ES2278508B1 - SILICON CARBIDE SENSOR SYSTEM (SIC) SEMI-INSULATING, PROCESSING PROCEDURE AND ITS APPLICATIONS. - Google Patents

SILICON CARBIDE SENSOR SYSTEM (SIC) SEMI-INSULATING, PROCESSING PROCEDURE AND ITS APPLICATIONS. Download PDF

Info

Publication number
ES2278508B1
ES2278508B1 ES200501736A ES200501736A ES2278508B1 ES 2278508 B1 ES2278508 B1 ES 2278508B1 ES 200501736 A ES200501736 A ES 200501736A ES 200501736 A ES200501736 A ES 200501736A ES 2278508 B1 ES2278508 B1 ES 2278508B1
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
semi
layer
sic
microsystem
insulating
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
ES200501736A
Other languages
Spanish (es)
Other versions
ES2278508A1 (en
Inventor
Jose Millan Gomez
Philippe Godignon
Jordi Aguilo Llobet
Ivan Erill Sagales
Rodrigo Gomez Martinez
Rosa Villa Sanz
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Original Assignee
Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC filed Critical Consejo Superior de Investigaciones Cientificas CSIC
Priority to ES200501736A priority Critical patent/ES2278508B1/en
Priority to PCT/ES2006/070104 priority patent/WO2007010076A1/en
Publication of ES2278508A1 publication Critical patent/ES2278508A1/en
Application granted granted Critical
Publication of ES2278508B1 publication Critical patent/ES2278508B1/en
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/68Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient
    • A61B5/6846Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive
    • A61B5/6847Arrangements of detecting, measuring or recording means, e.g. sensors, in relation to patient specially adapted to be brought in contact with an internal body part, i.e. invasive mounted on an invasive device
    • A61B5/685Microneedles
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/14542Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue for measuring blood gases
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/1468Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using chemical or electrochemical methods, e.g. by polarographic means
    • A61B5/1473Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using chemical or electrochemical methods, e.g. by polarographic means invasive, e.g. introduced into the body by a catheter
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/483Physical analysis of biological material
    • G01N33/487Physical analysis of biological material of liquid biological material
    • G01N33/48707Physical analysis of biological material of liquid biological material by electrical means
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61BDIAGNOSIS; SURGERY; IDENTIFICATION
    • A61B5/00Measuring for diagnostic purposes; Identification of persons
    • A61B5/145Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue
    • A61B5/1468Measuring characteristics of blood in vivo, e.g. gas concentration, pH value; Measuring characteristics of body fluids or tissues, e.g. interstitial fluid, cerebral tissue using chemical or electrochemical methods, e.g. by polarographic means

Abstract

Sistema sensor en carburo de silicio (SIC) semiaislante, procedimiento de elaboración y sus aplicaciones. La presente invención se refiere a dispositivos realizados con tecnologías microelectrónicas sobre un sustrato de carburo de Si semi-aislante para la monitorización del comportamiento biológico de órganos, tejidos, células o moléculas orgánicas. Igualmente se refiere a su proceso de fabricación.Semi-insulating silicon carbide (SIC) sensor system, manufacturing process and its applications. The present invention relates to devices made with microelectronic technologies on a semi-insulating Si carbide substrate for monitoring the biological behavior of organic organs, tissues, cells or molecules. It also refers to its manufacturing process.

Description

Sistema sensor en carburo de silicio (SiC) semiaislante, procedimiento de elaboración y sus aplicaciones.Sensor system in silicon carbide (SiC) semi-insulating, processing procedure and its applications.

Sector de la técnicaTechnical sector

Esta invención se encuadra en el sector de tecnologías de semiconductores en lo que al material y proceso de fabricación se refiere y en el sector biomédico en cuanto a la aplicación.This invention falls within the sector of semiconductor technologies in terms of material and process manufacturing refers to and in the biomedical sector as far as the application.

El objetivo de la presente invención es la utilización del SiC Semiaislante como sustrato de cualquier microsistema o microdispositivo para aplicaciones biomédicas de monitorización y registro y que resuelva al menos en parte los inconvenientes y limitaciones de los sistemas realizados sobre otros sustratos semiconductores para aplicaciones biomédicas.The objective of the present invention is the use of Semi-insulating SiC as a substrate of any microsystem or microdevice for biomedical applications of monitoring and recording and that at least partially resolves inconveniences and limitations of the systems realized on other semiconductor substrates for biomedical applications.

Estado de la técnicaState of the art

La presente invención hace relación a sistemas de registro y monitorización de señales biológicas originadas en entes vivos, ya sean células o cultivos celulares, tejidos, órganos u organismos enteros. En particular, la presente invención hace referencia al uso de nuevos materiales en los dispositivos físicos para la captación simultánea y/o multifrecuencial de diferentes señales biológicas.The present invention relates to systems of recording and monitoring of biological signals originating in living entities, whether cells or cell cultures, tissues, organs or whole organisms. In particular, the present invention makes reference to the use of new materials in physical devices for simultaneous and / or multi-frequency uptake of different biological signals

El registro de señales biológicas es una actividad de suma importancia en el desarrollo de dispositivos médicos y para la exploración de los seres vivos. Existen multitud de técnicas y métodos para el registro de señales biológicas. Estos difieren entre sí principalmente en función de (1) la naturaleza de la señal biológica a registrar, (2) el principio de aplicación para la captación de la señal, (3) el periodo de registro y (4) el sistema de aplicación del dispositivo sobre la entidad biológica.The biological signal register is a extremely important activity in device development doctors and for the exploration of living things. There are many of techniques and methods for recording biological signals. These differ from each other primarily based on (1) the nature of the biological signal to be recorded, (2) the principle of application for signal pickup, (3) the registration period and (4) the device application system on the entity biological

En los últimos años, y gracias a los avances realizados en tecnologías de microelectrónica y microsistemas, se han desarrollado microsistemas capaces de monitorizar diferentes parámetros fisicoquímicos en una única plataforma y de forma simultanea. Utilizando múltiples microsensores dispuestos sobre un mismo sustrato, este tipo de dispositivos permiten medir diversos parámetros fisiológicos (e.g. temperatura, impedancia eléctrica, pH y [K+]) de un cultivo celular o de un órgano de forma simultanea, mínimamente invasiva y espacialmente localizada, facilitando la extracción de correlaciones útiles para el diagnóstico y la prognosis entre los parámetros monitorizados [1] [2] [3].In recent years, and thanks to the advances made in microelectronics and microsystems technologies, it they have developed microsystems capable of monitoring different physicochemical parameters on a single platform and in a way simultaneous. Using multiple microsensors arranged on a same substrate, these types of devices allow measuring various physiological parameters (e.g. temperature, electrical impedance, pH and [K +]) of a cell culture or an organ simultaneously, minimally invasive and spatially located, facilitating the extraction of correlations useful for diagnosis and prognosis between the monitored parameters [1] [2] [3].

A pesar de sus enormes ventajas, un problema común en estos dispositivos reside en su herencia tecnológica. El Si cristalino ultrapuro es el material por antonomasia en microelectrónica y, por ende, también en el desarrollo de microsistemas. A pesar de sus numerosas ventajas, como la posibilidad de incorporar circuitería microelectrónica y fotoelectrónica e incluso nanotecnologías, el Si presenta también fuertes desventajas. Su opacidad a las radiaciones ultravioleta y visible, por ejemplo, dificulta la inspección óptica y su acoplamiento con sistemas de detección por fluorescencia en aplicaciones como los cultivos celulares. Por otra parte, su relativa fragilidad dificulta enormemente su manejo en aplicaciones clínicas y supone un riesgo en su introducción e/o implante en seres vivos. Finalmente, la resistividad del sustrato de Si distorsiona el registro eléctrico a ciertas frecuencias, ya que las corrientes aplicadas para el registro fugan parcialmente a través del sustrato. Este fenómeno disminuye también la efectividad de técnicas necesarias en la creación de electrodos de registro, como la platinización por electromigración, e impide su uso como dispositivo en otras técnicas analíticas de interés que requieren voltajes significativos, como la electroforesis.Despite its enormous advantages, a problem common in these devices lies in their technological heritage. He If ultrapure crystalline is the material par excellence in microelectronics and, therefore, also in the development of microsystems Despite its numerous advantages, such as possibility of incorporating microelectronic circuitry and Photoelectronics and even nanotechnologies, the Si also presents strong disadvantages Its opacity to ultraviolet radiation and visible, for example, hinders optical inspection and its coupling with fluorescence detection systems in applications such as cell cultures. Moreover, your relative fragility greatly hinders its handling in applications clinical and involves a risk in its introduction and / or implant in living beings. Finally, the resistivity of the Si substrate distorts the electrical register at certain frequencies, since the currents applied for registration partially escape through of the substrate. This phenomenon also decreases the effectiveness of techniques necessary in the creation of recording electrodes, such as electromigration platinization, and prevents its use as device in other analytical techniques of interest that require significant voltages, such as electrophoresis.

Actualmente existen alternativas frente al Si para solventar estos problemas. Diferentes materiales, como el vidrio o varios tipos de polímeros plásticos y siliconas como el PMMA, el PMMS o las polymidas, y combinaciones entre ellos han sido utilizados como sustratos para, por ejemplo, la creación de microsistemas de electroforesis, la fabricación de dispositivos para cultivo celular o para monitorización local de diversos parámetros en tejido vivo. Estos sustratos requieren de diversas técnicas para su fabricación, como el proceso fotolitográfico de gravado húmedo en vidrio, técnicas de hot-embossing y moldeado en polímeros, etc. Aun así, y pese a su demostrada funcionalidad, estos dispositivos no resuelven algunos de los problemas del Si e incluso introducen algunos propios. Ni el vidrio ni los polímeros permiten crear todo el abanico de estructuras tridimensionales disponible en tecnologías de Si. Además, ninguno de estos dos tipos de sustrato permite la integración de circuitería microelectrónica, fotoelectrónica o de nanotecnologías. Muchos polímeros son fuertemente opacos a longitudes de ondas visibles y ultravioletas, y el vidrio es notablemente opaco a estas últimas. La mayoría de polímeros, además, no permiten la deposición de metales para electrodos ni su platinización mediante técnicas estándar, disminuyendo la fiabilidad de los mismos. El aumento en resistencia mecánica no es excesivamente significativo en vidrio, y se consigue a cambio de una alta flexibilidad en la mayoría de polímeros, haciéndolos poco indicados para su penetración en tejidos vivos.There are currently alternatives to Si To solve these problems. Different materials, such as glass or various types of plastic polymers and silicones such as PMMA, PMMS or polymides, and combinations between them have been used as substrates for, for example, the creation of electrophoresis microsystems, manufacturing devices for cell culture or for local monitoring of various parameters in living tissue. These substrates require various techniques to its manufacturing, as the photolithographic process of wet engraving in glass, hot-embossing and molded techniques in polymers, etc. Even so, and despite its proven functionality, These devices do not solve some of the problems of Si e They even introduce some of their own. Neither glass nor polymers allow to create the whole range of three-dimensional structures available in Si technologies. In addition, neither of these two types of substrate allows the integration of microelectronic circuitry, Photoelectronics or nanotechnologies. Many polymers are strongly opaque at visible and ultraviolet wavelengths, and the glass is remarkably opaque to the latter. Most of polymers also do not allow the deposition of metals to electrodes or their platinization using standard techniques, decreasing their reliability. The increase in resistance mechanics is not excessively significant in glass, and it is achieved in exchange for high flexibility in most polymers, making them poorly indicated for tissue penetration alive

El SiC es un material semiconductor con una larga historia como material abrasivo en la industria. Sin embargo, no ha sido hasta la última década del siglo XX cuando, gracias al desarrollo de nuevos procesos de obtención de SiC ultra puro (calidad microelectrónica), este material ha alcanzado una notable relevancia en el área de la microelectrónica como nuevo sustrato para la creación de dispositivos de alta potencia, alta frecuencia y alta temperatura. El SiC posee numerosas propiedades que lo hacen indicado para este tipo de aplicaciones: gran anchura de gap electrónico, alta conductividad térmica, alta tensión de ruptura, alta velocidad de saturación de los portadores de carga, alta estabilidad térmica, bajo coeficiente de expansión térmica, baja densidad y elevada inactividad y resistividad química [4].SiC is a semiconductor material with a Long history as an abrasive material in the industry. But nevertheless, it has not been until the last decade of the twentieth century when, thanks to development of new processes to obtain ultra pure SiC (microelectronic quality), this material has reached a remarkable relevance in the area of microelectronics as a new substrate for creating high power devices, high frequency and high temperature The SiC has numerous properties that make it indicated for this type of applications: wide gap width electronic, high thermal conductivity, high breaking voltage, high saturation rate of load carriers, high thermal stability, low coefficient of thermal expansion, low density and high inactivity and chemical resistivity [4].

Estas características del SiC como sustrato en microtecnologías ha hecho que se utilizara mucho en el área de aplicaciones aeroespaciales y de la industria automovilística por ejemplo [5].These characteristics of SiC as a substrate in microtechnologies has made it widely used in the area of aerospace and automotive industry applications by example [5].

Aparte de estas características, como material semiconductor, el SiC posee también otras características que lo hacen idóneo para su uso en el ámbito biomédico.Apart from these characteristics, as material semiconductor, the SiC also has other characteristics that They are suitable for use in the biomedical field.

Tanto el sustrato de Si como el SiC son considerados materiales tan biocompatibles como el titanio y por tanto ideales para sistemas implantables, por ejemplo. Pero además el SiC tiene ventajas sobre el Si en cuanto presenta una menor adhesión de proteínas y menor agregación de plaquetas, cuando se pone en contacto con la sangre) [6].Both the Si substrate and the SiC are considered as biocompatible materials as titanium and for both ideal for implantable systems, for example. But also the SiC has advantages over the Si as soon as it has a lower protein adhesion and lower platelet aggregation, when puts in contact with blood) [6].

Debido a que además es muy inerte químicamente y muy resistente en condiciones extremas mecánicas y de medio ambiente se ha comenzado mucho a utilizar para recubrimientos de superficies para prótesis articulares implantables y últimamente como recubrimiento para stents y otras prótesis intravasculares por su buena hemocompatibilidad (menor adhesión de proteínas y menor agregación de plaquetas).Because it is also very chemically inert and very resistant in extreme mechanical and environmental conditions, much has begun to be used for surface coatings for implantable joint prostheses and lately as a coating for stents and other intravascular prostheses due to its good hemocompatibility (lower adhesion of proteins and lower platelet aggregation).

Un estudio reciente concluye que SiC posee propiedades superiores mecánicas y tribiológicas (dureza, resistencia a la fricción y al uso prolongado) que lo hacen un material idóneo para uso en ortopedia respecto a otros materiales habitualmente mas utilizados para estas aplicaciones como son las aleaciones de cromo-cobalto y molibdeno (CoCrMo) o la de titanio-6 aluminio-4 vanadio Ti-6A1-4V e incluso la de acero inoxidable 316L (SS 316L) [7].A recent study concludes that SiC has superior mechanical and tribological properties (hardness, resistance to friction and prolonged use) that make it a material suitable for orthopedic use with respect to other materials most commonly used for these applications such as chrome-cobalt and molybdenum alloys (CoCrMo) or the titanium-6 aluminum-4 vanadium Ti-6A1-4V and even steel 316L stainless (SS 316L) [7].

En el campo biomédico y ya con tecnologías microelectrónicas se han creado estructuras nanoporosas de SiC que permiten sus utilización como material semi-permeable para la creación de membranas que puedan actuar como interfase in vivo en aplicaciones biomédicas. Por ello, puede utilizarse, por ejemplo, para su utilización en implante artificial de páncreas, de riñón o para dispensador implantable oral de medicamentos [8].In the biomedical field and with microelectronic technologies, SiC nanoporous structures have been created that allow its use as a semi-permeable material for the creation of membranes that can act as an interface in vivo in biomedical applications. Therefore, it can be used, for example, for use in an artificial implant of the pancreas, kidney or for an oral implantable drug dispenser [8].

El SiC semiaislante presenta otras características, además de las anteriormente mencionadas (biocompatibilidad y resistencia), que pueden ser de gran utilidad en el campo biomédico. Características como que presenta una resistividad intrínseca notablemente elevada, si bien puede ser dopado para llegar a niveles de semiconducción propios del Si y aunque presenta una multitud de politipos con diferentes características superficiales (e.g., polar, no-polar), es manipulable a escalas nanométricas, y permite la integración de componentes activos de mayor resistencia y rango de aplicación que el propio Si. Otra característica es que el SiC semiaislante es transparente en el rango visible e infrarrojo.The semi-insulating SiC has other features, in addition to those mentioned above (biocompatibility and resistance), which can be very useful in the biomedical field. Features like presenting a remarkably high intrinsic resistivity, although it may be doped to reach semiconduction levels typical of Si and although it presents a multitude of polytypes with different surface characteristics (e.g., polar, non-polar), is manipulable at nanometric scales, and allows the integration of active components of greater resistance and range of application that Si itself. Another feature is that the semi-insulating SiC is transparent in the visible range and infrared.

Todas estas características pueden ser muy útiles en según que microdispositivos biomédicos. No se ha encontrado ninguna referencia de su utilización como sustrato para dispositivos para aplicaciones biomédicas y en concreto para la monitorización de señales biológicas. Su utilización puede mejorar las prestaciones que actualmente presentan los dispositivos realizados en sustrato de Si para aplicaciones biomédicas de monitorización y registro.All these features can be very useful in what biomedical microdevices. Has not been found no reference of its use as a substrate for devices for biomedical applications and specifically for biological signal monitoring. Its use can improve the features currently presented by the devices made in Si substrate for biomedical applications of monitoring and recording

Referencias References

[1] Minimally invasive silicon probe for electrical impedance measurements in small animals. Ivorra A, Gomez R, Noguera N, Villa R, Sola A, Palacios L, Hotter G, Aguilo J, Biosensors and Bioelectronics, Volume 19, Issue 4, 15 December 2003, Pages 391-399.[1] Minimally invasive silicon probe for electrical impedance measurements in small animals. Ivorra A, Gomez R, Noguera N, Villa R, Sola A, Palacios L, Hotter G, Aguilo J, Biosensors and Bioelectronics, Volume 19, Issue 4, 15 December 2003 , Pages 391-399 .

[2] New technology for multi-sensor silicon needle for biomedical application. A. Errachid, A. Ivorra, J. Aguió, R. Villa, J. Millán, J. Bausells, N. Zine. Sensors and Actuators B: Chemical, 78 (1-3) (2001) pp. 279-284.[2] New technology for multi-sensor silicon needle for biomedical application. A. Errachid , A. Ivorra , J. Aguió , R. Villa , J. Millán , J. Bausells , N. Zine . Sensors and Actuators B: Chemical, 78 (1-3) ( 2001 ) pp. 279-284 .

[3] Patente ES 2 154 241 A1. Microsistema multisensor basado en Si. Solicitante: CSIC.[3] Patent ES 2 154 241 A1. Multisensor microsystem based on Si. Applicant: CSIC .

[4] Silicon carbide electronic devices. Encyclopedia of Materials: Science and Technology. ISBN: 0-08-0431526. pp 8508-8519.[4] Silicon carbide electronic devices. Encyclopedia of Materials: Science and Technology. ISBN: 0-08-0431526. pp 8508-8519 .

[5] Silicon carbide: Recent major advances. Choyke WJ, Matsunami H, Pensl G. Berlin: Springer Verlag, 2003 .[5] Silicon carbide: Recent major advances. Choyke WJ, Matsunami H, Pensl G. Berlin: Springer Verlag, 2003 .

[6] Evaluation of MEMS materials of construction for implantable medical devices. Kotzar, G., Freas, M., Abel, P., Fleischman, A., Roy, A., Zorman, C., Moran, J.M., and J. Melzak (2002) Biomaterials 23:2737-2750.[6] Evaluation of MEMS materials of construction for implantable medical devices. Kotzar , G., Freas , M., Abel , P., Fleischman , A., Roy , A., Zorman , C., Moran , JM, and J. Melzak ( 2002 ) Biomaterials 23: 2737-2750.

[7] Micro/nanoscale mechanical and tribological characterization of SiC for orthopedic applications. Xiaodong Li, Xinnan Wang, Robert Bondokov, Julie Morris, Yuehuei H. An, Tangali S. Sudarshan. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 2004, Volume 72B, Issue 2, Pages 353 - 361.[7] Micro / nanoscale mechanical and tribological characterization of SiC for orthopedic applications. Xiaodong Li , Xinnan Wang , Robert Bondokov , Julie Morris , Yuehuei H. An , Tangali S. Sudarshan . Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 2004 , Volume 72B, Issue 2, Pages 353-361 .

[8] Nanoporous SiC: A Candidate Semi-Permeable Material for Biomedical Applications. A.J. Rosenbloom; D.M. Sipe; Y. Shishkin; Y. Ke; R.P. Devaty; W.J. Choyke. Biomedical Microdevices, December 2004, vol. 6, no. 4, pp. 261-267(7).[8] Nanoporous SiC: A Semi-Permeable Candidate Material for Biomedical Applications. AJ Rosenbloom ; DM Sipe ; Y. Shishkin ; Y. Ke ; RP Devaty ; WJ Choyke . Biomedical Microdevices, December 2004 , vol. 6, no. 4, pp. 261-267 (7) .

       \newpage\ newpage
    
Descripción de la invenciónDescription of the invention

La presente invención se refiere a la fabricación y uso de dispositivos realizados con tecnologías microelectrónicas sobre un sustrato de SiC semi-aislante para la monitorización del comportamiento biológico de órganos, tejidos, células o moléculas orgánicas. Lo novedoso de esta invención es que mediante tecnologías de microelectrónicas y la utilización del SiC semiaislante como sustrato se han obtenido microsistemas tipo sensores para dispositivos médicos que ofrecen mejores prestaciones respecto a otros sustratos actualmente utilizados como Si, SiC no semiais-
lante etc.
The present invention relates to the manufacture and use of devices made with microelectronic technologies on a semi-insulating SiC substrate for monitoring the biological behavior of organic organs, tissues, cells or molecules. The novelty of this invention is that by means of microelectronic technologies and the use of semi-insulating SiC as a substrate, sensor microsystems have been obtained for medical devices that offer better performance compared to other substrates currently used as Si, SiC not semi-isolated.
lante etc.

En particular, las ventajas que ofrece el SiC semiaislante, como nuevo material biocompatible para uso en dispositivos para monitorización del comportamiento biológico de órganos, tejidos, células o moléculas orgánicas, son las siguientes:In particular, the advantages offered by SiC semi-insulating, as a new biocompatible material for use in devices for monitoring the biological behavior of organs, tissues, cells or organic molecules, are the following:

\bullet Transparencia a longitudes de onda visibles e infrarrojos.Transparency at wavelengths visible and infrared.

\bullet Alta resistencia mecánica respecto al Si.High mechanical resistance with respect to Yes.

\bullet Alta resistividad que hace que mejore significativamente el registro eléctrico multifrecuencial y permitiendo además una deposición mejorada de metales para electrodos, es decir se optimiza el proceso de platinización. Además el mayor campo eléctrico critico permite una aplicación de voltajes mas elevados.High resistivity that improves significantly the multifrequency electrical register and also allowing an improved deposition of metals to electrodes, that is, the platinization process is optimized. In addition the largest critical electric field allows an application of higher voltages.

\bullet Mayor biocompatibilidad que la que proporciona el Si.Greater biocompatibility than what provide the Yes.

\bullet Permite procesado usando tecnologías de microsistemas adaptadas y entornos de fabricación propios del Si.It allows processing using technologies of adapted microsystems and manufacturing environments of the Yes.

\bullet Permite la integración de tecnología microelectrónica con fotoelectrónica a la vez.It allows the integration of technology microelectronics with photoelectronics at the same time.

\bullet Permite la integración de nanotecnologías como nanotubos de carbono.It allows the integration of nanotechnologies such as carbon nanotubes.

Así, un objeto de la invención lo constituye un microsistema útil como sensor de señales biológicas, en adelante microdispositivo de la invención, que comprende SiC semiaislante como sustrato para aplicaciones biomédicas de monitorización de órganos, tejidos, células o moléculas orgánicas.Thus, an object of the invention constitutes a microsystem useful as a biological signal sensor, hereinafter micro device of the invention, comprising semi-insulating SiC as a substrate for biomedical applications for monitoring organic organs, tissues, cells or molecules.

Además, el microsistema de la invención puede incluir otros elementos necesarios, definidos y conocidos por un técnico medio del sector de la técnica, para la aplicación final del microdispositivo como sensor como son uno o más electrodos u otro tipo de sensores, realizados con tecnologías microelectrónicas, para la monitorización de parámetros físicos, químicos, ópticos, eléctricos y biológicos en diferentes rangos y frecuencias.In addition, the microsystem of the invention can include other necessary elements, defined and known by a technical technician from the technical sector, for the final application of the microdevice as a sensor such as one or more electrodes or other type of sensors, made with technologies microelectronics, for monitoring physical parameters, chemical, optical, electrical and biological in different ranges and frequencies

De igual forma, el microsistema puede incluir un dispositivo y/ o procesos nanotecnológicos para la monitorización de parámetros físicos, químicos, eléctricos y biológicos; o un sistema de alimentación por batería integrada o externa, conexión a red u onda portadora de radiofrecuencia; o circuitería integrada en el mismo sustrato para adquisición, tratamiento, amplificación, proceso, multiplexado o envío telemétrico de las señales captadas.Similarly, the microsystem may include a device and / or nanotechnological processes for monitoring physical, chemical, electrical and biological parameters; or an integrated or external battery power system, network connection or radio frequency carrier wave; or integrated circuitry in the same substrate for acquisition, treatment, amplification, process, multiplexing or telemetry sending of the captured signals.

Por otro lado, en función de la aplicación concreta y de las necesidades técnicas el microdispositivo de la invención puede presentar diferentes formas, dimensiones y mecanismos de proceso y encapsulado en función de las aplicaciones finales. Una realización concreta es un microdispositivo en forma de microaguja (ver ejemplo 1).On the other hand, depending on the application concrete and technical needs the microdevice of the invention can present different shapes, dimensions and process and encapsulated mechanisms depending on the applications late. A specific embodiment is a microdevice in form microneedle (see example 1).

Otro objeto de la presente invención es un procedimiento de fabricación del microsistema de la invención caracterizado por las siguientes etapas:Another object of the present invention is a manufacturing process of the microsystem of the invention characterized by the following stages:

1. Limpieza del substrato de SiC semiaislante con disolventes y ácidos adecuados,1. Semi-insulating SiC substrate cleaning with suitable solvents and acids,

2. Depósito de una capa dieléctrica: esta capa puede estar compuesta de uno o varios materiales dieléctricos apilados; como óxido de silicio, nitruro de silicio, nitruro de aluminio, alúmina, dieléctricos de alto K, etc.,2. Deposit of a dielectric layer: this layer it can be composed of one or several dielectric materials stacked; such as silicon oxide, silicon nitride, nitride aluminum, alumina, high K dielectrics, etc.,

3. Depósito de una capa metálica para la formación de los electrodos: esta capa puede ser compuesta de uno o varios metales apilados como Titanio, Platino, Oro o Cobalto,3. Deposit of a metallic layer for electrode formation: this layer can be composed of one or various stacked metals such as Titanium, Platinum, Gold or Cobalt,

4. Grabado de la capa metálica,4. Engraving of the metal layer,

5. Depósito de la capa de pasivación: esta capa puede estar compuesta de uno o varios materiales dieléctricos apilados, como óxido de silicio, nitruro de silicio, nitruro de aluminio, alúmina, dieléctricos de alto K, etc.,5. Deposit of the passivation layer: this layer it can be composed of one or several dielectric materials stacked, such as silicon oxide, silicon nitride, nitride aluminum, alumina, high K dielectrics, etc.,

6. Apertura de contactos en la capa de pasivación, y6. Opening contacts in the layer passivation, and

7. Separación de los componentes mediante el serrado del substrato procesado.7. Separation of the components by sawn of the processed substrate.

       \newpage\ newpage
    

Dado el carácter intrínseco del substrato de SiC semiaislante, se puede obviar la etapa de depósito de una capa dieléctrica en el proceso de fabricación, a diferencia de otros substratos semiconductores como el Silicio. El espesor de esta capa puede variar entre 0 (en el caso de ausencia de capa dieléctrica) y 3 micrómetros.Given the intrinsic nature of the SiC substrate semi-insulating, the layer deposition stage can be ignored dielectric in the manufacturing process, unlike others semiconductor substrates such as Silicon. The thickness of this layer it can vary between 0 (in the case of absence of dielectric layer) and 3 micrometers

La definición de los motivos de los electrodos y sus pistas de interconexión se realiza mediante un proceso fotolitográfico con resina fotosensible o usando una máscara metálica. En el caso de un proceso litográfico, éste se puede realizar antes o después del depósito de los metales.The definition of the electrode motifs and its interconnection tracks is done through a process photolithographic with photosensitive resin or using a mask metallic In the case of a lithographic process, it can be perform before or after the deposit of metals.

El grabado de la capa metálica 4) se puede hacer por la técnica de "lift-off", mediante un grabado húmedo con ácidos o bien por grabado seco por plasma (RIE / ICP / DECR).The engraving of the metallic layer 4) can be done by the "lift-off" technique, through a wet etching with acids or dry plasma etching (RIE / ICP / DECR).

La definición de las zonas de contactos de la etapa de Apertura de contactos en la capa de pasivación (5)) se realiza mediante un proceso fotolitográfico con resina fotosensible. El grabado puede ser del tipo húmedo con ácidos, o bien tipo seco por plasma (RIE / ICP / DECR).The definition of the contact areas of the Contact Opening stage in the passivation layer (5)) is performed using a photolithographic process with resin photosensitive. The engraving can be of the wet type with acids, or Well dry plasma type (RIE / ICP / DECR).

Este proceso de fabricación también aplica a la fabricación de los dispositivos para cultivos celulares.This manufacturing process also applies to the manufacture of devices for cell cultures.

Indiquemos así mismo que el proceso de fabricación anteriormente descrito también se puede realizar sobre substratos de diamante. Este material semiconductor presenta características similares a las del SiC semiaslante.Let us also indicate that the process of manufacturing described above can also be performed on diamond substrates This semiconductor material presents characteristics similar to those of the semi-alloy SiC.

Finalmente, otro objeto de la invención es el uso del microsistema de la invención en procedimientos de medidas de señales biológicas con aplicaciones biomédicas de monitorización de órganos, tejidos, células o moléculas orgánicas. Este microdispositivo permita el crecimiento y/o la adhesión de células o tejidos biológicos.Finally, another object of the invention is the use of the microsystem of the invention in measurement procedures of biological signals with biomedical monitoring applications of organs, tissues, cells or organic molecules. This microdevice allow the growth and / or adhesion of cells or biological tissues.

La aplicación de este microdispositivo puede realizarse de forma invasiva o no invasiva sobre la muestra biológica; pudiéndose implantar en seres y/o tejidos vivos de forma temporal o permanente, como por ejemplo en un ser
humano.
The application of this microdevice can be performed invasively or non-invasively on the biological sample; being able to be implanted in living beings and / or tissues temporarily or permanently, as for example in a being
human.

Descripción de las FigurasDescription of the Figures

Figura 1.- Esquema de la aguja diseñada para ser fabricada con tecnologías microelectrónicas con substratos semiconductores (Si y SiC).Figure 1.- Diagram of the needle designed to be manufactured with microelectronic technologies with semiconductor substrates (Si and SiC) .

Figura 2.- Proceso de fabricación y sección de corte de la aguja realizada con substrato de SiC. El diagrama indica la arquitectura del proceso tecnológico.Figure 2.- Manufacturing process and cutting section of the needle made with SiC substrate . The diagram indicates the architecture of the technological process.

Figura 3.- Estudio "in vitro" de las agujas con substrato de Si. Se muestran los resultados del comportamiento de las agujas con sustrato de SiC semiaislante inmersas en suero fisiológico simulando un medio biológico.Figure 3.- In vitro study of needles with Si substrate . The results of the behavior of needles with semi-insulating SiC substrate immersed in physiological serum simulating a biological medium are shown.

Figura 4.- Estudio "in vitro" con sustrato de SiC Semiaislante. Se muestran los resultados del comportamiento de las agujas con sustrato de Si inmersas en suero fisiológico simulando un medio biológico.Figure 4.- " In vitro " study with semi-insulating SiC substrate . The results of the behavior of needles with Si substrate immersed in physiological serum simulating a biological medium are shown.

Figura 5.- (A) Mascara para la fabricación de microdispositivos en SiC semiaislante para aplicaciones biomédicas como plataformas de monitorización de cultivos celulares (B) Detalle de una de estas plataformas que en este ejemplo contiene 16 electrodos de platino. (C) Esquema de corte del proceso de fabricación. (D) Resultados experimentales de la monitorización de un cultivo celular a distintas frecuencias.Figure 5.- (A) Mask for the manufacture of semi-insulating SiC microdevices for biomedical applications as cell culture monitoring platforms (B) Detail of one of these platforms that in this example contains 16 Platinum electrodes (C) Cutting scheme of the process of manufacturing. (D) Experimental results of the monitoring of a cell culture at different frequencies.

Figura 6.- Esquema del dispositivo genérico propuesto. Dispositivo de electroforesis con inyección en T, cuatro cubetas y dos canales.Figure 6.- Scheme of the proposed generic device . Electrophoresis device with T-injection, four cuvettes and two channels.

Figura 7.- Detalle de una zona de la cruz en los canales de electroforesis realizados en SiC semiaislante mediante ataque en seco por RIE.Figure 7.- Detail of an area of the cross in the electrophoresis channels made in semi-insulating SiC by dry attack by RIE.

Ejemplos de realización de la invenciónExamples of embodiment of the invention

Como descripción de modos de realización de la presente invención se detallan tres ejemplos de dispositivos, no limitantes del alcance de la invención, realizados en sustrato de SiC semiaislante para monitorización del comportamiento biológico de órganos, tejidos, células o moléculas orgánicas:As a description of embodiments of the The present invention details three examples of devices, not Limitations of the scope of the invention, made in substrate of Semi-insulating SiC for monitoring biological behavior of organs, tissues, cells or organic molecules:

       \vskip1.000000\baselineskip\ vskip1.000000 \ baselineskip
    
Ejemplo 1Example 1 Sensor tipo microaguja en sustrato de SiC semiaislanteMicroneedle sensor in semi-insulating SiC substrate

La novedad que se presenta en este primer ejemplo es la realización en SiC semiaislante de un microdispositivo en forma de aguja en la que pueden integrarse uno o más sensores eléctricos, químicos o ópticos mediante procesos micro o nano tecnológicos.The novelty presented in this first example is the semi-insulating realization in SiC of a needle-shaped microdevice in which one can be integrated or more electrical, chemical or optical sensors through processes micro or nano technological.

En el ejemplo de la figura 1 se muestra un microdispositivo tipo aguja realizado con procesos microelectrónicos en SiC semiaislante con las siguientes dimensiones: 15 mm de longitud, 525 \mum de anchura y 350 \mum de espesor, con 4 electrodos de platino de 300 x 300 \mum cada uno y de 1.800 \ring{A} de espesor.An example of Figure 1 shows a needle-type microdevice made with processes semi-insulating SiC microelectronics with the following dimensions: 15 mm in length, 525 µm in width and 350 µm thick, with 4 platinum electrodes of 300 x 300 µm each  and 1,800 Å thick.

Materiales de partidaStarting materials

- Oblea de SiC 4'' y Oblea Si semiaislante 4''- SiC 4 '' Wafer and Semi-insulating Wafer Si 4''

- 1ª etapa: depósito del óxido de campo (FOX, Field Oxide): 1.5 \mum de SiO2.- 1st stage: field oxide deposit (FOX, Field Oxide): 1.5 µm SiO2.

- 2ª etapa: Depósito de Ti/Pt: metal para electrodo.- 2nd stage: Ti / Pt tank: metal for electrode.

- 3ª etapa: Lift-off de la capa Ti/ Pt- 3rd stage: Lift-off layer Ti / Pt

- 4ª etapa: depósito de la pasivación (SiO2-Si3N4).- 4th stage: deposit of the passivation (SiO2-Si3N4).

En la figura 2 se muestra el esquema del proceso tecnológico para la realización de este dispositivo. El microdispositivo se ha elaborado con el procedimiento que se describe en la descripción detallada.The scheme of the process is shown in Figure 2 Technological for the realization of this device. He microdevice has been developed with the procedure that described in the detailed description.

En este ejemplo concreto, su aplicación es para la monitorización de la bioimpedancia intratisular de órganos o tejidos. Ejemplos de aplicaciones biomédicas pueden ser, monitorización de la isquemia y isquemia-reperfusión de órganos o tejidos en experimentación animal, cirugía cardiaca, transplante de órganos etc.In this specific example, its application is for Intra-tissue bioimpedance monitoring of organs or tissues. Examples of biomedical applications can be, ischemia monitoring and ischemia-reperfusion of organs or tissues in animal experimentation, cardiac surgery, organ transplantation etc.

En la Figura 3 se muestran los resultados del comportamiento de las agujas con sustrato de SiC semiaislante inmersas en suero fisiológico simulando un medio biológico. En la Figura 4 se muestran los resultados del comportamiento de las agujas con sustrato de SiC semi-aislante inmersas en suero fisiológico simulando un medio biológico. Ambos resultados muestran que el SiC semiaislante ofrece las siguientes ventajas respecto al Si en los microdispositivos en forma de aguja para monitorizar la bioimpedancia de órganos, tejidos o células vivas:The results of the Needle behavior with semi-insulating SiC substrate immersed in physiological serum simulating a biological medium. In the Figure 4 shows the results of the behavior of the immersed semi-insulated SiC substrate needles in physiological serum simulating a biological medium. Both results show that the semi-insulating SiC offers the following advantages regarding the Si in the needle-shaped microdevices for monitor the bioimpedance of organs, tissues or cells live:

\bullet?
Alta resistividad que mejoran significativamente: High resistivity that improve significantly:

--
El registro eléctrico multifrecuencial.He multifrequency electrical register.

--
El rendimiento del proceso de platinización de los electrodos.He performance of the platinization process of electrodes

--
La aplicación de mayores voltajesThe application of higher voltages

\bullet?
Mayor resistencia mecánica. Greater resistance mechanics.
Ejemplo 2Example 2 Microdispositivo para cultivos celularesMicrodevice for cell cultures

La novedad que se presenta en este segundo ejemplo es la realización de un microdispositivo en sustrato de SiC semiaislante para monitorización de cultivos celulares. Son microdispositivos que consisten en una plataforma de SiC semiaislante de dimensiones adaptadas a medios de cultivos, con uno o más sensores eléctricos, químicos u ópticos incorporados mediante procesos micro o nano tecnológicos sobre los que se asienta el cultivo celular. Los cultivos pueden ser de diferentes tipos celulares y a ellos se pueden añadir productos químicos tóxicos, fármacos o otras sustancias que interesen para analizar su influencia sobre el medio de cultivo. Esta influencia será monitorizada a través del microdispositivo.The novelty presented in this second example is the realization of a SiC substrate microdevice semi-insulator for cell culture monitoring. They are microdevices consisting of a SiC platform semi-insulating dimensions adapted to crop media, with one or more electrical, chemical or optical sensors incorporated by micro or nano technological processes on which the cell culture. The crops can be of different types cell phones and toxic chemicals can be added to them, drugs or other substances of interest to analyze your influence on the culture medium. This influence will be monitored through the micro device.

Estas plataformas realizadas sobre sustratos de SiC semiaislante tienen las ventajas anteriormente enunciadas para monitorización de cultivos celulares y además otra que resulta de mucha utilidad para esta aplicación y es su transparencia lo que permite la utilización a la vez de técnicas de microscopía (Ver figura 5).These platforms made on substrates of Semi-insulating SiC have the advantages listed above for cell culture monitoring and also another that results from very useful for this application and its transparency is what allows the use of microscopy techniques at the same time (See figure 5).

Ejemplo 3Example 3 Microdispositivo con microcanales para electroforesisMicrochannel with microchannels for electrophoresis

La novedad que se presenta en este tercer ejemplo es la realización de un microdispositivo en sustrato de SiC semiaislante con microcanales y cubetas realizados con procesos micro o nanotecnológicos para ser aplicados como sistemas de análisis de biomoléculas. Además de las ventajas anteriormente enunciadas se añade la posibilidad de aplicar grandes voltajes y su facilidad de ensamblaje con el vidrio por anodic bonding.The novelty presented in this third example is the realization of a semi-insulating SiC microdevice with microchannels and cuvettes made with micro or nanotechnological processes to be applied as biomolecule analysis systems. In addition to the advantages mentioned above, the possibility of applying large voltages and its ease of assembly with the glass by anodic bonding is added .

En concreto, el sistema que se presenta en este ejemplo corresponde a un microsistema para electroforesis mediante inyección en cruz. Para su uso, el sistema se rellena con solución tampón y/o gel de electroforesis (e.g. acrilamida, agarosa, etc.) mediante inyección a través de los distintos receptáculos. La sustancia a analizar se deposita en el pocillo 1 y se inyecta típicamente mediante la aplicación de un voltaje entre los electrodos 1 y 2. Una vez el soluto de interés ha sido insertado en la cruz, se aplica después un voltaje alto (de 0.2 a 5 kV) entre los electrodos 3 y 4 para la separación electroforética del soluto en el canal de separación. Las dimensiones habituales de los canales son de 1-2 cm para el de inyección y 3-6 cm para el de separación, y las cubetas acostumbran a tener un diámetro aproximado de 1 cm, aunque ninguna de estas dimensiones es limitante.Specifically, the system presented in this example corresponds to a microsystem for electrophoresis by cross injection. For use, the system is filled with solution buffer and / or electrophoresis gel (e.g. acrylamide, agarose, etc.) by injection through the different receptacles. The substance to be analyzed is deposited in well 1 and injected typically by applying a voltage between electrodes 1 and 2. Once the solute of interest has been inserted into the cross, then a high voltage (0.2 to 5 kV) is applied between electrodes 3 and 4 for the electrophoretic separation of the solute in the separation channel. The usual dimensions of channels are 1-2 cm for the injection and 3-6 cm for the separation, and the cuvettes they usually have an approximate diameter of 1 cm, although none of these dimensions is limiting.

El sistema está realizado en SiC semiaislante. El SiC semiaislante se ha grabado para definir los canales hasta una profundidad de \sim20 \mum mediante grabado en seco por RIE (Reactive Ion Etching), aunque se pueden obtener los canales también mediante técnicas de grabado húmedo. La profundidad de los canales ha sido establecida en este caso para una aplicación propuesta (electroforesis de proteínas) pero puede variar dependiendo de la aplicación entre 0.5 y 200 \mum y en ningún caso está limitada por el proceso tecnológico aquí usado. El sistema está cubierto por un sustrato también aislante (vidrio) que se ha pegado de forma hermética (para evitar fugas) al SiC semiaislante mediante la técnica de soldado anódico. Se pueden usar también otras técnicas y materiales para realizar el sellado, como vidrio pegado con diferentes tipos de resinas y pegamentos, soldado térmico del vidrio al SiC semiaislante, usar SiC semiaislante como cobertura mediante soldado térmico o pegado con capas intermedias, o usar cualquier otro material aislante eléctrico susceptible de ser soldado/pegado al SiC semiaislante de forma que cubra de forma hermética los canales de separación. El vidrio se ha agujereado en las zonas que quedan inmediatamente encima de las cubetas para permitir el acceso a los pocillos, aunque existe la alternativa de usar un trozo de vidrio cortado para no cubrir las cubetas si el diseño (como en este caso) lo permite. La técnica usada para agujerear el vidrio en este caso ha sido un ataque en solución HF, aunque se pueden usar técnicas alternativas (como sandblasting, taladro ultrasónico o láser). Es también posible, aunque no recomendable, realizar este tipo de sistemas en abierto (sin cobertura).The system is made of semi-insulating SiC. The semi-insulating SiC has been recorded to define the channels to a depth of ~ 20 µm by dry etching by RIE (Reactive Ion Etching), although the channels can also be obtained by wet etching techniques. The depth of the channels has been established in this case for a proposed application (protein electrophoresis) but may vary depending on the application between 0.5 and 200 µm and in no case is it limited by the technological process used here. The system is covered by an insulating substrate (glass) that has been glued tightly (to avoid leaks) to the semi-insulating SiC by means of the anodic welding technique. Other techniques and materials can also be used to seal, such as glass glued with different types of resins and glues, thermal weld of the glass to the semi-insulating SiC, use semi-insulating SiC as a cover by thermal welding or glued with intermediate layers, or use any other electrical insulating material capable of being welded / glued to the semi-insulating SiC so that it covers the separation channels. The glass has been drilled in the areas that remain immediately above the cuvettes to allow access to the wells, although there is the alternative of using a piece of cut glass to not cover the cuvettes if the design (as in this case) allows . The technique used to pierce the glass in this case has been an attack in HF solution, although alternative techniques (such as sandblasting , ultrasonic drill or laser) can be used. It is also possible, although not recommended, to perform this type of systems in open (without coverage).

La detección de la muestra separada se realiza típicamente al final del canal de separación. En este caso se ha usado un sistema de fluorescencia inducida por láser, marcando las moléculas a separar y detectándolas luego con un microscopio confocal y fotomutiplicador. No obstante, la muestra se puede marcar de muchas otras maneras (e.g. radioactividad) y detectar con sistemas ópticos, de medición radioactiva, electromecánicos o eléctricos.Detection of the separated sample is performed typically at the end of the separation channel. In this case it has used a laser induced fluorescence system, marking the molecules to separate and then detect them with a microscope confocal and photomultiplier. However, the sample can be mark in many other ways (e.g. radioactivity) and detect with optical systems, radioactive measurement, electromechanical or electric

El diseño mostrado en la figura corresponde a un microsistema sencillo para electroforesis de proteínas, que podría ser también usado para la separación de DNA insertando un gel de separación, o de cualquier otra molécula susceptible de ser separada electroforéticamente. Este diseño básico puede ser ampliado y mejorado de muchas formas. Por ejemplo, se pueden añadir canales de inyección/separación para realizar múltiples electroforesis paralelas o electroforesis bidimensionales, también se puede modificar el canal de separación para convertirlo en una zona ancha de separación tipo slab-gel.The design shown in the figure corresponds to a simple microsystem for protein electrophoresis, which could also be used for the separation of DNA by inserting a separation gel, or of any other molecule capable of being electrophoretically separated. This basic design can be expanded and improved in many ways. For example, injection / separation channels can be added to perform multiple parallel electrophoresis or two-dimensional electrophoresis, the separation channel can also be modified to convert it into a wide slab-gel type separation zone.

Además, el sistema puede ser modificado ampliamente para adaptarse a las diferentes necesidades que presente la muestra. Por ejemplo, los pocillos de inyección pueden ser modificados para convertirse en pocillos donde tenga lugar una reacción en cadena de la polimerasa (PCR), una ligación, una restricción, una fosforilación o una lisis celular (entre otras reacciones), mediante la inclusión de electrodos y/o resistencias para llevar a cabo ciclos térmicos o aplicar voltajes localmente, y mediante la adición de los reactivos requeridos al pocillo. Asimismo, los canales también pueden adaptarse para convertirse en canales de captura inmuno-magnética de células o moléculas, canales de distribución de solutos como marcadores fluorescentes, etc. También se pueden integrar detectores para realizar la detección in situ, tales como fotodiodos, electrodos o contadores de radioactividad.In addition, the system can be modified extensively to adapt to the different needs presented by the sample. For example, injection wells can be modified to become wells where a polymerase chain reaction (PCR), a ligation, a restriction, a phosphorylation or a cell lysis (among other reactions) takes place, by including electrodes and / or resistors to carry out thermal cycles or apply voltages locally, and by adding the required reagents to the well. Likewise, the channels can also be adapted to become immuno-magnetic capture channels of cells or molecules, solute distribution channels such as fluorescent markers, etc. Detectors can also be integrated to perform on-site detection, such as photodiodes, electrodes or radioactivity counters.

Así pues, partiendo del ejemplo aquí propuesto como demostrador y usando microtecnologías convencionales, el microsistema aquí descrito puede ser ampliado y mejorado para dar lugar a un microsistema de análisis total (m-TAS), en el que tengan lugar otras reacciones (aparte de la electroforesis) de importancia para el análisis o preparación de la muestra, tales como la PCR u otras técnicas de amplificación, hibridación, ligación, restricción, magneto-captura, fosforilación, marcaje radioactivo, fluorescente o de otros tipos, y un largo etcétera.So, starting from the example proposed here as a demonstrator and using conventional microtechnologies, the microsystem described here can be expanded and improved to give place to a total analysis microsystem (m-TAS), in which other reactions take place (apart from the electrophoresis) of importance for the analysis or preparation of the sample, such as PCR or other amplification techniques, hybridization, ligation, restriction, magneto-capture, phosphorylation, radioactive, fluorescent or other labeling, And a long etcetera.

La realización de esta invención en carburo de silicio semiaislante (SiC semiaislante) resulta innovadora y presenta numerosas ventajas frente a tecnologías alternativas. Respecto al silicio, el SiC semiaislante es netamente superior en su resistencia eléctrica, lo que permite la aplicación de altos voltajes (e.g. 1 kV), hecho que da lugar a electroforesis de alta resolución y muy rápidas. Además, el SiC semiaislante es transparente a las longitudes de onda usadas típicamente en detección y esto permite mejorar mucho la calidad de esta comparándola con sustratos opacos como el silicio. Su baja resistividad térmica permite una disipación de calor más efectiva que en silicio y mucho más eficaz que en vidrio y en polímeros, minimizando los efectos Joule de calentamiento local debidos al campo eléctrico aplicado que distorsionan las bandas de electroforesis. Esto permite de nuevo la aplicación de altos potenciales eléctricos sin perdida de resolución por distorsión de efectos Joule. Respecto también al vidrio y a otros polímeros, el SiC semiaislante presenta la ventaja de ser completamente integrable en un entorno de proceso microtecnológico, lo que permite la integración de dispositivos activos y de control sobre el mismo sustrato, así como todo tipo de sensores, tales como fotodiodos o sensores químicos para la detección de las moléculas a separar.The embodiment of this invention in carbide of semi-insulating silicon (semi-insulating SiC) is innovative and It has numerous advantages over alternative technologies. With respect to silicon, the semi-insulating SiC is clearly superior in its electrical resistance, which allows the application of high voltages (e.g. 1 kV), a fact that results in high electrophoresis Resolution and very fast. In addition, the semi-insulating SiC is transparent to wavelengths typically used in detection and this greatly improves the quality of this comparing it with opaque substrates such as silicon. Its down thermal resistivity allows more effective heat dissipation than in silicon and much more effective than in glass and polymers, minimizing the Joule effects of local heating due to applied electric field that distort the bands of electrophoresis This again allows the application of high electrical potentials without loss of resolution due to distortion of Joule effects. Regarding glass and other polymers, the Semi-insulating SiC has the advantage of being completely integrable in a microtechnological process environment, which allows the integration of active devices and control over the same substrate, as well as all kinds of sensors, such as photodiodes or chemical sensors for the detection of molecules a pull apart.

Estos son tres ejemplos de microsistema o microdispositivos que fabricados con sustratos de SiC semiaislante presentan unas ventajas novedosas respecto a los actuales lo que permite mejorar y ampliar su aplicabilidad biomédica en cuanto monitorización de seres vivos.These are three examples of microsystem or microdevices that manufactured with semi-insulating SiC substrates they present some new advantages over the current ones what allows to improve and expand its biomedical applicability as monitoring of living beings.

Claims (17)

1. Microsistema útil como sensor de señales biológicas caracterizado porque comprende SiC semiaislante como sustrato para aplicaciones biomédicas de monitorización de órganos, tejidos, células o moléculas orgánicas.1. Microsystem useful as a biological signal sensor characterized in that it comprises semi-insulating SiC as a substrate for biomedical applications for monitoring organic organs, tissues, cells or molecules. 2. Microsistema según la reivindicación 1 caracterizado porque se incluye uno o más electrodos realizados con tecnologías microelectrónicas, para la monitorización de parámetros físicos, químicos, ópticos, eléctricos y biológicos en diferentes rangos y frecuencias.2. Microsystem according to claim 1 characterized in that one or more electrodes made with microelectronic technologies are included, for the monitoring of physical, chemical, optical, electrical and biological parameters in different ranges and frequencies. 3. Microsistema según las reivindicaciones 1 y 2 caracterizado porque se incluye un dispositivo y/o procesos nanotecnológicos para la monitorización de parámetros físicos, químicos, eléctricos y biológicos.3. Microsystem according to claims 1 and 2 characterized in that a device and / or nanotechnological processes for the monitoring of physical, chemical, electrical and biological parameters are included. 4. Microsistema según la reivindicación 4 caracterizado porque tiene forma de aguja.4. Microsystem according to claim 4 characterized in that it has a needle shape. 5. Microsistema según las reivindicaciones 1 a la 5 caracterizado porque incluye un sistema de alimentación por batería integrada o externa, conexión a red u onda portadora de radiofrecuencia.5. Microsystem according to claims 1 to 5 characterized in that it includes an integrated or external battery power supply system, network connection or radio frequency carrier wave. 6. Microsistema según las reivindicaciones 1 a la 6 caracterizado porque incluye circuitería integrada en el mismo sustrato para adquisición, tratamiento, amplificación, proceso, multiplexado o envío telemétrico de las señales captadas.6. Microsystem according to claims 1 to 6, characterized in that it includes integrated circuitry in the same substrate for acquisition, treatment, amplification, process, multiplexing or telemetry sending of the captured signals. 7. Procedimiento de fabricación de un microsistema según las reivindicaciones 1 a la 7 caracterizado por las siguientes etapas:7. Method of manufacturing a microsystem according to claims 1 to 7 characterized by the following steps: a) Limpieza del substrato de SiC semiaislante con disolventes y ácidos adecuados,a) Cleaning the semi-insulating SiC substrate with suitable solvents and acids, b) Depósito de una capa dieléctrica: esta capa puede estar compuesta de uno o varios materiales dieléctricos apilados,b) Deposit of a dielectric layer: this layer it can be composed of one or several dielectric materials stacked, c) Depósito de una capa metálica para la formación de los electrodos: esta capa puede ser compuesta de uno o varios metales apilados como Titanio, Platino, Oro o Cobalto,c) Deposit of a metallic layer for the electrode formation: this layer can be composed of one or various stacked metals such as Titanium, Platinum, Gold or Cobalt, d) Grabado de la capa metálica,d) Engraving of the metal layer, e) Depósito de la capa de pasivación: esta capa puede estar compuesta de uno o varios materiales dieléctricos apilados,e) Deposit of the passivation layer: this layer it can be composed of one or several dielectric materials stacked, t) Apertura de contactos en la capa de pasivación, yt) Opening contacts in the layer passivation, and g) Separación de los componentes mediante el serrado del substrato procesado.g) Separation of the components by sawn of the processed substrate. 8. Procedimiento según la reivindicación 8 caracterizado porque la etapa b) se ha obviado.8. Method according to claim 8 characterized in that step b) has been omitted. 9. Procedimiento según la reivindicación 8 caracterizado porque la definición de los motivos de los electrodos y sus pistas de interconexión para el depósito de la capa metálica de c) se realiza mediante un proceso fotográfico con resina fotosensible o usando una máscara metálica o mediante un proceso litográfico que se puede realizar antes o después del depósito de los metales.9. Method according to claim 8 characterized in that the definition of the electrode motifs and their interconnection tracks for the deposition of the metallic layer of c) is carried out by a photographic process with photosensitive resin or by using a metal mask or by a process Lithographic that can be performed before or after the deposit of metals. 10. Procedimiento según la reivindicación 8 caracterizado porque el grabado de la capa metálica d) se puede hacer por la técnica de "lift-off", mediante un grabado húmedo con ácidos o bien por grabado seco por plasma (RIE / ICP / DECR).Method according to claim 8, characterized in that the engraving of the metallic layer d) can be done by the "lift-off" technique, by means of a wet etching with acids or by dry plasma etching (RIE / ICP / DECR) . 11. Procedimiento según la reivindicación 8 caracterizado porque el material dieléctrico de apilado de e) pertenece al siguiente grupo: óxido de silicio, nitruro de silicio, nitruro de aluminio, alúmina y dieléctricos de alto K.Method according to claim 8, characterized in that the stacking dielectric material of e) belongs to the following group: silicon oxide, silicon nitride, aluminum nitride, alumina and high K dielectrics. 12. Procedimiento según la reivindicación 8 caracterizado porque la definición de las zonas de contactos de la etapa de apertura de contactos en la capa de pasivación (f)) se realiza mediante un proceso fotolitográfico con resina fotosensible y donde el grabado puede ser del tipo húmedo con ácidos, o bien tipo seco por plasma (RIE / ICP / DECR).12. Method according to claim 8 characterized in that the definition of the contact areas of the contact opening stage in the passivation layer (f)) is carried out by a photolithographic process with photosensitive resin and where the engraving can be of the wet type with acids, or dry plasma type (RIE / ICP / DECR). 13. Procedimiento según la reivindicación 8 caracterizado porque el material dieléctrico de apilado de b) pertenece al siguiente grupo: óxido de silicio), nitruro de silicio, nitruro de aluminio, alúmina y dieléctricos de alto K.13. The method according to claim 8, characterized in that the stacking dielectric material of b) belongs to the following group: silicon oxide), silicon nitride, aluminum nitride, alumina and high K dielectrics. 14. Uso del microsistema según las reivindicaciones 1 a la 7 en procedimientos de medidas de señales biológicas con aplicaciones biomédicas de monitorización de órganos, tejidos, células o moléculas orgánicas.14. Use of the microsystem according to claims 1 to 7 in signal measurement procedures biological with biomedical organ monitoring applications, organic tissues, cells or molecules.
         \newpage\ newpage
      
15. Uso según la reivindicación 14 caracterizado porque se aplica de forma invasiva o no invasiva sobre la muestra biológica.15. Use according to claim 14 characterized in that it is applied invasively or non-invasively on the biological sample. 16. Uso según la reivindicación 14 caracterizado porque el microdispositivo se implanta en seres y/o tejidos vivos de forma temporal o permanente.16. Use according to claim 14 characterized in that the microdevice is implanted in living beings and / or living tissues temporarily or permanently. 17. Uso según la reivindicación 16 caracterizado porque el ser vivo es un ser humano.17. Use according to claim 16 characterized in that the living being is a human being.
ES200501736A 2005-07-15 2005-07-15 SILICON CARBIDE SENSOR SYSTEM (SIC) SEMI-INSULATING, PROCESSING PROCEDURE AND ITS APPLICATIONS. Expired - Fee Related ES2278508B1 (en)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES200501736A ES2278508B1 (en) 2005-07-15 2005-07-15 SILICON CARBIDE SENSOR SYSTEM (SIC) SEMI-INSULATING, PROCESSING PROCEDURE AND ITS APPLICATIONS.
PCT/ES2006/070104 WO2007010076A1 (en) 2005-07-15 2006-07-13 Semi-insulating silicon carbide (sic) sensor system, production method thereof and use of same

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ES200501736A ES2278508B1 (en) 2005-07-15 2005-07-15 SILICON CARBIDE SENSOR SYSTEM (SIC) SEMI-INSULATING, PROCESSING PROCEDURE AND ITS APPLICATIONS.

Publications (2)

Publication Number Publication Date
ES2278508A1 ES2278508A1 (en) 2007-08-01
ES2278508B1 true ES2278508B1 (en) 2008-06-16

Family

ID=37668461

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES200501736A Expired - Fee Related ES2278508B1 (en) 2005-07-15 2005-07-15 SILICON CARBIDE SENSOR SYSTEM (SIC) SEMI-INSULATING, PROCESSING PROCEDURE AND ITS APPLICATIONS.

Country Status (2)

Country Link
ES (1) ES2278508B1 (en)
WO (1) WO2007010076A1 (en)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009055312A1 (en) * 2007-10-22 2009-04-30 Dfb Pharmaceuticals, Inc. Process for producing a poloxamer gel
US10278629B2 (en) 2012-03-12 2019-05-07 University Of South Florida Implantable biocompatible SiC sensors

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US7232460B2 (en) * 2001-04-25 2007-06-19 Xillus, Inc. Nanodevices, microdevices and sensors on in-vivo structures and method for the same
JP3865623B2 (en) * 2001-12-05 2007-01-10 シャープ株式会社 Surface shape detection element and surface shape detection device
US7684844B2 (en) * 2002-11-06 2010-03-23 Ramot At Tel Aviv University Ltd. System for and method of positioning cells and determining cellular activity thereof
KR20050055202A (en) * 2003-12-05 2005-06-13 한국전자통신연구원 Micro reference electrode of implantable continuous biosensor using iridium oxide, manufacturing method thereof, and implantable continuous biosensor

Also Published As

Publication number Publication date
ES2278508A1 (en) 2007-08-01
WO2007010076A1 (en) 2007-01-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Oliveros et al. Silicon carbide: a versatile material for biosensor applications
EP2954320B1 (en) Hybrid nanopores and uses thereof for detection of analytes
Unal et al. Micro and nano-scale technologies for cell mechanics
Chang et al. Nanoscale bio-platforms for living cell interrogation: current status and future perspectives
JP2005517458A (en) Methods for detecting cell viability using electrical measurements
Hébert et al. Boron doped diamond biotechnology: from sensors to neurointerfaces
TW201634927A (en) Apparatus for detecting tumor cells
KR20140015420A (en) Nanopipette apparatus for manipulating cells
Cerea et al. Selective intracellular delivery and intracellular recordings combined in MEA biosensors
Gourley Brief overview of BioMicroNano technologies
Menon et al. The applications of bioMEMS in diagnosis, cell biology, and therapy: a review
ES2278508B1 (en) SILICON CARBIDE SENSOR SYSTEM (SIC) SEMI-INSULATING, PROCESSING PROCEDURE AND ITS APPLICATIONS.
Aslanoglou et al. Efficient transmission electron microscopy characterization of cell–nanostructure interfacial interactions
EP2956066A2 (en) Systems, apparatus and methods for tissue dissection
Pandya et al. Towards an automated MEMS-based characterization of benign and cancerous breast tissue using bioimpedance measurements
Trantidou et al. Biorealistic cardiac cell culture platforms with integrated monitoring of extracellular action potentials
Karadurmuz et al. Electrochemical DNA biosensors in drug analysis
US10895546B2 (en) Bipolar electrode for the impedimetric examination and manipulation of living cells in vitro
Lin et al. Non-faradaic electrical impedimetric investigation of the interfacial effects of neuronal cell growth and differentiation on silicon nanowire transistors
Saddow et al. 3C-SiC on Si: A bio-and hemo-compatible material for advanced nano-bio devices
Özsoylu et al. Electrochemical cell-based biosensors for biomedical applications
Cools et al. 3D microstructured carbon nanotube electrodes for trapping and recording electrogenic cells
US10980448B2 (en) Electrically functional polymer microneedle array
Gatabi et al. Sandblasting improves the performance of electrodes of miniature electrical impedance tomography via double layer capacitance
Liu et al. Applications of microfabrication and micromachining techniques to biotechnology

Legal Events

Date Code Title Description
EC2A Search report published

Date of ref document: 20070801

Kind code of ref document: A1

FG2A Definitive protection

Ref document number: 2278508B1

Country of ref document: ES

FA2A Application withdrawn

Effective date: 20090209

FD2A Announcement of lapse in spain

Effective date: 20180809