TWI623487B - 微流體感測元件及其製作方法 - Google Patents

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TWI623487B
TWI623487B TW106136508A TW106136508A TWI623487B TW I623487 B TWI623487 B TW I623487B TW 106136508 A TW106136508 A TW 106136508A TW 106136508 A TW106136508 A TW 106136508A TW I623487 B TWI623487 B TW I623487B
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    • B81C1/00222—Integrating an electronic processing unit with a micromechanical structure

Abstract

一種微流體感測元件，用以承載並感測液體的光電特性，包括：基材、圖案化導電層、疏水層、光電二極體層、透明電極層以及控制電路。圖案化導電層位於基材上，具有相互隔離，且依序相鄰的第一電極、第二電極和三電極。疏水層覆蓋第一電極和第二電極，用以承載液體。光電二極體層位於第三電極上，並與第三電極接觸。透明電極層，位於光電二極體層上，並與光電二極體層接觸。控制電路與第一電極和第二電極第三電極耦接，並在第一電極、第二電極和第三電極至少二者之間提供至少一個電壓差，以驅動液體在疏水層和透明電極層上運動。

Description

微流體感測元件及其製作方法
本揭露書是有關於一種生物微機電系統及其製造方法，特別是一種微流體感測元件。
生物資訊技術利用應用數學、資訊學、統計學和計算機科學等方法來收集、篩選、處理及利用各種生物學的資料。在進行生物資訊的收集、篩選、處理及利用的過程中，生物樣品的製備和分析需要耗費相當大的人力與時間。如何在成分複雜的檢體中，以最少的準備步驟(simple)實現高選擇性(high selectivity)、高敏感度(high sensitivity)及快速檢測的檢測方法，已是目前業界的一大挑戰。
生物微機電系統( biomedical microelectromechanical systems， Bio-MEMS)是將微機電系統技術應用在生命科學領域，具有分析時間短、樣品消耗少、自動化、快速平行分析與可拋棄式等優點。目前已被應用於生物資訊的收集、篩選、處理及利用。典型的生物微機電系統，是一種結合微流體裝置以及半導體尺度(scaled)的生物感測裝置(Bio-sensor)的生物晶片，可以把複雜的微小流道與控制流道運作的閥件整合至數公分見方的晶片上，提供一套處理與分析的檢驗流程。
然而，受限於實體流道和閥件的尺寸設計，傳統微流道裝置的製作尚無法與形成生物感驗裝置的半導體製程充分整合。而是必須另外藉由打線(wire bonding)或晶粒鍵合(die bonding)的方式將二者整合在一起。不僅製程工序較為繁複，也不符合元件微小化的趨勢。
因此，有需要提供一種先進的微流體感測元件及其製作方法，來解決習知技術所面臨的問題。
本說明書一實施例是揭露一種微流體感測元件(microfluid sensing device)，用以承載並感測液體的光電特性(optoelectronic properties)，包括：第一基材、圖案化導電層、第一疏水層(hydrophobic layer)、光電二極體層(photodiode layer)、透明電極層以及控制電路。圖案化導電層位於第一基材上，具有相互隔離，且依序相鄰的第一電極、第二電極和三電極。第一疏水層覆蓋第一電極和第二電極，用以承載液體。光電二極體層位於第三電極上，並與第三電極接觸。透明電極層，位於光電二極體層上，並與光電二極體層接觸。控制電路與第一電極、第二電極和第三電極耦接，並在第一電極、第二電極和第三電極至少二者之間提供至少一個電壓差，以驅動液體在第一疏水層和透明電極層上運動。
本說明書的另一實施例是揭露一種微流體感測元件的製作方法，包括下述步驟：首先，提供一個第一基材，並於第一基材上形成一個圖案化導電層，使圖案化導電層具有相互隔離，且依序相鄰的第一電極、第二電極以及第三電極。於第三電極上形成光電二極體層，使其與第三電極接觸。再於光電二極體層上形成透明電極層，使其與光電二極體層接觸。之後，形成一個第一疏水層，覆蓋第一電極和第二電極。後續，提供一個控制電路，耦接第一電極、第二電極和第三電極。
根據本說明書的實施例，本發明是在揭露一種微流體感測元件及其製作方法。其係藉由半導體製程，將包括至少一個第一電極、一個第二電極、一個第三電極和一個疏水層的微流體單元以及包括至少一個光電二極體層和一個透明電極層的光電感測器整合在一個基材上，以製作出一個同時具有半導體尺度之微流體單元和光電感測單元的微流體感測元件。
其中，第一電極、第二電極和第三電極位於同一個圖案化金屬層上。疏水層覆蓋於第一電極和第二電極上。透明電極層和光電二極體層覆蓋於第三電極上。並藉由與第一電極、第二電極和第三電極耦接的控制電路，來對第一電極、第二電極和第三電極施加不同電壓，利用介電濕潤(Electrowetting on Dielectric，EWOD)的原理來驅動用作為檢驗樣品的液滴，使其在疏水層和透明電極層上進行運動；再藉由光電感測單元量測檢驗樣品的光電特性。
通過半導體製程整合方法，可將微流體元件製作成為一種具有半導體尺度的生物微機電系統，並且和光電感測單元同時形成，不但簡化了微流體感測元件的製程步驟，且可以大幅降低元件尺寸。另外，藉由具有半導體尺度的微流體單元來對液滴狀的檢驗樣品進行運輸、試劑混合、分離和分散操作可以大幅減少試劑的用量與人工操作成本，同時提高檢驗的效能。
本說明書是提供一種微流體感測元件的製作方法，可簡化了微流體感測元件的製程步驟，並大幅降低微流體感測元件的尺寸。為了對本說明書之上述實施例及其他目的、特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉數個較佳實施例，並配合所附圖式作詳細說明。
但必須注意的是，這些特定的實施案例與方法，並非用以限定本發明。本發明仍可採用其他特徵、元件、方法及參數來加以實施。較佳實施例的提出，僅係用以例示本發明的技術特徵，並非用以限定本發明的申請專利範圍。該技術領域中具有通常知識者，將可根據以下說明書的描述，在不脫離本發明的精神範圍內，作均等的修飾與變化。在不同實施例與圖式之中，相同的元件，將以相同的元件符號加以表示。
請參照第1A圖至第1G圖，第1A圖至第1G圖係根據本說明書的一實施例，繪示製作微流體感測元件100的部分製程結構剖面示意圖。製作微流體感測元件100的方法，包括下述步驟：首先，提供一個基材101(如第1A圖所繪示)。在本說明書的一些實施例中基材101可以是一種玻璃基板、陶瓷基板、塑化基板或半導體基材。例如，在本實施例中，基材101可以是一種玻璃。
之後，於基材101上形成一個圖案化導電層102，使圖案化導電層102具有複數個相互隔離的電極。在本說明書的一些實施例中，形成圖案化導電層102的方式，可以包括下述步驟：首先，採用有機金屬化學氣相沉積(Metal-oxide Chemical Vapor Deposition，MOCVD)或物理氣相沉積Physical Vapor Deposition，PVD)製程，在基材101的上表面101a形成導電層，再以微影蝕刻技術移除一部分導電層，將一部分基材101表面暴露出來。
在本實施例中，圖案化導電層102具有相互隔離，且依序相鄰的第一電極102a、第二電極102b以及第三電極102c。且在第二電極102b和第三電極102c之間，還包括一個可選擇的(optional)環狀第四電極102d圍繞第三電極102c (如第1B圖所繪示)。但圖案化導電層102的電極數目其排列方式並不以此為限。其中，圖案化導電層102的材料，可以是金屬、透明導電氧化物(Transparent Conductive Oxide，TCO)或前述材料之組合。
接著，以例如化學氣相沉積製程形成一個介電層103，覆蓋在圖案化導電層102以及被暴露於出來的基材101表面。並藉由蝕刻步驟(未繪示)形成一貫穿開口103a，將一部分第三電極102c暴露於出來(如第1C圖所繪示)。在本說明書的一些實施例中，構成介電層103的材料可以是矽氧化物(silicon nitride)、氮化矽(silicon nitride)、氮氧化矽(silicon-oxy-nitride )或其他適合的介電材質。在本實施例中，介電層103較佳是一個氮化矽層。
再於介電層103上形成光電二極體層104，並且填充貫穿開口103a，使光電二極體層104與第三電極102c暴露於外的部分接觸。在本實施例中，光電二極體層104並不與第一電極102a和第二電極102b重疊(如第1D圖所繪示)，因光電二極體層的介電常數較低，若與第一電極102a和第二電極102b重疊，將會造成驅動電壓增大。光電二極體層104可以包括氮化鎵(Gallium Nitride，GaN)、氮化銦鎵(Indium Gallium Nitride，InGaN)、砷化鎵(Gallium arsenide，GaAs)、磷化鎵(Gallium Phosphide，GaP)、氮化鋁鎵(Aluminium Gallium Nitride，AlGaN)、磷化鋁鎵銦(Aluminium Gallium Indium Phosphide，AlGaInP)和富矽氧化層(silicon rich oxide，SRO)中的至少一種光電半導體材料。
然後，於光電二極體層104上形成透明電極層105，使透明電極層105與光電二極體層104接觸。在本說明書的一些實施例中，透明電極層105可以包括氧化銦錫(Indium Tin Oxide，ITO)。在本實施例中，透明電極層105直接覆蓋於光電二極體層104上，且不與第一電極102a和第二電極102b重疊 ，若與第一電極102a和第二電極102b重疊，將造成液滴無法在表面移動(如第1E圖所繪示)。但在本說明書的一些實施例中，透明電極層105可以與第一電極102a和第二電極102b重疊。
在形成透明電極層105之後，於介電層103上形成一個疏水層106，並以蝕刻製程移除位於透明電極層105和光電二極體層104上方的一部分疏水層106，使餘留下來的疏水層106覆蓋於第一電極102a和第二電極102b上(如第1F圖所繪示)。在本說明書的一些實施例中，疏水層106的材料可以是聚四氟乙烯(C 2F 4) n、全氟環狀聚合物(例如，由AGC Chemicals Company.公司所提供的Cyclized Perfluoro Polymer(CYTOP ®))、其他類似的材料或上述材料的組合。
後續，提供一個控制電路107，分別耦接至第一電極102a、第二電極102b、第三電極102c和第四電極102d完成微流體感測元件100的製備。請參照第1G圖，第1G圖係繪示微流體感測元件100的結構上視圖。其中，第1F係沿著第1G圖的切線S所繪製而成。在本實施例中，微流體感測元件100還包括與第一電極102a、第二電極102b、第三電極102c和第四電極102d鄰接，且彼此分離的第五電極102e、第六電極102f、第七電極102g和第八電極102h。每一個電極(第一電極102a至第八電極102h)分別對應一條導線108和一個銲墊(contact pad)109，並經由對應的導線108和銲墊109將其連接至控制電路107。
其中，控制電路107和第一電極102a至第八電極102h可以組成一個數位微流體平台(digital microfluid platform)111，利用介電濕潤原理來驅動作為檢驗樣品的液體110，在疏水層106和透明電極層105上運動。第三電極102c、透明電極層105和光電二極體層104，則可以組成一個用來量測液體110之光電特性(optoelectronic properties)的光電感測器112。
例如在本實施例中，液體110可以是一種粒徑尺寸實質上需大於電極(第一電極102a至第八電極102h)並接觸臨近電極之面積的液滴。控制電路107可以分別對第一電極102a至第八電極102h施加不同的電壓，以在任兩個相鄰電極(例如第二電極102b和第四電極102d)之間形成電壓差。利用電壓差改變液體110在不同方向的表面與疏水層106和/或透明電極層105之間的接觸角，以表面張力變化來驅動液體110的移動，使液體110由一個電極(例如第二電極102b)滾向另一個電極(例如第四電極102d)，最終移動至光電感測器112的透明電極層105的頂面105a上，並覆蓋於第三電極102c上。在一些實施例中，還可以藉由對環形第四電極102d和第三電極102c施加電壓，利用二者之間的壓差將位於透明電極層105之頂面105a的液體110(液滴)侷限於第三電極102c的上方，以進行後續的光電感測。
在本實施例中，液滴狀的液體110中可以包含螢光反應物質(未繪示)，當移動至第三電極102c的液體110(液滴)受到外部光線L(例如紫外光或螢光反應物質之激發波長光源)照射時，螢光反應物質會產生螢光，以激發光電二極體層104的光電效應，在第三電極102c和透明電極層105之間產生電流/電壓變化，並由透明電極層105傳輸至感測電路(未繪示)進行運算，以量測出液體110之光電特性，藉以轉換成特定物質之濃度。
然而，數位微流體平台111的配置與處理液體110的功能並不以此為限。例如請參照第2圖，第2圖係繪示採用第1G圖之微流體感測元件100對液體210進行混合處理時的操作示意圖。在第2圖所繪示的實施例中 ，二顆子液滴210a和210b分別位於第六電極102f和第八電極102h上方。當控制電路107分別對第六電極102f、第七電極102g和第八電極102h施加不同電壓，促使子液滴210a和210b 靠近第七電極102g的兩側弧面與疏水層106表面106a的接觸角減少時，二顆子液滴210a和210b會往第七電極102g移動，進而結合成為單一顆的液滴狀液體210。
請參照第3圖，第3圖係根據本說明書的另一實施例所繪示之微流體感測元件300的部分結構剖面示意圖。微流體感測元件300的部分結構大致與微流體感測元件100(第1G圖所繪示者)類似，差別在於透明電極層305的頂面305a和疏水層106的表面106a之間具有一個高度差H。若以基材101的上表面101a為量測基準，則透明電極層305的頂面305a實質高於疏水層106的表面106a。利用液體110與疏水層106的表面106a之間的接觸角實質大於液體110與透明電極層305的頂面305a之間接觸角的特性，可以使液滴狀的液體110更容易被移動至透明電極層305的頂面305a。
在本說明書的一些實施例中，透明電極層305的頂面305a和疏水層106的表面106a之間的高度差H，實質小於或等於位於疏水層106的表面106a上之液滴高度h的二分之一。液滴高度h可由下述公式計算： 其中， V為注入的液滴體積，S為液滴與疏水層106的表面106a的接觸面積。
請參照第4圖，第4圖係根據本說明書的又一實施例所繪示之微流體感測元件400的部分結構剖面示意圖。微流體感測元件400的結構大致與微流體感測元件100(第1G圖所繪示者)類似，差別在於微流體感測元件400還包括一個上方基材401，配置於基材101上表面101a上方，用來與基材101共同定義出一個腔室(cavity)402，以容許液體410在腔室402中運動。
在本說明書的一些實施例中，微流體感測元件40還包括另一個疏水層403，形成於上方基材401的表面401a上的。在本實施例中，由於基材101的表面101a上覆蓋有疏水層106，而疏水層403又面對基材101的表面101a。換言之，二個疏水層106和403係彼此相互面對，而腔室402則位於此二疏水層106和403之間。
另外，上方基材401和疏水層403之間較佳還包括一個共同電極層404。此共同電極層404與控制電路107電性連接，可以配合第一電極102a至第八電極102h對液體110施加電壓，以驅動液體110在在疏水層106和透明電極層105上運動。
第5圖係繪示採用第4圖的微流體感測元件400對液體510進行分離處理時的操作示意圖。液滴狀液體510位於第七電極102g上方。當控制電路107別分對第六電極102f、第七電極102g和第八電極102h施加不同電壓，促使液體110靠近第六電極102f和第八電極102h的兩側弧面與疏水層106之表面106a的接觸角減少時，液體210會因表面張力的驅使而分離成二顆子液滴510a和510b並分別往第六電極102f和第八電極102h方向移動。
根據本說明書的實施例，本發明是在揭露一種微流體感測元件及其製作方法。其係藉由半導體製程，將包括至少一個第一電極、一個第二電極、一個第三電極和一個疏水層的微流體單元以及包括至少一個光電二極體層和一個透明電極層的光電感測器整合在一個基材上，以製作出一個同時具有半導體尺度之微流體單元和光電感測單元的微流體感測元件。
其中，第一電極、第二電極和第三電極位於同一個圖案化金屬層上。疏水層覆蓋於第一電極和第二電極上。透明電極層和光電二極體層覆蓋於第三電極上。並藉由與第一電極、第二電極和第三電極耦接的控制電路，來對第一電極、第二電極和第三電極施加不同電壓，利用介電濕潤的原理來驅動用作為檢驗樣品的液滴，使其在疏水層和透明電極層上進行運動；再藉由光電感測單元量測檢驗樣品的光電特性。
通過半導體製程整合方法，可將微流體元件製作成為一種具有半導體尺度的生物微機電系統，並且和光電感測單元同時形成，不但簡化了微流體感測元件的製程步驟，且可以大幅降低元件尺寸。另外，藉由具有半導體尺度的微流體單元來對液滴狀的檢驗樣品進行運輸、試劑混合、分離和分散操作可以大幅減少試劑的用量與人工操作成本，同時提高檢驗的效能。
雖然本發明已以較佳實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何該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，當可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。
100、300、400‧‧‧微流體感測元件
101‧‧‧基材
101a‧‧‧基材的上表面
102‧‧‧圖案化導電層
102a‧‧‧第一電極
102b‧‧‧第二電極
102c‧‧‧第三電極
102d‧‧‧第四電極
102e‧‧‧第五電極
102f‧‧‧第六電極
102g‧‧‧第七電極
102h‧‧‧第八電極
103‧‧‧介電層
103a‧‧‧貫穿開口
104‧‧‧光電二極體層
105、305‧‧‧透明電極層
105a、305a‧‧‧透明電極層的頂面
106、403‧‧‧疏水層
106a‧‧‧疏水層之表面
107‧‧‧控制電路
108‧‧‧導線
109‧‧‧銲墊
110、210、510‧‧‧液體
111‧‧‧數位微流體平台
112‧‧‧光電感測器
210a、210b、510a、510b‧‧‧子液滴
401‧‧‧上方基材
401a‧‧‧上方基材的表面
402‧‧‧腔室
S‧‧‧切線
H‧‧‧高度差
h‧‧‧液滴高度
L‧‧‧外部光線
以下將藉由附圖來對本發明提供進一步的說明。其中，這些附圖會被併入而成為本說明書的一部分。 然而，本發明的範圍不應被解釋為僅限於這些附圖的內容。 第1A圖至第1G圖係根據本說明書的一實施例，繪示製作微流體感測元件的部分製程結構剖面示意圖； 第2圖係繪示採用第1G圖之微流體感測元件對液體進行混合處理時的操作示意圖; 第3圖係根據本說明書的另一實施例所繪示之微流體感測元件的部分結構剖面示意圖； 第4圖係根據本說明書的又一實施例所繪示之微流體感測元件的部分結構剖面示意圖；以及 第5圖係繪示採用第4圖的微流體感測元件對液體進行分離處理時的操作示意圖。
無。

Claims (11)

  1. 一種微流體感測元件(microfluid sensing device)，用以承載並感測一液體的一光電特性，包括： 一第一基材； 一圖案化導電層，位於該第一基材上，具有相互隔離，且依序相鄰的一第一電極、一第二電極和一第三電極； 一第一疏水層(hydrophobic layer)，覆蓋該第一電極和該第二電極，用以承載該液體； 一光電二極體層(photodiode layer)，位於該第三電極上，並與該第三電極接觸； 一透明電極層，位於該光電二極體層上，並與該光電二極體層接觸；以及 一控制電路，與該第一電極、該第二電極和該第三電極耦接，並在該第一電極、該第二電極和該第三電極至少二者之間提供至少一電壓差，以驅動該液體在該第一疏水層和該透明電極層上運動。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之微流體感測元件，其中該第一基材係一玻璃基板、一晶圓或一塑化薄膜。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之微流體感測元件，其中構成該圖案化導電層的材料，係選自於一金屬、一透明導電氧化物(Transparent Conductive Oxide，TCO)和前述之組合所組成的一族群；構成該透明電極層的材料包括銦錫氧化物(Indium Tin Oxide，ITO)。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之微流體感測元件，更包括一第二基材，位於該第一基材之一側，且與該第一疏水層定義出一腔室(cavity)，以容許該液體在其中運動。
  5. 如申請專利範圍第4項所述之微流體感測元件，更包括： 一第二疏水層，位於該第二基材上，且與該第一疏水層定義出該腔室；以及 一共同電極層；位於該第二基材和該第二疏水層之間。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之微流體感測元件，其中該透明電極層具有一頂面，其與該第一疏水層用來承載該液體的一表面實質共平面。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之微流體感測元件，其中該透明電極層具有一頂面，以該第一基材為基準，該頂面實質高於該第一疏水層用來承載該液體的一表面。
  8. 如申請專利範圍第7項所述之微流體感測元件，其中該液體係一液滴，且具有由該表面起算的一液滴高度，該頂面與該表面之間的一高度差實質小於或等於該液滴高度的二分之一。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之微流體感測元件，更包括一光源，提供至少一光線穿過該透明電極層入射至該光電二極體層。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之微流體感測元件，其中該圖案化導電層更包括一第四電極，圍繞該第三電極，且與該控制電路耦接。
  11. 一種微流體感測元件的製作方法，包括： 提供一第一基材； 於該第一基材上形成一圖案化導電層，使該圖案化導電層具有相互隔離，且依序相鄰的一第一電極、一第二電極以及一第三電極； 於該第三電極上形成一光電二極體層，使其與該第三電極接觸； 於該光電二極體層上形成一透明電極層，使其與該光電二極體層接觸； 形成一第一疏水層(hydrophobic layer)，覆蓋該第一電極和該第二電極；以及 提供一控制電路，耦接該第一電極、該第二電極和該第三電極。
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