JP2014525589A - センサアレイを有する測定デバイス - Google Patents

Abstract

ＰＨ測定値を取得するためのシステムは、使い捨てプローブおよび読み取り機を含む。使い捨てプローブは、複数の指示電極および少なくとも１つの基準電極を備えている。読み取り機は、使い捨てプローブに動作可能に係合し、試料のｐＨ情報を提供するように構成されている。一実施形態において、使い捨てプローブは、複数の制御可能なオリフィスをさらに備えている。一実施形態において、第１のオリフィスが、第１の指示電極への第１の流体路を提供するように構築および配列され、第２のオリフィスが、第２の指示電極への流体路を提供するように構築および配列されている。

Description

（関連出願の引用）
本願は、米国仮特許出願第６１／５３１，５４６号（２０１１年９月６日出願、Ｃｌａｒｋ、他、名称「ＭＥＳＵＲＥＭＥＮＴ ＤＥＶＩＣＥ ＷＩＴＨ ＲＥＡＤＥＲ ＡＮＤ ＤＩＳＰＯＳＡＢＬＥ ＰＲＯＢＥ」）に関連する。該出願の開示は、その全体が参照により引用される。

以下の情報は、読者が以下に説明する技術およびそのような技術を利用することができるある特定の環境についての理解を支援するよう提供されている。本明細書で用いられる用語は、本明細書において別段の明示の指定がなければ、任意の特定の狭義の解釈に限定されるものではない。本明細書に記載された技術文献は、技術およびその背景の理解を容易にすることができる。本明細書において参照により引用する技術文献は全て、参照することによって、その全体として本明細書に組み込まれる。

電位差原理を利用した典型的なｐＨセンサは、基準電解液と、検体溶液（この検体溶液のｐＨが測定値される）内に浸漬されまたはこれと接触状態にある指示電極と、基準電解液中に浸漬された基準電極と、基準電極および指示電極と電気的接続状態にある測定値回路、例えば、電位差回路とを含む。電位差回路は、指示電極と基準電極の電位差を測定する。指示電極および基準電極が浸漬されている電解液間のイオン接触により、これら電極間の電気的接続が可能である。試料または検体電解液のｐＨ値（これは、試料電解液中の水素イオンの濃度に比例する）は、ネルンストの式に従って指示電極に生じた電位差と直接的な相関関係にある。

前述の構成では、正確な測定を行う上での重要な条件は、基準電極と基準電解液中に生じた電位差が一定に維持され、電位差回路からの示度値が指示電極における電位差のみ、すなわち、電解液中のｐＨだけを表すようにすることにある。この条件を満たすため、一般的な構成では、基準電極を飽和基準電解液中に浸漬させるとともに、飽和基準電解液と試料または検体電解液との間に位置決めされた小さな「窓」を設け、それにより飽和基準電解液と試料または検体電解液とのイオン接触、ひいては、電気的接続をもたらすようにしている。「窓」は、通常、多孔質材料、例えば、多孔質ガラス膜、親水性多孔質ポリマー膜等で作られる。「窓」の多孔性により、飽和基準電解液と試料または検体電解液との間に無視できないほどの物質移動が生じ、それにより両方の電解液の交差汚染が生じる。

そのような汚染に起因して生じる飽和基準電解液の希釈は、これが基準電極の電位差を変化させるので大きな問題となる場合がある。汚染はまた、ｐＨセンサの安定性を劣化させるとともにｐＨセンサの寿命を短くする。ｐＨセンサの寸法を減少させているので（例えば、極めて小さな、マイクロレベル、マイクロスケール、またはそれよりも小さな寸法に）、問題は、飽和基準電解液の体積が試料電解液と比較して極めて小さいので深刻化する。例えば、マイクロスケールまたはこれよりも小さなｐＨセンサが人体内に植え込まれて生理学的ｐＨ（例えば、心筋ｐＨ）を測定するために用いられる用途の場合、飽和基準電解液の体積は、ｐＨが測定される心筋組織の体積と比較して極めて小さい。そのようなスケールでは、飽和基準電解液は、マクロスケールガラス管型ｐＨセンサの場合よりも極めて迅速に希釈される。ｐＨセンサ、例えば、マイクロスケールｐＨセンサの有効寿命に悪影響を及ぼす別の要因は、基準電極の耐久性である。多くの場合、基準電極の導電性材料は、次第に溶解し、飽和基準電解液中に消費される。基準電極の溶解および消費中のある時点において、ｐＨセンサの有効寿命が終わる。

本発明の概念の第１の側面によると、ｐＨ測定値を取得するためのシステムが、開示される。本システムは、使い捨てプローブおよび読み取り機を備えている。使い捨てプローブは、複数の指示電極および少なくとも１つの基準電極を含む。読み取り機は、使い捨てプローブと動作可能に係合し、試料に関するｐＨ情報を提供するように構築および配列される。

いくつかの実施形態では、使い捨てプローブは、第１の指示電極への第１の流体路を提供するように構築および配列される第１の制御可能なオリフィス、および第２の指示電極への第２の流体路を提供するように構築および配列される第２の制御可能なオリフィス等の複数の制御可能なオリフィスを含む。代替実施形態では、第１の制御可能なオリフィスは、第１の指示電極への流体路を提供するように構築および配列され、第２の制御可能なオリフィスは、第１の基準電極への第２の流体路を生成するように構築および配列される。

本システムは、読み取り機内に位置付けられる、電子機器モジュール等の１つ以上の制御可能なオリフィスを作動するように構成される電子機器モジュールを含み得る。読み取り機は、ｐＨ情報を表示すること、および情報がシステムのオペレータによって入力されることを可能にする等、電子機器モジュールと通信するように構成されるユーザインターフェースを備え得る。電子モジュールは、メモリおよび他の電子マイクロコントローラ構成要素を含み得る。これらの構成要素は、第１の電極、次いで、第２の電極等への流体路を選択的に開放する等のために、ある制御可能なオリフィスから別の制御可能なオリフィスに連続的に移行するために使用され得る（例えば、メモリ内に記憶されたルックアップテーブルの使用を通して）。流体路は、流体が、指示電極および／または基準電極等の電極に動作可能に送達され得るように、基準溶液および／または試料溶液等の１つ以上の溶液に流動的に接続され得る。

いくつかの実施形態では、制御可能なオリフィスは、多層膜等の膜を備えている。加熱要素は、加熱要素が作動されると（例えば、温度変化によって生成される機械的力により）、膜を破裂または別様に開放させる等のために、膜内、上、またはそれに近接して位置付けられ得る。加熱要素は、金および／またはクロムあるいは他の金属から作製されるコイル等、電流がそれを通して通過されるにつれて、加熱するように構成されるコイルを備え得る。本発明の概念の膜および／または加熱要素は、ＭＥＭＳあるいは他の自動化および／または層化製造プロセスによって作製され得る。

本発明の概念の指示電極は、酸化イリジウム電極を備え得る。使い捨てプローブは、少なくとも９つ、少なくとも３０、または少なくとも９０の指示電極等、複数の指示電極を含み得る。一実施形態では、使い捨てプローブは、３つ以上の指示電極および少なくとも２つの基準電極を備えている。基準電極は、銀塩化銀電極および／または酸化イリジウム電極を備え得る。

本発明の概念の指示および／または基準電極は、壁付きチャンバによって囲まれ得る。チャンバは、試料溶液等の溶液をチャンバ中に引き込む等のために、真空チャンバ（例えば、完全または部分的真空内の環境を伴うチャンバ）を備え得る。代替として、１つ以上の通気口が、チャンバ中への試料流体等の流体の流入を改善する等のために、チャンバと流体連通し得る。チャンバは、親水性材料を備え得、および／または親水性コーティング等のコーティングを含み得る。代替として、または加えて、チャンバの壁は、別様に、チャンバ中に溶液を引き込むように、または別様にそこへの溶液の流動を改善するように構築および配列され得る（例えば、勾配がつけられる）。

本発明の概念の指示および／または基準電極は、チタン搭載パッド等の搭載パッドの有無にかかわらず、基板に搭載され得る。本発明の概念の指示および／または基準電極は、ＭＥＭＳあるいは他の自動化および／または層化製造プロセスによって作製され得る。

本発明の概念の使い捨てプローブは、液界を含み得、キャップが、液界の乾燥を防止するため、および／または別様に、使い捨てプローブの遠位端を保護するために含まれ得る。塩化カリウム（ＫＣＬ）基準溶液等の基準溶液が、システム内に含まれ得る。指示または基準電極等のシステムの１つ以上の構成要素は、ガラス、シリコン、またはプラスチック基板等の基板に搭載され得る。２つ以上の指示電極および１つ以上の基準電極の多数の組み合わせが、基板に搭載され得る。

本発明の概念のシステムは、ｐＨ示度値を決定するため、および／またはｐＨ示度値の較正を支援するために、システムの電子機器モジュールによって使用される１つ以上のセンサ等、１つ以上のセンサを含み得る。典型的センサは、限定ではないが、圧力センサ、湿度センサ、およびこれらの組み合わせを含む。一実施形態では、センサは、読み取り機内に含まれる。代替として、または加えて、センサは、使い捨てプローブ内に含まれ得る。

典型的実施形態では、本発明のシステムは、複数の使い捨てプローブを含み、各々が、読み取り機に動作可能に係合するように構築および配列される。

本明細書において説明する技術は、その属性および付随する利点とともに、添付の図面と関連して行われる以下の詳細な説明を考慮することによって、最も良く理解されよう。なお、添付の図面には、代表的な実施形態が例示として記載されている。

図１は、ｐＨセンサの実施形態の上面図を図示する。 図２は、図１に図示されるＡ−Ａ’に沿った図１のｐＨセンサの断面図を図示する。 図３は、別のｐＨセンサの実施形態の断面図を図示する。 図４は、別のｐＨセンサの実施形態の断面図を図示する。 図５は、使い捨てプローブおよび読み取り機を備えているシステムの実施形態の上面図を図示する。 図６は、センサのアレイの概略図を図示する。 図６ａは、制御可能なオリフィスの上面図を図示する。 図７は、センサのアレイの横断面図を図示する。 図７ａは、作動プロセスが生じた後の図７のアレイの横断面図を図示する。 図８は、センサのアレイの別の実施形態の横断面図を図示する。 図８ａは、作動プロセスが生じた後の図８のアレイの横断面図を図示する。 図９は、センサのアレイを製造するプロセスを図示する。 図１０は、センサのアレイの別の実施形態の横断面図を図示する。 図１０ａは、第１のオリフィスが開放された後の図１０のアレイの横断面図を図示する。 図１０ｂは、第２のオリフィスが開放された後の図１０のアレイの横断面図を図示する。 図１０ｃは、複数の指示電極および複数の基準電極を備えているセンサのアレイの横断面図を図示する。

次に、本技術の実施形態を詳細に参照するが、その実施例は、付随の図面に図示される。同一の参照番号は、図面全体を通して、同一または類似部品を指すために使用される。

本明細書および添付の特許請求の範囲において用いられている単数形「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」という単語は、別段の明示の規定がなければ複数を含む。したがって、例えば、「ａ ｂｕｂｂｌｅ」という記載は、複数のそのような泡および当業者に知られているその均等物を含み、その他も同様であって、「ｔｈｅ ｂｕｂｂｌｅｓ」という記載は、１つまたは２つ以上のそのような泡および当業者に知られている泡の均等物であり、その他も同様である。

さらに、本明細書で使用されるとき、単語「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ（備えている）」（ならびに、「ｃｏｍｐｒｉｓｅ」および「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」等のｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇの任意の形態）、「ｈａｖｉｎｇ（有する）」（ならびに、任意の「ｈａｖｅ」および「ｈａｓ」等の任意の形態）、「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ（含む）」（ならびに、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」および「ｉｎｃｌｕｄｅ」等のｉｎｃｌｕｄｉｎｇの任意の形態）、または「ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ（含有する）」（ならびに、「ｃｏｎｔａｉｎｓ」および「ｃｏｎｔａｉｎ」等のｃｏｎｔａｉｎｉｎｇの任意の形態）は、述べられた特徴、整数、ステップ、動作、要素、および／または構成要素の存在を規定するが、１つ以上の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、構成要素、および／またはそれらの群の存在あるいは追加を除外するものではないことを理解されたい。

用語「第１」、「第２」、「第３」等は、種々の限界、要素、構成要素、領域、層、および／または区画を説明するために、本明細書で使用され得るが、これらの限界、要素、構成要素、領域、層および／または区画は、これらの用語によって限定されるべきではないことを理解されるであろう。これらの用語は、ある限界、要素、構成要素、領域、層、または区画を別の限界、要素、構成要素、領域、層または区画から区別するために使用されるにすぎない。したがって、以下に論じられる第１の限界、要素、構成要素、領域、層、または区画は、本願の教示から逸脱することなく、第２の限界、要素、構成要素、領域、層または区画とも称され得る。

さらに、ある要素が、別の要素「ｏｎ（上にある）」、あるいはそれに「ａｔｔａｃｈｅｄ（取り付けられる）」、「ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ（接続される）」、または「ｃｏｕｐｌｅｄ（連結される）」と称されるとき、直接、他の要素上またはその上方にあること、あるいはそれに接続または連結されることができ、介在要素が、存在することができると理解されたい。対照的に、ある要素が、別の要素の「ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｏｎ（直接上にある）」、あるいはそれに「ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｎｎｅｃｔｅｄ（直接接続される）」、または「ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ（直接連結される）」と称されるとき、介在要素は存在しない。要素間の関係を説明するために使用される他の単語も、同様の方式で解釈されるべきである（例えば、「ｂｅｔｗｅｅｎ（その間）」対「ｄｉｒｅｃｔｌｙ ｂｅｔｗｅｅｎ（直接その間）」、「ａｄｊａｃｅｎｔ（隣接して）」対「ｄｉｒｅｃｔｌｙ ａｄｊａｃｅｎｔ（直接隣接して）」等）。ある要素が、本明細書において、別の要素を「覆って（ｏｖｅｒ）」いると称されるとき、他の要素の上方または下方にあることができ、直接、他の要素に連結されるか、または介在要素が、存在し得るか、あるいは要素が、隙間または間隙によって離間され得るかのいずれかであることができる。

用語「および／または（ａｎｄ／ｏｒ）」は、本明細書で使用される場合、他方の有無にかかわらず、２つの規定された特徴または構成要素のそれぞれの具体的開示として捉えられるべきである。例えば、「Ａおよび／またはＢ」は、各々が、個々に本明細書に記載される場合と同様に、（ｉ）Ａ、（ｉｉ）Ｂ、（ｉｉｉ）ＡおよびＢの各々の具体的開示として捉えられるべきである。

図１は、国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０４５８４７号に説明され、その内容が、参照することによって、全体として本明細書に組み込まれる、ｐＨセンサ等のマイクロスケールまたはそれより小さい（例えば、ナノスケール）寸法に容易に形成される、種々の実施形態による、ｐＨセンサ１０の上面図を図示する。用語「マイクロスケール」は、本明細書のｐＨセンサと関連して使用される場合、１センチメートル未満の寸法を有するセンサを指す。いくつかの実施形態では、本明細書のｐＨセンサの寸法は、マイクロおよび／またはナノ加工技法を受けることができる。いくつかの実施形態では、基準電解液体積は、２０立方ｍｍ以下であった。

図２は、ｐＨセンサ１０の断面図（図１に図示される線Ａ−Ａ’に沿って切り取られた）を図示する。いくつかの実施形態では、ｐＨセンサ１０は、例えば、低侵襲的技法を使用して、体内（すなわち、ヒトまたは動物）へのその埋込を可能にする、サイズおよび構成に形成されることができる。いくつかの実施形態では、ｐＨセンサの長さ、幅、および高さは各々、１センチメートル未満であった。そのようなマイクロスケールｐＨセンサ１０は、例えば、試料電解質、試料組織等のｐＨを測定するための種々の用途において使用され得る。そのような用途として、マイクロスケールｐＨセンサ１０が、心筋組織、脳組織、肝臓組織、腎臓組織、肺組織等のｐＨを測定するよう利用される医療用途が挙げられる。

図１および２の代表的実施形態では、ｐＨセンサ１０は、基板１２、第１の電極１４、第２の電極１６、泡を輸送するためのシステム１８、流体閉ループチャネル２０、液界２２、カバー２４、複数の接続パッド２６ａ−２６ｅ、および複数の導体２８ａ−２８ｅを含む（図１参照）。

基板１２は、例えば、任意の好適なタイプの材料、すなわち、例えば、それが支持する種々の電極および他の層の製作を受けることができる材料を含み得る。好適な材料として、例えば、シリコンベースの材料（例えば、シリコン、ガラス等）、非シリコンベースの材料、ポリマー材料（例えば、ポリジメチルシロキサンまたはＰＤＭＳ）、および他の材料が挙げられる。センサが、体内に埋め込まれるべき場合、材料は、例えば、生体適合性であることができる。いくつかの実施形態では、例えば、基板１２は、ガラス基板である。第１の電極１４は、指示または感知電極として機能し、例えば、任意の好適なタイプの材料を含み得る。一般に、第１の電極１４のための材料は、広いｐＨ応答範囲、高い感度、迅速な応答時間、低い潜在的なドリフト、撹拌に対する不敏感性、広い温度動作範囲及び広い動作圧力範囲を示すことが望ましい。

第１の電極１４は、例えば、イオン選択性電界効果トランジスタ（ＩＳＦＥＴ）または金属酸化物電極を含むことができる。ＩＳＦＥＴは、固体集積回路の一部である。ＩＳＦＥＴは、迅速な応答時間（１ミリ秒台）を示し、生体内用途において極めて頑丈である。

金属酸化物電極の場合、いくつかの金属酸化物が、第１の電極１４において使用するために好適である。金属酸化物は、例えば、基板１２上に堆積または形成される、伝導性（例えば、金属）層上に堆積されることができる。金属酸化物フィルムまたは層（例えば、酸化イリジウム）は、例えば、電位サイクリング、反応性スパッタリング、陽極電着、熱酸化、およびその他を介した電気化学酸化を含む、種々の技法を介して生成されることができる。いくつかの実施形態では、第１の電極１４は、白金および酸化イリジウムを含む。そのような実施形態の場合、白金は、基板１２上に堆積されることができ、酸化イリジウムは、白金上に形成または堆積されることができる。他の実施形態によると、第１の電極１４は、クロムおよび酸化イリジウムを含む。そのような実施形態の場合、クロムは、基板１２上に形成されることができ、酸化イリジウムは、クロム上に形成されることができる。他の実施形態によると、第１の電極１４は、チタンおよび酸化イリジウムを含む。そのような実施形態の場合、チタンは、基板１２上に形成されることができ、酸化イリジウムは、チタン上に形成されることができる。第１の電極１４は、ｐＨが測定されるべき試料溶液／電解質と接触するように位置付けられる（例えば、試料組織内）。

第２の電極１６は、基準電極として機能し、任意の好適なタイプの材料を含み得る。望ましくは、基準電極１６は、電解液中に一定または実質的に一定の電位を維持する。いくつかの実施形態では、第２の電極１６は、白金および銀を含む。そのような実施形態の場合、白金は、例えば、基板１２上に形成または堆積されることができ、銀は、白金上に形成または堆積されることができる。他の実施形態によると、第２の電極１６は、白金および塩化銀を含む。そのような実施形態の場合、白金は、例えば、基板１２上に形成または堆積されることができ、塩化銀は、白金上に形成または堆積されることができる。他の実施形態によると、第２の電極１６は、クロムおよび銀を含む。そのような実施形態の場合、クロムは、例えば、基板１２上に形成または堆積されることができ、銀は、クロム上に形成されることができる。他の実施形態によると、第２の電極１６は、クロムおよび塩化銀を含む。そのような実施形態の場合、クロムは、例えば、基板１２上に形成または堆積されることができ、塩化銀は、クロム上に形成されることができる。他の実施形態によると、第２の電極１６は、チタンおよび銀を含む。そのような実施形態の場合、チタンは、例えば、基板１２上に形成または堆積されることができ、銀は、チタン上に形成されることができる。他の実施形態によると、第２の電極１６は、チタンおよび塩化銀を含む。そのような実施形態の場合、チタンは、例えば、基板１２上に形成または堆積されることができ、塩化銀は、チタン上に形成または堆積されることができる。第２の電極１６は、流体閉ループチャネル２０内の基準溶液と接触するように位置付けられる。

泡輸送システム１８ならびに泡３０および３２は、流体スイッチまたはコントローラ１９として、液界２２および流体チャネル２０内の基準検体溶液と連動して動作する。流体スイッチ１９は、例えば、ｐＨセンサ１０をオン状態またはオフ状態にするように動作可能である。流体スイッチ１９は、液界２２等の流体輸送部材と基準電解液との間の障壁を提供するために好適な任意のタイプの流体スイッチであり得る。いくつかの実施形態では、流体スイッチ１９は、例えば、検体溶液と基準溶液との間のイオン性電気接続を分断することによって、ｐＨセンサ１０（または、別のデバイス）をオフおよびオンにするように動作可能である。流体スイッチ１９はまた、検体溶液と基準溶液との間の質量移動を低減または排除するように動作可能であることができる。

いくつかの実施形態では、以下により詳細に説明されるように、泡輸送システム１８は、例えば、切り替え機能性をもたらす誘電体エレクトロウェッティング原理を使用することができる。種々の実施形態によると、泡輸送システム１８は、例えば、複数の電極を含むことができる。図示される実施形態では、泡輸送システム１８は、３つの電極１８ａ、１８ｂ、および１８ｃを含む。泡輸送システム１８は、任意の好適なタイプの材料を含み得る。種々の実施形態では、泡輸送システム１８は、白金、絶縁層（例えば、酸化ケイ素、パリレン等）、および疎水性層（例えば、フッ化炭素疎水性層）を含む。そのような実施形態では、白金は、例えば、基板１２上に形成または堆積されることができ、絶縁層および疎水性層は、白金上に形成または堆積されることができる。他の実施形態によると、泡輸送システム１８は、クロム、絶縁層、および疎水性層を含む。そのような実施形態の場合、クロムは、例えば、基板１２上に形成または堆積されることができ、絶縁層および疎水性層は、クロム上に形成または堆積されることができる。泡輸送システム１８は、流体閉ループチャネル２０の基準溶液と直接接触するように位置付けられる。

図１および２の代表的実施形態では、流体チャネル２０は、集合的に、基板１２およびカバー２４によって画定される、閉ループチャネル２０である。流体閉ループチャネル２０は、例えば、任意の好適なタイプのイオン伝導性水性溶液を含むことができる。例えば、種々の実施形態によると、流体チャネル２０は、飽和塩化カリウム溶液を含む。他の実施形態によると流体チャネル２０は、飽和塩化銀溶液を含む。本明細書の流体チャネルは、閉ループ流体チャネルである必要はない。流体チャネルは、１つ以上の泡の移動を可能にするか、または、泡が、以下に説明されるように、チャネル内で発生される場合、流体チャネルは、１つ以上の泡が、所望の体積まで形成され得るように、液体の変位を可能にする。

図１に示されるように、いくつかの実施形態では、流体閉ループチャネル２０は、泡輸送システム１８を囲み、第１の泡３０および第２の泡３２を含む。第１の泡３０は、飽和基準溶液を介して、第２の泡３２に流体力学的に接続される。したがって、第１の泡３０が、第１の位置から第２の位置に駆動されると、第２の泡３２は、第３の位置から第４の位置に移動する。第３の位置は、図１および２では、実線で示される一方、第４の位置は、図１および２では、破線で示される。故に、第１の泡３０は、「マスタ」泡と見なされ得、第２の泡３２は、「スレーブ」泡と見なされ得る。第１および第２の泡３０および３２は、例えば、基準溶液中で不混和性である、任意の好適なタイプの流体材料を含み得る。少なくとも泡３２は、例えば、検体溶液中で不混和性であることができる。例えば、種々の実施形態によると、第１および第２の泡３０および３２は、空気、油、空気以外の気体（例えば、水素、酸素、水素と酸素の混合物等）等を含み得る。

本明細書で使用され場合、用語「泡」は、ある物質（流体）の別の流体（基準電解液）中における小滴または体積を指す。泡は、例えば、チャネル２０内の液体（すなわち、飽和基準溶液）中で不混和性である気体またはチャネル２０内の液体中で不混和性である液体から形成されることができる。

液界２２は、試料または検体電解液と流体閉ループチャネル２０内に封入された基準溶液（例えば、飽和塩化カリウム）との間に位置付けられ、検体電解液と流体閉ループチャネル２０内の基準溶液との間のイオン性電気接続を提供する。いくつかの実施形態では、液界２２は、それを通して流体輸送が生じ得る部材であり、例えば、多孔性または浸透性材料を含み得る。例えば、種々の実施形態によると、液界２２は、親水性多孔性ポリマーを含む。液界２２のための多孔性材料は、例えば、１マイクロメートル未満の細孔サイズを有することができる。いくつかの実施形態では、液界２２は、流体閉ループチャネル２０内の溶液と試料電解液との間の質量交換を限定または最小限にするように設計される（例えば、多孔性材料の場合、細孔サイズを限定することによって）。図２に示されるように、液界２２は、図示される実施形態では、基板１２とカバー２４との間に位置付けられる。

カバー２４は、基板１２に接続され、基板１２と協働し、流体閉ループチャネル２０を画定する。カバー２４は、例えば、任意の好適なタイプの不浸透性材料を含み得る。埋め込み型ｐＨセンサ１０の場合、カバー２４（および、有機体に接触する、ｐＨセンサ１０の他の構成要素）は、例えば、生体適合性であることができる。例えば、種々の実施形態によると、カバー２４は、ガラスまたはポリジメチルシロキサンを含む。カバー２４は、任意の好適な様式において、基板１２に接続され得る。例えば、種々の実施形態によると、カバー２４は、基板１２に接合される。カバー２４が、ガラスであり、基板１２がＰＤＭＳであるいくつかの実施形態では、カバー２４は、表面のＯ_２プラズマ処理後、単に、一緒に圧接することによって、基板１２に容易に接合される。例えば、流体チャネル２０幅が、比較的に大きい（例えば、約１ｍｍ以上）場合、接着剤が、カバー２４を基板１２に接合するために使用されることができる。

前述のように、図１および２の図示される代表的実施形態では、複数の接続要素またはパッド２６ａ−２６ｅが、基板１２に接続され、任意の好適なタイプの導体を含み得る。例えば、種々の実施形態によると、接続パッド２６ａ−ｅは、白金を含む。他の実施形態によると、接続パッド２６ａ−ｅは、クロムを含む。他の実施形態によると、接続パッド２６ａ−ｅは、チタンを含む。他の実施形態によると、接続パッド２６ａ−ｅは、金を含む。接続パッド２６ａは、導体２８ａを介して、第１の電極１４に接続される。接続パッド２６ｂは、導体２８ｂを介して、第２の電極１６に接続される。接続パッド２６ｃ、２６ｄ、および２６ｅは、それぞれ、導体２８ｃ、２８ｄ、および２８ｅを介して、泡輸送システム１８の電極１８ａ、１８ｂ、および１８ｃに接続される。接続パッド２６ａ−ｅは、ｐＨセンサ１０の外部の１つ以上の回路への第１の電極１４、第２の電極１６、ならびに流体スイッチ１８の電極１８ａ、１８ｂ、および１８ｃの電気接続を提供する。図１に図示されるように、第１の電極１４および第２の電極１６は、例えば、当技術分野において既知の電位差計回路を含み得る、例えば、測定電子機器または回路４０に接続されることができる。泡輸送システム１８の電極１８ａ、１８ｂ、および１８ｃは、例えば、制御電子機器または回路５０と電気接続することができる。

複数の導体２８ａ−ｅは、例えば、基板１２の表面上に形成され得、第１の電極１４、第２の電極１６、および電極１８ａ−ｃをそれぞれの接続パッド２６ａ−ｅに接続するように機能する。図１に示され、前述のように、第１の導体２８ａは、第１の電極１４を第１の接続パッド２６ａに接続し、第２の導体２８ｂは、第２の電極１６を第２の接続パッド２６ｂに接続する。同様に、個々の導体２８ｃ−ｅは、それぞれ、泡輸送システム１８の電極１８ａ−ｃを対応する接続パッド２６ｃ−ｅに接続する。導体２８ａ−ｅは、例えば、任意の好適なタイプの伝導性材料を含み得る。例えば、種々の実施形態によると、導体２８ａ−ｅは、白金を含む。他の実施形態によると、導体２８ａ−ｅは、クロムを含む。他の実施形態によると、導体２８ａ−ｅは、チタンを含む。他の実施形態によると、導体２８ａ−ｅは、金を含む。

図１および２に図示される代表的実施形態の動作では、第１の電極１４は、試料電解質（または、試料組織）に暴露される。ｐＨセンサ１０が、オフ状態にあるとき（流体スイッチ１９を介して）、第１の泡３０は、泡輸送システム１８の「最も左側」（図の配向から見て）電極１８ａ上に位置付けられ、第２の泡３２は、液界２２に対して位置付けられる。第１の泡３０および第２の泡３２の位置付けは、例えば、任意の好適な様式で実現され得る。例えば、種々の実施形態によると、誘電体エレクトロウェッティング技法が、利用され、第１の泡３０および第２の泡３２をそれぞれの位置に移動させ得る。そのような実施形態の場合、泡輸送システム１８の「最も右側」電極１８ｃ、「中間」電極１８ｂの順次作動が利用され、第１の泡３０および第２の泡３２をｐＨセンサ１０のオフ状態に関連付けられたそれぞれの位置に移動させ得る。

オフ状態位置では、第２の泡３２は、例えば、第２の電極１６および液界２２を覆って障壁を形成し、流体閉ループチャネル２０内の試料電解質と飽和溶液との間の流体／電気（イオン性）接続を効果的に阻止し、それによって、飽和溶液中への第２の電極１６の溶解を低減または防止し、液界２２を通る質量交換を低減または防止することができる。第２の泡３２が、前述のオフ状態位置にあるとき、不混和性相界面（例えば、気体−液体または液体−液体不混和性界面）が、液界２２の細孔の表面内またはそこにおいて、第２の泡３２と試料電解質との間に形成される。相間の界面張力（例えば、気相と液相との間の）は、流体閉ループチャネル２０内への試料電解質の漏出を低減または阻止するように動作する。ｐＨセンサ１０をオフ状態に維持することは、オン状態に継続的に維持されるセンサと比較して、ｐＨセンサ１０の有効寿命を延長させる。

ｐＨレベルが測定されるとき、ｐＨセンサ１０は、オン状態に切り替えられる。オン状態に切り替えられるために、第２の泡３２は、第２の電極１６および液界２２を覆って障壁を形成しないように移動され、それによって、試料電解質と流体閉ループチャネル２０内の飽和溶液との間の電気接続の確立を可能にすることができる。種々の実施形態によると、第１の泡３０に流体力学的に接続される、第２の泡３２は、第１の泡３０を泡輸送システム１８の「最も左側」電極１８ａから離れるように移動させることによって、第２の電極１６および液界２２から離される。

第１の泡３０は、任意の好適な様式において、泡輸送システム１８の「最も左側」電極１８ａから離され得る。例えば、種々の実施形態によると、誘電体エレクトロウェッティング原理が、利用され、第１の泡３０を移動させ、順に、第２の泡３２の移動を生じさせる。誘電体エレクトロウェッティングデバイスまたはシステムでは、泡は、電極のアレイをプログラムして順次作動させることによって輸送される。

そのような実施形態の場合、泡輸送システム１８の「最も左側」電極１８ａの作動は、第１の泡３０を泡輸送システム１８の「最も左側」電極１８ａから泡輸送システム１８の「最も右側」電極１８ｃに向かって移動させるように動作する。泡輸送システム１８の「最も右側」電極１８ｃに向かう第１の泡３０の移動は、第２の泡３２を第２の電極１６および液界２２から離れるように移動させ、それによって、第２の電極１６および液界２２を覆う障壁を除去する。障壁の除去は、試料電解質と流体閉ループチャネル２０内の飽和溶液との間の流体／電気（イオン性）接続の確立を可能にする。

前述の様式では、ｐＨセンサ１０は、非常に低エネルギー消費を伴って、オフおよびオン状態間を迅速に切り替えられることができる。オフ状態の間、第２の電極１６および液界２２を覆う障壁を形成し、オン状態の間のみ、第２の電極１６および液体障壁２２を流体閉ループチャネル２０の飽和基準溶液に暴露することによって、第２の電極１６の溶解および液界２２を通した質量交換は、低減または最小限にされ、それによって、ｐＨセンサ１０の有効寿命を延長させる。

図１に図式的に図示されるように、バッテリ等の少なくとも１つの電源６０が、センサ電子機器４０および制御電子機器５０と電気接続するように提供されることができる。電源６０は、例えば、図１の実施形態では、センサ電子機器４０、制御電子機器５０、および泡輸送システム１８に給電するために使用されることができる。いくつかの実施形態では、ｐＨセンサ１０は、例えば、制御電子機器５０と通信接続する、送受信機５２と通信する（例えば、無線周波数またはＲＦ信号を介して、例えば、無線で）、例えば、外部デバイス７０を介して、作動可能および／または制御可能であることができる。制御電子機器５０は、例えば、前述のように、泡３０および３２を移動させ、ｐＨセンサ１０が、いくつかの所定の時間サイクルで、および／または外部信号（例えば、ｐＨセンサ１０が埋め込まれる身体の外部の）に応答して、ｐＨを測定することを可能にするようにプログラムされることができる（例えば、１つ以上のプログラムされたプロセッサを介して）。ｐＨセンサ１０が、作動または有効化されると、ｐＨ示度値が、センサ電子機器４０によって取得される。センサ電子機器４０は、泡輸送システム１８の制御をもたらす制御電子機器５０と通信接続する。測定値が取得されると、ｐＨセンサ１０は、前述のように、泡輸送システム１８の制御を介して、オフ状態に置かれ、非働化されることができる。測定されたｐＨ値は、例えば、使用（例えば、送受信機５２を介して、身体の外部に伝送するため、または、例えば、治療デバイスを含むことができる、別の埋め込まれたシステムによって使用するためのいずれか）のために利用可能にされることができる。

本発明のいくつかの実施形態では、ｐＨセンサは、オン状態とオフ状態との間の切り替えをもたらす、単一泡を含む。例えば、図３は、チャネル１２０（カバー１２４と基板１１２との間に形成される）内の単一泡１３２が、使用され、第２または基準電極１１６および液界１２２を覆って障壁を形成し（ｐＨセンサ１０に関して説明されるように）、流体スイッチまたはコントローラ１１９として動作する、別の代表的ｐＨセンサの実施形態１１０を図示する。前述のように、液界２２を覆う障壁を形成または生成することによって、オフ状態が、生成され、検体溶液（第１または指示電極１１４に接触する）とチャネル１２０内の基準溶液との間のイオン性電気接続が分断または防止される。さらに、オフ状態では、泡１３２は、検体溶液と基準溶液との間の質量移動を低減、最小限化、または排除する。オフ状態はさらに、基準溶液内の電極１１６の溶解を低減させる。泡１３２が、電極１１６を覆うために十分なサイズである場合、電極１１６と基準溶液との間の溶解（質量移動）はさらに、低減、最小限化、または排除されることができる。第２の電極１１６の溶解および液界１２２を通る質量交換は、したがって、オン状態の間のみ、有意な範囲で生じ、それによって、ｐＨセンサ１１０の有効寿命を延長させる。

図３の実施形態では、酸素および水素の混合物である気泡１３２が、互に比較的に近接して位置付けられる（例えば、いくつかの実施形態では、約４ｕｍ以内）、アノード１４２およびカソード１４４を使用する電解を介して発生される。図３に図示される実施形態では、泡輸送システム１１８（例えば、誘電体エレクトロウェッティングシステム）は、流体チャネル１２０の上部表面上に位置付けられる。泡輸送システム１１８は、例えば、カバー１２４の内側表面（すなわち、流体チャネル１２０の上部表面）上に位置付けられる電極のアレイ１１８ａ−ｅを含むことができる。図示される実施形態では、泡１３２を生成するために使用される電解電極（すなわち、アノード１４２およびカソード１４４）は、基板１１２上に置かれる。泡１３２（または、例えば、図１および２のｐＨセンサ１０に関連して論じられたような複数の泡）を生成するために、例えば、アノード１４２およびカソード１４４等のアノード／カソード対間に約５Ｖの電位差を印加することができる。

流体スイッチ１１９の動作時、泡１３２は、最初に、アノード１４２およびカソード１４４を使用して、電解を介して発生される（流体チャネル１２０内の最も右側破線参照）。生成される泡のサイズは、例えば、電位が印加される時間の制御を介して、制御されることができる。流体スイッチ１１９をオフ状態にするために、泡１３２は、泡輸送システム１１８を介して輸送され、液界１２２（流体チャネル１２０内の最も左側破線参照）を被覆し、いくつかの実施形態では、基準電極１１６を覆う。流体スイッチをオン状態にするために、泡１３２は、液界１２２または基準電極１１６のいずれも被覆しないように、泡輸送システム１１８を介して輸送される。

図４は、チャネル２２０（カバー２２４と基板２１２との間に形成される）内の単一泡２３２が、図１および２のｐＨセンサ１０ならびに図３のｐＨセンサ１１０に関して説明されたように、第２または基準電極２１６および液界２２２を覆う障壁を形成するために使用され、流体スイッチ２１９として動作する、別の代表的ｐＨセンサの実施形態２１０を図示する。前述のように、液界２２２を覆う障壁を形成または生成することによって、オフ状態が生成され、検体溶液（第１または指示電極２１４に接触する）と、チャネル２２０内の基準溶液との間のイオン性電気接続が、分断または防止される。泡２３２が、カバー電極２１６を覆うために十分なサイズである場合、電極２１６と基準溶液との間の溶解（質量移動）はさらに、低減、最小限化、または排除されることができる。

流体スイッチ２１９の動作時、泡２３２は、最初に、アノード２４２およびカソード２４４を使用して、電解を介して発生される（流体チャネル２２０内の最も右側破線参照）。前述のように、生成される泡のサイズが、例えば、電位が印加される時間の制御を介して制御されることができる。流体スイッチ２１９をオフ状態にするために、泡２３２は、カバー液界２２２を被覆し、いくつかの実施形態では、基準電極２１６を覆うためのサイズに発生される。続いて、流体スイッチをオン状態にするために、泡２３２は、液界２２２または基準電極２１６のいずれも被覆しないように、アノード２４２およびカソード２４４を使用して、電解プロセスの反転を介して、サイズが低減される、または完全に排除される。泡の低減または排除をもたらすために、触媒が、使用され、反転プロセスにおけるエネルギー障壁を低くすることができる。水素および酸素泡を含む、泡２３２の場合、白金（Ｐｔ）が、例えば、触媒として使用されることができる。いくつかの実施形態では、アノード２４２およびカソード２４４は、例えば、Ｐｔ等の触媒材料を含むように作製されることができる。電位が、アノード２４２およびカソード２４４に印加されると、泡２３２は、成長する。電位が、遮断されると、泡２３２は、収縮する。代替実施形態では、Ｐｔ等の触媒源は、アノード２４２およびカソード２４４と別個に提供されることができる。

図１および２の流体スイッチまたはコントローラ１９、図３の１１９、および２１９等の流体スイッチまたはコントローラは、例えば、流体が輸送され得る部材（例えば、多孔性ポリマー部材、浸透性膜等の多孔性または浸透性部材）を横切る流体接続、イオン性伝導、および／または質量移動を制御することが望ましい、他のデバイス内で使用されることもできる。

図５は、本発明の実施形態による、携帯式デバイスおよび多重使用感知プローブを使用して、ｐＨ読み取りを行なうためのシステムの実施形態を図示する。システム３００は、読み取り機３１０および使い捨てプローブ３５０を備えている。典型的構成では、システム３００の動作は、基準溶液と接触する基準電極（例えば、銀塩化銀電極）によって発生される既知の電位と比較される、指示電極（例えば、酸化イリジウム電極）を使用するｐＨの電位差測定値に基づく。システム３００の１つ以上の構成要素は、典型的には、製造および／または使用時の較正ステップを回避する等のために、既知の出力を産生するように事前調整される。読み取り機３１０は、ユーザインターフェース３１１が統合される、筐体３１５を備えている。ユーザインターフェース３１１は、ディスプレイ３１３およびボタン３１２を含む。ディスプレイ３１３は、典型的には、液晶またはタッチスクリーンディスプレイであって、測定されたｐＨ示度値ならびにシステムおよび他の情報を表示し得る。システム情報は、限定ではないが、システム準備状態情報、電力レベル、アラートまたはアラーム条件情報、消耗品の現在のステータス、およびこれらの組み合わせを含み得る。ユーザインターフェース３１１を介して、システム３００によって提供される他の情報は、読み取り機３１０のセンサ３１７またはプローブ３５０のセンサ３５３によって記録される、温度、湿度、および／または圧力情報等の環境条件を含み得る。

筐体３１５はさらに、電気機械的ポートであって、使い捨てプローブ３５０の近位端と動作可能に係合するように構成されるポート３１６を含む。プローブ３５０は、筐体３５１、指示電極アセンブリ３７０、および液界３６５を備えている。液界３６５は、典型的には、図１から４を参照して前述のように、構築および配列される。指示電極アセンブリ３７０は、複数の指示電極を備え、各々、独立して、作動可能である。典型的実施形態では、電極アセンブリ３７０は、ＭＥＭＳプロセスにおいて製造される、酸化イリジウム電極アセンブリ等、ＭＥＭＳ加工プロセスにおいて製造される。一実施形態では、電極アセンブリ３７０は、以下の図６を参照して説明されるような９つの指示電極を備えている。９０以上の指示および／または基準電極のアレイ等、多数の電極構成が、含まれ得る。プローブ３５０はまた、基準溶液３６７および基準電極３６０を格納する、リザーバ３６６を備えている。基準電極３６０は、銀／塩化銀基準電極、または既知の基準溶液と接触すると、予測可能ｐＨ感度を伴って構成される、別の既知の基準源であり得る。一実施形態では、基準電極３６０は、酸化イリジウム電極である。前述の図１から４を参照して説明されたもの等、代替材料および材料の組み合わせが、基準電極３６０のために使用されることができる。基準溶液３６７は、ＫＣｌ溶液、または基準電極３６０と共に使用される他の好適な液体であり得る。ワイヤ３６１およびワイヤ束３７１は、基準電極３６０および指示電極アセンブリ３７０を、それぞれ、電子機器モジュール３２０に電気的に接続する等のために、筐体３５１を通してポート３１６まで進行する。読み取り機３１０の筐体３１５内に含まれるモジュール３２０は、ワイヤ３６１およびワイヤ束３７１上で受信された電気信号に基づいて、ｐＨレベルを決定し、ｐＨ情報をディスプレイ３１３上に表示するように構成される。モジュール３２０は、典型的には、第１の測定後、第２の測定を行なう等のために、自動的に、第１の指示電極から第２の指示電極に移行するように構成される。モジュール３２０は、作動された最後の電極を指示するルックアップレジスタ等を通して、多数の電極を通して移行するように構成され得る。指示電極は、以下に詳細に説明されるように、膜または他の制御可能なオリフィスの開放等によって、作動または別様に選択され得る。モジュール３２０はさらに、センサ３５３および／またはセンサ３１７から受信された信号等の他の情報を解釈するように構成され得る。モジュール３２０はさらに、データの記憶、１つ以上の外部デバイスとの通信（例えば、有線または無線通信を介して）、内部診断チェックの実施等を行なうように構成され得る。記憶されたデータは、限定ではないが、基準電極３６０情報、指示電極アセンブリ３７０情報、貯蔵情報、製造日および他の日付情報、ならびにこれらの組み合わせを含み得る。液界３６５は、基準溶液３６７で飽和されると、プローブ３５０が、試料溶液中に浸漬された場合、指示電極アセンブリ３７０と基準電極３６０との間の電気接続を可能にする。プローブ３５０は、除去可能なキャップであって、典型的には、プローブ３５０の遠位先端に取り付き、試料溶液の試験に先立って除去される、プラスチック材料であるキャップ３５２を含み得る。キャップ３５２は、液界３６５が乾燥しないように防止する（例えば、貯蔵中または使用と使用の間）、または別様に、プローブ３５０の遠位部分を保護するように構成され得る。

指示電極アセンブリ３７０は、単一プローブ３５０を用いて複数の測定を行なう等のために、独立して作動可能であるように構成される複数の指示電極を備えている。これらの複数の測定は、数分から数時間の時間にわたって、および／または数週間から数ヶ月等のより長い時間にわたって等、連続的に行なわれ得る。ユーザインターフェース３１１は、オペレータが、１つ以上の作動信号をアセンブリ３７０に発行する電子機器モジュール３２０等によって、電極アセンブリ３７０の各指示電極を個々に作動させることを可能にするように構成される。以下の図を参照して説明されるもの等、多数の作動可能指示電極構成が、採用され得る。

読み取り機３１０は、図示されないが、複数のプローブ３５０を格納するように構成されるチャンバ、基準溶液３６７を格納するように構成されるリザーバ、およびこれらの組み合わせから成る群から選択される、１つ以上の追加の構成要素を含み得る。

図６は、本発明の実施形態による、ｐＨ指示電極のアレイを備えている指示電極アセンブリの概略図を図示する。指示電極アセンブリ３７０は、指示電極３７５のアレイ（図６に示されるように、３×３アレイ）を備えている。代替実施形態では、１つ以上の指示電極３７５は、基準電極として構成され得る。各電極３７５は、膜アセンブリ３８０によって、暴露表面上で囲まれる。膜アセンブリ３８０は、指示電極３７５を覆うように、かつ、指示電極３７５を試料溶液に暴露する等のために、動作可能に操作されるように構成される。動作可能操作は、限定ではないが、膜３８１の除去、膜３８１の断裂、膜３８１の分離、およびこれらの組み合わせを含む。膜アセンブリ３８０は、第１の体積と第２の体積との間に開口部を動作可能に提供するように構成される、種々の他の電気機械的アセンブリ等、種々の他のアセンブリと取り換えられ得る。指示電極アセンブリ３７０は、導体、絶縁体、および他の機能的要素が、以下の図７を参照して説明されるように、基板に組み立てられ得るように、複数の層構造を備えている。ある層は、電気トレース３７７を備え、各々は、指示電極３７５への第１の端部および接続パッド３７９への第２の端部で終端する。一実施形態では、指示電極３７５は、搭載パッド３７３に固定され、トレース３７７は、搭載パッド３７３に取り付けられる。トレース３７７およびパッド３７９は、電圧または他の指示電極３７５情報等の電気情報を図５の読み取り機３１０等の別個のデバイスに伝送するように構成される。アセンブリ３７０の別の層は、トレース３８５および３８６を備え、接続パッド３８３および３８４を膜アセンブリ３８０に接続する。トレース３８５および３８６ならびに接続パッド３８３および３８４は、電力（例えば、正電圧および接地）を膜アセンブリ３８０に提供するように構成される。一実施形態では、接続パッド３７９、３８３および３８４は、図５のワイヤ束３７１等のワイヤ束に接続する。トレース３７７ならびにパッド３７３および３７９は、チタン堆積およびエッチングプロセスを使用して作製され得る。全トレースは、金、白金、銅、アルミニウム、および／または銀等の他の好適な電気的に伝導性の材料を備え得る。アレイ３７０は、９つの指示電極３７５とともに示されるが、９０以上の指示および／または基準電極のアレイ等、多数の電極構成が、含まれ得る。

図６ａは、本発明の実施形態による、開放可能膜アセンブリの詳細図を図示する。膜アセンブリ３８０は、加熱要素３８２および膜３８１を備えている。トレース３８５および３８６は、それぞれ、電気接続パッド３８３および３８４を加熱要素３８２に接続する。別の実施形態では（図示せず）、複数の膜アセンブリ３８０は、個々の信号パッド３８３を有するが、共通接地パッド３８４’を共有し、任意の個々のパッド３８３のトリガが、接続されたアセンブリ３８０を破裂させる。加熱要素３８２は、電流が印加されると、熱を発生させるように構成される、高抵抗パターンを残すように、金堆積およびエッチングプロセスを使用して構築され得る。堆積およびエッチングプロセスは、加熱要素３８２が、膜３８１内（例えば、膜３８１の１つ以上の層内）に堆積されるように、追加のステップおよび材料を含み得る。

図６ａでは、加熱要素３８２は、加熱要素３８２の作動が、膜３８１の物理的変化を生じさせ、流体が膜３８１を通過し得るように、膜３８１内に、それと接触して、および／または別様に近接して、構築され得る。加熱要素３８２によって発生される熱力によって生じる膜の断裂等のこの物理的変化は、流体が、図７を参照して以下に説明されるように、以前は密閉されていたチャンバに流入することを可能にし得る。

図７は、本発明の実施形態による、指示電極アセンブリ内に含まれる指示電極のアレイの横断面図を図示する。指示電極アセンブリ３７０は、壁３７８およびカバー３６８によって囲まれる、複数のチャンバ３６９を含む。カバー３６８は、前述の図６ａを参照して説明されるように、チャンバ３６９を周囲環境に開放する（例えば、試料溶液への暴露）等のために、電子的に修正されるように構築および配列される膜アセンブリ３８０を備えている。指示電極アセンブリ３７０はまた、ケーシング３７６によって囲まれる、支持材料３７４を備えている。チャンバ３６９は、各々、電極搭載パッド３７３上に堆積される、個々の指示電極３７５を囲む。一実施形態では、搭載パッド３７３は、堆積プロセスにおいて堆積されるチタン等のチタンから構築される。指示電極３７５は、典型的には、酸化イリジウム（ＩｒＯｘ）電極を備えている。指示電極３７５はまた、試料溶液のｐＨを電気的に測定するために好適な他の材料を備え得る。指示電極アセンブリ３７０の構成要素は、基板３７２、典型的には、ガラス、シリコンまたはプラスチック基板上に構築される。指示電極アセンブリ３７０を製造するための典型的製作プロセスは、以下の図９を参照して詳細に説明される。アレイ３７０は、３つの指示電極３７５とともに示されるが、９０以上の指示および／または基準電極のアレイ等、種々の正方形、長方形、および他の幾何学的構成において、多数の電極構成が、含まれ得る。

次に、図７ａを参照すると、図７の膜アセンブリ３８０は、カバー３６８’内の開口部が、チャンバ３６９と周囲環境との間に生成されるように、修正されている。開口部が生成され、指示電極アセンブリ３７０が、試料溶液中に置かれた後、カバー３６８’下に位置付けられている指示電極（図７ａでは、指示電極３７５’として記載される）のみ、試料溶液に暴露されるであろう。一実施形態では、１つ以上のチャンバ３６９が、膜アセンブリ３８０’（カバー３６８’に対応する）が修正されると、試料溶液が、チャンバ３６９内に引き込まれるように、真空チャンバとして構築される。真空チャンバは、典型的には、真空環境内において、チャンバ３６９およびその周囲壁を製造することによって生成される。加えて、または代替として、１つ以上のチャンバ３６９の壁は、試料溶液をチャンバ３６９中に引き込む等のために、成形されるか、または１つ以上のコーティング（例えば、親水性コーティング）を含み得る。加えて、または代替として、構造の壁材料は、試料溶液をチャンバ３６９中に引き込むために、親水性であるか、または別様に構築および配列され得る。

図８は、本発明の実施形態による、指示電極アセンブリを図示する。指示電極アセンブリ３７０は、典型的には、図７および７ａの指示電極アセンブリ３７０に類似する構成要素で構築および配列される。図８の指示電極アセンブリ３７０はさらに、チャンバ３６９と基板３７２の反対表面との間の基板３７２内に位置付けられる、通気口３６４を含む。通気口３６４は、チャンバ３６９中への試料または他の溶液の輸送を改善するように構成される。アレイ３７０は、３つの指示電極３７５とともに示されるが、９０以上の指示および／または基準電極のアレイ等、多数の電極構成が、含まれ得る。

次に、図８ａを参照すると、図８の膜アセンブリ３８０は、カバー３６８’が、前述の図７ａを参照して説明されたように、膜アセンブリ３８０’の操作を通して開放されるように修正されている。チャンバ３６９は、典型的には試料溶液等、その周囲環境に暴露される。チャンバ３６９内への流体の流入によって生じる圧力増加は、通気口３６４を通して緩和される。一実施形態では、通気口３６４は、示されないが、試料溶液を開放チャンバ３６９中に引き込むように構成される、真空ポンプ等の負圧源に動作可能に取り付けられ得る。

図９は、本発明の実施形態による、指示電極のアレイを製造する段階式プロセスを図示する。典型的実施形態では、ステップ４１０から４１２は、連続した群として行なわれ、ステップ４２０から４２２も、連続した群として形成される。ステップ４１０は、チタン搭載パッド３７３を伴う、基板３７２を示す。搭載パッド３７３は、堆積およびエッチングプロセスを使用して、基板３７２に搭載され、典型的には、Ｅ−ビーム蒸発器およびフォトリソグラフィを使用して、典型的には、チタンのパターン化層を基板３７２上に生成する。フォトリソグラフィおよびエッチングプロセスは、堆積された層の一部を除去し、示されるように、搭載電極３７３を残す。

ステップ４１１は、典型的には、ＳｉＯ_２から成る、壁３７８を含む、ステップ４１０のアセンブリを示す。壁３７８は、堆積プロセス後、硬化およびエッチングプロセスによって、基板３７２上に堆積され、示される構成を達成する。

ステップ４１２は、ここでは、指示電極３７５を含む、ステップ４１１のアセンブリを示す。電極３７５は、典型的には、直接、搭載電極３７３上に堆積された酸化イリジウムパッドを備えている。電極３７５の堆積後、熱処理、電圧処理（緩衝液の存在下、酸化イリジウム層への既知の電圧の印加を含む、電圧処理等）、または化学処理（例えば、一定時間の間の化学溶液への暴露）のうちの１つ以上を含む、後製作プロセスが、行なわれ得る。電圧は、酸化イリジウム層の化学組成物を修正するために、一定または可変レベルにおいて、固定時間の間、印加される。基準溶液に暴露されると、本電圧修正は、較正を回避する等のために、基準溶液のｐＨに対して、電極に既知の電圧応答を産生させるために使用されることができる。

ステップ４２０は、ケーシング３７６、典型的には、窒化ケイ素ケーシングによって封入された支持材料３７４、典型的には、シリコンウエハを示す。ケーシング３７６および支持材料３７４は両方とも、チャンバ３６９のための陥凹を支持材料３７４内に生成するようにエッチングされている。

ステップ４２１は、ケーシング３７６およびチャンバ３６９上に堆積されたカバー材料３６８を含む、ステップ４２０のアセンブリを示す。膜アセンブリ３８０は、カバー材料３６８内に位置付けられる。膜アセンブリ３８０は、典型的には、窒化ケイ素層（例えば、膜アセンブリ３８０に近接するカバー材料３６８の上部部分）、加熱要素として構成される金およびクロムの層、および窒化ケイ素の第２の層（例えば、カバー材料３６８の底部部分）を備えている、堆積された多層アセンブリである。膜アセンブリ３８０の２つの窒化ケイ素層は、加熱要素の作動によって制御可能に操作されることができる、膜として機能する。

ステップ４２２は、エッチングプロセスが、行なわれ、チャンバ３６９の上部を覆うケーシング３７６の一部を除去した後のステップ４２１のアセンブリを示す。

ステップ４３０は、一緒に接合されたステップ４１２および４２２のアセンブリを示す。カバー材料３６８は、典型的には、アノードまたは類似接合プロセスを使用して、壁３７８に接合されている。

ステップ４３１は、最終指示電極アセンブリ３７０を示す。最終ウェットエッチングプロセスが行なわれ、支持材料３７４をカバー３６８の上方から除去し、膜アセンブリ３８０を暴露させる。

図９のアレイ３７０は、３つの指示電極３７５とともに示されるが、９０以上の指示および／または基準電極のアレイ等、多数の電極構成が、含まれ得る。

図１０は、本発明の実施形態による、電極のアレイの代替実施形態の横断面図を図示する。アレイ３７０’は、少なくとも１つの指示電極３７５および少なくとも１つの基準電極３６０’を備えている。指示電極３７５は、典型的には、図６から８のうちの１つ以上指示電極３７５の類似構成要素を含むように構築および配列される。指示電極３７５は、前述の図９を参照して説明されるように製造され得る。

基準電極３６０’は、示されないが、アレイ３７０と一体型である指示電極３７５または別の指示電極と協働して基準信号を提供するように構成される。基準電極３６０’およびその構成要素のうちの１つ以上（例えば、壁、チャンバ、伝導性パッドおよびトレース、膜アセンブリ等）は、前述の図９を参照して説明されるものと類似する１つ以上のプロセスにおいて製造され得る。

基準電極３６０’は、典型的には、チタン搭載パッド３７３’等の搭載パッドを介して、基板３７２に取り付けられる。チャンバ３６２は、電極３６０’の表面を囲む。カバー３６８は、チャンバ３６２と第２のチャンバであるリザーバ３６６’との間に位置付けられる、膜アセンブリ３８０’を備えている。膜アセンブリ３８０’は、基準電極３６０’を基準溶液３６７に暴露する等のために、動作可能に操作されるように構成される。動作可能操作は、限定ではないが、膜アセンブリ３８０’の一部（例えば、膜）の除去、膜アセンブリ３８０’の断裂、膜アセンブリ３８０’の分離、およびこれらの組み合わせを含む。膜の動作可能操作は、膜への１つ以上の力の印加を通して達成されることができる。典型的な力の適用は、限定ではないが、膜内、上、またはそれに近接した加熱要素の作動、膜に対する基準溶液圧力等の圧力の適用、膜に対する電解による泡の生成（前述の図３を参照して論じられたように）によって形成された気圧等の圧力の適用、およびこれらの組み合わせを含む。膜アセンブリ３８０’は、第１の区域と第２の区域との間に開口部を動作可能に提供するように構成される、種々の他の電気機械的アセンブリ等、種々の他のアセンブリと取り換えられ得る。支持材料３７４は、チャンバ３６２およびリザーバ３６６’を囲む。支持材料３７４は、ケーシング３７６によって囲まれる。

液界である、接点３６５’は、チャンバ３６９とチャンバ３６２との間に位置付けられる。液界３６５’は、典型的には、前述の図１から５を参照して説明されるように構築および配列される。代替実施形態では、仮想液界３６５’が、Ｃｌａｒｋ ｅｔ ａｌの本件と同日に出願の同時係属中の出願である、仮出願第６１／５３１，５４６号「ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ ＤＥＶＩＣＥ ＷＩＴＨ ＲＥＡＤＥＲ ＡＮＤ ＤＩＳＰＯＳＡＢＬＥ ＰＲＯＢＥ」（本開示は、参照することによって、全体として本明細書に組み込まれる）に説明されるように使用され得る。

次に、図１０ａおよび１０ｂを参照すると、図１０のアレイ３７０’の典型的動作が、図示される。図１０ａでは、膜アセンブリ３８０’は、示されないが、前述の図６および６ａを参照して詳細に説明される、１つ以上のワイヤ等を介して作動されている。基準溶液３６７は、チャンバ３６２’に流入し、基準電極３６０’および液界３６５’と接触する。図１０ｂでは、膜アセンブリ３８０は、前述に説明されるような１つ以上のワイヤ等を介して作動される。試料溶液は、指示電極３７５および基準電極３６０’からの信号が、前述の図５を参照して説明されるように、読み取りデバイスによって解釈され得るように、指示電極３７５および液界３６５’と接触されることができる。

図１０、１０ａ、および１０ｂのアレイ３７０は、単一指示電極３７５および単一基準電極３６０’とともに示されるが、９つ以上の、３０以上の、または９０以上の指示および／または基準電極のアレイ等、多数の電極構成が、含まれ得る。図１０ｃでは、アレイ３７０’’は、２つの基準電極３６０ａおよび３６０ｂならびに５つの指示電極３７５ａ−３７５ｅを備えている。典型的実施形態では、単一基準電極３６０ａまたは３６０ｂは、基準を複数の指示電極３７５ａ−３７５ｅに提供する等のために、複数の読み取りを行なうように構成される。

図１０ｃに示されるように、アレイ３７０’’は、電気トレース３７７を備えている１つの層を含むことができ、各々は、指示電極３７５ａおよび３７５ｂへの第１の端部と接続パッド３７９への第２の端部とで終端する。一実施形態では、指示電極３７５ａおよび３７５ｂは、搭載パッド３７３に固定され、トレース３７７は、搭載パッド３７３（搭載パッド３７３は示されないが、前述の図１０、１０ａ、および１０ｂに示されるように、直接、電極の真下に位置付けられている）に取り付けられる。トレース３７７およびパッド３７９は、電圧または他の指示電極情報等の電気情報を図５の読み取り機３１０等の別個のデバイスに伝送するように構成される。アセンブリ３７０’’の別の層は、トレース３８５および３８６を備え、接続パッド３８３および３８４を膜アセンブリ３８０に接続する。トレース３８５および３８６ならびに接続パッド３８３および３８４は、電力（例えば、正電圧および接地）を膜アセンブリ３８０に提供するように構成される。一実施形態では、接続パッド３７９、３８３、および３８４は、図５のワイヤ束３７１等のワイヤ束に接続する。トレース３７７ならびにパッド３７３および３７９は、チタン堆積およびエッチングプロセスを使用して作製され得る。全トレースは、金、白金、銅、アルミニウム、および／または銀等の他の好適な電気的に伝導性材料から成ってもよい。アレイ３７０’’は、５つの指示電極３７５ａ−ｅとともに示されるが、９０以上の指示および／または基準電極のアレイ等、多数の電極構成が、含まれ得る。

前述の説明及び添付の図面は、現時点において代表的な実施形態の多くの実施例を記載している。本発明の精神から逸脱することなく、またはその範囲を超えることなく、前述の教示に照らして、設計上の種々の改造例、追加例、及び変形例が当業者には明らかであり、本発明の範囲は、前述の説明ではなく、特許請求の範囲の記載に基づいて定められる。特許請求の範囲に記載された本発明の文言上の範囲及びその均等範囲に属するあらゆる変更及び変形は、本発明の範囲に含まれるものである。

Claims (52)

1. ｐＨ測定値を取得するためのシステムであって、
   複数の指示電極と少なくとも１つの基準電極とを備えている使い捨てプローブと、
   前記使い捨てプローブと動作可能に係合し、試料のｐＨ情報を提供するように構築および配列されている読み取り機と
   を備えている、システム。
2. 前記使い捨てプローブは、複数の制御可能なオリフィスをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
3. 第１のオリフィスが、第１の指示電極への第１の流体路を提供するように構築および配列され、第２のオリフィスが、第２の指示電極への流体路を提供するように構築および配列されている、請求項２に記載のシステム。
4. 前記第１の制御可能なオリフィスを作動し、続いて、前記第２の制御可能なオリフィスを作動するように構築および配列されている電子機器モジュールをさらに備えている、請求項３に記載のシステム。
5. 前記読み取り機は、前記電子機器モジュールの少なくとも一部を備えている、請求項４に記載のシステム。
6. 前記電子機器モジュールは、制御可能なオリフィス作動情報を含むルックアップテーブルを備えている、請求項４に記載のシステム。
7. 第１のオリフィスが、第１の指示電極への第１の流体路を提供するように構築および配列され、第２のオリフィスが、前記少なくとも１つの基準電極への流体路を提供するように構築および配列されている、請求項２に記載のシステム。
8. 少なくとも１つの制御可能なオリフィスは、膜を備えている、請求項２に記載のシステム。
9. 前記膜は、多層膜を備えている、請求項８に記載のシステム。
10. 前記膜は、開口部を前記膜内に生成するように構築および配列されている加熱要素を備えている、請求項８に記載のシステム。
11. 前記加熱要素は、加熱コイルを備えている、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記加熱要素は、金またはクロムのうちの１つ以上を備えている、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記加熱要素の少なくとも一部は、前記膜内に位置付けられている、請求項１０に記載のシステム。
14. 前記加熱要素の少なくとも一部は、前記膜と接触して位置付けられている、請求項１０に記載のシステム。
15. 少なくとも１つのオリフィスは、ＭＥＭＳプロセスにおいて製造される、請求項８に記載のシステム。
16. 基準溶液をさらに備え、少なくとも１つのオリフィスは、前記基準溶液と前記基準電極との間に位置付けられている、請求項８に記載のシステム。
17. 前記基準電極は、複数の試料に関するｐＨ情報を提供するように構成されている、請求項１６に記載のシステム。
18. 少なくとも１つの指示電極は、酸化イリジウム電極を備えている、請求項１に記載のシステム。
19. 前記複数の指示電極は、少なくとも９つの指示電極を備えている、請求項１に記載のシステム。
20. 前記複数の指示電極は、少なくとも９０の指示電極を備えている、請求項１に記載のシステム。
21. さらに、前記複数の指示電極は、少なくとも３つの指示電極を備え、前記使い捨てプローブは、少なくとも第２の基準電極をさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
22. 少なくとも１つの指示電極を囲む、壁付きチャンバをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
23. 前記壁付きチャンバは、真空チャンバを備えている、請求項２２に記載のシステム。
24. 前記壁付きチャンバと流体連通する１つ以上の通気口をさらに備えている、請求項２２に記載のシステム。
25. 前記壁付きチャンバは、親水性コーティングを備えている、請求項２２に記載のシステム。
26. 前記壁付きチャンバは、親水性材料から成る、請求項２２に記載のシステム。
27. 前記壁付きチャンバは、試料溶液を前記壁付きチャンバ中に引き込むように構築および配列されている、請求項２２に記載のシステム。
28. 搭載パッドおよび基板をさらに備え、少なくとも１つの指示電極は、前記搭載パッドに固定して取り付けられ、前記搭載パッドは、前記基板に固定して取り付けられている、請求項１に記載のシステム。
29. 前記搭載パッドは、チタン搭載パッドを備えている、請求項２８に記載のシステム。
30. 少なくとも１つの指示電極は、ＭＥＭＳプロセスを使用して製造される、請求項１に記載のシステム。
31. 前記少なくとも１つの基準電極は、銀塩化銀基準電極を備えている、請求項１に記載のシステム。
32. 前記少なくとも１つの基準電極は、酸化イリジウム基準電極を備えている、請求項１に記載のシステム。
33. 前記少なくとも１つの基準電極は、少なくとも２つの基準電極を備えている、請求項１に記載のシステム。
34. 前記少なくとも１つの基準電極は、銀塩化銀基準電極を備えている、請求項１に記載のシステム。
35. 前記読み取り機は、ユーザインターフェースを備えている、請求項１に記載のシステム。
36. 前記読み取り機は、電子機器モジュールを備えている、請求項１に記載のシステム。
37. 液界をさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
38. 前記液界からの乾燥を防止するように構成されているキャップをさらに備えている、請求項３７に記載のシステム。
39. 基準溶液をさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
40. 前記基準溶液は、ＫＣｌ溶液を備えている、請求項３９に記載のシステム。
41. 基板をさらに備え、少なくとも１つの指示電極または少なくとも１つの基準電極のうちの少なくとも１つは、前記基板上および／またはそれに近接して位置付けられている、請求項１に記載のシステム。
42. 前記基板は、ガラス、シリコン、プラスチック、およびそれらの組み合わせから成る群から選択される材料を備えている、請求項４１に記載のシステム。
43. 前記少なくとも１つの基準電極は、前記基板上および／またはそれに近接して位置付けられている、請求項４１に記載のシステム。
44. 少なくとも３つの指示電極および少なくとも２つの基準電極が、前記基板上および／またはそれに近接して位置付けられている、請求項４１に記載のシステム。
45. 前記２つの基準電極のうちの少なくとも１つは、少なくとも２つの指示電極と協働して作用するように構成されている、請求項４４に記載のシステム。
46. センサをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
47. 前記センサは、温度センサ、湿度センサ、圧力センサ、およびこれらの組み合わせから成る群から選択される、請求項４６に記載のシステム。
48. 前記読み取り機は、前記センサを備えている、請求項４６に記載のシステム。
49. 前記使い捨てプローブは、前記センサを備えている、請求項４６に記載のシステム。
50. 第２の使い捨てプローブをさらに備えている、請求項１に記載のシステム。
51. 前述の図を参照して説明される、システム。
52. 前述の図を参照して説明される、方法。