Профилированный магниторезистивный микрочип биосенсорного устройства

Изобретение относится к средствам контроля медицинской техники и может быть использовано в устройствах обнаружения магнитных микрогранул, прикрепившихся к биоматериалам в результате процессов биотинилирования и гибридизации. Сущность изобретения заключается в том, что профилированный магниторезистивный микрочип биосенсорного устройства представляет собой массив магниточувствительных ячеек размерностью N на М, при этом он выполнен в виде кристалла кремния и содержит тонкопленочные магниторезисторы со строго фиксированной ориентацией относительно поверхности и границ кристалла и объединенные металлической разводкой на кристалле так, что с него выходит не более чем N+M+3 вывода для регистрации наличия магнитных меток в пробах биоматериала. Технический результат - повышение количества и увеличение объема проб анализируемых биоматериалов, снижение габаритных размеров микрочипов, повышение уровня выходного сигнала ячейки. 3 ил.

 

Изобретение относится к средствам контроля медицинской техники и может быть использовано в устройствах обнаружения магнитных микрогранул, прикрепившихся к биоматериалам в результате процессов биотинилирования и гибридизации.

Известно биосенсорное устройство, включающее в себя массив магниторезистивных наносенсоров, сконструированных для обнаружения биомалекул, содержащих две или более связей сверхпарамагнитных наночастиц [1].

Также известен магниторезистивный датчик для измерения плотности размещения магнитных наночастиц на микромассиве, в котором магнитная наночастица прямо или косвенно связана с проверяемым образцом [2].

Недостатком данных матриц является большое количество выводов и отсутствие схемы опроса элементов массива.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому изобретению является матрица биосенсорного устройства на основе массива чувствительных ячеек [3]. В этом устройстве анализируются многокомпонентные материалы, для определения отдельных компонентов основываясь на их магнитной восприимчивости или диэлектрической постоянной. В устройстве используют ячейки на магнитных туннельных переходах или на гигантском магниторезистивном эффекте. Основным достоинством этой матрицы размерностью N на М ячеек является организация схемы выборки магниточувствительных элементов.

Основным недостатком данной матрицы является отсутствие схемы усиления выходного сигнала магниточувствительного элемента.

Задача изобретения - повышение количества и увеличение объема проб анализируемых биоматериалов, снижение габаритных размеров микрочипов, повышение уровня выходного сигнала ячейки.

Эта задача достигается путем изготовления профилированного магниторезистивного микрочипа биосенсорного устройства по интегральной технологии микросистем в виде кристалла кремния, содержащего ячейки из тонкопленочных магниторезисторов, расположенных массивом размерностью N на М ячеек в областях нанесения проб биоматериалов со строго фиксированной ориентацией относительно поверхности и границ кристалла и объединенных металлической разводкой на кристалле так, что с него выходит не более чем N+M+3 вывода для регистрации наличия магнитных меток в пробах биоматериала.

Благодаря тому что чувствительные ячейки располагаются на одном кристалле, появляется возможность более высокой интеграции, позволяющей увеличить их количество и, следовательно, гарантировать большее количество проб. Под чувствительными ячейками с обратной стороны кристалла вытравливаются области кремния, в которые помещается анализируемый биоматериал, что позволяет увеличить объем проб без изменения площади кристалла. Каждая чувствительная ячейка представляет собой магниторезистивный преобразователь, два n-МОП транзистора, обеспечивающих усиление выходного сигнала и диод для контроля направления тока при выборе ячейки. Близость расположения ячеек друг к другу обеспечивает малый разброс электрофизических параметров активных и пассивных элементов. Организация выборки элементов массива металлической разводкой на кристалле уменьшает количество выводов до N+M+3 штук, что обеспечивает компактность и надежность схемы. Путем внешней коммутации с выводами массива магниточувствительных элементов, подавая на N и М входов определенный двоичный код, выбирается одна из ячеек и опрашивается состояние двух ее информационных выходов, которые также принадлежат всем остальным ячейкам массива, но в момент опроса они являются выключенными за счет гальванической развязки через затворы транзисторов и не оказывают влияния на информационный сигнал выбранной ячейки. При этом ток потребления в массиве в любой момент времени не превышает ток одной выбранной магниточувствительной ячейки.

В составе магниточувствительных ячеек используются четыре тонкопленочных магниторезистора, соединенные в мост Уитстона. Мосты объединены по питанию, образуя строки массива из N входов. Общие выходы с мостов соединены в столбцы массива и составляют М входов. Выходы моста Уитстона идут на затворы n-МОП транзисторов. Стоки транзисторов объединены в два информационных выхода, с которых снимается дифференциальный выходной сигнал с нагрузочных резисторов. Истоки транзисторов соединены с общими выходами мостов.

Процесс изготовления профилированного микрочипа можно разделить на четыре основных этапа. На первом этапе формируется мембрана толщиной примерно 40 мкм с обратной стороны подложки с помощью анизотропного травления кремния в 33% КОН с последующим изотропным обтравом кремния. На втором этапе по стандартной КМОП технологии формируется полупроводниковая схема выборки, состоящая из n-МОП транзисторов с поликремниевыми затворами. Изоляция компонентов в схеме выборки осуществляется толстым окислом «Локос» с предварительным легированием Р+ охраны и образованием областей «мезы» для формирования в них активных элементов схемы. Разводка элементов схемы осуществляется с помощью металла Al-Si. В качестве изолирующего слоя используется оксид и нитрид кремния. На третьем этапе происходит формирование магниторезистивной пленки Ti/FeNiCo₂₀/Ti. Толщина слоя Ti составляет 5…6 нм, толщина FeNiCo₂₀ 30…35 нм. Далее из этой структуры формируются магниторезисторы. Разводка магниторезисторов и коммутация со схемой выборки осуществляется вторым слоем металла - Al. Для пассивации элементов используется осажденный слой фосфорно-силикатного стекла. На заключительном этапе производится анизотропный дотрав мембран до толщины 5…10 мкм в растворе этилендиамина.

На фиг.1 изображен топологический эскиз профилированного магниторезистивного микрочипа биосенсорного устройства с массивом чувствительных элементом из N строк и М столбцов, где

1 - магниторезистивный мост;

2 - вход мембраны;

3 - контактные площадки.

На фиг.2 показан разрез кристалла в области мембраны с основными структурными слоями, где

4 - кремниевая подложка;

5 - SiO₂;

6 - Si₃N₄;

7 - магниторезисторы;

8 - металлическая разводка;

9 - пассивирующий диэлектрик.

На фиг.3 изображена электрическая схема соединения магниточувствительных ячеек на основе магниторезистивных мостов Уитстона и n-МОП полевых транзисторов в матрицу размерностью N на М, где

10 - входы, соответствующие номерам строк (1…N);

11 - входы, соответствующие номерам столбцов (1…М);

12 - магниторезистивные мосты Rm_ij;

13 - n-МОП транзисторы;

14 - диоды;

15 - нагрузочные резисторы;

16 - выходы схемы;

17 - питание.

Профилированный магниторезистивный микрочип работает следующим образом: путем внешних коммутаций с N+M входами биосенсорного устройства регистрации магнитных меток, подавая на них определенный двоичный код (применяемый в цифровых микросхемах), включается только одна из всего массива чувствительная ячейка, и происходит считывание информации с выходов схемы. Данная информация может быть переведена с помощью аналого-цифрового преобразователя в цифровой код и в дальнейшем записана в ячейку запоминающего устройства, соответствующую опрошенной чувствительной ячейке. Подавая на входы все возможные комбинации двоичных кодов для опроса массива ячеек, происходит последовательное определение наличия или отсутствия магнитных меток в областях матрицы биосенсорного устройства.

Пример конкретного выполнения

Для выбора элемента массива Rm_ij необходимо на i-ю строку подать логическую "1", при этом на всех остальных входах соответствующих строк должны быть логические "0", а на j-й столбец "0" при "1" на всех остальных столбцах. Таким образом, для того чтобы в массиве 3×3 выбрать элемент А₁₂, необходимо на входы подать цифровой код вида "100 101", где первые три разряда определяют состояние строк, а последние - состояние столбцов.

Преимущество данного профилированного магниторезистивного микрочипа состоит в том, что опрос элементов массива осуществляется с помощью выборки, при которой сигнал подается непосредственно на затвор n-МОП транзистора. Таким образом, транзисторы работают в режиме усиления выходного сигнала.

Источники информации

1. Патент на изобретение США 2010188075.

2. Патент на изобретение США 2006128035.

3. Патент на изобретение США 2010103720 - прототип.

Профилированный магниторезистивный микрочип биосенсорного устройства, представляющий собой массив магниточувствительных ячеек размерностью N на М, отличающийся тем, что он выполнен в виде кристалла кремния и содержит тонкопленочные магниторезисторы со строго фиксированной ориентацией относительно поверхности и границ кристалла и объединенные металлической разводкой на кристалле так, что с него выходит не более чем N+M+3 вывода для регистрации наличия магнитных меток в пробах биоматериала.