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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-04-16
(54)【発明の名称】統合型エバネッセント波スペクトル検出デバイス
(51)【国際特許分類】
G01N 21/552 20140101AFI20240409BHJP
【ＦＩ】
G01N21/552
【審査請求】未請求
【予備審査請求】有
(21)【出願番号】P 2023567165
(86)(22)【出願日】2022-02-16
(85)【翻訳文提出日】2023-11-01
(86)【国際出願番号】 US2022016532
(87)【国際公開番号】W WO2022177940
(87)【国際公開日】2022-08-25
(31)【優先権主張番号】63/150,016
(32)【優先日】2021-02-16
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】17/671,983
(32)【優先日】2022-02-15
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】511248294
【氏名又は名称】シーウェア システムズ
【氏名又は名称原語表記】ＳＩ－ＷＡＲＥ ＳＹＳＴＥＭＳ
(74)【代理人】
【識別番号】110001302
【氏名又は名称】弁理士法人北青山インターナショナル
(72)【発明者】
【氏名】サベリー，ヤセル エム．
(72)【発明者】
【氏名】ゴナム，アムル オー．
(72)【発明者】
【氏名】アンワー，モメン
(72)【発明者】
【氏名】ハリル，ディアー
【テーマコード（参考）】
2G059
【Ｆターム（参考）】
2G059AA01
2G059BB04
2G059DD12
2G059EE01
2G059EE09
2G059EE12
2G059GG01
2G059HH01
2G059JJ01
2G059JJ03
2G059JJ05
2G059JJ13
2G059JJ17
2G059KK01
(57)【要約】
態様は、統合型で小型の減衰全内部反射（ＡＴＲ）スペクトル検出デバイス（２００）に関する。スペクトル検出デバイス（２００）は、基板（２０２）と、分光器（２０４）と、検出器（２０６）と、を含む。基板（２０２）は、ＡＴＲ素子（２１４）と、マイクロ流体チャネル（２０８）と、ＡＴＲ素子（２１４）とその中に形成されたマイクロ流体チャネル（２０８）との間の境界のチャネル界面（２１６）と、を含む。ＡＴＲ素子（２１４）は、入力光（２２０）を受け取り、かつ、チャネル界面での入力光（２２０）の全内部反射のためにチャネル界面に入力光（２２０）を向けるように構成される。入力光（２２０）の全内部反射に基づいてマイクロ流体チャネル内に包含されたサンプルによって生成されたエバネッセント波はＡＴＲ素子（２１４）からの出力光を減衰し、結果として得られた出力光（２２２）は、分光計（２０４）及び検出器（２０６）を使用して分析されてもよい。
【選択図】図２Ａ
【選択図】図２Ａ
【特許請求の範囲】
【請求項1】
統合型スペクトル検出デバイスであって、前記統合型スペクトル検出デバイスは、減衰全内部反射（ＡＴＲ）素子と、マイクロ流体チャネルと、前記ＡＴＲ素子とその中に形成された前記マイクロ流体チャネルとの間の境界に対応するチャネル界面と、を備える第１基板であって、前記ＡＴＲ素子は、入力光を受け取り、かつ、前記チャネル界面での前記入力光の全内部反射に基づいて出力光を生成するように構成され、前記出力光は、前記入力光の前記全内部反射に基づいて前記マイクロ流体チャネル内に包含されたサンプルによって生成されたエバネッセント波によって減衰される、第１基板と、
干渉ビームを生成するように構成された分光計であって、前記干渉ビームは、前記入力光に対応する、又は、前記出力光に基づいて生成される、分光計と、
前記干渉ビーム又は前記出力光のスペクトルを検出するように構成された検出器と、を備える、統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項2】
前記マイクロ流体チャネルが、前記ＡＴＲ素子との第１チャネル界面を有する第１マイクロ流体チャネルと、前記ＡＴＲ素子との第２チャネル界面を有する第２マイクロ流体チャネルと、を備え、前記入力光の前記全内部反射は前記第１チャネル界面と前記第２チャネル界面との間で発生する、請求項１に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項3】
前記第１基板がシリコン基板を備え、前記第１チャネル界面及び前記第２チャネル界面の各々がシリコン－空気界面を備える、請求項２に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項4】
前記ＡＴＲ素子が、前記第１チャネル界面及び前記第２チャネル界面を形成する傾斜側壁を備え、前記傾斜側壁が、三次元の螺旋形状を有する前記入力光の光路を生成し、かつ、前記入力光の前記光路内の前記ＡＴＲ素子の上方の前記第１基板の上面に配置された追加のマイクロ流体チャネルをさらに備える、請求項２に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項5】
前記ＡＴＲ素子が、前記第１チャネル界面及び前記第２チャネル界面によって形成された導波路パターンを備え、前記導波路パターンは、そのそれぞれの端部で光学的に結合された平行な導波路のアレイを備える、請求項２に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項6】
前記入力光は第１入力ビーム及び第２入力ビームを備え、前記出力光は、前記第１入力ビームの前記全内部反射から生成された第１出力ビームと、前記第２入力ビームの前記全内部反射から生成された第２出力ビームと、を備え、
前記ＡＴＲ素子は、前記第１入力ビームを受け取って前記第１チャネル界面に前記第１入力ビームを向け、かつ、前記第２入力ビームを受け取って前記第２チャネル界面に前記第２入力ビームを向けるように構成されたＶ字形の入力界面を備え、
前記ＡＴＲ素子は、第１反射器に前記第１出力ビームを向け、かつ、第２反射器に前記第２出力ビームを向けるように構成されたＶ字形の出力界面を備え、
前記第１反射器及び第２反射器は、前記第１出力ビームと前記第２出力ビームとを結合して前記出力光を生成するように構成される、請求項２に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項7】
前記ＡＴＲ素子が、その第１側に入出力界面と、前記第１側とは反対側のその第２側に後部界面と、を備え、前記ＡＴＲ素子は、前記入出力界面を介して前記入力光を受け取り、前記後部界面から前記入力光を全内部反射し、かつ、前記入出力界面を介して前記出力光を出力するように構成される、請求項２に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項8】
前記入出力界面が第１面角度を備え、かつ、前記後部界面が第２面角度を備え、前記第１面角度が、前記第１チャネル界面で前記入力光の前記全内部反射を生成するように構成され、前記入力光は前記入出力界面に垂直に入射し、
前記第２面角度は、前記後部界面及び前記第２チャネル界面で前記入力光の前記全内部反射を生成するように構成され、前記第２面角度は、前記入出力界面で前記出力光の屈折を生成するようにさらに構成される、請求項７に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項9】
前記第１基板に平行な第２基板であって、前記分光計を備える第２基板と、前記ＡＴＲ素子から前記出力光を受け取り、かつ、前記分光計に前記出力光を向けるように構成された第１光方向変換素子と、
前記検出器に前記干渉ビームを反射するように構成された第２光方向変換素子と、をさらに備える、請求項１に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項10】
前記ＡＴＲ素子が、前記ＡＴＲ素子の平面に対して面外方向に前記第１光方向変換素子に前記出力光を結合するように構成された傾斜面を備える、請求項９に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項11】
前記ＡＴＲ素子の第１平面で前記出力光を受け取り、かつ、前記第１平面に対して面外方向に前記第１光方向変換素子に向かって前記出力光を反射するように構成された第３光方向変換素子をさらに備え、前記第１光方向変換素子は、前記第２基板の第２平面に対して前記面外方向から面内方向に前記出力光を方向変換するように構成され、前記第１平面と前記第２平面とは平行である、請求項９に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項12】
前記分光計を備える第２基板と、表面を備える第３基板であって、前記第１基板、前記第２基板及び前記検出器が前記第３基板の前記表面上に配置される、第３基板と、
前記第３基板の前記表面上に配置された光方向変換素子であって、前記第１基板及び前記第２基板の平面に対して面外方向に前記入力光を受け取り、かつ、前記第１基板に前記入力光を向けるように構成された光方向変換素子と、をさらに備える、請求項１に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項13】
前記第１基板が前記分光計をさらに備え、前記分光計が、前記第１基板にエッチングされた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）干渉計を備える、請求項１に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項14】
前記ＭＥＭＳ干渉計が、前記入力ビームを受け取り、前記入力ビームから前記入力光に対応する前記干渉ビームを生成し、かつ、前記ＡＴＲ素子に前記干渉ビームを向けるように構成される、請求項１３に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項15】
前記チャネル界面の臨界角以上の入射角で前記チャネル界面に向かって前記入力光を反射して、前記チャネル界面で前記入力光の前記全内部反射を生成するように構成された、前記基板にエッチングされた第１ガイド構造をさらに備える、請求項１４に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項16】
前記ＡＴＲ素子が、前記基板内にエッチングされ、かつ、前記チャネル界面と前記第２光方向変換素子との間の前記入力光の複数の全内部反射を促進するように構成された第２ガイド構造をさらに備える、請求項１５に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項17】
前記第１基板がシリコン基板を備え、前記第１ガイド構造及び前記第２ガイド構造の各々がそれぞれのシリコン－空気界面を備える、請求項１６に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項18】
前記ＭＥＭＳ干渉計は、前記ＡＴＲ素子から前記出力光を受け取り、かつ、前記出力光に基づいて前記干渉ビームを生成するように構成される、請求項１３に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項19】
前記マイクロ流体チャネルが、２つの対向するマイクロ流体チャネルの複数のセットを備え、２つの対向する前記マイクロ流体チャネルの複数のセットの各々が、前記入力光のそれぞれの異なる回数の反射を生成するように構成される、請求項１に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項20】
前記ＡＴＲ素子が、２つの対向する前記マイクロ流体チャネルの複数のセットの各々の２つの対向する前記マイクロ流体チャネルの間でそれぞれ異なる幅を備える階段状導波路をさらに備える、請求項１９に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項21】
前記ＡＴＲ素子が、２つの対向する前記マイクロ流体チャネルの複数のセットの間にテーパ状導波路をさらに備える、請求項１９に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項22】
前記ＡＴＲ素子が、２つの対向する前記マイクロ流体チャネルの複数のセットのための複数の導波路を備え、前記複数の導波路の各々が、２つの対向する前記マイクロ流体チャネルの複数のセットのうちのそれぞれ１つの対向する２つの前記マイクロ流体チャネルの間にあり、前記複数の導波路の各々が、それぞれ異なる幅を有し、かつ、前記複数の導波路のうちの選択された導波路に前記入力光を反射するように構成された第１可動ミラーと、選択された前記導波路からの前記出力光を受け取るように構成された第２可動ミラーと、をさらに備える、請求項１９に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項23】
前記ＡＴＲ素子が、前記チャネル界面を形成する側壁を備え、かつ、前記マイクロ流体チャネル内の前記サンプルに作動場を印加するように構成された作動場発生器をさらに備え、前記作動場は、前記サンプル内の微粒子を前記ＡＴＲ素子の前記側壁に移動させて前記エバネッセント波と相互作用させるように構成される、請求項１に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項24】
前記作動場が電場を備え、前記作動場発生器が、前記電場を生成するように構成された、前記第１基板の上面上の電極を備える、請求項２３に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【請求項25】
前記作動場は、前記微粒子に誘電泳動力を加えるように構成された不均一な電場を備え、前記作動場発生器は、前記第１基板の上面に櫛型電極を備える、請求項２３に記載の統合型スペクトル検出デバイス。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
[0001] 本願は、２０２２年２月１５日に米国特許商標庁に出願された非仮出願第１７／６７１，９８３号及び２０２１年２月１６日に米国特許商標庁に出願された仮出願第６３／１５０，０１６号の優先権及び利益を主張し、それらの出願の全体の内容は、以下に完全に記載されているかのように、かつ、適用可能なすべての目的のために、参照によって本明細書に組み込まれる。
[0001] 本願は、２０２２年２月１５日に米国特許商標庁に出願された非仮出願第１７／６７１，９８３号及び２０２１年２月１６日に米国特許商標庁に出願された仮出願第６３／１５０，０１６号の優先権及び利益を主張し、それらの出願の全体の内容は、以下に完全に記載されているかのように、かつ、適用可能なすべての目的のために、参照によって本明細書に組み込まれる。
【0002】
[0002] 以下に説明する技術は、概して、減衰全内部反射（ＡＴＲ）に関し、特に、スペクトル検出デバイス内にＡＴＲ素子を統合する機構に関する。
【背景技術】
【0003】
[0003] 赤外分光法は、さまざまな材料内の分子の振動及び回転エネルギーレベルの特性評価を提供する。その材料が赤外光に曝されると、振動レベル間の遷移により特定の波長で光子の吸収が発生する。一般に、スペクトル測定を実行するために；赤外光が試験体を通過する透過モード、又は、赤外光が試験体から反射する反射モードの２つの機構がある。
【0004】
[0004] 減衰全内部反射（ＡＴＲ）分光法は、材料にサンプルを密接に接触させている間の高屈折率材料の内部の光の内部反射に依存する反射結合の一種である。ＡＴＲ分光法は、最小限のサンプル調製であらゆるタイプのサンプルのスペクトル分析を可能にする。ＡＴＲは、２つの媒体間の境界における光の全内部反射の現象に基づいて、流体及び固体のサンプルを分析する効果的な方法として使用されてきた。通常、ＡＴＲ結晶、ＡＴＲ内部反射素子（ＩＲＥ）又はＡＴＲ素子と呼ばれるセレン化亜鉛、ゲルマニウム又はシリコンなどの高屈折率材料は、サンプルがＡＴＲ結晶を覆ってＡＴＲ結晶に密接に接触している間にＩＲ光源で照明される。入力光の角度が、ＡＴＲ結晶とサンプルとの間の境界における臨界角より大きい場合、光が全内部反射され、エバネッセント波と呼ばれる特殊なタイプの電磁波がサンプル側に形成される。サンプルは、特定の波長での分子振動によるエバネッセント波の強度の一部を吸収する。したがって、反射光の強度は、入射光の強度に比べて減衰される。その後、結晶の出力光は、分光技術の一例として、マイケルソン干渉計に基づき得るフーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）システムに結合され得、及びその後、サンプルスペクトルを分析するために広帯域ＩＲ検出器に結合され得る。
【0005】
[0005] ＡＴＲ技術は、ＩＲＥのサイズに応じてマクロＡＴＲ技術とマイクロＡＴＲ技術とに分類される。マクロＡＴＲでは、必要な視野及び空間解像度に応じて、さまざまな大きなサイズの市販のＡＴＲ結晶が使用される。さらに、マクロＡＴＲ技術は、液体がミクロンサイズのチャネル内を流れるマイクロ流体チップ内の液体の分析ツールとして実装されてきた。マクロＡＴＲ技術の一例には、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）デバイスを使用して市販の研磨済みＡＴＲ ＩＲＥの上部に構築されたマイクロ流体デバイスが含まれる。
【0006】
[0006] ＩＲＥの高額なコスト及び機械研磨の必要性を回避するため、シリコンウエハ上に製造された微細加工素子が、マイクロＡＴＲと呼ばれるバルキーな結晶の代わりになり始めている。シリコンウエハの異方性ＫＯＨエッチングが、光の相互作用のための傾斜した光学面を提供するために使用される。その後、微細加工チャネルを有するガラスウエハがウエハの上部に接合されるか、又は、流体パターンがこの溝のない表面に作製される。これにより、生物学及び化学の分野でさまざまな応用を有するＡＴＲ分光法とマイクロ流体工学との組み合わせを可能にする。ただし、マイクロ流体チップ、マイクロＡＴＲ ＩＲＥ及び分光計の光結合システムといった３つの別個のシステムをともに位置合わせする必要があるので、サンプルの調製及び測定のステップはさらに複雑になる。
【発明の概要】
【0007】
[0007] 以下に、本開示の１以上の態様の基本的な理解を提供するため、そのような態様の概要を提示する。この概要は、本開示のすべての検討される特徴の広範な概要ではなく、本開示のすべての態様の肝要な又は重要な要素を特定すること、又は、本開示のいずれか又はすべての態様の範囲を規定することも意図していない。その唯一の目的は、後に提示されるより詳細な説明への前置きとしての形態で本開示の１以上の態様のいくつかの概念を提示することである。
【0008】
[0008] 一例では、統合型スペクトル検出デバイスが開示される。統合型スペクトル検出デバイスは、減衰全内部反射（ＡＴＲ）素子と、マイクロ流体チャネルと、ＡＴＲ素子とその中に形成されたマイクロ流体チャネルとの間の境界に対応するチャネル界面と、を含む第１基板を含む。ＡＴＲ素子は、入力光を受け取り、かつ、チャネル界面での入力光の全内部反射に基づいて出力光を生成するように構成される。出力光は、入力光の全内部反射に基づいて、マイクロ流体チャネル内に包含されるサンプルによって生成されたエバネッセント波によって減衰される。統合型スペクトル検出デバイスは、入力光に対応する干渉ビーム又は出力光に基づいた干渉ビームを生成するように構成された分光計と、干渉ビーム又は出力光のスペクトルを検出するように構成された検出器と、をさらに含む。
【0009】
[0009] 本発明のこれら及び他の態様は、以下の詳細な説明を検討することによってより完全に理解される。本発明の他の態様、特徴及び実施形態は、添付の図面と併せて本発明の特定の例示的な実施形態についての以下の説明を検討することにより、当業者には明らかとなる。本発明の特徴は、以下の特定の実施形態及び図面に対して説明され得るが、本発明のすべての実施形態は、本明細書で説明される有利な特徴のうちの１以上を含むことができる。言い換えると、１以上の実施形態が特定の有利な特徴を有するものとして説明され得る一方で、そのような特徴のうちの１以上が、本明細書で説明される本発明のさまざまな実施形態に従って使用されてもよい。同様に、例示的な実施形態は、デバイス、システム又は方法の実施形態として以下に説明され得るが、そのような例示的な実施形態は、さまざまなデバイス、システム及び方法で実装可能であることを理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】[0010] ある態様に係る分光計を示す図である。
【図2A】[0011] 統合型スペクトル検出デバイスの一例を示す図である。
【図2B】[0012] ある態様に係る統合型スペクトル検出デバイスの別の例の平面図である。
【図3】[0013] ある態様に係る複数基板統合型スペクトル検出デバイスの一例を示す図である。
【図4】[0014] ある態様に係る複数基板統合型スペクトル検出デバイスの別の例を示す図である。
【図5】[0015] ある態様に係る複数基板統合型スペクトル検出デバイスの別の例を示す図である。
【図6】[0016] ある態様に係る複数基板統合型スペクトル検出デバイスの別の例を示す図である。
【図7A】[0017] ある態様に係る統合型スペクトル検出デバイスの小型ＡＴＲ分光計の例を示す図である。
【図7B】[0017] ある態様に係る統合型スペクトル検出デバイスの小型ＡＴＲ分光計の例を示す図である。
【図8】[0018] ある態様に係る統合型スペクトル検出デバイスの小型ＡＴＲ分光計の別の例を示す図である。
【図9】[0019] ある態様に係る、小型ＡＴＲ分光計を含む統合型スペクトル検出デバイスの一例を示す図である。
【図10】[0020] ある態様に係るＡＴＲ素子設計の一例を示す図である。
【図11】[0021] ある態様に係るＡＴＲ素子設計の別の例を示す図である。
【図12A】[0022] ある態様に係るＡＴＲ素子設計の別の例を示す図である。
【図12B】[0022] ある態様に係るＡＴＲ素子設計の別の例を示す図である。
【図13】[0023] ある態様に係るＡＴＲ素子設計の別の例を示す図である。
【図14】[0024] ある態様に係るＡＴＲ素子設計の別の例を示す図である。
【図15】[0025] ある態様に係るＡＴＲ素子設計の別の例を示す図である。
【図16】[0026] ある態様に係るＡＴＲ素子設計の別の例を示す図である。
【図17】[0027] ある態様に係るフィールドフローフラクネーション（ＦＦＦ）に基づいたＡＴＲ素子設計の別の例を示す図である。
【図18】[0028] ある態様に係る誘電泳動（ＤＥＰ）に基づいたＡＴＲ素子設計の別の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
[0029] 添付の図面に関連して以下に記載される詳細な説明は、さまざまな構成の説明として意図しており、かつ、本明細書に記載の概念が実施され得る唯一の構成を表すことを意図したものではない。詳細な説明には、さまざまな概念の完全な理解をもたらすための具体的な詳細が含まれている。ただし、これらの具体的な詳細がなくてもそれらの概念が実施され得ることは当業者には明らかである。場合によっては、そうした概念がわかりにくくなるのを避けるために、よく知られている構造及びコンポーネントがブロック図の形式で示される。
【0012】
[0030] 本開示のさまざまな態様は、統合型で小型のＡＴＲスペクトル検出デバイスに関する。スペクトル検出デバイスは、基板、分光計及び検出器を含む。基板は、ＡＴＲ素子と、マイクロ流体チャネルと、ＡＴＲ素子とその中に形成されたマイクロ流体チャネルとの間の境界のチャネル界面と、を含む。ＡＴＲ素子は、入力光を受け取り、かつ、チャネル界面での入力光の全内部反射のためにチャネル界面に入力光を向けるように構成されている。その後、入力光の全内部反射に基づいて、マイクロ流体チャネル内に包含されたサンプルによってエバネッセント波が生成され得る。エバネッセント波はＡＴＲ素子からの光出力を減衰させ、結果として生じた出力光が分光計及び検出器を使用して分析されてもよい。
【0013】
[0031] 分光計コアは、ＦＴＩＲ分光技術、同調フィルタ、回折格子、又は、光スペクトルの異なる波長を選択的に測定するための他の適切な分光技術に基づくことができる。ある例では、ＡＴＲ ＩＲＥ（本明細書ではＡＴＲ結晶又はＡＴＲ素子ともいう）が、例えば、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）マイケルソン干渉計及び分光計コアとの間で光を結合するための反射微小光学素子（光方向変換素子）を含んでもよいＦＴＩＲベースの分光計と統合され得る。
【0014】
[0032] 統合型スペクトル検出デバイスでは、光は、分光計の別個の基板内又は同じ基板内で、分光計に対して面内にＡＴＲ素子の内部を伝播する。このような面内構成では、ＡＴＲ ＩＲＥ素子は、光が基板に平行に進むように、例えば深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）を使用して微細加工されてもよく、単一の小型モジュール内にすべてのＡＴＲ及び分光計素子を高レベルでモノリシックに統合することを可能にする。さらに、面内ＡＴＲにより、測定されたサンプルに応じて所望の形状及び寸法を有するＩＲＥを形成することを可能にする。例えば、入射角と反射の回数とが設計に適合されてもよい。
【0015】
[0033] ある例では、統合型スペクトル検出デバイスは、３つの基板を含み、１つは分光計（例えば、ＭＥＭＳ干渉計）用、もう１つは光方向変換素子用、そして３番目はＡＴＲ結晶（ＡＴＲ素子）用であり、３つの基板は単一のモジュールにともに結合されている。他の例では、ＡＴＲ素子及び分光計（例えば、ＭＥＭＳ干渉計）は、同じ基板（例えば、シリコン基板）内に形成され、かつ、光方向変換素子を含む別の基板に結合される。モノリシックに統合されたＡＴＲ素子／ＭＥＭＳ干渉計を含む基板は、液体が流れるマイクロ流体チャネルへ／マイクロ流体チャネルから光を誘導するために、シリコン内にガイド構造をさらに含み得る。
【0016】
[0034] 従来のＡＴＲ素子設計とは異なり、本開示のさまざまな態様において、サンプル流体は、同じ基板上のＡＴＲ ＩＲＥに隣接する入力ポートと出力ポートとの間を流れ、２つの別個のウエハを一緒に接合及び位置合わせする困難なステップを回避する。ＩＲ範囲のシリコン透過特性と、ＭＥＭＳチップへの自由空間結合と、を利用して、ＡＴＲ信号を測定し、かつ、中赤外（ＭＩＲ）範囲で材料を分析するために、本明細書で提示される両方の設計を簡単に使用することができる。さらに、マイクロ流体チャネルとマイクロ分光計とを単一モジュールに統合することで、ＡＴＲサンプリングモードでサンプルを分析するための安価でシンプルなデバイスが実現される。統合型スペクトル検出デバイスを使用して微小粒子及び汚染物質を分析するため、さまざまな粒子分離及びソーティング技術がマイクロ流体デバイスにさらに追加されてもよい。
【0017】
[0035] 図１は、ある態様に係る分光計１００を示す図である。分光計１００は、例えば、フーリエ変換赤外（ＦＴＩＲ）分光計であってもよい。図１に示す例では、分光計１００はマイケルソンＦＴＩＲ干渉計である。他の例では、分光計はＦＴＩＲファブリペロー干渉計を含んでもよい。
【0018】
[0036] ＦＴＩＲ分光計は単一ビームスペクトル（パワースペクトル密度（ＰＳＤ））を測定し、単一ビームスペクトルの強度は、検出器に到達する放射のパワーに比例する。サンプルの吸光度を測定するため、まず、バックグラウンドスペクトル（すなわち、サンプルが存在しない場合の単一ビームスペクトル）が最初に測定されて、機器の伝達関数を補償する。その後、サンプルを透過した光又はサンプルから反射した光の単一ビームスペクトルが測定されてもよい。サンプルの吸光度は、サンプルの透過率、反射率又は半反射率から計算されてもよい。例えば、サンプルの吸光度は、サンプルからの透過光、反射光又は半反射光のスペクトルとバックグラウンドスペクトルとの比として計算されてもよい。
【0019】
[0037] 干渉計１００は、固定ミラー１０４、可動ミラー１０６、ビームスプリッタ１１０及び検出器１１２（例えば、光検出器）を含む。分光計１００に関連付けられた光源１０２が、入力ビームを放射し、かつ、ビームスプリッタ１１０に入力ビームを向けるように構成される。光源１０２は、例えば、レーザ源、１以上の広帯域熱放射源、又は、対象の波長範囲をカバーする発光デバイスのアレイを有する量子源を含んでもよい。
【0020】
[0038] ビームスプリッタ１１０は、入力ビームを２つのビームに分割するように構成されている。一方のビームは固定ミラー１０４から反射されてビームスプリッタ１１０に向かって戻る一方で、他方のビームは可動ミラー１０６から反射されてビームスプリッタ１１０に向かって戻る。可動ミラー１０６は、ビームを反射するための所望の位置に可動ミラー１０６を変位させるアクチュエータ１０８に結合されてもよい。そして、ミラー１０６の変位の２倍に実質的に等しい光路長差（ＯＰＤ）が反射ビーム間に生成される。ある例では、アクチュエータ１０８は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータ、熱アクチュエータ又は他のタイプのアクチュエータを含んでもよい。
【0021】
[0039] 反射ビームは、ビームスプリッタ１１０で干渉して干渉ビーム（例えば、干渉パターン）を生成し、可動ミラー１０６によって提供される各々異なる光路差（ＯＰＤ）で光の時間的コヒーレンスを測定することを可能にする。ある例では、干渉ビームに対応する信号がサンプル（図示せず）に向けられてもよく、かつ、サンプルからの出力光（散乱光）は、可動ミラー１０６の多くの離散位置で検出器１１２によって検出及び測定されてインターフェログラムを作成してもよい。他の例では、入力ビームは、干渉計１００への入力前にサンプルに向けられてもよい。ある例では、検出器１１２は、検出器アレイ又は単一ピクセル検出器を含んでもよい。インターフェログラムデータ対ＯＰＤは、その後、プロセッサ（簡略化のため図示せず）に入力されてもよい。スペクトルは、その後、例えば、プロセッサによって実行されるフーリエ変換を使用して取得されてもよい。
【0022】
[0040] ある例では、干渉計１００は、ＭＥＭＳ干渉計１００ａ（例えば、ＭＥＭＳチップ）として実装されてもよい。ＭＥＭＳチップ１００ａは、例えば、１以上のプロセッサ、メモリデバイス、バス及び／又は他のコンポーネントを含んでもよいプリント回路基板（ＰＣＢ）１１６に取り付けられてもよい。本明細書で使用される場合、ＭＥＭＳという用語は、微細加工技術を通じて共通のシリコン基板上に機械素子、センサ、アクチュエータ及び電子機器を統合することを指す。例えば、マイクロ電子機器は通常、集積回路（ＩＣ）プロセスを使用して製造されるが、マイクロメカニカル部品は、シリコンウエハの一部を選択的にエッチング除去する又は新たな構造層を追加して機械部品及び電気機械部品を形成する、互換性を有するマイクロマシニングプロセスを使用して製造される。ＭＥＭＳ素子の一例は、反射又は屈折モードで動作する誘電体又は金属被覆された表面を有するマイクロ光学部品である。ＭＥＭＳ素子の他の例には、アクチュエータ、検出器溝及びファイバ溝が含まれる。
【0023】
[0041] 図１に示す例では、ＭＥＭＳ干渉計１００ａは、固定ミラー１０４、可動ミラー１０６、ビームスプリッタ１１０及び可動ミラー１０６を移動可能に制御するためのＭＥＭＳアクチュエータ１０８を含んでもよい。さらに、ＭＥＭＳ干渉計１００ａは、ビームスプリッタ１１０に入力ビームを向け、かつ、ビームスプリッタ１１０から検出器（例えば検出器１１２）に出力ビームを向けるためのファイバ１１４を含んでもよい。ある例では、ＭＥＭＳ干渉計１００ａは、シリコン・オン・インシュレータ（ＳＯＩ）基板に平行に伝播する自由空間光ビームを処理することができるマイクロ光学部品及び他のＭＥＭＳ素子を製造するため、ＳＯＩウエハ上で深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）プロセスを使用して製造されてもよい。例えば、電気機械設計がマスク上に印刷されてもよく、かつ、マスクが使用されて、フォトリソグラフィによってシリコン又はＳＯＩウエハ上に設計をパターニングしてもよい。パターンは、その後、バッチプロセスを使用して（例えば、ＤＲＩＥによって）エッチングされてもよく、結果として得られたチップ（例えば、ＭＥＭＳチップ１００ａ）は、ダイシングされてパッケージ化されてもよい（例えば、ＰＣＢ１１６に取り付けられてもよい）。
【0024】
[0042] 例えば、ビームスプリッタ１１０は、入力ビームからある角度（例えば、４５度）で配置されたシリコン／空気界面ビームスプリッタ（例えば、半平面ビームスプリッタ）であってもよい。入力ビームは、その後、２つのビームＬ１及びＬ２に分割されてもよく、Ｌ１は可動ミラー１０６に向かって空気中を伝播し、Ｌ２は固定ミラー１０４に向かってシリコン内を伝播する。ここで、Ｌ１は、半平面ビームスプリッタ１１０からの入力ビームの部分反射から生じ、及びしたがって、ビーム入射角に等しい反射角を有する。Ｌ２は、半平面ビームスプリッタ１１０を通る入力ビームの部分透過から生じ、かつ、スネルの法則によって決定された角度でシリコン内を伝播する。ある例では、固定ミラー１０４及び可動ミラー１０６は金属ミラーであり、ビームスプリッタ１１０を保護するために（例えば、金属被覆ステップ中にシャドウマスクを使用した）選択的金属被覆法が使用される。他の例では、ミラー１０４及び１０６は、例えばＤＲＩＥを使用して実現可能な垂直ブラッグミラーである。
【0025】
[0043] ある例では、ＭＥＭＳアクチュエータ１０８は、櫛歯駆動装置及びばねから形成された静電アクチュエータであってもよい。例えば、櫛歯駆動装置に電圧を印加することによって、アクチュエータ１０８の両端に電位差が生じ、そのことがアクチュエータ１０８内に静電容量を誘導し、駆動力及びばねからの復元力が生成され、それによって、ビームスプリッタ１１０に向かってビームを戻すように反射させるための所望の位置に可動ミラー１０６を変位させる。
【0026】
[0044] 本開示のさまざまな態様において、図１に示す分光計１００又は他の適切なスペクトル検出ユニットは、統合型エバネッセント波スペクトル検出デバイスに組み込まれてもよい。図２Ａは、ある態様に係る統合型スペクトル検出デバイス２００の一例を示す図である。統合型スペクトル検出デバイス２００は、シリコン基板又はＳＯＩ基板などの基板２０２、分光計２０４（例えば、図１に示すＭＥＭＳ干渉計）及び検出器２０６を含む。基板２０２は、ＡＴＲ素子２１４と、例えばＤＲＩＥプロセスを使用して基板２０２に形成されたマイクロ流体チャネル２０８と、を含む。ＡＴＲ素子２１４は、そこを通って光を通過させるための導波路に対応してもよく又は導波路を含んでもよい。マイクロ流体チャネル２０８は、入力マイクロ流体ポート２１２と出力マイクロ流体ポート２１２との間でマイクロ流体チャネル２０８を通って流れるサンプル２１０（例えば、流体）を含む。サンプル２１０は、マイクロ流体チャネル２０８とＡＴＲ素子２１４との間の境界２１６に隣接して流れる。境界２１６は、ＡＴＲ素子２１４とマイクロ流体チャネル２０８との間のチャネル界面に対応し、かつ、サンプル２１０が接触しているＡＴＲ素子２１４の表面によって形成されてもよい。例えば、境界又はチャネル界面２１６は、マイクロ流体チャネル２０８の内面としてさらに機能するＡＴＲ素子２１４の傾斜面又は垂直面に対応してもよい。基板２０２がシリコン基板又はＳＯＩ基板である例では、チャネル界面２１６は、サンプルが挿入されたシリコン－サンプル（Ｓｉ－サンプル）界面を形成するシリコン－空気（Ｓｉ－空気）界面に対応してもよい。
【0027】
[0045] 光源２１８（例えば、外部ＩＲ黒体光源）は、入力光２２０（例えば、ＩＲ光又はＮＩＲ光）を生成するように構成される。入力光２２０は、基板２０２内のＡＴＲ素子２１４に向けられる。ＡＴＲ素子２１４は、図２Ａに示すような単一反射ＡＴＲ素子であってもよく、又は、多重反射ＡＴＲ素子であってもよい。ＡＴＲ素子２１４は、チャネル界面２１６において入力光２２０の全内部反射を生成するように設計されている。例えば、ＡＴＲ素子２１４は、ＡＴＲ素子２１４とサンプル２１０との間の境界２１６における臨界角より大きい入力光２２０の角度を生成するよう構成されたサイズ（寸法、厚さなど）及び形状（例えば、Ｖ字形の入力界面２２６及び出力界面２２８）を有してもよい。入力光２２０の全内部反射に基づいてサンプル２１０内で生成される結果として得られたエバネッセント波は、入力光２２０を減衰させて、分光計２０４に入力され得る出力光２２２を生成する。ある例では、統合型スペクトル検出デバイスは、ＡＴＲ素子２１４に光を向ける及び／又はＡＴＲ素子２１４から分光計２０４に光を向けるための光集束素子（例えば、レンズ）及び／又は光方向変換素子（例えば、ミラー又は他の反射器）などの１以上の光学素子をさらに含んでもよい。分光計２０４は、出力光２２２の干渉ビーム（干渉パターン）２２４を生成し、かつ、スペクトル分析のために検出器２０６に干渉ビーム２２４を提供するように構成されている。
【0028】
[0046] ある例では、分光計２０４はＡＴＲ素子２１４の前の位置に配置されてもよい。この例では、分光計２０４は、光源２１８から入力光２２０を受け取り、入力光２２０から干渉ビーム２２４を生成し、かつ、ＡＴＲ素子２１４に干渉ビーム２２４を向けるように構成されてもよい。ＡＴＲ素子２１４からの出力光２２２は、その後、検出器２０６に向けられてもよい。
【0029】
[0047] 図２Ｂは、ある態様に係る統合型スペクトル検出デバイス２５０の別の例の平面図である。統合型スペクトル検出デバイス２５０は、基板２５２、分光計２５４（例えば、図１に示すようなＭＥＭＳ干渉計）、及び、検出器２５６を含む。基板２５２は、ＡＴＲ素子２６２と、基板２５２内に形成されたマイクロ流体チャネル２５８と、を含む。ＡＴＲ素子２６２は、導波路に対応してもよく又は導波路を含んでもよい。マイクロ流体チャネル２５８は、マイクロ流体チャネル２５８とＡＴＲ素子２６２との間の境界２６４（例えば、チャネル界面）に隣接するマイクロ流体チャネル２５８を通って流れるサンプル２６０（例えば、流体）を含む。
【0030】
[0048] 光源２５６（例えば、外部ＩＲ黒体光源）は、入力光２７０（例えば、ＩＲ光又はＮＩＲ光）を生成し、かつ、ＡＴＲ素子２６２内に入力光２７０を結合する光学部品（例えば、レンズ）２６８に入力光２７０を向けるように構成される。図２Ｂに示す例では、ＡＴＲ素子２６２は多重反射ＡＴＲ素子である。ＡＴＲ素子２６２は、チャネル界面２６４において入力光２７０の全内部反射を生成するように設計される。例えば、ＡＴＲ素子２６４は、ＡＴＲ素子２６２とサンプル２６０との間のチャネル界面２６４の臨界角θＣよりも大きい入力光２７０の角度θを生成するように設計されてもよい。入力光２７０の全内部反射は、境界２６２のサンプル側にエバネッセント波２７２を形成する。サンプル２６０は、特定の波長での分子振動によりエバネッセント波２７２の強度の一部を吸収する。したがって、反射光の強度（全内部反射光）は入射強度に比べて減衰される。入力光２７０の全内部反射及びサンプル２６０によって生成されたエバネッセント波に基づいて入力光２７０に対して減衰された出力光２７４は、光方向変換素子（例えばミラー）２７６を介して分光計２５４内に結合される。
【0031】
[0049] 図２Ｂに示す分光計２５４は、ビームスプリッタ２７８、可動ミラー２８０及び固定ミラー２８２を含むＭＥＭＳ干渉計である。ビームスプリッタ２７８は、出力光２７４を２つのビームに分割するように構成される。一方のビームは固定ミラー２８２から反射されてビームスプリッタ２７８に向かって戻る一方で、他方のビームは可動ミラー２８０から反射されてビームスプリッタ２７８に向かって戻る。可動ミラー２８０は、ビームを反射するための所望の位置に可動ミラー２８０を変位させるアクチュエータ（図示せず）に結合されてもよい。そして、ミラー２８０の変位の２倍に実質的に等しい光路長差（ＯＰＤ）が反射ビーム間に生成される。反射ビームはビームスプリッタ２７８で干渉して干渉ビーム（例えば、干渉パターン）２８４を生成し、可動ミラー２８０によって提供される各々異なる光路差（ＯＰＤ）で出力光２７４の時間的コヒーレンスを測定することを可能にする。干渉ビーム（干渉パターン）２８４は、可動ミラー２８０の多くの離散位置で検出器２５６によって検出及び測定されて、サンプル２６０のスペクトルを表すインターフェログラムを生成してもよい。
【0032】
[0050] 図３は、ある態様に係る複数基板統合型スペクトル検出デバイス３００の一例を示す図である。図３に示す例では、統合型スペクトル検出デバイス３００は３つの基板３０２、３０４及び３０６を含む。第１基板３０２は、第３基板３０６の第２平面に平行な第１平面内に配置される。統合型スペクトル検出デバイス３００はパッケージ基板３０８をさらに含んでもよい。第３基板３０６は、パッケージ基板３０８上に配置されてもよい（例えば、接合されてもよい）。さらに、第２基板３０４は、第３基板３０６上に配置されてもよく、かつ、第２基板３０４のそれぞれの端部でパッケージ基板３０８に接合されてもよい。検出器３１８が、パッケージ基板３０８上にさらに配置されてもよい。基板３０２、３０６及び３０８の各々は、例えば、シリコン基板又はＳＯＩ基板であってもよい。ある例では、第２基板３０４は、射出成形光学技術を使用して形成されたプラスチック基板又はガラス基板であってもよい。
【0033】
[0051] 第１基板３０２は、ＡＴＲ素子３１０と、２つの対向するマイクロ流体チャネル３１２ａ及び３１２ｂと、を含む。ＡＴＲ素子３１０並びにマイクロ流体チャネル３１２ａ及び３１２ｂは、例えばＤＲＩＥプロセスを介して第１基板３０２内に形成される。ＡＴＲ素子３１０は、導波路に対応してもよく又は導波路を含んでもよい。各マイクロ流体チャネル３１２ａ及び３１２ｂは、それぞれのマイクロ流体チャネル３１２ａ及び３１２ｂとＡＴＲ素子３１０との間のそれぞれの境界３１４ａ及び３１４ｂ（例えば、チャネル界面）に隣接するマイクロ流体チャネル３１２ａ及び３１２ｂを通って流れるサンプル（例えば、流体）を含む。各チャネル界面３１４ａ及び３１４ｂは、第１基板３０２の深掘りエッチングされた垂直表面に対応してもよい。例えば、各チャネル界面３１２ａ及び３１２ｂは、サンプルが挿入されたシリコン－サンプル（Ｓｉ－サンプル）界面を形成するシリコン－空気（Ｓｉ－空気）界面に対応してもよい。ＡＴＲ素子３１０、第１マイクロ流体チャネル３１２ａ及び第２マイクロ流体チャネル３１２ｂは、光の全内部反射がＡＴＲ素子３１０内で第１チャネル界面３１４ａと第２チャネル界面３１４ｂとの間で生じるように構成される。
【0034】
[0052] 第２基板３０４は、その中に形成された１以上の光方向変換素子３１６及び３２０を含む。例えば、光方向変換素子３１６及び３２０は、曲面反射器（例えば、マイクロ反射器又はマイクロミラー）であってもよい。ある例では、光方向変換素子３１６及び３２０は、その反射率を改善するためにアルミニウム金属コーティングを有する第２基板３０４の成形部品内に製造されてもよい。
【0035】
[0053] 第３基板３０６は、例えば、ＤＲＩＥプロセスによってその中に形成された分光計３２２を含む。分光計３２２は、ビームスプリッタ３２４、固定ミラー３２６及び可動ミラー３２８を含んでもよい。可動ミラー３２８は、ＭＥＭＳ静電アクチュエータなどのアクチュエータ３３０に結合されてもよい。
【0036】
[0054] 図３に示す例では、光源（図示せず）からの入力光３３２は、第１基板３０２上のＡＴＲ素子３１０内に入力される。例えば、ＡＴＲ素子３１０はＶ字形の入力界面を含んでもよく、Ｖ字形の入力界面は、チャネル界面３１４ｂで入力光３３２の全内部反射を生成するための臨界角よりも大きい、マイクロ流体チャネル３１２ｂのチャネル界面３１４ｂ上で入力光３３２の角度を生成するように構成されている。その後、入力光３３２はチャネル界面３１４ａ及び３１４ｂの間で全反射され、そこで入力光３３２は、マイクロ流体チャネル３１２ａ及び３１２ｂの各々に包含されるサンプル内に形成されたそれぞれのエバネッセント波によって減衰される。減衰された入力光は、ＡＴＲ素子３１０から出力光３３４として出力される。例えば、ＡＴＲ素子３１０は、マイクロ流体チャネル３１２ｂのチャネル界面３１４ｂから反射された出力光３３４の透過を促進するように構成されたＶ字形の出力界面を含んでもよい。
【0037】
[0055] 出力光３３４は、光学素子３１５（例えば、傾斜反射器又は曲面反射器）によって、第１基板３０２の平面に対する面内方向から、第１基板３０２の第１平面に対して面外の面外方向に向きを変えられてもよい。したがって、光学素子３１５は、第１基板３０２の平面に平行に伝播する出力光を受け取り、かつ、出力光３３４を９０度反射させて、第１基板３０２の平面に垂直に光方向変換素子３１６に向かう出力光３３４の伝播を容易にする。光学素子３１５は、第２基板３０２の一部として形成されてもよく、又は、外部部品であってもよい（後者が図示されている）。光方向変換素子３１６は、第１基板３０２の平面に対して面外に伝播する出力光３３４を受け取り、かつ、分光計３２２に向かって出力光をさらに９０度反射させて、第３基板３０６の平面に対して面内の出力光３３４の伝播を促進する。
【0038】
[0056] 出力光３３４は、分光計３２２のビームスプリッタ３２４に入力される。ビームスプリッタ３２４は、出力光３３４を２つのビームに分割するように構成される。一方のビームは固定ミラー３２６から反射されてビームスプリッタ３２４に向かって戻る一方で、他方のビームは可動ミラー３２８から反射されてビームスプリッタ３２４に向かって戻る。可動ミラー３２８は、アクチュエータ３３０によってビームを反射するための所望の位置に変位させられてもよい。その後、可動ミラー３２８の変位の２倍に実質的に等しい光路長差（ＯＰＤ）が反射ビーム間に生成される。反射ビームはビームスプリッタ３２４で干渉して干渉ビーム（例えば、干渉パターン）３３６を生成し、可動ミラー３２８によって提供される各々異なる光路差（ＯＰＤ）で出力光３３４の時間的コヒーレンスを測定することを可能にする。その後、干渉ビーム（干渉パターン）３３６は、分光計３２２によって出力され、かつ、光方向変換素子３２０によって検出器３１８に向けて方向変換されて、マイクロ流体チャネル３１２ａ及び３１２ｂ内のサンプルのスペクトルを取得してもよい。例えば、光方向変換素子３２０は、検出器３１８のアクティブな領域に干渉ビーム３３６を集束させるように構成された曲面反射器であってもよい。
【0039】
[0057] 図３に示す統合型スペクトル検出デバイス３００の設計は、レンズベースの設計ではなく、反射器ベースの設計であるので、統合型スペクトル検出デバイス３００の色収差を低減する。さらに、シリコンの透過特性により、統合型スペクトル検出デバイス３００が、シリコン結晶及び検出器材料によってのみ制限される超広帯域スペクトル範囲内で動作することを可能にする。さらに、統合型スペクトル検出デバイス３００は、安価で単純なデバイスを製造するために（例えば、パッケージ基板３０８を使用して）単一のパッケージに統合されて示されている。さらに、結晶長さ（例えば、ＡＴＲ素子３１０を包含する第１基板３０２の長さ）は、パッケージングを容易にするために、第２基板３０４の光学モールド設計寸法と同じオーダーで示されている。ただし、他の例では、内部反射の目標回数に応じて、より長い結晶設計又はより短い結晶設計が使用されてもよい。
【0040】
[0058] 図４は、ある態様に係る複数基板統合型スペクトル検出デバイス４００の別の例を示す図である。図４に示す例では、統合型スペクトル検出デバイス４００は３つの基板４０２、４０４及び４０６を含む。第１基板４０２は、第３基板４０６の第２平面に平行な第１平面内に配置される。統合型スペクトル検出デバイス４００は、パッケージ基板４０８をさらに含んでもよい。第３基板４０６は、パッケージ基板４０８上に配置されてもよい（例えば、接合されてもよい）。さらに、第２基板４０４は、第３基板４０６上に配置されてもよく、かつ、第２基板４０４のそれぞれの端部でパッケージ基板４０８に接合されてもよい。検出器４１８はパッケージ基板４０８上にさらに配置されてもよい。基板４０２、４０６及び４０８の各々は、例えば、シリコン基板又はＳＯＩ基板であってもよい。ある例では、第２基板４０４は、射出成形光学技術を使用して形成されたプラスチック基板又はガラス基板であってもよい。
【0041】
[0059] 第１基板４０２は、ＡＴＲ素子４１０と、２つの対向するマイクロ流体チャネル４１２ａ及び４１２ｂと、を含む。ＡＴＲ素子４１０並びにマイクロ流体チャネル４１２ａ及び４１２ｂは、例えば、ＤＲＩＥプロセスを介して第１基板４０２内に形成される。各マイクロ流体チャネル４１２ａ及び４１２ｂは、それぞれのマイクロ流体チャネル４１２ａ及び４１２ｂ並びにＡＴＲ素子４１０間のそれぞれの境界（例えば、図３に示すチャネル界面と同様のチャネル界面）に隣接するマイクロ流体チャネル４１２ａ及び４１２ｂを通って流れるサンプル（例えば、流体）を含む。
【0042】
[0060] 第２基板４０４は、その中に形成された１以上の光方向変換素子４１６及び４２０を含む。例えば、光方向変換素子４１６及び４２０は、曲面反射器（例えば、マイクロ反射器又はマイクロミラー）であってもよい。ある例では、光方向変換素子４１６及び４２０は、その反射率を改善するためにアルミニウム金属コーティングを有する第２基板４０４の成形部品内に製造されてもよい。第３基板４０６は、例えば、ＤＲＩＥプロセスを介してその中に形成された分光計４２８を含む。
【0043】
[0061] 図４に示す例では、光源（図示せず）からの入力光４２２は第１基板４０２上のＡＴＲ素子４１０内に入力される。例えば、ＡＴＲ素子４１０は、マイクロ流体チャネル４１２ａ及び４１２ｂの間でＡＴＲ素子４１０を通る入力光４２２の全内部反射を生成するために臨界角よりも大きい入力光４２２の角度を生成するように構成されたＶ字形の入力界面を含んでもよい。入力光４２２は、マイクロ流体チャネル４１２ａ及び４１２ｂの各々内に包含されるサンプル内で形成されたそれぞれのエバネッセント波によって減衰される。減衰された入力光は、その後、ＡＴＲ素子４１０から出力光４２４として出力される。
【0044】
[0062] 図４に示す例では、ＡＴＲ素子４１０は、光方向変換素子４１６に向けて出力光４２４を面外結合するための傾斜面４１４を含む。例えば、傾斜面４１４は、ＡＴＲ素子４１０の平面（例えば、第１基板４０２の平面）に対する面外方向において、光方向変換素子４１６に出力光４２４を結合してもよい。ある例では、傾斜面４１４は、例えばＫＯＨエッチングを使用して第１基板４０２内に異方性エッチングされてもよい。光方向変換素子４１６は、第１基板４０２の平面に対して面外に伝播する出力光４２４を受け取り、かつ、第３基板４０６の分光計４２８に向けて出力光４２４を方向変換して（例えば、出力光を９０度反射して）、第３基板４０６の平面に対して面内の出力光４２４の伝播を容易にする。
【0045】
[0063] 分光計４２８は、出力光４２４に基づいて干渉ビーム（干渉パターン）４２６を生成し、出力光４２４は、光方向変換素子４２０によって検出器４１８に向かって方向変換され、マイクロ流体チャネル４１２ａ及び４１２ｂ内のサンプルのスペクトルを取得する。例えば、光方向変換素子４２０は、検出器４１８のアクティブな領域に干渉ビーム４２６を集束させるように構成された曲面反射器であってもよい。
【0046】
[0064] 図５は、ある態様に係る複数基板統合型スペクトル検出デバイス５００の別の例を示す図である。図５に示す例では、統合型スペクトル検出デバイス５００は３つの基板５０２、５０４及び５０６を含む。第１基板５０２は、第３基板５０６の第２平面に平行な第１平面内に配置される。統合型スペクトル検出デバイス５００はパッケージ基板５０８をさらに含んでもよい。第３基板５０６は、パッケージ基板５０８上に配置されてもよい（例えば、パッケージ基板５０８に接合されてもよい）。さらに、第２基板５０４は、第３基板５０６上に配置され、かつ、第２基板５０４のそれぞれの端部でパッケージ基板５０８に接合されてもよい。検出器５１８はさらに、パッケージ基板５０８上に配置されてもよい。基板５０２、５０６及び５０８の各々は、例えば、シリコン基板又はＳＯＩ基板であってもよい。ある例では、第２基板５０４は、射出成形光学技術を使用して形成されたプラスチック基板又はガラス基板であってもよい。
【0047】
[0065] 第１基板５０２は、ＡＴＲ素子５１０と、２つの対向するマイクロ流体チャネル５１２ａ及び５１２ｂと、を含む。ＡＴＲ素子５１０並びにマイクロ流体チャネル５１２ａ及び５１２ｂは、例えば、ＤＲＩＥプロセスを介して第１基板５０２内に形成される。各マイクロ流体チャネル５１２ａ及び５１２ｂは、それぞれのマイクロ流体チャネル５１２ａ及び５１２ｂとＡＴＲ素子５１０との間のそれぞれの境界（例えば、図３に示すチャネル界面と同様のチャネル界面）に隣接するマイクロ流体チャネル５１２ａ及び５１２ｂを通って流れるサンプルを含む。
【0048】
[0066] 第２基板５０４は、その中に形成された１以上の光方向変換素子５１４、５１６及び５２０を含む。例えば、光方向変換素子５１４、５１６及び５２０は、曲面反射器（例えば、マイクロ反射器又はマイクロミラー）であってもよい。ある例では、光方向変換素子５１４、５１６及び５２０は、その反射率を改善するためにアルミニウム金属コーティングを有する第２基板５０４の成形部品内に製造されてもよい。第３基板５０６は、例えば、ＤＲＩＥプロセスを介してその中に形成された分光計５２８を含む。
【0049】
[0067] 図５に示す例では、光源（図示せず）からの入力光５２２は第１基板５０２上のＡＴＲ素子５１０内に入力される。例えば、ＡＴＲ素子５１０は、マイクロ流体チャネル５１２ａ及び５１２ｂの間でＡＴＲ素子５１０を通る入力光５２２の全内部反射を生成するために臨界角よりも大きい入力光５２２の角度を生成するように構成されたＶ字形の入力界面を含んでもよい。入力光５２２は、マイクロ流体チャネル５１２ａ及び５１２ｂの各々内に包含されるサンプル内で形成されるそれぞれのエバネッセント波によって減衰される。減衰された入力光は、その後、ＡＴＲ素子５１０から出力光５２４として出力される。
【0050】
[0068] 図５に示す例では、出力光５２４は、光方向変換素子５１６に面外結合するために光方向変換素子５１４に向けられる。例えば、光方向変換素子５１４は、ＡＴＲ素子５１０の第１平面（例えば、第１基板５０２）で出力光５２４を受け取り、かつ、第１平面に対して面外方向に光方向変換素子５１６に向かう出力光５２４を反射（方向変換）するように構成される。光方向変換素子５１６は、第１基板５０２の平面に対して面外に伝播する出力光５２４を受け取り、かつ、第３基板５０６の第２平面に対して面外方向から面内方向に分光計５２８に向かって出力光５２４を向ける（例えば、出力光を９０度反射する）。
【0051】
[0069] 分光計５２８は、出力光５２４に基づいて干渉ビーム（干渉パターン）５２６を生成し、出力光５２４は、光方向変換素子５２０によって検出器５１８に向かって方向変換されて、マイクロ流体チャネル５１２ａ及び５１２ｂ内のサンプルのスペクトルを取得する。例えば、光方向変換素子５２０は、検出器５１８のアクティブな領域に干渉ビーム５２６を集束させるように構成された曲面反射器であってもよい。
【0052】
[0070] 図６は、ある態様に係る複数基板統合型スペクトル検出デバイス６００の別の例を示す図である。図６に示す例では、統合型スペクトル検出デバイス６００は、やはり３つの基板（例えば、第１基板６０２、第２基板６０４及び第３基板６０６）を含む。ただし、第１基板６０２及び第３基板６０６は同一平面内に配置される。統合型スペクトル検出デバイス６００はパッケージ基板６０８をさらに含んでもよい。第１基板６０２及び第３基板６０６はパッケージ基板６０８上に配置されてもよい（例えば、パッケージ基板６０８に接合されてもよい）。さらに、第２基板６０４は、第１基板６０２及び第３基板６０６上に配置されてもよく、かつ、第２基板６０４のそれぞれの端部でパッケージ基板６０８に接合されてもよい。検出器６１８は、パッケージ基板６０８上にさらに配置されてもよい。基板６０２、６０６及び６０８の各々は、例えば、シリコン基板又はＳＯＩ基板であってもよい。ある例では、第２基板６０４は、射出成形光学技術を使用して形成されたプラスチック基板又はガラス基板であってもよい。
【0053】
[0071] 第１基板６０２は、ＡＴＲ素子６１０と、２つの対向するマイクロ流体チャネル６１２ａ及び６１２ｂと、を含む。ＡＴＲ素子６１０並びにマイクロ流体チャネル６１２ａ及び６１２ｂは、例えば、ＤＲＩＥプロセスを介して第１基板６０２内に形成される。各マイクロ流体チャネル６１２ａ及び６１２ｂは、それぞれのマイクロ流体チャネル６１２ａ及び６１２ｂとＡＴＲ素子６１０との間のそれぞれの境界（例えば、図３に示すチャネル界面と同様のチャネル界面）に隣接するマイクロ流体チャネル６１２ａ及び６１２ｂを通って流れるサンプル（例えば、流体）を含む。
【0054】
[0072] 第２基板６０４は、その中に形成された１以上の光方向変換素子６１６及び６２０を含む。例えば、光方向変換素子６１６及び６２０は、曲面反射器（例えば、マイクロ反射器又はマイクロミラー）であってもよい。ある例では、光方向変換素子６１６及び６２０は、その反射率を改善するためにアルミニウム金属コーティングを有する第２基板６０４の成形部品内に製造されてもよい。第３基板６０６は、例えば、ＤＲＩＥプロセスを介してその中に形成された分光計６２８を含む。
【0055】
[0073] 図６に示す例では、光源（図示せず）からの入力光６２２は、第１基板６０２及び第３基板６０６の平面に対して面外方向に光方向変換素子６１６に向かって統合型スペクトル検出デバイス６００に入力される。光方向変換素子６１６は、面外方向で入力光６２２を受け取り、かつ、第１基板６０２に入力光６２２を向ける（例えば、入力光６２２を第１基板６０２に向かって９０度方向変換／反射する）ように構成される。入力光６２２は、マイクロ流体チャネル６１２ａ及び６１２ｂの間のＡＴＲ素子６１０を通る入力光６２２の全内部反射を生成するために臨界角よりも大きい入射角でＡＴＲ素子６１０に入射してもよい。入力光６２２は、マイクロ流体チャネル６１２ａ及び６１２ｂの各々内に包含されるサンプル内に形成されるそれぞれのエバネッセント波によって減衰される。減衰された入力光は、その後、ＡＴＲ素子６１０から出力光６２４として第３基板６０６の分光計６２８に向けて出力される。
【0056】
[0074] 分光計６２８は、出力光６２４に基づいて干渉ビーム（干渉パターン）６２６を生成し、出力光６２４は、光方向変換素子６２０によって検出器６１８に向かって方向変換されてマイクロ流体チャネル６１２ａ及び６１２ｂ内のサンプルのスペクトルを取得する。例えば、光方向変換素子６２０は、検出器６１８のアクティブな領域に干渉ビーム６２６を集束させるように構成された曲面反射器であってもよい。
【0057】
[0075] 図７Ａ及び図７Ｂは、ある態様に係る統合型スペクトル検出デバイスの小型ＡＴＲ分光計７００の例を示す図である。図７Ａ及び図７Ｂに示す例では、小型ＡＴＲ分光計７００は、同じ基板７０２上に統合された分光計７０４、ＡＴＲ素子７０６及びマイクロ流体チャネル７０８を含む。基板７０２は、例えば、シリコン基板又はＳＯＩ基板であってもよい。ＡＴＲ素子７０６は、光を通過させるための導波路に対応する、又は、導波路を含んでもよい。マイクロ流体チャネル７０８は、入力マイクロ流体ポート７１０と出力マイクロ流体ポート７１０との間でマイクロ流体チャネル７０８を通って流れるサンプル７１２（例えば、流体）を含む。サンプル７１２は、マイクロ流体チャネル７０８とＡＴＲ素子７０６との間の境界７３０に隣接して流れる。境界７３０は、ＡＴＲ素子７０６とマイクロ流体チャネル７０８との間のチャネル界面に対応し、かつ、サンプル７１２が接触するＡＴＲ素子７０６の表面によって形成されてもよい。例えば、境界又はチャネル界面７３０は、マイクロ流体チャネル７０８の内面としてさらに機能する、（例えば、ＤＲＩＥプロセスを介して）基板７０２にエッチングされたＡＴＲ素子７０６の垂直面に対応してもよい。したがって、チャネル界面７３０は、Ｓｉ－空気／Ｓｉ－サンプル界面に対応する。
【0058】
[0076] 図７Ａ及び図７Ｂに示す分光計７０４は、深掘りエッチングされた微細加工されたＭＥＭＳ干渉計である。ＭＥＭＳ干渉計は、ビームスプリッタ７０６、固定ミラー７１８、移動ミラー７２０及び移動ミラー７２０に結合されたアクチュエータ７２２（例えば、静電ＭＥＭＳアクチュエータ）を含む。さらに、１以上のガイド構造７２６及び７３２が、ＡＴＲ素子７０６及びマイクロ流体チャネル７０８にＭＥＭＳ干渉計７０４を結合するために（例えば、ＤＲＩＥプロセスを介して）基板７０２にエッチングされてもよい。各ガイド構造７２６及び７３２はＳｉ－空気界面であってもよい。
【0059】
[0077] 図７Ａ及び図７Ｂに示す例では、入力光７１４は小型ＡＴＲ分光計７００に結合されてもよい。ある例では、統合型スペクトル検出デバイスは、図３～図６に示すように、基板７０２に結合された１以上の光方向変換素子（例えば、成形された自由空間反射器）を包含する第２基板（図示せず）を含んでもよい。入力光７１４は、成形された自由空間反射器からＭＥＭＳ干渉計７０４に向けられてもよく、光路差は、アクチュエータ７２２を使用して固定ミラー７１８及び移動ミラー７２０の２つの経路の間で変化して干渉ビーム７２４を生成する。その後、干渉ビーム７２４は、ガイド構造７２６を介してＡＴＲ素子７０６とマイクロ流体チャネル７０８との間のチャネル界面７３０に向けられてもよい。ガイド構造７２６は、チャネル界面７３０における干渉ビーム７２４の全内部反射を生成するために、Ｓｉ－サンプルチャネル界面７３０の臨界角より大きいチャネル界面７３０上での干渉ビーム７２４の入射角を生成するように設計される。
【0060】
[0078] 図７Ａに示す例では、干渉ビーム７２４は単一の全内部反射を受け、結果として生じたサンプル７１２内のエバネッセント波が干渉ビーム７２４を減衰させて、小型ＡＴＲ分光計７００の出力を介して検出器（図示せず）に向けられ得る出力光７２８を生成する。ある例では、サンプル７１２からの情報を運ぶ反射出力光７２８は、小型ＡＴＲ分光計７００の出力での屈折後に、（例えば、基板７０２に結合された第２基板に成形された）出力光方向変換素子によって収集されてもよい。出力光方向変換素子は、図３～図６に示すように、検出器に出力光７２８を方向変換してもよい。図７Ｂに示す例では、干渉ビーム７２４の複数回の全内部反射は、追加のガイド構造７３２を使用することによって達成される。ガイド構造７３２は、各反射における内部反射臨界角を超える干渉ビーム７２４の入射角度を生成するように設計されている。
【0061】
[0079] 図８は、ある態様に係る統合型スペクトル検出デバイスの小型ＡＴＲ分光計８００の別の例を示す図である。小型ＡＴＲ分光計８００は、分光計８０４、ＡＴＲ素子８０６及び同じ基板８０２に統合された２つの対向するマイクロ流体チャネル８０８ａ及び８０８ｂを含む。基板８０２は、例えば、シリコン基板又はＳＯＩ基板であってもよい。マイクロ流体チャネル８０８ａ及び８０８ｂは各々、そのそれぞれの入力マイクロ流体ポート８１０及び出力マイクロ流体ポート８１０の間でマイクロ流体チャネル８０８ａ及び８０８ｂを通って流れるサンプル８１２（例えば、流体）を含む。
【0062】
[0080] 通常、サンプル８１２は、マクロＡＴＲ又はマイクロＡＴＲのいずれかにおいてＡＴＲ結晶の片側から測定される。ただし、図３～図６に示す複数基板統合型スペクトル検出デバイス又は図８及び図９に示す小型ＡＴＲ分光計の面内設計は、臨界角より大きい入射角を維持しながら、２つのマイクロ流体チャネル８０８ａ及び８０８ｂの間に光を捕捉することによってＡＴＲ素子８０６の両側にサンプルを挿入することを可能にする。この設計により、達成され得る反射の回数が増加するので、ＡＴＲ感度が向上する。
【0063】
[0081] サンプル８１２は、対応のマイクロ流体チャネル８０８ａ及び８０８ｂとＡＴＲ素子８０６との間のそれぞれの境界８３０ａ及び８３０ｂに隣接して流れる。境界８３０ａ及び８３０ｂの各々は、ＡＴＲ素子８０６とそれぞれのマイクロ流体チャネル８０８ａ及び８０８ｂとの間のそれぞれのチャネル界面に対応し、かつ、サンプル８１２が接触するＡＴＲ素子８０６のそれぞれの表面によって形成されてもよい。例えば、チャネル界面８３０ａ及び８３０ｂは各々、Ｓｉ－空気／Ｓｉ－サンプル界面に対応してもよい。
【0064】
[0082] 分光計８０４は、深掘りエッチングされたマイクロマシン加工されたＭＥＭＳ干渉計である。ＭＥＭＳ干渉計は、ビームスプリッタ８０６、固定ミラー８１８、移動ミラー８２０及び移動ミラー８２０に結合されたアクチュエータ８２２（例えば、静電ＭＥＭＳアクチュエータ）を含む。さらに、ガイド構造８２６が基板８０２にエッチングされて、ＡＴＲ素子８０６及びマイクロ流体チャネル８０８ａ及び８０８ｂにＭＥＭＳ干渉計８０４を結合してもよい。ガイド構造８２６はＳｉ－空気界面であってもよい。
【0065】
[0083] 図８に示す例では、入力光８１４は小型ＡＴＲ分光計８００に結合されてもよい。ある例では、統合型スペクトル検出デバイスは、基板８０２に結合された、図３～図６に示すような１以上の光方向変換素子（例えば、成形された自由空間反射器）を包含する第２基板（図示せず）を含んでもよい。入力光８１４は、成形された自由空間反射器からＭＥＭＳ干渉計８０４に向けられてもよく、光路差は、アクチュエータ８２２を使用して固定ミラー８１８及び移動ミラー８２０の２つの経路の間で変化して干渉ビーム８２４を生成する。その後、干渉ビーム８２４は、ガイド構造８２６を介してＡＴＲ素子８０６並びにマイクロ流体チャネル８０８ａ及び８０８ｂに向けられてもよい。ガイド構造８２６は、チャネル界面８３０ａ及び８３０ｂの間のＡＴＲ素子８０６内で干渉ビーム８２４の複数回の全内部反射を生成ために、Ｓｉ－サンプルチャネル界面８３０ａの臨界角よりも大きいチャネル界面８３０ａ上での干渉ビーム８２４の入射角を生成するように設計されている。
【0066】
[0084] 干渉ビーム８２４の複数回の全内部反射は、干渉ビーム８２４を減衰させて、小型ＡＴＲ分光計８００の出力を介して検出器（図示せず）に向けられてもよい出力光８２８を生成するエバネッセント波をサンプル８１２内に生成する。ある例では、サンプル８１２からの情報を運ぶ結果として得られた出力光８２８は、小型ＡＴＲ分光計８００の出力での屈折後に、出力光方向変換素子（例えば、基板８０２に結合された第２基板に成形される）によって収集されてもよい。出力光方向変換素子は、図３～図６に示すように、検出器に出力光８２８を方向変換してもよい。
【0067】
[0085] 図９は、ある態様に係る、小型ＡＴＲ分光計９０５を含む統合型スペクトル検出デバイス９００の一例を示す図である。スペクトル検出デバイス９００は第１基板９０２及び第２基板９０４を含む。第１基板９０２は小型ＡＴＲ分光計９０５を含む。第２基板９０４は、その中に形成された１以上の光方向変換素子９０６及び９０８を含んでもよい。例えば、光方向変換素子９０６及び９０８は曲面反射器（例えば、マイクロ反射器又はマイクロミラー）であってもよい。ある例では、光方向変換素子９０６及び９０８は、その反射率を改善するためにアルミニウム金属コーティングを有する第２基板９０４の成形部品内に製造されてもよい。
【0068】
[0086] 統合型スペクトル検出デバイス９００はパッケージ基板９１２をさらに含んでもよい。第１基板９０２は、パッケージ基板９１２上に配置されてもよい（例えば、パッケージ基板９１２に接合されてもよい）。さらに、第２基板９０４は、第１基板９０２上に配置され、かつ、第２基板９０４のそれぞれの端部でパッケージ基板９１２に接合されてもよい。検出器９１０は、パッケージ基板９１２上にさらに配置されてもよい。基板９０２及び９１２の各々は、例えば、シリコン基板又はＳＯＩ基板であってもよい。ある例では、第２基板９０４は、射出成形光学技術を使用して形成されたプラスチック基板又はガラス基板であってもよい。
【0069】
[0087] 小型ＡＴＲ分光計９０５は、分光計９１６、ＡＴＲ素子９１８及び第１基板９０２上に統合された２つの対向するマイクロ流体チャネル９２０ａ及び９２０ｂを含む。マイクロ流体チャネル９２０ａ及び９２０ｂは各々、そのそれぞれの入力マイクロ流体ポート９２６及び出力マイクロ流体ポート９２６の間でマイクロ流体チャネル９２０ａ及び９２０ｂを通って流れるサンプル９２４（例えば、流体）を含む。サンプル９２４は、対応のマイクロ流体チャネル９２０ａ及び９２０ｂとＡＴＲ素子９１８との間のそれぞれの境界９２２ａ及び９２２ｂに隣接して流れる。境界９２２ａ及び９２２ｂの各々は、ＡＴＲ素子９１８とそれぞれのマイクロ流体チャネル９２０ａ及び９２０ｂとの間のそれぞれのチャネル界面に対応する。例えば、チャネル界面９２２ａ及び９２２ｂは各々、Ｓｉ－空気／Ｓｉ－サンプル界面に対応してもよい。
【0070】
[0088] 分光計９１６は、深掘りエッチングされたマイクロマシン加工されたＭＥＭＳ干渉計である。ＭＥＭＳ干渉計は、ビームスプリッタ９２８、固定ミラー９３０、移動ミラー９３２及び移動ミラー９３２に結合されたアクチュエータ９３４（例えば、静電ＭＥＭＳアクチュエータ）を含む。さらに、ガイド構造９３８が基板９０２にエッチングされて、ＡＴＲ素子９１８並びにマイクロ流体チャネル９２０ａ及び９２０ｂにＭＥＭＳ干渉計９１６を結合してもよい。ガイド構造９３８はＳｉ－空気界面であってもよい。
【0071】
[0089] 図９に示す例では、入力光９３６は、光方向変換素子９０６を介して小型ＡＴＲ分光計９０５に結合されてもよい。例えば、光方向変換素子９０６は、第１基板９０２の平面に対して面外方向で入力光９３６を受け取り、かつ、第１基板９０２に入力光９３６を向けてもよい（例えば、第１基板９０２に向かって９０度入力光９３６を方向変換させる／反射する）。入力光９３６は、小型ＡＴＲ分光計９０５への入力で屈折されて、臨界角（例えば、チャネル界面９２２ｂのＳｉ－サンプル界面の臨界角）よりも大きい入射角でマイクロ流体チャネル９２０ｂとＡＴＲ素子９１８との間のチャネル界面９２２ｂに衝突して、マイクロ流体チャネル９２０ａ及び９２０ｂの間のＡＴＲ素子９１８を通る入力光９３６の複数回の全反射を生成してもよい。入力光９３６は、マイクロ流体チャネル９２０ａ及び９２０ｂの各々内に包含されるサンプル９２４内に形成されたそれぞれのエバネッセント波によって減衰される。減衰された入力光はその後、出力光９４０としてＡＴＲ素子９１８から出力され、ガイド構造９３８を介してＭＥＭＳ干渉計９１６の入力に向かって屈折される。
【0072】
[0090] ＭＥＭＳ干渉計９１６内では、アクチュエータ９３４を使用して固定ミラー９３０及び移動ミラー９３２の２つの光路の間で光路差が変化し、出力光９４０に基づいて干渉ビーム（干渉パターン）９４２を生成する。ＭＥＭＳ干渉計９１６によって出力される干渉ビーム９４２は、光方向変換素子９０８によって検出器９１０に向けて方向変換され、マイクロ流体チャネル９２０ａ及び９２０ｂ内のサンプル９２４のスペクトルを取得する。例えば、光方向変換素子９０８は、検出器９１０のアクティブな領域に干渉ビーム９４２を集束させるように構成された曲面反射器であってもよい。
【0073】
[0091] ＡＴＲ分光法では、１回の反射に対するサンプルの内部の光侵入深さは数式（数式１）で与えられ、ｄｐ、λ、θ、ｎ１及びｎ２は、侵入深さ、放射波長、入射角、ＡＴＲ結晶の屈折率及びサンプルの屈折率である。したがって、結晶の内部の光の入射角及び反射の回数は、用途と測定された吸収ピークとに基づいて選択されてもよい。
【0074】
[0092] 用途によっては、光を完全に遮断する可能性がある水の強い赤外線吸収を減らすために、ＡＴＲ侵入深さを小さくすることが好ましい。ただし、他の用途では、赤外光とサンプルとの間の有効相互作用長が増大すると、分光計のノイズレベルを超える弱い赤外（ＩＲ）信号の吸収が増大する可能性がある。このような用途の例には、限定されないものの、ＩＲ分光法を使用してサンプルを測定する前にサンプルが一般的に乾燥させられる油分析及び生体サンプル検出が含まれる。ＡＴＲ結晶の長さを大きくする又はＡＴＲの厚さを小さくすることによって反射の回数を増やすと、ＩＲ吸収を向上させる場合があるが、限られた設計領域及び製造の難しさにより長さには制限があり得、また、デバイスの光スループットに影響を与える入出力界面におけるビームの切断により厚さには制限があり得る。
【0075】
[0093] 図２～図９に示す面内ＡＴＲ素子の設計は、測定されたサンプルに応じて所望の形状及び寸法を有するＡＴＲ ＩＲＥを形成することを可能にする。したがって、入射角と反射の回数とが設計に適合されてもよい。さらに、ＡＴＲ結晶は、結晶の寸法を変えずに反射の回数を増加させることによって有効光路長を向上させるように設計されてもよい。これらの設計は、成形された光方向変換素子に異なる光学設計を使用するＡＴＲ基板又は小型ＡＴＲ分光計の異なる実装を可能にする可能性がある。
【0076】
[0094] 図１０は、ある態様に係るＡＴＲ素子設計の一例を示す図である。図１０に示すＡＴＲ素子設計は、同じ領域内でより長い光路長を得ることを可能にする複数経路ＡＴＲ素子設計である。有効光路長を増大させると、パワー及び信号対雑音比を損なうことなく、サンプルの吸光度をさらに高め得る。ただし、電力損失を引き起こし、かつ、分光計の検出限界に影響を与える（光の）曲げ損失が存在する可能性がある。したがって、図１０に示すＡＴＲ素子設計は、より多くの反射の回数により吸収を高めながら、曲げ損失を最小限に抑えるように最適化されてもよい。
【0077】
[0095] ＡＴＲ素子設計は、ＡＴＲ素子１００４と、（例えば、ＤＲＩＥプロセスを介して）その中に形成されたマイクロ流体チャネル１００６ａ及び１００６ｂと、を有する基板１００２を含む。基板は、例えば、シリコン基板又はＳＯＩ基板であってもよい。ある例では、分光計は、図７～図９に示すように、ＡＴＲ素子１００４と同じ基板１００２上に形成されてもよく、又は、図３～図６に示すように、異なる別個の基板上に形成されてもよい。
【0078】
[0096] マイクロ流体チャネル１００６ａ及び１００６ｂは各々、そのそれぞれの入力マイクロ流体ポート１０１０及び出力マイクロ流体ポート１０１０の間でマイクロ流体チャネル１００６ａ及び１００６ｂを通って流れるサンプル（例えば、流体）を含む。サンプルは、対応のマイクロ流体チャネル１００６ａ及び１００６ｂとＡＴＲ素子１００４との間のそれぞれのチャネル界面１００８ａ及び１００８ｂに隣接して流れる。例えば、チャネル界面１００８ａ及び１００８ｂは各々、Ｓｉ－空気／Ｓｉ－サンプル界面に対応してもよい。
【0079】
[0097] 図１０に示す例では、ＡＴＲ素子１００４は、チャネル界面１００８ａ及び１００８ｂによって形成された導波路パターンを有している。導波路パターンは、そのそれぞれの端部１０１４で光学的に結合された平行な導波路１０１２のアレイを含む。したがって、Ｓｉサンプルのチャネル界面１００８ｂの臨界角より大きい角度でチャネル界面１００８ｂに入射する入力光１０１６は、平行な導波路１０１２の導波路パターンを通じた全内部反射を介して反射されて出力光１０１８を生成する。出力光１０１８は、全内部反射入力光１０１６に基づいてサンプル内に形成されたエバネッセント波によって減衰される。
【0080】
[0098] 図１１は、ある態様に係るＡＴＲ素子設計の別の例を示す図である。ＡＴＲ素子設計は、ＡＴＲ素子１１０４と、（例えば、ＤＲＩＥプロセスを介して）その中に形成されたマイクロ流体チャネル１１０６ａ及び１１０６ｂと、を有する基板１１０２を含む。基板は、例えば、シリコン基板又はＳＯＩ基板であってもよい。ある例では、分光計は、図７～図９に示すように、ＡＴＲ素子１１０４と同じ基板１１０２上に形成されてもよく、又は、図３～図６に示すように、異なる別個の基板上に形成されてもよい。
【0081】
[0099] マイクロ流体チャネル１１０６ａ及び１１０６ｂは各々、そのそれぞれの入力マイクロ流体ポート１１１０及び出力マイクロ流体ポート１１１０の間でマイクロ流体チャネル１１０６ａ及び１１０６ｂを通って流れるサンプル（例えば、流体）を含む。サンプルは、対応のマイクロ流体チャネル１１０６ａ及び１１０６ｂとＡＴＲ素子１１０４との間のそれぞれのチャネル界面１１０８ａ及び１１０８ｂに隣接して流れる。例えば、チャネル界面１１０８ａ及び１１０８ｂは各々、Ｓｉ－空気／Ｓｉ－サンプル界面に対応してもよい。
【0082】
[0100] 図１１に示すＡＴＲ素子設計は、それぞれＶ字形の入力界面１１２０及び出力界面１１２２を使用して、ＡＴＲ素子１１０４に２つのＩＲビーム１１１２ａ及び１１１２ｂを入力することに基づいている。２つの入力ビーム１１１２ａ及び１１１２ｂは、Ｖ字形の入力界面１１２０に入力ビーム１１１２ａ及び１１１２ｂを反射するビームスプリッタ及び結合光学系（例えば、オンチップ又は外部光反射器）を用いて、２つのＩＲ源又は単一の光源から生じてもよい。例えば、Ｖ字形の入力界面１１２０は、第１入力ビーム１１１２ａを受け取り、かつ、臨界角よりも大きい角度で第１チャネル界面１１０８ａに第１入力ビーム１１１２ａを向けて、チャネル界面１１０８ａ及び１１０８ｂの間でＡＴＲ素子１１０４を通じて第１入力ビーム１１１２ａの全内部反射を生成するように構成される。Ｖ字形の界面１１２０は、第２入力ビーム１１１２ｂを受け取り、かつ、臨界角より大きい角度で第２チャネル界面１１０８ｂに第２入力ビーム１１１２ｂを向けて、チャネル界面１１０８ａ及び１１０８ｂの間でＡＴＲ素子を通じて第１入力ビーム１１１２ａの全内部反射を生成するようにさらに構成される。
【0083】
[0101] 各入力光ビーム１１１２ａ及び１１１２ｂは、マイクロ流体チャネル１１０６ａ及び１１０６ｂの各々内に包含されるサンプル内に形成されたそれぞれのエバネッセント波によって減衰される。減衰された入力光ビームは、その後、Ｖ字形の出力界面１１２２を介して出力光ビーム１１１４ａ及び１１１４ｂとしてＡＴＲ素子１１０４から出力される。例えば、第１入力ビーム１１１２ａの全内部反射から生成された第１出力ビーム１１１４ａは、Ｖ字形の出力界面１１２２を介して第２チャネル界面１１０８ｂから出力されてもよい。さらに、第２入力ビーム１１１２ｂの全内部反射から生成された第２出力ビーム１１１４ｂは、Ｖ字形の出力界面１１２２を介して第１チャネル界面１１０８ａから出力されてもよい。出力ビーム１１１４ａ及び１１１４ｂは、反射器１１１６ａ及び１１１６ｂによって分光計上に集束されてもよい。例えば、Ｖ字形の出力界面１１２２は、第１反射器１１１６ａに第１出力光ビーム１１１４ａを向け、第２反射器１１１６ｂに第２出力光ビーム１１１４ｂを向けて、第１出力光ビーム１１１４ａ及び第２出力光ビーム１１１４ｂを結合し、かつ、分光計入力に集束された出力光１１１８を生成するように構成されてもよい。
【0084】
[0102] 図１１に示すＡＴＲ素子設計では、ＡＴＲ素子１１０４の内部で内部反射の回数が２倍になる。ある例では、ＩＲビームスポットサイズは、入力界面１１２０より小さくてもよく、すなわち、入力での切り捨て（truncation）がない。
【0085】
[0103] 図１２Ａ及び図１２Ｂは、ある態様に係るＡＴＲ素子設計の別の例を示す図である。図１２Ａに示すＡＴＲ素子設計は、ＡＴＲ素子１２０４と、（例えば、ＤＲＩＥプロセスを介して）その中に形成されたマイクロ流体チャネル１２０６ａ及び１２０６ｂと、を有する基板１２０２を含む。基板は、例えば、シリコン基板又はＳＯＩ基板であってもよい。ある例では、分光計は、図７～図９に示すように、ＡＴＲ素子１２０４と同じ基板１２０２上に形成されてもよく、又は、図３～図６に示すように、異なる別個の基板上に形成されてもよい。
【0086】
[0104] マイクロ流体チャネル１２０６ａ及び１２０６ｂは各々、そのそれぞれの入力マイクロ流体ポート１２１０及び出力マイクロ流体ポート１２１０の間でマイクロ流体チャネル１２０６ａ及び１２０６ｂを通って流れるサンプル（例えば、流体）を含む。サンプルは、対応のマイクロ流体チャネル１２０６ａ及び１２０６ｂとＡＴＲ素子１２０４との間のそれぞれのチャネル界面１２０８ａ及び１２０８ｂに隣接して流れる。例えば、チャネル界面１２０８ａ及び１２０８ｂは各々、Ｓｉ－空気／Ｓｉ－サンプル界面に対応してもよい。
【0087】
[0105] 図１２Ａに示すＡＴＲ素子設計は、ＡＴＲ素子１２０４の内部で前後に２つの光路を有することに基づいており、入力及び出力はＡＴＲ素子１２０４の片側にある。例えば、ＡＴＲ素子１２０４は、その第１側に入出力界面１２１６を含み、第１側の反対側のその第２側に後部界面１２１８を含んでもよい。ＡＴＲ素子１２０４は、入出力界面１２１６を介して入力光１２１２を受信するように構成される。入力光１２１２は、臨界角より大きい角度でチャネル界面（例えば、チャネル界面１２０８ｂ）に衝突し、チャネル界面１２０８ａ及び１２０８ｂの間でＡＴＲ素子１２０４を通って後部界面１２１８に向かう入力光１２１２の全内部反射を生成してもよい。後部界面１２１８は、チャネル界面１２０８ａ及び１２０８ｂの間でＡＴＲ素子１２０４を通って全内部反射を介して入力光を反射して、入出力界面１２１６を介して出力され得る出力光１２１４を生成するようにさらに構成されてもよい。出力光１２１４は、全内部反射入力光１２１４に基づいてサンプル内に形成されたエバネッセント波によって減衰される。
【0088】
[0106] 図１２Ａに示すＡＴＲ素子設計は、同じＡＴＲ素子長内での反射の回数を増加させる。図１２Ｂにさらに示すように、ＡＴＲ素子１２０４内の（前後）２つの光路は、一方がＡＴＲ素子のいずれかの側にある２つの異なる面角度（θ、φ）を使用して達成されてもよい。例えば、入出力界面１２１６は第１面角度θを有してもよく、後部界面１２１８は第２面角度φを有してもよい。第１面角度θは、入力光が入出力界面１２１６に対して垂直に入射するときにＡＴＲ素子１２０４のチャネル界面（例えば、チャネル界面１２０８ｂ）で入力光１２１２の全内部反射を生成するように構成されてもよい。第２面角度は、ＡＴＲ素子の後部界面１２１８及び他のチャネル界面（例えば、チャネル界面１２０８ａ）において入力光１２１２の全内部反射を生成するように構成されてもよい。さらに、第２面角度は、入出力界面１２１６において出力光１２１４の屈折を生成するように構成されてもよい。
【0089】
[0107] したがって、第１面角度（入出力面角度（θ））は、以下のように、チャネル界面１２０８ｂ（例えば、ＡＴＲ素子１２０４とサンプルとの間の界面）の臨界角よりも大きく：
ｎ１及びｎ２は、それぞれＡＴＲ素子の屈折率及びサンプルの屈折率である。さらに、第２面角度（後部面角度（φ））は、以下のように、後部界面１２１８上での光の全内部反射を保証するように構成され：
ｎａｉｒは空気の屈折率である。
【0090】
[0108] さらに、後部面角度（φ）は、以下のように、光がＡＴＲ素子１２０４を通って反射して戻る間に、チャネル界面１２０８ａ及び１２０８ｂでの光の全内部反射を保証するようにさらに構成される：
さらに、後部面角度（φ）は、以下のように、入出力界面１２１６上での光の屈折を保証するようにさらに構成される：
したがって、出力光１２１４は、以下のように、後部面角度に依存する角度で入力光１２１２の方向から偏向され得る：
【0091】
[0109] 図１３は、ある態様に係るＡＴＲ素子設計の別の例を示す図である。図１３に示すＡＴＲ素子設計は、ＡＴＲ素子の４つの面における光と測定サンプルとの間の全内部反射及び相互作用に基づいている。このＡＴＲ素子設計では、ＡＴＲ素子は、入力界面及び出力界面に加えて、両側壁に面角度を有する形状を使用して製造される。
【0092】
[0110] ＡＴＲ素子設計は、ＡＴＲ素子１３０４と、（例えば、ＤＲＩＥプロセスを介して）その中に形成されたマイクロ流体チャネル１３０６ａ及び１３０６ｂと、を有する基板１３０２を含む。基板は、例えば、シリコン基板又はＳＯＩ基板であってもよい。ある例では、分光計は、図７～図９に示すように、ＡＴＲ素子１３０４と同じ基板１３０２上に形成されてもよく、又は、図３～図６に示すように、異なる別個の基板上に形成されてもよい。
【0093】
[0111] マイクロ流体チャネル１３０６ａ及び１３０６ｂは各々、そのそれぞれの入力マイクロ流体ポート１３１０及び出力マイクロ流体ポート１３１０の間でマイクロ流体チャネル１３０６ａ及び１３０６ｂを通って流れるサンプル（例えば、流体）を含む。サンプルは、対応のマイクロ流体チャネル１３０６ａ及び１３０６ｂとＡＴＲ素子１３０４との間のそれぞれのチャネル界面１３０８ａ及び１３０８ｂに隣接して流れる。例えば、チャネル界面１３０８ａ及び１３０８ｂは各々、Ｓｉ－空気／Ｓｉ－サンプル界面に対応してもよい。図１３に示す例では、チャネル界面１３０８ａ及び１３０８ｂは、基板１３０２の傾斜した側壁である。例えば、傾斜した側壁を作成するため、ＭＥＭＳ分光計の製造手順で使用されるＤＲＩＥプロセスに、異方性ＫＯＨエッチングなどの追加のエッチング工程が追加されてもよい。
【0094】
[0112] チャネル界面１３０８ａ及び１３０８ｂを形成する傾斜側壁は、従来の単一の２Ｄ平面における多重反射の代わりに、ＡＴＲ素子１３０４内に三次元の螺旋形状を有する光路１３１５を生成する。例えば、傾斜側壁のうちの１つ（例えば、チャネル界面１３０８ｂ）の臨界角より大きい入射角で入力光１３１２を受け取るように、かつ、傾斜側壁（例えば、チャネル界面１３０８ａ及び１３０８ｂ）とＡＴＲ素子１３０４の上面及び下面の両方とで入力光１３１２が反射されてサンプル内に形成されたエバネッセント波によって減衰された出力光１３１４を生成するようにＡＴＲ素子１３０４を通る全内部反射を介して入力光１３１２を螺旋状に反射するように、ＡＴＲ素子１３０４が構成されてもよい。
【0095】
[0113] ある例では、追加の反射を利用するため、サンプルを含む追加のマイクロ流体チャネル１３１８が基板１３０２の上方（例えば、基板１３０２の上面１３１６）に挿入されてもよい。例えば、マイクロ流体ＰＤＭＳデバイス１３２０は、基板１３０２の上面１３１６上に結合されてもよい。このＡＴＲ素子設計では、入力光１３１２は、基板１３０２に平行に伝播するだけでなく、ＰＤＭＳデバイス１３２０との上部シリコン界面から反射して戻る。
【0096】
[0114] 図１４は、ある態様に係るＡＴＲ素子設計の別の例を示す図である。図１４に示すＡＴＲ素子設計は、さまざまなターゲット用途をサポートするため、可変の内部反射の回数を提供する。ＡＴＲ素子設計は、ＡＴＲ素子１４０４と、（例えば、ＤＲＩＥプロセスを介して）その中に形成された対向するマイクロ流体チャネルの複数のセット（例えば、対向するマイクロ流体チャネル１４０６ａ及び１４０６ｂの第１セット、対向するマイクロ流体チャネル１４０６ｃ及び１４０６ｄの第２セット、及び、対向するマイクロ流体チャネル１４０６ｅ及び１４０６ｆの第３セット）と、を有する基板１４０２を含む。基板は、例えば、シリコン基板又はＳＯＩ基板であってもよい。ある例では、分光計は、図７～図９に示すように、ＡＴＲ素子１４０４と同じ基板１４０２上に形成されてもよく、又は、図３～図６に示すように、異なる別個の基板上に形成されてもよい。
【0097】
[0115] マイクロ流体チャネル１４０６ａ／１４０６ｂ、１４０６ｃ／１４０６ｄ及び／又は１４０６ｅ／１４０６ｆのセットのうちの１以上が、そのそれぞれの入力マイクロ流体ポート１４１０及び出力マイクロ流体ポート１４１０の間のマイクロ流体チャネルを通って流れるサンプル（例えば、流体）を含んでもよい。サンプルは、対応のマイクロ流体チャネル１４０６ａ／１４０６ｂ、１４０６ｃ／１４０６ｄ及び／又は１４０６ｅ／１４０６ｆとＡＴＲ素子１４０４との間のそれぞれのチャネル界面１４０８ａ／１４０８ｂ、１４０８ｃ／１４０８ｄ及び／又は１４０８ｅ／１４０８ｆに隣接して流れる。例えば、チャネル界面１４０８ａ～１４０８ｆは各々、Ｓｉ－空気／Ｓｉ－サンプル界面に対応してもよい。
【0098】
[0116] 最適なＡＴＲ有効侵入深さは、ターゲット用途及び測定サンプルのＩＲ吸収レベルに直接依存するので、ＡＴＲ素子１４０４は、対向するマイクロ流体チャネル１４０６ａ／１４０６ｂ、１４０６ｃ／１４０６ｄ及び１４０６ｅ／１４０６ｆのセットの各々の対向するマイクロ流体チャネルの間のそれぞれ異なる幅１４１６ａ、１４１６ｂ及び１４１６ｂを有する階段状導波路として構成されてもよい。反射の回数は、以下のように、幅１４１６ａ、１４１６ｂ及び１４１６ｃの関数であり：
Ｎは内部反射の回数、θは入射角、Ｌ及びＷはＡＴＲ素子の長さ及び幅である。幅広のＡＴＲ素子は、強吸収の材料に使用されてもよく、幅狭のＡＴＲ素子は、弱吸収の材料に使用されてもよい。
【0099】
[0117] したがって、図１４に示すＡＴＲ素子の階段状導波路設計は、異なるタイプのサンプルを測定するために使用されてもよい。例えば、強吸収のサンプルは、その間により大きなＡＴＲ幅１４１６ａを有するマイクロ流体チャネル１４０６ａ及び１４０６ｂ内に挿入されてもよい。Ｓｉ－サンプルチャネル界面１４０８ｂの臨界角より大きい角度でチャネル界面１４０８ｂに入射する入力光１４１２は、チャネル界面１４０８ａ及び１４０８ｂの間、並びに、Ｓｉ－空気チャネル界面１４０８ｃ／１４０８ｄ及び１４０８ｅ／１４０８ｆの間でＡＴＲ素子１４０４を通る全内部反射を介して反射されて、出力光１４１４を生成する。出力光１４１４は、全内部反射入力光１４１２に基づいて、マイクロ流体チャネル１４０６ａ及び１４０６ｂ内のサンプルに形成されたエバネッセント波によって減衰される。より弱吸収の特性を有するサンプルは、マイクロ流体チャネル１４０６ｃ／１４０６ｄの第２セット又はマイクロ流体チャネル１４０６ｅ／１４０６ｆの第３セットを使用して同様に測定されてもよい。
【0100】
[0118] 図１５は、ある態様に係るＡＴＲ素子設計の別の例を示す図である。図１５に示すＡＴＲ素子設計は、さまざまなターゲット用途をサポートするため、可変の回数の内部反射も提供する。ＡＴＲ素子設計は、ＡＴＲ素子１５０４と、（例えば、ＤＲＩＥプロセスを介して）その中に形成された複数の対向するマイクロ流体チャネルのセット（例えば、対向するマイクロ流体チャネル１５０６ａ及び１５０６ｂの第１セット、並びに、対向するマイクロ流体チャネル１５０６ｃ及び１５０６ｄの第２セット）と、を有する基板１５０２を含む。基板は、例えば、シリコン基板又はＳＯＩ基板であってもよい。ある例では、分光計は、図７～図９に示すように、ＡＴＲ素子１４０４と同じ基板１５０２上に形成されてもよく、又は、図３～図６に示すように、異なる別個の基板上に形成されてもよい。
【0101】
[0119] マイクロ流体チャネル１５０６ａ／１５０６ｂ及び／又は１５０６ｃ／１５０６ｄのセットのうちの１以上が、そのそれぞれの入力マイクロ流体ポート１５１０及び出力マイクロ流体ポート１５１０の間のマイクロ流体チャネルを流れるサンプル（例えば、流体）を含んでもよい。サンプルは、対応のマイクロ流体チャネル１５０６ａ／１５０６ｂ及び／又は１５０６ｃ／１５０６ｄとＡＴＲ素子１５０４との間のそれぞれのチャネル界面１５０８ａ／１５０８ｂ及び／又は１５０８ｃ／１５０８ｄに隣接して流れる。例えば、チャネル界面１５０８ａ～１５０８ｄは各々、Ｓｉ－空気／Ｓｉ－サンプル界面に対応してもよい。
【0102】
[0120] 図１５に示すＡＴＲ素子１５０４は、マイクロ流体チャネル１５０６ａ／１５０６ｂとマイクロ流体チャネル１５０６ｃ／１５０６ｄとの間で直線的に変化するＡＴＲ幅１５１６を有するテーパ状の導波路として構成される。この例では、入射角は、テーパのためにＡＴＲ素子１５０４を通じて変化してもよい：ただし、ＡＴＲ素子設計は、Ｓｉ－空気（又はＳｉ－サンプル）界面の臨界角を超える入射角を維持することができる。図１４に示す例のように、強吸収のサンプルには広いＡＴＲ幅が使用されてもよい一方で、弱吸収のサンプルには狭い幅が使用されてもよい。例えば、弱吸収のサンプルがマイクロ流体チャネル１５０６ｃ及び１５０６ｄの第２セット内に挿入されてもよい。Ｓｉ－空気チャネル界面１５０８ｂの臨界角より大きい角度でチャネル界面１５０８ｂに入射する入力光１５１２は、Ｓｉ－空気チャネル界面１５０８ａ及び１５０８ｂの間と、Ｓｉ－サンプルチャネル界面１５０８ｃ及び１５０８ｄの間とのＡＴＲ素子１５０４を通る全内部反射によって反射されて出力光１５１４を生成する。出力光１５１４は、全内部反射入力光１５１２に基づいて、マイクロ流体チャネル１５０６ｃ及び１５０６ｄ内のサンプル内に形成されるエバネッセント波によって減衰される。
【0103】
[0121] 図１６は、ある態様に係るＡＴＲ素子設計の別の例を示す図である。図１６に示すＡＴＲ素子設計は、さまざまなターゲット用途をサポートするため、可変の回数の内部反射も提供する。ＡＴＲ素子設計は、複数の導波路１６０４ａ、１６０４ｂ及び１６０４ｃと、（例えば、ＤＲＩＥプロセスを介して）その中に形成された複数の対向するマイクロ流体チャネルのセット（例えば、対向するマイクロ流体チャネル１６０６ａ及び１６０６ｂの第１セット、対向するマイクロ流体チャネル１６０６ｃ及び１６０６ｄの第２セット、及び、対向するマイクロ流体チャネル１６０６ｅ及び１６０６ｆの第３セット）と、を含むＡＴＲ素子を有する基板１６０２を含む。基板は、例えば、シリコン基板又はＳＯＩ基板であってもよい。ある例では、分光計は、図７～図９に示すように、ＡＴＲ素子１６０４と同じ基板１６０２上に形成されてもよく、又は、図３～図６に示すように、異なる別個の基板上に形成されてもよい。
【0104】
[0122] マイクロ流体チャネル１６０６ａ／１６０６ｂ、１６０６ｃ／１６０６ｄ及び／又は１６０６ｅ／１６０６ｆのセットのうちの１以上は、そのそれぞれの入力マイクロ流体ポート１６１０及び出力マイクロ流体ポート１６１０の間のマイクロ流体チャネルを通って流れるサンプル（例えば、流体）を含んでもよい。サンプルは、対応のマイクロ流体チャネル１６０６ａ／１６０６ｂ、１６０６ｃ／１６０６ｄ及び／又は１６０６ｅ／１６０６ｆと、対応の導波路１６０４ａ、１６０４ｂ及び／又は１６０４ｃとの間のそれぞれのチャネル界面１６０８ａ／１６０８ｂ、１６０８ｃ／１６０８ｄ及び／又は１６０８ｅ／１６０８ｆに隣接して流れる。例えば、チャネル界面１６０８ａ～１６０８ｆは各々、Ｓｉ－空気／Ｓｉ－サンプル界面に対応してもよい。
【0105】
[0123] ＡＴＲ導波路１６０４ａ、１６０４ｂ及び１６０４ｃの各々は、異なる回数の内部反射を生成するように構成された異なるそれぞれの幅１６２０ａ、１６２０ｂ及び１６２０ｃを有してもよい。さらに、ＡＴＲ素子設計は、（例えば、金属被覆ステップを伴うＤＲＩＥプロセスを介して）基板１６０２に形成された可動ミラー１６１６及び１６１８をさらに含んでもよい。各可動ミラー（例えば、入力ミラー１６１６及び出力ミラー１６１８）は、例えば、それぞれのアクチュエータ（例えば、静電櫛歯駆動アクチュエータなどのＭＥＭＳアクチュエータ）に結合されてもよい。図１６に示す例では、台形状のＡＴＲ素子設計における９０度の光偏向により、入力ミラー１６１６及び出力ミラー１６１８が、２つの垂直な方向に平行移動させられるので、２つの異なるアクチュエータが使用されてもよい。偏向することなく光路が平行移動させられ得る、平行四辺形状のＡＴＲ素子設計が使用される場合、ミラー１６１６及び１６１８の両方に単一のアクチュエータが使用されてもよい。
【0106】
[0124] 可動ミラー１６１６及び１６１８の位置に従って、入力光１６１２は、入力ミラー１６１６によって、ＡＴＲ導波路１６０４ａ、１６０４ｂ又は１６０４ｃのうちの選択された１つに向かって、特定の用途（サンプル）に対する所望の反射回数で反射されてもよい。選択された導波路１６０４ａ、１６０４ｂ又は１６０４ｃ内の全内部反射の回数に基づいて生成された出力光１６１４は、その後、出力ミラー１６１８によって受け取られ、かつ、出力界面に向かって反射されてもよい。
【0107】
[0125] 水中のマイクロプラスチックなど、液体中のミクロンサイズの粒子のＡＴＲ分析には、通常、水中での強いＩＲ吸収を伴うＡＴＲ有効侵入深さ付近の外側にある可能性がある、液体全体にわたる粒子のランダムな分布によって課題がある。本開示のさまざまな態様において、ＡＴＲ素子の側壁への粒子の蓄積は、ＡＴＲ結晶の外側の導波モードのエバネッセント場領域に入るために、マイクロ流体チャネル内の粒子の分離及びソーティングによって実行されてもよい。
【0108】
[0126] ある例では、粒子分離にあたってフィールドフローフラクショネーション（ＦＦＦ）が使用されてもよい。ＦＦＦでは、外部作動場が適用されて、強制的に印加場の方向に側壁に向かって粒子を移動させる。一般に、印加場は、電気的、熱的、重力的又はクロスフローによって誘導され得る。他のさまざまなアクティブ分離機構がＡＴＲ設計で使用されてもよい。例えば、誘電泳動（ＤＥＰ）が使用されて、流体中に懸濁された粒子の移動を電気的に制御することができる。ＤＥＰでは、懸濁された誘電体粒子が、不均一な電場に曝されて粒子を分極させ、それによって、電場強度の高い領域に向かって又はそこから遠ざけるように粒子を移動させる。ＤＥＰ力の強度及び方向は、媒体及び粒子の電気的特性、粒子の形状及びサイズ、並びに、印加される電場の周波数及び位相に依存する。
【0109】
[0127] 図１７は、ある態様に係る、ＦＦＦに基づいたＡＴＲ素子設計の別の例を示す図である。ＡＴＲ素子設計は、ＡＴＲ素子１７０４（例えば、導波路）と、（例えば、ＤＲＩＥプロセスを介して）その中に形成されたマイクロ流体チャネル１７０６ａ及び１７０６ｂと、を有する基板１７０２を含む。基板は、例えば、シリコン基板又はＳＯＩ基板であってもよい。ある例では、分光計は、図７～図９に示すように、ＡＴＲ素子１７０４と同じ基板１７０２上に形成されてもよく、又は、図３～図６に示すように、異なる別個の基板上に形成されてもよい。
【0110】
[0128] マイクロ流体チャネル１７０６ａ及び１７０６ｂは各々、そのそれぞれの入力マイクロ流体ポート１７１０及び出力マイクロ流体ポート１７１０の間でマイクロ流体チャネル１７０６ａ及び１７０６ｂを通って流れるサンプル（例えば、流体）を含む。サンプルは、対応のマイクロ流体チャネル１７０６ａ及び１７０６ｂとＡＴＲ素子１７０４との間のそれぞれのチャネル界面１７０８ａ及び１７０８ｂに隣接して流れる。例えば、チャネル界面１７０８ａ及び１７０８ｂは各々、Ｓｉ－空気／Ｓｉ－サンプル界面を形成するＡＴＲ素子１７０４の垂直側壁に対応してもよい。
【0111】
[0129] 図１７に示すＦＦＦ ＡＴＲ素子設計では、外部作動場１７１８を電気的に誘導するために、マイクロ流体チャネル１７０６ａ及び１７０６ｂに隣接する基板１７０２の上面に電極から形成された作動場発生器１７１６がさらに配置されてもよい。印加された作動場１７１８は、ＡＴＲ素子１７０４の側壁（例えば、チャネル界面１７０８ａ及び１７０８ｂ）にサンプル中の微粒子１７２０を移動させるように構成される。側壁に蓄積された微粒子１７２０は、ＡＴＲ素子１７０４を通る入力光１７１２の全内部反射に基づいて生成されるエバネッセント波と相互作用して、エバネッセント波によって減衰された出力光１７１４を生成する。
【0112】
[0130] 図１８は、ある態様に係る、ＤＥＰに基づいたＡＴＲ素子設計の別の例を示す図である。ＡＴＲ素子設計は、ＡＴＲ素子１８０４（例えば、導波路）と、（例えば、ＤＲＩＥプロセスを介して）その中に形成されたマイクロ流体チャネル１８０６ａ及び１８０６ｂと、を有する基板１８０２を含む。基板は、例えば、シリコン基板又はＳＯＩ基板であってもよい。ある例では、分光計は、図７～図９に示すように、ＡＴＲ素子１８０４と同じ基板１８０２上に形成されてもよく、又は、図３～図６に示すように、異なる別個の基板上に配置されてもよい。
【0113】
[0131] マイクロ流体チャネル１８０６ａ及び１８０６ｂは各々、そのそれぞれの入力マイクロ流体ポート１８１０及び出力マイクロ流体ポート１８１０の間でマイクロ流体チャネル１８０６ａ及び１８０６ｂを通って流れるサンプル（例えば、流体）を含む。サンプルは、対応のマイクロ流体チャネル１８０６ａ及び１８０６ｂとＡＴＲ素子１８０４との間のそれぞれのチャネル界面１８０８ａ及び１８０８ｂに隣接して流れる。例えば、チャネル界面１８０８ａ及び１８０８ｂは各々、Ｓｉ－空気／Ｓｉ－サンプル界面を形成するＡＴＲ素子１８０４の垂直側壁に対応してもよい。
【0114】
[0132] 図１８に示すＤＥＰ ＡＴＲ素子設計では、櫛型電極システムから形成された作動場発生器１８１６が、不均一な電場を電気的に誘導するために基板１８０２上にさらにあってもよい。櫛型電極システム１８１６は、適度な値の印加電圧を使用して、大きな値の電場勾配を生成する。図１８に示す例では、櫛型電極１８１６は、例えば、リソグラフィ技術を使用してガラス基板１８１８の裏側に適用されてもよい。その後、ガラス基板１８１８は、ＡＴＲ素子１８０４を含むシリコン基板１８０２の上部に接合されてもよい。ＡＣ電圧が印加された電極１８１６は、電極１８１６の中心の下方に微粒子を捕捉するためのＤＥＰ力を提供する。電極１８１６は、サンプル中の微粒子が光相互作用領域の近接した側壁（例えば、チャネル界面１８０８ａ及び１８０８ｂ）に向かって凝集されるように、マイクロ流体チャネル１８０６ａ及び１８０６ｂに対して配置されてもよい。
【0115】
[0133] したがって、印加された作動場は、ＡＴＲ素子１８０４の側壁（例えば、チャネル界面１８０８ａ及び１８０８ｂ）にサンプル中の微粒子を移動させるように構成される。側壁に蓄積された微粒子は、ＡＴＲ素子１８０４を通る入力光１８１２の全内部反射に基づいて生成されたエバネッセント波と相互作用し、エバネッセント波によって減衰された出力光１８１４を生成する。
【0116】
[0134] 以下に本開示の例の概要を示す。
【0117】
[0135] 例１：統合型スペクトル検出デバイスであって、前記統合型スペクトル検出デバイスは：減衰全内部反射（ＡＴＲ）素子と、マイクロ流体チャネルと、前記ＡＴＲ素子とその中に形成された前記マイクロ流体チャネルとの間の境界に対応するチャネル界面と、を備える第１基板であって、前記ＡＴＲ素子は、入力光を受け取り、かつ、前記チャネル界面での前記入力光の全内部反射に基づいて出力光を生成するように構成され、前記出力光は、前記入力光の前記全内部反射に基づいて前記マイクロ流体チャネル内に包含されたサンプルによって生成されたエバネッセント波によって減衰される、第１基板と；干渉ビームを生成するように構成された分光計であって、前記干渉ビームは、前記入力光に対応する、又は、前記出力光に基づいて生成される、分光計と；前記干渉ビーム又は前記出力光のスペクトルを検出するように構成された検出器と、を備える、統合型スペクトル検出デバイス。
【0118】
[0136] 例２：前記マイクロ流体チャネルが、前記ＡＴＲ素子との第１チャネル界面を有する第１マイクロ流体チャネルと、前記ＡＴＲ素子との第２チャネル界面を有する第２マイクロ流体チャネルと、を備え、前記入力光の前記全内部反射は前記第１チャネル界面と前記第２チャネル界面との間で発生する、例１に記載の統合型検出デバイス。
【0119】
[0137] 例３：前記第１基板がシリコン基板を備え、前記第１チャネル界面及び前記第２チャネル界面の各々がシリコン－空気界面を備える、例２に記載の統合型検出デバイス。
【0120】
[0138] 例４：前記ＡＴＲ素子が、前記第１チャネル界面及び前記第２チャネル界面を形成する傾斜側壁を備え、前記傾斜側壁が、三次元の螺旋形状を有する前記入力光の光路を生成し、かつ、前記入力光の前記光路内の前記ＡＴＲ素子の上方の前記第１基板の上面に配置された追加のマイクロ流体チャネルをさらに備える、例２又は３に記載の統合型検出デバイス。
【0121】
[0139] 例５：前記ＡＴＲ素子が、前記第１チャネル界面と前記第２チャネル界面とによって形成された導波路パターンを備え、前記導波路パターンは、そのそれぞれの端部で光学的に結合された平行な導波路のアレイを備える、例２又は３に記載の統合型検出デバイス。
【0122】
[0140] 例６：前記入力光は第１入力ビーム及び第２入力ビームを備え、前記出力光は、前記第１入力ビームの前記全内部反射から生成された第１出力ビームと、前記第２入力ビームの前記全内部反射から生成された第２出力ビームと、を備え、前記ＡＴＲ素子は、前記第１入力ビームを受け取って前記第１チャネル界面に前記第１入力ビームを向け、かつ、第２入力ビームを受け取って前記第２チャネル界面に前記第２入力ビームを向けるように構成されたＶ字形の入力界面を備え、前記ＡＴＲ素子は、第１反射器に前記第１出力ビームを向け、かつ、第２反射器に前記第２出力ビームを向けるように構成されたＶ字形の出力界面を備え、前記第１反射器及び第２反射器は、前記第１出力ビームと前記第２出力ビームとを結合して前記出力光を生成するように構成される、例２又は３に記載の統合型検出デバイス。
【0123】
[0141] 例７：前記ＡＴＲ素子が、その第１側に入出力界面と、前記第１側とは反対側のその第２側に後部界面と、を備え、前記ＡＴＲ素子は、前記入出力界面を介して前記入力光を受け取り、前記後部界面から前記入力光を全内部反射し、かつ、前記入出力界面を介して前記出力光を出力するように構成される、例２又は３に記載の統合型検出デバイス。
【0124】
[0142] 例８：前記入出力界面が第１面角度を備え、かつ、前記後部界面が第２面角度を備え、前記第１面角度が、前記第１チャネル界面で前記入力光の前記全内部反射を生成するように構成され、前記入力光は前記入出力界面に垂直に入射し、前記第２面角度は、前記後部界面及び前記第２チャネル界面で前記入力光の前記全内部反射を生成するように構成され、前記第２面角度は、前記入出力界面で前記出力光の屈折を生成するようにさらに構成される、例７に記載の統合型検出デバイス。
【0125】
[0143] 例９：前記第１基板に平行な第２基板であって、前記分光計を備える第２基板と；前記ＡＴＲ素子から前記出力光を受け取り、かつ、前記分光計に前記出力光を向けるように構成された第１光方向変換素子と；前記検出器に前記干渉ビームを反射するように構成された第２光方向変換素子と、をさらに備える、例１～８のいずれか１つに記載の統合型検出デバイス。
【0126】
[0144] 例１０：前記ＡＴＲ素子が、前記第１光方向変換素子に、前記ＡＴＲ素子の平面に対して面外方向に前記出力光を結合するように構成された傾斜面を備える、例９に記載の統合型検出デバイス。
【0127】
[0145] 例１１：前記ＡＴＲ素子の第１平面で前記出力光を受け取り、かつ、前記第１平面に対して面外方向に前記第１光方向変換素子に向かって前記出力光を反射するように構成された第３光方向変換素子をさらに備え、前記第１光方向変換素子は、前記第２基板の第２平面に対して前記面外方向から面内方向に前記出力光を方向変換するように構成され、前記第１平面と前記第２平面とは平行である、例９に記載の統合型検出デバイス。
【0128】
[0146] 例１２：前記分光計を備える第２基板と；表面を備える第３基板であって、前記第１基板、前記第２基板及び前記検出器が前記第３基板の表面上に配置される、第３基板と；前記第３基板の前記表面上に配置された光方向変換素子であって、前記第１基板及び前記第２基板の平面に対して面外方向に前記入力光を受け取り、かつ、前記第１基板に前記入力光を向けるように構成された光方向変換素子と、をさらに備える、例１～８のいずれか１つに記載の統合型検出デバイス。
【0129】
[0147] 例１３：前記第１基板が前記分光計をさらに備え、前記分光計が、前記第１基板にエッチングされた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）干渉計を備える、例１～８のいずれか１つに記載の統合型検出デバイス。
【0130】
[0148] 例１４：前記ＭＥＭＳ干渉計が、前記入力ビームを受け取り、前記入力ビームから前記入力光に対応する前記干渉ビームを生成し、かつ、前記ＡＴＲ素子に前記干渉ビームを向けるように構成される、例１３に記載の統合型検出デバイス。
【0131】
[0149] 例１５：前記チャネル界面の臨界角以上の入射角で前記チャネル界面に向かって前記入力光を反射して、前記チャネル界面で前記入力光の前記全内部反射を生成するように構成された、前記基板にエッチングされた第１ガイド構造をさらに備える、例１４に記載の統合型検出デバイス。
【0132】
[0150] 例１６：前記ＡＴＲ素子が、前記基板内にエッチングされ、かつ、前記チャネル界面と前記第２光方向変換素子との間の前記入力光の複数の全内部反射を促進するように構成された第２ガイド構造をさらに備える、例１５に記載の統合型検出デバイス。
【0133】
[0151] 例１７：前記第１基板がシリコン基板を備え、前記第１ガイド構造及び前記第２ガイド構造の各々がそれぞれのシリコン－空気界面を備える、例１６に記載の統合型検出デバイス。
【0134】
[0152] 例１８：前記ＭＥＭＳ干渉計は、前記ＡＴＲ素子から前記出力光を受け取り、かつ、前記出力光に基づいて前記干渉ビームを生成するように構成される、例１３～１７のいずれか１つに記載の統合型検出デバイス。
【0135】
[0153] 例１９：前記マイクロ流体チャネルが、２つの対向するマイクロ流体チャネルの複数のセットを備え、２つの対向する前記マイクロ流体チャネルの複数のセットの各々が、前記入力光のそれぞれの異なる回数の反射を生成するように構成される、例１～１８のいずれか１つに記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【0136】
[0154] 例２０：前記ＡＴＲ素子が、２つの対向する前記マイクロ流体チャネルの複数のセットの各々の２つの対向する前記マイクロ流体チャネルの間でそれぞれ異なる幅を備える階段状導波路をさらに備える、例１９に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【0137】
[0155] 例２１：前記ＡＴＲ素子が、２つの対向する前記マイクロ流体チャネルの複数のセットの間にテーパ状導波路をさらに備える、例１９に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【0138】
[0156] 例２２：前記ＡＴＲ素子が、２つの対向する前記マイクロ流体チャネルの複数のセットのための複数の導波路を備え、前記複数の導波路の各々が、２つの対向する前記マイクロ流体チャネルの複数のセットのうちのそれぞれ１つの対向する２つの前記マイクロ流体チャネルの間にあり、前記複数の導波路の各々が、それぞれ異なる幅を有し、かつ、前記複数の導波路のうちの選択された導波路に前記入力光を反射するように構成された第１可動ミラーと、選択された前記導波路からの前記出力光を受け取るように構成された第２可動ミラーと、をさらに備える、例１９に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【0139】
[0157] 例２３：前記ＡＴＲ素子が、前記チャネル界面を形成する側壁を備え、かつ、前記マイクロ流体チャネル内の前記サンプルに作動場を印加するように構成された作動場発生器をさらに備え、前記作動場は、前記サンプル内の微粒子を前記ＡＴＲ素子の前記側壁に移動させて前記エバネッセント波と相互作用させるように構成される、例１～２２のいずれか１つに記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【0140】
[0158] 例２４：前記作動場が電場を備え、前記作動場発生器が、前記電場を生成するように構成された、前記第１基板の上面上の電極を備える、例２３に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【0141】
[0159] 例２５：前記作動場は、前記微粒子に誘電泳動力を加えるように構成された不均一な電場を備え、前記作動場発生器は、前記第１基板の上面に櫛型電極を備える、例２３に記載の統合型スペクトル検出デバイス。
【0142】
[0160] 本開示内では、「例示的な」という単語は、「一例、一実施例又は一実例として機能する」という意味で使用される。本明細書で「例示的な」として説明される実装又は態様は、必ずしも、本開示の他の態様よりも好ましい又は有利であると解釈されるべきではない。同様に、「態様」という用語は、本開示のすべての態様が、議論された特徴、利点又は動作モードを含むことを要求するものではない。「結合された」という用語は、本明細書では、２つのオブジェクト間の直接的又は間接的な結合を指すために使用される。例えば、オブジェクトＡがオブジェクトＢに物理的に接触し、かつ、オブジェクトＢがオブジェクトＣに接触した場合、オブジェクトＡ及びＣは、たとえそれらが互いに直接物理的に接触していないとしても、依然として互いに結合されているとみなされ得る。例えば、第１オブジェクトが第２オブジェクトに物理的に直接接触していない場合でも、第１オブジェクトは第２オブジェクトに結合され得る。「回路（circuit）」及び「電気回路（circuitry）」という用語は、広範に使用され、かつ、電気装置及び導体のハードウェア実装と、情報及び命令のソフトウェア実装と、の両方を含むことを意図しており、ハードウェア実装は、接続及び構成された場合に、電子回路のタイプに限定されることなく、本開示で説明される機能の実行を可能にし、ソフトウェア実装は、プロセッサによって実行された場合に、本開示で説明される機能の実行を可能にする。
【0143】
[0161] 図１～図１８に示されるコンポーネント、ステップ、特徴及び／又は機能のうちの１以上は、単一のコンポーネント、ステップ、特徴又は機能に再配置及び／又は結合されてもよく、若しくは、いくつかのコンポーネント、ステップ又は機能で具体化されてもよい。本明細書に開示される新規な特徴から逸脱することなく、追加の要素、コンポーネント、ステップ及び／又は機能が追加されてもよい。図１～図１８に示される装置、デバイス及び／又はコンポーネントは、本明細書で説明される方法、特徴又はステップのうちの１以上を実行するように構成されてもよい。本明細書で説明される新規なアルゴリズムは、ソフトウェアに効率的に実装されてもよく、及び／又は、ハードウェアに埋め込まれてもよい。
【0144】
[0162] 開示された方法におけるステップの特定の順序又は階層は、例示的なプロセスを例示するものであることを理解されたい。設計志向に基づいて、方法におけるステップの特定の順序又は階層が並べ替えられてもよいことが理解される。添付の方法の請求項は、さまざまなステップの要素をサンプルの順序で提示しており、かつ、本明細書で特に記載がない限り、提示される特定の順序又は階層に限定されることを意図するものではない。
【0145】
[0163] 前述の説明は、当業者が本明細書に記載のさまざまな態様を実施することができるようにするために提供される。これらの態様に対するさまざまな修正は当業者には容易に明らかであり、本明細書で定義される一般原理は他の態様にも適用されてもよい。したがって、特許請求の範囲は、本明細書に示される態様に限定されることを意図するものではなく、特許請求の範囲の文言と一致する全範囲を与えられるべきであり、単数形での要素への言及は、そのように特に明記されていない限り「唯一のもの」を意味することを意図しておらず、むしろ「１以上」であることを意図している。特に明記しない限り、「いくつかの」という用語は１以上を指す。アイテムのリスト「のうちの少なくとも１つ」を指す語句は、単一の部材を含むそれらのアイテムの任意の組み合わせを指す。一例として、「ａ、ｂ又はｃのうちの少なくとも１つ」は：ａ、ｂ、ｃと：ａ及びｂと：ａ及びｃと：ｂ及びｃと：ａ、ｂ及びｃとをカバーすることを意図している。当業者に知られている又は後に知られるようになる、本開示を通じて説明されるさまざまな態様の要素に対する構造的及び機能的な等価物はすべて、参照により本明細書に明示的に組み込まれ、かつ、特許請求の範囲に包含されることが意図される。さらに、本明細書に開示されるものは、そのような開示が特許請求の範囲に明示的に記載されているかどうかに関わらず、公衆に提供されることを意図したものではない。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7A】
【図7B】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12A】
【図12B】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【国際調査報告】