CN105974104A - 基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器及悬臂梁制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器及悬臂梁制作方法，该传感器的数据采集器采用具有硅铝异质结形成的巨压阻结构的悬臂梁结构，能够在相同应力条件下产生更大的电阻阻值变化，从根本上提高了生化传感器的灵敏度；采用两个相邻的共模信号补偿结构，能够保证该生化传感器的每个悬臂梁在复杂外界环境下的测量精度，降低了因个别悬臂梁失灵对测量结果产生的影响；另外，该传感器采用四线制测量方法以及信号的放大、滤波调理电路，可得到较为精准的信号，削弱噪声等外界因素对检测结果的影响，可以达到高精度、稳定测量的效果。

Description

基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器及悬臂梁制作方法

技术领域

本发明涉及一种基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器及悬臂梁制作方法，属于微纳机电系统传感器技术领域。

背景技术

从上世纪80年代以来随着MEMS(微机电系统)技术的快速发展，越来越多的MEMS器件被广泛应用于工农业、航空航天、气象环境、国防军事等各个领域。而近些年来随着微探针与微流计等器件的研制成功，数量众多的MEMS器件进入了化学分析、生物检测、医药筛选和公共环境卫生监测等领域。然而，目前的生化传感器由于器件本身结构限制，无法实现实时高精度、高灵敏度的生化检测。

微型悬臂梁作为MEMS器件中一种极其重要的基本结构一直是人们研究的热点。基于悬臂梁结构的传感器可以将待检测量，如质量、温度、应力等参数转化为悬臂梁的静态弯曲量或者动态谐振频率变化量，从而实现对待测量快速、准确的测量。尽管如此，传统的压阻结构悬臂梁传感器电阻应变系数小，随着传感器尺寸的变小，由于自身结构和工艺的限制，如：大面积吸附引起悬臂梁弹性常数变化，产生频率偏移而导致测量误差；液体生化环境中悬臂梁品质因子大幅降低，导致灵敏度降低等等，这类传感器已经不能满足现代高灵敏度测试的要求。同时传统的生化传感器由于受到环境中温度、湿度、光照等因素的影响，缺少信号补偿，使得测量精度产生较大偏差，无法满足用户在复杂外界环境条件下高精度、高灵敏度的生化检测要求。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在的上述缺陷和不足，提供了一种基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器及悬臂梁制作方法，该生化传感器的悬臂梁采用硅铝异质结形成的巨压阻结构，其压阻系数与应变系数均数量级地增加，极大地提升了传感器的灵敏度，可以有效地捕捉生化病毒分子。

为解决上述技术问题，本发明提供一种基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，包括数据采集器、四线制测量电路、AD7794模数转换器、MSP430F169单片机和LCD12864液晶显示屏，所述数据采集器将采集到的数据通过四线制测量电路传输给AD7794模数转换器，AD7794模数转换器转换后输出至MSP430F169单片机，由MSP430F169单片机发送至LCD12864液晶显示屏，在LCD12864液晶显示屏上显示；

所述数据采集器包括基底和依次固定在所述基底上的若干个悬臂梁，若干个所述悬臂梁串联由同一个恒流源供电，所述相邻两个悬臂梁的固定端之间通过金属铝材质的连接线相连；所述悬臂梁包括依次设置的检测区、金属铝段区、巨压阻结构区、掺杂硅段区，所述检测区由金属铝段区的端部自组装后表面修饰高分子敏感材料或者生物活性分子材料而成，位于悬梁臂的自由端，所述掺杂硅段区位于悬臂梁的固定端，所述巨压阻结构区为硅铝异质结，所述悬臂梁的固定端上设有电位测量点。

进一步，所述悬臂梁的两边均设有共模信号补偿结构，每个悬臂梁利用与之相邻的两个共模信号补偿结构消除噪声，且相邻两个悬臂梁共用一个共模信号补偿结构。

进一步，所述共模信号补偿结构与所述悬臂梁的尺寸和组成材料相同。

进一步，所述共模信号补偿结构与所述悬臂梁串联由同一恒流源供电，所述共模信号补偿结构与所述悬臂梁之间通过金属铝材质的连接线相连。

进一步，所述金属铝段区的宽度为70-100μm、长度为35-60μm，所述掺杂硅段区的宽度为70-100μm、长度为6μm。

进一步，所述基底为SOI硅片。

进一步，所述四线制测量电路与所述AD7794模数转换器之间设有依次相连的多路选择器和放大滤波电路。

进一步，所述放大滤波电路包括由电阻R1、R2、R3、R4与差分放大器AD8216构成的第一级放大电路，由电阻R5和电容C1、电阻R7和电容C2构成的二阶RC低通滤波器，由电阻R6、电阻R8、电容C5与差分放大器AD8216构成的第二级放大电路，由精密运放OPA177、电阻R9、电阻R10、电容C3和电容C4构成的二阶有源低通滤波电路。

悬臂梁的制作方法，包括以下步骤：

步骤一，材料准备；选用SOI硅片作为基底，首先对基底进行清洗，然后在基底上标记出一段区、二段区；

步骤二，掺杂硅段区制作；在步骤一标记的二段区注入硼离子，高温快速退火激活硼离子，然后采用光刻与RIE刻蚀方法刻蚀一段区的硅至二氧化硅牺牲层为止，从而得到掺杂硅段区；

步骤三，金属铝段区制作；在掺杂硅段区和二氧化硅牺牲层表面上旋涂光刻胶，然后溅射金属铝，并光刻刻蚀金属铝结构，形成金属铝段区；

步骤四，巨压阻结构制作；利用lift-off剥离工艺，在金属铝段区与掺杂硅段区的结合处得到硅铝异质结，形成巨压阻结构区，并在巨压阻结构区上制作二氧化硅保护层；

步骤五，释放悬臂梁；对掺杂硅段区、巨压阻结构区和金属铝段区两侧的二氧化硅进行光刻刻蚀，并对掺杂硅段区、巨压阻结构区和金属铝段区的边缘制作保护层后，继续刻蚀至衬底硅，然后选用氢氧化钾腐蚀掉掺杂硅段区、巨压阻结构区和金属铝段区下方及两侧的衬底硅，得到悬臂梁。

本发明所达到的有益技术效果：本发明提供一种基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器及悬臂梁制作方法，该传感器的数据采集器采用具有硅铝异质结形成的巨压阻结构的悬臂梁结构，能够在相同应力条件下产生更大的电阻阻值变化，从根本上提高了生化传感器的灵敏度；采用两个相邻共模信号补偿结构，能够保证该生化传感器的每个悬臂梁在复杂外界环境下的测量精度，降低了因个别悬臂梁失灵对测量结果产生的影响；另外，该传感器采用四线制测量方法以及信号的放大、滤波调理电路，可得到较为精准的信号，削弱噪声等外界因素对检测结果的影响，可以达到高精度、稳定测量的效果。

附图说明

图1本发明之数据采集器结构示意图；

图2本发明之四线制测量电路图；

图3本发明之放大滤波电路图；

图4本发明之巨压阻结构的应变系数随掺杂硅段区长度变化曲线图；

图5本发明之悬臂梁制作工艺流程框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1-3所示，本发明提供一种基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，包括数据采集器、四线制测量电路、AD7794模数转换器、MSP430F169单片机和LCD12864液晶显示屏，所述数据采集器将采集到的数据通过四线制测量电路传输给AD7794模数转换器，AD7794模数转换器转换后输出至MSP430F169单片机，由MSP430F169单片机发送至LCD12864液晶显示屏，在LCD12864液晶显示屏上显示；

所述数据采集器包括基底1和依次固定在所述基底上的若干个悬臂梁2，分别为C1，C2……CN，基底1为SOI硅片，若干个所述悬臂梁2串联由同一个恒流源供电，恒流源在提供恒定电流的同时，减少因电源不同造成的测量结果误差，所述相邻两个悬臂梁2的固定端之间通过金属铝材质的连接线4相连；所述悬臂梁2包括依次设置的检测区21、金属铝段区22、巨压阻结构区23、掺杂硅段区24，所述检测区21由金属铝段区22的端部自组装后表面修饰高分子敏感材料或者生物活性分子材料而成，位于悬梁臂2的自由端，所述掺杂硅段区24位于悬臂梁2的固定端，所述巨压阻结构区23为硅铝异质结，所述悬臂梁2的固定端上设有电位测量点。

被测分子掉落在悬臂梁的检测区，形成重量压力后导致悬臂梁弯曲，悬臂梁弯曲进一步导致其表面尤其是根部区域产生较大应力，该应力导致硅铝异质结的巨压阻效应凸显，即该应力调整了硅铝异质结的势垒高度，使电子通过的数量发生巨大变化，从而使电阻发生数量级巨变。相对于传统的悬臂梁传感器，采用由硅铝异质结形成的巨压阻结构的悬臂梁生化传感器在相同应力条件下能够产生更为明显的电阻阻值变化，因而本专利从传感结构上提高了生化传感器的灵敏度。

若干个所述悬臂梁的两侧设有不可动的共模信号补偿结构3，分别为P1，P2……PN，每个悬臂梁均可利用与之相邻的两个共模信号补偿结构消除噪声，且相邻两个悬臂梁共用一个共模信号补偿结构3，采用共模信号补偿结构，使得本发明能够根据外界环境的不同，提供温度、湿度等共模信号补偿。所述共模信号补偿结构3与所述悬臂梁2的尺寸和组成材料相同。所述共模信号补偿结构3与所述悬臂梁2串联由同一恒流源供电，恒流源正负极接入端分别为I₊，I_-，所述共模信号补偿结构3与所述悬臂梁2之间通过金属铝材质的连接线4相连。

每个悬臂梁2和共模信号补偿结构3均采用四线制测量电路进行电压测量，以消除传统二线制测量中存在的寄生压降，提高测量结果的精确度，四线制测量电路电位检测点分别为 每个悬臂梁的测量结果，如C1的电压测量结果按照公式计算得到，最终的测量结果为若干个悬臂梁测量结果的平均值，按照公式计算得到。用户可根据实际情况选择悬臂梁的个数，即使当个别悬臂梁测量出现误差时，通过多个悬臂梁阵列测量求平均值，也可以使得最终测量误差大幅减小。

所述四线制测量电路与所述AD7794模数转换器之间设有依次相连的多路选择器和放大滤波电路。所述放大滤波电路能有效的抑制共模干扰引入的误差，提高信噪比和系统的精度，具有较高的增益及较宽的增益调节范围，具体包括由电阻R1、R2、R3、R4与差分放大器AD8216构成的第一级放大电路，由电阻R5和电容C1、电阻R7和电容C2构成的二阶RC低通滤波器，由电阻R6、电阻R8、电容C5与差分放大器AD8216构成的第二级放大电路，由精密运放OPA177、电阻R9、电阻R10、电容C3和电容C4构成的二阶有源低通滤波电路。二阶低通滤波器用来去除高频噪声，降低总噪声电压，检测有用信号。

试验表明，悬臂梁的尺寸极大地影响了巨压阻结构的压阻与应变系数，因此，所述金属铝段区的宽度为70-100μm、长度为35-60μm，所述掺杂硅段区的宽度为70-100μm、长度为6μm。图4为巨压阻结构的应变系数随掺杂硅段区长度变化曲线图。

悬臂梁的制作方法流程如图5所示，包括以下步骤：

步骤一，材料准备；选用SOI硅片作为基底，首先对基底进行清洗，然后在基底上标记出一段区、二段区；

步骤二，掺杂硅段区制作；在步骤一标记的二段区注入硼离子，高温快速退火激活硼离子，然后采用光刻与RIE刻蚀方法刻蚀一段区的硅至二氧化硅牺牲层为止，从而得到掺杂硅段区；

步骤三，金属铝段区制作；在掺杂硅段区和二氧化硅牺牲层表面上旋涂光刻胶，然后溅射金属铝，并光刻刻蚀金属铝结构，形成金属铝段区；

步骤四，巨压阻结构制作；利用lift-off剥离工艺，在金属铝段区与掺杂硅段区的结合处得到硅铝异质结，形成巨压阻结构区，并在巨压阻结构区上制作二氧化硅保护层；

步骤五，释放悬臂梁；对掺杂硅段区、巨压阻结构区和金属铝段区两侧的二氧化硅进行光刻刻蚀，并对掺杂硅段区、巨压阻结构区和金属铝段区的边缘制作保护层后，继续刻蚀至衬底硅，然后选用氢氧化钾腐蚀掉掺杂硅段区、巨压阻结构区和金属铝段区下方及两侧的衬底硅，得到悬臂梁。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，其特征在于：包括数据采集器、四线制测量电路、AD7794模数转换器、MSP430F169单片机和LCD12864液晶显示屏，所述数据采集器将采集到的数据通过四线制测量电路传输给AD7794模数转换器，AD7794模数转换器转换后输出至MSP430F169单片机，由MSP430F169单片机发送至LCD12864液晶显示屏，在LCD12864液晶显示屏上显示；

所述数据采集器包括基底和依次固定在所述基底上的若干个悬臂梁，若干个所述悬臂梁串联由同一个恒流源供电，所述相邻两个悬臂梁的固定端之间通过金属铝材质的连接线相连；所述悬臂梁包括依次设置的检测区、金属铝段区、巨压阻结构区、掺杂硅段区，所述检测区由金属铝段区的端部自组装后表面修饰高分子敏感材料或者生物活性分子材料而成，位于悬梁臂的自由端，所述掺杂硅段区位于悬臂梁的固定端，所述巨压阻结构区为硅铝异质结，所述悬臂梁的固定端上设有电位测量点。

2.根据权利要求1所述的基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，其特征在于：所述悬臂梁的两侧均设有共模信号补偿结构，每个悬臂梁利用与之相邻的两个共模信号补偿结构消除噪声，且相邻两个悬臂梁共用一个共模信号补偿结构。

3.根据权利要求2所述的基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，其特征在于：所述共模信号补偿结构与所述悬臂梁的尺寸和组成材料相同。

4.根据权利要求2所述的基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，其特征在于：所述共模信号补偿结构与所述悬臂梁串联由同一恒流源供电，所述共模信号补偿结构与所述悬臂梁之间通过金属铝材质的连接线相连。

5.根据权利要求1所述的基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，其特征在于：所述金属铝段区的宽度为70-100µm、长度为35-60µm，所述掺杂硅段区的宽度为70-100µm、长度为6µm。

6.根据权利要求1所述的基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，其特征在于：所述基底为SOI硅片。

7.根据权利要求1所述的基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，其特征在于：所述四线制测量电路与所述AD7794模数转换器之间设有依次相连的多路选择器和放大滤波电路。

8.根据权利要求7所述的基于巨压阻结构的悬臂梁生化传感器，其特征在于：所述放大滤波电路包括由电阻R1、R2、R3、R4与差分放大器AD8216构成的第一级放大电路，由电阻R5和电容C1、电阻R7和电容C2构成的二阶RC低通滤波器，由电阻R6、电阻R8、电容C5与差分放大器AD8216构成的第二级放大电路，由精密运放器OPA177、电阻R9、电阻R10、电容C3和电容C4构成的二阶有源低通滤波电路。

9.悬臂梁的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，材料准备；选用SOI硅片作为基底，首先对基底进行清洗，然后在基底上标记出一段区、二段区；

步骤二，掺杂硅段区制作；在步骤一标记的二段区注入硼离子，高温快速退火激活硼离子，然后采用光刻与RIE刻蚀方法刻蚀一段区的硅至二氧化硅牺牲层为止，从而得到掺杂硅段区；

步骤三，金属铝段区制作；在掺杂硅段区和二氧化硅牺牲层表面上旋涂光刻胶，然后溅射金属铝，并光刻刻蚀金属铝结构，形成金属铝段区；

步骤四，巨压阻结构制作；利用lift-off剥离工艺，在金属铝段区与掺杂硅段区的结合处得到硅铝异质结，形成巨压阻结构区，并在巨压阻结构区上制作二氧化硅保护层；

步骤五，释放悬臂梁；对掺杂硅段区、巨压阻结构区和金属铝段区两侧的二氧化硅进行光刻刻蚀，并对掺杂硅段区、巨压阻结构区和金属铝段区的边缘制作保护层后，继续刻蚀至衬底硅，然后选用氢氧化钾腐蚀掉掺杂硅段区、巨压阻结构区和金属铝段区下方及两侧的衬底硅，得到悬臂梁。