CN108275647B - 微流体传感元件及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种微流体传感元件，包括位于基材上的第一图案化导电层，具有第一电极、第二电极及第三电极。疏水层位于第一图案化导电层上，用以承载流体。半导体沟道层具有沟道区与第三电极重叠，与第三电极隔离。第二图案化导电层具有源极和漏极，位于沟道区两侧，与半导体沟道层接触，与第三电极隔离。传感层与第三电极和半导体沟道层之一者接触，具有传感区与第三电极重叠，经由疏水层的开口暴露于外。控制电路与第一电极、第二电极和第三电极耦接，在第一电极、第二电极和第三电极至少二者间提供电压差，以驱动流体在疏水层和传感层上运动。
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，特别是一种微流体传感元件。
背景技术
生物信息技术利用应用数学、信息学、统计学和计算机科学等方法来收集、筛选、处理及利用各种生物学的资料。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级别(Scaled)的生物传感装置(Bio-sensor)的生物晶片，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晶片上，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传感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，也不符合元件微小化的趋势。
因此，有需要提供一种先进的微流体传感元件及其制作方法，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公开一种微流体传感元件(Microfluid sensing device)，用以承载并传感流体的电化学特性(Electrochemical properties)，包括：第一基材、第一图案化导电层、第一疏水层(Hydrophobic layer)、半导体沟道层、第二图案化导电层、传感层以及控制电路。第一图案化导电层位于第一基材上，具有相互隔离且依序邻接的第一电极、第二电极以及第三电极。第一疏水层位于第一图案化导电层上方，用以承载流体。半导体沟道层具有一沟道区与第三电极重叠，并与第三电极隔离。第二图案化导电层具有源极和漏极，分别位于沟道区的两侧，并与沟道区接触，且与第三电极隔离。传感层与第三电极和半导体沟道层之一者接触，且具有传感区与第三电极重叠，并经由第一疏水层的开口暴露于外。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，以驱动流体在第一疏水层和传感层上运动。
本说明书的另一实施例是公开一种微流体传感元件的制作方法，包括下述步骤：首先，提供第一基材，并于第一基材上形成第一图案化导电层，使第一图案化导电层具有相互隔离且依序邻接的第一电极、第二电极以及第三电极。然后，于第一图案化导电层上形成第一疏水层，并形成半导体沟道层，使其具有一沟道区与第三电极重叠，且与第三电极隔离。形成第二图案化导电层，使其具有源极和漏极，分别位于沟道区的两侧，并与沟道区接触，且与第二图案化导电层隔离。形成传感层，与第三电极和该半导体沟道层之一者直接接触，且具有传感区与第三电极重叠，并经由第一疏水层的一个开口暴露于外。提供控制电路，与第一电极、第二电极和第三电极耦接。
根据本说明书的实施例，本发明是在公开一种微流体传感元件及其制作方法。其系藉由半导体工艺，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半导体沟道层、一个源极/漏极层、一个传感层的电化学传感单元整合在单一基材上，以制作出一个同时具有半导体级别之微流体单元和电化学传感单元的微流体传感元件。
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、第二电极和第三电极上，用以承载液体。半导体沟道层具有沟道区和第三电极至少部分重叠，且与第三电极隔离。源极/漏极层位于沟道区的两侧，并与沟道区接触。藉由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(ElectrowettingOn Dielectric，EWOD)的原理来驱动用来作为检验样品的液滴，使其在疏水层上进行运动；再藉由电化学传感单元测量检验样品的电化学特性。
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级别的生物微机电系统，并且和电化学传感单元同时形成，不但简化了微流体传感元件的工艺步骤，且可以大幅降低元件尺寸。另外，藉由具有半导体级别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。
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
附图说明
图1A至图1H系根据本说明书的一实施例，示出制作微流体传感元件的部分工艺结构剖面示意图；
图2系根据本说明书的另一实施例所示出的微流体传感元件的部分结构剖面示意图；
图3A和图3B系分别示出采用微流体传感元件对液体进行分离和混合处理时的操作示意图；以及
图4系根据本说明书的又一实施例所示出的微流体传感元件的部分结构剖面示意图。
其中，附图标记：
100：微流体传感元件 101：基材
10la：基材表面 102：第一图案化导电层
102a：第一电极 102b：第二电极
102c：第三电极 102c1：主体部
102c2：延伸部 102c3：连接部
102d：第四电极 102e：第五电极
102f：第六电极 102g：第七电极
103：介电层 104：半导体沟道层
104a：沟道区 105：第二图案化导电层
105a：源极 105b：漏极
105c：开口 106：传感层
106a：传感区 107：疏水层
107a：疏水层的开口 108：控制电路
109：接触电极 110：导线
111：数字微流体平台 112：液体
113：参考电极 114：电化学传感单元
200：微流体传感元件 201：上方基材
201a：上方基材的表面 202：腔室
203：疏水层 204：共同电极层
312、312’：液体
312a、312b、312a’、312b’：子液滴
400：微流体传感元件 401：传感层
402：薄膜场效应晶体管 414：电化学传感单元
具体实施方式
下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：
本说明书是提供一种微流体传感元件的制作方法，可简化微流体传感元件的工艺步骤，并大幅降低微流体传感元件的尺寸。为了对本说明书之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、元件、方法及参数来加以实施。较佳实施例的提出，仅系用以例示本发明的技术特征，并非用以限定本发明的申请专利范围。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，相同的元件，将以相同的元件符号加以表示。
请参照图1A至图1G，图1A至图1G系根据本说明书的一实施例，示出制作微流体传感元件100的部分工艺结构剖面示意图。制作微流体传感元件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(例如聚酰亚氨(Polyimide)薄膜)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上形成一个第一图案化导电层102，使第一图案化导电层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，构成第一图案化导电层102的材料，可以是金属或透明导电氧化物(Transparent Conductive Oxide，TCO)。第一图案化导电层102的形成方式，可以包括下述步骤：首先，采用化学气相沉积(Chemical VaporDeposition，CVD)和金属有机化学气相沉积(Metal Organic Chemical VaporDeposition，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。
第一图案化导电层102具有相互隔离，且依序邻接的第一电极102a、第二电极102b以及第三电极102c。但第一图案化导电层102的电极数目其排列方式并不以此为限。在本实施例中，第一图案化导电层102的第三电极102c可以选择性的(Optional)包括一个主体部102c1、一个延伸部102c2和一个连接主体部102c1和延伸部102c2的连接部102c3(如图1B所示出)。
接着，以沉积工艺(例如，低压化学气相沉积)来形成一个介电层103，覆盖在第一图案化导电层102的第一电极102a、第二电极102b和第三电极102c以及被暴露于外的基材101表面上方(如图1C所示出)。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 oxide)、氮化硅(Silicon nitride)、氮氧化硅(Silicon-oxy-nitride)或其他适合的介电材质。介电层103可以包含多层结构。在本实施例中，介电层103可以是一单层的氮化硅层。
再于介电层103上形成半导体沟道层104，并对半导体沟道层104进行图案化，以形成一个沟道区104a，使沟道区104a与至少一部份的第三电极102c重叠。例如，在本说明书的一些实施例中，可以采用化学气相沉积和有机化学气相沉积或物理气相沉积工艺来形成半导体沟道层104。构成半导体沟道层104的材料，可以包括氧化铟(In2O3)、氧化锡(SnO2)、氧化锌(ZnO)、铟镓锌氧化物(Indium Gallium Zinc Oxide，IGZO)中的至少一种氧化物半导体(Oxide Semiconductor，OS)材料。
在本实施例中，对半导体沟道层104进行图案化的步骤，可以包括采用图案化光致抗蚀剂层(未示出)覆盖位于第三电极102c之延伸部102c2上方的一部份半导体沟道层104，并藉由蚀刻步骤，例如反应离子蚀刻(Reactive-Ion Etching，RIE)，来移除未被图案化光致抗蚀剂层(未示出)覆盖的一部分半导体沟道层104，并且使余留下来的半导体沟道层104形成与第三电极102c的延伸部102c2重叠的沟道区104a，并藉由介电层103使沟道区104a与第三电极102c的延伸部102c2电性隔离(如图1D所示出)。
剥除图案化光致抗蚀剂层(未示出)后，于介电层103和半导体沟道层104上形成第二图案化导电层105，并与沟道区104a接触，且藉由介电层103使第二图案化导电层105与第三电极102c隔离。在本说明书的一些实施例中，构成第二图案化导电层105的材料，可以是金属或透明导电氧化物，例如氧化铟锡(Indium Tin Oxide，ITO)。在本实施例中，第二图案化导电层105具有彼此分离的源极105a和漏极105b，分别位于构成沟道区104a之图案化半导体沟道层104的两侧侧壁上。且经由第二图案化导电层105中用来隔离源极105a和漏极105b的开口105c，可将图案化半导体沟道层104的沟道区104a暴露于外(如图1E所示出)。
在形成第二图案化导电层105之后，形成一个传感层106，与半导体沟道层104的沟道区104a直接接触。其中，传感层106具有一个传感区106a与第三电极102c重叠。在本说明书的一些实施例中，构成传感层106的材料，可以选自于例如氮化硅(Si3N4)、二氧化硅(SiO2)、氧化铝(Al2O3)、氧化锡(SnO2)、非晶硅(Amorphous silicon，a-Si：H)、氧化钽(Ta2O5)、氮化铝(AlN)及非晶氧化钨(Amorphous tungsten oxide，a-WO3)其中至少一者。
在本实施例中，形成传感层106的方式，可以包括采用沉积工艺(例如化学气相沉积或物理气相沉积)将前述的传感材料沉积于介电层103和第二图案化导电层105上。再藉由蚀刻图案化工艺移除位于第一电极102a和102b上方的一部分传感材料。使一部份的传感层106覆盖在位于第三电极102c之主体部102c1和连接部102c3上方的介电层103上；一部分覆盖于源极105a和漏极105b上方；以及另一部分填充于第二图案化导电层105的开口105c之中，而与沟道区104a直接接触(如图1F所示出)。
接着，在介电层103上形成一个疏水层107，并以蚀刻工艺移除覆盖于第三电极102c主体部102c1上方的一部分疏水层107，以形成一个开口107a，将一部分的传感层106暴露于外(如图1G所示出)。在本说明书的一些实施例中，构成疏水层107的材料，具有比构成传感层106的材料还要大的疏水性(Hydrophobicity)。例如，在本实施例中，构成疏水层107的材料可以是聚四氟乙烯(C2F4)n、全氟环状聚合物(Cyclized Perfluoro Polymer，CYTOP)、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108，分别耦接至第一电极102a、第二电极102b、第三电极102c完成微流体传感元件100的制备。请参照图1H，图1H系示出微流体传感元件100的结构上视图。其中，图1G系沿着图1H的切线S所绘制而成。在本实施例中，微流体传感元件100还包括与第一电极102a、第二电极102b、第三电极102c邻接，且彼此分离的第四电极102d、第五电极102e、第六电极102f和第七电极102g。每一个电极(第一电极102a至第七电极102g)分别对应一条导线110和一个接触电极(Contact pad)109，并经由对应的导线110和接触电极109将其连接至控制电路108。
其中，控制电路108和第一电极102a至第七电极102g可以组成一个数字微流体平台(Digital microfluid platform)111，来驱动作为检验样品的液体112，在疏水层107上运动。传感层106、第二图案化导电层105的源极105a和漏极105b以及半导体沟道层104，则可以组成一个用来测量液体112之电化学特性的电化学传感单元114。
例如，在本说明书的一些实施例中，电化学传感单元114可以是一种离子传感场效应晶体管(Ion-Sensing Field Effect Transistor，ISFET)。利用传感层106与液体112中的带电离子接触来产生感应沟道，以改变半导体沟道层的104之沟道区104a的载子流电荷密度；并藉由测量流过离子传感场效应晶体管之源极105a和漏极105b的电流、阻抗值或电位差，来决定出液体112中的酸碱度(pH值)或离子浓度。在实际操作上，一般还会配合一个外加的参考电极113来与液体112接触，以提供液体112一个明确的参考电位。
在本说明书的一些实施例中，数字微流体平台111，系利用介电湿润原理来驱动液体112，在疏水层107上进行滚动、结合分离等动作。例如在本实施例中，液体112可以是一种包含带电粒子或离子的液滴。液体112的液滴粒径尺寸实质上需大于电极(第一电极102a至第七电极102g)并接触临近电极之面积的液滴。控制电路108可以分别对第一电极102a至第七电极102g施加不同的电压，以在任两个相邻电极(例如第二电极102b和第三电极102c)之间形成电压差。利用电压差改变液体112在不同方向的表面与疏水层107之间的接触角，以表面张力变化来驱动液体112的移动，使液体112由一个电极(例如第二电极102b)滚向另一个电极(例如第三电极102c)，最终移动至电化学传感单元114之传感层106的传感区106a上，以测量液体112的电化学特性。
请参照图2，图2系根据本说明书的另一实施例所示出的微流体传感元件200的部分结构剖面示意图。微流体传感元件200的结构大致与微流体传感元件100(图1H所示出者)类似，差别在于微流体传感元件200还包括一个上方基材201，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)202，以容许液体112在腔室202中运动。
在本说明书的一些实施例中，微流体传感元件200还包括另一个疏水层203，形成于上方基材201的表面201a上。在本实施例中，由于基材101的表面101a上覆盖有疏水层107，而疏水层203又面对基材101的表面101a。换言之，二个疏水层107和203系彼此相互面对，而腔室202则位于此二疏水层107和203之间。另外，上方基材201和疏水层203之间较佳还包括一个共同电极层204。此共同电极层204与控制电路108电性连接，可以配合第一电极102a至第七电极102g对液体112施加电压，以驱动液体112在疏水层107上运动。
然而，数字微流体平台111的配置与处理液体112的功能并不以此为限。例如请参照图3A和图3B，图3A和图3B系分别示出采用微流体传感元件200对液体312进行分离和混合处理时的操作示意图。在图3A所示出的实施例中，液滴状液体312位于第六电极102f上方。当控制电路108分别对第五电极102e、第六电极102f和第七电极102g施加不同电压，促使液体312靠近第五电极102e和第七电极102g的两侧弧面与疏水层107之表面107a的接触角减少，液体312会因表面张力的驱使而分离成二颗子液滴312a和312b并分别往第五电极102e和第七电极102g方向移动。
在图3B所示出的实施例中，二颗子液滴312a’和312b’分别位于第五电极102e和第七电极102g上方。当控制电路108分别对第五电极102e、第六电极102f和第七电极102g施加不同电压，促使子液滴312a’和312b’靠近第六电极102f的两侧弧面与疏水层107表面107a的接触角减少时，二颗子液滴312a’和312b’会往第六电极102f移动，进而结合成为单一颗的液滴状液体312’。
图4系根据本说明书的又一实施例所示出的微流体传感元件400的部分结构剖面示意图。微流体传感元件400的结构大致与微流体传感元件100(图1H所示出者)类似，差别在于构成微流体传感元件400的电化学传感单元414的传感层401，系与第三电极102c的主体部102c1直接接触，而不与半导体沟道层104的沟道区104a直接接触。
在本实施例中，第三电极102c的延伸部102c2、第二图案化导电层105的源极105a和漏极105b以及半导体沟道层104可以组成一个薄膜场效应晶体管402；而第三电极102c中的主体部102c1除了作为数字微流体平台111的驱动电极之外，亦可作为薄膜场效应晶体管402的栅极延伸部。其中，一部份的传感层401覆盖在第三电极102c的主体部102c1(薄膜场效应晶体管402的栅极延伸部)上，并经由疏水层107的开口107a暴露于外。利用传感层401与液体112中的带电离子接触，来改变薄膜场效应晶体管402的栅极电位；并藉由测量流过薄膜场效应晶体管402之源极105a和漏极105b的电流、阻抗值或电位差，来决定出液体112中的酸碱度或离子浓度。
根据本说明书的实施例，本发明是在公开一种微流体传感元件及其制作方法。其系藉由半导体工艺，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半导体沟道层、一个源极/漏极层、一个传感层的电化学传感单元整合在单一基材上，以制作出一个同时具有半导体级别之微流体单元和电化学传感单元的微流体传感元件。
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、第二电极和第三电极上，用以承载液体。半导体沟道层具有沟道区和第三电极至少部分重叠，且与第三电极隔离。源极/漏极层位于沟道区的两侧，并与沟道区接触。藉由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来作为检验样品的液滴，使其在疏水层上进行运动；再藉由电化学传感单元测量检验样品的电化学特性。
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级别的生物微机电系统，并且和电化学传感单元同时形成，不但简化了微流体传感元件的工艺步骤，且可以大幅降低元件尺寸。另外，藉由具有半导体级别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。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种微流体传感元件，用以承载并传感一流体的一电化学特性，其特征在于，包括：
一第一基材；
一第一图案化导电层，位于该第一基材上，具有相互隔离，且依序邻接的一第一电极、一第二电极以及一第三电极；
一第一疏水层，位于该第一图案化导电层上方，用以承载该流体；
一半导体沟道层，具有一沟道区与该第三电极重叠，并与该第三电极隔离；
一第二图案化导电层，具有一源极和一漏极，分别位于该沟道区的两侧，并与该沟道区接触，且与该第三电极隔离；
一传感层，与该第三电极和该半导体沟道层之一者接触，且具有一传感区与该第三电极重叠，并经由该第一疏水层的一开口暴露于外；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，以驱动该流体在该第一疏水层和该传感层上运动。
2.如权利要求1所述的微流体传感元件，其特征在于，其中该第一基材系一玻璃基板、一晶片或一塑化薄膜。
3.如权利要求1所述的微流体传感元件，其特征在于，其中构成该第一图案化导电层和该第二图案化导电层的材料，系选自于一金属、一透明导电氧化物和前述之组合所组成的一族群。
4.如权利要求1所述的微流体传感元件，其特征在于，其中该电化学特性包括一离子浓度或一酸碱度。
5.如权利要求1所述的微流体传感元件，其特征在于，其中该第一疏水层的材料系聚四氟乙烯或全氟环状聚合物。
6.如权利要求1所述的微流体传感元件，其特征在于，更包括：
一第二基材，位于该第一基材之一侧；
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一腔室，以容许该流体在其中运动；以及
一共同电极层；位于该第二基材和该第二疏水层之间。
7.如权利要求1所述的微流体传感元件，其特征在于，更包括一参考电极与位于该传感区中的该流体接触，并对位于该传感区中的该流体施加一参考电压。
8.如权利要求1所述的微流体传感元件，其特征在于，其中该传感层具有比该第一疏水层小的一疏水性。
9.如权利要求8所述的微流体传感元件，其特征在于，其中构成该传感层的材料，系选自于二氧化硅、氮化硅、氧化铝、氧化锡及上述任意组合所组成的一族群。
10.一种微流体传感元件的制作方法，其特征在于，包括：
提供一第一基材；
于该第一基材上形成一第一图案化导电层，使该第一图案化导电层具有相互隔离且依序邻接的一第一电极、一第二电极以及一第三电极；
于该第一图案化导电层上形成一第一疏水层；
形成一半导体沟道层，具有一沟道区与该第三电极重叠，并与该第三电极隔离；
形成一第二图案化导电层，具有一源极和一漏极，分别位于该沟道区的两侧，并与该沟道区接触，且与该第三电极隔离；
形成一传感层，与该第三电极和该半导体沟道层之一者直接接触，且具有一传感区与该第三电极重叠，并经由该第一疏水层的一开口暴露于外；以及
提供一控制电路，与该第一电极、该第二电极和该第三电极耦接。
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