KR20230038566A - 나노포어 감지 디바이스 - Google Patents
나노포어 감지 디바이스 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20230038566A KR20230038566A KR1020237005384A KR20237005384A KR20230038566A KR 20230038566 A KR20230038566 A KR 20230038566A KR 1020237005384 A KR1020237005384 A KR 1020237005384A KR 20237005384 A KR20237005384 A KR 20237005384A KR 20230038566 A KR20230038566 A KR 20230038566A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- nanopore
- planar
- sensing device
- layer
- planar structure
- Prior art date
Links
- 239000012530 fluid Substances 0.000 claims abstract description 240
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims abstract description 57
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 76
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 73
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 37
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims description 33
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 8
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 237
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 117
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 30
- 102000040430 polynucleotide Human genes 0.000 description 27
- 108091033319 polynucleotide Proteins 0.000 description 27
- 239000002157 polynucleotide Substances 0.000 description 27
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 26
- 230000008569 process Effects 0.000 description 26
- 239000012491 analyte Substances 0.000 description 25
- 238000002161 passivation Methods 0.000 description 24
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 102000053602 DNA Human genes 0.000 description 8
- 108020004414 DNA Proteins 0.000 description 8
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 8
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 7
- 229920002120 photoresistant polymer Polymers 0.000 description 7
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 7
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 7
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 7
- 238000004380 ashing Methods 0.000 description 6
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 6
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 6
- 238000013461 design Methods 0.000 description 6
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 6
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 5
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 5
- 239000000232 Lipid Bilayer Substances 0.000 description 4
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 4
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 4
- 238000000623 plasma-assisted chemical vapour deposition Methods 0.000 description 4
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 4
- 108091005703 transmembrane proteins Proteins 0.000 description 4
- 102000035160 transmembrane proteins Human genes 0.000 description 4
- 101710174798 Lysenin Proteins 0.000 description 3
- 239000012472 biological sample Substances 0.000 description 3
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 3
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 description 3
- 102000039446 nucleic acids Human genes 0.000 description 3
- 108020004707 nucleic acids Proteins 0.000 description 3
- 150000007523 nucleic acids Chemical class 0.000 description 3
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920002477 rna polymer Polymers 0.000 description 3
- 101000777504 Actinia fragacea DELTA-actitoxin-Afr1a Proteins 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M Potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229920001400 block copolymer Polymers 0.000 description 2
- 210000001124 body fluid Anatomy 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 2
- 238000001459 lithography Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 230000011987 methylation Effects 0.000 description 2
- 238000007069 methylation reaction Methods 0.000 description 2
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 2
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 2
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 2
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 2
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 2
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 2
- 108090000765 processed proteins & peptides Proteins 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 2
- 241000894007 species Species 0.000 description 2
- 229920000428 triblock copolymer Polymers 0.000 description 2
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 1
- 241000283690 Bos taurus Species 0.000 description 1
- 241000282472 Canis lupus familiaris Species 0.000 description 1
- 241000196324 Embryophyta Species 0.000 description 1
- 241000283086 Equidae Species 0.000 description 1
- 241000282326 Felis catus Species 0.000 description 1
- 241000233866 Fungi Species 0.000 description 1
- 101000777488 Heteractis magnifica DELTA-stichotoxin-Hmg2b Proteins 0.000 description 1
- 241000282412 Homo Species 0.000 description 1
- 241000124008 Mammalia Species 0.000 description 1
- 241001494479 Pecora Species 0.000 description 1
- 239000004952 Polyamide Substances 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 229910052581 Si3N4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000282887 Suidae Species 0.000 description 1
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 1
- 241000700605 Viruses Species 0.000 description 1
- NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N acrylic acid group Chemical group C(C=C)(=O)O NIXOWILDQLNWCW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013006 addition curing Methods 0.000 description 1
- 150000001413 amino acids Chemical class 0.000 description 1
- 210000004381 amniotic fluid Anatomy 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 230000000295 complement effect Effects 0.000 description 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 1
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 1
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 229920000359 diblock copolymer Polymers 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 1
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000003822 epoxy resin Substances 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 239000003228 hemolysin Substances 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 229920000592 inorganic polymer Polymers 0.000 description 1
- 239000011810 insulating material Substances 0.000 description 1
- 239000002608 ionic liquid Substances 0.000 description 1
- 238000002955 isolation Methods 0.000 description 1
- 150000002632 lipids Chemical class 0.000 description 1
- 210000002751 lymph Anatomy 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 210000003097 mucus Anatomy 0.000 description 1
- 239000002773 nucleotide Substances 0.000 description 1
- 125000003729 nucleotide group Chemical group 0.000 description 1
- 239000011368 organic material Substances 0.000 description 1
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000012856 packing Methods 0.000 description 1
- 230000003071 parasitic effect Effects 0.000 description 1
- 238000000059 patterning Methods 0.000 description 1
- 150000003904 phospholipids Chemical class 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002647 polyamide Polymers 0.000 description 1
- 229920000647 polyepoxide Polymers 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 229920001184 polypeptide Polymers 0.000 description 1
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 description 1
- 235000011164 potassium chloride Nutrition 0.000 description 1
- 102000004196 processed proteins & peptides Human genes 0.000 description 1
- 210000003296 saliva Anatomy 0.000 description 1
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 1
- 210000000582 semen Anatomy 0.000 description 1
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 1
- 238000012163 sequencing technique Methods 0.000 description 1
- 210000002966 serum Anatomy 0.000 description 1
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Chemical compound [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N silicon nitride Chemical compound N12[Si]34N5[Si]62N3[Si]51N64 HQVNEWCFYHHQES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002379 silicone rubber Polymers 0.000 description 1
- 239000004945 silicone rubber Substances 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 150000003384 small molecules Chemical class 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 210000002700 urine Anatomy 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G01N15/1245—
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
- G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
- G01N33/483—Physical analysis of biological material
- G01N33/487—Physical analysis of biological material of liquid biological material
- G01N33/48707—Physical analysis of biological material of liquid biological material by electrical means
- G01N33/48721—Investigating individual macromolecules, e.g. by translocation through nanopores
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/10—Investigating individual particles
- G01N15/1031—Investigating individual particles by measuring electrical or magnetic effects
- G01N15/12—Investigating individual particles by measuring electrical or magnetic effects by observing changes in resistance or impedance across apertures when traversed by individual particles, e.g. by using the Coulter principle
- G01N15/134—Devices using two or more apertures
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N2015/0038—Investigating nanoparticles
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
- G01N15/10—Investigating individual particles
- G01N2015/1006—Investigating individual particles for cytology
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Pathology (AREA)
- Immunology (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Urology & Nephrology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Food Science & Technology (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Hematology (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
Abstract
나노포어 감지 디바이스는 제1 챔버와 제2 챔버 사이에 연장되는 복수의 유체 통로들이 제공된 평면 구조를 포함한다. 평면 구조는 개별의 통로들에 걸쳐 멤브레인들의 나노포어들을 지지하고 센서 전극들은 나노포어들과 제2 챔버 사이의 개별의 통로들에서 유체 전위를 감지하도록 배열된다. 통로들은 센서 전극과 제2 챔버 사이의 평면 유체 저항기 부분들을 포함하고, 평면 유체 저항기 부분들은 평면 구조의 평면 방향으로 연장되고 유체 저항기를 형성하도록 구성된다.
Description
본 발명은 나노포어(nanopore) 감지 디바이스에 관한 것이다.
나노포어 감지 디바이스는 폴리머 분자와 같은 단일 분자를 포함하여 광범위한 종을 감지하기 위해 개발되었다. 공지된 나노포어 감지 디바이스는 옥스포드 나노포어 테크놀로지스 리미티드(Oxford Nanopore Technologies Ltd.)에서 제조 및 판매되는 MinIONTM이다. 나노포어 기반 감지는 저항성이 높은 양친매성 멤브레인에 위치한 생물학적 나노포어를 통한 이온 전류 흐름의 측정을 사용한다. MinIONTM은 나노포어 센서들의 어레이를 갖는다. 폴리머 분석물과 같은 분자로서, 예를 들어 DNA는 나노포어를 이동하고, 이온 전류의 변동 측정은 DNA 가닥(strand)의 시퀀스를 결정하는 데 사용될 수 있다. 단백질과 같은 폴리뉴클레오타이드 이외의 분석물의 검출을 위한 나노포어 디바이스는 또한 WO2013/123379로부터 공지되어 있다.
MinIONTM과 같은 많은 나노포어 감지 디바이스는 생물학적 나노포어를 사용하지만 대안은 고체 상태의 나노포어를 사용하는 것이다. 고체 나노포어를 사용하는 나노포어 감지 디바이스의 예는 WO2016/127007에 개시되어 있으며, 그 전체 내용이 참조로 여기에 포함된다. 고체 나노포어 센서의 성능은 감지 컴포넌트, 제조 기술 및 허용 오차에 의해 제한되며, 이는 나노포어의 형성 또는 센서의 어셈블리의 변화의 결과로 발생할 수 있다. 이러한 요인 및 기타 요인은 그러한 나노포어 센서를 제어하는 대역폭, 감도 및 능력을 손상시킨다.
본 발명은 복수의 나노포어 센서들을 갖는 나노포어 센서 디바이스를 구현하는 것과 관련된 문제를 극복하는 것에 관한 것이다.
본 발명의 양태에 따르면, 나노포어 감지 디바이스가 제공되며, 이는 제1 챔버 및 제2 챔버; 상기 제1 및 제2 챔버들 사이에 연장되는 복수의 유체 통로들이 제공된 평면 구조-여기서, 상기 평면 구조는 개별의 통로들에 걸쳐 멤브레인들의 나노포어들을 지지하도록 구성됨-; 및 상기 나노포어들과 상기 제2 챔버 사이의 개별의 통로들에서 유체 전위를 감지하도록 배열된 센서 전극들을 포함하고, 상기 통로들은 상기 센서 전극과 상기 제2 챔버 사이의 평면 유체 저항기 부분들을 포함하고, 상기 평면 유체 저항기 부분들은 상기 평면 구조의 평면 방향으로 연장되고 유체 저항기를 형성하도록 구성된다.
평면 유체 저항기 부분을 제공함으로써 하나의 레그에 나노포어의 저항을 포함하고 다른 레그에 평면 유체 저항기 부분의 저항을 포함하는 전압 분배기가 센서 전극에 걸쳐 형성된다. 그 결과, 센서 전극에 의해 통로에서 감지된 유체 전위는 통로를 통해 흐르는 전류와 따라서 나노포어를 감지할 수 있게 한다. 이를 통해 나노포어 감지가 가능하다.
또한, 평면 구조의 평면 방향으로 연장되는 평면 유체 저항기 부분의 형성은 평면 구조의 두께를 통해 연장되는 액세스 구멍에 의해 형성된 유체 저항기 부분에 비해 제조 용이성을 향상시킨다. 이는 나노포어의 전형적인 저항이 나노포어와 전압 분배기를 수행하기 위해서는 유체 저항기 부분에 상대적으로 높은 저항이 제공되어야 함을 의미하기 때문이다. 따라서, 평면 구조의 두께를 통해 연장되는 액세스 구멍들에 의해 형성된 유체 저항기 부분들은 상대적으로 길고 제조하기 어려운 상대적으로 높은 종횡비를 가질 필요가 있다. 대조적으로, 평면 구조의 평면 방향으로 연장되는 평면 유체 저항기 부분은 원칙적으로 더 쉽게 형성된다. 그러나, 이들의 구성 및 형성은 기술적인 문제로 남아 있으며, 본 발명의 다음 양태 중 일부는 제조 용이성을 개선하는 것과 관련이 있다.
유체 저항기 부분은 형상이 선형일 수 있다. 유체 저항기 부분은 굽힘이나 회전이 없는 연속적인 선형 형상을 가질 수 있다. 유체 저항기 부분은 형상이 선형일 수 있고 평면 구조에 수직인 방향으로 연장될 수 있다. 유체 저항기 부분의 유체 저항은 나노포어의 저항보다 작을 수 있다. 유체 저항기 부분의 유체 저항은 나노포어 저항의 50% 미만 내지 약 1%일 수 있다. 유체 저항기 부분의 유체 저항은 나노포어 저항의 약 10%일 수 있다. 일 양태에서, 평면 구조는 통로에 걸쳐 연장되는 멤브레인의 나노포어를 지지하도록 구성된 나노포어 지지 층; 및 평면 유체 저항기 부분이 형성되는 추가 층을 포함한다.
나노포어 지지 층과 다른 층에 평면 유체 저항기 부분을 형성하여 멤브레인 내의 나노포어를 지지하고, 나노포어 지지 층은 나노포어 지지에 적합한 특성을 갖도록 설계 및 제조될 수 있으며, 평면 유체 저항기 부분이 상이한 재료 특성을 갖는 추가 층에 형성될 수 있게 한다.
일부 유형의 실시예에서, 나노포어 지지 층에는 제1 챔버로 개방되는 웰들이 제공되며, 웰들은 통로의 일부를 형성하고 웰들을 걸쳐 연장되는 멤브레인들의 나노포어들을 지지하도록 구성된다.
추가 층은 유전체 층일 수 있다. 이는 예를 들어 증착 및 제거 프로세스와 같은 유전체 재료 처리에 적합한 다양한 기술을 사용할 수 있게 함으로써 평면 유체 저항기 부분의 제조를 용이하게 한다.
제1 및 제2 챔버들은 통로가 평면 구조를 통해 연장되도록 평면 구조의 대향 측들에 있을 수 있다. 그 경우에, 기판을 통해 연장되고 통로의 일부를 형성하는 액세스 구멍이 기판에 제공될 수 있다.
별도의 나노포어 지지 층과 결합될 수 있지만 이에 의존하지 않는 또 다른 양태에서, 제1 및 제2 챔버들은 평면 구조를 통해 통로가 연장되도록 평면 구조의 대향 측들에 있다. 그 경우에, 평면 구조는 기판; 및 기판에 의해 지지되는 추가 층을 포함하며, 평면 유체 저항기 부분은 추가 층에 형성되고, 기판에는 통로의 일부를 형성하도록 그를 통해 연장되는 액세스 구멍이 제공된다.
이는 추가 층이 기판 상에서 처리되도록 함으로써 평면 유체 저항기 부분의 제조를 용이하게 한다. 예를 들어, 추가 층은 유전체 층일 수 있고, 이는 위에서 언급한 바와 같이 유전체 재료 처리에 적합한 다양한 기술, 예를 들어 증착 및 제거 프로세스를 사용함으로써 평면 유체 저항기 부분의 제조를 용이하게 한다.
일부 실시예에서, 추가 층은 제1 챔버와 기판 사이에 있다. 유리하게는, 이것은 평면 유체 저항기 부분이 통로 내의 나노포어에 더 가깝게 형성되는 추가 층을 위치시킨다.
유리하게는, 각각의 액세스 구멍은 복수의 평면 유체 저항기 부분들에 공통으로 유체 연결됨으로써 복수의 통로들에 의해 공유될 수 있다. 이는 평면 구조의 영역을 가로지르는 통로 및 나노포어의 영역 밀도가 증가되도록 한다.
기판은 반도체 웨이퍼일 수 있다. 이는 종래의 반도체 처리 기술을 사용하여 추가 층에 평면 유체 저항기 부분을 형성할 수 있게 한다.
또한, 평면 구조는 반도체 웨이퍼에 의해 지지되는 회로 층을 더 포함할 수 있으며, 회로 층은 센서 전극에 연결된 회로 컴포넌트를 포함한다. 이는 반도체 웨이퍼가 평면 유체 저항 부분이 형성되는 회로 층과 추가 층 모두를 지지하는 기판을 제공할 수 있게 한다.
이 경우, 반도체 웨이퍼 상에 회로 층이 형성되고, 회로 층 상에 유전체 층이 형성되는 것이 유리하다. 이 순서는 평면 유체 저항기 부분이 형성되는 회로 층 및 추가 층을 제공하기 위해 제조를 단순화한다.
다른 실시예에서, 평면 구조는 그에 의해 지지되는 회로 층을 갖는 반도체 웨이퍼를 추가로 포함하고, 회로 층은 센서 전극에 연결된 회로 컴포넌트를 포함하고, 반도체 웨이퍼 및 회로 층에는 이를 통해 연장되고 통로의 일부를 형성하는 액세스 구멍이 제공되며, 기판은 반도체 웨이퍼와 제2 챔버 사이에서 반도체 웨이퍼에 접합된다.
다른 실시예에서, 평면 구조는 기판; 반도체 웨이퍼에 의해 지지되는 회로 층-여기서, 회로 층은 센서 전극에 연결된 회로 컴포넌트를 포함함-; 및 통로에 걸쳐 연장되는 멤브레인의 나노포어를 지지하도록 구성된 나노포어 지지 층을 포함하고, 평면 유체 저항기 부분은 나노포어 지지 층에 형성된다. 이는 나노포어 지지 층을 가공하는데 적합한 다양한 기술을 허용함으로써 평면 유체 저항기 부분의 제조를 용이하게 한다.
이 경우에, 나노포어 지지 층에는 제1 챔버로 개방되는 웰들이 제공될 수 있고, 웰들은 통로의 일부를 형성하고 웰들에 걸쳐 연장되는 멤브레인들의 나노포어들을 지지하도록 구성된다.
제1 및 제2 챔버들은 평면 구조의 대향 측들에 있을 수 있으며, 이 경우 통로는 평면 구조를 통해 연장된다. 기판에는 이를 통해 연장되는 통로의 일부를 형성하는 액세스 구멍이 제공될 수 있다.
액세스 구멍은 복수의 평면 유체 저항 부분들에 공통으로 유체 연결됨으로써 복수의 통로들에 의해 공유될 수 있다. 액세스 구멍이 2개 이상의 통로들 사이에서 공유될 때 액세스 구멍의 저항은 통로들 사이의 혼선을 억제하도록 구성된다. 공통 액세스 구멍의 저항은 통로 내에서 무시할 수 있다.
기판은 반도체 웨이퍼일 수 있다.
임의의 실시예에서, 유리하게는 평면 유체 저항기 부분은 구불구불한 경로를 따라 연장될 수 있다. 이는 평면 구조의 개별 영역 내에 원하는 저항을 제공하기에 충분한 길이를 갖는 평면 유체 저항기 부분의 패키징을 용이하게 하여 나노포어 센서의 영역 밀도를 증가시키는 데 도움이 된다.
임의의 실시예에서, 유리하게는, 평면 유체 저항기 부분은 각각 평면 구조의 평면 방향으로 연장되지만 평면 구조 내에서 상이한 깊이에서 연장되는 섹션들을 포함할 수 있다. 이는 평면 구조의 개별 영역 내에서 원하는 저항을 제공하기에 충분한 길이를 가진 평면 유체 부분의 패키징을 용이하게 하여 나노포어 센서의 영역 밀도를 증가시키는 데 도움이 된다. 깊이가 다른 섹션들이 겹칠 수 있다.
더 나은 이해를 돕기 위해, 본 발명의 실시예는 이제 첨부된 도면을 참조하여 비제한적 예로서 설명될 것이며, 여기서:
도 1은 나노포어 감지 디바이스의 단면도이다;
도 2는 나노포어 감지 디바이스의 평면 구조의 단면도이다;
도 3은 평면 구조의 평면도이다;
도 4는 나노포어 감지 디바이스의 회로도이다;
도 5는 평면 구조의 유전체 층에 형성될 수 있는 평면 유체 저항기 부분의 평면도이다;
도 6a 내지 6j는 평면 구조의 제조 동안 처리되는 층의 일련의 단면도들이다;
도 7은 제1 변형 구성을 갖는 평면 구조물의 단면도이다;
도 8a 및 8b는 제2 및 제3 변형 구성들을 갖는 평면 구조의 단면도이다;
도 9는 평면 구조의 유전체 층에 형성된 평면 유체 저항기 부분의 다른 구성의 평면도이다;
도 10a 내지 10m은 평면 유체 저항 부분이 도 9의 대안적인 구성을 갖는 평면 구조의 제조 동안 처리되는 층의 일련의 단면도들이다;
도 11a 내지 11d는 평면 유체 저항기 부분이 반도체 웨이퍼에 접합된 기판 상에 형성되는 제4 변형 구성을 갖는 평면 구조의 베이스 층의 제조 동안 처리되는 층의 일련의 단면도들이다; 및
도 12a 내지 12f는 평면 유체 저항기 부분이 나노포어 지지 층에 형성되는 제5 변형 구성을 갖는 평면 구조의 제조 동안 처리되는 층의 일련의 단면도들이다.
도 1은 나노포어 감지 디바이스의 단면도이다;
도 2는 나노포어 감지 디바이스의 평면 구조의 단면도이다;
도 3은 평면 구조의 평면도이다;
도 4는 나노포어 감지 디바이스의 회로도이다;
도 5는 평면 구조의 유전체 층에 형성될 수 있는 평면 유체 저항기 부분의 평면도이다;
도 6a 내지 6j는 평면 구조의 제조 동안 처리되는 층의 일련의 단면도들이다;
도 7은 제1 변형 구성을 갖는 평면 구조물의 단면도이다;
도 8a 및 8b는 제2 및 제3 변형 구성들을 갖는 평면 구조의 단면도이다;
도 9는 평면 구조의 유전체 층에 형성된 평면 유체 저항기 부분의 다른 구성의 평면도이다;
도 10a 내지 10m은 평면 유체 저항 부분이 도 9의 대안적인 구성을 갖는 평면 구조의 제조 동안 처리되는 층의 일련의 단면도들이다;
도 11a 내지 11d는 평면 유체 저항기 부분이 반도체 웨이퍼에 접합된 기판 상에 형성되는 제4 변형 구성을 갖는 평면 구조의 베이스 층의 제조 동안 처리되는 층의 일련의 단면도들이다; 및
도 12a 내지 12f는 평면 유체 저항기 부분이 나노포어 지지 층에 형성되는 제5 변형 구성을 갖는 평면 구조의 제조 동안 처리되는 층의 일련의 단면도들이다.
도 1은 다음과 같이 배열된 나노포어 감지 디바이스(1)를 나타낸다.
나노포어 감지 디바이스(1)는 제1 챔버(3)와 제2 챔버(4)를 포함하고, 제1 챔버(3)와 제2 챔버(4) 사이에 평면 구조(10)를 갖는다. 제1 및 제2 챔버들(3, 4)은 사용 중인 이온 용액 또는 이온 액체와 같은 유체로 채워진다. 제1 및 제2 챔버들(3, 4)은 도 1에 개략적으로 도시되어 있지만 임의의 적합한 구조로 배열될 수 있다.
제1 및 제2 챔버들(3, 4)은 폐쇄될 수 있거나 그를 통한 용액의 흐름을 허용하는 흐름 셀들의 일부로서 배열될 수 있다.
평면 구조(10)에는 제1 및 제2 챔버들(3, 4) 사이에서 연장되는 복수의 유체 통로들(20)이 제공된다. 따라서, 유체 통로들(20)은 사용 시 유체로 채워지고 제1 및 제2 챔버들(3, 4)을 유체적으로 연결한다. 유체 통로들(20)의 각각은 제1 및 제2 챔버들(3, 4)에 연결되므로 나노포어(22)는 유체 연통의 평행한 경로들에 놓이게 된다. 복수의 유체 통로들(20)은 평면 구조(10)에 걸쳐 2차원 어레이로 배열될 수 있다.
도 1에서, 평면 구조(10)의 구성은 도 1에 도시되어 있지 않으며, 따라서 유체 통로들(20)이 개략적으로 도시되어 있다. 평면 구조(10) 및 유체 통로들(20)의 구성은 이하에서 상세히 설명된다.
이 예에서, 제1 및 제2 챔버들(3, 4)이 평면 구조물(10)의 대향 측들에 있으므로, 통로들(20)은 평면 구조(10)를 통해 연장된다. 그러나, 대안으로서, 제1 및 제2 챔버들(3, 4)는 평면 구조(10)의 동일한 측 상의 상이한 위치들에 배열될 수 있다.
이 예에서 구동 전극들(5, 6)은 제1 및 제2 챔버들(3, 4)에 제공된다. 사용 시, 전기 전위차가 구동 전극들(5, 6)에 걸쳐 인가될 수 있고 따라서 각각의 유체 통로들(20)에 걸쳐 분석물이 제1 및 제2 챔버들(3, 4) 사이에서 흐르도록 유도할 수 있다. 구동 전극들(5, 6)은 모든 유체 통로들(20)에 걸쳐 실질적으로 동일한 전위차를 인가하도록 구성될 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 나노포어 감지 디바이스(1)는 다른 기술을 사용하여 유체 통로들(20)을 통해 분석물 흐름을 유도하도록 구성될 수 있다.
제1 챔버(3)는 시스 챔버(cis chamber)로 기능할 수 있으며, 나노포어 감지 디바이스(1)에 의해 분석될 분석물을 유지할 수 있다. 제2 챔버(4)는 트랜스 챔버(trans chamber)로 기능할 수 있으며, 제1 챔버(3)로부터 분석물을 수신할 수 있다.
아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이, 평면 구조(10)는 개별의 통로들(20)에 걸쳐 연장되는 멤브레인들(22) 내의 나노포어들(23)을 지지한다. 적합한 멤브레인들(22) 및 나노포어들(23)의 예는 아래에 설명되어 있다.
유체 통로들(20)에는 나노포어들(23)과 제2 챔버(4) 사이의 개별의 통로(20)에서 유체 전위를 감지하도록 배열된 센서 전극(24)이 각각 제공된다. 분석물이 나노포어(22)를 통과함에 따라, 이온 전류 흐름의 변화로 인한 전위의 변동이 센서 전극(24)에 의해 감지된다. 따라서, 통로(20)와 그 안에 형성된 센서 전극(24)은 나노포어 센서 장치(1)에서 개별의 센서들로서 역할을 한다.
도 2는 평면 구조(10)의 구성을 예시하며, 명료함을 위해 복수의 유체 통로들(20) 중 하나를 다음과 같이 도시한다.
평면 구조(10)는 함께 고정된 나노포어 지지 층(30) 및 베이스 층(100)을 포함한다.
나노포어 지지 층(30)은 통로들(20)에 걸쳐 연장되는 멤브레인들(22) 내의 나노포어들(23)을 지지하도록 구성된다. 특히, 나노포어 지지 층(30)에는 제1 챔버(3)로 개방되는 웰들(31)이 제공된다. 웰들(31)은 통로들(20)의 일부를 형성한다. 웰들(31)은 통로(20)에 걸쳐 연장되는, 특히 웰들(31)의 개구들에 걸쳐 연장되는 멤브레인(22)을 지지하여, 따라서 나노포어(22)를 지지하도록 구성된다. 나노포어 지지 층(30)은 웰들(31)을 정의하는 벽들(33)을 포함하는 벽 층(32)을 포함한다.
나노포어 지지 층(30)은 예를 들어 다음과 같은 임의의 적합한 재료로 제조될 수 있다: 이산화규소 또는 질화규소와 같은 세라믹스; SU-8 또는 TMMF/TMMR과 같은 포토레지스트; 아크릴(PMMA)과 같은 플라스틱; 또는 에폭시 수지.
도 3은 복수의 웰들(31)이 평면에서 볼 때 반복 구조를 갖는 규칙적인 평면 어레이로 평면에 배열된 예를 도시한다(도 2의 위로부터). 도 3은 단순화를 위해 단지 9개의 웰들(4)만을 도시하지만, 일반적으로 나노포어 지지 층(30)은 일반적으로 9개보다 훨씬 더 큰 임의의 개수의 웰들(31)을 가질 수 있고, 예를 들어 대략 1000개 이상, 실질적으로 대략 100,000개, 가능하게는 최대 5,000,000개 이상이다. 웰들(31) 및 대응하는 통로들(20)의 각각은 개별의 풋프린트(35) 내에 배열된다.
베이스 층(100)은 나노포어 지지 층(30)과 제2 챔버(4) 사이에 위치하며 다음과 같은 층들을 포함한다. 베이스 층(100)은 이 예에서 기판을 형성하고 회로 층(110) 및 유전체 층(120)을 지지하는 반도체 웨이퍼(101)를 포함한다. 회로 층(110)은 센서 전극들(24)에 연결된 회로 컴포넌트들을 포함한다. 각각의 통로(20)에 대한 회로 컴포넌트들은 통로(20)와 동일한 풋프린트(35) 내에 배열된다.
반도체 웨이퍼(101)는 전형적으로 실리콘으로 제조되지만 원칙적으로는 이산화규소, 석영, 유리, 무정형 산화알루미늄 또는 사파이어와 같은 회로 층(110)에 대한 지지체로서 적합한 임의의 반도체 재료일 수 있다.
유전체 층(120)은 통로들(20)의 일부를 형성하는 평면 유체 저항기 부분(150)을 제공하므로, 이 예에서 추가 층을 형성한다. 이러한 방식으로, 유체 통로(20)는 센서 전극(24)과 제2 챔버(4) 사이에 유체 저항기를 제공한다. 보다 구체적으로, 베이스 층(100)을 통한 유체 통로(20)는 직렬로 유체 연결되는 다음 부분들을 포함한다:
센서 전극(24)은 유전체 액세스 구멍(121)에 형성된다.
평면 유체 저항기 부분(150)은 유체 저항기를 형성하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 유체 통로들(20)은 나노포어 감지 디바이스(1)의 회로도인 도 4를 참조하여 이제 설명되는 바와 같이 센서 전극(24)과 제2 챔버(4) 사이에 유체 저항기들을 제공하도록 구성된다.
결과적으로, 통로(20)는 센서 전극(24)이 전압 분배기(50)의 2개의 레그들(51, 52) 사이에 위치하도록 나노포어(23)와 함께 전압 분배기(50)를 형성한다. 전압 분배기(50)의 제1 레그(51)는 제1 구동 전극(5)과 센서 전극(24) 사이에 형성되고, 전압 분배기(50)의 제2 레그(52)는 센서 전극(24)과 제2 구동 전극(6) 사이에 형성된다.
제1 구동 전극(5)과 센서 전극(24) 사이의 임의의 추가적인 용액 저항을 갖는 나노포어(23)의 저항은 전압 분배기(50)의 제1 레그(51)에 존재한다. 웰(31)과 유전체 액세스 홀(121)은 나노포어(23)에 비해 최소한의 유체 저항을 갖도록 설계될 수 있다.
평면 유체 저항기 부분(150)의 유체 저항은 전압 분배기(50)의 제2 레그(52)에 존재한다. 회로 층 액세스 구멍(111) 및 웨이퍼 액세스 구멍(102)은 평면 유체 저항기 부분(150)의 유체 저항에 비해 무시할 수 있지만 필수적인 것은 아닌 유체 저항을 제공하도록 설계될 수 있으며, 그들은 추가 유체 저항을 제공하도록 설계될 수 있다.
제1 및 제2 챔버들(51, 52)은 또한 통로(20)의 상대적으로 좁은 단면적 때문에 통로(20)에 비해 무시할 수 있는 유체 저항을 갖는다.
센서 회로(55)는 통로(20)의 센서 전극(24)에서 유체의 전위를 감지하도록 구성된다. 전압 분배기(50)의 결과로서, 센서 전극(24)에 의해 통로(20)에서 감지된 유체 전위는 통로(20)를 통해 그리고 따라서 나노포어(23)를 통해 흐르는 전류의 감지를 허용한다. 센서 전극(24)은 DNA 가닥 상의 분자와 같은 물질이 나노포어(23)를 통해 이동함에 따라 전압 변동을 감지할 수 있다. 이것은 나노포어 감지를 제공한다.
센서 전극(24)은 나노포어(23)와 평면 유체 저항기 부분(150) 사이에 위치한다. 도 2의 구성은 예시이지만, 센서 전극(24)은 통로(20)의 다른 곳, 예를 들어 웰(31)에 위치할 수 있다.
일부 실시예에서, 센서 전극(126)은 센서 전극(24)의 위치에서 유체의 전위를 측정하기 위한 트랜지스터 디바이스의 단자(예를 들어, 베이스 또는 게이트)로서 기능할 수 있다.
센서 회로(55)의 컴포넌트들 중 일부 또는 전부는 회로 층(110)에 형성된다. 이러한 컴포넌트들은 예를 들어 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다: 센서 전극(24)이 단자(예를 들어, 베이스 또는 게이트)로서 기능하는 트랜지스터 디바이스, 증폭기, 게이트 회로 등. 센서 회로(55)의 컴포넌트들 중 일부만이 회로 층(110)에 형성되는 경우, 센서 회로(55)의 나머지 부분은 회로 층(150)과 연결된 별도의 집적 회로 칩에 형성될 수 있다.
평면형 유체 저항기 부분(150) 및 전체 통로(20)의 설계 시 고려 사항은 다음과 같다.
통로, 특히 평면 유체 저항기 부분(150)은 통로(22)가 유체로 채워질 때 전압 분배기(50)의 제1 및 제2 레그들(51, 52)의 저항이 실질적으로 매칭되고 제1 및 제2 챔버들(3, 4)의 저항이 측정에 눈에 띄게 영향을 미치지 않도록 제1 및 제2 챔버(3, 4)의 유체 저항에 비해 상대적으로 높도록 구성될 수 있다.
전압 분배기(50)의 제1 및 제2 레그들(51, 52)의 유체 저항을 동일하게 선택함으로써 신호 대 잡음비가 최적화될 수 있다. 그러나 이것은 필수적인 것은 아니며 평면 유체 저항기 부분(150)의 유체 저항은 허용 가능한 신호 대 잡음비를 여전히 얻으면서 다른 요인을 고려하여 변경될 수 있다. 전압 분배기(50)의 제2 레그(52)의 유체 저항이 전압 분배기의 제1 레그의 저항보다 훨씬 더 작은 수용 가능한 신호 대 잡음비가 달성될 수 있으며, 예를 들어 전압 분배기(50)의 제2 레그(52)의 유체 저항은 전압 분배기(50)의 제1 레그(51) 저항의 10% 이하, 예를 들어 그의 2%이다. 일부 실시예에서, 전압 분배기(50)의 제2 레그(52)의 유체 저항에 대한 하한은 원하는 신호 대 잡음비에 의해 설정될 수 있다.
전압 분배기(50)의 제2 레그(52), 특히 평면 유체 저항기 부분(150)의 유체 저항의 선택에서 고려될 수 있는 다른 요인은 다음과 같다.
제2 레그(52)의 유체 저항이 증가함에 따라, 이온의 확산이 감소하여 포어 근처의 이온 고갈이 증가하여 신호가 얻어지는 전형적인 이벤트의 시간 척도에 걸쳐 신호의 붕괴를 야기한다. 이러한 효과로 인한 판독 길이에 대한 제한을 증가시키기 위해, 평면 유체 저항기 부분(150)의 유체 저항이 감소될 수 있다. 많은 실시예에서, 이 인자는 평면 유체 저항기 부분(150)의 유체 저항에 상한을 둘 수 있다. 평면 유체 저항기 부분(150)의 유체 저항이 증가함에 따라, 나노포어(23)에 걸쳐 전압의 변화량이 증가하고, 이는 신호 처리를 복잡하게 만들 수 있다. 이러한 효과를 제한하기 위해 평면 유체 저항기 부분(150)의 유체 저항이 감소될 수 있다. 평면 유체 저항기 부분(150)의 유체 저항을 감소시키는 것은 대역폭을 증가시키거나 통로(20) 또는 멤브레인(22)에서 추가적인 커패시턴스를 위한 여지(leeway)를 제공할 수 있다.
이들 인자들을 고려하면, 전압 분배기의 제2 레그의 유체 저항은 나노포어(23)의 저항보다 작을 수 있고, 전형적으로 나노포어(23) 저항의 최대 50% 또는 최대 25%일 수 있다. 일부 실시예에서, 전압 분배기(50)의 제2 레그(52)의 최적 유체 저항은 나노포어(23) 저항의 약 10%일 수 있다.
전압 분배기(50)의 제1 레그(51)의 저항에 대한 전압 분배기(50)의 제2 레그(52)의 유체 저항의 비율을 감소시킬 때, 신호 대 잡음비는 그 저항비와 선형적으로 비례하지 않는다. 예를 들어, 일부 실시예에서 전압 분배기(50)의 제2 레그(52)의 유체 저항이 나노포어(23) 저항의 약 10%인 경우, 신호 대 잡음비는 최적 값의 약 30%이다.
도 5는 다음과 같이 배열된 평면 유체 저항기 부분(150)의 예를 도시한다.
평면 유체 저항기 부분(150)은 유전체 액세스 구멍(121)과 회로 층 액세스 구멍(111) 사이의 구불구불한 경로를 따라 평면 구조(10)의 평면 방향으로 연장된다. 이러한 평면 구성을 갖는 평면 유체 저항기 부분(150)을 제공함으로써 이는 유전체 층(120)으로 제조될 수 있다. 평면 유체 저항기 부분(150)에 구불구불한 경로를 제공함으로써, 평면 유체 저항기 부분(150)은, 이 예에서는 풋프린트(35) 내의 대략 정사각형 영역인, 평면 구조물(10) 상의 개별 영역 내에 패키징되는 동안 충분한 길이로 제공될 수 있다.
이 예에서, 유체 저항기 부분(150)의 구불구불한 경로는 직선형이고 앞뒤로 연장되는 복수의 직선 레그들을 포함한다. 보다 일반적으로, 평면 유체 저항기 부분(150)에는 도 5에 도시된 것보다 훨씬 더 단순하거나 훨씬 더 복잡한 경로를 포함하는 범위를 갖는 그의 단부들 사이의 직선이 아닌 임의의 경로인 임의의 적합한 구불구불한 경로가 제공될 수 있다. 예를 들어, 간단한 변형은 구불구불한 경로가 유사한 방식으로 앞뒤로 연장되는 복수의 레그들을 포함할 수 있지만 직선이 아니라 곡선 구성일 수 있다는 것이다. 다른 예에서, 구불구불한 경로는 나선형 형상을 포함하여 일부 다른 곡선 형상을 가질 수 있다.
평면 유체 저항기 부분(150)의 지오메트리, 특히 그 경로 길이 및 단면적은 그것이 채워지는 유체와 함께 원하는 유체 저항을 제공하도록 설계된다. 즉, 평면 유체 저항기 부분(150)의 유체 저항은 그 길이, 단면적 및 유체의 이온 농도를 변화시킴으로써 변화될 수 있다. 예를 들어, 유체 저항을 증가시키기 위해, 평면 유체 저항기 부분(150)은 증가된 길이 대 단면적의 비율 및/또는 더 낮은 이온 농도로 구성될 수 있다. 통로는 제1 및/또는 제2 챔버들(3, 4)보다 낮은 이온 농도로 제공될 수 있는데, 이는 제1 및 제2 챔버들(3, 4)에서 상대적으로 높은 이온 농도를 유지함으로써 신호 대 잡음비를 향상시키기 때문이다.
실시예에서, 평면 유체 저항기 부분(150)은 적어도 1μm, 적어도 10μm, 적어도 100μm, 또는 적어도 1000μm의 길이를 가질 수 있다.
실시예에서, 평면 유체 저항기 부분(150)은 최대 100μm, 최대 10μm, 최대 1μm 또는 최대 10nm인 특성 치수(예를 들어 면적의 제곱근)를 갖는 단면을 가질 수 있다.
일반적으로 임의의 길이와 단면이 함께 선택될 수 있다.
매우 일반적인 용어로, 통로(20)는 센서 전극(24)에서 측정 가능한 신호를 제공하는 임의의 지오메트리를 가질 수 있다. 측정 가능한 신호는 측정 회로, 대역폭, 노이즈 등에 따라 다르지만 일반적으로 적어도 1μV, 적어도 10μV, 적어도 100μV 또는 적어도 1mV일 수 있다.
평면 구조(10)를 형성하는 몇 가지 방법은 다음과 같다.
이들 방법 중 일부에서, 평면 유체 저항기 부분(150)은 유전체 층(120)에 형성된다. 이는 예를 들어 증착 및 제거 프로세스와 같은 유전체 재료 처리에 적합한 다양한 기술의 사용을 허용하여 평면 유체 저항기 부분(150)의 제조를 용이하게 한다.
또한, 이들 방법 중 일부에서, 회로 층(110)은 반도체 웨이퍼(101) 상에 형성되고 유전체 층(120)은 회로 층(110) 상에 형성되며, 따라서 제1 챔버(3)와 반도체 웨이퍼(101) 사이에 있다. 이는 다시 회로 층(110)이 종래의 반도체 처리 기술을 사용하여 형성될 수 있고 평면 유체 저항기 부분(150)이 상부의 유전체 층(120)에 형성되기 때문에 제조를 단순화한다. 이는 일반적으로 반도체 제조 설비에서 공통 프로세스의 일부로서 유사한 기술을 사용하여 전체 베이스 층(100)의 구성을 용이하게 한다. 이는 또한 회로 층(110)이 형성되는 반도체 웨이퍼(101)와 별개의 기판 상에 평면 유체 저항기 부분(150)이 형성되는 데 필요한 별도의 접합 프로세스에 대한 필요성을 피한다.
도 6a 내지 6j는 다음과 같이 수행되는 제조 방법 중에 처리되는 일련의 층들의 뷰를 도시한다. 베이스 층(100)은 반도체 웨이퍼(101), 예를 들어 단일 CMOS(complementary metal-oxide semiconductor) 실리콘 웨이퍼로 제조된다.
도 6a는 센서 전극(24)을 위한 회로 층(110)의 연결 및 깊은 트렌치 분리(DTI)를 갖는 베이스 층의 구조의 제조 이전의 반도체 웨이퍼(101)를 도시한다.
도 6b에서, 금속 센서 전극(24)이 증착되었다. 이 예에서, 센서 전극(24)은 대략 100nm 두께의 백금 전극이고, 이는 Pt가 일반적인 CMOS 파운드리에서 표준 금속이 아니기 때문에 스퍼터링, 증발 또는 도금에 의해 증착된다. 표면 및 개방 전극의 패시베이션(passivation)이 수행되었다. 패시베이션은 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD) 저응력 질화물 또는 산질화물일 수 있다. 500nm 내지 1μm의 두께는 패시베이션에 충분하며, 이는 이후에 추가 패시베이션 층이 증착되기 때문이다. 회로 층 액세스 구멍(111)은 회로 층(110), 특히 DTI의 영역을 통해 형성되지만, 일반적으로 회로 층 액세스 구멍(111)은 회로 층(110)의 다른 영역에 형성될 수 있다. 통상적으로, DTI를 통한 회로 층 액세스 구멍(111)은 대략 직경이 6μm이고 깊이가 20μm이다.
도 6c는 희생 폴리머 코팅이 리소그래피 프로세스를 통해 증착되었음을 보여준다. 희생 폴리머는 폴리이미드 또는 다른 호환 가능한 폴리머일 수 있다. 희생 폴리머 코팅은 평면 유체 저항기(15) 부분(150)의 채널들의 형상으로 형성되고 또한 회로 층 액세스 구멍(111)을 채운다. 희생 폴리머의 두께는 평면 유체 저항기 부분(150)의 두께를 정의하며, 이는 이 예에서는 대략 300nm이다. 평면 유체 저항기 부분(150)의 구불구불한 경로를 구성하는 채널들의 평면의 폭은 MEMS(micro-electromechanical system) 파운드리에 의해 선택될 것이다. 이 예에서 폭은 약 1μm이다. 예를 들어 채널 평면의 폭이 더 큰 대형 구조의 경우 구불구불한 경로를 따라 지지 필라들이 필요할 수 있다. 이들은 희생 폴리머 층에 추가 구멍들을 생성함으로써 형성될 수 있다(도 6에는 도시되지 않음).
도 6d에서, 유전체 층(120)의 하부를 형성하는 얇은 패시베이션 층이 증착된다. 얇은 패시베이션 층은 프로세스에서 이전에 사용된 것과 동일한 PECVD 저응력 질화물 또는 산질화물일 수 있다. 얇은 패시베이션 층은 제조 프로세스의 후반 단계에서 구조적 무결성을 유지하기 위해 최소 두께여야 할 뿐만 아니라 제조 및 나중에 비아를 채울 수 있을 만큼 충분히 얇아야 한다. 채널 평면에서 1μm 폭의 위 예의 경우 얇은 패시베이션 층에 대해 1 내지 2μm의 두께가 적절하다.
도 6e에 도시된 단계에서, 개방 비아(154)는 희생 폴리머에 대한 액세스를 제공하기 위해 얇은 패시베이션 층을 통해 형성된다(도 5에 도시된 바와 같음). 비아(154)는 희생 폴리머를 제거하기 위한 식각, 용해 또는 플라즈마 애싱 프로세스를 위해 희생 폴리머의 측들을 노출시킨다. 평면 유체 저항기 부분(150)의 구불구불한 경로에 사용되는 것과 같은 높은 종횡비 채널의 경우, 구불구불한 경로를 따라 여러 위치들이 식각 종횡비를 감소시키기 위해 노출될 필요가 있다. 이는 평면 유체 저항기 부분(150)의 구불구불한 경로의 설계에 의해 촉진될 수 있다. 도 6f는 희생 폴리머의 플라즈마 애싱(ashing) 또는 식각 이후의 상태를 도시한다.
도 6g에서, 희생 폴리머에 대한 액세스를 제공하기 위해 사용된 비아(154)를 채우기 위해 두꺼운 패시베이션 층이 증착된다. 두꺼운 패시베이션 층(채우기(fill-in) 층이라고도 함)은 이전의 얇은 패시베이션 층보다 훨씬 두꺼워야 하지만 동일한 PECVD 저응력 질화물 또는 산질화물 재료로 형성될 수 있다. 이 예에서는 약 5μm의 두께가 사용된다. 이는 두꺼운 패시베이션 층이 평면 유체 저항기 부분(150)의 구조 무결성을 유지하도록 한다. 이에 따라, 도 6h에서, 센서 전극(24) 위에 두꺼운 패시베이션 층이 개방되어 유전체 액세스 구멍(121)을 형성한다.
도 6i에서, 반도체 웨이퍼(101)는 그것을 얇게 하기 위해 아래에서 아래로 연마된다. 이 예에서, 반도체 웨이퍼(101)는 대략 200 내지 400μm로 얇아진다. 부가적으로 또는 대안적으로, 반도체 웨이퍼(101)는 프로세스의 시작 또는 중간에 연마될 수 있다. 이는 웨이퍼 액세스 구멍(102)을 형성하는 데 사용되는 깊은 반응성 이온 식각(DRIE) 프로세스에 대한 종횡비를 감소시킨다. 박화 프로세스 동안, 이제 이전 단계에서 증착된 구조를 유지하는 반도체 웨이퍼의 전방 측이 보호된다. 웨이퍼 액세스 구멍(102)은 DRIE에 의해 형성되며, 이는 회로 층 액세스 구멍(111)을 유지하는 DTI에서 정지된다. 웨이퍼 액세스 구멍(102)은 평면 유체 저항기 부분(150)의 일부가 아니기 때문에, 그의 직경은 구불구불한 경로의 폭보다 클 수 있고, 예를 들어 약 20μm이고 두꺼운 유전체가 없다. 이는 40 내지 50μm 피치 칩의 경우 비교적 쉬운 프로세스다.
이 단계에 이어, 완전한 베이스 층(100)이 형성된다. 이어서, 반도체 웨이퍼(101)의 후방(하부) 측이 지지되고, 전방/상부 측으로부터 보호/지지부가 제거된다. 나노포어 지지 층(30)은 도 6j에 도시된 바와 같이 완성된 평면 구조(10)를 생성하기 위해 베이스 층(100)의 전방/상부 측에 추가 라미네이션 및 리소그래피에 의해 형성된다. 그 후, 반도체 웨이퍼(101)를 적절하게 분할하기 위해 최종 다이싱이 수행될 수 있다.
본 발명은 베이스 층(100)이 하나의 종래의 반도체 웨이퍼(벌크 CMOS와 같은)를 사용하여 제조될 수 있다는 이점을 갖는다. 이것은 반도체 웨이퍼의 상부에 직접 증착된 희생 폴리머 채널을 갖는 평면 유체 저항기 부분(150)의 제조를 포함한다. 이 방법은 회로 층(110)을 웨이퍼 액세스 구멍(102)으로부터 분리하기 위해 DTI를 더 사용하고, 웨이퍼 액세스 구멍(102)은 상당한 유체 저항을 제공하지 않으며, 평면 유체 저항 부분(150)이 전압 분배기의 제2 레그(52)에서 유체 저항의 주요 결정자(main determiner)가 될 수 있도록 한다.
도 2에 도시되고 전술된 나노포어 감지 디바이스(1)는 단지 예일 뿐이며, 다양한 대안이 가능하다. 이러한 대안의 일부 비제한적인 예가 이제 설명될 것이다.
도 6a 내지 6j에 도시된 예에서와 같이, 평면 유체 저항기 부분(150)은 예를 들어 도 6c에 도시된 바와 같이 회로 층(110)과의 인터페이스에서 유전체 층(120)에 형성된다. 대안적으로, 평면형 유체 저항기 부분(150)은 유전체 층(120)의 임의의 다른 깊이에 형성될 수 있다. 그러한 대안의 제1 예로서, 평면 유체 저항기 부분(150)은 회로 층(110)과의 인터페이스와 이격되고 나노포어 지지 층(30)과 인터페이스를 형성하는 유전체 층(120)의 외부 표면과 이격된 위치의 유전체 층(120)에 형성될 수 있다. 도 2는 이 예를 개략적으로 보여준다. 이러한 대안의 제2 예로서, 나노포어 지지 층(30)과 인터페이스를 형성하는 유전체 층(120)의 외부 표면에서 유전체 층(120)에 평면 유체 저항기 부분(150)이 형성될 수 있다.
도 2와 도 6a 내지 6j에 도시된 예에서, 반도체 웨이퍼(101) 상에 회로 층(110)이 형성되고, 회로 층(110) 상에 유전체 층(120)이 형성되어, 상술한 이점을 제공한다. 그러나, 대안적으로 유전체 층(120)은 회로 층(110)과 반도체 웨이퍼(101) 사이에 배치될 수 있다. 이 대안은 유전체 층(120)이 회로 층(110) 전에 반도체 웨이퍼(101) 상에 형성된다는 점을 제외하고는 도 6a 내지 6j와 관련하여 위에서 설명한 것과 유사한 기술을 사용하여 제조될 수 있다.
SOI(silicon-on-insulator) CMOS 웨이퍼는 위에서 설명한 방법에 대한 최소한의 수정으로 이 제조 방법에 사용될 수 있다. 예로서, 도 7은 SOI 반도체 웨이퍼(101)를 사용하여 제조된 베이스층(100)을 도시하고, 이는 반도체 웨이퍼의 기생 저항을 줄이는 데 도움이 될 수 있는 절연체 층(160)(종종 매립된 산화물)을 포함한다. SOI 웨이퍼의 유일한 요구 사항은 절연체 층(160)이 신뢰할 수 있는 DRIE 식각 정지를 제공하기에 충분히 두꺼워야 한다는 것이다. 적합한 예는 1μm 매립 산화물(BOX) 층이다. 이러한 재료는 반도체 제조에서 일반적으로 사용할 수 있으므로 이러한 개선 사항은 기존 디바이스에 이미 사용되는 기존 장비를 사용하여 기존 SOI CMOS 웨이퍼에 직접 적용할 수 있으므로 새로운 설계를 쉽게 구현할 수 있다.
통로(20)에 의해 형성되고 나노포어 센서 디바이스(30)에 결합된 각각의 센서의 면적 밀도에 대한 고려 사항이 이제 설명될 것이다.
일부 실시예에서, 센서의 면적 밀도는 상대적으로 낮을 수 있는데, 예를 들어 mm2당 100개(측 100μm의 정사각형 풋프린트(35)에 대응). 이러한 경우, 회로 층 액세스 구멍(111) 및 웨이퍼 액세스 구멍(102)은 평면 유체 저항기 부분(150)의 유체 저항에 비해 무시할 수 있는 유체 저항을 제공하도록 설계될 수 있다.
그러나 다양한 밀도가 가능하다. 예로서, 일 실시예에서, 센서의 영역 밀도는 mm2당 400(측 50μm의 정사각형 풋프린트(35)에 대응)일 수 있고, 이 경우 평면 유체 저항기 부분(150)의 길이는 250μm일 수 있고 평면 유체 저항기 부분(150)의 단면적은 0.3μm2(예를 들어, 0.3μm x 1μm)일 수 있다. 다른 실시예에서, 센서의 영역 밀도는 mm2당 2500(측 20μm의 정사각형 풋프린트(35)에 대응)일 수 있고, 이 경우 평면 유체 저항기 부분(150)의 길이는 75μm일 수 있고 평면 유체 저항기 부분(150)의 단면적은 0.09μm2(예를 들어, 0.3μm x 0.3μm)일 수 있다.
센서의 영역 밀도가 증가하고 풋프린트(35)의 영역이 감소함에 따라, 이는 나노포어(23)의 저항과 같은 다른 요인에 의존하지만, 공간적 제약으로 인해 충분한 저항을 갖는 평면 유체 저항 부분(150)의 유체 저항을 달성하거나 제공하는 것이 어려워질 수 있고, 이 경우 회로 층 액세스 구멍(111) 및 웨이퍼 액세스 구멍(102)의 유체 저항은 전압 분배기(50)의 제2 레그(52)에서 중요해진다.
본 명세서에서 논의된 예의 치수로, 이는 센서의 영역 밀도가 mm2당 625(측 40μm의 정사각형 풋프린트(35)에 대응)에 도달하면 발생하기 시작할 수 있다.
통상적으로 센서의 영역 밀도가 mm2당 10,000(측이 10μm 이하인 정사각형 풋프린트(35)에 대응)에 근접할 때, 회로 층 액세스 구멍(111) 및 웨이퍼 액세스 구멍(102) 중 적어도 하나는 평면 유체 저항 부분(150)의 유체 저항에 더하여 유체 저항을 제공할 수 있다. 층 액세스 구멍(111) 및/또는 웨이퍼 액세스 구멍(102)의 크기는 필요한 유체 저항을 제공하도록 조정될 수 있고-두 개 이상의 센서들 간에 액세스 구멍이 공유되는 경우 저항은 무시될 수 있도록 구성된다.
반도체 웨이퍼 상의 유체 통로(20)의 영역 밀도를 증가시키는 것이 바람직하다. 일반적으로 유체 통로를 얼마나 조밀하게 채울 수 있는지에 대한 세 가지 주요 제한 요소가 있다.
일단 회로 컴포넌트의 풋프린트가 감소되면, 유체 통로(20)의 영역 밀도에 대한 제한 인자는 회로 컴포넌트에서 웨이퍼 액세스 구멍(102)의 패킹으로 시프팅할 것이다. 본 명세서에서 논의된 예의 치수로, 이는 회로 층(110)의 회로 컴포넌트의 피치가 40μm 미만으로 상당히 감소하면 발생하기 시작할 것이다. 충분히 두꺼운 웨이퍼(예를 들어, 300μm)로 신뢰할 수 있는 제조 방법을 여전히 유지하면서 웨이퍼 액세스 구멍(102)의 직경을 줄이는 것도 어렵다. 그러나, 회로 컴포넌트 및 유체 통로(20)의 레이아웃은 다수의 유체 통로(20)를 하나의 공유 액세스 구멍에 묶도록 재설계될 수 있다. 웨이퍼 액세스 구멍(102)과 회로 층 액세스 구멍(111) 중 어느 하나 또는 둘 다 공유될 수 있다. 이 설계는 유체 통로(20)의 영역 밀도를 더욱 증가시킬 뿐만 아니라(예: 본 명세서의 예에서 40μm 피치 이상) 웨이퍼 액세스 구멍(102) 종횡비 요구 사항을 감소시킬 수 있는 기회를 제공한다. 종횡비를 줄이는 것은 DRIE를 사용하여 웨이퍼 액세스 구멍(102)을 제조할 때 유리하다.
도 8a 및 8b는 복수의 평면 유체 저항기 부분들(150)에 공통으로 유체 연결됨으로써 각각의 액세스 구멍이 복수의 통로에 의해 공유되는 베이스 층(100)의 2가지 예를 도시한다. 도 8a는 단일 웨이퍼 액세스 구멍(102)이 2개의 유체 통로들(20) 사이에서 공유되는 예를 도시한다. 도 8b는 2개의 이웃하는 유체 통로들(20)이 웨이퍼 액세스 구멍(102) 및 회로 층 액세스 구멍(111) 모두를 공유하는 예를 도시한다. 도 8a 및 8b는 회로 층 액세스 구멍(111) 및/또는 웨이퍼 액세스 구멍(102)을 공유하는 2개의 유체 통로들(20)을 도시하지만, 다른 실시예에서, 2개 이상의 유체 통로들(20), 예를 들어 3개 또는 4개의 유체 통로들이 액세스 구멍을 공유할 수 있다. 이 설계는 SOI CMOS 웨이퍼를 사용하여 도 7의 예에 통합될 수도 있다. 공통 웨이퍼 액세스 구멍(102) 및/또는 공통 회로 층 액세스 구멍(111)을 구현하는 경우, 그들의 저항은 통로(20)의 일부를 공통으로 공유하는 나노포어(23) 사이의 혼선(cross talk)을 억제하기 위해 통로(20)의 전체 저항과 비교하여 무시 가능한다. 통로의 공통 부분은 저항이 무시할 수 있는 정도인 것이 바람직하다.
공통 웨이퍼 액세스 구멍(102)의 단면은 센서 풋프린트의 최대 치수(예를 들어 영역의 제곱근)보다 큰 치수(예를 들어 영역의 제곱근)를 가질 수 있다.
이들 예에서, 유전체 층(120)은 제1 챔버(3)와 기판 사이에 있다. 대안으로서 유전체 층(120)은 반도체 웨이퍼(101)와 제2 챔버(4) 사이에 있을 수 있다. 예를 들어, 유전체 층(120)은 회로 층(110)으로부터 반도체 웨이퍼(101)의 대향 측에 있을 수 있다. 대안적으로, 회로 층(110)은 유전체 층(120)이 형성된 상태에서 반도체 웨이퍼(101)의 제1 챔버(3)의 대향 측에도 형성될 수 있다. 이것은 가능하지만, 전압 분배기에 액세스 구멍의 커패시턴스를 포함하여 대역폭을 낮추기 때문에 바람직하지 않다.
유체 통로(20)의 영역 밀도는 다층 평면 유체 저항기 부분(150)을 사용함으로써 더 증가될 수 있다. 도 9는 이러한 다층 평면 유체 저항기 부분(150)의 평면도를 도시한다. 이 예에서, 평면 유체 저항기 부분(150)은 각각 평면 구조(10)의 평면 방향으로 연장되지만 평면 구조(10) 내에서 상이한 깊이에 있는 섹션들(151, 152)을 포함한다. 유전체 액세스 구멍(121)은 센서 전극(24)의 상부에서 평면 유체 저항기 부분(150)의 제1 섹션(152)에 연결된다. 이 예에서, 제1 섹션(152)은 제2 섹션(151)의 상부(즉, 제2 섹션과 제1 챔버(3) 사이)에 있다. 그러나 이것은 필수적인 것은 아니며, 대신에 제1 섹션(152)이 제2 섹션(151) 아래(즉, 제2 섹션(151)과 반도체 웨이퍼(101) 사이)에 있을 수 있다. 제2 섹션(151)은 회로 층 액세스 구멍(111)에 연결되어 웨이퍼 액세스 구멍(102)에 연결된다. 제1 및 제2 섹션들(152, 151)은 비아(153)로 함께 연결된다. 비아들(154)은 통로(20)의 인접 부분에 제공되며 제조 동안 희생 폴리머를 식각 제거하는 데 사용되는 플라즈마 애싱 프로세스에 사용된다. 이러한 비아들(154)은 선택적이며 애싱 프로세스가 유체 채널 내부에 도달해야 하는 종횡비를 줄이는 데 사용된다. 이러한 비아들(154)은 희생 폴리머 제거 후 두꺼운 패시베이션 층에 의해 채워진다.
도 10a 내지 10m은 다음과 같이 수행되는 다층 평면 유체 저항기 부분(150)을 형성하기 위한 제조 방법 동안 처리되는 일련의 층들을 도시한다. 도 10a 내지 10d는 도 6a 내지 6d에서 수행된 것과 동일한 단계를 나타낸다. 이들 단계에 이어서, 희생 폴리머가 평면 유체 저항기 부분(150)의 제2 섹션(151)의 형태로 증착되었고, 얇은 패시베이션 층이 상부에 증착되었다.
도 10e에서, 비아(153)는 유전체 액세스 구멍(121)의 추가 부분과 함께 얇은 패시베이션 층에 형성된다. 도 10f에서, 추가 희생 폴리머는 유전체 액세스 구멍(121) 및 평면 유체 저항기 부분(150)의 제1 섹션(152)의 형태로 증착된다.
도 10h에서 더 얇은 패시베이션 층이 증착되고 도 10i에서 비아가 더 얇은 패시베이션 층과 두 패시베이션 층들을 통해 형성되어, 평면 유체 저항기 부분(150)의 제1 및 제2 섹션들(152, 151) 및 유전체 액세스 홀(121) 모두에서 희생 폴리머를 노출시킨다. 비아는 희생 폴리머를 제거하기 위한 식각 또는 플라즈마 애싱 프로세스를 위해 희생 폴리머의 측을 노출시킨다. 도 10j는 희생 폴리머의 식각 또는 플라즈마 애싱 이후의 상태를 도시한다.
도 10k 내지 10m에 도시된 단계는 도 6h 내지 6j에 도시된 단계와 동일하며, 즉 두꺼운 패시베이션층을 증착하고, 센서 전극(24) 위의 두꺼운 패시베이션층을 개방하고, 웨이퍼 액세스 구멍(102)을 형성한다.
상기 예에서, 평면 유체 저항기 부분(150)이 형성된 유전체 층(120)을 지지하는 기판은 반도체 웨이퍼(101)이고, 평면 구조(10)는 반도체 웨이퍼(101) 상에 직접 층을 증착함으로써 형성된다. 그러나, 일부 실시예에서 평면 유체 저항기 부분(150)이 형성된 유전체 층을 지지하는 기판은 회로 층(110)이 형성된 반도체 웨이퍼(101)와 다른 컴포넌트일 수 있다. 이 경우, 반도체 웨이퍼(101) 및 평면 유체 저항기 부분(150)을 지지하는 기판이 별도로 제작되어 접합될 수 있다.
이러한 유형의 평면 구조(10)의 베이스 층(100)을 제조하는 방법의 예가 도 11a 내지 11e에 도시되어 있고 다음과 같이 수행된다. 이 예에서 평면 유체 저항기 부분(150)이 형성된 기판은 MEMS(micro-electromechanical system) 웨이퍼(170)이다. MEMS 웨이퍼(170)는 평면 유체 저항기 부분(150)을 형성하기 위해 사용되는 고온의 열산화 프로세스를 견딜 수 있다는 장점이 있으며, 기존의 MEMS 프로세스를 사용할 수 있게 한다. MEMS 웨이퍼(170)는 임의의 적합한 재료, 예를 들어 석영, 산화규소, 유리, 산화알루미늄 또는 사파이어로 제조될 수 있다. 원칙적으로, MEMS 웨이퍼(170)는 후술하는 유전체 층(172)을 지지하기에 적합한 임의의 다른 재료, 예를 들어 반도체 웨이퍼로 만들어진 기판으로 대체될 수 있다.
도 11a에 도시된 바와 같이, MEMS 웨이퍼(170)가 제공되고 MEMS 웨이퍼 액세스 구멍(171)이 DRIE에 의해 관통하여 형성된다.
도 11b는 열 산화에 의해 MEMS 웨이퍼(170)의 표면에 유전체 층(172)을 형성하는 것을 나타낸다. 전형적으로, 유전체 층(172)은 2μm 이상의 두께를 가질 수 있다. 따라서, 이 예에서, 유전체 층(172)은 MEMS 웨이퍼(170) 재료의 산화물이다.
도 11c는 리소그래피 프로세스를 이용한 식각에 의해 유전체 층(172)에 평면 유체 저항기 부분(150)을 형성하는 것을 도시한다. 평면 유체 저항기 부분(150)은 상술한 바와 같은 형태를 가질 수 있다.
도 11d에서 베이스 층(100)은 회로 층(110)을 지지하는 반도체 웨이퍼(101)에 도 11c에 도시된 MEMS 웨이퍼(170)를 접착하여 형성된다. 반도체 웨이퍼(101)는 유전체 층(120)이 제공되지 않고 이전 도면과 비교하여 도 11d에서 반도체 웨이퍼(101)가 거꾸로 된 것을 제외하고 전술한 바와 동일한 구성을 갖는다. 전술한 바와 같이, 회로 층(110)은 센서 전극(24)에 연결된 회로 컴포넌트들을 포함한다. 반도체 웨이퍼(101) 및 회로 층(110)에는 그를 통해 연장되고 통로(20)의 일부를 형성하는 액세스 구멍들(102, 111)이 제공된다. 이 예에서, 반도체 웨이퍼(101)는 도 7에 도시된 것과 유사한 절연체 층(170)을 포함하는 SOI CMOS 웨이퍼이고, 핸들 층은 본딩 후에 제거된다.
유사하게, 반도체 웨이퍼(101) 및 회로 층(101)은 전술한 바와 동일한 프로세스를 사용하여 제조될 수 있다.
도 11c에 도시된 MEMS 웨이퍼(170)는 평면 유체 저항기 부분(150)이 형성된 유전체 층(172)의 외부 표면을 회로 층(110)의 외부 표면에 접합함으로써 반도체 웨이퍼(101)와 접합된다. 그 결과, 이 예에서 기판을 형성하는 MEMS 웨이퍼(170)는 반도체 웨이퍼(101)와 제2 챔버(4) 사이에서 반도체 웨이퍼(101)에 접합된다.
상기 예에서와 같이 나노포어 지지 층(30)은 예를 들어 나노포어 지지 층(30)을 별도로 형성하여 베이스 층(100)에 접합시키거나, 베이스 층(100) 위에 직접 나노포어 지지 층(30)을 형성함으로써 도 11d에 도시된 베이스 층(100)에 고정된다.
평면 유체 저항기 부분(150)과 회로 컴포넌트를 형성하는 데 사용되는 별도의 웨이퍼를 사용하여 제조를 위한 두 개의 웨이퍼 루트를 접합하면 각 구조를 형성하는 프로세스를 별도로 수행할 때 보다 쉽게 최적화할 수 있다는 이점이 있다. 예를 들어, 반도체 웨이퍼(101)는 그 위에 평면 유체 저항기 부분(150)을 형성하는 층 없이 더 쉽게 웨이퍼 액세스 구멍(102)을 형성하기 전에 얇아질 수 있다. 이는 일부 상황에서 유리할 수 있다. 그러나 2-웨이퍼 프로세스는 두 개의 완전히 분리된 제조 프로세스를 수행해야 하고 추가 결합 단계를 수행해야 하기 때문에 상당한 복잡성을 추가한다. SOI CMOS를 처리하는 데 사용되는 프로세스는 회로 설계 및 파운드리 선택에 제한을 가한다. 이는 비록 더 길기는 하지만 단일 프로세스에서 모든 평면 구조(10)를 형성하는 것과 비교하여 제조 비용을 증가시킬 가능성이 있다. 따라서 단일 웨이퍼 방법이 많은 상황에서 선호될 가능성이 높다.
평면 구조를 제조하는 다양한 방법이 위에서 논의되었지만, 평면 구조는 이러한 방법에 제한되지 않으며 임의의 다른 적절한 방법에 의해 형성될 수 있다.
위의 예에서, 평면 유체 저항기 부분(150)은 유전체 층, 예를 들어 도 2의 반도체 웨이퍼(101)에 의해 지지되는 유전체 층(120) 또는 도 11a 내지 11d의 MEMS 웨이퍼(170)에 의해 지지되는 유전체 층(172)에 형성된다. 대안적으로, 평면 유체 저항기 부분(150)은 나노포어 지지 층(30)에 형성될 수 있다. 이는 평면 유체 저항기 부분(150)이 나노포어 지지 층(30)의 구조를 제조하는데 사용된 동일한 프로세스를 사용하여 제조될 수 있다는 이점을 제공한다. 다음 방법에서 평면 유체 저항기 부분(150)은 나노포어 지지 층(30)에 형성되더라도 도 5에 도시된 것과 동일할 수 있는 구불구불한 경로를 따른다.
이러한 유형의 평면 구조(10)를 제조하는 방법의 예가 도 12a 내지 12f에 도시되어 있고 다음과 같이 수행된다.
도 12a 및 12b는 일반적으로 도 6a 및 6b와 관련하여 위에서 설명한 단계와 동일하다.
이들 단계 후에, (평면 구조(10)의 기판을 형성하는) 반도체 웨이퍼(101) 및 회로 층(110)이 증착된 센서 전극(24)과 함께 존재한다. 패시베이션 층이 증착되었고, 패시베이션 층과 회로 층(110)을 통해 회로 층 액세스 구멍(111)이 개방되었다. 도 12c는 평면 유체 저항기 부분(150)의 형성 전에 웨이퍼 액세스 구멍(102)의 형성을 도시한다. 이는 웨이퍼 액세스 구멍(102)이 평면 유체 저항기 부분(150)의 형성 후 제2 단계에서만 형성되는 도 6의 방법과 대조적이다. 대안적으로, 웨이퍼 액세스 구멍(102)은 나노포어 지지 층(30)이 형성된 후에 형성될 수 있다.
도 12d는 유전체 층(110) 상부에 평면 유체 저항기 부분(150)의 형상으로 증착된 희생 폴리머 층(180)을 나타낸다. 이는 도 6c에 도시된 단계와 유사하다. 희생 폴리머 층(180)은 스핀 코팅 및/또는 라미네이션에 의해 증착될 수 있는 포토레지스트를 포함할 수 있고, 이어서 평면 유체 저항기 부분(150)의 형상으로 패터닝될 수 있다. 포토레지스트의 패터닝은 예를 들어 마스크를 사용한 노출 및 후속 현상을 포함할 수 있다.
도 12e에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 층(181)이 베이스 층(100) 상에 증착되어 희생 폴리머 층(180)을 덮는다. 포토레지스트 층(181)은 나노포어 지지 구조(30)를 형성하는 데 사용된다. 포토레지스트 층(181)은 웰(31)을 정의하는 벽(33)을 포함하는 벽 층(32)을 형성하도록 빛에 노출되고 현상된다.
도 12f에 도시된 바와 같이, 포토레지스트 층(181)이 이어서 현상되고, 희생 폴리머 층(180)도 또한 평면 유체 저항기 부분(150)을 형성하기 위해 제거된다.
이들 단계에 따라, 그리고 전술한 실시예와 유사하게, 평면 구조는 이 예에서는 반도체 웨이퍼(101)를 포함하는 기판, 반도체 웨이퍼(101)에 의해 지지되는 회로 층(110), 센서 전극에 연결된 회로 컴포넌트들을 포함하는 회로 층, 및 통로(20)를 가로질러 연장되는 멤브레인(22) 내의 나노포어(23)를 지지하도록 구성된 나노포어 지지 층(30)을 포함한다. 다만, 상기 실시예와 달리 평면 유체 저항기 부분(150)은 나노포어 지지 층(30)에 형성된다.
도 12f에 도시된 바와 같이, 나노포어 지지 층(30)에는 웰(31)이 제공된다. 평면 구조(10)가 나노포어 감지 디바이스(1)에 통합되면 웰(31)이 제1 챔버(3)로 개방된다. 웰(31)은 통로(20)의 일부를 형성하고 웰(31)을 가로질러 연장되는 멤브레인(22) 내의 나노포어(23)를 지지하도록 구성된다.
나노포어 감지 디바이스(1)에서, 제1 및 제2 챔버들(3, 4)은 평면 구조(10)의 대향 측들에 있다. 통로(20)는 평면 구조(10)를 통해 연장되고 기판(이 경우 반도체 웨이퍼(101))에는 이를 통해 연장되어 통로(20)의 일부를 형성하는 액세스 구멍(102)이 제공된다.
도 8에 도시된 바와 같이, 일부 실시예에서, 각각의 액세스 구멍(102)은 복수의 평면 유체 저항기 부분들(150)에 공통으로 유체 연결됨으로써 복수의 통로(20)에 의해 공유된다. 나노포어 지지 층(30)에 평면 유체 저항기 부분(150)이 형성된 도 12의 평면 구조의 경우, 복수의 통로들(20)은 나노포어 지지 층(30) 내에서 서로 연결될 수도 있고, 또는 베이스 층(100)에서 웨이퍼 액세스 구멍(102) 및/또는 회로 층 액세스 구멍(111)만을 공유하여 연결될 수도 있다.
표 1은 전술한 임의의 구성에 적용될 수 있는 나노포어 감지 디바이스(1)의 센서의 영역 밀도의 일부 비제한적 예를 제시한다. 표 1은 또한 풋프린트(35)가 정사각형인 경우에 풋프린트(35)의 대응하는 크기 및 영역을 제시하지만, 풋프린트(35)는 임의의 다른 형상을 가질 수 있다.
| 영역 밀도 (mm2당 개수) |
풋프린트(35)의 크기 (μm) |
풋프린트(35)의 영역 (μm2) |
| 100 | 100 | 10000 |
| 400 | 50 | 2500 |
| 625 | 40 | 1600 |
| 2500 | 20 | 400 |
| 10000 | 10 | 100 |
| 40000 | 5 | 25 |
| 62500 | 4 | 16 |
| 250000 | 2 | 4 |
| 1000000 | 1 | 1 |
표 2는 상술한 구성에서 나노포어 감지 디바이스(1)에 적용될 수 있는 센서의 상이한 영역 밀도에 대한 나노포어(23)와 통로(20)의 상이한 부분 사이의 유체 저항 분포의 일부 비제한적 예를 제시한다.
표 2에서:
| 영역 밀도 (mm2당 개수) |
23 | 30 | 120-위 | 120-아래 | 111 | 102 | 102-공통 |
| 100 | 50% | 50% | |||||
| 100 | 50% | 50% | |||||
| 100 | 50% | 50% | |||||
| 100 | 50% | 50% | |||||
| 100 | 50% | 50% | |||||
| 100 | 90% | 10% | |||||
| 100 | 90% | 10% | |||||
| 100 | 90% | 10% | |||||
| 100 | 90% | 10% | |||||
| 10000 | 50% | 25% | 25% | 0% | |||
| 10000 | 50% | 25% | 25% | 0% | |||
| 10000 | 50% | 25% | 25% | ||||
| 10000 | 50% | 25% | 25% | ||||
| 10000 | 90% | 5% | 5% | 0% | |||
| 10000 | 90% | 5% | 5% | 0% | |||
| 10000 | 90% | 5% | 5% | ||||
| 10000 | 90% | 5% | 5% | ||||
| 25000 | 50% | 20% | 20% | 10% | 0% | ||
| 25000 | 90% | 4% | 3% | 3% | 0% | ||
| 25000 | 90% | 4% | 4% | 2% | 0% | ||
| 25000 | 80% | 20% | 5% | 5% | 0% | ||
| 25000 | 70% | 30% | 10% | 10% | 0% |
몇 가지 일반적인 사항은 다음과 같다.
나노포어(23)에 의해 제공되는 유체 저항의 %를 나타내는 "23"으로 라벨링된 컬럼의 백분율 "%" 대 모든 다른 컬럼의 전체 저항의 비율은 1:1일 수 있다. 이 비율은 1:1에서 약 99:1까지 다양하다. 비율의 상위 범위는 예를 들어 3:2, 7:3, 4:1 또는 19:1일 수 있다. 예시적인 비율은 9:1이다. 즉, 나노포어 저항은 비율이 1:1일 때 ~50%일 수 있고 나노포어의 저항이 통로의 전체 저항을 지배하므로 >50%일 수 있다. 나노포어 저항은 >60%, >70% ? >90%... 등일 수 있다.
본 발명자들은 약 1:1의 나노포어 저항이 최적의 신호를 제공하는 반면 노이즈 비율은 나노포어를 통한 DNA와 같은 종의 이동 및 측정 중에 이온 고갈을 증가시키는 나노포어 전체에 걸친 전압 강하를 증가시킨다는 점을 발견하였다. 이로 인해 유체 및 나노포어 저항이 변경되어 결국 전압 신호가 감소한다. 따라서 전체 저항의 50%보다 큰 나노포어 저항이 바람직하다. ~90%의 나노포어 저항은 ~20mV 전압 강하를 유발할 것이며, 이는 감지 전극에서 충분한 전압 신호의 생성을 허용하면서 전압 강하에 대해 허용 가능한 상한으로 간주된다.
어레이의 영역 밀도가 mm2당 10000 이상의 밀도와 mm2당 25000 이상의 밀도 및 유체 통로의 저항과 같이 mm2당 특정 수의 센서를 초과하여 증가함에 따라 길이를 따라 평면 유체 저항 부분과 액세스 구멍 부분 사이에 분포된다. 고밀도에서 웨이퍼 액세스 구멍은 2개 이상의 센서에 공통적일 수 있으며, 이것이 발생하는 경우 공통 액세스 구멍의 저항은 동일한 웨이퍼 액세스 구멍을 공유하는 나노포어 센서 사이의 감지 가능한 누화를 억제하기 위해 무시할 수 있는 것이 바람직하다는 것에 유의한다.
도 1 및 도 2에 도시된 나노포어 감지 디바이스(1)는 유체로 채워져 있고 멤브레인(22)은 각각의 통로(20) 및 멤브레인(22)에 삽입된 나노포어(23)를 가로질러 연장되는 것으로 도시되어 있지만, 일부 유형의 나노포어 감지 디바이스(1)는 멤브레인(22) 및 나노포어(23) 없이 제공될 수 있다. 그 경우에, 나노포어 감지 디바이스(1)의 최종 사용자는 멤브레인(22)을 형성하고 나노포어(23)가 그 안에 삽입되도록 하는 단계를 수행한다.
WO 2020/183172에는 다양한 나노포어 감지 디바이스가 개시되어 있으며, WO 2020/183172에 개시된 구조 및 방법은 본 발명에도 적용될 수 있다. WO 2020/183172는 그 전문이 본 명세서에 참고로 포함된다.
멤브레인(22) 및 나노포어(23)의 예는 다음과 같다.
한 유형의 나노포어 감지 디바이스(1)에서, 나노포어(23)는 생물학적 나노포어이고 멤브레인(22)은 그 안에 삽입된 생물학적 나노포어(23)를 가질 수 있다. 다른 유형의 나노포어 감지 디바이스(1)에서, 멤브레인(22)은 고체 상태 층이고 나노포어(23)는 개구 또는 생물학적 나노포어로서 내부에 형성된다.
멤브레인(22)은 친수성 및 친유성 특성을 모두 갖는 인지질과 같은 양친매성 분자로 형성된 층인 양친매성 층일 수 있다. 양친매성 분자는 합성 또는 자연 발생일 수 있다. 비천연 발생 양친매성 및 단일층을 형성하는 양친매성은 당업계에 공지되어 있고, 예를 들어 블록 공중합체를 포함한다(Gonzalez-Perez et al., Langmuir, 2009, 25, 10447-10450). 멤브레인(22)은 트리블록 또는 디블록 공중합체 멤브레인일 수 있다.
블록 공중합체로부터 형성된 멤브레인(22)은 생물학적 지질 멤브레인에 비해 몇 가지 이점을 갖는다. 트리블록(triblock) 공중합체가 합성되기 때문에, 멤브레인을 형성하고 포어 및 기타 단백질과 상호 작용하는 데 필요한 올바른 사슬 길이와 특성을 제공하기 위해 정확한 구성을 신중하게 제어할 수 있다.
멤브레인(22)은 WO2014/064443 또는 WO2014/064444에 개시된 멤브레인들 중 하나일 수 있으며, 이는 그 전문이 본 명세서에 참조로 포함된다. 이들 문헌은 또한 적합한 폴리머를 개시한다.
양친매성 분자는 폴리뉴클레오티드의 커플링을 용이하게 하기 위해 화학적으로 변형되거나 기능화될 수 있다.
양친매성 층은 단일층 또는 이중층일 수 있다.
멤브레인(22)은 지질 이중층일 수 있다. 적합한 지질 이중층은 WO2008/102121, WO2009/077734 및 WO2006/100484에 개시되어 있으며, 이는 그 전문이 본 명세서에 참고로 포함된다. 지질 이중층을 형성하는 방법은 당업계에 공지되어 있다. 지질 이중층은 일반적으로 Montal 및 Mueller의 방법에 의해 형성된다(Proc. Natl. Acad. Sci. USA., 1972; 69: 3561-3566).
멤브레인(22)은 고체 상태 층일 수 있다. 적합한 상태 층은 마이크로 전자 재료, 절연 재료, 예를 들어 Si3N4, Al2O3 및 SiO, 유기 및 무기 폴리머, 예를 들어 폴리아미드, 플라스틱, 예를 들어 Teflon® 또는 엘라스토머, 예를 들어 2액형 부가 경화형 실리콘 고무, 유리를 포함하지만 이에 제한되지 않는 유기 및 무기 재료 모두로 형성될 수 있다. 고체 상태 층은 그래핀으로 형성될 수 있다. 적합한 그래핀 층은 WO2009/035647에 개시되어 있으며, 이는 그 전문이 본 명세서에 참조로 포함된다. 그 전체가 본 명세서에 참조로 포함된 Yusko 등, Nature Nanotechnology, 2011; 6: 253-260 및 미국 특허 출원 번호 2013/0048499은 미립자를 사용하지 않고 고체 상태 층의 막관통 포어에 단백질을 전달하는 방법을 설명한다.
나노포어(23)는 임의의 막관통 포어일 수 있다. 나노포어(23)는 생물학적 또는 인공적일 수 있다. 적합한 나노포어(23)는 단백질 포어, 폴리뉴클레오티드 포어 및 고상 포어를 포함하지만 이에 제한되지 않는다. 나노포어(23)는 DNA 오리가미 포어(origami pore)일 수 있다(Langecker et al., Science, 2012; 338: 932-936).
막관통 단백질 포어는 이온이 흐를 수 있는 배럴 또는 채널을 포함할 수 있다. 막관통 단백질 포어의 배럴 또는 채널은 전형적으로 뉴클레오티드, 폴리뉴클레오티드 또는 핵산과의 상호작용을 용이하게 하는 아미노산을 포함한다.
본 발명에 따라 사용하기 위한 막관통 단백질 포어는 
-배럴 포어 또는 
-나선 다발 포어들로부터 유도될 수 있다. 막관통 포어는 예를 들어 Msp, 
-헤몰리신(
-HL), 리세닌, CsgG, ClyA, Sp1 및 용혈 단백질 프래그아세아톡신 C(FraC)로부터 유도되거나 이에 기초할 수 있다. 막관통 단백질 포어는 CsgG로부터 유래될 수 있다. CsgG로부터 유래된 적합한 포어는 WO 2016/034591에 개시되어 있다. 막관통 포어는 라이세닌에서 유도될 수 있다. 라이세닌으로부터 유도된 적합한 포어는 WO 2013/153359에 개시되어 있다.
분석물(예를 들어, 단백질, 펩티드, 소분자, 폴리펩티드, 폴리뉴클레오티드 포함)은 분석물에 존재할 수 있다. 분석물은 임의의 적합한 샘플일 수 있다. 분석물은 생물학적 샘플일 수 있다. 본 명세서에 기재된 방법의 임의의 실시예는 임의의 유기체 또는 미생물로부터 수득되거나 추출된 분석물에 대해 시험관내에서 수행될 수 있다. 유기체 또는 미생물은 일반적으로 원시, 원핵 또는 진핵이며 일반적으로 식물, 동물, 균류, 모네라 및 원생생물의 5개 왕국 중 하나에 속한다. 일부 실시예에서, 본 명세서에 기재된 다양한 양태의 방법은 임의의 바이러스로부터 수득되거나 추출된 분석물에 대해 시험관내에서 수행될 수 있다.
분석물은 유체 샘플일 수 있다. 분석물은 체액을 포함할 수 있다. 체액은 사람 또는 동물로부터 얻어질 수 있다. 인간 또는 동물은 질병을 앓거나 앓을 것으로 의심되거나 질병의 위험이 있을 수 있다. 분석물은 소변, 림프, 타액, 점액, 정액 또는 양수일 수 있지만 전혈, 혈장 또는 혈청일 수 있다. 전형적으로, 분석물은 기원이 인간이지만, 대안적으로 그것은 말, 소, 양 또는 돼지와 같은 상업적으로 사육되는 동물과 같은 다른 포유동물로부터 유래될 수 있거나 대안적으로 고양이 또는 개와 같은 애완동물일 수 있다. 대안적으로, 분석물은 식물 기원일 수 있다.
분석물은 비생물학적 샘플일 수 있다. 비생물학적 샘플은 유체 샘플일 수 있다. 염화칼륨과 같은 이온성 염을 샘플에 첨가하여 나노포어를 통한 이온 흐름을 수행할 수 있다.
폴리뉴클레오티드는 단일 가닥 또는 이중 가닥일 수 있다. 폴리뉴클레오티드의 적어도 일부는 이중 가닥일 수 있다.
폴리뉴클레오티드는 데옥시리보핵산(DNA) 또는 리보핵산(RNA)과 같은 핵산일 수 있다. 폴리뉴클레오티드는 DNA의 한 가닥에 혼성화된 RNA의 한 가닥을 포함할 수 있다. 폴리뉴클레오티드는 당업계에 공지된 임의의 합성 핵산일 수 있다. 폴리뉴클레오티드는 천연 발생 또는 인공일 수 있다.
방법은 폴리뉴클레오타이드의 2, 3, 4 또는 5개 이상의 특성을 측정하는 것을 포함할 수 있다. 하나 이상의 특징은 (i) 폴리뉴클레오티드의 길이, (ii) 폴리뉴클레오티드의 아이덴티티, (iii) 폴리뉴클레오티드의 시퀀스, (iv) 폴리뉴클레오티드의 2차 구조 및 (v) 폴리뉴클레오티드가 변형되었는지 여부로부터 선택될 수 있다.
(iii)에 대해, 폴리뉴클레오타이드의 서열은 전술한 바와 같이 결정될 수 있다. 적절한 시퀀싱 방법, 특히 전기적 측정을 사용하는 방법은 Stoddart D et al., Proc Natl Acad Sci, 12;106(19):7702-7, Lieberman KR 등, J Am Chem Soc. 15 2010;132(50):17961-72, 및 국제 출원 WO 2000/28312에 설명되어 있다.
2차 구조는 다양한 방식으로 측정될 수 있다. 예를 들어, 방법이 전기적 측정을 포함하는 경우, 2차 구조는 체류 시간의 변화 또는 포어를 통해 흐르는 이온 전류의 변화를 사용하여 측정될 수 있다. 이를 통해 단일 가닥 및 이중 가닥 폴리뉴클레오티드 영역이 구별될 수 있다.
변형의 유무가 측정될 수 있다. 방법은 폴리뉴클레오타이드가 하나 이상의 단백질 또는 하나 이상의 라벨, 태그 또는 스페이서로 메틸화, 산화, 손상에 의해 변형되는지 여부를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 특정 변형은 아래에 설명된 방법을 사용하여 측정될 수 있는 포어와의 특정 상호 작용을 초래할 것이다.
본 명세서에 기재된 다양한 양태의 일부 실시예에서, 방법은 표적 폴리뉴클레오티드를 추가로 특성화하는 것을 수반할 수 있다. 표적 폴리뉴클레오타이드가 포어와 접촉함에 따라, 폴리뉴클레오타이드가 포어에 대해 이동할 때 표적 폴리뉴클레오타이드의 하나 이상의 특징을 나타내는 하나 이상의 측정치가 취해진다.
방법은 폴리뉴클레오타이드가 변형되었는지 여부를 결정하는 것을 포함할 수 있다. 변형의 유무가 측정될 수 있다. 방법은 폴리뉴클레오타이드가 하나 이상의 단백질 또는 하나 이상의 라벨, 태그 또는 스페이서로 메틸화, 산화, 손상에 의해 변형되는지 여부를 결정하는 것을 포함할 수 있다.
또한 표적 폴리뉴클레오타이드와 같은 표적 분석물을 특성화하기 위한 장치가 제공된다. 장치는 본 명세서에 개시된 바와 같은 복수의 포어들 및 복수의 멤브레인들을 포함한다. 복수의 포어들은 복수의 멤브레인들에 존재할 수 있다. 포어들과 멤브레인들의 수는 같을 수 있다. 단일 포어가 각 멤브레인에 존재할 수 있다.
표적 분석물을 특성화하기 위한 장치는 복수의 멤브레인들에 본 명세서에 개시된 바와 같은 포어들의 어레이를 포함할 수 있다.
장치는 방법을 수행하기 위한 명령어를 더 포함할 수 있다. 장치는 어레이 또는 칩과 같은 분석물 분석을 위한 임의의 통상적인 장치일 수 있다. 방법을 참조하여 위에서 논의된 임의의 실시예는 본 발명의 장치에 동일하게 적용 가능하다.
장치는 본 명세서에 개시된 바와 같은 방법을 수행하도록 설정될 수 있다.
장치는 복수의 포어들 및 멤브레인들을 지지할 수 있고 포어들 및 멤브레인들을 사용하여 분석물 특성화를 수행하도록 동할작 수 있는 나노포어 센서 디바이스(1); 및 특성화를 수행하기 위한 재료의 전달을 위한 적어도 하나의 포트를 포함할 수 있다.
대안적으로, 장치는 포어들 및 멤브레인들을 사용하여 분석물 특성화를 수행하도록 동작 가능한 복수의 포어들 및 멤브레인들을 지지할 수 있는 나노포어 센서 디바이스(1); 및 특성화를 수행하기 위한 재료를 유지하기 위한 적어도 하나의 저장소를 포함할 수 있다.
장치는 복수의 포어들 및 멤브레인들을 지지할 수 있고 상기 포어들 및 멤브레인들을 사용하여 분석물 특성화를 수행하도록 동작할 수 있는 센서 디바이스; 특성화를 수행하기 위한 재료를 수용하기 위한 적어도 하나의 저장소; 적어도 하나의 저장소로부터 센서 디바이스로 재료를 제어가능하게 공급하도록 구성된 유체 시스템; 및 각각의 샘플을 수용하기 위한 하나 이상의 용기들을 포함할 수 있고, 유체 시스템은 하나 이상의 용기들에서 센서 디바이스로 선택적으로 분석물을 공급하도록 구성된다.
장치는 WO 2009/077734, WO 2010/122293, WO 2011/067559 또는 WO 00/28312에 기술된 것 중 임의의 것일 수 있으며, 본 명세서에 개시된 나노포어 감지 디바이스(1)를 포함하도록 변형된다.
나노포어에 대한 분석 물질의 이동 제어, 예를 들어 이동 속도, 분석물의 거부 등의 제어는 WO2016/059427에 개시된 시스템 및 방법에 의해 관리될 수 있다. 나노포어 센서에 의한 분석물의 거부는 나노포어로부터 분석물의 방출을 포함할 수 있다.
상기 설명 및 도면의 피쳐는 본 명세서의 교시에 비추어 상호교환가능하고 호환가능하다. 본 발명은 위에서 순전히 예로서 설명되었으며, 본 발명의 사상 및 범위 내에서 수정이 이루어질 수 있으며, 이는 설명된 피쳐의 등가물 및 본 명세서에 설명된 하나 이상의 피쳐들의 조합으로 확장된다. 본 발명은 또한 본 명세서에 기술되거나 암시된 임의의 개별 피쳐들로 구성된다.
Claims (31)
- 나노포어 감지 디바이스(nanopore sensing device)에 있어서,
제1 챔버 및 제2 챔버;
상기 제1 및 제2 챔버들 사이에 연장되는 복수의 유체 통로(fluidic passage)들이 제공된 평면 구조(planar structure)-여기서, 상기 평면 구조는 개별의 통로들에 걸쳐 멤브레인(membrane)들의 나노포어들을 지지하도록 구성됨-; 및
상기 나노포어들과 상기 제2 챔버 사이의 개별의 통로들에서 유체 전위를 감지하도록 배열된 센서 전극(sensor electrode)들을 포함하고,
상기 통로들은 상기 센서 전극과 상기 제2 챔버 사이의 평면 유체 저항기 부분들을 포함하고, 상기 평면 유체 저항기 부분들은 상기 평면 구조의 평면 방향으로 연장되고 유체 저항기를 형성하도록 구성되는, 나노포어 감지 디바이스. - 제1항에 있어서, 상기 평면 구조는:
상기 통로들에 걸쳐 연장되는 상기 멤브레인들의 상기 나노포어들을 지지하도록 구성된 나노포어 지지 층; 및
추가 층을 더 포함하고, 상기 평면 유체 저항기 부분은 상기 추가 층에 형성되는, 나노포어 감지 디바이스. - 제2항에 있어서, 상기 나노포어 지지 층에는 상기 제1 챔버로 개방되는 웰(well)들이 제공되고, 상기 웰들은 상기 통로들의 일부를 형성하고 상기 웰들에 걸쳐 연장되는 상기 멤브레인들의 상기 나노포어들을 지지하도록 구성되는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 추가 층은 유전체 층(dielectric layer)인, 나노포어 감지 디바이스.
- 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 평면 구조는 기판을 더 포함하고, 상기 추가 층은 상기 기판에 의해 지지되는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 챔버들은 상기 평면 구조의 대향 측들에 위치하고, 상기 통로들은 상기 평면 구조를 통해 연장되며 상기 기판에는 그를 통해 연장되고 상기 통로들의 일부를 형성하는 액세스 구멍(access hole)들이 제공되는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 및 제2 챔버들은 상기 평면 구조의 대향 측들에 있고, 상기 통로들은 상기 평면 구조를 통해 연장되며, 및
상기 평면 구조는:
기판; 및
상기 기판에 의해 지지되는 추가 층을 포함하고,
상기 평면 유체 저항기 부분은 상기 추가 층에 형성되고, 상기 기판에는 그를 통해 연장되는 액세스 구멍들이 제공되며, 상기 액세스 구멍들은 상기 통로들의 일부를 형성하는, 나노포어 감지 디바이스. - 제7항에 있어서, 상기 평면 구조는 상기 통로들에 걸쳐 연장되는 상기 멤브레인들의 상기 나노포어들을 지지하도록 구성된 나노포어 지지 층을 더 포함하는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제8항에 있어서, 상기 나노포어 지지 층에는 상기 제1 챔버로 개방되는 웰들이 제공되고, 상기 웰들은 상기 통로들의 일부를 형성하고 상기 웰들에 걸쳐 연장되는 상기 멤브레인들의 상기 나노포어들을 지지하도록 구성되는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추가 층은 유전체 층인, 나노포어 감지 디바이스.
- 제6항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 추가 층은 상기 제1 챔버와 상기 기판 사이에 있는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제6항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 액세스 구멍은 복수의 평면 유체 저항기 부분들에 공통으로 유체 연결됨으로써 복수의 통로들에 의해 공유되는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제5항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 반도체 웨이퍼인, 나노포어 감지 디바이스.
- 제13항에 있어서, 상기 평면 구조는 상기 반도체 웨이퍼에 의해 지지되는 회로 층을 더 포함하고, 상기 회로 층은 상기 센서 전극에 연결된 회로 컴포넌트들을 포함하는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제14항에 있어서, 상기 회로 층은 상기 반도체 웨이퍼 상에 형성되고, 상기 유전체 층은 상기 회로 층 상에 형성되는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제6항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 평면 구조는 지지되는 회로 층을 갖는 반도체 웨이퍼를 더 포함하고, 상기 회로 층은 상기 센서 전극에 연결된 회로 컴포넌트들을 포함하고, 상기 반도체 웨이퍼 및 상기 회로 층에는 이를 통해 연장되고 상기 통로들의 일부를 형성하는 액세스 구멍들이 제공되고, 및
상기 기판은 상기 반도체 웨이퍼와 상기 제2 챔버 사이에서 상기 반도체 웨이퍼에 접합되는, 나노포어 감지 디바이스. - 제1항에 있어서, 상기 평면 구조는:
기판;
상기 기판에 의해 지지되는 회로 층-여기서, 상기 회로 층은 상기 센서 전극에 연결된 회로 컴포넌트들을 포함함-; 및
상기 통로들에 걸쳐 연장되는 상기 멤브레인들의 상기 나노포어들을 지지하도록 구성된 나노포어 지지 층을 포함하고, 상기 평면 유체 저항기 부분은 상기 나노포어 지지 층에 형성되는, 나노포어 감지 디바이스. - 제17항에 있어서, 상기 나노포어 지지 층에는 상기 제1 챔버로 개방되는 웰들이 제공되고, 상기 웰들은 상기 통로들의 일부를 형성하고 상기 웰들에 걸쳐 연장되는 상기 멤브레인들의 상기 나노포어들을 지지하도록 구성되는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 제1 및 제2 챔버들은 상기 평면 구조의 대향 측들에 있고, 상기 통로들은 상기 평면 구조를 통해 연장되고 상기 기판에는 이를 통해 연장되어 상기 통로들의 일부를 형성하는 액세스 구멍들이 제공되는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제19항에 있어서, 각각의 액세스 구멍은 복수의 평면 유체 저항기 부분에 공통으로 유체 연결됨으로써 복수의 통로들에 의해 공유되는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제17항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기판은 반도체 웨이퍼인, 나노포어 감지 디바이스.
- 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 평면 유체 저항기 부분은 구불구불한 경로(tortuous path)를 따라 연장되는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노포어들은 생물학적 나노포어들이고 상기 멤브레인들은 상기 생물학적 나노포어들이 내부에 삽입될 수 있는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제23항에 있어서, 상기 평면 구조는 상기 개별의 통로들에 걸쳐 연장되는 멤브레인들 및 선택적으로 또한 상기 멤브레인들에 삽입된 상기 생물학적 나노포어들을 더 포함하는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멤브레인들은 고체 상태 멤브레인들이고, 상기 평면 구조는 상기 고체 상태 멤브레인들을 더 포함하고 상기 나노포어들이 그 내부에 형성되는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제1항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 평면 유체 저항기 부분은 상기 평면 구조의 평면 방향으로 각각 연장되지만 상기 평면 구조 내에서 상이한 깊이들에 있는 섹션들을 포함하는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제1항 내지 제26항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 통로들은 제1 챔버로 개방되는 웰들을 포함하고, 상기 평면 구조는 상기 웰들에 걸쳐 연장되는 멤브레인들의 상기 나노포어들을 지지하도록 구성되는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제1항 내지 제27항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 챔버들은 상기 평면 구조의 대향 측들에 있고 상기 통로들은 상기 평면 구조를 통해 연장되는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제1항 내지 제28항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 챔버들에 구동 전극(drive electrode)들을 더 포함하는, 나노포어 감지 디바이스.
- 제1항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 나노포어의 상기 저항이 상기 통로의 전체 저항의 50%보다 큰, 나노포어 감지 디바이스.
- 제30항에 있어서, 상기 나노포어의 상기 저항이 상기 통로의 상기 전체 저항의 90%인, 나노포어 감지 디바이스.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US202063053122P | 2020-07-17 | 2020-07-17 | |
| US63/053,122 | 2020-07-17 | ||
| PCT/GB2021/051806 WO2022013551A1 (en) | 2020-07-17 | 2021-07-14 | Nanopore sensing device |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230038566A true KR20230038566A (ko) | 2023-03-20 |
Family
ID=77168289
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020237005384A KR20230038566A (ko) | 2020-07-17 | 2021-07-14 | 나노포어 감지 디바이스 |
Country Status (6)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US20230349882A1 (ko) |
| EP (1) | EP4182685A1 (ko) |
| JP (1) | JP2023530695A (ko) |
| KR (1) | KR20230038566A (ko) |
| CN (1) | CN115989410A (ko) |
| WO (1) | WO2022013551A1 (ko) |
Families Citing this family (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN108051578B (zh) | 2011-04-04 | 2020-07-24 | 哈佛大学校长及研究员协会 | 通过局部电位测量进行的纳米孔感测 |
| US10794895B2 (en) | 2015-02-05 | 2020-10-06 | President And Fellows Of Harvard College | Nanopore sensor including fluidic passage |
| CN115651821B (zh) * | 2022-12-07 | 2023-04-07 | 北京齐碳科技有限公司 | 一种分子检测单元、芯片以及制备方法 |
Family Cites Families (18)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6267872B1 (en) | 1998-11-06 | 2001-07-31 | The Regents Of The University Of California | Miniature support for thin films containing single channels or nanopores and methods for using same |
| GB0505971D0 (en) | 2005-03-23 | 2005-04-27 | Isis Innovation | Delivery of molecules to a lipid bilayer |
| US20110121840A1 (en) | 2007-02-20 | 2011-05-26 | Gurdial Singh Sanghera | Lipid Bilayer Sensor System |
| WO2009035647A1 (en) | 2007-09-12 | 2009-03-19 | President And Fellows Of Harvard College | High-resolution molecular graphene sensor comprising an aperture in the graphene layer |
| GB0724736D0 (en) | 2007-12-19 | 2008-01-30 | Oxford Nanolabs Ltd | Formation of layers of amphiphilic molecules |
| KR20110138286A (ko) | 2009-04-20 | 2011-12-26 | 옥스포드 나노포어 테크놀로지즈 리미티드 | 지질 이분자층 센서 어레이 |
| EP2507387B1 (en) | 2009-12-01 | 2017-01-25 | Oxford Nanopore Technologies Limited | Biochemical analysis instrument and method |
| US9347929B2 (en) | 2011-03-01 | 2016-05-24 | The Regents Of The University Of Michigan | Controlling translocation through nanopores with fluid wall |
| AU2013221356B2 (en) | 2012-02-16 | 2018-10-18 | The Regents Of The University Of California | Nanopore sensor for enzyme-mediated protein translocation |
| WO2013153359A1 (en) | 2012-04-10 | 2013-10-17 | Oxford Nanopore Technologies Limited | Mutant lysenin pores |
| GB201313121D0 (en) | 2013-07-23 | 2013-09-04 | Oxford Nanopore Tech Ltd | Array of volumes of polar medium |
| EP2911771B1 (en) | 2012-10-26 | 2017-01-18 | Oxford Nanopore Technologies Limited | Droplet interfaces |
| WO2016034591A2 (en) | 2014-09-01 | 2016-03-10 | Vib Vzw | Mutant pores |
| CN115851894A (zh) | 2014-10-16 | 2023-03-28 | 牛津楠路珀尔科技股份有限公司 | 聚合物的分析 |
| US10794895B2 (en) * | 2015-02-05 | 2020-10-06 | President And Fellows Of Harvard College | Nanopore sensor including fluidic passage |
| CA3067993C (en) * | 2017-06-21 | 2024-02-27 | Ontera Inc. | Dual pore-control and sensor device |
| NZ759671A (en) * | 2018-02-16 | 2022-07-01 | Illumina Inc | Device for sequencing |
| KR20210138594A (ko) | 2019-03-12 | 2021-11-19 | 옥스포드 나노포어 테크놀로지즈 피엘씨 | 나노포어 감지 디바이스 및 이를 작동하는 방법 및 형성하는 방법 |
-
2021
- 2021-07-14 CN CN202180048189.XA patent/CN115989410A/zh active Pending
- 2021-07-14 EP EP21749248.7A patent/EP4182685A1/en active Pending
- 2021-07-14 JP JP2022577129A patent/JP2023530695A/ja active Pending
- 2021-07-14 US US18/016,012 patent/US20230349882A1/en active Pending
- 2021-07-14 WO PCT/GB2021/051806 patent/WO2022013551A1/en unknown
- 2021-07-14 KR KR1020237005384A patent/KR20230038566A/ko unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN115989410A (zh) | 2023-04-18 |
| US20230349882A1 (en) | 2023-11-02 |
| EP4182685A1 (en) | 2023-05-24 |
| JP2023530695A (ja) | 2023-07-19 |
| WO2022013551A1 (en) | 2022-01-20 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR20230038566A (ko) | 나노포어 감지 디바이스 | |
| EP1967581B1 (en) | CMOS compatible method for manufacturing microneedle structures | |
| CN109791120B (zh) | 用于分子传感器件的多电极结构及其制造方法 | |
| CN116042789B (zh) | 纳米孔设备及其制造方法 | |
| US20240069007A1 (en) | Nanopore sensing device, components and method of operation | |
| CN107533045B (zh) | 包括流体通道的纳米孔感测器 | |
| US8518829B2 (en) | Self-sealed fluidic channels for nanopore array | |
| JP5027296B2 (ja) | バイオセンサチップ | |
| CN102242062B (zh) | 一种高分辨率的生物传感器 | |
| KR101491257B1 (ko) | 생물학적 전계-효과 트랜지스터(biofet) 디바이스를 제조하는 방법 및 그 디바이스 | |
| JP4213160B2 (ja) | 膜タンパク質分析用平面脂質二重膜の形成方法とその装置 | |
| US20170016851A1 (en) | Integrated biosensor | |
| US9151740B2 (en) | Nanopore device with improved sensitivity and method of fabricating the same | |
| CN101687191A (zh) | 操纵流体微滴的微流控芯片以及方法 | |
| US20110201098A1 (en) | Polymer Replicated Interdigitated Electrode Array for Bio(Sensing) Applications | |
| CN101517411A (zh) | 生物传感器、其制作方法及包含其的生物传感设备 | |
| KR20230029669A (ko) | 전계 효과 트랜지스터들을 갖는 디바이스들 | |
| US20080180188A1 (en) | Microfluidic Apparatuses with Nanochannels | |
| US20190310225A1 (en) | Microfluidic organic electrochemical transistor sensors for real time nitric oxide detection | |
| WO2022100423A1 (en) | Tailorable electrode capping for microfluidic devices | |
| US20050067279A1 (en) | Sensor array integrated electrochemical chip, method of forming same, and electrode coating | |
| JP7492200B2 (ja) | ナノ細孔センシングデバイスと操作方法およびその成形方法 | |
| CN116769582B (zh) | 一种测序单元、芯片以及制备方法 | |
| WO2008068692A1 (en) | Method of manufacturing a semiconductor sensor device and semiconductor sensor device obtained with such method |