集成光栅微悬臂梁生化传感器及其芯片制作方法

摘要

本发明涉及集成光栅微悬臂梁生化传感器，包括玻璃片表面上设置的金属光栅和电极；电极和光栅上覆盖的绝缘层，并在玻璃片上设置有微悬臂梁结构以及微悬臂梁上表面的特异性吸附层，微悬臂梁和光栅之间有一定的间隙，光电检测电路与电极相连接。利用光栅衍射光斑的光强随光栅面与微悬臂梁下反射面的距离的敏感变化特性，实现高灵敏度的生化检测。利用MEMS技术和成熟的激光二级管、光电探测器，可以大规模生产，易于推广应用。

说明书

技术领域

本发明属于微机电系统(MEMS)和传感技术领域，特别涉及一种利用生化结合应力使微悬臂梁弯曲和基于集成光栅干涉实现高分辨率位移测量的集成光栅微悬臂梁生化传感器及其制作方法。

背景技术

高灵敏度的生化检测技术在疾病诊断、食品安全、环境监测、反恐等方面有广泛和迫切的需求。无标记生物检测技术以其操作的简便快捷，得到了广泛的重视。

基于微悬臂梁的高灵敏度微生化传感器被广泛的研究，1997年，R.Berger等在Science上发表了通过硫醇在金表面的自组装实验发现化学结合使悬臂梁表面自由能改变引起悬臂梁发生弯曲的现象，利用这一原理，通过在微悬臂梁上修饰特异性吸附层结合对应的生化分子，结合应力使悬臂梁产生弯曲，通过测量微悬臂梁的弯曲从而检测到生化分子的浓度。

而对于微悬臂梁弯曲位移的检测是整个传感器设计和应用的核心问题，由于微悬臂梁产生的位移较小，一般在纳米级别，这就对检测位移的方法提出了很高的要求，目前为止主要运用的方法有电容式、压阻式、场效应式以及压电式等。以上几种电检测方法虽然便于直接与电路集成，且方便大规模阵列化，但其检测灵敏度没有光学方法高，对于疾病早期诊断等需要检测极低浓度的应用，光学检测是更佳的途径。

基于MEMS集成光栅干涉的高分辨率位移测量技术是20世纪末出现的新技术，最初用于AFM探针的位移测量[Manalis，1996]，其位移分辨率现已可达10^-3埃，接近于隧道效应位移测量分辨率的10^-4埃，但其无需高精度的微弱电流检测和精密反馈控制；与常规的AFM的光杠杆测量原理相比，其位移测量分辨率更高，且只需测量衍射光的光强，而非光斑位置的测量，更便于对准调整。Manalis等利用梳齿结构作为光栅，通过测量衍射光的强度得出动齿和定齿间的位移。该方法被MIT的和GIT的科学家分别应用于微加速度计和微声传感器。

如果将MEMS集成光栅干涉的高位移分辨率的特点和结合应力致微悬臂梁弯曲的高灵敏度结合起来，则可以实现高灵敏度微生化传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用生化结合应力使微悬臂梁弯曲和基于集成光栅干涉实现高分辨率位移测量的集成光栅微悬臂梁生化传感器。该生化传感器的光栅位于玻璃片或其它透明基底上，光栅与微悬臂梁反射面间有微小的间隙；当生化样品经过悬臂梁表面时，悬臂梁表面的特异性生化探针结合特定的生化分子，从而产生结合应力，在应力的作用下，微悬臂梁发生弯曲变形，导致微悬臂梁与光栅的距离发生变化，从而改变衍射光斑的光强；通过测量衍射光斑光强的变化，得到悬臂梁的位移，从而推算出生化样品的浓度，以实现生化检测。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的集成光栅微悬臂梁生化传感器，包括：

一透明基底；

覆于所述透明基底上表面的金属光栅；

一由锚点和微悬臂组成的悬臂梁组件；所述锚点与所述透明基底相连；所述微悬臂上表面上覆有生物探针附着层，所述微悬臂下表面为光反射面；所述微悬臂长度100-3000微米，宽度10-300微米，厚度0.1-10微米；所述微悬臂与透明基底间设有间隙；

粘附于所述生物探针附着层上表面的特异性生物探针；

光电探测器和放置在所述金属光栅正下方的激光二极管；

本发明提供的集成光栅微悬臂梁生化传感器，还包括：

覆于所述透明基底上表面的连接电极和底电极；

一包覆所述金属光栅和底电极的绝缘层；

所述连接电极与所述锚点相连；所述微悬臂与绝缘层之间设有间隙；

所述透明基底为玻璃或聚合物材质的板型基底。

所述的金属光栅为金、铬、铂、铝或铜光栅，其宽度0.1-20微米，间距0.1-20微米。

所述绝缘层为二氧化硅绝缘层、氮化硅绝缘层或聚合物绝缘层，其厚度为50-2000nm。

所述锚点和微悬臂的材质均为铝、铜、镍、多晶硅、氮化硅、氧化硅或聚酰亚胺。

所述微悬臂与透明基底之间的间隙为0.2-30微米。

所述生物探针附着层为1-100纳米厚金层或为0.01-5微米后聚合物层。

所述的特异性生化探针为DNA生化探针、RNA生化探针、蛋白生化探针、抗原生化探针或抗体生化探针。

本发明提供的集成光栅微悬臂梁生化传感器的工作原理为：激光二极管发出的激光照射金属光栅，部分激光透过金属光栅的间隙照射到微悬臂梁具有光反射层的下表面，该光反射层反射的光再透过金属光栅，与金属光栅表面直接反射的光发生干涉，形成衍射光斑；所设置的光电探测器接收某一阶或某几阶的衍射光斑；衍射光斑的强度与微悬臂梁下表面和金属光栅间的距离变化成一定的关系；当微悬臂梁上表面的特异性生化探针结合一定的生化分子后，会在微悬臂梁上产生一定的结合应力，促使微悬臂梁向下弯曲变形，导致微悬臂梁下表面与金属光栅的距离发生变化，通过光电探测器检测衍射光的光强变化可以得出微悬臂梁与金属光栅的距离变化，从而得到结合应力的变化，通过换算得到结合的生化分子的数量，从而实现对生化样品的测量。

本发明可以通过外围的电路检测光电探测器的输出，并通过反馈电路对微悬臂梁与底电极间的电压进行控制，以保持微悬臂梁与金属光栅之间的距离为激光二极管的入射光波长的n+1/8倍，n为正整数，以使本发明的集成光栅微悬臂梁生化传感器的灵敏度最佳。

本发明的集成光栅微悬臂梁生化传感器的制备包括以下步骤：

1)首先把一透明基底清洗干净，在其上淀积一层金属薄膜(厚度为0.05-1微米)，图形化后形成金属光栅、连接电极和底电极；金属光栅宽度0.1-20微米，间距0.1-20微米；

2)在步骤1)基底上，通过PECVD淀积氮化硅或二氧化硅，或通过CVD淀积Parylene或旋涂聚酰亚胺，光刻刻蚀图形化，形成电极上的绝缘层；

3)在步骤2)得到的基底上涂光刻胶，或淀积与金属光栅3和微悬臂梁5不同的金属，如铜或镍作为牺牲层，牺牲层厚度为0.2-30微米，光刻图形化形成锚点图形；

4)在步骤3)得到的基底上淀积构成微悬臂梁的材料层，微悬臂梁的构成材料可以是铝、铜、镍、多晶硅、氮化硅、氧化硅、聚酰亚胺；在其上再淀积构成生化探针附着层的金属层，微悬臂梁厚度为0.1-10微米，生化探针附着层的金属层厚度为1-100纳米；附着层金属也可以以聚合物代替，聚合物厚0.01-5微米；光刻刻蚀腐蚀，制得带有附着层的微悬臂梁结构，微悬臂梁的长度100-3000微米，宽度10-300微米，厚度0.1-10微米；

5)划片；

6)等离子刻蚀或湿法腐蚀去牺牲层；

7)通过浸泡在微悬臂梁生化探针附着层上固定生化探针；

8)裂片，封装。

本发明的优点在于：该集成光栅微悬臂梁生化传感器利用金属光栅干涉形成的衍射光的强度随微悬臂梁的弯曲位移的敏感变化特性，实现高灵敏度的生化测量技术；本发明的检测方法灵敏度高，加工工艺简单，适合大批量生产，易于推广应用。

附图说明

图1为本发明的结构和工作原理图；

图2为实施例1、4的结构示意图；

图3为实施例2、3的结构示意图；

图4为实施例2、3底电极和金属光栅的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步描述本发明。

图1为本发明的结构和工作原理图，由图可知，本发明提供的集成光栅微悬臂梁生化传感器，包括：

一透明基底1；

覆于所述透明基底1上表面的金属光栅3；

一由锚点9和微悬臂5组成的悬臂梁组件；所述锚点9与所述透明基底1相连；所述微悬臂5上表面上覆有生物探针附着层6，所述微悬臂5下表面为光反射面；所述微悬臂5长度100-3000微米，宽度10-300微米，厚度0.1-10微米；所述微悬臂5与透明基底1间设有间隙；

粘附于所述生物探针附着层6上表面的特异性生物探针10；

光电探测器8和放置在所述金属光栅正下方的激光二极管7；

本发明提供的集成光栅微悬臂梁生化传感器，还包括：

覆于所述透明基底1上表面的连接电极22和底电极23；

一包覆所述金属光栅3和底电极23的绝缘层4；

所述连接电极22与所述锚点9相连；所述微悬臂5与绝缘层4之间设有间隙；

所述透明基底1为玻璃或聚合物材质的板型基底。

所述的金属光栅3为金、铬、铂、铝或铜光栅，其宽度0.1-20微米，间距0.1-20微米。

所述绝缘层4为二氧化硅绝缘层、氮化硅绝缘层或聚合物绝缘层，其厚度为50-2000nm。

所述锚点9和微悬臂5的材质均为铝、铜、镍、多晶硅、氮化硅、氧化硅或聚酰亚胺。

所述微悬臂5与透明基底1之间的间隙为0.2-30微米。

所述生物探针附着层6为1-100纳米厚金层或为0.01-5微米后聚合物层。

所述的特异性生化探针10为DNA生化探针、RNA生化探针、蛋白生化探针、抗原生化探针或抗体生化探针。

实施例1

传感器结构参考图2，制作本发明的集成光栅微悬臂梁生化传感器，其具体制备步骤如下：

1).首先把玻璃基片清洗干净，在其上采用溅射或蒸镀金属薄膜的工艺淀积金，其厚为：0.1-0.5微米；光刻刻蚀或腐蚀金，形成金属(金)光栅，该金属光栅宽度5微米，间距5微米；

2)在步骤1)得到的玻璃基片涂光刻胶作为牺牲层，光刻胶的厚度为6微米，光刻形成微悬臂梁的锚点图形；

3)采用溅射或蒸镀金属薄膜的工艺，再在步骤2)得到的玻璃基片上淀积铝和金构成微悬臂梁的金属层和构成生化探针附着层的金属层，铝厚为2微米，附着层的金厚度为10纳米；光刻腐蚀，制得带有附着层的微悬臂梁结构，微悬臂梁的长度1000微米，宽度100微米，厚度2微米；

4)划片；

5)等离子刻蚀或湿法腐蚀去牺牲层光刻胶；

6)通过浸泡在微悬臂梁生化探针附着层上固定生化探针；

7)裂片，封装。

所制得的传感器包括：

一透明基底1；

覆于所述透明基底1上表面的金属光栅3，金属光栅材料为金，金属光栅宽度为5微米，间距为5微米；

一由锚点9和微悬臂5组成的悬臂梁组件；所述锚点9与所述透明基底1相连；所述微悬臂5上表面上覆有生物探针附着层6，所述微悬臂5下表面为光反射面；所述微悬臂5长度1000微米，宽度100微米，厚度2微米；所述微悬臂5与透明基底1间设有间隙，间隙高度6微米，附着层6厚度10纳米；

以及粘附于所述生物探针附着层6上表面的特异性生物探针10。

对完成封装的传感器芯片，从下方的激光二极管7发出的激光穿过玻璃照射光栅，部分激光透过光栅的间隙照射到悬臂梁具有反射性的下表面，该反射面反射的光再透过光栅，与光栅表面直接反射的光发生干涉，形成衍射光斑；光电探测器接收某一阶或某几阶的衍射光斑；衍射光斑的强度与悬臂梁的下表面和光栅间的距离成一定关系。当微悬臂梁上表面的特异性生化探针结合一定的生化分子后，在微悬臂梁上产生一定的结合应力，促使微悬臂梁向下弯曲变形，导致微悬臂梁下表面与光栅的距离发生变化，通过光电探测器8检测衍射光的光强变化可以得出悬臂梁与光栅的距离变化，从而得到结合应力的变化，通过换算得到结合的生化分子的数量，从而实现对生化样品的测量。

实施例2

传感器结构参考图2、3，制作一本发明的集成光栅微悬臂梁生化传感器，具体制备步骤如下：

1).首先把玻璃片清洗干净，在其上涂光刻胶，并光刻形成电极、引线压焊块以及光栅图形；

2).然后在步骤1)得到的玻璃基片，采用溅射或蒸镀金属薄膜的工艺，淀积铬和金，铬厚度为8纳米，金厚度为100纳米；并采用半导体制造技术的剥离工艺形成电极、引线压焊块以及光栅；所述光栅宽度3微米，间距3微米；

3)在步骤2)得到玻璃基片上，用PECVD沉积200纳米厚二氧化硅作为绝缘层，在其上涂光刻胶，并光刻形成图形，腐蚀二氧化硅，露出微悬臂梁锚点和压焊块。

4)在步骤3)得到的基底上涂光刻胶作为牺牲层，光刻胶的厚度为5微米，光刻形成微悬臂梁的锚点图形；

5)在步骤4)得到的基底上，采用溅射或蒸镀金属薄膜的工艺淀积铝和金构成微悬臂梁的金属层和构成生化探针附着层的金属层，铝厚为2微米，附着层的金厚度为5纳米；光刻腐蚀，制得带有附着层的微悬臂梁结构；

6)划片；

7)等离子刻蚀或湿法腐蚀去牺牲层光刻胶；

8)通过浸泡在微悬臂梁生化探针附着层上固定生化探针；

9)裂片，压焊，封装。

所制得的传感器包括：

一透明基底；

覆于所述透明基底1上表面的金属光栅3，以及连接电极22和底电极21，金属光栅宽度3微米，间隙3微米；

一包覆所述金属光栅3和底电极21的绝缘层4，绝缘层4厚度为200纳米。

一由锚点9和微悬臂5组成的悬臂梁组件；所述锚点9与所述连接电极22相连；所述微悬臂5上表面上覆有生物探针附着层6，所述微悬臂5下表面为光反射面；所述微悬臂长度2000微米，宽度100微米，厚度2微米；所述微悬臂5与绝缘层4间设有间隙，间隙为5微米，生物探针附着层6厚度为5纳米；

以及粘附于所述生物探针附着层6上表面的特异性生物探针10；

测量同实施例1，并通过电极2与外围接线端子相连接，利用反馈电路对微悬臂梁与底电极间的施加控制电压，保持微悬臂梁与检测光栅的距离为入射光波长的n+1/8倍(n为正整数)，以使位移检测的灵敏度最佳。

实施例3

传感器结构参考图2、3，制作一本发明的集成光栅微悬臂梁生化传感器，实施例的生化传感器芯片的具体制备步骤如下：

1).首先把玻璃基片清洗干净，在其上采用溅射或蒸镀金属薄膜的工艺淀积铬和金，铬厚5纳米，金厚为100纳米；光刻、腐蚀铬/金，形成光栅、电极、引线压焊块，所述光栅宽度5微米，间距5微米；

2)在步骤1)得到玻璃基片上，通过CVD淀积200纳米厚Parylene，作为绝缘层，在其上涂光刻胶，并光刻刻蚀形成图形，露出微悬臂梁锚点和压焊块。

3)在步骤2)得到的玻璃基片上溅射金属铜做为牺牲层，铜膜的厚度为1微米，并光刻腐蚀形成微悬臂梁的锚点图形

4)在步骤3)得到的基片上，溅射沉积一层氮化硅层做为悬臂梁结构，氮化硅厚度为2微米，光刻、刻蚀氮化硅，制得微悬臂梁结构；

5)在步骤4)得到的基片上，溅射一层金做为生化探针附着层以及悬臂梁与电极引线的连接，金厚度为20纳米；光刻、腐蚀金、再腐蚀铬，得到带有附着层和反射层的微悬臂梁结构以及悬臂梁与电极引线的连接；

6)划片；

7)湿法腐蚀去铜牺牲层；

8)通过浸泡在微悬臂梁生化探针附着层上固定生化探针；

9)裂片，压焊，封装。

所制得的传感器包括：

一透明基底；

覆于所述透明基底1上表面的金属光栅3，以及连接电极22和底电极21，金属光栅宽度5微米，间隙5微米；

一包覆所述金属光栅3和底电极21的绝缘层4，绝缘层4厚度为200纳米。

一由锚点9和微悬臂5组成的悬臂梁组件；所述锚点9与所述连接电极22相连；所述微悬臂5上表面上覆有生物探针附着层6，所述微悬臂5下表面为光反射面；所述微悬臂长度3000微米，宽度300微米，厚度2微米；所述微悬臂5与绝缘层4间设有间隙，间隙为1微米，生物探针附着层6厚度为20纳米；

以及粘附于所述生物探针附着层6上表面的特异性生物探针10；

测量同实施例2。

实施例4

传感器结构参考图2，制作本发明的集成光栅微悬臂梁生化传感器，实施例的生化传感器芯片的具体制备步骤如下：

1).首先把有机玻璃基片清洗干净，在其上采用溅射或蒸镀金属薄膜的工艺淀积铬，其厚为100纳米；光刻、刻蚀或腐蚀铬，形成光栅，所述光栅宽度5微米，间距5微米；

2)在步骤1)得到的基片上丝网印刷铜图形化铜作为牺牲层，铜厚度为20微米；

3)在步骤2)得到的基片上依次旋涂聚酰亚胺和聚吡咯，聚酰亚胺作为微悬臂梁结构层，聚吡咯作为生化探针附着层，聚酰亚胺厚为8微米，聚吡咯厚为200纳米；光刻、刻蚀图形化聚酰亚胺和聚吡咯，并腐蚀铬，制得带有附着层和反射层的微悬臂梁结构，微悬臂梁的长度2000微米，宽度200微米；

4)划片；

5)湿法腐蚀去铜牺牲层；

6)通过浸泡在微悬臂梁生化探针附着层上固定生化探针；

7)裂片，封装。

所制得的传感器包括：

一透明基底1；

覆于所述透明基底1上表面的金属光栅3，金属光栅材料为金，金属光栅宽度为5微米，间距为5微米；

一由锚点9和微悬臂5组成的悬臂梁组件；所述锚点9与所述透明基底1相连；所述微悬臂5上表面上覆有生物探针附着层6，所述微悬臂5下表面为光反射面；所述微悬臂5长度2000微米，宽度200微米，厚度8微米；所述微悬臂5与透明基底1间设有间隙，间隙高度20微米，附着层6厚度200纳米；

以及粘附于所述生物探针附着层6上表面的特异性生物探针10。

测量同实施例1。