TWI588483B - 生物晶片之測試模組及其測試設備 - Google Patents

Description

生物晶片之測試模組及其測試設備

本發明係關於一種生物晶片之測試模組及其測試設備，尤指一種適用於在測試液環境下進行檢測之生物晶片之測試模組及其測試設備。

本發明所述之生物晶片係為一種搭載有生物感測器(Bio-Sensor)之晶片結構，該生物感測器係為使用固定化生物分子之結合換能器，用來偵測生體內或生體外的環境化學物質或與之起特異性交互作用後產生回應的一種裝置。其中，生物感測器之應用層面相當廣泛，例如：可利用離子感測場效應之原理檢測尿素，或針對過敏原、酵素、微生物、細胞等進行生物檢測，又或者對於土壤、海洋酸鹼度等環境因子進行監測分析。

本發明則將生物感測器著重於─種利用離子選擇性場效電晶體(Ion Sensitive Field Effect Transistor, ISFET)之半導體離子感測器，其應用MOSFET的原理，將其閘極金屬去除，改為選用絕緣感測膜(SiO2)直接與測試液接觸，並以電極對測試液進行電解，測試液中的待測離子會與絕緣感測膜吸附反應產生通道。因此，生物感測器必須保持在與測試液接觸的環境下進行測試方可達到效果，故對於測試液裝載的方式於過去文獻中有多種設計方式，習知技術如美國專利公開號第US2014/0239986號專利案，其直接將探針卡(probe card)內部設有擋水部(Fluid Well)，使得當生物感測器與探針卡接觸時，會形成密閉的通道，藉以將測試液體輸入至生物感測器之測試區內。然而，所述方式無法適用於各類型之探針卡，必須利用特製化的擋水部進行測試液的隔絕與裝載，缺乏元件之相容性，此外當進行壓合測試時，所述探針卡亦缺乏彈性緩衝之結構設計，且經耗損後無法針對壓測頭進行更換，故於使用上仍有很大的改進空間。

發明人緣因於此，本於積極發明之精神，亟思一種可以解決上述問題之生物晶片之測試模組及其測試設備，幾經研究實驗終至完成本發明。

本發明之主要目的係在提供一種生物晶片之測試模組，主要可藉由具有彈性緩衝座之壓測頭，減緩與生物晶片接觸時之壓合力道，同時可利用中空套管內之空間安置測試管路及測試電極，有效減少該測試模組之體積，提供一合適的環境，讓生物晶片在與測試液接觸下進行測試。

本發明之另一目的係在提供一種生物晶片之測試設備，將上述半生物晶片之測試模組結合一測試頭及一承載座，俾能有效整合成為一自動化測試設備，針對測試結果提供即時的傳遞及運算。

為達成上述目的，本發明之生物晶片之測試模組包括有一固定座、一中空套管以及一壓測頭。固定座具有一通孔，並於固定座之底部固設一探針卡，對於晶片進行功能性測試；中空套管穿過通孔，穿設於固定座內，並於中空套管穿設有至少一管路，提供一垂直縱向之容置空間，其用以安置所述管路。壓測頭包括一壓測頭本體及一彈性緩衝座，壓測頭本體組設於中空套管上，彈性緩衝座卡合於壓測頭本體內，並連接至少一管路。

藉由上述設計，本發明除了可藉由具有彈性緩衝座之壓測頭，減緩與生物晶片接觸時之壓合力道外，其彈性緩衝座可與生物晶片接觸更加緊密，且該彈性緩衝座係為可拆卸式之套件，可連同與其相連之測試管路一併拆裝及清洗，增進可更換性及便利性。

上述中空套管可更包括一止擋部，其容設於固定座內並可夾設一彈簧。藉此，提供一種緩衝機制，可有效防止生物晶片於Z軸移載時，因過壓而造成晶片損傷。

上述至少一管路可包括一流體輸入管及 一流體輸出管。藉此，提供測試液一流通路徑，有效保持晶片檢測時之溶液可流動性，且該二管路係位於中空套管中，可減少測試模組之整體體積。

上述該至少一管路可更包括一進氣管。本發明除了可將測試液導入測試模組之外，可更利用進氣管將壓縮氣體輸送至測試模組中，對於生物晶片進行吹氣作業。藉此，當檢測結束後，可立即吹乾剩餘殘留測試液體，避免測試液體流到晶片電極板上，造成電路短路或斷路的情形發生。

上述彈性緩衝座可由聚二甲基矽氧烷(PDMS)所製成，其中，聚二甲基矽氧烷(PDMS)係為一透明矽膠材質，其具有無毒、疏水性高、抗酸鹼且結構彈性佳、氣密性佳等特性，製成簡便且快速，翻模精度可達um~um^-1 ，故適合作為一緩衝結構或一擋水牆。

上述彈性緩衝座可具有一擴展外緣及一容水槽。藉此，除了可將足夠的測試液保留在容水槽外，藉由擴展外緣的設置，加長了測試液向外流出之滲漏距離，可避免當彈性緩衝座受力變形時，測試液會一併擠壓到外界之電路板或電極上之問題。

另一方面，本發明之生物晶片之測試設備，包括有：一針測機、一生物晶片之測試模組以及一測試頭。針測機具有一移動載臺，用以承載一生物晶片。生物晶片之測試模組置放於該移動載臺上，包括一固定座、一中空套管以及一壓測頭，固定座具有一通孔，並於固定座之底部固設一探針卡；中空套管穿過通孔，穿設於固定座內，其中，中空套管穿設有至少一管路；壓測頭包括一壓測頭本體及一彈性緩衝座，壓測頭本體組設於中空套管上，彈性緩衝座卡合於壓測頭本體內，並連接至少一管路。此外，測試頭電連接探針卡，其中測試頭設有多個測試電路板。

藉由上述設計，本發明之生物晶片之測試設備測試過程中，可準確地將壓測頭與生物晶片壓合接觸，使得晶片上之感測區域可完全包覆於彈性緩衝座內，並保持彈性緩衝座內測試液的流動性，在含有溶液的環境下進行檢測作業。

以上概述與接下來的詳細說明皆為示範性質是為了進一步說明本發明的申請專利範圍。而有關本發明的其他目的與優點，將在後續的說明與圖示加以闡述。

請參閱圖1至圖3，係本發明一較佳實施例之生物晶片之測試模組之分解圖、立體剖視圖以及另一視角之立體圖。圖中出示一種生物晶片之測試模組1，包括有一固定座2、一中空套管3以及一壓測頭4。固定座2包括一固定座本體22、一鎖固於該固定座本體22之止擋座23以及一通孔21，並於固定座2之底部固設一探針卡20，藉以對於生物晶片進行功能性測試。

在本實施例中，中空套管3穿過通孔21及止擋座23，並具有一止擋部31，該止擋部31受限於固定座2與止擋座23之一止擋內緣231間之容置空間內，並在其間夾設二彈簧30，藉以提供一種緩衝機制，可有效防止生物晶片於Z軸移載時，因過壓而造成該晶片受到損傷。

接著，壓測頭4包括有一壓測頭本體41及一彈性緩衝座42，壓測頭本體41組設於中空套管3上，而彈性緩衝座42卡合於壓測頭本體41內，並連接一流體輸入管51、一流體輸出管52以及一電極53，藉以對生物感測器進行進行檢測作業。藉由上述設計，為了建構出一合適的環境，讓生物晶片在與測試液接觸下進行測試，故透過具有彈性緩衝座42之壓測頭4，有效減緩與生物晶片接觸時之壓合力道，同時該彈性緩衝座42係為可拆卸式之套件，可連同與其相連之測試管路51,52一併拆裝及清洗，增進可更換性及便利性。

此外，本實施例之彈性緩衝座42係具有一擴展外緣421及一容水槽422，所述容水槽422係為深度1mm~3mm之小型凹槽，其開口需包覆生物晶片上之感測區域，藉以創造出一可儲存測試液之檢測環境，並利用電極53提供電能供給，使得溶液中可解離出離子以便進行生物檢測。此外，本實施例之擴展外緣421係為在彈性緩衝座42底部於外壁之外，向四周所擴展之延伸外緣，該擴展外緣421加長了測試液向外流出之滲漏距離，可避免當彈性緩衝座42受力變形時，測試液會一併擠壓到外界之電路板或電極上之問題。

再者，所述彈性緩衝座42所使用之材質有別於上述其他主結構體，係選用聚二甲基矽氧烷(PDMS)等具有彈性之材料經由翻模後所製成。其中，二甲基矽氧烷(PDMS)係為一透明矽膠材質，其具有無毒、疏水性高、抗酸鹼、結構彈性佳且氣密性佳等特性，製成簡便且快速，翻模精度可達um~um^-1 ，在本實施例中係用以作為緩衝及擋水結構。此外，彈性緩衝座42因製作容易且成本材料低廉，故在壓合過程中受到損壞或變形時，可連同測試管路51,52一併進行更換，藉由可更換式之耗材設計模式，提高本發明生物晶片之測試模組之耐用性。

請參閱圖4，係本發明之另一較佳實施例之生物晶片之測試模組之示意圖。其中，流體輸入管51一端可連接一切換開關1A，而切換開關1A的另一端分別連接流體輸入支管511、512，藉此透過切換開關1A控制流體輸入支管511、512不同測試液，進入流體輸入管51，提供不同功能之測試液進行測試。舉例而言，流體輸入支管511、512可分別注入測試液及潔淨液，當切換開關1A開啟導通流體輸入管51與流體輸入支管511，而切換開關1A同時關閉，阻斷連通流體輸入支管512之潔淨液輸入至流體輸入管51，可對生物晶片進行測試；若切換開關1A關閉導通流體輸入管51與流體輸入支管511，而切換開關1A開啟導通流體輸入管51與流體輸入支管512，可將潔淨液注入生物晶片上，進行清潔的製程。

另一方面，請參圖5A、圖5B及圖5C為依據本發明之再一實施例之生物晶片之測試模組之示意圖，其中圖5A所示之中空套管3之流體輸入管51及流體輸出管52的一側內穿設一進氣管50，或參圖5B之示意圖，切換開關1A之流體輸入支管511、512的一側連接一進氣管500，經流體輸入管51將壓縮氣體輸送至測試模組1中，對於生物晶片進行吹氣作業，不但可提供測試液一流通路徑，更可透過壓縮氣體將容水槽422內完成檢測之測試液排出流體輸出管52，同時當檢測結束後，可立即吹乾剩餘殘留測試液，避免測試液流到晶片電極板上，造成電路短路或斷路的情形發生。再者請參圖5C，流體輸出管52可連接一真空裝置54，除可保持晶片檢測時之溶液可流動性，加速排空容水槽422內完成檢測之測試液，亦可減少測試液之殘留，大幅提高測試效率及良率，故本發明係為一種體積佔據小且兼具有多種功能之優化設計。

請參閱圖6及圖7，係本發明一較佳實施例之生物晶片之測試設備之立體圖與剖視圖。圖中出示一種生物晶片之測試設備10，包括有一測試頭(Test Head)11、一生物晶片之測試模組1以及一針測機(Prober)13。該生物晶片之測試設備10係將前述之測試模組1結合測試頭11及針測機13所組立而成之機台設備。故關於生物晶片之測試模組1之特徵描述如前段所述，在此便不再贅述。

在本實施例中，生物晶片之測試模組1係組設於針測機13上，而該針測機13結合位於測試模組1上之探針卡20，藉此針測機13內的移動載臺131所置放的生物晶片12，可透過移動載臺131調整生物晶片12之測試位置，將生物晶片12對位於針測機13上的測試模組1與探針卡20，進行測試液與電性測試，且訊號線15連接探針卡20與測試頭11之測試電路板14，可針對測試訊號提供即時的傳遞及運算，以達到全自動化測試生物晶片12的目的，有效提高測試效率。

藉由上述設計，本發明之生物晶片之測試設備測試過程中，可準確地將壓測頭4與生物晶片12壓合接觸，使得生物晶片12上之感測區域可完全包覆於彈性緩衝座42內，並保持彈性緩衝座42內測試液的流動性，在含有溶液的環境下進行檢測作業。

上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。

1‧‧‧測試模組
1A‧‧‧切換開關
10‧‧‧測試設備
11‧‧‧測試頭
12‧‧‧生物晶片
13‧‧‧針測機
131‧‧‧移動載臺
14‧‧‧測試電路板
15‧‧‧訊號線
2‧‧‧固定座
20‧‧‧探針卡
21‧‧‧通孔
22‧‧‧固定座本體
23‧‧‧止擋座
231‧‧‧止擋內緣
3‧‧‧中空套管
30‧‧‧彈簧
31‧‧‧止擋部
4‧‧‧壓測頭
41‧‧‧壓測頭本體
42‧‧‧彈性緩衝座
421‧‧‧擴展外緣
422‧‧‧容水槽
50, 500‧‧‧進氣管
51‧‧‧流體輸入管
511, 512‧‧‧流體輸入支管
52‧‧‧流體輸出管
53‧‧‧電極
54‧‧‧真空裝置

圖1係本發明一較佳實施例之生物晶片之測試模組之分解圖。 圖2係本發明一較佳實施例之生物晶片之測試模組之立體剖視圖。 圖3係本發明一較佳實施例之生物晶片之測試模組之另一視角之立體圖。 圖4係本發明一另一較佳實施例之生物晶片之測試模組之示意圖。 圖5A、5B及5C係本發明一再一較佳實施例之生物晶片之測試模組之示意圖。 圖6係本發明一較佳實施例之生物晶片之測試設備之立體圖。 圖7係本發明一較佳實施例之生物晶片之測試設備之剖視圖。

1‧‧‧測試模組

2‧‧‧固定座

20‧‧‧探針卡

3‧‧‧中空套管

30‧‧‧彈簧

31‧‧‧止擋部

4‧‧‧壓測頭

41‧‧‧壓測頭本體

42‧‧‧彈性緩衝座

51‧‧‧流體輸入管

52‧‧‧流體輸出管

53‧‧‧電極

Claims (20)

1. 一種生物晶片之測試模組，包括有：一固定座，具有一通孔，並於該固定座之底部固設一探針卡；一中空套管，穿過該通孔，穿設於該固定座內，其中，該中空套管穿設有至少一管路，該中空套管包括一止擋部，其容設於該固定座內並夾設一彈簧；以及一壓測頭，包括一壓測頭本體及一彈性緩衝座，該壓測頭本體組設於該中空套管上，該彈性緩衝座卡合於該壓測頭本體內，並連接該至少一管路。
2. 如申請專利範圍第1項之生物晶片之測試模組，其中，該至少一管路包括一流體輸入管及一流體輸出管。
3. 如申請專利範圍第2項之生物晶片之測試模組，其中，該至少一管路包括一進氣管。
4. 如申請專利範圍第2項之生物晶片之測試模組，其中，該流體輸入管一端組設一切換開關，其分別連接流體輸入支管。
5. 如申請專利範圍第4項之生物晶片之測試模組，其中，該至少一流體輸入支管包括一進氣管。
6. 如申請專利範圍第2項之生物晶片之測試模組，其中，該流體輸出管連接一真空裝置。
7. 如申請專利範圍第2項之生物晶片之測試模組，其中，該中空套管穿設有一與該彈性緩衝座連接之電極。
8. 如申請專利範圍第1項之生物晶片之測試模組，其中，該彈性緩衝座係以聚二甲基矽氧烷(PDMS)所製成。
9. 如申請專利範圍第1項之生物晶片之測試模組，其中，該彈性緩衝座具有一擴展外緣及一容水槽。
10. 一種生物晶片之測試設備，包括有：一針測機，具有一移動載臺，用以承載一生物晶片；一測試模組，置放於該移動載臺上，包括一固定座、一中空套管以及一壓測頭，該固定座具有一通孔，並於該固定座之底部固設一探針卡；該中空套管穿過該通孔，穿設於該固定座內，其中，該中空套管穿設有至少一管路；該壓測頭包括一壓測頭本體及一彈性緩衝座，該壓測頭本體組設於該中空套管上，該彈性緩衝座卡合於該壓測頭本體內，並連接該至少一管路；以及一測試頭，電連接該探針卡，而該測試頭設有至少一測試電路板。
11. 如申請專利範圍第10項之生物晶片之測試設備，其中，該中空套管更包括一止擋部，其容設於該固定座內並夾設一彈簧。
12. 如申請專利範圍第10項之生物晶片之測試設備，其中，該至少一管路包括一流體輸入管及一流體輸出管。
13. 如申請專利範圍第12項之生物晶片之測試設備，其中，該至少一管路包括一進氣管。
14. 如申請專利範圍第12項之生物晶片之測試設備，其中，該流體輸入管一端組設一切換開關，其分別連接流體輸入支管。
15. 如申請專利範圍第14項之生物晶片之測試設備，其中，該至少一流體輸入支管包括一進氣管。
16. 如申請專利範圍第12項之生物晶片之測試設備，其中，該流體輸出管連接一真空裝置。
17. 如申請專利範圍第12項之生物晶片之測試設備，其中，該中空套管穿設有一與該彈性緩衝座連接之電極。
18. 如申請專利範圍第10項之生物晶片之測試設備，其中，該彈性緩衝座係以聚二甲基矽氧烷(PDMS)所製成。
19. 如申請專利範圍第10項之生物晶片之測試設備，其中，該彈性緩衝座具有一擴展外緣及一容水槽。
20. 如申請專利範圍第10項之生物晶片之測試設備，其中，該探針卡與該測試頭之該至少一測試電路板之間具有一訊號線。