专利名称：生物传感器设备及其方法
技术领域：
本技术总体上涉及生物传感器，并且更具体来说涉及具有场效应晶体管栅极的生物传感器，所述场效应晶体管栅极与沟道区偏置定位，以便使得与连接到所述栅极和/或沟道区上的一个或多个分子探针相配合的靶标用作在偏置栅极与沟道区之间的电场分路。
背景技术：
例如检测导致在水中产生病原体的疾病的应用对传感器，特别是能够感测生物靶标的传感器有着很大的需求。建议用于生物检测的许多类型的传感器使用了诸如微流体、聚合酶链式反应(PCR)靶标放大、压电材料或离子敏感场效应晶体管(ISFET)的技术。不幸的是，许多这些技术都要求对生物样品进行过滤和培养，并且因此不适用于对流体状况进行实时监控。例如，通过分子探针功能化的ISFET传感器依赖于FET沟道区的表面附近的电荷的增加，以便表示存在靶标。这些系统通常具有大的栅极区域，由此要求高浓度的多个固定的靶标用于给定的装置，以便获得有意义的积极的测试结果。因此，在培养试验样品时，可能花费较长的时间来获得测试结果，实时结果是不实际的，并且牺牲了测量分辨率，这是由于初始浓度可能是未知的。
发明内容
一种生物传感器具有一个或多个场效应晶体管，每个场效应晶体管包括通过沟道区隔开的源极区和漏极区以及与所述沟道区偏置定位且间隔开的栅极。所述生物传感器还具有连接到所述沟道区和所述偏置栅极中的至少一个上的一个或多个分子探针，所述一个或多个分子探针被构造成与至少一个靶标相配合。一种用于靶标的检测方法包括使一个或多个靶标作为用于一个或多个生物传感器的偏置栅极与沟道区之间的电场分路而固定。靶标测量值被测定为是与具有所述电场分路的所述一个或多个生物传感器的数量成比例的。一种用于制造生物传感器设备的方法包括形成一个或多个场效应晶体管。这些场效应晶体管中的每一个包括通过沟道区隔开的源极区和漏极区以及与所述沟道区偏置定位且间隔开的栅极。一个或多个分子探针被连接到所述沟道区和所述偏置栅极中的至少一个上，所述一个或多个分子探针被构造成与至少一个靶标相配合。公开了一种计算机可读介质，计算机可读介质上存储有用于靶标检测的指令。所述指令包括机器可执行代码，所述机器可执行代码在由至少一个处理器执行时，使得所述处理器执行包括以下内容的步骤测定与具有电场分路的一个或多个生物传感器的数量成比例的靶标测量值。所述电场分路是由在用于所述一个或多个生物传感器的偏置栅极与沟道区之间固定的靶标引起的。生物感测系统具有生物传感器阵列和控制器。所述生物传感器阵列具有一个或多个场效应晶体管，所述一个或多个场效应晶体管包括通过沟道区隔开的源极区和漏极区以及与所述沟道区偏置定位且间隔开的栅极。所述生物传感器阵列还具有连接到所述沟道区和所述偏置栅极中的至少一个上的一个或多个分子探针，所述一个或多个分子探针被构造成与至少一个靶标相配合。所述控制器是连接到生物传感器阵列上的并且被构造成测定与具有电场分路的所述一个或多个场效应晶体管的数量成比例的靶标测量值，所述电场分路是由在所述偏置栅极与所述沟道区之间固定的靶标引起的。本技术提供了多个优点，包括提供更有效且高效的生物传感器设备。本文公开的技术总的来说并不依赖于靶标的离子势，而是所述技术的实施例将靶标的强偶极矩(高的相对介电常数)用作在场效应晶体管的偏置栅极与沟道区之间的电场分路。因此，所公开的生物传感器设备可以具有非常小的尺寸，这允许对单个靶标微生物进行实时检测和监控。此外，所公开的生物传感器设备并不要求分析物制备(例如，无细胞溶解、无试剂、无碎片过滤、无用于靶标放大的PCR)，并且是与现有的集成电路制造技术兼容的。
图IA是具有与沟道区偏置定位且间隔开的栅极的示例性场效应晶体管的俯视图。图IB是图IA的示例性场效应晶体管的透视图。图2是具有连接到场效应晶体管的偏置栅极上的一个或多个分子探针的示例性生物传感器的透视图。图3是具有连接到场效应晶体管的沟道区上的一个或多个分子探针的示例性生物传感器的透视图。图4是具有连接到场效应晶体管的偏置栅极和沟道区上的一个或多个分子探针的示例性生物传感器的透视图。图5是与固定的靶标相配合的图4中所示的生物传感器的透视图。图6是图4中所示的生物传感器的横截面侧视图，所述图展示了在不存在固定的靶标的情况下，在偏置栅极与沟道区之间的弱电场。图7是图5中所示的生物传感器的横截面侧视图，所述图展示了当靶标在偏置栅极与沟道区之间固定时在所述偏置栅极与所述沟道区之间的较强的电场。图8A是具有偏置栅极的示例性生物传感器的俯视图，所述偏置栅极并不是与沟道区平行间隔开的。图SB是具有在源极区上方的偏置栅极的示例性生物传感器的俯视图。图SC是具有在漏极区上方的偏置栅极的示例性生物传感器的俯视图。图8D和图SE是具有与沟道区偏置定位且间隔开的多个偏置栅极的示例性生物传感器的俯视图。 图9是示例性生物传感器阵列。图10是其中多个生物传感器共享一个共用的偏置栅极的示例性生物传感器阵列。图11是具有共享的漏极区和源极区的示例性生物传感器阵列。图12是具有第一组生物传感器、第二组生物传感器、参考场效应晶体管以及寻址电路的示例性生物传感器阵列，所述第一组生物传感器具有被构造成与第一靶标相配合的偏置栅极，所述第二组生物传感器具有被构造成与第二靶标相配合的偏置栅极。
图13是用于靶标检测的示例性方法的流程图。图14是用于经过功能化以便与靶标生物种相配合的压电悬臂梁的共振频率随时间变化的图表。图15是示例性生物感测系统。应了解，为清楚起见并且在认为需要的情况下，已在这些图中重复使用参考数字来指示相应的特征。图不一定是按比例绘制的。虽然本文通过举例而针对若干实施方案和示意图描述了用于靶标检测的生物传感器设备和方法，但本领域技术人员将认识到，所述系统和方法并不限于所描述的实施方案或图式。应理解，本文的图式和详细描述并不旨在使实施方案限于所公开的特定形式。而是，本发明将覆盖落在所附权利要求书的精神和范围内的所有修改、等效物以及替代物。本文使用的任何标题都是仅用于组织目的并且并不意图限制说明书和权利要求书的范围。如本文所使用，词语“可以”是在容许意义上使用的(即，意味着有可能)，而不是强制性意义的(即，意味着必须)。类似地，词语“包括(include, including, includes) ”意味着包括，但不限于。
具体实施例方式图IA是具有与沟道区24偏置定位且间隔开的栅极22的示例性场效应晶体管(FET) 20的俯视图。图IB是图IA的示例性FET 20的透视图。FET 20具有通过沟道区24隔开的源极区26和漏极区28。在某些实施方案中，源极区26、漏极区28以及沟道区24形成于衬底(未示出)中。FET 20衬底的非限制性实例可以包括硅和砷化镓。源极区26和漏极区28可以包括第一类型的半导体，而沟道区24可以包括第二类型的半导体。用于形成源极区26、漏极区28以及沟道区24的适当类型的半导体对于本领域技术人员是已知的并且可以很容易地取决于实施方案进行选择。沟道区24具有沿长度(L)轴的沟道长度以及沿宽度(W)轴的沟道宽度。在图IA和图IB的实施方案中，栅极22是在平行于W轴的方向上与沟道区24间隔开的。栅极22还在平行于高度(H)轴的方向上与沟道区24正交偏置。在这个实施方案中，栅极22具有平行于H轴的栅极高度以及平行于L轴的栅极长度。在其它实施方案中，栅极22可能具有其它的位置和/或甚至可能存在用于FET的多个偏置栅极。在这个实施方案中，栅极22的长度大致平行于沟道区24的长度。如图I中所示，偏置栅极FET (OGFET) 20的表面都尚未被功能化来与靶标物质相配合。因此，在这个构造中，OGFET 20可能充当参考FET。OGFET20是如下论述的生物传感器的构建块之一。图2是与上述OGFET实施方案类似的示例性生物传感器30的透视图，所述示例性生物传感器具有连接到场效应晶体管的偏置栅极22上的一个或多个分子探针32 (通过点画示出)，所述场效应晶体管具有通过沟道区24隔开的源极区26和漏极区28。可替代地，在某些实施方案中，如图3的透视图中所示，生物传感器34可以具有连接到沟道区24上的一个或多个分子探针36 (通过点画示出)。沟道区24将通常被诸如但不限于二氧化硅的沟道绝缘体(为了便于解释而未示出)覆盖，并且所述一个或多个分子探针36可以通过首先连接到沟道绝缘体上而间接地连接到沟道区24上。在另外的实施方案中，如图4的透视图中所示，生物传感器38可以具有连接到偏置栅极22和沟道区24 二者上的一个或多个分子探针40 (通过点画示出)。
如图5的透视图中所示，所述一个或多个分子探针40被构造成与至少一个靶标42相配合。适当的靶标42的非限制性实例包括微生物病原体、细菌、病毒、毒素、寄生物、分子、小球隐孢子虫原生动物、人隐孢子虫、大肠杆菌、霍乱弧菌、肉毒梭菌、伤寒沙门菌、沙门菌属、甲型肝炎病毒、痢疾志贺菌、痢疾阿米巴变形虫、脊髓灰质炎病毒、兰伯贾第虫原生动物、痢疾阿米巴、环孢子虫、微孢子虫、裂体吸虫属、麦地那龙线虫、肉毒杆菌、空肠弯曲菌、霍乱弧菌、海洋分枝杆菌、嗜肺军团菌以及钩端螺旋体属细菌。适当的分子探针40对于本领域技术人员是已知的并且可以被用来取决于实施方案使用于特定靶标的偏置栅极22和/或沟道区24功能化。图6是图4中所示的生物传感器38的横截面侧视图，这个图展示了在不存在固定的靶标的情况下，在偏置栅极22与沟道区24之间的弱电场44。偏置栅极22被构造成接收栅极偏压。偏置栅极22是与沟道区24间隔开且偏置定位的，这样使得栅极偏压在不存在固定的靶标的情况下形成弱电场44。弱电场44没有强到足以在沟道区24中形成反型层，由此大致防止了除漏电流外的任何东西在源极区与漏极区之间传递。在这种情况下，生物传感器38似乎处于关闭状态，这表示不存在任何靶标。图7是图5中所示的生物传感器38的横截面侧视图，这个图展示了当靶标42在偏置栅极22与沟道区24之间被固定时，在偏置栅极22与沟道区24之间的较强的电场46。对于给定的栅极偏压或栅极偏压的范围来说，沟道区24和栅极22是基于靶标42的覆盖区相对于彼此定位的，以便使得与所述一个或多个分子探针40相配合的靶标42用作偏置栅极22与沟道区24之间的电场分路。诸如微生物病原体的靶标物质通常具有非常强的偶极矩，从而导致了非常高的相对介电常数。例如，在低频率下大肠杆菌的相对介电常数近似为800，000。因此，在靶标42固定后，在偏置栅极22与沟道区24之间的区域有效地填充有极高的相对介电常数的材料。在这种情况下，来自偏置栅极22上的适当偏压的电场46足以在源极区与漏极区之间形成沟道反型层48，由此表示存在固定的靶标病原体。在这种情况下，电流可以在源极区26与漏极区28之间流动，并且生物传感器38似乎处于打开状态，这表示存在IE标42。如上所述，连接到沟道区和/或偏置栅极上的给定的一个或多个分子探针40可以被选来与一个或多个靶标相配合。某些实施方案可以被构造成使单个靶标固定。在此类构造中，确定沟道长度和宽度的尺寸以与靶标的覆盖区相匹配可能是令人希望的。可替代地，或额外地，在某些实施方案中确定栅极高度和长度的尺寸以与靶标的覆盖区相匹配可能是令人希望的。通过此类确定尺寸，一旦通过连接到栅极和/或沟道区上的一个或多个分子探针使单个靶标固定，传感器就能够检测靶标的单个例子，同时靶标保持结合到所述一个或多个分子探针上(与之相配合)。此外，本领域技术人员可以选择一个或多个分子探针，以便使靶标结合能适于使得在一个或多个分子探针与靶标之间的结合被破坏之前，能够进行沟道区的电气询问。取决于实施方案，偏置栅极可以存在于除已描述的那些构造之外的一个或多个各种各样的构造中。例如，图8A是具有偏置栅极52的示例性生物传感器50的俯视图，所述偏置栅极并不是与沟道区24平行间隔开的。图SB是具有在源极区26上方的偏置栅极56的示例性生物传感器54的俯视图。在此类实施方案中，栅极56将会需要与源极区26电气绝缘。在本领域技术人员已知的其它适当的绝缘体选择中，此类绝缘尤其可能呈二氧化硅的形式。图8C是具有在漏极区28上方的偏置栅极60的示例性生物传感器58的俯视图。在此类实施方案中，栅极60将会再次需要与漏极区28电气绝缘。图8D和图SE分别是具有多个偏置栅极66、68和70、72的示例性生物传感器62和64的俯视图，所述多个偏置栅极是与沟道区24偏置定位且间隔开的。就像在先前所述的实施方案中一样，虽然图8A至图8E的沟道区和偏置栅极均被展示为是通过一个或多个分子探针40功能化的，但仅沟道区中的一个或多个和/或栅极中的一个需要连接到所述一个或多个分子探针上。可以使用现有的集成电路和微电子机械系统(MEMS)制造技术来制造上述传感器的实施方案及其等效物。因此，一个或多个生物传感器可以在单个阵列上成批构建和/或作为集成电路的一部分构建。图9是示例性生物传感器阵列74。阵列74具有多个OGFET76，已在上文描述了这些OGFET 76的特征。在这个实施例中，OGFET 76各自具有它们自己的功能化的偏置栅极78。取决于实施方案，偏置栅极78可以均被功能化来与同一类型的靶标相配合。在其它实施方案中，不同组的偏置栅极可以被功能化来与不同类型的靶标相配合。用于访问用于每个FET生物传感器的源极区26、漏极区28以及栅极78的电路跟踪包括有传感器阵列74，但为简单起见而未示出。本领域技术人员可以很容易地制造电路跟踪和/或寻址电路，以便提供对个体传感器78的访问和/或寻址。图10是其中多个生物传感器82共享共用的偏置栅极84的另一个示例性生物传感器阵列80。使用共享的栅极84可以简化阵列80中所需的电路跟踪的数量。图11是又一个示例性生物传感器阵列86。阵列86具有多个OGFET 88，这些OGFET88具有共享的漏极区和源极区90。每个OGFET传感器88都可以独立于其邻近物被寻址和读出，并且共享的漏极区和源极区90使得传感器的间距更加紧密并可以减少阵列86所需的电路跟踪的总数量。图12是另一个示例性生物传感器阵列92。阵列92具有第一组OGFET生物传感器94，所述第一组OGFET生物传感器具有被构造成与第一靶标相配合的偏置栅极96 ；以及第二组生物传感器98，所述第二组生物传感器具有被构造成与第二靶标相配合的偏置栅极100。这个实施方案还具有至少一个参考场效应晶体管20，所述参考场效应晶体管没有任何功能化的表面。参考FET 20可以被监控来测定参考读数，所述参考读数可以被从功能化的传感器读数中减去以从生物传感器测量值中去除不想要的背景噪声。这个实施方案中的阵列92还具有寻址电路102，以便在阵列92与可能连接到所述阵列92上的处理装置之间提供更加简化的接口。寻址电路的类型对于本领域技术人员是熟知的，并且可以包括(例如)一个或多个输入解码器、一个或多个输出解码器和/或用于查询和读出个体传感器104的数据缓冲器。生物传感器阵列的其它实施方案可以仅仅提供用于每个传感器元件的电路跟踪并且将所述传感器元件留给一个或多个外部装置，以便处理寻址。图13是用于靶标检测的示例性方法的流程图。在步骤106中，使一个或多个靶标物质作为在用于一个或多个生物传感器的偏置栅极与沟道区之间的电场分路而固定。连接到上述OGFET生物传感器实施方案的沟道区和/或偏置栅极上的一个或多个分子探针及其等效物提供了用于完成这个动作的适当的结构。同样如所述，所述固定并不一定需要是永久的或持久的。相反，所述一个或多个分子探针可以具有靶标结合能，所述靶标结合能适于使得(例如在以下步骤中)在所述一个或多个分子探针与靶标之间的结合被破坏之前，能够进行沟道区的电气询问。
在步骤108中，靶标物质测量值被测定为是与具有电场分路的所述一个或多个生物传感器的数量成比例的。在某些实施方案中，这可以通过以下步骤来完成在读出时间期间监控所述一个或多个生物传感器中的每一个，以便计算具有所述电场分路的所述一个或多个生物传感器的数量。如上所述，如果栅极偏压被施加到偏置栅极上，同时靶标与偏置栅极和/或沟道区上的一个或多个分子探针相配合，那么电流将在源极区与漏极区之间流动。由于每个传感器都被询问，所以可以针对每个传感器计算电流的流动或来自电流流动的相应电压的读数。在某些实施方案中，如步骤110中所示，可以在读出时间内基于具有电场分路的所述一个或多个生物传感器的数量的计数来测定靶标的浓度。例如，图14是用于被功能化来与靶标生物种相配合的压电悬臂梁(不同类型的功能化的传感器)的共振频率随时间变化的图表。在相关实验中，在lmL/min下的流动配置中，功能化的压电悬臂梁的共振频率被观察出是依赖于病原体的浓度。对共振频率的减少的测量是对靶标病原体的固定的指示。对卵囊的三个不同的浓度(100、1，000以及10，000每毫升)进行了研究。图14中曲线的观察结果表明，针对每个浓度的共振频移饱和是以近似相同的时间间隔(固定时间常数)达到的，并且更重要的是，所述共振频移是依赖于浓度的。在不希望与特定理论相关联的情况下，这最有可能是因有限的平均固定保留时间而引起的。这个观察结果已导致了以下发现可以专门定制分子探针使其具有靶标结合能。如上所述，在某些实施方案中，可以选择结合能，这样靶标将在足以进行电气询问以及因此进行检测的平均保留时间内保持是固定的。然而，在超出所述平均固定保留时间的情况下，靶标/探针结合将破坏，从而形成自我再生的检测阵列。自我再生的生物传感器阵列具有在成本以及减少维护方面的显著优点。这在其中更换生物传感器阵列不容易实现的第三世界的位置是特别重要的。在某些实施方案中，读出时间可能小于用于靶标的固定时间常数，以便于实时读数，所述实时读数对浓度的波动更加敏感。例如，在步骤112中，可能在读出时间内重复对靶标物质测量值的测定，所述读出时间小于用于所述靶标物质的固定时间常数，以便监控所述靶标物质测量值的实时变化。在其它实施方案中，读出时间可能比固定时间常数要长，以便确保实现稳态的读出。在某些实施方案中，不是保持传感器单元的计数，而是靶标测量值可以通过测量用于具有电场分路的一个或多个生物传感器的总电流而被测定为是与所述一个或多个生物传感器的数量成比例的。图15是示例性生物感测系统114。系统114具有生物传感器阵列116，所述生物传感器阵列具有一个或多个场效应晶体管118，所述场效应晶体管118中的每一个包括通过沟道区24隔开的源极区26和漏极区28以及与沟道区24偏置定位且间隔开的栅极22，如在以上实施方案中所论述。也如先前所论述，一个或多个分子探针连接到沟道区24和偏置栅极22中的至少一个上，所述一个或多个分子探针被构造成与至少一个靶标相配合。在这个实施方案中，生物传感器阵列116还具有寻址电路120，以便提供对一个或多个OGFET118的访问。系统114还具有控制器122，所述控制器连接到生物传感器阵列116上并且被构造成测定与具有电场分路的所述一个或多个生物传感器118的数量成比例的靶标测量值，所述电场分路是由在用于所述一个或多个场效应晶体管的偏置栅极与沟道区之间固定的靶标引起的。用于靶标测量值的测定的适当方法已在上文进行了描述。
控制器122被连接用于与寻址电路120进行通信，然而控制器122可以连接到其它数量和类型的系统、装置、部件以及其它构造中的其它元件上。在这个实施例中，控制器122是一个计算装置，所述计算装置具有通过总线或其它数量和类型的链路连接在一起的至少一个中央处理单元(CPU)或处理器、至少一个存储器以及一个接口单元，然而控制器122可能包括其它数量和类型的系统、装置、部件以及其它构造中的其它元件。控制器122的中央处理单元(CPU)或处理器执行用于本文所述技术的一个或多个方面的所存储指令的程序。控制器122的存储器存储了用于本文所述技术的一个或多个方面的这些经过编程的指令，然而这些经过编程的指令中的一些或所有可能在其它地方被存储和/或执行。多种不同类型的存储器存储装置，例如，系统中的随机存取存储器(RAM)或只读存储器(ROM)或软盘、硬盘、⑶ROM、DVD ROM或通过连接到控制器122的处理器上的磁性系统、光学系统或其它读出和/或写入系统读出和/或写入的其它计算机可读介质，可以用于控制器122的存储器。控制器122的接口单元用于使控制器122与寻址电路120之间的通信操作性地连接，然而其它类型和数量的系统、装置、部件以及其它元件也可能连接在一起以用于通信。尽管示例性控制器122已在本文进行了描述和图解，但也可能使用其它类型和数量的系统、装置、部件以及其它构造中的其它元件。将理解的是，本文描述的控制器122是用于示例性目的，这是由于用于实施实施例的特定硬件和软件的很多变体是可能的，如相关领域的技术人员将了解。此外，可以使用根据实施例的传授内容进行编程的一个或多个通用计算机系统、微处理器、特定应用集成电路、现场可编程门阵列、数字信号处理器以及微控制器来很方便地实施控制器122，如本文所描述和图解，并且如本领域技术人员将理解。另外，在任何实施例中，两个或更多的计算系统或装置可以取代控制器122。因此，根据需要，也可以实施分布式处理的原理和优点，例如，冗余和复制，以便增加这些实施例的装置和系统的稳健性和性能。也可以使用任何适当的接口机构和通信技术在计算机系统或横跨任何适当的网络延伸的系统上实施这些实施例，所述通信技术包括(仅通过以下举例)呈现任何适当形式的电信(例如，声音和调制解调器)、无线通信介质、无线通信网络、蜂窝式通信网络、G3通信网络、公共交换电话网(PSTN)、分组数据网(TON)、互联网、内联网及其组合。控制器122的操作实施例也可以体现为计算机可读介质124，所述计算机可读介质上存储有用于如本文所描述和图解的技术的一个或多个方面的指令，所述指令在由处理器执行时，使得所述处理器执行实施实施例的方法所必需的步骤，如本文所描述和图解。在已如此描述了本发明的基本概念的情况下，对于本领域技术人员来说相当明显的是，先前详述的公开旨在仅通过举例来呈现，并且是非限制性的。将出现不同的更改、改善以及修改，并且目的是针对本领域技术人员的，然而本文并没有进行明确说明。这些更改、改善以及修改旨在被特此提出，并且是在本发明的精神和范围内的。另外，处理元件或序列的所列举顺序或为此数字、字母或其它标号的使用并不旨在将所要求的过程限制为任何顺序，除非在所附权利要求书中进行指明。因此，本发明仅通过所附权利要求书及其等效物来限制。
权利要求
1.一种生物传感器设备，包括 一个或多个场效应晶体管，所述场效应晶体管中的每一个都包括通过沟道区隔开的源极区和漏极区以及与所述沟道区偏置定位且间隔开的栅极；以及 连接到所述沟道区和所述偏置栅极中的至少一个上的一个或多个分子探针，所述一个或多个分子探针被构造成与至少一个靶标相配合。
2.如权利要求I所述的生物传感器，其中所述源极区和所述漏极区各自包括第一类型的半导体并且所述沟道区包括第二类型的半导体。
3.如权利要求I所述的生物传感器，其中所述场效应晶体管中的每一个进一步包括衬底，在所述衬底中形成了所述源极区、所述漏极区以及所述沟道区。
4.如权利要求I所述的生物传感器，其中所述沟道区具有的沟道长度和沟道宽度被近似地确定尺寸来与所述靶标的覆盖区相匹配。
5.如权利要求I所述的生物传感器，其中所述栅极具有的栅极高度和栅极长度被近似地确定尺寸来与所述靶标的覆盖区相匹配。
6.如权利要求I所述的生物传感器，其中所述栅极具有的长度大致平行于所述沟道区的长度。
7.如权利要求I所述的生物传感器，其中所述栅极在所述源极区上方。
8.如权利要求I所述的生物传感器，其中所述栅极在所述漏极区上方。
9.如权利要求I所述的生物传感器，进一步包括至少一个额外的偏置栅极。
10.如权利要求I所述的生物传感器，其中所述靶标是选自由以下内容组成的群组微生物病原体、细菌、病毒、毒素、寄生虫、分子、小球隐孢子虫原生动物、人隐孢子虫、大肠杆菌、霍乱弧菌、肉毒梭菌、伤寒沙门菌、沙门菌属、甲型肝炎病毒、痢疾志贺菌、痢疾阿米巴变形虫、脊髓灰质炎病毒、兰伯贾第虫原生动物、痢疾阿米巴、环孢子虫、微孢子虫、裂体吸虫属、麦地那龙线虫、肉毒杆菌、空肠弯曲菌、霍乱弧菌、海洋分枝杆菌、嗜肺军团菌以及钩端螺旋体属细菌。
11.如权利要求I所述的生物传感器，其中所述沟道区和栅极是基于所述靶标的覆盖区相对于彼此定位的，以便使得与所述一个或多个分子探针相配合的靶标用作在所述偏置栅极与所述沟道区之间的电场分路。
12.如权利要求I所述的生物传感器，其中所述偏置栅极被构造成接收栅极偏压并且与所述沟道区是间隔开的并偏置定位，这样使得 在不存在通过所述一个或多个分子探针固定的靶标同时所述栅极偏压被施加到所述偏置栅极上的情况下，在所述沟道区中不会形成反型层；以及 当所述靶标通过所述一个或多个分子探针固定同时所述栅极偏压被施加到所述偏置栅极上时，在所述沟道区中形成所述反型层。
13.如权利要求I所述的生物传感器，其中所述一个或多个分子探针具有靶标结合能，所述靶标结合能适于使得在所述一个或多个分子探针与所述靶标之间的结合被破坏之前，能够进行所述沟道区的电气询问。
14.如权利要求I所述的生物传感器，其中所述一个或多个场效应晶体管中的至少一个的源极区包括所述一个或多个场效应晶体管中的另一个的漏极区。
15.如权利要求I所述的生物传感器，其中所述一个或多个场效应晶体管中的至少两个的栅极包括一个共享的栅极。
16.如权利要求I所述的生物传感器，其中所述一个或多个场效应晶体管包括第一组的一个或多个场效应晶体管和第二组的一个或多个场效应晶体管； 连接到用于所述第一组的一个或多个场效应晶体管中的每一个的所述沟道区和所述偏置栅极中的至少一个上的所述一个或多个分子探针被构造成与第一靶标相配合；以及 连接到用于所述第二组的一个或多个场效应晶体管中的每一个的所述沟道区和所述偏置栅极中的至少一个上的所述一个或多个分子探针被构造成与第二靶标相配合。
17.如权利要求I所述的生物传感器，进一步包括一个或多个参考场效应晶体管，所述参考场效应晶体管中的每一个都包括通过沟道区隔开的源极区和漏极区以及与所述沟道区偏置定位的栅极。
18.如权利要求I所述的生物传感器，进一步包括被构造成对所述一个或多个场效应晶体管进行寻址的电路。
19.一种用于靶标的检测的方法，所述方法包括 提供具有偏置栅极和沟道区的一个或多个生物传感器，所述生物传感器被构造成与一个或多个靶标相配合并且形成电场分路；以及 提供控制器，所述控制器测定与具有所述电场分路的所述一个或多个生物传感器的数量成比例的靶标测量值。
20.如权利要求19所述的方法，其中所述提供所述控制器进一步包括提供所述控制器，所述控制器被进一步构造成在读出时间期间监控所述一个或多个生物传感器中的每一个以计算具有所述电场分路的所述一个或多个生物传感器的所述数量。
21.如权利要求20所述的方法，其中所述提供所述控制器进一步包括提供所述控制器，所述控制器被构造成在所述读出时间内基于具有所述电场分路的所述一个或多个生物传感器的所述数量的所述计数来测定所述靶标的浓度。
22.如权利要求21所述的方法，其中所述读出时间小于用于所述靶标的固定时间常数。
23.如权利要求19所述的方法，其中所述提供所述控制器包括提供所述控制器，所述控制器被构造成在读出时间内重复对所述靶标测量值的所述测定以监控所述靶标测量值的实时变化，所述读出时间小于用于所述靶标的固定时间常数。
24.如权利要求19所述的方法，其中所述靶标测量值包括用于所述一个或多个生物传感器的总电流。
25.一种用于制造生物传感器设备的方法，所述方法包括 形成一个或多个场效应晶体管，所述场效应晶体管中的每一个都包括通过沟道区隔开的源极区和漏极区以及与所述沟道区偏置定位且间隔开的栅极；以及 将一个或多个分子探针连接到所述沟道区和所述偏置栅极中的至少一个上，所述一个或多个分子探针被构造成与至少一个靶标相配合。
26.如权利要求25所述的方法，其中所述源极区具有的沟道长度和沟道宽度被近似地确定尺寸以与所述靶标的覆盖区相匹配。
27.如权利要求25所述的方法，其中所述栅极具有的栅极高度和栅极长度被近似地确定尺寸以与所述靶标的覆盖区相匹配。
28.一种计算机可读介质，所述计算机可读介质上存储有用于靶标的检测的指令，所述指令包括机器可执行代码，所述机器可执行代码在由至少一个处理器执行时，使得所述处理器执行包括以下各项的步骤 识别具有电场分路的一个或多个生物传感器的数量，所述电场分路是由在用于所述一个或多个生物传感器的偏置栅极与沟道区之间固定的靶标引起的；以及 测定与一个或多个生物传感器的所述识别出的数量成比例的靶标测量值，所述一个或多个生物传感器具有由在所述偏置栅极与所述沟道区之间固定的所述靶标引起的所述电场分路。
29.如权利要求28所述的介质，其中所述识别具有电场分路的一个或多个生物传感器的数量进一步包括在读出时间期间监控所述一个或多个生物传感器中的每一个，以便计算具有所述电场分路的所述一个或多个生物传感器的所述数量，所述电场分路是由在用于所述一个或多个生物传感器的偏置栅极与沟道区之间固定的靶标引起的。
30.如权利要求29所述的介质，进一步包括在所述读出时间期间基于具有所述电场分路的所述一个或多个生物传感器的所述数量的所述计数来测定所述靶标的浓度。
31.如权利要求29所述的介质，其中所述读出时间小于用于所述靶标的固定时间常数。
32.如权利要求28所述的介质，进一步包括在读出时间内重复所述识别和所述测定以监控所述靶标测量值的实时变化，所述读出时间小于用于所述靶标的固定时间常数。
33.如权利要求29所述的介质，其中所述测定所述靶标测量值是基于用于所述一个或多个生物传感器的总的测量电流的。
34.一种生物感测系统，包括 一个生物传感器阵列，包括 一个或多个场效应晶体管，所述场效应晶体管中的每一个都包括通过沟道区隔开的源极区和漏极区以及与所述沟道区偏置定位且间隔开的栅极；以及 连接到所述沟道区和所述偏置栅极中的至少一个上的一个或多个分子探针，所述一个或多个分子探针被构造成与至少一个靶标相配合；以及 连接到所述生物传感器阵列上并且被构造成测定与具有电场分路的所述一个或多个场效应晶体管的数量成比例的靶标测量值的控制器，所述电场分路是由在所述偏置栅极与所述沟道区之间固定的所述靶标弓I起的。
35.如权利要求34所述的系统，其中所述偏置栅极被构造成接收栅极偏压并且是与所述沟道区间隔开的并偏置定位，这样使得 在不存在通过所述一个或多个分子探针固定的所述靶标同时所述栅极偏压被施加到所述偏置栅极上的情况下，在所述沟道区中不会形成反型层；以及 当所述靶标通过所述一个或多个分子探针固定同时所述栅极偏压被施加到所述偏置栅极上时，在所述沟道区中形成所述反型层。
36.如权利要求34所述的系统，其中所述一个或多个分子探针具有靶标结合能，所述靶标结合能适于使得在所述一个或多个分子探针与所述靶标之间的结合被破坏之前，能够进行所述沟道区的电气询问。
37.如权利要求34所述的系统，其中所述生物传感器阵列进一步包括一个或多个参考场效应晶体管，所述参考场效应晶体管中的每一个都包括通过沟道区隔开的源极区和漏极区以及与所述沟道区偏置定位的栅极。
38.如权利要求34所述的系统，进一步包括被构造成对所述一个或多个场效应晶体管进行寻址的电路。
39.如权利要求34所述的系统，其中所述控制器进一步被构造成在读出时间内基于具有所述电场分路的所述一个或多个场效应晶体管的所述数量的计数来测定所述靶标的浓度。
40.如权利要求39所述的系统，其中所述读出时间小于用于所述靶标的固定时间常数。
全文摘要
生物传感器具有一个或多个场效应晶体管，每个场效应晶体管包括通过沟道区隔开的源极区和漏极区以及与所述沟道区偏置定位且间隔开的栅极。所述生物传感器还具有连接到所述沟道区和所述偏置栅极中的至少一个上的一个或多个分子探针，所述一个或多个分子探针被构造成与至少一个靶标相配合。还公开了一种靶标的检测方法。一个或多个靶标作为在用于一个或多个生物传感器的偏置栅极与沟道区之间的电场分路而被固定。靶标测量值被测量为是与具有所述电场分路的所述一个或多个生物传感器的数量成比例的。
文档编号G01N27/414GK102985814SQ201180031686
公开日2013年3月20日 申请日期2011年7月15日 优先权日2010年7月20日
发明者迈克尔·波特 申请人:Nth技术公司