JP2995088B2 - 化学的及びイオンセンサの試験用流体ヘッド - Google Patents
化学的及びイオンセンサの試験用流体ヘッドInfo
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Description
囲感知装置、及び適当な環境におけるそのような装置を
試験する方法に関する。
又は生化学的なプロセスを制御したり、空気又は水の質
を決定したり、又は生物医学的、農業的、又は家畜のし
つけに関連するパラメータを測定することは、しばしば
好ましいことである。
少なくとも、低コスト、単純な構成体系、デジタル演
算、ある程度の信号プリコンデショニング又はインテリ
ジェンス、小型、化学的高選択感度、特異性に対する多
重種情報、化学的種に対する可逆的又は統合的反応の選
択、温度不反応又は温度補償、及び低動力条件の特性の
うちのいくつかを具備することが望ましい。さらに、測
定装置は長期間にわたる電気化学的安定性、物理的弾力
性及び強度、腐食及び化学的浸食に対する耐久性を具備
すべきである。電気的測定装置の場合には、該装置はさ
らにノイズ比に対する良好な信号を提供するのに低電気
的インピーダンスを有するべきである。化学的感応装置
については、該装置はさらに測定される化学的現象に対
するネルンスト反応を有するべきである。
監視には、測定される化学的活性に電気的ポテンシャル
が依存する状態でのポテンシャルの測定が含有される。
Bergveldは、水溶液中の水素及びナトリウムイオン活性
は、ゲートメタルの除去により改良された金属酸化物半
導体電界効果トランジスタ(MOSFET)により測定すべき
だと提案した。P.Bergveld、「電気生理学のツールとし
てのイオン感応電界効果の開発、実施及びその応用」、
生物医学工学のIEEEトランザクション、Vol.BME−19,34
2−351頁(1972年9月)。特に、水溶液の中にゲートメ
タルを有さないMOSFETが置かれたならば、二酸化珪素絶
縁層は水和となり、そして水和層における不純物のため
にイオン選択的となるであろうとBergveldは示唆してい
る。MOSFETの絶縁層が水和した後、当該溶液中に装置を
浸すことにより、そして該装置の導電率変化を記録する
ことによりイオン活性度を測定するために、この装置を
利用することができるとBergveldは考えている。このよ
うに、Bergveld装置は通常イオン感応性電界効果トラン
ジスタ(ISFET)と呼ばれている。
た化学感応型電界効果トランジスタ(CHEMFET)装置の
ようなイオン感応型電極の分野における他の開発をもた
らした。′830号特許に記載されているように、CHEMFET
は、そのシステムが感化されたある物質と相互作用する
ように適合された化学的感応システムによって、ゲート
メタルが置換されたMOSFETである。そして、′830号の
図1及び2に示されているように、トランジスタのチャ
ンネル部分及び随時溶液に浸されるであろうCHEMFETの
他の全ての部分を覆う不浸透性の層44上方の酸化物絶縁
体上のメタルゲート層の代わりに沈澱された検出層又は
膜38を除いては、CHEMFETは構造上MOSFETと同一であ
る。CHEMFET構造の幾多の変更例が、例えば米国特許第
4,180,771号、4,218,298号、4,232,326号、4,238,757
号、4,305,802号、4,332,658号、4,354,308号、4,485,2
74号、4,397,714号、4,739,380号並びに米国特許出願第
07/270,171号に開示されている。
れ、高容積かつ低コスト構造の技術は、ISFET及びCHEMF
ETにどうにか適用できる見込みがあるので、ISFET又はC
HEMFETの考えは特に興味深いものである。そのよな技術
における進歩は、例えば前記米国特許第4,739,380号及
び米国特許出願第07/270,171号に開示されている。
ような装置の試験である。集積回路はたいへん小さく、
しかも複雑であるので、この試験に関し、ICの取扱い上
及び適切な試験装置やプロトコルの設計上の主要な問題
が提起される。同時に、IC製造方法が好ましく作用して
いるかを保証し、何等かの理由で仕様書と合致しない不
可避のICの数を明らかにするために、プロセス制御とし
て試験は必要である。ISFET及びCHEMFETの装置は環境的
変数を電気信号に変換する変換器であるので、試験はIS
FET及びCHEMFETの製造上の特別な問題である。そのよう
な装置を完全に試験するためには、これらの装置のイオ
ン検出層又は化学検出層をISFET及びCHEMFETの測定環境
にさらすことにより試験がなされることを要する。試験
方法の一つの態様は、米国特許第4,864,229号に開示さ
れている。
びCHEMFETが測定される試験液を含む流体ヘッドであ
る。ウェファ上に隣接する装置が試験流体により汚損さ
れないように、流体ヘッドは、試験される検出電気回路
と漏洩しない状態で取り付けられなければならない。さ
らに、試験流体の極小体積(2−100μ)を扱わなけ
ればならないことや、その装置が極小であることから、
装置の試験中並びに一つの試験流体から他の試験流体へ
変化させる際に、気泡が閉じ込められることや液が汚染
されることを防止するように注意を払わなければならな
い。流体ヘッドは、種々の平面状ウェファ材上に置かれ
る試験装置に適合するように設計されなければならな
い。これらの材料としては、アルミナ、高融点プラスチ
ックス、ガラス、二酸化珪素、窒化珪素を含む。
ように迅速に係合し、かつ迅速にその係合を解くことの
できる流体ヘッドを提供することであり、それにより平
面状ウェファ上に置かれた検出電気回路装置の試験の迅
速化を図ることにある。
検出電気回路装置と漏洩のない係合を保持することので
きる流体ヘッドを提供することも本発明の目的である。
試験流体を汚染することなしに、1以上の検出電気回路
装置を1以上の試験流体に供することを許容する流体ヘ
ッドを提供することである。
の詳細な説明及び請求の範囲の主題である。
動的に試験する流体ヘッドを用いた本発明により達成す
ることができる。該装置は、(a)公知の試験流体を含
む少なくとも一つの開口オリフィスを備えた流体制限セ
ルと、(b)試験流体を前記開口オリフィスに満たすと
ともに、セルが試験される検出電気回路装置と漏洩しな
いように係合されたときに開口オリフィスから試験流体
を放出する手段と、(c)試験流体を備えた検出電気回
路装置を試験するために検出電気回路装置に電気的接触
を与える手段とから成る。そのような電気的接触を与え
る手段は、例えば検出電気回路装置の集積回路の電気的
リードと接触するばね負荷されたプローブの使用により
得ることができるであろう。
かつ放出させる手段は、流体制限セル中に一つの入り口
開口及び一つの出口開口を包含する。好ましくは、入り
口開口及び出口開口は、流体制限セルの反対側の両端に
設けられる。入り口及び出口開口と接続された開口オリ
フィスは、封じ込められた気泡並びに流体制限セルに試
験流体を充満させた残余の試験流体及び流体制限セルか
ら試験流体を放出させた残余の試験流体を最小限にする
内部形状を有する。好ましくは、その内部形状は、開口
オリフィスはその端部において入り口及び出口開口の形
状にぴったりと適合するような形状とする。最も好まし
くは、層流の度合いを最大にし、それにより流体制限セ
ルによる試験流体の非層流を最小にするために、内部形
状は、角張った隅部のないパラボライドの半分部分に近
似した端部を包含する。一般に、全ての角は一体成形に
適するような鈍角にすべきである。
の試験中に種を消耗させることである。このことは、電
気活性種のかさ密度が電極溶液界面で起こる酸化還元反
応により変化される電気測定法に主として依存した検出
電気回路装置において明らかである。このことは、試験
流体の極小体積が用いられたときに特に明らかである。
このように、そのような密度変化に適合するために、開
口オリフィスを持った流体制限セルの内容積は、バルク
溶液特性が効を奏するのに十分でなければならない。好
ましくは、試験流体の容積は電気活性種密度のどのよう
な変化も妨げるのに十分、すなわち試験期間中1%以
下、でなければならない。
えられた場合、その力のベクトルはきわめて圧縮性が強
いため、横方向の力を最小限にし座屈を未然に防ぐよう
に、流体制限セルを設計しなければならない。流体制限
セルの設計は、さらに化学的及びイオン検出電気回路装
置の精度及び正確さの測定と同様、実際の流体の流れの
観察に基づく、望ましい流体力学に最適化される。潜在
的な漏洩問題がより頻繁に公言されているので、その設
計は流体の高流量率に注意が向けられている。特に、本
発明は、セルを包含する流体の開口オリフィスが回路に
押圧されたとき、検出電気回路と漏洩しない係合が試験
されるのに十分な応力を有した支持構造を備えた流体制
限セルを提供する。その支持構造は丸みを持つ外縁端を
有するくさび形状であることが好ましい。丸みを持つ外
縁端は平面状ウェファの表面に適合し、そのウェファの
表面には回路が漏洩防止用シールが形成されるように組
み付けられる。
セルに用いられる材料はいくつかの条件を満たさなけれ
ばならない。これらの条件としては、(1)使用流体に
対して化学的に不活性であること、(2)化学物質の吸
着作用のないこと、(3)制御された変形や密封作用を
提供するとともに、試験される回路に押圧されたとき及
び流体の流れの中で座屈に耐える強度を有すること、
(4)気密及び液密が可能であること、などである。
本発明の好ましい実施態様の詳細な説明及び添付の図面
から、より明らかになろう。
スに流入する際の流体流れ効果を示している。1bの部分
において再循環域が形成されるのを防止するために、オ
リフイスの角度を持つ隅部は除去され、図1cに示すよう
に、その入口開口はその径を徐々に増大している。
の上面図であり、該検出電気回路装置の一つを拡大して
示している。区域3は、流体制限セルが検出電気回路装
置1との間で漏洩しない係合を形成している区域を示し
ている。
である。
制限セルを異なった方向から見た図である。角部1は閉
じ込め/渦巻きが生じる可能性の区域である。
的に接触するための流体制限セル及びバネ負荷されたプ
ローブとを支持するフレームの一実施例の異なった方向
から見た図である。
に試験するための複数の流体ヘッドを持つ試験装置の一
実施例を示している。
セスのフローチャートである。
縁部での流体流れの分離を示している。主流体流は、開
口通過直後は当初の流速を維持し、図1aのbで示す部分
にいわゆる縮流を形成する。その後、主流体流は減速し
オリフィスを充満する。このことは、オリフィスの角部
に再循環領域が形成される原因となり、その結果、混合
が増大して、堅濁した粒子、流体及び空気バブルのトラ
ッピングが生じる。このような負の効果は入口開口の径
を徐々に増大させることにより実質的に減少する。従っ
て、好ましい態様の流体制限セルは、図1cに示すように
ほぼ2つの交差する放射線のS−曲線の形状を持つオリ
フィスを有している。
いる集積回路チップ1を持つ検出電気回路装置を示して
いる。区域3は、流体制限セルの外縁部が平面4上に押
圧されたときに形成されるシール部を示している。図示
のように、流体制限セルを有する流体ヘッドは、前記し
た米国特許第4,739,390号に開示されるように、拡張ゲ
ート電界効果トランジスタ(EGFTA)を試験するのに好
適に用いられる。
流体が流入しまた放出する入口開口2及び出口開口3は
開口オリフィス4の対向する端部にそれぞれ位置してい
る。セルの開口オリフィス4は、セル内に試験流体の最
大限度の層流を許容するように、流入及び出口開口の周
辺部の形状とほぼ一致した形状となっている。
物理的強度を持ちかつ気密及び液密性を形成することが
でき、化学的に不活性な、化学製品を吸着しない材料で
なければならない。室温加硫化物質(RTV)及びSilasti
cTMと呼ばれているDow製の有機ポリシロキサンエラスト
マーは、これらの条件を満足し特に有効に用いられるこ
とが確かめられている。
わち、開口オリフィス4の外縁部に沿って挿入されたO
リングを持つ流体制限セルとすることも可能である。し
かし、このような形状は幾つかの不都合を有している。
Oリングの圧縮が構造体内に鋭角の部分を形成すること
となり、それにより、空気と他の汚染物質との捕獲が増
大するからである。さらに、インターフェイスの数の増
加は漏洩可能な通路の増加と軌を一にするからである。
また、Oリングの形状により、流体ヘッドのシール構造
に制限が加えられることになる。
造5は楔型であり先端は丸みを持つ外縁端6となってい
る。それにより、セルが集積回路チップの平面上に押圧
されたとき検出集積回路チップと漏洩のない係合をする
ことが可能となる。支持構造7の2つの側部により形成
される鋭角は、好ましくは10゜以上である。丸みを持つ
外縁部6の半径は好ましくは流体制限セルの最大内部幅
の0.25であることが望ましい。図示される流体制限セル
の上端8は、容易にその形状を形成することができるよ
うに、平坦部になっている。しかし、好ましい輪郭形状
は図4bに示すように凹形状であり、その場合に、最大限
の層流が許容される。
を持つ流体制限セルを示している。図5bは上面図であ
り、図5cは側面立面図である。この方形角部1の近傍
は、再循環流に起因する残留試験流体による空気の封じ
込み汚染が生じる可能性のある区域である。このような
混合の問題は、図2に示すような化学及びイオン検出電
気回路装置による計測時における精密さ及び正確さを低
下させる原因となる。このような問題は、特に、個々の
検出電気回路装置が複数の試験流体に連続的に曝され、
それにより流体制限セル内の試験流体を変更しなければ
ならないような場合に、顕著となる。
的に接触するための流体制限セル及びバネ負荷されたプ
ローブとを支持するフレームの一実施例の異なった方向
から見た状態を示している。図6bは上部平面図、図6cは
正面立面図、図6dは端面立面図である。流体制限セルは
フレームの中央部にスライド可能溝1により支持され
る。通路2は複数のバネ負荷されたプローブを保持す
る。通路3は、流体制限セルの入口開口及び出口開口に
接続するチューブを保持している。中空孔4はフレーム
を整合装置に固定するのに用いられると共に、流体制限
セルを平面ウェファ表面に対してレベリングするための
ネジ調節を可能としている。整合装置は、平面ウェファ
表面上の複数の検出電気回路装置が流体制限セルとの間
に漏洩のない係合を形成するように、複数の検出電気回
路装置位を自動的にかつ連続的に選択しすると共に位置
決めする。
いて、フレーム1は複数の流体制限セル2をその対応す
るバネ負荷されたプローブ3と共に保持している。図示
されるように、流体制限セルはウェファ4の表面に対し
て押圧されている。流体制限セルの間隔は、これらのセ
ルが複数の検出電気回路装置と漏洩のない係合を形成す
るように押圧され、それにより各検出電気回路装置を同
時に試験することが可能となるような間隔とされる。
するx,y及びシータ位置決めテーブル5により、流体制
限セルに対して整列するよう位置決めされる。
回路装置を試験する際のフローチャートを示している。
このチャートは、任意の数の溶液を用いることが可能で
あるが、特に、各装置が2種の溶液により試験される場
合を示している。
設計することができる。上記の説明は、流体ヘッドの作
動原理及びモードを説明する目的でなされたものであっ
て、その構造又はプロセスを厳格に定義するものではな
い。以下に記載する請求の範囲に規定される発明の範囲
から逸脱することなく、多くの変更及び変形が可能であ
ることは容易に理解されよう。
Claims (8)
- 【請求項1】化学的及びイオン検出電気回路装置を自動
的に試験するための流体ヘッド又は列状をなした複数の
流体ヘッドであって、 既知の試験流体を収容する少なくとも1の開口オリフィ
スを持つ流体制限セル、 前記オリフィスが試験すべき前記検出電気回路装置と漏
洩のない係合状態にあるときに、前記試験流体を前記開
口オリフィスに充填しかつ前記試験流体を前記開口オリ
フィスから放出するための手段、及び、 前記検出電気回路装置を前記試験流体により試験する目
的で、前記検出電気回路装置に電気的接触を与える手
段、 とからなり、そこにおいて、前記開口オリフィスは、前
記試験流体の放出の間に、前記流体制限セル内の流体汚
染が最小となるような内面形状を持つことを特徴とす
る、流体ヘッド又は列状をなす複数の流体ヘッド。 - 【請求項2】前記充填手段は、前記流体制限セル内に1
の入口開口と1の出口開口を有していることを特徴とす
る、請求項1記載の流体ヘッド。 - 【請求項3】前記入口開口と出口開口は、前記制限セル
の対向する端部にそれぞれ位置していることを特徴とす
る、請求項2記載の流体ヘッド。 - 【請求項4】前記開口オリフィスは、前記入口及び出口
開口の形状と近似した形状であることを特徴とする、請
求項2記載の流体ヘッド。 - 【請求項5】前記少なくとも1の開口オリフィスを持つ
流体制限セルは、前記検出電気回路装置の試験の間、嵩
溶液特性が優勢であることを十分に保証しうる内部容積
及び形態を有していることを特徴とする、請求項1記載
の流体ヘッド。 - 【請求項6】前記流体制限セルは、前記液体制限セルの
開口オリフィスが試験すべき前記検出電気回路装置と漏
洩のない係合をすべく押圧されたときに、座屈変形しな
い形状であることを特徴とする、請求項1記載の流体ヘ
ッド。 - 【請求項7】前記流体制限セルは、丸みを持つ外縁端を
持つ楔型の形状である支持構造を有していて、それによ
り試験すべき前記検出電気回路装置との間に漏洩のない
係合を形成するようになっていることを特徴とする、請
求項6記載の流体ヘッド。 - 【請求項8】前記流体制限セルは、(a)使用する流体
に対して化学的に不活性であり、(b)非吸着性であ
り、(c)制御された変形及びシールをなすことができ
かつ試験すべき回路に対して押圧されるとき及び流体の
流れの間、座屈変形しない物理的強度を有し、かつ、
(d)気密及び液密を形成可能である、材料により構成
されていることを特徴とする、請求項1記載の流体ヘッ
ド。
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