KR20220047980A - 통합 센서 어셈블리 유닛 - Google Patents

Abstract

제1 기판, 제2 기판 및 센서를 포함하는 센서 어셈블리. 제1 기판은 유체 경로를 정의하는 적어도 하나의 복수의 모세관 구멍들을 포함한다. 유체 경로는 상기 제1 기판을 통해 상기 제1 기판의 상측으로부터 하측의 유체 채널로 연장된다. 상기 제2 기판은 상기 제1 기판과 연결되어 배치되고, 상기 제1 기판의 유체 채널은 상기 제2 기판에 형성된 제1 금속화 비아 및 제2 금속화 비아와 유체 연통한다. 이에 의해 상기 제1 금속화 비아 및 상기 제2 금속화 비아를 통해 유체 경로가 연장된다. 상기 센서는 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 상기 제1 전극 및 제2 전극은 상기 제1 기판의 유체 채널과 유체 연통하는 상기 제2 기판 상에 배치된다. 상기 제1 전극은 상기 제1 금속화된 비아와 전기적으로 접촉하고 상기 제2 전극은 상기 제2 금속화된 비아와 전기적으로 접촉한다.

Description

통합 센서 어셈블리 유닛

본 발명은 일반적으로 체액 샘플링을 위한 센서 어셈블리에 관한 것이다. 본 발명은 특히 적어도 하나의 모세관 구멍을 갖는 제1 기판 및 2개의 금속화된 비아들 및 센서를 갖는 제2 기판 상에 제공된 센서 어셈블리에 관한 것이다. 본 발명은 또한 제1 기판이 복수의 미세바늘들을 가지고 모세관 구멍들이 복수의 미세바늘들을 통해 연장되는 센서 어셈블리에 관한 것이다.

예를 들어, 주사기를 사용하여 체액을 샘플링하는 방법에는 여러 가지가 있다. 이것은 번거롭고 미세바늘들을 사용하는 것과 같은 개선된 대안이 존재한다. 미세바늘들에 대한 많은 응용 분야가 존재하지만, 공개된 미세바늘들의 대다수는 다양한 형태의 약물 전달에 관한 것이다.

예를 들어, 약물 전달을 위한 소형 바늘들의 어레이의 개념은 70년대 US 3,964,482로 거슬러 올라간다. 과학 문헌에서 가장 먼저 보고된 미세바늘 중 하나는 " A silicon-based, three-dimensional neural interface: manufacturing processes for an intercortical electrode array.", IEEE Trans Biomed Eng. 1991 Aug; 38(8):758-68, Campbell et al.이었다. 결국 바이오 센싱 기술은 마이크로일렉트로닉스가 20세기 후반에 그랬던 것 처럼 21세기에 이르게 될 것이다.

집적 회로(IC)는 오늘날 우리의 일상 생활에 막대한 영향을 미쳤으며 대량 제조 바이오 센싱의 소형화 및 비용 이점을 활용하면 임상 진단 및 건강 모니터링이 값비싼 실험실에서 소형 휴대용 소비자 장치로 이동할 수 있다. 측정할 분석물의 샘플링은 바이오 센싱의 전제 조건이다. 과학 논문에 기술된 많은 디자인들은 체액, 예를 들어 혈액이나 간질액(ISF)을 추출하는 목적을 가지고 있다. 다양한 체액들에는 다양한 솔루션들이 필요하다. 예를 들어 혈관 시스템에서 자연적인 "과압(overpressure)"을 사용하여 혈액을 성공적으로 추출하는 것이 입증된 반면, 확산 또는 모세관 힘과 같은 기타 메커니즘을 통해 저압(under-pressur) 없이 ISF를 성공적으로 추출한 경우는 드물거나 아예 존재하지 않는다. 본 명세서에서 "저압(under-pressure)" 및 "부압(sub-pressure)"이라는 용어는 등가어로 사용된다.

샘플링 방법과 관계없이 샘플은 제어된 방식으로 센싱 장치로 옮겨져야 한다. 사용을 더욱 향상시키고 실수를 방지하기 위해, 이것은 바람직하게는 통합 유닛에서 수행될 수 있다.

본 발명의 목적은 이전에 공지된 센서 어셈블리의 전술한 단점들을 제쳐두고 체액 샘플링을 위한 개선된 솔루션을 제공하는 것이다.

ISF와 같은 유체의 추출을 개선하기 위해 저압이 적용될 수 있다. 그러나, 이것은 통합된 센서에서 판독값을 수집하는 것과 결합하기 어렵다. 센서 어셈블리를 통해 연장되는 유체 경로가 유리하다는 것을 깨달았다. 또한, 작동 센서를 갖기 위해 포함된 전극은 센서 어셈블리의 외부 부품과 연결되어 통신할 필요가 있다.

본 발명의 목적은 간질액(ISF)과 같은 체액의 용이한 샘플링을 허용하는 통합된 작동 센서 및 어셈블리를 통해 연장되는 유체 경로를 갖는 개선된 센서 어셈블리를 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 첨부된 청구범위에 정의된 바와 같은 센서 어셈블리에서 충족된다.

제1 측면에서, 본 발명은 제1 기판, 제2 기판 및 센서를 포함하는 센서 어셈블리(sensor assembly)에 관한 것이다. 제1 기판은 유체 경로를 정의하는 적어도 하나의 모세관 보어를구멍(capillary bore)을 포함한다. 유체 경로는 제1 기판을 통해 제1 기판의 상부 측으로부터 저부 하측의 유체 채널로 연장된다. 제2 기판은 제1 기판과 연결되어 배치되고, 제1 기판의 유체 채널은 제2 기판에 형성된 제1 금속화 비아 및 제2 금속화 비아와 유체 연통한다. 이에 의해 제1 금속화 비아 및 제2 금속화 비아를 통해 유체 경로가 연장된다. 센서는 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 제1 전극 및 제2 전극은 제1 기판의 유체 채널과 유체 연통하는 제2 기판 상에 배치된다. 제1 전극은 제1 금속화된 비아와 전기적으로 접촉하고 제2 전극은 제2 금속화된 비아와 전기적으로 접촉한다.

실시예들에서, 제1 기판은 복수의 보어구멍들을 포함할 수 있다.

실시예들에서, 센서 어셈블리는 모세관 보어구멍들로부터 제2 기판을 향해 유체를 끌어당기기 위해 유체 경로에 부압(sub-pressure)을 가하는 수단들을 더 포함할 수 있다.

실시예들에서, 센서 어셈블리는 제1 기판 상에 일체로 형성된 복수의 미세바늘들을 더 포함할 수 있다. 각각의 미세바늘은 길이 방향 축을 따라 제1 기판 상의 원위 단부(distal end)로부터 근위 단부(proximal end)까지 연장되는 기다란 몸체를 포함할 수 있다. 각각의 미세바늘은 원위 단부에 사면(bevel)을 더 가질 수 있다. 모세관 보어는구멍은 길이 방향으로 기다란 몸체를 통해 연장될 수 있고 유체 경로를 추가로 정의할 수 있다. 근위 단부는 제1 기판과 일체로 형성될 수 있고 유체 경로는 제1 기판의 유체 채널과 유체 연통할 수 있다.

실시예들에서, 제2 기판은 복수의 미세바늘들의 반대 쪽에서 제1 기판과 연결되어 배치될 수 있다.

실시예들에서, 제1 전극은 나선 형상이고 제2 전극은 나선 형상일 수 있으며, 여기서 제1 및 제2 전극의 나선 형상들은 끼워넣어진다(nested).

실시예들에서, 센서는 제1 기판을 향하는 제2 기판의 일측에 위치된다.

실시예들에서, 센서는 제1 기판을 향하는 제2 기판의 일측에 적어도 부분적으로 위치될 수 있다.

실시예들에서, 센서는 비아 내에 적어도 부분적으로 위치될 수 있다.

실시예들에서, 비아는 제2 기판을 통해 연장될 수 있는 신호 경로를 더 포함할 수 있고 센서는 신호 경로와 전기적으로 연결되어 배치될 수 있다.

실시예들에서, 비아는 중공일 수 있고, 이에 의해 제2 기판의 2개의 대향하는 측들(sides) 사이에 유체 연통이 제공된다.

실시예들에서, 센서는 전기화학적 센서일 수 있다. 전기화학적 센서는 당업계에 공지되어 있다. 전기화학적 포도당 센서의 알려진 유형 중 하나는 클라크(Clark) 바이오센서이다. 이 센서는 산소 전극에 있는 포도당 산화효소(글루코스 옥시다제)(GOx)의 얇은 층을 기반으로 한다. 판독값은 기질 포도당과의 효소 반응 동안 GOx가 소비하는 산소의 양이다. 클라크 유형과 같은 바이오 센서에 대한 자세한 설명은 Anthony P.F. Turner: Biosensors: sense and sensibility, Chem. Soc. Rev., Volume 42, Number 8, 21 April 2013, pages 3175-3648에서 찾을 수 있다. 설명된 센서는 본 발명에서 사용하도록 구성될 수 있다. 그러한 실시예들에서, 센서의 적어도 하나의 전극은 산화환원 효소와 같은 효소로 코팅된다. 본 발명에 유용한 효소는 수용체로서 산소를 갖는 전자 공여체에 작용하는 산화환원효소이다. 이러한 효소는 일반적으로 국제 생화학 및 분자 생물학 연합의 효소 명명법에서 EC 1.X.X.X 그룹으로 분류된다. 하나의 바람직한 효소는 포도당 산화효소(EC 1.1.3.4)이다.

실시예들에서, 비아의 측면은 특정 표면 에너지를 갖는 물질을 더 포함할 수 있다. 이를 통해 유체의 흐름 거동은 지정된 표면 에너지와의 상호 작용에 의해 제어될 수 있다.

실시예들에서, 비아의 벽면은 소수성 물질로 코팅하는 것과 같이 소수성으로 더 만들어질 수 있다.

실시예들에서, 비아의 벽면은 친수성 물질로 코팅하는 것과 같이 친수성으로 더 만들어질 수 있다.

실시예들에서, 원위 단부에 있는 모세관 구멍의 단면적은 근위 단부에 있는 모세관 구멍의 단면적보다 클 수 있다.

실시예들에서, 유체 채널은 유체 채널의 유체 흐름을 더욱 향상시키기 위해 감소하는 단면적을 더 포함할 수 있다.

단면적이라는 용어는 물체의 단면적을 의미한다. 단면은 물체와 평면의 교차 지점이다. 다른 단면적들을 비교할 때 달리 명시되지 않는 한 교차하는 평면들이 평행하다는 것으로 이해된다.

실시예들에서, 제1 기판은 복수의 미세바늘들과 같은 쪽에 위치된 프레임을 추가로 포함할 수 있고, 여기서 프레임은 복수의 미세바늘들을 갖는 제1 기판 상의 영역을 적어도 부분적으로 둘러싼다.

실시예들에서, 미세바늘의 모세관 구멍의 단면적은 길이 방향을 따라 원위 단부에서 근위 단부로 점진적으로 감소할 수 있다. 이것은 모세관 구멍의 유체에 작용하는 모세관 힘에 의해 모세관 구멍을 통한 향상된 유체 흐름에 기여한다.

실시예들에서, 모세관 구멍의 (길이 방향에 대해 교차하는) 단면은 적어도 하나의 둥근 코너(corner)를 추가로 포함할 수 있다. 이것은 모세관 구멍의 습윤(wetting)에 기여하여 유체 흐름에 긍정적인 영향을 미친다.

실시예들에서 모세관 구멍은 삼각형 단면을 가질 수 있다. 삼각형 단면은 모세관 구멍에서 매우 우수한 유체 흐름을 제공하는 것으로 입증되었다. 본 출원 내의 삼각형 단면은 실질적으로 삼각형 모양의 단면들, 즉 볼록하거나 오목한 모양 또는 직선 모양을 가진 에지들(edges), 날카로운 각을 가진 코너들 및 둔각을 가진 코너들 뿐만아니라 둥근 코너들을 포함한다.

실시예들에서, 모세관 구멍의 벽들은 친수성 표면을 포함할 수 있으며, 이는 모세관 구멍의 유체 흐름을 향상시킨다.

실시예들에서, 유체 채널은 모세관 구멍에 대기압에 비해 낮은 압력(저압)을 제공하도록 구성될 수 있으며, 이로써 모세관 구멍을 통한 유체 흐름이 향상된다. 저압은 예를 들어 유체 채널에 연결된 주사기로 생성될 수 있다. 유체 채널에 연결된 WO2019/020327(본원에 참조로 포함됨)에 설명된 바와 같은 흡입 적용 장치로 저압이 생성될 수도 있다.

실시예들에서, 제2 기판은 양극 결합 또는 직접 결합을 통해 제1 기판에 작동 가능하게 연결될 수 있으며, 이는 접착제로 유체 채널이 막힐 위험 없이 강력하고 유체 기밀한 밀봉을 제공한다.

제2 측면에서, 본 발명은 본 발명에 따른 센서 어셈블리를 포함하는 측정 장치에 관한 것으로, 이는 하나 또는 복수의 미세바늘들의 반대편에서 센서 어셈블리와 연결되어 배치되고 미세바늘들과 유체 연통하는 흡입 장치를 추가로 포함한다. 제 2 기판의 제1 비아 및 제2 비아를 통해 칩의 유체 채널 및 비아들을 통해 압력차가 제공된다.

실시예들에서, 제1 기판 상에 일체로 형성된 하나 또는 복수의 미세바늘들은 사면(bevel)이 있는 원위 단부로부터 길이 방향 축을 따라 기판 상의 근위 단부까지 연장되는 기다란 몸체를 포함할 수 있다. 기다란 몸체는 길이 방향으로 연장되고 유체 경로를 정의하는 모세관 구멍을 포함할 수 있다. 근위 단부는 기판과 일체로 연결될 수 있고 모세관 구멍은 제1 기판의 유체 채널과 유체 연통할 수 있다. 또한, 원위 단부의 모세관 구멍의 단면적은 근위 단부의 모세관 구멍의 단면적보다 클 수 있다.

사면은 모세관 구멍의 길이 방향 축에 대한 비스듬한 표면으로 지칭된다.

제3 측면에서, 본 발명은 제1 기판, 제2 기판 및 센서를 포함하는 센서 어셈블리를 포함하는 칩(chip)에 관한 것이다. 제1 기판은 유체 경로를 정의하는 적어도 하나의 모세관 구멍을 포함한다. 유체 경로는 제1 기판을 통해 제1 기판의 상측으로부터 하측의 유체 채널로 연장된다. 제2 기판은 제1 기판과 연결되어 배치되고, 제1 기판의 유체 채널은 제2 기판에 형성된 제1 금속화 비아 및 제2 금속화 비아와 유체 연통한다. 이로써 제1 금속화 비아 및 제2 금속화 비아를 통해 유체 경로가 연장된다. 센서는 제1 전극 및 제2 전극을 포함한다. 제1 전극 및 제2 전극은 제1 기판의 유체 채널과 유체 연통하는 제2 기판 상에 배치된다. 제1 전극은 제1 금속화된 비아와 전기적으로 접촉하고 제2 전극은 제2 금속화된 비아와 전기적으로 접촉한다.

실시예들에서, 제1 기판은 복수의 구멍들을 포함할 수 있다.

실시예들에서, 칩은 센서 어셈블리의 제1 기판 상에 일체로 형성된 복수의 미세바늘을 더 포함할 수 있다. 각각의 미세바늘은 길이 방향 축을 따라 제1 기판 상의 원위 단부로부터 근위 단부까지 연장되는 기다란 몸체를 포함할 수 있다. 각각의 미세바늘은 원위 단부에 경사를 더 가질 수 있다. 모세관 구멍은 길이 방향으로 기다란 몸체를 통해 연장될 수 있고 유체 경로를 추가로 정의할 수 있다. 근위 단부는 제1 기판과 일체로 형성될 수 있고 유체 경로는 제1 기판의 유체 채널과 유체 연통할 수 있다.

실시예들에서, 칩의 각각의 미세바늘은 사면이 있는 원위 단부에서 길이 방향 축을 따라 기판 상의 근위 단부로 연장되는 기다란 몸체를 포함할 수 있다. 기다란 몸체는 길이 방향으로 연장되고 유체 경로를 정의하는 모세관 보어를 포함할 수 있다. 원위 단부의 모세관 구멍의 단면적은 근위 단부의 모세관 구멍의 단면적보다 클 수 있다. 근위 단부는 제1 기판과 일체로 형성될 수 있고 제1 유체 경로는 제1 기판의 유체 채널과 유체 연통할 수 있다. 제1 기판은 유체 경로를 형성하는 유체 채널을 가질 수 있다.

실시예들에서, 유체 채널은 유체 채널의 깊이보다 더 큰 폭을 가질 수 있다.

실시예들에서, 모세관 구멍의 벽의 적어도 일부는 유체 채널의 벽의 일부를 형성하여 유체 흐름을 향상시킬 수 있다.

실시예들에서, 칩의 유체 채널은 90도보다 작은 각도 Θ를 갖는 방향 변화를 포함할 수 있다. 유체 채널의 급격한 굴곡을 피함으로써 유체 흐름이 향상된다.

실시예들에서, 칩은 유체 채널과 유체 연통하는 유체 포트를 포함하고 베이스 기판을 더 포함할 수 있다. 유체 포트는 베이스 기판의 후면에서 열린다. 이것은 제2 기판 층, 센서 요소 또는 추가의 유체 채널들에 연결될 수 있는 샘플링된 유체에 대한 액세스 지점을 제공한다.

실시예들에서, 유체 포트는 베이스 기판 또는 제2 기판의 후면을 향한 포트의 길이 방향으로 증가하는 영역을 포함할 수 있다. 이것은 튜브나 주사기와 같은 다른 유체 채널들에 대한 유체 기밀 연결을 향상시킨다.

실시예들에서, 베이스 기판은 양극/직접 결합을 통해 기판에 작동 가능하게 연결될 수 있으며, 이는 접착제로 유체 채널을 막을 위험 없이 강력하고 유체 기밀한 밀봉을 제공한다.

실시예들에서, 칩 상의 복수의 미세바늘들은 미세바늘의 원위 단부와 같은 높이에 있거나 원위 단부의 아래에 근접할 수 있는 에지(edge)로 둘러싸여 있을 수 있다. 이것은 미세바늘들의 원위 단부와 맞물리는 동안 피험자의 멤브레인(membrane)(예: 피부)이 인장되는 효과를 가진다. 또한, 주변 에지와 함께 멤브레인은 유일한 구멍들이 제1 기판을 관통하는 하나 이상의 모세관 구멍인 챔버를 형성한다. 멤브레인과 에지에 의해 제공되는 밀봉은 부압을 강화하고 멤브레인이 칩의 베이스 쪽으로 이동할 때 멤브레인으로 미세바늘들의 활성 침투 깊이를 증가시킨다.

실시예들에서, 칩 상의 복수의 미세바늘들은 미세바늘들의 원위 단부보다 높을 수 있는 에지로 둘러싸여 있을 수 있다. 이에 의해 에지는 미세바늘들의 원위 단부보다 제1 기판으로부터 더 연장될 수 있다. 이것은 미세바늘들의 원위 단부와 맞물리는 동안 피험자의 멤브레인이 인장되는 효과를 가진다.

본 발명의 상기 언급된 특징들 및 기타 특징들 및 이점들에 대한 보다 철저한 이해는 첨부된 도면들을 참조하여 실시예들에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 명백할 것이다.
도 1은 센서 어셈블리의 개략적인 단면도이다.
도 2a는 복수의 미세바늘들을 갖는 위에서 보여진 센서 어셈블리의 개략적인 사시도이다.
도 2b는 아래에서 보여진 센서 어셈블리의 개략적인 사시도이다.
도 3은 복수의 미세바늘들을 갖는 센서 어셈블리의 단면의 개략적인 사시도이다.
도 4는 미세바늘을 구비한 센서 어셈블리의 단면도이다.
도 5a는 일 실시예에 따른 미세바늘의 길이 방향 축을 따른 단면도이다.
도 5b는 일 실시예에 따른 미세바늘의 길이 방향 축을 따른 단면도이다.
도 5c는 일 실시예에 따른 미세바늘의 길이 방향 축을 따른 단면도이다.
도 6은 칩의 저면도이다.
도 7은 비아들 및 센서를 갖는 제2 기판의 사시 평면도이다.
도 8은 복수의 구멍들 및 복수의 미세바늘들을 갖는 센서 어셈블리의 개략적인 단면도이다.

본 발명은 개시된 통찰에 기초한다. 주의 깊게 조사하면 체액 샘플링을 위한 선행 기술의 센서 어셈블리들이 저압(under-pressure)을 가할 수 없거나 통합 유닛으로 제공될 수 없다는 것이 분명하다. 저압을 적용할 수 있는 솔루션은 샘플을 감지 장치로 옮기는 데 의존한다. 유사하게, 통합 유닛을 제공할 수 있는 솔루션은 저압을 제공할 수 없다. 일부 샘플링에 대해 개선된 저압이 요구된다.

적용된 저압의 사용에 의해 간질액(ISF)과 같은 유체의 개선된 추출과 통합 유닛이 제공하는 개선된 사용을 결합하기 위해 개선된 센서 어셈블리가 설명된다.

이해를 돕기 위해, 일부 도면들은 센서 어셈블리의 기판들이 분리된 것으로 예시하고 있으며, 분리된 것으로 예시된 기판들은 일반적으로 접합된 것으로 이해해야 한다. 예를 들어, 기판들은 양극/직접 접합(anodic/direct bonding)을 통해 접합될 수 있으며, 이는 접착제로 유체 채널이 막힐 위험 없이 강력하고 유체 기밀한 밀봉을 제공한다. 클램핑 또는 접착제와 같은 기판을 결합하는 다른 수단을 생각할 수 있다.

도 1은 제1 기판(110), 제2 기판(120) 및 센서(130)를 갖는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 어셈블리(100)의 개략적인 단면도이다.

제1 기판(110)은 제1 기판(110)의 상측(113)으로부터 제1 기판(110)의 하측(115)의 유체 채널(114)까지 제1 기판(110)을 통해 연장되는 유체 경로(112)를 정의하는 모세관 구멍(111)를 갖는다.

제2 기판(120)은 제1 기판(110)과 연결되어 배치되고, 제1 기판의 유체 채널(114)은 제2 기판(120)에 형성된 제1 금속화 비아(121) 및 제2 금속화 비아(122)와 유체 연통하고, 이에 의해 제1 금속화된 비아(121) 및 제2 금속화된 비아(122)를 통해 유체 경로(112)를 연장된다.

제 1 전극 및 제 2 전극을 포함하는 센서(130)는 제 1 기판(110)의 유체 채널(114)과 유체 소통하는 제 2 기판(120) 상에 배치된다. 제 1 전극은 제 1 금속화된 비아(121)와 전기적으로 접촉하고 제 2 전극은 제2 금속화된 비아(122)와 전기적으로 접촉한다.

제1 금속화된 비아(121) 및 제2 금속화된 비아(122)는 중공일 수 있고, 이에 의해 제2 기판(120)의 2개의 대향하는 측들(opposite sides) 사이에 유체 연통을 제공한다.

비아의 측면들은 특정 표면 에너지를 갖는 물질을 더 포함할 수 있다. 이에 의해 유체의 흐름 거동은 지정된 표면 에너지와의 상호 작용에 의해 제어될 수 있다. 예를 들어, 비아의 측면들은 소수성 물질 또는 친수성 물질을 포함할 수 있다.

구멍의 내부 치수 및 기하학적 구조는 또한 모세관 힘이 센서 어셈블리(100)의 유체 채널을 통해 부분적으로 또는 전체적으로 액체에 작용할 수 있도록 설계될 수 있다. 이러한 모세관 힘은 인가된 저압(under-pressure)과 함께 사용될 수 있다.

또한, 센서 어셈블리는 모세관 구멍으로부터 제2 기판을 향해 유체를 끌어당기기 위해 유체 경로에 저압을 적용하기 위한 수단들을 더 포함할 수 있다. 저압은 예를 들어 유체 채널에 연결된 주사기로 생성될 수 있다.

도 2a는 위에서 보여진 센서 어셈블리(200)의 개략적인 사시도이다. 센서 어셈블리(200)는 제1 기판(210), 제2 기판(220) 및 센서(230)를 갖는다.

제1 기판(210)은 여기에서는 미세바늘(microneedle)에 도시된, 모세관 구멍(211)를 가지며, 이는 제1 기판(210)을 통해 제1 기판(210)의 상측(213)으로부터 제1 기판(210)의 하측의 유체 채널(214)까지 연장되는 유체 경로를 정의한다. 제1 기판은 복수의 미세바늘들을 갖는 것으로 도시되어 있다. 다른 실시예에서, 제1 기판(210)은 미세바늘들이 없을 수 있고, 모세관 구멍(211)는 상측(213) 상에 위치될 수 있다.

제2 기판(220)은 제1 기판(210)으로부터 거리를 두고 도시되어 있고, 제1 기판의 유체 채널은 제2 기판(220)에 형성된 제1 금속화 비아(221) 및 제2 금속화 비아(222)와 유체 연통하고, 이에 의해 제1 금속화된 비아(221) 및 제2 금속화된 비아(222)를 통해 유체 경로가 연장된다.

제1 전극(231) 및 제2 전극(232)을 포함하는 센서(230)는 제1 기판(210)의 유체 채널과 유체 연통하도록 제2 기판(220) 상에 배치된다. 제1 전극(231)은 제1 금속화된 비아(221)와 전기적으로 접촉하고 제2 전극(232)은 제2 금속화된 비아(222)와 전기적으로 접촉한다.

센서 어셈블리(200)는 하나 또는 복수의 미세바늘들을 가질 수 있다. 미세바늘들은 제1 기판(210) 상에 일체로 형성될 수 있다. 각각의 미세바늘은 길이 방향 축을 따라 제1 기판(210)의 상측(213) 상에서 그 원위 단부(distal end)로부터 근위 단부(proximal end)까지 연장되는 기다란 몸체를 포함할 수 있다. 각각의 미세바늘은 원위 단부에 사면(bevel)를 더 가질 수 있다. 모세관 구멍은 길이 방향으로 기다란 몸체를 통해 연장될 수 있고 유체 경로를 추가로 정의할 수 있다. 근위 단부는 제1 기판(210)과 일체로 형성될 수 있고 유체 경로는 제1 기판(210)의 유체 채널(214)과 유체 연통할 수 있다.

센서(230)는 여기에서 제1 기판(210)을 향하는 제2 기판(220)의 일 측에 도시되어 있다. 다른 예들에서, 센서는 제2 기판(220)의 비아에서 연장되는 기다란 부분을 포함할 수 있다. 예를 들어, 센서는 전기 화학 센서일 수 있다.

비아들은 각각 제2 기판(220)을 통해 연장될 수 있는 신호 경로를 더 포함할 수 있다. 센서(230)는 신호 경로와 전기적으로 연결되도록 배치될 수 있다.

제1 전극(231)은 나선 형상이고, 제2 전극(232)은 나선 형상일 수 있으며, 제1 전극과 제2 전극의 나선 형상들은 끼워넣어질 수 있다.

도 2b는 아래에서 보여진 센서 어셈블리(200)의 개략적인 사시도이다. 센서 어셈블리(200)는 제1 기판(210), 제2 기판(220) 및 센서를 갖는다.

제 1 기판(210)은 제1 기판(210)의 상측으로부터 제 1 기판(210)의 하측(215)의 유체 채널(214)(여기에서 표면 위로 연장되는 것으로 도시됨)까지 제 1 기판(210)을 통해 연장되는 유체 경로를 정의하는 모세관 구멍을 갖는다.

제2 기판(220)은 제1 기판(210)으로부터 일정 거리에 도시되어 있고, 제1 기판의 유체 채널(214)은 제2 기판(220)에 형성된 제1 금속화 비아(221) 및 제2 금속화 비아(222)와 유체 연통하고, 이에 의해 제1 금속화된 비아(221) 및 제2 금속화된 비아(222)를 통해 유체 경로가 연장된다.

제1 전극 및 제2 전극을 포함하는 센서는 제1 기판(210)의 유체 채널(214)과 유체 연통하는 제2 기판(220) 상에 배치된다. 제1 전극은 제1 금속화된 비아(221)와 전기적으로 접촉하고 제2 전극은 제2 금속화된 비아(222)와 전기적으로 접촉한다.

제1 기판(210)의 후면 상의 유체 채널(214)이 도면에 도시되어 있다. 제1 기판(210)의 후면 상의 적어도 하나의 유체 채널 포트는 제1 기판을 통한 유체 경로와 적어도 하나의 유체 채널(214) 사이에서 연결되고, 이에 의해 적어도 하나의 모세관 구멍이 유체 채널(214)과 유체적으로 연결된다. 적어도 하나의 유체 채널(214)은 예를 들어 상호 연결된 채널들의 네트워크일 수 있다. 유체 채널(214)은 유체 채널(214)의 깊이보다 더 큰 폭을 가질 수 있다.

도 3은 센서 어셈블리의 유체 경로를 보여주는 복수의 미세바늘들을 갖는 센서 어셈블리(300)의 단면의 개략적인 사시도이다. 센서 어셈블리(300)는 제1 기판(310), 제2 기판(320) 및 센서를 갖는다.

제1 기판(310)는 복수의 미세바늘들을 관통하도록 도시된 복수의 모세관 구멍들(311)을 가지며, 이는 제1 기판(310)을 통해 제1 기판(310)의 상측(313)으로부터 제1 기판(210)의 하측의 유체 채널(314)까지 연장되는 유체 경로를 정의한다. 현재 도면에서 유체 채널(314)의 단면을 볼 수 있다.

제2 기판(320) 및 센서는 이전에 제시된 도면에 따라 배치된다.

센서 어셈블리는 또한 미세바늘들의 길이 방향을 따라 돌출하는 구조로서 구성되고 바람직하게는 15mm 미만의 직경을 갖는 손가락의 끝을 지지하도록 치수화된 프레임 구조를 가질 수 있다.

센서 어셈블리는 일부 예에서 손가락의 끝을 지지하도록 치수화된 프레임 구조에 의해 적어도 부분적으로 둘러싸여 있을 수 있다. 이로써 손가락의 끝의 피부가 지지되고 인장되어(tensioned) 적어도 하나의 미세바늘이 피부로 쉽게 침투할 수 있다.

센서 어셈블리는 또한 예를 들어 여기에 설명된 칩셋의 MEMS 제조의 경우에 웨이퍼의 핸들링을 가능하게 하는, 바늘들의 팁과 적어도 동일한 평면으로 돌출하는 주변 구조에 의해 보호될 수 있다.

센서 어셈블리는 또한 위에서 언급한 복수의 바늘들에 의한 관통 전에 피부를 신장시키는 주변 구조를 가질 수 있다.

제1 기판(310)의 상부 측 상의 주변 프레임 구조(340)의 예가 또한 도 3에 도시되어 있다.

도 4는 미세바늘(416)을 갖는 개략적인 센서 어셈블리(400)의 단면도이다. 센서 어셈블리(400)는 제1 기판(410), 제2 기판(420) 및 센서(430)를 갖는다.

제1 기판(410)은 제1 기판(410)의 상측(413)의 미세바늘(416)로부터 제1 기판(410)의 저측(415)의 유체 채널(414)까지 제1 기판(410)를 통해 연장되는 유체 경로(412)를 정의하는 모세관 구멍(411)를 갖는다.

제2 기판(420) 및 센서(430)는 이전에 제시된 도면에 따라 배치된다. 적어도 이것에 의해, 유체 경로(412)는 미세바늘(416), 유체 채널(414) 및 금속화된 비아들(421, 422)을 통해 연장된다. 따라서 유체 경로(412) 내의 유체는 제1 기판(410) 및 제2 기판(420)을 통과하면서 센서(430)를 통과할 수 있다.

미세바늘(416)은 결정학적 평면에 의해 정의된 날카로운 팁을 가질 수 있다. 예를 들어, 미세바늘은 각 바늘 또는 바늘들에 대해 (111) 평면들에 의해 정의되는 사면(bevel) 경사를 가질 수 있다.

각각의 미세바늘(416)은 모세관 구멍(411), 예를 들어, 단일의 모세관 구멍을 포함할 수 있다. 따라서, 체액은 미세바늘(416)을 통한 모세관 흡입에 의해 추출될 수 있다.

미세바늘(416)에는 모세관 구멍이 막히는 것을 방지하기 위해 원위 단부에 캡이 제공될 수 있으며, 이에 의해 모세관 구멍에 대한 적어도 하나의 개구가 미세바늘의 축방향 또는 길이 방향 연장부에 수직인 미세바늘의 측방향(lateral direction)으로 제공된다.

각각의 미세바늘의 모세관 구멍에는 친수성 표면이 제공될 수 있다. 따라서, 체액의 모세관 흐름이 도움이 될 수 있다.

미세바늘은 미세바늘의 길이 방향을 따라 연장되는 복수의 절단 요소들을 포함할 수 있다. 이로써 피부가 절단되고 개방되어 체액의 추출이 용이해질 수 있다.

바늘의 사면에 투사된투영된(projected) 각각의 미세바늘의 구멍 구멍의 둘레는 팁이 둘레의 외부에 있는 방식으로 팁으로부터 거리를 두고 위치할 수 있다.

미세바늘(416)의 길이는 200~1000㎛, 바람직하게는 400~900㎛, 보다 바람직하게는 300~600㎛이고, 외주는 400~800㎛일 수 있다. 이에 의해 미세바늘(416)은 피부 침투 및 체액 추출에 적합한 치수를 갖는다.

모세관 시스템을 포함하는 측면에 투영된 구멍 구멍의 일부는 표면 장력을 최소화하는 최대화된 벽면을 생성하는 연결 모세관의 외부에 있을 수 있다.

구멍 구멍과 모세관 사이의 연결은 예를 들어 최소화된 접촉각을 갖도록 설계되어 장력 구동 흐름이 가능하다.

각각의 바늘의 샤프트에는 자루(hilt)가 있거나 없을 수 있다.

수직 구멍 구멍은 선택적이고 특정 분자에 특정한 재료로 채워져 통합된 추출 및 감지 칩셋을 생성할 수 있다. 충전재는 예를 들어 포도당 산화효소 및 탄소 분말일 수 있으며 이에 따라 포도당 특이적 추출 및 감지 칩셋을 생성할 수 있다.

복수의 개구부들이 미세바늘(416)의 원주 주위에 측방향으로 제공될 수 있다. 적어도 하나의 개구부는 미세바늘(416)의 길이 방향 연장부를 따라 대략 중간에 제공될 수 있다. 이에 의해 체액의 추출이 촉진되고 막힐 위험이 더 줄어든다.

구멍들은 중공 구조로 체액 샘플링을 위한 입구들을 구성할 수 있다. 이에 의해, 환자의 불편함을 최소화하면서 간질액(ISF)과 같은 체액이 추출되어 센서(430) 내로 도입될 수 있다.

센서(430)는 상이한 패턴의 모세관의 수집 네트워크를 가질 수 있고, 증발 문제 없이 이루어진 액체의 수집 및 저장이 장점이다. 따라서, 칩을 샘플링할 수 있고 현장에서 분석할 수도 있다.

센서(430)는 수직 구멍 구멍과 수집 모세관 사이의 경계면을 가질 수 있어 액체가 벽을 적시고 모세관 작용에 의해 후면의 수집 채널을 채우도록 측방향으로 오정렬된다.

미세바늘(416)은 결정학적 방향으로 배향되거나 바람직하게는 동일한 방향으로 배향된 사면(bevel)을 가질 수 있다.

도 5a는 일 실시예에 따른 미세바늘(516)의 길이 방향 축을 따른 단면도이다. 이 도면에서 모세관 구멍(511)의 원형 단면이 도시되어 있다.

도 5b는 일 실시예에 따른 미세바늘(516)의 길이 방향 축을 따른 단면도이다. 이 도면에서 모세관 구멍(511)의 불균일한 단면이 도시되어 있다. 도시된 미세바늘(516)은 2개의 둥근 코너들(corners)을 갖는다. 하나 또는 세 개의 둥근 코너들과 같은 다른 디자인도 가능하다. 코너들은 곡률 반경이 같거나 다를 수 있다. 또한, 코너들은 삼각형이 6개의 코너들을 갖는 것으로 설명될 수 있는 방식으로 절단될 수 있으며 세 개의 변들은 다른 세 개의 변들보다 상당히 크다.

도 5c는 일 실시예에 따른 미세바늘(516)의 길이 방향 축을 따른 단면도이다. 이 도면에서 모세관 구멍(511)의 삼각형 단면이 도시되어 있다.

이 적용에서 삼각형 단면은 해당 코너들과 연결된 세 개의 에지들(edges)이 있는 모양을 포함해야 한다. 에지들은 직선, 곡선, 볼록 또는 오목일 수 있다. 코너들은 날카롭거나 뭉툭하거나 서로 다르거나 같은 반경으로 둥글 수 있다. 따라서, 이 적용에서 계란 또는 하트 모양의 단면은 삼각형으로 간주된다. 이 추론은 미세바늘의 모양과 마찬가지로 구멍의 모양에도 적용된다.

예를 들어, 모세관 구멍(511)의 삼각형 모양은 곡선 코너들을 통해 직선 섹션들(sections)에 연결된 볼록한 베이스(base)를 갖는 실질적으로 삼각형일 수 있다. 모세관 구멍의 이러한 모양은 인간 피험자의 손가락에서 간질액을 추출하는 데 매우 효율적인 것으로 입증되었다.

예를 들어, 원위 단부에 있는 모세관 구멍의 단면적은 근위 단부에 있는 모세관 구멍의 단면적보다 클 수 있다. 또한, 유체 채널은 유체 채널 내에서의 유체 흐름을 더욱 향상시키기 위해 감소하는 단면적을 더 포함할 수 있다. 미세바늘의 모세관 구멍의 단면적은 예를 들어 길이 방향을 따라 원위 단부에서 근위 단부 쪽으로 점차 감소할 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 어셈블리를 갖는 칩의 개략적인 저면도이다. 제1 기판(610) 및 제2 기판(620)이 도시되어 있다. 제2 기판(620)은 제1 금속화된 비아(621) 및 제2 금속화된 비아(621)를 갖는다. 금속화된 비아들은 제2 기판(620)의 반대편에 있는 센서로부터의 판독값을 전달하는데 사용될 수 있고, 확장된 패드들과 전기적으로 접촉한다. 센서로부터의 판독을 더욱 단순화하기 위해 확장된 패드들이 사용될 수 있다.

도 7은 비아들 및 센서를 갖는 제2 기판(720)의 평면도이다. 보기는 원근감이 있으므로 도면에 약간의 왜곡이 있을 수 있다.

제2 기판(720) 상에 제1 금속화된 비아(721) 및 제2 금속화된 비아(722)가 형성된다. 제2 기판은 제1 전극(731) 및 제2 전극(732)을 갖는 센서를 더 포함하며, 둘 다 도면에서 나선형으로 보여질 수 있다. 제1 전극(731)은 제1 금속화된 비아(721)와 전기적으로 접촉하고 제2 전극(732)은 제2 금속화된 비아(722)와 전기적으로 접촉한다. 이에 의해, 전극으로부터의 판독값은 제1 금속화 비아(721) 및 제2 금속화 비아(722)에 의해 제2 기판(720)을 통해 전달될 수 있다.

센서 어셈블리에는 서로 최소 거리가 100마이크로미터이지만 1mm 이하인 어레이 또는 매트릭스로 구성된 복수의 바늘들이 제공될 수 있으며, 바늘은 주변 구조와 동일한 평면에 또는 주변 구조보다 약간 아래에 날카로운 팁을 가지며, 팁은 54.7도 경사를 가질 수 있고, 바늘은 막히지 않고 추출할 수 있는 모세관 치수를 갖는 중공의 구멍과 200마이크로미터 이상의 샤프트를 갖는다.

도 8은 복수의 미세바늘(816)로부터의 다중 구멍들(812)을 갖는 개략적인 센서 어셈블리의 개략적인 단면도이다. 센서 어셈블리(800)는 제1 기판(810), 제2 기판(820)을 갖는다.

제1 기판(810)은 제1 기판(810)의 상측(813)의 복수의 미세바늘(816)로부터 제1 기판(810)의 하측(815)의 유체 채널(814)까지 제1 기판(810)을 통해 연장되는 유체 경로(812)를 정의하는 다수의 모세관 구멍을 갖는다. 복수의 미세바늘들(816) 중 2개에 모세관 구멍이 있는 것으로 도시되어 있지만, 복수의 미세바늘들(816) 중 여러 개에 모세관 구멍이 있을 수 있고 각각의 모세관 구멍이 유체 채널(814)과 연결될 수 있음을 이해해야 한다.

각각의 모세관 구멍은 제1 기판(810)의 상측(813)으로부터 제1 기판(810)의 하측(815)의 유체 채널 포트까지 연장될 수 있다. 센서 어셈블리에 미세바늘이 제공되는 경우, 모세관 구멍은 미세바늘의 팁으로부터 제1 기판(810)의 하측(815)의 유체 채널 포트까지 연장될 수 있다.

제2 기판(820)은 이전에 제시된 도면에 따라 배치된 센서(830)를 포함한다. 적어도 이것에 의해, 유체 경로(812)는 복수의 미세바늘들(816), 유체 채널(814) 및 금속화된 비아들(821, 822)를 통해 연장된다. 이에 의해 유체 경로(812) 내의 유체는 제1 기판(810) 및 제2 기판(820)을 통과하면서 센서(830)을 통과할 수 있다.

미세바늘들(816)은 바늘 방석(bed of nails)의 영향을 피하기 위해 예를 들어 200 마이크로미터의 서로 최소 거리에 위치될 수 있다.

미세바늘들(816)은 통합된, 예를 들어 에칭된 모세관들을 사용하여 미세바늘의 적어도 서브세트 사이의 연결을 가능하게 하는 방식으로 배향될 수 있다.

미세바늘들(816)은 유체 출구 포트로의 모세관 흐름을 가능하게 하는 모세관 시스템과 모두 조합될 수 있다.

제2 기판은 웨이퍼 본딩되거나 다른 수단에 의해 제1 기판에 부착될 수 있지만, 모세관 또는 등가 흐름 시스템을 통해 연결될 수도 있다.

센서는 또한 체액에서 포도당 수준을 감지하도록 구성될 수 있다. 즉, 센서는 포도당 센서일 수 있다. 이로써 체액 내 포도당 수준의 빠르고 정확한 감지를 위한 센서가 제공될 수 있다.

센서는 체액에서 젖산, 이산화탄소 또는 기타 분자의 농도 또는 존재를 감지하도록 구성될 수 있다. 이로써 체액에서 상기 언급된 분자 또는 기타 분자, 이온 또는 바이오마커의 수준을 신속하고 정확하게 감지하기 위한 센서가 제공될 수 있다.

특정 실시예들이 설명되었지만, 당업자는 첨부된 청구범위에 정의된 범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 본 명세서에 인용된 모든 선행 기술 문서는 본 개시내용에 그 전체가 참고로 명시적으로 포함된다.

Claims (14)

1. 유체 경로(112, 212, 312, 411)를 정의하는 적어도 하나의 모세관 구멍(111, 211, 311, 411, 511, 811)를 포함하는 제1 기판(110, 210, 310, 410, 610, 810), 상기 유체 경로는 상기 제1 기판을 통해 상기 제1 기판의 상측(113, 313, 413, 813)으로부터 하측(115, 215, 415, 815)의 유체 채널(114, 214, 414, 814)까지 연장됨;
   상기 제1 기판과 연결되어 배치된 제2 기판(120, 220, 320, 420, 620, 720, 820), 상기 제1 기판의 상기 유체 채널은 상기 제2 기판에 형성된 제1 금속화된 비아(121, 221, 421, 621, 721, 821) 및 제2 금속화된 비아(122, 222, 422, 622, 722, 822)와 유체 연통하고, 제1 금속화된 비아 및 제2 금속화된 비아를 통해 상기 유체 경로가 연장됨;
   상기 제1 기판의 상기 유체 채널과 유체 연통하도록 상기 제2 기판 상에 배치된 제1 전극(231, 731) 및 제2 전극(232, 732)을 포함하는 센서(130, 230, 430, 830);를 포함하고,
   상기 제1 전극은 상기 제1 금속화된 비아와 전기적으로 접촉하고, 상기 제2 전극은 상기 제2 금속화된 비아와 전기적으로 접촉하는, 센서 어셈블리(100, 200, 300, 400, 800).
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 기판은 복수의 구멍들을 포함하는, 센서 어셈블리.
3. 제1항 내지 제2항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 모세관 구멍들로부터 상기 제2 기판을 향해 유체를 끌어당기기 위해 상기 유체 경로에 부압을 가하는 수단들을 더 포함하는, 센서 어셈블리.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 기판 상에 일체로 형성된 복수의 미세바늘들을 더 포함하고,
   각각의 미세바늘은,
   상기 제1 기판 상에서 길이 방향 축을 따라 사면을 갖는 원위 단부로부터 근위 단부까지 연장되는 기다란 몸체를 포함하고,
   상기 모세관 구멍들이 상기 기다란 몸체를 통해 길이 방향으로 연장되고 상기 유체 경로를 추가로 정의하고;
   상기 근위 단부는 상기 제1 기판과 일체로 형성되고 상기 유체 경로는 상기 제1 기판의 유체 채널과 유체 연통하는, 센서 어셈블리.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제2 기판은 상기 복수의 미세바늘들과 대향하는 측에 상기 제1 기판과 연결되어 배치되는, 센서 어셈블리.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 제1 전극은 나선 형상이고, 상기 제2 전극은 나선 형상이며, 상기 제1 및 제2 전극의 나선 형상들은 끼워넣어지는(nested), 센서 어셈블리.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 센서는 상기 제1 기판을 향하는 상기 제2 기판의 일측에 위치되는, 센서 어셈블리.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 센서는 상기 제1 기판을 향하는 상기 제2 기판의 일측에 적어도 부분적으로 위치되는, 센서 어셈블리.
9. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 센서는 상기 제1 및 제2 비아들에 적어도 부분적으로 위치되는, 센서 어셈블리.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비아는 상기 제2 기판을 통해 연장되는 신호 경로를 더 포함하고, 상기 센서는 상기 신호 경로와 전기적으로 연결되도록 배치되는, 센서 어셈블리.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비아는 중공이고, 이에 의해 상기 제2 기판의 2개의 대향하는 측들사이에 유체 연통이 제공되는, 센서 어셈블리.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 센서는 전기 화학적 센서인, 센서 어셈블리.
13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 비아들의 벽면은 친수성인, 센서 어셈블리.
14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 따른 센서 어셈블리를 포함하는 측정 장치로서,
    상기 적어도 하나의 미세바늘의 반대편에 있는 센서 어셈블리와 연결되어 배치되고 상기 제2 기판의 상기 비아와 유체 연통하는 부압 장치를 더 포함하고, 이에 의해 상기 칩의 상기 비아 및 상기 유체 채널을 통해 부압이 제공되는, 측정 장치.
    
    

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