JP3805676B2 - パターニングされた積層体、およびレーザで形成された特徴部分を有する電極 - Google Patents

Description

【０００１】
［発明の背景］
本発明は、金属層をパターニングするためのレーザ除去、および電気化学バイオセンサのための電極に関する。
【０００２】
電気化学バイオセンサは、周知である。それらは、生物試料、とくに血液からの種々の検体の濃度を決定するのに用いられる。電気化学バイオセンサは、米国特許第５，４１３，６９０号、５，７６２，７７０号および５，７９８，０３１号明細書、ならびに国際公開第ＷＯ９９／１３１０１号公報に記載されており、それぞれ参照のために本明細書に組み込まれている。
【０００３】
電気化学バイオセンサは、一般的にセンサストリップを含んでいる。センサストリップは、分析される試料を保持する空間を含み、試料中に放出される試薬を含んでもよく、また電極セットを含んでいる。電極セットは、標準的には、絶縁基板、および試料に接する電極を含み、当該電極は、電極を電気化学バイオセンサの電子部分に電気的に接続するための接続パッドを有する。
【０００４】
電気化学バイオセンサは、できるだけ小さい試料を用いて電解液を分析することができるのが好ましく、したがって、センサストリップならびに電極を含むその部品をできるだけ小型化をする必要がある。通常では、スクリーン印刷技術は、小型電極を形成するために用いられる。
【０００５】
スクリーン印刷技術によって形成された電極は、導電性を有し、かつスクリーン印刷が可能な組成物からでしか形成され得ない。さらに、スクリーン印刷技術のみが、特徴部分の寸法がおよそ７５μｍ以上である構造およびパターンである、信頼性を有する形態を可能にする。それに加えて、スクリーン印刷は、湿式の化学処理である。異なる組成物の使用を可能にし、７５μｍより小さい特徴部分を形成し得る電極形成の新しい方法をもつのが好ましい。
【０００６】
レーザ除去は、レーザを用いて材料を切断したり、成形する技術である。この技術は、通常、照射波長が２４８ｎｍであるフッ化クリプトンエキシマレーザのような高出力エキシマレーザを用いて、表面材料を除去する。この技術は、金属、ポリマー、および人間の目の角膜のような生物的材料さえ除去するのに用いられル。そのようなシステムは、当業者にとっては周知であり、米国特許第５，５７６，０７３号、第５，５７６，０７３号および第５，５９３，７３９号各明細書に記載されており、それぞれ参照のために本明細書に組み入れられている。
【０００７】
［発明を解決するための手段］
１つの態様では、本発明は、金属層の一部をレーザで除去する工程を含むパターニングされた積層体の製法である。
【０００８】
前記金属層は、金、白金、パラジウムおよびイリジウムからなる群から選ばれた少なくとも１つの部材からなる。さらに、前記金属層は、絶縁基板、たとえばポリマーの上にあり、かつ当該絶縁基板に接触している。
【０００９】
他の態様では、本発明は、第１の金属層の一部をレーザで除去して電極パターンを形成する工程を含む電極セットの製法である。前記第１の金属層は、絶縁基板の上にある。
【００１０】
さらに他の態様では、本発明は、第１金属層の一部をレーザで除去して複数の電極パターンを形成する工程を含む電極セットリボンの製法である。前記第１の金属層は、絶縁基板、たとえばポリマーの上にある。前記電極セットリボンは、複数の電極セットを含んでいる。
【００１１】
さらに他の態様では、本発明は、絶縁基板上において、複数の電極を備えた第１の金属層を含む電極セットである。前記第１の金属層は、７５μｍより小さい特徴部分の寸法を有する。
【００１２】
さらに他の態様では、本発明は、パターニングされた金属層が、絶縁基板の上にあり、かつ当該絶縁基板に接触する積層体である。前記金属層は、金、白金、パラジウムおよびイリジウムからなる群から選ばれた少なくとも１つの部材からなる。前記絶縁基板がポリマーからなり、前記第１の金属層が７５μｍより小さい特徴部分の寸法を有する。
【００１３】
本発明の利点は、特徴部分の寸法を小さくすることができることである。
【００１４】
本明細書で用いられている、「パターニングされた積層体」とは、下部被覆層が露出される、すなわち、上部被覆層が間隙を有し、かつ完全に下部被覆層を覆わない、上部被覆層を含む多層構造を意味する。露出の間隙または領域は、パターニングされた積層体の「パターン」を形成する。さらに、「パターン」という語は、特徴部分の寸法、たとえば一定の幅を有する単一の直線状の間隙を有する１つまたはそれ以上の意図的に形成された間隙を意味する。ここで、最小の幅が、特徴部分の寸法である。また、「パターン」という語には、普通の、意図しない欠陥は含まれていない。
【００１５】
また、「特徴部分の寸法」という語句は、パターン内で見つけられる間隙の最小の寸法のことである。
【００１６】
さらに、「電極パターン」という語句は、金属層内部に形成された場合には少なくとも２つ、たとえば、互いに電気的に接続されないが、各自の接触パッドを含む２〜６０個または３〜２０個の電極を含むパターンのことである。
【００１７】
また、「金属層」という語句は、純粋金属または合金のような金属製の導電体である金属で作製された層のことをいう。
【００１８】
さらに、「電極セット」という語句は、1組の少なくとも２つ、たとえば、２〜６０個または３〜２０個の電極を含むパターンのことである。これらの電極は、たとえば、作用電極や参照電極であってもよい。
【００１９】
また、「除去（ablating）」という語句は、材料の除去のことである。
【００２０】
本発明の他の目的、特徴および利点は、つぎの詳細な記述から明らかになる。しかしながら、本発明の精神および範囲内における種々の変更および修正が、かかる詳細な記述から当業者にとっては明らかであるので、本発明の実施の形態を示している詳細な記述および具体的な実施例は、単なる例示にすぎないことを理解すべきである。
【００２１】
［発明の実施の形態］
以下の図面は、本出願の一部を形成し、本発明の特定の態様をさらに示すために含められている。本発明は、以下の具体的な実施の形態の詳細な記述と組み合わせて、これらの図面のうちの１つまたは２以上を参照することにより、よりよく理解されるであろう。
【００２２】
図１は、組み立てられた電気化学センサストリップ１２が示されており、当該電気化学センサストリップ１２は、ベース１、電極の一部である接触パッド９および９を含む。また、電極の感知領域１０も図示されている。
【００２３】
図２はセンサストリップ１２の分解図であり、当該センサストリップ１２は、ベース１、および該ベースを電極基板３に保持するための接着箔２を含む。電極セット１６は、電極基板３の上にあり、誘電体５によって部分的に被覆されている。カバー８は、接着テープ７を用いて、誘電体の一端部に取り付けられている。誘電体内の小さな間隙１３、および接着テープの空間１４は、カバーおよび電極とともに、電解液を電気化学的に検査および計量するのを助けるために用いられる試薬６を内部に配置し得るポケットを形成する。このポケットは、毛細血管のように、試験される流体を電極の感知領域１０（図示せず）に引き出す働きをする。その代わりに、カバーを省略し、電極の感知領域が露出していてもよく、試料は、この領域の上に直接付与されればよい。
【００２４】
図３は、２つの電極４および４を含む電極セット１６を図示している。電極は、接触パッド９および９を有し、当該接触パッド９および９は電極の感知領域１０に電気的に接続されている。また、感知領域および接触パッドのみ露出させている第１および第２の電極を被覆する誘電体５も図示されている。
【００２５】
図４および５は、２つの異なる電極セット１６が図示されており、当該電極セット１６は、それぞれベース１、第１および第２の電極の４および４を含む。電極は、２つの電極間の電気的接触を防止する間隙１８によって分離されている。図示の目的のために、感知領域１０および接触パッド９および９になる電極の領域は、影が付けられている。間隙１８は、最小の意図的な特徴であるため、この電極セットの特徴部分の寸法に対応する。図４〜５は、２つの異なる電極パターンを図示し、１つは単なる（ simple ）直線状の間隙を有し（図４）、他方はより複雑であり、直線で囲まれた（ rectilinear ）間隙を含むとともに２つの電極の交差フィンガー（interlacing fingers）の領域を形成している（図５）。
【００２６】
図６は本発明の電極セットの概略図であり、当該電極セットは２つの電極４および４を含む。電極の感知領域１０は、２つの電極の交差フィンガーの領域を含み、直線で囲まれた間隙である。また、感知領域に対向して示されているのは、各電極の接触パッド９および９である。電極間の間隙は、特徴部分の寸法に対応し、１〜１００μｍ、好ましくは７５μｍより小さく、より好ましくは５〜５０μｍ、もっとも好ましくは１０〜３０μｍである。２つの電極が電極セット内において電気的に接続されないように、間隙は完全に金属層を通っている。図６に示される寸法の数値は、１つの特定の実例であり、これらの数値は、特定用途の必要に応じて選択されればよい。たとえば、電極セットの長さは２.５〜２５０ｍｍであればよく、幅は０.４〜４０ｍｍであればよく、接触パッド間の間隙は１μｍ〜５ｍｍであればよく、各接触パッドの幅は１〜２０ｍｍであればよい。図６（および他の図面）に示される電極パターンは対称形であるが、これは必須ではなく、不規則または非対称のパターン（または電極の形状）が可能である。
【００２７】
図７は、電極セットリボン２４の概略図である。リボンは複数のパネル２０を含み、各パネル２２は複数の電極セット１６を含む。電極セットリボン２４を形成するためにレーザ除去を受ける元々の金属積層体のリボン２２もまた図示されている。リボンの幅は、レーザ除去システムに適合するように選択され、たとえば４０〜０．４インチであればよい。リボンはいかなる長さでもよく、電極セットの所望の数および／またはリボンの取扱いおよび搬送の容易さに基づいて選択される。個々のパネルの寸法は、リボンの利便性に適応させて選択される。したがって、各パネルは、１〜１０００個の電極セット、好ましくは２〜２０個の電極セットを含んでもよい。
【００２８】
図８は、電極セットリボン２４の形態である電極セットを製造するための装置の概略図である。まず、ロール状の金属製積層体のリボン２２は、ガイドロール２８を通ってレーザ除去機２６に供給される。レーザ除去機では、金属製積層体のリボンの金属層が、レーザで電極パターンに除去され、電極セットリボン２４を形成する。電極セットリボン２４は、ついでガイドローラ２８に通され、テンションループを用いてリボンの張力を調整され、欠陥をチェックするために用いられる光学検査カメラ３０を通る。ついで、オプションとして、電極セットリボン２４は、積層機３６において接着箔リボン３２を用いて積層されて、積層電極セットリボン３４を形成してもよい。当該積層電極セットリボン３４は、ついでガイドローラ２８によって案内されて巻き取られる。
【００２９】
図９は本発明の電気化学ストリップを製造するための工程のブロック図である。図示されるように、工程１１０では、金属製積層体のリボン２２は、レーザ除去によって除去されて電極セットリボンを形成し、ついで、接着箔リボン３２と積層されて、積層電極セットリボン３４を形成する。工程１２０では、積層電極セットリボン３４は、各センサストリップの誘電体５（図示せず）を形成するＵＶ硬化誘電体５０を用いてスクリーン印刷され、誘電体被覆リボン３８を形成する。工程１３０では、始動用試薬４０が混合されて試薬６を形成し、ついで、工程１４０では、試薬が誘電体被覆リボン３８の上に付与され、リボンはそれぞれパネルの幅のリールに分けられ、試薬被覆パネルリール４４を形成する。
【００３０】
工程１５０では、試薬被覆パネルリール４４は、両面接着テープロール５４が接着された透明なポリエステルロール５２で覆われ、各センサストリップの透明カバー８（図示せず）および接着テープ７（図示せず）を形成する。工程１５０の製造物である透明被覆パネルリール４６は、工程１６０で、１つの電極セット幅の個々のセンサリールに分けられ、ベース基板ロール５６に積層され、各センサストリップのベース１（図示せず）を形成してセンサリール４８を形成する。工程１７０では、センサリールは、栓５８で閉じられるびん状容器６０に分類して包装される個々のセンサストリップ１２（図示せず）に切り分けられ、包装されたセンサストリップ６２を与える。工程１５０および１６０では、ベースおよびカバーを取り付けるためにライナが解かれる。
【００３１】
個々の電極セットを形成するために金属層を除去することができるレーザシステムは、当業者にとって周知である。実施例は、除去パターンがレンズ、ミラーまたはマスクによって制御されるエキシマレーザを含む。そのようなシステムの実施例は、両方ともドイツ連邦共和国、カルブセンのエルピーケイエフ・レーザ・エレクトロニック、ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツングの、ＬＰＸ−４００またはＬＰＸ−２００である。
【００３２】
金属製積層体は、電極基板の上にある金属層である。金属層は、純粋金属または合金、または金属導電体である他の材料でもよい。実施例は、アルミニウム、（グラファイトなどの）炭素、コバルト、銅、ガリウム、金、インジウム、イリジウム、鉄、鉛、マグネシウム、（アマルガムとしての）水銀、ニッケル、ニオブ、オスミウム、パラジウム、白金、レニウム、ロジウム、セレニウム、（高純度でドープされた結晶ポリシリコンなどの）ケイ素、銀、タンタル、スズ、チタン、タングステン、ウラン、バナジウム、亜鉛、ジルコニウム、その混合物、およびこれらの元素の合金または金属化合物を含む。貴金属またはそれらの合金が生物系内で不活性であるため、好ましくは、金属層は、金、白金、パラジウム、イリジウム、またはこれらの金属の合金である。金属層は、いかなる厚さでもよいが、好ましくは１０ｎｍ〜１ｍｍであり、より好ましくは２０ｎｍ〜１００μｍ、さらには２５ｎｍ〜１μｍである。図９は、５０ｎｍの金フィルムを用いた工程を示している。
【００３３】
レーザ除去プロセスにおいては、金属層は、電極パターンで除去される。さらに、パターニングされた金属層は、追加の金属層で被覆またはメッキしてもよい。たとえば、金属層は銅であってもよく、この金属層はレーザで除去されて電極パターンになる。実質的には、銅は、チタン／タングステン層でメッキされ、そののち金でメッキされ、所望の電極を形成する。しかし、電極セットの形成のための湿式の化学的工程を完全に消去し得るので、金属の単一層のみを用いて、電極基板に直接接触させるのが好ましい。
【００３４】
電極基板は、絶縁基板から形成されているため、電極セットの電極間の電気的接続を与えない。実施例としては、ガラス、セラミックおよびポリマーが含まれる。好ましくは、電極基板は、ポリエステルまたはポリイミドのような柔軟性を有するポリマーである。適用可能な材料の実例は、コネチカット州のテクニ−メットからの、金、パラジウムまたは白金、または銅で被覆されたポリイミドＵＰＬＥＸや、ゼネラル・エレクトリック社（ＧＥ）からの、予備被膜されているＵＬＴＥＭ１０００（ポリエーテルイミド）である。
【００３５】
ＵＶ硬化可能であり、スクリーン印刷が可能な誘電体は、誘電体を形成するために用いられ、たとえばデュポン社のポリマー混合物５０１８誘電体混合物が用いられる。透明のカバーは、生体液に対して不活性な透明な材料、たとえば、ガラス、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリイミド、またはポリエステルで作製される。透明なカバーはマーキングを有してもよい。接着テープは、また、接着剤で被覆された表面を有する柔軟性を有するポリマーでもあり、これらの材料は、また当業者にとって周知である。
【００３６】
ベースは、支持用の構造であり、好ましくは、柔軟性を有するポリマー材料で作製され、センサストリップに対する支持を与えるのに充分な厚さを有し、たとえば厚さ６ミル（mil）のポリエステルである。接着箔は、接着テープと同じタイプの混合物で作製すればよい。
【００３７】
試薬は任意であり、特定の検体のための電気化学プローブを与えるために用いればよい。始動用試薬は、試薬の反応物質または成分であり、しばしば、リボンまたはリールへの適用の前に液体の状態でいっしょに混合される。ついで、液体は、試薬を固体状態で残しながら蒸発してもよい。特定の試薬の選択は、特定の検体、または測定される検体に依存しており、当業者にとって公知である。たとえば、人間の血液サンプル中のグルコースの測定のための試薬は、試薬１ｇあたり、６２．２ｍｇの酸化ポリエチレン（１００〜９００キロダルトンの平均分子重量）、３．３ｍｇのナトロゾル（ＮＡＴＲＯＳＯＬ） ２５０ Ｍ、４１．５ｍｇのアビセル（ＡＶＩＣＥＬ）・ＲＣ−５９１Ｆ、８９．４ｍｇのリン酸２水素カリウム、１５７．９ｍｇのリン酸水素カリウム、４３７．３ｍｇのフェリシアン化カリウム、４６．０ｍｇのコハク酸ナトリウム、１４８．０ｍｇのトレハロース、２．６ｍｇのトリトン（ＴＲＩＴＯＮ）・Ｘ−１００界面活性剤、および２，０００〜９，０００単位の酵素活性剤である。酵素は、１２．５ｍｇの補酵素ＰＱＱ、および１２１万単位のキノプロテイン・グルコース・ヒドロゲナーゼのアポ酵素から、酵素溶液として調製され、キノプロテイン・グルコース・ヒドロゲナーゼの溶液を形成する。この試薬は、国際公開第ＷＯ９９／３０１５２公報の７〜１０頁に記載されている。
【００３８】
記載されているプロセスおよび製造物は、とくに診断装置内での使用のための使い捨て可能なバイオセンサを含む。しかし、いかなる生物、環境、または他の、試料における検体の測定のような、非診断的な使用のための電気化学センサも含む。さらに、また、いかなるパターニングされた積層体、好ましくはポリマーのような絶縁基板に直接接触した貴金属（金、白金、パラジウム、イリジウム、その合金）のパターニングされた積層体も含む。そのような積層体は、電極、電線またはコネクタ、電磁反射体などとしての使用を含め、種々の電気的機能を有することが可能である。好ましくは、これらのパターニングされた積層体は、特徴部分の寸法が１００μｍまたはそれ以下であり、より好ましくは１〜１００μｍ、さらに好ましくは７５μｍまたはそれ以下であり、５〜５０μｍ、またはさらには５〜２０μｍを含む。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の電気化学センサストリップを示す。
【図２】 図２は、本発明の電気化学センサストリップの分解図であり、各部品をより明瞭に示している。
【図３】 図３は、本発明の電極セットを示す。
【図４】 図４は、本発明の他の電極セットを示す。
【図５】 図５は、本発明のさらに他の電極セットを示す。
【図６】 図６は、本発明のさらに他の電極セットの概略図である。
【図７】 図７は、本発明の電極セットリボンの概略図である。
【図８】 図８は、本発明の電極セットリボンを製造するための本発明の装置の概略図である。
【図９】 図９は、本発明のセンサストリップを製造するための本発明の工程のブロック図である。

Claims (7)

1. 第１の金属層の一部をレーザ（２６）で除去して電気化学バイオセンサのための電極（１６）の感知領域を構成する交差フィンガーの領域を有する少なくとも２つの電極を含む電極パターン（４）を形成する工程を含み、
   前記第１の金属層が柔軟性を有する絶縁基板の上にある電極セット（１６）の製法。
2. 第１の金属層の一部をレーザ（２６）で除去して電気化学バイオセンサのための電極の感知領域を構成する交差フィンガーの領域を有する少なくとも２つの電極を含む複数の電極パターン（４）を形成する工程を含み、
   前記第１の金属層が柔軟性を有する絶縁基板（１）の上にあり、かつ
   前記電極セットリボン（２４）が、複数の電極セット（１６）からなる電極セットリボン（２４）の製法。
3. 請求項１記載の方法によって電極セット（１６）を形成する工程、
   および前記基板（１）を切断して、ストリップ（１２）を形成する工程を含む、センサストリップ（１２）の製法。
4. 請求項２記載の方法によって電極セットリボン（２４）を形成する工程、および
   前記電極セットリボン（２４）を複数のストリップ（１２）に切り分ける工程を含み、
   それぞれの前記ストリップ（１２）が、前記電極セット（１６）の少なくとも１つを備えてなるセンサストリップの製法。
5. 柔軟性を有する絶縁基板上において、電気化学バイオセンサのための感知領域を構成する交差フィンガーの領域を有する複数の電極を備えた第１の金属層を備え、
   前記第１の金属層が７５μｍより小さい前記交差フィンガーの領域を有する電極（４、４）間の特徴部分（１８）の寸法を有する電極セット（１６）。
6. 電極（４、４）が当該電極（４、４）の感知領域（１０）に電気的に接続された接触パッド（９、９）を有する請求項５記載の電極セット（１６）と、前記第１の金属層の一部の上の誘電体（５）とからなるセンサストリップ（１２）。
7. 請求項４記載の製法によって調製された複数のセンサストリップ（１２）と、前記複数の前記センサストリップ（１２）を含むびん状容器（６０）と、前記びん状容器（６０）を密封する栓とからなり、
   前記センサストリップ（１２）がそれぞれ電極（４、４）の感知領域（１０）に電気的に接続された接触パッド（９、９）を有する交差フィンガーの領域を有する電極（４、４）を含むパッケージングされたセンサストリップ（６２）。

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