CN110430811A - 具有三维结构的感测表面的生物传感器电极 - Google Patents

Abstract

本发明的实施例涉及一种传感器，其包括感测电路(116，126)和通信地耦合到感测电路(116，126)的探针(112，122)。探针(112，122)包括涂覆有识别元件的三维(3D)感测表面，并且三维(3D)感测表面被配置得至少部分地基于所述3D感测表面与预定物质相互作用，产生第一测量。在一些实施例中，所述3D感测表面被成形为金字塔、圆锥或圆柱，以增加二维(2D)感测表面上的感测表面区域。在一些实施例中，所述3D感测表面有助于3D感测表面穿过生物细胞(142A)的壁。

Description

具有三维结构的感测表面的生物传感器电极

技术领域

本发明一般涉及生物传感器。更具体地，本发明涉及具有三维结构的感测表面的生物传感器电极的制造方法、所得结构和使用方法。

背景技术

生物传感器用于测量各种类型的物理和化学参数。在已知的生物传感器配置中，场效应晶体管(FET)充当由绝缘体层(例如SiO2)与生物识别元件(也称为生物传感器电极)隔开的换能器。识别元件可以是生物膜材料，例如受体、酶、抗体、DNA或对靶分析物具有生物学特异性的其他类型的捕获分子。识别元件可以配置得检测例如离子浓度(例如pH)或目标生物分子(例如DNA、微RNA、酶、抗体等)的浓度。短语“靶分析物”及其变体在本文中用于指离子、靶分子或任何其他生物物质。

一旦目标离子和/或分子与识别元件结合，识别元件表面处的电荷分布改变，这导致FET的栅极处的静电表面电位的相应变化。表面电位的这种变化向FET的栅极施加电压，这导致栅极和源极之间的电压降(Vgs)。当施加的栅极电压导致Vgs达到阈值电压(Vth)时，电流开始从源极流到漏极。Vth被定义为有足够密度的移动电子或空穴聚集在通道中以允许通道导通时Vgs的值。该Vgs值和产生的漏电流的源与目标离子和/或与识别元件结合的分子成正比。

可以测量和分析通过FET的电流(或电导)的变化，以检测与生物识别元件结合的分析物。基于处理器的生物传感器读取器设备接收FET漏极电流，根据需要提供进一步处理，并以易于测量和量化的用户友好的形式显示结果。可用其他类型的换能器将分析物的检测转换成其他类型的可测量输出，例如光学信号、生理化学信号、压电信号、电化学信号等。

可以根据几个因素评估生物传感器的性能。例如，可以基于在生物传感器产生明显可与测量中的噪声区分的输出之前所需的目标分析物的最低浓度来评估生物传感器性能。还可以基于识别元件的灵敏度范围来评估生物传感器性能，其可以表示为低端灵敏度和高端灵敏度。以pH浓度为例，给定的生物传感器可具有2-12pH的低端灵敏度和高端灵敏度。低端灵敏度类似于先前描述的在生物传感器能产生与测量中的噪声明显不同的输出之前所需的目标分析物的最低浓度。当识别元件变得饱和从而没有吸收分析物的结合位点剩留时，达到高端灵敏度。因此，生物传感器不能检测低于低端生物传感器灵敏度或高于高端生物传感器灵敏度的实际值。还可以基于所需的样本大小来评估生物传感器性能。诸如基于FET的生物传感器之类的小型传感器通常最小化所需的样本大小，在医疗应用中通常是优选的，其中样本通常是患者的体液，诸如血液。

通过改善分析物与识别元件的结合效率，可以改善上述生物传感器性能因子，这至少部分地受到识别元件的感测表面的特性的影响。在FET生物传感器中，识别元件也可以用作FET栅极。组合的FET栅极和识别元件结构具有平坦的二维(2D)和基本上平面的感测表面。

因此，本领域需要解决上述问题。

发明内容

从第一方面看，本发明提供一种传感器，包括：感测电路；通信地耦合到感测电路的探针；其中该探针包括三维(3D)感测表面，该三维(3D)感测表面包括识别元件的导电涂层，该识别元件被配置得至少部分地基于3D感测表面与预定物质相互作用，产生第一测量。

从另一方面来看，本发明提供一种形成传感器的方法，该方法包括：形成感测电路；形成包括三维(3D)感测表面结构的探针结构；将探针结构通信地耦合到该感测电路；配置该3D感测表面结构以包括包含识别元件的涂层；进一步将该3D感测表面结构配置得至少部分地基于与该3D感测表面结构预定物质相互作用，产生第一测量。

从另一方面来看，本发明提供了一种使用传感器的方法，该方法包括：访问样本；将样本暴露到传感器，其中所述传感器包括通信地耦合到探针结构的感测电路，所述探针结构包括具有包括识别元件的涂层的三维(3D)感测表面结构；至少部分地基于接触所述样本中的预定物质的3D感测表面结构，使用所述3D感测表面结构来产生第一测量；至少部分地基于所述第一测量，使用所述感测电路产生与所述预定物质的预定特性成正比的感测电路输出。

从另一方面来看，本发明提供了一种用于使用传感器的计算机程序产品，该计算机程序产品包括计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可由处理电路读取并存储用于由处理电路执行以执行用于执行本发明的步骤的方法的指令。

从另一方面来看，本发明提供了一种存储在计算机可读介质上并可加载到数字计算机的内部存储器中的计算机程序，包括软件代码部分，当所述程序在计算机上运行时所述软件代码部分执行本发明的步骤。

本发明的实施例涉及一种传感器，其包括感测电路和通信地耦合到感测电路的探针。探针包括涂覆有识别元件的三维(3D)感测表面，并且被配置为至少部分地基于该3D感测表面与预定物质相互作用，产生第一测量。本发明的上述实施例提供了更多的感测表面积，这提高了感兴趣的分析物与感测表面结合的效率，改善了信号强度，并改善了信噪比。

本发明的实施例涉及一种形成传感器的方法。该方法包括形成感测电路和探针结构，该探针结构包括涂覆有识别元件的3D感测表面结构。所述探针通信地耦合到所述感测电路，并且所述3D感测表面结构被配置得至少部分地基于所述3D感测表面结构与预定物质相互作用，产生第一测量。本发明的上述实施例提供了更多的感测表面积，这提高了感兴趣的分析物与感测表面结合的效率，改善了信号强度，并改善了信噪比。

本发明的实施例涉及一种使用传感器的方法。该方法包括访问样本并将所述样本暴露于传感器，其中所述传感器包括通信地耦合到探针结构的感测电路，所述探针结构具有涂覆有识别元件的3D感测表面结构。至少部分地基于接触所述样本中的预定物质的所述3D感测表面结构，所述3D感测表面结构产生第一测量。至少部分地基于所述第一测量，所述感测电路产生与所述预定物质的预定特性成正比的感测电路输出。本发明的上述实施例提供了更多的感测表面积，这提高了感兴趣的分析物与感测表面结合的效率，改善了信号强度，并改善了信噪比。

通过本文描述的技术实现了另外的特征和优点。本文详细描述了其他实施例和方面。为了更好地理解，请参考说明和附图。

附图说明

在说明书结尾处的权利要求中特别指出并清楚地要求保护被视为本发明的主题。通过以下结合附图的详细描述，前述和其他特征和优点是显而易见的，其中：

图1A描绘了根据本发明的一个或多个实施例的具有3D纳米探针电极的生物传感器系统的示意图；

图1B描绘了显示根据本发明的一个或多个实施例的示例性3D纳米探针生物传感器电极形状的框图；

图1C描绘了已知的2D基本上平面的生物传感器电极和根据本发明的一个或多个实施例的3D纳米探针生物传感器电极的阵列的框图；

图2描绘了说明根据本发明的一个或多个实施例的使用具有3D纳米探针生物传感器电极的生物传感器的方法的流程图；

图3描绘了示出图1A中所示的处理器的附加细节的框图；

图4描绘了根据本发明的一个或多个实施例的在初始制造阶段之后的3D纳米探针生物传感器的横截面视图；

图5描绘了根据本发明的一个或多个实施例的在制造阶段之后的3D纳米探针生物传感器的横截面视图；

图6描绘了根据本发明的一个或多个实施例的在制造阶段之后的3D纳米探针生物传感器的横截面视图；

图7描绘了根据本发明的一个或多个实施例的在制造阶段之后的3D纳米探针生物传感器的横截面视图；

图8描绘了根据本发明的一个或多个实施例的在制造阶段之后的3D纳米探针生物传感器的横截面视图；

图9描绘了图8中所示的3D纳米探针生物传感器的沿线A-A′截取的俯视图；

图10描绘了根据本发明的一个或多个实施例的在制造阶段之后图8中所示的3D纳米探针生物传感器的沿线A-A′截取的俯视图；

图11描绘了根据本发明的一个或多个实施例的在制造阶段之后的3D纳米探针生物传感器的横截面视图；

图12描绘了根据本发明的一个或多个实施例的在制造阶段之后的3D纳米探针生物传感器的横截面视图；

图13描绘了根据本发明的一个或多个实施例的在制造阶段之后的3D纳米探针生物传感器的横截面视图；

图14描绘了根据本发明的一个或多个实施例的在可替代的制造阶段之后的3D纳米探针生物传感器的横截面视图；

图15描绘了根据本发明的一个或多个实施例的在可替代的制造阶段之后的3D纳米探针生物传感器的横截面视图；

图16描绘了根据本发明的一个或多个实施例的在可替代的制造阶段之后的3D纳米探针生物传感器的横截面视图；

图17描绘了根据本发明的一个或多个实施例的在可替代的制造阶段之后的3D纳米探针生物传感器的横截面视图

图18描绘了图17中所示的3D纳米探针生物传感器的俯视图；

图19描绘了说明根据本发明的一个或多个实施例的使用具有3D纳米探针的生物传感器系统的方法的示意图；和

图20描绘了说明根据本发明的一个或多个实施例的使用具有3D纳米探针的生物传感器系统的方法的示意图。

在所附图中以及所公开实施例的以下详细描述中，附图中所示的各种元件具有三个或四个数字的附图标记。每个附图标记的最左边的数字对应于首先示出其元件的图。

具体实施方式

本文参照相关附图描述了本发明的各种实施例。在不脱离本发明的范围的情况下，可以设计可替代的实施例。注意，在以下描述和附图中，规定了元件之间的各种连接和位置关系(例如上方、下方、相邻等)。除非另有说明，这些连接和/或位置关系可以是直接的或间接的，并且本发明并非有意在这方面进行限制。因此，实体的耦合可以指直接或间接耦合，并且实体之间的位置关系可以是直接或间接的位置关系。作为间接位置关系的示例，本说明书中提及的在层“B”上形成层“A”，包括有一个或多个中间层(例如层“C”)在层“A”和层“B”之间的情况-只要层“A”和层“B”的相关特性和功能基本上不被该中间层改变。

以下定义和缩写将用于解释权利要求和说明书。如这里所使用的，术语“包括”、“包含”、“具有”、“含有”、“有”或其任何其他变型旨在涵盖非排他性的包容。例如，包含一系列元素的组合物、混合物、过程、方法、物品或装置不一定仅限于那些元素，而是可以包括未明确列出的其他元素或这种组合物、混合物、过程、方法物品或装置方法固有的元素。

另外，术语“示例性”在本文中用于表示“用作示例、实例或说明”。本文中描述为“示例性”的任何实施例或设计不必被解释为相比其它实施例或设计是优选的或有利的。术语“至少一个”和“一个或多个”应理解为包括大于或等于1的任何整数，即一、二、三、四等。术语“多个”应理解为包括大于或等于2的任何整数，即二、三、四、五等。术语“连接”可以包括间接“连接”和直接“连接”。

说明书中提及的“一个实施例”、“实施例”、“示例实施例”等，指示所描述的实施例可以包括某特定特征、结构或特性，但是每个实施例可以或可以不是包括该特定特征、结构或特性。而且，这种短语不一定是指同一实施例。此外，当结合实施例描述某特定特征、结构或特性时，结合无论是否明确描述的其他实施例影响这样的特征、结构或特性被认为是在本领域技术人员的知识范围之内。

出于以下描述的目的，术语“上”、“下”、“右”、“左”、“垂直”、“水平”、“顶部”、“底部”及其派生词应涉及如附图中的方位所示的所描述的结构和方法。术语“覆盖”、“顶上”、“在顶部”，“定位在…上”或“定位在顶部”意味着第一元件-例如第一结构-存在于第二元件-例如第二结构-之上，其中在第一元件和第二元件之间可以存在诸如界面结构的中间元件。短语“直接接触”意味着第一元件(例如第一结构)和第二元件(例如第二结构)在两个元件的界面处没有任何中间导电、绝缘或半导体层的情况下连接。短语“对…是选择性的”-例如“对第二元件是选择性的第一元件”，意味着第一元件可以被蚀刻，第二元件可以用作蚀刻停止。术语约”、“基本上”，“大约”及其变体旨在包括与基于提交本申请时可用设备的特定量的测量相关联的误差程度。例如，“约”可以包括给定值的±8％或±5％、或±2％的范围。

为简洁起见，本文中可能会或可能不会详细描述与半导体器件和集成电路(IC)制造相关的传统技术。此外，本文描述的各种任务和处理步骤可以合并到具有本文未详细描述的附加步骤或功能的更全面的过程或流程中。特别地，半导体器件和基于半导体的IC的制造中的各种步骤是众所周知的，因此，为了简洁起见，许多常规步骤将仅在本文中简要地提及，或将完全省略而不提供众所周知的工艺细节。

然而，作为背景技术，现在将提供可用于实现本发明的一个或多个实施例的半导体器件制造工艺的更一般描述。尽管用于实现本发明的一个或多个实施例的特定制造操作可能是分别已知的，但是所描述的本发明的操作和/或所得结构的组合却是独特的。因此，根据本发明描述的操作的独特组合利用在半导体(例如硅)衬底上执行的各种分别已知的物理和化学过程，其中有些在紧接的以下段落中描述。

总的来说，用于形成将被封装到IC中的微芯片的各种工艺分为四大类，即、膜沉积(或膜形成)、去除/蚀刻、半导体掺杂和图案化/光刻。沉积是生长、涂覆或以其他方式将材料转移到晶片上的任何过程。可用的技术包括物理气相沉积(PVD)、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、电化学沉积(ECD)、分子束外延(MBE)、以及最近的原子层沉积(ALD)和等离子体增强原子层沉积(PEALD)等。

去除/蚀刻是从晶片移除材料的任何过程。实例包括蚀刻工艺(湿法或干法)和化学机械平坦化(CMP)等。湿法蚀刻工艺，诸如缓冲氢氟酸(BHF)蚀刻，是使用液体化学品或蚀刻剂从表面去除材料的材料去除工艺。诸如反应离子蚀刻(RIE)的干蚀刻工艺使用化学反应性等离子体，通过将材料暴露于从暴露的表面移除部分材料的离子轰击来移除材料，例如掩模图案的半导体材料。等离子体由电磁场在低压(真空)下产生。

半导体掺杂是通过掺杂(例如晶体管源极和漏极)-通常通过扩散和/或通过离子注入，来改变电特性。这些掺杂过程之后是炉退火或快速热退火(RTA)。退火用于激活注入的掺杂剂。导体(例如多晶硅、铝、铜等)和绝缘体(例如各种形式的二氧化硅、氮化硅等)二者的膜用于连接和隔离晶体管及其组件。半导体衬底的各个区域的选择性掺杂允许通过施加电压来改变衬底的导电性。通过创建这些各种组件的结构，可以构建数百万个晶体管并将它们连接在一起以形成现代微电子器件的复杂电路。

半导体光刻是在半导体衬底上形成三维浮雕图像或图案，用于随后将图案转移到衬底。在半导体光刻中，图案由称为光致抗蚀剂的光敏聚合物形成。为了构建构成晶体管的复杂结构和连接电路的数百万个晶体管的许多导线，光刻和蚀刻图案转移步骤被重复多次。印刷在晶片上的每个图案与先前形成的图案对齐，导体、绝缘体和选择性掺杂区慢慢地被构建，以形成最终器件。

现在转到对与本发明更具体相关的技术的描述，晶体管是各种IC中常见的半导体器件。晶体管本质上是一个开关。当向晶体管的栅极施加大于阈值电压的电压时，开关导通，电流流过晶体管。当栅极电压小于阈值电压时，开关断开，电流不流过晶体管。

半导体器件是用晶片的有源区形成的。有源区由用于分离和电隔离相邻半导体器件的隔离区限定。例如，在具有多个金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的IC中，每个MOSFET具有通过在半导体材料层注入n型或p型杂质而在半导体层的有源区中形成的源极和漏极。设置在源极和漏极之间的是沟道区(或主体区)。设置在主体区上方的是栅电极。栅电极和主体由栅极介电层隔开。互补金属氧化物半导体(CMOS)是一种使用互补和对称的p型和n型MOSFET对来实现逻辑功能的技术。

生物传感器利用电化学过程，通过使用换能元件(例如FET)将由识别元件识别的检测事件转换为电信号，来检测化学状态(例如pH)、化学状态的变化(例如pH的变化)或生物物质(例如酶、抗体、DNA、微小RNA等)的存在。

现在转向本发明的各方面的概述，本发明的实施例提供基于FET的生物传感器，其中FET的栅极被成形为3D纳米探针结构，诸如圆柱体、金字塔形、锥形之类。3D纳米探针可涂上一种识别元素(例如TiN)以测量pH。3D纳米探针可涂上另一种识别元素(例如Au)或使用硫醇化学测量生物分子。例如，为了检测DNA，可以用与靶DNA互补的单链DNA功能化金表面。在一些实施例中，3D纳米探针具有一个宽度尺寸(例如约100nm)和其他结构特征，其有助于3D纳米探针穿透细胞壁到触点并提供来自细胞内流体的测量。典型的单元尺寸约为5×5μm2。因此，本发明的实施例提供了更多的感测表面区域，其提高了感兴趣的分析物与感测表面结合的效率，改善了信号强度，并且改善了信噪比。本发明的实施例还涉及制造FET和3D纳米探针结构的方法，以及使用FET和3D纳米探针结构的方法。

现在转到本发明的各方面的更详细描述。图1A是根据本发明的一个或多个实施例的生物传感器系统100的示意图。生物传感器系统100包括如图所示配置和布置的第一生物传感器110、第二生物传感器120和处理器130，其配置和排列如图所示。第一生物传感器110包括通信地耦合到3D纳米探针阵列112的第一感测电路116。第二生物传感器120包括通信地耦合到3D纳米探针122的阵列的第二感测电路126。在本发明的实施例中，感测电路116、126可以实现为一个或多个FET。为了便于说明和描述，生物传感器系统100包括两(2)个生物传感器110、120，并且每个生物传感器110、120包括一(1)个感测电路116、126和两(2)个3D纳米探针112、122，其配置和排列如图所示。然而，生物传感器系统100可以包括两个以上的生物传感器110、120，并且每个生物传感器110、120可以包括一个以上的感测电路116、126和具有任意数量的3D纳米探针112、122的任何数量的阵列。第一感测电路输出118从第一感测电路116提供给处理器130。第二感测电路输出126从第二感测电路126提供给处理器130。

容器102保持包括多个生物细胞142A、142B、142C的样本140。为了便于说明和描述，图3A中仅描绘了三(3)个生物细胞。然而，样本140中可以有任何数量的生物细胞。在本发明的一些实施例中，3D纳米探针112、122在体外施用；在本发明的一些实施例中，3D纳米探针112、122在体内施用。在一些实施例中，3D纳米探针112、122经皮施用。相应地，容器102可采用各种形式。对于体外施用，容器102可以被实施为被配置得保持样本(例如样本140)以供生物传感器系统100分析的任何结构。对于体内施用和/或经皮施用，容器102生物传感器系统100正在向其施用的生物体。因此，在本文提供的描述中，对容器102的提及，包括容器102的所有这些可能的形式。

第一生物传感器110提供本发明的一个方面的实例，其中3D纳米探针112穿透生物细胞的壁(例如生物细胞142A的细胞壁144)并接触该生物细胞内的流体(例如细胞内液体146)。每个3D纳米探针112至少部分地基于接触该生物细胞内的流体中的预定物质，产生第一测量并且直接或间接地将该测量提供给感测电路116。

第二生物传感器120提供本发明的一个方面的实例，其中3D纳米探针112与样本140相互作用但不一定穿透生物细胞的壁(例如生物细胞142A的细胞壁144)和接触该生物细胞内的流体(例如细胞内液146)。每个3D纳米探针122至少部分地基于接触样本140中的预定物质，产生第二测量并且将该测量直接或间接地提供给第二感测电路126。

生物传感器系统100用于测量各种类型的物理和化学参数。第一生物传感器110的操作与第二生物传感器120的操作基本相同。因此，以下对第一生物传感器110的操作的描述同样适用于第二生物传感器120。感测电路或FET 116用作换能器，3D纳米探针112可以涂覆有允许它们用作生物识别元件(也称为生物传感器电极)的材料。如本文随后更详细描述的，根据本发明的实施例，3D纳米探针112提供比已知的局限于2D感测表面的生物传感器电极更大的感测表面区域(例如图1A和1B中所示的感测表面区域113、113A)。3D纳米探针112的感测表面区域113可以涂覆有生物膜材料，诸如受体、酶、抗体、DNA或对靶分析物具有生物学特异性的其他类型的捕获分子。3D纳米探针112的感测表面区域可以被配置为检测例如离子浓度(例如pH)或目标生物分子(例如DNA、微小RNA、酶、抗体等)的浓度。如本文先前所述，短语“靶分析物”及其变体在本文中用于指离子、靶分子或任何其他生物物质。

一旦目标离子和/或分子结合到3D纳米探针112的感测表面区域113，3D纳米探针112的感测表面区域处的电荷分布改变，这导致FET感测电路116的栅极(未示出)处的静电表面电位的相应变化。表面电位的这种变化向FET感测电路116的栅极施加电压，这导致FET的感测电路116的栅极和源极之间的电压降(Vgs)。当施加的栅极电压使Vgs达到阈值电压(Vth)时，电流开始从FET感测电路116的源极流到漏极。Vth被定义为有足够密度的移动电子或空穴聚集在FET沟道中以允许沟道导通时的Vgs的值。Vgs的值和所产生的通过FET感测电路116的源极到漏极的电流，与结合到3D纳米探针112的感测表面区域的目标离子和/或分子成正比。

通过FET感测电路116的电流(或电导)的变化，作为FET感测电路输出118被传输到处理器130，并被分析以检测结合到3D纳米探针112的感测表面区域的分析物。处理器130可以实现为生物传感器读取器设备(未示出)，其接收FET感测电路输出118，根据需要提供进一步处理，并且以更容易测量和量化的用户友好的形式显示结果。

现在将参考图1B中所示的示例3D纳米探针形状112A、112B、112C、112D，提供图1A所示的3D纳米探针112、122的更详细描述。图1B所示的3D纳米探针形状112A、112B、112C、112D可应用于图1A中所示的第一生物传感器110或第二生物传感器120。如图1A中所示，3D纳米探针112A描述圆柱形的示例，3D纳米探针112B描述非加长金字塔形的示例，3D纳米探针112C描述加长金字塔形的示例，3D纳米探针112D描述了一个圆锥形的例子。如图所示，每个三维纳米探针形状112A、112B、112C、112D都包括高度(H)尺寸、宽度(W)尺寸和深度(D)尺寸。每个三维纳米探针形状112A、112B、112C、112D定义外表面113A、113B、113C、113D和顶点区域114A、114B、114C、114D。在一些实施例中，顶点区域114A、114B、114C、114D配置为在峰值115A、115B、115C、115D处终止。

图1C描绘了具有2D基本上平面的感测表面152的已知生物传感器电极150的框图。图1C还描绘了根据本发明实施例的生物传感器电极170的框图，该生物传感器电极170具有形成在2D基本平坦表面172上的3D纳米探针112A的阵列。为了便于说明和解释，生物传感器电极170被描绘为具有圆柱形3D纳米探针112A的阵列。然而，生物传感器电极170可以用非加长金字塔形3D纳米探针112B、加长金字塔形3D纳米探针112C、锥形3D纳米探针112D或其任何组合和排列的阵列来实现。

如图1B和图C中最佳地描绘的那样，3D纳米探针形状112A、112B、112C、112D各自限定外表面113A、113B、113C、113D，每个外表面具有高度(H)尺寸、宽度(W)尺寸和深度(D)尺寸。外表面113A、113B、113C、113D可涂覆有识别元件以用作感测表面，由感测表面113A、113B、113C、113D提供的感测表面区域由感测表面113A、113B、113C、113D的H、W和D尺寸确定。在一些实施例中，生物传感器电极170的最终配置可以使2D基本上平坦的表面172暴露，使得表面172也可以涂覆有识别元件，以为生物传感器电极170提供额外的感测表面区域。识别元件可以是生物膜材料，例如受体、酶、抗体、DNA或对靶分析物具有生物学特异性的其他类型的捕获分子。识别元件可以配置得检测例如离子浓度(例如pH)或目标生物分子的浓度(例如DNA、微RNA、酶、抗体等)。

短语“靶分析物”及其变体在本文中用于指离子、靶分子或任何其他生物物质。

因此，本发明的实施例增加了可以调节的电极参数的数量，以便增加感测表面积，从而改善感测表面的信号强度，以及感测表面的信噪比。更具体地，所述电极参数包括但不限于：提供3D纳米探针，3D纳米探针的3D形状，3D纳米探针的高度尺寸，将多个3D纳米探针组织成阵列，在2D电极上组织多个3D纳米探针表面，在2D电极表面上组织多个3D纳米探针，使得除了由3D纳米探针提供的感测表面区域以及上述的变化和组合之外，2D电极表面的部分被暴露以提供感测表面区域。在已知的生物传感器电极150中，可以为增加感测表面积而调节电极参数限于2D基本上平面的感测表面152的宽度(W)尺寸和深度(D)尺寸，每个尺寸都是会有增加电极占地面积的缺点。

3D纳米探针112、122、112A、112B、112C、112D的W、D和H尺寸，可根据设计考虑而变化。例如，可以将3D纳米探针112、122、112A、112B、112C、112D的W、D和H尺寸可以设计得具有预定值、具有预定范围内的值、具有使得相对彼此具有固定比例的值、或者具有基于根据本文描述的3D纳米探针112、122、112A、112B、112C、112D的功能的任何其他考虑或考虑组合的值。

图2是示出根据本发明的一个或多个实施例的使用生物传感器系统100的方法200的流程图。框202访问样本140。框204将样本140暴露于生物传感器110的3D纳米探针结构112的3D感测表面结构113。生物传感器110包括通信地耦合到3D纳米探针结构112和3D的感测电路116。在框206中，至少部分地基于3D感测表面结构113接触样本140中的预定物质，用3D感测表面结构113产生第一测量。在框208中，至少部分地基于所述第一测量，用感测电路116产生与该预定物质的预定特性成正比的感测电路输出118。

在本发明的一些实施例中，可以通过将感测表面结构113放置在容器102中来实现将样本140暴露于3D感测表面结构113，容器102包含样本140。在本发明的一些实施例中，可以通过施加足够的压力以使3D纳米探针结构112穿透生物细胞142A的细胞壁144并接触生物细胞142A内的流体146，来实现暴露样本140到3D感测表面结构113。可以通过3D纳米探针结构112、生物细胞142或两者来施加压力。在本发明的一些实施例中，生物传感器110移动靠近生物细胞142A，直到生物传感器系统100记录在一些情况下仅在生物细胞142A内存在的感兴趣的分析物的测量值。因此，当生物传感器系统100测量非零量的感兴趣的物质时，可以推断生物传感器110已经穿透细胞壁144，并终止使生物传感器110进一步移动的额外压力。在本发明的一些实施例中，在生物细胞142A位于具有明确限定的刚性底表面的容器102中的情况下，生物传感器110朝生物细胞142A和容器单元102移动，直到传感器探针112穿透细胞壁144并且运动被容器102的底部减慢为止。在本发明的一些实施例中，生物传感器110包括用于确定生物传感器探针112相对于细胞壁144的位置的整体显微镜。具有整体显微镜的生物传感器112聚焦在生物样本140上。在本发明的一些实施例中，样本140和容器102配置在可移动的台子上，类似于传统的显微镜，并且将台子移向生物传感器探针112，直到生物传感器探针112穿透细胞壁144。

在本发明的一些实施例中，上述3D纳米探针结构被实现为具有多个3D纳米探针112A和多个3D感测表面113A的阵列(例如图1C中所示的阵列170)。

图3描绘了如何将处理器130(图1A中示出)实现为包括示例性计算设备(“计算机”)320的计算机系统130A的更详细示例，该示例性计算设备320被配置为从感测电路116(如图1A中所示)接收感测电路输出118(如图1A中所示)并根据本发明的各方面对其进行处理/分析。除了计算机320之外，示例性计算机系统130A还包括网络334，其将计算机320连接到其它系统(未示出)，并且可以包括一个或多个广域网(WAN)和/或局域网(LAN)，诸如因特网、内联网和/或无线通信网络。计算机320和其它系统通过网络334进行通信，以例如在它们之间传送数据。

示例性计算机320包括处理器核322、主存储器(“存储器”)328和输入/输出组件330，它们通过总线332进行通信。处理器核322包括高速缓冲存储器(“高速缓存”)324。高速缓存324可以包括处理器322在芯片上或芯片外的多个高速缓存级(未示出)。存储器324可以包括存储在其中的各种数据，例如、指令、软件、例程等，例如，可以通过控制器326将它们传送到高速缓存324或从高速缓存324传送出，以便由处理器322执行。输入/输出组件330可以包括便于向/从计算机320进行本地和/或远程输入/输出操作的一个或多个组件，例如显示器、键盘、调制解调器、网络适配器等(未示出)。

图4-13示出了根据本发明实施例的用于形成具有3D纳米探针的生物传感器110A的示例性方法。图4-13中所示的生物传感器110A是图1A中所示的第一和第二生物传感器110、120的示例实现。在图4-13中所示的示例中，生物传感器110A被实现为半导体器件，更具体地，被实现为具有3D结构化纳米探针的场效应晶体管(FET)，其在一些实施例中可被配置得穿透细胞壁并从细胞内部进行直接的细胞内测量。现在将提供可用于实现根据本发明实施例的生物传感器110A的半导体器件制造工艺的一般描述。尽管用于实现生物传感器110A的具体制造操作可能是分别已知的，但是本发明的所述操作和/或所得结构的组合却是独特的。因此，根据本发明描述的操作的独特组合利用了在半导体(例如，硅)衬底上执行的各种分别已知的物理和化学过程，其中有些在紧接的以下段落中更详细地描述。

图4描绘了根据本发明实施例的初始制造阶段之后的生物传感器110A的横截面视图。在图4所示的制造阶段，使用常规制造技术由半导体材料形成衬底402。在本发明的一些实施例中，衬底402由体硅材料形成。在本发明的一些实施例中，衬底402以绝缘体上半导体(SOI)衬底布置实现。用于衬底402的半导体材料的合适材料的非限制性示例包括Si(硅)、应变Si、SiC(碳化硅)、Ge(锗)、SiGe(硅锗)、SiGeC(硅-锗-碳)、Si合金、Ge合金、III-V材料(例如GaAs(砷化镓)、InAs(砷化铟)、InP(磷化铟)或砷化铝(AlAs))、II-VI材料(例如CdSe(硒化镉)、CdS(硫化镉)、CdTe(碲化镉)、ZnO(氧化锌)、ZnSe(硒化锌)、ZnS(硫化锌)或ZnTe(碲化锌))，或它们的任意组合。半导体材料的其他非限制性示例包括III-V材料，例如磷化铟(InP)、砷化镓(GaAs)、砷化铝(AlAs)或其任何组合。III-V材料可包括至少一种“III元素”和至少一种“V元素”，前者诸如铝(A1)、硼(B)、镓(Ga)、铟(In)，后者诸如氮(N)、磷(P)、砷(As)、锑(Sb)。

图5描绘了在制造阶段之后生物传感器110A的横截面视图，在制造阶段中，使用与半导体器件和IC制造相关的常规技术从氧化物材料在衬底402中形成浅沟槽隔离(STI)区404。在一个或多个实施例中，可以通过形成薄氧化层然后沉积氮化硅来形成STI区404。常规光刻和干蚀刻(例如RIE)工艺可用于形成延伸穿过氮化硅和氧化物并进入衬底402的浅沟槽。用热氧化工艺来氧化浅沟槽的侧壁。采用HDP或CVD工艺来用氧化物填充浅沟槽。应用CMP工艺从氮化硅的水平表面去除氧化物。使用例如热磷酸去除氮化硅，并且使用例如氢氟酸去除衬垫氧化物，这导致由氧化物材料形成的STI区404。

图6描绘了在制造阶段之后生物传感器110A的横截面视图，在制造阶段中，已经用与半导体器件和IC制造有关的常规技术在衬底402上形成栅极电介质(例如SiO2)410、多晶硅栅电极406和栅极硬掩模(例如SiN)408。用常规光刻和干蚀刻(例如RIE)工艺形成多晶硅栅电极406。沉积多晶硅材料，并用光刻工艺通过干蚀刻过程将光致抗蚀剂层的特征转移到多晶硅材料中。在栅极介电层410的上表面上停止干蚀刻。

图7描绘了在制造阶段之后生物传感器110A的横截面视图，其中已经用与半导体器件和IC制造相关的常规技术去除了部分栅极电介质410和硬掩模408，形成了硅化物层414、414A和间隔物412。用传统的CMOS处理(例如离子注入)形成源/漏(S/D)区702，其包括S/D延伸区。S/D区702由RTA过程激活。

图8描绘了在制造阶段之后生物传感器110A的横截面视图，其中氧化物填充物416已经沉积在生物传感器110A上，并被抛光回以形成平坦的氧化物表面。在一个或多个实施例中，使用HDP或SACVD沉积工艺沉积氧化物填充物。可以应用定时CMP来形成氧化物填充物416的平坦表面。

图9描绘了图8中所示的生物传感器110A的沿线A-A′截取的俯视图。

图10描绘了图8中所示的生物传感器110A在制造阶段之后的沿线A-A′截取的俯视图，其中使用传统的光刻和干蚀刻工艺来形成延伸穿过氧化物填充物416(图8中所示)并在栅极区406上方延伸的接触孔418。

图11描绘了图10中所示的生物传感器110A的横截面视图，进一步示出了延伸穿过氧化物填充物416(图8中示出)并且在栅极区406和S/D区702的部分的上方延伸的接触孔418。

图12描绘了其中在将接触孔418衬以用作识别元件的衬垫(例如TaN)的制造阶段之后生物传感器110A的横截面视图。识别元件可以是诸如受体、酶、抗体、DNA或对靶分析物具有生物学特异性的其他类型的捕获分子的生物膜材料。识别元件可以被配置得检测例如离子浓度(例如pH)或目标生物分子(例如DNA、微RNA、酶、抗体等)的浓度。短语“靶分析物”及其变体在本文中用于指离子、靶分子或任何其他生物物质。通过ALD或CVD处理将孔418的剩余体积填充以金属(例如W)，以形成根据本发明实施例的圆柱形3D纳米探针420。

图13描绘了在其中使用铪(Hf)浸渍或RIE工艺进一步凹陷氧化物填充物416以暴露圆柱形3D纳米探针420的端部区域422的制造阶段之后生物传感器110A的横截面视图。可以控制和调整氧化物填充物416的凹陷，以暴露圆柱形3D纳米管420的期望量的H维度。在一些实施例中，可以暴露圆柱形3D纳米管420的整个H维度以暴露整个感测表面113A(最佳地显示在图1B中)。在一些实施例中，可以将硅化物层414A的顶表面暴露并涂覆以识别元件，以提供另一个感测表面以补充圆柱形3D纳米探针420的感测表面113A(最佳地显示在图1B中)。

图14-18示出了根据本发明实施例的用于形成生物传感器110B的示例性方法。图14-18中所示的生物传感器110B是图1A中所示的生物传感器110的示例实施方式。在图14-18所示的示例中，在中，生物传感器110B被实施为半导体器件，更具体地，被实施为具有图1B中的112C所示类型的加长金字塔形3D纳米探针的FET。现在将提供可用于实现根据本发明实施例的生物传感器110B的半导体器件制造工艺的一般描述。尽管用于实现生物传感器110B的具体制造操作可能是分别已知的，但是本发明的所述操作和/或所得结构的组合却是独特的。因此，根据本发明描述的操作的独特组合利用在半导体(例如硅)衬底上执行的各种分别已知的物理和化学过程，其中有些在紧接的以下段落中更详细地描述。

图14描绘了根据本发明的一个或多个实施例在制造阶段之后的生物传感器110B的横截面视图。在图14中描绘的生物传感器110B中，已经执行了图4-8中所示的相同的制造操作，除了氧化物填充物416已经被抛光回到硅化物层414A，并且衬垫里(例如TiTiN或TaTaN)430和金属层(例如Al或W)432已经沉积在生物传感器上110B。

图15描绘了其中在金属层432上形成抗蚀剂图案434的制造阶段之后生物传感器110B的横截面视图。

图16描绘了在其中已经蚀刻金属层432以将抗蚀剂图案434转移到金属层432的制造阶段之后生物传感器110B的横截面视图。

图17描绘了在一个制造阶段之后生物传感器110B的横截面视图，其中金属层432被蚀刻成期望的形状，其可以包括例如如图1C中所示的3D纳米探针112A、112B、112C、112D中的任何形状。图18描绘了图17中所示的生物传感器110B的俯视图。在图17和图18中描绘的实施例中，金属层432已经被蚀刻成具有感测表面区域454和顶点区域452的加长金字塔形3D纳米探针450的形状。在一些实施例中，通过以诸如约45度的适当的角度执行的离子束蚀刻(IBE)使金属层432成形。感测表面区域454和/或顶点区域452可涂覆有多种材料，以使它们用作识别元件。选择特定的涂层材料以匹配特定的应用。

图19描绘了示出根据本发明的一个或多个实施例的使用具有3D纳米探针420的生物传感器110A的配置的示意图。从源极到漏极的电流是传感信号。栅极电压施加在参考电极上，源极和衬底电压设置为零(0)V。漏极电压设置为小(～25mV)电压。对于n型FET，漏极电压是正的；对于p型FET，漏极电压是负电压。3D纳米探针的3D感测表面可以涂覆有用于pH感测的TiN，用于Cl检测的AgCl，或用于使用硫醇化学检测生物分子的金。

图20描绘了示出根据本发明的一个或多个实施例的使用具有3D纳米探针420的生物传感器110A的配置的示意图。从源极到漏极的电流是传感信号。栅极电压施加在参考电极上，源极和衬底电压设置为零(0)V。漏极电压设置为小(～25mV)电压。对于n型FET，漏极电压是正的；对于p型FET，漏极电压是负电压。3D纳米探针的3D感测表面可以涂覆有用于pH感测的TiN，用于Cl检测的AgCl，或用于使用硫醇化学检测生物分子的金。在图20所示的实施例中，3D纳米探针具有一个宽度尺寸(例如约100nm)，其有助于3D纳米探针穿透细胞壁以接触并提供来自细胞内的流体的测量值。典型的细胞大小约为5×5μm2。在一些实施例中，施加足够的压力以使3D纳米探针结构112A穿透生物细胞的细胞壁并接触生物细胞内的流体。可以用先前结合图1A中所示的生物传感器系统100描述的各种程序，施加透过3D纳米探针结构、生物细胞或两者的压力。

尽管本发明主要是结合在人类受试者中的使用而公开的，但是本发明的教导可以用于包括但不限于动物、爬行动物和无脊椎动物的生物体中。另外，具有目标分析物的溶液可以是任何水性环境或水体，包括海洋、湖泊、溪流和池塘。

因此，从前面的详细描述中可以看出，本发明提供了许多技术益处和效果。本发明的实施例提供基于FET的生物传感器，其中FET的栅极成形为诸如圆柱、金字塔、锥形等的3D纳米探针结构。可以用识别元件(例如TiN)涂覆3D纳米探针以测量pH。3D纳米探针可以用另一种识别元件(例如Au)涂覆或使用硫醇化学测量生物分子。例如，为了检测DNA，可以用与靶DNA互补的单链DNA功能化金表面。在一些实施例中，3D纳米探针具有一个宽度尺寸(例如约100nm)和其他结构特征，其有助于3D纳米探针穿透细胞壁接触并提供来自细胞内流体的测量。典型的细胞尺寸约为5×5μm2。因此，本发明的实施例提供了更多的感测表面区域，其提高了感兴趣的分析物与感测表面结合的效率，改善了信号强度，并改善了信噪比。本发明的实施例还涉及制造FET和3D纳米探针结构的方法，以及使用FET和3D纳米探针结构的方法。

本发明可以是系统、方法和/或计算机程序产品。计算机程序产品可以包括计算机可读存储介质，其上载有用于使处理器实现本发明的各个方面的计算机可读程序指令。

计算机可读存储介质可以是可以保持和存储由指令执行设备使用的指令的有形设备。计算机可读存储介质例如可以是--但不限于--电存储设备、磁存储设备、光存储设备、电磁存储设备、半导体存储设备或者上述的任意合适的组合。计算机可读存储介质的更具体的例子(非穷举的列表)包括：便携式计算机盘、硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、静态随机存取存储器(SRAM)、便携式压缩盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能盘(DVD)、记忆棒、软盘、机械编码设备、例如其上存储有指令的打孔卡或凹槽内凸起结构、以及上述的任意合适的组合。这里所使用的计算机可读存储介质不被解释为瞬时信号本身，诸如无线电波或者其他自由传播的电磁波、通过波导或其他传输媒介传播的电磁波(例如，通过光纤电缆的光脉冲)、或者通过电线传输的电信号。

这里所描述的计算机可读程序指令可以从计算机可读存储介质下载到各个计算/处理设备，或者通过网络、例如因特网、局域网、广域网和/或无线网下载到外部计算机或外部存储设备。网络可以包括铜传输电缆、光纤传输、无线传输、路由器、防火墙、交换机、网关计算机和/或边缘服务器。每个计算/处理设备中的网络适配卡或者网络接口从网络接收计算机可读程序指令，并转发该计算机可读程序指令，以供存储在各个计算/处理设备中的计算机可读存储介质中。

用于执行本发明操作的计算机程序指令可以是汇编指令、指令集架构(ISA)指令、机器指令、机器相关指令、微代码、固件指令、状态设置数据、或者以一种或多种编程语言的任意组合编写的源代码或目标代码，所述编程语言包括面向对象的编程语言-诸如Smalltalk、C++等，以及常规的过程式编程语言一诸如“C”语言或类似的编程语言。计算机可读程序指令可以完全地在用户计算机上执行、部分地在用户计算机上执行、作为一个独立的软件包执行、部分在用户计算机上部分在远程计算机上执行、或者完全在远程计算机或服务器上执行。在涉及远程计算机的情形中，远程计算机可以通过任意种类的网络-包括局域网(LAN)或广域网(WAN)-连接到用户计算机，或者，可以连接到外部计算机(例如利用因特网服务提供商来通过因特网连接)。在一些实施例中，通过利用计算机可读程序指令的状态信息来个性化定制电子电路，例如可编程逻辑电路、现场可编程门阵列(FPGA)或可编程逻辑阵列(PLA)，该电子电路可以执行计算机可读程序指令，从而实现本发明的各个方面。

这里参照根据本发明实施例的方法、装置(系统)和计算机程序产品的流程图和/或框图描述了本发明的各个方面。应当理解，流程图和/或框图的每个方框以及流程图和/或框图中各方框的组合，都可以由计算机可读程序指令实现。

这些计算机可读程序指令可以提供给通用计算机、专用计算机或其它可编程数据处理装置的处理器，从而生产出一种机器，使得这些指令在通过计算机或其它可编程数据处理装置的处理器执行时，产生了实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的装置。也可以把这些计算机可读程序指令存储在计算机可读存储介质中，这些指令使得计算机、可编程数据处理装置和/或其他设备以特定方式工作，从而，存储有指令的计算机可读介质则包括一个制造品，其包括实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作的各个方面的指令。

也可以把计算机可读程序指令加载到计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上，使得在计算机、其它可编程数据处理装置或其它设备上执行一系列操作步骤，以产生计算机实现的过程，从而使得在计算机、其它可编程数据处理装置、或其它设备上执行的指令实现流程图和/或框图中的一个或多个方框中规定的功能/动作。

附图中的流程图和框图显示了根据本发明的多个实施例的系统、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或指令的一部分，所述模块、程序段或指令的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。

这里使用的术语仅用于描述特定实施例的目的，并不意图限制本发明。如这里所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解，当在本说明书中使用时，术语“包括”和/或“包含”指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但不排除存在或者添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件和/或它们的组。

以下权利要求中的所有装置或步骤加功能元件的对应结构、材料、动作和等同物旨在包括用于结合具体要求保护的其他要求保护的元件执行功能的任何结构、材料或动作。已经出于说明和描述的目的给出了对本发明的描述，但是并不旨在穷举或将本发明限于所公开的形式。在不脱离本发明的范围和精神的情况下，许多修改和变化对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。选择和描述实施例是为了最好地解释本发明的原理和实际应用，并且使本领域普通技术人员能够理解本发明的具有适合于预期的特定用途的各种修改的各种实施例。

Claims (22)

1.一种传感器，包括：

感测电路；和

通信地耦合到所述感测电路的探针；

其中所述探针包括三维(3D)感测表面，所述三维(3D)感测表面包括识别元件的导电涂层，该识别元件被配置得至少部分地基于所述3D感测表面与预定物质相互作用，产生第一测量。

2.根据权利要求1所述的传感器，其中所述探针的3D感测表面还被配置得穿透生物细胞的壁并接触所述生物细胞内的流体。

3.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中，所述感测电路被配置得至少部分地基于所述第一测量，生成感测电路输出。

4.根据权利要求3所述的传感器，其中所述感测电路输出与所述预定物质的预定特性成正比。

5.如权利要求3或4所述的传感器，其中：

所述感测电路包括场效应晶体管(FET)；

所述第一测量包括电压；

所述FET被配置得接收FET的栅极处的电压；和

所述感测电路输出包括从所述FET的源极到所述FET的漏极的电流。

6.根据前述权利要求中任一项所述的传感器，其中所述3D感测表面的形状包括：

金字塔；

圆锥；或

圆柱。

7.根据权利要求6所述的传感器，其中：

所述金字塔或所述圆锥包括一个顶点；和

所述顶点被配置得穿透生物细胞的壁并接触所述生物细胞内的流体。

8.如权利要求6或7所述的传感器，其中：

所述圆柱包括暴露的端部；和

所述暴露端被配置得穿透生物细胞的壁并接触所述生物细胞内的流体。

9.一种形成传感器的方法，该方法包括：

形成感测电路；

形成包括三维(3D)感测表面结构的探针结构；

将所述探针结构通信地耦合到所述感测电路；

配置所述3D感测表面结构以包括包含识别元件的涂层；

进一步将所述3D感测表面结构配置得至少部分地基于所述3D感测表面结构与预定物质相互作用，产生第一测量。

10.根据权利要求9所述的方法，其中：

所述探针结构包括含有多个探针的阵列；和

所述3D感应表面结构包括多个3D感应表面。

11.根据权利要求9或10所述的方法，还包括配置所述探针结构的3D感测表面结构以穿透生物细胞的壁并接触所述生物细胞内的流体。

12.根据权利要求9至11中任一项所述的方法，还包括：将所述感测电路配置为至少部分地基于所述第一测量，生成感测电路输出。

13.根据权利要求12所述的方法，其中所述感测电路输出与所述预定物质的预定特性成正比。

14.根据权利要求12或13所述的方法，其中：

所述感测电路包括场效应晶体管(FET)；

所述第一测量包括电压；

所述FET被配置得接收所述FET的栅极处的电压；和

所述感测电路输出包括从所述FET的源极到所述FET的漏极的电流。

15.根据权利要求9至14中任一项所述的方法，还包括将所述3D感测表面结构配置为包括包括金字塔，圆锥或圆柱的形状。

16.根据权利要求15所述的方法，其中：

所述金字塔或所述圆锥包括顶点；和

所述顶点被配置得穿透生物细胞的壁并接触所述生物细胞内的流体。

17.根据权利要求15或16所述的方法，其中：

所述圆柱包括暴露的端部；和

所述暴露的端部被配置得穿透生物细胞的壁并接触所述生物细胞内的流体。

18.一种使用传感器的方法，该方法包括：

访问样本；和

将所述样本暴露于传感器；

其中所述传感器包括通信地耦合到探针结构的感测电路，所述探针结构包括具有包括识别元件的涂层的三维(3D)感测表面结构；

至少部分地基于所述3D感测表面结构接触所述样本中的预定物质，使用所述3D感测表面结构来产生第一测量；

至少部分地基于所述第一测量，使用所述感测电路产生与预定物质的预定特性成正比的感测电路输出。

19.根据权利要求18所述的方法，其中将所述样本暴露于所述传感器包括使所述探针穿透所述样本中的生物细胞的壁并接触所述生物细胞内的流体。

20.如权利要求18或19所述的方法，其中：

所述探针结构包括含有多个探针的阵列；和

所述3D感应表面结构包括多个3D感应表面。

21.一种用于使用传感器的计算机程序产品，所述计算机程序产品包括：计算机可读存储介质，其可由处理电路读取并存储用于由所述处理电路执行的指令，用于执行根据权利要求18至20中任一项所述的方法。

22.一种存储在计算机可读介质上并且可加载到数字计算机的内部存储器中的计算机程序，包括软件代码部分，用于在所述程序在计算机上运行时，执行权利要求18到20中任一项的方法。