JP7097310B2 - Temperature control device and cell culture device - Google Patents

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本発明は、温度制御装置およびそれを用いた細胞培養装置に関する。 The present invention relates to a temperature control device and a cell culture device using the same.

急速に伸展する再生医療分野における評価系として細胞アレイを用いる創薬や環境分析など応用研究が盛んに行われており、個々の細胞をきめ細かく操作・分析する手法へのニーズが高まっている。そのため、単純な細胞培養だけではなく、基板材料上の任意の場所に細胞を接着させてパターニングを行う技術が求められている。 Applied research such as drug discovery and environmental analysis using cell arrays as an evaluation system in the rapidly expanding field of regenerative medicine is being actively conducted, and there is an increasing need for methods for finely manipulating and analyzing individual cells. Therefore, not only simple cell culture but also a technique of adhering cells to an arbitrary place on a substrate material and performing patterning is required.

特許文献1には、基板表面に親水性領域と疎水性領域のパターンを形成することによって、細胞の基板への接着強度に強弱をつけて細胞のパターニングを行うことが記載されている。 Patent Document 1 describes that cells are patterned by forming a pattern of a hydrophilic region and a hydrophobic region on the surface of a substrate to give strength or weakness to the adhesive strength of the cells to the substrate.

特許文献2には、複数の熱電モジュールをマトリックス状に配置した加熱・冷却装置が記載されている。 Patent Document 2 describes a heating / cooling device in which a plurality of thermoelectric modules are arranged in a matrix.

特開2014-103857号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2014-103857 米国特許出願公開第2003/0097845号明細書US Patent Application Publication No. 2003/097845

本願発明者の検討によれば、特許文献1の技術には、基板表面の任意の領域における細胞の時間的制御の観点で検討の余地が残されている。 According to the study of the inventor of the present application, there is room for study in the technique of Patent Document 1 from the viewpoint of temporal control of cells in an arbitrary region on the surface of the substrate.

また、特許文献2の技術には、効率的な加熱・冷却の観点で検討の余地が残されている。FIG.3A~3Cに開示された熱電モジュールは、半導体ペレットを挟むパネル12および14と、パネル12および14に接触する導電体20および22とを含み、導電体20および22間に電圧を印加して半導体ペレットに電流を流し、その結果、例えば、パネル12の温度を増加または減少させるものである。しかしながら、加熱・冷却の対象物と半導体ペレットとの間にパネル12または14、および、導電体20または22が介在する為、加熱・冷却の効率が低下してしまう。 Further, the technique of Patent Document 2 has room for study from the viewpoint of efficient heating / cooling. FIG. The thermoelectric modules disclosed in 3A to 3C include panels 12 and 14 sandwiching semiconductor pellets and conductors 20 and 22 in contact with the panels 12 and 14, and a voltage is applied between the conductors 20 and 22 to make a semiconductor. An electric current is passed through the pellets, resulting in, for example, increasing or decreasing the temperature of the panel 12. However, since the panel 12 or 14 and the conductor 20 or 22 are interposed between the object to be heated / cooled and the semiconductor pellet, the efficiency of heating / cooling is lowered.

つまり、温度制御装置およびこれを用いた細胞培養装置の性能の向上が望まれる。 That is, it is desired to improve the performance of the temperature control device and the cell culture device using the temperature control device.

その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。 Other issues and novel features will become apparent from the description and accompanying drawings herein.

一実施の形態による温度制御装置は、行列状に配置された複数のセルを備え、各セルは、第1端部と第2端部とを含み、第1端部を行電極に接続されたp型半導体と、第3端部と第4端部とを含み、第3端部を列電極に接続されたn型半導体と、第2端部と第4端部とを接続する共通電極と、を有する。 The temperature control device according to one embodiment includes a plurality of cells arranged in a matrix, each cell including a first end portion and a second end portion, and the first end portion is connected to a row electrode. An n-type semiconductor including a p-type semiconductor, a third end portion and a fourth end portion, the third end portion connected to a column electrode, and a common electrode connecting the second end portion and the fourth end portion. , Have.

一実施の形態によれば、温度制御装置および細胞培養装置の性能を向上することができる。 According to one embodiment, the performance of the temperature control device and the cell culture device can be improved.

一実施の形態に係る温度制御装置を示す平面図である。It is a top view which shows the temperature control apparatus which concerns on one Embodiment. 一実施の形態に係る温度制御装置のセルアレイ領域を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the cell array area of the temperature control apparatus which concerns on one Embodiment. 一実施の形態に係る温度制御装置のセルを示す斜視図である。It is a perspective view which shows the cell of the temperature control apparatus which concerns on one Embodiment. 図3のA-A線およびB-B線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the AA line and the BB line of FIG. 一実施の形態に係る温度制御装置の製造工程中の断面図である。It is sectional drawing in the manufacturing process of the temperature control apparatus which concerns on one Embodiment. 図5に続く温度制御装置の製造工程中の断面図である。It is sectional drawing in the manufacturing process of the temperature control apparatus following FIG. 図6に続く温度制御装置の製造工程中の断面図である。It is sectional drawing in the manufacturing process of the temperature control apparatus following FIG. 図7に続く温度制御装置の製造工程中の断面図である。It is sectional drawing in the manufacturing process of the temperature control apparatus following FIG. 図8に続く温度制御装置の製造工程中の断面図である。It is sectional drawing in the manufacturing process of the temperature control apparatus following FIG. 一実施の形態に係る細胞培養装置を示す平面図である。It is a top view which shows the cell culture apparatus which concerns on one Embodiment. 図10のC-C線に沿う断面図である。It is sectional drawing which follows the CC line of FIG. 一実施の形態に係る細胞培養装置の要部断面図である。It is sectional drawing of the main part of the cell culture apparatus which concerns on one Embodiment. 一実施の形態に係る細胞培養装置において、培養された細胞を示す平面模式図である。It is a plan view which shows the cultured cell in the cell culture apparatus which concerns on one Embodiment. 一実施の形態に係る細胞培養装置において、培養された細胞を示す平面模式図である。It is a plan view which shows the cultured cell in the cell culture apparatus which concerns on one Embodiment. 図12の変形例1に係る細胞培養装置の要部断面図である。It is sectional drawing of the main part of the cell culture apparatus which concerns on modification 1 of FIG. 図12の変形例2に係る細胞培養装置の要部断面図である。It is sectional drawing of the main part of the cell culture apparatus which concerns on modification 2 of FIG.

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、実施の形態を説明するための全図において、同一の機能を有する部材には同一の符号を付し、その繰り返しの説明は省略する。また、以下の実施の形態では、特に必要なときを除き、同一または同様な部分の説明を原則として繰り返さない。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In all the drawings for explaining the embodiment, the members having the same function are designated by the same reference numerals, and the repeated description thereof will be omitted. Further, in the following embodiments, the same or similar parts will not be repeated in principle unless it is particularly necessary.

(実施の形態)
<温度制御装置>
以下、本実施の形態の温度制御装置について、図1~図4を用いて説明する。
(Embodiment)
<Temperature control device>
Hereinafter, the temperature control device of this embodiment will be described with reference to FIGS. 1 to 4.

図1は、本実施の形態に係る温度制御装置を示す平面図である。図1に示すように、本実施の形態の温度制御装置TCDは、基板SBと、複数の端子TAと、複数の配線WRと、行列状に配置された複数のセルCLと、を有する。基板SBは、四角形の主面SBaを有し、複数の端子TAは、主面SBa上において、各辺に沿って配列されている。基板SBの主面SBaの中央部には、セルアレイ領域CLAが配置されており、セルアレイ領域CLAは、その周囲を複数の端子TAで囲まれている。 FIG. 1 is a plan view showing a temperature control device according to the present embodiment. As shown in FIG. 1, the temperature control device TCD of the present embodiment has a substrate SB, a plurality of terminal TAs, a plurality of wiring WRs, and a plurality of cells CL arranged in a matrix. The substrate SB has a rectangular main surface SBa, and a plurality of terminal TAs are arranged along each side on the main surface SBa. A cell array region CLA is arranged in the central portion of the main surface SBa of the substrate SB, and the cell array region CLA is surrounded by a plurality of terminals TA.

セルアレイ領域CLAには、行列状に配置された複数のセルCLが設けられている。複数の端子TAの各々からセルアレイ領域CLAに向かって配線WRが伸びており、各配線WRは、端子TAとセルアレイ領域CLA内のセルCLとを接続している。 The cell array region CLA is provided with a plurality of cell CLs arranged in a matrix. A wiring WR extends from each of the plurality of terminals TA toward the cell array region CLA, and each wiring WR connects the terminal TA and the cell CL in the cell array region CLA.

後述するが、各セルCLは、共通電極COMを有する。そして、基板SBの主面SBaは、絶縁膜で覆われており、行列状に配置された複数の共通電極COM、および、各端子TAの一部が、絶縁膜の表面から露出している。 As will be described later, each cell CL has a common electrode COM. The main surface SBa of the substrate SB is covered with an insulating film, and a plurality of common electrode COMs arranged in a matrix and a part of each terminal TA are exposed from the surface of the insulating film.

図2は、本実施の形態に係る温度制御装置のセルアレイ領域CLAを示す斜視図である。なお、後述する絶縁膜IF1~IF6は省略している。図2に示すように、基板SBの主面SBa上には、X方向に延在する複数の行電極(第1電極)REと、X方向に直交するY方向に延在する複数の列電極(第2電極)CEが配置されている。行電極(第1電極)REは、例えば、幅2μm、間隔13μmでY方向に配置され、列電極(第2電極)CEは、例えば、幅2μm、間隔10μmでX方向に配置されている。そして、複数の行電極(第1電極)REと複数の列電極(第2電極)CEの交叉部には、セルCLが配置されている。つまり、複数のセルCLは、X方向およびX方向に直交するY方向に行列状に配置されている。 FIG. 2 is a perspective view showing a cell array region CLA of the temperature control device according to the present embodiment. The insulating films IF1 to IF6, which will be described later, are omitted. As shown in FIG. 2, on the main surface SBa of the substrate SB, a plurality of row electrodes (first electrodes) RE extending in the X direction and a plurality of column electrodes extending in the Y direction orthogonal to the X direction. (Second electrode) CE is arranged. The row electrode (first electrode) RE is arranged in the Y direction with a width of 2 μm and an interval of 13 μm, for example, and the column electrode (second electrode) CE is arranged in the X direction with a width of 2 μm and an interval of 10 μm, for example. A cell CL is arranged at the intersection of the plurality of row electrodes (first electrode) RE and the plurality of column electrodes (second electrode) CE. That is, the plurality of cells CL are arranged in a matrix in the X direction and in the Y direction orthogonal to the X direction.

図3は、本実施の形態に係る温度制御装置のセルCLを示す斜視図である。なお、後述する絶縁膜IF1~IF6は省略している。セルCLは、n型半導体NSと、p型半導体PSと、共通電極COMと、を有する。n型半導体NSは、例えば、FeTiVSiからなるn型の熱電変換材料で構成されており、四角柱または円柱の形状を有する。そして、n型半導体NSは、列電極CE上に搭載されており、その一端は、列電極CEに接続しており、その他端は、共通電極COMに接続している。p型半導体PSは、例えば、FeTiVSiAlからなるp型の熱電変換材料で構成されており、四角柱または円柱の形状を有する。そして、p型半導体PSは、行電極RE上に搭載されており、その一端は、行電極REに接続しており、その他端は、共通電極COMに接続している。 FIG. 3 is a perspective view showing the cell CL of the temperature control device according to the present embodiment. The insulating films IF1 to IF6, which will be described later, are omitted. The cell CL has an n-type semiconductor NS, a p-type semiconductor PS, and a common electrode COM. The n-type semiconductor NS is composed of, for example, an n-type thermoelectric conversion material made of Fe 2 TiVSi, and has the shape of a quadrangular prism or a cylinder. The n-type semiconductor NS is mounted on the row electrode CE, one end thereof is connected to the row electrode CE, and the other end is connected to the common electrode COM. The p-type semiconductor PS is composed of, for example, a p-type thermoelectric conversion material made of Fe 2 TiVSiAl, and has the shape of a quadrangular prism or a cylinder. The p-type semiconductor PS is mounted on the row electrode RE, one end thereof is connected to the row electrode RE, and the other end is connected to the common electrode COM.

つまり、セルCLは、π(パイ)型構造のペルチェ素子である。n型半導体NSおよびp型半導体PSのサイズは、例えば、四角柱の場合の底面は2μm×2μmの正方形であり、円柱の場合の底面は直径2μmの円形である。そして、n型半導体NSおよびp型半導体PSの離間距離は、1μmである。従って、共通電極COMは、2μm×5μmの長方形またはレーストラック形状を有する。図1に示すように、この共通電極COMが、X方向には間隔10μmで、Y方向には間隔10μmで行列状に配置されている。ただし、共通電極COM、行電極REおよび列電極CEのそれぞれの間隔は、変更可能であり、上記の例に限定されるものではない。 That is, the cell CL is a Pelche element having a π (pi) type structure. The sizes of the n-type semiconductor NS and the p-type semiconductor PS are, for example, a square having a bottom surface of 2 μm × 2 μm in the case of a quadrangular prism, and a circle having a diameter of 2 μm in the case of a cylinder. The separation distance between the n-type semiconductor NS and the p-type semiconductor PS is 1 μm. Therefore, the common electrode COM has a rectangular or race track shape of 2 μm × 5 μm. As shown in FIG. 1, the common electrodes COM are arranged in a matrix with an interval of 10 μm in the X direction and an interval of 10 μm in the Y direction. However, the spacing between the common electrode COM, the row electrode RE, and the column electrode CE can be changed, and is not limited to the above example.

そして、図3に示すように、行電極REからセルCLを介して列電極CEに電流Iaを流すと、共通電極COMは冷却(吸熱)され、逆に、列電極CEからセルCLを介して行電極REに電流Ibを流すと、共通電極COMは加熱(放熱)される。このように、行電極REおよび列電極CEの一方から他方へ電流を流すことによって、セルCLの共通電極COMの冷却または加熱を制御することができる。また、電流IaまたはIbの電流量を調整することで、冷却または加熱の程度を加減することができる。 Then, as shown in FIG. 3, when a current Ia is passed from the row electrode RE to the column electrode CE via the cell CL, the common electrode COM is cooled (heat absorbed), and conversely, the common electrode COM is cooled (heat absorbed), and conversely, the column electrode CE is passed through the cell CL. When the current Ib is passed through the row electrode RE, the common electrode COM is heated (radiated). In this way, the cooling or heating of the common electrode COM of the cell CL can be controlled by passing a current from one of the row electrode RE and the column electrode CE to the other. Further, by adjusting the amount of current Ia or Ib, the degree of cooling or heating can be adjusted.

なお、変形例として、n型半導体NSを行電極RE上に搭載して行電極REに接続し、p型半導体PSを列電極CE上に搭載して列電極CEに接続してもよい。 As a modification, the n-type semiconductor NS may be mounted on the row electrode RE and connected to the row electrode RE, and the p-type semiconductor PS may be mounted on the column electrode CE and connected to the row electrode CE.

図4は、図3のA-A線およびB-B線に沿う断面図であり、A-A線に沿う断面図をAA領域、B-B線に沿う断面図をBB領域としている。A-A線は、列電極CEに沿う方向であり、B-B線は、行電極REに沿う方向である。 FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the lines AA and BB of FIG. 3, wherein the cross-sectional view along the line AA is the AA region and the cross-sectional view along the line BB is the BB region. The AA line is the direction along the column electrode CE, and the BB line is the direction along the row electrode RE.

図4に示すように、基板SB上に絶縁膜IF1を介して列電極CEが形成されている。BB領域に示すように、列電極CEは絶縁膜IF2に形成された開口OP1内に埋め込まれており、列電極CEの側面は絶縁膜IF2で覆われている。列電極CEおよび絶縁膜IF2の上には絶縁膜IF3が形成され、絶縁膜IF3上には行電極REが形成されている。つまり、列電極CEと行電極REとは、絶縁膜IF3で電気的に分離されている。AA領域に示すように、行電極REは絶縁膜IF4に形成された開口OP2内に埋め込まれており、行電極REの側面は絶縁膜IF4で覆われている。さらに、行電極REおよび絶縁膜IF4の上には絶縁膜IF5が形成されている。 As shown in FIG. 4, the column electrode CE is formed on the substrate SB via the insulating film IF1. As shown in the BB region, the column electrode CE is embedded in the opening OP1 formed in the insulating film IF2, and the side surface of the column electrode CE is covered with the insulating film IF2. The insulating film IF3 is formed on the column electrode CE and the insulating film IF2, and the row electrode RE is formed on the insulating film IF3. That is, the column electrode CE and the row electrode RE are electrically separated by the insulating film IF3. As shown in the AA region, the row electrode RE is embedded in the opening OP2 formed in the insulating film IF4, and the side surface of the row electrode RE is covered with the insulating film IF4. Further, an insulating film IF5 is formed on the row electrode RE and the insulating film IF4.

積層された絶縁膜IF3~IF5には、列電極CEの表面を露出する開口OP3が形成されており、開口OP3内にはn型半導体NSが埋め込まれている。n型半導体NSの一端は列電極CEに電気的に接続されている。絶縁膜IF5には、行電極REの表面を露出する開口OP4が形成されており、開口OP4内にはp型半導体PSが埋め込まれている。p型半導体PSの一端は行電極REに電気的に接続されている。 An opening OP3 that exposes the surface of the column electrode CE is formed in the laminated insulating films IF3 to IF5, and an n-type semiconductor NS is embedded in the opening OP3. One end of the n-type semiconductor NS is electrically connected to the column electrode CE. An opening OP4 that exposes the surface of the row electrode RE is formed in the insulating film IF5, and a p-type semiconductor PS is embedded in the opening OP4. One end of the p-type semiconductor PS is electrically connected to the row electrode RE.

絶縁膜IF5上には、開口OP5を有する絶縁膜IF6が形成されており、開口OP5内には共通電極COMが埋め込まれている。共通電極COMは、主面COMaおよび裏面COMbを有し、裏面COMbは、n型半導体NSの他端およびp型半導体PSの他端に電気的に接続されており、主面COMaは、絶縁膜IF6の主面IF6aから露出している。 An insulating film IF6 having an opening OP5 is formed on the insulating film IF5, and a common electrode COM is embedded in the opening OP5. The common electrode COM has a main surface COMa and a back surface COMb, and the back surface COMb is electrically connected to the other end of the n-type semiconductor NS and the other end of the p-type semiconductor PS, and the main surface COMa is an insulating film. It is exposed from the main surface IF6a of IF6.

基板SBは、例えば、単結晶シリコン基板またはセラミック基板で構成されており、絶縁膜IF1~IF6は、例えば、酸化シリコン膜等の無機絶縁膜で構成されている。また、行電極RE、列電極CEおよび共通電極COMは、電気伝導性および熱伝導性が良好な金属膜で構成するのが好ましく、例えば、銅(Cu)、銀(Ag)、金(Au)、白金(Pt)またはクロム(Cr)を含む金属または合金で構成されている。n型半導体NSは、FeTiVSiで構成するが、その他のn型の熱電変換材料で構成してもよい。また、p型半導体PSは、FeTiVSiAlで構成するが、その他のp型の熱電変換材料で構成してもよい。例えば、熱電変換材料は、ビスマス(Bi)、テルル(Te)、アンチモン(Sb)、鉛(Pb)、スズ(Sn)、セレン(Se)、シリコン(Si)、ゲルマニウム(Ge)、マンガン(Mn)、マグネシウム(Mg)、コバルト(Co)、鉄(Fe)、チタン(Ti)、酸素(O)のうち少なくとも一種類の元素を含有しており、Bi‐Te系合金、Pb‐Te系合金、スクッテルダイト化合物、クラスレート化合物、カルコゲナイド化合物、シリサイド化合物、フルホイスラー化合物、ハーフホイスラー化合物や酸化物、硫化物、有機材料系の半導体を用いてもよい。 The substrate SB is composed of, for example, a single crystal silicon substrate or a ceramic substrate, and the insulating films IF1 to IF6 are composed of, for example, an inorganic insulating film such as a silicon oxide film. Further, the row electrode RE, the column electrode CE and the common electrode COM are preferably composed of a metal film having good electrical conductivity and thermal conductivity, and for example, copper (Cu), silver (Ag), and gold (Au). , Platinum (Pt) or chromium (Cr) in the metal or alloy. The n-type semiconductor NS is composed of Fe 2 TiVSi, but may be composed of other n-type thermoelectric conversion materials. The p-type semiconductor PS is made of Fe 2 TiVSiAl, but may be made of other p-type thermoelectric conversion materials. For example, the thermoelectric conversion materials include bismuth (Bi), tellurium (Te), antimony (Sb), lead (Pb), tin (Sn), selenium (Se), silicon (Si), germanium (Ge), and manganese (Mn). ), Magnesium (Mg), Cobalt (Co), Iron (Fe), Titanium (Ti), Oxygen (O), and contains at least one element, Bi-Te alloy, Pb-Te alloy. , Scutteldite compounds, clathrate compounds, chalcogenide compounds, silicide compounds, full whisler compounds, half whistler compounds, oxides, sulfides, and organic material-based semiconductors may be used.

本実施の形態によれば、以下の効果を得ることができる。 According to this embodiment, the following effects can be obtained.

セルアレイ領域CLAには複数の共通電極COMが行列状に配置されており、ペルチェ素子により共通電極COMを冷却または加熱できるため、セルアレイ領域CLAにおいて、微小領域の温度制御を選択的にすることができる。 Since a plurality of common electrode COMs are arranged in a matrix in the cell array region CLA and the common electrode COM can be cooled or heated by the Pelche element, the temperature control of a minute region can be selectively performed in the cell array region CLA. ..

また、n型半導体NSおよびp型半導体PSの一端に列電極CEおよび行電極REが接続され、n型半導体NSおよびp型半導体PSの他端に共通電極COMが接続されており、共通電極COMを冷却または加熱できるため、冷却または加熱の効率を向上できる。 Further, the column electrode CE and the row electrode RE are connected to one end of the n-type semiconductor NS and the p-type semiconductor PS, and the common electrode COM is connected to the other end of the n-type semiconductor NS and the p-type semiconductor PS. Can be cooled or heated, so that the efficiency of cooling or heating can be improved.

<温度制御装置の製造方法>
図4~図9を用いて、本実施の形態の温度制御装置の製造方法を説明する。図5~図9は、本実施の形態の温度制御装置の製造工程中の断面図である。前述のとおり、図4は、セルCLの断面図であり、図5~図9もセルCLの製造工程中の断面図である。
<Manufacturing method of temperature control device>
A method of manufacturing the temperature control device of the present embodiment will be described with reference to FIGS. 4 to 9. 5 to 9 are cross-sectional views during the manufacturing process of the temperature control device of the present embodiment. As described above, FIG. 4 is a cross-sectional view of the cell CL, and FIGS. 5 to 9 are also cross-sectional views of the cell CL during the manufacturing process.

図5に示すように、基板SBを準備した後に、基板SB上に絶縁膜IF1を形成する。次に、絶縁膜IF1上に開口OP1を有する絶縁膜IF2を形成する。そして、開口OP1内および絶縁膜IF2上に、例えば、銅(Cu)からなる金属膜MLを形成した後、金属膜MLにCMP(Chemical Mechanical Polishing:化学機械研磨)等の研磨処理を施す。そして、図6に示すように、絶縁膜IF2上の金属膜MLを除去し、開口OP1内に選択的に金属膜MLを残し、列電極CEを形成する。さらに、絶縁膜IF2および列電極CEを覆うように絶縁膜IF3およびIF4を順に形成する。 As shown in FIG. 5, after preparing the substrate SB, the insulating film IF1 is formed on the substrate SB. Next, the insulating film IF2 having the opening OP1 is formed on the insulating film IF1. Then, for example, after forming a metal film ML made of copper (Cu) in the opening OP1 and on the insulating film IF2, the metal film ML is subjected to a polishing treatment such as CMP (Chemical Mechanical Polishing). Then, as shown in FIG. 6, the metal film ML on the insulating film IF2 is removed, and the metal film ML is selectively left in the opening OP1 to form the column electrode CE. Further, the insulating films IF3 and IF4 are sequentially formed so as to cover the insulating film IF2 and the column electrode CE.

次に、図7に示すように、絶縁膜IF4に開口OP2を設け、開口OP2内に行電極REを形成する。行電極REは、前述の列電極CEの製造方法と同様に、金属膜の堆積および研磨処理を用いて形成する。 Next, as shown in FIG. 7, the insulating film IF4 is provided with the opening OP2, and the row electrode RE is formed in the opening OP2. The row electrode RE is formed by using a metal film deposition and polishing treatment in the same manner as in the above-mentioned method for manufacturing a column electrode CE.

次に、図8に示すように、n型半導体NSを形成する。先ず、絶縁膜IF4および行電極REを覆うように絶縁膜IF5を形成した後、絶縁膜IF3,IF4およびIF5に、列電極CEの表面を露出する開口OP3を形成する。そして、前述の列電極CEの製造方法と同様に、開口OP3内および絶縁膜IF5上に、n型の熱電変換材料を形成し、次に、n型の熱電変換材料に研磨処理を施して絶縁膜IF5の主面IF5aを露出する。こうして絶縁膜IF5上のn型の熱電変換材料を除去し、開口OP3内に選択的にn型の熱電変換材料を残してn型半導体NSを形成する。 Next, as shown in FIG. 8, an n-type semiconductor NS is formed. First, the insulating film IF5 is formed so as to cover the insulating film IF4 and the row electrode RE, and then the insulating films IF3, IF4 and IF5 are formed with an opening OP3 that exposes the surface of the column electrode CE. Then, an n-type thermoelectric conversion material is formed in the opening OP3 and on the insulating film IF5 in the same manner as in the above-mentioned manufacturing method of the column electrode CE, and then the n-type thermoelectric conversion material is polished and insulated. The main surface IF5a of the film IF5 is exposed. In this way, the n-type thermoelectric conversion material on the insulating film IF5 is removed, and the n-type semiconductor NS is formed by selectively leaving the n-type thermoelectric conversion material in the opening OP3.

次に、n型半導体NSの製造方法と同様にして、図9に示すように、絶縁膜IF5に設けられた開口OP4内にp型半導体PSを形成する。 Next, as shown in FIG. 9, the p-type semiconductor PS is formed in the opening OP4 provided in the insulating film IF5 in the same manner as in the method for manufacturing the n-type semiconductor NS.

さらに、図4に示すように、絶縁膜IF5上に開口OP5を有する絶縁膜IF6を形成し、開口OP5内に選択的に共通電極COMを形成する。共通電極COMは、前述の列電極CEの製造方法と同様である。共通電極COMは、n型半導体NSおよびp型半導体PSに接続されており、その主面COMaは絶縁膜IF6の主面IF6aから露出している。 Further, as shown in FIG. 4, an insulating film IF6 having an opening OP5 is formed on the insulating film IF5, and a common electrode COM is selectively formed in the opening OP5. The common electrode COM is the same as the method for manufacturing the column electrode CE described above. The common electrode COM is connected to the n-type semiconductor NS and the p-type semiconductor PS, and its main surface COMa is exposed from the main surface IF6a of the insulating film IF6.

以上の工程を経て、本実施の形態に係る温度制御装置TCDのセルCLが形成される。図1に示す配線WRおよび端子TAは、適宜、行電極RE、列電極CEおよび共通電極COMを構成する金属膜で形成することができる。 Through the above steps, the cell CL of the temperature control device TCD according to the present embodiment is formed. The wiring WR and the terminal TA shown in FIG. 1 can be appropriately formed of a metal film constituting the row electrode RE, the column electrode CE, and the common electrode COM.

<細胞培養装置>
以下、本実施の形態の温度制御装置TCDの適用例である細胞培養装置CCDについて図10~図14を用いて説明する。図10は、本実施の形態に係る細胞培養装置の平面図、図11は、図10のC-C線に沿う断面図、図12は、本実施の形態に係る細胞培養装置の要部断面図、図13および図14は、本実施の形態に係る細胞培養装置において、培養された細胞を示す平面模式図である。なお、図12では、図4の絶縁膜IF1~IF6を纏めて絶縁膜IFとしている。
<Cell culture device>
Hereinafter, the cell culture device CCD, which is an application example of the temperature control device TCD of the present embodiment, will be described with reference to FIGS. 10 to 14. 10 is a plan view of the cell culture apparatus according to the present embodiment, FIG. 11 is a sectional view taken along the line CC of FIG. 10, and FIG. 12 is a sectional view of a main part of the cell culture apparatus according to the present embodiment. FIGS. 13, 13 and 14 are schematic plan views showing cultured cells in the cell culture apparatus according to the present embodiment. In FIG. 12, the insulating films IF1 to IF6 of FIG. 4 are collectively referred to as an insulating film IF.

図10および図11に示すように、細胞培養装置CCDは、温度制御装置TCDと、温度制御装置TCD上に配置された容器RSと、容器RS内に配置された培養液CFと、培養液CF内に載置された細胞CELとにより構成されている。容器RSは、セルアレイ領域CLAを覆うように、図4に示す絶縁膜IF6上に配置されている。そして、温度制御部であるセルCLの共通電極COMは、容器RS内の培養液CFおよび細胞CELと直接接触するように構成されている。 As shown in FIGS. 10 and 11, the cell culture apparatus CCD includes a temperature control apparatus TCD, a container RS arranged on the temperature control apparatus TCD, a culture solution CF arranged in the container RS, and a culture solution CF. It is composed of a cell CEL placed therein. The container RS is arranged on the insulating film IF6 shown in FIG. 4 so as to cover the cell array region CLA. The common electrode COM of the cell CL, which is the temperature control unit, is configured to be in direct contact with the culture solution CF and the cell CEL in the container RS.

図12に示すように、細胞培養装置CCDの温度制御部である、セルCLの共通電極COMの上面には、温度応答性材料TRMが形成されている。そして、セルCLで温度制御して、共通電極COMを加熱または冷却することで、温度応答性材料TRMを疎水性または親水性にすることができる。 As shown in FIG. 12, a temperature-responsive material TRM is formed on the upper surface of the common electrode COM of the cell CL, which is the temperature control unit of the cell culture apparatus CCD. Then, the temperature-responsive material TRM can be made hydrophobic or hydrophilic by controlling the temperature in the cell CL to heat or cool the common electrode COM.

そして、細胞は疎水性表面に接着しやすく、親水性表面に接着しにくい。その結果、例えば、細胞培養装置CCDにおいて、いずれの共通電極COMも加熱すると、全ての共通電極COM上の温度応答性材料TRMは疎水性となり、全ての共通電極COM上の温度応答性材料TRMに細胞CELが接着し、図13に示すようなパターンを形成することができる。 Then, the cells are easy to adhere to the hydrophobic surface and difficult to adhere to the hydrophilic surface. As a result, for example, in the cell culture apparatus CCD, when any common electrode COM is heated, the temperature-responsive material TRM on all the common electrode COM becomes hydrophobic, and the temperature-responsive material TRM on all the common electrode COM becomes hydrophobic. Cell CELs can adhere and form a pattern as shown in FIG.

一方、一部の共通電極COMのみ加熱すると、加熱された共通電極COM上の温度応答性材料TRMのみが疎水性となり、加熱されていない(または、冷却された)共通電極COM上の温度応答性材料TRMは親水性のままとなる。従って、一部の共通電極COM上の温度応答性材料TRMにのみ細胞CELが接着し、それ以外の温度応答性材料TRMには細胞CELが接着しない。その結果、図14に示すようなパターンを形成することができる。 On the other hand, when only a part of the common electrode COM is heated, only the temperature responsive material TRM on the heated common electrode COM becomes hydrophobic, and the temperature responsiveness on the unheated (or cooled) common electrode COM. The material TRM remains hydrophilic. Therefore, the cell CEL adheres only to the temperature-responsive material TRM on some common electrodes COM, and the cell CEL does not adhere to the other temperature-responsive material TRM. As a result, the pattern as shown in FIG. 14 can be formed.

因みに、温度応答性材料TRMとしては、例えば温度変化により水に対する溶解度が劇的に変化する温度応答性高分子が挙げられる。温度応答性高分子には、例えば、低温で水に対して可溶であるのに対して、下限臨界溶液温度(lower critical solution temperature:LCST)まで昇温すると不溶化して白濁・沈殿し、冷却すると再溶解するという可逆的な挙動を示す高分子がある。また、温度応答性高分子には、例えば、高温で水に対して可溶であるのに対して、上限臨界溶液温度(upper critical solution temperature:HCST)以下では不溶化して白濁・沈殿するという挙動を示す高分子がある。LCSTを示す温度応答性高分子の例としては、ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)、ポリ(N-アルキルアクリルアミド)、ポリ(N-ビニルアルキルエーテル)がある。特に、ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)は、LCSTが32℃であり、室温近傍で性質変化を示すため、温度応答性材料として好ましい。 Incidentally, examples of the temperature-responsive material TRM include a temperature-responsive polymer whose solubility in water dramatically changes due to a temperature change. For example, a temperature-responsive polymer is soluble in water at a low temperature, but when the temperature is raised to the lower critical solution temperature (LCST), it becomes insoluble, becomes cloudy and precipitates, and is cooled. Then, there is a polymer showing a reversible behavior of redissolving. Further, the temperature-responsive polymer is, for example, soluble in water at a high temperature, but insolubilizes below the upper critical solution temperature (HCST) and becomes cloudy and precipitates. There is a polymer showing. Examples of temperature-responsive polymers showing LCST include poly (N-isopropylacrylamide), poly (N-alkylacrylamide), and poly (N-vinylalkyl ether). In particular, poly (N-isopropylacrylamide) is preferable as a temperature-responsive material because its LCST is 32 ° C. and its properties change in the vicinity of room temperature.

なお、ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)は、LCST以下の温度では、アミド結合部位と水との強い相互作用により高分子鎖は水和されて引き伸ばされランダムコイル状の立体配座をとる(親水性)。一方、ポリ(N-イソプロピルアクリルアミド)は、LCSTよりも高い温度では、脱水和が進行し、疎水性相互作用により高分子鎖が凝集したグロビュール状態となる(疎水性)。 In poly (N-isopropylacrylamide), at temperatures below LCST, the polymer chain is hydrated and stretched by the strong interaction between the amide bond site and water, and has a random coil-like conformation (hydrophilicity). ). On the other hand, poly (N-isopropylacrylamide) undergoes dehydration at a temperature higher than that of LCST, and becomes a globule state in which polymer chains are aggregated due to hydrophobic interaction (hydrophobicity).

このようにして、本実施の形態の細胞培養装置CCDでは、細胞CELのパターニングが可能であり、さらには、加熱する共通電極COMの位置および数を時間軸で変化させることによって、細胞CELの接着パターンを変化させることができる。以上より、本実施の形態の細胞培養装置CCDでは、細胞CELのパターニングを動的に変化させることができる。 In this way, in the cell culture apparatus CCD of the present embodiment, the cell CEL can be patterned, and further, the cell CEL is adhered by changing the position and number of the common electrode COM to be heated on the time axis. The pattern can be changed. From the above, in the cell culture apparatus CCD of the present embodiment, the patterning of the cell CEL can be dynamically changed.

また、図3で説明したように、n型半導体NSおよびp型半導体PSの一端に列電極CEおよび行電極REが接続され、他端に共通電極COMが接続されている。共通電極COMと温度応答性材料TRMとが接するため、冷却または加熱の効率を向上できる。 Further, as described with reference to FIG. 3, a column electrode CE and a row electrode RE are connected to one end of the n-type semiconductor NS and the p-type semiconductor PS, and a common electrode COM is connected to the other end. Since the common electrode COM and the temperature-responsive material TRM are in contact with each other, the efficiency of cooling or heating can be improved.

図15は、図12の変形例1に係る細胞培養装置の要部断面図である。図15に示すように、共通電極COMの表面は培養液CFと反応しない保護層PLにより被覆されており、保護膜PL上面に、温度応答性材料TRMが形成されている。保護層PLは、共通電極COMを培養液CFから保護できるように化学的に耐性のある材料からなる。従って、保護層PLは、金(Au)や白金(Pt)からなることが好ましい。 FIG. 15 is a cross-sectional view of a main part of the cell culture apparatus according to the modified example 1 of FIG. As shown in FIG. 15, the surface of the common electrode COM is covered with a protective layer PL that does not react with the culture solution CF, and a temperature-responsive material TRM is formed on the upper surface of the protective film PL. The protective layer PL is made of a chemically resistant material so that the common electrode COM can be protected from the culture solution CF. Therefore, the protective layer PL is preferably made of gold (Au) or platinum (Pt).

図16は、図12の変形例2に係る細胞培養装置の要部断面図である。図16に示すように、例えば、金(Au)からなる保護層PL表面に単分子膜MFが形成されており、単分子膜MFと温度応答性材料TRMとを反応させることで、温度応答性材料TRMの共通電極COMに対する接着性を向上させることができる。 FIG. 16 is a cross-sectional view of a main part of the cell culture apparatus according to the second modification of FIG. As shown in FIG. 16, for example, a monomolecular film MF is formed on the surface of the protective layer PL made of gold (Au), and the temperature responsiveness is obtained by reacting the monomolecular film MF with the temperature responsive material TRM. The adhesiveness of the material TRM to the common electrode COM can be improved.

なお、温度応答性材料TRM等の結晶構造は、X線回折(X-ray Diffraction:XRD)によって容易に確認できる。また、透過型電子顕微鏡(Transmission Electron Microscope:TEM)により格子像を観察することや、電子線回折像においてスポット状パターンやリング状パターンから単結晶または多結晶の結晶構造および積層構造を確認することもできる。 The crystal structure of the temperature-responsive material TRM or the like can be easily confirmed by X-ray diffraction (XRD). In addition, observe the lattice image with a transmission electron microscope (TEM), and confirm the single crystal or polycrystal crystal structure and laminated structure from the spot-like pattern or ring-like pattern in the electron beam diffraction image. You can also.

また、温度応答性材料TRM等の組成分布は、XPS、電子線マイクロアナライザ(Electron Probe Micro Analyzer:EPMA)、エネルギー分散型X線分析(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy:EDX)、二次イオン質量分析法(Secondary Ion Mass Spectrometry:SIMS)等を用いて確認することができる。また、磁性体部等の組成分布は、誘導結合プラズマ(Inductively Coupled Plasma:ICP)による発光分析や質量分析等の手法を用いても確認することができる。 The composition distribution of the temperature-responsive material TRM and the like includes XPS, Electron Probe Micro Analyzer (EPMA), Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX), and secondary ion mass analysis. It can be confirmed by a method (Secondary Ion Mass Spectrometry: SIMS) or the like. Further, the composition distribution of the magnetic material portion and the like can also be confirmed by using a method such as emission analysis or mass spectrometry by inductively coupled plasma (ICP).

また、ペルチェ素子の配列は、走査電子顕微鏡(Scanning Electron Microscope:SEM)や光学顕微鏡等を用いて確認することができる。 Further, the arrangement of the Pelche elements can be confirmed by using a scanning electron microscope (SEM), an optical microscope, or the like.

以上、本発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。 Although the invention made by the present inventor has been specifically described above based on the embodiment, the present invention is not limited to the above embodiment and can be variously modified without departing from the gist thereof. Needless to say.

例えば、列電極CEと行電極REとの間において、上記セルCLにトランジスタを、直列に接続して、このトランジスタのオン/オフで、セルCLに流す電流を制御してもよい。 For example, a transistor may be connected in series to the cell CL between the column electrode CE and the row electrode RE, and the current flowing through the cell CL may be controlled by turning the transistor on / off.

CCD 細胞培養装置
CE 列電極(第2電極)
CEL 細胞
CF 培養液
CL セル
CLA セルアレイ領域
COM 共通電極(第3電極)
COMa 主面
COMb 裏面
IF、IF1~IF6 絶縁膜
IF5a、IF6a 主面
MF 単分子膜
ML 金属膜
NS n型半導体
OP1~OP5 開口
PL 保護膜
PS p型半導体
RE 行電極(第1電極)
RS 容器
SB 基板
SBa 主面
TA 端子
TCD 温度制御装置
TRM 温度応答性材料
WR 配線
CCD cell culture device CE row electrode (second electrode)
CEL cell CF culture solution CL cell CLA cell array region COM common electrode (third electrode)
COMa Main surface COMb Back surface IF, IF1 to IF6 Insulation film IF5a, IF6a Main surface MF Monomolecular film ML Metal film NS n-type semiconductor OP1 to OP5 Opening PL protective film PS p-type semiconductor RE row electrode (first electrode)
RS container SB board SBa main surface TA terminal TCD temperature control device TRM temperature responsive material WR wiring

Claims (9)

基板と、
前記基板上に配置され、平面視において第1方向に延在する複数の第1電極と、
前記基板上に配置され、平面視において前記第1方向と直交する第2方向に延在する複数の第2電極と、
前記複数の第1電極と前記複数の第2電極との交叉部に配置された複数のセルと、
を備え、
前記複数のセルの各々は、
第1端部と第2端部とを含み、前記第1端部を前記複数の第1電極の内の1本の第1電極に接続されたp型半導体と、
第3端部と第4端部とを含み、前記第3端部を前記複数の第2電極の内の1本の第2電極に接続されたn型半導体と、
前記第2端部と前記第4端部とを接続する第3電極と、
を有し、
前記複数の第1電極は、複数の第1銅配線からなり、
前記複数の第2電極は、複数の第2銅配線からなり、
前記第3電極は、第3銅配線からなる、温度制御装置。
With the board
A plurality of first electrodes arranged on the substrate and extending in the first direction in a plan view,
A plurality of second electrodes arranged on the substrate and extending in a second direction orthogonal to the first direction in a plan view,
A plurality of cells arranged at the intersection of the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes, and a plurality of cells.
Equipped with
Each of the plurality of cells
A p-type semiconductor including a first end portion and a second end portion, wherein the first end portion is connected to one first electrode among the plurality of first electrodes.
An n-type semiconductor including a third end portion and a fourth end portion, wherein the third end portion is connected to one second electrode among the plurality of second electrodes.
A third electrode connecting the second end and the fourth end,
Have,
The plurality of first electrodes are composed of a plurality of first copper wirings.
The plurality of second electrodes are composed of a plurality of second copper wirings.
The third electrode is a temperature control device including a third copper wiring .
請求項1記載の温度制御装置において、
前記複数のセルの各々は、ペルチェ素子である、温度制御装置。
In the temperature control device according to claim 1,
A temperature control device in which each of the plurality of cells is a Pelche element.
請求項1記載の温度制御装置において、
前記p型半導体は、前記1本の第1電極上に配置されており、
前記n型半導体は、前記1本の第2電極上に配置されている、温度制御装置。
In the temperature control device according to claim 1,
The p-type semiconductor is arranged on the one first electrode.
The n-type semiconductor is a temperature control device arranged on the one second electrode.
請求項1記載の温度制御装置において、
さらに、
前記基板上に配置され、前記複数の第1電極に電気的に接続された複数の第1端子と、
前記基板上に配置され、前記複数の第2電極に電気的に接続された複数の第2端子と、
を備えた、温度制御装置。
In the temperature control device according to claim 1,
moreover,
A plurality of first terminals arranged on the substrate and electrically connected to the plurality of first electrodes.
A plurality of second terminals arranged on the substrate and electrically connected to the plurality of second electrodes,
Equipped with a temperature control device.
基板と、
前記基板上に配置され、平面視において第1方向に延在する複数の第1電極と、
前記基板上に配置され、平面視において前記第1方向と直交する第2方向に延在する複数の第2電極と、
前記複数の第1電極と前記複数の第2電極との交叉部に配置された複数のセルと、
前記複数のセルの上部に配置され、細胞を含む培養液を保持する容器と、
を備え、
前記複数のセルの各々は、
第1端部と第2端部とを含み、前記第1端部を前記複数の第1電極の内の1本の第1電極に接続されたp型半導体と、
第3端部と第4端部とを含み、前記第3端部を前記複数の第2電極の内の1本の第2電極に接続されたn型半導体と、
前記第2端部と前記第4端部に接続された第3電極と、
を有し、
前記第3電極上には、温度応答性材料が設けられている、細胞培養装置。
With the board
A plurality of first electrodes arranged on the substrate and extending in the first direction in a plan view,
A plurality of second electrodes arranged on the substrate and extending in a second direction orthogonal to the first direction in a plan view,
A plurality of cells arranged at the intersection of the plurality of first electrodes and the plurality of second electrodes, and a plurality of cells.
A container placed on top of the plurality of cells and holding a culture medium containing the cells,
Equipped with
Each of the plurality of cells
A p-type semiconductor including a first end portion and a second end portion, wherein the first end portion is connected to one first electrode among the plurality of first electrodes.
An n-type semiconductor including a third end portion and a fourth end portion, wherein the third end portion is connected to one second electrode among the plurality of second electrodes.
The second end and the third electrode connected to the fourth end,
Have,
A cell culture device provided with a temperature-responsive material on the third electrode.
請求項記載の細胞培養装置において、
さらに、
前記第3電極と前記温度応答性材料との間に配置された保護層、を有する、細胞培養装置。
In the cell culture apparatus according to claim 5 ,
moreover,
A cell culture apparatus having a protective layer disposed between the third electrode and the temperature-responsive material.
請求項記載の細胞培養装置において、
前記保護層は、金または白金からなる、細胞培養装置。
In the cell culture apparatus according to claim 6 ,
The protective layer is a cell culture device made of gold or platinum.
請求項記載の細胞培養装置において、
さらに、
前記保護層と前記温度応答性材料との間に配置された単分子膜、を有する、細胞培養装置。
In the cell culture apparatus according to claim 6 ,
moreover,
A cell culture apparatus having a monolayer, which is disposed between the protective layer and the temperature responsive material.
請求項記載の細胞培養装置において、
前記単分子膜は、チオール化合物からなる、細胞培養装置。
In the cell culture apparatus according to claim 8 ,
The monolayer is a cell culture device made of a thiol compound.
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