TW201604527A - 粒子檢測系統及其採用驅動方法 - Google Patents
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Abstract
根據一實施例，粒子檢測系統包括施加用於粒子檢測之驅動電壓至粒子檢測晶片之一電壓驅動電路；一電流電壓轉換電路，當驅動電壓施加至粒子檢測晶片時，轉換從粒子檢測晶片輸出之電流訊號為電壓訊號；一檢測電路基於電壓訊號檢測樣品液體是否注入至粒子檢測晶片之檢測區；以及一分析電路基於電壓訊號分析在樣品液體中的微粒。電壓驅動電路基於檢測電路之檢測結果變化驅動電壓。
Description
本文描述的實施例一般係有關於粒子檢測系統及其驅動方法。
最近，在如生物技術和醫療之這樣的技術領域，其中藉由細流體元件(fine fluid elements)手段之微分析晶片受到重視，如微流通道(micro flow channels)和檢測機制、在樣品液體中電性檢測微粒或生物聚合物、或從樣品液體中分離這些成分。這種類型的分析晶片(analysis chips)的分離和檢測機制通常包括用於施加電訊號至被供應至電極之間的樣品液體中、和/或抽取樣品液體中的特性變化作為電訊號之機制。
然而，因為樣品液體直接接觸電極，電壓施加於電極之間的情形其中存在樣品液體可以與電極發生電化學反應的結果，從而改變電極的表面的性質。假如電極表面以此方式變化，可能會發生必要的電訊號沒有施加到樣品液體或所需的電訊號無法獲得的問題。
1,190‧‧‧半導體微分析晶片
2‧‧‧電流-電壓轉換電路
3‧‧‧分析電路
4‧‧‧檢測電路
5‧‧‧電壓驅動電路
10‧‧‧殼體
11‧‧‧隔板
12,130‧‧‧微孔
13‧‧‧第一區
14‧‧‧第二區
15‧‧‧第一電極
16‧‧‧第二電極
17‧‧‧開口
18‧‧‧安培計
19‧‧‧待檢測對象
20‧‧‧差動放大器
21、22、23、41、42、43、51、52、60、68、69‧‧‧端子
40‧‧‧比較器
44、61‧‧‧放大器
53‧‧‧斜坡電路
62‧‧‧低通濾波器
63、66‧‧‧加法器
64‧‧‧比例電路
65‧‧‧積分電路
67‧‧‧參考電源供應器
600‧‧‧比例-加-積分電路
110‧‧‧Si基板
111‧‧‧SiO2薄膜
113a、113b‧‧‧電極
115‧‧‧披覆層
116‧‧‧灰化孔
117‧‧‧背開口
118‧‧‧絕緣薄膜
120‧‧‧流通通道
121‧‧‧第一流通通道
122‧‧‧第二流通通道
125‧‧‧通道部分
141,142‧‧‧開口部分
141a,141b,142a,142b‧‧‧儲存槽
150,151,152‧‧‧柱體陣列
150a‧‧‧柱體
161‧‧‧大粒子
162‧‧‧待檢測粒子
163‧‧‧微粒
171a,171b,172a,172b‧‧‧吸收體
180‧‧‧封裝
181‧‧‧樣品液體入口端
182‧‧‧隔板片
第1圖係顯示根據第一實施例之粒子檢測系統之示意區塊圖；第2圖係顯示使用在第1圖之粒子檢測系統中的半導體微分析晶片結構之示意剖視圖；第3圖係顯示當細顆粒已通過形成在半導體微分析晶片中之微孔時在電流訊號假定下改變之訊號波形圖；第4圖係顯示當樣品液體被注入至半導體微分析晶片中時在電流訊號假定下改變之訊號波形圖；第5圖係顯示使用在第1圖之粒子檢測系統中的電流-電壓轉換電路範例之電路圖；第6圖係顯示使用在第1圖之粒子檢測系統中的檢測電路範例之電路圖；第7圖係顯示使用在第1圖之粒子檢測系統中的電壓驅動電路範例之電路圖；第8圖係用於說明使用在第1圖之粒子檢測系統中之粒子檢測方法的流程圖；第9圖係顯示根據第二實施例之粒子檢測系統之示意區塊圖；第10圖係顯示改變半導體微分析晶片之基礎電流訊號之訊號波形圖；第11圖係顯示使用在第8圖之粒子檢測系統中的電
流驅動電路範例之電路圖；第12圖係顯示根據第三實施例之粒子檢測系統之示意區塊圖；第13圖係顯示第一半導體微分析晶片結構之示意平面圖；第14圖係沿第13圖之A-A’線截取之剖視圖；第15圖係顯示第二半導體微分析晶片結構之示意平面圖；第16圖係顯示第三半導體微分析晶片結構之示意平面圖；第17圖係顯示第三半導體微分析晶片結構之示意立體圖；第18圖係顯示第四半導體微分析晶片結構之示意平面圖；第19圖係顯示第四半導體微分析晶片結構之示意立體圖；第20圖係概念性地顯示在第四半導體微分析晶片之柱體陣列的功能之剖視圖；第21A及21B顯示在第四半導體微分析晶片之柱體陣列範例；第22圖係顯示第五半導體微分析晶片結構之示意立體圖；第23圖係顯示第六半導體微分析晶片結構之示意平面圖；
第24圖係顯示第六半導體微分析晶片結構之示意立體圖；第25A至25C顯示在在第六半導體微分析晶片結構之示意剖視圖；第26圖係顯示修改第六半導體微分析晶片之示意平面圖；第27圖係顯示修改第六半導體微分析晶片之示意立體圖；第28A至28D顯示在第六半導體微分析晶片之柱體陣列範例；第29圖係用於說明在第六半導體微分析晶片中的粒子檢測機制之剖視圖；第30圖係顯示第七半導體微分析晶片結構之示意立體圖；第31圖係顯示第八半導體微分析晶片結構之示意立體圖；第32A和32B係顯示第八半導體微分析晶片結構之示意立體圖；第33圖係顯示第九半導體微分析晶片結構之示意立體圖；第34圖係顯示第十半導體微分析晶片結構之示意平面圖；第35圖係顯示第十一半導體微分析晶片結構之示意平面圖；以及
第36圖係顯示第十一半導體微分析晶片結構之示意立體圖。
一般而言，根據一實施例，一種粒子檢測系統包含：電壓驅動電路，其施加用於粒子檢測之驅動電壓至粒子檢測晶片，該粒子檢測晶片檢測在樣品液體中之細顆粒且輸出表示細顆粒的電流訊號；電流-電壓轉換電路，其當該驅動電流施加於該粒子檢測晶片時，轉換從該粒子檢測晶片輸出之該電流訊號為電壓訊號；檢測電路，其基於該電壓訊號檢測該樣品液體是否供應至該粒子檢測晶片之檢測區；以及分析電路，其基於該電壓訊號分析在樣品液體中之該細顆粒。該電壓驅動電路基於該檢測電路之該檢測結果改變該驅動電壓。
實施例將參考圖式詳細的說明。
在以下圖式中，相同的參考數字表示相同的元件。然而，應該注意的是圖式是示意性的，其中厚度和柱體大小之間尺寸關係、及層之間厚度比例，可能與實際的不同。因此，具體的厚度和/或大小應考慮下面的敘述確定。
此外，尺寸的關係、層之間厚度比例等等可能在圖式之間變化。更進一步地，已經給定具體材料和/或結構之敘述只作為範例，且材料和/或結構可以替換為其他具有相同功能的材料和/或結構。因此，實施例不限
制於所敘述的。
第1圖係顯示根據第一實施例之粒子檢測系統之示意區塊圖。第一實施例之粒子檢測系統包含半導體微分析晶片1以及各種電路2-5。
半導體微分析晶片1被構成為示意性顯示之第2圖中。殼體10內部藉由絕緣隔板(insulating partition)11被劃分成第一區13及第二區14。隔板11具有允許第一及第二區13和14彼此通訊之微孔12。微孔12之大小被設定為大於待檢測對象(to-be-detected object)(細顆粒)19，例如細顆粒或生物聚合物。隔板11之厚度被設定比待檢測對象19更薄。將要被檢測對象將在下文被稱為目標對象(target object)。
第一電極15及第二電極16被設置在殼體10之壁上。第一電極15具有暴露於第一區13之部分，而第二電極16具有暴露於第二區14之部分。電源供應器17被使用於在第一和第二電極15和16之間施加電壓。流經電極15和16之電流由安培計18檢測。
如果整個殼體10係由電性和化學惰性材料形成的話是足夠地。可替代地，殼體定義第一區13之內部表面、殼體定義第二區14之內部表面、殼體和第一電極15的接觸部分、以及殼體和第二電極16的接觸部分可以由電性和化學惰性材料形成。例如，SiN、SiO2、Al2O3、
玻璃、藍寶石(sapphire)、陶瓷、塑膠、氟樹脂、橡膠、彈性體(elastomer)等等，可被使用作為殼體10的材料。
此外，如果隔板11係由電性和化學惰性及絕緣材料形成的話是足夠地。例如，如果隔板11由SiN、SiO2、Al2O3、玻璃、藍寶石(sapphire)、陶瓷、塑膠、氟樹脂、橡膠、彈性體(elastomer)等等形成的話是足夠地。較佳地係選擇廉價且能夠在大規模生產之半導體製程下處理之材料。
此外，導電金屬，如鉑、銥、鈀、金、汞、錫、銅、鋅、鐵、鎂、鈷、鎳、釩和甘汞，以及任何上述的結合，被使用作為第一和第二電極15和16之材料。此外，電化學材料，如銀/氯化銀或汞/氧化汞，也可以被使用。較佳地是從這些材料選擇廉價且能夠在大規模生產之半導體製程下處理之材料。第一和第二電極15和16之大小和/或形狀可以不同或可以相同。
導電樣品液體包含供應至第一和第二區13和14之目標對象19。此時，液體可以透過微孔12在第一和第二區13和14之間流動。此外，第一和第二電極15和16的部分浸泡於分別被供應至第一和第二區13和14之液體。作為導電樣品液體，如KCI水溶液之電解質容易、或如TE(Tris Ethylene diamine tetra acetic acid)緩衝溶液或PBS(Phosphate Buffered Saline)緩衝溶液之緩衝溶液，可被使用。供應液體至第一和第二區13和14可被實現利用基於細流通道、外部泵浦(pump)、或發生在對液體
施加電場之電滲透(electro-osmotic flow)的毛細現象(capillary phenomenon)。
第3圖係顯示隨時間變化之流過第一和第二電極15和16之離子電流之示意圖，假定當電壓施加在第一和第二電極15和16之間，具有含有目標對象19之導電樣品液體被供應至第一和第二區13和14中。為方便起見，第一和第二電極15和16之間的區域，其中被供應導電樣品液體從而導致離子電流的流動，將被稱為檢測區域。離子電流的基礎電流值為一個值Ib由，例如，導電樣品液體的導電度以及第一電極15、第二電極16、第一區13、第二區14和微孔12確定。當目標對象19穿過微孔12時，離子電流從基礎電流Ib變化。
更具體地說，假定，例如，使第二電極16的電位比第一電極的更高，且目標對象19帶負電荷。在這種情況下，定位於第一區13之目標對象19藉由產生在第一和第二電極15和16之間的電場移動穿過微孔12至第二區14。當目標對象19穿過微孔12時，部分的微孔12由目標對象19阻塞，從而限制離子電流之電流路徑。其結果是，離子電流變得比基礎電流值Ib更低。
離子電流相對於基礎電流值Ib的變化ΔI，及所需的離子電流值改變的時間T1改變，取決於目標對象19的大小變化。此外，離子電流變化的時間區間T2相應於穿過微孔12之目標對象19之間的距離。藉由從半導體微分析晶片1之離子電流測量ΔI、T1和T2，目標對象19
可被分析。
目標對象19穿過微孔12之速度V可藉由下面方程式(1)近似，且速度V是一種確定所需的離子電流改變的時間T1的因素：V=A．B．ξ．I...(1)其中A為從樣品液體之類型而確定的常數，B為從微孔12之大小確定的常數，ξ為目標對象19在導電樣品液體內之Z電位(zeta potential)，以及I為流過微孔12之離子電流。從方程式(1)，目標對象19穿過微孔12的速度V與流過微孔12之離子電流成正比。也就是說，當離子電流I已經改變，速度V也改變即使目標對象19的大小沒有改變，因此所需的離子電流時間T1改變。這意味著，如果離子電流I已經從基礎電流Ib變化，目標對象19無法精確地分析。
例如，一種主要導致離子電流I變化的因素為因第一和第二電極15和16的表面性質的變化增加界面電阻。表面的性質的變化將由導電樣品液體和第一和第二電極15和16之間的電化學反應引起的。當流過導電樣品液體之電流增大時，反應發生得更容易。
如第4圖所示，導電樣品液體被供應至檢測區，具有施加於在第一和第二電極15和16之過電壓(excessive voltage)。此時，第一和第二電極15和16之間
的晶片電阻快速下降，且靜電電容(electrostatic capacitance)快速上升。因此，過電流流過第一和第二電極15和16，因此在上述電化學反應發生在第一和第二電極15和16。因此，離子電流I(離子基礎電流Ib)被減少。
為了抑制第一和第二電極15和16表面性質的變化，其有需要立即設定流過第一和第二電極15和16之離子電流I為較低的值，在導電樣品液體被供應至檢測區之後。換句話說，施加於第一和第二電極15和16之驅動電壓在導電樣品液體供應至檢測區之前必須被設定比供應之後低。
在第一實施例中，施加於半導體微分析晶片1之第一和第二電極15和16之驅動電壓在導電樣品液體供應至檢測區之前和之後改變。
如第1圖所示，第一實施例包含轉換半導體微分析晶片1之離子電流I之電流-電壓轉電路2、基於從電流-電壓轉電路2輸出之電壓訊號分析目標對象19之分析電路3、基於從電流-電壓轉電路2輸出之電壓訊號檢測導電樣品液體是否供應檢測區之檢測電路4、以及施加電壓在半導體微分析晶片1之第一和第二電極15和16之電壓驅動電路5。分析電路3基於電壓訊號分析目標對象19，也基於檢測電路4之檢測結果確定導電樣品液體是否已被供應至檢測區，且通知電壓驅動電路5導電樣品液體已被供應至檢測區。
例如，第5圖所示，電流-電壓轉電路2是所謂的包含差動放大器(differential amplifier)20及電阻R之轉換阻抗式放大器(transimpedance amplifier)。半導體微分析晶片1之第一和第二電極15和16之其中一個被連接至端子21，另一個接地。施加於第一和第二電極15和16之驅動電壓輸入至端子22。藉由此種結構，輸入之端子22的驅動電壓施加於端子21，因此驅動電壓施加於半導體微分析晶片1。從端子23輸出之電壓訊號之電壓值V由下式給出V=RI+E...(2)其中I為流過第一和第二電極15和16之離子電流。
從上面方程式(2)，在導電樣品液體供應至檢測區之前端子23之電壓訊號之電壓值V為E。供應導電樣品液體至後，電壓值V變為E與離子電流I和電阻R乘積之和。換句話說，在端子23之電壓訊號之電壓值在導電樣品液體供應至檢測區之前和之後改變。
如第5圖所示之電流-電壓轉電路2還有一種情況，電容與電阻R並聯連接或增加為了確保電路的穩定性之其他額外元件，如利用反饋迴路(feedback loop)抑制異常振盪。此外，電流-電壓轉換電路2不限制於轉換阻抗式放大器。假如電路2為其中從端子23輸出之電壓訊號之電壓值在導電樣品液體已被供應至檢測區之前和之後
變化之電路它是足夠的。
例如，第6圖所示，檢測電路4包含比較器40及放大器44。電流-電壓轉換電路2知端子23連接至放大器44之輸入端子41。具有其電壓由放大器44放大之訊號被輸入至比較器40之+端子(非反相端(Noninverting Terminal))。參考電壓被輸入至比較器40之-端子42。參考電壓被設定之水平為施加於比較器40之+端子在導電樣品液體供應至檢測區之前和之後之間的水平。透過此設定，檢測電路4之輸出端子43假定在導電樣品液體供應至檢測區之前為低水平，且在供應之後假定為高水平。因此，可以從輸出端子43之輸出水平檢測樣品液體是否被供應。
第6圖所示之檢測電路4可更包含用於賦予比較器40遲滯特性(hysteresis characteristics)之額外元件為了提高輸入至端子41之電壓訊號的雜訊容許度，和/或用於保護電路的穩定性。此外，檢測電路4可以不包括放大器44，取決於施加到端子41上的電壓水平。更進一步地，如果檢測電路4被構造成當導電樣品液體已被供應至檢測區時變化端子43之輸出水平它是足夠的。
例如，第7圖所示，電壓驅動電路5包含可變電源供應器50及斜坡電路53(ramp circuit)。可變電源供應器50具有根據輸入至端子52的訊號變化電壓之功能。斜坡電路53具有平順地變化在可變電源供應器50中之電壓變化如斜坡一樣的功能。斜坡電路53之輸出端子
51連接至電流-電壓轉換電路2之端子22。換句話說，電壓驅動電路5施加驅動電壓至半導體微分析晶片1。其結果是，施加到半導體微分析晶片1之驅動電壓可藉由改變輸入至端子52之訊號在導電樣品液體供應至半導體微分析晶片1之檢測區之前和之後而變化。
更具體地，當檢測電路4之輸出端子43為低水平時在端子51的電壓被作為低於當輸出端子43為高水平時在端子51之電壓。在端子51的電壓根據供應檢測區之導電樣品液體的形態及第一和第二電極15和16之形態適當地設定。透過此設定，第一和第二電極15和16的表面性質的改變在導電樣品液體供應至檢測區之後立即地抑制。
第7圖之斜坡電路53可以平順地改變在可變電源供應器50中之電壓變化如斜坡一樣，使用設置有一個充電/放電電路，例如電容器，且也可以逐步地或呈指數地相同改變。此外，需要以斜坡方式做出了改變的時間，即，在供應導電樣品液體至檢測區之前所需用於驅動電壓轉移到在供應後之驅動電壓的時間，被設定大於從靜電電容及半導體微分析晶片1之晶片電阻確定之時間常數。換句話說，上述時間被設定大於時間常數之小於10μs，因為半導體微分析晶片1之靜電電容約為1pF及晶片電阻約為10MΩ。透過這個結構，離子電流之改變可以進一步降低，因此抑制浸泡在導電樣品液體之第一和第二電極15和16之表面性質變化。
因為當驅動電壓平順地如斜坡變化時，輸入至電流-電壓轉換電路2之離子電流平順地如斜坡變化，例如電流-電壓轉換電路2可以從由於離子電流迅速變化之破壞(breakage)被保護。如果可變電源供應器50具有如斜坡電路53之改變電壓變化的功能，斜坡電路53是不必要的。
分析電路3包含微電腦、個人電腦、工作站、邏輯電路或序列器(sequencer)，其包含A/D轉換器、比較器、計數器、處理器等等，以便執行顯示於第3圖之關聯於離子電流中之變化ΔI、所需用於離子電流變化之時間T1及其中離子電流變化之時間區間T2的測量和分析。分析電路3更包含用於儲存測量結果和比較資訊之記憶體、用於顯示分析結果之顯示器以及用於至外部單元和從外部單元傳送和接收如分析結果之資訊的輸入/輸出端。
分析電路3從電流-電壓轉換電路2接收電壓訊號。分析電路3基於電壓訊號執行上述分析。分析電路3連接至檢測電路4之輸出端子43及電壓驅動電路5之端子52。指示導電樣品液體供應至檢測區之檢測訊號從檢測電路4透過分析電路3被傳送至電壓驅動電路5。即使檢測電路4直接連接至電壓驅動電路5，抑制浸泡在導電樣品液體中的第一和第二電極15和16之表面性質變化將不會發生問題。然而，因為檢測訊號從檢測電路4被發送至分析電路3，分析電路3可基於檢測訊號分析樣品液體。因此，樣品液體能夠更精確地分析。
接著參照第8圖之流程圖，示出了使用於構造成如上述之粒子檢測系統之微粒檢測方法的說明。
首先，根據從分析電路3之指令，電壓驅動電路5輸出第一驅動電壓並施加至半導體微分析晶片1(步驟S1)。更具體的，半導體微分析晶片1之第一電極15為接地，且第一驅動電壓被施加到相同的第二電極。第一驅動電壓足夠低於用於檢測微粒的電壓。換句話說，第一驅動電壓當樣品液體已被供應至檢測區時藉由流過電極15和16之電流被設定為其中第一和第二電極15和16的表面性質還沒發生改變的值。
另一方面，在電流-電壓轉換電路2轉換半導體微分析晶片1之輸出電流為電壓，且發送電壓指示之訊號至分析電路3和檢測電路4。
接著，將樣品液體供應至半導體微分析晶片1之檢測區。此時，檢測電路4監視從電流-電壓轉換電路2輸出之電壓訊號(步驟S2)，且確定樣品液體是否已被注入至檢測區(步驟S3)。
如果檢測電路4已確定樣品液體已被供應至檢測區，其提供分析電路3具有指示樣品液體已被供應之訊號。當接收到該信號時，分析電路3指示電壓驅動電路輸出第二驅動電壓。
響應於來自分析電路3的指令，電壓驅動電路5輸出第二驅動電壓，並施加相同電壓至半導體微分析晶片1(步驟S4)。第二驅動電壓適合於微粒的檢測，並且
比第一驅動電壓更高。
在這之後，分析電路3分析從電流-電壓轉換電路2輸出的電壓訊號，隨著第二驅動電壓施加於半導體微分析晶片1。基於電壓訊號之水平變化，確定微粒是否存在(步驟S5)。因此，供應至半導體微分析晶片1之樣品液體中的微粒可以被檢測。
如上所述，在第一實施例中，施加在第一和第二電極15和16之驅動電壓在導電樣品液體供應至半導體微分析晶片1之檢測區之前和之後變化。更具體地說，供應導電樣品液體之前施加之第一驅動電壓被設定為比供應導電樣品液體之後施加之第二驅動電壓低。其結果是，發生在供應樣品液體時之過量的離子電流可被減小。這可以抑制由第一和第二電極15和16在供應樣品液體時發生表面性質變化所導致離子電流的變化，從而藉由粒子檢測系統1抑制檢測目標對象19之分析精確性的下降。換句話說，發生在樣品液體供應的時間之半導體微分析晶片之電極表面的變化，可以被抑制從而提高了微粒檢測的可靠度。這具有非常顯著的工業價值。
另外，在第一實施例之使用於粒子檢測系統之電路元件可以由廣泛使用的半導體裝置製造過程來製造。因此，元件的部分或整個元件可與半導體微分析晶片1整合形成，這使得緊密的(compact)粒子檢測系統可以實現。
第9圖係顯示根據第二實施例之粒子檢測系統之示意區塊圖。在此圖中，類似於第1圖的元件用相應的參考數字表示，並且不再詳細描述它們。
第二實施例不同於第一實施例的地方為前者採用電流驅動電路6取代電壓驅動電路5。電流驅動電路6具有接收電壓訊號作為電流-電壓轉換電路2的輸出，以及執行控制以使一個恆定電流流入半導體微分析晶片1的檢測區。此外，電流驅動電路6可以根據來自分析電路3之指示變化驅動電壓，與上述第一實施例相同。從電流驅動電路6輸出之驅動電壓施加至半導體微分析晶片1。
第10圖顯示假定當導電樣品液體已被供應半導體微分析晶片1之檢測區時在分析電路3之用來分析目標對象19之離子電流I的時間變化。在第10圖中，大的變化是由微粒檢測造成的，且小的變化是由基礎電流變化造成的。
從第10圖可以理解，即使在從供應導電樣品液體至檢測區之足夠時間後，在第一和第二電極15和16的表面性質稍有進展且基礎離子電流隨時間逐漸變化。因為基礎離子電流的變化改變目標對象19穿過微孔12的速度，如上述方程式(1)所表示，關聯於目標對象19之分析電路3的分析精確性下降。
電流驅動電路6控制施加於第一和第二電極15和16之驅動電壓從而抑制上述所提之基礎離子電流Ib
的變化，且使半導體微分析晶片1之基礎離子電流Ib恆定。
第11圖顯示電流驅動電路6範例之示意結構。如圖所示，電路包含，例如，連接至端子60、低通濾波器62、比例-加-積分電路600以及具有藉由從端子69之輸入訊號變化電壓值之參考電源供應器67之放大器61。比例-加-積分電路600包含加法器63和66、比例電路64以及積分電路65，並且連接至端子68。
端子60連接至電流-電壓轉換電路2之輸出端子23。結果是，其中由離子電流I轉換之電壓訊號輸入至電流驅動電路6。這電壓訊號一旦由放大器61放大到所需水平，且接著穿過低通濾波器62，從而當目標對象19已經通過微孔12具有發生對應於離子電流變化的訊號的分量被消除。換句話說，低通濾波器62基本上僅通過對應於基礎離子電流Ib的電壓訊號的分量。
在比例-加-積分電路600中，參考電源供應器67之電壓和從低通濾波器62接收之電壓之間的差由加法器63計算，且使用比例電路64和積分電路65決定反饋量。此外，參考電源供應器67之電壓和反饋量由加法器66總結。端子68被連接至電流電壓轉換電路2之端子22。另外，端子69透過分析電路3接收從檢測電路4之檢測訊號，如第一實施例。這種結構使參考電源供應器67的電壓當導電樣品液體已經供應至半導體微分析晶片1之檢測區變化。上述電路結構能夠反饋控制以使從電流電
壓轉換2輸出之電壓訊號接近參考電源供應器67之電壓。其結果是，離子電流I可以保持基本恆定，從而抑制關聯於目標對量19之分析電路3之分析精確性之下降，其由離子電流I變化導致。
如上所述，離子電流I符合參考電源供應器67之電壓。因此，參考電源供應器67之電壓由輸入至端子69之訊號被控制，使得在導電樣品液體供應至半導體微分析晶片1之檢測區之前的電壓低於導電樣品液體供應至半導體微分析晶片1之檢測區之後。透過此控制，離子電流I流動當導電樣品液體已被供應檢測區時可以被設定較小，在其後增加至所期望的值I。其結果是，第一和第二電極15和16表面性質的改變可被抑制。
更希望設定比例-加-積分電路600之響應時間，以使供應導電樣品液體至檢測區之前驅動電壓來移動到供應導電樣品液體至檢測區之後驅動電壓的所需時間不小於10μs，其大於從半導體微分析晶片1之靜電電容和晶片電阻決定之時間常數。
比例-加-積分電路600不限制於第11圖所示之電路結構。如果該電路600可以得到所期望的反饋量它是足夠的。此外，電流驅動電路6不限制於第11圖所示之電路結構。如果電路6可以施加適當的驅動電壓至半導體微分析晶片1，它是足夠的。
如上所述，在第二實施例中，發生在供應樣品液體期間之過量離子電流可藉由在供應導電樣品液體至
半導體微分析晶片1之檢測區之前減少施加於第一和第二電極15和16之驅動電壓而減少，相比於在供應導電樣品液體之後之施加於第一和第二電極15和16之驅動電壓。其結果是，可以得到相同於第一實施例的優點。另外，藉由使用電流驅動電路6施加驅動電壓至半導體微分析晶片，關聯於目標對象19之分析電路3之分析精確性之下降由於離子電流I的變化可被抑制，藉此分析精確性可進一步提高。
此外，在第二實施例之粒子檢測系統中使用的電路元件可以由廣泛使用的半導體裝置之製造過程來製造。因此，元件的部分或整個元件可與半導體微分析晶片1整合形成，這使得緊密的(compact)粒子檢測系統可以實現。
作為第二實施例的進一步的改進，粒子檢測系統可被構造為如第12圖。
第12圖所示之粒子檢測系統透過變化從電流電壓轉換電路2之輸出至電流驅動電路6的輸出之訊號輸入至檢測電路4得到。換句話說，在第三實施例中，檢測電路4係被設計基於施加於電流驅動電路6之驅動電壓檢測樣品液體是否已經被供應至半導體微分析晶片1的檢測區。
借助這種電路結構，當導電樣品液體供應至
半導體微分析晶片1的檢測區之後電流驅動電路6之某一響應時間已經經過時，檢測電路4檢測供應的樣品液體。其結果是，當預定期間在供應樣品液體之後已經經過時，驅動電壓施加於半導體微分析晶片1。
除了類似於第二實施例的優點，這種結構提供有效抑制第一和第二電極15和16表面性質變化的優點。
現在將敘述上述各實施例之用於檢測晶片1之半導體微分析晶片。
第13和14圖是用於說明第一半導體微分析晶片的簡要結構圖。第13圖為平面圖，第14圖為沿著第13圖之A-A’之剖視圖。
在圖中，參考號碼110表示半導體基板。各種如Si、Ge、SiC、GaAs、InP和GaN之半導體材料可被使用於基板110。下文中，使用Si作為半導體基板110之範例進行說明。
在Si基板110表面部分上，由直線槽形成之流通通道120被形成。流通通道120為其中包括待檢測微粒之樣品液體流動之通道，且由蝕刻Si基板110之表面形成，例如，50μm的寬度和2μm的深度。流通通道
120的兩端上為用於提供樣品液體之供應或排出的開口部分141和開口部分142，且電極可分別被插入至開口部分141和開口部分142。在不包括流通通道120兩端之區域，提供柱體陣列150。柱體陣列150由從流通通道120底部延伸至Si基板110表面之柱狀結構(柱體)組成，其被配置以間隔作為陣列。例如，柱體150a之直徑為1μm，例如，相鄰柱體之間的間隙為0.5μm。
此處，流通通道120之底部被覆蓋有SiO2薄膜111且柱體陣列150也是由SiO2形成。此外，流通通道120之上部覆蓋有由SiO2形成之披覆層115。用於快速去除用於流通通道形成之犧牲層的灰化孔116被形成在披覆層115之幾個地方。
在開口部分142中，背開口117設置在流通通道120之背側，且微孔130設置在流通通道120之底部。Si基板10之流通通道120和開口17透過微孔130空間地連接。
在第一半導體微分析晶片中，當樣品液體倒入至供應開口141，即一個入口，樣品液體流過流通通道120且到達排出開口142，也就是毛細作用的出口。背開口117填充有不含有粒狀樣品之電性導電液體。然後，用於測量穿過微孔130電流之電極(例如，由金屬線形成)被插入至開口142和背開口117，且電壓藉由電壓驅動電路5或電流驅動電路6施加至電極，從而觀察流過電極之離子電流。當粒子穿過微孔130，粒子佔據微孔130的部
分，因此部分之微孔130的電阻改變。離子電流根據電阻的改變而改變。穿過微孔130之微粒藉由使用電流電壓轉換電路2及分析電路3觀察當粒子穿過微孔130時離子電流的變化而被檢測。
如上述的半導體微分析晶片係由如Si之半導體晶圓(wafer)製成，且半導體製造程序技術之大規模生產技術可以被利用的。出於這個原因，在半導體微分析晶片可以小型化(minizaturized)到相當程度且相比於使用常採用於先前技術之石英基板或樹酯基板微分析晶片可被大量製造。因此，大量的半導體微分析晶片能夠以低成本進行製造。
另外，半導體微分析晶片不需要鍵合(bonding)製程或鍵合至其他基板或覆蓋玻璃，以形成流通通道之密封結構(蓋)，且鍵合製程的成本可以降低。此外，因為微粒被電性檢測，藉由利用電子電路技術和具有即時數位處理(統計處理等等)的高敏感檢測之從檢測訊號之雜訊分離可以實現。另外，檢測系統相比於光學檢測系統可被製造的大幅度緊密，因為微分析晶片不需要如佔據大空間之光學檢測系統的設備。
此外，複數個孔洞被設置在小的流通通道，且這些孔洞被使用作為形成用於形成流通通道之用於去除犧牲層之灰化孔。用於去除犧牲層的時間可因此顯著地減少，且製造成本可以降低。
(第二半導體微分析晶片)
第二半導體微分析晶片與第一半導體微分析晶片不同的點為與流通通道連通的通道部分125設置於流通通道120的側部分，且灰化孔116形成在通道部分125之上的披覆層115。例如，在流通通道120之兩個側表面上，比將形成的灰化孔稍微大之通道部分125被配置以規則間隔，以及灰化孔116分別形成在通道部分125內。
即使在此結構，因為設置灰化孔116，去除形成在流通通道120之犧牲層可以如在第一半導體微分析晶片快速進行。此外，灰化孔116可以被使用如通過樣品液體之空氣孔洞。此外，孔洞不直接形成在流通通道120內，但孔洞116形成在提供流通通道側壁之通道部分125。因此，半導體微分析晶片具有能夠形成孔洞116而不會降低流通通道天花板之強度的優點。
第16圖係用於示意地繪示第三半導體微分析晶片之平面圖，及第17圖係用於解釋第三半導體微分析晶片之簡要結構之立體圖。
在圖中，例如參考號碼110表示表示半導體
基板由Si形成。參考號碼141a、141b、142a和142b表示儲存槽流入和流出其中樣品液體注入和排出。更具體地說，參考號碼141a表示樣品液體供應區、參考號碼141b表示表示電解液供應區、參考號碼142a表示樣品液體排出區及參考號碼141b表示表示電解液排出區。這些儲存槽藉由蝕刻形成(使用選擇性蝕刻)，例如，1mm之正方形圖案和2μm的深度。
參考號碼121表示其中樣品液體流通之第一流通通道，且參考號碼122表示其中樣品液體或電解液流通之第二流通通道。流通通道121和122被配置以不同佈局部分地彼此接近，且例如由蝕刻Si基板110的寬度為50μm及深度為2μm。此外，各個流通通道121和122之上部覆蓋有絕緣薄膜(例如，具有200nm之厚度)，如二氧化矽(SiO2)、氮化矽(SiNx)或氧化鋁(Al2O3)薄膜。如第17圖所示，作為披覆層115之流通通道蓋(即，用以密封流通通道121和122之蓋子)形成在流通通道121和122之上部。第一和第二流通通道之兩者從而形成為槽狀隧道的流通通道。此外，在披覆層115內，當去除犧牲層時將被使用之灰化孔可被形成。
此時，披覆層115延伸至通道和儲存槽141a、141b、142a和142b之間的連接，使得樣品液體或電解液可以供應至儲存槽之上部和通道之間的連接。其結果是，通道121和122成為打開部分儲存槽之隧道狀通道。
參考號碼130表示設置在第一流通通道121和第二流通通道122接觸部分。微孔130由部分地蝕刻介於流通通道121和流通通道122之間狹縫狀的隔板131形成(例如，具有0.2μm之SiO2壁)。微孔130之大小(寬度)沒有限制只要它的大小稍大於待檢測粒子。當待檢測粒子之大小之直徑為1μm，第16圖微孔130之寬度可以是例如1.5μm。
參考號碼113a和113b表示組構以檢測粒子之電極。電極113a和113b被形成為分別部分露出流通通道121和122內部。作為電極113a和113b之材料如AgCl、Pt、Au等等，可被使用在其中電極接觸樣品液體之表面部分。電極113a和113b不一定需要整合如第17圖所示。也就是說，即使在電極113a和113b沒有整合，粒子可以由聯繫外部電極分別至流通通道之入口和出口而檢測。
流過微孔130之離子電流基本地由微孔130之孔徑大小基礎確定。換句話說，由施加在流通通道121和122內之電極113a和113b導致流動之電流(當微粒沒有穿過流通通道時)(流通通道121和122分別填充有電解液(由溶解電解質於其允許離子電流流動之溶液))係由微孔130之孔徑大小之基礎決定。
當粒子被檢測穿過為孔130，粒子部分地阻隔離子穿過微孔130，導致離子電流根據阻塞程度減少。然而，假如粒子是導電的或在表面水平可以變成導電的，離
子電流相應於穿過微孔130之粒子而增加被觀察到，因為粒子本身導電性由給予和接收之離子電荷所造成。這種離子電流變化係由微孔130和粒子之間形狀、大小、長度等等相對關係之基礎決定。出於這個原因，粒子穿過微孔之特徵可以透過觀察離子電流之變化量、瞬時變化量等等被識別。
微孔130之孔徑大小可由考慮被檢測之容易通過之粒子和離子電流的變化程度決定。例如，微孔130之孔徑大小可為1.5倍至5倍大於待檢測之粒子的外徑。作為分散待檢測粒子之電解液，可使用KCI溶液或如參(羥甲)甲胺乙二胺四乙酸(Tris Ethylene diamine tetra acetic acid，TE)緩衝液和磷酸鹽緩衝鹽水(phosphate buffered saline，PBS)各種緩衝溶液。
例如，在第16圖和第17圖所示之第三半導體微分析晶片，第一流通通道121被用作樣品液體供應流通通道，且樣品液體(即，由分散待檢測細粒子在電解液中得到之懸浮液)懸浮液滴下到至儲存槽141a或142a。此時，因為流通通道121為如前述之隧道狀流通通道，一旦樣品液體到達流通通道121之入口，樣品液體藉由毛細現象吸入至流通通道121，且然後流通通道121填充有樣品液體。在這裡，如果形成灰化孔，它們作為空氣孔，並且樣品液體的可順利地進行填充。
第二流通通道122被使用作為用於接收檢測粒子流通通道。不包括待檢測粒子之電解液滴下到至儲存
槽141b或142b，然後將儲存槽141b或142b的內部填充有電解液。在上述狀態，藉由從電壓驅動電路5或電流驅動電路6施加電壓於電極113a和電極113b，可以檢測到粒子穿過微孔130。
施加於電極113a和電極113b之電壓極性取決於待檢測粒子(細菌、病毒、標記粒子等)的電荷而變化。例如，為了檢測帶負電荷的粒子，負電壓被施加到電極113a，且正電壓施加到電極113b。在這種配置中，粒子由在溶液之電場電泳(electrophoresed)，且接著離子變化根據上述所提機制被觀察到。
第二流通通道122以及第一流通通道121可被填充有樣品液體。此條件可被採用特別是當待檢測的粒子之電荷不清楚時或當正電荷粒子和負電荷粒子混合時。即使當代檢測粒子之電荷為已知，檢測可透過填充樣品液體於兩個流通通道執行。在這種情況下，因為兩種類型的解決方案，即，將樣品液和電解質，不需要準備，相關檢測的粒子的操作可以被簡化。但是，流通通道之儲存槽(141a和141b、142a和142b)需要彼此電性分離，即，在儲存槽之一者中的樣品液體需要與另一個分開。
因此，在第三半導體微分析晶片中，粒子只可藉由供應樣品液體及電性觀察而被檢測。此外，微型化及大量生產可以由半導體製程技術實施，且粒子檢測電路、粒子鑑別電路等等也可被整合。因此，微型化和高靈敏度半導體微分析晶片可以大規模且低成本的製造。
因此，高靈敏度的細菌、病毒等等的檢測，可以很容易的進行。如所述之半導體微分析晶片有助於預防傳染病的擴散和確保食品安全，透過應用半導體微分析晶片於感染性病原體、引起食品中毒的細菌等等之快速檢測。如所述之半導體微分析晶片適於在需要以非常低的成本提供大量使用晶片的情況下。例如，它們可適當地被使用作為疾病之高速主要測試包，其中高速主要測試包為用於如流感的新菌株、簡易家庭食物中毒測試等等需要緊急隔離的操作。
第18圖及第19圖繪示第四半導體微分析晶片之簡要結構。第18圖為半導體微分析晶片之平面圖，以及第19圖為半導體微分析晶片之立體圖。在半導體微分析晶片中，粒子大小過濾器設置在樣品液體流通通道內121。
在第18和19圖中，參考號碼151和152表示由配置以規則的間隔之微柱狀結構(柱體)組成之微尺寸柱體陣列用以基於該間隔藉由大小過濾樣品液體之粒子。壁形結構(狹縫)陣列等等也可被使用取代柱體陣列151和152。粒子過濾器之結構和功能將採取供應樣品液體至儲存槽141a及引導液體至流通通道121作為範例進行說明。
第20圖示意地繪示柱體陣列151和152之功
能。第一柱體陣列151設置在微孔130之上游側，且作為組構以去除將堵塞微孔130之大粒子161之過濾器。柱體陣列151係由允許待檢測粒子162穿過柱體陣列151但不允許具有直徑大於微孔130之孔徑的粒子161通過之柱體間隔形成。例如，待檢測粒子的直徑為1μm且微孔之直徑為1.5μm，柱體陣列151將以下面所述之方法進行配置。也就是，作為柱體陣列151，具有直徑為2μm之柱狀結構或側邊具有2μm長度之四邊形棱柱狀結構被形成，以具有例如最大流通通道之橫向方向的1.3μm之間隔。柱體陣列151之柱體之階數(即，行數)可由考慮大粒子161之捕捉效率而決定。基本上所有具有外直徑為1.3μm或更大之粒子可以被捕捉，例如當柱體陣列151在流通通道之橫向方向配置10階(10行)的柱體。
此外，在柱體陣列151之前，可提供具有更大柱體間隔之柱體陣列(未圖示)的多階過濾器結構設置在柱體陣列151之上游，以預先過濾例如具有5μm或更大之粒子。在這種情況下，其變得容易防止粒子過濾器(柱體陣列151)本身由大粒子161阻塞。出於這個原因，如樣品液體之離心分離(centrifugation)和預處理過濾(preprocessing filtration)之預處理可以省略，因此用於檢測粒子的工作可以被簡化和加速。
在第20圖中，柱體陣列152作為組構以收集和集中待檢測粒子162的收集器。柱體陣列152設置在微孔30之下游側，且柱體陣列152之柱體以不允許待檢測
粒子162通過但允許電解液和不在檢測範圍之微粒163通過的間隔形成。例如，假如待檢測粒子的直徑為1μm，作為柱體陣列152，具有直徑為1μm的柱狀結構或側邊具有1μm長度之四邊形棱柱狀結構被形成，以具有例如最大流通通道之橫向方向的0.9μm之間隔被形成。柱體陣列152之柱體之階數(即，行數)可由考慮待檢測粒子162之捕捉效率而決定。基本上所有具有外直徑為1.0μm或更大之粒子可以被捕捉，例如當柱體陣列152在流通通道21之橫向方向配置10階(10行)的柱體。
此外，如第21A和21B圖所示，柱體陣列152之柱體可被配置成斜交叉流通通道121，具有微孔130定位在靠近位於上游側柱體端的最下游側的部分。因為捕捉的粒子被有效地導引至微孔130之部分，檢測效率可以被提高。
只有柱體陣列151和152中的一個被設置而不是設置兩個柱體陣列。將設置之柱體陣列的數目可透過考慮將被施加的樣品液體、檢測步驟的過程等等之特徵而決定。除了作為粒子大小過濾器之柱體陣列151和152，具有間隔大於柱體陣列151和152之柱體陣列可形成遍及流通通道。在這種情況下，每個柱體可用作流通通道蓋之支持柱，且可以防止流通通道蓋因外部壓力或樣品液體之表面張力坍塌。此外，電解液之表面張力也可以當作柱體之間充當汲取電解液驅動力，進而使流通通道能夠更容易地填充有樣品液體和電解質。
柱體陣列也可以在未提供流通通道蓋之儲存槽141a、141b、142a和142b之區域中以柱體之間隔大於可以為粒子過濾器之間隔。利用上述配置，滴到入口上之樣品液體及電解液可以透過柱體陣列之表面張力蔓延，且溶液可以順利地流入流通通道。
如在第四半導體微分析晶片中可看到，粒子大小過濾功能可藉由配置柱體陣列(或狹縫陣列)添加在樣品液體入口流通通道。此外，藉由添加去除非必需粒子、集中待檢測粒子之功能等等，檢測步驟可被簡化且檢測粒子之精確性可以提升。因此，不只有相同於第三半導體微分析晶片優點之優點，而且所示之半導體微分析晶片也具有減少檢測時間及檢測錯誤可以減少和預防的優點。
第22圖為顯示第五半導體微分析晶片簡要結構之立體圖。在此晶片中，流通通道121和122不是由Si基板110槽構成，但覆蓋有隧道狀絕緣薄膜。也就是說，取代使用Si基板110刻槽，使用藉由在流通通道圖形中形成犧牲層，且接著藉由絕緣薄膜覆蓋犧牲層上表面及側表面形成絕緣薄膜隧道類型流通通道。
因為此半導體微分析晶片不包括犧牲層之回蝕製程(etch-back process)或CMP製程，如殘留的犧牲層之面內凹凸及薄膜厚度減少幾乎不發生。因此，在形成犧牲程過程失敗大大減少。因此，不僅可得到相同於第三半
導體微分析晶片之優點，製造產量也可以提高。此外，假如形成灰化孔，所需要用於灰化製程的時間可以減少且均衡。此外，熱氧化薄膜11和將由殘留的犧牲層引起的披覆層15之間的間隙基本上很難創建。由於這個原因，離子電流之洩漏故障的問題也基本上解決。
本檢測晶片之儲存槽(141a、141b、142a及142b)可基本地形成如第17和20圖所示，但儲存槽之液體水壩需要形成在絕緣薄膜隧道形態之流通通道和儲存槽之間的連接部分。由於這個原因，Si平台可以形成在流通通道121和122之端部開口旁，如第22圖所示，或虛設流通通道可被形成以高達在流通通道121和122之端部開口旁之Si平台，且用作液體水壩。
第23圖為顯示第六半導體微分析晶片簡要結構之平面圖。在此晶片中，流通通道121和122形成在不同階段，且設置其中兩流通通道彼此交叉處之堆積部(接觸部)。由這種結構，作為樣品供應流通通道之流通通道121形成於較低側及作為樣品接收流通通道之流通通道122形成於較高側之雙層流通通道被設置。此處，微孔130設置在兩流通通道之堆積部(接觸部)。換句話說，微孔130藉由在作為流通通道121之上表面和流通通道122之下表面之隔板(即，第一流通通道121之披覆層115)黃光微影(photolithography)而形成。
在第16至23圖所示之半導體微分析晶片中，微孔130需要被形成在垂直於Si基板10之隔板，因為兩流通通道橫向彼此相鄰在它們之間夾有隔板。由於這個原因，狹縫狀微孔130藉由從側部分圖形化隔板形成。此時，當流通通道深度相同於微孔之寬度時，微孔的形狀是一個矩形接近正方形。或者，當流通通道深度大於微孔之寬度時，微孔為一個縱長的狹縫。由於這個原因，當粒子穿過微孔130時，微孔30之孔徑無法充分地由粒子遮蔽，因此相較於圓形微孔，離子電流的變化較小。
相反地，在第23圖中所示之分析晶片，微孔130可直接地圖形化且微孔之孔徑形狀可以任意地決定。因此，微孔130可被設計具有圓形孔徑，藉由離子導電性可被有效地由粒子遮蔽。此時，關聯於通過微孔130之待檢測粒子的離子電流變化量可被最大化，且粒子可以以高於第16至22圖所示之半導體微分析晶片之敏感度而被檢測。
第24圖繪示雙層流通通道之具體範例。在此範例中，第一流通通道121是類似於第17圖所示之流通通道之Si基板雕刻形之隧道流通通道，而第二流通通道122為第22圖所示之流通通道之絕緣薄膜隧道形之流通通道。
第一流通通道121為如第25A圖所示之雕刻形之隧道流通通道，第二流通通道122為絕緣薄膜隧道形之流通通道，也就是如第25B圖所示之由絕緣薄膜(披覆
層)118形成之流通通道。
此外，微孔130形成在如第25C圖所示之絕緣薄膜15之其中兩流通通道21和22彼此交叉的接觸部分，且微孔之孔徑形狀可任意決定。用於觀察離子電流之電極分別形成在第一流通通道121之下表面及第二流通通道122之上表面。高靈敏度可以夠過優化微孔的形狀而實現。另外，本半導體微分析晶片包括Si雕刻類型之隧道流通通道121和形成在絕緣薄膜115上的第二流通通道122。因此，半導體微分析晶片還具有沒有漏電流發生在兩流通通道之間的優點，即使由於犧牲層的殘留而在絕緣薄膜111和絕緣薄膜115之間形成間隙。
因為兩流通通道被配置以彼此交叉，注入至儲存槽141a的樣品液體排出至儲存槽142b。然而，此結構可以被修改如第26圖之平面圖或第27圖之立體圖。因此這兩流通通道被堆疊，且每個在堆疊部分之通道允許彎曲，例如，注入至儲存槽141a的樣品液體排出至儲存槽142a(相似地，允許注入至儲存槽141b的樣品液體排出至儲存槽142b)。
在第28A和28B圖，柱體陣列152被配置成使得柱體陣列152之柱體傾斜地交叉流通通道21，且微孔130被定位於靠近柱體之上游側端之最下游側的部分。第28A圖平面圖，及第28B圖為立體圖。因為由柱體陣列152捕捉之例子被有效地引導至微孔130，因此檢測效率可被增加。
此外，在第28C及28D圖，柱體陣列152之柱體被配置成相對於流通通道方向以「＞」之形式。第28C圖平面圖，及第28D圖為立體圖。透過這樣配置柱體陣列，相同於第21A和21B圖所示支配置的優點可以得到。考慮到微孔130以預定的大小形成，微孔130當柱體被配置以「＞」之形式時被定位在流通通道121之中間部分。因此，顯示於第28C及28D圖的「＞」形式之配置可比第28A和28B圖之傾斜配置更容易形成。
第29圖示意地顯示粒子檢測機制。柱體陣列151和152的功能相同於第20圖所示。在第29圖中，藉由施加電壓在電極113a和113b，由柱體陣列152收集之粒子162在電極113a和113b電泳，且移動至流通通道122側通過微孔130。此時，因為電極113a和113b之間流動的離子電流變化，粒子162可以被檢測出。
可以看出，因為微孔130藉由具有第一流通通道121和第二流通通道122堆疊而形成具有圓形之孔徑，除了可得到如第三半導體微分析晶片之優點，而且粒子可以以更高靈敏度進行檢測。
第20圖為顯示第七半導體微分析晶片之簡要結構的立體圖。此晶片是在其中流通通道121和流通通道122形成在不同步驟的修改情形下，且設置兩流通通道堆疊部分(接觸部分)。
為樣品入口流通通道之第一流通通道121及為樣品接收通道之第二流通通道122皆為絕緣薄膜隧道類型流通通道。兩流通通道形成在不同步驟，且微孔130藉由黃光微影形成在兩流通通道堆疊部分。
檢測晶片具有解決不方便之特徵，是有時候不能成功地執行填充樣品液體或電解液於第二流通通道，其原因為在第29圖所示之檢測晶片的第二流通通道122之高度不同於第二流通通道122和儲存槽(即，開口部分)之間的接面(junction)。在本晶片中，絕緣薄膜隧道類型之第一流通通道121形成於形成在基板上之流通通道部分110a中，且絕緣薄膜隧道類型之第二流通通道122相似地在已經形成第一流通通道121之後形成。由此，第一流通通道121和第二流通通道122可以大致與其儲存槽部分在相同的高度。
在兩通道之堆疊部分(即，第30圖中接觸部分)，第二流通通道122之空間可以被固定如第29圖所示，因為在形成第二流通通道製程中，用於第二流通通道之犧牲層自動地攀爬在第一流通通道121上。在填充第一流通通道121和第二流通通道122有樣品液體(或電解質)的情況下，發生在任一通道之填充失敗的問題可以因此解決。
因此，除了第六半導體微分析晶片之優點外，本晶片具有可以預防填充樣品液體或電解液於流通通道失敗的優點。
第31圖微顯示第八半導體微分析晶片之簡要結構的立體圖。此晶片微修改其中流通通道121和流通通道122形成於不同步驟的情形，且設置兩通道之堆疊部分(接觸部分)。第32A圖為流通通道之剖面圖，及第32B圖為流通通道之接觸部分之剖面圖。
相同於第30圖之檢測晶片，為樣品入口流通通道之第一流通通道121及為樣品接收通道之第二流通通道122皆為絕緣薄膜隧道類型流通通道。兩流通通道形成在不同步驟，且微孔130藉由黃光微影形成在兩流通通道堆疊部分。此外，第二流通通道122被形成高於第一流通通道121，如第32A和32B圖所示。
工作方式如第二流通通道122之位於第一流通通道上之空間，可肯定地固定在流通通道121和122之堆積部分(第31圖之接觸部分)。因此，有時可能發生在第30圖之半導體微分析晶片中之流通通道121和122之堆積部分之第二流通通道122被破碎的問題可以被解決。在第30圖之檢測晶片中，第二流通通道122被形成以第二犧牲層將自然地爬過第一流通通道之期望。然而，因為在犧牲層材料之產品變化及製程環境的溫度或濕度波動，其很難保證重覆性形成流通通道。在第31圖中的半導體微分析晶片，期望第二流通通道之上表面自然地爬過第一流通通道是不需要的，因為具有不同高度之流通通道可以
在用於塗佈犧牲層(即，旋轉速度等等)或使用不同粘度的犧牲層材料之不同條件下有把握地形成。
此時，理想的是第一流通通道121和第二流通通道122被形成以具有相同截面積以均衡填充至流通通道121和122之樣品液體(或電解液)的量，這將導致在流通通道121和122大致相等的毛細作用。例如，在其中第一流通通道121具有50μm的寬度和2μm的高度以及第二流通通道122具有20μm的寬度和5μm的高度之情形下，流通通道121和122具有相同截面積及介於第一流通通道和第二流通通道之間3μm高的空間可固定在堆疊部分。
因此除了第七半導體微分析晶片之優點，本晶片具有能夠解決流通通道121和122之堆疊部份被破碎的問題之優點，並實現高可靠度之維分析晶片。
第33圖為顯示第九半導體微分析晶片之簡要結構的立體圖。
此晶片的基本結構相似於如先前所述之第八半導體微分析晶片。本晶片和第八半導體微分析晶片之間的差異為，代替提供灰化孔在流通通道中，用於形成灰化孔之通道部分設置在流通通道之側壁以及灰化孔設置在這些通道部分上。
也就是，在流通通道121和122幾個部分，
在如流通通道相同高度之通道部分125設置在側壁，以及灰化孔116形成在通道部分125之上表面。此外，未顯示之柱體陣列形成在流通通道121中。
根據此種結構，在去除用於形成流通通道之犧牲層之步驟中，氧電漿可從流通通道121和122和通道部分125之灰化孔116的端部被引入至流通通道121和122。從而，犧牲層的去除可以快速地進行。
因此，可以得到相似於第八半導體微分析晶片之優點。另外，因為孔洞116被形成於設置在流通通道121和122之側壁的通道部分125中，取代直接形成孔洞在流通通道121和122中，可以得到相似於前述之第二半導體微分析晶片的優點。
第34圖為顯示第十半導體微分析晶片之簡要結構的平面圖。在下面的描述中，樣品液體注入至兩流通通道121和流通通道122，但電解液可代替樣品液體被引入任何流通通道。
可以吸收樣品液體之吸收體171a被配置在儲存槽141a上，以及可吸收樣品液體或電解液之吸收體171b配置在儲存槽141b上。此外，可吸收樣品液體之吸收體172a被配置在儲存槽142a上，以及可吸收樣品液體或電解液之吸收體172b配置在儲存槽142b上。作為吸收體，可使用如非織造織物(unwoven fabric)之過濾紙和纖維
組合。每個吸收體可被配置整個覆蓋相應的儲存槽或被配置部分覆蓋相應的儲存槽。然而，相鄰儲存槽之吸收體需要彼此分開。
如上面在第三半導體微分析晶片所敘述的，樣品液體可注入到儲存槽141a以及任一個樣品液體和電解液可注入到儲存槽141b。注入樣品液體至儲存槽141b的範例將在下文敘述。
在此結構中，滴在吸收體171a和171b之包括待檢測粒子的樣品液體從吸收體171a和171b滲漏及被導引至儲存槽141a和141b。引導至儲存槽141a和141b之樣品液體分別透過流通通道121和122到達儲存槽141a和141b。流過流通通道121和122之樣品液體被吸收至配置在儲存槽142a和142b上之吸收體172a和172b。一旦吸收體172a和172b開始吸收在儲存槽142a和142b中的樣品液體，陸續流入儲存槽142a和142b之樣品液體被吸收至吸收體172a和172b內。因此，在流通通道121和122之樣品液體持續地流動。
也就是，藉由使用吸收體172a和172b吸收樣品液體，流通通道121和122之樣品液體可不使用電泳或外部泵浦而流動，且包括在樣品液體之粒子可以在樣品液體流動。出於這個原因，在儲存槽141a和141b側上之吸收體171a和171b可以省略。
此外，不增加半導體微分析晶片大小藉由配置吸收體171a和171b在樣品液體入口側，有足夠量的樣
品液體可供應到流通通道121和122。一般情況下，引入樣品液體至微分析晶片係使用微量吸管(micropipet)等等執行，並且樣品液體滴入的量為約10~10,000μl。為了含有這樣量的樣品液體，例如，約100mm2面積需要有100μm之深度。整合這樣的大容納區域導致半導體微分析晶片的製造比所需用於整合功能性部分之分析晶片大得多，其顯著增加了製造成本。此外，在樣品液體中的粒子濃度比一般低。假如需要檢測若干粒子，大量的樣品液體需要注入到晶片，且因此樣品液體容納區域需要非常大。
在第十半導體微分析晶片中，足夠大的吸收體171a和171b設置在分析晶片外側，而不是整合非常大的樣品液體容納區。然後，樣品液體滴入至吸收體171a和171b內且分別注入到流通通道121和122。從樣品出口側排出之樣品液體可被吸收進入吸收體172a和172b。因此，比包含在分析晶片中的樣品液體量更大的樣品液體量可以被注入和排出。
所希望的柱體陣列的間隔大於那些上述所提之形成在儲存槽141a、141b、142a和142b之區域內以及配置以接觸柱體陣列之吸收體的粒子大小過濾器。以這種方式，在吸收體171a、171b、172a和172b及相應的入口和出口之間傳遞之樣品液體由柱體陣列之表面張力平順地執行。另外，樣品液體或電解液可以簡單地和平順地從吸收體注入至流通通道。
因此，不僅相同於第一半導體微分析晶片之
優點可以得到，而且也可以得到下述之提供吸收體171a、171b、172a和172b在儲存槽141a、141b、142a和142b上所得結果之優點。
也就是說，藉由提供吸收體172a和172b在樣品液體排出區142a、142b側，在流通通道121和122中的樣品液體可在不使用電泳或外部泵浦而流動。此外，不增加半導體微分析晶片大小藉由提供吸收體171a和171b在樣品液體排出區141a、141b側，有足夠量的樣品液體可供應到流通通道121和122。大量的樣品液體因此可以透過一個很小的分析晶片來處理。換句話說，成本可藉由整合半導體微分析晶片之功能部分在最小區域而顯著地減少。
第35及36圖顯示第十一半導體微分析晶片190之簡要結構。第35圖為平面圖而第36圖為立體圖。
在此半導體微分析晶片中，樣品液體入口端181設置在組構以包含如第33圖中的半導體微分析晶片之封裝180上。樣品液體入口端181藉由形成孔徑在位於封裝180之吸收體171a和171b上之頂表面及提供組構以引導樣品液體至吸收體171a和171b之漏斗狀溶液引導體而形成。樣品液體入口端181大到足以分散在兩個吸收器171a和171b中。隔板片182組構以分離樣品液體與設置在樣品液體入口端181中的吸收體171a和171b。
第36圖沒有示出吸收體172a和172b在樣品液體出口側上，但當然吸收體172a和172b也可設置。此外，半導體微分析晶片190之結構不限制於第33圖所示之範例，但可任意修改以相似於上述的範例。
在此結構中，僅透過在樣品液體入口端181之中間部分滴入樣品液體，樣品液體可確實分離被吸收至吸收體171a和171b。然後，樣品液體被引導至分別相應於吸收體171a和171b之儲存槽141a和141b，且可使得進一步流入至流通通道121和122。因此，樣品液體不需要單獨地注入儲存槽141a和141b，且可藉由簡單操作被引導。此外，微分析晶片的大小，特別是儲存槽部分之大小可被最小化而足以與吸收體重疊，且微分析晶片可以是超小型化。其結果是，微分析晶片的成本可以降低。
粒子檢測單元及粒子檢測系統不限制於上述實施例。
在此實施例中，主要是以Si基板被使用作為檢測晶片。然而，但基板的材料不限制於Si，且可以使用其他半導體材料，只要半導體材料可以在一般半導體製造製程進行處理。此外，絕緣薄膜主要表示介電質(SiO2、SiNx、Al2O3)，但是薄膜的類型和組成物可任意的選擇。除了上述，例如有機絕緣薄膜也可被使用，且絕緣薄膜不限制於實施例的揭露。此外，披覆層的材料、設置在披覆
層之灰化孔的大小和數量、其中灰化孔將被配置的地方等等可根據規格任意地變化。
此外，粒子檢測晶片之應用不一定限制於半導體微分析晶片，且粒子檢測晶片可應用於具有由提供覆蓋在形成於玻璃基板或樹酯基板之細槽上之產品。此外，記憶元件不限制於保險絲或半導體記憶體，且可為任何元件只要根據檢測晶片的使用改變其狀態，且藉由從控制模組側變化電訊號而能夠使用檢測。此外，在上述實施例中，應用檢測晶片檢測病毒和細菌的情形已被敘述。然而，本實施例不限制於上述，且可應用至檢測各種粒子。
實施例之粒子檢測系統並不總是必須連接到粒子檢測晶片。假如系統結合各種電路(電流-電壓轉換電路、分析電路、檢測電路、電壓驅動電路等等)這樣是足夠的，且可以連接到需要用於粒子檢測之粒子檢測晶片。
雖然某些實施例已被敘述，這些實施例僅透過範例方式呈現，而不是為了限制本發明的範圍。確實，本文所描述之新穎的實施例可以實現在各種其他形式；此外，可以在不脫離本發明精神下對本文所描述之實施例的形式做出各種省略、替代和改變。所附之申請專利範圍及其均等物旨在覆蓋這些落入本發明範圍和精神內之形式或修改。
1‧‧‧半導體微分析晶片
2‧‧‧電流-電壓轉電路
3‧‧‧分析電路
4‧‧‧檢測電路
5‧‧‧電壓驅動電路
Claims (18)
- 一種粒子檢測系統，包含：電壓驅動電路，其施加用於粒子檢測之驅動電壓至粒子檢測晶片，該粒子檢測晶片檢測在樣品液體中之微粒且輸出該微粒之電流訊號指示；電流電壓轉換電路，其當該驅動電壓施加至該粒子檢測晶片時，轉換從該粒子檢測晶片輸出之該電流訊號為電壓訊號；檢測電路，其基於該電壓訊號檢測該樣品液體是否注入至該粒子檢測晶片之檢測區；以及分析電路，其基於該電壓訊號分析在該樣品液體中的該微粒；其中該電壓驅動電路基於該檢測電路之檢測結果變化該驅動電壓。
- 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中第二驅動電壓高於第一驅動電壓，其中該第一驅動電壓相應於在該樣品液體注入該檢測區前由該電壓驅動電路施加之該驅動電壓，以及該第二驅動電壓相應於在該樣品液體注入該檢測區及該檢測電路檢測該樣品液體之注入後由該電壓驅動電路施加之該驅動電壓。
- 如申請專利範圍第2項所述之系統，其中用於將該驅動電壓從該第一驅動電壓轉移至該第二驅動電壓之所需時間為10μs或更多。
- 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該粒子 檢測晶片包含，設置在半導體基板表面部分之通道，且該通道允許該樣品液體在其中通過，以及設置在用於使該樣品液體內之該微粒通過該通道部分其中的微孔。
- 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該粒子檢測晶片包含設置在半導體基板表面部分，且允許該樣品液體在其中通過之第一通道、設置在不同於該第一通道之該表面部分之該半導體基板表面部分，且允許該樣品液體或電解液在其中通過之第二通道、位於該第一通道之部份係鄰近或交叉於該第二通道具有隔板穿插其間的部份的接觸部份、設置在用於使該微粒通過之該隔板中之微孔，以及設置橫跨在具有穿插其間的該微孔之該第一和第二通道之電極。
- 如申請專利範圍第1項所述之系統，其中該粒子檢測晶片及每一電路之部分或每一整個電路形成在單一半導體基板上。
- 一種粒子檢測系統，包含：電流驅動裝置，其施加用於粒子檢測之驅動電壓至粒子檢測晶片，該粒子檢測晶片檢測在樣品液體中之微粒且輸出指示該微粒之電流訊號以致使恆定電流於該粒子檢測晶片之檢測區中流動；電流電壓轉換電路，其當該驅動電壓施加至該粒子檢測晶片時，轉換從該粒子檢測晶片輸出之該電流訊號為電壓訊號；檢測電路，其基於由該電流電壓轉換電路得到的該電 壓訊號或由該電流驅動電路施加的該驅動電壓，檢測該樣品液體是否注入至該粒子檢測晶片之該檢測區；以及分析電路，其基於該電壓訊號分析在該樣品液體中的該微粒；其中該電流驅動電路基於該檢測電路之檢測結果變化該驅動電壓。
- 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中第二驅動電壓高於第一驅動電壓，其中該第一驅動電壓相應於在該樣品液體注入該檢測區前由該電流驅動電路施加之該驅動電壓，以及該第二驅動電壓相應於在該樣品液體注入該檢測區及該檢測電路檢測該樣品液體之注入後由該電流驅動電路施加之該驅動電壓。
- 如申請專利範圍第8項所述之系統，其中用於將該驅動電壓從該第一驅動電壓轉移至該第二驅動電壓之所需時間為10μs或更多。
- 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中該粒子檢測晶片包含，設置在半導體基板表面部分，且允許該樣品液體在其中通過之通道，以及設置在用於使該樣品液體內之該微粒通過該通道部分之微孔。
- 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中該粒子檢測晶片包含設置在半導體基板表面部分之第一通道，且該第一通道允許該樣品液體在其中通過，設置在不同於該第一通道之該表面部分之該半導體基板表面部分之第二通道，且該第二通道允許該樣品液體或電解液在其中通過， 接觸部分位於該第一通道部份鄰近或交叉於該第二通道之具有隔板穿插其間的部份，微孔設置在用於使該微粒通過之該隔板中，以及電極設置橫跨在具有穿插其間的該微孔之該第一和第二通道。
- 如申請專利範圍第7項所述之系統，其中該粒子檢測晶片及每一電路之部分或每一整個電路形成在單一半導體基板上。
- 一種粒子檢測系統驅動方法，包含：致使如申請專利範圍第1項所述之粒子檢測系統用以執行：當有第一驅動電壓施加至該粒子檢測晶片，使用該檢測電路檢測該樣品液體是否注入該檢測區；在檢測到該樣品液體之注入之後，施加不同於該第一驅動電壓之第二驅動電壓至該粒子檢測晶片；以及使用該分析電路及基於有該第二驅動電壓施加之該電流電壓轉換電路得到之該電壓訊號，分析在該樣品液體內之該微粒。
- 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該第二驅動電壓大於該第一驅動電壓。
- 如申請專利範圍第14項所述之方法，其中用於將該驅動電壓從該第一驅動電壓轉移至該第二驅動電壓之所需時間為10μs或更多。
- 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該粒子檢測晶片包含，設置在半導體基板表面部分之通道，且 該通道允許該樣品液體在其中通過，以及設置在用於使該樣品液體內之該微粒通過該通道部分其中的微孔。
- 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該粒子檢測晶片包含設置在半導體基板表面部分之第一通道，且該第一通道允許該樣品液體在其中通過，設置在不同於該第一通道之該表面部分之該半導體基板表面部分之第二通道，且該第二通道允許該樣品液體或電解液在其中通過，接觸部分位於該第一通道部份鄰近或交叉於該第二通道之具有隔板穿插其間的部份，微孔設置在用於使該微粒通過之該隔板中，以及電極設置橫跨在具有穿插其間的該微孔之該第一和第二通道。
- 如申請專利範圍第13項所述之方法，其中該粒子檢測晶片及每一電路之部分或每一整個電路形成在單一半導體基板上。
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