ЯЧЕЙКА МИКРОКАЛОРИМЕТРА
MICROCALORIMETRE CELL

Изобретение относится к области микрокалориметрии и может быть использовано для калориметрических исследований образцов жидкостей малых объемов в областях: микробиологии, генетике, химии, судебной медэкспертизе и в особых случаях воздействия на образцы лазерным излучением.
Известна калориметрическая ячейка для жидкостей, выполненная из платинового капилляра, согнутого в виде цилиндрической спирали, концы которой выведены в камеру заполнения в верхней части герметического сосуда [1]. Конструкция позволяет легко заполнить ячейку исследуемой жидкостью и осуществить промывку ячейки. Недостатком ячейки является затрудненный контроль качества промывки, большое количество исследуемой жидкости, затрачиваемой нерационально и невозможность воздействия на исследуемую жидкость лазерным излучением.
Другим техническим решением является ячейка, используемая в приборах типа DSC фирмы "Perkin Elmler" или в отечественных приборах типа ДСМ [2]. Конструкции этих ячеек, в принципе, одинаковы. В ячейку устанавливается контейнер с образцом. В донышке ячейки выполнены нагреватель и платиновый термометр. В данной конструкции снимается вопрос о промывке. Но данная ячейка также не позволяет осуществить анализ исследуемой жидкости при лазерном облучении по причине невозможности размещения детекторов рассеянного излучения. Кроме того, в ряде случаев, например, в экспертизе сильноядовитых жидкостей в химии, опасных по заражению в биологии и медицине и т.д., требуются особые меры обеспечения безопасности обслуживающего персонала. Здесь необходимы одноразовые изделия. Существенным недостатком является механический способ изготовления ячейки, при котором сложно обеспечить равенство рабочих объемов ячеек, равенство теплоемкостей пустых ячеек, сохранение теплоемкостей ячеек при изменении температуры. Эти условия необходимо выполнять для получения точности измерений 3-5%, требуемой в современных дифференциальных сканирующих микрокалориметрах [3].
Технической задачей изобретения является создание устройства калориметрической ячейки, не требующей обслуживания, повторяющей свои физико-технические параметры от образца к образцу в пустом состоянии и с жидкостью в диапазоне температур, позволяющей осуществить анализ жидкостей при лазерном или ином облучении.
В предложенном изобретении задача решается путем изготовления ячеек микрокалориметра методами микроэлектроники, например, на базе кремниевой технологии изготовления электронных микросхем, а также с помощью мембранной технологии, используемой в производстве сенсоров. Ячейка выполняется в виде кристалла, содержащего кремниевую рамку-основание, на которой расположена диэлектрическая мембрана. На мембране расположен платиновый датчик температуры. На рамке расположен платиновый нагреватель и два контакта к телу рамки, позволяющие использовать ее в качестве второго нагревателя. На рамке расположен второй платиновый датчик температуры. Внутренняя поверхность рамки окислена для того, чтобы исследуемая жидкость не имела гальванической связи с ячейкой.
3
Данная конструкция подразумевает одноразовое и необслуживаемое использование ячеек в микрокалориметрах при воздействии на исследуемую жидкость когерентного или некогерентного излучения в диапазоне рабочих температур от минус 260°С до 500°С с погрешностью измерения температуры 0,1°С в диапазоне скоростей сканирования температуры от 0,01 град/сек до 1000 град/сек. Ячейки могут быть выполнены на объемы от 0,01 до 0,5 см.
Сказанное выше иллюстрируется эскизами вариантов устройств микрокалориметрических ячеек, представленных на фиг.1.
На фиг.1a представлен вариант ячейки со сплошной мембраной, выполненной из слоев двуокиси и нитрида кремния; на фиг.1б - вариант с мембраной, имеющей отверстие в центре мембраны; на фиг.1в - топология кристалла с максимальным набором элементов. Кристалл ячейки содержит кремниевую рамку-основание (1), на которой расположена диэлектрическая мембрана (2) толщиной от 0,5 до 2 мкм. Мембрана (2) сплошная в варианте фиг.1а и с отверстием в середине(3), фиг.1б. На поверхности рамки выполнены контакты (4) к телу рамки, используемой в качестве одного из нагревателей; и другой нагреватель (5) из платины и датчик температуры - платиновый термометр сопротивления (6), определяющий или задающий температуру рамки. На поверхностях обоих вариантов мембран выполнены платиновые термометры сопротивления (7), определяющие температуру исследуемой жидкости (8). Внутренняя поверхность рамки окислена (11).
На фиг.2 представлена электрическая схема ячейки с полным набором функциональных элементов: Rk - сопротивление рамки, удельное сопротивление 4,5-20 Ом/квадрат, полное сопротивление 50-100 Ом; Rн - сопротивление платинового нагревателя, удельное сопротивление 1-1,3 Ом/квадрат, полное сопротивление 50-100 Ом; Rтр - платиновый термометр на рамке, удельное сопротивление 1-1,3 Ом/квадрат, полное сопротивление 200-300 Ом; Rтм - платиновый термометр сопротивления, определяющий температуру исследуемой жидкости, удельное сопротивление 1-1,3 Ом/квадрат, полное сопротивление 200-300 Ом. Для изготовления ячеек использовались стандартные кремневые пластины, например, типа КЭФ 4,5<100>, диаметром 100 мм и стандартные технологические операции микроэлектроники: двухсторонней контактной фотолитографии, глубокого анизотропного травления кремния, термического окисления кремния, пиролиза, низкотемпературных процессов нанесения диэлектриков, магнетронное напыление металлов, плазмохимические процессы, реактивное травление, жидкостного химического травления и очистки поверхностей, процессов отжига в инертной среде. На каждой пластине партии из 25 пластин выполняется от 200 до 600 (в зависимости от размера кристалла) ячеек строго одинаковых физико-технических параметров, определяемых материалом (его кристаллической структурой) и результатами использования технологических приемов микроэлектроники.
Ячейки используются в микрокалориметрах различных типов [3] как одноразовые элементы, не требующие подготовки, отмывки, позволяющие автоматизировать процессы загрузки и утилизации ячеек без участия оператора по заданной программе. Ячейки позволяют вести исследования жидкостей при лазерном облучении от источника (9) и регистрировать фотоприемниками (10), фиг.1, линейные рассеяния Рэлея за счет микроскопических неоднородностей в жидкости, а также рассеяния типа МИ, на неоднородностях того же порядка, что и длина волны когерентного излучения, а также нелинейные процессы при больших интенсивностях светового потока-стимулированного рассеяния Римана и Бриллюэна [4]. Данная процедура открывает широкие возможности исследования биологических жидкостей в медицине, микробиологии, химии и т.д.
Новая конструкция калориметрической ячейки обеспечивает высокую производительность измерений, возможность исследований с участием излучений, экологическую безупречность за счет автоматизации измерений и утилизации ячеек; высокие температурные качества при физико-технической идентичности ячеек, а стандартные методы изготовления на базе микроэлектроники дают возможность широкого использования ячеек в научной, медицинской и судопроизводственной практике из-за дешевизны ячеек. Цена ячейки составляет от 0,3 до 0,8 долларов США.
Литература
1. Бойко Б.Н., Лосев В.А. и др. Дифференциальный адиабатический сканирующий микрокалориметр ДАСМ-4. Сб. Научное приборостроение, теоретические и экспериментальные исследования. Ленинград, Наука, 1984 г.
2. Сидорович А.В. и др. Дифференциальный сканирующий микрокалориметр. А.с. №821964, БИ 1981 г.
3. Бойко Б.Н. Прикладная микрокалориметрия. М.: Наука, 2006 г.
4. Унгер Г.Г. Оптическая связь. М.: Связь, 1979 г.