[發明專利]集成光柵微懸臂梁生化傳感器及其芯片制作方法

無效

• 申請號: 200810239541.4
• 申請日: 2008-12-12
• 公開（公告）號: CN101750481A
• 公開（公告）日: 2010-06-23
• 發明（設計）人: 葉雄英;陳烽;伍康;劉力濤;周兆英
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N33/50
• 分類號: G01N33/50
• 代理公司: 北京泛華偉業知識產權代理有限公司 11280
• 代理人: 王鳳華

技術領域

本發明屬于微機電系統（MEMS）和傳感技術領域，特別涉及一種利用生化結合 應力使微懸臂梁彎曲和基于集成光柵干涉實現高分辨率位移測量的集成光柵微懸臂 梁生化傳感器及其制作方法。

背景技術

高靈敏度的生化檢測技術在疾病診斷、食品安全、環境監測、反恐等方面有廣泛 和迫切的需求。無標記生物檢測技術以其操作的簡便快捷，得到了廣泛的重視。

基于微懸臂梁的高靈敏度微生化傳感器被廣泛的研究，1997年，R.Berger等在 Science上發表了通過硫醇在金表面的自組裝實驗發現化學結合使懸臂梁表面自由能 改變引起懸臂梁發生彎曲的現象，利用這一原理，通過在微懸臂梁上修飾特異性吸 附層結合對應的生化分子，結合應力使懸臂梁產生彎曲，通過測量微懸臂梁的彎曲 從而檢測到生化分子的濃度。

而對于微懸臂梁彎曲位移的檢測是整個傳感器設計和應用的核心問題，由于微懸 臂梁產生的位移較小，一般在納米級別，這就對檢測位移的方法提出了很高的要求， 目前為止主要運用的方法有電容式、壓阻式、場效應式以及壓電式等。以上幾種電 檢測方法雖然便于直接與電路集成，且方便大規模陣列化，但其檢測靈敏度沒有光 學方法高，對于疾病早期診斷等需要檢測極低濃度的應用，光學檢測是更佳的途徑。

基于MEMS集成光柵干涉的高分辨率位移測量技術是20世紀末出現的新技術，最 初用于AFM探針的位移測量[Manalis，1996]，其位移分辨率現已可達10^-3埃，接近 于隧道效應位移測量分辨率的10^-4埃，但其無需高精度的微弱電流檢測和精密反饋 控制；與常規的AFM的光杠桿測量原理相比，其位移測量分辨率更高，且只需測量 衍射光的光強，而非光斑位置的測量，更便于對準調整。Manalis等利用梳齒結構作 為光柵，通過測量衍射光的強度得出動齒和定齒間的位移。該方法被MIT的和GIT 的科學家分別應用于微加速度計和微聲傳感器。

如果將MEMS集成光柵干涉的高位移分辨率的特點和結合應力致微懸臂梁彎曲的 高靈敏度結合起來，則可以實現高靈敏度微生化傳感器。

發明內容

本發明的目的在于提供一種利用生化結合應力使微懸臂梁彎曲和基于集成光柵 干涉實現高分辨率位移測量的集成光柵微懸臂梁生化傳感器。該生化傳感器的光柵 位于玻璃片或其它透明基底上，光柵與微懸臂梁反射面間有微小的間隙；當生化樣 品經過懸臂梁表面時，懸臂梁表面的特異性生化探針結合特定的生化分子，從而產 生結合應力，在應力的作用下，微懸臂梁發生彎曲變形，導致微懸臂梁與光柵的距 離發生變化，從而改變衍射光斑的光強；通過測量衍射光斑光強的變化，得到懸臂 梁的位移，從而推算出生化樣品的濃度，以實現生化檢測。

本發明的技術方案如下：

本發明提供的集成光柵微懸臂梁生化傳感器，包括：

一透明基底；

覆于所述透明基底上表面的金屬光柵；

一由錨點和微懸臂組成的懸臂梁組件；所述錨點與所述透明基底相連；所述微 懸臂上表面上覆有生物探針附著層，所述微懸臂下表面為光反射面；所述微懸臂長 度100－3000微米，寬度10-300微米，厚度0.1-10微米；所述微懸臂與透明基底 間設有間隙；

粘附于所述生物探針附著層上表面的特異性生物探針；

光電探測器和放置在所述金屬光柵正下方的激光二極管；

本發明提供的集成光柵微懸臂梁生化傳感器，還包括：

覆于所述透明基底上表面的連接電極和底電極；

一包覆所述金屬光柵和底電極的絕緣層；

所述連接電極與所述錨點相連；所述微懸臂與絕緣層之間設有間隙；

所述透明基底為玻璃或聚合物材質的板型基底。

所述的金屬光柵為金、鉻、鉑、鋁或銅光柵，其寬度0.1-20微米，間距0.1-20 微米。

所述絕緣層為二氧化硅絕緣層、氮化硅絕緣層或聚合物絕緣層，其厚度為50－ 2000nm。

所述錨點和微懸臂的材質均為鋁、銅、鎳、多晶硅、氮化硅、氧化硅或聚酰亞胺。

所述微懸臂與透明基底之間的間隙為0.2-30微米。

所述生物探針附著層為1－100納米厚金層或為0.01－5微米后聚合物層。