具有嵌入的微流体的色彩感测影像传感器和相关方法
【专利说明】
【背景技术】
[0001]生物或化学检验的结果是常常通过使用光学成像方法测定。基于荧光或化学发光成像的检验数据解析正在取代更传统的方法，例如凝胶电泳法，非根据影像的流动式细胞测量术和质谱仪。荧光和化学发光成像是特别适合用于多任务的(复合的)检验数据解析，因为彩色和空间位置的信息是可区别不同类型的样品成分或程序。
[0002]基于现代光学成像基础的诊断仪器利用数字影像传感器如电荷耦合组件(CXD)传感器或互补金属氧化物半导体(CMOS)影像传感器。虽然C⑶影像传感器，甚至比十年前还要少，由于其高灵敏度曾经是影像传感器的首选类型，CMOS影像传感器正在逐渐接管市场。CMOS影像传感器与CXD传感器相比是与显著降低制造成本相关，且是正稳定地提高性能。许多要求特别高灵敏度的应用中现在可使用所谓的背侧照射型CMOS影像传感器，其中借由远离光学路径配置电连接到光电二极管，光收集效率比传统的前照式CMOS影像传感器提高。这些发展已经导致基于光学成像的诊断仪器普遍减少在影像传感器的成本上。在许多情况下，该仪器成本是由其它组件支配如光学器件(例如，透镜，滤光器和反射镜)和流体组件决定。
[0003]目前，正在努力投入开发紧凑，低成本的光学成像系统，尤其是对于使用在医疗点和/或在低资源环境。然而，这样的成像系统通常还是花费了几千美元，这会降低市场接受。此外，系统用于医疗点和/或资源匮乏环境必须是坚固的，免维护，和可通过最少训练的工作人员操作，这使得它特别具有挑战性，以满足成本要求。由于这些原因，许多医疗点和/或资源匮乏环境依赖于层流法生物传感器检验数据解析，导致差的定量(如果有的话)，有限的多任务(如果有的话)能力，和主观读数。因此，在这样的环境下患者得不到最佳治疗方案。
【发明内容】
[0004]在一个实施例中，彩色影像传感器具有嵌入微流体包括硅基板具有(a)至少一个凹部部分地界定至少一个嵌入的微流体通道和(b)多个感光区域，其中至少两个感光区域是分别位于相对于该至少一个凹部，至少两个相互不同的深度范围，用于以响应光从该至少一个凹部产生位置感测的电子信号，以提供颜色讯息。
[0005]在一个实施例中，一种用于流体样品产生色彩影像的方法，包括执行沉积在嵌入在硅基板上的微流体通道的流体样品成像，到多个硅基板的感光区域，和基于光穿透到硅基板的深度产生彩色讯息。
[0006]在一个实施例中，用于制造多个具有嵌入的微流体的彩色影像传感器晶片级方法包括:(a)加工该硅晶片的前侧，以产生多个掺杂区域，其中掺杂区位于相对于该硅晶片的背面的平面相互不同的多个深度的范围，(b)加工背侧，借由在背面的平面上制造具有相对于该背面的平面的深度的凹部，以部分地界定多个嵌入的微流体通道，使得相互不同的深度范围分别对应从该凹部到硅晶片相互不同波长范围的光的穿透深度，和(C)切割该硅晶片由此独立该彩色影像传感器，其中，每个彩色影像传感器包括至少一个嵌入的微流体通道。
【附图说明】
[0007]图1根据实施例说明具有嵌入的微流体的彩色影像传感器。
[0008]图2示出光穿透进入硅的波长相关的深度绘图。
[0009]图3根据实施例说明具有嵌入的微流体的色彩感测影像传感器，其包括用于侦测不重迭波长范围的光的感光区域。
[0010]图4根据一个实施例说明具有嵌入的微流体的色彩感测影像传感器，其包括用于检测重迭波长范围的光的感光区域。
[0011]图5根据一个实施例说明具有嵌入的微流体的色彩感测影像传感器，其包括用于检测重迭波长范围的光的感光区域。
[0012]图6根据一个实施例说明图1的色彩感测影像传感器的色彩像素组的布局。
[0013]图7根据一个实施例说明图1的色彩感测影像传感器的色彩像素组的另一种布局。
[0014]图8根据一个实施例说明图1的色彩感测影像传感器的色彩像素组的另外一种布局。
[0015]图9根据一个实施例说明使用图1的色彩感测影像传感器的样品成分的无透镜成像。
[0016]图10根据一个实施例说明一个具有多层微流体的色彩感测影像传感器。
[0017]图11根据一个实施例说明配置成减少光谱模糊的色彩感测影像传感器。
[0018]图12根据实施例说明利用图1的色彩感测影像传感器以产生流体样品的色彩影像的样品成像系统。
[0019]图13根据实施例说明利用具有嵌入的微流体的色彩感测影像传感器而用于产生流体样品的色彩影像的方法。
[0020]图14根据实施例说明利用具有嵌入的微流体的色彩感测影像传感器而用于流体样品的彩色荧光成像的方法。
[0021]图15根据实施例说明用于制造多个具有嵌入的微流体色彩感测影像传感器的晶片级方法的流程图。
[0022]图16根据实施例说明图15方法的步骤。
【具体实施方式】
[0023]图1说明，在横截面侧视图，色彩感测影像传感器100具有嵌入的微流体，用于流体样品150的无透镜彩色成像。色彩感测影像传感器100提供了一种紧凑、价廉并容易操作的解决方案给流体样品的成像，并且是适于作为，例如，在护理点和/或资源匮乏环境的诊断设备。色彩感测影像传感器100是可使用低成本晶片级CMOS技术来制造。色彩感测影像传感器100的某些实施例是可与单次使用的场景的成本兼容而被制造，其中色彩感测影像传感器100在只使用一次之后被丢弃。此外，对色彩感测影像传感器100是可成像流体样品150具有高的分辨率和灵敏度。色彩感测影像传感器100生成流体样品150的空间和颜色讯息，且是因此非常适合用于流体样品150的多任务(复合)输出数据解析和/或与流体样品150相关联的处理。
[0024]色彩感测影像传感器100包括硅基板110，其具有多个感光区域114、多个感光区域115、凹部112和电子电路130。在此，“硅基板”指的是基于硅和/或硅的衍生物(多个)如硅锗和碳化硅的基板。“硅基板”，如本文所提到的，可包括:(a)掺杂物可局部地改变硅或娃衍生材料的性质和(b)导电性材料，例如金属，形成电子电路。
[0025]色彩感测影像传感器100还可以包括一个盖120。在色彩感测影像传感器100中，凹部112和盖120共同界定嵌入的微流体通道。盖120包括通过孔122，其形成为与凹部112相关联的微流体通道的入口和出口端口。应当理解，盖120是可被提供独立于硅基板110，以使得没有盖120的彩色敏感图像传感器100可以存在、被制造和/或被卖。在特定的实施例中，凹部112是大致平面的。凹部112具有相对于硅基板110的表面接触盖120的深度188，使得凹口 112和盖120合作以界定一个具有高度等于深度188的微流体通道。深度188是，例如，在一微米的分数和几毫米之间的范围内。
[0026]色彩感测影像传感器100基于从凹部112进入硅基板110的光的波长相关的穿透深度决定色彩讯息。感光区域114和115产生响应于光入射其上的电子信号。感光区域114和115相对于凹部112是分别位于相互不同的深度184和185。深度184和185分别对应由感光区域114和115占据的深度范围。感光区114和115是响应光从凹部112进到硅基板110，具有穿透深度，分别与深度184和185重合。
[0027]图2显示两个绘图200和220说明光进入到硅的波长相关的穿透深度210。绘图200显示从400纳米(nm)至IlOOnm的波长范围内，光进到硅的穿透深度210。绘图200绘制穿透深度如以微米对数标度(轴204)的90%的穿透深度相对于以纳米(轴202)标注的波长。绘图220显示可见光进到硅的穿透深度210。绘图220绘制穿透深度如以微米线性标度(轴208)的90%的穿透深度相对于以纳米(轴206)标注的波长。如示于图表200和220，光进入硅的穿透深度是高度依赖于波长。此外，光进入硅的穿透深度取决于波长的单调性。因此，有穿透深度与波长之间的一对一的(嵌射)的对应关系。可见光谱跨越的穿透深度范围从0.19微米(对于400纳米的波长)到16微米(对于750纳米的波长)。此穿透深度范围大于硅制造的分辨率，但足够小以与硅基板110(图1)的期望厚度兼容。
[0028]再次参照图1，由于光进入硅基板110的穿透深度是波长相关的(如图2所示)，感光区域114和115是感应相互不同波长范围的光。因此，感光区域114和115提供颜色分辨率。色彩感测影像传感器100是被配置具有色彩像素组118。每个色彩像素组118包括至少一个感光区域114和至少一个感光区域115。为了清楚地说明，只有一个色彩像素组118被示于图1。色彩感测影像传感器100可以包括任何数量的色彩像素组118以实现所需的分辨率。例如，色彩感测影像传感器可以包括一千到数百万的色彩像素组118的数组，其中，每个色彩像素组118具有的横截面面积从约I平方微米至100平方微米的范围内。
[0029]在不脱离本发明的范围，色彩像素组118，可以包括一个或多个附加感光区域，位于深度(多个)不同于深度184和185，其是感应光的波长范围(多个)不同于与感光区114和115关联的波长范围。在一个例子中，色彩像素组118还包括位于深度186的感光区域116，其是不同于深度184和185，以使得色彩感测影像传感器100的分辨三种不同波长范围的光。它遵循由图2，其色彩感测影像传感器100是可被配置具有感光区114和115，以及任选的感光区域116在各自的深度184、185和186与可见光谱的不同部分相关联。在特定的实施例中，色彩感测影像传感器100被配置为具有感光区114、115和116，使能区别光属于在可见光谱的红色，绿色和蓝色的部分。然而，感光区域114、115和116可具有深度与图1所示的不同，而不脱离本发明的范围。例如，两个或更多个感光区域114、115和116的深度范围可重迭。某些示例性的配置在参考下面图3-5讨论。
[0030]在一个实施例中，感光区114、115和116是硅基板110的负掺杂(η型掺杂)区域。在另一个实施例中，感光区114、115和116是硅基板110的正掺杂(ρ型掺杂)区域。感光区114、115和任选116是经由电连接132通信地耦接电子电路130。为了清楚地说明，只有一个电连接132被标记在图1中。电子电路130处理由感光区114、115和任选116产生的电子信号以响应光和输出电子信号140。电子信号140包括位置感测的色彩讯息，且是因此代表流体样品150沉积在凹部112和盖120所界定的微流体信道的色彩影像。
[0031]由于电连接132是位于远离从凹部112到感光区114、115和116的光学路径的位置，色彩感测影像传感器100是可被实现为背面照射型CMOS影像传感器。因此，色彩感测影像传感器100可受益于比前面照射型CMOS影像传感器更高的光收集效率。
[0032]在一个实施例中，电子电路130是可通信地耦接处理模块142。处理模块142包括一个色彩计算器144，其处理电子信号140以附予色彩像素组118 —种颜色或多个色彩值，例如红色、绿色和蓝光的强度。处理模块142可从而输出流体样本150的色彩影像146。
[0033]在另一个实施例中，处理模块142被集成到色彩感测影像传感器100。在一个实例中，处理模块142位于一个电子电路板，还保有色彩感测影像传感器100。在另一个实例中，处理模块142是集成在电子电路130。处理模块142是可作为逻辑闸以执行由感光区域114、115和任选116所产生的电子信号的代数运算。
[0034]在一个示范性使用场景中，光源165用光照160照