(57)【要約】  積層電気化学センサは、誘電体基板と、基板の表面上に形成された導電層とを含む。導電層は、作用電極と電極リードと接続アームとを含み、接続アームは作用電極を電極リードへ接続する。導電層の上に、誘電体層が配置される。誘電体層は、作用電極及び接続アームの一部を露出する開口を有する。作用電極と電極リードと接続アームとはレーザーアブレーション技術により形成されて精密な作用電極センサパラメータを提供することができる。
2013520683.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気化学センサであって、
誘電体基板と、
前記基板の表面上に形成された導電層であって、少なくとも１つの作用電極と、電極リードと、前記作用電極を前記電極リードへ接続する接続アームとを含む導電層と、
前記導電層の少なくとも一部の上に配置された誘電体層であって、前記作用電極と前記接続アームの少なくとも一部を露出する開口を含む誘電体層と
を含む電気化学センサ。
【請求項２】
請求項１記載のセンサであって、±０．２５０ｍｍの移動に関連した前記作用電極領域の変動の結果、全作用電極領域に約０．００３ｍｍ２の変動が生じ、前記全作用電極領域の前記変動は、前記全作用電極領域の約１％に等しい、センサ。
【請求項３】
請求項１記載のセンサであって、前記接続アームの幅又は長さの少なくとも一方が１０００分の１インチを超えない、センサ。
【請求項４】
請求項１記載のセンサであって、前記作用電極と、前記接続アームと、前記電極リードとは、レーザーアブレーションを用いて形成された、センサ。
【請求項５】
請求項１記載のセンサであって、前記作用電極と、前記接続アームと、前記電極リードとは、１０００分の１インチ未満の形状をもつ素子を作ることができる処理を用いて形成された、センサ。
【請求項６】
請求項１記載のセンサであって、前記作用電極と、接続アームと、電極リードとは、金属化フィルムを含み、該金属化フィルムはレーザーアブレーションを用いて画像形成された、センサ。
【請求項７】
請求項６記載のセンサであって、前記金属化フィルムは、Ａｕ、Ｐｄ、Ｐｔ、又は電気化学の面で関心がもたれる任意の金属であってスパッタリング又はコーティングが可能な金属からなる群より選択された、センサ。
【請求項８】
請求項７記載のセンサであって、前記基板は、ＰＥＴ、ポリカーボネート、及び他のプラスチック材料からなる群より選択された、センサ。
【請求項９】
請求項１記載のセンサであって、前記作用電極と、前記電極リードと、前記接続アームとは、前記基板上に備えられた薄い金属フィルムをレーザーアブレーションすることにより形成された、センサ。
【請求項１０】
請求項１記載のセンサであって、前記接続アームは２０ミクロン未満である、センサ。
【請求項１１】
請求項１記載のセンサであって、前記作用電極に近接して配置される基準／カウンタ電極をさらに含み、前記基準／カウンタ電極は、第２の接続アームにより電極リードへ電気的に接続された、センサ。
【請求項１２】
請求項１記載のセンサであって、前記開口は、試験流体にさらされる作用電極の領域を定める、センサ。
【請求項１３】
請求項１記載のセンサであって、前記作用電極はさらに、およそ０．３２０平方ミリメートルの円形の領域を含み、該円形の領域は、前記作用電極の全領域の約１．２％とほぼ等しい、センサ。
【請求項１４】
請求項１記載のセンサであって、前記誘電体層の開口の±０．２５０ｍｍの移動に関連した前記作用電極領域の変動の結果、全作用電極領域に約０．００３ｍｍ２の変動が生じ、前記変動は前記全作用電極領域の約１％である、センサ。
【請求項１５】
請求項１記載のセンサであって、一対の充填検出電極をさらに含み、ベントが前記センサに前記充填検出電極の間に配置され、前記ベントは、試験流体がキャピラリチャネルに入り空気を動かすとき、前記キャピラリチャネルから空気を逃がすことが可能なように構成され、前記キャピラリチャネルはスペーサ層とカバー蓋部とから形成された、センサ。
【請求項１６】
請求項１５記載のセンサであって、前記充填検出電極は、前記キャピラリチャネル内の流体の存在を検出する、センサ。
【請求項１７】
請求項１記載のセンサであって、導電層と、誘電体層と、キャピラリの蓋と、スペーサ層とをさらに含み、前記スペーサ層は開口をさらに含み、該開口は流体を受けるキャピラリチャネルを定めた、センサ。
【請求項１８】
請求項１記載のセンサであって、前記誘電体層は、前記導電層上に、スクリーン印刷、パターン形成、又は積層された、センサ。
【請求項１９】
請求項１記載のセンサであって、前記電極リードは、前記リードから前記接続アームへ延びて、前記接続アームと前記電極リードとの間に電気的導電路を形成するリードトレースをさらに含む、センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［0001］本発明は電気化学センサを対象とし、より詳細には、作用電極の変動が制御された電気化学センサであって、電気化学応答が作用電極のサイズに依存するものを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
［0002］血糖をモニタするための使い捨て電気化学センサの典型は基板フィルムを含み、基板フィルム上に導電材料の層が蒸着及びパターン形成されて電極を形成する。従来、電気化学セル又はバイオセンサは３つの電極、すなわち作用電極又は検出電極、基準電極、及びカウンタ電極又は補助電極からなる。作用電極は、基準電極に対して一定の印加電位で、関心対象の反応が生じるところである。基準電極は、作用電極の安定した電位を維持する機能を果たす。カウンタ電極は、作用電極とカウンタ電極との間に電流を流れさせ、基準電極の機能を妨げないようにする。システムの電位が本質的に安定しているか、又はわずかな電位の変動であれば問題ない場合は、基準電極及びカウンタ電極を組み合わせてひとつの基準／カウンタ電極にし、作用電極と対にすることができる。いくつかの例では、電気化学バイオセンサは、アンペロメトリーを用いて特定の被分析物濃度を数量化する。作用電極は、作用電極のさらされる表面領域に比例した応答を提供する。製作中は、製造業は作用電極領域に関連する工程変動を厳密に制御している。
【０００３】
［0003］通常、作用電極は２以上の素子から形成される。素子の１つは導電層であり、導電層は電気活性種（ｅｌｅｃｔｒｏ−ａｃｔｉｖｅ  ｓｐｅｃｉｅｓ）へ又は電気活性種からの電子の移動を促進する能動素子であり、電気活性種は試料がセンサへ加えられたときに生成される。第２の素子は誘電体層であり、誘電体層は第１の素子とともに、試料流体と接触している作用電極の実寸法を定める。第２の素子は、導電層の一部の上に窓を形成する。いずれの素子が変動しても、センサ応答が変動することになる。したがって、第２の素子又は誘電体層が、読み取り値の精度に直接影響を及ぼすことがある。
【０００４】
［0004］従来技術のセンサのいくつかは、最終的な電極表面領域上に不正確に誘電体層を塗布してしまうことの影響を低減するために、複数の導電性ネック部を対称に用いている。誘電体層の窓がわずかに移動する可能性があるが、それは対称に配置されたネック部がその移動を補償するからである。このようなセンサでは、誘電体層をうまく定められないことがあるが、誘電体層のエッジと交わるネックは非常に小さいため、十分に定められなくても、その影響は最小限に抑えることができる。しかし、このようなセンサは、複数の全ての導電性ネック部、例えば、典型的なセンサでは２つの異なるネック部、を非常に精密に定める必要がある。これらの精密に定められた導電性ネック部のいくつかは、外部回路へ接続すらされていないが、ネック部の対称性を精密に定める必要は依然としてあるため、センサの製作をより複雑にし、製作コストをより上昇させることになる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
［0005］従来技術の電極では、表面領域は、導電層のパターン形成又は誘電体層のパターン形成のいずれか１つ、及びレジストレーションにより定めることができる。正確なバイオセンサを形成する工程を簡略化するために、センサの作用電極をより正確に定めるための手段が必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［0006］一実施形態では、電気化学センサは、誘電体基板と、基板の表面上に形成された導電層とを含む。導電層は、作用電極と電極リードと接続アームとを含み、接続アームは作用電極を電極リードへ接続する。導電層の上に、誘電体層が配置される。誘電体層は、作用電極及び接続アームの一部を露出する開口を有する。
【０００７】
［0007］利点のひとつは、電極のサイズを低減することができ、従来技術の電極と比べて、定められた電極表面領域の精度が大きく変更されないことである。
［0008］別の利点は、誘電体層のパターン形成が電極領域及びサイズの精度に与える影響を、限定することができることである。これにより、既存の低コスト低精度の方法を用いてバイオセンサの誘電体層をパターン形成することができ、それと同時に電極の精度を維持することができる。
【０００８】
［0009］この方法の別の利点は、誘電体層のパターン形成工程を改善して、さらにより精度の高い電極を提供できることである。これらはともに、電気化学センサの製造及び使用に改善をもたらすものである。
【０００９】
［0010］さらに別の利点は、電極表面領域を正確に定めることができることである。したがってセンサの精度は、誘電体層の定められたものの精度よりも、導電層の定められたものの精度に、より直接関係し得る。領域の標準偏差と領域平均との比に等しい、所望の領域の変動係数（ＣＯＶ）をもつ小さな電極を、より精密さにかける電極パターン形成方法、例えばスクリーン印刷及び積層、を用いて作ることができる。本発明の電極領域ＣＯＶは、導電層のパターン形成工程のそれに近づけることができる。
【００１０】
［0011］本発明の他の特徴及び利点は、以下の好適な実施形態のより詳細な説明、及び添付図面から明らかであり、図面は本発明の原理を例示的に示すものである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】電気化学センサの一実施形態の一部平面図を示す。
【図２】図１の電気化学センサの立断面図を示す。
【図３】電気化学センサの別の実施形態の一部平面図を示す。
【図４】金（Ａｕ）がアブレーションされた例示的なフィルム又は基板層の平面図を示す。
【図５】例示的な誘電体層の平面図を示す。
【図６】例示的なスペーサ層の平面図を示す。
【図７】例示的なカバー又は蓋を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
［0019］本発明は、作用電極サイズの変動が主に能動素子の変動から生じるように設計された電気化学センサを開示する。センサに含まれる他の素子、例えば印刷又は積層された絶縁層、の通常の変動は、作用電極のサイズに影響を与えることはなく、したがって、作用電極により生成された応答は他の素子が原因で変動することはない。作用電極の変動の排除は、作用電極と電気コネクタ又はリードとの間の接続の形状を最小にすることにより達成される。
【００１３】
［0020］作用電極及び他の導電性の形状、例えば作用電極をリードへ接続する素子、はレーザーアブレーションを用いて形成することができ、レーザーアブレーションは１０００分の１インチ未満の形状をもつ素子を作ることができる処理である。レーザーアブレーションにより、電気接続リード、作用電極、及び他の形状を精密に定めることができ、精密に定めることは、変動係数を低減して正確な測定を提供するために必要とされるものである。レーザーアブレーションを用いて金属化フィルムを画像形成することができ、金属化フィルムは、例えばＡｕ、Ｐｄ、及びＰｔ、又は類似した電気化学特性を有する任意の金属であって、ＰＥＴ若しくはポリカーボネート又は別の誘電体材料等、プラスチック基板上にスパッタリング又はコーティングすることができるものである。ポリマ基板上に備えられた薄い金属フィルムをレーザーアブレーションすることにより、センサの一次的な形状を作成することができる。
【００１４】
［0021］図１を参照すると、センサ１００は作用電極１０を含み、作用電極１０は接続アーム１２によりリードトレース２４へ接続される。少なくとも１つの実施形態では、接続アーム１２は１０ミクロン程度の狭いものであってよい。別の実施形態では、接続アーム１２は幅２０ミクロンであるか、又はセンサ応答にほとんど寄与しない幅を有してよく、センサ応答にほとんど寄与しない幅とは、該接続アーム自体又は誘電体の空きにより定められた該アームにおける変動があってもセンサ応答に与える影響を無視できるものである。リードトレース２４はリード３４の延長線上にあり、接続アーム１２とリード３４とを電気的に接続する。基準電極又はカウンタ電極２０は、作用電極１０に近接して、ポリマ基板２２、例えばポリカーボネート又はポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）、の上に配置される。基準／カウンタ電極２０は、接続アーム３６とリードトレース３８とを接続することにより、リード３２へ電気的に接続される。誘電体層１４は、基板２２上に積層又は印刷することができる。誘電体層２２は、電極１０、２０の領域又は窓１８を定める開口１６を含み、領域又は窓１８が試験流体にさらされる。少なくとも１つの実施形態では、作用電極１０のさらされる領域は、約０．３２０ｍｍ２の円形の領域を有することができ、該作用電極の接続アームであって有限であるが小さな幅であるか又は作用電極１０の全領域の約１．２％であるものは反応領域を構成する。少なくとも１つの例示的な実施形態では、誘電体層１４は、窓枠線１８ａが接続アーム２４と交差する点に対して±０．２５０ｍｍ移動する可能性がある。±０．２５０ｍｍの移動に係る作用電極領域の変動の結果、全作用電極領域の約０．００３ｍｍ２の変動、又は全作用電極領域の約１％の変動が生じる。ベント４２は、センサ１００の一対の充填検出電極４４、４６の間に配置される。ベント４２は、キャピラリチャネル３０と流体接続しており、流体がキャピラリチャネル３０に入るときに空気をキャピラリチャネル３０から逃がすことができる。充填検出電極４４、４６は、キャピラリチャネル３０に流体が存在するかを検出する。
【００１５】
［0022］次に図２を参照すると、センサ１００の断面図により積層の構成が示されている。基板２２及び誘電体層１４に加えて、キャピラリの蓋２６及びスペーサ層４０も一緒に積層されてセンサ１００を形成する。スペーサ層４０は、開口２８を含み、開口２８が、流体を受けるキャピラリチャネル３０を定める。別の実施形態では、誘電体層は導電層上に、スクリーン印刷、フォトリソグラフィによるパターン形成、又は積層される。
【００１６】
［0023］次に図３を参照すると、作用電極サイズを制御するための別の例示的な方法は、１又は複数の形状により作用電極１１０を定めることに係る。図３では、作用電極１１０は、誘電体層１１４の空きにより定められる。誘電体層１１４は、導電性カーボン層１２２の上に配置されて、誘電体層の対向するエッジ１１５、１１６と、カーボン層１２２の対向するエッジ１１１、１１２と、誘電体層１１４のエッジ１１５、１１６と交わる作用電極１１０とが、作用電極１１０の領域ｈ×ｗを定めるようにする。基準／カウンタ電極１２０も同様にして誘電体層１１４により定められ、その露出寸法は作用電極１１０のそれと実質的に同じｈ，ｗである。ベント穴１４２は、キャピラリチャネル１３０の一端に設けられる。ベント穴１４２は、キャピラリチャネル１３０と外部空気との間に流体接続を設けることで、キャピラリチャネル１３０の空気を流体と入れ替えることができる。充填検出器電極１４４は、キャピラリチャネル１３０に部分的に露出しており、充填電極コンタクト（ｆｉｌｌ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ  ｃｏｎｔａｃｔ）１４６へ接続する。コンタクト１３２及び１３４は、基準電極１２０及び作用電極１１０との電気通信をそれぞれ提供する。
【００１７】
［0024］作用電極の領域の変動は、誘電体の空きの変動に関係する。図１に示した例示的な実施形態では、誘電体層１８は接続アーム１２と交わっており、作用電極１０の領域は０．３２０ｍｍ２で接続アーム１８の領域は０．００４ｍｍ２であることが可能であり、これらが試験流体にさらされる。センサ１００の応答は、これらのさらされる領域に正比例する。誘電体層窓１８の位置の予想変動は、誘電体層窓１８が接続アーム１２を横切るとき±０．０２５ｍｍである。接続アーム１２が幅１３ミクロンのとき、さらされる領域に対応した予想変動は０．００３ｍｍ２又は１％まで（〜１％）である。
【００１８】
［0025］図３では、作用電極１１０は、層１２２、１１４の２つの寸法パラメータにより定められる。パラメータの１つは、基板層１２２上の作用電極１１０の導電部の垂直寸法ｈであり、もう一つのパラメータｗは、誘電体層１１４の幅である。一実施形態では、作用電極１１０の領域は長さ（ｈ）０．６３５ｍｍ及び幅（ｗ）０．５０８ｍｍにより定めることができる。各寸法の予想変動は約±０．０２５ｍｍであってもよい。結果として生じる作用電極の領域の変動は、式２：
Δｗ／ｗ＋Δｈ／ｈ＝９％
により定められる。
【００１９】
［0026］次に図４を参照すると、例示的なアブレーションフィルム層又は基板２２は、アブレーションされた金コンタクト１０、２０を含む。端４８はダイカット線５０（図５）に対応する。図４にはさらに、電極リード３２、３４、４４、４６、リードトレース２４、３８、及び接続アーム１２、３６の全長も示されている。図５は、基板２２を覆う誘電体層１４を示す。ダイカット線５０は、上部５２が完成したセンサ１００から取り外される位置を示す。誘電体層１４の開口１８は、接続アーム１２を交差する線１８ａで窓１８を定める。図６は、誘電体層１４の上に塗布されるスペーサ層４０を示し、スペーサ層４０は、開口２８が誘電体の空き１８及び部品、例えば、誘電体窓１８により定められた作用領域内の作用電極１０、基準電極２０、及び接続アーム１２、３６、を露出するように塗布される。最後に、図７は、スペーサ層４０の上部の上に塗布されるキャピラリの蓋２６を示す。キャピラリの蓋２６は、試験流体の体積が制限されるようにキャピラリチャネル３０をシールして、流体が端４８からのみキャピラリチャネルに入ることができるようにする。
【００２０】
［0027］図４〜７は組立順序を示すものであり、例示のために、積層される層１４、２２、２６及び４０のそれぞれを透明層で表して、機能素子の関係が理解できるようにしたものである。実際は、任意の積層された層１４、２２、２６及び４０は不透明又は半透明である可能性があり、完成したセンサ１００では下にある層及び関連素子が見えないことがある。
【００２１】
［0028］本発明を好適な実施形態を参照して説明したが、当業者であれば、さまざまな変形を行うことや等価物を等価の要素と置き換えることは、本発明の範囲を逸脱しないことが理解できるであろう。さらに、多くの修正を行うことで特定の状況又は材料を本発明の教示に適応させることは、本発明の本質的な範囲を逸脱するものではない。したがって、本発明は、本発明を実施するための考え得る最良の形態として開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付の請求項の範囲内にあたる実施形態を全て含むものである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
2013520683.tif 000010
2013520683.tif 000011