CN103865789A - 集成生物实体操作和处理半导体器件的系统及方法 - Google Patents

集成生物实体操作和处理半导体器件的系统及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN103865789A
CN103865789A CN201310060247.8A CN201310060247A CN103865789A CN 103865789 A CN103865789 A CN 103865789A CN 201310060247 A CN201310060247 A CN 201310060247A CN 103865789 A CN103865789 A CN 103865789A
Authority
CN
China
Prior art keywords
microchannel
circuit
substrate
semiconductor device
biological entities
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201310060247.8A
Other languages
English (en)
Other versions
CN103865789B (zh
Inventor
张仪贤
郑创仁
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Original Assignee
Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd filed Critical Taiwan Semiconductor Manufacturing Co TSMC Ltd
Publication of CN103865789A publication Critical patent/CN103865789A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN103865789B publication Critical patent/CN103865789B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N35/00—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor
    • G01N35/08—Automatic analysis not limited to methods or materials provided for in any single one of groups G01N1/00 - G01N33/00; Handling materials therefor using a stream of discrete samples flowing along a tube system, e.g. flow injection analysis
    • G01N35/085—Flow Injection Analysis
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/53—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor
    • G01N33/543—Immunoassay; Biospecific binding assay; Materials therefor with an insoluble carrier for immobilising immunochemicals
    • G01N33/54366—Apparatus specially adapted for solid-phase testing
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/50273—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by the means or forces applied to move the fluids
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
    • B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
    • B01L3/502—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures
    • B01L3/5027—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip
    • B01L3/502769—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements
    • B01L3/502784—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics
    • B01L3/502792—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes with fluid transport, e.g. in multi-compartment structures by integrated microfluidic structures, i.e. dimensions of channels and chambers are such that surface tension forces are important, e.g. lab-on-a-chip characterised by multiphase flow arrangements specially adapted for droplet or plug flow, e.g. digital microfluidics for moving individual droplets on a plate, e.g. by locally altering surface tension
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/75—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated
    • G01N21/77—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator
    • G01N21/78—Systems in which material is subjected to a chemical reaction, the progress or the result of the reaction being investigated by observing the effect on a chemical indicator producing a change of colour
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/48—Biological material, e.g. blood, urine; Haemocytometers
    • G01N33/50—Chemical analysis of biological material, e.g. blood, urine; Testing involving biospecific ligand binding methods; Immunological testing
    • G01N33/52—Use of compounds or compositions for colorimetric, spectrophotometric or fluorometric investigation, e.g. use of reagent paper and including single- and multilayer analytical elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/06—Auxiliary integrated devices, integrated components
    • B01L2300/0627—Sensor or part of a sensor is integrated
    • B01L2300/0654—Lenses; Optical fibres
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0809—Geometry, shape and general structure rectangular shaped
    • B01L2300/0816—Cards, e.g. flat sample carriers usually with flow in two horizontal directions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/08—Geometry, shape and general structure
    • B01L2300/0887—Laminated structure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2300/00—Additional constructional details
    • B01L2300/16—Surface properties and coatings
    • B01L2300/161—Control and use of surface tension forces, e.g. hydrophobic, hydrophilic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0415—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
    • B01L2400/00—Moving or stopping fluids
    • B01L2400/04—Moving fluids with specific forces or mechanical means
    • B01L2400/0403—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces
    • B01L2400/0415—Moving fluids with specific forces or mechanical means specific forces electrical forces, e.g. electrokinetic
    • B01L2400/0427—Electrowetting

Abstract

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。

Description

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
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
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。
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。
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
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。
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。
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(IMD)层中，并且所述集成半导体器件进一步包括位于所述IMD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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
附图说明
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。
图1是电介质上电润湿装置的截面图。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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θ0。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θv，大部分液滴116B更加接近下面的电极层104。根据下面的公式(1)，施加的电压所导致的接触角的改变与施加的电压有关。
cos θ V - cos θ 0 = ϵϵ o 2 γ LG t V 2 - - - ( 1 )
在公式(1)中，V是施加的电势或电压，θv是在施加电压V下的接触角，而θ0是没有施加电压V时的接触角。其他变量包括：ε，介电层106的介电常数；ε0，真空介电常数；γLG，表面张力；以及t，介电层106的厚度。装置100中的液滴的明显的疏水性操作可以被称为电介质上电润湿(EWOD)。因此，如图1所示，通过使用EWOD，可以改变和控制液滴在疏水性表面上的物理结构。
图2是允许使用EWOD原理传输和操作生物实体样本液滴的射流控制系统200的截面图。射流控制系统200沿着微流通道202工作以控制通道内的液滴204。液滴204是生物实体样本液滴。本文中所使用的“生物实体(bio-entity)”或“生物的实体(biological entity)”可以是DNA、RNA、蛋白质、小分子、病毒或其他病原体，或可以被测序、识别或量化的任意这种物质。可以在医疗或工业环境中发生这些活动。在整个说明书中，提出了DNA测序的示例，然而，本实施例不限于该示例。
如图2所示，通过在其上具有若干层的第一衬底206提供微流通道202的底部。这些层包括被第一介电层210环绕的三个电极208A、208B和208C。提供微流通道202的下表面的第一疏水涂层212位于第一介电层210之上。
通过在第二衬底214上方形成的另一疏水涂层来提供微流通道202的顶面。这个第二衬底214是在其上沉积若干材料层的玻璃衬底。这些层包括顶部电极层216、第二介电层218以及形成微流通道202的顶面的第二疏水涂层220。翻转第二衬底214并接近第一疏水涂层212的表面。因此，通过在底部的第一疏水涂层212以及在顶部的第二疏水涂层220来物理界定液滴204。
底部电极208A、208B和208C连接至能够选择这三个电极的任意组合的开关222。开关222顺序连接至电压源224，而电压源的另一端连接至顶部电极层216。通过选择性地向电极208A、208B和208C的各种组合施加电压，可以改变液滴204所处的电场。在所示的实施例中，施加DC电势，但在其他实施例中，反之，可以使用AC电势。通过控制底部电极208A、208B和208C与顶部电极216之间的电场，能够以各种方式操作和传输液滴204本身。这可以通过参考图3更好地进行理解。
图3是示出可以使用EWOD射流控制系统怎样获得某些动作的示图。绘出了四种示例性动作：横向移动300A、液滴分离300B、液滴合并300C以及液滴形成300D。这些示例示出了透过衬底214从上往下看液滴时在如上所示的射流控制系统200中所实施的动作。
如横向移动300A所示，液滴204位于电极208B上方。当开关222起作用使得底部电极208A与电压源224断开(OFF)，底部电极208B为OFF，而底部电极208C与电压源224连接(ON)时，液滴沿着电极208C的方向移动，直到该液滴位于电极208C上方。
如液滴分离300B所示，液滴204开始位于底部电极208B上方。当开关222起作用，使得底部电极208B为OFF，而底部电极208A和208C都为ON时，液滴204最接近底部电极208A的部分向左移动而液滴204最接近底部电极208C的部分向右移动，使得液滴204分离为位于底部电极208C上方的液滴204A和位于底部电极208A上方的液滴204B。
如液滴合并300C所示，液滴204A开始位于电极208C上方而液滴204B开始位于电极208A上方。当开关222起作用使得底部电极208A和208C为OFF，而底部电极208B为ON时，液滴204A和204B都朝向底部电极208B移动。液滴204A和204B在底部电极208B上方合并以形成单个液滴。
图3也示出了液滴形成300D。液滴形成300D示出了通过较大的生物实体样本滴剂形成生物实体样本液滴。液滴形成300D的实施使用所讨论的三个底部电极208A、208B和208C，并且进一步包括较大的电极302。电极302可以允许放置较大体积的液体滴剂304。为了形成液滴204。所有的四个电极(302、208A、208B和208C)都转换为ON以沿着由方形的底部电极所示的路径拉出滴剂304，然后底部电极208B和208C转换为OFF。通过处于ON状态的其他电极拉走位于底部电极208B和208C上方的液体，以及通过处于OFF状态的底部电极208B和208C的疏水性推开该液体。滴剂304位于电极208A上方的部分保持形成液滴204。
这些示例假设任意其他相邻电极为OFF。当液滴移动通过图2的微流通道202以及通过微流栅格时，横向移动300A、液滴分离300B、液滴合并300C以及液滴形成300D动作可以用于操作和传输液滴。
图4是用于传输和混合目标生物实体的微流栅格400的示图。例如，微流栅格400可用于传输和混合目标DNA样本和生物试剂。微流栅格包括由与图2的电极208A、208B和208C类似的电极排列成的多个水平和垂直路径。与结合图3描述的那些类似的动作可以用于在微流栅格400中移动、分离、合并以及形成液滴。
多个垂直路径标记为垂直路径402A至402J，而多个水平路径标记为水平路径404A至404L。每个垂直路径402A至402J和每个水平路径404A至404L可以由多个线性布置的电极形成。当电极处于ON状态时，由于疏水涂层212和220可以有效地禁止液滴从一个疏水路径跳到另一个疏水路径，所以垂直路径402A至402J和水平路径404A至404L之间的空间可以是空空间。在一些实施例中，在路径之间的空间存在材料障碍(materialbarrier)。
微流栅格400也包括多个储液器，液滴从多个储液器引入多条路径。沿着顶部布置多个试剂储液器406A至406E。在所示的微流栅格400的实施例中，这些试剂储液器包括腺嘌呤试剂储液器406A、胸腺嘧啶试剂储液器406B、鸟嘌呤试剂储液器406C、胞嘧啶试剂储液器406D和缓冲储液器406E。微流栅格400的其他实施例可以包括其他生物试剂。液滴可以通过垂直路径402B、402D、402F、402H和402J被散布到微流栅格400中，并且通过选择性地设置组成水平和垂直路径的电极，这些液滴可以被定位在微流栅格400中的任意位置处并被分离以及与其他液滴混合或合并。沿着水平路径404C示出了包括示例性缓冲液滴408A和示例性腺嘌呤试剂液滴408B的多个试剂液滴。
在微流栅格400的左侧示出了一些生物实体样本储液器410A至410D。在所示的实施例中，用于DNA序列的每个生物实体样本储液器包含不同的目标DNA片段，即，被标记为目标DNA片段储液器410A中的D1、目标DNA片段储液器410B中的D2、目标DNA片段储液器410C中的D3以及目标DNA片段储液器410中的D4。在用于DNA测序的实施例中，这些储液器保存要被测序的DNA样本片段。在用于诊断的实施例中，在样本储液器中可以具有诸如抗体的其他类型的生物实体样本。
对单个序列的人或病原体的整个基因组进行测序需要非常长的时间。通过将DNA样本分割成许多样本，可以同时处理每个样本以减少获得整个序列所需要的总时间。片段应该提前标记使得可以重新组合单独的并行测序。图4中的每个方形都是诸如示例性目标DNA片段410的目标DNA片段，可以结合图3对该目标DNA片段进行如上所述的操作(包括与用于标记的试剂液滴混合)。位于微流栅格400下方的区域包括光传感器阵列，该光传感器阵列可以用于进行基于光的测量以对目标DNA片段样本进行测序。可以参考图5更好地理解该光传感器阵列。
图5是微流生物实体操作和处理系统中所使用的下部晶圆500的截面图。下部晶圆500包括四个主要功能区域：射流控制电路区、基于固态的光电传感器阵列区、逻辑电路区以及微流通道区。在衬底502上或中形成电路和光电传感器阵列区域。如图所示，衬底502是硅衬底。然而，在其他实施例中，衬底502可以是由诸如金刚石或锗的其他合适的元素半导体、诸如碳化硅、砷化铟或磷化铟的合适的化合物半导体或诸如硅锗碳化物、砷磷化镓或磷化镓铟的合适的合金半导体所形成的衬底。
射流控制电路区包括射流控制电路504，其包括与相关晶体管及其他电路元件连接的多个金属化层。传感器阵列区包括光电传感器阵列506和光电传感器控制电路508。在所示的实施例中，光电传感器阵列506是基于晶体管的光电传感器阵列并且是CMOS图像传感器阵列。然而，在其他实施例中，光电传感器阵列可以包括光电二极管、有源像素传感器、光电晶体管、光敏电阻、电荷连接器件等。通过光电传感器控制电路508控制光电传感器阵列506，光电传感器控制电路508也包括多个晶体管和其他电路元件。最后，在逻辑电路区，具有包括晶体管和其他电路元件的大量逻辑电路510。逻辑电路510允许下部晶圆500的输入和输出。此外，逻辑电路510连接至光电传感器控制电路508和射流控制电路504，同时提供用于诸如模拟数字转换以及数字模拟转换的最优操作的信号处理。射流控制电路504、光电传感器控制电路508和逻辑电路510内嵌在金属间介电层(IMD)512中。
与图2中的底部电极相同，多个底部电极位于IMD512的顶部上。示出了图5所包括的三个底部电极：底部电极514A、514B以及514C。实践中可能具有更多电极，但所示的三个电极足以清楚讨论下部晶圆500。在所示的实施例中，底部电极514A、514B和514C由铝铜合金制成。然而，在其他实施例中，可以使用也适合电极的不同材料。从上面观看时，底部电极514A和514C是实线矩形，而底部电极514B不是。这参考图6进一步地进行讨论。在图5中，表面上仅底部电极514A连接至射流控制电路的金属化叠层。然而，所有的底部电极514A、514B和514C都与射流控制电路504通信，因此如结合图3所述，都可能处于ON或OFF状态。
介电层516位于底部电极514A、514B和514C的定顶部上并环绕底部电极514A、514B和514C。在所示的实施例中，介电层516是通过原子层沉积(ALD)工艺或化学汽相沉积(CVD)工艺、随后通过退火工艺所形成的高k介电层。疏水涂层518位于介电层516上方。在所示的实施例中，疏水涂层518由聚四氟乙烯(PTFE)制成，然而在其他实施例中，疏水涂层518是自组装单层。在图5中也示出了通过蚀刻穿过部分疏水涂层518、介电层516以及IMD512的一定厚度提供的接触焊盘520。其他实施例可以具有附加金属层和其他变型例，但在任何实施例中，可以提供接触焊盘520以允许为下部晶圆500供电或允许下部晶圆500接地，或允许信号/控制输入或输出。
图6提供底部电极514B的三种变型例的俯视图，底部电极也用作可以在生物实体操作和处理系统使用的光学元件。因此，在所示的实施例中，光学元件600A、600B和600C由铝制成。其他实施例可以由其他材料制成。光学元件600A是包括穿过矩形板的多个规则孔的矩形光栅。通过控制矩形孔的间距和尺寸，光学元件600A可以分离特定波长的光。因为当一些标记被去除时，生成特定的、可识别频率的光，所以这将有助于DNA测序。通过使用光学元件600A作为底部电极514B可以降低背景噪声。
光学元件600B是多个同心环，其中，每个环之间都具有规则间距。使用光学元件600B或其他类似元件作为底部电极514B可以允许光聚焦在传感器阵列上。此外，光学元件600C可用作底部电极514B。光学元件600C可以是直通结构(pass-through structure)，仅允许光自然地从下部晶圆500的上方向下到达光电传感器阵列506上。光学元件600C可以用于限制通过光电传感器阵列506检测到的偏轴光。在必要时，可以使用其他光学元件以提供用于生物光学应用的光学干涉、衍射、光栅以及分光光度(spectrophotometric)功能。光学元件600A、600B和600C仅是一些示例。其他实施例可以包括诸如氧化铟锡(ITO)透明导体作为底部电极514B。
图7是可以用于生物实体操作和处理系统的上部晶圆700的截面图。上部晶圆700包括衬底702。在所示的实施例中，衬底702是玻璃晶圆。然而，在其他实施例中，衬底702可以是上面在图5中的下部晶圆500的衬底502的可选实施例中所述的材料中的一种。顶部电极704位于衬底上方。在所示的实施例中，顶部电极704是ITO层。然而，在其他实施例中，顶部电极704可以是铝层或其他合适的电极层。
介电层706沉积在顶部电极704上方。在该示例中，介电层706是在退火之前通过ALD工艺沉积的高k介电层。此外，疏水涂层708位于介电层706之上。在所示的实施例中，疏水涂层708由PTFE制成，但在其他实施例中，疏水涂层708由自组装单层制成。通过用于标记目标DNA片段的表面处理来处理疏水涂层708的一部分，以建立表面处理区域710。在所示的实施例中，表面处理区域710可以促进DNA结合，而在其他实施例中，可以施加抗体结合表面处理。当包含与特定表面处理反应的组分的液滴与表面处理的区域710接触时，表面处理的区域710允许发光的可识别的反应。例如，分子标签可以被添加到与目标DNA片段结合的碱基对上，从而结合时释放标签，其中，释放标签发出光信号。
图7也示出了接触焊盘区712。可以仅通过蚀刻掉疏水涂层708和介电层706的部分来形成接触焊盘区712，使得电接触件可以由顶部电极704的暴露部分制成。在其他实施例中，可以在顶部电极704的暴露部分上方沉积附加接触层以便于引线接合。
图8是集成图5的下部晶圆500和图7的上部晶圆700的集成的微流生物实体操作和处理系统800的截面图。因此，图8包括在其上具有有射流控制电路504、光电传感器控制电路508以及逻辑电路510的衬底502(除了在其中的光电传感器阵列506以外)。IMD512环绕这些部件，并且集成的下部晶圆500包括在其上沉积有上面的介电层516的底部电极514A、514B和514C。用作微流通道802的底部的疏水涂层518位于介电层516的顶部上。
微流生物实体操作和处理系统800也包括衬底702，在该实施例中，衬底702是玻璃衬底。顶部电极704、介电层706以及疏水涂层708位于衬底702上方。虽然微流生物实体操作和处理系统800的所示实施例没有示出图7的接触焊盘区712，但是其他实施例可以包含该部件。疏水涂层708包括表面处理的区域710。使用管芯级或晶圆级封装技术结合下部晶圆500和上部晶圆700，使得表面处理的区域710与光电传感器阵列506对准，并且使得疏水涂层518和708靠拢，但没有接触，以形成微流通道802。虽然所示的实施例中，在疏水涂层708上方形成表面处理的区域710，但在其他实施例中，相反，可以在下部晶圆500的疏水涂层518上方形成表面处理的区域710，从而可以通过使表面处理的区域710更靠近光电传感器阵列506来提高性能。
在操作中，使用诸如横向移动300A的图3所示的动作，液滴804与表面处理的区域710接触。液滴804包括标记的生物实体样本，例如，与诸如图4的示例性腺嘌呤试剂液滴408B的试剂液滴混合的DNA。当液滴804与表面处理的区域710接触时，化学反应可以从液滴的生物实体样本中去除标记。标记的去除可以提高或加强光子发射。该发射通过底部电极514B(在该实施例中，具有图6的光学元件600A导电形式)，然后在光电传感器阵列506中感测该发射。通过光电传感器控制电路508采集该信号，并将该信号传输至用于信号处理的逻辑电路510。根据光子发射的频率或颜色，可以检测特定的碱基对。在测试液滴804中的抗体的实施例中，发射可以表明在液滴804的生物实体样本中具有特定抗体。在以这种方式处理液滴804之后，液滴804被移出微流通道802，并且可能被移出微流栅格400。
如图8所示，微流生物实体操作和处理系统800提供在单晶圆(下部晶圆500)上的微流控制电路504(和相关的底部电极514A、514B以及514C)、逻辑电路510、光电传感器阵列506以及光电传感器控制电路508。下部晶圆500也提供微流通道802的底面。接合至下部晶圆500的上部晶圆700提供微流通道的顶面以及顶部电极704。在所示的实施例中，通过高k介电层706和516，约5伏的电势可用于移动和操作类似于液滴804的液滴，同时对位于单个芯片封装件上的用于各种图像检测和处理的所有电路元件供电。
图9是根据附加实施例的包括彩色滤波器阵列的集成的微流生物实体操作和处理系统900的截面图。微流生物实体操作和处理系统900和图8中的微流生物实体操作和处理系统800之间具有相同的几个部件。在本发明中，这些相同的部件具有相应的标号以避免不必要的重复。具有多个红色、蓝色和绿色滤波器的彩色滤波器阵列(CFA)902位于底部电极514A、514B和514C下方。如图9所示，底部电极514B被配置为图6中的光学元件600C。因此，当通过在表面处理的区域710处的反应从生物实体样本液滴904中去除标记导致发射时，在进入可以检测发射的光电传感器阵列506之前，路径穿过底部电极514B的开口、穿过CFA902。CFA902的增加可以允许检测发射颜色的更多传统方法。通过检测发射的颜色，可以识别通过在表面处理的区域710处的反应去除的特定标记。以这种方式，可以对DNA片段测序以及可以检测特定病原体。
虽然在所示的实施例中，在上部晶圆700的疏水涂层708上形成表面处理的区域710，但在其他实施例中，相反，可以在下部晶圆500的疏水涂层518上形成表面处理的区域710，从而可以通过使表面处理的区域710更靠近光电传感器阵列506来提高性能。
图10是根据附加实施例利用背面照射的集成的微流生物实体操作和处理系统1000的截面图。在衬底1002上制造系统1000的下部晶圆。在所示的实施例中，衬底1002是P型硅衬底，但在其他实施例中，衬底可以是如上所述的其他材料。在制造过程中，沉积多个金属层以形成射流控制电路1004、光电传感器控制电路1006以及逻辑电路1008。在衬底1002中制造多个光电检测器以建立与光电传感器控制电路1006通信的光电传感器阵列1010。在IMD1012覆盖控制电路和逻辑电路之后，衬底1002上的材料叠层接合至载具晶圆1014。在所示的实施例中，载具晶圆1014是硅晶圆，但在其他实施例中，载具晶圆可以是玻璃或其他材料晶圆。
在将载具晶圆1014接合至IMD1012的顶部之后，翻转接合晶圆，然后，减薄衬底1002的背面。在本实施例中，使用氢氟酸、硝酸和乙酸(HNA)的高选择性湿蚀刻工艺用于减薄衬底1002。在可选实施例中，化学机械平坦化(CMP)工艺可以用于减薄衬底1002。在减薄工艺之后，光电传感器阵列1010中的光电检测器靠近衬底1002的背表面。这可以减小光电传感器阵列1010和发射源之间的总叠层高度，从而提高了性能。
在衬底1002的背面的顶部上沉积并图案化抗反射涂层(ARC)1016。在所示的实施例中，ARC1016可以是氧化硅ARC层。在图案化ARC1016之后，可以沉积多个底部电极。图10示出了四个底部电极：底部电极1018A、1018B、1018C和1018D。在所示的实施例中，底部电极1018A和1018C是由ITO制成的透明底部电极。同时，底部电极1018B和1018D是由铝铜合金制成的背面金属电极。在其他实施例中，其他结构和材料可以用于底部电极1018A、1018B、1018C和1018D。在一种以上的材料用于底部电极的实施例中，不同工艺将用于沉积和图案化。通常，在所示的实施例中，通过由底部电极1018B提供的不透明的材料覆盖光电传感器阵列1010的一部分。这种不透明材料用作黑色参考(dark reference)，以通过光电传感器1010确定归因于除了可见光之外的源(诸如热)的信号总量。
在底部电极的顶部、ARC1016的暴露部分和衬底1002的背面上沉积介电层1020。在所示的实施例中，介电层1020是通过ALD工艺沉积，然后退火的高k介电层，而在其他实施例中，在退火之前，通过CVD沉积介电层1020。在介电层1020上方沉积疏水涂层1022。疏水涂层1022提供微流通道1024的底部，通过该微流通道1024可以移动液滴。在所示的实施例中，疏水涂层1022由PTFE制成。在其他实施例中，该疏水涂层可以是自组装单层。在图10中也示出了通过蚀刻穿过疏水涂层1022、介电层1020、穿过衬底1002以及IMD1012的部分所形成的接触焊盘1028。接触焊盘1028提供引线接合的位置以允许与逻辑电路1008和内嵌在IMD1012中的其他电路的输入和输出以及电源连接。
与图7的上部晶圆700一样，基于下部衬底1002的晶圆接合至上部晶圆。因此，上部晶圆700包括衬底702、顶部电极704、介电层706以及具有表面处理的区域710的疏水涂层708。疏水涂层708与疏水涂层1022一起形成微流通道1024。如本文中通过其他实施例所讨论的，可以移动液滴1026以与表面处理的区域710接触，该表面处理的区域710提供用于与发光的生物实体的特有的生物化学相互作用的场所。被光电传感器阵列1010检测这些光发射并对这些光发射进行处理以确定参与到反应中的实体。通过确定这些实体，可以记录核苷酸碱基或特定抗体。虽然在所示的实施例中，在疏水涂层708上形成表面处理的区域710，但在其他实施例中，相反，可以在基于下部衬底1002的晶圆的疏水涂层1022上形成表面处理的区域710，从而可以通过使表面处理的区域710更靠近光电传感器阵列1010来提高性能。
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1100的流程图。方法1100从步骤1102开始，其中，从第一容器获取生物实体样本液滴。第一容器连接至微流栅格。方法1100可以继续至步骤1104，使用电润湿效应，将生物实体样本液滴从微流栅格传输至微流通道。微流通道具有设置在第一衬底上的面。当生物实体样本液滴位于微流通道中时，生物实体样本液滴与微流通道中的表面处理区域接触。在生物实体样本液滴与表面处理区域接触时，触发生物化学反应。在步骤1106中，通过形成在第一衬底上方的光电传感器阵列来检测由生物实体样本液滴与表面处理区域的相互作用产生的光子信号。
为了更好地说明操作方法1100，将图8的集成微流生物实体操作和处理系统800以及上面讨论的诸如图3和图4的一些其他附图作为参考。也可以参考本文中所公开的集成微流生物实体操作和处理系统的其他实施例说明方法1100。因此，通过非限制性示例方式参考图8。图4的容器410A可以包括较大体积的生物实体样本。通过使用作为图3的液滴形成300D所述的动作，生物实体样本液滴804由较大体积形成并将生物实体样本液滴804引入图4的微流栅格400(步骤1102)。通过包括多个微流通道的微流栅格400传输生物实体样本液滴804，多个微流通道中的一个是图8的微流通道802。微流通道802位于沉积在衬底502上的材料叠层的顶部上，该材料叠层的顶层(即，疏水涂层518)提供微流通道802的底面。通过使用逻辑电路510控制射流控制电路504来完成通过微流通道传输生物实体样本液滴804。
通过使用电润湿效应，通过图4的微流栅格400和图8的微流通道802移动生物实体样本液滴804。如图3所示，底部电极514A、514B和514C被设置为ON或者OFF状态，以根据底部电极的ON或OFF状态使生物制品滴服从可控的疏水性或亲水性表面。通过控制底部电极514A、514B和514C并结合顶部电极704，引导生物实体样本液滴804以与已经对其施加表面处理的表面处理的区域710接触(步骤1104)。通过逻辑电路510对射流控制电路504施加控制来完成引导生物实体样本液滴804以与表面处理的区域710接触。
由于表面处理，表面处理的区域710和生物实体样本液滴804可以经历加强或提高荧光信号的生物化学反应。这种光穿过底部电极514B到达光电传感器阵列506。电传感器506检测光并且将相应的信号发送至用于处理的逻辑电路510(步骤1106)。逻辑电路510可以通过颜色或频率解释该信号以确定发生的生物化学反应。生物化学反应可以表明在目标DNA片段中检测到的具体碱基核苷酸，或者在生物实体样本液滴中存在特定抗体。在已经处理生物实体样本液滴804之后，从微流通道802去除该生物实体样本液滴804。在一些实施例中，为了清洁微流通道802，可以通过微流通道802传输诸如图4的缓冲液滴408A的缓冲液滴。
此外，在方法1100的一些实施例中，使用图3的液滴合并300C操作，从图4的腺嘌呤试剂容器406A所获取的腺嘌呤试剂液滴408B与生物实体样本液滴804结合。液滴合并300C操作可以在微流栅格400中将生物实体样本液滴804和腺嘌呤试剂液滴408B混合。然后，可以在微流通道802中引导混合的生物实体样本液滴804以与表面处理的区域710接触。在一些实施例中，除了用作电极之外，底部电极514B可以是光学元件。因此，底部电极514B可以在一个实施例中是光学元件600A，而在另一个实施例中是600B。在其他实施例中，不同于腺嘌呤试剂液滴408B的试剂可用于制造不同的混合生物实体样本液滴804。
宽泛实施例之一是用于操作和处理生物实体样本的集成半导体器件。器件可以包括微流通道，通道连接至射流控制电路，以及连接至传感器控制电路的光电传感器阵列。器件也可以包括连接至射流控制电路和传感器控制电路的逻辑电路。可以在第一衬底的正面上形成射流控制电路、传感器控制电路和逻辑电路。
宽泛实施例的另一个是用于操作和处理基因样本的集成半导体器件。集成半导体器件可以包括微流通道，微流通道连接至射流控制电路。器件可以进一步包括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基因样本液滴传输的微流栅格。此外，器件可以包括连接至射流控制电路和传感器控制电路的逻辑电路。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。
宽泛实施例中的又一个是用集成半导体器件操作和处理生物实体样本的方法。方法包括从第一容器提供生物实体样本液滴的步骤，第一容器连接至微流栅格；使用电润湿效应将生物实体样本液滴从微流栅格传输至微流通道，以及用光电传感器阵列检测光子信号。生物实体样本液滴可以与微流通道中的表面处理区域接触，其中，微流通道的一面设置在第一衬底上。通过生物实体样本液滴和表面处理的相互作用加强光子信号，而在第一衬底上形成光电传感器阵列。
通过讨论和示例提交了上述公开内容。本发明不是穷尽本发明和权利要求的所有范围和主旨。本领域技术人员可以理解，这些变型例和组合被认为是在本发明的范围和主旨内。因此，在整个说明书中，作为示例提供了DNA测序和病原体识别。本发明的范围和主旨远远超出这些示例的有限环境。因此，仅通过以下权利要求来限定本发明的全部范围。

Claims (10)

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(IMD)层中，并且所述集成半导体器件进一步包括位于所述IMD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。
CN201310060247.8A 2012-12-17 2013-02-26 集成生物实体操作和处理半导体器件的系统及方法 Active CN103865789B (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US13/716,709 US9239328B2 (en) 2012-12-17 2012-12-17 Systems and methods for an integrated bio-entity manipulation and processing semiconductor device
US13/716,709 2012-12-17

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN103865789A true CN103865789A (zh) 2014-06-18
CN103865789B CN103865789B (zh) 2016-06-29

Family

ID=50821531

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201310060247.8A Active CN103865789B (zh) 2012-12-17 2013-02-26 集成生物实体操作和处理半导体器件的系统及方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US9239328B2 (zh)
KR (1) KR101420973B1 (zh)
CN (1) CN103865789B (zh)
DE (1) DE102013105100B4 (zh)
TW (1) TWI498557B (zh)

Cited By (13)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105572398A (zh) * 2014-09-02 2016-05-11 晶相光电股份有限公司 生物芯片封装
CN108472649A (zh) * 2015-10-27 2018-08-31 伯克利之光生命科技公司 具有优化的电润湿表面的微流体装置和相关系统及方法
WO2019047702A1 (zh) * 2017-09-06 2019-03-14 京东方科技集团股份有限公司 微全分析系统及方法
WO2019062267A1 (zh) * 2017-09-29 2019-04-04 京东方科技集团股份有限公司 用于数字微流控芯片的驱动方法和驱动系统
CN109863396A (zh) * 2016-10-05 2019-06-07 雅培实验室 用于样品分析的装置和方法
WO2020024119A1 (en) * 2018-08-01 2020-02-06 University Of Macau Apparatus and method for on-chip microfluids dispensing
CN110809495A (zh) * 2017-04-26 2020-02-18 伯克利之光生命科技公司 使用具有优化电润湿表面的微流体装置的生物处理系统和方法
WO2020082721A1 (en) * 2018-10-23 2020-04-30 Boe Technology Group Co., Ltd. Biosensor apparatus, method of fabricating biosensor apparatus, biosensor chip, and method of detecting target molecule
WO2020094116A1 (en) * 2018-11-09 2020-05-14 Mgi Tech Co., Ltd. Multilayer electrical connection for digital microfluids on substrates
US10799865B2 (en) 2015-10-27 2020-10-13 Berkeley Lights, Inc. Microfluidic apparatus having an optimized electrowetting surface and related systems and methods
US11365381B2 (en) 2015-04-22 2022-06-21 Berkeley Lights, Inc. Microfluidic cell culture
US11801508B2 (en) 2016-05-26 2023-10-31 Berkeley Lights, Inc. Covalently modified surfaces, kits, and methods of preparation and use
US11964275B2 (en) 2020-08-27 2024-04-23 Berkeley Lights, Inc. Microfluidic apparatus having an optimized electrowetting surface and related systems and methods

Families Citing this family (11)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9366647B2 (en) 2013-03-14 2016-06-14 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Optical detection for bio-entities
US9254485B2 (en) 2012-12-17 2016-02-09 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Systems and methods for an integrated bio-entity manipulation and processing device
JP6514776B2 (ja) 2014-12-08 2019-05-15 バークレー ライツ，インコーポレイテッド 横方向／垂直方向トランジスタ構造を含むマイクロ流体デバイスならびにそれを作製および使用するプロセス
US20160313282A1 (en) * 2015-04-27 2016-10-27 Chan-Long Shieh Motft and array circuit for chemical/biochemical applications
KR20220153685A (ko) 2015-12-08 2022-11-18 버클리 라잇츠, 인크. 미세유체 디바이스들 및 키트들 및 그것의 사용을 위한 방법들
WO2018017134A1 (en) 2016-07-22 2018-01-25 Hewlett-Packard Development Company, L.P. Substrate assembly and related methods
CN107527595B (zh) * 2017-09-27 2019-06-07 京东方科技集团股份有限公司 一种微流控系统及其驱动方法
TWI644102B (zh) * 2017-12-18 2018-12-11 友達光電股份有限公司 微流體感測元件及其製作方法
CN111208119A (zh) * 2020-02-25 2020-05-29 北京京东方传感技术有限公司 数字微流控化学发光检测芯片及检测方法、检测装置
CN114870915B (zh) * 2022-04-24 2023-03-31 复旦大学 一种单平面光控电润湿器件上多方向操控液滴的方法
TWI804398B (zh) * 2022-07-22 2023-06-01 友達光電股份有限公司 感測元件及其製作方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040055891A1 (en) * 2002-09-24 2004-03-25 Pamula Vamsee K. Methods and apparatus for manipulating droplets by electrowetting-based techniques
CN101679078A (zh) * 2007-05-24 2010-03-24 数字化生物系统 基于电湿润的数字微流体
KR20110083460A (ko) * 2010-01-14 2011-07-20 한국전자통신연구원 전기습윤 기반의 유체 분석 장치 및 방법

Family Cites Families (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2002025934A2 (en) * 2000-09-25 2002-03-28 Sensovation Ag Image sensor device, apparatus and method for optical measurements
WO2003045556A2 (en) 2001-11-26 2003-06-05 Keck Graduate Institute Method, apparatus and article for microfluidic control via electrowetting, for chemical, biochemical and biological assays and the like
US7524459B2 (en) * 2002-01-24 2009-04-28 California Institute Of Technology In Pasadena Optoelectronic and microfluidic integration for miniaturized spectroscopic devices
TWI230760B (en) 2003-07-29 2005-04-11 Univ Tsinghua Electrowetting electrode design with electromagnetic field for actuation of the magnetic-beads biochemical detection system
ITBO20050646A1 (it) 2005-10-26 2007-04-27 Silicon Biosystem S R L Metodo ed apparato per la caratterizzazione ed il conteggio di particelle
US8809068B2 (en) 2006-04-18 2014-08-19 Advanced Liquid Logic, Inc. Manipulation of beads in droplets and methods for manipulating droplets
US7901947B2 (en) 2006-04-18 2011-03-08 Advanced Liquid Logic, Inc. Droplet-based particle sorting
EP2016193A2 (en) * 2006-04-20 2009-01-21 The Regents Of The University Of California Device for quantification of radioisotope concentrations in a micro-fluidic platform
US8093062B2 (en) * 2007-03-22 2012-01-10 Theodore Winger Enzymatic assays using umbelliferone substrates with cyclodextrins in droplets in oil
WO2009004533A1 (en) 2007-07-03 2009-01-08 Nxp B.V. A microfluidic chip for and a method of handling fluidic droplets
US20100236928A1 (en) 2007-10-17 2010-09-23 Advanced Liquid Logic, Inc. Multiplexed Detection Schemes for a Droplet Actuator
CA2639954C (en) 2008-02-11 2017-08-15 Aaron R. Wheeler Droplet-based cell culture and cell assays using digital microfluidics
WO2010088761A1 (en) 2009-02-06 2010-08-12 Maziyar Khorasani Method and apparatus for manipulating and detecting analytes
WO2011156835A1 (en) 2010-06-17 2011-12-22 Geneasys Pty Ltd Test module incorporating spectrometer
TWI510295B (zh) 2011-02-17 2015-12-01 Gary Wang 基於微電極陣列結構的現場可程式設計晶片實驗室與液滴處理方法
US8464076B2 (en) * 2011-03-24 2013-06-11 International Business Machines Corporation Born encrypted optical data

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040055891A1 (en) * 2002-09-24 2004-03-25 Pamula Vamsee K. Methods and apparatus for manipulating droplets by electrowetting-based techniques
CN101679078A (zh) * 2007-05-24 2010-03-24 数字化生物系统 基于电湿润的数字微流体
KR20110083460A (ko) * 2010-01-14 2011-07-20 한국전자통신연구원 전기습윤 기반의 유체 분석 장치 및 방법

Cited By (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105572398B (zh) * 2014-09-02 2017-12-08 晶相光电股份有限公司 生物芯片封装
CN105572398A (zh) * 2014-09-02 2016-05-11 晶相光电股份有限公司 生物芯片封装
US11365381B2 (en) 2015-04-22 2022-06-21 Berkeley Lights, Inc. Microfluidic cell culture
US10799865B2 (en) 2015-10-27 2020-10-13 Berkeley Lights, Inc. Microfluidic apparatus having an optimized electrowetting surface and related systems and methods
CN108472649A (zh) * 2015-10-27 2018-08-31 伯克利之光生命科技公司 具有优化的电润湿表面的微流体装置和相关系统及方法
JP2018535088A (ja) * 2015-10-27 2018-11-29 バークレー ライツ，インコーポレイテッド 共有結合した疎水性表面を有するマイクロ流体エレクトロウェッティングデバイス装置
CN114289087B (zh) * 2015-10-27 2024-03-26 伯克利之光生命科技公司 具有优化的电润湿表面的微流体装置和相关系统及方法
TWI781484B (zh) * 2015-10-27 2022-10-21 美商伯克利之光生命科技公司 具最佳化電濕潤表面之微流體裝置以及相關系統和方法
CN114289087A (zh) * 2015-10-27 2022-04-08 伯克利之光生命科技公司 具有优化的电润湿表面的微流体装置和相关系统及方法
JP2021126656A (ja) * 2015-10-27 2021-09-02 バークレー ライツ，インコーポレイテッド 共有結合した疎水性表面を有するマイクロ流体エレクトロウェッティングデバイス装置
US11801508B2 (en) 2016-05-26 2023-10-31 Berkeley Lights, Inc. Covalently modified surfaces, kits, and methods of preparation and use
CN109863396A (zh) * 2016-10-05 2019-06-07 雅培实验室 用于样品分析的装置和方法
CN110809495A (zh) * 2017-04-26 2020-02-18 伯克利之光生命科技公司 使用具有优化电润湿表面的微流体装置的生物处理系统和方法
WO2019047702A1 (zh) * 2017-09-06 2019-03-14 京东方科技集团股份有限公司 微全分析系统及方法
US11534758B2 (en) 2017-09-06 2022-12-27 Boe Technology Group Co., Ltd. Micro total analysis system and method
US11446656B2 (en) 2017-09-29 2022-09-20 Beijing Boe Optoelectronics Technology Co., Ltd. Driving method and driving system for digital microfluidic chip
WO2019062267A1 (zh) * 2017-09-29 2019-04-04 京东方科技集团股份有限公司 用于数字微流控芯片的驱动方法和驱动系统
WO2020024119A1 (en) * 2018-08-01 2020-02-06 University Of Macau Apparatus and method for on-chip microfluids dispensing
CN112449682A (zh) * 2018-08-01 2021-03-05 澳门大学 用于芯片上微流体分配的设备和方法
CN112449682B (zh) * 2018-08-01 2024-03-08 澳门大学 用于芯片上微流体分配的设备和方法
WO2020082721A1 (en) * 2018-10-23 2020-04-30 Boe Technology Group Co., Ltd. Biosensor apparatus, method of fabricating biosensor apparatus, biosensor chip, and method of detecting target molecule
CN112969536B (zh) * 2018-11-09 2023-04-11 深圳华大智造科技股份有限公司 基板上数字微流体的多层电气连接
WO2020094116A1 (en) * 2018-11-09 2020-05-14 Mgi Tech Co., Ltd. Multilayer electrical connection for digital microfluids on substrates
US11865543B2 (en) 2018-11-09 2024-01-09 Mgi Tech Co., Ltd. Multilayer electrical connection for digital microfluidics on substrates
CN112969536A (zh) * 2018-11-09 2021-06-15 深圳华大智造科技股份有限公司 基板上数字微流体的多层电气连接
US11964275B2 (en) 2020-08-27 2024-04-23 Berkeley Lights, Inc. Microfluidic apparatus having an optimized electrowetting surface and related systems and methods

Also Published As

Publication number Publication date
US9239328B2 (en) 2016-01-19
DE102013105100B4 (de) 2022-06-23
US20140166484A1 (en) 2014-06-19
TWI498557B (zh) 2015-09-01
KR20140078515A (ko) 2014-06-25
CN103865789B (zh) 2016-06-29
TW201425935A (zh) 2014-07-01
KR101420973B1 (ko) 2014-07-17
DE102013105100A1 (de) 2014-06-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN103865789B (zh) 集成生物实体操作和处理半导体器件的系统及方法
US11702691B2 (en) Optical detection for bio-entities
US9254487B2 (en) Systems and methods for an integrated bio-entity manipulation and processing semiconductor device
US20100181195A1 (en) Microfluidic chip for and a method of handling fluidic droplets
US7922885B2 (en) Device for transporting liquid and system for analyzing
US20100200781A1 (en) Method and apparatus for manipulating and detecting analytes
US20090134309A1 (en) Chip for analyzing a medium comprising an integrated organic light emitter
US20160108432A1 (en) Droplet actuator for electroporation and transforming cells
WO2007107910A1 (en) Microelectronic device with field electrodes
JP2021510196A (ja) デジタルマイクロ流体デバイス、マイクロ流体装置、ラボオンチップデバイス、デジタルマイクロ流体方法、及びデジタルマイクロ流体デバイスの製造方法
CN101410709A (zh) 具有光电探测器阵列和样品位点阵列的集成装置
CN108449970A (zh) 生物感测器
US20230384258A1 (en) Integrated biological sensing platform
Ghallab et al. Lab on a chip based on CMOS technology: system architectures, microfluidic packaging, and challenges
US20190329259A1 (en) Digital microfluidic devices
CN102628805B (zh) 基于光子晶体滤波片的微流控芯片荧光检测系统
WO2018198621A1 (ja) 対象物捕捉装置、および対象物捕捉装置ユニット
Ide et al. Development of an on-chip microfluidic system with filter-free multiple-wavelength sensor for microflow cytometry
TWI644102B (zh) 微流體感測元件及其製作方法
US20220328541A1 (en) Integrated circuit having mirrored pixel configuration
TWI623487B (zh) 微流體感測元件及其製作方法
US20230408442A1 (en) Semiconductor structure having biosensor and manufacturing method thereof
Meng CMOS nanofluidics
Chen et al. A monolithic lab-on-a-chip for electrochemical detection

Legal Events

Date Code Title Description
C06 Publication
PB01 Publication
C10 Entry into substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
C14 Grant of patent or utility model
GR01 Patent grant