集成微流道的薄膜體聲波諧振生化傳感器的製作方法

2023-10-10 15:21:09

專利名稱：集成微流道的薄膜體聲波諧振生化傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及生化傳感器技術領域，具體的說，是涉及一種集成微流道的薄膜體聲波諧振生化傳感器。
背景技術：
基於生化傳感器高靈敏、微型化和陣列化的要求，將生化分析中的流道、反應池等微納組件和傳感器陣列、信號處理模塊集成在單個晶片中形成高集成的傳感晶片是傳感器
技術的發展趨勢。薄膜體聲波諧振生化傳感器是近年來受到廣泛關注的可集成微納傳感器之一，它基於吸附質量的敏感原理，以壓電薄膜產生高頻電聲諧振，其諧振頻率、相位或振幅隨檢測物質的變化作為傳感器的響應。這種傳感器靈敏度非常高，並且可以在矽片上採用現有半導體工藝進行製造，器件體積小，適合大規模集成形成傳感器陣列。該類傳感器有希望應用於化學物質分析以及生物基因檢測、蛋白質分析等方面。薄膜體聲波諧振生化傳感器與其他微納組件以及檢測信號處理電路的集成是獲得高集成傳感晶片的關鍵技術，例如美國專利US 5，260，596公開了一種單片集成方法，將信號處理集成電路和薄膜體聲波諧振單元先後製作在一個矽片上並通過金屬布線連接。專利文獻WO 2008/101646A1提出另一種了單片集成技術，是將薄膜體聲波諧振單元倒置，用金屬層支撐實現CMOS電路的電氣接觸，並形成一個空氣隙結構中國專利CN 101630946A公開了一種集成方法，所採用的技術方案是在集成電路晶片上沉積鈍化層並拋光，然後在鈍化層上製作薄膜體聲波諧振單元，通過互連通孔實現電氣連接。上述技術都是在同一矽片上採用兩套不同工藝分別製作薄膜體聲波諧振單元和信號處理集成電路，工藝複雜，成本較高。所獲得的器件不適合在生化分析所需的複雜液體環境進行工作，而且沒有將傳感器晶片的其他微納組件集成在晶片中。為了獲得集成的高性能傳感器晶片，希望將薄膜體聲波諧振生化傳感器、信號處理集成電路以及微流道等微納組件集成在同一晶片中，並且要求得到的器件性能可靠，成本較低。因此上述缺點和不足需要得到很好的解決。
發明內容本發明針對現有技術的不足和缺陷，提出了一種集成微流道的薄膜體聲波諧振生化傳感器。本發明是通過以下技術方案實現的一種集成微流道的薄膜體聲波諧振生化傳感器，包括微流道、壓電堆棧和信號處理集成電路，其特徵在於，所述的微流道和壓電堆棧設置在上層矽片上，所述的信號處理集成電路設置在下層矽片上，所述的壓電堆棧與信號處理集成電路之間具有空隙。[0013]所述的微流道設置在上層矽片的上邊，其寬度大於壓電堆棧的寬度。所述的壓電堆棧設置在上層矽片的下邊一側向內的溝道內。所述的信號處理集成電路設置在壓電堆棧的正下方，其寬度小於溝道的寬度。所述的空隙的優選高度為10微米至50微米。所述的上層矽片的下邊與下層矽片的上邊在排除溝道以外的區 域緊密結合。在本發明中，薄膜體聲波諧振結構與信號處理集成電路分別製作在兩個矽片上，然後將兩個矽片通過鍵合等工藝進行結合，形成一個整體。在薄膜體聲波諧振結構所在的矽片上方，通過向下刻蝕矽層形成微流道，可以進行生化樣品的輸運。在該矽片的另一側，向內刻蝕形成一個較淺的溝道，在淺溝道內製作壓電堆棧，這樣壓電堆棧的頂部實際上陷入到矽片表面以下。為了獲得較好的敏感性能，在保證薄膜體聲波諧振結構機械可靠性的前提下，微流道和該淺溝道之間殘餘的矽層應儘可能的薄。本發明所採用淺溝道內設置壓電堆棧的目的在於，兩個矽片進行緊密結合後，在壓電堆棧與信號處理集成電路之間仍能夠存在一定的空隙。這樣，在壓電堆棧的一側是微流道內的生化樣品，另一側是與信號處理集成電路之間的空隙，就可以形成體聲波諧振所需的邊界條件。另外，壓電堆棧的電極沿淺溝道向其所在矽片的外側進行布線，信號處理集成電路沿其所在的矽片表面進行布線，兩個矽片進行結合時即可在結合面上實現電路的連接。與以往的技術相比，本發明的有益效果是(I)將微流道、薄膜體聲波諧振結構和信號處理電路同時集成在器件中，體積小，適合面向多分析物的高密度傳感器陣列晶片。
(2)製作薄膜體聲波諧振結構的工藝、製作信號處理集成電路的工藝、兩片矽片的鍵合工藝都比較成熟，從而使所獲得的器件成本較低，適合大批量製造。(3)兩片矽片所組成的結構機械牢度強，適合比較複雜的生化分析環境。

附圖I為本發明的器件結構。附圖2為本發明實施例I的測試結果。附圖3為本發明實施例2的測試結果。
具體實施方式
如附圖I所示的一種集成微流道的薄膜體聲波諧振生化傳感器，製作該薄膜體聲波諧振生化傳感器時分別在兩片矽片上進行製作，完成後進行兩片矽片的結合。對設置薄膜體聲波諧振單元的上層矽片4的製作過程如下製作溝道11，具體方法為上層矽片4為(100)取向的矽片，首先將該矽片雙面氧化，利用光刻工藝，在矽片4的一側獲得氧化矽的溝道11圖形，然後將矽片置於氫氧化鉀溶液中進行各向異性腐蝕，獲得較淺的溝道11，一般溝道11的深度16為10至50微米。製作壓電堆棧2，具體方法為在溝道11內部製作三明治結構的壓電堆棧2，中間為壓電薄膜2B，兩側為上電極2A和下電極2C。製作完成後下電極2C的平面陷入到上層矽片4的內部。電極引出線19沿溝道11的兩側側壁18進行引線到達上層矽片4的下邊10。壓電薄膜2B的材料為氮化鋁或氧化鋅，上電極2A和下電極2C的材料為金、鋁、鑰或其他金屬。製造壓電堆棧2的技術使用一般的薄膜沉積和光刻技術。[0027]製作微流道1，具體方法為將已經製作好壓電堆棧2的一面用光刻膠進行保護，通過雙面光刻工藝後獲得另一側氧化矽的微流道I圖形，然後將矽片置於氫氧化鉀溶液中進行各向異性腐蝕，獲得較深的微流道I。微流道I的寬度8大於壓電堆棧2的寬度9，以保證微流道I中液體對壓電堆棧2有效的質量負載效應。各向異性腐蝕過程中需採用保護裝置使具有壓電堆棧2的一面不浸入氫氧化鉀溶液中。另外需要精確的控制微流道底部I與另一側溝道11之間的殘餘矽層17的厚度，一方面要保證在微流道I內有液體時以及壓電堆棧2有殘餘應力時殘餘矽層17不致破裂，另一方面要儘量的薄，以減小殘餘矽層17的對壓電堆棧2的質量負載效應。上述過程完成後，獲得了設置完整薄膜體聲波諧振單元的上層矽片4。設置信號處理集成電路3的下層矽片5採用一般半導體集成電路工藝進行製作。信號處理集成電路3的寬度12小於溝道11的寬度13，以保證在兩片矽片結合時不破壞信號處理集成電路3的完整，並保證在下層矽片5上具有足夠的空間使信號處理集成電路3與上層的壓電堆棧2進行電氣連接。根據實際需要，信號處理集成電路3 —般可以包括振、蕩電路、尋址電路、混頻電路、濾波電路、鑑頻電路等。兩片矽片可以採用不同的工藝生產線進行同時進行，然後進行結合。兩片矽片的結合採用矽片鍵合工藝，鍵合過程中需對準上層矽片4中壓電堆棧2和下層矽片5中信號處理集成電路3的位置，使信號處理集成電路3在壓電堆棧2的正下方，並且使信號處理集成電路3的引出線20與上層電極弓丨出線19在連接點21上完成電氣連接。完成鍵合後上層矽片4的下邊10與下層矽片5的上邊15在排除溝道11以外的區域緊密結合。兩層矽片後信號處理集成電路3完全被封閉在由溝道11形成的空腔內，保證其正常工作。壓電堆棧2的一側為空隙6，另一側為微流道I中的液體，從而形成薄膜體聲波諧振單元。根據具體的應用需求在微流道I的底部可以沉積敏感層。器件工作時，所要分析的物質吸附到上層薄膜體聲波諧振單元後，其體聲波電聲諧振的諧振頻率、振幅或相位發生改變，通過下層信號處理集成電路3將該電聲諧振的變化檢測出來並輸出。實施例I本實施例為針對液體的粘度進行檢測的生化傳感器，器件結構如圖I所示，採用上述製作過程進行製作。壓電薄膜2B的材料為厚度為I. 5微米氮化鋁薄膜，上電極2A為厚度為O. 3微米鑰材料，下電極2C為厚度為O. I微米的鋁材料。信號處理集成電路3僅包括振蕩電路，採用現有的O. 18微米CMOS工藝進行設計和流片。器件的頻率特性通過外接的網絡分析儀器進行讀取。具體實施中，將該薄膜體聲波諧振生化傳感器置於流動測試管道中，分別通入水、粘度為6. 76mPas的甘油A樣品以及粘度為13. ImPas的甘油B樣品。測試結果如圖2所示，可以看到，該傳感器在上述水、粘度為6. 76mPas的甘油A以及粘度為13. ImPas的甘油B中的諧振頻率值分別為3. 5IGHz,3. 43GHz和3. 02GHz，通過該諧振頻率可以對液體的粘度進行測量。實施例2[0041]本實施例為針對生物樣品進行檢測的生化傳感器，器件結構如圖I所示，採用上述製作過程進行製作。壓電薄膜2B的材料為厚度為I. 5微米氮化鋁薄膜，上電極2A為厚度為O. 3微米的鑰材料，下電極2C為厚度為O. I微米鋁材料。信號處理集成電路3僅包括振蕩電路，採用現有的O. 18微米CMOS工藝進行設計和流片。器件的頻率特性通過外接的網絡分析儀器進行讀取。在微流道I的底部通過自組裝工藝沉積癌症標誌物甲胎蛋白(AFP)抗體。檢測時，將該薄膜體聲波諧振生化傳感器置於流動測試管道中，通入含有不同濃度癌症標誌物甲胎蛋白(AFP)抗原的樣品液。測試結果如圖3所示，液體中的抗原與傳感器表面的抗體發生生物反應結合，傳感器表面質量增加，導致諧振頻率減小，從而可以獲得 生物樣品的濃度信息。
權利要求1.一種集成微流道的薄膜體聲波諧振生化傳感器，包括微流道(I)、壓電堆棧(2)和信號處理晶片(3)，其特徵在於，所述的微流道(I)和壓電堆棧(2)設置在上層矽片(4)上，所述的信號處理集成電路⑶設置在下層矽片(5)上，所述的壓電堆棧⑵與信號處理集成電路⑶之間具有空隙(6)。
2.根據權利要求I所述的一種集成微流道的薄膜體聲波諧振生化傳感器，其特徵在於，所述的微流道(I)設置在上層矽片(4)的上邊(7)，其寬度(8)大於壓電堆棧(2)的寬度(9)。
3.根據權利要求I所述的一種集成微流道的薄膜體聲波諧振生化傳感器，其特徵在於，所述的壓電堆棧⑵設置在上層矽片⑷的下邊(10) —側向內的溝道(11)內。
4.根據權利要求I所述的一種集成微流道的薄膜體聲波諧振生化傳感器，其特徵在於，所述的信號處理集成電路(3)設置在壓電堆棧(2)的正下方，其寬度(12)小於溝道(11)的寬度(13)。
5.根據權利要求I所述的一種集成微流道的薄膜體聲波諧振生化傳感器，其特徵在於，所述的空隙(6)的優選高度(14)為10微米至50微米。
6.根據權利要求I所述的一種集成微流道的薄膜體聲波諧振生化傳感器，其特徵在於，所述的上層矽片(4)的下邊(10)與下層矽片(5)的上邊(15)在排除溝道(11)以外的區域緊密結合。
專利摘要本實用新型公開了一種集成微流道的薄膜體聲波諧振生化傳感器。包括微流道、壓電堆棧和信號處理集成電路，薄膜體聲波諧振結構與信號處理集成電路分別製作在兩個矽片上，然後將兩個矽片進行結合形成一個整體。微流道和壓電堆棧設置在上層矽片上，所述的信號處理集成電路設置在下層矽片上，所述的壓電堆棧與信號處理集成電路之間具有空隙。該器件體積小，集成度高，成本較低，適合大批量製造，適合面向多分析物的高密度傳感器陣列晶片，機械牢度強，適合比較複雜的生化分析環境。
文檔編號G01N5/02GK202471542SQ201220101449
公開日2012年10月3日 申請日期2012年3月12日 優先權日2012年3月12日
發明者孫學軍, 幹耀國, 王璟璟, 金熒熒, 陳達 申請人:山東科技大學