(57)【要約】  試料を分析する電気化学センサデバイス(100)であって、前記試料の粒子に対して敏感なセンサ部(102)を含む電子チップ(101)、該電子チップ(101)と共に流体路を画定するように前記電子チップ(101)と結合するキャリア部材(103,104)、及び該キャリア部材(103,104)の表面部に供される対向電極(105)を有する、デバイス(100)。
2010512533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を分析する電気化学センサデバイスであって：
前記試料の粒子に対して敏感なセンサ部を含む電子チップ；
該電子チップと共に流体路を画定するように前記電子チップと結合するキャリア部材；及び、
該キャリア部材の表面部に供される対向電極；
を有するデバイス。
【請求項２】
前記キャリア部材は、ウエルを有するウエル部材-特に成形による相互接続デバイス-を有し、
前記センサ部はウエル部材の底部に隣接して設けられる、
請求項1に記載のデバイス。
【請求項３】
前記キャリア部材は被覆部材-特に流体パッケージ部-を有し、
前記被覆部材は、該被覆部材とウエル部材との間の流体路の流入口と流出口を画定するように、前記ウエル部材に対して備えられる、
請求項2に記載のデバイス。
【請求項４】
前記ウエル部材と前記電子チップとの間に試料流バリアを有する、請求項2に記載のデバイス。
【請求項５】
前記ウエル部材は前記電子チップと結合する、請求項2に記載のデバイス。
【請求項６】
前記キャリア部材は金属バンプを介して前記電子チップと結合し、
具体的には、前記電子チップ内の電気回路と、前記キャリア部材内の電気回路とが電気的に結合する、
請求項1に記載のデバイス。
【請求項７】
前記ウエル部材の下側表面上に供された伝導性トラックを有する、請求項1に記載のデバイス。
【請求項８】
前記対向電極が前記ウエル内に収容される、請求項2に記載のデバイス。
【請求項９】
前記ウエル部材が前記被覆部材に隣接して前記ウエル内で電子チップの方向へ延びるブリッジ部材を有し、
前記対向電極は、前記ブリッジ部材の端部に形成されることで、前記対向電極と該対向電極に対向する前記電子チップのセンサ部との間に流体路を画定する、
請求項2に記載のデバイス。
【請求項１０】
前記対向電極は、前記流体路の流入口及び流出口からなる群のうちの少なくとも1つに収容される、請求項2に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記対向電極は、前記流体路の流入口及び流出口からなる群のうちの少なくとも1つの中の、ウエル部材の上側表面及び被覆部材の下側表面からなる群のうちの少なくとも1つと接続する、請求項3に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記対向電極はチップ外に備えられる、請求項1に記載のデバイス。
【請求項１３】
前記センサ部は容量性センサ部であって、特に、前記電子チップ上に集積された電気回路、該電気回路上に供された動作電極、及び該動作電極上に供された自己集合単分子層を有する、請求項1に記載のデバイス。
【請求項１４】
センサデバイス、バイオセンサデバイス、バイオチップ、ラボ・オン・チップ、電気泳動デバイス、試料輸送デバイス、試料混合デバイス、細胞溶解デバイス、試料洗浄デバイス、試料精製デバイス、ポリメラーゼ鎖反応(PCR)デバイス、及びハイブリダイゼーション分析デバイスからなる群のうちの少なくとも1つに適合する、請求項1に記載のデバイス。
【請求項１５】
請求項1に記載の電気化学センサデバイスを複数個有する、試料分析用センサアレイ。
【請求項１６】
試料を分析する電気化学センサデバイスの作製方法であって：
前記試料の粒子に対して敏感なセンサ部を含む電子チップを供する工程；
該電子チップと共に流体路を画定するように前記電子チップとキャリア部材を結合する工程；及び
該キャリア部材の表面部に対向電極を供する工程；
を有する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気化学センサデバイスに関する。
【０００２】
さらに本発明は試料を分析するセンサアレイに関する。
【０００３】
しかも本発明は電気化学センサデバイスの作製方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
バイオセンサとは、生体成分を物理化学又は物理検出器構成要素と結合させる検体を検出するためのデバイスであって良い。
【０００５】
電気化学センサでは、電解質との電気的接続は、所謂対向電極によって行われる。係る電極をチップ上に集積するのは簡単ではない。なぜなら必要とされる電極材料は標準的なCMOSプロセスに用いられる材料との相性が良くないからである。電極材料は、電極材料との界面で起こる電気化学反応が可逆的であるという特性を有していなければならない。塩素イオンが支配的なアニオン種である血漿のような典型的な生体電解質においては、Ag/AgCl（銀/塩化銀）電極が、対向電極として一般に用いられている。対応する反応は以下である。
【０００６】
Ag+Cl-⇔AgCl+e-
（不溶性）塩化銀だけでなく銀も同時に存在して電解質と接している場合には、この反応は可逆的である。チップ上に集積された銀/塩化銀電極を得る最も一般的な方法は、電気メッキに続いて銀表面を塩化することである。
【０００７】
しかし電気メッキには、電気化学反応を励起することが必要であり、その反応では電極に電位が印加されなければならない。このことは、このプロセスはウエハレベルで行うことができず、チップがパッケージングされたときにしか行えないことを意味する。この余計なプロセス工程はコストがかかるので、魅力的ではない。
【０００８】
電気メッキに代わる無電解銀メッキは制御が難しいため有用とは言えない。
【０００９】
従来のシステムは非特許文献1に開示されている。
【００１０】
対向電極を電解質に接触させるために広く用いられている方法は、チップ外の対向電極を用いることである。この場合、電気メッキをはるかに容易に行うことが可能である。しかしこの方法の欠点は、電気化学センサのパッケージングプロセス中、電解質中での電極の正確な位置合わせを容易に行うことができないことである。既存の正確な位置合わせ工程は高価であるため、最小投資による大量の電気化学センサの製造にとっては魅力的ではない。
【００１１】
よって従来の電気化学センサの対向電極の製造は高価になってしまう。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】シモニス(A.Simonis)他、センサ(sensors)誌、2003年
【非特許文献２】ネリセン(A.J.M.Nellisen)他、”A  new  package  for  silicon  biosensors”、EMPC2005、2005年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、安価に製造可能な電気化学センサ用電極を供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を実現するため、独立請求項に記載された、電気化学センサデバイス、センサアレイ、及び電気化学センサデバイスの作製方法が供される。
【００１５】
本発明の典型的実施例によると、試料を分析する電気化学センサデバイスが供される。当該デバイスは、前記試料の粒子に対して敏感なセンサ部を含む電子チップ、該電子チップと共に流体路を画定するように前記電子チップと結合するキャリア部材、及び該キャリア部材の表面部に供される対向電極を有する。
【００１６】
本発明の他の典型的実施例によると、試料を分析するセンサアレイが供される。当該センサアレイは、上述の特徴を有する電気化学センサデバイスを複数個有する。
【００１７】
本発明のさらに他の典型的実施例によると、試料を分析する電気化学センサデバイスの作製方法が供される。当該方法は、前記試料の粒子に対して敏感なセンサ部を含む電子チップを供する工程、該電子チップと共に流体路を画定するように前記電子チップとキャリア部材を結合する工程、及び該キャリア部材の表面部に対向電極を供する工程を有する。
【００１８】
本願において、「試料」という語は特に、分析される固体、液体、若しくは気体物質、又はこれらの混合物を意味して良い。たとえば物質は液体又は懸濁物であって良く、さらには特に生体物質であっても良い。そのような物質には、タンパク質、ポリペプチド、核酸、脂質、炭化水素、細胞等が含まれて良い。試料は当該デバイスの流体路を介して流れる流体試料であって良い。
【００１９】
「電気化学センサデバイス」という語は特に電気化学処理によって粒子の存在を検出する能力を有するセンサを意味して良い。よって当該センサデバイスには、化学成分と機能的に協働する電気部品が含まれて良い。特にセンサ事象に応答した化学修飾は電気的に検出可能である。
【００２０】
「電子チップ」という語は特に、内部でモノリシック構造となるように集積された電子回路を有する半導体チップを意味して良い。係る電子チップは、シリコン技術若しくは他のIV族半導体（たとえばゲルマニウム）技術によって作製されて良く、又はIII-V族技術（たとえばGaAs）によって作製されて良い。
【００２１】
「センサ部」という語は特に、特定のセンサ事象が起こる電子チップの活性部分を意味して良い。前記センサ部では、たとえば捕獲分子は、相補的粒子-たとえば相補DNA分子-とのハイブリダイゼーション事象を可能にするため、固定されて良い。
【００２２】
「キャリア部材」という語は特に、ウエルへの電子チップの固定すなわち付着を可能にする機械支持部材を意味して良い。係るキャリア部材はたとえば、流体試料が流れることのできる流体路を画定して良い。前記キャリア部材は、ガラス、プラスチック、又は半導体のような如何なる適切な材料で作られても良い。
【００２３】
「結合」という語は特に、キャリア部材と電子チップとの間の機械的接続-たとえばはんだ付け、接合、接着、つめによる接続等-を意味する。ボンディングという語は特に、基板へのICチップの取り付けを意味して良い。
【００２４】
「流体路」という語は特に、流体-つまり気体若しくは液体又は気体と液体の混合物で、任意で固体粒子を含むもの-を移動させることができるチャネルすなわち流体が通る路を意味して良い。
【００２５】
本発明の典型的実施例によると、電子チップ上の対向電極が供されている位置ではなく、電子チップと結合したキャリア部材上に対向電極が供される位置に、電気化学センサデバイスは供されて良い。これにより、自己整合つまり正確に位置設定される対向電極を、労力を大きく減らしながら製造することが可能となる。特に対向電極用の典型的材料-たとえば塩化銀-はCMOS技術とは相性が良くないため、電子チップに従った製造は高価かつ困難である。係る対向電極は、電解質と接しながら信号を変調させる電気化学センサ内で用いられて良い。キャリア部材に前記対向電極を製造することも容易に可能であると考えられる。
【００２６】
従って典型的実施例によると、電気化学センサ用の自己整合対向電極が供されて良い。電気化学センサ用のチップ外自己整合対向電極は、電気化学チップがこのキャリア-たとえば成形による相互接続デバイス(MID)-上に結合するときに、余計なプロセス工程を必要とせずに、流体路内で自動的に正確な位置合わせがされて良い。この結果、はるかに安価な電気化学センサを製造する解決策が得られる。
【００２７】
典型的実施例によると、任意の種類の電気化学センサに用いることができるセンサデバイスが供されて良い。たとえば単分子バイオセンサ（以降参照）が一例として用いられて良い。単分子バイオセンサでは、磁気バイオセンサパッケージ（たとえば非特許文献2に開示されているようなもの）が、電気化学センサで使用されるように再構築及び再設計されて良い。磁気バイオチップに代わって、単分子バイオチップの中心部に活性領域が供されて良い。銅のトラック（たとえば電子チップから外部分析ユニットへの電気信号の伝送を可能にするMIDキャリア部材の下側表面に供される）が、十分なチップ結合を得るように金メッキされても良い。
【００２８】
電気化学センサのパッケージングプロセス中、チップ外対向電極の位置合わせが問題になりうる。電気化学センサの製造を高価にしてしまう新たなプロセス工程が従来は必要とされてきた。本発明の典型的実施例によって供されるチップ外自己整合対向電極は、電気化学センサにとって適切な解決策となりうる。
【００２９】
パッケージング中に電気化学チップがそのキャリアと結合するとき、対向電極は、余計なプロセス工程を必要とせずに、流体内での正確な位置合わせを自動的に行うことができる。その解決策は、最小投資での電気化学センサの大量製造にとっては非常に魅力的であると思われる。
【００３０】
続いて電気化学センサデバイスの他の典型的実施例について説明する。しかしこれらの実施例はセンサアレイ及び電気化学センサデバイスの作製方法にも適用されて良い。
【００３１】
キャリア部材は、ウエルを有するウエル部材-特に成形による相互接続デバイス(MID)-を有して良い。センサ部はウエル部材の底部に隣接して設けられて良い。係るウエルは基板内に形成される先細り貫通穴であって良い。従ってMID技術は、電気化学センサの分野に適合し、かつ対向電極の効率的な設計を助けることができる。
【００３２】
キャリア部材は被覆部材-特に流体パッケージ部-を有して良い。前記被覆部材は、該被覆部材とウエル部材との間の流体路の流入口と流出口を画定するように、前記ウエル部材に対して備えられて良い。流体パッケージ部として実現可能な被覆部材は、流体流路を空間的に画定することに寄与して良い。特にチャネル又は他の試料が輸送される流路が、被覆部材上及び/又はその内部に形成されて良い。
【００３３】
ウエル部材と電子チップとの間に試料流バリアが供されて良い。係る試料流バリアは、SU8材料によって製造されて良く、かつ当該デバイスの電子機器部分から試料空間分の間隔を設けることを可能にする。SU8はエポキシベースのフォトレジストである。
【００３４】
ウエル部材は電子チップと結合して良い。係る結合はたとえば、伝導性バンプ-たとえば金のバンプ-によって行われて良い。係る金のバンプは、キャリア部材を電子チップへ取り付ける役割、及び電子チップデバイスから外部制御ユニットへ、又はその反対方向に、電子信号を伝送する役割を果たして良い。
【００３５】
当該デバイスは、ウエル部材の下側表面（これは試料チャンバに対抗する表面である）上に供される伝導性トラックを有して良い。この伝導性トラックは金属バンプと電気的に接続して良い。金属バンプは電子チップデバイスの電気コンタクト結合することで、電気信号伝送路を可能にする。
【００３６】
対向電極はウエル内に収容されて良い。ウエル内に対向電極を設置することによって、対向電極のバリア状の配置は、流体流路-すなわち流体試料が流れることのできる路-の画定に寄与することで、対向電極は機能的に電解質試料と結合する。これにより、対向電極はその機能を適切に充足し、かつ同時に流体流路を画定することが可能となる。
【００３７】
スペーサすなわちブリッジ部材は、ウエル部材（MIDであって良い）の一部として供されて良く、被覆部材に隣接して（つまり接着剤による接続を行うことなく直接的に接触するようにして）設けられて良く、かつウエル内で電子チップの方向へ延びて良い。対向電極は、（電子チップの最も近くに設けられている）ブリッジ部材の端部に形成されることで、対向電極と該対向電極に対向する電子チップのセンサ部との間に流体路を画定して良い。たとえばブリッジ部材の上側表面は流体パッケージ部に隣接して良く、ブリッジ部材の下側表面は、ウエル内部へ入り込むように延びて、かつこれら2つの部材間の比較的長い距離を橋渡しして良い。端部-たとえばブリッジ部材の先端部-では、銀/塩化銀対向電極が、活性センサ部周辺に比較的狭い流体路を画定するように供されて良い。
【００３８】
対向電極は、流体路の流入口及び/又は流出口を限定する表面に収容されて良い。その流体路の流入口及び/又は流出口はまた、比較的狭いチャネルであって良い。そのチャネル内では、対向電極材料層が、電解質特性を有する試料と対向電極との相互作用を保証するように設けられて良い。
【００３９】
対向電極はさらに、流体路の流入口及び/又は流出口内のウエル部材の上側表面及び/又は被覆部材の下側表面と接続して良い。これは非常に効率的で安価な対向電極の配置となりうる。
【００４０】
本発明の典型的実施例によると、対向電極はチップ外、すなわち電子チップから離れた位置に備えられて良い。従って対向電極は電子チップデバイスとは接しておらず、かつ電子チップの製造と比較して他の製造処理で製造されて良い。これにより、電子チップを製造するCMOSプロセス内への材料-たとえばAgCl（これは対向電極として適切に用いられて良い）-の導入を防止することが可能となる。
【００４１】
センサ部は容量性センサ部であって良く、特に電子チップ内に集積された電気回路、該電気回路上に供された動作電極、及び該動作電極上に供された自己集合単分子層を有して良い。換言すると、センサ部のキャパシタンス変化は、センサ事象の検出に用いられて良い。この目的のためたとえば、検出される粒子は、動作電極上に固定された捕獲分子とハイブリダイゼーションを引き起こすことが可能である。これにより動作電極の環境中の電気特性（たとえば容量特性）が変化し、結果として接続した電気回路-たとえばMOSFET-によって信号が検出可能となる。動作電極はMOSFETのゲート電極と接続することで、MOSFETの伝導度がセンサ事象によって変調されることが保証される。容量性検出原理に代わるものとして、誘導性又はオーム性測定が実行されても良い。
【００４２】
当該デバイスはセンサデバイス-特にバイオセンサデバイス、バイオチップ、ラボ・オン・チップ、電気泳動デバイス、試料輸送デバイス、試料混合デバイス、細胞溶解デバイス、試料洗浄デバイス、試料精製デバイス、ポリメラーゼ鎖反応(PCR)デバイス、及びハイブリダイゼーション分析デバイス-として用いられても良い。従って当該デバイスは生命化学の如何なる分野において-特に電気化学検出では-適切に用いられて良い。
【００４３】
上述の態様及び本発明の他の態様は、以降で説明する実施例から明らかとなり、これらの実施例を参照しながら説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の典型的実施例によるデバイスを図示している。
【図２】従来のバイオセンサパッケージを図示している。
【図３】図2のバイオセンサパッケージのMIDトラックのレイアウトを図示している。
【図４】本発明の典型的実施例によるバイオセンサパッケージを図示している。
【図５】図4のバイオセンサパッケージのMIDトラックのレイアウトを図示している。
【図６】本発明の典型的実施例によるバイオセンサパッケージを図示している。
【図７】本発明の典型的実施例によるバイオセンサパッケージを図示している。
【図８】本発明の典型的実施例によるバイオセンサパッケージを図示している。
【図９】異なる動作モードにおける本発明の典型的実施例による容量性バイオセンサの検出原理を図示している。
【図１０】異なる動作モードにおける本発明の典型的実施例による容量性バイオセンサの検出原理を図示している。
【図１１】異なる動作モードにおける本発明の典型的実施例による容量性バイオセンサの検出原理を図示している。
【図１２】本発明の典型的実施例によるデバイスのセンサ部の詳細な図を示している。
【図１３】図12のセンサ部の等価電気回路図を示している。
【図１４】本発明の典型的実施例によるデバイスを図示している。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図は概略的なものである。各異なる図において、同様又は同一の構成要素には同一の参照番号が付されている。
【００４６】
以降図1を参照しながら、本発明の典型的実施例による生体試料を分析する電気化学センサデバイス100について説明する。図1は当該電気化学センサデバイス100の断面図を示している。
【００４７】
当該デバイス100は、半導体技術-たとえばCMOS技術-によってモノリシック構造の集積チップとして作製された電子チップ101を有する。電子チップ101は試料の粒子に対して敏感な中央センサ部102を有する。たとえば、センサ部102は、その表面上に固定された捕獲分子に対して相補的である特定DNA分子（図1には図示されていない）に対して敏感である。
【００４８】
ウエル部材103と被覆部材104を有するキャリア部材は、金のバンプ109を介して電子チップ109と結合することで、電子チップ101にてウエル部材103を固定し、かつ電子チップ101と共に流体路を幾何学的に画定して良い。係る流体路は、当該デバイス100内に導入される流体試料が流れる軌道であって良い。換言すると、当該電気化学センサデバイス100の流入口107と流出口108との間を流体試料が流れ、活性センサ領域102と相互作用するように自動的に接する。それによりセンサ事象の検出が可能となる。対向電極105はウエル部材103の一部として供され、かつ被覆部材104に隣接して良い。この構造により、別個の工程を行うことなく対向電極105を製造することが可能となる。
【００４９】
キャリア部材のウエル部材103は成型による相互接続デバイス(MID)であり、かつウエル106を有する。センサ部102はウエル106の底部に隣接して設けられている。
【００５０】
被覆部材104は流体パッケージ部分であり、かつ接合すなわち接着剤による結合（図1には図示されていない）によってウエル部材103と結合する。流体パッケージ路104は、被覆部材104とウエル部材103との間の流体路の流入口107と流出口108を画定するように、ウエル部材103に対して備えられている。
【００５１】
対向電極105（これはAg/AgClで作られる）が電子チップの外部に設けられる代わりに被覆部材104に取り付けられているので、当該センサ100は低コストでの作製が可能である。
【００５２】
図2は、当該デバイス100と同様の構成要素を有するが対向電極105を有していない従来のバイオセンサパッケージ200を図示している。さらに金メッキされた銅のトラック201が図示されている。この金メッキされた銅のトラック20は金のバンプ109を介して電子チップ101と接続する。流体試料が試料流路203に沿って敏感部分の外側を流れるのを防止するフローバリア202が図示されている。アンダーフィル204が結合を強化するために供される。アンダーフィル204はSU8材料で作られる。フローバリア202は、アンダーフィル材料204がチップの活性領域102へ流れるのを防止できる。
【００５３】
図3は前記従来のバイオセンサパッケージ200の上面を図示している。
【００５４】
以降では図4を参照しながら本発明の典型的実施例による電気化学センサデバイス400について説明する。
【００５５】
繰り返しになるが、アンダーフィル204が結合を強化するために供される（そしてこれはSU8材料で作られて良い）。フローバリア401は、アンダーフィル材料204が電子チップ101の活性領域102へ流れるのを防止する。金メッキされた銅のトラック402は、電子信号-たとえば検出信号-を、電子チップ101からバンプ109を介して外部回路へ伝送することを可能にする。これにより、金メッキされた銅のトラック402を介したバイオチップ101のアドレス指定及び読み取りが可能となる。
【００５６】
ウエル部材103の一部であって、流体パッケージ部104に隣接して、かつ対向電極105と流体パッケージ部104との間に間隔を設けているブリッジ部材403が図示されている。従って厚さ50μmの薄いチャネルが、対向電極105と電子チップ101の活性表面102との間に画定される。また流入口107及び流出口108は、50μmオーダーの大きさを有して良い。
【００５７】
図5では、当該デバイス400の上面が図示されていて、特に対向電極105が銀を有するトラックとして図示されている。当該デバイス400の様々な部品の幾何学的構造によって画定される流体チャネルは参照番号405で表されている。
【００５８】
図4及び図5に図示された実施例は、MID103のウエル106に入り込むように延びるMIDブリッジ403を有する。
【００５９】
この実施例では、対向電極105はブリッジ部材403の頂上に実装されている。MID開口部すなわちウエル106はMIDブリッジ403を収容する。MIDブリッジ403の上には対向電極105が作製される。Ag層が、たとえば電気メッキの手段により、又はAgインクを塗布することによって、対向電極105上に堆積されて良い。液体は、Auバンプ109の高さにほぼ等しい（たとえば30μm〜50μm）のチャネル405を介して強制的に流される。バイオチップ101がそのキャリア103,104上で結合するとき、対向電極105は自動的に、流体路405に対して正確に位置合わせされる。
【００６０】
図6に図示された実施例600では、薄いすなわち短いMIDブリッジ403が供される。この実施例では、流体チャネル405は、図4に図示されたものよりも広いことで、流体を、より効率的にバイオチップ101の活性領域102へ到達させることができる。これは、図6に図示されているように、MIDブリッジ403をより薄くすることによって得ることができる。
【００６１】
図7に図示された本発明の典型的実施例によるセンサデバイス700は、より厚いMIDトラック103が供された実施例である。MID素子103の高さは約500μmであって良い。他の実施例では、その高さは300μmであって良い。アンダーフィル204の材料はエポキシであって良い。
【００６２】
図7に図示されているように、より広い流体チャネル405及び活性領域102に近い中心位置は、全てのMIDトラック402を対向電極トラック105よりも高くすることによって得ることができる。図6の実施例のように、バイオチップ101の活性領域102への流体の流れをより効率的にすることができる。
【００６３】
以降では図8を参照しながら、本発明の典型的実施例によるセンサデバイス800について説明する。そして当該センサデバイス800内の、両面キャリア103についても説明する。
【００６４】
チップキャリア103-たとえば、PCB（プリント回路基板）、フレキシブルホイル等-もまた、図8のように、両面にトラック105,402と共に実装されて良い。この場合では、対向電極105は、流入口107と流出口108付近の流体チャネルの面に設けられている。
【００６５】
以降では、本発明の典型的実施例の典型的応用分野について説明する。本発明の実施例は全種類の電気化学センサに応用可能である。
【００６６】
単分子バイオセンサは、溶液-電極界面での電気二重層キャパシタンス変化の測定に基づいて形成される容量性バイオセンサであって良い。この成果は、単一の生体分子の検出に十分な感度を有するバイオセンサ、つまり単分子バイオセンサを供することが可能なことである。係る容量性バイオセンサ900の実施例が図9〜図11に図示されている。
【００６７】
図9には、動作している電極1202（銅で作られて良い）が図示され、かつその電極1202は自己集合単分子層(SAM)1203によって覆われている。この上には、二重層901が形成されて良い。二重層901の上には、電解質である塩水902が供される。
【００６８】
図9は、生体分子が存在しない初期化モードを図示している。
【００６９】
図10は、プローブ分子903の検出を図示している。
【００７０】
図11は、標的分子904の検出を図示している。
【００７１】
図9〜図11から分かるように、相対誘電率εrは、プローブ分子903の存在下、及び標的分子904の存在下では顕著に変化する。
【００７２】
バイオセンシング素子は、（半）導体電極1202（たとえば銅）の上部に自己集合単分子層1203(SAM)を有する。SAM1203は、プローブ分子903（たとえば抗体又はDNA分子）を電極1202に固定する固定化層として機能して良い。SAM1203の上部には、電解質902-たとえば誘電率εr=90の塩水-が付与される。
【００７３】
この構成では、所謂拡散二重層(DL)901のキャパシタンスが、電解質902とSAM1203との間に形成される。この状態は、図9の初期状態として図示されている。
【００７４】
プローブ分子903が電解質902とSAM1203との間の界面に付着するとき（図10参照）、又は特定の標的分子904（たとえば抗原又はDNA分子）がプローブ分子903と結合するとき（図11参照）に、二重層のキャパシタンスは変化する。キャパシタンス変化は、二重層901の誘電率（εr）が減少する結果である。その理由は、有機材料の誘電率は通常、水の誘電率よりもはるかに小さいからである。最終的に、生体分子904の検出に相当するキャパシタンス変化は、電気的に（誘電応答信号として）読み取られて良い。
【００７５】
図12はビクセル(bixel)（バイオピクセル）1200を図示し、図13は等価電気回路を図示している。
【００７６】
図12は、電解質と接して二重層901と自己集合単分子層1203の上に位置する対向電極105を図示している。動作している電極1202の下には、MOSFET1201が接続する。より詳細には動作している電極1202はMOSFET1201のゲート接続部gと接続する。従ってMOSFET1201のソース領域sとドレイン領域dとの間の伝導度は、センサの事象に従って変調される。従ってMOSFET1201のソースsとドレインdとの間に印加された電圧に応答して電流Idを検出するときには、センサの出力が検出されて良い。
【００７７】
等価電気モデル1300から分かるように、図12の構成は、MOSFET1201のゲートgに対するオーミック抵抗1301と可変キャパシタンス1302の直列接続に相当する。
【００７８】
最先端のCMOSプロセスの最小部位サイズは、DNA断片及びタンパク質のような重要な生体分子の最小部位サイズに急速に接近している。このことは、シリコンと生体分子とが界面を形成することに基づいて新規の製品を創作する固有の機会と考えることができる。本発明の典型的実施例による単分子バイオセンサの目的は、メガビクセル（バイオピクセル）アレイのナノ電極上に捕獲される単一生体分子の誘電応答信号を測定することである。係るバイオアレイのアドレス指定及び読み取りは、メモリアレイのアドレス指定及び読み取りと相性が良い。つまりアドレス線は、読み取られるビクセル列の位置の特定に用いられて良いし、それと並行してビット線はビクセル列の値を読み取るのに用いられて良い。ビクセル及びその等価電気モデルが図12及び図13に図示されている。
【００７９】
センサMOSトランジスタ(MOS)1201の手段により、生体分子904が検出された結果起こるナノ電極1202のキャパシタンス変化はドレイン電流Idに変換される。次にドレイン電流Idはトランスインピーダンス増幅器（図示されていない）によって電圧に変換され、読み取り電子機器-つまり前処理電子機器及び後処理電子機器-によってさらに処理される。
【００８０】
係る単分子バイオセンサは特に、生体分子診断について以下のような魅力的な利点を供する可能性を開くことができる。
-  高感度：単分子に対して敏感である。
-  ラベルなしでの検出：複雑なアッセイ準備を必要としない。
-  高測定速度：ビクセルは並列に読み取られる。
-  低コスト：標準的なCMOSプロセスとの相性（集積性）が良い。
-  低電力：小さなセンサ構造及び設計手法により、ビクセル当たりの電力消費を極端に小さくすることができる。
【００８１】
次に本発明の典型的実施例による電気化学センサアレイ1400について説明する。
【００８２】
図14の実施例では、ウエルプレート103の上面に（たとえば堆積によって）対向電極105が供される。SU8フローバリア401と樹脂環境1401のみならず樹脂領域204も図示されている。
【００８３】
さらに流体がアクセスする穴106が図示されている。
【００８４】
図15は図4の実施例のMID素子103の概略的3次元像1500を図示している。
【００８５】
像1500は、対向電極105がMID素子103の一部として形成されていることを図示している。
【図１】
2010512533.tif 000003
【図２】
2010512533.tif 000004
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【手続補正書】
【提出日】平成21年6月15日(2009.6.15)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電気化学センサデバイスに関する。
【０００２】
さらに本発明は試料を分析するセンサアレイに関する。
【０００３】
しかも本発明は電気化学センサデバイスの作製方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
バイオセンサとは、生体成分を物理化学又は物理検出器構成要素と結合させる検体を検出するためのデバイスであって良い。
【０００５】
電気化学センサでは、電解質との電気的接続は、所謂対向電極によって行われる。係る電極をチップ上に集積するのは簡単ではない。なぜなら必要とされる電極材料は標準的なCMOSプロセスに用いられる材料との相性が良くないからである。電極材料は、電極材料との界面で起こる電気化学反応が可逆的であるという特性を有していなければならない。塩素イオンが支配的なアニオン種である血漿のような典型的な生体電解質においては、Ag/AgCl（銀/塩化銀）電極が、対向電極として一般に用いられている。対応する反応は以下である。
【０００６】
Ag+Cl-⇔AgCl+e-
（不溶性）塩化銀だけでなく銀も同時に存在して電解質と接している場合には、この反応は可逆的である。チップ上に集積された銀/塩化銀電極を得る最も一般的な方法は、電気メッキに続いて銀表面を塩化することである。
【０００７】
しかし電気メッキには、電気化学反応を励起することが必要であり、その反応では電極に電位が印加されなければならない。このことは、このプロセスはウエハレベルで行うことができず、チップがパッケージングされたときにしか行えないことを意味する。この余計なプロセス工程はコストがかかるので、魅力的ではない。
【０００８】
電気メッキに代わる無電解銀メッキは制御が難しいため有用とは言えない。
【０００９】
従来のシステムは非特許文献1に開示されている。
【００１０】
対向電極を電解質に接触させるために広く用いられている方法は、チップ外の対向電極を用いることである。この場合、電気メッキをはるかに容易に行うことが可能である。しかしこの方法の欠点は、電気化学センサのパッケージングプロセス中、電解質中での電極の正確な位置合わせを容易に行うことができないことである。既存の正確な位置合わせ工程は高価であるため、最小投資による大量の電気化学センサの製造にとっては魅力的ではない。
【００１１】
よって従来の電気化学センサの対向電極の製造は高価になってしまう。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】シモニス(A.Simonis)他、センサ(sensors)誌、2003年
【非特許文献２】ネリセン(A.J.M.Nellisen)他、”A  new  package  for  silicon  biosensors”、EMPC2005、2005年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明の目的は、安価に製造可能な電気化学センサ用電極を供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記目的を実現するため、独立請求項に記載された、電気化学センサデバイス、センサアレイ、及び電気化学センサデバイスの作製方法が供される。
【００１５】
本発明の典型的実施例によると、試料を分析する電気化学センサデバイスが供される。当該デバイスは、前記試料の粒子に対して敏感なセンサ部を含む電子チップ、該電子チップと共に流体路を画定するように前記電子チップと結合するキャリア部材、及び該キャリア部材の表面部に供される対向電極を有する。前記キャリア部材は、ウエルを有するウエル部材-特に成形による相互接続デバイス-を有し、前記センサ部はウエル部材の底部に隣接して設けられる。前記対向電極は前記電子チップのセンサ部に対向するウエル内に収容されている。
【００１６】
本発明の他の典型的実施例によると、試料を分析するセンサアレイが供される。当該センサアレイは、上述の特徴を有する電気化学センサデバイスを複数個有する。
【００１７】
本発明のさらに他の典型的実施例によると、試料を分析する電気化学センサデバイスの作製方法が供される。当該方法は、前記試料の粒子に対して敏感なセンサ部を含む電子チップを供する工程、該電子チップと共に流体路を画定するように前記電子チップとキャリア部材を結合する工程、及び該キャリア部材の表面部に対向電極を供する工程を有する。前記キャリア部材は、ウエルを有するウエル部材-特に成形による相互接続デバイス-を有し、前記センサ部はウエル部材の底部に隣接して設けられる。前記対向電極は前記電子チップのセンサ部に対向するウエル内に収容されている。
【００１８】
本願において、「試料」という語は特に、分析される固体、液体、若しくは気体物質、又はこれらの混合物を意味して良い。たとえば物質は液体又は懸濁物であって良く、さらには特に生体物質であっても良い。そのような物質には、タンパク質、ポリペプチド、核酸、脂質、炭化水素、細胞等が含まれて良い。試料は当該デバイスの流体路を介して流れる流体試料であって良い。
【００１９】
「電気化学センサデバイス」という語は特に電気化学処理によって粒子の存在を検出する能力を有するセンサを意味して良い。よって当該センサデバイスには、化学成分と機能的に協働する電気部品が含まれて良い。特にセンサ事象に応答した化学修飾は電気的に検出可能である。
【００２０】
「電子チップ」という語は特に、内部でモノリシック構造となるように集積された電子回路を有する半導体チップを意味して良い。係る電子チップは、シリコン技術若しくは他のIV族半導体（たとえばゲルマニウム）技術によって作製されて良く、又はIII-V族技術（たとえばGaAs）によって作製されて良い。
【００２１】
「センサ部」という語は特に、特定のセンサ事象が起こる電子チップの活性部分を意味して良い。前記センサ部では、たとえば捕獲分子は、相補的粒子-たとえば相補DNA分子-とのハイブリダイゼーション事象を可能にするため、固定されて良い。
【００２２】
「キャリア部材」という語は特に、ウエルへの電子チップの固定すなわち付着を可能にする機械支持部材を意味して良い。係るキャリア部材はたとえば、流体試料が流れることのできる流体路を画定して良い。前記キャリア部材は、ガラス、プラスチック、又は半導体のような如何なる適切な材料で作られても良い。
【００２３】
「結合」という語は特に、キャリア部材と電子チップとの間の機械的接続-たとえばはんだ付け、接合、接着、つめによる接続等-を意味する。ボンディングという語は特に、基板へのICチップの取り付けを意味して良い。
【００２４】
「流体路」という語は特に、流体-つまり気体若しくは液体又は気体と液体の混合物で、任意で固体粒子を含むもの-を移動させることができるチャネルすなわち流体が通る路を意味して良い。
【００２５】
本発明の典型的実施例によると、電子チップ上の対向電極が供されている位置ではなく、電子チップと結合したキャリア部材上に対向電極が供される位置に、電気化学センサデバイスは供されて良い。これにより、自己整合つまり正確に位置設定される対向電極を、労力を大きく減らしながら製造することが可能となる。特に対向電極用の典型的材料-たとえば塩化銀-はCMOS技術とは相性が良くないため、電子チップに従った製造は高価かつ困難である。係る対向電極は、電解質と接しながら信号を変調させる電気化学センサ内で用いられて良い。キャリア部材に前記対向電極を製造することも容易に可能であると考えられる。
【００２６】
従って典型的実施例によると、電気化学センサ用の自己整合対向電極が供されて良い。電気化学センサ用のチップ外自己整合対向電極は、電気化学チップがこのキャリア-たとえば成形による相互接続デバイス(MID)-上に結合するときに、余計なプロセス工程を必要とせずに、流体路内で自動的に正確な位置合わせがされて良い。この結果、はるかに安価な電気化学センサを製造する解決策が得られる。
【００２７】
典型的実施例によると、任意の種類の電気化学センサに用いることができるセンサデバイスが供されて良い。たとえば単分子バイオセンサ（以降参照）が一例として用いられて良い。単分子バイオセンサでは、磁気バイオセンサパッケージ（たとえば非特許文献2に開示されているようなもの）が、電気化学センサで使用されるように再構築及び再設計されて良い。磁気バイオチップに代わって、単分子バイオチップの中心部に活性領域が供されて良い。銅のトラック（たとえば電子チップから外部分析ユニットへの電気信号の伝送を可能にするMIDキャリア部材の下側表面に供される）が、十分なチップ結合を得るように金メッキされても良い。
【００２８】
電気化学センサのパッケージングプロセス中、チップ外対向電極の位置合わせが問題になりうる。電気化学センサの製造を高価にしてしまう新たなプロセス工程が従来は必要とされてきた。本発明の典型的実施例によって供されるチップ外自己整合対向電極は、電気化学センサにとって適切な解決策となりうる。
【００２９】
パッケージング中に電気化学チップがそのキャリアと結合するとき、対向電極は、余計なプロセス工程を必要とせずに、流体内での正確な位置合わせを自動的に行うことができる。その解決策は、最小投資での電気化学センサの大量製造にとっては非常に魅力的であると思われる。
【００３０】
続いて電気化学センサデバイスの他の典型的実施例について説明する。しかしこれらの実施例はセンサアレイ及び電気化学センサデバイスの作製方法にも適用されて良い。
【００３１】
キャリア部材は、ウエルを有するウエル部材-特に成形による相互接続デバイス(MID)-を有する。センサ部はウエル部材の底部に隣接して設けられる。係るウエルは基板内に形成される先細り貫通穴であって良い。従ってMID技術は、電気化学センサの分野に適合し、かつ対向電極の効率的な設計を助けることができる。
【００３２】
キャリア部材は被覆部材-特に流体パッケージ部-を有して良い。前記被覆部材は、該被覆部材とウエル部材との間の流体路の流入口と流出口を画定するように、前記ウエル部材に対して備えられて良い。流体パッケージ部として実現可能な被覆部材は、流体流路を空間的に画定することに寄与して良い。特にチャネル又は他の試料が輸送される流路が、被覆部材上及び/又はその内部に形成されて良い。
【００３３】
ウエル部材と電子チップとの間に試料流バリアが供されて良い。係る試料流バリアは、SU8材料によって製造されて良く、かつ当該デバイスの電子機器部分から試料空間分の間隔を設けることを可能にする。SU8はエポキシベースのフォトレジストである。
【００３４】
ウエル部材は電子チップと結合して良い。係る結合はたとえば、伝導性バンプ-たとえば金のバンプ-によって行われて良い。係る金のバンプは、キャリア部材を電子チップへ取り付ける役割、及び電子チップデバイスから外部制御ユニットへ、又はその反対方向に、電子信号を伝送する役割を果たして良い。
【００３５】
当該デバイスは、ウエル部材の下側表面（これは試料チャンバに対抗する表面である）上に供される伝導性トラックを有して良い。この伝導性トラックは金属バンプと電気的に接続して良い。金属バンプは電子チップデバイスの電気コンタクト結合することで、電気信号伝送路を可能にする。
【００３６】
対向電極はウエル内に収容される。ウエル内に対向電極を設置することによって、対向電極のバリア状の配置は、流体流路-すなわち流体試料が流れることのできる路-の画定に寄与することで、対向電極は機能的に電解質試料と結合する。これにより、対向電極はその機能を適切に充足し、かつ同時に流体流路を画定することが可能となる。
【００３７】
スペーサすなわちブリッジ部材は、ウエル部材（MIDであって良い）の一部として供されて良く、被覆部材に隣接して（つまり接着剤による接続を行うことなく直接的に接触するようにして）設けられて良く、かつウエル内で電子チップの方向へ延びて良い。対向電極は、（電子チップの最も近くに設けられている）ブリッジ部材の端部に形成されることで、対向電極と該対向電極に対向する電子チップのセンサ部との間に流体路を画定して良い。たとえばブリッジ部材の上側表面は流体パッケージ部に隣接して良く、ブリッジ部材の下側表面は、ウエル内部へ入り込むように延びて、かつこれら2つの部材間の比較的長い距離を橋渡しして良い。端部-たとえばブリッジ部材の先端部-では、銀/塩化銀対向電極が、活性センサ部周辺に比較的狭い流体路を画定するように供されて良い。
【００３８】
対向電極は、流体路の流入口及び/又は流出口を限定する表面に収容されて良い。その流体路の流入口及び/又は流出口はまた、比較的狭いチャネルであって良い。そのチャネル内では、対向電極材料層が、電解質特性を有する試料と対向電極との相互作用を保証するように設けられて良い。
【００３９】
対向電極はさらに、流体路の流入口及び/又は流出口内のウエル部材の上側表面及び/又は被覆部材の下側表面と接続して良い。これは非常に効率的で安価な対向電極の配置となりうる。
【００４０】
本発明の典型的実施例によると、対向電極はチップ外、すなわち電子チップから離れた位置に備えられて良い。従って対向電極は電子チップデバイスとは接しておらず、かつ電子チップの製造と比較して他の製造処理で製造されて良い。これにより、電子チップを製造するCMOSプロセス内への材料-たとえばAgCl（これは対向電極として適切に用いられて良い）-の導入を防止することが可能となる。
【００４１】
センサ部は容量性センサ部であって良く、特に電子チップ内に集積された電気回路、該電気回路上に供された動作電極、及び該動作電極上に供された自己集合単分子層を有して良い。換言すると、センサ部のキャパシタンス変化は、センサ事象の検出に用いられて良い。この目的のためたとえば、検出される粒子は、動作電極上に固定された捕獲分子とハイブリダイゼーションを引き起こすことが可能である。これにより動作電極の環境中の電気特性（たとえば容量特性）が変化し、結果として接続した電気回路-たとえばMOSFET-によって信号が検出可能となる。動作電極はMOSFETのゲート電極と接続することで、MOSFETの伝導度がセンサ事象によって変調されることが保証される。容量性検出原理に代わるものとして、誘導性又はオーム性測定が実行されても良い。
【００４２】
当該デバイスはセンサデバイス-特にバイオセンサデバイス、バイオチップ、ラボ・オン・チップ、電気泳動デバイス、試料輸送デバイス、試料混合デバイス、細胞溶解デバイス、試料洗浄デバイス、試料精製デバイス、ポリメラーゼ鎖反応(PCR)デバイス、及びハイブリダイゼーション分析デバイス-として用いられても良い。従って当該デバイスは生命化学の如何なる分野において-特に電気化学検出では-適切に用いられて良い。
【００４３】
上述の態様及び本発明の他の態様は、以降で説明する実施例から明らかとなり、これらの実施例を参照しながら説明される。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明の典型的実施例によるデバイスを図示している。
【図２】従来のバイオセンサパッケージを図示している。
【図３】図2のバイオセンサパッケージのMIDトラックのレイアウトを図示している。
【図４】本発明の典型的実施例によるバイオセンサパッケージを図示している。
【図５】図4のバイオセンサパッケージのMIDトラックのレイアウトを図示している。
【図６】本発明の典型的実施例によるバイオセンサパッケージを図示している。
【図７】本発明の典型的実施例によるバイオセンサパッケージを図示している。
【図８】本発明の典型的実施例によるバイオセンサパッケージを図示している。
【図９】異なる動作モードにおける本発明の典型的実施例による容量性バイオセンサの検出原理を図示している。
【図１０】異なる動作モードにおける本発明の典型的実施例による容量性バイオセンサの検出原理を図示している。
【図１１】異なる動作モードにおける本発明の典型的実施例による容量性バイオセンサの検出原理を図示している。
【図１２】本発明の典型的実施例によるデバイスのセンサ部の詳細な図を示している。
【図１３】図12のセンサ部の等価電気回路図を示している。
【図１４】本発明の典型的実施例によるデバイスを図示している。
【発明を実施するための形態】
【００４５】
図は概略的なものである。各異なる図において、同様又は同一の構成要素には同一の参照番号が付されている。
【００４６】
以降図1を参照しながら、本発明の典型的実施例による生体試料を分析する電気化学センサデバイス100について説明する。図1は当該電気化学センサデバイス100の断面図を示している。
【００４７】
当該デバイス100は、半導体技術-たとえばCMOS技術-によってモノリシック構造の集積チップとして作製された電子チップ101を有する。電子チップ101は試料の粒子に対して敏感な中央センサ部102を有する。たとえば、センサ部102は、その表面上に固定された捕獲分子に対して相補的である特定DNA分子（図1には図示されていない）に対して敏感である。
【００４８】
ウエル部材103と被覆部材104を有するキャリア部材は、金のバンプ109を介して電子チップ109と結合することで、電子チップ101にてウエル部材103を固定し、かつ電子チップ101と共に流体路を幾何学的に画定して良い。係る流体路は、当該デバイス100内に導入される流体試料が流れる軌道であって良い。換言すると、当該電気化学センサデバイス100の流入口107と流出口108との間を流体試料が流れ、活性センサ領域102と相互作用するように自動的に接する。それによりセンサ事象の検出が可能となる。対向電極105はウエル部材103の一部として供され、かつ被覆部材104に隣接して良い。この構造により、別個の工程を行うことなく対向電極105を製造することが可能となる。
【００４９】
キャリア部材のウエル部材103は成型による相互接続デバイス(MID)であり、かつウエル106を有する。センサ部102はウエル106の底部に隣接して設けられている。
【００５０】
被覆部材104は流体パッケージ部分であり、かつ接合すなわち接着剤による結合（図1には図示されていない）によってウエル部材103と結合する。流体パッケージ路104は、被覆部材104とウエル部材103との間の流体路の流入口107と流出口108を画定するように、ウエル部材103に対して備えられている。
【００５１】
対向電極105（これはAg/AgClで作られる）が電子チップの外部に設けられる代わりに被覆部材104に取り付けられているので、当該センサ100は低コストでの作製が可能である。
【００５２】
図2は、当該デバイス100と同様の構成要素を有するが対向電極105を有していない従来のバイオセンサパッケージ200を図示している。さらに金メッキされた銅のトラック201が図示されている。この金メッキされた銅のトラック20は金のバンプ109を介して電子チップ101と接続する。流体試料が試料流路203に沿って敏感部分の外側を流れるのを防止するフローバリア202が図示されている。アンダーフィル204が結合を強化するために供される。アンダーフィル204はSU8材料で作られる。フローバリア202は、アンダーフィル材料204がチップの活性領域102へ流れるのを防止できる。
【００５３】
図3は前記従来のバイオセンサパッケージ200の上面を図示している。
【００５４】
以降では図4を参照しながら本発明の典型的実施例による電気化学センサデバイス400について説明する。
【００５５】
繰り返しになるが、アンダーフィル204が結合を強化するために供される（そしてこれはSU8材料で作られて良い）。フローバリア401は、アンダーフィル材料204が電子チップ101の活性領域102へ流れるのを防止する。金メッキされた銅のトラック402は、電子信号-たとえば検出信号-を、電子チップ101からバンプ109を介して外部回路へ伝送することを可能にする。これにより、金メッキされた銅のトラック402を介したバイオチップ101のアドレス指定及び読み取りが可能となる。
【００５６】
ウエル部材103の一部であって、流体パッケージ部104に隣接して、かつ対向電極105と流体パッケージ部104との間に間隔を設けているブリッジ部材403が図示されている。従って厚さ50μmの薄いチャネルが、対向電極105と電子チップ101の活性表面102との間に画定される。また流入口107及び流出口108は、50μmオーダーの大きさを有して良い。
【００５７】
図5では、当該デバイス400の上面が図示されていて、特に対向電極105が銀を有するトラックとして図示されている。当該デバイス400の様々な部品の幾何学的構造によって画定される流体チャネルは参照番号405で表されている。
【００５８】
図4及び図5に図示された実施例は、MID103のウエル106に入り込むように延びるMIDブリッジ403を有する。
【００５９】
この実施例では、対向電極105はブリッジ部材403の頂上に実装されている。MID開口部すなわちウエル106はMIDブリッジ403を収容する。MIDブリッジ403の上には対向電極105が作製される。Ag層が、たとえば電気メッキの手段により、又はAgインクを塗布することによって、対向電極105上に堆積されて良い。液体は、Auバンプ109の高さにほぼ等しい（たとえば30μm〜50μm）のチャネル405を介して強制的に流される。バイオチップ101がそのキャリア103,104上で結合するとき、対向電極105は自動的に、流体路405に対して正確に位置合わせされる。
【００６０】
図6に図示された実施例600では、薄いすなわち短いMIDブリッジ403が供される。この実施例では、流体チャネル405は、図4に図示されたものよりも広いことで、流体を、より効率的にバイオチップ101の活性領域102へ到達させることができる。これは、図6に図示されているように、MIDブリッジ403をより薄くすることによって得ることができる。
【００６１】
図7に図示された本発明の典型的実施例によるセンサデバイス700は、より厚いMIDトラック103が供された実施例である。MID素子103の高さは約500μmであって良い。他の実施例では、その高さは300μmであって良い。アンダーフィル204の材料はエポキシであって良い。
【００６２】
図7に図示されているように、より広い流体チャネル405及び活性領域102に近い中心位置は、全てのMIDトラック402を対向電極トラック105よりも高くすることによって得ることができる。図6の実施例のように、バイオチップ101の活性領域102への流体の流れをより効率的にすることができる。
【００６３】
以降では図8を参照しながら、本発明の典型的実施例によるセンサデバイス800について説明する。そして当該センサデバイス800内の、両面キャリア103についても説明する。
【００６４】
チップキャリア103-たとえば、PCB（プリント回路基板）、フレキシブルホイル等-もまた、図8のように、両面にトラック105,402と共に実装されて良い。この場合では、対向電極105は、流入口107と流出口108付近の流体チャネルの面に設けられている。
【００６５】
以降では、本発明の典型的実施例の典型的応用分野について説明する。本発明の実施例は全種類の電気化学センサに応用可能である。
【００６６】
単分子バイオセンサは、溶液-電極界面での電気二重層キャパシタンス変化の測定に基づいて形成される容量性バイオセンサであって良い。この成果は、単一の生体分子の検出に十分な感度を有するバイオセンサ、つまり単分子バイオセンサを供することが可能なことである。係る容量性バイオセンサ900の実施例が図9〜図11に図示されている。
【００６７】
図9には、動作している電極1202（銅で作られて良い）が図示され、かつその電極1202は自己集合単分子層(SAM)1203によって覆われている。この上には、二重層901が形成されて良い。二重層901の上には、電解質である塩水902が供される。
【００６８】
図9は、生体分子が存在しない初期化モードを図示している。
【００６９】
図10は、プローブ分子903の検出を図示している。
【００７０】
図11は、標的分子904の検出を図示している。
【００７１】
図9〜図11から分かるように、相対誘電率εrは、プローブ分子903の存在下、及び標的分子904の存在下では顕著に変化する。
【００７２】
バイオセンシング素子は、（半）導体電極1202（たとえば銅）の上部に自己集合単分子層1203(SAM)を有する。SAM1203は、プローブ分子903（たとえば抗体又はDNA分子）を電極1202に固定する固定化層として機能して良い。SAM1203の上部には、電解質902-たとえば誘電率εr=90の塩水-が付与される。
【００７３】
この構成では、所謂拡散二重層(DL)901のキャパシタンスが、電解質902とSAM1203との間に形成される。この状態は、図9の初期状態として図示されている。
【００７４】
プローブ分子903が電解質902とSAM1203との間の界面に付着するとき（図10参照）、又は特定の標的分子904（たとえば抗原又はDNA分子）がプローブ分子903と結合するとき（図11参照）に、二重層のキャパシタンスは変化する。キャパシタンス変化は、二重層901の誘電率（εr）が減少する結果である。その理由は、有機材料の誘電率は通常、水の誘電率よりもはるかに小さいからである。最終的に、生体分子904の検出に相当するキャパシタンス変化は、電気的に（誘電応答信号として）読み取られて良い。
【００７５】
図12はビクセル(bixel)（バイオピクセル）1200を図示し、図13は等価電気回路を図示している。
【００７６】
図12は、電解質と接して二重層901と自己集合単分子層1203の上に位置する対向電極105を図示している。動作している電極1202の下には、MOSFET1201が接続する。より詳細には動作している電極1202はMOSFET1201のゲート接続部gと接続する。従ってMOSFET1201のソース領域sとドレイン領域dとの間の伝導度は、センサの事象に従って変調される。従ってMOSFET1201のソースsとドレインdとの間に印加された電圧に応答して電流Idを検出するときには、センサの出力が検出されて良い。
【００７７】
等価電気モデル1300から分かるように、図12の構成は、MOSFET1201のゲートgに対するオーミック抵抗1301と可変キャパシタンス1302の直列接続に相当する。
【００７８】
最先端のCMOSプロセスの最小部位サイズは、DNA断片及びタンパク質のような重要な生体分子の最小部位サイズに急速に接近している。このことは、シリコンと生体分子とが界面を形成することに基づいて新規の製品を創作する固有の機会と考えることができる。本発明の典型的実施例による単分子バイオセンサの目的は、メガビクセル（バイオピクセル）アレイのナノ電極上に捕獲される単一生体分子の誘電応答信号を測定することである。係るバイオアレイのアドレス指定及び読み取りは、メモリアレイのアドレス指定及び読み取りと相性が良い。つまりアドレス線は、読み取られるビクセル列の位置の特定に用いられて良いし、それと並行してビット線はビクセル列の値を読み取るのに用いられて良い。ビクセル及びその等価電気モデルが図12及び図13に図示されている。
【００７９】
センサMOSトランジスタ(MOS)1201の手段により、生体分子904が検出された結果起こるナノ電極1202のキャパシタンス変化はドレイン電流Idに変換される。次にドレイン電流Idはトランスインピーダンス増幅器（図示されていない）によって電圧に変換され、読み取り電子機器-つまり前処理電子機器及び後処理電子機器-によってさらに処理される。
【００８０】
係る単分子バイオセンサは特に、生体分子診断について以下のような魅力的な利点を供する可能性を開くことができる。
-  高感度：単分子に対して敏感である。
-  ラベルなしでの検出：複雑なアッセイ準備を必要としない。
-  高測定速度：ビクセルは並列に読み取られる。
-  低コスト：標準的なCMOSプロセスとの相性（集積性）が良い。
-  低電力：小さなセンサ構造及び設計手法により、ビクセル当たりの電力消費を極端に小さくすることができる。
【００８１】
次に本発明の典型的実施例による電気化学センサアレイ1400について説明する。
【００８２】
図14の実施例では、ウエルプレート103の上面に（たとえば堆積によって）対向電極105が供される。SU8フローバリア401と樹脂環境1401のみならず樹脂領域204も図示されている。
【００８３】
さらに流体がアクセスする穴106が図示されている。
【００８４】
図15は図4の実施例のMID素子103の概略的3次元像1500を図示している。
【００８５】
像1500は、対向電極105がMID素子103の一部として形成されていることを図示している。
【手続補正２】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料を分析する電気化学センサデバイスであって、
当該デバイスは：
前記試料の粒子に対して敏感なセンサ部を含む電子チップ；
該電子チップと共に流体路を画定するように前記電子チップと結合するキャリア部材；及び、
該キャリア部材の表面部に供される対向電極；
を有し、
前記キャリア部材は、ウエルを有するウエル部材-特に成形による相互接続デバイス-を有し、
前記センサ部はウエル部材の底部に隣接して設けられ、
前記対向電極が前記ウエル内に収容され、
前記対向電極は前記電子チップのセンサ部に対向する、
デバイス。
【請求項２】
前記キャリア部材は被覆部材-特に流体パッケージ部-を有し、
前記被覆部材は、該被覆部材とウエル部材との間の流体路の流入口と流出口を画定するように、前記ウエル部材に対して備えられる、
請求項1に記載のデバイス。
【請求項３】
前記ウエル部材と前記電子チップとの間に試料流バリアを有する、請求項1に記載のデバイス。
【請求項４】
前記ウエル部材は前記電子チップと結合する、請求項1に記載のデバイス。
【請求項５】
前記キャリア部材は金属バンプを介して前記電子チップと結合し、
具体的には、前記電子チップ内の電気回路と、前記キャリア部材内の電気回路とが電気的に結合する、
請求項1に記載のデバイス。
【請求項６】
前記ウエル部材の下側表面上に供された伝導性トラックを有する、請求項1に記載のデバイス。
【請求項７】
前記ウエル部材が前記被覆部材に隣接して前記ウエル内で電子チップの方向へ延びるブリッジ部材を有し、
前記対向電極は、前記ブリッジ部材の端部に形成されることで、前記対向電極と該対向電極に対向する前記電子チップのセンサ部との間に流体路を画定する、
請求項1に記載のデバイス。
【請求項８】
前記対向電極はチップ外に備えられる、請求項1に記載のデバイス。
【請求項９】
前記センサ部は容量性センサ部であって、特に、前記電子チップ上に集積された電気回路、該電気回路上に供された動作電極、及び該動作電極上に供された自己集合単分子層を有する、請求項1に記載のデバイス。
【請求項１０】
センサデバイス、バイオセンサデバイス、バイオチップ、ラボ・オン・チップ、電気泳動デバイス、試料輸送デバイス、試料混合デバイス、細胞溶解デバイス、試料洗浄デバイス、試料精製デバイス、ポリメラーゼ鎖反応(PCR)デバイス、及びハイブリダイゼーション分析デバイスからなる群のうちの少なくとも1つに適合する、請求項1に記載のデバイス。
【請求項１１】
請求項1に記載の電気化学センサデバイスを複数個有する、試料分析用センサアレイ。
【請求項１２】
試料を分析する電気化学センサデバイスの作製方法であって、
当該方法は：
前記試料の粒子に対して敏感なセンサ部を含む電子チップを供する工程；
該電子チップと共に流体路を画定するように前記電子チップとキャリア部材を結合する工程；及び
該キャリア部材の表面部に対向電極を供する工程；
を有し、
前記キャリア部材は、ウエルを有するウエル部材-特に成形による相互接続デバイス-を有し、
前記センサ部はウエル部材の底部に隣接して設けられ、
前記対向電極が前記ウエル内に収容され、
前記対向電極は前記電子チップのセンサ部に対向する、
方法。
【国際調査報告】
2010512533.tif 000018
2010512533.tif 000019
2010512533.tif 000020