CN1938592A - 传感器阵列集成电路 - Google Patents

Abstract

一种装置包括密集阵列寻址器件和光耦合到该密集阵列寻址器件的分光仪。一种方法包括通过表征密集寻址设备上的之后的电解速度来确定目标分子与密集阵列寻址器件的结合和/或欠结合。一种方法包括采用大马士革图案处理来制造密集阵列寻址器件。

Description

传感器阵列集成电路

技术领域

本发明的实施例一般涉及生物和/或化学检测领域。更特别地，本发明的实施例涉及电子存储器与检测设备的集成、使用集成存储器的检测设备来进行检测的过程和制造集成存储器的检测设备的过程。

背景技术

电阻抗光谱(electrical impedance spectroscopy)法在业内是众所周知的。英特尔在加州伯克利大学资助的一个项目已经证实：可以用通过间隙分隔的两个电极通过阻抗变化来检测DNA的杂交。然而，该证实过程是在离散系统中使用非定制的(off-the shelf)阻抗监控仪器进行的。

同时，Nanogen公司证实了使用外加电场增强分析物朝位于SRAM顶端的亲和试剂的运动来有选择地提高试剂的捕获率和浓度的做法。然后，可使用荧光检测上述分析物。

迄今为止，尚不存在包含许多不同的传感器来执行诊断和危险的化学分析的传感器阵列集成电路。此外，也不存在与电子电路进行集成来完成数据存储、数据分析和/或数据传输/接收的传感器阵列集成电路。因而，需要可以同时满足上述这些需求的解决方案。

附图说明

引入构成本说明书的一部分的附图来描述本发明实施例的某些方面。通过参考附图中示范的而非限制性的实施例，可以更清楚地理解本发明与配备本发明的实施例的系统的各部件及其操作，在这些图中，相同的附图标记表示相同的部件。通过阅读一幅或多幅附图与说明书，可以更好地理解本发明的实施例。应当注意，附图中示出的各部件不一定按比例绘制。

图1示出了一种手持设备的框图，该手持设备包含表示本发明的一个实施例的传感器阵列。

图2A示出了表示本发明的一个实施例的传感器阵列的俯视图。

图2B示出了表示本发明的一个实施例的传感器阵列的截面图。

图3A示出了表示本发明的一个实施例的传感器阵列的俯视图。

图3B示出了表示本发明的一个实施例的传感器阵列的截面图。

具体实施方式

以下，将结合附图所示的、在随后的说明书中得到详细说明的非限制性实施例来更为全面地说明本发明的实施例及其各种特征和具有优势的细节。省略了对众所周知的原材料、处理技术、部件和设备的说明，以避免因不必要细节的缘故而妨碍对本发明实施例的说明。然而，应当懂得，尽管详细说明和具体实例指明了本发明的优选实施例，但它们仅用于说明的目的，并不构成对本发明的限制。对本领域技术人员而言，显而易见，通过阅读本公开文献，可以在基本的发明概念范围内对本发明的上述实施例进行各种替换、修改、添加和/或重组。

本发明的实施例可解决扩容和集成问题，以减少开支和提高可靠性。当前，使用分立技术来制造传感器，而这增加了成本，并降低了传感器的可靠性。

本发明的实施例也可以解决响应时间的问题。将试样送至实验室分析有时需花费几周时间。当前尚不具备包含几千(少于上百万)个传感器的手持式设备来在医疗点(point of care)处进行分析。

本发明的实施例也可以解决快速访问和读取信息的问题，这些信息涉及试样对许多系列的特定官能团以及它们的组合的反应性。当前尚不具备阵列寻址形式的、用于分析与一系列官能团有关的试样的传感器。

本发明的实施例也可以解决有选择地读取和存储包含在化学物种中的信息的问题。当前尚不具备固定待分析化学物质的传感器阵列。

本发明的实施例可包括包含密集阵列寻址器件和光耦合到该密集阵列寻址器件的分光仪的设备。本发明的实施例可包括使用该设备检测分子的过程。本发明的实施例可包括通过表征密集阵列寻址器件上的随后的电解速度来确定目标分子与密集阵列寻址器件的结合和/或欠结合。本发明的实施例可包括一种数据结构，该数据结构包含使用上述过程得到的结果。本发明的实施例可包括采用大马士革图案处理方法来制造密集阵列寻址器件的过程。本发明的实施例可包含通过该过程生产的密集阵列寻址器件。

结合以下说明和附图，可以更好的认识和理解本发明的实施例的这些或其他方面。然而，应当懂得，尽管以下说明指明了本发明的各种实施例及其大量的具体细节，但仍应将它们理解为说明的而非限制性的。在本发明的实施例的范围内，可以对本发明的实施例进行多种替换、修改、添加和/或重组，而不至于背离本发明的精神。且本发明的实施例包括所有这些替换，修改，添加和/或重组。

参考图1，该图是本发明的一个实施例的框图，其中，手持设备110包括传感器阵列120。当然，手持设备110(或本发明的其他实施例)也可包括多个传感器阵列。

手持设备110可包括附加的集成电路115，集成电路115具有信号放大(如锁定放大器)、数据处理与存储(计算)和传输/接收(通信)等功能。例如，手持设备可包括：逻辑电路(如ASIC)、存储器(如高速缓冲存储器、缓冲器、FLASH、WORM、存储卡、驱动器等)、视频显示器、电源电路(如用于寻址、启动、时域积分、刷新等)和/或信号处理电路(例如放大器、调制器(解调器)、滤波器、天线等)。手持设备110可与附加部件(图1中未示出)进行机械的、电的、光的和/或信息的耦合来定义系统。

可通过机械的、电的、光的和/或信息的方式将传感器阵列120与手持设备110的其余部分进行集成。可对传感器阵列120进行使用中的(热)调换，以便使快速的、重复的采样加速，从而有助于当场从大量试样中和/或在较长时间内收集数据。

传感器阵列120可包括密集阵列寻址器件。当然，传感器阵列120也可包括多个密集阵列寻址器件。密集阵列寻址器件可包括纳米电极阵列130。当然，密集阵列寻址器件也可包括多个纳米电极阵列。可将纳米电极阵列130设计成(配置成为)1维(行或列)、2维(阵列)，甚至3维(矩阵)配置。可通过机械的、电的和/或光的方式将密集阵列寻址器件与传感器阵列的其余部分进行集成。例如，纳米电极阵列130可包括与传感器阵列的其余部分集成的、由可单独寻址的单壁碳纳米管电极单元(每个单元具有两个或更多个功能电极)组成的2维阵列。

传感器阵列120可包括一个或多个选择性薄膜。该选择性薄膜可包括化学选择性薄膜140和/或生物选择性薄膜。该选择性薄膜可包含具有一个或多个1维、2维或3维(互连或互斥的)多孔网络的聚合物、陶瓷和/或金属结构。这些多孔网络可以由孔、洞、管、沟道、漏斗和/或其他形状来确定，且这些多孔网络的表面可包含吸水的、疏水的、酸性的、碱性的、由表面活性剂浸润的部分，等等。可通过机械的、电的和/或光的方式将该选择性薄膜与传感器阵列120的其余部分进行集成。

传感器阵列120可包括微观流体槽150。该微观流体槽的主要功能是将分析物调配到相对于传感器阵列120上的电极的合适位置。微观流体槽150可包括一个或多个进样部分(feed)、贮库(reservoir)、消化器、歧管、泵、混合室、文氏管、喷嘴、阀门、池(sump)和/或排液部分。可通过机械的、电的和/或光的方式将该微观流体槽150与传感器阵列120的其余部分进行集成。

传感器阵列120可包括表征仪器。该表征仪器可包括光探测仪器160。光探测仪器160可包括红外光(如傅立叶变换红外光)、紫外-可见光和/或拉曼分光部件。上述分光部件可包括光源、滤光片、起偏器、反射镜、分束器-组合器、光圈和检测器。可通过机械的、电的和/或光的方式将该表征仪器与传感器阵列120的其余部分进行集成。通过对纳米电极进行电调制(例如将经过调制的交流电压施加到纳米电极)或通过使用光束路径中的光阑来进行光调制，可以对光谱进行调制，以提高灵敏度(提高信噪比)。对选中的电极进行电调制可实现由探针(probe)选择电极和将各种生物分子结合在这些电极的表面上。

本发明的一个实施例可包括传感器阵列集成电路。该电路包括配置成高密度存储器单元阵列的纳米电极阵列，通过将化学物种固定(吸附)在偏置电极上以及访问和读取与包含于两个纳米电极之间的特定化学官能团对应的信息(通过使用外加的交流(脉动)电压来测量这些电极之间的电流)，上述阵列能写入来自生物和/或化学分子的信息。如上所述，也可以集成其他功能和部件，如微观流体槽、化学选择性薄膜、直流电荷检测和红外光内全反射。也可以集成无线通信和计算功能，以执行存储、处理/加工和传输/接收数据/信息等任务(例如，可以将纳米电极的高密度存储器阵列建造在标准的CMOS/双极芯片上)。

本发明的一个实施例可包括包含纳米电极阵列的传感器阵列，上述纳米电极的单元尺寸与电极之间的重复间距相等，为约5nm至约200um，最好为约5nm至约100nm。如果上述电极是单壁炭纳米管或炭纳米纤维，则该间距尺寸还可以减小至大约0.8nm甚至更小。可以将该传感器阵列设计成存储器单元阵列，通过将化学物种固定(吸附)到偏置电极上以及访问和读取与包含于两个纳米电极之间的特定化学官能团对应的单个信息位(例如，通过使用外加的交流(脉动)电压来测量这些电极之间的电流(阻抗与频率的函数))，上述阵列能写入来自生物和/或化学分子的信息。可重复(累积)(在时域上扩展)对上述信息的读取，以提高信噪比。

本发明的实施例可引入以任选的方式集成的附加功能(如微观流体槽、具有约5nm至约1000nm的相同或不同孔径尺寸的、用于根据大小筛选分子的化学选择性薄膜)。本发明的实施例可引入以任选的方式集成的表征功能(如光(如红外光)的内全反射光程)，以确定和/或验证吸附在电极上的化学官能团。在某一优选实施例中，可以用硅棱镜来传送红外光信号，可以对硅-电解质界面进行电调制或对红外光进行光调制，以便以单层约0.1的灵敏度将它们用于FTIR光谱法中。也可以集成标准的无线通信和计算功能，以执行存储、加工/处理和传输/接收数据/信息等任务。

本发明的实施例可包括用化学官能团(如抗生蛋白链菌素)进行官能化的纳米电极，以便与分析物进行化学结合。例如，用于官能化的化学官能团可包括NH2、COOH官能团，硫醇化学成分，等等。

该纳米电极可由贵金属(Au、Ag、Pd、Pt、Ru、Rh、Ir、Os)或炭(如多壁炭纳米管、单壁炭纳米管、石墨、金刚石等等)制成。可通过纳米传输通道有选择地沉积化学物质来进行电极的有选择的官能化。本发明的实施例可包括与该传感器阵列耦合的分析仪器，该仪器可执行阻抗光谱法、剩余电势测量、伏安法、电流分析法和/或电导分析法，以提高传感器的灵敏度和减少干扰。

对抗体传感器阵列而言，为在低浓度条件下完成反应，本发明的实施例通常需要采用更大的点。在这种情况下，点的尺寸通常为从约10微米至约2000微米，最好是从约100微米至约200微米。取决于目标分析物的尺寸、吸附机理和浓度，点的尺寸可以变小(例如，小于约100nm)。在其他情况下，点的尺寸仍然较大。

尽管不限于任何特定的性能指示或诊断标志，但是，通过测试与已知浓度的目标分析物有关的检测的存在，可以一次识别一个上述传感器阵列的优选实施例。不需过多实验，通过简单和传统的阻抗光谱分析实验，便可测试上述检测的存在。并且，在其他用于寻找上述实施例的方法中，那些可对检测下一个优选实施例进行指引的方法可建立在特征红外光光谱信号的存在的基础上。

可通过扫描电子显微镜(SEM)的截面图识别传感器阵列的实施例。也可通过采用诸如俄歇光谱法和/或动态二次离子质谱法对包括传感器的设备进行材料分析来识别传感器阵列的实施例。

本发明的实施例可包括使用循环伏安法来表征受到所吸附的有机物和无机物影响的电极的极化。本发明的实施例可包括使用内全反射红外光光谱法来识别所吸附的有机物或无机物种类。本发明的实施例可包括将阻抗测量电路集成到阵列和使用存储器阵列技术来执行数据的电读出。本发明的实施例可包括引入基于电荷的检测与电阻抗光谱法。本发明的实施例可包括引入基于电荷的检测与电化学检测。本发明的实施例可包括引入电阻抗光谱法与电化学检测。本发明的实施例可包括引入数据的电读出(如阻抗光谱法、电化学检测和/或电荷检测)，以形成密集的读/写阵列。

可使用纳米电极来测量分析物的浓度。制成惰性导体的纳米电极的作用方式与膜电极/大型电极的作用方式类似，但是它对流体不敏感。由于它们的纳米尺寸的缘故，纳米电极的分辨率可达到分子/官能团级。通过向电极施加偏置电压和吸附/固定化学物种，可以在具有狭窄间距的两个电极之间存储有关化学物种/官能团的信息。这些官能团将改变双电层的结构，然后，可通过采用阻抗光谱法或其他电化学技术来测量上述双电层结构。

σ^I+σ^d＝-σ^e

式中，σ^I为所吸附的电荷，σ^d为扩散层的电荷，σ^e为电极的电荷。

I＝E/Rs Exp(-t/RsCd)

测量了作为交流电源频率的函数的阻抗。

E＝I×Z；Z(W)＝Z实-jZ虚；其中Z实＝R；Z虚＝1/WC

根据Nernst公式，也可以测量化学物的浓度(例如，使用电势分析法)：

E＝E°+(RT/zF)lna_m＝E°+(0.059/z)loga_m

本发明的实施例可包括使用纳米电极和离子选择性薄膜来提高灵敏度。本发明的实施例可包括使用红外光和通过分析红外光振动模式来收集有关官能团的附加信息。

本发明的实施例可包括使用结构与电荷分布类似于目标分析化学物的固态电极。该结构/分布方法可建立在DNA分子识别能力的基础上。DNA由称为核苷酸-腺嘌呤A、胸腺嘧啶T、鸟嘌呤G和胞嘧啶C的结构单元组成，且磷酸盐与相邻核苷酸的糖连接成长的聚合物。核苷酸是串联连接的-从一个磷酸盐至下一个糖，再至下一个磷酸盐，等等。信息被编入核苷酸序列(顺序)。由于通过NH与N和NH2与O等键的A与T和G与C的强制性配对(obligatory pairing)的缘故，因而DNA用作再造DNA的模板。

本发明的实施例可包括基于电解速度变化的检测机制。使用了自组装的夹层，且通过加入经过分析的物种可调制其覆盖范围(类似于在表面上形成自组装的单层PEG/CI后在溶液中用添加剂进行铜电镀，当ASUPP-SPS被加入到溶液中且部分地取代表面上的PEG时，改变了其表面覆盖范围)。如果电极上吸附了分子，则在电解期间电极的极化将发生变化。这种极化方面的变化将取决于分子偶极子、电荷和官能团，并可用作分子识别工具。吸附自由能(对有机物种而言)与电极物种和溶剂在极化率与永久偶极矩方面的差异成正比。

接近分子尺寸的纳米电极的小尺寸和这些电极之间的间距可提供用于识别和测量各官能团的存在的分辨率。通过测量双电层的变化的电容值和电阻率，可以检测这些官能团的存在。

本发明的实施例可包括电极/电解质界面上的表面原子，这些表面原子经过重新排列，以形成由常规条纹或点(取决于所施加的电压和由被吸收物质引起的迁移率变化)组成的、波长为约25埃的自组装表面结构。当表面活性剂在电极界面处进行自组装时，在更大的尺度上也观察到了这样的条纹/点图案。根据S.Manne和H.E.Gaub的报告(Science 270，1480，1995)，这些聚集物质形成了约10nm长的胶束圆柱体、半纤维素酶或其他图案。根据V.Yuzhakov、P.Takhistov、A.Miller、H-C Chang的报告(Chaos 9，N1，62-77，1999)，自组装的有机物分子也能产生波长(间距)为50-150nm的、尺寸为约10nm的表面结构。

本发明的实施例可包括阻抗光谱法、电流分析法、伏安法和其他用于通过电极/探针产生来自吸附的分析物的响应的电化学技术。本发明的实施例可包括使用诸如FTIR光谱法的光学技术，这些技术可用来识别被分析化学物种的官能团。本发明的实施例可借助官能团通过响应电的、红外光的或其他光化学的信号改变电极尖端处的双电层结构来识别分子。本发明的实施例可借助分子量通过估计扩散系数来识别分子。本发明的实施例可借助尺寸通过控制膜或其他种类的过滤器中的微孔尺寸来识别分子。本发明的实施例可借助电荷(+/-)通过控制施加的电势来识别分子。本发明的实施例可借助电荷分布图(该图表示分子的结构)通过测量各受控纳米电极上的电势/电流来识别分子。本发明的实施例可借助(一个或多个激励频率(扫频)处的)电阻抗光谱来识别分子。如果用诸如RNA的探针将纳米电极官能化，则本发明的实施例可借助杂交来识别分子。如果用抗体将纳米探针官能化来形成抗体阵列或用蛋白质将纳米探针官能化来形成蛋白质阵列，则本发明的实施例可借助抗体/抗原结合来识别分子。本发明的实施例可借助肽/蛋白质结合使用肽短核酸来识别分子。本发明的实施例可借助RNA短核酸/蛋白质(或肽)结合来识别分子。本发明可借助氧化还原电势来识别分子。

现在，通过以下用来相当详细地描述各种特征的非限制性实例来进一步描述本发明的特定实施例。引入以下实例，是为了促进读者对各种可以实施本发明的实施例的方法的理解。应当懂得，这些实例在实施本发明的实施例方面效果很好，因而可以将它们视为构成了实施本发明的实施例的优选模式。然而，应当懂得，在公开的示范性实施例中可进行许多修改，同时仍能取得相同或类似的结果，而不至于背离本发明的实施例的精神和范围。因此，不应当认为这些实例限制了本发明的实施例的范围。

参考图2A和图2B，其中示出了设计成高密度存储器单元阵列(纳米生物电化学阵列-NBE阵列)的纳米电极阵列。该NBE阵列可以将CMOS(互补金属氧化物半导体)芯片作为基底，即可在CMOS芯片上形成NBE阵列。该实例将M1 NBE阵列与M2 NBE阵列均设置在试样空间(即微观流体槽)的一侧。

图2A示出了NBE高密度存储器阵列的俯视图。应当注意，用选定的单个位(single bit)在偏置电极上示出了被固定的生物分子。

图2B示出了NBE阵列的截面图。应当注意其中的微观流体槽和连接的用于红外光光谱信号的内全反射的硅棱镜。NBE阵列可包括位于所示的微观流体槽上游的一个或多个多孔薄膜(未示出)，以过滤馈入上述槽的物质。

参考图2A和2B，NBE阵列包括M1 NBE阵列，该M1 NBE阵列包括第一组包含基本平行的多条迹线210(用虚线表示)的地址线。NBE阵列也包括M2 NBE阵列，该M2 NBE阵列包括第二组包含基本平行的多条迹线220(用实线表示)的地址线。在该实施例中，迹线220基本垂直于迹线210，从而定义了由单元230组成的二维阵列。每个单元230包括M1电极240与M2电极250。在单元230的单个列的两条M2迹线220之间示出了生物分子260。

参考图2B，应当懂得，生物分子260位于多个微观流体槽的其中一个槽内。第一电极端215通过导电通孔/塞孔217电耦合到迹线(导电线)210。第二电极端225通过导电通孔/塞孔227电耦合到迹线(导电线)220的其中之一。内全反射(TIR)棱镜280耦合到微观流体槽270。

任选地，一个、某些或所有上述通孔/塞孔可包含晶体管，该晶体管的源极和漏极与上述通孔/塞孔串联，而其栅极与那个单元的相应的其他通孔/塞孔相连。以这种方式，仅那些行和列均被寻址的单元的电极端发生偏置，而这不同于以下情形：被寻址的行或被寻址的列中的每个单元的电极端的偏置状态均相同。这样便提供了以下优点：使用一个单元来进行结合和/或读取，而不考虑其他单元(尤其是最近的四个相邻单元)中的基础状态(basis state)。此外，在单个关心的单元中给定两个相等的栅极阈值，然后向该单元施加不同的行和列寻址电压，其中，上述行电压或列电压之一高于上述的栅极阈值，从而，该单个单元中的另一个电极端便被施加了低于阈值的偏压，这不同于两个电极端均发生偏置的情形。这样便提供了以下优点：将单个单元中的其中一个电极端官能化，而不考虑同时处理该单个单元中的另一个电极端。

现在将描述图2A-2B中所示的实施例的操作。在两个纳米电极之间，可以写、访问和读与关于被吸附的化学物种的特定官能团信息对应的单个信息位。为将信息写入NBE阵列，程序可以对金属迹线(M1和/或M2)施加偏压，以便将化学物种吸附在微观流体槽中的相应电极上。为访问该信息，程序可向对应待访问单元的行和列施加不同电势(如图中示出的电压+1和-1)，从而在两个电极之间设置了电场，在本例中，上述电极为阵列的左上方角落中的两个用最暗的阴影标识的电极。为读信息，该程序可调节施加到特定的行和列的电势，以测量电流/或阻抗(在本例中，仍是测量上述两个用最暗的阴影标识的电极之间的电流和/或阻抗)。任选地，程序可通过多次读单个位中的同一信息(累积信号)来提高信噪比。

现在，将描述图2A-2B所示的实施例的制造方法。可通过以下的主要步骤来制造传感器阵列集成电路(其截面图如图2B所示，其顶视图如图2A所示)。可以采用包含半导体设备的、标准的和容易购得的CMOS(双极)芯片与金属化方法来制造衬底，以存储与任选地放大和/或传输/接收来自电极与光探针的信号。可以通过标准的和容易购得的光刻、蚀刻、金属淀积与共形金属图案处理(CMP)等方法来在上述衬底上制造行阵列(M1线)。淀积第一ILD(隔离层电介质)，以隔离上述行阵列与各个列。ILD可包含二氧化硅、氮化硅和/或任何其他合适的绝缘材料。可以通过标准的和容易购得的光刻、蚀刻、金属淀积与CMP等方法来在上述衬底上制造列阵列(M2线)。该列阵列可包含铝、铜和/或任何其他合适的导电材料。淀积了第二ILD层，以形成电极和微观流体槽。

使用双大马士革图案处理技术和选择性的通孔填充方法，或是使用单大马士革图案处理技术和用盖层(blanket)导电材料填充通孔，然后进行CMP加工，可以制造通往M1和M2线的通孔/塞孔(在用导电材料填充通孔后，将用作纳米电极)以及通孔上的槽(微观流体槽)。

大马士革图案处理(如铜质IC互连结构的大马士革图案处理)可包括用光刻法与反应离子蚀刻法来形成槽，用离子喷镀与电镀来淀积金属，以及用CMP来除去多余的金属。在制造若干层常规的(如钨质的)接触孔/通孔与互连结构(如镀铝的互连结构)后，可以开始通用的大马士革图案处理流程。大马士革图案处理技术可以包括：用二氧化硅或k值较低的电介质淀积大马士革绝缘膜和使用深紫外光光刻法与离子蚀刻法形成薄的蚀刻终止层(该层可包括氮化硅和/或SiCH成分)，这便分别定义了通孔和金属线槽(即“双”图案)；通常借助于蚀刻终止层来完全地蚀刻通孔，使其到达下方的金属层，而上述的线则中途停止在电介质中；在完成蚀刻清理后，使用(如离子协助的)物理汽相淀积或化学汽相淀积(即PVD或CVD)来淀积铜扩散阻挡层(如Ta、TaN或TiN)与铜质“种子”薄层；进行铜电镀工艺，使铜从通孔、槽和现场区(field area)溢出；进行抛光工序，以除去铜的现场区和阻挡薄层，但是在槽与通孔特征中仍然充满金属时停止该工序；通过CVD工序淀积封顶的绝缘扩散阻挡层。可以为要求数目的互连层重复上述过程，然后，进行最终的钝化和测试。在淀积铜扩散阻挡层(如氮化钽)后淀积铜本身，便提供了适于进行随后的电镀填充工序的“种子”层。

可以将用于光学探测(如FTIR)的内全反射棱镜连接到传感器阵列集成电路。另外，可以用二氧化硅而不是硅来制造该棱镜，并可以用容易购得的溶胶-凝胶技术在传感器阵列集成电路的原位置上制造该棱镜。任选地，可以在传感器阵列集成电路上制造化学选择性薄膜和/或膜，和/或将上述膜附设到传感器阵列集成电路。可以将传感器阵列集成电路封装在手持设备中。另外，该手持设备可集成微阀、管道、泵、RF、显示器、试样端口等功能部分。另一项操作可包括对居于原位置(即微观流体槽中)的电极进行有选择的官能化。

参考图3A和3B，其中示出了配置成高密度存储器单元阵列(纳米生物电化学阵列-NBE阵列)的纳米电极阵列(导电线)的另一个实施例。同样地，该NBE阵列可以将CMOS(互补金属氧化物半导体)芯片作为基底，即可以在该芯片上形成该阵列。该实例将M1 NBE阵列配置在试样空间(即微观流体槽)的第一侧，并将M2 NBE阵列配置在试样空间的第二侧。

图3A示出了该纳米电极阵列的俯视图。同样的，应当注意，用选定的单个位在偏置电极上示出了、被固定的生物分子。

图3B示出了纳米电极(纳米管)阵列的截面图。需要特别注意的是微观流体槽。该NBE阵列也可包括设置在所示的微观流体槽上游的一个或多个多孔的薄膜(未示出)，用于对馈入这些槽的物质进行过滤。

参考图3A和3B，该NBE阵列包括M1 NBE阵列，该阵列包括第一组包含基本平行的迹线310(用虚线示出)的多条地址线。该NBE阵列也包括M2 NBE阵列，该阵列包括第二组包含基本平行的迹线320(用实线示出)的多条地址线。在该实施例中，迹线320基本垂直于迹线310，从而由定义了由单元330组成的二维阵列。在单元330的单个列中的两个M电极320之间示出了生物分子360。

参考图3B，应当懂得，生物分子360(至少部分地)位于多条微观流体槽370中的其中一个槽内。该实施例的重要优点是，迹线(导电线)310、320本身便用作电极端，从而便不需要设置额外的电极端结构和/或通孔/塞孔结构。

现在将描述图3A和3B所示实施例的制造方法。可通过使用程序对行和/或列中的导电线施加电势将化学物种吸附在暴露于微观流体通道/槽中的导电线表面上来写这种类型的阵列中的信息。在微观流体槽中的导电线的交叉点处，可通过前述实例中的程序来访问和/或读信息。

现在，将描述图3A-3B所示实施例的制造方法。

可以用标准的和容易购得的、用于提供半导体设备的CMOS(双极)芯片技术和用于放大、处理、存储和传输/接收来自电极和/或光探针的金属化方法来制造衬底。可以通过使用标准的且易于购得的光刻、蚀刻、金属淀积和CMP等方法制造上述由行组成的第一阵列(纳米电极阵列的M1阵列)。可以淀积第一ILD层，以隔离行与列和在第一ILD层中蚀刻的槽内形成牺牲材料(如诸如Unity的可热分解聚合物或诸如碳的可进行有选择蚀刻的材料)。可以用类似的方式淀积第二ILD层，然后用标准的和易于购得的光刻、蚀刻、金属淀积和CMP等方法制造上述由列组成的第二阵列(纳米电极阵列的M2阵列)后。通过去除牺牲材料，可以在列和行之间制造微观流体槽。

在本技术领域内，本发明的实施例的一个有价值的实际应用是将化学和/或生物检测功能与计算和通信功能相结合。事实上，本发明的实施例还存在几乎无数用途，此处不必对它们进行详细介绍。

基于至少以下原因，本发明的实施例比较节省成本，并且具有相当的优势。一般而言，相对于先前的方法，本发明的实施例提高了质量和/或降低了成本。

本发明的实施例所能提供的技术优势包括：通过用成熟的半导体技术制造的和设计成存储器单元阵列的固态传感器电极(电极的尺寸和电极之间的间距为5-1000nm，如果使用SW CNT，则上述尺寸和间距可缩减到0.8nm)来实现分子识别，提高了传感器的官能度和性能，其中，通过将化学物种固定(如吸附)在偏置电极上，以及访问和读对应包含于两个纳米电极之间的特定化学官能团的各单个信息位(通过测量这些具有所施加交流(脉动)电压的唯一组合的电极之间的电流)，上述存储器单元阵列能够写入有关(来自)生物和/或化学分子的信息。可以重复(累积)读信息，并可以调节(电调制或光调制)光谱信号，以提高信噪比。

本发明的实施例能提供的另一技术优势包括：通过使用半导体技术工艺/操作将数千(甚至数百万)的传感器集成在衬底上，可以降低成本。

本发明的实施例能够提供的另一技术优势包括：执行连续的医疗点分析和诊断，由此可以对危害/健康问题进行反应，同时减少并发症的风险。例如，监测血钾水平可较早地给出有关血钾水平稳定增长的警告，而这种增长通常是栓塞的前兆，从而可为临床治疗提供充足时间。类似地，固定诸如抗体或短核酸的多种亲和试剂(各试剂对不同组的蛋白质具有优先的选择性)可以为阵列提供检测复合模式(compound pattern)的能力，借助于这些模式，可得知疾病的早期发作和进行药品毒性检测、治疗选择、疾病诊断/预报和组织分型。

本发明的实施例能提供的另一技术优势包括：通过使用成熟的半导体技术来制造和集成传感器，从而提高了传感器的可靠性。

本发明的实施例能提供的另一技术优势包括：当各种有机物被加入溶液并被吸附到电极表面时，通过改变纳米电极上的电解速度，可以对化学物种进行分析。例如，在铜电镀过程中，添加醚类添加剂能抑制淀积速度，而添加反抑制物(如SPS)可提高淀积速度。由于电解速度等于扩散速度，因而纳米电极对流体不敏感。

本发明的实施例能提供的另一技术优势包括：通过测量电极之间的电阻抗，可以对化学物种进行分析，其中，当已被″写″入阵列的被捕获亲和试剂遇到其目标分析物时，所述电阻抗将发生变化。

本发明的实施例能提供的另一技术优势包括：通过(如通过使用对离子敏感的晶体管，其中上述电极作为该晶体管的栅极)测量电极附近存在的电荷(电场)来执行对化学物种的分析。可以将诸如单股DNA的物质用作亲和试剂，而将杂交作为目标捕获机制。然后，DNA上的电荷改变晶体管的导电特性，而所述导电特性又通过使用检测放大器(与用于检测存储在传统的动态存储器单元中的电荷的检测放大器类似)来进行检测。

本发明的实施例能提供的另一技术优势包括：通过使用纳米电极构建人工抗体来执行对生物物种的分析。将固态电极制造成在图案/形状与电荷分布方面与分析物/分子类似，以实现分子识别功能。

本文所用的冠词“某一”意指包括一个或多个事物。本文所用的“多个”意指两个或多于两个。本文所用的“另一”意指至少第二个或更多个。本文所用的“包含”(包含，已包含)、“包括”(包括，已包括)和/或“具有”(具有，已具有)是开放式语言(即包括下面所述的事项，但也包括未指明的方法、结构和/或成分，这些未指明的事项可能多于所述的事项)。本文所用的“由...组成”(由...组成，已由...组成)和/或“由...构成”(由...构成，已由...构成)使所述的方法、装置或物质组成不包括那些不同于所述内容的流程、结构和/或成分，除非这些流程、结构和/或成分是通常与上述方法、结构或物质组成相关的从属部分、附件和/或杂质。使用“本质上”与“由...组成”或“由...构成”使所述的方法、装置和/或物质组成仅包括那些未在实质上影响本发明的基本的新颖性的未指明流程、结构和/或成分。本文所用的“耦合”意指连接，但它不一定指直接相连，也不一定指机械连接。本文所用的“任何”意指适用成员全集中的所有成员或其中的至少一个子集。本文所用的“大约”意指至少接近于给出值(例如，在10％内为宜，在1％内更好，而在0.1％内最好)。本文所用的“基本上”意指在很大程度上但不必在完全意义上处于某种状态。本文所用的“一般地”意指至少逼近某一给定状态。本文所用的“使用”意指设计、建造、运输、安装和/或工作。本文所用“手段”意指用于取得结果所用的硬件、固件和/或软件。本文所用的“程序”或短语“计算机程序”意指设计成在计算机系统上执行的指令序列。程序或计算机程序可包括子程序、函数、流程、对象方法，对象实施形式、可执行应用程序、JAVA程序、小服务程序、源代码、目标代码、共享库/动态载入库，和/或其他设计成在计算机或计算机系统上执行的指令序列。

根据本公开文献，无需进行过多试验便可实施和使用本发明的所有公开的实施例。本发明的实施例并不局限于本文所述的理论陈述。尽管公开了发明人构想的用于实施本发明的实施例的最佳模式，但本发明实施例的实施却并不局限于此。因此，对本领域技术人员而言，可以用不同于本文具体描述的方式来实施本发明的实施例。

显而易见，可以对本发明的上述实施例的各种特征进行各种替代、修改、添加和/或重组，而不至于背离本发明的精神和/或范围。应当将本发明的潜在理念的精神和/或范围理解为由附录的权利要求所定义，且这些权利要求的等价物涵盖了所有这些替代、修改、添加和/或重组。

每个公开的实施例中公开的所有元件与特征可以组合或替代公开的其他实施例中所公开的元件与特征，除非这些元件和特征是互斥的。可以改变定义本文所述的方法的步骤或步骤顺序。

尽管本文所述的传感器阵列可以是独立的模块，但是，显而易见，也可以将所述传感器阵列集成到与其相关的系统之中。类似地，虽然本文所述的手持设备可能是独立的模块，但是，显而易见，也可以将所述手持设备集成到与其相关的系统之中。

不必将各部件制造成公开的形状，或是将它们组合于公开的配置之中，相反地，可以将它们制造成所有形状和/或组合于所有配置之中。不必用公开的材料来制造各部件，相反的，可以用所有合适的材料来制造各部件。可以用同源替代来取代本文所述的物质。可以用化学和生理上均相关的试剂来代替本文所述的试剂，且仍能取得相同或类似的结果。

不应当将附录的权利要求解释成受到装置加功能的限制，除非在给定的权利要求中明确用短语“用于...的装置”和/或“用于...的步骤”叙述了这样的限制。用附录的独立权利要求与它们的等价物叙述了本发明的较为一般的实施例。并且，用附录的从属权利要求与它们的等价物区分了本发明的具体实施例。

Claims (40)

1.一种装置，包括：

密集阵列寻址器件，该器件包括多个可寻址单元，所述多个可寻址单元中的各单元包括至少两个电极；和

光耦合到所述密集阵列寻址器件的分光仪。

2.如权利要求1所述的装置，其中，所述分光仪包括红外分光仪。

3.如权利要求2所述的装置，其中，所述分光仪包括傅立叶变换红外分光仪。

4.如权利要求2所述的装置，其中，通过在所述多个单元中的至少一个单元内的所述至少两个电极之间施加电势，对来自所述红外分光仪的红外分光仪信号进行电调制。

5.如权利要求2所述的装置，其中，通过向所述至少两个电极中的至少一个电极的表面施加经过调制的UV-VIS信号，对来自所述红外分光仪的红外分光仪信号进行光调制。

6.如权利要求1所述的装置，其中，所述密集阵列寻址器件包括光耦合到单元的近区电极的波导内全反射棱镜，且所述分光仪光耦合到所述波导。

7.如权利要求6所述的装置，其中，所述波导包括内全反射棱镜，且所述分光仪光耦合到所述内全反射棱镜。

8.如权利要求1所述的装置，其中，所述多个可寻址单元中的各单元包括可单独寻址单元。

9.如权利要求8所述的装置，其中，所述可单独寻址的单元包括第一可单独寻址电极和第二可单独寻址电极。

10.如权利要求1所述的装置，其中，所述多个可寻址单元中的各单元包括一对尺寸小于约200微米的电极，且所述电极的间距小于约200微米。

11.如权利要求10所述的装置，其中，所述电极对中的各电极的尺寸小于约100微米。

12.如权利要求10所述的装置，其中，所述电极对的所述间距小于约100微米。

13.如权利要求10所述的装置，其中，所述电极对中的每个电极包括选自由单壁炭纳米管和硅纳米线组成的组的至少一个组元。

14.如权利要求1所述的装置，其中，所述多个可寻址单元定义为配置成阵列的多个传感器元件，各传感器元件具备与一个或多个目标分子相互作用的功能；并且，所述装置还包括连接到所述传感器元件的控制电路，且所述控制电路配置成检测所述传感器与所述目标分子的相互作用。

15.如权利要求14所述的装置，其中，将所述多个传感器元件配置成二维阵列，并可用存储器单元技术对它们进行寻址。

16.如权利要求15所述的装置，其中，所述多个传感器元件可通过所述二维阵列中相应的行和列来寻址。

17.如权利要求14所述的装置，其中，所述多个传感器元件配置成高密度阵列。

18.如权利要求14所述的装置，还包括连接到所述控制电路的存储器，其中，所述控制电路配置成将与所述多个传感器元件对应的数据存储在所述存储器中。

19.如权利要求1所述的装置，还包括连通到所述可寻址单元中的至少一个单元的微观流体槽。

20.如权利要求1所述的装置，还包括耦合到所述可寻址单元中的至少一个单元的选择性薄膜。

21.如权利要求20所述的装置，其中，所述选择性薄膜包括选自由化学选择性薄膜和生物选择性薄膜组成的组的至少一个组元。

22.一种方法，包括：

提供光耦合到集成单元阵列的分光仪，所述单元中的各单元包括传感器元件；以及

使所述传感器元件中的各元件具备与目标分子相互作用的功能。

23.如权利要求22所述的方法，还包括：向试样暴露所述传感器元件中的各元件，以及检测所述试样中的所述目标分子是否与所述传感器元件中的各元件相互作用。

24.如权利要求23所述的方法，其中，检测包括测量光学性质。

25.如权利要求24所述的方法，其中，测量包括红外光谱法。

26.如权利要求25所述的方法，其中，红外光谱法包括傅立叶变换红外光谱法。

27.如权利要求23所述的方法，其中，测量包括通过内全反射来传递光信号。

28.如权利要求23所述的方法，其中，检测还包括测量电学性质。

29.如权利要求28所述的方法，其中，测量包括阻抗光谱法。

30.如权利要求28所述的方法，其中，测量所述电学性质包括对所述单元中的一个单元进行单独寻址。

31.如权利要求30所述的方法，其中，对所述单元中的一个单元进行单独寻址包括对所述传感器元件中的一个元件进行单独寻址，并独立于任何其余的传感器元件来测量所述电学性质。

32.如权利要求30所述的方法，还包括重复测量所述电学性质并进行集成，以降低与所述集成相关的信噪比。

33.一种方法，包括：

通过表征密集阵列寻址器件上的之后的电解速度，确定目标分子是否已耦合到所述密集阵列寻址器件。

34.如权利要求33所述的方法，其中，所述耦合包括化学键合。

35.如权利要求33所述的方法，其中，所述表征包括测量电解过程中电极的极化。

36.一种包含使用如权利要求33所述的方法而获得的结果的数据结构。

37.一种方法，包括：

制造密集阵列寻址器件的步骤，包括：形成通孔来将电极连接到地址线；用导电材料填充所述通孔来形成塞孔；其中，包括对选自由所述通孔、所述塞孔和所述地址线组成的组的至少一个组元进行大马士革图案处理。

38.如权利要求37所述的方法，其中，将所述通孔蚀刻到所述地址线，且另一结构被同时蚀刻到终止特征。

39.如权利要求37所述的方法，其中，所述大马士革图案处理包括双大马士革图案处理，它分别定义了所述通孔和地址线。

40.一种通过如权利要求37所述的方法生产的密集阵列寻址器件。

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