KR102109870B1 - 공간 효율적 격납 장치들 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

격납 장치들 및 제조 및 조립 방법들이 제공된다. 일 실시예에서, 상기 장치는 개방하기 위해 전기적으로 활성화될 수 있는 격납 저장소, 및 생체에 적합한 기판을 포함하는 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)을 포함하는 적어도 하나의 마이크로칩 엘리먼트를 포함한다. 제1 PCB는 하나 이상의 전자 구성요소들이 고정되는 제1 측면 및 마이크로칩 엘리먼트가 하나 이상의 전자 구성요소들로의 전기적 연결에서 고정되는 대향하는 제2 측면을 가질 수 있다. 상기 장치는 제2 PCB 및 제2 PCB와 함께 제1 PCB를 고정시키는 하우징 링을 더 포함할 수 있다. 마이크로칩 엘리먼트는 마이크로저장소들일 수 있고/있거나 약물 제제 또는 센서 엘리먼트를 포함할 수 있는 복수의 격납 저장소들을 포함할 수 있다.

Description

공간 효율적 격납 장치들 및 그 제조 방법{SPACE-EFFICIENT CONTAINMENT DEVICES AND METHOD OF MAKING SAME}
[관련 출원에 대한 교차 참조]
본 출원은 2011년 8월 25일에 출원된 미국 가출원 제61/527,482호의 이익을 주장한다. 본 출원은 전부 참조에 의해 여기에 포함된다.
[기술분야]
본 발명은 일반적으로 이후의 노출 또는 방출에 대해 물질 또는 서브컴포넌트를 격납하기 위한 격납 저장소를 구비하는, 삽입형 의료 장치들과 같은 의료 장치들을 포함하는(이에 제한되지 않음), 격납 장치들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 공간 효율적인 장치 어셈블리들을 포함하는(이에 제한되지 않음) 향상된 격납 장치들 및 그것의 제조 방법들뿐만 아니라, 마이크로칩 격납 장치 엘리먼트들을 제조하는 향상된 방법에 관한 것이다.
삽입형 전기제세동기 세동제거기(cardioverter defibrillator)들 및 심박 조절기(pacemaker)들과 같은 일반적인 삽입형 의료 장치들은 제어 전자장치, 전원 및 다른 장치 특정 구성요소들을 포함하는 2 이상의 하우징 구성요소들 또는 쉘(shell)들로 설계된다. 헤더가 또한 전기 접속들을 장치의 내부 및 외부에 제공하기 위해 사용된다. 하우징 및 헤더 또는 피드스루(feedthrough)는 일반적으로 생체에 적합하지 않은 내부 구성요소들과 체액들 사이의 액체 또는 기체 교환을 방지하기 위해 밀폐된다. 그러나, 에폭시 기반 헤더들을 갖는 소정의 주입물질은 오랜 기간 밀폐성을 달성하지 못한다는 것이 주목된다. 삽입형 장치들의 설계 및 제조 방법들은 밀폐성을 보장하는 것을 목표로 발전해왔다.
주식회사 마이크로칩스는 바이오센서들 또는 약물들을 포함하는 저장소 어레이들을 포함하는 마이크로칩들에 기초한 삽입형 장치들을 설계하고 제조한다. 도 1은 마이크로칩 어셈블리(12)를 포함하는 삽입형 의료 장치(10)에서의 구성요소들의 어셈블리에 대한 가능한 종래의 접근 방법을 도시한다. 마이크로칩 엘리먼트로도 지칭되는 마이크로칩 어셈블리(12)는 마이크로저장소들을 포함하고, 마이크로저장소들의 각각은 생체 내의 제어되는 전달을 위한 약물 또는 생체 내의 제어되는 노출을 위한 센서를 포함할 수 있다. 마이크로칩 어셈블리(12)는 하우징(14)에 용접되는 피드스루(16)에 부착된다. 이러한 마이크로칩 어셈블리들 또는 엘리먼트들은, 예를 들어 울란드 등의 미국 특허 제7,510,551호 및 산티니 주니어 등의 미국 특허 제7,604,628호에서 설명된다. 피드스루(16)는 알루미늄 디스크 상에서 그리고 알루미늄 디스크를 관통하여 금속 표면에 야금으로 납땜되는 도전성 핀들을 포함한다. 일반적인 핀 개수는 100을 초과하고, 더 복잡한 설계에서는, 400을 넘을 수 있다. 이러한 설계들의 결과는 각각의 핀 연결이 누출 지점일 수 있다는 것이다.
또한, 각각의 피드스루 핀은 하우징 내부의 전자 구성요소에 전기적으로 연결된다. 일부 설계들은 핀으로부터 회로로의 전선을 이용하는 반면에, 도시된 설계는 피드스루(16)를 종래의 플라스틱 회로 보드(18)에 직접 부착시킨다. 이러한 전기적 연결들은 연결성을 보장하기 위한 테스트를 요구한다. 결과적으로, 핀 개수는 피드스루의 비용에 영향을 주고, 그 비용은 피드스루 핀들의 수가 삽입형 장치에서 증가함에 따라 증가한다. 그 결과, 이러한 복잡한 설계 요건, 그에 따른 제조 및 요구되는 승인 테스트로 인해, 피드스루는 비싼 구성요소이다.
하우징 구성요소에 부착된 헤더 또는 피드스루에 기초한 종래의 삽입형 장치 설계들의 다른 단점은, 다수의 개별적인 구성요소들이 그 어셈블리를 구성하기 때문에 그 결과적인 장치의 전체 부피가 요구되는 것보다 더 크다는 것이다.
또한, 신체의 내부 및 외부에서의 정보를 무선으로 전달하기 위해 무선 주파수를 사용하는 전자 기반 삽입형 장치들은 안테나를 요구한다. 무선 주파수 파장들은, 그 안테나가 종래의 금속 하우징 내에 배치되는 경우 매우 약해지고, 따라서 그 안테나는, 기존의 피드스루 또는 본 적용을 위한 다른 전용 피드스루를 이용하여, 일반적으로 하우징의 표면 상에 배치된다.
따라서, 삽입형 의료 장치들의 종래의 설계들과 관련된 전술한 단점의 일부 또는 모두를 제거하거나 경감시키는 것이 바람직할 것이다. 일 특정 필요에서, 향상된 하우징 밀폐성(예를 들어, 더 적은 잠재적인 누출 경로들), 더 간단한 구조, 및 더 작은 전체 장치 부피를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
다른 양태에서, 산티니 주니어 등의 미국 특허 제7,604,628호에서 개시된 것과 같은, 마이크로칩 기반 저장소 장치들을 제조할 때, 사용하기에 더 쉽고 더 비용 효율적인 정밀 제조 방법들을 이용하여 더 큰 저장소 부피들을 제공하는 것이 바람직할 것이다. 예를 들어, 마이크로칩 엘리먼트에서 마이크로저장소들을 정의하는 벽(wall)들을 형성하기 위해 DRIE (deep reactive ion etching) 프로세스들을 사용할 필요를 감소시키거나 제거하는 것이 유용할 것이다.
제1 양태에서, 개방되기 위해 전기적으로 활성화될 수 있는 격납 저장소, 및 생체에 적합한 기판을 포함하는 제1 전자 인쇄 회로 기판(printed circuit board, PCB)을 포함하는 제1 마이크로칩 엘리먼트를 포함하는 격납 장치가 제공된다. 제1 PCB는 하나 이상의 전자 구성요소들이 고정되는 제1 측면 및 적어도 하나의 마이크로칩 엘리먼트가 하나 이상의 전자 구성요소들로의 전기적 연결에서 고정되는 대향하는(opposed) 제2 측면을 가질 수 있다. 그 장치는 생체에 적합한 기판을 포함하는 제2 전자 인쇄 회로 기판(PCB), 및 제2 PCB와 함께 제1 PCB를 고정시키는 하우징 링(housing ring)을 더 포함할 수 있다. 제2 PCB는 하나 이상의 전자 구성요소들이 고정된 제1 측면 및 대향하는 제2 측면을 가질 수 있고, 제1 PCB의 제1 측면은 제2 PCB의 제1 측면을 향하게 지향될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 제1 마이크로칩 엘리먼트는 복수의 격납 저장소들을 포함한다. 격납 저장소들은 마이크로저장소들일 수 있고, 바람직한 실시예에서, 약물 제제(drug formulation) 또는 센서 엘리먼트를 포함한다.
다른 양태에서, (i) 적어도 하나의 구멍을 차단하는 도전성 저장소 캡(cap)을 포함하는 제1 측면, 대향하는 제2 측면, 및 그것을 관통하여해 연장되는 적어도 하나의 구멍; (ii) 폴리머 또는 유리 또는 다른 세라믹 물질로 형성되고, 폐쇄 말단 벽, 개방 말단, 및 폐쇄 말단 벽과 개방 말단 사이에서 연장되는 적어도 하나의 측벽에 의해 정의되는 적어도 하나의 저장소를 갖는 1차 기판; 및 (iii) 적어도 하나의 저장소 내에 배치된 저장소 컨텐츠들을 포함하고, 여기서 실리콘 기판의 제2 측면은 1차 기판에 밀폐되도록 결합되어, 저장소의 개방 말단은 저장소 컨텐츠들의 제어된 방출 또는 노출을 위한 적어도 하나의 구멍과 유체 연통하는 마이크로칩 엘리먼트가 제공된다. 일 실시예에서, 실리콘 기판의 제2 측면은 그 위에 형성된 적어도 하나의 링 구조(ring structure)를 갖고 1차 기판은 적어도 하나의 홈 구조(groove structure)를 가지며, 여기서 적어도 하나의 링 구조 및 적어도 하나의 홈 구조는 함께, 예를 들어 압축 냉간 용접(compression cold welding)에 의해 밀폐성 결합을 형성한다.
또 다른 양태에서, 마이크로칩 엘리먼트를 제조하기 위한 방법이 제공된다. 실시예들에서, 이러한 방법은 (i) 적어도 하나의 구멍을 차단하는 도전성 저장소 캡을 포함하는 제1 측면, 대향하는 제2 측면, 및 그것을 관통하여 연장되는 적어도 하나의 구멍을 갖는 실리콘 기판을 미세 가공하는 단계; (ii) 폐쇄 말단 벽, 개방 말단, 및 폐쇄 말단 벽과 개방 말단 사이에서 연장되는 적어도 하나의 측벽에 의해 정의되는 적어도 하나의 저장소를 갖는 1차 기판을 형성하기 위해 폴리머 또는 유리 또는 다른 세라믹 물질을 주조(cast)하거나 몰딩(mold)하는 단계; (iii) 적어도 하나의 저장소 내에 저장소 컨텐츠들을 제공하는 단계; 및 (iv) 저장소의 개방 말단이 적어도 하나의 구멍과 유체 연통하도록 실리콘 기판을 1차 기판에 결합시키는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에서, 격납 장치를 조립하는 방법이 제공된다. 실시예들에서, 그 방법은 (i) 개방되기 위해 전기적으로 활성화될 수 있는 격납 저장소를 포함하는 제1 마이크로칩 엘리먼트를 제공하는 단계; (ii) 생체에 적합한 기판을 포함하는 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 제1 측면에 제1 마이크로칩 엘리먼트를 고정시키는 단계; 및 (iii) 제1 PCB의 제2 측면 상에 고정된 하나 이상의 전자 구성요소들에 제1 마이크로칩 엘리먼트를 전기적으로 연결시키는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 그 방법은 생체에 적합한 기판을 포함하고, 하나 이상의 전자 구성요소들이 고정되는 제1 측면 및 대향하는 제2 측면을 갖는 제2 전자 인쇄 회로 기판(PCB)을 제공하는 단계; 및 제1 PCB의 제1 측면이 제2 PCB의 제1 측면을 향하게 지향되도록 하우징 링을 제1 PCB 및 제2 PCB에 고정시키는 단계 를 더 포함할 수 있다.
도 1은 마이크로칩 어셈블리를 포함하는 종래 기술의 격납 장치의 분해 사시도이다.
도 2a는 일 실시예에 따른 마이크로칩 어셈블리를 포함하는 조립된 격납 장치의 단면도이다.
도 2b는 도 2a에서 도시된 격납 장치의 일부의 분해 단면도이다.
도 3은 도 2a에서 도시된 격납 장치를 포함하는 분해 사시도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 격납 장치의 일부분의 클로즈업된 단면도이다.
도 5a는 일 실시예에 따른 마이크로칩 엘리먼트 어셈블리의 단면도이다.
도 5b는 도 5a에서 도시된 마이크로칩 엘리먼트 어셈블리의 분해 단면도이다.
도 6은 일 실시예에 따른 마이크로칩 어셈블리를 포함하는 조립된 격납 장치의 일부분의 단면 클로즈업 도면이다.
여기에서 설명되는 격납 장치들 및 어셈블리들은, 다른 장점들 중에서, 조립된 장치들의 매우 향상된 공간 효율을 제공한다. 특정한 실시예들에서, 장치들 및 방법들은 많은 비용이 들고 복잡한 피드스루에 대한 필요를 유리하게 제거하고, 금속 하우징들 및 피드스루의 제거로 인해 더 얇은 삽입물을 제공하고, 다수의 피드스루 핀들 및 전기적 연결들을 제거함으로써 향상된 신뢰성을 제공하고, 밀폐성 인터페이스들의 수를 감소시킴으로써 향상된 신뢰성을 제공하고, 기능성을 확인하기 위한 테스트들을 간략하게 하고, 더 간단한 어셈블리를 제공한다. 이것은 특히 격납 장치가 인간 또는 동물에의 장기간 삽입을 위해 의도된 삽입형 의료 장치인 실시예들에서 특히 중요하다.
여기에서 제공되는 격납 장치들은 도 2a 및 2b에서 도시된 격납 장치(110)을 포함하는, 이하의 예시적인 실시예들을 참조하여 더 이해될 수 있다. 장치는 개방되기 위해 전기적으로 활성화될 수 있는 격납 저장소(미도시)를 포함하는 제1 마이크로칩 엘리먼트(112); 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)(114); 및 제2 PCB를 포함한다. 제1 PCB(114)는 생체에 적합한 기판을 포함하고, 하나 이상의 전자 구성요소들(118)이 고정되는 제1 측면 및 적어도 하나의 마이크로칩 엘리먼트(112)가 하나 이상의 전자 구성요소들(118)에 전기적으로 연결되어 고정되는 대향하는 제2 측면을 갖는다. 제2 PCB(116)는 생체에 적합한 기판을 포함하고, 하나 이상의 전자 구성요소들(118)이 고정되는 제1 측면을 갖는다. 제2 PCB(116)의 대향하는 제2 측면은 안테나 또는 하나 이상의 추가 마이크로칩 엘리먼트들(미도시)을 선택적으로 포함할 수 있다.
"전자 인쇄 회로 기판"(PCB)은 해당 분야에서 공지된 도전성 경로들, 트랙(track)들 또는 신호 트레이스(trace)를 사용하여 전자 구성요소들을 기계적으로 지지하고 전기적으로 연결하는 기판을 지칭한다. 바람직한 실시예에서, PCB는 생체에 적합하고 밀폐성 기판 물질을 포함한다. 적절한 이러한 물질들은 알루미나(alumina) 및 실리콘 질화물과 같은 세라믹을 포함한다. 다층 알루미나 PCB들은 성공적으로 설계되고 제조되어 왔다. 예를 들어, 미국 특허 출원 공개 제2003/0034564호를 참조한다. 이러한 적층물들은 저온 공소성 프로세스(low temperature co-fired process )에서 도전성 층들, 유전체 층들, 및 산화알루미늄(Al2O3, 알루미나)을 결합시킨 결과일 수 있다. 알루미나는 저온 동시소성 세라믹(low temperature co-fired ceramic, LTCC)으로 지칭된다. 이러한 생체에 적합한 세라믹들은 또한, 밀폐성 배리어(barrier)로 기능하여 종래의 금속 하우징 엘리먼트들에 대한 필요를 제거한다.
여기에서 사용되는 용어인 "생체에 적합한"은 일반적으로 인간 또는 동물, 예를 들어 환자로의 장기간 삽입에 적합한 구조물 재료들을 지칭한다. 이러한 구조물 의 물질들은 삽입형 의료 장치들의 기술 분야에서 공지된다.
여기에서 사용된 것처럼, "밀폐성 밀봉(seal)"이라는 용어는 장치의 유효 수명에 걸쳐 장치 저장소들과 같은 장치의 하나 이상의 구획들로 또는 그 구획들로부터의 화학 물질(예를 들어, 수증기, 물, 산소 등)의 바람직하지 않은 인입 또는 배출을 방지하는 것을 지칭한다. 여기에서의 목적들을 위해, 1x10-9 atm*cc/sec 미만의 속도로 헬륨(He)을 전송하는 물질/밀봉이 밀폐성이라 칭해진다.
제1 및 제2 PCB들(114, 116)은, 하우징 링(120) 내에서 제1 및 제2 PCB들(114, 116)의 전자 구성요소들(118)을 밀폐되도록 밀봉하는 생체에 적합한 금속으로 형성되는 하우징 링(120)에 의해 함께 고정될 수 있다. 하우징 링(120)은 티타늄 또는 스테인리스 스틸과 같은 생체에 적합한 금속 또는 합금으로 이루어질 수 있다. 하우징 링 구조는 PCB들의 주변부들을 둘러싸고 원하는 배치로 함께 PCB들을 고정하도록 구성된다. 바람직하게는, 하우징 링 및 제1 및 제2 PCB들의 적어도 외부를 향하는 표면들은 생체에 적합한 물질로 형성된다. 바람직한 실시예에서, PCB들과 하우징 링의 계면은 밀폐성 밀봉을 형성하여 제1 및 제2 PCB들 사이에서 그리고 하우징 링 내에서 제1 및 제2 PCB들의 전자 구성요소들을 분리시킨다. 하우징 링은 제1 및 제2 PCB들에 용접될 수 있다. 생체에 적합한 레진(122)(예를 들어, 에폭시 레진)은 제1 PCB(114) 및 제1 마이크로칩 엘리먼트(112)의 일부분에 걸쳐 배치될 수 있다. 실시예들에서, 격납 장치(110)는 내부에 배치된 다른 적절한 전자 또는 전기 구성요소들(124)을 포함할 수 있다.
일 실시예에서, 격납 장치는 생체에 적합한 세라믹 물질을 포함하는 하나의 PCB를 갖는다. 이러한 실시예에서, 마이크로칩 엘리먼트측에 있는 PCB 말단의 측면은 생체에 적합한 에폭시 코팅 또는 생체에 적합한 코팅 물질로 덮일 수 있다. 이러한 코팅은 안테나, 배터리(포함되는 경우) 등을 포함하는(이에 제한되지 않음), 전자 구성요소들을 덮을 것이다. 이러한 코팅은 다층일 수 있고, 그것은 밀폐성 물질이 전자 구성요소들 중 어떤 것의 동작도 방해하지 않는 한 그 밀폐성 물질을 포함할 수 있다.
격납 장치가 임의의 적절한 수의 마이크로칩 엘리먼트들(예를 들어 1 내지 6개)를 포함할 수 있고, 각각의 마이크로칩 엘리먼트는 복수의 개별적인 저장소들(예를 들어 10 내지 750개의 저장소들)을 포함할 수 있다는 것이 이해된다. 장치마다 더 많은 마이크로칩 엘리먼트 및 더 적거나 더 많은 저장소들이 또한 구상된다.
2개의 마이크로칩 엘리먼트들을 갖는 격납 장치의 실시예가 도 3에서 도시된다. 장치(200)는 2개의 마이크로칩 엘리먼트들(212), 제1 PCB(214), 및 제2 PCB(216)을 포함한다. 전자 구성요소들(218)은 제1 PCB(214)의 제1 측면 상에 고정되고, 마이크로칩 엘리먼트들(212)은 제1 PCB(214)의 대향하는 제2 측면 상에 고정된다. 전자 구성요소들(218)은 또한 제2 PCB(216)의 제1 측면 상에 고정된다. 안테나 또는 더 많은 마이크로칩 엘리먼트들은 제2 PCB(226)의 대향하는 제2 측면 상에 고정될 수 있다. 하우징 링(220)은 제1 PCB(214) 및 제2 PCB(216)을 함께 고정하고 제1 및 제2 PCB들과 하우징 링(220) 사이의 내부에서 전자 구성요소들(218)을 밀폐되도록 밀봉하기 위해 사용된다. 이러한 어셈블리에서, 바람직하게는 생체에 적합한 밀폐성 물질을 포함하는PCB들의 노출된 측면들은 장치 하우징으로도 사용되고, PCB들 및 내부 전자장치들에 대한 추가 하우징에 대한 필요 및 추가 하우징의 대부분을 제거한다. 도 4를 참조하여 이하에서 설명되듯이, 제1 및 제2 PCB들(214, 216)의 제1 측면들 상의 전자 구성요소들(218)은 마이크로칩 엘리먼트들(212)과 전기적으로 (동작 가능하도록) 통신한다.
전자 구성요소들(118 및 124)은 다수의 기능들 중 임의의 것을 격납 장치에 제공한다. 예시들은, 저장소를 전기적으로 활성화시켜 그 저장소를 개방되도록 하고/하거나, 예를 들어 저장소 내에 위치한 센서 또는 격납 장치로부터 멀리 떨어져 위치한 다른 장치와 통신하도록 하기 위한 전원(예를 들어 배터리 또는 커패시터) 및 컨트롤러(예를 들어, 마이크로프로세서)를 포함하나 이에 제한되지는 않는다. 다른 전자 구성요소들은, 예를 들어 원격 측정 하드웨어, 커패시터들, 트랜지스터들, 및 다이오드들뿐만 아니라 저장소 캡들을 작동시키는 제어 수단을 포함할 수 있다. 제어 수단은 입력원(input source), 마이크로프로세서, 타이머, 역다중화기(또는 다중화기)를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 전자 구성요소는, 격납 장치에 탑재된 전자 구성요소들을 위한 공간적 필요를 더 감소시킬 수 있는, 온 보드형(on-board) 저장 커패시터를 충전하기 위해 에너지를 무선으로 수신하기 위한 구성요소들을 포함한다.
마이크로칩 엘리먼트(112)의 격납 저장소는 해당 분야에서 공지될 수 있는 다양한 방식으로 개방/활성되하도록 구성될 수 있다. 일 실시예에서, 격납 저장소는, 여기에서 참조에 의해 포함된 미국 특허 제7,510,551호 및 미국 특허 제7,604,628호에서 설명된 것처럼, 개방되기 위해 전기적으로 활성화되도록 구조화되고 구성된다.
도 4에서 PCB/전자 구성요소들 및 마이크로칩 엘리먼트 사이의 전기적 연결의 일 실시예가 도시된다. 도면은 2개의 격납 저장소들(344)를 포함하는 마이크로칩 엘리먼트(312)의 일부분을 도시한다. 각각의 저장소(344)는 저장소 캡(348)로 차단되는 개구부를 갖는다. 기판(343)의 적어도 일부에서 형성되는 저장소(344)는 개구부에 대향하는 폐쇄 말단 및 그들 사이의 측벽을 갖는다. 마이크로칩 엘리먼트(312)는 PCB(314)의 제2 측면에 고정되고, 전자 구성요소(318)는 PCB(314)의 대향하는 측면 상에 고정된다. PCB(314)는 전자 구성요소(318)를 마이크로칩 엘리먼트(312)에 전기적으로 연결하는 비아(330)를 포함한다. 비아(330)는 PCB(314) 상에서 기계적으로 그리고 전기적으로 금속 전도성 표면들(332A, 332B)에 연결되고, 마이크로칩 엘리먼트(312)는 금속 전도성 표면(332A)에 와이어본딩(wirebond)(334)된다. 생체에 적합한 코팅 물질(336)는 그 와이어본딩상에 도포되어 연결을 고정 및 보호하고, 통상적으로 마이크로칩 엘리먼트(312)의 일부 및 PCB(314)의 표면의 일부를 코팅하나 저장소 캡들(348)은 코팅하지 않을 것이다. 코팅 물질(336)은 에폭시 또는 다른 레진과 같은 폴리머일 수 있다.
일 실시예에서, 저장소 캡들은, 참조에 의해 여기에서 포함된 미국 특허 제7,510,551호 및 미국 특허 제7,604,628호에서 설명된 것처럼, 개방되기 위해 전기적으로 활성화되도록 구조화되고 구성된다. 저장소 캡들은 금속 필름으로 형성될 수 있고, 그 금속 필름은 하나의 층 또는 적층 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 저장소 캡은 금, 백금, 티타늄, 또는 그것들의 조합을 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서, 저장소 캡은 기계적 또는 전자화학적 메커니즘에 의해 활성화되거나 개방되도록 구성될 수 있다.
마이크로칩 엘리먼트의 격납 저장소는 일반적으로 500 μL (예를 들어, 250 μL 미만, 100 μL 미만, 50 μL 미만, 25 μL 미만, 10 μL 미만 등)의 용량을 갖는 저장소를 지칭하는 "마이크로저장소"일 수 있다. 다른 실시예에서, 격납 저장소는 일반적으로 500 μL 를 초과(예를 들어, 600 μL 초과, 750 μL 초과, 900 μL 초과, 1mL 초과 등)하고 5 mL 미만(예를 들어, 4 mL 미만, 3 mL 미만, 2 mL 미만, 1 mL 미만 등)인 용량을 갖는 저장소를 지칭하는 "매크로저장소"이다. 용어 "저장소" 및 "격납 저장소"는, 어느 하나에 제한된다고 명시적으로 나타나지 않으면, 마이크로저장소들 및 매크로저장소들 양쪽 모두를 포함하도록 의도된다.
제2 양태에서, 향상된 마이크로 칩 엘리먼트들 및 그들의 제조 방법들이 제공된다. 바람직한 실시예에서, 마이크로칩 엘리먼트는 폴리머 또는 유리 또는 다른 세라믹 물질로 형성된 상대적으로 더 두꺼운 1차 기판에 결합된 상대적으로 얇은 실리콘 기판을 포함한다. 유리하게는, 실리콘 기판보다는 1차 기판에서 저장소를 정의함으로써, 저장소들은 DRIE(dry reactive ion etching)외의 프로세스들을 사용하여 형성될 수 있다. 이것은, DRIE 프로세스들이 비쌀 뿐만 아니라 종래의 프로세스 하에서, DRIE 프로세스들이, 허용 가능한(예를 들어 밀폐성의) 저장소 캡들의 생산에 부정적으로 영향을 줄 수 있는 이후의 처리에 저장소 캡 필름을 불필요하게 노출시키는, 저장소 캡 필름의 증착 후에 발생되기 때문에, 중요하다.
또한, 적극적 밀봉 특성(예를 들어 금 밀봉 링들)을 실리콘 기판에 추가함으로써, 이것은 높은 내성 미세 특성들 모두를 오직 실리콘 기판에 유지시키고, 이는 결과적으로 1차 기판이 다른 제조 프로세스들에 의해 잠재적으로 더 낮은 내성으로 만들어지지 않도록 한다. 이러한 방식으로, 저장소는 더 깊게 만들어질 수 있고, 이에 의해 단위 저장소 적재량을 증가시킬 수 있다. 일 실시예에서, 1차 기판은, 종래의 저장소들보다 더 깊고 DRIE를 사용하여 쉽게 가능한 것보다 더 부드러운 측벽들을 가지는 저장소들의 형성을 허용하는 세라믹 또는 폴리머 물질들을 사용하여 주조 또는 몰딩 프로세스에 의해 만들어진다. 실리콘 기판 상에서 적극적 밀봉 특성들을 가지고 결합하기 위해서, 이렇게 주조 또는 몰딩된 기판은 그 내부에 형성된 밀봉 홈들 내에서 그리고 그 주위에서 도금될 수 있다.
마이크로칩 엘리먼트의 예시적인 실시예가 도 5a 및 5b에 도시된다. 마이크로칩 엘리먼트(412)는 서로 결합되는 1차 기판(440) 및 실리콘 기판(442)을 포함한다. 실리콘 기판(442)은 제1 측면, 대향하는 제2 측면, 및 그것을 관통하여 연장되는 구멍들(446)을 갖는다. 3개의 구멍들(446)이 각각의 저장소(444)에 대해서 보여진다. 실리콘 기판(442)의 제1 측면은 저장소가 개방될 필요가 있을 때까지 그 구멍들을 폐쇄하는 저장소 캡들(448)을 포함한다. 바람직한 실시예에서, 저장소 캡들(448)은 도전성이다. 예를 들어, 저장소 캡들은 금속 필름의 형태일 수 있다. 실리콘 기판, 구멍들, 및 저장소 캡들은 해당 분야에서 공지된 미세제조 기술들을 이용하여 만들어질 수 있다. 예를 들어, 미국 특허 제7,604,628호에서 설명된 포토리소그래피(photolithography), 에칭, 및 증착 기술들이 사용되어 금속 저장소 캡들에 의해 폐쇄된 폴리실리콘 기판에 구멍들을 형성할 수 있다.
1차 기판(440)은 이 설명에서 2개의 저장소들(444)을 포함한다. 각각의 저장소는 폐쇄 말단 벽, 개방 말단, 및 폐쇄 말단 벽과 개방 말단 사이에서 연장되는 적어도 하나의 측벽에 의해 정의된다. 상술한 것처럼, 1차 기판(444)은 해당 분야에서 공지된 몰딩, 주조, 미세 기계 가공(micromachining), 및 빌드-업(build-up) 또는 적층 기술들을 포함하는(이에 제한되지 않음), 임의의 적절한 프로세스에 의해 폴리머 또는 유리 또는 다른 세라믹 물질로 형성된다. 일 실시예에서, 1차 기판은 저온 동시소성 세라믹(LTCC)으로/에 의해 만들어진다. 그것은 기판의 전체 또는 일부분 위에 코팅 층을 더 포함하여, 예를 들어 밀폐성, 생체 적합성, 결합, 및/또는 저장소 컨텐츠 적합성, 안정성, 또는 방출성을 제공하거나 향상시킬 수 있다. 코팅 층의 목적에 따라, 그것은 저장소들의 내부, 저장소들의 외부 또는 내부 및 내부 모두에서 적용될 수 있다. 가능한 코팅 물질들의 예시들은 금과 같은 생체에 적합한 금속들 및 파릴렌(parylene)과 같은 폴리머들을 포함한다.
1차 기판(440) 및 실리콘 기판(442)은 임의의 적절한 방법을 이용하여 서로 결합되어 저장소들(444)을 밀폐되도록 밀봉한다. 이러한 방법으로, 저장소(444)의 개방 말단은 저장소 컨텐츠의 제어된 방출 또는 노출을 위해 구멍들(446)과 유체 연통한다. 바람직한 실시예에서, 기판들은 여기에서 참조에 의해 포함되는 미국 특허 제8,191,756호에서 설명된 것과 같은 압축 냉간 용접을 이용하여 함께 밀폐되도록 밀봉된다. 도 5a 및 5b에서 도시된 것처럼, 실리콘 기판(442)의 제2 측면은 그 위에 형성되는 링 구조들(452)을 포함하고, 1차 기판(440)의 제1 측면은 홈들(450)을 포함한다. 이러한 결합 특성들은 함께 압축되어 개개의 저장소들을 둘러싸는 냉간 용접 결합, 밀폐 봉인을 형성한다. 링 구조들(452)은 실리콘 기판 상에 금 또는 다른 금속 층을 증착함으로써 형성될 수 있다. 홈들(450)은 실리콘에서 에칭되고, 금속 링과 동일한 물질의 금속 층으로 코팅될 수 있다. 이러한 실시예들의 변형예들이 예상되고, 예를 들어 변형예에서는 다른 적극적 및 소극적 결합 특성들이 실리콘 기판과 1차 기판의 계면들 중 어느 하나 또는 양쪽 모두에서/상에서 제공된다.
1차 기판은 일반적으로 실리콘 기판보다 상대적으로 더 두껍고, 저장소 측벽 높이(또는 깊이)의 전체 또는 적어도 대부분(50% 초과)이 1차 기판에 의해 정의된다. 일 실시예에서, 실리콘 기판은 기판들의 결합되는 계면들에서 1차 기판의 두께의 5% 내지 50% 사이의 두께를 갖는다.
도 4 또는 도 5a에서 도시되지 않았지만, 저장소들(344 및 444)는 각각 그 안에 위치하는 저장소 컨텐츠를 포함한다. 격납 저장소들은, 밀폐성 격납 및 이후의 선택된 시간에서의 방출 또는 노출을 필요로 하는 임의의 물질 또는 장치 구성요소를 필수적으로 저장하도록 구성될 수 있다. 저장소 컨텐츠는, 예를 들어, 화학적 시약, 약물 제제, 또는 센서 또는 전극과 같은 그들의 구성요소일 수 있다. 일 실시예에서, 하나의 장치는 바이오센서를 포함하는 적어도 하나의 격납 저장소 및 악물 제제를 포함하는 적어도 하나의 저장소를 포함한다. 다양한 저장소 컨텐츠의 예시들은, 예를 들어 미국 특허 제7,510,551호; 미국 특허 제7,497,855호; 미국 특허 제 7,604,628호; 미국 특허 제7,488,316호; 및 PCT 제WO 2012/027137호에서 설명된다.
마이크로칩 엘리먼트(612)를 포함하는 격납 장치(600)의 예시적인 실시예가 도 6에서 도시된다. 격납 장치(600)는 전자 구성요소(618)를 마이크로칩 엘리먼트(612) 전기적으로 연결시키는 비아(630)를 갖는 세라믹 PCB(614)를 포함한다. 전자 구성요소(618)는 세라믹 PCB(614)의 제1 측면 상에 고정되고, 마이크로칩 엘리먼트(612)는 제1 PCB(614)의 대향하는 제2 측면 상에 고정된다. 비아(630)는 제1 PCB(614)의 제1 측면 상에서 금속 도전성 표면(632)에 전기적으로 연결한다. 마이크로칩 엘리먼트(612)의 전기 회로(635)는 와이어본드(634)에 의해 금속 표면(632)에 전기적으로 연결되고, 에폭시(633)는 와이어본드(634)를 코팅한다. 세라믹 PCB(614)의 제2 측면은 전자 구성요소(618)에 전기적으로 연결되는 금속 도전성 표면(637)을 또한 포함한다. 이러한 도면에서 도시되지는 않았지만, 격납 장치(600)는 다수의 PCB들뿐만 아니라 다수의 비아들, 전자 구성요소들, 및 와이어본드들을 포함할 수 있다.
마이크로칩 엘리먼트(612)는 1차 기판(640) 및 실리콘 기판(642)을 포함한다. 1차 기판(640) 및 실리콘 기판(642)은 링 구조 및 홈 구조 돌출부(tongue)(650/652)의 계면에서/에 인접하여 압축 냉간 용접에 의해 서로 결합된다. 저장소들(644)은 실리콘 기판(612)을 통해 정의되는 구멍들(646)과 유체 연통하는 개방 말단을 갖는 1차 기판(640)에서 정의된다. 도전성 저장소 캡들(648)은 구멍들(646) 및 저장소들(644)을 밀봉하여 덮는다.
이러한 격납 장치(600)는 도 2a 및 도 3에서 도시된 어셈블리들과 유사한, 제2 세라믹 PCB 및 금속 하우징 링을 더 포함할 수 있다.
여기에서 설명된 방법들 및 장치들의 수정들 및 변형들이 전술한 상세한 설명으로부터 해당 분야의 기술자에게 명백할 것이다. 그러한 수정들 및 변형들은 첨부된 청구항들의 범위 내에 있도록 의도된다.

Claims (33)

  1. 격납 장치에 있어서, 상기 격납 장치는,
    개방되기 위해 전기적으로 활성화될 수 있는 격납 저장소를 포함하는 제1 마이크로칩 엘리먼트; 및
    생체에 적합한 기판을 포함하는 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)을 포함하고,
    상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)은 제1 측면을 가짐과 아울러 상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 제1 측면에 대향하는 제2 측면을 갖고,
    상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 상기 제1 측면 상에는 하나 이상의 전자 구성요소들이 고정되고, 상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 상기 제2 측면 상에는 상기 제1 마이크로칩 엘리먼트가 고정되며, 상기 제1 마이크로칩 엘리먼트는 상기 하나 이상의 전자 구성요소들에 전기적으로 연결되고,
    상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 생체에 적합한 기판 상에서 상기 하나 이상의 전자 구성요소들이 밀폐되도록 밀봉되는 격납 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 생체에 적합한 기판은 세라믹인 격납 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 세라믹은 알루미나인 격납 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)은 상기 하나 이상의 전자 구성요소들 중 적어도 하나를 상기 제1 마이크로칩 엘리먼트에 전기적으로 연결하는 적어도 하나의 비아(Via)를 포함하는 격납 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 비아는 상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 제2 측면 상에서 금속 도전성 표면에 전기적으로 연결되고, 상기 금속 도전성 표면은 상기 제1 마이크로칩 엘리먼트에 와이어본딩되는(wirebonded) 격납 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 격납 저장소는 약물 제제(drug formulation) 또는 센서 엘리먼트를 포함하는 마이크로저장소인 격납 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    생체에 적합한 기판을 포함하는 제2 전자 인쇄 회로 기판(PCB) - 상기 제2 전자 인쇄 회로 기판(PCB)은 하나 이상의 전자 구성요소들이 고정되는 제1 측면을 가짐과 아울러 상기 제2 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 제1 측면에 대향하는 제2 측면을 가짐 - ; 및
    상기 제2 전자 인쇄 회로 기판(PCB)과 함께 상기 제 1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)을 고정시키는 하우징 링
    을 더 포함하고,
    상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 제1 측면은 상기 제2 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 제1 측면을 향하게 지향되는 격납 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB) 및 상기 제2 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 생체에 적합한 기판들은 상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB) 및 상기 제2 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 제2 측면들의 외부 표면들을 각각 형성하는 격납 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 하우징 링은 생체에 적합한 금속으로 구성되고,
    상기 하우징 링은, 상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB) 및 상기 제2 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 생체에 적합한 기판들과 함께, 상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB) 및 상기 제2 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 전자 구성요소들을 밀폐되도록 밀봉하는 격납 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB) 및 상기 제2 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 각각의 생체에 적합한 기판은 세라믹인 격납 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 세라믹은 알루미나인 격납 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 제2 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 제2 측면은 안테나를 포함하는 격납 장치.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 제2 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 제2 측면은, 개방되기 위해 전기적으로 활성화될 수 있는 격납 저장소를 포함하는 제2 마이크로칩 엘리먼트를 포함하는 격납 장치.
  14. 제7항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 마이크로칩 엘리먼트의 격납 저장소는 약물 제제 또는 센서 엘리먼트를 포함하는 마이크로저장소인 격납 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 제1 마이크로칩 엘리먼트는,
    서로 대향하는 제1 측면과 제2 측면, 및 그것을 관통하여 연장되는 적어도 하나의 구멍을 갖는 실리콘 기판 - 상기 실리콘 기판의 제1 측면은 상기 적어도 하나의 구멍을 차단하는 전기적 도전성 저장소 캡을 포함함 -;
    폴리머 또는 유리 또는 다른 세라믹 물질로 형성된 1차 기판 - 상기 1차 기판은 폐쇄 말단 벽, 개방 말단, 및 상기 폐쇄 말단 벽과 상기 개방 말단 사이에서 연장되는 적어도 하나의 측벽에 의해 정의되는 적어도 하나의 저장소를 가짐 - ; 및
    상기 적어도 하나의 저장소 내에 위치한 저장소 컨텐츠
    를 포함하고,
    상기 실리콘 기판의 제2 측면은 상기 1차 기판에 밀폐되도록 결합되어, 상기 저장소의 개방 말단은 저장소 컨텐츠의 제어되는 방출 또는 노출을 위해 상기 적어도 하나의 구멍과 유체 연통하는 격납 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 1차 기판은 상기 1차 기판의 폴리머, 유리 또는 다른 세라믹 물질의 적어도 일부 위에 금속 코팅을 포함하는 격납 장치.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 금속 코팅은 상기 적어도 하나의 저장소의 상기 폐쇄 말단 벽과 상기 적어도 하나의 측벽 중 적어도 하나를 코팅하는 격납 장치.
  18. 제15항에 있어서,
    상기 실리콘 기판의 제2 측면은 그 위에 형성된 적어도 하나의 링 구조를 포함하는 격납 장치.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 링 구조는 금 또는 다른 금속을 포함하는 격납 장치.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 1차 기판은 적어도 하나의 홈 구조를 포함하고, 상기 적어도 하나의 링 구조 및 상기 적어도 하나의 홈 구조는 함께 밀폐성 결합을 형성하는 격납 장치.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 홈 구조에서의 또는 상기 적어도 하나의 홈 구조에 인접하는 상기 1차 기판의 표면은 금속 코팅을 포함하는 격납 장치.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 금속 코팅은 금을 포함하는 격납 장치.
  23. 제1항의 상기 제1 마이크로칩 엘리먼트를 제조하는 방법에 있어서,
    서로 대향하는 제1 측면과 제2 측면, 및 그것을 관통하여 연장되는 적어도 하나의 구멍을 갖는 실리콘 기판을 미세제조(microfabricating)하는 단계 - 상기 실리콘 기판의 제1 측면은 상기 적어도 하나의 구멍을 차단하는 전기적 도전성 저장소 캡을 포함함 - ;
    폐쇄 말단 벽, 개방 말단, 및 상기 폐쇄 말단 벽과 상기 개방 말단 사이에서 연장되는 적어도 하나의 측벽에 의해 정의되는 적어도 하나의 저장소를 갖는 1차 기판을 형성하기 위해 폴리머 또는 유리 또는 다른 세라믹 물질을 주조(cast)하거나 몰딩(mold)하는 단계;
    상기 적어도 하나의 저장소 내에서 저장소 컨텐츠를 제공하는 단계; 및
    상기 저장소의 개방 말단이 상기 적어도 하나의 구멍과 유체 연통하도록 상기 실리콘 기판을 상기 1차 기판에 결합시키는 단계
    를 포함하는 마이크로칩 엘리먼트 제조 방법.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 미세제조하는 단계는 상기 실리콘 기판의 제2 측면 상에 적어도 하나의 링 구조를 형성하는 단계를 더 포함하는 마이크로칩 엘리먼트 제조 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 1차 기판은 적어도 하나의 홈 구조를 포함하고, 상기 결합하는 단계는 상기 적어도 하나의 링 구조를 상기 적어도 하나의 홈 구조와 함께 압축 냉간 용접을 하는 단계를 포함하는 마이크로칩 엘리먼트 제조 방법.
  26. 격납 장치를 조립하는 방법에 있어서, 상기 방법은,
    개방되기 위해 전기적으로 활성화될 수 있는 격납 저장소를 포함하는 제1 마이크로칩 엘리먼트를 제공하는 단계;
    생체에 적합한 기판을 포함하는 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 제1 측면에 상기 제1 마이크로칩 엘리먼트를 고정시키는 단계; 및
    상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 제2 측면 상에 고정된 하나 이상의 전자 구성요소들에 상기 제1 마이크로칩 엘리먼트를 전기적으로 연결시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 생체에 적합한 기판 상에서 상기 하나 이상의 전자 구성요소들이 밀폐되도록 밀봉되는 격납 장치 조립 방법.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 전기적으로 연결시키는 단계는 와이어본딩(wirebonding)하는 단계를 포함하는 격납 장치 조립 방법.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 생체에 적합한 기판은 세라믹인 격납 장치 조립 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 세라믹은 알루미나인 격납 장치 조립 방법.
  30. 제26항에 있어서,
    상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)은 상기 하나 이상의 전자 구성요소들 중 적어도 하나를 상기 제1 마이크로칩 엘리먼트에 전기적으로 연결시키는 적어도 하나의 비아를 포함하는 격납 장치 조립 방법.
  31. 제30항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 비아는 상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 제2 측면 상에서 금속 도전성 표면에 전기적으로 연결되고, 상기 금속 도전성 표면은 상기 제1 마이크로칩 엘리먼트에 와이어본딩되는 격납 장치 조립 방법.
  32. 제26항 내지 제31항 중 어느 한 항에 있어서,
    생체에 적합한 기판을 포함하는 제2 전자 인쇄 회로 기판(PCB)을 제공하는 단계 - 상기 제2 전자 인쇄 회로 기판(PCB)은 하나 이상의 전자 구성요소들이 고정되는 제1 측면을 가짐과 아울러 상기 제2 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 제1 측면에 대향하는 제2 측면을 가짐 - ; 및
    상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 제1 측면이 상기 제2 전자 인쇄 회로 기판(PCB)의 제1 측면을 향하게 지향되도록 하우징 링을 상기 제1 전자 인쇄 회로 기판(PCB) 및 상기 제2 전자 인쇄 회로 기판(PCB)에 고정시키는 단계-
    를 더 포함하는 격납 장치 조립 방법.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 격납 저장소는 약물 제제 또는 센서 엘리먼트를 포함하는 마이크로저장소인 격납 장치 조립 방법.
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