JP4136937B2

JP4136937B2 - 生医学電気化学センサアレイおよび製作方法

Info

Publication number: JP4136937B2
Application number: JP2003545590A
Authority: JP
Inventors: ウファー、ステファン; ダグラスウィルセイ、クリストファー
Original assignee: ノースキャロライナステイツユニバーシティ; ロッシュダイアグノスティクスコーポレーション
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2002-11-15
Publication date: 2008-08-20
Anticipated expiration: 2022-11-15
Also published as: ATE479089T1; CA2467043A1; DE60237463D1; AU2002356956A1; US20060006141A1; EP1448489A4; US20050236361A1; EP1448489B1; EP1448489A1; JP2005509869A; CA2467043C; WO2003043945A1

Description

［政府の権利］
本発明に関係する研究は助成金番号第ＣＤＲ−８６２２２０１号の元でＮＳＦＣＥＣＴによって後援された。米国政府は本発明に対し一定の権利を有する。

［関連出願］
本願は、内容がここに完全に復唱されるかのように参考のためこの明細書に添付される２００１年１１月１６日に提出された米国仮出願番号第６０／３３２，１９４号に対する優先権を主張する。

［発明の分野］
本発明は、可撓基板および関連製品上に電気化学センサまたはウェルを製作するための方法に関する。製品は特に使い捨て生医学センサとして使用するために適していてよい。

医療診断手順または評価手順で使用されるプローブまたはセンサは多くの場合、貴金属（金、プラチナ等）から形成される電極の上部に設置される乾燥したまたは流体の／液体の化学品／電解液により提供される電気化学検出を使用する。該プローブまたはセンサは（基準電極用などの）固形の塩化カリウムまたは他の化学物質、ヒドロゲル（イオン感応電極の膜の下に内蔵電解液を含むこともある）、または酵素を含んでいる材料などの化学作用／電解質を利用できる。該センサまたはプローブは、通常、ウェルまたは小さなプールも利用し、その内のいくつかは該プローブまたはセンサ上にある電極に、および／電極から（血液などの）多量の試料液を誘導するための毛細管空間としての役割を果たす。

これらの用途の多くの場合、ウェルは、それらがポリイミドフィルム（Kapton（登録商標）、Upilex（登録商標）等）などの可撓基板と互換性を持つように選択される材料の中にパターニングされる。過去において、薄膜処理技法は化学センサ用途での適切なウェル形成に充分な厚さのコーティングを生成する上で問題を有していた。加えて、厚膜処理技法で使用されるスクリーン印刷された材料は可撓材料と不適合であるか、あるいは小型電極または縮小型電極のために所望される細かいライン解像度の形成を阻むことがあるかのどちらかである。

Cosofretらは、鼓動している心臓内でのイオン分布測定のためのｐＨおよびＫ＋に敏感な微細加工されたセンサアレイ（Microfabricated Sensor Arrays Sensitive to pH and K+ for Ionic Distribution Measurements in the Beating Heart）、67、分析化学（Anal.Chem.）、1647〜1653ページ（1995年）の中で、フィルムまたは基板の上に約３０μｍのポリイミド層をスピンコーティングすることを説明していた。残念なことに、スピンコーティング法は、実用的な方法としては、形成中のウェル深さおよび／または正確な境界または周縁の画定を制限することがある。加えて、スピンコーティング法はバッチ製作プロセスに限られる場合があり、一般的には高容量低コスト（連続または半連続）の大量生産方法と商業的に互換性がない。前記を鑑みて、可撓基板上で電気化学センサ用のウェルおよびミクロ環境を製作する改善された経済的な方法に対するニーズがある。

特定の実施形態においては、本発明は、それぞれのセンサが少なくとも１つの関連する電極および少なくとも１つのウェルを有する複数のセンサを可撓基板上に製作するための方法を目的としている。ここに使用されるように、「ウェル」という用語は、多量の流体を受け入れ、その中に保持するために使用されるタンクまたはチャンバを意味する（典型的には、マイクロフルイディック環境として大きさに作られ、構成される）。したがって、「ウェル」という用語は少なくとも１つの分離したチャンバまたは（用途が所望するように、流体連通する、あるいは流体隔離する）複数のチャンバを含み、代わりにあるいは加えて１つまたは複数のチャネル（（たとえば螺旋形、環状等の）線形または他の所望される複雑なまたは不規則な形状）またはウェル（複数の場合がある）とチャネル（複数の場合がある）の組み合わせを含む。

特定の実施形態においては、該方法は以下を含む。つまり、（ａ）その長さと幅により画定される表面積を有する可撓基板材料層を提供することと、（ｂ）該可撓材料層の上に、それぞれのセンサが少なくとも１つの電極を画定する所定の金属性のパターンを備える複数のセンサを形成することと、（ｃ）そのあいだにセンサを挟む可撓基板上に、対応する厚さを有する少なくとも１枚のカバーレイ（coverlay）シートを配置することと、（ｄ）該少なくとも１枚のカバーレイシートを可撓基板層に積層することと、（ｅ）該カバーレイシートの厚さに相当する深さの（チャネルであってよいか、あるいはチャネルを含んでよい）ウェルを形成するために可撓基板層から該積層されたカバーレイシートの所定の領域を除去することである。

特定の実施形態においては、除去する工程は、（ボンディングパッドおよび互いに入り込んだアレイつまり「ＩＤＡ」などの）各センサの下にある金属性のパターンの一部も露呈する。センサのアレイは、可撓基板の表面積の大部分を占有するために背中合わせに、並行してセンサが位置合わせされるように配列することができる。加えて、パターニングされたカバーレイは、ウェルがマイクロフルイディックチャネルまたはウェル付きチャネルであるように構成できる。特定の実施形態では、組立体は、ボンディングパッド当のためのカバーレイの中に、所望される電機接続（複数の場合がある）を行うための開口部があるように構成されてよい。

本発明の他の実施形態は可撓センサのアレイを目的としている。可撓センサのアレイは、（ａ）対向する一次表面を有する可撓基板層と、（ｂ）基板層の一次表面の１つの上の、それぞれのセンサのための所望される電極配列に一致する、金属性の電気的に導電性のパターンの繰り返しとして配置される電極層と、（ｃ）そのあいだに電極層を挟むために第１の可撓基板層の上にあり、それに積層される第１のカバーレイシート層とを含む。第３のカバーレイシート層は、その中に形成される複数の開口を有する。該開口は可撓基板上のセンサごとにウェルを画定する。ウェルはカバーレイシート層の厚さに一致する深さを有する。

他の実施形態は、単用または使い捨ての生物活性センサである場合がある可撓センサを目的としている。センサのアレイと同様に、個々のセンサは（ａ）可撓基板層と、（ｂ）第１の可撓基板層の一次表面の１つの上に配置される材料の導電性パターンを備える電極層と、（ｃ）電極層の上にあり、電極層と基板層に積層される第１の可撓カバーレイそうとを含む多層積層構造である場合があり、該第１の可撓カバーレイ層はその中にウェルが形成され、該ウェルは少なくとも約１〜１０ミル（．００１〜．０１インチ）、あるいはメートル法では少なくとも約２５から２５０μｍの深さを有する。たとえばさらに厚いカバーレイシートまたはシートの組み合わせを使用することによってなど、さらに深いウェル深さを生成し、用途に応じて約１２ミル（約３００μｍ）以上のウェル深さを生じさせることができるのは言うまでもない。

特定の実施形態では、センサのアレイまたは各センサは、第１のカバーレイ層の上にあり、第１のカバーレイ層に固定される約１ミルから約１０ミルのあいだの厚さを有する第２のカバーレイ層を含む場合がある。第２のカバーレイ層は、その中に形成される複数の開口も有し、該開口は第１のカバーレイ層内の開口に相当する。したがって、ウェルは第１のカバーレイ層と第２のカバーレイ層の結合された厚さに相当する深さを有する。他の実施形態においては、第３のカバーレイ層は、それを第２のカバーレイ層に積層し、ウェルサイトの上にある材料を除去することにより利用することもでき、第１、第２、および第３のカバーレイ層の厚さに相当するウェル深さを実現する。

センサアレイを製作する方法は、バッチ型プロセス上で生産能力を高める自動化連続生産ランで実施することができる。加えて、ウェルは、従来の微細加工技法に優って容積、容量または深さが高められ形成できる。該方法は、センサが約１２２平方インチ上で測定されるときに１平方インチあたり少なくとも約４つのセンサという高密度パターンで可撓基板上に配列されるように実行することができる。他の高密度実施形態では、１２インチ×１２インチ（１４４平方インチ）であるシートの場合、平均して１平方インチあたり少なくとも約５個のセンサで、約７５０個のセンサをその上に配置できる。特定の実施形態では、センサおよびアレイは耐熱である、あるいは生医学製品に適した滅菌手順に耐えるように構成される。

カバーレイ材料は、乾燥したフィルム材料などの感光性のフィルムであってよい。適切なカバーレイ材料のレイ（lay）は、デュポン社のPYRALUX R PCとVACREL（登録商標）およびモートン社のCONFORMASK（登録商標）を含む光画像処理可能なポリマー、アクリル樹脂、およびその派生物を含む。加えて、カバーレイシートは乾燥フィルムカバーレイ材料の１つまたは複数の種類、および／または変化する厚さの複数のパイルの事前に積層されたシートであってよい。

本発明の前記のおよび他の目的および態様は、後述される明細書に詳しく説明されている。

［発明の実施の形態の記載］
本発明は、これ以降添付図に関してさらに詳しく説明される。しかしながら、本発明は多くの異なる形式で具体化されてよく、ここに述べられている実施形態に制限されると解釈されてはならない。類似する数は全体通して類似する要素を参照する。図中、層、構成要素または特徴は明確にするために誇張される場合がある。

図１に図示されるように、特定の実施形態においては、可撓センサを製作するための工程は、可撓基板材料層（ブロック１００）を最初に提供することを含む場合がある。可撓基板材料層は、ポリイミドフィルムなどのエラストマフィルムである場合がある。市販されているフィルムの例は、Kapton（登録商標）、Upilex（登録商標）、Kaladex（登録商標）等を含むが、それらに制限されない。次に、複数のセンサが、所望される導電性のおよび／または金属性の電極パターンをその上に付着するまたは形成することにより可撓基板層上に形成できる（ブロック１１０）。フォトリソグラフィーまたはレーザアブレーション、謄写版印刷、スクリーン印刷、シャドーマスキング等が後に続く、金属のスパッタリングまたは付着などの任意の適切な金属トレース製作技法が利用されてよい。

いずれにしても、金属性パターンが基板上に形成された後、少なくとも１つの、関連する厚さを有するカバーレイシート層を、そのあいだにセンサまたは金属性パターンを挟むために可撓基板層の上になるように配置することができる（ブロック１２０）。カバーレイシートは、感光性および／または光画像処理可能なカバーレイ乾燥フィルム材料である場合がある。適切なカバーレイ材料の例は、市販されているデュポン社のPYRALUX R PCとVACREL（登録商標）およびモートン社のCONFORMASK（登録商標）を含む光画像処理可能なポリマー、アクリル樹脂、可撓復号物、およびその派生物を含む。加えて、カバーレイシートは乾燥したフィルムカバーレイ材料の１つまたは複数の種類および／または変化する厚さの複数のパイルの事前に積層されたシートであってよい。センサは使用中、特に生医学用途用の滅菌手順にさらされる可能性があるため、カバーレイ材料は耐熱であるか、あるいは照射滅菌手順に適合するように選択されてよい。

カバーレイシートは、下にある可撓基板層に積層される（つまり、層は結合されている）（ブロック１３０）。層は熱間圧延積層技法、または層を結合するために適切な他の適切な積層手段によって結合できる。積層されたカバーレイシートの所定の領域が、カバーレイシート層の厚さに相当する深さのウェルを形成するために可撓層から除去できる（ブロック１４０）。特定の実施形態においては、２枚または３枚以上のカバーレイシートが、可撓基板の上に連続的に積層され、使用されているカバーレイシートの結合された厚さに相当する深さのウェルを形成することができる。

図２および図３は（さらに後述されるように個別使い捨てセンサを形成するために分離することができる）可撓センサアレイを形成するために使用できる特定の実施携帯に適切な動作のシーケンスを描いている。図２ａおよび図３ａに図示されているように、第１に導電性の金属２０が可撓基板層１０の上に付着できる（ブロック１４０、図４）。導電性金属２０は、金、銀、プラチナ、パラジウム、チタニウム、クロミウム、およびその混合物を含むがそれらに制限されない当業者に周知であるような任意の適切な導体である場合がある。特定の実施形態では、金属２０は、約３０ｎｍから２００ｎｍの相対的に薄い層として形成することができ、通常は約１００ｎｍである。金属２０はスパッタリングプロセスを介して適用できる。適切な金属被覆された可撓基板材料は、コネチカット州ウィンザー（Windsor, CT）に位置するテクニメット社（Techni-Met,Inc.）から入手できる。（クロミウムまたはチタニウムのシード層などの）接着強化材料などの追加の添加剤は、基板層１０への金属２０の接着を促進するために基板１０の上に噴霧する、あるいはそれ以外の場合蒸着することができる。

図２ｂおよび図３ｂに図示されるように、乾燥したフィルムフォトレジスト材料層３０は、金属層２０の上に積層できる（図４、ブロック１６０）。フォトレジスト材料３０は、デュポンインダストリーズ（Dupont Industries）のRiston（登録商標）ＣＭ２０６などの乾燥フィルムレジストである場合がある。フォトレジスト材料３０は、（やはりデュポン社から入手できる）ＨＲＬ−２４熱間圧延ラミネート装置を使用して基板の金属被覆面２０の上にフォトレジストを熱間圧延することにより湿式積層してよい。以後、図２ｃに図示されるように、所定のマスクパターンのあるフォトマスク３５がフォトレジスト材料３０と紫外線光源のあいだに配置され、紫外線光３８はマスク３５内の所望される開口を通って移動し、マスキングされていない領域３９ｅの回りのフォトレジスト材料を露光するが、マスキングされている領域３９ｕは露光せず、それにより積層された乾燥フィルムフォトレジスト材料３０内に所望される露光パターンを形成する。このようにして、フォトレジスト材料の所定の領域が露光される（図４、ブロック１７０）。示されている実施形態では、陰画の写真処理システムが利用され、マスクは所望されるトレースつまり電極パターンを画定する領域をカバー（し、露光を防止）するように構成されている。しかしながら、当業者に周知であるように、陽画イメージングまたは写真処理技法も使用することができる。

図２ｄと図３Ｄに図示されているように、フォトレジスト材料３０は次に現像され（図４、ブロック１８０）、パターニングされたフォトレジスト３９ｐを表面に残す（露光された領域が除去される）。図２ｅおよび図３ｅは、次に金属パターンが、その上に残っている積層されたフォトレジスト材料に一致する金属層２０にエッチングされることを描いている（図４、ブロック１９０）。図２ｅおよび図３ｅに図示されるように、金属パターン２０ｐが形成された後、フォトレジスト材料３０の残りが除去され、あるいは剥ぎ取られ（図４、ブロック１９５）、所望された金属性パターン２０ｐをその上に備える基板層２０を残す。

次に、図２ｆと図３ｆ（および図４、ブロック２００、２０５）に図示されるように、カバーレイ材料４０が、そのあいだに金属性パターン２０ｐを挟む可撓基板１０の上に積層される。積層は、２つの層をいっしょに押圧する熱間圧延として実行することができる。積層は２つの接合する面のあいだに閉じ込められている、あるいはある可能性がある空気を取り除くのに役立つために真空下で実施できる。

前記のように、図２ｆおよび図３ｆは、次に選択的に除去され（るか、あるいは所望される場合逆処理を使用できる、つまり露光されていない材料を除去することができる）、それにより次にウェルを形成する、および／または下にある金属２０または基板材料１０を露光するカバーレイ材料内に所望されるパターンを形成するカバーレイ材料４０の所望される領域４０ｅを露光するためにフォトリソグラフィーを使用できることを示している。露光される材料は、カバーレイ材料４０の選択的な除去により形成されるウェル領域の回りで除去され、ウェル４０ｗはカバーレイの厚さに相当する深さを有する。図２ｆに図示されるように、マスク４５は紫外線光源のあいだに配置され、光線はマスク４５内の開口部を通って移動し、カバーレイ材料４０の所定の領域を露光する。次にカバーレイ材料が現像され（図４、ブロック２１０）、必要とされていないカバーレイ材料４０が除去される、あるいは剥ぎ取られ、下にある材料（可撓基板１０、または金属層２０のどちらか）まで露光された表面領域のあるセンサの可撓アレイを残す。カバーレイ材料は、次に硬化できる（図４、ブロック２１５）。任意の適切な硬化技法を利用できるが、通常は熱硬化プロセスが利用され、カバーレイ材料を所望の温度まで、および所望される硬化回数加熱し、カバーレイ材料を熱的に架橋する。このようにすることにより、（カバーレイ材料と下にある材料のあいだの取り付けの完全性を維持しつつ）カバーレイ材料（複数の場合がある）は下にある基板に、および／または使用中の構造の劣化または分離を素子するために「恒久的に固定される」。オーブンまたは他の熱源、マイクロ波、ＲＦまたは超音波エネルギー、および／またはレーザ、紫外線光または他の光源を含むが、それらに制限されない、他の硬化手段も、利用される材料に応じて適宜に使用してよい。

図５は、本発明の特定野実施携帯による可撓センサ５０のアレイの一例を描いている。図示されるように、アレイ５０は、複数のセンサを提供するように製作できる。特定の実施形態では、隣接するセンサ５５が並行して、背中合わせに配列されるか、それ以外の場合船さの高密度配列を実現する、および／または可撓アレイ５０の表面面積の主要な部分、通常は実質的にすべてを占有するように向けられる。用語「高密度」は、（通常、約１１インチＸ１１インチの正方形のシート内で）少なくとも約１２１ｉｎ²以上で測定されるときに、アレイ５０が、平均して約４９０個のセンサ５５または１平方インチあたり少なくとも約４個の完全なセンサを保持することを意味している。特定の実施形態においては、１２インチＸ１２インチの面積（つまり１４４ｉｎ²）以上で測定されるとき、アレイは約７５０個のセンサ、詰まり平均して少なくとも約５個のセンサを保持することができる。図７は、一定の比例に拡大して描画された線さのアレイ５０’の部分的なシートの例示的なレイアウトを示している。つまり、アレイ５０’は垂直方向に少なくとも３５個のセンサ、および水平方向１４個のセンサをもって製造できる（図示されている３５Ｘ１４のアレイは１１Ｘ１１シートに相当する）。言うまでもなく、他のアレイサイズを使用することもでき、所望される用途に応じて、センサ自体をさらに縮小または拡大することができる。

図５に図示されているように、センサ５５は、列（センサ５５１の長さに相当する列幅）および行（センサ５５ｗの幅に相当する行の高さ）で対称的に配列することができ、隙間区間は各センサ５５に隣接して配置され、除去時に隣接するセンサに対する損傷を阻止できるように個々の使用のためにアレイ５０からの分離を容易にする。アレイ５０は、製作中にアレイ５０上の個々のセンサまたはセンサのグループの金属パターンとのマスクとシステム構成要素の位置あわせを容易にすることができる位置合わせマーク５９を含むことがある。

（ウェル４０ｗおよび所望される電気的な配列または電極の配列を定義する金属パターン２０ｐの深さを含む）アレイ５０上のセンサ５５が代わりに構成、成形および配列できることが注記される。たとえば、センサ長さ５５１は、行高さがセンサの長さに対応するように可撓基板１０上に垂直に配置することができるか、あるいは電極が曲線形のトレースまたは円形の形状、三角形の形状あるいは他の電極形状を含むことができる。図５および図７では、最も濃い領域は、積層されたオーバレイが下にある可撓基板から除去された場所に相当し、下にある基板または金属性パターン２０ｐの一部のどちらかを露呈している。薄い方の領域はカバーレイ材料４０がそのまま残っている（下にある金属パターン２０ｐの一部を可撓基板１０に挟む）場所に相当する。

図５に図示されるように、アレイ５０は平面的であり、下にある可撓基板１０の１つの一次表面上に形成される金属性パターンを含み、それぞれのセンサ５５は少なくとも１個の電極６０ｅの配列を定義する金属性パターンを含んでいる。図５から図７に図示されている実施形態では、電極６０ｅが、それぞれがそれぞれの接続トレース６０ｔを有している２つの離間されたボンディングパッド６０ｐおよび互いに入り込んだアレイ（ＩＤＡ）６０ｉを有している。特定の実施形態では、ＩＤＡはサブμｍの範囲にあってよい構造幅を有することがある。図示されている実施形態では、ＩＤＡ６０ｉはウェル４０ｗの中に設置されている。ＩＤＡについての追加の情報については、内容がここに完全に復唱されているかのように参考のためにこの明細書に添付される、たとえば米国特許番号第５，６７０，０３１号およびＷＯ第９７／３４１４０号を参照すること。ニワ（Niwa）ら、「Fabrication and characteristics of vertically separated interdigitated array electrodes」、J. Electroanal. Chem、267、291〜297ページ（1989年）、コーイチアオキ（Koichi Aoki）ら、「Theory of the steady-state current of a redox couple at interdigitated array electrodes of which pairs are insulated electrically by steps」、J. Electroanal. Chem、270、35〜41ページ（1989年）、コーイチアオキ（Koichi Aoki）、「Quantitative analysis of reversible diffusion-controlled currents of redox soluble species at interdigitated array electrodes under steady-state conditions」、J. Electroanal. Chem、256、269〜282ページ（1988年）、ホリウチ（Horiuchi）ら、「Limiting Current Enhancement by Self-Induced Redox Cycling on a Micro-Macro Twin Electrodes」、J. Electrochem. Soc.、第138巻、第12号（1991年12月）も参照すること。これらの文書の内容も、ここに完全に復唱されるかのように参考のためにこの明細書に添付されている。

図６ａは、大幅に拡大されたセンサ５５を描いている。図示されているように、センサ５５は、可撓基板４０に積層されるカバーレイシート（複数の場合がある）４０の厚さに相当する深さ「Ｄ」を有するウェル４０ｗを含んでいる。図６ｂは、ウェル４０ｗが、２枚の積層されたカバーレイシート４０ａ、４０ｂに相当する深さ「Ｄ」を有することができることを図解している。前記に注記されたように、１枚、２枚または３枚あるいは４枚以上のシート４０が所望されるウェル深さを生成するために使用できる。（図６ｂでは４０ａ、４０ｂとして示されている）シートは同じまたは異なる厚さを有することができる、および／または同じ材料（複数の場合がある）または異なる材料（複数の場合がある）から形成することができる。たとえば、深さが１２ミルのウェル４０ｗを定義するために、それぞれが約４ミルの厚さを有する３枚のシートを使用することができる。代わりに、３ミルと２ミルのシートを使用して、ウェル４０ｗに５ミルの深さを与えることもできる。

やはり前記に注記されたように、カバーレイシート４０は、コーティングがある、あるいはコーティングがない材料の複数のパイルの事前に積層されたシートである場合がある。加えて、やはり前記に注記されたように、カバーレイシート（複数の場合がある）４０は、少なくとも０．５〜１．０ミル（約１２〜２５０μｍ）の厚さを有し、好ましくは約１〜２０ミル（約２５〜５００μｍ）以上の厚さを有する。特定の実施形態では、ウェル４０は、約５〜１５ミルの範囲にある深さを有する。

特定の実施形態では、カバーレイシート（複数の場合がある）４０は、一貫した試験空間または体積を提供するためにセンサ５５ごとに一貫しているウェル深さ「Ｄ」と周縁形状４０ｓを画定するために選択される。これにより、分析を受けている生物学的な流体の溶解が改善し、このようにしてウェル４０ｗ（図示されていない）に含まれてもよい電気化学製剤または溶液あるいは化学物質（複数の場合がある）と結合するためにさらに一貫性があるサンプルサイズを提供するのに役立つ。同様に、センサ動作の変動を削減することはより信頼性が高い試験結果を促進できる。電極および検体製剤の追加説明は、内容がここに完全に復唱されるように参考のためこの明細書に記載される「ELECTRODES, METHODS, APPRATUSES COMPRISING MICRO-ELECTRODE ARRAYS」と題されるアトーニードケット番号第ＲＤＣ０００２／ＵＳにより識別される同時係属米国特許出願に記載されている。

図６ａに図示されるように、ウェル４０ｗは対向する電気接続トレース６０ｔと電気通信している所望の構成のＩＤＡ６０ｉまたは電極６０ｅと流体連通することができる。通常、ウェル４０ｗは一貫性のある信頼できる試験環境パーツ対パーツを生成するために正確に反復可能な方法で周縁形状４０ｓを画定する一方で下にあるＩＤＡまたは電気化学活性成分を露光するために積層されたカバーレイ４０を開く構成を有している。

図６ｂに図示されているように、ウェルは、毛細管セグメント２４０ｃを通ってウェル４０ｗから活性試験ウェル２４０ｗへ流体を導く（通常はウェルと同じ深さである）深さ「Ｄ」を有する毛細管セグメント２４０ｃと流体連通する場合がある。試験ウェル２４０ｗは、前記に注記されたようにＩＤＡ、または他の所望される電気構成要素または電極６０ｅ、および／または特定のセンサ用途のために試験プロトコルに対応する化学作用製剤を収容するように構成されてよい。センサ５５は、センサ５５（図示されていない）の信号を受信、分析することができる試験装置と電気的に係合可能であるように、動作中に構成される１つまたは複数の電気とレース６０ｔおよび１つまたは複数のボンディングパッド６０ｂを含む場合もある。

特定の実施形態では、試験装置はホームユニットであり、センサがたとえば血液または他の体液または試料中のグルコースまたは他の検体のレベル（あるいは物質の存在または不在）を監視するために患者によって使用されるために適切な使い捨て（通常は、単用使い捨て）センサである場合がある。受ける形状としての電極または金属性のパターンの形状、長さおよび構成、構成または深さが所望される最終用途に応じて変化することが理解されるだろう。

ここで図８ａから図８ｉを参照すると、９つの生産ワークステーション付きの生産ラインの例示的な実施形態が示されている。特定の実施形態では、生産ラインは自動で半連続、あるいは連続となるように構成できる。ワード「連続」は、所望される量または長さの材料の生産ランが、ステーションのそれぞれを通して連続して処理することができ、一般的にはステーション間のかなりの時間遅延または破壊なしに運転されることを意味している（つまり、セットアップ、ツール交換、材料導入、保守、装置での待ち行列、シフト偏向、計画されているまたは計画されていないダウンタイム等について特定の遅延が予想されている）。ここに使用されるような用語「半連続」は、センサのアレイの製作が、選択されたステーションを通して所望される「連続」長のリール上で製品を維持することによって実施されることを意味する。通常、材料のリールは、（ステーション６から８に図示されるような）少なくとも積層ステーションおよびパターニングされたカバーレイステーションを通る連続生産ランを有するほど充分な長さである。言うまでもなく、任意の特定のステーションにある仕掛かり中リール、または処理されたリールは、容量、順序等に応じて次のワークステーションのために待ち行列に入れられる、あるいは記憶されてよい。すなわち、図示されている実施形態について、カバーレイだけではなく可撓基板およびフォトレジスト材料のリールも各ステーションで処理工程を自動的に運転するために使用でき、好ましくは（ステーション９、図８ｉとして図示される）任意の所望される最終的な硬化ステーションも通って可撓基板および電極表面に積層されるパターニングカバーレイを形成する。加えて、可撓む基板１０は、プロセス中の選択された点で個々のシートを形成するために切削されてよい。しかしながら、アレイまたは材料のリールを使用することにより、（バッチモードの生産動作と対照的に）製作プロセスを自動化し、相対的に長い生産ランで材料の連続長で運転することができる。

図８ａから図８ｉでは９つの別々のワークステーションとして図示されているが、説明を容易にするためには、ステーションのいくつかを多目的とする、あるいは他のワークステーションと結合することができることが注記される。たとえば、ステーション２と６、ステーション３と７、および／またはステーション４と８の１つまたは複数は、同じ物理的なステーションまたは装置に構成されてよいが、その特定の製品ランについて所望さらえる処理工程に応じて、適切な材料を積層する、露光するまたは除去するように構成されてよい。加えて、材料は各ワークステーションの最後にあるリールの上に巻き付け直されるとして描かれている。しかしながら、代わりに、ステーションのいくつかまたはすべてを、材料を直接的に（前のワークステーションの下流に配置できる）次のワークステーションに送るように配列し、ステーションごとにリールの上に巻きつけなくても直接的な材料スループットを提供することができる。また、金または金属が付着される可撓基板は事前に製作されるか、あるいは供給業者から入手され、ワークステーション２から９で説明されるプロセスにより局所的にパターニングされてよい。

明確にするために、ワークステーションは、図４に図示されている方法工程に対応する特徴番号で識別されてきた（つまり、ワークステーション１５０ｓは、金を可撓基板の上に付着する方法工程１５０を実施できるワークステーションに相当する）。

ここで図８ａを参照すると、図示されているように、ロールコーティングステーション１５０ｓが、選択された一時表面を（金などの）所望される金属で被覆できるように可撓基板材料１０を伝達する、あるいは引っ張る（あるいは処理する）。図示されるように、可撓基板１０ｒ（カプトン（登録商標）として示されている）は、一次表面の内の１つで（Ａｕと呼ばれている）金属を含むように加工される。金属被覆された基板材料は、次にリール１１０ｒに巻きつけられる。図８ｂに図示されるように、積層ステーション１６０ｓは、選択された圧力および温度、Ｐ、Ｔで熱間圧延−積層機械でローラーを介して材料をともに押圧することによって可撓基板１０の下にある金属素被せられた表面に積層するために、材料リール１１０ｒを取り、それをフォトレジストフィルム（「ＰＲ」）３０と結合する。積層されたフォトレジスト３０、金属２０、および可撓基板１０は、次にリール１２０ｒの上に巻きつけられる。

図８ｃは、材料リール１２０ｒが広げられ、ＰＲ３０が所定される露光パターンでマスク３５を通して紫外線光３８に露光され、材料がいまは露光されたＰＲ、金属および可撓基板を保持するリール１２０ｒｅの上に巻き付け直される露光ステーション１７０ｓを描いている。次に、リール１２０ｒｅ上の材料が、ＰＲが現像され、洗い流され、乾燥され、リール１２５ｒの上に巻きつけることができる金属および可撓む基板上のパターニングされたＰＲの合成物を生じさせる結果となる、図８ｄに図示されているような現像ステーション１８０ｓに導入される。図８ｅに図示されるように、次にリール１２５ｒ上の材料は、金属をエッチングし、ＰＲを剥ぎ取り、可撓基板１０上のパターニングされた金属２０ｐを乾燥し、リール１２６ｒに巻きつけることができるエッチングステーション１９０ｓに導入できる。

図８ｆは、カバーレイシート４０が材料４０ｒの実質的に連続するリールとして導入することができ、金属性パターン付きの可撓基板が材料の連続リールとして導入することもできるカバーレイ塗布ステーション２００ｓを描いている。材料の連続長は、カバーレイシート４０が下にある材料に固定されるようにともに押し付けることができる。図示されるように、カバーレイシートは積層される、あるいはパターニングされた金属表面２０ｐ、および該２つの剤ら用をともに押圧する（空気が層のあいだに閉じ込められている尤度を削減するために手順中に取り除かれてよい）熱間圧延積層機械内の下にある可撓基板に一体化される。積層されたカバーレイ４０、金属パターン２０ｐ、および可撓む基板１０は、次にリール１２７ｒに巻きつけることができる。図示されていないが、工程６は、第１の積層されたカバーレイ表面上に追加のカバーレイ材料シートを積層するために所望されるように繰り返すことができる。

図８ｇは、積層されたカバーレイ材料１２７ｒが（ステーション３で処理されるフォトレジスト材料に類似する）光源に露光され、パターニングされた金属２０ｐと可撓基板１０の上の露光されたカバーレイ材料のリール１２７ｒ_eを形成するために回収され、圧延されるカバーレイ露光ステーション２０５ｓを描いている。リール露光カバーレイ材料１２７ｒ_eは、次に現像ステーション２１０ｓ（図８ｈ）に搬送され、そこではカバーレイ材料４０が、リール１２８ｒ上に回収できる可撓基板１０の上のパターニングされた金属表面２０ｐの上にある積層されたパターニングされたカバーレイ層４０ｐを生じさせるために現像される。次に、材料１２８ｒのリールを熱硬化局２０５ｓを通して移動するために誘導し、カバーレイ材料４０を硬化することができる（たとえば、カバーレイシートが約１時間のあいだ降下されるように設定される伝達応力および速度の約１６０℃のオーブン）。言うまでもなく、他の温度および回数（および関連コンベヤ速度も使用できる）。さらに、オーブン内の空間のより多くを占有するために、さらに複雑なアレイ連続移動パターン（図示されていない）を使用することができる（つまり、さらに多くの縦の空間を使用するために螺旋形またはジグザグ）。代わりに、アレイ５０は所望される長さに切削し、オーブンを通して伝達することができる。図示されるように、アレイ５０の連続長は、所望される化学品製剤をウェルに添加し、センサを個々の単位に分割できる製薬場所に移送できる仕上げられたアレイ材料スプールまたはリール１２９ｒの上に巻きつけられる。

特定の実施形態では、追加のカバーレイの１つまたは複数の層が、ウェル（複数の場合がある）（図示されていない）を画定する下にある積層済みのカバーレイ上に天井または蓋を形成するために配置できる。天井カバーレイ層は、たとえばウェルを封入するために下にある表面または表面の部分を封入するように構成できる。封入されたウェル構成は、封入されるマイクロフルイディック試験環境に特に適してよい。天井カバーレイ層は、その下にある所望される領域への電気的なあるいは流体のアクセスを可能にするために天井の層にポートまたは開口部を形成するためにパターニングされてよい。特定の実施形態では、ポートはウェルの一部への流体の通過を可能にするために天井カバーレイの中にパターニングできる。封入されるウェル（チャンバおよび／またはチャネル）構成を使用する他の実施形態では、流体移動通路は基板層を通して上部に形成されるバイアまたは通路を通して設けることができるか、あるいは（たとえば、上部から見られるときに開かれた端部領域から試験ウェルへの伸張する側面方向の通路などの）中間層を通して側面方向に形成することができる。これらの実施形態では、（ウェルを基板上に画定するカバーレイ（複数の場合がある）を形成するために使用できるものに類似して）ステーションの集合を形成する追加天井は、下にある構造に天井カバーレイを積層する、および／または所望される通りに天井カバーレイをパターニングするために使用できる。

本発明は、以下に示す非制限例でさらに詳細に説明される。

以下のプロセスは、本発明の実施形態にしたがって製品を準備するために使用された。方法にしたがって、金のフィルムまたは層が、コネチカット州ウィンザーに位置するテクニメット社（Techni-Met Inc.）に運用される平面的なＤＣマグネトロンスパッタリングプロセス、および装置を使用して７ミルの厚さのKaladex（登録商標）フィルムから形成される可撓基板の上に付着される。金のフィルムの厚さは３０から２００ｎｍの範囲となり、好ましい厚さは約１００ｎｍである。クロミウムまたはチタニウムのシード層は、基板フィルムと金の層のあいだでスパッタリングすることができ、金の基板フィルムへのさらに優れた接着を促進する。しかしながら、このようなシーディングなしに基板フィルム上にじかにスパッタリングされる金の層は充分な接着を示すことができる。基板表面のプラズマ処理は、金の付着を改善できる。

金が可撓基板に付けられた後、乾燥したフィルムフォトポリマーレジストが金／基板フィルムに積層された。Riston（登録商標）ＣＭ２０６（デュポン社）の元で販売されているような乾燥フィルムレジストが使用された。Riston（登録商標）ＣＭ２０６は、最初に、（デュポン社の）ＨＲＬ−２４熱間ラミネート装置を使用して１２インチ×１２インチの金／基板パネルの金の表面の上に湿式積層された。密封温度および積層速度はそれぞれ約１０５℃および毎分１メートルであった。積層されたパネルはカリフォルニア州アナハイム（Anaheim,CA）のタマラックサイエンティフィック社（Tamarack Scientific Co., Inc.）のタマラック１５２Ｒ型式露光システムに設置された。リリースライナーがフォトレジストの上面から除去された。ガラス／Ｃｒフォトマスクがマサチューセッツ州ノースアンドーバ（North Andover, MA）のアドバンスリプロダクションズ社（Advance Reproductions Corporation）により製造された。マスクのＣｒ側は焼きつき防止（antistick）コーティング（ノースカロライナ州ローリーのプレミテック社（Premitech Inc., Raleigh, NC））で処理され、パネルのフォトレジスト表面上にじかに設置された。積層されたパネルは、６０ｍＪ／ｃｍ²という露光エネルギーを使用してフォトマスクを通して３６５ｎｍの紫外線光に露光された。露光されていないフォトレジストが、１％の炭酸カリウムを使用し、室温で、３４ｐｓｉのノズル圧力を使用して３０分間、ミネソタ州ゴールデンバレー（Golden Valley, MN）、サーキットケミストリーイクイップメント（Circuit Chemistry Equipment）の回転式縦型ラボプロセッサ（ＶＬＰ−２０）内でパネルから剥ぎ取られた。次にシート上で露光された金がヨウ素４容量部、ヨウ化カリウム１容量部、水４０容量部、および金の湿潤を確実にするために溶液パッドに添加された１００グラムの溶液あたり０．０４グラムのFluorad（商標）フッ素系界面活性剤ＦＣ９９（ミネソタ州セントポール（ST.Pual, MN）、３Ｍ）を含む溶液を含むエッチ溶液パッドを使用して剥ぎ取られた。空気は、エッチ溶液混合物の充分に一様な攪拌を得るためにエッチプロセスの間に溶液パッドから吹き出された。パネルは純水ですすがれ、残留するRiston（登録商標）ＣＭ２０６が３％のＫＯＨ溶液パッドの中で除去された。

製品は、デュポン社の商標Vacrel（登録商標）８１４０（および関連シリーズ）またはPyralux（登録商標）ＰＣシリーズ（デュポン社）の元で販売されている材料のような乾燥したフィルム光画像処理可能なカバーレイ材料を使用して製作された。チャンバ寸法は、フレックス回路フォトリソグラフィーにより正確に画定できる。チャンバの深さは使用されるカバーレイ材料の厚さ、および／またはカバーレイ乾燥フィルムの単一層が使用されたのか、多層が使用されたのかによって制御された。チャンバ深さは以下の通りにさまざまなカバーレイ材料の連続積層により達成された。つまり、最初に、ＨＲＬ０２４（デュポン社）を使用して室温で加熱されたロールラミネート装置を使用して、厚さ４ミルのVarcel（登録商標）８１３０が基板の電極側に積層された。次に、電極パネルは１２０°Ｆ、３０秒の真空ドウェル、および４秒の圧力ドウェルの設定値を使用してＤＶＬ−２４真空ラミネート装置（デュポン社）で真空積層され、カバーレイフィルムと電極基板間に閉じ込められていた空気を除去した。次に、厚さ２ミルのVacrel（登録商標）８１２０が、毎分１メートルのローラー速度で室温でＨＲＬ−２４を使用して、Vacrel（登録商標）８１３０に積層された。それから、パネルは、３０秒の真空ドウェル、４秒の圧力を使用し再びＤＶＬ−２４真空ラミネート装置内で真空積層され、２枚のカバーレイフィルムのあいだに閉じ込められた空気を除去した。

積層された電極シートはタマラック１５２Ｒシステムに設置され、１７ｍＷ／ｃｍ²の露光強度を使用し、フォトマスクを通して２２秒間３６５ｎｍで紫外線に露光された。露光されていないカバーレイは、３４ｐｓｉのノズル圧力を使用して１４０°Ｆで、７５秒間、１％のＫ₂ＣＯ₃の中でＶＬＰ−２０サーキットケミストリーイクイップメントを使用してパネルから剥ぎ取られた。現像された積層構造は純水ですすがれてから、１６０℃で１時間硬化され、カバーレイ材料を熱的に架橋した。

前記は、本発明を例証しており、その制限として解釈されるべきではない。本発明の２〜３の例示的な実施形態が説明されたが、当業者は、本発明の新規の教示および優位点から大きく逸脱することなく例示的な実施形態では多くの変型が可能であることを容易に理解するだろう。したがって、すべてのこのような変型は、請求項に定義されるように本発明の範囲内に含まれることを目的とする。請求項の中では、使用される場合は手段に機能が加えられた節が復唱される機能を達成するとしてここに説明される構造、および構造上の同等物だけではなく同等な構造をカバーすることを目的としている。したがって、前記が本発明を例証しており、開示されている特定の実施形態に制限されるとして解釈されるべきではないこと、および他の実施形態だけではなく開示される実施形態内対する変型も添付請求項の範囲内に含まれることを目的とすることが理解されるべきである。本発明は、その中に含まれる請求項の同等物とともに、以下の請求項により定義される。

本発明の実施形態による可撓基板上にウェル付きセンサを製作する方法工程のフローチャートである。本発明の実施形態によるカバーレイシートを使用する可撓基板センサの製作シーケンスの側面図である。図２ａから図２ｇに図示されるシーケンスの平面図である（図２ａと図３ａは互いに対応し、図２ｂと図３ｂは互いに対応する等である）。図２および図３に描かれている製作工程のシーケンスのフローチャートである。図２および図３に描かれている製作工程のシーケンスのフローチャートである。図２および図３に描かれている製作工程のシーケンスのフローチャートである。本発明の実施形態による可撓基板上のウェル付きセンサのアレイの部分的なシートの上面のコピー印刷である。本発明の実施形態によるウェル付きセンサの大幅に拡大された側面透視図である。複数のカバー層シートの結合厚さに相当する深さを有するウェル付きセンサの大幅に拡大された側面透視図である。本発明の実施形態による尺度に描画されたセンサのアレイの部分シートの平面図である。本発明の実施形態による可撓センサのアレイを製作するための生産ライン内のステーションの概略図である。本発明の実施形態による可撓センサのアレイを製作するための生産ライン内のステーションの概略図である。本発明の実施形態による可撓センサのアレイを製作するための生産ライン内のステーションの概略図である。本発明の実施形態による可撓センサのアレイを製作するための生産ライン内のステーションの概略図である。本発明の実施形態による可撓センサのアレイを製作するための生産ライン内のステーションの概略図である。本発明の実施形態による可撓センサのアレイを製作するための生産ライン内のステーションの概略図である。本発明の実施形態による可撓センサのアレイを製作するための生産ライン内のステーションの概略図である。本発明の実施形態による可撓センサのアレイを製作するための生産ライン内のステーションの概略図である。本発明の実施形態による可撓センサのアレイを製作するための生産ライン内のステーションの概略図である。

Claims

可撓基板上に電極を有するセンサを製造する方法であって、
第１の表面を含む可撓基板層を設ける工程と、
金属の導電パターンを含む電極を前記基板層の第１の表面上に形成する工程と、
前記基板の第１の表面に可撓性の光画像処理可能な乾燥フィルムカバーレイシートを貼り付ける工程と、
前記電極層の少なくとも一部を露出するように設けられる試験チャンバを画定するために、前記カバーレイシートの所定の領域を除去する工程とを含む方法。
前記貼り付ける工程が、介在して設けられる接着剤なしに、前記カバーレイシートを基板層に積層する工程を含む請求項１記載の方法。
前記カバーレイシートが２５〜２５０μｍの厚さを有する請求項１記載の方法。
前記カバーレイシートの上に固着される第２のカバーレイを貼り付ける工程をさらに含む請求項１記載の方法。
前記第２のカバーレイが、第１の光画像処理可能な材料を含み、前記カバーレイシートが異なる第２の光画像処理可能な材料を含む請求項４記載の方法。
前記第２のカバーレイが、前記カバーレイシートによって画定された試験チャンバの少なくとも一部の上に天井を形成してなる請求項５記載の方法。
前記除去する工程が、開口から前記試験チャンバまで延びる通路を画定するために、前記カバーレイシートの一部を除去する工程をさらに含む請求項１記載の方法。
前記カバーレイシートの上に固着される第２のカバーレイを貼り付ける工程を含み、該第２のカバーレイが、前記カバーレイシートによって画定された試験チャンバの少なくとも一部の上に天井を形成してなる請求項７記載の方法。
前記カバーレイシートが、光画像処理可能なポリマー、アクリル系の可撓性組成物およびそれらの誘導体からなる群から選択される請求項１記載の方法。
前記除去工程が、
前記カバーレイシートの少なくとも１つの所定の領域を紫外光に露出する工程、および当該カバーレイシートの所定の領域上に溶液を導入して、当該所定の領域のカバーレイシートの一部を除去する工程
とを含む請求項１記載の方法。