CN111133323A - 电荷检测传感器和电位测量系统 - Google Patents

Abstract

本发明提高了电荷检测传感器的灵敏度，其中多个电极设置成阵列状，并且对所述电极上的溶液中产生的电荷进行检测。该电荷检测传感器设置有设置成阵列状的检测电荷的多个检测电极。所述检测电极通过绝缘部彼此绝缘。在所述检测电极的表面上，使导电性粒子群成膜。从而，在所述检测电极的表面上形成三维电极，从而增大了所述检测电极的表面积，并且降低了电阻。

Description

电荷检测传感器和电位测量系统

技术领域

本技术涉及一种电荷检测传感器。具体地，本技术涉及一种电荷检测传感器和使用电荷检测传感器的电位测量系统。

背景技术

通常，具有以阵列状排列的多个电极并且检测每个电极上的溶液中产生的电荷的电荷检测传感器已经引起了人们的注意。例如，已经提出了一种测量由于化学变化产生的动作电位产生点处的电位的电位测量装置(例如，参照专利文献1)。

引用列表

专利文献

专利文献1：WO 2017/061171 A

发明内容

发明要解决的问题

在上述的常规技术中，以阵列状排列的电极被浸泡在溶液中，并且检测溶液中产生的电荷。为了提高上述的电荷检测传感器的感测灵敏度，可以想到增大感测面积。然而，增大电极本身的面积使得整个装置的面积增大并且使得难以小型化。

鉴于这种情况开发了本技术，并且目的在于提高电荷检测传感器的感测灵敏度。

问题的解决方案

为了解决上述问题而完成了本技术。本技术的第一方面是电荷检测传感器，所述电荷检测传感器包括以阵列状排列并且检测电荷的多个检测电极、使所述多个检测电极彼此绝缘的绝缘部和沉积在所述多个检测电极的表面上的导电性粒子群。这产生了增大每个检测电极的表面积并且降低电阻，从而提高感测灵敏度的效果。

此外，在第一方面，粒子群可以是纳米粒子群，每个纳米粒子具有纳米级尺寸。更具体地，粒子群可以是铂纳米粒子群。这产生了使纳米粒子群三维地沉积在每个检测电极的表面上，从而增大表面积的效果。

此外，在第一方面，所述多个检测电极可以是使用金属作为材料的非水溶性电极。更具体地，所述多个检测电极可以是使用铂作为材料的电极。这产生了沉积纳米粒子群时电荷检测传感器被金属材料密封的效果。

此外，在第一方面，所述绝缘部可以在距每个检测电极的表面预定距离的部分处具有突出形状。这产生了防止导电膜在绝缘层的侧壁上形成的效果。

此外，在第一方面，所述绝缘部的突出形状优选地设置在比粒子群的高度更高的位置。此外，所述绝缘部的突出形状优选地具有比所述粒子群的高度更长的突出部。这确保了防止导电膜在绝缘层的侧壁上形成的效果。

此外，在第一方面，所述绝缘部的突出形状可以通过使用与绝缘部的其他部分的材料不同的材料形成。这产生了促进形成绝缘层上突出形状的效果。

此外，在第一方面，所述多个检测电极中的每一个可以包括用于与配线层连接的凹部。这产生了允许每一个检测电极连接到配线层的效果。

此外，在第一方面，可以进一步地包括触点以允许所述多个检测电极中的每一个连接到配线层。该触点可以是金属嵌入式插头型触点或硅通孔型触点。这产生了通过使用所述触点允许每一个检测电极连接到配线层的效果。

此外，在第一方面，所述电荷检测传感器可以检测与每个检测电极接触的溶液中的离子。

此外，在第一方面，所述电荷检测传感器可以是检测电荷以测量生物活性或识别生物物质的生物传感器。

此外，本技术的第二方面可以是电位测量系统，所述电位测量系统包括电荷检测传感器、控制部、测量结果处理部和显示部，所述电荷检测传感器包括以阵列状排列并且检测电荷的多个检测电极、使所述多个检测电极彼此绝缘的绝缘部和沉积在所述多个检测电极的表面上的导电性粒子群，并且执行电位测量；所述控制部控制所述电荷检测传感器的电位测量；所述测量结果处理部对所述电荷检测传感器的测量结果进行处理；以及所述显示部显示所述处理后的测量结果。这产生了处理电荷检测传感器的测量结果并且将该结果作为图像或动画显示的效果。

发明效果

本技术可以产生提高电荷检测传感器的感测灵敏度的良好效果。需要注意的是，这里描述的效果不一定是限制性的，并且发明的效果可以是本公开中描述的效果中的任意一个。

附图说明

图1示出了根据本技术实施方案的电荷检测传感器10从上方看时的外观的示例。

图2示出了根据本技术实施方案的单元12从上方看时的外观的示例。

图3示出了根据本技术第一实施方案的电荷检测传感器10从上方看时的断面图的示例。

图4示出了根据本技术实施方案的检测电极130的断面图的示例。

图5示出了根据本技术第一实施方案的绝缘层140的形状的第一示例。

图6示出了根据本技术第一实施方案的绝缘层140的形状的第二示例。

图7示出了根据本技术第一实施方案的绝缘层140的形状的第三示例。

图8示出了根据本技术第一实施方案的变形例的电荷检测传感器10的断面图的示例。

图9示出了根据本技术的第二实施方案的电荷检测传感器10的断面图的示例。

图10示出了根据本技术的第二实施方案的绝缘层140的侧壁部分的断面形状的示例。

图11示出了根据本技术的第二实施方案的绝缘层140的形状的示例。

图12示出了根据本技术的第二实施方案的变形例的电荷检测传感器10的断面图的示例。

图13示出了根据本技术的第三实施方案的电位测量系统的配置示例。

具体实施方式

下面将对实施本技术的方式(以下称为“实施方案”)进行描述。描述将按照以下顺序进行。

1.第一实施方案(用铂纳米粒子来形成三维电极的示例)

2.第二实施方案(电极之间的绝缘部的侧壁具有屋檐形状的示例)

3.第三实施方案(电位测量系统的应用例)

<1.第一实施方案>

[电荷检测传感器]

图1示出了根据本技术实施方案的电荷检测传感器10从上方看时的外观的示例。

电荷检测传感器10是检测溶液中的电荷的传感器。检测区域11设置在电荷检测传感器10的上表面上，并且充当样品的溶液浸入检测区域11中。此外，电荷检测传感器10包括列选择部16、行选择部17、放大部18和A/D转换部19。

检测区域11具有分别包括检测元件的多个单元12，并且多个单元12排列成二维阵列以形成元件阵列。多个单元12中的每一个都检测电荷。需要注意的是，该示例示出了8x 8的元件阵列，但是这仅仅是一个示例并且必要时元件阵列可以具有任意尺寸。

列选择部16输出用于选择检测区域11中二维阵列状的单元12的列的列选择信号。行选择部17输出用于选择检测区域11中二维阵列状的单元12的行的行选择信号。列选择部16和行选择部17选择并指定二维阵列状单元12中的一个。

放大部18放大来自由列选择部16和行选择部17选择的单元12的电位信号。

A/D转换部19将被放大部18放大的电位信号从模拟值转换到数字值。

图2示出了根据本技术实施方案的单元12从上方看时的外观的示例。

单元12包括检测电荷的检测单元13，并且被使单元12与其他单元12绝缘的绝缘部14包围。浸入检测区域11中的溶液与检测单元13接触。这允许多个单元12中的每一个检测与检测单元13接触的溶液中的离子的电荷。

需要注意的是，每一个单元12可以在绝缘部14的一部分中具有凹部15。如下文所述，这仅仅是用于将检测单元13连接到检测单元13下方的配线的一个示例，并且可以想到各种其他技术以实现连接。

[结构]

图3示出了根据本技术第一实施方案的电荷检测传感器10从上方看时的断面图的示例。这里，示出了沿图2中的线A-A′获取的断面。

电荷检测传感器10包括作为检测单元13的检测电极130。检测电极130是使用如铂(Pt)等金属作为材料的非水溶性电极，并且将导电性纳米粒子群沉积在检测电极130的表面上，每个导电性纳米粒子具有纳米级尺寸。例如，可以假设，这样的纳米粒子群包括铂纳米粒子。

电荷检测传感器10包括作为绝缘部14的绝缘层140。绝缘层140使以阵列状排列的检测电极130彼此绝缘。例如，作为绝缘层140的材料，可以使用氮化硅(SiN)等。需要注意的是，绝缘层140是权利要求书中所述的绝缘部的示例。

将绝缘层150设置为检测电极130下方的层。例如，作为绝缘层150的材料，可以使用一氧化硅(SiO)、氮化硅(SiN)等。

将配线层160设置为绝缘层150下方的层。例如，作为配线层160的材料，可以使用氮化钛(TiN)、铝铜合金(AlCu)等。

如图所示，检测电极130沿着绝缘层150的凹部15向下凹入，在这里检测电极130与配线层160连接。需要注意的是，凹部15可以用另一种材料或相同的材料填充。

用于与另一层连接的电极170设置在配线层160的下方。例如，作为电极170的材料，可以使用铜(Cu)等。这允许不同层中的铜电极之间的连接(Cu-Cu连接)。

图4示出了根据本技术实施方案的检测电极130的断面图的示例。

如上所述，检测电极130包括使用金属作为材料的电极131，其中导电性纳米粒子群132沉积在电极131的表面上。如图所示，纳米粒子群132三维沉积。与仅包括平面电极131的情况相比，这允许表面积的增大和检测电极130的电阻的降低。

可以假设，纳米粒子群132通过皮肤涂布沉积，即，用纳米粒子喷涂电极131。这种沉积也可以通过使用如气相沉积成膜或溅射等技术进行。需要注意的是，纳米粒子群132是权利要求书中所述的粒子群的示例。

[绝缘层的形状]

上面基于以下假设描述了实施方案：绝缘部14中的绝缘层140具有垂直侧壁。可选择地，如下所例示的，各种形状可以用作绝缘层140的形状。

图5示出了根据本技术第一实施方案的绝缘层140的形状的第一示例。在第一示例中，绝缘层140具有梯形形状。绝缘层140具有向下延伸的侧壁，并且具有平面顶部。

图6示出了根据本技术第一实施方案的绝缘层140的形状的第二示例。在第二示例中，绝缘层140具有三角形状。绝缘层140具有向下延伸的侧壁，并且具有尖锐的顶部。

图7示出了根据本技术第一实施方案的绝缘层140的形状的第三示例。在第三示例中，绝缘层140具有倒锥形形状。绝缘层140具有向上延伸的侧壁，并且具有平面顶部。

以这种方式，根据本技术的第一实施方案，纳米粒子群132三维沉积在电荷检测传感器中的检测电极130的表面上。这增大了表面积并且减小了电阻，从而提高了感测灵敏度。

[变形例]

图8示出了根据本技术第一实施方案的变形例的电荷检测传感器10的断面图的示例。

在该变形例中，将其中绝缘膜和如金属等导体嵌入穿透绝缘层150的通孔中的插头型触点180设置成将检测电极130与配线层160连接。在这种情况下，例如，可以假设金属的材料是钨(W)等。

需要注意的是，触点180可以是硅通孔(TSV)型触点，其中如金属等导体连接到孔的底部和侧壁。

根据该变形例，与上述的第一实施方案不同，检测电极130可以形成为平面形状。此外，触点180可以设置在检测电极130的下方，并且这允许增大检测单元13的面积(检测电极130暴露的面积)并且进一步地提高感测灵敏度。

<2.第二实施方案>

在上述的第一实施方案中，将纳米粒子群132三维沉积在检测电极130的表面上以增大表面面积。在这种情况下，在绝缘层140的侧壁上形成导电膜，并且在相邻的检测电极130之间发生导电并且可能妨碍正常操作。因此，在该第二实施方案中，提供绝缘以防止通过沉积形成的连续覆盖。需要注意的是，电荷检测传感器10的整体配置与上述的第一实施方案的类似，并且因此省略其详细的描述。

[结构]

图9示出了根据本技术的第二实施方案的电荷检测传感器10的断面图的示例。这里，示出了沿着图2中的线A-A′获取的断面。

在第二实施方案中，绝缘层140具有屋檐形状的侧壁。即，绝缘层140在距检测电极130的表面预定距离的部分处具有突出形状。这防止了检测电极130之间导电膜的连续形成。

图10示出了根据本技术的第二实施方案的绝缘层140的侧壁部分的断面形状的示例。

在该示例中，绝缘层140包括三个层：第一层141、第二层142和第三层143。第一层141使用氮化硅(SiN)作为材料。第二层142是形成突出形状的层，并且使用一氧化硅(SiO)作为材料。第三层143使用氮化硅(SiN)作为材料。像这样使用不同材料的原因是为了促进在绝缘层140的侧壁上形成屋檐形状。需要注意的是，屋檐形状可以通过使用相同类型的材料形成。此外，这里示出的材料是示例，并且可以使用其他材料来形成屋檐形状。

绝缘层140的突出形状设置在比纳米粒子群132的高度更高的位置。即，第三层143形成为具有比纳米粒子群132的厚度更大的厚度。纳米粒子群132中的每个粒子具有纳米级的尺寸，并且例如，通过使粒子三维沉积形成的纳米粒子群132的厚度为几十纳米的量级。因此，形成突出形状的第二层142下方的第三层143的厚度大于几十纳米的量级。例如，考虑到纳米粒子群132中粒子的堆积，优选地，第三层143的厚度约为纳米粒子群132的厚度的三倍。

此外，绝缘层140的突出形状的突出部的水平长度设置成大于纳米粒子群132的高度。即，第二层142形成为从第三层143突出超过比纳米粒子群132的厚度大的长度。

像这样在绝缘层140中形成具有适当的高度和长度的突出形状可以防止由通过纳米粒子群132的沉积形成的连续覆盖引起的相邻检测电极130之间的导电。

[绝缘层的形状]

图11示出了根据本技术的第二实施方案的绝缘层140的形状的示例。

在该示例中，绝缘层140具有梯形形状并且具有屋檐形状的侧壁。即，由于绝缘层140具有屋檐形状的侧壁，所以防止了用于纳米粒子群132的沉积而喷涂的纳米粒子连续地覆盖在绝缘层140上。

以这种方式，根据本技术的第二实施方案，具有屋檐形状的侧壁的绝缘层140防止了沉积的纳米粒子群132连续地覆盖在绝缘层140上。

[变形例]

图12示出了根据本技术的第二实施方案的变形例的电荷检测传感器10的断面图的示例。

在该变形例中，与上述的第一实施方案中一样，将其中绝缘膜和如金属等导体嵌入穿透绝缘层150的通孔的插头型触点180设置成将检测电极130与配线层160连接。在这种情况下，例如，可以假设，金属的材料是钨(W)。此外，触点180可以是硅通孔(TSV)型触点，其中如金属等导体连接到孔的底部和侧壁。

第二实施方案的这个变形例具有与上述的第一实施方案的变形例的效果类似的效果，从而进一步地提高了感测灵敏度。

<3.第三实施方案>

如在上述的实施方案中所述，电荷检测传感器10可以检测溶液中的电荷。在该第三实施方案中，将对电荷检测传感器10应用于电位测量系统的情况的示例进行描述。

图13示出了根据本技术的第三实施方案的电位测量系统的配置示例。除上述的实施方案中描述的电荷检测传感器10之外，该电位测量系统还包括控制部20、测量结果处理部40和显示部50。

在电荷检测传感器10中，如上所述，多个单元12中的每一个检测电荷。这允许测量溶液中的离子。这也允许测量生物活性或识别生物物质，从而允许电荷检测传感器10充当生物传感器。

控制部20驱动或控制电荷检测传感器10。例如，控制部20指示电荷检测传感器10开始和结束电位测量，或控制测量对象的选择等。

测量结果处理部40基于预设的标准处理电荷检测传感器10的测量结果。例如，测量结果处理部40执行如测量数据的转换或测量数据中数值的多阶段分类等处理以显示测量结果。

显示部50显示由测量结果处理部40处理后的测量结果。例如，显示部50将测量结果显示为像素的颜色和阴影，以与元件阵列类似的方式二维排列像素，并且将像素显示为表示电荷或电位的分布的图像。此外，例如，可以按时间的前后顺序依次显示以这样的方式获得的图像以将图像显示为表示电荷或电位的变化的运动图像。

在该示例中，电荷检测传感器10和控制部20构成电荷检测装置30。例如，电荷检测装置30可以安装在测量对象上并且存储测量结果，然后可以由测量结果处理部40对存储的测量结果进行处理。此外，电荷检测装置30可以具有网络功能，使得电荷检测传感器10的测量结果可以实时远程传输并且由位于远离电荷检测装置30的位置的测量结果处理部40进行处理。

以这种方式，根据本技术的第三实施方案，可以使用在上述的实施方案中描述的电荷检测传感器10来执行测量并且将测量结果显示在显示部50上。

需要注意的是，上述的实施方案示出了用于实现本技术的示例，并且实施方案中的事项与权利要求书中指定发明的事项相对应。类似地，权利要求书中指定发明的事项与本技术的实施方案中具有相同名称的事项相对应。然而，本技术不限于这些实施方案，并且可以在不偏离其主旨的情况下通过对实施方案进行各种变形来实现。

此外，上述的实施方案中描述的处理步骤可以看作是包括这一系列步骤的方法，或可以看作是用于使计算机执行这一系列步骤的程序或存储这些程序的记录介质。例如，作为记录介质，可以使用光盘(CD)、微型碟片(MD)、数字多功能光盘(DVD)、存储卡、蓝光(注册商标)光盘等。

需要注意的是，本文描述的效果仅仅是示例性的，而不是为了限制，并且可以获得其他效果。

需要注意的是，本技术也可以如下面所描述的进行配置。

(1)一种电荷检测传感器，包括：

多个检测电极，所述多个检测电极以阵列状排列并且检测电荷；

绝缘部，所述绝缘部使所述多个检测电极彼此绝缘；和

导电性粒子群，所述导电性粒子群沉积在所述多个检测电极的表面上。

(2)根据(1)所述的电荷检测传感器，其中

所述粒子群是纳米粒子群，每个纳米粒子具有纳米级尺寸。

(3)根据(2)所述的电荷检测传感器，其中

所述粒子群是铂纳米粒子群。

(4)根据(1)到(3)中任一项所述的电荷检测传感器，其中

所述多个检测电极是使用金属作为材料的非水溶性电极。

(5)根据(4)所述的电荷检测传感器，其中

所述多个检测电极是使用铂作为材料的电极。

(6)根据(1)到(5)中任一项所述的电荷检测传感器，其中

所述绝缘部在距所述检测电极的表面预定距离的部分处具有突出形状。

(7)根据(6)所述的电荷检测传感器，其中

所述绝缘部的所述突出形状设置在比所述粒子群的高度更高的位置。

(8)根据(6)或(7)所述的电荷检测传感器，其中

所述绝缘部的所述突出形状具有比所述粒子群的高度更长的突出部。

(9)根据(6)到(8)中任一项所述的电荷检测传感器，其中

所述绝缘部的所述突出形状通过使用与所述绝缘部的其他部分的材料不同的材料形成。

(10)根据(1)到(9)中任一项所述的电荷检测传感器，其中

所述多个检测电极中的每一个具有用于与配线层连接的凹部。

(11)根据(1)到(10)中任一项所述的电荷检测传感器，进一步地包括用于连接所述多个检测电极中的每一个和配线层的触点。

(12)根据(11)所述的电荷检测传感器，其中

所述触点是金属嵌入式插头型触点。

(13)根据(11)所述的电荷检测传感器，其中

所述触点是硅通孔型触点。

(14)根据(1)到(13)中任一项所述的电荷检测传感器，其中所述电荷检测传感器检测与所述检测电极接触的溶液中的离子。

(15)根据(1)到(14)中任一项所述的电荷检测传感器，其中所述电荷检测传感器是检测所述电荷以测量生物活性或识别生物物质的生物传感器。

(16)一种电位测量系统，包括：

电荷检测传感器，所述电荷检测传感器包括以阵列状排列并且检测电荷的多个检测电极、使所述多个检测电极彼此绝缘的绝缘部和沉积在所述多个检测电极的表面上的导电性粒子群，并且执行电位测量；

控制部，所述控制部控制所述电荷检测传感器的电位测量；

测量结果处理部，所述测量结果处理部对所述电荷检测传感器的测量结果进行处理；和

显示部，所述显示部显示所述处理后的测量结果。

附图标记列表

10 电荷检测传感器

11 检测区域

12 单元

13 检测单元

14 绝缘部

15 凹部

16 列选择部

17 行选择部

18 放大部

19 A/D转换部

20 控制部

30 电荷检测装置

40 测量结果处理部

50 显示部

130 检测电极

131 电极

132 纳米粒子群

140到143，150 绝缘层

160 配线层

170 电极

180 触点

Claims (16)

1.一种电荷检测传感器，包括：

多个检测电极，所述多个检测电极以阵列状排列并且检测电荷；

绝缘部，所述绝缘部使所述多个检测电极彼此绝缘；和

导电性粒子群，所述导电性粒子群沉积在所述多个检测电极的表面上。

2.根据权利要求1所述的电荷检测传感器，其中

所述粒子群是纳米粒子群，每个纳米粒子具有纳米级尺寸。

3.根据权利要求2所述的电荷检测传感器，其中

所述粒子群是铂纳米粒子群。

4.根据权利要求1所述的电荷检测传感器，其中

所述多个检测电极是使用金属作为材料的非水溶性电极。

5.根据权利要求4所述的电荷检测传感器，其中

所述多个检测电极是使用铂作为材料的电极。

6.根据权利要求1所述的电荷检测传感器，其中

所述绝缘部在距所述检测电极的表面预定距离的部分处具有突出形状。

7.根据权利要求6所述的电荷检测传感器，其中

所述绝缘部的所述突出形状设置在比所述粒子群的高度更高的位置。

8.根据权利要求6所述的电荷检测传感器，其中

所述绝缘部的所述突出形状具有比所述粒子群的高度更长的突出部。

9.根据权利要求6所述的电荷检测传感器，其中

所述绝缘部的所述突出形状通过使用与所述绝缘部的其他部分的材料不同的材料形成。

10.根据权利要求1所述的电荷检测传感器，其中

所述多个检测电极中的每一个具有用于与配线层连接的凹部。

11.根据权利要求1所述的电荷检测传感器，进一步地包括用于连接所述多个检测电极中的每一个和配线层的触点。

12.根据权利要求11所述的电荷检测传感器，其中

所述触点是金属嵌入式插头型触点。

13.根据权利要求11所述的电荷检测传感器，其中

所述触点是硅通孔型触点。

14.根据权利要求1所述的电荷检测传感器，其中所述电荷检测传感器检测与所述检测电极接触的溶液中的离子。

15.根据权利要求1所述的电荷检测传感器，其中所述电荷检测传感器是检测所述电荷以测量生物活性或识别生物物质的生物传感器。

16.一种电位测量系统，包括：

电荷检测传感器，所述电荷检测传感器包括以阵列状排列并且检测电荷的多个检测电极、使所述多个检测电极彼此绝缘的绝缘部和沉积在所述多个检测电极的表面上的导电性粒子群，并且执行电位测量；

控制部，所述控制部控制所述电荷检测传感器的电位测量；

测量结果处理部，所述测量结果处理部对所述电荷检测传感器的测量结果进行处理；和

显示部，所述显示部显示所述处理后的测量结果。

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