用于檢測磁性納米顆粒的傳感器裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型的用于檢測磁性納米顆粒的傳感器裝置包括：具有多個以預(yù)定間隔排列的傳感器的傳感陣列；填充于該預(yù)定間隔中的絕緣材料；以及分別電性連接于所述傳感陣列的兩側(cè)的兩鉛線層；其中，還包括第一保護(hù)層及第二保護(hù)層，所述第一保護(hù)層覆蓋于所述傳感陣列的頂面上以形成平坦的感應(yīng)表面，所述第二保護(hù)層覆蓋于所述鉛線層上，且所述感應(yīng)表面低于所述第二保護(hù)層的頂面以形成一凹陷。其具有高靈敏度和可靠度從而獲得良好的感應(yīng)及檢測效果，并減少生物探針物質(zhì)的使用量從而降低成本。
【專利說明】用于檢測磁性納米顆粒的傳感器裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及傳感器裝置，尤其涉及一種用于檢測磁性納米顆粒的傳感器裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，基于AMR (各向異性磁阻)、GMR (巨磁阻)和TMR (隧道磁阻)元件的磁阻傳感器已經(jīng)贏得了重要性。除了例如磁性硬盤和MRAM的公知常見應(yīng)用之外，在分子診斷(MDx)、IC的電流感應(yīng)、汽車等領(lǐng)域中也出現(xiàn)了新的應(yīng)用。
[0003]AMR出現(xiàn)在鐵磁或亞鐵磁的材料中。AMR是當(dāng)在亞鐵材料的薄帶中施加與電流流向不平行的磁場時電阻發(fā)生變化。當(dāng)垂直與電流施加磁場時，電阻最大。AMR元件其特征是高靈敏度、寬工作溫度范圍、低且穩(wěn)定的偏移和達(dá)到MHz單位的寬頻率范圍。使用適當(dāng)?shù)募夹g(shù)處理使得能夠在特定方向上得到電阻變化與磁場強(qiáng)度的線性相關(guān)性。
[0004]在GMR技術(shù)中，已經(jīng)開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)，其中第一和第二非常薄的磁性膜非常近地結(jié)合在一起。通常通過保持在第一磁性膜接近于交換層使第一磁性膜固定，這意味著固定磁性趨向，該交換層使一種固定第一磁性膜的磁性趨向的抗鐵磁材料層。第二磁性膜或者傳感器膜具有自由可變的磁性取向。在源自磁性材料(如超順磁性顆粒)的磁化強(qiáng)度改變的情況下，磁場中的改變引起傳感器膜磁性取向旋轉(zhuǎn)，從而使得整個傳感器結(jié)構(gòu)的電子增大或減少。當(dāng)傳感器和固定膜的磁性取向在相同方向上時出現(xiàn)低電阻。當(dāng)傳感器和固定膜的磁性取向相互相對時出現(xiàn)高電阻。
[0005]在被隔離的隧道阻擋層隔開的兩個鐵磁層構(gòu)成的系統(tǒng)中可以觀察到TMR。該阻擋層必須非常薄，即為I納米級。那么僅僅電子可以隧穿該阻擋層，這是一個完全的量子力學(xué)傳輸過程?？梢愿淖円粋€層的磁性對準(zhǔn)而不影響其他層。在源自磁性材料(如超順磁性顆粒)的磁化強(qiáng)度改變的情況下，磁場中的變化引起傳感器膜磁性取向旋轉(zhuǎn)，從而使整個傳感器結(jié)構(gòu)的電阻增大或減小。
[0006]生物芯片，也稱作生物傳感器芯片、生物學(xué)微芯片、基因芯片或DNA芯片，其最簡單的形式包括襯底，在該襯底上附著了大量的探針分子在芯片上的確定區(qū)域上，當(dāng)待分析的分子或分子片段結(jié)合在探針分子上并與之匹配時，該分子或分子片段即能被分析。
[0007]在專利申請W02003/054523，名稱為“用于測量微陣列上的磁性納米顆粒的面密度的傳感器和方法”中，公開了一種磁性納米顆粒生物傳感器，用于微陣列或生物芯片上的生物分子的檢測，該傳感器使用了 GMR傳感器元件。圖1a為如所引用文件的一個實施例中的磁阻傳感器I。該傳感器I包括第一 GMR傳感器元件12和第二 GMR傳感器元件13，該第一和第二 GMR傳感器元件在襯底14的表面15下以距離d集成在生物芯片襯底14中。該生物芯片襯底14的頂表面15 (感應(yīng)表面)必須調(diào)整以使納米顆粒16可以結(jié)合在其上。
[0008]在圖1a中引入了一個坐標(biāo)系統(tǒng)，根據(jù)該坐標(biāo)系統(tǒng)，GMR元件12、13具有長度W，該長度w是在y方向延伸的特定長度。如果磁阻傳感器元件12、13位于xy平面，則GMR傳感器元件12、13檢測磁場的X分量，即GMR傳感器元件12、13在x方向上具有敏感方向。為了獨(dú)處生物芯片，通過垂直于生物芯片平面的外部均勻磁場磁化與該生物芯片結(jié)合的超順磁性納米顆粒16。垂直磁場在磁偶極子端部定向了較高的磁場，該磁偶極子由朝著并接近于第一、第二 GMR傳感器元件12、13的納米顆粒16形成。被磁化的納米顆粒16在GMR膜下面的平面內(nèi)產(chǎn)生相對的磁感應(yīng)矢量區(qū)域，最后得到的磁場被第一和第二 GMR傳感器元件12、13檢測、GMR傳感器元件12、13的輸出被反饋至比較器進(jìn)行分析處理。
[0009]然而，實際上，由于GMR傳感器元件12、13的特定制造工藝，在納米顆粒16結(jié)合到該裝置的感應(yīng)表面15之前，該感應(yīng)表面15是凹凸不平的,如圖1b所不。基于此,一方面，粗糙不平的感應(yīng)表面15使得附著在其上所需的生物探針物質(zhì)更多，這無疑增加了成本。另一方面，粗糙不平的感應(yīng)表面15和生物探針材料之間的液體親和性十分明顯，這將降低檢測的敏感度和可靠度。
[0010]因此，亟待提供一種改進(jìn)的用于檢測磁性納米顆粒的傳感器裝置，以克服上述的缺陷。
實用新型內(nèi)容
[0011]本實用新型的一個目的在于提供一種用于檢測磁性納米顆粒的傳感器裝置，其具有高靈敏度和可靠度從而獲得良好的感應(yīng)及檢測效果，并減少生物探針物質(zhì)的使用量從而降低成本。
[0012]相應(yīng)地，本實用新型的用于檢測磁性納米顆粒的傳感器裝置包括:
[0013]具有多個以預(yù)定間隔排列的傳感器的傳感陣列；
[0014]填充于該預(yù)定間隔中的絕緣材料；以及
[0015]分別電性連接于所述傳感陣列的兩側(cè)的兩鉛線層；
[0016]其中，還包括第一保護(hù)層及第二保護(hù)層，所述第一保護(hù)層覆蓋于所述傳感陣列的頂面上以形成平坦的感應(yīng)表面，所述第二保護(hù)層覆蓋于所述鉛線層上，且所述感應(yīng)表面低于所述第二保護(hù)層的頂面以形成一凹陷。
[0017]與現(xiàn)有技術(shù)相比，由于本實用新型的傳感器裝置具有第一保護(hù)層，該第一保護(hù)層覆蓋在傳感陣列的頂面從而形成平坦的感應(yīng)表面，還具有覆蓋在鉛線層上的第二保護(hù)層，且感應(yīng)表面低于第二保護(hù)層的頂面以形成凹陷，因此該平坦光滑的感應(yīng)表面可降低或避免生物探針物質(zhì)和感應(yīng)表面之間的液體親和性，從而提高傳感器裝置的靈敏性和可靠性，進(jìn)而提高感應(yīng)效果和檢測效果。再且，由于形成有凹陷結(jié)構(gòu)，特別是感應(yīng)表面處呈凹陷狀，以更好地承載生物探針材料，因此較少量的生物探針材料(如生物探針溶液)足以涂布在該感應(yīng)表面上進(jìn)行檢測，從而節(jié)省生物探針材料的使用成本。
[0018]較佳地，還包括形成于所述凹陷上并與所述感應(yīng)表面相接觸的探針物質(zhì)。
[0019]所述第一保護(hù)層的厚度小于15nm。
[0020]較佳地，所述第二保護(hù)層的厚度至少為所述第一保護(hù)層的厚度的兩倍。
[0021]較佳地，所述傳感陣列中的每一傳感器的寬度為0.6μηι至1.2μηι,厚度為20nm至40nmo
[0022]較佳地,所述絕緣材料的寬度為0.1 μ m至0.5 μ m。
[0023]較佳地，所述第一保護(hù)層和所述第二保護(hù)層由Al2O3或SiO2制成。
[0024]較佳地，所述第一保護(hù)層和所述第二保護(hù)層通過原子層沉積(ALD)或氣相沉積(CVD)而成。
[0025]較佳地，所述第二保護(hù)層覆蓋于所述鉛線層的側(cè)面及所述頂面上。
[0026]較佳地，所述傳感器為GMR傳感器、TMR傳感器或AMR傳感器。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0027]圖1a為傳統(tǒng)的用于檢測磁性納米顆粒的傳感器裝置的示意圖。
[0028]圖1b為傳統(tǒng)的傳感器裝置的局部示意圖。
[0029]圖2為本實用新型用于檢測磁性納米顆粒的傳感器裝置的一個實施例的立體圖。
[0030]圖3為圖2沿A-A線的剖視圖。
[0031]圖4為圖2沿B-B線的剖視圖。
[0032]圖5為第一保護(hù)層的厚度和裝置的輸出之間的關(guān)系圖表。
[0033]圖6a?6g為本實用新型的傳感器裝置的制造流程工藝圖。
【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和優(yōu)選實施例對本實用新型作進(jìn)一步的描述，但本實用新型的實施方式不限于此。本實用新型的主旨在于提供一種用于檢測磁性納米顆粒的傳感器裝置，其具有高靈敏度和可靠度從而獲得良好的感應(yīng)及檢測效果，并減少生物探針物質(zhì)的使用量從而降低成本。
[0035]特定地，本實用新型的傳感器裝置亦被稱為生物傳感器，適用于血液測試的診斷系統(tǒng)，例如人類基因型分析、細(xì)菌的篩選、生物學(xué)和藥理學(xué)研究。
[0036]圖2至圖4展示了本實用新型用于檢測磁性納米顆粒的傳感器裝置的一個實施例。如圖所示，該傳感器裝置2包括傳感陣列20以及分別電性連接在該傳感陣列20的兩側(cè)的兩鉛線層22。特定地，該鉛線層22繼而被連接到傳感器裝置2的連接觸點(diǎn)(圖未示)上以引入電流至傳感陣列20。具體地，在傳感陣列20的表面上覆蓋附著有生物探針物質(zhì)，以進(jìn)行檢測處理。以下是該傳感器裝置2的詳細(xì)描述。
[0037]具體地，該傳感陣列20包括具有以預(yù)定間隔排列有多個傳感器201的傳感列，例如12個或更多個生物傳感器芯片連接在一個傳感陣列上。該生物傳感器芯片可依實際需求設(shè)置為GMR、TMR或AMR傳感器芯片。如圖4所示，在傳感器201之間的預(yù)定間隔中填充有絕緣材料202，寬度為0.1 μ m至0.5 μ m。較佳地，該絕緣材料202和傳感陣列20具有相同厚度。較佳地，傳感陣列20上的每一傳感器201的寬度為0.6 μ m至1.2 μ m，厚度為20nm至 40nm。
[0038]特定地，位于傳感陣列20兩側(cè)的該鉛線層22比傳感陣列20厚，即鉛線層22的頂面和傳感陣列20的頂面位于不同的平面。
[0039]作為本實用新型的構(gòu)思，請參考圖2至圖4，該傳感器裝置2還包括第一保護(hù)層24及第二保護(hù)層26，該第一保護(hù)層24覆蓋于傳感陣列20的頂面上以形成平坦的感應(yīng)表面203，該第二保護(hù)層26覆蓋于鉛線層22上。具體地，該感應(yīng)表面203呈平坦光滑狀，并非凹凸不平。特定地，該感應(yīng)表面203低于鉛線層22上的第二保護(hù)層26的頂面，以在裝置2上形成凹陷28，該凹陷28供以生物探針物質(zhì)涂布并附著于其上。
[0040]基于傳感器裝置2的上述結(jié)構(gòu)，該平坦光滑的感應(yīng)表面203可降低或避免生物探針物質(zhì)和感應(yīng)表面203之間的液體親和性，從而提高傳感器裝置2的靈敏性和可靠性，進(jìn)而提高感應(yīng)效果和檢測效果。再且，由于形成有凹陷結(jié)構(gòu)，特別是感在應(yīng)表面203處呈凹陷狀，以更好地供生物探針材料涂布，因此較少量的生物探針材料(如生物探針溶液)足以涂布在該感應(yīng)表面203上進(jìn)行檢測，從而節(jié)省生物探針材料的使用成本。
[0041]作為一個優(yōu)選實施例，該第一保護(hù)層24可由Al2O3Or SiO2制成,并通過原子層沉積(ALD)或氣相沉積(CVD)工序制得。為確保第一保護(hù)層24的平滑度和光滑度，該第一保護(hù)層24可進(jìn)一步進(jìn)行研磨處理等。當(dāng)該第一保護(hù)層24的厚度變得較薄時，其性能表現(xiàn)得更好，因此在本實用新型中其厚度設(shè)置為小于15nm，為了確保保護(hù)效果的同時獲得良好性能，其可設(shè)置為5nm。圖5展示了第一保護(hù)層24的厚度和輸出的關(guān)系。
[0042]在本實施例中，第二保護(hù)層26形成在鉛線層22上，較佳為覆蓋其頂面221以及與第一保護(hù)層24相鄰接的側(cè)面222。這樣設(shè)置的原因在于與第一保護(hù)層24相鄰接的側(cè)面222也會接觸檢測用到的化學(xué)溶液，其有可能會損壞鉛線層22從而影響檢測效果。較佳地，覆蓋在頂面221上的第二保護(hù)層26的厚度較側(cè)面222上的第二保護(hù)層26的厚度大。例如，頂面221上的第二保護(hù)層26的厚度為30nm至70nm，其厚度至少為第一保護(hù)層24的厚度的兩倍。
[0043]當(dāng)然，值得注意的是，覆蓋在側(cè)面222的第二保護(hù)層26的部分并不是必須的，其不受本實施例的限制。
[0044]以下為本實用新型的傳感器裝置2的工藝流程的相關(guān)描述。圖6a?6g指示了主要的工藝。
[0045]請參考圖6a，形成傳感器薄膜280和光阻292。具體地，在一襯底291上形成傳感器薄膜280，例如通過濺射的方法。該光阻292涂布在傳感器薄膜280上，并通過光刻技術(shù)進(jìn)行圖案制作。
[0046]請參考圖6b，在傳感陣列20上形成圖案。具體地，通過離子銑削的方法形成傳感器201圖案，使得在傳感器201之間預(yù)定間隔。
[0047]如圖6c所示，形成絕緣材料202。特定地，通過光阻292的使用，使得該絕緣材料202填充在傳感陣列20之間的間隙中，繼而，移除該光阻292。
[0048]隨后，請參考圖6d，在傳感陣列20的兩側(cè)電性連接鉛線層22。
[0049]請參考圖6e，形成第一保護(hù)層24。具體地，該第一保護(hù)層24通過ALD或CVD工藝形成在傳感陣列20和鉛線層22的表面上。在圖6e以及后續(xù)的圖中，襯底291被省略掉。
[0050]請參考圖6f至6g，形成第二保護(hù)層26。具體地，在感應(yīng)表面203上的第一保護(hù)層24上涂布另一個光阻293，接著在鉛線層22的表面上沉積具有預(yù)定尺寸的第二保護(hù)層22，最后將光阻293移除。至此，形成本實施例的傳感器裝置2.[0051]需要說明的是，上述的制造方法僅僅是一個可選的實施例，其并不能限制本發(fā)明。
[0052]以上結(jié)合最佳實施例對本實用新型進(jìn)行了描述，但本實用新型并不局限于以上揭示的實施例，而應(yīng)當(dāng)涵蓋各種根據(jù)本實用新型的本質(zhì)進(jìn)行的修改、等效組合。
【權(quán)利要求】
1.一種用于檢測磁性納米顆粒的傳感器裝置，包括: 具有多個以預(yù)定間隔排列的傳感器的傳感陣列； 填充于該預(yù)定間隔中的絕緣材料；以及 分別電性連接于所述傳感陣列的兩側(cè)的兩鉛線層； 其特征在于:還包括第一保護(hù)層及第二保護(hù)層，所述第一保護(hù)層覆蓋于所述傳感陣列的頂面上以形成平坦的感應(yīng)表面，所述第二保護(hù)層覆蓋于所述鉛線層上，且所述感應(yīng)表面低于所述第二保護(hù)層的頂面以形成一凹陷。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器裝置，其特征在于，還包括形成于所述凹陷上并與所述感應(yīng)表面相接觸的探針物質(zhì)。
3.如權(quán)利要求1所述的傳感器裝置，其特征在于:所述第一保護(hù)層的厚度小于15nm。
4.如權(quán)利要求1所述的傳感器裝置，其特征在于:所述第二保護(hù)層的厚度至少為所述第一保護(hù)層的厚度的兩倍。
5.如權(quán)利要求1所述的傳感器裝置，其特征在于:所述傳感陣列中的每一傳感器的寬度為0.6 μ m至1.2 μ m,厚度為20nm至40nm。
6.如權(quán)利要求1所述的傳感器裝置，其特征在于:所述絕緣材料的寬度為0.Ιμπι至0.5 μ m0
7.如權(quán)利要求1所述的傳感器裝置，其特征在于:所述第一保護(hù)層和所述第二保護(hù)層由Al2O3或SiO2制成。
8.如權(quán)利要求1所述的傳感器裝置，其特征在于:所述第一保護(hù)層和所述第二保護(hù)層通過原子層沉積(ALD)或氣相沉積(CVD)而成。
9.如權(quán)利要求1所述的傳感器裝置，其特征在于:所述第二保護(hù)層覆蓋于所述鉛線層的側(cè)面及所述頂面上。
10.如權(quán)利要求1所述的傳感器裝置，其特征在于:所述傳感器為GMR傳感器、TMR傳感器或AMR傳感器。
【文檔編號】G01N27/72GK203786080SQ201420138802
【公開日】2014年8月20日 申請日期:2014年3月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月25日
【發(fā)明者】的野直人, 楠原忠, 劉春陽 申請人:新科實業(yè)有限公司