CN106133511A - 纳米间隙电极对及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

用于检测生物分子的系统包括纳米间隙电极装置，纳米间隙电极装置包含第一电极和相邻于该第一电极的第二电极。第一电极与第二电极可由纳米间隙分离，纳米间隙被定尺寸成允许生物分子流动通过纳米间隙。纳米间隙可至少具有第一间隙区域和第二间隙区域。第二间隙区域可相对于具有第一间隙区域的平面以大于0°的角度定向。系统可进一步包含联接至纳米间隙电极装置的电路。当生物分子流动通过纳米间隙时，电路可从第一电极和第二电极接收电信号。

Description

纳米间隙电极对及其制造方法
交叉参考
本申请要求2013年10月16日提交的日本专利申请JP2013-215828的优先权，该日本专利申请的全文以引用的方式并入本文。
背景
本发明涉及一种纳米间隙电极对以及一种制造纳米间隙电极对的方法。近年来，电极结构(下文中称为纳米间隙电极对)已成为关注焦点，其中纳米级间隙形成于对置电极部件或成形G0针尖之间。因此，使用纳米间隙电极对来对电子装置、生物装置等进行积极研究。例如，在生物装置领域中，已设想一种利用纳米间隙电极对来分析DNA或RNA的核苷酸序列的分析设备(例如参阅国际公开WO2011/108540，该国际公开的全文以引用的方式并入本文)。
在此分析设备中，使单一DNA或RNA链通过纳米间隙电极对的电极部件之间的纳米级中空间隙(下文中称为纳米间隙)。通常，可使用单链DNA或RNA。接着，当单一DNA或RNA链的碱基通过电极部件之间的纳米间隙时，测量流动通过电极部件的电流，由此能够基于电流值而判定构成DNA或RNA链的碱基。
如上文所提及，在此分析设备中，若纳米间隙电极对的电极部件之间的距离增大，则电流的可检测值减小。这使得难以高灵敏度地分析样本。因此，期望的是，电极部件之间可形成小尺寸的纳米间隙。因此，致力于开发纳米间隙电极对，其电极部件之间的距离较短(例如参见日本专利特许公开2006-234799，该案的全文以引用的方式并入本文)。
日本专利特许公开2006-234799(该案的全文以引用的方式并入本文)公开了一种方法，其通过建立包括金属层、自组装单层(SAM)或Al2O3层和金属层的三层结构且接着移除该SAM或Al2O3层而在基板上制造竖直纳米间隙。日本专利特许公开案第2006-234799号(该案的全文以引用的方式并入本文中)也公开一种方法，其通过在布置于基板上的作为一个电极部件的第一金属层的侧表面上形成SAM，形成充当该基板上的另一电极部件的第二金属层使得与该SAM接触，且接着移除该SAM而建立该第一金属层与该第二金属层之间的平面纳米间隙。
虽然在纳米间隙电极中电极部件之间的距离可变窄，但在一些情况中，电极部件之间的变窄距离会使含单链DNA的样本溶液测量目标更难以通过纳米间隙。
因此，已鉴于上述问题而实现的本发明的目的是提出一种纳米间隙电极对和一种用于制造纳米间隙电极对的方法，其中样本流体可容易地通过第一电极部件与第二电极部件之间的纳米间隙，即使该纳米间隙的宽度实质上较窄。
发明内容
本发明提供纳米间隙电极装置和系统。本文所提供的纳米间隙电极装置和系统能够至少解决一些上述问题。
在一些实施例中，一种纳米间隙电极对可包含：第一电极部件，其形成于基板上；第二电极部件，其或者形成于在绝缘层上的第一电极部件上方形成的间隙形成层上，或者形成于在该第一电极部件上形成的间隙形成层上，并且布置成与该第一电极部件对置；和纳米间隙，其形成于该第一电极部件与该第二电极部件之间，该纳米间隙由与基板共面的第一纳米间隙区域以及垂直于该基板而延伸的第二纳米间隙区域组成，该第二纳米间隙区域的终端与该第一纳米间隙区域连接或重叠。
在一些实施例中，一种纳米间隙电极对可包含：第一电极部件，其形成于基板上；第二电极部件，其形成于该基板上的间隙形成层上且布置成与该第一电极部件对置；和纳米间隙，其形成于该第一电极部件与该第二电极部件之间，该纳米间隙包括与基板共面的第一纳米间隙区域和垂直于该基板而延伸的第二纳米间隙区域，该第二纳米间隙区域的终端与该第一纳米间隙区域连接或重叠。
在本发明的一个方面中，一种纳米间隙电极对包括：第一电极部件，其形成于基板上；第二电极部件，其或者形成于通过绝缘层而形成于该第一电极部件中的间隙形成层上，或者形成于在该第一电极部件中形成的间隙形成层上，并且布置成与该第一电极部件对置；和纳米间隙，其形成于该第一电极部件与该第二电极部件之间，该纳米间隙由沿该基板的平面方向延伸的第一间隙区域以及垂直于该基板而延伸的第二间隙区域组成，该第二间隙区域的终端与该第一间隙区域连接。在实施例中，该第一电极部件包含：薄膜部件；厚膜部件，其膜厚度厚于该薄膜部件；和第一电极侧间隙形成部件，其形成于该薄膜部件与该厚膜部件之间且其膜厚度薄于该厚膜部件。该第二电极部件可包含：基底部件，其通过该绝缘层和该间隙形成层或仅通过该间隙形成层而布置于该薄膜部件上；和第二电极侧间隙形成部件，其前端从该基底部件延伸朝向该厚膜部件，由此形成该第一电极侧间隙形成部件与该第二电极侧间隙形成部件之间的该第一间隙区域和该厚膜部件与该第二电极侧间隙形成部件之间的该第二间隙区域。
在另一方面中，一种纳米间隙电极对包括：第一电极部件，其形成于基板上；第二电极部件，其形成于该基板上的间隙形成层中且布置成与该第一电极部件对置；和纳米间隙，其形成于该第一电极部件与该第二电极部件之间，该纳米间隙由沿该基板的平面方向延伸的第一间隙区域和垂直于该基板而延伸的第二间隙区域组成，该第二间隙区域的终端与该第一间隙区域连接。在实施例中，该第二电极部件包含：基底部件，其通过该间隙形成层而布置于该基板上；和第二电极侧间隙形成部件，其被形成以便在该第一电极部件上运行，其中该第一间隙区域和该第二间隙区域设置于该第一电极部件与该第二电极侧间隙形成部件之间。
在实施例中，该第一间隙区域的宽度和该第二间隙区域的宽度具有与该间隙形成层的膜厚度相同的尺寸。
在另一方面中，一种用于检测生物分子的系统包括：纳米间隙电极装置，所述纳米间隙电极装置包含第一电极和与所述第一电极相邻的第二电极，其中所述第一电极与所述第二电极由纳米间隙分离，所述纳米间隙被定尺寸成允许所述生物分子流动通过所述纳米间隙，其中所述纳米间隙至少具有第一间隙区域和第二间隙区域，其中所述第二间隙区域相对于具有或限定所述第一间隙区域的平面以大于0°的角度定向；和电路，所述电路被联接至所述纳米间隙电极装置，其中当所述生物分子流动通过所述纳米间隙时，所述电路从所述第一电极和所述第二电极接收电信号。
在一些实施例中，该第二间隙区域相对于具有或限定该第一间隙区域的该平面以大于约25°的角度定向。在一些实施例中，该第二间隙区域相对于具有或限定该第一间隙区域的该平面以大于约45°的角度定向。在一些实施例中，该第二间隙区域相对于具有或限定该第一间隙区域的该平面以约90°的角度定向。
在一些实施例中，该第一电极相邻于基板。在一些实施例中，该第二电极相邻于与该第一电极接触的绝缘层。在一些实施例中，该第一电极包括第一部分和相邻于该第一部分的第二部分，其中该第一部分和该第二部分相邻于该基板，并且其中该第一部分具有大于该第二部分的厚度。在一些实施例中，该第一部分具有部分地限定该第二间隙区域的表面，并且其中该第二部分具有部分地限定该第一间隙区域的表面。
在一些实施例中，该第一电极或该第二电极的一部分具有单原子针尖。在一些实施例中，该第二间隙区域的终端联接至该第一间隙区域。在一些实施例中，该系统进一步包括至少一个通道，其与该纳米间隙电极装置流体连通且被构造成将该生物分子导引至该纳米间隙。在一些实施例中，该通道与微流体结构整合。
在一些实施例中，该电路是计算机处理器的一部分或与计算机处理器通信，该计算机处理器被编程以从该电信号检测该生物分子或其一部分。在一些实施例中，该纳米间隙电极装置是纳米间隙电极装置阵列的一部分。在一些实施例中，该纳米间隙电极装置可相对于该阵列的其它纳米间隙电极装置而独立地定址。
在一些实施例中，该纳米间隙具有第三间隙区域，其终端联接至该第一间隙区域。
在另一方面中，一种用于感测生物分子的系统，所述系统包括纳米间隙电极装置，所述纳米间隙电极装置包括第一电极和与所述第一电极相邻的第二电极，其中所述第一电极与所述第二电极由纳米间隙分离，所述纳米间隙被定尺寸成允许所述生物分子流动通过所述纳米间隙，其中所述纳米间隙具有第一间隙区域和第二间隙区域，其中所述第二间隙区域相对于具有或限定所述第一间隙区域的平面以约90°的角度定向，并且其中所述第二间隙区域的终端被联接至所述第一间隙区域。
在一些实施例中，该第一电极相邻于基板。在一些实施例中，该第二电极相邻于与该第一电极接触的绝缘层。在一些实施例中，该第一电极包括第一部分和相邻于该第一部分的第二部分，其中该第一部分和该第二部分相邻于该基板，并且其中该第一部分具有大于该第二部分的厚度。在一些实施例中，该第一部分具有部分地限定该第二间隙区域的表面，并且其中该第二部分具有部分地限定该第一间隙区域的表面。
在一些实施例中，该第一电极或该第二电极的一部分具有单原子针尖。在一些实施例中，该系统进一步包括至少一个通道，其与该纳米间隙电极装置流体连通且被构造成将该生物分子导引至该纳米间隙。在一些实施例中，该通道与微流体结构整合。
在一些实施例中，该纳米间隙电极装置是纳米间隙电极阵列的一部分。在一些实施例中，该纳米间隙电极装置可相对于该阵列的其它纳米间隙电极装置而独立地定址。
在一些实施例中，该纳米间隙具有第三间隙区域，其终端联接至该第一间隙区域。
本发明也提供一种用于检测生物分子的方法，其包括：使用上文或本文别处所描述的装置或系统的任何一种来检测该生物分子。
在一方面中，一种用于检测生物分子的方法包括：(a)将生物分子导引至纳米间隙电极装置，所述纳米间隙电极装置具有第一电极和与所述第一电极相邻的第二电极，其中所述第一电极与所述第二电极由纳米间隙分离，所述纳米间隙被定尺寸成允许所述生物分子流动通过所述纳米间隙，其中所述纳米间隙至少具有第一间隙区域和第二间隙区域，并且其中所述第二间隙区域相对于具有或限定所述第一间隙区域的平面以大于0°的角度定向；(b)当所述生物分子流动通过所述纳米间隙时，测量电信号；以及(c)使用(b)中所测量的所述电信号来检测所述生物分子。
在一些实施例中，该检测包括：比较该电信号与指示该生物分子或其一部分的参考信号。在一些实施例中，该检测包括：识别该生物分子或其一部分。在一些实施例中，该生物分子是核酸分子。在一些实施例中，(c)中的该检测包括：使该核酸分子排序。
在一些实施例中，该电信号包含电流。在一些实施例中，该电流是穿隧电流。
在一些实施例中，该第二间隙区域相对于具有或限定该第一间隙区域的该平面约90°的角度定向。在一些实施例中，该第一电极或该第二电极的一部分具有单原子针尖。在一些实施例中，通过与该纳米间隙电极装置流体连通的至少一个通道而将该生物分子导引至该纳米间隙电极装置。在一些实施例中，该纳米间隙电极装置是可独立定址的纳米间隙电极装置阵列的一部分。在一些实施例中，当该生物分子流动通过该纳米间隙时，该生物分子的一部分流动通过该第一间隙区域且该生物分子的其余部分流动通过该第二间隙区域。
本发明也提供用于制造上文或本文别处所描述的装置和系统的任何一种的方法。
在一方面中，一种用于制造用于检测生物分子的纳米间隙电极的方法包括：(a)提供与基板相邻的第一电极形成部件；(b)形成与所述第一电极形成部件的表面相邻的间隙形成层；(c)形成与所述间隙形成层相邻的第二电极形成部件；以及(d)移除所述间隙形成层的一部分，以在所述第一电极部件与所述第二电极部件之间形成纳米间隙，其中所述纳米间隙被定尺寸成允许所述生物分子流动通过所述纳米间隙，其中所述纳米间隙至少具有第一间隙区域和第二间隙区域，并且其中所述第二间隙区域相对于具有或限定所述第一间隙区域的平面以大于0°的角度定向。
在一些实施例中，该方法进一步包括：在(c)之后，暴露该第一电极形成部件的表面、该间隙形成层的该第二部分的表面和该第二电极形成部件的表面。在一些实施例中，该方法进一步包括：图案化该第二电极形成部件、该间隙形成层和该第一电极形成部件以提供各具有预定形状的第一电极部件和第二电极部件。
在一些实施例中，该第二间隙区域相对于具有或限定该第一间隙区域的该平面以大于约25°的角度定向。在一些实施例中，该第二间隙区域相对于具有或限定该第一间隙区域的该平面以大于约45°的角度定向。在一些实施例中，该第二间隙区域相对于具有或限定该第一间隙区域的该平面以约90°的角度定向。
在一些实施例中，该方法进一步包括：处理该第一电极部件和/或该第二电极部件以具有单原子针尖。在一些实施例中，该第一电极部件和该第二电极部件被处理成各具有单原子针尖。在一些实施例中，该方法进一步包括：提供与该纳米间隙流体连通的至少一个通道。在一些实施例中，该方法的步骤(a)包括：形成与该电极形成部件的一部分相邻的绝缘层，所述电极形成部件的该部分具有小于该电极形成部件的另一部分的厚度；和形成相邻于该绝缘层的该间隙形成层。在一些实施例中，该第二间隙区域的终端联接至该第一间隙区域。在一些实施例中，该第一电极形成部件具有级差。在一些实施例中，该第一间隙区域平行于该基板。
在另一方面中，一种制造纳米间隙电极对的方法包含：第一操作，其在基板上形成具有多个不同级的第一电极形成部件，且接着沿该第一电极形成部件的较低级形成间隙形成层，由此形成与基板共面且垂直于该基板的该间隙形成层；第二操作，其在该间隙形成层上形成第二电极形成部件，且接着暴露该第一电极形成部件的表面、垂直于该基板而延伸的该间隙形成层的表面和该第二电极形成部件的表面；第三操作，其使用光罩来图案化该第二电极形成部件、该间隙形成层和该第一电极形成部件，由此形成各具有预定形状的第一电极部件和第二电极部件，且在该第一电极部件与该第二电极部件之间形成与基板共面且垂直于该基板的该间隙形成层；和第四操作，其移除该间隙形成层，由此形成包括与基板共面的第一纳米间隙区域和垂直于该基板而延伸的第二纳米间隙区域的纳米间隙，该第二纳米间隙区域的终端在该第一电极部件与该第二电极部件之间与该第一纳米间隙区域连接或重叠。
在另一方面中，一种制造纳米间隙电极对的方法包含：第一操作，其在基板上形成第一电极形成部件，且接着在该第一电极形成部件和该基板上形成间隙形成层，由此形成与该基板共面且垂直于该基板的该间隙形成层；第二操作，其在该间隙形成层上形成第二电极形成部件；第三操作，其使用光罩来图案化该第二电极形成部件、该间隙形成层和该第一电极形成部件，由此形成各具有预定形状的第一电极部件和第二电极部件，且在该第一电极部件与该第二电极部件之间形成与该基板共面且垂直于该基板的该间隙形成层；和第四操作，其移除该间隙形成层，由此形成由与该基板共面的第一纳米间隙区域和垂直于该基板而延伸的第二纳米间隙区域组成的纳米间隙，该第二纳米间隙区域的终端在该第一电极部件与该第二电极部件之间与该第一间隙区域连接或重叠。
在另一方面中，一种制造纳米间隙电极对的方法包括：在基板上形成具有级差的第一电极形成部件，且接着沿该第一电极形成部件的该级差形成间隙形成层，由此形成沿该基板的平面方向且垂直于该基板而延伸的该间隙形成层；在该间隙形成层上形成第二电极形成部件，且接着暴露该第一电极形成部件的表面、垂直于该基板而延伸的该间隙形成层的表面和该第二电极形成部件的表面；使用光罩来图案化该第二电极形成部件、该间隙形成层和该第一电极形成部件，由此形成各具有预定形状的第一电极部件和第二电极部件，且在该第一电极部件与该第二电极部件之间形成沿该基板的该平面方向且垂直于该基板而延伸的该间隙形成层；和移除该间隙形成层，由此形成由沿该基板的该平面方向延伸的第一间隙区域和垂直于该基板而延伸的第二间隙区域组成的纳米间隙，该第二间隙区域的终端在该第一电极部件与该第二电极部件之间与该第一间隙区域连接。在实施例中，形成该第一电极形成部件包括在具有该级差的该第一电极形成部件上的膜厚度较薄的区域中形成绝缘层，且接着沿该第一电极形成部件的该级差和该绝缘层形成该间隙形成层，且该图案化包括也使用该光罩来图案化该绝缘层以将该绝缘层布置于该第一电极部件的膜厚度较薄的区域中。
在另一方面中，一种制造纳米间隙电极对的方法包括：在基板的部分上形成第一电极形成部件，且接着在该第一电极形成部件和该基板上形成间隙形成层，由此形成沿该基板的平面方向且垂直于该基板而延伸的该间隙形成层；在该间隙形成层上形成第二电极形成部件；使用光罩来图案化该第二电极形成部件、该间隙形成层和该第一电极形成部件，由此形成各具有预定形状的第一电极部件和第二电极部件，且在该第一电极部件与该第二电极部件之间形成沿该基板的该平面方向且垂直于该基板而延伸的该间隙形成层；和移除该间隙形成层，由此形成由沿该基板的该平面方向延伸的第一间隙区域和垂直于该基板而延伸的第二间隙区域组成的纳米间隙，该第二间隙区域的终端在该第一电极部件与该第二电极部件之间与该第一间隙区域连接或重叠。
根据各种实施例，可形成纳米间隙电极对，其中样本流体不仅可流动通过与该基板共面的该第一纳米间隙区域，且可流动通过垂直于该基板而延伸的该第二纳米间隙区域，该第二纳米间隙区域的终端与该第一纳米间隙区域连接或重叠，该第一电极部件与该第二电极部件之间的该纳米间隙被选择成具有小宽度，样本流体可容易地流动通过该纳米间隙。
在一些实施例中，可建构与或多个纳米间隙电极对相关联的纳米通道以便控制样本(其可为DNA)的流动，使得较高百分比的该样本可与该纳米间隙电极对彼此作用。
在其它实施例中，可形成与该纳米间隙电极对相关联的稳定G0针尖以便更佳且更可靠更精确地测量样本。
本领域技术人员将从以下详细描述更容易地明白本发明的额外方面和优点，其中仅示出和描述本发明的说明性实施例。应认识到，本发明实现其它和不同实施例，且在全部不背离本发明的情况下，能够在各种明显方面中对本发明的若干细节进行修改。因此，附图和描述应被视为本质上是说明性而非限制性的。
引用并入
本说明书中所提及的所有公开案、专利和专利申请案以引用的方式并入本文中，如同各个公开案、专利或专利申请案被明确且个别地指示为以引用的方式并入。
附图说明
在所附权利要求中阐述本发明的新颖特征。通过参考阐述说明性实施例的以下详细描述而实现更佳地理解本发明的特征和优点，在实施例中利用本发明的原理，且在附图中：
图1是示出纳米间隙电极对的整体构造的示意图；
图2A是示出纳米间隙电极对的上表面构造的俯视图；
图2B是示出纳米间隙电极对的侧向横截面构造的横截面侧视图；
图3A至图3F是用于制造纳米间隙电极对的方法的示意图；
图4A至图4F是用于制造纳米间隙电极对的方法的示意图；
图5A至图5F是用于制造纳米间隙电极对的方法的示意图；
图6是示出纳米间隙电极对的整体构造的示意图；
图7A是示出图6的纳米间隙电极对的上表面构造的俯视图；
图7B是示出图6的纳米间隙电极对的侧向横截面构造的横截面侧视图；
图8A至图8F是用于制造图6的纳米间隙电极对的方法的示意图；
图9A至图9F是用于制造图6的纳米间隙电极对的方法的示意图；
图10A至图10F是用于制造图6的纳米间隙电极对的方法的示意图；
图11A是具有整合纳米通道的纳米间隙电极芯片的具有部分截面图的示意性俯视图，其中该部分截面图穿过该纳米通道平面；
图11B是具有整合纳米通道的纳米间隙电极芯片的竖直横截面构造的示意性横截面侧视图；
图12A是具有整合纳米通道的纳米间隙电极芯片的侧向横截面构造的示意性横截面侧视图；
图12B是图12A的中央区段的放大示意性部分横截面侧视图；
图13A至图13F是用于制造图11A的纳米间隙电极芯片的方法的示意图；
图14A至图14D是用于制造图11A的纳米间隙电极芯片的方法的额外示意图；并且
图15示出被编程或否则被构造成实施本发明的装置、系统以及方法的计算机控制系统。
具体实施方式
虽然本文已示出并描述本发明的各种实施例，但本领域技术人员应了解，这些实施例仅供例示。本领域技术人员可在不背离本发明的情况下进行许多变动、改变和代替。应了解，可采用本文所描述的本发明的实施例的各种替代例。
如本文所使用，术语“间隙”一般是指形成或否则设置于材料中的孔、通道或通路。该材料可为固态材料，诸如基板。间隙可布置成相邻于或接近于感测电路或联接至感测电路的电极。在一些示例中，间隙具有约0.1纳米(nm)至约1000纳米的特性宽度或直径。具有纳米级的宽度的间隙可被称为“纳米间隙”。在一些情形中，纳米间隙具有宽度，其从约0.1纳米(nm)至50纳米、从0.5纳米至30纳米、或0.5纳米或10纳米、从0.5纳米至5纳米、或从0.5纳米至2纳米，或不大于2纳米、1纳米、0.9纳米、0.8纳米、0.7纳米、0.6纳米或0.5纳米。在一些情况中，纳米间隙具有宽度，其至少约为0.5纳米、0.6纳米、0.7纳米、0.8纳米、0.9纳米、1纳米、2纳米、3纳米、4纳米或5纳米。在一些情况中，纳米间隙的宽度可小于生物分子或该生物分子的次单元(例如单体)的直径。
如本文所使用，术语“电极”一般是指可用于测量电流的材料或部件。电极(或电极部件)可用于测量至另一电极或来自另一电极的电流。在一些情形中，电极可布置于通道(例如纳米间隙)中且用于测量横跨该通道的电流。电流可为穿隧电流。当生物分子(例如蛋白质)流动通过纳米间隙时，可检测此电流。在一些情况中，联接至电极的感测电路提供横跨该电极而施加的电压以产生电流。替代地或另外，电极可用于测量和/或识别与生物分子(例如蛋白质的胺基酸次单元或单体)相关联的电导率。在此情况中，穿隧电流可与电导率相关。
如本文所使用，术语“生物分子”一般是指可通过横跨纳米间隙电极的电流和/或电位而被询问的任何生物材料。生物分子可为核酸分子、蛋白质或碳水化合物。生物分子可包含一个或更多个次单元，诸如核苷酸或胺基酸。
如本文所使用，术语“核酸”一般是指包括一个或更多个核酸次单元的分子。核酸可包含选自腺甘酸(A)、胞嘧啶(C)、鸟嘌呤(G)、胸腺嘧啶(T)以及尿嘧啶(U)、或其变体的一个或更多个次单元。核苷酸可包含A、C、G、T或U、或其变体。核苷酸可包括可并入到生长核酸链中的任何次单元。此次单元可为A、C、G、T或U，或为专针对一个或更多个互补A、C、G、T或U或与嘌呤(即，A或G、或其变体)或嘧啶(即，C、T或U、或其变体)互补的任何其它次单元。次单元可实现待分解的个别核酸碱基或核酸碱基团(例如AA、TA、AT、GC、CG、CT、TC、GT、TG、AC、CA或其尿嘧啶配对物)。在一些示例中，核酸是脱氧核糖核酸(DNA)或核糖核酸(RNA)、或其衍生物。核酸可为单链的或双链的。
如本文所使用，术语“蛋白质”一般是指生物分子或巨分子，其具有一个或更多个胺基酸单体、次单元或残留物。含有例如50个或50个以下胺基酸的蛋白质可被称为“肽”。胺基酸单体可选自任何天然生成和/或合成的胺基酸单体，诸如例如20个、21个或22个天然生成的胺基酸。在一些情况中，将20个胺基酸编码成主体的基因密码。一些蛋白质可包含选自约500个天然生成和非天然生成的胺基酸的胺基酸。在一些情形中，蛋白质可包括选自异白胺酸、白胺酸、赖胺酸、甲硫胺酸、苯丙胺酸、羟丁胺酸、色胺酸和缬胺酸、精胺酸、组胺酸、丙胺酸、天冬酰胺酸、天冬胺酸、半胱胺酸、麸酰胺酸、麸胺酸、甘胺酸、脯胺酸、丝胺酸和酪胺酸的一个或更多个胺基酸。
如本文所使用，术语“级差”一般是指沿给定轴线(例如z轴)具有不同尺寸，在一些情况中，具有不同厚度的部件。例如，级差可为在一部分处具有第一厚度且在第二部分处具有第二厚度的部件，该第一厚度和该第二厚度是不同的。
纳米间隙电极对和方法
本发明提供可用于检测生物分子诸如DNA或RNA，包含单链DNA或RNA的方法和系统。在一些情况中，当生物分子或其部分(例如次单元)位于纳米间隙中时，使用该纳米间隙中的一对电极，通过测量从一个电极至另一电极的电流而检测该生物分子或其部分。当进行电流测量以检测该生物分子或其部分(例如该生物分子的次单元)时，该生物分子可流动通过该纳米间隙。
纳米间隙可为具有多个纳米间隙的纳米间隙阵列的一部分。各纳米间隙可包含多个电极。各纳米间隙的电极(本文中也称为“纳米间隙电极”)可相对于该阵列的其它纳米间隙电极而独立地定址。
电流可为穿隧电流。当生物分子流动通过纳米间隙时，可检测此电流。在一些情况中，联接至电极的感测电路提供横跨电极而施加的电压以产生电流。替代地或另外，电极可用于测量和/或识别与目标物种(例如核酸分子的碱基)相关联的电导率。在此情况中，穿隧电流可与电导率相关。
本发明提供一种纳米间隙电极对，其中含有流体的样本(例如流体介质中的生物分子)可容易地流动通过第一电极部件与第二电极部件之间的纳米间隙以及相关联的纳米通道，即使该纳米间隙的宽度实质上较小且G0针尖形成为该第一电极部件和该第二电极部件的一部分。在纳米间隙电极对中，溶液不仅可通过与基板共面的第一间隙区域NG1，还可通过相对于具有该基板的平面以一定角度(例如垂直)延伸的第二间隙区域NG2。该角度可大于约0°，或至少约为1°、2°、3°、4°、5°、6°、7°、8°、9°、10°、15°、20°、25°、30°、35°、40°、45°、50°、60°、70°、80°、90°、100°、110°、120°、130°或135°。第二间隙区域NG2的终端可连接至第一间隙区域NG1或与第一间隙区域NG1重叠。在一些情况中，若第一电极部件与第二电极部件之间的纳米间隙NG被形成为具有小宽度W1，则含有生物分子(例如单链或双链DNA)的溶液可容易地通过纳米间隙NG。
在图1中，附图标记1标示纳米间隙电极对，其中具有预定形状的第一电极部件3可布置于基板2上，第二电极部件4可布置于设置在第一电极部件3中的薄膜部件3a上，其中绝缘层7和绝缘层6可充当间隙形成层，并且第一电极部件3和第二电极部件4可形成中空纳米间隙NG，纳米间隙NG的宽度是纳米级的(例如，不大于1000纳米)。在一些实施例中，纳米间隙NG可由布置成与基板2平行的第一间隙区域NG1和布置成与基板2垂直的第二间隙区域NG2组成，与第一间隙区域NG1连接或重叠且沿两个方向延伸的第二间隙区域NG2的终端可形成于第一电极部件3与第二电极部件4之间。基板2可由例如硅基板8和形成于硅基板8上的层状氧化硅层9组成，且可具有如下构造，其中第一电极部件3可由金属材料诸如氮化钛(TiN)制成，形成于氧化硅层9上。
基板8可由半导体诸如IV族半导体或III至V族半导体形成。用作为基板8的半导体的实例包含硅、锗和砷化镓。
实际上，在此实施例中，第一电极部件3可由以下各项组成：薄膜部件3a，其位于其上可添加绝缘层7和绝缘层6的表面上；带状第一电极侧间隙形成部件3b，其一端可与薄膜部件3a整体形成；和厚膜部件3c，其与第一电极侧间隙形成部件3b的另一端整体形成。第一电极部件3可具有如下构造，其中薄膜部件3a和第一电极侧间隙形成部件3b可被形成为具有薄于厚膜部件3c的膜厚度，且第二电极部件4可布置于薄膜部件3a和第一电极侧间隙形成部件3b上方。因此，第一电极部件3可被布置成使得第二电极部件4可与薄膜部件3a重叠，且第一电极侧间隙形成部件3b的一部分可被形成使得第二电极部件4不与可具有较大膜厚度的厚膜部件3c重叠，并且因此，可暴露厚膜部件3c的上表面。
虽然带状第二电极侧间隙形成部件4b在图中示出为矩形特征，但此并不重要。具有尖角的实质上较小矩形特征难以使用光微影方法来建立。在一些实施例中，电极端可呈圆形，以便有限数目个原子提供纳米间隙的最短距离。
在一些实施例中，如图1中所示，第一电极部件3可被形成使得薄膜部件3a和厚膜部件3c的外形可实质上相对于带状第一电极侧间隙形成部件3b而两侧对称。在一些实施例中，第一电极部件3可具有如下构造，其中例如薄膜部件3a的外形可形成为实质上呈球根状或锥形的形状，厚膜部件3c的外形也可形成为实质上呈球根状或锥形的形状，且带状第一电极侧间隙形成部件3b的边缘可与薄膜部件3a和厚膜部件3c的各自中央前缘整体形成。
在一些实施例中，厚膜部件3c可被形成为具有厚于薄膜部件3a和第一电极侧间隙形成部件3b的膜厚度。因此，间隙形成侧表面11b具有高度，其对应于第一电极侧间隙形成部件3b的厚度与厚膜部件3c的厚度之间的第一电极部件3的膜厚度差。此第一电极部件3可具有如下构造，其中薄膜部件3a和第一电极侧间隙形成部件3b可被形成为具有相同膜厚度，使得第一电极部件3仅在第一电极侧间隙形成部件3b与厚膜部件3c之间具有膜厚度差，其中第二电极部件4可布置于薄膜部件3a和第一电极侧间隙形成部件3b上方，其可被形成为彼此平齐。
在其它实施例中，第一电极侧间隙形成部件3b可具有布置成与厚膜部件3c的间隙形成侧表面11b正交的平面间隙形成上表面11a，且第二电极部件4的第二电极侧间隙形成部件4b可布置成至少部分从间隙形成上表面11a横跨。此处，提供如下构造：其中第二电极部件4的基底部件4a可布置于绝缘层6和7上，且可由绝缘层6和7使薄膜部件3a与第二电极部件4电隔离。
在一些实施例中，绝缘层6可由绝缘材料诸如氮化硅(SiN)形成，可在不同于绝缘层7和氧化硅层9的蚀刻条件中蚀刻绝缘层6。在其它实施例中，绝缘层6可形成于绝缘层7上，且绝缘层6可具有几乎与第一电极部件3的薄膜部件3a的外形相同的外形且可在靠近薄膜部件3a的中央前缘的预定区域中沿绝缘层7的侧表面形成。可在制造过程中通过纳米间隙形成时所执行的限时湿式蚀刻而蚀刻绝缘层6的暴露表面(稍后描述)，并且因此，绝缘层6可被形成为使其外形略微小于薄膜部件3a。而且在此实施例中，绝缘层7的蚀刻条件可不同于绝缘层6和氧化硅层9的蚀刻条件，并且绝缘层7可由绝缘材料诸如氧化铝(Al2O3)形成以能够使第一电极部件3与第二电极部件4彼此绝缘。另外，绝缘层7可具有几乎与第一电极部件3的薄膜部件3a的外形相同的外形，且绝缘层6可形成于绝缘层7的侧表面的一部分和上表面上。
第二电极部件4可由金属材料诸如氮化钛(TiN)形成，并且可包含形成于绝缘层6上的基底部件4a以及带状窄条的第二电极侧间隙形成部件4b，第二电极侧间隙形成部件4b的一端可与基底部件4a整体形成。在一些实施例中，第二电极部件4的基底部件4a可具有与第一电极部件3的薄膜部件3a的外形相同的外形，且可布置于第一电极部件3上，使得基底部件4a的外周与第一电极部件3的薄膜部件3a的外周共形。另外，第二电极侧间隙形成部件4b的膜厚度可被选择成大于基底部件4a的膜厚度。
沿x方向延伸的第二电极部件4的第二电极侧间隙形成部件4b的X轴长度可被选择成短于在第一电极部件3处沿x方向延伸的第一电极侧间隙形成部件3b的X轴长度。因此，虽然第二电极侧间隙形成部件4b的外周可被布置成与第一电极侧间隙形成部件3b的外周共形，但能够形成具有宽度W1且延伸至第二电极部件4的顶部的第二间隙区域NG2(纳米间隙NG)，如图2A中所示，图2A示出图1的纳米间隙电极对的俯视图。
在一些实施例中，如示出图2A中的截面A-A'的侧向横截面构造的图2B中所示，第二电极侧间隙形成部件4b的底部可由基底部件4a悬臂支撑，且第二电极侧间隙形成部件4b的前端可延伸朝向厚膜部件3c，因此形成第一间隙区域NG1(纳米间隙NG)，第一间隙区域NG1具有与第二电极侧间隙形成部件4b与第一电极侧间隙形成部件3b的间隙形成上表面11a之间的绝缘层6的膜厚度对应的高度W1。在一些实施例中，位于第二电极侧间隙形成部件4b的底侧上的面向间隙的下表面12a可布置成与第一电极侧间隙形成部件3b的间隙形成上表面11a相对，如图2B中所示。因此，能够在面向间隙的下表面12a与第一电极部件3的间隙形成上表面11a之间形成与基板2共面的第一间隙区域NG1。
除上文所述的此构造之外，第二电极侧间隙形成部件4b的视情况面向间隙的顶端表面12b可布置成与第一电极部件3的厚膜部件3c的间隙形成侧表面11b相对，如图1、图2A和图2B中所示。因此，在一些实施例中，能够形成布置成与基板2垂直的第二间隙区域NG2(在以直角与基板2的平面相交的y-z平面中)，第二间隙区域NG2的终端在视情况面向间隙的顶端表面12b与第一电极部件3的间隙形成侧表面11b之间与第一间隙区域NG1连接或重叠。
如本文所描述，由间隙形成上表面11a与面向间隙的下表面12a之间的第一间隙区域NG1和间隙形成侧表面11b与视情况面向间隙的顶端表面12b之间的第二间隙区域NG2组成的纳米间隙NG可形成于第一电极部件3与第二电极部件4之间。形成于第一电极部件3与第二电极部件4之间的纳米间隙NG可朝向以直角与x-z平面相交的y方向穿过第一电极部件3和第二电极部件4。因此，纳米间隙电极对可容许例如溶液或其类似物在基板2上方沿y方向流动以通过纳米间隙NG(第一间隙区域NG1和第二间隙区域NG2)。
纳米间隙NG可被形成使得间隙形成上表面11a与面向间隙的下表面12a之间的第一间隙区域NG1的宽度W1和间隙形成侧表面11b与视情况面向间隙的顶端表面12b之间的第二间隙区域NG2的宽度W1可为几乎与绝缘层6相同的厚度。纳米间隙NG可被形成使得宽度W1是从约0.1纳米(nm)至50纳米、从0.5纳米至30纳米、或0.5纳米或10纳米、从0.5纳米至5纳米、或从0.5纳米至2纳米，或不大于2纳米、1纳米、0.9纳米、0.8纳米、0.7纳米、0.6纳米或0.5纳米。在一些情况中，纳米间隙的宽度可小于生物分子或该生物分子的次单元(例如单体)的直径。
在一些实施例中，如上文所描述的纳米间隙电极对1可与由例如电源(图中未示出)施加于第一电极部件3与第二电极部件4之间的恒定电压一起使用，且在该条件下，可使含有单链DNA的溶液流动通过第一电极部件3与第二电极部件4之间的纳米间隙NG。当单链DNA通过第一电极部件3与第二电极部件4之间的纳米间隙NG时，可用安培计(图中未示出)测量流动于第一电极部件3与第二电极部件4之间的电流的值。因此，纳米间隙电极对1可容许从该电流值的变化判定单链DNA的核苷酸序列。
在利用纳米间隙电极对1的其它实施例中，可通过将第一电极部件3与第二电极部件4之间的纳米间隙NG选择成具有小宽度W1而高度灵敏地分析样本。在一些实施例中，含有单链DNA的溶液不仅可通过平行于基板2的第一间隙区域NG1，还可通过布置成垂直于基板2的第二间隙区域NG2。因此，大量溶液可容易地通过纳米间隙NG。
接着，将描述用于制造图1的纳米间隙电极对1的方法。首先，可制备基板2，其中例如氧化硅层9可形成于硅基板8上。接着，可通过例如气相沉积法诸如化学气相沉积(CVD)或原子层沉积(ALD)而使电极形成氮化钛(TiN)膜形成于氧化硅层9的整个表面或其一部分上。
接着，使用光微影技术来图案化电极形成层，且如图3A和图3B(其展示图3A的侧向横截面B-B')中所示，电极形成层的表面的预定区域被蚀刻以提供级差。因此，形成第一电极形成部件31，其包括：薄膜区域13，其具有较薄的膜厚度且凹陷成视情况呈四边形的形状；和视情况呈四边形的厚膜区域14，其膜厚度厚于薄膜区域13且具有侧表面14a，侧表面14a的高度对应于薄膜区域13与厚膜区域14之间的厚度差。在后续处理中，第一电极部件3的薄膜部件3a和第一电极侧间隙形成部件3b可由此时通过蚀刻而形成的第一电极形成部件31的薄膜区域13形成。同样地，在后续处理中，第一电极部件3的厚膜部件3c可由厚膜区域14形成。
随后，可通过例如气相沉积法(例如CVD)而使由例如氧化铝(Al2O3)制成的绝缘层形成于第一电极形成部件31的整个表面上。接着，可使用光微影技术来图案化该绝缘层，且如图3C和图3D(其展示图3C的侧向横截面C-C')中所示，可蚀刻该绝缘层的表面的预定区域，由此在第一电极形成部件31的薄膜区域13上形成绝缘层7。
随后，如图3E(其中与图3C的组成元件对应的组成元件由相同附图标记及字母标示)和图3F(其展示图3E的侧向横截面D-D')中所示，可通过例如气相沉积法(例如CVD)而使由例如氮化硅(SiN)制成的绝缘层6形成于绝缘层7和不同区段之间具有级差的第一电极形成部件31的整个表面上。因此，绝缘层6(其具有几乎与形成于第一电极形成部件31中的级差相同的级差)可布置于第一电极形成部件31上。在此情况中，能够形成在第一电极形成部件31的薄膜区域13和厚膜区域14的上表面上与基板2共面且在第一电极形成部件31的侧表面14a上垂直于基板2而延伸的绝缘层6。还能够形成在绝缘层7的上表面上与基板2共面且在绝缘层7的侧表面上垂直于基板2而延伸的绝缘层6。可以共形方式沿其上形成绝缘层7的第一电极形成部件31形成例如图3F中所示的绝缘层6，且形成于薄膜区域13和侧表面14a上的绝缘层6的部分可具有几乎相同的膜厚度。
随后，如图4A(其中与图3E的组成元件对应的组成元件由相同附图标记和字母标示)和图4B(其示出图4A的侧向横截面E-E')中所示，可通过例如气相沉积法(例如CVD)而使可由氮化钛(TiN)制成的层状第二电极形成部件32形成于绝缘层6的整个表面上。因此，面向第一电极形成部件31的薄膜区域13的表面13a的相对下表面32a和面向第一电极形成部件31的厚膜区域14的侧表面14a的相反侧表面32b可形成于第二电极形成部件32中。
随后，可使用例如平坦化处理诸如化学机械抛光(CMP)来过度抛光第二电极形成部件32、第一电极形成部件31的厚膜区域14上的绝缘层6以及第一电极形成部件31的厚膜区域14，且由此可使第二电极形成部件32保留于第一电极形成部件31的薄膜区域13中且暴露第一电极形成部件31的厚膜区域14的表面，如图4C(其中与图4A的组成元件对应的组成元件由相同附图标记和字母标示)和图4D(其示出图4C的侧向横截面F-F')中所示。因此，可从第一电极形成部件31与第二电极形成部件32之间暴露垂直于基板2而延伸的绝缘层6的部分的表面。
在一些实施例中，平坦化处理诸如化学机械抛光(CMP)可被执行使得仅抛光或仅过度抛光第二电极形成部件32和第一电极形成部件31的厚膜区域14上的绝缘层6，且在一些情况中抛光第一电极形成部件31，暴露第一电极形成部件31的厚膜区域14的顶面、绝缘层6和第二电极形成部件32。
随后，如图4E(其中与图4C的组成元件对应的组成元件由相同附图标记和字母标示)和图4F(其示出图4E的侧向横截面G-G')中所示，使用光微影技术来图案化的抗蚀光罩15可形成于暴露的第二电极形成部件32、绝缘层6和第一电极形成部件31上。此处，抗蚀光罩15可被形成使得其外形与可随后形成的图1中所示的第一电极部件3的外形共形。
在一些实施例中，抗蚀光罩15可包含：基底形成区域15a，其形成为与第一电极部件3的薄膜部件3a的外形共形的实质上呈球根状或锥形的形状；间隙形成区域15b，其形成为与第一电极部件3的第一电极侧间隙形成部件3b的外形共形的带状形状；和基底形成区域15c，其形成为与第一电极部件3的厚膜部件3c的外形共形的实质上呈球根状或锥形的形状。抗蚀光罩15(基底形成区域15a和间隙形成区域15b)可布置于第二电极形成部件32上，间隙形成区域15b的终端可布置于绝缘层6上，且基底形成区域15c可布置于第一电极形成部件31的厚膜区域14上。
随后，可通过例如干式蚀刻而移除未由抗蚀光罩15覆盖的第一电极形成部件31和第二电极形成部件32的暴露部分。具体地，如图5A(其中与图4E的组成元件对应的组成元件由相同附图标记和字母标示)和图5B(其示出图5A的侧向横截面H-H')中所示，可使用抗蚀光罩15来图案化第二电极形成部件32以在由抗蚀光罩15覆盖的区域中形成第二电极部件4，且也可使用抗蚀光罩15来图案化第一电极形成部件31的厚膜区域14以在由抗蚀光罩15覆盖的该区域中形成厚膜部件3c。
此时，可由于由抗蚀光罩15的基底形成区域15a图案化第二电极形成部件32而形成第二电极部件4的基底部件4a。同样地，可由于由抗蚀光罩15的间隙形成区域15b图案化第二电极形成部件32而形成包含面向间隙的下表面12a和视情况面向间隙的顶端表面12b的第二电极侧间隙形成部件4b。另外，面向第二电极部件4的视情况面向间隙的顶端表面12b的间隙形成侧表面11b可形成于第一电极部件3的厚膜部件3c中。氧化硅层9可暴露于其中可移除未由抗蚀光罩15覆盖的第一电极形成部件31的暴露部分的区域中。同样地，与基板2共面且垂直于基板2而延伸的绝缘层6可暴露于其中可移除未由抗蚀光罩15覆盖的第二电极形成部件32的暴露部分的区域中。因此，可不在此阶段中图案化由绝缘层6覆盖的第一电极形成部件31的薄膜区域13。
随后，可通过例如干式蚀刻而移除未由抗蚀光罩15覆盖的绝缘层6的暴露部分。此时，可使用气体来执行用于移除绝缘层6的干式蚀刻，该气体不同于用于通过干式蚀刻而移除第一电极形成部件31和第二电极形成部件32的气体。因此，如图5C(其中与图5A的组成元件对应的组成元件由相同附图标记和字母标示)和图5D(其示出图5C的侧向横截面I-I')中所示，绝缘层7和第一电极形成部件31的薄膜区域13可被留下且暴露于未由抗蚀光罩15覆盖且可从其移除绝缘层6的区域中。另外，绝缘层6可被留下使得与第二电极部件4(基底部件4a和第二电极侧间隙形成部件4b)的外形一致且垂直于基板2而直立于第二电极侧间隙形成部件4b的前端与第一电极形成部件31的厚膜部件3c之间。
在一些实施例中，可通过例如干式蚀刻而移除暴露于未由抗蚀光罩15覆盖的区域中的第一电极形成部件31和第二电极形成部件32，且接着可通过另一类型的蚀刻移除第二电极形成部件32而暴露绝缘层6。在其它实施例中，可通过相同类型的蚀刻而连续移除第一电极形成部件31、第二电极形成部件32和绝缘层6。
在一些情况中，若形成具有例如2纳米的薄膜厚度的绝缘层6，则可在移除第一电极形成部件31和第二电极形成部件32的相同时间移除形成于第二电极形成部件32下方的绝缘层6的一部分。在此情况中，也可蚀刻由于绝缘层6被移除而暴露的第一电极形成部件31的薄膜区域13和绝缘层7的表面，且因此可在第一电极形成部件31和绝缘层7中形成级差。
其后，可通过各向异性移除处理例如干式蚀刻而移除未由抗蚀光罩覆盖的绝缘层7的暴露部分。此时，可使用气体来执行用于移除绝缘层7的暴露部分的干式蚀刻，该气体不同于用于通过干式蚀刻而移除第一电极形成部件31和第二电极形成部件32的气体和用于通过干式蚀刻而移除绝缘层6的气体。因此，第一电极形成部件31的薄膜区域13可被留下且暴露于绝缘层7从其中移除的区域中。
随后，可通过各向异性移除处理例如用于图案化第一电极形成部件31的干式蚀刻而移除未由抗蚀光罩15覆盖的第一电极形成部件31的暴露部分，由此形成第一电极部件3。其后，可通过电浆灰化或通过使用液体抗蚀剥离剂而移除抗蚀光罩15以暴露由抗蚀光罩15覆盖的第一电极部件3和第二电极部件4，如图5E(其中与图5C的组成元件对应的组成元件由相同附图标记和字母标示)和图5F(其示出图5E的侧向横截面J-J')中所示。
因此，第一电极部件3可形成于基板2上，第一电极部件3包含：薄膜部件3a；第一电极侧间隙形成部件3b，其可具有薄膜厚度；和厚膜部件3c，其可具有厚膜厚度。另外，第二电极部件4的基底部件4a可由于被布置于绝缘层7和绝缘层6上而布置于第一电极部件3的薄膜部件3a上方。另外，第二电极部件4的第二电极侧间隙形成部件4b可由于被布置于绝缘层6上而布置于第一电极侧间隙形成部件3b上方。第一电极部件3可被形成使得厚膜部件3c和第二电极部件4的表面可彼此平齐，且厚膜部件3c可布置成与第二电极侧间隙形成部件4b对置以便在绝缘层6的相反侧上与第二电极侧间隙形成部件4b对准，其中第一电极部件3和第二电极部件4的暴露表面可与基板2共面。即，第二电极侧间隙形成部件4b可被布置使得面向间隙的下表面12a在绝缘层6的相反侧上布置成面向第一电极侧间隙形成部件3b的间隙形成上表面11a，且视情况面向间隙的顶端表面12b可在绝缘层6的相反侧上布置成面向厚膜部件3c的间隙形成侧表面11b。
随后，可通过例如时间受控湿式蚀刻而移除间隙形成上表面11a与面向间隙的下表面12a之间和间隙形成侧表面11b与视情况面向间隙的顶端表面12b之间的绝缘层6的部分。因此，如图1、图2A和图2B中所示，与基板2共面的第一间隙区域NG1可形成于间隙形成上表面11a与面向间隙的下表面12a之间。另外，垂直于基板2而延伸的第二间隙区域NG2(第二间隙区域NG2的下终端与第一间隙区域NG1连接或重叠)可形成于间隙形成侧表面11b与视情况面向间隙的顶端表面12b之间。以此方式，可制造包含由第一间隙区域NG1和第二间隙区域NG2组成的纳米间隙NG的纳米间隙电极对1。
对于通过如本文所描述的制造方法而制造的纳米间隙电极对1，形成于第一电极部件3与第二电极部件4之间的绝缘层6的膜厚度可用于形成在第一电极部件3与第二电极部件4之间形成的纳米间隙NG的宽度W1。因此，在制造过程中，可仅通过调整绝缘层6的膜厚度而容易地制造具有期望宽度的纳米间隙NG。另外，由于绝缘层6可被形成以具有极薄膜厚度，所以也能够成比例地减小形成于第一电极部件3与第二电极部件4之间的纳米间隙NG的宽度W1。
在一些情况中，当移除位于第一电极部件3的第一电极侧间隙形成部件3b与第二电极部件4的第二电极侧间隙形成部件4b之间的绝缘层6的一部分时，位于第一电极部件3的薄膜部件3a与第二电极部件4的基底部件4a之间的绝缘层6的一部分也可与用于湿式蚀刻的化学溶液接触。在此情况中，可蚀刻基底部件4a下方的绝缘层6的外周表面。因此，绝缘层6可形成有略微小于薄膜部件3a和基底部件4a的外周缘。另外，由于较大宽度，形成于绝缘层7的侧表面与第二电极部件4的第二电极侧间隙形成部件4b之间的绝缘层6的一部分不太可能与用于限时湿式蚀刻的化学溶液接触，并且因此可保留而不被蚀除。
在一些实施例中，纳米间隙电极对1可包括：第一电极部件3，其包含可具有薄膜厚度的第一电极侧间隙形成部件3b，第一电极侧间隙形成部件3b可布置于基板2上的薄膜部件3a与厚膜部件3c之间；和第二电极部件4，其可布置于薄膜部件3a上方且可布置于绝缘层7和绝缘层6上。在一些实施例中，纳米间隙电极对1可包括形成为第二电极部件4的一部分的第二电极侧间隙形成部件4b，其可布置成与第一电极部件3的第一电极侧间隙形成部件3b对置，且与基板2共面的第一间隙区域NG1可形成于第一电极侧间隙形成部件3b与第二电极侧间隙形成部件4b之间。在一些实施例中，纳米间隙电极对1可包括：第二电极部件4的第二电极侧间隙形成部件4b的前端，其可布置成与第一电极部件3的厚膜部件3c对置；和第二间隙区域NG2，其垂直于基板2而延伸，可与第一间隙区域NG1连接或重叠的第二间隙区域NG2的终端可形成于第二电极侧间隙形成部件4b与厚膜部件3c之间。
因此，利用纳米间隙电极对1，可通过在第一电极部件3与第二电极部件4之间形成具有小宽度W1的纳米间隙NG而高度灵敏地分析样本。另外，不仅容许含有单链DNA的溶液通过平行于基板2的第一间隙区域NG1，且容许其通过布置成垂直于基板2的第二间隙区域NG2，其中第一电极部件3与第二电极部件4之间的纳米间隙NG可被选择成具有一小宽度W1。因此，大量溶液可容易地通过纳米间隙NG。
在一些实施例中，具有多个级的第一电极形成部件31和绝缘层7可首先形成于基板2上。接着，与基板2共面且垂直于基板2的绝缘层6可形成于第一电极形成部件31和绝缘层7的部分上。随后，第二电极形成部件32可形成于绝缘层6上；接着，可通过例如CMP处理而暴露第一电极形成部件31的上表面、垂直于基板2而延伸的绝缘层6的一部分的表面和第二电极形成部件32的表面以使用抗蚀光罩15来图案化第二电极形成部件32、绝缘层6、绝缘层7和第电极形成部件31。
随后，可形成具有预定形状的第一电极部件3和第二电极部件4。另外，与基板2共面且垂直于基板2的绝缘层6可形成于第一电极部件3与第二电极部件4之间。最后，第一电极部件3与第二电极部件4之间的绝缘层6的一部分可被移除以形成由与基板2共面的第一间隙区域NG1和垂直于基板2而延伸的第二间隙区域NG2组成的纳米间隙NG，第二间隙区域NG2的终端在第一电极部件3与第二电极部件4之间与第一间隙区域NG1连接或重叠。
以此方式，可制造纳米间隙电极对1，其中溶液不仅可通过第一间隙区域NG1，且可通过第二间隙区域NG2，即使第一电极部件3与第二电极部件4之间的纳米间隙NG的宽度W1实质上较小，并且因此，可使用纳米间隙NG来测量的含有单链DNA的溶液可比纳米间隙NG具有单一纳米间隙区域时更容易地通过纳米间隙NG。
在利用制造方法的一些实施例中，可仅通过调整绝缘层6的膜厚度而容易地调整第一电极部件3与第二电极部件4之间的纳米间隙NG的宽度W1。另外，由于可使用此制造方法来形成具有极薄膜厚度的绝缘层6，所以可容易地且常规地形成具有与绝缘层6的膜厚度对应的极小宽度W1的纳米间隙(其可包括第一间隙区域NG1和第二间隙区域NG2)。
在图6(其中与图1的组成元件对应的组成元件由相同附图标记和字母标示)中，附图标记21标示纳米间隙电极对，其与图1的纳米间隙电极对的不同之处在于：纳米间隙NG的侧向横截面形状形成为实质上呈倒L形的形状。在一些实施例中，纳米间隙NG可由沿两个方向延伸、布置成与基板2共面的第一间隙区域NG3和布置成垂直于基板2的第二间隙区域NG4组成，与第一间隙区域NG3重叠的第二间隙区域NG4的终端可形成于第一电极部件23与第二电极部件24之间。
在一些实施例中，第一电极部件23可布置于可为基板2的一部分的氧化硅层9上，与第一电极部件23形成一对的第二电极部件24可布置于氧化硅层9上方的可充当间隙形成层的导电层26上，且第二电极部件24的第二电极侧间隙形成部件24b可布置于基板2上的第一电极部件23的带状第一电极侧间隙形成部件23b上方以便与第一电极侧间隙形成部件23b重叠。因此，宽度可为纳米级(例如不大于1000纳米)的中空纳米间隙NG可形成于第一电极侧间隙形成部件23b与第二电极侧间隙形成部件24b之间。
在一些实施例中，第一电极部件23可由金属材料诸如氮化钛(TiN)形成，且可包含：基底部件23a，其形成为预定形状；和第一电极侧间隙形成部件23b，其一侧可与基底部件23a整体形成。图6中所示的第一电极部件23的基底部件23a可具有如下构造，其中，基底部件23的外形可形成为实质上呈球根状或锥形的形状(如图7A中所示，图7A示出图6的装置的俯视图)，其中带状第一电极侧间隙形成部件23b的一端可与基底部件23a的中央前端整体形成。如图7B(其示出图7A的侧向横截面K-K')中所示，第一电极侧间隙形成部件23b可包含：平面间隙形成上表面28a，其与基板2共面；和平面间隙视情况形成的顶端表面28b，其从间隙形成上表面28a的终端垂直于基板2而延伸。间隙形成上表面28a和间隙视情况形成的顶端表面28b可布置成面向第二电极部件24，其中纳米间隙NG置于其之间。
第二电极部件24可由金属材料诸如氮化钛(TiN)形成，且可包含：基底部件24a，其布置于基板2上方的导电层26上；和第二电极侧间隙形成部件24b，其可与基底部件24a整体形成且其可被形成使得与第一电极部件23的第一电极侧间隙形成部件23b重叠，其中纳米间隙NG置于第一电极部件23与第二电极部件24之间。在一些实施例中，导电层26可由导电材料诸如钛(Ti)形成，可使用与用于蚀刻氧化硅层9的蚀刻条件不同的蚀刻条件来蚀刻导电层26。
在一些实施例中，导电层26具有可几乎与第二电极部件24的基底部件24a的外形相同的外形，如由图7A中的虚线所示。然而，可通过在制造过程中纳米间隙形成时所执行的湿式蚀刻而蚀刻导电层26的外周表面(稍后描述)，且因此，导电层26可被形成为略微小于基底部件24a的外形。
在一些实施例中，例如图6和图7A中所示的第二电极部件24的基底部件24a的外形可形成为与第一电极部件23的基底部件23a的外形对称的实质上呈球根状或锥形的形状，且带状第二电极侧间隙形成部件24b的根部可与基底部件24a的中央前端整体形成。另外，如图7B中所示，第二电极侧间隙形成部件24b可被布置成使得其外周缘与第一电极侧间隙形成部件23b共形，且可布置成与第一电极侧间隙形成部件23b对置，其中纳米间隙NG置于第一电极侧间隙形成部件23b与第二电极侧间隙形成部件24b之间。
在一些实施例中，第二电极侧间隙形成部件24b可包括面向间隙的下表面29a，其可布置成面向第一电极侧间隙形成部件23b的间隙形成上表面28a，且第一间隙区域NG3可形成于此面向间隙的下表面29a和与基板2共面的间隙形成上表面28a之间。另外，第二电极部件24可包含作为基底部件24a的一部分的面向间隙的侧表面29b，其从面向间隙的下表面29a朝向基板2延伸。因此，可将面向间隙的侧表面29b布置成面向第一电极侧间隙形成部件23b的间隙视情况形成的顶端表面28b，且形成布置成垂直于基板2的第二间隙区域NG4，第二间隙区域NG4的终端在面向间隙的侧表面29b与间隙视情况形成的顶端表面28b之间与第一间隙区域NG3连接或重叠。
如本文所描述，纳米间隙电极对21可被构造使得纳米间隙NG可包括：第一间隙区域NG3，其位于间隙形成上表面28a与面向间隙的下表面29a之间；和第二间隙区域NG4，其位于间隙视情况形成的顶端表面28b与面向间隙的侧表面29b之间，纳米间隙NG可形成于第一电极部件23与第二电极部件24之间。形成于第一电极部件23与第二电极部件24之间的纳米间隙NG可朝向以直角与x-z平面相交的y方向穿过第一电极部件23和第二电极部件24。因此，纳米间隙电极对21可容许溶液等在基板2上沿y方向流动以通过纳米间隙NG(其可包括第一间隙区域NG3和第二间隙区域NG4)。
在一些实施例中，导电层26的侧表面和第一电极侧间隙形成部件23b的间隙视情况形成的顶端表面28b可布置成面向彼此，且纳米间隙可形成于面向间隙的侧表面29b与间隙视情况形成的顶端表面28b之间的区域中。具有导电性的导电层26可用作电极，并且因此，导电层26也可用作纳米间隙电极对。
在一些实施例中，间隙形成上表面28a与面向间隙的下表面29a之间的第一间隙区域NG3的宽度W1和间隙视情况形成的顶端表面28b与面向间隙的侧表面29b之间的第二间隙区域NG4的宽度W1可具有几乎与导电层26的膜厚度相同的尺寸，如图7B中所示。因此，间隙区域可形成为宽度W1，其是从约0.1纳米(nm)至50纳米、从0.5纳米至30纳米、或从0.5纳米或10纳米、从0.5纳米至5纳米或从0.5纳米至2纳米，或不大于5纳米、4纳米、3纳米、2纳米、1纳米、0.9纳米、0.8纳米、0.7纳米、0.6纳米或0.5纳米。在一些情况中，纳米间隙的宽度可小于生物分子或该生物分子的次单元(例如单体)的直径。
在一些实施例中，相对于纳米间隙电极对21，可由例如电源(图中未示出)将电压(其可为恒定电压)施加于第一电极部件23与第二电极部件24之间，且在该条件下，含有单链或双链DNA的溶液可由引导构件(图中未示出)诸如电泳或压力系统引导使得能够使单链或双链DNA流动通过第一电极部件23与第二电极部件24之间的纳米间隙NG。当通过该溶液的流动或电泳诱发运动而载送的单链DNA通过第一电极部件23与第二电极部件24之间的纳米间隙NG时，可用安培计测量流动于第一电极部件23与第二电极部件24之间的电流的值。因此，纳米间隙电极对21容许从电流值的变化判定单链或双链DNA的核苷酸序列。
在一些实施例中，可通过将第一电极部件23与第二电极部件24之间的纳米间隙NG宽度选择或形成为小宽度W1而利用纳米间隙电极对21来高度灵敏地分析样本。不仅容许含有单链或双链DNA的溶液通过与基板2共面的第一间隙区域NG3，且容许其通过布置成垂直于基板2的第二间隙区域NG4。因此，大量溶液可通过纳米间隙NG。
在俯视图图8A所示的一些实施例中示出纳米间隙电极对21，且图8B示出图8A的横截面L-L'。首先，如图8A和图8B中所示，可制备包括例如可形成于硅基板8上的氧化硅层9的基板，且接着可在氧化硅层9上形成由例如氮化钛(TiN)制成且使用光微影技术来图案化为例如四边形形状的第一电极形成部件41。在一些实施例中，具有与第一电极形成部件41的膜厚度对应的高度的侧表面41b可由上表面41a与基板2之间的第一电极形成部件41的边缘表面形成为图案化第一电极形成部件41的一部分。以此方式所形成的第一电极形成部件41可在后续处理中图案化为第一电极部件23的基底部件23a和第一电极侧间隙形成部件23b。
随后，如图8C(其中与图8A的组成元件对应的组成元件由相同附图标记和字母标示)和图8D(其示出图8C的侧向横截面M-M')中所示，可通过例如气相沉积法(例如CVD)而使可由钛(Ti)制成的导电层26形成于第一电极形成部件41上，其包含形成于侧表面41b上和形成于基板2上。因此，可由导电层26的表面形成级差，其几乎与由基板2与第一电极形成部件41的侧表面41b之间的第一电极形成部件41的边缘形成的级差相同。
在一些实施例中，导电层26形成于第一电极形成部件41的上表面41a上并且形成于基板2上，导电层26与基板2共面。另外，垂直于基板2而延伸的导电层26的一部分可形成于第一电极形成部件41的侧表面41b上。可以共形方式沿第一电极形成部件41和基板2形成例如图8D中所示的导电层26，且形成于第一电极形成部件41的上表面41a和侧表面41b上的导电层26的部分可具有几乎相同的膜厚度。
随后，如图8E(其中与图8C的组成元件对应的组成元件由相同附图标记和字母标示)和图8F(其示出图8E的侧向横截面N-N')中所示，可通过例如气相沉积法(例如CVD)而使由氮化钛(TiN)制成的层状第二电极形成部件42形成于导电层26的整个表面或其一部分上。此处，几乎与形成于导电层26中的级差相同的级差可形成于第二电极形成部件42中。因此，通过导电层26而面向第一电极形成部件41的上表面41a的相对下表面42a和通过导电层26而面向第一电极形成部件41的侧表面41b的相反侧表面42b被形成于第二电极形成部件42的底面中。
随后，如图9A(其中与图8E的组成元件对应的组成元件由相同附图标记和字母标示)和图9B(其示出图9A的侧向横截面O-O')中所示，可用使用光微影技术来图案化的抗蚀光罩44图案化第二电极形成部件42和导电层26以将导电层26和第二电极形成部件42重叠于第一电极形成部件41的上表面41a的至少一部分和基板2的可不形成第一电极形成部件41的区域上。
在一些实施例中，可通过各向异性蚀刻处理例如干式蚀刻而移除暴露于未由抗蚀光罩44覆盖的区域中的第二电极形成部件42的一部分。也可通过相同干式蚀刻而连续移除因此所暴露的导电层26的一部分。另一类型的干式蚀刻可应用于利用不同条件的第二电极形成部件42和导电层26。若导电层26具有例如2纳米的薄膜厚度，则也可在移除第二电极形成部件42和导电层26时蚀刻形成于导电层26下方的第一电极形成部件41的表面。在此情况中，级差可形成于第一电极形成部件41的上表面41a中。
其后，通过电浆灰化或通过使用液体抗蚀剥离剂而移除抗蚀光罩44以暴露由抗蚀光罩44覆盖的第二电极形成部件42。随后，如图9C(其中与图9A的组成元件对应的组成元件由相同附图标记和字母标示)和图9D(其示出图9C的侧向横截面P-P')中所示，导电层26和第二电极形成部件42形成于其上的区域和上表面41a可暴露于其中的区域可形成于第一电极形成部件41的上表面41a的至少一部分上。
随后，如图9E(其中与图9C的组成元件对应的组成元件由相同附图标记和字母标示)和图9F(其示出图9E的侧向横截面Q-Q')中所示，可使用光微影技术来图案化的新抗蚀光罩45可布置于覆盖暴露第一电极形成部件41的部分和第二电极形成部件42的区域上。抗蚀光罩45可形成为如下形状，其是将随后形成的图6中所示的第一电极部件23和第二电极部件24的外形的组合。
在一些实施例中，抗蚀光罩45可包含：基底形成区域45a，其形成为与第一电极部件23的基底部件23a的外形共形的实质上呈球根状或锥形的形状；间隙形成区域45b，其形成为与第一电极侧间隙形成部件23b和第二电极侧间隙形成部件24b的外形共形的带状形状；和基底形成区域45c，其形成为与第二电极部件24的基底部件24a的外形共形的实质上呈球根状或锥形的形状。抗蚀光罩45的基底形成区域45a可布置于第一电极形成部件41的可不存在第二电极形成部件42的上表面41a上，且抗蚀光罩45的基底形成区域45c和间隙形成区域45b可布置于第二电极形成部件42上。
随后，可通过例如干式蚀刻而移除未由抗蚀光罩45覆盖的第一电极形成部件41和第二电极形成部件42的暴露部分。因此，基底部件23a可由第一电极形成部件41形成，且包括基底部件24a和第二电极侧间隙形成部件24b的第二电极部件24可由第二电极形成部件42形成，如图10A(其中与图9E的组成元件对应的组成元件由相同附图标记和字母标示)和图10B(其示出图10A的侧向横截面R-R')中所示。
在一些实施例中，可由于由抗蚀光罩45的基底形成区域45c图案化第二电极形成部件42而形成第二电极部件24的基底部件24a。同样地，可由于由抗蚀光罩45的间隙形成区域45b图案化第二电极形成部件42而形成包含面向间隙的下表面29a和面向间隙的侧表面29b的第二电极侧间隙形成部件24b。氧化硅层9可暴露于其中可已移除未由抗蚀光罩45覆盖的第一电极形成部件41的暴露部分的区域中。同样地，导电层26可暴露于未由抗蚀光罩45覆盖的第二电极形成部件42的暴露部分可已从其中移除的区域中。
随后，可通过各向异性蚀刻处理例如干式蚀刻而移除未由抗蚀光罩45覆盖的暴露的导电层26的部分。可使用气体来执行用于移除导电层26的干式蚀刻，该气体不同于用于干式蚀刻来移除第一电极形成部件41和第二电极形成部件42时所使用的气体。随后，如图10C(其中与图10A的组成元件对应的组成元件由相同附图标记和字母标示)和图10D(其示出图10C的侧向横截面S-S')中所示，氧化硅层9可暴露于基板2上的导电层26可已从其中移除的区域中。其余第一电极形成部件41可稍后形成第一电极侧间隙形成部件23b，其可暴露于导电层26可从其中移除的区域中。
随后，可通过例如干式蚀刻而移除未由抗蚀光罩45覆盖的第一电极形成部件41的暴露部分，且接着可通过电浆灰化或通过使用液体抗蚀剥离剂而移除抗蚀光罩45。因此，如图10E(其中与图10C的组成元件对应的组成元件由相同附图标记和字母标示)和图10F(其示出图10E的侧向横截面T-T')中所示，第一电极形成部件41可保留于抗蚀光罩45的间隙形成区域45b可已位于其中的区域中，由此形成包含间隙形成上表面28a和间隙视情况形成的顶端表面28b的第一电极侧间隙形成部件23b和具有第一电极侧间隙形成部件23b的第一电极部件23。
如上文所述形成的第一电极侧间隙形成部件23b的间隙形成上表面28a可在导电层26的相反侧上布置成面向第二电极侧间隙形成部件24b的面向间隙的下表面29a。同样地，间隙视情况形成的顶端表面28b可在导电层26的相反侧上布置成面向第二电极侧间隙形成部件24b的面向间隙的侧表面29b。
随后，可通过例如湿式蚀刻而移除间隙形成上表面28a与面向间隙的下表面29a之间和间隙视情况形成的顶端表面28b与面向间隙的侧表面29b之间的导电层26的部分。因此，如图6、图7A和图7B中所示，与基板2共面的第一间区域NG3可形成于间隙形成上表面28a与面向间隙的下表面29a之间。另外，垂直于基板2而延伸的第二间隙区域NG4、与第一间隙区域NG3连接或重叠的第二间隙区域NG4的上终端可形成于间隙视情况形成的顶端表面28b与面向间隙的侧表面29b之间。以此方式，可制造包含纳米间隙NG的纳米间隙电极对21，纳米间隙NG由第一间隙区域NG3和第二间隙区域NG4组成且具有第一电极部件23与第二电极件部24之间的倒L形侧向横截面。
在一些实施例中，根据本文所提供的方法而制造的纳米间隙电极对21可利用形成于第一电极部件23与第二电极部件24之间的导电层26的膜厚度，其可用于形成形成于第一电极部件23与第二电极部件24之间的纳米间隙NG的宽度W1。因此，可在制造过程中仅通过调整导电层26的膜厚度而容易地制造具有期望宽度的纳米间隙NG。另外，由于导电层26可被形成以具有极薄膜厚度，所以可成比例地减小形成于第一电极部件23与第二电极部件24之间的纳米间隙NG的宽度W1。
在一些实施例中，当移除位于第一电极侧间隙形成部件23b与第二电极侧间隙形成部件24b之间的导电层26的一部分时，位于第二电极部件24的基底部件24a与氧化硅层9之间的导电层26的一部分可与用于湿式蚀刻的化学溶液接触，可蚀刻导电层26的外周表面。因此，导电层26可被形成以便使其外周缘略微小于基底部件24a。
在一些实施例中，纳米间隙电极对21可包括：第一电极部件23，其中第一电极侧间隙形成部件23b可布置于基板2上；和第二电极部件24，其可布置于基板2上方的导电层26上。在进一步实施例中，纳米间隙电极对21可包括第二电极侧间隙形成部件24b，其可形成于第二电极部件24中且可布置成与第一电极部件23的第一电极侧间隙形成部件23b对置且布置于第一电极部件23的第一电极侧间隙形成部件23b上方，且与基板2共面的第一间隙区域NG3可形成于第一电极侧间隙形成部件23b与第二电极侧间隙形成部件24b之间。另外，纳米间隙电极对21可包括纳米间隙，其中：第一电极部件23的第一电极侧间隙形成部件23b的前端可布置成与第二电极部件24的基底部件24a对置，且第二间隙区域NG4可垂直于基板2而延伸，第二间隙区域NG4的终端可与第一间隙区域NG3连接或重叠，其中第一间隙区域NG3可形成于第一电极侧间隙形成部件23b与基底部件24a之间。
因此，可通过选择具有小宽度W1的第一电极部件23与第二电极部件24之间的纳米间隙NG而利用纳米间隙电极对21来高度灵敏地分析样本。含有单链或双链DNA的溶液不仅可通过与基板2共面的第一间隙区域NG3，且可通过布置成垂直于基板2的第二间隙区域NG4，其中第一电极部件23与第二电极部件24之间的纳米间隙NG可被选择成具有小宽度W1。因此，大量溶液可容易地通过纳米间隙NG。
在用于制造纳米间隙电极对21的一些方法中，首先可使电极形成部件41以提供基板2与第一电极形成部件41之间的级差的方式形成于基板2的部分上。接着，可在基板2和第一电极形成部件41上形成导电层26，因此在第一电极部件41的边缘处布置与基板2共面且垂直于基板2而延伸的导电层26。随后，可在导电层26上形成第二电极形成部件42，且接着可使用抗蚀光罩44和45来图案化第一电极形成部件41、导电层26和第二电极形成部件42。
因此，可形成具有预定形状的第一电极部件23和第二电极部件24。在一些实施例中，可形成级差，由此第二电极部件24的第二电极侧间隙形成部件24b在导电层26的相反侧上与第一电极部件23的第一电极侧间隙形成部件23b重叠，由此在第一电极部件23与第二电极部件4之间形成与基板2共面且垂直于基板2而延伸的导电层26。最后，可移除第一电极部件23与第二电极部件24之间的导电层26的一部分，由此形成由与基板2共面的第一间隙区域NG3和垂直于基板2而延伸的第二间隙区域NG4组成的纳米间隙NG，第二间隙区域NG4的终端与第一间隙区域NG3连接或重叠，其中纳米间隙NG形成于第一电极部件23与第二电极部件24之间。
以此方式，能够制造纳米间隙电极对21，其中溶液不仅可通过第一间隙区域NG3，且可通过第二间隙区域NG4，即使第一电极部件23与第二电极部件24之间的纳米间隙NG的宽度W1可实质上较小，且因此，含有单链或双链DNA的溶液(其可由纳米间隙NG3和NG4的或两者测量)可更容易地通过纳米间隙NG。
在利用本文所描述的制造方法的一些实施例中，可仅通过调整导电层26的膜厚度而容易地调整第一电极部件23与第二电极部件24之间的纳米间隙NG的宽度W1。另外，由于导电层26可被形成为具有极薄膜厚度，所以可使用此制造方法来形成具有与导电层26的膜厚度对应的极小宽度W1的纳米间隙NG(第一间隙区域NG3和第二间隙区域NG4)。
在一些实施例中，可期望使DNA流动通过纳米间隙电极对。在一些实施例中，可通过电泳、电渗流动或压力驱动流动而引起DNA的运动。可期望在DNA通过纳米间隙电极对时使DNA定向，使得一端首先进入且第二端尾随。也可期望确保：将有效百分比的DNA导引通过纳米间隙电极对，而非围绕该纳米间隙电极对往复运动。因此，可期望整合封闭通道结构以容许DNA以受控方式流动通过纳米间隙电极对的间隙。可使用微影技术来形成具有不同宽度的通道。在一些实施例中，可使用多个光罩来制造具有不同深度的通道。在一些实施例中，可将单独的罩盖添加至整合到基板上的敞开通道以建立封闭通道。在一些实施例中，罩盖可为透明的以容许检视。在一些情况中，可通过黏着剂、熔化胶合、范德华(Van derWaals)力或物理地夹紧而附接该罩盖。
在其它实施例中，可使用半导体处理来将封闭通道与纳米间隙电极对芯片整合。可使用微影技术来形成具有不同宽度的封闭通道。在一些实施例中，可使用多个光罩来制造具有不同深度的封闭通道。在一些实施例中，可通过湿式蚀刻牺牲层而建立封闭通道。在其它实施例中，牺牲层和蚀刻试剂可被选择使得可以比与蚀刻试剂接触的其它材料快很多的蚀刻速率优先移除该牺牲层。
在一些实施例中，封闭通道可在纳米通道附近具有窄宽度和浅深度尺寸以有助于使DNA在纳米通道内轴向定向。为减少DNA的缠结，在一些实施例中，窄宽度和浅深度可小于50x，小于10x，小于4x，小于1x，其中x是用于传感器的溶液中的DNA的库恩(Kuhn)长度。库恩长度随着离子强度降低而增大。在一些情况中，窄宽度和/或窄深度可小于1微米，小于500纳米，小于200纳米，小于100纳米，小于50纳米，或小于20纳米。
在一些情况中，与纳米间隙电极对相关联的封闭通道可与单独的微流体结构整合。微流体结构可被胶合或夹紧以与纳米间隙电极芯片建立密封。在一些实施例中，微流体结构可为金属材料、聚合材料(例如聚二甲基硅氧烷或PDMS)或玻璃。微流体结构可为塑料或玻璃。在一些实施例中，微流体结构可具有分支通道和/或阀以有助于导引流动。在一些实施例中，微流体结构可具有例如整合电极以在易清洗区域中提供电泳电极。
在一些实施例中，多个纳米间隙电极对传感器可并入至纳米间隙电极芯片中。在一些实施例中，多个纳米间隙电极对传感器可与纳米间隙电极芯片的覆盖通道连接。在一些实施例中，用于读取或控制纳米间隙电极芯片的电子电路可制造于还可包括一个或更多个纳米间隙电极对的基板上。
在一些实施例中，可由两者平行且垂直于基板的纳米间隙电极对建立封闭通道，其中可通过湿式蚀刻用作薄膜的材料而建立与该纳米间隙电极对相关联的间隙，其中间隙间隔可实质上相同于薄膜厚度。在一些实施例中，封闭通道可与平行于基板的纳米间隙电极对组合，其中已通过湿式蚀刻用作薄膜的材料而建立间隙，其中间隙间隔可实质上相同于薄膜厚度。在其它实施例中，封闭通道可与垂直于基板的纳米间隙电极对组合，其中已通过湿式蚀刻用作薄膜的材料而建立该封闭通道，其中间隙间隔可实质上相同于薄膜厚度。
图11A示出纳米间隙电极芯片101的实施例的俯视图，其具有平行于基板的纳米间隙表面，且包含整合流体通道。在图11A中，将顶部区段部分地剖切至纳米通道中心。在顶部绝缘层110中，流体入口123和流体出口124连接至纳米通道116，纳米通道116连接至出口124。在部分区段中，第一纳米间隙电极103相邻于用于形成纳米通道116的牺牲材料，该牺牲材料将在被移除时建立间隙且容许受控样本引入至纳米间隙中。第二纳米间隙电极104也相邻于用于形成纳米通道116的牺牲材料，但无法在此视图中看见具有间隙间隔W2的纳米间隙。顶部绝缘层110可具有出入孔以连接至用于划分第一纳米间隙电极103和第二纳米间隙电极104的电连接垫130，或可具有相关联的电路(图中未示出)所需的其它互连件以容许用于其它实施例，其中可将电连接件制造成硅基板108层上的电子电路。
图11B示出穿过图11A的竖直横截面A-A'的侧视图。在图11B中，基板102可包括硅基板108和绝缘层109。第一纳米间隙电极103可与第二纳米间隙电极104和纳米通道116形成纳米间隙电极对。绝缘层107提供用于将纳米通道116制造于其上的平坦表面。绝缘层110提供用于纳米通道116的顶面，且提供用于入口123和出口124的密封表面。图11B中示出入口123与选用的较厚通道区段132之间的连接，其可连接或流体地联接至纳米通道116。在出口侧上，纳米通道116可连接至选用的较厚通道区段133，其可连接至出口124。可在此视图中看见间隙间隔W2。
在一些实施例中，可使样本的流体流动和/或移动反向。在一些实施例中，多个纳米间隙电极对可与纳米通道116相交以容许单一DNA或RNA链的多个测量。
图12A示出穿过图11A的侧向横截面B-B'的侧视图。由纳米通道116使第一纳米间隙电极103与第二纳米间隙电极104分离。绝缘层107提供用于纳米通道116的平坦表面。绝缘层110提供用于纳米通道116的顶面。
图12B示出图12A的纳米间隙区段的放大图。当蚀除牺牲的纳米间隙层106时，纳米间隙形成于第一纳米间隙电极103与第二纳米间隙电极104之间。第二纳米间隙电极104可与第一纳米间隙电极103重叠达重叠距离W3。在一些实施例中，重叠距离W3可小于50纳米，小于20纳米，小于10纳米。也可在此视图中看见间隙间隔W2。
接着，如图13A中所示出，将描述用于制造图11A、图11B、图12A和图12B的纳米间隙电极101的方法。首先，可制备基板102，其中例如氧化硅层109可形成于硅基板108上。接着，可通过例如气相沉积法(例如CVD)而使电极形成氮化钛(TiN)膜形成于氧化硅层109的整个表面或其一部分上。
接着，使用光微影技术来图案化电极形成层以建立第一纳米间隙电极103，如图13A和图13B(其示出图13A的侧向横截面A-A')中所示。
如图13C至图13F中所示，其中与图13A的组成元件对应的组成元件由相同附图标记和字母标示。
如图13C和图13D(其示出图13C的侧向横截面B-B')中所示，施加绝缘层107，且接着可使用例如平坦化处理诸如化学机械抛光(CMP)来抛光或过度抛光绝缘层107。
可通过例如气相沉积法(例如CVD)而使可由氮化硅(SiN)制成的薄纳米通道形成层106形成于整个表面上，且可使用光微影技术来图案化纳米通道形成层106，如图13E和图13F(其示出侧向横截面C-C')中所示。
可使用光微影技术来将SiN的选用的第二纳米通道形成层添加至薄纳米通道形成层106。
如图14A和图14B(其示出沿图14A的线D-D'的侧向横截面)中所示，可使用光微影技术来添加第二纳米间隙电极104。可通过气相沉积例如气相沉积法而使上绝缘层110形成于结构的表面上以覆盖第一纳米间隙电极103、第二纳米间隙电极、薄纳米通道形成层106和绝缘层107，其中可利用光微影技术来建立出入口和电性垫出入口。接着，可湿式蚀刻任何SiN特征以移除薄纳米通道形成层的其余部分以建立纳米通道116，如图14C和图14D(其示出沿图14C的线E-E'的竖直横截面)中所示出。
为使个别碱基排序，可期望限制限定间隙的原子数。在一些实施例中，可期望在间隙的或两侧上具有单原子针尖。在一些实施例中，此可通过使用由表面粗糙度引起的天然生成针尖或针尖对而完成。在一些实施例中，针尖的质量可被改进以更佳地测量质量或稳定性。
在一些实施例中，可使用电化学法来使间隙变窄。使用电化学法来使间隙变窄可持续进行，直至间隙已达到期望间隙宽度或达到大于或小于期望间隙宽度的宽度。期望间隙可在两侧上具有稳定、大体上呈单晶的针尖。单原子连接使得与G0(2e2/h)相关联的电导率(其对应于金的例如12.7K奥姆的电阻)可用作为中间状态以建立稳定间隙。电沉积针尖通常无法形成最初稳定的G0针尖，如Calvo等人于“Physica status solidi(a)”(第204卷，第6期，第1677页至第1685页)和Boussaad等人于“Appl.Phys.Lett.80,2398 2002”中所描述，该案的各者的全文以引用的方式并入本文中。电迁移无法填充间隙，其中该间隙可具有太低以致无法建立引起原子在针尖内的移动的足够电子风力的穿隧电流。
可在由计算机处理器执行的软件控制下使阵列的间隙间隔变窄，其中电压可被施加且可被修改以便实施电化学沉积且控制沉积速率，且因此控制间隙变窄速率。可监测由电化学处理产生的电流，且偏压电压可被修改和/或调变以便控制间隙变窄的速率和/或进展。
电化学沉积处理可为单向的或可为双向的，其中偏压电位可被反向以便使电流反向且因此使沉积方向反向。开始于两个平行标称上平坦电极(其可包括相同材料，例如金、铂、钨、铱或其它金属)的典型单向电沉积处理导致如下结构，其中阴极保持标称上平坦，而阳极具有沉积于其上的小尖锐凸起。若期望具有一对电极，其中该电极对的两者可具有尖锐尖端，则单向沉积法可能是不够的。在一些实施例中，双向电沉积处理可用于建立一对尖锐尖端，其中该电极的金属可来回穿梭于所述两个电极之间，而当从该电极的较平坦部分“募集”额外金属时，该处理引起该尖端的连续尖锐化。软件可连续地或间歇性地监测电沉积处理的电流电平，且可通过使施加至第一电极的电位的正负号反向且使第二电极的电位保持不变，或通过使所述两个电极的电位相对于彼此反向且使绝对值保持相同而使所施加的极性反向。在一些实施例中，可在时间间隔内加强和/或减弱电位反向。在一些实施例中，一个极性的电位差可不同于另一极性的电位差。
电沉积法可利用各种不同流体包含去离子水、HCl、KAu(CN)2、KHCO3、KOH来作为载体，且可在沉积处理期间的不同时期使用沉积电流，其可包含大于约10微安培的电流、从约5微安培(μA)至约10微安培的电流、从约2微安培至约5微安培的电流、从约1微安培至约2微安培的电流、或小于约1微安培的电流。电压源或电流源可用于提供电位以便实施或促进电沉积处理。在一些情况中，电压源可施加大于或等于约1伏特、约2伏特、约3伏特、约4伏特或约5伏特的电压。在一些实施例中，可在电沉积的初始时期之后改变所使用的溶液的浓度。在一些实施例中，额外工作电极和/或参考电极可用作为系统的一部分以便相对于纳米间隙电极对的两个电极而控制溶液的电位。
穿隧电流可用于判定纳米间隙电极对间隔的宽度，其中指数电流电平可用于判定间隔尺寸。可使穿隧电流测量成为电沉积处理的一部分，或可在进行穿隧电流测量时暂时停止电沉积处理，且接着可重新开始该电沉积处理。
电沉积处理可与电迁移处理组合，其可对稳定单原子针尖或针尖对的形成提供更佳控制。在电迁移中，可将电流从一个电极导引至另一电极。例如，可通过小于或等于约5伏特、约4伏特、约3伏特、约2伏特或约1伏特的可变电压而将小于或等于约5微安培、约4微安培、约3微安培、约2微安培或约1微安培的恒定电流从一个电极导引至另一电极。替代地，可通过小于或等于约5伏特、约4伏特、约3伏特、约2伏特或约1伏特的可变电压而将小于或等于约5微安培、约4微安培、约3微安培、约2微安培或约1微安培的可变电流从一个电极导引至另一电极。
在一些实施例中，电迁移处理可利用与由电迁移处理使用的流体环境不同的流体环境。在一些实施例中，流体环境可包含水性试剂、有机试剂、水性试剂和/或有机试剂的混合物(其中有机试剂和水性试剂可混溶)、空气、无反应性气体或真空。电沉积处理可用于形成可窄于最终期望间隙的间隙，且接着电迁移处理可用于使该间隙变宽和/或形成更稳定针尖或针尖对。可使所述两个处理互换，其中电沉积处理可用于例如建立可窄于最终期望间隙的针尖间隙间隔，且电迁移处理因此可用于建立更稳定针尖和/或针尖间隔(其可为期望间隔)，且可用于提供可尤其在纳米间隙电极对的针尖附近具有减少数目个晶粒边界的结构。在一些实施例中，可利用同时组合电沉积和电迁移的方法。
在一些实施例中，电沉积法和电迁移法可一起用于形成间隙，其中该电沉积法可从被接合的纳米间隙电极对移除材料，且电迁移法可将材料从该接合纳米间隙电极对的一部分移动至该接合纳米间隙电极对的另一部分，使得可通过该电迁移法而使该接合纳米间隙电极对的最窄部分进一步变窄。在其它实施例中，电沉积法和电迁移法可一起用于形成间隙，其中该电沉积法可从被接合的纳米间隙电极对移除材料，且电迁移法可将材料从该接合纳米间隙电极对的一部分移动至该接合纳米间隙电极对的另一部分，使得可通过该电迁移法而使该接合纳米间隙电极对的最窄部分进一步变厚以潜在地使该接合纳米间隙电极对的变窄区域更结晶。在其它实施例中，电沉积法和电迁移法可一起用于形成间隙，其中该电沉积法可将材料添加至被接合的纳米间隙电极对，且电迁移法可将材料从该接合纳米间隙电极对的一部分移动至该接合纳米间隙电极对的另一部分，使得可通过该电迁移法而使该接合纳米间隙电极对的最窄部分进一步变窄。
在进一步实施例中，电沉积法和电迁移法可一起用于使间隙成形，其中该电沉积法可将材料添加至被分离的纳米间隙电极对，且电迁移法可将材料从该分离的纳米间隙电极对的一部分移动至该接合纳米间隙电极对的另一部分，使得可通过该电迁移法而进一步增大该分离的纳米间隙电极对的间隔。在其它实施例中，电沉积法和电迁移法可一起用于使间隙成形，其中该电沉积法可从被分离的纳米间隙电极对移除材料，且电迁移法可将材料从该分离的纳米间隙电极对的一部分移动至该接合纳米间隙电极对的另一部分，使得可通过该电迁移法而使该分离的纳米间隙电极对的间隔变窄。在一些实施例中，电沉积法可将材料沉积于已被分离的纳米间隙电极对的两侧上，而在其它实施例中，电沉积法可从已被分离的纳米间隙电极对的两侧移除材料，且在进一步实施例中，电沉积法可从纳米间隙电极对的电极移除材料且可将材料添加至纳米间隙电极对的另一电极。在其中一起利用电沉积法和电迁移法两者的些实施例中，可在无第二方法的时间段内利用第一方法，且因此可在时间段内一起利用两种方法，且因此可在无第一方法的时间段内利用第二方法。可利用方法的任何混合或组合。
在其中可利用电沉积法的些实施例中，限流电阻器可用于限制材料的移除。在其它实施例中，可监测电流，且施加电位可被限制使得可减慢和/或停止材料速率，或基于测量电导率(其可为相对于材料的G0的设定比率)而减慢且接着停止材料速率。
对于被实施电沉积法和/或电迁移法的阵列的纳米间隙电极对，可同时执行对个别纳米间隙电极对的个别电压和/或测量的控制，或可对一组(例如一列或一行)纳米间隙电极对同时执行对个别纳米间隙电极对的个别电压和/或测量的控制，或可对各纳米间隙电极对循序地执行对个别纳米间隙电极对的个别电压和/或测量的控制。在一些实施例中，处理器可与包括纳米间隙电极对的芯片相关联，且可包括A/D转换器和/或数字模拟转换器(DAC)电路和/或转阻放大器和/或整合电流监测器，或可为外部处理器，该处理器可不具有足以直接监测和控制与纳米间隙电极对的该阵列相关联的所有电流和电压的能力，由此需要循序法，由此一个或一组纳米间隙电极对可具有对其它纳米间隙电极对完成电沉积和/或电迁移处理的或多个操作之前所完成的该电沉积和/或电迁移处理的或多个操作。例如，其中电沉积处理可利用多个不同流体试剂，例如使用不同浓度，在对其它纳米间隙电极对执行利第一试剂的或多个操作之前，可对纳米间隙电极对的子集执行所述一个或更多个操作，但所有纳米间隙电极对可具有用另一试剂替换流体试剂之前所执行的该相同一个或更多个操作。在其它实施例中，其中可使用例如作为该纳米间隙电极对的阵列的一部分的阀(例如微阀或奈阀)来实施流体控制，其中一个或更多列或一个或更多行纳米间隙电极对可具有供应至其的试剂(其不同于供应至该纳米间隙电极对阵列的其它构件的试剂)，在针对该纳米间隙电极对阵列的其它构件用第二试剂替换第一试剂之前，可对纳米间隙电极对阵列的不同组完成不同操作。
在一些实施例中，可在晶圆级处完成针尖形成。在一些实施例中，可在芯片级处完成针尖形成。在一些实施例中，可在排序仪器中完成针尖形成以解决针尖稳定性问题。在一些实施例中，作为使用者启动方法的一部分，可执行针尖形成和/或针尖重组，诸如DNA排序检定。
在一些实施例中，可通过形成纳米孔隙而制造纳米间隙电极对，该纳米孔隙可由与用于形成纳米间隙电极对的材料不同的材料形成，其中该纳米孔隙可形成可随后变为纳米间隙电极的间隙的区域，并且其中该纳米孔隙可随后被移除以便容许样本流体在后续检定中进入该纳米间隙电极对。在一些实施例中，可利用电沉积法，其中该纳米孔隙可形成于起动电极上或形成于起动电极接近处，该起动电极可为平面电极，且进一步电沉积可将该起动电极连接至第二电极。电迁移处理和/或电沉积可用于从该纳米孔隙移动(移除)材料以形成纳米间隙电极对。
在其它实施例中，可通过形成纳米孔隙而形成纳米间隙电极对，该纳米孔隙可通过各向异性KOH 111蚀刻和/或聚焦离子束蚀刻、或适合于制造纳米孔隙的另一处理而至少部分地形成，且可由第一材料(诸如硅)形成，但其可为与本文所描述的操作兼容的任何材料。在后续操作中，金属沉积可被执行以便形成纳米间隙电极对的第二电极。在一些实施例中，选用的第二材料可形成于额外层中，诸如硝酸硅或任何其它适合材料，该材料可在移除处理期间保留于适当位置中，该移除处理可为湿式蚀刻，其移除该纳米孔隙的第一材料，可用于形成两层纳米孔隙。在后续操作中，硅可被至少部分地移除以便容许流体进入该纳米间隙电极对，其中该金属和该选用的第二材料可保留。电沉积和/或电迁移处理可用于使该纳米间隙电极对分离以形成该纳米间隙电极对的纳米间隙。第二材料可用于最小化与电极的流体接触，由此最小化否则可从第一电极的相当大表面积发生的本底电流。虽仍需合理容限，但纳米孔隙的尺寸可具有比形成纳米孔隙(其用于例如使用离子电流的DNA排序)时所需的容限要求宽松的容限要求，这是因为随后与回馈一起使用的电沉积法和/或电迁移法可用于补偿纳米孔隙尺寸的变动。
应注意，本发明不受限于本发明的实施例，而是可在本发明的主题的范围内以各种其它方式修改和实施本发明。例如，各种材料可用作电极部件3和4(23和24)、基板2、绝缘层6、导电层26(其充当间隙形成层)、绝缘层7、抗蚀光罩15、44和45等的材料。另外，可使用各种其它方法(根据需要，其包含溅镀法)来形成制造纳米间隙电极对1、21时所形成的各层。
另外，在上文所描述的实施例中，已描述纳米间隙电极对的电极，其中单链或双链DNA可通过电极之间的纳米间隙NG，且当单链或双链DNA的碱基通过电极部件之间的纳米间隙NG时，可用安培计测量流动横跨电极的电流的值。然而，本发明不受限于此实施例。纳米间隙电极对可用于各种其它应用中。虽然在一些情况中单链和双链DNA已被描述为测量的目标，但本发明不受限于此目标。应了解，可使用其它目标(例如RNA或蛋白质)。各种其它类型的流体(其包含液体和气体)可用作为含有流体的样本。另外，可将各种其它类型的测量目标(其包含病毒和细菌、蛋白质和肽、碳水化合物和脂类、有机分子和无机分子)用作为测量的目标。
另外，在上文所描述的实施例中，已描述如下情况，其中以共形方式形成充当间隙形成层的绝缘层6(导电层26)。然而，本发明不受限于此实施例。例如，可根据膜形成的位置通过不同膜形成条件(温度、压力、所使用的气体、流动速率和类似条件)而改变绝缘层6(导电层26)的膜厚度，且无需以共形方式形成形成膜层。
若在无需以共形方式形成膜层的情况下根据膜形成的位置而改变绝缘层6(导电层26)的膜厚度，则由绝缘层6(导电层26)形成的纳米间隙NG可在与基板2共面的第一间隙区域NG1(NG3)与垂直于基板2而延伸的第二间隙区域NG2(NG4)之间具有不同宽度；第二间隙区域NG2(NG4)的终端可与第一间隙区域NG1(NG3)连接或重叠。例如，在一些实施例中，若含于光阻剂中的聚合物黏着至侧表面41b且导电层26形成于侧表面41b上，则当形成包含侧表面41b的第一电极形成部件41时，横跨第一电极部件23的间隙视情况形成的顶端表面28b和第二电极部件24的面向间隙的侧表面29b的宽度可变大以与聚合物的厚度一样。因此，第二间隙区域NG4的宽度可大于第一间隙区域NG3的宽度。若聚合物未黏着至第一电极形成部件41的侧表面41b，则可通过在形成导电层26时通过改变气相沉积法(例如CVD)的条件降低覆盖度而使形成于侧表面41b上的导电层26的膜厚度薄于形成于上表面41a上的导电层26的膜厚度。因此，第二间隙区域NG4的宽度可小于第一间隙区域NG3的宽度。
甚至在此情况中，溶液不仅可通过与基板2共面的第一间隙区域NG1(NG3)，且可通过垂直于基板2而延伸的第二间隙区域NG2(NG4)，如同上文所描述的实施例，即使第一电极部件3(23)与第二电极部件4(24)之间的纳米间隙NG被选择成具有小宽度W1，且因此，含有作为测量目标的单链或双链DNA的溶液可容易地通过纳米间隙NG。
第二电极部件4的基底部件4a可布置于第一电极部件3的薄膜部件3a上方的绝缘层6和7上。在一些情况中，可在无需形成绝缘层7的情况下增大绝缘层6的膜厚度以便将第二电极部件4的基底部件4a仅布置于第一电极部件3的薄膜部件3a上方的绝缘层6(其充当间隙形成层)上。
在一些实施例中，已描述如下情况，其中可由导电材料制成的导电层26可用作间隙形成层。然而，本发明不受限制于此实施例。由绝缘材料制成的绝缘层可被施加且用作为间隙形成层。
计算机控制系统
本发明提供被编程以实施本发明的方法的计算机控制系统。图15示出被编程或以其它方式被构造成使生物分子(诸如蛋白质)排序的计算机系统1501。计算机系统1501可为本文别处所描述的控制单元26和226。计算机系统1501包含中央处理单元(CPU，在本文中也称为“处理器”和“计算机处理器”)1505，其可为单核或多核处理器，或用于平行处理的多个处理器。计算机系统1501也包含内存或内存位置1510(例如随机存取内存、只读存储器、闪存)、电子储存单元1515(例如硬盘)、用于与一个或更多个其它系统通信的通信接口1520(例如网络配接器)以及周边装置1525(诸如高速缓存、其它内存、数据储存器和/或电子显示配接器)。内存1510、储存单元1515、接口1520和周边装置1525通过通信总线(实线)诸如主板而与CPU1505通信。储存单元1515可为用于储存数据的数据储存单元(或数据储存库)。计算机系统1501借助于通信接口1520而可操作地联接至计算机网络(“网络”)1530。网络1530可为因特网、互联网和/或外部网络、或与因特网通信的内部网络和/或外部网络。在一些情况中，网络1530是电信和/或数据网络。网络1530可包含可实现分布式计算(诸如云端计算)的或多个计算机服务器。在一些情况中，网络1530可借助于计算机系统1501而实施可使联接至计算机系统1501的装置能够充当客户端或服务器的点对点网络。
CPU1505可执行可体现于程序或软件中的序列的机器可读指令。该指令可储存于内存位置诸如内存1510中。该指令可针对CPU1505，其可随后被编程或以其它方式构造CPU1505以实施本发明的方法。由CPU1505执行的操作的示例可包含找取、译码、执行和回写。
CPU1505可为电路(诸如一集成电路)的部分。系统1501的或多个其它组件可包含于该电路中。在一些情况中，该电路是特定应用集成电路(ASIC)。
储存单元1515可储存档案，诸如驱动程序、链接库和保存程序。储存单元1515可储存用户数据，例如用户偏好和用户程序。在一些情况中，计算机系统1501可包含计算机系统1501外部(诸如位于通过内部网络或因特网而与计算机系统1501通信的远程服务器上)的或多个额外数据储存单元。
计算机系统1501可通过网络1530而与一个或更多个远程计算机系统通信。例如，计算机系统1501可与用户的远程计算机系统通信。该用户可经由网络1530而存取计算机系统1501。
可由储存于计算机系统1501的电子储存位置上诸如例如储存于内存1510或电子储存单元1515上的机器(例如计算机处理器)可执行代码实施本文所描述的方法。可以软件的形式提供该机器可执行代码或机器可读代码。在使用期间，可由处理器1505执行该代码。在一些情况中，该代码可从储存单元1515撷取且储存于内存1510上以准备供处理器1505存取。在一些情形中，可排除电子储存单元1515，且机器可执行指令储存于内存1510上。
代码可被预编译和构造以用于与具有被调适以执行代码的处理器的机器一起使用，或可在运行期间被编译。可以以编程语言供应代码，该编程语言可被选择成能够以预编译或类编译方式执行代码。
本文所提供的系统和方法的方面诸如计算机系统1501可体现于编程中。本发明的各种方面可被视为“产品”或“制品”，其通常呈载送于类型的机器可读媒体上或体现于类型的机器可读媒体中的机器(或处理器)可执行代码和/或相关联数据的形式。机器可执行代码可储存于电子储存单元诸如内存(例如只读存储器、随机存取内存、闪存)或硬盘上。“储存”型媒体可包含计算机、处理器等的任何或所有有形内存、或其相关联模块诸如各种半导体内存、磁带机、硬盘机等，其可在任何时间对软件编程提供非暂时性储存。有时可通过因特网或各种其它电信网络来使软件的全部或部分通信。例如，此通信可实现将软件从一个计算机或处理器加载至另一计算机或处理器，例如从管理服务器或主计算机加载至应用服务器的计算机平台中。因此，可承载软件元件的另一类型的媒体包含(诸如)横跨本端装置之间的物理接口、通过有线和光学陆线网络和通过各种空中链路所使用的光波、电波和电磁波。载送此波的物理元件(诸如有线或无线链路、光学链路等)也可被视为承载软件的媒体。如本文所使用，若非限于非暂时性有形“储存”媒体，则诸如计算机或机器“可读媒体”的术语是指参与对用于执行的处理器提供指令的任何媒体。
因此，机器(或计算机)可读媒体(诸如计算机可执行代码(或计算机程序))可呈多种形式，其包含但不限于有形储存媒体、载波媒体或物理传输媒体。非易失性储存媒体包含例如光盘或磁盘，诸如任何计算机等中的任何储存装置，其诸如可用于实施附图中所示出的数据库等。易失性储存媒体包含动态存储器，诸如此计算机平台的主存储器。有形传输媒体包含：同轴电缆；铜线和光纤，其包含导线，该导线包括计算机系统内的总线。载波传输媒体可呈电信号或电磁信号、或声波或光波诸如射频(RF)和红外线(IR)数据通信期间所产生的声波或光波的形式。因此，计算机可读媒体的共同形式包含例如：软盘、挠性碟、硬盘、磁带、任何其它磁性媒体、CD-ROM、DVD或DVD-ROM、任何其它光学媒体、打孔卡纸带、具有孔图案的任何其它物理储存媒体、RAM、ROM、PROM和EPROM、FLASH-EPROM、任何其它内存芯片或内存匣、输送数据或指令的载波、输送此载波的电缆或链路、或任何其它媒体(计算机可从其读取编程代码和/或数据)。这种形式的计算机可读媒体中的许多可涉及将一个或更多个指令的或多个序列载送至用于执行的处理器。
本发明的装置、系统和方法可与其它装置、系统或方法组合和/或由其它装置、系统或方法修改，诸如例如JP2013-36865A、US2012/0322055A、US2013/0001082A、US2012/0193237A、US2010/0025249A、JP2011-163934A、JP2005-257687A、JP2011-163934A和JP2008-32529A中所描述的装置、系统和方法，该案的各者的全文以引用的方式并入本文中。
虽然本文已示出并描述本发明的优选实施例，但本领域技术人员应了解，此实施例仅供例示。其不意欲使本发明受限于本说明书内所提供的特定示例。虽然已参考前文所提及的说明书而描述本发明，但本文实施例的描述和说明不应被解释为意指限制。本领域技术人员现将在不背离本发明的情况下进行许多变动、改变和代替。此外，应了解，本发明的所有方面不受限于本文所阐述的特定描述、构造或相对比例，其取决于各种条件和变量。应了解，可采用本文所描述的本发明的实施例的各种替代例来实践本发明。因此，可预期，本发明也应涵盖任何此替代例、修改、变动或等效物。意欲以下申请专利范围限定本发明的范围且由此涵盖此权利要求和其等效物的范围内的方法和结构。

Claims (54)

1.一种用于检测生物分子的系统，所述系统包括：
纳米间隙电极装置，所述纳米间隙电极装置包含第一电极和与所述第一电极相邻的第二电极，其中所述第一电极与所述第二电极由纳米间隙分离，所述纳米间隙被定尺寸成允许所述生物分子流动通过所述纳米间隙，其中所述纳米间隙至少具有第一间隙区域和第二间隙区域，其中所述第二间隙区域相对于具有所述第一间隙区域的平面以大于0°的角度定向；和
电路，所述电路被联接至所述纳米间隙电极装置，其中当所述生物分子流动通过所述纳米间隙时，所述电路从所述第一电极和所述第二电极接收电信号。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二间隙区域相对于具有所述第一间隙区域的所述平面以大于约25°的角度定向。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述第二间隙区域相对于具有所述第一间隙区域的所述平面以大于约45°的角度定向。
4.根据权利要求3所述的系统，其中所述第二间隙区域相对于具有所述第一间隙区域的所述平面以约90°的角度定向。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一电极与基板相邻。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述第二电极与绝缘层相邻，所述绝缘层与所述第一电极接触。
7.根据权利要求5所述的系统，其中所述第一电极包括第一部分和与所述第一部分相邻的第二部分，其中所述第一部分及所述第二部分与所述基板相邻，并且其中所述第一部分具有比所述第二部分大的厚度。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述第一部分具有部分地限定所述第二间隙区域的表面，并且其中所述第二部分具有部分地限定所述第一间隙区域的表面。
9.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一电极或所述第二电极的一部分具有单原子针尖。
10.根据权利要求1所述的系统，其中所述第二间隙区域的终端被联接至所述第一间隙区域。
11.根据权利要求1所述的系统，进一步包括至少一个通道，所述至少一个通道与所述纳米间隙电极装置流体连通，并且所述至少一个通道被构造成将所述生物分子导引至所述纳米间隙。
12.根据权利要求11所述的系统，其中所述通道与微流体结构整合。
13.根据权利要求1所述的系统，其中所述电路是电脑处理器的一部分，所述电脑处理器被编程以从所述电信号检测所述生物分子或所述生物分子的一部分。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述纳米间隙电极装置是纳米间隙电极装置阵列的一部分。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述纳米间隙电极装置能够相对于所述阵列的其它纳米间隙电极装置而独立地定址。
16.根据权利要求1所述的系统，其中所述纳米间隙具有第三间隙区域，所述第三间隙区域的终端被联接至所述第一间隙区域。
17.一种用于感测生物分子的系统，所述系统包括纳米间隙电极装置，所述纳米间隙电极装置包括第一电极和与所述第一电极相邻的第二电极，其中所述第一电极与所述第二电极由纳米间隙分离，所述纳米间隙被定尺寸成允许所述生物分子流动通过所述纳米间隙，其中所述纳米间隙具有第一间隙区域和第二间隙区域，其中所述第二间隙区域相对于具有所述第一间隙区域的平面以约90°的角度定向，并且其中所述第二间隙区域的终端被联接至所述第一间隙区域。
18.根据权利要求17所述的系统，其中所述第一电极与基板相邻。
19.根据权利要求18所述的系统，其中所述第二电极与绝缘层相邻，所述绝缘层与所述第一电极接触。
20.根据权利要求18所述的系统，其中所述第一电极包括第一部分和与所述第一部分相邻的第二部分，其中所述第一部分和所述第二部分与所述基板相邻，并且其中所述第一部分具有比所述第二部分大的厚度。
21.根据权利要求20所述的系统，其中所述第一部分具有部分地限定所述第二间隙区域的表面，并且其中所述第二部分具有部分地限定所述第一间隙区域的表面。
22.根据权利要求17所述的系统，其中所述第一电极或所述第二电极的一部分具有单原子针尖。
23.根据权利要求17所述的系统，进一步包括至少一个通道，所述至少一个通道与所述纳米间隙电极装置流体连通，并且所述至少一个通道被构造成将所述生物分子导引至所述纳米间隙。
24.根据权利要求23所述的系统，其中所述通道与微流体结构整合。
25.根据权利要求17所述的系统，其中所述纳米间隙电极装置是纳米间隙电极阵列的一部分。
26.根据权利要求25所述的系统，其中所述纳米间隙电极装置能够相对于所述阵列的其它纳米间隙电极装置而独立地定址。
27.根据权利要求17所述的系统，其中所述纳米间隙具有第三间隙区域，所述第三间隙区域的终端被联接至所述第一间隙区域。
28.一种用于检测生物分子的方法，所述方法包括：
(a)将生物分子导引至纳米间隙电极装置，所述纳米间隙电极装置具有第一电极和与所述第一电极相邻的第二电极，其中所述第一电极与所述第二电极由纳米间隙分离，所述纳米间隙被定尺寸成允许所述生物分子流动通过所述纳米间隙，其中所述纳米间隙至少具有第一间隙区域和第二间隙区域，并且其中所述第二间隙区域相对于具有所述第一间隙区域的平面以大于0°的角度定向；
(b)当所述生物分子流动通过所述纳米间隙时，测量电信号；以及
(c)使用(b)中所测量的所述电信号来检测所述生物分子。
29.根据权利要求28所述的方法，其中所述检测包括：比较所述电信号与参考信号，所述参考信号指示所述生物分子或所述生物分子的一部分。
30.根据权利要求28所述的方法，其中所述检测包括：识别所述生物分子或所述生物分子的一部分。
31.根据权利要求28所述的方法，其中所述生物分子是核酸分子。
32.根据权利要求31所述的方法，其中(c)中的所述检测包括：使所述核酸分子排序。
33.根据权利要求28所述的方法，其中所述电信号包含电流。
34.根据权利要求33所述的方法，其中所述电流是穿隧电流。
35.根据权利要求28所述的方法，其中所述第二间隙区域相对于具有所述第一间隙区域的所述平面以约90°的角度定向。
36.根据权利要求28所述的方法，其中所述第一电极或所述第二电极的一部分具有单原子针尖。
37.根据权利要求28所述的方法，其中通过与所述纳米间隙电极装置流体连通的至少一个通道而将所述生物分子导引至所述纳米间隙电极装置。
38.根据权利要求28所述的方法，其中所述纳米间隙电极装置是能够独立定址的纳米间隙电极装置阵列的一部分。
39.根据权利要求28所述的方法，其中当所述生物分子流动通过所述纳米间隙时，所述生物分子的一部分流动通过所述第一间隙区域，并且所述生物分子的其余部分流动通过所述第二间隙区域。
40.一种用于制造根据权利要求1至27中任一项所述的系统的方法。
41.一种用于检测生物分子的方法，所述方法包括：使用根据权利要求1至27中任一项所述的系统来检测所述生物分子。
42.一种用于制造用于检测生物分子的纳米间隙电极的方法，所述方法包括：
(a)提供与基板相邻的第一电极形成部件；
(b)形成与所述第一电极形成部件的表面相邻的间隙形成层；
(c)形成与所述间隙形成层相邻的第二电极形成部件；以及
(d)移除所述间隙形成层的一部分，以在所述第一电极部件与所述第二电极部件之间形成纳米间隙，其中所述纳米间隙被定尺寸成允许所述生物分子流动通过所述纳米间隙，其中所述纳米间隙至少具有第一间隙区域和第二间隙区域，并且其中所述第二间隙区域相对于具有所述第一间隙区域的平面以大于0°的角度定向。
43.根据权利要求42所述的方法，进一步包括：在(c)之后，暴露所述第一电极形成部件的表面、所述间隙形成层的所述第二部分的表面以及所述第二电极形成部件的表面。
44.根据权利要求43所述的方法，进一步包括：图案化所述第二电极形成部件、所述间隙形成层以及所述第一电极形成部件，以提供各具有预定形状的第一电极部件和第二电极部件。
45.根据权利要求42所述的方法，其中所述第二间隙区域相对于具有所述第一间隙区域的所述平面以大于约25°的角度定向。
46.根据权利要求45所述的方法，其中所述第二间隙区域相对于具有所述第一间隙区域的所述平面以大于约45°的角度定向。
47.根据权利要求46所述的方法，其中所述第二间隙区域相对于具有所述第一间隙区域的所述平面以约90°的角度定向。
48.根据权利要求42所述的方法，进一步包括：处理所述第一电极部件和/或所述第二电极部件以具有单原子针尖。
49.根据权利要求48所述的方法，进一步包括：处理所述第一电极部件和所述第二电极部件以各具有单原子针尖。
50.根据权利要求42所述的方法，进一步包括：提供与所述纳米间隙流体连通的至少一个通道。
51.根据权利要求42所述的方法，其中(a)包括：形成与所述电极形成部件的一部分相邻的绝缘层，所述电极形成部件的所述一部分具有比所述电极形成部件的另一部分低的厚度；以及形成与所述绝缘层相邻的所述间隙形成层。
52.根据权利要求42所述的方法，其中所述第二间隙区域的终端被联接至所述第一间隙区域。
53.根据权利要求42所述的方法，其中所述第一电极形成部件具有级差。
54.根据权利要求42所述的方法，其中所述第一间隙区域平行于所述基板。
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