CN114188691B - 一种空气芯微同轴传输线的制造方法及生物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种空气芯微同轴传输线的制造方法及生物传感器，所述制造方法包括：在衬底上形成微同轴传输线的外轴底层；在所述外轴底层上形成支撑层；在所述外轴底层上形成所述微同轴传输线的第一部分外轴侧壁，所述第一部分外轴侧壁与所述支撑层等高；在所述支撑层上形成所述微同轴传输线的内轴；在所述第一部分外轴侧壁上形成第二部分外轴侧壁，得到所述微同轴传输线的外轴侧壁；在所述外轴侧壁上形成所述微同轴传输线的外轴顶层，得到所述微同轴传输线。采用该制造方法得到的空气芯微同轴传输线形成传感器探头，还可以大大降低探头的损耗，以提高传感器的检测灵敏度。

Description

一种空气芯微同轴传输线的制造方法及生物传感器

技术领域

本发明涉及微波测量技术领域，尤其涉及一种空气芯微同轴传输线的制造方法及生物传感器。

背景技术

生物传感器，是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。其灵敏度决定了检测的准确性和快速性。随着生命科学和生物化学领域的不断发展，人们对于生物传感器检测灵敏度的要求也越来越高。

由于大多数活的细菌生物可以由电阻和电容组合起来所形成的阻抗表达不同的生物细胞或者细胞生物的浓度。因而可以通过测量浸泡在包含有细菌生物体的溶液的阻抗来分辨有关的细胞生物或者这种细胞生物体在溶液中的浓度。相关技术中，通常是将基于微带线、同轴线或其他形式的传输线的所开发的探头浸入生物培植液中来测试电极和生物界面的阻抗。

然而，基于微带线、同轴线或其他形式的传输线所开发的传感器探头的尺寸通常较大，自身损耗较大。而探头损耗为传感器检测灵敏度的重要因素，因此，探头损耗大，会导致传感器的检测灵敏度较低，无法满足检测需求。

发明内容

鉴于上述问题，提出了本发明以便提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的一种空气芯微同轴传输线的制造方法及生物传感器。

第一方面，提供了一种空气芯微同轴传输线的制造方法，所述制造方法包括：

在衬底上形成微同轴传输线的外轴底层；

在所述外轴底层上形成支撑层；

在所述外轴底层上形成所述微同轴传输线的第一部分外轴侧壁，所述第一部分外轴侧壁与所述支撑层等高；

在所述支撑层上形成所述微同轴传输线的内轴；

在所述第一部分外轴侧壁上形成第二部分外轴侧壁，得到所述微同轴传输线的外轴侧壁；

在所述外轴侧壁上形成所述微同轴传输线的外轴顶层，得到所述微同轴传输线。

可选的，所述在衬底上形成微同轴传输线的外轴底层，包括：

在所述衬底上热沉积一层铜金属层、或铬金属层或者金铜合金层，得到所述外轴底层。

可选的，在所述外轴底层上形成支撑层之前，所述制造方法还包括：

对形成有所述外轴底层的所述衬底进行清洗。

可选的，所述在所述外轴底层上形成支撑层，包括：

在所述外轴底层上喷涂光敏聚酰亚胺层，并采用光刻工艺去除部分光敏聚酰亚胺层，以在所述外轴底层上形成所述支撑层。

可选的，所述在所述外轴底层上形成所述微同轴传输线的第一部分外轴侧壁，包括：

在所述衬底上形成覆盖所述外轴底层的第一牺牲层，且所述第一牺牲层与所述支撑层等高；

在所述第一牺牲层上形成两个延伸至所述外轴底层的第一凹槽；

在两个所述第一凹槽内填充金属，以形成所述第一部分外轴侧壁。

可选的，所述在所述第一部分外轴侧壁上形成第二部分外轴侧壁，包括：

在所述第一牺牲层上形成覆盖所述第一牺牲层、所述支撑层和所述内轴的第二牺牲层，并在所述第二牺牲层上形成两个延伸至所述第一牺牲层的第二凹槽，两个所述第二凹槽在所述外轴底层上的正投影与两个所述第一凹槽在所述外轴底层上的正投影重合；

在两个所述第二凹槽内填充金属，形成所述第二部分外轴侧壁。

可选的，所述第一部分外轴侧壁与所述第二部分外轴侧壁的材料和尺寸均相同。

可选的，所述在所述外轴侧壁上形成所述微同轴传输线的外轴顶层，得到所述微同轴传输线，包括：

在所述第二牺牲层上热蒸镀一层Cu层，形成所述外轴顶层；

在所述外轴顶层上形成多个释放孔，所述多个释放孔贯穿所述外轴顶层；

通过所述多个释放孔去除所述外轴侧壁内的所述第一牺牲层和所述第二牺牲层；

去除所述外轴侧壁外的所述第一牺牲层和所述第二牺牲层。

可选的，所述内轴至所述外轴底层的距离与所述内轴至所述外轴顶层的距离均为10um。

第二方面，提供了一种生物传感器，所述生物传感器包括基于空气芯微同轴传输线制造而成的探头，所述空气芯微同轴传输线采用如第一方面所述的制造方法制造而成。

本发明实施例中提供的技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

本发明实施例提供的一种空气芯微同轴传输线的制造方法及生物传感器，通过先在衬底上依次形成外轴底层和支撑层，然后再形成与支撑层等高的第一部分外轴侧壁，接着在支撑层上形成内轴后，再在第一部分外轴侧壁上形成第二部分外轴侧壁，得到完成的外轴侧壁。最后，在外轴侧壁上形成外轴顶层，即可得到微同轴传输线。也就是说，外轴侧壁分两部分生长，这样，更有利于外轴侧壁分别与外轴底层和外轴顶层之间形成直角，使得外轴更趋近于矩形结构，则外轴阻抗可以更接近于目标值，从而可以降低失配损耗，以提高传感器灵敏度。且由于该微同轴传输线的外轴与内轴之间通过支撑层隔开，即外轴与内轴之间的传输介质为空气，空气的正切角损耗和相对介电常数都较小，因此，采用该微同轴传输线形成传感器探头，可以大大降低探头的损耗，提高传感器的检测灵敏度。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。

附图说明

通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。

在附图中：

图1是本发明实施例提供的一种空气芯微同轴传输线的制造方法流程图；

图2是本发明实施例提供的一种沉积外轴底层的示意图；

图3是本发明实施例提供的一种形成支撑层的示意图；

图4是本发明实施例提供的一种形成第一部分外轴侧壁的示意图；

图5是本发明实施例提供的一种形成内轴的示意图；

图6是本发明实施例提供的一种形成第二部分外轴侧壁的示意图；

图7是本发明实施例提供的一种形成外轴顶层的示意图；

图8是本发明实施例提供的一种空气芯微同轴传输线的示意图；

图9为本发明实施例提供的空气芯微同轴传输线在单位毫米上的损耗示意图；

图10为相关技术中的圆形同轴传输线在单位毫米上的损耗示意图。

具体实施方式

下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。

在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。在本公开的上下文中，相似或者相同的部件可能会用相同或者相似的标号来表示。

为了更好的理解上述技术方案，下面将结合具体的实施方式对上述技术方案进行详细说明，应当理解本公开内容实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。

图1是本发明实施例提供的一种空气芯微同轴传输线的制造方法流程图，如图1所示，该制造方法包括：

步骤S110、在衬底上形成微同轴传输线的外轴底层。

在本实施例中，衬底可以是硅衬底或锗衬底等，该衬底上可以已经制备有有源区等结构，在此不作限制。

图2是本发明实施例提供的一种沉积外轴底层的示意图，如图2所示，在衬底10上热沉积一层铜金属层、或铬金属层或者金铜合金层，得到外轴底层20。

需要说明的是，本实施例中还可以采用例如PVD(Physical Vapor Deposition，物理气相沉积)或者电镀的方式在衬底10上沉积一层外轴底层。在此不作限制。

在执行完步骤110后，执行步骤120之前，该制造方法还可以包括：

对形成有外轴底层的衬底进行清洗。

具体地，可以依次采用丙酮溶液、甲醇溶液和氩气对衬底进行清洗，以去除外轴底层和衬底表面的杂质。

步骤S120、在外轴底层上形成支撑层。

在本实施例中，支撑层可以为光敏聚酰亚胺材料。步骤S102可以包括：

在外轴底层上喷涂光敏聚酰亚胺层，并采用光刻工艺去除部分光敏聚酰亚胺层，以在外轴底层上形成支撑层。

图3是本发明实施例提供的一种形成支撑层的示意图，如图3所示，在外轴底层20上形成有支撑层30。

步骤S130、在外轴底层上形成微同轴传输线的第一部分外轴侧壁，第一部分外轴侧壁与支撑层等高。

可选的，步骤S130可以包括：

第一步、在衬底上形成覆盖外轴底层的第一牺牲层，且第一牺牲层与支撑层等高。

在本发明实施例中，可以采用旋涂的方式将10um厚的AZ4620(科莱恩公司)的正型的抗刻蚀剂涂覆在衬底上。

第二步、在第一牺牲层上形成两个延伸至底层的第一凹槽。

在本实施例中，可以采用光刻工艺，在第一牺牲层上形成两个第一凹槽。

第三步、在两个第一凹槽内填充金属，以形成第一部分外轴侧壁。

在本发明实施例中，第一部分外轴侧壁为Cu金属材料。具体的，可以采用电镀铜的方式在每个凹槽内填充铜。

图4是本发明实施例提供的一种形成第一部分外轴侧壁的示意图，如图4所示，在衬底10上形成覆盖外轴底层20的第一牺牲层M1，第一牺牲层M1上形成有两个延伸至外轴底层20的第一凹槽。在第一凹槽内形成有第一部分外轴侧壁41。

步骤S140、在支撑层上形成微同轴传输线的内轴。

在本实施例中，内轴可以为Cu金属材料。

具体地，可以在支撑层上涂覆一层光刻胶，并对光刻胶层进行曝光以及显影；在显影后露出的支撑层表面形成Cu金属层；最后再去胶，即可得到内轴。

图5是本发明实施例提供的一种形成内轴的示意图，如图5所示，在支撑层30上形成有内轴50。

步骤S150、在第一部分外轴侧壁上形成第二部分外轴侧壁，得到微同轴传输线的外轴侧壁。

可选地，步骤S150可以包括：

在第一牺牲层上形成覆盖第一牺牲层、支撑层和内轴的第二牺牲层，并在第二牺牲层上形成两个延伸至第一牺牲层的第二凹槽，两个第二凹槽在外轴底层上的正投影与两个第一凹槽在外轴底层上的正投影重合；

在两个第二凹槽内填充金属，形成第二部分外轴侧壁。

具体的，可以将10um厚的AZ4620的正型的抗刻蚀剂喷涂在第一牺牲层、支撑层和内轴上，作为第二牺牲层。可以采用光刻工艺，在第二牺牲层上形成两个第二凹槽。

在本发明实施例中，第一部分外轴侧壁与第二部分外轴侧壁的材料和尺寸均相同。第二部分外轴侧壁与第一部分外轴侧壁均为Cu金属材料。

示例性地，第一部分外轴侧壁和第二部分外轴侧壁的高度均为10um。

图6是本发明实施例提供的一种形成第二部分外轴侧壁的示意图，如图6所示，第一牺牲层M1上形成有覆盖第一牺牲层M1、支撑层30和内轴50的第二牺牲层M2，在第二牺牲层M2的两个第二凹槽内形成有第二部分外轴侧壁42，形成有第二部分外轴侧壁42位于第一部分外轴侧壁41上，第一部分外轴侧壁41和第二部分外轴侧壁42形成完整的外轴侧壁40。

步骤S160、在外轴侧壁上形成微同轴传输线的外轴顶层，得到微同轴传输线。

可选的，步骤S160可以包括：

在第二牺牲层上热蒸镀一层Cu层，形成外轴顶层；

在外轴顶层上形成多个释放孔，多个释放孔贯穿外轴顶层；

通过多个释放孔去除外轴侧壁内的第一牺牲层和第二牺牲层；

去除外轴侧壁外的第一牺牲层和第二牺牲层。

具体地，在第二牺牲层上热蒸镀一层Cu层后，可以对Cu层进行光刻处理，去除多余的Cu层，以形成外轴顶层。然后可以对外轴顶层进行铜腐蚀处理，以在外轴顶层上形成多个释放孔。最后，可以通过现有的去胶方法，去除第一牺牲层和第二牺牲层。

图7是本发明实施例提供的一种形成外轴顶层的示意图，如图7所示，在外轴侧壁40上形成有外轴顶层60，且外轴顶层60上形成有多个释放孔60a。

图8是本发明实施例提供的一种空气芯微同轴传输线的示意图，如图8所示，该空气芯微同轴传输线包括外轴和内轴50。其中外轴包括底层20、侧壁40和顶层60。

在本发明实施例中，内轴至外轴底层的距离L2、与内轴至外轴顶层的距离L1相等。例如，内轴至外轴底层的距离L2、与内轴至外轴顶层的距离L1均为10um，即L1＝L2＝10um。这一距离足够小，可以捕捉到从中心导体发出并终止于外部屏蔽层的电场线内的少量细菌菌落。

图9为本发明实施例提供的空气芯微同轴传输线在单位毫米上的损耗示意图，图10为相关技术中的圆形同轴传输线在单位毫米上的损耗示意图，对比图9和图10可知，在不同频率下，本发明实施例提供的空气芯微同轴传输线在单位毫米上的损耗均小于相关技术中的圆形同轴传输线在单位毫米上的损耗。例如，在50GHz的频率下，本发明实施例提供的空气芯微同轴传输线在单位毫米上的损耗为0.028dB，相关技术中的圆形同轴传输线在单位毫米上的损耗为0.1dB。因此，空气芯微同轴传输线的损耗更低。

基于同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种生物传感器，该生物传感器包括基于空气芯微同轴传输线制造而成的探头，该空气芯微同轴传输线采上述实施例所述的制造方法制造而成。

示例性地，本实施例中的探头探针的长度为3400μm，截面积为75×20μm²。

利用上述制造方法可以制造出尺寸与细菌生物尺寸相仿的探头，由于探头尺寸与细菌的尺寸成比例，可以增加检测灵敏度，而细菌的尺寸在几微米到几百微米不等。因而相较以传统同轴线和平面传输线为基础形成的检测传感器，采用空气芯微同轴传输线制成的传感器更具有尺寸和灵敏度上的优势。同时传统的圆形同轴结构的传输线损耗α与介质相对介电常数εr和介质的正切角损耗tanδ参数相关。相比于常见的绝缘材料，如SiO2，SU-8等，空气拥有更小的εr和tanδ，如果传输介质为空气，则可以传输损耗大大降低。同时采用上述制造方法制造的空气芯微同轴传输线形成传感器，还可以进行批量生产，成本低廉，一次性使用，避免了测试过程中的交叉污染。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：

本发明实施例提供的一种空气芯微同轴传输线的制造方法及生物传感器，通过先在衬底上依次形成外轴底层和支撑层，然后再形成与支撑层等高的第一部分外轴侧壁，接着在支撑层上形成内轴后，再在第一部分外轴侧壁上形成第二部分外轴侧壁，得到完成的外轴侧壁。最后，在外轴侧壁上形成外轴顶层，即可得到微同轴传输线。也就是说，外轴侧壁分两部分生长，这样，更有利于外轴侧壁分别与外轴底层和外轴顶层之间形成直角，使得外轴更趋近于矩形结构，则外轴阻抗可以更接近于目标值，从而可以降低失配损耗，以提高传感器灵敏度。且由于该微同轴传输线的外轴与内轴之间通过支撑层隔开，即外轴与内轴之间的传输介质为空气，空气的正切角损耗和相对介电常数都较小，因此，采用该微同轴传输线形成传感器探头，可以大大降低探头的损耗，提高传感器的检测灵敏度。

在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个发明方面中的一个或多个，在上面对本发明的示例性实施例的描述中，本发明的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本发明要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，发明方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本发明的单独实施例。

应该注意的是上述实施例对本发明进行说明而不是对本发明进行限制，并且本领域技术人员在不脱离所附权利要求的范围的情况下可设计出替换实施例。

Claims (8)

1.一种空气芯微同轴传输线的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括：

在衬底上形成微同轴传输线的外轴底层；

在所述外轴底层上形成支撑层；

在所述衬底上形成覆盖所述外轴底层的第一牺牲层，且所述第一牺牲层与所述支撑层等高；

在所述第一牺牲层上形成两个延伸至所述外轴底层的第一凹槽；

在两个所述第一凹槽内填充金属，以形成第一部分外轴侧壁，所述第一部分外轴侧壁与所述支撑层等高；

在所述支撑层上形成所述微同轴传输线的内轴；

在所述第一牺牲层上形成覆盖所述第一牺牲层、所述支撑层和所述内轴的第二牺牲层，并在所述第二牺牲层上形成两个延伸至所述第一牺牲层的第二凹槽，两个所述第二凹槽在所述外轴底层上的正投影与两个所述第一凹槽在所述外轴底层上的正投影重合；

在两个所述第二凹槽内填充金属，形成第二部分外轴侧壁，得到所述微同轴传输线的外轴侧壁；

在所述外轴侧壁上形成所述微同轴传输线的外轴顶层，得到所述微同轴传输线。

2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述在衬底上形成微同轴传输线的外轴底层，包括：

在所述衬底上热沉积一层铜金属层、或铬金属层或者金铜合金层，得到所述外轴底层。

3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，在所述外轴底层上形成支撑层之前，所述制造方法还包括：

对形成有所述外轴底层的所述衬底进行清洗。

4.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述在所述外轴底层上形成支撑层，包括：

在所述外轴底层上喷涂光敏聚酰亚胺层，并采用光刻工艺去除部分光敏聚酰亚胺层，以在所述外轴底层上形成所述支撑层。

5.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述第一部分外轴侧壁与所述第二部分外轴侧壁的材料和尺寸均相同。

6.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述在所述外轴侧壁上形成所述微同轴传输线的外轴顶层，得到所述微同轴传输线，包括：

在所述第二牺牲层上热蒸镀一层Cu层，形成所述外轴顶层；

在所述外轴顶层上形成多个释放孔，所述多个释放孔贯穿所述外轴顶层；

通过所述多个释放孔去除所述外轴侧壁内的所述第一牺牲层和所述第二牺牲层；

去除所述外轴侧壁外的所述第一牺牲层和所述第二牺牲层。

7.根据权利要求1至6任一项所述的制造方法，其特征在于，所述内轴至所述外轴底层的距离、与所述内轴至所述外轴顶层的距离均为10um。

8.一种生物传感器，其特征在于，所述生物传感器包括基于空气芯微同轴传输线制造而成的探头，所述空气芯微同轴传输线采用如权利要求1至7任一项所述的制造方法制造而成。

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