CN112033978B - 一种应用于Healthy-IoT的微波生物传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种生物传感器，包括传感器晶元，测量Pad点，差分电感线圈，空气桥结构，点阵列电容，电容上级板、电容下极板。制备方法如下：将氮化镓介质层沉积到晶元表面；将Ti/Au作为第一层种子金属；利用光刻胶来定义下层金属、SiNx介质层、空气桥柱、空气桥金属所需的结构，将下层金属、上层金属电镀到种子金属上；将氮化镓钝化层沉积到晶元表面；定义接触电极Pad的结构；将上述步骤所得的半成品晶元进行背面打磨、抛光、切割、金属跳线键合、以及封装。本发明通过相互缠绕型差分电感和圆形点阵列电容串联形成微波谐振器器件，在提高器件品质因数的同时，极大的减小了器件所占的芯片尺寸；解决了微波器件测量生物标记物溶液浓度时灵敏度不高的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种应用于Healthy-IoT的微波生物传感器及其制备方法，属于生物物质的物理分析器件领域。
背景技术
健康物联网(Healthy-IoT)是通过各种医用信息传感器、射频识别技术、全球定位系统、通信传输网络等各种装置与技术，实时采集人体各种与健康息息相关的生物信息，通过各类可能的网络接入，实现物与物、物与人的泛在连接，实现对人体健康的智能化感知、识别和管理。Healthy-IoT可以为电子医疗保健、患者护理、以及医疗数据管理提供相应的解决方案。目前它在医疗保健和医疗领域已取得了一些重大进展，诸如减少急诊室等待时间、远程医疗和监控、确保关键硬件的可用性和可访问性、跟踪人员，患者和库存、药物管理、监测慢性疾病等。
生物传感器是一门由生物、物理、化学、电子技术、医学等多种学科互相渗透成长起来的高新技术。根据生物传感器的信号转换器即换能器的不同可分为：第一代电化学生物传感器、第二代光学生物传感器和第三代微波生物传感器等。换能器依次为电化学电极、光电转换器和微波器件等。其中电化学生物传感器灵敏度最高，通过在电极上添加特定的酶实现对生物标记物的检测，简单易用且成本可控。但是外来媒介的引入使得传感器反应变慢、性能下降且可靠性差，根据使用环境不同需要以半年左右为周期进行更换。此外，另一个制约电化学传感器应用的因素在于其电解液需要定期补充，这严重增加了后续成本。而对于光学生物传感器而言，正常检测需要较长的稳定时间，且极易受到环境光的影响而改变检测结果。
第三代生物传感器——微波生物传感器是最近几年来非常热的话题，随着加工工艺的逐步提升，微波生物传感器的关键尺寸已缩至微纳米级别，结构也从传统的单层、双层向着多层发展。相较于其他类型的生物传感器，微波生物传感器具备以下优势：第一，检测稳定性高，不像电化学生物传感器那样易受使用环境的制约，且性能会随着使用时间的推移而下降，微波生物传感器不易受外界光照、温度、湿度等环境因素影响，可以保持在长期复杂环境中检测的稳定性；第二，操作简单，光学生物传感器需要一定时间来稳定测量环境，而微波生物传感器无需前期稳定时间，可以即时地对生物标记物进行快速检测；第三，检测用时少，微波生物传感器检测时长仅取决于矢量网络分析仪的扫频周期，因此相比于其他生物传感器在检测时间上有明显优势；第四，无需添加外来媒介物进行标记，只需将待测试液滴至微波生物传感器检测区域即可，可实现免标记物检测。综上所述，微波生物传感器具有检测稳定性高、操作简单、检测用时少、无标记物检测等显著优势，在当今Healthy-IoT高速发展的大前提下，生物传感器作为涉及人体健康检测的关键技术一直以来都备受瞩目。由于现有的微波的生物传感器存在尺寸大、品质因数低、灵敏度不高、以及测量溶液用量大等特点，很大程度上限制了微波生物传感器的广泛应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种传感器，包括：晶元，作为承载基准；测量Pad点，位于晶元表面，至少设有两点，以晶元的中心为基准对称设置；差分电感线圈，设于两测量Pad点之间；空气桥结构，环形阵列于差分电感线圈上；点阵列电容，位于差分电感线圈所围成的区域内；电容上级板、电容下极板，与差分电感线圈相连通，分别位于点阵列电容面向两测量Pad点的两侧边处。
进一步的，所述空气桥结构中，至少有两个空气桥结构靠近测量Pad点处设置。
进一步的，所述点阵列电容包括若干点状电容，整体呈矩形设置，相邻两行或两列点状电容之间交错设置。
本发明的另一目的是提供一种传感器的制备方法，包括如下步骤：步骤(1)应用等离子体对GaAs晶元进行表面清洁处理；步骤(2)利用等离子体增强化学气相沉积设备将氮化镓介质层沉积到GaAs晶元表面；步骤(3)利用金属溅射设备将Ti/Au溅射到表面并作为第一层种子金属；步骤(4)基于第一张光掩模，并利用光刻胶来定义下层金属所需的结构，利用溶液置换法将下层金属Cu/Au电镀到种子金属上；步骤(5)基于第二张光掩模，利用光刻胶定义SiNx介质层的结构；步骤(6)基于第三张光掩模，利用光刻胶定义空气桥柱Air-Bridge Post的结构；步骤(7)基于第四张光掩模，利用光刻胶定义空气桥金属Air-BridgeMetal的结构，即上层金属的结构；利用溶液置换法将厚度为4.5/0.5微米的上层金属Cu/Au电镀到种子金属上；步骤(8)利用等离子体增强化学气相沉积设备将氮化镓钝化层沉积到晶元表面；步骤(9)基于第五张光掩模，利用光刻胶来定义最终测量时所用的接触电极Pad的结构；步骤(10)将上述步骤所得的半成品晶元进行背面打磨、抛光、切割、金属跳线键合、以及封装。
进一步的，其特征在于，步骤(1)依次经过丙酮Acetone、异丙醇IPA以及去离子水DI-water的清洗，然后利用盐酸溶液HCl/H2O对晶元进行化学抛光。
进一步的，步骤(2)介质层的厚度取值范围为190-210微米。
进一步的，步骤(3)种子金属厚度为20/80纳米的Ti/Au。
进一步的，步骤(4)下层金属的厚度为4.5/0.5微米的Cu/Au。
进一步的，步骤(6)硬烘hard baking操作进行光刻胶的重塑形，使光刻胶的顶部呈圆弧拱状桥形构造。
进一步的，步骤(8)氮化镓钝化层的厚度范围取值290-310纳米。
本发明的另一目的是提供传感器在生物传感领域和/或微波谐振器领域中的应用。
本发明的优点和效果：
(1)本发明通过相互缠绕型差分电感和圆形点阵列电容串联形成微波谐振器器件，在提高器件品质因数的同时，极大的减小了器件所占的芯片尺寸；
(2)本发明通过微纳米加工工艺，提出并实现了基于微波器件的高灵敏度测试，解决了微波器件测量生物标记物溶液浓度时灵敏度不高的问题；
(3)本发明实现了生物标记物溶液的微量检测，高效地节省了测试用溶液的成本，有利于Healthy-IoT商业化推广应用；
(4)诸如葡萄糖溶液、尿酸溶液、以及DNA溶液等对于介电常数敏感的生物标记物溶液，可以采纳该发明提出的生物传感器作为检测器件。
附图说明
图1为本发明的圆形点阵列电容结构示意图；
图2为本发明的微波生物传感器结构示意图；
其中，1、电容上极板；2、圆形点阵列；3、电容下极板；4、测量Pad点；5、空气桥结构；6、差分电感线圈；7、GaAs晶元。
具体实施方式
实施例1：
一种传感器，如图2所示，包括作为承载基准的晶元，在晶元的表面设有至少两个测量Pad点，本实施例中，晶元上设置两点测量Pad点，且这两个测量Pad点以晶元的中心为对称基准，在晶元中心点两侧对称设置。此两测量Pad点之间预留区域，在预留的区域中设置差分电感线圈，在差分电感线圈上设有若干处空气桥结构，空气桥结构环形阵列于差分电感线圈上，本实施例中，设有五处空气桥结构，其中两处空气桥结构正好对准测量Pad点。
在差分电感线圈所围成的区域内还设有点阵列电容，点阵列阵容包含若干个点状电容，所有电容排列成一个矩形，且在该矩形的两对边上设有电容上级板和电容下极板。其中，电容上级板、电容下极板分别靠近两个测量Pad点设置，也就是说，电容上级板、电容下极板，与差分电感线圈相连通，分别位于点阵列电容面向两测量Pad点的两侧边处。点阵列电容中，任意两相邻行，或任意两相邻列的点状电容均交错设置。
实施例2：
一种传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤(1)：应用等离子体对GaAs晶元进行表面清洁处理；清洁的具体过程为：依次经过丙酮Acetone、异丙醇IPA以及去离子水DI-water的清洗，然后利用盐酸溶液HCl/H2O对晶元进行化学抛光。
步骤(2)：利用等离子体增强化学气相沉积设备，将氮化镓介质层沉积到GaAs晶元表面，本实施例中，介质层的厚度取值范围为190-210微米，可选端点值190mm、210mm，中间值200mm；
步骤(3)：利用金属溅射设备将Ti/Au溅射到表面并作为第一层种子金属；种子金属厚度为20/80纳米的Ti/Au。
步骤(4)：基于第一张光掩模，并利用光刻胶来定义下层金属所需的结构，利用溶液置换法将下层金属Cu/Au电镀到种子金属上，下层金属的厚度为4.5/0.5微米的Cu/Au。
步骤(5)：基于第二张光掩模，利用光刻胶定义SiNx介质层的结构；
步骤(6)：基于第三张光掩模，利用光刻胶定义空气桥柱Air-Bridge Post的结构；硬烘hard baking操作进行光刻胶的重塑形，使光刻胶的顶部呈圆弧拱状桥形构造。
步骤(7)：基于第四张光掩模，利用光刻胶定义空气桥金属Air-Bridge Metal的结构，即上层金属的结构；利用溶液置换法将厚度为4.5/0.5微米的上层金属Cu/Au电镀到种子金属上；
步骤(8)：利用等离子体增强化学气相沉积设备将氮化镓钝化层沉积到晶元表面；氮化镓钝化层的厚度范围取值290-310纳米。
步骤(9)：基于第五张光掩模，利用光刻胶来定义最终测量时所用的接触电极Pad的结构；步骤(10)：将上述步骤所得的半成品晶元进行背面打磨、抛光、切割、金属跳线键合、以及封装。
实施例3：
应用于Healthy-IoT的一种具有高灵敏度特性的微波生物传感器，设计时，在计算机上利用Advanced Design System 2015软件，设计并仿真得到结构紧凑的微波LC型谐振器；使用时，通过在圆形点阵列电容所在区域滴加微升级的生物标记物溶液，即可完成生物标记物溶液浓度的检测；由于生物标记物溶液浓度变化时，生物标记物溶液自身的介电常数也是变化的，且两者是成比例的，因此不同的浓度的生物标记物溶液在滴加到电容区域后，对微波谐振器器件的电磁场特性的影响也不同，使得微波器件的参数特性也随之发生变化。本发明提出的微波LC型谐振器正是通过检测微波谐振器器件的中心频率，从而得到中心频率与待测生物标记物溶液浓度参数之间的线性关系，以此线性关系来计算生物标记物溶液的浓度；
基于相互缠绕型差分电感的高品质因数和电容值可控的圆形点阵列电容，在3dB通带范围内微波传感器散射参数S11能够下降至-24dB，能够实现高灵敏度的生物传感响应检测；
对测量得到的数据进行整理分析，得到表征生物标记物溶液浓度的关键参数。例如，灵敏度、反应时间、检测限度值、以及线性度；
对诸如葡萄糖溶液、尿酸溶液、以及DNA溶液等对于介电常数敏感的生物标记物溶液，可以采纳该发明提出的生物传感器作为检测器件；
对诸如DNA溶液、胆固醇溶液等昂贵测量样品，仅通过微升级的溶液用量即可完成测量，极大的节省了成本，提高了生物标记物溶液的利用率。
实施例4：
实施例1或2中的传感器在微波谐振器领域的应用，如图2所示，一种具有微米级芯片尺寸的微波LC型谐振器，其设计方法如下：
由相互缠绕型差分电感和圆形点阵列电容串联来构成本发明中提出的微波LC型谐振器，其中在电感区域应用5个空气桥结构，在电容区域应用49个圆形点结构，通过串联的方式进行连接。空气桥结构可以等效由两个串联电感和一个并联电容组成，该等效电路可以为后续谐振器的结构分析提供更加精确的等效电路建模。微波LC型谐振器的工作频率可以通过下面的等式确定，
其中，L等效和C等效分别表示相互缠绕型差分电感和圆形点阵列电容的等效总电感和等效总电容。
对于相互缠绕型差分电感，本发明利用5个空气桥结构进行电感尺寸的优化，在保证中间电容所占区域足够大的同时，优化圆形电感的线圈内径和外径，使得电感形成紧凑型结构。此外，差分型的电感连接方式相比于单端口连接形式，其寄生参数在给定频率下具有更高的输入阻抗，在工作频率时能够获得更高的品质因数，从而减小谐振器的插入损耗，提升微波性能。
对于圆形点阵列电容，本发明将电容结构的设计限制在相互缠绕型差分电感中间的开放区域内，在不额外增加谐振器器件面积的情况下，能够实现紧凑的谐振器结构。此外，通过调节圆形点阵列的个数和间距可以实现电容容值的改变。本发明提出的电容可调节变化范围足够大，在不增加谐振器额外面积的情况下，能够保证谐振器中心频率的高可控性，即通过调节圆形点阵列的个数和间距，即可得到不同电容值的电容，圆形点阵列的圆点个数越多、间距越小，电容值越大，谐振器的工作频率可调度越高。
本实施例的优点及有益效果；
(1)谐振器工作频率2.55GHz，插入损耗0.35dB，回波损耗24.07dB，芯片面积仅为800微米×988微米(基于波导波长λg的尺寸为0.021λg×0.026λg)；
(2)可以实现电容值的变化范围为0.023pF至0.307pF，中心频率的变化范围为2.22GHz到2.87GHz，传输零点频率的变化范围为6.59GHz到9.59GHz，中心频率和传输零点频率的可控变化范围可以保证谐振器优异的可调性；
(3)对于具有微米级芯片尺寸的微波LC型谐振器，能够有效的应用到Healthy-IoT平台的数据采集终端；
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但其并非用以限定本发明，任何熟悉此技术的人，在不脱离本发明的精神和范围内，都可做各种的改动与修饰，因此本发明的保护范围应该以权利要求书所界定的为准。
Claims (2)
1.一种传感器的制备方法，其特征在于，
所述传感器包括：
晶元，作为承载基准；
测量Pad点，位于晶元表面，至少设有两点，以晶元的中心为基准对称设置；
差分电感线圈，设于两测量Pad点之间；
空气桥结构，环形阵列于差分电感线圈上；
点阵列电容，位于差分电感线圈所围成的区域内；
电容上级板、电容下极板，与差分电感线圈相连通，分别位于点阵列电容面向两测量Pad点的两侧边处；
所述传感器的制备方法包括如下步骤：
步骤(1)：应用等离子体对GaAs晶元进行表面清洁处理；
步骤(2)：利用等离子体增强化学气相沉积设备将氮化镓介质层沉积到GaAs晶元表面；
步骤(3)：利用金属溅射设备将Ti/Au溅射到表面并作为第一层种子金属；
步骤(4)：基于第一张光掩模，并利用光刻胶来定义下层金属所需的结构，利用溶液置换法将下层金属Cu/Au电镀到种子金属上；
步骤(5)：基于第二张光掩模，利用光刻胶定义SiNx介质层的结构；
步骤(6)：基于第三张光掩模，利用光刻胶定义空气桥柱Air-Bridge Post的结构；
步骤(7)：基于第四张光掩模，利用光刻胶定义空气桥金属Air-Bridge Metal的结构，即上层金属的结构；利用溶液置换法将厚度为4.5/0.5微米的上层金属Cu/Au电镀到种子金属上；
步骤(8)：利用等离子体增强化学气相沉积设备将氮化镓钝化层沉积到晶元表面；
步骤(9)：基于第五张光掩模，利用光刻胶来定义最终测量时所用的接触电极Pad的结构；
步骤(10)：将上述步骤9所得的半成品晶元进行背面打磨、抛光、切割、金属跳线键合、以及封装；
所述空气桥结构中，至少有两个空气桥结构靠近测量Pad点处设置；
所述点阵列电容包括若干点状电容，整体呈矩形设置，相邻两行或两列点状电容之间交错设置；
步骤(1)依次经过丙酮Acetone、异丙醇IPA以及去离子水DI-water的清洗，然后利用盐酸溶液HCl/H2O对晶元进行化学抛光；
步骤(2)介质层的厚度取值范围为190-210微米；
步骤(3)种子金属厚度为20/80纳米的Ti/Au；
步骤(4)下层金属的厚度为4.5/0.5微米的Cu/Au；
步骤(6)硬烘hard baking操作进行光刻胶的重塑形，使光刻胶的顶部呈圆弧拱状桥形构造；
步骤(8)氮化镓钝化层的厚度范围取值290-310纳米。
2.权利要求1所述的一种传感器的制备方法在生物传感领域和/或微波谐振器领域中的应用。
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