CN101625358A - 准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微机械系统和生物纳米传感技术领域的一种基于准一维纳米材料场效应管电容电导敏感特性的准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器。主要由上硅片上的绝缘层及其上的金属电极、准一维纳米材料、凹形槽及槽底生物修饰层；下硅片上的金属栅极；以及金属栅极与凹形槽形成的微流通道构成。利用准一维纳米材料场效应管，并进行生物修饰，利用抗原抗体反应来影响栅极电场，从而改变准一维纳米材料沟道电导及场效应管电容，实现高灵敏度、快速、准确的生物分子或病毒检测技术；利用MEMS技术和背面硅基片生物修饰技术相结合，加工简单，适合大批量生产，易于集成化，而且易于推广应用。

Description

准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器
技术领域
本发明属于微机械系统和生物纳米传感技术领域，特别涉及一种基于准一维纳米材料场效应管电容电导同时敏感特性的准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器。
背景技术
由于生物学、医学的发展，传统的生物检测技术因其检测灵敏度不高、重复性差、检测过程相对复杂、检测时间长、检测设备庞大而日渐不堪重任。近年来，利用微机械系统技术制作的生物传感器，以其体积小、成本低、灵敏度高、检测时间短而倍受青睐。到目前为止，有使用挠性机械传感结构检测生化信息，如悬臂梁。这种结构的工作模式一般是静态的，受体分子的固定化以及目标分子的特异性结合在结构上产生表面压力，引起悬臂梁弯曲。挠性微机械传感器的另一种工作模式是动态模式，在这种模式下，悬臂梁上任何物质的吸附或沉积所造成的质量改变都会引起共振频率的频移，从而达到检测的目的。在真空环境下，微机械悬臂梁传感器的灵敏度很高，然而，在液态环境下，由于受到巨大的粘滞阻尼作用，其灵敏度明显下降。
近年来发展起来的碳纳米管场效应管是以碳纳米管代替传统的硅材料作为场效应管沟道，这种碳纳米管场效应管栅电场对沟道电导有很强的作用，从而具有良好的开关特性。其制作也比较简单，只需将碳纳米管或碳纳米管网络连接到漏、源电极。因此，碳纳米管场效应管在微纳电子器件、化学气体传感器、生物传感器等领域有着广泛的应用前景。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于准一维纳米材料场效应管电容电导敏感特性的准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器，其特征在于：所述的准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器，主要由上、下两个硅片组成，包括了绝缘层、绝缘层上的金属电极、准一维纳米材料沟道、凹形槽、槽底生物修饰层、金属栅极、以及金属栅极与凹形槽形成的微流通道；用于在微流通道中加入含有被检测目标生物分子或病毒的液体，生物修饰层中的受体分子便会与目标分子发生特异性反应；由于特异性反应影响准一维纳米材料场效应管的栅极电场，从而影响准一维纳米材料沟道电导和准一维纳米材料场效应管电容；通过检测电导变化和电容变化，从而实现目标生物分子或病毒的检测。
所述的上硅片主要是体硅腐蚀凹形槽、热氧化生长绝缘层组成，在绝缘层上沉积金属电极，在金属电极上分散排布有准一维纳米材料沟道，在凹形槽底有生物修饰层；
所述的下硅片表面上沉积栅极金属薄膜；
所述的微流通道是将上硅片和下硅片对准，键合连接后形成的通道结构。
所述的准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器制作过程包括上片工艺、下片工艺和键合工艺。所说的上片工艺主要是体硅腐蚀凹槽，形成键合后的微流通道结构，溅射或蒸镀金属电极(金等)薄膜，在金属电极上分散排布准一维纳米材料，及化学生物修饰凹槽底部，形成生物修饰层。所说的下片工艺主要是溅射或蒸镀栅极金属(金等)薄膜。所说的键合工艺是将上片与下片对准，在真空腔中进行金硅共熔键合，最后将接线端子与外界的检测电路相连。上述各制作步骤中采用的工艺方法及其工艺条件、工艺参数均为本技术领域中的公知技术，在此不予重复。
本发明的有益效果是准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器利用准一维纳米材料场效应管电容电导敏感特性，实现高灵敏度、快速、准确的生物分子或病毒检测技术；利用MEMS技术和硅基表面生物修饰技术相结合的方法，实现高灵敏度的微型生物传感器。加工工艺简单，适合大批量生产，易于集成化，而且易于推广应用。
附图说明
图1为实例1准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器上硅片上表面结构示意图。
图2为准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器上硅片下表面结构示意图。
图3为准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器下硅片结构示意图。
图4为实例1准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器结构示意图。
图5为实例2准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器上硅片上表面结构示意图。
图6为实例2准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器结构示意图。
具体实施方式
本发明为一种基于准一维纳米材料场效应管电容电导同时敏感特性的准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器，其特征在于：所述的准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器，主要由上、下两个硅片组成，包括了绝缘层3、绝缘层上的金属电极(源极)4、绝缘层上的金属电极(漏极)7、准一维纳米材料沟道5、凹形槽11、槽底生物修饰层9、金属栅极8、以及金属栅极与凹形槽形成的微流通道10；其上硅片2主要是体硅腐蚀凹形槽11和热氧化生长绝缘层3组成，在绝缘层3上沉积金属电极4、7，在金属电极上分散排布有准一维纳米材料沟道5，在凹形槽底有生物修饰层9；下硅片1表面上沉积栅极金属薄膜8。将上硅片和下硅片对准，在真空腔中进行键合连接，形成键合后的微流通道结构并由引出的接线端子6与外界的检测电路相连。用于在微流通道中加入含有被检测目标生物分子或病毒的液体，生物修饰层中受体分子便会与目标生物分子或病毒发生特异性反应；由于特异性反应影响准一维纳米材料场效应管的栅极电场，从而影响准一维纳米材料沟道电导和准一维纳米材料场效应管电容；通过检测电导变化和电容变化，从而实现生物分子或病毒的检测。
所述的准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器制作过程包括上片工艺、下片工艺和键合工艺。所说的上片工艺主要是体硅腐蚀凹槽，形成键合后的微流通道结构，溅射或蒸镀金属电极(金等)薄膜，在金属电极上分散排布准一维纳米材料，及化学生物修饰凹槽底部，形成生物修饰层。所说的下片工艺主要是溅射或蒸镀栅极金属(金等)薄膜。所说的键合工艺是将上片与下片对准，在真空腔中进行金硅共熔键合，最后将接线端子与外界的检测电路相连。上述各制作步骤中采用的工艺方法及其工艺条件、工艺参数均为本技术领域中的公知技术，在此不予重复。
实施例1
如图1所示是准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器上硅片上表面的三维结构示意图，如图2所示是准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器上硅片下表面的三维结构示意图，如图3所示是准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器下硅片的三维结构示意图。
如图4所示，准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器包括下硅片1和上硅片2两部分，主要由绝缘层3、金属电极(源极)4、准一维纳米材料沟道5、金属电极(漏极)7、金属栅极8、生物修饰层9、微流通道10、凹形槽11等几部分组成。工作时，在目标分子的作用下，目标分子与生物修饰层9中的受体分子发生抗原抗体反应，使准一维纳米材料场效应管的栅极电场发生变化，从而导致准一维纳米材料沟道5的电导及金属栅极8和金属电极(漏极)7之间的电容发生变化。由金属电极(源极)4和金属电极(漏极)7引出的接线端子6，与外部的检测电路(未画出)相连，通过放大、滤波等信号处理，检测出电导变化信号并进行分析；由金属电极(漏极)7和金属栅极8引出的接线端子6，与外部的检测电路(未画出)相连，通过放大、滤波等信号处理，检测出电容变化信号并进行分析。
准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器的加工工艺主要有以下五个步骤：
1.上片工艺：
1)利用热氧法在硅片上生长二氧化硅(SiO2)；
2)甩胶、光刻、反应离子刻蚀(RIE)二氧化硅(SiO2)；
3)放入氢氧化钾(KOH)腐蚀液中进行体硅腐蚀，腐蚀下去约200至300微米；
4)溅射铬/金(Cr/Au)；
5)甩胶、光刻、用KI/I2饱和溶液腐蚀Au，硝酸铈铵腐蚀Cr，制作出上电极。
2.下片工艺：
1)溅射铬/金(Cr/Au)；
2)甩胶、光刻、用剥离工艺制作出下电极。
3.键合工艺：
把上片和下片对准进行金硅共熔键合。
4.准一维纳米材料的排布工艺：
1)将适量的准一维纳米材料在丙酮中进行分散，为防止团聚，加入表面活性剂；
2)将分散好的准一维纳米材料滴到电极上，利用交流电泳法使准一维纳米材料取向；
3)利用电子束辐照，改善准一维纳米材料与电极的接触。
5.凹形槽的生物修饰：
在二氧化硅上修饰红血球凝聚素(HA)作为受体分子，用于检测抗-HA。
实施例2
如图5所示是准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器上硅片上表面的三维结构示意图，如图2所示是准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器上硅片下表面的三维结构示意图，如图3所示是准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器下硅片的三维结构示意图。
如图6所示，准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器包括下硅片1和上硅片2两部分，主要由绝缘层3、金属叉指电极(源极)4、准一维纳米材料沟道5、金属叉指电极(漏极)7、金属栅极8、生物修饰层9、微流通道10、凹形槽11等几部分组成。
1.上片工艺：
1)利用热氧法在硅片上生长二氧化硅(SiO2)；
2)甩胶、光刻、反应离子刻蚀(RIE)二氧化硅(SiO2)；
3)放入氢氧化钾(KOH)腐蚀液中进行体硅腐蚀，腐蚀下去约200至300微米；
4)溅射铬/金(Cr/Au)；
5)甩胶、光刻、用KI/I2饱和溶液腐蚀Au，硝酸铈铵腐蚀Cr，制作出叉指电极。
2.下片工艺：
1)溅射铬/金(Cr/Au)；
2)甩胶、光刻、用剥离工艺制作出下电极。
3.键合工艺：
把下片和下片对准进行金硅共熔键合。
4.准一维纳米材料的排布工艺：
1)将适量的准一维纳米材料在丙酮中进行分散，为防止团聚，加入表面活性剂；
2)将分散好的准一维纳米材料滴到电极上，利用交流电泳法使准一维纳米材料取向；
3)利用电子束辐照，改善准一维纳米材料与电极的接触。
5.凹形槽的生物修饰：
在二氧化硅上修饰红血球凝聚素(HA)作为受体分子，用于检测抗-HA。
上述各制作步骤中采用的工艺方法及其工艺条件、工艺参数等均为本技术领域中的公知技术，在此不予重复叙述。
工艺设计在满足生物传感器结构和功能的条件下，充分考虑了工艺可行性，尽量减少工艺步骤，节省了成本。整个结构基本采用硅材料，成本低廉，适合于在流水线上大批量生产，亦适合于集成。溅射金，一方面利用其良好的导电性能，另一方面可以实现金硅键合，这样可以节省工艺步骤和材料。键合的目的是使上下硅片之间形成紧密的结合，从而形成进样的微流通道。

Claims (7)

1.一种基于准一维纳米材料场效应管电容电导敏感特性的准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器，其特征在于：所述的准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器，主要由上、下两个硅片组成，包括了绝缘层、绝缘层上的金属电极、准一维纳米材料沟道、凹形槽、槽底生物修饰层、金属栅极、以及金属栅极与凹形槽形成的微流通道；用于在微流通道中加入含有被检测目标生物分子或病毒的液体，生物修饰层中的受体分子便会与被检测目标生物分子或病毒发生特异性反应；由于特异性反应影响准一维纳米材料场效应管的栅极电场，从而影响准一维纳米材料沟道电导和准一维纳米材料场效应管电容；通过检测电导变化和电容变化，从而实现生物分子或病毒的检测。
2.根据权利要求1所述的准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器，其特征在于：所述的上硅片主要是体硅腐蚀凹形槽、热氧化生长绝缘层组成，在绝缘层上沉积金属电极，在金属电极上分散排布有准一维纳米材料沟道，在凹形槽底有生物修饰层。
3.根据权利要求1所述的准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器，其特征在于：所述的上硅片绝缘层上的金属电极是平板电极或叉指电极。
4.根据权利要求1所述的准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器，其特征在于：所述的准一维纳米材料是准一维半导体性纳米材料，包括半导体性碳纳米管，半导体性硅纳米线，及其它各种半导体性纳米线和半导体性纳米带。
5.根据权利要求1所述的准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器，其特征在于：所述的生物修饰层中的受体分子及被检测目标生物分子或病毒是能够相互发生特异性反应的一切生物分子。
6.根据权利要求1所述的准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器，其特征在于：所述的下硅片表面上沉积栅极金属薄膜。
7.根据权利要求1所述的准一维纳米材料场效应管电容电导同时检测生物传感器，其特征在于：所述的微流通道是将上硅片和下硅片对准，键合连接后形成的微流通道结构。
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