紧凑流体分析器件及其制造方法.pdf

在第一方面，本发明涉及用于分析流体样本的器件。所述器件包括：流控衬底，包括：嵌入在流控衬底中的配置用于通过毛细力将流体样本传播通过该器件的微流控组件；连接到该微流控组件的用于提供流体样本的装置；附连到该流控衬底至少部分覆盖该流控衬底并至少部分关闭该微流控组件的盖子；其中该流控衬底是硅流控衬底且其中该盖子是CMOS芯片。在第二方面，本发明的各实施例涉及用于制造这样的器件的方法。该方法包括：提供流控衬底；提供盖子；通过CMOS兼容接合处理来将流控衬底附连到盖子以至少部分关闭流控衬底。

权利要求书
1.  一种用于分析流体样本的器件(100)，该器件包括：
流控衬底(101)，包括：
微流控组件(102)，所述微流控组件嵌入在所述流控衬底(101)中，被 配置用于通过毛细力将流体样本传播通过所述微流控组件(102)；以及
连接到所述微流控组件(102)的用于提供流体样本的装置；
附连到所述流控衬底(101)至少部分覆盖所述流控衬底(101)并至少部 分关闭所述微流控组件(102)的盖子(103)；
其特征在于：
所述流控衬底(101)是硅流控衬底，并且其中所述盖子(103)是CMOS 芯片。

2.  如权利要求1所述的器件(100)，其特征在于，当所述流体样本存在 于所述器件(100)中时，所述盖子(103)的至少一部分与所述流体样本接触。

3.  如前述任一项权利要求所述的器件(100)，其特征在于，所述盖子(103) 包括晶体管层，该晶体管层电连接至少一个电子组件，该电子组件为以下的至 少一个：生物感测电路、用于感测目的的电极、用于流体操纵目的的电极、用 于数据通信目的的电路、用于无线数据通信目的的电路、温度传感器、用于温 度控制的加热器电极，和用于流体黏性控制的流体传感器和电极。

4.  如前述任一项权利要求所述的器件(100)，其特征在于，所述用于提 供流体样本的装置是用硅制造的集成针(104)，并包括连接到所述微流控组 件(102)的内部的流控通道(105)，并且其中所述针(104)是所述流控衬 底(101)的突出部分并被放置使得在对皮肤组织按压时穿透皮肤组织。

5.  如权利要求4所述的器件(100)，其特征在于，所述流控衬底(101) 包括切口(106)并且其中所述针(104)被放置于所述切口(106)中。

6.  如权利要求4所述的器件(100)，其特征在于，所述流控衬底(101) 包括用于保护针(104)的保护结构(107)，所述保护结构可移除地附连到所 述流控衬底(101)。

7.  如权利要求1－3的任一项所述的器件(100)，其特征在于，所述用于 提供流体样本的装置是注入口(109)。

8.  如前述任一项权利要求所述的器件(100)，其特征在于，所述流控衬 底(101)还包括至少一个光学波导以允许光学激发并当所述流体样本存在于 所述器件内(101)时感测所述流体样本。

9.  如前述任一项权利要求所述的器件(100)，其特征在于，所述流控衬 底(101)或所述盖子(103)包括至少一个通孔，用于将生化试剂应用到所述 微流控组件(102)的至少一个区域或应用到所述盖子(103)的至少一个区域。

10.  如前述任一项权利要求所述的器件(100)，其特征在于，所述盖子(103) 使用光刻形成图案的聚合物被接合到所述流控衬底(101)。

11.  如前述任一项权利要求所述的器件(100)，其特征在于，还包括电连 接到所述盖子(103)用于从所述盖子(103)读出电信号的金属触头。

12.  如前述任一项权利要求所述的器件(100)，其特征在于，所述流控衬 底(101)和/或所述盖子(103)的至少部分是用透明材料制造的，以允许当 所述流体样本存在于所述微流控组件(102)中时对所述流体样本的光学检查。

13.  如前述任一项权利要求所述的器件(100)，其特征在于，所述器件(100) 的形状允许插入到移动通信设备中。

14.  一种用于制造用于分析流体样本的器件(100)的方法，所述方法包括：
提供流控衬底(101)；
提供盖子(103)；
将所述流控衬底(101)附连到所述盖子(103)以至少部分地关闭所述流 控衬底(101)；
其特征在于：
所述流控衬底(101)是硅流控衬底，并且所述盖子(103)是CMOS芯片； 以及
其中所述流控衬底(101)使用CMOS兼容接合处理来附连到所述盖子 (103)。

15.  如权利要求14所述的方法，其特征在于，提供流控衬底(101)包括：
提供硅衬底(201)，提供氧化物掩模(202)，图案化所述氧化物掩模(202) 来在所述氧化物掩模(202)中创建精细结构(203)；
提供保护层(204)来保护所述氧化物层(202)；
图案化粗结构(205)；
蚀刻所述粗结构(205)；
生成氧化物(206)用于保护所述粗结构(205)；
移除所述保护层(204)并蚀刻所述精细结构(203)；
移除所述氧化物(206)。

16.  如权利要求14所述的方法，其特征在于，所述流控衬底(101)和所 述盖子(103)的表面被部分或完全涂敷以改变所述衬底与所述流体样本的表 面交互。

17.  使用根据权利要求1－13任一的器件以执行显微方法。

说明书紧凑流体分析器件及其制造方法
技术领域
本发明涉及生物分析器件领域。具体而言，本发明涉及用于流体样本分析 的紧凑器件。更具体而言，本发明涉及用于流体样本分析的完全集成的芯片上 的实验室器件。
背景技术
当前，存在用于血液分析的现有技术即时检验(point-of-care)器件。这些 器件的缺点是它们的大小取决于执行血液分析所需的不同组件。在这些器件 中，外部的泵是即时检验仪器的一部分。在一些器件中，使用微型泵来传播样 本通过器件的流体通道。泵的使用增加了器件的大小和费用，这使得它们不适 合用作一次性器件。当前的一次性器件通常被插入在昂贵的读出仪器中，具有 多个非一次性的不同的电子或光学组件以读出发生在一次性器件中的生化反 应。现有技术的即时检验器件的另一个缺点是它们的制造费用。
其它现有技术器件是侧流试纸。这些试纸通常用纤维素制造，这不允许对 传播通过试纸的流体样本的流动的精确控制。这使得这些器件的应用范围变 窄。
需要用于流体样本的完全集成分析的花费少的、便于使用的、一次性的、 紧凑器件。
发明内容
在第一方面，本发明涉及用于分析流体样本的器件。所述器件包括：流控 衬底，包括：嵌入在流控衬底中的微流控组件，配置用于通过毛细作用力来传 播流体样本通过微流控组件；以及连接到微流控组件的用于提供流体样本的装 置；附连到流控衬底的至少部分覆盖流控衬底并至少部分关闭微流控组件的盖 子。流控衬底是硅流控衬底，而盖子是CMOS芯片。
根据本发明的各方面，当流体样本存在于器件中时，盖子的至少一部分与 流体样本接触。
根据本发明的各方面，盖子包括晶体管层，该晶体管层电连接至少一个电 子组件，该电子组件为以下的至少一个：生物感测电路、用于感测目的的电极、 用于流体操纵目的的电极、用于数据通信目的的电路、用于无线数据通信目的 的电路、温度传感器、用于温度控制的加热器电极，和用于流体黏性控制的流 体传感器和电极。
根据本发明的各实施例，用于提供流体样本的装置是用硅制成的集成针， 并包括连接到微流控组件的内部的流控通道。该针是流控衬底的突出的部分并 被放置以在对皮肤组织按压时穿透皮肤组织。
根据本发明的各实施例，流控衬底包括切口，而针位于切口中。
根据本发明的各实施例，流控衬底包括用于保护针的保护结构，该保护结 构可移除地附连到流控衬底。
根据本发明的各实施例，用于提供流体样本的装置是注入口。样本滴可通 过毛细吸力的方式被插入到微流控组件中。微流控组件可包括不同的流控隔 间，例如以供多组学(muti-omic)分析。不同的微流控隔间可具有相同或不同 的深度。不同的微流控隔间可以由能够以任何合适的方式(例如通过流体力或 通过电流)致动的阀(valve)来分隔。用于致动的电极可被包含在流控衬底上 或盖子上。
根据本发明的各实施例，流控衬底或盖子还可包括至少一个光学波导以允 许光学激发并当流体样本在器件内存在时感测流体样本。流控衬底或盖子还可 包括过滤器，用于拒绝光激发散发来测量荧光信号。流控衬底或盖子可包括多 谱段过滤器以用于测量具有多种颜色的荧光信号。流控衬底或盖子可包括光学 波导和/或小孔以照射样本用于执行无透镜显微方法。
根据本发明的各实施例，流控衬底或盖子包括至少一个通孔用于将生化试 剂应用到微流控组件的至少一个区域或应用到盖子的至少一个区域。
根据本发明的各实施例，盖子使用光刻形成图案的聚合物被接合到流控衬 底。
根据本发明的各实施例，该器件还可包括电连接到盖子的金属触头，用于 读出由流体生成并由盖子中的测量系统捕捉到的电信号。根据本发明的各实施 例，该器件的盖子还可包括CMOS有源像素，用于来自流体的光信号的读出。
根据本发明的各实施例，流控衬底和/或盖子的至少部分是用透明材料制 造的，以允许微流控组件中的流体样本的光学检查。
根据本发明的各实施例，该器件的形状允许插入到移动通信设备中。
在第二方面，本发明的各实施例，涉及用于制造用于分析流体样本的器件 的方法。该方法包括：提供流控衬底；提供盖子；将该流控衬底附连到所述盖 子以至少部分地关闭该流控衬底。流控衬底是硅流控衬底，而盖子是CMOS芯 片，并且流控衬底使用CMOS兼容接合处理来附连到盖子。
根据本发明的各实施例，提供流控衬底可包括：提供硅衬底，提供掩模层， 例如氧化掩模，图案化氧化掩模以在氧化掩模中创建精细结构；提供保护层以 包含氧化掩模；图案化粗结构；蚀刻该粗结构；生成氧化物以保护该粗结构； 移除保护层并蚀刻精细结构；移除氧化物。
根据本发明的各实施例，提供流控衬底可包括提供硅衬底，以每一层在另 一层的顶部上的方式提供多个掩模，并使用每个掩模来创建不同深度的微流控 结构。
根据本发明的各特定实施例，提供流控衬底可包括提供硅衬底，提供第一 氧化物掩模，图案化微流控结构，将该衬底蚀刻到单个深度，提供第二氧化物 掩模，图案化微流控结构，将该衬底蚀刻到第二深度，并且，如果必须，重复 这些步骤来创建微流控结构的多个深度。
根据本发明的各特定实施例，根据本发明的各实施例的器件的流控衬底和 盖子可以是更大的流控包的一部分，它可由不同材料制成，例如聚合物，并且 可包括更大的流控结构、试剂，流控和电接口。由此的优点是：这样的系统变 得更加成本高效。
根据本发明的各实施例，流控衬底和盖子的表面可被部分或完全涂敷以改 变衬底与流体样本的表面交互。
在第三方面，本发明提供了如在本发明的第一方面描述的器件的使用及其 实施例以执行显微方法。显微方法可根据数字化全息摄影的原理通过使用盖子 来检测无透镜图像来实现。
如所描述的器件的使用可执行多组学分析，其中流控衬底被用于在多个通 道和室中执行多个化验，且CMOS盖子被用来检测来自全部的化验的多个信 号。那些信息可组合来自同一分析物的多个DNA、RNA、小分子、细胞信号。
在各特定实施例中，器件被用作用于分析少量液体的单个一次性使用器 件。
在第四方面，来自盖子的数据可例如使用无线连接来被发送到智能设备。 智能设备可被用来处理、可视化和/或传递数据。
在本发明的各实施例中，从单个同一样本收集的经组合的数据可在软件算 法中被使用，以计算与个体的疾病或良好状态相关联的参数。
在所附独立和从属权利要求中陈述了本发明的具体和优选方面。来自从属 权利要求的特征在适当时可与独立权利要求的特征组合，且可与其他从属权利 要求的特征组合，而不仅如权利要求中显式陈述的那样。
参考以下描述的实施例，本发明的这些以及其他方面将是显而易见的且得 以说明。
附图简述
图1示出了可在本发明的各实施例中使用的流控衬底的一个实施例的3D 视图。
图2示出了根据本发明的各实施例的用于分析流体样本的器件的第一实施 例的俯视图。
图3示出在图2的器件中使用的流控衬底的俯视图。
图4示出图2中器件的侧视图。
图5示出了根据本发明的各实施例的用于分析流体样本的器件的第二实施 例的顶视图，对针的切口进行特写。
图6示出了用于图5的器件中的，对针的切口进行特写的流控衬底的一个 实施例的俯视图。
图7示出图5的器件的侧视图。
图8示出了根据本发明的各实施例的用于分析流体样本的器件的第三实施 例的俯视图，对针的保护结构特写。
图9示出了用于图8的器件中的，对针的保护结构进行特写的流控衬底的 一个实施例的俯视图。
图10示出图8的器件的侧视图。
图11－17示出了制造在根据本发明的各实施例的器件中使用的流控衬底 的方法。
图18示出在根据本发明各实施例的器件中使用的CMOS芯片的实施例。
图19示出了根据本发明的各实施例的CMOS芯片与流控衬底的接合。
图20示出了根据本发明的各实施例的CMOS芯片与流控衬底的接合，其 中CMOS芯片包括硅I/O内连。
图21示出了在根据本发明的各实施例的器件中使用的CMOS芯片的一个 实施例，CMOS芯片包括I/O垫。
图22示出了在根据本发明的各实施例的器件中使用的CMOS芯片的一个 实施例，CMOS芯片包括接合到流控衬底的I/O垫，其中CMOS芯片的一部分覆 盖在流控衬底上。
图23示出了根据本发明的各实施例的CMOS芯片与流控衬底的接合，其 中CMOS芯片包括通孔。
图24示出了根据本发明的各实施例的CMOS芯片与流控衬底的接合，其 中流控衬底包括两个通孔。
图25示出了根据本发明的实施例的器件的3D视图。
图26示出了根据本发明的实施例的无线独立器件的3D视图。
图27示出了在根据本发明的各实施例的器件中使用的微流控组件的第一 实施例的一部分的俯视图，该微流控组件包括微柱。
图28示出了图27的微流控组件的一部分的3D视图。
图29示出了在根据本发明的各实施例的器件中使用的微流控组件的第二 实施例的一部分的俯视图，该微流控组件包括微柱。
图30示出了图29的微流控组件的一部分的3D视图。
图31示出了根据本发明的各实施例的器件的SD卡形的一个实施例。
图32示出了根据本发明的各实施例的器件的SD卡形的另一个实施例。
图33是根据本发明的各实施例的器件的截面图，其中多个功能由单CMOS 技术支持。
附图仅仅是示例性的而非限制性的。在附图中，出于说明的目的，一些元 件的尺寸可被夸大且不按比例地绘制。
权利要求书中的任何附图标记不应当被解释为限制范围。
在不同附图中，相同参考标记指示相同或相似元件。
具体实施方式
将针对具体实施例且参考特定附图来描述本发明，但是本发明不限于此而 仅由权利要求书定义。所描述的附图只是示意性的和非限制性的。在附图中， 出于说明的目的，一些元件的尺寸可被夸大且不按比例地绘制。尺寸和相对尺 寸并不对应于为实践本发明的实际再现。
此外，在说明书和权利要求书中，术语“第一”、“第二”等用于在类似元素 之间进行区分，而并不一定用于描述时间顺序、空间顺序、等级排序、或者任 何其他方式的顺序。应理解，如此使用的术语在适当情况下是可互换的，且本 文中所描述的本发明的实施例能以不同于本文所描述或示出的其它顺序操作。
此外，说明书和权利要求书中的术语在……之上、在……之下等等被用于 描述目的，而不一定用于描述相对位置。应理解，如此使用的术语在适当情况 下是可互换的，且本文中所描述的本发明的实施例能以不同于本文所描述或示 出的其它取向操作。
应注意，在权利要求中使用的术语“包括”不应当被解释为受限于下文中列 出的含义；它不排除其它元件或步骤。因此它应当被解读为指定所述特征、整 数、步骤或部件如所述及的存在，但不排除一个或多个其它特征、整数、步骤 或部件或其群组的存在或添加。因此，措词“一种包括装置A和B的器件”的范 围不应当被限定于仅由组件A和B构成的器件。这意味着该器件与本发明有关 的唯一相关组件是A和B。
在本说明书通篇中对“一个实施例”或“一实施例”的引用意味着结合该实施 例描述的特定特征、结构或特性包括在本发明的至少一个实施例中。因此，在 本说明书通篇中的各个位置中短语“在一个实施例中”或“在一实施例中”的出现 不一定全都指的是同一实施例，但是可以是指同一实施例。此外，在一个或多 个实施例中，如本领域普通技术人员根据本公开内容显而易见的是，特定特征、 结构或特性可以任何适当的方式组合。
类似地，应当理解的是，在本发明的示例实施例的描述中，本发明的各个 特征有时在单个实施例、附图及其描述中被组合到一起，以将本公开内容连成 整体，并帮助理解各个发明方面中的一个或多个方面。然而，本公开的方法不 应被解读为反映所要求保护的发明需要比在每一权利要求中明确表述的特征 更多的特征的意图。相反，如所附权利要求书所反映的，各发明性方面在于比 以上公开的单个实施例的所有特征要少的特征。因此，随详细描述所附的权利 要求在此明确地被纳入到此详细描述中，其中每个权利要求自行作为本发明的 单独实施例。
此外，尽管此处描述的一些实施例包括其他实施例中所包括的一些特征但 没有其他实施例中包括的其他特征，但是不同实施例的特征的组合意图落在本 发明的范围内，并且形成如本领域技术人员所理解的不同实施例。例如，在所 附的权利要求书中，所要求保护的实施例中的任何实施例均可以任何组合来使 用。
在本文提供的描述中，陈述了众多具体细节。然而，应当理解，可以在不 具有这些具体细节的情况下实施本发明的各实施例。在其它实例中，未详细示 出众所周知的方法、结构以及技术，以免混淆对本描述的理解。
在本发明的各实施例中作出对“流体样本”的参考时，参考任何人体流体 诸如血液、尿液、唾液。
在本发明的各实施例中作出对“I/O垫”或“I/O触头”的参考时，参考诸 如允许微芯片的电信号的输入和输出的金属触头。
在本发明的各实施例中作出对“CMOS”的参考时，参考互补金属氧化物半 导体。
在本发明的第一方面，涉及如图26所示的用于分析流体样本的器件100。 所述器件100包括：流控衬底101和附连到流控衬底101并至少部分地覆盖衬 底101的盖子103。流控衬底101包括嵌入在流控衬底101中的微流控组件102， 配置用于通过毛细作用力来传播流体样本通过微流控组件102(微流控组件102 由诸如样本垫102a(＝进口)、试剂存储器102b、一次性使用的密封阀102c、 第一触发阀102d、混合器102e、延迟线102f、第二触发阀102g、加热器102h 和渗吸条102i等多个微流控组件示出)；以及连接到微流控组件102的用于 提供流体样本的装置。盖子103，通过至少部分覆盖衬底101，至少部分关闭 了微流控组件102。在本发明的各实施例中，流控衬底101是硅流控衬底；而 盖子103是CMOS芯片。
由于流控衬底101是硅衬底并且盖子103是CMOS芯片，两者均可使用大 规模生成兼容的硅处理技术来制造。作为附加的优点，廉价CMOS装配技术可 被用于将硅衬底接合到CMOS芯片。这减少了器件的总费用并允许它被用作一 次性器件并大量生产。
图1示出了流控衬底101的一个实施例的3D视图。
器件100的一个实施例的俯视图在图2中示出，流控衬底101和盖子103 相互附连。在图2的器件中使用的示例性流控衬底101的俯视图在图3中示出。 图2的器件100的一个实施例的侧视图(其中流控衬底101附连到盖子103) 在图4中示出。
根据本发明的各实施例的器件100包括附连或接合到盖子103的流控衬底 101。流控衬底101包括微流控组件102。微流控组件102可包括内连以允许流 体样本传播通过完整的微流控组件102的微流控通道、微反应器或其它微流控 部分/结构。微流控组件102可包括有规律或无规律距离处的多个微柱或微结 构，以允许在毛细流动期间过滤和分隔、阀控(＝用作阀)、混合流体样本。 图27示出了包括(用以允许在毛细流动期间过滤和分隔、阀控、混合流体样 本的)微柱270的打开的微流控组件102的部分的俯视图。图28示出了图27 的包括微柱270的打开的微流控组件102的3D视图。图27和28中的微柱270 被放置以形成梯度。这个梯度对于在微流控组件102的第一部分中过滤出较大 颗粒并在微流控组件102的第二部分中过滤出较小颗粒是有利的。图29和图 30示出了微流控组件102中的微柱270的梯度的另一个实施例。微流控组件 102可被配置来引起毛细作用以传播流体样本通过器件100。微流控组件102 的各尺寸可被适应，以便当流体样本存在时在微流控组件102中引起毛细作用。 例如，在微流控组件102中的微柱270的尺寸及其间的距离可被配置以在微流 控组件102中引起毛细作用。作为优点，在本发明的各实施例中，器件100不 需要额外的有源组件(例如有源泵)来传播流体样本通过器件100。因此，相 比于现有技术的实现，器件100的复杂性减少，这减少了制造费用和能耗。由 于制造费用低廉，器件可被用作一次性流体分析器件。
本发明的一个优点是，通过例如正确地设定微流控组件102中存在的微流 控通道和/或微柱的尺寸和距离，可获得对流体样本在微流控组件102中的流 动的精细控制。光刻图案可被用来制造流控衬底101中的微流控组件102。微 流控组件102的微柱和微流控通道的光刻图案允许准确地控制微柱和微流控通 道的尺寸、大小和形状，从而精确地控制毛细流动是个优点。通过光刻过程可 获得的对尺寸的该精确控制在获得可重现的侧流方面相比于现有技术侧流试 纸(由非受控侧流的多孔渗水纸制成)而言呈现了优势。通过改变器件长度上 的尺寸，在期望时减缓和/或加速流体样本的流动是可能的。这允许相对于现 有侧流免疫测定测试中使用的简单流动而言更复杂的生化反应的实现。与在作 为盖子接合到流控衬底101上的CMOS芯片中实现的功能的组合在需要时还添 加温控、电子流控致动和阀控、集成生物感测和读出。因此，变得可能实现在 从身体的流体中开始的一集成毛细系统中的复杂的化验，包括DNA/RNA化 验、蛋白质、小分子和细胞及其组合。此外，硅中的具有受控侧流并具有对温 度和流速率的控制的毛细流的实现产生更精确的即时检测结果。
在本发明的各实施例中，流控衬底101包括连接到微流控组件102的用于 提供流体样本的装置。
盖子103用作流控衬底101的覆盖，其中盖子103完全或部分地关闭微流 控组件102。图25示出了本发明的一个实施例，其中盖子103部分覆盖流控衬 底101。微流控组件102可以是流控衬底101中的打开的微流控组件102。根 据本发明的替换实施例，盖子102的尺寸可与流控衬底101的尺寸一致。盖子 103可完全或还是部分覆盖流控衬底101。当用于提供流体样本的装置是注入 口109(如图26所示)(例如样本垫102a)时，盖子103可部分覆盖流控衬底 101，允许用户接入注入口109以放置流体样本。
根据本发明的各实施例，器件100还可包括放置在流控衬底101上的微流 控组件102上的一个或多个电极。这些电极可以是生物适合的电极。电极可被 电连接到盖子103并且被允许与器件100的微流控组件102中的流体样本交互 (因为它们可以直接接触微流控组件102中的流体样本)。当盖子103自身可 包括电极时，将电极从盖子103分开以允许盖子103更小以减少费用是有优势 的。
根据本发明的各实施例，微流控组件102可包括毛细泵。
根据本发明的各实施例，用于提供流体样本的装置可以是例如用硅制成的 集成针104，并包括连接到微流控组件102的内部的流控通道105。针104可 以是流控衬底101的突出部分并可被放置使得在对皮肤组织按压时穿透皮肤组 织。
流控衬底101和针104可用单片硅制造。根据本发明的各实施例，这简化 了器件100的制造，因为不需要分开的步骤将针104附连到流控衬底101。同 样，标准的CMOS处理技术可被用于制造针104。优选地针104是使得皮肤组 织被穿透的尖的针。流控衬底101和针104两者都可用硅制造。作为一个优点， 硅的强度允许针104非常尖锐，这方便了针104在皮肤组织中的穿透。此外， 硅的强度允许皮肤组织紧紧地被压在针104上，从而允许皮肤组织的穿透而不 弯曲或折断针104。
根据本发明的各实施例，针104可以位于流控衬底101的水平面中，其中 针104位于流控衬底101的侧壁上。针104可以是流控衬底101的侧壁的突出 部分。根据不同的实施例，针104可位于流控衬底101的水平面上，其中针垂 直置于流控衬底101的主表面上。根据本发明的各实施例，针104可以起到连 接到微流控组件102的打开的通道的作用，其中在使用中，当皮肤组织被穿透 时皮肤组织用作针104的侧壁。
根据本发明的各实施例的器件100可通过将用户的皮肤组织向针104按压 来使用。当使用足够的力时，针104穿透皮肤组织，允许血液进入针104的内 部的流控通道105。针104具有打开的针尖以允许流体样本进入内部的流控通 道105。当针具有小的外径(优选小于200μm)的尖锐时，皮肤组织的穿透将 不会引起用户的任何不适。随着针104的内部的流控通道105连接到流控衬底 101的微流控组件102，血液可进入微流控组件102。由于毛细作用力，血液将 传播通过微流控组件102。
图1示出了具有集成针104(作为流控衬底101的一部分)的流控衬底101 的实施例，该针具有连接到微流控组件102的内部的流控通道105。微流控组 件102可包括：样本垫102a(＝注入口)、试剂存储器102b、一次性使用的 密封阀102c、第一触发阀102d、混合器102e、延迟线102f、第二触发阀102g、 加热器102h和渗吸条102i。如图1所示，流控衬底101中的全部的流控组件 是打开的。盖子103将用作覆盖来关闭一些或全部流控组件。
根据本发明的各实施例，流控衬底101可包括切口106，其中针104位于 切口106中。切口106是流控衬底101的被移除的部分，以向存在于切口中的 针104提供机械保护。
图5示出了本发明一个实施例的俯视图，其中盖子103被接合到流控衬底 101。图6示出了本发明一实施例的示例性流控衬底101的俯视图。图7示出 了本发明一个实施例的侧视图，其中盖子103被接合到流控衬底101。
如图5、6和7所示，针104位于流控衬底101的切口106中。切口106 保护针104免于例如在器件100插入外部设备(诸如智能电话的移动设备，例 如用于读出)的插口中时折断。流控衬底101的侧壁可以起到切口106的作用。 针104可位于切口106中以允许用户在牢牢压向切口时穿透皮肤组织。作为进 一步的优点，在制造过程中，针104可在制造切口106时被制造。作为结果， 更少的材料被浪费，因为仅仅是用于切口106的材料，不包括用于针104的材 料，需要被移除。可使用标准硅处理技术来制造切口106和针104。
根据本发明的各实施例，流控衬底101可包括用于保护针104的保护结构 107，该保护结构可移除地附连到流控衬底101。根据本发明的各实施例，保护 结构107可通过至少一个锚定机制108附连到流控衬底101。通过断开至少一 个锚定机制108，保护结构107可被分离。保护结构107可以是流控衬底101 的一部分，其中锚定机制108是流控衬底101中的凹槽，以允许在该凹槽处断 开保护结构107。图8是器件100的这样的实施例的俯视图。如图9(所示的 是用于在根据本发明的各实施例的器件(例如如图8所示器件)中使用的流控 衬底101的示例实施例的俯视图)中可见，保护结构107是流控衬底101的一 部分，并特写了两个锚定机制108，它们允许保护结构107从流控衬底101分 离。图10示出图8中器件100的侧视图。
根据本发明的各实施例，用于提供流体样本的装置是注入口109。注入口 109可以是流控衬底101中的缺口，它通过流控通道连接到微流控组件102。 为使用该器件，用户可将一滴身体的流体(诸如血液或尿液)放置在该器件的 注入口109上。由于毛细作用力，身体的流体将传播通过微流控组件102。
图26示出了拆开的根据本发明各实施例的器件100，它包括包含注入口 109和微流控组件102的流控衬底101、盖子103和包110。包110可包括基部 和顶部，它们可以装配在一起包住流控衬底101和盖子103，从而保护流控衬 底101和盖子103免受环境影响(如灰尘)。包可包括用于将流体样本放到流 控衬底101的注入口109上的通孔260。当全部部分被装配时，器件100可用 作单独的用于分析流体样本的无线设备。
根据本发明的各方面，当流体样本存在于器件100中时，盖子103的至少 一部分可以与流体样本接触。由于盖子103是CMOS芯片，当盖子103用作流 控衬底101的打开的微流控组件102的侧壁时，存在于芯片表面上的电子电路 可直接与流体样本接触。在此情况中，芯片的包括电子电路的一侧可被接合到 流控衬底101的打开的微流控组件102，其中该电子电路在期望与流体样本互 动处与流控组件102的各部分对齐。作为一个优点，这可以改善电子电路和流 体样本之间的互动。
根据本发明的各实施例，盖子103可包括接合层以允许将盖子103接合到 流控衬底101。
根据本发明的各实施例，流控衬底101的包括打开的微流控组件102的第 一侧可被接合到CMOS芯片103的包括至少一个电子组件的第一侧。
根据一个实施例，盖子103包括晶体管层，该晶体管层电连接至少一个电 子组件，该电子组件为以下的至少一个：生物感测电路、用于感测目的的电极、 用于流体操纵目的的电极、用于数据通信目的的电路、用于无线数据通信目的 的电路、温度传感器、用于温度控制或温度循环的加热器电极，和用于流体黏 性控制的流体传感器和电极。用于无线数据通信的电路可包括用于经由蓝牙无 线电或WiFi模块进行通信的规定以从盖子103中的电子电路无线地发送数据。 作为一个优点，器件100可与诸如移动设备的外部设备进行通信，该外部设备 可被用于进一步处理数据。
盖子103是CMOS芯片。根据本发明的各实施例，CMOS芯片包括硅衬底 111、晶体管层112，电连接到该晶体管层112的至少一个电子组件，以及至少 一个接合层115。至少一个电子组件可以是生物感测电路、用于感测目的的电 极、用于流体操纵目的的电极、用于数据通信目的的电路、用于无线数据通信 目的的电路、温度传感器、用于温度控制的加热器电极，和用于流体黏性控制 的流体传感器和电极。
根据本发明的各实施例的盖子103的一个特定实施例在图18示出。在该 实施例中，CMOS芯片103包括硅衬底111。在硅衬底111顶上可存在晶体管 层112。在晶体管层112顶上可存在内连层113。在晶体管层112的顶上，可 存在至少一个电子组件，它通过内连层113电连接到晶体管层112。内连层113 可包括多个金属层。根据本发明的各实施例，在晶体管层112的顶上，可存在 接合层115和至少一个电极114。电极114可以经由内连层113电连接到晶体 管层。
根据本发明的各实施例，至少一个电子组件可以是不会被流体腐蚀并且化 学惰性的生物适合的电极。根据一个特定实施例，至少一个电极114是TiN电 极。
根据本发明的各实施例，接合层115可以是允许将CMOS芯片103在低温 和低电压时接合到流控衬底101的层。这是有利的，因为这些情况不破坏CMOS 芯片，也不破坏试剂或例如可被提供在微流控衬底101上的蛋白质。根据一个 特定实施例，接合层115可以是SiO2或聚合物层。
图19示出了根据本发明的各实施例的器件100，其中如图18所示的CMOS 芯片103被接合到流控衬底101。CMOS芯片103的包括接合层115和电极114 的一侧被接合到流控衬底101的包括打开的微流控组件102的一侧。这意味着 如图18所示的CMOS芯片103相对于它在图18的位置来说上下翻了过来。电 极114因此直接接触存在于微流控组件102中的流体样本。接合层115被用于 将CMOS芯片103附连到流控衬底101。
根据本发明的各实施例，CMOS芯片103可包括至少一个硅I/O连接116， 如图20所示。硅I/O连接116可以是贯通衬底111的背后开口，以在晶体管层 112中存取CMOS芯片103的电信号。此外，在替换实施例中，硅I/O连接116 可以是贯通衬底111和晶体管层112两者的背后开口，以在内连层113中存取 CMOS芯片103的电信号。图20示出了器件100，其中CMOS芯片103被接 合到流控衬底101，并且其中CMOS芯片103特写了贯通衬底111和晶体管层 112两者的硅I/O连接116。
根据本发明的各实施例，流控衬底可包括打开的微流控组件102，且流控 衬底可部分被CMOS芯片103覆盖。微流控组件102的一部分不被覆盖是有利 的，因为这允许试剂被施加/滴在微流控组件102的特定打开部分上。在此情 况下，在将流控衬底101接合到CMOS芯片103之后，不需要额外的通孔来施 加试剂。CMOS芯片区域更小也是有利的，因为有源电子仪器是一次性的更贵 的一部分。
根据本发明的各实施例，CMOS芯片103还可包括至少一个I/O垫117。 该至少一个I/O垫117可位于内连层113上。
图21示出CMOS芯片103的实施例。CMOS芯片113包括硅衬底111。 在硅衬底的顶上存在晶体管层112。在晶体管层112顶上存在内连层113。内 连层113可包括多个金属层以将晶体管层112与电子组件内连。在晶体管层112 的顶上，存在接合层115、I/O垫117，以及在所示实施例中的多个电极114。 电极114经由内连层113电连接到晶体管层112。I/O垫117也经由内连层113 电连接到晶体管层112。
根据本发明的各实施例，CMOS芯片103的第一主表面的第一部分可覆盖流 控衬底101，CMOS芯片103的第一主表面的第二部分可不覆盖流控衬底101。 在这些实施例中，CMOS芯片103要么可以大于流控衬底101，要么它可以相 对于流控衬底101侧向移动，使得CMOS芯片103的一部分形成相对于流控衬 底101的悬伸部(overhang)。CMOS芯片103的第一主表面的第二部分可包括 至少一个I/O垫117以访问I/O垫117。
图22示出了接合到流控衬底101的图21所示的CMOS芯片103。CMOS 芯片103的第一部分指示部分地，并且在该实施例中被示为完全覆盖流控衬底 101，其中在流体样本存在于器件100的微流控组件102中时电极114直接接 触流体样本。接合层115被用于将CMOS芯片103的第一部分接合到流控衬底 101。CMOS芯片103的第二部分形成不覆盖流控衬底101的悬伸部。第二部 分包括I/O垫117。作为一个优点，该悬伸部允许容易地访问I/O垫117。这允 许使用标准I/O垫尺寸和包装方法，以将衬底插入通常用于智能卡的插槽中。 进一步的优点是不需要附加的处理步骤来制造硅I/O连接(例如通过衬底和晶 体管层的孔)以访问CMOS芯片103中的电信号。
根据本发明的各实施例，流控衬底101还包括至少一个光学波导以允许光 学激发并当流体样本在器件100内存在时感测流体样本。
根据本发明的各实施例，流控衬底101或盖子103包括至少一个通孔用于 将生化试剂应用到微流控组件102的一个区域或应用到盖子103的一个区域。 流控衬底101或盖子103中的通孔允许将生化试剂应用于微流控组件102的特 定区域或应用于盖子103的特定区域。这是有利的，因为它允许在将盖子103 附连到流控衬底101之后应用试剂。
根据本发明的各实施例，CMOS芯片103可包括至少一个通孔118。在附 连到流控衬底101时，CMOS芯片103中的通孔118允许试剂滴在流控衬底101 中的微流控组件102的特定位置上或CMOS芯片103的特定部分上。图23示 出了这样的实施例，其中CMOS芯片103包括一个通孔118。在此实施例中， CMOS芯片还包括硅I/O连接116。如所示，CMOS芯片103完全覆盖流控衬 底101的一部分。
根据本发明的相同或替换实施例，流控衬底101的第一侧包括打开的微流 控组件102。对着微流控组件102被提供的那侧的另一侧，可包括至少一个通 孔119。通孔119允许试剂滴在流控衬底101的微流控组件102的特定位置上 或CMOS芯片102的特定部分上。图24示出了这样的实施例，其中流控衬底 包括两个通孔119。CMOS芯片103的一部分覆盖流控衬底101，不覆盖流控 衬底101但形成悬伸部的部分包括I/O垫117。
根据本发明的各实施例，可使用聚合物(优选为光刻形成图案的聚合物) 将盖子103接合到流控衬底101。用于形成盖子103和流控衬底101之间的接 合的材料应当适合于(优选地在低温，例如室温)执行Si-Si接合。这与存在 与盖子103上的不应被接合处理破坏的CMOS电路是兼容的，并且与存在于流 控衬底101上或在流控衬底中的也不应被接合处理破坏的试剂是兼容的。用于 将盖子103接合到流控衬底101的合适的接合材料是例如可从Dow Corning获 得的可照片图案化的PDMS、可从Micr Chem获得的SU8、或可从Mercene Labs 获得的OSTE。这些接合材料全都将室温作为接合温度。
根据本发明的另一个实施例，使用CMOS兼容包装技术将盖子103接合到 流控衬底101。当流控衬底101是硅衬底而盖子103是CMOS芯片时，CMOS 包装技术的用途可被使用。
根据本发明的各实施例，器件100还可包括电连接到盖子103以从盖子103 读出电信号的金属触头。金属触头可位于盖子102上，电连接到盖子103中的 电子电路。金属触头的位置和形状可根据标准来选择，允许将器件插入标准化 的插槽，诸如：在诸如移动设备的通信设备中通常使用的存储卡(例如，压缩 闪存存储卡、智能媒体存储卡、多媒体存储卡或者安全数字(SD)存储卡)的插 槽。将器件100插入移动设备允许由移动设备中存在的处理器和/或其它电子 组件来处理来自盖子103的电信号。例如，智能手机的处理器可被用来处理电 信号和/或显示数据。
根据本发明的各实施例，流控衬底101和/或盖子103的至少部分可用透 明材料制造，以在流体样本存在于微流控组件102中时允许对流体样本进行光 学检查。流控衬底101的由透明材料制造的那部分可以是器件100的微流控组 件102的部分。透明部分可以是器件100的微流控组件102的侧壁。透明材料 允许对器件100中的流体样本的光学检查。光学检测器可被用来光学地检查流 体样本，以便例如检测分析物。光学检测器可以是图像传感器，它可以是外部 设备的一部分或可被集成在器件100中。透明材料可以是透明氧化物或聚合物。 为了显微方法的目的，盖子103的一部分或流控衬底101的一部分可以是透明 的。为了无透镜成像的目的，盖子103的一部分和流控衬底101的一部分可以 是透明的以允许以透射模式工作，其中辐射源可被使用以通过盖子103的透明 部分辐射器件100中的流体样本中的对象，而检测器可被使用以检测通过流控 衬底101的透明部分来自所辐射的对象的信号。信号可以是流体样本中的所辐 射对象的衍射图案。
图33示出了根据本发明的各实施例的器件100，其中流控衬底101和盖子 103相互接合。流控衬底101包括用于多组学分析的不同的微流控组件，在所 示的实施例中包括多个室330、331、332、333和微流控通道(未示出)。各 室可具有不同深度，取决于它们的功能和所执行的测量的类型。各室可以由能 够以任何合适的方式(例如通过流体力或通过电流)致动的阀来分隔。用于致 动的电极可被提供在流控衬底101上或盖子103上。形成盖子103的CMOS芯 片可因此结合不同功能，诸如例如CMOS微观成像器334、CMOS光学检测器 335、336，和用于加热和/或感测的CMOS电子电路337。CMOS微观成像器 334可包括用于从微流控组件102中的流体样本中读出光学信号的CMOS有源 像素。CMOS光学检测器335包括光学谐振器338。可存在波导339用以将测 量光从CMOS芯片103的一个位置传输到另一个位置。波导可例如被用于照射 样本以执行无透镜显微方法。此外，过滤器可被提供在流控衬底101中或盖子 103中以拒绝光激发散发，从而允许对荧光信号的测量。同样多谱过滤器可被 提供在流控衬底101中或盖子中，用于使用多种颜色测量流控信号。
以此方式，根据本发明的各实施例，对不同类型的标记的检测可在单个的， 优选地一次性的，检测器件中执行。
根据本发明的各实施例，该器件100的形状允许插入到移动通信设备中。 根据本发明的各实施例，器件100具有存储卡的形状/尺寸。这是本发明各实 施例的一个优点，器件100的尺寸可以根据标准，例如，根据移动设备中使用 的诸如以下的存储卡的标准：压缩闪存存储卡、智能媒体存储卡、多媒体存储 卡、安全数字存储卡或其它类型存储卡。
图31和32示出了本发明的一个实施例，其中器件100具有SD卡的形状。 在切口106(总是根据SD卡标准存在的)内部，存在针104。在SD卡的另一 侧，存在金属触头并电连接到盖子103以允许从盖子103读出电信号，该电信 号可进一步由SD卡插入其中的设备进行处理。
根据本发明的各实施例，盖子103或流控衬底101还可包括电连接到盖子 103的用于给器件100提供供电的隔间，诸如电池隔间(未示出)。
在本发明的各实施例的第二方面，涉及用于制造本发明的第一方面中公开 的器件的方法。该方法包括：提供流控衬底101；提供盖子103；将流控衬底 101附连到盖子103以至少部分地关闭流控衬底101；其特征在于：流控衬底 101是硅流控衬底，而盖子103是CMOS芯片；并且其中流控衬底101使用 CMOS兼容的接合处理来附连到盖子103。
使用CMOS兼容的接合处理来将流控衬底101接合到盖子103是有利的。 在现有技术的器件中，接合是使用高温/高电压接合技术来执行的。这些接合 技术可能破坏CMOS芯片中存在的电子电路和/或存在于微流控衬底101中的 试剂。使用CMOS兼容的接合允许在较低温度/较低电压进行接合，并因此保 护盖子103的电子电路和存在于微流控衬底101中的试剂。根据本发明的各实 施例，接合可通过晶片到晶片或管芯到晶片接合处理(诸如直接的氧化物到氧 化物接合或经由可图案化聚合物接合)来执行。此外，能够在低温执行接合是 有利的，因为在制造流期间一些试剂已经被滴在衬底之一上了。
流控衬底101可使用单片硅衬底中的粗结构和精细结构的组合，通过两个 硬掩模、层的保护和去保护、蚀刻粗结构和蚀刻精细结构的组合来制造。精细 结构可以是配置用于允许器件100的微流控组件102中的受控毛细吸力的结 构。精细结构可包括微柱270和/或其它微结构。粗结构可以是用于存储更大 体积的流体的结构(例如用于储存试剂的试剂存储102b)或渗吸条102i。使用 硅而不是更常见的诸如玻璃或聚合物的微流控材料是个优点，因为硅的非高的 各向异性蚀刻导致精细结构具有特别高的纵横比。该硅微柱270通常具有从 1μm到20μm的横向尺寸，相对于20－50的纵横比。高的纵横比在具有高的表 面对体积比方面是有利的，这是毛细流动必需的。高的纵横比精细结构，与粗 结构的组合，允许在更紧凑的覆盖面积中实现相比于通过任何其它材料可获得 的更复杂的毛细流控功能。更复杂的功能包括分隔(例如将细胞从分子分隔)、 混合、阀控、热控反应……。此外，硅是具有相对于生化反应的实现而言明确 的优点的插入材料。特别紧凑的完全集成的一次性器件的优点源自将硅在流控 衬底和CMOS盖子两者上的先进的使用。减少的覆盖面积还导致整个器件的减 少的费用。
根据本发明的各实施例，提供流控衬底101包括提供硅衬底201(图11所 示)并图案化硅衬底以在器件100中形成微流控组件102以及用于提供流体样 本的装置，微流控组件102被配置来通过毛细力将流体样本传播通过器件100。
根据本发明的各实施例，提供流控衬底101包括：提供硅衬底201，提供 氧化物掩模202，通过使用第一可图案化掩模层210来图案化氧化物掩模202， 以便在氧化物掩模202中创建精细结构203(图12)；提供保护层204来保护 经图案化的氧化物掩模；在第二可图案化掩模层211中图案化粗结构(图13)； 通过第二掩模层211在硅衬底201中蚀刻粗结构205(图14)；移除第二掩模 层211并生成氧化物206(图15)以保护粗结构205；移除保护层204(图16) 并使用氧化物层206作为蚀刻掩模来蚀刻精细结构203(图16)；移除氧化物 206(图17)。所得到的结构是微流控衬底101，它可被用于根据本发明的第 一方面的各实施例的器件中。
图11－17示出了如何制造流控衬底101。根据本发明的各实施例，流控衬 底101可通过执行以下来制造：
图案化精细结构203包括：提供硅衬底201，提供氧化物掩模202，图案 化氧化物掩模202来在氧化物掩模202中创建精细结构203；
提供保护层204来保护氧化物层202；
执行粗结构205的光刻；
执行粗结构205的蚀刻；
生成氧化物206用于保护粗结构205，其中精细结构203上的保护层204 防止氧化物生成；
移除保护层204并蚀刻精细结构203；
移除氧化物206。
根据本发明的各实施例，保护层204可以是氮化物层。
根据本发明的各实施例，提供CMOS芯片103包括：提供硅衬底111，在 硅衬底的顶上制造晶体管层112并在晶体管层的顶上提供内连层113。内连层 可以包括至少一个金属层。使用标准CMOS处理技术来制造CMOS芯片103。
此外，在标准CMOS处理流之上，附加的组件，诸如生物兼容电极、接合 层、I/O垫或其它组件，可被部署或图案化到内连层113上。
根据本发明的各实施例，通孔109、118可被蚀刻贯通流控衬底101或 CMOS芯片103以允许流体访问，从而将试剂施加到流控衬底101或CMOS芯 片103。CMOS芯片103中的通孔可被制造，同时在CMOS芯片103中制造硅 I/O内连116。流控衬底101中的通孔可通过先使得流控衬底变薄并接着蚀刻通 孔来制造。
根据本发明的各实施例，CMOS芯片103可使用管芯到晶片或晶片晶片的 接合处理来被接合到流控衬底101。
为了访问CMOS芯片103的电信号，硅I/O触头116可被提供。根据本发 明的各实施例，触头可通过使得CMOS芯片103的硅衬底111变薄并在硅衬底 111上执行背侧蚀刻以获得对内连层113的金属层的访问来制造。
可替换地，可提供在芯片103的第一侧包含I/O垫117的CMOS芯片103， 其中CMOS芯片103的第一侧被接合到流控衬底101并且其中包含I/O垫117 的CMOS芯片103的第一侧不覆盖流控衬底101。这例如在图22中示出。在 CMOS芯片103被接合到流控衬底101时I/O垫117是可访问的。I/O垫117 可被用作存储卡上的金属触头。
根据本发明的各实施例，CMOS芯片103被接合到流控衬底101，同时将 CMOS芯片103的第一侧上的至少一个电子组件与微流控组件102对齐。例如， CMOS芯片103的第一侧上的感测和致动电极与流控衬底101中的感测或致动 侧对齐。这允许在流体样本存在于器件100中时，流体样本与存在于CMOS芯 片103上的电子组件直接接触。
根据本发明的各实施例，流控衬底101和盖子103的表面被部分或完全地 涂敷以改变与流体样本的表面交互。表面可以是微流控组件102的内表面或 CMOS芯片103的被接合到流控衬底101的表面。具体而言，CMOS芯片103 的表面的那些部分与存在于微流控组件102中的流体样本接触。该涂层可以是 亲水涂层。
微流控组件102的表面和/或CMOS芯片103的接合到流控衬底101的那 侧可被做成亲水，以改善表面的浸润特性，从而提升毛细流动。表面还可被处 理以避免壁上的生物分子的吸收或黏附。可例如通过使用硅烷进行蒸汽涂敷来 完成涂敷。根据本发明的各实施例，涂敷可在流控衬底101的特定部分上(例 如在一些微流控通道中)或CMOS芯片103的特定部分上本地地执行。
根据本发明的各实施例，至少一个通孔通过首先蚀刻通孔且随后用聚合物 的透明氧化物填充通孔来在流控衬底101中制造。
本发明的各实施例改善了紧凑型一次性即时检验器件的功能、便携性和可 制造性。本发明的特定实施例是带有用作血液或其它体液的进口的针或注入口 完全集成硅器件。该器件以毛细流控系统为特征，用于流体样本经由毛细作用 传播通过该器件。用作毛细流控系统的渗吸区的毛细泵可被用于在器件中传播 流体样本。读取由毛细系统内生化感测反应产生的信号的传感器芯片可被用于 向器件添加生物感测功能。此外，器件以用于向个人计算机、计算机单元、智 能电话或其它任何无线通信设备发送数据的数据通信接口为特征。该器件可用 作单独的系统，其中供电接口(诸如电池)向电子电路(诸如器件中的微芯片) 供电。可替换地，该器件可经由器件的通信端口来被供电。
该器件还包括包含过滤、混合、阀控结构的流控操纵结构。可存在具有切 除区的保护针并防止针在使用前折断的保护结构以防止在使用之前的污染。可 存在诸如电可控流控操纵结构的结构(包括电浸润，电的和介电的原子间致导 电性的操纵)以与器件中的流体样本进行交互。电可控加热器可存在，用于精 确控制芯片的温度或用于热循环目的。
本发明的另一个示例实施例包括简炼的、低费用的且紧凑的方式通过提供 硅衬底来制造全部的上述功能，该硅衬底可包括光刻限定通道、微柱和通过深 度反应离子蚀刻制造的各种形状的微结构，并被设计以用作毛细流控平台。硅 衬底可具有制造针以及用于保护针的切除区的规定。硅衬底可具有不同的蚀刻 深度以允许对体积和器件中的流体样本的毛细流动的精确的控制。硅衬底可被 包括包含晶体管层的CMOS电子器件的CMOS衬底(＝盖子103)来关闭。该 电子器件可被设计来提供包括感测、致动、发信号、数据处理和数据通信的功 能并因此代替即时检验仪器。一些电极可直接接触流体，这些电极可以流体兼 容方式被保护。通过以防漏和生物兼容方式来接合硅衬底和CMOS衬底两者， 硅衬底可被CMOS衬底关闭。这可通过晶片到晶片或管芯到晶片接合处理(诸 如通过可图案化聚合物的接合)来完成。可与体液接触的内部硅衬底表面可以 以通过对内部通道的涂敷的亲水层为特征。此外，通过晶片的孔可在硅衬底中 被制造，以在器件被接合后供给试剂。对于每个分析，可供给不同试剂。作为 一个优点，通过简单地通过最后生产步骤中的通孔添加试剂，相同器件变得针 对不同疾病可配置。可使用CMOS兼容处理步骤来制造器件，其降低生产费用 并允许器件被用作一次性器件。
此外，器件可包括允许与标准用户接口进行对接的组件。例如，将这样的 器件用作无线通信设备中的插入到通常预见智能卡的插槽中的智能卡。例如， 这样的器件连同紧凑且廉价电池以及低费用的通信设备(例如，蓝牙、NFC) 一起使用。例如，这样的器件连同有线通信接口(例如USB)一起使用。
本发明的各实施例可被用来从体液中检测DNA/RNA并执行分析以检测： 变异(血统、药物剂量、疾病趋势)、miRNA(癌症和其它疾病的标记)、病 原体DNA/RNA(诸如HepC、HIV等的传染性疾病)、微生物DNA。此外， 该器件可被用于检测蛋白质，诸如特定疾病(癌症、阿尔茨海默病、传染性疾 病、心脏病、癌症等)的生物标记。此外，该器件可被用于检测小分子和代谢 物以展示代谢信息(胆固醇)。此外，该器件可被用于检测来自外来体的生物 标记。此外，该器件可被用于执行显微镜方法以执行血液计数、分析血液中存 在的细胞(例如，循环肿瘤细胞)、标识传染性作用物(例如，疟疾)并检测 血液紊乱(例如，镰状细胞血症)。