用于检测样本中的分析物的半导体器件和系统技术方案

本公开的实施例提供了一种用于检测样本中的分析物的半导体器件和系统。该半导体器件包括传感器，该传感器包括：感测区域，形成于半导体衬底之上，所述感测区域包括配置成检测在所述感测区域与所述分析物之间的相互作用的换能器；在所述感测区域下面的集成热能源，所述热能源被配置成产生热能；以及与所述感测区域相邻的集成温度传感器，所述集成温度传感器被配置成感测所述感测区域的温度。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及一种包括一个或者多个传感器的集成半导体器件，该传感器用于感测和标识研究的样本中的分析物。
技术介绍
对小尺度微传感器的需求已经造成对如下集成解决方案的研究，这些解决方案使用在制造半导体时获取的技术和知识。具体而言，已经研究了可以连接到用于化学和生化分析的外部装置的一次性类型的检测和诊断设备。利用微传感器的检测和诊断设备包括承载芯片(特定传感器连接到该芯片)的一般为平坦类型的固体基底。这些传感器可能对各种分析物灵敏，该分析物例如包括生物分子(DNA、RNA、蛋白质、抗原、抗体、激素等)、微生物或者其部分(细菌、病菌、孢子、细胞等)和化学物(氧、一氧化碳、二氧化碳、葡萄糖等)。这些微传感器一般为具有有限使用(在使用特定微传感器的次数上或者微传感器被设计成检测的内容上有限)的类型。例如在用于糖尿病患者的手持血液葡萄糖计量器中使用常见的有限使用的微传感器。校验个人的血液葡萄糖水平通常涉及到对手指的疼痛扎破以抽出血滴。将抽取的血液放置成与测试条接触，该测试条具有形式为各种电极的换能器，这些电极对在血液中的葡萄糖与电极之一上的葡萄糖氧化酶之间的化学反应灵敏。检测和处理来自电极的信号以确定在屏幕上向用户显示的血液葡萄糖数目。微传感器的小型化转化成更小样本体积并且需要更小器件尺度。随着样本体积更小并且器件尺度更小，电化学传感器产生的电信号可以减少至纳安培级或者皮安培级。鉴于这样小的电信号以及对准确和可再现结果的需要，控制取得测量的条件变得越来越重要。已知比如温度这样的条件直接影响化学反应速率。例如，存在如下最优温度，在葡萄糖与葡萄糖氧化酶之间的反应速率在该温度以上未增加。这一温度灵敏性造成从换能器输出的电流随着温度迫近最优反应温度而增加并且电流响应随着温度增加超出最优反应温度而减少。通过控制微传感器在化学反应出现的局部区域中的温度，可以最大化从换能器输出的电流，这将造成灵敏度增加并且干扰信号的影响减少。微传感器的使用温度可以以其它方式影响传感器的准确度。例如，如果在特定温度校准传感器并且在不同温度实现测试，则可能不利地影响测量的准确度。此外，在一些生物或者化学微传感器中，要求分析物经过膜扩散以到达换能器。膜的可渗透性可以依赖于扩散类别的特性和温度。当膜的可渗透性受温度影响时，在与校准温度不同的温度实现测量时，测量的准确度将减少。
技术实现思路
在本公开内容中描述对微传感器检测感兴趣的分析物的温度进行控制的解决方案。在某些实施例中，描述一种包括微传感器的半导体器件，该微传感器能够检测样本中的少量分析物。在这样的实施例中，微传感器产生响应于样本中存在的分析物浓度的信号(例如电信号或者光信号)。公开的微传感器包括形成于半导体衬底之上的感测区域。感测区域包括响应于在分析物与感测区域之间的相互作用而产生信号的换能器。微传感器包括产生热能的集成热能源和检测感测区域的温度的集成温度传感器。热能源和温度传感器与感测区域相邻并且配合以提供对感测区域的局部化加热和温度控制。通过将感测区域的温度控制于传感器的校准温度或者附近，可以提高测量的准确度。此外，可以通过控制感测区域的温度以迫近如下温度来增加微传感器的灵敏度，在分析物与感测区域之间的相互作用在该温度接近它的峰值。例如在换能器为电化学换能器并且相互作用为化学反应的实施例中，将感测区域的温度控制成在化学反应速率处于其最大值情况下的温度。在一些实施例中，在换能器之下提供热能源。在一些实施例中，也在温度传感器之下提供热能源。在其它更多一些实施例中，在换能器之下提供热能源和温度传感器二者。在其它更多一些实施例中，热能源和温度传感器不在换能器下面。在某些实施例中，换能器和温度传感器由相同材料形成。在其它一些实施例中，换能器和温度传感器由不同材料形成。本公开内容描述热能源生成如下热能，该热能提供对感测区域的局部化加热。集成温度传感器检测感测区域的温度并且产生指示该温度的信号。该信号可以由控制单元使用以控制由热能源产生的热能。通过这一反馈回路，可以调整和控制对感测区域的局部化加热以实现希望的温度。可以通过生长、沉积、图案化和蚀刻步骤的序列形成本公开内容描述的、作为半导体器件的微传感器。在一个实施例中，这样的方法涉及到提供包括热绝缘层的硅衬底。在热绝缘层之上形成难熔材料的热能源层。图案化所得热能源层以形成热能源。在热能源之上形成热传导层。在形成热传导层之后，在热传导层之上形成工作电极、反电极和温度传感器。然后在温度传感器之上形成钝化层。图案化钝化层以限定感测区域并且暴露工作电极和反电极的至少一部分。根据本技术的一个方面，提供了一种用于检测样本中的分析物的半导体器件，所述半导体器件包括传感器，所述传感器包括:感测区域，形成于半导体衬底之上，所述感测区域包括配置成检测在所述感测区域与所述分析物之间的相互作用的换能器；在所述感测区域下面的集成热能源，所述热能源被配置成产生热能；以及与所述感测区域相邻的集成温度传感器，所述集成温度传感器被配置成感测所述感测区域的温度。可选地，所述换能器选自于电化学换能器、光学换能器、量热换能器、声学换能器和重量换能器。可选地，所述换能器为电化学换能器。可选地，所述温度传感器在所述热能源之上。可选地，所述温度传感器在所述换能器之下。可选地，该半导体器件还包括在所述热能源与所述感测区域之间的热传导层。可选地，所述换能器包括工作电极和反电极，并且所述相互作用出现于所述分析物、所述工作电极和所述反电极之间。根据本技术的另一方面，提供了一种用于检测样本中的分析物的系统，所述系统包括:半导体器件部件，包括用于检测所述样本中的所述分析物的传感器，所述传感器包括:感测区域，形成于半导体衬底之上，所述感测区域包括配置成检测在所述分析物与所述感测区域之间的相互作用的换能器；在所述感测区域下面的集成热能源，所述热能源被配置成产生热能；以及与所述感测区域相邻的集成温度传感器，所述集成温度传感器被配置成感测所述感测区域的温度；以及控制部件，配置成从所述集成温度传感器接收信号并且响应于从所述集成温度传感器接收的所述信号向所述热能源提供信号。根据本技术的又一方面，提供了一种用于检测样本中的分析物的半导体器件，所述半导体器件包括传感器，所述传感器包括:感测区域，形成于半导体衬底之上，所述感测区域包括配置成检测在所述感测区域与所述分析物之间的相互作用的换能器；与所述感测区域相邻的集成热能源，所述集成热能源被配置成产生热能并且向所述感测区域提供局部化加热；以及与所述感测区域相邻的集成温度传感器，所述集成温度传感器被配置成感测所述感测区域的温度。可选地，所述温度传感器在所述热能源之下。可选地，所述热能源在所述温度传感器之下。可选地，所述换能器选自于电化学换能器、光学换能器、量热换能器、声学换能器和重量换能器。可选地，所述换能器为电化学换能器。可选地，所述换能器包括工作电极、反电极，并且所述相互作用出现于所述分析物、所述工作电极和所述反电极之间。可选地，所述工作电极、所述反电极和所述温度传感器由相同材料形成。可选地，所述热能源和所述温度传感器在所述换能器之下。附图说明图1是用于根据本公开内容一个实施例的微传感器的截面的示意图；图2示出了用于根据一个实施例的微传感器的布局的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测样本中的分析物的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括传感器，所述传感器包括：感测区域，形成于半导体衬底之上，所述感测区域包括配置成检测在所述感测区域与所述分析物之间的相互作用的换能器；在所述感测区域下面的集成热能源，所述热能源被配置成产生热能；以及与所述感测区域相邻的集成温度传感器，所述集成温度传感器被配置成感测所述感测区域的温度。

【技术特征摘要】
2011.07.05 US 13/176,5991.一种用于检测样本中的分析物的半导体器件，其特征在于，所述半导体器件包括传感器，所述传感器包括: 感测区域，形成于半导体衬底之上，所述感测区域包括配置成检测在所述感测区域与所述分析物之间的相互作用的换能器； 在所述感测区域下面的集成热能源，所述热能源被配置成产生热能；以及与所述感测区域相邻的集成温度传感器，所述集成温度传感器被配置成感测所述感测区域的温度。2.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述换能器选自于电化学换能器、光学换能器、量热换能器、声学换能器和重量换能器。3.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述换能器为电化学换能器。4.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述温度传感器在所述热能源之上。5.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述温度传感器在所述换能器之下。6.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，还包括在所述热能源与所述感测区域之间的热传导层。7.根据权利要求1所述的半导体器件，其特征在于，所述换能器包括工作电极和反电极，并且所述相互作用出现于所述分析物、所述工作电极和所述反电极之间。8.一种用于检测样本中的分析物的系统，其特征在于，所述系统包括: 半导体器件部件，包括用于检测所述样本中的所述分析物的传感器，所述传感器包括: 感测区域，形成于半导体衬底之上，所述感测区域包括配置成检测在所述分析物与所述感测区域之间的相互作用的换能器； 在所述感测区域下面的集成热能源，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：O·莱恩尔，S·谢里安，R·山卡尔，
申请(专利权)人：意法半导体有限公司，
类型：实用新型
国别省市：