021428 B1 021428 B1 (11) 021428

Евразийское
патентное
ведомство
(19)
(11)
021428
(13)
B1
(12)
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ
(45)
Дата публикации и выдачи патента
2015.06.30
(21)
Номер заявки
(51) Int. Cl. G01G 3/16 (2006.01)
G01N 27/00 (2006.01)
G01N 29/02 (2006.01)
201200231
(22)
Дата подачи заявки
2009.08.20
(54)
МИКРОЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКОЕ ГРАВИМЕТРИЧЕСКОЕ СЕНСОРНОЕ
УСТРОЙСТВО С БОКОВОЙ ВИБРАЦИЕЙ, ПОМЕЩАЕМОЕ В
МИКРОЖИДКОСТНЫЙ КАНАЛ, ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ КЛЕТОК
И ВЕЩЕСТВ
B1
(74)
Представитель:
(57)
Предложено
микроэлектромеханическое
гравиметрическое
сенсорное
устройство
с
боковой вибрацией и с микрожидкостными каналами, производящееся по технологии
микроэлектромеханических систем (MEMS), которое обнаруживает биологические клетки и
вещества, определяемые при анализе, путем измерения изменения массы, помещенной на его
поверхность, и которое состоит из четырех основных групп, включая резонатор, помещаемый на
основании микрожидкостного канала, компоненты биоактивации резонатора, микрожидкостный
канал и технологию микропроизводства. Его основные компоненты включают чувствительную
массу (1), гребенчатые пальцы, фиксирующиеся на чувствительной массе (2), согнутые упругие
балки (3), дно канала и основание (4), неподвижные электроды (5), гребенчатые электроды,
крепящиеся к неподвижным электродам (6), золотую пленку (7), нанесенную на массу, молекулы
с иммобилизованной биоидентификацией (8) и микрожидкостный канал, помещаемый на
резонаторной структуре (9).
Курышев В.В. (RU)
B1
021428
(56) US-A1-2008110247
US-A-5025346
WO-A2-2008105918
CHO YOUNG-HO ET AL.: "Viscous
clamping model laterally oscillating microstructures",
JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL
SYSTEMS, vol. 3, no. 2, June 1994 (1994-06), pages
81-87, XP002587689, DOI: 10.1109/84.294325, the
whole document
021428
(43) 2012.10.30
(86) PCT/TR2009/000106
(87) WO 2011/021984 2011.02.24
(71)(72)(73) Заявитель, изобретатель и патентовладелец:
КУЛАХ ХАЛУК; ЧИФТЛИК АТА
ТУНА (TR)
021428
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к микроэлектромеханическому гравиметрическому сенсорному устройству
с боковой вибрацией и с микрожидкостными каналами, производящемуся по технологии микроэлектромеханических систем (MEMS), которое позволяет обнаруживать биологические клетки и вещества, определяемые при анализе, путем измерения изменения массы, уложенной на его поверхности.
Уровень техники
Возмущение, возникающее в общей массе резонирующей механической структуры, вызывает смещение резонансной частоты. Комбинирование способа, называемого гравиметрическим определением, с
использованием микроэлектромеханических систем может приводить к созданию устройств, которые
могут распознавать целевые молекулы или структуры на микроуровне. Гравиметрическое определение
применяется во многих микросистемах для биомедицинских и химических целей. Этот способ может
найти применение для различных целей, начиная от обнаружения клеток при диагностике рака, СПИДа
или подобных заболеваний и кончая тестами для обнаружения биотеррористических агентов в воздухе.
Описывающиеся в технической литературе биомедицинские датчики, использующие гравиметрическое определение, выполняются в виде консольных структур.
Главные недостатки гравиметрических датчиков консольных структур заключаются в следующем:
1) особенности вертикальных колебаний по отношению к значительной площади консоли ведут к
тому, что доминантным становится демпфирование сжатой пленки, а это, в свою очередь, приводит к
колебаниям очень низкого качества (фактор качества является параметром, указывающим широту полосы вибраций; чем уже ширина полосы, тем выше частотное разрешение и фактор качества) или предотвращает вибрации в связи со слишком большим демпфированием в жидкости. По этой причине такие
системы при использовании сначала погружаются в жидкость, затем высушиваются и определяется разница частот. Поэтому в консольном способе не обеспечивается высокое разрешение и on-line мониторинг;
2) для решения поясненной выше проблемы низкого фактора качества масса и консоли значительно
уменьшаются, и при этом рабочая частота слишком сильно повышается. В связи с тем, что электронные
методы не подходят для применения при таких высоких частотах, необходимо применять дорогостоящее
оптическое возбуждение и методы считывания;
3) в связи с тем, что целевое вещество укладывается на поверхности беспорядочно в смысле положения, смещения частоты, которые наблюдаются в резонаторах консольного типа, зависят от местоположения целевых участков. Эта ситуация обычно приводит к снижению количественной концентрации
разрешения. Даже если цели устанавливаются на соседних участках, смещение частоты может быть нелинейным в связи с большим распределением массы тонких консолей.
Предлагаемое устройство позволяет решить указанные проблемы, применяя резонаторы с гребенчатыми электродами, вибрирующими в боковом направлении. Преимущества могут суммироваться следующим образом:
в связи с тем, что вибрации боковые, фактор качества системы в воде довольно высок. Таким образом, становится возможным реализовать определение online и с большим разрешением;
в связи с тем, что фактор качества достаточно высок, не требуется существенно уменьшать массу, а
частота вибрации может поддерживаться относительно низкой. Кроме того, эти системы действуют
электромеханически, и система определения не требует оптической маркировки и считывания, т.к. они
могут производиться электронной цепью считывания. Соответственно, они выпускаются в виде одного
блока по достаточно низкой цене;
цели могут переопределяться на загруженную поверхность внутри канала, когда устройства являются встроенными. Также благодаря тому, что испытуемая масса имеет четырехрычажные механические
весы, выход изменяется линейно по отношению к количеству, но не зависит от положения цели. Таким
образом, оказывается возможным получать устройства с высокой концентрацией разрешения и высокой
воспроизводимостью;
используя известные технологии производства, эти устройства могут выпускаться помещенными в
микрожидкостные каналы с электронной схемой. В дополнение к этому фактор качества остается высоким благодаря уникальной технологии, использующейся для их производства.
Приведенная далее табл. 1 содержит сравнительные данные предлагающейся системы и гравиметрического сенсорного устройства консольного типа, описываемого в технической литературе.
-1-
021428
Таблица 1. Сравнительные данные предлагающегося устройства и
гравиметрического сенсорного устройства консольного типа
Назначение изобретения
Настоящее изобретение представляет собой микроэлектромеханическое гравиметрическое сенсорное устройство, помещаемое в микрожидкостном канале и предназначенное для обнаружения биологических клеток и веществ для исследования, в котором осуществляется боковая вибрация. Это устройство
имеет следующие основные характеристики:
высокое разрешение;
быстрое действие;
низкая стоимость производства;
низкая стоимость эксплуатации;
низкое потребление образцов;
совместимость с CMOS и выполнение в виде одного блока;
легкость воспроизведения;
уникальность, но при этом может легко производиться при использовании известной технологии
производства;
небольшой размер и портативность;
может уничтожаться или использоваться повторно;
может использоваться без привлечения сложного и дорогого отдельного оборудования;
не требует оптической маркировки и микроскопа;
может использоваться для обнаружения и счета клеток;
может использоваться для обнаружения вещества для анализа и измерения концентрации.
Далее приводятся новаторские решения, привносимые в уровень техники настоящим изобретением.
В связи с тем, что осуществляются боковые колебания, фактор качества внутри жидкости очень высокий. Так, становится возможным проводить определение online и с высоким уровнем разрешения;
в связи с тем, что фактор качества высокий, не требуется значительно уменьшать массу, а частоты
вибраций могут быть относительно низкими. Низкая частота позволяет работать с применением электронного управления обратной связью и считывающей цепи;
в дополнение к этому, эти системы действуют электромеханически, и система определения не требует оптической маркировки и определения, так как может производиться вместе с электронной считывающей цепью. Таким образом, они могут действовать одни и могут производиться с очень небольшими
затратами;
целью может быть поверхность приспособления, которая может помещаться внутри канала. Кроме
того, перенаправление может вызываться автоматически. Это позволяет повысить разрешение по сравнению с известными гравиметрическими датчиками консольного типа;
в связи с тем, что чувствительная масса имеет четырехбалочную механически сбалансированную
структуру, выход изменяется линейно и является также независимым от положения приспособления.
Таким образом, становится возможным получать устройства с высокой концентрацией разрешения и
воспроизводимости;
метод микропроизводства, использующийся для устройства, был получен путем внесения изменений, которые уникальны для технологии MEMS, с включением существующего процесса SOI ("кремний
на изоляторе"), позволяющего помещать резонаторы под микрожидкостные каналы и легко интегрировать внешний пункт микрожидкостного соединения;
-2-
021428
устройство работает более эффективно и вибрирует с более высоким фактором качества при блокировании жидкой суспензии вещества, определяемого при анализе, и клеток внутри микрожидкостного
канала для предотвращения утечек между гребенчатыми электродами (2);
более быстрый анализ целей позволяет получать результаты немедленно и ускорять процесс лечения благодаря измерению прогресса при использовании выбранных способов лечения пациента;
недорогое производство снижает стоимость диагностики и лечения, повышая доступность для индивидуальных пользователей, больниц и лабораторий. Подобный эффект достигается также благодаря
низкой фиксированной и переменной стоимости эксплуатации;
становится возможным поддерживать хирургическое вмешательство на низком уровне благодаря
заявленному сенсорному устройству, для которого достаточно небольшое количество образцов для получения результата;
высокая воспроизводимость технологии производства снижает стоимость в терминах затрачиваемого времени и средств на послепроизводственные операции калибровки и контроля качества;
небольшие размеры, портативность и возможность одноразового использования, а также возможность работать независимо от дорогостоящего и сложного внешнего оборудования облегчает внедрение
этого устройства в практику удаленных медицинских центров и армейских подразделений;
в связи с тем, что заявленное устройство не требует применения оптических систем, еще больше
снижается стоимость его использования.
Описание чертежей
Далее приводится перечень фигур, подготовленных и прилагаемых к описанию для лучшего пояснения микроэлектромеханического гравиметрического сенсорного устройства с боковой вибрацией, помещаемого в микрожидкостный канал, производящегося по технологии микроэлектромеханических систем (MEMS), которое позволяет обнаруживать биологические клетки и вещества, определяемые при анализе, путем измерения изменения массы, укладывающейся на его поверхность.
На фиг. 1 показан вид сверху резонатора, который может укладываться на основание канала; на
фиг. 2 - вид в перспективе резонатора, который может укладываться на основание канала, и биоактивирующих компонентов; на фиг. 3 - вид в перспективе резонатора, который может укладываться на основание микрожидкостного канала; на фиг. 4 - технология микропроизводства, этап 1; на фиг. 5 - технология
микропроизводства, этап 2; на фиг. 6 - технология микропроизводства, этап 3.
Определения элементов (признаки/компоненты/части) на фигурах.
Далее приводится перечень позиций, проставленных для лучшего пояснения микроэлектромеханического гравиметрического сенсорного устройства с боковой вибрацией, помещаемого в микрожидкостный канал, производящегося по технологии микроэлектромеханических систем (MEMS), которое позволяет обнаруживать биологические клетки и вещества, определяемые при анализе, путем измерения изменения массы, укладывающейся на его поверхность. Кроме того, на фигурах используется выделение цветом и проставлены цифры, где это необходимо. Ниже также приводится пояснение к каждой отмеченной
позицией части. Кроме того, некоторые части специально показаны на фигурах для того, чтобы более
ясно было их назначение. Буква U используется для обозначения этапов производства, и вместо цифр
приводится процесс шаг за шагом. На чертежах показаны:
1 - исследуемая масса;
2 - гребенчатые электроды, фиксирующиеся на исследуемой массе;
3 - согнутые упругие балки;
4 - дно канала и основание;
5 - неподвижные электроды;
6 - гребенчатые электроды, соединяющиеся с неподвижными электродами;
7 - золотая пленка, нанесенная на испытуемую массу;
8 - иммобилизованные биологические опознавательные молекулы;
9 - микрожидкостный канал, помещенный на резонаторной структуре;
U.1 - диоксид кремния;
U.2 - кремний;
U.3 - металл;
U.4 - полимер;
U.5 - металлизация;
U.6 - формование металла травлением (Metal Shaping through etching);
U.7 - формование резонатора с помощью глубокого реактивного ионного травления (DRIE);
U.8 - соответствующее полимерное покрытие для изоляции;
U.9 - формование полимера сухим травлением;
U.10 - формование металла металлизацией и травлением;
U.11 - полимерное покрытие;
U.12 - формование полимера сухим травлением;
U.13 - высвобождение удалением лежащего снизу диоксида кремния сухим или влажным травлением;
-3-
021428
U.14 - полимерное формование с помощью полимерного покрытия и сухого травления;
U.15 - крепление стеклянной верхней крышки полимерной/термополимерной компрессией;
U.16 - микрожидкостная адаптерная интеграция.
Подробное описание изобретения
Устройство и способ, разработанные в рамках настоящего изобретения, в основном содержат четыре основные группы, включая
резонатор, помещаемый в микрожидкостный канал;
компоненты слоя биоактивации;
микрожидкостный канал и
микропроизводственную технологию.
Резонатор, помещаемый в микрожидкостный канал, состоит из чувствительной массы (1), гребенчатых электродов (2), согнутых упругих балок (3), дна канала и основания (4), неподвижных электродов (5)
и гребенчатых электродов, присоединенных к неподвижным электродам (6). Дно канала и основание (4)
соединяются с общей подложкой через диоксид кремния и остаются неподвижными. Согнутые упругие
балки (3), чувствительная масса (1) и гребенчатые электроды (2), фиксирующиеся на чувствительной
массе, находятся во взвешенном состоянии. Части резонатора (1, 2, 3, 4, 5 и 6), который может помещаться на основании канала, выполняются из высоко или умеренно проводящего одиночного кристалла
кремния. Полимерное покрытие материала (U.4) выполняется из диэлектрических полимеров, наносящихся так, что компоненты резонатора не касаются друг друга. Все компоненты (1, 2, 3, 4, 5 и 6) также
покрываются полимером.
Компоненты биоактивации резонатора состоят из золотой пленки, укладывающейся на чувствительную массу (1), и молекул с иммобилизованной биоидентификацией (8), укладывающихся на пленку
с помощью хорошо известных протоколов.
Микрожидкостный канал, помещенный на резонаторной структуре (9), располагается на большей
площади по сравнению с резонатором, помещаемым на основание канала. Стенки и верх канала выполняются из прозрачного пластика или стекла Pyrex. В результате появляется возможность применения
оптических методов, если требуются дополнительные способы для работы устройства. Появляется даже
возможность применения устройства для других назначений благодаря соединению методов оптического
считывания и использования резонатора.
Технология микропроизводства с использованием кремния (U.2), диоксида кремния (U.1) и кремниевой подложки (U.2), получаемой по технологии "кремний на изоляторе" соответственно и с помощью
способов металлизации (U.5), формования металла травлением (U.6), формования резонатора с помощью
глубокого реактивного ионного травления (U.7), соответствующего полимерного покрытия для изоляции
(U.8), формования полимера с помощью сухого травления (U.9), формования металла металлизацией и
травлением (U.10), полимерного покрытия (U.11), полимерного формования сухим травлением (U.12),
высвобождения удалением лежащего снизу диоксида кремния сухим или влажным травлением (U.13),
полимерного формования с помощью полимерного покрытия и сухого травления (U.14), крепления стеклянной верхней крышки полимерной/термополимерной компрессией (U.15) и микрожидкостной адаптерной интеграции (U.16), применяется для производства микроэлектромеханического гравиметрического сенсорного устройства с боковой вибрацией, помещаемого в микрожидкостный канал, производящегося по технологии микроэлектромеханических систем (MEMS), которое обнаруживает биологические
клетки и вещества, определяемые при анализе, путем измерения изменения массы, уложенной на его поверхности.
Работа системы
Вначале чувствительная масса (1) и золотая пленка (7), наложенная на чувствительную массу, активируются для целевого распознавания с помощью тех протоколов, которые фиксируют известные опознавательные молекулы на золоте. В этом процессе биологические агенты, обладающие способностью
связываться с целевыми клетками или веществом, определяемым при анализе, фиксируются для анализа
на поверхности золотой пленки выборочным способом.
После этого резонатор MEMS, помещаемый в микрожидкостный канал, вибрирует при резонансе.
Чувствительная масса (1), гребенчатые электроды (2), фиксированные на чувствительной массе, согнутые упругие балки (3), а также дно канала и основание (4) формируют электрически соединенный узел,
где напряжение подается снаружи через входные электроды, первоначально создающиеся при производстве. Неподвижные электроды (6) и гребенчатые электроды, соединенные с неподвижными электродами
(6), соединяются электрической управляющей цепью, действующей с помощью закрытой цепи позитивной обратной связи. При таком положении системы резонатор совершает боковые вибрации на своей
собственной резонансной частоте, и на выходе этой цепи измеряется переменное напряжение на естественной резонансной частоте резонатора.
Вслед за инициализацией вибраций образцы для измерения инжектируются в микроканалы с помощью микрожидкостных адаптеров. Резонаторы, помещающиеся непосредственно на основание микроканала, не перекрывают потока внутри микроканалов.
Одновременно измеряется частота переменного напряжения на выходе цепи. Когда клетка или ве-4-
021428
щество, определяемое при анализе, крепится к поверхности испытуемой массы (1), происходит изменение частоты механического резонанса и частоты переменного напряжения на выходе цепи. Это изменение частоты пропорционально целевой массе, укладывающейся на поверхности.
При определении клеток диэлектрофоретические силы, возникающие благодаря электрической
площадке между чувствительной массой (1) и неподвижными электродами (5), направляются к центру
чувствительной массы и снижают минимальное число прикрепляющихся клеток путем увеличения возможности их прикрепления. В дополнение к этому минимизируется зависимость чувствительной массы
(1), находящейся в четырехгранной боковой вибрации, и величины изменения частот от места крепления
клеток.
Гидрофобный полимер, покрывающий места между гребенчатыми электродами (2), фиксирующимися на чувствительной массе, неподвижными электродами (5), чувствительной массой (1), дном канала
и основанием (4) и согнутыми упругими балками (3), способствует электрическому приведению в движение чувствительной массы, считыванию данных с нее и сохранению высокой добротности указанного
резонатора в жидкости, так как предотвращает непосредственный контакт чувствительной массы, гребенчатых и неподвижных гребенчатых электродов с жидкостью, а также предотвращает прохождение
жидкости между гребенчатыми и неподвижными гребенчатыми электродами. В дополнение к этому, этот
слой полимера предотвращает прямые контакты между проводящими биологическими жидкостями и
резонатором, который может помещаться на основании канала, и обеспечивает электромеханические
вибрации. Кроме того, эта полимерная пленка, покрывающая поверхность, повышает эффективную диэлектрическую проницаемость между гребенчатыми электродами (2), фиксирующимися на чувствительной массе, и оказывает влияние на повышение электромеханического усиления.
В табл. 2 показана рабочая частота, фактор качества и шумовой эквивалент разности массы (NEMD)
устройств, которые являются объектом настоящего изобретения. Различные устройства, обозначаемые
как детекторы остаточных токов ("RCD"), являются одними и теми же устройствами, выпускающимися с
различными параметрами микропроизводства. Самые высокие и самые низкие значения выделены жирным шрифтом. В табл. 1 приводятся данные этих значений в сравнении с подобными недавно опубликованными значениями.
Таблица 2. Рабочие частоты, фактор качества и эквивалент шумов различий массы (NEMD) устройств, являющихся объектами настоящего изобретения
-5-
021428
Ссылки
[1] A.P. Davila, J. Jang, A.K. Gupta и др. "Микрорезонаторный датчик массы для обнаружения спор
Bacillus anthracis Sterne в воздухе и в воде", Biosens Bioelectron, том 22, № 12, с. 3028-35, 15 июня 2007 г.
[2] K.Y. Gfeller, N. Nugaeva, и М. Hegner "Микромеханические колебания в качестве биодатчика для
обнаружения активного роста Escherichia coli", Biosens Bioelectron, том 21, № 3, с. 528-33, 15 сентября
2005 г.
[3] A. Gupta, D. Akin и R. Bashir "Обнаружение одиночного вируса, используя микрорезонаторы,
имеющие толщину на наноуровне", Applied Physics Letters, том 84, № 11, с. 1976-1978, 2004 г.
[4] M.K. Ghatkesar, V. Barwich, T. Braun и др. "Обнаружение массы в реальном времени с помощью
наномеханических резонаторов в жидкости", с. 1060-1063, том 2.
ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. Микроэлектромеханическое гравиметрическое сенсорное устройство с боковой вибрацией, помещаемое в микрожидкостный канал, для обнаружения биологических клеток и веществ путем определения изменения массы, помещенной на его поверхность, представляющее собой микроэлектромеханический резонатор, содержащий чувствительную массу (1), покрытую гидрофобным полимером, гребенчатые электроды (2) для считывания частоты переменного напряжения и активации чувствительной массы, прикрепленные к ней и покрытые тем же самым гидрофобным полимером, неподвижные гребенчатые электроды (5) для считывания частоты переменного напряжения и активации чувствительной массы,
покрытые указанным гидрофобным полимером, основание (4) и согнутые упругие балки (3), соединяющие чувствительную массу (1) и основание (4) с образованием механически сбалансированной структуры с минимизированной зависимостью смещения выходной частоты переменного напряжения от места
присоединения массы биологических клеток и/или веществ к чувствительной массе, причем гидрофобный полимер способствует электрическому приведению в движение чувствительной массы, считыванию
данных с нее и сохранению высокой добротности указанного резонатора в жидкости, так как предотвращает непосредственный контакт чувствительной массы, гребенчатых и неподвижных гребенчатых электродов с жидкостью, а также предотвращает прохождение жидкости между гребенчатыми и неподвижными гребенчатыми электродами.
2. Устройство по п.1, включающее золотую пленку (7), нанесенную на покрытую полимером чувствительную массу вместе с молекулами с иммобилизованной биоидентификацией (8), укрепленными на
указанной золотой пленке.
-6-
021428
Фиг. 1
Фиг. 2
Фиг. 3
-7-
021428
Фиг. 4
Фиг. 5
-8-
021428
Фиг. 6
Евразийская патентная организация, ЕАПВ
Россия, 109012, Москва, Малый Черкасский пер., 2
-9-