KR20160034246A

KR20160034246A - 주입가능한 완전히 통합된 전기화학 센서들의 설계 및 제조

Info

Publication number: KR20160034246A
Application number: KR1020157033922A
Authority: KR
Inventors: 무하마드 무지브-유-라만; 메이샘 호나바 나자리; 메흐멧 센캔; 악셀 셰러
Original assignee: 캘리포니아 인스티튜트 오브 테크놀로지
Priority date: 2013-07-24
Filing date: 2014-07-24
Publication date: 2016-03-29
Also published as: MX2015015288A; AU2014292984A1; JP6450757B2; WO2015013552A1; EP3024391A4; CN105358059A; EP3024391A1; JP2016527960A; EP3024391B1

Abstract

완전히 통합된 소형 주입가능 감지 디바이스가 설명되고, 센서 및 센서와 인터페이스하고 외부 디바이스와 통신하기 위한 전자 회로를 포함할 수 있다. 감지 디바이스들에 대한 다양한 제조 방법들은 설명되고, 센서의 전극들 및 대응하는 기능화 화학물들을 포함하도록 전자 회로와 동일한 제조 기술을 사용하여 생성된 웰들의 제공을 포함한다. 그런 주입가능 감지 디바이스는 살아있는 바디 내에서 다양한 전기화학 측정 애플리케이션들뿐 아니라 전류를 살아있는 바디에 주입함으로써 작동을 위해 사용될 수 있다.

Description

주입가능한 완전히 통합된 전기화학 센서들의 설계 및 제조{DESIGN AND FABRICATION OF IMPLANTABLE FULLY INTEGRATED ELECTROCHEMICAL SENSORS}

[0001] 본 출원은 2013년 7월 24일 출원되고 발명의 명칭이 "Design and Fabrication of Implantable Fully Integrated Electrochemical Sensors"인 미국 예비 출원 번호 61/857,995에 대한 우선권을 주장하고, 상기 출원은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된다.

[0002] 본 출원은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함되는, 2013년 12월 13일 출원되고 발명의 명칭이 "Fabrication of Three-Dimensional High Surface Area Electrodes"인 미국 출원 번호 14/106,701(위임 도킷 번호 P1335-US)에 대한 우선권을 주장한다.

[0003] 본 출원은 또한 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함되는, 2014년 2월 4일에 출원된 발명의 명칭이 "Implantable Wireless Miniature Fully Integrated Sensing Platform for Healthcare Monitoring"인 미국 예비 출원 번호 61/935,424에 대한 우선권을 주장한다.

[0004] 본 출원은 또한 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함되는, 2014년 2월 6일 출원된 발명의 명칭이 "Miniaturized Implantable Electrochemical Sensor Devices"인 미국 출원 번호 14/174,827(위임 도킷 번호 P1387-US)에 대한 우선권을 주장한다.

[0005] 본 개시는 주입가능 완전히 통합된 전기화학 센서 디바이스들의 설계 및 제조에 관한 것이다.

[0006] 생물 지표(biological indicator)들의 측정은 다양한 의학 질병(medical disorder)들에 대해 관심을 가진다. 다양한 시스템들은 주입가능 디바이스를 통해 다양한 동물들(예를 들어, 포유동물들)의 살아있는 바디 내에서 생물 지표들을 측정하기 위하여 개발되었다.

[0007] 기존 주입가능 디바이스들은 살아있는 바디 내에서 높은 로컬 온도들을 생성할 가능성을 가진다. 종종 외부 소스들로부터 제공된 전력은 주입가능 디바이스 둘레에 로컬 온도 증가를 초래한다. 종종 주입가능 디바이스로부터의 정보의 전송은 주입가능 디바이스 둘레의 로컬 온도의 증가를 초래한다. 그러나, 살아있는 바디는 높은 내부 온도들을 견딜 수 없다. 높은 내부 온도들은 종종 조직 사망을 유도한다[예를 들어, 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된 참조 5].

[0008] 주입가능 디바이스들에 직면하는 다른 문제는 주입가능 디바이스 둘레 살아있는 바디의 조직 내에 이물질(foreign body) 캡슐의 형성이다. 피브로겐 및 다른 단백질들은 생물 부착(biofouling)으로서 알려진 프로세스에서 주입 후 곧 디바이스 표면에 바인드(bind) 한다. 대식 세포들(macrophages)은 성장 인자(β) 및 다른 염증성 시토카인(inflammatory cytokine)들을 방출하는 이들 단백질들에 대한 수용체들에 바인드 한다. 프로콜라겐은 밀집한 섬유 이물질 캡슐의 형성에 서서히 기여하는 세포외 틈(extracellular space)에 분비된 후 합성 및 교차결합된다. 밀집한 캡슐은 주입가능 디바이스가 살아있는 바디와 인터페이스하는 것을 방지하고 이에 의해 종종 주입가능 디바이스의 동작을 못하게 한다[예를 들어, 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된 참조 6].

[0009] 이들 문제들은 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된, 이전에 언급되어 관련된 미국 출원 번호 14/174,827에 개시된 소형화된 주입가능 전기화학 센서 디바이스에 의해 어느 정도 처리되었다. 그러나, 그런 소형화된 주입가능 전기화학 센서는 자신의 엘리먼트들 중 몇몇이 디바이스에 접착되기 때문에 완전히 통합(예를 들어, 모놀리식으로 통합)되지 못한다.

[0010] 특히, 완전 무선 임플란트(implant)들은 건강 관리 시스템의 미래로서 고려되고 있다. 이들 임플란트들은 많은 양상들에서 건강 관리 시스템을 개선할 수 있다. 이들 디바이스들의 초-소형 스케일(scale) 설계는 그들의 매크로 상대들에 비해 많은 장점들을 약속한다. 이런 크기 스케일은 주입할 이물질 응답을 최소화하는 것으로 여겨진다. 또한 이는 쉬운 주입 및 외이식(explantation) 절차들을 가능하게 할 것이다. 마지막으로, 그런 임플란트들은 경피성(transcutaneous) CGM(continuous glucose monitoring: 지속성 글루코스 관찰) 시스템들 같은, 현재 사용되고 있는 유선 시스템들과 연관된 감염(infection) 및 자극(irritation)의 영구적 위험성을 최소화할 수 있다. CGM 시스템이 관련 예인 많은 상황들에서, 원격으로 전력을 공급받는 주입된 센서는 그런 유선 임플란트들과 연관된 위험들을 회피하면서 관심 신호들의 레벨들을 모니터할 수 있고 데이터를 외부 수신기에 전송할 수 있다. 신뢰성 있는 전력 전달뿐 아니라 이물질 응답을 최소화하도록 하기 위하여, 센서의 크기 및 전력 소비 둘 다가 최소화될 수 있다. 이제까지 가장 작은 리포트된 시스템은 대략 8×4×1mm3을 차지한다[예를 들어, 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된 참조 2]. 무선으로 전력을 공급받는 콘택 렌즈 기반 CGM 센서는 또한 약 3μW를 소비하는 것으로 보고되었다[예를 들어, 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된 참조 3]. 본 개시가 체액(body fluid)들의 측정에 관련된 애플리케이션들을 위해 소형 크기 주입가능 디바이스들을 제조하기 위하여 사용될 수 있고 특정 환경에서의 측정으로 제한되지 않고 다양한 애플리케이션들을 위해 사용될 수 있는 방법들 및 디바이스들을 제공하는 것이 뒤따른다.

[0011] 마이크로/나노 스케일에서 고체상태 전기화학 센서들 및 작동기들은 최근에 많은 관심을 얻었다. 마이크로/나노 기술들을 사용하는 그런 센서들의 상세한 설계는 특정 애플리케이션에 대해 최적 응답을 얻기 위하여 함께 처리될 필요가 있는 많은 시스템 레벨 설계 문제들을 수반할 수 있다. 몇몇 경우들에서, 특정 설계/제조/제작 기술들은 이들 디바이스들이 완전히 통합된 시스템의 부분 이도록 하기 위하여 사용될 수 있다. 본 출원은 주입가능 통합된 시스템들의 예시적인 경우에 대한 그런 기술들을 개시하고, 상기 경우는 본 지침들의 범위를 제한하는 것으로 이해되지 않아야 한다. 당업자가 마이크로 및/또는 나노 기술들을 사용하여 다른 타입들의 통합된 고체 상태 전기화학 센서들 및 작동기들의 설계/제조/제작을 위하여 이들 동일한 기술들을 사용할 수 있다는 것이 이해된다.

[0012] 본 개시의 일 실시예에 따라 소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법이 제시되고, 방법은 기판의 제 1 면상에 전자 시스템을 모놀리식으로 통합함으로써 전자 시스템을 제조하는 단계 ― 전자 시스템은, 주입가능 디바이스의 동작 동안, 무선 통신 링크를 통해 외부 디바이스와 통신하고 무선 통신 링크로부터 주입가능 디바이스에 대한 전력을 추출하도록 구성됨 ―; 기판의 제 1 면상에 코일을 모놀리식으로 통합함으로써 코일을 제조하는 단계 ― 코일은 무선 통신 링크를 제공하도록 구성됨 ―; 및 기판의 제 1 면상에 복수의 전극들을 모놀리식으로 통합함으로써 전기화학 센서의 복수의 전극들을 제조하는 단계 ― 복수의 전극들은 주입가능 디바이스의 전기화학 센서와 전자 시스템 사이의 전기 인터페이스를 제공하도록 구성됨 ―를 포함한다.

[0013] 본 개시의 제 2 실시예에 따라 모놀리식으로 통합된 소형화된 주입가능 디바이스가 제시되고, 복수의 절연 층들을 통해 분리된 복수의 금속 층들을 포함하는 소형화된 주입가능 디바이스의 모놀리식으로 통합을 위한 기판; 복수의 전극들을 포함하는 모놀리식으로 통합된 전기화학 센서; 모놀리식으로 통합된 전자 시스템; 및 모놀리식으로 통합된 코일을 포함하고, 주입가능 디바이스의 동작 동안, 전자 시스템은 전기화학 센서와 인터페이스하고 반응의 대응 전류를 감지하고, 코일에 의해 제공된 무선 통신 링크를 통해 외부 디바이스와 통신하고, 무선 통신 링크로부터 소형화된 주입가능 디바이스에 대한 전력을 추출하도록 구성된다.

[0014] 본 명세서에 통합되고 일부를 구성하는 첨부 도면들은 본 개시의 하나 또는 그 초과의 실시예들을 예시하고, 예시적인 실시예들의 설명과 함께, 본 개시의 원리들 및 구현들을 설명하는 역할을 한다.
도 1a 및 도 1b는 본 개시의 실시예들에 따른 통합된 주입가능 디바이스의 센서에 사용된 전극들의 예시적인 기하구조들을 예시한다.
도 2는 패턴화된 전극 표면의 예시적인 실시예를 예시한다.
도 3a 및 도 3b는 본 개시의 실시예들에 따른 통합된 주입가능 디바이스에 사용된 센서들의 예시적인 기하구조들을 예시한다.
도 4a 및 도 4b는 2개의 상이한 증착 방법들을 사용하여 커버된 전극들을 가진 2개의 센서들을 예시한다.
도 5는 전극 및/또는 기능화 화학물(chemistry)을 홀드하기 위하여 사용될 수 있는 CMOS 프로세스를 사용하여 생성된 통합된 주입가능 디바이스의 웰(well)을 도시한다.
도 6은 전극들과 아래 놓인 전자장치들 사이의 연결을 제공하기 위하여 사용될 수 있는 통합된 주입가능 디바이스 내의 비아들을 도시한다.
도 7은 예시적인 통합된 주입가능 디바이스를 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 각각 백금(Pt) 필름 및 백금 산화물(PtOx) 필름의 표면의 스캐닝 전자 현미경 사진을 도시한다.
도 9는 황산 용액에서 백금의 예시적인 전기화학 산화 곡선(전류 대 전압)을 도시한다.
도 10a-도 10d는 과산화물 용액에서 전극(예를 들어, 기준 전극(RE)) 시간 안정성 및 간섭 효과들에 대한 개방 회로 테스트를 나타내는 다양한 그래프들을 도시한다.
도 11은 센서가 분산된 전극들을 가지는 본 개시의 실시예에 따른 예시적인 통합된 주입가능 디바이스를 도시한다.
도 12a 및 도 12b는 각각 기능화 이전 및 기능화 이후 분산된 전극들을 가진 주입가능 통합 디바이스의 예시적인 센서를 도시한다.
도 13은 주입가능 통합된 디바이스, 대응하는 외부 송신기/판독기 및 둘 사이의 인터페이스 구역을 포함하는 시스템의 블록도를 묘사한다.
도 14는 예시적인 3-스테이지 자기 동기화 전파 정류기의 회로도를 묘사한다.
도 15는 예시적인 선형 전압 레귤레이터(regulator)의 회로도를 묘사한다.
도 16은 외부 송신기/판독기 디바이스와 주입된 통합된 주입가능 디바이스 사이의 7 mm 간격에서 6μW 로드 대 통합된 주입가능 디바이스에 전송된 전력에서 측정된 정류기 및 레귤레이터 출력 전압들을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 17은 주입가능 통합된 디바이스에 사용된 획득 시스템의 예시적인 실시예를 도시한다.
도 18a 및 도 18b는 도 17에 묘사된 획득 시스템에 사용된 듀얼 슬로프(dual-slope) 8 비트 ADC(부호 비트 제외)의 능력을 나타내는 그래프들을 도시한다.
도 19는 통합된 주입가능 디바이스의 예시적인 구현 크기를 도시한다.
도 20은 상업적 전위 가변기(potentiostat)의 능력에 대조되고 글루코스 농도를 검출하기 위한 예시적인 구현의 능력을 나타내는 그래프를 도시한다.
도 21은 외부 송신기/판독기 디바이스와 통합된 주입가능 디바이스 사이의 다양한 통신 시퀀스들을 나타내는 오실로스코프 이미지를 도시한다.
도 22는 예시적인 구현의 다양한 능력들을 나타내는 표를 도시한다.
도 23은 시스템이 작동 작업을 수행하게 하는 부가된 작동기 유닛을 가진 도 13에 묘사된 시스템의 블록도를 묘사한다.

[0015] 본원에 사용된 바와 같이, "모놀리식(monolithic) 기판"은 컴포넌트들이 모놀리식으로 통합된 기판이고 그러므로 그런 컴포넌트들은 기계적 수단을 통하여 기판에 부착 및/또는 고착되지 않는다. 본 개시에 따른 다양한 실시예들에서 모놀리식 기판은 당업자에게 알려진 CMOS 기술 또는 다른 제조 기술을 사용한 프로세싱 결과일 수 있다. 모놀리식 기판이 다수의 면들을 가지며, 적어도 제 1 면 및 제 2 면을 가지는 것이 이해된다. 제 1 면 및 제 2 면은 제 1 및 제 2 면이 모놀리식 기판의 다른 면들보다 크다는 점에서 모놀리식 기판의 다른 면들로부터 구별될 수 있다.

[0016] 본원에 사용된 바와 같이, 용어 "센서"는 특정 생물 지표의 검출을 책임지는 주입가능 디바이스의 구역을 지칭할 수 있다. 예를 들어, 글루코스 모니터링을 위한 몇몇 실시예들에서, 센서 인터페이스는 생물 샘플(예를 들어, 혈액 또는 조직액(interstitial fluid)) 또는 이들의 부분들이 효소(enzyme)(예를 들어, 클루코스 산화효소)에 콘택하는 해당 구역을 지칭하고; 생물 샘플(또는 이들의 부분)의 반응은 생물 샘플에서 글루코스 레벨의 결정을 허용하는 반응 산물들의 형성을 초래한다. 본 발명의 다양한 실시예들에서, 센서는 본 개시에서 이후에 설명되는 바와 같이 "기능화 층"을 더 포함한다. 본 개시의 다양한 실시예들에서, 센서는 모놀리식 기판에 모놀리식으로 통합될 수 있다. 본 개시의 다양한 실시예들에서 모놀리식으로 통합된 센서는 대응 신호 프로세싱 회로로부터 상이한 모놀리식 기판의 면상에 배치될 수 있다. 이것은 예를 들어 모놀리식 기판의 실리콘 면 아래에 설명된 방법과 유사하게 높은 표면 전극들(예를 들어, 패턴화된 전극들)을 형성하고 이들을 모놀리식 기판을 통하여 신호 프로세싱 회로를 포함하는 모놀리식 기판의 다른 면에 상호연결함으로써 다양한 실시예들에서 행해질 수 있다. 센서들 및 패턴화된 전극들 및 이들의 구성 방법들에 대한 많은 정보는 예를 들어, 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된, 2013년 12월 13일에 출원된 발명의 명칭이 "Fabrication of Three-Dimensional High Surface Area Electrodes"인 인용된 미국 출원 번호 14/106,701에서 발견될 수 있다.

[0017] 완전히 통합된 전기화학 센서 디바이스들은 상이한 환경들에서 상이한 종들의 측정을 요구하는 다양한 애플리케이션들에서 매력적일 수 있다. 주입가능 감지 애플리케이션들의 경우에 대해, 이들 디바이스들은 예를 들어 CMOS 기술을 사용하여 신호 프로세싱 플랫폼들과 통합의 용이성뿐 아니라 매우 선택적이고 민감한 신호를 검출/제공할 수 있다.

[0018] 다음 섹션들에서 제시된 본 개시의 다양한 실시예들에 따라, 이들 디바이스들의 완전 통합은 전기화학 센서들 둘레 완전한 시스템의 존재를 고려하는 설계 방법들을 사용함으로써 달성될 수 있다. 게다가, 통합된 디바이스들에 사용된 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 제조 방법들 및 기술들은 완전한 시스템과 호환가능하고 실질적으로 임의의 대응하는 서브시스템의 성능에 영향을 받지 않는다.

[0019] 전기화학 센서(예를 들어, 전위 측정/전류 측정 센서)는 다수의 전극들로 이루어질 수 있다. 흔히 3개의 전극들, 작업 전극, 카운터 전극 및 기준 전극이 사용된다. 기준 전극은 타겟 측정 환경(예를 들어, 화학 용액, 혈액, 조직액, 등)에서 안정된 전위 기준을 설정하기 위하여 사용될 수 있다. 작업 전극은 타겟 측정 환경 내에서 관심 있는 하나 또는 그 초과의 종의 몇몇 인터페이스 반응에 대응하는 전기 신호(예를 들어, 전류 흐름)를 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 타겟 측정 환경에서 전기화학 센서를 포함하는 회로의 패시브 엘리먼트일 수 있는 카운터 전극은 일반적으로 작업 전극의 전류를 밸런스하기 위하여 사용될 수 있다. 매우 작은 신호들이 생성되는 몇몇 시스템들에 대해, 기준 전극은 또한 카운터 전극으로서 작동할 수 있고 그러므로 제 3 전극에 대한 필요를 제거할 수 있다. 기준 전극의 배치가 어려울 수 있는 몇몇 다른 시스템들에 대해, 플로팅 기준-없는(전극) 설계가 사용될 수 있다. 4 또는 그 초과의 전극 설계는 또한 하나보다 많은 작업 전극들이 한 번에 다수의 종들 또는 노이즈 제거를 위해 차동 신호 레벨들을 측정하기 위하여 사용될 수 있는 경우 사용될 수 있다.

[0020] 센서의 크기가 중요성을 가지는 주입가능 센서 애플리케이션들(예를 들어, 인간들, 포유동물들)에 대해, 플로팅 기준 없음 설계는 보다 작은 디바이스 풋프린트(footprint)를 초래할 수 있다. 그러나 주입가능 센서의 장기간 안정성이 주된 설계 문제이면, 전용 및 안정된 기준 전극을 가진 3개의 전극 설계는 보다 매력적인 설계 접근법일 수 있다.

[0021] 통합된 전극들의 마이크로/나노 스케일 구조화는 다양한 애플리케이션들에 대한 많은 유용한 피처들을 제공할 수 있다. 그런 전극들을 설계하고 제조하기 위한 방법들은 그 전체가 인용에 의해 본원에 통합되는, 2013년 12월 13일 출원된 발명의 명칭이 "Fabrication of Three-Dimensional High Surface Area Electrodes"인 상기 참조된 미국 출원 번호 14/106,701에서 본 개시의 출원자들에 의해 개시된다.

[0022] 센서의 선택성이 바람직한 주입가능 센서 애플리케이션들에 대해, 대응하는 전극들의 기능화는 유용한 기술일 수 있다. 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 센서들은 그 자리에서 기능화부를 쉽게 통합하도록 설계된다(예를 들어, 전극들은 통합된 센서 디바이스 내에 제조/통합 후 기능화될 수 있음). 그 전체가 인용에 의해 본원에 둘 다 포함되는 상기 참조된 미국 출원 번호 14/106,701 및 미국 출원 번호 14/174,827에 설명된 바와 같이, 센서들 둘레에 웰 구조와 커플링된 센서들의 마이크로/나노 기하구조는 그 자리에서 기능화 매트릭스를 유지함으로써 그런 기능화가 가능하게 만든다.

[0023] 당업자에게 알려진 바와 같이, 기능화는 센서의 전극들이 관심 대상에 특이성을 제공하기 위하여 "기능화 층"에 의해 커버되는 프로세스이다. 어구 "기능 층"은 관심 타겟이 디바이스에 대한 전자 신호로 검출될 수 있는 임의의 메커니즘(예를 들어, 효소 또는 비효소)을 포함하는 층을 지칭한다. 예를 들어, 본 발명의 몇몇 실시예들에 따라, 기능 층은 클루콘산염으로 클루코스의 전환을 촉진시키는 글루코스 산화효소의 겔을 포함할 수 있다: 클로코스+O₂→클루콘산염+H₂O₂. 클루콘산염으로 전환된 각각의 클루코스 분자로 인해, 공반응물 O₂ 및 산물 H₂O₂에서 비율 변화가 있고, 사람은 글루코스 농도를 결정하기 위하여 공반응물 또는 산물 중 어느 하나의 현재 변화를 모니터할 수 있다. 본 개시의 다양한 실시예들에서 기능 층은 효소(예를 들어, 글루코스 산화효소)가 로드된 하이드로겔(예를 들어, BSA)을 포함할 수 있다. 본 개시의 다양한 대안적인 실시예들에서 기능 층은 또한 효소(예를 들어, 글루코스 산화효소)가 로드된 폴리머(예를 들어, 폴리피리딘)일 수 있다.

[0024] 본 개시의 다양한 실시예들에 따라, 통합된 플랫폼상에 매우 작은(마이크로/나노) 스케일의 고체 상태 전기화학 시스템들의 설계, 제조 및 제작을 위한 방법은 다음에 제시된다. 그런 고체 상태 전기화학 시스템들은 마이크로 및 나노 스케일 피처들을 사용하여 센서들을 통합할 수 있고, 예를 들어 CMOS 기술을 사용하여 설계된 대응하는 신호 프로세싱 회로들은 모두 밀리미터 크기 주입가능 디바이스 내에 통합된다. 본 개시에 따른 예시적인 실시예에서, 그런 주입가능 디바이스는 1.4 mm × 1.4 mm보다 크지 않고 1.0 mm × 1.0 mm까지의 표면적, 및 적용된 기능화 층 화학물 없이 250 μm보다 크지 않고, 기능화 층 및 보호 층을 포함하여 0.5mm보다 크지 않은 두께를 가질 수 있다. 게다가, 다이(예를 들어, 제조를 위해 사용된 CMOS 다이)는 적용된 기능화 층 화학물 없이 200 μm보다 크지 않고 약 100 μm까지 두께의 심지어 보다 얇은 디바이스를 제공하기 위하여 약 100 μm(예를 들어, 250 μm로부터)까지 추가로 얇아질 수 있다(다이의 후면 측으로부터). 몇몇 실시예들에서 기능화 층 화학물은 약 200 μm 또는 그 보다 작은 두께를 가질 수 있고 보호 층(예를 들어, 패키징, 생체적합성/ 확산 제한 겔)은 약 100 μm 또는 그 보다 작은 두께를 가질 수 있다. 따라서, 통합된 주입가능 디바이스는, 마무리된 상태에서 기능화 층의 두께 및 보호 층의 요구 또는 비요구(예를 들어, 기능화 층이 추후 설명된 웰들 내에 완전히 임베드될 수 있는지 여부)에 따라, 약 1.0 mm × 1.0 mm × 200μm 내지 1.0 mm × 1.0 mm × 400 μm의 총 크기를 가질 수 있다.

센서 설계:

[0025] 본 개시의 이전 섹션들에서 설명되고 당업자에게 알려진 3개의 전극 기반 설계들은 장기간 애플리케이션들(예를 들어, 아마도 몇 달들의 예상된 연속적인 사용)에서 안정된 수행을 위한 공통의 선택일 수 있다. 본 개시의 실시예에 따라 선택적 제 4 전극은 배경 노이즈 소거 및/또는 차동 캘리브레이션을 수행하기 위하여 사용될 수 있다. 주입가능 통합된 디바이스의 설계 제한들이 총 이용가능 면적을 포함할 수 있기 때문에, 본 개시의 몇몇 실시예들에 따라 제 4 전극은, 제 4 전극(및 대응하는 부가적인 신호 프로세싱 컴포넌트들)의 배치를 보상하는 것과 같은 다른 전극들의 크기 감소가 자신의 성능을 위태롭게 하지 않으면 사용될 수 있다. 제 4 전극에 대한 부가적인 신호 프로세싱의 포함은 또한 온-칩 신호 프로세싱 회로의 크기 및 전력 소비를 증가시킬 수 있다. 이것은 또한 주입가능 통합된 디바이스의 설계 동안 고려될 수 있다. 비록 3 및 4개의 전극 센서 설계들의 예시적인 경우들이 본 개시의 이 섹션에서 언급되지만, 당업자는 예를 들어 2 및 4보다 많은 전극 센서들을 사용한 대안적인 설계들이 또한 본 지침들에서 제공되면 가능하기 때문에 이들이 사실상 단순 예시라는 것을 쉽게 안다.

[0026] 전기화학 센서가 관심 종을 검출하기 위하여 타겟 측정 환경 내에 있을 때, 관심 종과 상이한 소스들에 의해 유발된 몇몇 전류가 존재할 수 있다. 배경 전류로서 지칭될 수 있는 그런 전류는 회로 노이즈, 간섭 화학물들(예를 들어, H₂O₂ 기반 센서들의 경우 아세트아미노펜, L-아스코르브산, 등)뿐 아니라 전기화학 센서의 감지 화학물에 의해 생성되지 않은 검출된 종들(예를 들어 H₂O₂ 또는 O₂의 배경 레벨들)에 의해 유발될 수 있다. 타겟 측정 환경의 배경 신호가 빠르게 변화하는 애플리케이션들에 대해, 제 4 전극의 사용은 검출된 신호에 대한 그런 빠른 변화들의 효과들을 감소시키기 위하여 유익할 수 있다. 주입가능 애플리케이션들의 경우에, 그런 효과들의 심각성은 전극 화학물이 예를 들어 아세트아미노펜 및 L-아스코르브산 같은 간섭 화학물들을 차단함으로써 같은 배경 변화들을 최소화할 수 있는지 여부에 따를 수 있다. 전극 화학물이 배경 변화들을 최소화할 수 있다면, 3개의 전극들이 충분할 수 있고, 그렇지 않으면, 차동 측정을 위해 사용될 수 있는 제 4 전극이 유리할 수 있다.

[0027] 전극들의 총 면적 및 수가 설정되면(예를 들어, 본 개시의 이전 섹션들에서 제시된 바와 같이), 본 개시의 추가 실시예들에 따라 전극들의 작동 전극 표면적은 배경 신호로부터 원해진 신호 대 노이즈 비에 따라 설정될 수 있다. 이것은 수학적 모델링, 컴퓨터 시뮬레이션들 및 실험 결과들의 결합을 통해 설정될 수 있다. 작업 전극 표면적이 설정되면, 카운터 전극은 센서 신호의 임의의 로딩을 회피하기 위하여 작업 전극보다 다수 배 큰(예를 들어, 3-20 배 더 큰) 표면적을 가지도록 설계된다. 기준 전극은 말하자면 2개의 전극들 사이의 iR 강하(drop)를 최소화하기 위하여(예를 들어, 2개의 전극들 사이의 보상되지 않은 저항으로 인해) 대부분의 작업 전극과 아주 가깝게, 크기 면에서 작업 전극과 유사한 표면적을 가지도록 설계될 수 있다. 마지막으로, 기준 전극은 카운터 전극보다 작업 전극에 가장 근접하게 배치될 수 있다.

[0028] 본 개시의 추가 실시예들에 따라, 전극들의 수 및 전극들에 대한 총 이용가능한 표면적에 관련된 상기 제한들은 상이한 기하구조들의 전극들에 의해 충족될 수 있다. 기하구조적 접근법은 반복적으로 설계를 최적화하기 위하여 사용될 수 있다. 센서들 및 연관된 전극들의 2개의 예시적인 설계 기하구조들은 도 1a 및 도 1b에 도시된다. 도 1a 및 도 1b에 묘사된 양쪽 센서들은 동일한 표면을 커버할 수 있고 예를 들어, 도 1a 및 도 1b에서 각각 (110, 115, 120)으로서 식별된 작업 전극(WE), 기준 전극(RE), 및 카운터 전극(CE) 같은 3개의 전극들을 가질 수 있다.

[0029] 도 1a 및 도 1b에 도시된 센서들은 평면 전극들을 가질 수 있다. 몇몇 실시예들에 따라 그리고 특정 애플리케이션들 및 요건들에 의존하여, 센서들의 전극들 중 하나 또는 그 초과가 패턴화될 수 있다. 패턴화된 전극들은, 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된 예를 들어 인용된 미국 출원 번호 14/106,701에서 설명된 바와 같이 패턴화된 전극들이 평면(예를 들어, 비패턴화된) 전극들에 관하여 증가된 유효 표면적을 소지할 수 있기 때문에 성능을 강화시키기 위하여 활용될 수 있다. 패턴화된 전극의 예는 도 2에 도시된다.

[0030] 본 개시에 따른 예시적인 실시예들에서 패턴화된 전극들의 설계는 상업적 소프트웨어를 사용하여 만들어질 수 있다. PMMA 950 A4는 원해진 해상도를 여전히 달성하면서 깨끗한 리프트-오프(lift-off)를 달성하기 위하여 사용될 수 있다. 레지스트(resist)는 1분 동안 4000 rpm에서 회전된 후 5분 동안 180℃에서 베이크될 수 있다. 1200 μc/cm2의 분량(dose)은 Leica EBPG5000 + 광학 시스템에서 패턴을 기록하기 위하여 사용될 수 있다. 패턴들은 20 초 동안 MIBK 및 IPA의 1:3 용액에서 현상된 후 탈이온화된 물에 린스된다. 후에, 50 nm 알루미나 마스크는 5분 동안 산소 플라즈마에서 알루미늄을 증착함으로써 Temescal TES BJD-1800 DC 반응 스퍼터 시스템에서 스퍼터 코팅될 수 있다. 마지막으로, 마스크 리프트오프는 2분 동안 초음파 배스(bath)에서 다이클로로메테인에서 수행될 수 있다. 성공적인 패터닝은 광학 현미경 관찰(도시되지 않음)을 통해 본 개시의 출원자들에 의해 확인되었다.

[0031] 본 개시에 따른 예시적인 실시예들에서 그 다음 패터닝은 MA-N 2403 레지스트로 수행될 수 있다. 필러(pillar)들은 예를 들어 UNAXIS RIE 머신을 사용하여 금속 패드의 부분들을 에치 제거하기 위하여 건식 플라즈마(Cl2:BCl3)뿐 아니라 습식 에천트들(예를 들어, TMAH) 둘 다를 사용하여 제조될 수 있다. 건식 플라즈마(Cl2:BCl3) 에치에 대해, 온도는 섭씨 25도 및 120 와트까지의 RIE 전력으로 설정될 수 있다. Cl2에 대한 유량은 4 SCCM으로 설정될 수 있고 BCl3의 유량은 20 SCCM으로 설정될 수 있다. 습식 TMAH 에치에 대해, 표면은 10분 동안 실온에서 액체에 담겨질 수 있다. 성공은 형성된 구조의 치수들 및 균일성에서 보여질 수 있다.

[0032] 본 개시의 추가 실시예에 따라, 평면이나 패턴화된 그런 센서들(예를 들어, 평면/패턴화된 전극들을 포함함)은 또한 IC 기판의 전면 측 상에 제조될 수 있다. 본 개시에 따른 예시적인 실시예에서 CMOS 기술에서 이용가능한 금속 구조들에 대한 구성 방법들은 그런 평면 및/또는 패턴화된 센서들을 제조하기 위하여 사용될 수 있다. 이들은 센서와 IC 사이의 연결들을 포함하는, 전자 IC에 관련된 구성 단계들과 결합(예를 들어, 통합)될 수 있다. 본 개시에 따른 또 다른 예시적인 실시예에서, 전면 표면상 노출된 실리콘 영역은 포스트-프로세싱 단계(예를 들어, CMOS 프로세싱 단계 후) 동안 그런 평면 및/또는 패턴화된 센서들을 제조하기 위하여 사용될 수 있다. 본 개시에 따른 또 다른 예시적 실시예에 따라, 평면 및/또는 패턴화된 센서들은 요구된 전자장치들과 동일한 제조 기술(예를 들어, CMOS)을 사용하여 상단 금속 층 상에 제조될 수 있는 반면, 요구된 전자장치(예를 들어, IC)는 전체 다이 면적을 감소시키기 위하여 상단 금속 층(예를 들어, 완전히 또는 부분적으로) 아래에 설계될 수 있다. 후자의 예시적인 실시예의 경우, 전극들 사이의 간격은 예를 들어 광학/RF 파들이, 상단 금속 층에 대응하는 레벨 아래 하부 레벨 상에 배치될 수 있는 광학/RF 엘리먼트들(예를 들어, 통합된 광전지 디바이스들, RF 안테나)에 도달하게 하도록 활용될 수 있다. 그런 파들은 통합된 디바이스의 전자장치 회로로부터/회로로 신호들을 전송/수신하기 위하여 사용될 수 있다. 당업자는 상단 금속 층의 구역들을 통해 다른 타입들의 신호들의 전송/수신을 위하여 본 개시에 따른 그런 지침들을 사용하는 방법을 알 것이다.

[0033] 센서들 및 아래 놓인 전자장치를 제조하는 결합된 방법을 추가로 참조하여, 본 개시의 몇몇 실시예들에 따라, 센서 설계는 예를 들어 CMOS 제조 기술을 사용하여 아래 놓인 전자 회로의 설계 내에서 통합될 수 있다. 그런 제조 기술을 사용하여, 예시적인 센서(예를 들어, 2, 3 또는 보다 많은 전극들) 기하구조들은 도 3a(직사각형 센서) 및 도 3b(다각형 센서)에서 묘사된 바와 같이, 대응하는 CMOS 칩 상에 직사각형뿐 아니라 다각형 통합된 센서들을 포함할 수 있다. 본 개시의 몇몇 예시적인 실시예들에 따라, 그런 통합된 센서들은 CMOS 제조시 사용된 금속 층들(예를 들어 CMOS 기판)의 스택에서 상단 금속 층을 사용하여 CMOS 프로세싱 단계 동안 제조될 수 있다. 당업자에게 알려진 바와 같이, CMOS 제조 프로세스는 상호연결을 위해 복수의 금속 층들을 사용할 수 있다. 그런 층들은 그런 층들을 분리하는 절연체 층들(예를 들어, 산화물 층들)과 서로의 상단 상에 적층될 수 있다. 본원에 사용된 바와 같은 상단 금속 층은 일반적으로 자신 위에 상단 절연체 층(예를 들어, 최상단 절연체 층)을 가질 수 있는 금속 층들의 스택에서 최상단 금속 층으로 지칭된다. 그러므로, 하부 금속 층은 상단 금속 층 아래에서 스택의 금속 층일 수 있다. 본 개시에 따른 대안적인 실시예들에서, 통합된 센서들은 상단 절연 층들(예를 들어, 하부 금속 층으로부터 상단 금속 층을 분리할 수 있는 산화물 층들)의 추가 에칭을 사용하여 후에 노출될 수 있는 하부 금속 층을 사용하여 CMOS 프로세싱 단계 동안 제조될 수 있다. 하부 금속을 사용하는 이후 방법은 대응하는 센서 전극들에 대한 보다 깊은 웰(예를 들어, 이후 설명되는 상이한 금속 및/또는 기능화 화학물을 증착하기 위한)을 제공할 수 있고, 그러므로 본 개시의 몇몇 실시예들에 따라 그런 웰이 모든 기능화 층이 아닌 일부를 포함할 수 있지만, 전극들 상단 상에 기능화 화학물의 두께를 증가시키도록 허용할 수 있다.

[0034] 몇몇 경우들에서 아래 놓인 전자장치(예를 들어, CMOS)의 프로세싱 단계에서 이용가능한 공통 금속들은 전기화학 감지 애플리케이션들을 위하여 매우 적당하지 않다. 예를 들어, CMOS 프로세싱은 통상적으로 전기화학 감지 애플리케이션들을 위하여 바람직하지 않을 수 있는 Al, Cu, Al/Cu 금속 합금들을 사용할 수 있다. 본 개시의 추가 실시예들에 따라 그런 바람직하지 않은 금속들이 대응하는 포스트-프로세싱 단계 동안 전기화학 감지를 위하여 보다 적당한 금속들로 커버(예를 들어, 전자 빔 증착을 사용하여) 또는 교체(예를 들어, 에칭 다음 증착을 사용하여)될 수 있다는 것이 뒤따른다. 이들 보다 적당한 금속들은 예를 들어 귀금속들(예를 들어, 백금-기반(Pt) 금속들, 이리듐 기반(Ir) 금속들, 금-기반(Au) 금속들)일 수 있다. 이런 포스트 프로세싱 단계에 관한 보다 많은 정보는 본 개시의 이후 섹션들에서 제공된다.

[0035] 본 개시의 설명된 실시예들에 따라 센서 디바이스의 전자장치에 사용된 칩(예를 들어, CMOS 프로세스를 통해 제조됨)에 전극들의 통합 및 대응하는 포스트-프로세싱 방법은 당업자가 환영할 수 있는 장점들을 제공할 수 있다. 예를 들어, 그런 통합된 센서 설계는 분리된 센서 다이들을 전자 칩(예를 들어, CMOS)에 본드할 필요를 회피할 수 있고, 그러므로 전자 칩과 비-통합된 센서 사이에 요구된 추가 와이어링으로 인한 대응하는 시스템 크기를 감소시키고 노이즈를 제거할 수 있다. 그런 통합된 전극들은 아래 놓인 전자 회로가 제조될 때(예를 들어, CMOS 프로세스를 통해) 다이의 동일한 측(예를 들어 상단 측으로서 지칭됨) 상에 제조될 수 있다.

[0036] 통합된 센서들의 제조를 위한 포스트-프로세싱 단계를 추가로 참조하여, 대응하는 바람직한 금속 증착 방법들은 패턴화된 전극들의 보다 등각 코팅들을 위하여 평면 코팅들 또는 스퍼터링을 위한 전자 빔 증착을 포함할 수 있다. 열 증착 같은 당업자에게 알려진 다른 방법들은 또한 이런 포스트-프로세싱 단계 동안 사용될 수 있다. 도 4a 및 도 4b는 통합된 CMOS 센서들(예를 들어, 전극들)을 묘사하고 여기서 대응하는 전극들은 2개의 상이한 증착 방법들을 사용하여 바람직한 금속들로 커버되고; 도 4a는 전자 빔 증착 방법을 통하여 증착된 통합된 CMOS 센서를 묘사하고 도 4b는 스퍼터링 방법을 통하여 증착된 통합된 cmos 센서를 묘사한다.

[0037] 본 개시에 따른 예시적인 실시예들에서, 금속 증착은 또한 등각 코팅들을 제공할 수 있는 스퍼터링에 의해 수행될 수 있다. 20 mTorr의 제 1 고밀도 아르곤 플라즈마는 증착의 등방성을 증가시키기 위하여 사용될 수 있다. 5 nm Ti 접착 층은 DC 스퍼터될 수 있고 그 다음 50 nm 또는 100 nm Au 또는 Pt 필름들은 DC 스퍼터될 수 있다. 최대 90°각도들로 인입 금속 원자들에 관하여 샘플을 기울일 수 있는 특정 스테이지가 사용될 수 있다. 둘째로, 스테이지는 최대 120 r.p.m의 속도들로 회전할 수 있다. 플라즈마 파라미터들의 최적화(높은 압력, 대략 20 mTorr)와 함께 경사 및 회전의 결합은 본 개시의 출원자들에 의해 목격된 바와 같이, 매우 균일하게 제어된 등각 측벽들을 초래하였다.

[0038] 본 개시의 추가 실시예들에 따라, CMOS 같은 칩 제조 프로세스를 통해 생성된 전극 금속들은 보다 적당한 금속들을 증착하고 바람직하다면 보다 두꺼운 전극들을 제공하기 위하여 사용될 수 있는 웰들을 생성하기 위하여 에치(예를 들어, 완전히)될 수 있다. 결합하여, 그런 웰들은 또한 기능화 화학물의 모두 또는 일부를 홀드하기 위하여 사용될 수 있다. 상단 금속을 에칭함으로써 생성된 하나의 그런 웰은 도 5에 도시되고, 도 5는 도 5의 예시적인 경우에서 3.78 μm의 측정된 깊이를 가진 웰의 측벽의 각진 뷰를 묘사한다. 예시적인 웰 두께는, 5 μm - 6 μm 범위의 보다 두꺼운 웰들이 기판의 하부 층들을 에칭함으로써 얻어질 수 있지만 약 4 μm일 수 있다. 본 개시에 따른 다양한 실시예들이 웰들을 사용하거나 사용하지 않고 제공될 수 있다는 것이 주의되어야 한다.

[0039] 본 개시의 추가 실시예들에 따라 그리고 바람직한 전극 금속 재료의 증착을 위하여 상단 금속 층의 에칭을 추가로 참조하여, 비록 상단 금속(예를 들어, 알루미늄, 구리 등)이 에치(예를 들어 완전히 에치되어 제거됨)되더라도, 증착된 금속(예를 들어, Pt)의 전기 연결들은 상이한 재료(예를 들어, 텅스텐)로 만들어질 수 있고 따라서 상단 금속 층(예를 들어, 알루미늄, 구리, 등)의 에칭 동안 에치되지 않은 대응하는 CMOS 프로세싱을 통하여 생성된 비아들을 통하여 CMOS 회로의 나머지로 만들어질 수 있다. 상이한 전도 재료로 만들어질 수 있는 이들 비아들은 도 6에 도시된다. 당업자는, 비아들이 도 6에 도시된 바와 같이 노출된(예를 들어, 에치되어 제거됨) 상단 금속 층에 아래 놓인 회로를 연결하는 수직 금속 연결기들일 수 있다는 것을 쉽게 이해한다. 도 6에 묘사된 원들의 4×4 어레이는 하부 절연 층(예를 들어, 웰 상의 베이스)을 통하여 관통하고 에치된 영역의 경계에서 보여지는 비아들이다.

[0040] 이전에 설명되고 전극들의 기능화를 위한 포스트-프로세싱 단계(예를 들어, 웰들의 생성)에서, 예를 들어 CMOS 프로세스를 사용하여 본 개시의 지침들에 의해 제공된 전자 칩 제조 동안 생성된 고유 구조들의 용법은 시스템(예를 들어, 전자장치, 비아들, 등을 포함함)의 나머지와 완전히 통합된 센서를 초래할 수 있다. 차례로, 이것은 전체적으로 센서 및 시스템의 보다 높은 제조 수율 및 신뢰성을 초래할 수 있다.

[0041] 본 개시의 추가 실시예에 따라, 평면이거나 패턴화된 그런 센서(예를 들어, 평면/패턴화된 전극들을 포함함)들은 또한 IC 기판의 전면 측상에 제조될 수 있다. 본 개시에 따른 예시적인 실시예에서 CMOS 기술에서 이용 가능한 금속 구조들에 대한 구성 방법들은 그런 평면이고 및/또는 패턴화된 센서들을 제조하기 위하여 사용될 수 있다. 이들은 센서와 IC 사이의 연결들을 포함하는, 전자 IC에 관련된 구성 단계들과 결합될 수 있다. 본 개시에 따른 또 다른 예시적인 실시예에서, 전면 표면상에서 노출된 실리콘 영역은 포스트-프로세싱 단계(예를 들어, CMOS 프로세싱 단계 후) 동안 그런 평면 및/또는 패턴화된 센서들을 제조하기 위하여 사용될 수 있다. 본 개시에 따른 또 다른 예시적인 실시예에 따라, 평면 및/또는 패턴화된 센서들은 상단 금속 층 상에 제조될 수 있는 반면, 요구된 전자장치(예를 들어, IC)는 전체 다이 면적을 감소시키기 위하여 상단 금속 층 아래에(예를 들어, 완전히 또는 부분적으로) 설계될 수 있다. 후자의 예시적인 실시예의 경우, 전극들 사이의 간격은 예를 들어, 광학/RF 파들이 상단 금속 층에 대응하는 레벨 아래 하부 레벨 상에 배치될 수 있는 광학/RF 엘리먼트들(예를 들어, 통합된 광전지 디바이스들, RF 안테나)에 이르는 것을 허용하기 위해 활용될 수 있다. 그런 파들은 통합된 디바이스의 전자 회로로부터/회로로 신호들을 전송/수신하기 위하여 사용될 수 있다. 당업자는 상단 금속 층의 구역들을 통해 다른 타입들의 신호들의 전송/수신을 위하여 본 개시에 따른 그런 지침들을 사용하는 방법을 알 것이다.

[0042] 본 개시의 실시예에 따라 전자 집적 회로(IC) 기판(예를 들어, CMOS 기술을 통해 제조됨)의 후면 측은 그런 센서들(예를 들어, 모놀리딕식으로)을 제조하기 위하여 사용될 수 있고 그 다음 그런 센서들은 기판 또는 일 측을 통해 전도 트레이스들을 사용하여 기판의 전면 측 상에 제조된 IC의 대응하는 제어 회로들(예를 들어, 신호 프로세싱)에 연결될 수 있다. 도 7은 기판의 후면 측상에 제조된 센서가 기판 내에 생성된 비아들을 통하여 기판의 전면 측 상에 제조된 전자 IC에 연결되는 본 개시에 따른 예시적인 실시예를 도시한다.

[0043] 본 개시의 추가 실시예들에 따라 그런 센서들은 대응하는 전자 IC로부터 분리되어 제조되고 추후 단계에서 IC의 CMOS 기판에 본딩될 수 있다. 그런 본딩은 칩 스케일(예를 들어, 한 번에 하나의 칩) 또는 웨이퍼 스케일(예를 들어, 한 번에 여러 개의 칩들)에서 수행될 수 있다. 당업자에게 알려진 상이한 타입들의 웨이퍼 본딩 방식들은 이런 목적을 위해 사용될 수 있다.

[0044] 전극들을 위해 사용된 금속들/전도체들 같은 재료 제한들은 특정 애플리케이션에 따를 수 있다. 귀금속들 및 귀금속 산화물들은 자신의 안정성을 위하여 전극 재료로서 사용될 수 있다. 백금 기반 금속들은 H₂O₂ 및 O₂의 경우에서처럼 대부분의 신진대사 종들을 직접적으로, 또는 효소 감지 또는 폴리머 기반 감지 또는 다른 화학물을 사용하여 기능화되는 동안 감지의 경우에서처럼 중간 화학물을 통해 간접적으로 자신의 활동을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 산소, 글루코스 검출은 그런 백금 기반 금속들을 사용하여 행해질 수 있다. 금 전극들은 티올 본드들을 통하여 금의 바인딩의 용이성으로 인해 핵산 검출을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어 Ag/AgCl 재료를 사용한 기준 전극들은 그런 재료를 쉽게 지원할 수 있는 공지된 고체 상태 제조 방법들을 사용하여 제조될 수 있다. 동일한 재료는 또한 카운터 전극을 위해 사용될 수 있다. 본 개시의 몇몇 실시예들에 따라 작업 전극 및 카운터 전극은 동일한 금속을 사용하여 제조될 수 있고 그러므로 제조 프로세스를 단순화할 수 있다. 카운터 전극을 위한 금속 재료의 선택은 작업 전극 전류(예를 들어, 크기) 및 금속 재료의 화학 호환성을 제한하지 않기 위하여 전류를 유지할 능력에 기초할 수 있다. 귀금속들은 양쪽 그런 요건들을 만족시킬 수 있고 덜 비활성 귀금속들은 몇몇 환경들(예를 들어, 백금이 금에 비해 보다 바람직할 수 있음)에서 바람직할 수 있다.

[0045] 본 개시의 다양한 실시예들에 따라, 기준 전극 재료는 Ag/AgCl 기반 또는 귀금속들(예를 들어, 백금(Pt), 이리듐(Ir), 금(Au), 등) 기반 재료들일 수 있다. Ag는 통합된 디바이스의 포스트-프로세싱 단계 동안 증착될 수 있고 염소 플라즈마를 사용하거나 염화물 용액(예를 들어, 염산)에 담금으로써, 또는 염화물 이온들을 포함하는 용액(예를 들어, 염산)에서 전기화학적으로 염소 처리될 수 있다. Pt 기반 또는 다른 귀금속들 기반 기준 전극들은 다른 재료들(예를 들어, 은 Ag)의 사용을 회피하는 것을 도울 수 있고 따라서 포스트-프로세싱 단계를 더 간단하게 만들 수 있다. Pt 자체가 몇몇 경우들에서, 글루코스 감지 같은 과산화물 간섭 및 PH에 민감하기 때문에, 이는 기준 전극으로서 사용을 위하여 불안정할 수 있다. 그러나, 그런 기준 전극을 적당한 절연 층으로 코팅하는 것은 자신의 안정성을 증가시킬 수 있다. 예를 들어, 백금 산화물(PtOx)의 다소 불활성 층은 결합된 Pt/PtOx 기준 전극을 만들기 위하여 사용될 수 있다. 본 개시의 예시적인 실시예에 따라 Pt/PtOx 작업 및/또는 카운터 전극들은 전극들의 Pt 층을 전기화학적으로 산화시키거나 전극들 상에 산화된 백금을 증착함으로써 제조될 수 있다. 보다 이전 방법은 제조 비용, 시간 및 복잡성을 감소시키는데 유리할 수 있는 부가적인 증착 단계에 대한 필요성을 제거할 수 있다. 작업 및 카운터 전극들 둘 다에 대해 동일한 재료를 사용하는 것은 바람직할 수 있는데 그 이유는 특정 포스트-프로세싱을 요구할 수 있고 또한 유독성(예를 들어, Ag, AgCl)일 수 있는 부가적인 재료(예를 들어, Ag)를 가지고 및/또는 다른 타입들의 전극들(예를 들어, 수소-기반, 수은-기반, 등)을 사용할 필요를 회피할 수 있기 때문이다. 비록 단순한 Pt가 그런 극한 조건들에서 보다 우수할 수 있지만, Ag/AgCl의 기준 전극들이 실현 가능하지 않을 수 있는 가혹한 조건들에서 Pt 기반 기준 전극들이 사용될 수 있다는 것이 주의된다. Pt가 귀하고 매우 비활성 재료이기 때문에, 과산화수소 같은 강한 산화제들로도 산화시키는 것은 쉽지 않다. 본 개시의 출원자들은 Pt에 적용된 높은 전기화학 전압들과 함께 강한 산소 플라즈마뿐 아니라 강한 산화제들(예를 들어, 황산)을 사용하여 Pt 전극들(예를 들어, 통합된 센서 상에 제조된 기준 전극)의 산화를 시도하였다. 산소 플라즈마 노출은 Pt 표면상에 다소의 영향을 보였고 대응하는 전자 회절 x-레이 연구들은 Pt의 표면상에 필름의 부분으로서 일부 산소를 나타냈다. 필름들은 필름들에 물리적으로 흡착된 임의의 산소를 방출하도록 추후 가열되었다. 산화물 필름의 화학 성질을 결정하는 시도들은 결론에 이르지 못하였다. 그럼에도 불구하고, 결과적인 전기화학 안정성은, 필름(예를 들어, 아래 놓인 전자 시스템의 동작에 영향을 미치지 않으면서 흡수된 산소를 제거하기 위하여 산소 플라즈마 하에서 산화 및 가열시 Pt 기준 전극의 표면상에 형성된 바와 같이)이 베어(bare) Pt보다 보다 우수한 기준 전극 재료가 되었다는 것을 시사하였다. 그런 필림들의 SEM(예를 들어, 스캐닝 전자 현미경을 통해)은 도 8a 및 도 8b에 도시되고, 도 8a는 Pt 기반 필름을 묘사하고 도 8b는 산소 플라즈마 노출 후 가열의 언급된 단계들을 통해 얻어진 PtOx 기반 필름을 도시한다.

[0046] 본 개시의 추가 실시예들에 따라 귀금속/귀금속 산화물 전극들은 원해진 애플리케이션에 따라 기준 또는 작업 전극들로서 사용될 수 있다. 귀금속/귀금속 산화물 전극들은 예를 들어 산소 플라즈마 하에서 증착을 통해, 또는 황산 및 과산화수소(예를 들어 도 9)를 포함할 수 있는 강한 산화제들의 혼합물에 전기화학 산화를 사용하는 것과 같이 화학적으로 클린룸(cleanroom) 절차들을 사용하여 제조될 수 있다. 본 개시의 출원자들은 통합된 전극들 상에 귀한 재료의 증착을 위한 그런 기술들의 사용이 아래 놓인 회로(예를 들어, CMOS 방법들을 통해 제조된)에 손상을 주지 않는 것과 같은 상기 증착 기술들에 대한 특정 동작 파라미터들을 개발하였다. 도 9는 귀금속/귀금속 산화물 통합 전극들의 제조를 위해 사용된 황산 용액(예를 들어, 0.1M(인산완충 식염수(PBS)에서 몰 농도))에서 백금의 예시적인 전기화학 산화 곡선(전류 대 전압)을 도시한다. 도 10a-도 10d는 과산화물 용액에서 전극(예를 들어, 기준 전극(RE)) 시간 안정성 및 간섭 영향들에 대한 개방 회로 테스트를 나타내는 다양한 그래프들을 도시한다. 이들은 하기 표 1에 요약된다.

전극 재료	시간 안정성(전압 변화)	과산화물 간섭(전압 변화)
Ag	15mV	120mV
Pt	30mV	60mV
Ag/AgCl	5mV	3mV
Pt/PtOx	20mV	10mV

[0047] 본 개시의 예시적인 실시예에 따라, 산소 플라즈마 기술하에서 증착은 센서 상에 귀금속/귀금속 산화물 기준 전극을 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 이것은 습식 전기화학 포스트 프로세싱 단계를 사용할 필요를 제거한다. 본 개시의 대안적인 실시예에 따라 전기화학 산화 기술은 Pt/PtOx 같은 금속/금속 산화물 전극을 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 그런 전기화학 산화 기술은 인산완충 식염수(Ag/AgCl 기준 전극 안정성을 위해 염화물 이온들의 소스를 제공할 수 있음)에 용해된 0.5-2 M의 농도의 과산화수소(예를 들어, 강한 산화제) 및 1-2 M 농도의 황산(예를 들어, 강한 산화제)의 혼합물에서 행해질 수 있다. 그 다음 Pt 전극은 높은 산화 및 낮은 환원 전위들을 반복적으로(예를 들어, 교번함) 겪게 함으로써 산화될 수 있다. 높은 산화 전위는 전극의 Pt 층을 산화시킬 수 있고 낮은 환원 전위는 층의 증가된 안정성을 위하여 산화물 층을 폴리시(polish)할 수 있다. 하나의 예시적인 실시예에서 높은 산화 전위는 Ag/AgCl 기준 전위에 관하여 2.5 V일 수 있고 낮은 환원 전위는 동일한 기준 전위에 관하여 0.5 V일 수 있다. 본 개시의 대안적인 실시예에서, 전극은 높은 산화 및 낮은 환원 전위들에 관하여 언급된 바와 동일한 효과들을 갖게, 결정된 산화 및 환원 전류들을 반복적으로 겪게 함으로써 정전류식으로(galvanostatically)으로 산화될 수 있다. 당업자들은 본 개시에 따라 이들 지침들을 쉽게 확장할 수 있고 다른 전기화학 기술들에 사용할 수 있다. 그런 기술들을 사용하여 제조된 전극들의 안정성은 도 10a-도 10d 및 상기 표에 묘사된 바와 같이, 시간에 걸쳐 Ag/AgCl 기준 전극에 관하여 Pt/PtOx 전극의 개방 회로 전위를 측정함으로써 본 개시의 출원자들에 의해 특징지어진다. 본원에 제시된 전기화학 산화 기술은 실온(예를 들어, 섭씨 24 도)뿐 아니라 섭씨 10도와 100도 사이의 임의의 온도 범위(예를 들어 액체 형태 용액)에서 수행될 수 있다. 보다 높은 온도는 금속의 보다 빠른 산화를 위해 제공할 수 있다.

[0048] 전극들의 인터페이스 특성들(예를 들어, 표면)은 원해진 반응을 조장하기 위하여 전극들 상에 재료 증착의 제어에 의해 제어될 수 있다. 이것은 기능화 화학물로부터 신호의 반응 속도뿐 아니라 변환을 증가시킬 수 있다. 게다가, 이것은 장기간 애플리케이션들 동안 고정화 매트릭스(예를 들어, 하이드로겔)를 안정화하기 위하여 최적화될 수 있다.

[0049] 본 개시의 몇몇 예시적인 실시예들에 따라, 전극 표면들은 원해진 반응들을 조장하기 위하여 형성되거나 수정될 수 있다. 몇몇 증착 기술들 및 속도들은 표면적을 증가시킬 수 있고 따라서 전류를 증가시킬 수 있는 보다 거친 표면을 제공할 수 있다. 그레인(grain) 형성은, 그레인 경계들이 상단 금속 층을 통하여 어느 정도까지 용액을 통과하게 허용하여 예를 들어 Ag/AgCl 기준 전극의 하부 층들과 반응하게 할 수 있거나(바람직할 수 있음), 아래의 Pt 전극들에서처럼 덜 비활성 금속들(티타늄(Ti), 텅스텐(W), 구리(Cu), 등 같은)과 반응할 수 있게(바람직하지 않음) 하기 때문에, 금속 층들에서 조장되거나 방지될 수 있다.

[0050] 본 개시의 추가 실시예들에 따라, 전극의 표면은 또한, 예를 들어 높은 전압 플라즈마(예를 들어, 구어체로 단지 재핑(zapping)으로서 지칭되는 기술)을 적용하거나, 증착 동안 증착 후 산소 플라즈마를 사용함으로써 더 친수성으로 만들어질 수 있다. 이것은 친수성 물질들이, 예를 들어 고정화 매트릭스(예를 들어, 겔은 효소를 고정화할 수 있고 분석물(예를 들어, 혈액 또는 조직액)로 침출하는 것을 방지하는 반응 효소들을 포함함) 같은 전극 표면상에 보다 부착하게 할 수 있다. 당업자는 통합된 전기화학 디바이스에 소수성 또는 친수성 전극을 제공하기 위하여 전극 표면 특성들의 융통성을 허용하는 본 개시에 따른 다양한 지침들을 쉽게 인식한다.

[0051] 몇몇 경우들에서 통합된 시스템(예를 들어, 통합된 전기화학 센서)이 예를 들어 유체 흐름을 위한 홀들을 통하는 것과 같이 몇몇 특정 기능 패턴들을 가지는 것이 바람직할 수 있다. 본 개시의 실시예에 따라 전극들이 분산 방식으로 그런 기능 패턴들 둘레에 설계되는 것이 뒤따른다. 도 11에 묘사된 바와 같은 분산된 전극들은 대응하는 분석물 용액의 분산 성질로 인해 신호 품질(예를 들어, 인터페이스 반응의)의 증가를 제공할 수 있다. 분산된 전극들의 설계는 분석물 용액의 분산된 성질을 고려하면서 신호 대 노이즈 비율을 최적화하도록 프랙탈 수학(fractal mathematic)들을 활용하여 행해질 수 있다. 도 11에 묘사된 본 개시에 따른 예시적인 실시예에서, 분산된 전극들은 전체 이용가능 다이 영역을 활용하기 위하여 통합된 디바이스의 후면 측 상에서 보여지고, 대응하는 비아들 및 연결부들(도시되지 않음)을 통해 전면 상의 전자장치에 연결된다. 대안적인 실시예들은 분산된 전극들이 통합된 시스템(예를 들어, 전자 IC와 같음)의 전면 측 상에 설계되게 제공될 수 있다.

[0052] 도 11에 묘사된 예시적인 분산 전극 구성이 실질적으로 동일한 기하구조(예를 들어, 길이 및 폭)의 전극 컴포넌트들을 도시하지만, 본 개시에 따른 지침들은 당업자가 대응하는 분산된 전극 기하구조들을 통합된 디바이스의 특정 설계 및 기능 제한들에 적응하게 하는 것이 주의되어야 한다. 예를 들어, 전극들은 긴 직사각형 디바이스가 원해지는 경우 길고 좁은 직사각형들이도록 설계될 수 있거나, 정사각형 디바이스가 원해지는 경우에 대해 정사각형일 수 있다. 비-분산된 전극들의 설계를 위해 본 개시의 이전 섹션들에서 제시된 바와 같은 동일한 설계 규칙들은 또한 분산된 전극들의 설계에 적용될 수 있다.

센서 제조:

[0053] 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 완전히 통합된 전기화학 디바이스들의 제조는 예를 들어 알려진 CMOS 관련 방법들을 사용하여 제조될 수 있는 전자 IC 같은 디바이스의 다양한 아래 놓인 시스템 및 컴포넌트들, 및/또는 다른 관련된 시스템 컴포넌트들에 손상을 회피하는 방식으로 수행되어야 한다. 다음에서, 아래 놓인 시스템 및 이들의 컴포넌트들에 대한 손상을 감소시키는 본 개시의 추가 실시예들에 따른 다양한 제조 방법들은 다음 섹션들에서 제시된다.

[0054] 평면 센서들에 대해, 스프레이-코팅 기반 리소그래피는 대응하는 디바이스 다이들이 작은 경우들, 또는 대응하는 에지 비드(bead)(예를 들어, 다이의 에지에서 레지스트의 축적)가 상당한 경우들 또는 대응하는 표면 형태학이 레지스트들의 적당한 스피닝(spinning)을 허용하지 않는 경우들에서 사용될 수 있다. 표준 리소그래픽 패터닝은 다른 경우들에서 달성될 수 있다. 전자 기판들의 표면이 완전히 평면이 아닐 수 있고, 그러므로 등각 코팅을 초래하도록 충분한 두께를 제공할 수 있는 레지스트들이 사용될 수 있다는 것이 주의되어야 한다. 본 개시의 몇몇 실시예들에 따라, 높은 전력/긴 지속시간 온도 및 자외선/e-빔 노출은 리소그래픽 패터닝 동안 회피될 수 있다. 이것은 예를 들어 적당한 용량(dosage)들로 짧은 지속시간에서 리소그래픽 패터닝을 달성할 수 있는 레지스트들을 사용함으로서 행해질 수 있다.

[0055] 통합된 디바이스의 다른 컴포넌트들에 관하여 센서의 절연을 위해, 아래 놓인 전자장치를 손상시킬 수 있는 높은 온도 및 오랜 지속 시간 열 산화 기술들은 낮은 온도 및 짧은 지속 시간 증착 기반 기술들을 위해 회피될 수 있다. 그런 낮은 온도 및 짧은 지속 시간 증착 기술들은 원해진 절연 물질들을 증착하기 위하여 사용될 수 있다. 예를 들어, 열 산화 대신 CVD 기반 기술들은 통합된 디바이스(예를 들어, 전자장치)의 다른 컴포넌트들을 위해 사용된 기판 재료로부터 센서 제조를 위해 사용된 기판 재료(예를 들어, 실리콘)의 부분을 절연하기 위하여 사용될 수 있다. 일반적으로, 본 개시의 다양한 지침들에 따른 다양한 프로세스들 및 방법들은 아래 놓인 전자장치를 손상시키지 않는 것과 같이 섭씨 10과 200 도 사이의 온도에서 수행될 수 있다.

[0056] 유사하게, 예를 들어, 스퍼터링 및 전자 빔 증착 같은 낮은 온도 증착 기술들은 센서들의 제조를 위하여 원해진 상이한 재료들을 증착하기 위하여 사용될 수 있다. 차례로 센서들의 제조 동안 높은 온도 열 증착을 회피하는 것은 전자 기판 및 관련된 컴포넌트들에 대한 손상을 감소시킬 수 있다.

[0057] 정렬된 포토리소그래피 및 전자 빔 리소그래피는 패턴화된 전극들이 원해지는 경우들에 대해, 센서 전극들 상에 마이크로 및 나노 스케일 구조들을 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 더미 패턴들은 그런 패턴화된 전극들의 제조 방법들을 위한 정렬 마크들로서 작동하도록 CMOS 제조 프로세스 동안 제조될 수 있다. 패턴화된 센서들의 제조를 위한 리소그래픽 방법들은 전자장치 팹(fba)(예를 들어, CMOS) 단계 동안 웨이퍼 스케일에서 또는 웨이퍼들이 팹으로부터 수신되고 처리된 후 다이 스케일에서 행해질 수 있다. 패턴화된 센서들의 웨이퍼 레벨 프로세싱은 통합된 디바이스의 전체 생산 비용을 감소시킬 수 있고 대응하는 수율을 증가시킬 수 있다.

[0058] 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 센서들은 주입가능 통합된 디바이스들에서 사용될 수 있다. 주입 후 복잡성들을 감소시키기 위하여, 센서들은 생체 적합한 재료들로 커버될 수 있다. 이것은 예를 들어, 진공 기반 증착 또는 간단한 딥-코팅 타입 방법들을 사용하여 그런 생체 적합 재료들을 증착함으로써 행해질 수 있다.

기능화:

[0059] 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 센서들의 기능화는 상이한 종들에 선택적인 이들 센서들을 만들기 위하여 수행될 수 있다. 그런 기능화는 그 자리에서 또는 다른 곳에서 수행될 수 있다. 도 12a는 기능화 이전 분산된 전극들을 가진 예시적인 센서를 도시한다. 센서의 예시적인 결과 구성은 도 12a에 묘사되고 기능화 매트릭스는 도 12b에 도시된다.

[0060] 제자리 기능화는 쉽게 통합 가능한 프로세스를 허용할 수 있다. 작은 다이들에 대해, 스포팅(spotting) 및 딥 코팅은 기능화 매트릭스를 적용하기 위하여 사용될 수 있다. 본 개시의 실시예에 따라, 단일 단계 기능화는 최종 다이들을 다이싱(dicing) 하기 전에 웨이퍼 레벨에서 스핀 코팅에 의해 수행될 수 있다. 그런 단일 단계 기능화는 기능화의 균일성 및 반복성 성능을 증가시킬 수 있다.

[0061] CMOS 센서(예를 들어, CMOS 포스트-프로세싱 단계 동안)에서 형성된 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 웰 구조는 유리하게 기능화 단계 동안 사용될 수 있다. 개별 다이들은 예를 들어 유체 분배 로봇을 사용하여 액체 하이드로겔 혼합물을 포스트-프로세싱에서 형성된 CMOS 센서 상의 웰들에 주입함으로써 기능화될 수 있다. 웨이퍼-스케일 기능화는 유체 분배 로봇을 사용해서 뿐 아니라, 웨이퍼의 스핀 또는 스프레이 코팅, 스텐실(stencil) 코팅, 또는 전체 웨이퍼 코팅 후 예를 들어 산소 플라즈마를 통한 스텐실 보호 제거를 통해 수행될 수 있다. 스핀 또는 스프레이 코팅을 사용하는 것, 웰들이 제공하는 폼 팩터(form factor) 장점들을 레베리징하는 것, 및 보호된 서브트랙티브(subtractive) 겔 패터닝은 제시된 통합된 전기화학 센서들에 대한 경제적 웨이퍼-스케일 생산을 가능하게 하는 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 신규 기술들이다.

기능화 다용성

[0062] 본 개시의 지침들에 따른 통합된 전기화학 센서들의 기능화를 위해 사용된 화학물은 다용도일 수 있고 따라서 다양한 애플리케이션들을 유도할 수 있다. 아래 놓인 CMOS 회로가 다양한 전기화학 감지 임무들을 수행하기 위하여 수정/적응될 수 있고, 각각의 감지 임무가 어레이 또는 다양한 화학물들로 기능화될 수 있기 때문에, 본 지침들에 따른 센서들의 애플리케이션들은 무수할 수 있다. 몇몇 예시적인 애플리케이션들은 하기에 제시된다.

[0063] 센서는 또한 전자 전달 또는 과산화물 농도, 또는 산소 농도, 또는 분석물과의 효소 상호작용으로부터 발생하는 임의의 다른 변화를 검출하기 위하여 임의의 산화환원효소로 기능화될 수 있다. 예를 들어 젖산 산화효소는 젖산을 감지하기 위하여 사용될 수 있다. 본 개시의 출원자들은 글루코스 감지를 달성하기 위하여 글루코스 산화효소, 글루코스 탈수소효소, 및 호스래디시(horseradish) 과산화 효소를 사용했다. 효소 감지의 용이함을 위하여, 다음 예들은 이 점을 추가로 예시한다.

[0064] 신장 감지기들에 대해, 다음 효소들은 글루코스 산화효소 대신 사용될 수 있다: 우리카아제(uricase)(요산), 우레아제(urease), 아스코르베이트 산화효소, 및 사르코신 산화효소(예를 들어, 크레아티닌(creatinine)).

[0065] 간 기능 테스팅을 위하여, 다음 효소들이 사용될 수 있다: 알코올 산화효소 및 말산탈수소효소(malate dehydrogenase).

[0066] 다른 주의 되는 효소들은 클루코아밀라에제(glucoamylase), 글루타메이트 산화효소(glutamate oxidase) 및 콜레스트롤 탈수소효소(cholesterol dehydrogenase)를 포함할 수 있다.

[0067] 물리적 스트레스 및 유사한 감지 기능들을 위하여, 젖산 산화효소(lactate oxidase)가 사용될 수 있다.

[0068] 본 개시의 다양한 지침들에 따른 통합된 전기화학 센서들은 전류 측정 감지 외의 감지 메커니즘을 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 그런 통합된 전기화학 디바이스들은 스트레스 관리 문제들을 가진 사람들에게서 전기화학 임피던스 측정, 또는 심지어 코르디솔(cortisol) 레벨(예를 들어, 코르디솔 호르몬 레벨이 정신적 스트레스 동안 상승할 수 있기 때문에)을 사용한 스트레스 감지를 위하여 사용될 수 있다. 당업자는 제시된 통합된 전기화학 센서에 의해 제공된 융통성을 쉽게 인식하고 특정 애플리케이션들을 위하여 통합된 센서들 및 대응하는 회로를 생성하기 위한 본 지침들을 사용할 수 있다.

예시적인 경우 : 완전 무선 주입가능 감지 디바이스

[0069] 본 출원의 이 섹션에서, 본 출원의 이전 섹션들에서 제시된 완전 통합된 전기화학 센서 디바이스를 사용하는 예시적인 시스템 설계 경우가 제공된다. 이 섹션에서 제시된 바와 같이 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 예시적인 설계는 CMOS 플랫폼상의 소형화된 완전 주입가능 지속적(예를 들어, 실시간 및 항상 이용 가능) 건강 모니터링 마이크로시스템이다. 제안된 설계는 아래 놓인 전자장치로서 매우-낮은-전력 전자장치를 사용하여 본 출원의 이전 섹션들에서 제시된 바와 같이 전기화학 감지 기술들을 통합한다. 상기 전자장치는 전자기 무선 링크를 통하여 무선으로 전력을 공급받을 수 있고 동일한 무선 링크를 통해 외부 송신기/판독기 디바이스(예를 들어, 판독기)와 양방향 데이터 통신을 지원할 수 있다. 낮은 전력 전위 가변기는 온-칩 센서(예를 들어, 전극들) 및 ADC와 인터페이스하고 온-칩 센서 판독출력을 레코드하기 위하여 사용된다. ADC의 동적 범위는 무선 센서 디바이스에 전송된 무선 구성가능 데이터를 통해 프로그램 가능할 수 있다. 본 개시의 이전 섹션들에 제시된 다양한 실시예들의 지침들에 따라 기능화된 통합된 전극들은 예를 들어 글루코스 레벨 바디 유체들 같은 특정 측정을 가능하게 하기 위해 사용된다. 본 개시의 출원자들은 CMOS 기술의 제시된 무선 주입가능 감지 디바이스의 프로토타입을 제조하였고 조직에서 완전 무선 동작을 위하여 그런 디바이스를 인증하는데 성공하였다. 주입된 디바이스의 감지 능력은 예로서 글루코스 측정들을 사용하여 테스트되었다.

[0070] 완전-통합된 무선 센서 플랫폼(예를 들어, 시스템)은 이에 의해 제시되고, 현재 최신 시스템들과 비교하여 감소된 크기 스케일(보다 큰 치수들에서 거의 밀리미터 스케일)이다. 제시된 시스템의 다수의 고유 피처들은 그런 크기의 감소를 허용한다. 첫째, 전력 전달 및 데이터 원격 측정은 큰 크기 안테나를 사용하지 않고 최적화된 통합된 전자기 무선 링크를 사용하여 수행된다. 게다가, 본 개시의 이전 섹션들에서의 다양한 지침들을 사용하여, 센서는 적당한 기능화 후 전기화학 센서로서 작동하는 소형화된 통합된 전극들을 사용하여 실현된다. 매우-낮은 전력 및 매우-작은 스케일 전위 가변기는 센서 동작을 제어하기 위하여 설계된다. 이 다음 아날로그 센서 신호를 디지털 도메인으로 변환하는 매우-작은 ADC 및 매우-작은 전력이 뒤따른다. 임플란트의 전체 전력 소비는 매우 낮은 전력 및 전자장치에서 최소 수의 컴포넌트들을 사용할 뿐 아니라 임플란트와 외부 송신기/판독기 사이에 매우-작은 전력 소비 링크(예를 들어, 변조 방식)를 사용함으로써 최소화된다. 프로토타입은 이들 출원들이 많은 영역들에서 임상적으로 정확한 측정들을 만드는 것을 개념적으로 가능하게 할 수 있는 과감하게 소형화된 주입가능 감지 시스템들의 실행 가능성을 나타낸다. 본 개시의 출원자들은, 그런 시스템의 구현이 어려울 수 있을 뿐 아니라 건강관리 산업에서 유용할 수 있기 때문에 CGM 타입 프로토타입 시스템을 구현함으로써 그런 개념을 증명하였다. 프로토타입 시스템은 0.18μm CMOS 기술로 제조되지만 이 기술에 의해 아무런 제한이 되지 않는다. 센서는 포스트-프로세싱(예를 들어, 본 개시의 이전 섹션들에서 설명된 바와 같이)을 사용하여 CMOS 프로세스에서 상단 금속을 사용하여 구현되고, 따라서 전자장치에 외부 센서들을 본딩할 필요가 회피되고 따라서 최소 크기 및 전력 소비를 달성한다. 그러므로, 프로토타입 시스템에서, 센서 및 아래 놓인 전자장치는, 본 개시의 지침들에 따라 그런 센서가 또한 상단 면에 반대인 면에 배치될 수 있지만 통합된 디바이스의 동일한 면 상에 위치된다.

[0071] 도 13은 본 개시의 예시적인 실시예에 따른 무선 주입가능 감지 디바이스의 블록도를 도시한다. 이는 센서 동작(센서 신호 획득으로 라벨이 붙음)을 제어하기 위한 통합된 전자장치, 전체 시스템에 전력을 공급하기 위한 전력 관리 시스템(전력 관리 유닛으로 라벨이 붙음), 데이터를 외부 송신기/판독기로 통신하기 위한 전송 시스템(TX PWM-후방산란 900 MHZ로 라벨이 붙음), 외부 시스템으로부터 커맨드들을 수신하기 위한 수신 시스템(RX PWM-ASK 900 MHz으로 라벨이 붙음), 통합된 3개의 전극들 기반 전기화학 센서(작업, 기준 및 카운터 전극에 대해 각각 WE, RE, CE로 라벨이 붙음) 및 전력 및 통신을 위한 전자기 무선 링크(임플라트 안테나로 라벨이 붙음)로 이루어진다.

[0072] 본 개시의 예시적인 실시예에 따라, 전력이 주입가능 감지 디바이스에 제공되고 또한 양방향 통신 링크로서 사용되는 전자기 무선 링크는 조직들 내에서 손실을 최소화하기 위하여 예시적인 무선 주입가능 디바이스에 이용될 수 있는 900MHz(예를 들어, 902-928 MHz)에 근접한 주파수의 산업, 과학 및 의학(ISM) 라디오 대역에서 동작하도록 설계된 인덕티브 커플링 링크일 수 있다[예를 들어 그 전체가 인용에 의해 본원에 포함된 참조 4]. 당업자는, 주파수의 선택이 많은 팩터들에 따를 수 있고 그러므로 상이한 애플리케이션들에 대해 상이할 수 있다는 것을 쉽게 이해한다. 게다가, 무선 링크는 파-필드(far-field) 전력공급 및 통신을 갖는 RF 링크가 또한 사용될 수 있기 때문에 인덕티브하게 커플링된 링크(예를 들어, 니어-필드(near-field))일 필요가 없다.

[0073] 선택된 주파수 대역에서, 인덕터(예를 들어, L) 및 캐패시터(예를 들어, C)로 이루어진 온-칩 공진 시스템은 매칭 공진 주파수에서 외부 LC 시스템과 공진하기 위하여 사용될 수 있다. 온 칩 코일(예를 들어, 안테나)은 애플리케이션 및 금속 층들의 두께에 따라 상단 금속(예를 들어, CMOS 프로세스를 통해 제조됨) 또는 금속 층들의 결합을 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 약 4 μm 내지 5 μm의 두께의 비교적 두꺼운 상단 금속 층은 본 개시의 출원자들이 제조한(예를 들어 약 4.6 μm 두께의 상단 금속 층) 프로토타입 주입가능 디바이스에 대한 경우 같은 코일을 제조하기에 충분할 수 있다. 그런 두께가 충분하지 않거나 상단 금속 층이 그런 두께를 가질 수 없는 다른 경우들에서, 그러므로 몇몇 금속 층들은 코일의 제조를 위하여 원해지는 두께를 제공하기 위하여 적층될 수 있다. 바람직한 실시예에서, 칩 코일의 주어진 크기(예를 들어, 이용 가능한 표면 공간)를 위해, 연관된 인덕턴스뿐 아니라 품질 인자가 최대화될 수 있다. 인덕티브 링크들에 대해, 온 칩 캐패시터는 LC 공진 시스템을 생성하기 위하여 온 칩 코일의 인덕터와 함께 사용될 수 있다. 일 실시예에서, 본 개시의 출원자들은 1.3×1.3 mm²을 점유하는 4개의 턴 코일을 만들기 위하여 상업적 CMOS 프로세스(예를 들어, TSMC 0.18μm 프로세스)에서 이용 가능한 두꺼운 상단 금속을 사용하였다. 400 fF 온-칩 금속-절연체-금속(MIM) 캐패시터(예를 들어, 도 13에서 C로 라벨됨)는 선택된 주파수(예를 들어, 900MHz에 근접한)에서 코일과 공진하도록 사용된다. 당업자는 주입가능 디바이스에 무선으로 전력을 공급하기 위하여 사용될 수 있는 제시된 LC 공진 시스템의 작은 폼 팩터를 쉽게 인식한다.

[0074] 공진 시스템이 수신하는 고주파 신호(예를 들어, 선택된 주파수에서)는 효율적인 정류 회로를 사용하여 DC로 변환된다. 예를 들어, 자신의 프로토타입 구현에서, 본 개시의 출원자들은 도 14에 도시된 바와 같이, 결과적인 리플(ripple)을 필터하기 위하여 3-스테이지 자기-동기 전파 정류기 다음 400 pF 캐패시터를 사용하였다. 시뮬레이션 데이터는, 도 14에 묘사된 바와 같은 그런 정류기가 온 칩 LC 시스템에 의해 수신된 전력 대 정류기에 의해 전력 출력에 의해 측정된 바와 같이, 60%의 효율성을 가질 수 있다는 것을 나타낸다. 정류된 출력(V_RECT)에 기초하여, 전압 기준(예를 들어, 도 15의 V_REF) 및 선형 전압 레귤레이터 회로(예를 들어, 도 15)는 다양한 서브시스템들의 동작을 위하여 원해진 레벨에서 안정된 공급 전압(V_DD)을 생성하기 위하여 사용된다. 그런 전압 레벨은 전체 설계의 팩터들에 따를 수 있다. 본원에 제시된 예시적인 프로토타입 시스템에 대해, 기준 전압 생성기(예를 들어, 도 13에 도시된 바와 같이)와 함께 효율적인 전압 기준을 사용하여 안정된 1.2V 공급 전압(V_DD)이 생성된다. 도 15에 묘사된 바와 같이, 전압 레귤레이터는 개선된 안정성 및 감소된 전력 소비를 가지도록 설계된다. 예로서, 도 15의 캐패시터(C_C)는 전압 레귤레이터 회로의 주파수 응답 플롯(plot)에서 영을 유도하기 위하여 사용되고 그러므로 레귤레이터의 안정성을 돕는다. 필터링은 또한 안정성을 추가로 보장하고 고주파수 공급 노이즈를 감소시키기 위하여 레귤레이트된 전압(V_DD)에서 수행된다. 예로서, 그런 필터링은 도 15의 온 칩 MOS 캐패시터(C_L)에 의해 제공될 수 있다. 예시적인 프로토타입 시스템에 대해, 그런 캐패시터 값은 550 pF일 수 있다. 전압 제한기는 또한 시스템 보전성을 보호하기 위하여 정류기 출력에서의 과도한 전압을 회피하도록 이용될 수 있다. 도 13에 도시되지 않았지만, 그런 전압 제한기는 정류기의 출력에서 제공될 수 있다. 이 섹션에서 설명된 전원은 외부 공진 시스템과 주입된 디바이스 사이의 적당한 간격(예를 들어, 거리)을 사용하여 공진 가능 전력을 생성할 수 있다. 예로서, 외부 송신기/판독기와 임플란트(예를 들어, 주입된 디바이스) 사이의 7 mm 간격에서 6μW 로드 대 전송된 전력에서 측정된 정류기 및 레귤레이터 출력 전압들은 도 16에 도시된다. 당업자는 주입가능 디바이스의 전력 관리 임무를 수행하기 위하여 이 섹션에서 제시된 낮은 전력 소비 시스템(예를 들어, 6μW)을 쉽게 인식한다.

[0075] 센서 신호 획득 시스템은 도 17에 도시된 바와 같이 피드백 증폭기를 사용하여 카운터(CE) 전극을 통해 전류를 공급하면서 작업(WE) 및 기준(RE) 전극 사이의 요구된 레독스(redox) 전위를 유지하기 위하여 전위 가변기를 포함하는 판독출력 회로를 포함할 수 있다. 전위 가변기는 글루코스를 검출하기 위하여 상이한 전기화학 모드들에서 사용될 수 있다. 본 개시의 몇몇 실시예들에 따라 전위 가변기는 글루코스 검출을 위해 전류 측정 및 순환적 전압 측정 체제 둘 다에서 작동할 수 있고 또한 큰 전류 범위를 커버하면서 작업 전극과 기준 전극 사이의 광범위한 전압 차를 지원할 수 있다. 전위 가변기로부터의 전류는 온 칩 통합 캐패시터(C_INT)와 함께 n-비트(부호 비트 배제) 듀얼 슬로프(dual-slope) ADC를 사용하여 디지털 도메인으로 변환된다. 양방향 전류 측정(예를 들어, 외부 송신기/판독기로부터 임플란트로 및 임플란트로부터 외부 송신기/판독기로의 통신)을 가능하게 하기 위하여, 저항성 피드백을 가진 트랜스-임피던스 증폭기(TIA)는 도 17에 묘사된 바와 같이, 프론트-엔드(front-end)에서 작동 전극과 듀얼 슬로프 ADC 사이의 인터페이스로서 이용될 수 있다. 다른 온 칩 캐패시터(C₁)는 TIA 노이즈를 추가로 감소시키기 위하여 사용될 수 있다. TIA는 또한 센서 작업 전극으로 ADC 스위칭 노이즈의 주입을 방지할 수 있다.

[0076] 본 개시의 실시예에 따라, ADC에 대한 프로그램 가능 적분 시간을 사용함으로써, 큰 범위(예를 들어, 80 dB(20pA-500nA)에 걸쳐)의 센서 전류가 측정될 수 있다. 온 칩 발진기는 ADC에 대한 클록 기준을 제공할 수 있다. 도 18a 및 도 18b는 프로토타입 시스템을 위해 설계된 듀얼 슬로프 8 비트 ADC(부호 비트 배제)의 수행을 요약한다. 이들 도면들에서 묘사된 바와 같이, 4KHz 샘플링 속도에서 7.3 비트의 유효 수의 비트들(ENOB)은 0.6보다 작은 최하위 비트(LSB) 적분 미직선성(INL)으로 달성된다. 본 개시의 제시된 예시적인 실시예에 따른 그런 획득 수행은, 그런 낮은 전력 ADC가 대부분의 타입들의 임플란트들에 대해 적당한 시스템 성능을 제공할 수 있다는 것을 나타낸다. 당업자는 이들이 그런 주입가능 디바이스들에 대한 바람직한 피처들이기 때문에 실행 시간(예를 들어, 프로그램 가능 적분 시간을 통해)에서 주입가능 디바이스를 캘리브레이트하기 위하여 사용될 수 있는 매우-작은 전력이고, 융통성 있는, 온-더-플라이(on-the-fly) 프로그램 가능 획득 시스템에 의해 제공된 증가된 성능을 쉽게 인식한다.

[0077] 예시적인 무선 디바이스로의 통신은 동일한 링크 상에서 전력 및 데이터 둘 다를 제공할 수 있는 전자기 링크들을 통해 제공될 수 있다. 외부 송신기/판독기 디바이스(예를 들어, 판독기)로부터 질문 신호(interrogation signal)는 상이한 변조 방식들을 사용하여 임플란트에 전송될 수 있다. 일 예시적인 실시예에 따라, 실제 전력 신호의 펄스-폭 변조는 질문 신호를 포함하여 통신 데이터를 전달하기 위하여 사용될 수 있다. 이것은 전력 및 통신 둘 다에 대해 동일한 링크를 사용하는 것을 허용한다. 예를 들어, 1들 및 0들은 상이한 펄스 폭들을 사용하여 코드화될 수 있다. 예시적인 프로토타입 시스템에서, 1들 및 0들은 각각 2μs 및 5μs 펄스들을 사용하여 코드화된다. 판독기로부터 임플란트로 통신 동안, 임플라트 특정 태그(예를 들어, 어드레스)는, 하나보다 많은 임플란트가 서로의 근처에서 주입될 수 있기 때문에, 센서 판독출력 회로를 깨우기 위하여 센서로 전송될 수 있다. 그런 태그는 특정 센서에 의해 검출된 신호의 데이터 획득 사이클을 개시할 수 있다. 센서 판독출력이 획득 시스템을 통해 행해진 후, ADC의 출력은 직렬화될 수 있고 낮은-전력 변조 방식을 통하여 판독기에 무선으로 전송될 수 있다. 그런 낮은-전력 변조 방식은 판독기의 검출 코일에서 충분히 높은 신호 대 노이즈 비율을 제공한다. 본 개시에 다른 예시적인 실시예에서, 데이터는 스위치를 통해 검출 코일(예를 들어, 판독기 디바이스에서)에 의해 보여진 임피던스의 펄스-폭 변조를 통해 센서 디바이스로부터 판독기로 전송될 수 있다. 이런 낮은-전력 변조 방법은 센서 디바이스의 코일의 임피던스 변화(예를 들어, 도 13에 묘사된 바와 같이 스위치를 통해)가 가변 임피던스로서 판독기의 코일에 반사되고 그러므로 판독기 디바이스에 의해 전송된 RF 신호가 이에 따라 영향을 받을 수 있는(예를 들어, 후방산란을 통해) 로드-시프트 키잉(LSK) 변조 방식을 효과적으로 사용한다. 본 개시의 출원자들은 최대 200 kb/s의 속도로 데이터를 판독기에 전송하기 위하여 제시된 프로토타입 시스템에서 그런 낮은-전력 변조 방식을 사용하였다. 질문의 각각의 사이클 후, 판독기는 센서로부터의 데이터가 수신될 때까지 침묵으로 유지될 수 있다. 대응하는 통신 신호 흐름은 본 개시의 이후 섹션들에서 설명되는 도 21에 도시된다.

[0078] 이전 섹션들에서 제공된 본 개시에 따른 제조 방법들을 추가로 참조하여, 포스트-프로세싱 단계는 다양한 전자 시스템들(예를 들어, 프로토타입 시스템당)이 제조되는 동일한 칩(예를 들어, 그리고 표면) 상에 통합된 전기화학 센서 디바이스를 제조하기 위하여 수행되고, 이는 또한 그런 디바이스에 센서를 부가하는 것과 연관된 복잡한 본딩 기술들의 필요를 제거할 수 있다. 포스트-프로세싱은 작업 전극과 카운터 전극 상에 Pt의 얇은 층(예를 들어, 100nm) 및 기준 전극 상에 Pt 또는 Ag의 다른 얇은 층(예를 들어, Ag의 200nm)의 리소그래픽 증착을 포함할 수 있다. Ag가 기준 전극을 위해 사용되면, 플라즈마 염소화 처리는 아래 놓인 전극들에 해를 가하지 않는 이전에 언급된 방법들을 사용하여 Ag/AgCl 기준 전극을 초래하도록 상단 AgCl 층을 생성하기 위하여 행해진다. 프로토타입 디바이스의 센서는 고정화 매트릭스로서 BSA(Bovine Serum Albumin) 하이드로겔 및 가교제로서 클루타르알데히드를 사용하여 글루코스 산화효소로 제자리에서 기능화되었다. 포스트-프로세싱은 유동성 매체의 동작으로 인한 효과들로부터 통합된 임플란트의 전자기 링크의 동작을 면할 뿐 아니라 주입된 디바이스로 인한 바디 내 독성 문제들을 감소시키기 위하여 타이트한 밀봉 생체 적합 재료로 시스템의 나머지(예를 들어, 전극들을 모두 제외함)를 커버하는 것을 더 포함할 수 있다. 도 19는 크기가 미국 쿼터 코인(예를 들어, 미국 25 센트)에 대조되는 본 개시의 다양한 지침들에 따라 제조된 프로토타입 시스템을 도시한다. 제 1 확대도는 디바이스의 중심에 센서를 가진 통합된 디바이스의 상단 측 상 주위 구역을 커버하는 4-턴 코일(예를 들어 복수(예를 들어, 4)의 동심원 유사 패턴들 같은 형상)을 도시하고, 제 2 확대도는 센서의 3개의 전극들을 도시하고, 기준 전극은 Ag/AgCl 상단 층을 가진다. 프로토타입 시스템의 두께가 도 19에 도시되지 않았지만, 본 개시의 이전 섹션들에서 주의된 바와 같이, 그런 두께가 500 μm(예를 들어, 0.5 mm)보다 크지 않고 100 μm까지일 수 있다는 것이 주의되어야 한다.

[0079] 주입된 프로토타입 센서의 기능성은 작업 전극과 기준 전극 사이에 0.4V 전위에 의한 전류 측정을 사용하여 0-20 mM 동심원에 걸쳐 글루코스 측정에서 입증된다. 도 20은 상업용 전위 가변기(CHI1242B)로부터의 판독에 따른 결과(예를 들어, CMOS로 라벨됨)를 도시한다.

[0080] 주입된 디바이스로의 전력은 외부 디바이스(예를 들어, 판독기 디바이스)를 통해 제공될 수 있다. 그런 외부 디바이스의 구성은 요건들 및 애플리케이션들에 기초하여 가변할 수 있다. 그런 디바이스의 기능성은 주문형 IC 또는 이산 컴포넌트들을 가진 시스템에 의해 제공될 수 있다. 예로서, LC 공진기를 가진 외부 인쇄 회로 기판(PCB)은 개념 증명으로서 사용된다. 공진기는 임플라트 공진기와 동일한 주파수로 튜닝되고 따라서 임플란트 공진기에 전력을 효율적으로 전달한다. 외부 PCB와 결합한 프로토타입 시스템을 사용하여, 22 dBm의 전력은 근육 조직의 5mm 및 공기의 5mm 만큼 CGM 임플란트로부터 분리된 외부 PCB 상 2×2 cm² 외부 인덕터 코일을 사용함으로써 전송되었다. 링크 성능은 판독기와 임플란트(예를 들어, 대응하는 코일들의 중심) 사이의 최대 ±3 mm 중심-대-중심 오정렬에 대해 둔감하였다.

외부 송신기/판독기

[0081] 외부 디바이스는 송신기 및 판독기로서 작동하고 원해진 주파수 및 타이밍의 라디오 주파수 신호들(예를 들어, UHF, 900 MHz ISM 대역, 등)을 생성하기 위한 몇몇 상업적 컴포넌트들, 및 통합된 센서 디바이스에 커플하기 위한 외부 코일로 이루어질 수 있다.

[0082] 본 개시의 몇몇 실시예들에 따라, 외부 디바이스는 특정 패턴으로 배열된 코일들의 어레이(예를 들어, 하나보다 많은)를 포함할 수 있다. 동일한 전자장치는 각각의 코일에 순차적으로 전력을 공급하고 수신된 신호를 측정하여 예를 들어 수신된 신호의 전력에 기초하여 센서의 포지션을 결정하기 위하여 사용될 수 있다. 보다 높은 수신된 신호 전력을 가진 코일 또는 코일들의 세트는 본 개시의 이전 섹션들에서 설명된 바와 같이 통합된 디바이스에 효과적으로 전력을 공급하고 통신하기 위하여 사용될 수 있다. 통합된 디바이스와 통신 및 전력을 공급하기 위한 코일들의 그런 검출 알고리즘 및 선택은 코일(들)로부터 보다 높은 에너지 밀도를 제공하고 시간 흐름에 따라 임플란트 포지션의 작은 변화들을 견딜 수 있으면서 칩으로의 우수한 전력 전달 효율성을 달성하는 것을 허용한다. 코일들의 어레이 및 대응하는 어레인지먼트 패턴은 임플란트 위치상에 포커스하기 위하여 결과적 전자기(EM) 장을 형상화하기 위하여 추가로 사용될 수 있어서, 전력 효율성 및 가능한 임플란트 깊이를 증가시킨다.

[0083] 본 개시의 다른 실시예들에 따라, 외부 디바이스의 판독기 및 송신기 기능들은 셀 폰들, 테블릿들 등 같은 개인 디바이스들 같은 비전용 디바이스들에 통합될 수 있다. 이것은 그런 비전용 디바이스들이 동작할 수 있는 주파수들 쯤에서 통합된 센서 시스템을 설계하고, 비전용 디바이스의 칩셋에 판독기 및 송신기 기능들(예를 들어, 변조, 복조, RF 전력 전송 등)을 통합함으로써 행해질 수 있다.

[0084] 도 21은 가변하는 길이의 펄스들로서 형상화된 판독기와 임플란트 사이에서 검출된 통신 신호들을 도시한다. 안테나에서 실제 신호(예를 들어, 900 MHz ISM 주파수 대역에서 RF)는 이들 펄스들에 의해 변조된다. 질문 시퀀스 동안 전송된 질문 신호가 센서에 의해 수신되면, 글루코스 판독은 신호 획득 시퀀스 내에서 시작하고 획득의 결과는 획득된 데이터를 나타내는 데이터가 통합된 센서의 코일의 임피던스의 변조를 통해 판독기에 제공되는 후방산란 데이터 시퀀스 동안 판독기에 전송된다. 도 22에 묘사된 테이블은 프로토타입 시스템의 성능을 요약하고 이를 그 전체가 인용에 의해 본원에 둘 다 포함된 참조들[1, 2]에서 설명된 바와 같은 최신 시스템들에 비교한다. 본 개시에 따른 다양한 실시예들을 사용하여 제조된 프로토타입 시스템은 현재 최신 상태 시스템들과 유사한 성능을 제공하면서 면적에서 15배보다 큰 감소 및 체적에서 60배 감소를 가진 가장 작은 보고된 무선 CGM 시스템이다. 당업자는, 글루코스를 측정하는 가장 복잡한 감지 시나리오 중 하나에 대해 적당한 성능을 여전히 제공하면서 작은 크기(예를 들어, 1mm × 1mm × (100μm-500μm)) 및 작은 전력 소비 디바이스를 허용하는 그런 통합된 디바이스 및 근본적인 제조 방법들에 의해 제공된 장점들을 쉽게 인식한다.

주입 및 제거 방법들

[0085] 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 통합된 감지 디바이스는 피부, 피하 조직, 복강 내 캐비티, 장기, 뇌, 근육, 또는 다른 조직에 주입될 수 있다. 절개는 주입을 위하여 바디 내에서 이루어질 수 있다. 대안적으로, 적당한 게이지 투관침(gauge trocar) 및/또는 바늘은 디바이스의 주입을 위해 사용될 수 있다. 당업자는 조직 내에 주입가능 디바이스를 완전하게 임베드하기 위하여 적당한 게이지의 투관침 및/또는 바늘의 사용 같은, 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 주입가능 디바이스의 작은 크기에 의해 제공된 주입 융통성을 쉽게 인식한다. 그런 임플란트의 제거는 예를 들어, 간단한 절개를 통해, 또는 투관침 다음 그랩빙 기구(grabbing instrument)를 사용함으로써 수행될 수 있다.

작동

[0086] 본 개시의 추가 실시예에 따라, 본 개시의 지침들에 따른 통합된 전기화학 센서는 또한 작동을 위하여 사용될 수 있다. 센서의 전극들은 전극들 양단에 걸쳐 전압 또는 전류를 강제함으로써 대응하는 로컬 환경을 통해 전류를 흘리기 위하여 사용될 수 있다. 제한된 출력 전류 용량을 가진 작은 센서들에 대해, 이것은 충분한 전류를 로컬 환경에 전달되도록 하기 위하여 펄스 모드에서 행해질 수 있다. 작은 센서는 작동을 위하여 의도된 조직 구역에 의해 요구된 것과 비교하여 보다 작은 전류를 제공하기 위한 능력을 가질 수 있다. 예를 들어, 본 지침들에 따라 무선 통합된 센서에 이용 가능한 마이크로암페어의 전류보다 작은 전류로 심근의 지속적 작동은 어려울 수 있다. 그러나, 무선 통합 디바이스는 펄스 모드에서 그런 작은 전류 제한을 극복하도록 동작될 수 있다. 이것은 작동을 위해 전기 에너지를 축적하기 위한 무선 통합 디바이스 내의 에너지 저장 엘리먼트들(예를 들어, 캐패시터들)을 활용함으로써 행해질 수 있다. 비록 전극들의 보다 큰 표면적이 전기화학 시스템의 전류 범위를 증가시키기 위하여 도움을 줄 수 있지만, 전체 전류(예를 들어, 지속적 동작에서)는 여전히 시스템으로의 무선 전력 전달에 의해 제한된다. 다수의 그런 디바이스들은 작동을 개선하기 위하여 동기화하여 사용될 수 있다. 작은 크기 및 작은 전류(또는 전압)의 장점은 매우 로컬적 작동이 가능하다는 것이다.

[0087] 작동은 관련 파라미터들(예를 들어, 지속시간, 작동 파형 등)에 따라 통합된 주입가능 디바이스가 작동하기 시작하는 것을 말하는 특정 태그 시퀀스를 수신시 제어 로직 신호에 의해 활성화될 수 있다. 작동을 수행하도록 구성된 그런 통합된 주입가능 디바이스는 도 23의 블록도에서 묘사된다. 작동기 유닛(예를 들어, 도 23의 작동기)은 센서의 전극들(예를 들어, CE, RE, WE)에 전류를 주입함으로써 작동 임무를 수행하는 것을 허용한다. 스위치(예를 들어, MUX)는 감지를 위한 센서 신호 획득 유닛, 또는 작동을 위한 작동기 유닛에 전극의 연결을 허용할 수 있다. 외부 디바이스로부터 작동 태그 시퀀스의 수신시, 작동기 유닛 내에 상주할 수 있는 캐패시터 뱅크(예를 들어, 에너지 저장 서브시스템으로서 사용함)는 무선 전력 링크를 통해 충전될 수 있다. 또한, 태그 시퀀스에 기초한 제어 로직은 (예를 들어, 스위치(MUX)를 통해 작업 및 카운터) 전극들을 주입가능 통합된 디바이스의 작동기 유닛에 연결할 수 있다. 작동기 유닛의 파형 정형 회로는 캐패시터 뱅크의 전기 에너지를 파형 정형 회로를 통해 원해진 파형(예를 들어, 전압, 전류) 신호로 변환할 수 있다. 그 다음 이런 파형 신호는 작동 목적들을 위하여 대응하는 에너지를 인근 조직(예를 들어, 디바이스가 주입된 곳)에 전달하는 전극들에 공급된다. 파형 신호는 조직 컨덕턴스(예를 들어, 그리고 뱅크의 캐패시턴스 값)에 기초하여 캐패시터 뱅크가 지수적으로 방전하게 하는 전극들을 캐패시터 뱅크(예를 들어, 스위치(MUX)를 통해)에 간단히 직접 연결함으로써 얻어질 수 있다. 파형 생성을 위한 다른 옵션들은 전체 작동 기간 동안 정전류를 허용하는 전류 제한 회로들일 수 있다. 멀티플렉서(예를 들어, 스위치)는 센서 및 작동기 회로들 둘 다가 동시에 전극들에 연결되지 않는 것을 보장하도록 사용될 수 있다. 당업자는 감지 및 작동 모드 둘 다에서 통합된 전기화학 디바이스를 사용하기 위하여 도 23에 묘사된 본 개시의 지침들에 따른 예시적인 실시예에 의해 제공된 융통성을 쉽게 인식한다. 작동은 전극 표면들을 세척하는 것, 센서 표면을 세척하는 것, 신경들 또는 다른 조직들(예를 들어, 심장 조직)의 치료 작동(이들로 제한되지 않음)을 포함하는 많은 목적들을 위해 사용될 수 있다. 제어된 작동을 가진 다수의 디바이스들은 디바이스의 작은 크기로 인해, 매우 제어된(예를 들어, 포커스된) 로컬 작동을 허용할 수 있다.

[0088] 비록 CMOS 기술을 사용하여 제조된 제시된 CGM 프로토타입 시스템이 임플란트를 위한 어려운 임무를 수행하기 위하여 구성되지만, 본 개시의 다양한 실시예들에 따른 지침들은 예를 들어 대응하는 시스템 구성을 변화시킴으로써 임플란트들에 관련된 다른 애플리케이션들에 사용될 수 있다. 본 개시의 이전 섹션들(예를 들어, 기능화 다용도성)에서 주의된 바와 같이, 기능화 화학물은 예를 들어 요소를 감지하기 위하여 글루코스 산화효소 대신 우레아제를 사용하는 것 같은 원해진 감지 애플리케이션에 따라 변화될 수 있다. 당업자는 본 지침들의 장점을 취하면서 많은 다른 예들을 발견할 수 있다.

[0089] 본 개시의 다수의 실시예들이 설명되었다. 그럼에도 불구하고, 다양한 수정들이 본 개시의 사상 및 범위에서 벗어나지 않고 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 따라서, 다른 실시예들은 다음 청구항들의 범위 내에 있다.

[0090] 상기 설명된 예들은 본 개시의 실시예들을 만들고 사용하는 방법의 완전한 개시 및 설명으로서 당업자들에게 제공되고 발명자/발명자들이 이들 개시로서 고려한 바의 범위를 제한하도록 의도되지 않는다.

[0091] 본원의 방법들 및 시스템들을 수행하기 위한 상기 설명된 모드들의 수정들은 다음 청구항들의 범위 내에 있도록 의도되는 것이 당업자들에게 분명하다는 것이 개시된다. 명세서에 언급된 모든 특허들 및 공개물들은 본 개시가 관련되는 당업자들의 레벨들을 가리킨다. 본 개시에서 인용된 모든 참조들은 각각의 참조가 그 전체가 개별적으로 인용에 의해 포함되는 것과 동일한 범위로 인용에 의해 통합된다.

[0092] 본 개시가 특정 방법들 또는 시스템들로 제한되지 않는 것이 이해될 것이고, 이는 물론 가변할 수 있다. 또한 본원에 사용된 용어들이 단지 특정 실시예들을 설명하는 목적을 위한 것이고 제한되도록 의도되지 않는 것이 이해될 것이다. 본 명세서 및 첨부된 청구항들에서 사용된 바와 같이, 단수 형태들은 콘텐츠가 명확하게 다르게 구술하지 않으면 복수의 참조물들을 포함한다. 용어 "복수"는 콘텐츠가 명확하게 다르게 구술하지 않으면 둘 또는 그 초과의 참조물들을 포함한다. 다르게 정의되지 않으면, 본원에 사용된 모든 기술 및 특정 용어들은 본 개시가 관련되는 당업자에 의해 공통으로 이해되는 동일한 의미를 가진다.

참조물들의 리스트

Claims

소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법으로서,
기판의 제 1 면상에 전자 시스템을 모놀리식으로 통합함으로써 상기 전자 시스템을 제조하는 단계 ― 상기 전자 시스템은, 상기 주입가능 디바이스의 동작 동안 무선 통신 링크를 통해 외부 디바이스와 통신하고 상기 무선 통신 링크로부터 상기 주입가능 디바이스에 대한 전력을 추출하도록 구성됨 ―;
상기 기판의 상기 제 1 면상에 코일을 모놀리식으로 통합함으로써 코일을 제조하는 단계 ― 상기 코일은 상기 무선 통신 링크를 제공하도록 구성됨 ―; 및
상기 기판의 상기 제 1 면상에 복수의 전극들을 모놀리식으로 통합함으로써 전기화학 센서의 상기 복수의 전극들을 제조하는 단계 ― 상기 복수의 전극들은 상기 주입가능 디바이스의 전기화학 센서와 상기 전자 시스템 사이에 전기 인터페이스를 제공하도록 구성됨 ―
를 포함하는,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 복수의 전극들을 제조하는 단계는 상기 전자 시스템을 제조하기 위하여 사용된 금속 층들로부터 분리된 제 1 금속 층 상에 상기 복수의 전극들을 제조하는 단계를 더 포함하는,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 복수의 전극들 중 하나 또는 그 초과는 분산된 전극들이고 및/또는 패턴화된 전극들인,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 복수의 전극들을 제조하는 단계는 상기 복수의 전극들의 대응물에 복수의 웰(well)들을 생성하는 단계를 더 포함하는,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 금속 층은 상기 기판의 상단 금속 층이고, 상기 복수의 웰들을 생성하는 단계는 상기 복수의 웰들의 대응물에서 상기 상단 금속 층 모두 또는 일부를 에칭하는 단계를 포함하는,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 4 항에 있어서,
상기 제 1 금속 층은 상기 기판의 하부 금속 층이고, 상기 복수의 웰들을 생성하는 단계는 상기 복수의 웰들의 대응물에서 상기 하부 금속 층의 모두 또는 일부를 에칭하는 단계 및 상단 절연 층들을 에칭하는 단계를 포함하는,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 2 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 복수의 전극들을 제조하는 단계는 상기 제 1 금속 층의 금속과 상이한 금속을 상기 복수의 전극들 중 하나의 전극의 대응물에 증착하는 단계를 더 포함하는,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 증착된 금속은 귀금속 및/또는 귀금속 산화물에 기초한 금속인,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 7 항에 있어서,
상기 증착된 금속은 a) 백금, 및 b) 백금 산화물 중 하나인,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 금속의 증착은 산소 플라즈마 하에서 증착을 포함하는 클린룸(clearnroom) 절차를 사용하는 것을 포함하는,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 8 항에 있어서,
상기 금속의 증착은 강한 산화제들의 혼합물에서 전기화학 산화를 포함하는 클린룸 절차를 사용하는 것을 포함하는,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 11 항에 있어서,
강한 산화제들의 혼합물은 a) 황산, 및 b) 과산화수소 중 하나 또는 그 초과를 포함하고, 상기 전기화학 산화는 상기 복수의 전극들 중 제 1 전극을, 상기 복수의 전극들 중 제 2 전극의 전위에 관하여 높은 산화 전위 다음 낮은 환원 전위를 반복적으로 겪게 하는 것을 포함하는,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 9 항에 있어서,
상기 복수의 전극들 중 상기 전극은 a) 상기 복수의 전극들 중 작업 전극, 및 b) 상기 복수의 전극들 중 기준 전극 중 하나 또는 그 초과인,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 13 항에 있어서,
상기 복수의 전극들 중 카운터 전극의 대응물에 증착된 금속은 상기 작업 전극 및 상기 기준 전극의 대응물에 증착된 금속과 상이한,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 7 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기판을 다이싱(dicing)하기 전에 a) 유체 분배 로봇, b) 스핀 코팅, c) 스프레이 코팅, d) 스텐실(stencil) 코팅, 및 e) 전체 기판 코팅 다음 스텐실 보호 제거 중 하나 또는 결합을 사용하여 기능화 화학물(chemistry)을 포함하는 기능화 층을 증착하는 단계를 더 포함하는,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 15 항에 있어서,
상기 기능화 화학물은 산화환원효소를 포함하는,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 16 항에 있어서,
상기 산화환원효소는 a) 젖산 산화효소, b) 글루코스 산화효소, c) 글루코스 탈수소효소, d) 호스래디시 페록시디아제(horseradish peroxidase)와 함께 a)-c) 중 임의의 하나를 포함하는 혼합물, e) 우리카아제(uricase), f) 우레아제(urease), g) 아스코르베이트 산화효소(ascorbate oxidase), h) 사르코신(sarcosine) 산화효소, i) 알코올 산화효소, j) 말산탈수소효소(malate dehydrogenase), k) 글루코아밀라제(glucoamylase), l) 글루타메이트(glutamate) 산화효소, 및 m) 콜레스트롤 탈수소효소 중 하나를 포함하는,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 2 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전자 시스템의 제조는 상기 전자 시스템을 상기 복수의 전극들에 연결하기 위하여 비아들을 생성하는 것을 포함하고, 상기 비아들은 상기 전자 시스템의 제조에 사용된 금속 재료와 상이한 금속 재료를 사용하여 생성되는,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 2 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일의 제조는 상기 제 1 금속 층 상에 복수의 동심원 패턴들을 제조하는 것을 포함하는,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제조는 CMOS 제조 기술을 포함하는,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 소형화된 주입가능 디바이스의 보다 큰 측은 1.4 mm보다 크지 않고, 상기 전기화학 센서의 보다 큰 측은 500 μm보다 크지 않고 상기 소형화된 주입가능 디바이스의 두께는 250 μm보다 크지 않은,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 21 항에 있어서,
동작 동안, 상기 소형화된 주입가능 디바이스는 6 μW보다 많지 않은 전력을 소비하도록 적응되는,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 22 항에 있어서,
상기 무선 통신 링크는 인덕티브 커플링 링크인,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 23 항에 있어서,
상기 무선 통신 링크에 사용된 데이터 변조 방법은 로드-시프트 키잉 방법(LSK: load-shift keying method)인,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 23 항에 있어서,
상기 무선 통신 링크는 산업, 과학 및 의학(ISM) 라디오 대역의 주파수 대역에서 동작하는,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
제 22 항에 있어서,
상기 전자 시스템은,
상기 소형화된 주입가능 디바이스의 동작 동안, 상기 복수의 전극들과 인터페이스하도록 구성된 가변 전위기(potentiostat);
상기 복수의 전극들 중 작업 전극(WE)에 연결된 트랜스-임피던스 증폭기(TIA) ― 상기 TIA는 양방향 전류 측정을 허용함 ―;
프로그램 가능 적분 시간을 포함하고, 상기 트랜스-임피던스 증폭기에 동작 가능하게 커플되고 80 dB의 범위에 걸쳐 상기 작업 전극으로부터 전류를 측정하도록 구성된 듀얼-슬로프(dual-slope) 아날로그-투-디지털 컨버터(ADC)
를 포함하는,
소형화된 주입가능 디바이스를 제조하기 위한 방법.
포유동물에 전기화학 센서를 주입하기 위한 방법으로서,
제 1 항의 방법을 사용하여 제조된 소형화된 주입가능 디바이스를 제공하는 단계;
상기 포유동물에 상기 소형화된 주입가능 디바이스를 주입하는 단계; 및
상기 주입에 기초하여, 상기 포유동물의 조직 내에 상기 소형화된 주입가능 디바이스를 완전히 임베딩하는 단계
를 포함하는,
포유동물에 전기화학 센서를 주입하기 위한 방법.
제 27 항에 있어서,
상기 주입은 적당한 게이지 바늘(gauge needle) 또는 적당한 게이지 투관침(trocar)을 사용하여 수행되는,
포유동물에 전기화학 센서를 주입하기 위한 방법.
제 27 항에 있어서,
상기 주입가능 디바이스에 전력을 제공하도록 구성된 복수의 코일들을 포함하는 외부 디바이스를 제공하는 단계;
상기 포유동물의 조직 외부의 상기 주입가능 디바이스의 거리에 상기 외부 디바이스를 포지셔닝하는 단계;
상기 포지셔닝에 기초하여, 상기 복수의 코일들 중 하나의 코일을 통해 상기 주입가능 디바이스에 전력을 공급하는 단계;
전력 공급에 기초하여, 상기 주입가능 디바이스로부터 수신된 신호의 진폭을 측정하는 단계;
상기 복수의 코일들 각각의 코일에 대한 전력 공급 및 측정을 반복하는 단계;
반복에 기초하여, 상기 주입가능 디바이스로부터 수신된 최대 진폭 신호를 결정하는 단계;
결정에 기초하여, 상기 최대 진폭의 대응물로 상기 복수의 코일들 중 하나의 코일을 사용하여 상기 주입가능 디바이스에 효과적으로 전력을 공급하는 단계; 및
효과적으로 전력을 공급하는 것에 기초하여, 상기 주입가능 디바이스를 동작시키는 단계
를 더 포함하는,
포유동물에 전기화학 센서를 주입하기 위한 방법.
제 27 항에 있어서,
상기 주입가능 디바이스에 인덕티브하게 커플된 외부 코일을 통해 상기 주입가능 디바이스에 전력을 공급하는 단계;
전력 공급에 기초하여, 상기 전자 시스템의 캐패시터들의 뱅크(bank)를 충전하는 단계; 및
충전에 기초하여, 상기 복수의 전극들 중 하나 또는 그 초과의 전극들을 통해, 전류를 상기 조직에 주입하는 단계
를 더 포함하는,
포유동물에 전기화학 센서를 주입하기 위한 방법.
모놀리식으로 통합된 소형화된 주입가능 디바이스로서,
복수의 절연 층들을 통해 분리된 복수의 금속 층들을 포함하는 상기 소형화된 주입가능 디바이스의 모놀리식(monolithic) 통합을 위한 기판;
복수의 전극들을 포함하는 모놀리식으로 통합된 전기화학 센서;
모놀리식으로 통합된 전자 시스템; 및
모놀리식으로 통합된 코일
을 포함하고,
상기 주입가능 디바이스의 동작 동안, 상기 전자 시스템은:
상기 전기화학 센서와 인터페이스하고 반응의 대응물로 전류를 감지하고,
상기 코일에 의해 제공된 무선 통신 링크를 통해 외부 디바이스와 통신하고, 그리고
상기 무선 통신 링크로부터 상기 소형화된 주입가능 디바이스에 대한 전력을 추출하도록 구성되는,
모놀리식으로 통합된 소형화된 주입가능 디바이스.
제 31 항에 있어서,
상기 복수의 전극들의 대응물에 복수의 웰들을 더 포함하고, 상기 복수의 웰들 중 하나의 웰의 깊이는 상기 복수의 금속 층들 중 하나 또는 그 초과의 금속 층들 및/또는 상기 복수의 절연 층들 중 하나 또는 그 초과의 절연 층들에 걸쳐 연장되는,
모놀리식으로 통합된 소형화된 주입가능 디바이스.
제 32 항에 있어서,
상기 깊이는 4 μm 내지 6 μm의 범위인,
모놀리식으로 통합된 소형화된 주입가능 디바이스.
제 32 항에 있어서,
상기 웰은 상기 하나 또는 그 초과의 금속 층들의 금속과 상이한 전극 금속을 포함하는,
모놀리식으로 통합된 소형화된 주입가능 디바이스.
제 34 항에 있어서,
상기 전극 금속은 귀금속이고 상기 귀금속의 상단 산화된 층을 포함하는,
모놀리식으로 통합된 소형화된 주입가능 디바이스.
제 32 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 웰은 상기 전기화학 센서의 기능화 화학물을 더 포함하는,
모놀리식으로 통합된 소형화된 주입가능 디바이스.
제 31 항에 있어서,
상기 소형화된 주입가능 디바이스의 보다 큰 측은 1.4 mm보다 크지 않고, 상기 소형화된 주입가능 디바이스의 두께는 250 μm보다 크지 않은,
모놀리식으로 통합된 소형화된 주입가능 디바이스.
제 31 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 코일 및 상기 복수의 전극들은 상기 복수의 금속 층들의 상단 금속 층 상에 있는,
모놀리식으로 통합된 소형화된 주입가능 디바이스.
제 38 항에 있어서,
상기 코일은 복수의 동심원 금속 패턴들을 포함하고 상기 코일은 상기 전기화학 센서를 둘러싸는,
모놀리식으로 통합된 소형화된 주입가능 디바이스.
제 31 항 내지 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전자 시스템은 상기 전기화학 센서에 동작 가능하게 커플되고 80 dB의 범위에 걸쳐 상기 전기화학 센서로부터 전류를 측정하도록 구성된 듀얼-슬로프 아날로그-투-디지털 컨버터(ADC)를 포함하는,
모놀리식으로 통합된 소형화된 주입가능 디바이스.
제 40 항에 있어서,
상기 듀얼-슬로프 ADC는 프로그램 가능 적분 시간을 포함하는,
모놀리식으로 통합된 소형화된 주입가능 디바이스.
제 31 항 내지 제 39 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 전자 시스템은, 상기 소형화된 주입가능 디바이스의 동작 동안, 캐패시터들의 뱅크에 저장된 에너지에 기초한 전류를 상기 복수의 전극들 중 하나 또는 그 초과의 전극들에 제공하도록 구성된 캐패시터들의 뱅크를 포함하는 작동기 회로를 포함하는,
모놀리식으로 통합된 소형화된 주입가능 디바이스.
제 42 항에 있어서,
상기 작동기 회로는, 상기 소형화된 주입가능 디바이스의 동작 동안, 상기 전류의 대응물로 파형 신호를 제어하도록 구성된 파형 정형 회로를 더 포함하는,
모놀리식으로 통합된 소형화된 주입가능 디바이스.