CN115332290A - 一种集成声流控saw器件与薄膜晶体管器件的传感器及其制备方法、应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器及其制备方法、应用，其中声流控器件基于氧化锌薄膜作为压电材料，薄膜晶体管选用氧化锌作为沟道材料。本发明集成了声流控器件的筛选功能与薄膜晶体管的传感功能，能在筛选出特定生物标志物例如细胞的同时检测计数，省去了细胞标记、显微镜计数的步骤。本发明提出的器件制备方式简单，成本低廉，衬底和薄膜均为透明材料，且与传统微电子工艺兼容，适合大规模生产以及医疗上的应用。
Description
技术领域
本发明属于传感分析技术领域，涉及集成声表面波、薄膜晶体管的生物、化学致动器、传感器器件技术，特别涉及一种集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器及其制备方法、应用。
背景技术
目前单细胞操作技术例如光镊、声镊、磁镊等被广泛应用于例如肿瘤细胞、外泌体等重要生物标记物的筛选、操控等领域。声表面波器件由于其低功率、无接触式的致动方式，在生命科学等需要无损操作的应用领域有着重要意义。常见的声表面波器件一般基于体材料例如压电陶瓷、铌酸锂等，或者是基于薄膜材料氧化锌、氮化铝等衬底。该类器件通过压电效应将交流电信号转化为表面声波信号，从而实现通过声场对于细胞、粒子等实现轨迹调控或者筛选的目的。通过声表面波器件常作为致动器应用于细胞筛选、操控等场景，但此类器件一般需要借助前期的细胞标记、后期光学显微镜计数等实现检测的功能。
薄膜晶体管由于其较高的灵敏度常作为传感器应用于生化传感等领域。薄膜晶体管的一大优势在于其工艺可与CMOS工艺兼容，具备大规模集成的优点。基于氧化锌和氧化铟锡的薄膜晶体管器件由于其低毒性以及低廉的价格以及较简单的制备工艺被广泛应用于标签识别(RFID)，透明指纹识别屏等领域。目前基于薄膜晶体管的生物传感器应用是研究前沿，如申请公开号为CN 107293581 A的中国专利。其公开了一种通过制备垂直方向上的薄膜晶体管实现了与固态纳米孔的集成办法，该方案可用于检测单分子例如DNA、蛋白质等生物小分子。但该方案所提出的薄膜晶体管为垂直器件，纳米孔孔径较小，较难应用于细胞或者尺寸较大待测物的分析，且较难与其他致动器级联。
片上实验室(Lab-on-a-chip)是目前得到极大关注的研究领域，能集成不同功能的传感器、致动器，并实现在较小的检测芯片上快速、低成本地完成筛选、检测、富集等各类生化应用。利用片上实验室实现肿瘤细胞的筛选与检测是目前该领域前沿的研究方向。肿瘤细胞一般带有一定量电荷，且随着恶化程度的加剧带电量会有一定程度的区别。肿瘤细胞一般在正常人体内含量极低，以循环肿瘤细胞CTC为例，每毫升血液中仅含有1到100个，对于检测系统灵敏度要求很高。在疾病早筛领域利用微流控技术尽早实现快速、准确、廉价的肿瘤标记物检测是目前的研究难点、热点。
因此，亟需提出一种集成调控-传感一体化器件作为片上实验室，用于快速检测肿瘤细胞。
发明内容
本发明的目的在于提出一种集成薄膜晶体管与薄膜声表面波器件的制造工艺与应用办法，实现对于肿瘤细胞、正常细胞的筛选与统计一体化的检测功能。其中薄膜声表面波器件主要用于肿瘤细胞的分离；薄膜晶体管器件主要用于肿瘤细胞的传感、计数。本发明可以在分离肿瘤细胞的同时对于肿瘤信号的个数进行几乎同步的精确统计。
本发明所采用的具体技术方案如下：本发明实施例的第一方面提供了一种集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器，包括：衬底，所述衬底上沉积有压电薄膜层，压电薄膜层的一端沉积有插指电极，在插指电极的表面和其中的一个侧面生长第一绝缘层；在插指电极以外的压电薄膜层上生长第二绝缘层，所述第一绝缘层和第二绝缘层一体成型；在第二绝缘层的表面溅射沉积有栅极，所述栅极和第二绝缘层的上表面设置有由下而上依次布置的栅氧介质层和沟道层；所述沟道层的两端分别沉积有源极和漏极；在源极、漏极的表面和源极、漏极、栅氧介质层、沟道层的侧面生长有第三绝缘层。
进一步地，所述衬底为PDMS、PI、硅片、类硅片。
进一步地，所述压电薄膜层的材料选自氧化锌、氮化钛或PZT；所述压电薄膜层的厚度为10-100000nm。
进一步地，所述插指电极选用氧化铟锡，其厚度为100nm，其指宽与间距均为10um，其声孔径为5cm。
进一步地，所述绝缘层选用二氧化硅绝缘层或氧化铝绝缘层，所述绝缘层的厚度为100nm。
进一步地，所述栅极、源极和漏极的材料选用氧化铟锡，所述栅极、源极和漏极的厚度均为100nm。
进一步地，所述栅氧介质层选用氧化铝或二氧化铪，所述栅氧介质层的厚度为20nm；所述沟道层选用经n型非故意掺杂的氧化锌，所述沟道层的厚度为20nm。
本发明实施例的第二方面提供了一种集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
首先在衬底上沉积压电薄膜层；随后利用掩膜版、光刻、剥离在压电薄膜层上沉积插指电极，电极的指宽与间距均为10um，声表面波器件设计为延迟线类型，延迟线间距为1cm，插值电极的声孔径设计为5cm；在完成插指电极的制备后利用物理气相沉积的办法在器件表面生长100nm厚度的第一绝缘层和第二绝缘层；完成薄膜声表面波器件的制备；
随后，开始薄膜晶体管的制备；首先在器件表面利用溅射沉积底部栅极材料；随后利用原子层沉积栅氧介质层；然后利用原子层沉积沟道层；随后利用溅射、掩膜沉积源、漏两级；最后再利用PECVD完成第三绝缘层的生长。
本发明实施例的第三方面提供了一种集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器在检测物质电荷中的应用。
进一步地，所述应用的方法包括以下步骤：
利用PDMS与所述集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器通过键合形成Y形PDMS微流道；薄膜晶体管位于Y形PDMS微流道下方；
将待测物质注入Y形PDMS微流道；
当所述待测物质通过所述薄膜晶体管上方时，检测薄膜晶体管沟道电流变化幅度，从而计算出所述待测物质的电荷大小；
当所述待测物质通过所述薄膜晶体管上方时，对薄膜晶体管沟道电流的峰值进行计数，即得所述待测物质的数量。本发明相对于现有技术而言，具有以下有益效果：
1、在同一芯片上检测物质电荷并实现肿瘤细胞与正常细胞的分离，以及肿瘤细胞的计数，实现筛选与检测一体化。
2、省去了传统检测办法额外的细胞标记、染色，光镜人工计数等步骤，检测速度快，灵敏度高。
3、该制造工艺适合大规模生产，价格便宜，兼容常见各类衬底材料，无需使用昂贵的铌酸锂衬底等。
4、该芯片均采用薄膜生长工艺，且均为透明材料，如选用柔性衬底，可以应用于柔性电子领域。
附图说明
图1为调控-传感一体化器件的整体设计示意图；
图2为调控-传感一体化器件的工艺示意图；
图3为器件剖面图与主要材料示意图；
图中，1-衬底；2-压电薄膜层；3-插值电极；401-第一绝缘层；402-第二绝缘层；403-第三绝缘层；5-栅极；6-栅氧介质层；7-沟道层；8-源极；9-漏极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下，均可进行相应组合。
如图3所示，本发明实施例提供了一种集成声流控SAW器件与TFT薄膜晶体管器件的传感器，包括衬底1，所述衬底1上沉积有压电薄膜层2，压电薄膜层2的一端沉积有插指电极3，在插指电极4的表面和其中的一个侧面生长第一绝缘层401；在插指电极4以外的压电薄膜层2上生长第二绝缘层402，所述第一绝缘层401和第二绝缘层402一体成型；在第二绝缘层402的表面溅射沉积有栅极5，所述栅极5和第二绝缘层402上表面设置有由下而上依次布置的栅氧介质层6和沟道层7；所述沟道层7的两端分别沉积有源极8和漏极9；在源极8、漏极9的表面和源极8、漏极9、栅氧介质层6、沟道层7的两个侧面生长有第三绝缘层。
优选地，所述衬底1为柔性的PDMS、PI、硅片、类硅片。
优选地，所述压电薄膜层2的材料选自氧化锌、氮化钛或PZT；所述压电薄膜层3的厚度为10-100000nm。较佳的，氧化锌压电薄膜层的厚度在5um左右。
优选地，所述插指电极3选用氧化铟锡ITO，本发明实施例中插指电极ITO的厚度在100nm左右。其指宽与间距均为10um，声流控SAW器件设计为延迟线类型，延迟线间距为1cm，插指电极的声孔径设计为5cm。
优选地，所述第一绝缘层401、第二绝缘层402和第三绝缘层403选用二氧化硅绝缘层或氧化铝绝缘层，所述一体化的绝缘层的厚度在100nm左右。
优选地，薄膜晶体管的栅极5、源极8、漏极9的厚度均为100nm左右。所述栅极5、源极8和漏极9的材料选用氧化铟锡。
优选地，薄膜晶体管的栅氧介质层6选用氧化铝或二氧化铪等，其厚度在20nm左右。
优选地，本发明实施例中薄膜晶体管的沟道层7选用经n型非故意掺杂的氧化锌ZnO，厚度在20nm左右。
优选地，本发明实施例中薄膜晶体管的宽长比W/L选用为5um/5um
如图2所示，本发明实施例的另一方面提供了一种集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
1、器件的制备
首先在玻璃衬底上沉积厚度约为5um的压电薄膜层，所述压电薄膜层的材料本实施例选用氧化锌；随后利用掩膜版、光刻、剥离在氧化锌压电薄膜层上沉积插指电极，电极的指宽与间距均为10um，声表面波器件设计为延迟线类型，延迟线间距为1cm，插值电极的声孔径设计为5cm。在完成插指电极的制备后利用物理气相沉积的办法在器件表面生长100nm厚度的二氧化硅作为第一绝缘层和第二绝缘层。至此，完成薄膜声表面波器件的制备。
随后，开始薄膜晶体管的制备。首先在器件表面利用溅射沉积底部电极(栅极)的材料ITO，其厚度约为200nm；
随后利用原子层沉积(ALD)氧化铝栅氧介质层，厚度约为20nm；然后利用原子层沉积(ALD)沉积氧化锌沟道层，厚度约为20nm；随后利用溅射、掩膜沉积源、漏两级，厚度约为200nm、，最后再利用PECVD在器件表面完成厚度为100nm的第三绝缘层的生长。得到集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器。
2、封装与集成
本实施例制得的集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器与包含Y形的PDMS微腔键合后可以形成Y形PDMS微流道，该Y形PDMS微流道长度约为2cm，从而检测物质电荷以实现对于待测生物细胞的调控及检测。
随后利用氧气等离子处理对于器件表面做亲水性处理，然后键合PDMS微流道与芯片，形成封闭微流道。然后利用打孔器在微通道表面形成通孔，并用橡胶管连接注射泵。待测细胞从注射泵按照设定流速通入Y形PDMS微流道。声表面波器件的输入由函数发生器提供预先设定的交流电压信号。薄膜晶体管的输入输出由外部的电压源以及电流放大器以及LabVIEW软件实现实时波形的记录。
如图1所示，本发明实施例的另一方面提供了一种集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器，在检测物质电荷的应用，具体为：
利用PDMS与所述集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器通过键合形成Y形PDMS微流道。
将待测物质注入Y形PDMS微流道；本发明实施例中，如图1所示，所述待测物质为混合有肿瘤细胞和正常细胞的混合细胞。由于不同密度细胞在同一声场作用下所受声辐射力不同，密度更大的肿瘤细胞受声辐射力强，流入Y形微流道的下侧；密度小的普通细胞受声辐射力小，流入Y形微流道的上侧，从而实现肿瘤细胞的筛选、分离。
当所述待测物质通过所述薄膜晶体管上方时，检测薄膜晶体管沟道电流变化幅度，从而计算出所述待测物质的电荷大小。
当所述待测物质通过所述薄膜晶体管上方时，对薄膜晶体管沟道电流的峰值进行计数，即得所述待测物质的数量。
综上所述，本发明集成了声流控器件的筛选功能与薄膜晶体管的传感功能，能在筛选出特定生物标志物例如细胞的同时检测计数，省去了细胞标记、显微镜计数的步骤。本发明提出的器件制备方式简单，成本低廉，衬底和薄膜均为透明材料，且与传统微电子工艺兼容，适合大规模生产以及医疗上的应用。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器，其特征在于，包括：衬底，所述衬底上沉积有压电薄膜层，压电薄膜层的一端沉积有插指电极，在插指电极的表面和其中的一个侧面生长第一绝缘层；在插指电极以外的压电薄膜层上生长第二绝缘层，所述第一绝缘层和第二绝缘层一体成型；在第二绝缘层的表面溅射沉积有栅极，所述栅极和第二绝缘层的上表面设置有由下而上依次布置的栅氧介质层和沟道层；所述沟道层的两端分别沉积有源极和漏极；在源极、漏极的表面和源极、漏极、栅氧介质层、沟道层的侧面生长有第三绝缘层。
2.根据权利要求1所述的集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器，其特征在于，所述衬底为PDMS、PI、硅片、类硅片。
3.根据权利要求1所述的集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器，其特征在于，所述压电薄膜层的材料选自氧化锌、氮化钛或PZT；所述压电薄膜层的厚度为10-100000nm。
4.根据权利要求1所述的集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器，其特征在于，所述插指电极选用氧化铟锡，其厚度为100nm，其指宽与间距均为10um，其声孔径为5cm。
5.根据权利要求1所述的集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器，其特征在于，所述绝缘层选用二氧化硅绝缘层或氧化铝绝缘层，所述绝缘层的厚度为100nm。
6.根据权利要求1所述的集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器，其特征在于，所述栅极、源极和漏极的材料选用氧化铟锡，所述栅极、源极和漏极的厚度均为100nm。
7.根据权利要求1所述的集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器，其特征在于，所述栅氧介质层选用氧化铝或二氧化铪，所述栅氧介质层的厚度为20nm；所述沟道层选用经n型非故意掺杂的氧化锌，所述沟道层的厚度为20nm。
8.一种权利要求1～7任一项所述的集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
首先在衬底上沉积压电薄膜层；随后利用掩膜版、光刻、剥离在压电薄膜层上沉积插指电极，电极的指宽与间距均为10um，声表面波器件设计为延迟线类型，延迟线间距为1cm，插值电极的声孔径设计为5cm；在完成插指电极的制备后利用物理气相沉积的办法在器件表面生长100nm厚度的第一绝缘层和第二绝缘层；完成薄膜声表面波器件的制备；
随后，开始薄膜晶体管的制备；首先在器件表面利用溅射沉积底部栅极材料；随后利用原子层沉积栅氧介质层；然后利用原子层沉积沟道层；随后利用溅射、掩膜沉积源、漏两级；最后再利用PECVD完成第三绝缘层的生长。
9.一种权利要求1～7任一项所述的集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器或由权利要求8所述的制备方法制得的集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器在检测物质电荷中的应用。
10.根据权利要求9所述的应用，其特征在于，所述应用的方法包括以下步骤：
利用PDMS与所述集成声流控SAW器件与薄膜晶体管器件的传感器通过键合形成Y形PDMS微流道；薄膜晶体管位于Y形PDMS微流道下方；
将待测物质注入Y形PDMS微流道；
当所述待测物质通过所述薄膜晶体管上方时，检测薄膜晶体管沟道电流变化幅度，从而计算出所述待测物质的电荷大小；
当所述待测物质通过所述薄膜晶体管上方时，对薄膜晶体管沟道电流的峰值进行计数，即得所述待测物质的数量。
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