传感器件及其制作方法与流程

本发明属于电化学传感器领域，具体地，涉及一种传感器件及其制作方法。

背景技术：

近几年来，随着一些全球性致命疾病的爆发和一些突发的使用生化武器的恐怖袭击事件，反映出目前还缺乏可靠有效的检测手段和生物技术去应对这类问题。检测病毒、细菌、蛋白、抗原和细胞需要小型，可靠，便宜，一次性且易于操作的检测方式，而传感器具备以上优点。大多数传感器可以分类为电子和光学类，光学传感器虽然十分灵敏，可以实现单分子检测，但是依赖于特殊的样本制备，设备昂贵，设备庞大，所以很少光学传感器完成从实验室向商业化的转化。到目前为止，对导电沟道进行化学修饰的基于半导体的场效应晶体管(fet)电子生化传感器是最有前景且最实用的。

随着基于半导体的传感器技术日益成熟，fet型传感器应用也越发广泛，其具有操作简单，响应快速，灵敏度高，便携性等优点，能够对检测样本实现痕量检测，各种研究表明，使用由化合物半导体组成的fet可以最好地解决具有临床相关性的生物分析物的复杂性，所以fet型传感器引起人们极大关注。

氮化镓作为第三代半导体材料，具有良好的化学稳定性、宽禁带、热稳定性、高饱和电子迁移速度等优点，所以在半导体领域其已经成为研究热点。自二十世纪七十年代以来，gan材料就开始被研究，并广泛应用于可见光和紫外led，激光器，放大器，以及fet和高电子迁移率晶体管(hemt)。gan材料由于无毒，在水中溶解度低，血液稳定性高，相较于硅具极佳的耐腐蚀性，耐高温，可靠性，所以gan基生化传感器的应用十分广泛。而基于gan材料的fet型生化传感器由于它们在空气，水和血液环境中的极好的稳定性，杰出的生物相容性，能够实现对电气和表面特性的良好控制，显示了gan基fet生物传感器临床应用的巨大潜力。

到目前为止，已经有很多学者对gan基fet型生化传感器做了大量研究，并且取得了丰硕的成果。但是在检测过程中，都无法避免检测样本与传感器表面直接接触，而gan基fet型生化传感器栅极区域对表面的变化极其敏感，所以这些传统的gan基fet型生化传感器都无法避免传感器被检测样本污染降解，同时也很容易受到外界环境的干扰，比如光照、噪声、添加检测样本时的机械扰动等，这些因素都会影响传感器的使用寿命、可靠性、稳定性、灵敏度和精度。

技术实现要素：

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种抗干扰能力强、检测过程稳定可靠、使用寿命长、不被检测样本污染的传感器件及其制作方法。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

根据本发明的一方面，提供了一种传感器件，所述传感器件包括：

传感部，包括第一半导体衬底、第一电极层和第二电极层，所述第一电极层和所述第二电极层设置于所述第一半导体衬底上，所述第一电极层和所述第二电极层之间具有间隔；

检测部，独立于所述传感部，所述检测部包括第二衬底以及设置于所述第二衬底上的检测电极层；

电连接部，连接所述检测电极层并通过所述间隔与所述第一半导体衬底连接。

进一步地，所述传感部还包括第三电极层，所述第三电极层设置于所述第一半导体衬底的位于所述间隔内的部分上。

进一步地，所述传感部还包括第一封装层，所述第一封装层设置于所述第一半导体衬底、所述第一电极层和所述第二电极层上，所述第一封装层包括暴露所述第一电极层的第一过孔、暴露所述第二电极层的第二过孔以及暴露所述间隔的第三过孔。

进一步地，所述第一半导体衬底包括硅衬底以及依序叠层设置于所述硅衬底上的第一氮化镓层、铝镓氮层和第二氮化镓层；所述第二氮化镓层的两侧部分、所述铝镓氮层的两侧部分以及所述第一氮化镓层的上部分的两侧部分均被刻蚀去除。

进一步地，所述第一电极层设置于所述第二氮化镓层的剩余部分上，并且所述第一电极层延伸至所述第一氮化镓层的下部分上；所述第二电极层设置于所述第二氮化镓层的剩余部分上，并且所述第二电极层延伸至所述第一氮化镓层的下部分上；其中，位于所述第二氮化镓层的剩余部分上的所述第一电极层和所述第二电极层之间具有所述间隔。

进一步地，所述传感部还包括：

第一欧姆接触层，所述第一欧姆接触层设置于所述第一电极层和所述第二氮化镓层的剩余部分之间，并且所述第一欧姆接触层延伸至所述第一电极层和所述第一氮化镓层的下部分之间；

第二欧姆接触层，所述第二欧姆接触层设置于所述第二电极层和所述第二氮化镓层的剩余部分之间，并且所述第二欧姆接触层延伸至所述第二电极层和所述第一氮化镓层的下部分之间。

进一步地，所述检测部还包括第二封装层，所述第二封装层设置于所述第二衬底的未被所述检测电极层覆盖的部分上，所述第二封装层的厚度大于所述检测电极层的厚度，以形成用于容纳待检测对象的检测腔。

根据本发明的另一方面，还提供了一种传感器件的制作方法，所述制作方法包括：

在第一半导体衬底上形成彼此间隔的第一电极层和第二电极层；

在第二衬底上形成检测电极层；

使电连接部连接所述检测电极层并使电连接部通过所述间隔与所述第一半导体衬底连接。

进一步地，所述第一半导体衬底包括硅衬底以及依序叠层设置于所述硅衬底上的第一氮化镓层、铝镓氮层和第二氮化镓层；

其中，在第一半导体衬底上形成彼此间隔的第一电极层和第二电极层的方法包括：

将所述第二氮化镓层的两侧部分、所述铝镓氮层的两侧部分以及所述第一氮化镓层的上部分的两侧部分刻蚀去除。

在所述第二氮化镓层的剩余部分上形成第一欧姆接触层，并使所述第一欧姆接触层延伸至所述第一氮化镓层的下部分上；

在所述第二氮化镓层的剩余部分上形成第二欧姆接触层，并且使所述第二欧姆接触层延伸至所述第一氮化镓层的下部分上；其中，位于所述第二氮化镓层的剩余部分上的第一欧姆接触层和第二欧姆接触层之间具有所述间隔；

分别在所述第一欧姆接触层和所述第二欧姆接触层上形成第一电极层和第二电极层；

在所述第一电极层上、所述第二电极层上和所述间隔内形成第一封装层；

在所述第一封装层中分别形成暴露所述第一电极层的第一过孔、暴露所述第二电极层的第二过孔以及暴露所述间隔的第三过孔。

进一步地，在第二衬底上形成检测电极层的方法包括：

在所述第二衬底上形成检测电极层；

在所述第二衬底上和所述检测电极层上形成第二封装层，所述第二封装层的厚度大于所述检测电极层的厚度；

在所述第二封装层中形成完全暴露所述检测电极层的第四过孔。

本发明的有益效果：本发明的传感器件，设置检测部，通过电连接部将第一半导体衬底与检测电极层连接起来，通过检测部去检测样本，可以有效保护传感器件不被检测样本污染、降解，从而大大提高传感器件的可靠性，延长使用寿命，提高传感器件的抗干扰能力。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是根据本发明的实施例一的传感器件的侧面剖视图；

图2是根据本发明的实施例一的传感器件检测待检测物时的电流响应图；

图3a与图3b是根据本发明的实施例一的传感器件与现有技术的传感器件的抗干扰性能对比图；

图4是根据本发明的实施例二的传感器件的制作方法的流程图；

图5是根据本发明的实施例二的步骤s100的流程图；

图6是根据本发明的实施例二的步骤s200的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。

在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。

将理解的是，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开来。

实施例一

图1是根据本发明的实施例一的传感器件的结构示意图。

参照图1所示，本发明的第一实施例提出了一种传感器件。所述传感器件包括：传感部100，检测部200以及电连接部300。所述电连接部300连接传感部100以及检测部200。可以理解的是，本发明并不限制于此，根据本发明的实施例的传感器件还可以包括其它必要的部件，如电路板等。

具体地，传感部包括：第一半导体衬底110、第一电极层120和第二电极层130。第一电极层120和第二电极层130设置于第一半导体衬底110上，第一电极层120和第二电极层130之间具有间隔。作为本发明的一种实施方式，传感器件为场效应三级管型的传感器件，其中第一电极层120为源极，第二电极层130为漏极；作为本发明的一种实施方式，第一半导体衬底110可直接作为栅极。作为本发明的另一种实施方式，也可以在第一半导体衬底110的位于间隔内的部分上设置第三电极层140，第三电极层140作为栅极。

作为本发明的一种实施方式，第一半导体衬底110采用氮化镓晶圆片制成。氮化镓晶圆片包括硅衬底111以及依序设置于硅衬底111上的第一氮化镓层112、铝镓氮层113和第二氮化镓层114。氮化镓作为第三代半导体材料，具有良好的化学稳定性、宽禁带、热稳定性、高饱和电子迁移速度，采用氮化镓片作为第一衬底的生化传感器在空气、水和血液环境中具有极好的稳定性、接触的生物相容性，能够实现对电气和表面特性的良好控制。

一般氮化镓晶圆上除了传感部100还会设置其它部件，为了使传感部100与其它部件实现电隔离，将第二氮化镓层114的两侧部分、铝镓氮层113的两侧部分以及第一氮化镓层112的上部分的两侧部分刻蚀去除。其中，第一氮化镓层112包括靠近铝镓氮层113的部分为上部分以及第一氮化镓层112除上部分的剩余部分为下部分。

作为本发明的一种实施方式，第一电极层120设置于第二氮化镓层114的未被刻蚀的剩余部分上，并且第一电极层120延伸至第一氮化镓层112的上部分上。作为本发明的一种实施方式，第二电极层130设置于第二氮化镓层114的未被刻蚀的剩余部分上，并且第二电极层130延伸至第一氮化镓层112的下部分上。其中，位于第二氮化镓层114的剩余部分上的第一电极层120和第二电极层130之间具有间隔。

作为本发明的一种实施方式，传感部100还包括第一欧姆接触层160。第一欧姆接触层160设置于第一电极层120和第二氮化镓层114的剩余部分之间，并且第一欧姆接触层160延伸至第一电极层120和第一氮化镓层114的下部分之间。作为本发明的一种实施方式，传感部100还包括第二欧姆接触层170。第二欧姆接触层170设置于第二电极层120和第二氮化镓层114的剩余部分之间，并且第二欧姆接触层170延伸至第二电极层130和第一氮化镓层112的下部分之间。

作为本发明的一种实施方式，传感部100还包括第一封装层150。第一封装层150设置于第一半导体衬底110、第一电极层120和第二电极层130上。其中第一封装层150包括暴露第一电极层120的第一过孔151、暴露第二电极层130的第二过孔152以及暴露间隔的第三过孔153。作为本发明的一种实施方式，第一封装层150包括覆盖于第一半导体衬底110、第一电极层120、第二电极层130上的聚二甲基硅氧烷，以及覆盖于聚二甲基硅氧烷上的硅酮胶。

作为本发明的一种实施方式，传感部100还包括第一引线180和第二引线190。第一引线180通过第一过孔151与第一电极层120连接，通过第一引线180向第一电极层120施加电压。第二引线190通过第二过孔152与第二电极层130连接，通过第二引线190向第二电极层130施加电压。

具体地，检测部200独立于传感部100。检测部200包括第二衬底210以及设置于第二衬底210上的检测电极层220。检测部200用于与待检测对象进行接触，对待检测对象进行检测。设置独立于传感部100的检测部200对待检测对象进行接触，将检测信号通过电连接部300传给传感部100。可以避免传感部100与待检测对象直接接触，保护传感部100不受污染，延长传感器件的使用寿命。在本实施例中，第二衬底210采用二氧化硅片。

作为本发明的一种实施方式，检测部100还包括第二封装层230。第二封装层230设置于第二衬底210的未被检测电极层220覆盖的部分上。第二封装层230的厚度大于检测电极层220的厚度，以形成用于容纳待检测对象的检测腔。优选地第二封装层230包括覆盖于第二衬底210的未被检测电极层220覆盖的部分上的硅酮胶。

作为本发明的一种实施方式，检测部200还包括通过化学键键合于检测电极220上的生物物质(图未示)。具体地，通过向检测电极220添加修饰试剂，使检测电极220形成化学键。针对检测不同的生物分子采用不同的修饰剂，使检测电极220上形成相应的化学键。例如针对抗体的检测，可采用一定浓度的巯基乙胺和戊二醛作为修饰试剂。然后通过向检测电极220添加生物物质，生物物质与化学键键合，固定于检测电极220上。其中，生物物质包括抗体、dna、核酸、蛋白质等。经过修饰的带有生物物质的检测电极220可对生物物质进行检测。

具体地，电连接部300连接检测电极层220并通过间隔于第一半导体衬底110连接。作为本发明的另一种实施方式，电连接部300连接检测电极层220并通过间隔于设置于第一半导体衬底110的位于间隔内的部分上的第三电极层140连接。作为本发明的一种实施方式，电连接部300为第三引线，第三引线通过第三过孔153与第一半导体衬底110连接，通过第三引线将检测信号传送给第一半导体衬底110。作为本发明的另一种实施方式，第三引线通过第三过孔153与第三电极层140连接，通过第三引线将检测信号传送给第三电极层140。

图2是根据本发明的实施例一的传感器件检测待检测对象时的电流响应图。

下面将具体阐述根据本发明的实施例的传感器件的测试步骤：首先在检测腔内添加缓冲溶液，并通过第一引线180、第二引线190分别给第一电极层120、第二电极层130施加电压，使传感器件得以稳定工作；待传感器件稳定后，向检测腔内添加待检测对象进行检测，检测信号通过第三引线传送给第三电极层140。参照图2可知，根据本发明的实施例的传感器件对待检测对象的检测极限为100fg/ml，采样间隔时间为1.5s，电流跳动量为0.3μa。

图3a与图3b是根据本发明的实施例一的传感器件与现有技术的传感器件的抗干扰性能对比图。

参照图3a所示，分别对本发明的实施例的传感器件与现有技术的传感器件(例如常见的gan基fet传感器)施加一个机械扰动，由图3a可以看出，根据本发明的实施例的传感器件相对于现有技术的传感器件抗机械扰动的能力更强。

参照图3b所示，分别对本发明的实施例的传感器件与现有技术的传感器件(例如常见的gan基fet传感器)进行强光照，由图3b可以看出，根据本发明的实施例的传感器件相对于现有技术的传感器件的抗强光照能力更强。

由此可见，本发明的实施例的传感器件相对于现有技术的传感器件具有优异的抗干扰能力。

本发明的传感器件，设置检测部，通过电连接部将第一半导体衬底与检测电极层连接起来，通过检测部去检测样本，可以有效保护传感器件不被检测样本污染、降解，从而大大提高传感器件的可靠性，延长使用寿命，提高传感器件的抗干扰能力。

实施例二

图4是根据本发明的实施例二的传感器件的制作方法的流程图。

参照图4，本发明的第二实施例提出了一种传感器件的制作方法。所述制作方法包括：

s100、在第一半导体衬底110上形成彼此间隔的第一电极层120和第二电极层130；

s200、在第二衬底210上形成检测电极层220；

s300、使电连接部300连接检测电极层220并使电连接部300通过间隔与第一半导体衬底110连接。

图5是根据本发明的实施例二的步骤s100的流程图。

作为本发明的一种实施方式，第一半导体衬底110采用氮化镓晶圆片。氮化镓晶圆片包括硅衬底111以及依序叠层设置于硅衬底111上的第一氮化镓层112、铝镓氮层113和第二氮化镓层114。氮化镓作为第三代半导体材料，具有良好的化学稳定性、宽禁带、热稳定性、高饱和电子迁移速度，采用氮化镓片作为第一半导体衬底110的传感器件在空气、水和血液环境中具有极好的稳定性、接触的生物相容性，能够实现对电气和表面特性的良好控制。参照图5，作为本发明的一种实施方式，步骤s100包括：

s110、将第二氮化镓层114的两侧部分、铝镓氮层113的两侧部分以及第一氮化镓层112的上部分的两侧部分刻蚀去除。

作为本发明的一种实施方式，在第二氮化镓层114上形成掩膜，采用等离子刻蚀将第二氮化镓层114的两侧部分、铝镓氮层113的两侧部分以及第一氮化镓层112的上部分的两侧部分刻蚀去除。

s120、在第二氮化镓层114的剩余部分上形成第一欧姆接触层160，并使第一欧姆接触层160延伸至第一氮化镓层112的下部分上；

s130、在第二氮化镓层114的剩余部分上形成第二欧姆接触层170，并且使第二欧姆接触层170延伸至第一氮化镓层112的下部分上。其中，位于第二氮化镓层114的剩余部分上的第一欧姆接触层160和第二欧姆接触层170之间具有间隔；

s140、分别在第一欧姆接触层160和第二欧姆接触层170上形成第一电极层120和第二电极层130；

作为本发明的一种实施方式，步骤s150还包括在间隔上形成第三电极层140。

s150、在第一电极层120上、第二电极层130上和间隔内形成第一封装层150；

s160、在第一封装层150中分别形成暴露所述第一电极层120的第一过孔151、暴露第二电极层130的第二过孔152以及暴露间隔的第三过孔153。

图6是根据本发明的步骤s200的流程图。

参照图6，作为本发明的一种实施方式，步骤s200包括：

s210、在第二衬底210上形成检测电极层220；

作为本发明的一种实施方式，第二衬底210采用二氧化硅片。作为本发明的一种实施方式，在第二衬底210上沉积一层ti/au以形成检测电极层220。作为本发明的一种实施方式，步骤s210还包括在检测电极220上添加修饰试剂，以在检测电极220表面形成化学键；然后向检测电极220上添加生物物质，生物物质与化学键键合，固定于检测电极220上。经过修饰的检测电极220可对生物物质进行检测。

s220、在第二衬底210上和所述检测电极层220上形成第二封装层230，第二封装层230的厚度大于检测电极层220的厚度；

作为本发明的一种实施方式，采用硅酮胶在第二衬底210上和检测电极220上形成第二封装层230。其中第二封装层230的厚度大于检测电极层220的厚度。

s230、在第二封装层230中形成完全暴露检测电极层220的第四过孔。

作为本发明的一种实施方式，在第二封装层230中形成完全暴露检测电极层220的第四过孔，以使第二封装层230于检测电极层220之间形成可容纳待检测对象的检测腔。

具体地，作为本发明的一种实施方式步骤s300使电连接部300连接检测电极层220并使电连接部300通过间隔与第一半导体衬底110连接，电连接部300采用第三引线连接检测电极层220与第一半导体衬底110。作为本发明的一种实施方式，第三引线连接检测电极层220与第三电极层140。

可以理解的是，本发明并不限制于此，根据本发明的实施例的传感器件还可以包括其它必要的步骤，如对第一半导体衬底110进行清洗、预处理、在第一引线孔151设置第一引线180与第一电极层120连接、在第二引线孔152设置第二引线190与第二电极层130连接等。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。