TW202011025A

TW202011025A - 生物感測系統

Info

Publication number: TW202011025A
Application number: TW107131184A
Authority: TW
Inventors: 黃志忠; 吳健銘; 林恩
Original assignee: 致茂電子股份有限公司
Priority date: 2018-09-05
Filing date: 2018-09-05
Publication date: 2020-03-16
Also published as: TWI660173B

Abstract

一種生物感測系統，包含場效電晶體、感測晶片以及外部電容。場效電晶體包含閘極。感測晶片透過導線電性連接至閘極。外部電容包含第一端以及第二端，第一端電性連接導線，第二端電性連接地準電極。

Description

生物感測系統

本揭露有關於一種生物感測系統。

近年來結合電化學、微電子學和奈米技術產生的奈米線場效電晶體所製作之生物感測器，因具有極高靈敏度與選擇性，且擁有無需標記修飾便可即時測量的特性，在近期的生醫檢測應用上，引起相當廣大的關注與期待。常見的奈米管生物感測器有利用一維半導體奈米材料所研發而成的矽奈米線(Silicon Nanowire；SiNW)及奈米碳管(Carbon Nanotube；CNT)。

以矽奈米線場效電晶體(SiNW-FET)為例，一般之設計包括三電極系統：源極(Source；S)、汲極(Drain；D)和閘極(Gate；G)。其中源極和汲極是以半導體通道做為架橋，閘極則是負責調控通道之電導(Conductance)；接著，在矽奈米線的表面修飾上特定的受體(Receptor)做為感測元件，此受體可為抗體。當系統暴露於含有檢體，如蛋白質、DNA、RNA等溶液環境中時，檢體會與受體結合於SiNW-FET表面，此時生物分子所帶電荷形成的電場，便會影響SiNW-FET內之電子或電洞數目，進而引發電導度的上升或下降。

本揭露有關於一種生物感測系統，包含場效電晶體、感測晶片以及外部電容。場效電晶體包含閘極。感測晶片透過導線電性連接至閘極。外部電容包含第一端以及第二端，第一端電性連接導線，第二端電性連接地準電極。

在一些實施方式中，生物感測系統進一步包含液體槽以極參考電極。液體槽包含溶液，且感測晶片接觸溶液。參考電極接觸溶液。

綜上所述，本揭露提出之生物感測系統，可用以感測液體槽內的檢體濃度。其中在執行感測功能前，參考電極會對生物感測系統施加一個直流偏壓，而電容使生物感測系統整體的電性快速達到穩定狀態。

100‧‧‧生物感測系統

110‧‧‧場效電晶體

111‧‧‧汲極

112‧‧‧源極

113‧‧‧閘極

114‧‧‧奈米導線

115‧‧‧絕緣層

116‧‧‧基板

117‧‧‧熱氧化層

120‧‧‧感測晶片

121‧‧‧基板

122‧‧‧氧化層

123‧‧‧導電層

124‧‧‧第一材料層

125‧‧‧第二材料層

126‧‧‧第三材料層

127‧‧‧受體

130‧‧‧導線

141‧‧‧第一端

142‧‧‧第二端

150‧‧‧液體槽

151‧‧‧溶液

152‧‧‧檢體

160‧‧‧參考電極

C‧‧‧感測晶片之雙電層電容

C₁‧‧‧第一等效電容

C₂‧‧‧第二等效電容

C_ex‧‧‧外部電容

C_O‧‧‧感測晶片之電極電容

C_p‧‧‧寄生電容

C_T‧‧‧場效電晶體之閘極電容

L1、L2‧‧‧線段

R‧‧‧感測晶片之雙電層電阻

R₁‧‧‧第一等效電阻

R₂‧‧‧第二等效電阻

R_O‧‧‧感測晶片之電極電阻

R_T‧‧‧場效電晶體之閘極電阻

R_solution‧‧‧溶液電阻

S1‧‧‧第一電壓源

S2‧‧‧第二電壓源

S3‧‧‧第三電壓源

V_T‧‧‧閘極之電壓準位

V_e‧‧‧感測晶片之表面電壓準位

V_int‧‧‧初始電壓準位

V_sta‧‧‧穩定電壓準位

第1A圖繪示依據本揭露一實施方式之生物感測系統的立體示意圖。

第1B圖繪示依據本揭露一實施方式之場效電晶體的剖面圖。

第1C圖繪示依據本揭露一實施方式之感測晶片的剖面圖。

第2圖繪示第1A圖中之生物感測系統未設置電容時於閘極所量測到的電壓準位-時間關係圖。

第3圖繪示第1A圖中之生物感測系統的電容具有理想的電容值時，於閘極所量測到的電壓準位-時間關係圖。

第4圖繪示第1A圖中的生物感測系統中各元件的等效電路示意圖。

第5圖繪示由第4圖進一步簡化而來之等效電路圖。

第6圖繪示生物感測系統實測之電壓準位-時間關係圖。

以下將以圖式揭露本發明之複數個實施方式，為明確說明起見，許多實務上的細節將在以下敘述中一併說明。然而，應瞭解到，這些實務上的細節不應用以限制本發明。也就是說，在本發明部分實施方式中，這些實務上的細節是非必要的。此外，為簡化圖式起見，一些習知慣用的結構與元件在圖式中將以簡單示意的方式繪示之。並且，除非有其他表示，在不同圖式中相同之元件符號可視為相對應的元件。這些圖式之繪示是為了清楚表達這些實施方式中各元件之間的連接關係，並非繪示各元件的實際尺寸。

請參照第1A圖，其繪示依據本揭露一實施方式之生物感測系統100的立體示意圖。如第1A圖所示，生物感測系統100包含場效電晶體(field effect transistor,FET)110、感測晶片120、導線130、外部電容C_ex、液體槽150以及參考電極160。場效電晶體110包含汲極111、源極112以及閘極113，而閘極113透過導線130電性連接至感測晶片120。外部電容C_ex包含第一端141以及第二端142，第一端141電性連接至導線130，而第二端142電性連接至第一電壓源S1。在本實施方式中，第一電壓源S1提供一個地準電壓V_g。液體槽150內裝載有溶液151，感測晶片120接觸至溶液151。參考電極160接觸至溶液151，並電性連接至第二電壓源S2。透過以上配置，生物感測系統100藉由於閘極113所量測到的電壓準位可以感測出溶液151中特定成分的濃度。詳細的原理以及裝置細節將於後文中說明。

如第1A圖所示，本實施方式中的場效電晶體110為無接面奈米導線場效電晶體(junctionless nanowire field effect transistor,JN FET)。場效電晶體110中的汲極111與源極112之間由一條奈米導線114連接，奈米導線114可作為汲極111與源極112之間的通道。閘極113包覆奈米導線114，而閘極113與奈米導線114之間設置有一層絕緣層115，使兩者隔開。

在本實施方式中，奈米導線114的材料包含矽(Si)，絕緣層115的材料包含氧化矽(SiO₂)以及氮化矽(Si₃N₄)，而閘極113的材料包含多晶矽。在本實施方式中，奈米導線114的矽材料為N型摻雜，而閘極113的多晶矽材料為P型摻雜。在未對閘極113施加電壓的狀態下，閘極113與奈米導線114之間的功函數差會使奈米導線114之內產生空乏區(depletion region)，而使電荷載子無法在汲極111與源極112之間流通。而在對閘極113施加電壓的狀態下，奈米導線114內的空乏區會縮減(或是消失)，而使電荷載子得以在汲極111與源極112之間流通。總結而言，閘極113的電壓準位會影響汲極111與源極112之間的電性。

應了解，第1A圖中繪示的場效電晶體110僅為示意用。場效電晶體110實際上的堆疊結構可以參考第1B圖，其繪示依據本揭露一實施方式之場效電晶體110的剖面圖。如第1B圖所示，場效電晶體110還包含有基板116。基板116上設置有熱氧化層117。熱氧化層117上設置有汲極111、源極112以及奈米導線114。熱氧化層117在汲極111與源極112之間的部分往基板116凹陷，而絕緣層115與閘極113在熱氧化層117的凹陷處包覆住奈米導線114。

接下來請回到第1A圖。場效電晶體110的閘極113通過導線130電性連接至感測晶片120，而使感測晶片120與閘極113電性耦合。也就是說，感測晶片120與閘極113兩者的電壓準位相同。當感測晶片120的電壓準位改變時，閘極113的電壓準位也會一同改變。在本實施方式中，感測晶片120可以作為一個電容式感測電極。

應了解，第1A圖中繪示的感測晶片120僅為示意用。感測晶片120實際上的堆疊結構可以參考第1C圖，其繪示依據本揭露一實施方式之感測晶片120的剖面圖。如第1C圖所示，感測晶片120包含有基板121、氧化層122、導電層123、第一材料層124、第二材料層125以及第三材料層126。

在本實施方式中，感測晶片120的導電層123與導線130可以作為閘極113的延伸。也就是說，導電層123與導線130的材料可與閘極113相同，兩者皆包含有多晶矽。舉例而言，導電層123可為厚度約380奈米的多晶矽。在本實施方式中，基板121可為矽基板，氧化層122可為厚度約2.5微米的氧化矽(SiO₂)，第一材料層124為可厚度約100奈米的鋁(Al)，第二材料層125可為厚度約10奈米的氧化鋁(Al₂O₃)，而第三材料層126可為厚度約8至10奈米的氮化矽(Si₃N₄)。

在一些實施方式中，感測晶片120係可拆卸式地連接至場效電晶體110的閘極113。也就是說，感測晶片120係可被拋棄。舉例而言，可以斷開導線130，使感測晶片120與場效電晶體110分離。接著可以使新的感測晶片120電性連接至導線130。如此一來，可以重複地利用場效電晶體110，有效節省成本。

接下來請回到第1A圖。在本實施方式中，感測晶片120設置於液體槽150下方，而感測晶片120的一個表面接觸液體槽150內的溶液151。在本實施方式中，溶液151為磷酸鹽緩衝生理鹽水(Phosphate buffered saline,PBS)。另一方面，參考電極160浸泡於溶液151中，並連接至第二電壓源S2。第二電壓源S2可以提供一個固定的直流偏壓V_ref。

在第二電壓源S2關閉時，整個生物感測系統100處於一個初始狀態。而開啟第二電壓源S2並提供參考電極160一個固定的直流偏壓V_ref後，整個生物感測系統100內部的電荷、電壓分布會跟著改變。而生物感測系統100內部的電荷、電壓分布隨著時間的改變狀態會受到外部電容C_ex的影響。

在此請一併參考第1A圖以及第2圖。第2圖繪示第1A圖中之生物感測系統100的外部電容C_ex的電容值等於零的時候(可視為未設置外部電容C_ex)，於閘極113所量測到的電壓準位-時間關係圖。如第2圖所示，在開啟第二電壓源S2的同時，閘極113的電壓準位V_T會快速地上升至一個初始電壓準位V_int。在經過一段時間後，整個生物感測系統100內部的電荷、電壓分布達到一個穩定狀態。此時閘極113的電壓準位V_T變化至一個穩定電壓準位V_sta。於本實施例中，閘極113的電壓準位V_T係下降至一個穩定電壓準位V_sta，然並不以此為限。

由第2圖可以推知，初始電壓準位V_int與穩定電壓準位V_sta差距越大，閘極113的電壓準位V_T由初始電壓準位V_int下降至穩定電壓準位V_sta的時間就越長。因此，如果能夠減少初始電壓準位V_int與穩定電壓準位V_sta之間的差距，即可加速生物感測系統100達到穩定狀態。

具體而言，可以藉由調整外部電容C_ex的電容值來改變初始電壓準位V_int的大小。理想的外部電容C_ex的電容值應能使初始電壓準位V_int等於穩定電壓準位V_sta。在此請參照第3圖，其繪示第1A圖中之生物感測系統100的外部電容C_ex具有理想的電容值時，於閘極113所量測到的電壓準位-時間關係圖。如第3圖所示，此實施方式中，初始電壓準位V_int等於穩定電壓準位V_sta。也就是說，參考電極160提供直流偏壓V_ref後，整個生物感測系統100迅速的達到了穩定狀態。

可以使用多種方法找出理想的外部電容C_ex。舉例而言，可以直接在生物感測系統100中替換具有不同電容值的外部電容C_ex，並依序測量初始電壓準位V_int以及穩定電壓準位V_sta的差距，以此選擇理想之外部電容C_ex。

又或者，可以由計算的方式估計出理想的電容值，以選擇理想之外部電容C_ex。具體計算方法可以參考第4圖。第4圖繪示第1A圖中的生物感測系統100中各元件的等效電路示意圖。

有關於第4圖中各個部件可對應至第1A圖至第1C圖，於此為簡潔起見不重複標出。如第4圖所示，場效電晶體110與感測晶片120之間由導線130電性連接。另一方面，場效電晶體110的汲極111進一步地電性連接至第三電壓源S3。在本實施方式中，第三電壓源S3提供一個地準電壓V_g。但在其他實施方式中，第三電壓源S3可以提供正偏壓或負偏壓，本揭露並不以上述為限。

由第二電壓源S2至第三電壓源S3之間的等效電路已經繪示於第4圖中。圖中各符號的對應意義整理如下表：

如第4圖中所示，電壓準位V_T實際上就是場效電晶體110的閘極113與地準電極間的電壓準位差(也就是V_G)。另一方面，C_P為生物感測系統100中之寄生電容(非實體元件)，其數值遠小於外部電容C_ex的電容值。具體而言，兩者之間的數值大小可差距超過500倍。

接下來請參考第5圖，其繪示由第4圖進一步簡化而來之等效電路圖。如第5圖所示，在導線130與第二電壓源S2之間的電路可以簡化為一個第一等效電阻R₁以及一個第一等效電容C₁，且第一等效電阻R₁與第一等效電容C₁並聯。而在導線130與第三電壓源S3之間的電路則可以簡化為一個第二等效電阻R₂以及一個第二等效電容C₂，且第二等效電阻R₂與第二等效電容C₂並聯。

第5圖的電路經過計算後，可以得知初始電壓準位V_int與穩定電壓準位V_sta滿足下列關係式：

也就是說，生物感測系統100中的各個電容值的比重會影響初始電壓準位V_int，而生物感測系統100中的各個電阻值的比重會影響穩定電壓準位V_sta。由以上式(1)與式(2)可以看出，本實施方式中可藉由外部電容C_ex來調整初始電壓準位V_int的大小。

承前文所述，理想中外部電容C_ex的電容值要使初始電壓準位V_int等於穩定電壓準位V_sta，因此數值應滿足下式(3)：

經過恰當的選擇外部電容C_ex的電容值後，即可得到類似於第3圖所繪示的電壓準位-時間關係圖。但在一些實施方式中，初始電壓準位V_int並不需完全等於穩定電壓準位V_sta。舉例而言，初始電壓準位V_int可以略為小於或大於穩定電壓準位V_sta。

也就是說，實務中並不一定需完全滿足式(3)。因為在實際的情形中，還須考慮常用電容的規格。另一方面，如前文所述，感測晶片120係可拋棄式的，當換上新的感測晶片120後，生物感測系統100中的第一等效電阻R₁與第一等效電容C₁會發生微幅改變，進而微幅改變初始電壓準位V_int與穩定電壓準位V_sta。總而言之，實務上外部電容C_ex的電容值只要使初始電壓準位V_int與穩定電壓準位V_sta的差值維持於一定的範圍之內即可。舉例而言，兩者之誤差可滿足下式(4)：

接下來請參照第6圖，其繪示生物感測系統100實測之電壓準位-時間關係圖。在第6圖中，線段L1代表未採用外部電容C_ex之生物感測系統100在第二電壓源S2開啟直流偏壓V_ref後的電壓準位-時間關係圖，而線段L2代表採用外部電容C_ex之生物感測系統100在第二電壓源S2開啟直流偏壓V_ref後的電壓準位-時間關係圖。

如第6圖中的線段L1所示，平均每十分鐘閘極113的電壓準位V_T降低了約3.72mV。另一方面，第6圖中的線段L2，平均每十分鐘閘極113的電壓準位V_T降低了約0.66mV。兩者相差約五倍。也就是說，採用外部電容C_ex的生物感測系統100中，閘極113的電壓準位V_T改變幅度非常小(可視為處於穩定狀態)，明顯優於未採用外部電容C_ex的生物感測系統100。

由上述第1A圖至第6圖的說明內容可知，第二電壓源S2開啟直流偏壓V_ref後，生物感測系統100中閘極113的電壓準位V_T由初始電壓準位V_int非常快速的達到了穩定電壓準位V_sta。接下來請回到第1A圖，在生物感測系統100達到穩定狀態後，可以在溶液151中加入檢體(analyte)152。如第1A圖所示，感測晶片120的表面預先經過處理，其上附著有受體(receptor)127。溶液151中檢體152可以與感測晶片120表面上的受體127產生反應。具體而言，檢體152可以附著於受體127上。因此，溶液151中檢體152的濃度，會影響附著至感測晶片120上的檢體152的數量。

附著至感測晶片120上的檢體152會改變感測晶片120的電性。由於閘極113與感測晶片120電性耦合，因此外部的半導體感測裝置可感測到閘極113的電性變化(如：V_T變化)，並藉此電性變化來計算出溶液151中檢體152的濃度。如此一來，達成了生物感測系統100的檢測功能。

綜上所述，本揭露提出一種生物感測系統，可用以感測液體槽內的檢體濃度。其中在執行感測功能前，參考電極會對生物感測系統施加一個直流偏壓，而電容使生物感測系統整體的電性快速達到穩定狀態。

本揭露已由範例及上述實施方式描述，應了解本發明並不限於所揭露之實施方式。相反的，本發明涵蓋多種更動及近似之佈置(如，此領域中之通常技藝者所能明顯得知者)。因此，附加之請求項應依據最寬之解釋以涵蓋所有此類更動及近似佈置。