專利名稱：具有電源線和信號線的微電子器件的制作方法
具有電源線和信號線的微電子器件
本發(fā)明涉及一種用于操縱樣品的微電子器件，包括致動器單元的陣列 以及分別連接到電源線和信號線的敏感單元。此外，本發(fā)明涉及這種微電 子器件的使用及其制造方法。
從W0 00/69565 Al獲知一種微電子器件，其包括可以選擇性尋址的電 極陣列，用于通過介電電泳力操縱顆粒。該器件還可以包括用于控制所述 顆粒的位移的傳感器單元的陣列。
在前述種類的微電子器件中，需要一組線路將陣列的單元連接到外部， 其中這些線路之間的寄生(電容和/或電感)串擾幾乎是不可避免的。然而， 如果一些線路承載敏感信號，例如微弱的測量信號，而其他線路承載較強 的功率信號，這種串擾就會帶來嚴重的問題。
基于這種情況，本發(fā)明的目的是提供一種在微電子器件中改善對陣列 單元的訪問的裝置。具體而言，旨在減小接觸所述單元的線路之間的串擾 的負面影響。
該目的是通過根據權利要求1所述的微電子器件、根據權利要求10所 述的方法和根據權利要求12所述的使用實現(xiàn)的。在從屬權利要求中公開了 優(yōu)選實施例。
根據本發(fā)明的微電子器件旨在操縱樣品，尤其是像可能包含顆粒的生 物體液那樣的液態(tài)或氣態(tài)化學物質。"操縱" 一詞將表示與所述樣品的任何 交互，例如測量樣品的特征量、研究其屬性、以機械或化學方式處理樣品 等。通常將樣品提供在樣品室中，例如空腔或填充有像凝膠那樣的可以吸 收樣品物質的某種物質的腔，其中該腔可以是開放的、閉合的、或通過流 體連接通路連接到其他腔。該微電子器件包括如下部件
a)致動器單元的陣列，其中"致動器單元" 一詞在最為一般的意義上 表示能夠可控地產生特定效應(例如在樣品上施加力或感測樣品屬性)的部件。盡管在原理上陣列中的每個致動器單元可以與其他致動器單元不同， 但優(yōu)選陣列的所有致動器單元(基本)都具有相同的設計。此外，"陣列" 一詞在本申請的上下文中應表示多個單元的任意的三維設置。典型地，這 種陣列將是二維的且優(yōu)選為平面的，并且任選地將把其單元設置成規(guī)則的 圖案，例如網格或矩陣圖案。
b) —組電源線，其中每個致動器單元都耦合到至少一條所述電源線。 "電源線" 一詞應表示由這些線承載的電信號將通常具有較大的功率，例
如，用于向致動器單元傳輸能量；然而該詞不應以任何方式限制這些線的 設計或使用。通常，位于致動器單元陣列的外部的部件(例如驅動器)經 電源線訪問致動器單元。
c) 敏感單元的陣列，其中"敏感單元" 一詞將再次在最一般意義上表 示提供某些專用功能(例如產生表示相鄰樣品的一些屬性的測量信號)的 部件。不失一般性地，形容詞"敏感"旨在表示在大多數情況下提供至這 些敏感單元或來自這些敏感單元的電信號特別易于被寄生效應劣化。
d) —組信號線，其中每個敏感單元耦合到至少一條信號線。同樣，信 號線的一般目的是為外部部件(例如用于讀出和處理測量信號的信號處理 電路)提供對敏感單元的訪問。此外，信號線和電源線的布設應當使得 對于所述電源線上的給定的一組交流電功率信號而言，所述電源線和所述 信號線之間的寄生耦合效應得到最小化。在這個意義上布設一詞表示信號 線和電源線沿它們所在的襯底所采取的路徑或路線。寄生耦合尤其可能是 不希望出現(xiàn)的電容和/或電感耦合，但也是將信號線和電源線一起置于同一 器件中不可避免的副作用。盡管通常不能避免寄生耦合，但可以通過適當 布設信號線和電源線來減小(以及理想情況下消除)它們的負面影響。由 于寄生耦合效應一般取決于所施加的電信號，因此具體而言在應用微電子 器件期間對施加到電源線的一組交流功率信號進行最小化。
所述微電子器件具有如下優(yōu)點經由信號線提供的與敏感單元之間的 通信受到來自電源線的干擾的劣化程度最小(反之亦然)。在包括用于操縱 樣品的致動器單元和用于測量樣品的一些屬性的敏感傳感器單元的傳感器 器件中這一點尤其有利，其中，到達致動器單元的較強電源信號通常會嚴 重劣化微弱的傳感器信號。
6根據微電子器件的優(yōu)選實施例，至少一條其電源線與至少一條信號線 具有至少一個交點。線路間的交點是具有單個單元的陣列的微電子器件的 一般特征，而不幸地是它們也是所述線路之間的寄生耦合的主要來源。不 過，在本發(fā)明的上下文中，可以專門設計這種交點以實現(xiàn)耦合效應的最小 化。
具休而言，可以將電源線和信號線設置為彼此垂直。于是可以實現(xiàn)一 種矩陣設置，其中，分別連接到電源線和信號線的外部電路可以設置在微 片的不同邊界處。由于在這種情況下每條電源線都與每條信號線交叉，反 之亦然，導致相應的高度串擾，因此所提出的寄生耦合效應的最小化對于 這種矩陣設計尤其有利。
在前述實施例的進一步發(fā)展中，設計所述交點，從而實現(xiàn)電源線和信 號線之間的特定寄生耦合強度。例如，可以在尤其會影響線間電容耦合的 交點處使電源線和/或信號線變粗或變細。專門設計寄生耦合強度(其還可 以包括表面上矛盾的寄生耦合強度的人為增加)可以有助于從不同的電源 線到信號線的干擾相互補償。
在本發(fā)明的進一步發(fā)展中，該微電子器件包括至少一條微調
(trimming)線，其(i)與至少一條信號線交叉，(ii)不連接到致動器 單元(因此與電源線不同)，且(iii)可以提供有交流電微調信號。該微 調信號尤其可以是來自用于電源線的給定的一組交流電功率信號的一個信 號。例如，如果微調線是與電源線之一并聯(lián)連接的，就是這種情況。此外， 微調線優(yōu)選與所有信號線交叉至少一次，且其最好位于致動器/敏感單元陣 列的邊界上。微調線(通常唯一)的目的是故意地引入"人為"寄生耦合， 其有助于補償源于通常電源線的"普通"寄生耦合的效應。
在前述實施例的進一步發(fā)展中，該微調線包括開關或熔斷部分，其提 供在需要時選擇性中斷微調線的裝置。該熔斷部分可以簡單地是可以從外 部破壞(例如通過激光切割)的微調線的區(qū)域。中斷微調線將停止其與相 關信號線的寄生耦合，因此為寄生耦合效應的最小化提供了控制變量。
通常，除了是交變(即AC)的之外，可以作為用于電源線上的信號的 電功率信號不受任何約束。然而優(yōu)選地，給定的一組交流電功率信號包括 僅在相移和/或縮放因子方面彼此不同的一子組功率信號。對于這種信號而
7言，常?？梢?可能是在縮放之后)疊加它們，使得它們至少大致互相補 償。優(yōu)選地，整個給定的一組交流電功率信號由一個或多個所述子組構成。
致動器單元可以包括用于產生電場的電極，該電場例如對鄰近樣品具 有一些期望的效應。例如，該電場可以是交變場，其適于在致動器單元附 近的對象上產生介電電泳力。
至少一個敏感單元可以任選地包括傳感器元件，其優(yōu)選為用于感測相 鄰樣品的屬性并在相關聯(lián)的信號線上產生傳感器信號的光學傳感器、磁傳
感器或電氣傳感器元件。例如，在W0 2005/010543 Al和W0 2005/010542 A2 中描述了具有磁性傳感器元件的微電子器件。所述器件被用作檢測以磁珠 標記的生物分子的微流體生物傳感器。其設有傳感器單元的陣列和巨磁電 阻器件(GMR)，其中傳感器單元包括用于產生磁場的線路，巨磁電阻器件 用于檢測磁化珠產生的雜散場。
本發(fā)明還涉及一種用于制造微電子器件，尤其是上述種類微電子器件 的方法，其中所述器件包括以下部件
a) 致動器單元的陣列；
b) —組電源線，其中每個致動器單元都耦合到至少一條電源線；
c) 敏感單元的陣列；
d) —組信號線，其中每個敏感單元都耦合到至少一條信號線。 該方法還包括布設信號線和電源線的步驟，使得對于所述電源線上給
定的一組交流電功率信號而言，所述電源線和所述信號線之間的寄生耦合 效應得到最小化。
該方法在一般形式下包括可以利用上述種類的微電子器件執(zhí)行的步 驟。因此，請參考前面的說明了解該方法的細節(jié)、優(yōu)點和改進方面的更多 信息。
根據該方法的一個優(yōu)選實施例，提供至少一條微調線，其(i)與至少 一條信號線交叉，(ii)不連接到致動器單元，(iii)可以提供有交流電功 率信號，且(iv)包括用于將其選擇性地中斷的開關或熔斷部分，其中， 如果能夠減小所制造的微電子器件與目標特征的偏差，則選擇性地中斷所 述微調線。因此，可以利用所述線路的選擇性中斷來補償源于制造過程的 器件間的差異。本發(fā)明還涉及上述微電子器件在分子診斷、生物樣品分析、化學樣品 分析、食品分析和/或法醫(yī)分析中的使用。例如，可以在直接或間接地附著 到目標分子的磁珠或熒光顆粒的幫助下完成分子診斷。
參考下文所述的實施例，本發(fā)明的這些和其他方面將變得明了并得到 闡述。將在附圖的輔助下以舉例的方式描述這些實施例，附圖中


圖1示出了根據本發(fā)明的微電子器件的一個單元的示意性俯視圖，該 微電子器件包括一個敏感單元和一個致動器單元；
圖2示出了一組電源線和一條信號線之間的寄生電容耦合的等效電路；
圖3示出了兩組電源線與一條信號線的交叉；
圖4示出了類似于圖3的情形，不過其中一些電源線在交點處被加粗； 圖5示出了與信號線交叉的微調線，其具有另外兩條可以被選擇性地 中斷的微調線。
圖中類似參考標記表示相同或類似的部件。
用于(生物)化學分析(例如分子診斷)的生物芯片將成為各種醫(yī)學、 法醫(yī)和食品應用的重要工具。通常，生物芯片包括生物傳感器，在大多數
生物傳感器中，將目標分子(例如蛋白質、DNA)固定于帶有俘獲分子的生
化表面上并接下來利用例如光學、磁性或電氣檢測方案來檢測目標分子。
在W0 2003/054566、 WO 2003/054523、 W0 2005/010542 A2、 W0 2005/010543 Al和W0 2005/038911 Al中描述了磁性生物芯片的范例，在此通過引用將 這些文獻并入本申請中。
圖1在這方面示意性示出了根據本發(fā)明的微電子傳感器器件的一個單 元100，其中所述單元屬于具有大量這種單元的陣列。單元ioo包括用于操 縱陣列上方的樣品室中的流體中諸如細胞和分子的生物顆粒1的裝置，其 中，所述操縱尤其可以包括利用介電電泳(DEP)效應(參見H. Morgan, N. Green: "AC Electrokinetics: Colloids and Nanoparticles"， Research Studies Press, 2003)。為了提供功能完備的系統(tǒng)，將需要玻璃襯底(例 如低溫多晶硅LTPS)上的諸如晶體管(硅襯底)或薄膜晶體管(TFT)的有 源部件來激活期望位置的AC場。為了實現(xiàn)將生物顆粒1移動到特定位置， 還將需要感測，例如，利用諸如光電晶體管或光電二極管的傳感器進行感測。然后可以從傳感器向控制著施加到生物顆粒所懸浮的流體的AC場的致 動器反饋當前的位置信息，從而改變生物顆粒的位置(參見N. Manaresi， A. Romani， G. Medoro， L. Alyomare， A. Leonardi ， M. Tartagni ， R. Guerrieri : "A CMOS chip for individual cell manipulation and detection", IEEE Journal of Solid State Circuits, p.2297 (2003))。 盡管有若干致動器電極控制著顆粒位置，仍可以感測到光(例如來自外部 源)，在生物顆粒在傳感器單元上移動時，這會發(fā)生變化。
為了實現(xiàn)前述功能，單元100包括耦合到信號線SL的敏感單元，在下 文中稱為傳感器單元SU，其中信號線在跨過陣列豎直延伸并連接到位于陣 列下邊界的信號處理電路SP。此外，同一豎直列的其他傳感器單元通常連 接到同一信號線SL，其中，可以通過適當的矩陣尋址電路(未示出)選擇 性地對它們尋址。
此外，具有致動器位點21的致動器單元AU與傳感器單元SU相鄰，所 述致動器單元包括經由通孔22連接到跨陣列水平延伸的AC電源線PL的驅 動電極23。在陣列的邊界處，電源線PL連接到外部控制單元CU。同樣， 位于同一行的所有其他致動器單元通常連接到同一電源線PL。
所述的傳感器單元SU和致動器單元AU的陣列例如可以具有硅集成電 路(IC)或基于TFT的玻璃技術例如LTPS上的金屬線布局。驅動電極23 將處于疊置體的最高金屬層中，而信號線SL和電源線PL的金屬層將作為 較低的金屬層。
在如圖1所示的微電子器件中，包括傳感器單元SU和致動器單元AU 的線性陣列或矩陣陣列，來自傳感器單元的信號將必需跨越為致動器單元 供電的電源線，電源線將會以高頻承載AC場。電源線PL和傳感器線SL之 間的電容耦合將會出現(xiàn)在其交點IN處，這將會使傳感器信號劣化到變?yōu)闊o 用的程度。在圖1中用電源線PL和信號線SL之間的電容器C表示所述寄 生電容耦合。在下文中，將會根據DEP系統(tǒng)的范例開發(fā)對前述問題的解決 方案，盡管決不局限于這一特定應用。
DEP系統(tǒng)通常使用若干幅值恒定、具有特定相位(例如0。 、 90° 、 180 ° 、 270° )的AC場。因此，所提出的克服電容耦合問題的方法使用一般 的布局原理，即，任一傳感器線或任一信號承載線必需要和承載AC相位信
10號的若干電源線交叉，使得與該線路交叉的所有的AC信號之和為零。
在圖2中示出了寄生電容耦合的一般等效電路，其中任意數量N的具
有AC相位cpi的電源線PL耦合到一條信號線SL。如果信號線SL是高阻抗(例
如，如果是測量光電流)，那么AC相位將會調制信號線SL并劣化其上的任
何信號。如果信號線中產生的AC信號是以下形式-& =乙exp(/W + —)
其中^為幅值，"為角頻率，^為相移，那么來自AC相位的所有的 信號耦合(假設每條交流電源線與信號線SL之間的電容是相同的)為
^ = : L exp(/紐)X！(卬乂 )
求和項必須為零，以補償與信號線的耦合。因此，必須要設置布局，
使得與信號線SL交叉的AC信號的相位使以上求和為零。
稍微不具一般性的方案示出了將很可能在DEP系統(tǒng)中看到的情形。如
果兩個相繼相位之間的位相差P恒定，即可以將所有相位表示為A"'^， 那么求和變?yōu)閹缀魏颓铱梢詫憺?br> 扛 1-exp(z
因此A^-2n;r，其中"為整數。例如，如果"=1，則相位差變?yōu)?^2;r/iV。這種情況的范例是相位為0和兀(即伊="且7V-2，假設iV^2;r) 的AC電源線，且信號線SL必需要與兩條電源線都交叉以補償耦合。另一 范例為相位為0， Jt/2, :i和3:n/2 (即伊="/2且^ = 4，假設A^〈;r)的 AC電源線，同樣，信號線SL必需要與所有四條電源線都交叉以補償耦合。 如果信號線SL多次與AC電源線交叉，那么必需要保證關系= 2n;r仍成立， 其中w為整數。因此必需要與該組相位交叉整數次數。針對"=2的情形在圖 3中示出了這種情況，即，承載所有相位的兩組電源線PLG1、 G2都與信號 線SL交叉。
到此為止都假設從每個AC相位到信號線SL的電容是相同的。實際情 況可能不會總是這樣，因此每個AC相位的電容耦合可能不同。那么，耦合 公式將變?yōu)?br> iiAM
Ks = exp(/紐)J]尺乂 exp(z'&)
其中^為電容耦合項。同樣該求和必須為零，以防止耦合。 將不同耦合項考慮進來的簡單布局方法是在需要使電容值再次相等的 地方(至少在它們的交點處)使線路變粗或變細。圖4示出了其中在需要 時在與信號線SL的交點處加粗第二組G2的電源線的范例，使得在與信號 線交叉時它們都具有相同寬度。
圖5給出了微電子器件的進一步發(fā)展，其包括用于使信號線與交流電 源線解耦的特定微調線。在這種情況下，首先以最適合其主要功能的方式 設計和布置具有其信號線和電源線的微電子器件，BP，在此階段不關心AC 耦合問題。
在完成所述布局之后，計算與每條傳感器線SL交叉的AC信號的加權 和。然后在器件上提供一組"AC微調線"TL。在圖3和4的情形中，例如 存在四條這樣的具有不同相位0° 、 90° 、 180°和270°的微調線。所有 微調線都與所有信號線交叉，優(yōu)選在器件邊緣處交叉(例如，如果使用外 部測量器件，則在器件和感測測量點或探針點之間)。選擇信號線SL與每 條微調線的交叉電容的大小，確保與信號線交叉的AC信號的加權和為零。 可以通過局部改變微調線或信號線或兩者的寬度來改變所述大小。在所有 情況下，對線進行任何加粗所需的額外面積不限制器件的功能，因為這是 在陣列的邊界處進行的。
盡管考慮了單組微調線的以上情形，但顯然還可以考慮使用超過一組
微調線，或者優(yōu)選考慮與每條微調線的多個交叉。圖5包括后一種情況的 優(yōu)選實施方式，其中從主微調線TL分支出平行的側臂TL1、 TL2，所述側臂 TL1、 TL2分別包括薄膜晶體管2和"熔斷部分"3。側臂TL1、 TL2通過對 交叉部的選擇性去除(例如通過激光切割熔斷部分3或通過將交叉部與開 關2電隔離)從而能夠實現(xiàn)器件間的精細調節(jié)。這種精細調諧可以解決制 造過程中任何批次間或器件間的變化。
總之，以上實施例實現(xiàn)了非常通用的信號線(承載來自傳感器等的信 號)布設方案，其要求與該信號線交叉的AC信號的加權和盡可能小，理想 地為零，其中加權是通過耦合強度給出的。最后要指出，在本申請中，"包括"這一術語不排除其他元件或步驟， "一"不排除多個，且單個處理器或其他單元可以實現(xiàn)若干裝置的功能。 本發(fā)明體現(xiàn)在每個新穎特征和特征的每種組合之中。此外，權利要求中的 附圖標記不應被視為對它們范圍的限制。
權利要求
1、一種用于操縱樣品的微電子器件，包括a)致動器單元(AU)的陣列；b)一組電源線(PL)，其中每個致動器單元(AU)耦合到至少一條電源線；c)敏感單元(SU)的陣列；d)一組信號線(SL)，其中每個敏感單元(SU)耦合到至少一條信號線，且其中信號線(SL)和電源線(PL)的布設使得對于所述電源線上給定的一組的交流電功率信號而言，所述電源線和所述信號線之間的寄生耦合效應得到最小化。
2、 根據權利要求l所述的微電子器件，其特征在于，至少一條所述電源線(PL)與至少一條所述信號線(SL) 具有至少一個交點(IN)。
3、 根據權利要求2所述的微電子器件，其特征在于，設計所述交點，從而實現(xiàn)所述電源線(PL)和所述信號 線(SL)之間的預定寄生耦合強度。
4、 根據權利要求2所述的微電子器件，其特征在于，在所述交點處使所述電源線(PL)和/或所述信號線(SL) 變粗或變細。
5、 根據權利要求l所述的微電子器件，其特征在于，所述微電子器件包括至少一條微調線(TL， TL1， TL2), 該微調線(TL， TL1， TL2)與至少一條信號線(SL)交叉、不連接到致動 器單元(AU)且可提供有交流電微調信號。
6、 根據權利要求5所述的微電子器件，其特征在于，所述微調線(TL， TL1， TL2)包括用于使其選擇性地中 斷的開關(2)或熔斷部分(3)。
7、 根據權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，所述給定的一組交流電功率信號包括僅在相移和/或縮放 因子上不同的一子組功率信號。
8、 根據權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，所述致動器單元(AU)包括電極(23),該電極(23)用 于產生電場，尤其是適于對所述致動器單元附近的對象(1)施加DEP力的 交變電場。
9、 根據權利要求1所述的微電子器件，其特征在于，至少一個所述敏感單元(SU)包括用于在所述信號線(SL) 上產生傳感器信號的傳感器元件。
10、 一種用于制造具有如下部件的微電子器件的方法a) 致動器單元(AU)的陣列；b) —組電源線(PL)，其中每個致動器單元(AU)耦合到至少一條電 源線；c) 敏感單元(SU)的陣列；d) —組信號線(SL)，其中每個敏感單元(SU)耦合到至少一條信號線；其中所述方法包括產生信號線(SL)和電源線(PL)的布設，使得對 于所述電源線上給定的一組交流電功率信號而言，所述電源線和所述信號 線之間的寄生耦合效應得到最小化。
11、 根據權利要求IO所述的方法，其特征在于提供至少一條微調線(TL， TL1， TL2)，該微調線 -與至少一條信號線交叉，-不連接到致動器單元(AU)，-可提供有交流電功率信號，并且-包括用于選擇性地中斷所述微調線的開關(2)或熔斷部分(3)， 其中，如果中斷所述微調線(TL， TL1， TL2)減小了所制造的微電子 器件與目標特性的偏差，則中斷所述微調線(TL， TL1， TL2)。
12、根據權利要求1到9中的任一項所述的微電子器件在分子診斷、 生物樣品分析或化學樣品分析中的使用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于操縱樣品的微電子器件，該器件包括致動器單元(AU)的陣列以及敏感單元(SU)的陣列。該致動器單元(AU)尤其可以對相鄰樣品室中的樣品(1)施加介電電泳力，該敏感單元(SU)任選地測量所述樣品的屬性。此外，致動器單元(AU)連接到一組電源線(PL)且敏感單元(SU)連接到一組信號線(SL)，其中布設這些線，使得對于電源線上的給定的一組交流電功率信號而言，寄生耦合效應得到最小化。尤其可以為電源線(PL)供應除相移之外都相同的交流電信號。任選地，電源線和信號線之間的耦合適于提供對串擾效應的最大補償。
文檔編號B03C5/00GK101500711SQ200780029518
公開日2009年8月5日 申請日期2007年7月10日 優(yōu)先權日2006年8月9日
發(fā)明者D·A·費什, M·T·約翰遜 申請人:皇家飛利浦電子股份有限公司