CN102466652A

CN102466652A - 血液分析微系统

Info

Publication number: CN102466652A
Application number: CN2010105539725A
Authority: CN
Inventors: 黄义佑; 谢佳旭
Original assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Current assignee: Industrial Technology Research Institute ITRI
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2010-11-19
Publication date: 2012-05-23

Abstract

本发明利用微机电系统(MEMS)工艺及封装技术，以制造出具有多种离子感测功能的血液分析微系统。该血液分析微系统具有一集成化微型的参考电极，故芯片尺寸可非常微小化；且具有比平面式离子选择电极(Planar ISE)或离子感测场效应晶体管(ISFET)更大的栅极感测区，可以有效避免不必要的信号干扰、降低封装困难及液体渗漏的机率。因此，该血液分析微系统具有成品轻薄短小、反应速度快、精密度高、成本较低及与IC工艺兼容性高的优点，并且具有长期电位稳定度极高、补偏电位极低、交流阻抗小、动态参考电位稳定、电化学噪声低、电极的再现性高等优秀的电化学特性。

Description

血液分析微系统

技术领域

本发明关于一种血液分析微系统，更加具体的是关于一种含微型氯化银参考电极的血液分析微系统。

背景技术

近年来，随着生物信息分析技术在血液学、生物化学与微生物学等领域的快速发展，已使得重点看护检验分析系统的需求日益增加。利用现有IC或微机电技术将重点看护检验元件微型化具有下列几项优点：较短的反应时间、较少的取样需求、较小的尺寸、较低的功率消耗以及较低的成本。

现有技术中缺乏同时能检测出人体血清中钠、钾、氢、钙与铵等离子浓度的血液分析微系统。这些离子浓度的数据是为提供医疗人员在看护一些重症患者时十分重要的参考信息。然而，现有离子传感器的体积较大，且一种离子传感器仅能检测单一离子的浓度。并且，现有微型离子传感器在实际应用时通常需搭配商用参考电极，而某些现有参考电极的体积大约是微型离子传感器的数百倍大，所以即使将离子传感器微型化，整个系统的尺寸依然无法变小。

因此，有必要提供一种创新且具有进步性的血液分析微系统，以解决上述问题。

发明内容

本发明提供了一种血液分析微系统，包括：一整合芯片、多个离子感测薄膜、一封装芯片及一导电材料。该整合芯片具有一微参考电极、多个延伸式栅极场效应晶体管(EGFET)元件及一线路，每一延伸式栅极场效应晶体管元件具有一源极延伸区、一漏极延伸区及一栅极延伸区，这些栅极延伸区设置于该微参考电极周围且实际上与该微参考电极相隔一相同距离，该线路电性连接这些源极延伸区或这些漏极延伸区。这些离子感测薄膜分别设置于这些栅极延伸区的一表面。该封装芯片结合该整合芯片，该封装芯片具有多个第一贯孔、多个第二贯孔、一第三贯孔、一第四贯孔及一第五贯孔，这些第一贯孔相对于这些离子感测薄膜，这些第二贯孔相对于该线路未电性连接的这些源极延伸区或这些漏极延伸区，该第三贯孔相对于该线路电性连接的这些源极延伸区或这些漏极延伸区的其中的一延伸区，该第四贯孔及该第五贯孔设置于该微参考电极的上方相对位置。该导电材料设置于该第四贯孔中且接触该微参考电极。

本发明的血液分析微系统具有以下优点：(i)其为平面式工艺技术，因此成品轻薄短小、反应速度快、精密度高；(ii)可批量制造，因此成本较低；(iii)与IC工艺兼容性高，应用广泛。

附图说明

图1显示本发明血液分析微系统的局部剖面图；

图2显示本发明血液分析微系统的整合芯片示意图；及

图3显示本发明血液分析微系统的俯视图。

【主要元件符号说明】

1 本发明的血液分析微系统；

11 整合芯片；

12 离子感测薄膜；

13 封装芯片；

14 导电材料；

15 结合材料；

16 导线；

17 封胶材料；

111 微参考电极；

112 延伸式栅极场效应晶体管元件；

113 线路；

131 第一贯孔；

132 第二贯孔；

133 第三贯孔；

134 第四贯孔；

135 第五贯孔；

136 沟槽；

1111 参考电极本体；

1112 导接部；

1121 源极延伸区；

1122 漏极延伸区；

1123 栅极延伸区；

1341 第一空腔；

1342 第二空腔。

具体实施方式

图1显示本发明血液分析微系统的局部剖面图；图2显示本发明血液分析微系统的整合芯片的示意图；图3显示本发明血液分析微系统的俯视图。配合参考图1至图3，本发明的血液分析微系统1包括：一整合芯片11、多个离子感测薄膜12、一封装芯片13及一导电材料14。

该整合芯片11可以为硅芯片或玻璃芯片。该整合芯片11具有一微参考电极111、多个延伸式栅极场效应晶体管(EGFET)元件112及一线路113。每一延伸式栅极场效应晶体管元件112具有一源极延伸区(延伸电极)1121、一漏极延伸区(延伸电极)1122及一栅极延伸区(栅极感测区)1123。这些源极延伸区1121、这些漏极延伸区1122及这些栅极延伸区1123连接这些延伸式栅极场效应晶体管元件112的源极、漏极与栅极。这些栅极延伸区1123设置于该微参考电极111周围且实际上与该微参考电极111相隔一相同距离，该线路113电性连接这些源极延伸区1121或电性连接这些漏极延伸区1122。

在本实施例中，该整合芯片11的布局设计将该参考电极111设置于该整合芯片11的中心位置，五种离子传感器(延伸式栅极场效应晶体管元件112/离子感测薄膜12)以圆形布局方式环绕于其外。该参考电极111至各个延伸式栅极场效应晶体管元件112的栅极延伸区(栅极感测区)1123的距离相等(如图2的圆形虚线所示)。这样，除了可以降低因为该参考电极111与延伸式栅极场效应晶体管元件112的栅极延伸区1123不等距离所造成的误差之外，还可以提高封装的准确率(因为该封装芯片13的空腔可以均匀地分散排列)。

该源极延伸区1121及该漏极延伸区1122作为延伸电极以电性连接延伸式栅极场效应晶体管元件112的源极及漏极，可以形成更大的栅极感测区，如此可以有效避免待测血液过于接近源极及漏极而产生不必要的信号干扰及封装困难，且可以降低待测血液渗漏的机率及电化学噪声的强度。

在本实施例中，该微参考电极111具有一参考电极本体1111及一导接部1112，该导接部1112形成于该参考电极本体1111上。该参考电极本体1111依次包括一钛层、一钯层、一银层及一氯化银层，该氯化银层接触该导接部1112。这些离子感测薄膜12分别设置于这些栅极延伸区1123的一表面。

该离子感测薄膜12为离子选择性薄膜(ISM)。在本实施例中，该离子选择性薄膜为氢离子(H⁺)选择性薄膜、钙离子(Ca²⁺)选择性薄膜、钾离子(K⁺)选择性薄膜、钠离子(Na⁺)选择性薄膜或铵离子(NH₄ ⁺)选择性薄膜。

在本实施例中，该氢离子选择性薄膜为氧化钽(Ta₂O₅)薄膜，该钙离子选择性薄膜、该钾离子选择性薄膜、该钠离子选择性薄膜或该铵离子选择性薄膜的成分包括离子选择性分子(Ionophore)、塑化剂(plasticizer)、离子添加物(additives)、高分子聚合物(polymer)及有机溶剂(organic solvent)。

离子选择性分子为血液检测样本中是否含有判断重症疾病的重要参考离子，其功能为利用材料的结构大小以及带电量的不同，使单一种的离子可以通过薄膜进行反应而改变离子选择性薄膜的电性；高分子聚合物为包埋离子选择性分子，可以使离子选择性薄膜里面带有离子选择性分子；塑化剂的功能则是在调节高分子聚合物的固化程度，若高分子聚合物太软会无法使离子选择性分子留在离子选择性薄膜里，若高分子聚合物太硬则会使想要分析的离子无法在离子选择性薄膜中扩散；适当比例的离子添加物可以进一步加强离子选择性薄膜的带电性，使离子选择性薄膜更容易捕捉到游离的离子；有机溶剂可以使离子选择性分子、塑化剂、离子添加物及高分子聚合物更均匀地混合。

在本实施例中，该钙离子选择性薄膜的离子选择性分子为ETH129(Calcium Ionophore II，Fluka公司生产)、塑化剂为NPOE(Alfa Aesar公司生产)、离子添加物为KTpClPB(Alfa Aesar公司生产)、高分子聚合物为PVC(Fluka公司生产)、有机溶剂为四氢呋喃(THF)(Mallinckrodt公司生产)；该钾离子选择性薄膜的离子选择性分子为valinomycin(Dojindo公司生产)、塑化剂为DOS(Fluka公司生产)、离子添加物为K-TpClPB(Alfa Aesar公司生产)、高分子聚合物为PVC、有机溶剂为四氢呋喃；该钠离子选择性薄膜的离子选择性分子为Sodium ionophore X(Fluka公司生产)、塑化剂为NPOE、离子添加物为K-TpClPB、高分子聚合物为PVC、有机溶剂为四氢呋喃；该铵离子选择性薄膜的离子选择性分子为TD19C6(Dojindo公司生产)、塑化剂为BBPA(Fluka公司生产)、离子添加物为KTCPB(Alfa Aesar公司生产)、高分子聚合物为PVC、有机溶剂为四氢呋喃。

在本实施例中，该钙离子选择性薄膜的离子选择性分子ETH129的重量百分比(wt％)为1.0、塑化剂NPOE的重量百分比为65.6、离子添加物KTpClPB的重量百分比为0.6、高分子聚合物PVC的重量百分比为32.8、有机溶剂四氢呋喃的含量为1.3mL；该钾离子选择性薄膜的离子选择性分子valinomycin的重量百分比为1.1、塑化剂DOS的重量百分比为67.6、离子添加物K-TpClPB的重量百分比为0.6、高分子聚合物PVC的重量百分比为30.7、有机溶剂四氢呋喃的含量为1.2mL；该钠离子选择性薄膜的离子选择性分子Sodium ionophore X的重量百分比为0.7、塑化剂NPOE的重量百分比为66.1、离子添加物K-TpClPB的重量百分比为0.2、高分子聚合物PVC的重量百分比为33.0、有机溶剂四氢呋喃的含量为1.9mL；该铵离子选择性薄膜的离子选择性分子TD19C6的重量百分比为3.0、塑化剂BBPA的重量百分比为67.0、离子添加物KTCPB的含量为0.5mg、高分子聚合物PVC的重量百分比为30.0、有机溶剂四氢呋喃的含量为0.5mL。

该封装芯片13可以为硅芯片或玻璃芯片，该封装芯片13结合该整合芯片11。在本实施例中，该整合芯片11及该封装芯片13利用一结合材料15结合。该结合材料15优选为环氧树脂(epoxy)。该封装芯片13具有多个第一贯孔131、多个第二贯孔132、一第三贯孔133、一第四贯孔134及一第五贯孔135。

这些第一贯孔131相对于这些离子感测薄膜12；这些第二贯孔132相对于该线路113未电性连接的这些源极延伸区1121或这些漏极延伸区1122；该第三贯孔133相对于该线路113电性连接的这些源极延伸区1121或这些漏极延伸区1122的其中之一延伸区；该第四贯孔134及该第五贯孔135设置于该微参考电极111的上方相对位置。

在本实施例中，这些第二贯孔132相对于这些源极延伸区1121，图3中的该第三贯孔133相对于图2上方的漏极延伸区1122。因为该线路113电性连接这些漏极延伸区1122，在该封装芯片13所需形成的贯孔较少，因此封装较为简单、该封装芯片13较不易碎裂且较容易制作，且每一延伸式栅极场效应晶体管元件112只需以导线透过一个第三贯孔133电性连接相应漏极延伸区1122，以及以导线透过每一第二贯孔132电性连接相应源极延伸区1121，即可以进行多种离子的检测。

该第四贯孔134具有一第一空腔1341及一第二空腔1342，该第五贯孔135相对于该导接部1112。在本实施例中，该第二空腔1342大于该第一空腔1341且面对该微参考电极，该第一空腔1341及该第二空腔1342分别由该封装芯片13二侧面向内渐缩而连通。

该导电材料14设置于该第四贯孔134中且接触该微参考电极111。在本实施例中，该导电材料14为氯化钾胶体，该导电材料14设置于该第二空腔1342，该第一空腔1341显露部分该导电材料14。

优选地，该封装芯片13的表面还包括多个沟槽136。这些沟槽136连接该第四贯孔134(位于该导电材料14的上方相对位置)及这些第一贯孔131(位于这些离子感测薄膜12的上方相对位置)。当待检测血液滴在该第四贯孔134中，这些沟槽136可以将待检测血液导引至各第一贯孔131(感测区)内，如此可以使所需的待检测血液较少，且可以使待检测血液更顺利流至各第一贯孔131(感测区)内。

当这些离子感测薄膜12接触待检测血液时，这些离子感测薄膜12感测待检测血液对这些离子感测薄膜12表面产生的接口电位，借此感测待检测血液中的离子浓度。

本实施例中，该血液分析微系统1还包括一导线16，及一包覆该导线16的封胶材料17。该导线16的一端电性连接该微参考电极111，该导线16的另一端可以用于连接至一外部电路。在本实施例中，该导线16电性连接该微参考电极111的该导接部1112。该封胶材料17设置于该第五贯孔135，以包覆且固定及保护该导线16。其中，该封胶材料16可以为紫外线(UV)凝胶。

本发明利用微机电系统(MEMS)工艺及封装技术，以制造出具有多种离子(H⁺、Ca²⁺、K⁺、Na⁺及NH₄ ⁺)感测薄膜的血液分析微系统1，以感测血液中的H⁺、Ca²⁺、K⁺、Na⁺及NH₄ ⁺离子；并且，本发明的血液分析微系统1具有一集成化微型固态参考电极(该微参考电极111)，因此芯片尺寸(chipsize)可以非常微小化，约为现有离子传感器尺寸的数百分之一。因此，本发明的血液分析微系统1具有以下优点：(i)其为平面式工艺技术，因此成品轻薄短小、反应速度快、精密度高；(ii)可以批量制造，因此成本较低；(iii)与IC工艺兼容性高，应用广泛。

再者，本发明的血液分析微系统1具有优秀的电化学特性：(i)长期电位稳定度极高：三万秒下所量得电极电位的漂移量低(～5mV)；(ii)补偏电位极低(-7mV)；(iii)交流阻抗很小(1.5KΩ)；(iv)相位移极低(8.98°)；(v)经循环伏安法证明该微参考电极为可逆非极化电极，并可以提供稳定动态参考电位；(vi)电化学噪声低；(vii)电极的再现性很高(±3.1mV)。

上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。因此，本领域的技术人员对上述实施例进行修改及变化仍然不脱离本发明的精神。本发明的权利范围应如前述的权利要求所列为准。

Claims

1.一种血液分析微系统，其特征在于，包括：

一整合芯片，具有一微参考电极、多个延伸式栅极场效应晶体管元件及一线路，每一延伸式栅极场效应晶体管元件具有一源极延伸区、一漏极延伸区及一栅极延伸区，这些栅极延伸区设置于该微参考电极周围且实际上与该微参考电极相隔一相同距离，该线路电性连接这些源极延伸区或这些漏极延伸区；

多个离子感测薄膜，分别设置于这些栅极延伸区的一表面；

一封装芯片，结合该整合芯片，该封装芯片具有多个第一贯孔、多个第二贯孔、一第三贯孔、一第四贯孔及一第五贯孔，这些第一贯孔相对于这些离子感测薄膜，这些第二贯孔相对于该线路未电性连接的这些源极延伸区或这些漏极延伸区，该第三贯孔相对于该线路电性连接的这些源极延伸区或这些漏极延伸区的其中之一延伸区，该第四贯孔及该第五贯孔设置于该微参考电极的上方相对位置；及

一导电材料，设置于该第四贯孔中且接触该微参考电极。

2.根据权利要求1的血液分析微系统，其特征在于，该微参考电极具有一参考电极本体及一导接部，该导接部形成于该参考电极本体上，该导接部相对于该第五贯孔。

3.根据权利要求2的血液分析微系统，其特征在于，该参考电极本体依次包括一钛层、一钯层、一银层及一氯化银层，该氯化银层接触该导接部。

4.根据权利要求1的血液分析微系统，其特征在于，该导电材料为氯化钾胶体。

5.根据权利要求1的血液分析微系统，其特征在于，该第四贯孔具有一第一空腔及一第二空腔，该第二空腔面对该微参考电极，该第一空腔及该第二空腔分别由该封装芯片二侧面向内渐缩而连通。

6.根据权利要求5的血液分析微系统，其特征在于，该导电材料设置于该第二空腔，该第一空腔显露部分该导电材料。

7.根据权利要求1的血液分析微系统，其特征在于，还包括一导线，电性连接该微参考电极。

8.根据权利要求7的血液分析微系统，还包括一封胶材料，设置于该第五贯孔，该封胶材料包覆且固定该导线。

9.根据权利要求1的血液分析微系统，其特征在于，该离子感测薄膜为离子选择性薄膜。

10.根据权利要求9的血液分析微系统，其特征在于，该离子选择性薄膜为氢离子选择性薄膜、钙离子选择性薄膜、钾离子选择性薄膜、钠离子选择性薄膜或铵离子选择性薄膜。

11.根据权利要求10的血液分析微系统，其特征在于，该氢离子选择性薄膜为氧化钽薄膜，该钙离子选择性薄膜、该钾离子选择性薄膜、该钠离子选择性薄膜或该铵离子选择性薄膜的成分包括离子选择性分子、塑化剂、离子添加物、高分子聚合物及有机溶剂。

12.根据权利要求11的血液分析微系统，其特征在于，该钙离子选择性薄膜的离子选择性分子为ETH129、塑化剂为NPOE、离子添加物为KTpClPB、高分子聚合物为PVC、有机溶剂为四氢呋喃；该钾离子选择性薄膜的离子选择性分子为valinomycin、塑化剂为DOS、离子添加物为K-TpClPB、高分子聚合物为PVC、有机溶剂为四氢呋喃；该钠离子选择性薄膜的离子选择性分子为Sodium ionophore X、塑化剂为NPOE、离子添加物为K-TpClPB、高分子聚合物为PVC、有机溶剂为四氢呋喃；该铵离子选择性薄膜的离子选择性分子为TD19C6、塑化剂为BBPA、离子添加物为KTCPB、高分子聚合物为PVC、有机溶剂为四氢呋喃。

13.根据权利要求12的血液分析微系统，其特征在于，该钙离子选择性薄膜的离子选择性分子ETH129的重量百分比为1.0、塑化剂NPOE的重量百分比为65.6、离子添加物KTpClPB的重量百分比为0.6、高分子聚合物PVC的重量百分比为32.8、有机溶剂四氢呋喃的含量为1.3mL；该钾离子选择性薄膜的离子选择性分子valinomycin的重量百分比为1.1、塑化剂DOS的重量百分比为67.6、离子添加物K-TpClPB的重量百分比为0.6、高分子聚合物PVC的重量百分比为30.7、有机溶剂四氢呋喃的含量为1.2mL；该钠离子选择性薄膜的离子选择性分子Sodium ionophore X的重量百分比为0.7、塑化剂NPOE的重量百分比为66.1、离子添加物K-TpClPB的重量百分比为0.2、高分子聚合物PVC的重量百分比为33.0、有机溶剂四氢呋喃的含量为1.9mL；该铵离子选择性薄膜的离子选择性分子TD19C6的重量百分比为3.0、塑化剂BBPA的重量百分比为67.0、离子添加物KTCPB的含量为0.5mg、高分子聚合物PVC的重量百分比为30.0、有机溶剂四氢呋喃的含量为0.5mL。