DE112004001797T5

DE112004001797T5 - Elektrochemischer Chip mit integrierter Sensoranordnung, Verfahren zu dessen Bildung und Elektrodenbeschichtung

Info

Publication number: DE112004001797T5
Application number: DE112004001797T
Authority: DE
Inventors: Yu Chen; Jianshan Ye; Fwu-Shan Sheu; Hui Fang Zhengzhou Cui; Ser Choong Chong
Original assignee: Agency for Science Technology and Research Singapore; National University of Singapore
Current assignee: Agency for Science Technology and Research Singapore; National University of Singapore
Priority date: 2003-09-26
Filing date: 2004-09-13
Publication date: 2006-08-24
Also published as: JP2007506968A; GB0606103D0; US20050067279A1; GB2421801B; GB2421801A; GB2421801B8; US7547381B2; WO2005031333A1; GB2421801A8

Abstract

Ein elektrochemischer Chip mit integrierter Sensoranordnung, der umfasst:
– eine Anordnung von Elektroden, wobei mindestens eine Elektrode der Anordnung von Elektroden von einer Beschichtung, die mit einer Ferrocenverbindung dotiert ist, bedeckt ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft elektrochemische Chips mit integrierter Sensoranordnung, Verfahren zur deren Bildung und Elektrodenbeschichtungen.
Elektrochemische Sensoren sind für den Nachweis des Vorhandenseins oder der Messung der Konzentration einer chemischen oder biochemischen Zielsubstanz in einer Flüssigkeit verwendbar.
Ein typischer elektrochemischer Sensor hat eine Erfassungselektrode (ebenfalls als Arbeitselektrode oder Messelektrode bekannt) und entweder eine Gegenelektrode (ebenfalls als Hilfselektrode bekannt) oder eine Referenzelektrode oder beide. Die Elektroden werden während des Arbeitsgangs in die Flüssigkeit, die die Zielsubstanz enthält, eingetaucht. Ein Schlüsselverfahren bei einer elektrochemischen Reaktion ist der Transfer von Elektronen zwischen der Oberfläche der Arbeitselektrode und Molekülen in der Grenzflächenregion (entweder in der Flüssigkeit oder an der Elektrodenoberfläche immobilisiert). Ein elektrisches Signal kann nachgewiesen werden, wenn die Arbeitselektrode der Zielsubstanz ausgesetzt wird. Das Signal entsteht entweder aufgrund einer Änderung im Potential an der Elektrode oder durch einen Elektronenfluss (Strom) durch die Elektroden, welcher als Antwort auf ein auferlegtes Spannungssignal an den Elektroden als ein Ergebnis der Reduktions-Oxidationsreaktionen, die als Redox-Reaktionen bekannt sind, die an den Elektrodenoberflächen auftreten, erzeugt wird.
Eine Elektrode eines Sensors kann von einer Beschichtung bedeckt sein, um die Eigenschaften, die Selektivität und Empfindlichkeit des Sensors zu kontrollieren. Zum Beispiel ist es manchmal wünschenswert, den elektrischen Widerstand an der Grenzfläche Elektrode-Flüssigkeit zu kontrollieren. Der Widerstand an der Grenzfläche beeinflusst die Stromantwort der Elektrode, da er die Durchlässigkeit der Elektrolyten, die die Elektrode erreichen, und folglich das Signal/Rauschverhältnis beeinflusst. In diesem Zusammenhang sind Metall unterstützte Doppelschichtlipidmembrane (s-BLM) als eine Beschichtung auf Elektroden verwendet worden. Siehe z.B. Tien et al., „Supported Bilayer Lipid Membranes as Ion and Molecular Probes", Analytical Sciences, (1998), Vol. 14, S. 3. Bekannte s-BLM Beschichtungen stellen jedoch nur einen begrenzten Anstieg des elektrischen Widerstandes bereit. Des Weiteren ist es mit bekannten s-BLM Beschichtungen schwierig einen stabilen spezifischen Widerstand zu erhalten, da der Widerstand des Beschichtungsmaterials nicht leicht kontrollierbar ist und die gebildete Beschichtung aufgrund rauer Laborhandhabung beschädigt werden kann.
Vorrichtungen mit integrierter Sensoranordnung sind verwendbar, da sie kompakt sind und sie können verwendet werden, um die gleiche Komponente an verschiedenen Messpunkten oder verschiedene Komponenten einer Probe gleichzeitig zu analysieren. Eine Anzahl von Techniken ist verwendet worden, um Vorrichtungen mit integrierter elektrochemischer Sensoranordnung zu bilden. Zum Beispiel offenbart das US-Patent 6,315,940 von Nisch et al. eine Mikroelementvorrichtungen mit einer Grundplatte und einer Deckplatte, wobei die Deckplatte mehrere Mikroküvetten hat, von denen jede eine Erfassungselektrode umfasst, die innerhalb einer Mikroküvette der Deckplatte oder an der Oberseite der Grundplatte oder in einer dritten Platte, die zwischen die Deckplatte und die Grundplatte eingeschoben ist, gebildet wird. Diese bestehenden Techniken haben jedoch Nachteile, wie zum Beispiel ein relativ kompliziertes Verfahren für die Herstellung der integrierten Vorrichtungen.
Deshalb besteht weiterhin ein Bedarf für eine verbesserte Elektrodenbeschichtung und verbesserte Versuche, Elektroden und elektrochemische Chips mit integrierter Sensoranordnung zu bilden.
Zusammenfassung der Erfindung
Ein elektrochemischer Chip mit integrierter Sensoranordnung wird bereitgestellt, wobei der Chip eine Anordnung (Raster/"Array") von Elektroden hat. Mindestens eine der Elektroden kann von einer Beschichtung, die mit einer Ferrocenverbindung dotiert ist, bedeckt sein. Die Anordnung kann auf einer Grundplatte, die an eine Deckplatte mit einer Öffnung gebunden ist, gebildet werden, so dass die Anordnung innerhalb eines Hohlraums, der durch die Grundplatte und die Deckplatte definiert wird, liegt. Leitfähige Leitungen zur Verbindung der Elektroden an elektrochemische Instrumente können auf derselben Oberfläche der Grundplatte gebildet werden, auf der die Elektroden gebildet werden.
In Übereinstimmung mit einem Aspekt der Erfindung wird ein elektrochemischer Chip mit integrierter Sensoranordnung bereitgestellt, der eine Anordnung von Elektroden umfasst, wobei mindestens eine Elektrode der Anordnung von Elektroden von einer Beschichtung, die mit einer Ferrocenverbindung dotiert ist, bedeckt ist.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines elektrochemischen Chips bereitgestellt, das das Bilden einer ersten Platte durch Abscheiden einer leitfähigen Schicht auf einem ersten Träger (=Support) und Ätzen der leitfähigen Schicht, um eine Elektrodenanordnung zu bilden, das Bilden einer zweiten Platte durch Ätzen einer Öffnung in einen zweite Träger und das Binden der zweiten Platte an die erste Platte umfasst, so dass die erste Platte und die zweite Platte einen Hohlraum definieren, wobei die Elektrodenanordnung innerhalb des Hohlraums liegt. Die Öffnung kann ein Fenster oder eine Vertiefung sein. Das Verfahren kann des Weiteren das Bedecken mindestens einer Elektrode der Elektrodenanordnung mit einer Beschichtung, die mit einer Ferrocenverbindung dotiert ist, umfassen. Das Verfahren kann des weiteren das Oxidieren der Ferrocenverbindung umfassen.
In Übereinstimmung mit noch einem anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Bildung eines elektrochemischen Chips bereitgestellt, das das Bilden einer Metallanordnung und das Bedecken von mindestens einigen Elementen der Anordnung mit einer unterstützten ("supported") Doppelschichtlipidmembran, die mit einer Ferrocenverbindung dotiert ist, umfasst.
In Übereinstimmung mit noch einem weiteren anderen Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Verwendung einer Ferrocenverbindung als ein Dotierungsmittel in einer Elektrodenbeschichtung bereitgestellt.
In Übereinstimmung mit einem noch anderen Aspekt der Erfindung wird ein elektrochemischer Chip mit integrierter Sensoranordnung bereitgestellt, der eine erste Platte mit einer Anordnung von Elektroden darauf und eine zweite Platte mit einer Öffnung umfasst, wobei die zweite Platte an die erste Platte gebunden ist, so dass die erste Platte und die zweite Platte einen Hohlraum definieren, wobei die Anordnung von Elektroden innerhalb des Hohlraums liegt. Die Öffnung kann ein Fenster oder eine Vertiefung sein. Die erste Platte kann eine Vielzahl von Leiterbahnen haben, die auf der gleichen Oberfläche der ersten Platte gebildet werden, auf welcher die Anordnung von Elektroden gebildet wird, wobei jede der Leiterbahnen sich von einer der Elektroden nach außen über eine Peripherie der Anordnung erstreckt.
Andere Aspekte, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden dem Durchschnittsfachmann nach der Durchsicht der folgenden Beschreibung der spezifischen Ausführungsformen der Verbindung zusammen mit den beiliegenden Figuren offensichtlich werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
In den Figuren, welche beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung veranschaulichen,
ist 1 eine schematische Perspektivansicht eines elektrochemischen Chips mit integrierter Sensoranordnung;
ist 2 eine schematische Querschnittzeichnung des elektrochemischen Chips von 1;
veranschaulichen 3A–3C schematisch einen Ansatz, um die Grundplatte von 1 zu bilden;
veranschaulichen 4A–4D schematisch einen Ansatz, um die Deckplatte von 1 zu bilden;
ist 5 eine schematische Querschnittzeichnung eines anderen elektrochemischen Chips mit integrierter Sensoranordnung;
ist 6 eine schematische Querschnittzeichnung einer Deckplatte; und
ist 7 ein Teilgrundriss einer Elektrodenanordnung auf einer Grundplatte.
Detaillierte Beschreibung
Wenn hier verwendet:

– bedeutet „Anordnung von Elektroden" mindestens zwei Elektroden, die in irgendeinem Muster gebildet sind. Die Elektroden können entweder miteinander verbunden oder unabhängig verdrahtet sein.
– bedeutet „Sensoranordnung" eine Anordnung von Sensoren, die aus identischen oder unterschiedlichen Sensoren bestehen kann.
– bedeutet „gebunden" zusammengehalten, entweder chemisch oder mechanisch oder auf andere Weise.
– bedeutet „Ferrocenverbindung" eine chemische Verbindung, die eine Ferrocengruppe enthält. Eine Ferrocengruppe hat die chemische Formel C₅H₅FeC₅H₄. Beispiele von Ferrocenverbindungen beinhalten Ferrocen (C₅H₅FeC₅H₅) und Benzoylferrocen (C₅H₅FeC₅H₄COC₆H₅).

Im Überblick kann ein elektrochemischer Chip mit integrierter Sensoranordnung eine Anordnung von Elektroden haben. Mindestens eine der Elektroden kann durch eine Beschichtung, die mit einer Ferrocenverbindung dotiert ist, wie z.B. eine unterstützte Doppelschichtlipidmembran (s-BLM), die mit Benzoylferrocen dotiert ist, bedeckt sein. Die Elektroden können auf einer Grundplatte gebildet werden, welche an eine Deckplatte mit einer Öffnung gebunden ist, so dass die Anordnung innerhalb eines Hohlraums liegt, der durch die Grundplatte und die Deckplatte definiert wird. Die Öffnung der Deckplatte kann ein Fenster oder eine Vertiefung sein. Die Elektroden können miteinander verbunden oder unabhängig verdrahtet sein. Die Elektroden und die Verbindungsleitungen können auf der gleichen Oberfläche der Grundplatte gebildet werden.
Die mit Ferrocen dotierte Beschichtung hat einen hohen elektrischen Widerstand. Somit ist der Widerstand an den beschichteten Elektroden höher im Vergleich zu unbeschichteten Elektroden oder Elektroden, die mit einem herkömmlichen undotierten s-BLM beschichtet sind. Der Anstieg des elektrischen Widerstands der Beschichtung, die die Elektroden bedeckt, kann sowohl durch die Dotierungskonzentration als auch durch den Grad der Oxidation der Ferrocenverbindung kontrolliert werden. In diesem Zusammenhang ist entdeckt worden, dass das Oxidieren der dotierten Ferrocenverbindung den Widerstand erhöht. Mit einem geeigneten Widerstand kann das Signal-zu-Rauschverhältnis des Sensors gesteigert werden.
1 und 2 veranschaulichen schematisch einen elektrochemischen Chip 10 mit einer Grundplatte 12 und einer Deckplatte 14. Eine Anordnung von Elektroden 16 wird auf der Grundplatte 12 gebildet. Die Deckplatte 14 hat eine Öffnung, ein Fenster 17. Die Grundplatte 12 und die Deckplatte 14 definieren zusammen einen Hohlraum, eine Reaktionskammer 18, so dass die Anordnung von Elektroden 16 innerhalb der Reaktionskammer 18 liegt.
Optional können ein oder mehrere Ausleger 20 auf der Deckplatte 14 als Träger der externen Elektroden (nicht gezeigt), wie zum Beispiel eine externe Gegen- oder Referenzelektrode oder beide, bereitgestellt werden. Jede externe Elektrode kann in eine Öffnung 22 in einen Ausleger 20 eingeführt werden und sich in die Reaktionskammer 18 erstrecken.
Die Elektroden 16 können alle Arbeitselektroden sein oder können eine oder mehrere Gegenelektroden und/oder Referenzelektroden beinhalten. Jede Elektrode 16 kann einzeln elektrisch durch Kontaktlöcher 24 auf einer Leiterplatte (PCB) 26 kontrolliert werden. PCB 26 stellt elektrische Input/Output-Anschlüsse zu externen elektrischen und/oder elektronischen Instrumenten bereit. Wie von einem Durchschnittsfachmann verstanden wird, werden Bindungsanschlüsse und Leiterbahnen (ebenfalls als „runners" bekannt) typischerweise zum Verbinden der Elektroden mit den Kontaktlöchern 24 verwendet. Externe Instrumente können mit den Elektroden über Kontaktlöcher 24 verbunden werden. Alternativ könnten die Bindungsanschlüsse und leitfähige Leitungen direkt die Elektroden mit externen Instrumenten verbinden. Die Bindungsanschlüsse und die Leiterbahnen können ebenfalls auf der Grundplatte 12 gebildet werden. Aus Gründen der Klarheit sind die Bindungsanschlüsse und die Leiterbahnen, die die Elektroden 16 mit den Kontaktlöchern 24 verbinden, jedoch nicht in 1 gezeigt (aber in 7 gezeigt).
Der elektrochemische Chip 10 kann verschiedene Größen und Formen haben, die für bestimmte Anwendungen geeignet sind. Zum Beispiel kann der elektrochemische Chip 10 eine Chipgröße, die von 1 × 1 cm bis 2 × 2.25 cm variiert und einen Kammerbereich, der von 6 × 6 mm bis 2 × 44 mm variiert, haben.
Während eine Anordnung von 5 × 5 Elektroden in 1 gezeigt ist, kann die Anordnung von Elektroden 16 jedes geeignete Muster oder jede Anzahl von Elektroden, abhängig von der Anwendung, haben. Die Elektroden 16 können verschiedene Formen haben, wie zum Beispiel quadratisch, rechteckig, rund, eiförmig und ähnliches. Die Elektroden 16 können ebenfalls verschiedene Größen haben und können sehr klein gemacht werden, wie zum Beispiel kleiner als 90 μm in Länge und Breite. Durchmesser von 10 μm bis 90 μm sind getestet worden und haben sich als geeignet herausgestellt. Typischerweise kann jede Arbeitselektrode eine Oberfläche im Bereich von 1 × 10^–7 bis 1 × 10^–4 cm² oder weniger haben. Kleinere Größen können bei manchen biochemischen Anwendungen bevorzugt sein. Die Elektroden 16 können gleichmäßig oder ungleichmäßig mit verschiedenen Zwischenelektrodenabständen beabstandet sein, abhängig von der Anwendung. Zum Beispiel haben sich Zwischenelektrodenabstände im Bereich von 10 bis 100 μm in einem beispielhaften elektrochemischen Chip als geeignet herausgestellt. Die Pixelgrößen des Chips 10 können ebenfalls variieren. Pixel mit einer Länge von 0.25 mm haben sich in einem beispielhaften elektrochemischen Chip als geeignet herausgestellt.
Wie in 2 veranschaulicht, kann die Grundplatte 12 durch ein Bindungsmaterial 38 an die Deckplatte 14 gebunden werden.
Die Grundplatte 12 beinhaltet einen Grundwafer 30, eine erste Isolierungsschicht 32, eine leitfähige Schicht 34 und eine zweite Isolierungsschicht 36. Der Wafer 30 kann aus Silizium oder einem anderen geeigneten Material, wie zum Beispiel Glas, Kunststoff, Polymerbahn, Keramik und Halbleitermaterialien hergestellt werden. Die Isolierungsschichten 32 und 36 können aus den gleichen oder unterschiedlichen Materialien hergestellt werden. Ein geeignetes Material für die Isolierungsschichten 32 und 36 beinhaltet Siliziumdioxid, Siliziumnitrit und andere geeignete organische und anorganische Materialien. Für die Verwendung in biochemischen Anwendungen sollte das ausgesetzte Material (unbedeckte Teile des Wafers 44 und der Schichten 32 und 36) mit den beabsichtigten Elektrolyten und biologischen oder biochemischen Testlösungen kompatibel sein. Die Isolierungsschichten 32 und 36 sollten dick genug sein, um ausreichende Isolierung bereitzustellen. Jede der Isolierungsschichten 32 und 36 können eine Dicke im Bereich von 0.1 bis 5 μm haben. Die leitfähige Schicht 34 kann geeignete leitfähige Materialien, wie zum Beispiel Cr, Au und Ti umfassen und kann selbst geschichtet sein. Zum Beispiel kann die leitfähige Schicht 34 aus einer Schicht Au auf einer Schicht Cr oder Ti gebildet werden. Die Elektrodenanordnung 16 wird aus der leitfähigen Schicht 34 gebildet. Die zuvor genannten Leiterbahnen zur Verbindung der Elektroden mit externen Instrumenten können ebenfalls aus der leitfähigen Schicht 34 gebildet werden. Wenigstens eine Elektrode 16 kann mit einer Beschichtung 28, die mit einer Ferrocenverbindung dotiert ist, wie z.B. eine mit Benzoylferrocen dotierte s-BLM, bedeckt sein. Wenn gewünscht, können einige oder alle der Elektroden 16 durch eine mit Ferrocen dotierte Beschichtung bedeckt sein.
Die Deckplatte 14 beinhaltet den Wafer 44 und Maskierungsschichten 40, 42, 46 und 48. Wie der Wafer 30 kann der Wafer 44 aus Silizium oder einem anderen geeigneten Material hergestellt werden. Die Maskierungsschichten 40, 42, 46 und 48 werden auf dem Wafer 44 abgeschieden, um den Wafer 44 während des Ätzens zu maskieren. Wenn der Wafer 44 durch ein nasschemisches Verfahren geätzt werden soll, können zwei Maskierungsschichten auf jeder Seite des Wafers 44, wie in 2 gezeigt, abgeschieden werden. Die inneren Maskierungsschichten 42 und 46 können thermische Oxidschichten und die äußeren Maskierungsschichten 40 und 48 können Siliziumnitritschichten sein, die durch chemische Niederdruckgasphasenabscheidung abgeschieden werden. Die Schichten 42 und 46 können 0.03 bis 1 μm dick sein. Die Schichten 40 und 48 können 0.1 bis 2 μm dick sein. Wenn der Wafer 44 durch ein Trockenätzverfahren geätzt werden soll, kann eine einzelne Maskierungsschicht auf jeder Seite ausreichend sein. Die einzelne Maskierungsschicht kann aus Materialien, wie zum Beispiel Fotolack, Siliziumoxid, Siliziumnitrit und irgendwelchen anderen Materialien, die für Trockenätzen geeignet sind, gebildet werden. Eine oder mehrere Maskierungsschichten 40, 42, 46 und 48 können nach dem Ätzen entfernt werden. Um das Herstellungsverfahren jedoch zu vereinfachen, können die Maskierungsschichten intakt bleiben.
Beispielansätze, um die Grundplatte 12 und die Deckplatte 14 zu bilden, sind in 3A bis 3C und 4A bis 4D veranschaulicht.
In Bezug auf 3A wird die Isolierungsschicht 32 auf einem Siliziumwafer 30 abgeschieden, um einen Träger zu bilden. Die leitfähige Schicht 34 wird als nächstes auf der Isolierungsschicht 32 abgeschieden. Jede geeignete Abscheidungstechnik kann verwendet werden.
In Bezug auf 3B wird die leitfähige Schicht 34 dann gemustert und geätzt, um eine Elektrodenanordnung 16, Bindungsanschlüsse und Stromleitungen, die jede Elektrode mit einem Bindungsanschluß verbinden, zu bilden. Standardhalbleitermikrofabrikationstechniken, wie zum Beispiel Lithographietechniken, können verwendet werden.
In Bezug auf 3C wird die Isolierungsschicht 36 als nächstes auf der leitfähigen Schicht 34 abgeschieden. Die Schicht 36 wird dann geätzt, um die Elektrodenanordnung 16 und die Bindungsanschlüsse freizulegen. Die Schicht 36 kann mit irgendeiner geeigneten Ätztechnik, wie zum Beispiel Plasmatrockenätzen oder nasschemisches Ätzen, geätzt werden. Die Schicht 36 wird in dem Bereich um eine Peripherie der Elektrodenanordnung 16, wo die zwei verbundenen Platten in Kontakt sein werden, nicht geätzt. Wie in 2 veranschaulicht, wird die Deckplatte 14 an die Grundplatte 12 an der restlichen Isolierungsschicht 36, welche an die Deckplatte 14 angrenzt, gebunden werden.
In Bezug auf 4A wird ein Träger zur Bildung der Deckplatte 14 durch aufeinanderfolgende Abscheidung der Maskierungsschichten 42 und 46 und dann der Maskierungsschichten 40 und 48 auf beiden Seiten des Wafers 44 gebildet. Der Wafer 44 kann aus Silizium hergestellt werden. Die Isolierungsschichten können unter Verwendung einer chemischen Niederdruckgasphasenabscheidung gebildet werden.
In Bezug auf 4B werden der Fensterbereich für die Reaktionskammer 18, die Bereiche für die Bindungsanschlüsse und die Bereiche für die Ausleger 20 aus den Schichten 40, 42, 46 und 48 unter Verwendung von Standardhalbleitermikrofabrikationstechniken, wie zum Beispiel Lithographietechniken, herausgeätzt, um den Wafer 44 in diesen Bereichen freizulegen.
In Bezug auf 4C wird der Wafer 44 aus der Vorderseite (Oberseite in den Figuren), welche von der Grundplatte 12 wegzeigt, wenn die Deckplatte 14 an die Grundplatte 12 gebunden wird, herausgeätzt. Mehr als 10 μm Dicke des Wafers 44 können innerhalb der offenen Bereiche weggeätzt werden. In Bezug auf 4D wird der Wafer 44 dann von der Rückseite (Unterseite in den Figuren), welche zur Grundplatte 12 hinzeigt, wenn die Deckplatte 14 an die Grundplatte 12 gebunden wird, durchgeätzt. Die Seite außerhalb des Wafers 44 kann ebenfalls geätzt werden, um die Bindungsanschlüsse freizulegen. Um den Wafer 44 zu ätzen, können Techniken, wie zum Beispiel nasschemisches Ätzen mit KOH oder Siliziumtrockenätzen verwendet werden.
Wie oben angemerkt, kann eine oder mehrere der Maskierungsschichten 40, 42, 46 und 48 nach dem Ätzen entfernt werden.
Zurückkehrend zu 2 können die Grundplatte 12 und die Deckplatte 14 dann zusammengebunden werden mit dem Fenster 17 der Deckplatte 14 über der Elektrodenanordnung 16 unter Verwendung von Techniken, wie zum Beispiel in dem US-Patent 6,503,847 von Chen et al. („Chen"), ausgestellt am 07. Januar 2003, gelehrt, dessen Inhalt hier als Referenz einbezogen ist. Insbesondere können verdünnte Polydimethylsiloxan (PDMS) Lösungen wie von Chen gelehrt hergestellt werden. Die Oberfläche von Schicht 40 (oder die Rückseite des Wafers 44, wenn die Maskierungsschichten 40 und 42 entfernt worden sind) wird dann mit PDMS Rotationsbeschichtet. Die PDMS-Beschichtung kann eine Dicke im Bereich von 1 bis 500 μm haben. Während des Beschichtungsverfahrens kann die Vorderseite des Wafers 44 mit Polymerfilm laminiert werden, um zu verhindern, dass sie mit PDMS beschichtet wird. Das PDMS kann zur Halbhärtung vorgehärtet werden, bevor die Deckplatte 14 an der Grundplatte 12 ausgerichtet wird und die zwei Platten werden aneinander gepresst bis das PDMS vollständig ausgehärtet ist. Obwohl nicht in 2 gezeigt (aus Klarheitsgründen), werden, wie verständlich ist, die Rückseite der Deckplatte 14 und die Innenflächen von Fenster 17 mit einer Schicht PDMS nach dem Binden bedeckt. Geeigneterweise ist die PDMS-Schicht ein biokompatibles Material, so dass der Chip 10 immer noch biokompatibel sein kann, sogar wenn der Wafer 30 und die Maskierungsschichten nicht biokompatibel sind.
Wie angenommen werden kann, können mehr als ein Paar der Grund- und Deckplatten gleichzeitig aus zwei Waferlagen gebildet werden. Wenn mehr als ein Paar gebildet wird, können einzelne Paare, nachdem das PDMS vollständig ausgehärtet ist, herausgeschnitten werden, wie z.B. durch Würfeln. Jedes Paar kann dann über Bonddrähte an ein PCB gebunden werden.
Wie erwähnt werden eine oder mehrere Elektroden 16 durch eine mit einer Ferrocenverbindung dotierte Beschichtung, wie zum Beispiel ein Benzoylferrocen dotiertes s-BLM, bedeckt. Die Beschichtung kann auf einer Elektrode 16 auf verschiedene Art und Weise abgeschieden werden. Ein beispielhaftes Verfahren zur Bedeckung einer Elektrode mit einem mit Benzoylferrocen dotiertem s-BLM ist wie folgt:

– Löse Benzoylferrocen und Dimyristoyl-L-α-phosphatidylcholin (DMPC) in Chloroform mit analytischer Qualität, um eine Lipidlösung herzustellen, wobei die Konzentrationen von Benzoylferrocen und DMPC im Bereich von 0.1 bis 10 mg/ml liegt. Zum Beispiel können sie 1 mg/ml bzw. 2 mg/ml sein;
– Reinige den elektrochemischen Chip 10. Beschalle den Chip 10 zum Beispiel nacheinander in Alkohol und deionisiertem Wasser für 5 Minuten und trockne den Chip 10 dann an der Luft;
– Trage die Lipidlösung auf die Oberfläche der Elektrode in kleinen Mengen auf, wie z.B. tropfe 20 μl Aliquots der Lipidlösung mit einer Mikrospritze;
– Verdampfe das Chloroform auf der Elektrode schrittweise an der Luft bei Raumtemperatur;
– Transferiere 1 ml Phosphatpufferlösung (PBS) auf die mit Lipid beschichtete Elektrode 16, wobei die Pufferlösung 8 g/l NaCl, 0.2 g/l KCl, 1.44 g/l Na₂HPO₄, 0.24 g/KH₂PO₄ mit einem pH-Wert von 7.4 enthalten kann. Die Pufferlösung kann ebenfalls irgendeine geeignete neutrale wässrige Lösung sein, in der die Doppelschichtlipidmembran stabil ist.

Andere geeignete Dotierungsverfahren, wie z.B. Absorption und Diffusionsdotierungsverfahren können ebenfalls verwendet werden. Es wird jedoch angenommen, dass das Dotierungsverfahren die s-BLM Eigenschaften nicht negativ beeinflussen sollte.
Wie angenommen werden kann, wird sich ein mit Benzoylferrocen dotiertes s-BLM spontan (durch molekulares Selbstausrichten) in der PBS-Lösung auf der Elektrode bilden.
Testergebnisse haben gezeigt, dass der elektrische Widerstand einer s-BLM Beschichtung höher ist, wenn sie mit Benzoylferrocen dotiert als ohne Dotierung. Die Testergebnisse zeigen ebenfalls, dass der elektrischer Widerstand weiter erhöht werden kann, wenn das dotierte Benzoylferrocen oxidiert ist.
Benzoylferrocen in dem beschichteten s-BLM kann durch Aussetzen der Elektroden 16 gegenüber zyklischen Potentialänderungen, z.B. von –0.3 bis +0.8 V, oxidiert werden, wenn sie in einer elektrolytischen Lösung, wie z.B. einem PBS-haltigen Kaliumferrocyanid (K₃[Fe(CN)₆]) eingetaucht wird, wobei Redoxreaktionen auf der Beschichtung auftreten.
Ob Benzoylferrocen in der Beschichtung oxidiert worden ist oder nicht kann durch Beobachten der Stromantwort der Elektrode auf Redoxreaktionen leicht getestet werden. Wenn die Stromantwort gering ist, ist es oxidiert worden. Wenn die Stromantwort groß ist, dann ist es nicht vollständig oxidiert worden.
Geeigneterweise kann der elektrische Widerstand an den Elektroden 16 durch Kontrollieren des Oxidationsgrades von Benzoylferrocen in der s-BLM Beschichtung kontrolliert werden. Des Weiteren zeigen die Testergebnisse, dass die Oxidation von Benzoylferrocen irreversibel ist. Das heißt, dass Benzoylferrocen wird oxidiert bleiben, wenn es einmal oxidiert ist, wobei somit ein stabiler elektrischer Widerstand an den Elektrodengrenzflächen bereitgestellt wird. (Wenn das Benzoylferrocen jedoch nicht vollständig oxidiert ist, kann es weiter oxidiert werden, wenn das Potential, das an die Elektroden angelegt wird, höher ist als das Oxidationspotential).
Der Widerstand der Beschichtung kann ebenfalls durch Anpassen der Dotierungskonzentration kontrolliert werden.
Andere Ferrocenverbindungen können ebenfalls verwendet werden, um die s-BLM Beschichtung zu dotieren. Zum Beispiel können Ferrocen (C₅H₅FeC₅H₅) oder 1,1'[(4,4'-Bipiperidin)-1,1'-diyldicarbonyl]-bis[1'-methoxycarbonyl)ferrocen] verwendet werden.
Des Weiteren kann s-BLM durch andere Materialien, wie zum Beispiel jedes geeignete organische Polymer oder Membrane, die modifiziert, immobilisiert oder an der Oberfläche der Elektroden 16 selbst ausgerichtet werden können, ersetzt werden und mit einer Ferrocen-haltigen Verbindung dotiert werden. Vorteilhafterweise behält die dotierte Lipidmembran ihre biokompatible Mikroumgebung in der Gegenwart von Enzymen, womit der Sensor somit für biochemische Anwendungen geeignet ist.
Die Beschichtung kann durchlässig oder undurchlässig sein, abhängig von der Art des anzuwendenden Erfassungsmechanismus. Zum Beispiel kann eine durchlässige Beschichtung für ampermetrische Sensoren verwendet werden, während eine undurchlässige Beschichtung für Widerstand oder Impedanzsensoren verwendet werden kann.
Es ist ebenfalls möglich, verschiedene Elektroden 16 mit verschiedenen Beschichtungen, wie zum Beispiel Beschichtungen, die verschiedene Materialien oder ähnliche Materialien mit unterschiedlichen Oxidationszuständen umfassen, zu beschichten.
In Betrieb wird der elektrochemische Chip 10 mit der externen Kontrolle und den datenaufnehmenden Instrumenten über die Kontaktlöcher 24 verdrahtet. Die Reaktionskammer 18 wird mit einer Flüssigkeit gefüllt. Die Elektroden werden auf eine typische Art und Weise für einen elektrochemischen Sensor oder eine Sensoranordnung vorgespannt, so dass die elektrischen Signale nachgewiesen werden können, um zu bestimmen, ob und/oder wie schnell eine bestimmte Redoxreaktion in der Flüssigkeit auftritt. Somit kann bestimmt werden, ob eine oder mehrere bestimmte Zielsubstanzen in der Flüssigkeit vorliegen oder die Konzentrationen der Substanzen. Wenn erforderlich, können entweder eine externe Gegenelektrode oder eine externe Referenzelektrode, die von einem Ausleger 20 unterstützt wird, oder beide verwendet werden. Die Elektroden 16 können alle als Arbeitselektroden verwendet werden. Oder eine oder mehrere der Elektroden 16 können als Gegen- oder Referenzelektroden verwendet werden.
Wie angenommen wird, ist der elektrochemische Chip 10 leicht herzustellen. Die Zwei-Plattenstruktur macht es einfach, um die Elektrodenanordnung 16 zu bilden, da die leitfähige Schicht 34 auf einer flachen Oberfläche abgeschieden und dann weggeätzt werden kann, um die einzelnen Elektroden zu bilden. Gleichzeitig können andere Metallkomponenten, wie zum Beispiel Bindungsanschlüsse und Verbindungsleitungen, leicht gebildet werden. Eine große Reaktionskammer 18 ist ebenfalls möglich, da sie so tief wie die vollständige Dicke des Wafers 44 sein kann. Da zwei Wafer verwendet werden, können mehrere elektronische Vorrichtungen auf den elektrochemischen Chip 10 als auf einen einzelnen Waferchip passen.
Geeigneterweise können alle Elektroden, einschließlich Arbeitselektroden, Gegenelektroden und Referenzelektroden, aus dem gleichen Material auf derselben leitfähigen Schicht 34 gebildet werden. Optional können Gegenelektroden und Referenzelektroden, die aus unterschiedlichen Materialien hergestellt wurden, nichts desto trotz bereitgestellt und durch den Ausleger 20 unterstützt werden.
Da alle Elektroden 16 sich in einer Reaktionskammer 18 befinden, ist gleichzeitiges Erfassen oder Testen möglich, was den Probenverbrauch und die Analysezeit verringert. Mehrere Komponenten der gleichen Probe können zur selben Zeit getestet werden. Alternativ können Daten, die von mehreren Elektroden erhalten werden, kombiniert werden, um zu genaueren und verlässlichen Ergebnissen zu gelangen.
Wie angenommen wird, ist die Bildung eines elektrochemischen Chips wie hier gelehrt weiterhin vorteilhaft, da das Herstellungsverfahren einfach und preisgünstig ist, sogar ohne Beschichten der Elektroden mit einer Beschichtung, die mit einer Ferrocenverbindung dotiert ist.
Der elektrochemische Chip 10 kann außer bei elektrochemischem Erfassen ebenfalls bei anderen Anwendungen verwendet werden. Zum Beispiel können die Elektroden für elektrische AC oder DC Messungen verwendet werden.
Andere Merkmale, Vorzüge und Vorteile der vorliegenden Erfindung, die oben nicht ausdrücklich erwähnt sind, können aus dieser Beschreibung und den beiliegenden Zeichnungen vom Durchschnittsfachmann verstanden werden.
Wie vom Durchschnittsfachmann verstanden werden kann, sind viele Modifikationen der beispielhaften Ausführungsformen der hier beschriebenen Erfindung möglich. Zum Beispiel kann die leitfähige Schicht 34 (und somit die Elektroden 16) aus jeden geeigneten Metallen oder Metalllegierungen, wie zum Beispiel Au, Pt, Ag, Indiumzinnoxid (ITO) und ähnlichem oder leitfähigen Polymeren, hergestellt werden. Isolierende Materialien für die Schichten 32, 36 können jede geeignete Art von isolierenden Polymeren sein. Bindungsmaterial für die Schicht 38 kann jedes geeignete biokompatible und chemisch resistente Material sein.
Die Grundplatte 12 und die Deckplatte 14 müssen nicht chemisch verbunden sein. Sie können einfach gestapelt und mechanisch gehalten werden, so dass die Reaktionskammer 18 auslaufsicher ist, in welchem Fall die Bindungsschicht 38 ausgelassen werden kann.
Des Weiteren kann die Deckplatte 14 eine andere Fensterform haben als die in den 2 und 4A–4D gezeigte. Zum Beispiel kann das Fenster auf der Deckplatte eine andere Form außer einem Quadrat haben, wenn es von der Vorderseite aus gesehen wird. Des Weiteren muss das Fenster auf der Deckplatte nicht vollständig offen sein. Zum Beispiel veranschaulicht 5 einen anderen elektrochemischen Chip mit integrierter Sensoranordnung 10', wobei die Öffnung in der Deckplatte 14' nur halb durchgeätzt wird, wobei somit eine Vertiefung gebildet wird. Die Deckplatte 14' und die Grundplatte 12' werden zusammengebunden, um einen Hohlraum, die Reaktionskammer 18' zu definieren. Die Flüssigkeitsproben können durch die Kanäle 50 in der Deckplatte 14' in die und aus der Reaktionskammer 18' fließen. Die gesamte Rückseite der Deckplatte 14' und die Seitenwände der Reaktionskammer 18' können mit einem biokompatiblen Material 38', wie zum Beispiel PDMS und ähnliches, beschichtet sein.
Eine andere alternative Deckplatte 14'', welche keinen Ausleger hat, ist in 6 veranschaulicht. Der Siliziumwafer der Deckplatte 14'' kann entweder von oben oder von unten geätzt werden.
Die Elektroden 16 können ebenfalls auf den Seitenwänden der Reaktionskammer 18 gebildet werden, wenn notwendig.
Wie in 7 veranschaulicht, können die Elektroden 16' ebenfalls parallel und in zwei oder mehrere Gruppen gruppiert miteinander verbunden werden und jede Gruppe von Elektroden kann mit einem gemeinsamen Bindungsanschluß 52 durch Leiterbahnen 54 verbunden werden. Wie veranschaulicht erstreckt sich jede der Leiterbahnen von einer Elektrode nach außen über eine Peripherie der Elektrodenanordnung.
Wenn die Grund- und Deckplatten mit einem Bindungsmaterial, das nicht biokompatibel ist, verbunden werden, kann eine Schicht aus biokompatiblem, chemisch inertem Material auf den Seitenwänden des Fensters über der Deckplatte abgeschieden werden, bevor sie an die Grundplatte gebunden wird, um biokompatible Innenflächen in der Reaktionskammer bereitzustellen.
Die Erfindung ist eher beabsichtigt, all diese Modifikationen in ihrem Umfang zu umfassen, wie durch die Ansprüche definiert.
Zusammenfassung
Ein elektrochemischer Chip mit integrierter Sensoranordnung wird bereitgestellt, wobei der Chip eine Anordnung von Elektroden hat. Die Anordnung kann auf einer Grundplatte, die an eine Deckplatte mit einer Öffnung gebunden ist, gebildet werden. Die Öffnung kann ein Fenster oder eine Vertiefung sein. Die Platten sind so verbunden, dass sie einen Hohlraum definieren, wobei die Anordnung innerhalb des Hohlraums liegt. Leitfähige Leitungen zum Verbinden der Elektroden an elektrochemische Instrumente können auf derselben Oberfläche der Grundplatte gebildet werden, auf der die Elektroden gebildet werden. Mindestens eine der Elektroden kann mit einer Beschichtung, die mit einer Ferrocenverbindung dotiert ist, bedeckt sein. Die Beschichtung kann eine unterstützte Doppellipidmembran sein, die mit Benzoylferrocen dotiert ist. Die dotierte Ferrocenverbindung kann oxidiert werden.

Claims

Ein elektrochemischer Chip mit integrierter Sensoranordnung, der umfasst: – eine Anordnung von Elektroden, wobei mindestens eine Elektrode der Anordnung von Elektroden von einer Beschichtung, die mit einer Ferrocenverbindung dotiert ist, bedeckt ist.
Der Chip nach Anspruch 1, wobei die Beschichtung eine unterstützte ("supported") Doppelschichtlipidmembran ist, die mit der Ferrocenverbindung dotiert ist.
Der Chip nach Anspruch 2, wobei die Ferrocenverbindung Benzoylferrocen ist.
Der Chip nach Anspruch 1, wobei die Ferrocenverbindung oxidiert ist.
Der Chip nach Anspruch 1, der des weiteren umfasst: – eine erste Platte mit der Anordnung von Elektroden darauf ; – eine zweite Platte mit einer Öffnung, wobei die zweite Platte an die erste Platte gebunden ist, so dass die erste Platte und die zweite Platte einen Hohlraum definieren, wobei die Anordnung von Elektroden innerhalb des Hohlraums liegt.
Der Chip nach Anspruch 5, wobei die Öffnung ein Fenster ist.
Der Chip nach Anspruch 5, wobei die Öffnung eine Vertiefung ist.
Der Chip nach Anspruch 5, wobei die Anordnung von Elektroden eine Anordnung von Arbeitselektroden umfasst.
Der Chip nach Anspruch 8, wobei jede der Arbeitselektroden mit einer unterstützten Doppelschichtlipidmembran, die mit einer Ferrocenverbindung dotiert ist, bedeckt ist.
Der Chip nach Anspruch 8, wobei die Anordnung von Elektroden des Weiteren mindestens eine Gegenelektrode und eine Referenzelektrode umfasst.
Der Chip nach Anspruch 5, wobei die zweite Platte des Weiteren mindestens eine ausladende Elektrode, die sich in das Fenster erstreckt, umfasst.
Der Chip nach Anspruch 11, wobei die mindestens eine ausladende Elektrode mindestens eine ausladende Referenzelektrode und eine ausladende Gegenelektrode umfasst.
Der Chip nach Anspruch 5, wobei eine Schicht der ersten Platte, die an die zweite Platte angrenzt, eine isolierende Schicht ist.
Ein Verfahren zur Bildung eines elektrochemischen Chips, das umfasst: – Bilden einer ersten Platte durch: Abscheiden einer leitfähigen Schicht auf einen ersten Träger; und Ätzen der leitfähigen Schicht, um eine Elektrodenanordnung zu bilden; – Bilden einer zweiten Platte durch: Ätzen einer Öffnung in einen zweiten Träger; – Binden der zweiten Platte an die erste Platte, so dass die erste Platte und die zweite Platte einen Hohlraum definieren, wobei die Elektrodenanordnung innerhalb des Hohlraums liegt.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Öffnung ein Fenster ist.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Öffnung eine Vertiefung ist.
Das Verfahren nach Anspruch 14, das des Weiteren das Bedecken mindestens einer Elektrode der Elektrodenanordnung mit einer Beschichtung, die mit einer Ferrocenverbindung dotiert ist, umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 17, das des Weiteren das Oxidieren der Ferrocenverbindung umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Beschichtung eine unterstützte Doppelschichtlipidmembran ist.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Ferrocenverbindung Benzoylferrocen ist.
Das Verfahren nach Anspruch 14, das des Weiteren das Ätzen der leitfähigen Schicht umfasst, um eine Vielzahl von Leiterbahnen zu bilden, wobei jede der Leiterbahnen sich von einer Elektrode der Elektrodenanordnung nach außen über eine Peripherie der Elektrodenanordnung erstreckt.
Das Verfahren nach Anspruch 14, das des Weiteren das Bilden des ersten Trägers durch Abscheiden einer Isolierungsschicht auf einem Siliziumwafer umfasst.
Das Verfahren nach Anspruch 22, das des weiteren das Abscheiden einer aufliegenden Isolierungsschicht über der leitfähigen Schicht um eine Peripherie der Anordnung umfasst, wobei die zweite Platte an die erste Platte an der aufliegenden Isolierungsschicht gebunden ist.
Das Verfahren nach Anspruch 14, wobei der zweite Träger einen Siliziumwafer umfasst.
Ein Verfahren zur Bildung eines elektrochemischen Chips, das umfasst: – Bilden einer Metallanordnung und Bedecken mindestens einiger Elemente der Anordnung mit einer unterstützten Doppelschichtlipidmembran, die mit einer Ferrocenverbindung dotiert ist.
Verwendung einer Ferrocenverbindung als ein Dotierungsmittel in einer Elektrodenbeschichtung.
Ein elektrochemischer Chip mit einer integrierten Sensoranordnung, der umfasst: – eine erste Platte mit einer Anordnung von Elektroden darauf; – eine zweite Platte mit einer Öffnung, wobei die zweite Platte an die erste Platte gebunden ist, so dass die erste Platte und die zweite Platte einen Hohlraum definieren, wobei die Anordnung von Elektroden in dem Hohlraum liegt.
Der Chip nach Anspruch 27, wobei die Öffnung ein Fenster ist.
Der Chip nach Anspruch 27, wobei die Öffnung eine Vertiefung ist.
Der Chip nach Anspruch 27, wobei die erste Platte eine Vielzahl von Leiterbahnen hat, die auf der gleichen Oberfläche der ersten Platte gebildet werden auf der die Anordnung von Elektroden gebildet wird, wobei die Leiterbahnen sich von einer der Elektroden nach außen über eine Peripherie der Anordnung erstrecken.