集成生物实体操作和处理半导体器件的系统及方法
【专利摘要】公开了一种用于操作和处理生物实体样本的集成半导体器件。器件包括连接至射流控制电路的微流通道，连接至传感器控制电路的光电传感器阵列，与光电传感器阵列对准以在光信号到达光电传感器阵列之前操作光信号的光学元件，以及连接至微流通道并通过电润湿提供生物实体样本液滴的传输的微流栅格。器件进一步包括连接至射流控制电路和传感器控制电路的逻辑电路，其中，在第一衬底上形成射流控制电路、传感器控制电路和逻辑电路。本发明还提供了集成生物实体操作和处理半导体器件的系统及方法。
【专利说明】集成生物实体操作和处理半导体器件的系统及方法
【技术领域】
[0001]本发明一般地涉及半导体【技术领域】，更具体地来说，涉及半导体器件及其使用方法。
【背景技术】
[0002]包括设备制造以及制药和生物制剂制造的医疗技术行业在过去的几十年里经历了显著的商业和技术增长。自从发现DNA，由于多年来DNA测序技术的发展，我们对其在病原体与所有生物的发展、操作以及相互作用中的生物信息作用的理解显著增加。凭借DNA测序检测技术的进步，科学家和医生基于病人的遗传倾向，对他们的疾病有了更深的了解以及更有效的治疗。因此，DNA测序结果在医疗保健中的使用和作用显著增加。
[0003]DNA序列是腺嘌呤、鸟嘌呤、胞嘧啶和胸腺嘧啶的一系列碱基核苷酸，其决定了生物系统中蛋白质的形成。通过分析DNA序列，可以收集用于诊断和治疗目的重要信息。此外，对诸如蛋白质、小分子以及病原体的其他生物的实体(bio-entities,生物实体)的识别和量化已经推动了造福人类的潜在的医学知识。
[0004]目前，存在现今使用的各种各样的生物实体操作和处理技术，包括在可允许光学检测的各种方法中的放大和标记技术的使用。该技术可通过使用荧光染料和具有模拟数字转换系统的外部光学系统实现，以允许处理所产生的大量数据所需要的密集型计算机处理。然而，仍然存在许多技术障碍，例如控制包含要被观测的生物实体的流体样本。此外，虽然由于完成了人类基因组计划，所以DNA测序的价格已大幅下降，但对DNA测序的所有能量产生影响之前，需要进一步节省成本。因此，当前的生物实体操作和处理技术不能令人完全满意。
【发明内容】
[0005]为了解决现有技术中所存在的缺陷，根据本发明的一方面，提供了一种用于操作和处理生物实体样本的集成半导体器件，所述器件包括:微流通道，所述微流通道与射流控制电路连接；光电传感器阵列，与传感器控制电路连接；以及逻辑电路，与所述射流控制电路和所述传感器控制电路连接，并且所述射流控制电路、所述传感器控制电路以及所述逻辑电路形成在第一衬底的正面上。
[0006]在该集成半导体器件中，所述微流通道的第一面形成在所述第一衬底上并且所述微流通道的第二面形成在第二衬底上，所述第二衬底连接至所述第一衬底，以提供用于包含生物实体样本的液滴的所述微流通道。
[0007]在该集成半导体器件中，所述射流控制电路、所述传感器控制电路以及所述逻辑电路被内嵌在金属间介电(MD)层中，并且所述集成半导体器件进一步包括位于所述MD层上方的多个电极，所述多个电极连接至所述射流控制电路。
[0008]在该集成半导体器件中，所述微流通道的所述第一面包括:高k介电层；以及疏水涂层，覆盖所述高k介电层。[0009]该集成半导体器件进一步包括:抗反射涂层，所述抗反射涂层形成在所述第一衬底的背面上，所述第一衬底被减薄并接合至载具晶圆；以及多个电极，与所述射流控制电路连接，所述多个电极形成在所述抗反射涂层的上方。
[0010]在该集成半导体器件中，与所述射流控制电路连接的所述多个电极中的一些是透明电极。
[0011 ] 在该集成半导体器件中，所述疏水涂层是自组装单层或聚四氟乙烯层。
[0012]该集成半导体器件进一步包括位于所述光电传感器阵列之上的彩色滤波器阵列。
[0013]在该集成半导体器件中，所述第二衬底包括:透明衬底；透明电极层，沉积在所述衬底上方；高k介电层，位于所述透明电极层上方；以及疏水涂层，位于所述高k介电层上方。
[0014]该集成半导体器件进一步包括表面经过处理的区域，所述表面经过处理的区域是所述疏水涂层接受了可检测地改变接触的生物实体样本的表面处理的部分。
[0015]在该集成半导体器件中，所述微流通道与微流栅格连接，所述微流栅格与多个容器连接并被配置为允许传输和混合包含在所述多个容器中的液体，所述液体包括生物实体样本和试剂。
[0016]在该集成半导体器件中，所述疏水涂层包括表面经过处理的区域，所述表面经过处理的区域是所述疏水涂层接受了可检测地改变接触的生物实体样本的表面处理的部分。
[0017]根据本发明的另一方面，提供了一种用于操作和处理生物实体样本的集成半导体器件，所述器件包括:微流通道，所述微流通道与射流控制电路连接；光电传感器阵列，与传感器控制电路连接；光学元件，与所述光电传感器阵列对准以在光信号到达所述光电传感器阵列之前操作所述光信号；微流栅格，与所述微流通道连接并通过电润湿提供用于生物实体样本液滴的传输；以及逻辑电路，与所述射流控制电路和所述传感器控制电路连接，其中所述射流控制电路、所述传感器控制电路以及所述逻辑电路形成在第一衬底上。
[0018]在该集成半导体器件中，所述光学元件包括以下元件之一:多个不透明的同心环，相邻的同心环之间具有间隔；矩形光栅；以及直通结构。
[0019]在该集成半导体器件中，所述微流通道的底面形成在所述第一衬底上而所述微流通道的顶面形成在第二衬底上，所述第二衬底连接至所述第一衬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顶面具有疏水涂层。
[0020]在该集成半导体器件中，所述逻辑电路被配置为提供模拟数字转换。
[0021]根据本发明的又一方面，提供了一种用于通过集成半导体器件操作和处理生物实体样本的方法，所述方法包括:通过第一容器提供生物实体样本液滴，所述第一容器连接至微流栅格；使用电润湿效应，将所述生物实体样本液滴从所述微流栅格传输到微流通道中，所述生物实体样本液滴与所述微流通道中的表面处理部接触，其中，所述微流通道的一个面设置在第一衬底上；以及用光电传感器阵列检测光子信号，通过所述生物实体样本液滴和所述表面处理部的相互作用来增强所述光子信号，在所述第一衬底上形成所述光电传感器阵列。
[0022]该方法进一步包括:通过连接至所述微流栅格的第二容器提供试剂液滴；以及在所述微流栅格中混合所述生物实体样本液滴和所述试剂液滴以形成制备的样本液滴。
[0023]在该方法中，将所述生物实体样本液滴从所述微流栅格传输到微流通道包括将所述制备的样本液滴传输到所述微流通道。
[0024]在该方法中，在所述光电传感器阵列处检测所述光子信号进一步包括将光学元件设置在所述生物实体样本液滴和所述光电传感器阵列之间。
【专利附图】
【附图说明】
[0025]当结合附图进行阅读时，根据下面详细的描述可以更好地理解本发明的各个方面。应该强调的是，根据工业中的标准实践，附图中的各种部件没有按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各种部件的尺寸可以被任意增加或减少。[0026]图1是电介质上电润湿装置的截面图。
[0027]图2是使用电润湿传输和操作生物实体样本液滴的射流控制系统的截面图。
[0028]图3是说明使用电润湿射流控制系统怎样可以获得某些动作(action)的示图。
[0029]图4是用于传输和混合目标生物实体样本和生物试剂的微流栅格的示图。
[0030]图5是根据实施例的生物实体操作和处理系统所使用的衬底的截面图。
[0031]图6提供了根据实施例的可以用于生物实体操作和处理系统的三种光学元件的俯视图。
[0032]图7是根据实施例的可以用于生物实体操作和处理系统的上衬底的截面图。
[0033]图8是根据实施例的微流生物实体操作和处理系统的截面图。
[0034]图9是根据附加实施例包括彩色滤波器阵列的微流生物实体操作和处理系统的截面图。
[0035]图10是根据利用背面曝光的实施例的微流生物实体操作和处理系统的下部衬底的截面图。
[0036]图11是用集成半导体器件操作和处理生物实体样本的方法的流程图。
[0037]本领域技术人员在阅读下面详细描述时，更容易理解上面简要描述的附图中所公开的各种部件。
【具体实施方式】
[0038]据了解为了实施本发明的不同部件，以下公开内容提供了许多不同的实施例和示例。以下描述元件和布置的特定示例以简化本公开。当然这些仅仅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触的方式形成第一部件和第二部件的实施例，并且也可也包括其中以介于第一部件和第二部件之间的方式形成额外的部件，使得第一部件和第二部件不直接接触的实施例。为了简明和清楚，可以任意地以不同比例绘制附图中的各种部件。在两幅或更多幅附图中具有相同的附图中的部件情况下，为了描述清楚，使用相同的参考标号。然而，这不应该被理解为限制这些部件。
[0039]图1是电介质上电润湿(EWOD)装置100的截面图。装置100包括在其上具有三种材料层的衬底102。这些材料层包括电极层104、介电层106以及疏水涂层108。电极层104通过开关112连接至可变电压源110。探针114附接至电压源110的相对端子。如图1所示，装置100将探针114设置为插入以两种不同状态示出的液滴中。液滴116A示出了在没有通过探针114施加电压的状态下的液滴。因为疏水涂层108，液滴116A具有如图所示的接触角Gcitl通过从电压源110通过探针114施加电压，接触角可以减小而接触面积增大。因此，液滴116B是施加电压时的液滴。然后，接触角减少至θν，大部分液滴116B更加接近下面的电极层104。根据下面的公式(I)，施加的电压所导致的接触角的改变与施加的电压有关。
【权利要求】
1.一种用于操作和处理生物实体样本的集成半导体器件，所述器件包括: 微流通道，所述微流通道与射流控制电路连接； 光电传感器阵列，与传感器控制电路连接；以及 逻辑电路，与所述射流控制电路和所述传感器控制电路连接，并且所述射流控制电路、所述传感器控制电路以及所述逻辑电路形成在第一衬底的正面上。
2.根据权利要求1所述的集成半导体器件，其中，所述微流通道的第一面形成在所述第一衬底上并且所述微流通道的第二面形成在第二衬底上，所述第二衬底连接至所述第一衬底，以提供用于包含生物实体样本的液滴的所述微流通道。
3.根据权利要求1所述的集成半导体器件，其中，所述射流控制电路、所述传感器控制电路以及所述逻辑电路被内嵌在金属间介电(MD)层中，并且所述集成半导体器件进一步包括位于所述MD层上方的多个电极，所述多个电极连接至所述射流控制电路。
4.根据权利要求2所述的集成半导体器件，其中，所述微流通道的所述第一面包括: 高k介电层；以及 疏水涂层，覆盖所述高k介电层。
5.根据权利要求1所述的集成半导体器件，进一步包括: 抗反射涂层，所述抗反射涂层形成在所述第一衬底的背面上，所述第一衬底被减薄并接合至载具晶圆；以及 多个电极，与所述射流控制电路连接，所述多个电极形成在所述抗反射涂层的上方。
6.根据权利要求5所述的集成半导体器件，其中，与所述射流控制电路连接的所述多个电极中的一些是透明电极。
7.根据权利要求4所述的集成半导体器件，其中，所述疏水涂层是自组装单层或聚四氟乙烯层。
8.根据权利要求3所述的集成半导体器件，进一步包括位于所述光电传感器阵列之上的彩色滤波器阵列。
9.一种用于操作和处理生物实体样本的集成半导体器件，所述器件包括: 微流通道，所述微流通道与射流控制电路连接； 光电传感器阵列，与传感器控制电路连接； 光学元件，与所述光电传感器阵列对准以在光信号到达所述光电传感器阵列之前操作所述光信号； 微流栅格，与所述微流通道连接并通过电润湿提供用于生物实体样本液滴的传输；以及 逻辑电路，与所述射流控制电路和所述传感器控制电路连接，其中所述射流控制电路、所述传感器控制电路以及所述逻辑电路形成在第一衬底上。
10.一种用于通过集成半导体器件操作和处理生物实体样本的方法，所述方法包括: 通过第一容器提供生物实体样本液滴，所述第一容器连接至微流栅格； 使用电润湿效应，将所述生物实体样本液滴从所述微流栅格传输到微流通道中，所述生物实体样本液滴与所述微流通道中的表面处理部接触，其中，所述微流通道的一个面设置在第一衬底上；以及 用光电传感器阵列检测光子信号，通过所述生物实体样本液滴和所述表面处理部的相互作用来增强所述光子信号，在所述第一衬底上`形成所述光电传感器阵列。
【文档编号】C12M1/36GK103865789SQ201310060247
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2013年2月26日 优先权日:2012年12月17日
【发明者】张仪贤, 郑创仁 申请人:台湾积体电路制造股份有限公司