專利名稱：聚二甲基硅氧烷表面應(yīng)力微薄膜生物傳感器制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本技術(shù)涉及生物傳感器制造領(lǐng)域，具體是一種聚二甲基硅氧烷表面應(yīng)力微薄膜生物傳感器制造方法。
背景技術(shù)：
基于表面應(yīng)力的微型生物傳感器是一種新型的生物傳感器，因其在疾病診斷、生物傳感材料研究、組織工程、表面修飾、植入式生物傳感器及藥物釋放系統(tǒng)等方面有重要應(yīng)用，近年來受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。由于其是利用反應(yīng)界面的自由能轉(zhuǎn)換進(jìn)行傳感，因此不必對(duì)待測(cè)物進(jìn)行標(biāo)定，是一種簡(jiǎn)單易行的生物傳感方法，通過不同的表面修飾即可實(shí)現(xiàn)對(duì)不同待測(cè)物精確檢測(cè)，具有廣闊的應(yīng)用前景和巨大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。當(dāng)前基于表面應(yīng)力的微型生物傳感器主要是微懸臂梁幾何結(jié)構(gòu)，通常采用傳統(tǒng)的微納加工工藝，研究表明利用此類傳感器可以對(duì)多種生化反應(yīng)進(jìn)行檢測(cè)。然而，基于表面應(yīng)力的微懸臂梁生物傳感器，也存在著以下三方面的不足。首先，在傳感測(cè)試過程中，整個(gè)微懸臂梁需浸沒在待測(cè)液體中，這在生化檢測(cè)當(dāng)中是非常普遍的情況，這樣，由于微懸臂梁背面對(duì)待測(cè)液存在非選擇性吸附，從而引入噪聲，這是此類傳感器的主要噪聲來源，將會(huì)嚴(yán)重的降低傳感器的信噪比。其次，基于微懸臂梁幾何結(jié)構(gòu)的材料多為硅及其氮化硅等剛性較強(qiáng)的材料，其楊氏模量(硅的楊氏模量為165Gpa，氮化硅的楊氏模量為310Gpa)很大，因此對(duì)于較微弱的表面應(yīng)力存在靈敏度不高的問題。再次，微懸臂梁這種幾何結(jié)構(gòu)也不便于傳感單元與信號(hào)讀出系統(tǒng)的集成。隨著生物微機(jī)電的發(fā)展，各種有機(jī)材料在微機(jī)電系統(tǒng)中得到越來越廣泛的應(yīng)用， 例如，常用的有機(jī)材料有聚甲基苯烯酸甲酯，聚二甲基硅氧烷等，這就為克服當(dāng)前此類傳感器的主要缺陷，制備出高靈敏度和精確度，便于微型化和集成化的表面應(yīng)力生物傳感器提供了重要基礎(chǔ)?；诒砻鎽?yīng)力的有機(jī)微薄膜生物傳感器相比傳統(tǒng)此類傳感器有以下主要優(yōu)點(diǎn)。第一，在傳感測(cè)試過程中只有選擇性修飾表面與待測(cè)溶液接觸，從而有效地克服了傳統(tǒng)微懸臂梁表面應(yīng)力生物傳感器存在的雙面吸附問題。第二，聚二甲基硅氧烷具有很好的生物相容性，適用于制備生物傳感器，同時(shí)，其楊氏模量很小(約1. 2k-0. 5Gpa)并且可以經(jīng)過不同的加工工藝按照所需進(jìn)行調(diào)節(jié)。這就為微弱表面應(yīng)力的檢測(cè)提供了必要條件，對(duì)于提高此類傳感器的檢測(cè)靈敏度和精度有著至關(guān)重要的作用。第三，微薄膜式的幾何結(jié)構(gòu)有利于與信號(hào)采集、讀出系統(tǒng)相集成從而為此類生物傳感器的微型化、低成本、大批量的生產(chǎn)奠定了工藝基礎(chǔ)。然而，在具體實(shí)施過程中，以聚二甲基硅氧烷微薄膜結(jié)構(gòu)為核心敏感單元的生物傳感器制備工藝，存在著許多挑戰(zhàn)，例如，怎樣獲得具有較高靈敏度、質(zhì)地均勻膜厚僅 Ιμπι的聚二甲基硅氧烷薄膜，如何實(shí)現(xiàn)微薄膜的無損釋放，另外，聚二甲基硅氧烷為有機(jī)材料，其加工工藝對(duì)溫度有很高的要求，不能在過高的溫度下處理，與傳統(tǒng)的微納加工之間存在工藝相容性問題等，本發(fā)明通過新穎的結(jié)構(gòu)和工藝設(shè)計(jì)成功克服了這些困難，以上即為本發(fā)明的主要構(gòu)思。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供一種新型的基于表面應(yīng)力的聚二甲基硅氧烷微薄膜生物傳感器的加工方法，制備用于生化檢測(cè)的表面應(yīng)力生物傳感器。以彌補(bǔ)傳統(tǒng)基于表面應(yīng)力生物傳感器的不足。發(fā)明中有效的克服了聚二甲基硅氧烷處理工藝與傳統(tǒng)的微納加工工藝的相容性問題。一種聚二甲基硅氧烷表面應(yīng)力微薄膜生物傳感器制造方法，包括以下步驟(1)在
單晶硅原片兩側(cè)淀積氮化硅；(2)在上層氮化硅的表面旋涂約1 μ m厚的聚二甲基硅氧烷薄膜；(3)旋涂及曝光光刻膠；(4)蒸鍍厚度為20nm，長(zhǎng)X寬=390 μ mX 390 μ m的金薄膜；(5)剝離光刻膠；(6)在硅基片的背面旋涂、曝光光刻膠；(7)用反應(yīng)離子刻蝕的方法刻蝕下層氮化硅；(8)氫氧化鉀刻蝕硅；(9)用反應(yīng)離子刻蝕的方法刻蝕上層氮化硅，釋放長(zhǎng)X寬=400 μ mX400 μ m的聚
二甲基硅氧烷微薄膜；(10)以熔融狀態(tài)聚二甲基硅氧烷為粘結(jié)劑在聚二甲基硅氧烷薄膜表面鍵合玻璃微腔。所述的制造方法，所述步驟(1)包括以下步驟1)室溫下，以Sylgard 184和己烷為原材料按照基液固化劑己烷= 10 1 3(體積比)的比例配置20ml原溶液；2)強(qiáng)力攪拌使原溶液混合均勻；3)將混合均勻的原溶液倒入玻璃器皿中抽真空15分鐘以濾除氣泡；得到旋涂液；4)使用旋涂機(jī)在上層氮化硅表面以6200rpm/13k的旋涂速率進(jìn)行旋涂；5)涂覆后再用電熱爐在150°C下加熱15分鐘，對(duì)形成的聚二甲基硅氧烷薄膜進(jìn)行固化。所述的制造方法，所述的聚二甲基硅氧烷微薄膜，其表面金膜長(zhǎng)寬為 390 μ mX 390 μ m，該尺寸比例能夠提供最大的應(yīng)力形變。本發(fā)明以Sylgard 184(Dow Corning公司產(chǎn)品)為制備聚二甲基硅氧烷微薄膜的原始材料，Sylgard 184包括兩個(gè)部分，即基液與固化劑，采用己烷作為稀釋劑，按照體積比(基液固化劑己烷=10 1 3)的比例，使用一步旋涂工藝6200rpm/13k，成功制備了質(zhì)地均勻，厚度約1 μ m的聚二甲基硅氧烷微薄膜。本發(fā)明中采用一種室溫下的鍵合技術(shù)，以熔融狀態(tài)的聚二甲基硅氧烷為粘結(jié)劑， 用于玻璃微腔與聚二甲基硅氧烷薄膜之間的鍵合。綜上所述，本發(fā)明采用新型的聚二甲基硅氧烷微薄膜結(jié)構(gòu)，通過傳統(tǒng)的表面加工及體微加工工藝，實(shí)現(xiàn)了基于表面應(yīng)力的聚二甲基硅氧烷微薄膜生物傳感器的加工及制備，克服了聚二甲基硅氧烷處理工藝與傳統(tǒng)微納加工的工藝相容性問題。制備了膜厚均勻， 質(zhì)量?jī)?yōu)異的聚二甲基硅氧烷微薄膜，采用熔融狀態(tài)的聚二甲基硅氧烷材料為粘結(jié)劑，實(shí)現(xiàn)了聚二甲基硅氧烷薄膜與玻璃的鍵合，鍵合強(qiáng)度達(dá)到了聚二甲基硅氧烷材質(zhì)的強(qiáng)度，完全滿足該類生物傳感器的應(yīng)用需要。采用本發(fā)明中的加工方法制備的表面應(yīng)力生物傳感器， 結(jié)構(gòu)新穎實(shí)用，制備工藝簡(jiǎn)單，可以實(shí)現(xiàn)多種極微弱表面應(yīng)力的檢測(cè)，具有靈敏度、精確度高，噪聲小，生物相容性好，操作簡(jiǎn)單，便于低成本、大批量生產(chǎn)等特點(diǎn)，具有廣闊的應(yīng)用前
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圖1為本發(fā)明的生物傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖；圖2為在W01]晶相的硅原片兩側(cè)淀積氮化硅；圖3為在上層氮化硅表面旋涂聚二甲基硅氧烷薄膜；圖4為旋涂并曝光光刻膠；圖5為蒸鍍金納米薄膜；圖6為剝離光刻膠；圖7為在底層氮化硅表面旋涂并曝光光刻膠；圖8為反應(yīng)離子刻蝕底層氮化硅；圖9為濕法刻蝕單晶硅；圖10為反應(yīng)離子刻蝕上層氮化硅釋放微薄膜；圖11為傳感器實(shí)物剖面圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。(1)準(zhǔn)備四英寸W01]單晶硅原片，厚度為525μπι，使用LPCVD法，將硅片置于氧化爐中并通入二氯二氫硅和氨氣，二氯二氫硅的流量為20sCCm，氨氣的流量為4kccm，反應(yīng)溫度為800°C，壓強(qiáng)為20pa，淀積40分鐘，即可在硅片表面沉積約SOnm厚的氮化硅薄膜， 同樣的工藝，在該硅片的背面也沉積同樣的氮化硅薄膜，如圖2，上層氮化硅用作后續(xù)工藝過程中聚二甲基硅氧烷薄膜的保護(hù)層，下層氮化硅用作硅各向異性腐蝕的保護(hù)掩模。⑵以Sylgard 184(Sylgard 184包含一瓶基液和一瓶固化劑)、己烷為原材料，按照體積比基液固化劑己烷=10 1 3的比例配置20ml原溶液，用攪拌器混合均勻后放到玻璃器皿中抽真空15分鐘以濾除氣泡，以6200rpm/13k的旋涂速率使用 PhotoResist Spinner Model 5000-1旋涂機(jī)在上層氮化硅表面進(jìn)行旋涂，可以得到性能優(yōu)異，質(zhì)地均勻的厚度約Iym的聚二甲基硅氧烷薄膜，如圖3。涂覆后再用電熱爐在150°C下加熱15分鐘，對(duì)形成的聚二甲基硅氧烷薄膜進(jìn)行固化。(3)用旋涂機(jī)以4000rpm/min的速率在聚二甲基硅氧烷薄膜表面旋涂一層約1.8μπι厚的正性光刻膠AZ9260，在95°C的條件下固化十分鐘，然后使用(Fischer ； A. 3. 19. 09)金掩模板為掩膜，利用EV6/2曝光設(shè)備進(jìn)行選擇性曝光，如圖4，以便在聚二甲基硅氧烷薄膜表面蒸鍍金層(金層長(zhǎng)度X寬度=390 μ mX 390 μ m，見表1)。(4)使用(Edwards Auto 306)電子束蒸鍍器，在聚二甲基硅氧烷薄膜表面沉積約 20nm厚的金層如圖5。(5)將硅片放置于盛有丙酮溶液燒杯中，剝離聚二甲基硅氧烷表面剩余的光刻膠，
5并用去離子水清洗一分鐘，室溫下晾干，如圖6。(6)在原片的背面以4000rpm/min的速率旋涂正性光刻膠(AZ1518)約1. 8 μ m厚， 并以(Fischer ；Α. 3. 19. 09)為掩模板利用EV 6/2曝光機(jī)進(jìn)行曝光，形成需要刻蝕的圖樣模型，如圖7。最后在105°C環(huán)境下固化30分鐘。(7)用RIE-Oxford反應(yīng)離子刻蝕機(jī)刻蝕掉下表面約80nm厚的氮化硅，如圖8。(8)用濃度為25%的氫氧化鉀溶液，在90°C環(huán)境下，濕法刻蝕硅襯底以形成梯形臺(tái)鏤空結(jié)構(gòu)，如圖9。在W01]晶相的刻蝕速率約為1.84 μ m/min，刻蝕完成后用去離子水
清洗約一分鐘。(9)同于步驟七工藝過程，再次使用RIE-Oxford反應(yīng)離子刻蝕機(jī)，刻蝕上層的氮化硅保護(hù)層，釋放長(zhǎng)X寬=400 μ mX400 μ m的聚二甲基硅氧烷薄膜，如圖10，過程中必須
小心保護(hù)聚二甲基硅氧烷薄膜。(10)利用熔融狀態(tài)的聚二甲基硅氧烷材料作為粘結(jié)劑110，在轉(zhuǎn)移玻璃基片上旋涂熔融狀態(tài)的聚二甲基硅氧烷薄膜，將要鍵合的玻璃微腔與熔融狀態(tài)的聚二甲基硅氧烷粘結(jié)劑粘連110從而轉(zhuǎn)移部分粘結(jié)劑到玻璃微腔邊沿上，將粘有粘結(jié)劑的一側(cè)放到聚二甲基硅氧烷薄膜上形成鍵合，已鍵合玻璃微腔的生物傳感器，如圖11所示。(11)劃片、封裝、測(cè)試本發(fā)明涉及生物傳感器制造領(lǐng)域，具體是一種聚二甲基硅氧烷表面應(yīng)力微薄膜生物傳感器制造工藝，適應(yīng)了生物傳感測(cè)試的需要，有效克服了傳統(tǒng)的基于微懸臂梁結(jié)構(gòu)的表面應(yīng)力生物傳感器噪聲大，靈敏度不高，不便于與信號(hào)讀出系統(tǒng)集成等缺點(diǎn)，并能夠?qū)崿F(xiàn)微型化、低成本、批量化生產(chǎn)，可以很好的滿足生物傳感器制備領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用需要。使用方法和工作原理將含有待測(cè)生物細(xì)胞的溶液，滴加到該生物傳感器活性薄膜微腔中，將不含待測(cè)生物細(xì)胞的同濃度溶液等量滴加到參照薄膜微腔中。由于生物細(xì)胞(如大腸桿菌)表面含有脂多糖，其富含-C00H，-OH, -H，= 0，等化學(xué)基團(tuán)，能夠與活性薄膜自組裝的有機(jī)分子進(jìn)行特異性結(jié)合從而產(chǎn)生較強(qiáng)的結(jié)合能，導(dǎo)致薄膜形變。而參照薄膜中沒有待測(cè)生物細(xì)胞，其薄膜形變主要因?yàn)榈渭尤芤旱闹亓?、溶液與薄膜的非特異性結(jié)合能等導(dǎo)致的薄膜形變，可以作為系統(tǒng)噪聲信號(hào)的測(cè)量，通過活性薄膜信號(hào)與參照薄膜信號(hào)差分即獲得僅由于生物細(xì)胞表面應(yīng)力導(dǎo)致的薄膜形變信號(hào)。當(dāng)該細(xì)胞的健康狀況出現(xiàn)變化(如細(xì)胞死亡)時(shí)，細(xì)胞膜表面的結(jié)構(gòu)將產(chǎn)生一定的變化，使得其與傳感器自組裝分子層的應(yīng)力產(chǎn)生相應(yīng)的變化進(jìn)而導(dǎo)致薄膜形變量的不同，利用白光干涉儀測(cè)試系統(tǒng)可以該對(duì)微小形變進(jìn)行精確測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞狀態(tài)的檢測(cè)。表1微薄膜的結(jié)構(gòu)尺寸
權(quán)利要求
1.一種聚二甲基硅氧烷表面應(yīng)力微薄膜生物傳感器制造方法，其特征在于，包括以下步驟(1)在W01]單晶硅原片兩側(cè)淀積氮化硅；(2)在上層氮化硅的表面旋涂約1μ m厚的聚二甲基硅氧烷薄膜；(3)旋涂及曝光光刻膠；(4)蒸鍍厚度為20nm，長(zhǎng)X寬=390μ mX 390 μ m的金薄膜；(5)剝離光刻膠；(6)在硅基片的背面旋涂、曝光光刻膠；(7)用反應(yīng)離子刻蝕的方法刻蝕下層氮化硅；(8)氫氧化鉀刻蝕硅；(9)用反應(yīng)離子刻蝕的方法刻蝕上層氮化硅，釋放長(zhǎng)X寬=400μ mX400 μ m的聚二甲基硅氧烷微薄膜；(10)以熔融狀態(tài)聚二甲基硅氧烷為粘結(jié)劑在聚二甲基硅氧烷薄膜表面鍵合玻璃微腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步驟(1)包括以下步驟1)室溫下，以Sylgard184和己烷為原材料按照基液固化劑己烷=10 1 3(體積比)的比例配置20ml原溶液；2)強(qiáng)力攪拌使原溶液混合均勻；3)將混合均勻的原溶液倒入玻璃器皿中抽真空15分鐘以濾除氣泡；得到旋涂液；4)使用旋涂機(jī)在上層氮化硅表面以6200rpm/13k的旋涂速率進(jìn)行旋涂；5)涂覆后再用電熱爐在150°C下加熱15分鐘，對(duì)形成的聚二甲基硅氧烷薄膜進(jìn)行固化。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述的聚二甲基硅氧烷微薄膜，其表面金膜長(zhǎng)寬為390 μ mX 390 μ m，該尺寸比例能夠提供最大的應(yīng)力形變。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種聚二甲基硅氧烷表面應(yīng)力微薄膜生物傳感器制造方法。以Sylgard 184，Dow Corning為制備聚二甲基硅氧烷微薄膜的原始材料，即基液與固化劑，采用己烷作為稀釋劑，按照體積比基液∶固化劑∶己烷＝10∶1∶3的比例，使用一步旋涂工藝6200rpm/132s，成功制備了質(zhì)地均勻，厚度約1μm的聚二甲基硅氧烷微薄膜作為傳感器的傳感層，表面蒸鍍金膜便于對(duì)其進(jìn)行功能化。本發(fā)明制備工藝簡(jiǎn)單，靈敏度高，能夠?qū)崿F(xiàn)微型化、低成本、批量生產(chǎn)。
文檔編號(hào)B81C1/00GK102502478SQ20111034885
公開日2012年6月20日 申請(qǐng)日期2011年11月8日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月8日
發(fā)明者奉輝, 張文棟, 李朋偉, 桑勝波 申請(qǐng)人:太原理工大學(xué)