IEDM2024 | CMOS集成Subtractive Microfluidics作為新型芯片级实验室平台

逍遥设计自动化

引言
- v  C* E* B$ P, v( J/ ?2 S8 E减法微流控技术通过选择性去除CMOS芯片中的金属层来制造流体通道，将微流控技术与CMOS技术紧密集成，实现了紧凑型芯片级实验室的分析功能[1]。

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图1：CMOS Subtractive Microfluidics的概念图，展示了层状结构以及与传统CMOS的对比。

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9 @6 U  x% K: ]7 D" K技术概述
4 P3 b5 ~4 F$ \% M' |# ]! oSubtractive Microfluidics利用CMOS芯片中的后端金属布线层作为牺牲材料。通过可控的湿法刻蚀，去除这些金属层以创建精确定义的流体通道。这种方法与传统方法相比具有多项优势，包括电子元件与流体通道的完美对准、高集成度以及可扩展至亚微米尺寸。

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) I( t! @( `3 i/ d图2：分布式焊盘开口概念和使用PDMS密封机制的示意图，展示了高效金属刻蚀策略。
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; C  x) W: ~: u( ?7 p, Y/ s' ^制造工艺
制造过程始于包含预定义金属图案的标准CMOS芯片，这些图案将形成流体通道。为了提高刻蚀效率，在通道沿线strategically设置小型焊盘开口。这些开口为刻蚀剂提供额外的接触点，显著提高了金属层的去除效率。刻蚀后，使用PDMS（聚二甲基硅氧烷）微流控结构密封这些开口。

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$ t" C7 q2 l2 y; y/ g) C图3：功能性微流控结构的演示，包括带有蓝色和黄色染料溶液的微混合器，以及装载微珠的1:64分流器。

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! M' B/ ^. ?4 _2 A系统Assembly和集成
系统Assembly过程包含多个关键步骤，以确保电子元件的正常功能和保护。首先，使用生物相容性环氧树脂将CMOS芯片嵌入PCB，然后进行引线键合和封装。在Assembly过程中，PDMS层保护芯片表面，并添加额外的PDMS结构用于流体输送。
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! @. l$ x; Q5 C6 u7 L/ }9 S, P图4：系统Assembly过程的逐步说明，展示芯片嵌入、引线键合和保护策略。
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集成传感功能
该平台直接集成了多种传感模式与微流体通道：
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) [' U! ?0 t) A- w- D7 t1 z图5：集成ISFET传感器的详细示意图，展示传感机制和等效线路模型。
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: v5 _, ]# ~" ]" n% Z! B$ K8 S- ^' z图6：ISFETs的性能表征，展示pH响应、漂移行为和噪声特性。
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离子敏感场效应晶体管（ISFETs）使用厚氧化物NMOS晶体管实现pH传感。传感区域由金属层M5定义，具有两种不同尺寸（6μm×12μm和6μm×24μm），显示出不同的灵敏度。

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图7：使用N阱电阻实现霍尔传感器，展示金属层去除至下层的过程。

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图8：刻蚀前后霍尔传感器对磁场响应的表征。
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使用N阱电阻实现的霍尔传感器可进行磁场检测。这些传感器在刻蚀过程后保持功能，虽然引入了一些偏移电压，但可通过线路技术进行补偿。

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阻抗传感系统

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: o9 b; o$ k  ]图9：利用过孔电极进行传感的集成阻抗读出线路架构。
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1 K5 Q, i" ?# {" P6 W* i1 `  v图10：阻抗传感系统中使用的跨阻放大器的详细示意图。
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该平台包括具有集成读出线路的全差分阻抗传感系统。金属层M5和M6之间的过孔连接作为液体界面电极，在通道形成过程中暴露。

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4 f- D/ t3 C0 z! T7 P5 P+ _图11：已制造芯片的照片，显示带有过孔电极的刻蚀流体结构和测量装置。
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: K# C' S9 F$ n' Z图12：使用不同离子强度溶液展示阻抗传感能力。
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性能和应用
Subtractive Microfluidics平台成功实现了各种微流控结构，包括微混合器和1:64分流器。集成传感器表现出可靠的性能，ISFETs实现了pH灵敏度，霍尔传感器保持了稳定的磁场检测能力。阻抗传感系统成功测量了不同离子浓度，可用于细胞检测和分析。
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0 V/ p# @6 R( b2 D9 w; }这种CMOS技术中的创新微流控集成方法适用于高度集成、高通量的芯片级实验室。该平台结合了复杂的电子功能和精确的流体处理能力，在即时诊断和生物分析应用中具有明显优势。

参考文献
[1] W.-Y. Weng, A. Di, X. Zhang, Y.-C. Tsai, Y.-T. Hsiao, and J.-C. Chien, "Subtractive Microfluidics in CMOS," in 2024 IEEE International Electron Devices Meeting (IEDM), San Francisco, CA, USA, 2024.
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