数字asic传感器平台的制作方法
【专利说明】数字AS IC传感器平台
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求享有2012年2月10日递交的美国临时申请号61/597,496的优先权，该临时申请通过引用被全部并入本文。
技术领域
[0003]本发明涉及光学传感器，并且更具体地涉及用于植入在动物活体内并且测量所述动物活体内的培养基中的分析物的浓度的光学化学或者生物化学传感器。
【背景技术】
[0004]通过引用被全部并入本文的美国专利号5，517，313描述了包括指示剂分子和诸如光电检测器的光敏元件的基于荧光的感测设备。广泛地说，在本发明的领域的背景中，指示剂分子是其一个或多个光学特性被分析物的局部存在影响的分子。在根据美国专利号5，517，313的设备中，诸如发光二极管(“LED”)的光源至少部分地位于包含荧光指示剂分子的材料层内，或者可选地，至少部分地位于波导层内，以使得由源发射的辐射(光)照射在指示剂分子上并且使该指示剂分子发荧光。高通滤波器允许由指示剂分子发射的荧光到达光敏元件(光电检测器)，同时过滤出来自光源的散射光。
[0005]通过分析物的局部存在来调制，S卩，衰减或增强，在美国专利号5，517，313中描述的设备中使用的指示剂分子的荧光。例如，复杂三(4，7_联苯-1，10-邻菲啰啉)二氯化钌高氯酸盐的桔-红色荧光通过氧的局部存在而被淬灭。因此，这一络合物能够在氧传感器中有利地用作指示剂分子。其荧光属性被各种其它分析物影响的指示剂分子也是公知的。
[0006]而且，吸收光的指示剂分子也是公知的，吸收的水平被分析物的存在或浓度影响。例如参见通过引用被全部并入本文的美国专利号5，512，246，其公开了其频谱响应被诸如糖的多羟基化合物的局部存在衰减的合成物。
[0007]在美国专利号5，517，313中描述的传感器中，包含指示剂分子的材料对于分析物可渗透。因而，分析物能够从周围测试培养基扩散到材料内，从而影响指示剂分子的荧光。光源、含有基质材料的指示剂分子、高通滤波器和光电检测器被配置为使得由指示剂分子发射的荧光照射光电检测器，以使得生成指示周围培养基中的分析物的浓度的电信号。
[0008]在美国专利号5，517，313中描述的感测设备代表优于关于美国专利号5，517，313构成现有技术的设备的显著改进。然而，仍然存在对于允许检测诸如活人的活体动物的身体中的各种分析物的传感器的需要。
[0009]通过引用被全部并入本文的美国专利号6，330，464、6，400，974、6，711，423和7，308，292分别描述了包括指示剂分子和被设计用于在人体中使用的光敏元件的感测设备。尽管由在这些专利中描述的感测设备代表的目前技术水平的进步，但是仍然期望改进的感测设备。
【发明内容】
[0010]在一个方面中，本发明提供一种用于植入在活体动物内并且测量位于所述活体动物内的培养基中的分析物的浓度的光学传感器。所述光学传感器可以包括:指示剂分子、半导体衬底、第一光电检测器、第二光电检测器、光源、温度换能器、比较器、模数转换器(ADC)、感应元件和测量控制器。所述指示剂分子可以具有对所述分析物的浓度做出响应的光学特性。所述指示剂分子可以被配置为当所述光学传感器被植入在所述活体动物内时与位于所述活体动物内的培养基中的分析物交互。所述第一光电检测器可以被安装在所述半导体衬底上或者被制造在所述半导体衬底中，并且可以被配置为输出指示由所述第一光电检测器接收的光的量的第一模拟光测量信号。所述第二光电检测器可以被安装在所述半导体衬底上或者被制造在所述半导体衬底中，并且可以被配置为输出指示由所述第二光电检测器接收的光的量的第二模拟光测量信号。所述第一和第二光电检测器可以相对于在所述第一和第二光电检测器之间延伸的中心线被对称地布置。所述光源可以被配置为将激发光从在所述第一和第二光电检测器之间延伸的中心线上对齐的发射点发射到所述指示剂分子。所述温度换能器可以被安装在所述半导体衬底上或者被制造在所述半导体衬底中，并且可以被配置为输出指示光学传感器的温度的模拟温度测量信号。所述比较器可以被制造在所述半导体衬底中，并且可以被配置为输出指示所述第一和第二模拟光测量信号之间的差异的模拟光差异测量信号。所述ADC可以被制造在所述半导体衬底中，并且可以被配置为(i)将所述模拟温度测量信号转换为数字温度测量信号，(ii)将所述第一模拟光测量信号转换为第一数字光测量信号，(iii)将所述第二模拟光测量信号转换为第二数字光测量信号并且(iv)将所述模拟光差异测量信号转换为数字光差异测量信号。所述输入/输出电路被制造在所述半导体衬底中并且可以被配置为经由所述感应元件无线地传输测量信息，并且经由所述感应元件无线地接收测量命令和功率。所述测量控制器可以被制造在所述半导体衬底中并且可以被配置为:(i)根据所述测量命令，控制所述光源；(ii)根据(a)所述数字温度测量信号、(b)所述第一数字光测量信号、(C)所述第二数字光测量信号和(d)所述数字光差异测量信号生成所述测量信息；以及(iii)控制所述输入/输出电路以便无线地传输所述测量信息。
[0011]在一些实施例中，所述光学传感器可以是化学或者生物化学传感器。所述第一和第二光电检测器可以被制造在所述半导体衬底中。所述第一和第二光电检测器可以是使用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺在所述半导体衬底中被单片地形成的光电二极管。如权利要求I所述的光学传感器可以包括位于所述半导体衬底上的光源安装垫。所述光源安装垫可以被配置为使得所述光源当被安装在所述光源安装垫上时具有在所述第一和第二光电检测器之间延伸的中心线上对齐的发射点。所述光源可以被安装在所述光源安装垫上。
[0012]在一些实施例中，所述光学传感器可以包括电分离所述第一和第二光电检测器的隔离槽。所述光学传感器可以包括被制造在所述半导体衬底中的非易失性存储介质。所述非易失性存储介质可以具有存储在其中的测量校准信息，并且所述测量控制器可以被配置为根据所述测量命令和所述测量校准信息控制所述光源。所述非易失性存储介质可以具有存储在其中的识别信息，所述输入/输出电路可以被配置为经由所述感应元件无线地传输所述识别信息，并且所述测量控制器可以被配置为控制所述输入/输出电路以便无线地传输所述识别信息。
[0013]在一些实施例中，所述温度换能器可以是被制造在所述半导体衬底中的基于带隙的温度换能器。所述比较器可以是跨阻抗放大器。所述输入/输出电路可以包括被制造在所述半导体衬底中的整流器。所述整流器可以是肖特基二极管。所述测量信息可以是数字测量信息O
[0014]在一些实施例中，所述指示剂分子可以是信号通道指示剂分子，并且所述光学传感器可以包括被配置为当所述光学传感器被植入在所述活体动物内时不与位于所述活体动物内的培养基中的分析物交互的基准通道指示剂分子。所述光源可以被配置为当被接通时将激发光发射到所述信号通道指示剂分子和所述基准通道指示剂分子，所述第一光电检测器可以被配置为接收由所述信号通道指示器分子发射的激发光，并且所述第二光电检测器可以被配置为接收由所述基准通道指示器分子发射的激发光。
[0015]在一些实施例中，所述活体动物可以是活人类。所述培养基可以是间质流体或血液。所述分析物可以是葡萄糖。所述分析物可以是氧。所述指示剂分子可以是荧光指示剂分子。所述光学传感器可以具有允许所述传感器被植入在所述活体动物内的尺寸和形状，并且所述测量信息可以指示位于所述活体动物内的培养基中的分析物的浓度。所述感应元件可以包括线圈。所述感应元件可以包括铁氧体磁芯，并且所述线圈可以被形成在所述铁氧体磁芯上。
[0016]在另一方面中，本发明提供一种控制被植入在活体动物内以便测量位于所述活体动物内的培养基中的分析物的浓度的光学传感器的方法。所述方法可以包括通过被植入在所述活体动物内的所述光学传感器的感应元件和输入/输出电路无线地接收测量命令和功率。所述输入/输出电路可以被制造在所述光学传感器的所述半导体衬底中。所述方法可以包括在接收到所述测量命令之后，接通和关闭所述光学传感器的光源一次或多次。所述光源可以被配置为当被接通时使用激发光照射具有对所述分析物的浓度做出响应的光学特性的指示剂分子。所述指示剂分子可以被配置为当所述光学传感器被植入在所述活体动物内时与位于所述活体动物内的培养基中的分析物交互。所述方法可以包括当所述光源被接通时:(i )通过被安装在所述半导体衬底上或者被制造在所述半导体衬底中的温度换能器生成指示所述光学传感器的温度的第一模拟温度测量信号；(ii)通过被安装在所述半导体衬底上或者被制造在所述半导体衬底中的第一光电检测器生成指示由所述第一光电检测器接收的光的量的第一模拟光测量信号；(iii)通过被安装在所述半导体衬底上或者被制造在所述半导体衬底中的第二光电检测器生成指示由所述第二光电检测器接收的光的量的第二模拟光测量信号；以及(iv)通过被制造在所述半导体衬底中的比较器生成指示所述第一和第二模拟光测量信号之间的差异的模拟光差异测量信号。所述方法可以包括当光源被关闭时:(i)通过所述温度换能器生成指示所述光学传感器的温度的第二模拟温度测量信号；(ii)通过所述第一光电检测器生成指示由所述第一光电检测器接收的光的量的第一模拟环境光测量信号；以及(iii)通过所述第二光电检测器生成指示由所述第二光电检测器接收的光的量的第二模拟环境光测量信号。所述方法可以包括当所述光源被接通或关闭时:(i)通过被制造在所述半导体衬底中的模数转换器(ADC)将所述第一模拟温度测量信号转换为第一数字温度测量信号；(ii)通过所述ADC将所述第一模拟光测量信号转换为第一数字光测量信号；(i ii)通过所述ADC将所述第二模拟光测量信号转换为第二数字光测量信号；(iv)通过所述ADC将所述模拟光差异测量信号转换为数字光差异测量信号；(V)通过所述ADC将所述第二模拟温度测量信号转换为第二数字温度测量信号；(vi)通过所述ADC将所述第一环境模拟光测量信号转换为第一数字环境光测量信号；以及(Vii)通过所述ADC将所述第二模拟环境光测量信号转换为第二数字环境光测量信号。所述方法可以包括通过被制造在所述半导体衬底中的测量控制器根据(i)所述第一数字温度测量信号、(ii)所述第一数字光测量信号、(iii)所述第二数字光测量信号、(iv)所述数字光差异测量信号、(V)所述第二数字温度测量信号、(vi)所述第一数字环境光测量信号和(vii)所述第二数字环境光测量信号生成测量信息。所述方法可以包括通过所述输入/输出电路和感应元件传输所述测量信息。当所述光学传感器被植入在所述活体动物内时所述方法步骤可以被执行，并且所述测量信息可以指示位于所述活体动物内的培养基中的分析物的浓度。
[0017]在一些实施例中，所述光学传感器可以是化学或者生物化学传感器。所述方法可以包括:读取存储在被制造在所述半导体衬底中的非易失性存储介质中的校准信息，并且根据所述校准信息控制所述光源。所述方法可以包括通过所述输入/输出电路和感应元件传输存储在被制造在所述半导体衬底中的非易失性存储介质中的识别信息。
[0018]在一些实施例中，所述方法可以包括当所述光源被接通时生成模拟光源偏置测量信号，并且当所述光源被接通或关闭时通过所述ADC将所述模拟光源偏置测量信号转换为数字光源偏置测量信号。可以根据所述数字光源偏置测量信号生成所述测量信息。所述方法可以包括通过场强测量电路确定无线接收的功率是否足以执行方法步骤。
[0019]在一些实施例中，所述指示剂分子可以是信号通道指示剂分子，并且所述方法可以包括使用由所述光源在被接通时发射的激发光来照射所述光学传感器的所述信号通道指示剂分子和基准通道指示剂分子。所述基准通道指示剂分子可以被配置为当所述光学传感器被植入在所述活体动物内时不与位于所述活体动物内的培养基中的分析物交互。所述方法可以包括通过所述第一光电检测器接收由所述信号通道指示剂分子发射的光并且通过所述第二光电检测器接收由所述基准通道指示剂分子发射的光。
[0020]在一些实施例中，所述活体动物可以是活人类。所述培养基可以是间质流体或血液。所述分析物可以是葡萄糖。所述分析物可以是氧。所述指示剂分子可以是荧光指示剂分子。
[0021]在又一方面中，本发明提供一种用于植入在活体动物内并且测量位于所述活体动物内的培养基中的分析物的浓度的传感器。所述光学传感器可以包括指示剂分子、半导体衬底、光电二极管、光源、模数转换器(ADC)、感应元件、输入/输出电路和测量控制器。所述指示剂分子可以具有对所述分析物的浓度做出响应的光学特性。所述指示剂分子可以被配置为当所述光学传感器被植入在所述活体动物内时与位于所述活体动物内的培养基中的分析物交互。所述光电二极管可以被制造在所述半导体衬底中，并且可以被配置为输出指示由所述光电二极管接收的光的量的模拟光测量信号。所述光源可以被配置为将激发光发射到所述指示剂分子。所述模数转换器可以被制造在所述半导体衬底中，并且可以被配置为将所述模拟光测量信号转换为数字光测量信号。所述输入/输出电路可以被制造在所述半导体衬底中并且可以被配置为经由所述感应元件无线地传输测量信息并且经由所述感应元件无线地接收测量命令和功率。所述测量控制器可以被制造在所述半导体衬底中并且可以被配置为:(i)根据所述测量命令控制所述光源；(i i)根据所述数字光测量信号生成所述测量信息；以及(iii)控制所述输入/输出电路以便无线地传输所述测量信息。
[0022]在一些实施例中，所述光电二极管可以使用互补金属氧化物半导体(CMOS)工艺在所述半导体衬底中被单片地形成。所述传感器可以包括位于所述半导体衬底上的光源安装垫，并且所述光源可以被安装在所述光源安装垫上。所述传感器可以包括被制造在所述半导体衬底中的非易失性存储介质。
[0023]下面参照附图描述本发明的上述和其它方面和特征以及本发明各种实施例的结构和应用。
【附图说明】
[0024]被并入本文并且形成说明书一部分的【附图说明】本发明的各种实施例。在附图中，相似的附图标记指示相同的或在功能上相似的元件。此外，附图标记的最左边的数字标识该附图标记在其中首次出现的附图。
[0025]图1A是说明体现本发明的方面的基于光学的传感器的简化示意剖视图。图1B-1D分别是更详细地示出基于光学的传感器的透视图、分解透视图和侧视图。
[0026]图2A和2B说明了体现本发明的方面的光学传感器的透视图。
[0027]图3A说明了体现本发明的方面的基于光学的传感器的横截面端视图。
[0028]图3B说明了根据本发明实施例的在操作中的基于光学的传感器的横截面端视图。
[0029]图3C说明了体现本发明的方面的可选的基于光学的传感器的横截面端视图。图3D说明了根据本发明实施例的在操作中的可选的基于光学的传感器的横截面端视图。
[0030]图4是说明根据本发明实施例的半导体衬底的外部传感器部件的连接的示意图，该外部传感器部件具有线圈作为感应元件。
[0031]图5是说明根据实施例的光学传感器的电路的主要功能块的方框图，其中所述电路被制造在半导体衬底中。
[0032]图6是说明根据实施例的光学传感器的电路的功能块的方框图，其中所述电路被制造在半导体衬底中。
[0033]图7说明了根据本发明实施例的半导体衬底的布局。
[0034]图8和图9说明了根据本发明的示例性可选实施例的半导体衬底的可选布局。
[0035]图10说明了根据本发明实施例位于硅衬底上的光源安装垫的布局。
[0036]图11和图12分别是根据本发明实施例可以被安装到硅衬底上的光源安装垫的倒装芯片安装的发光二极管的横截面视图和仰视图。
[0037]图13说明了根据本发明可选实施例位于硅衬底上的光源安装垫的布局。
[0038]图14说明了根据本发明示例性实施例在被配置为支撑第一和第二内部光电检测器以及第一和第二外部光电检测器的硅衬底上制造的电路的功能块。
[0039]图15说明了体现本发明方面的包括光学传感器和传感器读取器的传感器系统的示例。
[0040]图16说明了根据本发明实施例可以由光学传感器执行的传感器控制过程。
[0041]图17说明了根据本发明实施例可以由光学传感器执行以便执行由所述光学传感器接收的测量命令的测量命令执行过程。
[0042]图18说明了根据本发明实施例可以在测量命令执行过程的步骤中执行的测量和转换过程。
[0043]图19说明了根据本发明实施例可以由光学传感器执行以便执行由所述光学传感器接收的得到结果命令的得到结果命令执行过程。
[0044]图20说明了根据本发明实施例可以由光学传感器执行以便执行由所述光学传感器接收的得到识别信息命令的得到识别信