专利名称：基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及MEMS领域、生物医学以及化学工程领域，尤其涉及ー种基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器。
背景技术：
70年代以来谐振式传感器在电子技术、测试技术、计算技术和半导体集成电路技术的基础上迅速发展起来1。随着MEMS科技的快速发展，谐振式传感器的尺寸减小到了微米，亚微米甚至纳米量级，可对温度、热能、磁场和质量等多种物理量进行高精度測量，因此被广泛应用于化学分析、生物检验、医药筛选和环境监测等各个领域。近几年，针对基于微悬臂梁结构的高灵敏生化检测研究已经成为研究热点2。2000年，Cornell大学的H. G. . Craighead等人发表了关于谐振式微机械悬臂梁检测细胞的文章3。用PECVD制备100 μ mX 20 μ mX O. 32 μ m的Si3N4悬臂梁，在其前段涂覆0157 H7抗体后，可以选择性吸附的E. coli细胞，悬臂梁由热噪声激励，用激光PSD检测系统检测悬臂梁的振动频率，最小可检测频率变化约为10Hz，相应的在空气中可检测的最小质量约为I. 5pg。2004年，美国Purdure大学的R. Bashir等人用SOI娃片制作了尺寸更小的3. 6 μ mX I. 7 μ mXO. 03 μ m的单晶硅悬臂梁，谐振频率约为I. 2MHz，探测灵敏度约为6. 3Hz/ag，采用热噪声激励，激光PSD检测，在空气中检测到了ー个天花病毒(9fg)。但是，基于悬臂梁结构的传感器仍然存在着许多技术问题，如大面积吸附引起悬臂梁弹性常数变化，产生频率偏移而导致的测量误差；梁在液体生化环境中悬臂梁品质因子大幅降低4，导致检测灵敏度降低等等。另外，对于便携式器件，高灵敏的自检测结构至关重要。常用的光学探测虽然具有灵敏度高的优势，但是光学元件会增大系统的体积和成本。因此，迫切需要开发基于新型悬臂梁结构的便携式，高灵敏度的生化传感器。參考文献IR. T. Howe, R. S. Muller, K. J. Gabriel and W. S. N. Trimme r, Si I iconmicro-mechanics sensor and actuators on a chip， IEEE Spectrum，7，29—35，1990.2A. Hierlemann, 0. Brand, C. Hagleiter and H. Baltes, Micro-fabricationtechniques for chemical/biosensor，proceedings of the IEEE，6，839-863，2003.3
B. Ilic，D. Czaplewski, H. G. Craighead，P. Neuzil，C. Campagnolo andC. Batt, Mechanical resonant immunospecific biological detector，Applied PhysicsLetter,77，450-452，2000.4EkremBayraktar, Deniz Eroglu, Ata Tuna Cifilik，A MEMS basedgrabimetrie resonator for mass sensing applications， IEEE 24 InternationalConference，817-820，201L
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了实现对待测分子的实时实地高灵敏检测，需要在高灵敏的频率检测技术、消除吸附导致的频率测量误差、减小检测环境对器件稳定性的影响等方面进行技术突破，本发明提出了ー种基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器。在悬臂梁自由端设计了局域修饰结构，可消除大面积吸附产生的频率测量误差，同时减小了溶液对悬臂梁品质因子的影响；用自集成的压阻条和惠斯特桥电路来检测悬臂梁频率变化，很好满足便携式应用需求。(ニ)技术方案
为了实现对待测分子进行实时高灵敏检测，本发明提供了ー种基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，该生化传感器包括谐振腔、悬臂梁和惠斯特桥式检测电路，其中在该悬臂梁的自由端刻蚀有微柱结构(3)和储液槽(4)，并刻蚀有用于流出生化溶液的漏液孔(5);该悬臂梁的支撑端连接于该惠斯特桥式检测电路，该惠斯特桥式检测电路由四个U型结构的压阻条(I)、三个输入电极(8、9、10)和两个输出电极(7、11)构成，四个压阻条⑴通过信号传输线⑵连接于输入电极(8、9、10)和输出电极(7、11)。上述方案中，该生化传感器是通过悬臂梁的频率响应来对生化分子进行高灵敏探测，悬臂梁的表面修饰有对待测分子能够特异性响应的探测单分子层结构(12)，吸附待测分子(13)后改变了悬臂梁的质量，最终导致了悬臂梁的谐振频率变化；利用惠斯特桥式检测电路检测吸附生化分子前后的频率变化，来得到生化分子的质量。上述方案中，所述储液槽(4)用于局部修饰探测单分子层，减小大面积吸附对悬臂梁弹性常数影响而导致的频率改变。上述方案中，所述微柱结构(3)用于增大吸附面积，提高检测极限。上述方案中，所述漏液孔(5)制作于所述储液槽(4)中，用于保证储液槽中吸附反应完成后，废液从通孔中排出，不残留在悬臂梁中。上述方案中，所述悬臂梁的驱动方式为压电、静电、电磁、热电或光驱动中的任一种或多种。上述方案中，在该惠斯特桥式检测电路中，输入电极(9)接电源信号，输出电极(7、11)作为输出电极，电输入电极(8、10)接地信号。上述方案中，所述惠斯特桥式检测电路中的电阻之一是悬臂梁支撑端的U型压阻条(I)，悬臂梁的谐振频率測量是通过惠斯特桥式检测电路完成的，U型压阻条(I)用于提高对电流的束缚能力。上述方案中，所述惠斯特桥式检测电路中的四个压阻条⑴均为“U”型压阻条，四个压阻条(I)同时进行离子注入形成，最大限度地保证了电阻的一致性，有效提高了測量精度，且每个压阻条(I)的有效阻值大于等于IkQ。上述方案中，在所述惠斯特桥式检测电路的传输线之间刻蚀出隔离槽结构，用于減少传输线之间信号的串扰，保证惠斯特桥式检测电路的测量精度。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本发明的有益效果是I、本发明提供的基于谐振式悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，当悬臂梁在谐振频率处谐振时，位移变化将导致悬臂梁末端压阻条的电阻变化，从而引起悬臂梁基片上惠斯特桥电路的输出电压变化。在悬臂梁自由端设计了带微柱的储液槽结构，用于局部吸附待测分子，消除了大面积吸附引起的悬臂梁弾性常数改变，从而产生的频率变化导致的測量误差，同时减小了溶液对悬臂梁品质因子的影响；而且通过微柱设计增大吸附面积，提高检测极限。在储液槽结构中制作了微通孔，保证储液槽中吸附反应完成后，废液从通孔中排出，不残留在悬臂梁上。谐振式微悬臂梁结构的传感器具有较高的灵敏度，可探測到微小质量的生化分子，能够广泛应用于医学、化工等工程领域。2、本发明提供的基于谐振式悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，通过在基片上制作检测电路，使得该传感器可以实现自检测功能，进而可以舍弃庞大的光学检测设备，减小了探測器的体积，实现了探测设备的便携化，这也是本发明的优势所在。3、本发明提供的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，通过在悬臂梁前端刻蚀出微柱结构和储液槽结构，提高了修饰区的有效面积和对待测分子的吸附能力。、4、本发明提供的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，惠斯特桥式检测电路中，采用“U”型压阻条能较好的束缚电流，且惠斯特桥式检测电路中四个压阻条同时采用离子注入エ艺形成，保证了其初始阻值的一致性。5、本发明提供的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，高掺杂离子注入形成连接四个压阻条的导线，并在导线之间刻出隔离槽，降低导线间的信号串扰。每个压阻的有效阻值最小不能小于IkQ，保证惠斯特电桥的输出信号大于外接处理电路的噪声。6、本发明提供的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，形成悬臂梁阵列式排布，可实现多个待测物的同时测量7、本发明提供的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，可采用不同驱动方式，如压电、电磁或光驱动等，实现便携式应用。
图I是依照本发明实施例的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的结构示意图；图2是图I所示基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的剖面示意3是惠斯特桥式检测电路测量原理图；图4是依照本发明实施例的由两个图I所示的生化传感器构成的生化传感器阵列在吸附生化分子后的示意图；图5是依照本发明实施例的由多个图I所示的生化传感器构成的生化传感器阵列的结构不意图；附图标记说明I.压阻条；2.信号传输线；3.微柱结构；4.储液槽；5.漏液孔；6.谐振腔；7. 11.输出电扱；8. 9. 10.输入电扱；12.探测单分子层；13.待测生化分子；14.参考梁。
具体实施例方式为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并參照附图，对本发明进ー步详细说明。本发明提供了ー种基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，通过采用前端具有微柱结构3、储液槽4和漏液孔5的微悬臂梁结构实现高灵敏度高精度測量生化分子。
如图I所示，图I是依照本发明实施例的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器的结构示意图，图2为图I的剖面图。该单悬臂梁传感器件包括谐振腔、悬臂梁和惠斯特桥式检测电路。其中在该悬臂梁的前端刻蚀出微柱结构3和储液槽4，并刻蚀流出生化溶液的漏液孔5 ;该悬臂梁的后端连接于该惠斯特桥式检测电路，该惠斯特桥式检测电路由四个U型结构的压阻条I、输入电极8、9、10和输出电极7、11构成，四个压阻条I通过信号传输线2连接于输入电极8、9、10和输出电极7、11,在本发明的一个实施例中，电极9接电源信号，电极7与电极11作为输出电极，电极8及电极10接地信号，从而得到惠斯特桥式检测电路。悬臂梁后端的压阻条I随着悬臂梁谐振幅值而发生变化，通过惠斯特桥式检测电路将电阻变化转换成相同频率的电压信号，R1为压变电阻，R2, R3，R4为固定电阻，初始时它们的阻值相同均为R，受カ后压变电阻的变化为△! ，则输出信号为
权利要求
1.一种基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，其特征在于，该生化传感器包括谐振腔、悬臂梁和惠斯特桥式检测电路，其中在该悬臂梁的自由端刻蚀有微柱结构(3)和储液槽(4)，并刻蚀有用于流出生化溶液的漏液孔(5);该悬臂梁的支撑端连接于该惠斯特桥式检测电路，该惠斯特桥式检测电路由四个U型结构的压阻条(I)、三个输入电极(8、9,10)和两个输出电极(7、11)构成，四个压阻条(I)通过信号传输线(2)连接于输入电极(8、9、10)和输出电极(7、11)。
2.根据权利要求I所述的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，其特征在于，该生化传感器是通过悬臂梁的频率响应来对生化分子 进行高灵敏探测，悬臂梁的表面修饰有对待测分子能够特异性响应的探测单分子层结构(12)，吸附待测分子(13)后改变了悬臂梁的质量，最终导致了悬臂梁的谐振频率变化；利用惠斯特桥式检测电路检测吸附生化分子前后的频率变化，来得到生化分子的质量。
3.根据权利要求I所述的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，其特征在于，所述储液槽(4)用于局部修饰探测单分子层，减小大面积吸附对悬臂梁弹性常数影响而导致的频率改变。
4.根据权利要求I所述的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，其特征在于，所述微柱结构(3)用于增大吸附面积，提高检测极限。
5.根据权利要求I所述的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，其特征在于，所述漏液孔(5)制作于所述储液槽(4)中，用于保证储液槽中吸附反应完成后，废液从通孔中排出，不残留在悬臂梁中。
6.根据权利要求I所述的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，其特征在于，所述悬臂梁的驱动方式为压电、静电、电磁、热电或光驱动中的任一种或多种。
7.根据权利要求I所述的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，其特征在于，在该惠斯特桥式检测电路中，输入电极(9)接电源信号，输出电极(7、11)作为输出电极，电输入电极(8、10)接地信号。
8.根据权利要求I所述的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，其特征在于，所述惠斯特桥式检测电路中的电阻之一是悬臂梁支撑端的U型压阻条(I)，悬臂梁的谐振频率测量是通过惠斯特桥式检测电路完成的，U型压阻条(I)用于提高对电流的束缚能力。
9.根据权利要求I所述的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，其特征在于，所述惠斯特桥式检测电路中的四个压阻条(I)均为“U”型压阻条，四个压阻条(I)同时进行离子注入形成，最大限度地保证了电阻的一致性，有效提高了测量精度，且每个压阻条(I)的有效阻值大于等于IkQ。
10.根据权利要求I所述的基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，其特征在于，在所述惠斯特桥式检测电路的传输线之间刻蚀出隔离槽结构，用于减少传输线之间信号的串扰，保证惠斯特桥式检测电路的测量精度。
全文摘要
本发明公开了一种基于谐振式微悬臂梁结构的高灵敏生化传感器，该生化传感器包括谐振腔、悬臂梁和惠斯特桥式检测电路，其中在该悬臂梁的自由端刻蚀有微柱结构(3)和储液槽(4)，并刻蚀有用于流出生化溶液的漏液孔(5)；该悬臂梁的支撑端连接于该惠斯特桥式检测电路，该惠斯特桥式检测电路由四个U型结构的压阻条(1)、三个输入电极(8、9、10)和两个输出电极(7、11)构成，四个压阻条(1)通过信号传输线(2)连接于输入电极(8、9、10)和输出电极(7、11)。该生化传感器通过检测吸附待测物后导致的频率变化，感知微小生化分子，具有较高的灵敏度，可探测到微小质量的生化分子，能够广泛应用于医学、化工等工程领域。
文档编号G01N5/02GK102735564SQ20121024351
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月13日 优先权日2012年7月13日
发明者杨富华, 杨晋玲, 王帅鹏, 王晶晶 申请人:中国科学院半导体研究所