集成生物實體操作和處理半導體器件的系統及方法
【專利摘要】公開了一種用于操作和處理生物實體樣本的集成半導體器件。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準以在光信號到達光電傳感器陣列之前操作光信號的光學元件，以及連接至微流通道并通過電潤濕提供生物實體樣本液滴的傳輸的微流柵格。器件進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。本發明還提供了集成生物實體操作和處理半導體器件的系統及方法。
【專利說明】集成生物實體操作和處理半導體器件的系統及方法
【技術領域】
[0001]本發明一般地涉及半導體【技術領域】，更具體地來說，涉及半導體器件及其使用方法。
【背景技術】
[0002]包括設備制造以及制藥和生物制劑制造的醫療技術行業在過去的幾十年里經歷了顯著的商業和技術增長。自從發現DNA，由于多年來DNA測序技術的發展，我們對其在病原體與所有生物的發展、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測序檢測技術的進步，科學家和醫生基于病人的遺傳傾向，對他們的疾病有了更深的了解以及更有效的治療。因此，DNA測序結果在醫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，其決定了生物系統中蛋白質的形成。通過分析DNA序列，可以收集用于診斷和治療目的重要信息。此外，對諸如蛋白質、小分子以及病原體的其他生物的實體(bio-entities,生物實體)的識別和量化已經推動了造福人類的潛在的醫學知識。
[0004]目前，存在現今使用的各種各樣的生物實體操作和處理技術，包括在可允許光學檢測的各種方法中的放大和標記技術的使用。該技術可通過使用熒光染料和具有模擬數字轉換系統的外部光學系統實現，以允許處理所產生的大量數據所需要的密集型計算機處理。然而，仍然存在許多技術障礙，例如控制包含要被觀測的生物實體的流體樣本。此外，雖然由于完成了人類基因組計劃，所以DNA測序的價格已大幅下降，但對DNA測序的所有能量產生影響之前，需要進一步節省成本。因此，當前的生物實體操作和處理技術不能令人完全滿意。
【發明內容】
[0005]為了解決現有技術中所存在的缺陷，根據本發明的一方面，提供了一種用于操作和處理生物實體樣本的集成半導體器件，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體樣本的液滴的所述微流通道。
[0007]在該集成半導體器件中，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嵌在金屬間介電(MD)層中，并且所述集成半導體器件進一步包括位于所述MD層上方的多個電極，所述多個電極連接至所述射流控制電路。
[0008]在該集成半導體器件中，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]該集成半導體器件進一步包括: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；以及多個電極，與所述射流控制電路連接，所述多個電極形成在所述抗反射涂層的上方。
[0010]在該集成半導體器件中，與所述射流控制電路連接的所述多個電極中的一些是透明電極。
[0011 ] 在該集成半導體器件中，所述疏水涂層是自組裝單層或聚四氟乙烯層。
[0012]該集成半導體器件進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]該集成半導體器件進一步包括表面經過處理的區域，所述表面經過處理的區域是所述疏水涂層接受了可檢測地改變接觸的生物實體樣本的表面處理的部分。
[0015]在該集成半導體器件中，所述微流通道與微流柵格連接，所述微流柵格與多個容器連接并被配置為允許傳輸和混合包含在所述多個容器中的液體，所述液體包括生物實體樣本和試劑。
[0016]在該集成半導體器件中，所述疏水涂層包括表面經過處理的區域，所述表面經過處理的區域是所述疏水涂層接受了可檢測地改變接觸的生物實體樣本的表面處理的部分。
[0017]根據本發明的另一方面，提供了一種用于操作和處理生物實體樣本的集成半導體器件，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；光學元件，與所述光電傳感器陣列對準以在光信號到達所述光電傳感器陣列之前操作所述光信號；微流柵格，與所述微流通道連接并通過電潤濕提供用于生物實體樣本液滴的傳輸；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]在該集成半導體器件中，所述光學元件包括以下元件之一:多個不透明的同心環，相鄰的同心環之間具有間隔；矩形光柵；以及直通結構。
[0019]在該集成半導體器件中，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]在該集成半導體器件中，所述邏輯電路被配置為提供模擬數字轉換。
[0021]根據本發明的又一方面，提供了一種用于通過集成半導體器件操作和處理生物實體樣本的方法，所述方法包括:通過第一容器提供生物實體樣本液滴，所述第一容器連接至微流柵格；使用電潤濕效應，將所述生物實體樣本液滴從所述微流柵格傳輸到微流通道中，所述生物實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面設置在第一襯底上；以及用光電傳感器陣列檢測光子信號，通過所述生物實體樣本液滴和所述表面處理部的相互作用來增強所述光子信號，在所述第一襯底上形成所述光電傳感器陣列。
[0022]該方法進一步包括:通過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，將所述生物實體樣本液滴從所述微流柵格傳輸到微流通道包括將所述制備的樣本液滴傳輸到所述微流通道。
[0024]在該方法中，在所述光電傳感器陣列處檢測所述光子信號進一步包括將光學元件設置在所述生物實體樣本液滴和所述光電傳感器陣列之間。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025]當結合附圖進行閱讀時，根據下面詳細的描述可以更好地理解本發明的各個方面。應該強調的是，根據工業中的標準實踐，附圖中的各種部件沒有按比例繪制。實際上，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是電介質上電潤濕裝置的截面圖。
[0027]圖2是使用電潤濕傳輸和操作生物實體樣本液滴的射流控制系統的截面圖。
[0028]圖3是說明使用電潤濕射流控制系統怎樣可以獲得某些動作(action)的示圖。
[0029]圖4是用于傳輸和混合目標生物實體樣本和生物試劑的微流柵格的示圖。
[0030]圖5是根據實施例的生物實體操作和處理系統所使用的襯底的截面圖。
[0031]圖6提供了根據實施例的可以用于生物實體操作和處理系統的三種光學元件的俯視圖。
[0032]圖7是根據實施例的可以用于生物實體操作和處理系統的上襯底的截面圖。
[0033]圖8是根據實施例的微流生物實體操作和處理系統的截面圖。
[0034]圖9是根據附加實施例包括彩色濾波器陣列的微流生物實體操作和處理系統的截面圖。
[0035]圖10是根據利用背面曝光的實施例的微流生物實體操作和處理系統的下部襯底的截面圖。
[0036]圖11是用集成半導體器件操作和處理生物實體樣本的方法的流程圖。
[0037]本領域技術人員在閱讀下面詳細描述時，更容易理解上面簡要描述的附圖中所公開的各種部件。
【具體實施方式】
[0038]據了解為了實施本發明的不同部件，以下公開內容提供了許多不同的實施例和示例。以下描述元件和布置的特定示例以簡化本公開。當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施例。為了簡明和清楚，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，使用相同的參考標號。然而，這不應該被理解為限制這些部件。
[0039]圖1是電介質上電潤濕(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通過開關112連接至可變電壓源110。探針114附接至電壓源110的相對端子。如圖1所示，裝置100將探針114設置為插入以兩種不同狀態示出的液滴中。液滴116A示出了在沒有通過探針114施加電壓的狀態下的液滴。因為疏水涂層108，液滴116A具有如圖所示的接觸角Gcitl通過從電壓源110通過探針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。根據下面的公式(I)，施加的電壓所導致的接觸角的改變與施加的電壓有關。
【權利要求】
1.一種用于操作和處理生物實體樣本的集成半導體器件，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.根據權利要求1所述的集成半導體器件，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體樣本的液滴的所述微流通道。
3.根據權利要求1所述的集成半導體器件，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嵌在金屬間介電(MD)層中，并且所述集成半導體器件進一步包括位于所述MD層上方的多個電極，所述多個電極連接至所述射流控制電路。
4.根據權利要求2所述的集成半導體器件，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.根據權利要求1所述的集成半導體器件，進一步包括: 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 多個電極，與所述射流控制電路連接，所述多個電極形成在所述抗反射涂層的上方。
6.根據權利要求5所述的集成半導體器件，其中，與所述射流控制電路連接的所述多個電極中的一些是透明電極。
7.根據權利要求4所述的集成半導體器件，其中，所述疏水涂層是自組裝單層或聚四氟乙烯層。
8.根據權利要求3所述的集成半導體器件，進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體樣本的集成半導體器件，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； 光學元件，與所述光電傳感器陣列對準以在光信號到達所述光電傳感器陣列之前操作所述光信號； 微流柵格，與所述微流通道連接并通過電潤濕提供用于生物實體樣本液滴的傳輸；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。
10.一種用于通過集成半導體器件操作和處理生物實體樣本的方法，所述方法包括: 通過第一容器提供生物實體樣本液滴，所述第一容器連接至微流柵格； 使用電潤濕效應，將所述生物實體樣本液滴從所述微流柵格傳輸到微流通道中，所述生物實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面設置在第一襯底上；以及 用光電傳感器陣列檢測光子信號，通過所述生物實體樣本液滴和所述表面處理部的相互作用來增強所述光子信號，在所述第一襯底上`形成所述光電傳感器陣列。
【文檔編號】C12M1/36GK103865789SQ201310060247
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2013年2月26日 優先權日:2012年12月17日
【發明者】張儀賢, 鄭創仁 申請人:臺灣積體電路制造股份有限公司