專利名稱：集成微流道的薄膜體聲波諧振生化傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及生化傳感器技術(shù)領(lǐng)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(shù)：
基于生化傳感器高靈敏、微型化和陣列化的要求，將生化分析中的流道、反應(yīng)池等微納組件和傳感器陣列、信號處理模塊集成在單個芯片中形成高集成的傳感芯片是傳感器
技術(shù)的發(fā)展趨勢。薄膜體聲波諧振生化傳感器是近年來受到廣泛關(guān)注的可集成微納傳感器之一，它基于吸附質(zhì)量的敏感原理，以壓電薄膜產(chǎn)生高頻電聲諧振，其諧振頻率、相位或振幅隨檢測物質(zhì)的變化作為傳感器的響應(yīng)。這種傳感器靈敏度非常高，并且可以在硅片上采用現(xiàn)有半導(dǎo)體工藝進(jìn)行制造，器件體積小，適合大規(guī)模集成形成傳感器陣列。該類傳感器有希望應(yīng)用于化學(xué)物質(zhì)分析以及生物基因檢測、蛋白質(zhì)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芯片的關(guān)鍵技術(shù)，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后制作在一個硅片上并通過金屬布線連接。專利文獻(xiàn)WO 2008/101646A1提出另一種了單片集成技術(shù)，是將薄膜體聲波諧振單元倒置，用金屬層支撐實現(xiàn)CMOS電路的電氣接觸，并形成一個空氣隙結(jié)構(gòu)中國專利CN 101630946A公開了一種集成方法，所采用的技術(shù)方案是在集成電路芯片上沉積鈍化層并拋光，然后在鈍化層上制作薄膜體聲波諧振單元，通過互連通孔實現(xiàn)電氣連接。上述技術(shù)都是在同一硅片上采用兩套不同工藝分別制作薄膜體聲波諧振單元和信號處理集成電路，工藝復(fù)雜，成本較高。所獲得的器件不適合在生化分析所需的復(fù)雜液體環(huán)境進(jìn)行工作，而且沒有將傳感器芯片的其他微納組件集成在芯片中。為了獲得集成的高性能傳感器芯片，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芯片中，并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(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)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(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)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，其特征在于，所述的微流道和壓電堆棧設(shè)置在上層硅片上，所述的信號處理集成電路設(shè)置在下層硅片上，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(shè)置在上層硅片的上邊，其寬度大于壓電堆棧的寬度。所述的壓電堆棧設(shè)置在上層硅片的下邊一側(cè)向內(nèi)的溝道內(nèi)。所述的信號處理集成電路設(shè)置在壓電堆棧的正下方，其寬度小于溝道的寬度。所述的空隙的優(yōu)選高度為10微米至50微米。所述的上層硅片的下邊與下層硅片的上邊在排除溝道以外的區(qū) 域緊密結(jié)合。在本發(fā)明中，薄膜體聲波諧振結(jié)構(gòu)與信號處理集成電路分別制作在兩個硅片上，然后將兩個硅片通過鍵合等工藝進(jìn)行結(jié)合，形成一個整體。在薄膜體聲波諧振結(jié)構(gòu)所在的硅片上方，通過向下刻蝕硅層形成微流道，可以進(jìn)行生化樣品的輸運。在該硅片的另一側(cè)，向內(nèi)刻蝕形成一個較淺的溝道，在淺溝道內(nèi)制作壓電堆棧，這樣壓電堆棧的頂部實際上陷入到硅片表面以下。為了獲得較好的敏感性能，在保證薄膜體聲波諧振結(jié)構(gòu)機(jī)械可靠性的前提下，微流道和該淺溝道之間殘余的硅層應(yīng)盡可能的薄。本發(fā)明所采用淺溝道內(nèi)設(shè)置壓電堆棧的目的在于，兩個硅片進(jìn)行緊密結(jié)合后，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(cè)是微流道內(nèi)的生化樣品，另一側(cè)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硅片的外側(cè)進(jìn)行布線，信號處理集成電路沿其所在的硅片表面進(jìn)行布線，兩個硅片進(jìn)行結(jié)合時即可在結(jié)合面上實現(xiàn)電路的連接。與以往的技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是(I)將微流道、薄膜體聲波諧振結(jié)構(gòu)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芯片。
(2)制作薄膜體聲波諧振結(jié)構(gòu)的工藝、制作信號處理集成電路的工藝、兩片硅片的鍵合工藝都比較成熟，從而使所獲得的器件成本較低，適合大批量制造。(3)兩片硅片所組成的結(jié)構(gòu)機(jī)械牢度強(qiáng)，適合比較復(fù)雜的生化分析環(huán)境。

附圖I為本發(fā)明的器件結(jié)構(gòu)。附圖2為本發(fā)明實施例I的測試結(jié)果。附圖3為本發(fā)明實施例2的測試結(jié)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，制作該薄膜體聲波諧振生化傳感器時分別在兩片硅片上進(jìn)行制作，完成后進(jìn)行兩片硅片的結(jié)合。對設(shè)置薄膜體聲波諧振單元的上層硅片4的制作過程如下制作溝道11，具體方法為上層硅片4為(100)取向的硅片，首先將該硅片雙面氧化，利用光刻工藝，在硅片4的一側(cè)獲得氧化硅的溝道11圖形，然后將硅片置于氫氧化鉀溶液中進(jìn)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。制作壓電堆棧2，具體方法為在溝道11內(nèi)部制作三明治結(jié)構(gòu)的壓電堆棧2，中間為壓電薄膜2B，兩側(cè)為上電極2A和下電極2C。制作完成后下電極2C的平面陷入到上層硅片4的內(nèi)部。電極引出線19沿溝道11的兩側(cè)側(cè)壁18進(jìn)行引線到達(dá)上層硅片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。制造壓電堆棧2的技術(shù)使用一般的薄膜沉積和光刻技術(shù)。[0027]制作微流道1，具體方法為將已經(jīng)制作好壓電堆棧2的一面用光刻膠進(jìn)行保護(hù)，通過雙面光刻工藝后獲得另一側(cè)氧化硅的微流道I圖形，然后將硅片置于氫氧化鉀溶液中進(jìn)行各向異性腐蝕，獲得較深的微流道I。微流道I的寬度8大于壓電堆棧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(zhì)量負(fù)載效應(yīng)。各向異性腐蝕過程中需采用保護(hù)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(cè)溝道11之間的殘余硅層17的厚度，一方面要保證在微流道I內(nèi)有液體時以及壓電堆棧2有殘余應(yīng)力時殘余硅層17不致破裂，另一方面要盡量的薄，以減小殘余硅層17的對壓電堆棧2的質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)。上述過程完成后，獲得了設(shè)置完整薄膜體聲波諧振單元的上層硅片4。設(shè)置信號處理集成電路3的下層硅片5采用一般半導(dǎo)體集成電路工藝進(jìn)行制作。信號處理集成電路3的寬度12小于溝道11的寬度13，以保證在兩片硅片結(jié)合時不破壞信號處理集成電路3的完整，并保證在下層硅片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(jìn)行電氣連接。根據(jù)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、鑒頻電路等。兩片硅片可以采用不同的工藝生產(chǎn)線進(jìn)行同時進(jìn)行，然后進(jìn)行結(jié)合。兩片硅片的結(jié)合采用硅片鍵合工藝，鍵合過程中需對準(zhǔn)上層硅片4中壓電堆棧2和下層硅片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，并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。完成鍵合后上層硅片4的下邊10與下層硅片5的上邊15在排除溝道11以外的區(qū)域緊密結(jié)合。兩層硅片后信號處理集成電路3完全被封閉在由溝道11形成的空腔內(nèi)，保證其正常工作。壓電堆棧2的一側(cè)為空隙6，另一側(cè)為微流道I中的液體，從而形成薄膜體聲波諧振單元。根據(jù)具體的應(yīng)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(zhì)吸附到上層薄膜體聲波諧振單元后，其體聲波電聲諧振的諧振頻率、振幅或相位發(fā)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并輸出。實施例I本實施例為針對液體的粘度進(jìn)行檢測的生化傳感器，器件結(jié)構(gòu)如圖I所示，采用上述制作過程進(jìn)行制作。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，采用現(xiàn)有的O. 18微米CMOS工藝進(jìn)行設(shè)計和流片。器件的頻率特性通過外接的網(wǎng)絡(luò)分析儀器進(jìn)行讀取。具體實施中，將該薄膜體聲波諧振生化傳感器置于流動測試管道中，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(jié)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(jìn)行測量。實施例2[0041]本實施例為針對生物樣品進(jìn)行檢測的生化傳感器，器件結(jié)構(gòu)如圖I所示，采用上述制作過程進(jìn)行制作。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，采用現(xiàn)有的O. 18微米CMOS工藝進(jìn)行設(shè)計和流片。器件的頻率特性通過外接的網(wǎng)絡(luò)分析儀器進(jìn)行讀取。在微流道I的底部通過自組裝工藝沉積癌癥標(biāo)志物甲胎蛋白(AFP)抗體。檢測時，將該薄膜體聲波諧振生化傳感器置于流動測試管道中，通入含有不同濃度癌癥標(biāo)志物甲胎蛋白(AFP)抗原的樣品液。測試結(jié)果如圖3所示，液體中的抗原與傳感器表面的抗體發(fā)生生物反應(yīng)結(jié)合，傳感器表面質(zhì)量增加，導(dǎo)致諧振頻率減小，從而可以獲得 生物樣品的濃度信息。
權(quán)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)和信號處理芯片(3)，其特征在于，所述的微流道(I)和壓電堆棧(2)設(shè)置在上層硅片(4)上，所述的信號處理集成電路⑶設(shè)置在下層硅片(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(jù)權(quán)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，其特征在于，所述的微流道(I)設(shè)置在上層硅片(4)的上邊(7)，其寬度(8)大于壓電堆棧(2)的寬度(9)。
3.根據(jù)權(quán)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，其特征在于，所述的壓電堆棧⑵設(shè)置在上層硅片⑷的下邊(10) —側(cè)向內(nèi)的溝道(11)內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)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，其特征在于，所述的信號處理集成電路(3)設(shè)置在壓電堆棧(2)的正下方，其寬度(12)小于溝道(11)的寬度(13)。
5.根據(jù)權(quán)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，其特征在于，所述的空隙(6)的優(yōu)選高度(14)為10微米至50微米。
6.根據(jù)權(quán)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，其特征在于，所述的上層硅片(4)的下邊(10)與下層硅片(5)的上邊(15)在排除溝道(11)以外的區(qū)域緊密結(jié)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(jié)構(gòu)與信號處理集成電路分別制作在兩個硅片上，然后將兩個硅片進(jìn)行結(jié)合形成一個整體。微流道和壓電堆棧設(shè)置在上層硅片上，所述的信號處理集成電路設(shè)置在下層硅片上，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，適合大批量制造，適合面向多分析物的高密度傳感器陣列芯片，機(jī)械牢度強(qiáng)，適合比較復(fù)雜的生化分析環(huán)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(yōu)先權(quán)日2012年3月12日
發(fā)明者孫學(xué)軍, 干耀國, 王璟璟, 金熒熒, 陳達(dá) 申請人:山東科技大學(xué)