具有压电转换器的传感器阵列芯片及喷墨形成方法
【技术领域】
[0001]所公开的实施例涉及具有压电转换器的集成传感器阵列芯片及其形成方法。
【背景技术】
[0002]包括含有二维网格的生物传感器的微阵列的生物芯片提供能够执行大量(例如，上百或上千)并发生化反应的小型化实验室。生物芯片能使研宄人员快速筛选用于各种用途的大量生物分析物。
[0003]微阵列的二维网格生物传感器是生物芯片的重要组件。常规上，生物传感器设置在平的基板(如，芯片)上，该基板可以是无源(如硅或玻璃)或有源的，其中“有源”是指包括集成电子器件和/或微机械器件执行或帮助信号转换。
[0004]表面化学通常用于将传感器分子共价接合到基板。微阵列的制造通常是具有挑战性的，并且被认为是主要的经济和技术障碍。一个重要的制造挑战是，将每个传感器放置在基板上特定位置的过程。存在很多方法提供传感器放置，包括机器人微移液法(roboticmicro-pipetting)，其将微小亮点传感器(如，受体(receptor))材料放置在基板表面上。因为每个传感器通常是唯一的，因此只有少数亮点能够被同时放置。这种放置过程的低产出率性质导致高的制造成本。
【发明内容】
[0005]所提供是
【发明内容】
以简化形式引入在下文的【具体实施方式】(包括所提供的附图)中进一步描述的所公开概念的简单选择。该
【发明内容】
并不旨在限制所要求保护主题的范围。
[0006]所公开的实施例认识到存在一个重要需求，即开发相对低成本的小型化血清分析生物芯片阵列以用于快速并可靠的即时(point-of-care)检验和监测。此外，使用微电子机械系统(Microelectromechanical systems,MEMS)技术制作的这种系统通过对多个临床相关参数(其能够用于诊断多种不同状况以能够评估患者健康状况)提供基本上实时的测量，能够显著提高医疗保健的质量。
[0007]所公开的实施例包括形成功能化传感器阵列的方法，该方法包括:提供具有包括多个传感器结构的至少一个(并且通常是大量的)传感器阵列芯片的基板(如晶片)。传感器结构包括插入在上、下部电极之间的压电层，所述上、下部电极在空间布置上被定位跨越传感器阵列芯片的区域。还提供具有多个微通道的喷墨墨盒芯片(inkjet cartridgechip)，其中所述多个微通道包括具有多个填充侧孔的填充侧和具有多个分配喷嘴的分配侦U，其中多个微通道中的两个或更多个装载有不同传感材料，且其中分配喷嘴的位置与空间布置匹配。分配喷嘴与多个传感器结构对齐，且多个分配喷嘴被驱动以将不同传感材料沉积在多个传感器结构上。传感器结构能够包括基于压电悬臂的传感器，或表面声波(SAW)传感器或体声波(BAW)传感器。
【附图说明】
[0008]现在将参考附图，其中附图不一定是按比例绘制的，其中:
[0009]图1的流程图示出根据一个示例性实施例形成功能化传感器阵列芯片以及使用功能化传感器阵列芯片的一个示例性方法中的步骤。
[0010]图2A示出根据一个示例性实施例的一种示例性喷墨墨盒芯片，其具有多个微通道，多个微通道包括具有多个填充侧孔的填充侧和具有多个分配喷嘴的分配侧，其中多个微通道中的两个或更多个装载有不同传感材料，并且其中分配喷嘴的位置与传感器阵列芯片上的传感器结构的空间布置匹配。
[0011]图2B示出根据一个示例性实施例的一种示例性传感器阵列芯片，其包括多个传感器结构，其中传感器结构包括插入在上部电极和下部电极之间的压电层，所述上部电极和下部电极在空间布置上被定位跨越传感器阵列芯片的区域，其中空间布置与图2A所示的多个分配喷嘴的空间布置匹配。
[0012]图3A是根据一个示例性实施例的一种示例性传感器结构的截面图，所述传感器结构包括利用传感材料进行功能化之前的压电悬臂。
[0013]图3B是根据一个示例性实施例的传感器结构的截面图，传感器结构包括图3A所示的、在通过所公开的喷墨墨盒芯片进行传感材料(如，生物标记)沉积以提供功能化之后的压电悬臂。
[0014]图3C是包括图3B所示的功能化压电悬臂的传感器结构的俯视图。
[0015]图4A是包括利用其上的传感材料功能化的BAW传感器的一种示例性传感器结构的截面图。
[0016]图4B是包括SAW传感器的一种示例性传感器结构的截面图。
【具体实施方式】
[0017]参考附图描述各种示例性实施例，其中相同的附图标记用于指代相同或等同的元件。所示出的行为或事件的顺序不应被认为是限制性的，因为一些行为或事件可以以不同顺序发生，和/或与其它行为或事件同时发生。此外，实施根据本发明的方法可以不需要所示出的一些行为或事件。
[0018]图1的流程图示出根据一个示例性实施例形成(步骤101，103-106)并使用功能化生物传感器或化学传感器阵列芯片(以下称为传感器阵列芯片，步骤102，107-110)的一种示例性方法100中的步骤。所公开的传感器阵列芯片包括其上的集成电路，以提供化学分析系统，如提供集成硅微电路传感器的硅或其它半导体基板。所公开的传感器阵列芯片能够与电气组件、传感器组件和液体通道组合以将液体传送到具体传感器以用于测试和电子记录或将样品喷射到微量分析板。本申请所公开的传感器阵列芯片可以包括，例如，通过低成本生物传感器和相对低成本的方法实现的化学物品的微量分析、体液分析、DNA和核苷酸序列分析以及其他医疗应用，包括，针对多个不同状况，对患者的血清样品进行分析，这将测试成本从几百或几万美元降低到几十美元。
[0019]步骤101包括提供基板(例如，硅晶片或玻璃晶片)，其具有包括多个传感器结构的至少一个传感器阵列芯片。在一个实施例中，基板是具有半导体表面的晶片，其中半导体表面包括形成在其上的大量(如数百个)相同的传感器阵列芯片。每一个传感器结构包括插入在上部电极和下部电极之间的压电层，所述上部电极和下部电极在空间布置上被定位跨越传感器阵列芯片的区域。传感器结构能够包括压电悬臂(参见下列描述的图3A)。传感器结构还能够包括BAW传感器(参见下列描述的图4A)，其包括厚度切变模式(TSM)传感器或SAW传感器(参见下列描述的图4B)。所公开的传感器结构通常被配置为测量在传感器结构的区域已经使用通过喷墨墨盒芯片(见下列描述的步骤103)沉积的微微克(pg)到毫微克(ng)数量的传感材料(如生物标记)而被功能化之后的传感器结构的功能化部分的Pg到ng数量的质量变化。传感器结构的空间布置能够是提供预定间距的周期性布置，或非周期性布置。
[0020]步骤102包括电子测量传感器阵列芯片上的传感器结构以确定它们各自的谐振频率。传感器阵列芯片能够包括集成振荡器，该振荡器具有多路复用器(在其输入端测量频率)和提供数字频率输出的模数转换器(ADC)。对于传感器阵列的每一个传感器结构，得到的数字频率输出数据通常和传感器结构的标识符存储在适合的存储器中。
[0021]步骤103包括提供具有多个微流通道的喷墨墨盒芯片，其中多个微流通道包括具有多个填充侧孔的填充侧和具有多个分配喷嘴的分配侧。喷墨墨盒芯片能够包括微流通道(或微通道)，该通道允许通过大孔在顶部(填充侧)填充，然后这些大孔的尺寸减小，变小到喷墨墨盒芯片的分配侧上的小喷嘴。因此多个分配喷嘴的面积通常比填充侧孔的面积小，例如，至少差十倍。
[0022]具有大的填充侧孔和小喷嘴(例如，小十倍)的喷墨墨盒芯片能够使用美国专利申请号20110256687 (Jacobsen与本文的发明人一样)、标题为“用于通过基板微通道制造的方法(Method for Fabricating Through Substrate Microchannels) ”中申请公开中公开的主题实现，该申请通过引用将其纳入本文。分配驱动器能够控制微通道中的传感材料的分配。
[0023]最终组装的墨盒通常包括两个主要部件:通常包括塑料的上部部件(其包含填充孔)和由硅或另一半导体材料制成的下部部件(其包含分配喷嘴)。上部部件通常包括模制塑料通道，其将