JP4001909B2 - 流体ロック式定量インジェクタ - Google Patents

Description

発明の背景
発明の分野
本発明は、予め定められた量の流体を、液体、固体または気体の流れに導入するインジェクタ（injector）に関する。本発明は、特に一定量の流体を注入先流れ（destination stream）に導入するミクロバルブインジェクタ（micro-valve injector）に関する。
従来技術の説明
一定量の流体を他の物質に添加する必要性は一般的に存在する。一定量の流体を別の物質に自動的に添加する方法も一般的なものである。少量の流体を注入先流れに添加する方法は、ガスクロマトグラフで用いられるインジェクタ装置によって実現されている。
ガスクロマトグラフは、化学的混合物の分析、気体の分離、及びプロセスの測定及び制御に関する周知の技術である。ガスクロマトグラフは主として３つの構成要素からなる。それは、１つには、試料混合物の成分を物理的に分離する分析カラムであり、１つには、分離された個々の成分を検出する検出器であり、もう１つは試料を分離のために分析カラムに一定量注入するインジェクタである。定量分析においては、インジェクタは試料を量を制御しつつ分析カラムに導入しなければならない。ガスクロマトグラフィーにおける最も一般的な注入技術は、シリンジ及び試料ループを用いる方法である。この方法では、試料ループインジェクタを用いることによって一定量の試料が分析カラムに注入されるのである。
従来の試料ループインジェクタには２ポジションマルチポートロータリ弁が用いられている。このインジェクタでは、試料ループが試料で満たされる一方、キャリアガスがバルブのチャネルを通って分析カラムに流れる。バルブロータが回転してバルブを第２ポジションに動かすと、バルブチャネルの導通経路が再構成され、試料ループはキャリアガスをバルブを通して分析カラムに導くチャネルの一部となる。第２ポジションにおいては、キャリアガスは試料ループを通して流れ、試料は試料ループから押し流され、キャリアガス流に乗って分析カラムに流れる。試料ループが「内向き」の場合は、マルチポートロータリ弁は４つのポートを有するものとなる。試料ループが「外向き」の場合は、マルチポートロータリ弁が６つのポートを有するものとなる。ロータリ弁は小型化することが困難である。ロータリ試料バルブはデッドボリュームが比較的大きく切り替え時間が遅いので、その性能には限界がある。更に、ロータリ弁には、密封境界面において摩擦による磨耗が生ずるまでの、動作回数の寿命がある。
フォトバックインターナショナル（Photovac International）社製のガスクロマトグラフ１０Ｓシリーズでは、試料が充填されているとき４つのソレノイドバルブによって試料ループを独立させており、試料注入時には試料ループを分析カラムに流れるキャリアガス流に挿入している。
１９８４年１０月２日本出願人に対して付与された「小型ガスクロマトグラフ装置（Miniature Gas Chromatograph Apparatus）」という名称の、米国特許第４，４７４，８８９号明細書には、小型インジェクタを用いた試料注入方法が記載されており、ここではこの明細書を参照されたい。この「時限式注入」方法においては注入される試料の量は、注入バルブが開放されている時間によって決まる。しかし、特定の注入時間に分析カラムに流入する試料の量は、試料の粘性が上昇するにつれ少なくなるという問題がある。従って、特定の被検体に対するガスクロマトグラフを用いた分析において、認識される応答（ピーク面積）は、試料の粘性が増加するにつれ小さくなることになる。
従って、ロータリ弁式試料ループのもつ欠点を有しない、試料の粘性が変化しても一定量の試料を注入することができる定量試料インジェクタが必要となる。
発明の要約
本発明によれば、一定量の流体試料を注入先流れに注入するインジェクタアセンブリが、一端に設けれられた試料バルブによって試料源と結合された試料チャンバであって、その一部が前記一定量を画定する該試料チャンバと、試料を試料チャンバに導入しそこに捕捉する要素と、試料チャンバの定量部分の一端と、試料チャンバに流入するパージ流体の流れを制御するパージ流体源との間に接続されたＴ−バルブと、試料チャンバから注入先流れへの流れを制御するための、試料チャンバの定量部分の一端に接続された注入バルブとを有する。試料注入時において、パージ流体はＴ−バルブを通して試料チャンバに流れ、試料チャンバの定量部分における試料を、強制的に注入バルブを通して注入先流れに押し流す。試料チャンバに流入するパージ流体は、試料チャンバにおける試料を２つの部分、即ち注入先流れに流入する定量部分と注入先流れに流入しない残りの部分とに分離する「流体ロック（fluid-lock）」を形成する。
ここに開示される本発明のインジェクタ装置のバルブの配置及び動作原理は、従来の装置のそれとは異なったものである。例えば、本発明の一実施例において、インジェクタ装置は試料をバルブのオリフィスを通して分析カラムに押し流すのに圧力を利用しており、一方フォトバック（Photovac）試料ループ（及び従来のロータリ弁を用いた試料ループ）の場合は、バルブを開閉状態を再構成することによって、キャリアガス流を試料ループを通して流し、試料を分析カラムに送り込んでいる。ロータリ弁試料ループの場合においては、２つの処理工程が存在する。即ち試料ループ充填過程と、それに続く試料注入／分析過程である。本発明のインジェクタ装置においては３つの処理過程が存在する。それは、試料チャンバ充填過程、短時間の試料注入過程、及び試料分析過程である。本発明に基づく試料チャンバは分析カラムから独立しており（試料注入過程にある場合を除く）、一方ロータリ弁及びフォトバック試料ループを用いたインジェクタは、試料注入及び試料分析時においてキャリアガスを試料ループを通して分析カラムに流し込んでいる。
本発明に基づく装置は、従来のロータリ弁付試料ループと比較して小型化が容易である。インジェクタを小型化することによってより高速のクロマトグラフィー分析が実施しやすくなり、このことは非常に望ましいことである。
本発明の実施例によっては、インジェクタパージ処理過程において流体通路から不要な流体を除去した後に装置の使用を開始したり、あるいはウォームアップ過程の一部としてパージ処理過程を実施している。このインジェクタパージ処理過程には、試料流体、パージ流体、または注入先流れを流して、インジェクタから不要な流体をパージするために、一定のバルブを開放する過程が含まれる。例えば、特定の時間パージバルブを開放し、パージ流体をパージ流体通路を通してベントへパージさせることによってこの処理が行われる。
本発明に基づくインジェクタアセンブリは、ガスクロマトグラフにおいて使用でき、この場合「注入先流れ」は分析カラムに向かって流れるキャリアガス流である。試料は気体、液体、またはこれらの混合物の何れでもよく、注入先流れは液体でも固体でもよい。試料は、ポンプを作動させることにより、または一定の圧力のもとに試料チャンバに押し流すことによって試料チャンバに導入される。
実施例の１つにおいては、試料チャンバの両端にバルブが設けられ、これにより試料源から試料を試料チャンバ内に導入し、試料チャンバ内に試料を捕捉する。
別の実施例においては、試料チャンバの一端がバルブによって封止され、別の一端において、（ポンプのような圧力源によって）圧力を加えることによって、試料を試料チャンバ内に捕捉している。試料捕捉のための圧力は、試料に似た加圧流体、またはパージ流体（または他の適当な流体）を用いることによって与えられる。この装置がガスクロマトグラフのインジェクタとして用いられる場合、キャリアガスが、加圧流体及びパージ流体と兼用されることがある。
高精度の分析を行うために、実施例の１つにおいては、試料温度の変化によって試料流体が膨張または収縮して試料チャンバ内の定量部分に捕捉された試料の量を変化させることのないように、試料の温度がサーモスタット制御される。例えば、ガスクロマトグラフィーにおいて、試料が気体である場合、検量時の試料チャンバ内の検量ガスの温度とその後に行われる分析処理時の試料チャンバ内の試料ガスの温度との差が例えば３℃であると、（理想気体の法則ＰＶ＝ｎＲＴによれば）試料分析の結果は１％の誤差を含むことになる。
実施例の１つにおいて、インジェクタは、シリコンウェハをミクロ機械加工することによって生成された層を含む多層式ミクロバルブアセンブリの一部として実現される。ミクロバルブアセンブリの層の１つにはヒータが一体化されて設けられる。抵抗性トレース型ヒータ及びそれに付随する抵抗性トレース型温度センサは、層の１つの表面上に被着処理によって設けられ、ミクロバルブアセンブリ及び試料チャンバのサーモスタット制御された加熱を可能にする。
【図面の簡単な説明】
第１図は、本発明の実施例の１つに基づく流体試料インジェクタ装置の模式図である。
第１Ｂ図は、第１Ａ図に示すインジェクタ装置を含むガスクロマトグラフシステムの模式図である。
第２Ａ図は、本発明の別の実施例に基づく流体試料インジェクタ装置の模式図である。
第２Ｂ図は、第２Ａ図に示すインジェクタ装置を有するガスクロマトグラフシステムの模式図である。
第３Ａ図乃至第３Ｃ図は、シリコンをエッチングすることによって設けられた溝の断面図であって、それぞれ結晶方位が（１００）のシリコンにＫＯＨエッチャントを用いてエッチング処理を施した場合、結晶方位が（１１０）のシリコンにＫＯＨエッチング剤を用いてエッチング処理を施した場合、及びＨＦ−ＨＮＯ₃エッチング剤を用いてエッチング処理を施した場合が示されている。
第４図は、シリコンウェハ上にミクロ機械加工することによって形成されたインジェクタを示す図である。
第５Ａ図乃至第５Ｃ図は、第４図におけるミクロバルブの構造を示す斜視図である。
発明の詳細な説明
第１Ａ図は、本発明の実施例の１つに基づく流体試料インジェクタ装置の模式図である。（点線によって囲まれた部分である）試料インジェクタ１０は、試料チャンバ１１を有し、この試料チャンバ１１はその両端に設けられた２つのバルブ１３及び１８によって密封される。試料バルブ１８は試料流入口１９から試料チャンバ１１への流体試料の流入を制御し、カットオフバルブ１３は、試料チャンバ１１と真空ポンプまたはベント１２との連通状態を制御する。流体試料は、試料流入口１９からインジェクタに流入し、一定圧力のもと（または吸引力で引き込まれることによって）試料チャンバ１１を通して従来の真空ポンプまたはベント１２の方向に向かって流れる。更に、ベントにおける流体の圧力は制御される形にすることもでき、または大気に開放する形にすることもできる。
試料チャンバ１１を流体試料で満たした後、試料バルブ１８は閉じられ、液体試料には再現性のある温度及び圧力が与えられて、試料チャンバの定量部分における液体試料の量が再現されるようにされる。次に、カットオフバルブ１３が閉じられて、流体試料が試料チャンバ内に捕捉されることになる。試料バルブ１８が閉じられてからカットオフバルブ１３が閉じられるまでの時間は「待機時間（dwell time）」と称する。（特定の実施例における最適待機時間は実験的に決定される。）次にＴ−バルブ１４が開放されて、注入先流れ２６の圧力よりも高い圧力のパージ流体１５が試料チャンバに点２２から流入する。次に注入バルブ１７が開放され、試料チャンバ内のバルブ１４とバルブ１７との間の部分に捕捉された流体試料が注入バルブ１７を通して注入先流れ２６に流れる。試料チャンバ内のＴ−バルブ１４のオリフィスと注入バルブ１７のオリフィスとの間の部分は「定量」部分である。試料チャンバ内に点２２から流れ込むパージ流体は、試料チャンバ内における試料を２つの部分、即ち注入先流れに流入する定量部分と注入先流れに流入しない残りの部分とに分離する「流体ロック（fluid-lock）」を形成する。
Ｔ−バルブ１４によって放出されたパージ流体が、流体試料を試料チャンバ１１の定量部分から注入先流れ２６に押し流すと、注入バルブ１７は閉じられ、次にＴ−バルブ１４が閉じられる。別の実施例においては、注入バルブ１７及びＴ−バルブ１４が同時に開閉される。従って、この実施例においては、２つのバルブ１４及び１７が同じ制御信号によって動かされ、制御が単純化される。注入先流れとして適当に用いられ得るものにはさまざまなものがある。例えば、（空のまたは何らかの物質または物体を内部に含む）開放容器、内部に（気体または液体の）流体を入れた管であって、注入された流体試料が適当な管継ぎ手を通して管に流入するようなもの、及びスラリー若しくは流動化固体物質を内部に含む管等がある。
パージ流体には、特定の実施例において適当な任意の流体が用いられ得る。望ましいパージ流体の特性として挙げられるのは、流体試料に対して「不活性」であること、注入先流れに対して「不活性」であること、費用のかからないこと、たやすく入手できること、その実施例において容易に用いられ得ることである。パージ流体源１５は圧力調整器（図示せず）を通してＴ−バルブ１４に接続される。圧力調整器は、注入先流れよりも高い圧力のパージ流体を安定的に調整しつつ供給するためのものである。
インジェクタ１０の性能は、試料チャンバ内部の点２２及び点１４の間の内部容量、点２３及び点１７の間の内部容量、及び点１７及び点２４の間の内部容量を最小化することによって改善される。試料チャンバを流体試料で充填するとき、液体試料は点２２と点１４の間、または点２３と点１７の間には引き込まれない。従って、これらの試料チャンバの定量部分の一部である「押し流されない内部容量部分」、または「デッド内部容量部分」が新しい流体試料を充填されることを確実にすべく、内部容量はできる限り小さいことが望ましい。更に、流体試料が個々の「栓流（plug）」として注入されるのを確実にすべく、点１７と点２４の間の内部容量はできる限り小さいことが望ましい。というのは、注入先流れはこのチャネルを通して流れないからである。点２２と点１３の間、及び点２３及び点１８の間の内部容量を最小化することも考慮されたい。この理由は、これによってインジェクタの細密化が容易になり、高速の動作が可能となり、１回の注入に必要な試料の量が最小化される等の利点があるからである。バルブ１４は点２２と点１４との間の内部容量を最小化するためにＴ−バルブを用いるのが好ましい。Ｔ−バルブの通しチャネルは試料チャンバ１１通路に接続され、試料チャンバ１１の一部分を形成しており、一方Ｔ−バルブの枝分かれしたチャネルの部分はパージ流体源１５に接続される。Ｔ−バルブ１４が開放された場合、パージ流体は枝分かれしたチャネルの部分からＴ−バルブのチャネルを通して流れ、一般に両方向（１３の方向及び２３の方向）に広がって流れる。
第１Ｂ図は、第１Ａ図の流体試料インジェクタ装置を備えたガスクロマトグラフシステムの模式図である。同図において同一の構成要素は同一の符号を以て示している。注入バルブ１７は分析カラム２０に接続されており、ここでは従来のように試料ガスが個別の成分に物理的に分離され、分析カラム２０から排出されるときに検出器２１によって検出される。予め定められた圧力（カラムヘッド圧力と称する）を与えられたキャリアガス源１６によって、上述の「注入先流れ」と称される分析カラムへのキャリアガス流れが生成される。Ｔ−バルブ１４及び注入バルブ１７が開放されると、試料チャンバ内のバルブ１４とバルブ１７との間に捕捉された試料ガスが、注入バルブ１７を通して分析カラム２０に向かって流れるキャリアガス流に流れ込む。
第２Ａ図は、本発明の上述とは別の実施例に基づく流体試料インジェクタの模式図である。この実施例においては、インジェクタ装置１０は第１Ａ図に示すものと概ね同一であるが、試料チャンバ１１が一端をバルブ１８で、もう一端を適当な圧力を加えることによってシールしている点で異なっている。この実施例においては、（パージ流体、流体試料、または他の適当な流体である）加圧流体５２源、及び試料チャンバと加圧流体源５２との結合、及び試料チャンバと真空ポンプまたはベント１２との結合を切り替えるトグル機構として機能するスイッチバルブ５３が用いられる。試料チャンバ１１において、試料バルブ１８とスイッチバルブ５３との間に流体試料が充填される空間を設けることは必須である。流体試料は試料流入口１９からインジェクタに流入し、一定圧力のもと（または吸引によって引き込まれることによって）試料チャンバ１１を通して真空ポンプまたはベント１２の方向に流れる。更に、ベント部分における流体圧力は制御される形とすることもでき、または大気に開放された形にすることも可能である。
流体試料で試料チャンバ１１を満たした後、試料バルブ１８は閉じられる。「待機時間」と称する時間が経過した後、スイッチバルブ５３が動かされて、試料チャンバ１１と加圧流体源５２とが連通をなすようにされ、流体試料が試料チャンバ１１に捕捉され、更に「加圧時間」と称する時間をかけて流体試料が加圧流体５２の圧力に達するまで加圧される。加圧流体の圧力は、試料注入時に、試料チャンバ内の定量部分における流体試料が注入バルブ１７を通して効果的に流れるのに十分な圧力でなければならない。この実施例においては、加圧流体の圧力は、注入先流れの圧力と概ね等しければ十分である。試料チャンバ内の流体試料は、それを注入する前に再現性のある温度及び圧力を与えられる。後の処理は、第１Ａ図に関連して上述した処理と同様である。
流体試料を試料流入口１９から試料チャンバ１１を通して流すのに、流体試料を加圧して自らの圧力によって流れるようにしたり、または真空ポンプ１２を用いて試料を引き込むようにしてもよい。流体試料が試料チャンバを満たした後、インジェクタの効率的な動作のために適当な温度及び圧力を液体試料に与えるために、一定の待機時間及び加圧時間が必要である。例えば、気体試料が自らの圧力のもとに試料チャンバ内に導入される場合、過剰な試料ガスを真空ポンプまたはベント１２を通して試料チャンバから排出するために待機時間が必要なことがある。この待機時間はこの試料チャンバの特定の寸法、用いられる圧力、更にその実施例における（流体試料及び注入先流れの特性を含む）他の詳細な仕様によって決まる。
第２Ａ図の実施例における加圧時間も、チャンバ及びチャネルの特定の構造及び用いられる圧力によって決まる。本発明の特定の各実施例に対して最適加圧時間、最適待機時間、または最適な各時間の範囲が存在し、それらは実験的に得ることができる。各時間は実験的に決定され、その時間を用いることによって特定の実施例における動作パラメータ（例えば試料流入圧力）の範囲における最も再現性の高い試料注入量が生成される。
特定の実施例において、加圧流体として任意の適当な流体を用いることができる。望ましい加圧流体の特性として挙げられるのは、１つには流体試料に対して「不活性」であること、１つには注入先流れに対して「不活性」であること、更に費用のかからないこと、たやくす入手できること、その実施例において用いることが容易であること等である。
加圧流体源５２は圧力調整器（図示せず）を通してスイッチバルブ５３に接続されているが、圧力調整器は加圧流体を適切な圧力で安定的に供給するように調整するものである。第１Ａ図の実施例に関連して上述したように、第２Ａ図に示すインジェクタ１０の性能は、点２２と点１４との間の内部容量、点２３と点１７との間の内部容量、及び点１７と点２４との間の内部容量を最小化することによって改善されるが、点２２と点５３の間の内部容量、及び点２３と点１８との間の内部容量を最小化することによっても同様の効果が得られる。
第２Ｂ図は第２Ａ図に示すインジェクタ装置を備えたガスクロマトグラフシステムの模式図である。同図において、第１Ａ図、第１Ｂ図、及び第２Ａ図において用いられた構成要素と同じ構成要素に対しては同じ符号を付して示してある。第２Ｂ図における試料充填過程は、第２Ａ図におけるものと同様であり、試料注入過程は第１Ｂ図のそれと同様のものである。
いくつかの実施例においては、注入先流れ、パージ流体、及び加圧流体の流れがさまざまな組合せで結合されかつ切り替えられ得る形とされ、それと共に流れの切り替え処理及び結合処理の間に、ある点において一定量の注入がなされる。例えば、ガスクロマトグラフにおいて、キャリアガス流の通過経路を変えることができる。即ち分析カラムとの結合を断ち、必要ならば圧力及び流れの制御手段を通過させて、パージガスとして用いたり、または加圧ガス及びキャリアガスとして兼用することができる。
第１Ａ図及び第２Ａ図においては、シリコンウェハからミクロ機械加工された２つの実施例が示されており、この実施例においてはバルブとしてダイヤフラムバルブが用いられることが好ましい。バルブのダイヤフラムが圧力を受けると、ダイヤフラムバルブは閉じる。ダイヤフラムが開放されるように圧力が加わると、バルブは開く。バルブのダイヤフラムに加えられる制御圧力は、制御される流体の流れの圧力よりも著しく高いものとされるが、これはバルブのダイヤフラムが、制御された流体の流れの圧力に対して十分にシールされるようにするためである。
インジェクタ１０を形成するための、従来のシリコンウェハのミクロ機械加工工程は、周知の集積回路デバイスプロセシングと同様に、一連の酸化工程、フォリソグラフィー工程、及びエッチング工程を含む。等方性及び異方性のシリコンエッチング処理を行うことによって、著しく小さい孔、浅いウェル、及びミニチュアバルブ及びキャピラリーチャネルとなる溝が、シリコンウェハ上に精密に生成される。溝の断面の形状としていくつかの形状を採用することができるが、この形状はシリコンの結晶方位、用いられるエッチング剤等によって決まる。水酸化カリウム（ＫＯＨ）のような異方性エッチング剤を用いることによって、第３Ａ図に示すように、結晶方位が（１００）であるシリコン上にＶ字型の断面の形状を有する溝が生成される。“Ｖ”形状の両面は、シリコンの結晶面によって決定され、Ｖ形状の両壁が出合う細長い溝に対しては、酸化エッチングマスクの開口の幅Ｗによって溝の深さが正確に制御されうる。結晶方位（１１０）のシリコン、または結晶方位（１００）のシリコンのある結晶の方向に沿って、ＫＯＨを用いたエッチングを施すことにより、第３Ｂ図に示す完全に垂直な側壁を有する溝が形成される。しかし、異方性エッチング剤によるエッチングの短所は、溝が特定の結晶軸に沿って形成されない限り所望の断面の形状を有する溝が形成されず、また四角形のコーナー部分を有する溝、または円形の溝は形成され得ない点である。フッ化水素酸及び硝酸の混合物（ＨＦ−ＨＮＯ₃）を異方性シリコンエッチング剤として用いることにより、第３Ｃ図に示す溝を形成することができる。これによって、ウェハ上に任意の方向の概ね矩形の溝を、バルブシートと共に生成することができる。
第４図は、本発明のインジェクタ装置の実施例の１つのためのシリコンウェハの平面図であって、このシリコンウェハ上には、従来のシリコンミクロ機械加工技術及びパッケージング技術を用いて形成されたガスチャネル及びバルブシートが設けられている。第４図は、第２Ａ図及び第２Ｂ図に示す構造の実施例の１つである。更に詳細な構造は前に引用した米国特許第４，４７４，８８９号明細書に記載されている。本発明のインジェクタ装置の一実施例を形成すべく、ウェハ４００は他のいくつかの層に挟まれており、この構造は第４図には示されていない（しかし、以下詳述するように第５Ａ図、第５Ｂ図及び第５Ｃ図には全ての層が示されている）。プレート５０５（第５Ａ図、第５Ｂ図、及び第５Ｃ図参照）はウェハ４００に接合され、ウェハ４００上にエッチングにより形成された溝をシールし、ミクロチャネル（microchannel）を形成する。バルブ４０８、４０７、及び４０４の可撓性ダイヤフラムの役目を果たす可撓性材料５０８（第５Ａ図、第５Ｂ図、及び第５Ｃ図参照）はウェハ４００の反対側（「バルブシート側」）に接合される。別のプレート５１０（第５Ａ図、第５Ｂ図、及び第５Ｃ図参照）は可撓性材料層に接合される。このように、「サンドイッチ構造」は、プレート層５０５、シリコンウェハ４００層、可撓性材料層５０８、及びプレート層５１０の４層からなる。実施例の１つにおいては、プレート５０５及び５１０の材料としてパイレックスガラス（pyrex glass）が用いられ、可撓性材料には、デュポン社製のカプトン（Kapton）と称する材料（テフロン、ポリイミド、テフロンの３層からなるシート状材料）が用いられる。ウェハ４００のミクロチャネル側のパイレックスプレートは、陽極接合によってウェハ４００に接合される。次にカプトンと他のパイレックスプレートがプレス処理及び組み合わせられた層の加熱処理によって取り付けられる。加熱するとカプトンは粘着性を生じ、これによってウェハ４００とパイレックスプレートとが接合されるのである。インジェクタアセンブリへのガスの導入及び排出は、パイレックスプレートに設けられた孔を通して行われる。インジェクタアセンブリの外部からガスを導入するためのチューブは、パイレックスプレートに設けられた孔に結合される。（実施例の１つにおいてはチューブにはステンレス鋼チューブが用いられる。）実施例に１つにおいては、このチューブはパイレックスプレートにＵＶ硬化接着剤を用いて結合される。結合に用いられる接着剤は他の種類の接着剤でもよく、またチューブをプレートにはんだ付けによって結合してもよい。
第４図に示すように、シリコンウェハ４００上には従来通り３つのバルブシート（試料バルブ４０８用、注入バルブ４０７用、及びＴ−バルブ４０４用）及びチャネル１〜８が形成される。バルブ４０８、４０７、及び４０４は、それぞれ第１Ａ図、第１Ｂ図、第２Ａ図、第２Ｂ図におけるバルブ１８、１７、及び１４に対応する。キャリアガス源１６（第４図には示されていない）はポート４０６においてインジェクタに結合され、インジェクタにキャリアガスを供給する。分析カラム２０はポート４０９を通してチャネル５に接続される。標準キャリアガス流は、ポート４０５においてインジェクタから排出される。（標準キャリアガス流が必要でない場合は、ポート４０５及びチャネル８は不要である。）チャネル１、２、及び３。及びポート４０１とスイッチバルブ５３（第４図においては示されていない）を結合するチューブ及び導管（第４図においては示されていない）は、第２Ａ図及び第２Ｂ図における試料チャンバ１１に似た試料チャンバを備える。チャネル２及びバルブ４０７のダイヤフラムとシリコンウェハとの間の環状空間は、試料チャンバの定量部分を形成し、注入バルブ４０７のオリフィスから、チャネル５を通して分析カラム（図示せず）に向かって流れるキャリアガス流に注入される試料の量を画定している。このオリフィスは第１Ａ図、第１Ｂ図及び第２Ａ図、第２Ｂ図における接合点２４に対応する。キャリアガス源１６からウェハ４００上のポート４０６へのキャリアガスの導入はチューブによって行われ、ウェハ４００上のチャネル７及び５は、流入口ポート４０６と流出口ポート４０９との間でキャリアガスが流れるようにしており、ポート４０９から分析カラムへのキャリアガスの導入もチューブによって行われる。（これらの導管は、第１Ｂ図及び第２Ｂ図におけるキャリアガス供給手段１６から分析カラム２０へキャリアガスを流すキャリアガス導管に対応している。）
第４図のシリコンウェハを用いた実施例の１つにおいては、キャリアガス源１６は加圧ガス源５２としても用いられている。パージガス源１５もキャリアガスであるが、ここにおける圧力はキャリアガス源１６における圧力よりも約１３ＰＳＩ高い圧力とされている。
インジェクタのパージ処理過程においては、パージガス源５２、パージガスをポート４０２、チャネル６、及びＴ−バルブ４０４に導くチューブから、空気をパージすることが必要である場合がある。例えば、Ｔ−バルブ４０４を開き、パージガスがパージガス源５２からＴ−バルブ４０４を通して流れ真空ポンプまたはベント１２から排出されるようにすることで、それらのチャンバ内の残留空気がパージされる。これは、製造工程、及び使用していない状態にあるとき、チャンバには空気が入ってくる場合があるためである。
第４図のような、シリコンをミクロ機械加工することによって形成された第１Ｂ図の構造を形成するために、カットオフバルブ１３がウェハ４００上のポート４０１に近い部位に追加され、ポート４０１は真空ポンプまたはベント１２に直接結合される（スイッチバルブ５３は用いられない）。
第５Ａ図〜第５Ｃ図は、それぞれミクロバルブ４０４、４０７、及び４０８の構造を示す斜視図である。この３つのバルブシートのそれぞれは、環状の凹部５０１、中央凹部５０２、及び凹部５０１と５０２との間の環状隆起部５０３、ウェハ４００のバルブシート側に圧着された可撓性ダイヤフラム層材料５０８、ウェハ４００のミクロチャネル側に接合され、溝またはチャネルをシールしているプレート５０５、及び可撓性ダイヤフラム層材料５０８に圧着されたプレート５１０を有する。可撓性ダイヤフラムを制御してバルブを開閉する制御圧力は、プレート５１０上のポート５１１を通して可撓性ダイヤフラムに連通している。中央凹部５０２の中央部にはオリフィスが形成され、ミクロチャネル側に形成されたチャネルと連通している。環状凹部５０１には少なくとも１つの通孔が形成され、ウェハ４００のミクロチャネル側にエッチングによって形成されたチャネルと連通している。ポート５１１を通して圧力が加わると、ダイヤフラムは環状隆起部５０３に載り、オリフィスをシールする。圧力が開放されると、ガスがオリフィスに接続されたチャネルと凹部５０１における通孔に接続されたチャネルとの間をオリフィスを通して流れる。
第５Ａ図におけるＴ−バルブ４０４に対しては、チャネル１がウェハ４００のミクロチャネル側のバルブオリフィスにおいてチャネル２と結合している。孔５０７ａがチャネル６を介してパージガス源に連通している。Ｔ−バルブ４０４が開放されると、パージガスは孔５０７ａからオリフィス５０６ａに入り、典型的には“Ｔ”字形状をなすチャネル１とチャネル２に沿って両方向に広がって流れるのが一般的である。従って、このようなバルブシートを備えたバルブはここではＴ−バルブと呼ぶものとする。第５Ｃ図における試料バルブ４０８はウェハ４００のミクロチャネル側のチャネル３に連通するオリフィス５０６ｃを有し、またチャネル４と連通する孔５０７ｃを有する。試料チャンバが試料で充填される過程において、試料バルブ４０８が開放されると、試料ガスは通孔５０７ｃからバルブオリフィス５０６ｃに向かって流れる。第５Ｂ図における注入バルブ４０７はチャネル５と連通するオリフィス５０６ｂとそれぞれチャネル３及びチャネル２と連通する２つの通孔５０７ｂ及び５０８を有する。通孔５０７ｂ及び５０８は、バルブの開閉に関わりなく、バルブダイヤフラムとウェハ４００との間の環状空間を通して連通している。注入バルブが開放されると、試料ガスが孔５０８を通り、バルブオリフィス５０６ｂを通過して、チャネル５に流れる。キャリアガスは、試料注入時の短時間の中断を除いて、常にチャネル７からチャネル５に向かって注入バルブ４０７のオリフィスの部分を自由に流れることができる。
本発明の実施例の１つにおいては、各ミクロバルブのダイヤフラムは、例えばバルブを閉めるためにヘリウムガスによって加圧される。ヘリウムによる加圧が解除されると、ダイヤフラムが緩んでバルブが開放される。各ミクロバルブに加わるヘリウムガスの圧力は従来の電気的に制御されたソレノイドバルブ（図示せず）によって制御される。前述のように、この実施例においてバルブ４０４及び４０７は同時に開閉されるため、同一のソレノイドによって制御される。ダイヤフラムバルブを制御するのに用いられるヘリウムガスの圧力は約８０〜１００ＰＳＩＧである。試料ガス源は、流入口ポート４０３においてチャネル４に結合されている。キャリアガス源１６は流入口ポート４０６においてチャネル７及び８に結合され、流入口ポート４０６に流入するキャリアガスのヘッド圧力を安定的に、かつ調整された形で与える。本発明の一実施例におけるポート４０６におけるキャリアガスの圧力は約２０ＰＳＩＧである。ポート４０６と４０５との間のチャネル８、及びポート４０６と注入バルブ４０７のオリフィスとの間のチャネル７は、キャリアガスの流れを制限し、流れを調節する。パージガス源１５（第４図においては示されていない）は、圧力調整器を介して流入口ポート４０２に接続されている。ここで、圧力調整器はパージガスの圧力を安定的に調整するものである。一実施例において、パージガスとしてキャリアガスが用いられ、このキャリアガスは、キャリアガス源１６におけるキャリアガスの圧力よりも約１３ＰＳＩ高い圧力で流入口ポート４０２に流入する。
試料ガスは加圧されて自らの圧力によって、若しくはポート４０１に結合された真空ポンプによって吸引されることによって、ポート４０３からポート４０１に向けて、チャネル４、試料バルブ４０８、チャネル３、注入バルブ４０７の通孔５０７ｂ及び５０８、チャネル２、及びチャネル１を通して流れる。試料チャンバが試料ガスで満たされた後、試料を平衡状態にさせるのに一定時間待機する必要があり、その時間は実施例の１つにおいては１４０ミリ秒（待機時間）である。次に試料チャンバ内の試料ガスが、ポート４０６においてキャリアガスを供給する同じ圧力に調整されたキャリアガス源１６を用いて一定時間（加圧時間）加圧される。実施例の１つにおける加圧時間は約２１０ミリ秒である。加圧処理の後、Ｔ−バルブ４０４及び注入バルブ４０７が開放され、カラムヘッド圧力より約１３ＰＳＩ高い圧力でキャリアガスがオリフィス５０６ａを通過し、チャネル２及びチャネル１に流入して、チャネル２内の試料ガスが開放された注入バルブ４０７及びチャネル５を介して分析カラムに注入される。Ｔ−バルブ４０４のオリフィスから注入バルブ４０７のオリフィスに至る、注入バルブダイヤフラムとシリコンウェハとの間の環状空間を含むチャネル２の総容量は、分析カラムに注入されるべき一定の容量となる。
第４図に示す実施例において、チャネル８は標準キャリアガス流を特定の設計の熱伝導検出器に分配する役目を果たす。（熱伝達検出器は第１Ｂ図及び第２Ｂ図において検出器２１として模式的に示されている。）標準キャリアガス流を必要としない実施例においては、チャネル８及びポート４０５は不要である。
シリコンをミクロ機械加工して形成する本発明の実施例の形状の各寸法は概ね以下の通りである。ウェハ４００は縦１９ｍｍ、横２５ｍｍの大きさであり、厚みは０．３０ｍｍである。バルブシート４０４、４０７、及び４０８の直径は２．５ｍｍである。チャネル１乃至６の幅は、それぞれ１ｍｍ、０．４ｍｍ、０．１ｍｍ、１ｍｍ、０．２ｍｍ、及び０．４ｍｍである。これらの深さは０．０６ｍｍである。チャネルの断面の形状は矩形である。チャネル２の容量は約２マイクロリットルである。注入される一定の量は、チャネル２の容量に直接に関係して決まる。注入される一定の量はチャネル２の長さ、幅若しくは深さを変えることによって変化し得る。チャネル７及び８の断面の形状はＶ字形状であり、その深さは０．０４ｍｍ、上側開口部の幅は０．０８ｍｍである。バルブ４０７と４０８との間の距離及びバルブ４０７と４０４との間の距離は、第４図においてＡ及びＢとして示されており、それぞれ３．５ｍｍ及び１５ｍｍである。チューブの直径は、０．５０ｍｍから０．７０ｍｍであり、肉厚は０．１３ｍｍである。パイレックスプレートの厚みは１．３ｍｍである。デュポン社製カプトン可撓性メンブレンの厚みは０．０７ｍｍである（各層の厚みは、テフロン層０．０１ｍｍ、ポリイミド層０．０５０ｍｍ、テフロン層０．０１ｍｍである）。
前述のように、チャンバ内の試料ガスの温度の再現性を高めることは高精度の分析にとって望ましいことである。その理由は、試料チャンバ内の気体のモル数は温度（絶対温度）に逆比例して変化するからである。
ヒータ２５（第１Ａ図、第１Ｂ図及び第２Ａ図、第２Ｂ図参照）は、試料チャンバ１１内の試料ガスを加熱して、予め定められた温度にする。チャンバ１１内の試料ガスの温度及び圧力を正確で、再現性の高いものとすることによって、正確なモル数の試料ガスが分析カラムに注入され、高精度の分析を行えるようにすることを確実にできるのである。
実施例の１つにおいて、ヒータはインジェクタ構造に一体として組み込まれ、インジェクタ装置の加熱及びサーモスタット制御を行う。実施例の１つにおいて、厚みが７，５００Å、幅が４５ミル、抵抗値が２０Ωの抵抗性金属（ニッケル）トレースが、バルブダイヤフラム材料の上層をなすインジェクタの（パイレックスガラス）プレート５１０の表面上に被着処理によって設けられ、トレースを流れる電流を制御することによってインジェクタの加熱が行えるようにされる。ニッケル製トレースは約５０Åの厚みのクロム層の上に被着される。これとは別に、このトレースと似ているがより細長い形状の抵抗性金属トレース（ニッケル製で約５ミルの幅を有するもの）がヒータトレースに隣接して設けられる。隣接するこのトレースの抵抗値を検出することによって、インジェクタの温度が推定され、従来の方法を用いてその温度を制御することが可能となる。このように、抵抗性金属ヒータトレースは、一定の温度を維持するべく従来の方法で制御される。更に、試料流入口チューブ、インジェクタ装置１０への流入口ポート（図示せず）、及び排出口ポートは、個別の制御された抵抗性ヒータを用いて制御された温度に加熱され得る。
実施例の１つにおいて、流入口チューブは、例えば肉厚の薄い金属チューブであって、それに直接電流を流すことによってそれが抵抗性ヒータとしての機能を果たし加熱されるようなものとされる。実施例の１つにおいて、流入口ポートは、それに巻き付けられた抵抗性ワイヤのコイルによって加熱される。この加熱方法の詳細については、Ａｌａｎ Ｄ． Ｌｏｕｘ、Ｒ． Ｓｊｈｏｎ Ｍｉｎｎｅｒｓ、及びＰａｕｌ Ｈ． Ｊｏｈｎｓｏｎを発明者とする、「加熱ゾーンガスクロマトグラフ（Heated-Zone Gas Chromatograph）」という名称の米国特許出願第０８／ 号の明細書に記載されているので、ここではそれを参照されたい。
本発明の特定の実施例について説明してきたが、これらの実施例は単なる例示であって、本発明がこれに限られるものではないということを理解されたい。上述の実施例を、本発明の精神及び範囲を逸脱することなく変更、変形及び改良することは可能である。また、本発明はガスクロマトグラフィーへの適用に限られるものではなく、他の流れに流体を注入するインジェクタとして用いられるものである限り、別の応用も可能である。例えば、微量の薬剤を静脈の血流に静脈輸液のために注入する場合にも、本発明は適用可能である。本発明の範囲については以下に記載の請求の範囲によって定められる。

Claims (4)

1. 一定量の第１流体を注入するためのインジェクタアセンブリであって、
   内部に第１流体を入れるためのチャンバであって、その一端に前記チャンバと第１流体源（19）とを接続する第１バルブ（18）を有し、定量部分として画定されている一部分（22、23）を有するチャンバ（11）と、
   前記チャンバに前記定量部分の一端で接続されている第２バルブであって、第２流体流れを第２流体源（15）から前記定量部分に流し、前記定量部分にある前記第１流体を注入先通路（24）に押し流すようにする第２バルブ（14）と、
   前記定量部分の一端において、前記第２バルブに接続されている端部とは反対側で前記チャンバに接続されている第３バルブであって、前記定量部分を前記注入先通路に連通せしめる第３バルブ（17）とを有し、
   前記第１バルブとは反対側の前記チャンバの一端が、圧力源（52）に接続されるように適合され、それによって前記第１流体が前記圧力源からの加圧流体により前記チャンバ内に捕捉され、前記第２流体流れが前記注入先通路に流れ込まないインジェクタアセンブリ。
2. 前記第１バルブの反対側の前記チャンバの端部と前記圧力源との間に第４バルブ（53）をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のインジェクタアセンブリ。
3. 前記第２バルブがＴ−バルブであって、その通しチャネルが前記チャンバに接続されてその一部分をなし、その枝分かれチャネルが前記第２流体源に接続されていることを特徴とする請求項１に記載のインジェクタアセンブリ。
4. 前記チャンバの前記定量部分に熱的に接触し、前記チャンバの前記定量部分に捕捉された前記第１流体を予め定められた温度に加熱するヒータ（25）を更に有することを特徴とする請求項１に記載のインジェクタアセンブリ。

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