Картридж с многослойным коллектором
Изобретение относится к устройству и способу для биологического или химического анализа. Устройство содержит: электрическую схему и по меньшей мере один датчик на кристалле, прикрепленном к электрической схеме, причем электрическая схема содержит электрическое межсоединение для внешнего электрического соединения, и многослойный коллектор, прикрепленный к электрической схеме для подачи жидкого реагента по активной поверхности по меньшей мере одного датчика. При этом многослойный коллектор содержит по меньшей мере один жидкостный канал и по меньшей мере один вырез для кристалла, причем интерфейс между кристаллом и по меньшей мере одним жидкостным каналом герметизирован. Способ, включает в себя следующие этапы: собирают многослойный коллектор, при этом многослойный коллектор содержит по меньшей мере один жидкостный канал и по меньшей мере один вырез для кристалла, прикрепляют по меньшей мере один датчик на кристалле к электрической схеме, при этом электрическая схема содержит электрическое межсоединение, прикрепляют выравнивающий слой к электрической схеме, при этом выравнивающий слой содержит вырез для кристалла. Затем размещают герметизирующий клей по сторонам кристалла и прикрепляют многослойный коллектор к электрической схеме и герметизируют интерфейс между кристаллом и по меньшей мере одним жидкостным каналом. Причем многослойный коллектор и прикрепленная электрическая схема вместе образуют сборочный узел. Техническим результатом заявленной группы изобретений является разработка устройства и способа, которые обеспечивают более эффективную конструкцию жидкостного пути. 2 н. и 17 з.п. ф-лы, 10 ил.
Перекрестная ссылка на родственные заявки
Настоящая заявка на патент испрашивает приоритет по предварительной заявке на патент США №62/626,022, поданной 3 февраля 2018 г., и по заявке на патент Нидерландов № N 2020616, поданной 19 марта 2018 г. Содержание каждой из вышеназванных заявок полностью включено в настоящую заявку посредством ссылки.
Уровень техники
Существующие картриджи для биологического или химического анализа не обеспечивают эффективное обращение с жидкими реагентами. Например, жидкостный путь является длинным и проходит от зоны хранения реагентов через традиционный коллектор к кристаллу, включающему в себя полупроводниковый датчик (датчики). Такое устройство может замедлять анализ и приводит к использованию больших объемов реагента для промывки в каждом цикле.
Таким образом, существует необходимость в более эффективной конструкции жидкостного пути.
Раскрытие изобретения
Обеспечение устройства в одном аспекте позволяет преодолеть недостатки существующих подходов и создать дополнительные преимущества. Устройство содержит электрическую схему и по меньшей мере один датчик на кристалле, присоединенный к электрической схеме, причем электрическая схема содержит электрическое межсоединение для внешнего электрического соединения и многослойный коллектор, прикрепленный к электрической схеме, чтобы подавать жидкий реагент по активной поверхности по меньшей мере одного датчика, при этом многослойный коллектор содержит по меньшей мере один жидкостный канал, а интерфейс между кристаллом и по меньшей мере одним жидкостным каналом герметизирован.
В соответствии с еще одним аспектом предлагается способ. Способ включает в себя сборку многослойного коллектора, при этом многослойный коллектор содержит по меньшей мере один жидкостный канал, прикрепление по меньшей мере одного датчика на кристалле к электрической схеме, при этом электрическая схема содержит электрическое межсоединение, и прикрепление выравнивающего слоя к электрической схеме, при этом выравнивающий слой содержит вырез для кристалла. Способ дополнительно включает в себя размещение герметизирующего клея по сторонам кристалла, прикрепление многослойного коллектора к электрической схеме, и герметизацию интерфейса между кристаллом и по меньшей мере одним жидкостным каналом, при этом многослойный коллектор и прикрепленная электрическая схема вместе образуют сборочный узел.
Краткое описание чертежей
Эти и другие цели, признаки и преимущества настоящего изобретения станут очевидными из нижеследующего подробного описания различных аспектов его осуществления, рассматриваемых в сочетании с приложенными чертежами.
На ФИГ. 1 представлен вид в изометрии одного примера картриджа с датчиком и многослойным коллектором, используемого для, например, биологического или химического анализа, в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения.
На ФИГ. 2 представлен вид с пространственным разделением деталей одного примера многослойного коллектора на ФИГ. 1, показывающий различные слои многослойного коллектора, в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения.
На ФИГ. 3 представлен вид в изометрии одного примера датчика во взаимосвязи с многослойным коллектором и электрической схемой в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения.
На ФИГ. 4 представлен вид в изометрии одного примера поперечного сечения области датчика, взятой поперек линии, показанной на ФИГ. 3, в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения.
На ФИГ. 5-10 изображены различные этапы создания картриджа, показанного на ФИГ. 1. На ФИГ. 5 представлен вид в изометрии одного примера электрической схемы с прикрепленным к ней датчиком в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения.
На ФИГ. 6 показано прикрепление выравнивающего слоя к схеме, изображенной на ФИГ. 5, при помощи, например, связующего слоя, включающего в себя клей, чувствительный к давлению, в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения.
На ФИГ. 7 показаны подача и выдерживание соединяющего клея на конструкции, изображенной на ФИГ. 6, в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения.
На ФИГ. 8 показан один пример прикрепления многослойного коллектора (например, как раскрыто со ссылкой на ФИГ. 2) к электрической схеме, изображенной на ФИГ. 7, при помощи, например, связующего слоя (ФИГ. 2) включающего в себя клей, чувствительный к давлению, в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения.
На ФИГ. 9 показан один пример монтажа проводных соединений на структуре, изображенной на ФИГ. 8, инкапсулирование проводных соединений и прикрепление канала проточной ячейки в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения.
На ФИГ. 10 показан один пример присоединения структуры, изображенной на ФИГ. 9, к ротору для реагента и корпусу картриджа в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения.
Осуществление изобретения
Аспекты настоящего изобретения и некоторые его признаки, преимущества и детали более подробно объясняются ниже со ссылкой на неограничивающие примеры, изображенные на прилагаемых чертежах. Описания хорошо известных материалов, инструментов для изготовления, способов обработки и т.д. опущены, чтобы не затруднять понимание существенных деталей без необходимости. Однако следует понимать, что подробное описание и конкретные примеры, хотя и указывающие на аспекты изобретения, приведены только в качестве иллюстрации и без ограничения. Различные замены, модификации, дополнения и/или варианты расположения, не отступающие от существа и/или объема идей, лежащих в основе настоящего изобретения, станут очевидными специалистам в данной области техники из настоящего описания.
Приближенные формулировки, используемые в контексте настоящего документа по всему тексту описания и формулы изобретения, допустимо применять для модифицирования любого количественного представления, которое может изменяться, не приводя к изменению основной функции, с которой они связаны. Соответственно, значение, модифицируемое термином или терминами, такими как «около» или «значительно», не ограничивается точным указанным значением. В некоторых случаях приближенные формулировки могут соответствовать точности прибора для измерения значения.
Термины, используемые в настоящем документе, служат только для целей описания конкретных примеров и не имеют ограничительного характера. В контексте настоящего документа формы единственного числа включают в себя также формы множественного числа, если в контексте четко не указано иное. Следует также понимать, что термины «представлять собой» (и любые формы этого термина, такие как «представляет собой» и «представляющий собой»), «иметь» (и любые формы этого термина, такие как «имеет» и «имеющий»), «включать в себя» (и любые формы этого термина, такие как «включает в себя» и «включающий в себя») и содержать (и любые формы этого термина, такие как «содержит» и «содержащий») представляют собой неограниченные глаголы-связки. Вследствие этого, способ или устройство, которые «представляют собой», «имеют», «включают в себя» или «содержат» один или более этапов или элементов, обладают этими одним или более этапами или элементами, но не ограничиваются обладанием только этими одним или более этапами или элементами. Вследствие этого, этап способа или элемент устройства, которые «представляют собой», «имеют», «включают в себя» или «содержат» один или более признаков, обладают этими одним или более признаками, но не ограничиваются обладанием только этими одним или более признаками. Кроме того, устройство или структура, выполненные определенным способом, выполнены по меньшей мере этим способом, но могут также быть выполнены способами, которые не перечислены.
В контексте настоящего документа термин «присоединенный» («прикрепленный»), при использовании для указания на два физических элемента, означает прямое соединение между двумя физическими элементами. Термин «соединенный», однако, может означать прямое соединение или соединение через один или более промежуточных элементов.
В контексте настоящего документа термины «может» и «может быть» указывают на возможность того или иного происшествия в рамках набора обстоятельств; обладание указанным свойством, характеристикой или функцией; и/или определяют другой глагол, выражая одно или более из способности, потенциала или возможности, связанных с определяемым глаголом. Соответственно, использование «может» и «может быть» указывает, что модифицированный термин, по-видимому, является соответствующим, подходящим или пригодным для указанных активности, функции или использования, учитывая, что при некоторых обстоятельствах модифицированный термин может иногда не быть соответствующим, подходящим или пригодным. Например, при некоторых обстоятельствах событие или активность могут ожидаться, тогда как при других обстоятельствах это событие или активность не могут реализоваться - это различие фиксируется терминами «может» и «может быть».
В контексте настоящего документа, если не оговорено иное, приближенные термины «около», «по существу» и т.п., используемые с каким-либо значением, таким как результат измерения, размер и т.д. означает возможное отклонение этой величины в диапазоне плюс или минус десять процентов.
В контексте настоящего документа термины «связывать» («склеивать»), «связанный» и «связующий» относятся к двум предметам, надежно соединенным вместе с использованием клея или связующего вещества при помощи теплового процесса или давления. В контексте настоящего документа термин «прикреплять» относится к соединению вместе двух предметов с использованием крепежного средства (например, винта, клея или связующего вещества и т.п.) или без него. Таким образом, термин «связывать» является подмножеством термина «прикреплять».
Ниже дается ссылка на чертежи, которые не вычерчены в масштабе для облегчения понимания, причем одни и те же номера позиций используются на различных чертежах для обозначения одних и тех же или аналогичных компонентов.
Настоящее раскрытие изобретения относится к биологическому или химическому анализу и, более конкретно, к электрической схеме с датчиком (датчиками), присоединенной к многослойному коллектору для эффективной доставки жидкого реагента к активной поверхности датчика (датчиков).
На ФИГ. 1 представлен вид в изометрии одного примера картриджа 100, который может использоваться для, например, биологического или химического анализа. В одном примере картридж может использоваться, чтобы обеспечить возможность секвенирования, например, ДНК-секвенирования, например, секвенирования путем синтеза или секвенирования нового поколения (также известного как высокопроизводительное секвенирование). В другом примере картридж может использоваться для обеспечения возможности генотипирования. Как понятно специалисту в данной области техники, генотипирование включает в себя определение различий в генетическом профиле (генотипе) индивидуума путем исследования последовательности ДНК индивидуума с использованием биологических проб и ее сравнения с последовательностью другого индивидуума или эталонной последовательностью. Картридж, который может быть одноразовым или многоразовым, включает в себя ротор 102 для реагента, корпус 104 картриджа (с насосом 107, расположенным внутри корпуса картриджа), многослойный коллектор 106 для доставки реагента и схему 108 с пассивными электронными компонентами 109 для выполнения различных функций картриджа и электрическим межсоединением 110 для внешнего электрического соединения. Многослойный коллектор используется для доставки жидкого реагента к активной поверхности датчика (134, ФИГ. 2) в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения. Хотя насос в данном примере расположен внутри картриджа, следует понимать, что насос может вместо этого находиться на поверхности картриджа или снаружи от картриджа.
Жидкостный поток реагента из устройства для хранения (ротор 102 в данном примере) приводится в движение за счет насоса 107. Насос всасывает жидкий реагент из ротора через многослойный коллектор 106 к проточной ячейке 119 по активной поверхности (138, ФИГ. 3) датчика (134, ФИГ. 2) через отверстие 103 для жидкости. Жидкий реагент выходит из проточной ячейки в направлении ветвей устройства, которое по виду напоминает светильники (каналы 117). Жидкий реагент возвращается к насосу через массив запорных клапанов 111, расположенных, например, на дне картриджа. Запорные клапаны могут быть нормально закрытыми так, чтобы запорный клапан, который открыт при всасывании насоса, определял, какую ветвь «светильников» использовать для возвращения. Любая избыточная жидкость из каналов 117 возвращается к насосу через жидкостный путь 115 и отверстие 105 для жидкости. Микрожидкостный насос поддерживает поток реагента (реагентов) через картридж для измерения. В одном примере насос принимает форму микронасоса с автоматической накачкой.
Неограничивающие примеры функции (функций) датчика включают в себя, например, светочувствительность (например, наличие заданного диапазона воспринимаемых длин волн), обнаружение присутствия одного или более веществ (например, биологического или химического вещества) и обнаружение изменения концентрации чего-либо (например, ионной концентрации). Датчик может быть, например, полупроводниковым (например, интегральной схемой), отдельные устройства которого могут быть планарными или непланарными (например, на основе плавникового полевого транзистора (FinFET). В одном примере датчик может представлять собой датчик изображения на КМОП-структуре (комплементарной структуре металл-окисел-полупроводник). Как понятно специалисту в данной области техники, электрическая схема датчика изображения на КМОП-структуре включает в себя пассивные электронные компоненты, такие как таймер и схема генерации синхронизирующих импульсов, аналого-цифровой преобразователь и т.д., а также матрицу фотодетекторов для преобразования фотонов (света) в электроны, которые затем преобразуют в напряжение. В другом примере датчик может представлять собой ПЗС (прибор с зарядовой связью), другой тип датчика изображения.
Как понятно специалисту в данной области техники, «КМОП» относится к технологии, применяемой для изготовления интегральных схем. В контексте настоящего документа термины «КМОП-датчик» и «датчик изображения на КМОП-структуре» относятся к датчикам, изготавливаемым с использованием КМОП-технологии. «Комплементарный» аспект названия относится к включению полевых транзисторов со структурой метал-оксид-полупроводник (полевых МОП-транзисторов) как n-типа, так и р-типа в состав интегральных схем (ИС), изготавливаемых с использованием КМОП-технологии. Каждый полевой МОП-транзистор имеет металлический затвор с диэлектриком (изолирующим слоем) затвора, таким как оксид (отсюда «метал-оксидная» часть названия) и полупроводниковый материал ниже затвора (соответствует «полупроводнику» в названии. ИС изготавливают на кристалле, представляющем собой полупроводниковую подложку или кристаллическую пластину, которую разрезают после изготовления, при этом ИС, изготавливаемые с использованием КМОП-технологии, отличаются, например, высокой помехоустойчивостью и низким потреблением мощности в статическом режиме (один из транзисторов постоянно выключен).
В одном примере датчик изображения на КМОП-структуре может включать в себя, например, миллионы фотодетекторов, также называемых пикселями. Каждый пиксель включает в себя фотоприемник, который накапливает заряд под действием света, усилитель для преобразования накопленного заряда в напряжение и переключатель пикселей. Каждый пиксель может также включать в себя, например, отдельную микролинзу для захвата большего количества света, или иметь другие дополнительные возможности для улучшения изображения, такие как, например, подавление шума.
Далее будет представлен один пример изготовления полупроводникового устройства, изготавливаемого с использованием КМОП-технологии. Начав, например, с полупроводниковой подложки р-типа, можно защитить область МОП-структуры с каналом n-типа, тогда как в области МОП-структуры с каналом р-типа можно создать карман n-типа. Это можно осуществить, используя, например, один или более литографических процессов. После этого как в области МОП-структуры с каналом n-типа, так как и в области МОП-структуры с каналом р-типа может быть сформирован тонкий оксидный слой затвора (например, поликремниевый). Области донорной примеси могут быть образованы в структуре р-типа области МОП-структуры с каналом n-типа с каждой стороны фиктивного затвора (т.е. образуются исток и сток), и одна область донорной примеси - в качестве контакта с корпусом (здесь - карманом) в области МОП-структуры с каналом р-типа. Это можно осуществить, используя, например, маску. Такой же процесс маскирования и легирования можно затем использовать для образования истока и стока в области МОП-структуры с каналом р-типа и контакта с корпусом в области МОП-структуры с каналом n-типа. Затем может быть выполнена металлизация с образованием выводов в различных областях п-канальных и р-канальных МОП-транзисторов (т.е. корпус, исток, сток и затвор). В отличие от приборов ПЗС, датчики изображения на КМОП-структуре могут включать в себя другие электрические схемы на том же кристалле почти при полном отсутствии дополнительных затрат, обеспечивая такие функции, как внутрисхемная стабилизация изображение или сжатие изображение.
На ФИГ. 2 представлен вид с пространственным разделением деталей одного примера многослойного коллектора 106, показанного на ФИГ. 1. Многослойный материал включает в себя покровный слой 112, который может представлять собой, например, полимерную пленку (например, полиэтилентерефталат (ПЭТ) или поли(метилакрилат (ПММА)), и может иметь толщину, например, от приблизительно 100 микрон до приблизительно 700 микрон в одном примере и от приблизительно 100 микрон до приблизительно 400 микрон в другом примере. Многослойный коллектор также включает в себя жидкостный распределительный слой 116 для распределения жидкого реагента (реагентов), который может иметь толщину, например, от приблизительно 200 микрон до приблизительно 1000 микрон в одном примере и от приблизительно 300 микрон до приблизительно 700 микрон в другом примере. Жидкостный распределительный слой 116 может представлять собой, например, материал с низкой или отсутствующей автофлуоресценцией, например, тонкую пластмассовую пленку или стекло. Неограничивающие примеры материалов для слоя 116 включают в себя: ПММА, серийно производимый, например, компанией Evonit Corporation, г. Парсиппани, штат Нью-Джерси; пленку из фосфида кобальта (СоР), серийно производимую, например, компанией American Elements, г. Лос-Анджелес, штат Калифорния; циклоолефиновый сополимер (СОС), серийно производимый, например, компанией Zeon Chemicals L.P., г. Луисвилл, штат Кентукки; и боросиликатное стекло, серийно производимое, например, компанией Schott North America, Inc., Элмсфорд, штат Нью-Йорк. Жидкостный путь по каналам 117 для объемной или относительно вязкой жидкости определяется слоем 116. Каналы выбраны по размеру таким образом, чтобы обеспечить возможность протекания жидкостного потока с низким импедансом, например, имеющего ширину в диапазоне от приблизительно 0,25 мм до приблизительно 1 мм. Между покровным и жидкостным распределительным слоями имеется клеевой слой 114, который может иметь толщину, например, от приблизительно 20 микрон до приблизительно 50 микрон в одном примере, и приблизительно 25 микрон в другом примере. В одном примере клеевой слой может включать в себя клей, чувствительный к давлению, для надежного прикрепления под давлением слоев, находящихся непосредственно выше и ниже клея, чувствительного к давлению. Неограничивающие примеры клеевого слоя 114 включают в себя акриловый или силиконовый клей. Клей, чувствительный к давлению, может представлять собой часть, например, часть односторонней клейкой ленты, которая может включать в себя, например, жесткую пластмассовую подкладку (например, ПЭТ) с нанесенным на нее клеем. Такие клейкие ленты серийно производятся, например, компанией 3М в г. Сент-Пол, штат Миннесота, или компанией Adhesives Research, Inc. в г. Глен-Рок, штат Пенсильвания. Как понятно специалисту в данной области техники, находясь под давлением, клей, чувствительный к давлению, создает связь без необходимости в растворителе, воде или тепле.
Многослойный коллектор на ФИГ. 2 дополнительно включает в себя подложечный слой 120, при этом подложечный слой может включать в себя вырез 121, наряду со слоями 118 и 122, которые перекрывают отверстия 123 и 125 в слое 116, позволяя реагенту (реагентам) достигать активной поверхности (138, ФИГ. 3) датчика из каналов в слое 116. В одном примере отверстия выбраны по размеру аналогичными каналам. Подложечный слой может иметь толщину, например, от приблизительно 50 микрон до приблизительно 70 микрон в одном примере, и приблизительно 60 микрон в другом примере. Подложечный слой 120 может быть, например, полимерной пленкой (например, ПЭТ или ПММА). Жидкостный поток по датчику переходит из относительно вязкого потока в каналах жидкостного распределительного слоя в относительно низковязкий жидкостный поток, который обеспечивает эффективное использование жидкости. Жидкостный путь по датчику показан при помощи проточной линии 156 на ФИГ. 4. В одном примере только химическая реакция жидкости, проходящей по датчику, например, флуоресценция, может быть наблюдаемой пользователем. Между жидкостным распределительным слоем и подложечным слоем находится клеевой слой 118, который может иметь толщину, например, от приблизительно 20 микрон до приблизительно 50 микрон в одном примере и приблизительно 25 микрон в другом примере. В одном примере клеевой слой 118 может включать в себя клей, чувствительный к давлению, для надежного прикрепления под давлением слоев, находящихся непосредственно выше и ниже клея, чувствительного к давлению. Неограничивающие примеры клеевого слоя 118 включают в себя акриловый или силиконовый клей. Клей, чувствительный к давлению, может представлять собой часть, например, двусторонней клейкой ленты, которая может включать в себя, например, жесткую пластмассовую подкладку (например, ПЭТ) с нанесенным на нее клеем. Такие клейкие ленты являются коммерчески доступными, как описано выше. Структура также включает в себя выравнивающий слой 124 для обеспечения поддержки многослойного коллектора и предоставления ровной поверхности для электрической схемы 108, которая может иметь толщину, например, от приблизительно 500 микрон до приблизительно 700 микрон в одном примере, или приблизительно 600 микрон в другом примере, в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения. В одном примере выравнивающий слой имеет примерно такую же толщину, как кристалл. В одном примере материал выравнивающего слоя 124 может включать в себя экструдированный пластик, например, ПЭТ, полипропилен или поликарбонат. Между подложечным слоем 120 и выравнивающим слоем 124 находится клеевой слой 122, который может иметь толщину, например, от приблизительно 20 микрон до приблизительно 50 микрон в одном примере и приблизительно 25 микрон в другом примере. В одном примере слой 122 может включать в себя клей, чувствительный к давлению, для надежного прикрепления под давлением слоев, находящихся непосредственно выше и ниже клея, чувствительного к давлению. Неограничивающие примеры клеевого слоя 122 включают в себя акриловый или силиконовый клей. Клей, чувствительный к давлению, может представлять собой часть, например, двусторонней клейкой ленты, которая может включать в себя, например, жесткую пластмассовую подкладку (например, ПЭТ) с нанесенным на нее клеем. Такие клейкие ленты являются коммерчески доступными, как описано выше.
Многослойный коллектор 106 может быть связан с электрической схемой 108, например, при помощи связующего слоя 126, который может включать в себя, например, клей, чувствительный к давлению, толщиной, например, от 50 микрон до приблизительно 70 микрон в одном примере и приблизительно 60 микрон в другом примере. Неограничивающие примеры клеевого слоя 126 включают в себя акриловый или силиконовый клей. Клей, чувствительный к давлению, может представлять собой часть, например, односторонней клейкой ленты, которая может включать в себя, например, жесткую пластмассовую подкладку (например, ПЭТ) с нанесенным на нее клеем. Такие клейкие ленты являются коммерчески доступными, как описано выше. Электрическая схема может быть гибкой или жесткой (например, плата с печатным монтажом) и иметь толщину, например, от приблизительно 200 микрон до приблизительно 300 микрон в одном примере и приблизительно 250 микрон в другом примере.
Как выравнивающий слой 124, так и связующий слой 126 содержат вырез 132 для датчика 134 на электрической схеме, такой, что активная поверхность (138, ФИГ. 3) может быть по существу в одной плоскости с многослойным коллектором, когда реагент находится в контакте с активной поверхностью. Наконец, электрическая схема связана с корпусом 104 картриджа при помощи связующего слоя 130, который может включать в себя клей, чувствительного к давлению, и иметь толщину, например, от приблизительно 50 микрон до приблизительно 150 микрон в одном примере и приблизительно 100 микрон в другом примере. Неограничивающие примеры клеевого слоя 130 включают в себя акриловый или силиконовый клей. Клей, чувствительный к давлению, может представлять собой часть, например, двусторонней клейкой ленты, которая может включать в себя, например, жесткую пластмассовую подкладку (например, ПЭТ) с нанесенным на нее клеем. Такие клейкие ленты являются коммерчески доступными, как описано выше.
На ФИГ. 3 представлен вид в изометрии одного примера датчика 134 во взаимосвязи с многослойным коллектором 106 и электрической схемой 108. Активная поверхность датчика и структура многослойного коллектора вокруг и выше датчика (т.е. жидкостный распределительный слой 116, ФИГ. 2), куда вводят реагент (реагенты), образуют проточную ячейку. Канал 136 проточной ячейки доставляет жидкий реагент (реагенты) к активной поверхности 138 датчика (датчиков), расположенного на кристалле 140, а затем отводит жидкий реагент (реагенты) от датчика. Вещество (вещества), например, биологическое или химическое вещество (вещества) могут быть введены в пространство для внутрисхемного измерения посредством активной поверхности датчика. Полупроводниковый датчик может быть изготовлен на кремниевой подложке (например, кремниевой пластине), которая становится кристаллом после отрезания от кремниевой пластины. Толщина кристалла зависит от размера (диаметра) кремниевой пластины. Например, стандартная кремниевая пластина с диаметром 51 мм может иметь толщину приблизительно 275 микрон, тогда как стандартная кремниевая пластина диаметром 300 мм может иметь толщину приблизительно 775 микрон. В контексте настоящего документа активная область датчика (датчиков) относится к поверхности датчика, которая будет контактировать с реагентом (реагентами) для измерения. На кристалле может быть более одного датчика, при этом на одном и том же кристалле могут быть образованы различные датчики. Канал проточной ячейки может содержать, например, силикатное стекло (например, алюмосиликатное стекло). Кристалл герметизируют на участках 142 герметизации. В одном примере каждый участок герметизации включает в себя, например, соединяющий клей 144, конструкционный клей 146 и проволочные соединения 148 с использованием, например, золотой проволоки, покрытой инкапсулирующей оболочкой 150 проводных соединений в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения. Кристалл может быть прикреплен к электрической схеме 108 клеем, например, дисперсным клеем, отверждаемым ультрафиолетовым облучением или клеем, чувствительным к давлению (например, акриловым или силиконовым клеем). Электрическое соединение между схемой и датчиком может быть выполнено рядом способов, например, монтажом проводных соединений при низких температурах, что предотвращает воздействие на кристалл высоких температур. Проводные соединения относительно невелики и могут представлять собой провода, приваренные ультразвуковым методом, которые образуют электрические соединения между датчиком и схемой. Эти электрические соединения могут быть защищены при помощи, например, клея, диспергируемого на проводах (например, клея, отверждаемого ультрафиолетовым (УФ)-облучением, который полностью инкапсулирует провода при отверждении УФ-облучением, преобразуясь в твердую форму. Серийно производимый клеем, отверждаемый УФ-облучением, может быть приобретен, например, у компании Dymax Corporation, г. Торрингтон, штат Коннектикут. Интерфейс 141 между кристаллом 140 и жидкостным каналом коллектора герметизирован так, чтобы активная поверхность датчика контактировала с жидкостью (жидкостями) в многослойном коллекторе, одновременно изолируя жидкость от электрических межсоединений и других составных частей схемы, которые могут быть закорочены из-за присутствия электропроводящей жидкости.
На ФИГ. 4 представлен вид в изометрии одного примера поперечного сечения области датчика, взятой поперек линии 152, показанной на ФИГ. 3. Как показано на чертеже, реагент под действием насоса (107, ФИГ. 1) распределяется от входа 103 из резервуара для реагента (например, внутри ротора 102 для реагента, показанного на ФИГ. 1) к проточной линии 156, присоединенной к каналу 136 проточной ячейки, по активной поверхности 138 датчика в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения.
На ФИГ. 5-10 изображены различные этапы создания картриджа 100, показанного на ФИГ. 1. На ФИГ. 5 представлен вид в изометрии одного примера электрической схемы 108 с прикрепленным к ней датчиком 134 (например, склеенных) в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения.
На ФИГ. 6 показано прикрепление выравнивающего слоя 124 к электрической схеме 108, изображенной на ФИГ. 5, при помощи, например, связующего слоя 126 в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения.
На ФИГ. 7 показаны подача и выдерживание соединяющего клея 144 на конструкции, изображенной на ФИГ. 6, в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения.
На ФИГ. 8 показан один пример прикрепления многослойного коллектора 106 (например, как раскрыто со ссылкой на ФИГ. 2) к выравнивающему слою 124 на электрической схеме 108, изображенной на ФИГ. 7, при помощи, например, связующего слоя 122 (ФИГ. 2) в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения.
На ФИГ. 9 показан один пример монтажа проводных соединений 148 на структуре, изображенной на ФИГ. 8, например, монтажа проводных соединений при низких температурах, инкапсулирования проводных соединений, например, при помощи инкапсулирующей оболочки 150 для проводных соединений и прикрепления канала 136 проточной ячейки, V-образный удлинитель жидкостного пути на противоположных сторонах датчика, доставляющий реагент (реагенты) к активной поверхности датчика для измерения в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения. Проводное соединение может включать в себя металл, например, алюминий, медь, серебро или золото.
На ФИГ. 10 показан один пример прикрепления структуры, изображенной на ФИГ. 9, к ротору 102 для реагента и корпусу 104 картриджа, например, связывания (склеивания) при помощи связующего слоя 130 (ФИГ. 2), который может включать в себя клей (например, клей, чувствительный к давлению, как описано выше) в соответствии с одним или более аспектами настоящего изобретения.
В первом аспекте, представленном выше, раскрыто устройство. Устройство содержит электрическую схему и датчик (датчики) на кристалле, прикрепленном к схеме, причем схема содержит электрическое межсоединение для внешнего электрического соединения, и многослойный коллектор, прикрепленный к схеме для подачи жидкого реагента по активной поверхности датчика (датчиков), при этом многослойный коллектор содержит жидкостный канал (каналы), а интерфейс между кристаллом и жидкостным каналом (каналами) герметизируют.
В одном примере датчик (датчики) может включать в себя, например, полупроводник. В другом примере датчик (датчики) может принимать форму, например, датчика на комплементарной структуре металл-окисел-полупроводник (КМОП) (например, датчик изображения на КМОП-структуре).
В одном примере многослойный коллектор в устройстве согласно первому аспекту может включать в себя, например, несколько слоев, которые могут включать в себя, например, верхний покровный слой, жидкостный распределительный слой, подложечный слой и нижний выравнивающий слой. В одном примере схема может быть, например, связана с выравнивающим слоем, а выравнивающий слой может иметь, например, толщину, приблизительно равную общей толщине датчика (датчиков) и кристалла.
В одном примере клей, чувствительный к давлению, может находиться, например, между соседними слоями из множества слоев многослойного коллектора.
В одном примере соседние слои многослойного коллектора могут быть, например, механически присоединены друг к другу, например, при помощи крепежных элементов или винтов.
В одном примере устройство согласно первому аспекту может быть, например, частью картриджа, такого как используется для биологического анализа.
В одном примере устройство согласно первому аспекту может быть, например, частью картриджа, такого как используется для химического анализа.
В одном примере устройство согласно первому аспекту может быть, например, частью картриджа, при этом картридж может дополнительно включать в себя, например, систему хранения и доставки реагента, соединенную с многослойным коллектором, при этом корпус картриджа и насос подачи реагента соединены с системой хранения и доставки реагента.
В одном примере многослойный коллектор в устройстве согласно первому аспекту может иметь, например, вырез (вырезы) для кристалла. В одном примере кристалл может быть, например, связан с электрической схемой при помощи проводного монтажа.
В одном примере во время эксплуатации устройства согласно первому аспекту реагент может, например, доставляться через многослойный коллектор по активной поверхности датчика (датчиков). В одном примере только активная поверхность (поверхности) датчика (датчиков) подвергается воздействию реагента.
Во втором аспекте, представленном выше, раскрыт способ. Способ включает в себя сборку многослойного коллектора, причем многослойный коллектор включает в себя жидкостный канал (каналы), прикрепление кристалла с датчиком (датчиками) к электрической схеме, причем схема включает в себя электрическое межсоединение. Способ дополнительно включает в себя прикрепление выравнивающего слоя к электрической схеме, при этом выравнивающий слой содержит вырез для кристалла, размещение герметизирующего клея по сторонам кристалла, прикрепление многослойного коллектора к схеме, и герметизацию интерфейса между кристаллом и жидкостным каналом (каналами), при этом многослойный коллектор и прикрепленная схема вместе образуют сборочный узел.
В одном примере способ может дополнительно включать в себя, например, прикрепление сборочного узла к картриджу.
В одном примере сборка многослойного коллектора в способе согласно второму аспекту может включать в себя, например, несколько ламинирующих слоев, при этом слои могут включать в себя, например, верхний покровный слой, жидкостный распределительный слой, подложечный слой и нижний выравнивающий слой. В одном примере ламинирование может включать в себя, например, применение клея между соседними слоями (например, клея, чувствительного к давлению).
В одном примере способ согласно второму аспекту может дополнительно включать в себя, например, использование сборочного узла для секвенирования.
В одном примере способ согласно второму аспекту может дополнительно включать в себя, например, использование сборочного узла для генотипирования.
Хотя в настоящем описании изобретения были раскрыты и изображены несколько аспектов, специалистами в данной области техники могут быть осуществлены альтернативные аспекты для достижения тех же целей. Соответственно, имеется в виду, что прилагаемая формула изобретения охватывает все такие альтернативные аспекты.
Следует понимать, что, как предполагается, все комбинации вышеописанных концепций (при условии, что такие концепции не являются взаимно несовместимыми) являются частью объекта изобретения, раскрытого в настоящем документе. В частности, все комбинации заявленного объекта изобретения, появляющиеся в конце настоящего описания, рассматриваются как составляющие часть объекта изобретения, раскрытого в настоящем документе.
1. Устройство для биологического или химического анализа, содержащее:
электрическую схему и по меньшей мере один датчик на кристалле, прикрепленном к электрической схеме, причем электрическая схема содержит электрическое межсоединение для внешнего электрического соединения; и
многослойный коллектор, прикрепленный к электрической схеме для подачи жидкого реагента по активной поверхности по меньшей мере одного датчика, при этом многослойный коллектор содержит по меньшей мере один жидкостный канал и по меньшей мере один вырез для кристалла, причем интерфейс между кристаллом и по меньшей мере одним жидкостным каналом герметизирован.
2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что по меньшей мере один датчик содержит полупроводник.
3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что по меньшей мере один датчик содержит датчик на комплементарной структуре металл-окисел-полупроводник (КМОП).
4. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что многослойный коллектор содержит множество слоев, включающее в себя:
верхний покровный слой;
жидкостный распределительный слой;
подложечный слой и
нижний выравнивающий слой.
5. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что электрическая схема связана с выравнивающим слоем, причем выравнивающий слой имеет толщину, равную общей толщине по меньшей мере одного датчика и кристалла.
6. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что между соседними слоями из множества слоев находится клей, чувствительный к давлению.
7. Устройство по п. 4, отличающееся тем, что соседние слои из множества слоев механически присоединены друг к другу.
8. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что представляет собой часть картриджа для биологического анализа.
9. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что представляет собой часть картриджа для химического анализа.
10. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что представляет собой часть картриджа, причем картридж дополнительно содержит:
систему хранения и доставки реагента, соединенную с многослойным коллектором; и
корпус картриджа и насос подачи реагента, соединенные с системой хранения и доставки реагента.
11. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кристалл связан с электрической схемой при помощи проводного монтажа.
12. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что во время эксплуатации устройства предусмотрена возможность доставки реагента через многослойный коллектор по активной поверхности по меньшей мере одного датчика.
13. Устройство по п. 12, отличающееся тем, что предусмотрена возможность того, чтобы только активная поверхность по меньшей мере одного датчика была подвержена воздействию реагента.
14. Способ для биологического или химического анализа, включающий в себя следующие этапы:
собирают многослойный коллектор, при этом многослойный коллектор содержит по меньшей мере один жидкостный канал и по меньшей мере один вырез для кристалла;
прикрепляют по меньшей мере один датчик на кристалле к электрической схеме, при этом электрическая схема содержит электрическое межсоединение;
прикрепляют выравнивающий слой к электрической схеме, при этом выравнивающий слой содержит вырез для кристалла;
размещают герметизирующий клей по сторонам кристалла;
прикрепляют многослойный коллектор к электрической схеме и герметизируют интерфейс между кристаллом и по меньшей мере одним жидкостным каналом;
причем многослойный коллектор и прикрепленная электрическая схема вместе образуют сборочный узел.
15. Способ по п. 14, дополнительно включающий в себя прикрепление указанного сборочного узла к картриджу.
16. Способ по п. 14, отличающийся тем, что сборка многослойного коллектора включает в себя ламинирование множества слоев, при этом множество слоев включает в себя:
верхний покровный слой;
жидкостный распределительный слой;
подложечный слой и
нижний выравнивающий слой.
17. Способ по п. 16, отличающийся тем, что ламинирование включает в себя применение клея, чувствительного к давлению, между соседними слоями из множества слоев.
18. Способ по п. 14, дополнительно включающий в себя применение сборочного узла для секвенирования.
19. Способ по п. 14, дополнительно включающий в себя применение сборочного узла для генотипирования.
