CN109975327B - 肺癌早期诊断用微波呼吸传感器及其制备方法 - Google Patents

肺癌早期诊断用微波呼吸传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

基于半导体微加工工艺的肺癌早期诊断用微波呼吸传感器及其制备方法，本发明属于微波检测领域，它为了解决现有气敏传感器的灵敏度较低的问题。本发明微波呼吸传感器在基板上依次沉积AAO层和SiO2层，在SiO2层上采用MEMS工艺加工成电路相同的参考用传感器和检测用传感器，沿基板和AAO层厚度方向电镀有导热金属，基板的背面集成有微加热器，气敏材料位于输入微带线和输出微带线与开口谐振环进行电磁能量耦合的间隙处。本发明在室温条件下实现了对甲苯的高灵敏度检测，实现了1ppm级甲苯的检测，灵敏度高达7.44MHz/ppm，该微波呼吸传感器无需高温或者紫外线照射即可工作，具有优异的检测灵敏度和稳定性。

Description

肺癌早期诊断用微波呼吸传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于微波检测领域，具体涉及一种室温条件下检测的纳米材料修饰的微波呼吸传感器及其制备方法，能够实现肺癌标志物挥发性有机物(VOC)的检测。
背景技术
呼吸检测的概念由来已久，在中国传统医学的诊察手段——望、闻、问、切四个方面中，“闻”占有十分重要的位置，有经验的中医可以通过闻患者的呼吸气体来判断病情。随着医学诊断无损化的不断发展，呼吸检测作为无损检测的重要方式之一越来越受到人们的重视。呼吸检测主要是在病理上找到一种或者几种与疾病高度相关的呼吸气体进行成分分析以此来判断病情，是一种无损、无痛、快速、简单、轻便、准确的低成本疾病早期诊断和筛查的方法。
近年来，呼吸诊断作为一种新兴的肺癌早期检测方法相比传统的射线扫描、管镜检查、皮肤穿刺等方案具备无损、简便、快捷的优势，正逐渐成为世界各国研究的热点。其中，基于微波检测技术的呼吸诊断方法精度高、可靠性好、操作简便，制备成本低，具有重要的研究价值和应用潜力。然而，由于呼吸环境复杂且VOC样本量小，检测灵敏度难以达到要求，因此需要从微波检测技术多个层面来提高检测性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有气敏传感器的灵敏度较低的问题，而提供一种基于半导体微加工工艺的肺癌早期诊断用微波呼吸传感器及其制备方法。
本发明基于半导体微加工工艺的肺癌早期诊断用微波呼吸传感器包括气敏材料、微加热器、参考用传感器、检测用传感器、基板、微加热器和封装材料，在基板的正面设置有AAO层，AAO层上设置有SiO2层，SiO2层上采用MEMS工艺加工成参考用传感器和检测用传感器，参考用传感器和检测用传感器分置在左右两侧，参考用传感器和检测用传感器的微波谐振电路相同，微波谐振电路通过封装材料封装；
在微波谐振电路区域内沿基板和AAO层的厚度方向开有热传导通道，在热传导通道内电镀有导热金属，基板的背面集成有微加热器；
其中所述的微波谐振电路包括开口谐振环、输入微带线、输出微带线和气敏材料，气敏材料位于输入微带线和输出微带线与开口谐振环进行电磁能量耦合的间隙处；
其中所述的气敏材料为势垒金属修饰的金属氧化物纳米线。
本发明基于半导体微加工工艺的肺癌早期诊断用微波呼吸传感器的制备方法按下列步骤实现：
一、在基板正面依次沉积AAO层和SiO2层，然后在SiO2层上采用MEMS加工工艺制备参考用传感器和检测用传感器的微波谐振电路，微波谐振电路包括开口谐振环、输入微带线、输出微带线和气敏材料，气敏材料位于输入微带线和输出微带线与开口谐振环进行电磁能量耦合的间隙处，通过封装材料对参考用传感器和检测用传感器进行封装；
二、在基板背面采用深度反应离子刻蚀工艺沿基板和AAO层的厚度方向加工出热传导通道，利用溅射在热传导通道内制备种子金属层，然后采用电镀方法在导热通道内形成导热金属；
三、在基板背面集成铂微加热器，完成肺癌早期诊断用微波呼吸传感器的制备；
其中步骤一中所述的气敏材料为势垒金属修饰的金属氧化物纳米线。
本发明采用微波检测技术应用微波器件作为传感单元，相对于化学电阻检测法提升了检测性能，还可以通过微波器件敏感检测频率的选择和器件的优化进一步提高检测指标，与化学电阻检测法相比具有更加优秀的性能指标。除此之外，微波传感器还具有以下有益效果：第一，微波传感器和待测VOC相互作用导致的复介电常数的变化在常温下即可完成，具有低功耗特性，便于系统集成；第二，不同VOC在特定微波频率下存在最优检测特性，这一特点为微波传感器灵敏度的提升提供了更高的可行性；第三，基于稳态分辨和时间分辨频谱，可以实现多参数分析，有利于获得更多表征传感器特性的微波参数；第四，基于半导体微加工技术实现的微波传感器便于大批量生产，一致性和重复性高，易与其他匹配电路和显示模块实现集成。
本发明制备合成了铂金修饰的SnO2纳米线复合材料，以解决VOC微波肺癌检测技术中灵敏度和可靠性。本发明基于超宽频多模带通滤波器的VOC敏感检测频率与材料的选择、基于金属纳米粒子表面修饰的纳米复合材料以及微波器件均为首次应用于基于微波技术的呼吸检测疾病的研究中。
本发明利用微波传感器方法取代传统的PCB加工方法，首次结合了微流控通道和微加热器设计，利用超高灵敏度微波呼吸传感器，实现了对甲苯气体的低浓度高灵敏度检测。提升了微波传感器可靠性的同时，达到减少器件空间、节省生产成本的效果。
本发明采用的微波检测气体传感器相比于传统的化学电阻法检测传感器，很好的解决了传统传感器功耗高的问题，在保证灵敏度的前提下，有效避免了高温和紫外线照射的工作条件，同时还可引入多参数(散射矩阵S-参数)表征，很好的从多维度参数来反映传感器的性能，提高了检测结果的可靠性。
附图说明
图1为本发明基于半导体微加工工艺的肺癌早期诊断用微波呼吸传感器的结构示意图；
图2为图1中A-A的截面结构示意图；
图3为气敏材料Pt-SnO2纳米线的显微镜图；
图4为本发明基于半导体微加工工艺的肺癌早期诊断用微波呼吸传感器对甲苯气体进行检测的灵敏度测试图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式基于半导体微加工工艺的肺癌早期诊断用微波呼吸传感器包括气敏材料1-4、微加热器3、参考用传感器4-1、检测用传感器4-2、基板7、微加热器3和封装材料8，在基板7的正面设置有AAO层6，AAO层6上设置有SiO2层5，SiO2层5上采用MEMS工艺加工成参考用传感器4-1和检测用传感器4-2，参考用传感器4-1和检测用传感器4-2分置在左右两侧，参考用传感器4-1和检测用传感器4-2的微波谐振电路相同，微波谐振电路通过封装材料8封装；
在微波谐振电路区域内沿基板7和AAO层6的厚度方向开有热传导通道，在热传导通道内电镀有导热金属2，基板7的背面集成有微加热器3；
其中所述的微波谐振电路包括开口谐振环1-1、输入微带线1-2、输出微带线1-3和气敏材料1-4，气敏材料1-4位于输入微带线1-2和输出微带线1-3与开口谐振环1-1进行电磁能量耦合的间隙处；
其中所述的气敏材料1-4为势垒金属修饰的金属氧化物纳米线。
本实施方式微波谐振电路包括开口谐振环1-1、输入微带线1-2、输出微带线1-3和气敏材料1-4，输入微带线1-2和输出微带线1-3沿着基板的宽度方向在一条直线上间隔设置，在输入微带线1-2和输出微带线1-3的一侧设置有开口谐振环1-1，开口谐振环1-1与输入微带线1-2和输出微带线1-3之间留有进行电磁能量耦合的间隙，在间隙处设置有气敏材料1-4。
本实施方式微加热器3带有微加热器电极9。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是封装材料8为PDMS材料(聚二甲基硅氧烷)。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是气敏材料1-4中的势垒金属为金、铂或钯；金属氧化物纳米线为SnO2纳米线、TiO2纳米线、ZnO纳米线、In2O3纳米线、WO3纳米线、Fe2O3纳米线、Ag2O纳米线或La2O3纳米线。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是气敏材料1-4为铂修饰的SnO2纳米线，铂修饰的SnO2纳米线的制备方法如下：
一、将氯化亚锡溶于二甲基甲酰胺和无水乙醇组成的混合溶液中，加入氯铂酸，室温下搅拌至澄清液，再加入聚乙烯吡咯烷酮，室温下搅拌反应得到胶状前驱体；
二、将胶状前驱体灌入注射器中进行静电纺丝，得到静纺纳米材料；
三、静纺纳米材料放入石英舟中，在管式炉中进行煅烧处理，得到铂修饰的SnO2纳米线。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是铂修饰的SnO2纳米线中Pt的掺杂量为4wt％～6wt％。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是微加热器3采用Ti/Pt＝20/150nm作为微加热器金属。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是气敏材料1-4形成的传感区域的两端分别设置有气管10。
具体实施方式八：本实施方式基于半导体微加工工艺的肺癌早期诊断用微波呼吸传感器的制备方法按下列步骤实施：
一、在基板7正面依次沉积AAO层6和SiO2层5，然后在SiO2层5上采用MEMS加工工艺制备参考用传感器4-1和检测用传感器4-2的微波谐振电路，微波谐振电路包括开口谐振环1-1、输入微带线1-2、输出微带线1-3和气敏材料1-4，气敏材料1-4位于输入微带线1-2和输出微带线1-3与开口谐振环1-1进行电磁能量耦合的间隙处，通过封装材料8对参考用传感器4-1和检测用传感器4-2进行封装；
二、在基板背面采用深度反应离子刻蚀工艺沿基板7和AAO层6的厚度方向加工出热传导通道，利用溅射在热传导通道内制备种子金属层，然后采用电镀方法在导热通道内形成导热金属2；
三、在基板背面集成微加热器3，完成肺癌早期诊断用微波呼吸传感器的制备；
其中所述的气敏材料1-4为势垒金属修饰的金属氧化物纳米线。
本实施方式在硅片正面完成PDMS的微流控系统的加工，并通过以下两种方法实现湿气的分离。第一种方法是填充吸附性物质，即在微流控系统的前端通道里填充湿气吸附性物质，如经过修饰处理的硅藻土，利用吸附脱附原理实现湿气分离。第二种方法是通过对微流控系统的通道表面进行疏水性处理将其制成疏水性表面以降低湿度的影响。并最终完成集微加热器、导热通道、微流控系统于一体的集成式微波VOC呼吸传感器的制备。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式八不同的是步骤一中所述的基板为硅晶元基板。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式八或九不同的是步骤二中所述的种子金属层为Ti/Au＝20/80nm层。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式八至十之一不同的是步骤二中所述的导热金属2为Cu/Au＝4.5/0.5μm的金属。
实施例一：本实施例基于半导体微加工工艺的肺癌早期诊断用微波呼吸传感器包括气敏材料1-4、微加热器3、参考用传感器4-1、检测用传感器4-2、基板7、微加热器3和PDMS封装材料8，在基板7的正面设置有AAO层6，AAO层6上设置有SiO2层5，SiO2层5上采用MEMS工艺加工成参考用传感器4-1和检测用传感器4-2，参考用传感器4-1和检测用传感器4-2分置在左右两侧，参考用传感器4-1和检测用传感器4-2的微波谐振电路相同，微波谐振电路通过PDMS封装材料8封装；
在微波谐振电路区域内沿基板7和AAO层6的厚度方向开有热传导通道，在热传导通道内电镀有导热金属2，基板7的背面集成有微加热器3；
其中所述的微波谐振电路包括开口谐振环1-1、输入微带线1-2、输出微带线1-3和气敏材料1-4，气敏材料1-4位于输入微带线1-2和输出微带线1-3与开口谐振环1-1进行电磁能量耦合的间隙处；
其中气敏材料1-4为铂修饰的SnO2纳米线。
本实施例铂金微加热器采用Ti/Pt＝20/150nm作为微加热器金属，在600摄氏度氮气环境下经过1个小时退火处理后，使用Ti/Au＝20/450nm作为贴片金属。
本实施例中的参考用传感器和检测用传感器的微波谐振电路相同，形成气体差分检测系统，从而有效消除温度、湿度、其它气体等噪声信号引起的测量误差，从而提高检测的灵敏度。
图1和图2为本发明基于MEMS平台的癌症检测微波气体传感器的结构示意图。应用半导体微加工技术实现集微加热器、导热通道、微流控系统于一体的集成式微波VOC呼吸传感器。通过实验发现温度变化影响敏感材料的介电弛豫，进而影响其复介电常数的变化，该变化与温度呈非线性关系，因此难以在校准过程中以数学方式估算温度带来的影响。本发明采用半导体微加工方法制备铂金微加热器，使其温度控制高于检测环境温度10摄氏度并保持恒定，本实施例微波呼吸传感器在室温下即可工作，但将工作调至35～40℃，能够消除温度的影响。并且在微流控系统中通过填充吸附性物质、实施表面改性的方法，消除湿度带来的影响，从而进一步提升微波VOC传感器的检测可靠性。
实施例二：本实施例基于半导体微加工工艺的肺癌早期诊断用微波呼吸传感器的制备方法按下列步骤实施：
一、在硅晶元基板正面依次沉积AAO层6和SiO2层5，其中AAO层采用阳极化氧化铝沉积工艺，二氧化硅层采用等离子增强型气相沉积的方法，然后在SiO2层5上采用MEMS加工工艺制备参考用传感器4-1和检测用传感器4-2的微波谐振电路，微波谐振电路包括开口谐振环1-1、输入微带线1-2、输出微带线1-3和气敏材料1-4，气敏材料1-4位于输入微带线1-2和输出微带线1-3与开口谐振环1-1进行电磁能量耦合的间隙处，通过封装材料8对参考用传感器4-1和检测用传感器4-2进行封装；
二、在基板背面采用深度反应离子刻蚀工艺沿基板7和AAO层6的厚度方向加工出热传导通道，利用溅射在热传导通道内制备Ti/Au＝20/80nm的种子金属层，然后采用电镀方法在导热通道内形成Cu/Au＝4.5/0.5μm的导热金属2；
三、在基板背面集成铂微加热器3，完成肺癌早期诊断用微波呼吸传感器的制备；
其中步骤一中所述的气敏材料1-4为铂修饰的SnO2纳米线，铂修饰的SnO2纳米线的制备方法按下列步骤实现：
一、将0.35g氯化亚锡溶于1.35g二甲基甲酰胺和1.35g无水乙醇组成的混合溶液中，加入5mg氯铂酸，室温下搅拌至澄清液，再加入0.25g聚乙烯吡咯烷酮，室温下搅拌反应5小时，得到胶状前驱体；
二、将胶状前驱体灌入注射器中，静电纺丝条件：室温25℃条件下，选取21型号的针头，针头与接受板的距离为15cm，针头的喷射速率为0.15ml/min，在16kV高压下进行静电纺丝，得到静纺纳米材料；
三、静纺纳米材料放入石英舟中，在管式炉中空气环境中600℃煅烧1小时(升温速率10℃/min)，得到铂修饰的SnO2纳米线。
在敏感材料制备步骤中，气体敏感层材料为SnO2担载具有催化作用的Pt，加入贵金属的作用是，降低SnO2半导体势垒，提高气体传感器的灵敏度。但Pt是催化活性较高的贵金属，若添加的量过多，会在SnO2表面发生团聚现象，导致性能劣化，5wt％的Pt掺杂量为最优状态。
图3为不同放大倍数下合成纳米线的显微镜示意图，可以看到合成的SnO2纳米线的长径比大，有利于气体的吸附。实验结果显示，传感器实现了1ppm级甲苯的检测，灵敏度高达7.44MHz/ppm，同时也验证了不同浓度甲苯对气敏材料的介电特性有显著的影响，并体现在测量结果谐振频率的规律性变化上；而且铂金微加热器工作正常，通过计算可知在50℃加热的情况下功耗仅为6mW。灵敏度结果优势明显，应用铂金修饰的SnO2纳米线作为气敏材料的甲苯检测结果如图4所示。
本实施例从选频选材分析、气敏材料合成、微波器件设计以及微波传感器加工等方面对超高灵敏度微波检测技术展开系统性的优化，基于MEMS平台的传感器实现了1ppm级甲苯的检测，灵敏度高达7.44MHz/ppm，同时也验证了不同浓度甲苯对气敏材料的介电特性有显著的影响，并体现在测量结果谐振频率的规律性变化上。
综上，本发明在室温条件下实现了对甲苯的高灵敏度检测，首次利用超高灵敏度微波呼吸传感器，实现最小检测浓度从ppm到ppb级质的飞跃的可能，从而开辟一条实现肺癌早期呼吸诊断的新路径。该微波呼吸传感器无需高温或者紫外线照射即可工作，具有十分优秀的检测灵敏度和稳定性，工作时无需依赖集成VOC富集模块和温湿度控制模块的复杂气路系统。因此不仅可以降低系统整体功耗，多参数表征提高检测性能的可靠性，而且还有利于实现系统的高度集成和小型化，是一种新型有前景的代谢类疾病检测装置。

Claims (4)

1.基于半导体微加工工艺的肺癌早期诊断用微波呼吸传感器的制备方法，该基于半导体微加工工艺的肺癌早期诊断用微波呼吸传感器包括气敏材料(1-4)、微加热器(3)、参考用传感器(4-1)、检测用传感器(4-2)、基板(7)、微加热器(3)和封装材料(8)，在基板(7)的正面设置有AAO层(6)，AAO层(6)上设置有SiO2层(5)，SiO2层(5)上采用MEMS工艺加工成参考用传感器(4-1)和检测用传感器(4-2)，参考用传感器(4-1)和检测用传感器(4-2)分置在左右两侧，参考用传感器(4-1)和检测用传感器(4-2)的微波谐振电路相同，微波谐振电路通过封装材料(8)封装；
在微波谐振电路区域内沿基板(7)和AAO层(6)的厚度方向开有热传导通道，在热传导通道内电镀有导热金属(2)，基板(7)的背面集成有微加热器(3)；
其中所述的微波谐振电路包括开口谐振环(1-1)、输入微带线(1-2)、输出微带线(1-3)和气敏材料(1-4)，气敏材料(1-4)位于输入微带线(1-2)和输出微带线(1-3)与开口谐振环(1-1)进行电磁能量耦合的间隙处；其中所述的气敏材料(1-4)为势垒金属修饰的金属氧化物纳米线；其特征在于该制备方法是按下列步骤实现：
一、在基板(7)正面依次沉积AAO层(6)和SiO2层(5)，然后在SiO2层(5)上采用MEMS加工工艺制备参考用传感器(4-1)和检测用传感器(4-2)的微波谐振电路，微波谐振电路包括开口谐振环(1-1)、输入微带线(1-2)、输出微带线(1-3)和气敏材料(1-4)，气敏材料(1-4)位于输入微带线(1-2)和输出微带线(1-3)与开口谐振环(1-1)进行电磁能量耦合的间隙处，通过封装材料(8)对参考用传感器(4-1)和检测用传感器(4-2)进行封装；
二、在基板背面采用深度反应离子刻蚀工艺沿基板(7)和AAO层(6)的厚度方向加工出热传导通道，利用溅射在热传导通道内制备种子金属层，然后采用电镀方法在导热通道内形成导热金属(2)；
三、在基板背面集成微加热器(3)，完成肺癌早期诊断用微波呼吸传感器的制备；
其中步骤一中所述的气敏材料(1-4)为势垒金属修饰的金属氧化物纳米线。
2.根据权利要求1所述的基于半导体微加工工艺的肺癌早期诊断用微波呼吸传感器的制备方法，其特征在于步骤一中所述的基板(7)为硅晶元基板。
3.根据权利要求1所述的基于半导体微加工工艺的肺癌早期诊断用微波呼吸传感器的制备方法，其特征在于步骤二中所述的种子金属层为Ti/Au＝20/80nm层。
4.根据权利要求1所述的基于半导体微加工工艺的肺癌早期诊断用微波呼吸传感器的制备方法，其特征在于步骤二中所述的导热金属(2)为Cu/Au＝4.5/0.5μm的金属。
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