TW202325404A - 分析物感測系統及其卡匣 - Google Patents

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Abstract

本案公開了一種感測系統。感測系統包括感測器卡匣和讀取裝置。感測器卡匣包括感測裝置和微流道結構。感測裝置包括彼此以投影偏移方式佈置的晶片元件和電極元件。

Description

分析物感測系統及其卡匣
本案主張2019年12月24日提交的美國臨時專利申請號62 / 953,216的優先權，其通過引用併入本文並作為說明書的一部分。
本案總體上涉及微型分析感測系統，並且更具體地，涉及使用感測卡匣作為樣本介面以為待測目標物質定性或定量的感測系統。
定點照護（point-of-care, POC）技術的成熟可能會給現代醫療保健領域帶來新的顛覆性發展浪潮。 例如，在各種應用中越來越廣泛的POC設備範圍已經促進了醫療資源的分散化，並實現了更大的靈活性。隨著各種技術學科的高度整合，現代醫療保健設備和應用穩步實現了可預測性、可靠性、快速性、便攜性、和成本效益的多方面目標。例如，易於使用的微型形葡萄糖監測計使糖尿病患者能夠在居家舒適的情況下即時並準確地監測他們的健康狀況，從而節省了患者寶貴的時間和精力，同時節約了集中式醫療機構的可用醫療資源。
雖然適用於POC應用的小尺寸生物感測器的價值不斷增長，但在設計和製造實用可靠且價格合理的感測器裝置方面一直面臨挑戰。一方面，儘管許多研究工作者將研發重點集中在微觀地改良微電子元件設備的製造上，但人們應該認識到，感測器封裝組件的總體設計在製造可行性和設備可靠性方面具有同等重要的意義。
本公開的一方面提供了一種感測卡匣，其包括一感測裝置及一微流道結構。 該感測裝置包括一晶片元件及一電極元件。該晶片元件包括一主動面，該主動面設置在一基板的一安裝面上，該主動面定義有一第一採樣區域。該電極元件包括一捕獲面，該捕獲面定義有一第二採樣區域。該晶片元件的該主動面被佈置成投影地偏移於該電極元件的該捕獲面。該第一採樣區域的面積與該第二採樣區域的面積之比率實質上小於1。該微流道結構佈置在該感測裝置上方並被配置為將流體輸送到該主動面以及該捕獲面。
本公開的一方面提供了一種感測卡匣，包括一感測裝置及一微流道結構。該感測裝置包括一晶片元件及具有一捕獲面的一電極元件。該晶片元件具有一主動面，該主動面設置在一基板的一安裝面上。該微流道結構佈置在該感測裝置上方，且該微流道結構配置來依序在該捕獲面和該主動面之間傳輸流體。該微流道結構包括佈置在該主動面和該捕獲面之間的一懸置區段。
以下描述將參考附圖以更全面地描述本公開內容。 附圖中所示為本公開的示例性實施例。 然而，本公開可以以許多不同的形式來實施，並且不應所述被解釋為限於在此闡述的示例性實施例。 提供這些示例性實施例是為了使本公開透徹和完整，並且將本公開的範圍充分地傳達給本領域技術人員。 類似的附圖標記表示相同或類似的元件。
本文使用的術語僅用於描述特定示例性實施例的目的，而不意圖限制本公開。 如本文所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否則單數形式“一”，“一個”和“所述”旨在也包括複數形式。 此外，當在本文中使用時，“包括”和/或“包含”或“包括”和/或“包括”或“具有”和/或“具有”，整數，步驟，操作，元件和/或組件，但不排除存在或添加一個或多個其它特徵，區域，整數，步驟，操作，元件，組件和/或其群組。
除非另外定義，否則本文使用的所有術語（包括技術和科學術語）具有與本公開所屬領域的普通技術人員通常理解的相同的含義。 此外，除非文中明確定義，諸如在通用字典中定義的那些術語應所述被解釋為具有與其在相關技術和本公開內容中的含義一致的含義，並且將不被解釋為理想化或過於正式的含義。
圖1為本案的一些實施例的感測系統的應用情境示意圖。
從插圖的頂部開始，圖1顯示了樣本收集過程的執行。樣本採集過程可以在公共醫療機構或個人場所進行，例如，在患者家或庇所中。樣本收集過程可能涉及侵入性技術，例如血液提取，或非侵入性方式，例如咽喉拭子，唾液或尿液收集。
然後，應用情境過程順時針進行到樣本輸入階段，其中將收集的樣本（例如，生物流體的樣本）提供給生物感測器系統的樣本介面／接口部件（例如，感測器卡匣）。生物感測器系統的樣本介面/接口部件可以結合生物流體通道結構，該生物流體通道結構被構造成將樣本體液從樣本入口引導至容納在其中的嵌入式感測器部件。感測器裝置設計者的其中一個目標是為生物感測器提供足夠的靈敏度，以使其能夠從少量的樣本中可靠地提取生理資訊。
前述操作流程移至圖的底部至讀取階段，其中樣本介面/接口部件被耦合至（例如插入）生物感測器系統的讀取裝置以提取檢測結果。根據所採用的檢測原理，生物感測器系統的讀取裝置通常具有較大的尺寸和複雜性。例如，基於光學的生物感測器通常需要具有高耗電量的大型讀取設備。又如，基於振動的生物感測器（例如原子力顯微鏡/ AFM，晶體石英微量天平/ QCM）需要精密的振動隔離裝置，因此不適合便攜式應用。相比之下，結合了現代微電子感測器組件的生物感測器受益於微/奈米製造技術的不斷進步，這不僅使生物感測器系統的樣本介面/接口部件得以微型化、且也使得讀取設備本身的外形尺寸均得以減小。在一些應用中，如圖所示，生物感測器系統的讀取裝置被整合到便攜式單元中。
樣本診斷過程接著進入結果生成階段。隨著微電子感測器組件集成技術的成熟，檢測精度已得到提高以滿足實際應用需求，並且結果周轉時間已大大減少（例如，數小時左右）。此外，先進的微/奈米製造技術已能實行可預測且可靠的樣本介面/接口部件的批量生產，從而有助於降低單位成本、並使一次性感測器組件（用完即丟）成為現實。由於感測器的使用具有一次性和動態性，因此根據實際應用的需要，診斷檢驗過程可以相對低成本地重複進行。
同時參考圖2A和圖2B，其為本案的一些實施例的感測系統的組件示意圖。一方面，圖2A為本案示例性生物感測器系統的硬體部件，而圖2B為本案的一些實施例的感測系統的示例性功能組件的示意性方塊圖。
示例性感測系統包括感測器卡匣10和讀取裝置20。在一些實施例中，感測器卡匣10被配置為接收被取出的生理流體樣本，即當成一樣本介面/接口。感測器卡匣10可以設置有微流道結構11，微流道結構11佈置成接收輸入的樣本流體並將其引導到包括微電子感測器組件的感測裝置12，以及配置成與讀取裝置20對接的I / O端口13，以用於資訊提取。在一些實施例中，讀取裝置20設置有在感測卡匣10的微流道結構11中引起流體流動的流體驅動模組21、用於與感測卡匣I / O端口13訊號相接的I / O端口22、包含電子讀取電路的讀取模組23、電源模組24、以及用於輸出檢測結果的輸出模組25。
在一些實施例中，輸出模組25包括顯示單元25-1。顯示單元25-1被配置為以用戶可理解的格式呈現檢測結果的聲音/視覺資訊。在一些實施例中，流體驅動模組21包括可驅動位於微流道結構11內的流體（如，流體樣本）的硬體裝置。前述流體樣本可以包括目標物質，例如待分析物，其存在（如，定性）或數量（例如，濃度）需被確定。流體驅動模組21可以結合匣外馬達和泵送組件，其被佈置成引起卡匣中的流體流動，以便將分析物傳輸到匣內感測組件（例如，感測裝置12）的感測表面。外置式流體驅動器佈置可以使感測卡匣的設計進一步微型化。
在一些實施例中，讀取模組23包括專用電路（ASIC）組件，該專用電路組件設計成檢測目標分析物濃度的變化並將其轉換成電訊號，例如電流、電壓、電容、電阻等。在一些實施例中，電源模組24配備有交流（A/C）電源介面以延長操作時間，或提供直流（D/C）電源以實現便攜性。
如圖2A和圖2B所示，示例性讀取裝置20設置有插入槽26，該插入槽26構造成至少部分地容納感測器卡匣10。在將感測器卡匣10插入讀取裝置20時，相應的輸入／輸出（I/O）端口13和22可以建立訊號連接。而流體驅動模組21可以與微流道結構11的一部分建立機械偶合，從而施加驅動力以引起流體在微流道結構11的細微通道中流動。
在一些實施例中（如將在後文部分進一步詳細說明的），微流道結構設置有樣本入口以及一個或多個匣載儲液槽（在其中可能密封保存各種功能性流體，例如，緩衝液/洗滌液）。流體驅動模組21可以包括泵（例如容積泵），該泵被構造成與微流道結構11接合，以引起在微流道結構11所定義的微通道路徑中的流體流動。微流道結構11中通道的長度與允許流速的設置可根據感測器所適用的特定測試過程、情境、和應用領域所匹配的持續時間來拿捏。
圖3為本案的一些實施例的感測系統的感測器卡匣的外部透視示意圖。
示例性感測器卡匣10B包括殼體15和輸入/輸出（I / O）接口介面13B。在一些實施例中，殼體15可以包括幾層子構件，其內限定了微流體通道結構並且封閉了微電子感測器組件。在一些實施例中，電子感測器組件被設置在基板（例如，PCB）的安裝面上，同時基板的大部分被封閉在殼體15中。基板可為裝置中的各感測器組件提供機械支撐以及其之間的電性互連。在所示的實施例中，基板的暴露部分（例如，虛線框中所示的部分）從殼體的一端突出以設置輸入/輸出接口介面13B。
殼體15可以在外部可觸及的位置設置與微通道相關的附加組件。例如，入口蓋16可佈置在微通道結構的樣本入口上方，以防止注入的樣本流體溢出。此外，可以在殼體15的頂層處提供一個或多個匣載儲液槽11-1，以允許來自讀取裝置的流體驅動機構（例如，驅動模組21）的機械操作／互動。在所示的實施例中，殼體15設置有沿其長軸縱列設置的三個槽。所述槽被配置為儲存具有預定體積的功能性流體（例如，緩衝溶液，洗滌流體，反應流體等），所述功能性流體由柔性膜密封在頂部殼體表面上方。匣載儲液槽11-1的每個槽都可通過微通道連接（例如，如在該槽的底部中央部分所示），以便使其所儲存的流體能夠在受壓時，被驅動到嵌入在殼體15中的微流道結構中。
圖4A和圖4B為本案的一些實施例的示例性感測器卡匣的分解示意圖。 具體地，圖4A從上方（例如，在卡匣儲液槽的頂表面上方）示出卡匣部件的分解透視圖，而圖4B從下方觀察以示出示例性感測器卡匣的底面側。
示例性感測器卡匣包括：頂層構件15-1，其上可接近地佈置有樣本入口11-2和一個或多個儲液槽11-1；中間層構件15-2，微流體溝槽於其中形成網絡；為電子感測器組件提供機械支撐的基板19；配置在基板19的安裝面和中間層構件15-2之間以形成液密的下通道層18，其定義流體路徑而引導樣本流體流向基板19上的感測器組件；以及構造成與基板19的底面接合的底層構件15-3。
在所示的實施例中，頂層構件15-1和中間層構件15-2在其底面和頂面上形成有微流體溝槽圖案。當頂層構件15-1和中間層構件15-2耦合時，其各自的微溝槽圖案可以彼此對準，並且可以協作地形成微流導結構的上層。在所示的實施例中，上層通道結構（其構成微流道結構的一部分）包括樣本入口11-2（其被配置為由入口蓋16密封）、儲液槽11-1、以及樣本入口和儲液槽下方的互連流道網絡。在所示的實施例中，微流體通道結構由幾層水平構件疊合形成以維持製造的簡便性，因為就整體大量生產的可行性而言，在一體式塊狀結構中形成複雜的多層流道網絡可能是不現實的。在所示的實施例中，頂層和中間層構件15-1、15-2還形成有基本上呈中空的主體，以節省重量和材料成本。
在一些實施例中，頂層構件15-1和中間層構件15-2可以由相對剛性的塑料材料製成，例如聚丙烯，聚碳酸酯和ABS。堆疊的層構件（例如，構件15-1、15-2、15-3）中的較硬的塑料材料可以允許其剛性的暴露表面共同為內部的盒部件提供結構保護，從而消除了對額外的外殼構件的需求。例如，本實施例中的示例性盒利用由堆疊的層構件（15-1、15-2、15-3）的外表面形成的殼體，從而有效地節省了體積，重量和結構複雜性。
在一些實施例中，微通道溝槽在其上某些部位（例如，形成在頂層構件15-1和中間層構件15-2之間的部分）可以設置附加的流體密封特徵（例如，墊圈17）以用於確保更好的流體密封性能。在一些實施例中，墊圈17可以成形為符合通道圖案特定區段的形狀。在一些實施例中，墊圈由較軟的材料製成，例如橡膠和矽膠。
在所示的實施例中，基板19具有容納一個或多個微/奈米電子部件的安裝面（例如，面對下通道層18的表面）。電子部件可以包括整合於半導體微晶片其上的生物感測器組件。生物感測器組件可以包括特殊類型的場效電晶體（field effect transistor, FET），例如離子敏感場效電晶體（ISFET）或延伸式閘極場效電晶體（EGFET）。可通過適當的表面安裝技術，例如引線鍵合或倒裝晶片佈置，將生物感測器晶片設置在基板19的安裝面上。微晶片的感測表面（例如，第一採樣表面）被朝上佈置為面對下通道層18，從而允許整合的電子感測器組件獲得流體接觸。
基板19可以包括印刷電路板（PCB），例如單層PCB、雙層PCB、多層PCB、剛性PCB、柔性PCB、剛性-柔性PCB、高頻PCB、鋁-支撐的PCB等。在所示的實施例中，基板19設置有缺口／凹口輪廓（如，電極接觸件19-1所在的位置）。在所示的實施例中，缺口被設置為得以較低的輪廓（厚度）容納電極元件31（其上形成有第二採樣表面）。在EGFET應用中，電極元件31可以被配置為延伸式閘極，或者在ISFET應用中作為參考電極。在這樣的低輪廓構造中，在凹口的邊緣區域處設置有電極接觸件（例如，連接器19-1），以使得能夠在基板感測器組件和電極元件31之間建立電性連接。 然而，在一些實施例中，電極元件可以被形成在基板的安裝面上（例如，在不具有凹口輪廓的基版的安裝面上形成電鍍的導電區域）。
在所示的實施例中，下通道層18被配置為與基板19的安裝面建立直接接觸。 在一些實施例中，下通道層18由具有相對較低楊氏模數的彈性體材料形成（即，比頂層/中間層構件15-1、15-2柔軟的楊氏模數）。下通道層18設置有微溝槽圖案，該微溝槽圖案在組裝到基板19的安裝面上時形成低層的微流體通道結構。低層通道結構被構造來引導樣本/功能性流體至電極元件31或基板19上的微感測器晶片的感測表面。在一些實施例中，低層通道結構被佈置為可先後引導流體至電極元件31和機載感測器晶片（圖中無標號），然後引流至廢液收集腔（圖中無標號）。微流道結構的具體引流順序不一定要如圖所示（即，先經電極元件31、後經微晶片32）； 只要低層通道結構允許第一和第二採樣表面上的採樣順序呈先後序列狀態即可。第二採樣表面以預定的平面間隔保持投影偏移。在一些實施例中，微感測器裝置和電極元件31之間的橫向間隔不小於0.1mm。
如該實施例所示，由較軟材料製成、結構上可分離的下通道層18可在基板19的安裝面上提供增強的流體密封能力。此外，從裝置封裝的角度來看，下通道層18的獨立設計，使其在製造公差方面實現了更高程度的實用靈活性。 舉例來說，可分離的下通道層18可以更好地適應基版安裝面上各種組件的高度變化，同時在封裝組件之間的異質界面處提供更好的流體密封，從而確保操作可靠性並延長感測器裝置的保存期限。
在所示的實施例中，下通道層18、基板19、和電極元件31設置在中間層構件15-2和底層構件15-3之間。 當中間層構件15-2和底層構件15-3彼此機械地結合時，壓縮力被施加到下通道層18和基板19以在其間形成機械密封。 同時，前述結合時的壓縮力得以向連接器19-1施加應力以在電極元件31和基板19之間建立電性耦合。
圖5為本案的一些實施例的示例性感測器卡匣部件的分解局部透視圖。 部分透視圖提供了微流道結構嵌設於感測器卡匣組件的各封裝結構部件中的佈置細節提供更好的視角。為了便於理解，圖5中的示例性生物感測器卡匣維持了與前示實施例相似的組件佈置與元件標號。
如從透視圖可以更好地看到的，示例性頂層構件15-1在其一面設置有儲液槽特徵（例如，槽11-1）和樣本入口（例如，入口11-2）。在其另一相對面上形成有各種微通道溝槽特徵。同樣，中間層構件15-2的面向上的表面設置有微通道溝槽特徵，其對應地匹配頂層構件15-1的溝槽圖案。以此方式，來自不同層構件的半開式微通道溝槽特徵可在封裝組件的耦合時協作地形成封閉的微通道網絡。
同時參考圖6，其為本案的一些實施例的示例性感測器卡匣的截面圖。橫截面圖更好地顯示了基板上板載和板外感測器組件（例如板載感測器晶片32和板外電極元件31）以及其上的嵌入式多層式微流道結構。
微流道網絡的上層（例如，圖6的虛線框中所包圍的通道結構的部分）可以被形成在卡匣封裝部件的頂層構件之中／之間（例如，層構件15-1、15-2）。應該注意的是，在附圖中示出的示例性微流道佈置主要是出於說明的目的。然而，本發明不限於圖中所示布局態樣；實際的流道網絡佈局可以針對特定的應用需求進行設計。
卡匣層構件之間的連接可以通過流體密封的界面，例如防水粘合劑或膠帶來實現。 在一些實施例中，內含流道結構的組件（例如，層構件15-1、15-2）可由相似/相同的材料（例如，模製熱塑性塑料）製成，並且可透過低溫、永久性的連接技術（例如，超聲波焊接或雷射焊接）將各卡匣封裝組件偶合。 在這樣的實施例中，上層通道結構（其可以包括例如樣本入口11-2、儲液槽11-1、以及其下方的直向與橫向延伸導管）可以形成為實質上液密的結構。也因此，卡匣構件之間可能產生可觀察到的焊接界面。在一些實施例中，卡匣的包裝組件（例如，層構件15-1、15-2等）可具有基本中空的構造，從而能夠減輕重量並節省材料。
類似地，下通道層18設置有嵌入式微導管特徵，其設計成在組裝包裝組件時形成通道結構的下部。舉例來說，下通道層18可以由塊狀的較軟或彈性材料（例如，矽樹脂）製成，其中界定有各種腔室和導管特徵（例如，通孔和溝槽）。 例如，第一腔室（例如，反應腔室）可以形成在電極元件31的採樣表面上方，而第二腔室（例如，主動腔室）可以形成在基板19上的感測器晶片32的採樣表面上方。 在圖6所示的實施例中，下層通道結構還包括在第二腔室下游（例如，頁面右側）的第三腔室（例如，廢液收集腔室）。
各腔室之間可藉由具有較窄寬度（從平面角度看）、跨過不同高度（即，如圖6所示的側向橫截面的高度）的導管特徵所連接。 如圖6所示，設於第一腔室和第二腔室之間的微導管特徵具有倒U形輪廓。 從所示的觀點來看，腔室間導管特徵包括一對長度不相等的通孔（如，垂直方向不相等長區段）和在通孔之間橫向懸掛相連的的橫向區段（懸置部分）。 舉例來說，微流道結構的懸置區段佈置在比其直接上游部分（例如，微通道在電極元件31上方的部分）更高的高度。
從採樣效率的角度來看，由第一腔室（例如，在電極元件31上方）和第二腔室（例如，感測器晶片32上方）之間的懸置區段所建立的非重疊流線型流動路徑可以減少紊流的形成，並保持通道間流體壓力，從而提高了感測表面的採樣效率。另一方面，從封裝方面來看，下通道層18中的懸掛式天橋佈置，能針對示例性微流道結構於基板19上方（或周圍）的電路組件之間的台階/高度變化，提供了更高程度的適配性，從而增加了製造公差的容忍度與設備可靠性。
如本實施例中所示，電極元件31的感測表面（由圖下部虛線表示）被佈置在比感測器晶片32在基板19上方的高度更低的水平位置。 如此設計對於台階／高度變化所增加的容忍度進一步增加了裝置設計的靈活性。 一方面，電極元件31的較低放置允許裝置的整體厚度獲得減小，同時使設計者能夠利用較大尺寸的電極（即，增加電極元件上捕獲面的面積），也可以在反應腔室中保持足夠的淨空間隙。
圖7為本案的一些實施例的感測器卡匣的平面佈局圖。 圖7的示意性平面圖示出了組裝時電極元件（例如，參考電極31C）和下通道層（例如，構件18C）相對於基板（例如，PCB 19C）的放置關係 。 例如，如圖6所示，平面圖可從在感測器晶片32的感測表面上方、由虛線所示的水平面反映出卡匣的裝置佈局。
示例性感測器卡匣包括感測裝置，所示感測裝置包括晶片元件32C和電極元件31C。晶片元件32C可以佈置在基板19C的安裝面上，並且其主動面（或稱有源表面）（即，承載微感測器部件的主動元件感測面）面著下層構件18C中所形成的主動腔室而呈向上佈置。主動面可以包括各種微電子器件的部件，例如，生物感測FET的源極和汲極區域。一個或多個微米級（或甚至奈米級）感測元件可以被設在主動面上。在一些實施例中，為提高檢測靈敏度/準確性，可使用具有多個微感測器元件的陣列（如圖8所示）。暴露於微流道結構的主動面區域（例如，可從下通道層18C所定義的主動腔室接觸樣本的部位）定義了第一採樣區域。
在所示的實施例中，電極元件31C被用作為基於ISFET的生物感測器裝置的參考電極。 電極元件31C的朝上的表面（即，採樣界面）經過特殊處理，例如，被提供適當的塗層，在該塗層上塗覆／固定了合適的生物感測探針（例如，對分析物中的目標物質具有特異性的配體/抗體），從而形成捕獲面。 捕獲面暴露於微流道結構的區域（例如，可從形成在電極元件31C上方的反應腔室與流體接觸的區域）定義了第二採樣區域。
在所示的實施例中，晶片元件32C的主動面與電極元件31C的捕獲面呈投影偏移／錯位的方式布置。 晶片元件32C和電極元件31C的平面偏移佈局（每個相應的採樣表面均設有獨立的採樣腔室）有助於提高感測器的檢測精度，同時保持整體封裝尺寸的縮小。 一方面，現代製造技術允許在精密整合電路晶片（例如，晶片元件32C）上提供小型化的電子感測器組件。 感測器晶片的小尺寸使其在感測器裝置中的容納需求度較低，從而增加了封裝的靈活性。 另一方面，通過利用電極元件上的較大的捕獲界面（即，與分析物接觸的較大的感測表面），可以獲得更高的檢測精度。在結構上分離的電極元件（例如，電極31C，其可以被構造成用作基於EGFET的感測器的延伸式閘極，或者用於基於ISFET的感測設備的參考電極）可以被設計為具有實質大於微感測器晶片上允許的感應區域的平面尺寸，同時可將其放置在感測器封裝結構中實際可行的位置。
示例性電極元件31C充分利用了從基板19C上可拆卸的結構上分離的設計。 在一些實施例中，主動面和捕獲面之間的投影平面錯位間距保持不小於0.1mm。 在所示的實施例中，獨立式電極元件31C被設置在基板19C的一側（例如，如圖7所示的左側）的凹口輪廓中。 示例性電極元件31C設置有細長的矩形輪廓，該矩形輪廓保持幾何簡單性，同時可提供來自微流道結構的流體分析物延長的採樣界面路徑。 電極元件在基板的凹口特徵中的離板放置，可進一步促進裝置封裝的厚度減小。
另外，由於下通道層18被配置為來建立橫跨電極元件31C和晶片元件32C上各別的採樣表面的流體流動路徑，其平面覆蓋範圍延伸超過基板的安裝面投影範圍（例如，延伸至基材的缺口輪廓上）。
連接器19-1C被設置於基板19C的凹口輪廓的外圍處，以使得能夠在基板19C和電極元件31C之間進行電耦合。 此外，在基板19C的一端（例如，面對圖7中的頁面的底部的一端）形成多個接觸墊33C，以作為在感測器卡匣（例如，圖1中示出的卡匣10）和讀取裝置（例如，圖1中示出的讀取裝置20）之間的輸入/輸出接口（例如，I / O端口13）。 在一些實施例中，在具有足夠的機械剛度的基板本身設置輸入/輸出接口介面有助於降低封裝的複雜性，同時確保設備的可靠性和耐用性。
在一些實施例中，第一採樣區域和第二採樣區域具有基本上不同的尺寸。 在一些實施例中，電極元件31C的第二採樣面積實質上大於晶片元件32C的第一採樣面積。例如，第一採樣面積與第二採樣面積之比實質上小於1。 在一些實施例中，第一採樣面積與第二採樣面積之比在約1×10^-8至約1的範圍內。
機載微晶片（例如，晶片元件32C）可以通過適當的表面安裝技術（例如倒裝晶片或引線鍵合技術）而設置在基板表面上。在示出的實施例中，示例性晶片元件32C被配置成使其電性接口（例如，I / O焊盤）僅沿著其四個邊緣的其中之一（例如，朝向圖7中的頁面的底部示出的邊緣）而佈置。在所示的實施例中，晶片元件的沒有電接口的多個側面（或邊緣）形成多個自由邊緣。此布局安排可進一步增加感測器芯片與佈置於其上方的微流道結構之間的樣本接觸面積。同時，封裝體34C僅沿著示例性晶片元件32C的底邊緣/側設置，以保護晶片和基板（例如，焊盤和導線）之間的電連接，且避免受水分和機械應力的影響。
在一些實施例中，可以在下通道層18C中形成微流道結構的廢液收集室18-1C和排氣口18-2C。示出了廢液收集室18-1C被佈置在採樣腔室的下游並且被構造成收集在測試過程中提供的過量物質。排氣孔18-2C被配置為調節微流道結構內的壓力。
圖8為本案的一些實施例的選擇性地聚焦在感測卡匣的兩個功能區域上的示意性平面圖。例如，圖8提供了在示例性電極元件31D和示例性晶片元件32D的各個採樣表面上的微感測組件（例如，肉眼無法觀察到）的示意圖。 在所示的實施例中，示例性電極元件31D在其面向通道的一側（即，在圖8的視角可見的一側）上設置有基體（base body）31-1D和塗層31-2D，進而形成採樣捕獲面。此外，在所示的實施例中，電極元件的捕獲面設置有捕獲探針P1的陣列，捕獲探針P1被固定在基體31-1D的塗層31-2D上。
一方面，電極元件31D的結構上獨立的設計允許其大部分體積由更經濟的材料製成以節省成本。 例如，示例性電極元件31D的基體31-1D可以基本上由相對便宜的絕緣材料（例如，玻璃或塑料）製成，而僅於其感測表面設置足夠厚度的導電塗層（例如，具有足夠低的表面粗糙度並為探針固定提供高兼容性的黃金材質層）。 用於基體31-1D的合適材料可以具有實質上大於10^-6ΩM的電阻率。 在一些實施例中，用於基體31-1D的材料可以包括例如以下的一種或多種：半導體材料（通常具有10^-6至10^6ΩM的電阻率）和電介質材料（通常具有10^11至10^19ΩM）。 在一些實施例中，用於形成基體31-1D的材料包括矽基板或玻璃基板。
另一方面，由於電極元件的表面改質過程（例如，諸如配體或抗體之類的生物敏感材料的固定化）通常是對溫度敏感的（例如，不能承受常規半導體器件通常經受的高處理溫度），構造上分離的電極元件31D就還能夠允許在獨立於基板（例如，PCB 19）或微感測器晶片（例如，晶片元件32D）的較低溫度處理環境下備製電極元件的捕獲面。
為了獲得更高的感測品質，可以通過適當的薄膜沉積技術（例如，諸如電極鍍覆或濺射的物理沉積）形成電極元件的導電塗層（例如，塗層31-2D），以確保表面光滑度和層均勻性。 在一些實施例中，塗層31-2D的表面粗糙度保持在實質上小於10μm的範圍。 在一些實施例中，導電塗層的圖案輪廓的寬度可以沿著電極的長度方向而變化。 例如，可以將所述塗層圖案輪廓上固定有生物感測器探針的區域的寬度設置得比其緊鄰之上游部分的寬度大。
塗層31-2D可以包括布置成薄箔／薄膜的一種或多種合適的導電材料，其可以包括例如碳布，碳刷，碳棒，碳網，碳面紗，碳紙，碳氈 ，顆粒狀活性炭，顆粒狀石墨，碳化紙板，石墨膜，網狀玻璃碳，不銹鋼板，不銹鋼網，不銹鋼洗滌器，銀膜，鎳膜，銅膜，金膜和鈦膜。
在所示的實施例中，感測裝置的晶片元件32D包括感測器陣列32-1D和接觸墊32-2D。 感測器陣列32-1D可以包括交織的摻雜區域和氧化物區域的陣列，其中定義了生物感測元件的源極/汲極和閘極氧化物區域的陣列。 在一些實施例中，生物感測元件包括離子感測場效電晶體（ISFET），其是一種能夠檢測樣本分析物中離子濃度變化的基於生物敏感的基於微／奈米半導體的器件。 在一些實施例中，晶片上感測器元件可以包括延伸式閘極器件（EGFET）的源極區和汲極區，其閘極組件在單獨的位置（例如，在電極元件的塗層31-2D上方）遠程地形成。接觸墊32-2D被設來作為晶片元件32D與基板（例如，基板19）之間的輸入／輸出接口介面。
儘管不能從本圖示中清楚地觀察到，但是由流體密封材料（即，能夠在組裝時形成基本上不透流體的界面的材料，例如圖6中的層18）製成的下部微通道構件被設置在電極元件31D和晶片元件32D的感測表面上。如前所述，下部微通道構件可包括彈性體材料，其中定義了各種微流體通道特徵。在嵌入其內的微通道特徵中，在組裝時分別形成為與電極元件的捕獲面和晶片元件的主動面對準的反應腔室18-3D和主動腔室18-4D。 另外，微通道特徵更具有局部抬升的流體通道結構 （例如，懸置區段18-5D，將在隨後的附圖中更詳細地描述），以使得能夠在採樣腔室18-3D、18-4D之間進行流體連通。
在所示的實施例中，入口18-6D靠近反應腔室18-3D的一端形成，而懸置區段18-5D向反應腔室18-3D的另一端形成。入口18-6D可以被構造成使其能夠從多層微型通道結構的上層（例如，如圖6所示從層構件15-1、15-2）引入流體。 在一些實施例中，另一懸置區段可以被設在主動腔室18-4D的一端（例如，上游端），而在主動腔室的另一端（例如，下游端）可設置另一個用以引導廢液的出口，使反應流體得以流向廢液收集區（例如，圖7中所示的腔室18-1C）。
在一些實施例中，可根據預定的佈局設計規則來設計採樣室（例如，主動腔室18-4D和反應腔室18-3D）的橫截面尺寸。 在一些實施例中，主動腔室18-4D和反應腔室18-3D的寬度基本相同。 在一些實施方案中，沿著樣本流動路徑方向的主動腔室18-4D的通道長度（即，第一腔室長度）基本上短於反應腔室18-3D的通道長度（即，第二腔室長度）。 在一些實施例中，第一腔室長度與第二腔室長度之間的比率實質上小於1。 在一些實施例中，第一腔室長度與第二腔室長度之間的比率在約10^-4至約1的範圍。
圖9為本案的一些實施例的感測器卡匣沿著通過其採樣腔室的切割線的截面圖。 例如，圖9示出了沿著如圖7所示的切割線AA’的感測裝置的截面圖。
從該截面圖可以更好地看到，示例性感測器卡匣具有相對於基板19E之安裝面、以不同的高度佈置的電極元件31E和晶片元件32E。例如，在所示的實施例中，晶片元件32E的主動面在垂直方向上比電極31E的捕獲面更接近邊界層15-2E。 在一些實施例中，晶片元件32E設置在基板19E的安裝面上（例如，板載形式），而電極元件31E設置在基板19E的安裝面的外部（例如，板外設置）。
在所示的實施例中，電極元件31E的捕獲面與晶片元件32E的主動面（其到邊界層15-2E的垂直距離比電極元件31E的捕獲面的垂直距離短）與下通道層18E的一部分接觸（例如，其分別的外圍／邊緣區域），從而在晶片元件32E和電極元件31E的各個採樣表面周圍形成基本上液密的密封界面。 例如，下通道層18E在內部形成有卡匣的嵌入式微流道結構的下部，該下部包括反應腔室18-3E、主動腔室18-4E、和佈置在兩個採樣腔室之間的懸置區段18-5E。 藉此，得以使流體能夠從微流道結構進入主動面和捕獲面。 如圖中示意性地顯示（例如，在圖9至圖11），採樣腔室18-3E / F / G、18-4E / F / G具有比感測器裝置31E / F / G、32E / F / G 的感測表面小的平面尺寸，從而允許下通道層18E / F / G在組裝時圍繞感測器部件的外圍建立適當的流體密封。
在所示的實施例中，示例性的懸置區段18-5E有如在抬升高度處連接兩個採樣腔室的高架渠道。 例如，懸置區段18-5E延伸到比其緊鄰的上游部分高的高度（例如，抬升到比電極元件31E上方的反應室18-E高）。 如各種實施例所示，微流道結構定義有上游方向（例如，朝向樣本收集入口，諸如圖4A中所示的端口11-2）和下游方向（例如，朝向廢液收集室，如圖7所示的腔室18-1C）。 儘管示例性電極元件31E被示出為相對於晶片元件32E朝上游佈置，但是應當注意，根據生物感測裝置（例如，ISFET）的工作原理，各採樣表面的佈置順序並不需要被限於圖中所示的次序。
下通道層18E中的各種微溝道結構可以通過嵌入其中的半暴露的溝道特徵來形成。例如，反應腔室18-3E和主動腔室18-4E可以通過設置在下通道層18E的底面上的向下凹入的槽形成。上述凹槽在與電極元件31E結合時得以形成封閉的採樣腔室。另一方面，示例性的懸置區段18-5E是由倒U形導管特徵形成，該倒U形導管特徵包括較淺且水平延伸的溝槽部分（暴露於下通道層18E的頂表面）和一對垂直貫穿的通孔部分，其長度（例如深度）不相等、且分別連接於水平延伸線段的兩端連接。 在將邊界層15-2E安置在下通道層18E上時，懸置區段18-5E的半開口溝槽特徵得以被密封以形成微流道結構的封閉區段。在一些實施例中，邊界層15-2E可以是一層防水墊（例如，雙面膠帶）。在一些實施例中，邊界層15-2E可以是上層封裝組件的一部分（例如，中間層構件15-2的底表面，如圖4所示）。
如在本實施例中進一步示出的，嵌置在下通道層18E中的微流道結構的較低平面高度得以接收來自進料端口18-6E的流體輸入。 隨後，微流道結構將輸入流體順序引導到感測器裝置的各個採樣表面上。 然後，廢液可以通過佈置在流動路徑下游的排料端口18-7E離開通道系統。
圖10的一些實施例的感測器卡匣沿著穿過其採樣腔室的切割線（例如，沿著圖7所示的切割線AA’）的截面圖。
雖然圖10所示的大多數特徵與圖9所示的特徵基本相似（為簡明起見，所以省略了重複性標號），但是圖10的示例性實施例在電極元件31F下面設有溫度控制組件35F。 考慮到樣本分析物的類型及其相應的優選反應環境條件，溫度控制部件35F可以在微流體流動路徑附近提供溫度調節功能（例如，加熱/冷卻），從而提高生物感測器上的反應效率。 在一些實施例中，溫度控制部件35F設置在感測器卡匣的內部，並且可以通過接受外部提供的功率來操作。 在一些實施例中，溫度控制部件35F設置在感測器卡匣的外部（例如，佈置在卡匣讀取器中，例如圖2中所示的讀取器20中）。
此外，如圖10的示例所示，在一些實施例中，電極元件31F可以在結構上連接至基板19F。 例如，儘管在結構上分離的電極元件提供了額外的封裝靈活性，但是在一些實施例中，可以在基板的安裝面上方的指定區域（例如，設有導電塗層的電路板板載區域）上提供電極元件（例如，電極31F），以簡化整體結構並減少零件數量。
圖11為本案的一些實施例的感測器卡匣的主動腔室的示意性截面圖。 應當注意，此處示意性剖視圖是提供來示出各種部件特徵及其功能關係，並且不一定反映沿特定剖線的實際截面結構細節。
在所示的實施例中，主動腔室18-4G是由定義於下通道層（例如，如圖6所示的元件18）中的空腔特徵所形成。 在組裝完成後，該腔特徵被佈置在晶片元件32G和基板19G上方。 下通道層18G在基板19G上方圍繞晶片元件32G而形成基本上液密的密封界面。
在一些實施例中，基板19G上形成有多個接觸墊33G、37G。 在一些實施例中，接觸墊37G形成在基板19G的安裝面上。 具有接觸墊32-2G的晶片元件32G的邊緣被定位成與接觸墊37G對準。 接觸墊32-2G和37G通過鍵合引線36G而彼此建立電性連接。 此外，接觸墊32-2G、37G、和鍵合引線36G上方設置了封裝體（encapsulation）34G。 以此方式，可以通過封裝體34G保護鍵合引線36G免受諸如濕度或機械應力的環境危害。 此外，在所示的實施例中，封裝體34G僅覆蓋晶片元件32G的四個邊緣之一。 藉此，晶片元件32G沒有電接合的其餘邊緣形成多個自由邊緣。 隨著來自電接口的部件障礙的減少，可以確保晶片元件32G與微流道結構（例如，主動腔室18-4G）之間的最大的流體暴露／可及性。
在運作時，流體可通過懸置區段18-5G進入主動腔室18-4G，並通過排料端口18-7G離開主動腔室。 在該過程中，流體被引導至晶片元件32G的主動面。另一方面，下通道層為感測器晶片32G的採樣區域與其上其他的敏感電子部件之間提供流體隔離。 例如，如從本示意圖中可以觀察到，通過的流體僅可暴露在主動腔室18-4G內的感測器晶片表面的選擇性部分（例如，主動面的第一採樣區域32-1G）。
圖12為本案的一些實施例的感測器卡匣的微流體通道結構中的懸置區段的透視圖。 例如，圖12示出了示例性的懸置區段的獨立部位視圖，以增加結構呈現的清晰度。
如先前所描繪的，根據本公開，在生物感測器卡匣中的反應腔室與主動腔室之間設置有懸置區段（例如，導管特徵18-5H）。 在一些實施例中，懸置區段18-5H包括第一立柱部分18-51H、第二立柱部分18-53H、和高架渠道／天橋部分18-52H。 第一立柱部分18-51H和第二立柱部分18-53H分別形成在天橋部分18-52H的相對兩端。
天橋部分18-52H可以淺溝槽特徵的形式實現（例如，類似盲孔的凹孔），該淺溝槽特徵形成在由抗水材料製成的主體部件的朝上表面上（例如，下通道層18， 如圖6所示）。 在一些實施例中，天橋部分18-52H的半開口溝槽部分被設計成得以在與感測器卡匣的上層封裝部件（例如，如圖6所示的中間層構件15-2）接合時被密封。 在一些實施例中，懸置區段18-5H可沿其外圍區域設置有密封環18-54H，以進一步增強流體密封能力，從而增加裝置的可靠性。
從示意圖中可以進一步觀察到，第一立柱18-51H的長度（即，高度H1）不同於（例如，大於）第二立柱18-53H的長度（即，高度） H2）。 柱狀部分18-51H、18-53H所容許的高度差異使封裝時佈局設計能夠有更大的靈活性。 例如，這種懸置的通道佈置可以在簡化製造的同時，還提供了適應不同電路組件之間的階躍變化的更大彈性。
圖13為本案的一些實施例的感測器卡匣的反應腔室的截面圖。 示例性反應腔室18-3J可藉由將下通道構件（例如，層18J）放置在電極元件31J上而形成。 基本上不透流體的密封介面可形成於層18J和電極元件31J之間。 在一些實施方案中，密封環特徵18-33J可被設置在反應腔室18-3J的外圍周圍的層18J上，以確保沿著部件界面的適當密封性。
在一些實施方案中，進料口18-6J和排料口18-5J形成在反應腔室18-3J的相對端。 為了促進更高的反應效率，暴露於反應腔室18-3J的微流道結構的內表面可以設置擾流／湍流誘導特徵。 例如，在圖示的實施方式中，在反應腔室18-3J的頂部（天花板）設置有擾流表面，擾流表面的凸出的鋸齒狀圖案結構被配置為朝向電極元件31J的捕捉面。 示例性的擾流表面包括多個鋸齒狀攪拌微結構18-31J和柱狀攪拌微結構18-32J，並且延伸於進料口18-6J和排料端口18-5J之間。 鋸齒狀攪拌結構18-31J和柱狀攪拌結構18-32J沿著反應腔室18-3J的長度方向呈交錯佈置。 如所說明的實施例中進一步示出的，相鄰兩行中的柱狀攪拌結構18-32J可以沿著流體流動方向以相互偏移的方式佈置。
圖14為本案的一些實施例的在感測器卡匣的流動路徑中的示例性樣本相互作用示意圖。 例如，圖14為本案的一些實施例的感測器卡匣中的化驗流程。 特別地，圖14示出了在感測器卡匣的反應腔室內進行的檢定過程的示例性實施方式。
反應腔室形成在下通道層18K與電極元件31K之間。 在一些實施例中，捕獲探針P1的陣列設置在電極元件31K的捕獲面上方，如過程101所示。
隨後，具有目標分子P2的樣本流體被引入反應腔室。 捕獲探針P1被配置來捕獲目標分子P2並附著目標分子P2以將保留在反應室腔內，如過程102所示。
在一些實施方案中，洗滌液被用於洗去未被捕獲探針P1捕獲的目標分子P2。 然後將具有標記探針P3的反應流體引入反應室中。 捕獲探針P1被配置為捕獲目標分子P2並附著標記探針P3以將其保留在反應腔室內，如過程103所示。
如過程104所示，沖洗液被提供來沖洗掉未被目標分子P2捕獲的標記探針P3。
在示例性實施方式中，捕獲探針P1、目標分子P2、和標記探針P3可以分別是捕獲抗體、抗原、和第一抗體。 第一抗體與感測裝置可檢測的物質綴合。
在一些實施方案中，初始讀取程序在開始測定過程之前執行。 隨後，感測裝置的最終讀取程序在測定過程後執行。 藉由計算初始讀數與最終讀數之間的差，得以生成可反映目標分子P2濃度的輸出。
在一些其他實施例中，從感測裝置的初始讀取程序並非必要。 測量最終讀數即可生成反映目標分子P2濃度的輸出。
圖15為本案的一些實施例的在感測器卡匣的流動路徑中的示例性樣本相互作用示意圖。 例如，圖15示出了在感測器卡匣的反應腔室內進行的測定過程的示例性實施方式。
反應腔室形成於下通道層18L與電極元件31L之間。 在一些實施例中，捕獲探針P1的陣列設置在電極元件31L的捕獲面上方，如過程201所示。
在一些實施例中，捕獲探針P1被佈置在電極元件31L的塗層上。 另外，在捕獲探針P1與電極部件31L之間配置有連接層40L。 連接層40L可以增強捕獲探針P1的固定。 然後，將具有目標分子P2的樣本流體引入反應室中。
捕獲探針P1被配置為捕獲目標分子P2並附著目標分子P2以將其保留在反應腔室內，如過程202所示。
在一些實施方案中，洗滌液被用於洗去未被捕獲探針P1捕獲的目標分子P2。洗滌液可以是緩衝液。
然後將具有標記探針P3的反應流體引入反應室中。捕獲探針P1被配置為捕獲目標分子P2並附著標記探針P3以保留在反應室內，如過程203所示。
如過程204所示，洗滌液用於洗掉未被目標分子P2捕獲的標記探針P3。
在示例性實施方式中，捕獲探針P1、目標分子P2、和標記探針P3可以分別是捕獲抗體、抗原、和第一抗體。第一抗體與感測裝置可檢測的物質綴合。
在一些實施方案中，在開始測定過程之前，可從感測裝置進行初始讀取。 在測定過程之後，再執行從感測裝置的最終讀取。 藉由計算初始讀數與最終讀數之間的差，得以生成反映目標分子P2濃度的輸出。
在一些其他實施例中，可以不需要從感測裝置執行初始讀取程序。而是，測量最終讀數即得以產生反映目標分子P2的濃度的輸出。
圖16為本案的一些實施例的在感測器卡匣的流動路徑中的示例性樣本相互作用。 例如，圖16示出了在感測器卡匣的反應腔室內進行的測定過程的示例性實施方式。
反應腔室形成在下通道層18M與電極元件31M之間。 在一些實施例中，捕獲探針P1的陣列被佈置在電極元件31M的捕獲面上方。 此外，在一些其他實施例中，連接層40M可被設置在捕獲探針P1與電極元件31M之間。 連接層40M可以增強捕獲探針P1的保持。 製備具有彼此固定的目標分子P2和標記探針P3的樣本流體。 然後將具有目標分子P2和標記探針P3的樣本流體引入反應室中。 如過程303所示，目標分子P2被捕獲探針P1捕獲並被保留在反應腔室內。 如過程304所示，洗滌液被用於洗去多餘的樣本流體。
在一些實施方案中，捕獲探針P1、目標分子P2、和標記探針P3可以分別是捕獲抗體、抗原、和第一抗體。第一抗體與感測裝置可檢測的物質綴合。
在一些實施方案中，在開始測定過程之前，可從感測裝置進行初始讀取程序。 在測定過程之後，再執行從感測設備的最終讀取。 藉由計算初始讀數與最終讀數之間的差，得以生成反映目標分子P2濃度的輸出。
在一些其他實施例中，從感測設備的初始讀取程序並非必要。 而是，藉由測量最終讀數即得以產生反映目標分子P2的濃度的輸出。
因此，本公開的一方面提供了一種感測卡匣，其包括一感測裝置及一微流道結構。 該感測裝置包括一晶片元件及一電極元件。該晶片元件包括一主動面，該主動面設置在一基板的一安裝面上，該主動面定義有一第一採樣區域。該電極元件包括一捕獲面，該捕獲面定義有一第二採樣區域。該晶片元件的該主動面被佈置成投影地偏移於該電極元件的該捕獲面。該第一採樣區域的面積與該第二採樣區域的面積之比率實質上小於1。該微流道結構佈置在該感測裝置上方並被配置為將流體輸送到該主動面以及該捕獲面。
在一些實施例中，該第一採樣面積與該第二採樣面積之比率在約1×10^-8到約1的範圍。
在一些實施例中，該微流道結構接觸於該晶片元件以及該電極元件，並與該晶片元件以及該電極元件形成實質上液密的密封界面。
在一些實施例中，該電極元件與該基板是在結構上分離的構件。
在一些實施例中，該電極元件設置在該基板的該安裝面之外。
在一些實施例中，相對於該基板的該安裝面，該晶片元件的該主動面被佈置在與該電極元件的該捕獲面不同的高度處。
在一些實施例中，該電極元件還包括一基體，且該捕獲面包括固定在該基體上的一探針陣列。該基體包括電阻率實質上大於10^-6ΩM的材料。
在一些實施例中，該電極元件更包括一基體，且該捕獲面包括固定在該基體的一塗層上的一探針陣列。該塗層的表面粗糙度實質上小於10μm。
在一些實施例中，該微流道結構包括佈置在該主動面和該捕獲面之間的一懸置區段。該微流道結構的該懸置區段被佈置在比其緊鄰的上游部分更高的高度處。
在一些實施例中，該晶片元件包括具備有多個自由邊緣的一微晶片。該主動面被佈置在該微晶片上，且背向於該基板的該安裝面。
在一些實施例中，該基板包括佈置在其邊緣部分的輸入／輸出接口介面。
因此，本公開的一方面提供了一種感測卡匣，包括一感測裝置及一微流道結構。 該感測裝置包括一晶片元件及具有一捕獲面的一電極元件。該晶片元件具有一主動面，該主動面設置在一基板的一安裝面上。該微流道結構佈置在該感測裝置上方，且該微流道結構配置來依序在該捕獲面和該主動面之間傳輸流體。該微流道結構包括佈置在該主動面和該捕獲面之間的一懸置區段。
在一些實施例中，該微流道結構定義有一上游方向和一下游方向。該電極元件相對於該晶片元件，朝該上游方向佈置。
在一些實施例中，該微流道結構的該懸置區段佈置在比其緊鄰上游部分更高的高度處。
在一些實施例中，該微流道結構形成有設置在該主動面上方且具有一第一腔室長度的一主動腔室和在該捕獲面上方且具有一第二腔室長度的一反應腔室。該懸置區段被佈置在該反應腔室和該主動腔室之間。
在一些實施例中，該第一腔室長度和該第二腔室長度之間的比率實質上小於1。
在一些實施例中，該比率在約1×10^-4到約1的範圍。
在一些實施例中，該微流道結構的該反應腔室設有面對該捕獲面佈置的一擾流表面。
在一些實施例中，該微流道結構超出該基板的該安裝面的平面覆蓋範圍。
在一些實施例中，該主動面和該捕獲面之間的距離不小於0.1mm。
惟以上所述者，僅為本發明之實施例而已，當不能以此限定本發明實施之範圍，凡是依本發明申請專利範圍及專利說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆仍屬本發明專利涵蓋之範圍內。
10:感測器卡匣 10B:感測器卡匣 11:微流道結構 11-1:儲液槽 11-2:樣本入口 12:感測裝置 13:I/O端口 13B:輸入/輸出接口介面 15:殼體 15-1:頂層構件 15-2:中間層構件 15-2E:邊界層 15-3:底層構件 16:入口蓋 17:墊圈 18:下通道層 18-1C:廢液收集室 18-2C:排氣口 18-31J:鋸齒狀攪拌微結構 18-32J:柱狀攪拌微結構 18-33J:密封環特徵 18-3D:反應腔室 18-3E:反應腔室 18-3J:反應腔室 18-4D:主動腔室 18-4E:主動腔室 18-4G:主動腔室 18-51H:第一立柱部分 18-52H:天橋部分 18-53H:第二立柱部分 18-54H:密封環 18-5D:懸置區段 18-5E:懸置區段 18-5H:懸置區段 18-5J:排料口 18-6D:入口 18-6E:進料端口 18-6J:進料口 18-7E:排料端口 18C:下通道層 18E:下通道層 18E:下通道層 18G:下通道層 18J:層 18K:下通道層 18L:下通道層 18M:下通道層 19:基板 19-1:電極接觸件 19-1C:連接器 19C:基板 19E:基板 19G:基板 20:讀取裝置 21:流體驅動模組 22:I/O端口 23:讀取模組 24:電源模組 25:輸出模組 25-1:顯示單元 26:插入槽 31:電極元件 31-1D:基體 31-2D:塗層 31C:參考電極 31C:電極元件 31D:電極元件 31E:電極元件 31J:電極元件 31K:電極元件 31L:電極元件 31M:電極元件 32:感測器晶片 32-1D:感測器陣列 32-2D:接觸墊 32-2G:接觸墊 32C:晶片元件 32D:晶片元件 32E:晶片元件 32G:晶片元件 33C:接觸墊 33G,37G:接觸墊 34C:封裝體 34G:封裝體 35F:溫度控制組件 36G:鍵合引線 40L:連接層 40M:連接層 P1:捕獲探針 P2:目標分子 P3:標記探針
為可仔細理解本案以上記載之特徵，參照實施態樣可提供簡述如上之本案的更特定描述，一些實施態樣係說明於隨附圖式中。然而，要注意的是，隨附圖式僅說明本案的典型實施態樣並且因此不被視為限制本案的範圍，因為本案可承認其他等效實施態樣。 圖1為本案的一些實施例的感測系統的應用情境示意圖； 圖2A和圖2B為本案的一些實施例的感測系統的組件示意圖； 圖3為本案的一些實施例的感測系統的感測卡匣的外部透視示意圖； 圖4A和圖4B為本案的一些實施例的感測卡匣的分解示意圖； 圖5為本案的一些實施例的感測卡匣的示例性部件的局部分解透視圖； 圖6為本案的一些實施例的感測卡匣的截面示意圖； 圖7為本案的一些實施例的感測卡匣的平面佈局示意圖； 圖8為本案的一些實施例中，選擇性地聚焦在感測卡匣的兩個功能區域上的示意性平面圖； 圖9為本案的一些實施例的感測卡匣沿線A-A'的截面示意圖； 圖10為本案的一些實施例的另一感測卡匣的截面示意圖； 圖11為本案的一些實施例的感測卡匣的主動腔室的截面示意圖； 圖12為本案的一些實施例的感測卡匣的微流體通道結構中的懸置區段的示意性透視圖； 圖13為本案的一些實施例的感測卡匣的反應腔室的截面示意圖； 圖14為本案的一些實施例的在感測卡匣的流動路徑中的示例性樣本相互作用示意圖； 圖15為本案的一些實施例的在感測卡匣的流動路徑中的示例性樣本相互作用示意圖； 圖16為本案的一些實施例的在感測卡匣的流動路徑中的示例性樣本相互作用示意圖。 然而，應注意的是，附圖僅示出了本公開的示例性實施例，並且因此不應被認為是對其範圍的限制，因為本公開可以允許其他等效的實施例。 應該注意的是，這些附圖意在說明在某些示例實施例中使用的方法，結構和/或材料的一般特性，並補充下面提供的書面描述。然而，這些附圖不是按比例繪製的，並且可能不能精確地反映任何給定實施例的精確的結構或性能特徵，並且不應被解釋為定義或限制示例實施例所涵蓋的值或特性的範圍。例如，為了清楚起見，可以減小或放大層，區域和/或結構元件的相對厚度和位置。在各個附圖中使用相似或相同的附圖標記旨在指示相似或相同的元件或特徵的存在。
18C:下通道層
18-1C:廢液收集室
18-2C:排氣口
19C:基板
19-1C:連接器
31C:電極元件
32C:晶片元件
33C:接觸墊
34C:封裝體

Claims (20)

  1. 一種感測卡匣，包括： 一感測裝置，包括： 一晶片元件，包括一主動面，該主動面設置在一基板的一安裝面上，該主動面定義有一第一採樣區域；以及 一電極元件，包括一捕獲面，該捕獲面定義有一第二採樣區域； 其中，該第一採樣區域的面積與該第二採樣區域的面積之比率實質上小於1；以及 一微流道結構，其佈置在該感測裝置上方並被配置為將流體輸送到該主動面以及該捕獲面， 其中，該微流道結構接觸於該晶片元件以及該電極元件，並與該晶片元件以及該電極元件形成實質上液密的密封界面。
  2. 如請求項1所述的感測卡匣，其中， 該第一採樣面積與該第二採樣面積之比率在約1×10^-8到約1的範圍。
  3. 如請求項1所述的感測卡匣，其中， 該晶片元件的該主動面被佈置成投影地偏移於該電極元件的該捕獲面。
  4. 如請求項3所述的感測卡匣，其中，該電極元件與該基板是在結構上分離的構件。
  5. 如請求項4所述的感測卡匣，其中，該電極元件設置在該基板的該安裝面之外。
  6. 如請求項4所述的感測卡匣，其中，相對於該基板的該安裝面，該晶片元件的該主動面被佈置在與該電極元件的該捕獲面不同的高度處。
  7. 如請求項4所述的感測卡匣，其中， 其中，該電極元件還包括一基體，且該捕獲面包括固定在該基體上的一探針陣列， 其中，該基體包括電阻率實質上大於10^-6ΩM的材料。
  8. 如請求項4所述的感測卡匣，其中， 其中，該電極元件更包括一基體，且該捕獲面包括固定在該基體的一塗層上的一探針陣列， 其中該塗層的表面粗糙度實質上小於10μm。
  9. 如請求項1所述的感測卡匣，其中， 其中，該微流道結構包括佈置在該主動面和該捕獲面之間的一懸置區段。
  10. 如請求項9所述的感測卡匣，其中， 該微流道結構的該懸置區段被佈置在比其緊鄰的上游部分更高的高度處。
  11. 如請求項1所述的感測卡匣，其中，該基板包括佈置在其邊緣部分的輸入／輸出接口介面。
  12. 一種感測卡匣，包括： 一感測裝置，包括： 一晶片元件，具有一主動面，該主動面設置在一基板的一安裝面上；以及 具有一捕獲面的一電極元件，以及 一微流道結構，佈置在該感測裝置上方，且該微流道結構配置來依序在該捕獲面和該主動面之間傳輸流體， 其中，該微流道結構接觸於該晶片元件以及該電極元件，並與該晶片元件以及該電極元件形成實質上液密的密封界面， 其中，該微流道結構包括佈置在該主動面和該捕獲面之間的一懸置區段。
  13. 如請求項12所述的感測卡匣， 其中，該微流道結構定義有一上游方向和一下游方向； 其中，該電極元件相對於該晶片元件，朝該上游方向佈置。
  14. 如請求項12所述的感測卡匣，其中，該微流道結構的該懸置區段佈置在比其緊鄰上游部分更高的高度處。
  15. 如請求項12所述的感測卡匣， 其中，該微流道結構形成有設置在該主動面上方且具有一第一腔室長度的一主動腔室和在該捕獲面上方且具有一第二腔室長度的一反應腔室， 其中，該懸置區段被佈置在該反應腔室和該主動腔室之間。
  16. 如請求項12所述的感測卡匣，其中，該微流道結構接觸於該晶片元件的該主動面與該電極元件的該捕獲面。
  17. 如請求項16所述的感測卡匣，其中，該第一腔室長度和該第二腔室長度之間的比率實質上小於1，且該比率在約1×10^-4到約1的範圍。
  18. 如請求項15所述的感測卡匣，其中，該微流道結構的該反應腔室設有面對該捕獲面佈置的一擾流表面。
  19. 如請求項12所述的感測卡匣，其中，該晶片元件的該主動面被佈置成投影地偏移於該電極元件的該捕獲面。
  20. 如請求項12所述的感測卡匣，該主動面和該捕獲面之間的距離不小於0.1mm。
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