專利名稱：操縱流體微滴的微流控芯片以及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及微流控芯片。
此外，本發(fā)明涉及一種操縱流體微滴的方法。
背景技術(shù)：
生物傳感器可以表示為用于檢測分析物的的裝置，該裝置將生物 部件與物理化學(xué)或物理檢測部件相組合。
這樣的生物傳感器可以在微流尺度上與基于微滴的液體操縱和 處理系統(tǒng)(如，基于微滴的樣本制備、混合、以及稀釋) 一起操作。 更具體地，這樣的系統(tǒng)可以涉及通過基于電潤濕的技術(shù)對微滴的處置。
WO 2006/044966公開了 一種單側(cè)電介質(zhì)上電潤濕裝置，其對于微 流控實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用來說是有用的。該裝置包括襯底、布置在襯底上的控 制電極元件陣列、布置在襯底和控制電極元件陣列上并且覆蓋襯底和 控制電極元件陣列的第一電介質(zhì)膜、布置在第一電介質(zhì)膜上的至少一 個接地電極元件、布置在第一電介質(zhì)膜和所述至少一個接地電極元件 上且覆蓋第一電介質(zhì)膜和所述至少一個接地元件的第二電介質(zhì)膜、以 及布置在第二電介質(zhì)膜上的電潤濕兼容表面膜。還公開了一種制造該 裝置的方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是在微流控裝置中精確地移動流體微滴。 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，提供了一種根據(jù)獨(dú)立權(quán)利要求的操縱流體微 滴的微流控芯片和方法。 -
根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施例，提供了一種用于操縱流體微滴(例如， 要分析的樣本)的微流控芯片，所述微流控芯片包括多個電極，被 布置在所述微流控芯片的流程后端(Back End of the Line, BEOL)部
5分中；以及控制單元(例如具有處理能力的集成電路)，適于控制所述 多個電極的電位，以產(chǎn)生用于使流體微滴沿著預(yù)定義的軌跡(例如， 沿著微流控芯片表面上特定的、預(yù)定義的路徑)移動的電力。
根據(jù)本發(fā)明的另一示例實(shí)施例，提供了一種操縱流體微滴的方 法，所述方法包括控制多個電極的電位以產(chǎn)生用于使所述流體微滴 沿著預(yù)定義的軌跡移動的電力，所述多個電極被布置在微流控芯片的 流程后端部分中。
術(shù)語"流程后端"(BEOL)或"流程后端部分"可以具體地表示 集成電路制造中在晶片上用布線互連有源部件的部分。通常，當(dāng)在所 加工的晶片上沉積第一金屬層時開始BEOL。 BEOL包括觸點(diǎn)、絕緣 體、金屬層面、以及用于芯片與外殼連接的接合點(diǎn)。因此，具體地， 集成電路的不與所加工的半導(dǎo)體襯底直接接觸的每個結(jié)構(gòu)部件可以被 看作屬于BEOL。
與此相反，術(shù)語"流程前端"(Front End of the Line, FEOL)或
"流程前端部分"可以具體地表示集成電路制造中在半導(dǎo)體中將獨(dú)立 的器件(晶體管、電阻器等)圖案化的第一部分。FEOL通常包含一直 到(但不包含)沉積金屬層的任何步驟。因此，具體地集成電路中作 為所加工的半導(dǎo)體襯底的一部分的每個結(jié)構(gòu)部件可以被看作屬于 FEOL。
換言之，流程后端部分可以直接位于流程前端部分的頂部(在與 制造過程相對應(yīng)的空間方向上)。
術(shù)語"生物傳感器"可以具體地表示可以用于對包括諸如DNA、 RNA、蛋白質(zhì)、酶、細(xì)胞、細(xì)菌、病毒等生物分子在內(nèi)的分析物進(jìn)行 檢測的任何裝置。生物傳感器可以將生物部件(例如，在能夠檢測分 子的傳感器有源表面處的俘獲分子)與生物化學(xué)或物理檢測器部件(例 如，具有由傳感器事件可修改的電容的電容器、或具有可以由傳感器 事件可修改的氧化還原電位的層、或具有由傳感器事件可修改的閾值 電壓或溝道導(dǎo)電率的場效應(yīng)晶體管)相組合。
術(shù)語"微流控芯片"可以具體地表示具體地以半導(dǎo)體技術(shù)，更具 體地以硅半導(dǎo)體技術(shù)，以及進(jìn)一步具體地以CMOS技術(shù)形成為集成電
6路(即，電子芯片)的微流控裝置。由于使用微工藝技術(shù)使得單片集 成的微流控芯片具有非常小尺寸的特性，從而，具體地當(dāng)微流控芯片 的尺寸或更準(zhǔn)確地微流控芯片部件的尺寸接近或達(dá)到生物分子尺寸的 量級時，所述微流控芯片可以具有較大的空間分辨率和較高的信噪比。 術(shù)語"生物粒子"可以具體地表示在生物學(xué)或在生物學(xué)或生物化
學(xué)過程中起到重要作用的任何粒子(如，基因、DNA、 RNA、蛋白質(zhì)、 酶、細(xì)胞、細(xì)菌、病毒等)。
術(shù)語"襯底"可以具體地表示諸如半導(dǎo)體、玻璃、塑料、絕緣體 等之類的任何合適的材料。根據(jù)示例實(shí)施例，術(shù)語"襯底"可以用于 一般地定義在感興趣的層或部分之下或之上的層的元件。此外，襯底 還可以是在其上形成例如半導(dǎo)體晶片(如，硅晶片或硅芯片)之類的 層的任何其他元件。
術(shù)語"流控樣本"可以具體地表示物質(zhì)的階段的任何子集。這樣 的流體可以包括液體、氣體、等離子體、以及在某種程度上的固體及 其混合物。流控樣本的示例是DNA，所述DNA包含流體、血液、(皮 下組織、肌肉或腦組織中的)間質(zhì)液、尿、以及其他體液。例如，流 控樣本可以是生物物質(zhì)。這樣的物質(zhì)可以包括蛋白質(zhì)、多肽、核酸、 DNA鏈等。
術(shù)語"流體微滴"可以具體地表示體積較小的(如，在納升(或 更小)、微升、或毫升(或更大)量級上的)流體結(jié)構(gòu)。微滴可以是小 體積的液體，部分地或幾乎完全被自由面約束。
術(shù)語"電潤濕"可以具體地表示用于激勵微流控裝置中的微滴的 技術(shù)。電潤濕可以允許在直接電控制下獨(dú)立地操縱大量的微滴而不用 泵、閥或甚至固定溝道?？梢詮乃┘拥碾妶龅玫降牧Φ姆矫鎭砝斫?電潤濕的現(xiàn)象。電解質(zhì)微滴的角處的邊緣場趨于將該微滴向下拉到電 極上，使宏觀接觸角變小，并增大微滴接觸面積。
根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例，在包括(半導(dǎo)體)襯底的電子芯片體 系結(jié)構(gòu)中提供單片集成的微流控芯片，在所述(半導(dǎo)體)襯底中微流 控芯片的第一電子部件形成在流程前端部分。在流程前端部分的上方， 可以提供由其他層和結(jié)構(gòu)組成的第二疊層作為流程后端部分。根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例，可以在流程后端部分中提供用于操縱或處置流體 微滴的有源區(qū)域。由于有機(jī)會在空間上單獨(dú)地產(chǎn)生流體激勵信號并將
該信號應(yīng)用到微流控表面，所以流體激勵部件的BEOL處理是有利的。 當(dāng)可以將用作流體激勵器的納電極制造得足夠小時，這樣的體系結(jié)構(gòu) 可以是尤為有禾ij的。例如，可以將這樣的納電極布i在尺寸為250nm、 130nm或更小的FEOL中，使得可以操縱獨(dú)立的微滴(droplet)或納微 滴(nanodroplet)。這可以允許獲得流體移動控制的精度的提高，并且 可以允許操縱在微升或納升量級上的、體積非常小的樣本。
針對流體激勵使用BEOL部分的特定優(yōu)點(diǎn)是可以使流控樣本的 液體成分(如，水溶液)與BEOL層相互作用，并通過BEOL疊層與下 面布置的FEOL疊層適當(dāng)?shù)胤珠_，使得FEOL部件(如，場效應(yīng)晶體管 的柵極區(qū)域)不會受到流控液體樣本污染或損壞的危險(xiǎn)。因此，通過 在BEOL中執(zhí)行流體激勵，可以可靠地將液體成分與在FEOL層中在 BEOL層下方提供的微電子檢測元件去耦合或隔離。以標(biāo)準(zhǔn)BEOL過程 提供的材料(例如，銅)具有用作BEOL電極的有利特性，所述BEOL 電極可以與掩埋式FEOL晶體管連接。
與本發(fā)明示例實(shí)施例相反，傳統(tǒng)的方法(如，WO 2006/044966 的方法)在微滴輸送方面表現(xiàn)出有限的效用，因?yàn)槌鲇谄胶饪紤]微滴 趨于穩(wěn)定在相鄰的電極之間。為了避免這樣的局限性，本發(fā)明的實(shí)施 例引入了關(guān)鍵的革新，這種革新允許制造更小的電極(例如，250nm 以及更小)并且還很大程度上減小了電極之間的間距，使得微滴達(dá)不 到電極之間的平衡狀態(tài)(如果需要的話，電極之間的間隔甚至可以在 納米量級上)。同時，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種微流控芯片的制造方 法，解決了傳統(tǒng)芯片制造過程中的復(fù)雜性。
因此，本發(fā)明的實(shí)施例解決了傳統(tǒng)微流控芯片中存在的局限性， 所述傳統(tǒng)流控芯片可能在流控粒子沿著芯片表面移動到期望的位置方 面缺乏精確性并且采用更復(fù)雜的制造方案。
由于分子診斷學(xué)領(lǐng)域正在朝著芯片上實(shí)驗(yàn)室(lab-on-chip)技術(shù) 的擴(kuò)展使用發(fā)展，所以分子診斷學(xué)領(lǐng)域變得可以實(shí)現(xiàn)在納米級操縱流 體?？梢栽诨谖⒌蔚?數(shù)字"流控電路中執(zhí)行流控操作，而不是使用機(jī)械或電動泵來驅(qū)動微溝道內(nèi)大量的流體。然后可以在數(shù)字流控電 路中執(zhí)行整個生物分析。這樣的構(gòu)思可以消除許多問題，如，與基于 溝道的微流控相關(guān)聯(lián)的泄漏和限制。由于能夠利用例如間接的表面潤 濕的優(yōu)點(diǎn)來處置流體微滴，數(shù)字流控電路是可能的。
根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例，可以提供微流控處理裝置，所述微流 控處理裝置包括由襯底層、襯底氧化硅層、氮化硅層、第二氧化硅層、 包括第一金屬電極和第二金屬電極的層、以及鈍化層(例如，由碳化 硅制成的)組成的疊層。電極可以至少部分地被相應(yīng)的阻擋層(可以
由Ta/TaN制成)所包圍并嵌入第二氧化硅層，使得每個電極的至少限 定的區(qū)域暴露，作為適于處理微流體的接觸區(qū)域。
這樣的微流控裝置可以完全與標(biāo)準(zhǔn)IC處理相兼容，并且可以允許 納微滴的高度受控處置。這樣的微流控裝置還易于制造并且可以與標(biāo) 準(zhǔn)后端CMOS工藝相兼容。此外，這樣的裝置可以在具有小臨界尺寸 的電極方面高度可縮放。這樣的微流控裝置還可以容易地集成到芯片 上實(shí)驗(yàn)室平臺中。此外，這樣的微流控裝置可以允許對微滴處置的精 確電子控制。這樣的裝置還可以具有較高的通用性，并且可以用于例 如基于微流控的系統(tǒng)和裝置。
接下來，將說明微流控芯片的其他示例實(shí)施例。然而，這些實(shí)施 例還用于操縱流體微滴的方法。
控制單元可以適于控制多個電極的電位，使得在特定時刻，所述 多個電極中恰好兩個(或更多，例如四個)相鄰電極被激勵以提供具 有相反極性的電位。換言之，大量電極中只有少量電極可以在特定時 刻被激勵，使得例如正極/正端子可以用于電極中的一個，或者負(fù)極/ 負(fù)端子可以用于另一個。這可以根據(jù)有效電壓的極性以及根據(jù)電特性 (如，電荷、極化性等)來強(qiáng)制帶電樣本或微滴從電極中的一個移動 到另一個。在兩個電極的這種控制期間，其余電極保持在浮置電位， 即，不是必須被控制。因此，采用非常簡單的方式，使得沿著預(yù)定路 徑精確地輸送流體是可能的。
微流控芯片可以包括襯底，其中以金屬鑲嵌技術(shù)(damascene technique)在所述襯底上具體地在襯底的上部形成多個電極。金屬鑲
9嵌技術(shù)可以表示用于將諸如銀或銅之類的金屬置于襯底中的金屬嵌入 技術(shù)，并且可以是產(chǎn)生掩埋式電極部分的非常簡單的過程，所述掩埋 式電極部分可以與在金屬鑲嵌電極部分上方和/或下方提供的其他電 極結(jié)構(gòu)相組合，該金屬鑲嵌電極部分被用作位置較低的集成電路部件 和電極的尺寸較小的表面部分之間的橋接。
微流控芯片可以在襯底與所述多個電極之間具有阻擋結(jié)構(gòu)。利用
這樣的阻擋結(jié)構(gòu)(可以是由Ta/TaN制成的)，可以以提高的質(zhì)量來制造 微流控芯片。
可以在所述多個電極上提供圖案化的鈍化層。所述多個電極中的 每個可以包括形成于襯底中的第一部分呢以及可以包括在所述第一部 分上方并且被布置在鈍化層的槽中的第二部分，其中所述第二部分的 暴露面積比所述第一部分的表面面積小。因此，可以執(zhí)行從襯底內(nèi)部 較大電極尺寸到有源表面處較小電極尺寸的轉(zhuǎn)換，其中用于流體激勵 的微流控芯片的功能有效尺寸可以依賴于表面附近部分的較小尺寸。 這可以允許制造最小的電極結(jié)構(gòu)，從而允許高效地激勵非常小體積的 流體。
對所述多個電極中的每個可獨(dú)立尋址。換言之，專用于特定電極 的電信號僅可以用于該電極。這可以允許精確地調(diào)節(jié)微滴移動可能的 路徑。
微流控芯片可以包括襯底，在所述襯底中和/或上布置多個電極， 該微流控芯片還可以包括覆蓋物，其中可以在襯底和覆蓋物之間提供 間隙用于容納流體微滴。因此，非常小尺寸的(例如，具有微升或更 小量級的體積的)的樣本可以被夾在襯底與覆蓋物之間，并從而可以 有效地防止該樣本蒸發(fā)，這對于非常小的體積的獨(dú)立液滴沿微流控芯 片表面的移動特別重要。因此，覆蓋物可以保護(hù)樣本并防止樣本蒸發(fā)。
微流控芯片可以被用作單側(cè)電潤濕裝置或單側(cè)電介質(zhì)上電潤濕 裝置。單側(cè)電潤濕裝置具有在電極材料與樣本之間的直接接觸。關(guān)于 單側(cè)電介質(zhì)上電潤濕，可以在電極與流體之間提供電介質(zhì)層。CMOS 工藝可以與這兩個方案(單側(cè)電潤濕和單側(cè)電介質(zhì)上電潤濕技術(shù))都 兼容。微流控裝置可以沒有反電極。反電極可以用于與流體微滴的電連 接，使得流體微滴的電位保持等于反電極的電位。本發(fā)明的實(shí)施例不 需要這樣的反電極，從而可以被制造得更小并且可以更易于操作。這 可以允許簡單的構(gòu)造。除此之外，對流控樣本的電影響僅可以從流控 樣本的一側(cè)(空間)起作用。因此，可選的覆蓋元件也可以沒有任何 電極結(jié)構(gòu)。
可以將所述多個電極布置在微流控芯片的流程后端部分的上表 面上。因此，流控激勵部件可以直接位于集成電路的末端，這可以簡 化微流控裝置的構(gòu)造。
微流控芯片可以包括在流程后端部分中的至少一個中間金屬化 結(jié)構(gòu)，具體地，至少一個中間銅結(jié)構(gòu)，其中所述多個電極可以經(jīng)由所 述至少一個中間金屬化結(jié)構(gòu)電耦合至微流控芯片的流程前端部分。采 用這種方式，可以將流體分離部件與掩埋的較低位置集成電路元件在 空間上分開以提供其他電功能，如，電控制功能。
所述多個電極的至少一部分的暴露表面具有小于300nm的尺寸。 因此，可以制造出尺寸非常小的電極，這是操縱體積非常小體積的流 體的基礎(chǔ)。
可以以CMOS技術(shù)來制造微流控芯片。CMOS技術(shù)，具體地最新 代CMOS技術(shù)允許制造尺寸非常小的結(jié)構(gòu)，使得通過具體地在流程前 端中實(shí)現(xiàn)CMOS技術(shù)將提高裝置的(空間)精度。BiCMOS工藝實(shí)際 上是添加雙極晶體管的、具有某些附加工藝步驟的CMOS工藝。
可以將微流控芯片裝置單片地集成在半導(dǎo)體襯底中，具體地，包 括由IV族半導(dǎo)體(如，硅或鍺)以及III族-IV族半導(dǎo)體(如，砷化鎵) 組成的組中的至少一種。
微流控芯片可以包括多個阱，這多個阱中的每個被布置在所述多 個電極中相應(yīng)的一個電極的上方并且適于至少部分地容納流體微滴。 因此，在電極上方可以提供凹口 (如，表面中的下沉)，該凹口可以接 收沿著阱/電極對的路徑移動的微滴。這樣的凹槽布置可以在特定電極 處為微滴提供穩(wěn)定的支撐，使得微滴可以安全地從一個阱/電極對移動 到下一個阱/電極對。微流控裝置可以是傳感器裝置、傳感器讀出裝置、芯片上實(shí)驗(yàn)室、 電泳裝置、樣本輸送裝置、樣本混合裝置、樣本洗滌裝置、樣本提純
裝置、樣本放大裝置(ample amplification device,)、樣本提取裝置或 雜化分析裝置(的至少一部分)。具體地，可以在任何類型的生命科學(xué) 裝置中實(shí)現(xiàn)微流控裝置。
根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例，可以提供用于處置納微滴的電潤濕裝 置。具體地，可以提供微流控激勵裝置，可以根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制造技 術(shù)來制造該微流控激勵裝置，并且例如可以將所述微流控激勵裝置集 成在正常CMOS流程中，在所述正常CMOS流程中可以放置一個或跟 多個附加傳感器。此外，這可以允許制造超小電極，從而電極可以彼 此非常接近并非常高效地激勵流體。
流體的激勵(移動)方向可以依賴于電極的控制，具體地，依賴 于電極形狀和分離以及依賴于施加到電極的AC (交流)場接通和斷開 的方式。
因此，可以提供兩個或跟多個電極的布置，所述電極可以是等間 距的，這有助于創(chuàng)建均勻地拖曳流體的規(guī)則且均勻的對流環(huán)。這樣的 微流控裝置的表面可以是平坦的，以避免流體與表面之間的摩擦力。 電極的形狀可以是矩形的，或者可以具有諸如梯形形狀之類的備選形 狀。本發(fā)明的實(shí)施例不限于光致抗蝕劑圖案化(即，在嵌入襯底中的 金屬電極上方的鈍化層中的開口)的大小，使得可以使用傳統(tǒng)的后端 CMOS工藝。示例性電極金屬材料可以是鋁或銅。在蝕刻于電絕緣層 中的槽中可以預(yù)見阻擋層，隨后在所述電絕緣層中沉積了銅材料；可 以提到的是可以使用與CMOS制造兼容的任何阻擋材料。
電滲透的有利特性是利用傳遞至流體的動量來移動流體本身，并 且流體拖曳浸入其中的任何物體。這與通過流體來拖曳粒子的電泳相 反。本發(fā)明的實(shí)施例與具有要激勵的生物分子(例如，相應(yīng)緩沖溶液 中的DNA以及合適緩沖溶液中的蛋白質(zhì))的許多種特定流體兼容。
本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種避免任何復(fù)雜性、具體地避免液滴穩(wěn) 定在電極之間的微流控裝置。為此，可以實(shí)現(xiàn)后端半導(dǎo)體工藝的使用， 這可以允許制造較小(例如，250nm以及更小)的電極，并且可以允許顯著減小電極之間的間距使得微滴達(dá)不到在相鄰電極之間的平衡狀 態(tài)(如果需要的話，間距可以在納米的量級上)。
根據(jù)示例實(shí)施例，可以通過選擇性地偏置相鄰電極對來移動液 滴，使得通過允許所有直接圍繞的電極的電位浮置，這些相鄰電極對 選擇性地用作驅(qū)動或參考電極。這可以表示為單側(cè)電潤濕裝置。這樣， 不需要提供連續(xù)的接地電極。此外，如果需要的話，可以將微滴限制 在所覆蓋的微溝道內(nèi)以避免微滴蒸發(fā)。
根據(jù)本發(fā)明的示例實(shí)施例，可以在CMOS平臺上制造電潤濕系統(tǒng)， 這允許驅(qū)動和浮置電極由針對該電極的合適CMOS電子設(shè)計(jì)來控制。
可以在由第一電極和第二電極所施加的電場產(chǎn)生的力、以及穩(wěn)定 在兩者之一中(例如，第一電極中)的微滴的方面，來理解電潤濕現(xiàn) 象。電解質(zhì)微滴的角處的邊緣場趨于將微滴向下拉到第二電極上，減 小微觀接觸角，以及增大微滴接觸面積。最終結(jié)果可以是微滴從一個 電極到另一電極的位移。可以根據(jù)Lippmann-Young方程通過電位來控 制電極表面上液體微滴的接觸角
cos e( 0 - cos 9(0) = ~^~K2
在該方程中，e(F)是在電位rf的接觸角，Y^是液體蒸汽界面處
的表面張力，s和t分別是絕緣層的介電常數(shù)和厚度。在施加交流(AC) 電壓的情況下，將V替換成均方根(RMS)電壓。
根據(jù)示例實(shí)施例，可以提供一種制造裝置的方法，該方法與標(biāo)準(zhǔn) IC工藝完全兼容并且允許納微滴的高度受控處置。具體地，可以提供 一種用于微流控處置的裝置。更具體地，可以提供一種制造納電極的 方法，該方法與標(biāo)準(zhǔn)IC工藝兼容并且允許將微流控激勵裝置用在生物 分子處置中。
對于任何方法步驟，可以實(shí)現(xiàn)從半導(dǎo)體技術(shù)已知的任何傳統(tǒng)過 程。形成層或部件可以包括諸如CVD (化學(xué)氣相沉積)、PECVD (等 離子增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積)、ALD (原子層沉積)、或?yàn)R射之類的沉積技 術(shù)。去除層或部件可以包括諸如濕蝕刻、等離子蝕刻等在內(nèi)的蝕刻技 術(shù)以及諸如光刻、UV光刻、電子束光刻等的圖案化技術(shù)。
13本發(fā)明的實(shí)施例不限于特定材料，因此可以使用許多不同的材 料。對于導(dǎo)電性結(jié)構(gòu)，可以使用金屬化結(jié)構(gòu)、硅化物結(jié)構(gòu)、或多晶硅 結(jié)構(gòu)。對于半導(dǎo)體區(qū)域或部件，可以使用晶體硅。對于絕緣部分，可 以使用氧化硅或氮化硅。
可以在純的晶體硅晶片上或在SOI晶片(絕緣體上硅)上形成生
物傳感器。
可以實(shí)現(xiàn)諸如CMOS、 BIPOLAR、以及BICMOS之類的任何工藝技術(shù)。
從下文所描述的實(shí)施例的示例，本發(fā)明的以上限定的方面和其他 方面將顯而易見，并且參考這些實(shí)施例的示例，本發(fā)明的以上限定的 方面和其他方面將得以說明。


以下將參考實(shí)施例的示例來描述本發(fā)明，然而本發(fā)明不限于所述
實(shí)施例的示例。
圖1至圖6示出了根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施例的微流控芯片。 圖7至圖13示出了根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施例的、在微流控芯片的制
造期間獲得的層序列。
具體實(shí)施例方式
附圖中的圖示是示意性的。在不同附圖中，以相同的參考標(biāo)記來 提供相似或相同的元素。
在下文中，參考圖l，將說明根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施例的、用于操 縱流體微滴101的微流控芯片100。
裝置100包括硅襯底107，在所述硅襯底107中集成了多個部件。 在裝置100的上面部分，在硅襯底107上方的電絕緣層140中形成電極 103。然而，可以將電絕緣層140和硅襯底107表示為"襯底"。
微流控芯片100包括流程前端部分105和流程后端部分104，其中 電極103形成在流程后端部分104中。
在流程前端部分105，作為集成電路提供控制電路106，所述控制電路106適于控制多個電極103的電位，以選擇性地產(chǎn)生用于使流體微 滴101沿著預(yù)定義的軌跡(即，根據(jù)圖l在從左到右的水平方向上)移 動的電力。
備選地，還可以在單獨(dú)的裝置中與微流控芯片100分開地形成控 制電路106。
控制電路106適于控制多個電極103的電位，使得在圖l所示的情 況下， 一個電極103a具有正極性，另一電極103b具有負(fù)極性，而所有 其余電極103浮置，即，不具有任何限定的電位。因此，在本實(shí)施例中， 在分別帶正電和負(fù)電的電極103a和103b之間產(chǎn)生電場，使得當(dāng)微滴101 帶正電時微滴101在電力的影響下從帶正電的電極103a被輸送至帶負(fù) 電的電極103b。因此，根據(jù)圖l的體系結(jié)構(gòu)，在微升情形下的流體微滴 IOI的輸送是可能的。
電極103包括以金屬鑲嵌技術(shù)集成在層140內(nèi)的金屬鑲嵌部分 110，以及包括暴露部分lll (暴露于樣本室中，液體微滴101在樣本室 中移動)，所述暴露部分111填充在鈍化層109中形成的槽中，以與相應(yīng) 的金屬鑲嵌部分110導(dǎo)電連接。除此之外，在鈍化層109中的每個槽中 形成阻擋部分108，所述阻擋部分108可以由Ta/TaN制成。電極103的部 分110和111是由銅材料制成的。
經(jīng)由埋入式電連接120 (可以由不同金屬化層中的若干結(jié)構(gòu)構(gòu) 成)，可對多個電極103中的每個電極103獨(dú)立尋址(address)。
微流控裝置100包括抬高的覆蓋元件112，其中在鈍化層109的表 面和覆蓋112之間形成作為樣本室的間隙121。在該間隙121內(nèi)，容納流 體微滴IOI，并且保護(hù)流體微滴101不受外部影響且不蒸發(fā)。
微流控芯片100是以COMS技術(shù)形成的，并且適于作為生物傳感器 芯片，即，由生物相容的材料制成，所述生物相容的材料使得可以在 微流控裝置100中輸送和分析包括蛋白質(zhì)和DNA在內(nèi)的生物樣本(如， 微滴IOI)。
采用裝置IOO，可以對微滴101執(zhí)行微流控激勵。為此，可以將流 體微滴101在圖1中從左側(cè)移動到右側(cè)，并且可以在該移動過程中使流 體微滴101與其他流體微滴相互作用(例如，以便進(jìn)行混合、合并、或
15觸發(fā)反應(yīng))。例如，可以執(zhí)行化學(xué)或生物化學(xué)反應(yīng)、細(xì)胞溶解、聚合酶
鏈反應(yīng)(PCR)、洗滌步驟等，以處置或分析流控樣本101。在該過程 的結(jié)尾，可以將流控樣本101輸送至感測部分130以供感測/檢測。感測 部分130包括感測袋131，在所述感測袋131中固定了多個俘獲分子132。 當(dāng)流體微滴101中包括與俘獲分子132互補(bǔ)的分子時，可能出現(xiàn)雜化事 件并且傳感器袋130環(huán)境中相應(yīng)的電特性可能發(fā)生改變，從而產(chǎn)生感測 電極133電位的變化，該變化也可以由控制單元106來感測。
生物傳感器芯片100基于以下現(xiàn)象例如，當(dāng)抗體的抗體接合片 段(antibody-binding fragment)或DNA單鏈序列(作為俘獲分子132) 符合流控樣本101的目標(biāo)分子的相應(yīng)序列或結(jié)構(gòu)時，固定在感測電極 132表面上的俘獲分子132可以選擇性地與流控樣本101中的目標(biāo)分子
雜化。當(dāng)在傳感器表面發(fā)生這樣的雜化或傳感器事件時，這可以改變 該表面的電特性，該電特性的改變可以由控制單元106檢測為傳感器事件。
在下文中，參考圖2，將說明根據(jù)本發(fā)明另一示例實(shí)施例的微流 控芯片200。
在更詳細(xì)描述圖2之前，將說明AC電滲透(ACEO)。 當(dāng)向電極103施加電位時，電場使得電荷201、 202在電極103的表 面上累積，這可以改變表面附近的電荷密度，并且可以形成電偶層。 該過程可以稱作電極極化。電偶層與電場的切向分量相互作用。如從 圖2可以看出，可以在電偶層上產(chǎn)生凈力，該凈力導(dǎo)致流體運(yùn)動。
在交替的電場中，電偶層中電荷201、 202的符號和電場切向分量 的方向都發(fā)生改變。因此，當(dāng)極性改變時，流體上合力的方向保持相 同。
在平行電極103表面上的電滲透速度v可以是
1 《Q2 8 Hr(l + Q2)2
其中，s是電解質(zhì)的介電常數(shù)，Ke是施加到電極103的電勢，^是電 解質(zhì)的粘度，r是從電極間隙的中心到感興趣的點(diǎn)的距離。無綱量頻率 Q由以下給出<formula>formula see original document page 17</formula>
其中，O)是所施加的電場的角頻率，CJ是電解質(zhì)的導(dǎo)電率，K是電
偶層的倒易德拜長度(reciprocal Debye length)。 AC電滲透所驅(qū)動的 大量流體運(yùn)動依賴于電極103的幾何特性，并且是可以在數(shù)字上計(jì)算 的。數(shù)字仿真預(yù)測電極103頂部流體的環(huán)流。
返回圖2，說明了AC電滲透系統(tǒng)，其中參考數(shù)字203和204表示庫 侖力，參考數(shù)字201、 202表示電偶層中的感生電荷。以參考數(shù)字205 來表示電場的切向分量，參考數(shù)字206示出了流體流動的方向和速度。
接下來，參考圖3，將說明根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施例的微流控芯片
300。
裝置300包括硅襯底301、氧化硅層302、氮化硅層303、 Ta/TaN阻 擋層10S、銅電極103以及非常薄的碳化硅層304。
為了制造微流控芯片300，所有制造僅涉及例如在金屬鑲嵌技術(shù) 中使用的標(biāo)準(zhǔn)流程后端(BEOL)處理。在本實(shí)施例中使用碳化硅層 304來允許執(zhí)行電介質(zhì)上電潤濕(EWOD)。
與此相反，圖4所示的根據(jù)本發(fā)明另一示例實(shí)施例的微流控芯片 400包括圖案化的碳化硅層401，所述碳化硅層401允許執(zhí)行電潤濕 (EW)。圖4示出了沿著圖5的線K-K'的橫截面
從而圖5示出了微流控裝置400的平面圖。
經(jīng)由包括在封裝中的入口501在裝置400中注入左側(cè)的微滴506。 中心部分的微滴507是受控滴落運(yùn)動的示例，沿著箭頭509所指示的方 向移動。在圖5的右側(cè)示出了兩個微滴505，如圖5中箭頭510所指示的， 這兩個微滴目前被相應(yīng)的力所合并。
如從圖5可以看出，每個電極103包括厚接觸部分502，可以經(jīng)由 該厚接觸部分502來向相應(yīng)的電極103施加電信號；包括薄中間部分 503;以及包括面積比厚接觸部分502的面積小的矩形末端部分504。使 各個電極103的部分504對齊，以形成流體運(yùn)動軌跡505。流體運(yùn)動軌跡 505是垂直于長方形中間部分503而布置的。接觸部分502的面積比軌跡 部分504的面積大，從而接觸部分502以交替的幾何方式布置在流體運(yùn)動軌跡505的不同側(cè)上。
如從圖5可以看出，電極103中的一些帶負(fù)電，其他的帶正電，從 而啟動中間部分中微滴507的滴落運(yùn)動，或右側(cè)兩個微滴508的合并運(yùn)動。
圖6示出了根據(jù)本發(fā)明另一示例實(shí)施例的微流控芯片600的平面圖。
此外，在該實(shí)施例中，每個電極103包括接觸部分502、中間部分 503、以及流體接觸部分504。圖6示出了流體在其中啟動流體循環(huán)的布 置，即，沿著圖6中箭頭601的循環(huán)流體運(yùn)動。圖6中的每個電極103可
獨(dú)立尋址。
在下文中，參考圖7至圖13，將說明根據(jù)本發(fā)明示例實(shí)施例的制 造微流控裝置的過程。
為了獲得圖7所示的層序列，在層140的槽中形成Ta/TaN阻擋加上 銅種子700 (在BEOL處理的情況下)。以銅材料填充含有襯里的槽以 形成電極103。
為了獲得圖8所示的層序列，在圖7所示的層序列上沉積鈍化層
109。
此后，如從圖9所示的層序列可以看出，在圖8所示的層序列的表 面上沉積光致抗蝕劑層900。
為了獲得圖10所示的層序列，將光致抗蝕劑層900圖案化，并對 鈍化層109進(jìn)行蝕刻以形成槽1000。例如通過剝離(stripping)來去除 光致抗蝕劑900。
為了獲得圖ll所示的層序列，在圖10所示的層序列上沉積Ta/TaN 阻擋1100和銅種子結(jié)構(gòu)1101。
為了獲得圖12所示的層序列，執(zhí)行鍍銅過程，以產(chǎn)生銅結(jié)構(gòu)1200。
為了獲得圖13所示的層序列，通過執(zhí)行金屬CMP ("化學(xué)機(jī)械拋 光")來部分地去除銅層112，然后沉積有機(jī)BTA層1300用于電極隔離。
在圖13中，每個電極103以垂直于紙平面的方向延伸?？梢允褂?例如與每個電極103相關(guān)聯(lián)的鍵合焊盤以及利用內(nèi)部(意味著芯片上) 或外部電子部件來(以正或負(fù)電壓)對每個電極103獨(dú)立尋址。例如可以利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝在銅電極103的每一端處制造鍵合焊盤?？梢詫?電極陣列嵌入微流控溝道作為其關(guān)鍵部分，隨后將所述電極陣列封裝 到通用芯片上實(shí)驗(yàn)室上。通過這種方式，可以顯著提高所產(chǎn)生的微流 控芯片的質(zhì)量。
最后應(yīng)注意的是，上述實(shí)施例說明而不限制本發(fā)明，在不脫離所 附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的范圍的前提下，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以設(shè) 計(jì)出許多備選實(shí)施例。在權(quán)利要求中，圓括號中的任何參考標(biāo)記都不 應(yīng)被就誒是為限制權(quán)利要求。詞語"包括"和"包含"等不排除除了 權(quán)利要求或說明書全文中所列之外的元件、材料或步驟的存在。單個 提及的元件不排除這樣的元件的復(fù)數(shù)提及，反之亦然。在列舉了若干 裝置的權(quán)利要求中，這些裝置中的一些可以由同一軟件或硬件項(xiàng)目來 體現(xiàn)。重要的是在互不相同的從屬權(quán)利要求中陳述的特定措施并不表 示不能有利地使用這些措施的組合。
權(quán)利要求
1、一種用于操縱流體微滴(101)的微流控芯片(100)，所述微流控芯片(100)包括多個電極(103)，被布置在所述微流控芯片(100)的流程后端部分(104)中；控制單元(106)，適于控制所述多個電極(103)的電位，以產(chǎn)生用于使流體微滴(101)沿著預(yù)定義的軌跡移動的電力。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微流控芯片(100)，所述微流控芯片 (100)適于與所述多個電極(103)的對齊方向平行地或垂直地對流體微滴(101)執(zhí)行液體和/或分子輸送。
3、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的微流控芯片(100)，所述微流控芯片 (100)適于使用由介電電泳、電滲透、以及電泳組成的組中的一種技術(shù)來對流體微滴(101)執(zhí)行液體和/或分子輸送。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微流控芯片(100)，所述控制單元(106) 適于控制所述多個電極(103)的電位，使得在特定時刻所述多個電極(103)中兩個相鄰的電極被激勵以提供具有相反極性的電位。
5、 根據(jù)權(quán)利要求4所述的微流控芯片(100)，其中，所述控制電 路(106)適于控制所述多個電極(103)的電位，使得當(dāng)所述多個電 極(103)中兩個相鄰的電極被激勵時，其余的電極(103)具有浮置 電位。
6、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微流控芯片(100)，包括襯底(107)， 其中，所述多個電極(103)是以金屬鑲嵌技術(shù)形成在襯底(107)上 的。
7、 根據(jù)權(quán)利要求6所述的微流控芯片(100)，包括在襯底(107) 與所述多個電極(103)之間的阻擋結(jié)構(gòu)(108)。
8、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微流控芯片(100)，包括所述多個電極 (103)上圖案化的鈍化層(109)，其中，所述多個電極(103)中的每個電極包括在襯底(107)中形成的第一部分(110)以及包括在所述第一部分(110)上方并且在所述鈍化層(109)的槽中的第二部分 (111)，其中，所述第二部分(111)的暴露面積比所述第一部分(110) 的表面積小。
9、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微流控芯片(100)，其中，所述多個電 極(103)中的每個電極可獨(dú)立尋址。
10、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微流控芯片(100)，包括襯底(107) 并包括覆蓋物(112)，所述多個電極(103)被布置在所述襯底(107) 中和/或所述襯底(107)上，其中在所述襯底(107)與所述覆蓋物(112) 之間提供間隙(121)以容納流體微滴(101)。
11、 根據(jù)權(quán)利要求10所述的微流控芯片(100)，其中，所述覆蓋 物(122)沒有電極。
12、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微流控芯片(100)，所述微流控芯片 (100)適于作為單側(cè)電潤濕裝置或作為單側(cè)電介質(zhì)上電潤濕裝置。
13、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微流控芯片(100)，其中，所述微流 控芯片(100)沒有反電極。
14、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微流控芯片(100)，其中，所述多個 電極(103)被布置在所述微流控芯片(100)的流程后端部分(104) 的上表面處。
15、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微流控芯片(100)，包括在所述流程 后端部分(104)中的至少一個中間金屬化結(jié)構(gòu)(113)，具體地至少一 個中間銅結(jié)構(gòu)，其中所述多個電極(103)經(jīng)由所述至少一個中間金屬 化結(jié)構(gòu)(113)電耦合至所述微流控芯片(100)的流程前端部分(104)。
16、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微流控芯片(100)，其中，所述多個 電極(103)的至少一部分的暴露表面具有小于300nm的尺寸，具體地 具有小于100nm的尺寸。
17、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微流控芯片(100)，所述微流控芯片 (100)是以CMOS技術(shù)制造的。
18、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微流控芯片(100)，所述微流控芯片 (100)單片地集成在半導(dǎo)體襯底(107)中，具體地包括由IV族半導(dǎo)體和m族-v族半導(dǎo)體組成的組中的一種。
19、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微流控芯片(100)，所述微流控芯片 (100)適于作為生物傳感器芯片。
20、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的微流控芯片(100)，包括多個阱(220)， 所述多個阱(220)中的每個被布置在所述多個電極(103)中相應(yīng)的 一個電極的上方并且適于至少部分地容納流體微滴(101)。
21、 一種操縱流體微滴(101)的方法，所述方法包括 控制多個電極(103)的電位以產(chǎn)生用于使所述流體微滴(101)沿著預(yù)定義的軌跡移動的電力，所述多個電極(103)被布置在微流控 芯片(100)的流程后端部分(104)中。
全文摘要
本申請公開了一種用于操縱流體微滴(101)的微流控芯片(100)，所述微流控芯片(100)包括多個電極(103)，被布置在微流控芯片(100)的流程后端部分(104)中；以及控制電路(106)，適于控制所述多個電極(103)的電位以產(chǎn)生用于使流體微滴(101)沿著預(yù)定義的軌跡移動的電力。
文檔編號B01F13/00GK101687191SQ200880023117
公開日2010年3月31日 申請日期2008年6月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年7月3日
發(fā)明者巴勃羅·加西亞特洛 申請人:Nxp股份有限公司