JP4243586B2 - 少なくとも１つの生物学的溶液を、能動的に制御しかつ局在化して堆積するための装置 - Google Patents

少なくとも１つの生物学的溶液を、能動的に制御しかつ局在化して堆積するための装置 Download PDF

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Description

本発明の主題は、微小液滴の形態の少なくとも1つの生物学的溶液を能動的に制御しかつ局在化して堆積するための装置である。
製薬産業において、新規薬剤開発のための研究に投資される資本は、企業の予算のかなりの部分を占めている。
このような研究費を減少させる新規な分析方法が必要である。
生物医学分野におけるマイクロチップの到来は、医薬品開発の分野、およびバイオアッセイの分野に革命をもたらしている。
これらのマイクロチップの利点は、次のとおりである：
- 新規な、より感度の高い検出方法の開発を可能にし；
- 反応物のより少ない容量を必要とするので、より少ない費用となり；
- その小さい寸法のために、より迅速な分析手法を可能にし；そして
- いずれかの1つの表面に多数の異なる溶液が存在するために、スクリーニングまたは診断の研究を行うことを可能にする。
しかしながら、溶液の生物学的材料の少容量を分配するために現在用い得る手段は、ガラススライドまたはメンブレン上に、数百ミクロンのオーダーの径を有する液滴(これは、ナノリットルのオーダーの液滴の容量に相当する)の堆積を可能にする。これらのシステムは：
- 第一の場合において、溶液の物質の吸引および排出のための圧電能動デバイス(コンタクトレス堆積システム)；
- または第二の場合において、金属(ステンレス鋼、タングステンなど)でできた割りピンからなる受動機構(この第二の場合において、液体は毛細管効果により吸引され、ピンの末端をガラススライドと接触させることにより堆積される) (コンタクト堆積システム)
のいずれかに基づいている。我々は、その作動原理が割りピンからなる機構で用いられる原理と同様であるピン-リングシステムについても言及する(この場合、リングは液体貯蔵部として作用する)。
実験室の研究の対象を形成しているその他の堆積技術が知られており、これらは上記の操作手段により得られるものより小さい容量を達成することを可能にする。
これらの技術のうちの1つはディップペンリソグラフィであるが、これは原子間力顕微鏡に由来する技術であり、かつ原子間力顕微鏡の先端と、堆積が起こる表面との間に形成される水のメニスカスでの分子輸送拡散効果(molecular transport diffusion effect)を用いて、表面上に形状(features)を形成することを可能にする。その作動原理は、先端と表面との親水性またはぬれ性の差に基づく。実際、先端から表面への分子拡散を起こすために、表面は先端よりも親水性でなければならない。得られる分解能は1ミクロン未満であることができ、異なる生物学的分子の堆積を構想することもできるが、これは各溶液について先端(これは、堆積させる溶液に予め浸漬させておく)の取替えを意味する。よって、この堆積技術は、数十の異なる堆積を行うことを所望するならば、非常に時間がかかる。さらに、顕微鏡の先端の取替えは、2つの取替えの間での整合の精度を維持することができない。最後に、このアプローチは、水のメニスカスを形成するために、高湿度条件下でのみ行うことができる。
この技術は、特に、次の文献で説明されている：
"Dip-pen Nanolithography" R.D. Piner、J. Zhu、F. Xu、S. HongおよびC.A. Mirkin、Science、第283巻、第661〜663頁、1999年1月29日；
"Multiple Ink Nanolithography : toward a Multiple-Pen Nano-Plotter"、S. Hong、J. ZhuおよびC.A. Mirkin、Science、第286巻、第523〜525頁、1999年10月15日；
"Surface organization and nanopatterning of collagen by dip-pen nanolithography"、D.L. Wilson、R. Martin、S. Hong、M. Cronin-Golomb、C.A. MirkinおよびD.L. Kaplan、Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America、第98巻、第24号、2001年11月20日、第13660〜13664頁；ならびに
"Dip-Pen nanolithography on semiconductor surfaces"、A. IvanisevicおよびC.A. Mirkin、Journal of the American Chemical Society、第123巻、第32号、2001年8月15日、第7887〜7889頁。
バイオチップの製作のための堆積を行うために、その他の微小システムも提案されている。これらは一般に、微小流体構造を利用しており、例えば次の文献で説明されている：
"Micromachined needle arrays for drug delivery or fluid extraction"、IEEE Engineering in Medicine and Biology Magazine：the Quarterly Magazine of the Engineering in Medicine & Biology Society、第18巻、第6号、1999年11月〜12月、第53〜58頁、J. Brazzle、I. PapautskyおよびA.B. Frazier。
これらは、微小に組み立てられた(microfabricated)チャネルを有する微小機械加工されたシリコン構造であり、その使用は、インクジェットシステムのものに全く匹敵する。チューブの形態の、これらの「閉鎖された」構造は、洗浄するのが非常に困難であり、このことは、同じ装置が異なる液体の液滴を堆積するのに用いられることの障害となる。
国際特許出願WO 02/00348号は、10ピコリットル〜200ナノリットルの間の容量の微小液滴を堆積することを可能にする堆積システムを例示している。このようなシステムは、シリカまたは石英でできており、かつ毛細管チャネルおよび貯蔵部を備えている少なくとも1つのレバーからなる。液体は、毛細管効果および装置と堆積表面とのぬれ性の差により純粋に受動的に採取され堆積される。
電界効果によりコンタクトレス堆積を許容するマイクロピペットが、特に次の文書に説明されている：
"Electrospray deposition as a method for a mass fabrication of mono and multicomponent microarrays of biological and biologically active substances"、V.N. MorozovおよびT. Ya. Morozova、Analytical Chemistry、第71巻、第15号、1999年8月1日、第3110〜3117頁；ならびに
"Atomic force microscopy of structures produced by electrospraying polymer solutions"、Victor N. Morozov、Tamara Ya MorozovaおよびNeville R. Kallenbach、International Journal of Mass Spectrometry、第178巻、第3号、1998年11月9日、第143〜159頁。
これらの装置は、調整可能な電界による制御された様式で非常に少量の有機分子を堆積させるために、エレクトロスプレー効果を活用している。しかしながら、エレクトロスプレー法は、堆積される液体をイオン化し、かつ噴霧するのに充分高い電界を印加することからなる。このようにして作られる液滴は、サブミクロンの寸法を有し、堆積表面に達する前に蒸発する；このようにして、薄膜が作られる。よって、これは、本発明が直面するのとは異なる問題であり、すなわち、1ピコリットルまたは1フェムトリットルのオーダーの容量の液滴の堆積である。さらに、エレクトロスプレー装置は、針形状の電極を有するマイクロピペットからなる；よって、これらを効率的に洗浄することができず、液体を取り替えるごとに置換しなければならない。
電界効果の下での表面のぬれ、および表面のぬれ性の能動的な制御による液体の移動(displacement)の研究は、次の文献において発表されている：
"Electrowetting and electrowetting-on-dielectric for microscale liquid handling"、J. Lee、H. Moon、J. Fowler、T. SchoellhammerおよびC.J. Kim、Sensors and Actuators、A 95、第259〜268頁、2002；ならびに
"Dielectrophoretic liquid actuation and nanodroplet formation"、T.B. Jones、M. Gunji、M. WashizuおよびM.J. Feldman、Journal of Applied Physics、第89巻、第2号、第1441〜1448頁、2001。
これらの文献は、エレクトロウェッティングおよび誘電泳動の物理学的原理、ならびに水のような液体の液滴の取り扱いにおけるそれらの応用についても記載している。これらの効果は数十年にわたって知られているが、液滴の堆積に適用されたことはない。
つまり、能動的に制御され、かつ(基準点に対して)正確な様式で、10ミクロン未満の径、すなわち1ピコリットル(pl)未満の容量の微小液滴の堆積を許容する堆積システムは、提案されていなかった。
まして、このような液滴が、ブリッジ、ビームまたはメンブレンタイプの微小構造上に、精密かつ能動的に制御された方法で堆積されるのを許容する公知の堆積システムはなかった。
本発明は、堆積システムとして、静電効果により堆積される液体の取り扱いのための少なくとも1つの電極を有する1以上のシリコンマイクロレバーを用いることにより、これらの目的を達成することを可能にする。
本発明の1つの主題は、特に10ミクロン未満の径を有し、より具体的には1ミクロンのオーダーの径を有する微小液滴を正確に局在化しかつ能動的に制御して堆積するための堆積装置である。
本発明の別の主題は、ブリッジ、ビームまたはメンブレンのような微小構造上に微小液滴を正確に局在化しかつ能動的に制御して堆積するための堆積装置である。
本発明の別の主題は、異なる生物学的分子の堆積のための堆積装置である。
本発明の別の主題は、その上に堆積が起こる構造または微小構造と接触することなく、微小液滴を堆積するための堆積装置である。
本発明の別の主題は、構造または微小構造の完全性を維持する条件下で、構造または微小構造との接触により微小液滴を堆積するための堆積装置である。
上記の目的の少なくとも1つは、中心体と、スリットまたは溝を備えてなる先端を形成する末端領域とを有する少なくとも1つの平坦シリコンレバーを含み、中心体の1つの面に備えられ、かつ該スリットまたは溝と少なくとも部分的に並んで走る少なくとも1つの金属通路を有することを特徴とする生物学的溶液を堆積させるための装置により達成される。
有利には、該スリットまたは溝は、該先端から、中心体に備えられた貯蔵部まで延びる。
有利には、該金属通路は、該貯蔵部と少なくとも部分的に並んで走る。
本装置のある実施形態によると、貯蔵部は、中心体の1つの主要面内に備えられた非貫通陥没部(non-emergent cavity)である。
別の実施形態によると、貯蔵部は、中心体の2つの対向する主要面の間に備えられた貫通開口部(emergent opening)からなる。
該スリットもしくは溝および／または該貯蔵部および／または該金属通路は、任意にSiO2で被覆されていてもよい。
有利には、レバーは、シリコンまたは代わりに疎水性シランで被覆された酸化シリコンでできた少なくとも1つの疎水性領域を有する。
有利には、本装置は少なくとも1つの打込み(implanted)圧電抵抗体を有する。
有利には、該少なくとも1つのレバーはそれぞれ、その曲げを調節するための少なくとも1つの一体型(integrated)アクチュエータを有する。
好ましい実施形態によると、該アクチュエータは、該レバーの表面上に堆積された圧電層を含む。
別の好ましい実施形態によると、該アクチュエータは、バイメタルストリップと、該レバーの表面上に堆積された加熱抵抗体とを含む。
本発明は、
a) 埋込み絶縁層を有するシリコン-オン-インシュレータ(SOI)基板の前面上に酸化シリコンを堆積させる、少なくとも1つの工程；
b) 各レバーについて、少なくとも1つの金属通路の作製；
c) レバーおよび少なくとも1つのスリットもしくは溝の輪郭を区画するために、シリコン基板の前面から行われる少なくとも1つの化学またはイオンエッチング工程であって、レバーの輪郭は、埋込み絶縁層にまで至る(down to)化学またはイオンエッチングにより、区画される工程；
d) 埋込み絶縁層を含む基板の裏面を除去し、かつ少なくとも1つのレバーを解放するために、基板の裏面から行われる化学またはイオンエッチング工程
を含むことを特徴とする上記の装置を組み立てる方法にも関する。
本方法は、b)が：
b1) 少なくとも1つの金属通路を隔離するために、前面上に酸化物を堆積させる第二の工程
も含むことを特徴とすることができる。
本方法は、c)が、レバーの輪郭に加えて、少なくとも1つのレバーについてスリットおよび／または貯蔵部を構成する貫通開口部を区画するために、埋込み絶縁層にまで至る化学またはイオンエッチングを含むことを特徴とすることができる。
本方法は、c)が、基板の第一の化学またはイオンエッチング（この操作は、少なくとも1つのレバーについて、貯蔵部を形成する非貫通陥没部および／または少なくとも1つの溝を区画するために、埋込み絶縁層の手前で停止される）、ならびに少なくともレバーの輪郭を区画するために、埋込み絶縁層にまで至る基板の第二の化学またはイオンエッチングを含むことを特徴とすることができる。
第一の化学またはイオンエッチングは、レバーの輪郭がそれらの厚みの一部にわたって区画されるような様式で行うことができる。
有利には、a)の前に、少なくとも1つの圧電抵抗体の打込み工程が行われる。
有利には、本方法は、一体型アクチュエータの堆積工程も含む。
好ましい実施形態によると、該一体型アクチュエータの堆積工程は、スパッタリングによるPbZrO3/PbTiO3の圧電フィルムの堆積を含む。
有利には、該圧電フィルムは、次の：酸化シリコン、「テフロン(登録商標)」PTFE、ポリマーから選択される材料の層により液体から隔離される。
別の好ましい実施形態によると、該一体型アクチュエータの堆積工程は、Si3N4層の減圧化学気相蒸着(LPCVD)と、加熱抵抗体をつくり、それによりバイメタルストリップを形成する、その後の蒸着によるCr層およびAu層の堆積とを含む。
本発明は、生物学的溶液のサンプリングおよび保持が、該金属通路の間に電位差を印加することによる電界効果により補助されることを特徴とする、上記で定義したような装置を用いて少なくとも1つの生物学的溶液をサンプリングする方法にも関する。
圧電抵抗体を有する装置を用いる場合、採取された生物学的溶液の量を測定するために、有利には該圧電抵抗体の電気抵抗の変動の測定をサンプリングの後に行う。
本発明は、生物学的溶液の堆積が、同じ電位に維持されている該金属通路と、少なくとも1つの導電層を有する堆積表面との間に電位差を印加することによる電界効果により補助されることを特徴とする、上記で定義したような装置を用いて少なくとも1つの生物学的溶液を堆積させる方法にも関する。
圧電抵抗体を有する装置を用いる場合、堆積された生物学的溶液の量を測定するために、有利には該圧電抵抗体の電気抵抗の変動の測定を堆積の後に行う。
本発明は、各レバーの堆積表面との接触力が、各一体型アクチュエータにより能動的に制御される各打込み圧電抵抗体の電気抵抗の変動を測定することにより決定されることを特徴とする、それぞれが圧電抵抗体および一体型アクチュエータを有する上記で定義されるような装置の列を用いて少なくとも1つの生物学的溶液を堆積させる方法にも関する。
本発明のその他の特徴および利点は、添付の図面との関係において次の説明を読むことにより、さらに明らかになる。ここで：
- 図1Aおよび1B、2Aおよび2B、3Aおよび3B、ならびに4Aおよび4Bは、本発明によるレバーの実施形態を説明し；
- 図5は、一体型圧電抵抗体を有するレバーの実施形態のVI-VIでの断面図を説明し；
- 図6Aおよび6Bは、一体型アクチュエータを有する2つのその他のレバーの実施形態のVI-VIでの断面図を説明し；
- 図7Aおよび7Bは、列を形成している同一のレバーの組からなる装置を説明し；
- 図8A〜8Jは、本発明によるレバーの組立方法を説明し；
- 図9A〜9Dは、液体を採取し、そしてそれを堆積させる種々の方法を説明する。
図1A〜4Bにみられるように、レバーは、先端3を形成する三角形の末端2で終端する矩形形状(中心体1)のものが好ましい。レバーの中心で先端3から出現する溝4またはスリット5は、液体のためのチャネルを形成する。矩形形状の貯蔵部6または7は、チャネル4または5の上部末端に挿入されることができる。2つの金属通路8または9は、チャネル4もしくは5および／または貯蔵部6もしくは7と並んで走る。
レバーの幾何学的寸法は次のようであることができる：
レバー長さ： 1〜2 mm
幅： 100〜300μm、例えば210μm
厚さ： 1〜20μm (当初のSOI基板の厚みによる)
レバー間の間隙： 450μm (例えば)
チャネル長さ： 200〜400μm、例えば250μm (貯蔵部を設けた場合)；200〜1000μm、例えば550μm (貯蔵部なし)
チャネル幅： 2〜20μm、例えば5μm
貯蔵部長さ： 200〜600μm、例えば250μm
貯蔵部幅： 50〜150μm、例えば80μm
導電路幅： 1〜40μm、例えば20μm。
チャネルは、表面11から始まるレバーの厚みの一部にわたって備えられる溝4、または面11と12との間に延びる通しスリット(through-slit) 5であることができる。チャネルは、レバーの中心体1の主要面11に備えられる陥没部6からなる非貫通貯蔵部、またはそうでなければ中心体1の主要面11と12との間に備えられる開口部7からなる貫通貯蔵部7と通じることができる。
図1Aおよび1Bはスリット5の場合を説明し、図2Aおよび2Bはスリット5および貫通貯蔵部7の場合、図3Aおよび3Bは溝4および非貫通貯蔵部6の場合を説明し、そして図4Aおよび4Bはスリット5および非貫通貯蔵部6の場合を説明する。溝4および貫通貯蔵部6を有するレバーの場合(図示せず)も用いることができる。
金属通路8および／または9は、貯蔵部6もしくは7 (図2A、2B、3A、3B、4Aおよび4B)および／または溝4 (図3A、3B)および／またはスリット5 (図1A、1B、2A、2B、3Aおよび3B)と並んで走る。変形(図示せず)として、単一の金属通路8または9が存在することができる。
レバーの裏面にアクチュエータが一体化されることができ、これは圧電層38 (図6A)またはSi3N4層33、クロム層35および金層37を含むバイメタルストリップ(図6B)からなる。
圧電抵抗体31も、レバーの裏面上に一体化されることができる(図5)。
圧電抵抗体31およびアクチュエータ33−35−37または38の両方は、パッシベーション膜32により液体から隔離される。
本発明による装置は、特に：
a) 堆積される容量の減少：本発明のシステムにより作られる堆積は、例えば10ミクロンのオーダーの径(ピコリットル)を有し、この特徴はパラメータで表示可能である；直径1μmのオーダーの微小液滴(フェムトリットル)を得て、本装置を現在用いられているナノテクノロジーのアプローチ(特にナノセンサー上への液滴の堆積)に適合させることが考えられる；ならびに
b) エレクトロウェッティング、誘電泳動およびエレクトロスプレーを活用するための電極として用いられる金属通路8および／または9を介して液体の採取ならびに堆積の操作を能動的に制御できる可能性；および／または
c) 広く多様な有機生物学的物質(DNA、タンパク質、細胞など)、もしくは無機物質(ポリマー、フォトレジストなど)を堆積できる可能性；および／または
d) 非常に少ない容量の使用可能性、およびそれによる単回のレバー採取での多数のドットの作製(1回の採取で直径20ミクロンの液滴が100またはそれより多くつくられる)；および／または
e) システムを大きく変更することなくコンタクトもしくはコンタクトレス堆積(例えばDNA、タンパク質もしくは細胞のコンタクトレス堆積、またはDNAもしくは細胞のコンタクト堆積)；および／または
f) マイクロレバー上でひずみゲージとして働く圧電抵抗体を一体化することにより、力および接触時間を能動的に制御すると共に、コンタクト堆積段階の間にレバーの列を堆積表面に関して整列させることができる可能性；および／または
g) 接触力の該能動制御のおかげで、マイクロビームもしくはマイクロメンブレンのような微小構造上へ物質を堆積できる可能性；および／または
h) 非常に感度の高いはかりとして作動する、該圧電抵抗体により採取され堆積される液体の量の測定；および／または
i) 圧電層もしくは加熱抵抗体を有するバイメタルストリップからなるアクチュエータをレバーと一体化できる可能性；
j) マイクロエレクトロニクスに由来する集合的組立技術の使用おかげで大幅に減少されたコスト；例を挙げると、市販のステンレス鋼のピンは300〜400ドルかかるが、本発明によるシリコンマイクロレバーの組立費用は、顕著に低減された全体の費用を予想させる
を許容する。
項目(g)で述べた微小構造上への堆積は、本発明の主要な利点を構成する。なぜならこのような装置は、一体型生体分子検出器として用いられ得るからである。この点に関して、文献：
"Translating Biomolecular Recognition into Nanomechanics"、J. Fritz、M.K. Baller、H.P. Lang、H. Rothuizen、P. Vettiger、E. Meyer、H.-J. Guentherodt、Ch. GerberおよびJ.K. Gimzewski、Science、第288巻、第316〜318頁(2000)；ならびに
フランス特許出願第2 823 998号
を参照。
項目(i)で述べたアクチュエータに関し、これは、図7Aに説明するように、列を構成するレバーの一部のものだけを堆積表面に接触させることを許容する。図7Bは、例として、第一のレバーが該一体型アクチュエータの作用により堆積表面に向かって下方に曲がり、第二のものはいずれの接触も避けるために該表面から遠ざかって反対の方向に曲がり、第三のものはその静止位置に残っている列を示す。矢印F1およびF2は、それぞれ第一および第二のレバーの場合の、一体化アクチュエータにより誘導される先端の移動の方向を示す。圧電フィルムまたはバイメタルストリップによるシリコンマイクロレバーの作動は従来技術で知られているが、これを液体の微小液滴の堆積のためのシステムに用いたのは初めてである。
詳細は：
圧電作動に関しては"Piezoelectric properties of PZT films for microcantilevers"、E. Cattan、T. Haccart、G. Velu、D. Remiens、C. BergaudおよびL. Nicu、Sensors and Actuators 74、第60〜64頁(1999)；および
熱機械(バイメタルストリップ)作動に関しては"Micromachined arrayed dip-pen nanolithography probes for sub-100 nm direct chemistry patterning"、D. Bullen、X. Wang、J. Zou、S. Hong、S.-W. Chung、K. Ryu、Z. Fan、C. MirkinおよびC. Liu、IEEE 16th International Conference on Microelectromechanical Systems、January 19〜23、2003、Kyoto、Japan、第4〜7頁
を参照。
堆積レバーの組立方法は、マイクロエレクトロニクスで用いられている集合的組立技術に基づいている。一連の技術的工程は、SOI (シリコン-オン-インシュレータ)基板上で行われる。
この方法の第一の部分は、薄膜形成工程(図8Aおよび8C)の連続を含み、第二の部分はレバーを区画するための一連の微小機械加工操作からなる。
第一の工程(図8A)は、埋込み酸化物層30を有するシリコン基板20の前面21上へのLPCVD (減圧化学気相蒸着)による酸化シリコン22の堆積である。酸化物層22は、基板とそれに続く金属被覆との間の絶縁体として働く。
図8Bに示す工程の間、金属通路25はリフトオフ技術により、すなわちフォトリソグラフィ、それに続く蒸着による金属堆積25、および次いでアセトン中で超音波を用いる(金属被覆領域をマスクするのに用いられた)レジストの除去、そして最後の金属被覆の焼きなましによりつくられる。
薄膜部分の最後の工程は、レバーが用いられるときに液体から金属被覆を隔離するための、LPCVDによる酸化シリコンの第二の局在堆積26 (図8C)と、酸化シリコンのエッチングにより金属被覆の接触パッドへのアクセスを得るために、続いて行うフォトリソグラフィである。
微小機械加工を開始するために、シリコン層27の前面フォトリソグラフィにより、レバーの輪郭を区画する。次いで、第一のプラズマエッチング操作(反応性イオンエッチングまたはRIE)を酸化シリコンに対して行って、その後、第二のプラズマエッチング操作を単結晶シリコンに対して行う(図8D)。
最後に、ウェハーの裏面28から始まる最後のフォトリソグラフィ操作、次いでシリコン層29に対するディープ反応性イオンエッチング(DRIE)操作を、レバーを解放するために行う(図8E)。プラズマエッチングは、SOIの酸化シリコン停止層30により停止する。最後に、この酸化物30の反応性イオンエッチングを、構造を解放し終えるために、再び裏面から行う。
レバーの輪郭をエッチングするとき、所望の輪郭に応じていくつかのオプションが可能である。貯蔵部を有しても有しなくても貫通チャネル(レバーの厚み全体を貫通するスリット5)を有するレバーについては、SOI酸化物基板の酸化物層上でのシリコンエッチングの停止による、単一工程(図8Dに示すような)で充分である。
しかしながら、非貫通構造(溝4または陥没部6)のエッチングのためには、2つのフォトリソグラフィ工程と、それに続くエッチングを連続して行わなければならない。チャネル4および／または貯蔵部6を区画する第一のものは、SOI基板の中間酸化物層に到達する前に停止しなければならない。よって、この工程には、SOI基板の中間酸化物層までのレバーの外側輪郭のみのフォトリソグラフィおよびエッチングを補わなければならない。
レバーの中心体1内の例えば長手方向に配置される、少なくとも1つの圧電抵抗体の任意の打込みは、図8Aに示す工程の前に行うことができる。まず、シリコン中へのドーパントの打込みの前に薄い酸化物を作製する。この酸化物の厚み、用量およびドーピングエネルギーは、圧電抵抗体の最大限の感度を得るように選択されなければならない。次に、酸化物(図8A)を堆積させ、次いで圧電抵抗体の接触部での化学エッチングにより開放し、その後リフトオフ工程により金属を堆積させる(図8B)が、これは電極として用いられる通路、および圧電抵抗体のための通路を考慮に入れている。次に、前述のように、続けて組立工程を行う。
レバーの少なくともいくつかに打込まれた1以上の圧電抵抗体は、そこに1以上のひずみゲージが存在することを可能にし、その抵抗変動は、特にレバーが表面と接触する時に検出するのに用いられる。これにより、特に、集合的堆積の間にレバーが同一平面にあることを確実に制御することが可能になる。
任意に、例えば54/46の比のPbZrO3とPbTiO3の混合物からなる圧電フィルム30は：
"PZT Polarization effects on off-centered PZT patch actuating silicon membranes"、M. Guirardel、C. Bergaud、E. Cattan、D. Remiens、B. Belier、S. PetitgrandおよびA. Bosseboeuf、16th European Conference on Solid State Transducers (EUROSENSORS XVI)、Prague (Czech Republic)、September 15〜18、2002、第697〜700頁
に記載されるようにスパッタリングにより堆積されていてもよい。
堆積は、図8Fに説明するように、例えばレバーの裏面上に行うことができる。代わりに、図8Gに説明するように、金属通路25を覆う酸化物層26上に行うこともできる。両方の場合において、圧電アクチュエータは、酸化物層32、または効果的な隔離を確実にするいずれの材料、すなわち「テフロン(登録商標)」PTFE、ポリマー(PDMS、レジストなど)の層により液体から隔離されなければならない。この点に関して、次の文献を参照：
"Tapping mode atomic force microscopy in liquid with an insulated piezoelectric microactuator" B. Rogers、D. York、N. Wishman、M. Jones、K. Murray、D. Adams、T. SulchekおよびS.C. Minne、Review of Scientific Instruments 73、第3242〜3244頁(2002)；ならびに
"High-speed atomic force microscopy in liquid"、T. Sulchek、R. Hsieh、S.C. Minne、C.F. QuateおよびD.M. Adderton、Review of Scientific Instruments 71、第2097〜2099頁(2000)。
代わりに、アクチュエータはバイメタルストリップからなることもできる。図8H〜8Lは、このような装置の製造における種々の工程を示す。まず、Si3N4層33を、減圧化学気相蒸着(LPCVD)により堆積させる(図8H)。次に、加熱抵抗体を構成してバイメタルストリップを形成するクロム層35 (図8I)および金層37(図8L)を、加熱蒸着により堆積させる。ドープされた多結晶シリコン層も加熱抵抗体として用いることができる。リソグラフィ工程に続くのは、これらの要素の輪郭を区画するための、絶縁酸化物層の堆積および加熱抵抗体の電気的接触の作製である。
金属通路は、これらが、電界効果による、装置を充填したときのスリットまたは溝の中への液体の上昇および堆積の間のその下降の制御を可能にするので、本発明の核を構成する。
誘電泳動と呼ばれ、Jonesら(上記の文書を参照)により提案されている第一の技術は、AC電界を用いて分極し得る液体(例えば水)を高電界の領域に閉じ込めることにある(DC電界の使用は可能であるが、液体の電気分解のような望ましくない影響を起こすか、または生体分子を損傷し得る)。この電界は2つの同一平面上の絶縁電極の間に創られるので、液体は事実上、電極に対して「押しつけられる」。物理学的な原因は異なるが非常によく似た効果が、導電性液体の場合に起こる。さらに、液体は、それに印加される電界の周波数に応じて「導電性」または「誘電性」であり得ると考えられることが重要である。与えられた周波数の範囲内で、液体が誘電性である場合、電極は絶縁体で被覆される必要がない。
エレクトロウェッティングとして知られる別の技術は、該表面と液体との間に電位差を印加することにより、表面のぬれ特性(表面と液体との間の接触角)を変更させ、これにより毛細管効果が制御される。数ボルト〜10 Vの電位差が、電極と導電性表面との間に印加された場合、電界効果はコンタクトレス堆積を起こすことができる。より高い電位差(約1 kV)は、エレクトロスプレーとなることができる。
レバー上には、表面上に堆積される液体の挙動を最適化するように、これらを親水性または疎水性にするいくつかの表面処理を行うことができる。
まず、特性が知られているので、シリコンから誘導される材料を変更することができる：つまり、酸化シリコンは親水性化合物として用いられ、単結晶シリコンは疎水性材料として用いられる。
しかしながら、シリコンは表面酸化を受けるという本来の傾向を有する(発生期の酸化物の存在)ので、化学表面処理を行う必要があるかもしれない。このような処理は、例えば疎水性シラン、例えば末端基としてメチル基またはフッ素含有基を有するシランを付加することである。このシランが酸化シリコン上に堆積される。この化合物は、酸化シリコン上に自己集合単分子膜の形態で堆積され、高度に疎水的であるという利点を有する。
代わりに、パッシベーション膜(例えば低温酸化物膜(cold oxide layer))のぬれ性または親水性特性を増大させるために、打込みまたは照射(例えばX線を用いて)により残留電荷を酸化物中に創る技術を用いることが考えられる。
本発明の好ましい実施形態において、装置の表面は非常に疎水的にしてあり、かつ液体は上記の誘電泳動およびエレクトロウェッティング効果により採取される。これは、装置の洗浄をより容易にし、コンタミネーションなしにいくつかの異なる液体を堆積させることを可能にする。
三軸(X、Y、Z)マイクロロボットにより、本発明のマイクロレバーを充填段階および堆積段階のために用いることが可能になる。
採取段階は、微小構造を堆積させる液体を含む貯蔵部内に浸漬し、そして任意に毛細管効果に補助されていてもよい電界効果により、マイクロチャネルを充填することを必要とする。
堆積段階については、マイクロロボットを用いて、堆積を受けようとする表面に関して非常に精密に微小構造を配置する。次いで、表面との直接接触、またはコンタクトレス電界効果により堆積が起こる。印加される電界が生体分子のスプレーの発生および微粒化(atomization)を起こすのに充分なほど高い場合、スプレー堆積技術を考慮することも可能である。
ロボットは、例えば、50 nmのステップを有する市販の三軸(X、Y、Z)ロボットであり、約10〜20ミクロンの直径で堆積が作られるのに容易に適合できる。この精密さは、レバー／堆積表面の接触の精細な制御を可能にして、作られるスポットのより良好な容量均一性を与える。接触制御の更なる改良は、微小構造内に一体化されたアクチュエータ、例えば圧電アクチュエータまたは熱機械アクチュエータを用いることにより達成される。さらに、レバーを列とする場合、一体型アクチュエータは、各装置と表面との接触が個別に制御されることを許容する。
一体型圧電抵抗体は、ロボットおよび該アクチュエータのサーボ機構による制御を許容する。
各軸に沿った移動は、ステッピングモータにより与えられる。AC電流を供給される各モータは、リニア位置センサと連携して閉回路位置制御を許容する。
入射角、つまりレバーと堆積が行われる表面との間の接触角は、堆積される液滴のサイズに相当の影響を有する。最も満足な結果は、60°に近い角度で得られる。接触段階において、接触後にレバーを50ミクロン低くすると、この角度が60°から45°に変化することが注目されるべきである(すなわち、接触後にレバーを低くする距離の値を、本明細書において「接触深さ」という)。よって、堆積される液体の容量は、より高いかまたはより低い耐力を印加することにより変わる。
角度は、Z軸に固定され、かつY軸に関して回転する可動部分により変えることができる。この角度を、駆動システムに接続された微小コントローラにより直接制御することが可能である。
堆積工程は、図9A〜9Dに説明するように、次の様式で行うことができる。
第一工程(図9A)は、レバーの軸に沿って機械加工されたチャネルおよび貯蔵部(存在する場合)を充填することにある。これを行うために、制御ソフトウェアは、堆積される液体を含む貯蔵部の上にレバーを位置させ、そしてそれらをこの液体中に浸漬させる。次いで、レバー上の機械加工された電極と液体との間に電圧を印加することにより、電界がつくられる。次に、レバーを液体から外に移動させ、そしてロボットが、堆積される最初のスポットの位置の上方にそれらを配置する。
したがって、我々は2つのオプションを有する：ロボットがレバーを表面にぶつかるように移動させ、堆積が接触により起こる(図9B)か；またはロボットが、レバーを表面の(数ミクロン離れて)上方に配置し、それによりこの場合はコンタクトレス堆積が起こる(図9Cおよび9D)かのいずれかである。
コンタクト堆積の場合、堆積される容量は、深さ、接触角および接触時間に依存する。電界効果も、堆積の容量の制御に用いることができる−導電性通路の間の電界の減少は、堆積される液体の量を増加させ、かつその逆も同じである。レバーの列を用いる場合、各レバーによる堆積は、接触の性質に作用する一体型アクチュエータおよび電極のおかげで個別に制御される。
コンタクトレス堆積の場合、数ボルトから10 Vまでの電位差が、金属通路と、導電性であるかまたは導電性被覆を有しなければならない堆積表面との間に印加される。よって、得られる電界効果(誘電泳動)は、液体を吸い取る。より高い電位差(1 kVを超える)は、エレクトロスプレーをもたらす。
この手順は、使用者により設定されたプログラムに従って、堆積されるスポットの各組について繰り返されるが、これは再充填することなくつくることができるスポットの数に到達するまでである。この状況が起こると、ロボットは堆積タスクを中断し、液体の採取を再開する。
図1Aおよび1Bは、本発明によるレバーの実施形態を説明する。 図2Aおよび2Bは、本発明によるレバーの実施形態を説明する。 図3Aおよび3Bは、本発明によるレバーの実施形態を説明する。 図4Aおよび4Bは、本発明によるレバーの実施形態を説明する。 図5は、一体型アクチュエータを有する2つのその他のレバーの実施形態のVI-VIでの断面図を説明する。 図6Aおよび6Bは、一体型圧電抵抗体を有するレバーのその他の実施形態のVI-VIでの断面図を説明する。 図7Aおよび7Bは、列を形成している同一のレバーの組からなる装置を説明する。 図8A〜8Jは、本発明によるレバーの組立方法を説明する。 図9A〜9Dは、液体を採取し、そしてそれを堆積させる種々の方法を説明する。
符号の説明
１ 中心体
２ 末端
３ 先端
４ 溝（チャネル）
５ スリット（チャネル）
６ 貯蔵部
７ 貯蔵部
８ 金属通路
９ 金属通路
１０ 面
１１ 面
１２ 面
２０ 基板
２１ 前面
２２ 酸化物層
２５ 金属通路
２６ 酸化物層
２７ シリコン層
２９ シリコン層
３０ 酸化物層
３１ 圧電抵抗体
３２ 酸化物層
３３ アクチュエータ（Si3N4層）
３５ アクチュエータ（クロム層）
３７ アクチュエータ（金層）
３８ 圧電層

Claims (26)

  1. 中心体と、スリットまたは溝を備えてなる先端を形成する末端領域とを有する少なくとも1つの平坦シリコンレバーを含み、中心体の1つの面に備えられかつ前記スリットまたは溝と少なくとも部分的に並んで走る少なくとも1つの金属通路を有し、該金属通路が、電界および／または電流の印加により生物学的溶液の堆積を支援するためのものであることを特徴とする
    生物学的溶液を堆積させる装置。
  2. スリットまたは溝が、先端から、中心体に備えられた貯蔵部まで延びることを特徴とする、請求項1に記載の装置。
  3. 単独または複数の金属通路が、貯蔵部と少なくとも部分的に並んで走ることを特徴とする、請求項2に記載の装置。
  4. 貯蔵部が、中心体の1つの主要面内に備えられた非貫通陥没部であることを特徴とする、請求項2に記載の装置。
  5. 貯蔵部が、中心体の2つの対向する主要面の間に備えられた貫通開口部からなることを特徴とする、請求項2に記載の装置。
  6. スリットもしくは溝および／または貯蔵部および／または金属通路が、SiO2で被覆されていることを特徴とする、請求項1〜5のいずれか1つに記載の装置。
  7. レバーが、シリコンまたは代わりに疎水性シランで被覆された酸化シリコンでできた少なくとも1つの疎水性領域を有することを特徴とする、請求項1〜6のいずれか1つに記載の装置。
  8. 堆積表面との接触により誘導されるレバーの曲げを測定するための少なくとも1つの打込み圧電抵抗体を有することを特徴とする、請求項1〜7のいずれか1つに記載の装置。
  9. 少なくとも1つのレバーまたは各レバーが、堆積表面に向かって、又は堆積表面から遠ざかって該レバーの先端を移動させるために、該レバーの曲げを調節するための少なくとも1つの一体型アクチュエータを有することを特徴とする、請求項1〜8のいずれか1つに記載の装置。
  10. アクチュエータが、レバーの表面上に堆積された圧電層を含むことを特徴とする、請求項9に記載の装置。
  11. アクチュエータが、バイメタルストリップと、レバーの表面上に堆積された加熱抵抗体とを含むことを特徴とする、請求項9に記載の装置。
  12. a) 埋込み絶縁層を有するシリコン-オン-インシュレータ基板の前面上に酸化シリコンを堆積させる少なくとも1つの工程；
    b) 各レバーについて、少なくとも1つの金属通路の作製；
    c) レバーおよび少なくとも1つのスリットもしくは溝の輪郭を区画するために、シリコン基板の前面から行われる少なくとも1つの化学またはイオンエッチング工程であって、レバーの輪郭は、埋込み絶縁層にまで至る化学またはイオンエッチングにより区画される工程；
    d) 埋込み絶縁層を含む基板の裏面を除去し、かつ少なくとも1つのレバーを解放するために、基板の裏面から行われる化学またはイオンエッチング工程
    を含むことを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1つに記載の装置を組み立てる方法。
  13. b)が：
    b1) 少なくとも1つの金属通路を隔離するために、前面上に酸化物を堆積させる第二の工程も含むことを特徴とする、請求項12に記載の方法。
  14. c)が、レバーの輪郭に加えて、少なくとも1つのレバーについてスリットおよび／または貯蔵部を構成する貫通開口部を区画するために、埋込み絶縁層にまで至る化学またはイオンエッチングを含むことを特徴とする、請求項12または13に記載の方法。
  15. c)が、基板の第一の化学またはイオンエッチング（この操作は、少なくとも1つのレバーについて、貯蔵部を形成する非貫通陥没部および／または少なくとも1つの溝を区画するために、埋込み絶縁層の前で停止される）、ならびに少なくともレバーの輪郭を区画するために、埋込み絶縁層にまで至る基板の第二の化学またはイオンエッチングを含むことを特徴とする、請求項12〜14のいずれか1つに記載の方法。
  16. 第一の化学またはイオンエッチングの間に、レバーの輪郭がそれらの厚みの一部にわたって区画される、請求項12〜15のいずれか1つに記載の方法。
  17. a)の前に、少なくとも1つの圧電抵抗体の打込み工程が行われることを特徴とする、請求項12〜16のいずれか1つに記載の方法。
  18. 一体型アクチュエータの堆積工程も含むことを特徴とする、請求項12〜17のいずれか1つに記載の方法。
  19. 一体型アクチュエータの堆積工程が、スパッタリングによるPbZrO3/PbTiO3の圧電フィルムの堆積を含むことを特徴とする、請求項18に記載の方法。
  20. 圧電フィルムが、次の：酸化シリコン、「テフロン(登録商標)」PTFE、ポリマーから選択される材料の層により液体から隔離されることを特徴とする、請求項19に記載の方法。
  21. 一体型アクチュエータの堆積工程が、Si3N4層の減圧化学気相蒸着(LPCVD)と、加熱抵抗体をつくり、それによりバイメタルストリップを形成するための、その後の蒸着によるCr層およびAu層の堆積とを含むことを特徴とする、請求項18に記載の方法。
  22. 生物学的溶液のサンプリングおよび保持が、金属通路の間に電位差を印加することによる電界効果により補助されることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1つに記載の装置を用いて少なくとも1つの生物学的溶液をサンプリングする方法。
  23. 生物学的溶液の堆積が、同じ電位に維持されている該金属通路と、少なくとも1つの導電層を有する堆積表面との間に電位差を印加することによる電界効果により補助されることを特徴とする、請求項1〜11のいずれか1つに記載の装置を用いて少なくとも1つの生物学的溶液を堆積させる方法。
  24. 採取された生物学的溶液の量を測定するために、圧電抵抗体の電気抵抗の変動の測定をサンプリングの後に行うことを特徴とする、請求項8に記載の装置を用いて少なくとも1つの生物学的溶液をサンプリングする方法。
  25. 圧電抵抗体の電気抵抗の変動の測定が、堆積された生物学的溶液の量を測定するために、堆積の後に行われることを特徴とする、請求項8に記載の装置を用いて少なくとも1つの生物学的溶液を堆積させる方法。
  26. 各レバーの堆積表面との接触力が、各一体型アクチュエータにより能動的に制御される各打込み圧電抵抗体の電気抵抗の変動を測定することにより決定されることを特徴とする、請求項8または9に記載の装置の列を用いる少なくとも1つの生物学的溶液の接触堆積方法。
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