CN107831202A - 一种具有遮光封装结构的传感器芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及生命科学半导体芯片的技术领域，更具体地，涉及一种具有遮光封装结构的传感器芯片及其制备方法。本发明集成了传感器、参比电极及具有微小孔径，利用虹吸现象引流的遮光封装结构。器件芯片能探测液体生物信号，操作方便，遮光封装避免半导体传感器由于光照产生光生载流子对器件产生干扰信号。本发明具有尺寸小、测试精度高、稳定性好、损耗低、重复性好等特点，能对需要稳定测量的环境进行离子及生物分子的测量，排除光照及外界干扰对器件和样品产生的影响。
Description
技术领域
本发明涉及生命科学半导体芯片的技术领域，更具体地，涉及一种具有遮光封装结构的传感器芯片及其制备方法。
背景技术
近年来，传感器在生物医学、生命科学等领域深受重视。传感器的概念最先由Clark 等人于1962 年提出。1967 年，Updike 和HIcks 根据Clark 的设想，设计和制作了第一个酶电极(传感器)一一葡萄糖电极。生物体内除了酶以外，还有其他许多其他具有类似识别作用的物质，例如，抗体、抗原、激素等，若把类似的有识别作用的物质固定在膜上也能作传感器的敏感元件。人们把这类用固定化的生物体成分：抗原、抗体、激素作为敏感元件的传感器称为传感器或简称生物传感器。在最初的几年时间内、传感器主要以研制酶电极等电化学生物传感器为主。进入80 年代后，由于生命医学、生命科学等得到人类极大重视，传感器的研究和开发呈现出突飞猛进的局面。
为了检测特定离子、生物分子的浓度，在离子敏场效应晶体管（ISFET）的基础上，将 ISFET 的传感区域覆盖敏感膜，即进行表面功能划修饰及表征。传感器的工作机理是利用表面处理技术使其敏感膜能够吸附特定的物质。这些物质改变了表面的电压降，从而改变沟道电阻，通过外电路检测沟道电阻的变化从而间接得到溶液中物质的浓度。
目前，传感器工作时需外置玻璃参比电极，这种电极制备工艺复杂，价格高，易碎，体积大且无法集成。由半导体制成的传感器受光照影响，产生光生载流子，光照的不稳定性导致测试过程中产生极大的噪声，并且溶液易受外界影响，器件稳定性差，无法实现非实验环境的稳定精确测量。
发明内容
本发明为克服上述现有技术所述的至少一种缺陷，提供一种具有遮光封装结构的传感器芯片及其制备方法，器件芯片能探测液体生物信号，操作方便，遮光封装避免半导体传感器由于光照产生光生载流子对器件产生干扰信号。该芯片具有尺寸小、测试精度高、稳定性好、损耗低、重复性好等特点，能对需要稳定测量的环境进行离子及生物分子的测量，排除光照及外界干扰对器件产生的影响。
本发明的技术方案是：一种具有遮光封装结构的传感器芯片，其中，由下往上依次包括衬底、成核层、应力缓冲层、GaN层、AlGaN层、敏感材料层，不透光封装绝缘材料及通过特殊溶液腐蚀沉积在封装绝缘层中的可溶性材料而形成的溶液进出口及溶液接触区；所述至少GaN层以上形成凸台，GaN层和AlGaN层形成在凸台上，所述AlGaN层上形成有源电极金属和漏电极金属，所述凸台下形成参比电极，所述源电极金属和漏电极金属之间的传感区域形成敏感材料层；所述溶液接触区覆盖部分参比电极及所有传感区域；凸台以下设有长引线及多个Pad，所述源电极金属、漏电极金属、参比电极皆与对应的Pad区域电连接。
所述的凸台下设有参比电极，参比电极材料可为惰性金属电极、不溶性盐电极，微型化传统参比电极等，且其与对应的Pad区域电连接。
所述源电极金属、漏电极金属通过金属长引线与Pad区域形成电连接，所述参比电极与Pad区域直接接触形成电连接。
所述的源电极金属和漏电极金属之间形成的敏感材料层，通过改变修饰及表征方式可得到不同的敏感材料层，得到对不同的离子和生物分子进行检测。
所述的不透光封装绝缘材料覆盖传感器的所有区域，并包括悬于含有敏感材料层及部分参比电极的溶液接触区，通过封装材料遮挡对器件的光照，避免光生载流子的产生以及外界对溶液的干扰，所述的不透光封装绝缘材料包括但不限于有机树脂。
所述的溶液接触区仅在器件两端开口，形成溶液进出口，两开口尺寸大小不一且尺寸微小，以使溶液因存在压力差而易流出，并且由于其尺寸微小而不具透光能力。
所述的溶液进出口，可通过其微小的尺寸，利用虹吸现象，将溶液引入溶液接触区。
具有遮光封装结构的传感器芯片的制备方法，其中：包括以下步骤：
S1. 在衬底上依次生长成核层、应力缓冲层、GaN层、AlGaN层，制备出传感器的外延结构；
S2. 选择性刻蚀AlGaN层及一定厚度的GaN层、应力缓冲层、成核层；
S3. 分别蒸镀源电极金属、漏电极金属；
S4. 蒸镀长引线及Pad区域；
S5. 制作参比电极；
S6. 在传感区域沉积厚金属或者可溶于特殊性溶液的材料，金属及可溶性材料的形状及厚度根据孔径要求改变；
S7.涂覆绝缘遮光封装材料，并使用特殊腐蚀液腐蚀厚金属或者可溶性材料，形成溶液接触区并连通部分参比电极；
S8. 对传感器传感区域进行表面功能化修饰及表征,形成敏感材料层；
通过上述S1至S8步骤制成具有遮光封装结构的传感器芯片。
所述源电极金属、漏电极金属通过金属长引线与Pad区域形成电连接，所述参比电极与Pad区域直接接触形成电连接。
该芯片可植入生物体内、对生物组织的损伤较小，避光封装，减小光照对器件性能的影响，封闭式封装，减少溶液受外界的干扰，可对各类离子、小型生物分子进行精确的测量。
所述的S2中涉及刻蚀方法为干法刻蚀，刻蚀气体环境为Cl2、BCl3的任一种或组合；
所述的S6中涉及的沉积厚金属的方法包含旋涂、电镀、等离子气相沉积、原子层沉积法、物理气相沉积法或磁控溅射法的任一种或组合。
所述的S7中涉及的涂覆绝缘遮光封装材料的方法包含旋涂、电镀、等离子气相沉积、原子层沉积法、物理气相沉积法或磁控溅射法的任一种或组合。
与现有技术相比，有益效果是：本发明集成了传感器、参比电极及具有微小孔径，利用虹吸现象引流的遮光封装结构，芯片能探测液体生物信号，操作方便。本发明具有尺寸小、测试精度高、稳定性好、损耗低、重复性好等特点，封闭式封装结构使得能对需要稳定测量的环境进行离子及生物分子的测量，排除光照及外界干扰对器件产生的影响。
附图说明
图1为实施例1立体结构示意图。
图2为实施例1传感器部分剖面结构示意图。
图3为实施例1封装结构与探测器拆分透视示意图。
图4-9为实施例1对应制作步骤S3-S8立体示意图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。附图中描述位置关系仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
实施例1
如图1~9所示一种具有遮光封装结构的传感器芯片，其中，由下往上依次包括衬底1、成核层2、应力缓冲层3、GaN层4、AlGaN层5、敏感材料层6，不透光封装绝缘材料7及通过特殊溶液腐蚀沉积在封装绝缘层中的可溶性材料而形成的溶液进出口8及溶液接触区9。所述至少GaN层6以上形成凸台，GaN层和AlGaN层形成在凸台上，所述AlGaN层上形成有源电极金属10和漏电极金属11，所述凸台下形成参比电极12，所述源电极金属和漏电极金属之间的传感区域形成敏感材料层；所述溶液接触区覆盖部分参比电极及所有传感区域。凸台以下设有长引线13及多个Pad14，所述源电极金属、漏电极金属、参比电极皆与对应的Pad区域电连接。
实施例2
本实施例与实施例1类似，区别在于，传感器源漏电极之间没有沉积的生物分子膜或离子敏感，即没有进行该区域的表面功能化修饰及表征。该芯片源漏电极之间即为传感区域可进行溶液pH测量。
实施例3
本实施例与实施例1类似，区别在于，把实施例1中的器件用于固定溶液环境中，测试外部参比电极的稳定性与噪声。设定外部参比电极电压，设定源漏之间电压，测量源漏之间电流随时间的变化，评估外置参比电极的稳定性。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种具有遮光封装结构的传感器芯片，其特征在于，由下往上依次包括衬底（1）、成核层（2）、应力缓冲层（3）、GaN层（4）、AlGaN层（5）、敏感材料层（6），不透光封装绝缘材料（7）及通过特殊溶液腐蚀沉积在封装绝缘层中的可溶性材料而形成的溶液进出口（8）及溶液接触区（9）；所述至少GaN层（6）以上形成凸台，GaN层和AlGaN层形成在凸台上，所述AlGaN层上形成有源电极金属（10）和漏电极金属（11），所述凸台下形成参比电极（12），所述源电极金属和漏电极金属之间的传感区域形成敏感材料层；所述溶液接触区覆盖部分参比电极及所有传感区域；凸台以下设有长引线（13）及多个Pad(14)，所述源电极金属、漏电极金属、参比电极皆与对应的Pad区域电连接。
2.根据权利要求1所述的一种具有遮光封装结构的传感器芯片，其特征在于：所述的凸台以下设有参比电极（12），参比电极材料可为惰性金属电极、不溶性盐电极，微型化传统参比电极等，且其与对应的Pad区域电连接。
3.根据权利要求1所述的一种具有遮光封装结构的传感器芯片，其特征在于：所述的源电极金属（10）和漏电极金属（11）之间形成的敏感材料层（6），通过改变修饰及表征方式可得到不同的敏感材料层，得到对不同的离子和生物分子进行检测。
4.根据权利要求1所述的一种具有遮光封装结构的传感器芯片，其特征在于：所述的不透光封装绝缘材料（7）覆盖传感器的所有区域，并包括悬于含有敏感材料层（6）及部分参比电极（12）的溶液接触区（9），通过封装材料遮挡对器件的光照，避免光生载流子的产生以及外界对溶液的干扰，所述的不透光封装绝缘材料包括但不限于有机树脂。
5.根据权利要求1所述的一种具有遮光封装结构的传感器芯片，其特征在于：所述的溶液接触区（9）仅在器件两端开口，形成溶液进出口（8），两开口尺寸大小不一且尺寸微小，以使溶液因存在压力差而易流出，并且由于其尺寸微小而不具透光能力。
6.根据权利要求1所述的一种具有遮光封装结构的传感器芯片，其特征在于：所述的溶液进出口（8），可通过其微小的尺寸，利用虹吸现象，将溶液引入溶液接触区（9）。
7.权利要求1所述的具有遮光封装结构的传感器芯片的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1. 在衬底（1）上依次生长成核层（2）、应力缓冲层（3）、GaN层（4）、AlGaN层（5），制备出传感器的外延结构；
S2. 选择性刻蚀AlGaN层（5）及一定厚度的GaN层（4）、应力缓冲层（3）、成核层（2）；
S3. 分别蒸镀源电极金属（10）、漏电极金属（11）；
S4. 蒸镀长引线（13）及Pad区域(14)；
S5. 制作参比电极(12)；
S6. 在传感区域沉积厚金属或者可溶于特殊性溶液的材料，金属及可溶性材料的形状及厚度根据孔径要求改变；
S7.涂覆绝缘遮光封装材料(7)，并使用特殊腐蚀液腐蚀厚金属或者可溶性材料，形成溶液接触区（9）并连通部分参比电极(12)；
S8. 对传感器传感区域进行表面功能化修饰及表征,形成敏感材料层（6）；
通过上述S1至S8步骤制成具有遮光封装结构的传感器芯片。
8.根据权利要求7所述的具有遮光封装结构的传感器芯片的制备方法，其特征在于：所述源电极金属（10）、漏电极金属（11）通过金属长引线（13）与Pad区域（14）形成电连接，所述参比电极（12）与Pad区域（14）直接接触形成电连接。
9.根据权利要求7所述的具有遮光封装结构的传感器芯片的制备方法，其特征在于：该芯片可植入生物体内、对生物组织的损伤较小，避光封装，减小光照对器件性能的影响，封闭式封装，减少溶液受外界的干扰，可对各类离子、小型生物分子进行精确的测量。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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