ES2557108T3 - Sensor de fluidos en un chip conectado de forma inalámbrica - Google Patents

Abstract

Un procedimiento de fabricación de un dispositivo sensor microfluídico que comprende las etapas de: proporcionar un primer sustrato (40) que define varias estructuras microfluídicas (41) para recibir un fluido que ha de ser detectado, siendo cada estructura microfluídica una una cámara, un pocillo o un canal microfluídicos; proporcionar un segundo sustrato que comprende o que tiene unido al mismo una multiplicidad de sensores ISFET (42) de fluido, siendo mayor el número de sensores (42) que el número de estructuras microfluídicas (41); caracterizado porque los sustratos primero (40) y segundo están fijados entre sí de forma que al menos uno de los sensores (42) esté alineado con cada estructura microfluídica (41) para proporcionar un sensor activo para cada estructura, y de modo que uno o más de los sensores (42) estén alineados con alguna estructura microfluídica (41) o no lo estén y que, por lo tanto, sea o sean redundantes.

Description

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DESCRIPCION

Sensor de fluidos en un chip conectado de forma inalambrica Campo de la invencion

La presente invencion versa sobre la fabricacion de un aparato para detectar una propiedad de un fluido. En particular, la invencion proporciona una coordinacion de sensores en un entorno microflmdico.

Antecedentes

Los dispositivos que integran una o varias funciones en un solo chip tienen muchas aplicaciones, tales como monitorizar una propiedad de un fluido o una reaccion qmmica. Tales dispositivos, conocidos como dispositivos de laboratorio en chip, combinan normalmente sensores semiconductores y canales microflmdicos a escala diminuta.

Sin embargo, existe un requisito para la integracion de bajo coste de tecnologfas diferentes; en particular de CMOS/MEMS y entornos microflmdicos. Las economfas de escala especialmente impulsadas por la industria de los semiconductores favorecen las soluciones basadas en procesos comerciales no modificados. Las limitaciones dictadas por el intervalo cambiante de las dimensiones ffsicas de los diferentes componentes hacen demasiado costosa la integracion a escala de oblea para la fabricacion en serie a bajo coste. Por ejemplo, una aplicacion tfpica de laboratorio en chip puede requerir componentes de CMOS que tengan un area en el intervalo de 1-10 mm2, componentes de MEMS en el intervalo de 25-100 mm2 y componentes microflmdicos en el intervalo de 200-2500 mm2. Por lo tanto, integrar estos a escala de oblea sena un enorme derroche para las tecnologfas de CMOS/MEMS, ya que el area comun del laboratorio en chip estana dominada por los requisitos de la puesta de los fluidos y los sistemas externos en contacto con los dispositivos.

La Figura 1 de los dibujos adjuntos muestra una seccion transversal de un compuesto tubrido de CMOS/entorno microflmdico que tiene hilos 10 de conexion y un circuito integrado 4 encapsulados usando epoxi fotomodelable 2. La camara microflmdica 11 es formada al fijarse el sustrato 1 al sustrato portador 8. Surgen problemas al conectar los finos hilos de conexion y por la necesidad de encapsularlos posteriormente.

La encapsulacion de chips a escala del circuito integral normalmente requiere depositar y procesar materiales fotosensibles (tales como ciertos epoxidos y SU-8) en conjuntos de materiales compuestos (tales como una encapsulacion o un sustrato), que son fijados al circuito integrado mediante hilos de conexion (vease la Figura 1 de los dibujos adjuntos). Un reto comun es evitar el dano a los delicados hilos de conexion debido al esfuerzo mecanico causado por la viscosidad de los fluidos, ademas de las fuerzas centnfugas en el revestimiento centnfugo. Un enfoque alternativo es definir el area no al descubierto (es decir, sensible a los productos qmmicos) a traves de un material sacrificatorio (por ejemplo, SU-8), o definir con precision un marco y luego embutir en resina la region entre el marco y la encapsulacion usando un epoxido curable por radiacion UV. Esta tecnica es denominada a menudo encapsulacion de “presa y relleno”. Los sensores qmmicos comerciales usan flujos de proceso mas complejos basados en combinar las tecnicas anteriores con alojamientos prefabricados para garantizar un aislamiento robusto, ademas de una estabilidad a largo plazo. Sin embargo, estos son muy laboriosos de producir en serie y, por lo tanto, resultan caros. Sin embargo, todas estas tecnicas anteriormente mencionadas tienen dos limitaciones fundamentales: (i) dentro de las regiones de la zona de conexion se forma un pocillo no deseado (normalmente de 200-300 pm de profundidad), y (ii) debido a esta acumulacion encapsulante relativamente gruesa, la superficie superior no es perfectamente plana. Esto causa problemas de hermeticidad, adherencia y alineamiento cuando se recubren los canales microflmdicos por arriba, lo que a menudo requiere una etapa intermedia de nivelacion.

Se han propuesto varias soluciones de encapsulacion basadas en la tecnologfa. Sin embargo, estas normalmente requieren dispositivos CMOS de posprocesamiento a escala de oblea (es decir, antes de la formacion del circuito integrado). Los procedimientos de encapsulacion de micropastillas pueden proporcionar una superficie superior plana encapsulada con robustez; sin embargo, no se supera el problema de los “pocillos parasitos” sobre la superficie del chip. El procedimiento experimental CMOS 3D de MIT/Lincoln Labs basado en multiples niveles de CMOS de silicio sobre aislante (SOI) se vale de interconexiones pasantes entre niveles y, dado que el silicio esta ubicado sobre un sustrato aislante, las zonas de conexion pueden ser llevadas a la cara inferior del sustrato, dejando plana la capa superior con fines de deteccion de productos qmmicos. Esto quiza ofrezca la solucion mas prometedora para las futuras tecnologfas emergentes (que se espera que se presenten hacia el final de la ley de Moore —cuando esten en una escala de 22 nm a 10 nm—). Esto se confirma por la dedicacion al CMOS 3D por parte de IBM de un numero completo en su publicacion fundamental, “IBM Journal of Research & Development”. Sin embargo, a esta tecnologfa le faltan anos antes de estar disponible comercialmente, e incluso entonces se espera que siga resultando relativamente cara (en comparacion con el CMOS normal) y, que, por ello, este limitada a aplicaciones especializadas.

Una vez que se ha encapsulado el sensor, resulta deseable proporcionar un canal microflmdico para llevar el fluido hasta el sensor. Normalmente, estos canales se forman en un sustrato, que esta separado del sustrato del sensor. Los dos sustratos estan alineados y sellados el uno con el otro. Al hacerse los sensores semiconductores progresivamente mas pequenos con una separacion mas fina entre ellos, surgen problemas al alinear los canales

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microflmdicos con los sensores. Las tolerancias de montaje deficiente significan que existe la posibilidad de que las paredes entre los canales puedan obstruir un sensor y, ciertamente, puede no haber un sensor en cada canal. En una produccion en serie, las tolerancias de alineamiento microflmdico pueden ser 100-1000 veces superiores al tamano del rasgo mmimo del sensor.

En algunas aplicaciones puede ser deseable monitorizar las reacciones en varias camaras flmdicas usando sensores ISFET. Resulta deseable modelar varios sensores ISFET en un solo chip de silicio, y que, no obstante, se produzcan reacciones diferentes sobre cada sensor. Esto significa que la superficie del chip debe ser encapsulada de tal modo que se creen multiples camaras que esten selladas flmdicamente unas de otras para que sus componentes qmmicos no puedan entremezclarse.

Para proporcionar un cierre hermetico entre los sensores, se espera que se monte una capa de canales/camaras flrndicos encima del chip electronico. Esta podna ser construida o producida por ataque qmmico directamente sobre la superficie del chip con fotolitograffa, o, alternativamente, podna ser construida como una parte separada mediante medios diversos y ser fijada despues al chip como una etapa subsiguiente.

De cualquiera de las dos maneras, se crea una solucion de compromiso evidente, ya que los canales/camaras flrndicos deben alinearse con los sensores. Existe el incentivo de hacer los sensores poco separados entre sf, es decir, con una separacion fina entre los mismos, para minimizar el tamano y, por lo tanto, el coste del chip de silicio (y de los entornos flrndicos tambien). Sin embargo, existe un incentivo contrapuesto de separar mas los sensores para que sea mas simple producir los entornos flrndicos y alinearlos con los sensores.

Los sustratos son alineados a menudo ya sea alineando un sustrato con una lmea de datos del otro (quiza un saliente ffsico) o alineando visualmente marcas superpuestas en cada sustrato. La intencion es que los dos sustratos se alineen centrados o se alineen normalmente, de modo que las camaras y los sensores esten simetricamente alineados en torno a una o varias lmeas centrales. Esto suele significar que el punto central de cada sensor este alineado con el punto central de cada camara. Asf, la tolerancia de alineamiento desde el centro suele ser la anchura de la camara menos la anchura del sensor, punto tras el cual una porcion de la superficie sensora no quedara expuesta a la camara. La tolerancia de alineamiento puede expresarse como:

Tolerancia =±(W - W)/2 (1)

representando Wc, Ws, respectivamente la anchura de una camara y la anchura de un sensor.

Las siguientes referencias proporcionan antecedentes sobre el encapsulado del laboratorio en chip:

Patente estadounidense 7.033.910: Method of fabricating multi layer MEMS and microfluidic devices en un sustrato con capas de regiones de conexion predeterminadas debiles y fuertes, proporcionandose la comunicacion mediante interconexiones de borde entre capas

Patente estadounidense 6.910.268: Method for fabricating an IC interconnect system including an instreet integrated circuit wafer via. Usa interconexiones cableadas, no inalambricas.

Patente estadounidense 7.207.728: Optical bond-wire interconnections and a method for fabrication thereof. Interconexiones de hilos opticos de conexion entre chips microelectronicos, en las que se conectan hilos opticos a chips microelectronicos.

Patente estadounidense 6.443.179: Packaging of electro-microfluidic devices. La conexion electrica se realiza con zonas de conexion en la parte delantera del MIC.

Patente estadounidense 6.531.342: Method for transverse hybrid loc package

Patente estadounidense 6.882.033: High density direct connect LOC assembly

Patente estadounidense 6.136.212: Polymer-based micro-machining for microfluidic devices

WO 2003/107043: OPTOELECTRONIC ASSEMBLY WITH EMBEDDED OPTICAL AND ELECTRICAL

COMPONENTS.

E. Culurciello et. Al, “Capacitive Inter-Chip Data & Power Transfer for 3-D VLSI”, IEEE TCAS-II, Vol. 53, N° 12, 2006.

T. D. Strong, “Integrated Electrochemical Neurosensors”, IEEE ISCAS'06, pp. 4110-4113,2006.

W. OelUner, et al., “Encapsulation of ISFET sensor chips”, Sensors & Actuators B, Vol. 105, pp. 104-117, 2005.

L. Sudakov-Boreysha et al., “ISFET CMOS Compatible Design and Encapsulation Challenges”, IEEE Conference on Electronics, Circuits and Systems (ICECS04), pp. 535-538, 2004.

“3D Chip Technology”, IBM Journal of Research and Development, Vol. 52, N° 6, 2008.

Vilches A, Sanni A, Toumazou C, Single coil pair transcutaneous energy and data transceiver for low power bioimplant use, IET ELECTRONICS LETTERS, 2009, Vol:45, paginas:727-U25, ISSN:0013-5194.

En el documento WO2010/047804 se da a conocer un conjunto de estructuras microflmdicas, cada una de las cuales esta alineada con uno o mas sensores ISFET de fluido.

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Es un objeto de la presente invencion proporcionar procedimientos que superan los problemas de las tecnicas actuales expuestos en lo que antecede.

Sumario de la invencion

Segun la invencion se proporciona un procedimiento de fabricacion de un dispositivo sensor microflmdico que comprende las etapas de proporcionar un primer sustrato que define una o mas estructuras microflmdicas para recibir un fluido que ha de ser detectado, siendo cada estructura microflmdica una una camara, un pocillo o un canal microflmdicos; proporcionar un segundo sustrato que comprende o que tiene unido al mismo varios sensores ISFET de fluido, siendo mayor el numero de sensores que el numero de estructuras microflmdicas; y unir entre sf los sustratos primero y segundo de forma que al menos uno de los sensores este alineado con la estructura microflmdica, o con cada una de ellas, para proporcionar un sensor activo para la estructura, o cada una de ellas, y de modo que uno o mas de los sensores esten alineados con alguna estructura microflmdica o no lo esten y que, por lo tanto, sea o sean redundantes.

Descripcion de los dibujos

La Figura 1 es un procedimiento conocido de encapsulacion de CMOS para la deteccion de productos qmmicos;

la Figura 2 es una seccion transversal de un conjunto microflmdico con un sensor de CMOS embebido dentro de un sustrato;

la Figura 3 ilustra un ejemplo que proporciona una transferencia de datos usando una comunicacion optica

(IR);

la Figura 4 ilustra un ejemplo que proporciona una transferencia de datos usando acoplamiento inductivo local;

la Figura 5 ilustra un ejemplo que proporciona una transferencia de datos usando tecnologfa de RFID; la Figura 6 ilustra un conjunto bidimensional de camaras de fluidos que recubren un conjunto bidimensional de ISFET segun la presente invencion;

la Figura 7 ilustra un conjunto unidimensional de camaras de fluidos que recubren un conjunto unidimensional de ISFET segun la presente invencion.

Descripcion detallada

La Figura 2 muestra un chip sensor semiconductor 13 encapsulado por medio de adhesivo 15 dentro de un entrante de un sustrato 16. Esto deja la superficie sensora del chip coplanaria con la camara 12. Un segundo sustrato 14 esta fijado de forma estanca al sustrato 16 y proporciona canales microflmdicos para el fluido que ha de detectarse.

El fluido puede ser puesto en contacto con la superficie sensora del chip 13 y detectado. Un sensor apropiado integrado en el chip puede detectar propiedades tales como la temperatura, el pH, la qmmica, la conductividad de flujo, etc. Proporcionando una comunicacion inalambrica adecuada y soporte ffsico transductor en el chip de CMOS, puede implementarse un sistema para la transferencia de energfa y datos sin contactos. El chip es asf capaz de transmitir de forma inalambrica una senal a un receptor situado cerca. La senal contiene datos relativos al estado del chip o a una propiedad del fluido a traves del sensor.

Asf, este enfoque proporciona un procedimiento de encapsulamiento e intercomunicacion de un chip sensor con un dispositivo sin ningun hilo de conexion, dejando plana la superficie superior del chip.

Un transductor es un dispositivo para transformar la energfa de una forma a otra. Por ejemplo, un circuito puede recibir energfa incidente irradiada y transformarla en energfa electrica de CC. De tal modo pude transmitirse energfa inalambricamente.

La comunicacion inalambrica se refiere a la comunicacion entre dos o mas dispositivos sin el uso de hilos electricamente conductores, como es tfpico en procedimientos convencionales de comunicaciones. La transmision de una comunicacion inalambrica puede ser proporcionada dando energfa a una senal que emana del transmisor o modulando una senal energizada que pase cerca o a traves del transmisor para crear una nueva senal. La senal contiene datos codificados o no codificados que pueden ser interpretados por un receptor. La comunicacion puede ser bidireccional, en cuyo caso cada dispositivo esta configurado para transmitir y recibir senales (un transceptor). Un primer dispositivo puede producir una rafaga de energfa para solicitar datos (mediante sondeo o “mandando un impulso”) desde un segundo dispositivo, de modo que el segundo dispositivo transmita datos a continuacion.

Puede aplicarse un esquema a un conjunto de laboratorio en chip (LOC) implementando las etapas de diseno siguientes:

• Meter un circuito integrado de CMOS en un entrante de un sustrato (portador), que puede ser una placa de circuito impreso (PCB) de multiples capas, de modo que las superficies superiores del circuito impreso y del sustrato (portador) sean coplanarias (vease la Fig. 2).

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• Apilar un sustrato microflmdico sobre el sustrato portador. Estos pueden ser disenados para que sean de iguales dimensiones (es decir, longitud y anchura), para formar un conjunto de 2 capas (vease la Fig. 2).

• Proporcionar un subsistema de comunicaciones y un transductor en el chip de CMOS para recuperar energfa y datos de una fuente externa, ademas de poder transmitir datos al exterior del chip.

• Proporcionar estructuras adecuadas, por ejemplo antenas o inductores modelados con PCB en el sustrato

(portador) o componentes de montaje en superficie subminiaturizada (chip) (dependiendo de la tecnica

inalambrica elegida) embebidos en el sustrato portador.

• Proporcionar una placa de puesta a tierra en la cara inferior (anverso de la superficie sensora) del circuito

integrado que hace contacto con una placa de puesta a tierra del sustrato con el fin de proporcionar una puesta

a tierra electrica para el circuito integrado. Los contactos pueden estar unidos entre sf mediante epoxido electricamente conductor, que tambien sirve para acoplar mecanicamente el circuito integrado en el sustrato.

Tal dispositivo tiene ventajas de fiabilidad, reduccion de costes y facilidad de ensamblado.

Una disposicion de un sistema sensor inalambrico mitiga el requisito de fijacion de hilos de conexion, proporcionando asf sustanciales beneficios de coste para la fabricacion en serie. Ademas de los ahorros directos relativos al procesamiento de la conexion de hilos, se ahorran etapas adicionales de procesamiento, por ejemplo las etapas de encapsulacion de los hilos de conexion y de nivelacion de superficies. Dado que la encapsulacion en torno a los hilos de conexion es normalmente el primer componente en degradarse cuando se sumerge en un electrolito, la estabilidad y la fiabilidad del chip tambien mejoran. El propio chip semiconductor, que requiere material y procesamiento caros, puede ser mucho menor que antes, ya que no se requiere espacio alguno para la conexion o el encapsulado. El chip puede ser tan pequeno como el sensor y el soporte ffsico de comunicaciones.

Simplificar el flujo del procedimiento mitiga los requisitos de tareas de alineamiento de alta precision, que llevan mucho tiempo. Esto quiere decir que los diversos componentes pueden fabricarse utilizando tecnicas baratas de produccion en serie, por ejemplo moldeo por inyeccion y montaje robotico. El problema del alineamiento de montaje se ve reducido porque los chips sensores pueden ser depositados directamente en las camaras microflmdicas (que son ffsicamente mayores que el propio chip) sin necesidad de alinear los sustratos exactamente. Puede haber muchas camaras formadas en un sustrato, estando ubicados dentro de cada camara uno o mas chips.

Este procedimiento evita que se produzca la formacion de pocillos parasitos dentro de los circuitos integrados encapsulados (mediante procedimientos tradicionales). Esto simplifica el diseno de los canales microflmdicos, ademas de proporcionar un medio de integracion robusta en el sustrato debido a los sustratos inherentemente planarios.

La Figura 1 identifica los siguientes componentes:

1. Sustrato microflmdico

2. Encapsulante

3. Zona de conexion (en el chip)

4. Circuito integrado (es decir, chip)

5. Sustrato de silicio

6. Dielectrico/Pasivacion

7. Pocillo microflmdico parasito

8. Sustrato portador (por ejemplo, PCB)

9. Zona de conexion (en el sustrato portador)

10. Hilo de conexion

11. Canal microflmdico

La Figura 2 identifica los siguientes componentes:

12. Canal microflmdico

13. Circuito integrado (es decir, chip)

14. Sustrato microflmdico

15. Adhesivo/encapsulante

16. Sustrato portador (por ejemplo, PCB)

La Figura 3 identifica los siguientes componentes:

17. Sustrato portador (por ejemplo, PCB)

18. Emisor de luz

32. Detector de luz

33. Reflector (por ejemplo, lamina de metal de interconexion)

34. Sustrato de silicio

35. Recorrido de la luz reflejada

36. Modulador optico

37. Circuito integrado (es decir, chip)

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La Figura 4 identifica los siguientes componentes:

19. Acoplamiento inductivo

20. Inductor en el sustrato portador

21. Inductor en el chip

28. Sustrato portador (por ejemplo, PCB)

29. Sustrato de silicio

30. Pila dielectrica/interconexiones

31. Circuito integrado (es decir, chip)

La Figura 5 identifica los siguientes componentes:

22. Circuito integrado (es decir, chip)

23. Antena en el chip

24. Sustrato de silicio

25. Antena en el sustrato portador

26. Sustrato portador (por ejemplo, PCB)

27. Comunicacion de RF

Las Figuras 3 a 5 ilustran enfoques para lograr la transferencia de energfa y datos (entre el circuito integrado de CMOS y el sustrato), sustituyendo las conexiones ffsicas de hilos con procedimientos inalambricos. Las figuras ilustran: (Figura 3) el uso de un emisor optico desde la cara inferior para alimentar el dispositivo y el uso de tecnicas electro-opticas para modular la senal reflejada; (Figura 4) una transferencia inductiva de energfa/datos entre inductores en el chip y en la PCB; y (Figura 5) el uso de tecnologfa inalambrica de RF.

La transferencia inalambrica de energfa/datos puede lograrse, por ejemplo, usando las tres tecnicas siguientes:

Transmision optoelectronica: La optoelectronica es la aplicacion de dispositivos electronicos que producen, detectan y controlan luz, por ejemplo mediante la absorcion y la modulacion de energfa optica. Embebiendo el circuito integrado en un sustrato que incorpore componentes optoelectronicos adecuados, puede transmitirse energfa al circuito integrado (CI) y recibirse datos de el, con la condicion de que el soporte ffsico apropiado este integrado en el CI. Mas espedficamente, esto requerina integrar una celula solar para recuperar energfa optica, ademas de un emisor o un modulador optico para transmitir los datos del sensor. Un procedimiento para lograr esto es mediante la modulacion de la absorcion optica no selectiva mediante la polarizacion inversa de una union pn (vease la solicitud de patente del Reino Unido 1001696.2). Este esquema aparece ilustrado en la Fig. 3. El sustrato portador (17) aloja un emisor optico (18), un detector optico (32) y un circuito integrado (37). Irradiando un modulador (36) disenado dentro del silicio homogeneo (34), el haz de luz (35) resultante puede ser modulado ajustando la absorcion dentro del modulador. El haz resultante puede ser reflejado a la cara inferior del Ci usando un reflector metalico (33). Este actua, ademas, duplicando el efecto de modulacion (modulando la luz dos veces: el recorrido incidente y el de retorno).

Campo cercano: Las tecnicas de transmision inalambrica de campo cercano funcionan a distancias comparables a algunas veces el diametro del o de los dispositivos, y hasta aproximadamente la cuarta parte de las longitudes de onda usadas. La transferencia de campo cercano suele ser magnetica (inductiva), pero tambien puede ocurrir una transferencia de energfa electrica (capacitiva).

Pueden transmitirse alternativamente de forma inalambrica energfa y datos a traves de un acoplamiento inductivo entre un inductor en el chip y un inductor modelado embebido en el sustrato portador. Esto se ilustra en la Fig. 4. El circuito integrado (31) incorpora el sensor, electronica de interconexion y un inductor integrado (21). Se disena el inductor integrado usando geometnas apropiadas de interconexiones metalicas (30) dentro del chip. Este esta acoplado inductivamente (19) con un inductor secundario (20) embebido en el sustrato portador (28) disenado para maximizar la eficiencia del acoplamiento (por ejemplo, en proximidad estrecha, factores de calidad coincidentes, etc.). Tambien se requiere que el circuito integrado (31) y el sustrato portador (28) incluyan todos los componentes necesarios para facilitar la transferencia inductiva de energfa y de datos a traves de topologfas de circuitos estandar.

Campo lejano: Los procedimientos de campo lejano logran alcances mayores, a menudo alcances de multiples kilometros, siendo la distancia mucho mayor que el diametro del o de los dispositivos. Con la propagacion electromagnetica, las senales pueden ser transmitidas desde multiples circuitos integrados dentro de un solo sustrato portador empleando una transmision de energfa y datos de campo lejano (por ejemplo, la RF tradicional). Dentro de cada circuito integrado (22), se incluye una antena integrada (23) ademas de un circuito transceptor de RF estandar. El sustrato portador (26) incluye una antena embebida (25) que es compartida por todos los CI transmitiendo una onda portadora desde la antena (25) del sustrato, recibiendo esta en las antenas integradas (23) y rectificando la senal de CA para recuperar un suministro de energfa de CC. Los datos vuelven a ser transmitidos desde los chips independientes a la portadora implementando transmisores de RF en el chip. Pueden multiplexarse multiples canales (para multiples chips) usando tecnicas de comunicacion de RF estandar (multiplexado por division de tiempo, division e frecuencia, etc.). El sistema puede usar ya sea un conjunto compartido de antenas para la

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transmision de ene^a y datos, o elementos separados para mejorar la eficiencia de cada tarea (es decir, la transferencia de energfa y datos).

Propagacion a traves del fluido: Se puede transmitir una senal a traves del fluido. Es bien sabido que una solucion acuosa que incluya sal, o cualquier otro electrolito efectivo, actua de medio conductor y, por lo tanto, puede ser usada para enviar informacion por el mismo principio que un hilo. Una implementacion ilustrativa es tener un chip con un electrodo integral (por ejemplo, plata/cloruro de plata u otros medios) que haga contacto con el fluido, permitiendo que la circuitena del chip se interconecte con el potencial del fluido y/o viceversa. Un segundo modulo electronico en comunicacion con el chip tambien tendna un electrodo en contacto con el mismo electrolito. Cualquier tension o cambio de tension producidos por un electrodo en cualquiera de los dos modulos senan conducidos al otro modulo por el fluido, influyendo con ello en el otro electrodo, que es medido en el receptor. De esta manera, los cambios de tension podnan actuar como una senal para que se envfe informacion analogica o digital entre los modulos por medio del potencial del fluido. Una alternativa al contacto directo con los electrodos es acoplar de forma capacitiva el chip al fluido (por ejemplo, si una traza metalica en el chip se separara del contacto directo con el fluido mediante la pasivacion del chip) o por otros medios sin contacto.

Ademas, resulta deseable que el fluido tambien actue como una polarizacion de CC estable (como en el caso de una medicion potenciometrica); entonces, la circuitena, los electrodos y/o las senales pueden ser disenados de modo que solo se ve afectado el potencial del fluido en un intervalo particular de frecuencias que no interfiera con la polarizacion de CC. Generalmente, contar con una impedancia distinta de cero que se acople entre el electrodo y el fluido, o entre el circuito de excitacion y el electrodo, en al menos una banda de frecuencias, es una manera de garantizar que el circuito de excitacion puede influir en el potencial del fluido sin excluir por completo la influencia de otras fuentes. Esto permitina una comunicacion bidireccional, o la multiplexacion de fuentes multiples (por ejemplo, por medio de diferentes intervalos de frecuencias o muchas otras tecnicas conocidas para multiplexar senales de RF). Una implementacion tal sena tener un condensador en serie entre el circuito excitador y el electrodo de referencia para que actue como filtro de paso alto, permitiendo que el potencial de CC sea fijado externamente por un electrodo de referencia o cualquier otro modulo del sistema (que correspondientemente pueda tener un filtro de paso bajo con una impedancia de fuente distinta de cero a algunas frecuencias en su circuito excitador para permitir que el potencial del electrolito sea excitado a una frecuencia relativamente mas alta para la comunicacion de datos). Otra mejora sena que el chip conectara a su electrodo los circuitos tanto de excitacion como receptor mediante impedancias distintas de cero y no infinitas, de modo que sean posibles las funciones tanto de envfo como de recepcion. Pueden usarse memorias tampon triestado para eliminar adicionalmente la influencia del circuito excitador cuando no resulte deseable.

Los dispositivos descritos mas arriba difieren en varios aspectos con respecto a los dispositivos inalambricos de la tecnica anterior:

• Los elementos inalambricos estan todos combinados en un circuito integrado (CI) monofftico, en contraposicion con estar implementados usando uno o mas componentes diferenciados (por ejemplo, una antena, un inductor fuera del chip, etc.).

• El circuito integrado (CI) no contiene ninguna zona de conexion ni conexiones mediante hilo de conexion, mientras que otros dispositivos son inalambricos en un aspecto, pero se valen aun de hilos de conexion en otros aspectos, por ejemplo entre el chip y la encapsulacion para el suministro de energfa o componentes diferenciados fuera del chip.

• El transmisor y el receptor se comunican inalambricamente mientras estan ffsicamente conectados. La distancia entre ellos tambien esta predeterminada y sustancialmente fijada. Normalmente, la razon para usar tecnologfa inalambrica es que el transmisor y el receptor estan ffsicamente separados y ocupan posiciones que cambian o son desconocidas.

En un enfoque, se introduce un fluido en una camara del dispositivo y se lo pone en contacto con la superficie del sensor. El sensor es usado para detectar una propiedad del fluido o monitorizar una reaccion dentro del fluido. Esta propiedad puede ser la temperatura o la concentracion de iones. El sustrato portador puede estar alimentando sistematicamente el dispositivo y/o aguardando a recibir una senal. El chip podna transmitir el valor actual del sensor, posiblemente despues de llevar a cabo el procesamiento de las senales. Alternativamente, el sustrato transmitina energfa en un momento deseado que activana el chip sensor. El chip puede enviar la senal inmediatamente o aguardar a recibir una peticion de la senal. Por ejemplo, puede haber varios sensores monitorizando fluidos separados y el dispositivo podna sondear o mandar un impulso a los sensores individuales en momentos predeterminados.

El transmisor de energfa, el transmisor de senales y el receptor de senales pueden formarse en el mismo sustrato o en sustratos separados. Por ejemplo, los sustratos pueden ser ser conectados como un cartucho en un dispositivo in vitro que tiene circuitena que recibe, analiza y presenta el valor del sensor.

Preferentemente, el chip es monofftico, comprendiendo el o los sensores, el transductor y la circuitena transmisora. Por lo tanto, se proporciona un chip integrado que no tiene ningun hilo entre el chip y un sustrato.

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En un enfoque preferente, hay un chip en contacto ffsico con un sustrato de PCB y en comunicacion inalambrica con el mismo. El chip tiene:

• Una bobina receptora con un condensador de sintoma para adaptar la impedancia de la bobina transmisora y optimizar el factor de calidad.

• Un rectificador asmcrono para rectificar la salida de la bobina receptora para dar una tension estable de salida de CC (1,4 V con una ondulacion de 0,1 V).

• Un circuito de recuperacion del reloj en forma de bucle de sincronizacion de fase (PLL) que comprende un oscilador controlado por tension (VCO), un detector de fase y un filtro de bucle. Esto produce una senal horaria sincronizada con la frecuencia de transmision.

• Un demodulador de BPSK que usa la senal horaria anteriormente mencionada recuperada en el chip y la tension entre los extremos de la bobina receptora para producir la corriente de bits demodulada.

El sustrato de PCB tiene una bobina transmisora excitada con una tension de excitacion de 60 V entre picos en la banda libre de 2,4 GHz. Los datos son codificados en esta tension usando la modulacion por desplazamiento de fase binaria (BPSK), de modo que la amplitud de excitacion y, por ende, la energfa transmitida al chip, sean constantes.

Se transmiten datos desde el chip a la PCB a traves de la bobina “receptora” en el chip hasta la bobina “transmisora” en la PCB (es decir, no hay ninguna bobina separada) . Esto se realiza mediante una modulacion por desplazamiento de carga (LSK) en la que cambia la carga que ve la bobina en el chip. Esto hace que cambie la corriente que oscila en la bobina de la PCB, que puede ser medida y demodulada facilmente.

En una realizacion ejemplar de la invencion, se separan finamente las estructuras microflmdicas sin requerir un alineamiento preciso, incorporando la redundancia en el sistema creando un conjunto de ISFET que es superior en numero que las propias estructuras microflmdicas. Entonces, dentro de una amplia tolerancia en el alineamiento lateral, la redundancia garantiza que, con independencia de lugar en el que se alinee cada estructura microflmdica durante el montaje, al menos un ISFET estara disponible en una ubicacion apropiada para medirlo. Se utilizan los ISFET que se alinean con las estructuras microflmdicas y no se utilizan los que estan enterrados debajo de las paredes.

En una realizacion, ilustrada por la Figura 6a, se fija a un sustrato un conjunto de sensores 42, y se alinea y se sella al primer sustrato un segundo sustrato 40 que comprende un conjunto de camaras microflmdicas 41. Es sellado impide que los fluidos de una camara entre en otra camara. para proporcionar un procedimiento de ensamblaje robusto, hay mas sensores que camaras, estando dispuesto el sensor de modo que la relativa falta de alineamiento de los dos sustratos siga dando como resultado, en el manos parte, una superficie sensora quede expuesta al fluido de cada camara.

Segun puede verse en la Figura 6a, las camaras 41a ilustran el caso en el que las camaras estan bien alineadas con un sensor completo cada una. Sin embargo, los sustratos pueden estar relativamente desalineados en la direccion X y/o en la Y, de modo que cada camara (indicadas por las camaras 41b con trazos discontinuos) este alineada con un sensor diferente, o con porciones de varios sensores.

La cantidad de movimiento permisible en el plano del sustrato dependera en gran medida del numero de sensores en exceso y de la separacion entre sensores. En la Figura 6a, la separacion entre sensores es igual a la anchura de la camara que permita la mayor cantidad de movimiento a la vez que garantice que cada camara este alineada con un sensor entero o con porciones de varios sensores. Esta disposicion es adecuada para los sensores que no requieren que toda la superficie sensora sea expuesta al fluido para hacer una medicion.

Para los sensores que requieren que toda la superficie sensora quede expuesta al fluido, sera deseable disminuir la separacion entre sensores. Segun se ve en la Figura 6b, cada camara se alinea con al menos un sensor entero y, posiblemente, con porciones de sensores adicionales. En esta disposicion, es posible tener una camara alineada con 4 sensores enteros, estando dispuesta la separacion entre sensores de tal modo que la separacion entre sensores mas una anchura de sensor sea inferior o igual a la anchura de la camara.

Es posible que, ademas de la tolerancia de alineamiento, se considerasen las tolerancias de fabricacion de las camaras o los sensores. Por ejemplo, el conjunto de camaras pueden estar separadas entre sf de forma irregular o tener anchuras de camara diferentes. Debena considerarse la combinacion de estas tolerancias cuando se determina el diseno del sensor. En particular, la tolerancia de alineamiento afectara al numero de sensores en exceso necesarios, y la tolerancia de fabricacion afectara a la separacion necesaria entre sensores.

El conjunto puede ser unidimensional (vease la Figura 7) o bidimensional (vease la Figura 6). En la Figura 7, las camaras forman parte de los canales en los que fluye un fluido (segun indican las flechas verticales 53). El flujo de fluido es perpendicular al conjunto de sensores. El movimiento en la direccion Y no tiene ningun efecto en la relacion sensor-camara y el movimiento en la direccion X da como resultado un cambio en la relacion sensor-camara del que da cuenta el exceso de sensores.

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En la realizacion ilustrada en la Figura 7, dos camaras que tienen una anchura (51) de 200um y una separacion (54) de 400um, se cruzan con un conjunto lineal de ISFET de 50um de anchura que tienen una separacion (52) de 150um. Hay 9 sensores, que proporcionan un sobrante de 7 sensores. No es preciso que los canales esten alineados con una precision superior a ±475um con respecto a la lmea central (permitiendo un movimiento lateral total de 950um) para garantizar que un sensor completo quede expuesto a cada camara. Tal tolerancia mejora mucho en el tfpico dispositivo que tiene un unico sensor centrado por camara, en la que la tolerancia sena ±75nm. Sin embargo, ajustando los parametros, podnan alinearse canales aun mas finos con una precision aun menor. La expresion general para las tolerancias esta dada por:

Tol _ Total = (Ns -1) * Ps - Ws - (Nc -1)* Pc + Wc (2)

±Tol = ± Tol _ Total/ 2 (3)

siendo:

Anchura de una camara, Anchura de un sensor Separacion entre camaras, Separacion entre sensores Numero de sensores, Numero de camaras

Movimiento lateral total permisible, tolerancia de alineamiento en cada direccion desde la lmea central

Una ventaja es que este tecnica desacopla las prioridades en liza de densidad elevada de sensores y de simplicidad de montaje, por lo que pueden emplearse sensores y camaras de separacion fina entre ellos y entre ellas para minimizar el coste de los chips sin requerir un montaje y un alineamiento caros de una escala de gran precision.

Ciertas realizaciones pueden incluir una o mas de las propiedades siguientes:

• la distancia de separacion transversal entre las superficies de sensores adyacentes es menor que la anchura de la camara en esa direccion;

hay un numero de sensores mayor que el numero de camaras, preferentemente el 10% mas o 2 mas;

hay un numero de sensores mayor que el numero de camaras, preferentemente el 50% mas o 5 mas;

hay un numero de sensores mayor que el numero de camaras, preferentemente el 100% mas o 10 mas;

hay al menos un sensor al menos parcialmente expuesto a cada camara y al menos un sensor no esta

completamente expuesto a ninguna camara;

la anchura de una camara es mayor o igual la separacion entre sensores; la separacion entre sensores es menor que la separacion entre camaras; la separacion entre camaras es dos veces la separacion entre sensores;

la separacion entre sensores es menor que la separacion entre camaras mas la anchura de los sensores; la anchura total del diseno del sensor es mas ancha que la anchura del diseno de la camara; un sustrato esta alineado con el otro sustrato dentro de una tolerancia predeterminada, dependiendo del numero de sensores en exceso del numero de camaras.

Despues del montaje, inicialmente puede no saberse que sensores estan cubiertos por el segundo sustrato y que sensores estan al descubierto y a que camara. de modo similar, puede ser que inicialmente se desconozca que sensores inalambricos estan pareados con que receptor del sustrato y ubicados dentro de que camara. La disposicion puede hacerse conocida durante una etapa de calibrado con condiciones controladas para ver que mediciones de los sensores son diferentes del resto. Por ejemplo, los sensores de temperatura al descubierto detectaran la temperatura del fluido en las camaras, mientras que los sensores bloqueados detectaran la temperatura del sustrato. Pueden introducirse una temperatura controlada en el sustrato en una o mas camaras para destacar la diferencia en las mediciones de los sensores. Para seleccionar un ISFET activo, se podna cambiar el potencial o la composicion del electrolito de fluido y observar cuales ISFET reaccionan. Se considera que los que no reaccionen mas alla de un umbral predeterminado no estan expuestos al fluido.

En una realizacion, varios sensores inalambricos se comunican con un transceptor de campo lejano en el sustrato y la identidad de cada sensor en cada camara es desconocida. Se altera una propiedad del fluido en cada camara, de modo que los fluidos no tengan todos la misma propiedad en cada camara. Por ejemplo, puede activarse un calentador en cada camara de uno en uno, o puede establecerse un gradiente de temperaturas entre todas las camaras. Alternativamente, un electrodo expuesto al fluido puede proporcionar una tension de referencia que ha de ser detectada. El transceptor de sustrato solicita una senal de un sensor particular. Esto se puede repetir para cada sensor. Las senales de los sensores son comparadas entre sf o con las propiedades del fluido de cada camara para determinar que sensores estan alineados con que camaras.

Algunas disposiciones de sensores no requeriran condiciones controladas. Por ejemplo, algunos sensores produciran senales diferentes dependiendo de si estan expuestos a una camara o al segundo sustrato.

Wc, Ws Pc, Ps Ns, Nc

Tol_Total, ±Tol

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En otra realizacion, la relacion entre sensores y camaras es determinada a partir de las geometnas conocidas del patron del sensor (o el patron del receptor del sustrato) y del patron de la camara. Preferentemente, se observa primero la senal del sensor mas externo del conjunto, moviendose progresivamente hacia el interior para determinar cual es la primera senal expuesta a una camara. Por ejemplo, en la Figura 6a, se determina que el sensor inferior de mas a la izquierda que parece estar activo esta alineado con la camara inferior de mas a la izquierda, haciendose evidentes las restantes relaciones despues de eso. Un sensor que este separado de un sensor activo conocido en una separacion entre camaras tambien es probable que este activo.

En el caso en el que mas de un sensor este alineado con con una camara, varias senales activas de sensores contiguos confirmaran la ubicacion de la camara. Las mediciones de los sensores pueden ser usadas para calcular una media, detectar un sensor defectuoso o proporcionar redundancia de mediciones. Los varios sensores expuestos a una camara tambien pueden proporcionar una formacion de imagenes espacio-temporal.

Las anteriores etapas de calibrado pueden llevarse a cabo usando soporte logico o soporte ffsico. Los resultados del calibrado pueden almacenarse en una tabla de consulta para identificar los sensores activos y su ubicacion para un procesamiento futuro de senales. Las etapas pueden llevarse a cabo como una etapa de ensamblado o durante la operacion inicial del laboratorio en chip.

En las anteriores presentaciones un fluido queda expuesto a los sensores proporcionando una camara para contener el fluido. La persona experta apreciara que otras estructuras microflmdicas tambien pueden proporcionar una forma apropiada para exponer el fluido a los sensores, tal como un canal para dirigir el fluido a traves de los sensores, un pocillo para contener un fluido, o incluso un simple sustrato para recibir una gota contenida por tension superficial. El termino “microflmdico” generalmente as refiere a la manipulacion de fluidos que estan limitados geometricamente a una escala pequena, normalmente submilimetrica.

Debe apreciarse que las caractensticas descritas en la presente memoria e ilustradas en los dibujos adjuntos pueden ser incorporadas solas o en una combinacion apropiada con otras caractensticas. Por ejemplo, pueden combinarse diferentes tecnologfas para aportar energfa y para transmitir senales para crear un sistema inalambrico de deteccion.

Claims (3)

1. REIVINDICACIONES

   1. Un procedimiento de fabricacion de un dispositivo sensor microflmdico que comprende las etapas de:

   proporcionar un primer sustrato (40) que define varias estructuras microflmdicas (41) para recibir un fluido que ha de ser detectado, siendo cada estructura microflmdica una una camara, un pocillo o un canal 5 microflmdicos;

   proporcionar un segundo sustrato que comprende o que tiene unido al mismo una multiplicidad de sensores ISFET (42) de fluido, siendo mayor el numero de sensores (42) que el numero de estructuras microflmdicas (41);

   caracterizado porque los sustratos primero (40) y segundo estan fijados entre sf de forma que al menos 10 uno de los sensores (42) este alineado con cada estructura microflmdica (41) para proporcionar un sensor

   activo para cada estructura, y de modo que uno o mas de los sensores (42) esten alineados con alguna estructura microflmdica (41) o no lo esten y que, por lo tanto, sea o sean redundantes.
2. 2. Un procedimiento segun la reivindicacion 1, en el que la falta de alineamiento del primer sustrato (40) con respecto al segundo sustrato en una cantidad igual a una separacion entre sensores desde una posicion

   15 central de alineamiento sigue dando como resultado que al menos un sensor (42) este alineado dentro de

   cada estructura microflmdica (41).
3. 3. Un procedimiento segun las reivindicaciones 1 o 2 en el que la falta de alineamiento del primer sustrato (40) con respecto al segundo sustrato en una cantidad mayor o igual a una separacion entre canales sigue dando como resultado que al menos un sensor (42) este alineado dentro de cada estructura microflmdica (41).

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