專利名稱：：利用大規(guī)模fet陣列測(cè)量分析物的方法和裝置的制作方法利用大,FET陣列測(cè)量分析物的方法和裝置
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開內(nèi)容一般性涉及與利用電子傳感器檢測(cè)和測(cè)量一種或多種分析物有關(guān)的發(fā)明方法和裝置。
背景技術(shù)：
：已經(jīng)發(fā)現(xiàn)電子器件和元件在化學(xué)和生物學(xué)(一般稱為"生命科學(xué)，，)領(lǐng)域具有多種應(yīng)用，特別適用于對(duì)化學(xué)反應(yīng)和物質(zhì)組成的各個(gè)方面的檢測(cè)和測(cè)量。這些電子器件中的一種稱作離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管，其在有關(guān)文獻(xiàn)中通常表示為ISFET(或pHFET)。ISFET通常主要由學(xué)術(shù)和研究團(tuán)體研發(fā)用以簡(jiǎn)化溶液的氫離子濃度(通常稱為"pH")的測(cè)量。更具體地，ISFET是一種阻抗變換器件，其以類似于MOSFET(金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管)的方式工作，并特別設(shè)置為選擇性測(cè)量溶液中的離子活性(例如溶液中的氫離子就是"分析物，，)。"ThirtyyearsofISFETOLOGY:whathappenedinthepast30yearsandwhatmayhappeninthenext30years,"P.Bergveld，iSews;J"Mfltora，88(2003),pp,1-20中給出了ISFET4細(xì)的工作原理，該出版物通過引用并入本文。圖l示出利用常規(guī)CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體)工藝制造的p型(p溝道)ISFET50的截面圖?；趐型硅襯底52來制造p型ISFET,其中形成構(gòu)成晶體管"體"的n型阱54。構(gòu)成ISFET的源極56和漏極58的高摻雜p型(p+)區(qū)域S和D形成在n型阱54中。還在n型阱中形成高摻雜n型(n+)區(qū)域B，以為n型阱提供導(dǎo)電體(或"塊")連接62。氧化層65設(shè)置在源極、漏極和體連接區(qū)域上方，形成穿過這些區(qū)域的開口從而為這些區(qū)域提供電連接(經(jīng)由電導(dǎo)體)。例如，作為導(dǎo)體的金屬接觸66為漏極58提供電連接，而作為導(dǎo)體的金屬接觸68通過高導(dǎo)電的體連接62為源極56和n型阱54提供公用連接。多晶硅柵極64形成在源極56和漏極58之間的n型阱54的區(qū)域60上方位置處的氧化層上。因?yàn)檠趸瘜?5設(shè)置在多晶硅^(f極64和晶體管體(即n型阱)之間，所以其通常稱為"柵極氧化物"。與MOSFET類似，ISFET50是基于由多晶珪柵極64、柵極氧化物65和源極與漏極之間的n型阱54的區(qū)域60構(gòu)成的MOS(金屬-氧化物-半導(dǎo)體)電容所引起的電荷濃度調(diào)制來工作的。當(dāng)跨接?xùn)艠O和源極區(qū)域施加負(fù)電壓時(shí)(VGS<0伏特)，在柵極氧化物65和區(qū)域60的界面處通it^C^該區(qū)域的電子而產(chǎn)生"p溝道"63。p溝道63在源極和漏極之間延伸，當(dāng)柵極-源極電位VGS負(fù)到足以從源極將空穴吸引到溝道中時(shí)，電流傳導(dǎo)通過p溝道。溝道63開始傳導(dǎo)電流時(shí)的柵極-源極電位稱作晶體管的閾值電壓VTH(當(dāng)Vcs的絕對(duì)值大于閾值電壓ViH時(shí)，導(dǎo)通晶體管)。源極之所以稱為源極是因?yàn)槠涫橇鬟^溝道63的電荷載流子(對(duì)于p溝道來說是空穴)的來源；類似地，漏極是電荷栽流子離開溝道63的位置。在圖1的ISFET50中，如金屬接觸68同時(shí)連接源極56和體連接62所示，通過體連接62將n型阱54(晶體管體)強(qiáng)制偏壓到與源極56相同的電位(即VSB=0伏特)。這種連接避免了p+源極區(qū)域和n型阱的正向偏壓，并因此有助于將電荷載流子限制到其中可形成溝道63的區(qū)域60的區(qū)域中。根據(jù)非線性關(guān)系，源極56和體/n型阱54之間的任何電位差(非零源-體電壓VsB)都會(huì)影響ISFET的閾值電壓VTH,且其通常稱作"體效應(yīng)"，這在許多應(yīng)用中是不希望出現(xiàn)的。圖1中還示出ISFET的多晶硅柵極64連接到設(shè)置在一個(gè)或多個(gè)置于柵極氧化物65上以構(gòu)成"浮柵，，結(jié)構(gòu)70的附加氧化物層75中的多層金屬層。之所以稱為浮柵結(jié)構(gòu)，是因?yàn)槠渑cISFET有關(guān)的其他導(dǎo)體電絕緣；即，其夾在柵極氧化物65和鈍化層72之間。在ISFET50中，鈍化層72構(gòu)成產(chǎn)生器件離子敏感性的離子敏感膜；即，接觸鈍化層72，特別是接觸浮柵結(jié)構(gòu)70上的敏感區(qū)域78中的鈍化層72的"分析溶液"74(包含目標(biāo)離子的溶液)中離子的存在改變了ISFET的電特性，從而調(diào)節(jié)流過源極56和漏極58之間p溝道63的電流。鈍化層72可以包含有助于對(duì)特定離子敏感的各種不同材料中的任意一種；例如，包含氮化硅或氮氧化硅的鈍化層通常提供對(duì)于分析物溶液74中的氫離子濃度(pH)的敏感性，而包含含有纈氨霉素的聚氯乙烯的鈍化層提供對(duì)于分析物溶液中的鉀離子濃度的敏感性(例如適用于鈍化層并對(duì)諸如鈉、銀、鐵、溴、碘、鈣和硝酸根的其他離子敏感的材料是公知的)。對(duì)于離子敏感性來說，由于化學(xué)反應(yīng)(例如通常包括由敏感區(qū)域78附近的分析物溶液中的離子導(dǎo)致的氧化表面基團(tuán)的分解)，使得在鈍化層72和分析物溶液74的固/液界面處出現(xiàn)的通常稱作"表面電勢(shì)"的電勢(shì)差成為敏感區(qū)域78中離子濃度的函數(shù)。這種表面電勢(shì)進(jìn)而影響ISFET的閾值電壓VTH;因此，ISFET的閾值電壓Vth隨著敏感區(qū)域78附近的分析物溶液74中的離子濃度的改變而變化。圖2示出圖l所示的p溝道ISFET50的等效電路。再次參考圖1,分析物溶液74中的參比電極76(常規(guī)Ag/AgCl電極)測(cè)定分析物溶液本身的本體電位，并類似于常規(guī)MOSFET的柵極接線端，如圖2所示。在ISFET的線性或不飽和工作區(qū)域中，漏電流lD由下式給出<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>其中VDs是漏極和源極之間的電壓，且/是跨導(dǎo)#(單位為安培/伏特2)，其由下式給出<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>其中//表示載流子遷移率，C。x是每單位面積的柵極氧化物電容，比率『/L是溝道63的寬長(zhǎng)比。如果參比電極76提供基準(zhǔn)電壓或接地電壓(VG=0伏特)，且漏電流lD和漏極-源極電壓Vds保持恒定，則根據(jù)等式(l)，ISFET的源極電壓Vs的變化直接跟蹤閾值電壓Vm的變化；這可以通過重排等式(1)觀察到<formula>formulaseeoriginaldocumentpage18</formula>如上所述，因?yàn)镮SFET的閾值電壓VTH對(duì)離子濃度敏感，所以根據(jù)等式(3)，源極電壓Vs提供了與ISFET的敏感區(qū)域78附近的分析物溶液74中的離子濃度直接相關(guān)的信號(hào)。在使用氮化硅或氮氧化珪的鈍化層72用于檢測(cè)pH靈敏度的典型常規(guī)ISFET中，已經(jīng)觀察到閾值電壓靈敏度AVTH(即隨著分析物溶液的pH變化而變化的閾值電壓)為約30mV/pH至50mV/pH(298絕對(duì)溫度下，理論最高靈朝:度為59.2mV/pH)。先前的研究致力于制逸基于常規(guī)CMOS工藝技術(shù)的用于pH測(cè)量的ISFET，其通常旨在實(shí)現(xiàn)1-14的pH的范圍下的高信號(hào)線性度。具有約50mV/pH的典型閾值靈敏度，并考慮到上文的等式(3),這就要求源極電壓Vs具有約700mV的線性工作范圍。如結(jié)合圖1的以上討論，ISFET(以及MOSFET)的閾值電壓Vth受到源板和體(n型阱54)之間的任意電壓VsB的影響。更具體地，閾值電壓VTH是非零源-體電壓VsB的非線性函數(shù)。因此，為了避免由于源極和體電位之間的差異而導(dǎo)致的折衷線性度(即緩和"體效應(yīng)")，如圖1所示，ISFET50的源極56和體連接62通常通過金屬接觸68連接至公用電位。這種體-源連接還在圖2所示的ISFET50的等效電路中示出。制造基于圖1的ISFET設(shè)計(jì)的ISFET的二維陣列的先前工作已經(jīng)制造出最大256的ISFET傳感元件或陣列中的"像素"(即16乘16的像素陣列)。ISFET陣列制造的典型研究在出版物"Alargetransistor-basedsensorarraychipfordirectextracellularimaging",M.J.Milgrew，M.O.Riehle，andD.R.S.Cumming，5^wsorsflwdJ"wfltors，5:C7ie附/cfl/,111-112，(2005),pp.347-353，和"ThedevelopmentofscalablesensorarraysusingstandardCMOStechnology",M.J.Milgrew，P.A.Hammond,andD.R.S.C腿ming，5^wws做""w她5.'CA簡(jiǎn)cfl/，103,(2004),pp.37-42中報(bào)道，這些出版物通過引用并入本文并在下文中簡(jiǎn)稱為"Milgrew等人"。其他與實(shí)現(xiàn)ISFET陣列有關(guān)的研究工作在出版物"AverylargeintegratedpH-ISFETsensorarraychipcompatiblewithstandardCMOSprocesses",T.C.W.Yeow,M.R.Haskard,D.E.Mulcahy,H.I.SeoandD.H.Kwon,S醋歸5:C7i柳/cfl/,44，(1997),pp.434-440，以及"Fabricationofatwo-dimensionalpHimagesensorusingachargetransfertechnique",Hizawa，T"Sawada,K.，Takao,H.，Ishida，M.,awdj5:C7ie附/ai/117(2),2006,pp.509-515中報(bào)道，這些出版物也通過引用并入本文。圖3示出根據(jù)Milgrew等人的設(shè)計(jì)的二維ISFET陣列的一列85」。該列85j包括十六(16)個(gè)像素8(h至8016，并且如下文參考圖7進(jìn)一步討論的，完整的二維陣列包括十六(16)個(gè)并排排列的這種列85j(j=1，2，3，….16)。如圖3中所示，給出的列85j包括電流源ISOURCEj，其由該列中所有《象素共用，且ISFET的偏置/讀出電路82j(包括電流宿ISINKj)也由該列中所有像素共用。ISFET像素8(^至8016中的每一個(gè)都包括具有電連接源極和體的p溝道ISFET50(如圖1和2所示)，加上對(duì)十六個(gè)行選擇信號(hào)(RSEL至RSEI^，以及它們的補(bǔ)碼)之一響應(yīng)的開關(guān)S1和S2。如下文參考圖7所討論的，行選擇信號(hào)及其補(bǔ)碼同時(shí)產(chǎn)生"啟用"或選擇列85j中的一個(gè)給定像素，且這種信號(hào)對(duì)以某種序列產(chǎn)生從而每次一個(gè)地順序啟用列中的不同像素。如圖3中所示，Milgrew等人的設(shè)計(jì)中的各個(gè)像素80的開關(guān)S2如常規(guī)n溝道MOSFET的情況一樣執(zhí)行，即當(dāng)接收到相應(yīng)的行選擇信號(hào)時(shí)將電流源ISOURCEj連接至ISFET50的源極。各個(gè)像素80的開關(guān)SI如傳輸門電路(transmissiongate)即包括n溝道MOSFET和p溝道MOSFET的CMOS對(duì)的情況一樣執(zhí)行，即當(dāng)接收到相應(yīng)的行選擇信號(hào)及其補(bǔ)碼時(shí)將ISFET50的源極連接至偏置/讀出電路82j。圖4中示出^f象素8(h的開關(guān)的一個(gè)實(shí)例，其中傳輸門的p溝道MOSFET表示為Sl1P，n溝道MOSFET表示為S11N。在Milgrew等人的設(shè)計(jì)中，各個(gè)像素的開關(guān)SI都使用傳輸門電路，因而對(duì)于啟用的像素而言，在VDD至Vss的電源范圍內(nèi)的任何ISFET源極電壓都可以施加到偏置/讀出電路82j，并且按列輸出為信號(hào)VSj。從上述內(nèi)容中可以認(rèn)識(shí)到Milgrew等人的ISFET傳感器陣列設(shè)計(jì)中的各個(gè)像素80都包括四個(gè)晶體管，即p溝道ISFET、包括n溝道MOSFET和p溝道MOSFET的用作開關(guān)SI的CMOS對(duì)傳輸門電路、以及用作開關(guān)S2的n溝道MOSFET。還如圖3中所示，偏置/讀出電路82j使用了開爾文電橋形式的源-漏極跟蹤器構(gòu)造，以保持恒定漏-源極電壓VDSj并使源極電壓Vsj的測(cè)量與列85j中的啟用l象素的ISFET的恒定漏電流IsouRCEj隔離。為此，偏置/讀出電路82j包括兩個(gè)運(yùn)算放大器Al和A2、電流宿IsmKj和電阻RsDj。運(yùn)算放大器迫使由于電流ISINKj流過電阻產(chǎn)生的跨電阻RSDjm的電壓表現(xiàn)為跨越啟用像素的ISFET的漏極和源極而成為恒定漏-源極電壓VDSj。因此，再次參考等式(3)，由于恒定的Vdsj和恒定的Isourcej，所以啟用〗象素的ISFET的源極電壓Vsj提供對(duì)應(yīng)于ISFET閾值電壓VTH的信號(hào)，并因此實(shí)現(xiàn)ISFET的敏感區(qū)域附近的pH的測(cè)量(參見圖1)。通過傳輸門SI提供給源極電壓Vsj寬的動(dòng)態(tài)范圍，確保了可以測(cè)量從1-14的pH的全量程，且各個(gè)ISFET的源-體連接確保ISFET閾值電壓在全pH量程范圍下的足夠線性度。在如圖3中所示的Milgrew等人的列設(shè)計(jì)中，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到對(duì)于發(fā)揮適當(dāng)功能的列偏置/讀出電路82j的開爾文電橋構(gòu)造來說，必須在每個(gè)像素中使用如圖1所示的p溝道ISFET50;更具體地，基于開爾文電橋構(gòu)造的替代實(shí)現(xiàn)方式不可能使用n溝道ISFET。再次參考圖l，對(duì)于基于常規(guī)CMOS工藝的n溝道ISFET來iJL無需n型阱54，并且將在p型硅襯底52(其將構(gòu)成晶體管體)中直接形成用于漏極和源極的高摻雜n型區(qū)域。對(duì)于n溝道FET器件來說，晶體管體通常連接至電接地端。由于體效應(yīng)的原因，所以Milgrew等人的設(shè)計(jì)中的ISFET的源極和體需要電連接在一起以緩和非線性特性，這將致使n溝道ISFET的源極也連接到電接地端(即Vs=VB=0伏特)，由此從啟用的像素中排除了任何有用的輸出信號(hào)。因此，圖3中所示的Milgrew等人的列設(shè)計(jì)需要p溝道ISFET正常工作。還可以認(rèn)識(shí)到，在圖3中所示的Milgrew等人的列設(shè)計(jì)中，需要在各個(gè)像素中實(shí)現(xiàn)開關(guān)Sl和S2的兩個(gè)n溝道MOSFET不能形成在圖1中所示的n型阱54中，其中形成用于像素的p溝道ISFET;相反，n溝道MOSFET直接形成在p型珪襯底52中，超出了ISFET的n型阱54的范圍。圖5是與圖l類似的圖，示出與圖3中所示的列85j的一個(gè)像素80對(duì)應(yīng)的p型珪襯底52的一部分的寬截面圖，其中在對(duì)應(yīng)于開關(guān)S2的第一n溝道MOSFET和構(gòu)成圖4中所示的傳輸門Sh的兩個(gè)晶體管中一個(gè)的第二n溝道MOSFETS11N的旁邊示出了包含ISFET50的漏極58、源極56和體連接62的n型阱54。而且，在Milgrew等人的設(shè)計(jì)中，在各個(gè)像素中實(shí)現(xiàn)傳輸門Sl所需的p溝道MOSFET(例如參見附圖4中的S11P)不能形成在其中形成有用于像素的p溝道ISFET50的同一n型阱中。具體而言，因?yàn)閜溝道ISFET的體和源極電連接在一起，所以在與p溝道ISFET50相同的n-阱中實(shí)現(xiàn)p溝道MOSFETShp將導(dǎo)致傳輸門不可預(yù)測(cè)的操作，或阻礙整體的操作。因此，Milgrew等人的設(shè)計(jì)中，需要兩個(gè)隔離的n型阱來實(shí)現(xiàn)各個(gè)像素。圖6是與圖5類似的圖，示出對(duì)應(yīng)于一個(gè)像素80的p型硅襯底52的另一部分的截面，其中在形成有構(gòu)成圖4中所示的傳輸門Sh的兩個(gè)晶體管之一的p溝道MOSFETSlw的第二n型阱55旁邊示出對(duì)應(yīng)于ISFET50的n型阱54。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到圖5和6中的圖示并未按比例繪制，并且不能完全代表Milgrew等人的設(shè)計(jì)中的特定像素的實(shí)際布局；相反地，這些附圖是概念性的，主要是為了說明Milgrew等人的設(shè)計(jì)中對(duì)于多個(gè)n-阱以及在n-阱之外制造隔離的n溝道MOSFET的需求。Milgrew等人的陣列設(shè)計(jì)利用0.35微米(fim)常規(guī)CMOS制造工藝來實(shí)現(xiàn)。在這種工藝中，各種設(shè)計(jì)規(guī)則規(guī)定了特征之間的最小間隔距離。例如，根據(jù)0.35jimCMOS設(shè)計(jì)規(guī)則，參考圖6，相鄰n-阱之間的距離"a"必須為至少三(3)微米。圖6中還示出到n-阱54的左邊和到n-阱55的右邊的距離"a/2"，其表示將圖6所示的像素80與左右分別相鄰的其他列中的像素隔離所需的最小距離。而且，根據(jù)0.35nmCMOS設(shè)計(jì)規(guī)則，圖6中所示的表示n型阱54的截面寬度的距離"b"和表示n型阱55的截面寬度的距離"c，，都為約3nm至4nm(在n型阱中，n-阱邊緣與源極和漏極之一間的公差為1.2nm，且源極和漏極本身的寬度為約0.7nm)。因此，圖6中所示的表示截面圖中的像素80的寬度的總距離"d"大致為約12nm至14jim。在一個(gè)實(shí)現(xiàn)方式中，Milgrew等人報(bào)道了一種基于圖3中所示的列/像素設(shè)計(jì)的陣列，其包括幾何方形的像素，每個(gè)像素都具有12.8pmx12.8jim的尺寸。總之，Milgrew等人的ISFET像素設(shè)計(jì)旨在確保在1-14的pH范圍內(nèi)的氫離子濃度的精確測(cè)量。為了確保測(cè)量的線性度，各個(gè)像素的ISFET的源極和體電連接在一起。為了確保pH測(cè)量的全量程，在各個(gè)像素中使用傳輸門Sl來傳送啟用像素的源極電壓。因此，Milgrew的陣列中的各個(gè)像素都需要四個(gè)晶體管(p溝道ISFET、p溝道MOSFET和兩個(gè)n溝道MOSFET)以及兩個(gè)隔離的n-阱(圖6)。基于0.35微米常規(guī)CMOS制造工藝和相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)則，這種陣列中的像素具有略大于10fim的最小尺寸，即為約12nm至14jim。圖7示出了根據(jù)Milgrew的設(shè)計(jì)的完整的二維像素陣列95以及附帶的列譯碼器電路和測(cè)量讀出電路。陣列95包括從85i至85^的十六個(gè)列像素，各列都具有上文中結(jié)合圖3所討論的十六個(gè)像素(即16像素乘16像素的陣列)。#^碼器92提供十六對(duì)互補(bǔ)碼行選擇信號(hào)，其中各對(duì)行選擇信號(hào)都同時(shí)啟用列85i至85w各列中的一個(gè)像素，以基于ISFET的啟用行的各個(gè)源極電壓VS1至VS16，從陣列95提供一組列輸出信號(hào)。#碼器92如常規(guī)四至十六位譯碼器(即，四位二進(jìn)制輸入ROWi-ROW4，以選擇24輸出中的一個(gè))那樣執(zhí)行。用于陣列的啟用行的列輸出信號(hào)組V^至Vw6施加到開關(guān)邏輯電路96,其包括十六個(gè)傳輸門Sl至S16(—個(gè)傳輸門對(duì)應(yīng)一個(gè)輸出信號(hào))。如上所述，利用p溝道MOSFET和n溝道MOSFET來實(shí)現(xiàn)開關(guān)邏輯電路96的各個(gè)傳輸門電路，以確保各個(gè)輸出信號(hào)VS1至VsM足夠的動(dòng)態(tài)范圍。列譯碼器94與*碼器92類似，如常規(guī)四至十六位譯碼器那樣執(zhí)行，并通過四位二進(jìn)制輸入COL廣COL4來控制，以在任何給定時(shí)間處啟用開關(guān)邏輯電路96的傳輸門S1至S16中的一個(gè)，從而從開關(guān)邏輯電路96提供一個(gè)輸出信號(hào)Vs。該輸出信號(hào)Vs施加到10位格數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)98，以提供相應(yīng)于陣列的給定像素的輸出信號(hào)Vs的數(shù)字表示Di-D10。如前所述，與前述相類似的獨(dú)立ISFET和ISFET的陣列在涵蓋化學(xué)和生物學(xué)的各種應(yīng)用中已經(jīng)用作傳感裝置。具體而言，ISFET已在涵蓋諸如DNA的核酸的各種處理過程中用作pH傳感器。下列出版物給出了在各種與生命科學(xué)有關(guān)的應(yīng)用中使用ISFET的一些實(shí)例，這些出版物通過引用并入本文MassimoBarbaro,AnnalisaBonfiglio,LuigiRaffo,AndreaAlessandrini，PaoloFacciandImrichBar&k，"FullyelectronicDNAhybridizationdetectionbyastandardCMOSbiochip，"5"ews^rafl/irfJ"wfltors5..C7ieAw/c"fl/，Volume118,Issues1-2,2006，pp.41-46;ToshinariSakuraiandYuzuruHusimi，"Real-timemonitoringofDNApolymerasereactionsbyamicroISFETpHse歸r，，，J朋/.C7i亂，"(17)，1992,pp1996一1997;S.Purushothaman,C.Toumazou,J.Georgiou，"TowardsfastsolidstateDNAsequencing,"C7mi/teflwrfiSy他附s，vol.4,2002,pp.IV-169toIV-172;S.Purushothaman,C.Toumazou，C.P.Ou,"Protonsandsinglenucleotidepolymorphismdetection:AsimpleusefortheIonSensitiveFieldEffectTransistor,"5^ws^rsflt/^4CMflZors5:CAe附/cfl/,Vol.114,no.2,2006，pp.964-968;A丄.Simonian，A.W.Flounders,J.R.Wild,"FET-BasedBiosensorsforTheDirectDetectionofOrganophosphateNeurotoxins,"￡/^^wm"/Ws，Vol.16,No.22,2004,pp.1896國(guó)1卯6;C.Toumazou,S.Purushothaman,"SensingApparatusandMethod,"UnitedStatesPatentApplication2004-0134798,publishedJuly15,2004;andT.W.Koo，S.Chan,X.Su,Z.Jingwu,M.Yamakawa，V.M.Dubin,"SensorArraysandNucleicAcidSequencingApplications,"UnitedStatesPatentApplication2006-0199193，publishedSeptember7，2006.通常，使用自動(dòng)DNA定序器的快速且靈敏的核酸序列分析方法的發(fā)展已經(jīng)顯著推進(jìn)了對(duì)于生物學(xué)的理解。術(shù)語"序列分析"是指無支鏈生物高分子的一級(jí)結(jié)構(gòu)(或一級(jí)序列)的測(cè)定，其產(chǎn)生一種^4i性的線性描述，稱為"序列，，，其簡(jiǎn)明地歸納了序列分子大量的原子級(jí)結(jié)構(gòu)。"DNA序列測(cè)定"具體是指測(cè)定給定DNA碎片的核苷酸順序的過程?，F(xiàn)在，對(duì)于病毒、細(xì)菌、真菌、動(dòng)物和植物的完整基因組的分析已經(jīng)成為可能，但是由于序列測(cè)定的成本和容許能力的原因，這種分析通常受到限制。更具體而言，目前的常規(guī)序列測(cè)定方法在定序準(zhǔn)確率、可以定序的獨(dú)立^S板的長(zhǎng)度、定序的成本和序列測(cè)定速度方面受到限制。盡管在樣本制備和序列測(cè)定技術(shù)方面已經(jīng)得到了改進(jìn)，但是目前的常規(guī)序列測(cè)定策略，包括迄今可能涵蓋ISFET的那些，已經(jīng)提供了將容許能力提高到分析大量個(gè)體人類基因組所需的水平而需要的成本降低。有必要對(duì)大量個(gè)體基因組進(jìn)行序列測(cè)定以了解疾病和衰老的遺傳基礎(chǔ)。此外，需要對(duì)大量的癌癥進(jìn)行序列測(cè)定以了解在癌癥下的身體變化。近來的一些研究工作已經(jīng)在制備用于序列測(cè)定的基因組的能力和同時(shí)對(duì)大量模板進(jìn)行定序的能力方面取得了明顯進(jìn)步。但是，這些和其他研究工作仍然受到制備這些系統(tǒng)可檢測(cè)的模板所需的相對(duì)大尺寸的反應(yīng)體積的限制，以及對(duì)用以讀出威基的復(fù)雜的生化酶或熒光方法和特定核苷酸類似物的需要。
發(fā)明內(nèi)容申請(qǐng)人已經(jīng)驗(yàn)證并認(rèn)識(shí)到可特別地設(shè)置并應(yīng)用大規(guī)模ISFET陣列以促進(jìn)基于監(jiān)測(cè)與DNA合成有關(guān)的化學(xué)過程中的變化的DNA序列測(cè)定技術(shù)。一般來說，申請(qǐng)人已經(jīng)驗(yàn)證并認(rèn)識(shí)到化學(xué)敏感FET的大恥漠陣列可用于檢測(cè)和測(cè)量在許多化學(xué)和/或生物學(xué)過程(化學(xué)反應(yīng)、細(xì)胞培養(yǎng)、神經(jīng)活動(dòng)、核酸序列測(cè)定等)中的各種分析物(例如氫離子、其他離子、非離子的分子或化合物、結(jié)合相互作用等等)的濃^/水平，其中基于這種分析物的測(cè)量可以獲得有價(jià)值的信息。因此，^/>開內(nèi)容的各個(gè)實(shí)施方案一般性涉及與用于測(cè)量一種或多種分析物的大,FET陣列有關(guān)的發(fā)明方法和裝置。在本文公開的各個(gè)實(shí)施方案中，F(xiàn)ET陣列包括作為化學(xué)傳感器的多個(gè)"化學(xué)FET"或化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管。上述的ISFET是一種設(shè)置用于離子檢測(cè)的特定類型的化學(xué)FET，且ISFET可用于本文公開的各個(gè)實(shí)施方案中。由;$^>開內(nèi)容所披露的其他類型的化學(xué)FET包括ENFET,其設(shè)置用于特定酶的感測(cè)。但M當(dāng)認(rèn)識(shí)到，^//^開內(nèi)容并不限于ISFET和ENFET，而是更一般地涉及設(shè)置用于某些類型的化學(xué)敏感性的任意FET。根據(jù)其他實(shí)施方案，本公開內(nèi)容一般性涉及與將合適的化學(xué)樣本遞送至上述大，化學(xué)FET陣列以引起相應(yīng)響應(yīng)有關(guān)的發(fā)明方法和裝置?；瘜W(xué)樣本可以包括小反應(yīng)體積的(液體)分析物樣本，以有助于對(duì)分析物進(jìn)行高速、高密度的化學(xué)物(例如離子或其他組分)濃度或其他測(cè)量的檢測(cè)。例如，一些實(shí)施方案涉及"非常大M^"二維化學(xué)FET傳感器陣列(例如大于256k個(gè)傳感器)，其中構(gòu)成這種陣列的傳感器的一個(gè)或多個(gè)包含化學(xué)FET的元件或叫象素"設(shè)置用以監(jiān)測(cè)在陣列的像素附i^生的一個(gè)或多個(gè)獨(dú)立的化學(xué)反應(yīng)或事件。在一些示例性實(shí)施方式中，陣列可以連接到一個(gè)或多個(gè)在陣列的獨(dú)立傳感器或傳感器組上形成一個(gè)或多個(gè)反應(yīng)腔或"孔腔(well)"或"微孔腔(microwdl)"的微流體結(jié)構(gòu)和在測(cè)量過程之間將分析物樣本遞送到所述孔腔并將其從所述孔腔移除的裝置。即4吏未使用微孔腔，傳感器陣列也可以連接到用于在測(cè)量過程之間將一種或多種分析物遞送到像素并移除該分析物的一個(gè)或多個(gè)微流體結(jié)構(gòu)。因此，本公開內(nèi)容的希望被保護(hù)的發(fā)明方面包括可以用于使試劑/分析物流動(dòng)到孔腔或像素中以及使其從孔腔或像素中流出的各種微流體結(jié)構(gòu)、孔腔陣列的制造方法、，，使陣列的像素與孔腔連接的方法和結(jié)構(gòu)以，用，在裝，用于DNA序還示出一種獨(dú)特的參比電UL其與流動(dòng)腔的連接。在各個(gè)實(shí)施方案中，特別關(guān)心的分析物是氫離子，并且才艮據(jù)^/〉開內(nèi)容的大恥溪ISFET陣列特別設(shè)置為測(cè)量pH。在其他實(shí)施方案中，故監(jiān)測(cè)的化學(xué)反應(yīng)可以與DNA合成過程或其他化學(xué)和/或生物學(xué)過程有關(guān)，并且化學(xué)FET陣列可特別地設(shè)置為測(cè)量pH或一種或多種提供涉及感興趣的特定化學(xué)過程的有關(guān)信息的其他分析物。在各個(gè)方面中，利用常規(guī)CMOS工藝技術(shù)制造化學(xué)FET陣列，并且化學(xué)FET陣列特別地設(shè)置為有助于快速獲取來自整個(gè)陣列的數(shù)據(jù)(掃描所有像素以獲得相應(yīng)的像素輸出信號(hào))。對(duì)于分析物檢測(cè)和測(cè)量來說，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到在下文詳細(xì)討論的各個(gè)實(shí)施方案中，根據(jù)本公開內(nèi)容通過化學(xué)FET測(cè)量的一種或多種分析物可以包括提供關(guān)于所感興趣的一個(gè)或多個(gè)化學(xué)過程(例如，多個(gè)核酸鏈的結(jié)合、抗體與抗原的結(jié)合等)的相關(guān)信息的任意多種化學(xué)物質(zhì)。在某些方面中，除了僅檢測(cè)分析物的存在之外，測(cè)量一種或多種分析物的水平或濃度的能力提供了與一個(gè)或多個(gè)化學(xué)過程有關(guān)的有價(jià)值的信息。在其他方面中，M所感興趣的一種或多種分析物是否存在的檢測(cè)可以提供有價(jià)值的信息。根據(jù)本公開內(nèi)容的各個(gè)發(fā)明實(shí)施方案的化學(xué)FET陣列可以設(shè)置為對(duì)任意一種或多種不同分析物/化學(xué)物質(zhì)具有敏感性。在一個(gè)實(shí)施方案中，陣列的一個(gè)或多個(gè)化學(xué)FET可以特別設(shè)置為對(duì)代表一種或多種結(jié)合事件(例如，與核酸序列測(cè)定過程有關(guān)的事件)的一種或多種分析物具有敏感性，并且在其他實(shí)施方案中，給定陣列的不同化學(xué)FET可以設(shè)置為對(duì)不同分析物具有敏感性。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，陣列的一個(gè)或多個(gè)傳感器U象素)可以包^i殳置為對(duì)第一分析物化學(xué)敏感的第一類型化學(xué)FET，并且陣列的一個(gè)或多個(gè)其他傳感器可以包括"i殳置為對(duì)與第一分析物不同的第二分析物化學(xué)敏感的第二類型化學(xué)FET。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，第一分析物可以代表與核酸序列測(cè)定過程有關(guān)的第一結(jié)合事件，第二分析物可以代表與核酸序列測(cè)定過程有關(guān)的第二結(jié)合事件。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)i人識(shí)到可以在任意給定的陣列中使用多于兩種的不同類型的化學(xué)FET以檢測(cè)和/或測(cè)量不同類型的分析物/結(jié)合事件。一般來說，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，本文討論的傳感器陣列的任意實(shí)施方案中，給定的傳感器陣列可以是"同質(zhì)，，的并且包括用以檢測(cè)和/或測(cè)量相同類型的分析物(例如pH或其他離子濃度)的基本類似或相同類型的化學(xué)FET，或者傳感器陣列可以是"異質(zhì)，，的并且包括用以檢測(cè)和/或測(cè)量不同分析物的不同類型的化學(xué)FET。在另外的方面中，申請(qǐng)人特別對(duì)與圖1-7有關(guān)的上述Milgrew等人的ISFET陣列設(shè)計(jì)以及其他常規(guī)ISFET陣列設(shè)計(jì)加以改進(jìn)，以^更顯著降低像素尺寸，并因此增加對(duì)于給定半導(dǎo)體芯片尺寸的化學(xué)FET陣列的像素?cái)?shù)量(即增加像素密度)。在各個(gè)實(shí)施方案中，在實(shí)現(xiàn)像素密度增加的同時(shí)，增加對(duì)應(yīng)于涉及所監(jiān)測(cè)的化學(xué)過程的相應(yīng)測(cè)量的輸出信號(hào)的信噪比(SNR)以及增加從陣列讀取這種輸出信號(hào)的速度。特別地，申請(qǐng)人已經(jīng)驗(yàn)證并認(rèn)識(shí)到通it^L松對(duì)化學(xué)FET線性度的要求并將注意力集中在進(jìn)一步限制測(cè)量輸出信號(hào)范圍(例如對(duì)應(yīng)于從約7至9而不是從1至14的pH范圍的輸出信號(hào))，可以顯著降低獨(dú)立像素的復(fù)雜性和尺寸，由此有助于實(shí)現(xiàn)非常大恥漠密集的化學(xué)FET陣列。申請(qǐng)AJi發(fā)汪并認(rèn)識(shí)到針對(duì)化學(xué)FET陣列中的像素選擇的替代性簡(jiǎn)單方法(可替代如圖7中所示的Milgrew等人的設(shè)計(jì)中所使用的復(fù)雜性與陣列規(guī)模成比例的行和列譯碼器的方法)有助于快速獲取來自非常大和密集的陣列中的數(shù)據(jù)。對(duì)于化學(xué)FET陣列的制造來說，申請(qǐng)人進(jìn)一步驗(yàn)證并認(rèn)識(shí)到常規(guī)CMOS制造工藝中使用的各種技術(shù)以及各種后制造工藝步驟(晶片傳送、清洗、切割、封裝等)會(huì)在某些情況下對(duì)所得的化學(xué)FET陣列的性能產(chǎn)生不利影響。例如，再次參考圖1,一個(gè)潛在的問題涉及到俘獲電荷，其可能在與浮柵結(jié)構(gòu)70有關(guān)的金屬的蝕刻期間在柵極氧化物65中產(chǎn)生，以及這種俘獲電荷會(huì)怎樣影響化學(xué)FET的閾值電壓VTH。另一個(gè)潛在的問題涉及到由在鋁基金屬CMOS制造中所通常使用的低溫材料沉積工藝制得的化學(xué)FET鈍化層(例如參見圖1中的ISFET鈍化層72)的密>(1/孔隙度。雖然這種低溫工藝通常為常規(guī)CMOS器件提供適宜的鈍化層，但是它們可能導(dǎo)致可觀的低密度和多孔的鈍化層，其可能對(duì)接觸分析物溶液的化學(xué)FET構(gòu)成潛在的問題；特別是隨著時(shí)間的流逝，低密度多孔鈍化層會(huì)吸附溶液中的分析物或其他物質(zhì)并被其飽和，這進(jìn)而可能導(dǎo)致不希望的化學(xué)FET的閾值電壓ViH的時(shí)變漂移。這種現(xiàn)象進(jìn)而又阻礙所感興趣的一種或多種特定分析物的精確測(cè)量。鑒于前述情況，本文公開的其它發(fā)明實(shí)施方案涉及用于減少對(duì)化學(xué)FET性能具有潛在不利影響的方法和裝置，這可從化學(xué)FET陣列的制造和后制造工藝/處理的不同方面獲得。因此，本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案涉及一種裝置，其包括CMOS制造的傳感器陣列，每個(gè)傳感器包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)并且在陣列表面上占據(jù)10x10微米或更小的面積。另一實(shí)施方案涉及一種傳感器陣列，其包括二維電子傳感器陣列，該陣列包括至少512行和至少512列的電子傳感器，每個(gè)傳感器包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET),其設(shè)置為提供表示二維陣列的表面附近的分析物的存在和/或濃度的至少一個(gè)輸出信號(hào)。另一實(shí)施方案涉及一種裝置，其包括CMOS制造的傳感器陣列，每個(gè)傳感器包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)。CMOS制造的傳感器陣列包括多于256個(gè)傳感器，并且來自陣列的所有化學(xué)FET的化學(xué)FET輸出信號(hào)的集合構(gòu)成數(shù)據(jù)幀。該裝置還包括控制電路，其連接到陣列并設(shè)置為產(chǎn)生至少一個(gè)陣列輸出信號(hào)從而以至少1幀每秒的幀速提供來自陣列的多個(gè)數(shù)據(jù)幀。在一個(gè)方面中，幀速可以是至少10幀每秒。在另一方面中，幀速可以是至少20幀每秒。在其他方面中，幀速可以是至少30、40、50、70或直至100幀每秒。另一實(shí)施方案涉及一種裝置，其包括CMOS制造的傳感器陣列，每個(gè)傳感器包括化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)。該化學(xué)FET包括浮柵結(jié)構(gòu)以及具有第一半導(dǎo)體類型并制造在具有第二半導(dǎo)體類型的區(qū)域中的源極和漏極，其中不存在將具有第二半導(dǎo)體類型的區(qū)域電連接至源極或漏極中任意其一的電導(dǎo)體。另一實(shí)施方案涉及一種裝置，其包括電子傳感器陣列，每個(gè)傳感器由包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)的三個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)構(gòu)成。另一實(shí)施方案涉及一種裝置，其包括電子傳感器陣列，每個(gè)傳感器包括三個(gè)或更少的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，其中所述三個(gè)或更少的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)、另一實(shí)施方案涉及一種裝置，其包括電子傳感器陣列，每個(gè)傳感器包括多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，所述多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)，并且多個(gè)電導(dǎo)體電連接到所述多個(gè)FET，其中所述多個(gè)FET設(shè)置為使得所述多個(gè)電導(dǎo)體包括橫穿被陣列的各個(gè)傳感器所占據(jù)的區(qū)域并互連多個(gè)傳感器的不多于四個(gè)電導(dǎo)體。另一實(shí)施方案涉及一種裝置，其包括CMOS制造的傳感器陣列，每個(gè)傳感器包括多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，所述多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)，其中每個(gè)傳感器中所有的FET都具有相同的溝道類型并且在陣列襯底的單一半導(dǎo)體區(qū)域中實(shí)現(xiàn)。另一實(shí)施方案涉及一種傳感器陣列，其包括排列成多個(gè)行和多個(gè)列的多個(gè)電子傳感器。每個(gè)傳感器包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)，其設(shè)置為提供表示陣列的表面附近的分析物的存在和/或濃度的至少一個(gè)輸出信號(hào)。對(duì)多個(gè)列中的每一列來說，陣列還包括列電路，其設(shè)置為對(duì)該列中相應(yīng)的化學(xué)FET提供恒定的漏電流和恒定的漏-源極電壓，列電路包括兩個(gè)運(yùn)算放大器和與相應(yīng)的化學(xué)FET排列成開爾文電橋構(gòu)造的二極管連接FET以提供恒定的漏-源極電壓。另一實(shí)施方案涉及一種傳感器陣列，其包括排列成多個(gè)行和多個(gè)列的多個(gè)電子傳感器。每個(gè)傳感器包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)，其設(shè)置為提供表示陣列的表面附近的分析物中離子濃度的至少一個(gè)輸出信號(hào)。該陣列還包括用以開啟多個(gè)行中相應(yīng)的行的至少一個(gè)行選擇移位寄存器，以及用以從多個(gè)列中相應(yīng)的列獲取化學(xué)FET輸出信號(hào)的至少一個(gè)列選擇移位寄存器。另一實(shí)施方案涉及一種裝置，其包括CMOS制造的傳感器陣列，每個(gè)傳感器包括化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)。該化學(xué)FET包括浮柵結(jié)構(gòu)以及具有第一半導(dǎo)體類型并制造在具有第二半導(dǎo)體類型的區(qū)域中的源極和漏極，其中不存在將具有第二半導(dǎo)體類型的區(qū)域電連接至源極或漏極的電導(dǎo)體。該陣列包括至少512行和至少512列的CMOS制造的傳感器的二維陣列。每個(gè)傳感器由包括化學(xué)FET的三個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)構(gòu)成，并且每個(gè)傳感器包括電連接到所述三個(gè)FET的多個(gè)電導(dǎo)體。所述三個(gè)FET設(shè)置為使得所述多個(gè)電導(dǎo)體包括橫穿過被陣列的各個(gè)傳感器所占據(jù)的區(qū)域并互連多個(gè)傳感器的不多于四個(gè)電導(dǎo)體。各個(gè)傳感器中所有的FET都具有相同的溝道類型并且在陣列襯底的單一半導(dǎo)體區(qū)域中實(shí)現(xiàn)。來自陣列中所有化學(xué)FET的化學(xué)FET輸出信號(hào)的集合構(gòu)成數(shù)據(jù)幀。該裝置還包括連接到陣列的控制電路并且設(shè)置為產(chǎn)生至少一個(gè)陣列輸出信號(hào)，從而以至少20幀每秒的幀速提供來自陣列的多個(gè)數(shù)據(jù)幀。另一實(shí)施方案涉及一種加工CMOS制造的傳感器的陣列的方法，每個(gè)傳感器包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)。該方法包括A)切割包括陣列的半導(dǎo)體晶片以形成包括陣列的至少一個(gè)切割部分；以及B)對(duì)所迷至少一個(gè)切割部分實(shí)施合成氣體(forminggas)退火。另一實(shí)施方案涉及一種加工CMOS制造的傳感器的陣列的方法。每個(gè)傳感器包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET),其具有通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)而沉積的氮化硅和/或氮氧化硅的化學(xué)敏感鈍化層。該方法包括A)在化學(xué)敏感鈍化層上沉積至少一種附加鈍化材料以降低鈍化層的孔隙度和/或增加鈍化層的密度。另一方面，本發(fā)明提供一種用于核酸序列測(cè)定的方法，其包括將多個(gè)模板核酸設(shè)置在多個(gè)反應(yīng)腔中，其中所述多個(gè)反應(yīng)腔接觸化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)陣列，該陣列包括每個(gè)反應(yīng)腔至少一個(gè)的化學(xué)FET,其中每個(gè)模板核酸與序列測(cè)定引物雜交并結(jié)合至聚合酶，通過在序列測(cè)定引物的3，端處順序加入一種或多種公知的核苷三磷酸來合成新的核酸鏈，通過所述至少一個(gè)化學(xué)FET的電流變化來檢測(cè)一種或多種i^p的核苷三磷酸的加入。另一方面，本發(fā)明提供一種用于核酸序列測(cè)定的方法，其包括將多個(gè)模板核酸設(shè)置在多個(gè)反應(yīng)腔中，其中所述多個(gè)反應(yīng)腔接觸化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)陣列，該陣列包括每個(gè)反應(yīng)腔至少一個(gè)的化學(xué)FET，其中每個(gè)模板核酸與序列測(cè)定引物雜交并結(jié)合至聚合酶，通過在序列測(cè)定引物的3，端處順序加入一種或多種公知的核苷三磷酸來合成新的核酸鏈，通過至少一個(gè)化學(xué)FET的電流變化來檢測(cè)一種或多種公知的核普三磷酸的加入，其中該化學(xué)FET陣列是前述陣列中的任意一種。另一方面，本發(fā)明提供一種用于核酸序列測(cè)定的方法，其包括將多個(gè)模板核酸設(shè)置在多個(gè)反應(yīng)腔中，其中所述多個(gè)反應(yīng)腔接觸化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)陣列，該陣列包括每個(gè)反應(yīng)腔至少一個(gè)的化學(xué)FET，其中每個(gè)模板核酸與序列測(cè)定引物雜交并結(jié)合至聚合酶，通過在序列測(cè)定引物的3，端處順序加入一種或多種公知的核苷三磷酸來合成新的核酸鏈，通過序列測(cè)定反應(yīng)副產(chǎn)物的產(chǎn)生來檢測(cè)一種或多種公知的核苷三磷酸的加入，其中(a)化學(xué)FET陣列包括多于256個(gè)傳感器，或(b)相鄰反應(yīng)腔之間的中心距離(或"間距")是l10fim。為了簡(jiǎn)要起見，等同適用于本文所公開的方法的各種實(shí)施方案只敘述一次。在某些實(shí)施方案中，相鄰反應(yīng)腔之間的中心距離是2-9fim、約2jim、約5jim或約9nm。在某些實(shí)施方案中，化學(xué)FET陣列包括多于256個(gè)傳感器(且4壬選地多于256個(gè)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)腔(或孔腔)、多于103個(gè)傳感器(且任選地多于103個(gè)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)腔)、多于104個(gè)的傳感器(且任選地多于104個(gè)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)腔)、多于105個(gè)的傳感器(且任選地多于105個(gè)對(duì)應(yīng)的>^應(yīng)腔)、或多于106個(gè)的傳感器(且任選地多于106個(gè)對(duì)應(yīng)的反應(yīng)腔))。在某些實(shí)施方案中，化學(xué)FET陣列包括至少512行和至少512列的傳感器。在某些實(shí)施方案中，序列測(cè)定反應(yīng)副產(chǎn)物是無機(jī)焦磷酸鹽(PPi)。在某些實(shí)施方案中，PPi是直接測(cè)量的。在某些實(shí)施方案中，在不存在PPi受體的情況下測(cè)量PPi。在某些實(shí)施方案中，序列測(cè)定反應(yīng)副產(chǎn)物是氫離子。在某些實(shí)施方案中，序列測(cè)定反應(yīng)副產(chǎn)物是無機(jī)磷酸鹽(Pi)。在某些實(shí)施方案中，化學(xué)FET檢測(cè)副產(chǎn)物任選地與如本文所述的其他^組合的任意組合而變化。在另一方面中，本發(fā)明提供一種用于核酸序列測(cè)定的方法，其包括將多個(gè)模板核酸i殳置在多個(gè)反應(yīng)腔中，其中所述多個(gè)反應(yīng)腔接觸化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)陣列，該陣列包括每個(gè)反應(yīng)腔至少一個(gè)的化學(xué)FET，其中每個(gè)模板核酸與序列測(cè)定引物雜交并結(jié)合至聚合酶，通過在序列測(cè)定引物的3，端處順序加入一種或多種公知的核苷三磷酸來合成新的核酸鏈，直接檢測(cè)作為一種或多種公知核苷三磷酸的加入的指示劑的無機(jī)焦磷酸鹽(PPi)的釋放。在某些實(shí)施方案中，通過結(jié)合至固定在化學(xué)FET上的PPi受體來直接檢測(cè)PPi。在某些實(shí)施方案中，在不存在PPi受體的情況下通過化學(xué)FET直接檢測(cè)PPi。在另一方面中，本發(fā)明提供一種用于核酸序列測(cè)定的方法，包括使模板核酸片段化以產(chǎn)生多個(gè)核酸片段，將來自多個(gè)核酸片段中每一個(gè)的一個(gè)鏈單獨(dú)附著至微珠，以產(chǎn)生各自附著有單鏈核酸片段的多個(gè)微珠，將附著有單鏈核酸片段的多個(gè)微珠遞送至化學(xué)FET陣列，該陣列具有在同一區(qū)域中用于各個(gè)傳感器的分離的反應(yīng)腔，其中每個(gè)反應(yīng)腔中僅有一個(gè)微珠，并且同時(shí)在多個(gè)腔中實(shí)施序列測(cè)^應(yīng)。在另一方面中，本發(fā)明提供一種裝置，其包括在其表面上設(shè)置有PPi受體的化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)。在某些實(shí)施方案中，PPi選擇性受體是圖11B中所示的化合物1、化合物2、化合物3、化合物4、化合物5、化合物6、化合物7、化合物8、化合物9或化合物10。在某些實(shí)施方案中，化學(xué)FET存在于學(xué)FET的陣列中，其中每一個(gè)化學(xué)FET的表面上都設(shè)置有PPi選擇性受體。在某些實(shí)施方案中，在陣列的每個(gè)化學(xué)FET上設(shè)置相同的PPi選擇性受體。在某些實(shí)施方案中，陣列包括多于256個(gè)傳感器。在某些實(shí)施方案中，陣列包括至少512行和至少512列的傳感器。在某些實(shí)施方案中，化學(xué)FET位于反應(yīng)腔的底部。在另一方面中，本發(fā)明提供一種裝置，其包括在其表面上設(shè)置有生物陣列的化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)。該生物陣列可以是核酸陣列、包括但不限于酶陣列、抗體陣列和抗體片段陣列的蛋白質(zhì)陣列、細(xì)胞陣列等?；瘜W(xué)陣列可以是有機(jī)小分子陣列或無機(jī)分子陣列，但并不限于此。化學(xué)FET陣列可以包括至少5、10、102、103、104、105、106或更多的傳感器。在某些實(shí)施方案中，生物或化學(xué)陣列可設(shè)置在多個(gè)"隔室"或空間限定的區(qū)域中，且這些區(qū)域中的每一個(gè)均位于化學(xué)FET陣列中的不同傳感器上。在又一方面中，本發(fā)明提供一種用于測(cè)定核酸的方法，包括使設(shè)置在化學(xué)FET陣列上的核酸陣列與樣本接觸，并檢測(cè)來自樣本的核酸與核酸陣列上的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域的結(jié)合。在另一方面中，本發(fā)明提供一種用于檢測(cè)蛋白質(zhì)的方法，包括使設(shè)置在化學(xué)FET陣列上的蛋白質(zhì)陣列與樣本接觸，并檢測(cè)來自樣本的蛋白質(zhì)與蛋白質(zhì)陣列上的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域的結(jié)合。在又一方面中，本發(fā)明提供一種用于檢測(cè)核酸的方法，包括使設(shè)置在化學(xué)FET陣列上的蛋白質(zhì)陣列與樣本接觸，并檢測(cè)來自于樣本的核酸與蛋白質(zhì)陣列上的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域的結(jié)合。在另一方面中，本發(fā)明提供一種用于檢測(cè)抗原的方法，包括使設(shè)置在化學(xué)FET陣列上的抗原陣列與樣本接觸，并檢測(cè)來自樣本的抗原與抗原陣列上的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域的結(jié)合。在另一方面中，本發(fā)明提供一種用于檢測(cè)酶底物或抑制劑的方法，包括使設(shè)置在化學(xué)FET陣列上的酶陣列與樣本接觸，并檢測(cè)來自樣本的部分與酶陣列上的一個(gè)或多個(gè)區(qū)域的結(jié)合。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述概念和將要在下文詳細(xì)討論的其他概念(假定這些概念相互之間不矛盾)的所有組合都視為本文公開的發(fā)明主題的一部分。特別是，本文最后記載的權(quán)利要求的主題的所有組合都視為本文公開的發(fā)明主題的一部分。還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，還可以出現(xiàn)在通過引用并入本文的任何公義最大限度的一致。附圖中，相同的附圖標(biāo)記一般指的是所有不同附圖中的相同部分。而且，附圖不必按比例繪制，其重點(diǎn)在于普逸良映本文公開的各種概念。圖l示出利用常規(guī)CMOS工藝制造的p型(p溝道)離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)的截面圖。圖2示出圖1中所示的p溝道ISFET的等效電路圖。圖3示出基于圖1中所示的ISFET的二維ISFET的一列。圖4示出應(yīng)用在圖3中所示的陣列列的各個(gè)像素中的包括p溝道MOSFET和n溝道MOSFET的傳輸門電路。圖5是與圖l相似的示意圖，其示出對(duì)應(yīng)于圖3中所示的陣列列的一個(gè)像素的襯底的一部分的寬截面圖，其中ISFET示出在也包括在像素中的兩個(gè)n溝道MOSFET旁邊。圖6是與圖5相似的示意圖，其示出對(duì)應(yīng)于圖3中所示的陣列列的一個(gè)像素的襯底的另一部分的截面圖，其中ISFET示出在圖4中所示的傳輸門電路的p溝道MOSFET旁邊。圖7示出基于圖3的列設(shè)計(jì)的完整二維ISFET像素陣列連同附屬的行和列譯碼器電路和測(cè)量讀出電路的實(shí)例。圖8—般性示出一種核酸處理系統(tǒng)，其包括根據(jù);$^>開內(nèi)容的一個(gè)發(fā)明實(shí)施方案的大,化學(xué)FET陣列。圖9示出根據(jù)>$^>開內(nèi)容的一個(gè)發(fā)明實(shí)施方案，與圖8中所示類似的化學(xué)FET陣列的一列。圖9A示出根據(jù)4^^開內(nèi)容的一個(gè)發(fā)明實(shí)施方案，用在圖9中所示的陣列列中的示例性放大器的電路圖，圖9B是放大器偏壓對(duì)帶寬的曲線圖。圖10示出根據(jù)^^開內(nèi)容的一個(gè)發(fā)明實(shí)施方案，圖9中所示的化學(xué)FET陣列的列的《象素的芯片布圖設(shè)計(jì)的俯視圖。圖IIA示出沿著圖10中所示的4象素的I-I線的復(fù)合截面圖，包括在II-II線和in-iil線之間的圖io右半部的其他元件，其示出根據(jù);^5^開內(nèi)容的一個(gè)發(fā)明實(shí)施方案的像素制造的層疊結(jié)構(gòu)圖。圖11B提供十個(gè)PPi受體的化學(xué)結(jié)構(gòu)(化合物1至10)。圖11C是圖11B中化合物4的合成過程的示意圖。圖11D是示出可應(yīng)用于鈍化層以結(jié)合分子識(shí)別化合物(例如但不限于PPi受體)的各種化學(xué)反應(yīng)的示意圖。圖IIE是圖11B中的化合物10與金屬氧化物表面結(jié)合的示意圖。圖12A至12L提供根據(jù)^^開內(nèi)容的一個(gè)發(fā)明實(shí)施方案，圖11A中所示的各個(gè)制造層的俯視圖。圖13示出根據(jù)^^開內(nèi)容的一個(gè)發(fā)明實(shí)施方案，基于圖9-12中所示的列和像素設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)類似于圖8中所示的化學(xué)FET傳感器陣列的一個(gè)示例性CMOSIC芯片的框圖。圖14示出根據(jù)>$^>開內(nèi)容的一個(gè)發(fā)明實(shí)施方案，圖13中所示的陣列的行選擇移位寄存器。圖15示出才艮據(jù)^/〉開內(nèi)容的一個(gè)發(fā)明實(shí)施方案，圖13中所示的陣列的兩個(gè)列選擇移位寄存器中的一個(gè)。圖16示出根據(jù)^^開內(nèi)容的一個(gè)發(fā)明實(shí)施方案，圖13中所示的陣列的兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器器中的一個(gè)。圖17示出根據(jù)4^>開內(nèi)容的一個(gè)發(fā)明實(shí)施方案，連接到陣列控制器的圖13的化學(xué)FET傳感器陣列的框圖。圖18示出根據(jù)^^開內(nèi)容的一個(gè)發(fā)明實(shí)施方案，由圖17的陣列控制器提供的不同信號(hào)的示例性時(shí)序圖。圖19-20示出根據(jù)本公開內(nèi)容的其他發(fā)明實(shí)施方案，實(shí)現(xiàn)化學(xué)FET傳感器陣列的可替代CMOSIC芯片的框圖。圖20A示出根據(jù)4L/^開內(nèi)容的另一發(fā)明實(shí)施方案，圖20中所示的化學(xué)FET陣列的一個(gè)像素的芯片布圖設(shè)計(jì)的俯視圖。圖21-23示出根據(jù)^^開內(nèi)容的其他發(fā)明實(shí)施方案，實(shí)現(xiàn)化學(xué)FET傳感器陣列的另一可替4戈CMOSIC芯片的才匡圖。圖24示出根據(jù)^^開內(nèi)容的另一發(fā)明實(shí)施方案，利用n溝道化學(xué)FET和附屬的n溝道MOSFET實(shí)現(xiàn)的圖9的像素設(shè)計(jì)。圖25-27示出根據(jù)^^開內(nèi)容的其他發(fā)明實(shí)施方案，用于化學(xué)FET陣列的可替代像素設(shè)計(jì)和相關(guān)的列電路。圖28A和28B是如本文使用的微孔腔陣列的部分的等比例示圖，其示出了圓孔腔和矩形孔腔，以幫助理解陣列結(jié)構(gòu)的三維顯象。圖29是顯示CMOS芯片上的獨(dú)立ISFET的陣列的芯片布圖的一個(gè)角(即左下角)的俯視圖的圖解說明。圖30是對(duì)應(yīng)于圖29中所示的芯片的部分，用于上述傳感器陣列的每孔腔一個(gè)傳感器的實(shí)施方案的(典型地為鉻)掩模的一部分的布圖的實(shí)例圖解。圖31是用于每孔腔4個(gè)傳感器的實(shí)施方案的掩模的布圖。圖32是用于掩蔽圍繞陣列的區(qū)域，以構(gòu)建圍繞襯底上的傳感器的有源陣列的光刻膠的凸緣或壁(或使用地理學(xué)意義中的術(shù)語盆形構(gòu)造)的第二掩模的圖解，如圖33A中所示。圖33是所得的盆形構(gòu)造的圖解。圖33A是用于制it微孔腔陣列的三層PCM工藝的圖解。圖34-37圖解示出將流體界面與傳感器陣列合并的合適的試驗(yàn)裝置的第一實(shí)例，圖35拔映沿著35-35'線的圖34的裝置的截面圖，且圖36是放大了圖35的一部分的透視圖，圖37進(jìn)一步放大了該結(jié)構(gòu)的一部分以使流體流動(dòng)變得更直觀。圖38是開始形成特定構(gòu)造的實(shí)例流動(dòng)腔的具有蝕刻光刻膠層的襯底的示意圖。圖39-41是適于制造與圖38—致的流動(dòng)腔的第一構(gòu)造的掩模的圖。圖42-54和57-58是實(shí)例裝置及其放大的成對(duì)局部等比例的截面圖，其示出了引入?yún)⒈入姌O至流動(dòng)腔和流動(dòng)室中的方式和利用諸如塑料和PDMS的材料形成流動(dòng)腔和流動(dòng)室。圖55和56是用于如本文所教導(dǎo)的應(yīng)用的制造安裝在芯片上的流體裝置的雙層玻璃(或塑料)設(shè)置的示意截面圖。圖59A-59C是用于形成流動(dòng)腔的兩件式注塑件的兩個(gè)實(shí)例的部件的圖解6圖60是將作為電極的不銹鋼毛細(xì)管引入諸如圖59A-59C中的流動(dòng)腔或其他流動(dòng)腔的流動(dòng)腔下游端口的示意截面圖。圖61是示出dNTP并入合成核酸鏈中伴隨無機(jī)焦磷酸鹽(PPi)釋放的示意圖。圖62-70示出裝載#發(fā)明的微流體陣列的微珠。圖71A是屏幕截圖，其示出具有在添加(第一次)dATP導(dǎo)致模板4中的4g延伸(參見表1和2)之后出現(xiàn)的信號(hào)的像素(左側(cè)的屏幕)，以及標(biāo)以箭頭的像素的電壓對(duì)幀(或時(shí)間)的曲線圖(右側(cè)的屏幕)。圖71B是屏幕截圖，其示出具有在再次添加dCTP導(dǎo)致模板1中的44延伸(參見表1和2)之后出現(xiàn)的信號(hào)的像素(左側(cè)的屏幕)，以及標(biāo)以箭頭的4象素的電壓對(duì)幀(或時(shí)間)的曲線圖(右側(cè)的屏幕)。圖71C是屏幕截圖，其示出具有在再次添加dCTP導(dǎo)致模板1、2和4延伸(參見表1和2)之后出現(xiàn)的信號(hào)的像素(左側(cè)的屏幕)，以及標(biāo)以箭頭的像素的電壓對(duì)幀(或時(shí)間)的曲線圖(右側(cè)的屏幕)。圖71D是屏幕截圖，其示出具有在添加dTTP并且在所有4個(gè)模板中發(fā)生全長(zhǎng)轉(zhuǎn)錄(run-off)(由于存在所有4種dNTP)(參見表1、2)之后出現(xiàn)的信號(hào)的像素(左側(cè)的屏幕)，以及標(biāo)以箭頭的像素的電壓對(duì)幀(或時(shí)間)的曲線圖(右側(cè)的屏幕)。具體實(shí)施例方式以下內(nèi)容是涉及與用于分析物檢測(cè)的大,化學(xué)FET有關(guān)的發(fā)明方法和裝置的各種概念及其實(shí)施方案的更詳細(xì)的說明。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，上文引入的且在下文更詳細(xì)說明的各種概念可以任意多種方式來實(shí)施，所公開的概念并不限于實(shí)施方式任何特定模式。特定實(shí)施方式和應(yīng)用的實(shí)例主要用于"i兌明性的目的。根據(jù)本公開內(nèi)容的各個(gè)發(fā)明實(shí)施方案至少部分涉及半導(dǎo)體基/微流體混合系統(tǒng)，其結(jié)合了微電子動(dòng)力和微流體系統(tǒng)的生物相容性。在下文中的某些實(shí)例中，為了說明的目的，混合系統(tǒng)的微電子部分由CMOS技術(shù)實(shí)現(xiàn)。但M當(dāng)認(rèn)識(shí)到，；$^>開內(nèi)容并不限制在這方面，其他的半導(dǎo)體基技術(shù)也可用于實(shí)現(xiàn)本文所討論的系統(tǒng)的微電子部分的各個(gè)方面。本文公開的一個(gè)實(shí)施方案涉及一種化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)的大，傳感器陣列(例如二維陣列)，其中陣列的單個(gè)^ft學(xué)FET傳感器元件或"像素"設(shè)置為檢測(cè)發(fā)生在陣列附近的大量的化學(xué)和/或生物學(xué)過程(化學(xué)反應(yīng)、細(xì)胞培養(yǎng)、神經(jīng)活動(dòng)、核酸序列測(cè)定過程等)中的分析物濃度的變化。下文詳細(xì)討論的各個(gè)實(shí)施方案所設(shè)想的化學(xué)FET的實(shí)例包括但不限于離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)和酶敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ENFET)。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，在化學(xué)FET傳感器陣列上制造一個(gè)或多個(gè)微流體結(jié)構(gòu)，以為可能生成所感興趣的分析物的化學(xué)反應(yīng)提供容器和/或密封。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，微流體結(jié)構(gòu)可構(gòu)造為^:置在陣列的一個(gè)或多個(gè)傳感器上的一個(gè)或多個(gè)"孔腔"(例如小的反應(yīng)腔)，以4吏其上設(shè)置有給定孔腔的一個(gè)或多個(gè)傳感器檢測(cè)和測(cè)量在給定孔腔中的分析物濃度。在某些實(shí)施方案中，這種化學(xué)FET陣列/微流體混合結(jié)構(gòu)可用于分析包含核酸的感興趣的溶'^/材料。例如，這種結(jié)構(gòu)可用于以大批量序列測(cè)定核酸的方式來處理核酸。在不同方面中，這種序列測(cè)定可實(shí)施來檢測(cè)核^f列的同一性，用于核酸片段的單核普酸同質(zhì)多晶檢測(cè)、用于核M達(dá)鐠繪制(在兩個(gè)或更多狀態(tài)之間比較核^達(dá)譜，例如在患病和正常組織之間比較或在未經(jīng)治療的組織和用藥物、酶、射線或化學(xué)處理方式治療的組織之間比較)、用于單體型(比較存在于人對(duì)象中的兩等位基因的每一個(gè)上的基因和變異基因)、用于染色體組型(識(shí)別比較測(cè)試組織(典型的是從受孕前的胚胎/胎兒獲得以檢測(cè)出生缺陷)中的一種或多種基因和從"正常"的染色體組型體獲得的相同基因)以及用于基因型(比較一個(gè)物質(zhì)的第一個(gè)體中的一種或多種基因和相同物質(zhì)的其他個(gè)體中的相同基因)。但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，雖然本文公開的概念的某些說明性實(shí)例適用于核酸處理范疇，但是本文公開的涉及化學(xué)FET傳感器陣列的概念的應(yīng)用并不局限于這些實(shí)例。圖8—般性示出根據(jù)4^>開內(nèi)容的一個(gè)發(fā)明實(shí)施方案，包括大皿化學(xué)FET陣列的核酸處理系統(tǒng)1000。在以下討論中，為了說明的目的，將陣列的化學(xué)FET傳感器描述為對(duì)氫離子濃度敏感的ISFET。但是，當(dāng)認(rèn)識(shí)到，^^開內(nèi)容并不限于這個(gè)方面，且本文討論的任何實(shí)施方案中的ISFET都用作說明性實(shí)例，其他類型的化學(xué)FET也可以類似地用于替代性的實(shí)施方案中，如下文進(jìn)一步詳細(xì)討論的那樣。一方面，系統(tǒng)1000包括半導(dǎo)體/微流體混合結(jié)構(gòu)300,其包括ISFET傳感器陣列100和微流體流動(dòng)腔200。另一方面，流動(dòng)腔200設(shè)置為通過使多個(gè)序列測(cè)定試劑272(例如基質(zhì)dATP，dCTP,dGTP,dTTP和其他試劑)可控地i^X流動(dòng)腔來促進(jìn)設(shè)置在流動(dòng)腔中的核酸模板的序列測(cè)定。如圖8中所示，序列測(cè)定試劑進(jìn)入到流動(dòng)腔200可通過由計(jì)算機(jī)260控制的一個(gè)或多個(gè)閥270和一個(gè)或多個(gè)泵274來實(shí)現(xiàn)。在圖8的系統(tǒng)1000中，才艮據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，ISFET傳感器陣列100監(jiān)測(cè)發(fā)生在流動(dòng)腔200的不同部位的pH的變化，這種變化是由一種或多種構(gòu)成序列測(cè)定試劑272的基質(zhì)和核酸模板之間的化學(xué)反應(yīng)引起的。在下文詳細(xì)討論的其他實(shí)施方案中，F(xiàn)ET傳感器陣列可特別地設(shè)置成對(duì)可以提供與感興趣的化學(xué)反應(yīng)有關(guān)的相關(guān)信息的其他分析物具有敏感性。通過陣列控制器250(也受控于計(jì)算機(jī)260),可以控制ISFET陣列以l更獲得與分析物測(cè)量有關(guān)的數(shù)據(jù)，并且可通過計(jì)算機(jī)260來處理所采集的數(shù)據(jù)，以得到與核酸模板的處理有關(guān)的有意義的信息。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，pH的變化量通常與添加到核酸模板的特定類型的基質(zhì)(例如dATP，dCTP,dGTP，dTTP中的一種)的數(shù)量成比例。這種pH的變化可由在給定類型的基質(zhì)和模板之間反應(yīng)附近的陣列100的一個(gè)或多個(gè)ISFET的輸出電壓的變化來表示。因此，陣列的給定像素的輸出信號(hào)的電壓變化量可用于檢測(cè)添加到設(shè)置在位于給定像素上方的流動(dòng)腔內(nèi)的模板中的特定類型的基質(zhì)的數(shù)量。一方面，圖8中所示的系統(tǒng)1000的流動(dòng)腔200可以包拾沒置在ISFET陣列100的相應(yīng)傳感器上的多個(gè)孔腔(圖8中未示出)。許多技術(shù)都可用于將多種處理材料導(dǎo)入這種流動(dòng)腔的孔腔中。例如，流動(dòng)腔可以首先裝載通過將包含核酸模板的"微珠"離心進(jìn)孔腔中來進(jìn)行測(cè)序的核酸模板；作為替代方案，這種微珠可以依靠重力而tV孔腔中。在另一實(shí)例中，沒有使用微珠，而是用一組引物對(duì)M蓋孔腔，并且用適配器將核酸模板提供到流動(dòng)腔以補(bǔ)足引物對(duì)(可將固定材料添加到傳感器陣列100或添加到作為芯片封裝一部分的分立芯片或可正好在核酸處理之前添加)。包括溶膠凝膠的其他方法可用于將核酸模板固定到ISFET陣列100的表面附近。一M酸^^板裝載進(jìn)流動(dòng)腔200的相應(yīng)孔腔中，接著就可在孔腔中實(shí)施橋接擴(kuò)增，接著通過合成或連接反應(yīng)來實(shí)施產(chǎn)物變性和序列測(cè)定?？梢灶A(yù)見孔腔中的其他擴(kuò)增方法(和在孔腔中俘獲產(chǎn)物的方法)，其包括滾環(huán)擴(kuò)增或其他利用諸如PCR的等溫或非等溫?cái)U(kuò)增技術(shù)的方法。如圖8中所示，包含基質(zhì)的試劑可導(dǎo)入流動(dòng)腔(例如通過計(jì)算機(jī)控制的閥270和泵274)，并擴(kuò)散進(jìn)孔腔中，或者試劑可通過諸如噴墨打印的其他方法添加到流動(dòng)腔。在另一實(shí)例中，流動(dòng)腔200可不包含任何孔腔，且可采用試劑的擴(kuò)散特性來限制ISFET陣列100的各個(gè)傳感器之間的串?dāng)_?？傊瑘D8的系統(tǒng)中的流動(dòng)腔200可采取任意方式設(shè)置為在ISFET陣列100附近提供一種或多種分析物；例如，核酸模板(DNA)可直接固定或施加到適當(dāng)接近傳感器陣列IOO的一個(gè)或多個(gè)像素的位置處，或在位于傳感器陣列上的載體材料(例如一個(gè)或多個(gè)"^t珠，，)上。處理試劑(例如酶)還可以直接置于傳感器上或陣列附近的一個(gè)或多個(gè)固相栽體上，用于多種生物傳感器應(yīng)用的未使用孔腔或微珠的裝置中的酶產(chǎn)生傳感器可檢測(cè)到的產(chǎn)物(例如離子濃度的變化)。對(duì)于圖8中所示的系統(tǒng)1000的ISFET陣列100來^L，一個(gè)實(shí)施方案中，陣列100是作為利用標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝(例如0.35微米工藝、0.18微米工藝)設(shè)計(jì)和制造的集成電路而實(shí)現(xiàn)的，其包括需要用于檢測(cè)/測(cè)量一種或多種分析物的所有傳感器和電子裝置。再次參考圖1，用于連接ISFET陣列100的一個(gè)或多個(gè)參比電極76可置于流動(dòng)腔200中(例如i殳置在流動(dòng)腔的"未使用"的孔腔中)，或其可暴露于參比物(例如一種或多種序列測(cè)定試劑172)以建立基線，以用來比較陣列100的相應(yīng)ISFET附近的分析物濃度的變化。參比電極76可電連接到陣列100、陣列控制器250或直接連接到計(jì)算機(jī)260，以利于進(jìn)行基于從陣列IOO獲得的電壓信號(hào)的分析物測(cè)量；在某些實(shí)施方式中，參比電極可連結(jié)至電接地或其他預(yù)定電位，或者可測(cè)量相對(duì)于地電位的參比電極電壓，從而為ISFET輸出信號(hào)的測(cè)量建立電基準(zhǔn)，如下文進(jìn)一步討論的那樣。作為一維或二維陣列，ISFET陣列IOO并不限于任何特定尺寸，包括少至2-256^f象素(例如在二維實(shí)施方式中的16x16〗象素)或多至54兆像素(例如在二維實(shí)施方式中的7400x7400像素)或更大，且可用于依照本文公開的概念的各種化學(xué)/生物檢測(cè)目的。在圖8所示的典型系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案中，陣列的單個(gè)ISFET傳感器可以設(shè)置為對(duì)氫離子敏感；但是，還應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到^^開內(nèi)容并不限于這方面，例如ISFET傳感器陣列的單個(gè)傳感器可特別設(shè)置為對(duì)用于各種應(yīng)用(例如對(duì)公知的諸如鈉、銀、鐵、溴、碘、鈣和硝酸鹽的其他離子敏感的材料)的其他類型離子濃度具有敏感性。一般地說，根據(jù)^^開內(nèi)容的各個(gè)實(shí)施方案的化學(xué)FET陣列可設(shè)置為對(duì)各種分析物/化學(xué)物質(zhì)中的任意一種或多種具有敏感性。在一個(gè)實(shí)施方案中，陣列的一個(gè)或多個(gè)化學(xué)FET可特別^:置為對(duì)表示一種或多種結(jié)合事件(例如與核酸序列測(cè)定有關(guān))的一種或多種分析物具有敏感性，且在其他實(shí)施方案中，給定陣列的不同化學(xué)FET可設(shè)置為對(duì)不同分析物具有敏感性。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，陣列的一個(gè)或多個(gè)傳感器(像素)可包括第一類型的化學(xué)FET,其設(shè)置為對(duì)第一分析物化學(xué)敏感，而陣列的一個(gè)或多個(gè)其他傳感器包括第二類型的化學(xué)FET，其設(shè)置為對(duì)不同于第一分析物的第二分析物化學(xué)敏感。在一個(gè)典型實(shí)施方式中，第一分析物可以表示與核酸序列測(cè)定處理有關(guān)的第一結(jié)合事件，第二分析物可以表示與核酸序列測(cè)定有關(guān)的第二結(jié)合事件。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，可以在任何給定陣列中使用多于兩種不同類型的化學(xué)FET，以檢測(cè)和/或測(cè)量不同類型的分析物/結(jié)合事件。通常，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到在本文討論的傳感器陣列的任何實(shí)施方案中，給定的傳感器陣列可以是"同質(zhì)"的并且包括用以檢測(cè)和/或測(cè)量相同類型的分析物(例如pH或其他離子濃度)的基本類似或相同類型的化學(xué)FET，或者傳感器陣列可以是"異質(zhì)"的并且包括用以檢測(cè)和/或測(cè)量不同類型的分析物的不同類型的化學(xué)FET。為了簡(jiǎn)化所討論的內(nèi)容，在下文的傳感器陣列的各個(gè)實(shí)施方案中，再次用ISFET作為實(shí)例，但是4^>開內(nèi)容并不限于這方面，并且對(duì)于分析物敏感性的幾個(gè)其他選擇將進(jìn)一步在下文討論(例如結(jié)合圖11A)。在基于0.35微米CMOS工藝技術(shù)(或具有更小特征尺寸的CMOS工藝技術(shù))的典型實(shí)施方式中，ISFET陣列100的各個(gè)像素可包括ISFET和附屬的啟用/選擇部件，并且可以占據(jù)陣列表面上的約十微米乘十微米(即100微米2)或更小的面積；換句話說，可以獲得具有約10微米或更小間距(像素到像素的間隔)的陣列。相對(duì)于使得像素尺寸至少為12微米或更大的制造ISFET的現(xiàn)有嘗試來說，利用0.35微米CMOS工藝技術(shù)的約10微米的陣列間距在尺寸縮小方面取得了顯著的進(jìn)步。更具體地說，在根據(jù)本公開內(nèi)容的發(fā)明概念在下文進(jìn)一步討論的某些實(shí)施方案中，約九(9)微米的陣列間距使ISFET陣列可以包括256000以上的l象素(即512乘512的陣列)，該陣列與相應(yīng)的行和列選擇和偏置/讀出電子器件可制造在7毫米乘7毫米的半導(dǎo)體晶片上，而包括四百萬個(gè)<象素(即2048乘2048的陣列，大于4兆〗象素)的類似傳感器陣列可制造在21毫米乘21毫米的半導(dǎo)體晶片上。在其他實(shí)例中，約5微米的陣列間距使得ISFET陣列可以包括1.55兆個(gè)4象素(即1348乘1152的陣列)，該陣列與相應(yīng)的電子部件可制造在9毫米乘9毫米的晶片上，并且包括大于14兆個(gè)像素的ISFET傳感器陣列和相應(yīng)的電子部件可制造在22毫米乘20毫米的晶片上。在其他實(shí)施方式中，利用小于0.35微米的特征尺寸的CMOS制造工藝(例如0.18微米的CMOS工藝技術(shù))可以制造具有顯著低于5微米的間距的ISFET傳感器陣列(例如2.6微米的陣列間距或小于8或9微米2的像素面積)，其用于非常密集的ISFET陣列。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，大于10微米的像素尺寸(例如約20、50、IOO微米或更大)也可在根據(jù)^^開內(nèi)容的化學(xué)FET陣列的各個(gè)實(shí)施方案中實(shí)現(xiàn)。在圖8所示的系統(tǒng)的其他方面中，一個(gè)或多個(gè)陣列控制器250可用測(cè)量的輸出信號(hào))。在各個(gè)實(shí)施方式中，構(gòu)成一個(gè)或多個(gè)陣列控制器的一個(gè)或多個(gè)部件可與這些陣列的像素元件一起實(shí)現(xiàn)在與陣列相同的同一集成電路(IC)芯片上但在IC芯片的不同部分中，或者在芯片外實(shí)現(xiàn)。就陣列控制而言，ISFET的輸出信號(hào)的樣數(shù)轉(zhuǎn)換可通過在與ISFET陣列相同的集成電路芯片上但位于傳感器陣列區(qū)域之外實(shí)現(xiàn)的電路來實(shí)施(將模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路設(shè)置在傳感器陣列區(qū)域之外獲得了更小的間距并因此既實(shí)現(xiàn)了更大數(shù)量的傳感器又降低了噪聲)。在下文進(jìn)一步討論的各個(gè)示例性實(shí)施方式中，蔡數(shù)轉(zhuǎn)換可以是4位、8位、12位、16位或根據(jù)所需的信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍的其他的位分辨率。已經(jīng)提供了用于測(cè)量與核酸處理有關(guān)的一個(gè)或多個(gè)分析物的示例性系統(tǒng)1000中的化學(xué)FET(例如ISFET)陣列100的一般概述，以下將對(duì)根據(jù)>$^>開內(nèi)容的示例性化學(xué)FET陣列進(jìn)行更詳細(xì)的說明，該化學(xué)FET陣列可用于各種應(yīng)用中，其包括但不限于核酸處理。此外，為了"i兌明的目的，以下利用ISFET陣列的特定實(shí)例來討論才艮據(jù)>^/>開內(nèi)容的化學(xué)FET陣列，但其他類型的化學(xué)FET也可用于其他實(shí)施方案中。如上所述，本文公開的各個(gè)發(fā)明實(shí)施方案都是特別地針對(duì)與圖l-7有關(guān)的上述Milgrew等人的ISFET陣列設(shè)計(jì)以及其他現(xiàn)有ISFET陣列設(shè)計(jì)所作的改進(jìn)，以便明顯降低像素尺寸和陣列間距，且由此對(duì)于給定半導(dǎo)體晶片尺寸增加ISFET陣列的像素?cái)?shù)量(即像素密度)。在某些實(shí)施方式中，在4象素密度增加的同時(shí)伴隨有對(duì)應(yīng)于涉及一種或多種分析物的一種或多種化學(xué)性質(zhì)的相應(yīng)測(cè)量的輸出信號(hào)的信噪比(SNR)的增加以及可從陣列讀取的這種輸出信號(hào)的速度增加。特別是，申請(qǐng)人已經(jīng)驗(yàn)證并認(rèn)識(shí)到通itit松對(duì)ISFET線性度的要求，而將重點(diǎn)集中在進(jìn)一步限制信號(hào)輸出/測(cè)量的范圍(例如對(duì)應(yīng)于從約7至9而不是1至14的pH范圍的信號(hào)輸出)上，可以顯著降低單個(gè)像素的復(fù)雜度和尺寸，由此有助于實(shí)現(xiàn)非常大,密集的ISFET陣列。為此，圖9示出了根據(jù)4^>開內(nèi)容的一個(gè)發(fā)明實(shí)施方案的ISFET陣列100的一列102j，其中明顯簡(jiǎn)化了ISFET像素設(shè)計(jì)以利于實(shí)現(xiàn)小的像素尺寸。列102j包括ii個(gè)像素，其中第一和最后一個(gè)像素在圖9中示出為像素10^和105n。如結(jié)合圖13在下文進(jìn)一步討論的，基于圖9中所示的列設(shè)計(jì)的完整二維ISFET陣列100包括m個(gè)這種列102j(j=1，2，3，….附)，其一般是并排排列的連續(xù)〗象素列。在圖9中所示的實(shí)施方案的一個(gè)方面中，列102j的像素105i至105n中的每一個(gè)僅包括三個(gè)部件，即ISFET150(也標(biāo)記為Ql)和兩個(gè)MOSFET開關(guān)Q2和Q3。MOSFET開關(guān)Q2和Q3響應(yīng)于n個(gè)行選擇信號(hào)(RowSd至5^i:,邏輯低激活)中的一個(gè)，以啟用或選擇列102j的一個(gè)給定像素。用像素105i作為應(yīng)用于列的所有像素的實(shí)例，在經(jīng)由線11&接收到相應(yīng)的行選擇信號(hào)后，晶體管開關(guān)Q3通過線112i將可控電流源106j連接到ISFET150的源極。在接收到相應(yīng)的行選"^信號(hào)后，晶體管開關(guān)Q2通過線11^將ISFET150的源極連接到列偏置/讀出電路U0j。ISFET150的漏極通過線U^直接連接到偏置/讀出電路110j。因此，每個(gè)像素只需要四條信號(hào)線，即線112pIIA、116i和118i來操作像素105x的三個(gè)部件。在m列的陣列中，給定的行選擇信號(hào)同時(shí)施加到各列的一個(gè)像素(例如在相應(yīng)列的相同位置)上。如圖9所示，才艮據(jù)一個(gè)實(shí)施方案的列102j的i殳計(jì)是基于與圖3中所示的Milgrew等人的列設(shè)計(jì)有關(guān)的基本原則。具體而言，當(dāng)各個(gè)像素的ISFET啟用時(shí)，其設(shè)置具有恒定的漏電流Iuj和恒定的漏-源極電壓VDSj，以便根據(jù)上述等式(3)來獲得來自于啟用像素的輸出信號(hào)Vsj。為此，列102j包括一個(gè)可控電流源106j，其連接到模擬電路的正電源電壓VDDA且響應(yīng)于偏壓VBl,該偏壓VB1由列中的所有〗象素共享，從而為啟用像素的ISFET提供恒定的漏電流lDj。一方面，電流源106j執(zhí)行實(shí)現(xiàn)為電流鏡像，其包括兩個(gè)長(zhǎng)溝道長(zhǎng)度且高輸出阻抗的MOSFET。列還包括偏置/讀出電路110j，其也由列中的所有像素共享，以向啟用像素的ISFET提供恒定的漏-源極電壓。偏置/讀出電路UOjU于開爾文電橋構(gòu)造的，且包括兩個(gè)運(yùn)算放大器107A(Al)和107B(A2),上述兩個(gè)運(yùn)算放大器設(shè)置為緩沖放大器并連接到模擬電路正電源電壓VDDA和模擬電源接地電壓VSSA。偏置/讀出電路還包括可控電流宿108j(類似于電流源106j)和連接二極管的MOSFETQ6，可控電流宿108j連接到模擬接地電壓VSSA且響應(yīng)于偏置電壓VB2。設(shè)定/控制偏置電壓VB1和VB2以協(xié)同提供互補(bǔ)源和反向電流。由于電流宿108j拉電流所產(chǎn)生的跨連接二極管的MOSFETQ6的電壓被運(yùn)算放大器強(qiáng)制產(chǎn)生在啟用像素的ISFET的漏極和源極兩端，成為恒定的漏-源極電壓VDSj。通過在圖9的偏置/讀出電路110j中使用連接二極管的MOSFETQ6，而不是圖3中示出的Milgrew等人的設(shè)計(jì)中所示的電阻RsDj，從而在CMOS制造工藝中提供了明顯的優(yōu)點(diǎn)。具體而言，匹配電阻一般可以制造為具有約±20%的容錯(cuò)率，然而與CMOS制造工藝匹配的MOSFET的容錯(cuò)率為約±1%或更好。負(fù)責(zé)提供恒定的ISFET漏-源極電壓VDSj的部件的匹配程度可從列到列顯著影響從列到列的測(cè)量精度(例如偏差)。因此，使用MOSFETQ6而不使用電阻明顯降低了從列到列的測(cè)量偏差。而且，盡管電阻和ISFET的熱偏移特性可以略微不同，但是MOSFET和ISFET的熱偏移特性即便不是實(shí)質(zhì)上相等也是基本類似的；因此，MOSFETQ6中的任意熱偏移實(shí)質(zhì)上消除了ISFETQl的任意熱偏移，這就導(dǎo)致在陣列溫度變化時(shí)更好的測(cè)量穩(wěn)定性。圖9中，列偏移/讀出電路110j還包括釆樣/保持和緩沖電路，用于提供來自列的輸出信號(hào)Vc叫。具體而言，在通過各個(gè)像素中的晶體管Q2和Q3啟用或選擇像素105i至105n中的一個(gè)之后，放大器107A(Al)的輸出，即緩沖的Vsj通過響應(yīng)于列取樣和保持信號(hào)COLSH的開關(guān)(例如傳輸門電路)操作存儲(chǔ)到列取樣和保持電容Csh中。用于取樣和保持電容的合適電容值的實(shí)例包括但不限于從約500fF至2pF的范圍。取樣電壓通過列輸出緩沖放大器lllj(BUF)被緩沖并提Wt為列輸出信號(hào)Vcolj。還如圖9中所示的，基準(zhǔn)電壓VREF可通過響應(yīng)于控制信號(hào)CAL的開關(guān)而施加到緩沖放大器lllj，以利于由于緩沖放大器lllj造成的列到列的非均勻性的特性化，且因此允許后讀出數(shù)據(jù)校正。圖9A示出了用于偏置/讀出電路110j的放大器107A的其中一個(gè)的示例性電路圖(與放大器107B的電路圖相同)，且圖9B是放大器107A和107B的放大器偏壓對(duì)帶寬的曲線圖。如圖9A中所示，放大器107A使用了基于九個(gè)MOSFET(Ml至M9)的多電流鏡像的設(shè)置，且設(shè)置為統(tǒng)一增益緩沖器，其中放大器的輸入和輸出分別概括標(biāo)記為IN+和VOUT。偏壓VB4(表示相應(yīng)的偏置電流)控制放大器的互阻抗并作為帶寬控制(即隨著電流的增大而增加帶寬)。再次參照?qǐng)D9，由于采樣和保持電容C化的存在，當(dāng)采樣和保持開關(guān)關(guān)閉時(shí)，放大器107A的輸出實(shí)質(zhì)上驅(qū)動(dòng)濾波器。因此，為了實(shí)現(xiàn)可觀地高數(shù)據(jù)速度，可以調(diào)節(jié)偏壓VB4以提供較高的偏置電流并增加放大器帶寬。從圖9B中可以觀察到，在某些示例性實(shí)施方式中，可以實(shí)現(xiàn)至少40MHz甚至更大的放大器帶寬。在某些實(shí)施方式中，高達(dá)100MHz的放大器帶寬可適于容易獲得高數(shù)據(jù)采集速度和相對(duì)低的像素釆樣或"暫停"時(shí)間(例如約10至20微秒)。在圖9中所示的實(shí)施方案的另一方面中，與圖3中所示的Milgrew等人的像素設(shè)計(jì)不同的是，像素10&至105n都不包括任何同時(shí)需要n溝道和p溝道FET部件的傳輸門電路或其他器件；具體而言，本實(shí)施方案中的像i105i至105n僅包括同一類型(僅為n溝道或僅為p溝道)的FET器件。為了說明的目的，圖9中示出的像素105i至105n都表示為僅包括p溝道部件，即兩個(gè)p溝道MOSFETQ2和Q3以及p溝道ISFET150。不通過使用傳輸門電路將ISFET的源極連接到偏置/讀出電路llOj,這可能會(huì)犧牲ISFET輸出信號(hào)(即ISFET源極電壓Vs)的某些動(dòng)態(tài)范圍。但是，申請(qǐng)人:驗(yàn)證并認(rèn)識(shí)到，通過上述潛在的某些輸出信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍(由此潛在地限制了給定化學(xué)特性例如pH的測(cè)量范圍)，可以消除對(duì)各個(gè)^L素中的不同類型(n溝道和p溝道)的FET器件的需求，且減少了像素部件的數(shù)量。如結(jié)合附圖10-12進(jìn)一步在下文討論的，這明顯有助于〗象素尺寸的降低。因此，在一個(gè)方面中，這是一種在減小的動(dòng)態(tài)范圍和較小的像素尺寸之間有益的權(quán)衡。在圖9所示的實(shí)施方案的另一方面中，與Milgrew等人的像素設(shè)計(jì)不同的是，各個(gè)像素105i至105n的ISFET150都沒有將其體連接連接到其源極(即，沒有連接ISFET的體連接和源極的電導(dǎo)體，這種電導(dǎo)體迫使ISFET的體連接和源極在工作期間處于相同的電位)。相反，陣列的所有ISFET的體連接都彼此連接且連接到體偏壓VBODY。雖然沒有在圖9中明確示出，但是用于MOSFETQ2和Q3的體連接同樣也沒有連接到它們各自的源極，而是連接到體偏壓VBODY。在基于具有所有p溝道部件的像素的一個(gè)示例性實(shí)施方式中，體偏壓VBODY連接到陣列可具有的最高電壓電位(例如VDDA),如結(jié)合附圖17在下文進(jìn)一步討論的那樣。通過將各個(gè)ISFET的體連接都不連接到它們的源極，某些非零的源至體電壓VsB有可能會(huì)產(chǎn)生"體效應(yīng)"，如結(jié)合附圖1在上文所討論的那樣，其才艮據(jù)非線性關(guān)系而影響ISFET的閣值電壓VTH(因此，才艮據(jù)等式(3),會(huì)影響諸如pH的化學(xué)性質(zhì)的測(cè)量)。但是，申請(qǐng)人已經(jīng)驗(yàn)證并認(rèn)識(shí)到，通過將重點(diǎn)集中在降低ISFET輸出信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍上，因非零的源至體電壓而可能發(fā)生在ISFET中的任何體效應(yīng)都可被相對(duì)地最小化。因此，可能導(dǎo)致降低的動(dòng)態(tài)范圍的任何測(cè)量的非線性度可因不重要而被忽略或予以考慮并補(bǔ)償(例如通過陣列校準(zhǔn)和數(shù)據(jù)處理技術(shù)，如結(jié)合圖17在下文進(jìn)一步討論的那樣)。申請(qǐng)AJi驗(yàn)證并認(rèn)識(shí)到，通過將各個(gè)ISFET的體連接都不連接到它們的源極，構(gòu)成像素的所有FET都可以共享一個(gè)公用的體連接，由此進(jìn)一步促進(jìn)像素尺寸的削減，如結(jié)合圖10-12在下文進(jìn)一步討論的那樣。因此，在另一方面中，這是一種在減小的動(dòng)態(tài)范圍和較小的像素尺寸之間有益的權(quán)衡。圖IO示出了才艮據(jù)^^>開內(nèi)容的一個(gè)發(fā)明實(shí)施方案的圖9中所示的《象素10&的芯片布圖設(shè)計(jì)的俯視圖。圖IIA示出了沿著圖10中所示的像素的I一I線的組合截面圖，包括在II一II線和III一III線之間的圖10右半部的其他元件，其示出《象素制造的層疊結(jié)構(gòu)圖，并且圖12A至12L提供了圖11A中所示的各個(gè)制造層的俯視圖(圖12A至12L中的各個(gè)圖象順序疊置以形成圖10中所示的像素芯片的布圖設(shè)計(jì))。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，圖10-12中示出的像素設(shè)計(jì)可利用標(biāo)準(zhǔn)的4-金屬、2-多晶珪的0.35微米CMOS工藝來實(shí)現(xiàn)，以提供幾何正方形的像素，其具有在圖10中示出為約9微米的尺寸"e"，以及對(duì)應(yīng)于ISFET的敏感區(qū)域的約為7微米的尺寸"f，。在圖IO的俯視圖中，ISFET150(在圖IO中標(biāo)記為QI)通常占據(jù)了像素圖示的右中部，且ISFET的柵極、源極和漏極區(qū)域的相應(yīng)位置表示為Ql(j、Q1s和Q1d。MOSFETQ2和Q3通常占據(jù)了像素圖示的左中部；MOSFETQ2的柵極和源^L^示為Q2g和Q2s,MOSFETQ3的柵極和源^L^示為Q3g和Q3s。在圖10所示的布圖的一個(gè)方面中，MOSFETQ2和Q3共用漏極，其表示為Q2/3n。在另一方面中，通常從圖10的俯視圖中可以觀察到ISFET形成為其溝道位于沿著像素的第一軸的方向(例如平行于線I-I)，而MOSFETQ2和Q3形成為它們的溝道位于沿著垂直于第一軸的第二軸的方向。圖10還示出了四條用于操作〗象素的線，即，連接到Q3的源極的線112p連接到Q2的源極的線114"連接到ISFET的漏極的線116i和連接到Q2和Q3的柵極的行選擇線118lB參考圖9，可以認(rèn)識(shí)到給定列中的所有像素都共用線112、114和116(例如圖10中垂直跨過像素的線)，且給定行中的所有像素都共用線118(例如圖10中水平跨過像素的線)；因此，根據(jù)圖9的像素設(shè)計(jì)和圖10中所示的布圖，僅需要四條橫跨各個(gè)像素的金屬線?，F(xiàn)在參考圖11A的截面圖，n-阱154中的高摻雜p型區(qū)域156和158(沿著圖10中線I-I設(shè)置)構(gòu)成了ISFET的源極(S)和漏極(D),它們之間i更置n-阱的區(qū)域160，在該區(qū)域中ISFET的p溝道形成在ISFET的多晶硅柵極164和柵極氧化物165下方。根據(jù)圖10和11中所示的發(fā)明實(shí)施方案的一個(gè)方面，像素105i的所有FET部件都制造為p溝道FET,其形成在p型半導(dǎo)體襯底152中的單一n型阱154中。能夠?qū)崿F(xiàn)這種與Milgrew等人的設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)是因?yàn)椋?)在像素中不需JMt輸門電路；以及2)ISFET的源極沒有連接到n-阱的體連接。更具體地說，高摻雜的n型區(qū)域162為n-阱154提供了體連接(B)，且如圖10中所示，體連接B連接到圍繞像素10^周邊的金屬導(dǎo)體322。但是，體連接既沒有直接電連接到ISFET的源極區(qū)域156(即，沒有連M連接和源極以使它們?cè)诠ぷ髌陂g具有相同電位的電導(dǎo)體)，也沒有直接電連接到像素中任何部件的柵極、源極或漏極。因此，像素的其他p溝道FET部件，即Q2和Q3，可制it^同一n-阱154中。在圖IIA的組合截面圖中，還可觀察到對(duì)應(yīng)于MOSFETQ2和Q3的共用漏極(D)的高摻雜p型區(qū)域159(沿著圖10中的線I-I設(shè)置)。為了說明的目的，在圖11A+還可觀察到MOSFETQ3的多晶珪柵極166，雖然這個(gè)柵極沒有沿著圖10中的線I-I設(shè)置，但是其設(shè)置在沿著線I-I的截面的"平面之后"。但是，為了簡(jiǎn)化，圖10中所示的MOSFETQ2和Q3的各個(gè)源極，以及Q2的柵極都未在圖IIA中示出，因?yàn)樗鼈冇捎诠灿寐O因而都沿著相同的軸(即，垂直于圖示的平面)設(shè)置(如果在圖11A中示出它們，則這些元件將使圖IIA的組合截面圖變得非常復(fù)雜)。除圖11A中所示的襯底、柵極氧化物和多晶硅層之外，提供多個(gè)附加層來為不同的像素部件建立電連接，其包括從中穿過形成導(dǎo)電通孔的交替的金屬層和氧化層。才艮據(jù)4-金屬CMOS工藝，圖11A中的這些層標(biāo)記為"接觸"、"金屬1"、"通孔1"、"金屬2"、"通孔2"、"金屬3"、"通孔3"和"金屬4"。為了特別有助于對(duì)ISFET的電連接的理解，圖11A的組合截面圖示出了像素制造的其他元件，這些其他的元件位于圖10線II-II和III-III之間的俯視圖的右側(cè)。對(duì)于ISFET的電連接來說，最上面的金屬層304對(duì)應(yīng)于ISFET的敏感區(qū)域178，在該敏感區(qū)域上設(shè)置有分析物敏感的鈍化層172。最上面的金屬層304以及ISFET的多晶硅柵164和中間導(dǎo)體306、308、312、316、320、326和338—同構(gòu)成了ISFET的"浮柵"結(jié)構(gòu)170，其模式與在上文討論的結(jié)合圖1中所示的常規(guī)ISFETi殳計(jì)類似。通過連接到線116i的導(dǎo)體340、328、318、314和310為ISFET的漏極提供電連接。通過導(dǎo)體334和336以及導(dǎo)體324將ISFET的源極連接到MOSFETQ2和Q3的共用漏極(其沿著圖10中的線I-I設(shè)置)。通過導(dǎo)體330和332將連接到n-阱154的體連接162電連接到"金屬l"層上的像素的外周周圍的金屬導(dǎo)體322。如上所指出的，圖12A至12L提供了圖IIA中所示的各個(gè)制造層的俯視圖(圖12A至12L中的各個(gè)圖象順序疊置形成圖10中所示的像素芯片布圖設(shè)計(jì))，圖12中，各個(gè)層的印有字母的俯視圖和圖IIA的截面圖之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系如下A)n型阱154;B)注入；C)擴(kuò)散；D)多晶硅柵極164(ISFET)和166(MOSFETQ2和Q3);E)接觸；F)金屬1;G)通孔l;H)金屬2;1)通孔2;J)金屬3;K)通孔3;L)金屬4(接觸ISFET柵極的頂電極)。圖12A至12L中表示的各個(gè)附圖標(biāo)記都對(duì)應(yīng)于圖IIA的組合截面圖中存在的相同的部件。因此，圖10、11和12A至12L中所示的像素芯片布圖i殳計(jì)示出了，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，相同類型的FET器件可用于像素的所有部件，且所有部件都可以在單一阱中實(shí)現(xiàn)。這顯著降^(氐了^象素所需的面積，由此有助于增加給定區(qū)域中的像素密度。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，ISFET的柵極氧化物165可制造為具有約75埃的厚度，導(dǎo)致每單位面積的柵極氧化物電容C為4.5fF/ftm2。而且，多晶硅柵極164可制造為具有對(duì)應(yīng)1.2nm的溝道寬度W和從0.35至0.6nm的溝道長(zhǎng)度L(即W/L的范圍從約2至3.5)的尺寸，且區(qū)域160的摻雜可以選擇為使得p溝道的載流子遷移率為l卯cmVv.s(即1.9E10Hm2/V's)。從上文的等式(2)可知，這導(dǎo)致ISFET的跨導(dǎo)M)9為約170至300jiA/V2。在本示例性實(shí)施方式的其他方面中，模擬電源電壓VDDA為3.3伏特，且偏置VB1和VB2以提供約5jiA的恒定ISFET漏電流IDj(在某些實(shí)施方式中，可以調(diào)整VB1和VB2以提供從約1jiA至20pA的漏電流)。而且，MOSFETQ6(參見圖9中的偏置/讀出電路110j)的尺寸設(shè)置為其溝道寬長(zhǎng)比(例如W/L為約50)使得在5fiA的給定電流IDj下，Q6兩端的電壓為800mV(即Vosj-800mV)。從*式(3)可知，基于這些示例性M，這提供了在約0.5至2.5伏特范圍內(nèi)的像素輸出電壓VSj以及在約0至2伏特范圍內(nèi)的ISFET閾值電壓變化。對(duì)于圖11A中所示的分析物敏感鈍化層172來說，在示例性的CMOS實(shí)現(xiàn)過程中，鈍化層可特別對(duì)氫離子濃度敏感，并且可包括氮化硅(Si3N4)和/或氮氧化硅(ShN20)。在常規(guī)CMOS工藝中，鈍化層可通過一次或多次連續(xù)沉積這些材料而形成，且通常用來處理或覆蓋器件以保護(hù)器件免受污染和增加電穩(wěn)定性。氮化硅和氮氧化硅所具有的材料性質(zhì)使得包括這些材料的鈍化層提供劃傷保護(hù)并作為對(duì)水和鈉的擴(kuò)散能夠起到有效阻擋的阻擋層，而水和鈉的擴(kuò)散會(huì)導(dǎo)致器件的金屬化結(jié)構(gòu)被腐蝕和/或器件的運(yùn)行變得不穩(wěn)定。包括氮化硅和/或氮氧化硅的鈍化層還在ISFET器件中提供離子敏感性，這是由于鈍化層包含的表面基團(tuán)可給予或接受來自與其接觸的分析物溶液的質(zhì)子，由此改變了表面電勢(shì)和器件的閾值電壓VTH，正如結(jié)合圖1在上文所討論的那樣。對(duì)于利用鋁(其熔點(diǎn)約為650攝氏度)作為金屬的CMOS工藝來說，一般通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)來形成氮化硅和/或氮氧化硅的鈍化層，其中在250-350攝氏度的輝ib改電使得形成氮化硅或氮氧化硅的組分氣體被離子化，產(chǎn)生了在晶片表面反應(yīng)的活性種，從而形成了相應(yīng)材料的疊層。在一個(gè)示例性工藝中，可通過氮氧化硅薄層的初始沉積(約0.2至0.4nm)，IC^執(zhí)行氮氧化珪的較厚層的沉積(約0.5nm)以及氮化珪的最后沉積(約0.5nm)來形成具有約1.0至1.5nm厚度的鈍化層。因?yàn)镻ECVD工藝中采用低沉積溫度，所以鋁金屬化不會(huì)受到不利影響。但是，申請(qǐng)人已經(jīng)驗(yàn)證并認(rèn)識(shí)到，雖然低溫PECVD工藝為常規(guī)CMOS器件提供了充分的鈍化，但是低溫工藝通常產(chǎn)生低密度且Wt多孔的鈍化層，其在某些情況下會(huì)不利地影響ISFET的閾值電壓的穩(wěn)定性。特別是在ISFET器件的工作期間，隨著時(shí)間的流逝，低密度多孑L鈍化層會(huì)從溶液中吸附離子并被這些離子所飽和，這進(jìn)而會(huì)導(dǎo)致不希望出現(xiàn)的ISFET閾值電壓VTH的時(shí)變偏移，從而使精密測(cè)量面臨挑戰(zhàn)。鑒于上述情況，在一個(gè)實(shí)施方案中，用金屬鎢代替鋁的CMOS工藝可用來制造根據(jù)4^>開內(nèi)容的ISFET陣列。鴒的高熔點(diǎn)(3400攝氏度以上)允許使用具有較高溫度的低壓化學(xué)氣相沉積(LPCVD)工藝(例如約700至800攝氏度)來制造氮化硅或氮氧化硅鈍化層。通常，LPCVD工藝會(huì)產(chǎn)生用于鈍化層的較大密度和較少孔隙的膜，由此緩解從分析物溶液吸附離子導(dǎo)致ISFET的閾值電壓偏移的潛在不利影響。在j吏用鋁基CMOS工藝制造根據(jù)^^開內(nèi)容的ISFET陣列的另一實(shí)施方案中，圖11A中所示的鈍化層172可以包括除用于常規(guī)CMOS工藝中的典型的沉積方法和/或材料之外的其他沉積方法和/或材料。例如，鈍化層172可包括如上所述的氮化硅和/或氮氧化硅的初始低溫等離子體輔助沉積(PECVD);對(duì)本討論內(nèi)容來說，圖11A中說明的這些常規(guī)的沉積物作為鈍化層172的第一部分172A。在一個(gè)實(shí)施方案中，第一部分172A形成之后，沉積一種或多種其他鈍化材料以形成至少第二部分172B，以增加整個(gè)鈍化層172的密度并降低孔隙度(和吸附性)。但是所示的附加部分172B主要用于對(duì)圖11A的i兌明，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到4^Hf內(nèi)容不局限于這方面，因?yàn)檎麄€(gè)鈍化層172可包括兩個(gè)或多個(gè)組成部分，其中各個(gè)部分都可包括由相同或不同材料構(gòu)成的一個(gè)或多個(gè)層，并JJt目應(yīng)的部分可具有相似或不同的結(jié)構(gòu)。適用于鈍化層172的第二部分172B(或其他部分)的對(duì)氫離子特別敏感的材料的實(shí)例包括但不限于氮化硅、氮氧化硅、氧化鋁(Al20"、氧化鉭(Ta30s)、氧化錫(Sn02)和二氧化硅((Si02)。一方面，可通過各種相對(duì)低溫的工藝來沉積第二部分172B(或其他部分)，其包括但不限于RF濺射、DC磁控賊射、熱或電子束蒸發(fā)和離子輔助沉積。另一方面，可在第二部分172B的沉積之前使用預(yù)濺射蝕刻工藝，以移除第一部分172A上的任何天然氧化物(作為替代方案，諸如高溫氫氛圍的還原性氛圍可用于移除第一部分172A上的天然氧化物)。又一方面，如上所述，第二部分172B的厚度可為約0.04nm至0.06nm(400至600埃)，且第一部分的厚度可為約1.0至1.5nm。在某些實(shí)施方式中，第一部分172A可包括氮氧化硅和氮化硅的多層，該多層的組合厚度為1.0至1.5nm,且第二部分172B可包括氧化鋁或氧化鉭的單層，該單層厚度約為400至600埃。此外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到提供上述示例性的厚度主要用于說明的目的，且4^>開內(nèi)容并不限于這些方面。因此，可以理解的是，本文說明的化學(xué)FET陣列可用于檢測(cè)多種分析物，且通過這種檢測(cè)可以監(jiān)測(cè)各種反應(yīng)和/或相互作用。還可以理解的是，著重于氫離子的檢測(cè)(以pH的變化的形式進(jìn)行)是為了簡(jiǎn)便和簡(jiǎn)潔起見，其他分析物(包括其他離子)可代替這些說明中的氫。本文公開的包括ISFET的化學(xué)FET能夠檢測(cè)任何其本身能夠誘發(fā)電場(chǎng)變化的分析物。分析物無需為了被傳感器檢測(cè)而帶電。例如，根據(jù)一個(gè)實(shí)施方案，分析物可以帶正電(即陽離子)、帶負(fù)電(即陰離子)、為兩性離子(即能夠具有兩電量相等且電性相反的電荷，但整體呈電中性)以及為極化但仍呈中性。這個(gè)列表并不完備，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)本文的公開內(nèi)容可以預(yù)期其他分析物質(zhì)類以及每個(gè)種類中的物質(zhì)。在本發(fā)明的最廣泛地意義中，鈍化層可以覆蓋或不覆蓋，且分析物可以結(jié)合或可以不結(jié)合鈍化層。作為一個(gè)實(shí)例，鈍化層可由氮化珪構(gòu)成，且分析物可以是除氫離子外的其他物質(zhì)。作為一個(gè)特定實(shí)例，鈍化層可由氮化硅構(gòu)成，且分析物可以是無機(jī)焦磷酸鹽(PPi)。在這些實(shí)例中，直接檢測(cè)PPi(即，沒有直接或間接附著到鈍化層的PPi受體)。如果所要檢測(cè)的分析物是氫(或可替換為氫氧化物)，則優(yōu)選使用弱緩沖劑，以便在鈍化層處可檢測(cè)到離子物質(zhì)的任何變化。如果所要檢測(cè)的分析物是除氫(或氫氧化物)以外的其他物質(zhì)，M反應(yīng)或檢測(cè)步驟期間存在pH變化的某些可能性，則優(yōu)選使用強(qiáng)緩沖劑，以便pH的變化不會(huì)干4W分析物的檢測(cè)。緩沖劑是一種抵抗pH變化的離子分子。緩沖劑能夠中和添加到或產(chǎn)生于溶液中的酸或堿，這致使溶液中沒有顯著的pH變化?？梢岳斫獾氖侵灰哂兴璺秶鷥?nèi)的pKa,則任意緩沖劑都是適當(dāng)?shù)?。合適的緩沖劑是能在約6至9的pH范圍內(nèi)發(fā)揮功能的緩沖劑，且更優(yōu)選地在6.5至8.5的范圍內(nèi)。緩沖劑的強(qiáng)JLA相對(duì)的，因?yàn)槠淙Q于添加到或產(chǎn)生于感興趣的溶液中的酸或堿的性質(zhì)、強(qiáng)度和濃度。弱緩沖劑是一種允許檢測(cè)(因此不能控制)至少約為+/-0.005、0.01、0.015、0.02、0.03、0.04、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.45、0.50或更大的pH變化的緩沖劑。在某些實(shí)施方案中，pH的變化大約為0.005(例如每個(gè)核苷酸合并)，且優(yōu)選為pH增加。強(qiáng)緩沖劑是一種控制至少約為+/-0.005、0.01、0.015、0.02、0.03、0.04、0.05、0.10、0.15、0.20、0.25、0.30、0.35、0.45、0.50或更大的pH變化的緩沖劑?？赏ㄟ^改變緩沖物質(zhì)本身的濃度來改變緩沖劑強(qiáng)度。因此低濃度緩沖劑可以是低強(qiáng)度緩沖劑。實(shí)例包括那些具有小于1mM(例如50-lOOjiM)緩沖物質(zhì)的緩沖劑。適用于本文說明的讀出pH變化的序列測(cè)定反應(yīng)的弱緩沖劑的一個(gè)非限制實(shí)例是O.lmMTris或Tricine。實(shí)例中提供的可適用的弱緩沖劑的實(shí)例在本領(lǐng)域也是公知的。緩沖劑濃度越高則緩沖劑的強(qiáng)度可能越強(qiáng)。其實(shí)例包括具有1-25mM緩沖物質(zhì)的那些。適用于本文說明的PPi直接讀出的序列測(cè)^應(yīng)的強(qiáng)緩沖劑的一個(gè)非限制實(shí)例是1.5或25mM(或更大)Tris或Tricine。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能確定用于本發(fā)明所涵蓋的反應(yīng)和檢測(cè)方法的最優(yōu)緩沖劑。在某些實(shí)施方案中，鈍化層和/或覆蓋在其上的分子指示出陣列讀出裝置的分析物特異性。氫離子(以pH的形式)的檢測(cè)可利用由氮化硅(Si3N4)、氮氧化硅(Si2N20)、氧化硅(Si02)、氧化鋁(AM33)、五氧化二鉭(Ta2Os)、氧化錫或二氧化錫(Sn02)等制成的鈍化層來實(shí)施。鈍化層還能直接檢測(cè)的其他離子物質(zhì)包括但不限于鈣、鉀、鈉、碘、鎂、氯、鋰、鉛、銀、鎘、硝酸根、磷酸根、二氬磷酸根等。在某些實(shí)施方案中，鈍化層覆蓋有用于所感興趣的分析物的受體。受體選擇性結(jié)合目標(biāo)分析物。如這里使用的，選擇性結(jié)合分析物的受體是優(yōu)先結(jié)合該分析物(即，其對(duì)該分析物的結(jié)合親和力大于其對(duì)任何其他分析物的結(jié)合親和力)的分子。其對(duì)于目標(biāo)分析物的結(jié)合親和力可以是對(duì)任何其他分析物的結(jié)合親和力的2倍、3倍、4倍、5倍、6倍、7倍、8倍、9倍、10倍、15倍、20倍、25倍、30倍、40倍、50倍、100倍或更大。除其相對(duì)結(jié)合親和力之外，受體還必須具有絕對(duì)結(jié)合親和力，該絕對(duì)結(jié)合親和力是足以有效結(jié)合目標(biāo)分析物的結(jié)合親和力(即，其必須具有足夠的靈敏度)。具有在皮摩爾至微摩爾范圍內(nèi)的結(jié)合親和力的受體是適宜的。優(yōu)選地，這種相互作用是可逆的。受體可以是任何自然物質(zhì)(例如，化學(xué)物、核酸、肽、脂類、其組合等等)。分析物也可以是任何自然物質(zhì)，只要存在選擇性與其結(jié)合且在某些情況下特特異性與其結(jié)合的受體即可。但是可以理解的是，本發(fā)明還考慮到了在不存在受體的情況下分析物的檢測(cè)。這樣的一個(gè)實(shí)例是不存在PPi或Pi受體的情況下通過鈍化層對(duì)PPi和Pi的檢測(cè)。一方面，本發(fā)明所關(guān)注的受體是離子載體。如這里所^^用的，離子載體是一種選擇性結(jié)合離子物質(zhì)無論是陽離子或陰離子的分子。在本發(fā)明的范疇中，離子栽體是受體，與其結(jié)合的離子是分析物。本發(fā)明的離子載體包括本領(lǐng)域公知的來源于微生物的栽流子離子栽體(即，結(jié)合到特定離子的小脂類可溶分子)?？蓮睦鏑albiochem的來源那里市購各種離子載體?？赏ㄟ^利用鈍化層本身或通過利用覆蓋在鈍化層上的受體來實(shí)現(xiàn)某些離子的檢測(cè)。例如，利用聚硅氧烷、纈氨霉素或鹽霉素可選擇性地檢測(cè)鉀；利用莫能菌素、制霉菌素或SQI-Pr可選擇性地險(xiǎn)測(cè)鈉；利用ionomycin、釣霉素(A23187)或CA1001(ETH1001)可選擇性地檢測(cè)4丐。在某些情況下，還可使用能夠結(jié)合多于一種離子的受體。例如，白僵菌毒素可用于檢測(cè)鈣和/或鋇離子，尼日利亞菌素可用于檢測(cè)鉀、氫和/或鉛離子，克殺汀(gramicidin)可用于檢測(cè)氫、鈉和/或鉀離子。本領(lǐng)域技術(shù)人員將能認(rèn)識(shí)到這些化合物可用于不要求單一離子特異性或其中不會(huì)(或不可能)存在或產(chǎn)生與化合物結(jié)合的其他離子的應(yīng)用中。其他實(shí)施方案包括但不限于核酸序列測(cè)定應(yīng)用，可利用選擇性結(jié)合無機(jī)焦磷酸鹽(PPi)的受體。PPi受體的實(shí)例包括圖11B中所示的化合物(化合物1-10)?；衔?記栽于AngewChemIntEd200443:4777-4780和US2005/0119497Al中，稱為p-萘基-二(二(2-氮苯基甲基)M)甲基酚?；衔?記載于JAmChemSoc2003125:7752-7753和US2005/0119497Al中，稱為p-(p-硝基苯偶氮基)-二[(二(2-氮苯基甲基-l)^Jo甲基酚(或其雙核Zn配合物)?；衔?記載于SensorsandActuatorsB199529:324-327中?；衔?記載于AngewChemIntEd200241(20):3811-3814中。化合物5記載于WO2007/002204中，其中稱為二^!12+-二吡啶甲基胺(Zn2+-DPA)?；衔?和2的合成方案在US2005/0119497Al中提供并示出。圖11C中示出化合物4的示例性合成。圖HE中示出化合物10與金屬氧化物表面的附著。作為另一實(shí)例，用于神經(jīng)毒素的受體記栽于SimonianElectroanalysis2004,16:1896-1卯6。受體可以共價(jià)的或非共價(jià)的連接到鈍化層。受體對(duì)鈍化層的共價(jià)連接可以是直接的或間接的(例如，通過連接劑)。圖UD示出利用珪烷醇化學(xué)將受體共價(jià)結(jié)合到鈍化層。受體例如可以利用脂族伯胺(左下部)或芳基異硫氰酸鹽(右下部)而固定在鈍化層上。在這些和其他實(shí)施方案中，鈍化層本身可由氮化硅、氧化鋁、氧化硅、五氧化二鉭等構(gòu)成，并通過其反應(yīng)表面基團(tuán)而結(jié)合到硅烷層。為了更詳細(xì)描述用于共價(jià)結(jié)合到FET表面的硅烷醇的化學(xué)處理，至少下列公開內(nèi)容可作為參考對(duì)于氮化硅來說，參見SensorsandActuatorsB199529:324-327，JpnJApplPhys199938:3912-3917andLangmuir200521:395-402;對(duì)于氧化珪來i兌，參見ProteinSci19954:2532-2544andAmBiotechnolLab200220(7):16-18;且對(duì)于氧化鋁來說，參見ColloidsandSurfaces199263:1-9,SensorsandAccuatorsB200389:40-47,以及BioconjugateChem19978:424-433。接著將受體共軛到硅烷化層的反應(yīng)基團(tuán)。這種后續(xù)的結(jié)合可通過利用雙官能團(tuán)連接劑而直接或間接發(fā)生，如圖11D中所示的那樣。雙官能團(tuán)連接劑是一種具有可以結(jié)合兩個(gè)部分的至少兩個(gè)反應(yīng)基團(tuán)的化合物。在某些情況下，反應(yīng)基團(tuán)位于連接劑的兩端。在某些實(shí)施方案中，雙官能團(tuán)連接劑是通用雙官能團(tuán)連接劑，如圖11D中示出的那些。通用連接劑是能用于連接多種部分的連接劑。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到圖11D中所示的化學(xué)處理旨在說明而不是限制。雙官能團(tuán)連接劑可以是同質(zhì)雙官能團(tuán)連接劑或異質(zhì)雙官能團(tuán)連接劑，這取決于所要結(jié)合的分子的性質(zhì)。同質(zhì)雙官能團(tuán)連接劑具有兩個(gè)相同的反應(yīng)基團(tuán)。異質(zhì)雙官能團(tuán)連接劑具有兩個(gè)不同的反應(yīng)基團(tuán)。可市購的各種連接劑可與下列基團(tuán)的一種或多種反應(yīng)伯胺、仲胺、巰基、氯基、羰基和烴。胺特異性連接劑的實(shí)例是辛二酸二(疏代琥珀酰亞胺)酯、二[2-(琥珀酰亞胺氧基羰氧基)乙基砜、辛二酸二琥珀酰亞胺酯、酒石酸二琥珀酰亞胺酯、二亞胺代己二酸二甲酯二鹽酸鹽(dimethyladipimate'2HC1)、庚二亞氨酸二甲酯二鹽酸鹽、辛二亞氨酸二曱酯二鹽酸鹽和雙-[琥珀酰亞胺基-[琥珀酸乙二醇酯?？膳c巰基反應(yīng)的連接劑包括二馬來酰亞胺基己烷、1，4-二-[3'-(2'-吡咬基二硫基)-丙酰胺基)1丁烷、l-[p-疊氮基水楊酰胺基-4-祺代乙酰胺基丁烷以及N-[4-(p-疊氮基水楊酰胺基)丁基l-3'-[2，-吡^二M丙酰胺。優(yōu)先與烴發(fā)生反應(yīng)的連接劑包括疊氮基苯甲酰肼。優(yōu)選地，優(yōu)先與幾J^發(fā)生反應(yīng)的連接劑包括4-[p-疊氮基水楊酰胺基丁胺。與胺和巰基反應(yīng)的異質(zhì)雙官能團(tuán)連接劑包括丙酸N-琥珀跣亞胺基-3-2-吡^二硫基脂、[4-碘代乙酰氨基苯甲酸琥珀酰亞胺酯、4-N-馬來酰亞胺基甲基環(huán)己烷-l-羧酸琥珀酰亞胺酯、m-馬來酰亞胺基苯曱酰基-N-羥基琥珀酰亞胺脂、6-3-[2-吡咬基二硫基丙酰胺基l己酸硫代馬來酰亞胺酯和4-[N-馬來酰亞胺基甲基環(huán)己烷-l-羧酸硫代馬來酰亞胺酯。與羧基和胺基反應(yīng)的異質(zhì)雙官能團(tuán)連接劑包括l-乙基-3-[3-二甲基氨丙基碳二亞胺鹽酸鹽。與烴和巰基反應(yīng)的異質(zhì)雙官能團(tuán)連接劑包括4-[N-馬來酰亞胺基甲基環(huán)己烷-l-g酰肼二鹽酸鹽、4-(4-N-馬來酰亞胺基苯基)丁酸酰肼二鹽酸鹽和3-[2-吡^二硫基l丙酰肼。作為替代方案，受體可以是非共價(jià)地覆蓋在鈍化層上。受體在鈍化層上非共價(jià)沉積可以包括利用聚合物母體。聚合物可以天然存在或非天然存在，且可以包括但不限于核酸(例如DNA、RNA、PNA、LNA等或其模擬物、衍生物或其組合)、氬基酸(例如縮氨酸、蛋白質(zhì)(天然的或變性的)等，或者其模擬物、衍生物或其組合)、類脂、多糖和功能化嵌段共聚物的任何類型。受體可吸附在聚合母體上和/或嵌入在聚合母體內(nèi)。作為替代方案，受體可共價(jià)共軛或交聯(lián)到聚合物(例如，其可以"接枝"到功能化聚合物上)。合適的縮氨酸聚合物的一個(gè)實(shí)例是聚賴氨酸(例如聚左旋賴氨酸)。其他聚合物的實(shí)例包括嵌段共聚物，其包括聚乙二醇(PEG)、聚酰胺、聚碳酸酯、聚環(huán)烷、聚亞烷基二醇、聚環(huán)氧烷、^J"苯二甲酸亞烷基二醇酯、多乙烯醇、聚乙烯基醚、聚乙烯酯、聚卣乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚二醇、聚硅氧烷、聚氨酯、烷基纖維素、羥烷基纖維素、纖維素醚、纖維素酯、硝基纖維素、丙烯酸和曱基丙烯酸酯的聚合物、曱基纖維素、乙基纖維素、羥丙基纖維素、羥丙甲基纖維素、羥丁甲基纖維素、乙酸纖維素酯、丙酸纖維素酯、丁酸乙酸纖維素酯、鄰苯二甲酸乙酸纖維素酯、羧乙基纖維素、三乙酸纖維素酯、纖維素硫酸鈉鹽、聚(甲基丙烯酸曱酯)、聚(甲基丙烯酸乙酯)、聚(甲基丙烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸異丁酯)、聚(甲基丙烯酸己酯)、聚(曱基丙烯酸異癸酯)、聚(甲基丙烯酸月桂酯)、聚(甲基丙烯酸苯酯)、聚(丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸異丙酯)、聚(丙烯酸異丁酯)、聚(丙烯酸十八烷基酯)、聚乙烯、聚丙烯、聚(乙二醇)、聚(環(huán)氧乙烷)、聚(對(duì)苯二甲酸乙二醇酯)、聚(乙烯醇)、聚乙酸乙烯酯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚透明質(zhì)酸、酪朊、凝膠、明膠、聚酐、聚丙烯酸、藻酸鹽、殼聚糖、聚(曱基丙烯酸甲酯)、聚(甲基丙烯酸乙酯)、聚(曱基丙烯酸丁酯)、聚(甲基丙烯酸異丁酯)、聚(甲基丙烯酸己酯)、聚(曱基丙烯酸異癸酯)、聚(曱基丙烯酸月桂酯)、聚(甲基丙烯酸苯酯)、聚(丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸異丙酯)、聚(丙烯酸異丁酯)、聚(丙烯酸十八烷基酯)、聚(丙交酯-乙交酯)、草酸鹽共聚物、聚己內(nèi)酯、聚酯酰胺、聚原酸酯、聚羥基丁酸、聚酐、聚(苯乙烯-嵌段-異丁烯-嵌段-苯乙烯)(SIBS)嵌段共聚物、乙烯醋酸乙烯酯、聚(曱基)丙烯酸、乳酸和乙醇酸的聚合物、聚酐、聚(原酸)酯、聚氨酯、聚(丁酸)、聚(戊酸)、和聚(丙交酯-己內(nèi)酯)，和天然聚合物如藻酸鹽，以及其他多糖包括葡聚糖和纖維素、M^、蛋白、白蛋白、和其他親水蛋白質(zhì)、玉米蛋白和其他醇溶谷蛋白和疏水蛋白質(zhì)、共聚物和其混合物，及其化學(xué)衍生物包括化學(xué)基團(tuán)的取代和/或添加，例如烷基化、亞烷基化、羥基化、氧化和其他本領(lǐng)域4支術(shù)人員進(jìn)行的常規(guī)改性。與ISFET的閾值電壓穩(wěn)定性和/或可預(yù)見性有關(guān)的另一問題包括俘獲電荷會(huì)在用CMOS工藝制造的金屬層上積累，這是由于陣列制造期間或之后的各種工藝活動(dòng)(例如生產(chǎn)線后段工藝，例如等離子體金屬蝕刻、晶片清洗、切割、封裝、輸送等)造成的。特別是，參照?qǐng)DIIA，在某些情況下，俘獲電荷會(huì)在構(gòu)成ISFET浮柵結(jié)構(gòu)170的一個(gè)或多個(gè)不同導(dǎo)體304、306、308、312、316、320、326、338和164上積累。這種現(xiàn)象在有關(guān)文獻(xiàn)中還稱作"天線效應(yīng)"。積累俘獲電荷的一個(gè)機(jī)會(huì)包括最頂端金屬層304的等離子體蝕刻。申請(qǐng)人:已經(jīng)驗(yàn)證并認(rèn)識(shí)到俘獲電荷在浮柵結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體上積累的其他機(jī)會(huì)包括期間切割晶片的劃片機(jī)的研磨過程會(huì)產(chǎn)生靜電的晶片切割和/或各個(gè)后處理晶片輸送/封裝步驟，其中裝卸/輸送晶片的自動(dòng)化機(jī)械可以是對(duì)浮柵結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體靜電放電(ESD)的來源。如果沒有為硅襯底(或其他半導(dǎo)體襯底)提供連接以構(gòu)成移除這種電荷積聚的電通路，則電荷會(huì)增加到導(dǎo)致柵極氧化物165發(fā)生不期望的變化或損壞的程度(例如電荷注入進(jìn)氧化物或擊穿低級(jí)氧化物到達(dá)下方襯底)。柵極氧化物中或柵極氧化物-半導(dǎo)體界面處的俘獲電荷還會(huì)導(dǎo)致不期望的和/或不可預(yù)見的ISFET操作和性能的變化?？紤]到上述原因，本公開內(nèi)容的其他發(fā)明實(shí)施方案涉及通過減少俘獲電荷或緩解天線效應(yīng)而提升ISFET性能的方法和裝置。在一個(gè)實(shí)施方案中，可在傳感器陣列制造完成之后減少俘獲電荷，而在其他實(shí)施方案中，可以改進(jìn)制造工藝本身來減少由某些常規(guī)工藝步驟感生的俘獲電荷。在另外的實(shí)施方案中，可以組合使用"制造期間，，和"后制造"技術(shù)來減少俘獲電荷，且由此提升ISFET的性能。對(duì)于改變制造工藝本身而減少俘獲電荷來說，在一個(gè)實(shí)施方案中，可以特定地選擇圖11A中所示的柵極氧化物165的厚度，以利于移除襯底的積累電荷；特別是，較薄的柵極氧化物會(huì)使大量產(chǎn)生的電荷穿過柵極氧化物直至其下的襯底而不祐:俘獲。在才艮據(jù)這種觀點(diǎn)的另一實(shí)施方案中，可將像素設(shè)計(jì)為包括一個(gè)額外的"犧牲"器件，即，具有比ISFET的柵極氧化物165還薄的柵極氧化物的另一晶體管。然后，ISFET的浮柵結(jié)構(gòu)可連接到犧牲器件的柵極，以使其用為"電荷移除晶體管"。當(dāng)然，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到某些包括這種犧牲器件的折中方案包括增加像素尺寸和復(fù)雜度。在另一實(shí)施方案中，在等離子體蝕刻之前，可用電介質(zhì)覆蓋圖11A中所示的ISFET浮柵結(jié)構(gòu)170的最頂端金屬層304,以減少俘獲電荷。如上所述，在某些情況下，浮柵結(jié)構(gòu)上積累的電荷與用于金屬蝕刻的等離子體有關(guān)。通常，光刻膠施加到待蝕刻的金屬上，接著根據(jù)下方金屬的所需幾何圖形而被圖案化。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，在光刻膠施加之前，覆蓋介電層(例如氧化物)可沉積到待蝕刻的金屬上，以在金屬表面提供用來阻擋等離子蝕刻工藝產(chǎn)生的電荷的一個(gè)額外的阻擋層。一方面，覆蓋介電層可在后續(xù)工藝中繼續(xù)保留，且其構(gòu)成鈍化層172的一部分。在另一實(shí)施方案中，用于最頂端金屬層304的金屬蝕刻工藝可改進(jìn)為包括濕化學(xué)或離子束研磨，而不是等離子蝕刻。例如，可用對(duì)下方電介質(zhì)具有選捧性的水性化學(xué)處理來蝕刻金屬層304(例如參見http://www.transene.com/aluminum.html，在此其全部?jī)?nèi)容通過《1用并入本文)。另一替代方法是對(duì)金屬層304使用離子研磨而不是等離子體蝕刻。離子研磨通常用于蝕刻不能容易地利用常規(guī)等離子體或濕化學(xué)處理移除的材料。離子研磨工藝不使用等離子體工藝中的振蕩電場(chǎng)，因此不會(huì)在金屬層中產(chǎn)生電荷。另一金屬蝕刻替代方法包括最優(yōu)化等離子體條件以降低蝕刻速度(即較小的功率密度)。在另一實(shí)施方案中，可以改變金屬層的構(gòu)造以利于在制造浮柵期間完全電絕緣。一方面，將金屬設(shè)計(jì)為層疊的，以便大面積ISFET浮柵在其可能需要作為"跳線，，的后續(xù)金屬層以實(shí)現(xiàn)對(duì)晶體管浮柵的電連接的最終制造期間沒有連接任何結(jié)構(gòu)。這種"跳線，，連接設(shè)計(jì)避免了電荷從大的浮柵流至晶體管。這種方法可通過以下步驟實(shí)現(xiàn)(M-金屬層)i)Ml接觸多晶硅柵電極；ii)M2接觸Ml;iii)M3限定浮柵且利用隔離島與M2斷開連接；iv)具有非常小的面積的M4跳線，其在隔離島上被蝕刻且連接浮柵M3，將M3浮柵連接到與正好在晶體管有源區(qū)域上的多晶硅柵連接的Ml/M2/M3疊層；以及v)僅移除浮柵上的M3和M4之間的層間電介質(zhì)，以便暴露出棵露的M3浮柵。在上述方法概述中，可以不需要實(shí)施步驟v)，因?yàn)椴鹏迵?jù)上文討論的某些實(shí)施方案的ISFET構(gòu)造將M4的鈍化層留在M4的浮柵上。一方面，移除仍然可以在其他方面提升ISFET的性能(即靈敏度)?？傊罱K形成的化學(xué)敏感鈍化層可以是薄的濺射沉積離子敏感金屬氧化物層。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上文討論的表層跳線構(gòu)造可以在標(biāo)準(zhǔn)CMOS制造流程中實(shí)現(xiàn)，從而使得最初的三個(gè)金屬層中的任意金屬層用作浮柵(即Ml、M2或M3)。對(duì)于減少俘獲電荷的后制造工藝來說，在一個(gè)實(shí)施方案中，"合成氣體退火"可用作后制造工藝，以減小俘獲電荷的潛在的不利影響。在合成氣體退火中，在氫氣和氮?dú)饣旌衔锏姆諊聼崽幚碛蒀MOS制造的ISFET器件。混合物中的氫氣擴(kuò)散進(jìn)柵極氧化物165且中和特定形式存在的俘獲電荷。一方面，合成氣體退火沒必要解決由俘獲電荷造成的所有柵極氧化物損傷；而是在某些情況下，對(duì)某些俘獲電荷的部分中和已經(jīng)足以顯著提升ISFET的性能。在才艮據(jù)4^>開內(nèi)容的示例性退火處理中，ISFET可在包括10%至15%的氫氣的氫/氮混合氣體中，在400至425攝-氏度下熱處理約30至60分鐘。在一個(gè)特定的實(shí)施方式中，在包括10%的氫氣的氫/氮混合氣體中，在425攝氏度下熱處理約30分鐘,可以觀察到對(duì)提升ISFET的性能特別有效。對(duì)于鋁CMOS工藝來說，退火溫度應(yīng)保持在450攝氏度或低于該溫度，以避免破壞鋁冶金性。在根據(jù)本公開內(nèi)容的退火工藝的另一方面中，在切割制造好ISFET陣列的晶片之后實(shí)施合成氣體退火，以便確?？捎行У馗纳埔?yàn)榍懈罟に嚤旧硪鸬姆@電荷和/或其他預(yù)切割工藝步驟(例如金屬的等離子體蝕刻)而造成的缺陷。在根據(jù)>^>開內(nèi)容的實(shí)施方案的用于減小俘獲電荷潛在不利影響的另外的工藝中，可在任意多種晶片后制造輸送/封裝步驟期間釆用各種"靜電放電(ESD)-敏感方案"。例如，在一個(gè)示例性工藝中，可以使用抗靜電切割帶來將晶片襯底固定在適當(dāng)位置(例如切割處理期間)。而且，雖然高電阻率(例如10MQ)的去離子水通常使用在劃片機(jī)的冷卻中，但是根據(jù)^^開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)施方案，較小電阻率/較大傳導(dǎo)性的水可用于此目的，以利于電荷經(jīng)水傳導(dǎo)；例如，可用二氧化碳來處理去離子水，以降低電阻率并提高對(duì)于切割工藝所產(chǎn)生電荷的傳導(dǎo)性。而且，可在各個(gè)晶片切割/輸送/封裝步驟期間使用具有良好接地的晶片彈出工具，再次為任意這些步驟中所產(chǎn)生的電荷提供有效的傳導(dǎo)路徑，由此減小陣列的各個(gè)ISFET的浮柵結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)導(dǎo)體上積累電荷的機(jī)會(huì)。在涉及減少俘獲電荷的后制造工藝的另一實(shí)施方案中，可用UV輻射來照射ISFET的柵極氧化物區(qū)域。再次參考圖IIA，在基于本實(shí)施方案的一個(gè)示例性實(shí)施方式中，在ISFET陣列的制造過程中，陣列的各個(gè)像素的頂金屬層304中可包括一個(gè)任選的孔或窗口302，其接近ISFET的浮柵結(jié)構(gòu)。當(dāng)UV輻射產(chǎn)生時(shí)，這個(gè)窗口旨在將UV輻射引入ISFET的柵極區(qū)域；特別是，如圖11和12A-L中所示的像素10^的各個(gè)層設(shè)置為使進(jìn)入窗口302的UV輻射得以基本無阻礙地撞擊多晶硅柵極164和柵極氧化物165附近的區(qū)域。為了利于降低俘獲電荷的uv輻射工藝，申請(qǐng)人已經(jīng)mt并認(rèn)識(shí)到通常需要在圖11A中所示的鈍化層172中使用除氮化硅和氮氧硅外的其他材料，這是因?yàn)榈韬偷趸晣?yán)重吸收UV輻射。鑒于上述問題，這些材料需要被其他對(duì)UV輻射非常透明的材料替換，這些可替換的材料的實(shí)例包括但不限于磷硅酸鹽玻璃(PSG)和硼摻雜磷硅酸鹽玻璃(BPSG)。但是PSG和BPSG能透過氫和氫氧離子；因此，為了使其能夠使用在對(duì)pH敏感的ISFET設(shè)計(jì)的鈍化層中，PSG和BPSG可與離子可透過材料一同使用而形成鈍化層，該離子可透過材料例如氧化鋁(A1203)也對(duì)UV輻射非常透明。例如，再次參考圖11A,可在鈍化層172的第一區(qū)域172A中使用PSG或BPSG來代替氮化硅或氮氧化硅，并可在鈍化層172的第二部分172B中使用氧化鋁薄層(例如400至600埃)(例如，可利用后CMOS剝離光刻工藝來沉積氧化鋁)。在包括UV輻射的實(shí)施方案的另一方面中，傳感器陣列的各個(gè)ISFET必須在UV輻射處理期間適當(dāng)?shù)仄?，以利于俘獲電荷的減少。特別地，撞擊其中形成ISFET的傳導(dǎo)溝道的本體硅區(qū)域160的來源于UV輻射的高能光子產(chǎn)生電子空穴對(duì)，其有助于在電流流過ISFET的傳導(dǎo)溝道時(shí)中和柵極氧化物中的俘獲電荷。為此，結(jié)合圖17在下文進(jìn)一步討論的陣列控制器在UV輻射處理期間產(chǎn)生適當(dāng)?shù)挠糜谄藐嚵械腎SFET的信號(hào)。特別地，再次參考圖9,產(chǎn)生RowSd,至RowS《的各個(gè)信號(hào)以4更同時(shí)啟用/選擇(即開啟)傳感器陣列的所有行，且由此將陣列的所有ISFET連接至各個(gè)列中的相應(yīng)的可控電流源106j。隨著各個(gè)列的所有像素同時(shí)被選擇，來自給定列的電流源106j被列中的所有像素所共享。通過移除偏置電壓VB4而關(guān)閉列放大器107A和107B,同時(shí)，通過對(duì)應(yīng)于控制信號(hào)"UV"的開關(guān)將連接到給定列中的各個(gè)ISFET的漏極的放大器107B的輸出接地。而且，用于陣列的所有ISFET的共用體電壓VBODY連接到電接地(即VBODY=0伏特)(如上所述，在陣列的一舶:操作中，體偏置電壓VBODY連接到可用于陣列的最高電壓電位，例如VDDA)。在一個(gè)示例性過程中，用于所有可控電流源106j的偏置電壓VB1i殳置為〗吏各個(gè)像素的ISFET傳導(dǎo)約lpA的電流。在ISFET陣列如此偏置之后，利用足夠輻射量的UV輻射來輻射陣列(例如，在距陣列約一英寸的距離處，利用來自于產(chǎn)生約20milliWatts/ci^輻射的EPROM擦除器照射約1小時(shí))。照射處理之后，在用于諸如離子濃度的化學(xué)性質(zhì)的測(cè)量之前，使陣列靜止并穩(wěn)定幾小時(shí)以上。圖13示出了根據(jù)結(jié)合圖9-12在上文討論的列和像素設(shè)計(jì)的ISFET傳感器陣列100的示例性CMOSIC芯片實(shí)施方式的框圖。在本實(shí)施方案的一個(gè)方面中，陣列100包括512個(gè)列102i至102512,這些列都具有相應(yīng)的列偏置/讀出電路110i至110512(每一個(gè)對(duì)應(yīng)一個(gè)列，如圖9中所示)，其中各個(gè)列包括512個(gè)幾何正方形像素10^至105512，各個(gè)像素都具有約9微米乘9微米的尺寸(即陣列是512列乘512行)。另一方面，整個(gè)陣列(包括像素以及相應(yīng)行和列選擇電路和列偏置/讀出電路)可制造在作為具有約7毫米乘7亳米尺寸的專用集成電路(ASIC)的半導(dǎo)體芯片上。當(dāng)512乘512像素的陣列在圖13的實(shí)施方案中示出時(shí)，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到，根據(jù)其他實(shí)施方案，可用不同數(shù)目的行和列以及不同的像素尺寸來實(shí)現(xiàn)該陣列，正如結(jié)合圖19-23在下文進(jìn)一步討論的那樣。而且，如上所述，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到根據(jù)本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施方案的陣列都現(xiàn)本文討論的化學(xué)FET陣列的各個(gè)功能化特性，諸如鈍化材料的額外沉積、減少俘獲電荷的工藝步驟等)以及除了在這些常規(guī)CMOS制造中使用的技術(shù)之外的其他半導(dǎo)體制造技術(shù)來制造。因此，可以使用各種光刻技術(shù)來作為陣列制造工藝的一部分。例如，在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，可使用一種光刻技術(shù)，其中通過交疊臺(tái)階的邊緣和在距晶片襯底約0.2微米的位置處反復(fù)光刻曝光而使適當(dāng)設(shè)計(jì)的區(qū)塊"縫合"在一起。在單次膝光中，最大的芯片尺寸示例性地為約21亳米乘21毫米。通過選擇性啄光不同的區(qū)塊(側(cè)面、頂部和底部、核心等)，可在晶片上限定很大的芯片(最大為每晶片一個(gè)芯片的極端最大尺寸，通常稱為"晶片自集成")。在圖13中所示的陣列100的一方面中，頭兩列和后兩列102^1022、102511和102512，以及各個(gè)列1023至10251。的頭兩個(gè)<象素105i和1052以及最后兩個(gè)像素105511和105512(例如圍繞陣列周長(zhǎng)的兩行和兩列像素)可設(shè)置為"基準(zhǔn)"或"假"像素103。參考圖11A,對(duì)于陣列的假像素來說，各個(gè)假像素ISFET的最頂部金屬層304(最后連接到ISFET多晶硅^f極0164)連接到其他假像素的相同金屬層并且可作為芯片的終端進(jìn)入，其進(jìn)而可以連接到參比電壓VREF。如結(jié)合圖9在上文所討論的那樣，參比電壓VREF也可施加到陣列的相應(yīng)的刊的偏置/讀出電路。在下文進(jìn)一步討論的某些示例性實(shí)施方式中，初始測(cè)試/評(píng)估數(shù)據(jù)可基于施加的參比電壓VREF和選擇并讀出假像素和/或基于直接施加VREF至相應(yīng)的列緩沖器(例如通過CAL信號(hào))讀出列而從陣列獲得數(shù)據(jù)，以有助于偏移檢測(cè)(例如像素到像素和列到列的偏差)以及陣列校正。圖13中，陣列操作(如結(jié)合圖9在上文所討論的)所需的各個(gè)電源和偏置電壓通過電連接(例如引腳、金屬襯墊)而提供給陣列，且為簡(jiǎn)單起見，在方框195中標(biāo)記為"電源和偏置連接"。圖13的陣列IOO還包括行選擇移位寄存器192、兩組列選擇移位寄存器194"以及兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器198i和1982，以提供來自陣列的兩個(gè)表示傳感器測(cè)量的并行輸出信號(hào)Voutl和Vout2。通過陣列控制器提供圖13所示的各個(gè)電源和偏置電壓、用于行和列移位寄存器的控制信號(hào)以及用于列偏置/讀出電路的控制信號(hào)，正如結(jié)合圖17在下文進(jìn)一步討論的那樣，陣列控制器還從陣列100讀取輸出信號(hào)Voutl和Vout2(以及其他可選的狀態(tài)/識(shí)別信號(hào))。在圖13中所示的陣列實(shí)施方案的另一方面中，陣列設(shè)置為使陣列的多個(gè)區(qū)域(例如多個(gè)列)可通過有助于增加數(shù)據(jù)采集速度的多個(gè)并行陣列輸出(例如Voutl和Vout2)同時(shí)讀取，正如結(jié)合圖17和18在下文進(jìn)一步討論的那樣。雖然圖13示出了具有兩個(gè)列選擇寄存器以及用來同時(shí)從兩列獲得數(shù)據(jù)的并行輸出信號(hào)Voutl和Vout2的陣列，但M當(dāng)認(rèn)識(shí)到，在其他實(shí)施方案中，才艮據(jù);^^Hf內(nèi)容的陣列可i史置為僅具有一個(gè)測(cè)量信號(hào)輸出，或多于兩個(gè)測(cè)量信號(hào)輸出；特別地，如結(jié)合圖19-23在下文進(jìn)一步討論的，根據(jù)其他發(fā)明實(shí)施方案的更加密集的陣列可設(shè)置為具有四個(gè)以上的并行測(cè)量信號(hào)輸出且可通過該四個(gè)以上的輸出來同時(shí)啟用陣列的不同區(qū)域以提供數(shù)據(jù)。根據(jù)一個(gè)示例性實(shí)施方式，圖14示出了行選擇移位寄存器192,圖15示出了其中一個(gè)列選擇移位寄存器1942以及圖16示出了圖13中所示的陣列100的其中一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器1982。如圖14和15中所示，行和列選擇移位寄存器實(shí)施為一系列的D型觸發(fā)器，其連接到數(shù)字電路正電源電壓VDDD和數(shù)字電源接地VSSD。在行和列移位寄存器中，數(shù)據(jù)信號(hào)施加到各個(gè)串M列中的第一觸發(fā)器的D輸入，時(shí)鐘信號(hào)同時(shí)施加到串M列中所有觸發(fā)器的時(shí)鐘輸入。對(duì)于各個(gè)觸發(fā)器來說，"Q"輸出當(dāng)時(shí)鐘信號(hào)轉(zhuǎn)變(例如下降沿)時(shí)復(fù)制D輸入的狀態(tài)。參考圖14,行選擇移位寄存器192包括512個(gè)D型觸發(fā)器，其中第一觸發(fā)器193接收垂直數(shù)據(jù)信號(hào)DV而所有觸發(fā)器接收垂直時(shí)鐘信號(hào)CV。第一觸發(fā)器193的"Q"輸出提供了第一行選擇信號(hào)RowSeh且其連接到串聯(lián)序列中的下一觸發(fā)器的D輸入。連續(xù)的觸發(fā)器的Q輸出連接到串M列中的下一觸發(fā)器的D輸入且隨著垂直時(shí)鐘信號(hào)CV的連續(xù)下降沿轉(zhuǎn)變而提供行選擇信號(hào)RowSeh至RowSel512,正如結(jié)合圖18在下文所討論的那樣。最后一個(gè)行選擇信號(hào)RowSelsu還被當(dāng)作陣列100的任選輸出作為信號(hào)LSTV(末級(jí)垂直)，其提供一個(gè)陣列的最后一行已經(jīng)被選擇的指示(例如用于識(shí)別目的)。雖然在圖14中沒有明確示出，但是各個(gè)行選"^信號(hào)RowSeh至RowSel512都施加到相應(yīng)的反相器，反相器的輸出用于啟用各個(gè)列中的已知像素(如圖9中說明的，通過信號(hào)RowSelj至RowSel")。關(guān)于列選擇移位寄存器19+和1942，它們都以與行選擇移位寄存器相類似的方式來實(shí)施，各個(gè)列選擇移位寄存器都包括256個(gè)串聯(lián)的觸發(fā)器，且負(fù)責(zé)啟動(dòng)對(duì)陣列的奇數(shù)列或陣列的偶數(shù)列的讀出。例如，圖15示出了列選擇移位寄存器1942,其設(shè)置為通過列選擇信號(hào)ColSel2、ColSeU.....ColSel512而連續(xù)地啟動(dòng)對(duì)陣列的所有偶數(shù)列的讀出，然而，另一列選擇移位寄存器194j殳置為連續(xù)地啟動(dòng)對(duì)陣列的所有奇數(shù)列的讀出(通過列選擇信號(hào)ColSeh、ColSel3、...、ColSd511)。上述兩個(gè)列選擇移位寄存器同時(shí)受水平數(shù)據(jù)信號(hào)DH和水平時(shí)鐘信號(hào)CH的控制，以提供相應(yīng)的列選擇信號(hào)，正如結(jié)合圖18在下文進(jìn)一步討論的那樣。如圖15中所示，最后的列選擇信號(hào)ColSel^還可當(dāng)作陣列100的一個(gè)可選輸出作為信號(hào)LSTH(末級(jí)水平)，其提供了一個(gè)陣列的最后列已經(jīng)被選擇的指示(例如用于識(shí)別的目的)。暫時(shí)再次參考圖7，申請(qǐng)人已經(jīng)驗(yàn)證并認(rèn)識(shí)到，如結(jié)合圖13-15在上文所討論的，基于移位寄存器的用于陣列的行和列選擇的實(shí)施方式是對(duì)于使用在包括了圖7中所示的Milgrew等人的設(shè)計(jì)在內(nèi)的各個(gè)現(xiàn)有技術(shù)的ISFET陣列設(shè)計(jì)中的行和列譯碼器方法的重大改進(jìn)。特別地，對(duì)于圖7中所示的g碼器92和列譯碼器94來說，在集成電路陣列設(shè)計(jì)中這些部件的實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度急劇增加同時(shí)增大陣列的尺寸，這是由于需要連接到上述兩個(gè)ifr碼器的額外輸入。例如，如果這種設(shè)計(jì)用于行和列選擇的話，則結(jié)合圖13在上文討論的具有512行和列的陣列的每個(gè)行和列譯碼器都將需要九個(gè)輸入(29=512);類似地，如結(jié)合其他實(shí)施方案在下文討論的具有7400行和7400列的陣列的每個(gè)行和列譯碼器都將需要13個(gè)輸入(213=8192)。相反，隨著陣列尺寸的增加，圖14和15中所示的行和列選擇移位寄存器卻不需要額外的輸入信號(hào)，而只是需要額外的D型觸發(fā)器(其在CMOS工藝中常規(guī)實(shí)現(xiàn))。因此，圖14和15中所示的移位寄存器的實(shí)施方式提供了一種針對(duì)陣列行和列選擇的簡(jiǎn)易地可縮放的解決方案。在圖13的實(shí)施方案中，"奇數(shù)"列選擇移位寄存器19一將奇數(shù)列選擇信號(hào)提供給"奇數(shù)"輸出驅(qū)動(dòng)器198"而偶數(shù)列選擇移位寄存器1942將偶數(shù)列選擇信號(hào)提供給"偶數(shù)"輸出驅(qū)動(dòng)器1982。這兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器具有類似的設(shè)置，圖16中示出偶數(shù)輸出驅(qū)動(dòng)器1982的一個(gè)實(shí)例。特別地，圖16示出了相應(yīng)的偶數(shù)列輸出信號(hào)VCOL2，VCOL4,…、VCOL512(參見圖9的一般列信號(hào)輸出Vcoij)施加到對(duì)列選擇寄存器1942提供的偶數(shù)列選擇信號(hào)ColSd2，ColSd4，".、ColSelsu響應(yīng)的相應(yīng)開關(guān)1912，1914，".191512，以將偶數(shù)列輸出信號(hào)通過總線175而連續(xù)連接到緩沖放大器199(BUF)的輸入。圖16中，緩沖放大器199接收來自輸出緩沖正電源電壓VDDO和輸出緩沖電源接地VSSO的電力，并響應(yīng)于輸出緩沖偏置電壓VBO0,以對(duì)緩沖輸出設(shè)定相應(yīng)的偏置電流。對(duì)于具有高阻抗輸入的緩沖放大器199，將響應(yīng)于偏置電壓VB3的電流宿197連接到總線175，以為選定列的列輸出緩沖器的輸出(參見圖9的緩沖放大器lllj)提^適的驅(qū)動(dòng)電流(例如約100nA)。緩沖放大器199基于陣列的選定偶數(shù)列來提供Vout2;同時(shí)，參考圖13，"奇數(shù)"輸出驅(qū)動(dòng)器198i的相應(yīng)緩沖放大器基于陣列的選定奇數(shù)列提供輸出信號(hào)Voutl。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，偶數(shù)和奇數(shù)輸出驅(qū)動(dòng)器19&和1982的開關(guān)(例如圖16中所示的開關(guān)1912，1914，....191512)可實(shí)現(xiàn)為CMOS對(duì)傳輸門電路(包括了n溝道MOSFET和p溝道MOSFET,參見圖4)，且可使用反相器以使各個(gè)列選擇信號(hào)及其補(bǔ)碼可施加到給定的傳輸門電路開關(guān)191而啟用開關(guān)動(dòng)作。各個(gè)開關(guān)191都具有串聯(lián)電阻，其在啟用或"開啟"時(shí)將相應(yīng)的列輸出信號(hào)連接到總線175;同樣地，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，各個(gè)開關(guān)將電容加至總線175。較大的開關(guān)減小串聯(lián)電阻并使較高的驅(qū)動(dòng)電流得以用于總線175，這通常使總線175更迅速地置位；另一方面，當(dāng)開關(guān)關(guān)閉時(shí)，較大的開關(guān)增加了總線175的電容，這進(jìn)而增加了總線175的置位時(shí)間。因此，這是一種開關(guān)的串聯(lián)電阻和與開關(guān)尺寸有關(guān)的電容之間的權(quán)衡。在啟用連續(xù)開關(guān)之后總線175迅速置位的能力又有利于從陣列快速獲取數(shù)據(jù)。為此，在某些實(shí)施方案中，輸出驅(qū)動(dòng)器19&和1982的開關(guān)191特別地設(shè)置為顯著降低總線175的置位時(shí)間。給定開關(guān)的n溝道和p溝道MOSFET都加到總線175的電容；但是，n溝道MOSFET通常具有比p溝道MOSFET更好的頻率響應(yīng)以及電流驅(qū)動(dòng)能力。鑒于上述內(nèi)容，申4人已經(jīng)發(fā)汪并認(rèn)識(shí)到，通過實(shí)現(xiàn)其中給定開關(guān)的n溝道MQSFET和p溝道MOSFET的對(duì)應(yīng)尺寸不同的"非對(duì)稱"開關(guān)，n溝道MOSFET的某些優(yōu)良的特性可用于提升總線175的置位時(shí)間。例如，在一個(gè)實(shí)施方案中，參考圖16，電流宿197可設(shè)置為當(dāng)所有開關(guān)1912,1914，....191512都開啟或關(guān)閉(不導(dǎo)電)對(duì)，總線175通常被"拉低"。假定基于ISFET的測(cè)量而為列輸出信號(hào)設(shè)定被Wt限制的期望信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍，當(dāng)給定的開關(guān)啟用或開啟(導(dǎo)電)時(shí)，在大多數(shù)情況下，通過構(gòu)成開關(guān)的CMOS對(duì)的n溝道MOSFET來實(shí)現(xiàn)大部分傳導(dǎo)。因此，在本實(shí)施方案的一個(gè)方面中，各個(gè)開關(guān)191的n溝道MOSFET和p溝道MOSFET具有不同的尺寸；即，在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，n溝道MOSFET的尺寸明顯大于p溝道MOSFET的尺寸。更具體地，鑒于相等尺寸的n溝道和p溝道MOSFET被視為參考點(diǎn)，在一個(gè)實(shí)施方式中，n溝道MOSFET的尺寸可增加到約2至2.5倍，且p溝道MOSFET的尺寸可減小到約8至10倍，以使n溝道MOSFET為p溝道MOSFET的約20倍。由于明顯減小了p溝道MOSFET的尺寸且相對(duì)適度的增加了n溝道MOSFET的尺寸，所以明顯降低了處在關(guān)閉狀態(tài)下的開關(guān)的總電容，并相應(yīng)地顯著降低了總線175的電容；同時(shí)，由于具有較大尺寸的n溝道MOSFET，所以顯著增加了開關(guān)的電流驅(qū)動(dòng)能力、頻率響應(yīng)和跨導(dǎo)，這又導(dǎo)致明顯降^(氐了總線175的置位時(shí)間。雖然上述實(shí)例說明了用于輸出驅(qū)動(dòng)器19&和1982的其中n溝道MOSFET大于p溝道MOSFET的非對(duì)稱開關(guān)191，但是應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到在另一實(shí)施方案中，可以執(zhí)行與^M目反的設(shè)置，即，具有p溝道MOSFET大于n溝道MOSFET的非對(duì)稱開關(guān)。在本實(shí)施方案的一個(gè)方面中，再次參考圖16，電流宿197還可以作為電流源以適當(dāng)?shù)仳?qū)動(dòng)選定列的列輸出緩沖器(參見圖9的緩沖放大器lllj)的輸出，且該電流宿197設(shè)置為當(dāng)所有開關(guān)1912,1914，....191512都開啟或關(guān)閉(不導(dǎo)電)時(shí)，總線175通常被"拉低"。在這種情況下，可由構(gòu)成開關(guān)的CMOS對(duì)的p溝道MOSFET來實(shí)現(xiàn)大部分開關(guān)的傳導(dǎo)。可在本實(shí)施方案中得到降低開關(guān)電容(并因此降低了總線電容)的益處，雖然降低總線175的置位時(shí)間的總體有益的效果可能會(huì)略小于上文說明的情況，這是由于與n溝道MOSFET相比，p溝道MOSFET具有較低的頻率響應(yīng)。然而，基于較大的p溝道MOSFET的非對(duì)稱開關(guān)仍然有助于顯著降低總線置位時(shí)間，還可以提供一種電路實(shí)施方式，其中列輸出緩沖放大器(圖9的lllj)可以是具有顯著增加的增益的體連接源極跟隨器。在又一涉及利于圖16中所示的總線175的快速置位的實(shí)施方案中，可以認(rèn)識(shí)到連接到總線175的開關(guān)191越少則產(chǎn)生的總線電容就越小。鑒于此，并再次參考圖13，在又一實(shí)施方案中，可在ISFET陣列100中使用大于兩個(gè)的輸出驅(qū)動(dòng)器19&和1982，以便各個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器可以處理陣列的更少量的列。例如，不是用一個(gè)驅(qū)動(dòng)器處理所有的偶數(shù)列而用另一驅(qū)動(dòng)器處理所有奇數(shù)列，而是該陣列可包括四個(gè)列選擇寄存器194^，3，4以及相應(yīng)的輸出驅(qū)動(dòng)器19812,3,4，因而各個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器可處理陣列的所^列中的四分之一，而不是所有列中的一半。因此，在這個(gè)實(shí)施方式中，與結(jié)合圖16在上文討論的實(shí)施方案相比，各個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器將具有一半數(shù)量的開關(guān)191，且各個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器的總線175將具有相應(yīng)的較低電容，由此改善了總線置位時(shí)間。雖然在本實(shí)例中出于說明目的討論了四個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器的方案，但是可以認(rèn)識(shí)到本公開內(nèi)容并不限制在這方面，實(shí)際上，在上述方案中，大于兩個(gè)的任何數(shù)量的輸出驅(qū)動(dòng)器都可用于改善總線置位時(shí)間。以下將詳細(xì)討論其中使用多于兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器以利于從陣列快速獲取數(shù)據(jù)的其他陣列實(shí)施方案(例如結(jié)合圖19-23)。在結(jié)合圖13-16在上文討論的陣列設(shè)計(jì)的一個(gè)方面中，在陣列上提供分離的模擬電源電壓連接(用于VDDA、VSSA)、數(shù)字電源電壓連接(用于VDDD、VSSD)和輸出緩沖器電源電壓連接(用于VDDO、VSSO)，以有助于噪聲隔離以及降低各個(gè)陣列部件之間的信號(hào)串?dāng)_，由此增加了輸出信號(hào)Voutl和Vout2的信噪比(SNR)。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，正電源電壓VDDA、VDDD和VDDO都可以是約3.3伏特。另一方面，這些電壓分別可通過一個(gè)或多個(gè)可編程電壓源而"芯片外(off-chip)"提供，正如結(jié)合圖17在下文進(jìn)一步討論的那樣。圖17示出了根據(jù)4^>開內(nèi)容的一個(gè)發(fā)明實(shí)施方案，連接到陣列控制器250的圖13的傳感器陣列100的框圖。在各個(gè)示例性實(shí)施方式中，陣列控制器250可制造為"自立式"控制器或制造為構(gòu)成計(jì)算機(jī)260的一部分的計(jì)算機(jī)可兼容"卡"，正如結(jié)合圖8在上文所討論的那樣。一方面，陣列控制器250的功能可由計(jì)算機(jī)260通過接口部件252(例如串行接口，通過USB端口或PCI總線，以太網(wǎng)連接等)來控制，如圖17中所示。在一個(gè)實(shí)施方案中，陣列控制器250制造為印刷電路板，其中插入與常規(guī)IC芯片類似的陣列100(例如陣列100設(shè)置為插入陣列控制器的ASIC)。在這個(gè)實(shí)施方案的一個(gè)方面中，所有或部分陣列控制器250可實(shí)施作為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)，其設(shè)置為實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步在下文詳細(xì)討論的各種陣列控制器功能。通常，陣列控制器250為陣列100提供各個(gè)電源電壓和偏置電壓，以及與行和列選擇有關(guān)的各個(gè)信號(hào)、像素輸出的采樣和數(shù)據(jù)采集。具體而言，陣列控制器250讀取兩個(gè)包括來自于陣列100的多路相應(yīng)像素電壓信號(hào)的模擬輸出信號(hào)Voutl(奇數(shù)列)和Vout2(偶數(shù)列)，接著數(shù)字化這些相應(yīng)的像素信號(hào)以將測(cè)量數(shù)據(jù)提供給計(jì)算機(jī)260，計(jì)算機(jī)260進(jìn)而可存儲(chǔ)和/或處理該數(shù)據(jù)。在某些實(shí)施方式中，陣列控制器250還可以設(shè)置為實(shí)施或利于各種陣列校正和識(shí)別功能，以及結(jié)合圖11A在上文討論的可選的UV照射處理。如圖17中說明的，陣列控制器250—般為陣列IOO提供模擬電源電壓和接地(VDDA、VSSA)、數(shù)字電源電壓和接地(VDDD、VSSD)以及緩沖器輸出電壓和接地電壓(VDDO、VSSO)。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，各個(gè)電源電壓VDDA、VDDD和VDDO都是約3.3伏特。如上所述，一方面，這些電源電壓中的每一個(gè)都通過分離的傳導(dǎo)路徑提供給陣列100以有助于噪聲隔離。另一方面，這些電源電壓可來自于各個(gè)電源/調(diào)節(jié)器，或一個(gè)或多個(gè)這些電源電壓可來自于陣列控制器250的電源258的^^用源。電源258還為陣列操作提供多個(gè)偏置電壓(例如，VB1，VB2，VB3,VB4，VBOO，VBODY)以及參比電壓VREF用于陣列識(shí)別和校正。另一方面，電源258包括一個(gè)或多個(gè)數(shù)-模轉(zhuǎn)換器(DAC),其可通過計(jì)算機(jī)260來控制，以使任何或全部偏置電壓、參比電壓和電源電壓在軟件的控制下變化(即可編程偏壓設(shè)定)。例如，響應(yīng)于計(jì)算機(jī)控制的電源258可有助于調(diào)整用于像素漏電流的偏壓VB1和VB2、用于列總線驅(qū)動(dòng)的VB3、用于列放大器帶寬的VB4和用于列輸出緩沖器電流驅(qū)動(dòng)的VBOO。在某些方面中，可以調(diào)整一個(gè)或多個(gè)偏壓來最優(yōu)化來自啟用像素的信號(hào)的置位時(shí)間。而且，用于陣列的所有ISFET的共用體電壓Vbody可在用來降低俘獲電荷的可選后制造UV照射處理期間接地，接著在用于測(cè)量/數(shù)據(jù)采集的陣列的識(shí)別分析、校正和一般操作期間連接到較高的電壓(例如VDDA)。同樣地，可改變參比電壓VREF以利于實(shí)現(xiàn)各種識(shí)別和校正功能。還如圖17中所示，通常用在通過陣列IOO進(jìn)行的分析物溶液的測(cè)量方面的參比電極76(結(jié)合圖1在上文所討論的)可連接到電源258，從而為像素輸出電壓提供參比電位。例如，在一個(gè)實(shí)施方式中，參比電極76可連接到電源接地(例如模擬接地VSSA)，從而為基于上述等式(3)的像素輸出電壓提供基準(zhǔn)。在其他實(shí)施方式中，可通過將具有給定pH水平的目標(biāo)溶';l樣本放置于傳感器陣列100附近來設(shè)置參比電極的電壓，并調(diào)整參比電極的電壓直至陣列輸出信號(hào)Voutl和Vout2提供處于所需基準(zhǔn)水平的像素電壓，像素電壓相對(duì)于基準(zhǔn)水平的后續(xù)變化反映了相對(duì)于已知參比pH水平的局部變化。通常，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到雖然在某些實(shí)施方式中，由電源258提供的參比電壓VREF可用于設(shè)定參比電極76的電壓，但是與參列識(shí)別和校正功能)相同。對(duì)于從陣列IOO采集數(shù)據(jù)來說，在一個(gè)實(shí)施方案中，圖17的陣列控制器250可包括一個(gè)或多個(gè)前置放大器253,以進(jìn)一步緩沖來自傳感器的輸出信號(hào)Voutl和Vout2并提供可選擇的增益。一方面，陣列控制器250可包括一個(gè)用于各個(gè)輸出信號(hào)的前置放大器(例如，用于兩個(gè)模擬輸出信號(hào)的兩個(gè)前置放大器)。其他方面中，前置放大器可設(shè)置為接收從0.0至3.3伏特的輸入電壓，可具有可編程/計(jì)算機(jī)可選擇的增益(例如l、2、5、10和20以及低噪聲輸出(例如〈10nV/sqrtHz)，并且可提供低通濾波(例如5MHz和25MHz的帶寬)。另一方面，前置放大器可具有用于輸入和/或輸出電壓信號(hào)的可編程/計(jì)算機(jī)可選擇的偏置，從而為任意所需范圍設(shè)定一個(gè)標(biāo)稱水平。圖17的陣列控制器250還包括一個(gè)或多個(gè)模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器254(ADC)，以將傳感器陣列輸出信號(hào)Voutl和Vout2轉(zhuǎn)換為數(shù)字輸出(例如10位或12位)，從而將數(shù)據(jù)提供給計(jì)算機(jī)260。一方面，一個(gè)ADC可用于傳感器陣列的各個(gè)模擬輸出，并且各個(gè)ADC都可連接到相應(yīng)的前置放大器的輸出(如果前置放大器用于給定實(shí)施方式中)。另一方面，ADC可具有計(jì)算機(jī)可選擇的輸入范圍(例如50mV、200mV、500mV、IV)，以有利于與陣列輸出信號(hào)和/或前置放大器M的不同范圍的兼容性。又一方面，ADC的帶寬可大于60MHz，且數(shù)據(jù)采集/轉(zhuǎn)換速度大于25MHz(例如高達(dá)100MHz或更大)。在圖17的實(shí)施方案中，可通過時(shí)序發(fā)生器256來控制ADC采集時(shí)序和陣列的行和列選捧。特別地，時(shí)序發(fā)生器將數(shù)字垂直數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)(DV、CV)提供給控制行選擇，并將數(shù)字水平數(shù)據(jù)和時(shí)鐘信號(hào)(DH、CH)提供給列選擇，并且提供列采樣和保持信號(hào)COLSH以對(duì)啟用行采樣相應(yīng)像素電壓，正如結(jié)合圖9在上文所討論的那樣。在某些實(shí)施方式中，時(shí)序發(fā)生器256可通過執(zhí)行代碼的微處理器來實(shí)現(xiàn)，設(shè)置為多路數(shù)字模式發(fā)生器，以提供適當(dāng)?shù)囟〞r(shí)控制信號(hào)。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，時(shí)序發(fā)生器256可實(shí)施為現(xiàn)場(chǎng)可編程門陣列(FPGA)。圖18示出了如時(shí)序發(fā)生器256提供的用來從傳感器陣列100采集像素?cái)?shù)據(jù)的這種信號(hào)的示例性時(shí)序圖。對(duì)下述討論來說，"幀"定義為包括陣列中各個(gè)像素的數(shù)值(例如輸出信號(hào)或電壓Vs)的數(shù)據(jù)集，且"幀頻"定義為可從陣列采集連續(xù)幀的速度。在圖18的實(shí)例中，選擇20幀/秒的示例性幀頻來說明陣列的操作(即行和列選擇以及信號(hào)采集)；但是，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到根據(jù)4^>開內(nèi)容的陣列及其控制器并不局限在這方面，也可以采用包括了較低幀頻(例如1至10幀/秒)或較高幀頻(例如25、30、40、50、60、70至100幀/秒等)的不同幀頻和具有相同或更多l(xiāng)象素的陣列。在某些示例性應(yīng)用中，可以釆集包括對(duì)給定的一種或多種分析物進(jìn)行幾秒以上試驗(yàn)的多幀的數(shù)據(jù)集?？蛇B續(xù)實(shí)施若干這種試驗(yàn)，在某些情況下，在試驗(yàn)期間停頓以允許數(shù)據(jù)傳送/處理和/或傳感器陣列ASIC的清洗以及后續(xù)試驗(yàn)的試劑制備。在一個(gè)實(shí)施方式中，陣列控制器250控制陣列100—次一行地順序啟用行。例如，再次暫時(shí)參考圖9，通過行選擇信號(hào)^^;啟用像素的第一行。允許啟用的像素停留一段時(shí)間，這之后，COLSH信號(hào)被暫時(shí)中斷以關(guān)閉各個(gè)列中的采樣/保持開關(guān)并存儲(chǔ)到列釆樣/保持電容Csh，通過列中的第一像素輸出電壓值。接著這個(gè)電壓可作為施加到兩個(gè)陣列輸出驅(qū)動(dòng)器19&和1982(奇數(shù)和偶數(shù)列)中的一個(gè)的列輸出電壓Vcoy(參見圖16)。接著禁用COLSH信號(hào)，由此開啟各個(gè)列中的采樣/保持開關(guān)并將列輸出緩沖器111j與列放大器107A和107B斷開。不久之后，通過行選擇信號(hào)R0WSel2啟用像素的第二行。在像素的第二行允許設(shè)置期間，一次產(chǎn)生兩個(gè)列選擇信號(hào)(一個(gè)奇數(shù)一個(gè)偶數(shù)；奇數(shù)列選^^信號(hào)連續(xù)施加到奇數(shù)輸出驅(qū)動(dòng)器，偶數(shù)列選擇信號(hào)連續(xù)施加到偶數(shù)輸出驅(qū)動(dòng)器)來讀取與第一行有關(guān)的列輸出電壓。因此，在啟用和設(shè)置陣列中的給定行的同時(shí)，一次兩列，讀取前一行。通過交錯(cuò)行選擇以及取樣/讀出，并通過一次讀取給定行的多個(gè)列，可以通過明顯改進(jìn)的方式從陣列采集數(shù)據(jù)幀。圖18示出了用于20幀/秒的示例性幀頻的上述處理的詳細(xì)時(shí)序。假設(shè)陣列中具有這種幀頻和512行，每一行必須在約98微秒內(nèi)讀出，如圖18中的垂直區(qū)分所表示。因此，垂直時(shí)鐘信號(hào)CV具有98微秒的周期(即超過10kHz的時(shí)鐘頻率)，且在CV信號(hào)的下降沿(負(fù)轉(zhuǎn)變)啟用一個(gè)新的行。圖18的左側(cè)反映了一個(gè)新的幀周期的開始，在該點(diǎn)，在CV信號(hào)的第一下降沿之前垂直數(shù)據(jù)信號(hào)DV有效，在CV信號(hào)的下一下降沿之前無效(對(duì)于來自連續(xù)幀的數(shù)據(jù)釆集來說，僅在行512啟用之后垂直數(shù)據(jù)信號(hào)再次有效)。而且，在CV信號(hào)的各個(gè)下降沿(即新的##_啟用)之前，COLSH信號(hào)有效2微秒，且離CV信號(hào)的下降沿約50納秒。圖18中，COLSH信號(hào)的第一次出現(xiàn)實(shí)際上是采樣陣列的行512的像素值。因此，根據(jù)CV信號(hào)的第一下降沿，啟用了第一行且將其保持(約96微秒)直至COLSH信號(hào)第二次出現(xiàn)。在第一行的保持時(shí)間期間，行512的像素值經(jīng)由列選擇信號(hào)而被讀取。因?yàn)橥瑫r(shí)產(chǎn)生兩個(gè)列選擇信號(hào)來讀取512列，所以水平時(shí)鐘信號(hào)CH必須在這個(gè)周期中產(chǎn)生256個(gè)循環(huán)。CH信號(hào)的各個(gè)下降沿產(chǎn)生一個(gè)奇數(shù)和一個(gè)偶數(shù)列選擇信號(hào)。如圖18中所示，給定行中的CH信號(hào)的第一下降沿在行選擇之后的兩微秒發(fā)生，以允許設(shè)置儲(chǔ)存在采樣/保持電容Csh上并由列輸出緩沖器提供的電壓值。而且對(duì)于各個(gè)行來說，水平數(shù)據(jù)信號(hào)DH在CH信號(hào)的第一下降沿之前是有效的，且在CH信號(hào)的下一下降沿之前禁用。在COLSH信號(hào)出現(xiàn)之前選擇最后兩列(例如511和512),如上所述，該COLSH信號(hào)出現(xiàn)在下一行啟用之前的約兩微秒。因此，在約94微秒(即每行98微秒，減去各個(gè)行開始和結(jié)束的兩微秒)的周期內(nèi)，每次讀取兩個(gè)512列。這使得各個(gè)陣列輸出信號(hào)Voutl和Vout2的數(shù)據(jù)速度約為2.7MHz。另一方面，可通過時(shí)序發(fā)生器256控制ADC254，以在明顯較高的速度下采集輸出信號(hào)Voutl和Vout2,從而對(duì)各個(gè)像素測(cè)量提供多重?cái)?shù)字采樣，接著可取其平均值(例如，ADC數(shù)據(jù)釆集速度可約為100MHz以對(duì)2.7MHz的陣列輸出信號(hào)釆樣，由此對(duì)每個(gè)像素測(cè)量提供多達(dá)約35-40次采樣)。除了控制傳感器陣列和ADC之外，時(shí)序發(fā)生器256還可i殳置為有助于各種陣列校正和識(shí)別功能以及可選的UV照射處理。為此，時(shí)序發(fā)生器可利用指示陣列的最后一行的選擇的信號(hào)LSTV和信號(hào)LSTH來表示陣列的最后一列的選擇。時(shí)序發(fā)生器256還可負(fù)責(zé)用于產(chǎn)生將參比電壓VREF施加到列緩沖放大器的CAL信號(hào)，以及產(chǎn)生在UV照射工藝期間將陣列中所有ISFET的漏極接地的UV信號(hào)(參見圖9)。時(shí)序發(fā)生器還可在各種校正和識(shí)別功能或UV照射期間為電源258提供某些控制功能，來適當(dāng)?shù)乜刂齐娫椿蚱秒妷海焕?，在UV照射期間，時(shí)序發(fā)生器可控制連接到體電壓VBODY的電源接地，同時(shí)激活UV信號(hào)以將ISFET的漏極接地。對(duì)于陣列校正和識(shí)別以及UV照射來說，在某些實(shí)施方式中，時(shí)序發(fā)生器可接收來自計(jì)算機(jī)260的特定程序以提供適當(dāng)?shù)目刂菩盘?hào)。一方面，計(jì)算機(jī)260可使用各種從陣列的假像素獲得的數(shù)據(jù)以及基于CAL信號(hào)和參比電壓VREF的應(yīng)用獲得的列信息，來確定與給定陣列有關(guān)的各種校正^t和/或用于校正和識(shí)別功能的特定程序。對(duì)于陣列控制器250的計(jì)算機(jī)接口252來說，在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，接口設(shè)置為有助于計(jì)算機(jī)260的約200MB/sec的數(shù)據(jù)速度，且可以包括高達(dá)400MB或更大的本地存儲(chǔ)器。計(jì)算機(jī)260設(shè)置為以200MB/sec的速度接收數(shù)據(jù)，并處理該數(shù)據(jù)以重構(gòu)4象素圖象(例如，其可以假彩色的形式顯示在監(jiān)視器上)。例如，計(jì)算機(jī)可設(shè)置為執(zhí)行用C+十或VisualBasic編寫的常規(guī)通用程序以處理數(shù)據(jù)并根據(jù)需要進(jìn)行顯示。根據(jù)4^>開內(nèi)容，已經(jīng)討論了示例性ISFET陣列和陣列控制器的若千方面，圖19-23說明了根據(jù)其他發(fā)明實(shí)施方案的具有較大數(shù)量像素的ISFET傳感器陣列的另一CMOSIC芯片實(shí)現(xiàn)方式的框圖。一方面，結(jié)合圖19-23在下文進(jìn)一步討論的各個(gè)ISFET陣列可由類似于圖17中所示的陣列控制器來控制，在某些情況下，可以改進(jìn)監(jiān)視器來適應(yīng)較高數(shù)量的像素(例如附加前置放大器253和樣數(shù)轉(zhuǎn)換器254)。圖19示出了才艮據(jù)一個(gè)發(fā)明實(shí)施方案的基于結(jié)合圖9-12在上文討論的列和像素設(shè)計(jì)以及0,35微米CMOS制造工藝的ISFET傳感器陣列100A的框圖。陣列100A包括2048個(gè)列102i至1022。48,其中每個(gè)列都包括2048個(gè)幾何正方形的像素105i至1052。48，其中的每一個(gè)都具有約9微米乘9微米的尺寸。因此，該陣列包括超過四百萬個(gè)像素(〉4M像素)，并且在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，整個(gè)陣列(ISFET像素和有關(guān)電路)可制造為具有約20.5毫米乘20.5毫米尺寸的集成電路芯片。在圖19中所示的實(shí)施方案的一個(gè)方面中，陣列IOOA可至少部分地設(shè)置為可分別控制的多組像素。例如，像素的各列可分成頂部和底部半?yún)^(qū)，并且在列的相應(yīng)的頂部半?yún)^(qū)的像素集合可形成第一行組40(^(例如頂部組，行1-1024)，且在列的相應(yīng)的底部半?yún)^(qū)的像素集合可形成第二行組4002(例如底部組，行1025-2048)。而第一和第二行組中的每一個(gè)(例如頂部和底部)都與相應(yīng)的行選擇寄存器、列偏置/讀出電路、列選擇寄存器和輸出驅(qū)動(dòng)器相關(guān)聯(lián)。以這種方式，從第一和第二組行40(h和4002中每一個(gè)的像素選擇和數(shù)據(jù)釆集都基本上與圖13中所示的整個(gè)陣列100的像素選擇和數(shù)據(jù)釆集類似；換句話說，一方面，圖19的陣列IOOA基本上包括兩個(gè)被同時(shí)控制的具有不同像素組的"子陣列"，從而為較高數(shù)量的4象素提供顯著改進(jìn)的數(shù)據(jù)采集。特別地，圖19示出了第一行組40(h的行選擇可由第一行選擇寄存器192i控制，第二行組4002的行選擇可由笫二行選擇寄存器1922控制。一方面，各個(gè)行選擇寄存器192i和1922都可設(shè)置為如結(jié)合圖14在上文討論的那樣，來接收垂直時(shí)鐘(CV)和垂直lt據(jù)(DV)信號(hào)且產(chǎn)生信號(hào)^ii;至RowSd,，且第二行選擇寄存器1922會(huì)產(chǎn)生信號(hào)R。wSel膨至R。wSel扁。另一方面，行選擇寄存器192t和1922都可同時(shí)接收共用垂直時(shí)鐘和數(shù)據(jù)信號(hào)，以在任何給定時(shí)間下啟用陣列的兩行，其中一個(gè)來自于頂部組，而另=一個(gè)來自于底部組。對(duì)于第一和第二行組中的每一個(gè)來說，圖19的陣列100A還包括列偏置/讀出電路110訂-110204盯(用于第一行組40(M以及110『1102。柳(用于第二行組4002)，以使各個(gè)列都包括兩個(gè)圖9中所示的偏置/讀出電路110j的實(shí)例。陣列100A還包括用于第二行組4002的兩個(gè)列選擇寄存器192^(奇數(shù)和偶數(shù))以及兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器198^(奇數(shù)和偶數(shù))，以及用于第一行組40(h的兩個(gè)列選擇寄存器1923,4(奇lt和偶數(shù))以及兩個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器1983，4(奇數(shù)和偶數(shù))(即，總共四個(gè)列選擇寄存器和四個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器)。列選^寄存器接收水平時(shí)鐘信號(hào)(分別用于第一行組和第二行組的CHT和CHB)以及水平數(shù)據(jù)信號(hào)(分別用于第一行組和第二行組的DHT和DHB)來控制奇數(shù)和偶數(shù)列選擇。在一個(gè)實(shí)施方式中，CHT和CHB信號(hào)可提供為共用信號(hào)，且DHT和DHB可提供為共用信號(hào)，以每次同時(shí)從陣列讀出四列(即從各個(gè)行組中讀出一個(gè)奇數(shù)和一個(gè)偶數(shù)列)；特別地，如結(jié)合圖13-18在上文所討論的那樣，對(duì)于每個(gè)啟用的行來說可同時(shí)讀取兩個(gè)列，JL4目應(yīng)的像素電壓提供為兩個(gè)輸出信號(hào)。因此，通過在任意給定時(shí)間的兩個(gè)行的啟用，以及在任意給定時(shí)間的兩列每行的讀取，陣列IOOA可提供四個(gè)同時(shí)的輸出信號(hào)Voutl、Vout2、Vout3和Vout4。在圖19的陣列IOOA的一個(gè)示例性實(shí)施方式中，其中以20幀/秒的幀頻獲得完整數(shù)據(jù)幀(來自第一和第二^f亍組40(h和4002的所有4象素)，在每個(gè)約49微秒的周期內(nèi)連續(xù)啟用1024對(duì)行。對(duì)于各個(gè)啟用的行來說，在約45微秒的時(shí)間內(nèi)由各個(gè)列選擇寄存器/輸出驅(qū)動(dòng)器來讀出1024個(gè)像素(在各個(gè)行開始和結(jié)束處容許2微秒，正如結(jié)合圖18在上文所討論的那樣)。因此，在本實(shí)例中，各個(gè)陣列輸出信號(hào)Voutl、Vout2、Vout3和Vout4都具有約23MHz的數(shù)據(jù)速度。此外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到在其他實(shí)施方式中，可不以20幀/秒的幀頻iM^圖19的陣列100A中獲取數(shù)據(jù)(例如50~100幀/秒)。與圖13的陣列IOO相同，在其他方面中，圖19的陣列IOOA可包括圍繞陣列周邊的假4象素或參比4象素103的多個(gè)行和列，以有助于初始測(cè)試/評(píng)估數(shù)據(jù)、偏移測(cè)定和/或陣列校正。而且，用于陣列操作的各個(gè)電源和偏置電壓(如結(jié)合圖9在上文討論的那樣)都以與結(jié)合圖13在上文描述的相似的方式提供給方框195中的陣列IOOA。圖20示出了根據(jù)另一發(fā)明實(shí)施方案的基于035微米CMOS制造工藝并具有與圖19中討論的陣列100A的構(gòu)it^目類似的ISFET傳感器陣列100B的框圖。雖然陣列100B—般還基于結(jié)合圖9-12在上文討論的列和像素設(shè)計(jì)，但陣列100B中的像素尺寸/間距小于圖10中所示的像素尺寸/間距。特別地，再次參考圖lO和ll,圖10中所示的尺寸"e"實(shí)質(zhì)上在圖20的實(shí)施方案中從約9微米減小至約5微米，但沒有影響設(shè)置于像素的中心區(qū)域中的有源像素部件的完整性；類似地，圖10中所示的尺寸"f，從約7微米減小到約4微米。換句話說，圍繞有源部件的像素的某些外圍區(qū)域?qū)嶋H上相對(duì)于圖10中的給定尺寸被減小了，但是沒有影響如圖10和11中所示的像素有源部件的俯視圖和截面圖及其設(shè)計(jì)。圖20A中示出這種像素105A的俯視圖，其中尺寸"e"是5.1微米且尺寸"f，是4.1微米。在這種像素設(shè)計(jì)的一方面中，為了有助于尺寸削減，與圖10中所示的包括存在于圍繞像素的整個(gè)周邊的若干體連接B的像素相比，像素105A包括較少的體連接B(例如像素的各個(gè)角落都有一個(gè))。如圖20中所標(biāo)注的，陣列100B包括1348個(gè)列102i至1021348,其中每個(gè)列都包括1152個(gè)幾何正方形的像素105Ai至105AU52，其中的每一個(gè)都具有約5微米乘5微米的尺寸。因此，該陣列包括超過150萬個(gè)像素(〉1.5M像素)，且在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，整個(gè)陣列(ISFET像素和有關(guān)電路)可制造為具有約9毫米乘9毫米尺寸的集成電路芯片。與圖19的陣列IOOA相同，在一個(gè)方面中，圖20的陣列100B分成兩個(gè)行組40(K和4002，正如結(jié)合圖19在上文所討論的那樣。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，以50幀/秒的幀頻獲取完整數(shù)據(jù)幀(第一和第二行組40(K和4002的所有像素)，由此需要在每個(gè)約35微秒的周期內(nèi)連續(xù)啟用576對(duì)行。對(duì)于各個(gè)啟用的行來說，在約31微秒的時(shí)間內(nèi)，由各個(gè)列選擇寄存器/輸出驅(qū)動(dòng)器讀取674個(gè)像素(在各個(gè)行開始和結(jié)束處容許2微秒，正如結(jié)合圖18在上文所討論的那樣)。因此，在本實(shí)例中，各個(gè)陣列輸出信號(hào)Voutl、Vout2、Vout3和Vout4都具有約22MHz的數(shù)據(jù)速度。此外，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到在其他實(shí)施方式中，可不以50幀/秒的幀頻來從圖20的陣列100B中獲得數(shù)據(jù)。圖21示出了根據(jù)另一個(gè)發(fā)明實(shí)施方案的基于0.35微米CMOS制造工藝并引入了結(jié)合圖20和20A在上文討論的較小像素尺寸(5.1微米正方形像素)的ISFET傳感器陣列100C的框圖。如圖21中所標(biāo)注的，陣列100C包括4000個(gè)列102i至1024。。。，其中各個(gè)列都包括3600個(gè)幾何正方形的像素105&至105A36。。，其中的每一個(gè)都具有約5微米乘5微米的尺寸。因此，該陣列包括超過1400萬個(gè)像素(>141\^象素)，且在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，整個(gè)陣列(ISFET像素和有關(guān)電路)可制造為具有約22毫米乘22毫米尺寸的集成電路芯片。與圖19和20的陣列IOOA和IOOB相同，在一個(gè)方面中，圖21的陣列100C分成兩個(gè)行組40(^和4002,但是，與陣列IOOA和IOOB不同，對(duì)于各個(gè)行組來說，陣列100C包括十六個(gè)列選擇寄存器和十六個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器，以一次同時(shí)在一個(gè)啟用行中讀取十六個(gè)像素，以提供來自陣列100C的三十二個(gè)輸出信號(hào)Voutl-Vout32。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，以50幀/秒的幀頻獲取完整數(shù)據(jù)幀(第一和第二行組40(K和4002的所有像素)，由此需要在每個(gè)約11微秒的周期內(nèi)連續(xù)啟用1800對(duì)行。對(duì)于各個(gè)啟用的行來說，在約7微秒的時(shí)間內(nèi)，由各個(gè)列選擇寄存器/輸出驅(qū)動(dòng)器讀取250個(gè)(4000/16)像素(在各個(gè)行開始和結(jié)束處容許2微秒)。因此，在本實(shí)例中，各個(gè)陣列輸出信號(hào)Voutl-Vout32都具有約35MHz的數(shù)據(jù)速度。如同上述實(shí)施方案那樣，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到在其他實(shí)施方式中，可不以50幀/秒的幀頻來從陣列100C中獲取數(shù)據(jù)。雖然結(jié)合圖13-21在上文討論的示例性陣列都基于0.35微米常規(guī)CMOS制造工藝，但M當(dāng)認(rèn)識(shí)到，根據(jù)4^Hf內(nèi)容的陣列并不限制在這方面，因?yàn)榭梢允褂镁哂行∮?.35微米的特征尺寸的CMOS制造工藝(例如0.18微米CMOS制造工藝)來制造這種陣列。因此，可以制造具有顯著低于5微米的像素尺寸/間距的ISFET傳感器陣列，由此提供非常密集的ISFET陣列。例如，圖22和23分別示出了根據(jù)另外的實(shí)施方案的基于0.18微米CMOS制造工藝的ISFET傳感器陣列100D和100E的框圖，其中可以實(shí)現(xiàn)2.6微米的像素尺寸。該像素本身的設(shè)計(jì)基本基于圖20A中所示的像素105A，除了具有由于0.18微米CMOS制造工藝的原因而產(chǎn)生的小尺寸以外。圖22的陣列100D包括2800個(gè)列102丄至102誦，其中各個(gè)列都包括2400個(gè)幾何正方形的像素，其中的每一個(gè)都具有約2.6微米乘2.6微米的尺寸。因此，該陣列包括超過650萬個(gè)像素(>6.51\!像素)，且在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，整個(gè)陣列(ISFETN象素和有關(guān)電路)可制造為具有約9毫米乘9毫米尺寸的集成電路芯片。與圖19-21的陣列100A、100B和100C相同，在一個(gè)方面中，圖22的陣列100D分成兩個(gè)行組40(h和4002，但是，與陣列100A、100B和100C不同，對(duì)于各個(gè)行組來說，陣列100D包括八個(gè)列選擇寄存器和八個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器，以一次同時(shí)在一個(gè)啟用行中讀取八個(gè)4象素，以提供來自陣列100D的十六個(gè)輸出信號(hào)Voutl-Vout16。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，以50幀/秒的幀頻獲取完整數(shù)據(jù)幀(第一和第二行組40(^和4002的所有像素)，由此需要在每個(gè)約16-17微秒的周期內(nèi)連續(xù)啟用1200對(duì)行。對(duì)于各個(gè)啟用的行來說，在約14微秒的時(shí)間內(nèi)，由各個(gè)列選擇寄存器/輸出驅(qū)動(dòng)器讀取350個(gè)(2800/8)像素(在各個(gè)行開始和結(jié)束處容許1至2微秒)。因此，在本實(shí)例中，各個(gè)陣列輸出信號(hào)Voutl-VoutM都具有約25MHz的數(shù)據(jù)速度。如同上述實(shí)施方案那樣，應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到在其他實(shí)施方式中，可不以50幀/秒的幀頻來從陣列100D中獲取lt據(jù)。圖23的陣列100E包括7400個(gè)列102!至10274。。，其中各個(gè)列都包括7400個(gè)幾何正方形的像素，其中的每一個(gè)都具有約2.6微米乘2.6微米的尺寸。因此，該陣列包括超過5400萬個(gè)像素(〉54M像素)，且在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，整個(gè)陣列(ISFET像素和有關(guān)電路)可制造為具有約21毫米乘21毫米尺寸的集成電路芯片。與圖19-22的陣列100A-100D相同，在一個(gè)方面中，圖23的陣列100E分成兩個(gè)行組40(h和4002，但是，與陣列100A-100D不同的是，對(duì)于各個(gè)行組來說，陣列100E包括三十二個(gè)列選擇寄存器和三十二個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器，以一次同時(shí)在一個(gè)啟用行中讀取三十二個(gè)^(象素，以提供來自陣列100E的六十四個(gè)輸出信號(hào)Voutl-Vout64。在一個(gè)示例性實(shí)施方式中，以100幀/秒的幀頻獲取完整數(shù)據(jù)幀(第一和第二行組40(h和4002的所有^象素)，由此需要在每個(gè)約3微秒的周期內(nèi)連續(xù)啟用3700對(duì)行。對(duì)于各個(gè)啟用的行來說，在約700納秒的時(shí)間內(nèi)，由各個(gè)列選擇寄存器/輸出驅(qū)動(dòng)器讀取230個(gè)(7400/32)像素。因此，在本實(shí)例中，各個(gè)陣列輸出信號(hào)Voutl-Vout64都具有約328MHz的數(shù)據(jù)速度。如同上述實(shí)施方案那樣，應(yīng)當(dāng)i^識(shí)到在其他實(shí)施方式中，可不以100幀/秒的幀頻來從陣列100D中獲得數(shù)據(jù)。因此，在根據(jù)本文公開的發(fā)明概念的ISFET陣列的各個(gè)實(shí)例中，具有約九(9)微米的陣列間距(例如，小于十微米乘十微米的表面面積的傳感器)使得ISFET陣列包括256000個(gè)像素(即512乘512的陣列)，同時(shí)相應(yīng)的行和列選擇和偏置/讀出電子器件可制造在7毫米乘7毫米的半導(dǎo)體晶片上，并且包括超過四百萬4象素(即2048乘2048的陣列，大于4Mega-斗象素)的類似傳感器陣列可制造在21毫米乘21亳米的晶片上。在其他實(shí)例中，具有約5微米間距的陣列使得ISFET包括約1.55M像素(即1348乘1152的陣列)Jbf目應(yīng)的電子器件可制造在9毫米乘9毫米的半導(dǎo)體晶片上，且可以制造包括超過14M像素的ISFET傳感器陣列并以及在22毫米乘20亳米的晶片上制造與^目應(yīng)的電子器件。在其他實(shí)施方式中，能夠使用小于0.35微米(例如0.18微米CMOS工藝技術(shù))的特征尺寸的CMOS制造工藝，可以制造具有顯著低于5微米的像素尺寸/間距的ISFET傳感器陣列(例如2.6微米的陣列間距或小于8或9微米2的像素/傳感器面積)，以提供非常密集的ISFET陣列。在本文討論的ISFET的實(shí)施方案中，陣列像素使用p溝道ISFET，正如結(jié)合圖9在上文所討論的那樣。但M當(dāng)認(rèn)識(shí)到，根據(jù)4^>開內(nèi)容的ISFET陣列并不限制在這方面，用于ISFET像素設(shè)計(jì)的其他實(shí)施方案可以基于n溝道ISFET。特別地，結(jié)合圖13和19-23在上文討論的任何陣列都可根據(jù)n溝道ISFET的像素來實(shí)現(xiàn)。例如，圖24示出了根據(jù)4^Hf內(nèi)容的另一發(fā)明實(shí)施方案的利用n溝道ISFET及其附帶的n溝道MOSFET來實(shí)現(xiàn)圖9的像素設(shè)計(jì)。更具體地，圖24示出了陣列列的一個(gè)示例性4象素105t(即列的第一4象素)，以及列偏置/讀出電路110j，其中ISFET150(Ql)是n溝道ISFET。與圖9的4象素設(shè)計(jì)相同，圖24的像素設(shè)計(jì)包括三個(gè)部件，即，ISFET150和兩個(gè)n溝道MOSFET開關(guān)Q2和Q3，其響應(yīng)于n行選#^信號(hào)(RowSe^至RowSeln，邏輯高有效)的其中一個(gè)。圖24的像素中不需要傳輸門電路，并且像素的所有器件都是"同一類型"的，即n溝道器件。而且與圖9的像素設(shè)計(jì)相同，每個(gè)像素僅有四個(gè)需要操作圖24中所示的像素10&的三個(gè)部件的信號(hào)線，即線112pU4pU6i和118i。在其他方面中，圖9和圖24的4象素設(shè)計(jì)是類似的，這是因?yàn)樗鼈兌荚O(shè)置了恒定漏電流lDj和恒定漏-源極電壓VDSj，以從啟用的像素獲取輸出信號(hào)Vsj。圖24的n溝道ISFET《象素i殳計(jì)與圖9的p溝道ISFETi殳計(jì)的主要區(qū)別在于電流流過像素的方向相反。為此，在圖24中，元件106j是連接到模擬電路電源接地電壓VSSA的可控電流宿，而偏置/讀出電路110j的元件108j是連接到模擬正電源電壓VDDA的可控電流源。而且，ISFET150的體連接未連接到它的源極，而是連接到陣列的其他ISFET的體連接，其又連接到模擬接地VSSA,如圖24中所標(biāo)示的那樣。除了圖9和24中所示的像素i殳計(jì)(基于恒定ISFET漏電流和恒定ISFET漏-源極電壓)之外，根據(jù)^^開內(nèi)容的其他發(fā)明實(shí)施方案，可以預(yù)期用于ISFET陣列的基于p溝道ISFET和n溝道ISFET的其他〗象素設(shè)計(jì)，如圖25-27中所說明的。如下所述，某些其他的像素設(shè)計(jì)需要來自陣列控制器250的額外和/或改變的信號(hào)，以有助于數(shù)據(jù)獲取。特別地，圖25-27中所示的像素設(shè)計(jì)的共有特征包括除了用于陣列的各個(gè)列的采樣和保持電容之外，各個(gè)像素本身還具有采樣和保持電容。雖然圖25-27的替代像素設(shè)計(jì)通常包括大于圖9和24的像素設(shè)計(jì)的部件數(shù)量,但是l象素采樣和保持電容能夠用于"瞬象"型陣列，其中該陣列的所有^象素都可以同時(shí)啟用，以采樣一個(gè)完整的幀并獲取代表陣列的各個(gè)ISFET附近的一種或多種分析物測(cè)量的信號(hào)。在某些應(yīng)用中，這可以提供較高的數(shù)據(jù)釆集速度和/或改善的信號(hào)靈敏度(例如較高信噪比)。圖25示出了這種單一像素105C以及有關(guān)的列電路110j的一個(gè)這種替代設(shè)計(jì)。像素105C利用n溝道ISFET且其一般基于在ISFETQl的兩端提供基于反饋放大器(Q4、Q5和Q6)的恒定電壓的前提。特別地，晶體管Q4構(gòu)成了反饋放大器的負(fù)載，并由偏壓VB1(由陣列控制器提供)來設(shè)定放大器的電流。晶體管Q5是共用柵機(jī)故大器，晶體管Q6是共用源機(jī)故大器。而且，使用反饋放大器的目的是通過調(diào)節(jié)由晶體管Q3提供的電流而保持ISFETQl上的電壓恒定。晶體管Q2限制了ISFETQl能夠引起的最大電流(例如，用以避免像素的大目陣列過熱引起的損壞)。這個(gè)最大電流由偏壓VB2(也由陣列控制器提供)設(shè)定。在圖25中所示的像素設(shè)計(jì)的一方面中，施加到像素105C的電壓可通過將偏壓VB2設(shè)定為0伏特且偏壓￥81設(shè)定為3.3伏特而關(guān)閉。這樣，提供到這種像素的大,陣列的電壓可被調(diào)制(短時(shí)間周期被開啟且接著被陣列控制器關(guān)閉)，以獲取離子濃度測(cè)量，同時(shí)降低陣列的總功耗。施加到像素的調(diào)制功率還減小了陣列的熱耗散以及對(duì)分析物溶液的潛在加熱，由此還降低了由于樣本加熱而導(dǎo)致的任意潛在有害效應(yīng)。圖25中，反饋放大器的輸出(晶體管Q3的柵極)由MOS開關(guān)Q7采樣并儲(chǔ)存在像素本身的像素采樣和保持電容Csh中。開關(guān)Q7由像素采樣和保持信號(hào)pSH(通過陣列控制器提供到陣列芯片)控制，該信號(hào)pSH同時(shí)施加到陣列的所有像素，以便同時(shí)存儲(chǔ)對(duì)各個(gè)采樣和保持電容的所有像素的讀數(shù)。這樣，根據(jù)圖25的像素設(shè)計(jì)可被認(rèn)為是"瞬象"陣列，因?yàn)樵谌我饨o定時(shí)間采樣完整的數(shù)據(jù)幀，而不是順序采樣陣列的行。在各個(gè)像素值存儲(chǔ)在相應(yīng)的像素采樣和保持電容Csh中之后，各個(gè)像素105C(ISFET和反饋放大器)能夠自由獲取另一pH讀數(shù)或其通過關(guān)閉而節(jié)電。圖25中，存儲(chǔ)在所有像素采樣和保持電容Csh上的像素值通過源極跟隨器Q8而被一次一行的施加到列電路110j，源極跟隨器Q8通過響應(yīng)于行選擇信號(hào)(例如RowSell)的晶體管Q9而啟用。特別地，在選定行且已經(jīng)設(shè)定后，存儲(chǔ)在像素采樣和保持電容中的值接著又存儲(chǔ)在列采樣和保持電容Csh2上，因?yàn)槠渫ㄟ^列采樣和保持信號(hào)COLSH而被啟用，并提Wt為列輸出信號(hào)VCOLj。圖26示出了才艮據(jù)>$^>開內(nèi)容的一個(gè)實(shí)施方案的單一像素105D及相關(guān)的列電路110j的另一設(shè)計(jì)。在本實(shí)施方案中，ISFET示出為p溝道器件。在數(shù)據(jù)采集循環(huán)開始的時(shí)候，關(guān)閉由信號(hào)pSH(像素采樣/保持)以及pRST(像素復(fù)位)控制的CMOS開關(guān)(這些信號(hào)由陣列控制器提供)。這將ISFET(Ql)的源極拉到電壓VRST。此后，開啟由信號(hào)pRST控制的開關(guān)，ISFETQl的源極將像素采樣和保持電容Csh拉至由pH設(shè)定的水平之下的閣值。接著開啟由信號(hào)pSH控制的開關(guān)，且將像素輸出值通過響應(yīng)于行選擇信號(hào)RowSell的開關(guān)的搮作而連接到列電路110j，以提供列輸出信號(hào)Vco!j。與圖25中說明的實(shí)施方案中的像素設(shè)計(jì)相同，基于像素105D的陣列是"瞬象"型陣列，因?yàn)殛嚵械乃邢袼乜杀煌瑫r(shí)操作。一方面，這種設(shè)計(jì)使得在對(duì)所有像素進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間同步積分之后，進(jìn)行整個(gè)數(shù)據(jù)幀的高度讀取。圖27示出了根據(jù)^2MHf內(nèi)容的一個(gè)實(shí)施方案的用于單一像素105E及相關(guān)的列電路110j的另一設(shè)計(jì)。在本實(shí)例中，ISFET再次示出為p溝道器件。在數(shù)據(jù)采集循環(huán)開始的時(shí)候，由控制信號(hào)pl和pRST操作的開關(guān)被暫時(shí)關(guān)閉。這就清除了存儲(chǔ)在采樣電容Csh上的值，并使得電荷存儲(chǔ)在ISFET(Q1)上。此后，關(guān)閉由信號(hào)pSH控制的開關(guān)，使得存儲(chǔ)在ISFETQl上的電荷存儲(chǔ)到像素采樣和保持電容Csh上。接著開啟由信號(hào)pSH控制的開關(guān)，將像素輸出值通過響應(yīng)于行選擇信號(hào)RowSell的開關(guān)的操作而連接到列電路110j，以提供列輸出信號(hào)VCOLj。通過ISFET電容與Csh電容的比率，即增益-C(jWCsh，或通過多次啟用像素(即取得分析物測(cè)量的多個(gè)樣本)并在沒有將電容復(fù)位的情況下，求施加到像素采樣和保持電容Csh的ISFET輸出的和(即增益是積累數(shù)量的函數(shù))，可在像素105E中提供增益。與圖25和26的實(shí)施方案相同，基于像素105D的陣列是"瞬象"型陣列，因?yàn)殛嚵械乃?象素可被同時(shí)操作。從傳感器的討論中轉(zhuǎn)移出來，現(xiàn)在我們將探討ISFET陣列和微孔腔陣列的組合以及相應(yīng)的微流體學(xué)。因?yàn)槲⒖浊魂嚵薪Y(jié)構(gòu)的大多數(shù)附圖都以截面圖的方式存在或僅僅將陣列示出為簡(jiǎn)圖中的一個(gè)框圖，所以拔映了圖28A和28B以協(xié)助讀者開始直觀化所得的三維裝置。圖28A示出排列成陣列的一組圓柱體孔腔2810,同時(shí)圖28B示出排列成陣列的一組矩形柱體孔腔2830。將可以看到，通過形成孔腔壁的材料2840而將阱彼此分開(隔離)。雖然確定能夠制造具有其他截面的孔腔，但是具有其他截面的孔腔未必可以方便地制造。這種微孔腔陣列位于上文討論的ISFET陣列上，每個(gè)孔腔具有一個(gè)或多個(gè)ISFET。在后續(xù)附圖中，當(dāng)微孔腔陣列都相同時(shí)，可以僅繪出這些陣列中的一個(gè)。流體系統(tǒng)與高密度電子傳感器陣列一同使用的裝置和方法對(duì)于多種應(yīng)用來說，為了實(shí)現(xiàn)利用上述高密度電子陣列來完成用于感測(cè)化學(xué)反應(yīng)或化學(xué)物的系統(tǒng)，需要將包含用于感測(cè)的化學(xué)或生物學(xué)試劑的流體傳送到陣列元件(稱為"像素")的技術(shù)和裝置。在本節(jié)中，將說明示例性的技術(shù)和方法，這些技術(shù)和方法都適用于這個(gè)目的，并具有令人滿意的特性。因?yàn)榭赡苄枰到y(tǒng)高速工作，所以優(yōu)選流體傳送系統(tǒng)在盡可能的限度內(nèi)不會(huì)限制整體系統(tǒng)的工作速度。因此，在足夠小的反應(yīng)量實(shí)質(zhì)上促進(jìn)了對(duì)于各種感測(cè)的檢測(cè)速度和質(zhì)量的情況下，不僅需要高速、高密度的ISFET陣列或其他對(duì)離子濃度或其他化學(xué)屬性或化學(xué)屬性變化敏感的元件，而且還需要用于將待評(píng)估的樣本供應(yīng)至陣列元件的有關(guān)機(jī)械的裝置和技術(shù)。提供兩種或有時(shí)三種部件或子系統(tǒng)及其相關(guān)方法，其包括將對(duì)象化學(xué)樣本遞送給陣列元件(1)試劑與洗滌流體的供應(yīng)和適宜的閥和輔助裝置的微流體系統(tǒng)，(2)流動(dòng)腔，以及(3)許多應(yīng)用中的微孔腔陣列。將討論這些子系統(tǒng)中的每一個(gè)，但討論順序相反。微孔腔陣列如在別處所討論的那樣，對(duì)于諸如DNA序列測(cè)定的多種應(yīng)用來^兌，希望在半導(dǎo)體傳感器陣列上提供相應(yīng)的微孔腔陣列，每個(gè)微孔腔足夠小，優(yōu)選僅能容納一個(gè)負(fù)載DNA的#*,與微孔腔相連接的陣列中的下方像素將提供相應(yīng)的輸出信號(hào)。這種微孔腔陣列的使用包括三個(gè)制造和制備階段，分別討論其中的每一個(gè)階段(1)制造微孔腔陣列以形成具有包括微孔腔陣列層的涂層的芯片；(2)在DNA序列測(cè)定的情況下，將被涂覆的芯片安裝到流體界面，(3)在孔腔中裝載負(fù)載有DNA的一個(gè)或多個(gè)^:。當(dāng)然，可以理解的是，在其他應(yīng)用中微珠可以是非必需的或可以使用具有不同特性的M。微孔腔陣列的制造可采用多種方法實(shí)現(xiàn)微孔腔的制造。制造的實(shí)際細(xì)節(jié)會(huì)需要某些試驗(yàn)過程，并隨著可獲得的處理能力而變化。一般來說，微孔腔的高密度陣列的制造包括使用蝕刻工藝在諸如光刻膠(有機(jī)或者無機(jī))、電介質(zhì)的材料的一層或多層上光刻圖案化孔腔陣列的構(gòu)造。可用傳感器陣列上的材料來實(shí)現(xiàn)或可獨(dú)立地實(shí)現(xiàn)圖案化，接著將其轉(zhuǎn)移到傳感器陣列芯片上，或者組合上述兩種方法來實(shí)現(xiàn)圖案化。但是，光刻之外的技術(shù)如果能夠提供可接受的結(jié)果，則這些技術(shù)不能被排除在外?，F(xiàn)在討論用于形成微孔腔陣列的方法的一個(gè)實(shí)例，首先參考圖29,其圖解示出了芯片布圖一角(即左下角)的俯視圖，其示出了CMOS晶片2914上的分立的ISFET傳感器2912的陣列2910。信號(hào)線2916和2918用于尋址陣列并讀取其輸出。方塊2920代表如上所述的用于陣列的某些電子器件，層2922代表成為微流體結(jié)構(gòu)、流動(dòng)腔的一部分的壁的一部分，如下文更全面解釋的那樣；流動(dòng)腔是為使流體直接流過微孔腔陣列或如果沒有微孔腔結(jié)構(gòu)則流過傳感器表面的結(jié)構(gòu)。在芯片表面上，例如圖29的下部左側(cè)處所示的圖案2922的圖案可在加工半導(dǎo)體以形成ISFET及其相關(guān)電路期間形成，用作在電介質(zhì)已經(jīng)覆蓋芯片表面時(shí)在傳感器像素上定位孔腔的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。如圖所示的半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)形成之后，將微孔腔結(jié)構(gòu)施加到芯片。即，微孔腔結(jié)構(gòu)可形成在芯片上的右側(cè)，或可獨(dú)立地形成微孔腔結(jié)構(gòu)，接著將其安裝到芯片上，這兩種方法都是可取的。為了在芯片上形成微孔腔結(jié)構(gòu)，可利用多種工藝。例如，可以利用例如Microchem，sSU-82015的負(fù)光刻膠或例如HDMicrosystemsHD8820的正光刻^/聚酰亞胺來旋涂整個(gè)芯片直至達(dá)到微孔腔所需的高度。微孔腔在光刻膠層中的所需高度(例如，在每個(gè)孔腔一個(gè)像素的實(shí)例中為約4-12jtm，雖然沒有特別限制為一般情況)可通過在一個(gè)或多個(gè)層中以預(yù)定速度(通過參考相關(guān)文獻(xiàn)和制造商i兌明書或通過經(jīng)驗(yàn)來確定)旋涂適當(dāng)?shù)墓饪棠z來實(shí)現(xiàn)(示例性地，孔腔的高度可選擇為與傳感器像素的橫向尺寸對(duì)應(yīng)，優(yōu)選為標(biāo)稱1:1~1.5:1的縱橫比，高:寬或直徑。鑒于對(duì)信噪比的考慮，尺寸和所需數(shù)據(jù)釆樣率之間存在一個(gè)關(guān)系，以實(shí)現(xiàn)所需的性能等級(jí)。因此存在為給定應(yīng)用選擇最優(yōu)^L的多個(gè)因素。作為替代方案，可以施加不同光刻膠的多層或可沉積另一形式的介電材料。還可將各種類型的化學(xué)氣相沉積方法用于構(gòu)建適于微孔腔形成的材料層。一旦在適當(dāng)?shù)奈恢眯纬闪斯饪棠z層(未加數(shù)量詞修飾的"層，，也用于包括累積的多層)，通過在覆蓋光刻膠的芯片上設(shè)置掩模(例如鉻)并將光刻膠暴露于交聯(lián)(示例性地為uv)輻射可生成單獨(dú)的孔腔(示例性地，繪制成每個(gè)孔腔具有一個(gè)或四個(gè)ISFET)。暴露于輻射的所有光刻膠都(即掩模不阻擋輻射的位置處)變得交聯(lián)，結(jié)果將形成結(jié)合到芯片表面的永久塑性層。沒有反應(yīng)的光刻膠(即未曝光區(qū)域中的光刻膠，這是由于掩模阻擋了光使之不能到達(dá)光刻膠從而阻礙了交聯(lián))可通過在適當(dāng)溶劑(例如顯影劑)中清洗芯片而移除，適當(dāng)?shù)娜軇├缡菚趸一┧岜减?PGMEA)或其他適當(dāng)?shù)娜軇?。所產(chǎn)生的結(jié)構(gòu)限定了微孔腔陣列的壁。圖30示出了用于每孔腔一個(gè)傳感器的實(shí)施方案的鉻掩模3010的一部分的布圖的實(shí)例，該部分對(duì)應(yīng)于圖29中所示的芯片的部分?；疑珔^(qū)域3012、3014遮擋UV輻射。白色部分3016中的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記位于圖30的左下部象限中，在灰色區(qū)域3012中，對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記用于在芯片表面上將孔腔的布圖與ISFET對(duì)準(zhǔn)。位于掩模右上象限的圓形陣列3014阻擋輻射到達(dá)孔腔區(qū)域，以留下能夠溶解形成壁的未反應(yīng)的光刻膠。圖31示出用于每孔腔四傳感器的實(shí)施方案的掩模3020的相應(yīng)布圖。注意，仍然使用對(duì)準(zhǔn)圖案3016并且陣列2910中的單個(gè)孔腔掩蔽圏3014A是圖30中的孔腔3014直徑的兩倍，這就滿足了每孔腔四傳感器而不是每孔腔一個(gè)傳感器。在將芯片/光刻脫暴露于UV輻射之后，光刻膠的第二層可涂覆到芯片的表面上。光刻膠的第二層可相對(duì)地加厚，示例性地，例如約400~450pm厚。也可由鉻構(gòu)成的第二掩模3210(圖32)用于掩蔽圍繞陣列的區(qū)域3220，以構(gòu)建光刻膠的卡團(tuán)或壁(或者使用地質(zhì)學(xué)中的術(shù)語，盆地)3310,其圍繞襯底3312上的傳感器的有源陣列，如圖33中所示。在所描述的特定實(shí)例中，在陣列的每側(cè)上，在x的方向上，卡圏比傳感器陣列寬150fim，且在y方向上，在陣列的每側(cè)上，比陣列寬9pm。掩模3210上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(大部分未示出)與第一層上的對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記以及CMOS芯片本身相匹配。當(dāng)然，其他的光刻方法可用于形成微孔腔陣列，上述內(nèi)容僅僅是其中的一個(gè)實(shí)例。例如，可以使用各種分辨率的接觸光刻以及各種蝕刻劑和顯影劑。其中形成微孔腔的層可以同時(shí)使用有機(jī)和無機(jī)材料?？稍谛酒衔g刻該層，該芯片具有位于傳感器陣列中的像素結(jié)構(gòu)上的介電層，例如鈍化層，或者可以單獨(dú)形成該層并接著施加到傳感器陣列之上。特定的選擇和處理方法取決于諸如陣列尺寸、孔腔尺寸、可利用的制造設(shè)備、可接受的成本等因素。在可以用于某些實(shí)施方案中以形成微孔腔層的各種有機(jī)材料中，包括上述的SU-8型負(fù)性光刻膠、常規(guī)的正性光刻膠和正性光可限定的聚酰亞胺。其中每一個(gè)都有優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)，這些都是熟悉光刻技術(shù)的本領(lǐng)域4支術(shù)人員所熟知的。當(dāng)然，在生產(chǎn)環(huán)境中，可進(jìn)行適當(dāng)?shù)馗倪M(jìn)。接觸光刻具有局限性，并且其不能作為制造最大密度的孔腔的制造方法，即，其會(huì)在橫向上產(chǎn)生大于所需最小間距極限的距離。其他技術(shù)，例如深UV分步和重復(fù)工藝，能夠提供較高的光刻分辨率且可用于制造小的間距以及可能更小的孔腔直徑。當(dāng)然，對(duì)于不同的所需技術(shù)條件(例如每個(gè)芯片的傳感器和孔腔的數(shù)量)來說，可以使用不同技術(shù)中最佳的技術(shù)。而且，實(shí)際因素例如制造商可利用的制造工藝，可以推動(dòng)特定制造方法的應(yīng)用。雖然討論了上述新方法，但是本發(fā)明的各個(gè)方面都限于這些新方法的應(yīng)用。優(yōu)選地，具有ISFET的CMOS晶片將在最后的金屬化工藝之后被平坦化。氮化硅鈍化之前進(jìn)行化學(xué)機(jī)械電介質(zhì)平坦化。這將使得后續(xù)光刻步驟在非常平坦的表面上進(jìn)行，從而避免后端CMOS形貌。通過利用深UV分步和重復(fù)光刻系統(tǒng)，能夠解析具有高分辨率、對(duì)準(zhǔn)和重復(fù)精度的小特征。但是，這些系統(tǒng)的高分辨率和大數(shù)值孔徑(NA)阻礙它們具有大的焦深。同樣地，當(dāng)使用這種制造系統(tǒng)時(shí)，有必JH吏用較薄的光可限定旋涂層(即使用約1~2pm的光刻膠而不是用于接觸光刻中的較厚層)來實(shí)施圖案轉(zhuǎn)移，接著蝕刻微孔腔特征至下方的一個(gè)或多個(gè)層。例如，可以順序?qū)嵤┧膫€(gè)lnm等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相薄膜沉積(標(biāo)準(zhǔn)工廠工藝)以提供厚度為4jim的目標(biāo)微孔腔。接著可將高分辨率光刻工藝用于圖案化微孔腔結(jié)構(gòu)并且可以使用常規(guī)Si02蝕刻化學(xué)物-其每次可用于鍵合焊墊區(qū)域接著用于微孔腔區(qū)域-具有選擇性蝕刻停止；接著可分別在鋁鍵合焊墊和氮化硅鈍化層(等)上停止蝕刻。作為替代方案，可以使用其他合適的替代圖案轉(zhuǎn)移和蝕刻工藝，以提供無機(jī)材料的微孔腔。另一方法用于形成有機(jī)材料的微孔腔。例如，可使用雙光刻膠"軟掩模，，工藝，由此在較厚的有機(jī)材料(例如，固化聚酰亞胺或相反性質(zhì)的光刻膠)頂部上使用薄的高分辨率深uv光刻膠。圖案化頂部光刻膠層。該圖案可利用氧等離子體反應(yīng)離子蝕刻工藝轉(zhuǎn)移。這種工藝步驟有時(shí)也稱為"可移植保形掩模"(portableconformablemask,PCM)技術(shù)。參見SeeB.J.Linetal""PracticingtheNovolacdeep隱UVportableconformablemaskingtechnique",JournalofVacuumScienceandTechnology19,No.4，1313-1319(1981);和A.Cooperetal，"Optimizationofaphotosensitivespin-ondielectricprocessforcopperinductorcoilandinterconnectprotectioninRFSoCdevices"。作為替代方案，可以使用"鉆孔聚焦"技術(shù)，由此實(shí)現(xiàn)不同聚焦深度的連續(xù)分步和重復(fù)曝光，以在圖案化厚光刻膠層時(shí)，補(bǔ)償高分辨率步進(jìn)機(jī)的聚焦深度(DOF)限制。這種技術(shù)取決于步進(jìn)機(jī)NA和DOF以及光刻膠材料的對(duì)比度特性。另一PCM技術(shù)可適于這些目的，例如參見Edwards等人的美國(guó)專利申請(qǐng)公才艮第2006/0073422號(hào)。這是一種三層PCM工藝并示于圖33A中。如圖所示，基本上需要六個(gè)主要步驟來制造微孔腔陣列并且結(jié)果與接觸光刻所產(chǎn)生的結(jié)果非常相似。在第一步3320中，諸如ShipleyInterViaPhotodielectricMaterial8021(IV8021)類型的高對(duì)比度負(fù)性光刻膠層3322旋涂到晶片表面上，我們假設(shè)該晶片提供圖33的襯底3312(其中制造傳感器陣列)，并且實(shí)施軟烘烤操作。接著，在步驟3324中，施加阻擋抗反射涂層(BARC)3326并軟烘烤。步驟3330中，在這種結(jié)構(gòu)的頂部上旋涂薄光刻膠層3328并軟烘烤，薄層光刻膠適于細(xì)微特征的限定。在步驟3332中，接著使光刻Jf^3328圖案化、瀑光并顯影，并移除不再被光刻膠3328保護(hù)的膝光區(qū)域3329中的BARC。這就打開了區(qū)域3329向下直至未處理的IV8021層。BARC層可用作保形接觸掩模。在步驟3334中，用滿片曝光工具進(jìn)行全面膝光，交聯(lián)膝光的IV8021，其現(xiàn)在顯示為與3322中未處理的IV8021不同。接著實(shí)施一個(gè)或多個(gè)顯影劑步驟3338,移除區(qū)域3336中除交聯(lián)的IV8021以外的所有東西。這樣，區(qū)域3336構(gòu)成微孔腔壁。雖然如上所述，ISFET的鈍化層的頂部是孔腔的下限(即終點(diǎn))，但是如果活性M保持為sWt高于ISFET鈍化層，則可以相信這樣可以提升ISFET傳感器的性能(即，例如信噪比)。一種實(shí)現(xiàn)上述內(nèi)容的方法是在像素微孔腔的邊界內(nèi)設(shè)置間隔物"凸塊"。提供這種結(jié)構(gòu)的實(shí)例是不蝕刻掉用于形成微孔腔結(jié)構(gòu)的一個(gè)或多個(gè)層的一部分(即，兩個(gè)光刻步驟來形成微孔腔-一個(gè)是部分蝕刻，另一個(gè)是圖案化凸塊且完成至底部的蝕刻)，這是通過在實(shí)現(xiàn)微孔腔之后將永久光可限定材料用于凸塊或通過沉積和光刻限定并蝕刻分離層來形成"凸塊"而實(shí)現(xiàn)的。如圖33B中的3350示出了凸塊的特征。一個(gè)替代的(或額外的)非綜合方法是在裝載含有DNA微珠之前，用一層或兩層非常小封裝的*來加載孔腔。將涂覆的芯片安裝到流動(dòng)腔(流體界面)利用芯片上傳感器陣列與微孔腔陣列組合的組合件對(duì)樣本中的DNA進(jìn)行序列測(cè)定的工藝稱為"試驗(yàn)"。執(zhí)行這種試驗(yàn)需要將結(jié)合DNA的微珠裝載到孔腔并使若干不同的溶液(即試劑和洗滌劑)流過孔腔。需要與流體界面連接的流體傳送系統(tǒng)，其以可控層流的方式使不同的溶液流過孔腔，同時(shí)具有可接受的小的死體積和在序列測(cè)定溶液之間的小的交叉污染。流體界面有時(shí)稱作"流動(dòng)腔"?？墒褂枚喾N構(gòu)造的流動(dòng)腔設(shè)計(jì)；這里呈現(xiàn)的系統(tǒng)和方法不取決于特定流動(dòng)腔構(gòu)造的使用。雖然希望適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)腔基本與下列目標(biāo)相符*與流體傳送系統(tǒng)的適當(dāng)互聯(lián)-例如，通過適當(dāng)尺寸的管道；*孔腔上的適當(dāng)?shù)囊好嫔峡臻g(對(duì)于DNA序列測(cè)定來說，約300nm);*使流體進(jìn)入腔之前流體遇到的死體積(即，微孔腔陣列上的封閉空間)最小化。*消除接觸夜體的小空間但不通過流動(dòng)腔來掃除(以最小化交叉污染)。*從連接入口處的寬闊/平坦正面的入口管流到流動(dòng)腔的流動(dòng)的均勻擴(kuò)展。層流特性，使得寬闊/平坦正面的輪廓在其>^口側(cè)至出口側(cè)穿越芯片時(shí)得到保持。*適于將可移除的參比電極置于流動(dòng)腔內(nèi)部或盡可能接近流動(dòng)腔。*容易裝載m^。*可以可接受的成本制造。*容易將流動(dòng)腔及其附屬裝置組裝到芯片封裝。為了說明這些標(biāo)準(zhǔn)，將討論若干實(shí)例設(shè)計(jì)中的每一個(gè)。在各個(gè)實(shí)例中，本領(lǐng)域技術(shù)人員通?？梢赃x擇一種或兩種方法實(shí)現(xiàn)這些設(shè)計(jì)通過將流動(dòng)腔固定到框架上且將框架粘合到(或其他固定方法)芯片，或者通過將框架集成進(jìn)流動(dòng)腔結(jié)構(gòu)并將這種一體化組合件固定到芯片。而且，設(shè)計(jì)可通過參比電極集成進(jìn)配置的方式而加以分類。根據(jù)設(shè)計(jì)，參比電極可集成進(jìn)流動(dòng)腔(例如形成流動(dòng)腔的頂蓋的一部分)或i殳置于流動(dòng)路徑內(nèi)(通常設(shè)置到流動(dòng)路徑出口或下游側(cè)，在傳感器陣列后方)。圖34-37中示出引入這種流體界面的適當(dāng)試^i殳備3410的第一實(shí)例，其制造和構(gòu)造將在下文詳細(xì)討論。該設(shè)備包括半導(dǎo)體芯片3412(雖然未示出，但通常是示出的)，其上或其中形成孔腔和傳感器的陣列，且芯片頂部上的流體組合件3414將樣本傳送到芯片來讀取。流體組合件包括用于引入包含樣本的流體的部分3416，用于使流體排出的部分3418,以及用于使流體^V口流動(dòng)到出口并沿著這個(gè)路徑與孔腔中的材料相互作用的流體腔部分3420。這三個(gè)部分通過包含載玻片3422的界面而一體化(例如ErieScientificCompany,Portsmoutti，NH的Erie微陣列Cat#C22-5128-M20,切割為約25mmx25mm的三分之一)。安裝到載玻片的頂表面上的是兩個(gè)管道配件3424和3426，例如UpchurchScientificofOakHarbor,WA的納米管道配件#N-333。一個(gè)端口(例如3424)用作下文描述但這里未示出的泵/閥系統(tǒng)傳送液體的入口。第二個(gè)端口(例如3426)是出口，其將液體排放到廢物采集區(qū)。各個(gè)端口都連接例如具有適當(dāng)內(nèi)徑的撓性管路的導(dǎo)管3428、3432。安裝納米端口，以致管路可貫穿載玻片中的對(duì)應(yīng)孔。管道的孔徑應(yīng)與載玻片的底表面齊平。載玻片的底部上，流動(dòng)腔3420可包括多種用于促*本層流流過微孔腔陣列的結(jié)構(gòu)。例如，M口管向流動(dòng)腔的邊緣^t的一系列微流體管道可利用諸如MicroChemCorp.ofNewton,MA的SU-8光刻膠的正光刻膠通過接觸光刻而圖案化。將在下文討論其他結(jié)構(gòu)。芯片3412進(jìn)而安裝到用于封裝并連^r線引腳3432的栽體3430。為了簡(jiǎn)便說明，從圖38開始討論制造過程，將載玻片3422相對(duì)于圖34-37中的栽玻片的方向倒置。光刻膠層3810施加到栽玻片的"頂部"(當(dāng)翻轉(zhuǎn)該栽玻片及其附加層并將其上的微孔腔陣列安裝到ISFET陣列傳感器組合件時(shí)，該"頂部"將變成"底部")。本實(shí)例中，層3810可以是約150pm厚，其將構(gòu)成從納米端口的管路端至傳感器陣列芯片的邊緣的主要流體載運(yùn)層。利用例如圖39的掩模3910的掩模來圖案化層3810("圖案化"的意思是用輻射源使光刻膠通過掩模曝光，接著移除非塑化的光刻膠)。掩模3910具有示為白色的輻射可透過區(qū)域以及示為陰影的輻射阻擋區(qū)域3920。輻射阻擋區(qū)域位于3922-3928。區(qū)域3926將形成圍繞傳感器組合件的通道；其形成在掩模3920的外邊R內(nèi)0.5mm的位置處，以避免典型的邊^(qū)*。區(qū)域3922和3924將阻擋輻射，從而移除光刻膠的相應(yīng)區(qū)域以形成所示的空隙形狀。各個(gè)區(qū)域3922、3924都具有圓末端，其尺寸設(shè)計(jì)為容納相應(yīng)的管道3428、3432的其中一個(gè)，管道3428、3432穿it^目應(yīng)的納米端口3424、3426。區(qū)域3922、3924在傳感器陣列的方向上從圓末端*，以使得液體可以擴(kuò)散開來，以使流過陣列的流體基本上是層流的。區(qū)域3928是一個(gè)簡(jiǎn)單地對(duì)準(zhǔn)圖案，并且可以是任何合適的對(duì)準(zhǔn)圖案或用適當(dāng)?shù)奶娲鷮?duì)準(zhǔn)裝置來替換。已經(jīng)提供了圖38中的虛線來說明在掩模區(qū)域3922和3924下放的空隙3822和3824的形成。完全分離地形成光刻膠的第二層，其沒有位于光刻膠3810或載玻片3422上。優(yōu)選地，其形成在平坦柔性表面上(未示出)，以形成可剝離的圖案化塑性層。光刻膠的該第二層可利用諸如掩模4010的掩模來形成，掩模4010在圖案化之后將留在柔性襯底上，將在下文討論邊緣下方區(qū)域4012、兩個(gè)縫隙下方區(qū)域4014、4016的4吏用，并且由圖案化的區(qū)域4018和4022來形成對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記。接著利用一個(gè)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記或一組對(duì)準(zhǔn)標(biāo)"^將光刻膠的第二層施加到光刻膠的第一層，例如用圖案4018來生成對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記以對(duì)準(zhǔn)這些層。接著，將第二層從其柔性襯底上剝離并移除柔性襯底。由圖案4022制造的其他對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記或標(biāo)記組用于與下文討論的后續(xù)層的對(duì)準(zhǔn)。優(yōu)選地，第二層約為150pm深，并且在區(qū)域4014和4016下方，在傳感器陣列芯片的相應(yīng)邊緣處覆蓋除約150^un長(zhǎng)的縫隙之外的流體載運(yùn)通道。一旦光刻膠的第二層設(shè)置在第一層上，就利用諸如圖41中所示的掩模4110的4^模在第二層上形成光刻膠的第三圖案化層。第三層在區(qū)域4112下方提供擋板構(gòu)件，其與傳感器芯片陣列上的卡圏3310的寬度相同(參見圖33)，但比其短約300^im，以與第一層的流體流體載運(yùn)通ii^目一致。第三層可為約150^im厚，且朝著由此形成的盆地的底板穿入芯片卡圍3310中150pm。這種構(gòu)造將在傳感器陣列芯片上的孔腔上留下約300jtm的頂部空間。液體穿過4014、4016下方的150inm的縫隙沿著傳感器陣列的整個(gè)寬度流過孔腔。圖36按比例示出微流體和傳感器裝置的上述實(shí)施方案的局部截面圖，其還在圖34和35中示出了放大的圖，以使流體流通路徑更直觀。(圖37中示出半個(gè)流通路徑進(jìn)一步放大的示意圖)，這里可以看到流體通it^口管3428iiA^口端口3424。在管道3428的底部，流體流過由掩模區(qū)域3922形成的擴(kuò)大腔3610，流體在卡團(tuán)3310上流動(dòng)接著i^V盆地的底部3320,并穿過芯片3412及其微孔腔陣列。穿過陣列之后，流體接著在卡團(tuán)3310的遠(yuǎn)端壁處垂直拐彎，并流過卡圏的頂部到達(dá)或流過由4^模區(qū)域3924形成的流動(dòng)集中腔3612，通過出口端口3426中的出口管3432流出。圖37的示意圖中也可看到從陣列中部流到出口的這種流動(dòng)的一部分，其中箭頭表示流體流動(dòng)的方向。分并對(duì);壓合^一k從而固定到傳感器陣列芯片:°^雖然圖34-36中沒有示出，但是可以理解的是，參比電極可以是金屬化層3710，如圖37中所示，其位于流動(dòng)腔的頂板處。圖42中示出了另一種引入?yún)⒈入姌O的方法。其中，在流動(dòng)腔的頂板中提供孔4210，并且將墊圏4212(例如硅樹脂材料)安裝到孔中，從而提供中心通道或鉆孔，參比電極4220可插入其中。擋板或其他微特征(未示出)可被圖案化i^v流動(dòng)通道以促進(jìn)微孔腔陣列上的層流。圖43-44示出了另一替代流動(dòng)腔設(shè)計(jì)4310。這種設(shè)計(jì)依靠固定到芯片的單一塑料片或構(gòu)件4320的模制而形成流動(dòng)腔。通過在4330和4340處，在塑料片中接進(jìn)線狀圖案的連接而形成流體系統(tǒng)的連接?；蛘?，如果構(gòu)件4320由諸如聚二甲基硅氧烷(PDMS)的材料制成，則可通過將管路簡(jiǎn)單地插入構(gòu)件4320中適當(dāng)尺寸的孔中來形成連接。圖43-44中示出這種設(shè)計(jì)的垂直截面圖，這種設(shè)計(jì)可利用凸出的塑料卡團(tuán)4350(其可以是所示的實(shí)心壁或一系列形成向下延，伸的柵狀壁的間隔分開的支腳)以封閉芯片封裝并使塑料片與芯片封^t準(zhǔn)，或其他合適的結(jié)構(gòu)，由此將芯片框架與流動(dòng)腔形成構(gòu)件4320對(duì)準(zhǔn)。液體經(jīng)由孔4330、4340中的一個(gè)導(dǎo)入流動(dòng)腔，從那里起朝著流動(dòng)腔向下流。在所說明的實(shí)施方案中，參比電極通過構(gòu)件4320中的鉆孔4325引入到流動(dòng)腔的頂部。通過硅樹脂套管4360和環(huán)氧樹脂停止環(huán)4370(參見圖44中的放大部分)使可移除參比電極的設(shè)置變得更方便。硅樹脂套管提供緊密密封，環(huán)氧樹脂停止環(huán)避免電極插入流動(dòng)腔太深。當(dāng)然，其他結(jié)構(gòu)可用于相同的目的，并且可能無需使用停止電極的結(jié)構(gòu)。如果諸如PDMS的材料用于形成構(gòu)件4320,則在插入電極時(shí)，材料本身會(huì)形成水密密封，這就無需硅樹脂套管。圖45和46示出了一種類似的設(shè)置，除了構(gòu)件4510沒有用于容納參比電極的鉆孔之外。作為替代方案，參比電極4515形成在中心部分4520的底部上或固定到中心部分4520的底部并構(gòu)成流動(dòng)腔頂板的至少一部分。例如，金屬化層可在構(gòu)件4510安裝到芯片封裝上之前施加到中心部分4520的底部。圖47-48示出了另一實(shí)例，其是圖43-44中所述的實(shí)施方案的一個(gè)變型，但是其中框架制造為流動(dòng)腔的一部分，而不是將流動(dòng)端口結(jié)構(gòu)在連接到芯片表面之前連接到框架。在這種類型的設(shè)計(jì)中，組M會(huì)更精密，這是因?yàn)樾酒囊€鍵合不受封裝芯片的環(huán)氧樹脂的保護(hù)。這種設(shè)計(jì)的成功之處取決于準(zhǔn)確布局和將一體化"框架"固定粘合至芯片表面。圖49-50示出了圖45-46的對(duì)應(yīng)實(shí)施方案，其中參比電極4910位于流動(dòng)腔的頂板上，并且框架制造為流動(dòng)腔的一部分。如圖51-52中所示，用于流體組合件的另一替代實(shí)施方案具有從芯片封裝5130的頂部凸起約5.5mm的位于支座5120上的流體構(gòu)件5110。這使得操作者得以目測(cè)觀察塑料片5140和芯片表面之間的鍵合質(zhì)量，并可以根據(jù)需要來強(qiáng)化外部鍵合。上述某些替代實(shí)施方案還可在混合塑料/PDMS構(gòu)造中實(shí)現(xiàn)。例如，如圖53-54所示，塑料部分5310可構(gòu)成框架和流動(dòng)腔，其放置在PDMS"基底"部分5320上。塑料部分5310還可以為陣列提供區(qū)域5330，用于入口端口的流體流動(dòng)的擴(kuò)展；接著，PDMS部分可包括連通縫隙5410、5412，液體通過其從PDMS部分流至下部的流動(dòng)腔并從下部的流動(dòng)腔通過。流體結(jié)構(gòu)還可由上述玻璃來形成，例如光可限定(PD)玻璃。這種玻璃一^擇性暴露于UV光就可具有增強(qiáng)的氫氟酸中蝕刻速度，并因此可以是位于頂側(cè)和背側(cè)的微型機(jī)械結(jié)構(gòu)，當(dāng)粘合到一起時(shí)，其可形成三維低縱橫比的流動(dòng)腔。圖55中示出一個(gè)實(shí)例，第一玻璃層或片5510已經(jīng)被圖案化且被蝕刻，以在頂側(cè)形成納米端口流體孔5522和5524以及在背側(cè)形成流體擴(kuò)展通道5526和5528。第二玻璃層或片5530已經(jīng)被圖案化并被蝕刻，以提供約300nm高度(層的厚度)的下向流體輸V輸出通道5532和5534。層5530的底表面減薄至通道5532和5534的外部，以使層5530位于芯片框架上，并且具有適當(dāng)高度的突出部分5542形成流體通道的頂部。這需要兩個(gè)玻璃層或晶片，以及四個(gè)光刻步驟。晶片都應(yīng)被對(duì)準(zhǔn)并鍵合(例如，利用適當(dāng)?shù)哪z，未示出)，以使下向流體輸入/輸出端口適當(dāng)?shù)貙?duì)準(zhǔn)流體擴(kuò)展通道。對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記可蝕刻進(jìn)玻璃，以有助于對(duì)準(zhǔn)工藝。納米端口可固定在納米端口流體孔上以有助于輸入和輸出管路的連接。中心鉆孔5550可蝕刻通過玻璃層，以容納參比電極5560。該電極可用硅樹脂卡圏5570或類似結(jié)構(gòu)固定并密封在適當(dāng)位置；或者電極可一體化配備合適的墊圏來達(dá)到相同的目的。通過利用玻璃材料用于兩層流動(dòng)腔，參比電極還可以是導(dǎo)電層或沉積在第二玻璃層表面上的圖案(未示出)。或者，如圖56中所示，可蝕刻突出部分來在涂覆4艮(或其他材料)薄膜5620的頂部上形成可透玻璃膜5610，以形成集成的參比電極。孔5630可蝕刻進(jìn)上層，用于進(jìn)入電極，如果孑L足夠大的話，也可作為氯化銀的儲(chǔ)存器?？捎萌魏芜m當(dāng)?shù)姆椒▉硇纬杀∧ゃy電極的電連接，例如通過利用夾式連接器或作為替代方案引線鍵合到陶瓷ISFET封裝。圖57-58中示出了流體裝置的另一實(shí)施方案。這種設(shè)計(jì)限于結(jié)合了框架并直接固定到芯片表面的塑料片5710，并且限于第二片5720，其用于連接來自流體系統(tǒng)的管路并與上述PDMS片類似，將來自小口徑管的液體分配到寬且平坦的縫隙中。這兩個(gè)片膠粘到一起并且可4吏用多個(gè)(例如3個(gè))對(duì)準(zhǔn)標(biāo)記(未示出)在粘合處理期間精確對(duì)準(zhǔn)兩個(gè)片?？稍诘装逯刑峁┮粋€(gè)孔，該孔用于利用環(huán)氧樹脂(例如)來填充空腔，以保護(hù)芯片的引線鍵合以及填充框架/芯片接觸中的任何潛在的間隙。在所說明的實(shí)例中，參比電極在流動(dòng)腔外部(通過輸出端口在排放流的下游-見下文)，當(dāng)然也可使用參比電極的其他構(gòu)造。圖59-60示出了流動(dòng)腔結(jié)構(gòu)的另一實(shí)例。圖59A包括用于流動(dòng)腔流體界面的注塑成型的底層或底板5910的八個(gè)圖(A-H)，而圖59B包括匹配的注塑成型的頂板或?qū)?950的七個(gè)圖(A-G)。板5910的底部具有設(shè)置并配置為封閉傳感器芯片的下向支撐圏5912和用于4吏頂板5610沿著其外邊緣緊密結(jié)合的上向延伸圏5914。在它們之間形成兩個(gè)流體腔(一個(gè)入口腔和一個(gè)出口腔)。頂板5950的階梯式下向支撐部分5960分隔入口腔和出口腔。用頂板5950的剩余部分整體模制入口管5970和出口管5980。M由頂板5910的頂部中的凹陷5920形成的入口腔的小端部處是空的的入口管5970，至入口腔的呈扇形展開的出口邊緣，引導(dǎo)流體流過整個(gè)陣列。無論是玻璃或塑料或其他材料用于形成流動(dòng)腔，尤其是對(duì)于大陣列，希望包括在入口導(dǎo)管和陣列的前沿之間的流動(dòng)腔的入口腔中，而不只是逐步擴(kuò)展(扇形展開)的空間，但也可以是有助于流過作為適當(dāng)層的陣列的某種結(jié)構(gòu)。利用注塑成型的流動(dòng)腔的底層5990作為例子，圖59C中示出用于此目的的結(jié)構(gòu)類型的實(shí)例，其是從流動(dòng)腔的入口位置到微孔腔陣列或傳感器陣列前沿的通道的樹狀結(jié)構(gòu)5992，其應(yīng)當(dāng)理解為其在5994處位于該結(jié)構(gòu)的出口側(cè)下方。各種其他的方式也可提供用于載運(yùn)適當(dāng)?shù)牧黧w流過微孔腔和傳感器陣列組合件的流體組合件，因此上述實(shí)例并非意圖是排他性的。參比電極商用流動(dòng)型流體電極，例如氯化銀質(zhì)子滲透電極，可以串聯(lián)插入流體管線中，且通常設(shè)計(jì)為沿著流體管線為各種電化學(xué)目的提供穩(wěn)定的電位。但是在上文討論的系統(tǒng)中，這種電位必須維持在與微孔腔ISFET芯片接觸的流體體積的水平上。對(duì)于常規(guī)氯化銀電極而言，由于芯片表面和電極之間(通過流動(dòng)腔中的小通道)長(zhǎng)的電流體路徑，所以難于實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的電位。這導(dǎo)致芯片電子器件中存在噪聲。而且，電極的流動(dòng)空腔內(nèi)的大體積會(huì)俘獲并積累氣泡，這就劣化了對(duì)于流體的電連接。參考圖60,已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了這個(gè)問題的一個(gè)解決方案是使用不銹鋼毛細(xì)管電極6010，將其直接連接到芯片的流動(dòng)腔出口端口6020和通過屏蔽電纜6030連接到電壓源(未示出)。金屬毛細(xì)管6010具有小的內(nèi)徑(例如約0.01"),這就不會(huì)俘獲可觀程度的氣體，并且如其他微流體管路一樣，可以有效地輸送流體和氣體。而且，因?yàn)槊?xì)管可直接插入進(jìn)流動(dòng)腔端口6020，所以其接近芯片表面，這就減小了通過流體的可能的電損失。毛細(xì)管的大的內(nèi)表面面積(通常約2"長(zhǎng))還可有助于其性能的提升。不銹鋼結(jié)構(gòu)是一種具有高度4匕學(xué)抗性的結(jié)構(gòu)，應(yīng)該不會(huì)遭受由于系統(tǒng)中使用非常低的電流(<lpA)而造成的電化學(xué)效應(yīng)。流體配件6040連接到未插入流動(dòng)腔端口的毛細(xì)管的一端，用于連接流體輸送和移除子系統(tǒng)的管路。流體系統(tǒng)根據(jù)應(yīng)用，用于傳感器陣列的完整系統(tǒng)將包括合適的流體源、閥和用于操作岡來使試劑和洗滌劑下流過微陣列或傳感器陣列的控制器。這些元件都容易由通用部件組裝并且控制器可容易地編程以實(shí)施所需試驗(yàn)。如已經(jīng)討論的那樣，本發(fā)明的裝置和系統(tǒng)可用于檢測(cè)和/或監(jiān)測(cè)不同部分之間的相互作用。這些相互作用包括化學(xué)或酶促反應(yīng)，其中底物和/或試劑被消耗和/或生成副產(chǎn)物。根據(jù)本發(fā)明，可監(jiān)測(cè)的S^反應(yīng)的一個(gè)實(shí)例是核酸序列測(cè)定，其將在本文詳細(xì)討論。在序列測(cè)M應(yīng)中，本文提供的裝置和系統(tǒng)能夠基于化學(xué)FET的電流的變化而檢測(cè)核苷酸合并。電流變化可以是單獨(dú)或組合發(fā)生的一種或多種下列事件的結(jié)果PPi的產(chǎn)生、Pi的產(chǎn)生(例如存在焦磷酸酶的情況下)、氫的產(chǎn)生(以及例如在低強(qiáng)度緩沖劑存在下所伴隨的pH變化)、在化學(xué)FET的表面處未加入的dNTP濃度的降低、在化學(xué)FET的表面處dNTP的延遲到達(dá)等等。可以理解的是，本文提供的方法并不取決于電流改變受其影響的機(jī)械裝置。因此，本發(fā)明考慮基于化學(xué)FET的電流改變的核酸序列測(cè)定。本文提供的關(guān)于序列測(cè)定的方法可與包括Pourmand等人，PNAS2006103(17):6466-6470的文獻(xiàn)中的內(nèi)^目反。圖61示出了新合成的核酸鏈中核苷酸加入所導(dǎo)致的PPi生成。作為核酸鏈中核苷酸加入的反應(yīng)副產(chǎn)物生成的PPi即使在不存在PPi受體(例如圖IIB提供的那些物質(zhì))以及在不存在可檢測(cè)的pH變化(例如本文所定義的發(fā)生在強(qiáng)緩沖劑存在的情況下)時(shí)也能被直接檢測(cè)到。在某些情況下，僅僅存在PPi就足以使化學(xué)FET的表面發(fā)生電學(xué)變化，由此產(chǎn)生電流變化。電流的變化可由單獨(dú)產(chǎn)生PPi或與諸如那些上文描述的其他事件結(jié)合而引起。因此，一方面，本發(fā)明考慮利用諸如ISFET陣列的化學(xué)FET陣列來進(jìn)行核酸序列測(cè)定。本發(fā)明的方法是一種"通過合成來測(cè)序"的方法，因?yàn)槠湫鑴?wù)^成與被測(cè)序的鏈互補(bǔ)的新核酸鏈。圖61中示出新合成的核酸鏈中核苷^n入之后的PPi的釋放。dNTP并入核酸鏈釋放出PPi,其接著被水解為兩個(gè)正磷酸鹽(Pi)和一個(gè)氳離子。因此，基于pH的變化，氫離子的產(chǎn)生會(huì)有利于核普酸加入的檢測(cè)。作為替代方案，如本文所討論的，基于pH的變化，PPi的產(chǎn)生(如存在或不存在PPi受體的情況下檢測(cè))可有利于核苦酸加入的檢測(cè)。在另一實(shí)施方案中，可利用焦磷酸酶將PPi轉(zhuǎn)化為Pi，并且可直接或間接檢測(cè)Pi。任意或所有這些事件與(以及更多，如本文所討論的)可涉及引起與核苷^入有關(guān)的化學(xué)FET中的電流變化。序列測(cè)定反應(yīng)旨在對(duì)于任何給定dNTP最大化遍及所有孔腔的完整加入，減少或降低殘留在孔腔中未加入的dNTP的數(shù)量，并且實(shí)現(xiàn)盡可能高的信噪比。被測(cè)序的核酸在本文中稱為目標(biāo)核酸。目標(biāo)核酸包括但不限于DNA和RNA，DNA例如是但不限于染色體組DNA、線粒體DNA、cDNA等，RNA例如是但不限于mRNA、miRNA等?？蓮陌ㄌ烊淮嬖谠椿蚝铣稍吹娜我鈦碓传@取核酸。核酸可以是PCR產(chǎn)物、粘粒、質(zhì)粒、天然存在或合成的庫等。本發(fā)明并不限于此。這里提供的方法可用于測(cè)序任何長(zhǎng)度的核酸。為了清楚起見，實(shí)例提供了對(duì)已知序列的四個(gè)模板進(jìn)行序列測(cè)定的原理演示的證據(jù)。這種人工模型旨在示出能夠讀取與模板的已知序列關(guān)聯(lián)的核苷酸加入的裝置和系統(tǒng)。這并不代表該方法或系統(tǒng)在本領(lǐng)域內(nèi)的典型應(yīng)用。下文是這些方法的簡(jiǎn)要說明。利用任何本領(lǐng)域已知的方法來制備目標(biāo)核酸。例如，根據(jù)本領(lǐng)域公知的技術(shù)，可從樣本獲取基因組DNA(例如參見Sambrook等人的"Maniatis")。獲取之后，可片段化DNA以得到具有較小長(zhǎng)度的核酸。所得到的片段可以是長(zhǎng)度為約幾百、幾千或幾萬個(gè)核苷酸。在某些實(shí)施方案中，片段為200~1000個(gè)^5^t的M或300~800個(gè)^5^t的，，但并不限于此?？赏ㄟ^任何手段來片段化核酸，這些手段包括但不限于機(jī)械、酶或化學(xué)的方法。實(shí)例包括剪切、超聲波、霧化和內(nèi)切核酸酶(例如脫氧核糖核酸酶I)消化或本領(lǐng)域>5^知的任何其他生成優(yōu)選具有所需長(zhǎng)度的核酸片段的技術(shù)。片段化之后可以^A寸選擇技術(shù)，其可用于濃縮或分離特定長(zhǎng)度或尺寸的片段。這種技術(shù)在本領(lǐng)域也是公知的，包括但不限于皿電泳或SPRI。在某些實(shí)施方案中，選定尺寸的核酸在5，和3，端連接至接頭序列。這些接頭序列包括用于擴(kuò)增目標(biāo)核酸的擴(kuò)增引物序列。一個(gè)接頭序列還可包括與測(cè)序引物互補(bǔ)的序列。相反的接頭序列可包括利于使核酸結(jié)合到固相載體例如但不限于M的部分。這種部分的一個(gè)實(shí)例是生物素分子(或雙生物素分子，如由Diehl等人的NatureMe仇ods，2006，3(7):551-559所述)，并且這種標(biāo)記的核酸因此能結(jié)合到具有抗生物素蛋白或抗生蛋白鏈菌素基團(tuán)的固相載體。這種所得的核酸在這里稱為模板核酸。模板核酸至少包括目標(biāo)核酸且通常包括除目標(biāo)以外的核苷酸序列。在某些實(shí)例中，間隔物用于使模板核酸(特別是包括在其中的目標(biāo)核酸序列)與M隔離。這有助于最接近#*的目標(biāo)端部的序列測(cè)定。本領(lǐng)域公知(參見Diehletal.NatureMethods,2006，3(7):551-559)的合適的連接劑包括但不限于碳-碳連接劑，例如但不限于iSpl8。結(jié)合模板核酸的固相載體在本文中稱為"俘獲固相載體"。如果固相載體是M，則這種#*在本文中就稱為"俘獲#*"。微珠可由任意材料制成，材料包括但不限于纖維素、纖維素衍生物、明膠、丙烯酸樹脂、玻璃、硅膠、聚乙烯基吡咯烷(PVP)、乙烯基和丙烯酰胺的共聚物、聚苯乙烯、與二乙烯基苯等交聯(lián)的聚苯乙烯(參見MerrifiddBiochemistry1964,3，1385-13卯)、聚丙烯酰胺、乳膠、葡聚糖、交聯(lián)葡聚糖(例如SephadexTM)、橡膠、硅、塑料、硝基纖維素、天然海綿、金屬和瓊脂膠(Sepharose)。在一個(gè)實(shí)施方案中，微珠是涂覆抗生蛋白鏈菌素的微珠。微珠的直徑取決于ISFET和孔腔陣列的密度，使用較大恥漠的陣列(因此，較小尺寸的孔腔)需要較小的M。一般地，M尺寸可為約l10nM，更優(yōu)選為2~6nM。在某些實(shí)施方案中，微珠為約5.91nM，而在其他實(shí)施方案中，微珠為約2.8nM?？梢岳斫獾氖?，m^可以是或可以不是理想的球形?？梢岳斫獾氖牵梢允褂闷渌?*，且可以利用用于將核酸固定到M的其他機(jī)械裝置。如本文所討論的，在位于化學(xué)FET上的孔腔中實(shí)施序列測(cè)定反應(yīng)。在陣列之間的孔腔(這里可替換地稱為反應(yīng)腔或微孔腔)可以大小不同。優(yōu)選地，孔腔的寬度與高度的比例是l:l至1:1.5。優(yōu)選地，#*對(duì)孔腔的尺寸在0.6-0.8的范圍內(nèi)。擴(kuò)增核酸的同質(zhì)群配對(duì)結(jié)合到一個(gè)或多個(gè)^t珠，其前提是各個(gè)微珠將最終結(jié)合多個(gè)相同的核酸序列。模板核酸在微珠上的負(fù)栽程度取決于多個(gè)因素，包括tt尺寸和核酸的長(zhǎng)度。在大部分方面中，希望#*具有最大負(fù)載?？捎枚喾N方法實(shí)現(xiàn)核酸擴(kuò)增并共軛到諸如微珠的固相載體上，該方法包括但不限于由Margulies等人；Nature2005437(15):376-380記載的乳液PCR以及附屬的輔助材料。在某些實(shí)施方案中，擴(kuò)增是一種代表性擴(kuò)增。代表性擴(kuò)增是一種不改變?nèi)魏魏怂嵛镔|(zhì)的相對(duì)表示的擴(kuò)增。微珠置于流動(dòng)腔的孔腔中之前和/或置于流動(dòng)腔的孔腔中時(shí)，利用結(jié)合到位于模板核酸的3，端部上的其互補(bǔ)序列的測(cè)序引物(即，在擴(kuò)增引物序列中或在另一結(jié)合到目標(biāo)核酸的3，端部的接頭序列中)并且暫時(shí)利用聚合酶以及在促進(jìn)引物與其互補(bǔ)序列的雜交和促進(jìn)聚合酶與模板核酸結(jié)合的條件下孵育微珠。引物實(shí)際上可以是任意的長(zhǎng)^A以使其唯一的序列。雜交條件為使得引物僅與其模板的3，端上的真正補(bǔ)碼雜交。合適的IHt披露于Margulies等人的Nature2005437(15):376-380以及所附的補(bǔ)充材料中。合適的聚合酶包括但不限于DNA聚合酶、RNA聚合酶或其亞單位，只要從引物開始能夠合成基于模板的新的核酸鏈即可。一種合適的聚合酶亞單位是E.coliDNA聚合酶I的克列諾片段的外切版本，其缺乏3，至5，外切核酸酶活性。因此，這種酶結(jié)合到(或相應(yīng)的固相載體)而不是結(jié)合到ISFET表面本身。置于孔腔中之前和/或處于孔腔中時(shí)，還與模板核酸接觸的其他試劑和/或輔助因子包括但不限于緩沖劑、清潔劑、諸如二硫蘇糖醇(DTT，Cleland試劑)的還原劑、單鏈結(jié)合蛋白質(zhì)等。在一個(gè)實(shí)施方案中，模板核酸在引入流動(dòng)腔及其孔腔之前接觸引物和聚合酶。將負(fù)栽核酸的^:珠引入流動(dòng)腔并最終引入位于ISFET陣列上方的孔腔中。該方法需要流動(dòng)腔中的各個(gè)孔腔都僅包含一個(gè)負(fù)栽核酸的#*，因?yàn)槊總€(gè)孔腔存在兩個(gè)M將產(chǎn)生一個(gè)來自兩種不同核酸的無用測(cè)序信息。該實(shí)例提供了在磁微珠背景下的示例性M負(fù)栽方案的簡(jiǎn)JH兌明。應(yīng)當(dāng)理解的是，類似的方法可用于負(fù)載其他微珠類型。該方案已經(jīng)證明降低了流動(dòng)腔的孔腔中的俘獲空氣的可能性和發(fā)生頻率，負(fù)載核酸的^t珠在流動(dòng)腔的所有孔腔中均勻分布，以及避免流動(dòng)腔中存在和/或積累過量的微珠。芯片上被占據(jù)的孔腔的百分?jǐn)?shù)可根據(jù)所實(shí)施的方法而變化。如果該方法針對(duì)的是在盡可能短的時(shí)間內(nèi)提取最;Uf列數(shù)據(jù)，則需要較高的占用率。如果速度和處理能力不是那么重要的話，則可以允許較低的占用率。因此，根據(jù)實(shí)施方案，合適的占用率百分比可以為孔腔的至少10%、至少20%、至少30%、至少40%、至少50%、至少60%、至少70%、至少80%、至少90%或100%。如本文所使用的，占用率是指孔腔中存在一個(gè)負(fù)載核酸的微珠，百分比占用率是指被單一微珠占據(jù)的芯片上總的孔腔的比例。被多于一個(gè)占據(jù)的孔腔不能用于本發(fā)明所考慮的分析。最終模板核酸的同質(zhì)群放置于多個(gè)孔腔中的一個(gè)或多個(gè)中，各個(gè)孔腔都位于ISFET上并因此對(duì)應(yīng)于至少一個(gè)ISFET。如本文所討論的，優(yōu)選地，孔腔包含至少10個(gè)、至少100個(gè)、至少1000個(gè)、至少104個(gè)、至少105個(gè)、至少106個(gè)或更多的相同模板核酸的樣板。相同的^t板核^A指在最小量下模板在序列上是相同的。多數(shù)且優(yōu)選地，位于孔腔中的全部模板核酸都與引物均勻雜交。模板核酸與引物的均勻雜^A指如孔腔中每一個(gè)其他的引物-模板雜交體一樣，引物與模板在模板的相同位置雜交(即，沿模板的序列與引物互補(bǔ))。每個(gè)模板上引物的均勻定位使孔腔中所有新的核酸鏈得以配位合成，由此導(dǎo)致較大的信噪比。接著將核苷酸加入流體，或者通過任何其他適當(dāng)?shù)姆椒?，順序添加進(jìn)流動(dòng)腔以及孔腔。核苷酸可以任何已知順序添加，為了簡(jiǎn)便起見，在整個(gè)運(yùn)行過程中保持不變。如果核苷酸的加入是基于PPi檢測(cè)而不是檢測(cè)由于釋放PPi而導(dǎo)致pH變化，則優(yōu)選在整個(gè)反應(yīng)和清洗過程中，使核苷酸保持相對(duì)恒定的水平和濃度。實(shí)現(xiàn)這種操作的一種方法是將ATP添加到清洗緩沖劑，以使流入孔腔的dNTP從孔腔中置換ATP。ATP與進(jìn)入孔腔中的dNTP的離子強(qiáng)度相匹配，并且其還具有與dNTP相類似的擴(kuò)散性質(zhì)。這樣，在序列測(cè)定反應(yīng)期間dNTP的輸入通量和輸出通量不會(huì)干擾化學(xué)FET處的測(cè)量。所使用的ATP的濃度相當(dāng)于所使用的dNTP的濃度。一種典型測(cè)序循環(huán)進(jìn)程如下用含ATP的清洗緩沖劑來清洗流動(dòng)腔(和孔腔)，將第一dNTP物質(zhì)引入(例如dATP)流動(dòng)腔(和孔腔)，釋放并檢測(cè)PPi(通過本文描述的任何機(jī)制)，用含ATP的清洗緩沖劑清洗流動(dòng)腔(和孔腔)，用含腺苷三磷酸雙磷酸酶的清洗緩沖劑清洗流動(dòng)腔(和孔腔)，用含ATP的清洗緩沖劑清洗流動(dòng)腔(和孔腔)，以及引入第二dNTP物質(zhì)。持續(xù)這個(gè)過程直至所有4種dNTP(即dATP，dCTP,dGTP和dTTP)都流過腔并得以加入新的合成鏈。這種4-核苷酸循環(huán)可以重復(fù)任意次數(shù)，包括但不限于IO、25、50、100、200或更多次。循環(huán)的次數(shù)將取決于所測(cè)序的模板的長(zhǎng)度和反應(yīng)試劑補(bǔ)充的需要,尤其是dNTP儲(chǔ)液和清洗緩沖劑。對(duì)于部分序列測(cè)定反應(yīng)來說，如果dNTP的互補(bǔ)核苷酸存在于;^板核酸上的相同位置，則dNTP將結(jié)合到(或如本文所使用的"加入")新的合成鏈的3，端(或在第一次加入dNTP的情況下，結(jié)合到序列測(cè)定引物的3，端)。因此，引入的dNTP的加入(以及伴隨的PPi的釋放)指示模板核酸中相應(yīng)的核苷酸的同一性。如果ISFET沒有檢測(cè)到電場(chǎng)變化，則dNTP尚未加入并且可以推斷在模板中的該位置處不存在互補(bǔ)核普酸。如果檢測(cè)到電場(chǎng)變化，則引入的dNTP已經(jīng)加入新的合成鏈。在dNTP加入和PPi釋放與ISFET響應(yīng)之間存在正相關(guān)，并因此還可以定量測(cè)定加入的dNTP的數(shù)量。也就是說，ISFET處記錄的電壓變化與加入的dNTP的數(shù)量有關(guān)。因此，通itXt模板中的均聚物伸展(例如聚A、聚T、聚C或聚G)的序列測(cè)定，沒有丟失任何序列信息。作為一個(gè)實(shí)例，如果模板核酸包括序列5，CAAAAG3，，則ISFET將在加入dCTP后記錄一個(gè)信號(hào)(例如根據(jù)毫伏電壓變化)，接著在加入dTTP后其將記錄一個(gè)更大幅值的信號(hào)，繼而在加入dGTP后記錄另一信號(hào)。在引入dCTP和dTTP后產(chǎn)生的信號(hào)的幅值將基本上相等并將與由單一核苷酸加入而產(chǎn)生的毫伏電壓變化相關(guān)聯(lián)。在引入dTTP后而產(chǎn)生的信號(hào)的幅值將大于由單一dNTP加入而產(chǎn)生的信號(hào)的幅值。這些信號(hào)的幅值可以相加并取決于均聚物伸展的長(zhǎng)度，可能不容易在電壓對(duì)時(shí)間(或幀)的圖示中表現(xiàn)出來(例如圖71A-D中右側(cè)所示)?？衫玫米噪妷簩?duì)時(shí)間(或幀)的曲線圖中的峰值強(qiáng)度或曲線下面積來測(cè)量信號(hào)。腺苷三磷酸雙磷酸酶是一種在過程中降解殘余未加入的核苷酸而使其轉(zhuǎn)化為單磷酸鹽并釋放無機(jī)磷酸鹽的酶。這對(duì)于降解在任意和全部孔腔中的未加入和/或過量的dNTP是有用的。重要的是，在引入后續(xù)的dNTP之前，將過量的和/或未反應(yīng)的dNTP從任意和所有孔腔中清洗掉。因此，在合成反應(yīng)期間和在不同的dNTP引入之間添加腺苷三磷酸雙磷酸酶有利于移除過量的dNTP，否則過量的dNTP會(huì)導(dǎo)致測(cè)序數(shù)據(jù)模糊。可在整個(gè)反應(yīng)過程中引入諸如前文所述的額外序列測(cè)定反應(yīng)試劑，盡管在某些情況下這是不必要的。如果需要，則可以添加例如額外的聚合酶、DTT、SBB等。因此，本發(fā)明考慮同時(shí)實(shí)施多種不同的序列測(cè)定反應(yīng)。多個(gè)相同的序列測(cè)定反應(yīng)同時(shí)發(fā)生在各個(gè)被占據(jù)的孔腔中。這種在各個(gè)孔腔中的dNTP的同時(shí)Jjf目同的加入增加了噪聲比，由此能夠檢測(cè)序列測(cè)定反應(yīng)副產(chǎn)物。通過同時(shí)在多個(gè)孔腔中實(shí)施序列測(cè)定Jl應(yīng)，還可同時(shí)實(shí)施多個(gè)不同的序列測(cè)定反應(yīng)。序列測(cè)^^應(yīng)可在一定的溫度范圍內(nèi)進(jìn)行。通常，該反應(yīng)在30-60°C、35-55。C或40-45。C的范圍內(nèi)進(jìn)行。優(yōu)選在防止在核酸中形成二級(jí)結(jié)構(gòu)的溫度下進(jìn)行反應(yīng)。但是這必須與引物(新的合成鏈)與模板核酸的結(jié)合以及在較高溫度下腺苷三磷酸雙磷酸酶的半衰期下降進(jìn)行平衡。合適的溫度為約41。C。包含清洗緩沖劑的溶液和dNTP溶液通常加熱到這些溫度以l更不改變孔腔中的溫度。但是含腺苦三磷酸雙磷酸酶的清洗緩沖劑優(yōu)選保持在較低溫度下，以便延長(zhǎng)酶的半衰期。通常，這種溶液保持在約4-15。C,更優(yōu)選為4-10°C。核苷酸加入反應(yīng)可非常迅速地發(fā)生。因此，在某些情況下，可能希望降〗^^應(yīng)速度以確保在反應(yīng)期間的最大數(shù)據(jù)采集。可以使用多種方法來降低試劑和/或副產(chǎn)物的擴(kuò)散，上述方法包括但不限于在孔腔中添加填料微珠。填料微珠還旨在增加化學(xué)FET表面的試劑和/或副產(chǎn)物的濃度，由此增加信號(hào)的電位。填料M的存在通常允許較長(zhǎng)時(shí)間的釆樣(例如，為2或4倍)。數(shù)據(jù)釆集率可以變化并且例如是每秒10-100幀，該速率的使用選擇通常至少部分地受孔腔尺寸和填料#*存在的支配。孔腔尺寸越小通常就需要越快的數(shù)據(jù)釆集率。在基于流動(dòng)并且孔腔的頂面開放并連通整個(gè)芯片上的流體的本發(fā)明的某些方面中，重要的是在擴(kuò)散出孔腔之前檢測(cè)釋放的PPi或其他副產(chǎn)物(例如H+)。任何一個(gè)反應(yīng)副產(chǎn)物擴(kuò)散出孔腔都會(huì)導(dǎo)致M否定(因?yàn)楦碑a(chǎn)物不在那個(gè)孔腔中被檢測(cè)到)以及導(dǎo)致在相鄰或下游的孔腔中的潛在錯(cuò)誤否定，因此應(yīng)當(dāng)避免。填料#^￡可幫助降低孔腔之間的擴(kuò)散和/或交聯(lián)的程度。因此，在某些實(shí)施方案中，除了使用負(fù)栽核酸的#*之外還使用填料微珠。填料微珠可以是磁性的(包括順磁性的)，但并不限于此。在某些實(shí)施方案中，填料#和俘獲由相同材料制成(例如都是磁性的，都是聚苯乙烯等)，而在其他實(shí)施方案中，它們由不同的材料制成(例如填料微珠是聚苯乙烯，但俘獲微珠是磁性的)。填料微珠通常比俘獲微珠小。尺寸上的差異可以變化并且可以是5倍、10倍、15倍、20倍或更多倍。作為一個(gè)實(shí)例，0.35jim直徑的填料微珠與5.91nm的俘獲微珠一同使用。這種填料微珠可以從例如BangLabs的來源市購?？梢愿淖兲盍?*相對(duì)于俘獲M的位置。例如，填料微珠可以包圍俘獲M，由此避免俘獲#*與ISFET表面接觸。作為另一實(shí)例，填料M可在俘獲微珠之后裝載到孔腔中，這種情況下，俘獲微珠與ISFET的表面接觸。俘獲微珠和ISFET表面之間存在填料#^會(huì)降低諸如PPi的副產(chǎn)物的擴(kuò)散，因此有利于數(shù)據(jù)采集。本發(fā)明還考慮將填料M或其變型應(yīng)用于化學(xué)FET以防止接觸，因此防止結(jié)合到俘獲微珠的模板核酸干擾化學(xué)FET表面。0.1~0.5nm深度或高度的填料微珠層將排除這種干擾。序列測(cè)定反應(yīng)可先于陣列的分析以確定微珠的位置。發(fā)現(xiàn)在沒有流動(dòng)的情況下，背景信號(hào)(即噪聲)小于或等于約0.25mV，但是在存在負(fù)載DNA的俘獲#*的情況下，信號(hào)增加到約1.0mV=/-0.5mV。這種增加足以確定具有M的孔腔。本發(fā)明還考慮包括實(shí)施序列測(cè)定反應(yīng)所必要的各種試劑和根據(jù)本文闡述的方法的^(吏用指導(dǎo)的試劑盒。一種優(yōu)選的試劑盒包括一個(gè)或多個(gè)容納清洗緩沖劑的容器，一個(gè)或多個(gè)分別含有以下試劑之一的容器dATP緩沖劑、dCTP緩沖劑、dGTP緩沖劑或dTTP緩沖劑、dATP,dCTP,dGTP和dTTP儲(chǔ)液、腺苷三磷酸雙磷酸酶、SSB、聚合酶、填料微珠和任選的焦磷酸酶。重要的是，試劑盒僅包含天然存在的dNTP。應(yīng)該理解，還可利用化學(xué)FET陣列來檢測(cè)受體和配體之間或結(jié)合對(duì)的兩個(gè)成員之間或分子配合物的組分之間的相互作用。這種相互作用的實(shí)例包括核酸彼此之間的雜交、蛋白質(zhì)-核酸的結(jié)合、蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)的結(jié)合、酶-底物的結(jié)合、酶-抑制劑的結(jié)合、抗原-抗體的結(jié)合等。根據(jù)本發(fā)明，可以檢測(cè)任何在FET界面處引起半導(dǎo)體電荷密度變化的結(jié)合或雜交事件，并因此改變從本文描述的傳感器的源極至漏極的電流。在這些實(shí)施方案中，鈍化層(或可能的是，覆蓋在鈍化層上的中間層)是用核酸(例如DNA,RNA，miRNA,cDNA等)、抗原(其可以具有任意性質(zhì))、蛋白質(zhì)(例如酶、輔助因子、抗體、抗體片段等)等進(jìn)行官能化的?？梢灾苯踊蜷g接將這些部分配對(duì)結(jié)合到鈍化層上(例如，利用雙官能團(tuán)接頭來結(jié)合鈍化層反應(yīng)基團(tuán)和待結(jié)合的部分)。作為一個(gè)實(shí)例，諸如胺或硫醇基的反應(yīng)基團(tuán)可在合成過程中添加到任意核苷酸處的核酸，以提供用于雙官能團(tuán)連接劑的連接點(diǎn)。作為另一實(shí)例，可通過加入諸如Uni誦LinkAminoModifier、3'-DMT國(guó)C6-Amine國(guó)ONCPG、AminoModifierII、N-TFA-C6-AminoModifier、C6曙ThiolModifier、C6-DisulfidePhosphoramidite和C6-DisulfideCPG(Clontech，PaloAlto，CA)的配對(duì)竟?fàn)幵噭﹣砗铣珊怂帷Ｏ挛挠懻撈渌糜谶B接核酸的方法。在本發(fā)明的一個(gè)方面中，化學(xué)FET陣列與核酸陣列組合提供。短核酸(例如低核苷酸)或長(zhǎng)核酸(例如全長(zhǎng)cDNA)形式的核酸可提供到本文所述的陣列的化學(xué)FET的表面上。核酸陣列通常包括在平坦表面上的多個(gè)物理限定區(qū)域(例如"斑點(diǎn)")，其中的每一個(gè)都已經(jīng)配對(duì)結(jié)合一個(gè)或多個(gè)核酸，優(yōu)選多個(gè)核酸。核酸通常是單鏈的。配對(duì)結(jié)合到已知斑點(diǎn)的核酸一般是相同的。在寡核苷酸陣列中，這些核酸的長(zhǎng)度可以是小于約100個(gè)核苷酸(包括長(zhǎng)度為約10，20，25，30，40，50，60，70,80，卯或100個(gè)核苷酸)。如果陣列用于檢測(cè)特定基因(包括這種基因的突變或這種基因的表達(dá)水平)，則該陣列可包括多個(gè)核酸，其中的每一個(gè)核酸都含有跨越基因的已定義且潛在不同的序列的寡核苷酸。接著這些斑點(diǎn)位于橫跨平坦表面的位置處，以排除與影響陣列的雜交和讀取手段有關(guān)的位置。陣列可與檢測(cè)樣本接觸。樣本可以是基因組DNA樣本、來源于細(xì)胞的cDNA樣本、組織或團(tuán)塊(例如腫瘤)。生長(zhǎng)在陣列上的細(xì)胞群，其潛在位于對(duì)應(yīng)于下方傳感器陣列的二維陣列中。因此這種陣列可用于測(cè)量特定基因或其表達(dá)的存在和/或水平、測(cè)定特定基因中的突變(例如但不限于缺失、增加、替換，包括單核苷酸多態(tài)性)等。樣本核酸和固定核酸的結(jié)合或雜交通常在嚴(yán)格的雜交條件下進(jìn)行，術(shù)語"嚴(yán)格的雜交條件"是本領(lǐng)域公知的(例如參見Sambrook等人，"Maniatis")。相關(guān)條件的實(shí)例包括(為了增加嚴(yán)格性)25。C、37。C、50。C和68。C的孵育溫度；10XSSC,6XSSC，4XSSC，IXSSC，0.1XSSC的緩沖劑濃度(SSC是0.15MNaCl和15mM檸檬酸鹽緩沖劑)以及它們的使用其他緩沖劑系統(tǒng)的等同物；0%、25%、50%和75°/。的甲酰胺濃度；從5分鐘至24小時(shí)的孵育時(shí)間；l個(gè)、2個(gè)或更多的清洗步驟；1、2或15分鐘的清洗孵育時(shí)間；以及6XSSC、1XSSC、O.IXSSC或去離子水的清洗溶液。例如，雜交可在50V。的甲酰胺和4XSSC，隨后在50。C下用2XSSC/甲酰胺和的IXSSC清洗的條件下實(shí)施。核酸包括其中在陣列上的特定位置處沉積(或"點(diǎn)樣")已經(jīng)形成的核酸如cDNA。可通過壓電沉積、核酸UV交聯(lián)至聚合物層，例如但不限于，交聯(lián)至聚-L-賴氨酸或聚吡咯、如公開的美國(guó)專利申請(qǐng)2003/0186262中所述的配對(duì)結(jié)合至Si02涂覆的硅、如Ushi等人的BiosensorsandBioelectronics2004，19:1723-1731)所記載的直接配對(duì)結(jié)合到硅烷化的d的化學(xué)FET表面(例如用3-氨基丙基三乙氧基曱硅烷(APTES)處理的表面)，將核酸點(diǎn)樣到表面上。核酸陣列還包括直接合成到陣列上的核酸(例如公知序列的寡核苷酸)。核酸可利用本領(lǐng)域公知技術(shù)合成在陣列上，例如但不限于用細(xì)尖大頭針印刷到栽玻片上、利用預(yù)制掩模的光刻、利用動(dòng)態(tài)^L4^象裝置(例如DLP鏡)的光刻、噴墨印刷或微電極陣列上的電化學(xué)方法。也可參考Nuwaysir等人的2002"Geneexpressionanalysisusingoligonucleotidearraysproducedbymasklessphotolithography.".Gewo附e12:1749-1755。這種較新型的陣列類型的商業(yè)來源包括Agilent、Affymetrix和NimbleGen。因此，化學(xué)FET鈍化層可用反應(yīng)分子(及其反應(yīng)基團(tuán))的中間層來涂覆，核酸可以結(jié)合到該中間層和/或該中間層由核酸合成。本發(fā)明考慮這種核酸陣列與化學(xué)FET陣列、尤其是本文描述的"大,"化學(xué)FET陣列的組合?；瘜W(xué)FET/核酸陣列可用于多種應(yīng)用中，其中的一些應(yīng)用并不需要孔腔(或微孔腔或反應(yīng)腔，它們?cè)诒疚闹锌苫Q使用)。因?yàn)槿匀恍枰诹鲃?dòng)中、包括在"封閉"系統(tǒng)中(即，試劑和清洗溶液等的流動(dòng)都是自動(dòng)的)實(shí)施分析，所以需要一個(gè)或多個(gè)位于陣列上并與之接觸的流動(dòng)腔。多個(gè)流動(dòng)腔的使用允許同時(shí)分析多個(gè)樣本(或核酸庫)。可具有2，3，4，5，6，7，8，9,10或更多的流動(dòng)腔。這種構(gòu)造等同地應(yīng)用于其他生物陣列，包括本文所討論的那些，例如蛋白質(zhì)陣列、抗體陣列、酶陣列、化學(xué)陣列等。因?yàn)榻Y(jié)合雙方之間或配合物的組分之間的結(jié)合事件通過下方的FET來電子檢測(cè)，所以這些分析可在不需要操作(例如排他性的標(biāo)簽)所分析的樣本的情況下實(shí)施。這是有利地，因?yàn)檫@種操作總是致使樣本的損失且通常需要增加時(shí)間和工作量。而且，本方法使得可以實(shí)時(shí)研究結(jié)合相互作用。本發(fā)明還考慮與化學(xué)FET陣列組合使用的蛋白質(zhì)陣列。蛋白質(zhì)陣列包括蛋白質(zhì)或肽或其他氨基酸，該其他氨基酸包括以有組織或預(yù)定的方式結(jié)合到平坦表面的生物部分。這種蛋白質(zhì)包括但不限于酶、抗體和抗體片段或抗體模擬物(例如單鏈抗體)。在一個(gè)實(shí)施方案中，蛋白質(zhì)陣列可包括多個(gè)不同的蛋白質(zhì)(或其他含有生物部分的氨基酸)。各個(gè)蛋白質(zhì)且優(yōu)選多個(gè)蛋白質(zhì)存在于陣列的預(yù)定區(qū)域或"腔"中。這種區(qū)域(或腔)與傳感器陣列中的傳感器對(duì)準(zhǔn)，使得每個(gè)區(qū)域(或腔)存在一個(gè)傳感器?？梢愿鶕?jù)蛋白質(zhì)尺寸和區(qū)域(或腔)的尺寸來改變?cè)趩我粎^(qū)域(或腔)中的多個(gè)蛋白質(zhì)的數(shù)量，該數(shù)量可以是但不限于至少IO、50、100、500、103、104或更多。陣列本身可以具有任意數(shù)量的腔，包括但不限于至少IO、102、103、104、105、106、107或更多。在一個(gè)應(yīng)用中，陣列暴露于已知含有或懷疑含有掩^至蛋白質(zhì)的分析物的樣本中。如果蛋白質(zhì)是酶，則分析物可以是底物或抑制劑。分析物可以是結(jié)合至蛋白質(zhì)的任意分子，包括另一蛋白質(zhì)、核酸、化學(xué)物質(zhì)(合成的或天然存在的)等。應(yīng)該理解的是，與本文考慮的核酸陣列相同，從蛋白質(zhì)陣列的讀取將是通過化學(xué)FET的電流的變化，并因此在這些陣列方法中無需標(biāo)記和/或標(biāo)記物檢測(cè)的額外步驟。在另一實(shí)施方案中，蛋白質(zhì)陣列可包括多個(gè)相同的蛋白質(zhì)(或其他含有生物部分的氨基酸)。相同的蛋白質(zhì)可均勻分布在平坦表面上，或它們可有組織地分布在表面上的離散區(qū)域(或腔)中。在這些后續(xù)的實(shí)施方案中，區(qū)域(或腔)與傳感器陣列中的傳感器對(duì)準(zhǔn)，使得每個(gè)區(qū)域(或腔)存在一個(gè)傳感器。蛋白質(zhì)可以是芯片外合成的，1^純化并固定至陣列。作為替代方案，它們可以是芯片上合成的，與本文討論的核酸類似。利用無細(xì)胞DNA表達(dá)的蛋白質(zhì)的合成或化學(xué)合成都適用于芯片上合成。利用無細(xì)胞DNA表達(dá)，一旦合成之后，蛋白質(zhì)就固定到固相載體。作為替代方案，蛋白質(zhì)可利用固相肽合成而化學(xué)合成在固相載體上。通過光刻方法或通過SPOT-合成來實(shí)施選擇性的去保護(hù)。至少可參考MacBeathandSchreiber,Science,2000,289:1760-1763或Jones等人的Nature,2006，439:168-174。還可參考Fodor等人的美國(guó)專利6919211。還可利用化學(xué)化合物微陣列與化學(xué)FET陣列的組合。化學(xué)化合物微陣列的制備可通過以下方法實(shí)現(xiàn)可，其方法為利用多變連接^t術(shù)(文獻(xiàn)中可稱為"小分子微陣列")在固體表面上共價(jià)固定化合物(例如有機(jī)化合物)、通過點(diǎn)樣或干燥固體表面上的化合物(例如有機(jī)化合物)而不是固定(文獻(xiàn)中可稱為"微陣列化合物篩選"(jtARCS))、或通過點(diǎn)樣同質(zhì)溶液中的有機(jī)化合物而沒有固定和干燥效果(ReactionBiologyCorporation的商業(yè)化DiscoveryDotiM技術(shù))。本發(fā)明還考慮與化學(xué)FET陣列組合的組織微陣列。在BattiforaLabInvest1986,55:244-248;BattiforaandMehtaLabInvest1990，63:722-724;以及Kononen等人的NatMed1998,4:844-847中詳細(xì)討論了組織微陣列?；瘜W(xué)FET陣列和生物或化學(xué)陣列的構(gòu)造在各個(gè)實(shí)例中都相似，并且所討論的一個(gè)組合陣列將應(yīng)用于本文描述的其它引用或本領(lǐng)域公知的其它應(yīng)用中。在另一方面中，本發(fā)明考慮分析細(xì)胞培養(yǎng)(例如二維細(xì)胞培養(yǎng))(參見Baumann等人，SensorsandActuatorsB55199977:89)和接觸化學(xué)FET陣列的組織切片。作為一個(gè)實(shí)例，大腦切片可與本發(fā)明的化學(xué)FET接觸，并且可在刺激存在或不存在下檢測(cè)切片中的變化，所述刺激例如是但不限于神經(jīng)毒素等。因此可分析神經(jīng)過程的轉(zhuǎn)導(dǎo)和/或刺激。在這些實(shí)施方案中，化學(xué)FET可操作為檢測(cè)鈣和/或鉀的通量，這是通過鈍化層本身或通過涂覆在鈍化層上用于這些離子的受體來進(jìn)行的。在另一方面中，本發(fā)明考慮化學(xué)FET陣列的應(yīng)用，該應(yīng)用是如本文所述的官能化或以另一種方式應(yīng)用于活體。這種陣列可引入對(duì)象(例如，在經(jīng)受離子通量的腦或其他區(qū)域中)，然后基于對(duì)象狀態(tài)來分析變化。雖然本文中描述和示出了本發(fā)明的若干實(shí)施方案，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將易于想到多種實(shí)現(xiàn)本文中所述功能和/或獲得本文中所述結(jié)果和/或一種或多種本文中所述優(yōu)點(diǎn)的其他措施和/或結(jié)構(gòu)，各個(gè)這類變化方案和/或改變均被視為在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。更一般地說，本領(lǐng)域技術(shù)人員將易于理解本文中所描述的所有^、尺寸、材料和/或構(gòu)造是示例性的，實(shí)際的參數(shù)、尺寸、材料和/或構(gòu)造將取決于使用本發(fā)明的教導(dǎo)的具體應(yīng)用。本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)認(rèn)識(shí)到或能用常規(guī)實(shí)驗(yàn)方法確定本文所述本發(fā)明的具體實(shí)施方案的許多等價(jià)物。因此，應(yīng)理解前述實(shí)施方案僅是以實(shí)例的方式給出的，在附隨的權(quán)利要求書及其等價(jià)物的范圍內(nèi)，本發(fā)明可以采取除了具體描述和要求保護(hù)的方式之外的方式實(shí)施。本發(fā)明旨在提供本文中所述的各個(gè)特征、系統(tǒng)、制品、材料、成套元件和/或方法。此外，兩種或多種這類特征、系統(tǒng)、制品、材料、成套元件和/或方法的組合也包括在本發(fā)明的范圍之內(nèi)，如果這類特征、系統(tǒng)、制品、材料、成套元件和/或方法互不矛盾的話。本文中定義和使用的所有定義應(yīng)理解為優(yōu)先于字典的定義、通過引用并入文件中的定義、和/或所定義術(shù)語的通常含義。除非有明確的相反指示，否則本說明書和權(quán)利要求書中沒有限定數(shù)量詞應(yīng)理解為指"至少一個(gè)"。本說明書和權(quán)利要求書中用到的表述"和/或"應(yīng)理解為指所連結(jié)的要素之"任一或二者"，即要素有時(shí)連在一起出現(xiàn)、有時(shí)分開出現(xiàn)。用"和/或，，羅列的多個(gè)要素應(yīng)以相同的方式理解，即這樣連結(jié)起來的要素之"一者或多者"。除"和/或，，從句明確指出的要素外，其他要素也可任選存在，無論與那些明確指出的要素相關(guān)還是不相關(guān)。因此，作為非限制性的實(shí)例，當(dāng)與開放式語言如"包含"一起使用時(shí)，"A和/或B"的提及在一個(gè)實(shí)施方案中可僅指A(任選包括B之外的要素);在另一個(gè)實(shí)施方案中可僅指B(任選包括A之外的要素)；而在另一個(gè)實(shí)施方案中可指A和B(任選包括其他要素)；等等。本說明書和權(quán)利要求書中用到的"或"應(yīng)理解為具有與上面定義的"和/或，，相同的含義。例如，在列表中分開列舉項(xiàng)目時(shí)，"或，，或"和/或"應(yīng)理解為包括性的，即包^H午多要素或要素列表中的至少一個(gè)但也包括一個(gè)以上，并任選包括另外的未列出的項(xiàng)目。只有明確指出相反的術(shù)語例如"僅一個(gè)"或"正好一個(gè)，，或當(dāng)在權(quán)利要求書中使用"由……組成"時(shí)將指包括許多要素或要素列表中的正好一個(gè)要素。一般而言，當(dāng)前面有排他性的術(shù)語如"任一"、"其中之一"、"僅其中之一"或"正好其中之一，，時(shí)，本文中用到的術(shù)語"或，，應(yīng)僅理解為指排他的或者(即"一個(gè)或另一個(gè)而非二者")。權(quán)利要求書中用到的"基本由…...組成，，應(yīng)具有專利法領(lǐng)域中所用的其通常含義。本說明書和權(quán)利要求書中關(guān)于一個(gè)或多個(gè)要素的列表所用到的表述"至少一個(gè)，，應(yīng)理解為指選自要素列表中任何一個(gè)或多個(gè)要素中的至少一個(gè)要素，但不一定包括要素列表內(nèi)明確列出的至少每一個(gè)要素，也不排除要素列表中要素的任何組合。在該定義下，除要素列表內(nèi)由表述"至少一個(gè)"所明確指出的要素外的要素也可任選存在，而無論其與那些明確指出的要素相關(guān)還是不相關(guān)。因此，作為非限制性的實(shí)例，"A和B中的至少一個(gè)"(或等價(jià)于"A或B中的至少一個(gè)"或等價(jià)于"A和/或B中的至少一個(gè)"在一個(gè)實(shí)施方案中可指至少一個(gè)、任選包括一個(gè)以上A而無B存在(并任選包括B之外的要素)；在另一個(gè)實(shí)施方案中可指至少一個(gè)、任選包括一個(gè)以上B而無A存在(并任選包括A之外的要素)；而在另一個(gè)實(shí)施方案中可指至少一個(gè)、任選包括一個(gè)以上A和至少一個(gè)、任選包括一個(gè)以上B(并任選包括其他要素)；等。還應(yīng)理解，除非有明確相反的指示，否則本文中要求保護(hù)的涉及一個(gè)以上步驟或行動(dòng)的任何方法中，方法的步驟或行動(dòng)順序不一定限于所給的方法的步驟或行動(dòng)順序。在權(quán)利要求書和以上說明書中，所有過渡性表述如"包含"、"包括"、"具有"、"有"、"含有"、"涉及"、"持有"、"包括，，等均應(yīng)理解為開放式的，即指包括但不限于。僅過渡表述"由……組成"和"基本由……組成"分別對(duì)應(yīng)于封閉或半封閉式的過渡表述，如美國(guó)專利局專利審查程序手冊(cè)第2111.03部分中所規(guī)定的。實(shí)施例下文是一個(gè)實(shí)施例，其為利用ISFET陣列快速序列測(cè)定單鏈寡核苷酸的原理的證明。1.1單鏈寡核苷酸結(jié)合到涂有抗生蛋白鏈菌素的磁珠從IDT(IntegratedDNATechnologies,Coralville,IN)定購具有5，雙生物素標(biāo)記(HPLC純化)的單鏈DNA寡核苦酸模板以及20->5^通用引物。^^板的長(zhǎng)度為60個(gè)威基，并且設(shè)計(jì)為在3，端包括20個(gè)威基，它們與20個(gè)堿基的引物(表1中的斜體字)互補(bǔ)。將凍干的和生物素化的模板和引物再懸浮于TE緩沖劑中(10mMTris-HCl,1mMEDTA，pH8)，分別作為40jiM儲(chǔ)液和作為400pM儲(chǔ)液，且保存在-20。C待用。對(duì)于各個(gè);j^板來i兌，60^1的5.91jtm的涂有抗生蛋白鏈菌素的磁珠儲(chǔ)存為水性緩沖懸浮液(8.57乂104珠/^iL)，在4。C下，通過利用120jil微珠清洗緩沖劑清洗三次而制備，接著分別孵育在5，端具有生物素的^^1、2、3和4(Tl，T2，T3，T4:表1)。由于抗生蛋白鏈菌素對(duì)生物素有強(qiáng)共價(jià)結(jié)合親和力(Kd~10-15),所以這些磁珠用于將模板固定到固相載體上，如下文所述。已經(jīng)報(bào)導(dǎo)的這些m^N"于游離生物素的結(jié)合能力為0.650pmol/^iL的M儲(chǔ)液。對(duì)于小的(<100堿基)生物素化單鏈DNA模板來說，適當(dāng)計(jì)算可知每個(gè)微珠結(jié)合9.1xl()S個(gè)模板。利用簡(jiǎn)單的磁體可容易地富集微珠，如利用Dynal磁粒選礦機(jī)或MPC-s(Invitrogen,Carlsbad，CA)。MPC-s用于所述試驗(yàn)中。在每次清洗之間，使用MPC-s富集微珠一分鐘，接著添加緩沖劑并使tt再懸浮。第三次清洗之后，將m^再懸浮在120nL微珠清洗緩沖劑加1pl的各個(gè)模板(40jaM)中。微珠旋轉(zhuǎn)(LabquakeTubeRotator,Barnstead，Dubuque，IA)孵育30分鐘。孵育后，樹^K接著在120熱處理緩沖劑(20mMTris-HCl,5mM乙酸鎂，pH7.5)中清洗三次，并在60^L的相同緩沖劑中再懸浮。表l.模板l、2、3和4的序列Tl:5V52Bio/GCAAGTGCCCTTAGGCTTCAGTTCAAAAGTCCTAACTGGGC4JGGC4C爿C4GGGGL4r(SEQIDNO:l)T2:5，/52Bio/CCATGTCCCCTTAAGCCCCCCCCATTCCCCCCTGAACCCCC4C4"C4GGGa4TJ(W(SEQIDNO:2)T3:5，/52Bio/AAGCTCAAAAACGGTAAAAAAAAGCCAAAAAACTGGAAAAC4爿GGC4C^C4GGGGL4r爿GW(SEQIDNO:3)T4:5，/52Bio/TTCGAGTTTTTGCCATTTTTTTTCGGTTTTTTGACCTTTTC4^4(7(7C4C爿C4GGGGL4T爿GW(SEQIDNO:4)測(cè)序引物的熱處理在5，端結(jié)合到5.91磁珠的固定模板接著被熱處理到與模板的3，端(表1)互補(bǔ)的20M引物。然后加入代表引物對(duì)固定的模板過量20倍的400pM引物儲(chǔ)液的1.0jiL的等分試樣，接著在95。C下用引物孵育微珠加模板15分鐘，然后緩慢降低溫度至室溫。接著如上所述利用MPC-s用120nL的25mMTricine緩沖劑(25mMTricine,0.4mg/mlPVP，0.1%Tween20，8.8mM乙酸鎂；ph7.8)清洗^K3次。25mMTricine緩沖劑中再懸浮。1.3用DNA聚合酶培養(yǎng)雜交的^^tl/引物利用聚合酶來孵育模板和引物雜交體，該聚合酶基本上如Margulies等人，Nature2005437(15):376-380以及附屬補(bǔ)充材料所述。2.在ISFET傳感器陣列上裝載制4^好的測(cè)試樣本ISFET陣列以及位于其上的微流體的尺寸和密度可才艮據(jù)應(yīng)用而改變。一個(gè)非限制實(shí)例是512x512的陣列。這種陣列的每一個(gè)柵格(262144個(gè))都具有一個(gè)ISFET。各個(gè)柵格還具有位于ISFET上的孔腔(或它們?cè)诒疚闹锌苫Q地稱為"微孔腔")。孔腔(或微孔腔)可具有任何形狀，包括柱形、錐形、方形、矩形等。在一個(gè)示例性構(gòu)造中，孔腔AA寸為7x7xlOnm的方形孔腔?？浊恢g的中心距離在本文中稱為"間距"。該間距可為任意距離，盡管優(yōu)選具有較小的間距以提供盡可能大的陣列。間距可小于50nm、小于40fim、小于30jim、小于20jim或小于10nm。在一個(gè)實(shí)施方案中，間距為約9nm。陣列上的整個(gè)腔(其中設(shè)置有孔腔)可具有等于或小于約30nL、等于或小于約20nL、等于或小于約15pL或等于或小于約IOjiL的體積。因此這些體積對(duì)應(yīng)于腔中溶液的體積。2.1在"開放"系統(tǒng)中裝載#*具有模板1-4的微珠裝栽到芯片上(每個(gè)模板10pL)。簡(jiǎn)而言之，各個(gè)模板的等分試樣都利用E卯endorf移液管添加到芯片上。接著用磁鐵將M拉到孔腔中。2.2在"封閉"系統(tǒng)中裝載^K。俘獲微珠和填充微珠都利用流動(dòng)來裝載。微珠溶液體積的微升精度以及通過流體連接定位微珠溶液是利用微珠裝栽裝置如圖62中所示實(shí)現(xiàn)的，^L珠裝載裝置包括主儲(chǔ)器(約lmL容量)、次儲(chǔ)器(約10pL容量)以及用于輸送小容量微珠溶液的微流體通道。這種方法還實(shí)現(xiàn)由精密移液管實(shí)現(xiàn)的流體應(yīng)用的微升精度。包括了ISFET陣列和流動(dòng)腔的芯片位于^)"工具的ZIF(零插入力)插口中，接著將不銹鋼毛細(xì)管連接到流動(dòng)腔的一個(gè)端口，而另一端口連接撓性尼龍管路。這兩種材料都是微流體型流體路徑(例如約<O.Ol"的內(nèi)徑)。裝料工具由主儲(chǔ)器和次儲(chǔ)器構(gòu)成，其連接到毛細(xì)管的端部。用緩沖劑溶液填充通用塑料注射器，接著將注射器連接到尼龍管路的自由端。從芯片底部突出的電引線插入夾具單元(未示出)的頂部上的插口中。如圖63所示，推動(dòng)注射器注入緩沖劑溶液，使其通過管路，穿過流動(dòng)腔(以及芯片表面)且向上通過毛細(xì)管。這個(gè)過程叫做裝填，并確保流體通路中沒有空氣。注入緩沖劑直至通過透明的主儲(chǔ)器而在次儲(chǔ)器的頂部處可以看到液面。接著，利用精確移液管將含涂覆核酸的微珠的溶液施加到次儲(chǔ)器，如圖64所示。這種操作在儲(chǔ)器頂部產(chǎn)生了大液滴。所添加的溶液的體積等于流動(dòng)腔的體積(例如約10jtL)，并且含有濃縮的微珠，因而當(dāng)最初在次儲(chǔ)器中添加緩沖劑溶液容積時(shí)，產(chǎn)生待遞送到流動(dòng)腔的所需濃度的#*。收回移液管，小心且緩'隄地推動(dòng)注射器，直至液滴滴落到次儲(chǔ)器的頂部，再次通過圖65中所示的透明的主儲(chǔ)器來觀察。因?yàn)閺拇蝺?chǔ)器向下延伸的微流體通道非常小(例如約0.01，，的直徑)，所以在這個(gè)過程中，在流體路徑中的微珠溶液和緩沖劑溶液之間發(fā)生非常少的混合。就此而言，溶液裝載進(jìn)了流體通路，但并未到達(dá)流動(dòng)腔的位置。在流體通路中輸送微珠溶液栓塞或微珠溶液體積之前，次儲(chǔ)器中的溶液是清澈的。首先，將約lmL的緩沖溶液注入主儲(chǔ)器，以有效稀釋留在次儲(chǔ)器中的#*溶液，如圖66中所示。接著，通過將移液管尖端沿著主儲(chǔ)器底部邊緣設(shè)置來將溶液移出。圖67中示出次儲(chǔ)器中的溶液液位留在其頂部位置。接著，如圖68所示，如先前的m^溶液施加一樣，大量緩沖溶液以液滴的形式加到次儲(chǔ)器上。這種溶液的體積等于次儲(chǔ)器和流動(dòng)池的流動(dòng)腔之間的流體路徑的體積(即，在流到流動(dòng)腔之前為微流體通道的體積加毛細(xì)管的體積加流動(dòng)池的體積)。再次推動(dòng)注射器直至液滴縮回到次儲(chǔ)器的頂部，如圖69中所示。這樣，微#液栓塞裝載進(jìn)流動(dòng)池的流動(dòng)腔?，F(xiàn)在，升起裝料工具Jj故置于錐形基座上，該基座包括在其頂點(diǎn)的磁體，如圖70所示。磁體將微#微珠溶液中拉到芯片的微孔腔中。幾秒鐘之后，從基座移除該裝料工具。如果需要的話，除了含有緩沖溶液的流體的最初充填之外，整個(gè)過程可重復(fù)以將小的填料微珠裝栽進(jìn)微孔腔。應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，可以其他方式來使微珠進(jìn)入流動(dòng)腔的孔腔中，包括利用離心分離或重力。本發(fā)明并不限于這方面。3,使用ISFET傳感器陣列的DNA序列測(cè)定3.1在"開放，，系統(tǒng)中的DNA序列測(cè)定所示的結(jié)果代表在"開放"系統(tǒng)中實(shí)施的試驗(yàn)(即，將ISFET芯片置于ISFET裝置平臺(tái)上，然后以下列順序手工添加各個(gè)核苷酸(5^L得到每個(gè)6.5nM):dATP，dCTP，dGTP和dTT(100mM儲(chǔ)液，Pierce,Milwaukee,WI))，通過將給定的核苷酸吸入移入已經(jīng)在芯片表面上的液體中，并以2.5mHz的速度收集來源于芯片的數(shù)據(jù)。這導(dǎo)致以約18幀/秒的速度進(jìn)行數(shù)椐采集超過7.5秒。接著利用LabView來分析數(shù)據(jù)。給定^^板序列，dATP的添加致4吏;^板4中延伸(extension)4堿基。dCTP的添加致4吏模板1中延伸4堿基。dGTP的添加致4吏;^板1、2和4如表2所i^伸，并且dTTP的添加導(dǎo)致流出(所有^^板如所指示那樣延伸)。圖71(A-D)示出了延伸反應(yīng)。在左邊的板區(qū)中，示出所有4象素的一個(gè)瞬態(tài)圖，且在右邊的板區(qū)中，示出從左邊的板區(qū)中選出的四個(gè)像素的mV對(duì)時(shí)間的曲線圖。白色箭頭表示發(fā)生延伸處的有源像素。在逃逸中(圖71D),除了在圖71C中標(biāo)記的孔腔之外，另外的箭頭表示在添加dGTP之后沒有發(fā)生延伸的孔腔，而添加dATP之后又在逃逸期間觀察到了延伸。優(yōu)選地，當(dāng)以非自動(dòng)方式實(shí)施該方法(即，沒有自動(dòng)流動(dòng)和試劑引入)，各個(gè)孔腔包含腺苷三磷酸雙磷酸酶以降解未加上的dNTP。應(yīng)該理解的是，腺普三磷酸雙磷酸酶可在本實(shí)施本文方案或本文所討論的任意其他實(shí)施方案中被替換為另一種能夠降解dNTP的化合物(或酶)。表2.試驗(yàn)的建立和核香酸添加的順序<table>tableseeoriginaldocumentpage105</column></row><table>3.2利用傳感器芯片上的微流體來進(jìn)行DNA序列測(cè)定流動(dòng)狀態(tài)下的序列測(cè)定是一種對(duì)加入DNA的核苷酸試劑的開放應(yīng)用的擴(kuò)展。但不是將試劑添加進(jìn)ISFET芯片上的本體溶液，而是使試劑以順序方式流過芯片表面，一次延伸單一的DNA>^。dNTP順序地流過，首先是dTTP，接著是dATP、dCTP和dGTP。由于芯片上流^i^動(dòng)的層流性質(zhì)，核苷酸擴(kuò)散i^微孔腔并最終包圍負(fù)栽核酸的^^是主要的遞送機(jī)制。流動(dòng)狀態(tài)還確保大多數(shù)的核苷酸溶液在應(yīng)用之間被清洗掉。這包括在每個(gè)核苷酸流動(dòng)之后，用緩沖劑溶液和腺香三磷酸雙磷酸酶來清洗芯片。核苷酸和清洗溶液儲(chǔ)存在系統(tǒng)中的化學(xué)制劑瓶中，并利用流體管路和自動(dòng)閥在芯片上流動(dòng)。激活I(lǐng)SFET芯片來感測(cè)核苷酸流動(dòng)期間DNA延伸的化學(xué)產(chǎn)物。權(quán)利要求1、一種裝置，包括CMOS制造的傳感器(105)的陣列(100)，每個(gè)傳感器包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)(150)，并且在所述陣列的表面上占據(jù)約10微米乘10微米或更少的面積。2、如權(quán)利要求l所述的裝置，其中每個(gè)傳感器所占據(jù)的面積為約9微米乘9微米或更少。3、如權(quán)利要求2所述的裝置，其中每個(gè)傳感器所占據(jù)的面積為約5微米乘5微米或更少。4、如權(quán)利要求3所述的裝置，其中每個(gè)傳感器所占據(jù)的面積為約3微米乘3微米或更少。5、如權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的裝置，其中多個(gè)CMOS制造的傳感器包括大于256個(gè)傳感器。6、如權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述陣列包括至少512行和至少512列的所述CMOS制造的傳感器的二維陣列。7、如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述二維陣列包括至少2048行和至少2048列的所述CMOS制造的傳感器。8、如權(quán)利要求6所述的裝置，其中所述二維陣列包括至少7400行和至少7400列的所述CMOS制造的傳感器。9、如權(quán)利要求5至8中任一項(xiàng)所述的裝置，其中來自所述陣列的所有化學(xué)FET的化學(xué)FET輸出信號(hào)的集合構(gòu)成數(shù)據(jù)幀，并且其中所述裝置還包括控制電路(IIO，192,194,198)，所述控制電路連接到所述陣列并設(shè)置為產(chǎn)生至少一個(gè)陣列輸出信號(hào)(Vout),從而以至少10幀每秒的幀頻提供來自所述陣列的多個(gè)數(shù)據(jù)幀。10、如權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述控制電路設(shè)置為使得所述幀頻為至少20幀每秒。11、如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述控制電路設(shè)置為使得所述幀頻為至少30幀每秒。12、如權(quán)利要求ll所述的裝置，其中所述控制電路設(shè)置為使得所述幀頻為至少40幀每秒。13、如權(quán)利要求1-12中任一項(xiàng)所述的裝置，其中每個(gè)傳感器的化學(xué)FET包括浮柵結(jié)構(gòu)(170);和源極(156)和漏極(158)，所述源極和漏極具有第一半導(dǎo)體類型并制造在具有第二半導(dǎo)體類型的區(qū)域(154)中，其中不存在將所述具有笫二半導(dǎo)體類型的區(qū)域電連接到所述源極或漏極的電導(dǎo)體。14、如權(quán)利要求13所述的裝置，還包括至少一個(gè)第一電導(dǎo)體，所述第一電導(dǎo)體將所述陣列中所有化學(xué)FET的所有具有第二半導(dǎo)體類型的區(qū)域電連接到一起。15、如權(quán)利要求1-14中任一項(xiàng)所述的裝置，其中每個(gè)傳感器包括多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，其中包括化學(xué)FET;以及多個(gè)電連接到所述多個(gè)FET的第二電導(dǎo)體，其中所述多個(gè)FET排列為4吏得多個(gè)第二電導(dǎo)體包括不多于四個(gè)電導(dǎo)體，該四個(gè)電導(dǎo)體橫穿被所述陣列的各個(gè)傳感器所占據(jù)的區(qū)域并且互連所述陣列的多個(gè)傳感器。16、如權(quán)利要求1-15中任一項(xiàng)所述的裝置，其中每個(gè)傳感器包括三個(gè)或更少的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，其中包括化學(xué)FET。17、如權(quán)利要求15-16中任一項(xiàng)所述的裝置，其中每個(gè)傳感器中的所有FET都具有相同的溝道類型并且都使用在具有所述第二半導(dǎo)體類型的區(qū)域中。18、如權(quán)利要求1-17中任一項(xiàng)所述的裝置，其中每個(gè)傳感器的化學(xué)FET都是離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)。19、如權(quán)利要求1-17中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述陣列的至少一個(gè)第一傳感器包括第一化學(xué)FET，所述第一化學(xué)FET設(shè)置為對(duì)至少一種第一分析物化學(xué)敏感；并且所述陣列的至少一個(gè)第二傳感器包括第二化學(xué)FET，所述第二化學(xué)FET^:置為對(duì)不同于所述至少一種第一分析物的至少一種第二分析物化學(xué)敏感。20、如權(quán)利要求19所述的裝置，其中所述至少一種第一分析物代表與核酸序列測(cè)定過程有關(guān)的至少一個(gè)第一結(jié)合事件，并且其中所述至少一種第二分析物代表與核酸序列測(cè)定過程有關(guān)的至少一個(gè)第二結(jié)合事件。21、一種傳感器陣列(100)，包括電子傳感器(105)的二維陣列，其包括至少512行和至少512列的電子傳感器，每個(gè)傳感器包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)(150)，所述化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管設(shè)置為提供表示在所述二維陣列的表面附近的分析物的存在和/或濃度的至少一個(gè)輸出信號(hào)。22、如權(quán)利要求21所述的陣列，其中所述陣列制造在尺寸為約7毫米乘7毫米的半導(dǎo)體芯片上。23、如權(quán)利要求21所述的陣列，其中所述陣列包括至少2048行和至少2048列的所述電子傳感器。24、如權(quán)利要求23所述的陣列，其中所述陣列制造在尺寸為約20毫米乘20毫米的半導(dǎo)體芯片上。25、如權(quán)利要求21所述的陣列，其中所述陣列包括至少7400行和至少7400列的所述電子傳感器。26、如權(quán)利要求25所述的陣列，其中所述陣列制造在尺寸為約20毫米乘20毫米的半導(dǎo)體芯片上。27、如權(quán)利要求21至26中任一項(xiàng)所述的陣列，其中所述陣列設(shè)置為專用集成電路(ASIC),并且其中對(duì)于多個(gè)列中每一列而言，所述ASIC包括列電路(110),其設(shè)置為對(duì)該列中相應(yīng)的化學(xué)FET提供恒定的漏電流和恒定的漏極至源極電壓。28、如權(quán)利要求27所述的陣列，其中所述列電路包括兩個(gè)運(yùn)算放大器(107A，B)和與相應(yīng)的化學(xué)FET排列成開爾文電橋構(gòu)造的二極管連接FET以提供恒定的漏極至源極電壓。29、如權(quán)利要求27或28所述的陣列，其中所述ASIC還包括至少一個(gè)行選擇移位寄存器(192)，用以啟用多個(gè)行中相應(yīng)的行；以及至少一個(gè)列選擇移位寄存器(194)，用以從多個(gè)列中相應(yīng)的列獲取化學(xué)FET輸出信號(hào)。30、權(quán)利要求29所述的陣列，其中所述至少一個(gè)列選擇移位寄存器包括用于從所述多個(gè)列中的多列同時(shí)獲取化學(xué)FET輸出信號(hào)的多個(gè)列選擇移位寄存器(19化1942)。31、如權(quán)利要求29或30所述的陣列，其中所述至少一個(gè)行選擇移位寄存器包括用于同時(shí)啟用所述多個(gè)行中的多行的多個(gè)行選擇移位寄存器。32、如權(quán)利要求27至31中任一項(xiàng)所述的陣列，其中所述ASIC還包括至少一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器(198)，所述至少一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器包括至少一個(gè)緩沖放大器(199);以及至少一個(gè)開關(guān)(191)，其將所述多個(gè)列中的至少一些列連接到所述至少一個(gè)緩沖放大器，以便基于多個(gè)化學(xué)FET輸出信號(hào)來提供至少一個(gè)陣列輸出信號(hào)(Vout)。33、權(quán)利要求32所述的陣列，其中來自所述陣列的所有化學(xué)FET的化學(xué)FET輸出信號(hào)的集合構(gòu)成數(shù)據(jù)幀，并且其中所述至少一個(gè)行選擇移位寄存器、所述至少一個(gè)列選擇移位寄存器和/或所述至少一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器i殳置為產(chǎn)生所述至少一個(gè)陣列輸出信號(hào)，從而以至少10幀每秒的幀頻提供來自所述陣列的多個(gè)數(shù)據(jù)幀。34、如權(quán)利要求33所述的陣列，其中所述幀頻為至少20幀每秒。35、如權(quán)利要求34所述的陣列，其中所述幀頻為至少30幀每秒。36、如權(quán)利要求35所述的陣列，其中所述幀頻為至少40幀每秒。37、如權(quán)利要求32至36中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述至少一個(gè)開關(guān)包括至少一個(gè)非對(duì)稱開關(guān)，所述至少一個(gè)非對(duì)稱開關(guān)包括具有不同尺寸FET的CMOS對(duì)傳輸門電路。38、如權(quán)利要求21至37中任一項(xiàng)所述的陣列，其中每個(gè)傳感器的化學(xué)FET是離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)。39、如權(quán)利要求21至37中任一項(xiàng)所述的陣列，其中所述陣列的至少一個(gè)第一傳感器包括第一化學(xué)FET，所述第一化學(xué)FET設(shè)置為對(duì)至少一種第一分析物化學(xué)敏感；并且所述陣列的至少一個(gè)第二傳感器包括第二化學(xué)FET，所述第二化學(xué)FET設(shè)置為對(duì)不同于所述至少一種第一分析物的至少一種第二分析物化學(xué)敏感。40、如權(quán)利要求39所述的陣列，其中所述至少一種第一分析物4戈表與核酸序列測(cè)定過程有關(guān)的至少一個(gè)第一結(jié)合事件，并且其中所述至少一種第二分析物代表與核酸序列測(cè)定過程有關(guān)的至少一個(gè)第二結(jié)合事件。41、一種裝置，包括CMOS制造的傳感器(105)的陣列(100)，每個(gè)傳感器包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)(150),其中所述CMOS制造的傳感器的陣列包括大于256個(gè)傳感器，其中來自所述陣列的所有化學(xué)FET的化學(xué)FET輸出信號(hào)的集合構(gòu)成數(shù)據(jù)幀，并且其中所述裝置還包括控制電路(110，192，194,198)，所述控制電路連接到所述陣列并設(shè)置為產(chǎn)生至少一個(gè)陣列輸出信號(hào)(Vout)，從而以至少1幀每秒的幀頻提供來自所述陣列的多個(gè)數(shù)據(jù)幀。42、如權(quán)利要求所述41的裝置，其中所述控制電路設(shè)置為使得所述幀頻為至少10幀每秒。43、如權(quán)利要求42所述的裝置，其中所述控制電路設(shè)置為使得所述幀頻為20幀每秒。44、如權(quán)利要求43所述的裝置，其中所述控制電路設(shè)置為使得所述幀頻為30幀每秒。45、如權(quán)利要求44所述的裝置，其中所述控制電路設(shè)置為使得所述幀頻為40幀每秒。46、如權(quán)利要求45所述的裝置，其中所述控制電路設(shè)置為使得所述幀頻為50幀每秒。47、如權(quán)利要求46所述的裝置，其中所述控制電路設(shè)置為使得所述幀頻為100幀每秒。48、如權(quán)利要求41至47中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述陣列包括至少512行和至少512列的CMOS制造的傳感器的二維陣列。49、如權(quán)利要求48所述的裝置，其中所述二維陣列包括至少2048行和至少2048列的CMOS制造的傳感器。50、如權(quán)利要求49所述的裝置，其中所述二維陣列包括至少7400行和至少7400列的CMOS制造的傳感器。51、一種裝置，包括CMOS制造的傳感器(105)的陣列(100)，每個(gè)傳感器包括化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)(150),所述化學(xué)FET包括浮柵結(jié)構(gòu)(170);以及源極(156)和漏極(158),所述源極和漏極具有第一半導(dǎo)體類型并且制造在具有第二半導(dǎo)體類型的區(qū)域(154)中，其中不存在將所述具有第二半導(dǎo)體類型的區(qū)域電連接到所述源極或漏極的電導(dǎo)體。52、如權(quán)利要求51所述的裝置，還包括至少一個(gè)第一電導(dǎo)體，其將所述陣列中所有化學(xué)FET的所有具有第二半導(dǎo)體類型的區(qū)域電連接到一起。53、如權(quán)利要求51或52所述的裝置，其中所述化學(xué)FET是p溝道化學(xué)FET,并且其中所述具有第二半導(dǎo)體類型的區(qū)域形成為用于所述陣列的p型村底(152)中的n型阱。54、如權(quán)利要求51至53中任一項(xiàng)所述的裝置，其中每個(gè)傳感器包括多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，其包括化學(xué)FET;以及多個(gè)第二電導(dǎo)體，其電連接到所述多個(gè)FET，其中所述多個(gè)FET排列為使得所述多個(gè)第二電導(dǎo)體包括不多于四個(gè)電導(dǎo)體，所述不多于四個(gè)電導(dǎo)體橫穿所述陣列的各個(gè)傳感器所占據(jù)的區(qū)域并且互連所述陣列的多個(gè)傳感器。55、如權(quán)利要求51至54中任一項(xiàng)所述的裝置，其中每個(gè)傳感器包括三個(gè)或更少的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，所述三個(gè)或更少的場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括化學(xué)FET。56、如權(quán)利要求55所述的裝置，其中每個(gè)傳感器由三個(gè)FET構(gòu)成，所述三個(gè)FET包括化學(xué)FET。57、如權(quán)利要求54至56中任一項(xiàng)所述的裝置，其中每個(gè)傳感器中所有的所述FET都具有相同的溝道類型并且^f吏用在所述具有第二半導(dǎo)體類型的區(qū)域中。58、如權(quán)利要求57所述的裝置，其中每個(gè)傳感器中的所有的所述FET都是p溝道FET，并且其中所述具有第二半導(dǎo)體類型的區(qū)域形成為用于所述陣列的p型襯底(152)中的n型阱(154)。59、如權(quán)利要求51至58中任一項(xiàng)所述的裝置，其中每個(gè)傳感器在所述陣列的表面上占據(jù)10微米乘10微米或更少的面積。60、如權(quán)利要求59所述的裝置，其中每個(gè)傳感器在所述陣列的表面上占據(jù)5微米乘5微米或更少的面積。61、如權(quán)利要求60所述的裝置，其中每個(gè)傳感器在所述陣列的表面上占據(jù)3微米乘3微米或更少的面積。62、如權(quán)利要求51至61中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述陣列包括排列成多個(gè)行和多個(gè)列的所述CMOS制造的傳感器的二維陣列。63、如權(quán)利要求62所述的裝置，其中所述陣列包括至少512行和至少512列的所述CMOS制造的傳感器。64、如權(quán)利要求62或63所述的裝置，其中對(duì)于所述多個(gè)列中每一列而言，所述陣列還包括列電路(110)，其設(shè)置為對(duì)該列中相應(yīng)的化學(xué)FET提供恒定的漏電流和恒定的漏極至源極電壓。65、如權(quán)利要求64的裝置，其中所述列電路包括兩個(gè)運(yùn)算放大器(107A,B)和與相應(yīng)的化學(xué)FET排列成開爾文電橋構(gòu)造的二極管連接FET以提供恒定的漏極至源極電壓。66、如權(quán)利要求62至65中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述陣列還包括至少一個(gè)行選擇移位寄存器(192),用以啟用所述多個(gè)行中相應(yīng)的行；以及至少一個(gè)列選捧移位寄存器(194)，用以從所述多個(gè)列中相應(yīng)的列獲取化學(xué)FET輸出信號(hào)。67、如權(quán)利要求66所述的裝置，其中所述至少一個(gè)列選擇移位寄存器包括用于從所述多個(gè)列中的多列同時(shí)獲取化學(xué)FET輸出信號(hào)的多個(gè)列選擇移位寄存器(19^，1942)。68、如權(quán)利要求66或67所述的裝置，其中所述至少一個(gè)行選擇移位寄存器包括用于同時(shí)啟用所述多個(gè)行中的多行的多個(gè)行選擇移位寄存器。69、如權(quán)利要求62至68中任一項(xiàng)所述的裝置，還包括至少一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器(198)，所述至少一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器包括至少一個(gè)緩沖放大器(199);以及至少一個(gè)非對(duì)稱開關(guān)(191),用于將所述多個(gè)列中的至少一些列連接到所述至少一個(gè)緩沖放大器，從而提供至少一個(gè)陣列輸出信號(hào)(Vout)，其中所述至少一個(gè)非對(duì)稱開關(guān)包括具有不同尺寸FET的CMOS對(duì)傳輸門電路。70、如權(quán)利要求69所述的裝置，其中來自所述陣列的所有化學(xué)FET的化學(xué)FET輸出信號(hào)的集合構(gòu)成數(shù)據(jù)幀，并且其中所述至少一個(gè)行選擇移位寄存器、所述至少一個(gè)列選擇移位寄存器和/或所述至少一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為產(chǎn)生所述至少一個(gè)陣列輸出信號(hào)，從而以至少20幀每秒的幀頻提供來自所述陣列的多個(gè)數(shù)據(jù)幀。71、如權(quán)利要求51至70中任一項(xiàng)所述的裝置，其中每個(gè)傳感器的化學(xué)FET是離子敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(ISFET)。72、如權(quán)利要求51至70中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述陣列的至少一個(gè)第一傳感器包括第一化學(xué)FET，所述第一化學(xué)FET設(shè)置為對(duì)至少一種第一分析物化學(xué)敏感；并且所述陣列的至少一個(gè)第二傳感器包括第二化學(xué)FET，所述第二化學(xué)FET設(shè)置為對(duì)不同于所述至少一種第一分析物的至少一種第二分析物化學(xué)敏感。73、如權(quán)利要求72所述的裝置，其中所述至少一種第一分析物代表與核酸序列測(cè)定過程有關(guān)的至少一個(gè)第一結(jié)合事件，并且其中所述至少一種第二分析物代表與核酸序列測(cè)定過程有關(guān)的至少一個(gè)第二結(jié)合事件。74、一種裝置，包括電子傳感器(105)的陣列(100),每個(gè)傳感器由包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)(150)的三個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)構(gòu)成。75、如權(quán)利要求74所述的裝置，其中所述化學(xué)FET包括浮柵結(jié)構(gòu)(170);以及源極(156)和漏極(158),所述源極和漏極具有第一半導(dǎo)體類型并制造在具有第二半導(dǎo)體類型的區(qū)域(154)中，其中不存在將所述具有第二半導(dǎo)體類型的區(qū)域電連接到所述源極或漏極的電導(dǎo)體。76、一種裝置，包括電子傳感器(105)的陣列(100),每個(gè)傳感器包括三個(gè)或更少的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET),其中所述三個(gè)或更少的場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)(150)。77、一種裝置，包括電子傳感器(105)的陣列(100)，每個(gè)傳感器包括包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)(150)的多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET);以及電連接到所述多個(gè)FET的多個(gè)電導(dǎo)體，其中所述多個(gè)FET排列為使得所述多個(gè)電導(dǎo)體包括不多于四個(gè)電導(dǎo)體，所述不多于四個(gè)電導(dǎo)g穿所述陣列的各個(gè)傳感器所占據(jù)的區(qū)域并互連所述陣列的多個(gè)傳感器。78、一種裝置，包括CMOS制造的傳感器(105)的陣列(100)，每個(gè)傳感器包括多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)，所述多個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)(150)，其中每個(gè)傳感器中所有的FET都具有相同的溝道類型并且使用在陣列襯底的單一半導(dǎo)體區(qū)域中。79、如權(quán)利要求78所述的裝置，其中每個(gè)傳感器中所有的FET都是p溝道FET,其中所述陣列襯底是p型襯底(152),并且其中所述單一半導(dǎo)體區(qū)域形成為所述p型襯底中的n型阱(154)。80、一種傳感器陣列(100)，包括排列成多個(gè)行和多個(gè)列的多個(gè)電子傳感器(105)，每個(gè)傳感器包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)(150)，所述化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管設(shè)置為提供表示在所述陣列的表面附近的分析物的存在和/或濃度的至少一個(gè)輸出信號(hào)，其中對(duì)于所述多個(gè)列中的每一列而言，所述陣列還包括列電路(110)，其i殳置為對(duì)該列中相應(yīng)的化學(xué)FET提供恒定的漏電流和恒定的漏極至源極電壓，所述列電路包括兩個(gè)運(yùn)算放大器和與相應(yīng)的化學(xué)FET排列成開爾文電橋構(gòu)造的二極管連接FET以提供恒定的漏極至源極電壓。81、一種傳感器陣列(100)，包括排列成多個(gè)行和多個(gè)列的多個(gè)電子傳感器(105)，每個(gè)傳感器包括一個(gè)化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)(150)，所述化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管設(shè)置為提供表示在所述陣列的表面附近的分析物中的離子濃度的至少一個(gè)輸出信號(hào)；至少一個(gè)行選擇移位寄存器(192)，用以啟用所述多個(gè)行中相應(yīng)的行；以及至少一個(gè)列選擇移位寄存器(194),用以從所述多個(gè)列中相應(yīng)的列獲取化學(xué)FET輸出信號(hào)。82、如權(quán)利要求81所述的陣列，其中所述至少一個(gè)列選擇移位寄存器包括用于從所述多個(gè)列中的多列同時(shí)獲取化學(xué)FET輸出信號(hào)的多個(gè)列選擇移位寄存器。83、如權(quán)利要求81或82所述的陣列，其中所述至少一個(gè)行選擇移位寄存器包括用于同時(shí)啟用所述多個(gè)行中的多行的多個(gè)行選擇移位寄存器。84、根據(jù)權(quán)利要求81至83中任一項(xiàng)所述的陣列，還包括至少一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器(198),所述至少一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器包括至少一個(gè)緩沖放大器(199);以及至少一個(gè)非對(duì)稱開關(guān)(191),用于將所述多個(gè)列中的至少一些列連接到所述至少一個(gè)緩沖放大器，從而提供至少一個(gè)陣列輸出信號(hào)(Vout)，其中所述至少一個(gè)非對(duì)稱開關(guān)包括具有不同尺寸FET的CMOS對(duì)傳輸門電路。85、如權(quán)利要求84所述的陣列，其中來自所述陣列的所有化學(xué)FET的化學(xué)FET輸出信號(hào)的集合構(gòu)成數(shù)據(jù)幀，并且其中所述至少一個(gè)行選擇移位寄存器、所述至少一個(gè)列選擇移位寄存器和/或所述至少一個(gè)輸出驅(qū)動(dòng)器設(shè)置為產(chǎn)生所述至少一個(gè)陣列輸出信號(hào)，從而以至少20幀每秒的幀頻提供來自所述陣列的多個(gè)數(shù)據(jù)幀。86、一種裝置，包括CMOS制造的傳感器(105)的陣列(100)，每個(gè)傳感器包括化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)(150)，所述化學(xué)FET包括浮柵結(jié)構(gòu)(170);以及源極(156)和漏極(158)，所述源極和漏極具有第一半導(dǎo)體類型并制造在具有第二半導(dǎo)體類型的區(qū)域(154)中，其中不存在將所述具有第二半導(dǎo)體類型的區(qū)域電連接到所述源極或漏極的電導(dǎo)體，其中所述陣列包括至少512行和至少512列的CMOS制造的傳感器的二維陣列；每個(gè)傳感器由包括化學(xué)FET的三個(gè)場(chǎng)效應(yīng)晶體管(FET)構(gòu)成；每個(gè)傳感器包括電連接所述三個(gè)FET的多個(gè)電導(dǎo)體；所述三個(gè)FET排列為4吏得所述多個(gè)電導(dǎo)體包括不多于四個(gè)電導(dǎo)體，所述不多于四個(gè)電導(dǎo)體橫穿所述陣列的各個(gè)傳感器所占據(jù)的區(qū)域并互連所述陣列的多個(gè)傳感器；每個(gè)傳感器中所有的FET都具有相同的溝道類型，并且4吏用在陣列襯底的單一半導(dǎo)體區(qū)域中；以及來自所述陣列的所有化學(xué)FET的化學(xué)FET輸出信號(hào)的集合構(gòu)成數(shù)據(jù)幀，并且其中所述裝置還包括控制電路(110,192,194,198),其連接到所述陣列并設(shè)置為產(chǎn)生至少一個(gè)陣列輸出信號(hào)(Vout)，從而以至少20幀每秒的幀頻提供來自所述陣列的多個(gè)數(shù)據(jù)幀。87、一種用于加工CMOS制造的傳感器(105)的陣列(100)的方法，每個(gè)傳感器包括化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)(150)，該方法包括A)切割包括所述陣列的半導(dǎo)體晶片，以形成至少一個(gè)包括所述陣列的切割部分；以及B)對(duì)所述至少一個(gè)切割部分實(shí)施合成氣體退火。88、如權(quán)利要求87所述的方法，其中B)包括C)在氫和氮的氣體混合物中熱處理所述至少一個(gè)切割部分。89、如權(quán)利要求88所述的方法，其中所述氣體混合物包含約10%至15%的氫。90、如權(quán)利要求88或89所述的方法，其中C)還包括D)對(duì)所述至少一個(gè)切割部分熱處理約30至60分鐘。91、如權(quán)利要求88至90中的任一項(xiàng)所述方法，其中C)還包括在約400攝氏度至約425攝氏度的溫度范圍內(nèi)熱處理所述至少一個(gè)切割部分。92、如權(quán)利要求88所述的方法，其中所述氣體混合物包含10%的氫，并且其中C)包括所述至少一個(gè)切割部分在約425攝氏度的溫度下熱處理約30分鐘。93、如權(quán)利要求91或92所述的方法，還包括在A)之前，對(duì)所述半導(dǎo)體晶片實(shí)施預(yù)先的混合氣體退火。94、一種用于加工CMOS制造的傳感器(105)的陣列(100)的方法，每個(gè)傳感器包括化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)(150)，所述化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管具有通過等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積(PECVD)所沉積的氮化珪和/或氮氧化硅的化學(xué)敏感鈍化層，該方法包括A)在所述化學(xué)敏感鈍化層上沉積至少一種附加鈍化材料，以降低所述鈍化層的孔隙率和/或增加所述鈍化層的密度。95、如權(quán)利要求94所述的方法，其中所述至少一種附加鈍化材料選自氮化硅、氮氧化硅、氧化鋁、氧化鉭、氧化錫和二氧化硅。96、如權(quán)利要求94或95所述的方法，其中A)包括所述至少一種附加鈍化材料的RT濺射、DC磁控賊射、熱或電子束蒸鍍或離子輔助沉積。97、如權(quán)利要求94至96中任一項(xiàng)所迷的方法，其中A)包括將所述至少一種附加鈍化材料沉積至約400至600埃的厚度。98、一種用于核酸序列測(cè)定的方法，包括將多個(gè)模板核酸置于多個(gè)反應(yīng)腔中，其中所述多個(gè)反應(yīng)腔接觸化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)陣列，所述陣列包括每個(gè)反應(yīng)腔至少一個(gè)的化學(xué)FET，并且其中每個(gè)所述模板核酸與序列測(cè)定引物雜交并結(jié)合至聚合酶，通過在所述序列測(cè)定引物的3，端處順序加入一種或多種公知的核苷三磷酸來合成新的核酸鏈，通過在所述陣列中的所述至少一個(gè)化學(xué)FET的電流變化來檢測(cè)所述一種或多種公知的核苷三磷酸的加入。99、如權(quán)利要求98所述的方法，其中所述化學(xué)FET陣列包括多于256個(gè)傳感器。100、一種用于核酸序列測(cè)定的方法，包括將多個(gè)模板核酸置于多個(gè)反應(yīng)腔中，其中所述多個(gè)反應(yīng)腔接觸化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)陣列，所述陣列包括每個(gè)反應(yīng)腔至少一個(gè)的化學(xué)FET，并且其中每個(gè)所述模板核酸與序列測(cè)定引物雜交并結(jié)合至聚合酵，通過在所述序列測(cè)定引物的3，端處順序加入一種或多種/>知的核苷三磷酸來合成新的核酸鏈，通過序列測(cè)定反應(yīng)副產(chǎn)物的生成來檢測(cè)所述一種或多種/>知的核苷三磷酸的加入，其中相鄰的反應(yīng)腔之間的中心距離是1~lOfim。101、一種用于核酸序列測(cè)定的方法，包括將多個(gè)模板核酸置于多個(gè)反應(yīng)腔中，其中所述多個(gè)反應(yīng)腔接觸化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET)陣列，所述陣列包括每個(gè)反應(yīng)腔至少一個(gè)的化學(xué)FET，并且其中每個(gè)所述模板核酸與序列測(cè)定引物雜交并結(jié)合至聚合酶，通過在所述序列測(cè)定引物的3，端處順序加入一種或多種>^知的核苷三磷酸來合成新的核酸鏈，直接檢測(cè)無機(jī)焦磷酸鹽(PPi)的釋放，無機(jī)焦磷酸鹽為所述一種或多種^^知的核苷三磷酸的加入的指示劑。102、一種裝置，包括化學(xué)敏感場(chǎng)效應(yīng)晶體管(化學(xué)FET),其具有設(shè)置在其表面上的PPi受體。103、一種與在有源半導(dǎo)體器件上的覆蓋有保護(hù)層的傳感器陣列一同使用的流體組合件，包括第一構(gòu)件，其中具有用于匹配所述傳感器陣列的孔；以及第二構(gòu)件，其以在所述第二構(gòu)件和所述第一構(gòu)件之間不漏流體密封的方式固定至所述第一部件，并且具有用于支持流體通道的笫一和第二流體端口，所述第一和第二部件與所述傳感器陣列限定流體腔，由此，引入所述端口之一的流體在經(jīng)由所述端口中的另一個(gè)離開之前流過所述陣列。104、一種與在有源半導(dǎo)體器件上的覆蓋有保護(hù)層的傳感器陣列一同使用的流體組合件，包括微孔腔陣列，其設(shè)置并排列為供流體進(jìn)入所述保護(hù)層；第一構(gòu)件，其中具有與圍繞所述微孔腔陣列的所述傳感器陣列匹配的孔；以及其以在所述第二構(gòu)件和所述第一構(gòu)件之間不漏流體密封的方式固定至所述第一部件，并且具有用于支持流體通道的第一和第二流體端口，當(dāng)與所述傳感器陣列匹配時(shí)，所述第一和第二部件與所述傳感器陣列限定位于所述半導(dǎo)體器件的保護(hù)層上的流體腔，由此，引入所述端口之一的流體在經(jīng)由所述端口中的另一個(gè)離開之前流過所述微孔腔陣列，并且所述有源半導(dǎo)體器件感測(cè)所述微孔腔陣列中的至少一些微孔腔中的化學(xué)活動(dòng)。105、如權(quán)利要求98或99所述的流體組合件，還包括電極，所述電極形成在所述第一和第二端口之間的所述第二構(gòu)件中或所述第二構(gòu)件上，以接觸沿所述流動(dòng)腔的頂板的所述流體。106、如權(quán)利要求98或99所述的流體組*，還包括具有傳導(dǎo)毛細(xì)管的參比電極，所述傳導(dǎo)毛細(xì)管安裝在所述第二端口中以與通過所述端口流動(dòng)的流體接觸。全文摘要本發(fā)明涉及用于分析物測(cè)量的非常大規(guī)模FET陣列的方法和裝置。可基于改進(jìn)的FET像素和陣列設(shè)計(jì)，利用常規(guī)CMOS制造技術(shù)來制造化學(xué)FET(例如ISFET)陣列，該設(shè)計(jì)在提高測(cè)量的靈敏度和準(zhǔn)確度的同時(shí)有利于明顯小的像素尺寸和密集陣列。改進(jìn)的陣列控制技術(shù)提供從大型密集陣列的快速數(shù)據(jù)采集。這種陣列可用于在廣泛的化學(xué)和/或生物過程中檢測(cè)不同類型的分析物的存在和/或濃度的改變。在一個(gè)實(shí)例中，化學(xué)FET有利于基于監(jiān)測(cè)氫離子濃度(pH)變化、其他分析物濃度的變化和/或與涉及DNA合成的化學(xué)過程有關(guān)的結(jié)合事件的DNA序列測(cè)定技術(shù)。文檔編號(hào)G01N27/414GK101669026SQ200780051353公開日2010年3月10日申請(qǐng)日期2007年12月14日優(yōu)先權(quán)日2006年12月14日發(fā)明者喬納森·M·羅思伯格,沃爾夫?qū)ば来?詹姆斯·布斯蒂略,金·L·約翰遜申請(qǐng)人:離子流系統(tǒng)有限公司