TW202115886A - 生物感測器 - Google Patents

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Abstract

提供一種生物感測器。生物感測器包含感測元件和設置在感測元件上的蓋板。感測元件包含：嵌入有光電二極體的第一基底；以及設置在第一基板上的濾光層。蓋板包含：第二基底；以及設置在第二基底中的上光學元件；設置在上光學元件上的上反應孔。

Description

生物感測器
本發明實施例係關於一種生物感測器，特別係關於具有聚焦元件或聚焦結構的生物感測器。
最近，CMOS影像感測器已經用於生物或生化檢測。對於這種應用，螢光分子可作為生物或生化樣品上的報導者和標記。可將生物或生化樣品放置於光電二極體上，且可將生物或生化樣品所發射的螢光引導至光電二極體，以用基於預定的工作流程或演算法，來將生物訊號解碼。螢光訊號通常需要較短波長的激發光以產生較長波長的發射光訊號。因此，適當的光學元件對於阻擋較短波長的激發光進入光電二極體，以識別具有較長波長的弱發射光訊號可能是必要的。儘管現有的CMOS影像感測器已足以滿足其預期的目的，但它們並非在所有方面都完全地令人滿意。舉例而言，反應孔僅形成於感測元件中，且一個反應孔通常對應至少一個感測畫素。因此，現有的生物感測器的輸出量不能滿足目前的需求。此外，一些裝置可包含聚光元件，例如菲涅耳透鏡、微透鏡和增亮膜(bright enhancement film，BEF)，以將發射光聚焦至感測元件上以增強訊號。然而，菲涅耳透鏡、微透鏡和增亮膜(BEF)的光譜選擇性不足以僅收集發射光，因此亦會增加來自激發光的雜訊強度。
因此，需要一種具有更高的輸出量且具有更好的光譜選擇性的聚焦元件的新穎的生物感測器。
在本揭露的一些實施例中，提供了一種生物感測器。生物感測器包含感測元件和設置在感測元件上的蓋板。感測元件包含：嵌入有光電二極體的第一基底；以及設置在第一基板上的濾光層。蓋板包含：第二基底；以及設置在第二基底中的上光學元件；設置在上光學元件上的上反應孔。
在以下實施例中參考所附圖式給予實施方式。
在以下描述中詳細描述本揭露的生物感測器。在以下的實施方式中，出於解釋的目的，闡述了許多具體細節和實施例以提供對本揭露的透徹理解。闡述以下實施方式中所描述的特定元件和配置，以清楚地描述本揭露。然而，將顯而易見的是，本文所闡述的示例性實施例僅用於說明的目的，且發明概念可以各種形式體現，而不限於那些示例性實施例。此外，不同實施例的圖式可使用相似和/或對應的數字來表示相似和/或對應的元件，以便清楚地描述本揭露。然而，在不同實施​​例的圖式中使用相似和/或對應的數字不暗示不同實施例之間的任何相關性。此外，在本說明書中，例如「設置在第二材料層上/上方的第一材料層」的表達可指第一材料層和第二材料層的直接接觸，或者其可指在第一材料層和第二材料層之間有一或多層中間層的非接觸狀態。在上述情況中，第一材料層可不與第二材料層直接接觸。
此外，在本說明書中，使用相對性的表達。例如「較低」、「底部」、「較高」或「頂部」用於描述一元件相對於另一元件的位置。應理解的是，如果將裝置上下顛倒，則「較低」的元件將變為「較高」的元件。
除非另有定義，否則本文使用的所有技術和科學術語都具有與本發明所屬技術領域中通常知識者一般所理解的相同含義。應理解的是，在各種情況下，在常用字典中定義的術語應被解釋為具有符合本揭露的相對技能和本揭露的背景或上下文的含義，且不應以理想化或過於正式的方式來解釋，除非如此定義。
在敘述中，相對性術語例如「下」、「上」、「水平」、「垂直」、「之下」、「之上」、「頂部」、「底部」等等應被理解為該實施例以及相關圖式中所繪示的方位。此相對性的用語是為了方便說明之用，並不表示所敘述之裝置需以特定方位來製造或運作。此外，關於接合、連接之用語，例如「連接」、「互連」等，除非特別定義，否則可表示兩個結構直接接觸，或者亦可表示兩個結構並非直接接觸，而是有其它結構設置於此兩個結構之間。另外，關於接合、連接之用語，亦可包含兩個結構都可移動，或者兩個結構都固定之實施例。
應理解的是，儘管可在本文中使用術語第一、第二、第三等等，來描述各種元件、組件、區域、膜層、部分和/或區段，但這些元件、組件、區域、膜層、部分和/或區段不應受這些術語所限制。這些術語僅用於區分一元件、組件、區域、膜層、部分或區段與另一元件、組件、區域、膜層、部分或區段。因此，在不脫離本揭露的教示的情況下，以下所討論的第一元件、組件、區域、膜層、部分或區段可被稱為第二元件、組件、區域、膜層、部分或區段。
本揭露的實施例提供了包含聚焦元件或聚焦結構於蓋板中的生物感測器。因此，亦可將反應孔設計於蓋板中，藉此增加輸出量。
第1圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器100的剖面圖。請參閱第1圖，生物感測器100包含感測元件10和蓋板20。
感測元件10主要包含基底102、光電二極體104、濾光層106、鈍化層108和修飾層110。
基底102嵌入有光電二極體104。在本揭露的一些實施例中，基底102是主體半導體基底，例如半導體晶圓。舉例而言，基底102是矽晶圓。基底102可包含矽或其它元素半導體材料例如鍺。在另一些實施例中，基底102包含化合物半導體。化合物半導體可包含砷化鎵、碳化矽、砷化銦、磷化銦、其它合適的材料或前述之組合，但不限於此。
在一些實施例中，基底102包含絕緣體上半導體(semiconductor-on-insulator，SOI)基底。可使用氧佈植分離(separation by implantation of oxygen，SIMOX)製程、晶圓接合製程、其它可應用的方法或前述之組合，來製造SOI基底，但不限於此。在一些實施例中，基底102是未摻雜的基底。
濾光層106設置於基底102上。可藉由使用濺射、旋轉塗佈、化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)、低壓化學氣相沉積(low-pressure chemical vapor deposition，LPCVD)、低溫化學氣相沉積(low-temperature chemical vapor deposition，LTCVD)、快速熱化學氣相沉積(rapid thermal chemical vapor deposition，RTCVD)、電漿增強化學氣相沉積(plasma enhanced chemical vapor deposition，PECVD)、原子層沉積(atomic layer deposition，ALD)、物理氣相沉積、分子束沉積、任何其他合適的製程或前述之組合來形成濾光層106，但不限於此。濾光層106可為有機彩色濾光片或無機彩色濾光片，包含以顏料為基礎的聚合物、以顏料為基礎的染料、以染料為基礎的聚合物、以樹脂基礎的材料、介電干涉濾光片、電漿超表面結構或介電超表面結構。濾光層106可排除特定波長範圍內的光，使其無法通過濾光層，且/或允許另一特定波長範圍內的光通過濾光層。在一些實施例中，可根據需要，由紅色濾光片、綠色濾光片、藍色濾光片、青色(cyan color)濾光片、紫紅(magenta color)色濾光片、黃色濾光片或紅外光(infrared，IR)通過濾光片來製造濾光層，但本揭露不限於此。
鈍化層108設置於濾光層106上。可藉由使用濺射、旋轉塗佈、化學氣相沉積(CVD)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)、低溫化學氣相沉積(LTCVD)、快速熱化學氣相沉積(RTCVD)、電漿增強化學氣相沉積(PECVD)、原子層沉積(ALD)、物理氣相沉積、分子束沉積、任何其他合適的製程或前述之組合來形成鈍化層108，但不限於此。鈍化層108可保護濾光層106和光電二極體104免於脫層、腐蝕或損壞。具體而言，鈍化層108可防止樣品的溶液接觸濾光層106或光電二極體104。鈍化層108的材料包含金屬氧化物、金屬氮化物、矽氧化物、矽氮化物或前述之組合，但不限於此。在一些實施例中，金屬氧化物、金屬氮化物、矽氧化物或矽氮化物可包含但不限於氧化矽(例如SiO2 )、氧化鈦(例如TiO2 )、氧化鉭(例如Ta2 O5 )、氧化鋁(例如Al2 O3 )、氧化鈮(例如Nb2 O5 )、氮化矽(例如Si3 N4 )、氮化鈦、氮化鉭或前述之組合。此外，可用自組裝單層(self-assembly monolayer，SAM)、功能聚合物或水凝膠來塗佈或處理鈍化層108，以固定生物樣品。根據一些實施例，鈍化層的材料可為透明或半透明的。
修飾層110設置於鈍化層108上。可藉由使用濺射、旋轉塗佈、化學氣相沉積(CVD)、低壓化學氣相沉積(LPCVD)、低溫化學氣相沉積(LTCVD)、快速熱化學氣相沉積(RTCVD)、電漿增強化學氣相沉積(PECVD)、原子層沉積(ALD)、物理氣相沉積、分子束沉積、任何其他合適的方法或前述之組合來形成修飾層110，但不限於此。此外，可用自組裝單層(self-assembly monolayer，SAM)、功能聚合物或水凝膠來塗佈或處理修飾層110，以固定或拒絕生物樣品。根據一些實施例，修飾層的材料可為透明或半透明的。
修飾層110的材料包含金屬、金屬合金、金屬氧化物、金屬氮化物、矽、矽氧化物、矽氮化物或前述之組合，但不限於此。在一些實施例中，金屬、金屬合金、金屬氧化物、金屬氮化物、矽、矽氧化物、矽氮化物可包含但不限於銀(Ag)、鋁(Al)、金(Au)、鈮(Nb)、鈦(Ti)、鎢(W)、前述之合金、矽(例如Si：H)、氧化矽(例如SiO2 )、氧化鈦(例如TiO2 )、氧化鉭(例如Ta2 O5 )、氧化鋁(例如Al2 O3 )、氧化鈮(例如Nb2 O5 )、氮化矽(例如Si3 N4 )、氮化鈦、氮化鉭或前述之組合。如本文所使用的術語「反應孔」是指放置或捕獲生物樣品的區域、空間或結構。修飾層110包含下反應孔120L。在一些實施例中，下反應孔120L可為如第1圖所示之修飾層110中的開口。因此，下反應孔120L的底面可為鈍化層108的頂面。當修飾層110的材料與鈍化層108不同時，可執行選擇性表面塗佈以用能夠捕獲生物樣品的官能基基團來修飾鈍化層108，且用無法捕獲生物樣品的另一官能基基團來修飾修飾層110。因此，可將生物樣品限制於下反應孔120L中。
在另一些實施例中，修飾層110可不具有開口作為下反應孔120L。可藉由修飾修飾層110的表面的一部分，來形成下反應孔120L，如此一來僅特定區域可捕獲期望的生物樣品。舉例而言，修飾層110的表面上的一些官能基基團可被修飾為能夠捕獲期望的生物樣品。
蓋板20設置於感測元件10上。蓋板20主要包含基底114、上光學元件116A和阻擋層118。基底114的材料包含玻璃、藍寶石、塑料、聚合物或前述之組合，但不限於此。舉例而言，塑料或聚合物可包含但不限於雙苯並環丁烯(bisbenzocyclobutene，BCB)、聚醯亞胺(polyimide，PI)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethylmethacrylate，PMMA)、環烯烴聚合物(cycloolefin polymer，COP)、聚碳酸酯(polycarbonate，PC)、聚二甲基矽氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)、其它合適的材料或前述之組合。
上光學元件116A設置於基底114中。上光學元件116A為具有拋物面的聚焦元件。聚焦元件的凹面面向光電二極體104。聚焦元件的材料包括銀(Ag)、鋁(Al)、金(Au)、銅(Cu)、鉑(Pt)、鈮(Nb)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鎢(W)、前述之合金或前述之組合，但不限於此。
在一些實施例中，生物感測器100可更包含波導器122於上光學元件116A和上反應孔120U之間。
修飾層118設置於基底114上。具體而言，修飾層118設置於上光學元件116A上。修飾層118包含上反應孔120U。在一些實施例中，上反應孔120U可為如第1圖所示之修飾層118中的開口。因此，上反應孔120U的底面可為波導器122的頂面。當修飾層118的材料不同於波導器122時，可執行選擇性表面塗佈以用能夠捕獲生物樣品的官能基基團來修飾波導器122，且用無法捕獲生物樣品的另一官能基基團來修飾修飾層118。因此，可將生物樣品限制於上反應孔120U中。
在另一些實施例中，修飾層118可不具有開口作為上反應孔120U。可藉由修飾修飾層118的表面的一部分，來形成上反應孔120U，使得僅特定區域可捕獲期望的生物樣品。舉例而言，修飾層118的表面上的一些官能基團團可被修飾為能夠捕獲期望的生物樣品。上反應孔120U對應上光學元件116A。
生物樣品124L放置於下反應孔120L中。生物樣品124U放置於上反應孔120U中。首先，如第1圖所示，激發光126A從頂部照射生物感測器100。一部分的激發光126A被上光學元件116A阻擋。由於在兩個相鄰的上光學元件116A之間有空隙，所以當激發光126A通過空隙時，激發光126A會發生散射。因此，激發光126A仍可照射且激發生物樣品124L。來自生物樣品124L的訊號由光電二極體104獲得。
然後，關閉激發光126A。波導器122發射激發光126B。在一些實施例中，激發光126B的波長與激發光126A的波長相同。激發光126B照射且激發生物樣品124U。生物樣品124U的發射光L被上光學元件116A的凹面反射、聚焦，然後照射光電二極體104。因此，獲得來自生物樣品124U的訊號。
因此，由於聚焦元件/結構設置於蓋板中，所以蓋板可被設計為也具有反應孔，藉此增加了生物感測器中的反應孔的數量。因此，可顯著增加生物感測器的輸出量。
第2圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器200的剖面圖。應注意的是，與生物感測器100對應的相同或類似的元件或膜層皆由類似的參考數字標記。在一些實施例中，由類似的參考數字標記的相同或類似的元件或膜層具有相同的意義，且為了簡潔而不會再複述。
生物感測器200和生物感測器100之間的差異之一是，生物感測器200的蓋板20包含設置在基底114中的上光學元件116B。
上光學元件116B為遮光層，以防止生物樣品124U被激發光126A激發。遮光層的材料包含銀(Ag)、鋁(Al)、金(Au)、銅(Cu)、鉑(Pt)、鈮(Nb)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鎢(W)、前述之合金或前述之組合，但不限於此。
上反應孔120U具有類似碗的形狀。上反應孔120U具有側壁。蓋板20更包含設置在側壁上的聚焦結構128A。具體而言，聚焦結構128A順應地設置於上反應孔120U的側壁上。聚焦結構128A為反射層。反射層的材料包含銀(Ag)、鋁(Al)、金(Au)、銅(Cu)、鉑(Pt)、鈮(Nb)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鎢(W )、前述之合金或前述之組合，但不限於此。
因此，生物樣品124U的發射光L被聚焦結構128A反射、聚焦，然後照射光電二極體104。因此，獲得來自生物樣品124U的訊號。
因此，由於聚焦元件/結構設置於蓋板中，所以蓋板可被設計為也具有反應孔，藉此增加了生物感測器中的反應孔的數量。因此，可顯著增加生物感測器的輸出量。
第3圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器300的剖面圖。應注意的是，與生物感測器200對應的相同或類似的元件或膜層皆由類似的參考數字標記。在一些實施例中，由類似的參考數字標記的相同或類似的元件或膜層具有相同的意義，且為了簡潔而不會再複述。
生物感測器300和生物感測器200之間的差異之一是，生物感測器300的蓋板20包含設置在上反應孔120U的側壁上的聚焦結構128B。
聚焦結構128B包含折射率比上反應孔120U的側壁還高的材料。此材料包含氧化鈮(Nb2 O5 )、氧化鉭(Ta2 O5 )、氧化鈦(TiO2 )、氮化矽(Si3 N4 )、氧化鋁(Al2 O3 )、高折射率聚合物或前述之組合，但不限於此。當折射率高於1.5時，此折射率被認為是高折射率。
由於聚焦結構128B的折射率高於上反應孔120U的側壁的折射率，所以當生物樣品124U的發射光L從聚焦結構128B進入此側壁時，發射光L會在聚焦結構128B和修飾層118的側壁之間的界面被部分地反射。
因此，生物樣品124U的發射光L被反射且聚焦，然後照射光電二極體104。因此，獲得來自生物樣品124U的訊號。
因此，由於聚焦元件/結構設置於蓋板中，所以蓋板可被設計為也具有反應孔，藉此增加了生物感測器中的反應孔的數量。因此，可顯著增加生物感測器的輸出量。
第4圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器400的剖面圖。應注意的是，與生物感測器100對應的相同或類似的元件或膜層皆由類似的參考數字標記。在一些實施例中，由類似的參考數字標記的相同或類似的元件或膜層具有相同的意義，且為了簡潔而不會再複述。
生物感測器400和生物感測器100之間的差異之一是，生物感測器400的蓋板20包含設置在基底114中的上光學元件116C。
第5圖根據本揭露的一些實施例繪示出上光學元件116C的俯視圖。如第5圖所示，上光學元件116C是同心光柵。
第6A-6J圖根據本揭露的一些實施例繪示出第5圖之沿線A-A’的各種剖面圖。
上光學元件116C可包含頂突起結構116TP於頂面116CT上，且可包含底突起結構116BP於底面116CB上。上光學元件116C可在中央具有開口。頂突起結構116TP包含複數個突起部，且底突起結構116BP包含複數個突起部。
假設光照射頂面116CT。請參閱第6A圖，上光學元件116C包含頂突起結構116TP、底突起結構116BP和開口。由於上光學元件116C包含頂突起結構116TP，所以光將被引導至中心且聚集在中心。然後，由於上光學元件116C包含開口，所以一部分的光不會被反射而會從底面116BP發射。
請回頭參閱第4圖，上光學元件116C可類似於第6B圖、第6C圖或第6G圖。上光學元件116C可防止激發光126A照射生物樣品124U。因此，來自生物樣品124U的發射光L可被上光學元件116C聚集且照射光電二極體104。因此，光電二極體104不會同時接收來自生物樣品124L和生物樣品124U的發射光。
可理解的是，突起結構可聚集光，且開口決定光是否可從另一表面發射。突起部的高度、寬度和間距決定可聚集什麼波長的光。
第7A圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器500的剖面圖。應注意的是，與生物感測器200對應的相同或類似的元件或膜層皆由類似的參考數字標記。在一些實施例中，由類似的參考數字標記的相同或類似的元件或膜層具有相同的意義，且為了簡潔而不會再複述。
生物感測器500和生物感測器200之間的差異之一是，生物感測器500不包含修飾層110和下反應孔120L。生物感測器500包含上光學元件116C，其可類似於第6A、6D、6H或6I圖。上光學元件116C的頂突起結構116TP被設計為對激發光126A敏感，且激發光126A將被引導至中心且聚集在中心。然後，由於上光學元件116C包含開口，所以一部分的光不會被反射而會從底面116BP發射，來激發生物樣品124U。由於生物感測器500中不包含下反應孔120L，所以可不需要波導器122。在一些實施例中，上光學元件116C的底突起結構116BP可進一步被設計為對來自生物樣本124U的發射光L敏感，如此一來可增強發射光L，從而增強訊號強度。感測元件10可重複使用而無需經過任何清潔製程，例如變性製程。
第7B圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器600的剖面圖。應注意的是，與生物感測器300對應的相同或類似的元件或膜層皆由類似的參考數字標記。在一些實施例中，由類似的參考數字標記的相同或類似的元件或膜層具有相同的意義，且為了簡潔而不會再複述。
生物感測器600和生物感測器300之間的差異之一是，生物感測器600不包含修飾層110和下反應孔120L。生物感測器600包含上光學元件116C，其可類似於第6A、6D、6H或6I圖。上光學元件116C的頂突起結構116TP被設計為對激發光126A敏感，且激發光126A會被引導至中心且聚集在中心。然後，由於上光學元件116C包含開口，所以一部分的光不會被反射而會從底面116BP發射，以激發生物樣品124U。由於生物感測器600中不包含下反應孔120L，所以可不需要波導器122。在一些實施例中，上光學元件116C的底突起結構116BP可進一步被設計為對來自生物樣本124U的發射光L敏感，如此一來可增強發射光L，從而增強訊號強度。感測元件可重複使用而無需經過任何清潔製程，例如變性製程。
第7C圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器700的剖面圖。應注意的是，與生物感測器400對應的相同或類似的元件或膜層皆由類似的參考數字標記。在一些實施例中，由類似的參考數字標記的相同或類似的元件或膜層具有相同的意義，且為了簡潔而不會再複述。
生物感測器700和生物感測器400之間的差異之一是，生物感測器700不包含修飾層110和下反應孔120L。生物感測器700包含上光學元件116C，其可類似於第6A或6D圖。上光學元件116C的頂突起結構116TP被設計為對激發光126A敏感，且激發光126A會被引導至中心且聚集在中心。然後，由於上光學元件116C包含開口，所以一部分的光不會被反射而會從底面116BP發射，以激發生物樣品124U。由於生物感測器700中不包含下反應孔120L，所以可不需要波導器122。在一些實施例中，上光學元件116C的底突起結構116BP可進一步被設計為對來自生物樣本124U的發射光L敏感，如此一來可增強發射光L，從而增強訊號強度。感測元件可重複使用而無需經過任何清潔製程，例如變性製程。
第8A圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器800的剖面圖。應注意的是，與生物感測器500對應的相同或類似的元件或膜層皆由類似的參考數字標記。在一些實施例中，由類似的參考數字標記的相同或類似的元件或膜層具有相同的意義，且為了簡潔而不會再複述。
生物感測器800和生物感測器500之間的差異之一是，生物感測器800包含修飾層110和下反應孔120L。在一些實施例中，生物樣品124L和生物樣品124U分別被不同的激發光激發。舉例而言，生物樣品124L被激發光126A激發，而生物樣品124U被激發光126C激發。激發光126A和126C的波長不同。
上光學元件116C可類似於第6A、6D、6H或6I圖。上光學元件116C的頂突起結構116TP被設計為對激發光之一敏感。舉例而言，頂突起結構116TP對激發光126C敏感。換句話說，上光學元件116C可聚集激發光126C且允許一部分的激發光126C通過上光學元件116C。相反地，頂突起結構116TP對激發光126A不敏感。換句話說，上光學元件116C不聚集激發光126A。激發光126A被上光學元件116C反射。在一些實施例中，上光學元件116C的底突起結構116BP可進一步被設計為對來自生物樣本124U的發射光L敏感，如此一來可增強發射光L，從而增強訊號強度。
因此，即使生物樣品124L放置於下反應孔120L中，感測元件10仍可重複使用而無需經過任何清潔製程，例如變性製程。只有蓋板20需要被更換以進行後續的檢測。
第8B圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器900的剖面圖。應注意的是，與生物感測器600對應的相同或類似的元件或膜層皆由類似的參考數字標記。在一些實施例中，由類似的參考數字標記的相同或類似的元件或膜層具有相同的意義，且為了簡潔而不會再複述。
生物感測器900和生物感測器600之間的差異之一是，生物感測器900包含修飾層110和下反應孔120L。在一些實施例中，生物樣品124L和生物樣品124U分別被不同的激發光激發。舉例而言，生物樣品124L被激發光126A激發，而生物樣品124U被激發光126C激發。激發光126A和126C的波長不同。
上光學元件116C可類似於第6A、6D、6H或6I圖。上光學元件116C的頂突起結構116TP被設計為對激發光之一敏感。舉例而言，頂突起結構116TP對激發光126C敏感。換句話說，上光學元件116C可聚集激發光126C且允許一部分的激發光126C通過上光學元件116C。相反地，頂突起結構116TP對激發光126A不敏感。換句話說，上光學元件116C不聚集激發光126A。激發光126A被上光學元件116C反射。在一些實施例中，上光學元件116C的底突起結構116BP可進一步被設計為對來自生物樣本124U的發射光L敏感，如此一來可增強發射光L，從而增強訊號強度。
因此，即使生物樣品124L放置於下反應孔120L中，感測元件10仍可重複使用而無需經過任何清潔製程，例如變性製程。只有蓋板20需要被更換以進行後續的檢測。
第8C圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器1000的剖面圖。應注意的是，與生物感測器700對應的相同或類似的元件或膜層皆由類似的參考數字標記。在一些實施例中，由類似的參考數字標記的相同或類似的元件或膜層具有相同的意義，且為了簡潔而不會再複述。
生物感測器1000和生物感測器700之間的差異之一是，生物感測器1000包含修飾層110和下反應孔120L。在一些實施例中，生物樣品124L和生物樣品124U分別由不同的激發光激發。舉例而言，生物樣品124L被激發光126A激發，而生物樣品124U被激發光126C激發。激發光126A和126C的波長不同。
上光學元件116C可類似於第6A或6D圖。上光學元件116C的頂突起結構116TP被設計為對激發光之一敏感。舉例而言，頂突起結構116TP對激發光126C敏感。換句話說，上光學元件116C可聚集激發光126C且允許一部分的激發光126C通過上光學元件116C。相反地，頂突起結構116TP對激發光126A不敏感。換句話說，上光學元件116C不聚集激發光126A。激發光126A被上光學元件116C反射。上光學元件116C的底突起結構116BP可進一步被設計為對來自生物樣本124U的發射光L敏感，如此一來可增強發射光L，從而增強訊號強度。
因此，即使生物樣品124L放置於下反應孔120L中，感測元件10仍可重複使用而無需經過任何清潔製程，例如變性製程。只有蓋板20需要被更換以進行後續的檢測。
第9圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器1100的剖面圖。應注意的是，與生物感測器100對應的相同或類似的元件或膜層皆由類似的參考數字標記。在一些實施例中，由類似的參考數字標記的相同或類似的元件或膜層具有相同的意義，且為了簡潔而不會再複述。
生物感測器1100和生物感測器100之間的差異之一是，生物感測器1100包含下光學元件216C。如第9圖所示，下光學元件216C為同心光柵。下光學元件216包含頂突起結構和在中心處的開口，其可類似於第6H圖或第6I圖。下光學元件216C的頂突起結構116TP被設計為對來自生物樣本124U和/或124L的發射光L敏感。
請參閱第9圖，蓋板20未對準感測元件10。來自生物樣品124U的發射光L也可以被引導至中心且從另一表面發射。因此，光電二極體104仍然可以接收來自生物樣品124U的發射光L。
因此，可適當地解決由蓋板和感測元件的未對準而導致無法接收來自在蓋板上的生物樣品的發射光的問題。此外，來自感測元件上的生物樣品的發射光也可被下光學元件重定向，以形成垂直光，如此一來可減少串擾(cross-talk)。
綜上所述，本揭露的實施例提供的生物感測器的優點至少包含以下一或多個： (1) 藉由將聚焦元件或聚焦結構設置於蓋板中，可增加輸出量。 (2) 可經由聚焦元件的突起結構進一步阻擋激發光。 (3) 感測元件可重複使用而不經過任何清潔製程，而不會干擾蓋板上生物樣品的檢測。 (4) 可適當地解決由蓋板和感測元件的未對準而導致無法接收來自在蓋板上的生物樣品的發射光的問題。
雖然本發明的實施例及其優點已揭露如上，但應該瞭解的是，本發明所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作更動、替代與潤飾。此外，本發明之保護範圍並未侷限於說明書內所述特定實施例中的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，本發明所屬技術領域中具有通常知識者可從本發明實施例內容中理解，現行或未來所發展出的製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟，只要可以與在此處所述實施例中實現大抵相同功能或獲得大抵相同結果者皆可根據本發明實施例使用。因此，本發明之保護範圍包括上述製程、機器、製造、物質組成、裝置、方法及步驟。此外，本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定為準。
10:感測元件 20:蓋板 100,200,300,400,500,600,700,800,900,1000,1100:生物感測器 102,114:基底 104:光電二極體 106:濾光層 108:鈍化層 110,118:修飾層 116A,116B,116C:上光學元件 116CB:底面 116CT:頂面 116BP:底突起結構 116TP:頂突起結構 120L:下反應孔 120U:上反應孔 122:波導器 124U,124L:生物樣品 126A,126B,126C:激發光 128A,128B:聚焦結構 216C:下光學元件 A-A’:線 L:發射光
藉由閱讀後續的實施方式和範例並參考所附圖式，可更完全地理解本發明，其中： 第1圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器的剖面圖。 第2圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器的剖面圖。 第3圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器的剖面圖。 第4圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器的剖面圖。 第5圖根據本揭露的一些實施例繪示出上光學元件116C的俯視圖。 第6A-6J圖根據本揭露的一些實施例繪示出沿第5圖之沿線A-A’的各種剖面圖。 第7A圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器的剖面圖。 第7B圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器的剖面圖。 第7C圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器的剖面圖。 第8A圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器的剖面圖。 第8B圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器的剖面圖。 第8C圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器的剖面圖。 第9圖根據本揭露的一些實施例繪示出生物感測器的剖面圖。
10:感測元件
20:蓋板
100:生物感測器
102,114:基底
104:光電二極體
106:濾光層
108:鈍化層
110,118:修飾層
116A:上光學元件
120L:下反應孔
120U:上反應孔
122:波導器
124U,124L:生物樣品
126A,126B:激發光
L:發射光

Claims (10)

  1. 一種生物感測器，包括： 一感測元件；以及 一蓋板，設置於該感測元件上； 其中該感測元件包括： 一第一基底，嵌入有一光電二極體；以及 一濾光層，設置於該第一基底上；且 其中該蓋板包括： 一第二基底； 一上光學元件，設置於該第二基底中；以及 一上反應孔，設置於該上光學元件上；
  2. 如請求項1所述之生物感測器，其中該上光學元件為具有一拋物面的一聚焦元件，且該上光學元件的一材料包括銀(Ag)、鋁(Al)、金(Au)、銅(Cu)、鉑(Pt)、鈮(Nb)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鎢(W)、前述之合金、或前述之組合。
  3. 如請求項1所述之生物感測器，其中該上光學元件為一上同心光柵，具有面向該第一基底的一底面和與該底面相對的一頂面，且該上同心光柵包括一頂突起結構於該頂面上。
  4. 如請求項1所述之生物感測器，其中該上光學元件為一上同心光柵，具有面向該第一基底的一底面和與該底面相對的一頂面，且該上同心光柵包括一底突起結構於該底面上。
  5. 如請求項1所述之生物感測器，其中該上光學元件為一上同心光柵，具有面向該第一基底的一底面和與該底面相對的一頂面，且該上同心光柵包括一頂突起結構於該頂面上和一底突起結構於該底面上。
  6. 如請求項1所述之生物感測器，其中該上光學元件為一遮光層且該遮光層的一材料包括銀(Ag)、鋁(Al)、金(Au)、銅(Cu)、鉑(Pt)、鈮(Nb)、鎳(Ni)、鈦(Ti)、鎢(W)、前述之合金或前述之組合。
  7. 如請求項1所述之生物感測器，更包括： 一下反應孔，設置於該濾光層上；以及 一鈍化層，於該濾光層上， 其中該蓋板更包括一波導器，設置於該上光學元件和該上反應孔之間。
  8. 如請求項1所述之生物感測器，更包括設置於該濾光層上的一下光學元件，其中該下光學元件為一下同心光柵，具有面向該第一基底的一底面和與該底面相對的一頂面，且該下同心光柵包括一頂突起結構於該頂面上。
  9. 如請求項1所述之生物感測器，更包括設置於該濾光層上的一下光學元件，其中該下光學元件為一下同心光柵，具有面向該第一基底的一底面和與該底面相對的一頂面，且該下同心光柵包括一開口。
  10. 如請求項1所述之生物感測器，其中該上反應孔具有一側壁，該蓋板更包括設置於該上反應孔的該側壁上的一聚焦結構，該聚焦結構包括一材料，具有高於該上反應孔的該側壁的一折射率的一折射率，該材料包括氧化鈮(Nb2 O5 )、氧化鉭(Ta2 O5 )、氧化鈦(TiO2 )、氮化矽(Si3 N4 )、氧化鋁(Al2 O3 )、高折射率聚合物或前述之組合，且該聚焦結構為一反射層。
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Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11378444B2 (en) * 2020-08-05 2022-07-05 Visera Technologies Company Limited Biosensor and bio detection system

Family Cites Families (34)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1997035181A1 (en) 1996-03-19 1997-09-25 University Of Utah Research Foundation System for determining analyte concentration
FR2797053B1 (fr) 1999-07-13 2001-08-31 Commissariat Energie Atomique Support d'analyse a transmission de lumiere de fluorescence
JP4723860B2 (ja) * 2002-12-09 2011-07-13 クォンタム セミコンダクター リミテッド ライアビリティ カンパニー Ｃｍｏｓ画像センサー
JP2004207285A (ja) * 2002-12-24 2004-07-22 Sony Corp 光電変換装置、固体撮像装置、及びその製造方法
JP4328168B2 (ja) * 2003-10-02 2009-09-09 ソニー株式会社 毛細管現象を利用する物質間の相互作用検出部と該検出部を用いる方法及びバイオアッセイ用基板
US7221455B2 (en) * 2004-01-20 2007-05-22 The Regents Of The Unversity Of California Integrated, fluorescence-detecting microanalytical system
US7489401B2 (en) 2004-03-01 2009-02-10 National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology Device for detecting emission light of micro-object
SE529254C2 (sv) * 2005-06-17 2007-06-12 Aamic Ab Optiskt testsystem
FI3629011T3 (fi) 2008-09-16 2024-01-29 Pacific Biosciences California Inc Integroitu optinen laite
US8921280B2 (en) * 2009-02-11 2014-12-30 Samsung Electronics Co., Ltd. Integrated bio-chip and method of fabricating the integrated bio-chip
JP2011038922A (ja) 2009-08-12 2011-02-24 Sony Corp 光検出用チップおよび該光検出用チップを用いた光検出装置
KR101904033B1 (ko) 2010-10-27 2018-10-04 코넬 유니버시티 광 필드 이미지 센서, 방법들 및 응용들
JP2013088378A (ja) 2011-10-21 2013-05-13 Sony Corp ケミカルセンサ、ケミカルセンサモジュール、生体分子検出装置及び生体分子検出方法
US8846129B2 (en) 2012-02-13 2014-09-30 Taiwan Semiconductor Manufacturing Company, Ltd. Biological sensing structures and methods of forming the same
EP2821779A4 (en) * 2012-03-29 2015-08-19 Panasonic Ip Man Co Ltd SAMPLE HOLDER, AND FLUORESCENCE DETECTION SYSTEM, AND FLUORESCENCE DETECTION DEVICE USING THE SAME
US8906320B1 (en) 2012-04-16 2014-12-09 Illumina, Inc. Biosensors for biological or chemical analysis and systems and methods for same
WO2013171197A1 (en) 2012-05-15 2013-11-21 Ait Austrian Institute Of Technology Gmbh Compact plasmon-enhanced fluorescence biosensor
EP2802009B1 (en) * 2013-05-08 2021-03-24 ams AG Integrated imaging device for infrared radiation and method of production
AU2014348305B2 (en) 2013-11-17 2020-10-01 Quantum-Si Incorporated Integrated device with external light source for probing detecting and analyzing molecules
CN110411998B (zh) 2013-12-10 2022-06-07 伊鲁米那股份有限公司 用于生物或化学分析的生物传感器及其制造方法
CN112903638A (zh) * 2014-08-08 2021-06-04 宽腾矽公司 用于对分子进行探测、检测和分析的带外部光源的集成装置
CN107003241B (zh) 2014-08-27 2022-01-11 加利福尼亚太平洋生物科学股份有限公司 集成分析器件阵列
US10119915B2 (en) * 2015-04-09 2018-11-06 Visera Technologies Company Limited Detection device for specimens
US10365434B2 (en) * 2015-06-12 2019-07-30 Pacific Biosciences Of California, Inc. Integrated target waveguide devices and systems for optical coupling
CN108449970A (zh) 2015-09-14 2018-08-24 深圳源光科技有限公司 生物感测器
US9778191B2 (en) 2016-02-05 2017-10-03 Personal Genomics, Inc. Optical sensing module
US20180088049A1 (en) * 2016-09-26 2018-03-29 Azure Biosystems, Inc. Methods and devices for photometric analysis
KR102603196B1 (ko) * 2016-11-03 2023-11-15 엠쥐아이 테크 컴퍼니 엘티디. 생물학적 또는 화학적 분석을 위한 바이오센서들 및 이를 제조하는 방법
JP2020155426A (ja) 2017-07-14 2020-09-24 株式会社ニコン 撮像素子、電子機器および撮像素子の製造方法
NL2020612B1 (en) * 2017-12-22 2019-07-02 Illumina Inc Light detection devices with protective liner and methods of manufacturing same
NL2020615B1 (en) * 2017-12-26 2019-07-02 Illumina Inc Image sensor structure
TWI698638B (zh) * 2017-12-28 2020-07-11 美商伊路米納有限公司 具有降低的螢光範圍雜訊的檢測器以及用於降低螢光範圍雜訊的方法
NL2020636B1 (en) 2017-12-28 2019-07-08 Illumina Inc Light energy fluorescence excitation
NL2020621B1 (en) * 2018-01-08 2019-07-15 Illumina Inc Multiplexing of an active sensor detector using structured illumination

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