电功能聚合物微针阵列制造技术

传感器装置，例如生物传感器，可包括聚合物基底，其被结构化从而形成多组微针和相应的通孔。微针各自从基底的基面延伸。每个通孔延伸穿过基底的厚度，从而在基面上形成相应的一组孔，其中每个孔与相应的一个微针相邻。所述装置还包括两个电极，这些电极包括感测电极和参比电极，每个电极包括导电材料层，所述导电材料层涂覆所述基底的区域，从而涂覆至少一些所述微针和所述基面的相邻部分。可以提供相关的装置、设备以及制造和使用这样的装置的方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电功能聚合物微针阵列
本公开总体上涉及具有用于探测流体(具体为生理流体)的微针和电极的传感器装置(具体为生物传感器)领域。本专利技术进一步涉及相关的制造方法和操作方法。
技术介绍
传感器是用于检测传感器的属性(例如，化学、物理)或传感器的环境的事件或变化的设备或模块。所感测的信号通常由它所包括的或者它例如远程地连接到其上的电子装置来处理。作为重要的传感器类别，生物传感器使得有可能获得关于人的生理状态的数据，并且照此，实现一系列健康和医疗应用。能够选择性地检测生物标志物将使得有可能更有效地达到有用信息而无需借助于大量数据操作。生物传感器中使用的当前技术正趋向于汗液感测。汗液确实是探测的有趣的介质。然而，汗液的固有缺点是它需要大量的身体活动来产生足够的样品体积，除非依赖通常并不合适的汗液诱导药物。已知微针电极阵列，其通过探测间隙流体克服该限制。然而，当前已知的设备对于终端用户是痛苦的、难以应用和/或不方便穿戴持续延长的时间段。此外，这种装置的设计可能不适合于批量制造。论文“用于体内葡萄糖生物传感应用的尖锐聚合物微针的低成本快速制造的开发”(C.Barrett,K.Dawson,C.O'MahonyandA.O'Riordan,ECSJournalofSolidStateScienceandTechnology,4(10)S3053-S3058(2015))描述了基于使用PDMS聚合物的双模塑技术制造用于直接体内检测间质液中葡萄糖的微创经皮传感器。然而，在此论文中描述的制造方法被本专利技术人认为是不容易缩放的。此外，用于预图案化电极材料的工艺在生产中实施起来相当复杂。
技术实现思路
根据第一方面，本专利技术被实施为传感器装置，例如生物传感器。该装置包括聚合物基底，其被结构化(structure)为形成微针组和相应的通孔。微针各自从基底的基面延伸。通孔中的每一者延伸穿过基底的厚度，从而在基面上形成对应组的孔。每个孔与相应的一个微针相邻(即紧挨着)。该装置进一步包括两个或更多个电极，这些电极包括感测电极和参比电极。每个电极包括导电材料层，所述导电材料层涂覆基底的区域，从而涂覆至少一些所述微针和所述基面的相邻部分。提供邻近针的通孔和相应的孔保持了结构化聚合物基底的机械稳定性并简化了制造工艺，尤其是当与例如依赖于中空针的解决方案相比时。这种设计进一步便于在剥离工艺步骤期间基底的释放，如在本文中描述的优选制造方法中所涉及的。此外，本方法使得有可能涂覆该聚合物基底的任何区域，包括这些通孔的内导管。总而言之，以上设计使得可以容易地制造具有装配特性的传感器装置，诸如生物传感器。此类装置例如可用于间质液的体内检测，或用于食品或药物测试，以及其他实例。在本文所述的优选实施方式中，每个微针具有一个(优选仅一个)基本上垂直于基底的基面的小面，这在实践中产生更尖锐的针。例如，通孔的孔可各自邻近微针中的相应一个的垂直小面并位于微针中的相应一个的垂直小面的基底。此类垂直小面与基底的基础表面之间的角度的标准偏差例如小于4°。优选地，所述微针的平均高度小于或等于400μm。这个高度是垂直于并且从该基底的基面测量的。另一方面，为了能够适当地探测样品，通常需要使该平均高度大于或等于30μm，或甚至100μm。在实施例中，微针形成微针的阵列，由此微针根据2D晶格分布在聚合物基底的基面上。实际上，阵列中微针的顶点之间的平均第一相邻距离应优选小于或等于3mm。每个第一相邻距离平行于该聚合物基底的所述基面进行测量。尽管有利的是，可以在该第一相邻距离与该针高度之间强加一个条件。即，平均第一相邻距离优选大于或等于微针的平均高度的3倍，其中该平均高度在30μm和400μm之间。优选地，电极的每个导电材料层涂覆基底的基面的相应、非重叠部分，例如围绕孔，并且还涂覆微针小面。在实施例中，该传感器装置进一步包括一个或多个附加电极。每个附加电极包括导电材料层，该导电材料层部分地涂覆基底的基面的相应部分(这包括例如布置在该部分上的微针的小面)，其中，所述相应部分不与所述基面的由所述装置的其他电极的材料层涂覆的部分中的任何部分重叠。该电极的材料层可以值得注意地被结构化以便涂覆该聚合物基底的基面的互补部分，这些互补部分可以例如被安排在该基底的基面的不同区段中。此外，这些电极中的一者或每一者优选地被结构化为电连接该基底的相反侧(所述基面位于所述相反侧中的一者上)，以易于连接至这些电极/从这些电极连接。在实施例中，该聚合物基底包括一种光敏聚合物，如SU-8聚合物，尽管例如可以使用其他负型光致抗蚀剂。该传感器装置典型地应包括一个读出电子单元。然而，在变体中，该装置可以作为一套零件来提供，其中该读出单元是可机械地附接的并且由此可电连接到该装置的一个感测零件上。在其他变型中，可以使用连接线。在所有情况下，该读出电子单元可以包括一个壳体和包封在该壳体中的电子装置，其中该电子装置和该壳体被配置成使得该电子装置可以被设置成与这些电极处于电连通。在传感器装置的操作中，电子装置以其他方式被配置成读取从电极获得的信号。根据另一个方面，本专利技术被实施为一种制造传感器设备的方法。该方法基本上围绕图案化和结构化聚合物基底，从而形成多组微针和通孔，以及涂覆基底的区域的电极，如上述传感器装置中一样。尽管如此，优选地并且根据优选方面，本专利技术被实施为一种制造方法，其中，导电材料层被图案化在牺牲层上，该牺牲层涂覆被结构化以便形成反向图案的模具。事实上，导电材料层和牺牲层可有利地图案化为完全涂覆结构化模具的堆叠。然后，聚合物基底互补图案化在导电材料层上，以根据所述反向图案形成一组微针。这样，每个微针从基底的基面延伸。该聚合物基底以其他方式被结构化以便展现一组通孔，这些通孔各自延伸穿过该聚合物基底的厚度，由此在该聚合物基底的所述基面上形成一组相应的孔。此外，每个孔与形成的微针的相应一个相邻。最后，移除牺牲层以释放其上形成有导电材料层的聚合物基底。最后，获得传感器设备，其具有由所述材料层形成的电极。由于适当限定的电极图案，导电材料层涂覆基底的区域，从而涂覆至少一些微针和基底的基面的相邻部分。在实施例中，此制造方法进一步包括一系列初始步骤(在将导电材料层图案化到牺牲材料上之前)，这些初始步骤的目标在于获得期望的反图案并且使得能够容易地剥离工艺。即，首先获得氧化硅基底，其中氧化物层在基底的顶部上。然后，氧化物层被图案化以形成穿过氧化物层的残留部分的开口。接着，通过形成的开口蚀刻硅基底以获得所述反向图案，由此产生空腔，所述空腔与随后获得的微针互补地成形。随后去除所述氧化物层的残留部分以获得结构化模具。最后，在结构化模具上沉积牺牲层，以允许在释放后留在基底上的电极层的后续图案化。然而，注意，牺牲层优选地与其他金属层一起作为金属堆叠沉积在模具上。优选地，该聚合物基底的图案化包括选择性地将该聚合物暴露于辐射源，这使得有可能在实际中增加针的锐度，如专利技术人所观察到的。在优选实施例中，以上对材料层进行图案化、对聚合物基底进行互补图案化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种传感器设备，包括：/n聚合物基底，其被结构化以便形成：/n一组微针，其各自从所述基底的基面延伸；以及/n一组通孔，其各自延伸穿过所述基底的厚度，从而在所述基面上形成相应的一组孔，其中每个所述孔与相应的一个所述微针相邻；以及/n两个电极，包括感测电极和参比电极，每个电极包括导电材料层，所述导电材料层涂覆所述基底的区域，从而涂覆至少一些所述微针和所述基面的相邻部分。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20180516 US 15/980,9171.一种传感器设备，包括：
聚合物基底，其被结构化以便形成：
一组微针，其各自从所述基底的基面延伸；以及
一组通孔，其各自延伸穿过所述基底的厚度，从而在所述基面上形成相应的一组孔，其中每个所述孔与相应的一个所述微针相邻；以及
两个电极，包括感测电极和参比电极，每个电极包括导电材料层，所述导电材料层涂覆所述基底的区域，从而涂覆至少一些所述微针和所述基面的相邻部分。


2.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，
所述导电材料层涂覆所述基底的在所述孔周围的部分以便不阻挡所述通孔。


3.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，
每个微针具有一个与基底的基面基本垂直的小面。


4.根据权利要求3所述的传感器装置，其中，
所述通孔的所述孔各自邻近所述微针中的相应一个的所述垂直小面并基于所述垂直小面。


5.根据权利要求4所述的传感器装置，其中，
所述微针各自具有仅一个小面，所述小面基本上垂直于所述基面。


6.根据权利要求5所述的传感器装置，其中，
微针的垂直小面与基面之间的角度的标准偏差小于4°。


7.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，
所述微针的平均高度小于或等于400微米，垂直于所述基面和从所述基面测量该高度。


8.根据权利要求7所述的传感器装置，其中，
所述平均高度大于或等于30微米。


9.根据权利要求8所述的传感器装置，其中，
所述平均高度大于或等于100微米。


10.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，
所述微针形成微针的阵列，由此所述微针根据2D晶格分布在所述基面上。


11.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，
所述阵列中的所述微针的顶点之间的平均第一相邻距离小于或等于3毫米，每个第一相邻距离平行于所述基面测量。


12.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，
所述平均第一相邻距离大于或等于所述微针的平均高度的三倍，其中所述平均高度大于或等于30微米且小于或等于400微米。


13.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，
所述电极的每个所述导电材料层涂覆所述基底的所述基面的相应的非重叠部分。


14.根据权利要求13所述的传感器装置，其中，
所述传感器装置进一步包括一个或多个附加电极，每个附加电极包括部分地涂覆所述基底的所述基面的相应部分的导电材料层，其中，所述相应部分不与所述基面的由所述装置的所述其他电极的所述材料层涂覆的部分中的任何部分重叠。


15.根据权利要求13所述的传感器装置，其中，
这两个材料层被进一步结构化以便涂覆所述基面的互补部分。


16.根据权利要求15所述的传感器装置，其中，
所述互补部分被安排在所述基底的所述基面的不同区段中。


17.根据权利要求13所述的传感器装置，其中，
进一步结构化一个或每个所述电极，从而电连接所述基底的相对侧，所述基面位于所述相对侧中的一个上。


18.根据权利要求1所述的传感器装置，其中，
所述聚合物基底包括光敏聚合物，优选基于环氧...

【专利技术属性】
技术研发人员：N·埃比热，U·德雷切斯勒，P·鲁赫，
申请(专利权)人：国际商业机器公司，
类型：发明
国别省市：美国;US