JP7256821B2 - 電気機能性ポリマー・マイクロニードル・アレイ - Google Patents

Description

本開示は、一般に、流体、特に生理学的流体を調査するためのマイクロニードルおよび電極を有するセンサ・デバイス、詳細にはバイオセンサの分野に関する。本発明はさらに、関連する製造方法および動作方法に関する。

センサは、センサまたはセンサ環境の事象または特性（たとえば、化学的、物理的）の変化を検出するために使用されるデバイスまたはモジュールである。検知された信号は、典型的には、センサが含む電子機器、またはセンサがたとえば遠隔で接続する電子機器によって処理される。センサの重要な種類として、バイオセンサは、人の生理学的状態に関するデータを取得することを可能にし、結果として広範な健康および医学的な用途を可能にする。

バイオマーカを選択的に検出できることにより、大量のデータ処理を行うことなく、より効率的に有用な情報に到達することが可能になる。バイオセンサで使用される現在の技術は、汗検知を目的とする傾向がある。汗は、調査するには実に興味深い媒体である。しかしながら、汗の固有の欠点は、適切な試料容量を生成するためには、しばしば不適切な、汗を誘発する薬物に依存しない限り、かなりの身体活動が必要になることである。

間質液を調査することによってこの制約を克服するものとして、マイクロニードル電極アレイが知られている。しかしながら、現在知られているデバイスは、エンド・ユーザにとって痛みを伴うか、貼付が困難であるか、または長期間装着するには不便であるか、あるいはその組合せである。加えて、このようなデバイスの設計は大量生産には適さない場合がある。

論文「Development of Low Cost Rapid Fabrication of Sharp Polymer Microneedles for In Vivo Glucose Biosensing Applications」（C. Barrett, K. Dawson, C. O'Mahony and A.O'Riordan, ECS Journal of Solid State Science and Technology, 4 (10)S3053-S3058 (2015)）は、ＰＤＭＳポリマーを用いた二重成形技法に基づく、間質液中のグルコースの直接的な生体内検出のための低侵襲経皮センサの製造について説明している。しかしながら、本発明者らは、この論文に記載された製造方法が、容易には拡張できないと認識している。さらに、電極材料の事前パターン形成に使用されるプロセスは、実環境で実施するには非常に複雑である。

第１の態様によれば、本発明は、バイオセンサなどのセンサ・デバイスとして具現化される。デバイスは、マイクロニードルのセットおよびそれに対応するビアのセットを形成するように構造化されたポリマー基材を備える。マイクロニードルはそれぞれ、基材の基底面から延出する。各ビアは、基材の厚さを貫通して延在し、それにより、対応する開口のセットを基底面上に形成する。各開口は、マイクロニードルのそれぞれ１つに隣接している（すなわち、隣にある）。デバイスは、検知電極および参照電極を含む２つ以上の電極をさらに備える。各電極は、マイクロニードルの少なくとも一部、および基底面の隣接部分をコーティングするように、基材のある領域をコーティングする導電性材料層を備える。

ニードルに隣接するビアおよび対応する開口を設けることにより、特に、たとえば、中空針に依存する解決策と比較した場合、構造化ポリマー基材の機械的安定性が維持され、製造プロセスが簡素化される。本明細書に記載の好ましい製造方法によれば、このような設計は、リフトオフ・プロセス・ステップ中の基材の離型（release）をさらに容易にする。さらに、本手法は、ビアの内部導管を含むポリマー基材の任意の領域をコーティングすることを可能にする。概して、上記の設計により、フィット特性（fitting properties）を有するバイオセンサなどのセンサ・デバイスを容易に製造することが可能になる。このようなデバイスは、数ある例の中でも特に、たとえば間質液の生体内検出のために、または食物もしくは薬物試験のために使用され得る。

本明細書に記載の好ましい実施形態において、マイクロニードルのそれぞれは、基材の基底面に実質的に垂直な１つ（好ましくは１つのみ）のファセットを有し、実際にはより鋭利なニードルとなる。たとえば、ビアの開口はそれぞれ、マイクロニードルのうちのそれぞれ１つの垂直ファセットに隣接して、その基底部に設けられる。このような垂直ファセットと基材の基底面との間の角度の標準偏差は、たとえば４°未満である。

マイクロニードルの平均高さは、４００μｍ以下であることが好ましい。この高さは、基材の基底面に対して垂直に、かつ基底面から測定される。一方、この平均高さは、試料を適切に調査できるようにするために、通常３０μｍ以上、または１００μｍ以上にする必要がある。

実施形態において、マイクロニードルは、マイクロニードルのアレイを形成し、それにより、マイクロニードルは、２次元格子に従ってポリマー基材の基底面上に配置される。アレイ内のマイクロニードルの頂点間の平均最近傍距離（average, first-neighbor distance）は、実際には３ｍｍ以下であることが好ましい。各最近傍距離は、ポリマー基材の前記基底面に平行に測定される。しかしながら、有利には、最近傍距離とニードルの高さとの間に条件を課すことができる。すなわち、平均最近傍距離は、マイクロニードルの平均高さの３倍以上に設定されることが好ましく、この平均高さは３０μｍから４００μｍの間である。

好ましくは、電極の導電性材料層のそれぞれは、基材の基底面のそれぞれの重なり合わない部分、たとえば開口の周りを、マイクロニードルのファセットもコーティングするように、コーティングする。

実施形態において、センサ・デバイスは、１つまたは複数の追加の電極をさらに含む。各追加の電極は、基材の基底面のそれぞれの部分（これは、たとえば、このような部分に配置されたマイクロニードルのファセットを含む）を部分的にコーティングする導電性材料層を備え、前記それぞれの部分は、デバイスの他の電極の材料層によってコーティングされた基底面のどの部分とも重なり合わない。

電極の材料層は、特に、ポリマー基材の基底面の相補部分をコーティングするように構造化されてもよく、その相補部分は、たとえば、基材の基底面の別個のセクタに配置されてもよい。

さらに、電極の１つまたはそれぞれは、基材の両面（前記基底面は、前記両面のうちの片面上にある）を電気的に接続して電極への接続および電極からの接続を容易にするように構造化されることが好ましい。

実施形態において、ポリマー基材は、たとえば、ＳＵ－８ポリマーなどの感光性ポリマーを含むが、他のネガ型フォトレジストが使用されてもよい。

センサ・デバイスは、典型的には読み出し電子ユニットを含むものとする。さらに変形例において、デバイスは部品のキットとして提供されてもよく、読み出しユニットは、デバイスの検知部に機械的に取り付け可能であり、それによってデバイスの検知部に電気的に接続可能である。他の変形例において、接続ワイヤが使用されてもよい。読み出し電子ユニットは、すべての場合において、ハウジング、およびハウジング内に封入された電子機器を備えてもよく、電子機器およびハウジングは、電子機器が電極と電気通信するよう設定され得るように構成される。あるいは、電子機器は、センサ・デバイスの動作中に電極から得られる信号を読み取るように構成される。

別の態様によれば、本発明は、センサ・デバイスの製造方法として具現化される。この方法は本質的に、上記のセンサ・デバイスのようにマイクロニードルおよびビアのセット、ならびに基材の電極コーティング領域を形成するように、ポリマー基材をパターン形成および構造化すること中心に展開する。

しかしながら、好ましい態様によれば、本発明は、反転パターンを形成するように構造化されたモールドをコーティングする犠牲層上の導電性材料層をパターン形成される製造方法として具現化されることが好ましい。実際には、導電性材料層および犠牲層は、構造化モールドを完全にコーティングするスタックとして有利にパターン形成され得る。次いで、ポリマー基材は、前記反転パターンに従ってマイクロニードルのセットを形成するように、導電性材料層上に相補的にパターン形成される。このように、各マイクロニードルは基材の基底面から延出する。ポリマー基材は、その他の点では、ポリマー基材の厚さを貫通してそれぞれが延在するビアのセットを供するように構造化され、それにより、対応する開口のセットをポリマー基材の前記基底面上に形成する。加えて、各開口は、形成されたマイクロニードルのうちのそれぞれ１つに隣接している。最後に、犠牲層が除去されて、導電性材料層がその上に形成されたポリマー基材を離型する。最終的に、前記材料層によって形成された電極を有するセンサ・デバイスが得られる。適切に画定された電極パターンにより、導電性材料層は、マイクロニードルの少なくとも一部および基材の基底面の隣接部分をコーティングするように、基材の領域をコーティングする。

実施形態において、この製造方法は、所望の反転パターンを得て、容易なリフトオフ・プロセスを可能にすることを目的とする、（犠牲層上に導電材料層をパターン形成する前の）一連の初期ステップをさらに含む。すなわち、最初に、酸化物層が基材の上部にあるシリコン基材を得る。次いで、酸化物層がパターン形成されて、酸化物層の残留部分を貫通する開口を形成する。次に、形成された開口を通してシリコン基材がエッチングされて、前記反転パターンが得られ、それにより、後に得られるマイクロニードルに対して相補的な形状のキャビティが作成される。続いて、酸化物層の前記残留部分が除去されて、構造化モールドが得られる。最後に、離型後に基材上に残存するように意図された電極層の後のパターン形成を可能にするように、構造化モールド上に犠牲層が堆積される。しかしながら、犠牲層は、他の金属層と共に金属スタックとしてモールド上に堆積されることが好ましいことに留意されたい。

好ましくは、ポリマー基材のパターン形成は、選択的にポリマーを放射源に曝露することを含み、これにより、発明者らが観察したように、実際にニードルの鋭利さを高めることができる。

好ましい実施形態において、上記の材料層をパターン形成するステップ、ポリマー基材を相補的にパターン形成するステップ、および犠牲層を除去するステップは、ウエハ・スケールで実施される。この場合、上述のように、それぞれの電極ならびにマイクロニードル、ビア、および開口のセットを有する構造化ポリマー基材を備えた複数のセンサ・デバイスを得るために、ウエハ・スケールのポリマー基材は、離型後に分割される。

最後の態様によれば、本発明は、流体の分析方法として具現化される。基本的に、この方法は、身体（たとえば、食品または医薬品、人体または動物の一部など）に貼付される上記で想起されるようなセンサ・デバイスに依存する。ポリマー基材は、たとえば、マイクロニードルがその身体にわずかに貫入するように、その身体に貼付される。これにより、身体からの流体は、身体に露出している電極の１つまたは複数の表面と接触することが可能になる。電極から得られた信号はその後、たとえば、上記で想起されるような読み出し電子ユニットによって読み取られる。

次に、本発明を具現化する上記のようなセンサ・デバイスのデバイス、装置、製造方法、および使用方法について、非限定的な例として添付の図面を参照して説明する。

添付の図面においては、同様の参照番号は、別々の図全体を通して同一または機能的に類似する要素を指し、以下の詳細な説明と共に本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を形成し、本開示による様々な実施形態をさらに説明し、様々な原理および利点をすべて説明するのに役立つ。

本発明の実施形態におけるような、身体に貼付してその身体からの間質液を調査するためのデバイスを示す、センサ・デバイスの２次元断面図である。 実施形態によるポリマー基材に形成されたマイクロニードルおよびビアを示す、図１と同様のセンサ・デバイスの検知部の２次元断面図である。断面図は、図３に示す切断面Ａ－Ａに沿っている。 実施形態におけるような、ポリマー基材の上部に形成され、象限に配置された４つの電極を有するセンサ・デバイスを示す、図２の断面図に対応する上面図である。 ポリマー基材の上部に形成された電極が異なる配置を有する、図３の変形例によるデバイスの上面図である。 ポリマー基材の上部に形成された電極が異なる配置を有する、図３の変形例によるデバイスの上面図である。 ポリマー基材の上部に形成された電極が異なる配置を有する、図３の変形例によるデバイスの上面図である。 実施形態におけるような、動作中のセンサ・デバイスをさらに示す、図２の２次元断面図の拡大部分の図である。 実施形態による、実際のセンサ・デバイスの構造化ポリマー表面の走査電子顕微鏡画像であり、このデバイスは、その他の点では図３に示すデバイスと同様である。 実施形態による、センサ・デバイスの高レベルの製造ステップを示す順序の図である。 図９のステップＳ５０の後に得られるようなモールドの２次元断面図の拡大部分の図であり、好ましい製造方法におけるように、この上には電極材料が金属層スタックとしてパターン形成されている。 図９のステップＳ８０の後に得られるようなポリマー基材の２次元断面図である。 図９のステップＳ９０の後に得られるようなポリマー基材の２次元断面図である。

添付の図面は、実施形態に含まれる、デバイスまたはその部品の簡略化された表現を示す。図面に示した技術的特徴は、必ずしも縮尺通りではない。図中の同様または機能的に同様の要素には、別段の指定がない限り、同じ参照番号が割り当てられている。

図１～図８を参照して、センサ・デバイス１に関する本発明の一態様を最初に説明する。デバイス１（図１）は本質的に、複数の変形例１０ａ～１０ｃ（図４～図６）に対応し得る構造化ポリマー基材１０（図２～図３および図７～図８）を備え、以下で説明するように、この上に流体を検知するための電極がコーティングされる。

図２～図３および図７～図８に示すように、ポリマー基材１０は、（ｉ）マイクロニードル１６のセット、および（ｉｉ）それぞれのビア１７のセットを形成するように構造化される。マイクロニードル１６はそれぞれ、基材１０の基底面Ｓから延出する。マイクロニードル１６は中空針ではなく、代わりに鋭利な固体の棒または先端に相当する。ビア１７はそれぞれ、基材１０の厚さを貫通して延在する。各ビア１７は、対応する開口１８を基底面Ｓ上に形成する。各開口１８は、マイクロニードル１６のうちのそれぞれ１つに隣接している。すなわち、各開口１８は、それぞれのマイクロニードルの隣、好ましくはごく近傍にあり、開口は、マイクロニードル１６が中空針ではないように、ニードルの位置から十分に離れて配置される。

デバイス１は、２つ以上の電極１１～１５ａをさらに含む。電極は、少なくとも検知電極および参照電極を含む。各電極１１～１５ａは、基材１０の領域をコーティングする導電性材料層を備える。実際には、図２および図３に示すように、各電極１１～１５ａは、マイクロニードル１６の少なくとも一部および基底面Ｓの隣接部分をコーティングする。変形例では、３つ以上の電極１１～１５ａが同様に基材１０上に形成されてもよい。

さらに図２～図７に示すように、電極の導電性材料層は、開口１８の周りの基材１０の領域を、ビア１７を塞がないようにコーティングすることが好ましい。すなわち、開口は、開口１８と一致する電極層内に存在する。この場合、独立した開口１８およびビア１７は、特に、たとえば光学的アクセス（挿入深度）用か、抗菌性または炎症性ゲルあるいはその両方の導入用か、さらには（図７で想定されるように）汗の排出用に使用され得るアクセス・ポートを形成する。

しかしながら、変形例では、たとえば、挿入領域からの液体の排出を防止するために、または一定の液体成分を選択的に濾過するために、開口１８の上に自立膜を残存させることが望ましい場合がある。このような変形例では、ポリマー膜を、たとえばスピンコーティングまたは電着によってスタック７０の層として適用して、最終的なデバイス構造体における開口１８の上に前記ポリマー膜を浮かせた状態に維持してもよい。たとえば、十分な厚さの（たとえば、５μｍより厚い）適切なポリマー（ポリピロール、ポリアニリンなど）を電着することによって、ポリマー膜を湿気に対して不透過性としてもよい。対照的に、選択された分子、たとえばカフェインに対して透過性であるポリマー膜を、分子刷込ポリピロールなどの母材（matrix）を電着することによって得てもよい。このような選択膜は、たとえば、一定の分析物を挿入領域から排出すること、または逆に、一定の化合物を規定の速度および純度で前記ポリマー膜を介して挿入領域に導入することが望ましいときに実際に有用な場合がある。

ニードルに隣接するビア１７および対応する開口１８を設けることにより、特に、たとえば、中空針に依存する解決策と比較した場合、構造化ポリマー基材１０の機械的安定性が維持される。以下に記載の好ましい製造方法に関連して、このような設計はさらに、リフトオフ・プロセス・ステップ中に基材１０の離型を容易にすることになる。概して、本手法により、フィット特性を有するセンサ・デバイスを容易に製造することが可能になる。

図２、図７をより具体的に参照すると、実施形態において、マイクロニードル１６はそれぞれ、基材１０の基底面Ｓに対して実質的に垂直な１つのファセット１６ｐを有する。各マイクロニードル１６は、このような垂直ファセット１６ｐを１つのみ有することが好ましい。ニードルの製造に垂直ファセット１６ｐを施すと、実際にはより鋭利なニードルとなる。本明細書で使用される「垂直ファセット」という用語は、ファセット１６ｐが基底面Ｓ（または同等に、実質的に平面の物体である基材１０の平均平面）と角度を形成することを意味し、この角度は、８２°から９８°の間、好ましくは８７°から９３°の間である。実際に、本明細書に開示される製造方法により、極めて垂直なファセット１６ｐを得ることが可能になり、すなわち、典型的には４°未満である標準的なばらつきで、基材１０と９０°の角度を形成する。すなわち、垂直ファセット１６ｐによって形成される角度は、実質的に９０±２°に等しい。

実施形態において、図２～図８に示すように、ビア１７の開口１８はそれぞれ、マイクロニードル１６のそれぞれ１つの垂直ファセット１６ｐに隣接し、その付け根にある。これにより、汗もしくは他の流体を簡単に排出すること、またはニードルの近傍にゲルまたは流体を導入することが可能になり、さらにニードル状に構造化されたポリマーの完全性を損なうことがない。開口は、典型的には長方形の形状を有するか、または少なくとも一辺の長さが垂直ファセットの幅に実質的に等しい形状を示すものとする。さらに、半円形開口などの他の開口形状も、容易に加工され得る。

図７をより具体的に参照すると、マイクロニードル１６の平均高さは、４００μｍ以下であることが好ましい。マイクロニードルの高さは、基底面Ｓに対して垂直に、かつ基底面Ｓから測定される。すなわち、この高さは、ニードル１６の頂点から基材１０の基準となる平面Ｓまでの距離である。一方、この平均高さは、試料収集を容易にするために、通常３０μｍ以上、または１００μｍ以上にする必要がある。加えて、製造上の制約および許容誤差により、通常、ニードルの高さの最小が決まる場合がある。

次に、図３～図６の上面図を参照すると、マイクロニードル１６は、典型的には、マイクロニードル１６のアレイを形成する。すなわち、マイクロニードル１６は、２次元格子に従って基底面Ｓ上に分布されることが好ましい。他の格子パターン（たとえば、菱形または長方形）が企図され得るが、典型的には、極めて対称的なパターン（たとえば、正方形または六角形の格子など）に依ることが多い。さらに、ニードルは、典型的な適用例では、設計および製造プロセスの簡略化に伴い、各格子位置に体系的に形成されることが好ましいが、図６に見られるように、必ずしもそのように形成される必要はない。

図３～図５の例において、マイクロニードル１６の頂点間の平均最近傍距離は、３ｍｍ以下とされている。このような上限は、結果的に、典型的なバイオセンシング用途に適した、ニードルの面密度の下限となる。ここで、各最近傍距離は、基底面Ｓに平行に測定される。図３～図５の例において、この距離は２次元格子（正方形）の格子ステップに対応する。加えて、前述したように、最近傍距離はマイクロニードル１６の平均高さの３倍以上とすることができ、この平均高さは３０μｍ以上４００μｍ以下であることが好ましい。実際、本発明者自身で実施した様々な試験から結論付けたように、この条件を課すことにより、適正な平均ニードル高さが与えられると、バイオセンシング用途、たとえば間質液を調査するのに最適な、十分に分散されたニードルのアレイ１０、１０ａ～１０ｃとすることができる。すなわち、結果として得られる設計は、長期間センサを装着するユーザにとって十分に無痛なものになると同時に、実際に十分な量の流体を調査することを可能にする。その結果、ニードルの頂点間の平均（最近傍）距離は、（ｍｍの範囲に到達する可能性があるが）通常９０μｍより大きくなる。これは、高さ１２０μｍのニードルを想定すると、３６０μｍ以上であることが好ましい。

全体の寸法に関して、ポリマー基材１０、１０ａ～１０ｃの厚さ（すなわち、ニードルを除く）は、典型的には５０μｍから５００μｍの間である。ポリマー基材の縁部の長さは、たとえば１ｍｍから２０ｍｍの間としてもよい。基材１０の全体的な形状は、特に、長方形、円形としてもよく、または（たとえば、基材１０を取り付けるべき皮膚表面に良好になじむように）企図された検知用途に適合した任意の形状を有してもよい。

材料に関して、基材１０、１０ａ～１０ｃを構造化するために使用されるポリマー材料は、感光性ポリマー、たとえば、ＳＵ－８ポリマーなどのエポキシベースの感光性ポリマーを含むことが好ましい。変形例では、いわゆるＫＭＰＲ（Ｒ）またはＵＶＮ（Ｒ）３０ポリマーなどの他のネガ型フォトレジストが企図され得る。さらに、他の多くのポリマー材料が企図されてよい。さらに、各電極１１～１５ａは、典型的には金属層７１～７５（または、より適したものとしては金属層のスタック７０、図１０を参照）からなり、その厚さは通常（層当たり）５ｎｍから５００ｎｍの間である。好ましい実施形態において、このようなスタック７０は、金７２、７４（１００ｎｍ）およびチタン７１、７５（１０ｎｍ）を含み、金層７５は露出面を形成し、一方、チタン層は、金と基材１０、１０ａ～１０ｃを構造化するために使用されるポリマー材料との間の接着促進する働きをする。金以外に、検知用途のための他の金属には、プラチナおよび銀が含まれる。対象の検知材料を得るために、金属は、たとえば電気化学酸化もしくは熱酸化または化学塩素化によってさらに加工されてもよい。さらに、セラミック（たとえば、ＴｉＮ、ＲｕＯ_２、ＩｒＯ_ｘ）またはポリマー（たとえば、イオン選択電極すなわちＩＳＥ用の膜）などのそれ自体が知られている材料が、製造プロセスの一部として、または好ましい製造方法を参照して後で説明するようにポリマーの離型の後に、マイクロニードル１６上に堆積されてもよい。

図３～図６に示すように、電極１１～１５ａの導電性材料層のそれぞれは、構造化基材１０、１０ａ～１０ｃの基底面Ｓのそれぞれの重なり合わない部分、たとえば開口１８の周りをコーティングするように、かつマイクロニードル１６の（垂直ファセット１６ｐを含む）ファセットもコーティングするように堆積されてもよい。

検知電極および参照電極のほかに、センサ・デバイス１は、１つまたは複数の追加の電極をさらに含んでもよい。たとえば、図３～図６に示すような実施形態において、センサ・デバイス１は、２つまたは３つの追加の電極１３、１４、１５ａをさらに含む。電極１１、１２と同様に、このような追加の電極はそれぞれ、１つまたは複数の導電性材料層を備え、この層は基材の基底面Ｓの各部分を部分的にコーティングする層を含む。この各部分は、デバイスの他の電極１１、１２などの材料層によって別途コーティングされた基底面Ｓのどの部分とも重なり合わない。すなわち、すべての電極は、直接電気的に接触しないように、基底面Ｓの別個の部分に配置される。

たとえば、電極に使用される材料層は、基底面Ｓの相補部分をコーティングするように構造化されてもよい。このような相補部分は、図３～図５に示すように多少コンパクトであるか、または逆に、図６のように混在または交互嵌合したパターンを形成してもよい。すべての場合において、導電性コーティングは、互いに電気的に直接接触しないように、基底面Ｓ上で互いに横方向に分離されてもよい。変形例では、電気的な直接の接触を防ぐために、表面Ｓ上に電気的障壁が明らかに堆積されてもよい。他の変形例では、たとえば特定の用途に従って電極パターンをカスタマイズすることを可能にするために、電極材料層の堆積後、事後的にトレンチが開けられてもよい。

たとえば、図３は、象限に配置された電極１１～１５ａを示す。図４は、交差形状を示し、電極パターンは、たとえば参照電極として機能し得る中央の交差電極に対して対称である。図５は、放射対称（面内）である同心電極形状を示し、この形状は、たとえば放射状に対称な圧力をマイクロニードル１６に加える必要がある用途で有利に使用することができる。図６の交互嵌合パターンは、たとえばインピーダンス／コンダクタンス測定に適した電極間の広い領域（面内）の相互作用を可能にする。より一般的には、パターンは、利用可能な領域を前提として、インピーダンス／コンダクタンス測定のニーズに合うように適応させることができる。

なお、開口１８および垂直ファセット１６ｐの向きは、場合によっては、図３～図６の描写とは異なり、ニードルによって、または表面の部分によって異なっていてもよい。すなわち、ニードルおよび開口１８は、体系的に同一に配向される必要はない。

図３の例において、電極がパターン形成される相補部分は、構造化基材の基底面Ｓの別個のセクタに配置される。すなわち、このような相補部分の外周は象限を形成する。より一般的には、セクタの外側境界は、任意の２次元凸形状を形成してもよい。

さらに図２、図７、図１１、および図１２に見られるように、実施形態において、電極１１～１５ａは、基材１０の両面を電気的に接続するようにさらに構造化されてもよい。すなわち、電極材料は、基材の片面上の基底面Ｓを、基材の反対面に接続するように配置される。たとえば、電極を形成するために使用される導電性材料層７１～７５は、人間工学的理由から、基材の上面を下面に電気的に接続するように、構造化ポリマー基材のその連続する面を途切れなくコーティングしてもよい。すなわち、図１および図７に示すように、基材１０の構造化された面を身体に貼付し、身体から生じる微量の流体を収集および分析してもよく、反対面に読み出し電子機器３（図１を参照）を設けて、センサ・デバイス１の動作中に電極１１～１５ａから得られた信号を読み取ることができる。

具体的には、再び図１を参照すると、センサ・デバイス１は、読み出し電子ユニット３、５をさらに含んでもよく、読み出し電子ユニットは、ハウジング５、およびハウジング５内に封入された電子機器３を備える。電子機器３およびハウジング５は、デバイス１の動作中、ユニット３、５が電極１１～１５ａから得られる信号を読み取るために、電子機器３が電極１１～１５ａと電気通信するよう設定され得るように構成される。この電子ユニット３、５はまた、周辺デバイスとして設計されてもよく、たとえば、装置１の検知部１０に取り外し可能に接続されてもよい。たとえば、ハウジング５または構造化基材１０あるいはその両方は、電子機器３を構造化基材１０上の電極１１～１５ａに接続するためのスナップフィット機構を収容してもよい。したがって、本デバイス１は、部品のキットとして提供されてもよい。

次に、図７をより具体的に参照して、上記のようなセンサ・デバイス１を用いた流体の分析方法に関する本発明の別の態様について説明する。本質的に、デバイス１の検知部（すなわち、構造化ポリマー基材１０）は、最初に身体２００（たとえば、ヒトまたは動物の皮膚、食品またはゲル化剤などの薬物）に貼付される（Ｓ２００）。用途に応じて、マイクロニードル１６を、身体にわずかに貫入させる必要がある場合とそうでない場合がある。基材１０を身体に貼付することにより、身体によって生成された流体が電極１１～１５ａの露出面に接触することができる。次にＳ３００において、電極１１～１５ａから得られた信号は、たとえば、図７で示唆されるように身体またはその状態に関するデータを収集するために、電子ユニット３、５によって読み取られる。

次に、読み出し原理をさらに説明するために、ヒトの皮膚を表す身体部２００の断面が描写された図１を参照して好ましい実施形態について説明する。これは、特に、真皮２０３、すなわち表皮２０２（角質層２０１の下）と下皮を含む皮下組織２０４との間の皮膚の層を示す。ここで、検知デバイス１は、露出面がＴｉＮからなる検知電極と、露出面がＡｇＣｌである参照電極とを備えると仮定されている。真皮領域２０３に存在する間質液の場合のように、Ｈ_３Ｏ^＋イオンを含む媒体２００に挿入すると、ネルンストの式を用いて媒体中のＨ_３Ｏ^＋イオンの活動に関連する検知電極と参照電極の間の電位差を検知することができる。電極に電気的に接続された読み出しユニット３、５は、この例では、高インピーダンス電圧計、ならびにデータ取得ユニットおよび論理ユニットを含んでもよく、これらを組み合わせて電圧信号を時間の関数として記録する手段を提供する。

必要に応じて、測定された信号のフィルタリング、増幅、および変換のために、さらなる信号処理電子機器が含まれてもよい（または、読み出しユニット３、５に遠隔で接続されてもよい）。読み出しユニット３、５内および読み出しユニット３、５をさらなるコンピューティング・システムに接続するバス内のデータ通信のために、いわゆるＩ２ＣまたはＵＡＲＴプロトコルなどの通信プロトコルが実装されてもよい。必要に応じて、読み出しユニット３、５は、たとえば任意の適切な無線通信規格によってデータを前記コンピューティング・システムに転送するためのワイヤレス通信ユニットをさらに備えてもよい。

実施形態において、検知電極および参照電極は、同じ材料、たとえば金で作られた露出面を有してもよく、その場合、それらの間の電位差はゼロであると見込まれる。それでもなお、２つの電極にわたって正弦波状に変化する電圧を生成するために、電流の大きさが経時的に正弦波状に変化するように、電流が（たとえば、電子機器３の一部を形成する）外部回路によってこれらの電極に印加されてもよい。そこでは、２つの電極周辺の媒体に対して高感度なインピーダンス・センサを得るために、過渡電圧と電流パターンの間の関係が使用されてもよい。インピーダンス検知の場合、読み出しユニット３、５は、典型的には、信号発生器およびインピーダンス・ブリッジを備えるものとする。インピーダンス・ブリッジの代替として、インピーダンス測定を実行する目的で、ロックイン増幅器または周波数応答分析器が、読み出しユニット３、５内に実装されてもよい。上記で想起された変形例と同様に、読み出しユニット３、５は、意図された動作のための追加のユニット、たとえばデータ取得ユニット、論理ユニット、信号処理ユニット、および通信ユニットをさらに含んでもよい。

本明細書で企図されるバイオセンシング用途は、生体内検知に限定されない。先に述べたように、本デバイスは、食品さらには医薬品の特性を検知するために、または、さらに生体外で処理される任意の材料に対して検知するために使用されてもよい。

別の態様によれば、本発明はさらに、センサ・デバイス１の製造方法として具現化することができる。本質的に、このような製造方法は、ポリマー基材１０をパターン形成および構造化すること（Ｓ１０～Ｓ９０）（図９）を中心に展開し、図１～図８を参照して前述したように、マイクロニードル１６のセットおよびそれぞれに対応するビアのセット１７ならびに電極１１～１５ａを形成する。

図９を参照すると、本発明の特に興味深い態様は、反転パターンに依る製造方法に関する。このような方法では、導電性材料層１１～１５ａは、所望の反転パターンを形成するように構造化された（Ｓ１０～Ｓ４０）モールド５５をコーティングする犠牲層７３上に、パターン形成される（Ｓ５０）。

次に、ポリマー基材９０は、マイクロニードル１６のセットを形成するように、すなわち以前に得られた反転パターンに従って、導電性材料層上に相補的にパターン形成される（Ｓ６０～Ｓ７０）。このように形成されるマイクロニードル１６は、モールドに露出した基材９０の基底面Ｓから延出する。

このポリマー基材は、他の方法では、ビア１７のセットで基材１００を形成するように構造化され（Ｓ７０）、各ビア１７は、基材１００の厚さを貫通して延在し、それにより基材１００の基底面Ｓ上に対応する開口１８のセットを形成する。これは、開口１８のそれぞれがマイクロニードル１６のうちのそれぞれ１つに隣接するように行われる。

最後に、犠牲層７３が除去され（Ｓ８０）、それにより基材１００を離型すること（Ｓ９０）が可能になる。このように、図１～図８を参照して先に説明したような構造化基材１０、１０ａ～１０ｃを容易に得ることができる。

前述したように、電極材料は、層スタック７０としてパターン形成されること（Ｓ５０）が好ましい。ステップＳ５０でパターン形成されたスタック７０に含まれる層７１～７５の順序により、Ｓ８０で犠牲層７３を除去することによって基材を離型する際に導電性材料層１１～１５ａが確実に基材上に残存するようになる。このように、本デバイス１を参照して先に説明したように構造化基材１０の特定の領域をコーティングする前記材料層１１～１５ａによって形成された電極１１～１５ａを示すデバイス１が得られる。

ビア１７は、フォトリソグラフィ・パターン形成プロセスによって形成されること（Ｓ７０）が好ましい。たとえば、最初に、ポリマー１００を、モールド５５上にスピン・コートし（Ｓ６０）、次いで焼成してもよく（図示せず）、その後ビア１７を、このようなフォトリソグラフィ・プロセスによりパターン形成することができる（Ｓ７０）。

図１１および図１２はそれぞれ、図９のステップＳ８０およびＳ９０の後に得られるようなポリマー基材の２次元断面図を示す。すなわち、パターン形成プロセスＳ６０～Ｓ７０の後、ポリマー基材９０は、片面が電極でコーティングされる（図１１）。次いで、必要に応じて、さらなる裏面コーティング（図１２）により反対面にも基材をコーティングすることができる。このように、図１２に見られるように、基材１０の両面を電気的に接続するように電極１１をパターン形成することができる。

ステップＳ４０で得られ、次いでステップＳ８０で離型されたモールド５５、８０は、ステップＳ５０～Ｓ９０の新しいサイクルに有利に再利用できることに留意されたい。以下に説明する理由により、離型後に材料の残留層（たとえば、Ｔｉ／Ａｕ）がモールド８０上に残存することになる。

実施形態において、製造方法は、所望の反転パターンに従って構造化されたモールド５５、８０を得ることを目的とした、（導電性材料層７０をパターン形成する（Ｓ５０）前の）一連の初期ステップをさらに含んでもよい。すなわち、最初に、酸化シリコン基材５１、５２が得られてもよく（Ｓ１０）、酸化シリコン基材５１、５２はシリコン基材５１の上部に酸化物層５２が形成されている。次に、この酸化物層５２は、（酸化物層の残留部分５２ｐを貫通する）開口を形成するようにパターン形成されてもよい（Ｓ２０）。次に、形成された開口を通してシリコン基材５１がエッチングされて（Ｓ３０）、前記反転パターンが得られ、それにより、後に得られるマイクロニードル１６に対して相補的な形状のキャビティ６０が作成される。最後に、酸化物層５２の残留部分５２ｐが除去されて（Ｓ４０）、構造化モールド５５が得られ、その上に犠牲層７３が（たとえば、金属スタック７０の一部として）堆積される。

上記で説明したように、モールド上の電極材料を事前パターン形成することにより、最終的な電極位置の制御を改善することができる。これにより、構造化モールドを後で再使用できるので、デバイス１の製造がさらに容易になる。

たとえば、最初に、乾式または湿式酸化プロセスを用いてシリコン（Ｓｉ）表面上に酸化シリコン層ＳｉＯ_２を成長させることによって、２μｍのＳｉＯ_２熱基材１０が得られてもよい（Ｓ１０）。次いで、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）・エッチ・ステップＳ２０を利用して、上部の酸化物層５２をパターン形成し、それにより開口を含むハード・マスク５２ｐを形成する。次に、開口を介したＫＯＨエッチ・ステップＳ３０により、キャビティ６０をバルクＳｉ基材１０内に画定することができ、これによりニードルに対する反転パターンが描かれる。構造化Ｓｉ基材５５は、その後、ポリマー基材１０を構造化するためのモールド５５として機能する。最後に、ハード・マスクの残留部分５２ｐを除去した後（Ｓ４０）、（たとえば、金属層スタック７０の一部として、クロムを含む）犠牲層７３が堆積され（Ｓ５０）、シャドウ・マスクを使用して電極材料を犠牲層７３上の選択された場所にパターン形成する（Ｓ５０）。

好ましい実施形態において、堆積された金属スタックは、シリコン・モールド５５上に次の順に堆積された、クロム７３（５０ｎｍ）、金７４（１００ｎｍ）およびチタン７５（１０ｎｍ）を含み、それによって事前パターン形成モールド８０が得られる。Ｃｒ／Ａｕ／Ｔｉの一連の層は、たとえば、前のサイクルＳ１０～Ｓ９０から得られた（すなわち、モールド８５を再使用するとき）、モールド８５に残留したＴｉ／Ａｕ二重層上に順次堆積されてもよい。ポリマー基材９０の堆積（Ｓ６０）およびパターン形成（Ｓ７０）の後、クロム７３のエッチング（Ｓ８０）により、ポリマー構造体１００を、金メタライゼーション層７４およびチタン・メタライゼーション層７５と共に容易に離型すること（Ｓ９０）が可能になり、金層が露出面を形成する。チタン層は、金７４とポリマー１００との間の接着を促進する働きをする。前述したように、金の代わりに、他の金属として、プラチナまたは銀が含まれてもよい。別の対象の検知材料を得るために、金属は、たとえば電気化学酸化もしくは熱酸化または化学塩素化によってさらに加工されてもよい。上記でも想起されたように、セラミックまたはポリマーなどのさらなる材料が、製造プロセスＳ１０～Ｓ９０において、またはポリマーの離型（Ｓ９０）の後にさらに使用されてもよい。

モールド５５、８０を初めて加工するとき、図１０において参照番号７１～７５で示した金属スタックＴｉ／Ａｕ／Ｃｒ／Ａｕ／Ｔｉはそれぞれ順に構造化モールド５５上に堆積される（Ｓ５０）。後続のクロム７３のエッチング（Ｓ８０）により、ポリマー構造体１００を、それに接したＡｕ／Ｔｉ層７４、７５と共に離型すること（Ｓ９０）が可能になり、一方、残留したＴｉ／Ａｕ二重層７１、７２はモールド８５上に残存し、上記のように次のサイクルで再使用することができる。

好ましい実施形態では、発明者らが観察したように、ステップＳ７０は、ニードルの鋭利さを高めることができるように、選択的にポリマー材料を適切な放射源に曝露することをさらに含んでもよい。たとえば、最初に、感光性ポリマー（たとえば、ＳＵ－８）が、構造化モールド８０上にスピン・コートされてもよい。その後、スピン・コートされたポリマー構造体１００は、モールド内に閉じ込められた空気を除去するために、十分に長い時間、たとえば１～２時間、わずかに高めた温度、たとえば５０℃の真空オーブンに入れられる。次いで、それに応じて得られたコーティングされたモールドは真空オーブンから取り出され、いわゆるソフト・ベイク・ステップを完了するために少なくとも１０時間９５℃に加熱され、これにより一部の溶媒が除去され、ポリマーの粘度が高まる。次いで、ポリマー・コーティングは、特定のポリマーの推奨曝露量に従って、ポリマーの除去すべき部分のパターンを画定するマスクを介して紫外線（ＵＶ）光源に曝露される。曝露に続いて、たとえば、コーティングされたモールドを、９５℃で、その温度での１５分の滞留時間を伴い加熱することによって、ポリマーのハード・ベイク・ステップが完了する。すべての曝露および熱処理ステップの後、最終的なデバイス構造体におけるポリマーの不要部分を除去するために、コーティングされたモールドは、最後に現像液（たとえば、ＳＵ－８の場合、ＳＵ－８プロピレン・グリコール・メチル・エーテル・アセテート、すなわちＰＧＭＥＡ）に入れられる。当業者には理解されるように、上記の例に記載した温度および継続時間は、使用される特定のポリマーの特性（たとえば、化学組成、厚さなど）に従って調整されてもよい。ポリマーのすべての不要部分が除去されると、コーティングされたモールドは、Ｃｒエッチング液に浸漬され、Ｃｒエッチ・ステップＳ８０でポリマー基材１００を離型するための十分な時間が与えられる。Ｓ８０の前に、コーティングされたモールドに短時間のプラズマ灰化ステップを適用することによって（図示せず）、ポリマー・コーティングの親水性を高めることが有益である場合がある。

特に有利な実施形態において、ステップＳ１０～Ｓ９０は、ウエハ・スケールで実行されてもよい（２４）。すなわち、適切に構造化されたウエハサイズのモールド５５が利用できる場合、材料層１１～１５ａをパターン形成するステップＳ５０、ポリマー基材を相補的にパターン形成するステップＳ６０～Ｓ７０、および犠牲層７３を除去するステップＳ８０を、ウエハ・スケールで実施することができる。次いで、犠牲層７３を除去して（Ｓ８０）ウエハ・スケールのポリマー層を離型した後（Ｓ９０）、ウエハ・スケールのポリマー層を分割して複数の検知部を得ることができる。すなわち、最終的に得られる各部品は、それぞれの電極１１～１５ａならびにマイクロニードル１６、ビア１７および開口１８のセットを有する構造化ポリマー基材部分１０を備える。

ポリマー１００は、たとえば、離型（Ｓ９０）後に、ポリマー１００をダイシングすることによって部品に分割されてもよい。ポリマー基材１０をダイシングする代わりに、（たとえば、ビア１７と同様に）ウエハ・スケールのポリマー基材１０のパターン形成中に、単一のデバイスの縁部が事前に画定されてもよい。したがって、単体化をさらに必要とすることなく、犠牲層および事前に画定された犠牲縁部を除去すると、続いて個々のデバイス部品１０が離型され得る。別の変形例として、たとえば後のデバイス部品を手で割ることによる分割を容易にするために、事前の切断線がパターン形成されてもよい。

本発明について限定された数の実施形態、変形例、および添付の図面を参照して説明してきたが、当業者には、本発明の範囲から逸脱することなく、様々な変更を加えることができ、均等物で代用できることが理解されよう。特に、所与の実施形態、変形例に記載した、または図面に示した（デバイスのような、方法のような）特徴は、本発明の範囲から逸脱することなく、別の実施形態、変形例、または図面の別の特徴と組み合わせるか、または置き換えることができる。したがって、上記の実施形態または変形例のいずれかに関して説明された特徴の様々な組合せが企図されてもよく、それらは添付の特許請求の範囲内に留まる。さらに、本発明の範囲から逸脱することなく、本発明の教示に特定の状況または材料を適合させるために多くの軽微な変更を加えることができる。したがって、本発明は、開示された特定の実施形態に限定されることを意図しておらず、本発明は添付の特許請求の範囲に含まれるすべての実施形態を含むことを意図している。加えて、上で明示的に言及したもの以外の多くの変形例が企図され得る。たとえば、明示的に挙げたもの以外の他の材料が企図され得る。

Claims (16)

1. ポリマー基材を備えるセンサ・デバイスであって、前記ポリマー基材が、
   前記ポリマー基材の基底面からそれぞれ延出するマイクロニードルのセットであって、前記マイクロニードルのそれぞれが、前記ポリマー基材の前記基底面に実質的に垂直な１つの垂直ファセットを有し、および、
   前記ポリマー基材の厚さを貫通して延在するビアのセットであって、それにより前記基底面上に対応する開口のセットを形成し、前記開口のそれぞれが、前記マイクロニードルのそれぞれの前記垂直ファセットに隣接し、前記ビアのそれぞれが、隣接する前記垂直ファセットと実質的に同一な面を含む、前記ビアのセット、ならびに、
   前記マイクロニードルの少なくとも一部およびそれに隣接する前記基底面の隣接部分をコーティングする導電性材料層を備える、検知電極および参照電極
   を形成するように構造化されている、センサ・デバイス。
2. 前記導電性材料層が、前記開口の周りの前記ポリマー基材の部分を、前記ビアを塞がないようにコーティングする、請求項１に記載のセンサ・デバイス。
3. 前記マイクロニードルの前記垂直ファセットと前記基底面との間の角度の標準偏差が４°未満である、請求項１に記載のセンサ・デバイス。
4. 前記基底面に対して垂直に、かつ前記基底面から測定される前記マイクロニードルの高さの、平均高さが４００μｍ以下である、請求項１に記載のセンサ・デバイス。
5. 前記平均高さが３０μｍ以上である、請求項４に記載のセンサ・デバイス。
6. 前記マイクロニードルがマイクロニードルのアレイを形成し、それにより前記マイクロニードルが２次元格子に従って前記基底面上に配置される、請求項１に記載のセンサ・デバイス。
7. 前記アレイ内の前記マイクロニードルの頂点間の平均最近傍距離が３ｍｍ以下であり、各最近傍距離が前記基底面に平行に測定される、請求項６に記載のセンサ・デバイス。
8. 前記平均最近傍距離が、前記基底面に対して垂直に、かつ前記基底面から測定される前記アレイ内の前記マイクロニードルの高さの、平均高さの３倍以上であり、前記平均高さが３０μｍ以上４００μｍ以下である、請求項７に記載のセンサ・デバイス。
9. 前記検知電極および前記参照電極のそれぞれの前記導電性材料層がコーティングする前記ポリマー基材の前記基底面の部分は、互いに重なり合わない、請求項１に記載のセンサ・デバイス。
10. 前記検知電極および前記参照電極の１つまたはそれぞれが、前記ポリマー基材の両面を電気的に接続するようにさらに構造化され、前記基底面が前記両面のうちの片面上にある、請求項９に記載のセンサ・デバイス。
11. 前記センサ・デバイスが、
    ハウジングと、
    前記ハウジング内に封入された電子機器と
    を備える読み出し電子ユニットをさらに備え、
    前記電子機器および前記ハウジングが、前記電子機器が前記検知電極および前記参照電極を含む電極と電気通信するよう設定されるよう構成されるか、あるいは、前記電子機器が前記センサ・デバイスの動作中に前記電極から得られる信号を読み取るように構成される、請求項１に記載のセンサ・デバイス。
12. センサ・デバイスの製造方法であって、
    ポリマー基材の基底面からそれぞれ延出するマイクロニードルのセットであって、前記マイクロニードルのそれぞれが、前記ポリマー基材の前記基底面に実質的に垂直な１つの垂直ファセットを有する、マイクロニードルのセット、および、前記ポリマー基材の厚さを貫通して延在するビアのセットであって、それにより前記基底面上に対応する開口のセットを形成し、前記開口のそれぞれが、前記マイクロニードルのそれぞれの前記垂直ファセットに隣接し、前記ビアのそれぞれが、隣接する前記垂直ファセットと実質的に同一な面を含む、前記ビアのセットを形成すること、ならびに、
    前記マイクロニードルの少なくとも一部およびそれに隣接する前記基底面の隣接部分を導電性材料でコーティングして、検知電極および参照電極を形成すること
    を含む、センサ・デバイスの製造方法。
13. センサ・デバイスの製造方法であって、
    反転パターンを形成するように構造化されたモールドをコーティングする犠牲層上の導電性材料層をパターン形成することと、
    前記反転パターンに従ってマイクロニードルのセットを形成するように、前記導電性材料層上のポリマー基材を相補的にパターン形成することであって、それにより、前記マイクロニードルのそれぞれが、前記ポリマー基材の基底面から延出し、前記ポリマー基材が、前記ポリマー基材の厚さを貫通してそれぞれが延在するビアのセットを供するように構造化され、それにより対応する開口のセットを前記基底面上に形成し、前記開口のそれぞれが、形成された前記マイクロニードルのそれぞれ１つに隣接している、前記相補的にパターン形成することと、
    前記犠牲層を除去して、前記ポリマー基材を離型することと、
    を含み、
    前記導電性材料層は、離型した前記ポリマー基材上に残存し、前記マイクロニードルの少なくとも一部およびそれに隣接する前記基底面の隣接部分をコーティングして、前記導電性材料層によって形成された電極を形成する、
    センサ・デバイスの製造方法。
14. 前記製造方法が、前記導電性材料層をパターン形成する前に、
    上部に酸化物層があるシリコン基材を得ることと、
    前記酸化物層をパターン形成して前記酸化物層の残留部分を貫通する開口を形成することと、
    形成された前記開口を通して前記シリコン基材をエッチングして、前記反転パターンを得ることであって、それにより後に得られる前記マイクロニードルに対して相補的な形状のキャビティが作成され、
    前記酸化物層の前記残留部分を除去して前記モールドを得ることと、
    前記モールド上に前記犠牲層を堆積させることと
    をさらに含む、請求項１３に記載の製造方法。
15. 前記ポリマー基材を相補的にパターン形成することが、前記開口のそれぞれが、前記マイクロニードルのそれぞれ１つに隣接するように、選択的に前記ポリマー基材を放射源に曝露することをさらに含む、請求項１３に記載の製造方法。
16. 前記導電性材料層をパターン形成し、前記ポリマー基材を相補的にパターン形成し、および前記犠牲層を除去することが、ウエハ・スケールで実施され、
    前記製造方法が、前記犠牲層を除去した後に、
    前記ポリマー基材を分割して、電極ならびにマイクロニードル、ビア、および開口のセットを有する構造化ポリマー基材をそれぞれが備える複数のセンサ・デバイスを得ることをさらに含む、請求項１３に記載の製造方法。

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