TWI809715B - 用於生物晶片的結構 - Google Patents
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Abstract
一種用於生物晶片的結構，適用於檢測溶液中的生物材料。結構包括基板、生物感應機構、介電層、閘極以及保護層。生物感應機構設置於基板上。生物感應機構具有反應區。介電層設置於基板與汲極上且具有第一開口。閘極設置於介電層上。保護層設置於閘極上且具有第二開口。第二開口對應於第一開口設置。第一開口暴露出反應區。第二開口暴露出反應區與閘極的部分。
Description
本發明是有關於一種結構，且特別是有關於一種用於生物晶片的結構。
在生物醫學的生物檢測儀器中，通常會搭配使用外接式的探針電極(例如銀/氯化銀電極)來檢測和定量液體檢測物(例如體液或類似)中的生物材料。然而，因為液體檢測物的多樣性、探針電極須配合液面高度以及探針電極需頻繁更換等問題，因而導致使用外接式的探針電極的生物檢測儀器無法大量普及。
本發明提供一種用於生物晶片的結構，其具有可降低整體體積並可減少後製程的繁複步驟與成本的效果。
本發明用於生物晶片的結構，適用於檢測溶液中的生物材料。結構包括基板、生物感應機構、介電層、閘極以及保護層。生物感應機構設置於基板上。生物感應機構具有反應區。介電層設置於基板與生物感應機構上且具有第一開口。閘極設置於介電
層上。保護層設置於閘極上且具有第二開口。第二開口對應於第一開口設置。第一開口暴露出反應區。第二開口暴露出反應區與閘極的一部分。
在本發明的一實施例中，上述的生物晶片更包括絕緣層。絕緣層設置於閘極與介電層之間。
在本發明的一實施例中，上述的溶液設置於第一開口與第二開口內。溶液接觸生物感應機構的反應區與閘極的部分。
在本發明的一實施例中，上述的閘極的材料包括銀、鈦、鎳或其組合。
基於上述，在本發明一實施例用於生物晶片的結構中，藉由將閘極整合在生物晶片中，因而可大幅降低生物晶片的整體體積，並可減少後製程的繁複步驟與成本(例如是不需額外製作外接式的探針電極)。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
100:生物晶片
110:基板
120:生物感應機構
121:第一區
122:第二區
123:反應區
130:辨識單元
140:源極
142:汲極
150:介電層
151:第一開口
160:閘極
161:第一部分
162:第二部分
170:保護層
172:第二開口
180:絕緣層
181:開口
191、192:導線
193、194:接墊
200:溶液
210:生物材料
Y:法線方向
圖1繪示為本發明一實施例的生物晶片的俯視示意圖。
圖2為圖1的生物晶片沿剖面線A-A’的剖面示意圖。
圖3為圖1的生物晶片沿剖面線B-B’的剖面示意圖。
圖1繪示為本發明一實施例的生物晶片的俯視示意圖。圖2為圖1的生物晶片沿剖面線A-A’的剖面示意圖。圖3為圖1的生物晶片沿剖面線B-B’的剖面示意圖。為了附圖清楚及方便說明，圖1省略繪示生物晶片100中的若干元件。
請同時參照圖1至圖3，本實施例的生物晶片100包括基板110、生物感應機構120、辨識單元130、源極140、汲極142、介電層150、閘極160以及保護層170。本實施例的生物晶片100可適用於檢測溶液200中的生物材料210。其中，溶液200可包括血清等體液，但不以此為限。生物材料210可包括微生物或生物分子，但不以此為限。舉例來說，微生物可例如是細菌以及病毒，生物分子可例如是核酸(包括去氧核醣核酸、核醣核酸或其組合)、核甘酸、蛋白質、碳水化合物以及脂質。此外，在一些實施例中，生物晶片100更包括絕緣層180、導線191、192以及接墊193、194。
具體來說，在本實施例中，基板110可以為矽基板或矽晶圓，舉例來說，基板110可例如是P型矽基板，但不以此為限。
生物感應機構120設置於基板110上。生物感應機構120具有第一區121、第二區122以及反應區123。第一區121與第二區122彼此相對，且第一區121與第二區122分別位於生物感應機構120的兩端。反應區123連接第一區121與第二區122，且反應區123位於第一區121與第二區122之間。在本實施例中，生
物感應機構120可視為是電晶體結構中的通道，以使電流可在生物感應機構120的閥值電壓(threshold voltage)被突破時(即通道開啟時)通過。
辨識單元130設置於生物感應機構120的反應區123上，以用於辨識溶液200中的生物材料210。在本實施例中，辨識單元130的一端可連接並固定於反應區123，且辨識單元130的另一端可用於辨識生物材料210。在一些實施例中，辨識單元130也可接觸反應區123，但不以此為限。此外，在本實施例中，辨識單元130可以為化學分子或生物分子，舉例來說，辨識單元130可例如是抗體、抗原、核酸、醣類或其組合，但不以此為限，只要辨識單元130可專一性地(specificity)辨識出生物材料210並結合至生物材料210即可。在本實施例中，辨識單元130可例如是以塗佈(coating)的方法設置於生物感應機構120的反應區123，但不以此為限。
源極140與汲極142分別設置於基板110上。源極140的一側可電性連接至生物感應機構120的第一區121，且汲極142的一側可電性連接至生物感應機構120的第二區122。源極140的另一側可透過導線191與接墊193電性連接至外部的電子元件(未繪示)，並可接受來自外部的電子元件所施加的電壓。汲極142的另一側可透過導線192與接墊194電性連接至外部的電子元件(未繪示)，並可透過外部的電子元件來測量由汲極142所輸出的電流。
介電層150設置於源極140與汲極142上。介電層150可覆蓋源極140、汲極142、部分的基板110以及部分的生物感應機構120(即生物感應機構120的第一區121與第二區122)。介電層150具有第一開口151，且第一開口151可暴露出生物感應機構120的反應區123以及辨識單元130。在本實施例中，介電層150的材料可例如是二氧化矽或其他合適的介電材料，但不以此為限。
絕緣層180設置於介電層150上，以覆蓋介電層150。絕緣層180可設置於閘極160與介電層150之間。絕緣層180具有開口181，且開口181可對應於介電層150的第一開口151設置。此外，開口181可連接第一開口151。開口181於基板110的法線方向Y上可重疊於第一開口151。開口181可暴露出生物感應機構120的反應區123以及辨識單元130。在本實施例中，絕緣層180的材料可例如是氮化矽或其他合適的絕緣材料，但不以此為限。
閘極160設置於介電層150上。閘極160具有第一部分161與第二部分162。第一部分161鄰近第一開口151，且第二部分162遠離第一開口151。第一部分161可接觸溶液200。第二部分162可電性連接至外部的電子元件(未繪示)，並可接受來自外部的電子元件所施加的電壓。在本實施例中，當外部的電子元件施加第一電壓於閘極160並施加第二電壓於源極140時，可使閘極160產生電場，以突破生物感應機構120的閥值電壓(threshold voltage)並開啟生物感應機構120的通道，以使源極140的電流可
通過生物感應機構120並傳遞至汲極142，進而使汲極142可輸出電流。
在本實施例中，閘極160可以為單層結構或多層結構，且閘極160的材料可包括銀、鈦、鎳、其組合、或其他不會與溶液及生物材料反應的金屬、或其他適用於生物檢測的金屬。舉例來說，閘極160可例如是單層的銀層、單層的鈦層。閘極160也可例如是由銀層、鎳層以及鈦層所組合的合金，其中鎳層位於銀層與鈦層之間，且銀層比鈦層更遠離基板110。
此外，在一些實施例中，閘極160可以繞線的方式設計，以提供均勻的電場。舉例來說，在生物晶片100的俯視示意圖中，閘極160的圖案可例如是螺旋狀的繞線(未繪示)，但不以此為限。另外，在本實施例中，閘極160的線寬例如是小於100微米(μm)，但不以此為限。
保護層170設置於閘極160上，以覆蓋部分的絕緣層180以及部分的閘極160(即第二部分162)。保護層170具有第二開口172，且第二開口172對應於介電層150的第一開口151設置。此外，第二開口172可透過開口181連接第一開口151。第二開口172於基板110的法線方向Y上可重疊於第一開口151。第二開口172可暴露出生物感應機構120的反應區123、閘極160的第一部分161以及辨識單元130。在本實施例中，保護層170的材料可例如是氮化矽與二氧化矽，但不以此為限。
在本實施例中，由於生物晶片100大致上是以半導體的
製程進行製作，且生物晶片100已將閘極160整合在其中，因此，本實施例的生物晶片100可大幅降低生物晶片100的整體體積以及其後製程的繁複步驟與成本(例如是不需額外製作外接式的探針電極)。此外，本實施例的生物晶片100可製作成可拋棄式的形式，以避免因重複使用而導致不同檢測溶液之間有交叉污染的風險。另外，本實施例的生物晶片100也可製作成可攜式的形式，以適用於各個場域且不限於檢測場所或實驗室。
本發明另外提供一種使用上述的生物晶片100的生物檢測方法，其大致上包括以下步驟：首先，提供如圖1至圖3所示的生物晶片100。
接著，加入溶液200至生物晶片100的第一開口151與第二開口172內，以使溶液200中的生物材料210可與反應區123上的辨識單元130進行反應。此時，當辨識單元130與生物材料210之間不具有專一性(specificity)時，辨識單元130則無法辨識出溶液200中的生物材料210，且生物材料210也不會結合至辨識單元130。反之，當辨識單元130與生物材料210之間具有專一性時，辨識單元130則可辨識出溶液200中的生物材料210，且生物材料210也會結合至辨識單元130。此外，要說明的是，本實施例並不對溶液200的體積加以限制，只要溶液200可同時接觸生物感應機構120的反應區123與閘極160的第一部分161即可。
接著，分別施加第一電壓與第二電壓於閘極160與源極140，以使閘極160可產生電場，並使汲極142可輸出來自源極140
的電流。具體來說，當生物材料210不會結合至辨識單元130時，生物感應機構120仍具有第一閥值電壓，因此，在施加第一電壓於閘極160並施加第二電壓於源極140之後，可使閘極160產生電場以突破生物感應機構120的第一閥值電壓，且可使源極140提供的電流通過生物感應機構120並傳遞至汲極142，以使汲極142可輸出第一電流。
反之，當生物材料210會結合至辨識單元130時，則會將生物感應機構120的第一閥值電壓改變成第二閥值電壓，因此，在施加第一電壓於閘極160並施加第二電壓於源極140之後，仍可使閘極160產生電場以突破生物感應機構120的第二閥值電壓，且可使源極140提供的電流通過生物感應機構120並傳遞至汲極142，只是汲極142可輸出不同於上述的第一電流的第二電流(即第二電流的電流量不同於第一電流)。
然後，測量電流，以得知辨識單元130是否辨識出生物材料210。具體來說，由於當辨識單元130辨識出溶液200中的生物材料210並結合至生物材料210時，會使生物感應機構120的第一閥值電壓變成第二閥值電壓，因此，在第一電壓與第二電壓不變的情況下，會使得從汲極142輸出的電流量發生變化，因而測得不同於第一電流的第二電流。換言之，當測量出的電流量有變化時，則可表示辨識單元130可辨識出溶液200中的生物材料210。
此外，在一些實施例中，生物晶片100也可應用於定量
溶液200中的生物材料210。具體來說，由於生物材料210的含量可與電流的變化幅度成正相關，因此，當生物材料210的含量越多時，可測量出的電流的變化幅度也會越大。因此，在檢測含有不同含量的生物材料210的溶液200時，便可依據電流的變化情形來計算出不同溶液200中的生物材料210的含量。
綜上所述，在本發明一實施例用於生物晶片的結構中，藉由將閘極整合在生物晶片中，因而可大幅降低生物晶片的整體體積，並可減少後製程的繁複步驟與成本(例如是不需額外製作外接式的探針電極)。藉此，可使本實施例的生物晶片可以為可拋棄式的形式，以避免因重複使用而導致不同檢測溶液之間有交叉污染的風險。此外，也可使本實施例的生物晶片可以為可攜式的形式，以適用於各個場域且不限於檢測場所或實驗室。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:生物晶片
110:基板
120:生物感應機構
123:反應區
130:辨識單元
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151:第一開口
160:閘極
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170:保護層
172:第二開口
180:絕緣層
181:開口
200:溶液
210:生物材料
Y:法線方向
Claims (3)
- 一種用於生物晶片的結構，適用於檢測溶液中的生物材料，包括：基板；生物感應機構，設置於所述基板上，且具有反應區；源極與汲極，分別設置於所述基板上，且分別電性連接至所述生物感應機構；辨識單元，設置於所述生物感應機構的所述反應區上，且用於辨識所述溶液中的所述生物材料；介電層，設置於所述基板與所述生物感應機構上，且具有第一開口；閘極，設置於所述介電層上，以及保護層，設置於所述閘極上，且具有第二開口，其中所述第二開口對應於所述第一開口設置，其中所述第一開口暴露出所述反應區，且所述第二開口暴露出所述反應區與所述閘極的一部分，其中所述溶液設置於所述第一開口與所述第二開口內，且所述溶液接觸所述生物感應機構的所述反應區與所述閘極的所述部分。
- 如請求項1所述的結構，更包括：絕緣層，設置於所述閘極與所述介電層之間。
- 如請求項1所述的結構，其中所述閘極的材料包括銀、鈦、鎳或其組合。
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