[发明专利]具有集成温度控制的微传感器

说明书

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

发明内容

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。