CN203786080U - 用于检测磁性纳米颗粒的传感器装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型的用于检测磁性纳米颗粒的传感器装置包括：具有多个以预定间隔排列的传感器的传感阵列；填充于该预定间隔中的绝缘材料；以及分别电性连接于所述传感阵列的两侧的两铅线层；其中，还包括第一保护层及第二保护层，所述第一保护层覆盖于所述传感阵列的顶面上以形成平坦的感应表面，所述第二保护层覆盖于所述铅线层上，且所述感应表面低于所述第二保护层的顶面以形成一凹陷。其具有高灵敏度和可靠度从而获得良好的感应及检测效果，并减少生物探针物质的使用量从而降低成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及传感器装置，尤其涉及一种用于检测磁性纳米颗粒的传感器装置。
背景技术
当前，基于AMR（各向异性磁阻）、GMR（巨磁阻）和TMR（隧道磁阻）元件的磁阻传感器已经赢得了重要性。除了例如磁性硬盘和MRAM的公知常见应用之外，在分子诊断（MDx）、IC的电流感应、汽车等领域中也出现了新的应用。
AMR出现在铁磁或亚铁磁的材料中。AMR是当在亚铁材料的薄带中施加与电流流向不平行的磁场时电阻发生变化。当垂直与电流施加磁场时，电阻最大。AMR元件其特征是高灵敏度、宽工作温度范围、低且稳定的偏移和达到MHz单位的宽频率范围。使用适当的技术处理使得能够在特定方向上得到电阻变化与磁场强度的线性相关性。
在GMR技术中，已经开发了一种结构，其中第一和第二非常薄的磁性膜非常近地结合在一起。通常通过保持在第一磁性膜接近于交换层使第一磁性膜固定，这意味着固定磁性趋向，该交换层使一种固定第一磁性膜的磁性趋向的抗铁磁材料层。第二磁性膜或者传感器膜具有自由可变的磁性取向。在源自磁性材料（如超顺磁性颗粒）的磁化强度改变的情况下，磁场中的改变引起传感器膜磁性取向旋转，从而使得整个传感器结构的电子增大或减少。当传感器和固定膜的磁性取向在相同方向上时出现低电阻。当传感器和固定膜的磁性取向相互相对时出现高电阻。
在被隔离的隧道阻挡层隔开的两个铁磁层构成的系统中可以观察到TMR。该阻挡层必须非常薄，即为1纳米级。那么仅仅电子可以隧穿该阻挡层，这是一个完全的量子力学传输过程。可以改变一个层的磁性对准而不影响其他层。在源自磁性材料（如超顺磁性颗粒）的磁化强度改变的情况下，磁场中的变化引起传感器膜磁性取向旋转，从而使整个传感器结构的电阻增大或减小。
生物芯片，也称作生物传感器芯片、生物学微芯片、基因芯片或DNA芯片，其最简单的形式包括衬底，在该衬底上附着了大量的探针分子在芯片上的确定区域上，当待分析的分子或分子片段结合在探针分子上并与之匹配时，该分子或分子片段即能被分析。
在专利申请WO2003/054523，名称为“用于测量微阵列上的磁性纳米颗粒的面密度的传感器和方法”中，公开了一种磁性纳米颗粒生物传感器，用于微阵列或生物芯片上的生物分子的检测，该传感器使用了GMR传感器元件。图1a为如所引用文件的一个实施例中的磁阻传感器1。该传感器1包括第一GMR传感器元件12和第二GMR传感器元件13，该第一和第二GMR传感器元件在衬底14的表面15下以距离d集成在生物芯片衬底14中。该生物芯片衬底14的顶表面15（感应表面）必须调整以使纳米颗粒16可以结合在其上。
在图1a中引入了一个坐标系统，根据该坐标系统，GMR元件12、13具有长度w，该长度w是在y方向延伸的特定长度。如果磁阻传感器元件12、13位于xy平面，则GMR传感器元件12、13检测磁场的x分量，即GMR传感器元件12、13在x方向上具有敏感方向。为了独处生物芯片，通过垂直于生物芯片平面的外部均匀磁场磁化与该生物芯片结合的超顺磁性纳米颗粒16。垂直磁场在磁偶极子端部定向了较高的磁场，该磁偶极子由朝着并接近于第一、第二GMR传感器元件12、13的纳米颗粒16形成。被磁化的纳米颗粒16在GMR膜下面的平面内产生相对的磁感应矢量区域，最后得到的磁场被第一和第二GMR传感器元件12、13检测、GMR传感器元件12、13的输出被反馈至比较器进行分析处理。
然而，实际上，由于GMR传感器元件12、13的特定制造工艺，在纳米颗粒16结合到该装置的感应表面15之前，该感应表面15是凹凸不平的，如图1b所示。基于此，一方面，粗糙不平的感应表面15使得附着在其上所需的生物探针物质更多，这无疑增加了成本。另一方面，粗糙不平的感应表面15和生物探针材料之间的液体亲和性十分明显，这将降低检测的敏感度和可靠度。
因此，亟待提供一种改进的用于检测磁性纳米颗粒的传感器装置，以克服上述的缺陷。
实用新型内容
本实用新型的一个目的在于提供一种用于检测磁性纳米颗粒的传感器装置，其具有高灵敏度和可靠度从而获得良好的感应及检测效果，并减少生物探针物质的使用量从而降低成本。
相应地，本实用新型的用于检测磁性纳米颗粒的传感器装置包括：
具有多个以预定间隔排列的传感器的传感阵列；
填充于该预定间隔中的绝缘材料；以及
分别电性连接于所述传感阵列的两侧的两铅线层；
其中，还包括第一保护层及第二保护层，所述第一保护层覆盖于所述传感阵列的顶面上以形成平坦的感应表面，所述第二保护层覆盖于所述铅线层上，且所述感应表面低于所述第二保护层的顶面以形成一凹陷。
与现有技术相比，由于本实用新型的传感器装置具有第一保护层，该第一保护层覆盖在传感阵列的顶面从而形成平坦的感应表面，还具有覆盖在铅线层上的第二保护层，且感应表面低于第二保护层的顶面以形成凹陷，因此该平坦光滑的感应表面可降低或避免生物探针物质和感应表面之间的液体亲和性，从而提高传感器装置的灵敏性和可靠性，进而提高感应效果和检测效果。再且，由于形成有凹陷结构，特别是感应表面处呈凹陷状，以更好地承载生物探针材料，因此较少量的生物探针材料（如生物探针溶液）足以涂布在该感应表面上进行检测，从而节省生物探针材料的使用成本。
较佳地，还包括形成于所述凹陷上并与所述感应表面相接触的探针物质。
所述第一保护层的厚度小于15nm。
较佳地，所述第二保护层的厚度至少为所述第一保护层的厚度的两倍。
较佳地，所述传感阵列中的每一传感器的宽度为0.6μm至1.2μm，厚度为20nm至40nm。
较佳地，所述绝缘材料的宽度为0.1μm至0.5μm。
较佳地，所述第一保护层和所述第二保护层由Al2O3或SiO2制成。
较佳地，所述第一保护层和所述第二保护层通过原子层沉积（ALD）或气相沉积（CVD）而成。
较佳地，所述第二保护层覆盖于所述铅线层的侧面及所述顶面上。
较佳地，所述传感器为GMR传感器、TMR传感器或AMR传感器。
附图说明
图1a为传统的用于检测磁性纳米颗粒的传感器装置的示意图。
图1b为传统的传感器装置的局部示意图。
图2为本实用新型用于检测磁性纳米颗粒的传感器装置的一个实施例的立体图。
图3为图2沿A-A线的剖视图。
图4为图2沿B-B线的剖视图。
图5为第一保护层的厚度和装置的输出之间的关系图表。
图6a～6g为本实用新型的传感器装置的制造流程工艺图。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本实用新型作进一步的描述，但本实用新型的实施方式不限于此。本实用新型的主旨在于提供一种用于检测磁性纳米颗粒的传感器装置，其具有高灵敏度和可靠度从而获得良好的感应及检测效果，并减少生物探针物质的使用量从而降低成本。
特定地，本实用新型的传感器装置亦被称为生物传感器，适用于血液测试的诊断系统，例如人类基因型分析、细菌的筛选、生物学和药理学研究。
图2至图4展示了本实用新型用于检测磁性纳米颗粒的传感器装置的一个实施例。如图所示，该传感器装置2包括传感阵列20以及分别电性连接在该传感阵列20的两侧的两铅线层22。特定地，该铅线层22继而被连接到传感器装置2的连接触点（图未示）上以引入电流至传感阵列20。具体地，在传感阵列20的表面上覆盖附着有生物探针物质，以进行检测处理。以下是该传感器装置2的详细描述。
具体地，该传感阵列20包括具有以预定间隔排列有多个传感器201的传感列，例如12个或更多个生物传感器芯片连接在一个传感阵列上。该生物传感器芯片可依实际需求设置为GMR、TMR或AMR传感器芯片。如图4所示，在传感器201之间的预定间隔中填充有绝缘材料202，宽度为0.1μm至0.5μm。较佳地，该绝缘材料202和传感阵列20具有相同厚度。较佳地，传感阵列20上的每一传感器201的宽度为0.6μm至1.2μm，厚度为20nm至40nm。
特定地，位于传感阵列20两侧的该铅线层22比传感阵列20厚，即铅线层22的顶面和传感阵列20的顶面位于不同的平面。
作为本实用新型的构思，请参考图2至图4，该传感器装置2还包括第一保护层24及第二保护层26，该第一保护层24覆盖于传感阵列20的顶面上以形成平坦的感应表面203，该第二保护层26覆盖于铅线层22上。具体地，该感应表面203呈平坦光滑状，并非凹凸不平。特定地，该感应表面203低于铅线层22上的第二保护层26的顶面，以在装置2上形成凹陷28，该凹陷28供以生物探针物质涂布并附着于其上。
基于传感器装置2的上述结构，该平坦光滑的感应表面203可降低或避免生物探针物质和感应表面203之间的液体亲和性，从而提高传感器装置2的灵敏性和可靠性，进而提高感应效果和检测效果。再且，由于形成有凹陷结构，特别是感在应表面203处呈凹陷状，以更好地供生物探针材料涂布，因此较少量的生物探针材料（如生物探针溶液）足以涂布在该感应表面203上进行检测，从而节省生物探针材料的使用成本。
作为一个优选实施例，该第一保护层24可由Al2O3or SiO2制成，并通过原子层沉积（ALD）或气相沉积（CVD）工序制得。为确保第一保护层24的平滑度和光滑度，该第一保护层24可进一步进行研磨处理等。当该第一保护层24的厚度变得较薄时，其性能表现得更好，因此在本实用新型中其厚度设置为小于15nm，为了确保保护效果的同时获得良好性能，其可设置为5nm。图5展示了第一保护层24的厚度和输出的关系。
在本实施例中，第二保护层26形成在铅线层22上，较佳为覆盖其顶面221以及与第一保护层24相邻接的侧面222。这样设置的原因在于与第一保护层24相邻接的侧面222也会接触检测用到的化学溶液，其有可能会损坏铅线层22从而影响检测效果。较佳地，覆盖在顶面221上的第二保护层26的厚度较侧面222上的第二保护层26的厚度大。例如，顶面221上的第二保护层26的厚度为30nm至70nm，其厚度至少为第一保护层24的厚度的两倍。
当然，值得注意的是，覆盖在侧面222的第二保护层26的部分并不是必须的，其不受本实施例的限制。
以下为本实用新型的传感器装置2的工艺流程的相关描述。图6a～6g指示了主要的工艺。
请参考图6a，形成传感器薄膜280和光阻292。具体地，在一衬底291上形成传感器薄膜280，例如通过溅射的方法。该光阻292涂布在传感器薄膜280上，并通过光刻技术进行图案制作。
请参考图6b，在传感阵列20上形成图案。具体地，通过离子铣削的方法形成传感器201图案，使得在传感器201之间预定间隔。
如图6c所示，形成绝缘材料202。特定地，通过光阻292的使用，使得该绝缘材料202填充在传感阵列20之间的间隙中，继而，移除该光阻292。
随后，请参考图6d，在传感阵列20的两侧电性连接铅线层22。
请参考图6e，形成第一保护层24。具体地，该第一保护层24通过ALD或CVD工艺形成在传感阵列20和铅线层22的表面上。在图6e以及后续的图中，衬底291被省略掉。
请参考图6f至6g，形成第二保护层26。具体地，在感应表面203上的第一保护层24上涂布另一个光阻293，接着在铅线层22的表面上沉积具有预定尺寸的第二保护层22，最后将光阻293移除。至此，形成本实施例的传感器装置2.
需要说明的是，上述的制造方法仅仅是一个可选的实施例，其并不能限制本发明。
以上结合最佳实施例对本实用新型进行了描述，但本实用新型并不局限于以上揭示的实施例，而应当涵盖各种根据本实用新型的本质进行的修改、等效组合。
Claims (10)
1.一种用于检测磁性纳米颗粒的传感器装置，包括：
具有多个以预定间隔排列的传感器的传感阵列；
填充于该预定间隔中的绝缘材料；以及
分别电性连接于所述传感阵列的两侧的两铅线层；
其特征在于：还包括第一保护层及第二保护层，所述第一保护层覆盖于所述传感阵列的顶面上以形成平坦的感应表面，所述第二保护层覆盖于所述铅线层上，且所述感应表面低于所述第二保护层的顶面以形成一凹陷。
2.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，还包括形成于所述凹陷上并与所述感应表面相接触的探针物质。
3.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于：所述第一保护层的厚度小于15nm。
4.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于：所述第二保护层的厚度至少为所述第一保护层的厚度的两倍。
5.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于：所述传感阵列中的每一传感器的宽度为0.6μm至1.2μm，厚度为20nm至40nm。
6.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于：所述绝缘材料的宽度为0.1μm至0.5μm。
7.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于：所述第一保护层和所述第二保护层由Al2O3或SiO2制成。
8.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于：所述第一保护层和所述第二保护层通过原子层沉积（ALD）或气相沉积（CVD）而成。
9.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于：所述第二保护层覆盖于所述铅线层的侧面及所述顶面上。
10.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于：所述传感器为GMR传感器、TMR传感器或AMR传感器。
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