１４】
ここで説明する製造プロセスの利点は、このプロセスによって、ウェーハ貫通流路と凹状の環状領域との位置合わせが簡略化されることである。このため、マスクの複雑な位置合わせなしにより小さなノズルをより容易に製造することができる。アスペクト比（すなわち、深さ対幅）のような貫通流路の寸法を確実にかつ再現可能に制限し調節することができる。
【０１１５】
電気絶縁のための基板の調製
図20Aを参照すると、シリコン・ウェーハ300が酸化環境で高温にさらされ、すべてのシリコン表面上に二酸化ケイ素の層または膜342が約1μm〜3μmの厚さに成長している。二酸化ケイ素層は電気絶縁層としてはたらく。図20Bに示されているように、低圧化学蒸着（LPCVD）を使用して、窒化ケイ素344をさらに付着させ、すべての表面上に窒化ケイ素の共形コーティングを最大で2μmの厚さに設ける。LPCVD窒化ケイ素はまた、電気絶縁を増強すると共に、電気噴霧装置に導入され窒化ケイ素に含まれている流体およびイオンが流体とシリコン基板300を電気的に接続するのを妨げる流体バリアを形成する。これにより、この電気噴霧装置を用いて流体と基板に電位電圧を独立に印加し、マイクロチップデバイスから流体を首尾よくナノ電気噴霧するのに必要な大きな電界をノズル先端で生成することができる。
【０１１６】
単一のシリコン・ウェーハ上に複数の電気噴霧装置を製造した後、ウェーハをダイシングまたは切断して個々の装置を得ることができる。これにより、図20Cの断面図に示されているように、シリコン基板300の、導電金属層346が付着する部分が露出される。流体電極としてはたらく導電金属層348をレザバー側の窒化ケイ素層上に付着させる。
【０１１７】
すべてのシリコン表面を酸化し、酸化温度および酸化時間を適切に選択することによって調節できる厚さを持つ二酸化ケイ素を形成する。すべての二酸化ケイ素面にLPCVDによって窒化ケイ素を被覆する。二酸化ケイ素および窒化ケイ素の最終的な厚さとしては、装置に所望の電気絶縁度をもたらす厚さを選択することができる。二酸化ケイ素層および窒化ケイ素層が厚ければ厚いほど、電気的破壊に対する抵抗が大きくなる。シリコン基板の縁部を金属化するために、シリコン基板を所望のサイズの電気噴霧装置または所望の電気噴霧装置アレイに分割する。図20Cに示されているように、公知の熱蒸着技術および金属付着技術を使用して、シリコンの縁部に導電材料248を被覆する。
【０１１８】
この製造方法では、組立ての必要なしに、単結晶シリコン基板から電気噴霧装置の微細形状をエッチングすることにより、製造される電気噴霧装置に優れた機械的安定性が与えられる。この位置合わせ方式では、2μmよりも薄いノズル壁および外径が最小で5μmのノズルを再現可能に製造することができる。さらに、凹状の環状領域の横方向範囲および形状をその深さとは無関係に調節することができる。凹状の環状領域の深さはまた、ノズルの高さを決定し、かつ基板のノズル側のエッチングの範囲によって決定される。
【０１１９】
図21Aおよび図21Bは、本発明によって製造されたマルチノズル装置の走査電子顕微鏡写真画像の斜視図である。ノズルの外径は20μmであり、内径は8μmである。ピッチ、すなわち、各ノズルの中間間の間隔は50μmである。
【０１２０】
電気噴霧装置用の上述の製造シーケンスは、単一のモノリシック基板で実施された複数の流路および／または複数の吐出ノズルを含む複数の電気噴霧装置を備える単一のモノリシック・システムの同時製造に容易に適合させることができ、かつ該製造に適用することができる。さらに、これらの処理ステップは、単に、たとえばレイアウト構造を修正し、かつ／またはフォトマスクの極性を変更し、ポジティブワーキング・フォトレジストではなくネガティブワーキング・フォトレジストを利用することによって、互いに類似したまたは異なる電気噴霧装置を製造するように修正することができる。
【０１２１】
マルチシステム・チップと質量分光計の相互接続
マルチシステム・チップ上の電気噴霧ノズルのアレイと、質量分光計のサンプリング開口部を、各ノズルをサンプリング開口部の近くに配置することによって相互接続することができる。電気噴霧ノズルが密接に構成されているので、該ノズルを質量分光計のサンプリング開口部に近接して配置することができる。
【０１２２】
マルチシステム・チップは、電気噴霧装用ノズルのうちの１つまたは複数をイオン・サンプリング開口部の近くに配置するようにイオン・サンプリング開口部に対して操作することができる。次いで、電気噴霧用ノズルのうちの１つまたは複数に適切な電圧を印加することができる。
【０１２３】
本発明を例示を目的として詳しく説明したが、このような詳細が本目的のためのものに過ぎず、当業者には、特許請求の範囲によって定義される本発明の趣旨および範囲から逸脱せずにこれを改変できることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【図１Ａ】  本発明の1ノズル電気噴霧装置の平面図を示す。
【図１Ｂ】  本発明の2ノズル電気噴霧装置の平面図を示す。
【図１Ｃ】  本発明の3ノズル電気噴霧装置の平面図を示す。
【図１Ｄ】  本発明の14ノズル電気噴霧装置の平面図を示す。
【図２Ａ】  本発明の1ノズル電気噴霧装置の斜視図を示す。
【図２Ｂ】  本発明の2ノズル電気噴霧装置の斜視図を示す。
【図２Ｃ】  本発明の3ノズル電気噴霧装置の斜視図を示す。
【図２Ｄ】  本発明の14ノズル電気噴霧装置の斜視図を示す。
【図３Ａ】  本発明の1ノズル電気噴霧装置の断面図を示す。
【図３Ｂ】  本発明の2ノズル電気噴霧装置の断面図を示す。
【図３Ｃ】  本発明の3ノズル電気噴霧装置の断面図を示す。
【図３Ｄ】  本発明の14ノズル電気噴霧装置の断面図を示す。
【図４】  本発明の電気噴霧装置の注入側またはレザバー側の斜視図を示す。
【図５Ａ】  各ノズルから1つの電気噴霧を生成する本発明の2ノズル電気噴霧装置の断面図を示す。
【図５Ｂ】  各ノズルから2つの電気噴霧を生成する本発明の2ノズル電気噴霧装置の断面図を示す。
【図６Ａ】  1つのノズルから1つの電気噴霧を生成する本発明の1ノズル電気噴霧装置の斜視図を示す。
【図６Ｂ】  1つのノズルから2つの電気噴霧を生成する本発明の1ノズル電気噴霧装置の斜視図を示す。
【図６Ｃ】  1つのノズルから3つの電気噴霧を生成する本発明の1ノズル電気噴霧装置の斜視図を示す。
【図６Ｄ】  1つのノズルから4つの電気噴霧を生成する本発明の1ノズル電気噴霧装置の斜視図を示す。
【図７Ａ】  1つのノズルから1つの電気噴霧を生成する超小形電気噴霧ノズルのビデオ捕捉写真を示す。
【図７Ｂ】  1つのノズルから2つの電気噴霧を生成する超小形電気噴霧ノズルのビデオ捕捉写真を示す。
【図８Ａ】  電気噴霧を受けている溶液の総イオン・クロマトグラム（「TIC」）を示す。
【図８Ｂ】  m/z315における陽子を加えられた分析物の質量クロマトグラムを示す。領域1は、1つのノズルからの1つの電気噴霧の結果として得られたイオン強度である。領域2は、1つのノズルからの2つの電気噴霧の結果として得られたイオン強度である。領域3は、1つのノズルからの3つの電気噴霧の結果として得られたイオン強度である。領域4は、1つのノズルからの4つの電気噴霧の結果として得られたイオン強度である。領域5は、1つのノズルからの2つの電気噴霧の結果として得られたイオン強度である。
【図９Ａ】  図8Bの領域1から得られた質量スペクトルを示す。
【図９Ｂ】  図8Bの領域2から得られた質量スペクトルを示す。
【図９Ｃ】  図8Bの領域3から得られた質量スペクトルを示す。
【図９Ｄ】  図8Bの領域4から得られた質量スペクトルを示す。
【図１０】  m/z315におけるイオン強度と、1つのノズルから放出される電気噴霧の数との関係を示すチャートを示す。
【図１１Ａ】  電気噴霧装置の4つのノズルを含む群の2 x 2アレイの平面図である。
【図１１Ｂ】  1つのノズル列を通る線における、4つのノズルを含む群の2 x 2アレイの斜視図である。
【図１１Ｃ】  電気噴霧装置のノズルを含む群の2 x 2アレイの断面図である。
【図１２Ａ】  直径が20μmで高さが50μmのノズルの断面図である。流体の電圧は1000Vであり、基板の電圧は0Vであり、第3の電極（図のスケールのために示されていない）は、基板から5mm離れて位置しており、0Vの電圧を有している。等電位電界線は50V刻みで示されている。
【図１２Ｂ】  図12Aに示されているノズルの周りの領域の拡大図である。
【図１２Ｃ】  直径が20μmで高さが50μmのノズルの断面図である。流体の電圧は1000Vであり、基板の電圧は0Vであり、第3の電極（図のスケールのために示されていない）は、基板から5mm離れて位置しており、800Vの電圧を有している。等電位電界線は50V刻みで示されている。
【図１２Ｄ】  直径が20μmで高さが50μmのノズルの断面図である。流体の電圧は1000Vであり、基板の電圧は800Vであり、第3の電極（図のスケールのために示されていない）は、基板から5mm離れて位置しており、0Vの電圧を有している。等電位電界線は50V刻みで示されている。
【図１３Ａ〜１３Ｃ】  離散試料量が基板表面上に含まれるレザバーに移動する段階を示す、本発明の電気噴霧装置の断面図である。
【図１３Ｄ】  溶液が蒸発し、流体内に含まれる分析物がレザバーの表面に残る段階を示す、本発明の電気噴霧装置の断面図である。
【図１３Ｅ】  注入面を密封するように流体プローブが取り付けられ、再構成流体を供給し、電気噴霧の質量分光分析が可能なように分析物を再溶解させる段階を示す、本発明の電気噴霧装置の断面図である。
【図１４Ａ】  電気噴霧装置のマスク1の平面図である。
【図１４Ｂ】  二酸化ケイ素層210および212およびフォトレジスト層208を示すシリコン基板200の断面図である。
【図１４Ｃ】  フォトレジストに204および206のパターンを形成するようにフォトレジスト層208を除去する段階を示す、シリコン基板200の断面図である。
【図１４Ｄ】  領域212および214におけるシリコン基板200を露出させて二酸化ケイ素210に204および206のパターンを形成するようにこれらの領域から二酸化ケイ素210を除去する段階を示す、シリコン基板200の断面図である。
【図１４Ｅ】  フォトレジスト208を除去する段階を示す、シリコン基板200の断面図である。
【図１５Ａ】  電気噴霧装置のマスク2の平面図である。
【図１５Ｂ】  新規のフォトレジスト層208'を有する図14Eのシリコン基板200の断面図である。
【図１５Ｃ】  フォトレジストに204のパターンを形成してシリコン基板218を露出させるようにフォトレジスト層208'を除去する段階を示す、シリコン基板200の断面図である。
【図１５Ｄ】  シリンダ224を形成するように領域218からシリコン基板材料を除去する段階を示す、シリコン基板200の断面図である。
【図１５Ｅ】  フォトレジスト208'を除去する段階を示す、シリコン基板200の断面図である。
【図１５Ｆ】  露出されたシリコン基板200を熱酸化させ、露出されたシリコンの水平面および垂直面にそれぞれ二酸化ケイ素226および228の層を形成する段階を示す、シリコン基板200の断面図である。
【図１５Ｇ】  すべての水平面から二酸化ケイ素226を選択的に除去する段階を示す、シリコン基板200の断面図である。
【図１５Ｈ】  ノズル232の周りに環状空間230を形成するようにシリコン基板220を除去する段階を示す、シリコン基板200の断面図である。
【図１６Ａ】  レザバー234を示す、電気噴霧装置のマスク3の平面図である。
【図１６Ｂ】  二酸化ケイ素212上に新規のフォトレジスト層232を有する図15Iのシリコン基板200の断面図である。
【図１６Ｃ】  フォトレジストにパターン234を形成して二酸化ケイ素236を露出させるようにフォトレジスト層232を除去する段階を示す、シリコン基板200の断面図である。
【図１６Ｄ】  シリコン238を234のパターンに露出させるように領域234から二酸化ケイ素236を除去する段階を示す、シリコン基板200の断面図である。
【図１６Ｅ】  234のパターンにレザバー240を形成するように領域234からシリコン238を除去する段階を示す、シリコン基板200の断面図である。
【図１６Ｆ】  フォトレジスト232を除去する段階を示す、シリコン基板200の断面図である。
【図１６Ｇ】  露出されたシリコン基板200を熱酸化し、すべての露出されたシリコン表面上に二酸化ケイ素層242を形成する段階を示す、シリコン基板200の断面図である。
【図１６Ｈ】  電気噴霧装置300のすべての表面を共形的に被覆する窒化ケイ素244を低圧蒸着させる段階を示す、シリコン基板200の断面図である。
【図１６Ｉ】  シリコン基板200上に電極246を金属付着させる段階を示す、シリコン基板200の断面図である。
【図１７Ａ】  電気噴霧装置のマスク4の平面図である。
【図１７Ｂ】  二酸化ケイ素層310および312ならびにフォトレジスト層308を示す、シリコン基板300の断面図である。
【図１７Ｃ】  フォトレジストに304および306のパターンを形成するようにフォトレジスト層308を除去する段階を示す、シリコン基板300の断面図である。
【図１７Ｄ】  領域318および320におけるシリコン基板300を露出させて二酸化ケイ素310に204および206のパターンを形成するようにこれらの領域から二酸化ケイ素310を除去する段階を示す、シリコン基板300の断面図である。
【図１７Ｅ】  フォトレジスト308を除去する段階を示す、シリコン基板300の断面図である。
【図１８Ａ】  電気噴霧装置のマスク5の平面図である。
【図１８Ｂ】  二酸化ケイ素層312上にポジティブ・ワーキング・フォトレジスト326の膜を付着させる段階を示す、シリコン基板300の断面図である。
【図１８Ｃ】  フォトレジスト層326の露出された領域324を除去する段階を示す、シリコン基板300の断面図である。
【図１８Ｄ】  二酸化ケイ素層312の露出された領域328をエッチングする段階を示す、シリコン基板300の断面図である。
【図１８Ｅ】  レザバー332をエッチングする段階を示す、シリコン基板300の断面図である。
【図１８Ｆ】  残りのフォトレジスト326を除去する段階を示す、シリコン基板300の断面図である。
【図１８Ｇ】  二酸化ケイ素層334を付着させる段階を示す、シリコン基板300の断面図である。
【図１９Ａ】  ウェーハ貫通流路304を示す、電気噴霧装置のマスク6の平面図である。
【図１９Ｂ】  二酸化ケイ素層310上にフォトレジスト層308'を付着させる段階を示す、シリコン基板300の断面図である。
【図１９Ｃ】  フォトレジストの露出された領域304を除去する段階を示す、シリコン基板300の断面図である。
【図１９Ｄ】  ウェーハ貫通流路336をエッチングする段階を示す、シリコン基板300の断面図である。
【図１９Ｅ】  フォトレジスト308'を除去する段階を示す、シリコン基板300の断面図である。
【図１９Ｆ】  ノズルの周りに環状空間338を形成するようにシリコン基板320を除去する段階を示す、シリコン基板300の断面図である。
【図１９Ｇ】  二酸化ケイ素層310、312、および334を除去する段階を示す、シリコン基板300の断面図である。
【図２０Ａ】  電気噴霧装置300のすべてのシリコン表面を被覆する二酸化ケイ素層342を付着させる段階を示す、シリコン基板300の断面図である。
【図２０Ｂ】  電気噴霧装置300のすべての表面を被覆する窒化ケイ素層344を付着させる段階を示す、シリコン基板300の断面図である。
【図２０Ｃ】  電極346および348を金属付着させる段階を示す、シリコン基板300の断面図である。
【図２１Ａおよび２１Ｂ】  本発明によって製造されたマルチノズル装置の走査電子顕微鏡写真画像の斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
0005057318.tif 000007
【図４】
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【図５】
0005057318.tif 000009
【図６】
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【図７Ａ】
0005057318.tif 000011
【図７Ｂ】
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【図８】
0005057318.tif 000013
【図９】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
0005057318.tif 000016
【図１１Ｂ】
0005057318.tif 000017
【図１１Ｃ】
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【図１２Ａ】
0005057318.tif 000019
【図１２Ｂ】
0005057318.tif 000020
【図１２Ｃ】
0005057318.tif 000021
【図１２Ｄ】
0005057318.tif 000022
【図１３Ａ】
0005057318.tif 000023
【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１４Ｃ】
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【図１４Ｄ】
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【図１４Ｅ】
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【図１５Ａ】
0005057318.tif 000033
【図１５Ｂ】
0005057318.tif 000034
【図１５Ｃ】
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【図１５Ｄ】
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【図１５Ｅ】
0005057318.tif 000037
【図１５Ｆ】
0005057318.tif 000038
【図１５Ｇ】
0005057318.tif 000039
【図１５Ｈ】
0005057318.tif 000040
【図１６Ａ】
0005057318.tif 000041
【図１６Ｂ】
0005057318.tif 000042
【図１６Ｃ】
0005057318.tif 000043
【図１６Ｄ】
0005057318.tif 000044
【図１６Ｅ】
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【図１６Ｆ】
0005057318.tif 000046
【図１６Ｇ】
0005057318.tif 000047
【図１６Ｈ】
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【図１６Ｉ】
0005057318.tif 000049
【図１７Ａ】
0005057318.tif 000050
【図１７Ｂ】
0005057318.tif 000051
【図１７Ｃ】
0005057318.tif 000052
【図１７Ｄ】
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【図１７Ｅ】
0005057318.tif 000054
【図１８Ａ】
0005057318.tif 000055
【図１８Ｂ】
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【図１８Ｃ】
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【図１８Ｄ】
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【図１８Ｅ】
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【図１８Ｆ】
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【図１８Ｇ】
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【図１９Ａ】
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【図１９Ｂ】
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【図１９Ｃ】
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【図１９Ｄ】
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【図１９Ｅ】
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【図１９Ｆ】
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【図１９Ｇ】
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【図２０Ａ】
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【図２０Ｂ】
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【図２０Ｃ】
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【図２１Ａ】
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【図２１Ｂ】
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