CN102621026A - 集成微流道的薄膜体声波谐振生化传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种集成微流道的薄膜体声波谐振生化传感器。包括微流道、压电堆栈和信号处理集成电路，薄膜体声波谐振结构与信号处理集成电路分别制作在两个硅片上，然后将两个硅片进行结合形成一个整体。微流道和压电堆栈设置在上层硅片上，所述的信号处理集成电路设置在下层硅片上，所述的压电堆栈与信号处理集成电路之间具有空隙。该器件体积小，集成度高，成本较低，适合大批量制造，适合面向多分析物的高密度传感器阵列芯片，机械牢度强，适合比较复杂的生化分析环境。

Description

集成微流道的薄膜体声波谐振生化传感器
技术领域
本发明涉及生化传感器技术领域，具体的说，是涉及一种集成微流道的薄膜体声波谐振生化传感器。
背景技术
基于生化传感器高灵敏、微型化和阵列化的要求，将生化分析中的流道、反应池等微纳组件和传感器阵列、信号处理模块集成在单个芯片中形成高集成的传感芯片是传感器技术的发展趋势。薄膜体声波谐振生化传感器是近年来受到广泛关注的可集成微纳传感器之一，它基于吸附质量的敏感原理，以压电薄膜产生高频电声谐振，其谐振频率、相位或振幅随检测物质的变化作为传感器的响应。这种传感器灵敏度非常高，并且可以在硅片上采用现有半导体工艺进行制造，器件体积小，适合大规模集成形成传感器阵列。该类传感器有希望应用于化学物质分析以及生物基因检测、蛋白质分析等方面。
薄膜体声波谐振生化传感器与其他微纳组件以及检测信号处理电路的集成是获得高集成传感芯片的关键技术，例如：
美国专利US 5,260,596公开了一种单片集成方法，将信号处理集成电路和薄膜体声波谐振单元先后制作在一个硅片上并通过金属布线连接。
专利文献WO 2008/101646A1提出另一种了单片集成技术，是将薄膜体声波谐振单元倒置，用金属层支撑实现CMOS电路的电气接触，并形成一个空气隙结构
中国专利CN 101630946A公开了一种集成方法，所采用的技术方案是在集成电路芯片上沉积钝化层并抛光，然后在钝化层上制作薄膜体声波谐振单元，通过互连通孔实现电气连接。
上述技术都是在同一硅片上采用两套不同工艺分别制作薄膜体声波谐振单元和信号处理集成电路，工艺复杂，成本较高。所获得的器件不适合在生化分析所需的复杂液体环境进行工作，而且没有将传感器芯片的其他微纳组件集成在芯片中。
为了获得集成的高性能传感器芯片，希望将薄膜体声波谐振生化传感器、信号处理集成电路以及微流道等微纳组件集成在同一芯片中，并且要求得到的器件性能可靠，成本较低。因此上述缺点和不足需要得到很好的解决。
发明内容
本发明针对现有技术的不足和缺陷，提出了一种集成微流道的薄膜体声波谐振生化传感器。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种集成微流道的薄膜体声波谐振生化传感器，包括微流道、压电堆栈和信号处理集成电路，其特征在于，所述的微流道和压电堆栈设置在上层硅片上，所述的信号处理集成电路设置在下层硅片上，所述的压电堆栈与信号处理集成电路之间具有空隙。
所述的微流道设置在上层硅片的上边，其宽度大于压电堆栈的宽度。
所述的压电堆栈设置在上层硅片的下边一侧向内的沟道内。
所述的信号处理集成电路设置在压电堆栈的正下方，其宽度小于沟道的宽度。
所述的空隙的优选高度为10微米至50微米。
所述的上层硅片的下边与下层硅片的上边在排除沟道以外的区域紧密结合。
在本发明中，薄膜体声波谐振结构与信号处理集成电路分别制作在两个硅片上，然后将两个硅片通过键合等工艺进行结合，形成一个整体。在薄膜体声波谐振结构所在的硅片上方，通过向下刻蚀硅层形成微流道，可以进行生化样品的输运。在该硅片的另一侧，向内刻蚀形成一个较浅的沟道，在浅沟道内制作压电堆栈，这样压电堆栈的顶部实际上陷入到硅片表面以下。为了获得较好的敏感性能，在保证薄膜体声波谐振结构机械可靠性的前提下，微流道和该浅沟道之间残余的硅层应尽可能的薄。本发明所采用浅沟道内设置压电堆栈的目的在于，两个硅片进行紧密结合后，在压电堆栈与信号处理集成电路之间仍能够存在一定的空隙。这样，在压电堆栈的一侧是微流道内的生化样品，另一侧是与信号处理集成电路之间的空隙，就可以形成体声波谐振所需的边界条件。另外，压电堆栈的电极沿浅沟道向其所在硅片的外侧进行布线，信号处理集成电路沿其所在的硅片表面进行布线，两个硅片进行结合时即可在结合面上实现电路的连接。
与以往的技术相比，本发明的有益效果是：(1)将微流道、薄膜体声波谐振结构和信号处理电路同时集成在器件中，体积小，适合面向多分析物的高密度传感器阵列芯片。(2)制作薄膜体声波谐振结构的工艺、制作信号处理集成电路的工艺、两片硅片的键合工艺都比较成熟，从而使所获得的器件成本较低，适合大批量制造。(3)两片硅片所组成的结构机械牢度强，适合比较复杂的生化分析环境。
附图说明
附图1为本发明的器件结构。
附图2为本发明实施例1的测试结果。
附图3为本发明实施例2的测试结果。
具体实施方式
如附图1所示的一种集成微流道的薄膜体声波谐振生化传感器，制作该薄膜体声波谐振生化传感器时分别在两片硅片上进行制作，完成后进行两片硅片的结合。
对设置薄膜体声波谐振单元的上层硅片4的制作过程如下：
制作沟道11，具体方法为：上层硅片4为(100)取向的硅片，首先将该硅片双面氧化，利用光刻工艺，在硅片4的一侧获得氧化硅的沟道11图形，然后将硅片置于氢氧化钾溶液中进行各向异性腐蚀，获得较浅的沟道11，一般沟道11的深度16为10至50微米。
制作压电堆栈2，具体方法为：在沟道11内部制作三明治结构的压电堆栈2，中间为压电薄膜2B，两侧为上电极2A和下电极2C。制作完成后下电极2C的平面陷入到上层硅片4的内部。电极引出线19沿沟道11的两侧侧壁18进行引线到达上层硅片4的下边10。压电薄膜2B的材料为氮化铝或氧化锌，上电极2A和下电极2C的材料为金、铝、钼或其他金属。制造压电堆栈2的技术使用一般的薄膜沉积和光刻技术。
制作微流道1，具体方法为：将已经制作好压电堆栈2的一面用光刻胶进行保护，通过双面光刻工艺后获得另一侧氧化硅的微流道1图形，然后将硅片置于氢氧化钾溶液中进行各向异性腐蚀，获得较深的微流道1。微流道1的宽度8大于压电堆栈2的宽度9，以保证微流道1中液体对压电堆栈2有效的质量负载效应。
各向异性腐蚀过程中需采用保护装置使具有压电堆栈2的一面不浸入氢氧化钾溶液中。另外需要精确的控制微流道底部1与另一侧沟道11之间的残余硅层17的厚度，一方面要保证在微流道1内有液体时以及压电堆栈2有残余应力时残余硅层17不致破裂，另一方面要尽量的薄，以减小残余硅层17的对压电堆栈2的质量负载效应。
上述过程完成后，获得了设置完整薄膜体声波谐振单元的上层硅片4。
设置信号处理集成电路3的下层硅片5采用一般半导体集成电路工艺进行制作。信号处理集成电路3的宽度12小于沟道11的宽度13，以保证在两片硅片结合时不破坏信号处理集成电路3的完整，并保证在下层硅片5上具有足够的空间使信号处理集成电路3与上层的压电堆栈2进行电气连接。根据实际需要，信号处理集成电路3一般可以包括振荡电路、寻址电路、混频电路、滤波电路、鉴频电路等。
两片硅片可以采用不同的工艺生产线进行同时进行，然后进行结合。
两片硅片的结合采用硅片键合工艺，键合过程中需对准上层硅片4中压电堆栈2和下层硅片5中信号处理集成电路3的位置，使信号处理集成电路3在压电堆栈2的正下方，并且使信号处理集成电路3的引出线20与上层电极引出线19在连接点21上完成电气连接。完成键合后上层硅片4的下边10与下层硅片5的上边15在排除沟道11以外的区域紧密结合。
两层硅片后信号处理集成电路3完全被封闭在由沟道11形成的空腔内，保证其正常工作。压电堆栈2的一侧为空隙6，另一侧为微流道1中的液体，从而形成薄膜体声波谐振单元。
根据具体的应用需求在微流道1的底部可以沉积敏感层。器件工作时，所要分析的物质吸附到上层薄膜体声波谐振单元后，其体声波电声谐振的谐振频率、振幅或相位发生改变，通过下层信号处理集成电路3将该电声谐振的变化检测出来并输出。
实施例1
本实施例为针对液体的粘度进行检测的生化传感器，器件结构如图1所示，采用上述制作过程进行制作。
压电薄膜2B的材料为厚度为1.5微米氮化铝薄膜，上电极2A为厚度为0.3微米钼材料，下电极2C为厚度为0.1微米的铝材料。
信号处理集成电路3仅包括振荡电路，采用现有的0.18微米CMOS工艺进行设计和流片。器件的频率特性通过外接的网络分析仪器进行读取。
具体实施中，将该薄膜体声波谐振生化传感器置于流动测试管道中，分别通入水、粘度为6.76mPas的甘油A样品以及粘度为13.1mPas的甘油B样品。测试结果如图2所示，可以看到，该传感器在上述水、粘度为6.76mPas的甘油A以及粘度为13.1mPas的甘油B中的谐振频率值分别为3.51GHz、3.43GHz和3.02GHz，通过该谐振频率可以对液体的粘度进行测量。
实施例2
本实施例为针对生物样品进行检测的生化传感器，器件结构如图1所示，采用上述制作过程进行制作。
压电薄膜2B的材料为厚度为1.5微米氮化铝薄膜，上电极2A为厚度为0.3微米的钼材料，下电极2C为厚度为0.1微米铝材料。
信号处理集成电路3仅包括振荡电路，采用现有的0.18微米CMOS工艺进行设计和流片。器件的频率特性通过外接的网络分析仪器进行读取。
在微流道1的底部通过自组装工艺沉积癌症标志物甲胎蛋白(AFP)抗体。
检测时，将该薄膜体声波谐振生化传感器置于流动测试管道中，通入含有不同浓度癌症标志物甲胎蛋白(AFP)抗原的样品液。测试结果如图3所示，液体中的抗原与传感器表面的抗体发生生物反应结合，传感器表面质量增加，导致谐振频率减小，从而可以获得生物样品的浓度信息。

Claims (6)

1.一种集成微流道的薄膜体声波谐振生化传感器，包括微流道(1)、压电堆栈(2)和信号处理芯片(3)，其特征在于，所述的微流道(1)和压电堆栈(2)设置在上层硅片(4)上，所述的信号处理集成电路(3)设置在下层硅片(5)上，所述的压电堆栈(2)与信号处理集成电路(3)之间具有空隙(6)。
2.根据权利要求1所述的一种集成微流道的薄膜体声波谐振生化传感器，其特征在于，所述的微流道(1)设置在上层硅片(4)的上边(7)，其宽度(8)大于压电堆栈(2)的宽度(9)。
3.根据权利要求1所述的一种集成微流道的薄膜体声波谐振生化传感器，其特征在于，所述的压电堆栈(2)设置在上层硅片(4)的下边(10)一侧向内的沟道(11)内。
4.根据权利要求1所述的一种集成微流道的薄膜体声波谐振生化传感器，其特征在于，所述的信号处理集成电路(3)设置在压电堆栈(2)的正下方，其宽度(12)小于沟道(11)的宽度(13)。
5.根据权利要求1所述的一种集成微流道的薄膜体声波谐振生化传感器，其特征在于，所述的空隙(6)的优选高度(14)为10微米至50微米。
6.根据权利要求1所述的一种集成微流道的薄膜体声波谐振生化传感器，其特征在于，所述的上层硅片(4)的下边(10)与下层硅片(5)的上边(15)在排除沟道(11)以外的区域紧密结合。
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