CN114910538A - 生物传感器***和用生物传感器***分析测试样品的方法 - Google Patents

生物传感器***和用生物传感器***分析测试样品的方法 Download PDF

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Abstract

生物传感器***包括生物传感器阵列以及位于生物传感器附近的多个电极。控制器配置为选择性地激励多个电极以生成DEP力，以相对于生物传感器的阵列选择性地定位测试样品。本发明的实施例还涉及使用生物传感器***分析测试样品的方法。

Description

生物传感器***和用生物传感器***分析测试样品的方法
技术领域
本发明的实施例涉及生物传感器***和用生物传感器***分析测试样品的方法。
背景技术
生物传感器是指用于感测和检测生物分子的器件，并且基于电子、电化学、光学和机械检测原理进行操作。包括晶体管的生物传感器是电感测生物实体或生物分子的电荷、光子和机械特性的传感器。可以通过检测生物实体或生物分子本身，或通过特定反应物与生物实体/生物分子之间的相互作用和反应来执行检测。这样的生物传感器可以使用半导体工艺来制造，可以快速地转换电信号，并且可以容易地应用于集成电路(IC)和微电子机械***(MEMS)。
发明内容
本发明的实施例提供了一种生物传感器***，包括：生物传感器的阵列；多个电极，位于所述生物传感器的阵列附近；以及控制器，配置为选择性地激励所述多个电极以生成介电电泳(DEP)力，以相对于所述生物传感器的阵列选择性地定位测试样品。
本发明的另一实施例提供了一种生物传感器***，包括：处理衬底；互连层，位于所述处理衬底上方；器件衬底，位于所述互连层上方，所述器件衬底包括电连接至所述互连层的生物传感器阵列；隔离层，位于所述器件衬底上方；多个电极，形成在所述隔离层上方，并且穿过所述隔离层和所述器件衬底延伸至所述互连层，所述多个电极配置为接收交流信号以建立介电电泳力以相对于所述生物传感器阵列选择性地定位测试样品。
本发明的又一实施例提供了一种使用生物传感器***分析测试样品的方法，包括：提供生物传感器阵列；提供三维(3D)测试样品；由所述生物传感器阵列收集关于所述三维测试样品的第一段的数据；生成介电电泳力以相对于所述生物传感器阵列重新定位所述三维测试样品；由所述生物传感器阵列收集关于所述三维测试样品的第二段的数据；组合关于所述三维测试样品的所述第一段和所述第二段的所述数据。
附图说明
当结合附图进行阅读时，从以下详细描述可最佳理解本发明的各方面。应该注意，根据工业中的标准实践，各个部件未按比例绘制。实际上，为了清楚的讨论，各个部件的尺寸可以任意地增大或减小。另外，附图是说明性的，作为本发明的实施例的示例，并且不旨在限制。
图1是示出根据一些实施例的示例生物传感器***的各方面的框图。
图2是示意性地示出根据一些实施例的bioFET的示例的框图。
图3是示出根据一些实施例的背侧感测bioFET器件的各方面的截面侧视图。
图4是示出根据一些实施例的使用2D生物传感器器件对测试样品进行3D分析的方法的流程图。
图5A至图5C是示出根据一些实施例的图4中所示的方法的各方面的框图。
图6是示出根据一些实施例的示例生物传感器器件的各方面的顶视图。
图7是示出根据一些实施例的图6中示出的示例生物传感器器件的其他方面的顶视图。
图8是示出根据一些实施例的图6和图7中示出的示例生物传感器器件的其他方面的截面侧视图。
图9是概念性地示出根据一些实施例的作用在测试样品上的正介电电泳(DEP)力的框图。
图10是概念性地示出根据一些实施例的作用在测试样品上的负DEP力的框图。
图11是示出根据一些实施例的电极激活以生成DEP力的示例的框图。
图12是示出根据一些实施例的电极激活以生成DEP力的另一示例的框图。
图13是示出根据一些实施例的电极激活以生成DEP力的另一示例的框图。
图14是示出根据一些实施例的电极激活以生成DEP力的另一示例的框图。
图15是示出根据一些实施例的电极激活以生成DEP力的另一示例的框图。
图16至图20示出了根据一些实施例的用于形成图6至图8中示出的生物传感器器件的电极的工艺的示例。
具体实施方式
以下公开提供了许多用于实现所提供主题的不同特征的不同的实施例或实例。下面描述了组件和布置的具体实例以简化本发明。当然，这些仅是实例而不旨在限制。例如，在以下描述中，在第二部件上方或者上形成第一部件可以包括第一部件和第二部件直接接触形成的实施例，并且也可以包括在第一部件和第二部件之间可以形成附加部件，从而使得第一部件和第二部件可以不直接接触的实施例。此外，本发明可以在各个示例中重复参考数字和/字母。该重复是为了简单和清楚的目的，并且其本身不指示讨论的各个实施例和/或配置之间的关系。
此外，为了便于描述，本文中可以使用诸如“在…下方”、“在…下面”、“下部”、“在…之上”、“上部”等的空间相对术语，以描述如图中所示的一个元件或部件与另一元件或部件的关系。除了图中所示的方位外，空间相对术语旨在包括器件在使用或操作工艺中的不同方位。装置可以以其它方式定位(旋转90度或在其它方位)，并且在本文中使用的空间相对描述符可以同样地作相应地解释。
通常，如本文所用的，“生物传感器”是指用于检测化学物质的分析器件，该分析器件结合了生物组分和物理化学检测器。这种生物组分可以包括例如细胞、细胞群、组织、微生物、细胞器、细胞受体、酶、抗体、核酸等。这种生物来源的材料或仿生组分与研究中的分析物相互作用、结合或识别该分析物。
如本文所用的，术语“bioFET”是指具有半导体换能器的场效应传感器，并且更具体地，是指基于场效应晶体管(FET)的生物传感器。在bioFET中，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的栅极被用作表面受体的固定探针分子的生物或生物化学兼容层或生物功能化层取代，该栅极控制MOSFET的源极接触件和漏极接触件之间的半导体的导通。本质上，bioFET是具有半导体换能器的场效应生物传感器。bioFET的绝对优势在于无标签运行的前景。具体地，bioFET可以避免昂贵且费时的标记操作，诸如使用荧光或放射性探针标记分析物。
bioFET的典型检测机制是由于目标生物分子或生物实体与bioFET的感测表面或固定在bioFET的感测表面上的受体分子结合而导致的换能器的电导调制。当目标生物分子或生物实体键合到感测表面或固定的受体时，bioFET的漏极电流会因感测表面的电势而变化。可以测量漏极电流的这种变化，并且可以识别受体与目标生物分子或生物实体的键合。各种各样的生物分子和生物实体可以用于使bioFET的感测表面功能化，诸如离子、酶、抗体、配体、受体、肽、寡核苷酸、器官细胞、生物体和组织碎片。例如，为了检测ssDNA(单链脱氧核糖核酸)，可以用固定的互补ssDNA链使bioFET的感测表面功能化。同样，为了检测各种蛋白质，诸如肿瘤标志物，可以用单克隆抗体使bioFET的感测表面功能化。
生物传感器通常用于测试样品的二维(2D)分析，诸如细胞培养。然而，期望三维(3D)细胞分析以获得关于测试样品的其他信息。与典型的2D细胞培养相比，3D细胞分析可以提供更多相关信息。例如，可以使用2D电极或图像传感器的阵列来监测3D细胞。然而，这样的布置仅从实际接触2D生物传感器表面的子细胞获得部分信息。基于此不完整的信息，可能很难获得整个3D细胞的准确行为轮廓。
根据本发明的方面，使用诸如介电电泳(DEP)的技术在半导体生物传感器平台上操纵要分析的3D细胞，以分析整个3D细胞。例如，可以将这样的DEP技术配置为捕获、提升和旋转3D细胞，以使用半导体生物传感器平台进行监测和分析。通常，DEP是指其中当电介质颗粒受到不均匀电场时作用在其上的力的现象。该力不需要使粒子带电。在本文公开的实施例中，使用DEP对细胞进行操纵提供了使用2D传感器实现3D电细胞检测的方法。
图1是根据本发明的示例生物传感器***100的框图。如图1所示，示例生物传感器***100可以包括传感器阵列102、流体输送***104、电极阵列106和控制器108等。传感器阵列102可以具有用于检测生物或化学分析物的至少一个感测元件。
传感器阵列102可以包括bioFET 110的阵列，bioFET 110的示例在图2中示出。图2中所示的bioFET 110可以被功能化以检测特定的目标分析物，并且可以使用用于检测不同的目标分析物的不同的捕获试剂使不同的传感器功能化。可以将bioFET布置成多行和多列，形成传感器的二维阵列。在一些实施例中，使用不同的捕获试剂使每行bioFET功能化。在一些实施例中，使用不同的捕获试剂使每列bioFET功能化。
流体输送***104可以将一种或多种流体样品输送到传感器阵列102。流体输送***104可以是定位在传感器阵列102之上以在传感器阵列102上方包含流体的微流体阱。流体输送***104还可以包括用于将各种流体输送到传感器阵列102的微流体通道。流体输送***104可以包括设计成将流体输送到传感器阵列102的任何数量的阀、泵、室、通道。电极阵列106可以包括多个电极，多个电极配置为操纵待由传感器阵列分析的样品，诸如细胞。
控制器108可以向传感器阵列102和电极阵列106发送和接收电信号，以根据需要定位样品以执行生物或化学感测测量。控制器108还可以将电信号发送至流体输送***104，以例如致动一个或多个阀、泵或电机。控制器108可以包括一个或多个处理器件，诸如微处理器，并且可以是可编程的以控制电极阵列106、传感器阵列102和/或流体输送***104的操作。下面将更详细地讨论从传感器阵列102发送和接收的各种电信号的示例。
示例bioFET 110可以包括垂直流体栅极(VFG)112、源极区域114、漏极区域116、感测膜118和沟道区域120。流体输送***104在感测膜118上方施加流体122。流体122可以包含分析物。感测膜118可以是将流体122与沟道区域120分离的电绝缘层和化学绝缘层。感测膜118可以包括捕获试剂层等。捕获试剂对分析物具有特异性，并且能够结合目标分析物或目标试剂。当结合分析物时，在感测膜118的表面处发生静电势的变化，这进而导致bioFET110的静电门控作用，以及在源电极和漏电极之间的电流(例如，Ids电流126)的可测量的变化。施加至垂直流体栅极112的电压也可以改变Ids126。换句话说，bioFET 110的输出信号是Ids 126，Ids 126与施加至垂直流体栅极112的电压有关系。在一个实施例中，bioFET可以是双栅极背侧FET传感器，但是其他类型的bioFET也在本发明的范围内。
图3示出了根据一些公开的实施例的背侧感测bioFET器件130。后段制程(BEOL)互连结构136布置在处理衬底138上方，并且器件衬底134布置在BEOL互连结构136上方。参考电极132布置在器件衬底134上方。处理衬底138可以是例如体半导体衬底，诸如单晶硅的体衬底。
互连结构136可以包括多层互连(MLI)结构，该MLI结构具有导线、导电垂直互连通路(通孔)和/或***介电层(例如，层间介电(ILD)层)。互连结构136可以提供到bioFET 110的各种物理和电连接。导线可以包括铜、铝、钨、钽、钛、镍、钴、金属硅化物、金属氮化物、多晶硅、它们的组合和/或可能包括一层或多层或衬里的其他材料。***介电层(例如ILD层)可以包括二氧化硅、氟化硅玻璃(FGS)、SILK(密歇根州陶氏化学公司的产品)、BLACKDIAMOND(加利福尼亚州圣克拉拉应用材料公司的产品)和/或其他合适的绝缘材料。MLI结构可以通过CMOS制造中典型的合适工艺形成，诸如CVD、PVD、ALD、镀、旋涂和/或其他工艺。
器件衬底134容纳bioFET 110，并且可以是例如绝缘体上半导体(SOI)衬底或体半导体衬底的半导体层。bioFET 110包括一对源极区域114/漏极区域116，并且在一些实施例中，包括背栅电极148。源极区域114、漏极区域116具有第一掺杂类型并且分别布置在bioFET 110的沟道区域120的相对侧上的器件衬底134内。沟道区域120具有与第一掺杂类型相反的第二掺杂类型，并且布置在器件衬底134中，横向位于源极区域114、漏极区域116之间。第一掺杂类型和第二掺杂类型可以例如分别是n型和p型，反之亦然。在一些实施例中，如图所示，bioFET 110布置成穿过器件衬底134，从器件衬底134的顶面延伸至器件衬底134的底面。在一些其他实施例中，源极区域114、漏极区域116和沟道区域120布置在器件衬底134的下侧(器件衬底134的下部部分)处。在一些实施例中，bioFET 110布置在具有第二掺杂类型和/或电耦接至BEOL互连结构136的器件衬底134的阱区域140内。背栅电极148布置在器件衬底134下方，横向位于源极区域114、漏极区域116之间并且通过bioFET 110的栅极介电层142与器件衬底134间隔开。在一些实施例中，背栅电极148电耦接至BEOL互连结构136和/或是金属、掺杂的多晶硅或它们的组合。
隔离层144布置在器件衬底134上方，并且包括感测阱146。感测阱146延伸至隔离层144中以紧邻沟道区域120，并且至少部分地由生物感测膜118衬里。另外，在一些实施例中，感测阱146延伸穿过隔离层144以暴露沟道区域120和/或横向地布置在源极区域114、漏极区域116之间。在一些实施例中，感测阱146和衬里的生物感测膜118横向延伸以跨越沟道区域120与源极区域114、漏极区域116的边界，以部分地覆盖源极区域114、漏极区域116。隔离层144可以是例如二氧化硅、SOI衬底的掩埋氧化物(BOX)层、某些其他电介质或它们的组合。生物感测膜118衬里感测阱146，并且在一些实施例中，覆盖隔离层144。尽管在图3中未示出，但是在一些其他实施例中，生物感测膜118可以根据应用(例如，用于外部布线焊盘)具有开口。此外，生物感测膜118配置为与生物实体反应或与生物实体结合以促进沟道区域120的电导的改变，使得可以基于沟道区域120的电导来检测生物实体的存在。生物感测膜118可以是例如氮化钛、钛、高k电介质、配置为与生物实体反应或结合到生物实体的一些其他材料或它们的组合。生物实体可以是例如DNA、核糖核酸(RNA)、药物分子、酶、蛋白质、抗体、抗原或它们的组合。生物感测膜118可以包括用于任何特定的生物分子结合的材料。在实施例中，生物感测膜118包括高k介电材料，诸如HfO2。在实施例中，生物感测膜118包括金属层，诸如Pt、Au、Al、W、Cu和/或其他合适的金属。其他示例性生物感测膜118包括高k介电膜、金属、金属氧化物、电介质和/或其他合适的材料。作为进一步的示例，生物感测膜118包括HfO2、Ta2O5、Pt、Au、W、Ti、Al、Cu、这些金属的氧化物、SiO2、Si3N4、Al2O3、TiO2、TiN、SnO、SnO2；和/或其他合适的材料。生物感测膜118可以包括多个材料层。生物感测膜118可以例如具有小于约100纳米的厚度。
在一些实施例中，参考电极132设置在感测阱146上方。在其他实施例中，参考电极132可以间接地或直接地定位在横向靠近感测阱146的隔离层144上。参考电极132可以可选地间接地或直接地设置在生物感测膜118下方。在一些实施例中，参考电极132包括铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、氯化银(AgCl)或它们的组合。参考电极132的厚度可以在约500埃到约1μm的范围内。通过将参考电极132与器件衬底134分离，有效地防止了参考电极132引入的污染。
虽然图3的实施例包括背栅电极148和栅极介电层142，但是应当理解，在其他实施例中可以省略背栅电极148和栅极介电层142。感测阱146暴露于流体122。随着将流体122施加至bioFET器件130，将参考偏压施加至参考电极132。
在操作期间，将测试样品悬浮在流体122内，并且施加至感测阱146，以检测生物实体的存在。此外，在将流体122施加至感测阱146之后，可以将流体122偏置到参考电位以增强对生物实体的检测。参考电极132例如通过可以由控制器108控制的外部电源为流体122提供参考电位。
图4是流程图，示出了使用2D生物传感器阵列对测试样品(诸如细胞或细胞群)进行3D分析的方法，并且图5A至图5C概念性地示出了图4方法的其他方面。通常，所示方法包括相对于生物传感器阵列重新定位3D测试样品，以便依次将样品的多个不同区域放置为与传感器阵列接触以进行分析。然后将从每个样品区域收集的数据进行组合，以使用2D传感器阵列获得测试样品的3D分析。更具体地，所示方法200包括在步骤210处将诸如细胞或细胞群的测试样品装载到生物传感器器件130中。在步骤212处，将细胞“捕获”或放置在生物传感器阵列102上。如上所述，图1中所示的生物传感器***100包括电极阵列106，该电极阵列106配置为选择性地施加各种DEP力以相对于传感器阵列102来操纵测试样品。控制器108可以被编程或操作以将适当的电信号施加至电极阵列106以生成期望的DEP力。
因此，在一些示例中，在步骤212中，使用正DEP力捕获样品。在其他实施例中，样品通过重力接触传感器阵列102。图5A示出了包括细胞或细胞群的3D测试样品250。样品或细胞250的第一区域252接触传感器阵列102。在步骤214处，生物传感器102对测试样品250进行分析或检测，以在步骤216处获得关于第一细胞区域252的测试数据。
如上所述，分析了测试样品的多个区域，并且将数据组合以生成样品的3D分析。如果在步骤220处确定了测试样品250的其他区域以进行分析，则该方法进入步骤230。在步骤230处，测试样品250受到DEP力(诸如负DEP力)的提升，使得图5A中所示的第一区域252被提离生物传感器102。图5B示出了表示负DEP的箭头256，该负DEP将样品250提离生物传感器102。在步骤232中，通过施加旋转的DEP力使样品250旋转。如将在下面进一步讨论的，控制器108可操作以将不同的电信号施加至电极阵列106，诸如旋转的AC信号以将期望的旋转力施加至样品250。在图5B中，旋转力由箭头258表示。如图5B所示，旋转样品250直到第二区域254定位成放置在生物传感器阵列102上。在图4的步骤234中，如图5C所示，允许样品250从其升高的位置下沉，使得样品250的第二区域254接触生物传感器102。方法200然后返回到步骤212，在步骤212处，施加正DEP以将样品250捕获在生物传感器102上。在一些实施方式中，重力足以将测试样品250放置在生物传感器102上，并且可以省略步骤212。
一旦如步骤220中所确定地分析了样品250的所有测试区域，就在步骤222中组合每个样品区域的测试数据以产生3D样品细胞的3D分析。
图6是顶视图，示出了生物传感器***100的电极阵列108和生物传感器阵列102的各方面。在所示的示例中，电极阵列108包括两个电极组或图案。第一电极组154包括位于生物传感器阵列102的相应四侧上的共同平面中的电极E1、E2、E3和E4。第二电极组156包括电极E5、E6、E7和E8，电极E5、E6、E7和E8也位于生物传感器阵列102的相应四侧上的共同平面中。在所示的示例中，第一电极组154位于第二电极组156的外部，并且电极组154、156在同一平面中。其他实施例可以在电极阵列中采用更多或更少的电极。
图7示出了包括生物传感器阵列102和电极阵列106的生物传感器器件150的其他组件的示例。图7示出了配置为位于传感器阵列102上方的bioFET器件130的参考电极132，如将在下面进一步讨论的。微流体盖152配置为覆盖参考电极132和传感器阵列102。微流体壁进一步包围器件150的侧面以产生微流体通道，该微流体通道包含流体122并且接收相对于传感器阵列102定位的测试样品以用于分析。
图8是沿着图6的线A-A截取的生物传感器器件150的侧视截面图，包括图3所示的背侧感测bioFET器件130的传感器阵列102和电极阵列108(为了便于讨论，在图8中未示出了bioFET器件130的所有细节)。生物传感器器件150包括布置在处理衬底138上方的互连结构136。在一些示例中，设置在互连层136中的电互连结构是金属，但是如上所述也可以可选地使用其他导电材料。器件衬底134布置在互连结构136上方。处理衬底138可以是例如体半导体衬底，诸如单晶硅的体衬底，并且衬底134可以是例如绝缘体上半导体(SOI)衬底的半导体层或体半导体衬底。
隔离层或BOX层144布置在器件衬底134上方，并且参考电极132设置在生物传感器阵列102上方。图8示出了电极阵列108的部分，包括第一电极组154的电极E2和E4和第二电极组156的电极E6和E8的截面图。电极E6、E8可以由任何合适的导电材料制成，诸如金、铂、碳等。在所示实施例中，第一电极组154和第二电极组156的电极形成在隔离层144上方并且彼此共面。电极进一步延伸穿过隔离层144和器件衬底134至互连层136。电极阵列106因此可连接至电压源，该电压源在控制器108的控制下施加各种信号至电极阵列的电极以操纵测试样品，诸如结合图4和图5A至图5C所描述的。
在所示的示例中，电极阵列106配置为选择性地移动测试样品250，以将测试样品250捕获在生物传感器阵列102上，并且通过DEP力将测试样品250与生物传感器阵列102分离。图9和图10示出了该概念，其中如图9所示生成正DEP以将测试样品250移向生物传感器阵列102，而在图10中生成负DEP以使测试样品250远离生物传感器阵列102移动。更具体地，诸如细胞或细胞群的测试样品250在非均匀电场中经受净力，并且被推向图9中的场最大值(正DEP)或被推向图10中的场最小值(负DEP)。
可以通过施加至电极的AC信号的致动频率来修改正和负DEP的幅度。现在参考图11，第二或内部电极组156的电极E5-E6配置为用于生成正DEP，以将测试样品250捕获在生物传感器阵列102上。第一电极组154的电极E1-E4是浮置的，并且第二或内部电极组156的每个电极E5-E8接地。从电压源160向参考电极132施加致动信号以生成正DEP。图1所示的控制器108可以配置为控制电压源160。在所示的示例中，参考电极致动信号VRE根据VRE＝Vo*sin(w1t)来确定，其中选择AC信号频率w1以获得有效的正DEP以将测试样品250推向生物传感器阵列102，并且将测试样品250捕获在生物传感器阵列102上。
图12示出了施加致动信号以生成负DEP以将测试样品250提离生物传感器阵列102。第二或内部电极组156的电极E5-E6配置为生成负DEP以克服重力将测试样品250提离生物传感器阵列102。第一电极组154的电极E1-E4再次浮置，并且第二或内部电极组156的电极E5-E8中的每个接地。从电压源160向参考电极132施加致动信号以生成负DEP。在所示的示例中，参考电极致动信号VRE根据VRE＝Vo*sin(w2t)确定，其中，选择AC信号频率w2以获得有效的负DEP以抵抗重力提升测试样品250。
另外，如上所讨论的，示出的电极阵列106(参见图1)配置为选择性地旋转测试样品以将测试样品的期望部分与生物传感器阵列102对准。例如，示出的电极阵列106由控制器108通电以使测试样品绕第一轴、垂直于第一轴延伸的第二轴或垂直于第一轴和第二轴延伸的第三轴中的至少一个旋转。图13至图15示出了用于使测试样品250绕这三个轴旋转的示例布置。例如，图13至图15示出了X、Y和Z轴，其中X轴在附图内和外横向延伸，Y轴垂直于X轴在左右方向上延伸，并且Z轴垂直于X和Y轴在上下方向上延伸。
图13示出了配置电极阵列106并且施加致动信号以使测试样品250绕Z轴旋转的示例。换句话说，如图12所示，在通过负DEP力将测试样品提离生物传感器阵列102之后，使测试样品绕垂直轴旋转。在图13的示例中，电极E1、E2、E3和E4围绕生物传感器阵列102，并且由此位于生物传感器阵列102的四侧的每侧上。因此，如图13所示，电极E1、E2、E3和E4的每个与它们的相邻电极分开90度。换句话说，E1电极具有0度的相位角，E2电极具有90度的相位角，E3电极具有180度的相位角，而E4电极具有270度的相位角。
为了激励电极以使测试样品250绕Z轴移动，不使用内部电极组156，因此电极E5-E8和参考电极132都是浮置的。控制器108配置为分别向电极E1、E2、E3和E4施加电压V1、V2、V3和V4，其中电压V1-V4根据下式确定：
V1＝Vo*sin(wt)
V2＝Vo*sin(wt+0.5π)
V3＝Vo*sin(wt+π)
V4＝Vo*sin(wt+1.5π)
基于测试样品的类型和微流体流体溶液来确定AC信号频率w。在一些实施例中，AC信号频率例如是10k至50MHz。
图14示出了示例，其中在如图12所示通过负DEP力将测试样品250提离生物传感器阵列102之后，配置电极阵列106并且施加致动信号以使测试样品250绕X轴旋转。在图14的示例中，电极E1、E3、E5和E7以及参考电极132未被使用并且因此是浮置的。电极E2和E4接地。电压V6和V8分别施加至电极E6和E8。电压信号V6和V8根据下式确定：
V6＝Vo*sin(wt)
V8＝Vo*sin(wt+θ)，
其中根据特定的电极形状和设计，θ为约40-90度。
图15示出了示例，其中在如图12所示通过负DEP力将测试样品250提离生物传感器阵列102之后，配置电极阵列106并且施加致动信号以使测试样品250绕Y轴旋转。在图15的示例中，电极E2、E4、E6和E8以及参考电极132未被使用并且因此是浮置的。电极E1和E3接地。电压V5和V7分别施加至电极E5和E7。电压信号V5和V7根据下式确定：
V5＝Vo*sin(wt)
V7＝Vo*sin(wt+θ)，
其中根据特定的电极形状和设计，θ为约40-90度。
图16至图20示出了用于形成生物传感器器件150的电极阵列106的工艺中的步骤。在一些示例中，电极阵列106形成在隔离层144上以围绕生物传感器阵列102。作为示例，图16至图20示出了的电极阵列106之一的形成。剩余的电极以类似的方式制造。在图16中，提供了包括图3所示的双栅极背侧bioFET器件130的阵列的bioFET阵列102。如上公开的，该结构包括布置在处理衬底138上方的互连结构136以及布置在互连结构136上方的器件衬底134。处理衬底138可以是例如体半导体衬底，诸如单晶硅的体衬底。器件衬底134容纳生物传感器阵列102，并且可以是例如绝缘体上半导体(SOI)衬底的半导体层或体半导体衬底。隔离层或BOX层144布置在器件衬底134上方，其中感测膜118设置在器件衬底134上。在所示示例中，电极阵列106通过互连层136连接至其他结构，诸如控制器108和各种电压源。在图16中，开口170穿过感测膜118、隔离层144和器件衬底134延伸至互连层136中的导电焊盘172。
如图17所示，例如通过金属溅射工艺在感测膜118上方沉积金属层174。导电层衬里开口170，并且可以包括诸如铂(Pt)、金(Au)、银(Ag)、氯化银(AgCl)或它们的组合的金属材料。在图18中，光刻胶(PR)掩模176沉积在导电层174上方并且被图案化。将PR掩模图案化为蚀刻掩模以蚀刻金属层170。可以使用典型的光刻工艺来沉积PR掩模，固化光刻胶，将光刻胶暴露于图案化的光，以及显影光刻胶以产生期望的图案。
在图19中，蚀刻工艺根据PR掩模176去除了金属层174的部分。蚀刻工艺可以是干蚀刻。干蚀刻可以在等离子体工艺中使用基于氯或基于氟的蚀刻剂。在一个实施例中，蚀刻工艺利用终点***，其中蚀刻工艺检测终点材料(例如IMD材料)以及已经到达蚀刻终点的信号。在终点处，蚀刻工艺持续限定的持续时间，以过度蚀刻额外量的材料，以确保完全去除金属层174的导电材料。在图20中，去除PR掩模176以暴露形成的电极图案106。
因此，公开的示例提供了生物传感器***和方法，该***和方法收集用于3D测试样品(诸如细胞培养物)的3D分析的数据。这样的3D分析可以提供关于测试样品的附加的更相关的信息。2D生物传感器的阵列能够通过相对于生物传感器重新放置测试样品来收集关于3D测试样品的3D信息，以在测试样品的多个段上收集数据。然后将这些数据组合以提供3D分析。
根据一些公开的实施例，生物传感器***包括生物传感器的阵列，以及位于该生物传感器附近的多个电极。控制器配置为选择性地激励多个电极以生成DEP力，以相对于生物传感器的阵列选择性地定位测试样品。
在上述生物传感器***中，其中，所述多个电极位于所述生物传感器的阵列的四侧上。
在上述生物传感器***中，其中，所述多个电极位于所述生物传感器的阵列的四侧上，其中，所述控制器配置为激励所述多个电极以选择性地生成所述介电电泳力，以将所述测试样品捕获在所述生物传感器的阵列上。
在上述生物传感器***中，其中，所述多个电极位于所述生物传感器的阵列的四侧上，其中，所述控制器配置为激励所述多个电极以选择性地生成所述介电电泳力，以将所述测试样品与所述生物传感器的阵列分离。
在上述生物传感器***中，其中，所述多个电极位于所述生物传感器的阵列的四侧上，其中，所述多个电极包括：第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，位于共同平面上，并且分别位于所述生物传感器的阵列的第一侧、第二侧、第三侧和第四侧上；第五电极、第六电极、第七电极和第八电极，位于所述共同平面上，并且分别位于所述生物传感器的阵列的相应的第一侧、第二侧、第三侧和第四侧上；以及参考电极，位于所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极、所述第四电极、所述第五电极、所述第六电极、所述第七电极和所述第八电极以及所述生物传感器的阵列之上。
在上述生物传感器***中，其中，所述多个电极位于所述生物传感器的阵列的四侧上，其中，所述多个电极包括：第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，位于共同平面上，并且分别位于所述生物传感器的阵列的第一侧、第二侧、第三侧和第四侧上；第五电极、第六电极、第七电极和第八电极，位于所述共同平面上，并且分别位于所述生物传感器的阵列的相应的第一侧、第二侧、第三侧和第四侧上；以及参考电极，位于所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极、所述第四电极、所述第五电极、所述第六电极、所述第七电极和所述第八电极以及所述生物传感器的阵列之上，其中，所述控制器配置为将具有第一预定频率的第一交流(AC)信号施加至所述参考电极以建立正介电电泳以将所述测试样品捕获在所述生物传感器的阵列上，并且将具有第二预定频率的第二交流信号施加至所述参考电极以建立负介电电泳，以将所述测试样品与所述生物传感器的阵列分离。
在上述生物传感器***中，其中，所述多个电极位于所述生物传感器的阵列的四侧上，其中，所述多个电极包括：第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，位于共同平面上，并且分别位于所述生物传感器的阵列的第一侧、第二侧、第三侧和第四侧上；第五电极、第六电极、第七电极和第八电极，位于所述共同平面上，并且分别位于所述生物传感器的阵列的相应的第一侧、第二侧、第三侧和第四侧上；以及参考电极，位于所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极、所述第四电极、所述第五电极、所述第六电极、所述第七电极和所述第八电极以及所述生物传感器的阵列之上，其中，所述控制器配置为将交流信号施加至所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极中的每个，其中，施加至所述第一电极的所述交流信号具有0度的相位角，施加至所述第二电极的所述交流信号具有90度的相位角，施加至所述第三电极的所述交流信号具有180度的相位角，并且施加至所述第四电极的所述交流信号具有270度的相位角以建立介电电泳力以使所述测试样品绕第一轴旋转。
在上述生物传感器***中，其中，所述多个电极位于所述生物传感器的阵列的四侧上，其中，所述多个电极包括：第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，位于共同平面上，并且分别位于所述生物传感器的阵列的第一侧、第二侧、第三侧和第四侧上；第五电极、第六电极、第七电极和第八电极，位于所述共同平面上，并且分别位于所述生物传感器的阵列的相应的第一侧、第二侧、第三侧和第四侧上；以及参考电极，位于所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极、所述第四电极、所述第五电极、所述第六电极、所述第七电极和所述第八电极以及所述生物传感器的阵列之上，其中，所述控制器配置为将交流信号施加至所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极中的每个，其中，施加至所述第一电极的所述交流信号具有0度的相位角，施加至所述第二电极的所述交流信号具有90度的相位角，施加至所述第三电极的所述交流信号具有180度的相位角，并且施加至所述第四电极的所述交流信号具有270度的相位角以建立介电电泳力以使所述测试样品绕第一轴旋转，其中，所述交流信号具有预定频率。
在上述生物传感器***中，其中，所述多个电极位于所述生物传感器的阵列的四侧上，其中，所述多个电极包括：第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，位于共同平面上，并且分别位于所述生物传感器的阵列的第一侧、第二侧、第三侧和第四侧上；第五电极、第六电极、第七电极和第八电极，位于所述共同平面上，并且分别位于所述生物传感器的阵列的相应的第一侧、第二侧、第三侧和第四侧上；以及参考电极，位于所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极、所述第四电极、所述第五电极、所述第六电极、所述第七电极和所述第八电极以及所述生物传感器的阵列之上，其中，所述控制器配置为将交流信号施加至所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极中的每个，其中，施加至所述第一电极的所述交流信号具有0度的相位角，施加至所述第二电极的所述交流信号具有90度的相位角，施加至所述第三电极的所述交流信号具有180度的相位角，并且施加至所述第四电极的所述交流信号具有270度的相位角以建立介电电泳力以使所述测试样品绕第一轴旋转，其中，所述控制器配置为将具有第一相位角的第一交流信号施加至所述第六电极，并且将具有第二相位角的第二交流信号施加至所述第八电极以建立介电电泳力，以使所述测试样品绕垂直于所述第一轴的第二轴旋转。
在上述生物传感器***中，其中，所述多个电极位于所述生物传感器的阵列的四侧上，其中，所述多个电极包括：第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，位于共同平面上，并且分别位于所述生物传感器的阵列的第一侧、第二侧、第三侧和第四侧上；第五电极、第六电极、第七电极和第八电极，位于所述共同平面上，并且分别位于所述生物传感器的阵列的相应的第一侧、第二侧、第三侧和第四侧上；以及参考电极，位于所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极、所述第四电极、所述第五电极、所述第六电极、所述第七电极和所述第八电极以及所述生物传感器的阵列之上，其中，所述控制器配置为将交流信号施加至所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极中的每个，其中，施加至所述第一电极的所述交流信号具有0度的相位角，施加至所述第二电极的所述交流信号具有90度的相位角，施加至所述第三电极的所述交流信号具有180度的相位角，并且施加至所述第四电极的所述交流信号具有270度的相位角以建立介电电泳力以使所述测试样品绕第一轴旋转，其中，所述控制器配置为将具有第一相位角的第一交流信号施加至所述第五电极，并且将具有第二相位角的第二交流信号施加至所述第五电极以建立介电电泳力，以使所述测试样品绕垂直于所述第一轴和所述第二轴的第三轴旋转。
在上述生物传感器***中，其中，所述生物传感器的阵列包括多个背侧感测bioFET。
根据另外的实施例，生物传感器***包括处理衬底、位于处理衬底上方的互连层以及位于互连层上方的器件衬底。器件衬底具有电连接至互连层的生物传感器阵列。隔离层位于器件衬底上方。多个电极形成在隔离层上方，并且穿过隔离层和器件衬底延伸至互连层。多个电极配置为接收AC信号以建立DEP力以相对于生物传感器阵列选择性地定位测试样品。
在上述生物传感器***中，其中，所述多个电极包括：第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，位于所述生物传感器阵列的相应第一侧、第二侧、第三侧和第四侧上；第五电极、第六电极、第七电极和第八电极，位于所述生物传感器阵列的第一侧、第二侧、第三侧和第四侧上；以及参考电极，位于所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极、所述第四电极、所述第五电极、所述第六电极、所述第七电极和所述第八电极以及所述生物传感器阵列之上。
根据另外的示例，一种方法包括提供生物传感器阵列和3D测试样品。由生物传感器阵列收集关于3D测试样品的第一段的数据。生成DEP力以相对于生物传感器阵列重新定位3D测试样品，并且由生物传感器阵列收集关于3D测试样品的第二段的数据。然后组合关于3D测试样品的第一段和第二段的数据。
在上述方法中，其中，生成所述介电电泳力包括生成正介电电泳力以将所述三维测试样品捕获在所述生物传感器阵列上。
在上述方法中，其中，生成所述介电电泳力包括生成负介电电泳力以将所述三维测试样品提离所述生物传感器阵列。
在上述方法中，其中，生成所述介电电泳力包括生成旋转介电电泳力以使所述三维测试样品绕预定轴旋转。
在上述方法中，其中，生成所述介电电泳力包括生成旋转介电电泳力以使所述三维测试样品绕预定轴旋转，其中，生成所述介电电泳力包括生成旋转介电电泳力以使所述三维测试样品绕第一轴、垂直于所述第一轴延伸的第二轴或垂直于所述第一轴和所述第二轴延伸的第三轴中的至少一个旋转。
在上述方法中，其中，生成所述介电电泳力包括选择性地激励位于所述生物传感器阵列附近的多个电极。
在上述方法中，其中，生成所述介电电泳力包括选择性地激励位于所述生物传感器阵列附近的多个电极，其中，选择性地激励所述多个电极包括将预定的交流信号施加至所述多个电极中的至少一个。
本发明概述了若干实施例的特征，使得本领域人员可以更好地理解本发明的方面。本领域人员应该理解，它们可以容易地使用本发明作为基础来设计或修改用于实施与本文所介绍实施例相同的目的和/或实现相同优势的其它工艺和结构。本领域技术人员也应该意识到，这种等同配置不背离本发明的精神和范围，并且在不背离本发明的精神和范围的情况下，本文中它们可以做出多种变化、替换以及改变。

Claims (10)

1.一种生物传感器***，包括：
生物传感器的阵列；
多个电极，位于所述生物传感器的阵列附近；以及
控制器，配置为选择性地激励所述多个电极以生成介电电泳(DEP)力，以相对于所述生物传感器的阵列选择性地定位测试样品。
2.根据权利要求1所述的生物传感器***，其中，所述多个电极位于所述生物传感器的阵列的四侧上。
3.根据权利要求2所述的生物传感器***，其中，所述控制器配置为激励所述多个电极以选择性地生成所述介电电泳力，以将所述测试样品捕获在所述生物传感器的阵列上。
4.根据权利要求2所述的生物传感器***，其中，所述控制器配置为激励所述多个电极以选择性地生成所述介电电泳力，以将所述测试样品与所述生物传感器的阵列分离。
5.根据权利要求2所述的生物传感器***，其中，所述多个电极包括：
第一电极、第二电极、第三电极和第四电极，位于共同平面上，并且分别位于所述生物传感器的阵列的第一侧、第二侧、第三侧和第四侧上；
第五电极、第六电极、第七电极和第八电极，位于所述共同平面上，并且分别位于所述生物传感器的阵列的相应的第一侧、第二侧、第三侧和第四侧上；以及
参考电极，位于所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极、所述第四电极、所述第五电极、所述第六电极、所述第七电极和所述第八电极以及所述生物传感器的阵列之上。
6.根据权利要求5所述的生物传感器***，其中，所述控制器配置为将具有第一预定频率的第一交流(AC)信号施加至所述参考电极以建立正介电电泳以将所述测试样品捕获在所述生物传感器的阵列上，并且将具有第二预定频率的第二交流信号施加至所述参考电极以建立负介电电泳，以将所述测试样品与所述生物传感器的阵列分离。
7.根据权利要求5所述的生物传感器***，其中，所述控制器配置为将交流信号施加至所述第一电极、所述第二电极、所述第三电极和所述第四电极中的每个，其中，施加至所述第一电极的所述交流信号具有0度的相位角，施加至所述第二电极的所述交流信号具有90度的相位角，施加至所述第三电极的所述交流信号具有180度的相位角，并且施加至所述第四电极的所述交流信号具有270度的相位角以建立介电电泳力以使所述测试样品绕第一轴旋转。
8.根据权利要求7所述的生物传感器***，其中，所述交流信号具有预定频率。
9.一种生物传感器***，包括：
处理衬底；
互连层，位于所述处理衬底上方；
器件衬底，位于所述互连层上方，所述器件衬底包括电连接至所述互连层的生物传感器阵列；
隔离层，位于所述器件衬底上方；
多个电极，形成在所述隔离层上方，并且穿过所述隔离层和所述器件衬底延伸至所述互连层，所述多个电极配置为接收交流信号以建立介电电泳力以相对于所述生物传感器阵列选择性地定位测试样品。
10.一种使用生物传感器***分析测试样品的方法，包括：
提供生物传感器阵列；
提供三维(3D)测试样品；
由所述生物传感器阵列收集关于所述三维测试样品的第一段的数据；
生成介电电泳力以相对于所述生物传感器阵列重新定位所述三维测试样品；
由所述生物传感器阵列收集关于所述三维测试样品的第二段的数据；
组合关于所述三维测试样品的所述第一段和所述第二段的所述数据。
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