CN109477833A - 生物传感装置及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种生物传感装置，其包括单元体，所述单元体具备：源极以及漏极，彼此隔开配置；敏感膜，其构成源极与漏极之间的通道；栅极，其与敏感膜隔开配置；以及坝状结构体，围绕敏感膜边缘的至少一部分，由绝缘体构成，所述坝状结构体收纳前体溶液，所述前体溶液为所述敏感膜被固化之前的物质。

Description

生物传感装置及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种生物传感装置及其制造方法，更加详细而言，涉及一种具有电极结构的生物传感装置及其制造方法。
背景技术
疾病诊断中采用的检查方法主要基于由酶反应引发的显色、荧光等，但最近也采用利用免疫检查的方法，该免疫检查利用抗原与抗体之间的免疫反应。现有的免疫分析法中采用最多的是将酶的催化反应与光学标记结合的光学测定方法。这些方法的主要缺点在于，主要在实验室由熟练的研究员进行的复杂的步骤，且分析用的装置为高价的大型装置，需要较长的分析时间。
发明内容
所要解决的技术问题
本发明旨在解决包含如上所述的问题在内的诸多问题，其目的在于，提供一种能够使敏感膜的性能最大化，缩短分析时间，并且成本相对低廉的生物传感装置及其制造方法。然而这种技术问题是例示性的，本发明的范围并不限定于此。
解决技术问题的方案
为了解决上述技术问题，本发明的一实施方式提供一种生物传感装置。所述生物传感装置包括单元体，所述单元体具备：源极以及漏极，彼此隔开配置；敏感膜，其形成源极与漏极之间的通道；栅极，其与敏感膜隔开配置；以及坝状结构体，围绕敏感膜边缘的至少一部分，由绝缘体构成，所述坝状结构体可以收纳前体溶液，所述前体溶液为所述敏感膜被固化之前的物质。
在所述生物传感装置中，所述敏感膜可以包括碳纳米管、石墨烯、二硫化钼或者磷烯。
所述生物传感装置中，作为所述坝状结构体的至少一部分，所述坝状结构体中与从源极朝向漏极的方向垂直的部分，仅配置在源极以及漏极的上方而不超出源极以及漏极。
所述生物传感装置中，与从源极朝向漏极的方向垂直的方向上的所述坝状结构体的宽度可以小于源极的宽度或漏极的宽度。
所述生物传感装置中，作为所述坝状结构体的至少一部分，所述坝状结构体中与从源极朝向漏极的方向平行的部分的一端配置在源极上，另一端配置在漏极上。
所述生物传感装置中，与从源极朝向漏极的方向平行的方向上的所述坝状结构体的长度可以大于源极和漏极之间的隔开距离。
所述生物传感装置中，所述敏感膜在相对临近所述坝状结构体的区域中的固化密度可以大于相对远离所述坝状结构体的区域中的固化密度。
所述生物传感装置中，所述单元体可以进一步具备附着在敏感膜上并且能够与目标物质结合的受体。
所述生物传感装置中，所述敏感膜可以由电阻根据受体以及与其结合的目标物质变化的物质构成。
所述生物传感装置中，所述受体可以通过官能团被附着在所述敏感膜上，所述受体是选自酶底物、配体、氨基酸、肽、适体、蛋白质、核酸、脂质以及碳水化合物中的一种以上。
所述生物传感装置中，所述官能团可以是选自胺基、羧基以及巯基中的至少一种。
所述生物传感装置中，所述目标物质可以是选自蛋白质、肽、适体、核酸、低聚糖、氨基酸、碳水化合物、溶解气体、氧化硫气体、氧化氮气体、残留农药、重金属以及环境有害物质中的至少一种。
为了解决上述技术问题，本发明的另一实施方式提供一种生物传感装置的制造方法。所述生物传感装置的制造方法包括：第一步骤，准备具有相互隔开配置的源极以及漏极的结构体；第二步骤，形成坝状结构体，所述坝状结构体由绝缘体形成，配置成至少横跨源极和漏极之间的隔开区域并分别与源极和漏极相接；以及第三步骤，在包括源极和漏极之间的隔开区域的至少一部分的坝状结构体内侧涂覆前体溶液后进行固化，从而在所述坝状结构体的内侧形成作为源极和漏极之间的通道的敏感膜。
所述生物传感装置的制造方法中，所述敏感膜可以包括碳纳米管、石墨烯、二硫化钼或者磷烯。
所述生物传感装置的制造方法的第二步骤中，作为所述坝状结构体的至少一部分，所述坝状结构体中与从源极朝向漏极的方向垂直的部分，仅配置在源极以及漏极的上方而不超出源极以及漏极。
所述生物传感装置的制造方法的第二步骤中，与从源极朝向漏极的方向垂直的方向上的所述坝状结构体的宽度可以小于源极的宽度或漏极的宽度。
所述生物传感装置的制造方法的第二步骤中，作为所述坝状结构体的至少一部分，所述坝状结构体中与从源极朝向漏极的方向平行的部分的一端配置在源极上，另一端配置在漏极上。
所述生物传感装置的制造方法的第二步骤中，与从源极朝向漏极的方向平行的方向上的所述坝状结构体的长度大于源极和漏极之间的隔开距离。
有益效果
根据如上构成的本发明的部分实施例，可提供一种能够使敏感膜的性能最大化，缩短分析时间且成本相对低廉的生物传感装置及其制造方法。当然，本发明的范围并不限定于这种效果。
附图说明
图1是本发明一实施例涉及的生物传感装置和构成该装置的单元体的示意图。
图2是构成本发明一实施例涉及的生物传感装置的单元体的剖面示意图。
图3以及图4是按顺序示出本发明的一实施例涉及的生物传感装置的制造方法的图。
图5以及图6是按顺序示出本发明的比较例涉及的生物传感装置的制造方法的图。
图7是示出前体溶液固化而形成为敏感膜的一般过程的图。
图8是本发明的变形的一实施例涉及的生物传感装置和构成该装置的单元体的示意图。
具体实施方式
下面，参照附图例示性地说明本发明的各种实施例。在整篇说明书中，当提及诸如膜、图案、区域或基板等的一构成要素在另一构成要素“之上”时，可以解释为所述一构成要素直接接触在所述另一构成要素“之上”，或者存在介于它们之间的多个其它构成要素。与此相反，当提及一构成要素相对于另一构成要素“直接位于…之上”时，应解释为不存在介于它们之间的多个其它构成要素。
在附图中，例如，根据制造技术以及/或者公差(tolerance)，可预料所示出的形状的变化。因此，不应解释为本发明思想的实施例局限于本说明书中所示出的区域的特定形状，例如，应当包括制造时导致的形状变化。此外，为了说明的便利以及明确性，附图中各层的厚度或大小有可能放大示出。相同的附图标记表示相同的要素。
图1是本发明一实施例涉及的生物传感装置和构成该装置的单元体的示意图，图2是构成本发明一实施例涉及的生物传感装置的单元体的剖面的示意图。
参照图1至图2，本发明一实施例涉及的生物传感装置包括单元体10，所述单元体10具备：源极140以及漏极150，彼此隔开配置；敏感膜190，其形成源极与漏极之间的通道；栅极160，其与敏感膜隔开配置；以及坝状结构体200，围绕敏感膜190边缘的至少一部分，并由绝缘体构成。单元体10可以进一步具备受体195，其附着在敏感膜190上并且能够与目标物质结合。本发明的一实施例涉及的生物传感装置中，多个所述单元体10例如在基板100上可排列成阵列。如图2所示的副基板130可以是图1所示的基板100的一部分或额外配置在基板100的上部。
栅极160配置成与源极140以及漏极150隔开。另外，通过介于敏感膜190与栅极160之间的绝缘部件170，栅极160可以与敏感膜190形成电绝缘。
附图中所示的栅极160与绝缘部件170的形状以及位置结构是概略性地示出的，可以具有多种实施例，本发明的技术思想并非限定于栅极160的具体位置结构和形状等。
受体195可以通过官能团被附着在敏感膜190上。例如，受体195可以是选自酶底物、配体、氨基酸、肽、适体、蛋白质、核酸、脂质以及碳水化合物中的一种以上。另一方面，所述官能团可以是选自胺基、羧基以及巯基中的至少一种。此外，所述目标物质可以是选自蛋白质、适体、肽、核酸、低聚糖、氨基酸、碳水化合物、溶解气体、氧化硫气体、氧化氮气体、残留农药、重金属以及环境有害物质中的至少一种。
敏感膜190可以由电阻能够根据受体195以及与此结合的目标物质发生变化的物质构成。例如，敏感膜190的材质可以包括碳纳米管(CNT)、石墨烯(graphene)、二硫化钼(MoS2)或者磷烯(phosphorene)。另一方面，根据本发明的变形实施例的生物传感装置中，敏感膜190可以由无需借助受体195就能够直接与上述目标物质发生反应而使电阻变化的物质构成。
将液态的前体溶液供应至包括源极140和漏极150之间的区域后，使前体溶液固化，从而形成敏感膜190。固化过程可以包括选自自然干燥、加热干燥以及送风干燥中的至少一种以上的工艺过程。
由绝缘体构成的坝状结构体200可以收纳为了形成敏感膜190而供应的液态的前体溶液。在被供应至包括源极140和漏极150之间的区域的前体溶液固化的过程中，坝状结构体200起到使前体溶液限定于所需的规定区域并阻止其流入不需要的区域中的作用。
参照图1，本发明的一实施例涉及的生物传感装置中公开的坝状结构体200的至少一部分可以是第一结构体200a，所述第一结构体200a沿着与从源极140朝向漏极150的方向(x轴方向)平行的方向延伸，并且一端配置在源极140上，另一端配置在漏极150上。与从源极140朝向漏极150的方向平行的坝状结构体200的长度X2是方向与x轴平行的第一结构体200a的长度，可以更大于源极140与漏极150之间的隔开长度X1。如果不满足该条件，则前体溶液固化而形成的敏感膜190不接触源极140和漏极150，从而无法实现通道。
另一方面，本发明的一实施例涉及的生物传感装置中的坝状结构体200的至少一部分可以是第二结构体200b，所述第二结构体200b沿着与从源极140朝向漏极150的方向垂直的方向(y轴方向)延伸，并且不超出源极140以及漏极150，仅配置在源极140以及漏极150之上方。例如，第二结构体200b的两端可以不超出源极140以及漏极150而配置在源极140以及漏极150之上。与从源极140朝向漏极150的方向(x轴方向)垂直的坝状结构体200的宽度Y1可以小于源极140的宽度Y2或漏极150的宽度Y2。
本发明的一实施例涉及的生物传感装置中公开的坝状结构体200可以包括上述第一结构体200a以及第二结构体200b两者。例如，坝状结构体200可以是相互隔开的一对第一结构体200a和相互隔开的一对第二结构体200b相互连接而形成封闭(closed)结构的四边形形状的结构体。第一结构体200a和第二结构体200b相交的地点可以位于源极140以及漏极150之上。
另一方面，与此不同，变形的坝状结构体200可以包括相互隔开的一对第一结构体200a和相互隔开的一对第二结构体200b两者部，并且具有上述的第一结构体200a和上述的第二结构体200b不相交而开放的结构。在该情形中，第一结构体200a的长度X2也大于源极140和漏极150之间的隔开距离X1，第二结构体200b的宽度Y1小于源极140以及漏极150的宽度Y2。
本发明的另一变形实施例涉及的生物传感装置中公开的坝状结构体200可以仅由上述的第一结构体200a形成。例如，可以无第二结构体200b，仅配置相互隔开的一对第一结构体200a，并且每个第一结构体200a的一端配置在源极140上，另一端配置在漏极150上。在该情形中，第一结构体200a的长度X2也可以大于源极140与漏极150之间的隔开距离X1。
本发明的另一变形实施例涉及的生物传感装置中的坝状结构体200可以仅由上述的第二结构体200b构成。例如，可以无第一结构体200a，仅配置相互隔开的一对第二结构体200b，并且一个第二结构体200b配置在源极140上，另一个第二结构体200b配置在漏极150上。在该情形中，第二结构体200b的宽度Y1也可以更小于源极140以及漏极150的宽度Y2。
上述的本发明一实施例涉及的生物传感装置可用作疾病诊断中使用的检查装置，根据敏感膜和受体的种类，可用作利用抗原与抗体之间的免疫反应的传感装置。在这种情况下，由于利用电学测定结果，分析过程中不需要复杂的步骤，用于分析的装置相对低廉，不需要太长的分析时间。
另一方面，进一步参照图1，将每个基板100上单元体10的数量示出为8x12共计96个，但是并非限于此。如果将单元体10的尺寸进一步缩小为纳米尺寸，则可以使单元体10的数量增加至8x12的4倍、16倍、64倍、256倍、1024倍、4096倍、16384倍等。如此，通过增加每一基板上的单元体的数量，本发明的生物传感装置能够诊断多种疾病，并且，通过缩短检查时间，能够大幅降低检查成本。
图3以及图4是按顺序示出本发明的一实施例涉及的生物传感装置的制造方法的图。
参照图3，本发明一实施例涉及的生物传感装置的制造方法包括如下步骤：首先准备具备相互隔开的源极140以及漏极150的结构体后，在源极140和漏极150之间的隔开区域R的至少一部分上形成由绝缘体构成的坝状结构体200。例如，坝状结构体200可以配置成，横跨至少源极140和漏极150之间的隔开区域R并分别与源极140和漏极150相接。当然，这样的坝状结构体200的形状、配置、大小等可以变形，关于此的说明已参照图1进行了说明。
另一方面，虽未在附图中示出，但是在源极140以及漏极150中，与敏感膜190相接的区域可以具有梳状的梳齿(comb)形状。这种结构能够改善敏感膜190与源极140、漏极150的接合力或者相互连接性。
参照图4，在包括源极140和漏极150之间的隔开区域R的至少一部分的坝状结构体200内侧涂覆前体溶液190a。前体溶液190a可以包含碳纳米管、石墨烯、二硫化钼或者磷烯作为溶质。坝状结构体200内侧可以包括源极140和漏极150之间的隔开区域R的中心部。使涂覆在坝状结构体200内侧前体溶液190a固化，从而可以形成作为源极140以及漏极150之间的通道的敏感膜190。
可以根据坝状结构体200的大小、配置以及形状来确定敏感膜190的大小、配置以及形状。根据上述的坝状结构体200的说明，敏感膜190的一侧配置在源极140上，敏感膜190的另一侧配置在漏极150上，敏感膜190的长度大于源极140以及漏极150之间的隔开距离，敏感膜190的宽度小于源极140以及漏极150的宽度。
图5以及图6是按顺序示出本发明的比较例涉及的生物传感装置的制造方法的图。
参照图5以及图6，在本发明的比较例涉及的生物传感装置的制造方法中，在无坝状结构体200的条件下，在源极140以及漏极150之间的隔开区域上涂覆前体溶液190a。此时，前体溶液190a会流到源极140以及漏极150之间的隔开区域之外的区域。在这种状态下固化前体溶液190a时，敏感膜190无法实现连接源极140以及漏极150的通道，如图6所示，会配置成相互隔开分散。
另一方面，前体溶液190a在干燥并固化的过程中，前体溶液190a的大部分溶质密集并集中于如图5所示的配置前体溶液190a的区域的边缘。因此，即使前体溶液190a固化而实现的敏感膜190连接源极140和漏极150，前体溶液190a的大部分溶质密集于图6所示的配置敏感膜190的区域，因此，会产生源极140和漏极150之间的电性连接性不良的问题。
图7是示出前体溶液固化而形成为敏感膜的一般过程的图。
参照图7，前体溶液190a固化而形成敏感膜190时，保持前体溶液190a与基板S相接的区域A1，残留为敏感膜190与基板S相接的区域。另一方面，前体溶液190a越远离基板S，构成前体溶液190a的溶剂的至少一部分的蒸发量就越多。因此，在边缘区域A1，残留在敏感膜190上的构成前体溶液190a的溶质的浓度高于中央区域A2。这种现象可易于理解成咖啡环效应(coffee ring effect)，类似于掉落在桌子上的咖啡干燥后边缘侧的印迹比内侧更深的现象。
一同参照图1和图7，敏感膜190的固化密度可以理解成前体溶液190a的溶质残留在敏感膜190上的密度，相对临近坝状结构体200的区域A1中的密度可以大于与坝状结构体200相对隔开的区域A2中的密度。
因此，如参照图1进行说明，当调节坝状结构体200的配置、大小以及形状时，控制敏感膜190的固化密度的配置，能够改善形成于源极140以及漏极150之间的通道的电导率。
图8是本发明的变形的一实施例涉及的生物传感装置和构成该装置的单元体的示意图。
参照图8，坝状结构体200可以包括第一结构体200a以及第二结构体200b，所述第一结构体200a沿着与从源极140朝向漏极150的方向(x轴方向)平行的方向延伸，并且一端配置在源极140上，另一端配置在漏极150上，所述第二结构体200b沿着与从源极140朝向漏极150的方向垂直的方向(y轴方向)延伸，并且不超出源极140以及漏极150，仅配置在源极140以及漏极上。
如前面说明，敏感膜190的固化密度在相对临近坝状结构体200的区域中的密度大于与坝状结构体200相对隔开的区域中的密度，沿着从源极140朝向漏极150的方向配置的第一结构体200a具有至少三个相互隔开配置的坝状结构体200时，与图1公开的情形相比，能够进一步改善形成于源极140和漏极150之间的通道的电导率。
图1所示的生物传感装置中，前体溶液190a的溶质在固化过程中，集中到一对第一结构体200a附近，仅在源极140和漏极150的上端以及下端率先形成电性通道，而图8所示的生物传感装置中，前体溶液190a的溶质在固化过程中，即便集中于第一结构体200a附近，在源极140和漏极150的上端部以及下端部之外，中央部也形成电性通道，因此能够改善电导率。
例如，当坝状结构体200包括横跨源极140和漏极150之间的四个第一结构体200a时，前体溶液190a固化实现的敏感膜190可以包括分别形成于四个第一结构体200a之间的第一敏感膜190-1、第二敏感膜190-2、第三敏感膜190-3。此时，第二敏感膜190-2的固化密度集中于第一结构体200a附近，最终不仅有效形成横跨源极140和漏极150之间的上端部或下端部的通道，而且有效形成横跨源极140和漏极150之间的中央部的通道，因此能够改善电导率。
本发明参照附图中的实施例进行说明，但这仅仅是例示性的，要理解，该技术领域的普通技术人员能够由此进行多种变形以及等同的其他实施例。因此，本发明真正的技术保护范围由权利要求书的技术思想来确定。

Claims (18)

1.一种生物传感装置，其包括单元体，
所述单元体具备：
源极以及漏极，彼此隔开配置；
敏感膜，其构成源极与漏极之间的通道；
栅极，其与敏感膜隔开配置；以及
坝状结构体，围绕敏感膜边缘的至少一部分，由绝缘体构成，
所述坝状结构体收纳前体溶液，所述前体溶液为所述敏感膜被固化之前的物质。
2.根据权利要求1所述的生物传感装置，其中，
所述敏感膜包括碳纳米管、石墨烯、二硫化钼或者磷烯。
3.根据权利要求1所述的生物传感装置，其中，
作为所述坝状结构体的至少一部分，所述坝状结构体中与从源极朝向漏极的方向垂直的部分，仅配置在源极以及漏极的上方而不超出源极以及漏极。
4.根据权利要求3所述的生物传感装置，其中，
与从源极朝向漏极的方向垂直的方向上的所述坝状结构体的宽度小于源极的宽度或漏极的宽度。
5.根据权利要求1所述的生物传感装置，其中，
作为所述坝状结构体的至少一部分，所述坝状结构体中与从源极朝向漏极的方向平行的部分的一端配置在源极上，另一端配置在漏极上。
6.根据权利要求5所述的生物传感装置，其中，
与从源极朝向漏极的方向平行的方向上的所述坝状结构体的长度大于源极和漏极之间的隔开距离。
7.根据权利要求1至6的任一项所述的生物传感装置，其中，
所述敏感膜在相对临近所述坝状结构体的区域中的固化密度大于相对远离所述坝状结构体的区域中的固化密度。
8.根据权利要求1所述的生物传感装置，其中，
所述单元体进一步具备附着在敏感膜上并能够与目标物质结合的受体。
9.根据权利要求8所述的生物传感装置，其中，
所述敏感膜由电阻能够根据受体以及与受体结合的目标物质而发生变化的物质构成。
10.根据权利要求8所述的生物传感装置，其中，
所述受体通过官能团被附着在所述敏感膜上，所述受体是选自酶底物、配体、氨基酸、肽、适体、蛋白质、核酸、脂质以及碳水化合物中的一种以上。
11.根据权利要求10所述的生物传感装置，其中，
所述官能团是选自胺基、羧基以及巯基中的至少一种。
12.根据权利要求8所述的生物传感装置，其中，
所述目标物质是选自蛋白质、肽、适体、核酸、低聚糖、氨基酸、碳水化合物、溶解气体、氧化硫气体、氧化氮气体、残留农药、重金属以及环境有害物质中的至少一种。
13.一种生物传感装置的制造方法，包括如下步骤：
准备结构体，所述结构体具有相互隔开配置的源极以及漏极；
形成坝状结构体，所述坝状结构体由绝缘体形成，配置成至少横跨源极和漏极之间的隔开区域并分别与源极和漏极相接；以及
在包括源极和漏极之间的隔开区域的至少一部分的坝状结构体内侧涂覆前体溶液后进行固化，从而在所述坝状结构体的内侧形成作为源极和漏极之间的通道的敏感膜。
14.根据权利要求13所述的生物传感装置的制造方法，其中，
所述敏感膜包括碳纳米管、石墨烯、二硫化钼或者磷烯。
15.根据权利要求13所述的生物传感装置的制造方法，其中，
作为所述坝状结构体的至少一部分，所述坝状结构体中与从源极朝向漏极的方向垂直的部分，仅配置在源极以及漏极的上方而不超出源极以及漏极。
16.根据权利要求15所述的生物传感装置的制造方法，其中，
与从源极朝向漏极的方向垂直的方向上的所述坝状结构体的宽度小于源极的宽度或漏极的宽度。
17.根据权利要求13所述的生物传感装置的制造方法，其中，
作为所述坝状结构体的至少一部分，所述坝状结构体中与从源极朝向漏极的方向平行的部分的一端配置在源极上，另一端配置在漏极上。
18.根据权利要求17所述的生物传感装置的制造方法，其中，
与从源极朝向漏极的方向平行的方向上的所述坝状结构体的长度大于源极和漏极之间的隔开距离。
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