分析物感测系统及其卡匣的制作方法

分析物感测系统及其卡匣
相关申请的交叉引用
1.本案主张2019年12月24日提交的美国临时专利申请号62/953,216的优先权，其通过引用并入本文并作为说明书的一部分。背景
1.技术领域
2.本案总体上涉及微型分析感测系统，并且更具体地，涉及使用感测卡匣作为样本介面以为待测目标物质定性或定量的感测系统。2.相关技术
3.定点照护(point-of-care,poc)技术的成熟可能会给现代医疗保健领域带来新的颠覆性发展浪潮。例如，在各种应用中越来越广泛的poc设备范围已经促进了医疗资源的分散化，并实现了更大的灵活性。随着各种技术学科的高度整合，现代医疗保健设备和应用稳步实现了可预测性、可靠性、快速性、便携性、和成本效益的多方面目标。例如，易于使用的微型形葡萄糖监测计使糖尿病患者能够在居家舒适的情况下即时并准确地监测他们的健康状况，从而节省了患者宝贵的时间和精力，同时节约了集中式医疗机构的可用医疗资源。
4.虽然适用于poc应用的小尺寸生物感测器的价值不断增长，但在设计和制造实用可靠且价格合理的感测器装置方面一直面临挑战。一方面，尽管许多研究工作者将研发重点集中在微观地改良微电子元件设备的制造上，但人们应该认识到，感测器封装组件的总体设计在制造可行性和设备可靠性方面具有同等重要的意义。附图的简要说明
5.为可仔细理解本案以上记载之特征，参照实施态样可提供简述如上之本案的更特定描述，一些实施态样系说明于随附图式中。然而，要注意的是，随附图式仅说明本案的典型实施态样并且因此不被视为限制本案的范围，因为本案可承认其他等效实施态样。
6.图1为本案的一些实施例的感测系统的应用情境示意图；
7.图2a和图2b为本案的一些实施例的感测系统的组件示意图；
8.图3为本案的一些实施例的感测系统的感测卡匣的外部透视示意图；
9.图4a和图4b为本案的一些实施例的感测卡匣的分解示意图；
10.图5为本案的一些实施例的感测卡匣的示例性部件的局部分解透视图；
11.图6为本案的一些实施例的感测卡匣的截面示意图；
12.图7为本案的一些实施例的感测卡匣的平面布局示意图；
13.图8为本案的一些实施例中，选择性地聚焦在感测卡匣的两个功能区域上的示意性平面图；
14.图9为本案的一些实施例的感测卡匣沿线a-a'的截面示意图；
15.图10为本案的一些实施例的另一感测卡匣的截面示意图；
16.图11为本案的一些实施例的感测卡匣的主动腔室的截面示意图；
17.图12为本案的一些实施例的感测卡匣的微流体通道结构中的悬置区段的示意性
透视图；
18.图13为本案的一些实施例的感测卡匣的反应腔室的截面示意图；
19.图14为本案的一些实施例的在感测卡匣的流动路径中的示例性样本相互作用示意图；
20.图15为本案的一些实施例的在感测卡匣的流动路径中的示例性样本相互作用示意图；
21.图16为本案的一些实施例的在感测卡匣的流动路径中的示例性样本相互作用示意图。详细说明
22.以下描述将参考附图以更全面地描述本公开内容。附图中所示为本公开的示例性实施例。然而，本公开可以以许多不同的形式来实施，并且不应所述被解释为限于在此阐述的示例性实施例。提供这些示例性实施例是为了使本公开透彻和完整，并且将本公开的范围充分地传达给本领域技术人员。类似的附图标记表示相同或类似的元件。
23.本文使用的术语仅用于描述特定示例性实施例的目的，而不意图限制本公开。如本文所使用的，除非上下文另外清楚地指出，否则单数形式“一”，“一个”和“所述”旨在也包括复数形式。此外，当在本文中使用时，“包括”和/或“包含”或“包括”和/或“包括”或“具有”和/或“具有”，整数，步骤，操作，元件和/或组件，但不排除存在或添加一个或多个其它特征，区域，整数，步骤，操作，元件，组件和/或其群组。
24.除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。此外，除非文中明确定义，诸如在通用字典中定义的那些术语应所述被解释为具有与其在相关技术和本公开内容中的含义一致的含义，并且将不被解释为理想化或过于正式的含义。
25.图1为本案的一些实施例的感测系统的应用情境示意图。
26.从插图的顶部开始，图1显示了样本收集过程的执行。样本采集过程可以在公共医疗机构或个人场所进行，例如，在患者家或庇所中。样本收集过程可能涉及侵入性技术，例如血液提取，或非侵入性方式，例如咽喉拭子，唾液或尿液收集。
27.然后，应用情境过程顺时针进行到样本输入阶段，其中将收集的样本(例如，生物流体的样本)提供给生物感测器系统的样本介面/接口部件(例如，感测器卡匣)。生物感测器系统的样本介面/接口部件可以结合生物流体通道结构，该生物流体通道结构被构造成将样本体液从样本入口引导至容纳在其中的嵌入式感测器部件。感测器装置设计者的其中一个目标是为生物感测器提供足够的灵敏度，以使其能够从少量的样本中可靠地提取生理信息。
28.前述操作流程移至图的底部至读取阶段，其中样本介面/接口部件被耦合至(例如插入)生物感测器系统的读取装置以提取检测结果。根据所采用的检测原理，生物感测器系统的读取装置通常具有较大的尺寸和复杂性。例如，基于光学的生物感测器通常需要具有高耗电量的大型读取设备。又如，基于振动的生物感测器(例如原子力显微镜/afm，晶体石英微量天平/qcm)需要精密的振动隔离装置，因此不适合便携式应用。相比之下，结合了现代微电子感测器组件的生物感测器受益于微/奈米制造技术的不断进步，这不仅使生物感测器系统的样本介面/接口部件得以微型化、且也使得读取设备本身的外形尺寸均得以减
小。在一些应用中，如图所示，生物感测器系统的读取装置被整合到便携式单元中。
29.样本诊断过程接着进入结果生成阶段。随着微电子感测器组件集成技术的成熟，检测精度已得到提高以满足实际应用需求，并且结果周转时间已大大减少(例如，数小时左右)。此外，先进的微/奈米制造技术已能实行可预测且可靠的样本介面/接口部件的批量生产，从而有助于降低单位成本、并使一次性感测器组件(用完即丢)成为现实。由于感测器的使用具有一次性和动态性，因此根据实际应用的需要，诊断检验过程可以相对低成本地重复进行。
30.同时参考图2a和图2b，其为本案的一些实施例的感测系统的组件示意图。一方面，图2a为本案示例性生物感测器系统的硬件部件，而图2b为本案的一些实施例的感测系统的示例性功能组件的示意性方块图。
31.示例性感测系统包括感测器卡匣10和读取装置20。在一些实施例中，感测器卡匣10被配置为接收被取出的生理流体样本，即当成一样本介面/接口。感测器卡匣10可以设置有微流道结构11，微流道结构11布置成接收输入的样本流体并将其引导到包括微电子感测器组件的感测装置12，以及配置成与读取装置20对接的i/o端口13，以用于信息提取。在一些实施例中，读取装置20设置有在感测卡匣10的微流道结构11中引起流体流动的流体驱动模块21、用于与感测卡匣i/o端口13讯号相接的i/o端口22、包含电子读取电路的读取模块23、电源模块24、以及用于输出检测结果的输出模块25。
32.在一些实施例中，输出模块25包括显示单元25-1。显示单元25-1被配置为以用户可理解的格式呈现检测结果的声音/视觉信息。在一些实施例中，流体驱动模块21包括可驱动位于微流道结构11内的流体(如，流体样本)的硬件装置。前述流体样本可以包括目标物质，例如待分析物，其存在(如，定性)或数量(例如，浓度)需被确定。流体驱动模块21可以结合匣外马达和泵送组件，其被布置成引起卡匣中的流体流动，以便将分析物传输到匣内感测组件(例如，感测装置12)的感测表面。外置式流体驱动器布置可以使感测卡匣的设计进一步微型化。
33.在一些实施例中，读取模块23包括专用电路(asic)组件，该专用电路组件设计成检测目标分析物浓度的变化并将其转换成电讯号，例如电流、电压、电容、电阻等。在一些实施例中，电源模块24配备有交流(a/c)电源介面以延长操作时间，或提供直流(d/c)电源以实现便携性。
34.如图2a和图2b所示，示例性读取装置20设置有插入槽26，该插入槽26构造成至少部分地容纳感测器卡匣10。在将感测器卡匣10插入读取装置20时，相应的输入/输出(i/o)端口13和22可以建立讯号连接。而流体驱动模块21可以与微流道结构11的一部分建立机械偶合，从而施加驱动力以引起流体在微流道结构11的细微通道中流动。
35.在一些实施例中(如将在后文部分进一步详细说明的)，微流道结构设置有样本入口以及一个或多个匣载储液槽(在其中可能密封保存各种功能性流体，例如，缓冲液/洗涤液)。流体驱动模块21可以包括泵(例如容积泵)，该泵被构造成与微流道结构11接合，以引起在微流道结构11所定义的微通道路径中的流体流动。微流道结构11中通道的长度与允许流速的设置可根据感测器所适用的特定测试过程、情境、和应用领域所匹配的持续时间来拿捏。
36.图3为本案的一些实施例的感测系统的感测器卡匣的外部透视示意图。
37.示例性感测器卡匣10b包括壳体15和输入/输出(i/o)接口介面13b。在一些实施例中，壳体15可以包括几层子构件，其内限定了微流体通道结构并且封闭了微电子感测器组件。在一些实施例中，电子感测器组件被设置在基板(例如，pcb)的安装面上，同时基板的大部分被封闭在壳体15中。基板可为装置中的各感测器组件提供机械支撑以及其之间的电性互连。在所示的实施例中，基板的暴露部分(例如，虚线框中所示的部分)从壳体的一端突出以设置输入/输出接口介面13b。
38.壳体15可以在外部可触及的位置设置与微通道相关的附加组件。例如，入口盖16可布置在微通道结构的样本入口上方，以防止注入的样本流体溢出。此外，可以在壳体15的顶层处提供一个或多个匣载储液槽11-1，以允许来自读取装置的流体驱动机构(例如，驱动模块21)的机械操作/互动。在所示的实施例中，壳体15设置有沿其长轴纵列设置的三个槽。所述槽被配置为储存具有预定体积的功能性流体(例如，缓冲溶液，洗涤流体，反应流体等)，所述功能性流体由柔性膜密封在顶部壳体表面上方。匣载储液槽11-1的每个槽都可通过微通道连接(例如，如在该槽的底部中央部分所示)，以便使其所储存的流体能够在受压时，被驱动到嵌入在壳体15中的微流道结构中。
39.图4a和图4b为本案的一些实施例的示例性感测器卡匣的分解示意图。具体地，图4a从上方(例如，在卡匣储液槽的顶表面上方)示出卡匣部件的分解透视图，而图4b从下方观察以示出示例性感测器卡匣的底面侧。
40.示例性感测器卡匣包括：顶层构件15-1，其上可接近地布置有样本入口11-2和一个或多个储液槽11-1；中间层构件15-2，微流体沟槽于其中形成网络；为电子感测器组件提供机械支撑的基板19；配置在基板19的安装面和中间层构件15-2之间以形成液密的下通道层18，其定义流体路径而引导样本流体流向基板19上的感测器组件；以及构造成与基板19的底面接合的底层构件15-3。
41.在所示的实施例中，顶层构件15-1和中间层构件15-2在其底面和顶面上形成有微流体沟槽图案。当顶层构件15-1和中间层构件15-2耦合时，其各自的微沟槽图案可以彼此对准，并且可以协作地形成微流导结构的上层。在所示的实施例中，上层通道结构(其构成微流道结构的一部分)包括样本入口11-2(其被配置为由入口盖16密封)、储液槽11-1、以及样本入口和储液槽下方的互连流道网络。在所示的实施例中，微流体通道结构由几层水平构件叠合形成以维持制造的简便性，因为就整体大量生产的可行性而言，在一体式块状结构中形成复杂的多层流道网络可能是不现实的。在所示的实施例中，顶层和中间层构件15-1、15-2还形成有基本上呈中空的主体，以节省重量和材料成本。
42.在一些实施例中，顶层构件15-1和中间层构件15-2可以由相对刚性的塑料材料制成，例如聚丙烯，聚碳酸酯和abs。堆叠的层构件(例如，构件15-1、15-2、15-3)中的较硬的塑料材料可以允许其刚性的暴露表面共同为内部的盒部件提供结构保护，从而消除了对额外的外壳构件的需求。例如，本实施例中的示例性盒利用由堆叠的层构件(15-1、15-2、15-3)的外表面形成的壳体(如图3所示)，从而有效地节省了体积，重量和结构复杂性。
43.在一些实施例中，微通道沟槽在其上某些部位(例如，形成在顶层构件15-1和中间层构件15-2之间的部分)可以设置附加的流体密封特征(例如，垫圈17)以用于确保更好的流体密封性能。在一些实施例中，垫圈17可以成形为符合通道图案特定区段的形状。在一些实施例中，垫圈由较软的材料制成，例如橡胶和矽胶。
44.在所示的实施例中，基板19具有容纳一个或多个微/奈米电子部件的安装面(例如，面对下通道层18的表面)。电子部件可以包括整合于半导体微芯片其上的生物感测器组件。生物感测器组件可以包括特殊类型的场效晶体管(field effect transistor,fet)，例如离子敏感场效晶体管(isfet)或延伸式闸极场效晶体管(egfet)。可通过适当的表面安装技术，例如引线键合或倒装芯片布置，将生物感测器芯片设置在基板19的安装面上。微芯片的感测表面(例如，第一采样表面)被朝上布置为面对下通道层18，从而允许整合的电子感测器组件获得流体接触。
45.基板19可以包括印刷电路板(pcb)，例如单层pcb、双层pcb、多层pcb、刚性pcb、柔性pcb、刚性-柔性pcb、高频pcb、铝-支撑的pcb等。在所示的实施例中，基板19设置有缺口/凹口轮廓(如，电极接触件19-1所在的位置)。在所示的实施例中，缺口被设置为得以较低的轮廓(厚度)容纳电极元件31(其上形成有第二采样表面)。在egfet应用中，电极元件31可以被配置为延伸式闸极，或者在isfet应用中作为参考电极。在这样的低轮廓构造中，在凹口的边缘区域处设置有电极接触件(例如，连接器19-1)，以使得能够在基板感测器组件和电极元件31之间建立电性连接。然而，在一些实施例中，电极元件可以被形成在基板的安装面上(例如，在不具有凹口轮廓的基版的安装面上形成电镀的导电区域)。
46.在所示的实施例中，下通道层18被配置为与基板19的安装面建立直接接触。在一些实施例中，下通道层18由具有相对较低杨氏模数的弹性体材料形成(即，比顶层/中间层构件15-1、15-2柔软的杨氏模数)。下通道层18设置有微沟槽图案，该微沟槽图案在组装到基板19的安装面上时形成低层的微流体通道结构。低层通道结构被构造来引导样本/功能性流体至电极元件31或基板19上的微感测器芯片的感测表面。在一些实施例中，低层通道结构被布置为可先后引导流体至电极元件31和机载感测器芯片(图中无标号)，然后引流至废液收集腔(图中无标号)。微流道结构的具体引流顺序不一定要如图所示(即，先经电极元件31、后经微芯片32)；只要低层通道结构允许第一和第二采样表面上的采样顺序呈先后序列状态即可。第二采样表面以预定的平面间隔保持投影偏移。在一些实施例中，微感测器装置和电极元件31之间的横向间隔不小于0.1mm。
47.如该实施例所示，由较软材料制成、结构上可分离的下通道层18可在基板19的安装面上提供增强的流体密封能力。此外，从装置封装的角度来看，下通道层18的独立设计，使其在制造公差方面实现了更高程度的实用灵活性。举例来说，可分离的下通道层18可以更好地适应基版安装面上各种组件的高度变化，同时在封装组件之间的异质界面处提供更好的流体密封，从而确保操作可靠性并延长感测器装置的保存期限。
48.在所示的实施例中，下通道层18、基板19、和电极元件31设置在中间层构件15-2和底层构件15-3之间。当中间层构件15-2和底层构件15-3彼此机械地结合时，压缩力被施加到下通道层18和基板19以在其间形成机械密封。同时，前述结合时的压缩力得以向连接器19-1施加应力以在电极元件31和基板19之间建立电性耦合。
49.图5为本案的一些实施例的示例性感测器卡匣部件的分解局部透视图。部分透视图提供了微流道结构嵌设于感测器卡匣组件的各封装结构部件中的布置细节提供更好的视角。为了便于理解，图5中的示例性生物感测器卡匣维持了与前示实施例相似的组件布置与元件标号。
50.如从透视图可以更好地看到的，示例性顶层构件15-1在其一面设置有储液槽特征
(例如，槽11-1)和样本入口(例如，入口11-2)。在其另一相对面上形成有各种微通道沟槽特征。同样，中间层构件15-2的面向上的表面设置有微通道沟槽特征，其对应地匹配顶层构件15-1的沟槽图案。以此方式，来自不同层构件的半开式微通道沟槽特征可在封装组件的耦合时协作地形成封闭的微通道网络。
51.同时参考图6，其为本案的一些实施例的示例性感测器卡匣的截面图。横截面图更好地显示了基板上板载和板外感测器组件(例如板载感测器芯片32和板外电极元件31)以及其上的嵌入式多层式微流道结构。
52.微流道网络的上层(例如，图6的虚线框中所包围的通道结构的部分)可以被形成在卡匣封装部件的顶层构件之中/之间(例如，层构件15-1、15-2)。应该注意的是，在附图中示出的示例性微流道布置主要是出于说明的目的。然而，本发明不限于图中所示布局态样；实际的流道网络布局可以针对特定的应用需求进行设计。
53.卡匣层构件之间的连接可以通过流体密封的界面，例如防水粘合剂或胶带来实现。在一些实施例中，内含流道结构的组件(例如，层构件15-1、15-2)可由相似/相同的材料(例如，模制热塑性塑料)制成，并且可透过低温、永久性的连接技术(例如，超声波焊接或雷射焊接)将各卡匣封装组件偶合。在这样的实施例中，上层通道结构(其可以包括例如样本入口11-2、储液槽11-1、以及其下方的直向与横向延伸导管)可以形成为实质上液密的结构。也因此，卡匣构件之间可能产生可观察到的焊接界面。在一些实施例中，卡匣的包装组件(例如，层构件15-1、15-2等)可具有基本中空的构造，从而能够减轻重量并节省材料。
54.类似地，下通道层18设置有嵌入式微导管特征，其设计成在组装包装组件时形成通道结构的下部。举例来说，下通道层18可以由块状的较软或弹性材料(例如，矽树脂)制成，其中界定有各种腔室和导管特征(例如，通孔和沟槽)。例如，第一腔室(例如，反应腔室)可以形成在电极元件31的采样表面上方，而第二腔室(例如，主动腔室)可以形成在基板19上的感测器芯片32的采样表面上方。在图6所示的实施例中，下层通道结构还包括在第二腔室下游(例如，页面右侧)的第三腔室(例如，废液收集腔室)。
55.各腔室之间可藉由具有较窄宽度(从平面角度看)、跨过不同高度(即，如图6所示的侧向横截面的高度)的导管特征所连接。如图6所示，设于第一腔室和第二腔室之间的微导管特征具有倒u形轮廓。从所示的观点来看，腔室间导管特征包括一对长度不相等的通孔(如，垂直方向不相等长区段)和在通孔之间横向悬挂相连的的横向区段(悬置部分)。举例来说，微流道结构的悬置区段布置在比其直接上游部分(例如，微通道在电极元件31上方的部分)更高的高度。
56.从采样效率的角度来看，由第一腔室(例如，在电极元件31上方)和第二腔室(例如，感测器芯片32上方)之间的悬置区段所建立的非重叠流线型流动路径可以减少紊流的形成，并保持通道间流体压力，从而提高了感测表面的采样效率。另一方面，从封装方面来看，下通道层18中的悬挂式天桥布置，能针对示例性微流道结构于基板19上方(或周围)的电路组件之间的台阶/高度变化，提供了更高程度的适配性，从而增加了制造公差的容忍度与设备可靠性。
57.如本实施例中所示，电极元件31的感测表面(由图下部虚线表示)被布置在比感测器芯片32在基板19上方的高度更低的水平位置。如此设计对于台阶/高度变化所增加的容忍度进一步增加了装置设计的灵活性。一方面，电极元件31的较低放置允许装置的整体厚
度获得减小，同时使设计者能够利用较大尺寸的电极(即，增加电极元件上捕获面的面积)，也可以在反应腔室中保持足够的净空间隙。
58.图7为本案的一些实施例的感测器卡匣的平面布局图。图7的示意性平面图示出了组装时电极元件(例如，参考电极31c)和下通道层(例如，构件18c)相对于基板(例如，pcb 19c)的放置关系。例如，如图6所示，平面图可从在感测器芯片32的感测表面上方、由虚线所示的水平面反映出卡匣的装置布局。
59.示例性感测器卡匣包括感测装置，所示感测装置包括芯片元件32c和电极元件31c。芯片元件32c可以布置在基板19c的安装面上，并且其主动面(或称有源表面)(即，承载微感测器部件的主动元件感测面)面着下层构件18c中所形成的主动腔室而呈向上布置。主动面可以包括各种微电子器件的部件，例如，生物感测fet的源极和漏极区域。一个或多个微米级(或甚至奈米级)感测元件可以被设在主动面上。在一些实施例中，为提高检测灵敏度/准确性，可使用具有多个微感测器元件的阵列(如图8所示)。暴露于微流道结构的主动面区域(例如，可从下通道层18c所定义的主动腔室接触样本的部位)定义了第一采样区域。
60.在所示的实施例中，电极元件31c被用作为基于isfet的生物感测器装置的参考电极。电极元件31c的朝上的表面(即，采样界面)经过特殊处理，例如，被提供适当的涂层，在该涂层上涂覆/固定了合适的生物感测探针(例如，对分析物中的目标物质具有特异性的配体/抗体)，从而形成捕获面。捕获面暴露于微流道结构的区域(例如，可从形成在电极元件31c上方的反应腔室与流体接触的区域)定义了第二采样区域。
61.在所示的实施例中，芯片元件32c的主动面与电极元件31c的捕获面呈投影偏移/错位的方式布置。芯片元件32c和电极元件31c的平面偏移布局(每个相应的采样表面均设有独立的采样腔室)有助于提高感测器的检测精度，同时保持整体封装尺寸的缩小。一方面，现代制造技术允许在精密整合电路芯片(例如，芯片元件32c)上提供小型化的电子感测器组件。感测器芯片的小尺寸使其在感测器装置中的容纳需求度较低，从而增加了封装的灵活性。另一方面，通过利用电极元件上的较大的捕获界面(即，与分析物接触的较大的感测表面)，可以获得更高的检测精度。在结构上分离的电极元件(例如，电极31c，其可以被构造成用作基于egfet的感测器的延伸式闸极，或者用于基于isfet的感测设备的参考电极)可以被设计为具有实质大于微感测器芯片上允许的感应区域的平面尺寸，同时可将其放置在感测器封装结构中实际可行的位置。
62.示例性电极元件31c充分利用了从基板19c上可拆卸的结构上分离的设计。在一些实施例中，主动面和捕获面之间的投影平面错位间距保持不小于0.1mm。在所示的实施例中，独立式电极元件31c被设置在基板19c的一侧(例如，如图7所示的左侧)的凹口轮廓中。示例性电极元件31c设置有细长的矩形轮廓，该矩形轮廓保持几何简单性，同时可提供来自微流道结构的流体分析物延长的采样界面路径。电极元件在基板的凹口特征中的离板放置，可进一步促进装置封装的厚度减小。
63.另外，由于下通道层18被配置为来建立横跨电极元件31c和芯片元件32c上各别的采样表面的流体流动路径，其平面覆盖范围延伸超过基板的安装面投影范围(例如，延伸至基材的缺口轮廓上)。
64.连接器19-1c被设置于基板19c的凹口轮廓的外围处，以使得能够在基板19c和电极元件31c之间进行电耦合。此外，在基板19c的一端(例如，面对图7中的页面的底部的一
端)形成多个接触垫33c，以作为在感测器卡匣(例如，图1中示出的卡匣10)和读取装置(例如，图1中示出的读取装置20)之间的输入/输出接口(例如，i/o端口13)。在一些实施例中，在具有足够的机械刚度的基板本身设置输入/输出接口介面有助于降低封装的复杂性，同时确保设备的可靠性和耐用性。
65.在一些实施例中，第一采样区域和第二采样区域具有基本上不同的尺寸。在一些实施例中，电极元件31c的第二采样面积实质上大于芯片元件32c的第一采样面积。例如，第一采样面积与第二采样面积之比实质上小于1。在一些实施例中，第一采样面积与第二采样面积之比在约1
×
10^-8至约1的范围内。
66.机载微芯片(例如，芯片元件32c)可以通过适当的表面安装技术(例如倒装芯片或引线键合技术)而设置在基板表面上。在示出的实施例中，示例性芯片元件32c被配置成使其电性接口(例如，i/o焊盘)仅沿着其四个边缘的其中之一(例如，朝向图7中的页面的底部示出的边缘)而布置。在所示的实施例中，芯片元件的没有电接口的多个侧面(或边缘)形成多个自由边缘。此布局安排可进一步增加感测器芯片与布置于其上方的微流道结构之间的样本接触面积。同时，封装体34c仅沿着示例性芯片元件32c的底边缘/侧设置，以保护芯片和基板(例如，焊盘和导线)之间的电连接，且避免受水分和机械应力的影响。
67.在一些实施例中，可以在下通道层18c中形成微流道结构的废液收集室18-1c和排气口18-2c。示出了废液收集室18-1c被布置在采样腔室的下游并且被构造成收集在测试过程中提供的过量物质。排气孔18-2c被配置为调节微流道结构内的压力。
68.图8为本案的一些实施例的选择性地聚焦在感测卡匣的两个功能区域上的示意性平面图。例如，图8提供了在示例性电极元件31d和示例性芯片元件32d的各个采样表面上的微感测组件(例如，肉眼无法观察到)的示意图。在所示的实施例中，示例性电极元件31d在其面向通道的一侧(即，在图8的视角可见的一侧)上设置有基体(base body)31-1d和涂层31-2d，进而形成采样捕获面。此外，在所示的实施例中，电极元件的捕获面设置有捕获探针p1的阵列，捕获探针p1被固定在基体31-1d的涂层31-2d上。
69.一方面，电极元件31d的结构上独立的设计允许其大部分体积由更经济的材料制成以节省成本。例如，示例性电极元件31d的基体31-1d可以基本上由相对便宜的绝缘材料(例如，玻璃或塑料)制成，而仅于其感测表面设置足够厚度的导电涂层(例如，具有足够低的表面粗糙度并为探针固定提供高兼容性的黄金材质层)。用于基体31-1d的合适材料可以具有实质上大于10^-6ωm的电阻率。在一些实施例中，用于基体31-1d的材料可以包括例如以下的一种或多种：半导体材料(通常具有10^-6至10^6ωm的电阻率)和电介质材料(通常具有10^11至10^19ωm)。在一些实施例中，用于形成基体31-1d的材料包括矽基板或玻璃基板。
70.另一方面，由于电极元件的表面改质过程(例如，诸如配体或抗体之类的生物敏感材料的固定化)通常是对温度敏感的(例如，不能承受常规半导体器件通常经受的高处理温度)，构造上分离的电极元件31d就还能够允许在独立于基板(例如，pcb 19)或微感测器芯片(例如，芯片元件32d)的较低温度处理环境下备制电极元件的捕获面。
71.为了获得更高的感测品质，可以通过适当的薄膜沉积技术(例如，诸如电极镀覆或溅射的物理沉积)形成电极元件的导电涂层(例如，涂层31-2d)，以确保表面光滑度和层均匀性。在一些实施例中，涂层31-2d的表面粗糙度保持在实质上小于10μm的范围。在一些实
施例中，导电涂层的图案轮廓的宽度可以沿着电极的长度方向而变化。例如，可以将所述涂层图案轮廓上固定有生物感测器探针的区域的宽度设置得比其紧邻之上游部分的宽度大。
72.涂层31-2d可以包括布置成薄箔/薄膜的一种或多种合适的导电材料，其可以包括例如碳布，碳刷，碳棒，碳网，碳面纱，碳纸，碳毡，颗粒状活性炭，颗粒状石墨，碳化纸板，石墨膜，网状玻璃碳，不锈钢板，不锈钢网，不锈钢洗涤器，银膜，镍膜，铜膜，金膜和钛膜。
73.在所示的实施例中，感测装置的芯片元件32d包括感测器阵列32-1d和接触垫32-2d。感测器阵列32-1d可以包括交织的掺杂区域和氧化物区域的阵列，其中定义了生物感测元件的源极/漏极和闸极氧化物区域的阵列。在一些实施例中，生物感测元件包括离子感测场效晶体管(isfet)，其是一种能够检测样本分析物中离子浓度变化的基于生物敏感的基于微/奈米半导体的器件。在一些实施例中，芯片上感测器元件可以包括延伸式闸极器件(egfet)的源极区和漏极区，其闸极组件在单独的位置(例如，在电极元件的涂层31-2d上方)远程地形成。接触垫32-2d被设来作为芯片元件32d与基板(例如，基板19)之间的输入/输出接口介面。
74.尽管不能从本图示中清楚地观察到，但是由流体密封材料(即，能够在组装时形成基本上不透流体的界面的材料，例如图6中的层18)制成的下部微通道构件被设置在电极元件31d和芯片元件32d的感测表面上。如前所述，下部微通道构件可包括弹性体材料，其中定义了各种微流体通道特征。在嵌入其内的微通道特征中，在组装时分别形成为与电极元件的捕获面和芯片元件的主动面对准的反应腔室18-3d和主动腔室18-4d。另外，微通道特征更具有局部抬升的流体通道结构(例如，悬置区段18-5d，将在随后的附图中更详细地描述)，以使得能够在采样腔室18-3d、18-4d之间进行流体连通。
75.在所示的实施例中，入口18-6d靠近反应腔室18-3d的一端形成，而悬置区段18-5d向反应腔室18-3d的另一端形成。入口18-6d可以被构造成使其能够从多层微型通道结构的上层(例如，如图6所示从层构件15-1、15-2)引入流体。在一些实施例中，另一悬置区段可以被设在主动腔室18-4d的一端(例如，上游端)，而在主动腔室的另一端(例如，下游端)可设置另一个用以引导废液的出口，使反应流体得以流向废液收集区(例如，图7中所示的腔室18-1c)。
76.在一些实施例中，可根据预定的布局设计规则来设计采样室(例如，主动腔室18-4d和反应腔室18-3d)的横截面尺寸。在一些实施例中，主动腔室18-4d和反应腔室18-3d的宽度基本相同。在一些实施方案中，沿着样本流动路径方向的主动腔室18-4d的通道长度(即，第一腔室长度)基本上短于反应腔室18-3d的通道长度(即，第二腔室长度)。在一些实施例中，第一腔室长度与第二腔室长度之间的比率实质上小于1。在一些实施例中，第一腔室长度与第二腔室长度之间的比率在约10^-4至约1的范围。
77.图9为本案的一些实施例的感测器卡匣沿着通过其采样腔室的切割线的截面图。例如，图9示出了沿着如图7所示的切割线aa’的感测装置的截面图。
78.从该截面图可以更好地看到，示例性感测器卡匣具有相对于基板19e之安装面、以不同的高度布置的电极元件31e和芯片元件32e。例如，在所示的实施例中，芯片元件32e的主动面在垂直方向上比电极31e的捕获面更接近边界层15-2e。在一些实施例中，芯片元件32e设置在基板19e的安装面上(例如，板载形式)，而电极元件31e设置在基板19e的安装面的外部(例如，板外设置)。
79.在所示的实施例中，电极元件31e的捕获面与芯片元件32e的主动面(其到边界层15-2e的垂直距离比电极元件31e的捕获面的垂直距离短)与下通道层18e的一部分接触(例如，其分别的外围/边缘区域)，从而在芯片元件32e和电极元件31e的各个采样表面周围形成基本上液密的密封界面。例如，下通道层18e在内部形成有卡匣的嵌入式微流道结构的下部，该下部包括反应腔室18-3e、主动腔室18-4e、和布置在两个采样腔室之间的悬置区段18-5e。借此，得以使流体能够从微流道结构进入主动面和捕获面。如图中示意性地显示(例如，在图9至图11)，采样腔室18-3e/f/g、18-4e/f/g具有比感测器装置31e/f/g、32e/f/g的感测表面小的平面尺寸，从而允许下通道层18e/f/g在组装时围绕感测器部件的外围建立适当的流体密封。
80.在所示的实施例中，示例性的悬置区段18-5e有如在抬升高度处连接两个采样腔室的高架渠道。例如，悬置区段18-5e延伸到比其紧邻的上游部分高的高度(例如，抬升到比电极元件31e上方的反应室18-e高)。如各种实施例所示，微流道结构定义有上游方向(例如，朝向样本收集入口，诸如图4a中所示的端口11-2)和下游方向(例如，朝向废液收集室，如图7所示的腔室18-1c)。尽管示例性电极元件31e被示出为相对于芯片元件32e朝上游布置，但是应当注意，根据生物感测装置(例如，isfet)的工作原理，各采样表面的布置顺序并不需要被限于图中所示的次序。
81.下通道层18e中的各种微沟道结构可以通过嵌入其中的半暴露的沟道特征来形成。例如，反应腔室18-3e和主动腔室18-4e可以通过设置在下通道层18e的底面上的向下凹入的槽形成。上述凹槽在与电极元件31e结合时得以形成封闭的采样腔室。另一方面，示例性的悬置区段18-5e是由倒u形导管特征形成，该倒u形导管特征包括较浅且水平延伸的沟槽部分(暴露于下通道层18e的顶表面)和一对垂直贯穿的通孔部分，其长度(例如深度)不相等、且分别连接于水平延伸线段的两端连接。在将边界层15-2e安置在下通道层18e上时，悬置区段18-5e的半开口沟槽特征得以被密封以形成微流道结构的封闭区段。在一些实施例中，边界层15-2e可以是一层防水垫(例如，双面胶带)。在一些实施例中，边界层15-2e可以是上层封装组件的一部分(例如，中间层构件15-2的底表面，如图4所示)。
82.如在本实施例中进一步示出的，嵌置在下通道层18e中的微流道结构的较低平面高度得以接收来自进料端口18-6e的流体输入。随后，微流道结构将输入流体顺序引导到感测器装置的各个采样表面上。然后，废液可以通过布置在流动路径下游的排料端口18-7e离开通道系统。
83.图10的一些实施例的感测器卡匣沿着穿过其采样腔室的切割线(例如，沿着图7所示的切割线aa’)的截面图。
84.虽然图10所示的大多数特征与图9所示的特征基本相似(为简明起见，所以省略了重复性标号)，但是图10的示例性实施例在电极元件31f下面设有温度控制组件35f。考虑到样本分析物的类型及其相应的优选反应环境条件，温度控制部件35f可以在微流体流动路径附近提供温度调节功能(例如，加热/冷却)，从而提高生物感测器上的反应效率。在一些实施例中，温度控制部件35f设置在感测器卡匣的内部，并且可以通过接受外部提供的功率来操作。在一些实施例中，温度控制部件35f设置在感测器卡匣的外部(例如，布置在卡匣读取器中，例如图2中所示的读取器20中)。
85.此外，如图10的示例所示，在一些实施例中，电极元件31f可以在结构上连接至基
板19f。例如，尽管在结构上分离的电极元件提供了额外的封装灵活性，但是在一些实施例中，可以在基板的安装面上方的指定区域(例如，设有导电涂层的电路板板载区域)上提供电极元件(例如，电极31f)，以简化整体结构并减少零件数量。
86.图11为本案的一些实施例的感测器卡匣的主动腔室的示意性截面图。应当注意，此处示意性剖视图是提供来示出各种部件特征及其功能关系，并且不一定反映沿特定剖线的实际截面结构细节。
87.在所示的实施例中，主动腔室18-4g是由定义于下通道层(例如，如图6所示的元件18)中的空腔特征所形成。在组装完成后，该腔特征被布置在芯片元件32g和基板19g上方。下通道层18g在基板19g上方围绕芯片元件32g而形成基本上液密的密封界面。
88.在一些实施例中，基板19g上形成有多个接触垫33g、37g。在一些实施例中，接触垫37g形成在基板19g的安装面上。具有接触垫32-2g的芯片元件32g的边缘被定位成与接触垫37g对准。接触垫32-2g和37g通过键合引线36g而彼此建立电性连接。此外，接触垫32-2g、37g、和键合引线36g上方设置了封装体(encapsulation)34g。以此方式，可以通过封装体34g保护键合引线36g免受诸如湿度或机械应力的环境危害。此外，在所示的实施例中，封装体34g仅覆盖芯片元件32g的四个边缘之一。借此，芯片元件32g没有电接合的其余边缘形成多个自由边缘。随着来自电接口的部件障碍的减少，可以确保芯片元件32g与微流道结构(例如，主动腔室18-4g)之间的最大的流体暴露/可及性。
89.在运作时，流体可通过悬置区段18-5g进入主动腔室18-4g，并通过排料端口18-7g离开主动腔室。在该过程中，流体被引导至芯片元件32g的主动面。另一方面，下通道层为感测器芯片32g的采样区域与其上其他的敏感电子部件之间提供流体隔离。例如，如从本示意图中可以观察到，通过的流体仅可暴露在主动腔室18-4g内的感测器芯片表面的选择性部分(例如，主动面的第一采样区域32-1g)。
90.图12为本案的一些实施例的感测器卡匣的微流体通道结构中的悬置区段的透视图。例如，图12示出了示例性的悬置区段的独立部位视图，以增加结构呈现的清晰度。
91.如先前所描绘的，根据本公开，在生物感测器卡匣中的反应腔室与主动腔室之间设置有悬置区段(例如，导管特征18-5h)。在一些实施例中，悬置区段18-5h包括第一立柱部分18-51h、第二立柱部分18-53h、和高架渠道/天桥部分18-52h。第一立柱部分18-51h和第二立柱部分18-53h分别形成在天桥部分18-52h的相对两端。
92.天桥部分18-52h可以浅沟槽特征的形式实现(例如，类似盲孔的凹孔)，该浅沟槽特征形成在由抗水材料制成的主体部件的朝上表面上(例如，下通道层18，如图6所示)。在一些实施例中，天桥部分18-52h的半开口沟槽部分被设计成得以在与感测器卡匣的上层封装部件(例如，如图6所示的中间层构件15-2)接合时被密封。在一些实施例中，悬置区段18-5h可沿其外围区域设置有密封环18-54h，以进一步增强流体密封能力，从而增加装置的可靠性。
93.从示意图中可以进一步观察到，第一立柱18-51h的长度(即，高度h1)不同于(例如，大于)第二立柱18-53h的长度(即，高度)h2)。柱状部分18-51h、18-53h所容许的高度差异使封装时布局设计能够有更大的灵活性。例如，这种悬置的通道布置可以在简化制造的同时，还提供了适应不同电路组件之间的阶跃变化的更大弹性。
94.图13为本案的一些实施例的感测器卡匣的反应腔室的截面图。示例性反应腔室
18-3j可藉由将下通道构件(例如，层18j)放置在电极元件31j上而形成。基本上不透流体的密封介面可形成于层18j和电极元件31j之间。在一些实施方案中，密封环特征18-33j可被设置在反应腔室18-3j的外围周围的层18j上，以确保沿着部件界面的适当密封性。
95.在一些实施方案中，进料口18-6j和排料口18-5j形成在反应腔室18-3j的相对端。为了促进更高的反应效率，暴露于反应腔室18-3j的微流道结构的内表面可以设置扰流/湍流诱导特征。例如，在图示的实施方式中，在反应腔室18-3j的顶部(天花板)设置有扰流表面，扰流表面的凸出的锯齿状图案结构被配置为朝向电极元件31j的捕捉面。示例性的扰流表面包括多个锯齿状搅拌微结构18-31j和柱状搅拌微结构18-32j，并且延伸于进料口18-6j和排料端口18-5j之间。锯齿状搅拌结构18-31j和柱状搅拌结构18-32j沿着反应腔室18-3j的长度方向呈交错布置。如所说明的实施例中进一步示出的，相邻两行中的柱状搅拌结构18-32j可以沿着流体流动方向以相互偏移的方式布置。
96.图14为本案的一些实施例的在感测器卡匣的流动路径中的示例性样本相互作用示意图。例如，图14为本案的一些实施例的感测器卡匣中的化验流程。特别地，图14示出了在感测器卡匣的反应腔室内进行的检定过程的示例性实施方式。
97.反应腔室形成在下通道层18k与电极元件31k之间。在一些实施例中，捕获探针p1的阵列设置在电极元件31k的捕获面上方，如过程101所示。
98.随后，具有目标分子p2的样本流体被引入反应腔室。捕获探针p1被配置来捕获目标分子p2并附着目标分子p2以将保留在反应室腔内，如过程102所示。
99.在一些实施方案中，洗涤液被用于洗去未被捕获探针p1捕获的目标分子p2。然后将具有标记探针p3的反应流体引入反应室中。捕获探针p1被配置为捕获目标分子p2并附着标记探针p3以将其保留在反应腔室内，如过程103所示。
100.如过程104所示，冲洗液被提供来冲洗掉未被目标分子p2捕获的标记探针p3。
101.在示例性实施方式中，捕获探针p1、目标分子p2、和标记探针p3可以分别是捕获抗体、抗原、和第一抗体。第一抗体与感测装置可检测的物质缀合。
102.在一些实施方案中，初始读取程序在开始测定过程之前执行。随后，感测装置的最终读取程序在测定过程后执行。藉由计算初始读数与最终读数之间的差，得以生成可反映目标分子p2浓度的输出。
103.在一些其他实施例中，从感测装置的初始读取程序并非必要。测量最终读数即可生成反映目标分子p2浓度的输出。
104.图15为本案的一些实施例的在感测器卡匣的流动路径中的示例性样本相互作用示意图。例如，图15示出了在感测器卡匣的反应腔室内进行的测定过程的示例性实施方式。
105.反应腔室形成于下通道层18l与电极元件31l之间。在一些实施例中，捕获探针p1的阵列设置在电极元件31l的捕获面上方，如过程201所示。
106.在一些实施例中，捕获探针p1被布置在电极元件31l的涂层上。另外，在捕获探针p1与电极部件31l之间配置有连接层40l。连接层40l可以增强捕获探针p1的固定。然后，将具有目标分子p2的样本流体引入反应室中。
107.捕获探针p1被配置为捕获目标分子p2并附着目标分子p2以将其保留在反应腔室内，如过程202所示。
108.在一些实施方案中，洗涤液被用于洗去未被捕获探针p1捕获的目标分子p2。洗涤
液可以是缓冲液。
109.然后将具有标记探针p3的反应流体引入反应室中。捕获探针p1被配置为捕获目标分子p2并附着标记探针p3以保留在反应室内，如过程203所示。
110.如过程204所示，洗涤液用于洗掉未被目标分子p2捕获的标记探针p3。
111.在示例性实施方式中，捕获探针p1、目标分子p2、和标记探针p3可以分别是捕获抗体、抗原、和第一抗体。第一抗体与感测装置可检测的物质缀合。
112.在一些实施方案中，在开始测定过程之前，可从感测装置进行初始读取。在测定过程之后，再执行从感测装置的最终读取。藉由计算初始读数与最终读数之间的差，得以生成反映目标分子p2浓度的输出。
113.在一些其他实施例中，可以不需要从感测装置执行初始读取程序。而是，测量最终读数即得以产生反映目标分子p2的浓度的输出。
114.图16为本案的一些实施例的在感测器卡匣的流动路径中的示例性样本相互作用。例如，图16示出了在感测器卡匣的反应腔室内进行的测定过程的示例性实施方式。
115.反应腔室形成在下通道层18m与电极元件31m之间。在一些实施例中，捕获探针p1的阵列被布置在电极元件31m的捕获面上方。此外，在一些其他实施例中，连接层40m可被设置在捕获探针p1与电极元件31m之间。连接层40m可以增强捕获探针p1的保持。制备具有彼此固定的目标分子p2和标记探针p3的样本流体。然后将具有目标分子p2和标记探针p3的样本流体引入反应室中。如过程303所示，目标分子p2被捕获探针p1捕获并被保留在反应腔室内。如过程304所示，洗涤液被用于洗去多余的样本流体。
116.在一些实施方案中，捕获探针p1、目标分子p2、和标记探针p3可以分别是捕获抗体、抗原、和第一抗体。第一抗体与感测装置可检测的物质缀合。
117.在一些实施方案中，在开始测定过程之前，可从感测装置进行初始读取程序。在测定过程之后，再执行从感测设备的最终读取。藉由计算初始读数与最终读数之间的差，得以生成反映目标分子p2浓度的输出。
118.在一些其他实施例中，从感测设备的初始读取程序并非必要。而是，藉由测量最终读数即得以产生反映目标分子p2的浓度的输出。
119.因此，本公开的一方面提供了一种感测卡匣，其包括一感测装置及一微流道结构。该感测装置包括一芯片元件及一电极元件。该芯片元件包括一主动面，该主动面设置在一基板的一安装面上，该主动面定义有一第一采样区域。该电极元件包括一捕获面，该捕获面定义有一第二采样区域。该芯片元件的该主动面被布置成投影地偏移于该电极元件的该捕获面。该第一采样区域的面积与该第二采样区域的面积之比率实质上小于1。该微流道结构布置在该感测装置上方并被配置为将流体输送到该主动面以及该捕获面。
120.在一些实施例中，该第一采样面积与该第二采样面积之比率在约1
×
10^-8到约1的范围。
121.在一些实施例中，该微流道结构接触于该芯片元件以及该电极元件，并与该芯片元件以及该电极元件形成实质上液密的密封界面。
122.在一些实施例中，该电极元件与该基板是在结构上分离的构件。
123.在一些实施例中，该电极元件设置在该基板的该安装面之外。
124.在一些实施例中，相对于该基板的该安装面，该芯片元件的该主动面被布置在与
该电极元件的该捕获面不同的高度处。
125.在一些实施例中，该电极元件还包括一基体，且该捕获面包括固定在该基体上的一探针阵列。该基体包括电阻率实质上大于10^-6ωm的材料。
126.在一些实施例中，该电极元件更包括一基体，且该捕获面包括固定在该基体的一涂层上的一探针阵列。该涂层的表面粗糙度实质上小于10μm。
127.在一些实施例中，该微流道结构包括布置在该主动面和该捕获面之间的一悬置区段。该微流道结构的该悬置区段被布置在比其紧邻的上游部分更高的高度处。
128.在一些实施例中，该芯片元件包括具备有多个自由边缘的一微芯片。该主动面被布置在该微芯片上，且背向于该基板的该安装面。
129.在一些实施例中，该基板包括布置在其边缘部分的输入/输出接口介面。
130.因此，本公开的一方面提供了一种感测卡匣，包括一感测装置及一微流道结构。该感测装置包括一芯片元件及具有一捕获面的一电极元件。该芯片元件具有一主动面，该主动面设置在一基板的一安装面上。该微流道结构布置在该感测装置上方，且该微流道结构配置来依序在该捕获面和该主动面之间传输流体。该微流道结构包括布置在该主动面和该捕获面之间的一悬置区段。
131.在一些实施例中，该微流道结构定义有一上游方向和一下游方向。该电极元件相对于该芯片元件，朝该上游方向布置。
132.在一些实施例中，该微流道结构的该悬置区段布置在比其紧邻上游部分更高的高度处。
133.在一些实施例中，该微流道结构形成有设置在该主动面上方且具有一第一腔室长度的一主动腔室和在该捕获面上方且具有一第二腔室长度的一反应腔室。该悬置区段被布置在该反应腔室和该主动腔室之间。
134.在一些实施例中，该第一腔室长度和该第二腔室长度之间的比率实质上小于1。
135.在一些实施例中，该比率在约1
×
10^-4到约1的范围。
136.在一些实施例中，该微流道结构的该反应腔室设有面对该捕获面布置的一扰流表面。
137.在一些实施例中，该微流道结构超出该基板的该安装面的平面覆盖范围。
138.在一些实施例中，该主动面和该捕获面之间的距离不小于0.1mm。
139.惟以上所述者，仅为本发明之实施例而已，当不能以此限定本发明实施之范围，凡是依本发明申请专利范围及专利说明书内容所作之简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明专利涵盖之范围内。