CN108195805B - 微流体感测元件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种微流体感测元件，用以承载并感测液体的光电特性，包括：基材、图案化导电层、疏水层、光电二极管层、透明电极层以及控制电路。图案化导电层位于基材上，具有相互隔离，且依序相邻的第一电极、第二电极和三电极。疏水层覆盖第一电极和第二电极，用以承载液体。光电二极管层位于第三电极上，并与第三电极接触。透明电极层，位于光电二极管层上，并与光电二极管层接触。控制电路与第一电极和第二电极第三电极耦接，并在第一电极、第二电极和第三电极至少二者之间提供至少一个电压差，以驱动液体在疏水层和透明电极层上运动。
Description
技术领域
本发明是有关于一种生物微机电系统及其制造方法，特别是一种微流体感测元件。
背景技术
生物信息技术利用应用数学、信息学、统计学和计算器科学等方法来收集、筛选、处理及利用各种生物学的数据。在进行生物信息的收集、筛选、处理及利用的过程中，生物样品的制备和分析需要耗费相当大的人力与时间。如何在成分复杂的检体中，以最少的准备步骤(simple)实现高选择性(high selectivity)、高敏感度(high sensitivity)及快速检测的检测方法，已是目前业界的一大挑战。
生物微机电系统(biomedical microelectromechanical systems，Bio-MEMS)是将微机电系统技术应用在生命科学领域，具有分析时间短、样品消耗少、自动化、快速平行分析与可抛弃式等优点。目前已被应用于生物信息的收集、筛选、处理及利用。典型的生物微机电系统，是一种结合微流体装置以及半导体尺度(scaled)的生物感测装置(Bio-sensor)的生物芯片，可以把复杂的微小流道与控制流道运作的阀件整合至数公分见方的芯片上，提供一套处理与分析的检验流程。
然而，受限于实体流道和阀件的尺寸设计，传统微流道装置的制作尚无法与形成生物感验装置的半导体工艺充分整合。而是必须另外藉由打线(wire bonding)或晶粒键合(die bonding)的方式将二者整合在一起。不仅工艺工序较为繁复，也不符合组件微小化的趋势。
因此，有需要提供一种先进的微流体感测元件及其制作方法，来解决习知技术所面临的问题。
发明内容
本说明书一实施例是揭示一种微流体感测元件(microfluid sensing device)，用以承载并感测液体的光电特性(optoelectronic properties)，包括：第一基材、图案化导电层、第一疏水层(hydrophobic layer)、光电二极管层(photodiode layer)、透明电极层以及控制电路。图案化导电层位于第一基材上，具有相互隔离，且依序相邻的第一电极、第二电极和三电极。第一疏水层覆盖第一电极和第二电极，用以承载液体。光电二极管层位于第三电极上，并与第三电极接触。透明电极层，位于光电二极管层上，并与光电二极管层接触。控制电路与第一电极、第二电极和第三电极耦接，并在第一电极、第二电极和第三电极至少二者之间提供至少一个电压差，以驱动液体在第一疏水层和透明电极层上运动。
本说明书的另一实施例是揭示一种微流体感测元件的制作方法，包括下述步骤：首先，提供一个第一基材，并于第一基材上形成一个图案化导电层，使图案化导电层具有相互隔离，且依序相邻的第一电极、第二电极以及第三电极。于第三电极上形成光电二极管层，使其与第三电极接触。再于光电二极管层上形成透明电极层，使其与光电二极管层接触。之后，形成一个第一疏水层，覆盖第一电极和第二电极。后续，提供一个控制电路，耦接第一电极、第二电极和第三电极。
根据本说明书的实施例，本发明是在揭示一种微流体感测元件及其制作方法。其藉由半导体工艺，将包括至少一个第一电极、一个第二电极、一个第三电极和一个疏水层的微流体单元以及包括至少一个光电二极管层和一个透明电极层的光电传感器整合在一个基材上，以制作出一个同时具有半导体尺度的微流体单元和光电感测单元的微流体感测元件。
其中，第一电极、第二电极和第三电极位于同一个图案化金属层上。疏水层覆盖于第一电极和第二电极上。透明电极层和光电二极管层覆盖于第三电极上。并藉由与第一电极、第二电极和第三电极耦接的控制电路，来对第一电极、第二电极和第三电极施加不同电压，利用介电湿润(Electrowetting on Dielectric，EWOD)的原理来驱动用作为检验样品的液滴，使其在疏水层和透明电极层上进行运动；再藉由光电感测单元量测检验样品的光电特性。
通过半导体工艺整合方法，可将微流体元件制作成为一种具有半导体尺度的生物微机电系统，并且和光电感测单元同时形成，不但简化了微流体感测元件的工艺步骤，且可以大幅降低组件尺寸。另外，藉由具有半导体尺度的微流体单元来对液滴状的检验样品进行运输、试剂混合、分离和分散操作可以大幅减少试剂的用量与人工操作成本，同时提高检验的效能。
附图说明
以下将藉由附图来对本发明提供进一步的说明。其中，这些附图会被并入而成为本说明书的一部分。然而，本发明的范围不应被解释为仅限于这些附图的内容。
图1A至图1G为根据本说明书的一实施例，绘示制作微流体感测元件的部分工艺结构剖面示意图；
图2为绘示采用图1G的微流体感测元件对液体进行混合处理时的操作示意图；
图3为根据本说明书的另一实施例所绘示的微流体感测元件的部分结构剖面示意图；
图4为根据本说明书的又一实施例所绘示的微流体感测元件的部分结构剖面示意图；以及
图5为绘示采用图4的微流体感测元件对液体进行分离处理时的操作示意图。
其中附图标记为：
100、300、400：微流体感测元件
101：基材101a：基材的上表面102：图案化导电层 102a：第一电极
102b：第二电极102c：第三电极
102d：第四电极102e：第五电极
102f：第六电极102g：第七电极
102h：第八电极103：介电层
103a：贯穿开口104：光电二极管层
105、305：透明电极层
105a、305a：透明电极层的顶面
106、403：疏水层106a：疏水层的表面
107：控制电路108：导线
109：焊垫110、210、510：液体
111：数位微流体平台112：光电传感器
210a、210b、510a、510b：子液滴
401：上方基材401a：上方基材的表面
402：腔室S：切线
H：高度差h：液滴高度
L：外部光线
具体实施方式
本说明书是提供一种微流体感测元件的制作方法，可简化了微流体感测元件的工艺步骤，并大幅降低微流体感测元件的尺寸。为了对本说明书的上述实施例及其他目的、特征和优点能更明显易懂，下文特举数个较佳实施例，并配合所附图式作详细说明。
但必须注意的是，这些特定的实施案例与方法，并非用以限定本发明。本发明仍可采用其他特征、组件、方法及参数来加以实施。较佳实施例的提出，仅用以例示本发明的技术特征，并非用以限定本发明的权利要求。该技术领域中具有通常知识者，将可根据以下说明书的描述，在不脱离本发明的精神范围内，作均等的修饰与变化。在不同实施例与图式之中，相同的组件，将以相同的组件符号加以表示。
请参照图1A至图1G，图1A至图1G为根据本说明书的一实施例，绘示制作微流体感测元件(microfluid sensing device)100的部分工艺结构剖面示意图。制作微流体感测元件100的方法，包括下述步骤：首先，提供一个基材101(如图1A所绘示)。在本说明书的一些实施例中基材101可以是一种玻璃基板、陶瓷基板、塑化基板或半导体基材。例如，在本实施例中，基材101可以是一种玻璃。
之后，于基材101上形成一个图案化导电层102，使图案化导电层102具有复数个相互隔离的电极。在本说明书的一些实施例中，形成图案化导电层102的方式，可以包括下述步骤：首先，采用有机金属化学气相沉积(Metal-oxide Chemical Vapor Deposition，MOCVD)或物理气相沉积Physical Vapor Deposition，PVD)工艺，在基材101的上表面101a形成导电层，再以微影蚀刻技术移除一部分导电层，将一部分基材101表面暴露出来。
在本实施例中，图案化导电层102具有相互隔离，且依序相邻的第一电极102a、第二电极102b以及第三电极102c。且在第二电极102b和第三电极102c之间，还包括一个可选择的(optional)环状第四电极102d围绕第三电极102c(如第1B图所绘示)。但图案化导电层102的电极数目其排列方式并不以此为限。其中，图案化导电层102的材料，可以是金属、透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide，TCO)或前述材料的组合。
接着，以例如化学气相沉积工艺形成一个介电层103，覆盖在图案化导电层102以及被暴露于出来的基材101表面。并藉由蚀刻步骤(未绘示)形成一贯穿开口103a，将一部分第三电极102c暴露于出来(如第1C图所绘示)。在本说明书的一些实施例中，构成介电层103的材料可以是硅氧化物(silicon nitride)、氮化硅(silicon nitride)、氮氧化硅(silicon-oxy-nitride)或其他适合的介电材质。在本实施例中，介电层103较佳是一个氮化硅层。
再于介电层103上形成光电二极管层104，并且填充贯穿开口103a，使光电二极管层104与第三电极102c暴露于外的部分接触。在本实施例中，光电二极管层104并不与第一电极102a和第二电极102b重叠(如图1D所绘示)，因光电二极管层的介电常数较低，若与第一电极102a和第二电极102b重叠，将会造成驱动电压增大。光电二极管层104可以包括氮化镓(Gallium Nitride，GaN)、氮化铟镓(Indium Gallium Nitride，InGaN)、砷化镓(Galliumarsenide，GaAs)、磷化镓(Gallium Phosphide，GaP)、氮化铝镓(Aluminium GalliumNitride，AlGaN)、磷化铝镓铟(Aluminium Gallium Indium Phosphide，AlGaInP)和富硅氧化层(silicon rich oxide，SRO)中的至少一种光电半导体材料。
然后，于光电二极管层104上形成透明电极层105，使透明电极层105与光电二极管层104接触。在本说明书的一些实施例中，透明电极层105可以包括氧化铟锡(Indium TinOxide，ITO)。在本实施例中，透明电极层105直接覆盖于光电二极管层104上，且不与第一电极102a和第二电极102b重叠，若与第一电极102a和第二电极102b重叠，将造成液滴无法在表面移动(如图1E所绘示)。但在本说明书的一些实施例中，透明电极层105可以与第一电极102a和第二电极102b重叠。
在形成透明电极层105之后，于介电层103上形成一个疏水层106，并以蚀刻工艺移除位于透明电极层105和光电二极管层104上方的一部分疏水层106，使余留下来的疏水层106覆盖于第一电极102a和第二电极102b上(如图1F所绘示)。在本说明书的一些实施例中，疏水层106的材料可以是聚四氟乙烯(C2F4)n、全氟环状聚合物(例如，由AGC ChemicalsCompany.公司所提供的Cyclized Perfluoro Polymer
)、其他类似的材料或上述材料的组合。
后续，提供一个控制电路107，分别耦接至第一电极102a、第二电极102b、第三电极102c和第四电极102d完成微流体感测元件100的制备。请参照图1G，图1G为绘示微流体感测元件100的结构上视图。其中，第1F为沿着图1G的切线S所绘制而成。在本实施例中，微流体感测元件100还包括与第一电极102a、第二电极102b、第三电极102c和第四电极102d邻接，且彼此分离的第五电极102e、第六电极102f、第七电极102g和第八电极102h。每一个电极(第一电极102a至第八电极102h)分别对应一条导线108和一个焊垫(contact pad)109，并经由对应的导线108和焊垫109将其连接至控制电路107。
其中，控制电路107和第一电极102a至第八电极102h可以组成一个数字微流体平台(digital microfluid platform)111，利用介电湿润原理来驱动作为检验样品的液体110，在疏水层106和透明电极层105上运动。第三电极102c、透明电极层105和光电二极管层104，则可以组成一个用来量测液体110的光电特性(optoelectronic properties)的光电传感器112。
例如在本实施例中，液体110可以是一种粒径尺寸实质上需大于电极(第一电极102a至第八电极102h)并接触临近电极的面积的液滴。控制电路107可以分别对第一电极102a至第八电极102h施加不同的电压，以在任两个相邻电极(例如第二电极102b和第四电极102d)之间形成电压差。利用电压差改变液体110在不同方向的表面与疏水层106和/或透明电极层105之间的接触角，以表面张力变化来驱动液体110的移动，使液体110由一个电极(例如第二电极102b)滚向另一个电极(例如第四电极102d)，最终移动至光电传感器112的透明电极层105的顶面105a上，并覆盖于第三电极102c上。在一些实施例中，还可以藉由对环形第四电极102d和第三电极102c施加电压，利用二者之间的压差将位于透明电极层105之顶面105a的液体110(液滴)局限于第三电极102c的上方，以进行后续的光电感测。
在本实施例中，液滴状的液体110中可以包含荧光反应物质(未绘示)，当移动至第三电极102c的液体110(液滴)受到外部光线L(例如紫外光或荧光反应物质的激发波长光源)照射时，荧光反应物质会产生荧光，以激发光电二极管层104的光电效应，在第三电极102c和透明电极层105之间产生电流/电压变化，并由透明电极层105传输至感测电路(未绘示)进行运算，以量测出液体110的光电特性，藉以转换成特定物质的浓度。
然而，数字微流体平台111的配置与处理液体110的功能并不以此为限。例如请参照图2，图2为绘示采用图1G的微流体感测元件100对液体210进行混合处理时的操作示意图。在图2所绘示的实施例中，二颗子液滴210a和210b分别位于第六电极102f和第八电极102h上方。当控制电路107分别对第六电极102f、第七电极102g和第八电极102h施加不同电压，促使子液滴210a和210b靠近第七电极102g的两侧弧面与疏水层106表面106a的接触角减少时，二颗子液滴210a和210b会往第七电极102g移动，进而结合成为单一颗的液滴状液体210。
请参照图3，图3为根据本说明书的另一实施例所绘示的微流体感测元件300的部分结构剖面示意图。微流体感测元件300的部分结构大致与微流体感测元件100(图1G所绘示者)类似，差别在于透明电极层305的顶面305a和疏水层106的表面106a之间具有一个高度差H。若以基材101的上表面101a为量测基准，则透明电极层305的顶面305a实质高于疏水层106的表面106a。利用液体110与疏水层106的表面106a之间的接触角实质大于液体110与透明电极层305的顶面305a之间接触角的特性，可以使液滴状的液体110更容易被移动至透明电极层305的顶面305a。
在本说明书的一些实施例中，透明电极层305的顶面305a和疏水层106的表面106a之间的高度差H，实质小于或等于位于疏水层106的表面106a上的液滴高度h的二分之一。液滴高度h可由下述公式计算：
其中，V为注入的液滴体积，S为液滴与疏水层106的表面106a的接触面积。
请参照图4，图4为根据本说明书的又一实施例所绘示的微流体感测元件400的部分结构剖面示意图。微流体感测元件400的结构大致与微流体感测元件100(图1G所绘示者)类似，差别在于微流体感测元件400还包括一个上方基材401，配置于基材101上表面101a上方，用来与基材101共同定义出一个腔室(cavity)402，以容许液体410在腔室402中运动。
在本说明书的一些实施例中，微流体感测元件40还包括另一个疏水层403，形成于上方基材401的表面401a上的。在本实施例中，由于基材101的表面101a上覆盖有疏水层106，而疏水层403又面对基材101的表面101a。换言之，二个疏水层106和403彼此相互面对，而腔室402则位于此二疏水层106和403之间。
另外，上方基材401和疏水层403之间较佳还包括一个共同电极层404。此共同电极层404与控制电路107电性连接，可以配合第一电极102a至第八电极102h对液体110施加电压，以驱动液体110在在疏水层106和透明电极层105上运动。
图5为绘示采用图4的微流体感测元件400对液体510进行分离处理时的操作示意图。液滴状液体510位于第七电极102g上方。当控制电路107别分对第六电极102f、第七电极102g和第八电极102h施加不同电压，促使液体110靠近第六电极102f和第八电极102h的两侧弧面与疏水层106的表面106a的接触角减少时，液体210会因表面张力的驱使而分离成二颗子液滴510a和510b并分别往第六电极102f和第八电极102h方向移动。
根据本说明书的实施例，本发明是在揭示一种微流体感测元件及其制作方法。其藉由半导体工艺，将包括至少一个第一电极、一个第二电极、一个第三电极和一个疏水层的微流体单元以及包括至少一个光电二极管层和一个透明电极层的光电传感器整合在一个基材上，以制作出一个同时具有半导体尺度的微流体单元和光电感测单元的微流体感测元件。
其中，第一电极、第二电极和第三电极位于同一个图案化金属层上。疏水层覆盖于第一电极和第二电极上。透明电极层和光电二极管层覆盖于第三电极上。并藉由与第一电极、第二电极和第三电极耦接的控制电路，来对第一电极、第二电极和第三电极施加不同电压，利用介电湿润的原理来驱动用作为检验样品的液滴，使其在疏水层和透明电极层上进行运动；再藉由光电感测单元量测检验样品的光电特性。
通过半导体工艺整合方法，可将微流体元件制作成为一种具有半导体尺度的生物微机电系统，并且和光电感测单元同时形成，不但简化了微流体感测元件的工艺步骤，且可以大幅降低组件尺寸。另外，藉由具有半导体尺度的微流体单元来对液滴状的检验样品进行运输、试剂混合、分离和分散操作可以大幅减少试剂的用量与人工操作成本，同时提高检验的效能。
虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然其并非用以限定本发明，任何该技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作些许的更动与润饰，因此本发明的保护范围当视后附的权利要求所界定者为准。
Claims (9)
1.一种微流体感测组件，用以承载并感测一液体的一光电特性，其特征在于，包括：
一第一基材；
一图案化导电层，位于该第一基材上，具有相互隔离，且依序相邻的一第一电极、一第二电极和一第三电极；
一介电层，覆盖在图案化导电层以及被暴露于出来的基材表面，并藉由蚀刻步骤形成一贯穿开口，将一部分第三电极暴露于出来；
一第一疏水层，形成于介电层上，覆盖该第一电极和该第二电极，用以承载该液体；
一光电二极管层，形成于介电层上，并且填充贯穿开口，该光电二极管层与第三电极暴露于外的部分接触，位于该第三电极上，并与该第三电极接触，光电二极管层并不与第一电极和第二电极重叠；
一透明电极层，位于该光电二极管层上，并与该光电二极管层接触，且不与第一电极和第二电极重叠；以及
一控制电路，与该第一电极、该第二电极和该第三电极耦接，并在该第一电极、该第二电极和该第三电极至少二者之间提供至少一电压差，以驱动该液体在该第一疏水层和该透明电极层上运动；
其中，该透明电极层具有一顶面，以该第一基材为基准，该顶面实质高于该第一疏水层用来承载该液体的一表面；
该液体系一液滴，且具有由该表面起算的一液滴高度，该顶面与该表面之间的一高度差实质小于或等于该液滴高度的二分之一；
该液滴高度h由下述公式计算：
其中，V为注入的液滴体积，S为液滴与疏水层的表面的接触面积。
2.如权利要求1所述的微流体感测组件，其特征在于，该第一基材系一玻璃基板、一晶圆或一塑化薄膜。
3.如权利要求1所述的微流体感测组件，其特征在于，构成该图案化导电层的材料，系选自于一金属、一透明导电氧化物或前述的组合所组成的一族群；构成该透明电极层的材料包括铟锡氧化物。
4.如权利要求1所述的微流体感测组件，其特征在于，更包括一第二基材，位于该第一基材的一侧，且与该第一疏水层定义出一腔室(cavity)，以容许该液体在其中运动。
5.如权利要求4所述的微流体感测组件，其特征在于，更包括：
一第二疏水层，位于该第二基材上，且与该第一疏水层定义出该腔室；以及
一共同电极层；位于该第二基材和该第二疏水层之间。
6.如权利要求5所述的微流体感测组件，其特征在于，该透明电极层具有一顶面，其与该第一疏水层用来承载该液体的一表面实质共平面。
7.如权利要求1所述的微流体感测组件，其特征在于，更包括一光源，提供至少一光线穿过该透明电极层入射至该光电二极管层。
8.如权利要求1所述的微流体感测组件，其特征在于，该图案化导电层更包括一第四电极，围绕该第三电极，且与该控制电路耦接。
9.一种微流体感测组件的制作方法，其特征在于，包括：
提供一第一基材；
于该第一基材上形成一图案化导电层，使该图案化导电层具有相互隔离，且依序相邻的一第一电极、一第二电极以及一第三电极；
一介电层，覆盖在图案化导电层以及被暴露于出来的基材表面，并藉由蚀刻步骤形成一贯穿开口，将一部分第三电极暴露于出来；
于该第三电极上形成一光电二极管层，该光电二极管层形成于介电层上，并且填充贯穿开口，该光电二极管层与第三电极暴露于外的部分接触光电二极管层并不与第一电极和第二电极重叠；
于该光电二极管层上形成一透明电极层，使其与该光电二极管层接触，且不与第一电极和第二电极重叠；
形成一第一疏水层，形成于介电层上，覆盖该第一电极和该第二电极；以及
提供一控制电路，耦接该第一电极、该第二电极和该第三电极；
其中，该透明电极层具有一顶面，以该第一基材为基准，该顶面实质高于该第一疏水层用来承载液体的一表面；
该液体系一液滴，且具有由该表面起算的一液滴高度，该顶面与该表面之间的一高度差实质小于或等于该液滴高度的二分之一；
该液滴高度h由下述公式计算：
其中，V为注入的液滴体积，S为液滴与疏水层的表面的接触面积。
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