CN103713022B - 聚二甲基硅氧烷微薄膜电容式生物传感器制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物传感器制造领域，具体是一种聚二甲基硅氧烷微薄膜电容式生物传感器制备方法。传感器以硅片作为衬底，采用溅射工艺制备铬膜和金膜共同作为传感器的底电极和顶电极，以Sylgard？184（Dow？Corning公司产品）为原始材料、采用分步旋涂工艺制备聚二甲基硅氧烷微薄膜作为传感层，干法和湿法结合刻蚀和腐蚀聚二甲基硅氧烷以进行牺牲层释放并最终形成微薄膜悬空结构，传感器功能化直接在顶电极的金膜上完成。本发明提出的结构和涉及的工艺简单，得到的传感器灵敏度高，响应快速，稳定性和重复性好，能够实现微型化、低成本、批量化生产。

Description

聚二甲基硅氧烷微薄膜电容式生物传感器制备方法

技术领域

本发明涉及生物传感器制造领域，具体是一种聚二甲基硅氧烷微薄膜电容式生物传感器制备方法。

背景技术

表面应力生物传感器是一种新型传感器，它利用分子间化学键的结合能，然后转化为可测量的光信号、电信号或机械信号等。此测试传感方法可以从分子量级对分析物进行探测分析，具有更高的探测分析精度，这就为实现高精度的人体细胞检测、食品农药或重金属污染检测、环境污染监测、生化污染检测等提供了一个良好的理论和技术支持，并为实现此类测试平台提供了应用基础研究支持，具有广阔的应用前景和巨大的社会经济效益。

细胞是构成人体的基本结构单元，当人体的某个组织发生病变时，首先是作为基本单元的细胞发生了某些病变。因此，通过基于表面应力的生物传感器可对人体细胞进行高精度的探测分析，以了解人体组织的状态，并可进行病变监控、病理分析、药物功效分析等。

微悬臂梁和微薄膜是两种基于表面应力的基本传感结构。微悬臂梁式表面应力生物传感器在初期得到了大量的研究，但是此结构有着一定的局限性，例如由探测系统（尤其是常用于此结构的光探测系统）造成的结构尺寸局限性、信号的丢失以及有限的动态范围等，更为主要的缺点是生物传感器常用于液体探测，当整个微悬臂梁沉浸在液体介质中时，微悬臂梁的背面将不可避免的吸附一些探测分析物或其他非特性吸附，这将导致探测频率的偏移或探测信噪比的降低，影响信号的性能。微薄膜传感结构可以克服这些缺点，而且该结构便于进行电信号输出，如电容信号，这将有助于探测系统的集成，形成生物集成芯片。

在相同的材料和结构尺寸下，微薄膜结构的探测灵敏度要比微悬臂梁结构的低，故开发基于新材料的微薄膜式表面应力生物传感器具有重要意义，这将为开发高灵敏度便携式生物传感器奠定基础。

聚二甲基硅氧烷是一种新型的薄膜材料，具有良好的生物适应特性，与其他常用薄膜材料（硅、氮化硅、氮化铝等）相比，具有相对较小的杨氏模量（12kPa–2.5Mpa），且杨氏模量大小与其加工工艺有着一定的关系，可通过工艺研究使其探测灵敏度最大化。

敏感单元材料确定后，在具体实施过程中，以聚二甲基硅氧烷微薄膜结构为敏感单元材料的电容式生物传感器制备方法，还面临着诸如如何获得性能优异、质地均匀、表面粗糙度良好、膜厚仅1.8μm的聚二甲基硅氧烷微薄膜，如何实现空腔的无损释放，如何提高传感器的灵敏度、稳定性，在确保传感器性能的情况下如何最大程度的提高加工成功率，减少加工步骤，降低加工成本以满足大批量生产的要求等。

发明内容

本发明为了解决目前基于表面应力的生物传感器存在的上述问题，提供了一种聚二甲基硅氧烷微薄膜电容式生物传感器制备方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种聚二甲基硅氧烷微薄膜电容式生物传感器制备方法，包括如下步骤：

（1）在硅片衬底上溅射金属膜；

（2）在金属膜上旋涂光刻胶，曝光和显影光刻胶后，湿法腐蚀金属膜，去光刻胶后在硅片衬底上形成底电极结构（包括电极和引线）；

（3）在具有底电极结构的硅片衬底上旋涂光刻胶，曝光和显影光刻胶，在底电极结构上方形成牺牲层结构；

（4）在具有底电极和牺牲层结构的硅片衬底上旋涂聚二甲基硅氧烷微薄膜；

（5）在聚二甲基硅氧烷微薄膜上溅射金属膜；

（6）在步骤（5）的金属膜上旋涂光刻胶，曝光和显影光刻胶后，湿法腐蚀金属膜，去光刻胶后在聚二甲基硅氧烷微薄膜上形成顶电极结构（包括电极和引线）；所述顶电极结构和所述底电极结构相对（电极相对，引线方向相反）；

（7）在具有顶电极结构的聚二甲基硅氧烷微薄膜上溅射铜膜；

（8）在步骤（7）的铜膜上旋涂光刻胶，曝光和显影光刻胶后，湿法腐蚀铜，去胶后形成铜膜作掩膜的、聚二甲基硅氧烷掩盖的释放孔和底电极引线孔；

（9）去掉掩盖释放孔和底电极引线孔的聚二甲基硅氧烷微薄膜，形成释放孔和底电极引线孔，所述释放孔部分暴露出牺牲层，所述底电极引线孔部分暴露出底电极结构；

（10）湿法腐蚀掉剩余的铜膜；

（11）在丙酮溶液中浸泡，牺牲层的光刻胶经释放孔被全部洗去后，在顶电极结构和底电极结构之间形成空腔，然后热板上烘干后即形成生物传感器。

聚二甲基硅氧烷是一种新型的薄膜材料，具有良好的生物适应特性，与其他常用薄膜材料（硅、氮化硅、氮化铝等）相比，具有相对较小的杨氏模量（12kPa–2.5Mpa），且杨氏模量大小与其加工工艺有着一定的关系，可通过工艺研究使其探测灵敏度最大化。

本发明选择聚二甲基硅氧烷作为传感层薄膜，传感器为微薄膜、电容式传感器，发明提出的结构和涉及的工艺均较为简单，解决了微悬臂梁结构存在的尺寸局限、信号易丢失、噪声大灵敏度低、动态范围有限、信号读出系统集成困难等问题，加工得到的芯片满足灵敏度高，响应快速，稳定性、重复性和生物相容性好，噪声小等生物检测领域的实际要求，输出的电容信号可通过目前许多成熟的微电容测量电路进行检测，操作简单，这为微型化、低成本、大批量生产提供了极大便捷，具有广阔的应用前景。

上述生物传感器的使用方法和工作原理：首先对传感器表面的顶电极进行修饰，形成对待测生物细胞敏感的自组装膜，修饰物可选择抗体或大分子有机物，如11-巯基十一烷酸。可以将2个生物传感器（以下分别称为活性薄膜和参照薄膜）组成1个传感测试芯片，通过微流体装置将含有待测人体细胞的培养液滴加到芯片活性薄膜结构中，将不含待测人体细胞的同浓度培养液等量滴加到芯片参照薄膜结构中。活性薄膜结构中待测人体细胞会与传感器的自组装膜发生电子的转移、交换或者共有，形成共价键（特异性结合）进而带来薄膜的形变，而参照薄膜微腔中没有待测人体细胞，薄膜的形变主要是滴加培养液的重力和范德华力等（非特异性结合）导致的，特异性结合会产生较强的结合能，而非特异性结合作用力很弱。通过目前成熟的微电容测量电路进行活性薄膜电容信号与参照薄膜电容信号的测量，差分即可获得仅由于待测生物细胞表面应力导致的薄膜形变电容信号，同时也可消除环境因素的干扰，实现人体细胞的高精度探测分析。

附图说明

图1是进行步骤（1）后的剖面示意图。

图2是进行步骤（2）后的剖面示意图。

图3是图2的俯视图。

图4是进行步骤（3）后的剖面示意图。

图5是图4的俯视图。

图6是进行步骤（4）后的剖面示意图。

图7是图6的俯视图。

图8是进行步骤（5）后的剖面示意图。

图9是进行步骤（6）后的剖面示意图。

图10是图9的俯视图。

图11是进行步骤（7）后的剖面示意图。

图12是进行步骤（8）后的剖面示意图。

图13是图12的俯视图。

图14是进行步骤（10）后的剖面示意图。

图15是图14的俯视图。

图16是进行步骤（11）后的剖面示意图。

图17是图16的俯视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

一种聚二甲基硅氧烷微薄膜电容式生物传感器制备方法，包括如下步骤：

（1）在硅片衬底上溅射金属膜，如图1所示；

按照体积比例（浓硫酸：过氧化氢=4：1）配备清洗液，将标准的四英寸硅片放入，使用清洗机在125℃下清洗15min，清洗结束后使用去离子水冲洗硅片，并用氮气吹干。将硅片放入溅射仪中，首先在硅片上溅射10nm厚的铬膜，技术参数为：本底真空：1.0×10^-3Pa、氩气流量：60sccm、溅射压力：0.15Pa、溅射功率：300W、射频匹配(C2/C1)：550/120、溅射时间：19s、自偏压：130V。然后在铬膜上溅射40nm厚的金膜，技术参数为：本底真空：1.0×10^-3Pa、氩气流量：60sccm、溅射压力：0.2Pa、溅射功率：300W、射频匹配(C2/C1)：600/110、溅射时间：20s、自偏压：130V。

（2）在金属膜上旋涂光刻胶，曝光和显影光刻胶后，湿法腐蚀金属膜，去光刻胶后在硅片衬底上形成底电极结构，所述底电极结构包括圆形底电极和与其连接的引线电极，如图2、3所示，所述圆形底电极的直径为500μm；

用涂胶机在金膜上旋涂型号为EPI680、厚度为2μm的正性光刻胶。将光刻胶滴在硅片上后旋涂过程分为3个阶段。第1阶段转速从0～100rpm，加速时间为5s，维持10s后进入第2阶段；第2阶段转速从100～200rpm，加速时间为5s，不停留直接进入第3阶段；第3阶段转速从200～3200rpm，加速时间为8s，维持32s后涂胶结束。涂胶完成后需在温度为110℃热板的上进行前烘，时间为80s。本发明中曝光使用的掩膜版均为明版，即结构部分不透光，其余全部透光。光强和接触方式分别设置为11mW/cm²和软接触，曝光时间为8.6s。曝光完成后将硅片放入型号为TMAH的显影液里显影55s，去离子水冲洗后用氮气吹干。

按照比例（碘：碘化钾：去离子水＝65g：113g：200ml）配备金腐蚀液，将硅片浸入约5～6s，去离子水冲洗后用氮气吹干。按照比例（硝酸铈铵：乙酸：去离子水＝22g：8ml：70ml）配备铬腐蚀液，将硅片浸入约10～12s，去离子水冲洗后用氮气吹干。在丙酮溶液中浸泡将光刻胶洗去，在酒精溶液中浸泡将丙酮洗去，去离子水冲洗后用氮气吹干，至此底电极结构完成。

（3）在具有底电极结构的硅片衬底上旋涂光刻胶，曝光和显影光刻胶，在底电极结构上方形成牺牲层结构，如图4、5所示；

用涂胶机在底电极结构上旋涂型号为EPI680、厚度为3μm的正性光刻胶作为牺牲层。将光刻胶滴在硅片上后旋涂过程分为3个阶段。第1阶段转速从0～100rpm，加速时间为5s，维持10s后进入第2阶段；第2阶段转速从100～200rpm，加速时间为5s，不停留直接进入第3阶段；第3阶段转速从200～1800rpm，加速时间为4s，维持36s后涂胶结束。涂胶完成后需在温度为110℃热板的上进行前烘，时间为80s。曝光时光强和接触方式分别设置为11mW/cm²和软接触，曝光时间为9.6s。曝光完成后将硅片放入型号为TMAH的显影液里显影75s，去离子水冲洗后用氮气吹干，至此牺牲层结构完成。

（4）在具有底电极和牺牲层结构的硅片衬底上旋涂聚二甲基硅氧烷微薄膜，如图6、7所示；

聚二甲基硅氧烷微薄膜的制备是加工工艺中最关键的一步。以Sylgard184（DowCorning公司产品，包括基液与固化剂两个部分）为制备聚二甲基硅氧烷薄膜的原始材料，以正己烷为稀释剂。首先在玻璃器皿中按照质量比例（基液：固化剂＝10：1）配备约2g的聚二甲基硅氧烷溶液，搅拌至气泡均匀分布在溶液中后分3次抽真空，每次5min直至溶液中无气泡存在，然后添加基液质量5倍的正己烷以稀释聚二甲基硅氧烷，即最终配得的溶液质量比为基液：固化剂：稀释剂＝10：1：50，因正己烷易挥发，所以应迅速搅拌，至溶液混合均匀后滴在牺牲层上。

使用涂胶机进行旋涂，过程分为5个阶段，第1阶段转速从0～1000rpm，加速时间为5s，维持2s后进入第2阶段；第2阶段转速从1000～4000rpm，加速时间为5s，维持3s后进入第3阶段；第3阶段转速从4000～8500rpm，加速时间为5s，维持150s进入第4阶段；第4阶段转速从8500～4000rpm，降速时间为10s，维持5s；第5阶段转速从4000～1500rpm，降速时间为10s，维持150s后停止。迅速取出硅片放入温度为110℃的电热鼓风干燥箱中进行聚二甲基硅氧烷微薄膜的固化，时间为30min，得到性能优异、质地均匀、表面粗糙度良好、厚度为1.8μm的聚二甲基硅氧烷微薄膜。

（5）在聚二甲基硅氧烷微薄膜上溅射金属膜；

在聚二甲基硅氧烷薄膜上溅射20nm厚的铬膜和40nm厚的金膜，如图8所示，本步工艺与第1步工艺类似。将硅片放入溅射仪中，首先在微薄膜上溅射20nm厚的铬膜，技术参数仅溅射时间调整为38s。然后在铬膜上溅射40nm厚的金膜，技术参数与第1步工艺中完全一样。

（6）在步骤（5）的金属膜上旋涂光刻胶，曝光和显影光刻胶，湿法腐蚀金属膜，去光刻胶后在聚二甲基硅氧烷微薄膜上形成顶电极结构；所述顶电极结构包括圆形顶电极和与其连接的引线电极，所述顶电极结构的圆形顶电极和所述底电极结构的圆形底电极相对；所述顶电极结构的引线方向与所述底电极结构的引线方向相反，如图9、10所示，圆形顶电极局部覆盖圆形底电极（其面积为圆形底电极的90%），有限元分析软件ANSYS下的仿真结果表明，该形状、尺寸和覆盖比例为最佳值，能够提供最大的应力形变；

本步工艺与第2步工艺类似，唯一的调整就是腐蚀铬的时间改为20～24s，至此顶电极结构完成。

（7）在具有顶电极结构的聚二甲基硅氧烷微薄膜上溅射铜膜，如图11所示；

使用溅射仪溅射500nm的铜膜，技术参数为：本底真空：1.0×10^-3Pa、氩气流量：120sccm、溅射压力：2.0Pa、溅射功率：180W、射频匹配(C2/C1)：550/110、溅射时间：1316s、自偏压：80V。

（8）在步骤（7）的铜膜上旋涂光刻胶，曝光和显影光刻胶后，湿法腐蚀铜，去光刻胶后形成铜膜作掩膜的、聚二甲基硅氧烷掩盖的释放孔和底电极引线孔，如图12、13所示；

用涂胶机在金膜上旋涂型号为EPI680、厚度为2μm的正性光刻胶，并曝光和显影，方法同第2步工艺。按照质量比例（过硫酸铵：去离子水=1：5）配备铜腐蚀液，将硅片浸入约1min，去离子水冲洗后用氮气吹干。在丙酮溶液中浸泡将光刻胶洗去，在酒精溶液中浸泡将丙酮洗去，去离子水冲洗后用氮气吹干。至此铜膜作掩膜的、聚二甲基硅氧烷掩盖的释放孔和底电极引线孔出现。

（9）去掉掩盖释放孔和底电极孔的聚二甲基硅氧烷微薄膜，形成释放孔和底电极引线孔，所述释放孔部分暴露出牺牲层，所述底电极引线孔部分暴露出底电极引线；

干法和湿法结合刻蚀和腐蚀聚二甲基硅氧烷微薄膜，解决了干法刻蚀不完全反应和湿法腐蚀速率过慢的问题。首先采用使用反应离子刻蚀机进行聚二甲基硅氧烷微薄膜的干法刻蚀，选择真空度为36Pa，刻蚀功率270W，按照体积流量比例（四氟化碳：氧气＝3：1）通入混合气体刻蚀聚二甲基硅氧烷微薄膜15min，会有约20～50nm厚的聚二甲基硅氧烷微薄膜剩余。然后进行湿法腐蚀，按照质量比例（四丁基氟化铵（晶体）：去离子水=1：3）配备四丁基氟化铵溶液，再按照体积比（四丁基氟化铵（溶液）：N-甲基吡咯烷酮=1：3）配备聚二甲基硅氧烷腐蚀液，腐蚀2～5min，湿法腐蚀存在腐蚀不均匀的现象，应注意随时观察。

（10）湿法腐蚀掉剩余的铜膜，如图14、15所示；

将硅片浸入铜腐蚀液中，1min后取出，去离子水冲洗后用氮气吹干。

（11）将硅片浸入丙酮溶液中浸泡3h，确保形成牺牲层的光刻胶经释放孔被全部洗去，在顶电极结构和底电极结构之间形成空腔，在酒精溶液中浸泡将丙酮洗去，由于结构为悬空结构，不应使用之前的去离子水冲洗和氮气吹的方法洗去酒精和烘干，在酒精溶液中浸泡后应直接放在温度为60℃的热板上烘干，如图16、17所示。

最后进行划片，具体使用时，可以将2个生物传感器组成1个传感测试芯片。

Claims (3)

1.一种聚二甲基硅氧烷微薄膜电容式生物传感器制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）在硅片衬底上先后溅射10nm厚的铬膜和40nm厚的金膜；

（2）在金属膜上旋涂光刻胶，曝光和显影光刻胶后，湿法腐蚀金属膜，去光刻胶后在硅片衬底上形成底电极结构；所述底电极结构包括圆形底电极和与其相连的引线电极；

（3）在具有底电极结构的硅片衬底上旋涂光刻胶，曝光和显影光刻胶，在底电极结构上方形成牺牲层结构；所述牺牲层的厚度为3μm；

（4）在具有底电极和牺牲层结构的硅片衬底上旋涂聚二甲基硅氧烷微薄膜；具体为：以DowCorning公司的Sylgard184为制备聚二甲基硅氧烷微薄膜的原始材料，以正己烷为稀释剂，分步旋涂聚二甲基硅氧烷微薄膜的具体方法如下：

首先，在玻璃器皿中按照基液：固化剂＝10：1的质量比例配备聚二甲基硅氧烷溶液，搅拌至气泡均匀分布在溶液中后分3次抽真空，每次5min直至溶液中无气泡存在，然后添加基液质量5倍的正己烷以稀释聚二甲基硅氧烷，即最终配得的溶液质量比为基液：固化剂：稀释剂＝10：1：50，混合均匀后滴在牺牲层上；

然后，使用涂胶机进行旋涂，过程分为5个阶段，第1阶段转速从0～1000rpm，加速时间为5s，维持2s后进入第2阶段；第2阶段转速从1000～4000rpm，加速时间为5s，维持3s后进入第3阶段；第3阶段转速从4000～8500rpm，加速时间为5s，维持150s进入第4阶段；第4阶段转速从8500～4000rpm，降速时间为10s，维持5s；第5阶段转速从4000～1500rpm，降速时间为10s，维持150s后停止；迅速取出硅片放入温度为110℃的电热鼓风干燥箱中进行聚二甲基硅氧烷微薄膜的固化，时间为30min，即得到厚度为1.8μm的聚二甲基硅氧烷微薄膜；

（5）在聚二甲基硅氧烷微薄膜上先后溅射20nm厚的铬膜和40nm厚的金膜；

（6）在步骤（5）的金属膜上旋涂光刻胶，曝光和显影光刻胶后，湿法腐蚀金属膜，去胶后在聚二甲基硅氧烷微薄膜上形成顶电极结构；所述顶电极结构包括圆形顶电极和与其相连的引线电极；所述顶电极结构中的圆形顶电极与底电极结构中的圆形底电极正对；

（7）在具有顶电极结构的聚二甲基硅氧烷微薄膜上溅射铜膜；所述铜膜的厚度为500nm；

（8）在步骤（7）的铜膜上旋涂光刻胶，曝光和显影光刻胶后，湿法腐蚀铜，去胶后形成铜膜作掩膜的、聚二甲基硅氧烷掩盖的释放孔和底电极引线孔；

（9）去掉掩盖释放孔和底电极引线孔的聚二甲基硅氧烷微薄膜，形成释放孔和底电极引线孔，所述释放孔部分暴露出牺牲层，所述底电极引线孔部分暴露出底电极结构中的引线电极；

（10）湿法腐蚀掉剩余的铜膜；

（11）在丙酮溶液中浸泡，牺牲层的光刻胶经释放孔被全部洗去后，在顶电极结构和底电极结构之间形成空腔，然后热板上烘干后即形成生物传感器。

2.根据权利要求1所述的聚二甲基硅氧烷微薄膜电容式生物传感器制备方法，其特征在于：步骤（9）中，干法和湿法结合刻蚀和腐蚀聚二甲基硅氧烷微薄膜，具体如下：

首先，采用使用反应离子刻蚀机进行聚二甲基硅氧烷的干法刻蚀：选择真空度为36Pa，刻蚀功率270W，按照四氟化碳：氧气＝3：1的体积流量比例通入混合气体刻蚀聚二甲基硅氧烷15min；

然后，进行湿法腐蚀：按照四丁基氟化铵：去离子水=1：3的质量比例配备四丁基氟化铵溶液，再按照四丁基氟化铵溶液：N-甲基吡咯烷酮=1:3的体积比例配备聚二甲基硅氧烷腐蚀液，腐蚀2～5min后即形成释放孔和底电极引线孔。

3.根据权利要求2所述的聚二甲基硅氧烷微薄膜电容式生物传感器制备方法，其特征在于：所述圆形底电极的直径为500μm，所述圆形顶电极的面积为圆形底电极面积的90％。