EP2300147A1 - Method for the fabrication of a biosensor on a semiconductor substrate - Google Patents

Method for the fabrication of a biosensor on a semiconductor substrate

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EP2300147A1
EP2300147A1 EP09784226A EP09784226A EP2300147A1 EP 2300147 A1 EP2300147 A1 EP 2300147A1 EP 09784226 A EP09784226 A EP 09784226A EP 09784226 A EP09784226 A EP 09784226A EP 2300147 A1 EP2300147 A1 EP 2300147A1
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EP
European Patent Office
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pixel
photosensitive
hydrogel
zone
photosensitive layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP09784226A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Jeffrey M. Raynor
Michaël MAURIN
Mitchell O´Neal Perley
Pierre-François LENNE
Hervé RIGNEAULT
Renaud Vincentelli
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Aix Marseille Universite
STMicroelectronics Research and Development Ltd
Original Assignee
Universite Paul Cezanne Aix Marseille III
STMicroelectronics Research and Development Ltd
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Publication date
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Priority claimed from FR0803639A external-priority patent/FR2933198B1/en
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y10T156/00Adhesive bonding and miscellaneous chemical manufacture
    • Y10T156/10Methods of surface bonding and/or assembly therefor

Definitions

  • the present invention relates to a biological analysis device of the pixel type.
  • the present invention also relates to a CMOS biosensor comprising a plurality of pixel-type biological analysis devices arranged in a matrix of pixels.
  • the present invention also relates to a method of manufacturing a pixel-type biological analysis device and a method of manufacturing a CMOS biosensor comprising a plurality of pixel-type biological analysis devices arranged in a pixel array.
  • the present invention generally relates to improvements to the biological analysis techniques described in US Pat. No. 6,325,977 or International Application WO 2006/082336.
  • pixel-type biological analysis devices comprising: a photosensitive layer and means for collecting photoelectrons in the photosensitive layer, and
  • biomolecules of this family make their study standardized, multiplexed and miniaturized (in the format of a biosensor) remains at the moment, still delicate. However, they would make it possible to envisage applications in the field of the diagnostic test of infectious diseases, allergies, pollution, in the detection of drugs, or in the field of the defense, etc.
  • One embodiment of the invention relates to a method of manufacturing a biosensor on a semiconductor wafer, comprising steps of providing a central photosensitive zone comprising at least one pixel-type biological analysis device comprising a layer photosensitive, realize a first peripheral zone surrounding the central photosensitive zone, comprising electronic circuits, covering the first peripheral zone with a hydrophilic coating, covering the central photosensitive zone with a hydrophobic coating whose roughness is chosen so that a single dose a solution that can subsequently be deposited on the central photosensitive zone does not spread beyond it until reaching the first peripheral zone, and form a barrier of a biocompatible resin on the second peripheral zone, the resin which binds naturally before polymerization onto the hydrophilic coating without endre on the hydrophobic coating.
  • the method also comprises the steps of making, in a second peripheral zone surrounding the first peripheral zone, electrical contact pads connected to the electronic circuits of the first peripheral zone, and covering the second peripheral zone by means of hydrophobic coating.
  • the hydrophilic coating is silicon oxide.
  • the hydrophobic coating is silicon nitride.
  • the method comprises a step of depositing, on the surface of the photosensitive layer of the pixel-type biological analysis device coated with the hydrophobic coating, a mixture of capture method comprising a probe protein grafted to a hydrogel, for the capture of target proteins.
  • the step of depositing the capture mixture comprises steps for preparing the outer surface of the photosensitive layer intended to receive the capture mixture, comprising a step of silanizing the outer surface; oxidation of the hydrogel and grafting of the oxidized hydrogel on the silanized outer surface; carboxylation and activation of the grafted hydrogel; and grafting the probe protein into the activated hydrogel.
  • the step of preparation of the external surface by silanization comprises the following phases: cleaning of the external surface by successive rinsing with demineralised water, acetone and absolute ethanol in a hot water bath.
  • the oxidation and grafting step of the hydrogel comprises the following phases: dissolution of the hydrogel in demineralised water, followed by treatment with a solution of sodium periodate whose volume is adjusted to obtain a mixture whose molar ratio between the sodium periodate and a predetermined and repeated monomer unit of the hydrogel is of the order of 50%, protection of the reaction mixture obtained against light and stirring for several hours at room temperature ambient, to obtain an oxidized hydrogel, grafting the oxidized hydrogel on the silanized outer surface and stirring at room temperature and protected from light for several hours, treatment of the assembly obtained with an aqueous solution of sodium cyanoborohydride for several hours in order to reduce formed Schiff bases, then rinsing with deionized water, with ethanol and drying under an Argon flux.
  • the carboxylation and activation step of the grafted hydrogel comprises the following phases: treatment of the grafted hydrogel with a solution of bromoacetic acid in sodium periodate for several hours at room temperature and under Argon, purging the reaction mixture obtained and rinsing with demineralized water, ethanol and drying under an Argon flux, activation in the form of esters of the carboxylate residues formed, then rinsing with water.
  • the method comprises a step of dimensioning the outer surface of the photosensitive layer of the pixel-type biological analysis device to correspond to the size of a predetermined dose of a mixture. capture can be arranged on the outer surface in the form of a drop.
  • the outer surface of the photosensitive layer of the pixel device is sized to have an area of at least 25500 10-12 m 2 .
  • the step of producing the photosensitive layer of the pixel-type biological analysis device comprises a step of forming, in the photosensitive layer, photoelectron collection means comprising a plurality of island-shaped collection zones and spaced from each other in the photosensitive layer.
  • the collection zones are spaced apart from each other by a distance less than a predetermined maximum distance and set according to a recombination distance of photoelectrons emitted in the photosensitive layer.
  • the photosensitive layer is formed so as to have: a first portion capable of detecting an incident light intensity originating from a capture mixture and intended to provide a first electrical quantity and a second portion protected against the intensity incident light from the capture mixture for providing a second electrical magnitude.
  • the central photosensitive zone forming step comprises the steps of: forming in the central photosensitive zone a matrix of pixel-type biological analysis devices each comprising a photosensitive layer, and forming an insulating joint between adjacent pixels, the insulating joint being shaped to electrically isolating a photosensitive layer of a pixel from the photosensitive layer of the adjacent pixel.
  • the method comprises producing, in each pixel-type biological analysis device, an analog-digital converter for converting into digital data a characteristic value of a light intensity detected by the pixel.
  • FIG. 1 schematically represents the structure of an embodiment of a biological analysis device according to the invention
  • FIG. 2 is the electrical diagram of a biosensor comprising a plurality of devices such as that represented in FIG. 1,
  • FIGS. 3a, 3b, 3c are flowcharts showing successive steps of a manufacturing method of the device of FIG. 1,
  • FIG. 4a represents an embodiment of electronic means of a biological analysis device according to the invention
  • FIG. 4b represents another embodiment of electronic means of a biological analysis device according to the invention
  • FIG. 5 schematically represents a differential pixel structure that can be used in a biological analysis device according to the invention
  • FIGS. 6a and 6b show adaptations of a differential pixel structure including an analog / digital converter
  • FIG. 6c is the electrical diagram of a biosensor comprising a plurality of differential pixels such as that represented in FIG. 6a,
  • FIGS. 7 and 8 show, in sectional views, embodiments of a photosensitive layer that can be used in a biological analysis device according to the invention
  • FIGS. 9a, 9b, 9c, 9d show in more detail various embodiments of the differential pixel structure
  • FIG. 10 represents a structure of adjacent pixels that can be used in a biosensor according to the invention.
  • FIG. 11A, 11B show schematically, respectively from a top view and a sectional view, an embodiment of a biosensor according to the invention.
  • various specific details are given for a better understanding of embodiments of the invention.
  • the disclosed embodiments may be implemented by dispensing with one or more of these details, or using other methods, equipment, materials, etc.
  • materials or operations that are well known in themselves are not described in detail to avoid obscuring certain aspects of the described embodiments.
  • Referring to an "embodiment” in the description means that a particular feature or structure described in connection with this embodiment is included in this embodiment.
  • the use of the terms "in one embodiment” or “in one embodiment” at various points of the description does not necessarily refer to the same embodiment.
  • the particular features relating to each embodiment may be suitably combined to form one or more other embodiments.
  • FIG. 1 represents the general structure of a biological analysis device 10 and a biosensor according to one embodiment of the invention.
  • the biological analysis device 10 is made on a semiconductor substrate 25. It comprises a layer of a capture mixture 12 comprising a certain amount of a probe protein 14 grafted to a hydrogel 16, 18 and intended to capture a certain type of target protein.
  • the hydrogel comprises a hydrophilic medium 16 incorporating water molecules 18, such as for example Dextran (registered trademark), nitrocellulose, hyaluronic acid or a derivative of these saccharide polymers or polyamide. More generally, this hydrogel is a natural or synthetic polymer capable, according to its formulation, of retaining up to 99% of water.
  • Each molecule of the probe protein 14 is adapted to mate with a corresponding molecule of target protein likely to be in a substance to be analyzed.
  • a labeled third molecule is added and associated with the target molecule, for example a secondary antibody, a quantity of light can be emitted, for example by chemiluminescence or fluorescence.
  • the biological analysis device 10 furthermore comprises a photosensitive layer 20.
  • This photosensitive layer comprises an external surface 22 on which the capture mixture layer 12 is arranged.
  • This photosensitive layer 20 is adapted to absorb chemiluminescence or fluorescence-emitted photons. from the capture mixture 12 and to collect photoelectrons using at least one collection area not shown in Figure 1. This is for example a photodiode. More specifically, the outer surface 22 is treated, for example by silanization, to allow the deposition of the capture mixture 12 and in particular of the hydrogel 16, 18 on the photosensitive layer 20.
  • the biological analysis device 10 comprises electronic reading means 24 for treating an electrical quantity supplied by the collection means of the photosensitive layer 20, for the supply of a characteristic value of a detected light intensity. by the photosensitive layer.
  • These electronic means represented here schematically, are implanted on the semiconductor substrate 25 and are configured to carry out a transfer of the charges generated in the photosensitive layer 20.
  • the biological analysis device 10 makes it possible to analyze a biological substance that may comprise a certain quantity of the target protein corresponding to the grafted probe protein 14, for example using a detection protocol for chemiluminescence.
  • This chemiluminescence detection protocol comprises the following steps:
  • the biological substance may or may not be treated with a lysing agent in order to chemically decompose some of its components: this step renders certain molecules of the biological substance accessible to the molecules of the probe protein 14 and thus analyzable; the mixture obtained is then deposited on the capture mixture layer 12 of the biological analysis device 10 comprising the probe protein 14, and then incubated for a variable duration depending on the species treated,
  • a "secondary" antibody solution coupled to a chemiluminescence marker for example the HorseRadish Peroxidase enzyme or HRP is added and the whole is incubated for a few minutes: this antibody is coupled specifically and with high affinity to the pairs formed by the probe protein and target protein molecules; the concentrations and incubation times can, again, vary and are optimized according to the intended application in a manner known per se,
  • washing types time, composition, concentration, number
  • the washing types are variable and can be adapted in a manner known per se according to the proteins manipulated during the detection protocol
  • an activation of a chemiluminescence signal and a corresponding detection by the biological analysis device is carried out by adding a solution revealing the specific substrate of the HRP enzyme under the optimal conditions of concentration and pH for a chemiluminescence signal: this revealing solution can be obtained commercially or prepared, for example in the form of luminol; it is added over the entire surface of the biological analysis device 10 and the signal is immediately collected by the photosensitive layer 20, - a computer post-processing may possibly be necessary in order to amplify the signal obtained,
  • the comparison of the luminous intensity value obtained by the biological analysis device with a predetermined calibration curve, or determined at the same time as the biological measurement makes it possible to estimate the quantity of target protein present in the the biological sample.
  • the biological analysis device 10 can also be used to perform the analysis of a biological substance using a fluorescence detection protocol.
  • a fluorescence detection protocol has the same steps as the chemiluminescence detection protocol except that the secondary antibody is coupled to a fluorophore instead of a chemiluminescence label and an excitatory light is provided to the instead of a revealing solution for the activation of a fluorescence signal.
  • several devices 10 such as the device 10 of FIG. 1, can be arranged in a matrix of pixels of a biosensor. Each device 10 , represents a line pixel i and column j of the matrix. In Figure 2, only the first two rows and the first three columns of a pixel array are shown, but it is easy to generalize this representation to m rows and n columns to form a complete biosensor.
  • the pixels 1O 1 ,, 1O 1 2 and 1O 1 3 are connected to a first line bus I 1 and the pixels 1O 21 , 1O 22 and 1O 23 to a second line bus I 2 for the transmission of the values of FIG. light intensity.
  • the bus lines I 1 and I 2 are connected to a horizontal shift register 26.
  • the pixels 1O 1 1 and 1O 21 are connected to a first column bus C 1 , the pixels 1O 1 2 and 1O 22 to a second column bus C 2 and the pixels 10 13 and 10 23 to a third column bus C 3 for the transmission of the light intensity values.
  • the bus columns C 1 , C 2 and C 3 are in turn connected to a vertical shift register 28.
  • the shift registers 26 and 28 are connected to a signal processing circuit 30 which may include in particular a digitizing circuit of the signals. signals.
  • each pixel can be provided with its own converter of analog signals into digital signals. Examples of such structures will be described later with reference to Figures 6a, 6b and 6c.
  • the capture mixture 12 is arranged in two steps on the biosensor. In a first step, the hydrogel 16 is deposited on the entire surface of the biosensor. In a second step, a specific protein probe 14 solution is deposited locally in the form of drop. Several different probe proteins can thus be deposited on the same hydrogel substrate, drop by drop, each drop comprising a specific probe protein.
  • a drop of protein probe of a few nanoliters may be sufficient to allow a photodetection of target protein by chemiluminescence or fluorescence, which corresponds to a drop of about 150 microns (micrometers) in diameter. Below this size, ie evaporation during the deposition of the solution of protein probe becomes too important and no longer allows the maintenance of protein probes, or the amount of protein probe is not sufficient to then allow a photodetection by chemiluminescence (or fluorescence).
  • a drop of specific probe protein covers a plurality of pixels of a biosensor because of their small surface area, generally ten, and the electrical signals obtained by the plurality of pixels of the biosensor must be combined by a posteriori treatment to obtain a value effectively revealing the amount of target protein in the biological samples. is complex and may be erroneous
  • probe protein drops must be spaced a sufficient distance apart. In general, this distance can be up to three times the size of a drop of probe protein, ie approximately 450 ⁇ m. a significant photosensitive surface is thus lost in the biosensor.
  • each pixel is advantageously dedicated to the detection of a particular target protein and has a photosensitive surface which has dimensions larger than those of a conventional imager, adapted to the size of a particular image. such a drop.
  • Each pixel has, for example, a width of 150 ⁇ m or more (for a square-shaped pixel) corresponding to a surface of the order of 25500 ⁇ m 2 or more (ie 25500.10 -12 m 2 or more).
  • this minimum surface corresponds to the size of a drop of probe protein below which either the evaporation during the deposition becomes too great and no longer allows the maintenance of protein probes, ie the amount of probe protein does not increase. is not sufficient to subsequently allow photodetection by chemiluminescence or fluorescence. Without these constraints, a pixel could reach much smaller dimensions, such as 20 microns x 20 microns, for example.
  • a drop of specific probe protein 14 is placed on the hydrogel substrate 16 above each biological analysis device, that is to say on each pixel 10 g of the biosensor matrix so as to avoid any post-treatment as mentioned above.
  • the chemiluminescence or fluorescence detection protocol can be easily adapted to the biosensor shown in FIG. 2, considering each pixel of this biosensor as a biological analysis device such as the analysis device 10 previously described: in this case, each pixel comprises its own type of probe protein and the biological substance, optionally chemically decomposed, is deposited on the entire photosensitive outer surface of the biosensor.
  • the comparison of the light intensity values obtained for each pixel (and therefore for each type of probe protein of each pixel) with a predetermined calibration curve, or determined at the same time as the biological measurement makes it possible to quantify a significant amount of proteins distinct from the biological sample.
  • a range of protein solutions of known increasing concentrations is systematically analyzed by the biosensor, under the same conditions as a real biological test.
  • the value of the pixel for each of the analyzed concentrations is then plotted on a graph as a function of the protein concentration, or stored in memory on the biosensor.
  • FIGS. 3a, 3b and 3c An embodiment of certain steps of a method for manufacturing a biological analysis device according to the invention will now be described with reference to FIGS. 3a, 3b and 3c. These steps are aimed at depositing a layer of the capture mixture 12 on the outer surface 22 of the photosensitive layer 20.
  • CMOS electronic assembly comprising a photosensitive layer 20 and electronic means 24 for reading and processing an electrical quantity supplied by the photosensitive layer 20 (FIG. 1).
  • the outer surface 22 of the photosensitive layer optionally comprises a hydrophobic coating, for example of the Si 3 N 4 type which will be described later.
  • the outer surface 22 of the photosensitive layer 20 of the CMOS electronic assembly is cleaned by successive rinsing with demineralised water, acetone and absolute ethanol in an ultrasonic bath .
  • the outer surface 22 is oxidized under the action of an ozone plasma, for example for 15 minutes, and then treated with a 2.2M solution of KOH in an aqueous mixture, for example an H 2 mixture. O / EtOH (2: 3), for example for 3 hours at room temperature.
  • CMOS electronic assembly is then immersed successively in demineralized water and then in absolute ethanol under ultrasound before being dried under an Argon flux.
  • silanol residues 32 formed on the outer surface 22 are silanized with a solution of APTES in 0.4M ethanol, for example for 12 to 20 hours, at room temperature and under an inert atmosphere ( Argon).
  • CMOS electronic assembly is again washed several times with demineralized water in an ultrasonic bath, rinsed with absolute ethanol and dried under a stream of Argon.
  • a hydrogel 16, 18, for example Dextran (0.5 g, molecular weight of approximately 100 kiloDaltons), is dissolved in 50 ml of demineralised water, and then treated with a solution of 0.1M NaIO 4 , the volume of which is adjusted in order to to obtain a mixture of molar ratio between the moles of NaIO 4 and the moles of dextran monomer glucose of the order of 50%, during a step S112.
  • a hydrogel 16, 18, for example Dextran 0.5 g, molecular weight of approximately 100 kiloDaltons
  • Dextran is a polymer whose base unit is a derivative of glucose: it is therefore a question of adjusting the volume of NaIO 4 0.1 M solution so that there are two times more molecules of the base motif of Dextran than of molecules of NaIO 4 . This results in the opening of every second base pattern in the Dextran, as illustrated at the output of step S112 in FIG. 3b.
  • the reaction mixture is protected from light and stirred vigorously for several hours at room temperature, for example 20 hours, to obtain oxidized Dextran 36.
  • a step S114 the silanized outer surface 34 is treated with the freshly prepared oxidized Dextran solution 36.
  • the reaction is stirred at room temperature and protected from light for 48 hours for example.
  • the reaction mixture is then purged in a step S116 and the CMOS electronic assembly treated with an aqueous solution of 0.1M NaBH 3 CN for, for example, 3 hours in order to reduce formed Schiff bases.
  • the CMOS electronic assembly is rinsed intensively with deionized water and then with ethanol, and dried under an Argon flux, so as to obtain a grafted hydrogel 38.
  • the grafted hydrogel 38 is then carboxylated and activated.
  • a step S118 it is treated with a solution of BrCH 2 COOH 0.1 M in 2M NaOH for for example 16 hours at room temperature and under Argon.
  • the reaction mixture is purged and the sensor rinsed with deionized water and ethanol, and then dried under an Argon flow.
  • the carboxylate residues formed are then activated in esters during a step S120, for example using an aqueous solution of EDC (0.2 M) / NHS (50 mM), for example for 15 minutes at room temperature. room.
  • the CMOS electronic assembly is then thoroughly rinsed with water.
  • an appropriate solution of the protein of interest protein probe
  • steps S100 to S120 must be performed on all the pixels of this biosensor.
  • step S122 is applied differently to each pixel, for the grafting of a drop of specific probe protein on the activated hydrogel substrate above this pixel.
  • APTES 3-Aminopropyltriethoxysilane or (H2N (CH2) 3Si (OEt) 3)
  • BrCH2COOH Bromoacetic acid
  • EDC 1- (3-Dimethylaminopropyl) -3-ethylcarbodiimide hydrochloride
  • NHS N-Hydroxysuccinimide.
  • the photosensitive layer 20 comprises for example a doped region within the semiconductor substrate 25 (FIG 1).
  • the energy of an incident photon extracts electrons from atoms in the photosensitive layer 20, thereby generating a charge and therefore a current.
  • the photosensitive layer 20 of the biological analysis device 10 uses an electric field at a PN junction to cause the separation of an ion and a photoelectron and to prevent recombination and loss of signal.
  • these P-N junctions have a small loss current that the photosensitive layer 20 can not distinguish from a current that would actually be generated by incident light intensity, in this case chemiluminescence or fluorescence.
  • This loss current is also present in the dark, so it is commonly called dark current.
  • darkness is to be understood as a condition in which an incident light intensity is either absent or does not cause photo-generation of charges in the photosensitive layer 20 of the device This may be due to a protection of the photosensitive layer preventing the passage of incident light, or to the maintenance of the photosensitive layer 20 at a certain potential, for example an initialization potential, which prevents the accumulation of light. loads.
  • This dark current is a limiting factor of the performance of the biological analysis device 10 or more generally of a CMOS biosensor. The dark current strongly depends on the temperature and is therefore difficult to compensate. It also varies considerably with any lack of uniformity in the doping gradients.
  • any improvement aimed at suppressing this dark current is particularly advantageous for the biological analysis device or the aforementioned biosensor, since the luminous intensity emitted by chemiluminescence or fluorescence is generally very low. In this type of application, it is important that the biological analysis device or the biosensor is very sensitive.
  • Fig. 4a is an electrical diagram showing an embodiment of the biological analysis device 10 having improved sensitivity.
  • the biological analysis device 10 comprises a photosensitive layer 20 comprising a first photosensitive portion 42 and a second photosensitive portion 44.
  • the photosensitive portions 42, 44 emit signals applied to the electronic reading and processing means 24.
  • the signal supplied by the photosensitive portion 42 is applied to a negative input 46 of an operational amplifier 50 and the signal supplied by the photosensitive portion 44 is applied to a positive input 48 of the amplifier 50.
  • Photosensitive portions are represented by photodiodes, but any other type of photosensitive sensor may be used.
  • the first photosensitive portion 42 is able to detect an incident light intensity from the capture mixture 12 (FIG 1) by chemiluminescence or fluorescence effect, while the second photosensitive portion 44 is protected against the incident light intensity from the mixture capture 12 or any other source of light intensity.
  • the second photosensitive portion 44 is protected against any source of light intensity, it is still described as "photosensitive” in that it has the same material and electrical characteristics as the first photosensitive portion 42. was not protected from light, it would generate, as the first photosensitive portion 42, a charge in response to any incident light.
  • each of the first and second photosensitive portions may comprise photodiodes which, in one embodiment of the invention, may be of identical shape. An independent opaque protection is then formed above the second photosensitive portion 44.
  • the first photosensitive portion 42 will be qualified as “illuminated” photosensitive portion, while the second photosensitive portion 44 will be qualified as a photosensitive portion placed in the dark.
  • the biological analysis device 10 thus produced can then be described as a "differential pixel" as opposed to pixels that do not have these two photosensitive portions, one of which is, by construction, protected from incident light.
  • the protection applied to the photosensitive portion placed in the dark 44 is obtained using mechanical means, for example by depositing a metal or other opaque substance above this photosensitive portion 44, or directly on its outer surface, either as a layer spaced from the outer surface of the photosensitive portion 44 with a suitable passivation layer.
  • a metal layer or other spaced from the outer surface by a passivation layer is advantageous for reducing the coupling capacity between the metal shield and the photodiode of the photosensitive portion placed in the dark 44.
  • this type of protection does not does not prevent the passage of a light intensity coming from the sides.
  • the opaque layer can be removed and replaced by a mechanical barrier erected between the illuminated photosensitive portion 42 and the light-sensitive portion 44 in the dark, so that the capture mixture 12 is forced to remain above the illuminated photosensitive portion 42 without overflowing on the photosensitive portion placed in the dark 44. Therefore, the output of the photosensitive portion placed in the dark 44 represents only a dark current in the sense that no chemiluminescence or fluorescence reaction taking place in the capture mixture 12 generates a light intensity that can be captured by the photosensitive portion placed in the light. obscurity 44.
  • the mechanical protection may take the form of an opaque housing of the biological analysis device 10 which may have a plurality of housing portions arranged to cover a suitable surface to define the photosensitive portion placed in the dark. .
  • Each photosensitive portion 42, 44 of the photosensitive layer 20 is connected to a VRT initialization voltage via respective MOS switches 52 and 54.
  • MOS switches 52 and 54 are shown in FIG. 4 as NMOS transistors but could be made from PMOS transistors or any other type of suitable switch.
  • An initialization switch 56 is also provided in parallel with a reference capacitance Cfb 58 also arranged in parallel between the output and the negative input 46 of the operational amplifier 50. The initialization switch 56 may be selectively controlled to discharge the operational amplifier 50.
  • an adjustable capacitor Cs bearing the reference 59 is added between the ground and the positive input 48 of the operational amplifier 50.
  • the photosensitive portions 42 and 44 are modeled using their respective intrinsic capacities Cpd1 bearing the reference 42a and Cpd2 bearing the reference 44a as well as their respective current sources bearing the references 42b and 44b.
  • the current source is Iph + Id1, where Iph is the current generated by chemiluminescence or fluorescence effect and Id1 the dark current, through the photodiode.
  • the current source comprises only Id2, that is to say the dark current that passes through it.
  • equation 5 can be satisfied, and the effect of the dark current canceled, if:
  • the effect of the dark current is canceled in the output voltage, if the dark current is the same in both the photosensitive portions 42 and 44 and if the sum of the adjustable capacity 59 and the intrinsic capacitance of the dark-light-sensitive portion 44 is equal to the sum of the feedback capacitance 58 of the operational amplifier 50 and the
  • the operational amplifier 50 may be designed to have a high input common mode rejection ratio so that the signals that appear on each output are ignored. This means that any noise on the mass is ignored and does not appear on the output.
  • the dark current is very sensitive to the profile and precise levels of doping of a substrate in which it flows, whereas in fact there is usually a difference in these parameters between adjacent pixels of a matrix. pixels or even between two photosensitive portions of the same pixel.
  • adjustable capacitor Cs has in particular a terminal connected to the ground whereas the operational amplifier 50 requires that the two terminals of the capacitor Cfd be floating. Since these structures are different, it is difficult to match them.
  • Equation 5 shows that, even if the currents Id1 and Id2 do not match, the effect of the dark current can always be canceled as long as the products Id1 (Cs + Cpd2) and Id2 (Cpd1 + Cfb) are equal.
  • FIG. 4b shows an embodiment of a biological analysis device 10 which comprises means for realizing the adjustable capacitance Cs and canceling the effect of the dark current even if the currents Id1 and Id2 are not equal.
  • the elements identical to those shown in Figure 4a have the same references.
  • the difference between the two figures lies in the configuration of the adjustable capacitor Cs, which is not represented here as a single capacitor 59, but as a plurality of capacitors 59a, 59b, 59c arranged in parallel between the mass and the input positive 48 of the operational amplifier 50.
  • a basic positive input capacitance CsO (capacitor 59a) is connected between the ground and the positive input 48 of the operational amplifier 50.
  • Optional positive input capacitors Cs1 (capacitor 59b) and Cs2 (capacitor 59c) are selectively connectable in parallel, using switches D1 and D2.
  • the basic feedback capacity CsO has a lower value than Cfb.
  • Cs must be less than Cfb. This is achieved by leaving the switches D1 and D2 open, so that the adjustable capacitance Cs is provided by CsO only, which is less than Cfb.
  • each capacitor of the plurality of capacitors arranged in parallel has the same common value, so that the adjustable capacitor Cs actually applied to the positive input of the operational amplifier 50 can be incremented by a constant value. .
  • the number of capacitors in this plurality of capacitors arranged in parallel can be increased, so as to increase the resolution or amplitude of the variations that can be envisaged.
  • the capacitances of the plurality of capacitors arranged in parallel may have different values so as to increase the flexibility of the assembly.
  • a preferred embodiment is to introduce a factor of two between each successive optional capability of the parallel arrangement, thereby limiting the number of switches required at constant resolution.
  • the CsO capacitor is chosen to correspond to 75% Cfb and the sum Cs1 + ... + CsN is chosen to correspond to 50% Cfb, so that the adjustable capacity Cs can effectively vary between 75% Cfb and 125% Cfb.
  • the inequality of the dark currents Id1 and Id2 is often not known in advance and a calibration phase may be necessary to determine it. This calibration can be performed as a post-production test applied to the biological analysis device 10 and the configuration Switches may be stored in memory. On the contrary, the calibration can also be performed on the fly, just before the device is put into operation.
  • the output voltage VOUT can be measured by any appropriate technique, for example by means of an analog / digital converter or by using the device 10 in a lighting / frequency operation, in which the voltage VOUT is compared with a reference signal causing a reset of the device 10 when it is reached. The output voltage is then given by the frequency of the initialized pulses.
  • the first and second photosensitive portions 42 and 44 correspond as best as possible.
  • the dark current may vary slightly from one to the other due to factors involved in their manufacture or operation.
  • the respective dark currents of the two photosensitive portions will often be different. Indeed, strict equality can hardly be achieved. A realistic goal is therefore to try to minimize this difference.
  • a photosensitive portion placed in the dark 60 is disposed in an upper left portion of the pixel. It is adjacent to an illuminated photosensitive portion 62 disposed in a top right portion of the pixel.
  • the electronic means 64 for reading and processing this pixel are arranged in a lower portion of the pixel located under the photosensitive portions 60 and 62.
  • the size of RY1 depends on the precise composition of the electronic means 64, but it is preferable that it be equal to the dimensions DY1 and LY1, so that the pixel is generally square in shape.
  • They can be arranged in line and in column, for example, by simple vertical or horizontal translation of the pixel shown in FIG.
  • they can also be arranged so that two successive rows of pixels are vertically inverted relative to each other and thus have their respective electronic means 64 or respective photosensitive portions 60, 62 in correspondence.
  • the pixels may also be rectangular, the electronic means 64 being located under the photosensitive portion placed in the darkness 60, itself located under the illuminated photosensitive portion 62.
  • the photosensitive portions may be triangular to form a photosensitive layer 20 of generally square shape, or more complex shapes while having equal areas.
  • each differential pixel may be provided with its own converter of analog signals into digital signals. This is also possible when the pixel is not differential.
  • the differential pixel 10 comprises, in the upper part, a photosensitive portion placed in the dark 60 and an illuminated photosensitive portion 62. These two photosensitive portions are connected to a circuit amplifier 24 ', for example such as the electronic means 24 detailed in Figure 4a or 4b. This amplifier circuit outputs an analog voltage which is transmitted at the input of a converter 120 of analog signals to digital signals.
  • the differential pixel 10 also comprises a digital decoding block 122 whose characteristics depend on the coordinates of the differential pixel 10 in the pixel array of the biosensor in question.
  • This digital decoding block 122 monitors the state of an address bus 124 so that when a signal transiting on this address bus 124 corresponds to a predetermined value stored by the digital decoding block 122 and specific to the Differential pixel 10, block 122 transmits an activation signal Sa to converter 120 which in response provides the analog output voltage of the converted amplifier circuit to a digital value at a data transmission bus 126.
  • FIG. 6b A second example, illustrated in FIG. 6b and showing two adjacent pixels, represents a variant of the example of FIG. 6a. To simplify the illustration, the photosensitive portions 60 and 62 and the amplifier circuit 24 'of each differential pixel are not shown in this figure although present. In this variant, the digital decoding block 122 is replaced by a shift register 128 in each pixel, ie a shift register 128a in the pixel 10a and a shift register 128b in the pixel 10b.
  • Each shift register 128a, 128b receives an input signal SRI (Shift Register Input) and provides an output signal SRO (Shift Register Output).
  • the output signal SRO of the shift register 128a forms the input signal SRI of the shift register 128b.
  • the output signal SRO of the shift register 128b forms the input signal of a next pixel shift register while the input signal SRI of the shift register 128a is formed by an output signal of a previous pixel shift register.
  • the output signal of each shift register 128a, 128b is also provided to the corresponding converter 120a, 120b of the pixel 10a, 10b so as to enable this converter to transmit its digital output value to the data bus 126 at the same time. desired moment.
  • a clock signal CLK (from English "Clock") is provided to the shift registers 128a, 128b to clock transmissions of digital pixel values to the data bus 126.
  • each pixel of the pixel matrix is set to logic "0" (inactive) to block the output of the converters 120a, 120b,
  • a logic state is set to "1" (active) at the input of a first pixel 10a so as to activate the clock signal for this pixel and thereby set the signal SRO of this pixel 10a to the state "1", for the converter 120a to transmit its digital output value to the data bus 126,
  • the logic state of the first pixel 10a is then set to "0" (inactive) and the clock signal is again activated to activate the pixel 10b and deactivate the pixel 10a, - in the following process of reading the values
  • the output signal SRO of the pixel 10a remains in the state "0" and the active state on the signal SRO propagates in the matrix at each clock stroke.
  • the variant of FIG. 6b has the advantage of presenting identical electronic circuits on all the pixels of the biosensor, with fewer interconnections than in FIG. 6a, so that fewer connection pads are necessary to connect the biosensor to a external controller.
  • the reading of the digital values of the converters offers less flexibility since it is predetermined by the wiring of the biosensor which can not, by definition, be modified during its operation.
  • the random access made possible by the exemplary embodiment of FIG. 6b is therefore advantageous compared with the variant of FIG. 6b.
  • FIG. 6c several devices 10 , such as the device 10 of FIG. 6a can be arranged in a matrix of pixels of a biosensor.
  • Each device 10 represents a line pixel i and column j of the matrix.
  • Figure 6c only four rows and four columns of a pixel array are shown, but it is easy to generalize this representation to m rows and n columns to form a complete biosensor. All pixels are connected to the same address bus 124 which determines the sequence in which the biosensor pixels can provide their digital output values. Likewise, all the pixels are connected to the same data transmission bus 126 which retrieves these digital output values.
  • the differential pixel structure described with reference to FIGS. 4 to 6 is based on the assumption that the photosensitive portions are defined strictly by their boundaries, i.e., their external dimensions define the photoelectron collection zone. In this case, the requirement of correspondence between the first and second photosensitive portions means that the surfaces of these two photosensitive portions must be substantially equal.
  • FIG. 7 A first embodiment of a biological analysis device according to the principle presented in this patent is illustrated in FIG. 7.
  • a P-epitaxial layer 66 is formed on a substrate P 68.
  • This substrate 68 is the semiconductor substrate 25 described. higher or a doped region thereof.
  • a photoelectron collection zone 70 is designed as an island-shaped N-well in the P-epitaxial layer 66.
  • the collection zone 70 collects e1 e8 photoelectrons generated by incident radiation 72, including radiation. chemiluminescence or fluorescence.
  • Electronic means 74 for reading and processing include a well 76 in which an NMOS transistor 78 is housed.
  • the N 70 well would extend over the entire available length between the electronic means 74 of successive pixels. But in the device of Figure 7, the well N 70 is designed as an island, that is to say, it is surrounded by P-epitaxial material not connected to the ground and very little doped in comparison with the well P 76.
  • the smaller size of the N 70 well means that the capacity of the photosensitive portion is relatively small. But the collection efficiency is not compromised. Indeed, the vast majority of photoelectrons, such as the photoelectrons e1, ..., e6 shown in FIG. 7, diffuse into the P-epitaxial layer 66 and are finally collected by the well N 70. The electron el can statistically to move indifferently either to the well N 70, or to the well P 76. As for the electron e8, it will certainly focus on the well P 76 and will be lost.
  • FIG. 8 A second embodiment of a biological analysis device according to the principle presented in US Pat. No. 6,998,659 is illustrated in FIG. 8.
  • the electronic reading and processing means 80 comprise a thin layer 84 of P + material. extending over a large part of the device, so that the surface of the P-epitaxial layer 66 around the well N 70 is covered by this thin layer, with the exception of a narrow zone in the vicinity of the well N 70.
  • the thin layer 84 extends from the well P 82 of the electronic means 80 and is therefore connected to the latter.
  • the well P 82 is generally connected to the ground and therefore the thin layer 84 too.
  • the thin layer 84 is also shallower and, at a lower potential than the N 70 well, the photoelectrons are more likely to go to the well N 70 and to be collected by it than by the thin layer 84 or well P 82.
  • the electron e7 in Figure 8 is more likely to go to the well N 70, while in Figure 7 it is as likely to go to the well N 70 only to the well P 76.
  • the size of a collection area such as the N 70 well is dependent on the manufacturing technology used, but can generally be as low as 1 ⁇ m x 1 ⁇ m. This minimum size is not recommended, however, because in these dimensions, the manufacturing hazards generate significant differences in size between the collection areas which generates significant differences in their characteristics. Since, in a differential pixel, the photosensitive portion placed in the dark must necessarily correspond precisely to the illuminated photosensitive portion, too small collection areas are not desirable. On the other hand, an increase in the size of the N-well increases its area and perimeter, leading to an increase in the dark current and the associated noise.
  • a good compromise size for a collection area such as the N well is a size between 5 microns and 15 microns.
  • a differential pixel 86 comprises a first illuminated photosensitive portion 88 and a second photosensitive portion placed in the dark 90.
  • the dimensions of the first ⁇ t second photosensitive portions 88 and 90 be identical, it is sufficient that the dimensions of the collection areas 92 and 94 are. It is therefore possible to envisage great flexibility in the geometry of the differential pixels.
  • This recombination distance therefore imposes a maximum distance between a collection zone and the edges of the photosensitive portion in which it is located so that all the photoelectrons can be collected before being recombined.
  • the limited size of the collection zones 92 and 94 therefore imposes a limited size of the photosensitive portions of the differential pixel 86.
  • the recombination distance is generally between 30 and 50 ⁇ m.
  • the photosensitive portion 88 can not reach these dimensions.
  • a solution shown in FIG. 9b consists of increasing the size of the collection zones 92 and 94. It is thus possible to reach pixel dimensions of the order of 150 ⁇ m. However, as already indicated above, increasing the size of the collection areas 92 and 94 increases the effects of the dark current and its associated noise.
  • a differential pixel 86 comprises two photosensitive portions 88 and 90 each having four collection areas 92 and 94 respectively.
  • the geometry of the two photosensitive portions 88 and 90 is not necessarily the same.
  • the collection zones 92 are not necessarily arranged in the same way in the illuminated photosensitive portion 88 as the collection zones 94 in the photosensitive portion placed in the dark 90.
  • the four collection zones 92, on the one hand, and the four collection zones 94, on the other hand have the same dimensions: they are for example 5 or 10 ⁇ m.
  • the four collection zones 92 are spaced from each other by 75 ⁇ m.
  • the differential pixel 86 comprises two photosensitive portions 88 and 90 each comprising nine collection zones 92 and 94 respectively.
  • the dimensions of the collection zones 92 and 94 are for example 5 ⁇ m.
  • the nine collection zones 92 are spaced apart from each other by 50 ⁇ m, for example. It is thus possible to obtain a differential pixel 86 whose illuminated photosensitive portion 88 is a square of 150 ⁇ m on a side and whose light-sensitive portion placed in the dark 90 is a rectangle of 150 ⁇ m by 20 ⁇ m.
  • FIGS. 9c and 9d are not necessarily the same, the presence of a plurality of collection zones in FIGS. 9c and 9d makes it possible to envisage a geometry in which the photosensitive portion placed in darkness 90 surrounds the illuminated photosensitive portion 88 .
  • the first pixel 86a comprises an illuminated photosensitive portion 88a, here of square shape, for example 150 ⁇ m side. It further comprises a photosensitive portion placed in the dark 90a of rectangular shape, 150 ⁇ m in length and 20 ⁇ m in width.
  • the second pixel 86b comprises an illuminated photosensitive portion 88b of 150 ⁇ m square shape. It further comprises a photosensitive portion placed in the dark 90b of rectangular shape, 150 ⁇ m in length and 20 ⁇ m in width.
  • the first pixel 86a is separated from the second pixel 86b by an insulating joint 92 shaped to electrically isolate the illuminated photosensitive portion 88a of this pixel from the illuminated photosensitive portion 88b of the second pixel 86b and to mechanically isolate the two illuminated light-sensitive portions, so that a source of chemiluminescence or fluorescence located in one of the two illuminated light-sensitive portions is not detectable by the other illuminated light-sensitive portion.
  • a photoelectron e1 emitted in the illuminated photosensitive portion 88a, on the edge thereof, and can in particular be directed towards the portion illuminated photosensitive 88b, would be absorbed by the insulating seal 92 in the event that it would actually go to the illuminated photosensitive portion 88b.
  • a photoelectron e2 emitted in the illuminated photosensitive portion 88b, bordering the latter, and in particular being able to point towards the illuminated photosensitive portion 88a would be absorbed by the insulating joint 92 in the event that it actually moves towards the photosensitive portion. illuminated 88a.
  • the insulating joint may be a few micrometers thick, which is much smaller than the size of a pixel or a drop of protein probe.
  • the presence of such an insulating seal 92 makes it possible to bring the pixels of a biosensor according to the invention substantially closer together and thus to considerably increase the number of specific probe protein drops which can be arranged on a predetermined surface of the biosensor.
  • the molecules or photoelectrons trapped by the insulating gasket 92 are lost for detection.
  • the diffusion rate of the photon-emitting molecules by chemotuminescence (or fluorescence) and the thickness of the insulating joint 92 it is estimated that at least 2% in the least favorable configuration is the loss. of photoelectrons or photons generated on a pixel but not detected by it.
  • an additional insulating seal may also be interposed between the photosensitive portions (88a, 90a, and 88b, 90b) of each pixel 86a, 86b and their respective electronic reading and processing means.
  • the electronic means are not of the same nature as the photosensitive portions and may be a parasitic electron source that contribute to the effects of the dark current of the photosensitive portions.
  • the electronic means have a higher potential than that of the photosensitive portions thus attracting the photoelectrons diffusing in the photosensitive portions. These phenomena are likely to deteriorate the detection of proteins by chemiluminescence or fluorescence.
  • This additional insulating gasket comprises, for example, a grounded P + / P- well and an N + / N- positive potential well.
  • FIG. 11A The surface of a biosensor according to the invention is shown in FIG. 11A in plan view.
  • the biosensor is arranged on a semiconductor wafer and has a central photosensitive zone 114 intended to be placed in contact with a biological substance, the zone 114 forming here a matrix of pixels of the type described above, and a peripheral zone 116 which surrounds the central photosensitive zone 114, the zone 116 comprising various electrical circuits (for example digital readout circuits, control logic circuit, etc.) and electrical connections between these elements (wiring).
  • the biosensor comprises electrical contact pads 117 intended, for example, to allow the wiring of the biosensor ("bonding pads”) to an interconnection support.
  • the biosensor is subjected to a humid medium, in particular biological solutions or chemical reagents, or even acidic / basic or oxidizing / reducing solutions.
  • a humid medium in particular biological solutions or chemical reagents, or even acidic / basic or oxidizing / reducing solutions.
  • the zone 116 is thus likely to be in contact with the humic medium, which could damage the electrical parts that it comprises.
  • An improvement aimed here is to protect the zone 116 of the wetlands intended to be in contact with the central photosensitive zone 114, and also to promote the deposition of the capture mixture as described above.
  • This improvement includes the provision of the following steps or steps during the manufacture of the biosensor:
  • This hydrophilic coating is, for example, silicon (SiO 2 ) and form a kind of "ring", for example with a width of about 700 microns, around the central photosensitive zone 114;
  • the central photosensitive zone 114 with a hydrophobic coating of low roughness, for example silicon nitride (Si3N4).
  • a hydrophobic coating of low roughness for example silicon nitride (Si3N4).
  • the remainder of the surface of the biosensor is covered with the low-roughness hydrophobic coating, ie the peripheral zone 118, the zones 114 and 118 being able to be treated simultaneously.
  • This coating allows a clear demarcation between the peripheral zone 116 to be protected and the central photosensitive zone 114.
  • the peripheral zone 116 may be covered with a thick layer of biocompatible and non-conductive resin 119, forming a sort of barrier which completely encircles the central area, as shown in FIG. 11B by a sectional view.
  • This resin barrier isolates from the wet environment the zone 118 receiving the contact pads 117 while also protecting the wiring zone 116, which it completely covers. Its height may be several millimeters and is thus much greater than the thickness of the biosensor, for example 30 to 100 ⁇ m.
  • the protective resin 119 tends, before curing by polymerization, to automatically distribute itself around the central photosensitive zone 114, without encroaching on it or Even in this way, the hydrophobic surface treatment has a repellent effect on the resin and limits its spreading until it is
  • the hydrophobic coating on the central photosensitive zone 114 further makes it possible to ensure that solutions deposited on the zone 114 during the biological preparation steps do not extend beyond the pixel matrix by chemically attacking the particles.
  • the elements on the inner edge of the zone 116 Such elements situated on the inner edge of the zone 116, for example aluminum conductors, could indeed be mopely covered by the resin 119 and thus be imperfectly protected.
  • the process for forming the hydrogel as described above comprises the step S104 of depositing a potassium hydroxide (KOH) solution that is capable of chemically attacking elements 009/000766
  • the solution is deposited on the pixel matrix in a determined dosage.
  • the hydrophobic coating prevents the dose of potassium hydroxide solution from spreading beyond the central photosensitive zone 114 under the effect of surface tension forces.
  • a roughness of the order of 50 nm was measured on a coating of silicon nitride (Si3N4) using conventional measurement techniques of the roughness depth.
  • the silicon nitride coating was deposited using a conventional manufacturing process carried out in the applicant's production units and achieved the desired result by limiting the spread of the potassium hydroxide solution.
  • Those skilled in the art may, however, determine other coatings or even surface treatment processes making it possible to render the surface of the central photosensitive zone 11 hydrophobic. Thus, the combination of these characteristics allows optimal arrangement and adhesion of the surface.
  • Protective resin 119 both by the chemical characteristics of the treated surfaces and by the arrangement of the biosensor components and their spacing.

Abstract

The invention relates to a method for the fabrication of a biosensor on a semiconductor wafer, comprising steps which comprise the forming of a central photosensitive zone (114) comprising at least one pixel device for biological analysis comprising a photosensitive layer, and a first peripheral zone (116) surrounding the central photosensitive zone, comprising electronic circuits. The first peripheral zone (116) is covered with a hydrophilic coating, and the central photosensitive zone is covered with a hydrophobic coating. A barrier of a biocompatible resin (119) is formed on the second peripheral zone (118).

Description

PROCEDE DE FABRICATION D'UN BIOCAPTEUR SUR SUBSTRAT SEMICONDUCTEUR METHOD FOR MANUFACTURING A BIOSENSOR ON A SEMICONDUCTOR SUBSTRATE
La présente invention concerne un dispositif d'analyse biologique de type pixel.The present invention relates to a biological analysis device of the pixel type.
La présente invention concerne également un biocapteur CMOS comportant une pluralité de dispositifs d'analyse biologique de type pixel disposés en une matrice de pixels.The present invention also relates to a CMOS biosensor comprising a plurality of pixel-type biological analysis devices arranged in a matrix of pixels.
La présente invention concerne également un procédé de fabrication d'un dispositif d'analyse biologique de type pixel et un procédé de fabrication d'un biocapteur CMOS comportant une pluralité de dispositifs d'analyse biologique de type pixel disposés en une matrice de pixels. La présente invention concerne de façon générale des perfectionnements aux techniques d'analyse biologique décrites dans le brevet US 6,325,977 ou dans la demande internationale WO 2006/082336.The present invention also relates to a method of manufacturing a pixel-type biological analysis device and a method of manufacturing a CMOS biosensor comprising a plurality of pixel-type biological analysis devices arranged in a pixel array. The present invention generally relates to improvements to the biological analysis techniques described in US Pat. No. 6,325,977 or International Application WO 2006/082336.
Ces techniques envisagent l'utilisation de dispositifs d'analyse biologique de type pixel comportant : - une couche photosensible et des moyens de collecte de photoélectrons dans la couche photosensible, etThese techniques envisage the use of pixel-type biological analysis devices comprising: a photosensitive layer and means for collecting photoelectrons in the photosensitive layer, and
- des moyens de lecture et de traitement d'une grandeur électrique fournie par les moyens de collecte pour la fourniture d'une valeur caractéristique d'une intensité lumineuse détectée par la couche photosensible. Dans ces documents, des imageurs CCD ou CMOS du commerce sont utilisés pour l'étude de structures moléculaires organiques solides, c'est-à-dire structurellement stables et résistantes à des conditions expérimentales même extrêmes, telles que par exemple des oligonucléotides (ARN, ADN, ...). Dans ces applications, les oligonucléotides peuvent être directement greffés sur la surface externe des biocapteurs. Mais les biocapteurs réalisés à partir de tels imageurs sont beaucoup moins adaptés à des structures plus fragiles telles que les protéines qui, elles, perdent facilement leurs fonctionnalités, par modification de leur structure tridimensionnelle ou dénaturation, sous l'effet de la température ou de la déshydratation. Les propriétés intrinsèques des biomolécules de cette famille font que leur étude de manière standardisée, multiplexée et miniaturisée (au format d'un biocapteur) reste à l'heure actuelle, encore délicate. Pourtant, elles permettraient d'envisager des applications dans le domaine du test diagnostic de maladies infectieuses, d'allergies, de pollutions, dans la détection de drogues, ou dans le domaine de la défense, etc.means for reading and processing an electrical quantity supplied by the collection means for supplying a characteristic value of a light intensity detected by the photosensitive layer. In these documents, commercial CCD or CMOS imagers are used for the study of solid organic molecular structures, that is to say structurally stable and resistant to even extreme experimental conditions, such as for example oligonucleotides (RNA, DNA, ...). In these applications, the oligonucleotides can be directly grafted onto the outer surface of the biosensors. But biosensors made from such imagers are much less suitable for more fragile structures such as proteins, which, they easily lose their functionality, by changing their three-dimensional structure or denaturation, under the effect of temperature or dehydration. The intrinsic properties of the biomolecules of this family make their study standardized, multiplexed and miniaturized (in the format of a biosensor) remains at the moment, still delicate. However, they would make it possible to envisage applications in the field of the diagnostic test of infectious diseases, allergies, pollution, in the detection of drugs, or in the field of the defense, etc.
Il peut ainsi être souhaité de prévoir un dispositif d'analyse biologique apte à utiliser des structures plus fragiles que les oligonucléotides envisagés dans les documents de l'état de la technique.It may thus be desirable to provide a biological analysis device capable of using more fragile structures than the oligonucleotides envisaged in the documents of the state of the art.
Un mode de réalisation de l'invention concerne un procédé de fabrication d'un biocapteur sur une plaquette de semi-conducteur, comprenant des étapes consistant à réaliser une zone photosensible centrale comprenant au moins un dispositif d'analyse biologique de type pixel comprenant une couche photosensible, réaliser une première zone périphérique entourant la zone photosensible centrale, comprenant des circuits électroniques, recouvrir la première zone périphérique d'un revêtement hydrophile, recouvrir la zone photosensible centrale d'un revêtement hydrophobe dont la rugosité est choisie en sorte qu'une dose d'une solution pouvant être ultérieurement déposée sur la zone photosensible centrale ne s'étale pas au-delà de celle-ci jusqu'à atteindre la première zone périphérique, et former une barrière d'une résine biocompatible sur la seconde zone périphérique, la résine se fixant naturellement, avant polymérisation, sur le revêtement hydrophile sans s'étendre sur le revêtement hydrophobe.One embodiment of the invention relates to a method of manufacturing a biosensor on a semiconductor wafer, comprising steps of providing a central photosensitive zone comprising at least one pixel-type biological analysis device comprising a layer photosensitive, realize a first peripheral zone surrounding the central photosensitive zone, comprising electronic circuits, covering the first peripheral zone with a hydrophilic coating, covering the central photosensitive zone with a hydrophobic coating whose roughness is chosen so that a single dose a solution that can subsequently be deposited on the central photosensitive zone does not spread beyond it until reaching the first peripheral zone, and form a barrier of a biocompatible resin on the second peripheral zone, the resin which binds naturally before polymerization onto the hydrophilic coating without endre on the hydrophobic coating.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend également les étapes consistant à réaliser, dans une seconde zone périphérique entourant la première zone périphérique, des plages de contact électrique reliées aux circuits électroniques de la première zone périphérique, et recouvrir la seconde zone périphérique au moyen du revêtement hydrophobe.According to one embodiment, the method also comprises the steps of making, in a second peripheral zone surrounding the first peripheral zone, electrical contact pads connected to the electronic circuits of the first peripheral zone, and covering the second peripheral zone by means of hydrophobic coating.
Selon un mode de réalisation, le revêtement hydrophile est de l'oxyde de silicium.According to one embodiment, the hydrophilic coating is silicon oxide.
Selon un mode de réalisation, le revêtement hydrophobe est du nitrure de silicium.According to one embodiment, the hydrophobic coating is silicon nitride.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape de dépôt, sur la surface de la couche photosensible du dispositif d'analyse biologique de type pixel revêtue du revêtement hydrophobe, d'un mélange de capture comportant une protéine sonde greffée à un hydrogel, pour la capture de protéines cibles.According to one embodiment, the method comprises a step of depositing, on the surface of the photosensitive layer of the pixel-type biological analysis device coated with the hydrophobic coating, a mixture of capture method comprising a probe protein grafted to a hydrogel, for the capture of target proteins.
Selon un mode de réalisation, l'étape de dépôt du mélange de capture comporte des étapes de préparation de la surface externe de la couche photosensible destinée à recevoir le mélange de capture, comprenant une étape de silanisation de la surface externe ; oxydation de l'hydrogel et greffage de l'hydrogel oxydé sur la surface externe silanisée ; carboxylation et activation de l'hydrogel greffé ; et greffage de la protéine sonde dans l'hydrogel activé. Selon un mode de réalisation, l'étape de préparation de la surface externe par silanisation comporte les phases suivantes : nettoyage de la surface externe par rinçages successifs à l'eau déminéralisée, à l'acétone et à l'éthanol absolu dans un bain à ultrasons ; oxydation alcaline de la surface externe par oxydation sous l'action d'un plasma ozone, puis traitement par une solution d'hydroxyde de potassium pendant plusieurs heures à température ambiante ; immersions successives dans de l'eau déminéralisée puis dans l'éthanol absolu sous ultrasons et séchage sous flux d'Argon ; silanisation de la surface externe au moyen d'une solution de 3- aminopropyltriethoxysilane dans de l'éthanol pendant plusieurs heures ; immersions successives dans de l'eau déminéralisée puis dans l'éthanol absolu sous ultrasons et séchage sous flux d'Argon ; et chauffage du dispositif pendant plusieurs heures puis maintien sous atmosphère inerte.According to one embodiment, the step of depositing the capture mixture comprises steps for preparing the outer surface of the photosensitive layer intended to receive the capture mixture, comprising a step of silanizing the outer surface; oxidation of the hydrogel and grafting of the oxidized hydrogel on the silanized outer surface; carboxylation and activation of the grafted hydrogel; and grafting the probe protein into the activated hydrogel. According to one embodiment, the step of preparation of the external surface by silanization comprises the following phases: cleaning of the external surface by successive rinsing with demineralised water, acetone and absolute ethanol in a hot water bath. ultrasound; alkaline oxidation of the outer surface by oxidation under the action of ozone plasma, followed by treatment with potassium hydroxide solution for several hours at room temperature; successive immersions in demineralized water and then in absolute ethanol under ultrasound and drying under an Argon flux; silanization of the outer surface by means of a solution of 3-aminopropyltriethoxysilane in ethanol for several hours; successive immersions in demineralized water and then in absolute ethanol under ultrasound and drying under an Argon flux; and heating the device for several hours and then maintained under an inert atmosphere.
Selon un mode de réalisation, l'étape d'oxydation et de greffage de l'hydrogel comporte les phases suivantes : dissolution de l'hydrogel dans de l'eau déminéralisée, puis traitement par une solution de périodate de sodium dont le volume est ajusté afin d'obtenir un mélange dont le ratio molaire entre le périodate de sodium et un motif monomère prédéterminé et répété de l'hydrogel est de l'ordre de 50%, protection du mélange réactionnel obtenu contre la lumière et agitation pendant plusieurs heures à température ambiante, pour obtenir un hydrogel oxydé, greffage de l'hydrogel oxydé sur la surface externe silanisée et agitation à température ambiante et à l'abri de la lumière pendant plusieurs heures, traitement de l'ensemble obtenu par une solution aqueuse de cyanoborohydrure de sodium pendant plusieurs heures afin de réduire des bases de Schiff formées, puis rinçage à l'eau déminéralisée, à l'éthanol et séchage sous flux d'Argon. Selon un mode de réalisation, l'étape de carboxylation et d'activation de l'hydrogel greffé comporte les phases suivantes : traitement de l'hydrogel greffé par une solution d'acide bromoacétique dans du périodate de sodium pendant plusieurs heures à température ambiante et sous Argon, purge du mélange réactionnel obtenu puis rinçage à l'eau déminéralisée, à l'éthanol et séchage sous flux d'Argon, activation sous forme d'esters des résidus carboxylates formés, puis rinçage à l'eau.According to one embodiment, the oxidation and grafting step of the hydrogel comprises the following phases: dissolution of the hydrogel in demineralised water, followed by treatment with a solution of sodium periodate whose volume is adjusted to obtain a mixture whose molar ratio between the sodium periodate and a predetermined and repeated monomer unit of the hydrogel is of the order of 50%, protection of the reaction mixture obtained against light and stirring for several hours at room temperature ambient, to obtain an oxidized hydrogel, grafting the oxidized hydrogel on the silanized outer surface and stirring at room temperature and protected from light for several hours, treatment of the assembly obtained with an aqueous solution of sodium cyanoborohydride for several hours in order to reduce formed Schiff bases, then rinsing with deionized water, with ethanol and drying under an Argon flux. According to one embodiment, the carboxylation and activation step of the grafted hydrogel comprises the following phases: treatment of the grafted hydrogel with a solution of bromoacetic acid in sodium periodate for several hours at room temperature and under Argon, purging the reaction mixture obtained and rinsing with demineralized water, ethanol and drying under an Argon flux, activation in the form of esters of the carboxylate residues formed, then rinsing with water.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend une étape consistant à dimensionner la surface externe de la couche photosensible du dispositif d'analyse biologique de type pixel de manière à ce qu'elle corresponde à la taille d'une dose prédéterminée d'un mélange de capture pouvant être disposé sur la surface externe sous la forme d'une goutte.According to one embodiment, the method comprises a step of dimensioning the outer surface of the photosensitive layer of the pixel-type biological analysis device to correspond to the size of a predetermined dose of a mixture. capture can be arranged on the outer surface in the form of a drop.
Selon un mode de réalisation, la surface externe de la couche photosensible du dispositif de type pixel est dimensionnée de manière à présenter une surface d'au moins 25500 10"12 m2.According to one embodiment, the outer surface of the photosensitive layer of the pixel device is sized to have an area of at least 25500 10-12 m 2 .
Selon un mode de réalisation, l'étape de réalisation de la couche photosensible du dispositif d'analyse biologique de type pixel comprend une étape de formation, dans la couche photosensible, de moyens de collecte de photoélectrons comportant plusieurs zones de collecte conformées en îlots et espacées les unes des autres dans la couche photosensible.According to one embodiment, the step of producing the photosensitive layer of the pixel-type biological analysis device comprises a step of forming, in the photosensitive layer, photoelectron collection means comprising a plurality of island-shaped collection zones and spaced from each other in the photosensitive layer.
Selon un mode de réalisation, les zones de collecte sont espacées les unes des autres d'une distance inférieure à une distance maximale prédéterminée et fixée en fonction d'une distance de recombinaison de photoélectrons émis dans la couche photosensible. Selon un mode de réalisation, la couche photosensible est réalisée de manière à présenter : une première portion apte à détecter une intensité lumineuse incidente provenant d'un mélange de capture et destinée à fournir une première grandeur électrique et une seconde portion protégée contre l'intensité lumineuse incidente provenant du mélange de capture, destinée à fournir une seconde grandeur électrique.According to one embodiment, the collection zones are spaced apart from each other by a distance less than a predetermined maximum distance and set according to a recombination distance of photoelectrons emitted in the photosensitive layer. According to one embodiment, the photosensitive layer is formed so as to have: a first portion capable of detecting an incident light intensity originating from a capture mixture and intended to provide a first electrical quantity and a second portion protected against the intensity incident light from the capture mixture for providing a second electrical magnitude.
Selon un mode de réalisation, l'étape de formation de zone photosensible centrale comprend les étapes consistant à : former dans la zone photosensible centrale une matrice de dispositifs d'analyse biologique de type pixel comprenant chacun une couche photosensible, et former un joint isolant entre des pixels adjacents, le joint isolant étant conformé pour isoler électriquement une couche photosensible d'un pixel de la couche photosensible du pixel adjacent.According to one embodiment, the central photosensitive zone forming step comprises the steps of: forming in the central photosensitive zone a matrix of pixel-type biological analysis devices each comprising a photosensitive layer, and forming an insulating joint between adjacent pixels, the insulating joint being shaped to electrically isolating a photosensitive layer of a pixel from the photosensitive layer of the adjacent pixel.
Selon un mode de réalisation, le procédé comprend la réalisation, dans chaque dispositif d'analyse biologique de type pixel, d'un convertisseur analogique numérique pour la conversion en données numériques d'une valeur caractéristique d'une intensité lumineuse détectée par le pixel.According to one embodiment, the method comprises producing, in each pixel-type biological analysis device, an analog-digital converter for converting into digital data a characteristic value of a light intensity detected by the pixel.
Des exemples de réalisation de l'invention seront décrits plus en détail dans la description qui suit, faite à titre non limitatif en relation avec les figures jointes parmi lesquelles : - la figure 1 représente schématiquement la structure d'un mode de réalisation d'un dispositif d'analyse biologique selon l'invention,Embodiments of the invention will be described in greater detail in the description which follows, given in a nonlimiting manner in relation to the appended figures in which: FIG. 1 schematically represents the structure of an embodiment of a biological analysis device according to the invention,
- la figure 2 est le schéma électrique d'un biocapteur comportant une pluralité de dispositifs tels que celui représenté sur la figure 1 ,FIG. 2 is the electrical diagram of a biosensor comprising a plurality of devices such as that represented in FIG. 1,
- les figures 3a, 3b, 3c sont des organigrammes montrant des étapes successives d'un procédé de fabrication du dispositif de la figure 1 ,FIGS. 3a, 3b, 3c are flowcharts showing successive steps of a manufacturing method of the device of FIG. 1,
- la figure 4a représente un mode de réalisation de moyens électroniques d'un dispositif d'analyse biologique selon l'invention,FIG. 4a represents an embodiment of electronic means of a biological analysis device according to the invention,
- la figure 4b représente un autre mode de réalisation de moyens électroniques d'un dispositif d'analyse biologique selon l'invention, - la figure 5 représente schématiquement une structure de pixel différentiel utilisable dans un dispositif d'analyse biologique selon l'invention,FIG. 4b represents another embodiment of electronic means of a biological analysis device according to the invention, FIG. 5 schematically represents a differential pixel structure that can be used in a biological analysis device according to the invention,
- les figures 6a et 6b représentent des adaptations d'une structure de pixel différentiel incluant un convertisseur analogique/numérique,FIGS. 6a and 6b show adaptations of a differential pixel structure including an analog / digital converter,
- la figure 6c est le schéma électrique d'un biocapteur comportant une pluralité de pixels différentiels tels que celui représenté sur la figure 6a,FIG. 6c is the electrical diagram of a biosensor comprising a plurality of differential pixels such as that represented in FIG. 6a,
- les figures 7 et 8 représentent par des vues en coupe des modes de réalisation d'une couche photosensible utilisable dans un dispositif d'analyse biologique selon l'invention,FIGS. 7 and 8 show, in sectional views, embodiments of a photosensitive layer that can be used in a biological analysis device according to the invention,
- les figures 9a, 9b, 9c, 9d représentent plus en détail divers modes de réalisation de la structure de pixel différentiel,FIGS. 9a, 9b, 9c, 9d show in more detail various embodiments of the differential pixel structure,
- la figure 10 représente une structure de pixels adjacents utilisable dans un biocapteur selon l'invention, etFIG. 10 represents a structure of adjacent pixels that can be used in a biosensor according to the invention, and
- les figures 11 A, 11B représentent schématiquement, respectivement par une vue de dessus et une vue en coupe, un mode de réalisation d'un biocapteur selon l'invention. Dans la description qui suit, divers détails spécifiques sont donnés pour une meilleure compréhension de modes de réalisation de l'invention. Les modes de réalisation décrits peuvent être mis en œuvre en se passant d'un ou de plusieurs de ces détails, ou en utilisant d'autres méthodes, équipements, matériaux, etc. Dans certains cas, des matériaux ou des opérations en soi bien connus ne sont pas décrits en détail pour éviter d'obscurcir certains aspects des modes de réalisation décrits. Le fait de faire référence à un "mode de réalisation" dans la description signifie qu'une caractéristique ou une structure particulière décrite en relation avec ce mode de réalisation est incluse dans ce mode de réalisation. Ainsi, l'utilisation des expressions "dans un mode de réalisation" ou "selon un mode de réalisation" en divers points de la description ne fait pas nécessairement référence au même mode de réalisation. Par ailleurs, les caractéristiques particulières relatives à chaque mode de réalisation peuvent être combinées de manière appropriée pour former un ou plusieurs autres modes de réalisation. Enfin, les analyses, commentaires, déductions et conclusions exposés dans ce qui suit en relation avec l'art antérieur sont réputés faire partie intégrante de la présente invention.- Figures 11A, 11B show schematically, respectively from a top view and a sectional view, an embodiment of a biosensor according to the invention. In the following description, various specific details are given for a better understanding of embodiments of the invention. The disclosed embodiments may be implemented by dispensing with one or more of these details, or using other methods, equipment, materials, etc. In some cases, materials or operations that are well known in themselves are not described in detail to avoid obscuring certain aspects of the described embodiments. Referring to an "embodiment" in the description means that a particular feature or structure described in connection with this embodiment is included in this embodiment. Thus, the use of the terms "in one embodiment" or "in one embodiment" at various points of the description does not necessarily refer to the same embodiment. On the other hand, the particular features relating to each embodiment may be suitably combined to form one or more other embodiments. Finally, the analyzes, comments, deductions and conclusions set out in the following with respect to the prior art are deemed to be an integral part of the present invention.
La figure 1 représente la structure générale d'un dispositif d'analyse biologique 10 et d'un biocapteur selon un mode de réalisation de l'invention. Le dispositif d'analyse biologique 10 est réalisé sur un substrat semiconducteur 25. Il comporte une couche d'un mélange de capture 12 comprenant une certaine quantité d'une protéine sonde 14 greffée à un hydrogel 16, 18 et destinée à capturer un certain type de protéine cible. L'hydrogel comprend un milieu hydrophile 16 incorporant des molécules d'eau 18, tel que par exemple du Dextran (marque déposée), de la nitrocellulose, de l'acide hyaluronique ou bien un dérivé de ces polymères de saccharides ou encore du polyamide. Plus généralement cet hydrogel est un polymère naturel ou synthétique capable, selon sa formulation, de retenir jusqu'à 99 % d'eau.FIG. 1 represents the general structure of a biological analysis device 10 and a biosensor according to one embodiment of the invention. The biological analysis device 10 is made on a semiconductor substrate 25. It comprises a layer of a capture mixture 12 comprising a certain amount of a probe protein 14 grafted to a hydrogel 16, 18 and intended to capture a certain type of target protein. The hydrogel comprises a hydrophilic medium 16 incorporating water molecules 18, such as for example Dextran (registered trademark), nitrocellulose, hyaluronic acid or a derivative of these saccharide polymers or polyamide. More generally, this hydrogel is a natural or synthetic polymer capable, according to its formulation, of retaining up to 99% of water.
Chaque molécule de la protéine sonde 14 est adaptée pour s'apparier avec une molécule correspondante de protéine cible susceptible de se trouver dans une substance à analyser. En cas d'appariement des deux molécules, lorsqu'une molécule tierce marquée est ajoutée et associée à la molécule cible, par exemple un anticorps secondaire, une quantité de lumière peut être émise, par exemple par chimioluminescence ou par fluorescence.Each molecule of the probe protein 14 is adapted to mate with a corresponding molecule of target protein likely to be in a substance to be analyzed. In case of pairing of the two molecules, when a labeled third molecule is added and associated with the target molecule, for example a secondary antibody, a quantity of light can be emitted, for example by chemiluminescence or fluorescence.
Le dispositif d'analyse biologique 10 comporte en outre une couche photosensible 20. Cette couche photosensible comporte une surface externe 22 sur laquelle est disposée la couche de mélange de capture 12. Cette couche photosensible 20 est adaptée pour absorber des photons émis par chimioluminescence ou fluorescence à partir du mélange de capture 12 et pour collecter des photoélectrons à l'aide d'au moins une zone de collecte non représentée sur la figure 1. Il s'agit par exemple d'une photodiode. De façon plus précise, la surface externe 22 est traitée, par exemple par silanisation, pour permettre le dépôt du mélange de capture 12 et notamment de l'hydrogel 16, 18 sur la couche photosensible 20.The biological analysis device 10 furthermore comprises a photosensitive layer 20. This photosensitive layer comprises an external surface 22 on which the capture mixture layer 12 is arranged. This photosensitive layer 20 is adapted to absorb chemiluminescence or fluorescence-emitted photons. from the capture mixture 12 and to collect photoelectrons using at least one collection area not shown in Figure 1. This is for example a photodiode. More specifically, the outer surface 22 is treated, for example by silanization, to allow the deposition of the capture mixture 12 and in particular of the hydrogel 16, 18 on the photosensitive layer 20.
Enfin, le dispositif d'analyse biologique 10 comporte des moyens électroniques 24 de lecture θt de traitement d'une grandeur électrique fournie par les moyens de collecte de la couche photosensible 20, pour la fourniture d'une valeur caractéristique d'une intensité lumineuse détectée par la couche photosensible. Ces moyens électroniques, représentés ici schématiquement, sont implantés sur le substrat semi-conducteur 25 et sont configurés pour réaliser un transfert des charges générées dans la couche photosensible 20.Finally, the biological analysis device 10 comprises electronic reading means 24 for treating an electrical quantity supplied by the collection means of the photosensitive layer 20, for the supply of a characteristic value of a detected light intensity. by the photosensitive layer. These electronic means, represented here schematically, are implanted on the semiconductor substrate 25 and are configured to carry out a transfer of the charges generated in the photosensitive layer 20.
Le dispositif d'analyse biologique 10 permet de procéder à l'analyse d'une substance biologique susceptible de comporter une certaine quantité de la protéine cible correspondant à la protéine sonde greffée 14, à l'aide par exemple d'un protocole de détection par chimioluminescence. Ce protocole de détection par chimioluminescence comporte les étapes suivantes :The biological analysis device 10 makes it possible to analyze a biological substance that may comprise a certain quantity of the target protein corresponding to the grafted probe protein 14, for example using a detection protocol for chemiluminescence. This chemiluminescence detection protocol comprises the following steps:
- la substance biologique peut être traitée ou non par un agent de lyse afin de décomposer chimiquement certains de ses composants : cette étape rend certaines molécules de la substance biologique accessibles aux molécules de la protéine sonde 14 et donc analysables ; le mélange obtenu est ensuite déposé sur la couche de mélange de capture 12 du dispositif d'analyse biologique 10 comportant la protéine sonde 14, puis incubé pour une durée variable selon les espèces traitées,the biological substance may or may not be treated with a lysing agent in order to chemically decompose some of its components: this step renders certain molecules of the biological substance accessible to the molecules of the probe protein 14 and thus analyzable; the mixture obtained is then deposited on the capture mixture layer 12 of the biological analysis device 10 comprising the probe protein 14, and then incubated for a variable duration depending on the species treated,
- une solution d'anticorps "secondaire" couplé à un marqueur de chimioluminescence, par exemple l'enzyme HorseRadish Peroxidase ou HRP, est ajoutée et l'ensemble est mis en incubation pour quelques minutes : cet anticorps vient se coupler de manière spécifique et avec une forte affinité aux couples formés par les molécules de protéine sonde et de protéine cible ; les concentrations et durées d'incubation peuvent, là encore, varier et sont optimisées selon l'application visée de façon connue en soi,a "secondary" antibody solution coupled to a chemiluminescence marker, for example the HorseRadish Peroxidase enzyme or HRP is added and the whole is incubated for a few minutes: this antibody is coupled specifically and with high affinity to the pairs formed by the probe protein and target protein molecules; the concentrations and incubation times can, again, vary and are optimized according to the intended application in a manner known per se,
- plusieurs lavages sont ensuite effectués afin d'éliminer toute trace d'anticorps secondaire adsorbé de manière non spécifique à la surface du dispositif d'analyse biologique 10 et pouvant engendrer une fausse détection ; les types de lavage (temps, composition, concentration, nombre) sont variables et peuvent être adaptés de façon connue en soi selon les protéines manipulées lors du protocole de détection,several washes are then carried out in order to eliminate any trace of secondary antibody adsorbed nonspecifically on the surface of the biological analysis device 10 and capable of generating a false detection; the washing types (time, composition, concentration, number) are variable and can be adapted in a manner known per se according to the proteins manipulated during the detection protocol,
- une activation d'un signal de chimioluminescence et une détection correspondante par le dispositif d'analyse biologique 10 est réalisée par l'ajout d'une solution révélatrice du substrat spécifique de l'enzyme HRP dans les conditions optimales de concentration et de pH pour un signal de chimioluminescence : cette solution révélatrice peut être obtenue commercialement ou préparée, par exemple sous forme de luminol ; elle est ajoutée sur toute la surface du dispositif d'analyse biologique 10 et le signal est immédiatement collecté par la couche photosensible 20, - un post-traitement informatique peut éventuellement être nécessaire afin d'amplifier le signal obtenu,an activation of a chemiluminescence signal and a corresponding detection by the biological analysis device is carried out by adding a solution revealing the specific substrate of the HRP enzyme under the optimal conditions of concentration and pH for a chemiluminescence signal: this revealing solution can be obtained commercially or prepared, for example in the form of luminol; it is added over the entire surface of the biological analysis device 10 and the signal is immediately collected by the photosensitive layer 20, - a computer post-processing may possibly be necessary in order to amplify the signal obtained,
- enfin, la comparaison de la valeur d'intensité lumineuse obtenue par le dispositif d'analyse biologique 10 avec une courbe d'étalonnage prédéterminée, ou déterminée en même temps que la mesure biologique, permet d'estimer la quantité de protéine cible présente dans l'échantillon de substance biologique.finally, the comparison of the luminous intensity value obtained by the biological analysis device with a predetermined calibration curve, or determined at the same time as the biological measurement, makes it possible to estimate the quantity of target protein present in the the biological sample.
Le dispositif d'analyse biologique 10 peut aussi être utilisé pour procéder à l'analyse d'une substance biologique à l'aide d'un protocole de détection par fluorescence. Un tel protocole de détection par fluorescence comporte les mêmes étapes que le protocole de détection par chimioluminescence si ce n'est que l'anticorps secondaire est couplé à un fluorophore au lieu d'un marqueur de chimioluminescence et qu'une lumière excitatrice est apportée au lieu d'une solution révélatrice, pour l'activation d'un signal de fluorescence. Comme cela est représenté sur la figure 2, plusieurs dispositifs 1 O11, tels que le dispositif 10 de la figure 1 , peuvent être agencés en une matrice de pixels d'un biocapteur. Chaque dispositif 10,, représente un pixel de ligne i et de colonne j de la matrice. Sur la figure 2, seules les deux premières lignes et les trois premières colonnes d'une matrice de pixels sont représentées, mais il est facile de généraliser cette représentation à m lignes et n colonnes pour former un biocapteur complet.The biological analysis device 10 can also be used to perform the analysis of a biological substance using a fluorescence detection protocol. Such a fluorescence detection protocol has the same steps as the chemiluminescence detection protocol except that the secondary antibody is coupled to a fluorophore instead of a chemiluminescence label and an excitatory light is provided to the instead of a revealing solution for the activation of a fluorescence signal. As shown in FIG. 2, several devices 10 , such as the device 10 of FIG. 1, can be arranged in a matrix of pixels of a biosensor. Each device 10 ,, represents a line pixel i and column j of the matrix. In Figure 2, only the first two rows and the first three columns of a pixel array are shown, but it is easy to generalize this representation to m rows and n columns to form a complete biosensor.
Les pixels 1O1 .,, 1O1 2 et 1O1 3 sont reliés à un bus de première ligne I1 et les pixels 1O21, 1O22 et 1O23 à un bus de deuxième ligne I2 pour la transmission des valeurs d'intensité lumineuse. Les bus de lignes I1 et I2 sont quant à eux reliés à un registre à décalage horizontal 26. Les pixels 1O1 1 et 1O21 sont reliés à un bus de première colonne C1, les pixels 1O1 2 et 1O22 à un bus de deuxième colonne C2 et les pixels 1O13 et 1O23 à un bus de troisième colonne C3 pour la transmission des valeurs d'intensité lumineuse. Les bus de colonnes C1, C2 et C3 sont quant à eux reliés à un registre à décalage vertical 28. Les registres à décalage 26 et 28 sont reliés à un circuit de traitement des signaux 30 pouvant notamment comporter un circuit de numérisation des signaux.The pixels 1O 1 ,, 1O 1 2 and 1O 1 3 are connected to a first line bus I 1 and the pixels 1O 21 , 1O 22 and 1O 23 to a second line bus I 2 for the transmission of the values of FIG. light intensity. The bus lines I 1 and I 2 are connected to a horizontal shift register 26. The pixels 1O 1 1 and 1O 21 are connected to a first column bus C 1 , the pixels 1O 1 2 and 1O 22 to a second column bus C 2 and the pixels 10 13 and 10 23 to a third column bus C 3 for the transmission of the light intensity values. The bus columns C 1 , C 2 and C 3 are in turn connected to a vertical shift register 28. The shift registers 26 and 28 are connected to a signal processing circuit 30 which may include in particular a digitizing circuit of the signals. signals.
Pour réaliser un biocapteur agencé en matrice de pixels, d'autres structures que celle qui vient d'être décrite en référence à la figure 2 sont envisageables. Notamment, chaque pixel peut être muni de son propre convertisseur de signaux analogiques en signaux numériques. Des exemples de telles structures seront décrits ultérieurement en référence aux figures 6a, 6b et 6c. De façon classique, le mélange de capture 12 est disposé en deux temps sur le biocapteur. Dans un premier temps, l'hydrogel 16 est déposé sur toute la surface du biocapteur. Dans un second temps, une solution de protéine sonde 14 spécifique est déposée localement sous forme de goutte. Plusieurs protéines sondes différentes peuvent ainsi être déposées sur le même substrat d'hydrogel, goutte à goutte, chaque goutte comportant une protéine sonde spécifique. Il a été expérimenté qu'une goutte de protéine sonde de quelques nanolitres peut suffire pour permettre une photodétection de protéine cible par chimioluminescence ou par fluorescence, ce qui correspond à une goutte d'environ 150 μm (micromètres) de diamètre. En dessous de cette taille, soit l'évaporation lors du dépôt de la solution de protéine sonde devient trop importante et ne permet plus le maintien de protéines sondes, soit la quantité de protéine sonde n'est pas suffisante pour permettre ensuite une photodétection par chimioluminescence (ou par fluorescence). Dans l'art antérieur, compte tenu de la taille des pixels d'un biocapteur classique, largement inférieure à 150 μm, une goutte de protéine sonde spécifique recouvre une pluralité de pixels d'un biocapteur du fait de leur faible surface, en général une dizaine, et les signaux électriques obtenus par la pluralité de pixels du biocapteur doivent être combinés par traitement a posteriori pour l'obtention d'une valeur effectivement révélatrice de la quantité de protéine cible dans ('échantillons biologique. Il vient que ce traitement a posteriori est complexe et peut être entaché d'erreurs. En outre, pour éviter que des sources d'intensité lumineuse par chimioluminescence ou par fluorescence interfèrent entre deux gouttes de protéine sonde spécifique voisines, on doit espacer les gouttes de protéine sonde d'une distance suffisante. En général, cette distance peut représenter jusqu'à trois fois la taille d'une goutte de protéine sonde, soit environ 450 μm. Une surface photosensible non négligeable est ainsi perdue dans le biocapteur.To produce a biosensor arranged in a matrix of pixels, structures other than that which has just been described with reference to FIG. 2 are conceivable. In particular, each pixel can be provided with its own converter of analog signals into digital signals. Examples of such structures will be described later with reference to Figures 6a, 6b and 6c. In a conventional manner, the capture mixture 12 is arranged in two steps on the biosensor. In a first step, the hydrogel 16 is deposited on the entire surface of the biosensor. In a second step, a specific protein probe 14 solution is deposited locally in the form of drop. Several different probe proteins can thus be deposited on the same hydrogel substrate, drop by drop, each drop comprising a specific probe protein. It has been experimented that a drop of protein probe of a few nanoliters may be sufficient to allow a photodetection of target protein by chemiluminescence or fluorescence, which corresponds to a drop of about 150 microns (micrometers) in diameter. Below this size, ie evaporation during the deposition of the solution of protein probe becomes too important and no longer allows the maintenance of protein probes, or the amount of protein probe is not sufficient to then allow a photodetection by chemiluminescence (or fluorescence). In the prior art, given the size of the pixels of a conventional biosensor, which is well below 150 μm, a drop of specific probe protein covers a plurality of pixels of a biosensor because of their small surface area, generally ten, and the electrical signals obtained by the plurality of pixels of the biosensor must be combined by a posteriori treatment to obtain a value effectively revealing the amount of target protein in the biological samples. is complex and may be erroneous In addition, in order to prevent fluorescent or chemiluminescent light sources from interfering between two drops of neighboring specific probe protein, probe protein drops must be spaced a sufficient distance apart. In general, this distance can be up to three times the size of a drop of probe protein, ie approximately 450 μm. a significant photosensitive surface is thus lost in the biosensor.
Conformément à un mode de réalisation préféré de l'invention, chaque pixel est avantageusement dédié à la détection d'une protéine cible particulière et présente une surface photosensible qui a des dimensions plus importantes que celles d'un imageur classique, adaptées à la taille d'une telle goutte. Chaque pixel présente par exemple une largeur de 150 μm ou plus (pour un pixel de forme carrée) correspondant à une surface de l'ordre de 25500 μm2 ou plus (soit 25500.10-12 m2 ou plus). Comme indiqué précédemment, cette surface minimale correspond à la taille d'une goutte de protéine sonde en deçà de laquelle soit l'évaporation lors du dépôt devient trop importante et ne permet plus le maintien de protéines sondes, soit la quantité de protéine sonde n'est pas suffisante pour permettre ensuite une photodétection par chimioluminescence ou par fluorescence. Sans ces contraintes, un pixel pourrait atteindre des dimensions largement inférieures, telles que 20 μm x 20 μm par exemple.According to a preferred embodiment of the invention, each pixel is advantageously dedicated to the detection of a particular target protein and has a photosensitive surface which has dimensions larger than those of a conventional imager, adapted to the size of a particular image. such a drop. Each pixel has, for example, a width of 150 μm or more (for a square-shaped pixel) corresponding to a surface of the order of 25500 μm 2 or more (ie 25500.10 -12 m 2 or more). As indicated above, this minimum surface corresponds to the size of a drop of probe protein below which either the evaporation during the deposition becomes too great and no longer allows the maintenance of protein probes, ie the amount of probe protein does not increase. is not sufficient to subsequently allow photodetection by chemiluminescence or fluorescence. Without these constraints, a pixel could reach much smaller dimensions, such as 20 microns x 20 microns, for example.
Ainsi, une goutte de protéine sonde 14 spécifique est disposée sur le substrat d'hydrogel 16 au dessus de chaque dispositif d'analyse biologique, c'est-à-dire sur chaque pixel 10g de la matrice du biocapteur de manière à éviter tout traitement a posteriori tel que cité précédemment.Thus, a drop of specific probe protein 14 is placed on the hydrogel substrate 16 above each biological analysis device, that is to say on each pixel 10 g of the biosensor matrix so as to avoid any post-treatment as mentioned above.
Le protocole de détection par chimioluminescence ou par fluorescence peut être aisément adapté au biocapteur représenté sur la figure 2, en considérant chaque pixel de ce biocapteur comme un dispositif d'analyse biologique tel que le dispositif d'analyse 10 précédemment décrit : dans ce cas, chaque pixel comporte son propre type de protéine sonde et la substance biologique éventuellement décomposée chimiquement est déposée sur toute la surface externe photosensible du biocapteur. En fin de protocole, la comparaison des valeurs d'intensité lumineuse obtenues pour chaque pixel (donc pour chaque type de protéine sonde de chaque pixel) avec une courbe d'étalonnage prédéterminée, ou déterminée en même temps que la mesure biologique, permet de quantifier une importante quantité de protéines distinctes de l'échantillon de substance biologique. Plus précisément, pour l'étalonnage des protéines à quantifier, une gamme de solutions protéiques de concentrations croissantes connues est systématiquement analysée par le biocapteur, dans les mêmes conditions qu'un test biologique réel. La valeur du pixel pour chacune des concentrations analysées est ensuite reportée sur un graphe en fonction de la concentration en protéine, ou stockée en mémoire sur le biocapteur. Lors du test biologique réel, il suffit alors de comparer la valeur de pixel obtenue avec le graphe précédemment tracé, ou avec la valeur précédemment stockée, pour obtenir une estimation de la concentration de la protéine cible dans l'échantillon biologique testé. Dépôt du mélange de captureThe chemiluminescence or fluorescence detection protocol can be easily adapted to the biosensor shown in FIG. 2, considering each pixel of this biosensor as a biological analysis device such as the analysis device 10 previously described: in this case, each pixel comprises its own type of probe protein and the biological substance, optionally chemically decomposed, is deposited on the entire photosensitive outer surface of the biosensor. At the end of the protocol, the comparison of the light intensity values obtained for each pixel (and therefore for each type of probe protein of each pixel) with a predetermined calibration curve, or determined at the same time as the biological measurement, makes it possible to quantify a significant amount of proteins distinct from the biological sample. More precisely, for the calibration of the proteins to be quantified, a range of protein solutions of known increasing concentrations is systematically analyzed by the biosensor, under the same conditions as a real biological test. The value of the pixel for each of the analyzed concentrations is then plotted on a graph as a function of the protein concentration, or stored in memory on the biosensor. During the actual biological test, it is then sufficient to compare the obtained pixel value with the graph previously plotted, or with the value previously stored, to obtain an estimate of the concentration of the target protein in the biological sample tested. Deposit of the capture mixture
Un mode de réalisation de certaines étapes d'un procédé de fabrication d'un dispositif d'analyse biologique selon l'invention va maintenant être décrit en référence aux figures 3a, 3b et 3c. Ces étapes visent le dépôt d'une couche du mélange de capture 12 sur la surface externe 22 de la couche photosensible 20.An embodiment of certain steps of a method for manufacturing a biological analysis device according to the invention will now be described with reference to FIGS. 3a, 3b and 3c. These steps are aimed at depositing a layer of the capture mixture 12 on the outer surface 22 of the photosensitive layer 20.
Comme représenté sur la figure 3a, lors d'une première étape S100, on fournit un ensemble électronique CMOS comprenant une couche photosensible 20 et des moyens électroniques 24 de lecture et de traitement d'une grandeur électrique fournie par la couche photosensible 20 (Fig. 1 ). La surface externe 22 de la couche photosensible comporte éventuellement un revêtement hydrophobe, par exemple de type Si3N4 qui sera décrit plus loin.As shown in FIG. 3a, during a first step S100, a CMOS electronic assembly is provided comprising a photosensitive layer 20 and electronic means 24 for reading and processing an electrical quantity supplied by the photosensitive layer 20 (FIG. 1). The outer surface 22 of the photosensitive layer optionally comprises a hydrophobic coating, for example of the Si 3 N 4 type which will be described later.
Ensuite, lors d'une étape S102, la surface externe 22 de la couche photosensible 20 de l'ensemble électronique CMOS est nettoyée par rinçages successifs à l'eau déminéralisée, à l'acétone et à l'éthanol absolu dans un bain à ultrasons.Then, during a step S102, the outer surface 22 of the photosensitive layer 20 of the CMOS electronic assembly is cleaned by successive rinsing with demineralised water, acetone and absolute ethanol in an ultrasonic bath .
Au cours d'une étape S104, la surface externe 22 est oxydée sous l'action d'un plasma ozone, par exemple pendant 15 minutes, puis traité par une solution de KOH 2.2M dans un mélange aqueux, par exemple un mélange H2O/EtOH (2 :3), par exemple pendant 3 heures à température ambiante.During a step S104, the outer surface 22 is oxidized under the action of an ozone plasma, for example for 15 minutes, and then treated with a 2.2M solution of KOH in an aqueous mixture, for example an H 2 mixture. O / EtOH (2: 3), for example for 3 hours at room temperature.
Au cours d'une étape S106, l'ensemble électronique CMOS est ensuite immergé successivement dans l'eau déminéralisée puis dans l'éthanol absolu sous ultrasons avant d'être séché sous flux d'Argon. Au cours d'une étape S108, des résidus silanols 32 formés sur la surface externe 22 sont silanisés par une solution d'APTES dans de l'éthanol 0.4M, par exemple pendant 12 à 20 heures, à température ambiante et sous atmosphère inerte (Argon).During a step S106, the CMOS electronic assembly is then immersed successively in demineralized water and then in absolute ethanol under ultrasound before being dried under an Argon flux. During a step S108, silanol residues 32 formed on the outer surface 22 are silanized with a solution of APTES in 0.4M ethanol, for example for 12 to 20 hours, at room temperature and under an inert atmosphere ( Argon).
Puis l'ensemble électronique CMOS est à nouveau lavé plusieurs fois à l'eau déminéralisée dans un bain à ultrasons, rincé à l'éthanol absolu et séché sous flux d'Argon.Then the CMOS electronic assembly is again washed several times with demineralized water in an ultrasonic bath, rinsed with absolute ethanol and dried under a stream of Argon.
Il est ensuite chauffé, par exemple à 85°C, pendant plusieurs heures, par exemple 5 heures, puis maintenu sous atmosphère inerte au cours d'une étape S110, pour obtenir finalement une surface externe silanisée 34. Comme représenté sur la figure 3b, un hydrogel 16, 18, par exemple du Dextran (0.5 g, poids moléculaire d'environ 100 kiloDalton), est dissout dans 50 ml d'eau déminéralisée, puis traité par une solution de NaIO4 0.1 M dont le volume est ajusté afin d'obtenir un mélange de ratio molaire entre les moles de NaIO4 et les moles de glucose monomère du Dextran de l'ordre de 50%, lors d'une étape S112. On remarque en effet sur la figure 3b que le Dextran est un polymère dont le motif de base est un dérivé du glucose : il s'agit donc d'ajuster le volume de solution de NaIO4 0.1 M de sorte que l'on ait deux fois plus de molécules du motif de base du Dextran que de molécules de NaIO4. On obtient ainsi l'ouverture d'un motif de base sur deux dans le Dextran, comme illustré en sortie de l'étape S112 sur la figure 3b. Le mélange réactionnel est protégé de la lumière et agité vigoureusement pendant plusieurs heures à température ambiante, par exemple 20 heures, de manière à obtenir du Dextran oxydé 36.It is then heated, for example at 85 ° C., for several hours, for example 5 hours, and then maintained under an inert atmosphere during a step S110, to finally obtain a silanized external surface 34. As represented in FIG. 3b, a hydrogel 16, 18, for example Dextran (0.5 g, molecular weight of approximately 100 kiloDaltons), is dissolved in 50 ml of demineralised water, and then treated with a solution of 0.1M NaIO 4 , the volume of which is adjusted in order to to obtain a mixture of molar ratio between the moles of NaIO 4 and the moles of dextran monomer glucose of the order of 50%, during a step S112. Note in fact in FIG. 3b that Dextran is a polymer whose base unit is a derivative of glucose: it is therefore a question of adjusting the volume of NaIO 4 0.1 M solution so that there are two times more molecules of the base motif of Dextran than of molecules of NaIO 4 . This results in the opening of every second base pattern in the Dextran, as illustrated at the output of step S112 in FIG. 3b. The reaction mixture is protected from light and stirred vigorously for several hours at room temperature, for example 20 hours, to obtain oxidized Dextran 36.
Ensuite, lors d'une étape S114, la surface externe silanisée 34 est traitée par la solution de Dextran oxydé 36 fraîchement préparé. La réaction est agitée à température ambiante et à l'abri de la lumière pendant 48 heures par exemple.Then, in a step S114, the silanized outer surface 34 is treated with the freshly prepared oxidized Dextran solution 36. The reaction is stirred at room temperature and protected from light for 48 hours for example.
Le mélange réactionnel est ensuite purgé lors d'une étape S116 et l'ensemble électronique CMOS traité par une solution aqueuse de NaBH3CN 0.1 M pendant par exemple 3 heures afin de réduire des bases de Schiff formées. Après aspiration de la suspension, l'ensemble électronique CMOS est rincé intensivement à l'eau déminéralisée puis à l'éthanol, et séché sous flux d'Argon, de manière à obtenir un hydrogel greffé 38.The reaction mixture is then purged in a step S116 and the CMOS electronic assembly treated with an aqueous solution of 0.1M NaBH 3 CN for, for example, 3 hours in order to reduce formed Schiff bases. After aspiration of the suspension, the CMOS electronic assembly is rinsed intensively with deionized water and then with ethanol, and dried under an Argon flux, so as to obtain a grafted hydrogel 38.
Comme représenté sur la figure 3c, l'hydrogel greffé 38 est ensuite carboxylé et activé. Pour ce faire, lors d'une étape S118, il est traité par une solution de BrCH2COOH 0.1 M dans du NaOH 2M pendant par exemple 16 heures à température ambiante et sous Argon. Une fois cette oxydation terminée, le mélange réactionnel est purgé et le capteur rincé à l'eau déminéralisée et à l'éthanol, puis séché sous flux d'Argon. Les résidus carboxylates formés 40 sont alors activés en esters au cours d'une étape S120, par exemple au moyen d'une solution aqueuse d'EDC (0.2 M) / NHS (50 mM), et ce par exemple pendant 15 minutes à température ambiante. L'ensemble électronique CMOS est ensuite abondamment rincé à l'eau. Enfin, lors d'une dernière étape S122, une solution appropriée de la protéine d'intérêt (protéine sonde) est greffée dans l'hydrogel activé.As shown in Figure 3c, the grafted hydrogel 38 is then carboxylated and activated. To do this, during a step S118, it is treated with a solution of BrCH 2 COOH 0.1 M in 2M NaOH for for example 16 hours at room temperature and under Argon. Once this oxidation is complete, the reaction mixture is purged and the sensor rinsed with deionized water and ethanol, and then dried under an Argon flow. The carboxylate residues formed are then activated in esters during a step S120, for example using an aqueous solution of EDC (0.2 M) / NHS (50 mM), for example for 15 minutes at room temperature. room. The CMOS electronic assembly is then thoroughly rinsed with water. Finally, in a last step S122, an appropriate solution of the protein of interest (protein probe) is grafted into the activated hydrogel.
Pour réaliser la fabrication d'un biocapteur complet comme celui représenté sur la figure 2, il convient d'exécuter les étapes S100 à S120 sur l'ensemble des pixels de ce biocapteur. Enfin, la dernière étape S122 est appliquée différemment à chaque pixel, pour le greffage d'une goutte de protéine sonde spécifique sur le substrat d'hydrogel activé au dessus de ce pixel.To produce a complete biosensor as shown in FIG. 2, steps S100 to S120 must be performed on all the pixels of this biosensor. Finally, the last step S122 is applied differently to each pixel, for the grafting of a drop of specific probe protein on the activated hydrogel substrate above this pixel.
On prendra note des abréviations usuelles utilisées ci-dessus : (CH3)2O : Acétone C2H5OH ou EtOH : Ethanol 03 : OzoneWe will take note of the usual abbreviations used above: (CH3) 2O: Acetone C2H5OH or EtOH: Ethanol 03: Ozone
KOH : Hydroxyde de potassium NaOH : Hydroxyde de sodium H20 : Eau Ar : ArgonKOH: Potassium Hydroxide NaOH: Sodium Hydroxide H20: Ar Water: Argon
"APTES" : 3-Aminopropyltriethoxysilane ou (H2N(CH2)3Si (OEt)3 )"APTES": 3-Aminopropyltriethoxysilane or (H2N (CH2) 3Si (OEt) 3)
NalO4 : Periodate de sodiumNalO4: Sodium periodate
NaBH3CN : Cyanoborohydrure de sodiumNaBH3CN: Sodium cyanoborohydride
BrCH2COOH : Acide bromoacétique EDC : Hydrochlorure de 1-(3-dimethylaminopropyl)-3-ethylcarbodiimide NHS : N-Hydroxysuccinimide.BrCH2COOH: Bromoacetic acid EDC: 1- (3-Dimethylaminopropyl) -3-ethylcarbodiimide hydrochloride NHS: N-Hydroxysuccinimide.
On décrira maintenant des perfectionnements d'un dispositif d'analyse biologique et d'un biocapteur selon l'invention ou d'un procédé de fabrication d'un tel biocapteur. Ces perfectionnements peuvent être mis en œuvre séparément ou en combinaison, au choix de l'homme de l'art en fonction du résultat visé et des contraintes économiques ou techniques qui devront éventuellement être prises en compte pour la réalisation de biocapteurs selon l'invention.We will now describe improvements of a biological analysis device and a biosensor according to the invention or a method of manufacturing such a biosensor. These improvements can be implemented separately or in combination, at the choice of the person skilled in the art depending on the desired result and economic or technical constraints that may need to be taken into account for the production of biosensors according to the invention.
Prévision d'une structure de pixel différentiel Dans le dispositif d'analyse biologique 10 décrit précédemment, la couche photosensible 20 comporte par exemple une région dopée au sein du substrat semi-conducteur 25 (Fig. 1). L'énergie d'un photon incident extrait des électrons d'atomes situés dans la couche photosensible 20, générant ainsi une charge et donc un courant. La couche photosensible 20 du dispositif d'analyse biologique 10 utilise un champ électrique à une jonction P-N pour provoquer la séparation d'un ion et d'un photoélectron et prévenir d'une recombinaison et perte de signal. Cependant, ces jonctions P- N présentent un petit courant de perte que la couche photosensible 20 ne peut pas distinguer d'un courant qui serait effectivement généré par une intensité lumineuse incidente, en l'occurrence par chimioluminescence ou par fluorescence. Ce courant de perte est présent également dans l'obscurité, de sorte qu'il est couramment appelé courant d'obscurité. Le terme d'obscurité doit être compris comme étant une condition dans laquelle une intensité lumineuse incidente est soit absente, soit ne cause pas la photo-génération de charges dans la couche photosensible 20 du dispositif d'analyse biologique 10. Ceci peut être dû à une protection de la couche photosensible empêchant le passage de lumière incidente, ou au maintien de la couche photosensible 20 à un certain potentiel, par exemple un potentiel d'initialisation, qui empêche l'accumulation de charges. Ce courant d'obscurité est un facteur limitant de la performance du dispositif d'analyse biologique 10 ou plus généralement d'un biocapteur de type CMOS. Le courant d'obscurité dépend fortement de la température et est donc difficile à compenser. Il varie également considérablement avec toute absence d'uniformité dans les gradients de dopage. Tout perfectionnement visant à supprimer ce courant d'obscurité est particulièrement avantageuse pour le dispositif d'analyse biologique ou le biocapteur précité, étant donné que l'intensité lumineuse émise par chimioluminescence ou par fluorescence est en général très faible. Dans ce type d'application, il est important que le dispositif d'analyse biologique ou le biocapteur soit très sensible.Prediction of a Differential Pixel Structure In the biological analysis device 10 described above, the photosensitive layer 20 comprises for example a doped region within the semiconductor substrate 25 (FIG 1). The energy of an incident photon extracts electrons from atoms in the photosensitive layer 20, thereby generating a charge and therefore a current. The photosensitive layer 20 of the biological analysis device 10 uses an electric field at a PN junction to cause the separation of an ion and a photoelectron and to prevent recombination and loss of signal. However, these P-N junctions have a small loss current that the photosensitive layer 20 can not distinguish from a current that would actually be generated by incident light intensity, in this case chemiluminescence or fluorescence. This loss current is also present in the dark, so it is commonly called dark current. The term darkness is to be understood as a condition in which an incident light intensity is either absent or does not cause photo-generation of charges in the photosensitive layer 20 of the device This may be due to a protection of the photosensitive layer preventing the passage of incident light, or to the maintenance of the photosensitive layer 20 at a certain potential, for example an initialization potential, which prevents the accumulation of light. loads. This dark current is a limiting factor of the performance of the biological analysis device 10 or more generally of a CMOS biosensor. The dark current strongly depends on the temperature and is therefore difficult to compensate. It also varies considerably with any lack of uniformity in the doping gradients. Any improvement aimed at suppressing this dark current is particularly advantageous for the biological analysis device or the aforementioned biosensor, since the luminous intensity emitted by chemiluminescence or fluorescence is generally very low. In this type of application, it is important that the biological analysis device or the biosensor is very sensitive.
La figure 4a est un schéma électrique représentant un mode de réalisation du dispositif d'analyse biologique 10 ayant une sensibilité améliorée.Fig. 4a is an electrical diagram showing an embodiment of the biological analysis device 10 having improved sensitivity.
Le dispositif d'analyse biologique 10 comprend une couche photosensible 20 comportant une première portion photosensible 42 et une seconde portion photosensible 44. Les portions photosensibles 42, 44 émettent des signaux appliqués aux moyens électroniques 24 de lecture et de traitement. Dans cet exemple de réalisation, le signal fourni par la portion photosensible 42 est appliqué à une entrée négative 46 d'un amplificateur opérationnel 50 et le signal fourni par la portion photosensible 44 est appliqué à une entrée positive 48 de l'amplificateur 50. Les portions photosensibles sont représentées par des photodiodes, mais tout autre type de capteur photosensible peut être utilisé.The biological analysis device 10 comprises a photosensitive layer 20 comprising a first photosensitive portion 42 and a second photosensitive portion 44. The photosensitive portions 42, 44 emit signals applied to the electronic reading and processing means 24. In this exemplary embodiment, the signal supplied by the photosensitive portion 42 is applied to a negative input 46 of an operational amplifier 50 and the signal supplied by the photosensitive portion 44 is applied to a positive input 48 of the amplifier 50. Photosensitive portions are represented by photodiodes, but any other type of photosensitive sensor may be used.
La première portion photosensible 42 est apte à détecter une intensité lumineuse incidente provenant du mélange de capture 12 (Fig. 1 ) par effet de chimioluminescence ou de fluorescence, tandis que la seconde portion photosensible 44 est protégée contre l'intensité lumineuse incidente provenant du mélange de capture 12 ou de toute autre source d'intensité lumineuse. Bien que la seconde portion photosensible 44 soit protégée contre toute source d'intensité lumineuse, elle est toujours qualifiée de « photosensible » en ce qu'elle présente les mêmes caractéristiques matérielles et électriques que la première portion photosensible 42. Ainsi, si elle n'était pas protégée de la lumière, elle générerait, comme la première portion photosensible 42, une charge en réponse à toute lumière incidente. Par exemple, chacune des première et seconde portions photosensibles peut comprendre des photodiodes qui, dans un mode de réalisation de l'invention, peuvent être de forme identique. Une protection opaque indépendante est alors formée au-dessus de la seconde portion photosensible 44. Par souci de clarté dans la suite de la description, la première portion photosensible 42 sera qualifiée de portion photosensible « éclairée », tandis que la seconde portion photosensible 44 sera qualifiée de portion photosensible placée dans l'obscurité. Le dispositif d'analyse biologique 10 ainsi réalisé peut alors être qualifié de "pixel différentiel" par opposition à des pixels ne présentant pas ces deux portions photosensibles dont l'une est, par construction, protégée de la lumière incidente.The first photosensitive portion 42 is able to detect an incident light intensity from the capture mixture 12 (FIG 1) by chemiluminescence or fluorescence effect, while the second photosensitive portion 44 is protected against the incident light intensity from the mixture capture 12 or any other source of light intensity. Although the second photosensitive portion 44 is protected against any source of light intensity, it is still described as "photosensitive" in that it has the same material and electrical characteristics as the first photosensitive portion 42. was not protected from light, it would generate, as the first photosensitive portion 42, a charge in response to any incident light. For example, each of the first and second photosensitive portions may comprise photodiodes which, in one embodiment of the invention, may be of identical shape. An independent opaque protection is then formed above the second photosensitive portion 44. For the sake of clarity in the following description, the first photosensitive portion 42 will be qualified as "illuminated" photosensitive portion, while the second photosensitive portion 44 will be qualified as a photosensitive portion placed in the dark. The biological analysis device 10 thus produced can then be described as a "differential pixel" as opposed to pixels that do not have these two photosensitive portions, one of which is, by construction, protected from incident light.
La protection appliquée à la portion photosensible placée dans l'obscurité 44 est obtenue à l'aide de moyens mécaniques, par exemple par dépôt d'un métal ou d'une autre substance opaque au dessus de cette portion photosensible 44, soit directement sur sa surface externe, soit en tant que couche espacée de la surface externe de la portion photosensible 44 à l'aide d'une couche de passivation appropriée. Une couche métallique ou autre espacée de la surface externe par une couche de passivation est avantageuse pour réduire la capacité de couplage entre la protection métallique et la photodiode de la portion photosensible placée dans l'obscurité 44. En revanche, ce type de protection n'empêche pas le passage d'une intensité lumineuse arrivant par les côtés. De façon alternative, la couche opaque peut être supprimée et remplacée par une barrière mécanique érigée entre la portion photosensible éclairée 42 et la portion photosensible placée dans l'obscurité 44, de sorte que le mélange de capture 12 soit contraint de rester au-dessus de la portion photosensible éclairée 42 sans déborder sur la portion photosensible placée dans l'obscurité 44. Par conséquent, la sortie de la portion photosensible placée dans l'obscurité 44 représente uniquement un courant d'obscurité dans le sens où aucune réaction de chimioluminescence ou de fluorescence ayant lieu dans le mélange de capture 12 ne génère d'intensité lumineuse susceptible d'être captée par la portion photosensible placée dans l'obscurité 44.The protection applied to the photosensitive portion placed in the dark 44 is obtained using mechanical means, for example by depositing a metal or other opaque substance above this photosensitive portion 44, or directly on its outer surface, either as a layer spaced from the outer surface of the photosensitive portion 44 with a suitable passivation layer. A metal layer or other spaced from the outer surface by a passivation layer is advantageous for reducing the coupling capacity between the metal shield and the photodiode of the photosensitive portion placed in the dark 44. On the other hand, this type of protection does not does not prevent the passage of a light intensity coming from the sides. Alternatively, the opaque layer can be removed and replaced by a mechanical barrier erected between the illuminated photosensitive portion 42 and the light-sensitive portion 44 in the dark, so that the capture mixture 12 is forced to remain above the illuminated photosensitive portion 42 without overflowing on the photosensitive portion placed in the dark 44. Therefore, the output of the photosensitive portion placed in the dark 44 represents only a dark current in the sense that no chemiluminescence or fluorescence reaction taking place in the capture mixture 12 generates a light intensity that can be captured by the photosensitive portion placed in the light. obscurity 44.
De façon alternative également, la protection mécanique peut prendre la forme d'un boîtier opaque du dispositif d'analyse biologique 10 qui peut comporter plusieurs portions de boîtier disposées de manière à couvrir une surface appropriée pour définir la portion photosensible placée dans l'obscurité 44.Alternatively, the mechanical protection may take the form of an opaque housing of the biological analysis device 10 which may have a plurality of housing portions arranged to cover a suitable surface to define the photosensitive portion placed in the dark. .
Chaque portion photosensible 42, 44 de la couche photosensible 20 est connectée à une tension d'initialisation VRT par l'intermédiaire de commutateurs MOS respectifs 52 et 54. Ces commutateurs MOS 52 et 54 sont représentés sur la figure 4 en tant que transistors NMOS mais pourraient être réalisés à partir de transistors PMOS ou tout autre type de commutateur approprié. Un commutateur d'initialisation 56 est aussi fourni en parallèle d'une capacité de rétroaction Cfb portant la référence 58 disposée elle aussi en parallèle entre la sortie et l'entrée négative 46 de l'amplificateur opérationnel 50. Le commutateur d'initialisation 56 peut être commandé sélectivement pour décharger l'amplificateur opérationnel 50.Each photosensitive portion 42, 44 of the photosensitive layer 20 is connected to a VRT initialization voltage via respective MOS switches 52 and 54. These MOS switches 52 and 54 are shown in FIG. 4 as NMOS transistors but could be made from PMOS transistors or any other type of suitable switch. An initialization switch 56 is also provided in parallel with a reference capacitance Cfb 58 also arranged in parallel between the output and the negative input 46 of the operational amplifier 50. The initialization switch 56 may be selectively controlled to discharge the operational amplifier 50.
Il est important d'assurer que la portion photosensible éclairée 42 et la portion photosensible placée dans l'obscurité 44 soient aussi semblables que possible de manière à générer des courants d'obscurité les plus semblables possible. Les contraintes imposant cela, ainsi que les différentes options pour leur arrangement vont être détaillées ci-dessous.It is important to ensure that the illuminated light-sensitive portion 42 and the dark-light-sensitive portion 44 are as similar as possible so as to generate the most similar dark currents possible. The constraints imposing this, as well as the different options for their arrangement will be detailed below.
Pour cela, une capacité ajustable Cs portant la référence 59 est ajoutée entre la masse et l'entrée positive 48 de l'amplificateur opérationnel 50.For this, an adjustable capacitor Cs bearing the reference 59 is added between the ground and the positive input 48 of the operational amplifier 50.
Sur la figure 4a, les portions photosensibles 42 et 44 sont modélisées à l'aide de leurs capacités intrinsèques respectives Cpd1 portant la référence 42a et Cpd2 portant la référence 44a ainsi que de leurs sources de courant respectives portant les références 42b et 44b. Pour la portion photosensible éclairée 42, la source de courant vaut Iph + Id1 , où Iph est le courant généré par effet de chimioluminescence ou de fluorescence et Id1 le courant d'obscurité, à travers la photodiode. Pour la portion photosensible placée dans l'obscurité 44, la source de courant comporte uniquement Id2, c'est-à- dire le courant d'obscurité qui la traverse.In FIG. 4a, the photosensitive portions 42 and 44 are modeled using their respective intrinsic capacities Cpd1 bearing the reference 42a and Cpd2 bearing the reference 44a as well as their respective current sources bearing the references 42b and 44b. For the illuminated photosensitive portion 42, the current source is Iph + Id1, where Iph is the current generated by chemiluminescence or fluorescence effect and Id1 the dark current, through the photodiode. For the photosensitive portion placed in the dark 44, the current source comprises only Id2, that is to say the dark current that passes through it.
Au niveau de l'entrée positive 48 de l'amplificateur opérationnel 50, les valeurs de courant et de tension impliquent l'équation suivante :At the positive input 48 of the operational amplifier 50, the current and voltage values imply the following equation:
(Cpd2 + Cs)(δVINP/δt) + Id2 = 0 (équation 1)(Cpd2 + Cs) (δVINP / δt) + Id2 = 0 (Equation 1)
Au niveau de l'entrée négative 46 de l'amplificateur opérationnel 50, les valeurs de courant et de tension impliquent l'équation suivante :At the negative input 46 of the operational amplifier 50, the current and voltage values imply the following equation:
- Cpd1 δVINN/δt + Cfb(δVOUT/δt - δVINN/δt ) - (Iph + IdI) = O- Cpd1 δVINN / δt + Cfb (δVOUT / δt - δVINN / δt) - (Iph + IdI) = O
(équation 2)(equation 2)
En réarrangeant l'équation précédente, on obtient l'équation suivante :By rearranging the previous equation, we obtain the following equation:
(Iph + Id1) + (Cpd1 + Cfb)δVINN/δt - Cfb δVOUT/δt = 0 (équation 3)(Iph + Id1) + (Cpd1 + Cfb) δVINN / δt - Cfb δVOUT / δt = 0 (equation 3)
En sortie de l'amplificateur opérationnel 50, on a, dans le cas général, la relation suivante :At the output of the operational amplifier 50, there is, in the general case, the following relation:
δVOUT / δt = (IPH (Cs+Cpd2) + Id1 (Cs + Cpd2) - Id2 (Cpd1 + Cfb)) / (Cfb(Cs + Cpd2)) (équation 4)δVOUT / δt = (IPH (Cs + Cpd2) + Id1 (Cs + Cpd2) - Id2 (Cpd1 + Cfb)) / (Cfb (Cs + Cpd2)) (equation 4)
A partir de l'équation 4, on en déduit que dans le cas général, l'effet du courant d'obscurité sur la tension de sortie peut être supprimé si la relation suivante est vérifiée :From equation 4 it follows that in the general case the effect of the dark current on the output voltage can be suppressed if the following relation is satisfied:
)d1 (Cs + Cpd2) = Id2 (Cpd1 + Cfb) (équation 5)d1 (Cs + Cpd2) = Id2 (Cpd1 + Cfb) (Equation 5)
En particulier, l'équation 5 peut être satisfaite, et l'effet du courant d'obscurité annulé, si :In particular, equation 5 can be satisfied, and the effect of the dark current canceled, if:
Id1 = Id2 et (Cs + Cpd2) = (Cpd1 + Cfb) (équation 6) En d'autres termes, on déduit des équations 5 et 6 que l'effet du courant d'obscurité est annulé lorsque le produit entre le courant d'obscurité dans la portion photosensible éclairée 42 et la somme de la capacité ajustable 59 et de la capacité intrinsèque de la portion photosensible placée dans l'obscurité 44 est égal au produit entre le courant d'obscurité dans la portion photosensible placée dans l'obscurité 44 et la somme de la capacité de rétroaction 58 de l'amplificateur opérationnel 50 et de la capacité intrinsèque de la portion photosensible éclairée 42. En particulier, l'effet du courant d'obscurité est annulé dans la tension de sortie, si le courant d'obscurité est le même dans les deux portions photosensibles 42 et 44 et si la somme de la capacité ajustable 59 et de la capacité intrinsèque de la portion photosensible placée dans l'obscurité 44 est égale à la somme de la capacité de rétroaction 58 de l'amplificateur opérationnel 50 et de la capacité intrinsèque de la portion photosensible éclairée 42. En outre, l'amplificateur opérationnel 50 peut-être conçu de manière à présenter un taux de réjection de mode commun à entrée élevée pour que les signaux qui apparaissent sur chaque sortie soient ignorés. Cela signifie que tout bruit sur la masse est ignoré et n'apparaît pas en sortie.Id1 = Id2 and (Cs + Cpd2) = (Cpd1 + Cfb) (Equation 6) In other words, it is deduced from equations 5 and 6 that the effect of the dark current is canceled when the product enters the dark current in the illuminated light-sensitive portion 42 and the sum of the adjustable capacitance 59 and the intrinsic capacity of the dark-light-sensitive portion 44 is equal to the product between the dark current in the dark-light-sensitive portion 44 and the sum of the feedback capacitance 58 of the operational amplifier 50 and the intrinsic capacity of the illuminated photosensitive portion 42. In particular, the effect of the dark current is canceled in the output voltage, if the dark current is the same in both the photosensitive portions 42 and 44 and if the sum of the adjustable capacity 59 and the intrinsic capacitance of the dark-light-sensitive portion 44 is equal to the sum of the feedback capacitance 58 of the operational amplifier 50 and the In addition, the operational amplifier 50 may be designed to have a high input common mode rejection ratio so that the signals that appear on each output are ignored. This means that any noise on the mass is ignored and does not appear on the output.
Sur cette base, il y a plusieurs options pour concevoir un dispositif d'analyse biologique 10 correspondant à celui de la figure 4. La première est d'imposer des portions photosensibles 42 et 44 identiques et de régler la capacité ajustable 59 de manière à vérifier l'égalité (Cs + Cpd2) = (Cpd1 + Cf b). En supposant que Cpd1 = Cpd2, cela revient à régler la capacité ajustable 59 Cs à la capacité de rétroaction 58 Cfb. Plusieurs techniques permettant d'assurer une correspondance des portions photosensibles vont être discutées ci-dessous.On this basis, there are several options for designing a biological analysis device 10 corresponding to that of FIG. 4. The first is to impose identical photosensitive portions 42 and 44 and to adjust the adjustable capacity 59 so as to verify the equality (Cs + Cpd2) = (Cpd1 + Cf b). Assuming that Cpd1 = Cpd2, this amounts to setting the adjustable capacity 59 Cs to the feedback capability 58 Cfb. Several techniques for matching photosensitive portions will be discussed below.
Il peut être noté que le courant d'obscurité est très sensible au profil et aux niveaux précis de dopage d'un substrat dans lequel il circule, alors qu'en fait il existe généralement une différence sur ces paramètres entre pixels voisins d'une matrice de pixels ou même entre deux portions photosensibles d'un même pixel.It can be noted that the dark current is very sensitive to the profile and precise levels of doping of a substrate in which it flows, whereas in fact there is usually a difference in these parameters between adjacent pixels of a matrix. pixels or even between two photosensitive portions of the same pixel.
Une autre complication vient des différences structurelles entre la capacité ajustable Cs, d'une part, et la capacité de rétroaction Cfb, d'autre part. La capacité ajustable Cs a notamment une borne connectée à la masse alors que l'amplificateur opérationnel 50 requiert que les deux bornes du condensateur Cfd soient flottantes. Puisque ces structures sont différentes, il est difficile de les faire se correspondre.Another complication comes from the structural differences between the adjustable capacity Cs, on the one hand, and the feedback capability Cfb, on the other hand. The adjustable capacitor Cs has in particular a terminal connected to the ground whereas the operational amplifier 50 requires that the two terminals of the capacitor Cfd be floating. Since these structures are different, it is difficult to match them.
L'équation 5 montre que, même si les courants Id1 et Id2 ne correspondent pas, l'effet du courant d'obscurité peut toujours être annulé tant que les produits Id1 (Cs + Cpd2) et Id2 (Cpd1 + Cfb) sont égaux.Equation 5 shows that, even if the currents Id1 and Id2 do not match, the effect of the dark current can always be canceled as long as the products Id1 (Cs + Cpd2) and Id2 (Cpd1 + Cfb) are equal.
La figure 4b représente un mode de réalisation d'un dispositif d'analyse biologique 10 qui comporte des moyens pour réaliser la capacité ajustable Cs et annuler l'effet du courant d'obscurité même si les courants Id1 et Id2 ne sont pas égaux. Sur cette figure, les éléments identiques à ceux représentés sur la figure 4a comportent les mêmes références.FIG. 4b shows an embodiment of a biological analysis device 10 which comprises means for realizing the adjustable capacitance Cs and canceling the effect of the dark current even if the currents Id1 and Id2 are not equal. In this figure, the elements identical to those shown in Figure 4a have the same references.
La différence entre les deux figures réside dans la configuration de la capacité ajustable Cs, qui n'est pas représentée ici comme un seul condensateur 59, mais comme une pluralité de condensateurs 59a, 59b, 59c disposés en parallèle entre la masse et l'entrée positive 48 de l'amplificateur opérationnel 50. Une capacité d'entrée positive de base CsO (condensateur 59a) est connectée entre la masse et l'entrée positive 48 de l'amplificateur opérationnel 50. Des capacités d'entrée positive optionnelles Cs1 (condensateur 59b) et Cs2 (condensateur 59c) sont connectables sélectivement en parallèle, à l'aide de commutateurs D1 et D2. La capacité de rétroaction de base CsO présente une valeur inférieure à celle de Cfb. Bien entendu, seules trois capacités de rétroaction ont été représentées sur la figure 4b à titre purement illustratif et non limitatif, alors qu'un plus grand nombre peut être également prévu. Ainsi, dans un mode de réalisation, les valeurs de CsO, Cs1 et Cs2 sont choisies pour que Cs1 = Cs2 et CsO + Cs1 = Cfb.The difference between the two figures lies in the configuration of the adjustable capacitor Cs, which is not represented here as a single capacitor 59, but as a plurality of capacitors 59a, 59b, 59c arranged in parallel between the mass and the input positive 48 of the operational amplifier 50. A basic positive input capacitance CsO (capacitor 59a) is connected between the ground and the positive input 48 of the operational amplifier 50. Optional positive input capacitors Cs1 (capacitor 59b) and Cs2 (capacitor 59c) are selectively connectable in parallel, using switches D1 and D2. The basic feedback capacity CsO has a lower value than Cfb. Of course, only three feedback capabilities have been shown in Figure 4b for purely illustrative and non-limiting, while a larger number may also be provided. Thus, in one embodiment, the values of Cs0, Cs1 and Cs2 are chosen so that Cs1 = Cs2 and CsO + Cs1 = Cfb.
Par conséquent, si le courant d'obscurité Id1 est légèrement supérieur au courant d'obscurité Id2, alors pour maintenir l'égalité prévue par l'équation 5, Cs doit être inférieur à Cfb. Ceci est obtenu en laissant les interrupteurs D1 et D2 ouverts, de sorte que la capacité ajustable Cs est fournie par CsO seulement, qui est inférieure à Cfb.Therefore, if the dark current Id1 is slightly higher than the dark current Id2, then to maintain the equality provided by Equation 5, Cs must be less than Cfb. This is achieved by leaving the switches D1 and D2 open, so that the adjustable capacitance Cs is provided by CsO only, which is less than Cfb.
Si les deux courants d'obscurité Id1 et Id2 sont identiques, alors on ouvre le commutateur D1 et on ferme le commutateur D2. Il en résulte que la capacité ajustable Cs résultante aux bornes de l'amplificateur opérationnel 50 vaut Cs = CsO + Cs1 = Cfb. Si le courant d'obscurité Id 1 est légèrement inférieur au courant d'obscurité Id2, alors pour maintenir l'égalité prévue par l'équation 5, Cs doit être supérieur à Cfb. Ceci est obtenu en fermant les interrupteurs D1 et D2, de sorte que la capacité ajustable Cs est fournie par CsO + Cs1 + Cs2. Cette méthode peut aussi être appliquée dans le cas où, même lorsque les courants d'obscurité des deux portions photosensibles 42 et 44 sont identiques, on souhaite tolérer un petit écart entre les valeurs des capacités Cfb et CsO.If the two dark currents Id1 and Id2 are identical, then the switch D1 is opened and the switch D2 is closed. As a result, the resulting adjustable capacitor Cs across the operational amplifier 50 is Cs = Cs0 + Cs1 = Cfb. If the dark current Id 1 is slightly lower than the dark current Id 2, then to maintain the equality provided by Equation 5, Cs must be greater than Cfb. This is achieved by closing the switches D1 and D2, so that the adjustable capacitance Cs is provided by CsO + Cs1 + Cs2. This method can also be applied in the case where, even when the dark currents of the two photosensitive portions 42 and 44 are identical, it is desired to tolerate a small difference between the capacitance values Cfb and CsO.
Dans un mode de réalisation, chaque capacité de la pluralité de condensateurs disposés en parallèle a une même valeur commune, de sorte que la capacité ajustable Cs réellement appliquée à l'entrée positive de l'amplificateur opérationnel 50 peut être incrémentée d'une valeur constante. Le nombre de condensateurs dans cette pluralité de condensateurs disposés en parallèle peut être augmenté, de manière à augmenter la résolution ou l'amplitude des variations qui peuvent être envisagées.In one embodiment, each capacitor of the plurality of capacitors arranged in parallel has the same common value, so that the adjustable capacitor Cs actually applied to the positive input of the operational amplifier 50 can be incremented by a constant value. . The number of capacitors in this plurality of capacitors arranged in parallel can be increased, so as to increase the resolution or amplitude of the variations that can be envisaged.
De façon alternative, les capacités de la pluralité de condensateurs disposés en parallèle peuvent avoir des valeurs différentes de manière à augmenter la flexibilité de l'ensemble. Un mode de réalisation préféré consiste à introduire un facteur deux entre chaque capacité optionnelle successive de la disposition en parallèle, ce qui permet de limiter le nombre de commutateurs requis à résolution constante. En fournissant ainsi une capacité d'entrée positive de base CsO et des capacités de 1 , 2, 4, 8 et 16 fois un incrément Cs1 , on peut obtenir une capacité de ajustable Cs effective dont la valeur peut varier entre la capacité de base CsO et CsO + 31 Cs1 avec un incrément de Cs1.Alternatively, the capacitances of the plurality of capacitors arranged in parallel may have different values so as to increase the flexibility of the assembly. A preferred embodiment is to introduce a factor of two between each successive optional capability of the parallel arrangement, thereby limiting the number of switches required at constant resolution. By thus providing a basic positive input capacitance CsO and capacitances of 1, 2, 4, 8 and 16 times an increment Cs1, an effective adjustable capacitor Cs can be obtained whose value can vary between the basic capacitance CsO and CsO + 31 Cs1 with an increment of Cs1.
D'une façon plus générale, lorsque l'on utilise N condensateurs optionnels en parallèle, pour permettre aux moyens électroniques 24 de s'adapter aux variations de fabrication, en général de l'ordre de +/- 25 %, la capacité CsO est choisie de manière à correspondre à 75 % Cfb et la somme Cs1 + ... + CsN est choisie de manière à correspondre à 50 % Cfb, de sorte que la capacité ajustable Cs puisse effectivement varier entre 75 % Cfb et 125 % Cfb. L'inégalité des courants d'obscurité Id1 et Id2 n'est souvent pas connue à l'avance et une phase de calibration peut-être nécessaire pour la déterminer. Cette calibration peut être réalisée en tant que test de post fabrication appliqué au dispositif d'analyse biologique 10 et la configuration des commutateurs peut-être enregistrée en mémoire. Au contraire, la calibration peut aussi être réalisée à la volée, juste avant la mise en fonctionnement du dispositif.More generally, when N optional capacitors are used in parallel, to allow the electronic means 24 to adapt to manufacturing variations, generally of the order of +/- 25%, the CsO capacitor is chosen to correspond to 75% Cfb and the sum Cs1 + ... + CsN is chosen to correspond to 50% Cfb, so that the adjustable capacity Cs can effectively vary between 75% Cfb and 125% Cfb. The inequality of the dark currents Id1 and Id2 is often not known in advance and a calibration phase may be necessary to determine it. This calibration can be performed as a post-production test applied to the biological analysis device 10 and the configuration Switches may be stored in memory. On the contrary, the calibration can also be performed on the fly, just before the device is put into operation.
La tension de sortie VOUT peut être mesurée par toutes techniques appropriées, par exemple à l'aide d'un convertisseur analogique/numérique ou en utilisant le dispositif 10 dans un fonctionnement de type éclairage/fréquence, dans lequel la tension VOUT est comparée à un signal de référence provoquant une réinitialisation du dispositif 10 lorsqu'il est atteint. La tension de sortie est alors donnée par la fréquence des impulsions initialisées.The output voltage VOUT can be measured by any appropriate technique, for example by means of an analog / digital converter or by using the device 10 in a lighting / frequency operation, in which the voltage VOUT is compared with a reference signal causing a reset of the device 10 when it is reached. The output voltage is then given by the frequency of the initialized pulses.
Comme cela a été vu précédemment, il est préférable pour la suppression de l'effet du courant d'obscurité que les première et seconde portions photosensibles 42 et 44 correspondent le mieux possible. Mais en réalité, même si des portions photosensibles identiques sont fabriquées, le courant d'obscurité peut varier légèrement de l'une à l'autre en raison de facteurs intervenant lors de leur fabrication ou de leur fonctionnement. En pratique, les courants d'obscurité respectifs des deux portions photosensibles seront souvent différents. En effet, une égalité stricte peut difficilement être atteinte. Un objectif réaliste est donc de chercher à minimiser cette différence.As has been seen previously, it is preferable for the suppression of the effect of the dark current that the first and second photosensitive portions 42 and 44 correspond as best as possible. But in reality, even if identical photosensitive portions are manufactured, the dark current may vary slightly from one to the other due to factors involved in their manufacture or operation. In practice, the respective dark currents of the two photosensitive portions will often be different. Indeed, strict equality can hardly be achieved. A realistic goal is therefore to try to minimize this difference.
La minimisation de cette différence est l'objet du dispositif représenté sur la figure 4b. Cependant, la résolution de ce système est limitée par le nombre et la valeur des capacités prévues dans l'ensemble capacitif disposé en parallèle à l'entrée positive de l'amplificateur opérationnel 50. Un autre facteur sur lequel on peut jouer est la géométrie du dispositif d'analyse biologique 10 et la géométrie d'un ensemble de dispositifs d'analyse biologique en tant que pixels dans un biocapteur. Un exemple de géométrie de pixel est représenté sur la figure 5 par une vue de dessus.The minimization of this difference is the object of the device shown in FIG. 4b. However, the resolution of this system is limited by the number and the value of the capacitances provided in the capacitive assembly disposed in parallel with the positive input of the operational amplifier 50. Another factor that can be played is the geometry of the capacitor. biological analysis device 10 and the geometry of a set of biological analysis devices as pixels in a biosensor. An example of pixel geometry is shown in Figure 5 in a top view.
Sur cette figure, une portion photosensible placée dans l'obscurité 60 est disposée dans une partie supérieure gauche du pixel. Elle est adjacente à une portion photosensible éclairée 62 disposée dans une partie supérieure droite du pixel. Les moyens électronique 64 de lecture et de traitement de ce pixel sont disposés dans une partie inférieure du pixel située sous les portions photosensibles 60 et 62. Pour une bonne correspondance des photodiodes, les dimensions des portions photosensibles 60 et 62 peuvent être égales (DX1 = LX1 et DY1 = LY1) auquel cas RX1 = DX1 + LX1. De plus ces portions photosensibles peuvent être de forme carrée (DX1 = DY1 ). La taille de RY1 dépend de la composition précise des moyens électronique 64, mais il est préférable qu'elle soit égale aux dimensions DY1 et LY1 , de sorte que le pixel soit globalement de forme carrée.In this figure, a photosensitive portion placed in the dark 60 is disposed in an upper left portion of the pixel. It is adjacent to an illuminated photosensitive portion 62 disposed in a top right portion of the pixel. The electronic means 64 for reading and processing this pixel are arranged in a lower portion of the pixel located under the photosensitive portions 60 and 62. For a good match of the photodiodes, the dimensions of the photosensitive portions 60 and 62 may be equal (DX1 = LX1 and DY1 = LY1) in which case RX1 = DX1 + LX1. In addition, these photosensitive portions may be square (DX1 = DY1). The size of RY1 depends on the precise composition of the electronic means 64, but it is preferable that it be equal to the dimensions DY1 and LY1, so that the pixel is generally square in shape.
Sur la base de cette configuration de pixel, plusieurs pixels peuvent ensuite être disposés de différentes manières en ligne et/ou en colonne pour former un biocapteur complet.On the basis of this pixel configuration, several pixels can then be arranged in different ways online and / or in a column to form a complete biosensor.
Ils peuvent être arrangés en ligne et en colonne, par exemple, par simple translation verticale ou horizontale du pixel représenté sur la figure 6.They can be arranged in line and in column, for example, by simple vertical or horizontal translation of the pixel shown in FIG.
De façon alternative, ils peuvent aussi être arrangés de sorte que deux lignes successives de pixels soient inversées verticalement l'une par rapport à l'autre et présentent ainsi leurs moyens électroniques 64 respectifs ou leurs portions photosensibles 60, 62 respectives en correspondance.Alternatively, they can also be arranged so that two successive rows of pixels are vertically inverted relative to each other and thus have their respective electronic means 64 or respective photosensitive portions 60, 62 in correspondence.
Par ailleurs, au lieu d'être carrés, les pixels peuvent aussi être rectangulaires, les moyens électroniques 64 étant situés sous la portion photosensible placée dans l'obscurité 60, elle-même située sous la portion photosensible éclairée 62.In addition, instead of being square, the pixels may also be rectangular, the electronic means 64 being located under the photosensitive portion placed in the darkness 60, itself located under the illuminated photosensitive portion 62.
Par ailleurs également, les portions photosensibles peuvent être triangulaires pour former une couche photosensible 20 de forme générale carrée, ou de formes plus complexes tout en ayant des surfaces égales.Also, the photosensitive portions may be triangular to form a photosensitive layer 20 of generally square shape, or more complex shapes while having equal areas.
Plusieurs variantes peuvent ainsi être imaginées par l'homme du métier et ne seront pas détaillées davantage.Several variants can thus be imagined by those skilled in the art and will not be detailed further.
Pour réaliser un biocapteur agencé en matrice de pixels différentiels, la structure qui a été décrite en référence à la figure 2 est envisageable. Mais d'autres sont également possibles. Notamment, chaque pixel différentiel peut être muni de son propre convertisseur de signaux analogiques en signaux numériques. C'est également possible lorsque le pixel n'est pas différentiel.To produce a biosensor arranged in a matrix of differential pixels, the structure that has been described with reference to FIG. 2 is conceivable. But others are also possible. In particular, each differential pixel may be provided with its own converter of analog signals into digital signals. This is also possible when the pixel is not differential.
Un premier exemple est illustré sur la figure 6a. Sur cette figure, le pixel différentiel 10 comporte, en partie supérieure, une portion photosensible placée dans l'obscurité 60 et une portion photosensible éclairée 62. Ces deux portions photosensibles sont connectées à un circuit amplificateur 24', par exemple tel que les moyens électroniques 24 détaillés en figure 4a ou 4b. Ce circuit amplificateur fournit en sortie une tension analogique qui est transmise en entrée d'un convertisseur 120 de signaux analogiques en signaux numériques. Le pixel différentiel 10 comporte aussi un bloc de décodage numérique 122 dont les caractéristiques dépendent des coordonnées du pixel différentiel 10 dans la matrice de pixels du biocapteur considéré. Ce bloc de décodage numérique 122 surveille l'état d'un bus d'adresses 124 de sorte que, lorsqu'un signal transitant sur ce bus d'adresses 124 correspond à une valeur prédéterminée stockée par le bloc de décodage numérique 122 et spécifique au pixel différentiel 10, le bloc 122 transmet un signal d'activation Sa au convertisseur 120 qui fournit en réponse la tension analogique de sortie du circuit amplificateur convertie en une valeur numérique à un bus 126 de transmission de données. Un deuxième exemple, illustré sur la figure 6b et montrant deux pixels adjacents, représente une variante de l'exemple de la figure 6a. Pour simplifier l'illustration, les portions photosensibles 60 et 62 et le circuit amplificateur 24' de chaque pixel différentiel ne sont pas représentés sur cette figure bien que présents. Dans cette variante, le bloc de décodage numérique 122 est remplacé par un registre à décalage 128 dans chaque pixel, soit un registre à décalage 128a dans le pixel 10a et un registre à décalage 128b dans le pixel 10b.A first example is illustrated in Figure 6a. In this figure, the differential pixel 10 comprises, in the upper part, a photosensitive portion placed in the dark 60 and an illuminated photosensitive portion 62. These two photosensitive portions are connected to a circuit amplifier 24 ', for example such as the electronic means 24 detailed in Figure 4a or 4b. This amplifier circuit outputs an analog voltage which is transmitted at the input of a converter 120 of analog signals to digital signals. The differential pixel 10 also comprises a digital decoding block 122 whose characteristics depend on the coordinates of the differential pixel 10 in the pixel array of the biosensor in question. This digital decoding block 122 monitors the state of an address bus 124 so that when a signal transiting on this address bus 124 corresponds to a predetermined value stored by the digital decoding block 122 and specific to the Differential pixel 10, block 122 transmits an activation signal Sa to converter 120 which in response provides the analog output voltage of the converted amplifier circuit to a digital value at a data transmission bus 126. A second example, illustrated in FIG. 6b and showing two adjacent pixels, represents a variant of the example of FIG. 6a. To simplify the illustration, the photosensitive portions 60 and 62 and the amplifier circuit 24 'of each differential pixel are not shown in this figure although present. In this variant, the digital decoding block 122 is replaced by a shift register 128 in each pixel, ie a shift register 128a in the pixel 10a and a shift register 128b in the pixel 10b.
Chaque registre à décalage 128a, 128b reçoit un signal d'entrée SRI (de l'anglais « Shift Register Input ») et fournit un signal de sortie SRO (de l'anglais « Shift Register Output »). Le signal de sortie SRO du registre à décalage 128a forme le signal d'entrée SRI du registre à décalage 128b. De même, le signal de sortie SRO du registre à décalage 128b forme le signal d'entrée d'un registre à décalage de pixel suivant alors que le signal d'entrée SRI du registre à décalage 128a est formé par un signal de sortie d'un registre à décalage de pixel précédent. Le signal de sortie de chaque registre à décalage 128a, 128b est aussi fourni au convertisseur 120a, 120b correspondant du pixel 10a, 10b de manière à activer ce convertisseur pour qu'il transmette sa valeur numérique de sortie au bus de transmission de données 126 au moment souhaité. En outre, un signal d'horloge CLK (de l'anglais « Clock ») est fourni aux registres à décalage 128a, 128b pour cadencer les transmissions de valeurs numériques de pixels au bus de transmission de données 126.Each shift register 128a, 128b receives an input signal SRI (Shift Register Input) and provides an output signal SRO (Shift Register Output). The output signal SRO of the shift register 128a forms the input signal SRI of the shift register 128b. Similarly, the output signal SRO of the shift register 128b forms the input signal of a next pixel shift register while the input signal SRI of the shift register 128a is formed by an output signal of a previous pixel shift register. The output signal of each shift register 128a, 128b is also provided to the corresponding converter 120a, 120b of the pixel 10a, 10b so as to enable this converter to transmit its digital output value to the data bus 126 at the same time. desired moment. In addition, a clock signal CLK (from English "Clock") is provided to the shift registers 128a, 128b to clock transmissions of digital pixel values to the data bus 126.
Le fonctionnement de cette variante comporte les étapes suivantes : - tout d'abord, chaque pixel de la matrice de pixels est mis à l'état logique « 0 » (inactif) pour bloquer la sortie des convertisseurs 120a, 120b,The operation of this variant comprises the following steps: firstly, each pixel of the pixel matrix is set to logic "0" (inactive) to block the output of the converters 120a, 120b,
- un état logique est mis à « 1 » (actif) à l'entrée d'un premier pixel 10a de manière à activer le signal d'horloge pour ce pixel et mettre de cette façon le signal SRO de ce pixel 10a à l'état « 1 », pour que le convertisseur 120a transmette sa valeur numérique de sortie au bus de transmission de données 126,a logic state is set to "1" (active) at the input of a first pixel 10a so as to activate the clock signal for this pixel and thereby set the signal SRO of this pixel 10a to the state "1", for the converter 120a to transmit its digital output value to the data bus 126,
- l'état logique du premier pixel 10a est ensuite mis à « 0 » (inactif) et le signal d'horloge est de nouveau activé pour activer le pixel 10b et désactiver le pixel 10a, - dans la suite du processus de lecture des valeurs numériques des convertisseurs de la matrice de pixels, le signal de sortie SRO du pixel 10a reste à l'état « 0 » et l'état actif sur le signal SRO se propage dans la matrice à chaque coup d'horloge.the logic state of the first pixel 10a is then set to "0" (inactive) and the clock signal is again activated to activate the pixel 10b and deactivate the pixel 10a, - in the following process of reading the values In the digital matrix matrix converters, the output signal SRO of the pixel 10a remains in the state "0" and the active state on the signal SRO propagates in the matrix at each clock stroke.
La variante de la figure 6b comporte l'avantage de présenter des circuits électroniques identiques sur tous les pixels du biocapteur, avec moins d'interconnexions que dans la figure 6a, de sorte que moins de plots de connexion sont nécessaires pour relier le biocapteur à un contrôleur externe. En revanche, la lecture des valeurs numériques des convertisseurs offre moins de souplesse puisqu'elle est prédéterminée par le câblage du biocapteur qui ne peut, par définition, pas être modifié au cours de son fonctionnement. L'accès aléatoire rendu possible par l'exemple de réalisation de la figure 6b est donc avantageux par rapport à la variante de la figure 6b.The variant of FIG. 6b has the advantage of presenting identical electronic circuits on all the pixels of the biosensor, with fewer interconnections than in FIG. 6a, so that fewer connection pads are necessary to connect the biosensor to a external controller. On the other hand, the reading of the digital values of the converters offers less flexibility since it is predetermined by the wiring of the biosensor which can not, by definition, be modified during its operation. The random access made possible by the exemplary embodiment of FIG. 6b is therefore advantageous compared with the variant of FIG. 6b.
Comme cela est représenté sur la figure 6c, plusieurs dispositifs 10,,, tels que le dispositif 10 de la figure 6a, peuvent être agencés en une matrice de pixels d'un biocapteur. Chaque dispositif 10,, représente un pixel de ligne i et de colonne j de la matrice. Sur la figure 6c, seules quatre lignes et quatre colonnes d'une matrice de pixels sont représentées, mais il est facile de généraliser cette représentation à m lignes et n colonnes pour former un biocapteur complet. Tous les pixels sont connectés au même bus d'adresses 124 qui détermine la séquence dans laquelle les pixels du biocapteur peuvent fournir leurs valeurs numériques de sortie. De même, tous les pixels sont connectés au même bus 126 de transmission de données qui récupère ces valeurs numériques de sortie.As shown in FIG. 6c, several devices 10 ,,, such as the device 10 of FIG. 6a can be arranged in a matrix of pixels of a biosensor. Each device 10 ,, represents a line pixel i and column j of the matrix. In Figure 6c, only four rows and four columns of a pixel array are shown, but it is easy to generalize this representation to m rows and n columns to form a complete biosensor. All pixels are connected to the same address bus 124 which determines the sequence in which the biosensor pixels can provide their digital output values. Likewise, all the pixels are connected to the same data transmission bus 126 which retrieves these digital output values.
Prévision d'une pluralité de zones de collecte de photoélectronsPredicting a plurality of photoelectron collection areas
La structure de pixel différentiel décrite en référence aux figures 4 à 6 est basée sur l'hypothèse que les portions photosensibles sont définies strictement par leurs frontières, c'est-à-dire que leurs dimensions externes définissent la zone de collecte des photoélectrons. Dans ce cas, l'exigence de correspondance entre les première et seconde portions photosensibles signifie que les surfaces de ces deux portions photosensibles doivent être sensiblement égales.The differential pixel structure described with reference to FIGS. 4 to 6 is based on the assumption that the photosensitive portions are defined strictly by their boundaries, i.e., their external dimensions define the photoelectron collection zone. In this case, the requirement of correspondence between the first and second photosensitive portions means that the surfaces of these two photosensitive portions must be substantially equal.
Cependant, une amélioration possible dans la structure de la couche photosensible 20 du dispositif d'analyse biologique 10, et notamment dans la structure des moyens de collecte de photoélectrons, permet de concevoir des portions photosensibles de surfaces différentes tout en assurant la correspondance des courants d'obscurité générés.However, a possible improvement in the structure of the photosensitive layer 20 of the biological analysis device 10, and in particular in the structure of the photoelectron collection means, makes it possible to design photosensitive portions of different surfaces while ensuring the correspondence of the photosensitive currents. generated darkness.
Le principe permettant d'illustrer cette amélioration structurelle est décrit dans le brevet publié sous le numéro US 6,998,659.The principle to illustrate this structural improvement is described in the patent published under number US 6,998,659.
Un premier mode de réalisation de dispositif d'analyse biologique conformément au principe présenté dans ce brevet est illustré sur la figure 7. Une couche P-épitaxiale 66 est formée sur un substrat P 68. Ce substrat 68 est le substrat semi-conducteur 25 décrit plus haut ou une région dopée de celui-ci. Une zone de collecte de photoélectrons 70 est conçue sous la forme d'un puits N en forme d'île dans la couche P-épitaxiale 66. La zone de collecte 70 collecte des photoélectrons e1 e8 générés par une radiation incidente 72, notamment une radiation de chimioluminescence ou de fluorescence. Des moyens électroniques 74 de lecture et de traitement comprennent un puits P 76 dans lequel un transistor NMOS 78 est logé.A first embodiment of a biological analysis device according to the principle presented in this patent is illustrated in FIG. 7. A P-epitaxial layer 66 is formed on a substrate P 68. This substrate 68 is the semiconductor substrate 25 described. higher or a doped region thereof. A photoelectron collection zone 70 is designed as an island-shaped N-well in the P-epitaxial layer 66. The collection zone 70 collects e1 e8 photoelectrons generated by incident radiation 72, including radiation. chemiluminescence or fluorescence. Electronic means 74 for reading and processing include a well 76 in which an NMOS transistor 78 is housed.
Dans un dispositif d'analyse biologique de type pixel conventionnel, le puits N 70 s'étendrait sur toute la longueur disponible entre les moyens électroniques 74 de pixels successifs. Mais dans le dispositif de la figure 7, le puits N 70 est conçu en tant qu'île, c'est-à-dire qu'il est entouré de matériau P-épitaxial non connecté à la masse et très peu dopé en comparaison avec le puits P 76.In a conventional pixel type biological analysis device, the N 70 well would extend over the entire available length between the electronic means 74 of successive pixels. But in the device of Figure 7, the well N 70 is designed as an island, that is to say, it is surrounded by P-epitaxial material not connected to the ground and very little doped in comparison with the well P 76.
La taille plus faible du puits N 70 signifie que la capacité de la portion photosensible est relativement faible. Mais l'efficacité de collecte n'est pas compromise. En effet, la grande majorité des photoélectrons, tels que les photoélectrons e1 , ..., e6 représentés sur la figure 7, se diffusent dans la couche P-épitaxiale 66 et sont finalement collectés par le puits N 70. L'électron el peut statistiquement s'orienter indifféremment soit vers le puits N 70, soit vers le puits P 76. Quant à l'électron e8, il s'orientera certainement vers le puits P 76 et sera perdu.The smaller size of the N 70 well means that the capacity of the photosensitive portion is relatively small. But the collection efficiency is not compromised. Indeed, the vast majority of photoelectrons, such as the photoelectrons e1, ..., e6 shown in FIG. 7, diffuse into the P-epitaxial layer 66 and are finally collected by the well N 70. The electron el can statistically to move indifferently either to the well N 70, or to the well P 76. As for the electron e8, it will certainly focus on the well P 76 and will be lost.
Un second mode de réalisation de dispositif d'analyse biologique conformément au principe présenté dans le brevet US 6,998,659 est illustré sur la figure 8. Dans ce mode de réalisation, les moyens électroniques 80 de lecture et de traitement comportent une fine couche 84 de matériau P+ s' étendant sur une grande partie du dispositif, de sorte que la surface de la couche P-épitaxiale 66 autour du puits N 70 est couverte par cette fine couche, à l'exception d'une zone étroite au voisinage du puits N 70. La fine couche 84 s'étend depuis le puits P 82 des moyens électroniques 80 et est donc connectée à ce dernier. Le puits P 82 est en général connecté à la masse et donc la fine couche 84 aussi. La fine couche 84 est par ailleurs moins profonde et, se situant à un potentiel moins élevé que le puits N 70, les photoélectrons ont plus de chances de se diriger vers le puits N 70 et d'être collectés par celui-ci que par la fine couche 84 ou par le puits P 82. Par exemple, l'électron e7 sur la figure 8 a plus de chances de se diriger vers le puits N 70, alors que sur la figure 7 il a autant de chances de se diriger vers le puits N 70 que vers le puits P 76.A second embodiment of a biological analysis device according to the principle presented in US Pat. No. 6,998,659 is illustrated in FIG. 8. In this embodiment, the electronic reading and processing means 80 comprise a thin layer 84 of P + material. extending over a large part of the device, so that the surface of the P-epitaxial layer 66 around the well N 70 is covered by this thin layer, with the exception of a narrow zone in the vicinity of the well N 70. The thin layer 84 extends from the well P 82 of the electronic means 80 and is therefore connected to the latter. The well P 82 is generally connected to the ground and therefore the thin layer 84 too. The thin layer 84 is also shallower and, at a lower potential than the N 70 well, the photoelectrons are more likely to go to the well N 70 and to be collected by it than by the thin layer 84 or well P 82. For example, the electron e7 in Figure 8 is more likely to go to the well N 70, while in Figure 7 it is as likely to go to the well N 70 only to the well P 76.
La taille d'une zone de collecte telle que le puits N 70 est dépendante de la technologie de fabrication utilisée, mais peut en général descendre jusqu'à 1 μm x 1 μm. Cette taille minimale n'est cependant pas recommandée puisque dans ces dimensions, les aléas de fabrication engendrent des différences de tailles importantes entre les zones de collecte ce qui génère des différences importantes dans leurs caractéristiques. Puisque, dans un pixel différentiel, la portion photosensible placée dans l'obscurité doit nécessairement correspondre précisément à la portion photosensible éclairée, des zones de collecte de trop petite taille ne sont pas souhaitables. D'un autre côté, une augmentation de la taille du puits N augmente sa surface et son périmètre, conduisant à une augmentation du courant d'obscurité et du bruit associé. Aujourd'hui, un bon compromis de taille pour une zone de collecte telle que le puits N, compte tenu des contraintes précitées, est une taille comprise entre 5 μm et 15 μm.The size of a collection area such as the N 70 well is dependent on the manufacturing technology used, but can generally be as low as 1 μm x 1 μm. This minimum size is not recommended, however, because in these dimensions, the manufacturing hazards generate significant differences in size between the collection areas which generates significant differences in their characteristics. Since, in a differential pixel, the photosensitive portion placed in the dark must necessarily correspond precisely to the illuminated photosensitive portion, too small collection areas are not desirable. On the other hand, an increase in the size of the N-well increases its area and perimeter, leading to an increase in the dark current and the associated noise. Today, a good compromise size for a collection area such as the N well, given the aforementioned constraints, is a size between 5 microns and 15 microns.
Une mise en œuvre du perfectionnement présenté en référence aux figures 7 et 8 est illustrée sur la figure 9a. Sur cette figure, un pixel différentiel 86 comporte une première portion photosensible éclairée 88 et une seconde portion photosensible placée dans l'obscurité 90. Comme indiqué précédemment, il n'est pas nécessaire que les dimensions des première θt seconde portions photosensibles 88 et 90 soient identiques, il suffit que les dimensions des zones de collecte 92 et 94 le soient. Il est donc possible d'envisager une grande souplesse dans la géométrie des pixels différentiels. En revanche, il est nécessaire de prendre en compte la distance que peut parcourir un photoélectron dans un substrat avant de se recombiner. Cette distance est appelée distance de recombinaison. Elle est déterminée tout d'abord par le niveau de dopage du substrat et ensuite par les défauts du substrat. Plus le dopage est élevé, plus la distance de recombinaison est faible. Cette distance de recombinaison impose donc une distance maximale entre une zone de collecte et les bords de la portion photosensible dans laquelle elle se trouve pour que tous les photoélectrons puissent être collectés avant d'être recombinés.An implementation of the improvement presented with reference to Figures 7 and 8 is illustrated in Figure 9a. In this figure, a differential pixel 86 comprises a first illuminated photosensitive portion 88 and a second photosensitive portion placed in the dark 90. As indicated above, it is not necessary that the dimensions of the first θt second photosensitive portions 88 and 90 be identical, it is sufficient that the dimensions of the collection areas 92 and 94 are. It is therefore possible to envisage great flexibility in the geometry of the differential pixels. On the other hand, it is necessary to take into account the distance that a photoelectron can travel in a substrate before recombining. This distance is called the recombination distance. It is determined firstly by the doping level of the substrate and then by the defects of the substrate. The higher the doping, the lower the recombination distance. This recombination distance therefore imposes a maximum distance between a collection zone and the edges of the photosensitive portion in which it is located so that all the photoelectrons can be collected before being recombined.
La taille limitée des zones de collecte 92 et 94 impose donc une taille limitée des portions photosensibles du pixel différentiel 86. Avec un substrat classique ayant une résistivité de 100 Ohms par centimètre, la distance de recombinaison est en générale comprise entre 30 et 50 μm. Or, il a été vu précédemment qu'il est avantageux de prévoir des pixels dont la surface photosensible ait des dimensions adaptées à la taille d'une goutte de protéine sonde de quelques nanolitres permettant une détection par chimioluminescence ou par fluorescence, c'est-à-dire des dimensions de l'ordre de 150 μm. Avec une zone de collecte 92 dont la taille est comprise entre 5 et 15 μm, la portion photosensible 88 ne peut pas atteindre ces dimensions. Pour obtenir un pixel différentiel 86 de dimensions plus importantes, une solution représentée sur la figure 9b consiste à augmenter la taille des zones de collecte 92 et 94. Ii est ainsi possible d'atteindre des dimensions de pixel de l'ordre de 150 μm. Cependant, comme déjà indiqué ci-dessus, l'augmentation de la taille des zones de collecte 92 et 94 augmente les effets du courant d'obscurité et de son bruit associé.The limited size of the collection zones 92 and 94 therefore imposes a limited size of the photosensitive portions of the differential pixel 86. With a conventional substrate having a resistivity of 100 ohms per centimeter, the recombination distance is generally between 30 and 50 μm. However, it has been seen previously that it is advantageous to provide pixels whose photosensitive surface has dimensions adapted to the size of a probe protein drop of a few nanoliters for detection by chemiluminescence or fluorescence, that is to say that is, dimensions of the order of 150 μm. With a collection zone 92 whose size is between 5 and 15 microns, the photosensitive portion 88 can not reach these dimensions. To obtain a differential pixel 86 of larger dimensions, a solution shown in FIG. 9b consists of increasing the size of the collection zones 92 and 94. It is thus possible to reach pixel dimensions of the order of 150 μm. However, as already indicated above, increasing the size of the collection areas 92 and 94 increases the effects of the dark current and its associated noise.
Pour obtenir un pixel de dimensions plus importantes, il est aussi possible de prévoir plusieurs puits N en forme d'île formant zones de collecte dans un même dispositif d'analyse biologique de type pixel, espacées les unes des autres d'une distance inférieure à la distance de recombinaison.To obtain a pixel of larger dimensions, it is also possible to provide a plurality of island-shaped N wells forming collection zones in the same pixel-type biological analysis device, spaced apart from one another by a distance less than the recombination distance.
Sur la figure 9c, un pixel différentiel 86 comprend deux portions photosensibles 88 et 90 comportant chacune quatre zones de collecte 92 et 94 respectivement. Comme illustré sur cette figure, la géométrie des deux portions photosensibles 88 et 90 n'est pas nécessairement la même. De plus, les zones de collecte 92 ne sont pas nécessairement disposées de la même façon dans la portion photosensible éclairée 88 que les zones de collecte 94 dans la portion photosensible placée dans l'obscurité 90. En revanche, les quatre zones de collecte 92, d'une part, et les quatre zones de collecte 94, d'autre part, ont les mêmes dimensions : elles sont par exemple de 5 ou 10 μm. Par ailleurs, les quatre zones de collecte 92 sont espacées les unes des autres de 75 μm. On peut ainsi obtenir un pixel différentiel 86 dont la portion photosensible éclairée 88 est un carré de 150 μm de côté et dont la portion photosensible placée dans l'obscurité 90 est un rectangle de 150 μm par 20 μm. Sur la figure 9d, le pixel différentiel 86 comprend deux portions photosensibles 88 et 90 comportant chacune neuf zones de collecte 92 et 94 respectivement. Les dimensions des zones de collecte 92 et 94 sont par exemple de 5 μm. Par ailleurs, les neuf zones de collecte 92 sont espacées les unes des autres de 50 μm par exemple. On peut ainsi obtenir un pixel différentiel 86 dont la portion photosensible éclairée 88 est un carré de 150 μm de côté et dont la portion photosensible placée dans l'obscurité 90 est un rectangle de 150 μm par 20 μm.In Figure 9c, a differential pixel 86 comprises two photosensitive portions 88 and 90 each having four collection areas 92 and 94 respectively. As illustrated in this figure, the geometry of the two photosensitive portions 88 and 90 is not necessarily the same. In addition, the collection zones 92 are not necessarily arranged in the same way in the illuminated photosensitive portion 88 as the collection zones 94 in the photosensitive portion placed in the dark 90. On the other hand, the four collection zones 92, on the one hand, and the four collection zones 94, on the other hand, have the same dimensions: they are for example 5 or 10 μm. Moreover, the four collection zones 92 are spaced from each other by 75 μm. It is thus possible to obtain a differential pixel 86 whose illuminated photosensitive portion 88 is a square of 150 μm on a side and whose light-sensitive portion placed in the dark 90 is a rectangle of 150 μm by 20 μm. In FIG. 9d, the differential pixel 86 comprises two photosensitive portions 88 and 90 each comprising nine collection zones 92 and 94 respectively. The dimensions of the collection zones 92 and 94 are for example 5 μm. Moreover, the nine collection zones 92 are spaced apart from each other by 50 μm, for example. It is thus possible to obtain a differential pixel 86 whose illuminated photosensitive portion 88 is a square of 150 μm on a side and whose light-sensitive portion placed in the dark 90 is a rectangle of 150 μm by 20 μm.
On peut généraliser à des pixels (non représentés) comprenant davantage de zones de collecte (16 ou plus). On notera que, puisque les géométries des portions photosensiblesIt is possible to generalize to pixels (not shown) comprising more collection areas (16 or more). It will be noted that since the geometries of the photosensitive portions
88 et 90 ne sont pas nécessairement les mêmes, la présence d'une pluralité de zones de collecte sur les figures 9c et 9d permet même d'envisager une géométrie dans laquelle la portion photosensible placée dans l'obscurité 90 entoure la portion photosensible éclairée 88.88 and 90 are not necessarily the same, the presence of a plurality of collection zones in FIGS. 9c and 9d makes it possible to envisage a geometry in which the photosensitive portion placed in darkness 90 surrounds the illuminated photosensitive portion 88 .
Prévision d'un joint isolant entre deux pixels adjacents II a été décrit comment les pixels d'un biocapteur selon l'invention peuvent être dimensionnés pour correspondre à la taille d'une goutte de protéine sonde. Ce dimensionnement avantageux permet un traitement plus simple des signaux obtenus. Cependant, pour que deux gouttes de protéine sonde voisines n'interfèrent pas par chimioluminescence ou par fluorescence, il est en général nécessaire d'imposer une distance minimale entre deux gouttes voisines, en général de plusieurs centaines de micromètres. Un autre perfectionnement pouvant être apporté à un biocapteur selon invention, représenté sur la figure 10, permet de réduire considérablement la distance nécessaire entre deux gouttes voisines. Cette figure représente deux pixels voisins 86a et 86b, dimensionnés pour recevoir chacun une goutte de protéine sonde spécifique. Le premier pixel 86a comporte une portion photosensible éclairée 88a, ici de forme carrée, par exemple de 150 μm de côté. Il comporte en outre une portion photosensible placée dans l'obscurité 90a de forme rectangulaire, de 150 μm de longueur et de 20 μm de largeur. Le second pixel 86b comporte une portion photosensible éclairée 88b de forme carrée de 150 μm de côté. Il comporte en outre une portion photosensible placée dans l'obscurité 90b de forme rectangulaire, de 150 μm de longueur et de 20 μm de largeur.Prediction of an Insulating Joint Between Two Adjacent Pixels It has been described how the pixels of a biosensor according to the invention can be sized to match the size of a drop of probe protein. This advantageous dimensioning allows a simpler processing of the signals obtained. However, so that two drops of protein probe neighbors do not interfere by chemiluminescence or fluorescence, it is generally necessary to impose a minimum distance between two neighboring drops, generally several hundred micrometers. Another improvement that can be made to a biosensor according to the invention, shown in FIG. 10, makes it possible to considerably reduce the distance required between two neighboring drops. This figure represents two neighboring pixels 86a and 86b, sized to each receive a drop of specific probe protein. The first pixel 86a comprises an illuminated photosensitive portion 88a, here of square shape, for example 150 μm side. It further comprises a photosensitive portion placed in the dark 90a of rectangular shape, 150 μm in length and 20 μm in width. The second pixel 86b comprises an illuminated photosensitive portion 88b of 150 μm square shape. It further comprises a photosensitive portion placed in the dark 90b of rectangular shape, 150 μm in length and 20 μm in width.
Le premier pixel 86a est séparé du second pixel 86b par un joint isolant 92 conformé pour isoler électriquement la portion photosensible éclairée 88a de ce pixel de la portion photosensible éclairée 88b du second pixel 86b et pour isoler mécaniquement les deux portions photosensibles éclairées, de sorte qu'une source de chimioluminescence ou de fluorescence située dans l'une des deux portions photosensibles éclairées ne soit pas détectable par l'autre portion photosensible éclairée.The first pixel 86a is separated from the second pixel 86b by an insulating joint 92 shaped to electrically isolate the illuminated photosensitive portion 88a of this pixel from the illuminated photosensitive portion 88b of the second pixel 86b and to mechanically isolate the two illuminated light-sensitive portions, so that a source of chemiluminescence or fluorescence located in one of the two illuminated light-sensitive portions is not detectable by the other illuminated light-sensitive portion.
Ainsi, un photoélectron e1 émis dans la portion photosensible éclairée 88a, en bordure de celle-ci, et pouvant notamment se diriger vers la portion photosensible éclairée 88b, serait absorbé par le joint isolant 92 au cas où il se dirigerait effectivement vers la portion photosensible éclairée 88b. Réciproquement, un photoélectron e2 émis dans la portion photosensible éclairée 88b, en bordure de celle-ci, et pouvant notamment se diriger vers la portion photosensible éclairée 88a, serait absorbé par le joint isolant 92 au cas où il se dirigerait effectivement vers la portion photosensible éclairée 88a.Thus, a photoelectron e1 emitted in the illuminated photosensitive portion 88a, on the edge thereof, and can in particular be directed towards the portion illuminated photosensitive 88b, would be absorbed by the insulating seal 92 in the event that it would actually go to the illuminated photosensitive portion 88b. Conversely, a photoelectron e2 emitted in the illuminated photosensitive portion 88b, bordering the latter, and in particular being able to point towards the illuminated photosensitive portion 88a, would be absorbed by the insulating joint 92 in the event that it actually moves towards the photosensitive portion. illuminated 88a.
De même, une molécule excitée sur le premier pixel 86a diffusant une intensité lumineuse vers le second pixel 86b verrait cette intensité lumineuse absorbée par le joint isolant, et réciproquement.Similarly, a molecule excited on the first pixel 86a diffusing a light intensity towards the second pixel 86b would see this light intensity absorbed by the insulating joint, and vice versa.
Pour assurer une bonne protection réciproque des deux pixels voisins, le joint isolant peut avoir une épaisseur de quelques micromètres au maximum, ce qui est largement inférieur à la taille d'un pixel ou d'une goutte de protéine sonde. Ainsi, la présence d'un tel joint isolant 92 permet de rapprocher considérablement les pixels d'un biocapteur selon invention et donc d'augmenter considérablement le nombre de gouttes de protéine sonde spécifiques qui peuvent être disposées sur une surface prédéterminée de biocapteur.To ensure good mutual protection of the two neighboring pixels, the insulating joint may be a few micrometers thick, which is much smaller than the size of a pixel or a drop of protein probe. Thus, the presence of such an insulating seal 92 makes it possible to bring the pixels of a biosensor according to the invention substantially closer together and thus to considerably increase the number of specific probe protein drops which can be arranged on a predetermined surface of the biosensor.
Les molécules ou photoélectrons piégés par le joint isolant 92 sont perdus pour la détection. Cependant, si l'on considère la vitesse de diffusion des molécules émettrices de photons par chimiotuminescence (ou par fluorescence) et l'épaisseur du joint isolant 92, on estime à environ 2 % au maximum, dans la configuration la moins favorable, la perte de photoélectrons ou photons générés sur un pixel mais non détectés par celui- ci.The molecules or photoelectrons trapped by the insulating gasket 92 are lost for detection. However, considering the diffusion rate of the photon-emitting molecules by chemotuminescence (or fluorescence) and the thickness of the insulating joint 92, it is estimated that at least 2% in the least favorable configuration is the loss. of photoelectrons or photons generated on a pixel but not detected by it.
En complément, un joint isolant supplémentaire peut aussi être interposé entre les portions photosensibles (88a, 90a, et 88b, 90b) de chaque pixel 86a, 86b et leurs moyens électroniques de lecture et de traitement respectifs. En effet, les moyens électroniques ne sont pas de même nature que les portions photosensibles et peuvent être une source d'électrons parasites qui contribuent aux effets du courant d'obscurité des portions photosensibles. En outre, les moyens électroniques ont un potentiel plus élevé que celui des portions photosensibles attirant ainsi les photoélectrons se diffusant dans les portions photosensibles. Ces phénomènes sont susceptibles de détériorer la détection de protéines par chimioluminescence ou par fluorescence. Ainsi, la présence du joint isolant supplémentaire permet d'éviter cette migration d'électrons indésirables. Ce joint isolant supplémentaire comprend par exemple un puit P+/P- connecté à la masse et un puits N+/N- au potentiel positif. Traitement de la surface du biocapteurIn addition, an additional insulating seal may also be interposed between the photosensitive portions (88a, 90a, and 88b, 90b) of each pixel 86a, 86b and their respective electronic reading and processing means. Indeed, the electronic means are not of the same nature as the photosensitive portions and may be a parasitic electron source that contribute to the effects of the dark current of the photosensitive portions. In addition, the electronic means have a higher potential than that of the photosensitive portions thus attracting the photoelectrons diffusing in the photosensitive portions. These phenomena are likely to deteriorate the detection of proteins by chemiluminescence or fluorescence. Thus, the presence of the additional insulating seal makes it possible to avoid this migration of undesirable electrons. This additional insulating gasket comprises, for example, a grounded P + / P- well and an N + / N- positive potential well. Surface treatment of the biosensor
La surface d'un biocapteur selon l'invention est représentée sur la figure 11A en vue de dessus. Le biocapteur est agencé sur une plaquette de semi-conducteur et comporte une zone centrale photosensible 114 destinée à être mise en contact avec une substance biologique, la zone 114 formant ici une matrice de pixels du type décrit précédemment, et une zone périphérique 116 qui entoure la zone photosensible centrale 114, la zone 116 comprenant divers circuits électriques (par exemple circuits de lecture numérique, circuit logique de contrôle, etc.) et des connexions électriques entre ces éléments (câblage). Le biocapteur comporte enfin des plages de contact électrique 117 destinées par exemple à permettre le câblage du biocapteur ("bonding pads") sur un support d'interconnexion. Lors de sa fabrication ou de son utilisation, le biocapteur est soumis à un milieu humide, notamment des solutions biologiques ou réactifs chimiques, voire des solutions acides/basiques ou oxydantes/réductrices. La zone 116 est ainsi susceptible d'être au contact du milieu humique, ce qui pourrait endommager les parties électriques qu'elle comporte.The surface of a biosensor according to the invention is shown in FIG. 11A in plan view. The biosensor is arranged on a semiconductor wafer and has a central photosensitive zone 114 intended to be placed in contact with a biological substance, the zone 114 forming here a matrix of pixels of the type described above, and a peripheral zone 116 which surrounds the central photosensitive zone 114, the zone 116 comprising various electrical circuits (for example digital readout circuits, control logic circuit, etc.) and electrical connections between these elements (wiring). Finally, the biosensor comprises electrical contact pads 117 intended, for example, to allow the wiring of the biosensor ("bonding pads") to an interconnection support. During its manufacture or its use, the biosensor is subjected to a humid medium, in particular biological solutions or chemical reagents, or even acidic / basic or oxidizing / reducing solutions. The zone 116 is thus likely to be in contact with the humic medium, which could damage the electrical parts that it comprises.
Un perfectionnement visé ici est de protéger la zone 116 des milieux humides destinés à être en contact avec la zone photosensible centrale 114, et par ailleurs de favoriser le dépôt du mélange de capture tel que décrit plus haut. Ce perfectionnement comprend la prévision des dispositions ou étapes suivantes, lors de la fabrication du biocapteur :An improvement aimed here is to protect the zone 116 of the wetlands intended to be in contact with the central photosensitive zone 114, and also to promote the deposition of the capture mixture as described above. This improvement includes the provision of the following steps or steps during the manufacture of the biosensor:
- éloigner les plages de contact 117 de la zone photosensible centrale 114, par exemple à une distance de 850 μm micromètres de celle-ci, en les agençant dans une zone périphérique 118 qui en entoure la zone périphérique 116. Cet éloignement évite leur contact avec les liquides lors des traitements chimiques du capteur ou pendant le déroulement du test biologique ;- Move the contact pads 117 away from the central photosensitive zone 114, for example at a distance of 850 μm micrometers thereof, by arranging them in a peripheral zone 118 which surrounds the peripheral zone 116. This distance avoids their contact with liquids during chemical treatments of the sensor or during the biological test;
- recouvrir la zone périphérique 116 avec un revêtement hydrophile à forte rugosité. Ce revêtement hydrophile est par exemple de l'oxyde de silicium (SiO2) et forme une sorte d'"anneau", par exemple d'une largeur d'environ 700 μm, autour de la zone photosensible centrale 114 ;- Cover the peripheral zone 116 with a hydrophilic coating with high roughness. This hydrophilic coating is, for example, silicon (SiO 2 ) and form a kind of "ring", for example with a width of about 700 microns, around the central photosensitive zone 114;
- recouvrir la zone photosensible centrale 114 avec un revêtement hydrophobe à faible rugosité, par exemple du nitrure de silicium (Si3N4). De préférence, on recouvre également le reste de la surface du biocapteur avec le revêtement hydrophobe à faible rugosité, soit la zone périphérique 118, les zones 114 et 118 pouvant être traitées simultanément. Ce revêtement permet une démarcation nette entre la zone périphérique 116 à protéger et la zone photosensible centrale 114. Une fois ces étapes conduites, la zone périphérique 116 peut être recouverte d'une épaisse couche de résine 119 biocompatible et non conductrice, formant une sorte de barrière qui encercle complètement la zone centrale, comme illustré sur la figure 11B par une vue en coupe. Cette barrière de résine isole du milieu humide la zone 118 recevant les plages de contact 117 tout en protégeant également la zone de câblage 116, qu'elle recouvre entièrement. Sa hauteur peut être de plusieurs millimètres et est ainsi très supérieure à l'épaisseur du biocapteur, par exemple 30 à 100 μm.- Cover the central photosensitive zone 114 with a hydrophobic coating of low roughness, for example silicon nitride (Si3N4). Preferably, the remainder of the surface of the biosensor is covered with the low-roughness hydrophobic coating, ie the peripheral zone 118, the zones 114 and 118 being able to be treated simultaneously. This coating allows a clear demarcation between the peripheral zone 116 to be protected and the central photosensitive zone 114. Once these steps are carried out, the peripheral zone 116 may be covered with a thick layer of biocompatible and non-conductive resin 119, forming a sort of barrier which completely encircles the central area, as shown in FIG. 11B by a sectional view. This resin barrier isolates from the wet environment the zone 118 receiving the contact pads 117 while also protecting the wiring zone 116, which it completely covers. Its height may be several millimeters and is thus much greater than the thickness of the biosensor, for example 30 to 100 μm.
Grâce à la variation d'hydrophilie entre les zones 116 et 114, 118, la résine protectrice 119 a tendance, avant de se durcir par polymérisation, à se répartir automatiquement tout autour de la zone photosensible centrale 114, sans empiéter sur celle-ci ni même y adhérer et sans recouvrir les plages de contact 117. En d'autres termes, le traitement de surface hydrophobe a un effet "répulsif vis-à-vis de la résine et limite son étalement, jusqu'à ce que celle-ci soit polymérisée. Le revêtement hydrophobe sur la zone photosensible centrale 114 permet en outre de s'assurer que des solutions déposées sur la zone 114 pendant les étapes de préparation biologique ne s'étendent pas au-delà de la matrice de pixel en allant attaquer chimiquement des éléments appartenant à la zone 116 et se trouvant sur la bordure intérieure de celle-ci. De tels éléments situés en bordure intérieure de la zone 116, par exemple des conducteurs en aluminium, pourraient en effet être imparfaitement recouverts par la résine 119 et donc être imparfaitement protégés.Due to the hydrophilic variation between the zones 116 and 114, 118, the protective resin 119 tends, before curing by polymerization, to automatically distribute itself around the central photosensitive zone 114, without encroaching on it or Even in this way, the hydrophobic surface treatment has a repellent effect on the resin and limits its spreading until it is The hydrophobic coating on the central photosensitive zone 114 further makes it possible to ensure that solutions deposited on the zone 114 during the biological preparation steps do not extend beyond the pixel matrix by chemically attacking the particles. the elements on the inner edge of the zone 116. Such elements situated on the inner edge of the zone 116, for example aluminum conductors, could indeed be mopely covered by the resin 119 and thus be imperfectly protected.
En particulier, le procédé de formation de l'hydrogel tel que décrit plus haut comprend l'étape S104 de dépôt d'une solution d'hydroxyde de potassium (KOH) qui est susceptible d'attaquer chimiquement des éléments 009/000766In particular, the process for forming the hydrogel as described above comprises the step S104 of depositing a potassium hydroxide (KOH) solution that is capable of chemically attacking elements 009/000766
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fragiles en bordure de la zone 116. La solution est déposée sur la matrice de pixel selon un dosage déterminé. Le revêtement hydrophobe empêche que la dose de solution d'hydroxyde de potassium se s'étale au-delà de la zone photosensible centrale 114, sous l'effet des forces de tension superficielle. A titre d'exemple numérique, une rugosité de l'ordre de 50 nm a été mesurée sur un revêtement de nitrure de silicium (Si3N4) en utilisant des techniques de mesure classiques de la profondeur de rugosité. Le revêtement de nitrure de silicium a été déposé en utilisant un procédé de fabrication classique mis en oeuvre dans les unités de production de la demanderesse et a permis d'obtenir le résultat visé en limitant l'étalement de la solution d'hydroxyde de potassium. L'homme de l'art pourra toutefois déterminer d'autres revêtements voire des procédés de traitement de surface permettant de rendre hydrophobe la surface de la zone photosensible centrale 114. Ainsi, la combinaison de ces caractéristiques permet une disposition et une adhérence optimale de la résine protectrice 119 aussi bien par les caractéristiques chimique des surfaces traitées que par la disposition des composants du biocapteur et leur espacement.fragile at the edge of the zone 116. The solution is deposited on the pixel matrix in a determined dosage. The hydrophobic coating prevents the dose of potassium hydroxide solution from spreading beyond the central photosensitive zone 114 under the effect of surface tension forces. As a numerical example, a roughness of the order of 50 nm was measured on a coating of silicon nitride (Si3N4) using conventional measurement techniques of the roughness depth. The silicon nitride coating was deposited using a conventional manufacturing process carried out in the applicant's production units and achieved the desired result by limiting the spread of the potassium hydroxide solution. Those skilled in the art may, however, determine other coatings or even surface treatment processes making it possible to render the surface of the central photosensitive zone 11 hydrophobic. Thus, the combination of these characteristics allows optimal arrangement and adhesion of the surface. Protective resin 119 both by the chemical characteristics of the treated surfaces and by the arrangement of the biosensor components and their spacing.
Il apparaîtra clairement à l'homme de l'art qu'un dispositif d'analyse biologique et un biocapteur selon invention, auxquels sont éventuellement ajoutés les perfectionnement précités, permettent notamment l'utilisation de la technologie des imageurs CMOS pour l'analyse par chimioluminescence ou par fluorescence de substances biologiques comportant des protéines cibles fragiles. Il apparaîtra également à l'homme de l'art que les divers modes de réalisation ainsi que les diverses perfectionnements décrits plus haut peuvent être combinés pour obtenir d'autres modes de réalisation. Par ailleurs, diverses modifications peuvent être apportées par l'homme de l'art aux modes de réalisation décrits ci-dessus, à la lumière de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. Dans les revendications qui suivent, les termes utilisés ne doivent pas être interprétés comme limitant les revendications aux modes de réalisations exposés dans la présente description, mais doivent être interprétés pour y inclure tous les équivalents que les revendications visent couvrir du fait de leur formulation et dont la prévision est à la portée de l'homme de l'art en appliquant ses connaissances générales à la mise en œuvre de l'enseignement qui vient de lui être divulgué. It will be clear to those skilled in the art that a biological analysis device and a biosensor according to the invention, to which the above-mentioned improvements are optionally added, make it possible in particular to use the CMOS imager technology for chemiluminescence analysis. or by fluorescence of biological substances comprising fragile target proteins. It will also be apparent to those skilled in the art that the various embodiments as well as the various improvements described above can be combined to achieve other embodiments. Moreover, various modifications may be made by those skilled in the art to the embodiments described above, in the light of the teaching that has just been disclosed. In the following claims, the terms used are not to be construed as limiting the claims to the embodiments set forth in this description, but should be interpreted to include all the equivalents that the claims are intended to cover because of their formulation and whose forecasting is within the reach of those skilled in the art by applying his general knowledge to the implementation of the teaching that has just been disclosed to him.

Claims

REVENDICATIONS
1. Procédé de fabrication d'un biocapteur sur une plaquette de semiconducteur, caractérisé en ce qu'il comprend les étapes consistant à : - réaliser une zone photosensible centrale (116) comprenant au moins un dispositif d'analyse biologique de type pixel (10,,) comprenant une couche photosensible (20),1. A method of manufacturing a biosensor on a semiconductor wafer, characterized in that it comprises the steps of: - producing a central photosensitive zone (116) comprising at least one pixel-type biological analysis device (10) ,,) comprising a photosensitive layer (20),
- réaliser une première zone périphérique (116) entourant la zone photosensible centrale, comprenant des circuits électroniques, - recouvrir la première zone périphérique (116) d'un revêtement hydrophile,- producing a first peripheral zone (116) surrounding the central photosensitive zone, comprising electronic circuits, - covering the first peripheral zone (116) with a hydrophilic coating,
- recouvrir la zone photosensible centrale d'un revêtement hydrophobe dont la rugosité est choisie en sorte qu'une dose d'une solution pouvant être ultérieurement déposée sur la zone photosensible centrale ne s'étale pas au- delà de celle-ci jusqu'à atteindre la première zone périphérique, etcovering the central photosensitive zone with a hydrophobic coating whose roughness is chosen so that a dose of a solution that can subsequently be deposited on the central photosensitive zone does not extend beyond it until reach the first peripheral zone, and
- former une barrière d'une résine biocompatible (119) sur la seconde zone périphérique (118), la résine se fixant naturellement, avant polymérisation, sur le revêtement hydrophile sans s'étendre sur le revêtement hydrophobe.forming a barrier of a biocompatible resin (119) on the second peripheral zone (118), the resin being fixed naturally, before polymerization, on the hydrophilic coating without extending over the hydrophobic coating.
2. Procédé selon la revendication 1 , comprenant également les étapes consistant à :The method of claim 1, further comprising the steps of:
- réaliser, dans une seconde zone périphérique (118) entourant la première zone périphérique (116), des plages de contact électrique (117) reliées aux circuits électroniques de la première zone périphérique, etperforming, in a second peripheral zone (118) surrounding the first peripheral zone (116), electric contact pads (117) connected to the electronic circuits of the first peripheral zone, and
- recouvrir la seconde zone périphérique (118) au moyen du revêtement hydrophobe.- Cover the second peripheral zone (118) by means of the hydrophobic coating.
3. Procédé selon l'une des revendications 1 et 2, dans lequel le revêtement hydrophile est de l'oxyde de silicium.3. Method according to one of claims 1 and 2, wherein the hydrophilic coating is silicon oxide.
4. Procédé selon l'une des revendications 1 à 3, dans lequel le revêtement hydrophobe est du nitrure de silicium. 4. Method according to one of claims 1 to 3, wherein the hydrophobic coating is silicon nitride.
5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4, comprenant une étape de dépôt, sur la surface (22) de la couche photosensible (20) du dispositif d'analyse biologique de type pixel revêtue du revêtement hydrophobe, d'un mélange de capture (12) comportant une protéine sonde (14) greffée à un hydrogel (16, 18), pour la capture de protéines cibles.5. Method according to one of claims 1 to 4, comprising a step of depositing, on the surface (22) of the photosensitive layer (20) of the pixel-type biological analysis device coated with the hydrophobic coating, a mixture capture medium (12) comprising a probe protein (14) grafted to a hydrogel (16, 18) for the capture of target proteins.
6. Procédé selon la revendication 5, dans lequel l'étape de dépôt du mélange de capture comporte des étapes de :The method of claim 5, wherein the step of depositing the capture mixture comprises steps of:
- préparation (S100, S1Û2, S104, S106, S108, S110) de la surface externe (22) de la couche photosensible (20) destinée à recevoir le mélange de capture, comprenant une étape de silanisation de la surface externe,- preparing (S100, S102, S104, S106, S108, S110) the outer surface (22) of the photosensitive layer (20) for receiving the capture mixture, comprising a step of silanizing the outer surface,
- oxydation (S112) de l'hydrogel et greffage (S114, S116) de l'hydrogel oxydé sur la surface externe silanisée,- oxidation (S112) of the hydrogel and grafting (S114, S116) of the oxidized hydrogel on the silanized outer surface,
- carboxylation (S118) et activation (S120) de l'hydrogel greffé, et - greffage (S122) de la protéine sonde dans l'hydrogel activé.- carboxylation (S118) and activation (S120) of the grafted hydrogel, and - grafting (S122) of the probe protein in the activated hydrogel.
7. Procédé selon la revendication 6, dans lequel l'étape de préparation de la surface externe par silanisation comporte les phases suivantes : - nettoyage (S102) de la surface externe par rinçages successifs à l'eau déminéralisée, à l'acétone et à l'éthanol absolu dans un bain à ultrasons,7. The method of claim 6, wherein the step of preparing the outer surface by silanization comprises the following phases: cleaning (S102) of the outer surface by successive rinsing with demineralized water, with acetone and with absolute ethanol in an ultrasonic bath,
- oxydation alcaline (S104) de la surface externe par oxydation sous l'action d'un plasma ozone, puis traitement par une solution d'hydroxyde de potassium pendant plusieurs heures à température ambiante, - immersions successives (S106) dans de l'eau déminéralisée puis dans l'éthanol absolu sous ultrasons et séchage sous flux d'Argon,- alkaline oxidation (S104) of the external surface by oxidation under the action of ozone plasma, then treatment with a potassium hydroxide solution for several hours at room temperature, - successive immersions (S106) in water demineralized then in absolute ethanol under ultrasound and drying under an Argon flux,
- silanisation (S108) de la surface externe au moyen d'une solution de 3- aminopropyltriethoxysilane dans de l'éthanol pendant plusieurs heures,silanization (S108) of the external surface by means of a solution of 3-aminopropyltriethoxysilane in ethanol for several hours,
- immersions successives (S108) dans de l'eau déminéralisée puis dans l'éthanol absolu sous ultrasons et séchage sous flux d'Argon,successive immersions (S108) in demineralised water and then in absolute ethanol under ultrasound and drying under argon flow,
- chauffage du dispositif (S110) pendant plusieurs heures puis maintien sous atmosphère inerte.heating the device (S110) for several hours and then maintaining an inert atmosphere.
8. Procédé selon l'une des revendications 6 et 7, dans lequel l'étape d'oxydation et de greffage de l'hydrogel comporte les phases suivantes : - dissolution (S112) de l'hydrogel dans de l'eau déminéralisée, puis traitement par une solution de périodate de sodium dont le volume est ajusté afin d'obtenir un mélange dont le ratio molaire entre le périodate de sodium et un motif monomère prédéterminé et répété de l'hydrogel est de l'ordre de 50%,8. Method according to one of claims 6 and 7, wherein the step of oxidation and grafting of the hydrogel comprises the following phases: dissolution (S112) of the hydrogel in demineralised water, followed by treatment with a solution of sodium periodate, the volume of which is adjusted in order to obtain a mixture whose molar ratio between the sodium periodate and a predetermined monomeric unit and repeated the hydrogel is of the order of 50%,
- protection (S112) du mélange réactionnel obtenu contre la lumière et agitation pendant plusieurs heures à température ambiante, pour obtenir un hydrogel oxydé,- protection (S112) of the reaction mixture obtained against the light and stirring for several hours at room temperature, to obtain an oxidized hydrogel,
- greffage (S114) de l'hydrogel oxydé sur la surface externe silanisée et agitation à température ambiante et à l'abri de la lumière pendant plusieurs heures,grafting (S114) of the oxidized hydrogel onto the silanized outer surface and stirring at room temperature and away from light for several hours,
- traitement (S116) de l'ensemble obtenu par une solution aqueuse de cyanoborohydrure de sodium pendant plusieurs heures afin de réduire des bases de Schiff formées, puis rinçage à l'eau déminéralisée, à l'éthanol et séchage sous flux d'Argon.treatment (S116) of the assembly obtained with an aqueous solution of sodium cyanoborohydride for several hours in order to reduce formed Schiff bases, then rinsing with deionized water, with ethanol and drying under an Argon flux.
9. Procédé selon l'une des revendications 6 à 8, dans lequel l'étape de carboxylation et d'activation de l'hydrogel greffé comporte les phases suivantes : - traitement (S118) de l'hydrogel greffé par une solution d'acide bromoacétique dans du périodate de sodium pendant plusieurs heures à température ambiante et sous Argon,9. Method according to one of claims 6 to 8, wherein the step of carboxylation and activation of the grafted hydrogel comprises the following phases: - treatment (S118) of the hydrogel grafted with an acid solution bromoacetic acid in sodium periodate for several hours at room temperature and under Argon,
- purge (S118) du mélange réactionnel obtenu puis rinçage à l'eau déminéralisée, à l'éthanol et séchage sous flux d'Argon, - activation (S120) sous forme d'esters des résidus carboxylates formés, puis rinçage à l'eau.purge (S118) of the reaction mixture obtained, followed by rinsing with demineralized water, ethanol and drying under an Argon flux; - activation (S120) in the form of esters of the carboxylate residues formed, followed by rinsing with water .
10. Procédé selon l'une des revendications 1 à 9, comportant une étape consistant à dimensionner la surface externe (22) de la couche photosensible du dispositif d'analyse biologique de type pixel de manière à ce qu'elle corresponde à la taille d'une dose prédéterminée d'un mélange de capture pouvant être disposé sur la surface externe sous la forme d'une goutte. The method according to one of claims 1 to 9, comprising a step of dimensioning the outer surface (22) of the photosensitive layer of the pixel-type biological analysis device to correspond to the size of the pixel. a predetermined dose of a capture mixture which can be disposed on the outer surface in the form of a drop.
11. Procédé selon la revendication 10, dans lequel la surface externe (22) de la couche photosensible du dispositif de type pixel est dimensionnée de manière à présenter une surface d'au moins 25500 10"12 m2.The method of claim 10, wherein the outer surface (22) of the photosensitive layer of the pixel device is sized to have an area of at least 25500 10-12 m 2 .
12. Procédé selon l'une des revendications 1 à 11 , dans lequel l'étape de réalisation de la couche photosensible (20) du dispositif d'analyse biologique de type pixel comprend une étape de formation, dans la couche photosensible, de moyens de collecte de photoélectrons comportant plusieurs zones de collecte (70 ; 92) conformées en îlots et espacées les unes des autres dans la couche photosensible (20).12. Method according to one of claims 1 to 11, wherein the step of producing the photosensitive layer (20) of the pixel-type biological analysis device comprises a step of forming, in the photosensitive layer, means for collecting photoelectrons having a plurality of island-shaped collecting regions (70; 92) spaced from each other in the photosensitive layer (20).
13. Procédé selon la revendication 12, dans lequel les zones de collecte (70 ; 92) sont espacées les unes des autres d'une distance inférieure à une distance maximale prédéterminée et fixée en fonction d'une distance de recombinaison de photoélectrons émis dans la couche photosensible.The method of claim 12, wherein the collection areas (70; 92) are spaced from each other by a distance less than a predetermined maximum distance and set according to a recombination distance of photoelectrons emitted in the region. photosensitive layer.
14. Procédé selon l'une des revendications 1 à 13, dans lequel la couche photosensible est réalisée de manière à présenter -. - une première portion (42) apte à détecter une intensité lumineuse incidente provenant d'un mélange de capture (12) et destinée à fournir une première grandeur électrique (Iph+ld1 ) et14. Method according to one of claims 1 to 13, wherein the photosensitive layer is made to have -. a first portion (42) capable of detecting an incident light intensity originating from a capture mixture (12) and intended to provide a first electrical quantity (Iph + ld1) and
- une seconde portion (44) protégée contre l'intensité lumineuse incidente provenant du mélange de capture (12), destinée à fournir une seconde grandeur électrique (Id2).- a second portion (44) protected against incident light intensity from the capture mixture (12) for providing a second electrical magnitude (Id2).
15. Procédé selon l'une des revendications 1 à 14, dans lequel l'étape de formation de zone photosensible centrale (116) comprend les étapes consistant à : - former dans la zone photosensible centrale une matrice de dispositifs d'analyse biologique de type pixel (10,,) comprenant chacun une couche photosensible, etThe method according to one of claims 1 to 14, wherein the central photosensitive zone forming step (116) comprises the steps of: forming in the central photosensitive zone a matrix of biological analysis devices of the type pixel (10 ,,) each comprising a photosensitive layer, and
- former un joint isolant (92) entre des pixels adjacents (86a, 86b), le joint isolant (92) étant conformé pour isoler électriquement une couche photosensible (88a, 90a, 88b, 90b) d'un pixel de la couche photosensible du pixel adjacent.forming an insulating joint (92) between adjacent pixels (86a, 86b), the insulating joint (92) being shaped to electrically isolate a layer photosensitive (88a, 90a, 88b, 90b) of a pixel of the photosensitive layer of the adjacent pixel.
16. Procédé selon la revendication 15, comprenant la réalisation, dans chaque dispositif d'analyse biologique de type pixel (10M), d'un convertisseur analogique numérique (120) pour la conversion en données numériques d'une valeur caractéristique d'une intensité lumineuse détectée par le pixel. The method according to claim 15, comprising performing, in each pixel-type biological analysis device (10 M ), an analog-to-digital converter (120) for converting to digital data a characteristic value of a light intensity detected by the pixel.
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