专利名称：一种应用于生物微质量检测的硅基压电薄膜传感器及制作方法
技术领域：
本发明涉及一种应用于生物微质量检测的硅基压电薄膜传感器及制作方法，更确切地说涉及一种硅基压电薄膜传感器应用于生物微质量的检测，体现出多功能集成传感技术与现代生物技术相结合的应用。属于生物传感器制作领域。
背景技术：
近半个世纪以来，生物传感器的研发一直为人们所关注，多种传感器(如电化学传感器，热生物传感器，压电生物传感器，半导体生物传感器和光生物传感器等)由此应运而生。
生物大分子间的特异结合原理(如核酸分子杂交、受体-配体结合和抗原-抗体反应)是近年发展起来的生物芯片技术的基础。在现有的生物传感器中，光生物传感器，热生物传感器，压电生物传感器可利用这一原理研发特异、灵敏、简便的生物学检测方法。光生物传感器可通过光纤探头传递标记分子产生的特殊光学信号(荧光或颜色变化等)，或应用表面等离子体共振技术原理来检定特异的生物体或分子。其不足之处是灵敏度不够高，且附属仪器设备昂贵。热生物传感器是利用灵敏的热敏元件探测生物反应的焓变，而间接测定生物大分子的含量，该类传感器尚处于研究阶段。压电生物传感器则是利用分子结合引起的质量增加导致晶振频率改变，以频率变换检测生物分子。与光学生物芯片相比，压电生物传感器的突出优点是检测直接输出信号为电信号，便于实现自动化、智能化，使之具有校准、补偿、自诊断和网络通信的功能，便于精确定量分析等，因而具有巨大的应用前景。但目前压电生物传感器采用的都是石英压电晶体，其厚度受工艺的制约，不能再减薄。从而导致其谐振频率极限为数十兆赫兹，且很难有再提高的可能。因而该类传感器存在检测灵敏度低等问题。
压电薄膜类型谐振器国内外已有不少研究，它们的谐振频率能达GHz以上，其结构有的为空腔微桥结构，有的为光子晶体谐振层结构。但大多应用在手机滤波器领域。对于生物微质量的检测，研究尚不多。经分析对于结合生物微质量检测，空腔微桥结构的薄膜谐振器易脆，强度不够，限制了它的应用；具布拉格层的薄膜谐振器结构牢固，有应用的前景。而且采用平面的加工工艺，易于制备。同时该类器件因谐振电极不同，制备方法不同以及材料体系不同，其谐振性能会有很大差异。因此为解决压电薄膜生物传感器的核心内容，即如何做到压电晶体的厚度控制。如何提高其压电薄膜层的优良性能，如何获得更高的谐振频率，以及在生物微质量检测中如何获得更高的检测灵敏度。从而引导出本发明的目的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种应用于生物微质量检测的硅基压电薄膜传感器及制作方法。本发明是采用硅基压电薄膜谐振器件制备技术和生物分子特异结合的“三明治”夹心技术对传统石英晶体压电传感器作创新性改进。目的在于制备特异性强、灵敏度高(pico-gram级)、检测迅速、方便(1小时左右)的压电薄膜生物传感器。并将生物芯片技术与生物传感器结合，利用微机械电子系统(MEMS)技术在压电薄膜上制作微型压电谐振器阵列，在压电薄膜谐振器件表面涂敷相应的生物膜，再包闭，清洗，固定不同的分子探针(或为核酸，或为蛋白质)，即构成压电生物芯片。
所述的压电生物传感器由三部分组成生物分子探针(抗体或抗原)、压电谐振子(即换能器)和检测电路。生物分子探针使得制作的传感器具有选择性，只有当待测生物分子与探针分子接触时才发生反应，要么生物分子与探针分子一起被吸附在压电谐振子电极表面，要么生物分子与探针分子一起脱离压电谐振子电极表面，从而引起谐振子电极表面吸附物质量的改变(见图1)；压电谐振子将电极表面吸附物质量的改变转化为可检测的电信号。本发明是在硅基底上采用了Bragg(布拉格)反射层，目的在于利用各层厚度的四分子之一波长Bragg反射，有效地阻绝带通频段声波能量的散逸，并对体声波共振器复杂的旁伪声应能提供最有效的抑制；检测电路用来检测因电极表面附着物质量的改变引起的压电谐振子谐振频率的变化。
分子探针一般来讲，样品中的微量待检物质含量大多介于在皮克(pg)-纳克(ng)之间。对只有pg级的待检物质来说，结合至压电膜上的分子数目并不多，为检测到单个基因拷贝或含量极低的蛋白质分子，需制备生物性能稳定的纳米材料，该材料粒径约在15-30nm左右，重量在100pg左右，能与抗体很好结合而不影响抗体的生物活性。这便可以用“三明治”方式(抗体—抗原—结合Au颗粒的抗体)来检测靶分子(待测生物分子)，即使只有数个靶分子与具特异配体结合，由于纳米材料的重量增加在100pg左右，因而微量的待检物质也可通过压电传感器被检测出来。选择相应的探针蛋白分子(某蛋白质或病毒抗体)，点在压电薄膜谐振子阵列的电极表面上。实验采用高纯分子探针；为增强分子探针在金电极面上的附着牢度，采用表面化学新技术对金电极表面进行处理、活化。
压电薄膜谐振子采用一种新型结构的压电薄膜谐振子，这种结构的谐振子是将厚度为λ/2(λ为波长)的压电薄膜沉积在阻抗不等的多层λ/4薄膜上。制作谐振子所用λ/2压电薄膜、λ/4 Bragg反射层采用磁控溅射或溶胶-凝胶方法制备，谐振子电极采用磁控溅射法制备，谐振子阵列采用常规MEMS技术制备。
综上所述，本发明提供的用于生物微质量检测的硅基压电薄膜传感器，由生物分子探针、换能器和检测电路三部分组成，其特征在于A、所述的换能器为压电谐振器件，其结构是①在(100)取向的硅衬底上或含SiO2层的硅衬底上沉积Bragg反射层，反射层厚度为波长的1/4；②在Bragg反射层上沉积压电薄膜层，薄膜层厚度为200-5000nm；谐振频率为100M-10GHZ；④在压电薄膜层上沉积有电极层，厚度为100-500nm；B、所述的生物分子探针的结构是在压电谐振子上涂敷结合相应生物膜，经包闭，组成生物纳米材料—待检物质—抗原/抗体的三明治模式。
所述的SiO2层厚度为100nm-1000nm。
所述的压电薄膜层为λ/2(λ为波长)的具有C-轴择优取向压电薄膜，为ZnO、AlN或PZT等压电或铁电薄膜，频率高于传统石英传感器。
所述的电极层为与生物膜结合性好的金膜。
本发明所提供的传感器中压电薄膜谐振器件的制作步骤是(1)在(100)取向的硅衬底上或含有SiO2层的衬底上分别交替生长两种声阻差异大的1/4波长的Bragg反射层；(2)在Bragg反射层上沉积压电薄膜层；(3)在压电薄膜层上沉积电极层；(4)采用相关半导体图形化工艺，制得与标准微波测量相匹配的电极结构；(5)经100-800℃退火得到硅基压电薄膜谐振器件。
所述的取用(100)晶向的单晶硅片或含SiO2层的硅衬底，经过完整的基片清洗工艺，使用磁控溅射设备或溶胶-凝胶方法分别交替生长两种声阻差异大的具λ/4(λ为波长)厚度的Bragg反射层，为Pt、ZnO，或为SiO2、W，且各层晶向、结构都平整致密，且均具择优取向。
制作射频测量适用的电极图形的图形化工艺为相关的刻蚀工艺，如湿法腐蚀、剥离工艺(lift-off)、或干法离子刻蚀。图形如图4和为图7所示。
所述的在100-800℃条件下退火，退火时间为1分钟-120分钟，退火后使传感器的谐振性能更加完善。
所述的在谐振器上涂敷结合相应生物膜(生物分子探针)，并测量各步骤。其为在谐振器上涂敷结合生物膜，再包闭，清洗，再点滴待测试生物液，经过生物液中生物分子与谐振器上固化的生物分子间的免疫结合反应后，再经反复清洗后，测试谐振频率的变化。
同时，①为使免疫反应中结合的生物体质量效果放大，特别在生物液中的生物体上再结合一层含重质量纳米Au胶粒的生物免疫体。这种“三明治”的夹心模式能使与压电薄膜传感器结合的生物体质量的变化更为显著，起到测量质量成倍放大的效果；②为使硅基压电薄膜传感器能够重复使用，其相应后续清洗液具有使生物分子探针完全脱离传感器的清洗功能；③在制作具有测量相应谐振频率波段的检测电路。并且可制作微型压电谐振器阵列，在各传感器表面固定不同的分子探针或为某种核酸、或为某种蛋白质，即构成硅基压电生物芯片。可实现多通道的生物样品的检测。具体是可采用传统的检测电路及其频率分析的方法图1(a)为压电谐振子的BVD等效电路图，利用图1(b)的电路可以检测谐振子的谐振频率，可为用常规半导体工艺制备。频率分析，根据经典响应谐振公式Δf=-2(ρμ)-12f2Δm/A]]>可知，由频率的变化可以计算出相应结合的质量。其中μ为压电材料的剪切模量，ρ为压电材料的密度，A为谐振器面积。f为工作频率。Δf，Δm分别为变化的频率和变化的质量。
综上，本发明提供的传感器及制作方法是采用硅基片上沉积质量优良的压电薄膜代替石英晶片，研制微型化、阵列化、多通道的集成压电薄膜生物传感器。然而，压电生物传感器是否能用于微量生物的检测，则完全取决于其检测的灵敏度(pg水平)。现有报道的压电生物传感器检测极限在100ng左右，远不能满足实际应用的需要。本发明提出的采用硅基压电薄膜谐振器件制备技术和生物分子特异结合的生物纳米材料—待检物质(抗原/抗体)—抗体/抗原的“三明治”模式，以成倍提高谐振频率以及检测灵敏度的方法。使得压电薄膜生物传感器的灵敏度达到pg水平。研制出具有实际应用价值的多探测单元或为16×16，或为2×2的高灵敏度(pg级)、多通道、集成硅基压电薄膜传感器，并为进一步研发具有实际应用价值的大规模、集成化的生物传感器奠定技术基础。
图1(a)压电谐振子的BVD等效电路(b)压电谐振子谐振频率振荡电路2为硅基压电薄膜谐振器件的制备工艺示意图(a)(100)取向的Si片或含有100nm-1000nm的SiO2层(b)用物理或化学的方法生长Bragg反射层(c)用物理或化学的方法制备多个周期的Bragg反射层(d)在多个周期的Bragg反射层上用物理或化学的方法生长压电薄膜层(e)在压电薄膜层上用物理的方法生长Au电极图3本发明所设计的电极版形，由此图形制作光刻用掩模版图4包被生物纳米材料的TEM图片图5为硅基压电薄膜传感器的生物探针三明治夹心模式的检测示意图(a)初始状态(b)经过生物固化包闭后(c)经过蛋白质耦合反应后图6显示结合生物体后测量出的谐振频率的变化图7实例2的电极版形，由此图形制作光刻掩模版图8显示结合生物体后测量出的谐振频率的变化图中1为(100)取向硅片；2为Pt低声速层；3为ZnO高声速层；4为ZnO压电薄膜层；5为Au电极层；6为抗体分子；7为抗原分子；8纳米金胶粒
具体实施例方式
实施例1硅基压电薄膜生物传感器制备，其步骤为(1)制备的具有多个Bragg反射层的压电谐振子。在直径为3英寸的(100)取向Si片上，采用多靶磁控溅射Pt/ZnO Bragg反射层。开始前，抽真空使得本底真空度达到2×10-4Pa，再对衬底Si片加热至300℃。溅射功率分别为直流100W和射频200W；溅射气流分别为氩气(Ar)50sccm和氩气(Ar)∶氧气(O2)，25∶25sccm；溅射工作气压分别为1.7×10-1Pa和1.8×10-1Pa；采用多靶连续溅射的方法制备出Bragg反射层。各膜厚数百纳米。[图2(a)～(c)]。
(2)压电薄膜层的制备在Bragg反射层上制备压电薄膜。采用多靶磁控溅射仪，预抽真空为1.4×10-4pa，衬底加温至300℃，充入氩气和氧气各为25sccm和25sccm；磁控溅射功率为射频200W，溅射气压为0.18Pa。膜厚数百纳米。[图2(d)](3)制备电极Au膜，采用多靶磁控溅射仪，仍在同前的一个真空腔内，真空度为2.0×10-4pa，衬底温度为室温25℃。通入溅射气体Ar为50sccm，溅射功率为直流50W，溅射工作气压为0.21Pa。膜厚数百纳米。[图2(e)](4)在快速热处理炉进行快速退火热处理，升温速率为20℃/s，到400℃后，保温时间为300秒。整个退火过程在氧气氛下进行，以补充退火时易造成的氧空位缺陷，这可使得压电薄膜性能更完好。
(5)制备出的各种与微波频率兼容的电极图形。对上层Au电极图形化，采用标准的半导体图形化工艺。即采用涂胶、曝光、显影、腐蚀、去胶的工艺。(图3)(6)测量出来的各个谐振子的微波信号。采用的设备为40GHz HP8722D矢量网络分析仪和Cascade高低温控制探针台。
(7)谐振器上涂敷结合相应生物膜，再包闭，清洗。采用三明治夹心技术，点样特异性生物微量，经过生物液中生物分子与谐振器上固化的生物分子间的免疫结合反应后，再经反复清洗。(图4和图5)
(8)测量出来的谐振子结合生物分子后的谐振峰的变化，并由响应谐振公式计算结合的生物微质量。(图6)实施例2在实施例1所述的整个薄膜谐振器件制备工艺基础上，改变工艺步骤(1)中的Bragg层的制备方法将溅射Pt和ZnO的溅射气体流量分别调为氩气100sccm和氧气50sccm，氩气50sccm，进而提高溅射工作气压分别为0.40Pa和0.37Pa；在工艺步骤(2)中制备压电薄膜层也相应改为氧氩流量为氧气50sccm，氩气50sccm，提高溅射工作气压为0.37Pa。并改变薄膜厚度以改变特征谐振频率；在工艺步骤(5)中采用更好图形的电极结构(图7)，同样制备出硅基压电薄膜生物传感器，并更精确地实现了结合生物分子后谐振峰的偏移。(图8)上述实施将有助有理解本发明，但并不限制本发明的内容。
权利要求
1.一种用于生物微质量检测的硅基压电薄膜传感器，由生物分子探针、换能器和检测电路三部分组成，其特征在于A、所述的换能器为压电谐振器件，其结构是①在(100)取向的硅衬底上或含SiO2层的硅衬底上沉积Bragg反射层，反射层厚度为波长的1/4；②在Bragg反射层上沉积压电薄膜层，薄膜层厚度为200-5000nm；谐振频率为100M-10GHZ；③在压电薄膜层上沉积有电极层，厚度为100-500nm；B、所述的生物分子探针的结构是在压电谐振子上涂敷结合相应生物膜，经包闭，组成生物纳米材料—待检物质—抗原/抗体的三明治模式。
2.按权利要求1所述的用于生物微质量检测的硅基压电薄膜传感器，其特征在于所述的压电薄膜层为C轴择优取向的压电薄膜层，所述的压电薄膜层为ZnO、AlN或PZT。
3.按权利要求1所述的用于生物微质量检测的硅基压电薄膜传感器，其特征在于所述的SiO2层厚度为100nm-1000nm。
4.按权利要求1所述的用于生物微质量检测的硅基压电薄膜传感器，其特征在于所述的电极层为金膜。
5.按权利要求1或2所述的用于生物微质量检测的硅基压电薄膜传感器，其特征在于所述的硅基压电薄膜传感器的灵敏度达皮克水平。
6.制作如权利要求1所述的用于生物微质量检测的硅基压电薄膜传感器的方法，其特征在于采用硅基压电薄膜谐振器件制备方法和生物分子特异结合的三明治夹心方法，利用微机械电子系统技术在压电薄膜层上制作微型压电谐振阵列，在压电薄膜谐振器件表面涂敷相应生物膜，再包闭，清洗，固定不同的分子探针，构成压电生物芯片。
7.按权利要求6所述的用于生物微质量检测的硅基压电薄膜传感器的制作方法，其特征在于压电薄膜谐振器件的制作步骤是(1)在(100)取向的硅衬底上或含有SiO2层的衬底上分别交替生长两种声阻差异大的1/4波长的Bragg反射层；(2)在Bragg反射层上沉积压电薄膜层；(3)在压电薄膜层上沉积电极层；(4)采用相关半导体图形化工艺，制得与标准微波测量相匹配的电极结构；(5)经100-800℃退火得到硅基压电薄膜谐振器件。
8.按权利要求7所述的用于生物微质量检测的硅基压电薄膜传感器的制作方法，其特征在于①步骤(4)所述的图形化工艺为湿法腐蚀、剥离工艺或干法离子刻蚀；②步骤(5)的退火时间为1-120分钟。
9.按权利要求1-5所述的任一项所述的硅基压电薄膜传感器的应用，其特征在于生物微量质量检测，根据响应谐振公式，由频率的变化计算出相应的生物体质量的变化。
10.按权利要求9所述的硅基压电薄膜传感器的应用，其特征在于响应的谐振公式为Δf=-2(ρμ)-12f2Δm/A,]]>式中ρ为压电材料的密度，A为谐振器面积。f为工作频率。Δf，Δm分别为变化的频率和变化的质量。
全文摘要
本发明涉及一种用于生物微质量检测的硅基压电薄膜传感器及制备方法。本发明特征是在(100)取向的硅片上，先后沉积具有λ/4(λ为波长)厚度的Bragg反射层；接着在Bragg反射层上沉积压电薄膜层和金电极层；采用相关电极图形化工艺，在其上制作与标准微波测量相匹配的电极结构；经相关退火温度得到硅基压电薄膜传感器；在硅基压电薄膜传感器上先后涂敷系列生物探针，结合清洗后，采用三明治夹心技术点样特异性结合生物体微量，可测出传感器谐振频率的相应变化。进而由相应公式换算得到待测生物体的微质量。这种多功能集成传感技术与现代生物技术相结合，可使微量生物测量的高通量、强特异性、高灵敏分析成为可能。
文档编号G01N29/14GK101046457SQ200710040418
公开日2007年10月3日 申请日期2007年5月8日 优先权日2007年5月8日
发明者宋志棠, 刘卫丽, 言智, 张挺, 程建功, 封松林, 赖立辉, 陈建照 申请人:中国科学院上海微系统与信息技术研究所