CN107210319B - 大规模低成本纳米传感器、纳米针和纳米泵阵列 - Google Patents

Abstract

纳米级探针包括基底和纳米级线对，每个纳米级线具有设置在基底上的第一端和第二端。每个纳米级线的第二端彼此接触，使得该纳米级线对形成在基底上方延伸的桥。纳米级线可以电连接到存在于基底上的电极。电极又连接到在其上定位有探针的基底中形成的诸如读出装置或微处理器的有源电子装置。以这种方式，可以确定纳米级线的属性，从而确定细胞的属性。

Description

大规模低成本纳米传感器、纳米针和纳米泵阵列

背景技术

纳米电子传感器和其它装置由于因为其小的尺寸、大的表面积与体积比、和各种各样的材料属性的非常高的测试和定位灵敏度和精度，因此提供了询问生物系统的巨大潜力。这样的装置提供了可以与组织、细胞、单细胞甚至单分子结合的小型且可伸缩的探针。为此目的开发的一种类型的探针采用可直接插入细胞中以确定细胞的属性(例如电属性)的纳米级线或管。在某些情况下，仅将纳米级线的尖端插入细胞中；该尖端可能相对于细胞的大小非常小，允许精确研究。此外，由于其非常小的大小(通常尺寸上小于200nm)，探针的机械插入不一定对被询问的细胞膜或其它生物系统造成明显的损害，因此实现对活细胞样品的精确研究，其甚至包括实时监控活细胞。探针材料和属性的大量选择使纳米线装置能够被用作化学传感器、光检测器、压力传感器、神经元探针等。

发明内容

一方面，提供纳米级探针，其包括基底和纳米级线对，每个纳米级线具有设置在基底上的第一端、和第二端。每个纳米级线的第二端彼此接触，使得该纳米级线对形成在基底上方延伸的桥。

纳米级线可以电连接到存在于基底上的电极。电极又连接到形成在探针所在的基底中的诸如读出装置或微处理器的有源电子装置。以这种方式，可以确定纳米级线的属性，从而确定细胞的属性。例如，微处理器也可以用于以各种方式，例如通过开启和关闭探针，来控制探针。也可以用于研究除细胞以外的样品的这样的探针也可以包括纳米管而不是纳米线。纳米管可以被用作递送系统，以将化学品(例如药物)或电脉冲递送到例如细胞。探针作为传感器和递送系统的使用可以同时或在不同的时间发生。

另一方面，提供了形成纳米级探针的方法。根据该方法，在基底上形成介电层，并在基底上涂覆光致抗蚀剂掩模。在介电层上执行各向同性蚀刻，使得介电层的剩余部分限定位于光致抗蚀剂掩模下方的锥形支撑结构。去除光致抗蚀剂掩模，并且在锥形支撑结构上施加荫罩。荫罩具有至少第一纳米级孔对，该第一纳米级孔对相对于锥形支撑结构对准，使得通过每个纳米级孔沉积的材料在锥形支撑结构的不同表面上形成纳米级线。材料通过纳米级孔沉积以形成第一纳米级线对。

在另一方面，提供纳米级针或泵，其包括基底和设置在基底上的介电层。导电纳米管具有设置在介电层上的基部和设置在导电纳米管远离基部的端的开口，使得开口适于与样品流体连通。疏水涂层设置在导电纳米管的外表面上。电极设置在介电层上并与导电纳米管间隔开。

在另一方面，提供了一种使用纳米管从样品中提取流体的方法。根据该方法，将纳米管插入到样品中。纳米管具有导电侧壁和设置在导电侧壁上的疏水涂层，使得纳米管的开口与样品的内部流体连通。在插入纳米管之后，在导电侧壁和对电极(counter-electrode)之间施加偏置，使得流体至少部分地根据电润湿效应通过开口被吸入到纳米管的内部。当继续施加偏置时，在流体被吸入到内部之后，从样品中抽出纳米管。然后去除偏置，从而从纳米管的内部排出流体。

附图说明

图1示出了传感器阵列的一个示例的俯视图。

图2和图3示出了分别沿图1中的线2-2和3-3截取的图1的传感器阵列的侧视图。

图4是示出可以形成在单个基底或晶片上的单独的传感器的阵列的透视图。

图5a-5l示出了可用于制造图1-4所示的传感器阵列的工艺步骤的序列的一个示例。

图6示出了可以在图5的工艺中使用的荫罩的一个示例的俯视图。

图7示出了通过荫罩的一个示例的横截面。

图8示出了荫罩的替选示例的侧视图。

图9a示出了可用于使用光刻或电子束光刻方法制造传感器的纳米线的替选工艺，且图9b和9c示出了使用电子束光刻制造的Ti/Au双层纳米线的SEM图像。

图10示出了其中纳米线各自包括三个不同材料层的传感器的一个示例。

图11a示出了包括作为尖端的最上层的半导体传感器和半导体传感器下方的绝缘层的纳米结构桥的尖端的一个示例。

图11b示出了包括金属纳米温度计作为尖端的最上层、随后是绝缘体层和用作金属纳米加热器的层的纳米结构桥的尖端的另一示例。

图12示出了传感器的一个示例，其中纳米线经历进一步工艺以形成可用于从细胞或其它样品去除流体和/或将流体递送到细胞或其它样品的纳米管。

图13示出了其中纳米管结合到允许纳米管与一个或多个微流体泵连通的控制级的传感器的一个示例。

图14示出了纳米针的一个示例的侧视图。

图15和16的每个示出了图14的纳米针的横截面图，其中纳米管的内部是可见的。

图17-21示出了其中使用图14-16所示的纳米针从细胞提取流体的工艺步骤的序列。

图22是图14-16所示的纳米针的阵列的俯视图，其可以被形成在单个基底或晶片155上。

图23示出了其内部完全中空的纳米针的一个实施例的横截面视图。

具体实施方式

图1示出了传感器阵列100的一个示例的俯视图。图2和图3示出了分别沿着图1中的线2-2和3-3截取的传感器阵列100的正交的侧视图。在该示例中，在公共的基底或晶片106上形成两个传感器102和104。更一般地，可以在公共的基底上形成任何数量的传感器。例如，基底106可以是Si、CMOS或聚合物基底，并且可以包含测量电子器件(例如微处理器等)以用于控制传感器和用于从传感器接收数据。

如本文所使用的，术语“晶片”和“基底”的每个指的是独立式自支撑结构，并且不应被解释为形成在独立式自支撑结构上的薄膜层。

每个传感器102和104包括电极焊盘对110和纳米线桥112，其具有各自终止在电极焊盘110中的一个上的端部。可以由一种或多种金属、掺杂半导体或其它导电材料形成的电极焊盘110建立在纳米线桥112和形成在基底106中的有源装置的底层电路之间的连通。

纳米线桥112包括可由金属、半导体、绝缘体或其任何组合形成的纳米级线(在本文中称为“纳米线”)对114。在一些方面，纳米线114用于确定纳米级线中和/或周围的环境的属性，例如化学属性、电属性、物理属性、生物学属性等。这样的确定可以是定性和/或定量的。例如，在一组实施例中，纳米线114可以对诸如电压或电势的电属性敏感。可以确定的电属性的其它示例包括电阻、电阻率、电导、电导率、阻抗等。在一些实施例中，纳米线114可以是光电活性的，使得它们对光的强度和/或光谱组成的环境变化敏感。在一些实施例中，纳米线114可以是化学或电化学活性的，使得它们对电荷相关的化学反应的环境变化敏感。

虽然图3所示的纳米线桥112被配置为三角拱形，更一般地，它可以具有任何期望的形状。例如，在各种实施例中，纳米线桥112可以配置为但不限于罗马拱、钟拱、圆拱、柳叶刀(哥特式)拱或双弯曲线(Ogee)拱。

通常，纳米级线是沿其长度在任何点处具有小于1微米、小于约500nm、小于约200nm、小于约150nm、小于约100nm、小于约70、小于约50nm、小于约20nm、小于约10nm、小于约5nm、小于约2nm、或小于约1nm的至少一个横截面尺寸(并且在一些实施例中，两个正交的横截面尺寸(例如，直径))的线。在纳米管的情况下，壳可以具有任何合适的厚度，例如小于约500nm、小于约200nm、小于约150nm、小于约100nm、小于约70、小于约50nm、小于约20nm、小于约10nm、小于约5nm、小于约2nm或小于约1nm。

在一些特定示例中，本文所述的传感器102和104可以具有以下尺寸范围。纳米线桥112可以具有在0.1-5微米或5-100微米范围内变化的高度。每个传感器的电极焊盘110之间的距离可以在50-500nm或500-20,000nm的范围内变化。可以具有任何合适形状(例如，正方形、圆形)的电极焊盘110的直径可以在10-5000nm或在500-100,000nm的范围内变化。

图4是示出可以在单个基底或晶片上形成的单独的传感器的阵列的透视图。在该示例中，传感器形成为沿y方向延伸的列和沿x方向延伸的行的阵列。然而，更一般地，单独的传感器可以以任何期望的布置分布在基底上。使用有源电子装置的底层电路，传感器可以是独立地选择性可寻址的。

图5a-5i示出可被用于制造图1-4所示的传感器阵列100的工艺步骤的序列的一个示例。为了简单起见，仅示出了单个传感器。然而，更一般地，该工艺可以用于同时形成诸如图4所示的传感器阵列。此外，可以根据应用而变化各种细节(例如步骤的具体顺序和所使用的掩模的类型)，并且不限于图5所示的具体示例。例如，在其中在公共的基底或晶片上形成不同类型的传感器的那些实现方式中，可以以不同的顺序使用不同类型的掩模，以产生不同的传感器。

图5a示出了具有嵌入式有源装置和电极焊盘对110的Si或CMOS基底106。可以根据任何合适的技术制造基底106和焊盘110。介电层120(例如，SiO₂、多晶硅、光致抗蚀剂)形成在基底106上。介电层120具有对应于待形成的纳米线桥的期望高度的厚度。如图5b所示，在介电层120上形成光致抗蚀剂掩模122。可以根据常规技术制造的掩模122如图所示在焊盘110上方延伸。接下来，如图5c所示，执行例如使用缓冲氧化物蚀刻(BOE)的各向同性的湿蚀刻以去除介电层120的部分。由于蚀刻是各向同性的，因此在水平和垂直方向两者上以相同的速率蚀刻，蚀刻后的介电层的剩余部分是锥形支撑结构124，锥形结构的顶点以掩模122为中心。如图5c所示，锥形支撑结构124的基部在两个电极焊盘110上方延伸。在蚀刻之后，在图5d中去除掩模122。

如图5e所示，荫罩130放置在基底106上。如图6所示的荫罩130的顶视图所示，荫罩130包括孔135，通过该孔135沉积材料以制造锥形支撑结构124上的纳米线桥。每个孔135限定纳米线桥的纳米级线。图6中的荫罩130包括三对孔，用于产生三个纳米线桥。孔135的长度与电极焊盘110之间的间距相匹配。在一个实施例中，荫罩130包括薄的介电层134(例如SiO₂)和提供机械强度的较厚的处理层130(例如，诸如PET的聚合物)。在荫罩130正确地对准在基底106上之后，可以例如使用诸如反应离子蚀刻的蚀刻工艺，在图5f中去除处理层132。

然后在图5g中使用沉积工艺128(例如，蒸发)以沉积形成纳米结构桥112的纳米线114的材料。如果所得纳米线包含单一材料，则可以在单个工艺步骤中形成沉积工艺。或者，如果纳米线是异质结构，则可以执行多个沉积步骤。图5h示出了在沉积之后在锥形支撑结构124上形成的纳米线114。最后，在图5i中执行另一蚀刻工艺，以去除荫罩130的介电层134和在纳米结构桥112下面的锥形支撑结构124。

在上述工艺步骤的序列中，构成单个纳米结构桥112的两个纳米线114可以由相同的材料或多种材料形成。然而，在其它实施例中，每个纳米线114可以包括不同的材料或多种材料。这可以通过例如使用处理步骤5j-5l的序列代替图5g-5i所示的处理步骤的序列来实现。在图5j中，基底106和荫罩130相对于蒸发材料源倾斜，并执行两个不同的蒸发工艺140和142，每个形成图5k中所示的纳米线114和114'之一。类似于图5i所示的步骤，在图5l中，执行另一蚀刻工艺。以去除荫罩130的介电层134和纳米结构桥112下面的锥形支撑结构124。通过从两个不同的纳米线形成纳米结构桥112，可以形成例如p/n二极管和热电偶的装置。

如前所述，荫罩130可以包括其上形成介电层134的聚合物处理层132(参见图7)。荫罩130的总体覆盖区(footprint)可以与其上形成有传感器的基底或晶片106的覆盖区相同。在一些特定实施例中，可以使用诸如激光干涉图案化(LIP)、电子束光刻(EBL)或纳米压印光刻(NIL)的技术对荫罩130中的孔进行图案化。然后可以使用反应离子蚀刻或湿蚀刻从图案形成孔，例如以限定具有宽度为在一些示例中在10-1000nm之间、更特别地在200-300nm之间的纳米级线。

在图8所示的一个替选实施例中，荫罩130可以是由支撑框架163上的薄的膜161形成的掩模。薄的膜161可以是电介质或金属材料，诸如但不限于SiNx、Si和SiO2。支撑框架163提供用于处理的机械强度，其允许该掩模被多次使用，在每次使用后通常采用清洁工艺。清洁工艺可以包括高度选择性蚀刻以去除沉积的材料，同时保持薄的膜完好无损。

在一个替选实施例中，也可以使用如图9a所示的标准光刻或电子束光刻方法制造纳米线114，其中光致抗蚀剂层133被涂覆在锥形支撑结构上。可以使用光或电子束曝光工艺，随后是光致抗蚀剂的显影，以在涂覆光致抗蚀剂的基底上生成图案。在沉积和剥离工艺之后，在锥形支撑结构124上建立纳米线114。在选择性去除锥形支撑结构124之后，可以获得独立式纳米线114阵列。图9b和9c示出了使用电子束光刻法使用PMMA作为光致抗蚀剂且在去除SiO₂锥形支撑结构124之后制造的Ti/Au双层纳米线的SEM图像。

如前所述，纳米线114可以是由多个材料层形成的异质结构。纳米线114的层可以彼此区分开来，具有最小的交叉污染，或者纳米线114的组成可以从一个层到下一个层逐渐变化。图10示出了传感器的一个示例，其中纳米线114各自包括以通过荫罩130的顺序蒸发步骤形成的三个不同材料层115、116和117。相似地，图11a和11b示出了在图11a中包括半导体传感器121作为尖端118的最上层和在半导体传感器下方的绝缘层123的纳米结构桥112的尖端118。图11b中的尖端118包括作为尖端118的最上层的金属纳米温度计125，随后下面是绝缘体层127和用作金属纳米加热器的层129。

通常，纳米线114可以各自由各种各样不同的材料组合形成，其以不同的顺序沉积以形成分层的纳米线，其可以包括但不限于以下任何示例性层的序列：金属-半导体、半导体-金属、金属-金属、半导体-半导体、金属-绝缘体-半导体、金属-绝缘体-金属、金属-半导体-金属、半导体-绝缘体-半导体、和半导体-绝缘体-金属。由异质结构形成的纳米线可以包括宽范围的不同异质结，包括例如p/n结、p/p结、n/n结、p/i结(其中i指本征半导体)、n/i结、i/i结等。在一些实施例中，该结也可以是肖特基(Schottky)结。

在荫罩130中采用的介电层134和形成其上沉积有纳米线114的锥形支撑结构124的介电层120可以由或可以不由相同的材料形成。如果它们由不同的材料形成，则可以在图5i中使用蚀刻工艺，其除去荫罩的介电层134，而不去除锥形支撑结构124。当锥形支撑结构124将保留在最终装置中以提供更大的机械强度时，这可能是有利的。此外，如果介电层134和120由相同的材料形成，则图5i所示的去除它们的蚀刻工艺可以是气相各向同性化学蚀刻或湿化学蚀刻工艺。如果采用湿化学蚀刻，则可以使用临界点干燥工艺等来防止纳米线桥结构由于液体蒸发而塌陷。

在一些实施例中，限定纳米线桥112的纳米线114可经历进一步处理以形成纳米管，其可用于将流体从与纳米管相通的细胞或其它样品去除和/或递送至与纳米管相通的细胞或其它样品。这可以例如从图10所示的三层纳米线开始来实现。在第一附加处理步骤中，使用例如EMP或离子研磨来去除尖端的至少前两个顶层116和117。然后，使用化学或其它工艺选择性地去除中间层116(例如Si或金属氧化物)。所得到的纳米管119如图12所示。在如图13所示的一个具体实施例中，纳米管可以被结合到控制级131，控制级131允许纳米管与可以使用微机电系统(MEMS)致动器等的一个或多个微流体泵连通。

在其其它优点中，本文所示的工艺与CMOS制造工艺兼容，使得能够在CMOS芯片上制造大的传感器阵列。此外，与图4所示的对称的传感器阵列相反，对荫罩的不同区域可以使用不同的图案，从而产生分布在其表面的不同部分上的不同传感器配置的阵列。另外，柔性基底的使用可以实现可以用于许多不同的应用中的柔性或适形的传感器阵列的制造。此外，可以通过蚀刻工艺去除支撑基底106，并且3D传感器阵列网络可以被用作细胞簇和组织工程的支架，或者可以被嵌入在软的/柔性的基质(hosting)材料中，其可以在感测和生物工程中找到广泛的应用。

本文所示的装置可以用于各种各样的应用中。例如，它们可以被用作药物筛选的生物传感器，特别是用于现场记录；被用作具有生物/化学温度、压力和/或流量传感器的多功能集成检测系统的神经探针；被用作光电传感器阵列；通过利用黑色涂层和IR滤光材料涂覆温度计探针，被用作IR传感器或IR图像传感器阵列；被用作THz传感器或图像传感器阵列；被用作具有作为陀螺仪传感器的液体栅的浮动栅结构晶体管阵列；被用作具有TFT驱动电路或CMOS读出电路的电子鼻(E-nose)阵列；被用作具有用于陀螺仪传感器的液体栅的TFT；被用作用于存储器或隧道装置的分层MIM装置，以用作电子-神经元接口或脑CNS接口。其它应用包括它们在用于细胞内信号传导的现场干细胞研究、路径分析/监视和修改/控制、脑电图、癌症肿瘤热疗、电子皮肤应用等中的使用。其它应用也可以采用诸如MIM或MUM天线结构的层来执行能量收集。此外，如果通过蚀刻工艺去除支撑基底106，则可以将3D传感器阵列网络用作用于细胞簇和组织工程的支架，或者可以嵌入在软的/柔性的基质材料中，其可以在例如药物开发、生物传感和电子皮肤、脑电图、癌症肿瘤热疗等中找到应用。

根据本发明的另一方面，可以制造单个纳米管以用作纳米针和/或纳米泵，其可以被用于例如执行单细胞活组织检查。如图14所示，纳米针150可以形成在Si CMOS或聚合物基底155上。可以在基底上形成电介质152或其它层，在其上可以形成纳米针150的基部154。如图所示，可将含氟聚合物(例如特氟隆)或其它疏水(例如疏水或超疏水聚合物)涂层涂覆到纳米管的外表面上。涂层可以包括一种或多种薄膜，其可以例如通过气相沉积或溶液化学反应形成。

图15示出纳米针150的横截面视图，其中纳米管的内部是可见的。纳米针150的壁153可以由上述任何可以由其制造纳米线的材料形成。在一个具体实施例中，纳米管壁153可以由诸如金、银、铜或钛的金属形成。纳米管的内部可以部分地填充有合适的材料，例如硅156。纳米管的剩余内部可以被用作贮存器158，可以将流体或其它材料从被询问的细胞或其它样品中抽出到该贮存器中。

在图16中示出了纳米管的各种尺寸参数。在一些实施例中的这些参数的说明性值如下。纳米针150的长度L和直径d分别可以在1,000-50,000nm和50-200nm的范围内变化。纳米针150的开口贮存器158部分的长度I可以在500-50,000nm的范围内变化。纳米针150的基部154的厚度T可以在500-1,000nm的范围内变化。限定纳米针150的壁153的厚度tm可以在50-200nm的范围内变化，并且用作疏水层的外涂层151的厚度为50-100nm。在其它应用(诸如体液测试应用)中，尺寸可以较大。例如，对于这种应用，针150的长度L和直径d可以分别在50,000-1,000,000nm和1,000-250,000nm的范围内变化。

在一些实施例中，可以通过将纳米针与微型阀、微流体通道、MEMS泵和控制电路结合，从纳米针构建纳米泵。

如图17所示，可以在基底155的介电层152上形成对电极157。以这种方式，可以在纳米针150和对电极157之间施加电压。电压可以被用于控制来自纳米针150的流体的进入和喷射。在操作中，纳米针150可以被插入细胞或其它样品中，如图18所示。由于纳米针150的外表面通常是亲水的，所以很少甚至没有流体将进入纳米针150。随后，如图19所示，可以在纳米针150和对电极157之间施加偏置。结果，在形成纳米针150的金属层153上建立正电荷，并且通过电润湿效应以及毛细作用，流体被吸入到纳米针150的贮存器158中。然后可以在偏置继续施加时从细胞取出纳米针150(参见图20)。然后可以从纳米针150去除偏置，导致作为毛细作用和其外表面的疏水属性的结果，流体被从纳米针150排出，如图21所示。

图22是上述类型的纳米针150的阵列的俯视图，其可以形成在单个基底或晶片155上。通过控制在限定纳米泵150的金属壁和对电极157之间的电压，单独的纳米针150可以是独立地电可寻址的。

在一些实现方式中，如图23所示，整个纳米针150可以是中空的，其基部暴露于形成在基底155中的一个或多个通道160。以这种方式，纳米针150可以被用于将诸如化学品、药物、生长因子、基因、蛋白质等的流体递送到细胞或其它样品。纳米针150可以经由通道160连接到微流体泵(未示出)，使得其可以被用作例如用于递送水性和/或油基油墨的纳米喷嘴，或用于应用如3D纳米打印。

在一些实施例中，可以制造大量纳米针150并将其连接到微流体泵，可以独立地控制微流体泵以在时间和空间上决定的方式将流体泵入和泵出细胞膜、皮肤或其它样品，其可以导致药物筛选和开发、药物递送、脑电图、干细胞研究、组织工程和器官发育、生物流体监视等领域的应用。

Claims (10)

1.一种纳米级针，包括：

基底；

被设置在所述基底上的介电层；

导电纳米管，所述导电纳米管具有被设置在所述介电层上的基部和被设置在所述导电纳米管的远离所述基部的一端的开口，使得所述开口适于与样品流体连通；

被设置在所述导电纳米管的外表面上的疏水涂层；以及

被设置在所述介电层上并且与所述导电纳米管隔开的电极。

2.根据权利要求1所述的纳米级针，还包括部分填充所述导电纳米管的内部的材料，使得在所述材料和所述纳米管的所述开口之间的所述内部保留贮存器。

3.根据权利要求2所述的纳米级针，其中，所述材料包括硅。

4.根据权利要求1所述的纳米级针，其中，所述疏水涂层的材料包括含氟聚合物。

5.根据权利要求1所述的纳米级针，其中，所述导电纳米管包括被设置在所述介电层上的多个导电纳米管，通过控制在所述电极和所述导电纳米管中的每个导电纳米管之间的电压，所述导电纳米管中的每个导电纳米管是独立地选择性地可寻址的。

6.根据权利要求1所述的纳米级针，还包括与所述导电纳米管的所述基部流体连通以通过其来输送流体的微流体泵。

7.根据权利要求6所述的纳米级针，其中，所述微流体泵被设置在所述基底中或所述基底上。

8.一种用于使用纳米针从样品中提取流体的方法，包括：

将具有导电侧壁和被设置在所述导电侧壁上的疏水涂层的纳米管插入到样品中，使得所述纳米管的开口与所述样品的内部流体连通；

在插入所述纳米管之后，在所述导电侧壁和对电极之间施加偏置，使得流体根据电润湿效应至少部分地通过所述开口被吸入所述纳米管的内部；

在继续施加所述偏置的同时，在所述流体被吸入所述内部之后，从所述样品中取出所述纳米管；并且

去除所述偏置，从而从所述纳米管的所述内部排出所述流体。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述样品是生物样品。

10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述生物样品是细胞。

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