CN103105378B - 生物传感器及其制造方法、生物传感器测试系统 - Google Patents

生物传感器及其制造方法、生物传感器测试系统 Download PDF

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Abstract

本发明实施例公开了一种生物传感器，包括：透光衬底；透光衬底上的支撑柱阵列，所述支撑柱阵列包括多个支撑柱，每个支撑柱上表面形成有金属层。通过在透明衬底上形成有支撑柱阵列，每个支撑柱上具有金属层，所有的金属层构成了阵列排布的阵列金属层结构，这种传感器结构可采用标准的半导体工艺制作，因此体积小且易于集成。在进行检测时，支撑柱之间的间隔内也充满了待测生物体，金属层阵列结构几乎被包围在待测生物体内，相对于无支撑柱阵列的一般结构，我们这种结构支持极窄带宽的共有化共振模式，这种模式对金属表面折射率的变化极其敏感。同时阵列结构中的布拉格散射可以提供激发表面等离子体共振所需的波矢匹配，而无需使用棱镜结构，因此这种生物传感器体积小且灵敏度高。

Description

生物传感器及其制造方法、生物传感器测试系统
技术领域
本发明涉及传感器技术，更具体地说，涉及一种生物传感器及其制造方法。
背景技术
生物传感器是用于检测固定化生物成分或生物体(待测生物体)的传感器，固定化生物成分或生物体例如酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质，广泛应用于生物技术、环境监测、医疗威盛和食品检验等领域。
目前，表面等离子体共振(SPR)技术的生物传感器以其较高的灵敏度以及高效性得到了广泛的应用和快速的发展。表面等离子体(SP)是沿着金属和待测生物体的界面传播的电磁波，形成SPR的必要条件之一是金属与待测生物体界面的存在。当一束偏振光以特定的入射角从金属膜下面入射到金属/介质界面上时，会发生全反射，在金属膜上表面会激发起表面等离子体，由于表面等离子体共振的产生，在这个角度反射率显著减小。SPR对附着在金属表面的待测生物体的折射率非常敏感，而折射率是所有材料的固有特征，因此，可以通过对待测生物体的折射率的变化是实现待测生物体的检测。
典型的SPR生物传感器为棱镜型，包括棱镜结构，如Kretschmann棱镜结构，以及棱镜结构上镀的金属膜，例如Au、Ag膜等，待测生物体放置于金属膜上，p偏振光经过棱镜以一定角度入射到棱镜与金属膜的界面，对于一定的入射角度和光波长，棱镜提供入射电磁波和表面等离子体之间的波矢匹配，棱镜型的SPR生物传感器的灵敏度较高。然而，棱镜结构本身体积大、造价高，导致棱镜型的SPR生物传感器的体积庞大、成本高，通常适用于实验室中进行检测，不易携带，也不易集成。
发明内容
本发明实施例提供一种生物传感器，易于集成和制造，成本低。
为实现上述目的，本发明实施例提供了如下技术方案：
一种生物传感器，包括：
透光衬底；
透光衬底上的支撑柱阵列，所述支撑柱阵列包括多个支撑柱，每个支撑柱上表面形成有金属层。
可选地，所述金属层为金、银或铝。
可选地，所述金属层的宽度或直径为50-150纳米。
可选地，所述金属层的厚度为50-150纳米。
可选地，所述支撑柱与衬底为相同的材料，所述衬底为二氧化硅、碳化硅或氮化硅。
可选地，所述支撑柱阵列至少为两列，每列至少包括两个支撑柱，支撑柱之间的间隔相等。
可选地，支撑柱上的金属层之间的间隔为150-750纳米。
此外，本发明还提供了包括上述生物传感器的生物传感器检查系统，包括：上述任一生物传感器，所述生物传感器的金属层上及支撑柱之间的待测生物体，位于待测生物体之上的光源，以及位于衬底之下的光谱仪。
此外，本发明还提供了上述生物传感器的制造方法，包括：
提供透光衬底；
在所述透光衬底上形成包括多个支撑柱的支撑柱阵列，以及在所述支撑柱上表面形成金属层。
可选地，所述支撑柱阵列通过刻蚀所述透光衬底形成。
可选地，在提供透光衬底之后，形成支撑柱阵列之前，还包括步骤：在所述透光衬底上形成材料层；
在所述透光衬底上形成包括多个支撑柱的支撑柱阵列的步骤为：通过刻蚀所述材料层，在所述透光衬底上形成包括多个支撑柱的支撑柱阵列。
可选地，所述金属层的宽度或直径为50-150纳米，支撑柱上的金属层之间的间隔为150-750纳米。
与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：
本发明实施例的生物传感器及其制造方法，通过在透明衬底上形成有支撑柱阵列，每个支撑柱上具有金属层，所有的金属层构成了阵列排布的阵列金属层结构，这种传感器结构可采用标准的半导体工艺制作，因此体积小且易于集成，且制造成本低。在进行检测时，支撑柱之间的间隔内也充满了待测生物体，金属层阵列结构几乎被包围在待测生物体内，相对于无支撑柱阵列的一般结构，我们这种结构支持极窄带宽的共有化共振模式，这种模式对金属表面折射率的变化极其敏感。同时阵列结构中的布拉格散射可以提供激发表面等离子体共振所需的波矢匹配，而无需使用棱镜结构，因此这种生物传感器体积小且灵敏度高。
附图说明
通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
图1为根据本发明实施例的生物传感器的俯视图；
图2为根据本发明实施例的生物传感器的AA’向剖视图；
图3为根据本发明实施例的生物传感器的测试系统的结构示意图；
图4为根据本发明实施例的生物传感器的制造方法流程图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，表示器件结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。
正如背景技术部分所述，传统的棱镜型SPR生物传感器，由棱镜结构和覆盖在棱镜结构上的金属膜构成，由于棱镜结构本身体积大，造成棱镜型的SPR生物传感器的体积庞大，造价也高，通常适用于实验室中进行检测，不易携带，也不易集成。
为此，本发明提供了一种生物传感器，参考图1和图2所示，包括：
透光衬底100；
透光衬底100上的支撑柱阵列102，所述支撑柱阵列102包括多个支撑柱102-1、102-2...102-n，每个支撑柱上表面形成有金属层104-1、104-2...104-n。
在本发明中，所述透光衬底100可以透过光源的光线，例如可以为二氧化硅、碳化硅或氮化硅等，所述支撑柱可以为任意材料，例如介质材料或半导体材料等，优选地，所述支撑柱与衬底具有相同的材料。
其中，所述金属层可以为金(Au)、银(Ag)、铝(Al)或其他任意具有表面等离子共振特性的金属。所有的支撑柱上的金属层104-1、104-2...104-n构成了阵列排布的阵列金属结构104，所述金属层的厚度可以为50-150纳米，优选地，所述金属层为圆柱形或长方体形，其宽度或直径可以为50-150纳米。
其中，所述支撑柱阵列至少为两列，每列至少包括两个支撑柱，所述支撑柱102-1、102-2...102-n的高度可以根据衬底的厚度或其他因素来设置，例如可以为1000纳米，此时衬底对表面等离子体共有化共振模式的影响较小，有利于提高传感器的灵敏度。所述支撑柱及金属层为周期性的阵列排列，支撑柱可以具有同金属结构相同或相近似的形状，如圆柱形或长方体形，所述支撑柱/金属层之间的间隔可以比金属层的尺寸(宽度或直径)具有更大的尺寸，例如，在一个实施例中，在金属层的长度或直径为50-150纳米时，支撑柱间的间隔的距离为150-750纳米，所述支撑柱之上的金属层之间的间隔距离p可以为150-750纳米，所述支撑柱阵列/阵列金属结构的周期t即为300-800纳米。相对于金属层的大小，金属层之间的间隔较大，金属层104-1、104-2...104-n构成的阵列金属结构104具有更好的布拉格散射效果，有利于提高传感器的灵敏度。。
在本发明的生物传感器中，在透明衬底上形成有支撑柱阵列，每个支撑柱上具有金属层，所有的金属层构成了阵列排布的阵列金属层结构，这种传感器结构可采用标准的半导体工艺制作，体积小且易于集成，制造成本低。在进行检测时，支撑柱之间的间隔内也充满了待测生物体，金属层阵列结构几乎被包围在待测生物体内，相对于无支撑柱阵列的一般结构，我们这种新型结构支持极窄带宽的共有化共振模式，这种模式对金属表面折射率的变化极其敏感。同时阵列结构中的布拉格散射可以提供激发表面等离子体共振所需的波矢匹配，而无需使用棱镜结构，因此这种生物传感器体积小且灵敏度高。
以上对本发明的生物传感器进行了详细的描述，根据上述生物传感器，本发明还提出了具有上述生物传感器任一实施例的生物传感器测试系统，参考图3所示，所述系统包括：上述生物传感器任一实施例的生物传感器测试系统，所述生物传感器的金属层上及支撑柱之间的待测生物体110，位于待测生物体110之上的光源120，以及位于衬底100之下的光谱仪130。
在进行测试时，由光源120发出的入射光垂直入射到待测生物体110，入射光穿过金属层及衬底，从衬底下方射出，出射光由光谱仪130，在入射光进入金属层时，阵列金属结构中的布拉格散射提供激发表面等离子体所需的波矢匹配，无需棱镜结构，光与阵列金属结构相互作用产生了等离子体共有化共振模式，共有化共振模式对折射率的变化极其敏感，在入射光穿出衬底后，通过光谱仪接收出射光并分析光谱的变化，从而探测到待测生物体折射率的变化。通过上述生物传感器组成的生物传感器测试系统，灵敏度高，造价低且易于集成。
以上对本发明的生物传感器及测试系统进行了详细的描述，为了更好的理解本发明的方案及效果，以下将对本发明生物传感器制造方法及具体实施例的制造方法进行详细的描述。
参考图4所示的根据本发明实施例的生物传感器制造方法的流程图，所述方法包括：
提供透明衬底；
在所述透光衬底上形成包括多个支撑柱的支撑柱阵列，以及在所述支撑柱上表面形成金属层。
实施例一
在此实施例中，所述支撑柱阵列通过刻蚀所述透光衬底来形成，具体步骤如下。
首先，提供透光衬底，例如熔融的石英，即二氧化硅衬底。
而后，在所述透光衬底上旋涂电子束抗蚀剂，热处理后进行电子束的直写和显影等，从而得到图案化的电子束抗蚀剂的掩模层，未覆盖电子束抗蚀剂的部分为将要形成的支撑柱阵列的图案。
接着，可以通过电子束蒸发的方法在未覆盖电子束抗蚀剂的衬底及电子束抗蚀剂上覆盖金属膜层，例如Au，例如厚度为80nm。
而后，剥离去除电子束抗蚀剂，电子束抗蚀剂上的金属膜层也一同剥离，从而在透光衬底上形成了阵列排布的金属层，所述金属层的宽度或直径为50-150纳米，金属层之间的间隔为150-750纳米。
而后，以阵列排布的金属层为掩模，利用刻蚀技术，例如RIE(反应离子刻蚀)的方法，进一步刻蚀透光衬底，刻蚀深度可以为500nm，从而形成了支撑柱阵列。
可以理解的是，在此实施例中，透光衬底和支撑柱阵列为同种材料，具有基本相同的形状，通过刻蚀衬底在衬底中形成支撑柱阵列，支撑柱及金属层的大小及间隔可以通过图案化的掩模图案来控制，制造工艺简单，可以同半导体制造技术兼容。
至此也完成了此实施例的生物传感器，本领域技术人员可以理解的是，通过刻蚀透光衬底形成支撑柱阵列的方法是多样的，还可以采用先在衬底上形成金属膜层，而后在金属膜层上形成图案化的掩模层，被掩模层覆盖的部分为将要形成的支撑柱阵列的图案，以掩模层为掩模，刻蚀衬底形成支撑柱阵列，或者还可以采用其他合适的方法来形成，以上仅为示例，本发明对此处如何形成支撑柱阵列的方法不做限制。
实施例二
在此实施例中，所述支撑柱阵列通过在衬底上淀积材料层后，刻蚀该材料层来形成的，具体步骤如下。
首先，提供透光衬底，例如熔融的石英，即二氧化硅衬底。
而后，在透光衬底上形成材料层，所述材料层可以为介质材料或半导体材料等任意材料，在此实施例中，例如为500纳米厚的多晶硅层。
而后，在所述材料层上形成金属膜层，例如通过电子束蒸发的方法形成厚度为80nm的Au。
而后，在所述金属膜层上形成图案化的掩模层，并以掩模层为掩蔽，可以所述金属膜层以及材料层，依次形成阵列排布的金属层以及支撑柱阵列，至此形成了此实施例的生物传感器，所述金属层的宽度或直径为50-150纳米，金属层之间的间隔为150-750纳米。
可以理解的是，在此实施例中，透光衬底和支撑柱阵列为不同种材料，具有基本相同的形状，通过淀积与衬底不同的材料层后形成支撑柱阵列，支撑柱及金属层的大小及间隔可以通过图案化的掩模图案来控制，制造工艺简单，可以同半导体制造技术兼容。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。
虽然本发明已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (12)

1.一种生物传感器，其特征在于，包括：
透光衬底；
透光衬底上的支撑柱阵列，所述支撑柱阵列包括多个支撑柱，每个支撑柱上表面形成有金属层，所述支撑柱及所述金属层为周期性的阵列排列。
2.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述金属层为金、银或铝。
3.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述金属层的宽度或直径为50-150纳米。
4.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述金属层的厚度为50-150纳米。
5.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述支撑柱与衬底为相同的材料，所述衬底为二氧化硅、碳化硅或氮化硅。
6.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述支撑柱阵列至少为两列，每列至少包括两个支撑柱，支撑柱之间的间隔相等。
7.根据权利要求6所述的生物传感器，其特征在于，支撑柱上的金属层之间的间隔为150-750纳米。
8.一种生物传感器的制造方法，其特征在于，包括：
提供透光衬底；
在所述透光衬底上形成包括多个支撑柱的支撑柱阵列，以及在所述支撑柱上表面形成金属层，所述支撑柱及所述金属层为周期性的阵列排列。
9.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，所述支撑柱阵列通过刻蚀所述透光衬底形成。
10.根据权利要求8所述的制造方法，其特征在于，在提供透光衬底之后，形成支撑柱阵列之前，还包括步骤：在所述透光衬底上形成材料层；
在所述透光衬底上形成包括多个支撑柱的支撑柱阵列的步骤为：通过刻蚀所述材料层，在所述透光衬底上形成包括多个支撑柱的支撑柱阵列。
11.根据权利要求8-10中任一项所述的制造方法，其特征在于，所述金属层的宽度或直径为50-150纳米,支撑柱上的金属层之间的间隔为150-750纳米。
12.一种生物传感器测试系统，包括如权利要求1-7中任一项所述生物传感器，还包括：所述生物传感器的金属层上及支撑柱之间的待测生物体，位于待测生物体之上的光源，以及位于衬底之下的光谱仪。
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