CN101405410A

CN101405410A - 具有传感器阵列的微电子传感器装置

Info

Publication number: CN101405410A
Application number: CNA2007800098436A
Authority: CN
Inventors: M·T·约翰逊; H·R·施塔伯特; M·W·G·蓬吉
Original assignee: Koninklijke Philips Electronics NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 2006-03-21
Filing date: 2007-03-01
Publication date: 2009-04-08
Anticipated expiration: 2027-03-01
Also published as: CN101405076B; CN101405410B; CN101405076A; CN101405409A

Abstract

本发明涉及微电子传感器装置的不同设计，所述微电子传感器装置包括与样品室(SC)相邻且彼此对准的加热元件(HE)的阵列和传感器元件(SE)的阵列。通过向所述加热元件(HE)施加适当的电流，能够根据预期温度分布对所述样品室进行加热。

Description

具有传感器阵列的微电子传感器装置

技术领域

本发明涉及用于分析样品室中的样品的具有传感器元件阵列的微电子传感器装置。此外，本发明还涉及将这样的微电子传感器装置用作生物传感器。

背景技术

生物传感器往往需要受到良好控制的工作温度，例如，这是因为很多生物分子仅在小温度窗口中(通常在37℃附近)稳定，或者当温度处于该温度窗口之外时，这些生物分子将变得失去活性。对于杂交分析而言，温度调节尤其具有相当高的重要性。在这些分析中，往往采用温度调节DNA链与其互补链结合的严格度(stringency)。例如，在对单点突变感兴趣时，需要高严格度。与野生型相比，单点突变杂交的解链温度范围(即，DNA链的变性)的差异只能小于5℃。在杂交过程中对严格性的控制尤其能够为(例如)DNA微阵列上的DNA杂交的多参数测试提供额外的灵活性。在这些分析中，还想通过得到良好控制的方式使温度斜升，从而在多路传输格式(multiplexed format)中的各突变之间加以区分。

在US 6864140B2中，通过具有薄膜晶体管形式的局部加热元件解决了一些上述问题，其中所述薄膜晶体管形成在与发生(生物)化学反应的样品室相邻的衬底上的多晶硅上。然而，利用这种已知的装置不可能对样品室中的样品做进一步的分析。此外，US 6867048B2公开了一种微电子生物传感器，其中将具有传感器元件阵列的微芯片设置在具有加热元件的膜上。该膜允许通过对所有传感器元件均采取相同的方式来控制相邻样品室中的温度。

发明内容

由WO 93/22678可知一种方法和一种设备，其采用形成在衬底上的单片测试点阵列识别样品内的分子结构。每一测试点包括用于与预定分子目标结合的探头，其中在所述设备的制造过程中，通过采用激光束或集成加热元件对所述测试点进行选择性的加热来固定所述探头。

基于这种情况，本发明的目的在于在微电子传感器装置中提供用于对样品进行更为通用的温控分析的模块。

这一目的是通过根据权利要求1所述的微电子传感器装置和根据权利要求36所述的使用实现的。在从属权利要求中公开了优选实施例。

根据本发明的微电子传感器装置用于分析样品，尤其是液体或气体化学物质，例如可以含有颗粒的生物体液。其包括下述部件：

a)其中能够提供所要分析的样品的样品室。样品室通常是空腔或填充有诸如凝胶的某种可以吸收样品物质的物质的腔；其可以是敞口腔、封闭腔或通过流体连接通道连接至其他腔的腔。

b)“感测阵列”，其包括多个传感器元件，所述传感器元件用于感测样品室中的样品的特性，例如，流体中的特定目标分子的浓度。就最为一般的意义而言，在本发明中，术语“阵列”表示多个元件(例如，传感器元件)的任意三维布置。典型地，这样的阵列是二维的，并且还优选是平面的，并且按照规则图案，例如网格或矩阵图案布置所述(传感器)元件。

此外，应当注意，这里假设一种“与样品室的子区域的热交换”，如果这种交换在所述子区域中强到足以激发样品的期望/可观察到的反应的话。这一定义应当排除小的“寄生”热效应，所述热效应不可避免地与任何有源过程(active process)，例如，与电流相关联。典型地，本发明的意义上的热流大于0.01W/cm2，并且延续时间超过1毫秒。

c)“加热阵列”，其包括多个加热元件，所述加热元件用于在受到电能驱动时至少与样品室的子区域交换热量。所述加热元件可以优选将电能转换成传递到样品室中的热量。然而，也可能在消耗电能的情况下所述加热元件从样品室吸收热量，并将其传递到其他地方。

d)用于在感测样品室中的样品的过程中或之前有选择地驱动加热元件(即，向其提供电能)的控制单元。

前述微电子传感器装置的优点在于，能够在由传感器元件对样品室进行检测的同时通过加热元件对其进行温度控制。这样允许在测量过程中在样品室中建立最佳温度条件，从而显著提高测试准确度，甚至使某些测试完全成为可能。

所述控制单元优选适于驱动加热元件，从而在样品室中取得预期的空间和/或时间温度分布。这允许为例如敏感生物样品的操纵提供最佳(尤其是非均匀和/或动态)条件。

根据所述微电子传感器装置的优选实施例，使加热元件相对于传感器元件对准。“对准”是指在加热阵列中的加热元件和感测阵列中的传感器元件的位置之间存在固定(平移不变)关系；例如，可以使加热元件和传感器元件成对布置，或者可以使每一个加热元件与由几个传感器元件构成的组相关(反之亦然)。所述对准的优点在于，加热元件和传感器元件在不同的位置处具有相似的相互作用。因此，在整个阵列上提供了均匀/周期性的条件。

如果传感器元件和加热元件在感测阵列和加热阵列中的布置图案分别相同，则将在传感器元件和加热元件之间获得优选的对准类型。在这种情况下，每一个传感器元件仅与一个加热元件相关。

在可选实施例中，不止一个加热元件与每一个传感器元件相关。这允许产生空间非均匀的加热分布，由此能够在一个传感器元件的区域中导致空间非均匀或者空间均匀的温度分布，从而实现更好的温度控制。优选地，在加热元件和传感器元件之间也存在上述类型的对准。

例如，感测阵列可以包括光、磁、机械、声、热和/或电传感器元件。例如，在WO 2005/010543A1和WO 2005/010542A2(在此将其引入本文以供参考)中描述了一种具有磁传感器元件的微电子传感器装置。所述装置用作微流体生物传感器，用于检测利用磁珠标记的生物分子。所述装置设有传感器单元阵列，其包括用于产生磁场的线和用于检测由磁化珠所产生的杂散场的巨磁阻器件(GMR)。此外，在WO 93/22678中描述了光、机械、声和热传感器概念，在此将其引入本文以供参考。

根据所述微电子传感器装置的一个实施例，将加热阵列和感测阵列设置在样品室的相对侧上。这种布置能够容易地与生物传感器的已知设计结合，因为只是样品室的盖必须被加热阵列所替换。

在可选实施例中，将加热阵列和感测阵列设置在样品室的同一侧上。在这种情况下，可以按照一个叠一个的分层结构布置所述阵列，或者可以将所述阵列合并成一层。

在前述具有分层结构的实施例中，优选将感测阵列设置在样品室和加热阵列之间。因此，其将尽可能接近样品室，从而保证与样品接触的最佳途径。

如果加热阵列包括设置在样品室的不同侧(尤其是相对侧)上的两个部分，则可以将上述加热阵列相对于样品室和感测阵列的布置相结合。从相对侧加热样品室允许在其中产生更为均匀的温度，以及有意地产生例如从一侧指向另一侧的温度梯度。

根据所述微电子传感器装置的另一实施例，使控制单元位于加热元件的阵列之外，并通过电源线连接到加热元件，所述电源线能够有选择地将电能传送到(或带离)加热元件。由于所传递的电能的量或速度决定与样品室交换热量的程度，因此控制单元必须适当地分配所传递的电能，以便在样品室中获得预期的温度分布。通过这种方法能够使加热阵列保持最为简单的形式，因为加热元件只需将电能转换为热量，而无需进行进一步的处理，即，所述加热元件例如可以通过简单的电阻器来实现。

在前述实施例的进一步扩展中，控制单元包括用于将所述控制单元耦合到电源线的多路分配器。这允许使用一个电路为几条电源线(依次)提供电功率。

根据所述微电子传感器装置的另一实现方式，每一个加热元件与本地驱动单元相关，其中所述驱动单元几何位于加热元件处(即在其附近)并与之耦合。这种本地驱动单元能够接管某些控制任务，因此缓解了控制单元的压力。

在前述实施例的另一扩展中，将本地驱动单元耦合到公共电源线，并将加热元件耦合到另一公共电源线(例如，地)。在这种情况下，由每一本地驱动单元确定从公共电源线获得的电能或功率的量。在适当分配的电能量不必通过整个阵列传输到某一加热元件的情况下，这将简化设计。

在具有本地驱动单元的微电子传感器装置的另一实施例中，控制单元的一部分位于加热元件的阵列之外，并通过用于传送控制信号的控制线连接到本地驱动单元(其构成了控制单元的剩余部分)。在这种情况下，控制单元的外侧部分能够确定某一加热元件应当接收多少电能或功率；然而，这一能量/功率不必直接从外侧的控制单元直接传输到加热元件。相反，仅仅相关信息必须通过控制信号被传送到本地驱动单元，然而所述本地驱动单元可以例如从公共电源线提取所需的能量/功率。

在前述实施例的优选实现方式中，所述控制信号受到脉冲宽度调制(PWM)。利用这种PWM信号，本地驱动单元能够以可选速率和占空比进行开关，其中这些参数决定从公共电源线提取的平均功率。由于只需要开/关动作，因此本地驱动单元的个体特性将不是很重要。

在具有本地驱动单元的实施例的进一步扩展中，所述单元包括用于存储由控制单元的外侧部分传送的控制信号的信息的存储器。例如，可以通过存储控制信号的电压的电容器来实现这种存储器。所述存储器允许在相关控制线再次与驱动单元上断开并用于控制其他驱动单元时，继续对加热元件进行命令操作。

在具有本地驱动单元的实施例中，在实践中往往发现，即使驱动单元具有相同的设计，构成它们的部件和电路在特性上也会存在统计差异，这将导致驱动单元的性能的差异。于是，采用相同的电压命令不同的驱动单元例如可能导致不同的结果，例如，至加热元件的不同的电流输出。即使不是不可能这也使得对样品室内的温度进行精确控制变得困难。因此，所述微电子传感器装置可以结合用于补偿驱动单元的个体特征值变化的模块。这允许以高得多的精确度进行控制。

在前述微电子传感器装置的典型设计中，至少一个驱动单元包括根据以下公式对于其栅极处的给定输入电压V产生输出电流I(其将提供给加热元件)的晶体管：

I＝m·(V-V_thres)²，

其中，m和V_thres是晶体管的个体特征值。所述公式表明，具有不同的m和V_thres值的本地驱动单元在受到相同电压的控制时，将会产生不同的性能。

在前述情况下，驱动单元优选各自包括耦合到所述晶体管的控制栅极的电容器和将该电容器充电至补偿V_thres或者驱动所述晶体管产生预定电流I的电压的电路。因此，就驱动单元基于上述种类的晶体管这种非常重要的情形而言，应用简单的电容器就可以足以补偿个体的变化。将结合附图对相关电路进行更详细的说明。

具体地，加热元件可以包括电阻条、透明电极、珀耳帖元件(Peltierelement)、射频加热电极或辐射加热(IR)元件。所有的这些元件都可以将电能转化为热量，其中珀耳帖元件还能够吸收热量，从而提供冷却功能。

所述微电子传感器装置可以任选包括与加热阵列和/或与样品室热接触的冷却单元，例如，珀耳帖元件或冷却物质。如有必要，这允许降低样品室的温度。因此，冷却单元与用于产生热量的加热阵列结合能够实现在两个方向上对温度的彻底控制。

尽管在大多数实际情况中加热元件均能够产生热量，但是它们的至少一个还可以任选适于从样品室散除热量。例如，可以通过珀耳帖元件或通过将加热元件耦合到热沉(例如，采用风扇冷却的物质)实现这种散除。

所述微电子传感器装置可以任选包括至少一个温度传感器，其使得监测样品室内的温度成为可能。优选将所述温度传感器集成到加热阵列中。在特定实施例中，将加热元件的至少一个设计成使其能够作为温度传感器来工作，这样允许在不需要额外硬件的情况下测量温度。

在温度传感器可用的情况下，优选将控制单元耦合到所述温度传感器，并使其适于根据样品室内的预定(时间和/或空间)温度分布在闭环中对加热元件进行控制。这允许为例如敏感生物样品的操纵提供鲁棒的最佳条件。

所述微电子传感器装置还可以包括用于控制样品室中的流体的流动和/或颗粒的移动的微机械或电器件，例如，泵或阀。对于微流体装置中的样品的通用操纵而言，控制样品或颗粒的流动是非常重要的能力。

在特定实施例中，加热元件中的至少一个可以适于通过热毛细效应导致样品室中的流体流动。因此，可以利用其加热能力来移动样品。

如果需要或者希望样品室中具有不同温度的子区域，则这可以任选通过利用热绝缘将样品室划分成至少两个隔室来实现。将结合附图更为详细地说明该方法的具体实施例。

可以将电隔离层和/或生物相容层设置在样品室与加热和/或感测阵列之间。例如，这样的层可以由二氧化硅SiO₂或光刻胶SU8构成。

在本发明的另一实施例中，控制单元适于利用具有可选强度和/或频率的交变电流驱动加热元件。在特定情况下，例如在介电电泳的情况下，与加热元件的这种操作相关的电场如果具有适当的强度和频率就可以导致样品运动。另一方面，交变电流的强度和频率决定热产生的平均速率。因此，可以利用这种加热元件只通过适当改变所施加的电流的强度和/或频率来执行加热和操纵功能。

优选通过薄膜电子技术实现加热元件和/或场电极。

在实现根据本发明的微电子传感器装置时，可以采用大面积电子学(large area electronics(LAE))矩阵方法，优选采用有源矩阵方法，以便接触加热元件和/或传感器元件。例如，在诸如LCD、OLED和电泳显示器的平板显示器的制造中应用LAE技术，尤其是例如使用薄膜晶体管(TFT)的有源矩阵技术。

在前述实施例中，控制单元可以采用每次一条线的寻址方案对加热元件进行寻址。

根据所述微电子传感器装置的进一步扩展，按照分别与加热元件和/或传感器元件的图案相对应的图案对样品室与加热和/或感测阵列之间的界面进行化学涂覆。因此，可以将这些元件的作用与化学效应相结合，例如，与来自样品溶液的目标分子在附着到所述界面的结合分子处的固定作用相结合。

本发明还涉及将上述微电子传感器装置用于分子诊断、生物样品分析、化学样品分析、食物分析和/或法医分析。例如，可以借助于直接或间接附着于目标分子的磁珠或荧光颗粒来完成分子诊断。

附图说明

参考下文描述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得明了且得到阐述。将借助于附图以举例的方式描述这些实施例，附图中：

图1示出具有与传感器元件相对的加热元件的生物传感器的顶视图(左)和截面图(右)；

图2示出具有热绝缘的根据图1的生物传感器；

图3示出具有流动室的根据图1的生物传感器；

图4示出具有额外温度传感器的根据图1的生物传感器；

图5示出具有额外混合/泵送元件的生物传感器；

图6示出具有加热元件、温度传感器以及混合/泵送元件的集成阵列的生物传感器；

图7示意性地示出具有处于阵列外的加热器驱动电路的有源矩阵加热器阵列；

图8示出图7的变型，其中通过多路分配器将单个加热器驱动器连接到加热元件的阵列；

图9示意性地示出具有本地驱动单元的有源矩阵加热器系统的电路；

图10示出具有额外存储器元件的图9的设计；

图11示出具有用于补偿阈值电压变化的模块的本地驱动单元的电路；

图12示出具有用于补偿迁移率和阈值电压变化的模块的本地驱动单元的电路；

图13示出具有数字电流源的本地驱动单元的电路。

附图中类似的数字/字符表示相同或相似的部件。

具体实施方式

用于诸如分子诊断的(生物)化学分析的生物芯片将成为各种医疗、法医和食品应用的重要工具。一般而言，生物芯片包括生物传感器，在大多数所述生物传感器中，通过俘获分子将目标分子(例如蛋白质、DNA)固定在生化表面上，随后例如采用光、磁或电检测方案对其进行检测。在WO 2003/054566、WO 2003/054523、WO 2005/010542A2、WO2005/010543A1和WO 2005/038911A1中描述了磁生物芯片的例子，在此将它们引入本文以供参考。

一种提高生物传感器的特异性的方法是温度控制，在杂交分析中经常采用其来调节目标生物分子结合到功能化表面(例如，DNA链结合到其互补链)的严格性。例如，在研究单点突变时，需要高严格性。除了对于杂交分析具有很高的重要性之外，在一般情况下都需要对生物传感器进行温度控制。更一般而言，控制生物芯片上的温度和流体的能力至关重要。除了一般的温度或流动管理之外，将局部控制流体对流的能力与温度控制相结合能够提供增强试剂的溶解、增强(生物)化学物质的混合以及增强温度均匀性的选择。因此，为了优化生物传感器的性能，这里提出在生物传感器中结合温度处理阵列。任选地，这可以进一步与混合或泵送元件结合。

可编程温度处理阵列或“加热阵列”可以用于在整个传感器区域上保持恒定温度，或者可以用于在也以阵列的形式配置生物传感器并且所述生物传感器的不同部分最好工作在不同温度的情况下，产生所限定的温度分布。在所有情况下，加热阵列包括多个可独立寻址和驱动的加热元件，并且可以任选包括诸如温度传感器、混合或泵送元件乃至感测元件本身(例如光传感器)的额外元件。优选地，采用薄膜电子技术实现加热阵列，并且任选地，以矩阵阵列尤其是有源矩阵阵列的形式实现所述阵列。尽管本发明不限于任何具体类型的生物传感器，但是可以有利地将本发明应用于以光(例如，荧光)、磁或电(例如，电容、电感……)感测原理为基础的生物传感器。在下文中，将更为详细地说明这种生物传感器的各种设计。

图1以顶视图(左)和截面图(右)示出了可以如何将加热元件HE的阵列添加到现有的生物传感器模块，由此变得可以在整个阵列上形成预定的温度分布。在该实施例中，生物传感器模块包括分立的具有传感器元件SE的阵列的生物传感器装置和分立的加热元件HE的阵列。加热元件HE的加热阵列和传感器元件SE的感测阵列位于容纳所要分析的样品的样品室的相对侧上。每一独立的加热元件HE可以包括任何公知的生热概念，例如，电阻条、珀耳帖元件、射频加热元件、辐射加热元件(例如红外源或二极管)等。每一加热元件是可独立驱动的，由此可以形成多种温度分布。

对于根据所需的热处理配置生物传感器模块而言，存在几种选择。在图2所示的实施例中，以一系列通过热绝缘装置IN(例如，诸如空气的气体等低导热性材料)隔离的隔室来配置生物传感器。通过这种方式，可以同时产生具有不同温度(分布)的隔室，其可能尤其适合例如DNA杂交的多参数测试。

在另一实施例中，可以以较大的隔室(或甚至单个隔室)配置生物传感器，在每一大隔室中具有多个加热元件。通过这种方式，可以在整个隔室实现受到良好控制的温度(分布)，尤其是恒温，其可能尤其适于例如分析在小温度窗口(通常在37℃附近)中稳定的生物分子。在该实施例中，生物传感器还可以设有通过隔室提供样品流动的装置，由此使样品遵循局部温度分布。通过这种方式，可以在感测操作过程中或者在感测操作之间通过温度循环取得样品。

如图3所示，生物传感器可以任选包括流动通道，由此可以将样品引入到分析室SC中，随后在完成分析之后将其去除。此外，生物传感器可以包括机械或电阀，从而在特定时间段内在生物传感器或生物传感器的隔室中含有流体。

在图4所示的实施例中，将可独立驱动的加热元件HE的阵列和至少一个温度传感器TS添加到现有的生物传感器模块，由此变得可以在整个阵列上产生和控制预定的温度分布。温度传感器TS可以用于防止温度超出指定范围，并且可以优选用于限定和控制所希望的温度分布。在优选实施例中，例如如果采用诸如低温多晶硅的大面积薄膜电子学技术制造温度传感器TS，则可以将该部件集成到加热阵列中。在另一实施例中，加热元件HE的阵列和温度传感器TS可以包括光传感器(例如光电二极管)或分立的光传感器阵列。在这种情况下，生物传感器中的生物感测元件可以只是在其上发生特定的(荧光)DNA链杂交的层。

在图5所示的实施例中，将可独立驱动的加热元件HE的阵列和至少一个混合或泵送元件PE添加到现有的生物传感器模块，由此变得可以在整个阵列上产生更为均匀的温度分布。如果整个生物传感器需要恒温，那么这特别有利。在现有技术中已知有很多种类型的混合或泵送元件，其中有许多是以电原理为基础的，例如，电泳、介电电泳、电流体动力或电渗透泵。在优选实施例中，例如如果将采用诸如低温多晶硅的大面积薄膜电子学技术制造混合或泵送元件PE，则可以将该部件集成到加热元件阵列中。如在图4的情况下，生物传感器还可以包括光传感器(例如光电二极管)或分立的光传感器阵列。

在图6所示的实施例中，将可独立驱动的加热元件HE的阵列和/或温度传感器TS和/或泵送或混合元件PE与生物传感器或单个部件中的生物传感器阵列集成，由此变得可以在整个阵列上产生并任选控制预定的温度分布。可以采用诸如低温多晶硅的大面积薄膜电子学技术制造这种生物传感器或生物传感器阵列。如果生物传感器以光学原理为基础，那么这可以被优选实现，因为尤其适合通过大面积电子学技术制造光电二极管。

为了增强温度控制，特别是热循环，可以提供在操作过程中对生物传感器进行冷却的装置，例如，有源冷却元件(例如薄膜珀耳帖元件)、与散热器或低温物质热接触的导热层和风扇。

应当注意，加热元件HE的定位不限于图1-5所示的实施例，其中使加热元件位于样品室SC的与感测元件SE相对的一侧上。加热元件也可以与感测元件位于流体的同一侧上，例如位于所述室的下面或者两侧。

如已经指出的那样，可以通过矩阵装置的形式，优选通过有源矩阵装置(以多路复用的方式交替驱动)的形式实现加热元件阵列。在有源矩阵或多路复用装置中，可以在不需要通过两个接触端子将每一个加热器连接到外部的情况下将驱动信号从一个驱动器重新引导到多个加热器。

在图7所示的实施例中，采用有源矩阵作为分配网络，从而通过独立电源线iPL将加热器所需的电信号从中央驱动器CU选路传送(route)到加热器元件HE。在该例中，将加热器HE设置为由相同单元构成的规则阵列，由此通过有源矩阵的晶体管T1将加热器连接到驱动器CU。晶体管的栅极连接到选择驱动器(可以将其配置为用于有源矩阵液晶显示器(AMLCD)的标准移位寄存器栅极驱动器)，而源极连接到加热器驱动器，例如一组电压或电流驱动器。该阵列的操作如下：

-激活指定的加热元件HE，并将结合了所需加热器的整行(row)隔室中的晶体管T1切换为导通状态(例如通过从选择驱动器向栅极施加正电压)。

-将加热器所在列中的独立电源线上的信号设为其预期值。将该信号通过导通的TFT传送到加热元件，从而导致局部温度升高。

-将所有其他列中的驱动信号保持在不会导致加热的电压或电流(这通常为0V或0A)下。

-在实现温度升高之后，再次将线(line)中的晶体管设为非导通状态，从而防止进一步的加热器激活。

同样，所述矩阵优选采用“每次一条线”的寻址原理进行工作，这与通常由基于COMS的装置所采取的随机存取方法相反。

还可以通过向所述阵列中的一个以上的列施加信号而同时激活指定行中的一个以上的加热器HE。可以通过(采用栅极驱动器)激活另一条线，并向所述阵列中的一个或多个列施加信号而依次激活不同行中的加热器。

尽管在图7a所示的实施例中，考虑的是一种(如果需要)能够同时向所述阵列中的所有列提供独立信号的驱动器，但是考虑更为简单的具有多路分配器的功能的驱动器也是可行的。这一点如图8所示，其中只需要单个输出驱动器SD产生加热信号(例如，电压或电流)。多路分配电路DX的功能只是将加热器信号选路传送到所述列之一，由此只激活该列中的选定行中的加热器。或者，可以将多路分配器DX直接连接到多个加热元件(对应于图8中的仅一行的情况)。然后，多路分配电路的功能只是将加热器信号选路传送到其输出之一，由此仅激活所希望的加热器。

通过两个接触端子独立驱动每一个加热元件的这种简单方法的问题在于，需要外部驱动器为每一个加热器(即，用于电阻加热器的电流源)提供电信号。因此，每一个驱动器每次只能激活单个加热器，这意味着必须依次激活连接到同一驱动器的加热器。这使得难以保持稳态的温度分布。此外，如果需要驱动电流，由于泄漏效应，而使得并不总是可以在不损失电流的情况下将电流从驱动器传送到加热器。

出于这一原因，可以优选采用有源矩阵技术为每一加热元件形成集成的本地加热器驱动器。图9示出了这种本地驱动器CU2，其形成了用于整个阵列的控制单元的一部分；所述控制单元的另一部分CU1位于加热元件HE的阵列之外(注意，图9仅示出了整个阵列的一个加热元件HE)。现在，每一个加热元件HE不仅包括选择晶体管T1，而且还包括本地电流源。尽管有很多种方法实现这种本地电流源，但是最简单的实施例只需要添加第二晶体管T2，流经该晶体管的电流由栅极处的电压限定。现在，对加热器电流的编程只是为了通过独立的控制线iCL和选择晶体管T1将指定电压从外部电压驱动器CU1提供给电流源晶体管T2的栅极，然后其将从公共电源线cPL取得所需的功率。

在图10所示的另一实施例中，可以为本地驱动器CU2提供本地存储功能，由此变得可以扩展驱动信号超出对隔室进行寻址的时间。在很多情况下，存储元件可以是简单的电容器C1。例如就电流信号而言，设置额外的电容器C1来存储电流源晶体管T2的栅极上的电压，并在对例如另一条线的加热器元件进行寻址时保持加热器电流。增加存储器允许在更长的时间段内施加加热信号，由此能够更好地控制温度分布。

尽管所有上述实施例都考虑了采用薄膜电子技术(和有源矩阵方法)来激活加热元件，但是在最简单的实施例中，例如就电阻加热元件而言，各个加热元件都可以通过使限定的电流经由两个接触端子流经所述元件而得到独立驱动。尽管这对于数量相对较少的加热元件是一种有效的解决方案，但是这种方法的一个问题在于，每一个要被独立驱动的额外加热元件都需要至少一个额外接触端子。因此，如果需要数量较多的加热元件(以产生更为复杂或者更为均匀的温度分布)，则接触端子的数量可能变得大得惊人，从而使所述装置既大又笨重到令人无法接受的程度。还可以采用诸如二极管和MIM(金属-绝缘体-金属)器件的其他有源矩阵薄膜开关技术实现几个实施例。

在平板显示器领域中经常采用大面积电子学技术，尤其是例如采用薄膜晶体管(TFT)的有源矩阵技术以推动很多种显示效果，例如，LCD、OLED和电泳。在本发明的一些实施例中，提出将基于有源矩阵的加热阵列用于生物传感器应用领域。

然而，实施例中的不具有温度感测和控制特征的基于大面积电子学技术的加热阵列的问题在于，大面积电子学技术面临着在整个衬底上有源元件的性能不均匀的问题。就优选的LTPS技术而言，已知晶体管的迁移率m和阈值电压V_thres都会在器件之间产生随机变化(对于设置成彼此靠近的器件也是如此)。例如，如果如图10所示采用LTPS晶体管T2作为有源矩阵阵列中的本地化电流源，则电流源的最简单的形式是具有两个晶体管的跨导电路。在这种情况下，由下式限定每一个电流源的输出电流I：

I＝constant·m·(V_power-V-V_thre)²，

其中，V_power是电源线电压，V是用于限定局部温度的编程电压，constant(常数)由晶体管的尺寸决定。出于这一原因，迁移率m或阈值V_thre的任何随机变化都将直接导致所提供的电流的不利变化，从而导致不正确的温度值。这是一个特殊的问题，因为略微不正确的温度就能够降低感测的特异性。

在下文中，由此提供了用于在整个具有固有可变的晶体管特性的有源矩阵阵列中的元件(单元)阵列上实现均匀温度的方法和电路。具体地，提出提供对晶体管在迁移率、阈值电压或这二者上的变化进行(部分)补偿的本地电流源。这导致整个阵列上的编程电流的更高均匀性。所述方法适于大面积玻璃衬底技术，例如是低温多晶硅(LTPS)而不是标准的硅COMS，因为所涉及的面积大，这使得LTPS在成本方面具有很高的竞争力。

在第一实施例中，提出将阈值电压补偿电路结合到应用于可编程加热阵列中的本地化电流源中。可以采用各种用于补偿阈值电压变化的电路(例如，R.M.A.Dawson和M.G Kane的“Pursuit of Active Matrix Light EmittingDiode Displays”，2001，SID conference proceeding 24.1，p.372)。为了清楚起见，采用图11所示的本地电流源电路对该实施例进行举例说明。该电路通过在具有晶体管T1和T3的数据线上保持参考电压(例如V_DD)并对T4施加脉冲从而使T2导通而工作。在所述脉冲之后，T2将电容器C2充电至T2的阈值。然后使T3截止，从而在C2上存储所述阈值。然后施加数据电压，并将电容器C1充电至该电压。于是，T2的栅极-源极电压是数据电压加上其阈值。因此，电流(与栅极-源极电压减去阈值电压的平方成比例)将变得与T2阈值电压无关。因此，能够向加热器阵列施加均匀电流。

这一类的电路的优点在于，仍然能够如有源矩阵显示器应用中的标准那样利用电压信号进行对本地电流源的编程。缺点在于，TFT的迁移率的变化仍将导致未得到正确编程的温度。

为了解决后一点，进一步提出将迁移率和阈值电压补偿电路结合到应用于可编程加热阵列中的本地化电流源中。可以采用各种用于补偿迁移率和阈值电压变化二者的电路，尤其是以电流镜原理为基础的(例如，A.Yumoto等人的“Pixel-Driving Methods for Large-Sized Poly-Si AmOLEDDisplays”，Asia Display IDW01，p.1305)。为了清楚起见，采用图12所示的本地电流源电路对该实施例进行举例说明。在晶体管T1和T3导通并且T4截止时，利用电流对该电路进行编程。这将电容器C1充电至足以使编程电流通过T2的电压，其中T2按照二极管的构造工作，其栅极通过导通的晶体管T1连接到漏极。然后使T1和T3截止，从而将电荷存储在C1上，现在T2起着电流源晶体管的作用，并且使T4导通，从而使将电流传送到加热器。这是单晶体管电流镜电路的例子，其中同一晶体管(T2)依次起着电流镜的编程部分(采用二极管构造)和驱动部分(采用电流源构造)的作用。由此实现了对T2的阈值和迁移率变化二者的补偿，从而能够向加热器阵列提供均匀的电流。

这类电路的优点在于，还通过所述电路补偿了TFT的迁移率的变化。这类电路的缺点在于，不能再如有源矩阵显示器应用中的标准那样利用电压信号对本地电流源进行编程。

在另一实施例中，提出将数字电流驱动电路结合到应用于可编程加热阵列中的本地化电流源中。实质上，所述电路将加热元件HE直接连接到电源线电压，从而使TFT的特性不是很重要。采用脉宽调制(PWM)方案对温度进行编程。可以采用各种用于补偿数字电流驱动的电路(例如，H.Kageyama等人的“OLED Display using a 4 TFT pixel circuit with aninnovative pixel driving scheme”，2002SID conference proceeding 9.1，p.96)。为了清楚起见，采用图13所示的本地电流源电路对本发明的这一实施例进行举例说明。在这种情况下，向电容器C1施加足以使T2进入其线性区域的电压。于是，T2的电阻比加热器的电阻小得多，因而在T2上几乎没有电压降，因此其阈值和迁移率的变化不再重要。通过使T2保持导通状态的时间长度控制电流和功率。这类电路的优点在于，仍然能够如有源矩阵显示器应用中的标准那样利用电压信号对本地电流源进行编程。

在上述对附图的说明中，一般是参考晶体管。实际上，温控单元阵列适于采用低温多晶硅(LTPS)薄膜晶体管(TFT)来制造。因此，在优选实施例中，以上所参考的晶体管可以是TFT。具体而言，可以在利用LTPS技术的大面积玻璃衬底上制造该阵列，因为在将LTPS用于大面积时其特别有成本效率。

此外，尽管已经对于基于低温多晶Si(LTPS)的有源矩阵装置描述了本发明，但是也可以采用非晶Si薄膜晶体管(TFT)、微晶或纳米晶体Si、高温多晶SiTFT、其他例如基于CdSe、SnO的无机TFT或有机TFT。类似地，还可以采用例如利用如本领域公知的具有复位的双二极管(D2R)有源矩阵寻址法的MIM，即金属-绝缘体-金属器件或二极管器件来开发文所公开的发明。

最后要指出的是，在本申请中，“包括”一词不排除其他元件或步骤，“一”或“一个”并不排除多个，且单个处理器或其他单元可以实现若干装置的功能。本发明体现在每个新颖的特征和特征的每种组合中。此外，权利要求中的附图标记不应被视为限制其范围。

Claims

1、一种微电子传感器装置，包括：

a)样品室(SC)；

b)感测阵列，其具有多个用于感测所述样品室中的样品的特性的传感器元件(SE)；

c)加热阵列，其具有多个加热元件(HE)，所述加热元件用于在受到电能驱动时至少与所述样品室的子区域交换热量；

d)控制单元(CU、CU1、CU2)，其用于在感测所述样品室中的样品的过程中或之前对所述加热元件(HE)进行选择性驱动。

2、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，所述控制单元(CU、CU1、CU2)适于驱动所述加热元件(HE)，从而在所述样品室(SC)中实现预期的空间和/或时间温度分布。

3、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，使所述加热元件(HE)相对于所述传感器元件(SE)对准。

4、根据权利要求3所述的微电子传感器装置，其特征在于，所述感测阵列和所述加热阵列中的元件布置相同。

5、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，使一个以上的加热元件(HE)与每一个传感器元件(SE)相关。

6、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，所述感测阵列包括至少一个光、磁、机械、声、热或电传感器元件(SE)。

7、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，将所述加热阵列和所述感测阵列设置在所述样品室(SC)的相对侧上。

8、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，将所述加热阵列和所述感测阵列设置在所述样品室(SC)的同一侧上，其中将所述阵列设置为一个叠一个或者合并为一层。

9、根据权利要求8所述的微电子传感器装置，其特征在于，将所述感测阵列设置在所述加热阵列和所述样品室(SC)之间。

10、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，所述加热阵列包括设置在所述样品室(SC)的不同侧上的两个部分。

11、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，所述控制单元(CU)位于所述加热阵列之外，并通过用于选择性传送电能的电源线(iPL)连接到所述加热元件(HE)。

12、根据权利要求11所述的微电子传感器装置，其特征在于，所述控制单元(CU)包括用于将其耦合到所述电源线(iPL)的多路分配器(DX)。

13、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，每一个加热元件(HE)与本地驱动单元(CU2)相关，其中所述驱动单元位于所述加热元件(HE)处，并与其耦合。

14、根据权利要求13所述的微电子传感器装置，其特征在于，所有本地驱动单元(CU2)耦合到公共电源线(cPL)，并且所有加热元件耦合到另一公共电源线(GR)。

15、根据权利要求13所述的微电子传感器装置，其特征在于，所述控制单元的一部分(CU1)位于所述加热阵列之外，并经由用于传送控制信号的控制线(iCL)连接到所述本地驱动单元(CU2)。

16、根据权利要求15所述的微电子传感器装置，其特征在于，对所述控制信号进行脉宽调制。

17、根据权利要求15所述的微电子传感器装置，其特征在于，所述本地驱动单元(CU2)包括用于存储所述控制信号的信息的存储器(C1)。

18、根据权利要求13所述的微电子传感器装置，其特征在于，所述本地驱动单元(CU2)包括用于补偿其个体特性变化的模块。

19、根据权利要求18所述的微电子传感器装置，其特征在于，至少一个本地驱动单元(CU2)包括根据下式针对指定的输入电压V产生输出电流I的晶体管(T2)

I＝m·(V-V_thres)²，

其中，m和V_thres是所述晶体管的个体特性。

20、根据权利要求19所述的微电子传感器装置，其特征在于，所述本地驱动单元(CU2)各自包括耦合到所述晶体管(T2)的控制栅极的电容器(C1、C2)和用于将该电容器充电至补偿V_thres和/或驱动所述晶体管(T2)以产生预定电流I的电压的电路。

21、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，所述加热元件(HE)包括电阻条、透明电极、珀耳帖元件、射频加热电极或辐射加热电极。

22、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，其包括与所述加热阵列和/或所述样品室(SC)热接触的、优选为珀耳帖元件或冷却物质的冷却单元。

23、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，所述加热元件(HE)中的至少一个适于从所述样品室(SC)散除热量。

24、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，其包括至少一个优选集成到所述加热阵列中的温度传感器(TS)。

25、根据权利要求24所述的微电子传感器装置，其特征在于，至少一个加热元件(HE)能够作为温度传感器而工作。

26、根据权利要求24所述的微电子传感器装置，其特征在于，所述控制单元耦合到所述温度传感器(TS)，并且适于根据所述样品室(SC)中的预定温度分布在闭环中对所述加热元件(HE)进行控制。

27、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，其包括用于控制所述样品室(SC)中的流体流动和/或颗粒移动的、优选为泵(PE)或阀门的微机械或电器件。

28、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，所述加热元件(HE)中的至少一个适于通过热毛细效应使所述样品室中(SC)的流体流动。

29、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，通过热绝缘(IN)将所述样品室(SC)划分成至少两个隔室。

30、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，将电隔离层和/或生物相容层设置在所述样品室(SC)与所述加热阵列和/或所述感测阵列之间。

31、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，所述控制单元(CU、CU1、CU2)适于利用具有可选强度和/或频率的交变电流驱动所述加热元件(HE)。

32、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，其通过薄膜电子技术来实现。

33、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，采用大面积电子学矩阵方法，优选采用有源矩阵方法接触所述加热元件(HE)和/或所述传感器元件(SE)。

34、根据权利要求33所述的微电子传感器装置，其特征在于，采用每次一行的寻址方法。

35、根据权利要求1所述的微电子传感器装置，其特征在于，按照相对于所述阵列的元件的图案进行调整的图案对所述样品室(SC)与所述加热阵列和/或所述感测阵列之间的界面进行化学涂覆。

36、根据权利要求1到35中任一项所述的微电子传感器装置在分子诊断、生物样品分析、化学样品分析、食品分析或法医分析中的应用。