[發明專利]檢測細胞外生化參數的光電集成電位傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201510273970.3
• 申請日: 2015-05-26
• 公開（公告）號: CN104965011B
• 公開（公告）日: 2017-11-07
• 發明（設計）人: 王平;鐘隆潔;顧陳磊;孫嘉弟;王君;蘇凱麒;鄒玲;王琴;方佳如
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01N27/26
• 分類號: G01N27/26
• 代理公司: 杭州求是專利事務所有限公司33200
• 代理人: 邱啟旺

1.一種檢測細胞外生化參數的光電集成電位傳感器，其特征在于，包括：傳感芯片(1)、芯片PCB板(2)、外置導線(3)、外置電極(4)和細胞培養測試腔體(5)；

所述傳感芯片(1)具有硅基底(6)，硅基底(6)背面具有三個光源照射窗口(7)，三個光源照射窗口(7)之間間隔至少1mm，在硅基底(6)正面與光源照射窗口(7)相對應的位置分別設有第一敏感區域(8)、第二敏感區域(9)和第三敏感區域(10)，在除第一敏感區域(8)、第二敏感區域(9)和第三敏感區域(10)外的硅基底(6)上表面通過離子注入或擴散形成重摻雜層(11)，在硅基底(6)正面覆蓋薄氧化層(12)，作為H⁺離子敏感材料；在薄氧化層(12)表面第二敏感區域(9)對應的位置覆蓋第一金屬層(13)，作為氧化還原電位敏感材料；在薄氧化層(12)表面第三敏感區域(10)對應的位置覆蓋復合膜(14)，作為葡萄糖的敏感材料；所述復合膜(14)由第二金屬層(15)上電鍍聚吡咯和葡萄糖氧化酶的混合物形成；傳感芯片(1)邊緣具有一焊盤(16)，焊盤(16)通過導線(17)與第二金屬層(15)相連；第一金屬層(13)和復合膜(14)的上表面、薄氧化層(12)上第一敏感區域(8)對應的位置以及焊盤(16)均暴露于傳感芯片(1)表面，其他區域均覆蓋Si₃N₄絕緣層(18)；硅基底(6)背面的非窗口區域覆蓋鋁電極(19)；

所述芯片PCB板(2)上具有第一接口焊盤(20)、第二接口焊盤(21)、第一引線(22)、第二引線(23)、第一引腳(24)和第二引腳(25)，所述第一接口焊盤(20)的形狀和尺寸與傳感芯片(1)背面相同，并在光源照射窗口(7)的相對應位置開有透光孔(26)；第一接口焊盤(20)通過第一引線(22)與第一引腳(24)相連，第二接口焊盤(21)通過第二引線(23)與第二引腳(25)相連；第一引腳(24)和第二引腳(25)位于芯片PCB板(2)的邊緣；

所述外置導線(3)一端連接在傳感芯片(1)的焊盤(16)上，另一端連接在第二接口焊盤(21)上；所述細胞培養測試腔體(5)的內側壁開有凹槽(27)，所述外置電極(4)固定在凹槽(27)內。

2.一種權利要求1所述光電集成電位傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)制備背面光源照射窗口(7)：選擇電阻率為8～10Ω·cm的P型硅片作為硅基底(6)，清洗烘干之后，在硅基底(6)背面旋涂光刻膠，經紫外曝光顯影，采用濕法腐蝕，蝕刻出光源照射窗口(7)，光源照射窗口(7)頂部的硅基底剩余厚度為100μm；

(2)制備重摻雜層(11)：在1000℃高溫擴散爐內，通干氧，硅基底(6)正面熱氧化生長一層厚氧化層(28)，厚度800～1000nm，隨后在厚氧化層(28)上旋涂一層光刻膠，經紫外曝光顯影，采用濕法腐蝕去除正面暴露的氧化層，然后采用離子注入或擴散法形成P+重摻雜層(11)，與此同時，P+重摻雜層(11)表面也會有少量氧化層形成；

(3)制備H⁺離子敏感膜材料：采用濕法腐蝕將硅基底(6)正面的氧化層全部去除，然后在芯片正面熱氧化生長一層薄氧化層(12)，厚度50nm；

(4)制備金屬敏感膜材料：在薄氧化層(12)表面旋涂光刻膠，經紫外曝光顯影之后，磁控濺射20nm厚的鈦化鎢薄膜(29)作為粘附層，接著磁控濺射沉積一層金屬層，厚度150～200nm，然后采用lift-off工藝將第二敏感區域(9)、第三敏感區域(10)、導線(17)和焊盤(16)以外的金屬層進行剝離；

(5)制備片上隔離區域：采用LPCVD法在硅基底(6)正面沉積一層Si₃N₄絕緣層，厚度1μm，隨后旋涂光刻膠，經紫外曝光顯影，蝕刻第一敏感區域(8)、第二敏感區域(9)、第三敏感區域(10)、焊盤(16)表面覆蓋的Si₃N₄絕緣層，而其他區域表面的Si₃N₄絕緣層(18)保留下來，作為片上隔離區域；

(6)制備背面鋁電極(19)：硅基底(6)背面熱蒸發沉積金屬鋁，厚度300nm，并在鋁層表面旋涂光刻膠，經曝光顯影，蝕刻掉光源照射窗口(7)表面的鋁層，保留非窗口區域的鋁電極(19)；

(7)傳感器的封裝：利用劃片工藝將硅基底(6)分割成1cm×1cm的小片，取出一小片，將背面鋁電極(19)涂上導電膠，并粘合在芯片PCB板(2)上的第一接口焊盤(20)處，放置于100℃的烘箱中固化1小時；將外置導線(3)的一端焊接在第二接口焊盤(21)上，將另一端涂上導電膠，粘合在傳感芯片(1)表面的焊盤(16)上，放置于100℃的烘箱中固化1小時，使得第二金屬層(15)與第二引腳(25)導通；然后將外置電極(4)卡在凹槽(27)內，再用環氧樹脂膠水將細胞培養測試腔體(5)封接在芯片PCB板(2)上，并使得傳感芯片(1)暴露在細胞培養測試腔體(5)內部；

(8)制備復合膜(14)：配制單體吡咯和葡萄糖氧化酶的混合溶液，吡咯單體濃度為0.1M，葡萄糖氧化酶濃度在20～300U/mL范圍內，將混合溶液滴加到細胞培養測試腔體(5)內，將第二金屬層(15)作為工作電極，第二引腳(25)作為工作電極的信號引出腳，Ag/AgCl作為參比電極(30)，外置電極(4)作為對電極，組成三電極體系，分別與恒電位/電流儀(31)上的工作電極接口(32)、參比電極接口(33)、對電極接口(34)相連，在工作電極上施加恒電流，電流密度為0.01mA/cm²～1.0mA/cm²，電荷密度為10～40mC/cm²，單體吡咯發生聚合，并包埋葡萄糖氧化酶，在第二金屬層(15)表面即可形成復合膜(14)，厚度小于100nm，隨后采用pH7的磷酸鹽緩沖液對傳感芯片(1)表面進行清洗，而后放置在4℃條件下干燥保存待用，得到光電集成電位傳感器。