TW202017110A - 感測裝置 - Google Patents

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Abstract

在實施例中，一種感測裝置包括：電極，被配置成在對所述電極施加第一電壓時改變所述電極上方的液體微滴的接觸角；感測膜，疊蓋所述電極，其中所述電極被配置成基於在所述電極處感測的第二電壓而評估所述液體微滴的狀態；參考電極，位於所述電極上方，所述參考電極被配置成提供參考電壓；以及微流體溝道，位於所述電極與所述參考電極之間，其中所述微流體溝道被配置成使用所述電極來操縱所述液體微滴。

Description

感測裝置
本發明的實施例是關於一種生物感測裝置以及相關的感測方法。
生物敏感場效電晶體或生物有機場效電晶體（biologically sensitive field-effect transistor或bio-organic field-effect transistor，BioFET）是一種類型的生物感測器，其包括用於對生物分子或生物實體（biological entity，bio-entity）進行電感測（例如，評估）的電晶體。BioFET可依據電子檢測原理、電化學檢測原理、光學檢測原理及機械檢測原理而運行。舉例來說，BioFET可對生物實體或生物分子的電荷、光子及機械性質進行電感測。所述檢測可通過檢測生物實體或生物分子本身、或者通過所指定反應劑與生物實體/生物分子之間的相互作用及反應來執行。可使用半導體製程來製造將生物信號快速轉換成電信號的BioFET。這些BioFET可容易應用於積體電路（integrated circuit，IC）及微機電系統（micro-electro-mechanical system，MEMS）。然而，BioFET仍面對相當多挑戰，例如因各半導體製程之間的相容性問題、生物應用、對半導體製程的制約及/或限制、電信號與生物應用的集成所致的挑戰及/或因實作大規模集成（large scale integration，LSI）製程而出現的其他挑戰。
在本發明實施例中，一種感測裝置包括：電極，被配置成在對所述電極施加第一電壓時改變所述電極上方的液體微滴的接觸角；感測膜，疊蓋所述電極，其中所述電極被配置成基於在所述電極處感測的第二電壓而評估所述液體微滴的狀態；參考電極，位於所述電極上方，所述參考電極被配置成提供參考電壓；以及微流體溝道，位於所述電極與所述參考電極之間，其中所述微流體溝道被配置成使用所述電極來操縱所述液體微滴。
在本發明實施例中，一種感測裝置包括：電極陣列，被配置成在對所述電極陣列施加第一電壓時改變所述電極陣列上方的液體微滴的接觸角；以及感測膜，疊蓋所述電極陣列，其中所述電極陣列被配置成基於在所述電極陣列處感測的第二電壓而評估所述液體微滴的狀態。
在本發明實施例中，一種感測方法包括：從第一儲存器提供微滴，其中所述第一儲存器耦合到微流體柵格；以及使用電極陣列將所述微滴從所述微流體柵格輸送到微流體溝道中，其中所述電極陣列被配置成在對所述電極陣列的電極施加第一電壓時改變所述電極上方的所述微滴的接觸角，且其中所述電極陣列被配置成基於在所述電極陣列的所述電極處感測的第二電壓來評估所述微滴的狀態。
為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
以下揭露內容提供用於實施所提供的標的之不同特徵的許多不同實施例或實例。以下所描述的構件及配置的具體實例是為了以簡化的方式傳達本揭露為目的。當然，這些僅僅為實例而非用以限制。舉例來說，於以下描述中，在第一特徵上方或在第一特徵上形成第二特徵可包括第二特徵與第一特徵形成為直接接觸的實施例，且亦可包括第二特徵與第一特徵之間可形成有額外特徵使得第二特徵與第一特徵可不直接接觸的實施例。此外，本揭露在各種實例中可使用相同的元件符號及/或字母來指代相同或類似的部件。元件符號的重複使用是為了簡單及清楚起見，且並不表示所欲討論的各個實施例及/或配置本身之間的關係。
以下公開內容闡述用於實作主題的不同特徵的各種示例性實施例。以下闡述元件及構造的具體實例以簡化本發明。當然，這些僅為實例且不旨在進行限制。舉例來說，應理解，當將元件稱為“連接到”或“耦合到”另一元件時，所述元件可直接連接或直接耦合到所述另一元件，或者可能存在一個或多個中間元件。
另外，本發明可能在各種實例中重複使用參考編號及/或字母。這種重複使用是出於簡潔及清晰的目的，而不是自身表示所論述的各種實施例及/或配置之間的關係。
此外，為易於說明，本文中可能使用例如“在...下方（beneath）”、“在...下面（below）”、“下部的（lower）”、“上方（above）”、“上部的（upper）”等空間相對性用語來闡述圖中所示出的一個元件或特徵與另一（些）元件或特徵的關係。所述空間相對性用語旨在除圖中所繪示的取向外還囊括裝置在使用或操作中的不同取向。設備可具有其他取向（旋轉90度或其他取向），且本文中所用的空間相對性描述語可同樣相應地進行解釋。
根據各種實施例的系統及方法涉及一種在系統晶片中用於進行生物信號檢測的集成生物感測平臺。所述集成生物感測平臺可包括集成電極，所述集成電極集成有電潤濕電極及生物電場效電晶體（bioFET）感測器的雙重功能。這些集成電極可由控制電路系統控制。此控制電路系統可控制所述集成電極，以便可在所述集成電極的頂部之上操縱及移動液體微滴。在某些實施例中，所述控制電路系統可包括開關（例如，金屬氧化物半導體場效電晶體（metal oxide semiconductor field effect transistor，MOSFET）開關），以控制所述集成生物感測平臺的集成電極及/或其他電組件。另外，所述集成生物感測平臺可包括介電感測膜，所述介電感測膜覆蓋所述集成電極的頂部。在某些實施例中，所述集成生物感測平臺可包括加熱器、熱感測器及/或用於監測所述集成生物感測平臺的各方面的其他感測器。在各種實施例中，集成電極可被實作為電晶體（例如，充當導體的電晶體）。
圖1A示出根據一些實施例當作為bioFET運行時（例如，當以bioFET感測模式運行時）的集成電極100。集成電極100可包括形成在半導體有源層中的源極/汲極區（例如，源極區102及汲極區104）及溝道區106。所述集成電極還可包括閘極110。閘極110還可充當電潤濕電極（例如，當集成電極100處於電潤濕驅動模式時），如以下將進一步論述。
在某些實施例中，溝道區106之上的流體可形成流體閘極112。流體閘極112可在源極區102、汲極區104之間的溝道區中以不受對閘極110施加電壓的控制器直接控制的方式實現溝道形成。舉例來說，流體閘極112可在源極區102與汲極區104之間實現溝道形成，這可作為跨越溝道區106的電流及/或源極區102與汲極區104之間的電壓電勢差而感測到。
在一些實施例中，閘極110可由多晶矽製成。在一些其他實施例中，閘極110可由金屬製成。在一些實施例中，閘極電介質可將閘極110與溝道區106分隔開。此種閘極電介質可由SiO2 或高介電常數（high-k）電介質製成。
流體閘極112可與介電感測膜116介接。因此，介電感測膜116暴露出以與流體（例如，微滴114）接觸。流體閘極112可運行以在被具有適合組成或攜載特定分析物的微滴114接觸時調製集成電極100的從源極區102到汲極區104的導電性。在一些實施例中，介電感測膜116是離子感測膜的表面。提供離子感測膜功能的介電感測膜116的材料的實例包括：HfO2 、SiO2 、Si3 N4 、Al2 O3 、AIO2 及Ta2 O5 。離子感測膜可在與具有適合離子濃度的水溶液靠近或接觸時變得帶電。此外，離子感測膜可變得帶足夠電荷，以切換集成電極100的從源極區102到汲極區104的導電性。在一些實施例中，介電感測膜116可促進檢測溶液是高於還是低於臨界pH。
在一些實施例中，介電感測膜116包括由選擇性黏結劑形成的塗層。選擇性黏結劑是具有與特定分析物選擇性黏結的性質的生物組合物。許多生物分子及結構均為帶電的。如果在介電感測膜116上黏結充足濃度的分析物，則介電感測膜116處的整體電荷濃度可變得足以調製集成電極100的從源極區102到汲極區104的導電性。在一些實施例中，所述選擇性黏結劑包括抗體。在一些實施例中，所述選擇性黏結劑包括單鏈核酸。在一些實施例中，所述選擇性黏結劑包括作為某些抗體的靶標的表位。
在一些實施例中，介電感測膜116位於溝道區106上方（例如，疊蓋溝道區106）。在其他實施例中，鈍化層可位於不在溝道區106上方的區域中。覆蓋介電感測膜116的未在溝道區106正上方的區域可防止分析物黏結在其對溝道區106的導電性具有很小或不具有影響的區中。由此，分析物可集中在其能有效地調製集成電極100的從源極區102到汲極區104的導電性的地方。
在一些實施例中，介電感測膜116的厚度為大約2 μm或更小。為了靠近集成電極100使用加熱元件來實現局部加熱，2 μm或更小的厚度可為合意的。在一些實施例中，介電感測膜116的厚度為大約100 nm或更小。100 nm或更小的厚度可使得局部加熱更有效。在一些實施例中，介電感測膜116是非常薄的。在此上下文中，考慮使用大約3 nm或更小。非常薄的介電感測膜116可提高集成電極100的敏感度。在特定實施例中，介電感測膜116的厚度可為從約10埃至約20埃。
在特定實施例中，介電感測膜116可充當面對微滴114的疏水層。在此類實施例中，介電感測膜116的疏水層方面可包括自組裝單層或聚四氟乙烯層。
在各種實施例中，集成電極100可包括頂部電極120（也被稱為參考電極）。所述頂部電極可視需要為帶電的，以促進感測及/或調製跨越源極區102及汲極區104的導電性。在某些實施例中，所述頂部電極可為流體閘極112的代理（proxy），以便可在頂部電極120處執行施加及/或感測流體閘極112處的電壓。
圖1B是根據某些實施例作為電潤濕電極（例如，以電潤濕驅動模式）運行的集成電極100的剖視圖。閘極110可位於溝道區106下面，溝道區106可位於介電感測膜116下面。此外，如上所述，在某些實施例中，介電感測膜116可為疏水性的。閘極110可耦合到可變電壓源。所述閘極可經由開關132附接到探針134。在某些實施例中，所述探針可代表施加到閘極110的電壓。探針134可應用於以兩種不同的狀態示出的微滴114A、114B。微滴114A繪示呈未通過探針134施加電壓時的狀態的微滴。由於介電感測膜116的疏水性塗層，微滴114A如圖所示具有接觸角θ0 。然而，通過經由探針134從電壓源施加電壓，接觸角可減小且接觸面積可增大。因此，微滴114B是施加電壓時的微滴。接著，接觸角減小至θv ，從而使大部分的微滴114B更接近下伏閘極110。由所施加電壓對接觸角引起的改變根據以下方程式（1）而與所施加電壓相關。
Figure 02_image001
（1）
在方程式（1）中，V是所施加電勢或電壓，θv 是在所施加電壓V之下的接觸角，且θ0 是在無所施加電壓V時的接觸角。其他變數包括：ε ，即介電層的介電常數；ε0 ，即真空電容率；γSL ，即表面張力；以及t，即溝道區106的厚度。在集成電極100中對微滴的視在疏水性的此種操縱可被稱為電介質上電潤濕（EWOD）。因此，通過使用EWOD，可變更及控制疏水性表面上的微滴的物理構形。
圖1C是根據各種實施例集成電極100在閘極充當電潤濕電極（例如，處於電潤濕驅動模式）時的簡化圖。如圖1C中所示，閘極110可充當電潤濕電極。溝道區106可充當閘極上方的介電層。介電感測膜116可充當疏水層。此外，頂部電極120可被接地（例如，處於公共接地參考電壓下）。
圖1D示出根據一些實施例集成電極100在用於電潤濕時（例如，當集成電極100處於電潤濕驅動模式時）或用作bioFET時（例如，當集成電極100處於bioFET感測模式時）的電路圖。如上所述，集成電極100可包括源極區102、汲極區104、閘極110及頂部電極120。在作為bioFET而執行感測時，可在源極區102處施加及/或感測源極電壓（VS），可在汲極區104處施加及/或感測汲極電壓（VD），可在閘極110處施加及/或感測閘極電壓（VP），且可在頂部電極120處施加及/或感測流體閘極電壓（VFG）。因此，所述bioFET可通過確定電壓VS、VD、VP及/或VFG的改變來執行感測或評估（例如，感測微滴的位置或微滴的組成）。
對比之下，在作為電潤濕電極（例如，以電潤濕驅動模式）而執行電潤濕時，可對閘極110施加電潤濕電壓（Vewod）且可在頂部電極120處施加接地電壓。電潤濕電壓（Vewod）可為足以改變集成電極100上方的微滴的疏水性的電壓電平。電潤濕電壓（Vewod）可基於集成電極100的大小以及集成電極100上方的微滴的大小及/或組成而不同。在作為電潤濕電極而執行電潤濕的特定實施例中，可在源極區102處施加電潤濕電壓（Vewod），可在汲極區104處施加電潤濕電壓（Vewod），可在閘極110處施加電潤濕電壓（Vewod），且可在頂部電極120處施加接地電壓。
圖2A是根據各種實施例容許使用EWOD原理來輸送及操縱生物實體樣本微滴的集成生物感測平臺200的剖視圖。集成生物感測平臺200圍繞微流體溝道202運行，以在溝道202內控制微滴204。微滴204可為生物實體樣本微滴。生物實體（bio-entity或biological entity）可指代DNA、RNA、蛋白質、小分子、病毒或其他病原體、或者可被定序、識別或定量的任何此種物質。此類活動可在醫療或工業情景下發生。在某些實施例中，呈現DNA定序的實例；然而，各實施例並非僅限於此實例。
微流體溝道的底部部分可包括與五個集成電極100相關聯的閘極、溝道區及介電感測膜。如圖所示，所述介電感測膜可跨越集成電極100中的每一者而連續，但連續的介電感測膜116的位於相應溝道區正上方的部分可為與所述相應溝道區的集成電極相關聯的介電膜。此外，如下所述，在某些實施例中，介電感測膜116可具有疏水性質，以便也用作疏水層。
微流體溝道202的頂部表面由頂部疏水層212提供。頂部疏水層212可鄰接頂部電極120，且形成微流體溝道202的頂部表面。因此，微滴204在底部上由介電感測膜116且在頂部上由頂部疏水層212物理限界（physically bounded）。為使例示簡單起見，頂部電極120可被示作連續的。然而，頂部電極120的位於相應溝道區正上方的部分可被稱為與所述相應溝道區的集成電極相關聯的頂部電極120。
相應集成電極100的閘極各自耦合到相應開關220，開關220能夠選擇相應閘極的任何組合。開關220又連接到電壓源224，電壓源224的相對一側連接到頂部電極120。通過對相應集成電極100的閘極的各種組合選擇性地施加電壓，可變更微滴204所在的電場。在所示實施例中，施加直流（DC）電勢，但在其他實施例中，可改為使用交流（AC）電勢。通過控制閘極與頂部電極120之間的電場，可以各種方式來操縱及輸送微滴204本身。
圖2B示出根據某些實施例相應集成電極100的不同閘極的電壓-時間曲線圖。如圖所示，可在不同時間在不同閘極之上依序施加電潤濕電壓（Vewod），以將微滴從一個集成電極移動到另一集成電極。雖然所述電壓-時間曲線圖可為方波，然而在某些實施例中，電潤濕電壓（Vewod）的電壓-時間曲線圖可如圖2C中所示為正弦波。此外，電潤濕電壓（Vewod）的電壓-時間曲線圖可如圖2D中所示為連續方波。
圖2E是根據各種實施例容許使用EWOD原理沿著路徑或微流體溝道232來輸送及操縱生物實體樣本微滴的集成生物感測平臺230的平面圖。集成生物感測平臺230的各種集成電極可被配置成沿著微流體溝道232控制微滴234A、234B。此外，所述各種集成電極可覆蓋特定區域236，使得所述區域由所述各種集成電極覆蓋。當所述各種集成電極充當bioFET（例如，處於bioFET感測模式）時，所述區域可用於基於受控制的微滴234A、234B而對生物分子或生物實體進行電感測。
圖2F是用於輸送及混合靶標生物實體或分子的微流體柵格250的圖。舉例來說，微流體柵格250可用於輸送及混合靶標DNA樣本及生物試劑。微流體柵格250包括由集成電極（例如，相應集成電極的閘極）排成行列的多個水平路徑及垂直路徑。對閘極的選擇性啟動（例如，使其達到電潤濕電壓（Vewod））可用於在微流體柵格250中移動、分離、合併及形成微滴。
所述多個垂直路徑被標示為垂直路徑252A至252E，而所述多個水平路徑被標示為水平路徑254A至254F。垂直路徑252A至252E中的每一者及水平路徑254A至254F中的每一者可由多個線性排列的集成電極形成。垂直路徑252A至252E與水平路徑254A至254F之間的空間可為空的空間，以在電極處於導通狀態（例如，集成電極的閘極連接到處於電潤濕電壓（Vewod）的電壓源）的情況下有效地阻攔微滴從一個親水路徑“跳躍”到另一親水路徑。導通狀態可與關斷狀態（例如，集成電極的閘極與處於電潤濕電壓（Vewod）的電壓源斷開連接）形成對比。在一些實施例中，在各路徑之間的空間中存在材料阻擋件。
微流體柵格250還包括多個儲存器（reservoir），微滴從所述儲存器被引入到所述多個路徑中。沿著頂部排列有數個試劑儲存器256A至256E。舉例來說，這些試劑儲存器可為腺嘌呤試劑儲存器256A、胸腺嘧啶試劑儲存器256B、鳥嘌呤試劑儲存器256C、胞嘧啶試劑儲存器256D及緩衝液儲存器256E。微流體柵格250的其他實施例可包括其他生物試劑。
在微流體柵格250的左手側上繪示數個生物實體樣本儲存器258A至258D。在用於DNA序列的所示實施例中，每一生物實體樣本儲存器容納不同的靶標DNA片段。舉例來說，生物實體樣本儲存器258A至258D可各自包含待定序的DNA樣本。在用於診斷的實施例中，在生物實體樣本儲存器258A至258D中可存在其他類型的生物實體樣本（例如抗體）。
可通過以下方式經由垂直路徑252A至252E及水平路徑254A至254F將微滴從生物實體樣本儲存器258A至258D及/或試劑儲存器256A至256E施配到微流體柵格250中：將構成所述水平路徑及垂直路徑的電極選擇性地置位（assert）。因此，這些微滴可定位在微流體柵格250中的任何位置處且與其他微滴分開及混合或合併。
圖3A示出根據各種實施例對以上所介紹的集成電極100在處於電潤濕驅動模式302與處於bioFET感測模式304時進行的並排比較。可以各種層形成集成電極100，例如其中可在搬運基底（handling substrate）308上方的層間介電層（inter dielectric layer，IDL）306中形成閘極110。所述搬運基底可由矽製成。IDL層306可由金屬、氧化矽（SiO2 ）或層間電介質製成。接著，可在矽（Si）或氧化矽層310（例如，半導體有源層）中形成源極區102、溝道區106及汲極區104。可在Si或SiO2 層310之上形成掩埋氧化物（buried oxide，BOX）層312。所述BOX層可形成為SiO2 隔離層。可蝕刻BOX層312以形成用於微滴操縱（例如，移動）的溝道或開口。此外，可在微滴下方以及源極區102、溝道區106及汲極區104之上設置介電感測膜116。BOX層312可鄰接疏水層212、頂部電極120及玻璃基底結合層314。因此，當處於電潤濕驅動模式302時或處於bioFET感測模式304時，集成電極100的物理結構可為相同的。
如上所述，可使集成電極100以電潤濕驅動模式302運行且作為另一選擇以bioFET感測模式304運行。舉例來說，可通過至少對閘極110且視需要對閘極110、源極區102及汲極區104中的每一者施加電潤濕電壓（Vewod）（例如，從電潤濕電壓源）來使所述集成電極以電潤濕驅動模式運行。此外，在電潤濕驅動模式中，頂部電極120可被設定成接地。
可通過不施加電潤濕電壓（Vewod）及/或不將頂部電極120設定成接地來使集成電極以bioFET感測模式運行。確切地說，可通過感測以下中的任一者的改變來使集成電極以bioFET感測模式運行：閘極110處的電壓及/或電流（例如，即以上所述的VP）、源極區102處的電壓及/或電流（例如，即以上所述的VS）、汲極區104處的電壓及/或電流（例如，即以上所述的VD）及/或頂部電極120處的電壓及/或電流（例如，即以上所述的VFG）。
圖3B是根據某些實施例以電潤濕驅動模式302或作為另一選擇以bioFET感測模式運行的同一集成電極的電路圖。當集成電極以電潤濕驅動模式運行時，可至少相對於閘極110且視需要相對於閘極110、源極區102及汲極區104中的每一者而閉合與電潤濕電壓（Vewod）320（例如，來自電潤濕電壓源）相關聯的開關。此外，當集成電極100以電潤濕驅動模式運行時，可將與頂部電極120相關聯的開關設定成接地322。作為另一選擇，當集成電極處於bioFET感測模式時，可閉合與感測以下中的任一者的改變相關聯的開關：閘極110處的電壓及/或電流（例如，即以上所述的VP 330）、源極區102處的電壓及/或電流（例如，即以上所述的VS 332）、汲極區104處的電壓及/或電流（例如，即以上所述的VD 334）及/或頂部電極120處的電壓及/或電流（例如，即以上所述的VFG 336）。
圖4是根據一些實施例的集成生物感測平臺402的各種功能模組的框圖。集成生物感測平臺402可包括至少一個集成電極，如上所述。集成生物感測平臺402可包括處理器404。在其他實施例中，處理器404可被實作為一個或多個處理器。
處理器404可操作地連接到電腦可讀存儲模組406（例如，記憶體及/或資料存儲裝置）、網路連接模組408、使用者介面模組410、控制器模組412及感測器模組414。在一些實施例中，電腦可讀存儲模組406可包括集成生物感測平臺邏輯，所述集成生物感測平臺邏輯可將處理器404配置成執行本文所述的各種過程。電腦可讀記憶體件406還可存儲可用於執行本文所述各種過程的資料。
網路連接模組408可促進集成生物感測平臺402的以及集成生物感測平臺402的各種裝置及/或元件的網路連接，所述各種裝置及/或元件可在集成生物感測平臺402之內或外部進行通信（例如，發送信號、消息、指令或資料）。在某些實施例中，網路連接模組408可促進物理連接，例如線路或匯流排。在其他實施例中，網路連接模組408可例如通過使用傳送器、接收器及/或收發器經由無線局域網（wireless local area network，WLAN）來促進無線連接。舉例來說，網路連接模組408可促進與處理器404及電腦可讀記憶體件406的無線或有線連接。
集成生物感測平臺402還可包括使用者介面模組410。使用者介面模組410可包括用於由集成生物感測平臺402的操作員輸入及/或向所述操作員輸出的任何類型的介面，包括但不限於監視器、膝上型電腦、平板電腦或移動裝置等。
集成生物感測平臺402可包括控制器模組412。控制器模組412可被配置成控制各種物理設備，所述各種物理設備控制集成生物感測平臺402的各方面。舉例來說，控制器模組412可被配置成控制開關在進行以下操作中的至少一者時的移動或功能：將處於電潤濕電壓（Vewod）的電壓源施加到集成電極的閘極，或者將處於電潤濕電壓（Vewod）的電壓源與集成電極的閘極斷開連接。此外，控制器模組412可被配置成將電壓源與集成電極的閘極斷開連接，以作為另一選擇而開始感測跨越汲極區及源極區的電壓及/或電流電平（例如，使集成電極作為bioFET運行）。因此，控制器可由處理器控制且可實施本文所述的各種過程的各種方面。
感測器模組414可代表被配置成收集可用於表徵生物分子或生物實體的感測器資料的感測器。舉例來說，感測器模組414可在控制器模組412將電壓源與集成電極的閘極斷開連接時工作，以便可感測跨越汲極及源極的電壓及/或電流電平。換句話說，感測器模組可代表其中集成電極功能作為bioFET（例如，以bioFET感測模式）運行的感測操作。
圖5A是根據一些實施例的底部元件蝕刻型集成電極組裝流程500的流程圖。應注意，製程500僅為實例，且並非旨在限制本發明。因此，應理解，可在圖5A所示製程500之前、期間及之後提供額外操作，可省略某些操作，可將某些操作與其他操作同時執行，且本文可僅簡要闡述一些其他操作。
在一些實施例中，製程500的操作可與圖5B、圖5C、圖5D、圖5E、圖5F及圖5G分別所示的半導體裝置在各種製作階段處的剖視圖相關聯，以下將更詳細地論述所述各圖。
在操作502處，可提供絕緣體上矽（silicon on insulator，SOI）晶圓。在某些實施例中，可將此SOI晶圓翻轉在搬運基底上。在操作504處，可移除矽基底，以便暴露出掩埋氧化物（BOX）層。在操作506處，可在BOX層中矽（Si）或氧化矽（SiO2 ）層上方執行乾蝕刻。在某些實施例中，Si或SiO2 層可被稱為潛溝槽隔離（shallow trench isolation，STI）層。在操作508處，可在BOX層中矽（Si）或氧化矽層上方執行濕蝕刻。在某些實施例中，可執行終點檢測，以將乾蝕刻優化，從而跳過此濕蝕刻操作。在操作510處，可沉積介電感測膜。在操作512處，可注入液體微滴，且集成電極可以電潤濕驅動模式或以bioFET感測模式運行。
如上所提及，圖5B至圖5G以剖視圖示出在圖5A所示製程500的各種階段處的底部元件蝕刻型集成電極組裝流程500。此外，為了更好地理解本發明的概念，圖5A至圖5G得以簡化。舉例來說，雖然各圖示出集成電極，然而應理解，為使例示清晰起見，所述集成電極可包括在圖5B至圖5G中未示出的數個其他裝置，例如電阻器、電容器、電感器、熔絲等。
圖5B示出根據各種實施例作為底部元件的絕緣體上矽（SOI）晶圓531。根據各種實施例，可將所述SOI晶圓翻轉在搬運基底上。圖5B可示出圖5A所示操作502的特徵。所述SOI晶圓可包括各種層，例如搬運基底308上方的層間介電（IDL）層306。可在IDL層306中形成閘極110。所述搬運基底可由矽製成。IDL層306可由金屬、SiO2 或層間電介質製成。接著，可在矽（Si）或氧化矽（SiO2 ）層310中形成源極區102、溝道區106及汲極區104。可在Si或SiO2 層310之上形成掩埋氧化物（BOX）層312。所述BOX層可形成為SiO2 隔離層。接著，矽基底層520可鄰接BOX層。
圖5C示出根據各種實施例其中移除了矽基底以便暴露出掩埋氧化物（BOX）層的結構533。圖5C可示出圖5A所示操作504的特徵。如圖所示，在圖5C中可移除（例如，不存在）鄰接BOX層的矽基底層。
圖5D示出根據各種實施例通過在BOX層中矽（Si）或氧化矽（SiO2 ）層上方執行乾蝕刻而得到的結構535。圖5D可示出圖5A所示操作506的特徵。如上所述，在某些實施例中，Si或SiO2 層可被稱為潛溝槽隔離（STI）層。因此，可蝕刻BOX層312以形成用於微滴操縱（例如，移動）的溝道或開口。
圖5E示出根據各種實施例通過在BOX層中矽（Si）或氧化矽（SiO2 ）層上方執行濕蝕刻而得到的結構537。圖5E可示出圖5A所示操作508的特徵。在某些實施例中，可執行終點檢測以將乾蝕刻優化，從而跳過此濕蝕刻操作。此外，通過濕蝕刻及/或乾蝕刻而形成的開口的深度可為從約0.5微米至約1微米，以便可在開口內容易地操縱微滴。
圖5F示出根據各種實施例通過沉積介電感測膜116而得到的結構539。圖5F可示出圖5A所示操作510的特徵。可使用例如化學氣相沉積（chemical vapor deposition，CVD）、物理氣相沉積（physical vapor deposition，PVD）、旋轉塗布及/或其他適合的沉積技術等任何適合的沉積製程來沉積介電感測膜116。因此，介電感測膜116可設置在微滴下方以及源極區102、溝道區106及汲極區104之上。
圖5G示出根據各種實施例其中注入了液體微滴550以使集成電極以電潤濕驅動模式或以bioFET感測模式運行的結構541。圖5G可示出圖5A所示操作512的特徵。可在集成電極處於電潤濕驅動模式時操縱液體微滴550，且可在集成電極處於bioFET感測模式時基於液體微滴550而收集感測器資料。
圖6A是根據一些實施例的頂部元件蝕刻型集成電極組裝流程600的流程圖。應注意，製程600僅為實例，且並非旨在限制本發明。因此，應理解，可在圖6A所示製程600之前、期間及之後提供額外操作，可省略某些操作，可將某些操作與其他操作同時執行，且本文可僅簡要闡述一些其他操作。
在一些實施例中，製程600的操作可與圖6B、圖6C、圖6D、圖6E、圖6F、圖6G、圖6H及圖6I分別所示的半導體裝置在各種製作階段處的剖視圖相關聯，以下將更詳細地論述所述各圖。
在操作602處，可提供底部元件。所述底部組件可包括可被翻轉在搬運基底上的絕緣體上矽（SOI）晶圓。在操作604處，可移除矽基底以便暴露出掩埋氧化物（BOX）層。在操作606處，可在BOX層上沉積介電感測膜。在某些實施例中，所述介電感測膜可包含高介電常數材料及/或展現出疏水品質，如上所述。在操作608處，可提供包括氧化物、頂部電極及玻璃基底的頂部組件。在操作610處，可蝕刻頂部組件的氧化物。在操作612處，可在頂部電極及氧化物之上沉積疏水層。在某些實施例中，疏水層可包含高介電常數材料。在操作614處，可將頂部組件翻轉並結合到底部組件。在某些實施例中，此結合可作為HfO2 至HfO2 熔融結合來執行。在操作616處，可注入微滴，且集成電極可以電潤濕驅動模式或以bioFET感測模式運行。
如上所提及，圖6B至圖6I以剖視圖示出在圖6A所示製程600的各種階段處的頂部元件蝕刻型集成電極組裝流程600。此外，為了更好地理解本發明的概念，圖6A至圖6I得以簡化。舉例來說，雖然各圖示出集成電極，然而應理解，為使例示清晰起見，所述集成電極可包括在圖6B至圖6I中未示出的數個其他裝置，例如電阻器、電容器、電感器、熔絲等。
圖6B示出根據各種實施例作為底部元件的絕緣體上矽（SOI）晶圓621。圖6B可示出圖6A所示操作602的特徵。所述SOI晶圓可包括各種層，例如搬運基底308上方的層間介電（IDL）層306。可在IDL層306中形成閘極110。所述搬運基底可由矽製成。IDL層306可由金屬、SiO2 或層間電介質製成。接著，可在矽（Si）或氧化矽（SiO2 ）層310中形成源極區102、溝道區106及汲極區104。可在Si或SiO2 層310之上形成掩埋氧化物（BOX）層312。所述BOX層可形成為SiO2 隔離層。接著，矽基底層520可鄰接BOX層。
圖6C示出根據各種實施例通過移除矽基底以便暴露出掩埋氧化物（BOX）層而得到的結構623。圖6C可示出圖6A所示操作604的特徵。如圖所示，在圖6C中可移除（例如，不存在）鄰接BOX層的矽基底層。
圖6D示出根據各種實施例通過在BOX層上沉積介電感測膜116而得到的結構625。圖6D可示出圖6A所示操作606的特徵。在某些實施例中，所述介電感測膜可包含高介電常數材料及/或展現出疏水品質，如上所述。可使用例如化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）、旋轉塗布及/或其他適合的沉積技術等任何適合的沉積製程來沉積介電感測膜116。
圖6E示出根據各種實施例的頂部元件627。所述頂部組件可包括氧化物630、頂部電極120及玻璃基底632。圖6E可示出圖6A所示操作608的特徵。
圖6F示出根據各種實施例通過蝕刻頂部元件的氧化物630而得到的結構635。圖6F可示出圖6A所示操作610的特徵。
圖6G示出根據各種實施例通過在頂部電極120及氧化物630之上沉積疏水層212而得到的結構641。圖6G可示出圖6A所示操作612的特徵。在某些實施例中，疏水層212可包含高介電常數材料。
圖6H示出根據各種實施例通過將經處理頂部元件翻轉並結合到經處理底部元件而得到的結構643。圖6H可示出圖6A所示操作614的特徵。在某些實施例中，此結合可作為HfO2 至HfO2 熔融結合來執行。
圖6I示出根據各種實施例注入有液體微滴650的結構645。圖6I可示出圖6A所示操作616的特徵。可在集成電極處於電潤濕驅動模式時操縱液體微滴650，且可在集成電極處於bioFET感測模式時基於液體微滴650而收集感測器資料。
圖7A是根據一些實施例的底部元件蝕刻型集成電極組裝流程700的流程圖。應注意，製程700僅為實例，且並非旨在限制本發明。因此，應理解，可在圖7A所示製程700之前、期間及之後提供額外操作，可省略某些操作，可將某些操作與其他操作同時執行，且本文可僅簡要闡述一些其他操作。
在一些實施例中，製程700的操作可與圖7B、圖7C、圖7D、圖7E、圖7F、圖7G、圖7H、圖7I、圖7J及圖7K分別所示的半導體裝置在各種製作階段處的剖視圖相關聯，以下將更詳細地論述所述各圖。
在操作702處，可提供絕緣體上矽（SOI）晶圓。在某些實施例中，可將此SOI晶圓翻轉在搬運基底上。在操作704處，可移除矽基底以便暴露出掩埋氧化物（BOX）層。在操作706處，可在BOX層中矽（Si）或氧化矽（SiO2 ）層上方執行乾蝕刻。在某些實施例中，Si或SiO2 層可被稱為潛溝槽隔離（STI）層。在操作708處，可在BOX層中矽（Si）或氧化矽（SiO2 ）層上方執行濕蝕刻。在某些實施例中，可執行終點檢測以將乾蝕刻優化，從而跳過此濕蝕刻操作。在操作710處，可沉積介電感測膜。在操作712處，可提供包括氧化物、頂部電極及玻璃基底的頂部組件。在操作714處，可蝕刻以移除頂部組件的氧化物。在某些實施例中，操作712可包括不具有氧化物的頂部元件，且因此，可跳過操作714。在操作716處，可在頂部電極之上沉積疏水層。在某些實施例中，疏水層可包含高介電常數材料。在操作718處，可將頂部組件翻轉並結合到底部組件。在某些實施例中，此結合可作為HfO2 至HfO2 熔融結合來執行。在操作720處，可注入液體微滴，且集成電極可以電潤濕驅動模式或以bioFET感測模式運行。
如上所提及，圖7B至圖7K以剖視圖示出在圖7A所示製程700的各種階段處的底部元件蝕刻型集成電極組裝流程700。此外，為了更好地理解本發明的概念，圖7A至圖7K得以簡化。舉例來說，雖然各圖示出集成電極，然而應理解，為使例示清晰起見，所述集成電極可包括在圖7B至圖7K中未示出的數個其他裝置，例如電阻器、電容器、電感器、熔絲等。
圖7B示出根據各種實施例作為底部元件的絕緣體上矽（SOI）晶圓731。根據各種實施例，可將所述SOI晶圓翻轉在搬運基底上。圖7B可示出圖7A所示操作702的特徵。所述SOI晶圓可包括各種層，例如搬運基底308上方的層間介電（IDL）層306。可在IDL層306中形成閘極110。所述搬運基底可由矽製成。IDL層306可由金屬、SiO2 或層間電介質製成。接著，可在矽（Si）或氧化矽（SiO2 ）層310中形成源極區102、溝道區106及汲極區104。可在Si或SiO2 層310之上形成掩埋氧化物（BOX）層312。BOX層312可形成為SiO2 隔離層。接著，矽基底層520可鄰接BOX層312。
圖7C示出根據各種實施例通過移除矽基底以便暴露出掩埋氧化物（BOX）層而得到的結構733。圖7C可示出圖7A所示操作704的特徵。如圖所示，在圖7C中可移除（例如，不存在）鄰接BOX層的矽基底層。
圖7D示出根據各種實施例通過在BOX層中矽（Si）或氧化矽（SiO2 ）層上方執行乾蝕刻而得到的結構735。圖7D可示出圖7A所示操作706的特徵。如上所述，在某些實施例中，所述Si或SiO2 層可被稱為潛溝槽隔離（STI）層。因此，可蝕刻BOX層312以形成用於微滴操縱（例如，移動）的溝道或開口。
圖7E示出根據各種實施例通過在BOX層中矽（Si）或氧化矽（SiO2 ）層上方執行濕蝕刻而得到的結構737。圖7E可示出圖7A所示操作708的特徵。在某些實施例中，可執行終點檢測以將乾蝕刻優化，從而跳過此濕蝕刻操作。此外，通過濕蝕刻及/或乾蝕刻而形成的開口的深度可為從約0.5微米至約1微米，以便可在開口內容易地操縱微滴。
圖7F示出根據各種實施例通過沉積介電感測膜116而得到的結構739。圖7F可示出圖7A所示操作710的特徵。可使用例如化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）、旋轉塗布及/或其他適合的沉積技術等任何適合的沉積製程來沉積介電感測膜116。因此，介電感測膜116可設置在微滴下方以及源極區102、溝道區106及汲極區104之上。
圖7G示出根據各種實施例的頂部元件741。所述頂部組件可包括氧化物630、頂部電極120及玻璃基底632。圖7G可示出圖7A所示操作712的特徵。
圖7H示出根據各種實施例通過蝕刻頂部元件的氧化物630而得到的結構743。圖7H可示出圖7A所示操作714的特徵。可蝕刻以移除所述氧化物。在某些實施例中，所述頂部組件可不包括氧化物，且因此，圖7H可示出所述頂部元件（例如，不具有氧化物的頂部元件）。
圖7I示出根據各種實施例通過在頂部電極120之上沉積疏水層212而得到的結構745。圖7I可示出圖7A所示操作716的特徵。在某些實施例中，疏水層212可包含高介電常數材料。
圖7J示出根據各種實施例通過將頂部元件翻轉並結合到底部元件而得到的結構747。圖7J可示出圖7A所示操作718的特徵。在某些實施例中，此結合可作為HfO2 至HfO2 熔融結合來執行。
圖7K示出根據各種實施例注入有液體微滴750的結構749。圖7K可示出圖7A所示操作720的特徵。可在集成電極處於電潤濕驅動模式時操縱液體微滴750，且可在集成電極處於bioFET感測模式時基於液體微滴750而收集感測器資料。
圖8A是根據一些實施例的雙元件蝕刻型集成電極組裝流程800的流程圖。應注意，製程800僅為實例，且並非旨在限制本發明。因此，應理解，可在圖8A所示製程800之前、期間及之後提供額外操作，可省略某些操作，可將某些操作與其他操作同時執行，且本文可僅簡要闡述一些其他操作。
在一些實施例中，製程800的操作可與圖8B、圖8C、圖8D、圖8E、圖8F、圖8G、圖8H、圖8I及圖8J分別所示的半導體裝置在各種製作階段處的剖視圖相關聯，以下將更詳細地論述所述各圖。
在操作802處，可提供絕緣體上矽（SOI）晶圓。在某些實施例中，可將此SOI晶圓翻轉在搬運基底上。在操作804處，可移除矽基底以便暴露出掩埋氧化物（BOX）層。在操作806處，可在BOX層中矽（Si）或氧化矽（SiO2 ）層上方執行乾蝕刻。在某些實施例中，所述Si或SiO2 層可被稱為潛溝槽隔離（STI）層。在某些實施例中，可執行終點檢測，以將乾蝕刻優化，從而跳過濕蝕刻操作。然而，在其他實施例中，可在乾蝕刻操作806之後進行濕蝕刻操作。在操作808處，可沉積介電感測膜。在操作810處，可提供包括氧化物、頂部電極及玻璃基底的頂部組件。在操作812處，可蝕刻頂部組件的氧化物。在某些實施例中，操作810可包括不具有氧化物的頂部元件，且因此，可跳過操作812。在操作814處，可在頂部電極之上沉積疏水層。在某些實施例中，疏水層可包含高介電常數材料。在操作816處，可將頂部組件翻轉並結合到底部組件。在某些實施例中，此結合可作為HfO2 至HfO2 熔融結合來執行。在操作818處，可注入液體微滴，且集成電極可以電潤濕驅動模式或以bioFET感測模式運行。
如上所提及，圖8B至圖8J以剖視圖示出在圖8A所示製程800的各種階段處的雙元件蝕刻型集成電極組裝流程800。此外，為了更好地理解本發明的概念，圖8A至圖8J得以簡化。舉例來說，雖然各圖示出集成電極，然而應理解，為使例示清晰起見，所述集成電極可包括在圖8B至圖8J中未示出的數個其他裝置，例如電阻器、電容器、電感器、熔絲等。
圖8B示出根據各種實施例作為底部元件的絕緣體上矽（SOI）晶圓831。根據各種實施例，可將所述SOI晶圓翻轉在搬運基底上。圖8B可示出圖8A所示操作802的特徵。所述SOI晶圓可包括各種層，例如搬運基底308上方的層間介電（IDL）層306。可在IDL層306中形成閘極110。所述搬運基底可由矽製成。IDL層306可由金屬、SiO2 或層間電介質製成。接著，可在矽（Si）或氧化矽（SiO2 ）層310中形成源極區102、溝道區106及汲極區104。可在Si或SiO2 層310之上形成掩埋氧化物（BOX）層312。所述BOX層可形成為SiO2 隔離層。接著，矽基底層820可鄰接BOX層。
圖8C示出根據各種實施例通過移除矽基底以便暴露出掩埋氧化物（BOX）層而得到的結構833。圖8C可示出圖8A所示操作804的特徵。如圖所示，在圖8C中可移除（例如，不存在）鄰接BOX層的矽基底層。
圖8D示出根據各種實施例通過在BOX層中矽（Si）或氧化矽（SiO2 ）層上方執行乾蝕刻而得到的結構835。圖8D可示出圖8A所示操作806的特徵。如上所述，在某些實施例中，所述Si或SiO2 層可被稱為潛溝槽隔離（STI）層。因此，可蝕刻BOX層312以形成用於微滴操縱（例如，移動）的溝道或開口。此外，通過乾蝕刻而形成的開口的深度可為從約0.5微米至約1微米，以便可在開口內容易地操縱微滴。
圖8E示出根據各種實施例通過沉積介電感測膜116而得到的結構837。圖8E可示出圖8A所示操作808的特徵。可使用例如化學氣相沉積（CVD）、物理氣相沉積（PVD）、旋轉塗布及/或其他適合的沉積技術等任何適合的沉積製程來沉積介電感測膜116。因此，介電感測膜116可設置在微滴下方以及源極區102、溝道區106及汲極區104之上。
圖8F示出根據各種實施例的頂部元件839。所述頂部組件可包括氧化物630、頂部電極120及玻璃基底632。圖8F可示出圖8A所示操作810的特徵。
圖8G示出根據各種實施例其中頂部元件的氧化物630被蝕刻的結構841。圖8G可示出圖8A所示操作812的特徵。
圖8H示出根據各種實施例其中在頂部電極120及氧化物630之上沉積了疏水層212的結構843。圖8H可示出圖8A所示操作814的特徵。在某些實施例中，疏水層212可包含高介電常數材料。
圖8I示出根據各種實施例其中將經處理頂部元件翻轉並結合到經處理底部元件的結構845。圖8I可示出圖8A所示操作816的特徵。在某些實施例中，此結合可作為HfO2 至HfO2 熔融結合來執行。
圖8J示出根據各種實施例其中注入有液體微滴850的結構847。圖8J可示出圖8A所示操作818的特徵。可在集成電極處於電潤濕驅動模式時操縱液體微滴850，且可在集成電極處於bioFET感測模式時基於液體微滴850而收集感測器資料。
在實施例中，一種裝置包括：電極，被配置成在對所述電極施加第一電壓時改變所述電極上方的液體微滴的接觸角；感測膜，疊蓋所述電極，其中所述電極被配置成基於在所述電極處感測的第二電壓而評估所述液體微滴的狀態；參考電極，位於所述電極上方，所述參考電極被配置成提供參考電壓；以及微流體溝道，位於所述電極與所述參考電極之間，其中所述微流體溝道被配置成使用所述電極來操縱所述液體微滴。
在實施例中，所述第一電壓是在與感測所述第二電壓的時間不同的時間施加。在實施例中，電晶體包括所述電極，且所述第一電壓是在所述電晶體的閘極處施加。在實施例中，電晶體包括所述電極，且所述第二電壓是在所述電晶體的汲極與源極之間感測。
在實施例中，所述感測膜是離子感測膜，所述離子感測膜被配置成在靠近所述液體微滴內的離子濃度時變得帶電，以改變所述電極的導電性。在實施例中，所述感測膜包括選擇性黏結劑，所述選擇性黏結劑被配置成與所述液體微滴內的分析物選擇性地黏結。在實施例中，疏水性塗層覆蓋所述感測膜。在實施例中，所述疏水性塗層是自組裝單層或聚四氟乙烯層。在實施例中，所述微流體溝道耦合到多個儲存器，其中所述微流體溝道被配置成輸送及混合所述多個儲存器中所容納的流體，其中所述流體包括試劑。
在另一實施例中，一種裝置包括：電極陣列，被配置成在對所述電極陣列施加第一電壓時改變所述電極陣列上方的液體微滴的接觸角；以及感測膜，疊蓋所述電極陣列，其中所述電極陣列被配置成基於在所述電極陣列處感測的第二電壓而評估所述液體微滴的狀態。
在實施例中，所述電極陣列包括多個電極，所述多個電極被配置成將所述液體微滴從所述電極陣列的一端輸送到所述電極陣列的另一端。在實施例中，所述裝置進一步包括位於所述電極陣列上方的參考電極，所述參考電極被配置成提供參考電壓。在實施例中，在所述電極陣列與所述參考電極之間具有微流體溝道，在所述微流體溝道中操縱所述液體微滴。在實施例中，所述微流體溝道耦合到多個儲存器，其中所述微流體溝道被配置成輸送及混合所述多個儲存器中所容納的流體，其中所述流體包括試劑在實施例中，在所述電極陣列的不同的相鄰電極處施加不同的所述第一電壓。
在另一實施例中，一種方法包括：從第一儲存器提供微滴，其中所述第一儲存器耦合到微流體柵格；以及使用電極陣列將所述微滴從所述微流體柵格輸送到微流體溝道中，其中所述電極陣列被配置成在對所述電極陣列的電極施加第一電壓時改變所述電極上方的所述微滴的接觸角，且其中所述電極陣列被配置成基於在所述電極陣列的所述電極處感測的第二電壓來評估所述微滴的狀態。
在實施例中，所述電極被配置成使用疊蓋所述電極的感測膜來評估所述微滴內的生物實體樣本的狀態。在實施例中，所述感測方法進一步包括：從耦合到所述微流體柵格的儲存器提供試劑微滴；以及在所述微流體柵格中混合所述微滴與所述試劑微滴，以形成製備好的樣本微滴。在實施例中，將所述微滴從所述微流體柵格輸送到所述微流體溝道中包括將所述製備好的樣本微滴輸送到所述微流體溝道中。在實施例中，所述感測方法進一步包括對所述電極施加電壓並在所述電極處感測所述第二電壓。
以上內容概述了若干實施例的特徵以使所屬領域中的普通技術人員可更好地理解本發明的各方面。所屬領域中的技術人員應瞭解，他們可易於使用本發明作為基礎來設計或修改其他製程及結構以施行本文所介紹實施例的相同目的及/或實現本文所介紹實施例的相同優點。所屬領域中的技術人員還應認識到，此種等效構造並不背離本發明的精神及範圍，且在不背離本發明的精神及範圍的條件下，他們可對本文作出各種改變、替代及變更。
在本文獻中，本文所使用的用語“模組（module）”指代用於執行本文所述的相關聯功能的軟體、韌體、硬體及這些元件的任一組合。另外，為便於論述，各種模組均被闡述為離散模組；然而，對於所屬領域中的普通技術人員來說將顯而易見，可將兩個或更多個模組組合以形成根據本發明的實施例執行相關聯功能的單個模組。
所屬領域中的普通技術人員應進一步瞭解，結合本文所公開方面所述的各種說明性邏輯塊、模組、處理器、構件、電路、方法及功能中的任一者均可通過電子硬體（例如，數位實施方案、類比實施方案、或此兩者的組合）、韌體、併入有指令的各種形式的程式或設計代碼（為方便起見，其在本文中可被稱為“軟體”或“軟體模組”）、或者這些技術的任一組合來實作。為清晰地說明硬體、韌體及軟體的此種可互換性，以上已就功能籠統地闡述了各種說明性元件、塊、模組、電路及步驟。此種功能是被實作為硬體、韌體還是軟體或者這些技術的組合取決於特定應用及強加於整體系統的設計約束條件。技術人員可針對每一特定應用而以各種方式實作所述的功能，然而，此類實施方案決策不會造成對本發明範圍的背離。
此外，所屬領域中的普通技術人員應理解，本文所述的各種說明性邏輯塊、模組、裝置、元件及電路可在積體電路（IC）內實作或由積體電路實作，所述積體電路可包括通用處理器、數位訊號處理器（digital signal processor，DSP）、專用積體電路（application specific integrated circuit，ASIC）、現場可程式設計閘陣列（field programmable gate array，FPGA）、或其他可程式設計邏輯裝置、或者其任一組合。所述邏輯塊、模組及電路可進一步包括天線及/或收發器，以與網路內或裝置內的各種元件進行通信。通用處理器可為微處理器，但在替代方案中，處理器可為任何傳統的處理器、控制器或狀態機。處理器還可被實作為計算裝置的組合，例如，DSP與微處理器的組合、多個微處理器、一個或多個微處理器與DSP核心的聯合、或者用以執行本文所述功能的任何其他適合的配置。
除非另有具體陳述，否則尤其例如“可（can、could、might或may）”等條件性語言在所使用的上下文內被籠統地理解成表達：某些實施例包括某些特徵、元件及/或步驟，而其他實施例不包括某些特徵、元件及/或步驟。因此，此種條件性語言通常不旨在暗示：各特徵、元件及/或步驟無論如何均是一個或多個實施例所需要的，或者一個或多個實施例一定包括用於在用戶進行或不進行輸入或提示的情況下決定這些特徵、元件及/或步驟在任一特定實施例中是否被包含或者是否將被執行的邏輯。
另外，所屬領域中的技術人員在閱讀本發明後將能夠將功能實體配置成執行本文所述的操作。本文中關於所指定操作或功能所使用的用語“配置（configured）”指代物理上或虛擬地被構造、程式設計及/或安排成執行所指定操作或功能的系統、裝置、元件、電路、結構、機器等。
除非另有具體陳述，否則例如短語“X、Y或Z中的至少一者（at least one of X, Y, or Z）”等析取語言在所使用的上下文內被籠統地理解成提出：項目、項等可為X、Y、或Z、或者其任一組合（例如，X、Y及/或Z）。因此，此種析取語言通常不旨在且不應暗示：某些實施例要求至少一個X、至少一個Y、或至少一個Z各自均應存在。
以上概述了數個實施例的特徵，使本領域具有通常知識者可更佳了解本揭露的態樣。本領域具有通常知識者應理解，其可輕易地使用本揭露作為設計或修改其他製程與結構的依據，以實行本文所介紹的實施例的相同目的及/或達到相同優點。本領域具有通常知識者還應理解，這種等效的配置並不悖離本揭露的精神與範疇，且本領域具有通常知識者在不悖離本揭露的精神與範疇的情況下可對本文做出各種改變、置換以及變更。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:集成電極 102:源極區 104:汲極區 106:溝道區 110:閘極 112:流體閘極 114、114A、114B、204、234A、234B:微滴 116:介電感測膜 120:頂部電極 132、220:開關 134:探針 200、230、402:集成生物感測平臺 202:微流體溝道/溝道 212:頂部疏水層/疏水層 224:電壓源 232:微流體溝道 236:區域 250:微流體柵格 252A、252B、252C、252D、252E:垂直路徑 254A、254B、254C、254D、254E、254F:水平路徑 256A:腺嘌呤試劑儲存器 256B:胸腺嘧啶試劑儲存器 256C:鳥嘌呤試劑儲存器 256D:胞嘧啶試劑儲存器 256E:緩衝液儲存器 258A、258B、258C、258D:生物實體樣本儲存器 302:電潤濕驅動模式 304:bioFET感測模式 306:層間介電層（IDL） 308:搬運基底 310:矽或氧化矽層 312:掩埋氧化物（BOX）層 314:玻璃基底結合層 320:電潤濕電壓（Vewod） 322:接地(GND) 330:閘極電壓(VP) 332:源極電壓(VS) 334:汲極電壓(VD) 336:流體閘極電壓(VFG) 404:處理器 406:電腦可讀存儲模組/電腦可讀記憶體件 408:網路連接模組 410:使用者介面模組 412:控制器模組 414:感測器模組 500:底部元件蝕刻型集成電極組裝流程 502、504、506、508、510、512、602、604、606、608、610、612、614、616、702、704、706、708、710、712、714、716、718、720、802、804、806、808、810、812、814、816、818:操作 520:矽基底層 531、621、731、831:絕緣體上矽（SOI）晶圓 533、535、537、539、541、623、625、635、641、643、645、733、735、737、739、743、745、747、749、833、835、837、841、843、845、847:結構 550、650、750、850:液體微滴 600:頂部元件蝕刻型集成電極組裝流程 627、741、839:頂部組件 630:氧化物 632:玻璃基底 700:底部元件蝕刻型集成電極組裝流程 800:雙元件蝕刻型集成電極組裝流程θ0、θv:接觸角
圖1A示出根據一些實施例當作為bioFET運行時的集成電極。 圖1B是根據一些實施例作為電潤濕電極運行以進行電潤濕的集成電極的剖視圖。 圖1C是根據一些實施例集成電極在閘極充當電潤濕電極時的簡化圖。 圖1D示出根據一些實施例集成電極在用於電潤濕時或用作bioFET時的電路圖。 圖2A是根據一些實施例容許使用電介質上電潤濕（electrowetting-on-dielectric，EWOD）原理來輸送及操縱生物實體樣本微滴的集成生物感測平臺的剖視圖。 圖2B示出根據一些實施例相應集成電極的不同閘極的電壓-時間曲線圖。 圖2C示出根據一些實施例作為正弦波的電潤濕電壓（Vewod）的電壓-時間曲線圖。 圖2D示出根據一些實施例作為方波的電潤濕電壓（Vewod）的電壓-時間曲線圖。 圖2E是根據一些實施例容許使用EWOD原理沿著路徑或微流體溝道來輸送及操縱生物實體樣本微滴的集成生物感測平臺的平面圖。 圖3A示出根據一些實施例對以上所介紹的集成電極在處於電潤濕驅動模式與處於bioFET感測模式時進行的並排比較。 圖3B是根據一些實施例以電潤濕驅動模式或作為另一選擇以bioFET感測模式運行的同一集成電極的電路圖。 圖4是根據一些實施例的集成生物感測平臺的各種功能模組的框圖。 圖5A是根據一些實施例的底部元件蝕刻型集成電極組裝流程的流程圖。 圖5B、圖5C、圖5D、圖5E、圖5F及圖5G示出根據一些實施例通過圖5A所示方法製作的示例性集成電極在各種製作階段期間的剖視圖。 圖6A是根據一些實施例的頂部元件蝕刻型集成電極組裝流程的流程圖。 圖6B、圖6C、圖6D、圖6E、圖6F、圖6G、圖6H及圖6I示出根據一些實施例通過圖6A所示方法製作的示例性集成電極在各種製作階段期間的剖視圖。 圖7A是根據一些實施例的底部元件蝕刻型集成電極組裝流程的流程圖。 圖7B、圖7C、圖7D、圖7E、圖7F、圖7G、圖7H、圖7I、圖7J及圖7K示出根據一些實施例通過圖7A所示方法製作的示例性集成電極在各種製作階段期間的剖視圖。 圖8A是根據一些實施例的雙元件蝕刻型集成電極組裝流程的流程圖。 圖8B、圖8C、圖8D、圖8E、圖8F、圖8G、圖8H、圖8I及圖8J示出根據一些實施例通過圖8A所示方法製作的示例性集成電極在各種製作階段期間的剖視圖。
102:源極區
104:汲極區
110:閘極
320:電潤濕電壓(Vewod)
322:接地(GND)
330:閘極電壓(VP)
332:源極電壓(VS)
334:汲極電壓(VD)
336:流體閘極電壓(VFG)

Claims (1)

  1. 一種感測裝置，包括： 電極，被配置成在對所述電極施加第一電壓時改變所述電極上方的液體微滴的接觸角； 感測膜，疊蓋所述電極，其中所述電極被配置成基於在所述電極處感測的第二電壓而評估所述液體微滴的狀態； 參考電極，位於所述電極上方，所述參考電極被配置成提供參考電壓；以及 微流體溝道，位於所述電極與所述參考電極之間，其中所述微流體溝道被配置成使用所述電極來操縱所述液體微滴。
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