CN115266660A - 带有保护衬垫的光检测设备及与其相关的方法 - Google Patents

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CN115266660A
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light
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layer
reaction solution
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蔡秀雨
约瑟夫·弗朗西斯·平托
托马斯·A·贝克
特蕾西·海伦·冯
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Original Assignee
Illumina Inc
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Abstract

本申请涉及但不限于带有保护衬垫的光检测设备及与其相关的方法。提供了光检测设备和相关方法。该设备可以包括反应结构以用于包含具有相对高或低pH的反应溶液和产生光发射的多个反应位点。该设备可包括设备基座，该设备基座包括多个光传感器、耦合到光传感器的设备电路、以及阻挡激发光但允许光发射传递到光传感器的多个光导。设备基座还可以包括在每个光导和设备电路之间、围绕每个光导延伸的衬垫层，以及相对于在每个光导和衬垫层之间围绕每个光导延伸的反应溶液是化学惰性的保护层。保护层防止穿过反应结构和光导的反应溶液与设备电路相互作用。

Description

带有保护衬垫的光检测设备及与其相关的方法
本申请是申请日为2018年12月20日，申请号为201811565678.9，发明名称为“带有保护衬垫的光检测设备及与其相关的方法”的申请的分案申请。
相关申请的交叉引用
本专利申请要求于2017年12月22日提交的且题为“Light Detection Deviceswith Protective Liner and Methods of Manufacturing Same”的第62/609,889号美国临时专利申请和于2018年3月19日提交的且题为“Light Detection Devices withProtective Liner and Methods of Manufacturing Same”的第2020612号荷兰申请的优先权。以上提及的申请中的每个申请的全部内容在此通过引用并入本文。
背景技术
生物或化学研究中的各种方案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，并且随后的分析可以帮助识别或揭示反应中涉及的物质的性质。例如，在一些多重试验中，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探针。每个已知的探针可以被沉积到微孔板的对应的阱(well)中。观察在阱内的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。
在一些常规的荧光检测方案中，光学系统被用于将激发光引导到荧光标记的分析物上，并且还用于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，并且涉及相对大的台面占用面积。例如，这样的光学系统可以包括透镜、过滤器、和光源的布置。
在其他提出的检测系统中，受控反应发生在局部支撑表面上或在不涉及检测荧光发射的大型光学组件的电子固态光检测器或成像器(例如互补金属氧化物半导体(CMOS)检测器或电荷耦合器件(CCD)检测器)上设置的预定反应室内。然而，这种所提出的固态成像系统可能有一些局限性。例如，将溶液中的试剂(例如荧光标记分子)流体地输送到位于这种系统的电子设备上的分析物可能会带来挑战。例如，在一些情况下，试剂溶液可能会破坏电子设备并且腐蚀或以其他方式损坏电子设备的部件。
发明内容
在本公开的一个方面，提供了一种设备。该设备包括反应结构，该反应结构形成多个反应凹槽以及至少一个反应位点，该多个反应凹槽用于包含pH小于或等于约5或pH大于或等于约8的反应溶液，该至少一个反应位点在用反应溶液处理后响应于入射激发光而产生光发射。该设备还包括被定位于反应结构下方的设备基座。设备基座包括多个光传感器和设备电路，该设备电路电耦合到光传感器以基于由光传感器检测到的光子而传输数据信号。该设备基座还包括多个光导，该多个光导具有输入区域，所述输入区域接收激发光和来自至少一个对应的反应凹槽的光发射，该光导从输入区域朝向至少一个对应的光传感器延伸到设备基座中并且包括至少一种过滤材料，该至少一种过滤材料过滤激发光并允许光发射传递到至少一个对应的光传感器。该设备还包括围绕每个光导延伸并被定位于每个光导和设备电路之间的衬垫层。设备基座还包括围绕每个光导延伸并被定位于每个光导和衬垫层之间的保护层，该保护层防止穿过反应结构和光导的反应溶液与设备电路相互作用。保护层相对于反应溶液是化学惰性的。
在一些示例中，保护层邻接在设备基座内的多个光导。在一些这样的示例中，设备电路被设置在设备基座的介电材料层内，衬垫层被定位于保护层和介电材料层之间，并且衬垫层邻接介电材料层。
在一些示例中，保护层还在设备基座的顶表面和反应结构的围绕反应凹槽延伸的间隙区域之间延伸。在一些这样的示例中，衬垫层在设备基座的保护层和顶表面之间延伸。
在一些示例中，保护层包括二氧化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合。在一些示例中，保护层包括二氧化硅、氮氧化硅、一氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、硝基碳化硅(silicon nitrocarbide)、金属氧化物、金属氮化物或其组合。在一些这样的示例中，反应溶液的pH大于或等于约8。在一些示例中，反应溶液的pH小于或等于约5，并且保护层包括碳化硅、碳氧化硅、硝基碳化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合。在一些示例中，保护层包括液体不可渗透的阻挡层。在一些示例中，衬垫层是氮化硅衬垫层。
在一些示例中，设备电路包括互连的导电元件，并且保护层防止反应溶液氧化导电元件。在一些示例中，保护层的厚度在约5纳米至约100纳米的范围内。在一些示例中，反应结构包括被固定到多个反应凹槽中的每一个反应凹槽的至少一个反应位点，并且反应溶液可以在响应于入射激发光而产生光发射的至少一个反应位点处引发反应和/或形成反应产物。在一些这样的示例中，至少一个反应位点包括至少一种分析物，并且反应溶液包含至少一种荧光标记分子。
在一些示例中，设备基座的设备电路形成互补金属氧化物半导体(CMOS)电路。
在本公开的另一方面，提供了一种生物传感器。生物传感器包括上述设备中的任何一种设备。生物传感器还包括被安装到设备上的流动池。流动池包括反应溶液和至少一个流动通道，该至少一个流动通道与反应结构的多个反应凹槽流体连通，以将反应溶液引导到多个反应凹槽。
在本公开的另一方面，提供了一种方法。该方法包括在设备基座内形成多个沟槽，该设备基座包括多个光传感器和设备电路，该设备电路电耦合到光传感器以基于由光传感器检测到的光子而传输数据信号，该多个沟槽从设备基座的顶表面延伸并朝向至少一个对应的光传感器延伸。该方法还包括在设备基座上方沉积衬垫层，使得衬垫层至少在多个沟槽内延伸，以及在衬垫层上方沉积保护层，使得保护层至少在多个沟槽内延伸。该方法还包括用至少一种过滤材料填充在沉积的保护层上方的多个沟槽，以形成多个光导，该至少一种过滤材料过滤至少第一波长的光，并允许第二波长的光穿过该至少一种过滤材料到达至少一个对应的光传感器。该方法还包括在多个光导和保护层上方形成反应结构，该反应结构形成对应于至少一个光导的多个反应凹槽以及至少一个反应位点，该多个反应凹槽用于包含pH小于或等于约5或pH大于或等于约8的反应溶液，该至少一个反应位点在用反应溶液处理后响应于第一波长的入射激发光而产生第二波长的光发射。保护层相对于反应溶液是化学惰性的。
在一些示例中，保护层包括二氧化硅、氮氧化硅、一氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、硝基碳化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合，并且其中衬垫层是氮化硅衬垫层。在一些示例中，在设备基座上方沉积衬垫层还包括在设备基座的顶表面上方沉积衬垫层，并且在设备基座上方沉积保护层还包括在衬垫层的在设备基座的顶表面上方延伸的部分上方沉积保护层。
在一些示例中，该方法还包括使pH小于或等于约5或pH大于或等于约8的反应溶液在反应结构上方通过。
应该认识到，前述方面的所有组合及下文更加详细讨论的另外的概念(假设这些概念不相互矛盾)被认为是本文公开的创造性的主题的一部分。
从下面结合附图对本公开的各个方面的详细描述中，本公开的这些和其他目的、特征和优点将变得明显。
附图说明
当参考附图阅读以下详细描述时，本公开的这些和其他特征、方面、和优点将变得更好理解，附图不一定按比例绘制，并且在所有附图中相同的附图标记表示相同的方面，其中:
图1示出了在一个示例中的根据本公开的生物传感器的横截面。
图2示出了在一个示例中的图1中的生物传感器的检测设备的俯视图。
图3示出了在一个示例中的图2中的检测设备的一部分的横截面，其示出了反应结构的一部分及其光导。
图4示出了在一个示例中的图3中的横截面的放大部分。
图5示出了在一个示例中的图4中的横截面的放大部分，其中反应溶液在反应结构上。
图6示出了在一个示例中的在光检测事件期间图4中的横截面的放大部分。
图7示出了在一个示例中的图4的横截面的放大部分，其中反应结构和光导不连续。
图8示出了在一个示例中的图7中的横截面的放大部分，其中反应结构、光导及其衬垫层不连续。
图9是示出在一个示例中的制造根据本公开的光检测设备的方法的流程图。
图10示出了在一个示例中的在光检测设备的设备基座中形成沟槽。
图11示出了在一个示例中的在图10中的设备基座中的沟槽内形成衬垫层。
图12示出了在一个示例中的在图11中的衬垫层上方形成保护层。
图13示出了在一个示例中的在图12中的保护层上方形成具有第一过滤材料的光导。
具体实施方式
下面参考附图中所示的非限制性示例更全面地解释本公开的方面及其某些示例、特征、优点、和细节。众所周知的材料、制造工具、加工技术等的描述被省略，以免不必要地使相关细节模糊。然而，应该理解的是，详细描述和具体示例虽然指示了本公开的各个方面，但仅仅是作为示例而不是作为限制的方式给出的。从本公开内容中，在基本发明概念的精神和/或范围内的各种替换、修改、添加、和/或布置对于本领域技术人员而言将是明显的。
如本文在整个公开中所使用的，可以应用近似语言以修改任何可以允许变化的定量表示，而不会导致与其相关的基本功能的变化。因此，由一个或更多个术语修饰的值，例如“大约(about)”或“基本上(sustantially)”，不限于指定的精确值。例如，这些术语可以指小于或等于±5％，诸如小于或等于±2％，诸如小于或等于±1％，诸如小于或等于±0.5％，诸如小于或等于±0.2％，诸如小于或等于±0.1％，诸如小于或等于±0.05％。在一些情况下，近似语言可以对应于用于测量值的仪器的精度。
本文使用的术语仅用于描述特定示例的目的，并且不旨在进行限制。如本文使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“该(the)”意图也包括复数形式，除非上下文另有清楚地指示。此外，对“示例”的提及不旨在被解释为排除也包含所陈述的特征的附加示例的存在。此外，除非明确声明相反，否则术语“包括(comprising)”(以及任何形式的“包括(comprise)”，例如“包括(comprises)”和“包括(comprising)”)、“具有(have)”(以及任何形式的“具有(have)”，例如“具有(has)”和“具有(having)”)、“包括(include)”(以及任何形式的“包括(include)”，例如“包括(includes)”和“包括(including)”)和“包含(contain)”(以及任何形式的“包含(contain)”，例如“包含(contains)”和“包含(containing)”)被用作开放式的连系动词。结果，“包括(comprises)”、“具有(has)”、“包括(includes)”或“包含(contains)”一个或更多个步骤或元件的任何示例都拥有这样一个或更多个步骤或元件，但不限于仅拥有这样一个或更多个步骤或元件。如本文所用，术语“可以(may)”和“可以是(may be)”指示在一组情况下发生的可能性；拥有特定的属性、特征或功能；和/或通过表达与限定动词相关联的能力(ability)、性能(capability)或可能性中的一个或更多个来限定另一动词。因此，“可以(may)”和“可以是(may be)”的用法指示修改后的术语明显适合、能够、或适合于所指示的能力、功能、或用法，同时考虑到在某些情况下，修改后的术语有时可能不合适、不能够、或不适合。例如，在某些情况下，事件或能力是可以预期的，而在其他情况下，事件或能力可能不发生，这种区别由术语“可能”和“可能是”囊括。
本文所述的示例可用于关于学术或商业分析的各种生物或化学过程和系统。更具体地说，本文所述的示例可用于各种过程和系统中，其中期望的是检测指示指定反应的事件、属性、质量、或特性。例如，本文描述的示例包括光检测设备、生物传感器、及其部件，以及与生物传感器一起操作的生物测定系统。在一些示例中，设备、生物传感器和系统可以包括以基本上整体的结构耦合在一起(可移除地或固定地)的流动池和一个或更多个光传感器。
设备、生物传感器和生物测定系统可以被配置成执行可以被单独或集体检测到的多个指定的反应。设备、生物传感器和生物测定系统可以被配置成执行其中多个指定的反应平行发生的多个循环。例如，设备、生物传感器和生物测定系统可用于通过酶促操作(enzymatic manipulation)和光或图像检测/采集的迭代循环来对密集的DNA特征阵列进行测序。这样，设备、生物传感器和生物测定系统(例如，通过一个或更多个筒)可以包括一个或更多个微流体通道，该一个或更多个微流体通道将反应溶液中的试剂或其它反应组分递送到设备、生物传感器和生物测定系统的反应位点。在一些示例中，反应溶液可以是基本上酸性的，例如包含小于或等于约5的pH、或小于或等于约4的pH、或小于或等于约3的pH。在一些其它示例中，反应溶液可以基本上是碱性(alkaline)/碱性的(basic)，例如包含大于或等于约8的pH、或大于或等于约9的pH、或大于或等于约10的pH。如本文所用，术语“酸度”及其语法变体指的是小于约7的pH值，而术语“碱度(basicity)”、“碱度(alkalinity)”及其语法变体指的是大于约7的pH值。
在一些示例中，反应位点以预定方式提供或间隔开，例如以均匀或重复的模式。在其他一些示例中，反应位点是随机分布的。每个反应位点可以与一个或更多个光导和检测来自相关的反应位点的光的一个或更多个光传感器相关联。在一些示例中，反应位点位于反应凹槽或反应室中，其可至少部分地分隔其中的指定的反应。
如本文所用，“指定的反应”包括感兴趣的化学或生物物质例如感兴趣的分析物的化学、电、物理、或光学性质(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，例如诸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。指定的反应还可以是电性质的变化。在特定的示例中，指定的反应包括荧光标记分子与分析物的结合。分析物可以是寡核苷酸，而荧光标记分子可以是核苷酸。当激发光被引导朝向具有标记的核苷酸的寡核苷酸且荧光团发出可检测的荧光信号时，可以检测到指定的反应。在可选示例中，检测到的荧光是化学发光或生物发光的结果。指定的反应还可以例如，通过将供体荧光团靠近受体荧光团来增加荧光(或
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)共振能量转移(FRET)，通过分离供体荧光团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，或者通过将猝灭剂和荧光团共同定位来降低荧光。
如本文所使用的，“反应溶液”、“反应组分”或“反应物”包括可用于获得至少一种指定的反应的任何物质。例如，潜在的反应组分包括例如试剂、酶、样本、其他生物分子、和缓冲溶液。反应组分可以被递送到在溶液中的反应位点和/或被固定在反应位点处。反应组分可以直接或间接与另一种物质例如被固定在反应位点处的感兴趣的分析物相互作用。如上所述，反应溶液可以是基本上酸性的(即，包括相对高的酸度)(例如，包括小于或等于约5的pH、小于或等于约4的pH、或小于或等于约3的pH)或基本上碱性的(alkaline)/碱性的(basic)(即，包括相对高的碱度(alkalinity)/碱度(basicity))(例如，包括大于或等于约8的pH、大于或等于约9的pH、或大于或等于约10的pH)。
如本文所用，术语“反应位点”是局部区域，在该局部区域中可以发生至少一个指定的反应。反应位点可以包括反应结构或基底的支撑表面，其中物质可以被固定在其上。例如，反应位点可以包括其上具有反应组分例如其上的核酸群落的反应结构(其可以被定位于流动池的通道中)的表面。在一些这样的示例中，群落中的核酸具有相同的序列，序列是例如单链或双链模板的克隆拷贝。然而，在一些示例中，反应位点可以仅包含例如单链或双链形式的单个核酸分子。
多个反应位点可以沿着反应结构随机分布或者以预定方式排列(例如，在矩阵中例如在微阵列中并排排列)。反应位点还可以包括反应室或凹槽，该反应室或凹槽至少部分地界定了被配置成分隔指定的反应的空间区域或体积。如本文所用，术语“反应室”或“反应凹槽”包括支撑结构的界定空间区域(其通常与流动通道流体连通)。反应凹槽可以至少部分地与周围环境的其它区域或空间区域分离。例如，多个反应凹槽可以通过共享的壁例如检测器表面彼此分离。作为更具体的示例，反应凹槽可以是包括由检测表面的内表面界定的凹痕、凹坑、阱、槽、空腔或凹陷的纳米阱，并且可以具有开口或孔(即，是开放式的)，使得纳米阱可以与流动通道流体连通。
在一些示例中，反应结构的反应凹槽的尺寸和形状相对于固体(包括半固体)被设计成使得固体可以全部或部分地插入其中。例如，反应凹槽的尺寸和形状可被设计成容纳捕获珠(capture bead)。捕获珠可以在其上具有克隆扩增的DNA或其他物质。可选地，反应凹槽的尺寸和形状可以被设计成接收近似数量的珠或固体基底。作为另一个示例，反应凹槽可以填充有多孔凝胶或物质，该多孔凝胶或物质被配置成控制扩散或过滤可能流入反应凹槽的流体或溶液。
在一些示例中，光传感器(例如光电二极管)与对应的反应位点相关联。与反应位点相关联的光传感器被配置成：当在相关联的反应位点发生指定的反应时，检测来自相关联的反应位点的经由至少一个光导的光发射。在一些情况下，多个光传感器(例如，光检测或相机设备的若干像素)可以与单个反应位点相关联。在其他情况下，单个光传感器(例如单个像素)可以与单个反应位点或一组反应位点相关联。光传感器、反应位点、和生物传感器的其它特征可以被配置成使得至少一些光被光传感器直接检测而不被反射。
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、和其它化合物。生物或化学物质可用于检测、识别、或分析其他化合物，或用作研究或分析其他化合物的媒介物。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、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、有机体、或其片段或任何其它生物活性化合物中的至少一种，如上述物质的类似物或模拟物。在另一个示例中，生物或化学物质或生物分子包括在偶联反应中用于检测另一反应产物例如酶或试剂的酶或试剂，例如用于检测焦磷酸测序反应中焦磷酸盐的酶或试剂。用于焦磷酸盐检测的酶和试剂例如在美国专利公开号2005/0244870A1中描述，该美国专利通过引用以其整体并入。
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，并且可以悬浮在反应凹槽或区域内的溶液或混合物中。生物分子、样本、和生物或化学物质还可以与固相或凝胶材料结合。生物分子、样本、和生物或化学物质还可以包括药物组合物。在某些情况下，感兴趣的生物分子、样本、和生物或化学物质可以被称为靶标、探针、或分析物。
如本文所用，“生物传感器”包括一种设备，该设备包括具有多个反应位点的反应结构，该反应结构被配置成检测在反应位点处或附近发生的指定的反应。生物传感器可以包括固态光检测或“成像”设备(例如CCD或CMOS光检测设备)以及可选地安装在其上的流动池。流动池可包括与反应位点流体连通的至少一个流动通道。作为一个具体示例，生物传感器被配置成流体和电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)将反应溶液递送到反应位点，并执行多个成像事件。例如，生物测定系统可以引导反应溶液沿着反应位点流动。反应溶液中的至少一种可以包括具有相同或不同荧光标记的四种类型的核苷酸。核苷酸可以与反应位点结合，例如与在反应位点处的相应的寡核苷酸结合。生物测定系统然后可以使用激发光源(例如固态光源，例如发光二极管(LED))照射反应位点。激发光可以具有一个或更多个预定波长，包括一定范围的波长。由入射激发光激发的荧光标记可提供可由光传感器检测的发射信号(例如，不同于激发光并且潜在地彼此不同的一个或更多个波长的光)。
如本文所用，当关于生物分子或生物或化学物质使用时，术语“固定化”包括在分子水平上将生物分子或生物或化学物质基本附着到表面，例如附着到光检测设备或反应结构的检测表面。例如，可以使用吸附技术(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(其中官能团或连接物有助于将生物分子附着到表面)将生物分子或生物或化学物质固定到反应结构的表面。将生物分子或生物或化学物质固定到表面可以基于表面的性质、携带生物分子或生物或化学物质的液体介质、以及生物分子或生物或化学物质本身的性质。在一些情况下，表面可以被官能化(例如，化学改性或物理改性)以有助于将生物分子(或生物或化学物质)固定到表面上。
在一些示例中，核酸可以被固定在反应结构上，例如固定到其反应凹槽的表面上。在特定示例中，本文描述的设备、生物传感器、生物测定系统和方法可包括使用天然核苷酸以及还使用被配置成与天然核苷酸相互作用的酶。天然核苷酸包括例如核糖核苷酸或脱氧核糖核苷酸。天然核苷酸可以是单磷酸盐形式、二磷酸盐形式、或三磷酸盐形式，并且可以具有选自腺嘌呤(A)、胸腺嘧啶(T)、尿嘧啶(U)、鸟嘌呤(G)或胞嘧啶(C)的碱基。然而，要理解的是，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。
如上所述，生物分子或生物或化学物质可以被固定在反应结构的反应凹槽中的反应位点处。这种生物分子或生物物质可以通过干涉配合、粘附、共价键、或包封(entrapment)被物理地保持或固定在反应凹槽内。可被布置在反应凹槽内的物品或固体的示例包括聚合物珠、粒料、琼脂糖凝胶、粉末、量子点、或可被压缩和/或保持在反应室内的其它固体。在某些实施方式中，反应凹槽可以被涂覆或填充有能够共价结合DNA寡核苷酸的水凝胶层。在特定的示例中，核酸超结构，例如DNA球，可以例如通过附着到反应凹槽的内表面或通过留在反应凹槽内的液体中被布置在反应凹槽中或在反应凹槽处。可以进行DNA球或其它核酸超结构，并然后将其布置在反应凹槽中或在反应凹槽处。可选择地，DNA球可以在反应凹槽处原位合成。被固定在反应凹槽中的物质可以是固态、液态、或气态。
图1-8示出了根据一个示例形成的生物传感器100的一部分的横截面。如所示，生物传感器100可包括直接或间接被耦合到光检测设备104的流动池102。流动池102可以被安装到光检测设备104。在图示的示例中，流动池102通过一个或更多个固定机构(例如，粘合剂(adhesive)、结合剂(bond)、紧固件以及类似物)直接固定到光检测设备104。在一些示例中，流动池102可以可移除地被耦合到光检测设备104。
生物传感器100和/或检测设备104可以被配置用于生物或化学分析，以获得与其相关的任何信息或数据。在特定示例中，生物传感器100和/或检测设备104可以包括被配置用于各种应用的核酸测序系统(或测序仪)，各种应用包括但不限于从头测序(de novosequencing)、全基因组或目标基因组区域的重新测序、以及宏基因组学。测序系统可以被配置为执行DNA或RNA分析。在一些示例中，生物传感器100和/或检测设备104被配置为在生物传感器100和/或检测设备104内执行大量平行反应，以获得与其相关的信息。
流动池102可包括一个或更多个流动通道，该一个或更多个流动通道将溶液引导至检测设备104上的反应位点114或朝向检测设备104上的反应位点114引导，如下文进一步解释的。流动池102和/或生物传感器100因此可以包括流体/溶液存储系统(未示出)，或者与该流体/溶液存储系统流体连通，流体/溶液存储系统可以存储例如用于在其中进行指定的反应的各种反应组分或反应物。流体存储系统还可以存储用于清洗或清洁流体网络和生物传感器100和/或检测设备104以及潜在地用于稀释反应物的流体或溶液。例如，流体存储系统可以包括各种储器，以存储样本、试剂、酶、其它生物分子、缓冲溶液、水溶液、油和其它非极性溶液以及类似物。如上所述，在反应结构126上提供的流体或溶液可以是相对酸性的(例如，pH小于或等于约5)或碱性的/碱性的(例如，pH大于或等于约8)。此外，流体存储系统还可以包括用于接收来自生物传感器100和/或检测设备104的废产物的废物储器。
在图示的示例中，光检测设备104包括设备基座125和覆盖设备基座125的反应结构126，如图1和图3-8中所示。在特定示例中，设备基座125包括多个堆叠层(例如，硅层或晶片、介电层、金属-介电层等)。设备基座125可以包括光传感器140的传感器阵列124和光导118的引导阵列，如图3中所示。如图1和图3-8中所示，反应结构126可以包括其中设置有至少一个对应的反应位点114(例如，被固定在其表面上)的反应凹槽108的阵列。在某些示例中，光检测设备104被配置成使得每个光传感器140对应于单个光导118和/或单个反应凹槽108(并且潜在地与其对准)，使得其仅从其中接收光子。然而，在其他示例中，单个光传感器140可以通过一个以上的光导118和/或从一个以上的反应凹槽108接收光子。因此，单个光传感器140可以形成一个像素或多于一个像素。
如图2中所示，反应凹槽108和/或光导118(以及潜在的光传感器140)的阵列可以以界定的重复图案被设置，使得凹槽108和/或光导118(以及潜在的光传感器140)中的至少一些以界定的位置图案彼此相等地间隔开。在其他示例中，反应凹槽108和/或光导118(以及潜在的光传感器140)可以以随机图案被设置，和/或反应凹槽108和/或光导118(以及潜在的光传感器140)中的至少一些可以可变地彼此间隔开。
如图1和图2中所示，检测设备104的反应结构126可以界定检测器表面112，反应溶液可以在该检测器表面112上流动和停留，如下文进一步解释的。反应结构126的检测器表面112可以是检测设备104的顶部暴露表面。检测器表面112可以包括凹槽108的表面和在凹槽108之间和周围延伸的间隙区域113。如下文进一步解释的，检测设备104的设备基座125可以包括保护层130，保护层130形成在支撑结构下方的平滑平坦(例如，平面)表面，这最小化在检测器表面112中引起的且特别是引导到检测器表面112的间隙区域113中的表面形貌调制。在特定示例中，检测器表面112的间隙区域113可以是平滑的平面表面部分，其防止反应溶液和/或任何其他生物或化学物质残留在其上和/或防止跳转误差。与没有保护层130的示例相比，由下方的保护层130的配置提供的检测器表面112的间隙区域113的平滑度和/或平坦度可以更平滑和/或更平坦。此外，在一些示例中，与没有保护层130的示例相比，由下方的保护层130提供的检测器表面112的间隙区域113的平滑度和/或平坦度可以增强检测设备104的稳健性(robustness)。
光检测设备104的检测器表面112可以被官能化(例如，以合适方式被化学改性或物理改性以用于进行指定的反应)。例如，检测器表面112可以被官能化，并且可以包括具有固定至其上的一个或更多个生物分子的多个反应位点114，如图1、图3和图4中所示。如上所述，检测器表面112可以包括反应凹槽108的阵列(例如，开放式反应室)。反应凹槽108中的每一个可以包括反应位点114中的一个或更多个。反应凹槽108可以由例如沿着检测器表面112的深度(或厚度)的变化来界定。在其他示例中，检测器表面112可以基本上是平面的。
如图3和图4中所示，反应位点114可以沿着检测器表面112例如在反应凹槽108内以图案分布。例如，反应位点114可以以类似于微阵列的方式沿着反应凹槽108以行和列的方式定位。然而，应当理解的是，反应位点114的各种图案可以被使用。反应位点114可包括发射光信号的生物或化学物质，如下文进一步解释的。例如，反应位点114的生物或化学物质可以响应于激发光101而产生光发射。在特定示例中，反应位点114包括被固定在反应凹槽108内的检测器表面112上的生物分子(例如，寡核苷酸)的簇或群落。反应位点114可以在用反应溶液处理后响应于入射激发光而产生光发射。例如，反应溶液可在响应激发光而产生光发射的反应位点114处(但可能不在设备104的反应结构126的其它反应位点处)发起反应和/或形成反应产物。
如图1中所示，在一个示例中，流动池102包括至少一个侧壁和流动盖110。该至少一个侧壁可以被耦合到检测器表面112，并在流动盖110和检测器表面112之间延伸。流动池102可以被配置成使得流动通道119形成在流动盖110和光检测设备104的检测器表面112之间。在一些示例中，流动通道119可以包括在约50μm至约400μm(微米)、或者更具体地，例如在约80μm至约200μm的范围内的高度(在流动盖110和检测器表面112之间延伸)。在一个示例中，流动通道119的高度为约100μm。如图1中所示，流动盖110可以包括对从生物传感器100的外部传播并朝向/进入流动通道119的激发光101透明的材料。注意，激发光101可以从任何角度并沿着相同或不同的角度接近流动盖110。
激发光101可以从任何照射源(未示出)发射，该照射源可以是或可以不是生物测定系统、生物传感器100或光检测设备104的一部分。在一些示例中，照射系统可以包括光源(例如，一个或更多个LED)，并且潜在地包括多个光学部件，以至少照射检测设备104的反应结构126。光源的示例可以包括激光器、弧光灯、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、过滤器、楔形物、棱镜、反射镜、检测器以及类似物。在特定示例中，照射系统被配置成将激发光101引导到检测设备104的反应结构126的凹槽108内的反应位点114。在一些示例中，照射系统可以发射在一定波长范围内诸如例如在约300nm至约700nm的范围内，或者更具体地例如在约400nm至约600nm的范围内的激发光101。在一些示例中，照射系统可以以一个或更多个特定波长发射激发光101，该激发光101激发反应位点108的生物或化学物质(例如，由反应溶液发起的反应和/或由反应溶液在反应位点114处形成反应产物)，以发射一个或更多个不同波长的光发射。例如，在反应位点108包括由绿色波长的光激发的荧光团的一个示例中，激发光可以是约532nm，并且光发射可以是约570nm或更大。
还如图1中所示，流动盖110可以包括至少一个端口120，该至少一个端口120被配置为流体地接合流动通道119，并且潜在地接合其他端口(未示出)。例如，其它端口可以来自包括反应溶液或其它生物或化学物质的筒或工作站。流动通道119可以被配置成(例如，尺寸和形状被设计成)沿着检测器表面112引导流体或溶液，例如反应溶液。
图3和图4比图1更详细地示出了检测设备104。更具体地，图3和图4示出了单个光传感器140、单个光导118和相关电路146，该单个光导118用于将来自与其相关联的至少一个反应位点114处的光发射朝向光传感器140进行引导和传递，该相关电路146用于基于由光传感器140检测到的光发射(例如光子)来传输信号。应当理解的是，传感器阵列124(图1和2)的其它光传感器140和相关部件可以以相同或相似的方式配置。然而，还应当理解，光检测设备104不需要在整个过程中被一致地(uniformly)制造。相反，一个或更多个光传感器140和/或相关部件可以被不同地制造或者彼此之间具有不同的关系。
电路146可以包括能够传导电流(例如基于检测到的光子的数据信号的传输)的互连的导电元件(例如，导体、迹线、通孔、互连件等)。例如，在一些示例中，电路146可以包括微电路布置。光检测设备104和/或设备基座125可以包括具有光传感器140的阵列的至少一个集成电路。被定位于检测设备104内的电路146可以被配置用于信号放大、数字化、存储、和处理中的至少一种。电路146可以收集(并且可能分析)检测到的光发射，并且生成用于将检测数据传送到生物测定系统的数据信号。电路146还可以在光检测设备104中执行另外的模拟和/或数字信号处理。
设备基座125和电路146可以使用集成电路制造过程来制造，集成电路制造过程例如用于制造电荷耦合设备或电路(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)设备或电路的过程。例如，如图3中所示，设备基座125可以是CMOS设备，其包括多个堆叠层，该多个堆叠层包括传感器基座141，在一些示例中，传感器基座141可以是硅层(例如，晶片)。传感器基座141可以包括光传感器140和形成在其上的栅极(gates)143。栅极143可以电耦合到光传感器140。当光检测设备104如图3所示进行配置时，光传感器140可以通过例如栅极143电耦合到电路146。
电路146中的至少一些可以被设置在检测设备104的设备基座125的设备基底层内，光导118各自可以延伸穿过/进入该设备基底层。在一些示例中，基底层中的每个基底层可以包括形成设备电路146的至少一部分的互连导电元件，以及与电路146的导电元件相邻(并且潜在地围绕导电元件)的介电材料142，如图3中所示。电路146的导电元件可以被嵌入介电材料142内。还如图3中所示，光导118可以延伸穿过介电材料142，并且可以与电路146间隔开。可以使用各种金属元件和/或介电材料，例如适合于集成电路制造(CMOS制造)的那些金属元件和/或介电材料。例如，在一些示例中，导电元件/电路146可以是金属元件，例如，W(钨)元件、Cu(铜)元件、Al(铝)元件、或它们的组合(但是应当理解，可以使用其他材料和配置)。在一些示例中，介电材料可以是SiO2(但是应当理解，可以使用其他材料和配置)。
如本文所用，除非另有说明，否则术语“层”不限于单个连续的材料体。例如，传感器基底141和/或设备基座125的设备层可以包括为不同材料的多个子层和/或可以包括涂层、粘合剂以及类似物。此外，层(或子层)中的一个或更多个可以被修改(例如，蚀刻、用材料沉积等)以提供本文描述的特征。
如图3和图4中所示，反应结构126可包括形成在其中延伸的反应凹槽104的一个或更多个层。反应结构126可以沿着设备基座125的顶部外表面延伸。在图示的示例中，反应结构126直接沿着第一衬垫层154的顶部外表面以及设备基座125的第一(和潜在地第二)过滤材料116的顶部外表面沉积，如下文进一步描述的。然而，在其它示例中，中间层可以被布置在反应结构126和设备基座125之间。反应结构126可以包括一种或更多种材料，该一种或更多种材料被配置成允许激发光信号101和从凹槽108内的(用反应溶液处理后)反应位点114发出的光信号穿过其中并进入一个或更多个光导118的对应于特定反应凹槽108的开口158。在一些示例中，反应结构126可以包括一个或更多个层或其他特征，该一个或更多个层或其他特征防止来自特定反应位点114/反应凹槽108的发射光的串扰或“共享”传递到不对应的传感器140。
反应结构126可以包括多个不同的层，如图3和图4中所示。在图示的示例中，反应结构126可以包括第一反应层160，该第一反应层160(直接地或间接地)在设备基座125(例如，在第一衬垫层154上方)和设备基座125的光导118(例如，第一(和潜在地第二)过滤材料116)的开口158上方延伸，如图3和图4中所示。还如图3和图4中所示，在所图示的示例中，反应结构126还包括(直接地或间接地)在第一层160上方延伸的第二层162。所图示的示例的反应结构126还包括(直接地或间接地)在第二层162上方延伸的第三层164以及(直接地或间接地)在第三层164上方延伸的第四层166。反应凹槽108可以至少延伸到第三层164中。
如图3和图4中所示，第四层166可以通过在第三层164中的凹痕(indentation)(例如，空腔或空隙)上方延伸来形成反应凹槽108的内表面(例如，侧壁和底壁)。如图3和图4中所示，第四层166以及潜在地第二层162可以形成检测器表面112。在一些情况下，第四层166以及潜在地第二层162可以被配置成提供固体表面，该固体表面允许化学品、生物分子或其他感兴趣的分析物被固定在其上。例如，反应位点114中的每个可以包括被固定到检测器表面112的生物分子簇，检测器表面112可以包括第四层166并且可能包括第二层162。因此，第四层166以及潜在地第二层162可以包括允许反应位点114被固定到其上的材料。第一层160和第四层166(以及潜在地第二层162和第三层164)可以包括至少基本上对激发光101和反应位点114的发射光透明的材料。此外，第四层166以及潜在地第二层162可以被物理改性或化学改性，以有助于固定生物分子和/或有助于检测光发射。
举例来说，且如图3和图4的所图示的示例所示，第一层160和第三层164可以包括第一材料，且第二层162和第四层166可以包括不同于第一材料的第二材料。在一些这样的示例中，第一种材料是SiN，而第二种材料是TaO。然而，反应结构126可以包括不同的层(例如，不同的层、更少的层、和/或附加的层)和/或不同的材料。
如图3和图4中所示，检测设备104的设备基座125可以包括第一屏蔽层150，该第一屏蔽层150(直接地或间接地)在设备基座125的堆叠层(例如，金属-介电层)上方延伸，例如在介电材料142和导电电路部件146上方延伸。第一屏蔽层150可以包括被配置成阻挡、反射、和/或显著衰减激发光101和/或来自反应位点114的光发射(例如，从流动通道118传播的光信号)的材料。仅通过举例来说，第一屏蔽层150可以包括钨(W)。
第一屏蔽层150可以包括穿过其中的至少一个孔，该至少一个孔至少部分地与至少一个对应的光导118对准。第一屏蔽层150可以包括这样的孔的阵列。在一些示例中，第一屏蔽层150可以完全围绕其中的孔延伸。这样，来自激发光101的光信号和/或来自反应位点114的光发射可以被阻挡、反射、和/或显著衰减，以防止光信号穿过光导118外部的设备基座125并被光传感器140检测到。在一些示例中，第一屏蔽层150在相邻光导118和/或延伸到其上的开口之间连续延伸。在一些其它示例中，第一屏蔽层150不在相邻光导118和/或延伸到其上的开口之间连续延伸，使得在第一屏蔽层150中存在一个或更多个其它开口，一个或更多个其它开口可以允许激发光101和/或来自反应位点114的光发射从中穿过。
在一些示例中，检测设备104的设备基座125可以包括(直接地或间接地)在第一屏蔽层150上方延伸的第二屏蔽层152，如图3和图4中所示。第二屏蔽层152可以包括抗反射材料和/或防止污染设备基座125的下方的部分的材料。仅通过举例来说，第二屏蔽层152可以包括SiON。在一些示例中，第二屏蔽层152可以被配置以防止诸如被污染的钠与第一屏蔽层150、介电材料142和/或设备电路146的导电(例如，金属)部件相互作用。在一些示例中，第二屏蔽层152可以模仿第一屏蔽层150的配置。例如，第二屏蔽层152可以包括穿过其中的至少一个孔，该至少一个孔至少部分地与至少一个光导118对准，如图3和图4中所示。第二屏蔽层152可以包括这样的孔的阵列。在一些示例中，第二屏蔽层152可以围绕其中的孔延伸。在一些示例中，第二屏蔽层152在相邻光导118和/或延伸到其上的开口之间连续延伸。在一些其它示例中，第二屏蔽层152不在相邻光导118和/或延伸到其上的开口之间连续延伸，使得一个或更多个其它孔存在于第二屏蔽层152中，如图3和图4中所示。
在一些示例中，光检测设备104可以包括衬垫层154，衬垫层154在设备基座125上方并围绕光导118延伸，如图3和图4中所示。衬垫层154可以是形成在设备基座125上的连续共形层。衬垫层154相对于反应溶液可以是化学反应性的。例如，由于反应溶液的组成(例如，水和/或油)和/或相对高的酸度(例如，pH等于或小于约5)或相对高的碱度(例如，pH等于或大于约8)，反应溶液当暴露于衬垫层154的材料时可与衬垫层154的材料发生化学反应，并导致材料溶解或以其他方式分离(即，蚀刻衬垫层154)。随着曝光时间的推移，反应溶液可由此蚀刻穿过衬垫层154，并最终与设备电路146相互作用，并腐蚀设备电路146或以其他方式干扰设备电路146的功能。例如，衬垫层154可以是氮化硅层(或者以其他方式包括SiN)，并且相对高的酸性或碱性反应溶液在暴露于SiN时可能倾向于蚀刻SiN。以这种方式，SiN衬垫层154在防止反应溶液蚀刻穿过SiN衬垫层154并最终与设备电路146相互作用(例如，腐蚀设备电路146的导电(例如，金属)部件)方面可能是无效的。形成衬垫层154的其它材料类似地对反应溶液是化学反应性的，例如由于其组成和/或相对高的酸度或碱度，并且因此不能防止反应溶液随着时间的推移而蚀刻穿过衬垫层154。
衬垫层154可以没有界定的孔。然而，衬垫层154可包括至少一个内部不连续部分(internal discontinuity)、孔隙、裂纹、断裂或类似物，其允许液体或溶液例如反应溶液流过衬垫层154，如下文进一步解释的。例如，衬垫层154的密度可以相对较低，使得其内部不连续部分形成穿过衬垫层154的路径，反应溶液可以通过该路径到达介电材料142，并且最终到达设备电路146的导电(例如，金属)部件。以这种方式，衬垫层154在防止反应溶液穿过衬垫层154并最终与防止与设备电路相互作用方面可能是无效的。在一些示例中，由于其密度或内部不连续部分，衬垫层154可以不是液体不可渗透的。
在图示的示例中，衬垫层154在第二屏蔽层152和在设备基座125的顶部上部分上的保护层130之间延伸，并且沿着光导118在介电材料层142和保护层130之间延伸。衬垫层154可以被配置为抗反射层或反射层(例如，以确保从反应位点114发射的光穿过光导118)、污染防止层(例如，以防止钠污染到设备基座125中)和/或粘合层(例如，以将光导118的过滤材料116粘合到介电材料142上)。在一些示例中，衬垫层154可以被配置作为防止任何离子物质渗透到设备层(例如，金属-介电层)中的污染防止层。在一些示例中，衬垫层154包括SiN。在一些示例中，衬垫层154包括SiN层。
如图3和4所示，衬垫层154可以具有基本上均匀的厚度。在其他示例中，衬垫层154的厚度可以变化。例如，衬垫层154在设备基座125的顶部部分上方延伸的部分可以是第一厚度，并且衬垫层154在光导118周围延伸的部分可以是比第一厚度更厚或更薄的第二厚度。作为另一示例，衬垫层154的围绕光导118延伸的部分的厚度可以沿着设备基座125内的深度变化(例如，可以随着进入设备基座125的深度而逐渐变细)。在一些示例中，衬垫层154的厚度可以在约10nm至约100nm的范围内。在图示的示例中，衬垫层154是约50nm厚。
如图3中所示，设备基座125还可以包括形成在设备基座125的设备层内并在光导118下方的第二衬垫层155。第二衬垫层155可以基本上与衬垫层154相似或相同，但是除了其在设备基座125内的位置之外。在一些示例中，第二衬垫层155可以在保护层130的正下方沿着光导118的底部延伸，如图3中所示。以这种方式，除了在凹槽108下方的光导118的开口158，衬垫层154和第二衬垫层155可以完全围绕光导118延伸。第二衬垫层155可以形成光导118的底部。
如上所论述，检测设备104的设备基座125可以包括被定位于每个光导118和设备电路146之间的保护衬垫层130，如图3和图4中所示。保护层130可以(直接地或间接地)在设备基座125的顶部上的衬垫层154上方并沿着光导118延伸，如图3和图4中所示。在一些其它示例(未示出)中，保护层130可以不(直接地或间接地)在反应结构126下方的设备基座125的顶部上方延伸，并且可以仅沿着/围绕在设备基座126内的光导118延伸(即，仅被定位于介电材料142和过滤材料116之间)。
除了其开口158之外，保护层130可完全围绕光导118的过滤材料116延伸。例如，保护层130可以围绕光导118的侧表面并且在光导118下方(在衬垫层154和第二衬垫层155以及过滤材料116之间)延伸。保护层130还可以被设置在设备基座125(例如，直接在衬垫层154上方)和反应结构126上。保护层130还可以由此被设置在设备基座125的顶部上方，并被定位于设备基座125和反应结构126之间。
保护层130可以是连续涂层。保护层130可以没有将允许液体或溶液例如反应溶液流过的预定义的或故意形成的孔或其它空隙。保护层130还可以没有将允许液体或溶液例如反应溶液流过其中的任何内部不连续部分、孔隙、裂纹、断裂或类似物，或者可以防止它们的形成，如下文进一步解释的。保护层130因此可以是液体不可渗透的屏障。本文中的液体不可渗透层是指可防止任何液体或溶液(例如反应溶液)穿过其中的层，例如防止在约大气压与保护层130接触的反应溶液的至少约99vol％穿过其中。保护层130相对于反应溶液还可以是化学惰性的，使得当反应溶液与保护层130接触时，反应溶液(如上所述，其可以包括相对高的酸度或相对高的碱度)在约100摄氏度和约大气压不蚀刻保护层130，或者每小时蚀刻保护层130的厚度的小于约一(1)埃
Figure BDA0003715392480000211
例如，保护层130的组成可以不与反应溶液的组成(其可以包括相对高的酸度或相对高的碱度)发生化学反应，或者仅在相对小的程度上发生化学反应，使得当反应溶液与保护层130接触时，反应溶液在约100摄氏度和约大气压下不蚀刻保护层130或每小时蚀刻保护层130的厚度的小于约一(1)埃
Figure BDA0003715392480000221
衬垫层154因此可包括相对于反应溶液(其可包括例如等于或小于约5的pH或等于或大于约8的pH)的抗蚀刻层，以防止反应溶液(随着时间)穿透其中并最终与设备电路146相互作用，并腐蚀设备电路146或以其他方式干扰设备电路146的功能。保护层130由此被配置成防止可以穿过反应结构126到达保护层130或者穿过反应结构126和光导118的过滤材料116到达保护层130的液体或溶液(例如反应溶液)与设备电路146(和衬垫层154(如果设置的话)和介电材料142)相互作用。
保护层130的厚度可以变化。例如，保护层130在设备基座125的顶部上方延伸的部分可以是第一厚度，并且保护层130在光导118周围和/或在光导118下方延伸的部分可以是比第一厚度更厚或更薄的第二厚度。作为另一示例，保护层130的围绕光导118延伸的部分的厚度可以沿着在设备基座125内的光导118的深度变化。在这样的示例中，保护层130的围绕光导118延伸的部分的厚度可以随着其从光导118的开口158延伸到设备基座125中而逐渐变细(即，变窄或变薄)。保护层130可以是保形涂层。在图3中所示的图示的示例中，保护层130具有基本均匀的厚度。在一些示例中，衬垫层154的厚度可以在约10nm至约1微米的范围内、在约5nm至约100nm的范围内、或者在约50nm至约100nm的范围内。在图示的示例中，衬垫层154是约50nm厚。
保护层130可以包括任何材料，使得其防止可能穿透反应结构126、或反应结构126和光导118的任何溶液或液体例如反应溶液与设备电路146相互作用，并且允许从反应位点114(用反应溶液处理后)发射的光穿过保护层130并到达至少一个对应的光传感器140(经由至少一个对应的光导118)。例如，保护层130可以包括允许从反应位点114发射的未被过滤材料116过滤的光穿过其中的且对反应溶液是化学惰性的任何材料。例如，保护层130可包括与反应溶液(其可包括例如等于或小于约5的pH或等于或大于约8的pH)不发生化学反应或仅在相对小的程度上发生化学反应的任何材料，使得当反应溶液与保护层130接触时，反应溶液在约100摄氏度和在约大气压不蚀刻保护层130或每小时蚀刻保护层130的厚度的小于约一(1)埃
Figure BDA0003715392480000231
例如，保护层130可包括至少一种氧化物、至少一种氮化物、或其组合。在一些示例中，保护层130可以包括二氧化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合。在一些示例中，保护层130可以包括二氧化硅、氮氧化硅、一氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、硝基碳化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合。在一些示例中，反应溶液的pH大于或等于约8，并且保护层130包括二氧化硅、氮氧化硅、一氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、硝基碳化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合。在一些示例中，反应溶液的pH小于或等于约5，并且保护层130包括碳化硅、碳氧化硅、硝基碳化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合。注意，保护层130的厚度、形成过程和材料可以被(独立地或共同地)考虑和配置，使得保护层130防止可能穿透反应结构126、或反应结构126和光导118的任何溶液或液体例如反应溶液最终与设备电路146(以及衬垫层154(如果设置的话)和介电材料142)相互作用。
如上所论述，光导118可从开口158延伸到设备基座125中，例如穿过介电材料层142并朝向至少一个光检测传感器140延伸。在特定示例中，光导118是长形的，并且从靠近至少一个对应的反应凹槽108(从其孔158)朝向在传感器基座141内的至少一个对应的光传感器140延伸。光导118可沿中心纵轴纵向延伸。光导118可以被构造成三维形状，例如具有圆形开口158的基本上圆柱形或截头圆锥形，其允许和/或促进从至少一个对应的反应凹槽108的反应位点114发射的光到达至少一个对应的光传感器140。光导118的纵轴可以延伸穿过横截面的几何中心。然而，在可选示例中，可以使用其他几何形状。例如，光导118的横截面可以是基本上正方形或八边形的。
光导118可以包括过滤材料116，该过滤材料116被配置成过滤激发光101或包括激发光101的波长的波长范围，并且允许来自至少一个对应的反应凹槽108的至少一个反应位点114的光发射(或包括光发射的波长的波长范围)穿过过滤材料116并朝向至少一个对应的光传感器140传播。光导118可以是例如吸收过滤器(例如有机吸收过滤器)，使得过滤材料116吸收特定波长(或波长范围)并允许至少一个预定波长(或波长范围)穿过过滤材料116。仅通过一个示例来说，激发光可以是约532nm，并且来自至少一个反应位点114的光发射可以是约570nm或更大，并且因此过滤材料116可以吸收波长为约532nm或小于约570nm的光，并且允许波长为约570nm或更大的光穿过过滤材料116。阵列的光导118中的每个可以包括基本相同的过滤材料116，或者不同的光导118可以包括不同的过滤材料116。
因此，每个光导118可以相对于设备基座125的周围材料(例如，介电材料142)配置，以形成光导结构。例如，光导118可具有至少约2的折射率。在某些示例中，光导118被配置成使得激发光的光密度(OD)或吸光度至少为约4OD。更具体地，光导118的过滤材料116可以被选择，并且光导118的大小可以被设计成实现至少约4OD。在更具体的示例中，光导118可以被配置成实现至少约5OD、或至少约6OD。
最初，设备104或生物传感器100的反应结构126的一个或更多个反应凹槽108的反应位点114可以不包括指定的反应，这通常通过在图4中缺少阴影/图案来表示。如上所论述，反应位点114可以包括被固定到检测器表面112上的生物或化学物质，或者更具体地被固定在反应凹槽108的基座和/或侧表面上的生物或化学物质。在特定示例中，反应位点114被定位于至少一个对应的光导118的开口158附近，使得在已经通过用反应溶液处理而发生指定的反应之后，从反应位点114发射的预先指定的光发射传播通过反应结构126、通过至少一个对应的光导118的开口158和过滤材料116、通过保护层(以及潜在地通过第一衬垫层154和第二衬垫层155)，并到达至少一个对应的光传感器140。
单个反应位点114的生物或化学物质可以相似或相同(例如，具有共同序列的分析物(例如，寡核苷酸)群落)。然而，在其它示例中，单个反应位点114和/或反应凹槽可包括不同的生物或化学物质。在指定的反应之前，反应位点114可以包括至少一种分析物(例如，感兴趣的分析物)。例如，分析物可以是寡核苷酸或其群落(例如，感兴趣的寡核苷酸)。寡核苷酸可以具有有效的共同序列，并与预定的或特定的荧光标记的生物分子例如荧光标记的核苷酸结合。
然而，在指定的反应之前，荧光标记的生物分子的荧光团没有在反应位点114处合并或被结合到生物或化学物质(例如寡核苷酸)，如图4中所示。为了实现指定的反应(即，将荧光标记的生物分子与反应位点114的生物或化学物质结合)，流动池可以提供反应溶液170到反应结构126的流动，如图5中所示。反应溶液可以包括用于例如DNA接枝(grafting)、成簇(clustering)、裂解(cleaving)、合并(incorporating)和/或读取的一种或更多种测序试剂。然而，反应溶液170可以是任何溶液。在一些示例中，反应溶液170可以包括液体。例如，反应溶液170可以是水溶液和/或可以由油组成；然而，应该理解的是，反应溶液170可以包括任何其它液体。反应溶液170可以包括一种或更多种成分，该一种或更多种成分倾向于与电路146反应、腐蚀电路146、溶解电路146、劣化电路146或以其他方式使电路146不可操作或不能有效作为电路(即，传送信号或电子)。例如，反应溶液170可以是水溶液，如果水溶液与电路146相互作用，则水溶液将倾向于氧化电路146的金属部分。
在一个示例中，反应溶液170包含一种或更多种核苷酸类型，该一种或更多种核苷酸类型的至少一些被荧光标记，并且反应溶液170还包含一种或更多种生物分子，例如聚合酶，其将核苷酸合并到在反应位点114处的生长(growing)寡核苷酸中，从而用荧光标记的核苷酸标记寡核苷酸。在这种实施方式中，流动池可以提供清洗溶液以除去未合并到寡核苷酸中的任何游离核苷酸。然后，可以用至少第一波长的激发光101照射反应位点114，在合并荧光标记核苷酸的那些反应位点114中引起第二波长和/或第三波长的荧光。没有合并荧光标记核苷酸的反应位点114在入射激发光101时不发光。
如图5中所示的示例中所示，反应溶液170可以被设置在反应凹槽108内，以实现至少一种荧光标记分子与反应位点114的生物或化学物质结合或合并的指定的反应。在一些示例中，反应位点114的生物或化学物质可以是分析物，且荧光标记分子可以包括至少一种与分析物结合或合并的荧光团。在这样的示例中，分析物可以包括寡核苷酸，并且至少一种荧光标记分子包括荧光标记的核苷酸。
当反应位点114的生物或化学物质(例如寡核苷酸)相似或相同，例如具有共同的序列时，反应位点114可以被配置成在指定的反应之后产生共同的光发射，并且激发光101被来自反应溶液170的与其结合或合并的荧光标记分子吸收。当反应位点114的生物或化学物质(例如寡核苷酸)不相似或不相同，例如具有不同的序列时，反应位点114可以被配置成在指定的反应之后产生不同的光发射，并且激发光101被来自反应溶液170的与其结合或合并的荧光标记分子吸收。光导118的过滤材料116可以被选择或配置成允许任何这样的光发射穿过其传播并传播到光传感器140，但是防止其他这样的光发射和/或激发光穿过其传播到光传感器140。
如图6所示，在反应溶液170已经与反应位点114的生物或化学物质(例如，寡核苷酸)相互作用之后，指定的反应已经发生，使得反应位点114包括荧光标记分子，例如荧光团，荧光标记分子当被激发光101激发时(即，当激发光101被入射在反应位点114上时)，发射预定波长或预定波长范围的光。因此，激发光101可以由此基于反应溶液170的荧光标记分子(反之亦然)和/或反应溶液170在反应位点114处引发的反应和/或由反应溶液170在反应位点114处形成的反应产物来配置。如图6中所示，当已经通过用反应溶液处理而发生指定的反应之后被激发光101激发时，反应位点114可以发射波长不同于激发光101的光信号172。
来自反应位点114(用反应溶液处理后)的发射光172可以在所有方向上(例如各向同性地)行进，使得例如，光172的一部分被引导到至少一个对应的光导118中，并且光172的一部分被引导到流动通道119或反应结构126中，如图6中所示。对于传递进入光导118的部分，设备104(例如，其光导118)被配置成便于由至少一个对应的光传感器140检测光子。具体地，来自反应位点114、穿过对应的光导118的开口的发射光172将通过其过滤材料116传播到光传感器140。然而，激发光101将被过滤材料116吸收或以其他方式防止穿过光导118传播到光传感器140，如图6中所示。电耦合到光传感器140的设备电路146基于由光传感器140检测到的光子而传输数据信号。以这种方式，在光检测事件期间，仅存在在反应位点114处通过用反应溶液处理进行的指定的反应将导致发射光172被光传感器140检测到。
如图6中所示，来自反应位点114的发射光172的传递进入至少一个对应的光导118的部分可直接穿过其过滤材料116传播并传播到至少一个对应的光传感器140。例如，来自反应位点114的发射光172的经由开口158进入至少一个对应的光导118的至少大部分可以直接地(例如，线性地或基本上线性地)穿过过滤材料116传递到达至少一个对应的光传感器140。来自反应位点114的传递进入至少一个对应的光导118的少量发射光172可以一定角度行进，使得其穿过保护层130、衬垫层154并进入介电材料层142。这种光可以被电路146或被嵌入介电材料层142内的其它金属或反射结构反射，并且潜在地返回到对应的光导118中(并且潜在地返回到至少一个对应的光传感器140)。在一些示例中，保护层130和/或衬垫层154可以对光是透明的，例如至少对来自反应位点114的发射光172是透明的或基本上是透明的。
图7和图8示出了设备104的示例，其包括在反应结构126和光导118的过滤材料116中的裂纹或其它不连续部分178。如图7和图8中所示，反应结构126、以及潜在地至少一个光导118的过滤材料116可以包括从检测表面112延伸到保护层130的裂纹或其它不连续部分178。不连续部分178可以从检测表面112穿过反应结构126延伸到保护层130，和/或从检测表面112穿过反应结构126和过滤材料116延伸到保护层130。因此，不连续部分178可允许溶液或液体从检测表面112流入检测设备104，并与保护层130相互作用。
注意，不连续部分178或其它路径可能不像所描绘的不连续部分178那样进行定义和/或连续。相反，不连续部分178代表液体或溶液可以(即，从检测表面112)穿过反应结构126到达保护层130的任何路径。例如，从检测表面112延伸穿过反应结构126(例如，延伸穿过第一层160、第二层162、第三层164和第四层166(如果存在))到保护层130的任何路径可最终允许液体或溶液(例如，反应溶液)与保护层130相互作用。作为另一示例，从检测表面112延伸穿过反应结构126(例如，延伸穿过第一层160、第二层162、第三层164和第四层166(如果存在))和至少一个光导118(例如，延伸穿过开口158和过滤材料116)到保护层130的任何路径可最终允许液体或溶液(例如，反应溶液)与保护层130相互作用。不连续部分178表示任何这样的路径。
延伸穿过反应结构126和/或延伸穿过反应结构126和至少一个光导118的不连续部分178可以通过任何过程或机制形成。例如，延伸穿过反应结构126和/或延伸穿过反应结构126和至少一个光导118的不连续部分178可以例如在设备104的制造阶段期间形成，和/或在设备104的使用期间形成。作为一种特定的形成模式，不连续部分178可能由于设备104的材料的不同热膨胀系数而引起的，这可引起不连续部分178在设备104的制造阶段期间和/或设备104的使用期间形成。作为另一示例，不连续部分178可能由反应结构126和/或光导118的形成过程中的误差形成，或者从反应结构126和/或光导118的形成过程自然产生。作为又一示例，不连续部分178可能通过反应溶液或任何其它液体或溶液与反应结构126和/或光导118反应并蚀刻穿过反应结构126和/或光导118而形成。然而，这些只是不连续部分178的形成模式的一些示例，而不连续部分178可通过任何操作模式形成。
还如图8中所示和上面论述的，衬垫层154可以包括不连续部分179，该不连续部分179延伸穿过衬垫层154并允许溶液或液体流动穿过衬垫层154。衬垫层154的不连续部分179可以是相对较小的内部不连续部分、孔隙、裂纹或类似物。例如，衬垫层154的不连续部分179可能是在衬垫层154或设备104的制造阶段期间和/或在设备104的使用期间产生的。例如，衬垫层154的不连续部分179可能是由衬垫154和设备104的其它部分的材料的不同热膨胀系数引起的。作为另一示例，衬垫层154的不连续部分179可能由其形成过程引起。在一些示例中，衬垫层154的不连续部分179可能是由液体或溶液与衬垫层154相互作用并侵蚀、腐蚀或以其他方式劣化衬垫层154(从而允许液体或溶液穿过)而产生的。然而，这些只是引起衬垫层154的不连续部分179的原因的一些示例，任何不连续部分179可以通过任何操作模式来形成。在一些示例中，衬垫层154可以包括与反应溶液化学反应的材料，使得反应溶液将蚀刻穿过衬垫层154(并且最终劣化电路146)。在一些这样的实施方案中，衬垫层154可能没有不连续部分179，也可能不是没有不连续部分179。
当存在不连续部分178并且反应溶液170(或任何其它液体或溶液)被引入到反应结构126上(例如，被设置在检测表面112上方和在反应凹槽108内)时，反应溶液170(或其它液体或溶液)可以能够在不连续部分178内/穿过不连续部分178或以其他方式穿过反应结构126并且潜在地穿过光导118的过滤材料116进行流动、吸收(wick)、穿透或以其它方式行进，如图8中所示。此外，还如图8中所示，如果不存在保护层130，衬垫层154的不连续部分179将允许这样穿透的反应溶液170(或其它液体或溶液)继续穿过检测设备104行进到介电材料142，并最终与电路146相互作用。在另一个示例中，穿透的反应溶液170(或其它液体或溶液)可以与衬垫层154化学反应并蚀刻穿过衬垫层154，并继续行进穿过检测设备104到达介电材料142，并且最终与电路146相互作用。如上所述，反应溶液170可以是相对高度酸性的(例如，pH等于或小于约5)或相对高度碱性的(例如，pH等于或大于约8)，并且衬垫层154可以包括相对容易被这种反应溶液蚀刻的SiN。还如上所述，反应溶液170(或其它液体或溶液)可能会劣化电路146，或者以其他方式使电路146不可操作或使电路146的导电和/或金属部分不太有效。例如，反应溶液170可以进行化学反应并氧化电路146的导电和/或金属部分。
然而，如图8中所示，保护层130可以被配置成使得其形成固体连续阻挡层(没有空隙、裂缝或其他不连续部分)，该固体连续阻挡层防止穿透反应结构126的、并且潜在地经由不连续部分178或者以其他方式穿透光导118的过滤材料116的任何反应溶液170与设备104的电路146相互作用。此外，保护层130可以被配置为使得其相对于反应溶液是化学惰性的，使得当反应溶液与保护层130接触时，反应溶液(如上所述，其可以包括相对高的酸度或相对高的碱度)在约100摄氏度和约大气压下不蚀刻保护层130，或者每小时蚀刻保护层130的厚度的小于约一(1)埃
Figure BDA0003715392480000291
以这种方式，尽管可能存在穿过反应结构126的不连续部分178或其它路径和/或穿过过滤材料116的不连续部分178或其它路径，但是保护层130防止反应溶液170流动到/穿过衬垫层154的不连续部分179并最终与设备电路146相互作用(且从而劣化设备电路146)。如上所述，保护层130的形成方法、厚度和材料可以独立地或相互考虑地被配置成使得保护层130没有任何不连续部分，这将允许任何溶液或液体(例如，反应溶液)从保护层130穿过，并且保护层130相对于反应溶液是化学惰性的，使得保护层130是抗(反应溶液)蚀刻的。
图9-13示出了制造光检测设备例如图1-8所描绘的光检测设备104的方法200的示例。因此，与“1”相对，前面带有“2”的相似参考数字用于指示相似的部件、方面、功能、过程或功能，并且上面针对其的描述同样适用，并且为了简洁和清楚的目的而不再重复。例如，方法200可以采用本文讨论的各种示例(例如，系统和/或方法)的结构或方面。在各种示例中，可以省略或添加某些步骤，可以组合某些步骤，可以同时(simultaneously)执行某些步骤，可以并行(concurrently)执行某些步骤，可以将某些步骤分成多个步骤，可以以不同的顺序执行某些步骤，或者可以以迭代的方式重新执行某些步骤或一系列步骤。
如图9和图10中所示，形成设备204的方法200可以包括在设备基座225内形成(在图9的270处)多个沟槽280(例如阵列)。多个沟槽可以从设备基座225的外部/外顶表面延伸并朝向至少一个对应的光传感器240(穿过设备基座225的厚度)延伸。如上所论述，设备基座225可以包括光传感器240的阵列和电耦合到光传感器240的设备电路246，该设备电路246基于由光传感器240检测到的光子而传输数据信号。设备基座225可以通过任何过程被提供或获得。例如，方法200可以包括获得处于预组装或预制造状态的设备基座225，或者包括在形成270多个沟槽280之前形成或制造设备基座225。
如上所论述，可以使用集成电路制造技术，例如CMOS制造技术来制造设备基座225。例如，设备基座225可以包括其中嵌入有形成设备电路246的不同的修改特征(例如，金属元素)的若干衬底层(例如，介电材料层242)。多个沟槽280可以被形成在基底层中(例如，在介电材料层242中)，以对应于设备基座225的在方法200之后将包括光导218的部分。虽然在图10中仅描绘了一个沟槽280，但是设备基座225可以包括如上所述的光导218的阵列，并且因此可以形成沟槽280的阵列。
如图10中所示，沟槽280可以穿过第一屏蔽层250和/或第二屏蔽层252中的开口并穿过介电材料242朝向至少一个对应的光传感器240延伸。如图10中所示，设备基座225的内表面，例如其介电材料242，可以界定沟槽280，以用于在其中形成光导218。沟槽280可延伸至延伸穿过介电材料242的第二衬垫层255。这样，第二衬垫层255可以形成沟槽280的底部。还如图10中所示，在第一屏蔽层250和/或第二屏蔽层252中的其它开口可以被形成在设备基座225的间隙区域213中。
沟槽280可以通过去除介电材料242的部分(以及潜在地第一屏蔽层250和/或第二屏蔽层252的部分)的任何过程或技术形成。例如，沟槽280可以通过一个或更多个选择性蚀刻过程或反应离子蚀刻过程被形成。在一个示例中，沟槽280可以通过将至少一个掩模(未示出)施加到设备基座225并(例如，通过蚀刻)去除介电材料242的部分(以及潜在地去除第一屏蔽层250和/或第二屏蔽层252的部分)的材料来形成。
如图9和图11中所示，在形成多个沟槽280之后，方法200可以包括在设备基座225的顶表面上方和在多个沟槽280内沉积(在图9的272处)第一衬垫层254。在一些示例中，第一衬垫层254可以被形成在多个沟槽280的侧壁上方，而不是被形成在沟槽280的底部处的第二衬垫层255上方。在一些其他示例中，第一衬垫层254可以在沟槽280底部处的第二衬垫层255上方形成，但是随后被去除。第一衬垫层254可以被沉积在设备基座225的顶表面上的第二屏蔽层252上方，并且潜在地被沉积在设备基座225的间隙区域213中的第一屏蔽层250和/或第二屏蔽层252中的开口中的任何开口上方，使得第二屏蔽层252在这些开口中的介电材料242上方延伸，如图11中所示。
第一衬垫层254可以通过任何过程或技术被形成。例如，第一衬垫层254可以通过至少一种化学沉积过程(例如，诸如电镀、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、或原子层沉积(ALD))、物理沉积过程、生长模式、外延生长、或其组合来形成。在一些示例中，第一衬垫层254可以共形地被形成在设备基座225的表面上方并形成在沟槽280内(例如，在沟槽280的侧壁上方，并且潜在地，在沟槽280的底表面上方)。第一衬垫层254可以包括基本上恒定的厚度，或者厚度可以变化。如上所论述，第一衬垫层254(和/或潜在地第二衬垫层255)可包括(在形成时和/或在使用设备204之后)延伸穿过其中并允许溶液或液体流过其中的不连续部分(见图8)。同样如上所述，第一衬垫层254可以与反应溶液(其可以是相对高度酸性的或碱性的(basic)/碱性的(alkaline))化学反应，使得反应溶液蚀刻通过第一衬垫层254。
在设备基座225上(以及在沟槽280内)形成第一衬垫层254之后，可以进一步处理第一衬垫层254。例如，第一衬垫层254的在设备基座225的顶表面上延伸的至少一部分(即，第一衬垫层254的间隙区域213)可以被处理成平坦化/平面化、光滑化和/或以其他方式改善其表面形貌。在一些这样的示例中，第一衬垫层254的在设备基座225的顶表面上延伸的至少一部分(即，第一衬垫层254的间隙区域213)可以被蚀刻和/或抛光(例如，化学和/或机械抛光/平面化)以使第一衬垫层254的外表面平面化。
如图9和图12中所示，方法200可以包括在设备基座225上方沉积(在图9的274处)保护层230，使得保护层230在多个沟槽280内延伸。在一些示例中，方法200可以包括在设备基座225上方沉积(在图9的274处)保护层230，使得保护层230在多个沟槽280内延伸并在设备基座225的顶表面上方延伸。在一些示例中，保护层230可以被形成在多个沟槽280的侧壁和沟槽280的底部上方。保护层230可以被形成在第一衬垫层254和第二衬垫层255上方。
保护层230可以通过任何过程或技术形成。例如，保护层230可以通过至少一种化学沉积过程(例如，诸如电镀、化学气相沉积(CVD)、等离子体增强CVD(PECVD)、或原子层沉积(ALD))、物理沉积过程、生长模式、外延生长、或其组合来形成。在一些示例中，保护层230可以共形地形成在设备基座225的表面上方并形成在沟槽280内(例如，在沟槽280的侧壁上方，并且潜在地，在沟槽280的底表面上方)。保护层230可以包括基本上恒定的厚度，或者厚度可以变化。如上所论述，保护层230可以被形成为使得其(在形成时和/或在使用设备204之后)没有延伸穿过其中的并且允许溶液或液体流过其中的任何不连续部分(见图8)。保护层230的厚度、材料和/或形成过程可以被配置成使得保护层230是液体不可渗透的阻挡层。例如，可以利用将保护层230形成为具有低缺陷密度的稳健的、高度致密层的任何过程。在一些特定示例中，保护层230是通过例如原子层沉积(ALD)过程或高密度等离子体化学气相沉积(CVD)过程形成的。由此，保护层230可以是液体不可渗透的屏障，其防止液体或溶液例如反应溶液与设备基座225的该设备层中的设备电路246相互作用。
还如上所论述，保护层230可以被形成为使得其相对于反应溶液是化学惰性的，使得当反应溶液与保护层230接触时，反应溶液(如上所述，其可以包括相对高的酸度或相对高的碱度)在约100摄氏度和约大气压下不蚀刻保护层130，或者每小时蚀刻保护层130的厚度的小于约一(1)埃
Figure BDA0003715392480000331
例如，保护层230的组成可以不与反应溶液的组成(其可以包括相对高的酸度或相对高的碱度)发生化学反应、或者仅在相对小的程度上发生化学反应，使得当反应溶液与保护层230接触时，反应溶液在约100摄氏度和约大气压下不蚀刻保护层230或每小时蚀刻保护层230的厚度的小于约一(1)埃
Figure BDA0003715392480000332
由此，保护层230可以包括相对于反应溶液(例如，其可包括等于或小于约5的pH或等于或大于约8的pH)的抗蚀刻层，以防止反应溶液(随着时间的推移)穿透其中并最终与设备电路246相互作用，并腐蚀设备电路246或以其他方式干扰设备电路246的功能。保护层230由此被形成为防止可以穿过反应结构226到达保护层230或者穿过反应结构226和光导218的过滤材料216到达保护层230的液体或溶液(例如反应溶液)与设备电路246(和衬垫层254(如果设置的话)和介电材料242)相互作用。
如图9和图13中所示，在形成保护层230之后，方法200可以包括用至少一种过滤材料216填充(在图9的276处)多个有衬垫的沟槽280，以形成多个光导218。如上所论述，至少一种过滤材料216可以过滤第一波长的光(例如，激发光)，并允许第二波长的光(例如，从反应位点发射的光)穿过过滤材料216到达至少一个对应的光传感器240。在一些示例中，被施加到设备基座225的过滤材料216的量可能超过在有衬垫的沟槽280内的可用体积。这样，过滤材料216可以溢出由衬垫的沟槽280，并沿着设备基座225的顶部延伸，例如在第一衬垫层254上方延伸。在可选示例中，填充操作276可以包括选择性地填充每个有衬垫的沟槽280，使得过滤材料216不清除/溢出沟槽280(即，在设备基座225的顶部上方延伸)。
在一些示例中，填充(在图9的276处)过滤材料216可以包括将过滤材料216压入(例如，使用刮板式部件)到有衬垫的沟槽280中。可选地，方法200还可以包括从保护层230去除过滤材料216，并且在一些情况下，去除过滤材料216的在光导218内的部分。过滤材料216可从光导218内去除，使得光导218的开口258被定位于保护层230下方的深度处，如图13中所示。可以实施不同的过程来去除过滤材料216的一个或更多个部分。例如，去除操作可包括蚀刻过滤材料216的部分或化学抛光过滤材料216的部分中的至少一种。
还如图9和图13中所示，在设备基座225上(以及在沟槽280内)形成保护层230之后，保护层230可以进一步被处理。例如，保护层230在设备基座225的顶表面上方延伸的至少一部分(即，保护层230的间隙区域213)可以被处理成平坦化/平面化、平滑化和/或以其他方式改善其表面形貌。在一些这样的示例中，保护层230的在设备基座225的顶表面上方延伸的至少一部分(即，保护层230的间隙区域213)可以被蚀刻和/或抛光(例如，化学和/或机械抛光/平面化)以使保护层230的外表面平面化。
在通过过滤材料216形成光导218之后，方法200可以包括在多个光导218上方和在设备基座225顶表面上的保护层230上方形成(在图9的278处)反应结构(参见图3和图4)。如上所论述的，在多个光导218上方和在设备基座225的顶表面上的保护层230上方设置的反应结构可以包括多个反应凹槽，每个反应凹槽对应于至少一个光导，以用于包含至少一个反应位点和反应溶液。在一些示例中，在反应结构上提供pH小于或等于约5或pH大于或等于约8的反应溶液，以在反应结构上形成反应位点。在用反应溶液处理后，反应位点可响应入射激发光而产生光发射。例如，反应溶液可以在响应于激发光而产生光发射的反应位点处引发反应和/或形成反应产物。还如上所论述的，反应结构可以包括多个层。这样，形成(在图9的278处)反应结构可以包括在多个光导218上方以及在设备基座225的顶表面上的保护层230上方形成多个层(参见图3和图4)。反应结构可以通过任何过程或技术被形成。
由此，保护层230可以形成反应结构的下方支撑。如上所论述的，保护层230的平面化的顶表面由此可以最小化在反应结构的检测器表面特别是检测器表面的间隙区域213中引起的表面形貌调制。在特定示例中，处理过的保护层230可导致反应结构的检测器表面的间隙区域213的平面和/或光滑表面，并防止反应溶液或任何其它生物或化学物质残留在其上和/或防止跳转误差。与没有处理过的保护层230的示例相比，至少部分由处理过的下方的保护层230提供的检测器表面的间隙区域213的平坦度可以增强检测设备204的稳健性。
任选地，方法200可包括通过在反应结构上方引入pH小于或等于约5或pH大于或等于约8的反应溶液和/或将流动池安装在设备204(见图1)来在形成的反应结构的至少一个反应凹槽中提供至少一个反应位点，该流动池在反应结构上方提供pH小于或等于约5或pH大于或等于约8的反应溶液。提供反应位点可以发生在流动池被耦合到设备204之前或之后。反应位点可以沿着反应凹槽以预定的图案被定位。反应位点可以以预定方式对应(例如，一个位点对应于一个光传感器，一个位点对应于多个光传感器，或者多个位点对应于一个光传感器)。在其它示例中，反应位点可以沿着反应凹槽随机地形成。如本文所述，反应位点可包括被固定到在反应凹槽内的检测器表面上的生物或化学物质。生物或化学物质可被配置成响应于激发光而发射光信号。由此，至少一个反应位点可以仅在用反应溶液处理之后响应于入射激发光而产生光发射。例如，反应溶液可以在响应于激发光而产生光发射的至少一个反应位点处引发反应和/或形成反应产物。在特定实例中，反应位点包括被固定在反应凹槽内的检测器表面上的生物分子(例如寡核苷酸)的簇或群落。
要理解的是，以上的描述意图是例证性的并且不是限制性的。例如，上述示例(和/或其方面)可以彼此结合使用。此外，在不脱离其范围的情况下，可以进行许多修改以使特定情况或材料适应各种示例的教导。虽然本文可能描述了材料的尺寸和类型，但是它们旨在定义各种示例中的一些示例的参数，并且它们绝不意在限于所有示例，而仅仅是示例性的。许多其他的示例对于本领域的技术人员在查阅以上的描述后将是明显的。因此，各种示例的范围应参考所附权利要求连同这些权利要求有权要求的等效物的整个范围来确定。
在所附权利要求中，术语“包括(including)”和“其中(in which)”作为英文原意使用等效于相应术语“包括(comprising)”和“其中(wherein)”。另外，在随附的权利要求中，术语“第一”、“第二”、和“第三”等被仅用作参考标签，并不旨在对它们的对象强加数值、结构或其他要求。本文术语“基于”的形式包括元件部分基于的关系以及元件完全基于的关系。术语“界定”的形式包括元件被部分界定的关系以及元件被完全界定的关系。此外，所附权利要求的限制不是以设备加功能的形式写的，且不打算根据《美国法典》第35卷第112节第6段进行解释，除非和直到这些权利要求的限制明确使用短语“用于......的设备(meansfor)”，后面是功能声明，没有进一步的结构。应当理解，根据任何特定示例，不一定可以实现上述所有这些目的或优点。因此，例如，本领域技术人员将认识到，本文描述的设备、系统和方法可以以实现或优化本文教导的一个优点或一组优点的方式来实现或执行，而不必实现本文可能教导或建议的其他目的或优点。
虽然仅结合有限数量的示例详细描述了本公开，但是应当容易理解的是，本公开不限于这些公开的示例。相反，可以对本公开进行修改，以合并此前未描述的、但与本公开的精神和范围相称的任何数量的变化、变更、替换或等效布置。此外，虽然已经描述了各种示例，但是应当理解，本公开的方面可以仅包括一个示例或一些所描述的示例。此外，虽然一些示例被描述为具有一定数量的元件，但是应当理解，这些示例可以用小于或大于一定数量的元件来实践。
应该认识到，前述概念和下文更详细地讨论的另外的概念(假设这些概念不相互矛盾)的所有组合被认为是本文公开的创造性主题的一部分。特别地，出现在本公开结尾处的要求保护的主题的所有组合被认为是本文公开的创造性主题的一部分。

Claims (20)

1.一种设备，包括：
反应结构，所述反应结构形成多个反应凹槽；和
设备基座，所述设备基座被定位于所述反应结构下方，包括：
多个光传感器；
设备电路，所述设备电路电耦合到所述光传感器，以基于由所述光传感器检测到的光子而传输数据信号；
多个光导，所述多个光导具有输入区域，所述输入区域接收激发光和来自所述反应凹槽的至少一个对应的反应凹槽的光发射，每个光导朝向所述光传感器的至少一个对应的光传感器延伸到所述设备基座中，并且所述光导包括至少一种过滤材料，所述至少一种过滤材料过滤所述激发光并允许所述光发射传递到所述至少一个对应的光传感器；和
保护层，所述保护层围绕每个光导延伸，其中，所述保护层相对于反应溶液是化学惰性的，所述反应溶液在所述反应结构上方通过。
2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述保护层邻接在所述设备基座内的所述多个光导。
3.根据权利要求2所述的设备，还包括第一屏蔽层，所述第一屏蔽层在相邻输入区域之间延伸，以阻挡入射到所述第一屏蔽层上的所述激发光和光发射。
4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述保护层还在所述设备基座的顶表面和所述反应结构的围绕所述反应凹槽延伸的间隙区域之间延伸。
5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述保护层包括二氧化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合。
6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述保护层包括碳化硅、碳氧化硅、硝基碳化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合。
7.根据权利要求1所述的设备，其中，所述反应溶液的pH大于或等于约8。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述保护层包括二氧化硅、氮氧化硅、一氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、硝基碳化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合。
9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述反应溶液的pH小于或等于约5。
10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述保护层包括碳化硅、碳氧化硅、硝基碳化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合。
11.根据权利要求1所述的设备，其中，所述保护层包括液体不可渗透的阻挡层。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备电路包括互连的导电元件，并且所述保护层防止所述反应溶液氧化所述导电元件。
13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述保护层的厚度在约5纳米至约100纳米的范围内。
14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述反应结构包括被固定到在所述反应凹槽中的每一个反应凹槽内的所述反应结构上的至少一个反应位点。
15.根据权利要求14所述的设备，其中，所述至少一个反应位点包括至少一种分析物，并且其中，所述反应溶液包括至少一种荧光标记分子。
16.根据权利要求1所述的设备，其中，所述设备基座的所述设备电路形成互补金属氧化物半导体(CMOS)电路。
17.一种生物传感器，包括：
根据权利要求1所述的设备；以及
流动池，所述流动池被安装到所述设备上，所述流动池包括所述反应溶液和至少一个流动通道，所述至少一个流动通道与所述反应结构的所述多个反应凹槽流体连通，以将所述反应溶液引导到所述多个反应凹槽。
18.一种方法，包括：
使pH小于或等于约5或pH大于或等于约8的反应溶液在生物传感器的反应结构上方通过，其中所述生物传感器包括：
所述反应结构，所述反应结构形成多个反应凹槽；和
设备基座，所述设备基座被定位于所述反应结构下方，包括：
多个光传感器；
设备电路，所述设备电路电耦合到所述光传感器，以基于由所述光传感器检测到的光子而传输数据信号；
多个光导，所述多个光导具有输入区域，所述输入区域接收激发光和来自所述反应凹槽的至少一个对应的反应凹槽的光发射，每个光导朝向所述光传感器的至少一个对应的光传感器延伸到所述设备基座中，并且所述光导包括至少一种过滤材料，所述至少一种过滤材料过滤所述激发光并允许所述光发射传递到所述至少一个对应的光传感器；和
保护层，所述保护层围绕每个光导延伸，其中，所述保护层相对于所述反应溶液是化学惰性的，所述反应溶液在所述反应结构上方通过。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述保护层包括二氧化硅、氮氧化硅、一氧化硅、碳化硅、碳氧化硅、硝基碳化硅、金属氧化物、金属氮化物或其组合。
20.根据权利要求18所述的方法，其中，至少一个反应位点包括至少一种分析物，并且其中，所述反应溶液包括至少一种荧光标记分子。
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