CN108592965A - 柔性压阻式微悬臂梁传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性压阻式微悬臂梁传感器，所述柔性压阻式微悬臂梁由力敏电阻、柔性力敏电阻上保护层和力敏电阻下保护层组成。所述柔性压阻式微悬臂梁传感器至少配备有一组惠斯通电桥传感单元，所述惠斯通电桥传感单元由四个完全相同的力敏电阻和四个微悬臂梁构成，其中两个所述微悬臂梁表面淀积有金薄膜用作测量微悬臂梁，另外两个微悬臂梁作为参考微悬臂梁，所述四个微悬臂梁下设置有一微反应池。本发明由于采用柔性力敏电阻上保护层材料，避免了修饰和检测过程中微悬臂梁的断裂。由于采用p型单晶硅作为力敏电阻材料，保证了微悬臂梁传感器的灵敏度。本发明提出的柔性压阻式微悬臂梁传感器可实现对生物、化学分子的高灵敏和高特异性检测。

Description

柔性压阻式微悬臂梁传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种传感器及其制备方法，特别是关于一种应用于生化信息检测的柔性压阻式微悬臂梁传感器，属于微机电传感***领域。

背景技术

传感技术作为人类获取自然信息的重要手段之一，在基础科学研究和现代工程技术中占据着非常重要的地位。它作为现代信息技术的感官，同计算机制造技术、微电子技术和通信技术共同成为了现代信息产业的四大支柱，在如今的大数据信息化时代起着越来越重要的作用。生化传感器作为传感技术的重要组成部分之一，在基础科学研究、国防安全保障、环境污染监测、公共食品安全和医学疾病诊断等方面有着广泛的应用。

微悬臂梁传感器具有高灵敏度、高特异性、实时响应和易于集成等特点，广泛被应用于生物和化学物质的传感检测。传统的硅基微悬臂梁传感器虽然具有很高的灵敏度，但是由于制备硅基微悬臂梁传感器的单晶硅和二氧化硅材料本身杨氏模量较高，容易脆裂，使得硅基微悬臂梁在使用过程中容易出现微悬臂梁断裂的情况。为了提高微悬臂梁传感器的可靠性，并保证其灵敏度，本发明提出一种柔性压阻式微悬臂梁传感器，该传感器使用高分子聚合材料——聚酰亚胺作为力敏电阻的上保护层，而力敏电阻仍然采用高压阻系数的p型单晶硅材料。与传统的硅基微悬臂梁传感器相比，这种柔性压阻式微悬臂梁传感器的鲁棒性极佳，在很大程度上避免了修饰和检测过程中微悬臂梁的断裂，单晶硅力敏电阻应用同时保证了微悬臂梁的灵敏度。同时，柔性压阻式微悬臂梁传感器的制备工艺简单，成本低，易于实现与读出电路的集成，可以广泛应用于生物、化学物质的高灵敏度检测。

发明内容

本发明的目的是在现有硅基压阻式微悬臂梁传感器的基础上，提供一种测量灵敏度更高、鲁棒性更好、制备工艺简单、易于集成的柔性压阻式微悬臂梁传感器及其制作方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种柔性压阻式微悬臂梁传感器，它至少配备有一组惠斯通电桥传感单元，所述惠斯通电桥传感单元由四个完全相同的力敏电阻和四个微悬臂梁构成，四个完全相同的力敏电阻分别位于四个微悬臂梁上，其中两个所述微悬臂梁用作测量微悬臂梁，另外两个微悬臂梁用作参考微悬臂梁，测量微悬臂梁表面淀积有金薄膜，用于修饰生化敏感膜，所述四个微悬臂梁下设置有一微反应池，微悬臂梁和微反应池均制备在硅衬底上。所述微悬臂梁为长50～300μm，宽10～100μm，厚0.5～2μm的矩形。

所述的柔性压阻式微悬臂梁由力敏电阻、力敏电阻上保护层和力敏电阻下保护层组成，所述力敏电阻材料为p型单晶硅，通过离子注入来调整力敏电阻的阻值，所述力敏电阻尺寸为长20～120μm，宽5～50μm。所述力敏电阻上保护层为柔性聚合物材料，所述力敏电阻下保护层材料为二氧化硅，可以是SOI硅片的埋氧层。所述柔性聚合物材料可以是聚酰亚胺，所述聚酰亚胺通过旋涂、前烘和高温固化工艺制备，所述聚酰亚胺的厚度为1～5μm。所述生化敏感膜为在金薄膜表面修饰的生物、化学活性分子材料。所述柔性压阻式微悬臂梁传感器和微反应池是采用深反应离子刻蚀技术刻蚀硅衬底同时形成的，所述微反应池用于导入生化试剂。

所述的柔性压阻式微悬臂梁传感器，采用SOI硅片制作，它包括以下制备步骤：

1、采用具有二氧化硅埋氧层、单晶硅器件层的SOI硅片，在进行常规清洗操作后热氧化，在单晶硅器件层表面形成薄二氧化硅层作为离子注入的掩膜，以减少离子注入的损伤。对单晶硅器件层进行磷离子注入，形成力敏电阻的N+保护环，降低力敏电阻的漏电流。用掩膜版对芯片进行第一次光刻，定义单晶硅器件层图形，通过反应离子刻蚀单晶硅器件层，形成单晶硅力敏电阻和电互联引线图形，如图5a所示。

2、用掩膜版对经步骤1的SOI硅片进行第二次光刻，对单晶硅力敏电阻进行硼离子注入，调整力敏电阻阻值，如图5b所示。

3、用掩膜版对经步骤2的SOI硅片进行第三次光刻，对单晶硅电互联引线进行磷离子注入，形成电互联引线。然后进行快速热退火，激活注入的硼和磷离子，如图5c所示。

4、对经步骤3的SOI硅片利用低压化学气相淀积技术淀积一层二氧化硅，用掩膜版对SOI硅片进行第四次光刻，缓冲氢氟酸腐蚀二氧化硅，形成金属接触孔，如图5d所示。

5、对经步骤4的SOI硅片溅射铝硅，然后用掩膜版对SOI硅片进行第五次光刻，在湿法腐蚀铝硅后对铝硅进行高温合金，形成金属焊盘，如图5e所示。

6、对经步5的SOI硅片旋涂聚酰亚胺，经热板前烘和高温退火固化聚酰亚胺，如图5f所示。

7、对经步骤6的SOI硅片溅射铬/金，用掩膜版对SOI硅片进行第六次光刻，湿法腐蚀金，然后湿法腐蚀铬，如图5g所示。

8、用掩膜版对经步骤7的SOI硅片进行第七次光刻，氧等离子体刻蚀聚酰亚胺，形成形成力敏电阻上保护层图形。用掩膜版对SOI硅片进行第八次光刻，缓冲氢氟酸腐蚀二氧化硅，反应离子刻蚀二氧化硅，定义微反应池刻蚀图形，如图5h所示。

9、对经步骤8的SOI硅片进行划片，进行各向异性和各向同性深反应离子刻蚀硅衬底，在释放微悬臂梁的同时形成微反应池。然后将SOI硅片裂片为单个微悬臂梁传感器芯片。

10、对微悬臂梁传感器芯片进行生化敏感膜修饰，在测量微悬臂梁表面形成生化敏感膜。

其中步骤1，SOI硅片的二氧化硅埋氧层厚度为200～800nm，单晶硅器件层厚度为100～500nm。

其中步骤1，在硅片表面进行热氧化形成薄二氧化硅层的厚度为10～100nm。

其中步骤1，对单晶硅器件层进行磷离子注入的浓度为5×1012cm-2～5×1014cm-2，注入能量为50keV～200keV。

其中步骤2，对单晶硅器件层进行硼离子注入的浓度为5×1013cm-2～5×1015cm-2，注入能量20keV～80keV。

其中步骤3，对单晶硅器件层进行硼离子注入的浓度为5×1014cm-2～5×1016cm-2，注入能量30keV～80keV。

其中步骤6，旋涂聚酰亚胺时，旋涂转速为300～3000rpm，时间为5～300秒。

其中步骤6，热板前烘时，温度为100～200℃，时间为150～200秒。

其中步骤6，使用退火炉固化聚酰亚胺时，温度为100～400℃，时间为10～40分钟。

其中步骤9，深反应离子刻蚀各向异性刻蚀硅衬底时间为10～60分钟，深反应离子刻蚀各向同性刻蚀硅衬底时间为10～60分钟。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明由于使用柔性聚合物材料，可以是聚酰亚胺，作为微悬臂梁力敏电阻上保护层，与硅基微悬臂梁相比具有更好的鲁棒性，在实际应用过程中不易发生折断等情况，可以更好的应对复杂条件下的生物、化学传感需求。2、本发明由于将惠斯通电桥中的四个电阻分别设置在四个微悬臂梁上，并将两个微悬臂梁作为测量微悬臂梁，其上的力敏电阻作为测量电阻，剩余的两个微悬臂梁作为参考微悬臂梁，其上的电阻作为参考电阻，在实际测量过程中，外部环境影响会同时作用于参考微悬臂梁和测量微悬臂梁，因此惠斯通电桥的差分电压信号可以减小外部环境噪声对微悬臂梁输出结果的影响，同时减小惠斯通电桥的零点漂移。3、本发明在离子注入前热氧化形成一层薄二氧化硅，用作离子注入的掩膜，减小了离子注入对晶格的损伤。在力敏电阻***进行磷离子注入，形成了N+保护环，可以减小力敏电阻的漏电流，从而有效提高微悬臂梁传感器输出信号的稳定性。4、本发明采用了各向异性和各向同性反应离子深刻蚀工艺刻蚀硅衬底，释放微悬臂梁，同时制备出用于生化反应的微反应池，该释放工艺可以有效避免湿法腐蚀释放微悬臂梁带来的损坏，以及湿法腐蚀溶液中金属离子对力敏电阻的污染，。

附图说明

图1是本发明的柔性压阻式微悬臂梁立体结构示意图

图2是本发明的惠斯通电桥结构示意图

图3是本发明一个柔性压阻式测量微悬臂梁剖面结构示意图

图4是本发明一个柔性压阻式微参考悬臂梁剖面结构示意图

图5a～5h是本发明柔性制备压阻式微悬臂梁工艺流程示意图

图6是制备完成的柔性压阻式微悬臂梁扫描电镜照片

具体实施方式

图1展示了本发明的柔性压阻式微悬臂梁传感器的基本结构，它至少配备有一组惠斯通电桥传感单元(图2)，所述惠斯通电桥传感单元由四个完全相同的力敏电阻1和四个微悬臂梁2构成，四个完全相同的力敏电阻1分别位于四个微悬臂梁2上，其中两个所述微悬臂梁用作测量微悬臂梁2-1，另外两个微悬臂梁用作参考微悬臂梁2-2，测量微悬臂梁2-1表面淀积有金薄膜3，用于修饰有生化敏感膜4，所述四个微悬臂梁2下设置有一微反应池5，微悬臂梁和微反应池均制备在硅衬底6上。图3是一个测量微悬臂梁2-1剖面结构图，所述测量微悬臂梁由力敏电阻1、力敏电阻上保护层7、力敏电阻下保护层8和金薄膜3组成，所述力敏电阻1由p型单晶硅制备，通过离子注入来调整力敏电阻1的阻值。所述力敏电阻上保护层7材料为柔性聚合物材料，可以是聚酰亚胺，力敏电阻下保护层8材料为二氧化硅埋氧层。图4是一个参考微悬臂梁2-2剖面结构图，所述参考微悬臂梁由力敏电阻1、力敏电阻上保护层7和力敏电阻下保护层8组成。测量微悬臂梁2-1与参考微悬臂梁2-2的不同之处在于其表面淀积有金薄膜3，用于修饰生化敏感膜4。

利用有限元分析软件研究分析微悬臂梁的表面应力分布，分析结果表明微悬臂梁表面应力较大的区域位于微悬臂梁的固支端处，占整个梁长的1/3到1/2之间。因此在每个微悬臂梁的固支端处进行离子注入形成了四个完全相同的力敏电阻1，进而构成了一个惠斯通电桥传感单元。参考力敏电阻1-1之所以设计在参考微悬臂上而没有设计在硅衬底上，是为了平衡环境因素带来的噪声以及机械振动，这样环境因素使测量力敏电阻1-2发生形变后，形成的附加信号就可以通过参考微悬臂梁2-2过滤掉。柔性压阻式微悬臂梁传感器的设计中可以通过改变微力敏电阻1和悬臂梁2的尺寸，从而改变传感单元的灵敏度。所述柔性压阻式微悬臂梁的尺寸可以设计为长50～300μm，宽10～100μm，厚0.5～2μm的矩形。四个力敏电阻的尺寸可以设计为长20～120μm，宽5～50μm。

通过在测量微悬臂梁2-1表面修饰不同的生化敏感膜4可达到检测不同物质的目的。比如：在测量微悬臂梁2-1的表面修饰核酸适配子或者抗体等生物活性分子探针，待检测蛋白与修饰在测量微悬臂梁2-1上的生物活性分子结合之后，由于静电力、水合作用、空间位阻效应、范德华力、测量微悬臂梁2-1表面的亲疏水性质的改变以及分子吸附反应后导致的分子构象变化等效应，测量微悬臂梁2-1的上下表面会形成一个应力差，导致测量微悬臂梁2-1发生形变，从而导致测量微悬臂梁2-1上力敏电阻1的阻值发生改变。而参考微悬臂梁2-2的表面没有修饰生物活性分子，因此不会与待检测蛋白结合，也就不会发生形变。所述惠斯通电桥采用恒压源供电，由于位于测量微悬臂梁2-1上的测量力敏电阻1-2的阻值发生变化，使得惠斯通电桥的输出电压发生改变，从而实现待测物质的传感检测。

偏转灵敏度定义为力敏电阻阻值的变化与微悬臂梁的自由端垂直位移变化的比，即Δz-1·ΔR/R。当微悬臂梁的自由端受到作用力F时，微悬臂梁将会发生形变，其表面应力分布由力矩M和转动惯量I决定，根据理论推导可以得到微悬臂梁的表面应力σ与其在垂直方向上位移Δz的关系(其中E为微悬臂梁的弹性模量，微悬臂梁的长度为l，宽度为w，厚度为t，力敏电阻的长度为L)：

单晶硅力敏电阻受到纵向作用力时，其阻值的相对变化为：

其中，π为纵向压阻系数。由式(1)和(2)可以得到微悬臂梁的偏转灵敏度为：

微悬臂梁传感器采用惠斯通电桥进行信号读取，惠斯通电桥输入电压9为Vin。当测量微悬臂梁2-1发生形变之后，位于测量微悬臂梁2-1上的力敏电阻1-2阻值发生变化，即变为R+ΔR。而参考微悬臂梁2-2未发生形变，其上的力敏电阻1-1阻值仍为R，此时惠斯通电桥的输出电压Vout为：

由于力敏电阻1的变化量ΔR远远小于初始值R，式(4)也可以写成：

因此惠斯通电桥的输出电压Vout与ΔR/R成正比。

下面是本发明的柔性压阻式微悬臂梁传感器的一个制备实施例，但不以任何方式限制本发明的范围：

1、采用具有二氧化硅埋氧层14厚度为400nm，单晶硅器件层12厚度为340nm的SOI硅片，在进行常规清洗操作后，热氧化SOI硅片，在单晶硅器件层表面形成薄二氧化硅层13，作为离子注入的掩膜，从而减少离子注入的损伤。在单晶硅器件层12表面进行磷离子注入，注入浓度为5×1013cm-2，注入能量为100keV，定义力敏电阻的N+保护环，降低力敏电阻的漏电流。用掩膜版对SOI硅片进行第一次光刻，定义单晶硅器件层12图形，通过反应离子刻蚀单晶硅器件层12，形成单晶硅力敏电阻16和单晶硅电互联引线17的图形，如图5a所示。

2、用掩膜版对经步骤1的SOI硅片进行第二次光刻，对单晶硅力敏电阻16进行硼离子注入，调整力敏电阻阻值，注入浓度为4×1014cm-2，注入能量为40keV，如图5b所示。

3、用掩膜版对经步骤2的SOI硅片进行第三次光刻，对单晶硅电互联引线17进行磷离子注入，注入浓度为8×1015cm-2，注入能量为50keV，形成离子重掺杂的单晶硅电互连引线17。然后进行快速热退火，激活注入的硼和磷离子，如图5c所示。

4、对经步骤3的SOI硅片通过低压化学气相淀积厚度为300nm的二氧化硅层，形成单晶硅电互联引线保护层18。用掩膜版对SOI硅片进行第四次光刻，缓冲氢氟酸腐蚀300nm的二氧化硅层，形成金属接触孔，如图5d所示。

5、对经步骤4的SOI硅片溅射铝硅，厚度为800nm，然后用掩膜版对SOI硅片进行第五次光刻，经湿法腐蚀铝硅后，对铝硅进行高温合金，形成金属焊盘19，如图5e所示。

6、对经步骤5的SOI硅片旋涂聚酰亚胺，先以500rpm转5秒，再以2700rpm保持60秒。经热板前烘，前烘温度为140℃，前烘时间为180秒。再经高温固化聚酰亚胺，高温退火温度为350℃，固化时间为30分钟，形成厚度为1μm的聚酰亚胺保护层20，如图5f所示。

7、对经步骤6的SOI硅片溅射铬/金，然后用掩膜版对SOI硅片进行第六次光刻，湿法腐蚀金，然后湿法腐蚀铬，形成金薄膜21，如图5g所示。

8、用掩膜版对经步骤7的SOI硅片进行第七次光刻，氧等离子刻蚀聚酰亚胺，形成微力敏电阻上保护层图形。用掩膜版对SOI硅片进行第八次光刻，缓冲氢氟酸腐蚀二氧化硅埋氧层，定义微反应池22，如图5h所示。

9、对经步骤8的SOI硅片进行划片。然后经各向异性深反应离子刻蚀硅衬底，再经各向同性深反应离子刻蚀硅衬底至柔性压阻式微悬臂梁释放。

10、将SOI硅片裂片为单个柔性压阻式微悬臂梁传感器芯片，对单个柔性压阻式微悬臂梁传感器芯片进行生化修饰，在测量微悬臂梁表面形成生化敏感膜。

上述实施例中，微悬臂梁的数量可以根据测量项目的需要设置，但其数量应为四的整数倍，如8个，12个，即四个微悬臂梁为一组，四个微悬臂梁上的四个力敏电阻组成一个独立的微悬臂梁传感单元。若设置多组微悬臂梁，则形成阵列式微悬臂梁传感器，可以在测量微悬臂梁上修饰不同的生化敏感膜，从而实现对不同生物、化学分子的并行检测。

Claims (8)

1.一种柔性压阻式微悬臂梁传感器，所述柔性压阻式微悬臂梁传感器至少配备有一组惠斯通电桥传感单元，所述惠斯通电桥传感单元由四个完全相同的力敏电阻和四个微悬臂梁构成，四个完全相同的力敏电阻分别位于四个微悬臂梁上，其中两个所述微悬臂梁用作测量微悬臂梁，测量微悬臂梁表面淀积有金薄膜，用于修饰生化敏感膜，另外两个微悬臂梁作为参考微悬臂梁，所述四个微悬臂梁下设置有一微反应池，所述微悬臂梁和微反应池均位于硅衬底上。所述柔性压阻式微悬臂梁传感器，其特征在于：所述微悬臂梁由力敏电阻、柔性力敏电阻上保护层和力敏电阻下保护层组成。

2.如权利要求1所述的柔性压阻式微悬臂梁传感器，其特征在于：所述力敏电阻材料为p型单晶硅，所述p型单晶硅力敏电阻的阻值通过硼离子注入来调整，以提高压阻系数，减小热漂移。

3.如权利要求2所述的力敏电阻，其特征在于：所述力敏电阻在离子注入前热氧化形成一薄层二氧化硅，用作离子注入的掩膜，以减小离子注入对晶格的损伤。在所述力敏电阻外进行一次磷离子注入，对力敏电阻形成N+保护环，可以减小力敏电阻的漏电流。

4.如权利要求1所述的柔性压阻式微悬臂梁传感器，其特征在于：所述力敏电阻上保护层可以使用柔性聚合物材料，所述柔性聚合物材料可以是聚酰亚胺，所述聚酰亚胺通过旋涂、前烘和高温固化工艺制备。

5.如权利要求1所述的柔性压阻式微悬臂梁传感器，其特征在于：所述力敏电阻下保护层为二氧化硅，所述二氧化硅可以是SOI硅片的二氧化硅埋氧层。

6.如权利要求1所述的柔性压阻式微悬臂梁传感器，其特征在于：所述生化敏感膜为在金薄膜表面修饰的生物、化学活性分子材料。

7.如权利要求1所述的柔性压阻式微悬臂梁传感器，其特征在于：所述柔性压阻式微悬臂梁和微反应池是采用深反应离子刻蚀技术刻蚀硅衬底形成的，所述微反应池用于导入被检测生化物质。

8.如权利要求1所述的柔性压阻式微悬臂梁传感器，可以采用SOI硅片制作，其特征在于它包括以下制备步骤：

(1)采用具有二氧化硅埋氧层、单晶硅器件层的SOI硅片，在进行常规清洗操作后热氧化，在单晶硅器件层表面形成薄二氧化硅层作为离子注入的掩膜，以减少离子注入的损伤。对单晶硅器件层进行磷离子注入，形成力敏电阻的N+保护环，降低力敏电阻的漏电流。用掩膜版对芯片进行第一次光刻，定义单晶硅器件层图形，通过反应离子刻蚀单晶硅器件层，形成单晶硅力敏电阻和电互联引线图形。

(2)用掩膜版对经步骤1的SOI硅片进行第二次光刻，对单晶硅力敏电阻进行硼离子注入，调整力敏电阻阻值。

(3)用掩膜版对经步骤2的SOI硅片进行第三次光刻，对单晶硅电互联引线进行磷离子注入，形成电互联引线。然后进行快速热退火，激活注入的硼和磷离子。

(4)对经步骤3的SOI硅片利用低压化学气相淀积技术淀积一层二氧化硅，用掩膜版对SOI硅片进行第四次光刻，缓冲氢氟酸腐蚀二氧化硅，形成金属接触孔。

(5)对经步骤4的SOI硅片溅射铝硅，然后用掩膜版对SOI硅片进行第五次光刻，在湿法腐蚀铝硅后对铝硅进行高温合金，形成金属焊盘。

(6)对经步5的SOI硅片旋涂聚酰亚胺，经热板前烘和高温固化，形成聚酰亚胺力敏电阻的上保护层。

(7)对经步骤6的SOI硅片溅射铬/金，用掩膜版对SOI硅片进行第六次光刻，湿法腐蚀金，然后湿法腐蚀铬。

(8)用掩膜版对经步骤7的SOI硅片进行第七次光刻，氧等离子体刻蚀聚酰亚胺，形成力敏电阻上保护层图形。用掩膜版对SOI硅片进行第八次光刻，缓冲氢氟酸腐蚀二氧化硅，反应离子刻蚀二氧化硅，定义微反应池刻蚀图形。

(9)对经步骤8的SOI硅片进行划片后，进行各向异性和各向同性深反应离子刻蚀硅衬底，在释放微悬臂梁的同时形成微反应池。然后将SOI硅片裂片为单个微悬臂梁传感器芯片。

(10)对微悬臂梁传感器芯片进行生化敏感膜修饰，在测量微悬臂梁表面形成生化敏感膜。