CN109477799A - 具有集成的保护电路的传感器 - Google Patents

Abstract

一种示例传感器，包括流动池、检测器件和控制器。流动池包括钝化层，该钝化层具有相对的表面和在相对的表面中的第一表面处的反应部位。流动池还包括盖子，该盖子可操作地连接到钝化层，以部分地限定该盖子和反应部位之间的流动通道。检测器件与钝化层的相对的表面中的第二表面接触，并且包括与检测器件的其他检测电路电隔离的嵌入金属层。控制器将嵌入金属层接地。

Description

具有集成的保护电路的传感器

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年4月25日提交的序列号为No.62/489,840的美国临时申请以及于2017年6月9日提交的序列号为N2019043的荷兰申请的优先权，这些申请的内容通过引用被全部并入本文。

背景

生物或化学研究中的各种方案(protocol)涉及在局部支撑表面上或在预定的反应室内进行大量的受控反应。然后可以观察或检测指定的反应，随后的分析可以帮助识别或揭示反应中涉及的化学物质的性质。例如，在一些多重分析中，具有可识别标记(例如荧光标记)的未知分析物可以在受控条件下暴露于数千个已知的探针。每个已知的探针可以沉积到微孔板的相应的阱中。观察阱内已知探针和未知分析物之间发生的任何化学反应可以帮助识别或揭示分析物的性质。这种方案的其他示例包括已知的DNA测序过程，例如合成测序(SBS)或循环阵列测序。

在一些荧光检测方案中，光学系统用于将激发光引导到荧光标记的分析物上，并检测可能从分析物发出的荧光信号。然而，这种光学系统可能相对昂贵，并且涉及更大的台式占地面积。例如，光学系统可以包括透镜、滤波器和光源的布置。在其他提出的检测系统中，受控反应直接发生在固态成像器(例如，电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器)上，该固态成像器不涉及检测荧光发射的大型光学组件。

概述

在第一方面，传感器包括流动池，其包括具有相对的表面和在相对的表面中的第一表面处的反应部位的钝化层，以及盖子，该盖子可操作地连接到钝化层，以部分地限定盖子和反应部位之间的流动通道；与钝化层的相对的表面中的第二表面相接触的检测器件，检测器件包括与检测器件的其他检测电路电隔离的嵌入金属层；以及将嵌入金属层接地的控制器。

在该第一方面的一个示例中，检测器件还包括光学传感器和在嵌入金属层和其他检测电路之间的电绝缘间隙，其中，光学传感器电连接到检测器件的其他检测电路，以响应于由光学传感器检测到的光子而传输数据信号。在该示例中，传感器还可以包括将光学传感器电连接到其他检测电路的第二控制器。

该第一方面的另一个示例还包括被引入流动通道的试剂，该试剂具有范围为约6.5至约10的pH，以及具有范围为约45mS/cm至约85mS/cm的电导率。

应该理解，传感器的第一方面的任何特征可以以任何期望的方式和/或配置结合在一起。

在第二方面，传感器包括检测器件；与第一嵌入金属层和光波导的输入区域相接触的钝化层的至少一部分，该钝化层的至少一部分具有至少部分地邻近光波导的输入区域的反应部位；盖子，其可操作地连接到钝化层，以部分地限定盖子和反应部位之间的流动通道；第一控制器，其电连接到第一嵌入金属层以选择性地将第一嵌入金属层接地；以及第二控制器，其将第二嵌入金属层电连接到光学传感器，以响应于由光学传感器检测到的光子而传输数据信号。其中，检测器件包括光波导，可操作地与光波导相关联的光学传感器，和器件电路，该器件电路包括第一嵌入金属层，和电连接到光学传感器的第二嵌入金属层，其中第一嵌入金属层通过电绝缘间隙与第二嵌入金属层间隔开。

应当理解，传感器的第二方面的任何特征可以以任何期望的方式和/或配置结合在一起。此外，应当理解，传感器的第一方面和/或传感器的第二方面的特征的任何结合可以一同使用，和/或来自这些方面中的任一个或两个方面的任何特征可以与本文公开的任何示例结合。

在第三方面，一种方法包括：将试剂引入传感器的流动通道，响应于反应部位处涉及试剂的至少某反应组分的反应，执行传感器的感测操作；以及在感测操作期间，将嵌入金属层接地，从而为嵌入金属层提供被动保护。其中，该传感器包括：流动池，与钝化层的相对的表面中的第二表面相接触的检测器件，其中，流动池包括具有相对的表面和在相对的表面中的第一表面处的反应部位的钝化层，以及盖子，该盖子可操作地连接到钝化层，以部分地限定盖子和反应部位之间的流动通道；检测器件包括与检测器件的其他检测电路电隔离的嵌入金属层。

在该第三方面的一个示例中，检测器件还包括电连接到其他器件电路的光学传感器；嵌入金属层与电连接到光学传感器的其他器件电路通过电绝缘间隙隔开；以及嵌入金属层的接地与感测操作正交。

应当理解，第三方面的任何特征可以以任何期望的方式和/或配置结合在一起。此外，应当理解，该方法的第三方面和/或传感器的第一方面和/或传感器的第二方面的特征的任何结合可以一同使用，和/或来自这些方面中的任一个或全部方面的任何特征可以与本文公开的任何示例结合。

在第四方面，传感器包括流动池，该流动池包括具有相对的表面和在相对的表面中的第一表面处的反应部位的钝化层，以及盖子，盖子可操作地连接到钝化层以部分地限定盖子和反应部位之间的流动通道。传感器还包括与钝化层的相对的表面中的第二表面相接触的检测器件，以及检测器件包括嵌入金属层。试剂电极被定位为与待引入流动通道的试剂相接触。控制器电连接试剂电极和嵌入金属层，以选择性地施加电偏压，使试剂电极成为阳极，嵌入金属层成为阴极。

在该第四方面的一个示例中，试剂电极连接到盖子的内表面的至少一部分。

在该第四方面的另一示例中，试剂电极连接到盖子的内表面的一部分，并形成流动通道的侧壁。在一个示例中，侧壁电连接并直接机械地连接到金属导体或连接器，并且其中金属导体或连接器电连接到控制器。在另一个示例中，侧壁通过连接到盖子内表面部分的试剂电极的一部分和通过导电部件电连接到控制器。

在该第四方面的又一示例中，盖子包括限定流动通道的侧壁的特征，以及试剂电极包括设置在该特征上的层。

在该第四方面的又一示例中，试剂电极包括连接到盖子的内表面的一部分的层，以及该层设置在盖子中限定的流体端口的至少一部分上。

在该第四方面的另一示例中，试剂电极包括连接到盖子的外表面的一部分上的层，以及该层设置在盖子中限定的流体端口的至少一部分上。

在该第四方面的又一示例中，钝化层的一部分具有限定在钝化层上或嵌入到钝化层中的试剂电极。

在该第四方面的又一示例中，钝化层的一部分具有限定在其中的孔，试剂电极通过该孔暴露。

在该第四方面的示例中，检测器件还包括光学传感器、电连接到光学传感器以响应于由光学传感器检测到的光子而传输数据信号的器件电路、以及器件电路和嵌入金属层之间的电绝缘间隙。

在该第四方面的另一示例中，检测器件还包括光学传感器和电连接到光学传感器和嵌入金属层的器件电路。

在该第四方面的又一示例中，检测器件还包括将反应部位光学连接到光学传感器的光波导，以及与钝化层的第二相对的表面的至少一部分相接触并具有至少部分地邻近光波导的输入区域的孔的屏蔽层。

在该第四方面的一个示例中，传感器还包括被引入流动通道的试剂，该试剂具有范围为约6.5至约10的pH，以及具有范围为约45mS/cm至约85mS/cm的电导率。

应当理解，传感器的第四方面的任何特征可以以任何期望的方式和/或配置结合在一起。此外，应当理解，传感器的第四方面和/或传感器的第一方面和/或传感器的第二方面和/或方法的第三方面的特征的任何结合可以一同使用，和/或来自这些方面的任一个或全部方面的任何特征可以与本文公开的任何示例结合。

在第五方面，传感器包括检测器件，该检测器件包括光波导、与光波导可操作地相关联的光学传感器，以及器件电路。器件电路包括试剂电极、电连接到试剂电极的第一嵌入金属层和电连接到光学传感器的第二嵌入金属层。第一嵌入金属层通过电绝缘间隙与第二嵌入金属层间隔开。钝化层的至少一部分与第一嵌入金属层和光波导的输入区域相接触，该钝化层的至少一部分具有至少部分地邻近光波导的输入区域的反应部位。盖子可操作地连接到钝化层，以部分地限定盖子和反应部位之间的流动通道，其中试剂电极被定位为与待引入流动通道的试剂相接触。

在该第五方面的一个示例中，传感器还包括第一控制器以及第二控制器，其中，该第一控制器电连接试剂电极和第一嵌入金属层，以选择性地施加电偏压，电偏压使试剂电极成为阳极，以及使嵌入金属层成为阴极；该第二控制器将第二嵌入金属层电连接到光学传感器，以响应于由光学传感器检测到的光子而传输数据信号。在一个示例中，试剂电极连接到盖子的内表面的一部分，并形成流动通道的侧壁。在一个示例中，侧壁是以下之一：电连接到并直接机械地连接到金属导体或连接器，以及其中金属导体或连接器电连接到第一控制器，或者通过连接到盖子内表面的部分的试剂电极的一部分和通过导电部件，电连接到第一控制器。

在该第五方面的另一示例中，试剂电极连接到盖子的内表面的至少一部分。

在该第五方面的又另一示例中，盖子包括限定流动通道的侧壁的特征，以及试剂电极包括设置在该特征上的层。

在该第五方面的又一示例中，试剂电极包括连接到盖子的内表面的一部分上的层，以及该层设置在盖子中限定的流体端口的至少一部分上。

在该第五方面的又一示例中，试剂电极包括连接到盖子的外表面的一部分上的层，以及该层设置在盖子中限定的流体端口的至少一部分上。

在该第五方面的又另一示例中，钝化层的另一部分具有限定在钝化层上或嵌入到钝化层中的试剂电极。

在该第五方面的又一示例中，钝化层的另一部分具有限定在其中的孔，并且试剂电极通过该孔暴露。

应当理解，传感器的第五方面的任何特征可以以任何期望的方式结合在一起。此外，应当理解，传感器的第五方面和/或传感器的第一方面和/或传感器的第二方面和/或方法的第三方面和/或传感器的第四方面的特征的任何结合可以一同使用，和/或来自这些方面的任一个或全部方面的任何特征可以与本文公开的任何示例结合。

在第六方面，该方法包括将试剂引入传感器的流动通道，该传感器包括：流动池、与钝化层的相对的表面中的第二表面相接触的检测器件、以及试剂电极，其中，流动池包括具有相对的表面和在相对的表面中的第一表面处的反应部位的钝化层，以及盖子，该盖子可操作地连接到钝化层，以部分地限定盖子和反应部位之间的流动通道；检测器件包括嵌入金属层；试剂电极电连接到嵌入金属层，并定位为与引入到流动通道中的试剂相接触。该方法还包括：响应于反应部位处涉及试剂的至少某反应组分的反应，执行传感器的感测操作；以及在感测操作期间，施加电偏压，电偏压使试剂电极为阳极或阴极中的一个，以及使嵌入金属层为阴极或阳极中的另一个，从而为嵌入金属层提供阴极保护或阳极保护。

在该第六方面的示例中，检测器件还包括光学传感器和电连接到光学传感器的器件电路；嵌入金属层电连接到器件电路；嵌入金属层用于执行感测操作；并且电偏压被施加至嵌入金属层。

在该第六方面的另一示例中，检测器件还包括光学传感器和电连接到光学传感器的器件电路；嵌入金属层与电连接到光学传感器的器件电路通过电绝缘间隙间隔开；以及电偏压的施加与感测操作正交。

在该第六方面的又另一示例中，该方法还包括基于引入传感器的流动通道的试剂的pH来调节电偏压。

应当理解，该方法的第六方面的任何特征可以以任何期望的方式结合在一起。此外，应当理解，该方法的第六方面和/或传感器的第一方面和/或传感器的第二方面和/或该方法的第三方面和/或传感器的第四方面和/或传感器的第五方面的特征的任何结合可以一同使用，和/或来自这些方面中的任一个或全部方面的任何特征可以与本文公开的任何示例结合。

此外，应当理解，任何传感器和/或任何方法的任何特征可以以任何期望的方式结合在一起，和/或可以与本文公开的任何示例结合。

附图简述

通过参考以下详细描述和附图，本公开的示例的特征将变得明显，其中相似的附图标记对应于尽管可能不相同的相似的部件。为了简洁起见，具有先前描述的功能的参考数字或特征可以结合它们出现的其他附图来描述，也可以不结合它们出现的其他附图来描述。

图1是用于生物或化学分析的系统的示例的框图；

图2是可以在图1的系统中使用的系统控制器的示例的框图；

图3是根据本文公开的方法的示例的用于生物或化学分析的工作站的示例的框图；

图4是工作站和盒的示例的剖面透视图；

图5示出了盒的示例的内部部件；

图6是本文公开的传感器的示例的截面图；

图7是更详细地示出了传感器的图6的横截面的放大部分；

图8是本文公开的传感器的另一示例的截面图；

图9是更详细地示出了传感器的图8的横截面的放大部分；

图10A至10H是传感器的各种示例的截面图，每个示例具有不同的试剂电极配置；

图11是示出了本文公开的方法的示例的流程框图；

图12是本文公开的传感器的又一示例的截面图；

图13是描绘基线示例以及模拟本文公开的传感器示例的石英晶体微量天平装置中的各种示例和比较示例电压方案的1个测试周期之后的厚度损失(以nm为单位)的图示；和

图14是描述比较示例传感器、暴露于被动保护的第一示例传感器和暴露于阴极保护的第二示例传感器的腐蚀损坏率(百分比)的图示。

详细描述

本文公开的传感器的示例集成了互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器件的至少一些部件的双重保护，该互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器件是传感器的一部分。金属CMOS部件可能容易受到腐蚀，例如，如果它们与高酸性或高碱性的环境相接触。在本文公开的示例中，一级腐蚀保护由钝化层提供，该钝化层位于CMOS检测器件和引入到与CMOS检测器件耦合的流动池中的试剂之间。另一级腐蚀保护由保护电路提供。在本文公开的一些示例中，保护电路配置为向CMOS检测器件的至少含金属部件提供阴极或阳极保护，其中所述CMOS检测器件可能暴露于所述试剂。例如，当阴极或阳极保护偏压被施加时，CMOS的腐蚀速率可以从典型的腐蚀速率(例如，暴露于相同的试剂而没有阴极或阳极保护的腐蚀速率)降低约5，000x(倍)至约10，000x。在本文公开的其他示例中，保护电路配置为向至少CMOS检测器件的可能暴露于试剂的含金属部件提供被动保护或半被动保护。在一个示例中，当被动或半被动保护偏压被施加时，CMOS的腐蚀速率可以从典型的腐蚀速率(例如，暴露于相同的试剂而没有被动或半被动保护的腐蚀速率)降低约500x(倍)至约1000x。

本文公开的传感器的示例可用于用于学术或商业分析的各种生物或化学过程和系统。例如，本文公开的示例传感器可用于各种过程和系统中，其中期望检测用于指示指定反应的事件、特性、质量或特性。一些传感器可用于盒和/或生物测定系统中。

生物测定系统可以配置为进行多个指定的反应，这些反应可以被单独或共同检测。传感器和生物测定系统可以配置为执行多个周期，其中多个指定的反应并行发生。例如，生物测定系统可用于通过酶促操作和图像采集的多个迭代周期对DNA特征的密集阵列进行测序。这样，传感器可以包括将试剂或其他反应组分运送到反应部位的一个或更多个流体/流动通道。

应当理解，除非另有说明，否则本文中使用的术语在相关领域中将具有它们的普通含义。这里使用的几个术语及其含义如下。

单数形式“一(a)”、“一(an)”、和“该(the)”包括复数指示物，除非上下文另有明确规定。

术语包括、包含和这些术语的各种形式是彼此同义的，其含义是同样宽泛的。此外，除非明确声明相反，否则包括(comprising)、包括(including)或具有一个或更多个具有特定属性的元素的示例可以包括附加元素，而不论附加元素是否具有该属性。

此外，术语“连接”、“已连接的”、“相接触”和/或类似的术语在本文中被广泛定义为包括各种不同的布置和组装技术。这些布置和技术包括但不限于(1)一个部件和另一个部件的直接耦合，其间没有中间的部件(即，部件直接地物理相接触)；以及(2)利用位于它们之间的一个或更多个部件的一个部件和另一个部件的耦合，前提是一个部件“连接到”或“相接触”另一个部件以某种方式与另外的部件(尽管其间存在一个或更多个附加部件)进行操作连通(例如，电地、流体地、物理地、光地等)。应当理解，彼此直接物理相接触的一些部件可以彼此电相接触和/或流体相接触，也可以不彼此电相接触和/或流体相接触。此外，电连接或流体连接的两个部件可以直接物理相接触，也可以不直接物理相接触，并且一个或更多个其他的部件可以位于它们之间。

如本文所用，“指定的反应”包括感兴趣分析物的化学、电学、物理或光学属性(或质量)中的至少一种的变化。在特定的示例中，指定的反应是阳性结合事件(例如，荧光标记的生物分子与感兴趣的分析物的结合)。更一般地，指定的反应可以是化学转化、化学变化或化学相互作用。示例的反应包括化学反应，例如还原、氧化、添加、消除、重排、酯化、酰胺化、醚化、环化或取代；第一种化学物质与第二种化学物质结合的结合相互作用；两种或多种化学物质相互分离的解离反应；荧光；发光；生物发光；化学发光；和生物反应，例如核酸复制、核酸扩增、核酸杂交、核酸连接、磷酸化、酶催化、受体结合或配体结合。

在特定的示例中，指定的反应包括将荧光标记的分子结合到分析物中。分析物可以是寡核苷酸，以及荧光标记分子可以是核苷酸。当激发光指向具有标记核苷酸的寡核苷酸，以及荧光团发出可检测的荧光信号时，可以检测到指定的反应。在其他的示例中，检测到的荧光是化学发光或生物发光的结果。指定的反应也可以增加荧光(或福斯特)共振能量转移(FRET)，例如，通过将供体荧光团靠近受体荧光团，通过分离供体和受体荧光团来降低FRET，通过将猝灭剂与荧光团分离来增加荧光，或者通过共定位猝灭剂和荧光团来降低荧光。

如本文所用，“反应组分”或“反应物”包括可用于获得指定反应的任何物质。例如，反应组分包括试剂、酶、样本、其他生物分子和缓冲溶液。反应组分可以在溶液中被运送到反应部位，和/或可以固定在反应部位。反应组分可以直接或间接与另一种物质，如感兴趣的分析物，相互作用。

如本文所用，术语“反应部位”是指传感器的局部区域，指定的反应可能发生在在该区域。反应部位可以形成在载体(例如钝化层)的表面上，以及可以具有固定在其上的物质。例如，反应部位可以是在钝化层上限定的区域，以及在该区域上具有核酸集落。在一些情况下，集落中的核酸具有相同的序列，例如单链或双链模板的克隆拷贝。然而，在其他情况下，反应部位可以包含单个核酸分子，例如以单链或双链形式的单个核酸分子。

在一些示例中，多个反应部位随机分布在基本平坦的表面上(例如，在钝化层上)。例如，反应部位可能具有不均匀的分布，其中一些反应部位比其他反应部位更靠近彼此。在其他示例中，反应部位以预定的方式(例如，在诸如微阵列的矩阵中并排)在基本平坦的表面上进行图案化。

每个反应部位可以位于反应室内。如本文所用，术语“反应室”至少部分地限定了与流动通道流体连通的空间区域或体积，该空间区域或体积被配置为分隔在反应部位发生的指定反应。一个反应室可以至少部分地与周围环境和/或与另一个反应室分离。例如，多个反应室可以通过公共的壁彼此分开。作为更具体的示例，反应室可以包括由阱的内表面限定的腔，以及具有开口或孔，使得腔可以与流动通道流体连通。相关联的检测器件的像素可以被分配给选择反应室，使得由像素检测到的活性表明在选择反应室内已经发生了期望的反应。

反应室的尺寸和形状可以相对于固体(包括半固体)而定，使得固体可以全部或部分地塞入其中。例如，单个反应室的尺寸和形状可以设置成仅容纳一个捕获珠。捕获珠上可以有克隆扩增的DNA或其他物质。可选地，反应室的尺寸和形状可以被设计为容纳近似数量的珠或固体基底。作为另一示例，反应室可以填充有多孔凝胶或物质，该多孔凝胶或物质被配置为控制可能流入反应室的流体的扩散或控制对可能流入反应室的流体进行过滤。

在本文公开的一些示例中，每个反应部位可以与一个或更多个光学传感器(例如，诸如光电二极管的光传感器)相关联，其中，该一个或更多个光学传感器检测来自相关联的反应部位的光。当在相关联的反应部位发生指定的反应时，与反应部位相关联的光学传感器配置为检测来自相关联的反应部位的光发射。在一些情况下，多个光学传感器(例如，相机设备的几个像素)可以与单个反应部位相关联。在其他情况下，单个光学传感器(例如，单个像素)可以与单个反应部位或一组反应部位相关联。光学传感器、反应部位和传感器的其他特征可以配置为使得至少一些光被光学传感器直接检测而不被反射。

如本文所用，当术语“相邻”被使用于反应部位和光波导的输入区域时，该术语意味着反应部位至少部分地与光波导对准，使得来自反应部位的发射光被引导到光波导中。一个或更多个光学上地透射层可以位于相邻反应部位和输入区域之间。术语“相邻”也可用于描述传感器的两个部件(例如，两个反应部位、两个光学传感器等)中。当使用于在这一方面时，“相邻”意味着没有其他的特定组分(例如，反应部位、光学传感器等)位于两个部件之间(例如，相邻的光学传感器之间没有其他的光学传感器)。相邻的反应部位可以是邻接的，使得它们彼此紧靠，或者相邻的部位可以是非邻接的，在它们之间具有介于中间的空间。在一些示例中，反应部位可能不与另一反应部位相邻，但仍可能在其他的反应部位的紧邻范围内。例如，当来自第一反应部位的荧光发射信号被与第二反应部位相关联的光学传感器检测到时，第一反应部位可以在第二反应部位的紧邻范围内。

如本文所用，“物质”包括物品或固体，例如捕获珠，以及生物或化学物质。同样如本文所用，“生物或化学物质”包括生物分子、感兴趣的样本、感兴趣的分析物和其他化合物。生物或化学物质可用于检测、识别或分析其他化学化合物，或者可用作研究或分析其他化学化合物的中介物。在特定的示例中，生物或化学物质包括生物分子。如本文所用，“生物分子”包括生物聚合物、核苷、核酸、多核苷酸、寡核苷酸、蛋白质、酶(在一个示例中，其可用于偶联反应以检测另一反应的产物，例如用于焦磷酸测序中检测焦磷酸的酶)、多肽、抗体、抗原、配体、受体、多糖、碳水化合物、多磷酸盐、细胞、组织、生物体或其片段或任何其他生物活性化合物，例如上述物种的类似物或模拟物中的至少一种。

生物分子、样本以及生物或化学物质可以是天然存在的或合成的，以及可以悬浮在溶液或混合物中。生物分子、样本和生物或化学物质也可以结合到固态(例如珠等)或凝胶材料(例如，在反应部位，在反应室中)。生物分子、样本和生物或化学物质也可以包括药物组合物。在某些情况下，生物分子、样本和感兴趣的生物或化学物质可以称为目标、探针或分析物。

如本文所用，“传感器”包括具有多个反应部位的结构，该结构配置为检测在反应部位处或反应部位附近发生的指定的反应。本文公开的传感器的示例包括CMOS成像器(即，检测器件)和与其连接的流动池。流动池可包括至少一个与反应部位流体连通的流动通道。作为一个具体的示例，传感器配置为流体地以及电地耦合到生物测定系统。生物测定系统可以根据预定方案(例如，合成测序)将反应物运送到反应部位，并执行多个成像事件。例如，生物测定系统可以引导试剂沿着反应部位流动。至少一种试剂可以包括具有相同或不同荧光标记的四种类型的核苷酸。核苷酸可以与位于反应部位的相应寡核苷酸结合。生物测定系统然后可以使用激发光源(例如，诸如发光二极管或LED的固态光源)对反应部位进行照明。激发光可以具有一个预定的波长或多个预定的波长，其中多个预定的波长包括一定范围的波长。被激发的荧光标签提供可以被光学传感器检测到的发射信号。

在其他的示例中，传感器可以包括电极或其他类型的传感器(即，除了光学传感器之外的其他类型的传感器)，其中，电极或其他类型的传感器配置为检测其他可识别的属性。例如，传感器可以配置为检测离子浓度的变化。在另一个示例中，传感器可以配置为检测透过膜的离子电流。

本文公开的传感器的示例用于执行感测操作。如本文所用，“感测操作”是指响应于反应部位处的反应和/或由反应部位处的反应产生的可识别性质的检测。在本文公开的示例中，感测操作可以是光学感测。

如本文所用，“盒”包括构造为容纳本文所公开的示例的传感器的结构。在一些示例中，盒可以包括附加特征，例如，能够向传感器的反应部位提供激发光的光源(例如，LED)。盒还可以包括流体存储系统(例如，用于试剂、样本和缓冲液的存储)和流体控制系统(例如，泵、阀等)，其中，该流体控制系统用于将反应组分、样本等流体地运送到反应部位。例如，在制备好或制造好传感器之后，传感器可以耦合到盒的壳体或容器上。在一些示例中，传感器和盒可以是自包含的一次性单元。然而，其他的示例可以包括具有可拆卸部件的组件，该组件允许用户进入传感器或盒的内部，以维护或更换部件或样本。传感器和盒可以可移除地耦合或接合到较大的生物测定系统，例如测序系统，该生物测定系统在其中进行受控的反应。

如本文所用，当术语“可移除地”和“耦合”(或“接合”)一起用于描述传感器(或盒)和生物测定系统的系统插座或接口之间的关系时，该术语意在表示传感器(或盒)和系统插座之间的连接是容易分离的，而不会破坏或损坏系统插座和/或传感器(或盒)。当部件可以彼此分离，且无需过度努力或花费大量时间去分离部件时，部件是容易分离的。例如，传感器(或盒)可以以电的方式可移除地耦合或接合到系统插座，使得生物测定系统的配合触点不会被破坏或损坏。传感器(或盒)也可以以机械的方式可移除地耦合或接合到系统插座，使得保持传感器(或盒)的特征不会被破坏或损坏。传感器(或盒)也可以以流体的方式可移除地耦合或接合到系统插座，使得系统插座的端口不会被破坏或损坏。例如，如果仅涉及对部件的简单调整(例如，重新对准)或简单更换(例如，更换喷嘴)，则不认为系统插座或部件被破坏或损坏。

如本文所用，术语“流体连通”、“流体耦合”和“流体连接”是指两个空间区域连接在一起，使得液体或气体可以在两个空间区域之间流动。例如，微流体通道可以与反应室流体连通，使得流体可以从微流体通道自由地流入反应室。这两个空间区域可以通过一个或更多个阀、限流器或其他流体部件流体连通，其中，该一个或更多个阀、限流器或其他流体部件配置为控制或调节通过系统的流体流。

如本文所用，当术语“固定化”用于生物分子或生物或化学物质时，术语“固定化”包括至少基本上将分子水平的生物分子或生物物质或化学物质附着到表面上。例如，可以使用吸附技术将生物分子或生物物质或化学物质固定到载体材料的表面上，其中吸附技术包括非共价相互作用(例如静电力、范德华力和疏水界面脱水)和共价结合技术，采用吸附技术官能团或连接物有助于将生物分子附着到表面。将生物分子或生物物质或化学物质固定到基底材料的表面可以基于支撑表面的性质、承载生物分子或生物物质或化学物质的液体介质，和/或生物分子或生物物质或化学物质本身的性质。在一些情况下，支撑表面可以被官能化(例如，化学或物理改性)以有助于生物分子(或生物物质或化学物质)固定到基底表面。支撑表面可以首先被改性以使官能团结合到表面上。然后，官能团可以与生物分子或生物物质或化学物质结合，以将它们固定在其上。一种物质可以通过凝胶固定在表面上，其中，凝胶可以是，例如聚(N-(5-叠氮基乙酰胺基苯基)丙烯酰胺-丙烯酰胺共聚物(即PAZAM，其可以是线性或轻度交联的，其具有约10kDa至约1500kDa的分子量范围)。

PAZAM和其他形式的丙烯酰胺共聚物通常由式(I)的重复单元表示：

其中：

R¹是H或可选地取代的烷基；

R^A是叠氮基/叠氮化物；

R⁵，R₆以及R₈独立地选自由H和可选地取代的烷基的组中；

每个-(CH₂)_p-可以可选地被取代；

p是1至50范围内的整数；

n是1至50,000范围内的整数；以及

m是1至100,000范围内的整数。

本领域普通技术人员将认识到，式(I)中重复出现的“n”和“m”特征的排列是代表性的，单体亚单元可以以任何顺序存在于聚合物结构中(例如，无规、嵌段、图案化,或这些的结合)。

PAZAM的具体示例表示为：

其中n是1-20,000范围内的整数，以及m是1-100,000范围内的整数。

PAZAM的分子量可以在约10kDa至约1500kDa的范围内，或者在特定的示例中，可以是约312kDa。

在一些示例中，PAZAM是线性聚合物。在其他一些示例中，PAZAM是一种轻度交联的聚合物。

在其他示例中，叠氮化物官能化分子可以是式(I)的变体。在一个示例中，丙烯酰胺单元可以用N，N-二甲基丙烯酰胺代替。在该示例中，式(I)中的丙烯酰胺单元可以被替换为其中R₆，R₇和R₈每个均为H，R₉和R₁₀每个均为甲基(而不是丙烯酰胺的情况下的H)。在这个示例中，q可以是1到100,000范围内的整数。在另一个示例中，除了丙烯酰胺单元之外，还可以使用N，N-二甲基丙烯酰胺。在该示例中，除了重复出现的“n”和“m”特征之外，式(I)还可以包括其中R₆，R₇和R₈每个均为H，R₉和R₁₀每个均为甲基。在这个示例中，q可以是1到100,000范围内的整数。

在一些示例中，核酸可以附着在表面上，并利用动力学排斥扩增或桥扩增被扩增。另一种在表面上扩增核酸的有用方法是滚环扩增(RCA)。在一些示例中，核酸可以附着在表面上，并使用一个或更多个引物对进行扩增。例如，一个引物可以在溶液中，另一个引物可以固定在表面上(例如，5’-附着的)。举例来说，核酸分子可以与表面上的引物之一进行杂交，随后通过固定的引物的延伸以产生核酸的第一拷贝。然后，溶液中的引物杂交到核酸的第一拷贝，该第一拷贝可以使用核酸的第一拷贝作为模板进行延伸。在一些示例中，在产生核酸的第一拷贝之后，原始核酸分子可以与表面上的第二固定的引物杂交，以及可以在溶液中的引物延伸的同时或之后延伸。使用固定的引物和溶液中的引物的重复轮次的延伸(例如扩增)提供了核酸的多个拷贝。

在特定的示例中，由本文描述的系统和方法执行的化验方案包括天然核苷酸的使用，以及还包括与天然核苷酸相互作用的酶。天然核苷酸包括含氮杂环碱、糖和一个或更多个磷酸基团。天然核苷酸的示例包括，例如核糖核苷酸或脱氧核糖核苷酸。在核糖核苷酸中，糖是核糖，而在脱氧核糖核苷酸中，糖是脱氧核糖，即，核糖中2’位置处缺少羟基的糖。天然核苷酸可以采用单、二或三磷酸形式，以及杂环碱基(即核碱基)可以是嘌呤碱基或嘧啶碱基。嘌呤碱基包括腺嘌呤(A)和鸟嘌呤(G)，以及其改性的衍生物或类似物。嘧啶碱基包括胞嘧啶(C)、胸腺嘧啶(T)和尿嘧啶(U)及其改性的衍生物或类似物。脱氧核糖的C-1原子被键合到嘧啶的N-1或嘌呤的N-9。还应该理解，也可以使用非天然核苷酸、改性的核苷酸或上述核苷酸的类似物。

在包括反应室的示例中，物品或固体物质(包括半固体物质)可以设置在反应室内。当被设置时，物品或固体可以通过干涉配合、粘附或截留被物理地保持或固定在反应室内。可被设置在反应室内的示例性的物品或固体包括聚合物珠、粒料、琼脂糖凝胶、粉末、量子点或可被压缩和/或容纳在反应室内的其他固体。在一些实施例中，核酸超结构，例如DNA球，可以通过例如附着到反应室的内表面或通过停留在反应室内的液体中而设置在反应室内或反应室处。DNA球或其他核酸超结构可以预先形成，然后设置在反应室内或反应室处。可选地，可以在反应室处就地合成DNA球。例如，DNA球可以通过滚环扩增来合成，以产生特定核酸序列的多联体，可以采用形成相对致密球的条件处理多联体。容纳或设置在反应室中的物质可以是固态、液态或气态。

图1至图3示出了功能块的图，应当理解，功能块不一定表示硬件电路之间的划分。因此，例如，一个或更多个功能块(例如，处理器或存储器)可以在单个硬件(例如，通用信号处理器或随机存取存储器、硬盘等)中实现。类似地，这些程序可以是独立的程序，可以被合并为操作系统中的子例程，可以是安装的软件包中的功能块，等等。在对所有附图的讨论中，应当理解，各种示例不限于所示的布置和机构。

图1是用于生物或化学分析的生物测定系统100的示例的框图。术语“生物测定”不是旨在进行限制的，因为生物测定系统100可以操作以获得与生物物质或化学物质中的至少一种有关的任何信息或数据。在一些实施例中，生物测定系统100是可以类似于台式设备或台式计算机的工作站。例如，用于进行指定的反应的大部分(或全部)系统和部件可以在公共壳体116内。

在特定示例中，生物测定系统100是可以执行各种应用的核酸测序系统(或测序仪)，其中，该各种应用包括从头测序、全基因组或目标基因组区域的重新测序以及宏基因组学。测序仪也可用于DNA或RNA分析。在一些示例中，生物测定系统100还可以配置为在传感器10、10’、10”中的反应部位处产生反应。例如，生物测定系统100可接收样本并将样本引导至传感器10、10’、10”，在传感器10、10’、10”处产生了源自样本的克隆扩增核酸的表面附着簇。

生物测定系统100可包括系统插座或接口102，该系统插座或接口102可与传感器10(如图6和7所示)、10′(如图8和9所示)或10″(如图12所示)相互作用，以在传感器10、10′、10″内执行指定的反应。在关于图1的以下描述中，传感器10、10’、10”被装载到系统插座102中。然而，可以理解，包括传感器10、10’、10”的可替换或永久的盒可以插入到系统插座102中。如本文所述，除了别的之外，盒可包括流体控制和流体存储部件等。

生物测定系统100可在传感器10、10’、10”内进行大量的并行反应。传感器10、10’、10”包括一个或更多个可以发生指定的反应的反应部位。反应部位可包括固定在传感器10、10’、10”的固体表面上的反应组分或固定在位于传感器10、10’、10”的相应反应室中的珠(或其他可移动基底)上的反应组分。反应部位可以包括，例如克隆扩增的核酸簇。传感器10、10’、10”可以包括固态成像设备(例如CMOS成像器)和安装在其上的流动池。流动池可包括一个或更多个流动通道，该一个或更多个流动通道接收来自生物测定系统100的溶液并将溶液引向反应部位。在一些示例中，传感器10、10’、10”可配置为接合热元件，其中该热元件用于将热能传递到流动通道中，或将热能从流动通道中传递出来。

生物测定系统100可以包括相互作用以执行本文公开的方法的示例的各种部件、组件和系统(或子系统)。例如，生物测定系统100包括系统控制器104，该系统控制器104可以与生物测定系统100的各种部件、组件和子系统以及传感器10、10’、10”通信。

在本文公开的一些示例中，系统控制器104连接到传感器的检测器件的电路，使得系统控制器可以操作传感器10、10’、10”的保护操作和感测操作。对于使用传感器10、10’的一个示例，系统控制器104可以被编程以选择性地在传感器10、10’的试剂电极和嵌入金属层上施加偏压，以对嵌入金属层进行阴极或阳极保护，以及还可以被编程以控制传感器10、10’的光学和/或电气部件以执行感测操作。

在本文公开的其他示例中，生物测定系统100可以包括两个系统控制器104和104’，使得保护操作与感测操作正交。在使用传感器10或10’的一个示例中，系统控制器104中的一个可以被编程以施加前述的电偏压，以提供嵌入金属层的阴极或阳极保护，以及系统控制器104’中的另一个可以被编程以操作感测操作中涉及的光学和/或电气部件。在使用传感器10或10’的另一示例中，系统控制器104中的一个可以被编程以施加减小的电偏压(例如，与实现阴极保护的施加的偏压相比是减小的电偏压)，以便提供嵌入金属层的半被动保护，以及系统控制器104’中的另一个可以被编程以操作感测操作中涉及的光学和/或电气部件。对于半被动保护，电偏压被施加并不相当于阴极或阳极保护，而是降低了的电位导致腐蚀有所减少。在使用传感器10”的又一示例中，系统控制器104中的一个可以被编程以将嵌入金属层接地，以提供嵌入金属层的被动保护，以及系统控制器104’中的另一个可以被编程以操作感测操作中涉及的光学和/或电气部件。

在本文中使用传感器10、10’公开的一些示例中，保护模块134设置从试剂(与试剂电极相接触)到嵌入金属层(将通过阴极或阳极保护来保护)的电偏压偏移。

生物测定系统100的其他部件、组件和子系统可包括流体控制系统106，以控制流体在生物测定系统100和传感器10、10’、10”的流体网络中的流动；流体存储系统108，用于容纳生物测定系统100可以使用的所有流体(例如气体或液体)；温度控制系统110，可以调节流体网络、流体存储系统108和/或传感器10、10’、10”中的流体的温度；以及照明系统112以照明传感器10、10’、10”。如果具有传感器10、10’、10”的盒被装载到系统插座102中，该盒还可以包括流体控制和流体存储部件。

生物测定系统100还可以包括与用户交互的用户接口114。例如，用户接口114可以包括用于显示用户的信息或来自用户的请求信息的显示器113和用于接收用户输入的用户输入设备115。在一些示例中，显示器113和用户输入设备115可以是相同的设备。例如，用户界面114可以包括触敏显示器，以检测个人触摸的存在，并且识别触摸在显示器上的位置。然而，可以使用其他用户输入设备115，诸如鼠标、触摸板、键盘、小键盘、手持扫描仪、语音识别系统、运动识别系统等。

生物测定系统100可以与包括传感器10、10’、10”在内的各种组件通信，以执行指定的反应。生物测定系统100还可以配置为对从传感器10、10’、10”获得的数据进行分析，以向用户提供期望的信息。

系统控制器104、104’可以包括任何基于处理器或基于微处理器的系统，包括使用微控制器、精简指令集计算机(RISC)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、逻辑电路以及能够执行本文所公开的功能的任何其他电路或处理器的系统。虽然已经提供了几个示例，但应当理解，这些示例并不旨在以任何方式限制术语“系统控制器”的定义和/或含义。在一个示例中，系统控制器104执行存储在一个或更多个存储元件、存储器或模块中的指令集，以便选择性地施加偏压，该偏压导致传感器10、10’的嵌入金属层的半被动、阴极或阳极保护。在另一示例中，系统控制器104执行存储在一个或更多个存储元件、存储器或模块中的指令集，以便将传感器10”的嵌入金属层接地，这导致嵌入金属层的被动保护。在一个示例中，系统控制器104或104’执行存储在一个或更多个存储元件、存储器或模块中的指令集，以便执行检测数据的获得和分析中的至少一个。存储元件可以采用生物测定系统100内的信息源或物理存储元件的形式。

该指令集可包括指示生物测定系统100或传感器10、10’、10”执行特定操作的各种命令，例如本文描述的各种示例的方法和过程。指令集可以是软件程序的形式，该软件程序可以形成有形的、非暂时性的计算机可读介质的一部分。如本文所使用的，术语“软件”和“固件”是可互换的，并且是指存储在存储器中供计算机执行的任何算法和/或计算机程序。存储器的示例包括RAM存储器、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器和非易失性RAM(NVRAM)存储器。

软件可以是各种形式的软件，例如系统软件或应用软件。此外，软件可以采用单独程序的集合的形式，或者较大程序中的程序模块或程序模块的一部分的形式。软件还可以包括面向对象编程形式的模块化编程。在获得检测数据之后，检测数据可以由生物测定系统100自动处理，响应于用户输入而被处理，或者响应于另一个处理机器的请求(例如，通过通信链路的远程请求)而被处理。

尽管在图1中未示出，应当理解，系统控制器104、104’可以通过通信链路连接到传感器10、10’、10”和生物测定系统100的其他组件。系统控制器104、104’还可以通信地连接到远程、异地系统或服务器。通信链路可以是硬连线的或无线的。系统控制器104、104’可以从用户接口114和用户输入设备115接收用户输入或命令。

流体控制系统106包括流体网络，以及可以用于引导和调节流过流体网络的一种或多种流体的流动。流体网络可以与传感器10、10’、10”和流体存储系统108流体连通。例如，可从流体存储系统108抽取选定的流体，并以受控的方式引导至传感器10、10’、10”，或者可从传感器10、10’、10”抽取流体，并引导至，例如流体存储系统108中的废物储存器。尽管未示出，流体控制系统106可包括检测流体网络内流体的流速或压力的流量传感器。流量传感器可以与系统控制器104、104’通信。

温度控制系统110可用于调节在流体网络、流体存储系统108和/或传感器10、10’、10”的不同区域的流体温度。例如，温度控制系统110可以包括热循环器，该热循环器与传感器10、10’、10”接口，并控制沿着传感器10、10’、10”中的反应部位流动的流体的温度。温度控制系统110还可以调节生物测定系统100或传感器10、10’、10”的固体元件或部件的温度。尽管未示出，温度控制系统110可以包括传感器，以检测流体和/或其他部件的温度。这些传感器还可以与系统控制器104、104’通信。

流体存储系统108与传感器10、10’、10”流体连通，并且可以存储用于在传感器10、10’、10”的反应部位内/处进行指定的反应的各种反应组分或反应物。流体存储系统108还可以存储用于清洗或清洁流体网络和传感器10、10’、10”以及用于稀释反应物的流体。例如，流存体储系统108可以包括各种储存器，以存储样本、试剂、酶、其他生物分子、缓冲溶液、水溶液和非极性溶液等。此外，流体存储系统108还可以包括用于接收来自传感器10、10’、10”的废物的废物储存器。

在包括盒的示例中，盒可以包括流体存储系统、流体控制系统或温度控制系统中的一个或更多个。因此，在此阐述的与那些系统108、106、110相关的一个或更多个部件可以包含在盒的壳体内。例如，盒可以具有各种储存器来存储样本、试剂、酶、其他生物分子、缓冲溶液、水溶液和非极性溶液、废物等。因此，在一些示例中，流体存储系统、流体控制系统或温度控制系统中的一个或更多个可以经由盒与生物测定系统100可移除地接合。

照明系统112可以包括光源(例如，一个或更多个LED)和多个光学部件，以照明传感器10、10’、10”。光源的示例可以包括激光器、弧光灯、发光二极管LED、或激光二极管。光学部件可以是，例如反射器、二向色镜、分束器、准直器、透镜、滤光器、光楔、棱镜、反射镜、检测器等。在使用照明系统的示例中，照明系统112可以操作地被定位以将激发光引导至传感器10、10’、10”的反应部位。作为一个示例，荧光团可以被绿色波长的光所激发，如此，激发光的波长可以是大约532nm。

系统插座或接口102可以以机械的、电气的和流体的方式中的至少一种方式接合传感器10、10’、10”。系统插座102可以将传感器10、10’、10”保持在期望的方位，以便于流体流过传感器10、10’、10”。系统插座102还可以包括能够接合传感器10、10’、10”的电触点，使得生物测定系统100可以与传感器10、10’、10”通信和/或向传感器10、10’、10”提供电力。此外，系统插座102可以包括能够接合传感器10、10’、10”的流体端口(例如喷嘴)。在一些示例中，传感器10、10’、10”以机械的方式、电的方式以及还有流体的方式可移除地耦合到系统插座102。

此外，生物测定系统100可与其他的系统或网络或其他的生物测定系统100远程地通信。由生物测定系统100获得的检测数据可以存储在远程的数据库中。

图2是系统控制器104的示例的方框图。在一个示例中，系统控制器104、104’包括一个或更多个处理器或其他可以彼此通信的硬件模块。处理器或硬件模块中的每个都可以执行算法(例如，存储在有形和/或非暂时性计算机可读存储介质上的指令)或子算法来执行特定的过程/操作。系统控制器104、104’在概念上被图示为硬件模块的集合，以及可以利用专用硬件板、处理器等的任意结合来实现。可选地，系统控制器104、104’可以利用具有单个处理器或多个处理器以及分布在处理器之间的功能操作的成品的个人计算机(PC)来实现。作为进一步的选项，下面描述的硬件模块可以利用混合配置来实现，其中某些模块功能是利用专用硬件来执行的，而剩余的模块功能是利用成品的PC等来执行的。在其他示例中，除了硬件模块，本文公开的模块也可以实现为处理单元内的软件模块。

在操作期间，通信链路118可以向传感器10、10′、10″(图1)和/或子系统106、108、110(图1)发送信息(例如命令)，或从传感器10、10′、10″(图1)和/或子系统106、108、110(图1)接收信息(例如数据)。通信链路120可以从用户接口114(图1)接收用户输入，以及将数据或信息发送到用户接口114。来自传感器10、10’、10”或子系统106、108、110的数据可以在保护操作和/或感测操作期间由系统控制器104、104’实时处理。附加地或可选地，数据可以在保护操作和/或感测操作期间临时存储在系统存储器中，以及以比实时慢的速度或以离线操作被处理。

如图2所示，系统控制器104、104’可以包括与主控制模块140通信的多个模块122-138。主控制模块140可以与用户接口114(图1)通信。尽管模块122-138被示出为直接与主控制模块140通信，但模块122-138也可以彼此直接通信、与用户接口114通信以及与传感器10、10’、10”直接通信。此外，模块122-138可以通过其他的模块(未示出)与主控制模块140通信。

多个模块122-138包括，例如，分别与子系统106、108、110和112通信的系统模块122、124、126、128。流体控制模块122可以与流体控制系统106通信，以控制流体网络的阀和流量传感器用于控制流过流体网络的一种或多种流体的流量。在流体较少时或者废物储存器处于或接近容量时，流体存储模块124可以通知用户。流体存储模块124还可以与温度控制模块126通信，使得流体可以以期望的温度被存储。照明模块128可以与照明系统112通信，以在方案期间的指定时间，例如，在指定的反应(例如，结合事件)发生之后，照明反应部位。

多个模块122-138还可以包括与传感器10、10’、10”通信的设备模块130和确定与传感器10、10’、10”相关的识别信息的识别模块132。设备模块130可以，例如与系统插座102通信，以确认传感器10、10’、10”已经与生物测定系统100建立了电的和流体的连接。识别模块132可以接收用于识别传感器10、10’、10”的信号。识别模块132可以使用传感器10、10’、10”的身份来向用户提供其他信息。例如，识别模块135可以确定并随后显示批号、制造日期，或推荐与传感器10、10’、10”一起运行的方案。

多个模块122-142还可以包括保护模块134、感测操作模块136和分析模块138。

在一些示例中，保护模块134与传感器10、10’的试剂电极和嵌入金属层电气地通信。在本文公开的一些示例中，保护模块134设置从试剂(与试剂电极相接触)到嵌入金属层(将通过阴极或阳极保护来保护)的电偏压量。换句话说，试剂相对于被保护免受腐蚀的嵌入金属层而被偏压。保护模块134可以包括恒电势器，该恒电势器通过控制电压或电流来设置、改变和去除偏压偏移。在一些示例中，保护模块134可以选择性地在试剂电极(使其用作阳极)和嵌入金属层(使其用作阴极)之间传输在试剂中产生电偏压的信号。这为嵌入金属层提供了阴极保护。

在其他示例中，保护模块134可以选择性地在试剂电极(使其用作阴极)和嵌入金属层(使其用作阳极)之间传输在试剂中产生电偏压的信号。这为嵌入金属层提供了阳极保护。施加的电偏压以及由此产生的保护(即阴极或阳极)取决于所使用的试剂、pH值和被保护的金属。保护模块134还可以接收来自试剂电极和嵌入金属层的信号，使其能够响应于接收的信号适当地改变电偏压。例如，嵌入金属层可以是CMOS AVdd(模拟Vdd)线的功能部件(即，用于提供光学传感器读出的电源电压)，而保护模块134可以监控AVdd线中的波动，使其可以调整电偏压以解决这些波动。在一些示例中，保护模块134还可以测量试剂电极和嵌入金属层之间的电流极性，以及可以基于该测量来调节电流。在本文公开的示例中，正电流可以是阳极的(即，嵌入金属层处的氧化)，负电流可以是阴极的(即，嵌入金属层处的还原)。根据测量的电流极性，可以调节偏压，以使电流流入感兴趣的极性(即，使得嵌入金属层在需要阴极保护时实现阴极的功能，在需要阳极保护时实现阳极的功能)。

保护模块134可以选择性地施加电偏压。在一些示例中，可以连续施加电偏压。当持续施加电压并且钝化层完好时(以及从而试剂电极不与嵌入金属层相接触)，嵌入金属层的开路电位可以用作基线来检测是否实现了通过试剂的连接。当开路电位发生变化时，这表明试剂已经通过例如钝化层中的裂纹泄漏。在这个示例中，可以调节电偏压以通过阴极保护或阳极保护来保护嵌入金属层免受试剂的影响。在其他示例中，电偏压可以被打开和关闭。例如，如果已知特定的试剂反应在打开状态下比在偏压状态下是更少反应的，那么在感测操作中，在这些特定反应期间可以关闭电偏压。然而，当不施加电偏压时，保护电路不工作，以及因此直到电偏压被重新打开时，保护电路才能用于感测钝化层24中的断裂、裂纹等。

在一个示例中，阴极保护可以使用DNA测序试剂和施加的约300mV至约800mV的范围内的偏压来实现。

在一些示例中，保护模块134与传感器10、10’的试剂电极和嵌入金属层电连通，使得施加的电偏压如此低使得试剂有效地处于半被动状态。这种电偏压不等于阴极或阳极保护，但确实减少了腐蚀。该方法可以在不使用机械开关的情况下执行，并且有效地尝试将嵌入金属层拉到接地。

在又一些其他示例中，保护模块134与传感器10(其在该示例中可以包括或不包括试剂电极)或10”的嵌入金属层电连通，使得嵌入金属层接地。将嵌入金属层接地可以为嵌入金属层提供被动保护。当不包括试剂电极时(例如，如传感器10”所示)，试剂没有明确的参考电压。在这些示例中，嵌入金属层直接接地(即，0伏)，以及保护模块134不包括恒电势器。如此，在一些示例中，保护模块134可以是非恒电势器控制电路。

反应/感测模块136与主控制模块140通信，以在执行预定的方案(例如化验方案)时控制子系统106、108和110的操作。反应/感测操作模块136可以包括子模块，例如方案模块142、144，其包括用于指示生物测定系统100根据不同过程、感测操作等的预定方案执行特定操作的指令集。

如图2所示，方案模块142、144中的一个可以是合成测序(SBS)模块142，该合成测序(SBS)模块142可以发出用于执行合成测序过程的各种命令。在SBS中，监测核酸引物沿核酸模板的延伸，以确定模板中的核苷酸序列。潜在的化学过程可以是聚合(例如，由聚合酶催化的聚合)或连接(例如，由连接酶催化的连接)。在特定的基于聚合酶的SBS过程中，荧光标记的核苷酸以模板依赖的方式添加到引物中(从而延伸引物)，使得添加到引物中的核苷酸的顺序和类型的检测可用于确定模板的序列。例如，为了启动第一个SBS周期，可以提供命令以将一个或更多个标记的核苷酸、DNA聚合酶等递送进入/通过容纳核酸模板阵列的传感器10、10’、10”的流动池。核酸模板可以位于相应的反应部位。引物延伸导致掺入标记的核苷酸的反应部位可以通过成像事件来检测。

在成像事件期间，照明系统112可以向反应部位提供激发光。在一些示例中，核苷酸还可以包括可逆终止的性质，一旦核苷酸被添加到引物中，该性质便终止进一步的引物延伸。例如，可以将具有可逆终止子部分的核苷酸类似物添加到引物中，使得直到递送解封闭试剂以去除可逆终止子的该部分，随后的延伸才会发生。因此，对于使用可逆终止的示例，可以向流体控制系统106发送命令，以将解封闭试剂递送到传感器10、10’、10”的流动池(在检测发生之前或之后)。可以向流体控制系统106提供一个或更多个命令，以在各种运送步骤之间进行清洗。然后，该周期可以重复n次，将引物延伸n个核苷酸，从而检测长度为n的序列。

对于SBS周期的核苷酸递送步骤，可以一次递送单一类型的核苷酸，或者可以递送多种不同的核苷酸类型(例如，A、C、T和G一起)。对于一次仅存在单一类型核苷酸的核苷酸递送构造，不同的核苷酸不需要具有有区别的标记，因为它们可以基于个体递送中固有的时间间隔来区分。因此，测序方法或装置可以使用单色检测。例如，激发源只需要在单个波长或单个波长范围内提供激发。对于一种核苷酸递送构型，其中递送导致流动池中同时存在多个不同的核苷酸，合并不同核苷酸类型的部位可以基于附着在混合物中相应核苷酸类型上的不同荧光标记来区分。例如，可以使用四种不同的核苷酸，每种核苷酸具有四种不同荧光团中的一种。在一个示例中，可以使用光谱的四个不同区域中的激发来区分四种不同的荧光团。例如，可以使用四个不同的激发辐射源。可选地，可以使用少于四个不同的激发源，但是来自单个源的激发辐射的光学过滤可以用于在流动池产生不同范围的激发辐射。

在其他示例中，在具有四种不同核苷酸的混合物中可以检测到少于四种的不同颜色。例如，可以在相同的波长下检测核苷酸对，但是基于该对中一个成员与另一个成员的强度差异，或者基于该对中一个成员的变化(例如，通过化学修改、光化学修改或物理修改)区分核苷酸对，其中，该对中一个成员的变化导致表观信号与该对中另一个成员检测到的信号相比出现或消失。作为第二个示例，四种不同核苷酸类型中的三种在特定条件下是可检测的，而第四种核苷酸类型缺少在这些条件下可检测的标记。在第二示例的SBS相关示例中，前三种核苷酸类型掺入核酸可以基于它们的各自信号的存在来确定，以及第四种核苷酸类型掺入核酸可以基于没有任何信号来确定。作为第三示例，可以在两个不同的图像或两个不同的通道中检测到一种核苷酸类型(例如，可以使用具有相同碱基但不同标记的两种物种的混合物，或者可以使用具有两种标记的单一物种，或者可以使用具有在两个通道中都检测到的标记的单一物种)，然而在不超过一个图像或通道中检测到其他的核苷酸类型。在该第三示例中，两个图像或两个通道的比较用于区分不同的核苷酸类型。

同样如图2所示，方案模块142、144中的另一个可以是样本制备(或生成)模块144(制备模块)，其向流体控制系统106和温度控制系统110发出命令，用于扩增传感器10、10’、10”内的产品。例如，制备模块144可以向流体控制系统106发出指令，以将扩增组分运送到传感器10、10’、10”内的反应室。应当理解，在一些示例中，反应部位可能已经包含一些用于扩增的组分，例如模板DNA和/或引物。在将扩增组分运送到反应室之后，制备模块144可以指示温度控制系统110根据已知的扩增方案循环经历不同的温度阶段。在一些实施例中，扩增核苷酸和/或核苷酸的掺入在等温的条件下进行。

SBS模块142可以发出命令来执行桥接PCR，其中克隆扩增子簇形成在流动池的通道内的局部区域上。在通过桥PCR产生扩增子之后，扩增子可以被“线性化”以用于制成单链模板DNA，或者sstDNA，以及测序引物可以与感兴趣区域侧面相接的通用序列杂交。例如，如上所述或如下所述，可以使用基于可逆终止子的合成测序方法。每个测序周期可以通过单个碱基来延长sstDNA，这可以通过例如使用改性的DNA聚合酶和四种核苷酸的混合物来实现。不同类型的核苷酸可以具有独特的荧光标记，并且每个核苷酸还可以具有可逆终止子，该可逆终止子在每个周期中只允许单碱基的掺入。在单个碱基被添加到SStDNA之后，激发光可能会入射到反应部位上，并且可以检测到荧光发射。检测后，荧光标记和终止子可以从SStDNA上化学地裂解。随后可能会有另一个类似的测序周期。在这样的测序方案中，SBS模块142可以指示流体控制系统106引导试剂和酶溶液的流通过传感器10、10’、10”。

在一些示例中，制备模块144和SBS模块142可以在单个化验方案中操作，其中，例如模板核酸被扩增，随后模板核酸在同一盒中被测序。

生物测定系统100还可以允许用户重新配置方案，例如化验方案。例如，生物测定系统100可以通过用户界面114向用户提供用于修改所确定的方案的选项。例如，如果确定传感器10、10’、10”将用于扩增，则生物测定系统100可以请求用于退火周期的温度。此外，如果用户已经提供了对于所选方案通常不可接受的用户输入，生物测定系统100可以向用户发出警告。

系统控制器104、104’还包括分析模块138。分析模块138接收并分析来自传感器10、10’、10”的信号数据(例如，图像数据)。信号数据可以被存储用于随后的分析，或者可以被发送到用户接口114以向用户显示期望的信息。在一些示例中，信号数据可以在分析模块138接收信号数据之前由固态成像器(例如，传感器10、10’、10”的CMOS图像传感器)处理。

图3是用于生物或化学分析的工作站200的示例的框图。工作站200可以具有与上述描述的生物测定系统100相似的特征、系统和组件。例如，工作站200可以具有流体控制系统，例如流体控制系统106(图1)，该流体控制系统通过流体网络202流体耦合到传感器(或盒)10、10’、10”。流体网络202可以包括试剂盒204、阀组(valve block)206、主泵208、脱泡器210、三通阀212、限流器214、废物去除系统216和清洗泵218。上述大部分部件或所有部件可以位于公共工作站外壳(未示出)内。

尽管未示出，工作站200还可以包括照明系统，例如照明系统112，其能够向传感器10、10’、10”的反应部位提供激发光。

流体流由沿着流体网络202的箭头所指示。例如，试剂溶液可以从试剂盒204中取出并流过阀组206。阀组206可有助于产生从试剂盒204流向传感器/盒10、10’、10”的无死体积的流体。阀组206可以选择或允许试剂盒204内的一种或多种液体流过流体网络202。例如，阀组206可以包括具有紧凑布置的电磁阀。每个电磁阀可以控制来自单个储存袋的流体的流。在一些示例中，阀组206可以允许两种或多种不同的液体同时流入流体网络202，从而混合两种或多种不同的液体。

离开阀组206后，流体可流过主泵208并流向脱泡器210。脱泡器210可以去除已经进入流体网络202或在流体网络202内已经产生的不想要的气体。流体可从脱泡器210流向三通阀212，在三通阀212处，流体被引导至传感器10、10’、10”或旁路到废物去除系统216。传感器10、10’、10”内的流体的流动可至少部分地由位于传感器10、10’、10”下游的限流器214控制。此外，限流器214和主泵208可以彼此协调以控制流体的流穿过反应部位和/或控制流体网络202内的压力。流体可以流过传感器10、10’、10”并流到废物去除系统252。在一些示例中，流体可以流过清洗泵218，并流入例如试剂盒204内的废物储存袋。

如图3所示，工作站200可以包括温度控制系统，例如温度控制系统110(图1)，其可以调节或控制工作站200的不同部件和子系统的热环境。温度控制系统110可以包括试剂冷却器220和热循环器222，其中，该试剂冷却器220可以控制工作站200使用的各种流体的温度，该热循环器222可以控制传感器10、10’、10”的温度。热循环器222可以包括与传感器10、10’、10”接口的热元件(未示出)。

此外，工作站200可以包括系统控制器或SBS板224，其可以具有与上述系统控制器104、104’类似的特征。SBS板224可以与工作站200的各种部件和子系统以及传感器10、10’、10”通信。此外，SBS板224可以与远程系统通信，以便，例如存储来自远程系统的数据，或从远程系统接收命令。

SBS板224包括保护模块134。在一些示例中，保护模块134可以电连接到传感器10、10’的试剂电极和嵌入金属层，也可以电连接到三通阀212。保护模块134可以与主泵208同步，使得当试剂被运送到传感器10、10’时，电偏压被连续或选择性地施加。在其他示例中，保护模块134可以电连接到传感器10”的嵌入金属层，也可以电连接到三通阀212。保护模块134可以与主泵208同步，使得当试剂被运送到传感器10”时，嵌入金属层被连续地或选择性地接地。

工作站200还可以包括触摸屏用户接口226，该触摸屏用户接口226通过单板计算机(SBC)228可操作地耦合到SBS板224。工作站200还可以包括一个或更多个用户可访问的数据通信端口和/或驱动器。例如，工作站200可以包括用于计算机外围设备，例如闪存或跳转驱动器、紧凑型闪存(CF)驱动器和/或硬盘驱动器230的一个或更多个通用串行总线(USB)连接，以用于存储除其他软件之外的用户数据。

应当理解，工作站200的部件不会对保护模块134和相关保护电路的功能造成干扰。例如，试剂盒204和将试剂运送到传感器10、10’、10”的其他部件的电状态可以是不导电的，从而不会对试剂的导电性和/或传感器10、10’、10”的保护电路造成干扰。

图4是工作站300和盒302的剖面透视图，其中盒302可以包括一个或更多个如本文所述的传感器(在该图中未示出)。工作站300可以包括与上述生物测定系统100和工作站200类似的部件，并且可以以类似的方式工作。例如，工作站300可以包括工作站外壳304和系统插座306，其中系统插座306配置为接收和接合盒302。系统插座306可以以流体地或电气地中的至少一种方式接合盒302。工作站外壳304可以容纳，例如，如上所述的系统控制器、流体存储系统、流体控制系统和温度控制系统。

在图4中，工作站300不包括耦合到工作站外壳304的用户界面或显示器。然而，用户接口可以通过通信链路通信地耦合到外壳304(以及其中的组件/系统)。因此，用户界面和工作站300位于彼此的远端。用户界面和工作站300(或多个工作站)可以一起构成生物测定系统。

如图所示，盒302包括盒壳体308，该盒壳体308具有至少一个端口310，其中，该端口310提供进入盒壳体308内部的通路。例如，用户或工作站300可以通过端口310插入被配置为在受控反应期间在盒302中使用的溶液。系统插座306和盒302的尺寸和形状可以彼此相关，使得盒302可以被插入到系统插座306的插座腔(未示出)。

图5示出了图4所示的盒302的示例的各种特征。如图5所示，盒302可包括样本组件320，以及系统插座306可包括灯组件322。图5所示的阶段346表示当第一和第二子组件320和322彼此分离时它们之间的空间关系。图5所示的阶段348示出了第一和第二子组件320和322何时联结在一起。盒壳体308(图4)可以将联结的第一和第二子组件320和322封闭。

在所示出的示例中，第一子组件320包括基座326和安装在基座326上的反应部件主体324。尽管未示出，但一个或更多个传感器10、10’、10”可以安装到凹部328中的基座326上，其中凹部328至少部分地由反应部件主体324和基座326限定。例如，至少四个传感器10、10’、10”可以安装到基座326。在一些示例中，基座326是印刷电路板，该印刷电路板具有能够在盒302的不同部件和工作站300(图4)之间进行通信的电路。例如，反应部件主体324可以包括旋转阀330和流体连接到旋转阀330的试剂储存器332。反应部件主体324还可以包括附加的储存器334。

第二子组件322包括光组件336，其包括多个光导向通道338。每个光导通道338光学耦合到光源(未示出)，例如发光二极管(LED)。光源被定位为提供激励光，该激励光由光导向通道338导向到传感器10、10’、10”。在可选的示例中，盒302可以不包括光源。在这样的示例中，光源可以位于工作站300中。当盒302被插入到系统插座306(图4)时，盒302可以与光源对准，使得盒302的传感器10可以被照明。

如图5所示，第二子组件322还包括流体连接到端口342和344的盒泵340。当第一和第二子组件320和322联结在一起时，端口342连接到旋转阀330，而端口344连接到其他的储存器334。根据指定的方案，盒泵340可以被启动以将反应组分从储存器332和/或334引导到传感器10、10’、10”。

应当理解，本文公开的生物测定系统100和工作站200、300的任何示例可以结合本文公开的传感器10、10’、10”的任何示例。图6和7示出了传感器10的示例的部分的横截面，图8和9示出了传感器10’的示例的部分的横截面，图12示出了传感器10”的示例的一部分的横截面。

图6至图9和图12中所示的传感器10、10’、10”中的每一个包括直接或间接耦合到(即，相接触)检测器件14、14’的示例的流动池12。在图示的示例中，流动池12可以通过一个或更多个固定机构(例如，胶粘剂、粘合剂、紧固件等)直接固定到检测器件14或14’上，并因此与检测器件14或14’物理相接触。应该理解，流动池12可以可移除地连接到检测器件14或14’。

本文公开的检测器件14、14’是CMOS器件，其包括多个堆叠层16、16’，其中多个堆叠层16、16’包括，例如硅层、介电层、金属-介电层、金属层等。堆叠层16、16’构成了包括保护电路和检测电路的器件电路。保护电路和检测电路可以彼此电连接(如图6和7所示)，使得保护操作和感测/检测操作相互集成到彼此。可选地，保护电路和检测电路可以彼此电绝缘或不连接(如图8、9和12所示)，使得保护操作和感测/检测操作时是彼此正交的。分别参照图7和9进一步描述每个检测器件14、14’的各种堆叠层16、16’。

检测器件14、14’还包括光学部件，例如光学传感器18和光波导20。在所示的检测器件14、14’的每个示例中，光学部件被布置以使得每个光学传感器18至少基本上与单个光波导20和流动池12的单个反应部位22对准，并因此可操作地与单个光波导20和流动池12的单个反应部位22相关联。然而，在其他示例中，单个光学传感器18可以通过一个以上的光波导20和/或从一个以上的反应部位22接收光子。在该其他的示例中，单个光学传感器18可操作地与一个以上的光波导20和/或一个以上的反应部位22相关联。

如本文所使用的，单个光学传感器18可以是包括一个像素或多于一个像素的光学传感器。作为示例，每个光学传感器18可以具有小于约50μm²的检测面积。作为另一示例，检测面积可以小于约10μm²。作为又一示例，检测面积可以小于约2μm²。在后一示例中，光学传感器18可以构成单个像素。光学传感器18的每个像素的平均读取噪声可以是例如小于约150个电子。在其他示例中，读取噪声可以小于大约5个电子。光学传感器18的分辨率可以大于大约0.5百万像素(Mpixels)。在其他示例中，分辨率可以大于约5Mpixels，或者大于约10Mpixels。

同样如本文所使用的，单个光波导20可以是包括已固化的过滤材料的光导，该已固化的过滤材料：i)过滤激发光36(从传感器10的外部传播到流动通道32中)，以及ii)允许光发射(未示出，由反应部位22处的反应产生)传播通过相应的光学传感器18。在一个示例中，光波导20可以是，例如有机吸收滤波器。作为具体示例，有机吸收滤光器可以过滤约532nm波长的激发光36，并允许约570nm或更大波长的光的发射。光波导可以通过首先在电介质层D中形成引导腔，然后利用合适的过滤材料填充引导腔来形成。

光波导20可以配置为与检测器件14、14’的周围材料(例如，电介质材料D)有关，以便形成光导结构。例如，光波导20可以具有大约2.0的折射率，使得光的发射基本上在光波导20和周围介电材料之间的界面处被反射。在某些示例中，选择光波导20，使得激发光36的光密度(OD)或吸光度至少约为4OD。更具体地，可以选择过滤材料，以及光波导20的尺寸可以达到至少4OD。在其他示例中，光波导20可以配置为实现至少约5OD或至少约6OD。

传感器10、10’、10”的流动池12包括钝化层24，该钝化层24具有相对的表面26、28(这里也称为第一相对的表面26和第二相对的表面28)。钝化层24的至少一部分与检测器件14、14’的第一嵌入金属层34相接触，以及钝化层24的至少一部分还与光波导20的输入区域21相接触。钝化层24和第一嵌入金属层34之间的相接触可以是直接相接触(如图8、9和12所示)，或者可以是通过屏蔽层46的间接相接触(如图6和7所示)。在一个示例中，第二相对的表面28的一部分与检测器件14、14’的最顶层(例如嵌入金属层34)相接触。

钝化层24可以为最接近相对的表面28的检测器件14、14’的嵌入金属层34提供一个级别的腐蚀保护。钝化层24可以包括对反应部位22处的反应产生的光的发射透明的材料(例如可见光)，以及该材料至少最先抵抗流体环境和湿气，其中该湿气为可能被引入或存在于流动通道32中的湿气。至少最先用于抵抗的材料充当高pH试剂(例如，pH范围为8至14)的蚀刻阻挡层和湿气阻挡层。用于钝化层24的合适材料的示例包括氮化硅(Si₃N₄)、氧化硅(SiO₂)、五氧化二钽(TaO₅)、氧化铪(HaO₂)、硼掺杂的p+硅等。钝化层24的厚度可以部分地根据传感器10、10’、10”的尺寸而变化。在一个示例中，钝化层24的厚度范围从约100nm到约500nm。

流动池12还包括盖子30，该盖子30可操作地连接到钝化层24，以部分地限定钝化层24(和在其中或其上的反应部位22)和盖子30之间的流动通道32。盖子30可以是对被导向反应部位22的激发光26透明的任何材料。作为示例，盖子30可以包括玻璃(例如硼硅酸盐、熔融二氧化硅等)，塑料等。合适的硼硅酸盐玻璃的商业可获得的示例是D 可从Schott北美公司获得。合适的塑料材料，即环烯烃聚合物，的商业可获得的示例是可从ZeonChemicals有限公司获得的产品。

盖子30可以通过侧壁38物理连接到钝化层24。侧壁38耦合到钝化层24的相对的表面26，并在表面26和盖子30的内表面40之间延伸。在一些示例中，侧壁38和盖子30可以一体形成，使得侧壁38和盖子30是连续的一片材料(例如，玻璃或塑料)。在其他示例中，侧壁38和盖子30可以是彼此耦合的分离的部件。在这些其他的示例中，侧壁38可以是与盖子30相同的材料或者不同的材料。在这些其他示例中的一些示例中，侧壁38中的至少一个包括电极材料(例如，参见图10C和10F)。在又一些示例中，侧壁38包括将盖子30粘合到相对的表面26的可固化的胶粘剂层。

在一个示例中，盖子30可以是基本矩形的块，其具有至少基本平坦的外表面42和限定流动通道32的一部分的至少基本平坦的内表面40。该块可以安装到侧壁38上。可选地，该块可以被蚀刻以限定盖子30和侧壁38。例如，可以在透明块中蚀刻凹槽。当蚀刻块被安装到钝化层24时，凹槽可以成为流动通道32。

盖子30可包括入口和出口48、50，入口和出口48、50被构造为与其他端口(未示出)流体接合，以将流体引导到流动通道32中(例如，从试剂盒204或其他流体存储系统108部件)并引导出流动通道32(例如，引导到废物去除系统216)。例如，其他的端口可以来自盒302(图4)或工作站300(图4)。

流动池12的尺寸和形状使得流动通道32存在于盖子30和钝化层24的相对的表面26之间。流动通道32的尺寸和形状可以被设计为沿着反应部位22引导流体。流动通道32的高度(即，从表面26到表面40)和流动通道32的其他尺寸可以配置为保持流体沿着反应部位22的基本均匀的流动。流动通道32的尺寸也可以构造为控制气泡的形成。在一个示例中，流动通道32的高度可以在约50μm至约400μm的范围内。在另一示例中，流动通道32的高度可以在约80μm至约200μm的范围内。应当理解，流动通道32的高度可以变化，并且当反应部位22位于限定在钝化层24的表面26中的反应室44中时，流动通道32的高度可以是最大的。在这些示例中，反应室44增加了流动通道32在该特定区域的高度。

在图6-9和12所示的示例中，反应部位22位于钝化层24的相对的表面26处。更具体地，每个反应部位22是表面26上的局部区域，在该区域中可能发生指定的反应。表面26上的局部区域可以被官能化，即，以适当的方式进行化学或物理的改性，以进行或参与指定的反应。在一个示例(未示出)中，反应部位22可以形成在相对的表面26上，该表面至少基本上是平面的。在另一示例中(如图6-9和12所示)，反应部位22可以形成在相对的表面26上，该相对的表面26是限定在钝化层24中的侧面敞开的反应室44的一部分。该侧面敞开的反应室44可以由，例如沿相对的表面26的凹痕或深度的改变来限定。每个侧面敞开反应室44可包括单个反应部位22或多个反应部位22。

如图6、8和12所示，反应部位22可以沿着相对的表面26以图案化的方式分布。例如，反应部位22可以以类似于微阵列的方式沿着相对的表面26以行和列的方式被定位。然而，应当理解，可以使用各种图案化的反应部位22。

在一个示例中，反应部位22至少基本上与单个光波导20的输入区域21对准。这样，反应22处的光发射可以通过波导20被引导到输入区域21中，并被引导到相关联的光学传感器18。在其他示例中，一个反应部位22可以与几个光波导20的几个输入区域21对准。在又一些示例中，几个反应部位22可以与一个光波导20的一个输入区域21对准。

在本文公开的示例中，反应部位22可包括发射光学(例如，光)信号的生物物质或化学物质。例如，反应部位22的生物物质或化学物质可以响应于激发光36而产生光的发射。在特定示例中，反应部位22包括固定在相对的表面26上的生物分子(例如寡核苷酸)的簇或集落。

如上所述，钝化层24至少最先抵抗流体环境和流动通道32中可能存在的湿气。然而，已经发现，随着时间的推移和传感器的使用，钝化层24在高pH试剂(例如，pH范围为8至14)和/或湿气的存在下会变弱，以及变得更容易受到蚀刻、裂纹等的影响。本文公开的示例传感器10、10’、10”包括保护电路(除了钝化层24之外)，以提供另一个级别的腐蚀保护。在一些示例中，保护电路包括试剂电极52和检测器件14、14’的嵌入金属层34。应当理解，嵌入金属层34是CMOS检测器件14、14’的金属层，其与钝化层24相邻。在一些示例中，该层34将被提供阴极或阳极保护。在其他示例中，该层34将被提供半被动保护。在又一些示例中，保护电路包括具有或不具有试剂电极52的检测器件14’的嵌入金属层34。在这些另外的其他示例中，嵌入金属层34与检测电路电隔离，并且是检测器件14’中的可变电极，而该检测器件14’被设置为接地以便提供被动保护。

在传感器10、10’(图6-9)中，试剂电极52可以位于流动通道32中的任何位置，使得它将与引入流动通道32的试剂相接触(例如，物理和电相接触)。试剂电极52可以是与限定流动通道32的任何部件分开的部件，可以被固定到盖子30上，可以被固定到侧壁38上，或者可以形成侧壁38。在图10A至10H中示出并描述了试剂电极52的各种构造。试剂电极52的尺寸将取决于它如何集成到流动通道32中。

试剂电极52可以是任何合适的电极材料，例如金(Au)、银(Ag)、氯化银(AgCl)、铂(Pt)等。

在本文公开的任何传感器10、10’、10”中，嵌入金属层34可以是任何合适的CMOS金属，例如铝(Al)、氯化铝(AlCu)、钨(W)、镍(Ni)或铜(Cu)。

在示例10、10’中，试剂电极52通过控制器104、104’电连接到检测器件14、14’的嵌入金属层34。在一个示例中，试剂电极52和嵌入金属层34通过控制器104、104’的保护模块134(其可以包括恒电势器)电连接。如前所述，保护模块134可用于设置试剂电极52和嵌入金属层34之间的电偏置，该电偏压从试剂(在流动通道32中并与试剂电极52相接触)偏移到嵌入金属层34。

现在参考图7，示出了传感器10的一部分。在传感器10的该示例中，检测器件14包括多个堆叠层16。更具体地，图7示出了单个光学传感器18、用于将光发射导向光学传感器18的单个光波导20、以及集成的保护和检测电路54，其中，该集成的保护和检测电路54用于选择性地向嵌入金属层34施加电偏压(以对其提供阴极或阳极保护)，并且还用于基于由光学传感器18检测到的光发射(例如，光子)来传输信号。

在该示例中，嵌入金属层34是CMOS AVdd线的一功能部分，以及通过电路54，还电连接到光学传感器18。因此，嵌入金属层34参与检测/感测操作。在该示例中，嵌入金属层34也通过控制器104、104’连接到试剂电极52。因此，嵌入金属层34也参与阴极或阳极保护操作。在这个示例中，单个控制器104、104’可以执行保护功能和检测功能。

应当理解，传感器10(图6)的其他光学传感器18和相关联的部件可以以相同或相似的方式配置。然而，还应当理解，检测器件14可以被不完全相同或均匀地制造。相反，一个或更多个光学传感器18和/或相关联的部件可以不同地制造或者彼此之间具有不同的关系。

集成的保护和检测电路54可以包括可以传导电流的互连的导电元件(例如，导体、迹线、过孔、互连等)。电路54可以配置为选择性地施加电偏压，以及发送基于检测到的光子的数据信号。电路54还可以配置用于信号放大、数字化、存储和/或处理。电路54可以收集和分析检测到的光发射，以及产生用于将检测数据传送给生物测定系统100(图1)的数据信号。电路54还可以在检测器件14中执行附加的模拟和/或数字信号处理。

检测器件14可以利用集成电路的制造工艺，例如用于制造互补金属氧化物半导体(CMOS)的工艺，被制造。

检测器件14可以包括层56-66，其包括传感器基底/层56(例如，硅层或晶片)。传感器基底56可以包括光学传感器18。当检测器件14完全形成时，光学传感器18可以通过门、晶体管等电耦合到电路54。

如本文所使用，除非另有说明，术语“层”不限于材料的单个连续的主体。例如，传感器基底/层56可以包括不同材料的多个子层，和/或可以包括涂层、胶粘剂等。此外，一个或更多个层(或子层)可以被改变(例如，蚀刻、用材料沉积等)以提供本文所描述的特征。

器件层16还包括多个金属-电介质层58-66。这些层58-66中的每一层包括金属元素(例如M1-M5，其可以是，例如W(钨)、Cu(铜)、Al(铝)或任何其他合适的CMOS导电的材料)和介电材料D(例如二氧化硅)。可以使用各种金属元件M1-M5和介电材料D，例如那些适合于集成电路制造的金属元件和介电材料。

在图7所示的示例中，多个金属-电介质层58-66中的每一层包括金属元素M1、M2、M3、M4、M5和电介质材料D。在层58-66中的每一层中，金属元素M1、M2、M3、M4、M5互连并被嵌入电介质材料D中。在一些金属-电介质层58、60、62中还包括附加的金属元素M2’、M3’和M4’。这些金属元素M2’和M3’中的一些可以用于通过行和列选择器寻址各个像素。这些元件M2’和M3’处的电压可以变化，并根据传感器10读出的像素在约-1.4V和约4.4V之间切换。

图6和7中的金属元件M1、M2、M3、M4、M5和介电层D的配置是集成的保护和检测电路54的例证，以及应当理解，其他示例可以包括更少或附加的层，和/或可以具有金属元件M1-M5的不同配置。

在图7所示的示例中，检测器件14还包括与钝化层24的第二相对的表面28的至少一部分相接触的屏蔽层46。屏蔽层36具有至少部分地邻近光波导20的输入区域21的孔70。该孔70使得反应部位22(以及至少一些来自反应部位的光发射)能够光地连接到波导20。虽然示出了单个孔70，但应当理解，屏蔽层46可以具有至少部分地邻近检测器件14中每个光波导20的输入区域21的孔70。屏蔽层46可以在相邻孔70之间连续延伸。

如图7所示，屏蔽层46可以沿着嵌入金属层34的至少一部分被直接沉积。

屏蔽层46可以包括能够阻挡、反射和/或显著衰减通过流动通道32传播的光信号的任何材料。光信号可以是激发光36和/或来自反应部位22的光发射。作为示例，屏蔽层46可以是钨(W)。

现在参考图9，示出了传感器10’的一部分。在传感器10’的这个示例中，检测器件14’包括多个堆叠层16’。更具体地，图9示出了单个光学传感器18、用于将光发射导向光学传感器18的单个光波导20、以及分离的保护电路72和检测电路74。保护电路72选择性地施加电偏压，以对嵌入金属层34提供阴极或阳极保护。检测电路74基于由光学传感器18检测到的光发射(例如光子)发送信号。两组电路72、74由电绝缘间隙76隔开。更具体地，接收阴极或阳极保护的嵌入金属层34通过间隙76与检测器件电路74(其电连接到光学传感器18)隔开。该电绝缘间隙76使得电偏压的施加与感测/检测操作正交。

在该示例中，试剂电极52通过控制器104电连接到保护电路72，特别是嵌入金属层34。传感器10’的这个示例还包括第二控制器104’，其在CMOS电路的外部，并且电连接到检测电路74的输入部件。如图所示，第二控制器104’连接到CMOS传感器的输入电压，例如检测电路74的最顶层嵌入金属层。在所示的示例中，第二控制器104’连接到金属元件M3的顶部。在这个示例中，控制器104可以指导保护功能(即，选择性地施加偏压，使试剂电极52成为阳极，以及嵌入金属层34成为阴极)，以及控制器104’可以指导检测功能。

应当理解，传感器10′(图8)的其他光学传感器18和相关联的部件可以以相同或相似的方式配置。然而，还应该理解，检测器件14’可以被不完全相同或均匀地制造。相反，一个或更多个光学传感器18和/或相关联的部件可以不同地制造或者彼此之间具有不同的关系。

保护电路72和检测电路74中的每一个可以包括可以传导电流的互连的导电元件(例如，导体、迹线、过孔、互连等)。保护电路74可以配置为选择性地施加电偏压以向嵌入金属层34提供阴极或阳极保护，以及检测电路可以配置为传输基于检测到的光子的数据信号。电路74还可以配置用于信号放大、数字化、存储和/或处理。电路74可以收集和分析检测到的光发射，以及产生用于将检测数据传送给生物测定系统100(图1)的数据信号。电路74还可以在检测器件14中执行附加的模拟和/或数字信号处理。

检测器件14’可以利用集成电路的制造工艺，例如用于制造互补金属氧化物半导体(CMOS)的工艺，被制造。

像检测器件14一样，检测器件14’也可以包括几个金属介电层，该几个金属介电层包括M1-M5(例如W(钨)、Cu(铜)或Al(铝))和介电材料D(例如二氧化硅SiO₂)。

在图9所示的示例中，检测电路74的金属元件M1、M2、M3互连并嵌入电介质材料D内，以及保护电路72的金属元件M4、M5互连并嵌入电介质材料D内。电绝缘间隙76填充有电介质材料D。在检测电路74的一些金属-电介质层中，还包括附加的金属元件M2’、M3’和M4’。

图8和图9中的金属元件M1-M5和介电层D的配置是分离的保护电路72和检测电路74的例证，以及应当理解，其他示例可以包括更少或附加的层，和/或可以具有金属元件M1-M5的不同配置。

应当理解，检测器件14、14’可以包括电气部件之间的附加电绝缘间隙。例如，电介质材料D可以分离器件14、14’的不同电压层。

尽管未示出，保护电路54、72可以是三电极系统，包括试剂电极52、嵌入金属层34和参考电极(类似于试剂电极52的制造)。参考电极可以连接到控制器104、104’，以及将用于感测电偏压。随着参考电极的添加，电偏压的感测和应用可能更加精确。

同样尽管未示出，保护模块134(在一些示例中，恒电势器)可以集成到CMOS电路中。在这些示例中，控制器104、104’可以连接到电路的适当内部电压设置或输入。

现在参考图12，示出了用于被动保护的示例传感器10”的一部分。除了不包括试剂电极52之外，图12所示的传感器10”类似于图8所示并参考图8和9描述的传感器10’。在该示例中，保护电路72将嵌入金属层34接地，以及检测电路74基于由光学传感器18检测到的光发射(例如光子)传输信号。两组电路72、74由电绝缘间隙76隔开。更具体地，接地的嵌入金属层34(以及因此接收被动保护)通过间隙76与另一器件电路74(其电连接到光学传感器18)间隔开。该电绝缘间隙76使得嵌入金属层34的接地与感测/检测操作正交。

在一个示例中，传感器10”包括流动池12、与钝化层24的相对的表面中的第二表面28相接触的检测器件14’、以及用于将嵌入金属层34接地的控制器104，其中，该流动池12包括：钝化层24和盖子30，钝化层24具有相对的表面26、28和在相对的表面中的第一表面26处的反应部位22；以及盖子30可操作地连接到钝化层24，以部分地限定盖子30和反应部位22之间的流动通道43；检测器件14’包括与检测器件14’的其他检测电路74电绝缘的嵌入金属层34。在一些示例中，传感器10”还包括电连接到检测器件14’的其他检测电路74的光学传感器18，以响应于由光学传感器18检测到的光子而传输数据信号；以及嵌入金属层34和其他检测电路74之间的电绝缘间隙76。该示例还可以包括将光学传感器18电连接到其他检测电路74的第二控制器104’。

在另一示例中，传感器10”包括检测器件14’、与第一嵌入金属层34和光波导20的输入区域21相接触的钝化层24的至少一部分，该钝化层24的至少一部分具有至少部分地邻近光波导20的输入区域21的反应部位22；盖子30，其可操作地连接到钝化层24，以部分地限定盖子30和反应部位32之间的流动通道32；第一控制器104，其电连接到第一嵌入金属层34，以选择性地将第一嵌入金属层34接地；以及第二控制器104’，其将第二嵌入金属层电连接到光学传感器18，以响应于由光学传感器18检测到的光子而传输数据信号，其中，检测器件14’包括光波导20，可操作地与光波导20相关联的光学传感器18，以及器件电路16，该器件电路包括第第一嵌入金属层34；电连接到光学传感器18的第二嵌入金属层(检测电路74的一部分)，其中，第一嵌入金属层34通过电绝缘间隙76与第二嵌入金属层间隔开。

如上所述，在传感器10、10’的示例中，可以使用试剂电极52的各种配置。图6-9中示出了一个示例，其中试剂电极52连接到盖子30的内表面40的至少一部分。电极52可以通过胶粘剂连接。也可以使用用于联结、紧固或连接试剂电极52的其他机构。

试剂电极52的其他构造在图10A至10H中示出和描述。贯穿本说明书，应当理解，可以使用集成的保护和检测电路54(以及由此的检测器件14)或者分离的保护电路72和检测电路74(以及由此的检测器件14′)，而如此各种金属元件M和电介质材料D未示出。

在图10A中，试剂电极52包括连接到盖子30的内表面40的一部分的层，并且该层还设置在限定在盖子30中的流体端口(即，入口48或出口50)的至少一部分上。在该示例中，试剂电极52可以通过导电部件78(例如，导电胶粘剂、导电迹线、导电连接器等，和/或其结合)电连接到控制器104、104’或集成的保护和检测电路54或保护电路72的其他电气部件。导电迹线、连接器等，可以是金属或导电的聚合物。在该示例中，导电部件78延伸穿过钝化层24中的孔，并电连接到其他的导电部件，例如金属导体或连接器80。

在图10B中，试剂电极52包括连接到盖子30的外表面44的一部分的层，并且该层还设置在限定在盖子30中的流体端口(即，入口48或出口50)的至少一部分上。在该示例中，试剂电极52可以通过一个或更多个导电部件(未示出)电连接到控制器104、104’。

在图10C中，试剂电极52包括连接到盖子30的内表面40的一部分的层，并且该层形成流动通道32的侧壁38。这样，电极52总是侧壁38中的一个侧壁。在该示例中，试剂电极52的侧壁38部分可以通过连接到盖子30的内表面40的部分的试剂电极52的另一部分电连接到控制器104、104’，也可以通过导电部件78(通过钝化层24中的孔定位)电连接到控制器104、104’。在图10C所示的示例中，导电部件78电连接到金属导体或连接器80。

在图10D中，盖子30包括限定流动通道32的侧壁38的特征82。特征82与盖子30一体形成，以及特征82是从盖子30的至少基本上平坦的部分延伸的突起。在该示例中，试剂电极52包括设置在特征82上的层。试剂电极52共形地包裹特征82。试剂电极52层也可以连接到盖子30的内表面40的一部分。在该示例中，试剂电极52层可以通过导电部件78电连接到控制器104、104’或集成的保护和检测电路54或保护电路72的其他电气部件。在该示例中，导电部件78延伸穿过钝化层24中的孔，并电连接到金属导体或连接器80。

图10E类似于图6-9所示的示例，其中试剂电极52连接到盖子30的内表面40的一部分。在该示例中，试剂电极52层可以通过导电部件78电连接到控制器104、104’或集成的保护和检测电路54或保护电路72的其他电气部件。在该示例中，导电部件78延伸穿过钝化层24中的孔，并电连接到金属导体或连接器80。

图10F类似于图10C，其中试剂电极52包括连接到盖子30的内表面40的一部分的层，并且该层形成流动通道32的侧壁38。然而，在该示例中，试剂电极52的侧壁38部分延伸穿过钝化层24中的孔，并且因此电连接和直接机械地连接到金属导体或连接器80，其中金属导体或连接器80电连接到控制器104、104’。

在图10G中，钝化层24具有限定在其上或嵌入其中的试剂电极52。在所示的示例中，试剂电极52嵌入钝化层24中。钝化层24包括限定在其中的孔(例如，焊盘开口)(穿过其整个厚度)，以及试剂电极52限定嵌套在钝化层孔中的阱84。在该示例中，试剂电极52延伸穿过钝化层24中的孔，并直接电连接到金属导体或连接器80。

与图10G类似，图10H所示的示例包括穿过钝化层24限定的孔(例如，焊盘开口)。然而，在该示例中，试剂电极52通过孔暴露。在该示例中，试剂电极52位于钝化层24下方，并直接电连接到金属导体或连接器80。该孔是焊盘开口，并且尽管未示出，试剂电极52与嵌入金属层34共面。

在本文公开的方法的示例中，可以使用传感器10、10’的任何示例。方法400的示例在图11中示出。如图11的附图标记402所示，方法400包括：将试剂引入传感器的流动通道，其中，该传感器包括：流动池、与钝化层的相对的表面中的第二表面相接触的检测器件、以及试剂电极，该流动池包括：钝化层以及盖子，钝化层具有相对的表面和在相对的表面中的第一表面处的反应部位；盖子可操作地连接到钝化层，以部分地限定盖子和反应部位之间的流动通道，检测器件包括嵌入金属层；试剂电极电连接到嵌入金属层，并被定位为与引入到流动通道中的试剂相接触。如附图标记404所示，方法400还包括：响应于反应部位处涉及试剂的至少某反应组分的反应，执行传感器的感测操作。如附图标记406所示，方法400还包括：在感测操作期间施加电偏压，电偏压使试剂电极成为阳极或阴极中的一个，使嵌入金属层成为阴极或阳极中的另一个，从而为嵌入金属层提供阴极保护或阳极保护。

试剂被引入传感器10、10’(图11的附图标记402)的流动通道32中。试剂可以是水性的(即，包括水)，以及可以包括盐、金属、DNA引物、缓冲液、活性成分等。在一个示例中，具有范围为约6.5至约10的pH，以及范围为约45mS/cm至约85mS/cm的电导率。

试剂可以被引导沿着反应部位22流动，其中，在至少试剂的一种成分和反应部位22的一种成分之间发生反应。例如，至少一种试剂可以包括具有相同或不同荧光标记的四种类型的核苷酸，其中，核苷酸与位于反应部位22的相应的寡核苷酸结合。

该方法包括：响应于反应部位22处的涉及试剂的至少某反应组分的反应，执行传感器10、10’的感测操作(图11的附图标记404)。作为示例，感测操作可以包括使用激发光源(例如，固态光源，诸如发光二极管或LED)照明反应部位22。激发的荧光标签提供可由光学传感器18检测的发射信号。

该方法还包括：施加(在感测操作期间)电偏压，电偏压使试剂电极52成为阳极，以及使嵌入金属层34成为阴极，从而为嵌入金属层34(图11的附图标记406)提供阴极或阳极保护。偏压的施加可以使用如前所述的集成的保护和检测电路54或分离的保护电路74来实现。

可以根据任何合适的方法来设置偏压，该方法将实现期望的阳极或阴极保护。在一个示例中，最大偏压低于最敏感试剂的最低氧化电位。例如，最大偏压可以限制在水的氧化电位，以减缓气泡的形成。最大偏压可以根据试剂和传感器10、10’的公差而变化。

因为所使用的试剂是已知的和受控的，偏压的关系可以通过实验确定，然后通过生物测定系统100在流体控制器和电偏压控制器(例如，保护模块134)之间同步。

可以基于试剂的pH值调节电偏压。例如，可以使用相关金属的分析Porbaix图(电位/pH图)。偏压将使用预先计算的Pourbaix图以将用于测得的pH值的电位保持在图的稳定或受保护的相位。

该方法的另一个示例涉及提供半被动腐蚀保护。传感器10、10’的任何示例都可以用在这种半被动腐蚀保护方法中。在该示例中，该方法包括：将试剂引入传感器10、10’的流动通道32，该传感器10、10’包括：流动池12、与钝化层24的相对的表面中的第二表面28相接触的检测器件14、14’、以及试剂电极52，该流动池12包括：钝化层24以及盖子30，钝化层24具有相对的表面26、28和在相对的表面中的第一表面26处的反应部位22；以及盖子30可操作地连接到钝化层24，以部分地限定盖子30和反应部位22之间的流动通道32，检测器件14、14’包括嵌入金属层34；试剂电极52电连接到嵌入金属层34，并被定位为与引入到流动通道32的试剂相接触。该半被动腐蚀保护方法还可以包括：响应于反应部位22处的涉及试剂的至少某反应组分的反应，执行传感器10、10’的感测操作。这种半被动腐蚀保护还包括：在感测操作期间，施加电偏压，使得试剂电极52和嵌入金属层34处于半被动状态，从而为嵌入金属层34提供半被动保护。在一个示例中，实现半被动保护的电偏压约为300μV。

该方法的另一个示例还涉及提供被动腐蚀保护。传感器10”的任何示例可用于该示例的方法中。在该示例中，该方法包括：将试剂引入传感器10”的流动通道32，该传感器10”包括：流动池12和与钝化层24的相对的表面中的第二表面28相接触的检测器件14’，该流动池12包括：钝化层24以及盖子30，其中，钝化层24具有相对的表面26、28和在相对的表面中的第一表面26处的反应部位22；以及盖子30可操作地连接到钝化层24，以部分地限定盖子30和反应部位22之间的流动通道32，其中，检测器件14’包括与检测器件的其他检测电路74电绝缘的嵌入金属层34。该方法还包括：响应于反应部位22处的涉及试剂的至少某反应组分的反应，执行传感器10”的感测操作。该方法还包括：在感测操作期间，将嵌入金属层34接地，从而为嵌入金属层34提供被动保护。该方法的这个示例可以使用或可以不使用本文所述的试剂电极52，以及因此试剂(在没有试剂电极的示例中)没有明确的参考电压。

如上所述，本文公开的方法的示例可以将CMOS层的腐蚀速率降低至少几个数量级。该方法还可以减少深度腐蚀缺陷(即，由于通过物理裂纹暴露的试剂而被蚀刻的CMOS的下部金属层(例如，2M、3M))的发生。在一些情况下，该方法消除了深度腐蚀缺陷(即，当施加保护偏压时，没有深度腐蚀缺陷的情况)。在其他情况下，该方法将深度腐蚀缺陷的百分比从例如80％以上(没有施加保护偏压)降低到0％至10％(当施加保护偏压时)。该方法还可以降低腐蚀损坏率。当从图像传感器输出的图像中观察到签名特征时，可以检测到腐蚀损伤，其中签名特征先前已经与腐蚀缺陷相关联。在一些情况下，被动保护方法将腐蚀损坏率从超过70％(没有应用被动保护的情况下)降低到约15％到约20％(应用被动保护的情况下)。在其他情况下，阴极或阳极保护方法将腐蚀损坏率从超过70％(没有施加阴极或阳极保护的情况下)降低到约5％至约15％(施加阴极或阳极保护的情况下)。

为了进一步说明本公开，本文给出了示例。应当理解，提供这些实施例是出于说明的目的，而不应被解释为限制本公开的范围。

示例

示例1

这个示例利用石英晶体微天平(QCM)装置来说明在小容量流动池中的被动保护和阴极保护的效果。钨(W)和铝(Al)的样本分别沉积在QCM表面上，以模拟CMOS内部的敏感金属(即，顶部嵌入金属层的示例)。各个层的厚度被很好地控制，并且从100nm到400nm间变化。QCM然后被封闭在具有铂电极(即，试剂电极)的电化学电池中。该试剂是pH大于8.5的DNA测序试剂。

在基线示例中，2电极系统中的每个电极设置为接地。在示例1中，铂电极和QCM电极之间的偏压设置得如此低(300μV)，以至于电极被认为处于半被动状态。在示例2和比较的示例3-6中，在铂电极和QCM电极之间设置了不同电压水平的偏压，该电压水平模拟在测序操作期间可以施加的电压。对于每个示例，电压方案是不同的，并且被施加一(1)个周期。电压方案如表1所示。

表1

在施加各种电压方案之前，测量用于基线、每个示例和每个比较示例的钨(W)和铝(Al)层的厚度。施加电压方案后，通过再次测量钨(W)和铝(Al)层的厚度，直接测量腐蚀速率。结果在图13中显示为一个周期后各层的厚度的损失(以nm为单位)。基线示例、示例1和示例2中的每个与比较的示例中的每一个相比都具有下降的腐蚀速率。当施加被动保护时(示例1)，与连续施加操作偏压时的典型腐蚀速率相比，测序试剂中CMOS层的腐蚀速率降低了约600x(倍)(将示例1与比较的示例4进行比较)。当施加阴极保护偏压时，测序试剂中CMOS层的腐蚀速率比典型腐蚀速率降低了约6,700x(倍)(将示例2与比较的示例4进行比较)。

示例2

在该示例中使用了示例传感器和比较的示例传感器。示例传感器和比较的示例传感器都包括具有沉积在CMOS的顶表面上的化学钝化层的CMOS作为检测器件(例如，类似于图6中所示的检测器件14)。示例传感器包括附着于钝化层的玻璃盖子，以及附着于玻璃盖子内表面的试剂电极。试剂电极还利用外部的恒电势器控制器电连接到CMOS的顶部金属层。比较的示例传感器包括附着到钝化层上的玻璃盖子，但是不包括试剂电极。

在与测试仪器接口的测试包中对示例传感器和比较的示例传感器进行测试。示例传感器和比较的示例传感器都具有以35mN的受控力纳米压痕的钝化层表面，使得在化学钝化层中存在已知的物理裂纹。在化学测试之后，示例传感器和比较的示例传感器都预期在传感器输出中展示深度腐蚀缺陷。

对示例和比较的示例传感器的测试都涉及对DNA测序试剂的暴露。试剂具有在8到10范围的高pH。传感器的温度被提高到80℃，以加速CMOS部件上的腐蚀，并且CMOS部件在整个30分钟的测试中一直处于工作(ON)状态(即，CMOS内部的所有电压都处于激活状态，并用于获取和传输数据)。在30分钟的测试中，每个示例传感器也在a)试剂电极和CMOS之间没有施加偏压和b)试剂电极和CMOS之间施加300mV-400mV保护偏压的情况下进行测试。表2示出了腐蚀缺陷的百分比(即(#展示的深度腐蚀缺陷的传感器/#测试的传感器总数)*100)的结果。当CMOS的下部金属层(例如2M、3M)由于通过物理裂纹暴露试剂而被蚀刻时，深度腐蚀缺陷被观察到。

表2

即使在物理裂纹的情况下，施加了保护偏压的示例传感器也没有展示出深度腐蚀缺陷。这些结果表明，本文描述的阴极保护在功能操作和暴露于腐蚀性试剂期间对CMOS(即，检测器件)进行了保护。

示例3

在这个示例中使用了两种类型的示例传感器和一种类型的比较的示例传感器。

比较的示例传感器(A)包括具有沉积在CMOS的顶面上的化学钝化层和附着在钝化层上的玻璃盖子的标准CMOS作为检测器件。比较的例传感器(A)不包括试剂电极。

第一示例传感器(B)包括具有电绝缘可变电极或顶部嵌入金属层(即，类似于图8所示的检测器件14’)的改进CMOS。第一示例传感器(B)还包括沉积在改进CMOS顶面上的化学钝化层和附着到钝化层的玻璃盖子。第一示例传感器(B)不包括试剂电极。

与第一示例传感器(B)类似，第二示例传感器(C)也包括具有电绝缘可变电极或顶部嵌入金属层的改进CMOS。第二示例传感器(C)包括附着于钝化层的玻璃盖子和附着于玻璃盖子内表面的试剂电极。试剂电极还利用外部恒电势器控制器电连接到改进CMOS的顶部金属层。

对第一和第二示例传感器(B)(C)和比较的示例传感器(A)的测试涉及在测序仪器的组装流道中对DNA测序试剂的暴露。当各个传感器(A)、(B)、(C)在功能上进行获取数据时，测序仪将DNA测序试剂泵入流动通道。因此，各个传感器(A)、(B)、(C)的CMOS部分在整个30分钟测试期间都处于激活地工作(ON)状态(即，CMOS内部的所有电压都处于激活状态，用于获取和传输数据)。此外，第一示例传感器(B)的可变电极设置为接地(GND)以提供被动保护；以及第二示例传感器(C)的可变电极设置为接地(GND)，而试剂电极设置为800mV以提供阴极保护。

表3和图14示出了腐蚀损坏率的结果(即，(#展示的腐蚀损坏的传感器/#测试的传感器总数)*100)。当从图像传感器输出的图像中观察到签名特征时，腐蚀损坏被观察到。签名特征先前是已知的，并且表征了与腐蚀缺陷直接相关的图像传感器特征。

表3

与比较的示例传感器相比，第一示例传感器(B)(暴露于被动保护)和第二示例传感器(C)(暴露于阴极保护)展示出显著改进的腐蚀损坏率。这些结果表明，本文描述的被动保护和阴极保护技术都在功能操作期间对CMOS(即，检测器件)进行了保护。

应该认识到，前述概念的所有结合(假设这些概念不相互矛盾)被认为是本文公开的发明主题的一部分。特别地，出现在本公开结尾处的要求保护的主题的所有结合被认为是本文公开的发明主题的一部分。

在整个说明书中，对“一个示例”、“另一个示例”、“一示例”等的引用意味着结合该示例描述的特定元素(例如，特征、结构和/或特性)被包括在本文描述的至少一个示例中，并且可以存在于或不存在于其他示例中。此外，应该理解的是，除非上下文清楚地另有指示，否则用于任何示例的所描述的元素可以以任何合适的方式结合在各种示例中。

应当理解，本文提供的范围包括所陈述的范围和所陈述的范围内的任何值或子范围，如同所陈述范围内的值或子范围被明确列举一样。例如，从大约50μm到大约400μm的范围应该被解释为不仅包括从大约50μm到大约400μm的明确列举的限制，还包括单个的值，例如大约58μm、大约125μm、大约285μm、大约375.5μm等，以及子范围，例如从大约150μm到大约350μm，从大约55μm到大约280μm，等等。此外，当使用“大约”和/或“基本上”来描述一个值时，它们意味着包含相对于所述值的微小变化(高达+/-10％)的值。

虽然已详细描述了几个示例，但应该理解，所公开的示例可以被改变。因此，上述描述应被视为非限制性的。

Claims (35)

1.一种传感器，包括：

流动池，包括：

钝化层，所述钝化层具有相对的表面和在所述相对的表面中的第一表面处的反应部位；和

盖子，所述盖子可操作地连接到所述钝化层，以部分地限定所述盖子和所述反应部位之间的流动通道；

检测器件，所述检测器件与所述钝化层的所述相对的表面中的第二表面相接触，所述检测器件包括与所述检测器件的其他检测电路电隔离的嵌入金属层；以及

控制器，所述控制器用于将所述嵌入金属层接地。

2.如权利要求1所述的传感器，其中，所述检测器件还包括：

光学传感器，所述光学传感器电连接到所述检测器件的所述其他检测电路，以响应于由所述光学传感器检测到的光子而传输数据信号；以及

电绝缘间隙，所述电绝缘间隙位于所述嵌入金属层和所述其他检测电路之间。

3.如权利要求2所述的传感器，还包括将所述光学传感器电连接到所述其他检测电路的第二控制器。

4.如权利要求1所述的传感器，还包括被引入所述流动通道的试剂，所述试剂具有范围为约6.5至约10的pH，以及具有范围为约45mS/cm至约85mS/cm的电导率。

5.一种传感器，包括：

检测器件，包括：

光波导；

光学传感器，所述光学传感器可操作地与所述光波导相关联；和

器件电路，包括：

第一嵌入金属层；和

第二嵌入金属层，所述第二嵌入金属层电连接到所述光学传感器；

其中，所述第一嵌入金属层与所述第二嵌入金属层被电绝缘间隙间隔开；

钝化层的至少一部分，与所述第一嵌入金属层和所述光波导的输入区域相接触，所述钝化层的所述至少一部分具有至少部分地邻近所述光波导的输入区域的反应部位；

盖子，所述盖子可操作地连接到所述钝化层，以部分地限定所述盖子和所述反应部位之间的流动通道；

第一控制器，所述第一控制器电连接到所述第一嵌入金属层以选择性地将所述第一嵌入金属层接地；和

第二控制器，所述第二控制器将所述第二嵌入金属层电连接到所述光学传感器，以响应于由所述光学传感器检测到的光子而传输数据信号。

6.一种方法，包括：

将试剂引入传感器的流动通道，所述传感器包括：

流动池，包括：

钝化层，所述钝化层具有相对的表面和在所述相对的表面中的第一表面处的反应部位；和

盖子，所述盖子可操作地连接到所述钝化层，以部分地限定所述盖子和所述反应部位之间的所述流动通道；

检测器件，所述检测器件与所述钝化层的所述相对的表面中的第二表面相接触，所述检测器件包括与所述检测器件的其他检测电路电隔离的嵌入金属层；

响应于所述反应部位处的涉及所述试剂的至少某反应组分的反应，执行所述传感器的感测操作；以及

在所述感测操作期间，将所述嵌入金属层接地，从而为所述嵌入金属层提供被动保护。

7.根据权利要求6所述的方法，其中：

所述检测器件还包括电连接到所述其他器件电路的光学传感器；

所述嵌入金属层与电连接到所述光学传感器的所述其他器件电路被电绝缘间隙隔开；和

所述嵌入金属层的接地与所述感测操作正交。

8.一种传感器，包括：

流动池，包括：

钝化层，所述钝化层具有相对的表面和在所述相对的表面中的第一表面处的反应部位；和

盖子，所述盖子可操作地连接到所述钝化层，以部分地限定所述盖子和所述反应部位之间的流动通道；

检测器件，所述检测器件与所述钝化层的所述相对的表面中的第二表面相接触，所述检测器件包括嵌入金属层；

试剂电极，所述试剂电极被定位为与待引入所述流动通道中的试剂相接触；和

控制器，所述控制器电连接所述试剂电极和所述嵌入金属层，以选择性地施加电偏压，所述电偏压致使所述试剂电极成为阳极或阴极中的一个，以及致使所述嵌入金属层成为所述阴极或所述阳极中的另一个。

9.如权利要求8所述的传感器，其中所述试剂电极连接到所述盖子的内表面的至少一部分。

10.如权利要求8所述的传感器，其中所述试剂电极：

连接到所述盖子的内表面的一部分；以及

形成所述流动通道的侧壁。

11.如权利要求10所述的传感器，其中所述侧壁电连接并直接机械地连接到金属导体或连接器，以及其中所述金属导体或连接器电连接到所述控制器。

12.如权利要求10所述的传感器，其中，所述侧壁通过连接到所述盖子的所述内表面的所述部分的所述试剂电极的一部分和通过导电部件电连接到所述控制器。

13.如权利要求8所述的传感器，其中：

所述盖子包括限定所述流动通道的侧壁的特征；以及

所述试剂电极包括设置在所述特征上的层。

14.如权利要求8所述的传感器，其中所述试剂电极包括层：

所述层连接到所述盖子的内表面的一部分；并且

设置在限定在所述盖子中的流体端口的至少一部分上。

15.如权利要求8所述的传感器，其中所述试剂电极包括层：

所述层连接到所述盖子的外表面的一部分；并且

设置在限定在所述盖子中的流体端口的至少一部分上。

16.如权利要求8所述的传感器，其中所述钝化层的一部分具有限定在所述钝化层上或嵌入所述钝化层中的所述试剂电极。

17.如权利要求8所述的传感器，其中所述钝化层的一部分具有限定在其中的孔，以及其中所述试剂电极通过所述孔暴露。

18.如权利要求8所述的传感器，其中，所述检测器件还包括：

光学传感器；

器件电路，所述器件电路电连接到所述光学传感器，以响应于由所述光学传感器检测到的光子而传输数据信号；以及

电绝缘间隙，所述电绝缘间隙位于所述器件电路和所述嵌入金属层之间。

19.如权利要求8所述的传感器，其中，所述检测器件还包括：

光学传感器；以及

器件电路，所述器件电路电连接到所述光学传感器和所述嵌入金属层。

20.如权利要求8所述的传感器，其中，所述检测器件还包括：

光波导，所述光波导将所述反应部位光学连接到光学传感器；和

屏蔽层，所述屏蔽层与所述钝化层的第二相对的表面的至少一部分相接触，以及具有至少部分地邻近所述光波导的输入区域的孔。

21.如权利要求8所述的传感器，还包括被引入所述流动通道的所述试剂，所述试剂具有范围为约6.5至约10的pH，以及具有范围为约45mS/cm至约85mS/cm的电导率。

22.一种传感器，包括：

检测器件，包括：

光波导；

光学传感器，所述光学传感器可操作地与所述光波导相关联；和

器件电路，包括：

试剂电极；

电连接到所述试剂电极的第一嵌入金属层；和

电连接到所述光学传感器的第二嵌入金属层；

其中，所述第一嵌入金属层与所述第二嵌入金属层被电绝缘间隙间隔开；

钝化层的至少一部分，与所述第一嵌入金属层和所述光波导的输入区域相接触，所述钝化层的所述至少一部分具有至少部分地邻近所述光波导的输入区域的反应部位；以及

盖子，所述盖子可操作地连接到所述钝化层，以部分地限定所述盖子和所述反应部位之间的流动通道；

其中，所述试剂电极被定位为与待引入所述流动通道中的试剂相接触。

23.如权利要求22所述的传感器，还包括：

第一控制器，所述第一控制器电连接所述试剂电极和所述第一嵌入金属层，以选择性地施加电偏压，所述电偏压致使所述试剂电极成为阳极，以及致使所述第一嵌入金属层成为阴极；和

第二控制器，所述第二控制器将所述第二嵌入金属层电连接到所述光学传感器，以响应于由所述光学传感器检测到的光子而传输数据信号。

24.如权利要求23所述的传感器，其中所述试剂电极：

连接到所述盖子的内表面的一部分；以及

形成所述流动通道的侧壁。

25.如权利要求24所述的传感器，其中，所述侧壁是下列之一：

电连接到并直接机械地连接到金属导体或连接器，以及其中所述金属导体或连接器电连接到所述第一控制器；或者

通过连接到所述盖子的所述内表面的所述部分的所述试剂电极的一部分和通过导电部件电连接到所述第一控制器。

26.如权利要求22所述的传感器，其中所述试剂电极连接到所述盖子的内表面的至少一部分。

27.如权利要求22所述的传感器，其中：

所述盖子包括限定所述流动通道的侧壁的特征；以及

所述试剂电极包括设置在所述特征上的层。

28.如权利要求22所述的传感器，其中所述试剂电极包括层：

所述层连接到所述盖子的内表面的一部分；以及

所述层设置在限定在所述盖子中的流体端口的至少一部分上。

29.如权利要求22所述的传感器，其中所述试剂电极包括层：

所述层连接到所述盖子的外表面的一部分；以及

所述层设置在限定在所述盖子中的流体端口的至少一部分上。

30.如权利要求22所述的传感器，其中所述钝化层的另一部分具有限定在钝化层孔上或嵌入在所述钝化层孔中的所述试剂电极。

31.如权利要求22所述的传感器，其中所述钝化层的另一部分具有限定在其中的孔，以及其中所述试剂电极通过所述孔暴露。

32.一种方法，包括：

将试剂引入传感器的流动通道，所述传感器包括：

流动池，包括：

钝化层，所述钝化层具有相对的表面和在所述相对的表面中的第一表面处的反应部位；和

盖子，其可操作地连接到所述钝化层，以部分地限定所述盖子和所述反应部位之间的流动通道；

与所述钝化层的所述相对的表面中的第二表面相接触的检测器件，该检测器件包括嵌入金属层；以及

试剂电极，所述试剂电极电连接到所述嵌入金属层，并定位为与引入到所述流动通道中的试剂相接触；

响应于所述反应部位处的涉及所述试剂的至少某反应组分的反应，执行所述传感器的感测操作；以及

在所述感测操作期间，施加电偏压，所述电偏压致使所述试剂电极成为阳极或阴极中的一个，以及致使所述嵌入金属层成为所述阴极或所述阳极中的另一个，从而为所述嵌入金属层提供阴极保护或阳极保护。

33.根据权利要求32所述的方法，其中：

所述检测器件还包括光学传感器和电连接到所述光学传感器的器件电路；

所述嵌入金属层电连接到所述器件电路；

所述嵌入金属层可用于执行所述感测操作；以及

所述电偏压被施加到所述嵌入金属层。

34.根据权利要求32所述的方法，其中：

所述检测器件还包括光学传感器和电连接到所述光学传感器的器件电路；

所述嵌入金属层与电连接到所述光学传感器的所述器件电路被电绝缘间隙隔开；和

所述电偏压的施加与所述感测操作正交。

35.如权利要求32所述的方法，还包括：基于引入到所述传感器的所述流动通道的所述试剂的pH来调节所述电偏压。