一种基于su?8应力层的自组装石墨烯场效应管型生化传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开一种基于SU?8应力层的自组装石墨烯场效应管型生化传感器,包括，单晶硅衬底；石墨烯层；设置在所述石墨烯层上的介电层；一部分设置在所述单晶硅衬底上，另一部分设置在所述石墨烯层上的漏电极和源电极；一部分设置在所述单晶硅衬底上，另一部分设置在所述介电层上的栅电极；以及，在所述石墨烯层上的漏电极和源电极、在所述介电层上的栅电极以及在所述石墨烯层上设置的应力层；其中，所述石墨烯层、所述石墨烯层上的漏电极和源电极、所述介电层和介电层上的栅电极以及所述SU?8应力层成卷曲状。
【专利说明】
一种基于SU-8应力层的自组装石墨烯场效应管型生化传感器
技术领域
[0001]本发明涉及生化传感器技术领域。更具体地，涉及一种基于SU-8应力层的自组装石墨烯场效应管型生化传感器。
【背景技术】
[0002]生物和化学传感器(生化传感器)在化工、制药、生物医学、环境监测和食品安全等诸多领域有着广泛而重要的应用，与人们的生产生活息息相关。高性能生化传感器不仅需要具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低等优点，还需要具有高度自动化、微型化、集成化以及可在复杂体系中进行连续在线监测的特点。
[0003]高性能的传感器依赖于高性能的敏感材料，石墨烯就是新型高性能敏感材料中的一个典型代表。作为一种二维晶体材料，石墨烯具有优异的电学、力学、热学和光学性能。石墨烯生化传感器大致可以分为:电化学电极、电容型、光电耦合器(拉曼和表面等离子)型和场效应管型。其中，石墨稀场效应管(Graphene field-effect transistor，GFET)型生化传感器因其结构简单、灵敏度高和适用性强，研究最为广泛和深入。
[0004]石墨烯场效应管型生化传感器的基本原理是检测石墨烯电导率随其表面电性的变化。作为导电沟道的石墨烯能够对检测环境(液体介质或气体介质)中的被测物形成表面吸附，如果被测物微粒带电，则会对石墨稀形成物理掺杂，改变石墨稀的能带结构。石墨稀能带的改变可以在一定的栅极电压下，通过检测其电导率进行检测。从而，石墨烯表面所受的掺杂程度(与被测物浓度一一对应)即可被检测出来。截止目前，已经报道的石墨烯场效应管型生化传感器的典型结构有两种，一种是背栅结构，另一种是液栅结构。
[0005]背栅结构的石墨烯场效应管型生化传感器通常依靠硅衬底上热氧化形成的二氧化硅层(厚度?300nm)作为介电层来提供栅极电压，以克服转移石墨烯难以准确定位的问题。因为二氧化硅介电层太厚，背栅电容值较低，所以背栅电压对石墨烯电导的控制能力也较弱。这就导致工作栅压往往高达±50V，已经超过了人体安全电压，难以满足弱电信号和植入式检测的要求，从而严重限制了背栅结构的石墨烯场效应管型生化传感器的应用。采用液栅结构的石墨烯场效应管型生化传感器直接利用待测溶液作为介电层来提供栅极电压。由于水溶液的介电常数较高(相对介电常数80左右)，因此所需的栅极电压较低。但是，有研究表明待测溶液内部等效电容引起的电场分布是非线性的，且不能用解析函数式来表达。从而，石墨烯液栅场效应管的转移特性是非常复杂的，其电流输出不易精确分析，导致检测的灵敏度和精度有待进一步提尚。
[0006]因此，需要提供一种基于SU-8应力层的自组装石墨烯场效应管型生化传感器。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种基于SU-8应力层的自组装石墨烯场效应管型生化传感器。
[0008]为达到上述目的，本发明采用下述技术方案:
[0009]—种基于SU-8应力层的自组装石墨烯场效应管型生化传感器，包括，
[0010]单晶硅衬底I;
[0011]石墨烯层2;
[0012]设置在所述石墨烯层2上的介电层4;
[0013]—部分设置在所述单晶硅衬底I上，另一部分设置在所述石墨烯层2上的漏电极3和源电极6;
[0014]—部分设置在所述单晶硅衬底I上，另一部分设置在所述介电层4上的栅电极5;
[0015]以及，
[0016]在所述石墨烯层2上的漏电极3和源电极6、在所述介电层4和所述介电层4上的栅电极5以及在所述石墨烯层2上设置的SU-8应力层7;
[0017]其中，所述石墨烯层2、所述石墨烯层2上的漏电极3和源电极6、所述介电层4和介电层4上的栅电极5、以及所述SU-8应力层7成卷曲状。
[0018]优选的，所述漏电极3和源电极6位于栅电极5两侧。
[0019]优选的，所述石墨烯2为不多于7层的石墨烯或氧化还原石墨烯。
[0020]优选的，所述介电层4为S12或高介电常数的栅介质材料。
[0021 ]优选的，所述漏电极3、栅电极5和源电极6中，粘附层材料厚度为5nm-30nm，导电层厚度为 I Onm-l OOnm ο
[0022]本发明的有益效果如下:
[0023](I)正栅结构使得超薄的介电层得以采用，增强了栅极电压对石墨烯电导的调控能力。石墨烯场效应管型传感器要求石墨烯导电沟道必须暴露在被测环境中，从而现有平面二维石墨烯场效应管型传感器往往采用背栅结构或液栅结构。本发明利用自组装技术创新性地提出了一种三维正栅式石墨烯场效应管型生化传感器，一方面克服了背栅器件栅压高、控制能力差的问题，另一方面避免了液栅器件稳定性差、输出信号与电荷掺杂量非线性的问题。拓宽了传感器在弱电信号和植入式检测等领域的应用，同时有望实现更高的灵敏度。
[0024](2)“微管”式结构降低了生化传感器的结构复杂性和制造难度与成本，提高了其可靠性。基于SU-8应力层的石墨烯场效应管通过自组装形成的三维“微管”式结构，其半径在80μπι-1600μπι范围内可调，从而对液态待测物质具有较强的毛细作用，工作时可以将极微量的待测溶液自动吸入石墨烯导电沟道区域完成检测。与液栅式石墨烯场效应管型生化传感器相比，这种自组装传感器无需额外的微流道、密封装置等辅助部件，栅电极的结构和栅电压的施加也大大简化，从而降低了制造工艺的难度和成本，提高了可靠性。
[0025](3)与二维平面传感器相比，本发明中的自组装“微管”式三维传感器大幅度减小了芯片占用面积，同时，保持甚至增大了石墨烯导电沟道与待测物质(气体或液体)接触和发生反应的面积，将石墨烯比表面积大的优点发挥到了极致。这与生化传感器微型化、集成化的发展趋势是一致的。
【附图说明】
[0026]下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细的说明。
[0027]图1示出本发明所述生化传感器结构图。
【具体实施方式】
[0028]为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
[0029]如图1所示，基于SU-8应力层的自组装石墨烯场效应管型生化传感器利用SU-SS力层驱动硅衬底上的平面正栅石墨烯场效应管(GFET)自组装为一种“微管”式三维石墨烯场效应管型生化传感器，具体包括:
[0030]单晶硅衬底1、石墨烯层2、设置在所述石墨烯层2上的介电层4、一部分设置在所述单晶硅衬底I上，另一部分设置在所述石墨烯层2上的漏电极3和源电极6、一部分设置在所述单晶硅衬底I上，另一部分设置在所述介电层4上的栅电极5、以及在所述石墨烯层2上的漏电极3和源电极6和在所述介电层4上的栅电极5以及在所述石墨烯层2上设置的SU-8应力层7;
[0031]其中，所述石墨烯层2、所述石墨烯层2上的漏电极3和源电极6、所述介电层4和介电层4上的栅电极5以及所述SU-8应力层7成卷曲状。
[0032]具体的，所述石墨烯2、介电层4、源电极6、漏电极3和栅电极5形成一个二维石墨烯场效应管，SU-8应力层7使得石墨烯场效应管自组装为“微管”式三维结构，从而得到一种基于SU-8应力层的自组装石墨烯场效应管型生化传感器。
[0033]传感器工作时，栅电极5、源电极6分别与可调电压源A的正负极相连，漏电极3、源电极6分别与可调电压源B的正负极相连，用于检测漏电极3和源电极6之间电流(Ids)的微弱电流测量仪接入可调电压源B的正极和漏电极3之间。
[0034]所述石墨烯3为单层、多层(小于7层)石墨烯或者氧化还原石墨烯。
[0035]所述介电层4为二氧化硅(S12)等传统栅介质材料，或者三氧化二铝(A1203)、二氧化铪(HfO2)等高介电常数的栅介质材料。
[0036]所述漏电极3、栅电极5和源电极6采用铬/金(Cr/Au)、钛/金(Ti/Au)、钯/金(Pd/Au)、钛/铂(Ti/Pt)等常用石墨烯电极材料制作，其中，铬(Cr)、钛(Ti)、钯(Pd)等粘附层材料厚度为5nm-30nm，金(Au)、铀(Pt)等导电层厚度为1nm-1OOnm0
[0037]所述SU-8应力层7为是一种负性光刻胶，利用旋涂的方法覆盖于石墨烯3、源电极
6、漏电极3和栅电极5之上并与之形成良好接触，旋涂的SU-8应力层7经紫外线不充分曝光、热处理、显影以及丙酮处理后会在厚度方向上形成应力梯度，在牺牲层2去除后驱动石墨烯
3、介电层4、SU-8应力层7下的源电极6、漏电极3和栅电极5组成的二维石墨烯场效应管自组装为“微管”式三维石墨烯场效应管型生化传感器;其中，“微管”的半径由SU-8光刻胶的种类(2000.5、2015、2025等)、旋涂速率及时间、热处理温度及时间、紫外线曝光能量、显影时间等决定，在80μηι-1600μηι范围内可调。
[0038]此外，完成自组装的“微管”式三维石墨烯场效应管型生化传感器在特定溶液中(例如丙酮溶液中)还可以还原为二维结构。
[0039]本发明中所述生化传感器工作原理为:
[0040]首先将传感器置于检测环境(液体介质或气体介质)中，由于自组装“微管”式结构的毛细作用，待测生化物质将自动进入“微管”中；待测生化物质微粒与“微管”内壁的石墨稀3导电沟道形成表面吸附，对石墨稀3形成物理掺杂，改变其能带结构;石墨稀3能带结构的改变可以在一定的栅极电压(栅电极5和源电极6之间的电压Vcs)和漏源电压(漏电极3和源电极6之间的电压Vds)下，通过检测其漏源电流(漏电极3和源电极6之间的电流Ids)的变化进行检测，从而，石墨烯3表面所受的掺杂程度(与被测生化物质的种类和浓度相对应)SP可被检测出来，即待测物质的种类(Type)和浓度(Concentrat1n)是Vgs、Vds、Ids的函数，可以通过解析计算求得。
[0041]综上所述，该传感器利用SU-8应力层7驱动硅衬底上的平面正栅石墨烯场效应管(GFET)自组装为一种“微管”式三维石墨烯场效应管型生化传感器。
[0042]显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。
【主权项】
1.一种基于SU-8应力层的自组装石墨烯场效应管型生化传感器，其特征在于，包括， 单晶娃衬底(I)； 石墨烯层(2); 设置在所述石墨烯层(2)上的介电层(4); 一部分设置在所述单晶硅衬底(I)上，另一部分设置在所述石墨烯层(2)上的漏电极(3)和源电极(6); 一部分设置在所述单晶硅衬底(I)上，另一部分设置在所述介电层(4)上的栅电极(5); 以及， 在所述石墨烯层(2)上的漏电极(3)和源电极(6)、在所述介电层(4)和所述介电层(4)上的栅电极(5)以及在所述石墨烯层(2)上设置的SU-8应力层(7); 其中，所述石墨烯层(2)、所述石墨烯层(2)上的漏电极(3)和源电极(6)、所述介电层(4)和介电层(4)上的栅电极(5)、以及所述SU-8应力层(7)成卷曲状。2.根据权利要求1所述的生化传感器，其特征在于，所述漏电极(3)和源电极(6)位于栅电极(5)两侧。3.根据权利要求1所述的生化传感器，其特征在于，所述石墨烯(2)为不多于7层的石墨稀或氧化还原石墨稀。4.根据权利要求1所述的生化传感器，其特征在于，所述介电层(4)为S12或高介电常数的栅介质材料。5.根据权利要求1所述的生化传感器，其特征在于，所述漏电极(3)、栅电极(5)和源电极(6)中，粘附层材料厚度为5nm-30nm，导电层厚度为1nm-1OOnm0
【文档编号】G01N27/12GK106066347SQ201610421190
【公开日】2016年11月2日
【申请日】2016年6月14日 公开号201610421190.3, CN 106066347 A, CN 106066347A, CN 201610421190, CN-A-106066347, CN106066347 A, CN106066347A, CN201610421190, CN201610421190.3
【发明人】邓涛, 张兆浩, 刘泽文
【申请人】北京交通大学