[发明专利]利用压电薄膜体声波器件的抗体检测生物芯片

说明书

技术领域

本发明属于基于压电效应的抗体检测生物芯片，特别是涉及一种利用压电薄膜体声波器件的抗体检测生物芯片。

背景技术

压电传感器在生物检测利于有广泛的应用，其传感原理是压电传感器的压电体工作在谐振状态，当有质量负载沉积在振动体表面时，其谐振频率会发生漂移，通过计算可以获得沉积物质的质量大小，其传感敏感度主要取决于工作频率和品质因子Q。目前这类传感器主要有：基于声表面波的SAW传感器和基于声体波的BAW传感器。SAW传感器是利用叉指电极发射和接收声表面波来传感，其便于信号变换和处理，但是体积较大不能集成到半导体芯片中，也不适合微小区域的传感，例如单细胞、生物微芯片以及微胶囊的传感，另外SAW传感器操作频率很难做到超过GHz，所以注定其低的测量敏感度。BAW传感器主要是利用压电晶体中纵或剪切模式的体声波来传感，目前比较成熟的是石英晶片微天平(QCM)，其利用石英晶片谐振产生几百MHz的纵波，通过谐振频率变化来传感力学参数，QCM结构的石英晶片很难研磨到谐振频率超过GHz，也限制了其测量敏感度。

2001年美国HP公司研发出了基于薄膜声体波结构的谐振器(FBAR)，其结构是半波长的压电薄膜和上下表面电极的三明治结构，上下电极作用是馈入射频电场和形成声全反射层，压电薄膜(目前主要是AlN或ZnO)在该电场下产生射频段声波的纵波谐振，其工作频率和Q是目前所有薄膜压电器件中最高的，分别是数GHz和1000以上。由于其在射频通讯器件的潜在应用前景，随后各大国际公司如菲利普、意法公司、LG等相继推出各种结构的FBAR。目前FBAR主要结构如图1所示：VIA平面工艺通过预先填入PSG等牺牲层获得气囊结构，两种平面工艺区别是气囊在硅片表面上还是内部，内部结构的压电膜应力较低。刻蚀气囊工艺复杂，成品率低，刻蚀不完全对谐振性能影响大；体硅工艺包括：(100)硅和(110)硅刻蚀，(100)硅的刻蚀孔有55度斜角，(110)硅刻蚀可以获得近似垂直的刻蚀孔，体硅工艺相对平面工艺简单的多，但是结构脆弱，下电极要阻挡层保护，来防止刻蚀电极同时起到支撑作用，其谐振性能受到较大影响，另外刻蚀后硅片的切割、封装(双面)的次品率高，孔边缘应力可达几GPa，膜层易破裂；布拉格反射层的FBAR工艺最简单、热阻抗低，但是要反射层膜厚要精确控制，并且Q值较低，在要求较高的场合性能会达不到要求。另外还有Motorola的双硅片粘合结构和Intel的垂直壁结构。

如果将FABR技术用于传感，理论上说，应具有目前其他传感器所无法比拟的众多优点：

(1)FABR工作频率高，一般可达20GHz以上、品质因子高、插损低，所以对测量参数敏感度非常高。理论计算认为FABR敏感度是目前敏感度最高的QCM传感器的50倍以上；

(2)FABR制作属于标准半导体制程。所以FBAR可集成到半导体芯片中，并具有封装和制造工艺成熟、成本低廉、可大批量生产优点；

(3)FABR结构简单牢固，所以性能可靠稳定；

(4)FABR本身就是RF器件，便于信号的直接收发，易于实现无线传感；

(5)FABR(或通过表面修饰)比SAW传感器更容易实现多功能传感，如温度、湿度、化学特性等，并便于构成多功能微传感阵列。

(6)由于FBAR可以半导体工艺集成，其传感面积非常小(微米量级)而

传感敏感度很高，是理想的单细胞传感、生物微芯片以及微胶囊传感的候选者。

鉴于此，这两年国外也开始了FBAR传感器的研究。2004年俄国G.D.Mansfeld等分析了Al/ZnO/Al和双布拉格反射层结构的FBAR温度传感器，认为其温度敏感度是SAW传感器的20倍；2005年加州大学的Hao Zhang等研究了Al/ZnO/Al和空气腔结构的FABR传感器，其质量传感的敏感度是QCM的57倍。但是目前将FBAR用于生物检测——抗体检测的传感器还未见报道，而基于AlN、Mo的FBAR生物传感器也未见报道。与ZnO比，AlN具有优良的化学稳定性，也更适合半导体工艺制造，另外AlN具有更高的声速和低的多的温度系数，适合做更高频高敏感的传感器件；电极Mo比Al具有更好的声阻抗特性、更好的温度及化学稳定，更适合做传感器件的传感面；如何将Mo/AlN/Mo的FABR应用于生物检测领域，特别是解决在体液环境下的生物极微量物质的测量问题，以测量亚纳克量级的物质，从而对微量检测和疾病早期预防有重要意义。

发明内容