CN111521662A - 一种传感芯片及其制造方法 - Google Patents

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CN111521662A CN202010325192.9A CN202010325192A CN111521662A CN 111521662 A CN111521662 A CN 111521662A CN 202010325192 A CN202010325192 A CN 202010325192A CN 111521662 A CN111521662 A CN 111521662A
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Abstract

本申请公开了一种结合微流控和场效应传感器的传感芯片及其制造方法，该传感芯片包括：微流控芯片，包括覆盖于微流控芯片表面的第一疏水层；场效应传感器芯片，至少包括一个具有敏感膜的场效应传感器，所述场效应传感器位于所述微流控芯片上方，其中所述第一疏水层面与所述敏感膜面相对，所述第一疏水层面与所述敏感膜面之间存在间距；以及拓展衬底，所述场效应传感器位于所述拓展衬底表面、嵌于所述拓展衬底内部或者部分嵌于所述拓展衬底内部。该传感芯片可以使用于各种流体生化检测过程，实现小型化，方便，快速地检测。

Description

一种传感芯片及其制造方法
技术领域
本发明涉及一种传感芯片，尤其涉及一种结合微流控和场效应传感器的传感芯片及其制造方法。
技术背景
微流控系统是用来控制微量液体的工具，可以操控液体流动。传统的微流控系统只能控制液体的运动，但是没有传感器与其配套使用，缺乏对液体进行检测的手段，使得其应用范围受到限制，缺乏对液体的检测手段是限制微流控发展的重要瓶颈。
场效应传感器具有微型化，灵敏度高，响应时间短的特点，最适合与微流控技术结合。把微流控系统和场效应传感器相结合面临一个最重要的矛盾是传感器芯片的尺寸通常只有几平方毫米，但是微流控设备的尺寸在几百平方厘米，两者相差1000～10000倍。
现有的把微流控技术与传感器技术相融合的方法是把微流控芯片直接制造在传感器芯片上，通过CMOS兼容工艺制造于同一衬底上，如图1所示的系统000，1是场效应传感器芯片，2是微流控系统的电极，3是微流控系统的疏水层，6是场效应传感器，8是敏感膜，9是目标液滴；微流控芯片上所需要用到的电极和疏水层均通过CMOS兼容工艺在制造场效应芯片的同时和场效应传感器制造在同一衬底上，这样做最大的问题在于用昂贵的CMOS工艺制造面积巨大的微流控设备导致整个设备的成本非常高，而且对于芯片制造的工艺兼容性提出更高要求，对于非传统的场效应传感器，例如二硫化钼或石墨烯二维材料场效应传感器，其制造工艺很难兼容，这种传统的方案是不可实施的。
半导体场效应传感器相比于电极传感器的优势十分明显。1.场效应传感器的检测精度更高，而电极传感器检测精度差，可重复性差，往往需要大量对照试验和对照电极来确定被检测物质的浓度和种类；2.场效应传感器可以实时监测，而金属电极传感器不论是通过循环伏安法检测还是阻抗法检测都需要大量时间，不适合快速高通量检测；3.场效应传感器的尺寸小，采用阵列式排布，适用于大规模高通量的液滴检测，微流控技术的主要优势在于高通量的液滴驱动从而实现快速检测，因此场效应传感器比电极传感器更加适于与微流控技术结合。相比于把微电极传感器和丝网印刷电极传感器等由金属薄膜构成的传感器，半导体传感器和微流控技术结合的技术难度很高。从技术方案角度来看，金属薄膜传感器因为本身厚度小，可以直接贴附在数字微流控芯片的上盖上实现集成，是容易想到的技术方案。而半导体场效应传感器本身具有较厚的衬底材料，把它直接贴附在上盖上会使上盖平面凸起，阻碍液滴的移动，因此业内目前没有把场效应传感器与微流控技术结合的技术方案。
我们需要一种技术方案可以灵活方便地将两种系统进行结合。一旦可以将微流控技术与传感器技术相结合，将会开发出微流控系统巨大的潜力。
发明内容
为了解决上述现有技术的一个或多个技术问题，本发明提出一种传感芯片及其制造方法。
根据本发明实施例的一种传感芯片，包括：微流控芯片，包括覆盖于微流控芯片表面的第一疏水层；场效应传感器芯片，至少包括一个具有敏感膜的场效应传感器，所述场效应传感器位于所述微流控芯片上方，其中所述第一疏水层面与所述敏感膜面相对，所述第一疏水层面与所述敏感膜面之间存在间距；以及拓展衬底，所述场效应传感器位于所述拓展衬底表面、嵌于所述拓展衬底内部或者部分嵌于所述拓展衬底内部。
根据本发明实施例的一种传感芯片的制造方法，所述传感芯片包括微流控芯片和场效应传感器芯片，所述制造方法包括：将所述场效应传感器芯片贴附于一拓展衬底上；在所述拓展衬底上制作与场效应传感器芯片连接的电极；在所述微流控芯片表面覆盖第一疏水层；在所述拓展衬底上制作第二疏水层；以及将贴有场效应传感器芯片的拓展衬底平行放置于所述微流控芯片上方；其中所述第一疏水层面与所述敏感膜面相对，所述第一疏水层面与所述敏感膜面之间存在间距。
根据本发明的实施例的一种传感芯片的制造方法，所述传感芯片包括微流控芯片和场效应传感器芯片，所述制造方法包括：在所述微流控芯片表面覆盖第一疏水层；将所述场效应传感器芯片倒扣于一模具中；在所述模具中倒入可塑的液体衬底材料并固化；将所述场效应传感器芯片和所述液体衬底材料从模具中取出作为衬底拓展后的场效应传感器芯片；在衬底拓展后的场效应传感器芯片上制作电极；在衬底拓展后的场效应传感器芯片上制作第二疏水层；以及将衬底拓展后的传感器芯片平行放置于所述微流控芯片上方；其中所述第一疏水层面与所述敏感膜面相对，所述第一疏水层面与所述敏感膜面之间存在间距。
根据本发明的实施例的一种传感芯片，包括：数字微流控芯片，用于控制一目标液滴进行定向移动，所述目标液滴中包含DNA序列；以及场效应传感器芯片，至少包括一个场效应传感器器件，所述场效应传感器芯片平行放置于所述数字微流控芯片上方，所述场效应传感器器件包括源极、漏极和敏感膜，所述源极和漏极之间的沟道包括由氮化镓材料构成的二维电子气沟道或石墨烯沟道，所述二维电子气沟道或石墨烯沟道上包括纳米金颗粒，所述敏感膜包括DNA探针链，所述DNA探针链链接在所述纳米金颗粒上，用于对特定的与探针DNA互补的DNA序列进行检测。
根据本发明实施例的传感芯片及制造方法可以实现液滴操纵和检测于一身，适用于各种流体的生化检测过程，实现小型化，方便，快速地检测，尤其可以在单个设备上实现PCR扩增过程与DNA测序过程，做到全自动化DNA测序，节省了场效应传感器芯片的面积。相比于现有技术，本发明所提出的传感芯片节省了场效应传感器芯片的面积，将场效应传感器加工工艺与微流控加工工艺解耦，从而使整个系统的制造难度降低，系统复杂度降低，更加容易实施，可靠性更好。
附图说明
图1为现有微流控与场效应传感器结合的系统000的结构示意；
图2为根据本发明一实施例的结合微流控和场效应传感器的传感芯片200的截面图；
图3为根据本发明实施例的图2所示实施例中的场效应传感器器件6的俯视图；
图4为根据本发明实施例的图2所示实施例中的微流控芯片101的俯视图300；
图5为根据本发明实施例的图2所示实施例中的场效应传感器芯片102的俯视图400；
图6为根据本发明实施例的如图2所述实施例的传感芯片200的一种制造方法的流程图；
图7为根据本发明一实施例的结合微流控和场效应传感器的传感芯片的检测方法S1的流程图；
图8为根据本发明一实施例的微流控芯片液滴移动过程的俯视图；
图9为根据本发明一实施例的结合微流控和场效应传感器的传感芯片600的截面图；
图10为根据本发明另一实施例的如图2所述实施例的传感芯片200的制造方法的流程图；
图11根据本发明一实施例的为结合微流控和场效应传感器的传感芯片700的截面图；
图12根据本发明一实施例的为结合微流控和场效应传感器的传感芯片800的截面图；
图13根据本发明一实施例的为结合微流控和场效应传感器的传感芯片900的截面图；
图14为根据本发明一实施例的场效应传感器芯片102的结构示意图；
图15为根据本发明一实施例的为结合微流控和场效应传感器的传感芯片999的截面图；
图16为根据本发明另一实施例的结合微流控和场效应传感器的传感芯片中场效应传感器芯片所在的俯视图400-2；
图17为根据本发明一实施例的结合微流控和场效应传感器的传感芯片998的截面图。
具体实施方式
下面将结合附图详细描述本发明的具体实施例，应当注意，这里描述的实施例只用于举例说明，并不用于限制本发明。在以下描述中，为了便于对本发明的透彻理解，阐述了大量特定细节。然而，本领域普通技术人员可以理解，这些特定细节并非为实施本发明所必需。此外，在一些实施例中，为了避免混淆本发明，未对公知的电路、材料或方法做具体描述。
在整个说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、“一个示例”或“示例”的提及意味着：结合该实施例或示例描述的特定特征、结构或特性被包含在本发明至少一个实施例中。因此，在整个说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”、“在实施例中”、“一个示例”或“示例”不一定都指同一实施例或示例。此外，可以以任何适当的组合和/或子组合将特定的特征、结构或特性组合在一个或多个实施例或示例中。此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图均是为了说明的目的，其中相同的附图标记指示相同的元件。应当理解，当称元件“连接到”或“耦接”到另一元件时，它可以是直接连接或耦接到另一元件或者可以存在中间元件。相反，当称元件“直接连接到”或“直接耦接到”另一元件时，不存在中间元件。在说明书或权利要求书中出现的“左”、“右”、“内”、“外”、“前”、“后”、“上”、“下”、“顶部”、“底部”、“之上”、“之下”或类似的描述，均仅是为了说明的目的，而非用于描述固定的相对位置。应当理解，以上术语在适当的情况下是可以互换的，从而使得相应的实施例可以在其它方向上正常工作。
图2为根据本发明实例的结合微流控和场效应传感器的传感芯片200的截面图。所述传感芯片包括微流控芯片101、场效应传感器芯片102和拓展衬底4，所述微流控芯片101包括覆盖于微流控芯片102表面的第一疏水层3，所述场效应传感器芯片102至少包括一个场效应传感器器件6，所述场效应传感器芯片102位于所述微流控芯片101上方，所述场效应传感器芯片102包括栅极和与栅极连接的敏感膜8，其中所述第一疏水层面与所述敏感膜面相对，所述第一疏水层面与所述敏感膜面之间存在间距；所述场效应传感器芯片102位于所述拓展衬底4表面、嵌于所述拓展衬底4内部或者部分嵌于所述拓展衬底4内部。
在一个实施例中，所述微流控芯片101包括：衬底1，电极阵列2、第一疏水层3；所述电极阵列2贴附在衬底1上；所述衬底1可以是有机玻璃，玻璃、高分子聚合物、塑料、树脂、石英、金属，氧化物，氮化物，半导体等材料构成，可以是一层同质的材料，也可以是多层复合材料的组合；所述电极阵列2中的电极可以是正方形，长方形，圆形或其他任意多边形，电极材料可以是金属，ITO(氧化銦錫)等导电材料构成，所述电极阵列2贴附于所述衬底1表面；所述第一疏水层3至少包括一层输水材料，可以由Cytop、Teflon、FluoroPel等一层或多层结构构成，还可以包括介质材料，可以由金属氧化物、氮化物、绝缘体、高阻抗半导体、高分子聚合物等一层或多层结构构成，所述介质材料至少覆盖所述电极阵列2表面，所述疏水材料覆盖在所述衬底1和所述介质材料表面；所述微流控芯片101上的第一疏水层3覆盖在电极阵列2和衬底1上；通过在所述微流控芯片101的电极阵列2上施加特定电压可以控制目标液滴9的移动。在一个实施例中，所述微流控芯片101为数字化微流控芯片。
在一个实施例中，所述场效应传感器芯片102包括：至少一个场效应传感器器件6、第二疏水层5、引线电极7，敏感膜8，拓展衬底4；所述拓展衬底4可以是与场效应传感器器件6同质的衬底及外延材料，也可以是由环氧树脂、玻璃、塑料、高分子聚合物等一层或多层复合材料构成的扩展衬底；所述场效应传感器芯片102中的第二疏水层5至少包括一层输水材料，可以由Cytop、Teflon、FluoroPe1等一层或多层结构构成，还可以包括介质材料，可以由金属氧化物，氮化物、绝缘体、高阻抗半导体、高分子聚合物等一层或多层结构构成；所述场效应传感器芯片102中的电极7可以由金属、ITO(氧化铟锡)等导电材料构成，可以通过磁控溅射、电子束蒸发、气相沉积、电镀、丝网印刷等方法生长在芯片表面；所述场效应传感器芯片102中的敏感膜8是可以与被检测物质特异性结合的敏感膜材料，根据被检测物质的不同而设定，可以是DNA探针、抗原抗体、细胞、氧化物、蛋白质、多肽、离子敏感膜等各种生化物质敏感材料；所述场效应传感器器件6可以是硅基ISFET(离子选择场效应器件)，氮化镓，砷化镓，铟镓氮，铟铝氮等三五族半导体材料的场效应器件，石墨烯、二硫化钼等二维材料场效应器件，纳米线场效应器件等各种场效应传感器器件；所述场效应传感器器件6位于所述拓展衬底4表面、嵌入衬底4内部或者部分嵌于衬底4内部；所述场效应传感器芯片102上的第二疏水层5覆盖在场效应传感器器件6和引线电极7表面，只将敏感膜8裸露出来。
所述场效应传感器芯片102中的敏感膜8是可以与被检测物质特异性结合的敏感膜材料，根据被检测物质的不同而设定，在一个实施例中，所述敏感膜8包括DNA探针，所述场效应传感器器件6是氮化镓场效应器件；所述场效应传感器器件6位于所述拓展衬底4上、嵌入衬底4内部或者部分嵌于衬底4内部；所述场效应传感器芯片102上的第二疏水层5覆盖在场效应传感器器件6和引线电极7表面，只将敏感膜8裸露出来。
在一个实施例中，所述场效应传感器芯片102放置在所述微流控芯片101上方，所述第一疏水层面3与所述敏感膜面8相对，所述第一疏水层面3与所述敏感膜面8之间存在间距，即两个内侧面P1和P2之间存在间距，在一个实施例中，所述间距为1um至10mm。在一个实施例中，所述场效应传感器芯片102和所述微流控芯片101可以上下平行放置，也可以倾斜放置，根据实际需要确定。
在一个实施例中，所述微流控芯片101与所述场效应传感器芯片102上下平行放置，形成平行平面P1和P2，所述平行平面P1和P2不局限于完全光滑的平面和严格意义上的平行，可以存在凹凸形状，也可以存在轻微的倾斜，只要保证液滴能够顺利与敏感膜接触即可，所述微流控芯片101中的第一疏水层面3与所述场效应传感器芯片102中的敏感膜面8相对，构成平行平面P1和P2的内侧，在一个实施例中，两个平行平面P1和P2的距离为1um～10mm，但不限于1um～10mm，该距离需要与所述电极阵列2中的电极的大小和液滴9大小相配合，方便微流控芯片操纵液滴9移动，同时液滴9可以接触到所述敏感膜8表面，在某些情况下，若所述平面P1与所述平面P2构成的平行平面距离小于1um，液滴体积过小，对于平面的粗糙度更加敏感，将难以实现有效的液滴操控，在某些情况下，若所述平面P1与所述平面P2构成的平行平面距离大于10mm，表面张力无法支持液体形成足够大的液滴9，使得所述液滴9无法与两个平面同时接触。
图3为根据本发明实施例的图2所示实施例中的场效应传感器器件6的俯视图。所述场效应传感器器件6包括：源极51、漏极52、栅极、衬底；所述衬底为制造场效应器件的基底材料，用于支撑和承载场效应传感器器件，可以是同质衬底，例如硅基ISFET的衬底为硅衬底，也可以是异质衬底，例如氮化镓AlGaN/GaN传感器的外延可以生长在同质的氮化镓衬底上，也可以生长在异质的硅或者蓝宝石或碳化硅等衬底上；所述敏感膜8与所述场效应传感器器件6的栅极相连，用于与被检测物质特异性结合；所述引线电极7与所述场效应传感器器件6的源极51和漏极52相连。
在一个实施例中，衬底1由有机玻璃构成，电极阵列2为ITO材料构，电极阵列2中的电极形状为正方形，所述电极阵列2中的每个电极大小为2mm*2mm，所述电极阵列2与一控制模块相连，每一个电极的电位受到控制模块的控制；第一疏水层3为疏水材料，底层是由磁控溅射法溅射的250nm氧化铝薄膜，顶层是通过标准的旋涂和退火方法的160nm Cytop，复合的第一疏水层3覆盖在电极阵列2及衬底1表面，通过Ar/O2处理的方法使Cytop表面疏水角达到120°以上，这样通过在电极阵列2上施加电压可以在60°到120°范围内调制疏水角大小，电极阵列2上的电压范围应该控制在10V以内以减缓介质层的老化过程；通过在不同电极上施加时序地方波，可以控制目标液滴在电极之间的移动，每次移动过程耗时在100ms以内，在一个实施例中，控制目标液滴初始位置上的电极以及初始位置周围除目标位置以外的电极上的电压为第一电压，控制目标位置上的电极电压为第二电压，所述第二电压大于所述第一电压。在一个个实施例中，所述场效应传感器芯片102包括由有机玻璃构成的衬底4、由氮化镓二维材料器件构成的场效应传感器器件6，所述场效应传感器器件6具有源极51和漏极52，均由电子束蒸发的200nm金薄膜构成，源极51和漏极52之间的沟道由单层氮化镓材料构成；所述场效应传感器器件6作为DNA传感器使用，其二维电子气沟道上生长有直径为百纳米级的纳米金颗粒，所述敏感膜8为含有SH-键的DNA探针链，通过巯基链接在二维电子气沟道上的纳米金颗粒上，所述DNA探针链作为敏感膜8可以对特定的与探针DNA互补的DNA序列进行检测；所述引线电极7与所述场效应传感器器件6的源极51和漏极52相连，通过I/O接口与所述控制模块相连，受控制模块的控制；所述第二疏水层5具有双层结构，底层由PECVD生长的200nm厚的Si3N4薄膜构成，上层由160nm旋涂的Cytop层构成，第二疏水层5的Si3N4薄膜可以起到保护所述场效应传感器器件6的源极51和漏极52以及所述引线电极7不被溶液腐蚀的作用，Cytop层起到辅助所述数字微流控芯片101对目标液滴进行移动操控的作用；除所述敏感膜材料8被暴露出来以外，所述场效应传感器芯片102其余部分均被所述第二疏水层5覆盖。在其它实施例中，所述沟道不限于二维电子气沟通，也可以为石墨烯沟道等。
图4为根据本发明实施例的图2所示实施例中的微流控芯片101的俯视图300，如图4所示实施例，所述微流控芯片101包括衬底1，电极阵列2，和第一疏水层3，所述目标液滴9位于第一疏水层3上，由位于第一疏水层3下方的电极阵列2控制其发生定向移动，所述电极阵列2包括多个电极，在一个实施例中，通过在不同电极上施加时序方波，可以控制目标液滴在电极之间的移动。在一个实施例中，所述电极阵列与一控制模块相连，每一个电极的电位受到控制模块的控制。
图5为根据本发明实施例的图2所示实施例中的场效应传感器芯片102的俯视图400。在如图5所示实施例，所述场效应传感器芯片位于拓展衬底4上，包括第二疏水层5、场效应传感器器件6，电极7和敏感膜8。在一个实施例中，所述场效应传感器芯片上还包括其它多个场效应传感器器件。
图6为根据本发明实施例的如图2所述实施例的传感芯片200的一种制造方法。所述制造方法包括：步骤S1，将所述场效应传感器芯片转移到拓展衬底上，在一个实施例中，可以将所述场效应传感器芯片直接贴到拓展衬底上；步骤S2，在所述拓展衬底上制作与场效应传感器芯片连接的电极；步骤S3，在所述拓展衬底上制作第二疏水层；步骤S4，将贴有场效应传感器芯片的拓展衬底平行放置于所述微流控芯片上方，其中所述第一疏水层面与所述敏感膜面相对，所述第一疏水层面与所述敏感膜面之间存在间距。如图6实施例中，所述制作方法还包括在所述微流控芯片表面覆盖第一疏水层。
图7为根据本发明一实施例的结合微流控和场效应传感器的传感芯片的检测方法S1的流程图；首先将控制模块103与微流控芯片耦接，以特定时序控制微流控芯片101上电极阵列2上的电压来控制目标液滴移动到所述场效应传感器芯片102上所述场效应传感器器件6的敏感膜所处位置，与所述敏感膜8接触；之后控制模块103控制所述场效应传感器芯片102上的场效应传感器的漏源极电压或电流，对液滴进行检测，输出传感信号。
图8为根据本发明一实施例的微流控芯片液滴移动过程的俯视图。如图8所示的一个实施例中，所述电极阵列2上包括但不限于所示的20个电极，分别为电极L11、L12、L13、L14、L15、L21、L1、L2、L24、L25、L31、L32、L33、L34、L35、L41、L42、L43、L44和L45，在一个实施例中，为了操纵目标液滴从位置L1移动到位置L2，可以控制电极L1、L21、L12、L32的电位为零，电极L2的电位为+10V，从而电极L2的疏水角比电极L1、L21、L12、L32的小，意味着电极L2更加亲水，目标液滴倾向于向电极阵列L2移动，目标液滴就会从位置L1移动到位置L2；通过对目标液滴的操纵把目标液滴移动到所述场效应传感器6的敏感膜8的位置；下一步通过一控制模块在所处场效应传感器6的漏极52和源极51之间施加一个恒定的电压V并检测漏极52和源极51之间流过的电流I，则电流I即可作为所述目标液滴的传感信号；在另一个实施例中，可以通过控制模块21控制一参比电极电压，使得漏极52和源极51之间流过的电流为一恒定值，通过检测施加在参比电极上的电压信号得到传感信号，所述的参比电极可以是由Ag/AgCl电极、铂电极、碳电极、金电极、氢汞电极等各种能够与液体形成稳定电位的物质构成，参比电极可以是与场效应传感器一同制造在场效应传感器芯片上的微电机，也可以是外接电极；需要注意的是，所述的场效应传感器的控制和读出方法有很多种，在其他实施例中可以通过集成在场效应传感器芯片上的读出电路对传感信号进行读出，本实施例只举出了其中一个例子。
图9为根据本发明一实施例的结合微流控和场效应传感器的传感芯片600的截面图。区别于图2所示的传感芯片200，图9所示的传感芯片600中的场效应传感器器件6被包裹在拓展衬底4内部，即所述场效应传感器芯片嵌于所述拓展衬底4内部，只有所述敏感膜8所处的表面露出，和所述拓展衬底4共处一个平面，在一个实施例中，所述拓展衬底4可以与所述平行平面P1和P2平行，在这种情况下，所述拓展衬底4的面积大于所述场效应传感器器件6的面积。在其它实施例例中，所述场效应传感器芯片可以不用完全嵌于所述拓展衬底4内部，可以部分嵌于所述拓展衬底4内部。
图10为根据本发明另一实施例的如图2所述实施例的传感芯片200的制造方法的流程图。所述制作方法包括步骤S1-S6。步骤S1，将所述场效应传感器芯片倒扣于一模具中；步骤S2，在所述模具中倒入可塑的液体衬底材料并固化，在一个实施例中，模具中倒入环氧树脂，通过加热使环氧树脂固化，所述的环氧树脂即为所述拓展衬底4；步骤S3，将所述场效应传感器芯片和所述液体衬底材料从模具中取出作为衬底拓展后的场效应传感器芯片，在一个实施例中，即将环氧树脂从模具中取出；步骤S4，在衬底拓展后的场效应传感器芯片上制作电极，在一个实施例中，可以通过磁控溅射技术制作引线电极7，由于场效应传感器器件的源极51和漏极52与所述拓展衬底4表面处于同一平面，引线电极7可以直接跨越场效应传感器6的表面到达衬底4，再通过I/O接口连接到控制模块103；步骤S5，在衬底拓展后的场效应传感器芯片上制作第二疏水层；步骤S6，将衬底拓展后的场效应传感器芯片放置于所述微流控芯片上方，在一个实施例中，可以将衬底扩展后的场效应传感器芯片与所述微流控芯片上下平行放置，所述微流控芯片的第一疏水层面与所述场效应器件芯片的敏感膜面相对。在一个实施例中，所述模具大小与微流控芯片101大小形状相同，在另一个实施例中，所述模具的形状与微流控芯片101的衬底的一部分相同，经过衬底拓展后的场效应传感器芯片102面积小于所述微流控芯片101，只与微流控芯片101的一部分构成传感区域。
在一个实施例中，所述模具的深度等于、小于或者大于场效应传感器芯片6的厚度，使得场效应传感器芯片6位于衬底上方或者嵌入衬底内部的不同深度。如图10所示实施例中，所述制作方法还包括在所述微流控芯片表面覆盖第一疏水层。
图11为根据本发明一实施例的结合微流控和场效应传感器的传感芯片700的截面图。区别于图9所示的传感芯片600，图11所述的传感芯片700的引线电极7通过过孔连接到所述场效应传感器6的源极51和漏极52相连，覆盖于场效应传感器6的背面。
如图11所示的一个实施例中，所述传感芯片的制作方法可以但不限于如下：首先将所述场效应传感器6倒扣于一模具中，所述的模具大小与微流控芯片101大小形状相同，在模具中倒入环氧树脂，通过加热使环氧树脂固化，所述的环氧树脂即为所述拓展衬底4，在这种情况下，所述场效应传感器器件嵌于拓展衬底4内部，所述拓展衬底4的面积与所述场效应传感器器件6的面积不同；其次，将环氧树脂从模具中取出，通过衬底减薄设备磨去多余的环氧树脂衬底，使所述场效应传感器6本身的衬底露出；通过磁控溅射技术制作引线电极7，由于场效应传感器6的源极51和漏极52与所述拓展衬底4处于同一平面，引线电极7可以直接跨越场效应传感器6的表面到达衬底4，再通过I/O接口连接到控制模块103。在一个实施例中，所述模具的深度等于、小于或者大于场效应传感器芯片6的厚度，使得场效应传感器芯片6位于衬底4上方或者嵌入衬底4内部的不同深度。
图12为根据本发明一实施例的结合微流控和场效应传感器的传感芯片800的截面图。在一个实施例中，对于面积比较小，集成度比较高的结合微流控和场效应传感器的传感芯片，可以用场效应传感器器件6本身的衬底材料作为整个场效应传感器芯片102的拓展衬底4，该种场效应传感器芯片上可以较高密度集成场效应传感器，在这种情况下，所述拓展衬底4为所述场效应器件6本身的衬底，所述4衬底的面积与所述场效应传感器芯片的面积相同。
如图12所示的一个实施例中，所述场效应传感器芯片102所用晶元大小可以与所述微流控芯片101的面积和尺寸相同，可以直接倒装于所述微流控芯片101构成的平面上方；所述引线电极7可以覆盖于所述场效应传感器的敏感膜8同一平面上，把所述的源极51和漏极52与控制模块103相连。
图13为根据本发明一实施例的结合微流控和场效应传感器的传感芯片900的截面图。区别于图12所示的实施例，图13所述的实施例的引线电极7可以通过过孔连接到所述场效应传感器6的源极51和漏极52相连，覆盖于场效应传感器6的背面。
图14为根据本发明一实施例的场效应传感器芯片102的结构示意图。在一个实施例中，一个场效应传感器芯片102上至少包括一个场效应传感器器件，还可以包括：其它多个场效应传感器器件、加热电阻、温度传感器、集成参比电极、信号读出电路、信号放大电路，信号传输电路、I/O接口等一系列可以被集成化的其他部件；所述场效应传感器器件可以是同一衬底上的多个器件，也可以是不同衬底上的多个器件；所述参比电极可以为金属材料或金属化合物，如：Ag/AgCl参比电极，Pt参比电极，也可以是由其他导电材料构成，如石墨电极等，所述参比电极可以与目标液滴9接触，用于设定与敏感膜8接触的目标液滴9的电位；所述加热电阻用于提高芯片局部温度，可以由金属电阻，半导体电阻或其他任意材料的电阻构成；所述温度传感器用来测量芯片局部温度；所述信号读出电路可以是与场效应传感器器件集成在一起的用于读出场效应传感器信号的电路；信号放大电路可以是将场效应传感器采集到的传感信号进行放大的电路；信号传输电路可以是将场效应传感器采集到的的信号进行无线传输的电路；I/O接口可以是场效应芯片上的各种电路和器件通过引线电极与控制模块103进行信号传输、控制、供电等功能的接口。
图15为根据本发明一实施例的结合微流控和场效应传感器的传感芯片999的截面图。区别于图11所示的传感芯片700，所述传感芯片999中场效应芯片101所在的平面区域由两个部分构成，一部分为由场效应传感器芯片101构成的传感区域，一部分为由衬底材料构成的普通微流控区域。在一个实施例的传感芯片999的制造过程中，可以不需要将场效应传感器芯片102通过倒模方法进行衬底扩展，而是直接把场效应传感器芯片102倒装于所述微流控芯片101部分传感区域，其余部分由普通的衬底材料构成，在这种情况下所述拓展衬底4的面积与所述微流控芯片102的面积不同，这种方案结构简单，易于实施。
图16为根据本发明另一实施例的结合微流控和场效应传感器的传感芯片中场效应传感器芯片102的俯视图400-2，所述传感器芯片102包括所述拓展衬底4、第二疏水层5、场效应传感器器件6、电极7、敏感膜8和接地电极10，所述接地电极位于所述拓展衬底4上，用于设定栅极电位，以辅助所述微流控芯片驱动液滴，在一个实施例中，所述电极10可以覆盖所述拓展衬底4上除场效应传感器以外的面积，其电位受到控制模块103的控制，与所述微流控芯片101上的电极阵列2形成电位差。
图17为根据本发明一实施例的结合微流控和场效应传感器的传感芯片998的截面图。在一个实施例中，所述电极阵列2贴附在衬底1上，所述场效应传感器芯片102由三个区域构成：102-C是由衬底材料构成的普通微流控区域；102-A是由场效应传感器器件构成的传感区域；102-B是由场效应传感器芯片上其他功能模块构成的其他功能区；所述微流控芯片101与场效应传感器芯片102平行放置；所述其他功能模块包括如图14所示的加热电阻、温度传感器、集成参比电极、信号读出电路、信号放大电路、信号传输电路或I/O接口等一系列可以被集成化的其他部件；在一个实施例中，部分其他功能模块可以不与微流控芯片101的电极阵列2相对，其余部分由普通的衬底材料构成，在这种情况下所述拓展衬底4的面积与所述微流控芯片101的面积不同，这种方案结构简单，易于实施。
虽然已参照几个典型实施例描述了本发明，但应当理解，所用的术语是说明和示例性、而非限制性的术语。由于本发明能够以多种形式具体实施而不脱离发明的精神或实质，所以应当理解，上述实施例不限于任何前述的细节，而应在随附权利要求所限定的精神和范围内广泛地解释，因此落入权利要求或其等效范围内的全部变化和改型都应为随附权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种传感芯片，包括：
微流控芯片，包括覆盖于微流控芯片表面的第一疏水层；
场效应传感器芯片，至少包括一个具有敏感膜的场效应传感器，所述场效应传感器位于所述微流控芯片上方，其中所述第一疏水层面与所述敏感膜面相对，所述第一疏水层面与所述敏感膜面之间存在间距；以及
拓展衬底，所述场效应传感器位于所述拓展衬底表面、嵌于所述拓展衬底内部或者部分嵌于所述拓展衬底内部。
2.如权利要求1所述的传感芯片，其中所述微流控芯片控制一目标液滴移动到所述敏感膜下方并与敏感膜接触，当目标液滴移动到敏感膜所在位置并与敏感膜接触时或者后，所述传感器输出传感信号。
3.如权利要求1所述的传感芯片，其中所述拓展衬底与所述场效应传感器的衬底和外延材料同质，或者所述拓展衬底包一层或多层复合材料构成，所述拓展衬底的面积大于或者等于所述场效应传感器芯片的面积。
4.如权利要求1所述的传感芯片，其中所述第一疏水层面与所述敏感膜面之间的间距为1um至10mm。
5.如权利要求1所述的传感芯片，其中所述场效应传感器芯片包括栅极、源极、漏极和两个引线电极，所述两个引线电极分别与所述漏极和源极相连，其中所述引线电极与所述场效应传感器芯片位于同一芯片内或者所述引线电极位于所述拓展衬底的表面或者背面。
6.如权利要求1所述的传感芯片，其中所述拓展衬底上还包括参比电极、接地电极、加热电阻、温度传感器、信号处理电路、信号传输电路、信号放大电路或者读出电路，所述接地电极用于辅助所述微流控芯片驱动液滴，所述信号处理电路用于对传感信号进行信号处理，所述信号传输电路用于对传感信号进行传输，所述信号放大电路用于对传感信号进行放大么所述读出电路用于读出传感信号，所述参比电极用于设定所述场效应传感器芯片的栅极电位以辅助驱动目标液滴。
7.一种传感芯片的制造方法，所述传感芯片包括微流控芯片和场效应传感器芯片，所述制造方法包括：
将所述场效应传感器芯片贴附于一拓展衬底上；
在所述拓展衬底上制作与场效应传感器芯片连接的电极；
在所述微流控芯片表面覆盖第一疏水层；
在所述拓展衬底上制作第二疏水层；以及
将贴有场效应传感器芯片的拓展衬底平行放置于所述微流控芯片上方；其中
所述第一疏水层面与所述敏感膜面相对，所述第一疏水层面与所述敏感膜面之间存在间距。
8.一种传感芯片的制造方法，所述传感芯片包括微流控芯片和场效应传感器芯片，所述制造方法包括：
在所述微流控芯片表面覆盖第一疏水层；
将所述场效应传感器芯片倒扣于一模具中；
在所述模具中倒入可塑的液体衬底材料并固化；
将所述场效应传感器芯片和所述液体衬底材料从模具中取出作为衬底拓展后的场效应传感器芯片；
在衬底拓展后的场效应传感器芯片上制作电极；
在衬底拓展后的场效应传感器芯片上制作第二疏水层；以及
将衬底拓展后的传感器芯片平行放置于所述微流控芯片上方；其中
所述第一疏水层面与所述敏感膜面相对，所述第一疏水层面与所述敏感膜面之间存在间距。
9.如权利要求8所述的制造方法，其中所述模具的面积等于或者大于所述场效应传感器芯片的面积，所述模具的深度等于、小于或者大于所述场效应传感器芯片的厚度。
10.一种传感芯片，包括：
数字微流控芯片，用于控制一目标液滴进行定向移动，所述目标液滴中包含DNA序列；以及
场效应传感器芯片，至少包括一个场效应传感器器件，所述场效应传感器芯片平行放置于所述数字微流控芯片上方，所述场效应传感器器件包括源极、漏极和敏感膜，所述源极和漏极之间的沟道包括由氮化镓材料构成的二维电子气沟道或石墨烯沟道，所述二维电子气沟道或石墨烯沟道上包括纳米金颗粒，所述敏感膜包括DNA探针链，所述DNA探针链链接在所述纳米金颗粒上，用于对特定的与探针DNA互补的DNA序列进行检测。
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