JP2009501930A - バイオセンサのためのセンサチップ - Google Patents

Abstract

本発明は、マイクロチップ10、及びセンサとしてそのようなマイクロチップ10を有する微小流体バイオセンサ200に関する。マイクロチップ10は特に、磁場を発生及び検知するための結合回路をその高感度面上に有することができる。回路は、外部接続のためにマイクロチップ10の裏面において貫通接続ビアによって端子204に接続される。したがって、センサチップ10の前面は試料チャンバ206から自由にアクセス可能に保たれることができる。センサチップ10の裏面は、特に信号処理チップ20にフリップチップ結合されることができ、信号処理チップ20はフレックスホイル202によって外部回路に接続される。

Description

本発明は、無線の物理的インタラクションを実行及び処理するのに適応された基板上の結合回路を備えたマイクロエレクトロニクスのチップに関する。さらにそのようなマイクロチップを有する微小流体装置に関する。

特許文献１及び特許文献２から、磁性ビーズによってラベルをつけられる生体分子の検出のための微小流体バイオセンサに例えば使用されるマイクロチップが知られている。センサチップは、磁場の生成のための導線及び磁化されたビーズによって生成される漂遊磁場の検出のための巨大磁気抵抗（GMR）を有する結合回路を備えている。結合回路は半導体基板上のチップの「高感度面」に製造され、各々のセンサチップは、微小流体流路の壁の穴の向こう側に、その高感度面が流路に面するように取り付けられる。これらの既知の装置の不利な点は、試料流体が高感度チップ面に達するために凹部に飛び込まなければならないということである。これは小さな又は停滞した流れの領域を生成する可能性があり、一般に測定を害する。
WO2005/010543A1 WO2005/010542A2

この状況に基づいて、上記した種類の改善された微小流体装置の構造を特に可能にする手段を提供することが本発明の目的であった。

この目的は、請求項１に記載のマイクロチップによって及び請求項８に記載の微小流体装置によって達成される。好ましい実施の形態は、従属請求項に開示される。

その第１の態様によれば、本発明は以下の構成要素を有するマイクロエレクトロニクスのチップ、即ち「マイクロチップ」に関する。
a) 基板。
b) 無線の物理的インタラクションを実行及び処理するのに適応されている、前記基板の前面上の結合回路。
c) 以下では単に「ビア」と呼ばれ、前記基板内に配置又は埋め込まれ、前記基板の前記前面から離れた位置にすなわち前記基板の前記前面と異なる面に配置された外部アクセス可能な端子に前記結合回路の構成要素を電気的に接続する少なくとも１つの電気的貫通接続通路。

その上に結合回路が配置され又は製造される基板は特に、シリコン（Si）、GaAs、ポリマー、SiO₂、絶縁層を持つ非磁性ステンレススチール又はそれらの混合のような既知の半導体材料で１つであることができる。一般的に基板と結合回路との間には、当該回路が例えば当該基板の表面層へのドーピングによって及び／又は当該表面上への材料の堆積によって生成されるので、本質的な接触及び接合がある。

結合回路が実行することができる物理的インタラクションは、特に電磁場（この用語は純粋な磁場及び純粋な電場を当然含む）の生成及び／又は検出を有することができる。しかしそれは他の物理現象（例えば熱伝導）を含むこともできる。一般的にこれらのインタラクションは、マイクロチップの伸展のオーダー、特にチップ又はその構成要素の厚さのオーダーの短い距離に限られ、0から最大100 μm、好ましくは最大10 μm、最も好ましくは最大2 μmの範囲である。結合回路が物理的インタラクションを処理することも可能である点に留意すべきである。これは非常に一般に、それらがこれらのインタラクションに制御可能な影響を持ち、及び／又はそれらが制御可能な態様においてインタラクションによって影響されることを意味する。これは、結合回路をマイクロチップの通常の回路から区別する。通常の回路ももちろん物理的インタラクションにさらされるが、当該インタラクションは単なる（望まれていない）干渉であり、事実上、その回路の通常の処理機能への影響は無い。これとは対照的に、結合回路は感じられた無線の物理的インタラクションを利用するように特に設計されている。

既知のマイクロチップは、その「前面」上に対応する回路を有する半導体基板から構成されており、外部接続の導線が結合されることができる接続パッドが当該前面に提供される。しかし結果として生じる結合位置は比較的大きく、したがってマイクロチップの前面が容易に接近可能でなければならないアプリケーション、例えば上述のバイオセンサアプリケーションにおいては不利である。上述の種類のマイクロチップは、多少大きな接続が邪魔にならない前面から離れた位置の端子を通してマイクロチップの前面上の回路への電気的アクセス可能にする基板中の電気的貫通接続通路即ちビアを提供することによってこれらの問題を解決する。

結合回路は特に、それらがセンサ、好ましくは容量センサ、光センサ、電流センサ、電圧センサ及び／又は磁電気センサを実現するように設計されることができる。センサアプリケーションにおいては、しばしばセンサの結合回路を対象物にできるだけ近づける必要がある。大きな外部接続によってその高感度な前面への接近が妨げられないので、提案されたマイクロチップはそのような近い接近を可能にする。

本発明の特定の実施の形態によれば、結合回路は、電磁場の生成のための回路、例えば（AC又はDC）電流が（交流又は静止）磁場を生成するように導かれることができる導線を有する。加えて又は代わりに、結合回路は電磁場の検出のための回路、特に磁場の検出のための巨大磁気抵抗（GMR）のような磁気センサ装置を有することができる。電磁場の生成及び検出のための回路の両方が提供される場合、マイクロチップは特に上で言及された種類のバイオセンサアプリケーションに適当である。

少なくとも１つのビアの端子は、基板の裏面又は基板の側面に好ましくは配置される。（実質的に平らな）基板中を実質的に垂直に延在し、容易に製造されることができるビアによって、両方の可能性が実現されることができる。マイクロチップの更なる発達によれば、関連するビアの少なくとも１つの端子は第２マイクロチップに結合され、すなわち中間の導線を伴わないフリップチップ技術において第２マイクロチップの接続パッドに直接接続される。第２マイクロチップは特に、第１マイクロチップの結合回路からの信号の前処理及び／又は後処理のための信号処理チップであることができる。第１及び第２マイクロチップ間の直接接続は、長い接続線が回避され、ひいては大きな帯域幅が実現されることができるという利点を持つ。

上述の第２マイクロチップは選択的に、少なくとも１つの電気的貫通接続通路即ちビアを有することもできる。したがって、第２マイクロチップの前面は、第１マイクロチップのビアの端子に結合されることができ、そして第２マイクロチップは、その自身のビアの端子において、すなわちその裏面から、外部からコンタクトされることができる。

マイクロチップの厚さは、選択的に、10 μmから500 μm、最も好ましくは10 μmから100 μmの範囲に制限され、微小流体流路へのその集積化を可能にする。

本発明はさらに、液体、気体又は固体試料が提供されることができる少なくとも１つの試料チャンバを有する微小流体装置に関し、特に、上述の種類のマイクロチップを有する生体試料の検査のためのバイオセンサに関する。これは、微小流体装置が、基板の前面上の無線の物理的インタラクションのための結合回路及び当該回路から基板の前面の外側の端子まで通じているビアを備えるマイクロチップを有することを意味する。マイクロチップの前面の自由なアクセシビリティは、マイクロチップと装置の試料チャンバ中の試料との間のコンタクトを改善するために様々な態様でそのような微小流体装置において利用されることができる。

微小流体装置の第１の実施の形態によれば、関連するマイクロチップは、装置の試料チャンバの壁の内側に取り付けられる。そしてマイクロチップへの電気的接続は、ビアを用いて基板の裏面又は側面から提供されることができ、したがってマイクロチップの前面への自由なアクセスを損なわない。

上述の実施の形態において、機械的支持体が、マイクロチップと試料チャンバのそれぞれの壁との間に好ましくは配置される。そのような支持体は、チップの壁への取付けのためには必要ないかもしれないが（取り付けは一般にボンディングによって達成される）、配置を安定させ、そしてマイクロチップを破損から保護する。

微小流体装置の第２の実施の形態によれば、マイクロチップは試料チャンバの壁に集積化される。この場合、マイクロチップは試料チャンバ内に突出せず、したがって、試料チャンバの微小流体特性を全く変化させない。

本発明の好ましい実施の形態において、微小流体装置の試料チャンバの少なくとも１つの壁は、成形回路部品（MID）又はフレックスホイルである。この場合、チップは電気的接続のために当該壁に直接結合されることができる。必要に応じて、フレックスホイルは追加の剛性を備えていることができる。

更なる発展によれば、微小流体装置は、第１マイクロチップに（例えばフリップチップ接続によって）直接又は電気的導線を介して接続される少なくとも１つの第２マイクロチップを有することができる。第２マイクロチップは特に、結合回路からのデータの前処理又は後処理のための信号処理チップであることができる。直接接続は、長い電気的導線の損失及び信号破壊を回避するという利点を有し、したがってより大きな信号帯域幅を可能にする。

本発明のこれらの及び他の態様は、以下に記載する実施の形態から明らかになり、以下に記載する実施の形態を参照して説明される。

以下では、本発明が添付の模式的な図面の助けを借りて一例として説明される。

図1から7は、本発明によるセンサチップ備える微小流体バイオセンサの流体流路の側面断面図を示す。

図面中の類似の参照番号は、同一又は類似した要素に言及する。

本発明の以下の説明は、磁性バイオセンサ即ちバイオチップの実施例に基づくが、本発明はそれには制限されず、電気的接続を要する全てのセンサ（例えば容量センサ、電子的光検出器、電流センサ、電圧センサ、磁電気センサ等）に適用されることができる。

感度、特性、集積化、使いやすさ及びコストに関して、磁気抵抗バイオチップはバイオ分子診断に対する有望な特性を持つ。そのようなバイオチップの例は、例えばWO2003/054566、WO2003/054523、WO2005/010542A2、WO2005/010543A1又はRife et al. (Sens. Act. A vol.107, p.209 (2003)) に記載され、それらは参照によって本出願に組み込まれる。しかし既知のバイオセンサはいくつかの欠点を持つ。すなわち、
- センサ表面には、それが試料チャンバ壁の空洞中に位置するので、主な液体流の少量のみが達する。
-空洞から気泡を取り除くために、かなりの液体流が必要とされる。（これらの最初の２つの問題は必要な抗原及び磁性ビーズの量を増加し、それらはカートリッジ中の洗浄及び流体操作を複雑にし、それらは安価で使いやすい使い捨てのバイオセンサと両立しない。）
- センサから前処理回路への比較的長い接続導線は、検出システムの電気的帯域幅を制限し、ノイズを導入する可能性がある。GMRセンサ材料（Cu）とCMOSとの間のプロセス不親和性に起因して、同じICプロセスにおいて両方の機能を実現することは可能でない。その結果、２つのチップ（システムオンチップ：GMR + CMOS）が接続されなければならない。このジオメトリにおいて、（磁性ビーズ特性を識別（バーコード化）するために必要とされる、例えば1 GHz以上の）大きい帯域幅を実現するために十分にセンサの近くに当該チップを接続することは可能でない。

これらの欠点の起源は事実上主にセンサの高感度な表面及びセンサ接続が同じ面に位置することにある。この問題に対する解決案は、センサをその高感度な面でない面で接触させることである。このアプローチのいくつかの実施の形態が以下に述べられる。

図8は、上述のアイデアの実現を可能にするマイクロチップ即ちセンサチップ10を図示する。最高水準の技術から知られているセンサチップのように、チップ10は、シリコンのような典型的な半導体であることができる基板層（又は簡潔に「基板」）13を有する。基板13の上面（以下、「前面」と呼ぶ）上に、2つの金属導線11及び巨大磁気抵抗（GMR）12を有する結合回路がある。超常磁性ビーズの検出のための（例えば100個の）そのようなセンサチップ10のアレイからなるバイオセンサは、溶液（例えば血液又は唾液）中の多数の異なる生体ターゲット分子1（例えばタンパク質、DNA、アミノ酸）の濃度を同時に測定するために用いられることができる。結合スキームの１つの可能な実施例（いわゆる「サンドイッチ分析」）において、これは、ターゲット分子1が結合することができる第１の抗体3を結合表面4に提供することによって達成される。そして、第２の抗体を運ぶ超常磁性ビーズ2は、結合されたターゲット分子1に付着することができる。そして導線11中を流れる電流は磁場Bを発生させ、それは超常磁性ビーズを磁化する。超常磁性ビーズ2からの漂遊磁場B'は、GMR 12に面内の磁化成分を導入し、それは測定可能な抵抗変化をもたらす。

本発明によると、電気導電性の貫通接続通路14（以下で「ビア」と呼ぶ）がセンサチップ10の基板13内に提供される。これらのビア14は、センサチップ10の前面の電気的導線11をマイクロチップの裏面の端子15に接続する。したがって、マイクロチップの前面は大きな電気的接続が無い状態に保たれることができ、それらは代わりに裏面へ移動される。

図1は、上に（図8に）記載される種類のセンサチップ10を組み込む微小流体バイオセンサ100の第１の実施の形態を示す。高さh（一般的にh = 70〜100 μm）の試料チャンバ106による微小流体流路が、カートリッジカバー101と流路底部壁105との間に形成される。センサチップ10は底部壁105の孔に集積化され、そして例えば充分に隙間のない機械的クランピングによって、又は図に示されるように接着剤103（例えばシリコンキット）の助けを借りて、防水態様で固定される。センサチップ10を、（図8の結合回路11、12を有する）その高感度な前面が壁の内側の面に沿うように底面105へ集積化することで、流体流路が最大限に平坦な（障害物がない、不連続でない）構造が提供され、液体は容易にマイクロチップ10の高感度な表面に達することができる。

センサチップ10の裏面の端子即ちビア14の結合位置は、配線装置（例えばフレックスホイル102）の導線に、バンプ104を介したフリップチップのような技術によって接続される。図1に示される実施の形態において、フレックスホイル102は、バイオセンサ100の底部壁105に隣接して配置され、好ましくはそこへ（例えば接着することによって）固定される。図は、必要な場所でフィードスルー接続を実現するために、ビア14がセンサチップ10の（その境界だけでなく）あらゆる位置に配置されることができることも示す。

図2〜7は、図1のバイオセンサ100の様々な変更態様を示す。これらの図において、微小流体装置の同一又は類似の部分の参照番号が100刻みで異なる点に注意する（例えば流体流路は参照番号106、206、306、406、506、606及び706を持つ）。これらの構成要素は、図面毎に詳述しない。

図2に示される第２の実施の形態のバイオセンサ200において、センサチップ10の底面の端子又は接続パッドは、信号処理チップ20の前面のボンディングパッドにフリップチップのようなバンプ204によって直接結合される。この手段は、センサチップ10から信号処理チップ20上のプリアンプへの最も短い可能な接続長さ、ひいては最大の検出帯域幅を実現する。さらに、信号処理チップ20はセンサチップ10を越えて横方向に延在し、その前面上の接続パッドがバイオセンサ200の底部壁205に隣接して延在しているフレックスホイル202にフリップチップバンプ207によって接続されることを可能にする。

図3は、変更されたバイオセンサ300を示し、信号処理チップ20はその前面からその裏面までつながるビア24を有する。そして、裏面のそれらの端子は、フリップチップバンプ307によって、フレックスホイル302の導線に接続されることができる。センサチップ10及び信号処理チップ20の両方は、接着剤の円周リング303によって保持され及び封止されることができる。

図4は、フレックスホイル402又は成形回路部品（MID）上で互いに隣り合って配置されるセンサチップ10及び信号処理チップ20を有するバイオセンサ400を示す。この場合、信号処理チップ20はビアを必要としないが、フリップチップ技術によってフレックスホイル402に直接結合されることができる。

図5のバイオセンサ500において、センサチップ10の厚さd（図8参照）は680 μmから例えば50 μmに低減されている。これは、例えば化学的機械的エッチングによって基板13（図8参照）の一部を取り除くことによって実現され、そして貫通される必要がある基板がより少ないので、貫通接続ビアがより容易に実現されることができるという追加的な利点を持つ。そのような薄いセンサチップは前の図の任意の実施の形態において用いられることができるが、それは特に、センサチップが流体流路506の内側に配置されているバイオセンサ500の実施の形態を可能にする。流路の底部壁はフレックスホイル502又はMIDによって実現され、センサチップ10は接着剤503の防水リングによってそこに取り付けられる。フレックスホイル502とマイクロチップ10のビアとの間の電気的接触は、フリップチップバンプ504によって達成される。減少したチップ厚のために、フロー流路506中の凸凹は最小限である。選択的に、チップは支持体層508によって機械的に支持されることができる。

図6は図5の実施の形態の変更態様を示し、薄いセンサチップ10は、バイオセンサ600の底部壁602（フレックスホイル又はMID）の中に集積化される。更なる設計は図2のそれと同様であり、すなわち、センサチップ10の裏面は信号処理チップ20に直接結合され、信号処理チップは次にフレックスホイル602に結合される。センサチップ10の減少した厚さに起因して、フレックスホイル602は、同時に流体流路606の底部壁を構成することができる。充分な機械的剛性を実現するために、機械的支持体がチップ及びフレックスホイルに加えられることができる。

図7は、ビア714がセンサチップ10の基板の側面に配置されていることのほかは、図1のそれと同様である更なる実施の形態のバイオセンサ700を表す。したがって、対応するボンディングパッド又は端子もマイクロチップ10の側面に配置されることができ、装置の底部壁702上に隙間無くセンサチップ10を配置することを可能にし、したがって流体流路706中へのセンサの突出をさらに低減する。接続パッド又は端子は、図7の左側に示されるように導線704'によって、又は図7の右手側に示されるようにフリップチップバンプ704によって、フレックスホイル702の導線に接続されることができる（これらの２つの変形例は、単に説明の便宜上、同じマイクロチップに示される）。ビアはセンサチップの基板を完全に貫く必要はない。導線704'及びマイクロチップバンプ704の両方は、好ましくは接着剤703中に埋設されている。導電性接着剤が用いられる場合、導線704'又はバンプ704は省略されることができる。

最後に、本出願において、用語「有する」は他の要素又はステップを除外しないこと、単数形の語は複数を除外しないこと、及び単一のプロセッサ又は他のユニットがいくつかの手段の機能を実現することができることが指摘される。本発明は、いずれの新規な特性、及び特性のいずれの組み合わせにも属する。さらに、請求の範囲中の参照記号はそれらの範囲を制限するものとして解釈されてはならない。

底部壁に集積化されるマイクロチップを示す図。 信号処理チップに直接結合されるマイクロチップを示す図。 信号処理チップがビアを有する図2の変形例を示す図。 信号処理チップがフレックスホイルによってセンサチップに接続される図2の変形例を示す図。 流路内の減少した厚さのマイクロチップを示す図。 マイクロチップが流体流路の底部壁に集積化され、信号処理チップに結合された図5の変形例を示す図。 マイクロチップのビアがマイクロチップの側面に沿って延在してマイクロチップの側面に接触する図5の変形例を示す図。 本発明によるセンサチップ中の断面図を示す図。

Claims (13)

1. （ａ）基板、
   （ｂ）無線の物理的インタラクションを実行及び処理する、前記基板の前面上の結合回路、
   （ｃ）前記基板内に埋め込まれ、前記基板の前記前面から離れた位置に配置される外部アクセス可能な端子に前記結合回路の構成要素を接続する、ビアと呼ばれる少なくとも１つの電気的貫通接続通路、
   を有するマイクロチップ。
2. 前記結合回路が、容量センサ、光センサ、電流センサ、電圧センサ及び／又は磁電気センサを実現することを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
3. 前記結合回路が電磁場の生成のための回路及び／又は電磁場の検出のための回路、特に巨大磁気抵抗を有することを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
4. 前記ビアの前記端子が前記基板の裏面又は側面に配置されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
5. 少なくとも１つの前記端子が、第２のマイクロチップに、好ましくは信号処理チップに結合されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
6. 第２のマイクロチップが少なくとも１つのビアを有することを特徴とする請求項５に記載のマイクロチップ。
7. その厚さが10〜1000 μm、好ましくは30〜60 μｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロチップ。
8. 試料チャンバを備える微小流体装置、好ましくはバイオセンサであって、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載のマイクロチップを有する装置。
9. 前記マイクロチップが前記試料チャンバの壁の内側に取り付けられていることを特徴とする請求項８に記載の微小流体装置。
10. 機械的支持体が前記マイクロチップと前記壁との間に配置されていることを特徴とする請求項９に記載の微小流体装置。
11. 前記試料チャンバの壁に集積化されることを特徴とする請求項８に記載の微小流体装置。
12. 前記試料チャンバの少なくとも１つの壁が、成形回路部品又はフレックスホイルであることを特徴とする請求項８に記載の微小流体装置。
13. 直接又は電気的配線を介して第１のマイクロチップに接続される第２のマイクロチップを有することを特徴とする請求項８に記載の微小流体装置。

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