WO2016019836A1 - 传感装置 - Google Patents

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Definitions

  • the transport of the molecules to be tested adopts a "Flow-over" mode as shown in FIG. Specifically, the molecule to be tested first needs to diffuse to the vicinity of the probe molecule, so that a binding reaction may occur.
  • the laminar flow state at the micrometer scale limits the binding efficiency of the molecule to be tested to the probe molecule.

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Abstract

一种传感装置（2000），该传感装置（2000）包括：由电介质层（2006）隔开的第一电极层（2004）和第二电极层（2008），以及贯穿第一电极层（2004）、第二电极层（2008）和电介质层（2006）的通孔（2012-1，2012-2）。

Description

传感装置
相关申请的引用
本申请要求于2014年8月7日递交的题为“传感装置”的中国专利申请201410385603.8的优先权，其内容一并于此用作参考。
技术领域
本公开一般地涉及电化学检测，更具体地，涉及一种传感装置，如电化学生物传感器。
背景技术
电化学生物传感器由生物敏感元件和电化学传感器组成。生物敏感元件从最早期的酶催化剂电极，到后来的DNA、抗原、抗体、微生物和动植物组织等。通过采用多种现代生物技术和化学修饰技术，这类传感器技术的性能正在不断提高。
传统的电化学生物传感器如图5所示，一般是在硅基或其他基底502上，加工有检测电极506-1、506-2。电极506-1、506-2上可以附有探针分子，如图中“Y”形符号所示。当流体样品如图中水平箭头所示流过由基底502和盖片504限定的通道时，样品中的待测分子(如图中圆形所示)可以与探针分子发生生化反应。可以利用电极506-1和506-2检测生化反应(通常是氧化还原反应)过程中电荷/电流的变化。最典型的电极结构为叉指型微电极阵列(Interdigitated microelectrodes Array，IDA)。在这种情形下，两个相邻的电极形成一组电极对，可分别施加不同的偏压，分别用作氧化电极和还原电极，并循环往复，此过程被称之为“氧化还原循环(Redox cycling)”。如图5所示，在一个氧化还原循环过程中，阴极506-2电极上的还原产物(R)，经由扩散到达阳极506-1，并被氧化；氧化产物(O)随后扩散到阴极并被还原，完成一个循环。
在氧化还原循环过程中，阴极506-2和阳极506-1之间的距离，决定了反应产物的扩散路径以及所需的扩散时间。尽量减小相邻电极间的间隙，将有利 于提高氧化还原循环反应的效率，增大最终的电化学检测信号。定量地，该“氧化还原循环”反应的稳态电流Ilimiting可以由下列公式计算得出：
Figure PCTCN2015085929-appb-000001
其中，g为相邻电极间隙，w为电极宽度，m是叉指电极对的数量，b为电极长度，F为法拉第常数，n为氧化还原反应中的转移电子数，Cspe为氧化还原分子的浓度，D为氧化还原分子的扩散系数。根据典型实验条件下对氧化还原稳态电流与叉指电极对的间隙之间关系的计算可知，当电极间隙超过几个微米后，该稳态电流会急速下降。
为了充分利用“氧化还原循环”的特性，尽可能增大检测电流，一般都会采用微米、甚至纳米电极，并尽量缩小电极间距。传统的方法一般是通过改进微纳加工工艺，如采用深紫外光刻或电子束光刻技术，来制备纳米级电极间隙。然而，随着尺寸的缩小，加工纳米电极的工艺难度和成本也随之大幅增高。如采用电子束光刻工艺，目前的纳米电极尺寸约几十纳米，且需要较长的曝光时间，产率很低。
此外，在这种电化学检测器件，待测分子的输运采用“漫流(Flow-over)”模式，如图5所示。具体地，待测分子首先需要扩散到探针分子附近，才有可能发生结合反应。在微米尺度下的层流状态，限制了待测分子与探针分子的结合效率。
发明内容
本公开的目的至少部分地在于提供一种传感装置，可以高效检测目标颗粒，如化学和/或生物分子。
根据本公开的实施例，提供了一种传感装置，包括：由电介质层隔开的第一电极层和第二电极层；以及贯穿第一电极层、第二电极层和电介质层的通孔。
根据本公开实施例的传感装置利用双层电极间的电介质层(从而形成三维立体电极配置)，自然形成尺度例如在几纳米至几十纳米的电极间隙，从而避 免了复杂、昂贵的电子束曝光工艺。
此外，在以往的电化学传感器(参见图5)中，待测分子从器件(电极)表面流过(漫流(Flow-over)模式)，在微米尺度的层流条件下，待测分子与探针分子的接触主要受待测分子的扩散速度控制，检测速度较慢，灵敏度较低。根据本公开的实施例，采用新型的微/纳米通孔结构，电极分布在不同的层面，液体样品从通孔中流穿(Flow-through模式)，从而大大增强了待测分子的扩散效率以及与探针分子反应的概率，可以增强传感器灵敏度。
附图说明
通过以下参照附图对本公开实施例的描述，本公开的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1是示意性示出了根据本公开实施例的传感装置的切开透视图；
图2是示意性示出了根据本公开另一实施例的传感装置的截面图；
图3是示意性示出了根据本公开另一实施例的传感装置的截面图；
图4是示意性示出了根据本公开另一实施例的传感装置的截面图；
图5是示出了根据相关技术的电化学传感器的示意图。
具体实施方式
以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。
在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。 另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。
根据本公开的实施例，提供了一种传感装置，可用于检测样品中的目标颗粒，例如化学和/或生物分子。该传感装置可以包括由电介质层隔开的第一电极层和第二电极层以及贯穿第一电极层、第二电极层和电介质层的通孔。可以形成多个通孔的阵列，从而呈现“筛”状结构。
这种第一、第二电极和电介质层的三明治结构可以设于衬底的一侧上，且通孔可以贯穿衬底。可选地，还可以在衬底相对的另一侧上，同样设置另一第一、第二电极和另一电介质层的另一三明治结构。通孔可以进一步贯穿该另一三明治结构。
通孔可以呈现各种合适(例如，适于制造)的形状，如大致圆形。阵列中各通孔的形状可以相同或不同，各通孔的尺寸可以相同或不同。通孔可以大致竖直地贯穿第一、第二电极和电介质层的三明治结构(以及可选的之下的衬底)。每一通孔在第一电极层和第二电极层中的尺寸可以相同或不同。
根据本公开的实施例，该传感装置还可以包括微流控芯片(Microfluidic Chip)，配置为将流体样品引入该装置中，从而样品可以流过通孔。
这种传感装置例如可以用作电化学生物传感器。
本公开的技术可以多种形式呈现，以下将描述其中一些示例。
图1是示意性示出了根据本公开实施例的传感装置的切开透视图。
如图1所示，根据该实施例的传感装置1000可以包括衬底1002。例如，衬底1002可以包括硅等半导体材料，玻璃、石英等无机材料，有机玻璃、聚碳酸酯等聚合物材料中至少之一。
在衬底1002上，依次形成有第一电极层1004、电介质层1006和第二电极层1008。可选地，在第二电极层1008上还可以形成有钝化层1010，以保护之下各层。这些层例如可以通过沉积、蒸镀等方式形成于衬底1002上。第一电极层1004和第二电极层1008可以包括合适的导电材料，例如金属如Au，厚度为约几纳米至数百纳米。同时，为了增强电极层与衬底1002或电极层与电介质层1006之间的粘附性能，在电极层与衬底1002和/或电极层与电介质层1006之间，可以存在过渡层，过渡层可以包括合适的导电材料，例如金属 Ti、Cr等，厚度约为几纳米至几十纳米。电介质层1006包括合适的电介质材料，例如二氧化硅、氮化硅等，厚度为几纳米至几十纳米。钝化层1008可以包括二氧化硅、氮化硅或其他聚合物介质，厚度为约几纳米至数百纳米。
在此需要指出的是，在图1的示例中，示出了电极和电介质层的三明治结构之下的衬底以及之上的钝化层，但是它们是可选的。在某些应用中，甚至可以省略这样的衬底和/或钝化层。
在三明治结构中，例如可以通过刻蚀等工艺，形成贯穿其相对两侧(在图中是上、下两侧)的通孔1012。例如，通孔1012大致为圆形，直径为约100nm-500μm。在存在衬底1002和/或钝化层1010的情况下，通孔1012也贯穿衬底1002和/或钝化层1010。这样，流体可以从该装置的一侧(例如，图1中上侧)经通孔流到该装置的另一侧(例如，图1中下侧)，从而流体可以按“流穿(Flow-through)”模式流过第一和第二电极层，以便实现高效的电化学检测。
尽管在图1中示出了4×4的通孔阵列，但是本公开不限于此，通孔可以更多或更少。另外，图1中阵列为规则的方形阵列，但是本公开不限于此，通孔可以排列为其他规则或不规则的图案。而且，通孔不限于图中所示的规则圆柱状，而是可以为适于制造的任何其他形状，并且还可能包括由于制造公差、工艺限制等造成的形状偏差。
此外，在图1的示例中，仅在衬底1002的一侧(图1中上侧)上形成了电极和电介质层的三明治结构，但是本公开不限于此。例如，还可以在衬底1002相对的另一侧(图1中下侧)上形成电极和电介质层的另一三明治结构。该另一三明治结构中电极层和电介质层的配置可以与上述三明治结构中电极层和电介质层的配置相同，也可以不同。
图2是示意性示出了根据本公开另一实施例的传感装置的截面图。
如图2所示，根据该实施例的传感装置2000可以包括衬底2002。在衬底2002上，可以依次形成有第一电极层2004、电介质层2006、第二电极层2008和钝化层2010。关于衬底和这些层的配置，可以参见以上结合图1的描述。
该传感装置2000还可以包括贯穿衬底2002以及之上各层的通孔(2012-1、2012-2)。在该实施例中，通孔在第二电极层2008中的尺寸(2012-1)不同于 (在该示例中，大于)通孔在第一电极层2004中的尺寸(2012-2)。例如，这种形式的通孔可以如下制造。具体地，通过刻蚀如反应离子刻蚀(RIE)，按第一掩模依次刻蚀钝化层2010、第二电极层2008和电介质层2006，该第一掩模可以限定尺寸较大的开口。接着，可以通过刻蚀如RIE，按第二掩模依次刻蚀第一电极层2004和衬底2002，该第一掩模可以限定尺寸较小的开口。
在第一电极层2004和第二电极层2008露于通孔内的表面上，可以附有探针分子，如抗体蛋白分子，如图中“Y”形符号所示。可以向第一电极层2004和第二电极层2008施加电信号，如直流或交流信号。本领域技术人员知道多种方式来形成向第一电极层2004和第二电极层2008施加电信号的配线等连接。当流体样品按图中所示箭头方向流过通孔时，样品中的待测分子(如图中圆形符号所示)可以与探针分子反应，并因此可以实现对待测分子的检测。针对特定待测分子，探针分子的选择对于本领域技术人员来说是熟知的。
在此需要指出的是，在图2中，为方便起见，仅示出了单个通孔(2012-1、2012-2)。但是，本公开不限于此，还可以包括更多通孔。
图3是示意性示出了根据本公开另一实施例的传感装置的截面图。该传感装置3000与图2中的传感装置2000基本上相同，除了通孔形状不同之外。
如图3所示，根据该实施例的传感装置3000可以包括衬底3002。在衬底3002上，可以依次形成有第一电极层3004、电介质层3006、第二电极层3008和钝化层3010。关于衬底和这些层的配置，可以参见以上结合图1的描述。
该传感装置3000还可以包括贯穿衬底3002以及之上各层的通孔3012。在该实施例中，通孔在第二电极层3008中的尺寸与在第一电极层3004中的尺寸实质上相同。更具体地，在该实施例中，通孔3012以基本上相同的截面贯穿各层。例如，这种形式的通孔可以如下制造。具体地，通过刻蚀如反应离子刻蚀(RIE)，按相同掩模依次刻蚀钝化层3010、第二电极层3008、电介质层3006、第一电极层3004和衬底3002。
在第一电极层3004和第二电极层308露于通孔内的表面上，可以附有探针分子，如抗体蛋白分子，如图中“Y”形符号所示。可以向第一电极层3004和第二电极层3008施加电信号，如直流或交流信号。当流体样品按图中所示箭头方向流过通孔时，样品中的待测分子(如图中圆形符号所示)可以与探针 分子反应，并因此可以实现对待测分子的检测。
图4是示意性示出了根据本公开另一实施例的传感装置的截面图。
如图4所示，该传感装置可以包括衬底4002。在衬底4002上，可以依次形成有第一电极层4004、电介质层4006、第二电极层4008和钝化层4010。该传感装置还可以包括贯穿衬底4002以及之上各层的通孔4012。关于衬底和这些层以及通孔的配置，可以参见以上结合图1-3的描述。
该装置还可以包括微流控芯片4014。微流控芯片4014可以包括样品入口4016，以便将包含待测分子的流体样品引入到该装置中，使其流过通孔4012。尽管在图4中示出了1个样品入口，但是本公开不限于此，微流控芯片可以包括更多的样品入口。
微流控芯片可以精确控制和操控微尺度流体。例如，微流控芯片可以利用透明聚合物如有机玻璃(聚甲基丙烯酸甲酯，Polymethylmethacrylate，PMMA)、聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)、聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)等制成，且可以制备有利用微细加工技术制备的微管道、微型腔体等微结构。这些微结构至少在长、宽、高等尺度上，至少有一维可以在微米级别。微流控芯片4014可以通过外加压力或键合等方法，与之下的结构形成封闭的通道，从而实现流体的输运。
尽管以上分别在不同的实施例中描述了多种特征，但是这并不意味着这些特征不能有利地结合使用。
以上对本公开的实施例进行了描述。但是，这些实施例仅仅是为了说明的目的，而并非为了限制本公开的范围。本公开的范围由所附权利要求及其等价物限定。不脱离本公开的范围，本领域技术人员可以做出多种替代和修改，这些替代和修改都应落在本公开的范围之内。

Claims (10)

  1. 一种传感装置，包括：
    由电介质层隔开的第一电极层和第二电极层；以及
    贯穿第一电极层、第二电极层和电介质层的通孔。
  2. 根据权利要求1所述的传感装置，还包括：衬底，其中第一电极层、电介质层和第二电极层依次设于所述衬底的一例上，其中，所述通孔还贯穿所述衬底。
  3. 根据权利要求1所述的传感装置，其中，所述通孔在第一电极层和第二电极层中的尺寸不同。
  4. 根据权利要求3所述的传感装置，其中，所述通孔在电介质层中的尺寸与在第二电极层中的尺寸实质上相同。
  5. 根据权利要求1所述的传感装置，其中，所述通孔在第一电极层和第二电极层中的尺寸实质上相同。
  6. 根据权利要求5所述的传感装置，其中，所述通孔在电介质层中的尺寸与在第一和第二电极层中的尺寸实质上相同。
  7. 根据权利要求1所述的传感装置，其中，形成多个所述通孔的阵列。
  8. 根据权利要求1所述的传感装置，其中，所述通孔大致为圆形，直径为约100nm-500μm。
  9. 根据权利要求2所述的传感装置，还包括：在所述衬底与所述一例相对的另一例上依次设置的另一第一电极层、另一电介质层和另一第二电极层，所述通孔进一步贯穿所述另一第一电极层、另一电介质层和另一第二电极层。
  10. 根据权利要求1所述的传感装置，还包括：微流控芯片，配置为引入流体样品，使得流体样品能够流过所述通孔。
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