KR20200044972A - 후면 컨택을 갖는 화학 센서를 구비한 미세유체 칩 - Google Patents
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Abstract
실시예의 양태는 미세유체 칩 및 미세유체 칩의 제조 방법에 관한 것이다. 미세유체 칩은, 미세유체 칩 상에 존재하는 센서 디바이스로서, 센서면은 화학 센서를 포함하고 후면은 후면 전극을 포함하며, 화학 센서는 비아에 의해 후면 전극에 전기적으로 커플링되는, 센서 디바이스; 미세유체 칩 내의 미세유체 채널로서, 센서 디바이스의 센서면이 미세유체 채널을 향하는, 미세유체 채널; 및 후면 전극에 전기적으로 연결된 금속 컨택을 포함할 수 있다.
Description
본 개시내용은 미세유체 칩에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 센서에 전기 컨택을 형성하기 위한 후면 컨택을 갖는 화학 센서 다이를 구비한 미세유체 칩에 관한 것이다.
화학 센서는 반도체 기술을 사용하여 제작될 수 있다. 반도체 제조의 사용은 화학 센서의 대량 제작뿐만 아니라 화학 센서의 크기의 감소로 이어질 수 있어서, 센서 각각의 단가를 감소시킨다. 보다 일반적으로, 센서를 제조하기 위한 반도체 제조의 사용은 전기 회로에 대한 것과 마찬가지로, 동일한 또는 유사한 장점(센서당 저비용, 작은 크기 및 재현성 높은 거동)을 가져온다.
반도체 제조 기술은 층 두께 및 측방향 치수의 정밀한 제어를 제공하여, 센서가 소형화 될 수 있고, 이에 따라 센서는 잘-제어된 특성을 가질 것이다. 센서를 작게 만들면, 샘플 부피가 작아질 수 있다(물을 시험하는 데 있어서는 중요하지 않을 수 있지만, 신생아의 혈액 샘플과 같은 다른 용액을 시험하는 데 있어서 중요할 수 있다). 그러나 센서의 작동은 또한 샘플들 사이의 린싱(rinsing), 제어된 용액 내의 저장 및 기준 용액으로의 보정을 필요로 한다. 센서들이 실리콘 기판 상에 존재하여 센서가 소형화되면, 이러한 용액 모두의 부피는 더 작아질 수 있다.
실시예의 양태는 미세유체 칩에 관한 것이며, 미세유체 칩 상에 존재하는 센서 디바이스로서, 센서면 및 후면을 포함하는 기판을 포함하며, 센서면은 화학 센서를 포함하고 후면은 후면 전극을 포함하며, 화학 센서는 비아(via)에 의해 후면 전극에 전기적으로 커플링되는, 센서 디바이스; 미세유체 칩 내의 미세유체 채널로서, 센서 디바이스의 센서면이 미세유체 채널을 향하는, 미세유체 채널; 및 후면 전극에 전기적으로 연결된 금속 컨택을 포함하는, 미세유체 칩에 관한 것이다.
실시예의 양태는 센서 디바이스를 포함하는 미세유체 시스템을 형성하기 위한 방법에 관한 것이며, 미세유체 칩을 제공하는 단계로서, 미세유체 칩은 센서 디바이스 장착면을 포함하며, 센서 디바이스 장착면은 미세유체 채널을 노출시키는 네거티브 공간 및 미세유체 채널 위에 존재하는 렛지를 포함하는, 단계; 렛지 상에 접착제를 제공하는 단계; 렛지 상에 센서 디바이스를 제공하고, 센서 디바이스를 접착제에 의해 렛지 상에 고정하는 단계로서, 센서 디바이스는 센서면 및 후면을 포함하며, 센서 디바이스는 센서면이 미세유체 채널을 향하는 상태로 렛지 상에 위치되는, 단계; 센서 디바이스 상의 후면 전극을 2차 전극에 전기적으로 연결하는 단계; 및 센서 디바이스, 인쇄 회로 기판 상의 전기 컨택, 및 와이어 본드 상에 캡슐재(encapsulant)를 제공하는 단계를 포함하는, 센서 디바이스를 포함하는 미세유체 시스템을 형성하기 위한 방법에 관한 것이다.
일부 실시예에서, 센서-디바이스는 이온-선택적 센서, 전류 측정 센서, 열 센서, 전도도 센서, 온도 센서 또는 산화 환원 전위(oxidation reduction potential)(ORP) 센서 중 하나를 포함한다.
일부 실시예에서, 센서 디바이스는 후면 전극을 센서면 상의 센서면 전극에 전기적으로 연결하는 관통 실리콘 비아를 포함할 수 있다.
실시예는 또한 센서 디바이스 후면 및 금속 컨택을 덮는 캡슐재를 포함할 수 있다.
실시예는 또한 센서 다이로부터 미세유체 채널 내의 하류에 기준 전극을 포함할 수 있다.
실시예는 또한 센서 다이를 포함할 수 있으며, 센서 다이는 복수의 센서 디바이스를 포함한다.
일부 실시예에서, 미세유체 칩은 절취부 부분을 포함하며, 절취부 부분은 렛지를 포함하며, 센서 디바이스는 절취부의 렛지에 견고하게 부착된다.
실시예는 또한 인쇄 회로 기판(printed circuit board)(PCB)을 포함할 수 있으며, PCB는 전기 컨택을 포함하며, 금속 컨택은, PCB 전기 컨택에 전기적으로 연결되고 PCB 전기 컨택을 후면 전극에 전기적으로 연결하는, 와이어를 포함한다.
일부 실시예에서, 금속 컨택은 하나 이상의 포고핀(POGO pin) 전기 인터페이스, 금 범프, 압력 컨택 또는 와이어 본드를 포함한다.
일부 실시예에서, 센서 디바이스는 제1 센서 디바이스이며, 미세유체 칩 제1 센서 디바이스의 하류에 제2 센서 디바이스를 더 포함한다.
일부 실시예에서, 제1 센서 디바이스 및 제2 센서 디바이스는 각각, 제1 센서 디바이스는 전위차 센서 또는 전류 측정 센서 중 하나를 포함하며, 제2 센서 디바이스는 전류 측정 센서 또는 전위차 센서 중 하나를 포함한다.
일부 실시예에서, 미세유체 칩은 클램핑 구조체를 포함하며, 클램핑 구조체는, 센서 디바이스를 미세유체 칩에 고정하기 위해 센서 디바이스의 박막과 결합하는 적어도 하나의 상승부를 포함한다.
일부 실시예에서, 미세유체 채널은 센서 디바이스 아래에 배치된 사행형의 채널을 포함한다.
실시예는 또한 미세유체 칩 상에 인쇄 회로 기판을 제공하는 단계로서, 인쇄 회로 기판은 전기 컨택 패드(contact pad)를 포함하는, 단계를 포함할 수 있으며; 센서 디바이스 상의 후면 전극을 2차 전극에 전기적으로 연결하는 단계는 후면 전극을 전기 컨택 패드에 와이어 본딩하는 단계를 포함한다.
일부 실시예에서, 후면 전극은 센서 디바이스의 센서면 상의 센서에 전기적으로 커플링된다.
일부 실시예에서, 센서면은 화학 센서, 전류 측정 센서, 열 센서, 전도도 센서, 온도 센서 또는 산화 환원 전위(ORP) 센서 중 하나를 포함한다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 센서 디바이스의 개략도이다.
도 2a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 폴리머 박막을 포함하는 센서 디바이스의 개략도이다.
도 2b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 다수의 센서 디바이스를 포함하는 센서 다이의 개략도이다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른 센서 디바이스의 평면도의 개략도이다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른, 다수의 유체 채널 접근 영역을 포함하는 미세유체 칩의 일부의 평면도의 개략도이다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 미세유체 칩의 일부의 단면도의 개략도이다.
도 6a는 본 개시내용의 실시예에 따른 미세유체 칩의 측단면도의 개략도이다.
도 6b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 6a의 미세유체 칩의 확대도의 개략도이다.
도 6c는 본 개시내용의 실시예에 따른, 미세유체 칩에 클램핑된 센서 다이의 측단면도의 개략도이다.
도 6d는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 6c의 미세유체 칩에 클램핑된 센서 다이의 확대도의 개략도이다.
도 7a는 본 개시내용의 실시예에 따른 미세유체 칩의 측단면도의 개략도이다.
도 7b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 7a의 미세유체 칩의 확대도의 개략도이다.
도 7c는 본 개시내용의 실시예에 따른, 미세유체 칩에 클램핑된 센서 다이의 측단면도의 개략도이다.
도 7d는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 7c의 미세유체 칩에 클램핑된 센서 다이의 확대도의 개략도이다.
도 8a는 본 개시내용의 실시예에 따른 미세유체 칩의 측단면도의 개략도이다.
도 8b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 8a의 미세유체 칩의 확대도의 개략도이다.
도 9a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 미세유체 칩에 클램핑되고 인쇄 회로 기판에 전기적으로 커플링된 센서 다이의 측단면도의 개략도이다.
도 9b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 미세유체 칩에 클램핑되고 도 9a의 인쇄 회로 기판에 전기적으로 커플링된 센서 다이의 평면도의 개략도이다.
도 10a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 미세유체 칩에 클램핑되고 나사에 의해 미세유체 칩에 고정된 센서 다이의 측단면도의 개략도이다.
도 10b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 10a의 미세유체 칩에 클램핑된 센서 다이의 평면도의 개략도이다.
도 11a는 본 개시내용의 실시예에 따른 미세유체 칩의 개략도이다.
도 11b는 본 개시내용의 실시예에 따른 미세유체 칩의 개략도의 평면도이다.
도 12는 본 개시내용의 실시예에 따른, 인쇄 회로 기판을 포함하는 미세유체 칩의 개략도이다.
도 13a는 본 개시내용의 실시예에 따른 조립된 미세유체 칩의 개략도의 평면도이다.
도 13b는 본 개시내용의 실시예에 따른 조립된 미세유체 칩의 개략도의 측면 절결도이다.
도 14는 본 개시내용의 실시예에 따라 완전히 노출된 센서 영역을 갖는 센서 다이를 도시하는 조립된 미세유체 칩의 측면 절결도의 확대도이다.
도 15는 본 개시내용의 실시예에 따른, 클램핑된 박막을 갖는 센서 다이를 도시하는 조립된 미세유체 칩의 측면 절결도의 확대도이다.
도 16은 본 개시내용의 실시예에 따른, 기준 전극을 도시하는 조립된 미세유체 칩의 측면 절결도의 확대도이다.
도면은 축척대로 도시되어 있지 않다.
도 2a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 폴리머 박막을 포함하는 센서 디바이스의 개략도이다.
도 2b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 다수의 센서 디바이스를 포함하는 센서 다이의 개략도이다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른 센서 디바이스의 평면도의 개략도이다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른, 다수의 유체 채널 접근 영역을 포함하는 미세유체 칩의 일부의 평면도의 개략도이다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른 미세유체 칩의 일부의 단면도의 개략도이다.
도 6a는 본 개시내용의 실시예에 따른 미세유체 칩의 측단면도의 개략도이다.
도 6b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 6a의 미세유체 칩의 확대도의 개략도이다.
도 6c는 본 개시내용의 실시예에 따른, 미세유체 칩에 클램핑된 센서 다이의 측단면도의 개략도이다.
도 6d는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 6c의 미세유체 칩에 클램핑된 센서 다이의 확대도의 개략도이다.
도 7a는 본 개시내용의 실시예에 따른 미세유체 칩의 측단면도의 개략도이다.
도 7b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 7a의 미세유체 칩의 확대도의 개략도이다.
도 7c는 본 개시내용의 실시예에 따른, 미세유체 칩에 클램핑된 센서 다이의 측단면도의 개략도이다.
도 7d는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 7c의 미세유체 칩에 클램핑된 센서 다이의 확대도의 개략도이다.
도 8a는 본 개시내용의 실시예에 따른 미세유체 칩의 측단면도의 개략도이다.
도 8b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 8a의 미세유체 칩의 확대도의 개략도이다.
도 9a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 미세유체 칩에 클램핑되고 인쇄 회로 기판에 전기적으로 커플링된 센서 다이의 측단면도의 개략도이다.
도 9b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 미세유체 칩에 클램핑되고 도 9a의 인쇄 회로 기판에 전기적으로 커플링된 센서 다이의 평면도의 개략도이다.
도 10a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 미세유체 칩에 클램핑되고 나사에 의해 미세유체 칩에 고정된 센서 다이의 측단면도의 개략도이다.
도 10b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 10a의 미세유체 칩에 클램핑된 센서 다이의 평면도의 개략도이다.
도 11a는 본 개시내용의 실시예에 따른 미세유체 칩의 개략도이다.
도 11b는 본 개시내용의 실시예에 따른 미세유체 칩의 개략도의 평면도이다.
도 12는 본 개시내용의 실시예에 따른, 인쇄 회로 기판을 포함하는 미세유체 칩의 개략도이다.
도 13a는 본 개시내용의 실시예에 따른 조립된 미세유체 칩의 개략도의 평면도이다.
도 13b는 본 개시내용의 실시예에 따른 조립된 미세유체 칩의 개략도의 측면 절결도이다.
도 14는 본 개시내용의 실시예에 따라 완전히 노출된 센서 영역을 갖는 센서 다이를 도시하는 조립된 미세유체 칩의 측면 절결도의 확대도이다.
도 15는 본 개시내용의 실시예에 따른, 클램핑된 박막을 갖는 센서 다이를 도시하는 조립된 미세유체 칩의 측면 절결도의 확대도이다.
도 16은 본 개시내용의 실시예에 따른, 기준 전극을 도시하는 조립된 미세유체 칩의 측면 절결도의 확대도이다.
도면은 축척대로 도시되어 있지 않다.
본 개시내용은 하나 이상의 센서 수용 영역을 가로지르는 미세유체 채널을 포함하는 미세유체 칩을 설명한다. 하나 이상의 센서 수용 영역은 이온 선택적 센서, 전류 측정 센서, 열 센서, 전도도 센서, 온도 센서 및/또는 산화 환원 전위(ORP) 센서 또는 다른 센서를 포함할 수 있다.
본 개시내용의 미세유체 칩은, 칩의 전면 상에 전기적 연결을 사용하는 것과 반대로, 센서 후면에 대해 형성되는 전기적 연결을 용이하게 한다. 전면 연결은 와이어 본드, C4 범프, 제브라 스트립(zebra strip)의 전도성 폴리머, 포고핀 등에 의해 용이해질 수 있다. 이러한 유형의 연결은 센서 위로 돌출될 수 있기 때문에, 이러한 기술들 중 임의의 기술은 미세유체 채널 위에 센서를 장착하는 것을 실용적이지 않게 한다. 연결이 채널 내에 있으면, 연결 또한 용액으로부터 절연되어야 하고, 이에 의해 채널 크기를 증가시키고, 채널을 린싱하기 어렵게 한다.
상기 언급된 바와 같이, 미세유체 화학 분석은 이온 선택적 센서, 전류 측정 센서, 열 센서, 전도도 센서, 온도 센서 및/또는 산화 환원 전위(ORP) 센서 또는 다른 센서와 같은 다양한 유형의 센서를 포함할 수 있다. 이러한 앞서 언급된 화학 센서는 관통-실리콘 비아를 각각 포함할 수 있어, 센서의 후면 상에 전기 컨택을 배치하는 것을 용이하게 한다.
예시적인 화학 센서는, 출원의 전체 내용이 인용에 의해 본 명세서에 포함되는, 2016년 7월 7일에 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 15/204,371에 설명되어 있다. 관통-웨이퍼 비아는, 용액으로부터 절연되어 있고, 다양한 기술들 중 임의의 기술을 사용하여 전기적 연결을 형성하는 것이 쉬운 다이의 후방에 대한 전기적 접근을 제공한다. 관통-웨이퍼 비아를 사용하는 것은, 센서 다이가 채널 위에 장착될 수 있도록, 센서 다이의 전면을 평면형으로 만든다. 평면형 센서 다이는, 출원의 전체 내용이 인용에 의해 본 명세서에 포함되는, 2017년 4월 7일에 출원된 미국 특허 출원 일련 번호 15/482,277에 설명된 방식과 같이, 미세유체 칩에 클램핑되거나 다른 방식으로 고정될 수 있다.
도 1은 본 개시내용의 실시예에 따른 센서 디바이스(100)의 개략도이다. 도 1에 도시된 개략도는 축척대로 도시되어 있지 않다. 센서 디바이스(100)는 기판(102)을 포함한다. 기판(102)은 실리콘<100>과 같은 실리콘(104)을 포함할 수 있다. 기판(102)은 “센서면(101)” 및 “후면(103)”을 포함한다. 센서면(101)은 이산화규소(SiO2) 층(106)일 수 있는 센서면 제1 패시베이션(passivation) 층(106)을 포함할 수 있다. 기판 후면(103)은 또한 이산화규소(108)일 수 있는 후면 패시베이션 층(108)을 포함할 수 있다. 용어 “층”은 본 개시내용 전체에 걸쳐 사용되고, 재료의 하나 이상의 층을 포함하도록 의도되며, 재료의 단층(monolayer) 또는 단일 원자 층을 의미하는 것으로 한정되지 않는다.
실리콘 기판(102)은 전도성을 갖도록 도핑될 수 있고, 전기적으로 절연된 도핑된 구역(110)을 포함할 수 있다. 전기적으로 절연된 도핑된 구역(110)은 붕소 p-형 도펀트(dopant)와 같은 p-형 도펀트를 포함할 수 있다. 센서 디바이스(100)는 센서면 전극(116) 및 후면 전극(112)을 포함한다. 전기적으로 절연된 도핑된 구역(110)은 센서면 전극(116)을 후면 전극(112)과 전기적으로 연결할 수 있고, 패시베이션 층[예를 들어, SiO2 층(109)]에 의해 기판의 나머지로부터 전기적으로 절연될 수 있다. 이 전기적으로 절연된 도핑된 구역(110)은 비아(110)[관통-실리콘 비아(110)일 수 있음]라고 지칭될 수 있다.
후면 전극(112)은 금속과 같은 전도성 재료를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 후면 전극(112)은 금(Au)을 포함할 수 있다. 후면 전극(112)은 본딩 패드(114)에 의해 접근될 수 있다. 일부 실시예에서, 후면(103)을 손상으로부터 보호하기 위해 다른 후면 패시베이션 층(113)이 후면 전극 위에 적층될 수 있다. 후면 패시베이션 층(113)은 질화규소 또는 이산화규소를 포함할 수 있다.
센서면(101)은 센서면 전극(116)을 포함할 수 있다. 비아(110)는 센서면 전극(116)에 물리적으로 그리고 전기적으로 연결된다. 센서면 전극은 은(Ag) 및 염화은(AgCl)을 포함할 수 있다. 염화은은 내부 충전 용액에 대해 안정한 계면 전위를 가지며, 바람직한 옴 특성을 갖는다.
일부 실시예에서, 비아(110)는 얇은 백금 디스크(118)에 전기적으로 그리고 물리적으로 연결된다. 백금 디스크(118)는 은에 의해 완전히 덮일 수 있다. 은은 염소화된 표면을 가지므로, 은/염화은 전극이 된다.
센서면 제1 패시베이션 층(106) 상에, 센서면 제2 패시베이션 층(120)이 있다. 센서면 제2 패시베이션 층(120)은 질화규소(Si3N4) 및 이산화규소(SiO2)를 포함할 수 있다. 예로서, 센서면 제2 패시베이션 층(120)은 질화규소일 수 있거나, 질화규소의 상부에 이산화규소의 층을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 센서면 전극(116)에 인접한 것은 센서면 제2 패시베이션 층(120) 상에 존재하는 폴리이미드 링 구조체(126a)이다. 폴리이미드 링(126a)은 원형 또는 실질적으로 원형일 수 있고, 센서면 전극(116)을 둘러쌀 수 있다.
그리핑 트렌치(gripping trench)(122a)는 폴리이미드 링 구조체(126a)에 인접한 센서면 제2 패시베이션 층(120)으로 에칭될 수 있다. 그리핑 트렌치(122a)는 제1 그리핑 트렌치(122a)일 수 있고; 제2 그리핑 트렌치(122b)와 같은 다수의 그리핑 트렌치는 제1 그리핑 트렌치(122a)에 인접하여 형성될 수 있다. 제1 그리핑 트렌치(122a) 및 제2 그리핑 트렌치(122b)는 원형 또는 실질적으로 원형일 수 있고, 센서면 전극(116)을 둘러쌀 수 있다[그리고 일부 실시예에서는, 폴리이미드 링(126a)을 둘러싼다].
그리핑 트렌치(122a 및 122b)는 아래에 있는 센서면 제1 패시베이션 층(106)[즉, 이산화규소(106)] 상에서 정지하도록 에칭될 수 있다. 그리핑 트렌치(122a 및 122b)의 형상은 박막이 수화할(hydrate) 때, 박막이 센서의 중심을 향해 당기는 것을 방지하여, 내부 충전 용액 내에 삼투압을 생성한다.
일부 실시예에서, 제2 폴리이미드 링(126b)은 센서면 제2 패시베이션 층(120) 상에 존재할 수 있다. 제2 폴리이미드 링(126b)은 원형 또는 실질적으로 원형일 수 있고, 센서면 전극(116) 및 그리핑 트렌치(122a)(및 존재하는 경우, 122b 또는 그 밖의 것)를 둘러쌀 수 있다.
실리콘 기판으로 설명되었지만, 기판(102)은 일부 실시예에서 유리 또는 세라믹 또는 다른 적합한 재료로 구성될 수 있다.
도 2a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 폴리머 박막(202)을 포함하는 센서 디바이스(100)의 개략도(200)이다. 도 2의 도면(200)은 히드로겔 완충 용액(204)뿐만 아니라 폴리머 박막(202)도 추가된 도 1의 센서 디바이스(100)를 도시한다. 도 2에서, 제1 폴리이미드 링(126a)은 히드로겔 완충 용액(204)의 크기를 규정하는 것으로 도시될 수 있다. 외측 폴리이미드 링(126b)은 센서 디바이스(100)의 변환기 역할을 하는 폴리머 박막(202)의 크기를 규정한다.
또한, 도 2a에 도시된 것은 그리핑 트렌치(122a 및 122b)를 충전하는 폴리머 박막(202)이다. 폴리머 박막(202)은, 폴리이미드 링의 형상에 기초하여, 그리고 박막 성분 및 유기 용매로 구성된, 적층된 폴리머 박막 칵테일 용액의 표면장력에 기초하여, 제2 폴리이미드 링(126b)에 의해 “제한”될 수 있다.
폴리머 박막(202)은 히드로겔 완충 용액(204)과 접촉하는 것으로 도시된다. 히드로겔 완충 용액(204)은 제1 폴리이미드 링(126a) 내에 존재할 수 있고, 전극(116)과 접촉할 수 있다. 폴리머 박막(202)에 잘-균형잡힌 전기 컨택을 제공하기 위해, 히드로겔 완충 용액(204)은 은/염화은 전극(116)과 폴리머 박막(202) 사이에 사용될 수 있다. 이 히드로겔-기반 충전 용액(204)은 고농도의 염으로 완충된다. 폴리머 박막(202)은 수용액에 노출될 때 수화하고, 히드로겔 완충 용액(204)의 높은 염 함유량은, 물이 박막을 통해 히드로겔 내로 이동할 때 폴리머 박막(202)에 상당한 삼투압을 발생시킬 수 있다.
다이의 센서면 상에 본딩 와이어를 배치할 필요성을 피함으로써, 비아(110)는 기계적 클램프가 폴리머 박막을 센서 디바이스 상에 단단히 고정하는 데 사용될 수 있게 한다. 기계적 클램프 및 그리핑 트렌치(들)[122a (및 122b)]는, 히드로겔 완충 용액(204)에 의해 생성된 삼투압이, 히드로겔 완충 용액을 폴리머 박막(202) 아래로부터 누출되도록 하여 박막 주위에 전기 단락 경로를 형성하는 것을 방지한다.
도 2b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 다수의 센서 디바이스를 포함하는 센서 다이(250)의 개략도이다. 센서 다이(250)는 상기 설명된 바와 같이, 기판(102)을 포함할 수 있다. 기판(102)은 다수의 센서(100)를 포함할 수 있다. 센서(100)는 링(126a 및 126b)에 의해 제한되는 박막(202)을 각각 포함할 수 있다. 박막은 그리핑 트렌치(122a 및 122b)를 덮을 수 있다. 관통-실리콘 비아(110)는 센서(100)를 기판(102) 상의 금속 전극에 전기적으로 연결할 수 있다. 기판(102)은 또한 링(252)을 포함할 수 있다. 링(252)은 링(126a 및 126b)과 동일한 또는 유사한 높이로 형성될 수 있다. 링(252)은 링(126a 및 126b)과 동일한 또는 유사한 방법으로 형성된 폴리이미드 링일 수 있다. 링(252)은 아래 설명된 바와 같이, 글루 정지부(glue stop)로 사용될 수 있다. 센서 다이(250)는 복수의 센서(100)를 포함할 수 있고, 2개가 예로서 도 2b에 도시된다.
도 3은 본 개시내용의 실시예에 따른 센서 디바이스(100)의 평면 예시도의 개략도(300)이다. 중심에는 비아(110)가 있다. 비아(110) 위에는 백금 디스크(118)가 있다. 백금 디스크(118) 위에는 은/염화은 전극(116)이 있다. 전극(116) 주위에는 제1 폴리이미드 링(126a)이 있다. 그리핑 트렌치(122a 및 122b)는 제1 폴리이미드 링(126a)을 둘러싼다. 제2 폴리이미드 링(126b)은 그리핑 트렌치(122a 및 122b)를 둘러싼다.
도 4는 본 개시내용의 실시예에 따른 다수의 유체 채널 접근 영역을 포함하는 미세유체 칩의 일부의 평면도의 개략도이다. 미세유체 칩 센서 수용부(400)는 상부면(402), 제1 중간면(404) 및 제2 중간면(408)을 포함한다. 제1 중간면(404)은 상부면(402)보다 높이가 낮아, 제1 중간면(404)으로부터 상부면(402)까지 계단식 전이를 형성한다. 제2 중간면(408)은 제1 중간면(404)보다 높이가 낮다. 제2 중간면(408)은 글루 정지부(406)를 포함할 수 있다. 글루 정지부(406)는 제2 중간면(408)으로부터 연장되는 상승부일 수 있다. 글루 정지부(406)는 실질적으로 직사각형 형상일 수 있다. 글루 정지부(406)는 20 마이크로미터 또는 이와 유사한 높이를 가질 수 있다.
제2 중간면(408)은 하나 이상의 센서 위치(410)를 포함할 수 있다. 센서 위치(410)는 센서 디바이스(100)와 같은 화학 센서 디바이스를 수용하기 위한 개구를 각각 포함할 수 있다. 제2 중간면(408)은 개구에 근접하고 개구를 둘러싸는 클램프 범프(412)를 포함할 수 있다. 클램프 범프(412)는 약 100 마이크로미터의 폭 및 약 10 내지 15 마이크로미터의 높이를 가질 수 있다. 일부 실시예에서, 글루 정지부(406)는 클램핑 범프보다 높을 수 있다. 일부 실시예에서, 글루 정지부(406) 및 클램핑 범프(410)는 실질적으로 동일한 또는 유사한 높이 치수를 가질 수 있다.
미세유체 칩 센서 수용부(400)는 3660mm(또는 실질적으로 3660mm)의 x-치수 및 6820mm(또는 실질적으로 6820mm)의 y-치수를 가질 수 있다. 미세유체 칩 센서 수용부(400) 상의 다양한 위치에 위치될 수 있는, 10개의 화학 센서 위치가 도시된다. 화학 센서 위치의 임의의 조합이 사용될 수 있다(예를 들어, 단일 센서가 사용되거나, 위치의 임의의 조합으로 복수가 사용될 수 있다).
미세유체 칩 센서 수용부(400)는 폴리 메틸 메타크릴레이트(poly methyl methacrylate)(PMMA), 폴리카보네이트, 폴리스티렌 또는 다른 열가소성 폴리머로 구성될 수 있다.
도 5는 본 개시내용의 실시예에 따른, 미세유체 칩의 일부의 단면도 A-A(500)의 개략도이다. 미세유체 칩 센서 수용부(400)는 상부면(402)을 포함한다. 제1 중간면(404)은 상부면(402)으로부터 아래의 단차로 도시된다. 실시예에서, 제1 중간면(404)은 센서 다이(250)가 미세유체 칩 상에 클램핑되도록 글루 정지부 및 글루 도포 지점을 생성한다. 제2 중간면(408)은 제1 중간면(404)으로부터 아래의 단차로 도시된다. 제2 중간면(404)은 미세유체 채널(420)에 대한 한 세트의 개구[예를 들어, 개구(410a 및 410b)]를 둘러싸는 글루 정지부(406)를 포함한다. 제2 중간면(404)은 또한 각각의 개구(410)를 둘러싸는 클램핑 범프(412)를 포함한다. 실시예에서, 제2 중간면(408)은 추가적인 글루 정지부 역할을 할 수 있는 트렌치(418)를 포함할 수 있다. 트렌치(418)는 글루 정지부(406)와 개구 세트 사이에 있을 수 있다.
도 6a는 본 개시내용의 실시예에 따른 미세유체 칩 센서 수용부(400)의 측단면도 B-B(600)의 개략도이다. 측단면도(600)는 미세유체 채널(420)을 노출시키는 개구(410)를 도시한다. 측단면도(600)는 상부면(402), 상부면(402)으로부터 아래로 단차진 제1 중간면(404); 및 제1 중간면(404)으로부터 아래로 단차진 제2 중간면(408)을 도시한다. 글루 정지부(406)는 제2 중간면(408)으로부터 연장되고, 개구(410a 및 410b)를 둘러싸는 것으로 도시된다. 제2 중간면(408)은 또한 각각의 개구[예를 들어, 개구(410a)]를 둘러싸는 클램핑 범프(412)를 포함한다. 트렌치(418)는 클램핑 범프(412)와 글루 정지부(406) 사이에 있을 수 있다. 트렌치(418)는 센서 다이(250)를 미세유체 칩 센서 수용부(400) 상에 클램핑하기 위한 추가적인 글루 정지부 역할을 할 수 있다.
도 6b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 6a의 미세유체 칩의 확대도의 개략도이다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 클램핑 범프(412)는 글루 정지부(406)와 동일한 또는 유사한 높이일 수 있다.
도 6c는 본 개시내용의 실시예에 따른, 미세유체 칩 센서 수용부(400)에 클램핑된 센서 다이(250)의 측단면도(660)의 개략도이다. 센서 다이(250)는 인가된 압력 하에서 미세유체 칩 센서 수용부(400) 상에 배치된다. 압력 하에서, 접착제(662)가 제1 중간면(404)과 제2 중간면(408) 사이의 틈에 도포된다. 접착제(662)는 압력 하에서 경화된다. 다른 접착제도 사용될 수 있지만, 예시적인 접착제로는 UV-경화된 아크릴레이트화 우레탄이 있다. 센서는 개구(410a 및 410b) 위에 정렬된다. 클램핑 범프(412)는 링들(126a 및 126b) 사이의 위치에서 박막(202)과 접촉한다. 인가된 압력은 박막(202)이 그리핑 트렌치(122a 및 122b) 내로 압축되게 할 수 있다.
도 6d는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 6c의 미세유체 칩 센서 수용부(400)에 클램핑된 센서 다이(250)의 확대도(670)의 개략도이다. 확대도(670)는 링들(126a 및 126b) 사이의 위치에서 박막(202)과 접촉하는 클램핑 범프(412)를 도시한다. 클램프(412) 상으로 인가된 센서 다이(250)의 압력은, 박막이 트렌치(122a 및 122b) 내로 압축되도록 박막(202)을 가압한다. 확대도(670)는 또한 글루-정지 트렌치(418)를 도시한다.
도 7a는 본 개시내용의 실시예에 따른 미세유체 칩(700)의 측단면도의 개략도이다. 측단면도(700)는 미세유체 채널(720)을 노출시키는 개구(710)를 도시한다. 측단면도(700)는 상부면(702), 상부면(702)으로부터 아래로 단차진 제1 중간면(704); 및 제1 중간면(704)으로부터 아래로 단차진 제2 중간면(708)을 도시한다. 글루 정지부(706)는 제2 중간면(708)으로부터 연장되고, 개구(710a 및 710b)를 둘러싸는 것으로 도시된다. 제2 중간면(708)은 또한 각각의 개구[예를 들어, 개구(710a)]를 둘러싸는 클램핑 범프(712)를 포함한다. 트렌치(718)(도 7b에 도시됨)는 클램핑 범프(712)와 글루 정지부(706) 사이에 있을 수 있다. 트렌치(718)는 센서 다이(250)를 미세유체 칩(700) 상에 클램핑하기 위한 추가적인 글루 정지부 역할을 할 수 있다.
도 7b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 7a의 미세유체 칩의 확대도(750)의 개략도이다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 클램핑 범프(712)는 글루 정지부(706)보다 낮은 높이에 있을 수 있다.
도 7c는 본 개시내용의 실시예에 따른, 미세유체 칩(700)에 클램핑된 센서 다이(250)의 측단면도(760)의 개략도이다. 센서 다이(250)는 인가된 압력 하에서 미세유체 칩(700) 상에 배치된다. 압력 하에서, 접착제(762)가 제1 중간면(704)과 제2 중간면(708) 사이의 틈에 도포된다. 접착제(762)는 다이가 미세유체 칩과 접촉한 상태에서 고정되도록 압력이 인가되는 동안 경화된다. 센서는 개구(710a 및 710b) 위에 정렬된다. 클램핑 범프(712)는 링들(126a 및 126b) 사이의 위치에서 박막(202)과 접촉한다. 인가된 압력은 박막(202)이 그리핑 트렌치(122a 및 122b) 내로 압축되게 할 수 있다. 글루 정지부(706)는 글루 정지부(706) 높이가 클램핑 범프(712)보다 높기 때문에 센서 다이(250)와 접촉할 수 있다. 글루 정지부(706)와 센서 다이(250) 사이에 형성된 접촉은, 접착제(762)가 박막(202) 또는 센서의 다른 부분과 접촉하는 것을 방지하는 것을 추가로 도울 수 있다. 글루 정지부(706)는 센서 다이(250)를 위한 스페이서 또는 경질의 정지부(hard stop) 역할을 할 수 있다.
도 7d는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 7c의 미세유체 칩(700)에 클램핑된 센서 다이(250)의 확대도(770)의 개략도이다. 확대도(770)는 링들(126a 및 126b) 사이의 위치에서 박막(202)과 접촉하는 클램핑 범프(712)를 도시한다. 클램프(712) 상으로 인가된 센서 다이(250)의 압력은, 박막이 트렌치(122a 및 122b) 내로 압축되도록 박막(202)을 가압한다. 확대도(770)는 또한 글루-정지 트렌치(718)를 도시한다.
도 8a는 본 개시내용의 실시예에 따른 미세유체 칩(800)의 측단면도의 개략도이다. 미세유체 칩(800)은 미세유체 채널(820)을 노출시키는 개구(810)를 포함한다. 측단면도(800)는 상부면(802), 상부면(802)으로부터 아래로 단차진 제1 중간면(804); 및 제1 중간면(804)으로부터 아래로 단차진 제2 중간면(808)을 도시한다. 글루 정지부(806)는 제2 중간면(808)으로부터 연장되고, 개구(810a 및 810b)를 둘러싸는 것으로 도시된다. 제2 중간면(808)은 또한 각각의 개구[예를 들어, 개구(810a)]를 둘러싸는 클램핑 범프(812)를 포함한다. 미세유체 칩(800)은 글루 정지부(806)와 클램핑 범프(812) 사이에 트렌치를 포함하지 않는다.
도 8b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 8a의 미세유체 칩의 확대도(850)의 개략도이다. 도 8b에 도시된 바와 같이, 클램핑 범프(812)는 글루 정지부(806)보다 낮은 높이에 있을 수 있다.
도 9a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 미세유체 칩 센서 수용부(400)에 클램핑되고 인쇄 회로 기판(902)에 전기적으로 커플링된 센서 다이(250)의 측단면도(900)의 개략도이다. 미세유체 칩(400)은 도 4 내지 도 6d에 도시된 미세유체 칩(400)과 유사하지만, 도 7a 내지 도 7d의 미세유체 칩(700) 또는 도 8a 내지 도 8b의 미세유체 칩(800)과도 유사할 수 있다. 센서 다이(250)는, 센서 다이(250)가 미세유체 칩 센서 수용부(400) 상으로 가압되고 경화되는 동안 도포되는 [접착 물질(662) 또는 접착 물질(762)과 같은] 접착제에 의해 미세유체 칩 센서 수용부(400)에 클램핑된다. 인쇄 회로 기판(902)은 접착제(904)에 의해 미세유체 칩 센서 수용부(400)의 상부면(402)에 접착될 수 있다. 접착제(904)는 접착 테이프, 양면 테이프, 글루, 또는 미세유체 칩 센서 수용부(400) 상에 강성 구조체를 부착하는 다른 공지된 기술일 수 있다. 인쇄 회로 기판(902)은, 전도성 트레이스(도시되지 않음)를 통해 다른 회로 요소(954)(일부는 도 9b에 도시됨)와 전기적으로 연결된 하나 이상의 컨택 패드(952)(도 9b에 도시됨)를 포함할 수 있다. 센서(100)는 와이어 본드(906)를 통해 인쇄 회로 기판(902)에 각각 전기적으로 연결될 수 있다. 와이어 본딩이 완료된 후에, 와이어 본드(906)를 보호하고 컨택 패드를 전기적으로 절연시키기 위해, 캡슐재(908)가 인쇄 회로 기판(902)의 적어도 일부 위에 도포될 수 있다. 캡슐재는 UV-경화된 개질 우레탄일 수 있다.
인쇄 회로 기판(902)은 센서(100)와 외부 전자장치 사이에 전기적 연결성을 제공하는 데 사용될 수 있는, 강성 구조체를 포함하도록 일반화될 수 있다. 강성 구조체는 PCB, 금속면, 폴리머면 등일 수 있다.
도 9b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 미세유체 칩에 클램핑되고 도 9a의 인쇄 회로 기판에 전기적으로 커플링된 센서 다이의 평면도(950)의 개략도이다. 도 9b는 센서 컨택(114)을 포함하는 센서 다이(250)를 도시한다. 센서 컨택(114)은 비아(110)(도 9a에 도시됨)를 통해 센서의 ISE에 전기적으로 연결된다. 센서 컨택(114)은 와이어 본드(906)를 통해 PCB(902) 상의 컨택 패드(952)에 전기적으로 연결된다. 도시된 바와 같이, PCB(902)는 또한, 비아를 센서에 적용하는 것, 센서로부터 전기 신호를 검출하는 것 및 다른 기능을 포함하는 다양한 기능을 수행할 수 있는 전기 부품(954)을 포함할 수 있다.
도 10a는 본 개시내용의 실시예에 따른, 미세유체 칩 센서 수용부(400)에 클램핑되고 나사(1004)에 의해 미세유체 칩에 고정된 센서 다이(250)의 측단면도(1000)의 개략도이다. 강성 구조체(1002)는 센서(100)와 외부 전자장치 사이에 전기적 연결성을 제공하는 데 사용될 수 있다. 강성 구조체(1002)는 PCB, 금속면, 폴리머면 등일 수 있다. 미세유체 칩 센서 수용부(400) 및 강성 구조체(1002)는, 본 실시예에서 잠금 너트를 사용하여 고정되는, 나사(1004)를 수용하기 위한 관통 구멍을 포함할 수 있다.
도 10b는 본 개시내용의 실시예에 따른, 도 10a의 미세유체 칩 센서 수용부(400)에 클램핑된 센서 다이(250)의 평면도(1050)의 개략도이다. 도 10a는, 와이어 본드(1006)를 통해 센서 상의 컨택(114)을 외부 전자장치[예를 들어, 전자장치(1054)]와 전기적으로 연결할 수 있는, 컨택 패드(1052)를 포함하는 강성 구조체(1002)를 도시한다. 나사(1004)는, 도시되지 않은 하면 상의 너트로 강성 구조체(1002)를 미세유체 칩 센서 수용부(400)에 고정하는 것으로 도시된다.
도 11a는 본 개시내용의 실시예에 따른 미세유체 칩(1100)의 개략도이다. 미세유체 칩(1100)은 폴리 메틸 메타크릴레이트(PMMA), 폴리카보네이트, 폴리스티렌 또는 다른 열가소성 폴리머로 구성될 수 있다. 미세유체 칩(1100)은 상기 설명된 바와 같이, 미세유체 칩 센서 수용부(400)를 포함할 수 있다. 미세유체 칩(1100)은 유체 유입부(1112)를 포함할 수 있다. 유체 유입부(1112)는 미세유체 칩(1100)의 저면에 배치된다. 유체 유입부(1112)는 유체를 수용하고 유체를 도 11b에 도시된 미세유체 채널(1152)을 향해 유도할 수 있다. 미세유체 칩(1100)은 또한 유체 유입부(1112)의 하류에 혼합 챔버(1106)를 포함할 수 있다. 혼합 챔버(1106)는, 유체가 혼합 챔버(1106)를 통해 흐를 때 유입 유체가 방향을 여러 번 바꾸도록 할 수 있는, 복수의 핑거(finger) 또는 배플(baffle)을 포함할 수 있다.
미세유체 칩(1100)은 미세유체 칩 센서 수용부(400)를 포함할 수 있다. 미세유체 칩 센서 수용부(400)는 센서 다이(250)와 같은 미세유체 센서 다이를 수용할 수 있다. 도 11a에 도시된 미세유체 채널(1110)은, 미세유체 칩 센서 수용부(400)의 각각의 센서 위치에 걸쳐 유체를 유도하는 사행형의 채널일 수 있다. 도 11b에 도시된 것과 같은 실시예에서, 미세유체 채널(1152)은 직선 채널이다. 채널의 두 구조는 본 개시내용의 범위 내에 있다. 미세유체 칩 센서 수용부(400)는 센서(100)와 같은 전위차 센서를 수용할 수 있다. 미세유체 칩 센서 수용부(400)는 도 15를 동반하는 본문에서 보다 상세히 논의된다.
미세유체 칩 센서 수용부(400)의 하류에는 전류 측정 센서 수용 영역(1104)이 있다. 전류 측정 센서 수용 영역(1104)은 도 14를 동반하는 본문에서 보다 상세히 논의된다.
전류 측정 센서 수용 영역(1104)의 하류에는 기준 전극 수용 영역(1108)이 있다. 기준 전극 수용 영역(1104)은 도 16을 동반하는 본문에서 보다 상세히 논의된다.
기준 전극 수용 영역(1104)의 하류에는 탁도 센서 영역(1116)이 있다. 탁도 센서 영역(1104)의 하류에는 유체 배출부(1120)가 있다.
미세유체 칩(1100)은 하나 이상의 PCB 정렬 구조체(1122)를 포함한다. PCB 정렬 구조체(1122)는, PCB를 미세유체 칩(1100)과 정렬시키기 위해 PCB 내의 구멍을 통과할 수 있는 돌출부일 수 있다.
도 11b는 본 개시내용의 실시예에 따른 미세유체 칩(1101)의 개략도의 평면도(1150)이다. 미세유체 칩(1101)은 미세유체 칩(1100)과 유사하지만, 미세유체 칩 센서 수용부(400)에 대응하는 구역에서 비-사행형의 미세유체 채널(1152)을 포함하는 것으로 도시된다. 미세유체 칩(1101)의 평면도(1150)는 각각의 센서 영역에 대응하는 미세유체 채널(1152)뿐만 아니라, 미세유체 칩 센서 수용부(400), 전류 측정 센서 영역(1104) 및 기준 전극 영역(1108)의 예시적인 위치를 도시한다.
도 12는 본 개시내용의 실시예에 따른, 인쇄 회로 기판(1202)을 포함하는 미세유체 칩(1101)의 개략도(1200)이다. 미세유체 칩(1101)이 도 12에 도시되어 있지만, 미세유체 칩(1100)은 본 개시내용의 범위를 벗어나지 않고 사용될 수도 있는 것으로 이해된다. 인쇄 회로 기판(1202)은 미세유체 칩(1101)의 상부에 배치된 것으로 도시된다. 여기서 용어 “~의 상부에”는, 미세유체 칩(1101)의 저면의 유체 유입부(1112) 및 유체 배출부(1120)가 여전히 노출되어 있고, 인쇄 회로 기판(1202)은 유체 유입부(1112) 및 유체 배출부(1120) 보다 미세유체 칩(1101)의 반대측에 배치되어 있다는 것을 의미한다. 인쇄 회로 기판(1202)으로 지칭되지만, 다양한 유형의 구조체 또는 재료가, 센서 요소와 아래에 있는 미세유체 칩(1101) 사이에서 전기적 및 기계적 인터페이스 역할을 하는 데 사용될 수 있는 것으로 이해된다. 인쇄 회로 기판(1202)은, 센서 다이(250)를 미세유체 칩 센서 수용부(400)에 고정시키기 위한 구조적 안정성을 제공하는 데 사용될 뿐만 아니라, 센서(100)와 외부 전자장치 사이에 전기적 연결성을 제공하는 데도 사용될 수 있는, 강성 구조체를 포함하도록 일반화될 수 있다. 강성 구조체는 인쇄 회로 기판(PCB), 금속면, 폴리머면 등일 수 있다.
PCB(1202)는 PCB 정렬 구멍(1204)에 의해 미세유체 칩(1101)에 고정될 수 있다. PCB 정렬 구멍(1204)은 PCB 정렬 구조체(1122)와 일렬로 배열되는 구멍일 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, PCB 정렬 구조체(1122)는 PCB 정렬 구멍(1204)을 통과하는 돌출부일 수 있다. PCB(1202)는 접착제(1302)(도 13b에 도시됨)에 의해 미세유체 칩(1101)에 고정될 수 있다. 다른 접착제도 사용될 수 있지만, 예시적인 접착제로는 UV-경화된 아크릴레이트화 우레탄이 있다.
PCB(1202)는 복수의 본딩 패드(1208)를 포함할 수 있다. 본딩 패드(1208)는 센서 다이(250) 상의 컨택(114)과 같은 센서 후면 컨택에 전기적 연결성을 제공할 수 있다. 본딩 패드(1208)는 매립된 트레이스(1214)를 통해 커넥터(1210)에 전기적으로 커플링될 수 있다. 매립된 트레이스(1214)는 PCB(1202)의 상면, 중간층 또는 저면에 있을 수 있다. 본딩 패드(1208)는, 본딩 패드(1208)의 일부를 커넥터(1210)와 전기적으로 연결하기 위해 PCB(1202)의 저면 또는 중간층의 트레이스로의 비아(1206)를 포함할 수 있다. 커넥터(1210)는, 각각이 전기적으로 절연될 수 있는 복수의 금 핑거를 포함할 수 있다. 금 핑거는 센서로 그리고 센서로부터 전기 신호를 송신 및 수신하는 데 각각 사용될 수 있다. 기준 전극 본딩 패드(1212)는 또한 기준 전극을 본딩하기 위해 PCB(1202) 상에 존재할 수 있다.
도 13a는 본 개시내용의 실시예에 따른 조립된 미세유체 칩(1300)의 개략도의 평면도이다. 조립된 미세유체 칩(1300)은 기준 전극 캡슐(1302) 및 하나 이상의 화학 센서 다이(250)를 포함한다. 센서 다이(250)는 도 13b 내지 도 16에서 추가로 논의된다. 기준 전극 캡슐(1302)은 기준 측정치를 만들기 위한 기준 용액을 포함할 수 있다. 기준 전극 캡슐은 또한 박막 역할을 할 수 있는 세라믹 프릿(frit)(1304)을 포함할 수 있다. 세라믹 프릿(1304)은 다공성 재료로 이루어질 수 있다. 세라믹 프릿(1304)은 기준 전극 캡슐(1302)에 함유된 전해질 용액을 통하는, 그리고 은/염화은 전극으로의, 옴 경로를 제공한다. 전극(1306)은 기준 전극(1302)을 PCB(1202)와 전기적으로 커플링시킬 수 있다. 전극(1306)은 은(Ag) 또는 염화은(AgCl)일 수 있다. 전극(1306)은 기준 전극 본딩 패드(1212)에 전기적으로 커플링될 수 있다.
센서 다이(250)는 접착제(1308)에 의해 미세유체 칩(1101)에 고정될 수 있다. 다른 접착제도 사용될 수 있지만, 예시적인 접착제(1308)로는 UV-경화된 아크릴레이트화 우레탄이 있다. 센서 다이(250) 상의 컨택 패드는 와이어 본드(1310)에 의해 인쇄 회로 기판(1202)에 전기적으로 커플링될 수 있다.
도 13b는 본 개시내용의 실시예에 따른 조립된 미세유체 칩(1300)의 개략도의 측면 절결도(1350)이다. 절결도(1350)는 PCB 정렬 구멍(1204) 내의 PCB 정렬 구조체(1122)를 도시한다. 절결(1350)은 또한 유체 채널(1152)을 도시한다. PCB(1202)는 접착제(1352)에 의해 미세유체 칩(1101)에 고정된다.
절결도(1350)는 도 14 내지 도 16에서 설명된 3개의 관심 영역[전류 측정 센서 영역(1400), 전위차 센서 영역(1500) 및 기준 전극 영역(1600)]을 도시한다.
도 14는 본 개시내용의 실시예에 따라 완전히 노출된 센서 영역인 전류 측정 센서 영역(1400)을 도시하는 조립된 미세유체 칩의 측면 절결도의 확대도이다. 이전에 언급된 바와 같이, PCB(1202)는 접착제(1352)에 의해 미세유체 칩(1101)에 고정된다. 센서 다이(250)는 접착제(1402)에 의해 미세유체 칩(1101)에 고정된다. 센서 다이(250)는 복수의 화학 센서(100)를 포함한다. 화학 센서(100)는 후면 컨택(114)에 의해 와이어 본드(1310)로 PCB(1202)에 전기적으로 연결된다. 와이어 본드 및 노출된 전기 컨택은 캡슐재(1404)에 의해 보호되고 절연될 수 있다.
센서(100)[및 센서 다이(250)의 전체 센서면 표면]는 미세유체 채널(1152)에 각각 완전히 노출된다.
도 15는 본 개시내용의 실시예에 따른, 클램핑된 박막을 갖는 전위차 센서 영역(1500)을 도시하는 조립된 미세유체 칩의 측면 절결도의 확대도이다. 미세유체 칩(1101)은 클램핑 구조체(1506)를 포함하는 것으로 도시된다. 클램핑 구조체(1506)는 상기 도 5 내지 도 10b에서 논의된 클램핑 구조체와 유사할 수 있다. 클램핑 구조체(1506)는 센서(100) 및 실리콘 다이(250)를 미세유체 칩(1101)에 고정하는 것을 도울 수 있다. 클램핑 구조체(1506)는 또한 유체를 센서를 향해 유도하도록 구성될 수 있다.
이전에 언급된 바와 같이, PCB(1202)는 접착제(1352)에 의해 미세유체 칩(1101)에 고정될 수 있다. 센서 다이(250)는 접착제(1502)에 의해 미세유체 칩(1101)에 고정될 수 있다. 센서 다이(250)는 복수의 화학 센서(100)를 포함한다. 화학 센서(100)는 후면 컨택(114)에 의해 와이어 본드(1310)로 PCB(1202)에 전기적으로 연결된다. 와이어 본드 및 노출된 전기 컨택은 캡슐재(1504)에 의해 보호되고 절연될 수 있다.
도 16은 본 개시내용의 실시예에 따른, 기준 전극을 도시하는 조립된 미세유체 칩의 측면 절결도의 확대도이다. 기준 전극 캡슐(1302)은 기준 유체를 포함하는 것으로 도시된다. 유체는, PCB(1202) 상의 전극에 와이어 본딩된 전극(1306)에 커플링될 수 있다. 기준 전극(1600)은, 캡슐(1302) 내의 기준 유체뿐만 아니라 미세유체 채널(1152)에도 노출되는, 세라믹 프릿 또는 윅(wick)을 포함한다. 세라믹 프릿(1304)은 접착제(1602)를 사용하여 고정될 수 있다. 이전에 언급된 바와 같이, PCB(1202)는 접착제(1352)에 의해 미세유체 칩(1101)에 고정된다.
본 개시내용에 설명된 양태는, 본 명세서에 설명된 센서 디바이스 및 구조체를 생성하기 위해, 그리고 본 명세서에 설명되고 당업자에게 자명한 장점을 달성하기 위해, 얇은-막 제작 기술을 채용할 수 있다.
본 개시내용의 장점은 자명하다. 미세 이온-선택적 전극에 연결하기 위해 관통-실리콘 비아를 사용하는 것의 장점은, 센서 다이 상의 평면형 센서 표면을 용이하게 한다. 평면형 센서 표면은, 센서 다이가 미세유체 채널 위에 장착되게 하고, 전기 컨택이 미세유체 채널로부터 분리되어 유지되도록 한다. 전기 신호는, 인쇄 회로 기판 상의 패드에 대한 편리한 와이어-본딩을 위해 센서 다이의 후면 상에서 이용 가능하다. 센서 다이의 후면 상의 본딩 와이어는, 센서와 접촉하는 용액으로부터 센서 다이 자체에 의해 분리되어 있기 때문에, 센서와 접촉하는 용액으로부터 절연될 필요가 없다.
특정 실시예가 상세히 설명되었지만, 본 개시내용과 관련된 기술분야에 친숙한 사람들은, 다음의 청구범위에 의해 설명되는 센서 디바이스를 제조하고 사용하기 위한 다양한 추가적인 및/또는 대안적인 설계, 실시예 및 프로세스 단계들을 인식할 것이다.
Claims (18)
- 미세유체 칩이며,
미세유체 칩 상에 존재하는 센서 디바이스로서, 센서면 및 후면을 포함하는 기판을 포함하며, 센서면은 화학 센서를 포함하고 후면은 후면 전극을 포함하며, 화학 센서는 비아에 의해 후면 전극에 전기적으로 커플링되는, 센서 디바이스;
미세유체 칩 내의 미세유체 채널로서, 센서 디바이스의 센서면이 미세유체 채널을 향하는, 미세유체 채널; 및
후면 전극에 전기적으로 연결된 금속 컨택을 포함하는, 미세유체 칩. - 제1항에 있어서,
센서 디바이스는 이온-선택적 센서, 전류 측정 센서, 열 센서, 전도도 센서, 온도 센서 또는 산화 환원 전위(ORP) 센서 중 하나를 포함하는, 미세유체 칩. - 제1항에 있어서,
센서 디바이스는 후면 전극을 센서면 상의 센서면 전극에 전기적으로 연결하는 관통 실리콘 비아를 포함하는, 미세유체 칩. - 제1항에 있어서,
센서 디바이스 후면 및 금속 컨택을 덮는 캡슐재를 더 포함하는, 미세유체 칩. - 제1항에 있어서,
센서 다이로부터 미세유체 채널 내의 하류에 기준 전극을 더 포함하는, 미세유체 칩. - 제1항에 있어서,
센서 다이를 포함하며, 센서 다이는 복수의 센서 디바이스를 포함하는, 미세유체 칩. - 제1항에 있어서,
절취부 부분을 포함하며, 절취부 부분은 렛지를 포함하며, 센서 디바이스는 절취부의 렛지에 견고하게 부착되는, 미세유체 칩. - 제1항에 있어서,
인쇄 회로 기판(PCB)을 더 포함하며, PCB는 전기 컨택을 포함하며, 금속 컨택은, PCB 전기 컨택에 전기적으로 연결되고 PCB 전기 컨택을 후면 전극에 전기적으로 연결하는, 와이어를 포함하는, 미세유체 칩. - 제1항에 있어서,
금속 컨택은 포고핀 전기 인터페이스를 포함하는, 미세유체 칩. - 제1항에 있어서,
금속 컨택은 금 범프, 압력 컨택 또는 와이어 본드 중 하나를 포함하는, 미세유체 칩. - 제1항에 있어서,
센서 디바이스는 제1 센서 디바이스이며, 미세유체 칩은 제1 센서 디바이스의 하류에 제2 센서 디바이스를 더 포함하는, 미세유체 칩. - 제11항에 있어서,
제1 센서 디바이스 및 제2 센서 디바이스는 각각, 제1 센서 디바이스는 전위차 센서 또는 전류 측정 센서 중 하나를 포함하며, 제2 센서 디바이스는 전류 측정 센서 또는 전위차 센서 중 하나를 포함하는, 미세유체 칩. - 제1항에 있어서,
미세유체 칩은 클램핑 구조체를 포함하며, 클램핑 구조체는, 센서 디바이스를 미세유체 칩에 고정하기 위해 센서 디바이스의 박막과 결합하는 적어도 하나의 상승부를 포함하는, 미세유체 칩. - 제1항에 있어서,
미세유체 채널은 센서 디바이스 아래에 배치된 사행형의 채널을 포함하는, 미세유체 칩. - 센서 디바이스를 포함하는 미세유체 시스템을 형성하기 위한 방법이며,
미세유체 칩을 제공하는 단계로서, 미세유체 칩은 센서 디바이스 장착면을 포함하며, 센서 디바이스 장착면은 미세유체 채널을 노출시키는 네거티브 공간 및 미세유체 채널 위에 존재하는 렛지를 포함하는, 단계;
렛지 상에 접착제를 제공하는 단계;
렛지 상에 센서 디바이스를 제공하고, 센서 디바이스를 접착제에 의해 렛지 상에 고정하는 단계로서, 센서 디바이스는 센서면 및 후면을 포함하며, 센서 디바이스는 센서면이 미세유체 채널을 향하는 상태로 렛지 상에 위치되는, 단계;
센서 디바이스 상의 후면 전극을 2차 전극에 전기적으로 연결하는 단계; 및
센서 디바이스, 인쇄 회로 기판 상의 전기 컨택, 및 와이어 본드 상에 캡슐재를 제공하는 단계를 포함하는, 센서 디바이스를 포함하는 미세유체 시스템을 형성하기 위한 방법. - 제15항에 있어서,
미세유체 칩 상에 인쇄 회로 기판을 제공하는 단계로서, 인쇄 회로 기판은 전기 컨택 패드를 포함하는, 단계를 더 포함하며,
센서 디바이스 상의 후면 전극을 2차 전극에 전기적으로 연결하는 단계는, 후면 전극을 전기 컨택 패드에 와이어 본딩하는 단계를 포함하는, 센서 디바이스를 포함하는 미세유체 시스템을 형성하기 위한 방법. - 제15항에 있어서,
후면 전극은 센서 디바이스의 센서면 상의 센서에 전기적으로 커플링되는, 센서 디바이스를 포함하는 미세유체 시스템을 형성하기 위한 방법. - 제15항에 있어서,
센서면은 화학 센서, 전류 측정 센서, 열 센서, 전도도 센서, 온도 센서 또는 산화 환원 전위(ORP) 센서 중 하나를 포함하는, 센서 디바이스를 포함하는 미세유체 시스템을 형성하기 위한 방법.
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