一种基于二维纳米材料的生物传感器及其制作与集成方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种高灵敏度生物传感器及其制作与集成方法，具体涉及基于二维纳米材料的生物传感器及其制作与集成方法。
【背景技术】
[0002]随着世界人口进入老龄化社会，高龄者的健康问题日益引起全世界范围内的研宄人员的关注。专家指出，今后医疗手段的发展方向，将由现在的治疗医疗向将来的预防医疗转变。因此，对一些疾病的先期预兆，如血糖、尿素、乳酸等生化指标的变化，进行有效、简便、快速、准确的测定，愈发引起医疗业界的关注。因此，开发出一种高灵敏度、快速且低成本的疾病检测传感器，对这些疾病的预防与诊治具有深远意义。
[0003]现在的生物传感器分析速度慢，操作复杂，并且一般需要昂贵的仪器，无法进行现场快速监测和分析，为疾病的及时诊断带来一定的困难。专利CN102520038A采用电化学法依次电沉积石墨烯、纳米金和导电高分子沉积在电极表面，然后以共价键合方式将酶或抗体固定在导电高分子膜上，但电极的电化学响应易受到非导电性材料使用的影响。
【发明内容】
[0004]本发明是为了解决现有生物传感器分析速度慢，操作复杂，设备昂贵以及采用电化学法制作的电极其电化学响应易受到非导电性材料使用的影响的问题，而提供一种基于二维纳米材料的生物传感器及其制作与集成方法。
[0005]本发明的一种基于二维纳米材料的生物传感器由硅衬底1、二氧化硅衬底2、栅极3、二维纳米材料的纳米条带4、源极5、漏极6、聚二甲基硅氧烷7、微流体通道8、化学基团层9、抗体10和抗体识别单元11组成；
[0006]所述的二氧化硅衬底2位于硅衬底I的上表面；所述的栅极3位于硅衬底I的下表面；所述的二维纳米材料的纳米条带4位于二氧化硅衬底2的上表面；所述的聚二甲基硅氧烷7呈拱形且位于二维纳米材料的纳米条带4上表面的中间位置；所述的聚二甲基硅氧烷7与二维纳米材料的纳米条带4形成的空间为微流体通道8 ;所述的化学基团层9位于微流体通道8内的二维纳米材料的纳米条带4的上表面上；所述的源极5位于二维纳米材料的纳米条带4的上表面的一端且与聚二甲基硅氧烷7相接；所述的漏极6位于二维纳米材料的纳米条带4的上表面的另一端且与聚二甲基硅氧烷7相接；所述的抗体10和抗体识别单元11位于化学基团层9上。
[0007]本发明的一种基于二维纳米材料的生物传感器的制作与集成方法按以下步骤进行:
[0008]一、基于二维纳米材料采用自下而上的加工方法制作FET场效应管；
[0009]二、利用聚二甲基硅氧烷在步骤一的晶片上制作出微流体通道，并与经过表面改性的步骤一的晶片键合；
[0010]三、对微流体通道中的二维纳米材料进行化学修饰，结合待检测物质的相应抗体。
[0011]本发明的有益效果:
[0012]相比于传统的检测设备，本发明的基于二维纳米材料的生物传感器具有以下优势:
[0013]1、高灵敏度，由于黑磷、二硫化钼等二维纳米材料具有较大的比表面积，而且其对生物分子具有优良的吸附性能，另外，传感器中场效应晶体管具有信号放大的作用，可以把少量的电荷信号进行放大，使得基于黑磷、二硫化钼等二维纳米材料的场效应FET传感器具有很尚的灵敏度；
[0014]2、快速，硅基半导体芯片的速度可以达到GHz频率，而基于黑磷、二硫化钼等二维材料的场效应FET传感器可以达到更高的速度，与传统的检测设备相比，其检测速度是非常快的；
[0015]3、易于集成，制作过程与半导体工艺相互兼容，容易与成熟的半导体制造技术以及新兴的MEMS等行业兼容，从而可以得到功能丰富、性能优越的传感器。
【附图说明】
[0016]图1为【具体实施方式】四中步骤2)后的传感器部分结构示意图；其中I为硅衬底，2为二氧化硅衬底；
[0017]图2为【具体实施方式】四中步骤3)后的传感器部分结构示意图；其中I为硅衬底，2为二氧化硅衬底，3为栅极；
[0018]图3为【具体实施方式】四中步骤5)后的传感器部分结构示意图；其中I为硅衬底，2为二氧化硅衬底，3为栅极，4为二维纳米材料的纳米条带；
[0019]图4为【具体实施方式】四中步骤6)后的传感器部分结构示意图；其中I为硅衬底，2为二氧化硅衬底，3为栅极，4为二维纳米材料的纳米条带，5为源极，6为漏极；
[0020]图5为本发明传感器制作过程中传感阵列放大图；
[0021]图6为【具体实施方式】十中步骤I)后的传感器部分结构示意图；其中I为硅衬底，2为二氧化硅衬底，3为栅极，4为二维纳米材料的纳米条带，5为源极，6为漏极，7为聚二甲基硅氧烷，8为微流体通道，9为化学基团层；
[0022]图7为本发明的传感器结构示意图；其中I为硅衬底，2为二氧化硅衬底，3为栅极，4为二维纳米材料的纳米条带，5为源极，6为漏极，7为聚二甲基硅氧烷，8为微流体通道，9为化学基团层，10为抗体，11为抗体识别单元。
【具体实施方式】
[0023]【具体实施方式】一:本实施方式的一种基于二维纳米材料的生物传感器由硅衬底
1、二氧化硅衬底2、栅极3、二维纳米材料的纳米条带4、源极5、漏极6、聚二甲基硅氧烷7、微流体通道8、化学基团层9、抗体10和抗体识别单元11组成；
[0024]所述的二氧化硅衬底2位于硅衬底I的上表面；所述的栅极3位于硅衬底I的下表面；所述的二维纳米材料的纳米条带4位于二氧化硅衬底2的上表面；所述的聚二甲基硅氧烷7呈拱形且位于二维纳米材料的纳米条带4上表面的中间位置；所述的聚二甲基硅氧烷7与二维纳米材料的纳米条带4形成的空间为微流体通道8 ;所述的化学基团层9位于微流体通道8内的二维纳米材料的纳米条带4的上表面上；所述的源极5位于二维纳米材料的纳米条带4的上表面的一端且与聚二甲基硅氧烷7相接；所述的漏极6位于二维纳米材料的纳米条带4的上表面的另一端且与聚二甲基硅氧烷7相接；所述的抗体10和抗体识别单元11位于化学基团层9上。
[0025]【具体实施方式】二:本实施方式的一种基于二维纳米材料的生物传感器的制作与集成方法按以下步骤进行:
[0026]—、基于二维纳米材料采用自下而上的加工方法制作FET场效应管；
[0027]二、利用聚二甲基硅氧烷在步骤一的晶片上制作出微流体通道，并与经过表面改性的步骤一的晶片键合；
[0028]三、对微流体通道中的二维纳米材料进行化学修饰，结合待检测物质的相应抗体。
[0029]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】二不同的是:步骤一中所述的二维纳米材料为黑磷或二硫化钼。其他步骤及参数与【具体实施方式】二相同。
[0030]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】二或三不同的是:步骤一包括以下步骤:
[0031]I)硅片清洗:将硅片置于浓硫酸与双氧水组成的混合液中，在温度为70°C的水浴中加热1min?15min，取出娃片后用超纯水漂洗，然后将娃片置于氨水、双氧水与水组成的混合液中，在温度为70°C的水浴中加热1min?15min，取出娃片后用超纯水漂洗，再将硅片置于盐酸、双氧水与水组成的混合液中，在温度为70°C的水浴中加热1min?15min，取出硅片后用超纯水漂洗，最后将硅片置于双氧水与水组成的混合液中，在室温下腐蚀lmin，取出硅片后用超纯水漂洗，再用氮气将硅片吹干，最后在温度为100°C的烘箱中干燥lOmin，去除硅片表面的有机物、金属离子及自然氧化层，得到硅衬底I ;
[0032]2)腐蚀掩膜生长:用LPCVD方法或PECVD方法在步骤I)后的硅片上生长一层厚度为200nm?300nm的二氧化硅薄膜，得到二氧化硅衬底2 ；
[0033]3)背栅制作:利用磁控溅射FHR技术或电子束蒸发技术在硅片背面生长一层厚度为45nm?55nm的金属层，作为