专利名称：电容性元件传感器及其制造方法
技术领域：
本申请涉及电容性元件传感器及其制造方法。更具体地说，本申请涉及由附于电极的生物分子电荷所产生的总电容的变化和用于测量该变化的传感器。
背景技术：
在设计为使用电信号来检测生物分子的传感器中，存在具有晶体管结构的基于TR的生物传感器。生物传感器通过半导体制造工艺制造，并且具有的优点在于，电信号被迅速转换并且IC和MEMS的集成是容易的。使用场效应晶体管(FET)的生物反应的检测在美国专利N0.4238757 (1980)中公开。该专利涉及用于检测蛋白质的生物传感器，该生物传感器通过测量由于由表面电荷浓度的变化引起的在半导体反型层中的变化所产生的电流而检测抗原-抗体反应。美国专利N0.5466348和6203981公开使用薄膜晶体管(TFT)的信噪比(S/N)的改
盡
口 ο图1是根据现有技术的典型的生物FET的横截面图。源极112a和漏极112b形成在η型或P型掺杂基板111的两侧上。栅极113形成在基板111上以接触源极和漏极。栅极113 —般包括氧化物层114、多晶硅层115和栅极电极层116。并且探测生物分子117附于栅极电极层116。探测生物分子117经由例如氢键结合束缚到目标生物分子。探测生物分子117和目标生物分子之间的键合通过经由电学方法测量在电流中的变化而检测。但是，上面描述的方法的问题在于，在电解溶液200中，带电的生物分子不能以可靠的精度和再现性来检测。并且，基于FET的生物传感器的缺点在于，关联的半导体制造工艺非常复杂。
发明内容
技术问题本公开致力于提供能够替代基于薄膜晶体管(TFT)的生物传感器的电容性元件传感器。具体地说，本公开致力于提供比基于场效应晶体管(FET)的生物传感器更可靠的电容性元件传感器。技术方案为了解决上述技术问题，本公开提供以下技术方案。在一个方面中，本公开提供一种用于制造包括由介电层分开的第一电极、第二电极和第三电极并且相对于所述第一电极和所述第二电极测量由附于所述第三电极的生物分子的电荷所产生的电容的变化的电容性元件传感器的方法，所述方法包括以下步骤:在基板上形成所述第一电极和所述第二电极以彼此间隔开；在所述第一电极和所述第二电极上形成所述介电层；在所述介电层上形成所述第三电极；以及，对所述第三电极进行表面处理，使得特定生物分子能够附于所述第三电极。
在另一方面中，本公开提供一种用于制造包括第一电容性元件和第二电容性元件并且测量由附于第三电极的生物分子的电荷所产生的在所述第一电容性元件的电容与所述第二电容性元件的电容的比率中的变化的电容性元件传感器的方法，其中，所述第一电容性元件包括由介电层分开的第一电极、第二电极和所述第三电极，所述第二电容性元件包括在与所述第一电极和所述第二电极相同的平面上设置并且由所述介电层分开的第四电极和第五电极，所述方法包括以下步骤:在基板上形成所述第一电极、所述第二电极、所述第四电极和所述第五电极以彼此间隔开；在所述第一电极、所述第二电极、所述第四电极和所述第五电极上形成所述介电层；在所述介电层上形成所述第三电极；以及，对所述第三电极进行表面处理，使得特定生物分子能够附于所述第三电极。基板可以是柔性基板，并且可以在第一电极、第二电极和第三电极的相对表面上形成粗糙以增加表面面积。在另一方面中，本公开提供一种包括第一电极、通过介电层与所述第一电极分开的第二电极和进行表面处理以使得特定生物分子能够附于其上的第三电极的电容性元件传感器，其中，所述第一电极、所述第二电极和所述第三电极用作电容性元件，并且相对于所述第一电极和所述第二电极，测量由附于所述第三电极的生物分子的电荷所产生的电容的变化。在另一方面中，本公开提供一种包括第一电极、通过介电层与所述第一电极分开的第二电极、进行表面处理以使得特定生物分子能够附于其上的第三电极、以及在与所述第一电极和所述第二电极相同的平面上设置并且彼此分开的第四电极和第五电极的电容性元件传感器，其中，所述第一电极、所述第二电极和所述第三电极形成第一电容性元件，所述第四电极和所述第五电极形成第二电容性元件，并且测量由附于所述第三电极的生物分子的电荷所产生的所述第一电容性元件和所述第二电容性元件的电容的变化。有利效果因为与基于场效应晶体管(FET)的生物传感器的制造工艺相比，根据本公开的制造工艺简单，所以本公开提供了降低制造成本的有利效果。此外，本公开提供了提高检测可靠性的效果。
图1示出现有的基于场效应晶体管(FET)的生物传感器的构造。图2示出根据本公开的电容性元件传感器的构造。图3示出根据本公开的电容性元件传感器的构造。图4示出根据本公开的电容性元件传感器的制造工艺。图5示出根据本公开的电容性元件传感器的制造工艺。图6示出根据本公开的另一实施方式的电容性元件传感器的构造。
具体实施例方式以下，将参照附图详细描述本公开的实施方式。下面描述的实施方式仅是用于例示性目的，并且本公开的范围不限于此。在本公开的范围内，本公开可以按照各种方式实施。
在下面的描述中，将省略公知的特征和技术的详细描述以避免不必要地使介绍的实施方式模糊。考虑到在本公开中的功能而选择下面使用的术语。由于术语可以根据实验者、测量者或使用者的意图和实践而不同地解释，定义应该基于本公开的全部内容而给出。实施方式I图2示出电容性元件传感器的主要构造。需注意的是，如本文使用的，术语“电容性”主要表示电容，但不排除电感。在图2和图3中，电场描述为电极之间的实线。具体地说，在第一电极10和第三电极30之间以及在第二电极11和第三电极30之间的圆实线表示边缘电场。根据本公开的电容性元件传感器包括第一电极10、通过介电层20与第一电极10分开的第二电极11和第三电极30，第三电极30进行表面处理，以使得特定生物分子可以附加其上。第一电极10、第二电极11和第三电极30用作电容性兀件。S卩，第一电极10、第二电极11和第三电极30通过介电层20分开。因此,第一电极10和第二电极11形成第一电容器，第二电极11和第三电极30形成第二电容器，并且第三电极30和第一电极10形成第
三电容器。具体地说，如果第一电极10用作源(+电极)并且第二电极11接地(_电极)，则它等效于这样的电路，其中，第三电容器和第二电容器串联连接，并且第一电容器与之并联连接。即，当从外部电源在第一电极10和第二电极11之间施加电压时，它可以由上述等效电路表不。电压可以是AV电压。具体地说，当施加AC电压时，电场在第一电极10和第三电极30之间以及在第三电极30和第二电极11之间生成，并且它们由于电极之间的介电层而用作电容器。结果，感应电流或感应电压在第三电极处生成。该电路可以由总的电容值表示，总的电容值随着第三电容器和第二电容器的电容变化而改变。如图3所示，根据本公开的电容性元件传感器的第一电极10和第二电极11通常连接到CMOS芯片100以测量电容。但是，其它构造也是可能的，只要电容性元件传感器的电容可以使用第一电极10和第二电极11来测量。由附于第三电极30的生物分子的电荷所产生的电流或电压中的变化导致第二电容器和第三电容器的电容的变化，最终导致总电容的变化。附于第三电极30的生物分子的量可以通过测量电容中的变化而测量。一般来说，生物分子带负电。因此，第三电极30可以进行表面处理(31)，使得待测试的特定生物分子可以容易地附于第三电极。第三电极30可以设置在电解溶液中。另选地，测试溶液可以滴在第三电极30上。需注意的是，与现有的基于场效应晶体管(FET)的生物传感器相比，本公开是基于完全不同的构造和原理。即，本公开技术上与基于FET的生物传感器完全不同之处在于，AC电压施加在第一电极10和第二电极11之间，并且测量电路的总电容。具体地说，在本公开中使用的第一电极10和第二电极11可以包括诸如金、银、钼、铜、铝等的导电金属，但本公开的范围不限于此。为了与生物分子的键合，第三电极30可以包括金(Au)。可以通过溅射、电镀、化学气相沉积(CVD)等制造电极。
以下，将描述根据本公开的用于制造电容性元件传感器的方法。参照图4，从(a)到(b)的过程描述了在基板I上形成氧化物层2的步骤。在本公开的电容性兀件传感器中使用的基板I可以是玻璃基板、塑料基板、娃基板等。具体地说，它可以是包括诸如PDMS这样的聚合物材料的柔性基板。至于现有的基于FET的生物传感器，不可能使用柔性基板，因为它使用半导体装置。相反，根据本公开的电容性元件传感器可以在柔性基板上实现，并是有用的，因为厚度小。当使用硅基板时，氧化物层2应该在基板上形成。例如，通过使用硅氧化物而湿法氧化到2000 A的厚度，氧化物层2可以形成在基板上。在硅晶片的裸面上不容易形成多晶硅结构。根据情况，氧化物层2还可以用作绝缘层。从(b)到(C)的过程描述了在基板I或氧化物层2上形成第一电极10和第二电极11的步骤。如稍早描述的，可以通过溅射、电镀、CVD等制造第一电极10和第二电极11。另夕卜，可以使用各种材料。例如考虑用于固定生物分子的装置31而选择材料。例如，如果生物分子将经由金-硫配位(coordination)而固定在电极上,则可以使用金、银、钼或铜。从(c)到(d)的过程描述了介电层20形成在基板和电极上的步骤。一般来说，介电层20不均匀地形成，除非采用特殊工艺。更确切地说，电极的位置倾向于高于它不在的位置。但是，可以优选的是，在第一电极10和第二电极11上完全均匀地形成介电层。从(d)到(e)的过程描述了在介电层20上形成第三电极30的步骤。具体地说，第三电极的尺寸和位置可以确定为使得它与第一电极10和第二电极11相对，并覆盖第一电极10和第二电极11的区域，但本公开的范围不限于此。由于在本公开中测量电极之间的电容的变化，所以当电容较大，精度和可靠性可以提高。因此，相对电极的面积可以增加以提高本公开的精度和可靠性。如果在电极的形成期间在电极上设置不平坦的粗糙性，电容器的电容可以通过使电极的面积最大化而增加，并因而可以提高测量的精度。如本文使用的，粗糙性表示电极的表面不是平坦的，而是具有起伏。形成粗糙性的示例详细地描述在韩国专利申请N0.2010-0040196和2010-0040197 中。此外，第三电极30可以进行表面处理，或者固定装置可以附于第三电极，使得特定生物分子可以附于第三电极。表面处理或固定装置可以是针对生物分子专用的。如稍早描述的，相对于第一电极10和第二电极11,测量由附于第三电极30的生物分子的电荷所产生的电容性元件的电容的变化，并且结果，附于第三电极的生物分子的种类和量可以确定。图5示出用于制造本公开的电容性元件传感器的另一方法。在基板I上形成第一电极10和第二电极11后，在它们上面涂敷绝缘材料。接着，在通过蚀刻部分露出第一电极10和第二电极11后，介电层20在它们上面形成。接着，第三电极30形成在介电层20上。将省略更多的详细描述，因为原理和方法与上述的原理和方法相同。
实施方式2图6示出根据本公开的另一实施方式的电容性元件传感器。第一电极41和第二电极42由介电层60分开。第三电极43进行表面处理,使得特定生物分子附于其上。并且，第四电极51和第五电极52设置在与第一电极41和第二电极42相同的平面上，并且彼此分开。尽管优选的是，第一电极41、第二电极42、第四电极51和第五电极52设置在相同平面上，但即使当它们不设置在相同平面上，本公开的效果也不受影响。第一电极41、第二电极42和第三电极43形成第一电容性兀件,并且第四电极51和第五电极52形成第二电容性元件。第二电容性元件和第一电容性元件之间的差别是第二电容性元件缺少生物分子附于的电极。第一电容性元件的总电容Csl是第一电极41、第二电极42和第三电极43的电容的和，第二电容性元件的总电容Cs2是第四电极51和第五电极52的电容的和。尽管示出仿佛电容器Csl和Cs2连接到各自的电极，但这是理解为电极的电容。第一电容性元件的操作原理与参照实施方式I描述的原理相同。通过附于第三电极32的生物分子，第一电容性元件的总电容变化。相反，第二电容性元件的电容保持不变，因为它缺少生物分子附于的电极。因此，附于第三电极43的生物分子的种类和量可以通过测量第一电容性元件的电容和第二电容性元件的电容的差别或比率中的变化而确定。尽管实施方式2在构造上比实施方式I稍微复杂，但它实现了更精确的检测。尽管第一电容性元件和第二电容性元件在图6中示出为接近，但优选的是，它们尽可能地彼此远离，以避免相互影响。根据实施方式2的电容性元件传感器可以如下制造。第一电极41、第二电极42、第四电极51和第五电极52彼此分开地形成在基板I上。介电层60形成在第一电极41、第二电极42、第四电极51和第五电极52上。第三电极43形成在介电层60上。接着，第三电极43进行表面处理或者固定装置附于此，使得特定生物分子可以附于此。如描述的，本公开提供一种能够解决现有的基于FET的生物传感器的问题的新概念的生物传感器。特别是，由于构造简单并且厚度降低，它有用地适用于柔性基板。此外，通过对电极进行表面处理以具有粗糙性，检测范围和精度可以通过增加电容而提闻。另外，检测范围可以通过改变介电材料而容易地调整。本领域技术人员将理解，在前面的描述中公开的概念和具体实施方式
可以容易地被用作修改或设计用于实现本公开的相同目的的其它实施方式的基础。本领域技术人员还将理解，这样的等同实施方式不偏离如在所附权利要求书中阐述的本公开的精神和范围。
权利要求
1.一种用于制造包括由介电层分开的第一电极、第二电极和第三电极并且相对于所述第一电极和所述第二电极测量由附于所述第三电极的生物分子的电荷所产生的电容的变化的电容性元件传感器的方法，所述方法包括以下步骤:在基板上形成所述第一电极和所述第二电极以彼此间隔开；在所述第一电极和所述第二电极上形成所述介电层；在所述介电层上形成所述第三电极；以及，对所述第三电极进行表面处理，使得特定生物分子能够附于所述第三电极。
2.一种用于制造包括第一电容性元件和第二电容性元件并且测量由附于第三电极的生物分子的电荷所产生的在所述第一电容性元件的电容与所述第二电容性元件的电容的比率中的变化的电容性元件传感器的方法，其中，所述第一电容性元件包括由介电层分开的第一电极、第二电极和所述第三电极，所述第二电容性元件包括在与所述第一电极和所述第二电极相同的平面上设置并且由所述介电层分开的第四电极和第五电极，所述方法包括以下步骤:在基板上形成所述第一电极、所述第二电极、所述第四电极和所述第五电极以彼此间隔开；在所述第一电极、所述第二电极、所述第四电极和所述第五电极上形成所述介电层；在所述介电层上形成所述第三电极；以及，对所述第三电极进行表面处理，使得特定生物分子能够附于所述第三电极。
3.根据权利要求1或2所述的用于制造电容性元件传感器的方法，其中，所述基板是柔性基板。
4.根据权利要求1或2所述的用于制造电容性元件传感器的方法，其中，在所述第一电极、所述第二电极和所述第三电极的相对表面上形成粗糙性以增加表面面积。
5.—种包括第一电极、通过介电层与所述第一电极分开的第二电极和进行表面处理以使得特定生物分子能够附于其上的第三电极的电容性元件传感器，其中，所述第一电极、所述第二电极和所述第三电极用作电容性元件，并且相对于所述第一电极和所述第二电极，测量由附于所述第三电极的生物分子的电荷所产生的电容的变化。
6.—种包括第一电极、通过介电层与所述第一电极分开的第二电极、进行表面处理以使得特定生物分子能够附于其上的第三电极、以及在与所述第一电极和所述第二电极相同的平面上设置并且彼此分开的第四电极和第五电极的电容性元件传感器，其中，所述第一电极、所述第二电极和所述第三电极形成第一电容性元件，所述第四电极和所述第五电极形成第二电容性元件，并且测量由附于所述第三电极的生物分子的电荷所产生的所述第一电容性元件和所述第二电容性元件的电容的变化。
7.根据权利要求5或6所述的电容性元件传感器，其中，所述基板是柔性基板。
8.根据权利要求5或6所述的电容性元件传感器，其中，在所述第一电极、所述第二电极和所述第三电极的相对表面上形成粗糙性以增加表面面积。
全文摘要
本公开涉及电容性元件传感器及其制造方法。更具体地说，本公开涉及由附于电极的生物分子的电荷所产生的总电容的变化和用于测量该变化的传感器。
文档编号G01N27/22GK103119429SQ201080067918
公开日2013年5月22日 申请日期2010年5月6日 优先权日2010年5月6日
发明者李廷勋, 崔俊圭, 李修珍, 李成俊 申请人:首尔大学校产学协力团