KR20200117834A - 적층된 매니폴드를 갖는 카트리지 - Google Patents

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KR20200117834A
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대런 시갈리
하이 트란
폴 크리벨리
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일루미나, 인코포레이티드
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Abstract

외부 전자 연결을 위한 전기 상호접속부를 갖는 회로 및 다이 상의 센서(들)는 센서(들)의 활성 표면 상에 액체 시약을 전달하기 위한 적층된 매니폴드와 결합된다. 적층된 매니폴드는 유체 채널(들)을 포함하되, 다이와 유체 채널(들) 사이의 경계면이 밀봉된다. 또한, 유체 채널(들)을 포함하는 적층된 매니폴드를 조립하는 단계, 전기 상호접속부를 포함하는 회로에 다이 상의 센서(들)를 부착시키는 단계, 및 다이를 위한 절결부를 포함하는 평탄화 층을 회로에 부착시키는 단계를 포함하는 방법이 개시되어 있다. 본 방법은 다이의 측면에 밀봉 접착제를 배치시키는 단계, 회로에 적층된 매니폴드를 부착시키는 단계, 및 다이와 유체 채널(들) 사이의 경계면을 밀봉하는 단계를 더 포함한다.

Description

적층된 매니폴드를 갖는 카트리지
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2018년 2월 3일자로 출원된 미국 가출원 제62/626,022호 및 2018년 3월 19일자로 출원된 독일특허출원 제N2020616호에 대한 우선권을 주장한다. 상기 기초 출원 각각의 전체 내용은 본 명세서에 참고로 원용된다.
생물학적 또는 화학적 분석을 위한 현재의 카트리지(cartridge)는 효율적인 방식으로 액체 시약을 다루지 못한다. 예를 들어, 유체 경로(fluidic path)는 시약 저장 구역으로부터 기존의 매니폴드를 통해 반도체 센서(들)를 포함하는 다이(die)까지 진행하여, 길다. 이러한 배열은 분석을 더디게 할 수 있고 각 사이클에 대해 사용되는 대량의 세척 시약을 생성시킬 수 있다.
이에 따라, 더욱 효율적인 유체 경로 디자인이 필요하다.
기존 방법의 단점은 극복될 수 있으며, 추가적인 장점은 일 양상에서 장치의 제공을 통해 제공된다. 이러한 장치는 외부 전기적 연결을 위한 전기 상호접속부(electrical interconnect)를 포함하는 회로 및 회로에 결합된 다이(die) 상의 적어도 하나의 센서, 및 적어도 하나의 센서의 활성 표면 상에 액체 시약을 전달하기 위해 회로에 부착된 적층된 매니폴드(laminated manifold)로서, 적어도 하나의 유체 채널(fluidic channel)을 포함하는 적층된 매니폴드를 포함하며, 다이와 적어도 하나의 유체 채널 사이의 경계면은 밀봉되어 있다.
또 다른 양상에 따르면, 방법이 제공된다. 이러한 방법은 적어도 하나의 유체 채널을 포함하는 적층된 매니폴드를 조립하는 단계, 전기 상호접속부를 포함하는 회로에 다이 상의 적어도 하나의 센서를 부착시키는 단계, 및 다이를 위한 절결부(cut out)를 포함하는 평탄화 층(planarization layer)을 회로에 부착시키는 단계를 포함한다. 이러한 방법은 다이의 측면에 밀봉 접착제(sealing adhesive)를 배치시키는 단계, 회로에 적층된 매니폴드를 부착시키는 단계, 및 다이와 적어도 하나의 유체 채널 사이의 경계면을 밀봉하는 단계를 더 포함하되, 적층된 매니폴드 및 부착된 회로는 함께 조립체를 구성한다.
본 개시내용의 이러한 및 다른 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 함께 얻어진 이의 다양한 양상의 하기 상세한 설명으로부터 명백하게 될 것이며, 도면에서:
도 1은 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따른, 예를 들어, 생물학적 또는 화학적 분석을 위해 사용 가능한, 센서 및 적층된 매니폴드를 갖는 카트리지(cartridge)의 일례의 사시도이다.
도 2는 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따른, 적층된 매니폴드의 다양한 층을 도시한, 도 1의 적층된 매니폴드의 일례의 확대도(blown-up view)이다.
도 3은 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따른, 적층된 매니폴드 및 회로와 관련한 센서의 일례의 사시도이다.
도 4는 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따른, 도 3의 라인으로 가로질러 얻어진 센서 구역의 단면의 일례의 사시도이다.
도 5 내지 도 10은 도 1의 카트리지를 구성하는 다양한 스테이지(stage)를 도시한 것이다. 도 5는 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따른, 센서가 부착된 회로의 일례의 사시도이다.
도 6은 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따른, 예를 들어, 감압 접착제를 포함하는 결합층(bonding layer)을 사용함을 통해 도 5의 회로에 평탄화 층을 부착시키는 것을 도시한 것이다.
도 7은 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따른, 도 6의 구조에 브리지 접착제(bridge adhesive)를 분배하고 경화시키는 것을 도시한 것이다.
도 8은 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따른, 예를 들어, 감압 접착제를 포함하는 결합층(도 2)을 통해, 도 7의 회로에 적층된 매니폴드(예를 들어, 도 2에 대해 기술된 바와 같음)를 부착시키는 일례를 도시한 것이다.
도 9는 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따른, 도 8의 구조에 와이어 결합을 형성하고, 와이어 결합을 캡슐화하고, 흐름 셀 채널을 부착시키는 것의 일례를 도시한 것이다.
도 10은 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따른, 시약 로터(reagent rotor) 및 카트리지 바디(cartridge body)에 도 9의 구조를 연결시키는 것의 일례를 도시한 것이다.
본 개시내용의 양상 및 이의 특정 특징, 장점 및 세부사항은 첨부된 도면에 예시된 비제한적인 예를 참조하여 하기에서 더욱 상세히 설명된다. 널리 공지된 물질, 제작 툴, 가공 기술, 등의 설명은 관련 세부사항을 불필요하게 모호하지 않게 하기 위해 생략된다. 그러나, 본 개시내용의 양상을 명시하면서, 상세한 설명 및 특정 실시예가 단지 예시로서 제공되고, 제한되지 않는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명의 기본 개념의 사상 및/또는 범위 내에서의, 다양한 치환, 개질, 첨가, 및/또는 배열은 본 개시내용으로부터 당업자에게 명백하게 될 것이다.
본 명세서 및 청구범위 전반에 걸쳐 본 명세서에서 사용되는 근사 언어(approximating language)는 이와 관련된 기본 기능의 변화를 야기시키지 않으면서 허용 가능하게 변할 수 있는 임의의 정량적 표현을 수식하기 위해 적용될 수 있다. 이에 따라, "약" 또는 "실질적으로"와 같은, 용어 또는 용어들에 의해 수식된 값은 명시된 정확한 값으로 제한되지 않는다. 일부 경우에, 근사 언어는 값을 측정하기 위한 기기의 정밀도에 해당할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 특정 예를 기술할 목적을 위한 것이고, 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서 사용되는 단수 형태는 문맥이 달리 명확하게 명시하지 않는 한, 복수 형태도 포함하는 것으로 의도된다. 이러한 용어가 개방형 연결 동사(open-ended linking verb)를 "포함하고(comprise, include)"(및 포함하는의 임의의 형태, 예를 들어, "포함하다" 및 "포함하는"), "가지고(have)"(및 가지고의 임의의 형태, 예를 들어, "가지다" 및 "갖는"), "함유하고"(및 함유하는의 임의의 형태, 예를 들어, "함유하다" 및 "함유하는"), 개방형 연결 동사인 것으로 추가로 이해될 것이다. 결과적으로, 하나 이상의 단계 또는 구성요소를 "포함하거나", "갖거나", "함유하는" 방법 또는 디바이스(device)는 그러한 하나 이상의 단계 또는 구성요소를 지니지만, 단지 그러한 하나 이상의 단계 또는 구성요소를 지니는 것으로 제한되지 않는다. 마찬가지로, 하나 이상의 특징을 "포함하거나", "갖거나", "함유하는" 방법의 단계 또는 디바이스의 구성요소는 그러한 하나 이상의 특징을 지니지만, 단지 이러한 하나 이상의 특징을 지니는 것으로 제한되지 않는다. 또한, 특정 방식으로 구성된 디바이스 또는 구조는 최소한 그러한 방식으로 구성되지만, 또한, 나열되지 않은 방식으로 구성될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "연결된(connected)"은 2개의 물리적 구성요소를 지칭하기 위해 사용될 때, 2개의 물리적 구성요소들 간의 직접 연결을 의미한다. 그러나, 용어 "결합된(coupled)"은 직접 연결 또는 하나 이상의 중간 구성요소를 통한 연결을 의미할 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "...일 수 있다"는 한 세트의 상황 내에서의 발생 가능성을 나타내며, 특정 성질, 특징 또는 기능의 보유를 명시하고/거나, 수식된 동사와 관련된 능력(capacity), 역량, 또는 가능성 중 하나 이상을 나타냄으로써 다른 동사를 수식한다. 이에 따라, "... 일 수 있다"의 사용은, 변형된 용어가 명시된 능력, 기능, 또는 사용을 위해 명백하게 적절하거나, 가능하거나, 적합하다는 것을 명시하지만, 일부 상황에서, 변형된 용어가 때때로 적절하거나, 가능하거나, 적합하지 않을 수 있다는 것을 고려한다. 예를 들어, 일부 상황에서, 사건(event) 또는 능력이 예상될 수 있지만, 다른 상황에서, 사건 또는 능력은 발생하지 못할 수 있으며, 즉, 이러한 구별은 용어 "...~일 수 있다"에 의해 포착된다.
본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 달리 명시하지 않는 한, 측정치, 크기, 등과 같은 값과 함께 사용되는 근사 용어 "약", "실질적으로" 등은 값의 플러스 또는 마이너스 10 퍼센트의 가능한 편차를 의미한다.
본 명세서에서 사용되는 용어 "결합하다(bond)", "결합된(bonded)" 및 "결합하는(bonding)"은 열 공정 또는 압력과 함께 접착제 또는 결합제를 사용하여 두 가지를 함께 단단히 결합시킴을 지칭한다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "부착하다(attach)"는 패스너(fastener)(예를 들어, 스크류, 접착제 또는 결합제, 등)를 사용하거나 사용하지 않고, 두 가지를 함께 결합시키는 것을 지칭한다. 이에 따라, 용어 "결합하다"는 용어 "부착하다"의 부분집합(subset)이다.
하기에서 이해의 용이성을 위해 축적대로 도시되지 않은 도면이 참조되며, 여기서, 동일한 참조 번호는 상이한 도면 전반에 걸쳐서 동일하거나 유사한 구성요소를 나타내기 위해 사용된다.
본 개시내용은 생물학적 또는 화학적 분석, 및 보다 특히, 센서(들)의 활성 표면으로 액체 시약의 효율적인 전달을 위한 적층된 매니폴드에 연결된 센서(들)를 갖는 회로에 관한 것이다.
도 1은, 예를 들어, 생물학적 또는 화학적 분석을 위해 사용될 수 있는, 카트리지(100)의 일례의 사시도이다. 일례에서, 카트리지는 서열결정(sequencing), 예를 들어, DNA 서열결정, 예를 들어, 합성에 의한 서열결정(sequencing-by-synthesis) 또는 차세대 서열결정(또한 고처리량 서열결정(high-throughput sequencing)으로서 알려짐)을 가능하게 하기 위해 사용될 수 있다. 다른 예에서, 카트리지는 유전자형 분석(genotyping)을 가능하게 하기 위해 사용될 수 있다. 당업자가 인지하는 바와 같이, 유전자형 분석은 생물학적 검정을 이용하여 개인의 DNA 서열을 시험하고 이를 다른 개인의 서열 또는 기준 서열과 비교함으로써 개인의 유전자 구성(genetic make-up)(유전자형)의 차이를 결정하는 것을 포함한다. 소비 가능하거나 재사용 가능할 수 있는 카트리지는 시약 로터(102), 카트리지 바디(104)(카트리지 바디 내부에 펌프(107)를 가짐), 시약을 전달하기 위한 적층된 매니폴드(106), 및 카트리지의 다양한 기능을 위한 수동형 전자소자(passive electronics)(109) 및 외부 전기적 연결을 위한 전기 상호접속부(110)를 갖는 회로(108)를 포함한다. 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따르면, 센서(134, 도 2)의 활성 표면으로 액체 시약을 전달하기 위해 적층된 매니폴드가 사용된다. 이러한 예에서 펌프가 카트리지에 대해 내측에 있지만, 펌프가 대신에 카트리지의 표면 상에 또는 카트리지에 대해 외측에 있을 수 있는 것으로 이해될 것이다.
저장소(이러한 예에서 로터(102))로부터 시약의 유체 흐름은 펌프(107)를 통해 활성화된다. 펌프는 액체 시약을 로터로부터, 적층된 매니폴드(106)를 통해, 및 유체 개구(103)를 통한 센서(134, 도 2)의 활성 표면(138, 도 3) 위의 흐름 셀(119)로 이동시킨다. 액체 시약은 흐름 셀에서 칸델라브라(candelabra)처럼 보이는 아암(arm)(채널(117))으로 배출된다. 액체 시약은, 예를 들어, 카트리지의 하부에 위치된 핀치 밸브(pinch valve)(111)의 어레이를 통해 펌프로 되돌아간다. 펌프가 흡입될 때 핀치 밸브의 개방이 칸델라브라의 아암이 회수를 위해 사용됨을 결정하도록, 핀치 밸브가 일반적으로 폐쇄될 수 있다. 채널(117)로부터의 임의의 과량의 유체는 유체 경로(115) 및 유체 개구(105)를 통해 펌프로 되돌아간다. 미세유체 펌프는 감지(sensing)를 위해 카트리지를 통한 시약(들)의 흐름을 유지시킨다. 일례에서, 펌프는 자체-프라이밍 마이크로-펌프(self-priming micro-pump)의 형태를 갖는다.
센서의 기능(들)의 비제한적인 예는 예를 들어, 광 감지(예를 들어, 사전결정된 파장 범위를 감지함), 하나 이상의 물질(예를 들어, 생물학적 또는 화학적 물질)의 존재의 검출, 및 어떠한 것(something)의 농도(예를 들어, 이온 농도)의 변화의 검출을 포함한다. 센서는 예를 들어, 반도체-기반(예를 들어, 집적 회로)일 수 있으며, 이의 개개 디바이스는 평평하거나 평평하지 않을 수 있다(예를 들어, 핀 구조 전계 효과 트랜지스터(Fin Field Effect Transistor: FinFET) 기반). 일례에서, 센서는 CMOS(상보형 금속-산화물 반도체) 이미지 센서일 수 있다. 당업자인지하는 바와 같이, CMOS 이미지 센서의 회로는 수동형 전자 소자(passive electronic element), 예를 들어, 시계 및 타이밍 생성 회로, 아날로그-대-디지털 변환기, 등뿐만 아니라, 광자(광)를 전자로 전환시키고 이후에 전압으로 전환시키기 위한 광검출기(photodetector)의 어레이를 포함한다. 다른 예에서, 센서는 이미지 센서의 다른 유형인 CCD(전하 결합 디바이스(Charge Coupled Device))일 수 있다.
당업자가 이해하는 바와 같이, "CMOS"는 집적 회로를 제작하기 위해 사용되는 기술을 지칭한다. 본 명세서에서 사용되는 "CMOS 센서" 및 "CMOS 이미지 센서"는 CMOS 기술을 이용하여 제작된 센서를 지칭한다. 본 명칭의 "상보형(complementary)" 양상은 CMOS 기술을 이용하여 제작된 집적 회로(IC)에서 n-형 및 p-형 금속-산화물 반도체 전계 효과 트랜지스터((MOSFET) 둘 모두의 포함을 지칭한다. 각 MOSFET는 산화물(이에 따라, 본 명칭의 "금속-산화물" 부분)와 같은, 게이트 유전체를 갖는 금속 게이트, 및 게이트 아래의 반도체 물질(본 명칭에서 "반도체"에 해당함)을 갖는다. IC는 다이 상에 제작되며, 이는 제작 후 절결된 반도체 기판 또는 웨이퍼의 일부이며, CMOS 기술을 이용하여 제작된 IC는 예를 들어, 높은 잡음 여유도(noise immunity) 및 낮은 정적 전력 소비(트랜지스터들 중 하나는 항상 오프(off)임)에 의해 특징된다.
일례에서, CMOS 이미지 센서는 예를 들어, 수백만 개의 픽셀로도 불리워지는 광검출기를 포함할 수 있다. 각 픽셀은 광으로부터 전하를 축적하는 광센서, 축적된 전하를 전압으로 전환시키는 증폭기, 및 픽셀-선택 스위치를 포함한다. 각 픽셀은 또한, 예를 들어, 더 많은 광을 캡처하기 위한 개별 마이크로렌즈를 포함할 수 있거나, 예를 들어, 잡음 감소와 같이 이미지를 개선시키기 위한 다른 개선을 가질 수 있다.
CMOS 기술을 이용하여 제작된 반도체 디바이스의 제작의 일례가 제공될 것이다. 예를 들어, p-형 반도체 기판으로 시작하면, n-형 웰이 PMOS 영역에 생성되는 동안 NMOS 영역은 보호될 수 있다. 이는, 예를 들어, 하나 이상의 리소그래픽 공정을 이용하여 달성될 수 있다. 이후에, 얇은 게이트 산화물 및 게이트(예를 들어, 폴리실리콘)는 NMOS 및 PMOS 영역 둘 모두에 형성될 수 있다. n+형 도펀트 영역은 더미 게이트(dummy gate)의 어느 한 측면 상의 NMOS 영역의 p-형 기판(즉, 소스(source) 및 드레인(drain)이 형성됨)에 및 PMOS 영역에서 바디(여기에서, 웰) 접촉으로서 n+형 도펀트의 한 영역에 형성될 수 있다. 이는 예를 들어, 마스크를 이용하여 달성될 수 있다. 이후에, 마스킹 및 도핑의 동일한 공정은 PMOS 영역에서 소스 및 드레인을 및 NMOS 영역에서 바디 접촉을 형성하기 위해 사용될 수 있다. 이후에, NMOS 및 PMOS 트랜지스터의 다양한 영역(즉, 바디, 소스, 드레인 및 게이트)에 터미널을 형성하기 위한 금속화가 수행될 수 있다. CCD와는 달리, CMOS 이미지 센서는 추가 비용이 없거나 적은 추가 비용으로 동일한 칩 상에 다른 회로를 포함하여, 이미지 안정화 및 이미지 압축 온-칩과 같은 기능을 제공할 수 있다.
도 2는 도 1의 적층된 매니폴드(106)의 일례의 분해도이다. 라미네이트는 덮개층(lidding layer)(112)을 포함하며, 이는 예를 들어, 폴리머 필름(예를 들어, 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 또는 폴리(메틸 메타크릴레이트(PMMA))일 수 있고, 예를 들어, 일례에서 약 100 마이크론 내지 약 700 마이크론, 및 다른 예에서, 약 100 마이크론 내지 약 400 마이크론의 두께를 가질 수 있다. 적층된 매니폴드는 또한, 액체 시약(들)을 분배하기 위한 유체 분배층(116)을 포함하며, 이는 예를 들어, 일례에서 약 200 마이크론 내지 약 1000 마이크론, 및 다른 예에서 약 300 마이크론 내지 약 700 마이크론의 두께를 가질 수 있다. 유체 분배층(116)은, 예를 들어, 자가형광(autofluorescence)이 낮거나 없는 물질, 예를 들어, 얇은 플라스틱 필름 또는 유리일 수 있다. 층(116)을 위한 물질의 비제한적인 예는 예를 들어, Evonit Corporation(뉴저지주 파시패니 소재)로부터 상업적으로 입수 가능한 PMMA; 예를 들어, American Elements(캘리포니아주 로스앤젤레스 소재)로부터 상업적으로 입수 가능한 코발트 포스파이드(CoP) 필름; 예를 들어, Zeon Chemicals L.P.(켄터키주 루이빌 소재)로부터 상업적으로 입수 가능한 환형 올레핀 코폴리머(COC); 및 예를 들어, Schott North America, Inc.(뉴욕주 엘름스포드 소재)로부터 상업적으로 입수 가능한 보로실리케이트 유리를 포함한다. 벌크 또는 비교적 두꺼운 유체를 위한 채널(117)을 통한 유체 경로는 층(116)에 의해 규정된다. 채널은, 예를 들어, 약 0.25 mm 내지 약 1 mm의 폭을 갖는 낮은 임피던스를 갖는 유체 흐름을 가능하게 하는 크기를 갖는다. 덮개층과 유체 분배층 사이에 접착제 층(114)이 존재하며, 이는 예를 들어, 일례에서, 약 20 마이크론 내지 약 50 마이크론, 및 다른 예에서 약 25 마이크론의 두께를 가질 수 있다. 일례에서, 접착제 층은 압력하에서 층들을 감압 접착제 위 및 아래에 직접적으로 단단히 부착시키기 위해 감압 접착제를 포함할 수 있다. 층(114)의 접착제의 비제한적인 예는 아크릴 또는 실리콘 접착제를 포함한다. 감압 접착제는 예를 들어, 그 위에 접착제를 갖는 강성 플라스틱 라이너(예를 들어, PET)를 포함할 수 있는 예를 들어, 단면 접착 테이프의 일부일 수 있다. 이러한 접착 테이프는 예를 들어, 3M(미네소타주 세인트 폴 소재), 또는 Adhesives Research, Inc.(펜실베니아주 글렌 락 소재)로부터 상업적으로 입수 가능하다. 당업자가 인지하는 바와 같이, 감압 접착제는, 압력하에 있을 때, 용매, 물 또는 열에 대한 필요 없이 결합을 형성시킨다.
도 2의 적층된 매니폴드는 기판층(120)을 더 포함하며, 기판층은 층(118 및 122)과 함께, 천공(121)을 포함할 수 있으며, 이는 층(116)에서 개구(123 및 125)를 중첩시켜 시약(들)을 층(116)에서 채널로부터 센서의 활성 표면(138, 도 3)에 도달할 수 있게 한다. 일례에서, 개구는 채널과 유사한 크기를 갖는다. 기판층은, 예를 들어, 일례에서, 약 50 마이크론 내지 약 70 마이크론, 및 다른 예에서, 약 60 마이크론의 두께를 가질 수 있다. 기판층(120)은, 예를 들어, 폴리머 필름(예를 들어, PET 또는 PMMA)일 수 있다. 센서 위로의 유체 흐름은 유체 분배층의 채널에서의 비교적 두꺼운 흐름(thick flow)으로부터 비교적 얇은 유체 흐름으로 전이하며, 이는 유체의 효율적인 사용을 제공한다. 센서 위로의 유체 경로는 도 4에서 흐름 라인(156)을 통해 도시된다. 일례에서, 센서 위로 통과하는 단지 유체의 화학 반응, 예를 들어, 형광이 사용자에게 관찰될 수 있다. 유체 분배층과 기판층 사이에 접착제 층(118)이 존재하며, 이는 예를 들어, 일례에서, 약 20 마이크론 내지 약 50 마이크론, 및 다른 예에서, 약 25 마이크론의 두께를 가질 수 있다. 일례에서, 층(118)은 압력하에서 층들을 감압 접착제의 위 및 아래에 직접적으로 단단히 부착시키기 위해 감압 접착제를 포함할 수 있다. 층(118)의 접착제의 비제한적인 예는 아크릴 또는 실리콘 접착제를 포함한다. 감압 접착제는 예를 들어, 그 위에 접착제를 갖는 강성 플라스틱 라이너(예를 들어, PET)를 포함할 수 있는, 예를 들어, 양면 접착 테이프의 일부일 수 있다. 이러한 접착 테이프는 상기에 기술된 바와 같이 상업적으로 입수 가능하다. 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따르면, 구조는 적층된 매니폴드에 대한 지지를 제공하고 회로(108)에 고른 표면을 제공하기 위해 평탄화 층(124)을 더 포함하며, 이는 예를 들어, 일례에서 약 500 마이크론 내지 약 700 마이크론, 및 다른 예에서, 약 600 마이크론의 두께를 가질 수 있다. 일례에서, 평탄화 층은 대략 다이와 동일한 두께를 갖는다. 일례에서, 평탄화 층(124)의 물질은 압출된 플라스틱, 예를 들어, PET, 폴리프로필렌 또는 폴리카보네이트를 포함할 수 있다. 기판층(120)과 평탄화 층(124) 사이에 접착제 층(122)이 존재하며, 이는 예를 들어, 일례에서, 약 20 마이크론 내지 약 50 마이크론, 및 다른 예에서, 약 25 마이크론의 두께를 가질 수 있다. 일례에서, 층(122)은 압력하에서 층들을 감압 접착제의 위 및 아래에 단단히 부착시키기 위해 감압 접착제를 포함할 수 있다. 층(122)의 접착제의 비제한적인 예는 아크릴 또는 실리콘 접착제를 포함한다. 감압 접착제는 예를 들어, 그 위에 접착제를 갖는 강성 플라스틱 라이너(예를 들어, PET)를 포함할 수 있는 예를 들어, 양면 접착 테이프의 일부일 수 있다. 이러한 접착 테이프는 상기에 기술된 바와 같이 상업적으로 입수 가능하다.
적층된 매니폴드(106)는 예를 들어, 결합층(126)을 통해 회로(108)에 결합될 수 있으며, 이러한 결합층은, 예를 들어, 일례에서 약 50 마이크론 내지 약 70 마이크론, 및 다른 예에서 약 60 마이크론의 두께를 갖는 감압 접착제를 포함할 수 있다. 층(126)의 접착제의 비제한적인 예는 아크릴 또는 실리콘 접착제를 포함한다. 감압 접착제는 예를 들어, 그 위에 접착제를 갖는 예를 들어, 강성 플라스틱 라이너(예를 들어, PET)를 포함할 수 있는 단면 접착 테이프의 일부일 수 있다. 이러한 접착 테이프는 상기에 기술된 바와 같이 상업적으로 입수 가능하다. 회로는 가요성이거나 강성(예를 들어, PCB 보드)일 수 있고, 예를 들어, 일례에서, 약 200 마이크론 내지 약 300 마이크론, 및 다른 예에서, 약 250 마이크론의 두께를 가질 수 있다.
평탄화 층(124) 및 결합층(126) 둘 모두는, 시약이 활성 표면과 접촉할 때 활성 표면(138, 도 3)이 적층된 매니폴드와 실질적으로 평면일 수 있도록 회로 상의 센서(134)를 위한 절결부(132)를 포함한다. 마지막으로, 회로는 결합층(130)을 통해 카트리지 바디(104)에 결합되며, 이러한 결합층은 감압 접착제를 포함할 수 있고, 예를 들어, 일례에서 약 50 마이크론 내지 약 150 마이크론, 및 다른 예에서, 약 100 마이크론의 두께를 가질 수 있다. 층(130)의 접착제의 비제한적인 예는 아크릴 또는 실리콘 접착제를 포함한다. 감압 접착제는 예를 들어, 그 위에 접착제를 갖는 강성 플라스틱 라이너(예를 들어, PET)를 포함할 수 있는, 예를 들어, 양면 접착제의 일부일 수 있다. 이러한 접착 테이프는 상술된 바와 같이 상업적으로 입수 가능하다.
도 3은 적층된 매니폴드(106) 및 회로(108)와 관련한 센서(134)의 일례의 사시도이다. 센서의 활성 표면, 및 시약(들)이 도입되는 센서(즉, 유체 분배층(116), 도 2) 둘레 및 위의 적층된 매니폴드 구조는 흐름 셀을 구성한다. 흐름 셀 채널(136)은 다이(140) 상에 위치된, 센서(들)의 활성 표면(138)에 액체 시약(들)을 전달하고, 이후에, 액체 시약(들)을 센서로부터 멀리 이동시킨다. 물질(들), 예를 들어, 생물학적 또는 화학적 물질(들)은 센서의 활성 표면에 의한 온-칩 감지(on-chip sensing)를 위한 공간 내로 도입될 수 있다. 반도체 기반인 경우에, 센서는 실리콘 기판(예를 들어, 실리콘 웨이퍼) 상에 제작될 수 있으며, 이는 실리콘 웨이퍼로부터 절단될 때 다이가 된다. 다이의 두께는 실리콘 웨이퍼의 크기(직경)에 의존적이다. 예를 들어, 51 mm 직경을 갖는 표준 실리콘 웨이퍼는 약 275 마이크론의 두께를 가질 수 있으며, 300 mm의 직경을 갖는 표준 실리콘 웨이퍼는 약 775 마이크론의 두께를 가질 수 있다. 본 명세서에서 사용되는, 센서(들)의 활성 구역은 감지를 위한 시약(들)과 접촉되는 센서 표면을 지칭한다. 다이 상에 하나 초과의 센서가 존재할 수 있으며, 상이한 센서는 동일한 다이 상에 포함될 수 있다. 흐름 셀 채널은, 예를 들어, 실리케이트 유리(예를 들어, 알루미노실리케이트 유리)를 포함할 수 있다. 다이는 밀봉 구역(142)에서 밀봉된다. 일례에서, 각 밀봉 구역은 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따르면, 와이어 결합 캡슐화물(encapsulate)(150)에 의해 덮혀진, 예를 들어, 금 와이어를 사용한 예를 들어, 브리지 접착제(144), 구조 접착제(146) 및 와이어 결합(148)을 포함한다. 다이는 접착제, 예를 들어, 분산된 자외선-경화 가능한 접착제 또는 감압 접착 테이프(예를 들어, 아크릴 또는 실리콘 접착제)에 의해 회로(108)에 부착될 수 있다. 회로와 센서 간의 전기적 연결은 다수의 방식, 예를 들어, 저온 와이어 결합에 의해 달성될 수 있으며, 이는 고온에 대한 다이의 노출을 방지한다. 와이어 결합은 비교적 작고, 센서와 회로 간에 전기적 연결을 만드는 초음파로 용접된 와이어일 수 있다. 이러한 전기적 연결은, 예를 들어, 와이어 상에 분배된 접착제(예를 들어, 자외선(UV) 경화 가능한 접착제)로 보호될 수 있으며, 이는 UV 광으로 경화될 때 와이어를 완전히 캡슐화시켜, 고체 형태로 변형시킨다. 상업적으로 입수 가능한 UV-경화 가능한 접착제는 예를 들어, Dymax Corporation(코네티컷주 토링턴 소재)로부터 입수될 수 있다. 다이(140)와 매니폴드의 유체 채널 사이의 경계면(141)은 전기 전도성 액체의 존재에 의해 단락될 수 있는 회로의 전기 상호접속부 및 다른 양상로부터 액체를 단리시키면서, 센서의 활성 표면이 적층된 매니폴드에서 유체(들)와 접촉되도록 밀봉된다.
도 4는 도 3의 라인(152)을 가로질러 얻어진 센서 구역의 단면의 일례의 사시도이다. 도시된 바와 같이, 시약 저장소(예를 들어, 도 1에 도시된 시약 로터(102) 내)로부터의 유입구(103)는 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따르면, 시약을 펌프(107, 도 1)의 힘을 통해 센서의 활성 표면(138) 위의 흐름 셀 채널(136)에 연결된 흐름 라인(156)으로 분배한다.
도 5 내지 도 10은 도 1의 카트리지(100)를 구성하는 다양한 스테이지를 도시한 것이다. 도 5는 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따른, 여기에 부착된, 예를 들어, 함께 결합된 센서(134)를 갖는 회로(108)의 일례의 사시도이다.
도 6은 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따른, 예를 들어, 결합층(126)을 이용함으로써 도 5의 회로(108)에 평탄화 층(124)을 부착시키는 것을 도시한 것이다.
도 7은 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따른, 도 6의 구조에 브리지 접착제(144)를 분배하고 경화시키는 것을 도시한다.
도 8은 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따른, 예를 들어, 결합층(122)(도 2)을 이용하여, 적층된 매니폴드(106)(예를 들어, 도 2와 관련하여 기술된 바와 같음)를 도 7의 회로(108) 상의 평탄화 층(124)에 부착시키는 일례를 도시한 것이다.
도 9는 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따른, 예를 들어, 와이어 결합 캡슐제(150)를 통해 와이어 결합을 캡슐화하고 흐름 셀 채널(136)을 부착시키는, 도 8의 구조의 와이어 결합(148)의 일례, 예를 들어, 저온 와이어 결합, 감지를 위한 센서의 활성 표면에 시약(들)을 전달하는 센서의 반대 측면 상의 유체 경로의 V-형상 연장부를 도시한 것이다. 와이어 결합은 금속, 예를 들어, 알루미늄, 구리, 은 또는 금을 포함할 수 있다.
도 10은 본 개시내용의 하나 이상의 양상에 따른, 예를 들어, 접착제(예를 들어, 이전에 기술된 바와 같은 감압 접착제)를 포함할 수 있는, 결합층(130)(도 2)을 이용한 결합에 의해, 시약 로터(102) 및 카트리지 바디(104)에 도 9의 구조를 부착시키는 일례를 도시한 것이다.
제1 양상에서, 상기에서 장치가 개시되어 있다. 본 장치는 외부 전기적 연결을 위해 전기 상호접속부를 포함하는 회로에 부착된 다이 상에 회로 및 센서(들), 및 센서(들)의 활성 표면 상에 액체 시약을 전달하기 위한 회로에 부착된 적층된 매니폴드로서, 적층된 매니폴드가 유체 채널(들)을 포함하는 적층된 매니폴드를 포함하며, 다이와 유체 채널(들) 사이의 경계면은 밀봉되어 있다.
일례에서, 센서(들)는 예를 들어, 반도체를 포함할 수 있다. 다른 예에서, 센서(들)는 예를 들어, 상보형 금속-산화물 반도체(CMOS) 센서(예를 들어, CMOS 이미지 센서)의 형태를 가질 수 있다.
일례에서, 제1 양상의 장치에서 적층된 매니폴드는 예를 들어, 상부 덮개층, 유체 분배층, 기판층, 및 하부 평탄화 층을 포함할 수 있는 예를 들어, 다수의 층을 포함할 수 있다. 일례에서, 회로는 예를 들어, 평탄화 층에 결합될 수 있으며, 평탄화 층은, 예를 들어, 센서(들) 및 다이의 대략 전체 두께인 두께를 가질 수 있다.
일례에서, 예를 들어, 적층된 매니폴드의 다수의 층들의 인접한 층들 사이에 감압 접착제가 존재할 수 있다.
일례에서, 적층된 매니폴드의 인접한 층들은, 예를 들어, 패스너(fastener) 또는 스크류를 통해 예를 들어, 기계적으로 연결될 수 있다.
일례에서, 제1 양상의 장치는 예를 들어, 생물학적 분석을 위해 사용되는 것과 같은, 카트리지의 일부일 수 있다.
일례에서, 제1 양상의 장치는 예를 들어, 화학적 분석을 위해 사용되는 것과 같은, 카트리지의 일부일 수 있다.
일례에서, 제1 양상의 장치는 예를 들어, 카트리지의 일부일 수 있으며, 카트리지는 예를 들어, 적층된 매니폴드에 결합된 시약 저장 및 전달 시스템, 및 시약 저장 및 전달 시스템에 결합된 카트리지 바디 및 시약 펌프를 더 포함할 수 있다.
일례에서, 제1 양상의 장치에서 적층된 매니폴드는 예를 들어, 다이를 위한 절결부(들)를 가질 수 있다. 일례에서, 다이는 예를 들어, 회로에 결합된 와이어일 수 있다.
제1 양상의 장치의 일례에서, 사용할 때, 시약은, 예를 들어, 센서(들)의 활성 표면 위의 적층된 매니폴드를 통해 전달될 수 있다. 일례에서, 단지 센서(들)의 활성 표면(들)만이 시약에 노출된다.
제2 양상에서, 상기에는 방법이 개시된다. 본 방법은 유체 채널(들)을 포함하는 적층된 매니폴드를 조립하고, 전기 상호접속부를 포함하는 회로에 다이를 부착하는 것을 포함한다. 본 방법은 회로에 다이를 위한 절결부를 포함하는 평탄화 층을 부착하고, 다이의 측면에 밀봉 접착제를 배치시키고, 회로에 적층된 매니폴드를 부착하고, 다이와 유체 채널(들) 사이의 경계면을 밀봉하는 것을 더 포함하며, 적층된 매니폴드와 부착된 회로는 함께 조립체가 된다.
일례에서, 본 방법은, 예를 들어, 카트리지에 조립체를 부착시키는 것을 더 포함할 수 있다.
일례에서, 제2 양상의 방법에서 적층된 매니폴드를 조립하는 것은, 예를 들어, 층들을 라미네이팅하는 것을 포함할 수 있으며, 층들은, 예를 들어, 상부 덮개층, 유체 분배층, 기판층 및 하부 평탄화 층을 포함할 수 있다. 일례에서, 라미네이팅은, 예를 들어, 인접한 층들 사이에 접착제(예를 들어, 감압 접착제)를 사용하는 것을 포함할 수 있다.
일례에서, 제2 양상의 방법은, 예를 들어, 서열결정을 위한 조립체를 이용하는 것을 더 포함할 수 있다.
일례에서, 제2 양상의 방법은, 예를 들어, 유전자형 분석을 위한 조립체를 이용하는 것을 더 포함할 수 있다.
본 개시내용의 여러 양상이 본 명세서에 기술되고 도시되어 있지만, 대안적인 양상은 동일한 목적을 달성하기 위해 당업자에 의해 달성될 수 있다. 이에 따라, 첨부된 청구범위에 의해 이러한 모든 대안적인 양상을 포함한다는 것이 의도된다.
상기 개념들(단, 이러한 개념은 서로 일치하지 않음)의 모든 조합이 본 명세서에 개시된 본 발명의 주제의 일부인 것으로 고려된다는 것이 이해되어야 한다. 특히, 본 개시내용의 마지막에 나타내는 청구된 주제의 모든 조합은 본 명세서에서 개시된 본 발명의 주제의 일부인 것으로서 고려된다.

Claims (20)

  1. 장치로서,
    외부 전기적 연결(external electrical connection)을 위한 전기 상호접속부(electrical interconnect)를 포함하는 회로 및 상기 회로에 부착된 다이(die) 상의 적어도 하나의 센서; 및
    상기 적어도 하나의 센서의 활성 표면 상에 액체 시약을 전달하기 위한 상기 회로에 부착된 적층된 매니폴드(laminated manifold)로서, 적어도 하나의 유체 채널(fluidic channel)을 포함하는, 상기 적층된 매니폴드를 포함하되, 상기 다이와 상기 적어도 하나의 유체 채널 사이의 경계면이 밀봉된, 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 반도체를 포함하는, 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서는 상보형 금속-산화물 반도체(Complementary Metal-Oxide semiconductor: CMOS) 센서를 포함하는, 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 적층된 매니폴드는 복수의 층을 포함하되, 상기 복수의 층은,
    상부 덮개층(top lidding layer);
    유체 분배층(fluidic distribution layer);
    기판층; 및
    하부 평탄화 층(bottom planarization layer)을 포함하는, 장치.
  5. 제4항에 있어서, 상기 회로는 상기 평탄화 층에 결합되며, 상기 평탄화 층은 상기 적어도 하나의 센서 및 다이의 대략 전체 두께(collective thickness)인 두께를 갖는, 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상기 복수의 층의 인접한 층들 사이에 감압 접착제가 존재하는, 장치.
  7. 제4항에 있어서, 상기 복수의 층의 인접한 층들이 기계적으로 연결된, 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 장치는 생물학적 분석을 위한 카트리지(cartridge)의 일부인, 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 장치는 화학적 분석을 위한 카트리지의 일부인, 장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 장치가 카트리지의 일부이며, 상기 카트리지는,
    상기 적층된 매니폴드에 커플링된 시약 저장 및 전달 시스템; 및
    상기 시약 저장 및 전달 시스템에 커플링된 카트리지 바디(cartridge body) 및 시약 펌프(reagent pump)를 더 포함하는, 장치.
  11. 제1항에 있어서, 상기 적층된 매니폴드는 상기 다이를 위한 적어도 하나의 절결부(cut-out)를 갖는, 장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 다이는 상기 회로에 결합된 와이어(wire)인, 장치.
  13. 제1항에 있어서, 사용 시에, 시약이 상기 적층된 매니폴드를 통해 상기 적어도 하나의 센서의 활성 표면 상에 전달되는, 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 적어도 하나의 센서의 단지 상기 활성 표면만이 상기 시약에 노출되는, 장치.
  15. 방법으로서,
    적어도 하나의 유체 채널을 포함하는 적층된 매니폴드를 조립하는 단계;
    전기 상호접속부를 포함하는 회로에 다이 상의 적어도 하나의 센서를 부착시키는 단계;
    상기 다이를 위한 절결부를 포함하는 평탄화 층을 상기 회로에 부착시키는 단계;
    상기 다이의 측면에 밀봉 접착제를 배치시키는 단계;
    상기 회로에 상기 적층된 매니폴드를 부착시키는 단계; 및
    상기 다이와 상기 적어도 하나의 유체 채널 사이의 경계면을 밀봉하는 단계를 포함하되,
    상기 적층된 매니폴드와 부착된 회로는 함께 조립체(assembly)를 구성하는, 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 조립체를 카트리지에 부착시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  17. 제15항에 있어서, 상기 적층된 매니폴드를 조립하는 단계는 복수의 층을 적층시키는 것을 포함하되, 상기 복수의 층은
    상부 덮개층;
    유체 분배층;
    기판층; 및
    하부 평탄화 층을 포함하는, 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 적층시키는 것은 상기 복수의 층의 인접한 층들 사이에서 감압 접착제를 사용하는 것을 포함하는, 방법.
  19. 제15항에 있어서, 서열결정(sequencing)을 위해 상기 조립체를 이용하는 것을 더 포함하는, 방법.
  20. 제15항에 있어서, 유전자형 분석(genotyping)을 위해 상기 조립체를 이용하는 것을 더 포함하는, 방법.
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