CN101915793A - 微电极阵列与微流通道集成的传感器结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微电极阵列与微流通道集成的传感器结构及其制作方法，该结构包括含磷酸根离子敏感膜的检测单元、微流通道及电信号输出接口。磷酸根离子检测单元及电信号输出接口位于硅片衬底材料上，在传感单元上面是由PDMS材料制作的微流通道。磷酸根离子检测单元是由金属钴电极和Ag/AgCl电极构成的对电极结构，金属钴电极对磷酸根有特异性响应，通过测量两个电极间电势差，即可得到溶液中磷酸根离子浓度。本发明提供的用于磷酸根离子检测的微电极阵列传感器可以利用半导体微加工技术进行制作，体积小，易于制作便携式检测仪器。
Description
技术领域
本发明涉及半导体微加工技术技术领域，尤其涉及一种微电极阵列与微流通道集成的传感器结构及其制作方法，该传感器对磷酸根离子敏感，可用于水溶液中的磷酸盐定量检测，对土壤、水环境、生物样本中的磷成分检测具有应用前景。
背景技术
生化传感技术不仅为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型方法，而且因为其专一、灵敏、响应快等特点，在军事方面，也具有广阔的应用前景。近年来随着集成微电子机械加工技术的日趋成熟，传感器制作技术进入了一个崭新阶段。微电子技术和微机械技术相结合，器件结构从二维到三维，实现进一步微型化、微功耗。
磷酸根离子在生物体系中无处不在，在广泛的生化过程中扮演着重要的角色，同时磷酸根离子在土壤和污水中也具有较高含量，磷酸根离子的检测可用于分析土壤中化肥含量水平，监测河流、湖泊等水质的富营养化程度。
采用基于半导体微加工技术的微电极阵列传感器进行磷酸根离子检测分析，具有许多优势：可进行批量生产，降低传感芯片成本；易于实现同微电子和自动化微流体系统集成；传感芯片尺寸的大大缩小有利于便携式检测仪器的小型化。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种微电极阵列与微流通道集成的传感器结构及其制作方法。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种微电极阵列与微流通道集成的传感器结构，该结构自下而上依次由硅衬底、二氧化硅绝缘层、电极层、PDMS微流通道层构成。
上述方案中，所述电极层由电信号输出接口及磷酸根离子敏感单元构成，且电极层及磷酸根离子敏感单元电极基底层是由同一种金属材料制成。
上述方案中，所述磷酸根离子敏感单元是由金属钴电极和Ag/AgCl电极组成的对电极结构，且金属钴电极与Ag/AgCl电极之间保持一定距离。
上述方案中，所述PDMS微流通道层覆盖于磷酸根离子敏感单元之上，包含一个微流通道，该微流通道与磷酸根敏感单元相结合，构成一个密闭的管道，在该密闭的管道的两端是液体流入流出端口。
上述方案中，所述电信号输出接口位于PDMS材料外侧，直接与检测仪器连接。
为达到上述目的，本发明还提供了一种制作微电极阵列与微流通道集成的传感器结构的方法，该方法包括：
步骤1：在硅片衬底上，通过等离子体化学气相淀积方法生长一层氧化硅绝缘层；
步骤2：在氧化硅绝缘层上，通过热蒸发技术，制作镍金薄膜；
步骤3：通过光刻，在光刻胶上定义出磷酸根离子敏感单元的电极和电信号输出接口电极引线图形，以光刻胶做掩膜，采用湿法腐蚀方法，将光刻胶图形转移到镍金层；
步骤4：在镍金层结构上面，再次通过PECVD方法生长一层氧化硅绝缘层；
步骤5：通过光刻和湿法腐蚀，在二氧化硅层，制作磷酸根离子敏感单元的电极窗口和电信号输出接口电极引线窗口；
步骤6、通过电沉积技术，在磷酸根离子敏感单元窗口区的镍金图形上分别沉积金属钴和Ag/AgCl，构成对电极结构；
步骤7、将带有微流通道的PDMS材料，通过键合的方法，与微电极芯片封装在一起，该微流通道与磷酸根敏感单元相结合，构成一个密闭的管道。
上述方案中，所述步骤7包括：将带有微流管道的PDMS材料键合到带有微电极的硅材料上，将带有微流管道的界面与硅材料结合，形成闭合式管道；然后采用无源对准的方法，使微流管道与电极窗口区重叠。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、本发明提供的这种微电极阵列与微流通道集成的传感器结构及其制作方法，实现了对较大浓度范围的磷酸根离子进行检测，将液体浓度参数转化为输出电接口的电势信号，器件工作时无需外部供能。
2、本发明提供的这种微电极阵列与微流通道集成的传感器结构及其制作方法，采用半导体平面微加工工艺进行制作，器件结构紧凑，所需待测样品量少，易于实现同微电子和自动化微流体系统集成。传感芯片尺寸的大大缩小有利于便携式检测仪器的小型化。
3、本发明提供的这种微电极阵列与微流通道集成的传感器结构，是基于金属钴电极敏感的磷酸根离子浓度检测用的传感芯片结构，该结构可利用半导体平面微加工技术，实现微型电极制作。相对传统电化学方法中利用体电极检测而言，本发明提出的结构，芯片更加紧凑，所需测试样品量较少。
附图说明
为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明作一详细的描述：
图1是微电极阵列与微流通道集成的传感器结构示意图；
图2是微电极阵列与微流通道集成的传感器结构平面示意图
图3是微电极阵列与微流通道集成的传感器制作工艺流程。
其中，1硅片衬底；2电信号输出接口；3电信号连接线；4金属钴电极；5Ag/AgCl电极；6PDMS盖片；7微流通道；8金属Au薄膜；9金属镍薄膜；10氧化硅绝缘层；11光刻胶图形；12磷酸根离子敏感单元窗口；13电信号输出接口电极引线窗口。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图1和图2所示，本发明提供的这种微电极阵列与微流通道集成的传感器结构，该结构包括含磷酸根离子敏感膜的检测单元、微流通道及电信号输出接口。磷酸根离子检测单元及电信号输出接口位于硅片衬底材料上，在传感单元上面是由PDMS材料制作的微流通道。磷酸根离子检测单元是由金属钴电极和Ag/AgCl电极构成的对电极结构。
电极层由电信号输出接口及磷酸根离子敏感单元构成。电极层及磷酸根离子敏感单元电极基底层是由同一种金属材料制成。磷酸根离子敏感单元由金属钴电极和Ag/AgCl电极组成的对电极结构，两个电极之间保持一定距离。
PDMS材料层覆盖磷酸根离子敏感单元，包含一个微流通道。该微流通道与磷酸根敏感单元相结合，构成一个密闭的管道，在PDMS管道的两端是液体流入流出端口。电信号输出接口位于PDMS材料外侧，可直接与检测仪器连接。
请再次参阅图1所示，本发明提供的这种微电极阵列与微流通道集成的传感器结构包括：
一磷酸根敏感单元，该单元包括金属钴电极4和Ag/AgCl电极5组成的对电极结构，两个电极之间保持一定距离，通过氧化硅绝缘层10进行电隔离。
一电信号输出接口，该接口通过互联线3与磷酸根敏感单元4和5相连接，进行传感信号输出。
一微流通道盖片，该盖片有PDMS材料6制成，上面带有半封闭的微流通道7，该微流通道7与磷酸根离子敏感单元4和5通过键合的方法，构成一个密闭的微流通道，进行液体样品传送。
本发明的工作过程：
结合图1说明本发明实施例，在图示情况下，当含有磷酸根离子的溶液通过微流通道7时，溶液中的磷酸根离子与磷酸根敏感电极4和5相互作用，在电极4和5之间产生电势差，这个电势差与磷酸根离子摩尔浓度的对数成线性关系，通过测量电信号输出接口2之间的电势差信号即可获得溶液中磷酸根离子浓度信息。
本发明微电极阵列与微流通道集成传感器结构的制造方法工艺步骤是：
步骤1：在硅片衬底上，通过PECVD(等离子体化学气相淀积)方法生长一层氧化硅绝缘层。
在本步骤中，选取合适尺寸的硅片材料作为传感器芯片衬底，样片经过清洗之后，生长厚度为200nm左右的氧化硅绝缘层10。
步骤2：在氧化硅绝缘层上，通过热蒸发技术，制作镍9金8薄膜。
在本步骤中，采用热蒸发技术，生长镍金薄膜，由于金薄膜同硅材料粘附性较差，中间采用镍金属薄膜作为过渡层。镍金薄膜的厚度为
其中镍薄膜厚度50nm。
步骤3：通过光刻，在光刻胶上定义出磷酸根离子敏感单元的电极和电信号输出接口电极引线图形，以光刻胶做掩膜，采用湿法腐蚀方法，将光刻胶图形转移到镍金层。
在本步骤中，电信号输出接口电极引线2尺寸根据外接电路规格而定，敏感单元的电极4和5宽度为200nm，长度2mm，两个电极之间距离保持400nm以上。对电极数量根据实际芯片大小可以制作多组。
步骤4：在镍金层结构上面，再次通过PECVD方法生长一层氧化硅绝缘层。
在本步骤中，氧化硅绝缘层的厚度选取为200nm。
步骤5：通过光刻和湿法腐蚀，在二氧化硅层，制作磷酸根离子敏感单元的电极窗口12和电信号输出接口电极窗口13。
在本步骤中，磷酸根离子敏感单元的电极窗口12大小要和PDMS盖片中的微流通道7尺寸相符，使检测电极4和5充分和液体接触。
步骤6、通过电沉积技术，在磷酸根离子敏感单元窗口区12的镍金图形上分别沉积金属钴和Ag/AgCl，构成对电极结构。
在本步骤中，将带有镍金电极的部分插入到电镀液中，通过电信号输出接口2部分加载电流，分别电沉积钴电极4和Ag/AgCl电极5。
步骤7、将带有微流通道的PDMS材料6，通过键合的方法，与微电极芯片封装在一起，该微流通道7与磷酸根敏感单元2、3、4、5相结合，构成一个密闭的管道。将带有微流管道的PDMS材料键合到带有微电极的硅材料上，将带有微流管道的界面与硅材料结合，形成闭合式管道；然后采用无源对准的方法，使微流管道与电极窗口区12重叠。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种微电极阵列与微流通道集成的传感器结构，其特征在于，该结构自下而上依次由硅衬底、二氧化硅绝缘层、电极层、PDMS微流通道层构成。
2.根据权利要求1所述的微电极阵列与微流通道集成的传感器结构，其特征在于，所述电极层由电信号输出接口及磷酸根离子敏感单元构成，且电极层及磷酸根离子敏感单元电极基底层是由同一种金属材料制成。
3.根据权利要求2所述的微电极阵列与微流通道集成的传感器结构，其特征在于，所述磷酸根离子敏感单元是由金属钴电极和Ag/AgCl电极组成的对电极结构，且金属钴电极与Ag/AgCl电极之间保持一定距离。
4.根据权利要求2所述的微电极阵列与微流通道集成的传感器结构，其特征在于，所述PDMS微流通道层覆盖于磷酸根离子敏感单元之上，包含一个微流通道，该微流通道与磷酸根敏感单元相结合，构成一个密闭的管道，在该密闭的管道的两端是液体流入流出端口。
5.根据权利要求2所述的微电极阵列与微流通道集成的传感器结构，其特征在于，所述电信号输出接口位于PDMS材料外侧，直接与检测仪器连接。
6.一种制作微电极阵列与微流通道集成的传感器结构的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：在硅片衬底上，通过等离子体化学气相淀积方法生长一层氧化硅绝缘层；
步骤2：在氧化硅绝缘层上，通过热蒸发技术，制作镍金薄膜；
步骤3：通过光刻，在光刻胶上定义出磷酸根离子敏感单元的电极和电信号输出接口电极引线图形，以光刻胶做掩膜，采用湿法腐蚀方法，将光刻胶图形转移到镍金层；
步骤4：在镍金层结构上面，再次通过PECVD方法生长一层氧化硅绝缘层；
步骤5：通过光刻和湿法腐蚀，在二氧化硅层，制作磷酸根离子敏感单元的电极窗口和电信号输出接口电极引线窗口；
步骤6、通过电沉积技术，在磷酸根离子敏感单元窗口区的镍金图形上分别沉积金属钴和Ag/AgCl，构成对电极结构；
步骤7、将带有微流通道的PDMS材料，通过键合的方法，与微电极芯片封装在一起，该微流通道与磷酸根敏感单元相结合，构成一个密闭的管道。
7.根据权利要求6所述的制作微电极阵列与微流通道集成的传感器结构方法，其特征在于，所述步骤7包括：
将带有微流管道的PDMS材料键合到带有微电极的硅材料上，将带有微流管道的界面与硅材料结合，形成闭合式管道；然后采用无源对准的方法，使微流管道与电极窗口区重叠。
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