集成生物實(shí)體操作和處理半導(dǎo)體器件的系統(tǒng)及方法
【專利摘要】公開了一種用于操作和處理生物實(shí)體樣本的集成半導(dǎo)體器件。器件包括連接至射流控制電路的微流通道，連接至傳感器控制電路的光電傳感器陣列，與光電傳感器陣列對(duì)準(zhǔn)以在光信號(hào)到達(dá)光電傳感器陣列之前操作光信號(hào)的光學(xué)元件，以及連接至微流通道并通過(guò)電潤(rùn)濕提供生物實(shí)體樣本液滴的傳輸?shù)奈⒘鳀鸥?。器件進(jìn)一步包括連接至射流控制電路和傳感器控制電路的邏輯電路，其中，在第一襯底上形成射流控制電路、傳感器控制電路和邏輯電路。本發(fā)明還提供了集成生物實(shí)體操作和處理半導(dǎo)體器件的系統(tǒng)及方法。
【專利說(shuō)明】集成生物實(shí)體操作和處理半導(dǎo)體器件的系統(tǒng)及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明一般地涉及半導(dǎo)體【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地來(lái)說(shuō)，涉及半導(dǎo)體器件及其使用方法。
【背景技術(shù)】
[0002]包括設(shè)備制造以及制藥和生物制劑制造的醫(yī)療技術(shù)行業(yè)在過(guò)去的幾十年里經(jīng)歷了顯著的商業(yè)和技術(shù)增長(zhǎng)。自從發(fā)現(xiàn)DNA，由于多年來(lái)DNA測(cè)序技術(shù)的發(fā)展，我們對(duì)其在病原體與所有生物的發(fā)展、操作以及相互作用中的生物信息作用的理解顯著增加。憑借DNA測(cè)序檢測(cè)技術(shù)的進(jìn)步，科學(xué)家和醫(yī)生基于病人的遺傳傾向，對(duì)他們的疾病有了更深的了解以及更有效的治療。因此，DNA測(cè)序結(jié)果在醫(yī)療保健中的使用和作用顯著增加。
[0003]DNA序列是腺嘌呤、鳥嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶的一系列堿基核苷酸，其決定了生物系統(tǒng)中蛋白質(zhì)的形成。通過(guò)分析DNA序列，可以收集用于診斷和治療目的重要信息。此外，對(duì)諸如蛋白質(zhì)、小分子以及病原體的其他生物的實(shí)體(bio-entities,生物實(shí)體)的識(shí)別和量化已經(jīng)推動(dòng)了造福人類的潛在的醫(yī)學(xué)知識(shí)。
[0004]目前，存在現(xiàn)今使用的各種各樣的生物實(shí)體操作和處理技術(shù)，包括在可允許光學(xué)檢測(cè)的各種方法中的放大和標(biāo)記技術(shù)的使用。該技術(shù)可通過(guò)使用熒光染料和具有模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的外部光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，以允許處理所產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)所需要的密集型計(jì)算機(jī)處理。然而，仍然存在許多技術(shù)障礙，例如控制包含要被觀測(cè)的生物實(shí)體的流體樣本。此外，雖然由于完成了人類基因組計(jì)劃，所以DNA測(cè)序的價(jià)格已大幅下降，但對(duì)DNA測(cè)序的所有能量產(chǎn)生影響之前，需要進(jìn)一步節(jié)省成本。因此，當(dāng)前的生物實(shí)體操作和處理技術(shù)不能令人完全滿意。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中所存在的缺陷，根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種用于操作和處理生物實(shí)體樣本的集成半導(dǎo)體器件，所述器件包括:微流通道，所述微流通道與射流控制電路連接；光電傳感器陣列，與傳感器控制電路連接；以及邏輯電路，與所述射流控制電路和所述傳感器控制電路連接，并且所述射流控制電路、所述傳感器控制電路以及所述邏輯電路形成在第一襯底的正面上。
[0006]在該集成半導(dǎo)體器件中，所述微流通道的第一面形成在所述第一襯底上并且所述微流通道的第二面形成在第二襯底上，所述第二襯底連接至所述第一襯底，以提供用于包含生物實(shí)體樣本的液滴的所述微流通道。
[0007]在該集成半導(dǎo)體器件中，所述射流控制電路、所述傳感器控制電路以及所述邏輯電路被內(nèi)嵌在金屬間介電(MD)層中，并且所述集成半導(dǎo)體器件進(jìn)一步包括位于所述MD層上方的多個(gè)電極，所述多個(gè)電極連接至所述射流控制電路。
[0008]在該集成半導(dǎo)體器件中，所述微流通道的所述第一面包括:高k介電層；以及疏水涂層，覆蓋所述高k介電層。[0009]該集成半導(dǎo)體器件進(jìn)一步包括:抗反射涂層，所述抗反射涂層形成在所述第一襯底的背面上，所述第一襯底被減薄并接合至載具晶圓；以及多個(gè)電極，與所述射流控制電路連接，所述多個(gè)電極形成在所述抗反射涂層的上方。
[0010]在該集成半導(dǎo)體器件中，與所述射流控制電路連接的所述多個(gè)電極中的一些是透明電極。
[0011 ] 在該集成半導(dǎo)體器件中，所述疏水涂層是自組裝單層或聚四氟乙烯層。
[0012]該集成半導(dǎo)體器件進(jìn)一步包括位于所述光電傳感器陣列之上的彩色濾波器陣列。
[0013]在該集成半導(dǎo)體器件中，所述第二襯底包括:透明襯底；透明電極層，沉積在所述襯底上方；高k介電層，位于所述透明電極層上方；以及疏水涂層，位于所述高k介電層上方。
[0014]該集成半導(dǎo)體器件進(jìn)一步包括表面經(jīng)過(guò)處理的區(qū)域，所述表面經(jīng)過(guò)處理的區(qū)域是所述疏水涂層接受了可檢測(cè)地改變接觸的生物實(shí)體樣本的表面處理的部分。
[0015]在該集成半導(dǎo)體器件中，所述微流通道與微流柵格連接，所述微流柵格與多個(gè)容器連接并被配置為允許傳輸和混合包含在所述多個(gè)容器中的液體，所述液體包括生物實(shí)體樣本和試劑。
[0016]在該集成半導(dǎo)體器件中，所述疏水涂層包括表面經(jīng)過(guò)處理的區(qū)域，所述表面經(jīng)過(guò)處理的區(qū)域是所述疏水涂層接受了可檢測(cè)地改變接觸的生物實(shí)體樣本的表面處理的部分。
[0017]根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種用于操作和處理生物實(shí)體樣本的集成半導(dǎo)體器件，所述器件包括:微流通道，所述微流通道與射流控制電路連接；光電傳感器陣列，與傳感器控制電路連接；光學(xué)元件，與所述光電傳感器陣列對(duì)準(zhǔn)以在光信號(hào)到達(dá)所述光電傳感器陣列之前操作所述光信號(hào)；微流柵格，與所述微流通道連接并通過(guò)電潤(rùn)濕提供用于生物實(shí)體樣本液滴的傳輸；以及邏輯電路，與所述射流控制電路和所述傳感器控制電路連接，其中所述射流控制電路、所述傳感器控制電路以及所述邏輯電路形成在第一襯底上。
[0018]在該集成半導(dǎo)體器件中，所述光學(xué)元件包括以下元件之一:多個(gè)不透明的同心環(huán)，相鄰的同心環(huán)之間具有間隔；矩形光柵；以及直通結(jié)構(gòu)。
[0019]在該集成半導(dǎo)體器件中，所述微流通道的底面形成在所述第一襯底上而所述微流通道的頂面形成在第二襯底上，所述第二襯底連接至所述第一襯底以提供所述微流通道，并且所述微流通道的所述底面和所述頂面具有疏水涂層。
[0020]在該集成半導(dǎo)體器件中，所述邏輯電路被配置為提供模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換。
[0021]根據(jù)本發(fā)明的又一方面，提供了一種用于通過(guò)集成半導(dǎo)體器件操作和處理生物實(shí)體樣本的方法，所述方法包括:通過(guò)第一容器提供生物實(shí)體樣本液滴，所述第一容器連接至微流柵格；使用電潤(rùn)濕效應(yīng)，將所述生物實(shí)體樣本液滴從所述微流柵格傳輸?shù)轿⒘魍ǖ乐?，所述生物?shí)體樣本液滴與所述微流通道中的表面處理部接觸，其中，所述微流通道的一個(gè)面設(shè)置在第一襯底上；以及用光電傳感器陣列檢測(cè)光子信號(hào)，通過(guò)所述生物實(shí)體樣本液滴和所述表面處理部的相互作用來(lái)增強(qiáng)所述光子信號(hào)，在所述第一襯底上形成所述光電傳感器陣列。
[0022]該方法進(jìn)一步包括:通過(guò)連接至所述微流柵格的第二容器提供試劑液滴；以及在所述微流柵格中混合所述生物實(shí)體樣本液滴和所述試劑液滴以形成制備的樣本液滴。
[0023]在該方法中，將所述生物實(shí)體樣本液滴從所述微流柵格傳輸?shù)轿⒘魍ǖ腊▽⑺鲋苽涞臉颖疽旱蝹鬏數(shù)剿鑫⒘魍ǖ馈?br> [0024]在該方法中，在所述光電傳感器陣列處檢測(cè)所述光子信號(hào)進(jìn)一步包括將光學(xué)元件設(shè)置在所述生物實(shí)體樣本液滴和所述光電傳感器陣列之間。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0025]當(dāng)結(jié)合附圖進(jìn)行閱讀時(shí)，根據(jù)下面詳細(xì)的描述可以更好地理解本發(fā)明的各個(gè)方面。應(yīng)該強(qiáng)調(diào)的是，根據(jù)工業(yè)中的標(biāo)準(zhǔn)實(shí)踐，附圖中的各種部件沒有按比例繪制。實(shí)際上，為了清楚的討論，各種部件的尺寸可以被任意增加或減少。[0026]圖1是電介質(zhì)上電潤(rùn)濕裝置的截面圖。
[0027]圖2是使用電潤(rùn)濕傳輸和操作生物實(shí)體樣本液滴的射流控制系統(tǒng)的截面圖。
[0028]圖3是說(shuō)明使用電潤(rùn)濕射流控制系統(tǒng)怎樣可以獲得某些動(dòng)作(action)的示圖。
[0029]圖4是用于傳輸和混合目標(biāo)生物實(shí)體樣本和生物試劑的微流柵格的示圖。
[0030]圖5是根據(jù)實(shí)施例的生物實(shí)體操作和處理系統(tǒng)所使用的襯底的截面圖。
[0031]圖6提供了根據(jù)實(shí)施例的可以用于生物實(shí)體操作和處理系統(tǒng)的三種光學(xué)元件的俯視圖。
[0032]圖7是根據(jù)實(shí)施例的可以用于生物實(shí)體操作和處理系統(tǒng)的上襯底的截面圖。
[0033]圖8是根據(jù)實(shí)施例的微流生物實(shí)體操作和處理系統(tǒng)的截面圖。
[0034]圖9是根據(jù)附加實(shí)施例包括彩色濾波器陣列的微流生物實(shí)體操作和處理系統(tǒng)的截面圖。
[0035]圖10是根據(jù)利用背面曝光的實(shí)施例的微流生物實(shí)體操作和處理系統(tǒng)的下部襯底的截面圖。
[0036]圖11是用集成半導(dǎo)體器件操作和處理生物實(shí)體樣本的方法的流程圖。
[0037]本領(lǐng)域技術(shù)人員在閱讀下面詳細(xì)描述時(shí)，更容易理解上面簡(jiǎn)要描述的附圖中所公開的各種部件。
【具體實(shí)施方式】
[0038]據(jù)了解為了實(shí)施本發(fā)明的不同部件，以下公開內(nèi)容提供了許多不同的實(shí)施例和示例。以下描述元件和布置的特定示例以簡(jiǎn)化本公開。當(dāng)然這些僅僅是示例并不打算限定。再者，以下描述中第一部件形成在第二部件上方或上可以包括其中以直接接觸的方式形成第一部件和第二部件的實(shí)施例，并且也可也包括其中以介于第一部件和第二部件之間的方式形成額外的部件，使得第一部件和第二部件不直接接觸的實(shí)施例。為了簡(jiǎn)明和清楚，可以任意地以不同比例繪制附圖中的各種部件。在兩幅或更多幅附圖中具有相同的附圖中的部件情況下，為了描述清楚，使用相同的參考標(biāo)號(hào)。然而，這不應(yīng)該被理解為限制這些部件。
[0039]圖1是電介質(zhì)上電潤(rùn)濕(EWOD)裝置100的截面圖。裝置100包括在其上具有三種材料層的襯底102。這些材料層包括電極層104、介電層106以及疏水涂層108。電極層104通過(guò)開關(guān)112連接至可變電壓源110。探針114附接至電壓源110的相對(duì)端子。如圖1所示，裝置100將探針114設(shè)置為插入以兩種不同狀態(tài)示出的液滴中。液滴116A示出了在沒有通過(guò)探針114施加電壓的狀態(tài)下的液滴。因?yàn)槭杷繉?08，液滴116A具有如圖所示的接觸角Gcitl通過(guò)從電壓源110通過(guò)探針114施加電壓，接觸角可以減小而接觸面積增大。因此，液滴116B是施加電壓時(shí)的液滴。然后，接觸角減少至θν，大部分液滴116B更加接近下面的電極層104。根據(jù)下面的公式(I)，施加的電壓所導(dǎo)致的接觸角的改變與施加的電壓有關(guān)。
【權(quán)利要求】
1.一種用于操作和處理生物實(shí)體樣本的集成半導(dǎo)體器件，所述器件包括: 微流通道，所述微流通道與射流控制電路連接； 光電傳感器陣列，與傳感器控制電路連接；以及 邏輯電路，與所述射流控制電路和所述傳感器控制電路連接，并且所述射流控制電路、所述傳感器控制電路以及所述邏輯電路形成在第一襯底的正面上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成半導(dǎo)體器件，其中，所述微流通道的第一面形成在所述第一襯底上并且所述微流通道的第二面形成在第二襯底上，所述第二襯底連接至所述第一襯底，以提供用于包含生物實(shí)體樣本的液滴的所述微流通道。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成半導(dǎo)體器件，其中，所述射流控制電路、所述傳感器控制電路以及所述邏輯電路被內(nèi)嵌在金屬間介電(MD)層中，并且所述集成半導(dǎo)體器件進(jìn)一步包括位于所述MD層上方的多個(gè)電極，所述多個(gè)電極連接至所述射流控制電路。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的集成半導(dǎo)體器件，其中，所述微流通道的所述第一面包括: 高k介電層；以及 疏水涂層，覆蓋所述高k介電層。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的集成半導(dǎo)體器件，進(jìn)一步包括: 抗反射涂層，所述抗反射涂層形成在所述第一襯底的背面上，所述第一襯底被減薄并接合至載具晶圓；以及 多個(gè)電極，與所述射流控制電路連接，所述多個(gè)電極形成在所述抗反射涂層的上方。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的集成半導(dǎo)體器件，其中，與所述射流控制電路連接的所述多個(gè)電極中的一些是透明電極。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的集成半導(dǎo)體器件，其中，所述疏水涂層是自組裝單層或聚四氟乙烯層。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的集成半導(dǎo)體器件，進(jìn)一步包括位于所述光電傳感器陣列之上的彩色濾波器陣列。
9.一種用于操作和處理生物實(shí)體樣本的集成半導(dǎo)體器件，所述器件包括: 微流通道，所述微流通道與射流控制電路連接； 光電傳感器陣列，與傳感器控制電路連接； 光學(xué)元件，與所述光電傳感器陣列對(duì)準(zhǔn)以在光信號(hào)到達(dá)所述光電傳感器陣列之前操作所述光信號(hào)； 微流柵格，與所述微流通道連接并通過(guò)電潤(rùn)濕提供用于生物實(shí)體樣本液滴的傳輸；以及 邏輯電路，與所述射流控制電路和所述傳感器控制電路連接，其中所述射流控制電路、所述傳感器控制電路以及所述邏輯電路形成在第一襯底上。
10.一種用于通過(guò)集成半導(dǎo)體器件操作和處理生物實(shí)體樣本的方法，所述方法包括: 通過(guò)第一容器提供生物實(shí)體樣本液滴，所述第一容器連接至微流柵格； 使用電潤(rùn)濕效應(yīng)，將所述生物實(shí)體樣本液滴從所述微流柵格傳輸?shù)轿⒘魍ǖ乐?，所述生物?shí)體樣本液滴與所述微流通道中的表面處理部接觸，其中，所述微流通道的一個(gè)面設(shè)置在第一襯底上；以及 用光電傳感器陣列檢測(cè)光子信號(hào)，通過(guò)所述生物實(shí)體樣本液滴和所述表面處理部的相互作用來(lái)增強(qiáng)所述光子信號(hào)，在所述第一襯底上`形成所述光電傳感器陣列。
【文檔編號(hào)】C12M1/36GK103865789SQ201310060247
【公開日】2014年6月18日 申請(qǐng)日期:2013年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2012年12月17日
【發(fā)明者】張儀賢, 鄭創(chuàng)仁 申請(qǐng)人:臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司