JP2017505443A - 差動測定に基づくイオンセンサーおよび製造方法 - Google Patents

差動測定に基づくイオンセンサーおよび製造方法 Download PDF

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Abstract

一組のＩＳＦＥＴ−ＲＥＦＥＴを備える差動測定に基づくイオンセンサーであって、ＲＥＦＥＴは内部の参照溶液を含むマイクロリザーバにより覆われたＩＳＦＥＴからなる構造体により定義される。センサーは、第１および第２のイオン選択性電界効果トランジスタ、電極、並びに２つのトランジスタ、接続トラック、および電極がその表面上に一体化された基材、並びに前記第１のトランジスタのゲート上にマイクロリザーバを形成する第１のイオン選択性電界効果トランジスタの上に接着され、マイクロリザーバはマイクロリザーバを外部と連結するマイクロチャンネルを有し、マイクロリザーバは参照溶液で充填されている構造体を備える。【選択図】図１

Description

本発明は差動測定に基づくイオンセンサーおよびその製造方法に関する。前記センサーは、ＩＳＦＥＴ（イオン選択性電界効果トランジスタ）トランジスタを使用して、溶液中のあるイオンの濃度の測定を行う。センサーは、マイクロリザーバに収容されている参照溶液の濃度と前記測定値を比較し、ゲートが前記参照溶液に接触し続けられるＩＳＦＥＴトランジスタにより前記測定を実施する。ＩＳＦＥＴトランジスタは、ＲＥＦＥＴトランジスタ（イオン濃度に応答しない電界効果トランジスタ）とも呼ばれ、そのため測定されることになっているイオンに対して応答しない。
本発明が属する技術分野は、物理学的技術分野であり、そのより一般的な用途は、食品産業および生物医学などの様々な分野におけるイオンの測定、例えばｐＨ値（溶液中の水素イオン濃度）である。
従来技術では、媒体の様々なイオン濃度測定は、多くの異なる方法で行われている。最も広く使用されている技術の１つは、テストストリップを使用することである。これらのテストストリップは、水溶液と接触すると着色される異なる領域を有する紙のストリップであり、測定溶液の特定のイオン濃度に依存して異なる色を呈する。溶液のイオン濃度を特定するためには、ストリップをそれに浸漬した後、ユーザーは、取得された色をメーカーが提供する表の色と比較しなければならない。この測定技術の結果は、ユーザーによる正しい操作と、サンプル中のタンパク質の存在、サンプルとストリップの反応時間、またはサンプルの均一性などの要因に大きく依存している。誤った操作は多くの偽りの結果（肯定と否定）となり得る。さらに、この技術の分解能は、具体的なｐＨ測定の場合では０．５単位であり、尿路結石症のようないくつかの生物医学的用途における臨床意思決定のためには、十分な診断価値を欠くと一般に考えられている（Kwong T.らによる「地域の腎代謝クリニックでの尿ｐＨ試験の精度：ディップスティックは十分か？」、尿路結石症（Urolithiasis）2013）。
イオン濃度の標準測定技術は原子吸光である。しかし、この技術は、複雑な設備が必要で、小型化が可能ではない。
イオン選択電極（ＩＳＥｓ）は、機器の点でより単純な測定に使用され、高価ではない。これらの電極は選択性膜を有し、膜による溶液イオンの交換や相互作用によって、イオンの活量が電位になる。選択性膜は、さまざまなタイプの、ガラス、結晶、またはイオン交換化合物に基づいてもよい。後者は、イオン選択的化合物を固定化するポリマー（例えば、ポリ塩化ビニル、ＰＶＣ）を有している。ＩＳＥの電位を測定するには、多くの場合、ＩＳＥ（組合せ電極）と同じ本体に一体化された参照電極を使用する必要がある。参照電極は、一般的に参照溶液に浸漬された金属電極であり、液体結合を介して測定されるために、順に溶液に接続されている。参照電極の主な特徴は、その電位、即ち金属の内部と金属が浸漬されている溶液の内部との間の電位が、前記溶液の組成に依存しないことである。参照電極は、通常、液体結合を介して参照溶液を損失し、その結果、それを定期的に充填する必要がある。
正確な測定を行うために、これらの電極は、電極が既知のイオン濃度の溶液中に浸漬されたときに発生する電位の測定から成る事前の較正を必要とする。これらの電極は、機器の一部を形成し、機器は、ｐＨの場合にｐＨメータとして知られ、製造するには安くなく、ポータブルでも、自律型でもなく、適切な管理のための特有の保守とクリーニング条件を必要とする。この測定法の結果はまた、（前記目的のために適切に訓練されなければならない）ユーザーによる正しい操作にも依存する。電極の不適切な取り扱いまたは管理は、誤った結果を生じることがある。
この種類の測定に使用される別の型のセンサーは、ＩＳＦＥＴ（イオン選択性電界効果トランジスタ）型のセンサーである。これらは、マイクロエレクトロニクス技術を用いて作られたデバイスである。（トランジスタのゲート電位である）溶液の電位は、ＩＳＥ型電極で測定に使用される電極等の参照電極によって制御される。ＩＳＦＥＴは、閾値電圧がゲート誘電体と接触している溶液のイオン濃度に応じて変化する電界効果トランジスタである。誘電体の多くの種類（ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、Ａｌ２０３、Ｔａ２０５、Ｚｒ０２）では、ＩＳＦＥＴの閾値電圧の変動は、主にＨ＋イオンに依存し、従って、ＩＳＦＥＴはｐＨセンサーとして使用される。ＩＳＦＥＴに基づく他のイオンのセンサーを作るためには、米国特許第５２５０１６８号に記載されているような選択性膜と呼ばれる追加の層がゲート誘電体層上に成膜される。成膜された膜に応じて、ＩＳＦＥＴは特定のイオンまたは他の用途のためのセンサーとして機能する。これらのセンサーによる測定は、電界効果トランジスタの閾値電圧の変化を記録することで構成され、そしてそれは、人が測定したいイオン濃度の変化に比例している。ＩＳＦＥＴの閾値電圧の変化を測定する１つの方法は、一定のドレイン電流と一定のソースドレイン電圧とにデバイスを分極する回路を用いることである。この方法で、回路が前記分極を維持するように印加するゲート電圧の変化は、ＩＳＦＥＴによって受けた閾値電圧の変化に等しい。従って、回路から印加されたゲート電圧は出力信号とみなされる。
ＩＳＥ電極に基づく測定システムとＩＳＦＥＴに基づく測定システムの両方の測定システムは、イオンを測定することができる参照電極を必要とする。このことにより、システムは高価になり、定期的な保守を必要とする。１９７８年に、参照電極のなしにＩＳＦＥＴ型デバイスによりｐＨ測定を行う、ＩＳＦＥＴとＲＥＦＥＴの差動測定から成る解決策が開示された（P.A.ComteとJ.Janatanによる「固体参照電極としての電界効果トランジスタ」、Analytica Chimica Acta）。この場合、ＲＥＦＥＴはＩＳＦＥＴにから形成され、そのゲートは一定のｐＨにさらされている。差動測定は、ゲート端子として溶液中に浸漬された単一の電極を使用して、両方のデバイスの閾値電圧を測定すること、および得られた２つの値の差として答えを得ること、から成る。ＲＥＦＥＴゲートが、参照溶液（内部溶液）で充填されたマイクロリザーバを組み込むことにより、一定のｐＨにさらされたまま維持される。前記マイクロリザーバは、液体接合として働くマイクロチャンネルを経由して外部と連結され、そのため、外側溶液と参照溶液との間の電位差が小さく、外部溶液中の他のイオンのｐＨおよび濃度によって大きくは影響しない。このように、電極と溶液との間に発生する電位の変化は、２つの閾値電圧値に転換され、このため電位の変化は、差分値（それらは減算演算でキャンセルされる）に影響を与えない。このため、異なる測定システムは、電極が参照電極である必要なく、任意の導電性電極で実施されることができる。ＲＥＦＥＴが一定のｐＨの溶液にさらされるのならば、差分値の変化は、ｐＨの変化に対するＩＳＦＥＴ応答に相当する。しかし、CompteとJanataにより説明されたＲＥＦＥＴの製造方法は、自動化することは困難であり、したがって、参照電極を有するＩＳＦＥＴのセンサーよりはるかに安価なコストでセンサーを製造することは可能ではなく、その価格を一般大衆が受け入れることはできないであろう。さらに、CompteとJanataにより説明されたＩＳＦＥＴ−ＲＥＦＥＴセンサーの設計において、ＲＥＦＥＴのマイクロリザーバは、エポキシ樹脂で構成されている。樹脂が硬化すると、このマイクロリザーバは、緩衝剤溶液で調製されたアガロースゲルで充填される。その後、マイクロチャネルとして作用するガラスキャピラリがアガロースゲル中に導入され、マイクロリザーバはエポキシ樹脂の層で封止される。従って、センサーは、乾燥保管され、マイクロリザーバの緩衝液は、空気と置換されながらマイクロチャネルを通ってゆっくり蒸発する。水溶液中に長時間浸漬後、使用する場合、マイクロリザーバ内の空気の存在により、センサーは正確に機能しない。これは、閉じ込められた空気を外部へ拡散することが必要であるのと同様に、ハイドロゲルで充填されていないマイクロチャネルを通ってのみ、水が充填されるという事実による。さらに、マイクロリザーバ内の参照溶液は希釈され、マイクロチャネルを通って汚染されるので、この種類のセンサーの寿命はマイクロリザーバの容積および外部と連結するマイクロチャネルの寸法に依存する。その結果、前記溶液のｐＨが元のｐＨ値に対して変化するように、測定誤差は測定値を徐々に増加させうる。このため、センサーの寿命は短いと考えられる。
欧州特許出願第８５２００２６３号は、２つのＩＳＦＥＴセンサーを使用するセンサーを開示している。その１つは参照溶液が中を流れる導管内部で見いだされる。このように、前記ＩＳＦＥＴは汚染されていない溶液と常に接触している。しかし、このため、記載された溶液をより複雑で高価にする射出システムの供給手段と同様に、参照溶液射出システムをセンサー内に組み込むことは必要である。
したがって、従来技術は、次の関連する問題を有している。テストストリップは不正確である。ガラス電極は、高価で、壊れやすく、保守を必要とし、簡単には小型化され得ない。現在のＩＳＦＥＴ型とＩＳＥ型センサーは小型化可能であるが、それらは参照電極を使用しなければならないので、高価であり、保守が必要である。CompteとJanataにより提案されたＩＳＦＥＴ−ＲＥＦＥＴセンサーは、製造するのが高価であり、寿命が短い。及びに、欧州特許出願第８５２００２６３号に開示されたセンサーは、２つのＩＳＦＥＴトランジスタに関することに加えて、参照溶液注入システムが必要なためコストがより高く、より複雑である。
本発明は、少なくとも１つのＩＳＦＥＴのトランジスタおよびＲＥＦＥＴトランジスタを備える、差動測定に基づく新規のイオンセンサーを開示する。ＲＥＦＥＴは、内部の参照溶液が含まれるマイクロリザーバによって覆われた、ＩＳＦＥＴから成る構造体により定義される。本発明の第２の目的は、低コストで大量生産を可能にする前述のセンサーの製造方法である。本発明の第３の目的は、参照溶液で満たされた調整容器中に浸漬された前述のセンサーであり、それは前述のセンサーの耐用年数を延長することができる。
したがって、本発明の第一の目的は、差動測定に基づくイオンセンサーである。前記センサーは、少なくとも、
接続トラックにより測定開路へ電気的に接続された、第１のイオン選択性電界効果トランジスタ、および少なくとも１つの第２のイオン選択性電界効果トランジスタと、
導電性材料の電極と、
チップ表面に２つの電界効果トランジスタが一体化されている少なくとも１つのチップと、を備え、チップは、好ましくは、半導体材料であり、
前記センサーは、さらに、前記第１のトランジスタのゲート上にマイクロリザーバと、マイクロリザーバを外部と連結する少なくとも１つのマイクロチャンネルを形成するように構成された第１のトランジスタに接合された構造体、を備え、マイクロチャンネルは参照溶液で充填され、第１の電界効果トランジスタに接合しているこの構造体は、ＲＥＦＥＴを形成する構造体であり、
前記センサーは、さらに、チップ、接続トラック、および電極が一体化されている基材と、
接続トラックを電気的に絶縁し、測定する溶液の第１および第２のトランジスタを部分的に絶縁する封止材料と、を備え、この封止材料は、（電極と一緒にゲート端子を形成する）溶液と、トランジスタの他の端子（ドレイン、ソースまたは基材）との間に生じる電流の流れを阻止する。
また、本発明の特定の実施形態において、本明細書に記載のセンサーは単一のＲＥＦＥＴと、各々が異なるイオンに対して選択的な複数のＩＳＦＥＴを一体化することが提供される。これは、各ＩＳＦＥＴ内に配置された一連の選択性膜を有することにより達成され、選択性膜の各々が異なったイオンを検出する。ＩＳＦＥＴとＲＥＦＥＴの両方は、同一チップまたは異なるチップ内にあってもよいが、すべてのＩＳＦＥＴは、同じＲＥＦＥＴに対して差動測定を実行する。だから、単一のセンサーで、複数の異なるイオンの濃度測定を同時に行うことが可能である。
本発明の特定の実施形態では、参照溶液はマイクロリザーバとマイクロチャネルの容積を占めるハイドロゲルに含まれる。
ＲＥＦＥＴは、好ましくは、ｐＨを所定の値に固定する緩衝剤である参照溶液を有する、Ｈ＋イオン選択性ＩＳＦＥＴから構成されるだけでなく、ＲＥＦＥＴが別のイオンに対する選択性ＩＳＦＥＴから構成されていることも提案されている。即ち、ＲＥＦＥＴはゲート誘電体上の前記イオンに対する選択的な膜を含み、その場合には参照溶液は、所定の濃度の前記イオンを含まなければならない。
本発明の別の特定の実施形態では、第１のイオン選択性電界効果トランジスタは、第１のチップ内に一体化され、少なくとも１つの第２のイオン選択性電界効果トランジスタは、第２のチップ内に一体化されている。複数の第２のトランジスタがある場合は、それらの各々が別個のチップに一体化されることができ、またはそれら全てが、単一のチップに一体化されることができる。
本発明の別の特定の実施形態では、第１のイオン選択性電界効果トランジスタと少なくとも１つの第２のイオン選択性電界効果トランジスタは、同じチップ内に一体化されることも、示されている。したがって、センサーの製造時間と製造コストをうまく低減することができる。本発明の別の特定の実施形態では、電界効果トランジスタ、接続トラック、電極、および測定開路の一部は同一チップ内に一体化される。したがって、センサーの製造コストをさらに低減し、その大きさを大幅に低減でき、これは特定の用途に重要であり得る。
本発明の別の特定の実施形態では、チップの接続、より具体的には、接続トラックとチップの接続「パッド」との接続は、ワイヤボンディングを介して行われる。
本発明の別の特定の実施形態では、ワイヤと接続トラックは前記ポリマーで覆われ、第１および第２のイオン選択性電界効果トランジスタのゲート、マイクロチャンネルの出口、および電極は覆われないように、チップはポリマーで封止される。
別の特定の実施形態では、第１のトランジスタ（ＲＥＦＥＴ）のマイクロリザーバの外壁は、少なくとも部分的に気相中の水分子と空気に対しては透過性の材料であるが、参照ｐＨの溶液に対しては透過性ではない。したがって、外側へ向かう空気分子と内側へ向かう水分子の拡散は、センサーが使用されていない期間の後の利用されるであろう時に、センサーの調整プロセスを加速しながら、前記透過性材料の表面を通って行われる。こうして、センサーの乾燥保管と、使用する前に調整溶液に浸漬することにより、マイクロリザーバの急速な再給水を可能にする。これは、この種類のセンサーの耐用年数を、明確にかなり相当に長くする。
本発明の別の特定の実施形態では、イオン選択性膜は、少なくとも１つの第２のトランジスタ（ＩＳＦＥＴ）のゲート上に配置される。だから、配置された膜がどの種類のイオンに対して選択的であるかに依存して、本発明の差動測定対象に基づくイオンセンサーは、異なるイオンの濃度を測定することができる。このように、Ｃａ２＋、Ｋ＋、Ｎａ＋、Ｃｌ、ＮＨ４＋、ＣＯ３２−などの異なるイオンの濃度を測定するためのセンサーを得ることができる。
本発明のセンサー対象の別の特定の実施形態では、マイクロリザーバは０．００１ｍｍ３と１ｍｍ３との間の容積を有し、マイクロチャネルは、１μｍ２と１００００μｍ２との間の断面積と、１０μｍと１ｍｍとの間の長さを有している。これらの化学種がマイクロチャンネルを通り外部に向かって拡散するので、マイクロリザーバ内のこれらの化学種の濃度は、指数関数的に進展する。濃度変化の時定数は、マイクロチャネルの断面積に比例し、マイクロリザーバの容積とマイクロチャンネルの長さに反比例する。したがって、マイクロリザーバ内の溶液のイオン濃度を維持する緩衝剤の化学物質の一定量を失うのに要する時間、及び外部からの化合物による前記溶液の汚染度は、マイクロチャネルの断面積に比例し、マイクロリザーバの容積とマイクロチャンネルの長さに反比例する。すなわち、より長いおよび／またはより細いマイクロチャネルは長時間安定したセンサー信号を提供する。しかし、より長いおよびより細いチャネルはまた、溶液で充填されたマイクロチャンネルのより大きい電気抵抗を含む。電極の電位をＲＥＦＥＴトランジスタのゲートへ伝達するように、マイクロチャンネルはリザーバの内部の溶液を外部の溶液と電気的に接続しなければならないので、マイクロチャネルの抵抗が大きいほど、電気的干渉に対するセンサーの感受性が大きくなる。これは、マイクロチャネルの寸法を制限し、したがって、マイクロリザーバの所定の寸法により得ることができる安定した測定時間を制限する。
本発明の別の特定の実施形態では、外部とマイクロリザーバを連結する２つ以上のマイクロチャネルが示される。マイクロチャネルの数を増やすと、マイクロリザーバの溶液と測定する溶液との間の電気抵抗を増加させることなく、その断面積を低減することができる。マイクロチャネルの十分に低減された断面積は、ＲＥＦＥＴゲート誘電体の表面の参照溶液の特性を変化させることができるある微生物のマイクロリザーバ内への侵入を防ぐことができる。
本発明の別の特定の実施形態では、マイクロチャネルの出口においてリザーバとマイクロチャネルの内容物を封止するために、例えば、粘着テープまたは同様なもの等の脱着可能な外部封止手段が示される。粘着テープは手動で脱着できるように適切な形状を有している。これにより、ＲＥＦＥＴ内の溶液は遮断され、センサーの最初の使用まで蒸発を防止するので、センサーの耐用年数を延ばすことができる。さらに、マイクロリザーバを作製する構造体が製造される材料は、参照溶液に対して透過性であってはならない。
本発明の別の特定の実施形態では、マイクロリザーバを作製する構造体は、少なくとも部分的に、例えば、ポリジメチルシロキサンなどのガス透過性ポリマーであり、そしてそれは、センサーを乾燥して保管することができ、数時間の浸漬後に使用することができる。この利点は、センサーの保管と販売を促進するために、または携帯計測装置として使用される場合には、その輸送を容易にするために重要である。
本発明の第２の目的は、上述した差動測定に基づくイオン測定センサーの製造方法である。前記方法は、少なくとも、
等間隔に配置された複数の第１のイオン選択性電界効果トランジスタを第１のウェーハ上に配置すること、
各マイクロリザーバが各第１のイオン選択性電界効果トランジスタに対応して配置され、およびに整列されるように、第１のウェーハ上に接合可能な材料の構造体を好ましくは接合することにより、接合し、第１のイオン選択性電界効果トランジスタに対応して複数の等間隔に配置されたマイクロリザーバおよびマイクロチャンネルを形成することと、
第１のウェーハを、各チップが第１の電界効果トランジスタ並びに、マイクロリザーバおよび少なくとも１つのマイクロチャンネルを備える構造を有する複数のチップに切断することと、
基材上で第１のイオン選択性電界効果トランジスタをマイクロリザーバおよびマイクロチャンネルと接合すること、並びに第２のイオン選択性電界効果トランジスタを電極および接続トラックと接合することと、
接続トラックを第１と第２のトランジスタへ接続すること、そして前記第１と第２のトランジスタおよび前記接続トラックを封止すること、の工程を含む。
第１および第２のイオン選択性電界効果トランジスタが同一チップ内に一体化される場合、接合可能な材料の第２のウェーハは、各マイクロリザーバに近接する少なくとも１つの開口部を有し、その結果、接合工程の間、各開口部は第２の電界効果トランジスタのゲートに対応して、測定する溶液と接触するように第２のトランジスタの前記ゲートを外部に露出させたまま配置される。
本発明の方法の対象の特定の実施形態において、第１のウェーハ上の構造体の接合工程は、マイクロリザーバとマイクロチャネルを有する構造体を生成するために前記第１のウェーハ上に事前にフォトリソグラフィ工程を受けた接合可能な材料の複数の層を追加することを含む。
本発明の方法の対象の別の特定の実施形態において、第１のウェーハ上の構造体の接合工程は、接合可能な材料の構造体がマイクロリザーバとマイクロチャンネルを生成するための凹部形成工程を事前に受けることを含む。この凹部形成工程は、第２のウェーハの真空、押出し、または同様なものによることができる。
別の特定の実施形態では、マイクロチャネルは、第１のウェーハ、即ちチップの表面の縦凹部形成によりチップ内で一体化されることが示される。このように、ＲＥＦＥＴの構造体は、まず構造体がリザーバのみを含むので、第２のウェーハの接合により、または結合可能でフォトリソグラフィ可能な材料の層をＩＳＦＥＴ上に追加することによりマイクロリザーバの壁および前記マイクロリザーバのカバーを形成し、完成される。
第１と第２の電界効果トランジスタのドレインおよびソース並びに溶液の基材を絶縁するために、第１および第２の電界効果トランジスタの表面に絶縁材料の層を成膜することが示されている。だから、第１および第２の電界効果トランジスタのゲートだけが、溶液、即ち参照溶液とイオン濃度を知りたい溶液の両方の溶液と接触している。本発明の別の実施形態では、封止材料は、第１および第２のイオン選択性電界効果トランジスタの全ての縁部に追加的に成膜され、測定する溶液の第１および第２の電界効果トランジスタの基材を電気的に絶縁する。
あるいは、絶縁を与えるウェーハ構造体を使用することができる前記トランジスタは、その縁部で封止材を用いる必要なしに基材から電気的にも絶縁される。例えば、ＳＯＩウェーハ（絶縁層上の半導体の薄層）を用いることができ、その上に２つの電界効果トランジスタを形成する。絶縁層を成膜し、最後にトランジスタのゲートおよびワイヤボンディング領域（接続パッド）から絶縁層を除去した後に、絶縁を得るために、トランジスタが形成されると、各々のトランジスタを完全に囲む半導体層に溝が形成されなければならない。絶縁体を得る別の形態は、ｐｎ接合により残りの基材から分離された半導体領域内に、トランジスタを形成することである。この場合、ｐｎ接合が逆である、つまり、ｐ領域の電位は、ｎ領域の電位よりもより負である、ことを保証する必要がある。
本明細書に記載の差分測定に基づくイオンセンサーの製造方法は、従来技術と比較して、より容易に自動化され、大規模で実施されることができ、その結果、その製造コストを大幅に削減できるという、利点を有している。
本発明の第３の目的は、測定と測定との間で前述のセンサーを保管し、センサーの寿命を無期限に長くする調整容器である。調整容器は参照溶液で充填され、前記マイクロリザーバに入れられた溶液がマイクロチャネルを通って拡散することによって補充されることを可能にする。
トランジスタを含むチップは、金属接続トラックを含む表面で封止されるので、センサーに他の構成要素を（トラック上のボンディングにより）追加することは容易である。いくつかの実施例は、１）例えば電極とトランジスタ基材端子との間で接続された静電放電からトランジスタを保護するための過度電圧抑制器、２）温度を測定し、センサーの熱ドリフト補償するためのサーミスタ、３）イオンに対する感度と各センサーの温度による変動の計数等のセンサーのパラメータを格納するメモリ、４）ＩＳＦＥＴ−ＲＥＦＥＴの組の分極回路と測定回路、５）アナログ−デジタル変換器、６）マイクロコントローラ、７）測定データを表示するディスプレイ、８）電子機器（例えば、コンピュータまたはスマートフォン）を用いてシリアルプロトコル（例えば、ＵＳＢ標準）によりデータを通信するインターフェース回路、８）バッテリー、９）他の電子機器に無線でデータを通信するための通信回路およびアンテナ、であろう。これらの構成要素の特定の組み合わせはＲＦＩＤ（電波識別）型のイオンセンサーを生み出すであろう。この場合、ＩＳＦＥＴとＲＥＦＥＴは、測定回路およびアナログ−デジタル変換器と、並びに他の回路とＲＦＩＤタグの典型的な構成要素と一体化される。ＲＦＩＤセンサーは、容器内の測定する液体中に浸漬されているので、これにより、ＲＦＩＤタグリーダーを使用することが可能となり、密閉された容器の外部からイオン測定データを得ることができる。
図１は、本発明の差動測定対象に基づくイオンセンサーの特定の実施形態の断面図を示す。 図２は、マイクロチャネルとマイクロリザーバの封止手段が加えられた、図１に示されるイオンセンサーの特定の実施形態の断面図を示す。 図３は、本発明の差動測定対象に基づくイオンセンサーの製造方法の特定の実施形態を示す。図３ａは、両ウェーハのアライメント工程を示す。図３ｂは、両ウェーハの接合工程を示す。図３ｃは、溶液またはハイドロゲルで容器を充填する工程を示す。図３ｄは、得られたウェーハをチップにする切断工程を示す。 図４は、本発明の差動測定対象に基づくイオンセンサーの別の製造方法の特定の実施形態を示す。図４ａは、ＩＳＦＥＴを示す。図４ｂ〜図４ｇは、マイクロチャネルとマイクロリザーバを構成するために、フォトリソグラフィ工程で交互にされたポリマー層の次の接合工程を示す。 図５ａは、そのすべての構成要素を有するセンサーの実施形態の一例の平面図を示す。図５ｂは、封止ポリマーが追加されている図５ａのセンサーを示す。 図６は、任意の溶液の特定のイオン濃度の測定に、図１のイオンセンサーを使用する１実施例を示す。
以下に、本発明の実施の形態の一例が、図に割り振られた番号を参照して、例示の及び非限定的な符号で説明される。
図１は、Ｈ＋イオンの測定のために設計された特定の場合のために、即ち、特定の溶液のｐＨが測定される場合のために、本発明の対象である差動測定に基づくイオンセンサーの実施形態の一例を示す。前記センサーはＩＳＦＥＴ（１）とＲＥＦＥＴ（２）によって形成され、ＲＥＦＥＴ（２）は、順に別のＩＳＦＥＴ（３）から構成され、そのうちのゲート（４）が一定のｐＨの参照溶液（内容液）で満たされたマイクロリザーバ（６）を作る構造体（５）に組み込まれることにより、一定のｐＨにさらされ続ける。前記マイクロリザーバ（６）はマイクロチャンネル（７）により外部に連結されている。実施形態のこの具体例におけるマイクロチャンネルは、互いに垂直な２つの部位により形成されることを備えるが、１つの縦部位によって形成され、または任意の他の構成を有することができるであろう。
ＩＳＦＥＴ（１）とＲＥＦＥＴ（２）の両方、両方は異なるチップに一体化され、次に接続トラック（９）と電極領域（１０）の形に画成された金属層を有する基材（８）上に固定される。チップは、「チップオンボード」タイプの技術、即ち、ワイヤボンディング（ワイヤ（１２）によるチップの接続パッド（１４）のはんだ付け）と、グローブトップの保護（封止ポリマー（１１））を用いて、部分的に封止される。封止ポリマー（１１）は、接続ワイヤ（１２）と接続トラック（９）を覆い、ＩＳＦＥＴのゲート（１３）とＲＥＦＥＴのゲート（４）を覆わない、マイクロリザーバ（６）を形成する構造体（５）を少なくとも部分的に覆わない、そして電極領域（１０）だけでなくマイクロリザーバ（６）とＲＥＦＥＴ（２）のマイクロチャンネル（７）の出口は完全には覆わない。
ＲＥＦＥＴチップ（２）は、構造体（５）とマイクロチャネル（７）を有するＩＳＦＥＴチップ（３）により形成され、構造体はチップの表面に、前記ＩＳＦＥＴ（３）のゲート（４）上にマイクロリザーバ（６）を形成するように表面に付着されており、結果、マイクロリザーバ（６）とマイクロチャンネル（７）の両方の、壁と天井の両方が前記構造体（５）の材料であり、一方で床はＩＳＦＥＴ（３）の表面によって形成される。
図２は、マイクロチャネル（７）の封止手段、及びにマイクロリザーバ（６）の封止手段が、マイクロチャネル（７）の出口に接着されている、実施形態の具体例を示す図である。具体的には、ユーザーによって容易に除去できるように接着剤なしの部分を有する接着剤ストリップ（１５）が接着される。この特定の実施形態では、センサーが初めて使用されて接着ストリップ（１５）が除去されるまで、ＲＥＦＥＴ（２）のマイクロリザーバ（６）とマイクロチャネル（７）内の参照溶液が、漏れまたは蒸発を回避して完全に隔離されるので、センサーの耐用年数を延長させることができる。
図３は、本明細書に記載のセンサーの製造方法の実施形態の１実施例を示す。この方法は、マイクロ流体システムの製造のために使用されるプロセスなどのプレーナ技術プロセスを用いて、マイクロリザーバおよびマイクロチャンネルの形成、並びにそれらのＩＳＦＥＴ上への接合に基づいている。図３Ａは、前もって等間隔に配置された、一体化されたＩＳＦＥＴ（２０）および接続パッド（１４）を有する第１のウェーハ（１６）、並びに下部表面に前もって作られたマイクロリザーバ（１８）およびマイクロチャンネル（１９）を有する第２のウェーハ（１７）を示す。この第２の（１７）は、第１のウェーハ（１６）に接合されることができる材料のウェーハである。両ウェーハ（１６、１７）は、マイクロチャネル（１９）とマイクロリザーバ（１８）が各ＩＳＦＥＴ（２０）に対応するように位置合わせされる。両ウェーハ（１６、１７）の間の接合が実施される工程は、図３Ｂに示される。
この場合、両ウェーハ（１４、１５）の間の接合工程では、次のプロセスが提供される。接合は、化学的なタイプ、即ち、共有結合を形成して反応する分子で表面を官能化する方法によるのが好ましいが、マイクロチャンネル（１９）の形状が歪められないのならば他の接合技術を用いてもよい。官能化され、化学的に接合されうる材料の多くの組み合わせは、当業者に公知である。この点に関し、１つの可能性は、第１のウェーハ（１６）は酸化シリコンまたは酸窒化物の表面を有し、第２のウェーハ（１７）はポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）から成る表面であり、両方の表面は、酸素プラズマによって官能化されることである。
第２のウェーハ（１７）は、マイクロ流体システムの実装に使用される微細加工技術を用いて容易に製造される。それは、成形またはいくつかの他の技術によってすでに形成された構造体を有することを示している。
ＩＳＦＥＴ（２０）は、ＩＳＦＥＴが基材（８）から絶縁できる技術によって製造されている。前記技術はＳＯＩウェーハの使用と、ＩＳＦＥＴの周りの絶縁トレンチの画成に基づいている。このように、チップの縁部を保護する必要がなくなるので、カプセル封止を容易にする。これは、封止ポリマーが適用される時に偶発的にゲートが覆われる危険がないので、ＩＳＦＥＴゲートからチップの縁部までの距離が、もはや重要では無いために、より小面積でチップを封止することができる。
図３Ｄに示すように、ウェーハ（１６、１７）を個々のチップ（２１）に切断した後、それらを、「チップオンボード」などのマイクロエレクトロニクス業界で確立されたものと同様の自動化技術によって、カプセル封止することができる。これは、基材（一般的には、プリント回路基材）にチップ（２１）を付着すること、ワイヤボンディング（１２）でそれらを接続すること、封止ポリマー（１１）でアセンブリを保護することから成る。このケースでの標準的な技術との相違点は、封止ポリマー（グローブトップ）は、チップ全体を被覆していないことたが、それは接続ワイヤの領域にのみに適用される。基材上に既に組み立てられたすべての構成要素を有するセンサーは、図３Ｄに示されている。
図４は、ＩＳＦＥＴが一体化されているチップから始まる層を追加することによってＲＥＦＥＴが得られる、ＲＥＦＥＴの別の代替製造技術を示している。図４ａは、チップ上のＩＳＦＥＴ（２２）を示している。前記ＩＳＦＥＴは、トランジスタのソース（２７）に接続されたソースパッド（２３）、トランジスタのドレイン（２８）に接続されたドレインパッド（２５）、及び基材パッド（２４）（それらのすべてのパッドは、ＩＳＦＥＴの接続パッド（１４）を形成する）、並びにゲート（２６）を備える。続いて、図４ｂに示されるように、ポリマーの第１の層（２９）が接合により成膜されるか、またはプレポリマーが遠心分離により成膜され、そして熱硬化される。このポリマーの層（２９）は、リソグラフィによって構成され、マイクロチャネル（３０）とマイクロリザーバ（３１）を作成し、接続パッド（２３、２４、２５）をポリマーが無いままにする（図４ｃ）。続いて、図４ｄに示すように、ポリマーの第２の層（３２）は、ポリマーの第１の層（２９）上に積層して接合される。再び、ポリマーのこの第２の層（３２）は、フォトリソグラフィによってマイクロリザーバ（３１）の容積を増加させ、マイクロチャネル（３０）を閉鎖する（図４ｅ）が、マイクロチャネル（３０）の出口開口部（３３）を開けたままで構築される。最後に、ポリマーの第３の層（３４）が接合され、これはリソグラフィによって構築される（図４ｆおよび４ｇ）。従ってマイクロリザーバ（３１）が閉じられ、マイクロチャネル（３０）の出口開口部（３３）だけが開いたままである。ＳＵ８とすることができるポリマーの３つの層（２９、３２、３４）は、マイクロリザーバ（３１）と、連続して出口開口部（３３）を通って外部に接続されたマイクロチャネル（３０）を画成する。この出口開口部（３３）が、マイクロチャネル（３０）およびマイクロリザーバー（３１）のウェーハレベルまでの、ハイドロゲルまたは任意の参照溶液での充填を可能にする。
ＩＳＦＥＴの構造体は、ゲート電極が無いことと、ゲート誘電体が露出しているという相違点を有するＭＯＳトランジスタの構造体（ドープされた半導体基材におけるドレインとソースの拡散）と同様である。ＩＳＦＥＴデバイスとＲＥＦＥＴデバイスが正しく機能するように、それらは溶液と接触するゲート誘電体、人が測定したい溶液と接触するＩＳＦＥＴのゲート誘電体、及びに参照溶液と接触するＲＥＦＥＴゲート誘電体を有する必要がある。しかしそれらはドレイン、ソース及びそれぞれの溶液から絶縁された基材を有する必要がある。これを保証するために、絶縁材料の層は、その製造時に（ウェーハレベルで）チップ表面上に成膜され、チップの縁部は、封止プロセス中に封止ポリマーで保護される。あるいは、チップの縁部からデバイス基材を電気的に絶縁することを可能にする製造技術を使用することが出来、そのため、例えばＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレータ）ウェーハを使用して、ポリマーでそれらを保護する必要がない。「チップオンボード」の標準的な封止技術を使用できるように、基材を絶縁する２つの方法を使用することが可能であるが、第１は、ＩＳＦＥＴのゲートとチップの縁部との間の全ての方向に、大きな空間（〜２ｍｍ）が必要であり、それによりチップは大きくなり、従って高価になる。ＳＯＩウェーハのＳＥを介する第２の選択は、一方向の分離が大きいことのみを必要とし、低減された面積のチップ（例えば、長方形のチップにおいて、ＩＳＦＥＴゲートがチップとの１つの端部に、グローブトップで保護する接続パッドがチップの他方の端部に位置する）の封止を可能にするので、本明細書に記載のＩＳＦＥＴ−ＲＥＦＥＴセンサーの製造により適するようになる。
ＲＥＦＥＴの興味深い変形は、マイクロリザーバとマイクロチャネルが、ハイドロゲルで充填されているものである。この場合の利点は、マイクロチャネルとマイクロリザーバでの（誤動作原因となり得る）気泡形成の問題を回避すること、およびセンサーを使用するまで乾燥して保管できることである。ハイドロゲルは、参照溶液に浸漬され、ハイドロゲルなしの内部溶液と同じ機能を果たす。この材料は、非常に吸湿性が高く、そのためセンサーが溶液の外に出したままにされた場合、乾燥するのに多くの時間がかかるであろう。完全に乾燥した場合に、気泡を形成する危険がなく、蒸留水にまたは参照溶液中に再浸漬して容易に再給水することができる。
図５は、本発明に従うｐＨセンサーの実施形態の一例の平面図を示す。図５ａは、図４で説明したものと同様のＩＳＦＥＴおよびＲＥＦＥＴ、電極（３６）並びに接続トラック（３７）が固定されている、ＰＣＢ基材（３５）を示す。前記トラックは、ワイヤボンディング（３８）によって接続パッド（２３、２４、２５）でＩＳＦＥＴとＲＥＦＥＴとの両方に接続されている。図５ｂは、封止材料（３９）が成膜された図５ａのセンサーを示し、ＩＳＦＥＴとＲＥＦＥＴの両方を部分的に覆い、及びに接続トラック（３７）とのそれらの接続を完全に覆う。
最終的に、ＩＳＦＥＴとＲＥＦＥＴを単一チップ内に一体化すること、さらに、センサーのコストさえ下げることが示されている。
本発明の別の目的は、記載されたＩＳＦＥＴ／ＲＥＦＥＴセンサーを用いたイオン測定法である。センサー（４０）が使用されていないとき、それは、参照溶液（４２）が充填された調整容器（４１）内に導入される（図６ａ）。この参照溶液（４２）は、そのイオン濃度が分かっているので、較正溶液として働く。まず、センサー（４０）を初めて参照溶液（４２）に導入し、マイクロリザーバ（６）が前記溶液（４２）を充填する、または浸漬されるように十分な時間をかける。前記センサー（４０）は調整容器（４１）から取り出され、洗浄され、測定容器（４４）内の測定する溶液（４３）中に浸漬され、参照溶液（４２）を充填されたＲＥＦＥＴのマイクロリザーバ（６）を保持する（図６ｂ）。使用後、センサー（４０）は、洗浄され、調整容器（４１）に再挿入され、マイクロリザーバ（６）溶液が容器の溶液と平衡になり、そして元のイオン濃度に戻る。センサー（４０）が、調整容器内の参照溶液（４２）中に浸漬される時間よりも、使用時間が短いときはいつでも、センサー（４０）は正しく機能する。センサー（４０）は、１つの測定と次の測定との間に調整容器（４１）内に良い状態で保存され、そしてそれは参照溶液の汚染、またはその成分が外部へ向かう拡散の汚染による制限された寿命を、センサーは有していないことを意味する、という点で、本発明は、新規である。さらなる利点は、イオン濃度が固定された（例えば、ＩＳＦＥＴのｐＨが選択的であり、ＲＥＦＥＴはｐＨ選択ＩＳＦＥＴで構成されている場合の、一定のｐＨを維持するための緩衝溶液など）参照溶液（４２）で、調整容器（４１）は充填されているので、センサーは、ユーザーが気づくことなく同じ方法で、その取り出しの前に較正されることができる、という点である。
本発明のイオンセンサー対象に与えることができる複数の用途の中で、用途は、例えば、結石症や骨粗鬆症などの疾患を制御するための関心のあり得る尿中のイオンを測定することによって、自己診断医療装置にセンサーを組み入れることである。別の可能な用途は、センサーによって行われた測定値が、携帯機器（このために、本発明のセンサーは、携帯機器との通信インターフェースを有していなければならない）に送信されるバースコントロールのための膣のｐＨの測定であろう。センサーの別の可能な用途は、細胞培養物中のイオンの監視である。培地中にセンサーを導入することは、容器の蓋を開放する必要なしに、連続的に細胞の状態を制御することも可能であろう。この場合、測定は、センサーに一体化された無線通信システムに送信されることができる。

Claims (19)

  1. 差動測定に基づくイオンセンサーであって、前記イオンセンサーは、
    接続トラックによって電気的にイオン測定システム接続された第１の電界効果トランジスタ、及びに少なくとも１つの第２のイオン選択性電界効果トランジスタ、を備え、前記第２のイオン選択性電界効果トランジスタは参照溶液と接触し、
    前記イオンセンサーは、更に、
    電極と、
    前記イオン選択性電界効果トランジスタが一体化されている表面上の、少なくとも１つのチップと、
    前記第１のトランジスタの１つのゲート上にマイクロリザーバを形成するように構成された、前記第１のイオン選択性電界効果トランジスタ上に接着された構造体と、を備え、前記マイクロリザーバは、前記参照溶液で満たされ、
    前記イオンセンサーは、更に、
    前記マイクロリザーバを外部と連結する少なくとも１つのマイクロチャネル、を備え、前記少なくとも１つのマイクロチャネルは、前記参照溶液で満たされ、
    前記イオンセンサーは、更に、前記少なくとも１つのチップ、前記接続トラック、および前記電極が一体化された基材と、
    前記接続トラックを完全に絶縁し、測定する前記溶液の前記第１および第２のイオン選択性電界効果トランジスタを部分的に絶縁する封止材料と、を備えることを特徴とするイオンセンサー。
  2. 前記参照溶液はハイドロゲルに含まれる、請求項１記載の差動測定に基づくイオンセンサー。
  3. 前記第１のイオン選択性電界効果トランジスタは第１のチップ内に一体化され、少なくとも１つの第２のイオン選択性電界効果トランジスタは第２のチップ内に一体化される、請求項１又は２記載の差動測定に基づくイオンセンサー。
  4. 前記第１のイオン選択性電界効果トランジスタおよび前記第２のイオン選択性電界効果トランジスタは前記同一チップ内に一体化される、請求項１又は２記載の差動測定に基づくイオンセンサー。
  5. 前記第１および第２のイオン選択性電界効果トランジスタ、前記接続トラック、前記電極、および前記測定回路の一部が、前記同一チップ内に一体化される、請求項１又は２記載の差動測定に基づくイオンセンサー。
  6. 前記接続トラックと前記チップの接続点の前記接続は、ワイヤボンディングを介して実行される、請求項３又は４記載の差動測定に基づくイオンセンサー。
  7. 前記チップは、ポリマーで封止され、前記ワイヤおよび前記接続トラックは前記ポリマーで覆われ、前記第１および第２の電界効果トランジスタの前記ゲート並びに前記マイクロチャンネルの前記出口は覆われない、請求項６記載の差動測定に基づくイオンセンサー。
  8. 前記第１のイオン選択性電界効果トランジスタ上に接着された前記構造体は、少なくとも部分的にガス透過性材料であり、及びに前記参照溶液に対して不透過性である、請求項１〜７のいずれか１項に記載の差動測定に基づくイオンセンサー。
  9. 前記マイクロチャネルは、前記第１のイオン選択性電界効果トランジスタが一体化されている前記チップ内に作られた溝である、請求項１〜８のいずれか１項記載の差動測定に基づくイオンセンサー。
  10. 前記マイクロチャネルは、前記第１のイオン選択性電界効果トランジスタ上に接着された前記構造体の一部を形成する、請求項１〜８のいずれか１項記載の差動測定に基づくイオンセンサー。
  11. 前記マイクロリザーバは、０．００１ｍｍ３と１ｍｍ３との間の容積を有し、前記マイクロチャネルは、１μｍ２と１００００μｍ２との間の断面積、及びに１０μｍと１ｍｍとの間の長さを有する、請求項１〜１０のいずれか１項記載の差動測定に基づくイオンセンサー。
  12. 前記マイクロチャネルは、前記マイクロリザーバおよびマイクロチャネルの前記内容物を封止する、脱着可能な外部封止手段を有する、請求項１〜７および請求項９〜１１のいずれか１項記載の差動測定に基づくイオンセンサー。
  13. 前記チップは、絶縁体上にシリコンから製造される、請求項１〜１２のいずれか１項記載の差動測定に基づくイオンセンサー。
  14. 前記イオンセンサーが差動測定に基づいて浸漬された前記参照溶液で充填されている、請求項１〜１３のいずれか１項で定義された差動測定に基づく前記イオンセンサーのための調整容器。
  15. 差動測定に基づく前記イオンセンサーの製造方法であって、前記方法は、
    第１のウェーハ上に、等間隔に配置された複数の第１のイオン選択性電界効果トランジスタを一体化することと、
    各マイクロリザーバが各第１のイオン選択性電界効果トランジスタに対応して配置され、およびに整列されるように、前記第１のウェーハ上に結合可能な材料の構造体を接合し、前記第１のイオン選択性電界効果トランジスタに対応して複数の等間隔に配置されたマイクロリザーバおよびマイクロチャンネルを形成することと、
    前記第１のウェーハを横方向に切断してのチップを作成することと、を含み
    各チップは、第１のイオン選択性電界効果トランジスタ、並びにマイクロリザーバおよびに少なくとも１つのマイクロチャネルを有する構造体を備え、
    前記製造方法は、更に、チップ、少なくとも１つの第２の電界効果トランジスタ、前記電極、およびに前記接続トラックを基材上に固定することと、
    前記接続トラックを前記第１および第２の電界効果トランジスタに接続し、前記第１および第２の電界効果トランジスタ並びに前記接続トラックを封止すること、との工程を含む、請求項１〜１４のいずれか１項記載の差動測定に基づくイオンセンサーの製造方法。
  16. 前記第１のウェーハ上にフォトリソグラフィ処理を行った接合可能材料の複数の層を追加し、前記マイクロリザーバおよびマイクロチャネルを有する接合可能材料の構造体を形成することを含む、請求項１５記載の差動測定に基づくイオンセンサーの製造方法。
  17. 前記マイクロリザーバおよび前記マイクロチャネルの作成のために、接合可能材料の前記構造体に事前に凹形成工程を受けさせることを含む、請求項１５記載の差動測定に基づくイオンセンサーの製造方法。
  18. 封止材料は、さらに、前記第１および第２のイオン選択性電界効果トランジスタの縁部上に成膜されて、前記第１及び第２のイオン選択性電界効果トランジスタの前記基材を電気的に絶縁する、請求項１５記載の差動測定に基づくイオンセンサーの製造方法。
  19. 異なるイオン選択性膜が、前記第２のイオン選択性電界効果トランジスタ上に固定されている、請求項１〜１８のいずれか１項記載の差動測定に基づくイオンセンサーの製造方法。
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