TWI883947B

TWI883947B - 診斷盒及包括其之半導體生物感測器診斷系統

Info

Publication number: TWI883947B
Application number: TW113116762A
Authority: TW
Inventors: 陳昆龍; 廖克槃; 戴麟靄
Original assignee: 博奧生物科技股份有限公司
Priority date: 2024-05-07
Filing date: 2024-05-07
Publication date: 2025-05-11

Abstract

本揭露提供一種半導體生物感測器診斷系統。所述半導體生物感測器診斷系統包含診斷盒及診斷盒基座。診斷盒包含生物感測器裝置及設置於該生物感測器裝置上的流體引導體。流體引導體包含第一泵送開口、第二泵送開口、緩衝槽、樣本槽及複數個通道。該等通道經配置用以提供第一迴路，包含第一泵送開口及緩衝槽的第一迴路，及包含第二泵送開口及樣本槽的第二迴路。第一迴路及第二迴路共用通過生物感測器裝置之共通管道。診斷盒基座包含複數個微型泵耦接於第一泵送開口及第二泵送開口，及經配置用以自生物感測器裝置接收感測資訊的感測結構。

Description

診斷盒及包括其之半導體生物感測器診斷系統

本揭露所揭示內容係關於一種診斷盒和包含診斷盒之半導體生物感測器診斷系統，特別是所揭露之應用於半導體生物感測器診斷系統中的診斷盒是一種可攜式裝置，其包含一種泵送機制，使生醫樣本及緩衝液能被精確地引導至與診斷盒內具電性之生物感測器晶片接觸。

對於使用拋棄式樣本片的生物感測儀器的運用逐年增加，並且預計能夠簡單並快速地測定和分析生物體液中的特定成分，例如血液、血漿、尿液、唾液或在某個時間點在一個細胞中產生的整套蛋白質，即蛋白質組。此外，根據個人的單核苷酸多型性(single nucleotide polymorphism，簡稱SNP)資訊對個體進行治療和給藥的個人化定制醫療，有望在未來通過使用拋棄式DNA晶片的基因診斷而實現。這種個人化的方法將得到蛋白質及DNA診斷技術的支持。成本為負擔得起的拋棄式半導體生物感測器裝置及其電子分析設備將發揮關鍵作用，其能通過對生物體液之活體組織檢查技術，而實現對諸如阿茲海默症及癌症等具挑戰性的疾病進行快速檢測和診斷。

本揭露在一個示範實施例中，提出一種半導體生物感測器診斷系統。所述半導體生物感測器診斷系統包含診斷盒及診斷盒基座。診斷盒包含生物感測器裝置及流體引導體。流體引導體是設置於生物感測器裝置上，其經配置為引導樣本及緩衝液至生物感測器裝置。流體引導體包含第一泵送開口，其接近流體引導體的一側；第二泵送開口，其接近流體引導體的另一側；緩衝槽，其位於第一泵送開口及生物感測器裝置的區域間；樣本槽，其位於第二泵送開口及生物感測器裝置的區域間；及複數個通道，其經配置用以提供第一迴路，第一迴路包含第一泵送開口及緩衝槽；及第二迴路，第二迴路包含第二泵送開口及樣本。第一迴路及第二迴路共用通過生物感測器裝置之共通管道。

本揭露在另一個示範實施例中，提出一種診斷盒。所述診斷盒包含殼體、生物感測器裝置、流體引導體及複數個通道。殼體具有凹槽。生物感測器裝置是嵌於殼體之凹槽中。流體引導體是位於殼體內。流體引導體包含第一泵送開口，其接近流體引導體的一側；第二泵送開口，其接近流體引導體的另一側；樣本槽及緩衝槽於側視視角側向位於第一泵送開口及第二泵送開口間；及複數個通道。該等通道其中之一者連接樣本槽及緩衝槽，並通過生物感測器裝置上方，及樣本槽及緩衝槽進一步經由該等通道分別連接一個泵送開口。

本揭露在又一個示範實施例中，提出一種診斷盒基座，其經配置用以自診斷盒讀取電訊號。所述診斷盒基座包含盒載體、感測結構、彈簧機構及複數個微型泵。盒載體是經配置用以放置診斷盒。感測結構是經配置用以耦接至診斷盒之生物感測器裝置。彈簧機構是位於盒載體下，其經配置用以在放置診斷盒於盒載體時，向診斷盒基座之底部施加彈簧負載。該些微型泵是經配置用以在放置診斷盒於盒載體內時，耦接於診斷盒之複數個泵送開口。

10:診斷盒

30:診斷盒基座

40:生醫樣本

42:緩衝液

60:半導體生物感測器診斷系統

102:殼體

102A:內表面

104:生物感測器裝置

106:彈性膜

108:流體引導體

110:蓋體

112:PCB

112A:上表面

112B:下表面

114:金屬墊片

116:環氧材料

118:第一泵送開口

120:第二泵送開口

122:緩衝槽

124:樣本槽

126:通道

128:密封膜

134:對準槽

136:嵌入模組

138:廢液槽

140:第三泵送開口

142:第四泵送開口

146:第一開口

148:第二開口

150:感測結構

160:凸出結構

162:密封膜

202:CMOS結構

206:基板

206A:第一表面

208:FEOL結構

210:感測區域

212:邏輯區域

214:第一摻雜區域

214A:源極區域

214B:源極區域

214C:汲極區域

216:第二摻雜區域

218:第一溝槽

220:BEOL結構

222:感測氧化物層

224:第一閘極氧化物

224A:薄的第一閘極氧化物

226:場氧化物

228:多晶矽閘極結構

230:第二閘極氧化物

232:矽化物層

234:鈍化層

236:金屬化結構

238:ILD

302:盒載體

304:插座空間

310:彈簧機構

312:微型泵

312A:微型泵

312B:微型泵

314:對準柱

314A:對準柱

314B:對準柱

316:探針結構

318:運算單元

320:顯示單元

330:蓋件

332:顯示螢幕

334:中央開口

1041:圍欄結構

1042:感測區域

1081:第一側

1082:第二側

在閱讀了下文實施方式以及附隨圖式時，能夠最佳地理解本揭露的多種態樣。應注意到，根據本領域的標準作業習慣，圖中的各種特徵並未依比例繪製。事實上，為了能夠清楚地進行描述，可能會刻意地放大或縮小一些特徵的尺寸。

圖1A繪示根據本揭露內容一些實施例之診斷盒之剖視圖。

圖1B繪示根據本揭露內容一些實施例之診斷盒之剖視圖。

圖2繪示根據本揭露內容一些實施例之積體生物感測器之剖視圖。

圖3繪示根據本揭露內容一些實施例之積體生物感測器之剖視圖。

圖4繪示根據本揭露內容一些實施例之積體生物感測器之剖視圖。

圖5A繪示根據本揭露內容一些實施例之印刷電路板(PCB)之上視圖。

圖5B繪示根據本揭露內容一些實施例之PCB之下視圖。

圖6A繪示根據本揭露內容一些實施例之診斷盒之剖視圖。

圖6B繪示根據本揭露內容一些實施例之診斷盒中之儲液槽及泵送開口之位置之上視圖。

圖6C繪示根據本揭露內容一些實施例之診斷盒中之儲液槽及泵送開口之位置之上視圖。

圖7A繪示根據本揭露內容一些實施例之診斷盒之剖視圖。

圖7B繪示根據本揭露內容一些實施例之診斷盒中之儲液槽及泵送開口之位置之上視圖。

圖7C繪示根據本揭露內容一些實施例之診斷盒中之儲液槽及泵送開口之位置之上視圖。

圖8繪示根據本揭露內容一些實施例之診斷盒之剖視圖。

圖9繪示根據本揭露內容一些實施例之診斷盒之剖視圖。

圖10繪示根據本揭露內容一些實施例之診斷盒及診斷盒基座之剖視示意圖。

圖11繪示根據本揭露內容一些實施例之診斷盒基座之剖視示意圖。

圖12A繪示根據本揭露內容一些實施例之診斷盒之剖視圖。

圖12B繪示根據本揭露內容一些實施例之診斷盒之剖視圖。

圖13繪示根據本揭露內容一些實施例之半導體生物感測器診斷系統立體示意圖。

圖14A至14D繪示根據本揭露內容一些實施例之半導體生物感測器診斷系統之操作程序之剖視圖。

以下揭露內容提供用於實施本揭露之不同特徵之許多不同實施例或實例。下文描述元件及配置之特定實例以簡化本揭露。當然，此等僅為實例且不旨在限制。舉例而言，在下列描述中，第一構件形成於第二構件上方或第一構件形成於第二構件之上，可包含該第一構件及該第二構件直接接觸之實施例，且亦可包含額外構件形成在該第一構件與該第二構件之間之實施例，使該第一構件及該第二構件可不直接接觸之實施例。另外，本揭露可在各種實例中重複元件符號及/或字母。此重複出於簡化及清楚之目的，且本身不代表所論述之各項實施例及/或組態之間的關係。

此外，為便於描述，可在本文中使用諸如「在...下面」、「在...下方」、「下」、「在...上方」、「上」及類似者之空間相對術語來描述一個元件或構件與另一(些)元件或構件之關係，如圖中繪示。空間相對術語旨在涵蓋除在圖中描繪之定向以外之使用或操作中之裝置之不同定向。該裝置可以有其他定向(旋轉90度或按其他定向)，同樣可以相應地用來解釋本文中使用之空間相對描述詞。

如本文中所使用諸如「第一」、「第二」、和「第三」等用語說明各種元件、部件、區域、層、和/或區段，這些元件、部件、區域、層、和/或區段不應受到這些用語限制。這些用語可能僅係用於區別一個元件、部件、區域、層、或區段與另一個。當文中使用「第一」、「第二」、和「第三」等用語時，並非意味著順序或次序，除非由該上下文明確所指出。

在診斷測試中，生醫樣本通常放置在生醫感測器中，且診斷結果是以視覺方式呈現，例如生醫樣本的顏色變化、生醫樣本所反射的光線、檢測套件中的線條的可見性(例如懷孕檢測套件、COVID-19檢測套件、流感檢測套件)、生醫樣本的螢光反應、測試紙條中顯示的可見標記等。在一些比較實施例中，當生醫樣本的顏色在診斷過程中發生變化時，可以用肉眼觀察到結果，或者可以使用一些CMOS影像感測器來監測這種可見變化以進行進一步分析。這些基於光學的診斷方法或是光學感測器的使用，已廣泛地應用於液體的生醫樣本，例如含有DNA的液體、血液、皮下組織的間質液、肌肉或腦部組織、尿液或其他體液。

然而，從元件體積的角度而言，基於光學的診斷方法或感測器通常比基於電學的診斷方法或感測器更難以小型化。另外，基於電學的方法和感測器較適合在晶片內執行大多數訊號處理任務。

目前，在生醫樣本是在基於電學的診斷方法進行測試的情況中，感測設備相當笨重且難以攜帶，因此本揭露的一些實施例提供了一種半導體生物感測器診斷系統，該系統包含一種能夠提供高品質診斷結果的可攜式診斷盒。在這些實施例中，半導體生物感測器晶片允許對樣本材料進行直接感測並將生醫訊號直接轉換為電訊號。

圖1A及圖1B顯示了一種根據本揭露的一些實施例的診斷盒10。圖1A及圖1B是獲得自診斷盒10沿著不同線段的作剖面不同剖面圖，且因此可以在這些圖式中顯示診斷盒10中的不同儲液槽。在一些實施例中，從圖1所示的剖視視角來看，診斷盒10包含殼體102、生物感測器裝置104和流體引導體108。大致而言，診斷盒10是一個可攜式盒體，其可用於容置生醫樣本並具有將生醫樣本的生醫訊號轉換為電訊號的功能。因此，診斷盒10內晶片的排列和樣本流動的規劃在設計診斷盒10時，即屬重要的事項。

在一些實施例中，殼體102是一個硬殼，其用於保護診斷盒10內部的結構。為了與讀取診斷盒10訊息的裝置相配合，殼體102可包含多個通訊用的開口，這些開口將在後面段落進行描述。

在一些實施例中，生物感測器裝置104設置於接近殼體102的內表面102A。在一些實施例中，生物感測器裝置104是一個生物感測器晶片，其可被用來直接檢測生物分析物並將生物訊號直接轉換為電訊號。在一些實施例中，可以由CMOS IC生物感測器、矽奈米線生物感測器、延伸閘極FET生物感測器、ISFET、或與其相似者執行檢測和訊號轉換。在應用CMOS IC生物感測器的情況中，生物感測器裝置104可能包含一個積體生物感測器結構，並且感測結構是直接形成在CMOS結構上，這樣可以使生物感測器具有良好的靈敏度，其製造成本也在可接受範圍內。舉例而言，如圖2所示，生物感測器裝置104包含CMOS結構202及形成於CMOS結構202上的一感測氧化物層222。CMOS結構202包含基板206、前段製程(front-end-of-line，FEOL)結構208與後段製程(back-end-of-line，BEOL)結構220形成於鄰近基板206之第一表面206A。在一些實施例中，基板206是由半導體材料形成的半導體基板，所述材料例如矽、鍺、鑽石或與其相似者。替代地，在其他實施例中，亦可利用複合材料來形成基板206，所述複合材料例如矽鍺、碳化矽、砷化鎵、砷化銦、磷化銦、碳化矽鍺、磷化砷化鎵、磷化鎵銦、上述之組合與其相似者。

在一些實施例中，基板206包含用以實現不同功能的不同區域。如圖2所示，在此些實施例中，基板206包含感測區域210以及圍繞感測區域210的邏輯區域212。於本揭露中，這些區域的意義可以垂直延伸，舉例而言，形成於基板206之感測區域210上的結構可被認為是「位於感測區域210內」，且邏輯區域212亦然。感測區域210是用以形成實現感測目的之樣本容置結構，而邏輯區域212則是用以形成實現電性目的之互連結構。在本揭露的一些實施例中，感測區域210內的樣本容置結構實質上與邏輯區域212內的互連結構位於同一水平面。換句話說，在本揭露的一些實施例中，可透過從樣本容置結構與感測結構(如，感測區域210內的摻雜區域)間的路徑排除互連結構，進而縮短訊號傳導路徑。以下係對此揭露更多細節。

在一些實施例中，可在基板206之中或之上形成FEOL結構208。在一些實施例中，FEOL結構208在基板206之第一表面206A具有複數個摻雜區域。在一些實施例中，一部分的摻雜區域(例如第一摻雜區域214)位於感測區域210中，而另一部分的摻雜區域(例如第二摻雜區域216)則位於邏輯區域212中。在一些實施例中，位於感測區域210中的摻雜區域是經配置作為終端，其可接收或感應由其上方之感測層所引發的電位改變(△V)。舉例來說，當利用本揭露中的生物感測器裝置104進行DNA定序時，特別是用於非光學DNA定序時，可將DNA模版放置於感測區域210內的樣本容置結構中。接著，當將核苷酸(dNTP)加入合成中的DNA股時，會釋放出質子(H⁺)，進而改變樣本容置結構中之介質的pH值(△pH)。此過程可引發感測層表面電位的改變以及基板206之源極端的電位改變(△V)。

除了摻雜區域位於感測區域210中的部分之外，位於邏輯區域212內的摻雜區域則用以執行場效應電晶體(field-effect transistor，FET)的終端功能，這代表這些摻雜區域可以是位於邏輯區域212內之電晶體的一部分，且一般來說，這些電晶體可以連結到位於其上的BEOL結構220。在一些實施例中，可利用邏輯區域212中的結構將從感測區域210取得的訊號傳輸至其他半導體裝置(例如放大器電路)。

如圖2所示，在一些實施例中，設於FEOL結構208上的BEOL結構220包含使基板206之感測區域210露出的第一溝槽218。所述第一溝槽218取決於其尺寸而可被稱為「井」或「奈米井」。在一些實施例中，如圖2所示的例子，例如源極區域214A、214B以及汲極區域214C等摻雜區域係從第一溝槽218的底部露出(這些源極/汲極區域在CMOS結構202中露出，但所述CMOS結構202又被感測氧化物層222所覆蓋，如後文所述)。在一些實施例中，第一溝槽218的底部實質上等同於基板206之第一表面206A，或是與其共平面。

在其他實施例中，如圖3所示，位於感測區域210內的每一摻雜區域(例如源極區域214A、214B以及汲極區域214C)因為受到一層薄的第一閘極氧化物224A覆蓋，而不會完全由第一溝槽218的底部露出。所述第一閘極氧化物是閘極結構的閘極介電層，其形成於閘極結構之閘極電極下方。所述閘極介電層可由氧化矽、氮化矽或高介電常數材料(high-k材料)所組成。在一些實施例中，透過化學氣相沉積(chemical vapor deposition，CVD)操作來形成所述閘極介電層。在本揭露內容一些實施例中，閘極介電層是由氧化矽所組成，因此下文稱之為閘極氧化物。

形成於閘極氧化物上的閘極電極可以由多晶矽(POLY)或任何其他適當的導電材料所形成。適當的導電材料包含但不限於金屬(例如鉭、鈦、鉬、鎢、鉑、鋁、鉿、釕)、金屬矽化物(例如矽化鈦、矽化鈷、矽化鎳、矽化鉭)或金屬氮化物(例如氮化鈦、氮化鉭)。在一些實施例中，利用化學氣相沉積、低壓化學氣相沉積、物理氣相沉積(physical vapor deposition，PVD)、原子層沉積或旋塗來形成所述閘極電極。在一些實施例中，藉由在閘極氧化物上形成閘極電極，然後通過蝕刻對閘極電極進行圖案化以形成閘極結構。在本揭露的一些實施例中，在去除形成於閘極氧化物上的多晶矽閘極電極製程之後，第一閘極氧化物224被減薄，並且這樣的薄的第一閘極氧化物224A可以作為去除多晶矽閘極電極的蝕刻停止層，以保護在感測區域210範圍內下方的摻雜區域的完整性。在一些實施例中，可以在形成第一溝槽218的操作中，於在其上形成感測氧化物層222之前去除第一閘極氧化物224。

在一些實施例中，可以在形成第一溝槽218的操作中，於在其上形成感測氧化物層222之前去除第一閘極氧化物224的一部分，而第一閘極氧化物224的另一部分(或稱為第一閘極氧化物殘留物)，特別是鄰近第一溝槽218邊緣的部分，則如圖2中的部分放大圖所示。在一些實施例中，第一閘極氧化物(殘留物)224的一側由第一溝槽218的角隅部露出，以與感測氧化物層222接觸。也就是說，為了能夠在製造過程中良好地保護在感測區域210內的摻雜區域，第一溝槽218的邊界可以落在感測區域210內的摻雜區域之上，因此第一閘極氧化物224被部分去除，且會在靠近感測區域210的邊緣處留下第一閘極氧化物殘留物。

在其他實施例中，如圖4所示，第一溝槽218的邊緣與場氧化物226的邊緣對準，且因此可以在形成第一溝槽218的操作中將第一閘極氧化物224完全地移除。

如圖2至圖4所示，邏輯區域212內可具有相同的結構特徵。在一些實施例中，在邏輯區域212內之摻雜區域上形成複數個多晶矽閘極結構228。在一些實施例中，可以在基板206之第一表面206A以及每一個多晶矽閘極結構228之間形成第二閘極氧化物230。在一些實施例中，複數個多晶矽閘極結構228當中的每一個和邏輯區域212內之每一摻雜區域的至少一部分被矽化物層232所覆蓋。在一些實施例中，有至少二個第二閘極氧化物230設於基板206之邏輯區域212內上，二個第二閘極氧化物230分別位於第一溝槽218的兩側。

在一些實施例中，感測氧化物層222形成於所述BEOL結構220上並與位於基板206之感測區域210內之第一表面206A接觸。亦即，感測氧化物層222可形成於邏輯區域212內之BEOL結構220上，而第一溝槽218形成於感測區域210中，感測氧化物層222之結構是共形於第一溝槽218的輪廓，以在感測區域210內形成感測溝槽。在一些實施例中，感測氧化物層222包含鉿氧化物(HfO_x)。在一些實施例中，感測氧化物層222的厚度約為3微米。在一些實施例中，由於在形成第一溝槽218的蝕刻操作中會形成一個高台(altar)，第一溝槽218的內側壁因此不會包含連續的平面輪廓，所以第一溝槽218中的感測氧化物層222的輪廓包含至少在沿第一溝槽218的內側壁的一個改變斜率。

在一些實施例中，矽化物層232沒有形成在感測區域210內，因此不與感測氧化物層222接觸的每個摻雜區域被矽化物層232所覆蓋。也就是說，矽化物是矽與金屬的化合物，因此矽化物層232可以確保邏輯區域212內電晶體的源極和汲極區的低接觸電阻和串聯電阻，而感測區域210內的摻雜區域(即第一摻雜區域214)上則不需要形成導電接點和金屬化結構，因此在感測區域210內並未形成矽化物層232。

在一些實施例中，在邏輯區域212內，金屬化結構236是形成於複數個多晶矽閘極結構228及複數個第二摻雜區域216上。金屬化結構236內的金屬層和導電接觸及通孔可被層間介電(ILD)238所環繞。在一些實施例中，由於形成矽化物層232以覆蓋邏輯區域212內的多個多晶矽閘極結構228與第二摻雜區域216，因此金屬化結構236的導電接觸可以落在矽化物層232的頂表面上。在一些實施例中，金屬化結構236包含四個金屬層，其間通過多個導電通孔連接，不過，金屬層的數量並非是本實施例的限制條件。

在一些實施例中，邏輯區域212包含形成在金屬化結構236上的鈍化層234。鈍化層234可以由未摻雜的矽酸鹽玻璃(undoped silicate glass，USG)、氧氮化矽、磷矽酸鹽玻璃(phosphosilicate glass，PSG)、硼磷矽酸鹽玻璃(borophosphosilicate glass，BPSG)、氟化矽酸鹽玻璃(fluorinated silicate glass，FSG)、有機矽酸鹽玻璃(organosilicate glasses，OSG)、SiO_xC_y、旋轉塗佈玻璃(Spin-On-Glass)等所製成。在一些實施例中，可利用高密度電漿(high density plasma，HDP)、CVD、電漿增強CVD、濺射、旋轉塗佈、PVD或其他適當的方法來形成鈍化層234。

在一些實施例中，可在鈍化層234上形成先前所提及之感測氧化物層222。在一些實施例中，感測氧化物層222可與鈍化層234接觸。在一些實施例中，位於感測區域210中的感測氧化物層222沿著金屬化結構236的一側以及鈍化層234的一側而延伸到邏輯區域212。在一些實施例中，第一溝槽218的側邊的斜率(或感測氧化物層222的斜率)會因為蝕刻操作的改變而不同。舉例來說，在形成穿透鈍化層234與金屬化結構236的第一溝槽218時，可在最初開始蝕刻鈍化層234以及金屬化結構236的一部分時使用等向性蝕刻製程，並接著可利用異向性蝕刻操作來蝕刻剩餘的金屬化結構236，以使感測區域210內之基板206的第一表面206A暴露出。

為了將生物感測器裝置104整合到診斷盒10內，在一些實施例中，生物感測器裝置104被設置在基板上，例如半導體基板、ITO玻璃基板、金屬基板、印刷電路板(PCB)、柔性印刷電路(FPC)基板、中介板、佈線基板等或是與其相似者。舉例而言，PCB 112可設置在殼體102的內表面102A上。PCB 112具有上表面112A和與上表面112A相對的下表面112B。如圖5A和圖5B所示，這些圖式顯示了PCB 112的不同側面，在一些實施例中，PCB 112在下表面112B上包含多個金屬墊片114(或稱為金屬墊片結構)，這些金屬墊片114通過穿過PCB 112的多個佈線部分與上表面112A上的生物感測器裝置104電性連接。除了一般的PCB，在其他實施例中，如果生物感測器裝置104被設計為提供光訊號，生物感測器裝置104可以安裝在可光學傳輸基板上，以讀取光訊號。

在一些實施例中，生物感測器裝置104的尺寸小至數平方毫米(mm)，例如，生物感測器裝置104的寬度和長度都可以約為4.5毫米，而生物感測器裝置104的感測區域1042僅約為3.2×3.2平方毫米。在一些實施例中，感測區域1042被圍欄結構1041所包圍，其用以協助集中樣本在感測區域1042內；在這些實施例中，圍欄結構1041可以是流體引導體108的一部分，且圍欄結構1041可以包含若一些孔洞，用以使液體通過(即通道，將在後文描述)。

在一些實施例中，PCB 112的上表面112A上的佈線部分被環氧材料116所覆蓋，以防止氧化。在一些實施例中，PCB 112的下表面112B上的金屬墊片114排列成陣列，這種陣列安排是為了對應於探針結構從生物感測器裝置104讀取電訊號。探針結構將在後文進一步描述。

在一些實施例中，檢測和訊號轉換可以由無需封裝的生物感測器晶粒所執行。例如，生物感測器晶粒可以通過其多個導電墊片和多個金屬線而與封裝基板電性連接。封裝基板的材料可以是半導體基板、 ITO玻璃基板、PCB、FPC板等。

在一些實施例中，生物感測器裝置104可以採用生物載玻片的形式，並結合生物陣列結構。這種生物陣列結構，可被稱為生物陣列晶片或微陣列，其係一種小型化的生物實驗平台，通常是由微陣列組成。在一些實施例中，它由一組生物分子(如DNA、RNA、蛋白質或細胞)以高度有序的方式固定在生物載玻片上。

可選地，在一些實施例中，可以在殼體102的一側設置一個彈性膜或薄膜。在一些實施例中，彈性膜由聚二甲基矽氧烷(PDMS)所製成。彈性膜可以用於密封流體引導體108中的開口，並且在診斷盒10進行樣本分析過程中，彈性膜可以被穿刺以通過開口泵送諸如空氣或液體。

這些開口和儲液槽是由流體引導體108所提供，其經配置用以引導樣本和緩衝液到達生物感測器裝置104。在一些實施例中，流體引導體108設置在彈性膜上方。在一些實施例中，流體引導體108的材料包含塑料。在一些實施例中，流體引導體108的材料包含聚合物。在一些實施例中，流體引導體108可以通過CNC加工、鑄造、模塑、3D列印等或與其相似之方法所製造。在一些實施例中，流體引導體108提供的開口和儲液槽包含，舉例而言，包含經配置用於驅動流體引導體108內因壓差而發生流體流動的第一泵送開口118和第二泵送開口120，和用於容納緩衝液和生醫樣本的緩衝槽122和樣本槽124。在一些實施例中，參見圖1A所示的剖視視角，第一泵送開口118靠近流體引導體108的第一側1081，第二泵送開口120靠近流體引導體108的第二側1082，該第二側1082相對於第一側1081。此外，緩衝槽122和樣本槽124位於第一泵送開口118和第二泵送開口120之間的橫向位置。流體引導體108還包含多個通道126，其經配置用於連接第一泵送開口118、第二泵送開口120、緩衝槽122和樣本槽124。因此，緩衝槽122和樣本槽124中的液體可以通過從第一泵送開口118和第二泵送開口120泵送空氣而沿著通道126流動。在一些實施例中，緩衝槽122和樣本槽124中的每一個都連接至少兩個通道126，以便液體可以通過緩衝槽122和樣本槽124。

在一些實施例中，雖然診斷盒10中的多個通道126在儲液槽之間基本上相互連接，但這些通道126可以被定義為包含第一泵送開口118和緩衝槽122的第一迴路，以及包含第二泵送開口120和樣本槽124的第二迴路，其中第一迴路和第二迴路共用一個通過生物感測器裝置104的共通管道。在一些實施例中，本揭露的特徵在於確保這些主要用於生醫樣本40和緩衝液42流動的迴路分別在生物感測器裝置104的位置重疊，以確保生物感測器裝置104可以交替接觸生醫樣本40和緩衝液42。

如圖1B所示，在一些實施例中，流體引導體108還包含多個廢液槽138，分別鄰近於樣本槽124和緩衝槽122。廢液槽138經配置用於容納來自樣本槽124和緩衝槽122的已使用的液體樣本或已使用緩衝液。為了接收已使用的液體樣本或已使用的緩衝液，廢液槽138與連接樣本槽124和緩衝槽122的通道相連接。

也就是說，如圖6A和圖6B所示，在一些實施例中，在液體從第一泵送開口118及/或第三泵送開口140通過連接到第一泵送開口118和第三泵送開口140的微型泵312A泵入通道126的情況下，緩衝槽122中的液體(例如緩衝液42)將沿著緩衝槽122與生物感測器裝置104之間的通道126向生物感測器裝置104的位置移動(如圖6B中的箭頭沿通道126移動)。由於通道126通過生物感測器裝置104，因此緩衝液42可以與生物感測器裝置104接觸(例如與圖2至圖4所示的感測氧化物層222接觸)，以在樣本感測操作之前清潔或預處理生物感測器裝置104。在一些實施例中，緩衝液42包含磷酸鹽緩衝鹽水(PBS)。除了通過生物感測器裝置104的緩衝液42外，在一些實施例中，部分緩衝液42將通過直接連接廢液槽138與緩衝槽122的通道126，而直接移動到其中一個廢液槽138中。

在生物感測器裝置104被清洗後，在一些實施例中，如圖6C所示，用於清洗或預處理生物感測器裝置104的緩衝液42可以通過繼續從第一泵送開口118或第三泵送開口140將流體泵入通道126，而被進一步移向至少一個廢液槽138，因為此時有更多的緩衝液42會被流體自緩衝槽122所推出。在其他實施例中，通道126中的緩衝液42的移動是仰賴於吸入流體。也就是說，可以使用第一泵送開口118或第三泵送開口140通過微型泵312A從通道126中抽取流體。換句話說，通道126中的緩衝液42的移動可以由微型泵312A所泵送的流體的移動而被驅動，而泵送流體進入通道或從通道中抽取的模式選擇，則取決於診斷盒中的儲液槽的安排。

在一些實施例中，當生物感測器裝置104被緩衝液42清洗時，可以獲得參考電訊號(例如參考電壓、參考電流等)。參考電訊號可以視為一個基準值，可用於與生物感測器裝置104與生醫樣本40互作用後獲得的電訊號進行比較。

在一些實施例中，部分緩衝液42可在通過生物感測器裝置104後，向樣本槽124移動，這是基於通道126連接樣本槽124和生物感測器裝置104的位置。一般而言，緩衝液42可以通過控制而使其不會實質進入樣本槽124，這是通過控制樣本槽124和生物感測器裝置104之間的通道126的長度來實現。例如，緩衝液42會優先進入附近的廢液槽138，而不是樣本槽124。

如圖7A及圖7B所示，在一些實施例中，當生物感測器裝置104被清洗完畢並準備好用於感測樣本時，可以通過連接到第二泵送開口120和第四泵送開口142的另一個微型泵312B，從第二泵送開口120及/或第四泵送開口142將流體泵入通道126。樣本槽124中的液體(例如生醫樣本40)將沿著樣本槽124與生物感測器裝置104之間的通道126向生物感測器裝置104的位置移動(如圖7B中的箭頭沿通道126移動)。同樣地，由於通道126通過生物感測器裝置104，因此生醫樣本40可以與生物感測器裝置104接觸(例如與圖2至圖4所示的感測氧化物層222接觸)，並且可以從生物感測器裝置104獲取感測訊息。在一些實施例中，感測訊息可以是用於與參考電訊號比較以獲取電壓、電流等變化的樣本電訊號(例如樣本電壓、樣本電流等，此等感測訊息可在生醫樣本40通過生物感測器裝置104的所在位置後，使緩衝液42再次流過生物感測器裝置104的所在位置而經量測取得)。在一些實施例中，樣本電訊號獲取自樣本分子在預處理操作中與生物感測器裝置104結合時所產生的電荷。在一些實施例中，由於通道126在獲取參考電訊號的前一程序中已被緩衝液42所填充或是占據，因此當生醫樣本40向生物感測器裝置104的位置移動時，樣本槽124中的生醫樣本40可取代緩衝液42。因此，在一些實施例中，緩衝液42和生醫樣本40的界面可在取代過程中，通過生物感測器裝置104的所在位置。接著，如圖7C所示，在生醫樣本40通過生物感測器裝置104的所在位置後後，通過繼續從第二泵送開口120或第四泵送開口142將流體泵入通道126，可進一步讓生醫樣本40向至少一個廢液槽138移動。而經與生醫樣本40接觸後的生物感測器裝置104，則可於再次接觸緩衝液42後作量測，獲取感測訊息。

如圖6A至圖7C所示，診斷盒的流體流通機制可以大致上可分為兩個流體迴路：一個是緩衝液42的迴路，另一個是生醫樣本40的迴路。在一些實施例中，除了共用通過生物感測器裝置104的主要的共通管道外，這兩個迴路是在結構上獨立於彼此。

在一些實施例中，樣本槽124和緩衝槽122之間路徑上的每個通道126都包含多個U形轉彎結構。這些U形轉彎結構旨在控制生醫樣本40或緩衝液42的流速。在其他實施例中，如果微型泵以較慢的速度驅動液體流動，則可以省略具有大量U形轉彎結構的通道126的設計。

在其他實施例中，控制生醫樣本40或緩衝液42的流速也可以通過多個通道126的不同尺寸設計和排列來實現，而不僅是透過通道126形狀(例如U形轉彎結構)的面向來實現。

通過選擇流體引導體的泵送開口，可以很好地控制緩衝液42和生醫樣本40的流動。在一些例子中，可以首先泵送第一泵送開口118，使用流體將緩衝液42沿著通道126推動，舉例而言，可以用緩衝液42清洗或預處理生物感測器裝置104的感測氧化物層222，並測量初始電數據(例如參考電訊號)；接下來，可以將生醫樣本40注入樣本槽124(或者在上述清洗/預處理操作之前將生醫樣本40注入樣本槽124)；然後，泵送第二泵送開口120，使用流體引導生醫樣本40沿通道126到達生物感測器裝置104的第一溝槽218，使生醫樣本40與生物感測器裝置104接觸(例如與感測氧化物層222接觸)。在生醫樣本40與生物感測器裝置104產生反應後，經再次使用緩衝液42進行清洗，可以測量最終電數據(例如樣本電訊號)並與初始電數據比較，以獲取反應差值，這指的是生醫樣本與生物感測器裝置104之間反應的精確結果。在一些實施例中，該結果是基於電位值的變化，並且可被轉換為電晶體的電流變化。在其他實施例中，可以直接獲取電流變化。另一方面，由於生物感測器裝置104包含電晶體結構(具有電晶體的裝置)，與一些比較實施例中使用奈米線(具有電阻的裝置)作為感測結構相比，本揭露的一些實施例中的電訊號可以通過生物感測器裝置104中的模擬電路而放大，從而在增益後獲得清晰的電訊號而不被噪訊所覆蓋，而在比較實施例中，奈米線的電阻難以精確設計，且通過奈米線的電流微弱(例如幾奈安培(nA))而會有較差的訊噪比(SNR)。因此，即便是在生醫樣本40的劑量較低的情況下，本揭露中的生物感測器裝置104仍適用於檢測目標成分。在一些實施例中，在從生物感測器裝置104讀取電訊號之前，可以泵送流體將緩衝液42從緩衝槽122推入通道126，以再次將緩衝液42推向生物感測器裝置104的位置。此過程可以清洗移除生物感測器裝置104上的未結合殘留物。然後，就能以準確的方式讀取並獲取電訊號。

一般而言，當通過第一泵送開口118泵送時，可能會有一部分緩衝液42流入通道126，特別是那些靠近樣本槽124的通道。然而，這部分緩衝液42的量是有限的，在通道126的設計和泵送控制下，不會進入樣本槽124，因此這部分的影響可以忽略。同樣地，當通過第二泵送開口120泵送時，可能會有一部分生醫樣本40流入通道126，特別是那些靠近緩衝槽122的通道，但這部分生醫樣本40的移動也可以忽略不計。

在一些實施例中，通道126的直徑不大於約100微米(μm)。在一些實施例中，通道126的直徑不大於約50微米。在一些實施例中，通道126的直徑不大於約20微米。在一些實施例中，通道126的直徑不大於一個門檻值，該門檻值係指液體(例如生醫樣本40或緩衝液42)可以在通道126中自行流動。換句話說，由於在本揭露的一些實施例中，通道126的直徑較小，通道中的液體並不能自行流動，因此只能通過泵送操作來使液體被推動。

如前所述，在清洗/預處理操作之前，可以將生醫樣本40注入樣本槽124，而殼體102可具有第一開口146用於在樣本槽124上注射或裝載生醫樣本40，且第一開口146設有第一蓋件。同樣地，如圖8所示，在一些實施例中，殼體102可以包含第二開口148經配置用於在緩衝槽122上注射或裝載緩衝液42，且第二開口148設有第二蓋件。在這些實施例中，使用者可以自行裝載緩衝液，而不是由生產者在製造診斷盒時就裝載緩衝液。

在一些實施例中，生醫樣本40及/或緩衝液42可以在裝入樣本槽124和緩衝槽122之前被收集在小瓶子或是類似的容器單元中。在一些實施例中，這些類型的容器單元可以被插入樣本槽124和緩衝槽122的位置，此時這些樣本槽124和緩衝槽122是設計成具有接收結構，以與容器單元耦合，並允許容器單元中的生醫樣本40和緩衝液42進入到診斷盒10的通道126當中。舉例而言，可以在槽中設置幾個微刺針以刺穿容器單元。通過使用容器單元和這種預收集方式，一些使用者可以更方便地提供生醫樣本，因為容器單元的成本(如製造或運輸)實質上可比診斷盒低得多，或是可將容器單元與取樣裝置相整合。

在一些實施例中，蓋體110設置在殼體102上方並覆蓋流體引導體108。在一些實施例中，蓋體110的材料與殼體102的材料相同。通過殼體102和蓋體110的組合，諸如生物感測器裝置104、彈性膜106和流體引導體108等功能性元件可以得到良好的保護。在一些實施例中，由於製造程序的需求，診斷盒10的遮蔽結構至少分為殼體102和蓋體110，而這兩部分如何作結合之機制，並不影響診斷盒10的診斷功能。

在一些實施例中，診斷盒10還包含密封膜128，其設置在流體引導體108上方。密封膜128可以是膠帶，其經配置用以黏附在流體導向體108的一側。在一些實施例中，密封膜128是壓敏膠帶。在一些實施例中，密封膜128的材料包含PDMS。也就是說，彈性膜106、流體引導體108和密封膜128的組合可以是一種三層PDMS片的設計，儘管材料基本相同，但分開製造時能更易於形成其中的微結構。舉例而言，診斷盒10中的通道和儲液槽可以通過在將這些PDMS片連接在一起之前，透過雕刻其表面而形成。密封膜128用於密封緩衝槽122和樣本槽124，以避免在使用診斷盒10之前，緩衝液即從緩衝槽122漏出。同時，密封膜128還可以避免樣本槽124被一些不需要的環境物質所污染。在一些實施例中，可以穿刺密封膜128以將生醫樣本注入至樣本槽124當中。

如圖9所示，在一些實施例中，生物感測器裝置104是被封裝在嵌入模組136中，且嵌入模組136可自殼體102脫離。在一些實施例中，在嵌入模組136內，生物感測器裝置104和安裝在其下方的PCB 112(或其他類型的基板)都包裝在嵌入模組136的外殼材料中，而PCB 112上方的感測結構150則是暴露在外，以與緩衝液42和生醫樣本40作用。感測結構150通過PCB 112與生物感測器裝置104電性連接。

為了能夠快速方便地從診斷盒10讀取電訊號，本揭露的一些實施例中，半導體生物感測診斷系統包含診斷盒基座30，其經配置用於對診斷盒10中的樣本進行診斷。特別地，診斷盒基座30的設計規則是對應於與診斷盒10的結構。

如圖10所示，在一些實施例中，半導體生物感測診斷系統包含診斷盒10，舉例而言，其實質上與前揭圖1中所示的實施例相同。且一旦已有生醫樣本施用於診斷盒10，此診斷盒10就可被放置在診斷盒基座30上，以讀取由生物感測器裝置104提供的電訊號。在一些實施例中，診斷盒基座30包含一個盒載體302，該盒載體具有一個插座空間304，用於放置診斷盒10。

在一些實施例中，診斷盒基座30還包含探針結構316面向診斷盒基座30的上側，用以接觸診斷盒10。在一些實施例中，診斷盒基座30還包含多個在插座空間304處的開口，其經配置用於提供診斷盒10上的多個泵送開口與多個微型泵312(例如先前揭示的實施例中的微型泵312A和312B)之間的耦合。在一些實施例中，插座空間304處的每個開口包含矽膠，用於診斷盒10的著陸，並且可以在插座空間304處的開口與診斷盒10處的泵送開口之間提供實質上的密封氣體連接路徑。此外，診斷盒基座30可包含彈簧機構310，設置在盒載體302的下方，該彈簧機構經配置用以在將診斷盒10放置在盒載體302中時，施加一個朝向診斷盒基座30底部的彈簧負載。

換句話說，當將診斷盒10放置在盒載體302的插座空間304時，診斷盒10會被推向盒載體302，診斷盒10的底部側面會首先接觸插座空間304的內表面，並使插座空間304處的開口與診斷盒10處的泵送開口耦合。在一些實施例中，如圖10所示，殼體102包含四個與診斷盒10內的槽連接的泵送開口。

在一些實施例中，診斷盒基座30包含多個微型泵312。在一些實施例中，插座空間304處的多個開口分別連接到微型泵312，以便流體通過這些開口與泵送開口的連接，以推動診斷盒10中的緩衝液42和生醫樣本40。在一些實施例中，診斷盒基座30包含微電腦，其經配置用以控制微型泵312。在一些實施例中，微型泵312可以是安裝在診斷盒基座30內的馬達。

仍如圖10所示，在一些實施例中，診斷盒基座30還包含至少兩個對準柱314，診斷盒10包含至少兩個與對準柱314對應的對準槽134。對準柱314和對準槽134的組合可用於確保診斷盒10放置在插座空間304中的位置正確。在一些實施例中，每個對準柱314具有相同的輪廓。在一些實施例中，對準柱314在插座空間304中的分布安排是為了確保診斷盒10能以正確、固定的方向放置。舉例而言，從剖視視角而言，對準柱314可以相對於插座空間304的中心為不對稱地設置。在一些實施例中，對準柱314的輪廓互為不同，此為確保診斷盒10放置方向的另一種方法(例如參見圖11中的對準柱314A和314B)。

如前所述，診斷盒基座30包含一個面向診斷盒基座30上側的探針結構316。在一些實施例中，探針結構316包含多個探針，這些探針經配置用以與PCB 112下表面的多個金屬墊電性接觸。在一些實施例中，探針是彈簧針(pogo pins)。在應用其他類型之基板的情況下，探針結構316的形式和設計會相應地與這些基板類型相對應，以便正確地讀取電/光訊號。在一些實施例中，通過使用探針結構316，生物感測器裝置104產生的電訊號可以數位方式傳輸到與探針結構316連接的微電腦進行進一步分析，或是通過螢幕進行顯示。

為了提供上述提及的數位通訊，在一些實施例中，探針結構316可以穿透診斷盒10殼體102的內表面102A，與生物感測器裝置104電性連接。在一些實施例中，由於生物感測器裝置104設置在PCB 112上，因此當診斷盒10放置在診斷盒基座30當中時，PCB 112的下表面112B上的金屬墊片114可自殼體102的內表面102A暴露出，並與探針結構316相接觸。

在一些實施例中，如圖10所示，診斷盒基座30可以是一個全功能的緊湊(compact)裝置，其不僅包含接收來自診斷盒10的電訊號的元件，還包含運算單元318和顯示單元320，用以即時顯示診斷結果的資訊。在一些實施例中，顯示單元320是一個觸控螢幕，因此在診斷盒10被正確插入、安裝或是放入診斷盒基座30後，使用者可以通過顯示單元320控制診斷過程。在其他實施例中，可以省略顯示單元320，相關資訊可以顯示在與診斷盒基座30以有線或無線方式連接的遠端裝置上。

如圖12A和圖12B所示，在一些實施例中，診斷盒10的泵送開口可具有結構上的設計，以便與診斷盒基座30的微型泵312耦合。舉例而言，在圖12A所示的針腳式設計中，診斷盒10的每個泵送開口可包含一個凸出結構160，其在與診斷盒基座30上的開口耦合時作為針腳結構，例如其可插入診斷盒基座30的插座空間304內每個開口處的矽膠中以固定診斷盒10。在一些實施例中，凸出結構160的高度不超過約5毫米。在其他實施例中，如圖12B所示的孔洞式設計中，診斷盒10的每個泵送開口可由密封膜162暫時密封，而診斷盒基座30可具有能夠刺穿密封膜162並正確插入泵送開口的刺針。

圖13揭示了半導體生物感測器診斷系統60的一個示例。如圖所示，半導體生物感測器診斷系統60中的診斷盒基座30的具體形式可以是一種桌面型裝置，其具有插座空間304以容納診斷盒10。在一些實施例中，診斷盒基座30具有蓋件330用以封閉插座空間304，該蓋件可以作為協助將診斷盒10壓入正確位置的機制。在一些實施例中，診斷盒基座30包含顯示螢幕332，以便使用者觀察診斷結果或提供觸控操作的機制，例如可運作適當的軟體以相應地提供使用者友善的介面。在一些實施例中，診斷盒基座30的蓋件330可包含一個透明窗口供使用者觀察。在其他實施例中，診斷盒基座30的蓋件330可具有一個中央開口以操作診斷盒10，而非將診斷盒10完全地覆蓋在診斷盒基座30內。

如圖14A至圖14D所示，其揭示根據本揭露的一些實施例的半導體生物感測器診斷系統60的操作過程的剖視圖。如圖14A所示，診斷盒10可以插入診斷盒基座30的插座空間304中。隨後，按壓下診斷盒基座30的蓋件330，可確保診斷盒10牢固地定位在插座空間304內。接著，如圖14B所示，如果蓋件330包含中央開口334，使用者可以通過中央開口334將生醫樣本40注入至診斷盒10當中(例如垂直地將樣本滴入樣本槽124)。當生醫樣本40被放置到診斷盒10的樣本槽124中並將診斷盒基座30的蓋件330牢固地關閉，則如圖14C所示，即可開始對生醫樣本40進行檢測程序。在檢測完成後，如圖14D所示，可以從診斷盒基座30中取出診斷盒10進行適當的處置或是部分回收。

綜上，本揭露的半導體生物感測器診斷系統為一種使用者友善的系統。系統中的診斷盒的生物感測器裝置可以產生電訊號進行精確診斷。使用者可將樣本注入樣本槽，然後將診斷盒放置在診斷盒基座上以完成診斷操作。更具體而言，本揭露的系統應用了泵送機制到診斷盒中的流體引導結構，以運送清潔生物感測器裝置的緩衝液，隨後再由生物感測器裝置測量液態的生醫樣本。由於生物感測器裝置安裝在具有多個探測墊片的PCB上，系統的診斷盒基座可以快速讀取診斷盒的電訊號。此外，診斷盒和診斷盒基座可以通過簡單地將診斷盒推向診斷盒基座來將兩者接合。從而，可使用位於診斷盒基座的微電腦來控制泵送機制，以對樣本進行診斷，並將生物電訊號傳送到顯示螢幕、網路或是其他報告系統。

上文的敘述簡要地提出了本揭露一些實施例之特徵，而使本揭露所屬技術領域具有通常知識者能夠更全面地理解本申請內容的多種態樣。本揭露所屬技術領域具有通常知識者當可明瞭，其可輕易地利用本揭露內容作為基礎，來設計或更動其他製程與結構，以實現與此處之實施方式相同的目的和/或達到相同的優點。本揭露所屬技術領域具有通常知識者應當明白，這些均等的實施方式仍屬於本揭露內容之精神與範圍，且其可進行各種變更、替代與更動，而不會悖離本揭露內容之精神與範圍。