專利名稱：微電極陣列與微流通道集成的傳感器結(jié)構(gòu)及其制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及半導體微加工技術技術領域，尤其涉及一種微電極陣列與微流通道集 成的傳感器結(jié)構(gòu)及其制作方法，該傳感器對磷酸根離子敏感，可用于水溶液中的磷酸鹽定 量檢測，對土壤、水環(huán)境、生物樣本中的磷成分檢測具有應用前景。
背景技術：
生化傳感技術不僅為基礎醫(yī)學研究及臨床診斷提供了一種快速簡便的新型方法， 而且因為其專一、靈敏、響應快等特點，在軍事方面，也具有廣闊的應用前景。近年來隨著集 成微電子機械加工技術的日趨成熟，傳感器制作技術進入了一個嶄新階段。微電子技術和 微機械技術相結(jié)合，器件結(jié)構(gòu)從二維到三維，實現(xiàn)進一步微型化、微功耗。磷酸根離子在生物體系中無處不在，在廣泛的生化過程中扮演著重要的角色，同 時磷酸根離子在土壤和污水中也具有較高含量，磷酸根離子的檢測可用于分析土壤中化肥 含量水平，監(jiān)測河流、湖泊等水質(zhì)的富營養(yǎng)化程度。采用基于半導體微加工技術的微電極陣列傳感器進行磷酸根離子檢測分析，具有 許多優(yōu)勢可進行批量生產(chǎn)，降低傳感芯片成本；易于實現(xiàn)同微電子和自動化微流體系統(tǒng) 集成；傳感芯片尺寸的大大縮小有利于便攜式檢測儀器的小型化。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術問題有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種微電極陣列與微流通道集成的傳感器 結(jié)構(gòu)及其制作方法。( 二)技術方案為達到上述目的，本發(fā)明提供了一種微電極陣列與微流通道集成的傳感器結(jié)構(gòu)， 該結(jié)構(gòu)自下而上依次由硅襯底、二氧化硅絕緣層、電極層、PDMS微流通道層構(gòu)成。上述方案中，所述電極層由電信號輸出接口及磷酸根離子敏感單元構(gòu)成，且電極 層及磷酸根離子敏感單元電極基底層是由同一種金屬材料制成。上述方案中，所述磷酸根離子敏感單元是由金屬鈷電極和Ag/AgCl電極組成的對 電極結(jié)構(gòu)，且金屬鈷電極與Ag/AgCl電極之間保持一定距離。 上述方案中，所述PDMS微流通道層覆蓋于磷酸根離子敏感單元之上，包含一個微 流通道，該微流通道與磷酸根敏感單元相結(jié)合，構(gòu)成一個密閉的管道，在該密閉的管道的兩 端是液體流入流出端口。上述方案中，所述電信號輸出接口位于PDMS材料外側(cè)，直接與檢測儀器連接。為達到上述目的，本發(fā)明還提供了一種制作微電極陣列與微流通道集成的傳感器 結(jié)構(gòu)的方法，該方法包括步驟1 在硅片襯底上，通過等離子體化學氣相淀積方法生長一層氧化硅絕緣層；步驟2 在氧化硅絕緣層上，通過熱蒸發(fā)技術，制作鎳金薄膜；
步驟3 通過光刻，在光刻膠上定義出磷酸根離子敏感單元的電極和電信號輸出 接口電極引線圖形，以光刻膠做掩膜，采用濕法腐蝕方法，將光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到鎳金層；步驟4 在鎳金層結(jié)構(gòu)上面，再次通過PECVD方法生長一層氧化硅絕緣層；步驟5 通過光刻和濕法腐蝕，在二氧化硅層，制作磷酸根離子敏感單元的電極窗 口和電信號輸出接口電極引線窗口；步驟6、通過電沉積技術，在磷酸根離子敏感單元窗口區(qū)的鎳金圖形上分別沉積金 屬鈷和Ag/AgCl，構(gòu)成對電極結(jié)構(gòu)；步驟7、將帶有微流通道的PDMS材料，通過鍵合的方法，與微電極芯片封裝在一 起，該微流通道與磷酸根敏感單元相結(jié)合，構(gòu)成一個密閉的管道。上述方案中，所述步驟7包括將帶有微流管道的PDMS材料鍵合到帶有微電極的 硅材料上，將帶有微流管道的界面與硅材料結(jié)合，形成閉合式管道；然后采用無源對準的方 法，使微流管道與電極窗口區(qū)重疊。(三)有益效果從上述技術方案可以看出，本發(fā)明具有以下有益效果1、本發(fā)明提供的這種微電極陣列與微流通道集成的傳感器結(jié)構(gòu)及其制作方法，實 現(xiàn)了對較大濃度范圍的磷酸根離子進行檢測，將液體濃度參數(shù)轉(zhuǎn)化為輸出電接口的電勢信 號，器件工作時無需外部供能。2、本發(fā)明提供的這種微電極陣列與微流通道集成的傳感器結(jié)構(gòu)及其制作方法，采 用半導體平面微加工工藝進行制作，器件結(jié)構(gòu)緊湊，所需待測樣品量少，易于實現(xiàn)同微電子 和自動化微流體系統(tǒng)集成。傳感芯片尺寸的大大縮小有利于便攜式檢測儀器的小型化。3、本發(fā)明提供的這種微電極陣列與微流通道集成的傳感器結(jié)構(gòu)，是基于金屬鈷電 極敏感的磷酸根離子濃度檢測用的傳感芯片結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可利用半導體平面微加工技術， 實現(xiàn)微型電極制作。相對傳統(tǒng)電化學方法中利用體電極檢測而言，本發(fā)明提出的結(jié)構(gòu)，芯片 更加緊湊，所需測試樣品量較少。


為進一步說明本發(fā)明的內(nèi)容及特點，以下結(jié)合附圖及實施例對本發(fā)明作一詳細的 描述圖1是微電極陣列與微流通道集成的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是微電極陣列與微流通道集成的傳感器結(jié)構(gòu)平面示意3是微電極陣列與微流通道集成的傳感器制作工藝流程。其中，1硅片襯底；2電信號輸出接口 ；3電信號連接線；4金屬鈷電極；5Ag/AgCl電 極；6PDMS蓋片；7微流通道；8金屬Au薄膜；9金屬鎳薄膜；10氧化硅絕緣層；11光刻膠圖 形；12磷酸根離子敏感單元窗口 ；13電信號輸出接口電極引線窗口。
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照 附圖，對本發(fā)明進一步詳細說明。如圖1和圖2所示，本發(fā)明提供的這種微電極陣列與微流通道集成的傳感器結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)包括含磷酸根離子敏感膜的檢測單元、微流通道及電信號輸出接口。磷酸根離子檢 測單元及電信號輸出接口位于硅片襯底材料上，在傳感單元上面是由PDMS材料制作的微 流通道。磷酸根離子檢測單元是由金屬鈷電極和Ag/AgCl電極構(gòu)成的對電極結(jié)構(gòu)。電極層由電信號輸出接口及磷酸根離子敏感單元構(gòu)成。電極層及磷酸根離子敏感 單元電極基底層是由同一種金屬材料制成。磷酸根離子敏感單元由金屬鈷電極和Ag/AgCl 電極組成的對電極結(jié)構(gòu)，兩個電極之間保持一定距離。PDMS材料層覆蓋磷酸根離子敏感單元，包含一個微流通道。該微流通道與磷酸根 敏感單元相結(jié)合，構(gòu)成一個密閉的管道，在PDMS管道的兩端是液體流入流出端口。電信號 輸出接口位于PDMS材料外側(cè)，可直接與檢測儀器連接。請再次參閱圖1所示，本發(fā)明提供的這種微電極陣列與微流通道集成的傳感器結(jié) 構(gòu)包括一磷酸根敏感單元，該單元包括金屬鈷電極4和Ag/AgCl電極5組成的對電極結(jié) 構(gòu)，兩個電極之間保持一定距離，通過氧化硅絕緣層10進行電隔離。一電信號輸出接口，該接口通過互聯(lián)線3與磷酸根敏感單元4和5相連接，進行傳 感信號輸出。一微流通道蓋片，該蓋片有PDMS材料6制成，上面帶有半封閉的微流通道7，該微 流通道7與磷酸根離子敏感單元4和5通過鍵合的方法，構(gòu)成一個密閉的微流通道，進行液 體樣品傳送。本發(fā)明的工作過程結(jié)合圖1說明本發(fā)明實施例，在圖示情況下，當含有磷酸根離子的溶液通過微流 通道7時，溶液中的磷酸根離子與磷酸根敏感電極4和5相互作用，在電極4和5之間產(chǎn)生 電勢差，這個電勢差與磷酸根離子摩爾濃度的對數(shù)成線性關系，通過測量電信號輸出接口 2 之間的電勢差信號即可獲得溶液中磷酸根離子濃度信息。本發(fā)明微電極陣列與微流通道集成傳感器結(jié)構(gòu)的制造方法工藝步驟是步驟1 在硅片襯底上，通過PECVD (等離子體化學氣相淀積)方法生長一層氧化 硅絕緣層。在本步驟中，選取合適尺寸的硅片材料作為傳感器芯片襯底，樣片經(jīng)過清洗之后， 生長厚度為200nm左右的氧化硅絕緣層10。步驟2 在氧化硅絕緣層上，通過熱蒸發(fā)技術，制作鎳9金8薄膜。在本步驟中，采用熱蒸發(fā)技術，生長鎳金薄膜，由于金薄膜同硅材料粘附性較差， 中間采用鎳金屬薄膜作為過渡層。鎳金薄膜的厚度為3000A，其中鎳薄膜厚度50nm。步驟3 通過光刻，在光刻膠上定義出磷酸根離子敏感單元的電極和電信號輸出 接口電極引線圖形，以光刻膠做掩膜，采用濕法腐蝕方法，將光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到鎳金層。在本步驟中，電信號輸出接口電極引線2尺寸根據(jù)外接電路規(guī)格而定，敏感單元 的電極4和5寬度為200nm，長度2mm，兩個電極之間距離保持400nm以上。對電極數(shù)量根 據(jù)實際芯片大小可以制作多組。步驟4 在鎳金層結(jié)構(gòu)上面，再次通過PECVD方法生長一層氧化硅絕緣層。在本步驟中，氧化硅絕緣層的厚度選取為200nm。步驟5 通過光刻和濕法腐蝕，在二氧化硅層，制作磷酸根離子敏感單元的電極窗
5口 12和電信號輸出接口電極窗口 13。在本步驟中，磷酸根離子敏感單元的電極窗口 12大小要和PDMS蓋片中的微流通 道7尺寸相符，使檢測電極4和5充分和液體接觸。步驟6、通過電沉積技術，在磷酸根離子敏感單元窗口區(qū)12的鎳金圖形上分別沉 積金屬鈷和Ag/AgCl，構(gòu)成對電極結(jié)構(gòu)。在本步驟中，將帶有鎳金電極的部分插入到電鍍液中，通過電信號輸出接口 2部 分加載電流，分別電沉積鈷電極4和Ag/AgCl電極5。步驟7、將帶有微流通道的PDMS材料6，通過鍵合的方法，與微電極芯片封裝在一 起，該微流通道7與磷酸根敏感單元2、3、4、5相結(jié)合，構(gòu)成一個密閉的管道。將帶有微流管 道的PDMS材料鍵合到帶有微電極的硅材料上，將帶有微流管道的界面與硅材料結(jié)合，形成 閉合式管道；然后采用無源對準的方法，使微流管道與電極窗口區(qū)12重疊。以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳 細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡 在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發(fā)明的保 護范圍之內(nèi)。
權利要求
一種微電極陣列與微流通道集成的傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于，該結(jié)構(gòu)自下而上依次由硅襯底、二氧化硅絕緣層、電極層、PDMS微流通道層構(gòu)成。
2.根據(jù)權利要求1所述的微電極陣列與微流通道集成的傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所 述電極層由電信號輸出接口及磷酸根離子敏感單元構(gòu)成，且電極層及磷酸根離子敏感單元 電極基底層是由同一種金屬材料制成。
3.根據(jù)權利要求2所述的微電極陣列與微流通道集成的傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所 述磷酸根離子敏感單元是由金屬鈷電極和Ag/AgCl電極組成的對電極結(jié)構(gòu)，且金屬鈷電極 與Ag/AgCl電極之間保持一定距離。
4.根據(jù)權利要求2所述的微電極陣列與微流通道集成的傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所 述PDMS微流通道層覆蓋于磷酸根離子敏感單元之上，包含一個微流通道，該微流通道與磷 酸根敏感單元相結(jié)合，構(gòu)成一個密閉的管道，在該密閉的管道的兩端是液體流入流出端口。
5.根據(jù)權利要求2所述的微電極陣列與微流通道集成的傳感器結(jié)構(gòu)，其特征在于，所 述電信號輸出接口位于PDMS材料外側(cè)，直接與檢測儀器連接。
6.一種制作微電極陣列與微流通道集成的傳感器結(jié)構(gòu)的方法，其特征在于，該方法包括步驟1 在硅片襯底上，通過等離子體化學氣相淀積方法生長一層氧化硅絕緣層；步驟2 在氧化硅絕緣層上，通過熱蒸發(fā)技術，制作鎳金薄膜；步驟3 通過光刻，在光刻膠上定義出磷酸根離子敏感單元的電極和電信號輸出接口 電極引線圖形，以光刻膠做掩膜，采用濕法腐蝕方法，將光刻膠圖形轉(zhuǎn)移到鎳金層；步驟4 在鎳金層結(jié)構(gòu)上面，再次通過PECVD方法生長一層氧化硅絕緣層；步驟5 通過光刻和濕法腐蝕，在二氧化硅層，制作磷酸根離子敏感單元的電極窗口和 電信號輸出接口電極引線窗口；步驟6、通過電沉積技術，在磷酸根離子敏感單元窗口區(qū)的鎳金圖形上分別沉積金屬鈷 和Ag/AgCl，構(gòu)成對電極結(jié)構(gòu)；步驟7、將帶有微流通道的PDMS材料，通過鍵合的方法，與微電極芯片封裝在一起，該 微流通道與磷酸根敏感單元相結(jié)合，構(gòu)成一個密閉的管道。
7.根據(jù)權利要求6所述的制作微電極陣列與微流通道集成的傳感器結(jié)構(gòu)方法，其特征 在于，所述步驟7包括將帶有微流管道的PDMS材料鍵合到帶有微電極的硅材料上，將帶有微流管道的界面 與硅材料結(jié)合，形成閉合式管道；然后采用無源對準的方法，使微流管道與電極窗口區(qū)重 疊。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種微電極陣列與微流通道集成的傳感器結(jié)構(gòu)及其制作方法，該結(jié)構(gòu)包括含磷酸根離子敏感膜的檢測單元、微流通道及電信號輸出接口。磷酸根離子檢測單元及電信號輸出接口位于硅片襯底材料上，在傳感單元上面是由PDMS材料制作的微流通道。磷酸根離子檢測單元是由金屬鈷電極和Ag/AgCl電極構(gòu)成的對電極結(jié)構(gòu)，金屬鈷電極對磷酸根有特異性響應，通過測量兩個電極間電勢差，即可得到溶液中磷酸根離子濃度。本發(fā)明提供的用于磷酸根離子檢測的微電極陣列傳感器可以利用半導體微加工技術進行制作，體積小，易于制作便攜式檢測儀器。
文檔編號B81C1/00GK101915793SQ201010256838
公開日2010年12月15日 申請日期2010年8月18日 優(yōu)先權日2010年8月18日
發(fā)明者王春霞, 闞強, 陳弘達 申請人:中國科學院半導體研究所