生物传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种生物传感器。该生物传感器包括：半导体活性层；第一栅极绝缘膜，所述第一栅极绝缘膜设置在所述半导体活性层的第一表面上并且使所述半导体活性层和第一栅极电极相互绝缘；第二栅极绝缘膜，所述第二栅极绝缘膜设置在所述半导体活性层的第二表面上；第二栅极电极，所述第二栅极电极设置在所述第二栅极绝缘膜上，并延伸到与和所述半导体活性层重叠的区域以二维方式间隔开的位置；以及酶，所述酶固定于所述第二栅极电极的延伸端侧，并与溶液内的材料反应以调制施加于所述第二栅极电极的电压，其中，所述第二栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容比所述第一栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容大。

【技术实现步骤摘要】
生物传感器本申请是申请日为2016年9月18日、申请号为201610829596.5、专利技术名称为“生物传感器及检测装置”的中国专利申请的分案申请。
本专利技术涉及生物传感器及使用该生物传感器的检测装置。
技术介绍
近年来，利用生物聚合物的生物材料识别机构的生物传感器已在医疗和环境分析的领域中被使用。该生物传感器通过将生物聚合物的生物材料识别机构、溶液和绝缘膜的界面(也称作固液界面)上的界面电位检测机构、以及电气测量装置组合而获得。作为生物材料识别机构，已经使用酶的底物特异性、抗体-抗原反应、脱氧核糖核酸(DNA)与DNA之间的相互作用、核糖核酸(RNA)与RNA之间的相互作用、凝集素与生理活性糖链的结合、蛋白质与特定生物材料的亲和性等。作为界面电位检测机构，例如，已使用将金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)设为基本结构的离子敏感型FET(FET传感器)。FET传感器通过将固液界面上形成的电气双层的电位变化检测作为参考电极电位-漏极电流特性(Vref-Id特性)的阈值电压(Vth)偏移，来测量电气双层电位。使电气双层电位变化的主要因素的例子包括：溶液的酸碱度(pH)的变化、向绝缘膜界面的物理和化学吸附等现象。例如，通过电气化学的能斯特理论了解pH与电气双层电位之间的关系。例如，在25℃下，pH变化1(这意味着溶液中的氢离子浓度变化1个数量级)。由于这种变化，电气双层电位变化约59mV。这表示，在基于电气双层电位的pH传感器中，59mV/pH是传感器灵敏度的理论界限。pH的值是生物感测的有用的指标。生物传感器通过酶反应分解生物材料并生成氢离子作为副产物，引起溶液中的pH变化。另外，生物传感器通过利用FET传感器检测pH变化，测量生物材料的浓度。生物传感器兼具使用酶的分子识别和底物分解功能、以及使用FET传感器的pH测量功能。因此，需要使分子识别和底物分解功能与pH测量功能不相互抑制。另外，通过酶反应产生的氢离子的浓度的变化变得比原生物材料的浓度低。因此，为了实现将pH变化设为指标的生物感测，需要具有能够精确地检测极微小的pH变化的功能。今后，在临床检查领域中，可预测在医疗现场在被测试者的附近进行检测的床旁检测(pointofcaretesting，POCT)的需要将增加。进行这样的临床检查来掌握特定的生物材料的浓度。另外，在该临床检查中，认为对在现有技术中无法检测的低浓度材料的测量的需求将增加。为了应对这种需求，需要能够进行高灵敏度的测量的生物传感器。接下来，将对与本专利技术有关的技术(以下，称作“相关技术”)进行说明。关于TFT生物传感器，例如，关于使用非晶硅TFT的DNA分子及辣根过氧化物酶分子的无标记检测具有报告例(D.Goncalves和其他三人、“Label-freeelectronicdetectionofbiomoleculesusinga-Si:Hfield-effectdevices”、“JournalofNon-CrystallineSolids”、ELSEVIER、2006年6月15日、第352卷、第2007-2010页)。此外，TFT是薄膜晶体管的简称。DNA分子中直至0.4μM，辣根过氧化物酶分子中直至0.1μM，获得线性Vth偏移。在活性层中使用碳纳米管的TFT生物传感器中，公开了将乙酰胆碱酯酶固定到活性层上部的乙酰胆碱传感器(WeiXue和另一人、“Athin-filmtransistorbasedacetylcholinesensorusingself-assembledcarbonnanotubesandSiO2nanoparticles”、“SensorsandActuatorsB:Chemical”、ELSEVIER、2008年9月25日、第134卷、第981-987页)。作为灵敏度、分辨率以及响应时间，分别获得378.2μA/decade、10nM和15秒的值。作为利用酶反应的公知例，具有将青霉素氧化酶固定于FET传感器的离子敏感膜的青霉素传感器的报告(A.Poghossian和另外四人、“AnISFET-basedpenicillinsensorwithhighsensitivity,lowdetectionlimitandlonglifetime”、“SensorsandActuatorsB:Chemical”、ELSEVIER、2001年6月1日、第76卷、第519-526页)。青霉素传感器具有通过使用酶分解青霉素并通过生成氢离子作为副产物使pH变化并通过FET传感器检测pH变化的结构。作为检测灵敏度，获得120±10mV/mM，确认了1年或更长的连续操作。另外，作为包括场效应晶体管的生物传感器，有下面的报告例。具体地，提供在硅基板的一个面上检测对象材料识别分子所固定到的反应场、以及在硅基板的另一面上作为检测单元形成的场效应元件，从而实现检测灵敏度的提高(日本专利申请特开No.2013-148456)。另外，公开了生物传感器的例子，在该生物传感器中，使用纵向晶体管作为换能器，并且将具有分子识别功能的酶和抗体固定于多孔氧化铝，该生物传感器示出了高速响应操作的可能性(日本专利申请特开No.2010－151540)。
技术实现思路
如上所述，公开了生物传感器的例子。但是，上述的所有的文献都具有如下结构：通过浸渍于包含测量对象材料的溶液中的参考电极施加栅极电压，根据Vref－Id特性的Vth偏移测量测量对象材料的浓度。在该传感器中，难以获得高于基于能斯特理论的理论灵敏度的灵敏度。因此，难以将上述的结构应用于极低浓度的生物材料的测量。使用MOSFET的基本结构的pH传感器已经实用化。当尝试应用于生物材料的测量时，显而易见的是，需要pH传感器的较高灵敏度。在液体溶液的pH测量的情况下，认为灵敏度等于或小于基于能斯特理论的59mV/pH是足够的。当尝试应用于生物材料的测量时，显而易见的是，需要高灵敏度的pH传感器。例如，成为生物传感器的测量对象的生物材料以大约10－7mol/L至10－9mol/L的浓度存在于约pH7的溶液中。当使用酶分解生物材料时，检测由于分解而产生的氢离子浓度的变化时，需要检测大约在0.001到0.01范围的pH变化。此时，在相关技术的pH传感器中，需要检测0.059mV到0.59mV的微小的电压变化。当考虑传感器漂移、热波动、液温的变化等的影响时，在相关技术的生物传感器中，难以实现可靠性高的测量。另外，由于将生物聚合物固定于绝缘膜上，因此公开的技术具有基于生物聚合物的材料识别单元和基于FET传感器的pH感测部存在于同一部位的结构。当生物聚合物膜变厚时，pH感测部不与溶液接触，因此存在这种情况导致pH灵敏度下降的担忧。另外，可固定酶的区域被限制，因此难以增大由于酶反应引起的pH变化量。即，这导致难以提高对生物材料的检测灵敏度的问题。在将酶固定于绝缘膜上的公开技术的结构中，基本上，难以进行酶的交换。通常，已知酶等生物聚合物随着时间经过其功能下降。因此，与无机本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种生物传感器，包括：/n半导体活性层；/n第一栅极绝缘膜，所述第一栅极绝缘膜设置在所述半导体活性层的第一表面上并且使所述半导体活性层和第一栅极电极相互绝缘；/n第二栅极绝缘膜，所述第二栅极绝缘膜设置在所述半导体活性层的第二表面上；/n第二栅极电极，所述第二栅极电极设置在所述第二栅极绝缘膜上，并延伸到与和所述半导体活性层重叠的区域以二维方式间隔开的位置；以及/n酶，所述酶固定于所述第二栅极电极的延伸端侧，并与溶液内的材料反应以调制施加于所述第二栅极电极的电压，/n其中，所述第二栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容比所述第一栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容大。/n

【技术特征摘要】
20150918 JP 2015-1852361.一种生物传感器，包括：
半导体活性层；
第一栅极绝缘膜，所述第一栅极绝缘膜设置在所述半导体活性层的第一表面上并且使所述半导体活性层和第一栅极电极相互绝缘；
第二栅极绝缘膜，所述第二栅极绝缘膜设置在所述半导体活性层的第二表面上；
第二栅极电极，所述第二栅极电极设置在所述第二栅极绝缘膜上，并延伸到与和所述半导体活性层重叠的区域以二维方式间隔开的位置；以及
酶，所述酶固定于所述第二栅极电极的延伸端侧，并与溶液内的材料反应以调制施加于所述第二栅极电极的电压，
其中，所述第二栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容比所述第一栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容大。


2.一种生物传感器，包括：
半导体活性层；
第一栅极绝缘膜，所述第一栅极绝缘膜设置在所述半导体活性层的第一表面上并且使所述半导体活性层和第一栅极电极相互绝缘；
第二栅极绝缘膜，所述第二栅极绝缘膜设置在所述半导体活性层的第二表面上；
第二栅极电极，所述第二栅极电极设置在所述第二栅极绝缘膜上，并延伸到与和所述半导体活性层重叠的区域以二维方式间隔开的位置；
离子敏感绝缘膜，所述离子敏感绝缘膜设置在所述第二栅极电极上；以及
酶，所述酶固定于所述离子敏感绝缘膜上，并与溶液内的材料反应以使所述离子敏感绝缘膜中发生电位变化，
其中，所述第二栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容比所述第一栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容大。


3.一种生物传感器，包括：
半导体活性层；
第一栅极绝缘膜，所述第一栅极绝缘膜设置在所述半导体活性层的第一表面上并且使所述半导体活性层和第一栅极电极相互绝缘；
第二栅极绝缘膜，所述第二栅极绝缘膜设置在所述半导体活性层的第二表面上；
第二栅极电极，所述第二栅极电极设置在所述第二栅极绝缘膜上，并延伸到与和所述半导体活性层重叠的区域以二维方式间隔开的位置；
离子敏感绝缘膜，所述离子敏感绝缘膜设置在所述第二栅极电极上；以及
多个酶，所述多个酶固定于所述离子敏感绝缘膜上，并与溶液内的材料反应以使所述离子敏感绝缘膜中发生电位变化，
其中，所述多个酶以规律间隔或以随机方式设于所述离子敏感绝缘膜上以使所述离子敏感绝缘膜的表面与所述溶液接触，以及
所述第二栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容比所述第一栅极绝缘膜的每单位面积的静电电容大。


4.根据权利要求2或3所述的生物传感器，还包括：
检测单元，所述检测单元在利用将所述第二栅极绝缘膜的每单位面积的所述静电电容除...

【专利技术属性】
技术研发人员：竹知和重，岩松新之辅，阿部泰，矢作彻，今野俊介，加藤睦人，
申请(专利权)人：天马微电子股份有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44