专利名称：基于冷场电子检测生化物质的芯片、制作方法及检测方法
技术领域：
本发明属于生物化学物质检测技术领域，涉及一种检测生物化学物质的传感芯
片，具体涉及一种基于冷场电子检测生化物质的芯片，本发明还涉及该芯片的制作方法以 及利用该芯片对生物化学物质进行检测的方法。
背景技术：
生物化学物质检测领域中使用的检测器正在向微型化方向发展，尤其是生物传感
器，更是取得了显著的进步。生物传感器，概括的说是一个集成了生物识别器(接收器)和
信号转换器的器件。近年来，国内外不断报道各种类型新型检测器，根据信号转换器原理的
不同，生物化学传感器可以分为光学信号检测器、电化学信号检测器和频率信号检测器等 等。 采用不同传感器对生物化学物质进行检测的方法中，最常用的是荧光检测法和电 化学检测法，但使用这两种方法时，均需进行大量的准备工作荧光法需要对被测物进行标 记，而一些被测物无法被荧光标记；电化学方法需要对被检测物进行表面处理，而大部分表 面处理工作需要花费相当长的时间；造成检测时的费时和不方便。 冷场电子发射是指常温下，通过电场作用使处于电场中的物质发射电子的现象。 利用电场中的物质发射的电子进行检测，已经作为一种成熟的技术广泛应用于扫描隧道显 微镜等产品，但是现有的这些电子发射设备均存在体积大，且需要真空环境的缺点，无法应 用于微型生化检测系统。
发明内容
为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种基于冷场电子检 测生化物质的芯片，具有体积小，不需要真空环境的特点，能用于微型生化检测系统。
本发明的另一 目的是提供一种上述检测芯片的制作方法。 本发明的第三个目的是提供一种利用上述检测芯片对生化物质进行监测的方法。
本发明所采用的技术方案是，基于冷场电子检测生化物质的芯片，包括从下往上 依次设置的衬底7、第二绝缘层6和固定极8，第二绝缘层6上面还设置有第一绝缘层5，第 一绝缘层5上有通孔，固定极8位于该通孔内，第一绝缘层5上面分别设置有接收极1和发 射极4，接收极1和发射极4相对设置于第一绝缘层5上通孔的两侧，接收极1和发射极4 之间的直线距离为1 y m 20 ii m。 所述固定极8的厚度、长度和宽度分别为200nm liim、2iim 10iim禾P2iim 10 ii m。 所述固定极8采用生物亲和导电材料制成，该生物亲和导电材料为金、聚苯胺、聚 吡咯或者全氟代磺酸酯中的一种。 所述接收极1采用性质稳定的金属制成，该性质稳定的金属为金、钼或者钛钨合 金中的一种。
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所述发射极4采用电子逸出功小于5eV的材料制成，该电子逸出功小于5eV的材料为银、铝，锌、钨、多晶硅，砷化镓或者碳纳米管中的一种。
所述第二绝缘层6的厚度为200nm 1 y m。
所述第一绝缘层5的厚度为200nm 1 y m。 所述第一绝缘层5上的通孔为正方形孔，该正方形孔的边长为接收极1和发射极4之间直线距离的50% 90%。 本发明所采用的另一技术方案是，一种上述芯片的制作方法，按以下步骤进行
步骤1 :取硅片作为衬底7，采用热氧化方法在衬底7上生成厚度为200nm 1 y m的第二绝缘层6，第二绝缘层6的长度和宽度分别与衬底7的长度和宽度相同；
步骤2 :取生物亲和导电材料，采用金属溅射与光刻的方法或者金属蒸发与光刻的方法在步骤1生成的第二绝缘层6的上面生成厚度为200nm liim、长度为2iim 10iim和宽度为2iim 10iim的固定极8 ; 生物亲和导电材料采用金、聚苯胺、聚吡咯或全氟代磺酸酯中的一种；
步骤3 :采用化学气相沉积方法，将二氧化碳或氮化硅沉积于步骤1生成的第二绝缘层6的上面，生成厚度为200nm 1 y m的第一绝缘层5，第一绝缘层5的长度和宽度分别与衬底7的长度和宽度相同； 步骤4 :采用金属沉积与光刻工艺，在步骤3生成的第一绝缘层5上形成通孔，将固定极8露出； 步骤5 :分别取性质稳定的金属和电子逸出功小于5eV的材料，采用金属溅射与光刻的方法或者金属蒸发与光刻的方法，将该性质稳定的金属和电子逸出功小于5eV的材料在步骤3生成的第一绝缘层5的上面分别制作接收极1和发射极4，接收极1和发射极4之间的直线距离为1 P m 20 ii m，制得用于冷场电子检测生化物质的芯片。
本发明所采用的第三个技术方案是，一种利用上述芯片检测生化物质的方法，按以下步骤进行 步骤1 :采用一检测芯片，该检测芯片包括从上往下依次设置的固定极8、第二绝缘层6和衬底7，第二绝缘层6上面还设置有第一绝缘层5，第一绝缘层5上有通孔，固定极8位于该通孔内，第一绝缘层5上面分别设置有接收极1和发射极4，接收极1和发射极4相对设置于第一绝缘层5上通孔的两侧，接收极1和发射极4之间的直线距离为1 P m 20践； 取待检测的生化物质，将该生化物质固定于固定极8的表面； 步骤2 :将步骤1中固定有生化物质的检测芯片的接收极1和发射极4分别与电
源9的正极和负极相连接，并在电路中串联电流表10 ; 步骤3 :将步骤2中电源9电压从OV连续变化至电流表10读数由OA发生跳变时的当前电压，继续将电源9电压增大至当前电压2倍 3倍的终电压，并在电源9电压由当前电压增至终电压期间持续记录电流表10的一组读数； 步骤4 :重复进行步骤3，得到至少两组电源9电压由当前电压增至终电压期间持续记录的电流表10的读数，将该至少两组读数采用取平均值的方法进行后期数据平滑处理，得到处理后的数据； 步骤5 :根据步骤4得到的处理后的数据，绘制电流-电压曲线；
步骤6 :根据步骤5绘制的电流_电压曲线的峰值相对于不固定生化物质时的标准电流-电压曲线峰值的平移和偏移量，判断步骤1中固定于固定极8表面的生化物质。
本发明检测芯片采用发射距离为微米级的接收极和发射极，使得空气对电子的影响成指数型减小，利用冷场电子发射原理进行生化特异性定量检测，对特定物质的检测精度和特异性大大提高。
图1是本发明检测芯片第一种实施例的结构示意图。
图2是图1的俯视图。 图3是本发明检测芯片第二种实施例的结构示意图。
图4是本发明检测芯片第三种实施例的结构示意图。
图5是本发明检测芯片第四种实施例的结构示意图。 图中，l.接收极，2.被测物，3.电子束，4.发射极，5.第一绝缘层，6.第二绝缘层，7.衬底，8.固定极，9.电源，IO.电流表，ll.接地端，12.碳纳米管。
具体实施例方式
下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。 如图1和图2所示，本发明检测芯片第一种实施例的结构，包括衬底7，衬底7上面设置有厚度为200nm 1 y m的第二绝缘层6，第二绝缘层6的长度和宽度分别与衬底7的长度和宽度相同，第二绝缘层6的上面设置有固定极8，固定极8的厚度、长度和宽度分别为200nm liim、2iim 10iim和2iim 10iim，固定极8位于第二绝缘层6的中心位置，第二绝缘层6的上面还设置有厚度为200nm 1 y m的第一绝缘层5，第一绝缘层5的长度和宽度分别与第二绝缘层6的长度和宽度相同，第一绝缘层5的中部设置有台阶孔，该台阶为正方形孔，且下部大上部小，固定极8位于该台阶孔的下部内，并与该台阶孔的上部相通。第一绝缘层5的上面分别设置有接收极1和发射极4，接收极1和发射极4分别位于第一绝缘层5台阶孔的两侧，并相对设置，发射极4朝向接收极1的一端设置为锐角，该锐角为10° 80° 。 如图3所示，本发明检测芯片第二种实施例的结构，该检测芯片的结构与上述第一种实施例中检测芯片的结构相同，两者之间的区别在于本实施例中发射极4朝向接收极1的一端为平面，该平面上设置有一个碳纳米管12，碳纳米管12的一端固接于发射极4的端面，碳纳米管12的另一端朝向接收极1。 如图4所示，本发明检测芯片第三种实施例的结构，该检测芯片的结构与第一种实施例中检测芯片的结构相同，两者之间的区别本实施例中接收极1朝向发射极4的一端为凹球面，该凹球面的直径大于接收极1的宽度，发射极4朝向接收极1的一端为半球面。
如图5所示，本发明检测芯片第四种实施例的结构，该检测芯片的结构与第一种实施例中检测芯片的结构相同，两者之间的区别第一绝缘层5的上面分别设置有两个相互垂直的接收极1和两个相互垂直的发射极4，两个接收极1和两个发射极4形成一一对应。 接收极1和发射极4之间的直线距离为1 y m 20 ii m，发射极4的厚度和宽度分别为lOOnm 0. 5 ii m和20 y m lOOiim，接收极l的厚度和宽度分别为120nm 0. 6iim 和24 m 120 m。第一绝缘层5台阶孔中小尺寸正方形孔的边长为接收极1和发射极4 之间直线距离的50% 90%。 固定极8采用生物亲和导电材料制成，该生物亲和导电材料为金(Au)、聚苯胺 (PANI)、聚吡咯(polypyrrole)或全氟代磺酸酯(Nafion)中的一种。 接收极1采用性质稳定的金属制成，该性质稳定的金属为金(Au)、钼(Pt)或钛钨 合金(Ti/W)中的一种。 发射极4采用电子逸出功小于5eV的材料制成，该电子逸出功小于5eV的材料为 银(Ag)、铝(Al)、锌(Zn)、鸨(W)、多晶硅(Poly Silicon)、砷化镓(GaAs)或者碳纳米管 (CNT)中的一种。 本发明检测芯片能对被测物进行直接定量检测，无需标记。 本发明提供了一种上述芯片的制作方法，该方法按以下步骤进行 步骤1 :取硅片作为衬底7，采用热氧化方法在衬底7上生成厚度为200nm 1 y m
的第二绝缘层6，第二绝缘层6的长度和宽度分别与衬底7的长度和宽度相同； 步骤2 :取生物亲和导电材料，采用金属溅射与光刻的方法或者金属蒸发与光刻
的方法在步骤1生成的第二绝缘层6的上面生成厚度为200nm liim、长度为2iim
10iim、宽度为2iim 10iim的固定极8 ; 生物亲和导电材料采用金(Au)、聚苯胺(PANI)、聚吡咯(polypyrrole)或全氟代 磺酸酯(Nafion)中的一种； 步骤3 :采用化学气相沉积(CVD)方法，将二氧化碳或氮化硅沉积于步骤1生成的 第二绝缘层6的上面，生成厚度为200nm 1 y m的第一绝缘层5，第一绝缘层5的长度和宽 度分别与衬底7的长度和宽度相同； 步骤4 :采用微制造工艺中金属沉积与光刻工艺，在步骤3生成的第一绝缘层5上 形成通孔，将固定极8露出； 步骤5 :分别取性质稳定的金属和电子逸出功小于5eV的材料，采用金属溅射与光 刻的方法或者金属蒸发与光刻的方法，将该性质稳定的金属和电子逸出功小于5eV的材料 在步骤3生成的第一绝缘层5的上面分别制作接收极1和发射极4，制得用于冷场电子检测 生化物质的芯片，接收极1和发射极4分别位于步骤4形成的通孔的两侧，并相对设置，接 收极1和发射极4之间的直线距离为1 y m 20 ii m，发射极4的厚度和宽度分别为100nm 0. 5iim和20iim 100iim，接收极1的厚度和宽度分别为120nm 0. 6 ii m和24 ii m 120践； 性质稳定的金属采用金(Au)、钼(Pt)或钛鸨合金(Ti/W)中的一种； 电子逸出功小于5eV的材料采用银(Ag)、铝(Al)、锌(Zn)、鸨(W)、多晶硅(Poly
Silicon)、砷化镓(GaAs)、或者碳纳米管(CNT)中的一种。 利用冷场发射的电子对物质进行检测，是基于被测物对电子的吸收使产生的电流 发生衰减的原理， 一般来说，空气对电子的吸收十分强烈，现有宏观的电子发射源都需要真 空环境，而小型化冷场电子发射检测芯片具有发射电场间距十分微小的特点，一方面在正 负极所加电压不变的情况下获得更高的电场强度，使得电子发射更加容易；另一方面，传统 的电子发射源体积相比生化目标被测物而言过于巨大，没办法进行芯片上的集成，限制了其小型化。 本发明检测芯片中接收极1和发射极4之间的发射距离是微米级的，随着电子运 动距离的减小，使得空气对电子的影响成指数型减小，对特定物质的检测精度和特异性大 大提高。 基于上述检测芯片，本发明提供了一种检测方法，该检测方法按以下步骤进行
步骤1 :取待检测的生化物质，将该生化物质固定于检测芯片固定极8的表面；
步骤2 :将步骤1中固定有生化物质的检测芯片的接收极1和发射极4分别与电 源9的正极和负极相连接，形成电路，并在该电路中串联电流表10，同时，接收极1还与接地 端ll相连接； 步骤3 :打开步骤2中的电源9，调整电源9电压，将电源9电压从0V连续变化至 电流表10读数由0A发生跳变时的当前电压，继续增大电源9的电压至终电压，该终电压为 当前电压的2 3倍，并在电源9电压由当前电压增至终电压期间持续记录电流表10的一 组读数； 步骤4 :重复进行步骤3，得到至少两组电源9电压由当前电压增至终电压期间持 续记录的电流表10的读数，将该至少两组读数采用取平均值的方法进行后期数据平滑处 理，得到处理后的数据； 步骤5 :根据步骤4得到的处理后的数据绘制电流_电压(I-V)曲线，然后，根据 该电流-电压曲线的峰值相对于不固定生化物质时得到的标准电流-电压曲线峰值的平移 和偏移量，判断步骤1中固定于固定极8表面的生化物质。 启动电源9后，发射极4和接收极1之间形成冷电场，发射极4产生电子束3，在冷 电场的作用下，电子束3从发射极4向接收极1运动，当电子束3通过生化物质时，该生化 物质对电子束3中的电子进行吸收，不同生化物质对电子的吸收能力不同，导致由电源9、 电流表10、发射极4和接收极1组成的电路中的电流强度发生变化，而被测生化物质对电子 束3中电子的吸收量与电流-电压曲线的平移和偏移量成正比，通过分析电流-电压曲线 相对于标准电流_电压曲线的平移和偏移量的数值，即可得到被测生化物质的定量检测结 果；通过分析电流_电压曲线峰值在电压轴上所处的位置，即可确定被测生化物质的成分。
本发明检测方法利用不同被测生化物质对电子吸收能力的不同，通过测量电流强 度的变化区分被测生化物质，实现了对被测生化物质的特异性定量检测，具有方便快捷特 点。
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权利要求
基于冷场电子检测生化物质的芯片，其特征在于，包括从下往上依次设置的衬底(7)、第二绝缘层(6)和固定极(8)，第二绝缘层(6)上面还设置有第一绝缘层(5)，第一绝缘层(5)上有通孔，固定极(8)位于该通孔内，第一绝缘层(5)上面分别设置有接收极(1)和发射极(4)，接收极(1)和发射极(4)相对设置于第一绝缘层(5)上通孔的两侧，接收极(1)和发射极(4)之间的直线距离为1μm～20μm。
2. 按照权利要求l所述的芯片，其特征在于，所述固定极(8)的厚度、长度和宽度分别 为200nm liim、2iim 10iim禾口2iim 10iim。
3. 按照权利要求1或2所述的芯片，其特征在于，所述固定极(8)采用生物亲和导电材 料制成，该生物亲和导电材料为金、聚苯胺、聚吡咯或者全氟代磺酸酯中的一种。
4. 按照权利要求l所述的芯片，其特征在于，所述接收极(1)采用性质稳定的金属制 成，该性质稳定的金属为金、钼或者钛钨合金中的一种。
5. 按照权利要求l所述的芯片，其特征在于，所述发射极(4)采用电子逸出功小于5eV 的材料制成，该电子逸出功小于5eV的材料为银、铝、锌、钨、多晶硅、砷化镓或者碳纳米管 中的一种。
6. 按照权利要求l所述的芯片，其特征在于，所述第二绝缘层(6)的厚度为200nm 1 li m。
7. 按照权利要求l所述的芯片，其特征在于，所述第一绝缘层(5)的厚度为200nm 1 li m。
8. 按照权利要求1所述的芯片，其特征在于，所述通孔为正方形孔，该正方形孔的边长 为接收极(1)和发射极(4)之间直线距离的50% 90%。
9. 一种权利要求1所述芯片的制作方法，其特征在于，该方法按以下步骤进行步骤1 :取硅片作为衬底(7)，采用热氧化方法在衬底(7)上生成厚度为200nm 1 y m 的第二绝缘层(6)，第二绝缘层(6)的长度和宽度分别与衬底(7)的长度和宽度相同；步骤2:取生物亲和导电材料，采用金属溅射与光刻的方法或者金属蒸发与光刻的方 法在步骤1生成的第二绝缘层(6)的上面生成厚度为200nm 1 y m、长度为2 y m 10 y m 和宽度为2 ii m 10 ii m的固定极(8);生物亲和导电材料采用金、聚苯胺、聚吡咯或全氟代磺酸酯中的一种；步骤3 :采用化学气相沉积方法，将二氧化碳或氮化硅沉积于步骤1生成的第二绝缘层 (6)的上面，生成厚度为200nm lym的第一绝缘层(5)，第一绝缘层(5)的长度和宽度分 别与衬底(7)的长度和宽度相同；步骤4:采用金属沉积与光刻工艺，在步骤3生成的第一绝缘层(5)上形成通孔，将固 定极(8)露出；步骤5 :分别取性质稳定的金属和电子逸出功小于5eV的材料，采用金属溅射与光刻的 方法或者金属蒸发与光刻的方法，将该性质稳定的金属和电子逸出功小于5eV的材料在步 骤3生成的第一绝缘层(5)的上面分别制作接收极(1)和发射极(4)，接收极(1)和发射极 (4)之间的直线距离为lym 20ym，制得用于冷场电子检测生化物质的芯片。
10. —种利用权利要求1所述芯片检测生化物质的方法，其特征在于，该方法按以下步 骤进行步骤1 :采用一检测芯片，该检测芯片包括从上往下依次设置的固定极(8)、第二绝缘层(6)和衬底(7)，第二绝缘层(6)上面还设置有第一绝缘层(5)，第一绝缘层(5)上有通 孔，固定极(8)位于该通孔内，第一绝缘层(5)上面分别设置有接收极(1)和发射极(4)， 接收极(1)和发射极(4)相对设置于第一绝缘层(5)上通孔的两侧，接收极(1)和发射极 (4)之间的直线距离为1 y m 20 ii m ;取待检测的生化物质，将该生化物质固定于固定极(8)的表面；步骤2 :将步骤1中固定有生化物质的检测芯片的接收极(1)和发射极(4)分别与电源(9)的正极和负极相连接，并在电路中串联电流表(10);步骤3 :将步骤2中电源(9)电压从0V连续变化至电流表(10)读数由0A发生跳变时 的当前电压，继续将电源(9)电压增大至当前电压2倍 3倍的终电压，并在电源(9)电压 由当前电压增至终电压期间持续记录电流表(10)的一组读数；步骤4:重复进行步骤3，得到至少两组电源(9)电压由当前电压增至终电压期间持续 记录的电流表(10)的读数，将该至少两组读数采用取平均值的方法进行后期数据平滑处 理，得到处理后的数据；步骤5 :根据步骤4得到的处理后的数据，绘制电流-电压曲线；步骤6 :根据步骤5绘制的电流-电压曲线的峰值相对于不固定生化物质时的标准电流-电压曲线峰值的平移和偏移量，判断步骤1中固定于固定极(8)表面的生化物质。
全文摘要
基于冷场电子检测生化物质的芯片、制作方法及检测方法，芯片包括从下往上依次设置的衬底、第二绝缘层和固定极，第二绝缘层上面还设置有第一绝缘层，第一绝缘层上有通孔，固定极位于该通孔内，第一绝缘层上面分别设置有接收极和发射极，接收极和发射极相对设置于第一绝缘层上通孔的两侧，接收极和发射极之间的直线距离为1μm～20μm。采用现有方法在硅片上依次生成第二绝缘层和固定极，在第二绝缘层上面生成第一绝缘层，利用微成型工艺在第一绝缘层上生成通孔，将固定极露出，在第一绝缘层上面制作接收极和发射极。将芯片、电源和电流表组成电路，通过测定该电路中电流强度的变化，实现对被测生化物质的特异性定量检测。
文档编号G01N27/00GK101738417SQ20091021937
公开日2010年6月16日 申请日期2009年12月8日 优先权日2009年12月8日
发明者刘泽文, 张 荣, 田昊 申请人:清华大学