KR102426761B1 - 밀폐식으로 밀봉된 챔버를 형성하기 위한 방법 및 해체하기 위한 방법 - Google Patents

밀폐식으로 밀봉된 챔버를 형성하기 위한 방법 및 해체하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

실시예는 일반적으로 밀폐식으로 밀봉된 챔버를 형성 및 해체하기 위한 방법에 관한 것이다. 일 실시예에서, 방법은 챔버를 형성하기 위해서 제1 기재(204)와 제2 기재(206) 사이에 밀폐식 밀봉부(210)를 생성하기 위해서 상온 레이저 본딩을 이용하는 단계를 포함한다. 밀폐식 밀봉부의 본드 계면은, 밀폐식 밀봉부가 방출 기술을 이용하여 제어된 조건 하에서 개방될 수 있도록, 구성된다. 일 실시예에서, 챔버가 미세유체적 칩 내에 형성되고, 챔버가 유체를 유지하도록 구성된다. 일 실시예에서, 칩은 제1 챔버를 생성하기 위해서 제1 기재와 제2 기재를 본딩하는 제1 밀폐식 밀봉부(175), 및 챔버(180)를 둘러싸는 체적(166)을 생성하기 위해서 제3 기재(155)를 본딩하는 제2 밀폐식 밀봉부를 포함한다. 제1 밀폐식 밀봉부가 기계적 또는 열적 기술의 적용에 의해서 제2 밀폐식 밀봉부와 독립적으로 파괴되어 개방될 수 있다.

Description

밀폐식으로 밀봉된 챔버를 형성하기 위한 방법 및 해체하기 위한 방법{METHODS TO FORM AND TO DISMANTLE HERMETICALLY SEALED CHAMBERS}
관련 출원
본원은, 전체가 참조로 본원에 포함되는, 미국 특허 공개 제2013/0112650호로서 공개된, 2011년 11월 8일자로 출원된 미국 출원 제13291956호에 관한 것이다.
미세유체적 칩(microfluidic chip) 상에서의 유체의 저장, 삽입 또는 관리 방법이 현재, 주사기와 같은, 외부 저장용기에 또는, 약물을 포장 및 분배하기 위해서 이용되는 대형 버전과 유사한, "블리스터 팩(blister pack)"과 같은 온-칩(on-chip) 저장용기의 이용에 의존하고, 그러한 외부 저장용기로부터 유체가 루어 어댑터(Luer adapter)와 같은 연결 조립체를 통해서 전달될 수 있다. 전자의 접근 방식의 주요 단점에는, 장치의 비교적 큰 풋프린트(footprint) 및 동작적 불편함이 포함된다. 후자의 접근 방식의 단점은 전형적으로, 특히 블리스터 팩이 중합체로 제조되고 밀봉을 생성하기 위해서 접착제가 이용될 때, 유체와의 화학적 부적합성(incompatibility) 문제, 접착제 또는 가스켓 클램핑의 열등한 밀폐성, 그리고 필요할 때의 유체의 방출 방법의 열등한 제어를 포함한다.
유사한 고려 사항이, 칩 상에서 캡슐화될 필요가 있을 수 있는 유체 이외의 재료를 관리하는데 적용되며, 그러한 재료의 예에는, 민감한 전자장치, 방사성 물질, 의료용 방사성 물질, 생물 농약(biological agent) 등을 포함하는 재료가 포함된다.
그에 따라, 중합체 또는 접착제의 이용을 회피하고 그러한 칩을 생성하기 위해서 이용되는 미세제조 기술과 용이하게 통합될 수 있는, 칩 상의 재료를 위한 밀폐식으로 밀봉된 캡슐화부 또는 챔버를 생성하기 위한 방법의 제공이 바람직하고, 캡슐화부를 형성하는 본드(bond) 또는 본드들이, 필요에 따라, 편리하게 그리고 제어 가능하게 개방, 파괴, 제거 또는 밀봉-개방될 수 있다. 필요에 따라 그리고 필요할 때 캡슐화된 재료의 제어된 방출 또는 노출을 달성하기 위한 방법을 제공하는 것이 부가적으로 바람직하다. 칩이 미세유체적 칩 또는 유동 셀(flow cell)일 수 있다.
본 개시 내용에서, "개방", "파괴", "분리", "밀봉 개방(unseal)", "언본드(unbond)", "쪼갬" 및 그 변형이 큰 범위에서 상호 교환 가능하게 사용되고, 해당 칩의 2개의 요소들 사이에 형성된 본드의 의도적인 해체를 지칭하는 것으로 규정되고, 그러한 해체는 본드 자체를 구성하는 재료 내의 본드 계면에서의 파괴, 또는 본드 계면에 바로 인접한 칩 요소들 중 하나 또는 양자 모두의 벌크 재료 내의 파괴를 포함할 수 있다. 본 개시 내용 전반을 통해서 사용된 바와 같은 "밀봉"이라는 단어는, 예를 들어 상온 레이저 본딩 프로세스, 또는 융합 용접 프로세스에 의해서, 또는 저온 유리 프릿(frit) 본딩 프로세스를 이용하여, 2개의 기재가 함께 융합되는 본드 접합부 또는 본드 계면을 의미하는 것으로 규정된다.
본 발명은 밀폐식으로 밀봉된 챔버를 형성하는 방법을 포함하고, 그러한 방법은 제1 요소와 제2 요소 사이의 밀폐식 밀봉부를 생성하여 챔버를 형성하기 위해서 상온 레이저 본딩을 이용하는 단계를 포함한다. 밀폐식 밀봉부의 본드 계면은, 밀폐식 밀봉부가 방출 기술을 이용하여 제어된 조건 하에서 개방될 수 있도록, 구성된다.
하나의 양태에서, 챔버가 칩 내에 형성된다. 다른 양태에서, 칩은 챔버에 연결된 비아(via)를 포함하는 미세유체적 칩이고, 챔버는 유체를 유지하도록 구성된다.
또 다른 양태에서, 방출 기술은, 본드 계면의 강도를 극복하기 위해서 본드 계면에서 충분한 인장력 또는 전단력을 생성하는 기계적인 기술을 포함한다.
하나의 양태에서, 칩은 제1 챔버를 생성하기 위해서 제1 요소 및 제2 요소를 본딩하는 제1 밀폐식 밀봉부; 및 제1 챔버를 둘러싸는 제2 챔버를 생성하기 위해서 제3 요소 및 제4 요소를 본딩하는 제2 밀폐식 밀봉부를 포함한다. 제1 밀폐식 밀봉부가 기계적 또는 열적 기술에 의해서 제2 밀폐식 밀봉부와 독립적으로 파괴되어 개방될 수 있다.
다른 양태에서, 장치 내에 포함된 밀폐식으로 밀봉된 챔버의 개방을 돕는 장치가 장치를 유지하도록 구성된 고정구, 및 밀폐식으로 밀봉된 챔버의 본드 계면을 개방하기 위해서 본드 계면에서 충분한 인장 응력 또는 전단 응력을 생성하도록 구성된 시스템을 포함한다.
다른 양태에서, 챔버를 형성하는 제1 요소와 제2 요소 사이의 밀폐식 밀봉부를 개방하기 위한 방법이, 밀폐식 밀봉부를 개방하기 위해서 챔버의 밀폐식 밀봉부의 본드 계면에서 충분한 인장 응력 또는 전단 응력을 생성하는 방출 기술을 이용하는 단계를 포함한다. 방출 기술은, 공구와 챔버 내의 임의 재료 사이의 어떠한 접촉 발생도 없이, 본드 계면의 근접부까지 공구를 도입하는 단계를 포함하고, 밀폐식 밀봉부의 파괴가 제1요소와 제2 요소의 완전한 분리를 초래한다.
도 1은 일 실시예에 따라 밀폐식으로 밀봉된 챔버를 형성하기 위한 프로세스 단계의 흐름도이다.
도 2a 내지 도 2c는 일 실시예에 따라 밀폐식으로 밀봉된 챔버를 포함하도록 제조된 칩의 3개의 도면을 도시한다.
도 3a 및 도 3b는 일 실시예에 따라 밀폐식으로 밀봉된 챔버 및 비아를 포함하도록 제조된 미세유체적 칩 또는 유동 셀의 2개의 도면을 도시한다.
도 4는 일 실시예에 따라 온-칩 챔버 주위의 밀폐식 밀봉부를 파괴 개방하는 방법을 도시한다.
도 5는 일 실시예에 따라 온-칩 밀폐식 밀봉부의 개방을 돕는 장치를 도시한다.
도 6은 일 실시예에 따라 온-칩 챔버 주위의 밀폐식 밀봉부를 파괴 개방하는 방법을 도시한다.
도 7은 다른 실시예에 따라 온-칩 챔버 주위의 밀폐식 밀봉부를 파괴 개방하는 방법을 도시한다.
도 8은 또 다른 실시예에 따라 온-칩 챔버 주위의 밀폐식 밀봉부를 파괴 개방하는 방법을 도시한다.
도 9는 일 실시예에 따라 온-칩 챔버 주위의 밀폐식 밀봉부의 개방을 돕는 장치를 도시한다.
도 10a 내지 도 10c는, 3개의 관련된 실시예에 따라 밀폐식 밀봉부의 개방을 돕는 특징부를 포함하는 칩을 도시한다.
도 11은 일 실시예에 따라 밀폐식 밀봉부의 개방을 돕는 특징부를 포함하는 칩을 도시한다.
도 12a 내지 도 12c는 일 실시예에 따라 도 11의 칩 내의 밀폐식 밀봉부를 언본드하기 위한 장치를 도시한다.
도 13은 일부 실시예에 따라 개방될 수 있는 일차적 및 이차적 챔버를 가지는 미세유체적 칩을 도시한다.
도 14는 일 실시예에 따른 내부 챔버를 포함하는 다중-기재 미세유체적 유동 셀을 도시한다.
도 15는 다른 실시예에 따른 내부 챔버를 포함하는 다중-기재 미세유체적 유동 셀을 도시한다.
본 발명이 그 장점을 제공하는 방식이 도 1 내지 도 15를 참조할 때 보다 용이하게 이해될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 칩 상의 재료를 밀폐식으로 캡슐화하는 방법(100)의 프로세스 단계의 흐름도이다. 단계(102)에서, 열 흡수 층이 칩 상의 제1 요소의 상단 표면의 지역으로 도포되고, 그러한 지역은 개방 공동을 경계 짓는 지역을 포함한다. 제1 요소가 칩의 하단 기재, 또는, 예를 들어 칩의 하단 기재 위에 있을 수 있는 선반(shelf)을 형성하는 내부 기재일 수 있다. 제1 요소가, 캡슐화되는 재료에 대한 그 화학적 불활성을 위해서 그리고 이하에서 설명되는 상온 레이저 본딩 기술을 위한 그 적합성을 위해서 선택된 유리 또는 다른 기재로 제조될 수 있다. 앞서서 인용된 미국 특허 공개 제2013/0112650호는, 상온 레이저 본딩 기술을 위한 그 적합성과 관련하여 적절한 선택일 수 있는 많은 재료를 설명한다.
단계(104)에서, 캡슐화하고자 하는 재료가 공동 내로 도입된다. 단계(106)에서, 공동이 폐쇄되어 챔버를 형성하도록, 제2 요소가 희망하는 본딩 영역에서 제1 요소와 접촉되게 배치된다. 제2 요소는, 칩 제조의 후속 스테이지에서 다시 커버되는 칩의 상단 커버 또는 내부 커버일 수 있다. 제2 요소가 유리 또는 다른 적합한 불활성 물질로 제조될 수 있다. 단계(108)에서, 제1 및 제2 요소가, 부분적으로 투명할 수 있는 고정구 내에서 함께 클램핑된다. 단계(110)에서, 레이저가 제1 또는 제2 요소를 통해서 희망 본딩 영역 상으로 초점 맞춰진다. 단계(112)에서, 레이저 에너지가 희망 본딩 영역으로 도포되어 챔버 주위에 밀폐식 밀봉부를 형성하여, 재료를 봉입한다(enclosing).
일부 실시예에서, 칩이 유동 셀인 경우에, 단계(104)가 생략될 수 있고 단계(114)가 그 대신에 실시될 수 있으며, 그에 따라 밀봉부에 의해서 형성된 챔버가 관심 재료를 초기에 포함하지 않으나, 그러한 재료가 추후에 도입되어, 챔버에 연결된 적어도 하나의 유입구 비아를 이용할 수 있게 한다. 그러한 경우에, 재료가, 유동 셀의 다른 영역으로부터, 추후에 챔버로 도입될 수 있다.
방법(100)(암시적으로, 단계(102) 및 단계(106 내지 112))에서 이용되는 상온 레이저 본딩 기술에 관한 완전한 상세 내용이, 앞서서 인용한 특허 공개 제2013/0112650호에서 개시되어 있다. 본 발명과 가장 관련된 상온 레이저 본딩의 장점은, 고온을 부과하지 않으면서, 유리와 같은 비교적 불활성인 재료를 포함하는 요소들 사이에서 밀폐식 밀봉부를 생성할 수 있는 그 능력으로부터 발생된다. 그러한 특징은 유체를 유지하도록 설계된 챔버에 있어서 분명하게 바람직하고, 또한 캡슐화하고자 하는 재료가 살아 있는 세포 배양체와 같은 생물학적 재료를 포함하는 경우에 분명하게 바람직하다.
일부 실시예에서, 전술한 단계(102) 대신에, 제2 요소가 제1 요소와 접촉하도록 배치되어 챔버를 형성하기에 앞서서, 열 흡수 층이 제2 요소의 대면 표면의 지역으로 도포될 수 있다. 전술한 단계(104) 내지 단계(112)(또는 단계(106) 내지 단계(114))가 앞서서 기재한 바와 같이 실행된다.
도 2a 내지 도 2c는 일 실시예에 따라 밀폐식으로 밀봉된 챔버를 포함하도록 제조된 칩(200)을 도시한다. 도 2a는 전체 칩의 도면을 도시하고, 도 2b는 그 두께를 통한 횡단면도를 도시하며, 도 2c는 내부 구조를 보다 명확하게 보여주기 위해서 상단 기재(206)의 일부를 생략한 횡단면도를 도시한다. 칩(200)은 하단 기재(204)의 상단 표면 내로 식각되거나 달리 형성되는 챔버(202)를 포함한다. 도시된 경우에, 챔버는 단순하게, 대략적으로 타원형 형상의 형태를 취하고, 칩의 표면의 대부분을 점유하고, 대략적으로 직사각형 횡단면을 가지나, 수많은 다른 형상 및 크기가 예상될 수 있다. 챔버(202)를 경계 짓는 하나의 밀폐식 밀봉부(208) 및 칩(200)의 둘레를 경계 짓는 다른 밀봉부(210)로 상단 기재(206)가 하단 기재(204)에 본딩되고, 그러한 다른 밀봉부(210)는 밀폐식일 수 있으나 반드시 밀폐식일 필요는 없다.
이러한 개시 내용의 도 2a 내지 도 2c 및 다른 도면 내의 밀봉부의 치수가 "실제 축척"인 것으로 간주되지 않아야 하고, 명료함을 위해서 그 두께 및 폭이 그 길이에 비해서 크게 과장되어 있다는 것을 주목하여야 할 것이다. 유사하게, 이러한 도면들에서 도시된 본딩된 기재들 사이의 갭의 두께가 명료함을 위해서 크게 과장되었다. 실제로, 기재들은, 본딩되었을 때, 서로 밀접하게 접촉되고, 식별 가능한 경우라고 하더라도, 임의의 갭은 극히 작다.
이러한 개시 내용에서 설명되고 도시된 실시예 중의 많은 실시예가, 미크론, 밀리미터 또는 센티미터 단위와 상응하는 치수의 칩 내에 제조된 미크론, 밀리미터 또는 센티미터 단위의 치수를 가지는 챔버에 관한 것이지만, 설명된 방법 및 시스템이, 미터 단위의 치수를 가질 수 있는 큐벳(cuvette), 또는 탱크와 같은 대형 장치에 유리하게 적용될 수 있다는 것을 생각할 수 있을 것이다.
도 3a 및 도 3b는, 다른 실시예에 따라 제조된, 칩(300)의 은선 도면(hidden line view) 및 절개도이다. 도 3a는 전체 칩의 도면을 도시하고, 도 3b는 내부 구조물을 보다 명확하게 보여주기 위해서 상단 기재(306)의 일부를 생략한 도면을 도시한다. 칩(300)은 챔버(302) 주위의 하나의 밀폐식 밀봉부(308) 및 칩 연부에 근접한 다른 밀폐식 밀봉부(310)를 갖는다. 이러한 유동 셀 실시예에서, 챔버(302)가 둥근 단부를 가지는 비교적 좁은 채널로서 성형되고, 상단 기재(306)가 이러한 단부들에서 2개의 비아(312)를 가지며, 그에 따라 챔버의 내부 또는 외부로의 유체의 통과를 위한 외부 연결부가 만들어질 수 있게 한다. 일부 실시예에서, 비아가, 상단 기재(306)에 부가적으로 또는 그 대신에, 하단 기재(304) 내에 존재할 수 있다. 일부 실시예에서, 단지 하나의 비아, 또는 둘 초과의 비아가 있을 수 있다.
도 1 및 도 2a 내지 도 2c에 도시된 실시예에서, 2개의 분리된 밀봉부가 존재한다. 일 실시예에서, 챔버를 경계 짓는 단지 하나의 밀봉부가 있을 수 있고, 그러한 하나의 밀봉부가 밀폐적이다.
도 4는, 제1 실시예에 따라서, 방법(100)과 같은 방법에 의해서, 캡슐화 재료 주위로, 또는 유동 셀 내의 빈 공동 주위에 미리 형성된, 밀폐식 밀봉부(410)를 파괴 개방하는 방법을 도시한다. 전형적으로, 도시된 바와 같이, 가느다란 연부 또는 선단 지점(tipped point)을 가지는 공구(412)가, 본드 계면(420)에서 또는 그에 매우 근접하여, 밀봉부(418)를 약간 지나서 돌출하는, 밀봉된 제1 및 제2 요소(414, 416)의 부분들 사이로 삽입된다. 제어된 기계적 힘이 공구(412)에 의해서 인가되어, 양 밀봉부의 강도를 극복하기 위해서, 밀봉부(418)의 본드 계면(420)에서 그리고 다시 밀폐식 밀봉부(410)의 본드 계면(422)에서 충분한 인장 응력을 생성한다. 일부 경우에, 밀폐식 밀봉부(410)가, 존재하는 유일한 밀봉부일 수 있다.
일부 실시예에서, 공구가 챔버 또는 칩 주위의 밀봉부의 일부 또는 전체 둘레를 가로질러 칩에 대해서 이동될 수 있다. 공구가 단순한 수작업 방식으로 또는, 필요한 기계적 힘을 보다 편리하게 인가하도록 설계된, 미도시된, 장치의 이용과 함께 동작될 수 있다. 일부 실시예에서, 그러한 장치는 칩이 내부에서 유지되는 고정구, 및 작동 메커니즘을 포함하고, 그러한 작동 메커니즘은, 작동되었을 때, 하나 이상의 공구를 본드 계면에 또는 그 근접부에 배치할 것이고 밀봉부를 통해서 파괴하기 위한 제어된 경로를 따라서 하나 이상의 공구를 이동시킬 것이다. 일부 실시예에서, 공구를 제 위치에 배치한 이후에 공구를 이동시킬 필요가 없을 수 있다. 일부 실시예에서, 수동적인 또는 다른 수단에 의한 밀봉부의 파괴가 요소들(414 및 416)의 완전한 분리를 초래한다. 만약 요소들(414 및 416)이 칩의 상단 기재 및 하단 기재라면, 전체 칩이 2개의 부분으로 깨끗하게 분리되어 칩의 내용물에 대한 접근 또는 회수를 가능하게 할 수 있다.
적합한 공구(412)의 하나의 예가 면도기 칼날이다. 다른 예는 쐐기 또는 다른 칼-유사 공구를 포함한다. 일부 실시예에서, 공구가 수동으로 또는 전술한 바와 같은 장치와 조합되어 동작되어, 밀폐식 밀봉부의 파괴 개방이라는 동일한 목적을 달성하기 위해서 인장 응력 대신에 전단 응력을 가할 수 있다. 일부 실시예에서, 공구가 동작되어, 공구와 챔버 내의 임의 재료 사이의 어떠한 접촉 발생도 없이, 밀폐식 밀봉부를 언본딩시킬 수 있다.
도 5는, 밀봉 개방하고자 하는 칩(500)이 내부로 삽입되는 공동(504), 및 도면의 전방 우측 연부에 도시된 개구부를 포함하는, 단순한 장치의, 본질적으로 고정구(502)의 일 실시예를 도시하며, 그러한 개구부는, 면도기 칼날(506)을 수용하도록 정밀하게 성형되고 면도기 칼날(506)이 칩 내의 관심 대상의 밀폐식 밀봉부로 응력을 가하고 파괴하기 위한 적절한 위치에서 삽입될 수 있도록 배치된다.
도 6은, 일 실시예에 따라서, 방법(100)과 같은 방법에 의해서, 캡슐화 재료 주위로 미리 형성된, 밀폐식 밀봉부(610)를 파괴 개방하는 방법을 도시한다. 중간 축(X)이 "본드 라인" 특징화 밀봉부("bond line" characterizing seal)(610)로부터 미리 결정된 거리에 위치되도록, 밀봉된 칩이 고정구(620)에 결합된다. 이어서, 칩의 벌크 재료를 파괴할 위험을 방지할 수 있을 정도로 충분히 작은, 그러나 밀봉부를 파괴 개방하기 위해서 본드 라인에서 필요 전단 응력을 유발할 수 있을 정도로 충분히 큰, 정밀하게 제어된 힘이 칩으로 인가된다. 도시된 실시예에서, 힘이 밀봉부의 평면에 직각으로 인가되어, 삽입 도면에서 개략적으로 도시된 바와 같이 칩이 굽혀지게 한다. 일부 실시예에서, 고정구의 도움이 없이 굽힘이 이루어질 수 있으나, 정밀한 제어를 달성하기가 더 어려울 수 있다.
도 7은, 다른 실시예에 따라서, 방법(100)과 같은 방법에 의해서, 캡슐화 재료 또는 유동 셀 주위로 미리 형성된, 밀폐식 밀봉부를 파괴 개방하는 방법을 도시한다. 칩(700)의 대향 단부들이 곡선형 화살표들에 의해서 표시된 바와 같이 반대 방향들로 비틀어 진다. 그러한 비틀림 이동은 밀봉부(710)에서 전단 응력을 유발한다. 밀봉부가 개방될 때까지 필요에 따라서, 비틀림 방향들이 반전되고 앞뒤로 비틀리는 사이클이 반복될 수 있다. 일부 실시예에서, 비틀림이 수작업으로 실시된다. 일부 실시예에서, 고정구 또는 다른 장치가 수동적인 비틀림 대신에 또는 그에 부가하여 이용될 수 있을 것이다.
도 8은, 또 다른 실시예에 따라서, 방법(100)과 같은 방법에 의해서, 캡슐화 재료 또는 유동 셀 주위로 미리 형성된, 밀폐식 밀봉부를 파괴 개방하는 방법을 도시한다. 이러한 실시예에서, 열적 기술이 이용된다. 열적 기술은, 본딩된 2개의 칩 요소들 또는 그러한 본딩된 요소들에 결합된 다른 요소들이, 미리 규정된 양 만큼 상이한 열 팽창 계수들(CTEs)을 가지도록 선택되었을 때, 이용될 수 있다. 열적 변화(전형적으로 열의 인가)에 응답하여, 이러한 요소들의 치수가, 밀봉부의 파괴를 초래하는 전단 응력을 본드 계면에서 유발할 수 있을 정도로 충분히 상이한 비율들(rates)로 변화될 것이다. 도시된 경우에, 열의 인가에 응답하여, 상단 기재(810)가 하단 기재(820) 보다 더 팽창되어, 2개의 기재들 사이의 밀봉부(830) 상으로 명백하게 전단 응력을 가한다.
일부 실시예에서, 열이, 적외선(IR) 빔과 같은 전자기적 복사 에너지의 공급원을 이용하여 인가된다. 복사 에너지가 확산 방식 또는 국소적으로 지향된 방식으로 인가될 수 있다. 일부 실시예에서, 상온 레이저 본딩을 실시하기 위해서 이용되는 해당 시스템과 유사한 칩 고정 및 레이저 병진운동(translation) 시스템을 이용하여, 밀봉부를 생성하는 대신에, 밀봉부를 "언본드"하기 위해서 정밀하게 제어되는 레이저 에너지를 인가할 수 있다. 도 9는 이러한 종류의 장치의 하나의 예를 도시한다. 밀봉 개방하고자 하는 칩(미도시)이 x-y 스테이지(850) 상에 배치될 수 있고, 레이저 빔이, 관심의 대상이 되는 본드 계면에서 칩 상으로 초점 맞추기 위한 광학 시스템(860)을 통해서 안내될 수 있다. 칩 및/또는 빔을 병진운동시키는 것은, 희망에 따라, 밀봉부의 길이가 추적될(tracked) 수 있게 하거나, 칩의 표면 위의 일련의 밀봉된 장소들을 찾아갈(addressed) 수 있게 한다. 일부 실시예에서, 언본드시키고자 하는 단편이 정지적으로 유지되는 경우에, 레이저 빔이 스캐너 시스템 내의 이동 거울의 이용을 통해서 칩을 횡단할 수 있다. 다른 실시예에서, 스테이지 이동 및 레이저 스캐닝의 조합이 이용될 수 있다.
일부 실시예에서, 열이, 전도 또는 대류를 이용하는, 보다 통상적인 가열 요소에 의해서 인가될 수 있다. 이러한 본드 "분해" 방법의 일 실시예에서, 전기적 저항 가열을 이용하여 본드를 분리할 수 있다. 본드를 생성하기 위해서 이용되는 열 흡수 층, 전형적으로 얇은 금속 막이 또한 전도성 리드로서 이용될 수 있고, 필요에 따라 본드 라인 주위로 패터닝될 수 있고, 그에 따라 리드를 통한 전류의 통과가 국소적인 저항 가열을 생성하며, 그러한 가열이 본드를 쪼갠다.
도 10a 내지 도 10c 및 도 11은, 또 다른 실시예에 따라서, 방법(100)과 같은 방법에 의해서, 칩 상의 캡슐화 재료 또는 유동 셀 주위로 미리 형성된, 밀폐식 밀봉부를 파괴 개방하는 방법에 관한 것이다. 이러한 경우에, 일반적으로 도 4 내지 도 7에 도시된 실시예에 대해서 전술한 것과 같은 기계적 기술과 관련하여, 밀봉부의 파괴가, 해당 목적을 위해서 칩 내에 의도적으로 포함된 구조적 특징부의 존재에 의해서 촉진된다.
도 10a에 도시된 실시예에서, 문제의 특징부가 칩의 2개의 본딩된 요소 내의 의도적인 길이방향 정렬 오프셋이며, 그러한 오프셋은, (전형적으로 반대되는 화살표들에 의해서 표시된 바와 같은 압축 또는 압착에 의해서) 본드를 쪼개기에 충분한 전단 응력을 생성하는 반대되는 힘을 기재들로 보다 쉽게 인가할 수 있게 한다. 도 10b 및 도 10c의 실시예에서, 정렬 오프셋들이 각각 측방향적이고 경사지고/기울어진다. 전자의 경우에, 화살표들에 의해서 표시된 바와 같은 2개의 대향하는 위치들에서 측방향 힘을 인가하는 것에 의해서 칩을 단순히 압축하는 것이 본드를 쪼개기에 충분한 전단 응력을 유발하고; 후자의 경우에, 칩의 양 단부들에서 압축적인 측방향 힘을 인가하는 것이 본드를 쪼개기에 충분한 전단 응력을 유발한다.
도 11은, 본드 분해를 돕는 특징부가 내부로 언더컷된(undercut) 칩(900)을 도시한다. 4개의 언더컷(910)이 상단 기재(920) 내로 제조된다. 각각의 언더컷이 내향으로 각을 이루어, 외부 밀봉부의 본드 계면(930)에 접근함에 따라 작은 개구부로 수렴되는 칩의 외부 연부 상의 큰 개구부를 갖는다. 이러한 언더컷의 목적은, 해당 본드 계면으로, 그리고 도시된 경우에, 차례에 따라 내부 밀봉부의 본드 계면으로 응력을 가하기 위해서 유리한 위치 및 배향으로 공구를 직접적으로 용이하게 삽입할 수 있게 하는 것이다. 다른 실시예에서, 유사한 언더컷 특징부가 상단 기재 대신에 또는 그에 부가하여 하단 기재 내로 제조될 수 있다. 일부 실시예에서, 언더컷이, 도시된, 각을 이루는 쐐기 이외의 형상을 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 언더컷이 특별한 공구 또는 공구의 유형을 수용하도록 설계된 형상을 가질 수 있다. 일 실시예에서, 본드 분해를 돕는 칩 특징부가, 칩의 전체 둘레 주위로 연장되는 모따기부(chamfer)이다.
도 12a 내지 도 12c는, (도 12c에 도시된) 밀봉 개방하고자 하는 칩이 내부로 삽입될 수 있는 공동(960)을 포함하는 고정구(950)를 이용하여, 언더컷 특징부(910)를 가지는, 칩(900)과 같은 칩 내의 밀폐식 밀봉부를 언본딩시키기 위해서 이용될 수 있는 장치의 일 실시예를 도시한다. 도 12a는, 후퇴 위치에서 공구(970)를 도시하는, 칩의 삽입 이전의 고정구의 도면이다. 도 12b는, 사용자 누름 버튼(980)에 응답한, 연장 위치의 공구(970)를 도시한다. 도 12c는, 칩(900)이 공동(960) 내로 삽입된 후의 고정구의 도면이다. 도시된 바와 같이 칩이 제 위치에 있을 때 버튼(980)을 누르는 것은, 공구(970)가 언더컷(910)과 결합되게 하여, 밀봉된 칩의 둘레 주위에서 동시에 복수 위치에서 응력을 생성하여, 밀봉부 또는 밀봉부들의 언본딩을 초래한다.
앞서서 개시된 실시예는, 밀봉부가 후속하여 파괴될 때, 칩이 2개로 쪼개져서, 봉입된 재료를 노출시키도록, 캡슐화된 재료 주위에서 칩의 2개의 부분을 함께 본딩하는 밀봉부와 관련하여, 단순함을 위해서, 일반적으로 설명되었다. 그러나, 일부 실시예에서, 본 발명의 방법 및 양태가 복수-기재 칩 내의 하나 이상의 캡슐화 챔버를 형성 및 개방하는 것과 관련하여 적용될 수 있다. 그러한 경우에, 개별적인 챔버 또는 저장용기가 칩 상의 임의의 다른 챔버의 개방과 독립적으로, 그리고 2개의 외부 기재를 함께 밀봉하는 본드와 독립적으로 개방될 수 있다.
일부 미세유체적 칩 실시예에서, 예를 들어, 캡슐화 챔버는, 챔버를 칩의 다른 부분으로 연결하는 채널 내로 방출될 수 있는, (압력하 일 수 있는) 유체 또는 임의의 다른 유형의 시약을 포함하는 저장용기일 수 있다. 이어서, 방출된 재료가 혼합 프로세스를 거칠 수 있고 및/또는 다른 방출된 유체에 첨가될 수 있다. 그 재료가 미리 결정된 방향을 따라 칩의 다른 부분으로 유동하도록 지향될 수 있다. 그러한 실시예에서, 재료 방출 메커니즘이 전술한 기계적 또는 열적 기술 중 임의의 기술일 수 있다.
도 13은 일차적인 챔버(130), 이차적인 챔버(132), 및 중간 위치의 채널(134)을 가지는 미세유체적 칩을 도시한다. 일 실시예에 따라서, 이차적인 챔버(132)와 채널(134) 사이의 밀봉부(136)가, 이차적인 챔버(132) 내에 캡슐화된 유체의 온도를 증가시키는 것에 의해서 파괴될 수 있다. 이어서, 열 팽창이 유체 압력을 증가시키고, 유체가 밀봉부(136)를 파괴하여 통과하도록 그리고 채널(134)로 진입하도록 힘을 가한다. 열적 기술을 이용하여, 예를 들어 초점 맞춰진 레이저 빔을 이용하는 것에 의해서, 매우 작은 개구부가 일차적인 챔버(130)와 채널(134) 사이의 밀봉부(138) 내에 만들어질 수 있다.
대안적으로, 이차적인 챔버(132)의 외부로 힘을 받는 가압 유체로부터 밀봉부(138) 상으로 가해지는 압력이 희망 개구부를 생성할 수 있다. 이러한 2가지 경우 모두에서, 유체가 일차적인 챔버(130)로부터 채널(134)로 진입하게 허용할 수 있을 정도로 크나, 일차적인 챔버 내로부터의 의도적으로 증가된 압력에 응답하여서만 유체의 통과가 발생하게 보장할 수 있을 정도로 작은 개구부가 생성될 수 있다. 다시 말해서, 개방된 밀봉부(138)가 밸브로서 작용하여, 일차적인 챔버에 대한 압력 인가에 의해서, 주 챔버 내에 미리 캡슐화된 유체가 제어된 투여량(dose)으로 "분배되게" 할 수 있을 것이다.
도 14는 일 실시예에 따른 다중-기재 칩을 도시한다.
마이크로유체적 칩(150)이, 밀폐식 밀봉부(165)에서 본딩되어 칩 내부 체적(166)을 형성하는 상단 기재(155) 및 하단 기재(160)를 포함한다. 칩(150)은 또한, 유체(180)를 수용하는 챔버를 형성하기 위해서 밀폐식 밀봉부(175)에서 하부 기재(160) 상의 상승된 특징부에 본딩되는 내부 기재(170)를 포함한다. 밀봉부(175)가 필요할 때 제어된 방식으로 파괴되어, 가능하게는 모세관 작용 또는 벌크 압력-구동형 유동(bulk pressure-driven flow)에 의해서, 유체(180)가 챔버로부터 방출될 수 있게 하는 한편, 밀봉부(165)가 손상되지 않고 유지될 수 있어, 칩(150)의 내용물을 외부 환경으로부터 보호할 수 있다. 기재(155 및 160, 그리고 170)가 전형적으로 유리를 포함하나, 유체(180)에 대해서 화학적으로 불활성인 임의의 다른 재료를 포함할 수 있다. 밀봉부의 밀폐성 및 기계적 강건성과 결합된 이러한 화학적 안정성은, 본 발명의 그러한 실시예가 특히 바람직해질 수 있게 한다.
도 15는 다른 실시예에 따른 다중-기재 미세유체적 칩(151)을 도시한다. 이는, 밀폐식 밀봉부(176)에서 굽혀진 구성으로 하단 기재(161)에 본딩된 칩의 내부 기재(171)를 갖는다는 점에서, 칩(150)과 상이하다. 이러한 "고정된(locked-in)" 굽힘은, 밀봉부의 강도에 의해서 저지되어 유지되는(held in check), 기재(171) 내에 에너지가 포획되나, 전술한 기술 중 임의의 기술을 이용하여 밀봉부가 개방될 때, 기재(171)가 그 구속 위치로부터 멀리 "되튈것(spring)"이고, 그에 따라 유체(181)가 챔버 내로부터 칩의 주위 부분 내로 용이하게 빠져나가게 할 수 있다는 것을 의미한다.
일부 실시예에서, 다중-기재 칩이, 하나 초과의 밀폐식으로 밀봉된 내부 챔버를 캡슐화하는 하나의 밀폐식으로 밀봉된 외부 챔버를 포함할 수 있다. 각각의 밀봉부가, 전술한 방출 기술 중 임의의 기술을 이용하여 희망에 따라서 그리고 희망할 때 독립적으로 파괴 개방될 수 있고, 그에 따라, 예를 들어, 하나의 챔버 내에 봉입된 재료가 유동 채널 내로 방출될 수 있게 하고, 일부 프로세스를 거치게 할 수 있으며, 이어서 혼합이 발생되도록 다른 재료를 포함하는 제2 챔버 내로 유동하게 할 수 있다. 그러한 예에서, 칩의 제2 챔버와 다른 채널 사이의 밀봉을 후속하여 언본드하는 것, 등이 요구될 수 있다. 마지막으로, 외부 챔버의 밀폐식 밀봉부가 개방되어 모든 캡슐화된 재료에 접근하게 허용할 수 있다.
본원에서 설명된 실시예가 여러 가지 장점을 제공한다. 특히, 실시예는 밀폐식 밀봉부의 상온 형성을 제공하여, 칩 내의 재료를 위한 콤팩트한(compact), 화학적으로 불활성인 외장을 형성하는 한편, 하나 이상의 밀봉부의 주의 깊게 제어되는 파괴에 의해서, 그러한 재료가 후속하여 접근되거나, 방출되거나 달리 칩 상에서 관리될 수 있게 보장한다. 이러한 장점은, 민감한 생물적 재료가 관련되는 적용예에서 특히 가치가 있다.
전술한 실시예는, 본 발명의 범위를 제한하는 것이 아니라, 본 발명의 예로서 간주되어야 한다. 전술한 설명 및 첨부 도면으로부터, 본 발명의 전술한 실시예의 여러 가지 변경이 당업자에게 자명해질 것이다. 따라서, 본 발명은 이하의 청구항의 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (25)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 칩에 밀폐식으로 밀봉된 챔버를 형성하는 방법으로서,
    상기 방법은, 제1 요소와 제2 요소 사이의 밀폐식 밀봉부를 생성하여 챔버를 형성하기 위해서 상온 레이저 본딩을 이용하는 단계를 포함하고,
    상기 밀폐식 밀봉부의 본드 계면은, 제어된 조건 하에서 방출 기술을 이용하여 상기 밀폐식 밀봉부가 파괴 개방될 수 있도록 구성되며,
    상기 방출 기술은, 상기 밀폐식 밀봉부를 개방하기 위해서 상기 본드 계면에 충분한 인장 응력 또는 전단 응력을 생성하는 기계적 기술을 포함하고,
    상기 인장 응력 또는 전단 응력의 생성이, 공구와 상기 챔버 내의 임의 재료 사이의 어떠한 접촉도 발생시키지 않고, 상기 본드 계면의 근접부로 공구를 도입함을 포함하며,
    상기 챔버는 챔버에 연결된 비아를 포함하는 미세유적 칩 내에 형성되고, 상기 챔버는 유체를 유지하도록 구성되는, 방법.
  5. 삭제
  6. 제4항에 있어서,
    상기 밀폐식 밀봉부의 파괴가 상기 칩의 제1 요소와 제2 요소의 완전한 분리를 초래하는, 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 인장력 또는 전단력의 생성이, 상기 밀폐식 밀봉부를 파괴하기에 충분한 전단 응력이 상기 본드 계면에서 내부적으로 생성되도록 미리 결정된 양만큼 상기 칩을 굽히는 단계를 포함하고, 상기 본드 계면이 상기 칩의 중간 축으로부터 미리 결정된 거리에 위치되는, 방법.
  8. 제4항에 있어서,
    상기 인장력 또는 전단력의 생성이, 상기 밀폐식 밀봉부를 파괴하기 위한 상기 본드 계면에서의 충분한 전단 응력을 유발하기 위해서 필요한 바에 따라 많은 횟수로 상기 칩을 비트는 단계를 포함하는, 방법.
  9. 제4항에 있어서,
    상기 칩 내로 제조된 구조적 특징부가, 상기 밀폐식 밀봉부를 개방하기 위해서 상기 본드 계면에서 충분한 인장력 또는 전단력을 생성하는 기계적 기술의 적용을 돕는, 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 구조적 특징부가 상기 본드 계면에서 또는 그 밀접한 근접부에서 언더컷을 포함하고, 상기 언더컷은 상기 밀폐식 밀봉부를 파괴 개방하기 위한 공구의 삽입을 수용하도록 구성되는, 방법.
  11. 제4항에 있어서,
    상기 방출 기술이 열적 기술을 포함하고, 상기 제1 요소는 제1 열팽창 계수를 가지는 제1 재료를 포함하고, 상기 제2 요소는, 상기 제1 열팽창 계수와 상이한 제2 열 팽창 계수를 가지는 제2 재료를 포함하는, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 열적 기술이 레이저 빔으로부터의 복사 에너지의 인가를 포함하는, 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 열적 기술은, 패터닝된 얇은 금속 막을, 전기 저항에 의해서 열을 생성하기 위한 전도성 리드로서 이용하는 단계를 포함하는, 방법.
  14. 유동 셀 칩 상에서 재료를 캡슐화하기 위한 방법으로서:
    제1 재료를 상기 유동 셀 칩의 제1 챔버 내에서 캡슐화하는 제1 요소와 제2 요소 사이의 제1 밀폐식 밀봉부를 생성하기 위해서 상온 레이저 본딩을 이용하는 단계로서, 상기 제1 밀폐식 밀봉부의 제1 본드 계면은, 상기 제1 밀폐식 밀봉부가 방출 기술을 이용하여 제어된 조건 하에서 파괴 개방될 수 있도록, 구성되는, 상온 레이저 본딩을 이용하는 단계; 및
    제2 재료를 상기 유동 셀 칩의 제2 챔버 내에서 캡슐화하는 제3 요소와 제4 요소 사이의 제2 밀폐식 밀봉부를 생성하기 위해서 상온 레이저 본딩을 이용하는 단계로서, 상기 제2 밀폐식 밀봉부의 제2 본드 계면은, 상기 제2 밀폐식 밀봉부가 방출 기술을 이용하여 제어된 조건 하에서 파괴 개방될 수 있도록, 구성되는, 상온 레이저 본딩을 이용하는 단계를 포함하는, 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1 챔버 및 상기 제2 챔버를 제3 챔버 내에서 캡슐화하는 제5 요소와 제6 요소 사이의 제3 밀폐식 밀봉부를 생성하기 위해서 상온 레이저 본딩을 이용하는 단계로서, 상기 제3 밀폐식 밀봉부의 제3 본드 계면은 정상 취급 및 예상 환경 조건의 응력 특성을 견딜 수 있을 정도로 충분히 강하게 구성되며, 상기 제3 본드 계면은, 상기 제3 밀폐식 밀봉부가 방출 기술을 이용하여 제어된 조건 하에서 파괴 개방될 수 있도록, 구성되며, 상기 제1 및 제2 밀폐식 밀봉부 중 어느 하나가, 상기 제1 및 제2 밀폐식 밀봉부 중 다른 하나의 파괴 개방이 없이 그리고 상기 제3 밀폐식 밀봉부의 파괴 개방이 없이, 제어된 조건 하에서 파괴 개방될 수 있는, 상온 레이저 본딩을 이용하는 단계를 포함하는, 방법.
  16. 삭제
  17. 삭제
  18. 삭제
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