CN101500711A - 具有电源线和信号线的微电子器件 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于操纵样品的微电子器件，该器件包括致动器单元(AU)的阵列以及敏感单元(SU)的阵列。该致动器单元(AU)尤其可以对相邻样品室中的样品(1)施加介电电泳力，该敏感单元(SU)任选地测量所述样品的属性。此外，致动器单元(AU)连接到一组电源线(PL)且敏感单元(SU)连接到一组信号线(SL)，其中布设这些线，使得对于电源线上的给定的一组交流电功率信号而言，寄生耦合效应得到最小化。尤其可以为电源线(PL)供应除相移之外都相同的交流电信号。任选地，电源线和信号线之间的耦合适于提供对串扰效应的最大补偿。

Description

具有电源线和信号线的微电子器件
本发明涉及一种用于操纵样品的微电子器件，包括致动器单元的阵列以及分别连接到电源线和信号线的敏感单元。此外，本发明涉及这种微电子器件的使用及其制造方法。
从WO 00/69565 A1获知一种微电子器件，其包括可以选择性寻址的电极阵列，用于通过介电电泳力操纵颗粒。该器件还可以包括用于控制所述颗粒的位移的传感器单元的阵列。
在前述种类的微电子器件中，需要一组线路将阵列的单元连接到外部，其中这些线路之间的寄生(电容和/或电感)串扰几乎是不可避免的。然而，如果一些线路承载敏感信号，例如微弱的测量信号，而其他线路承载较强的功率信号，这种串扰就会带来严重的问题。
基于这种情况，本发明的目的是提供一种在微电子器件中改善对阵列单元的访问的装置。具体而言，旨在减小接触所述单元的线路之间的串扰的负面影响。
该目的是通过根据权利要求1所述的微电子器件、根据权利要求10所述的方法和根据权利要求12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器件旨在操纵样品，尤其是像可能包含颗粒的生物体液那样的液态或气态化学物质。“操纵”一词将表示与所述样品的任何交互，例如测量样品的特征量、研究其属性、以机械或化学方式处理样品等。通常将样品提供在样品室中，例如空腔或填充有像凝胶那样的可以吸收样品物质的某种物质的腔，其中该腔可以是开放的、闭合的、或通过流体连接通路连接到其他腔。该微电子器件包括如下部件：
a)致动器单元的阵列，其中“致动器单元”一词在最为一般的意义上表示能够可控地产生特定效应(例如在样品上施加力或感测样品属性)的部件。尽管在原理上阵列中的每个致动器单元可以与其他致动器单元不同，但优选阵列的所有致动器单元(基本)都具有相同的设计。此外，“阵列”一词在本申请的上下文中应表示多个单元的任意的三维设置。典型地，这种阵列将是二维的且优选为平面的，并且任选地将把其单元设置成规则的图案，例如网格或矩阵图案。
b)一组电源线，其中每个致动器单元都耦合到至少一条所述电源线。“电源线”一词应表示由这些线承载的电信号将通常具有较大的功率，例如，用于向致动器单元传输能量；然而该词不应以任何方式限制这些线的设计或使用。通常，位于致动器单元阵列的外部的部件(例如驱动器)经电源线访问致动器单元。
c)敏感单元的阵列，其中“敏感单元”一词将再次在最一般意义上表示提供某些专用功能(例如产生表示相邻样品的一些属性的测量信号)的部件。不失一般性地，形容词“敏感”旨在表示在大多数情况下提供至这些敏感单元或来自这些敏感单元的电信号特别易于被寄生效应劣化。
d)一组信号线，其中每个敏感单元耦合到至少一条信号线。同样，信号线的一般目的是为外部部件(例如用于读出和处理测量信号的信号处理电路)提供对敏感单元的访问。此外，信号线和电源线的布设应当使得：对于所述电源线上的给定的一组交流电功率信号而言，所述电源线和所述信号线之间的寄生耦合效应得到最小化。在这个意义上布设一词表示信号线和电源线沿它们所在的衬底所采取的路径或路线。寄生耦合尤其可能是不希望出现的电容和/或电感耦合，但也是将信号线和电源线一起置于同一器件中不可避免的副作用。尽管通常不能避免寄生耦合，但可以通过适当布设信号线和电源线来减小(以及理想情况下消除)它们的负面影响。由于寄生耦合效应一般取决于所施加的电信号，因此具体而言在应用微电子器件期间对施加到电源线的一组交流功率信号进行最小化。
所述微电子器件具有如下优点：经由信号线提供的与敏感单元之间的通信受到来自电源线的干扰的劣化程度最小(反之亦然)。在包括用于操纵样品的致动器单元和用于测量样品的一些属性的敏感传感器单元的传感器器件中这一点尤其有利，其中，到达致动器单元的较强电源信号通常会严重劣化微弱的传感器信号。
根据微电子器件的优选实施例，至少一条其电源线与至少一条信号线具有至少一个交点。线路间的交点是具有单个单元的阵列的微电子器件的一般特征，而不幸地是它们也是所述线路之间的寄生耦合的主要来源。不过，在本发明的上下文中，可以专门设计这种交点以实现耦合效应的最小化。
具体而言，可以将电源线和信号线设置为彼此垂直。于是可以实现一种矩阵设置，其中，分别连接到电源线和信号线的外部电路可以设置在微片的不同边界处。由于在这种情况下每条电源线都与每条信号线交叉，反之亦然，导致相应的高度串扰，因此所提出的寄生耦合效应的最小化对于这种矩阵设计尤其有利。
在前述实施例的进一步发展中，设计所述交点，从而实现电源线和信号线之间的特定寄生耦合强度。例如，可以在尤其会影响线间电容耦合的交点处使电源线和/或信号线变粗或变细。专门设计寄生耦合强度(其还可以包括表面上矛盾的寄生耦合强度的人为增加)可以有助于从不同的电源线到信号线的干扰相互补偿。
在本发明的进一步发展中，该微电子器件包括至少一条微调(trimming)线，其(i)与至少一条信号线交叉，(ii)不连接到致动器单元(因此与电源线不同)，且(iii)可以提供有交流电微调信号。该微调信号尤其可以是来自用于电源线的给定的一组交流电功率信号的一个信号。例如，如果微调线是与电源线之一并联连接的，就是这种情况。此外，微调线优选与所有信号线交叉至少一次，且其最好位于致动器/敏感单元阵列的边界上。微调线(通常唯一)的目的是故意地引入“人为”寄生耦合，其有助于补偿源于通常电源线的“普通”寄生耦合的效应。
在前述实施例的进一步发展中，该微调线包括开关或熔断部分，其提供在需要时选择性中断微调线的装置。该熔断部分可以简单地是可以从外部破坏(例如通过激光切割)的微调线的区域。中断微调线将停止其与相关信号线的寄生耦合，因此为寄生耦合效应的最小化提供了控制变量。
通常，除了是交变(即AC)的之外，可以作为用于电源线上的信号的电功率信号不受任何约束。然而优选地，给定的一组交流电功率信号包括仅在相移和/或缩放因子方面彼此不同的一子组功率信号。对于这种信号而言，常常可以(可能是在缩放之后)叠加它们，使得它们至少大致互相补偿。优选地，整个给定的一组交流电功率信号由一个或多个所述子组构成。
致动器单元可以包括用于产生电场的电极，该电场例如对邻近样品具有一些期望的效应。例如，该电场可以是交变场，其适于在致动器单元附近的对象上产生介电电泳力。
至少一个敏感单元可以任选地包括传感器元件，其优选为用于感测相邻样品的属性并在相关联的信号线上产生传感器信号的光学传感器、磁传感器或电气传感器元件。例如，在WO 2005/010543 A1和WO 2005/010542 A2中描述了具有磁性传感器元件的微电子器件。所述器件被用作检测以磁珠标记的生物分子的微流体生物传感器。其设有传感器单元的阵列和巨磁电阻器件(GMR)，其中传感器单元包括用于产生磁场的线路，巨磁电阻器件用于检测磁化珠产生的杂散场。
本发明还涉及一种用于制造微电子器件，尤其是上述种类微电子器件的方法，其中所述器件包括以下部件：
a)致动器单元的阵列；
b)一组电源线，其中每个致动器单元都耦合到至少一条电源线；
c)敏感单元的阵列；
d)一组信号线，其中每个敏感单元都耦合到至少一条信号线。
该方法还包括布设信号线和电源线的步骤，使得对于所述电源线上给定的一组交流电功率信号而言，所述电源线和所述信号线之间的寄生耦合效应得到最小化。
该方法在一般形式下包括可以利用上述种类的微电子器件执行的步骤。因此，请参考前面的说明了解该方法的细节、优点和改进方面的更多信息。
根据该方法的一个优选实施例，提供至少一条微调线，其(i)与至少一条信号线交叉，(ii)不连接到致动器单元，(iii)可以提供有交流电功率信号，且(iv)包括用于将其选择性地中断的开关或熔断部分，其中，如果能够减小所制造的微电子器件与目标特征的偏差，则选择性地中断所述微调线。因此，可以利用所述线路的选择性中断来补偿源于制造过程的器件间的差异。
本发明还涉及上述微电子器件在分子诊断、生物样品分析、化学样品分析、食品分析和/或法医分析中的使用。例如，可以在直接或间接地附着到目标分子的磁珠或荧光颗粒的帮助下完成分子诊断。
参考下文所述的实施例，本发明的这些和其他方面将变得明了并得到阐述。将在附图的辅助下以举例的方式描述这些实施例，附图中：
图1示出了根据本发明的微电子器件的一个单元的示意性俯视图，该微电子器件包括一个敏感单元和一个致动器单元；
图2示出了一组电源线和一条信号线之间的寄生电容耦合的等效电路；
图3示出了两组电源线与一条信号线的交叉；
图4示出了类似于图3的情形，不过其中一些电源线在交点处被加粗；
图5示出了与信号线交叉的微调线，其具有另外两条可以被选择性地中断的微调线。
图中类似参考标记表示相同或类似的部件。
用于(生物)化学分析(例如分子诊断)的生物芯片将成为各种医学、法医和食品应用的重要工具。通常，生物芯片包括生物传感器，在大多数生物传感器中，将目标分子(例如蛋白质、DNA)固定于带有俘获分子的生化表面上并接下来利用例如光学、磁性或电气检测方案来检测目标分子。在WO 2003/054566、WO 2003/054523、WO 2005/010542 A2、WO 2005/010543A1和WO 2005/038911 A1中描述了磁性生物芯片的范例，在此通过引用将这些文献并入本申请中。
图1在这方面示意性示出了根据本发明的微电子传感器器件的一个单元100，其中所述单元属于具有大量这种单元的阵列。单元100包括用于操纵阵列上方的样品室中的流体中诸如细胞和分子的生物颗粒1的装置，其中，所述操纵尤其可以包括利用介电电泳(DEP)效应(参见H.Morgan，N.Green：“AC Electrokinetics：Colloids and Nanoparticles”，ResearchStudies Press，2003)。为了提供功能完备的系统，将需要玻璃衬底(例如低温多晶硅LTPS)上的诸如晶体管(硅衬底)或薄膜晶体管(TFT)的有源部件来激活期望位置的AC场。为了实现将生物颗粒1移动到特定位置，还将需要感测，例如，利用诸如光电晶体管或光电二极管的传感器进行感测。然后可以从传感器向控制着施加到生物颗粒所悬浮的流体的AC场的致动器反馈当前的位置信息，从而改变生物颗粒的位置(参见N.Manaresi，A.Romani，G.Medoro，L.Alyomare，A.Leonardi，M.Tartagni，R.Guerrieri：“A CMOS chip for individual cell manipulation anddetection”，IEEE Journal of Solid State Circuits，p.2297(2003))。尽管有若干致动器电极控制着颗粒位置，仍可以感测到光(例如来自外部源)，在生物颗粒在传感器单元上移动时，这会发生变化。
为了实现前述功能，单元100包括耦合到信号线SL的敏感单元，在下文中称为传感器单元SU，其中信号线在跨过阵列竖直延伸并连接到位于阵列下边界的信号处理电路SP。此外，同一竖直列的其他传感器单元通常连接到同一信号线SL，其中，可以通过适当的矩阵寻址电路(未示出)选择性地对它们寻址。
此外，具有致动器位点21的致动器单元AU与传感器单元SU相邻，所述致动器单元包括经由通孔22连接到跨阵列水平延伸的AC电源线PL的驱动电极23。在阵列的边界处，电源线PL连接到外部控制单元CU。同样，位于同一行的所有其他致动器单元通常连接到同一电源线PL。
所述的传感器单元SU和致动器单元AU的阵列例如可以具有硅集成电路(IC)或基于TFT的玻璃技术例如LTPS上的金属线布局。驱动电极23将处于叠置体的最高金属层中，而信号线SL和电源线PL的金属层将作为较低的金属层。
在如图1所示的微电子器件中，包括传感器单元SU和致动器单元AU的线性阵列或矩阵阵列，来自传感器单元的信号将必需跨越为致动器单元供电的电源线，电源线将会以高频承载AC场。电源线PL和传感器线SL之间的电容耦合将会出现在其交点IN处，这将会使传感器信号劣化到变为无用的程度。在图1中用电源线PL和信号线SL之间的电容器C表示所述寄生电容耦合。在下文中，将会根据DEP系统的范例开发对前述问题的解决方案，尽管决不局限于这一特定应用。
DEP系统通常使用若干幅值恒定、具有特定相位(例如0°、90°、180°、270°)的AC场。因此，所提出的克服电容耦合问题的方法使用一般的布局原理，即，任一传感器线或任一信号承载线必需要和承载AC相位信号的若干电源线交叉，使得与该线路交叉的所有的AC信号之和为零。
在图2中示出了寄生电容耦合的一般等效电路，其中任意数量N的具有AC相位
Figure A200780029518D0011135000QIETU
的电源线PL耦合到一条信号线SL。如果信号线SL是高阻抗(例如，如果是测量光电流)，那么AC相位将会调制信号线SL并劣化其上的任何信号。如果信号线中产生的AC信号是以下形式：
Figure A200780029518D00111
其中VA为幅值，ω为角频率，为相移，那么来自AC相位的所有的信号耦合(假设每条交流电源线与信号线SL之间的电容是相同的)为：
Figure A200780029518D00113
求和项必须为零，以补偿与信号线的耦合。因此，必须要设置布局，使得与信号线SL交叉的AC信号的相位使以上求和为零。
稍微不具一般性的方案示出了将很可能在DEP系统中看到的情形。如果两个相继相位之间的位相差
Figure A200780029518D00114
恒定，即可以将所有相位表示为
Figure A200780029518D00115
那么求和变为几何和且可以写为：
Figure A200780029518D00116
因此
Figure A200780029518D00117
其中n为整数。例如，如果n＝1，则相位差变为
Figure A200780029518D00118
这种情况的范例是相位为0和π(即
Figure A200780029518D00119
且N＝2，假设)的AC电源线，且信号线SL必需要与两条电源线都交叉以补偿耦合。另一范例为相位为0，π/2，π和3π/2(即
Figure A200780029518D001111
且N＝4，假设)的AC电源线，同样，信号线SL必需要与所有四条电源线都交叉以补偿耦合。如果信号线SL多次与AC电源线交叉，那么必需要保证关系仍成立，其中n为整数。因此必需要与该组相位交叉整数次数。针对n＝2的情形在图3中示出了这种情况，即，承载所有相位的两组电源线PL G1、G2都与信号线SL交叉。
到此为止都假设从每个AC相位到信号线SL的电容是相同的。实际情况可能不会总是这样，因此每个AC相位的电容耦合可能不同。那么，耦合公式将变为
Figure A200780029518D00121
其中Kj为电容耦合项。同样该求和必须为零，以防止耦合。
将不同耦合项考虑进来的简单布局方法是在需要使电容值再次相等的地方(至少在它们的交点处)使线路变粗或变细。图4示出了其中在需要时在与信号线SL的交点处加粗第二组G2的电源线的范例，使得在与信号线交叉时它们都具有相同宽度。
图5给出了微电子器件的进一步发展，其包括用于使信号线与交流电源线解耦的特定微调线。在这种情况下，首先以最适合其主要功能的方式设计和布置具有其信号线和电源线的微电子器件，即，在此阶段不关心AC耦合问题。
在完成所述布局之后，计算与每条传感器线SL交叉的AC信号的加权和。然后在器件上提供一组“AC微调线”TL。在图3和4的情形中，例如存在四条这样的具有不同相位0°、90°、180°和270°的微调线。所有微调线都与所有信号线交叉，优选在器件边缘处交叉(例如，如果使用外部测量器件，则在器件和感测测量点或探针点之间)。选择信号线SL与每条微调线的交叉电容的大小，确保与信号线交叉的AC信号的加权和为零。可以通过局部改变微调线或信号线或两者的宽度来改变所述大小。在所有情况下，对线进行任何加粗所需的额外面积不限制器件的功能，因为这是在阵列的边界处进行的。
尽管考虑了单组微调线的以上情形，但显然还可以考虑使用超过一组微调线，或者优选考虑与每条微调线的多个交叉。图5包括后一种情况的优选实施方式，其中从主微调线TL分支出平行的侧臂TL1、TL2，所述侧臂TL1、TL2分别包括薄膜晶体管2和“熔断部分”3。侧臂TL1、TL2通过对交叉部的选择性去除(例如通过激光切割熔断部分3或通过将交叉部与开关2电隔离)从而能够实现器件间的精细调节。这种精细调谐可以解决制造过程中任何批次间或器件间的变化。
总之，以上实施例实现了非常通用的信号线(承载来自传感器等的信号)布设方案，其要求与该信号线交叉的AC信号的加权和尽可能小，理想地为零，其中加权是通过耦合强度给出的。
最后要指出，在本申请中，“包括”这一术语不排除其他元件或步骤，“一”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特征和特征的每种组合之中。此外，权利要求中的附图标记不应被视为对它们范围的限制。

Claims (12)

1、一种用于操纵样品的微电子器件，包括：
a)致动器单元(AU)的阵列；
b)一组电源线(PL)，其中每个致动器单元(AU)耦合到至少一条电源线；
c)敏感单元(SU)的阵列；
d)一组信号线(SL)，其中每个敏感单元(SU)耦合到至少一条信号线，且其中信号线(SL)和电源线(PL)的布设使得：对于所述电源线上给定的一组的交流电功率信号而言，所述电源线和所述信号线之间的寄生耦合效应得到最小化。
2、根据权利要求1所述的微电子器件，
其特征在于，至少一条所述电源线(PL)与至少一条所述信号线(SL)具有至少一个交点(IN)。
3、根据权利要求2所述的微电子器件，
其特征在于，设计所述交点，从而实现所述电源线(PL)和所述信号线(SL)之间的预定寄生耦合强度。
4、根据权利要求2所述的微电子器件，
其特征在于，在所述交点处使所述电源线(PL)和/或所述信号线(SL)变粗或变细。
5、根据权利要求1所述的微电子器件，
其特征在于，所述微电子器件包括至少一条微调线(TL，TL1，TL2)，该微调线(TL，TL1，TL2)与至少一条信号线(SL)交叉、不连接到致动器单元(AU)且可提供有交流电微调信号。
6、根据权利要求5所述的微电子器件，
其特征在于，所述微调线(TL，TL1，TL2)包括用于使其选择性地中断的开关(2)或熔断部分(3)。
7、根据权利要求1所述的微电子器件，
其特征在于，所述给定的一组交流电功率信号包括仅在相移和/或缩放因子上不同的一子组功率信号。
8、根据权利要求1所述的微电子器件，
其特征在于，所述致动器单元(AU)包括电极(23)，该电极(23)用于产生电场，尤其是适于对所述致动器单元附近的对象(1)施加DEP力的交变电场。
9、根据权利要求1所述的微电子器件，
其特征在于，至少一个所述敏感单元(SU)包括用于在所述信号线(SL)上产生传感器信号的传感器元件。
10、一种用于制造具有如下部件的微电子器件的方法
a)致动器单元(AU)的阵列；
b)一组电源线(PL)，其中每个致动器单元(AU)耦合到至少一条电源线；
c)敏感单元(SU)的阵列；
d)一组信号线(SL)，其中每个敏感单元(SU)耦合到至少一条信号线；
其中所述方法包括产生信号线(SL)和电源线(PL)的布设，使得对于所述电源线上给定的一组交流电功率信号而言，所述电源线和所述信号线之间的寄生耦合效应得到最小化。
11、根据权利要求10所述的方法，
其特征在于提供至少一条微调线(TL，TL1，TL2)，该微调线
-与至少一条信号线交叉，
-不连接到致动器单元(AU)，
-可提供有交流电功率信号，并且
-包括用于选择性地中断所述微调线的开关(2)或熔断部分(3)，
其中，如果中断所述微调线(TL，TL1，TL2)减小了所制造的微电子器件与目标特性的偏差，则中断所述微调线(TL，TL1，TL2)。
12、根据权利要求1到9中的任一项所述的微电子器件在分子诊断、生物样品分析或化学样品分析中的使用。
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