TWI487902B - 光定址電位感測器 - Google Patents

Description

光定址電位感測器

本發明係有關於一種光定址電位感測器，特別是關於一種結合類比式微型反射鏡與雷射光源而可對待測溶液進行任意圖形掃瞄的光定址電位感測器。

目前已有許多感測元件的研究，其中開發之轉換器平台包括：離子選擇性電極(ISE,Ion Selective Electrode)、離子感測場效電晶體(ISFET,Ion Sensitive field-effect Transistor)、離子感測有機場效電晶體(ISOFET,Ion Sensitive Organic Field Effect Transistor)以及三五族電晶體(GaN FET)等感測平台，但是在二維化學或者生醫影像，卻都要耗費更多的製程成本與電路讀出系統。在眾多種類的感測器中，光定址電位感測器(Light Addressable Potentiometric Sensor,LAPS)具有製程簡單化，以光源定位達成生醫化學影像感測之目的。

光定址電位感測器是一種利用光點掃描來獲得二維影像的濃度變化的感測器，光定址電位感測器結構主體是以電解液-絕緣層-半導體(Electrolyte Insulator Semiconductor,EIS)為核心之感測結構，光定址電位感測器具有反應時間短、光尋址能力以及在多離子感測上應用的許多好處，因此常用在生化檢測。

請參考第1圖，其係傳統光定址電位感測器100之示意圖，傳統光定址電位感測器100主要包括半導體基底101及氧化層103，並同時搭配外加光源104，一般外加光源104會設置於半導體基底101的背面，當半導體受到一定波長的光照射時，半導體會吸收光子，發生價帶到傳導帶 的躍遷也就產生了分離的電子電洞對。

在一般情況下，電子電洞對很快地再結合，在外電路中就測不到電流。當離子濃度不同時，會影響感測薄膜表面電位Ψ0，使半導體基底101表面之空乏區寬度產生變化；而交流訊號之點光源則會在半導體基底101產生電子電洞對，其中，少數載子會擴散至空乏區，經由電場而形成光電流。隨著空乏區的寬度不同，輸出的光電流亦不同，故可藉由此感測薄膜表面調變之光電流的大小，對不同離子濃度的溶液進行檢測。

然而，因為受到光源104掃描的機制限制，若要分析動態的化學反應感測，利用傳統的光定址電位感測器會有下述幾個缺點：1.空間解析度差、2.穩定與感測度弱、3.量測速度較慢。因此使用傳統的光定址電位感測器進行量測將侷限了其便利性以及實用性。

有鑑於此，本發明提供一種光定址電位感測器，其至少包含一半導體基底、一感測層與一發光模組。其中，半導體基底具有一正表面與一背表面。感測層係設置於半導體基底之正表面，並具有一感測區域，用以檢測一受測溶液之特定離子或生物物質濃度。至於發光模組，其至少包含一發光單元與一反射單元。上述發光模組位於於半導體基底之背表面，其中發光單元發射出一光線，且光線透過反射單元進行反射而照射於半導體基底。

在本發明之一實施例中，其中反射單元為一類比式微型反射鏡。

在本發明之一實施例中，其中發光單元為一雷射光源。

在本發明之一實施例中，更包含一控制元件，其中控制元件連接反射單元以控制反射單元，進而改變光線之一掃瞄路徑或一掃瞄速度。較佳地，上述光線之掃瞄路徑呈一二維任意圖形。

在本發明之一實施例中，其中上述發光模組更包含一聚焦單元，聚焦單元係設置於發光單元與反射單元之間，以使發光單元發出之光線聚焦於反射單元上。

在本發明之一實施例中，更包含一參考電極，其係置於受測 溶液中，用以提供一穩定電位。

在本發明之一實施例中，其中半導體基底為一具有直接能隙之之P型或N型半導體基底。

在本發明之一實施例中，其中感測層係選自二氧化矽、氮化矽、五氧化二鉭與稀土元素氧化物之群組組合。

在本發明之一實施例中，其中半導體基底為具有間接能隙之P型或N型半導體基底。

由下文的說明，可更進一步瞭解本發明的特徵及其優點，閱讀時請參考第2圖至第5圖。

100、200‧‧‧光定址電位感測器

101、201‧‧‧半導體基底

103‧‧‧氧化層

104‧‧‧外加光源

202‧‧‧感測層

203a‧‧‧作用電極

203b‧‧‧參考電極

204‧‧‧待測溶液

205‧‧‧發光模組

205a‧‧‧發光單元

205b‧‧‧聚焦單元

205c‧‧‧反射單元

206‧‧‧函數產生器

207‧‧‧處理模組

第1圖顯示習知技術之光定址電位感測器的結構示意圖；第2圖顯示本發明一實施例之光定址電位感測器的結構示意圖；第3圖顯示本發明一實施例之光源掃瞄俯視圖；第4圖顯示本發明一實施例中當掃描光點為四點時之定電壓量測下的光電流對時間結果；以及第5圖顯示本發明一實施例中於pH7溶液下所測得知的離子濃度影像。

以下，將參照所附圖式說明本發明之實施形態來敘述本發明。在圖式中，相同的元件符號表示相同的元件，並且為求清楚說明，元件之大小或厚度可能誇大顯示。

本發明提供一種光定址電位感測器，可以改良傳統(如第1圖所示)光定址電位感測器100因光源104掃描的限制，本發明所提供的光定址電位感測器中，將光源與反射鏡整合在一起，可達到應用範圍廣、測量範圍寬的優勢，解決先前技術所遇到之種種缺失。

首先，請參考第2圖，第2圖顯示本發明一實施例之光定址電位感測器200的結構示意圖。如圖所示，本發明所提供之光定址電位感 測器200至少包含一半導體基底201、一感測層202、一作用電極203a、一參考電極203b以及一發光模組205。

其中，半導體基底201具有一正表面與一背表面。感測層202設置於半導體基底201之正表面，並具有一感測區域，用以檢測一受測溶液204之特定離子或生物物質濃度。發光模組205則至少包含有一發光單元205a、一聚焦單元205b與一反射單元205c。且，發光模組205相對於感測層202係位於於半導體基底201之背表面。當發光單元205a發射出一光線時，此光線會經由聚焦單元205b聚焦至反射單元205c上，並透過反射單元205c進行反射而照射於半導體基底201。

在一較佳實施例中，半導體基底201可以選用具有直接能隙(DIRECT BAND GAP)之P型或N型，譬如砷化鎵基底，本發明不以此為限，另外再於半導體基底201的正表面予以沉積一層由二氧化矽(SiO₂ )、氮化矽(Si₃ N₂ )、五氧化二鉭(Ta₂ O₅ )或稀土元素氧化物(REO)所構成之感測層202，但本發明不以此為限。

在較佳實施例中，發光單元205a為一雷射光源，更佳地為一交流訊號之雷射光源。然而，選用雷射光源係其具有光源強度較高之優勢，但本發明中之發光單元並不欲以此為限，其亦可選自發光二極體(LED)、有機發光二極體(OLED)、雷射二極體(LD)及電激發光元件(EL)所組成的群組。此外，更包含一函數產生器(function generator)206連接至發光單元205a，而透過函數產生器206控制發光單元205c發出光線及其光線之強度與頻率等參數。

承上，本發明所提供之光定址電位感測器200更可包含一處理模組207，而雖未圖示，處理模組207更可進一步包含一前置放大器、一資料擷取卡與一電腦。當欲進行離子或生物物質濃度之感測操作時，先將光定址電位感測器200浸入受測溶液204中，再將一參考電極203b置於受測溶液204之中，用以提供穩定電位，當發光單元205a發射出的光線經由聚焦單元205b聚焦至反射單元205c上，並透過反射單元205c進行反射而照射於半導體基底201的背表面，並加上直流偏壓，與感測層202接觸後，電解質pH值之變化會導致感測層202表面電位的改變，而產生光電流之變 化。因此，藉由量測流過作用電極203a與參考電極203b間光電流的變化，並將上述光電流輸出訊號連結至前置放大器、資料擷取卡與電腦而得到結果，實現對電解質中濃度的檢測。

另外，反射單元205c較佳地為一機機電製程中所用之類比式微型反射鏡。在較佳實施例中，可由上述電腦連結反射單元205c之控制器(圖未示)，再透過C⁺⁺ 程式(即一電腦軟體)設定掃描速度與XY軸距離轉換為穩定的類比致動器電壓來操控反射單元205c的旋轉或傾斜角度。也就是說，反射單元205c的旋轉角度、傾斜角度或移動速度等均可透過電腦搭配其控制器進行調整，進而改變將發光單元205a所發出之光線反射至半導體基底上以進行掃瞄的一掃瞄路徑或一掃瞄速度。較佳地，上述掃瞄路徑係呈一二維任意圖形，亦即本發明所提供之光定址電位感測器可進行較習知技術彈性、且連續性的掃瞄，不受限於習知技術中，如單一或陣列光源LED、XY步進馬達搭配雷射、投影機光源、數位振鏡搭配發光二極體等光源定位方式，僅能執行單一方向或固定間距或停頓或緩慢的掃瞄方式。

舉例來說，如第3圖所示，第3圖顯示本發明一實施例之光源掃瞄俯視圖。如圖所示，本發明所提供之光定址電位感測器可經由電腦設定在感測區域內之掃描光點為二，且掃描方式為S型。當然，經由電腦搭配程式操作，亦可設定為在感測區域內之掃瞄光點為n個，且掃瞄方式為星形，本發明並不欲以任一實施例為限。再者，反射單元205c與半導體基底201之間距亦可透過電腦控制改變，進而改變掃瞄面積的大小。

請進一步參考第4圖，第4圖係利用電腦設定掃描XY軸移動距離與速度，而當掃描光點為四點時之定電壓量測下的光電流對時間結果。其中，當光點移動到感測區域內時，有光電流訊號，而光點移動到感測區域外時，因為光點沒有進入基板，因此僅獲得微弱的雜訊電流。如圖所示，可發現其光電流振輻呈現明顯的階梯式上升，而下一次掃描係呈現階梯式下降，其原因為區域內光點的面積改變，造成訊號大小的變化。

最後，請參考第5圖，第5圖顯示本發明一實施例中於pH7溶液下所測得知的離子濃度影像，利用黃光微影技術在感測區域內形成U字形光阻，以定電壓進行量測，所完成14x121像素的二維離子影像。

綜上所述，本發明所提供的光位定址感測器係結合發光單元(較佳為雷射光源)與反射單元(較佳為類比式微型反射鏡)，再搭配軟體設定，而可達到任意圖形之掃瞄路徑，並完成大面積的掃描與降低感測時間，亦即可在極短時間內取得濃度變化之二維影像，達到應用於臨床及生化研究上之目的，更可用於監控微小與局部之生醫化學反應。

上列詳細說明係針對本發明之一可行實施例之具體說明，惟該實施例並非用以限制本發明之專利範圍，凡未脫離本發明技藝精神所為之等效實施或變更，均應包含於本發明之專利範圍中。

200‧‧‧光定址電位感測器

201‧‧‧半導體基底

202‧‧‧感測層

203a‧‧‧作用電極

203b‧‧‧參考電極

204‧‧‧待測溶液

205‧‧‧發光模組

205a‧‧‧發光單元

205b‧‧‧聚焦單元

205c‧‧‧反射單元

206‧‧‧函數產生器

207‧‧‧處理模組

Claims (9)

1. 一種具有類比式微型反射鏡的光定址電位感測器，其包含：一半導體基底，具有一正表面與一背表面；一感測層，設置於該半導體基底之該正表面，並具有一感測區域，用以檢測一受測溶液之特定離子或生物物質濃度；以及一發光模組，其至少包含一發光單元與一類比式微型反射鏡，該發光模組位於該半導體基底之該背表面，其中，該發光單元發射出一光線，且該光線透過該類比式微型反射鏡進行反射而照射於該半導體基底。
2. 如申請專利範圍第1項所述之光定址電位感測器，其中該發光單元為一雷射光源。
3. 如申請專利範圍第1項所述之光定址電位感測器，更包含一控制元件，其中該控制元件連接該反射單元以控制該反射單元，進而改變該光線之一掃瞄路徑或一掃瞄速度。
4. 如申請專利範圍第3項所述之光定址電位感測器，其中該光線之該掃瞄路徑呈一二維任意圖形。
5. 如申請專利範圍第1項所述之光定址電位感測器，其中該發光模組更包含一聚焦單元，該聚焦單元係設置於該發光單元與該反射單元之間，以使該發光單元發出之該光線聚焦於該反射單元上。
6. 如申請專利範圍第1項所述之光定址電位感測器，更包含一參考電極，置於該受測溶液中，用以提供一穩定電位。
7. 如申請專利範圍第1項所述之光定址電位感測器，其中該半導體基底為一具有直接能隙之P型或N型半導體基底。
8. 如申請專利範圍第1項所述之光定址電位感測器，其中該感測層係選自二氧化矽、氮化矽、五氧化二鉭與稀土元素氧化物之群組組合。
9. 如申請專利範圍第1項所述之光定址電位感測器，其中該半導體基底為 具有間接能隙之P型或N型半導體基底。