CN113418969B

CN113418969B - 一种用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器

Info

Publication number: CN113418969B
Application number: CN202110630281.9A
Authority: CN
Inventors: 何进; 郑吴家锐; 赵玉楠; 潘俊仁; 邱涛; 周江桥
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2021-06-07
Filing date: 2021-06-07
Publication date: 2023-04-25
Anticipated expiration: 2041-06-07
Also published as: CN113418969A

Abstract

本发明涉及毫米波传感技术与生物医学检测和表征的交叉技术，具体涉及一种用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器，包括由下至上的衬底层、地金属层、氧化层、顶层金属层和钝化层；还包括顶层金属层构建的横向或纵向共面叉指电容结构与方形边框电感结构形成LC并联谐振介质传感器，LC并联谐振介质传感器向外延伸两条传输线作为输入、输出信号端口，且LC并联谐振介质传感器正下方的地金属层挖空，正上方覆盖钝化层。该传感器采用横向和纵向两种介质敏感的共面叉指电容结构，基于标准集成电路工艺，构建横向和纵向两种两种高灵敏度毫米波LC并联谐振介质传感器结构，具有结构紧凑、集成度高、尺寸小、制造简单等特点。

Description

一种用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器

技术领域

本发明属于毫米波传感技术与生物医学检测和表征的交叉技术领域，特别涉及一种用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器。

背景技术

当今社会，人口老龄化所带来的健康问题直接会影响到社会的医疗保健系统，迫切需要颠覆性技术来建立对生物参数具有高灵敏度、快速、高效、廉价等特点的医疗即时检测（point of care testing-POCT）系统，这不仅有利于患者或消费者，还缓解了医护人员的工作压力。POCT系统由“离体”传感器和可穿戴医疗设备组成的身体传感器网络，将对重要身体参数的持续监测，如血压、血液中的葡萄糖含量、毒性成分、大脑活动等。因此，高灵敏度、高精度生物医学传感器的设计与实现是建立POCT系统的关键。一种高灵敏度传感方案是使用非光学频率范围内的电磁波，其频率范围为1～100 GHz，此频段对样品中水含量的变化非常敏感，可以成功地应用于基于水含量变化的生物溶液浓度检测和生物材料特性表征。利用此频率范围内毫米电磁波与生物材料的相互作用，可以设计出高灵敏度的生物医学介质谐振传感器。该传感器为无源电容电感（LC）并联谐振介质传感器，传感器中的叉指电容C为主要探测区域，待测物介电常数的变化引起叉指电容的变化，从而导致谐振频率的偏移以实现传感目的。目前，随着集成电路工艺的不断发展，可以在标准半导体工艺的衬底上非常快速地设计和制造微米级的高灵敏度毫米波介质谐振传感器，具备结构紧凑、微型化，同时还有能拓展成集成传感器等特点，对于现代生物医学传感领域的应用具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是基于标准集成电路工艺，提供横向或纵向两种介质敏感的共面叉指电容结构，并结合方形边框的电感结构，构建两种高灵敏度LC并联谐振介质传感器结构。并将传感器的工作频率设计在毫米波段。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器，包括由下至上的衬底层、地金属层、氧化层、顶层金属层和钝化层；还包括顶层金属层构建的横向或纵向共面叉指电容结构与方形边框电感结构形成LC并联谐振介质传感器，LC并联谐振介质传感器向外延伸两条传输线作为输入、输出信号端口，且LC并联谐振介质传感器正下方的地金属层挖空，正上方覆盖钝化层。

在上述用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器中，横向共面叉指电容结构的叉指方向与外延传输线输入、输出信号端口方向平行，方形边框电感结构与横向共面叉指电容结并联。

在上述用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器中，纵向共面叉指电容结构的叉指方向与外延传输线输入、输出信号端口方向垂直，方形边框电感结构与纵向共面叉指电容结并联。

在上述用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器中，衬底层厚度为726.1502µm，相对介电常数为11.9，电导率为0.1S/m；衬底层的上表面到地金属层下表面的厚度是0.595µm，地金属层厚度为0.26µm；氧化层高度起于距离地金属层下表面0.595µm处，止于顶层金属层上表面，厚度为7.009µm，相对介电常数为3.935；顶层金属层下表面到地金属层上表面的距离为3.153µm，顶层金属层厚度为3.001µm；顶层金属层上表面以上为钝化层，厚度为2.87µm，相对介电常数为5.06；钝化层上表面以上为全覆盖的待测物。

在上述用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器中，横向共面叉指电容的厚度t为3.001µm，横向叉指数为10，叉指电极宽度w1和间距s均为10µm，长度l为237 µm；左右对称叉指电极臂宽度c为15 µm；方形边框电感下方边框长度a为278µm，宽度w2为10µm；左、右方边框部分长度b为78µm，宽度w2为10µm；传输线输入、输出信号端口设置位于e/2=(10*w1+9*s+b+w2)/2=139µm处，长度u为42µm，宽度w3为5µm，其中，e为待测物的长度；地金属层挖空区域边缘到LC并联谐振介质传感器区域的间距y为42µm。

在上述用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器中，纵向共面叉指电容的厚度t为3.001µm，纵向叉指数为8，叉指电极宽度w4和间距s1均为10µm，长度f为181 µm；上下方叉指电极臂长度l0为256 µm，宽度s2为10µm，距边框k1为10µm，叉指电极与对应的叉指臂的间距k为5µm；方形边框电感下方边框长度a1为286µm，宽度w5为10µm；左、右方边框部分长度b1为65µm，宽度w5为10µm；传输线输入、输出信号端口设置位于e1/2=(s2+k+f+k+s2+b1+w5)/2=143µm处，长度u1为42µm，宽度w6为5µm；其中，e1为待测物的长度；地金属层挖空区域边缘到LC并联谐振介质传感器区域的间距y1为42µm。

与现有技术相比，本发明采用横向或纵向两种介质敏感的共面叉指电容结构，基于标准集成电路工艺，构建横向或纵向两种两种高灵敏度毫米波LC并联谐振介质传感器结构，具有结构紧凑、集成度高、尺寸小、制造简单等特点。传感器正下方的地金属层被挖空，以降低顶层金属层构成的传感器对地金属层的寄生电容，从而减少电容耦合损耗以提高灵敏度。将传感器的工作频率设计在毫米波段，进一步提高其灵敏度，提升了生物医学检测和表证的效率。

附图说明

图1为本发明一个实施例横向、纵向叉指电容LC并联谐振介质传感器结构示意图；

图2为本发明一个实施例横向或纵向叉指电容LC并联谐振介质传感器130nm CMOS集成电路工艺和待测物（生物介质溶液）的截面示意图；

图3为本发明一个实施例横向叉指电容LC并联谐振介质传感器的3D模型图；

图4（a）为本发明一个实施例横向叉指电容LC并联谐振介质传感器的俯视图；

图4（b）为本发明一个实施例横向叉指电容LC并联谐振介质传感器正下方的地金属层挖空区域的俯视图；

图5为本发明一个实施例横向叉指电容LC并联谐振介质传感器上方全覆盖不同介电常数介质溶液的3D建模图；

图6为本发明一个实施例横向叉指电容LC并联谐振介质传感器的上方全覆盖不同介电常数介质溶液的 S ₂₁仿真曲线；

图7为本发明一个实施例横向叉指电容LC并联谐振介质传感器的上方全覆盖不同介电常数介质溶液时，谐振频率和相对介电常数之间的关系曲线；

图8为本发明一个实施例纵向叉指电容LC并联谐振介质传感器的3D模型图；

图9（a）为本发明一个实施例纵向叉指电容LC并联谐振介质传感器的俯视图；

图9（b）为本发明一个实施例纵向叉指电容LC并联谐振介质传感器正下方的地金属层挖空区域的俯视图；

图10为本发明一个实施例纵向叉指电容LC并联谐振介质传感器上方全覆盖不同介电常数介质溶液的3D建模图；

图11为本发明一个实施例纵向叉指电容LC并联谐振介质传感器的上方全覆盖不同介电常数介质溶液的 S ₂₁仿真曲线；

图12为本发明一个实施例纵向叉指电容LC并联谐振介质传感器的上方全覆盖不同介电常数介质溶液时，谐振频率和相对介电常数之间的关系曲线。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

本实施例是将待测物（生物溶液或材料）置于LC并联谐振介质传感器中电容探测区域上，待测物介电常数的变化导致电容电场的变化，其电容值也随之变化，从而改变传感器的谐振频率来到达传感目的。本实施例基于标准集成电路工艺，提供横向或纵向两种介质敏感的共面叉指电容结构，并结合方形边框的电感结构，构建两种高灵敏度LC并联谐振介质传感器结构。高灵敏度LC并联谐振介质传感器的工作原理是由于待测物介电常数的变化引起传感器中叉指电容的变化，从而导致谐振频率的偏移。传感器不仅用于检测生物溶液的浓度，如：葡萄糖、脂肪和钙等在水和血液中的浓度，还可以用于表征生物材料的特性，如：生物细胞和组织等。传感器工作在毫米波段，具有灵敏度高、结构紧凑、集成化、微型化、制造简单等特点，在生物和医学传感领域有着广泛的应用。为了进一步提高其灵敏度，将传感器的工作频率设计在毫米波段，提升了生物医学检测和表证的效率。

本实施例是通过以下技术方案来实现的，如图1所示，一种用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器，基于标准的130nm CMOS集成电路工艺，传感器的设计采用了由上至下包括钝化层、顶层金属层、氧化层、地金属层和衬底层；包括由顶层金属层来构建横向或纵向两种介质敏感的共面叉指电容结构，并结合方形边框的电感结构，形成两种高灵敏度LC并联谐振介质传感器结构；包括传感器向外延伸的两条传输线，作为输入、输出信号端口；另外，传感器正下方的地金属层被挖空，以降低顶层金属层构成的传感器对地金属层的寄生电容，从而减少电容耦合损耗以提高灵敏度。

1. 横向叉指电容高灵敏度LC并联谐振介质传感器，采用顶层金属层构建共面叉指电容结构，并横向放置，即叉指方向与外延传输线输入、输出信号端口方向平行采用顶层金属层构建传输线，作为信号的输入、输出端口，且与电容的叉指方向平行。顶层金属层构建方形边框的电感结构，并与横向共面叉指电容结并联。

而且，LC并联谐振介质传感器正下方的地金属层被挖空，以减少顶层金属层构成的传感器对地金属层的电容耦合损。LC并联谐振介质传感器正上方覆盖钝化层，有助于避免对所制造的传感器芯片任何额外的后处理步骤。

2. 纵向叉指电容高灵敏度LC并联谐振介质传感器，采用顶层金属层构建共面叉指电容结构，并纵向放置，即叉指方向与外延传输线输入、输出信号端口方向垂直。顶层金属层构建传输线，作为信号的输入、输出端口，且与电容的叉指方向垂直。采用顶层金属层构建方形边框的电感结构，并与纵向共面叉指电容结并联。

具体实施时，如图2所示，本实施例横向或纵向叉指电容LC并联谐振介质传感器130nm CMOS集成电路工艺和待测物（生物介质溶液）的截面示意图，传感器的设计采用了由下至上包括衬底层、地金属层、氧化层、顶层金属层和钝化层；衬底层厚度为726.1502µm，相对介电常数为11.9，电导率为0.1S/m；衬底层的上表面到地金属层下表面的厚度是0.595µm，地金属层厚度为0.26µm。氧化层高度起于距离地金属层下表面0.595µm处，止于顶层金属层上表面，厚度为7.009µm，相对介电常数为3.935。顶层金属层下表面到地金属层上表面的距离为3.153µm，顶层金属层厚度为3.001µm。顶层金属层上表面以上为钝化层，厚度和相对介电常数分别为2.87µm和5.06。钝化层上表面以上为全覆盖的待测物（生物介质溶液），这里以不同介电常数介质溶液为例，其厚度为30µm。

通过顶层金属层构建横向或纵向共面叉指电容和方形边框电感形成LC并联谐振介质传感器。

对于横向叉指电容LC并联谐振介质传感器：

如图3所示，为本实施例横向叉指电容LC并联谐振介质传感器的3D模型图，电容层厚度t为3.001µm（顶层金属层厚度），设置电容的横向叉指数为10。

如图4（a）所示，为本实施例横向叉指电容LC并联谐振介质传感器的俯视图，横向共面叉指电容结构，设置叉指电极宽度w1和间距s均为10µm，长度l为237µm；左右对称叉指电极臂宽度c为15 µm。

方形边框电感结构，设置最下方边框部分长度a为278µm，宽度w2为10µm；左、右方边框部分长度b为78µm，宽度w2为10µm。

传输线输入、输出信号端口部分，设置位于e/2=(10*w1+9*s+b+w2)/2=139µm处，长度u为42µm，宽度w3为5µm。

如图4（b）所示，本实施例横向叉指电容LC并联谐振介质传感器正下方的地金属层挖空区域俯视两条路，设置挖空区域边缘到传感区域的间距y为42µm。

如图5所示，本实施例横向叉指电容LC并联谐振介质传感器上方全覆盖不同介电常数介质溶液的3D建模图，设置待测介质溶液的长e和宽a均为为278µm，厚度t1为30µm。

如图6所示，本实施例横向叉指电容LC并联谐振介质传感器的上方全覆盖不同介电常数介质溶液的 S ₂₁仿真曲线，随着溶液相对介电常数ε_R的增加（ε_R=0.1~80），谐振频率不断减小。相对介电常数为0.1时，对应的毫米波频率为25GHz。

如图7所示，本实施例横向叉指电容LC并联谐振介质传感器的上方全覆盖不同介电常数介质溶液时，谐振频率和相对介电常数ε_R之间的关系曲线，为非线性关系。

表1为本实施例横向叉指电容LC并联谐振介质传感器的上方全覆盖不同介电常数介质溶液时，相对介电常数在（0.1~20）、（20~40）、（40~60）、（60~80）等范围内的平均灵敏度，这里定义传感器灵敏度为谐振频率变化量与相对介电常数变化量的比值，显然在（0.1~20）范围内的灵敏度最高，为321.6MHz/permittivity，呈现高灵敏度的特性。

表1. LC并联谐振介质传感器的上方全覆盖不同介电常数介质溶液时，相对介电常数在（0.1~20）、（20~40）、（40~60）、（60~80）范围内的平均灵敏度；

对于纵向叉指电容LC并联谐振介质传感器：

如图8所示，本实施例纵向叉指电容LC并联谐振介质传感器的3D模型图，电容层厚度t为3.001µm（顶层金属层厚度），设置电容的纵向叉指数为8。

如图9（a）所示，本实施例纵向叉指电容LC并联谐振介质传感器的俯视图

，纵向叉指电容部分，设置叉指电极宽度w4和间距s1均为10µm，长度f为181µm，上下方叉指电极臂长度l0为256µm，宽度s2为10µm，距边框k1为10µm，叉指电极与对应的叉指臂的间距k为5µm。

方形边框电感部分，设置最下方边框部分长度a1为286µm，宽度w5为10µm；左、右方边框部分长度b1为65µm，宽度w5为10µm。

传输线输入、输出信号端口部分，设置位于e1/2=(s2+k+f+k+s2+b1+w5)/2=143µm处，长度u1为42µm，宽度w6为5µm。

如图9（b）所示，LC并联谐振介质传感器正下方的地金属层被挖空，设置挖空区域边缘到传感区域的间距y1为42µm。

如图10所示，本实施例纵向叉指电容LC并联谐振介质传感器上方全覆盖不同介电常数介质溶液的3D建模图，设置待测介质溶液的长e1和宽a1均为为286µm，厚度t1为30µm。

如图11所示，本实施例纵向叉指电容LC并联谐振介质传感器的上方全覆盖不同介电常数介质溶液的 S ₂₁仿真曲线，随着溶液相对介电常数ε_R的增加（ε_R=0.1~80），谐振频率不断减小。相对介电常数为0.1时，对应的毫米波频率为25GHz。

如图12所示，本实施例纵向叉指电容LC并联谐振介质传感器的上方全覆盖不同介电常数介质溶液时，谐振频率和相对介电常数ε_R之间的关系曲线，为非线性关系。

表2为本实施例纵向叉指电容LC并联谐振介质传感器的上方全覆盖不同介电常数介质溶液时相对介电常数在（0.1~20）、（20~40）、（40~60）、（60~80）等范围内的平均灵敏度，这里定义传感器灵敏度为谐振频率变化量与相对介电常数变化量的比值，显然在（0.1~20）范围内的灵敏度最高为321.6MHz/permittivity，呈现高灵敏度的特性。

表2.相对介电常数在（0.1~20）、（20~40）、（40~60）、（60~80）范围内的不同溶液均显示出高灵敏度。

综上所述，本实施例横向或纵向叉指电容LC并联谐振介质传感器，如表1和表2所示，相对介电常数在（0.1~20）、（20~40）、（40~60）、（60~80）等范围内的不同溶液均显示出高灵敏度，尤其是在（0.1~20）范围对应的毫米波频率变化更为灵敏。基于标准半导体工艺，传感器还具有结构紧凑、集成度高、尺寸小、制造简单等特点，在生物和医学传感领域有着广泛的应用。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器，其特征在于：包括由下至上的衬底层、地金属层、氧化层、顶层金属层和钝化层；还包括顶层金属层构建的横向或纵向共面叉指电容结构与方形边框电感结构形成LC并联谐振介质传感器，LC并联谐振介质传感器向外延伸两条传输线作为输入、输出信号端口，且LC并联谐振介质传感器正下方的地金属层挖空，正上方覆盖钝化层，钝化层上表面以上为全覆盖的待测物；生物溶液或材料置于LC并联谐振介质传感器中电容结构探测区域，利用生物溶液或材料介电常数的变化使共面叉指电容电场变化，其电容值随之变化，导致传感器的谐振频率发生偏移来检测生物溶液或材料的浓度；传感器的工作频率设置在毫米波段；氧化层相对介电常数为3.935。

2.根据权利要求1所述用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器，其特征在于：横向共面叉指电容结构LC并联谐振介质传感器，采用顶层金属层构建共面叉指电容结构，并横向放置；叉指方向与外延传输线输入、输出信号端口方向平行，采用顶层金属层构建传输线，作为信号的输入、输出端口，且与电容的叉指方向平行；顶层金属层构建方形边框电感结构与横向共面叉指电容结并联。

3.根据权利要求1所述用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器，其特征在于：纵向共面叉指电容结构LC并联谐振介质传感器，采用顶层金属层构建共面叉指电容结构，并纵向放置；叉指方向与外延传输线输入、输出信号端口方向垂直，顶层金属层构建传输线，作为信号的输入、输出端口，且与电容的叉指方向垂直；采用顶层金属层构建方形边框电感结构与纵向共面叉指电容结并联。

4.根据权利要求1所述用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器，其特征在于：衬底层厚度为726.1502µm，相对介电常数为11.9，电导率为0.1S/m；衬底层的上表面到地金属层下表面的厚度是0.595µm，地金属层厚度为0.26µm；氧化层高度起于距离地金属层下表面0.595µm处，止于顶层金属层上表面，厚度为7.009µm；顶层金属层下表面到地金属层上表面的距离为3.153µm，顶层金属层厚度为3.001µm；顶层金属层上表面以上为钝化层，厚度为2.87µm，相对介电常数为5.06。

5.根据权利要求2或4所述用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器，其特征在于：横向共面叉指电容的厚度t为3.001µm，横向叉指数为10，叉指电极宽度w1和间距s均为10µm，长度l为237 µm；左右对称叉指电极臂宽度c为15 µm；方形边框电感下方边框长度a为278µm，宽度w2为10µm；左、右方边框部分长度b为78µm，宽度w2为10µm；传输线输入、输出信号端口设置位于e/2=(10*w1+9*s+b+w2)/2=139µm处，长度u为42µm，宽度w3为5µm，其中，e为待测物的长度；地金属层挖空区域边缘到LC并联谐振介质传感器区域的间距y为42µm。

6.根据权利要求3或4所述用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器，其特征在于：纵向共面叉指电容的厚度t为3.001µm，纵向叉指数为8，叉指电极宽度w4和间距s1均为10µm，长度f为181 µm；上下方叉指电极臂长度l0为256 µm，宽度s2为10µm，距边框k1为10µm，叉指电极与对应的叉指臂的间距k为5µm；方形边框电感下方边框长度a1为286µm，宽度w5为10µm；左、右方边框部分长度b1为65µm，宽度w5为10µm；传输线输入、输出信号端口设置位于e1/2=(s2+k+f+k+s2+b1+w5)/2=143µm处，长度u1为42µm，宽度w6为5µm；其中，e1为待测物的长度；地金属层挖空区域边缘到LC并联谐振介质传感器区域的间距y1为42µm。