微电极阵列与微流通道集成的传感器结构及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种微电极阵列与微流通道集成的传感器结构及其制作方法，该结构包括含磷酸根离子敏感膜的检测单元、微流通道及电信号输出接口。磷酸根离子检测单元及电信号输出接口位于硅片衬底材料上，在传感单元上面是由ＰＤＭＳ材料制作的微流通道。磷酸根离子检测单元是由金属钴电极和Ａｇ／ＡｇＣｌ电极构成的对电极结构，金属钴电极对磷酸根有特异性响应，通过测量两个电极间电势差，即可得到溶液中磷酸根离子浓度。本发明专利技术提供的用于磷酸根离子检测的微电极阵列传感器可以利用半导体微加工技术进行制作，体积小，易于制作便携式检测仪器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及半导体微加工技术
，尤其涉及一种微电极阵列与微流通道集 成的传感器结构及其制作方法，该传感器对磷酸根离子敏感，可用于水溶液中的磷酸盐定 量检测，对土壤、水环境、生物样本中的磷成分检测具有应用前景。
技术介绍
生化传感技术不仅为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型方法， 而且因为其专一、灵敏、响应快等特点，在军事方面，也具有广阔的应用前景。近年来随着集 成微电子机械加工技术的日趋成熟，传感器制作技术进入了一个崭新阶段。微电子技术和 微机械技术相结合，器件结构从二维到三维，实现进一步微型化、微功耗。磷酸根离子在生物体系中无处不在，在广泛的生化过程中扮演着重要的角色，同 时磷酸根离子在土壤和污水中也具有较高含量，磷酸根离子的检测可用于分析土壤中化肥 含量水平，监测河流、湖泊等水质的富营养化程度。采用基于半导体微加工技术的微电极阵列传感器进行磷酸根离子检测分析，具有 许多优势可进行批量生产，降低传感芯片成本；易于实现同微电子和自动化微流体系统 集成；传感芯片尺寸的大大缩小有利于便携式检测仪器的小型化。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题有鉴于此，本专利技术的主要目的在于提供一种微电极阵列与微流通道集成的传感器 结构及其制作方法。( 二)技术方案为达到上述目的，本专利技术提供了一种微电极阵列与微流通道集成的传感器结构， 该结构自下而上依次由硅衬底、二氧化硅绝缘层、电极层、PDMS微流通道层构成。上述方案中，所述电极层由电信号输出接口及磷酸根离子敏感单元构成，且电极 层及磷酸根离子敏感单元电极基底层是由同一种金属材料制成。上述方案中，所述磷酸根离子敏感单元是由金属钴电极和Ag/AgCl电极组成的对 电极结构，且金属钴电极与Ag/AgCl电极之间保持一定距离。 上述方案中，所述PDMS微流通道层覆盖于磷酸根离子敏感单元之上，包含一个微 流通道，该微流通道与磷酸根敏感单元相结合，构成一个密闭的管道，在该密闭的管道的两 端是液体流入流出端口。上述方案中，所述电信号输出接口位于PDMS材料外侧，直接与检测仪器连接。为达到上述目的，本专利技术还提供了一种制作微电极阵列与微流通道集成的传感器 结构的方法，该方法包括步骤1 在硅片衬底上，通过等离子体化学气相淀积方法生长一层氧化硅绝缘层；步骤2 在氧化硅绝缘层上，通过热蒸发技术，制作镍金薄膜；步骤3 通过光刻，在光刻胶上定义出磷酸根离子敏感单元的电极和电信号输出 接口电极引线图形，以光刻胶做掩膜，采用湿法腐蚀方法，将光刻胶图形转移到镍金层；步骤4 在镍金层结构上面，再次通过PECVD方法生长一层氧化硅绝缘层；步骤5 通过光刻和湿法腐蚀，在二氧化硅层，制作磷酸根离子敏感单元的电极窗 口和电信号输出接口电极引线窗口；步骤6、通过电沉积技术，在磷酸根离子敏感单元窗口区的镍金图形上分别沉积金 属钴和Ag/AgCl，构成对电极结构；步骤7、将带有微流通道的PDMS材料，通过键合的方法，与微电极芯片封装在一 起，该微流通道与磷酸根敏感单元相结合，构成一个密闭的管道。上述方案中，所述步骤7包括将带有微流管道的PDMS材料键合到带有微电极的 硅材料上，将带有微流管道的界面与硅材料结合，形成闭合式管道；然后采用无源对准的方 法，使微流管道与电极窗口区重叠。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术具有以下有益效果1、本专利技术提供的这种，实 现了对较大浓度范围的磷酸根离子进行检测，将液体浓度参数转化为输出电接口的电势信 号，器件工作时无需外部供能。2、本专利技术提供的这种，采 用半导体平面微加工工艺进行制作，器件结构紧凑，所需待测样品量少，易于实现同微电子 和自动化微流体系统集成。传感芯片尺寸的大大缩小有利于便携式检测仪器的小型化。3、本专利技术提供的这种微电极阵列与微流通道集成的传感器结构，是基于金属钴电 极敏感的磷酸根离子浓度检测用的传感芯片结构，该结构可利用半导体平面微加工技术， 实现微型电极制作。相对传统电化学方法中利用体电极检测而言，本专利技术提出的结构，芯片 更加紧凑，所需测试样品量较少。附图说明为进一步说明本专利技术的内容及特点，以下结合附图及实施例对本专利技术作一详细的 描述图1是微电极阵列与微流通道集成的传感器结构示意图；图2是微电极阵列与微流通道集成的传感器结构平面示意3是微电极阵列与微流通道集成的传感器制作工艺流程。其中，1硅片衬底；2电信号输出接口 ；3电信号连接线；4金属钴电极；5Ag/AgCl电 极；6PDMS盖片；7微流通道；8金属Au薄膜；9金属镍薄膜；10氧化硅绝缘层；11光刻胶图 形；12磷酸根离子敏感单元窗口 ；13电信号输出接口电极引线窗口。具体实施例方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照 附图，对本专利技术进一步详细说明。如图1和图2所示，本专利技术提供的这种微电极阵列与微流通道集成的传感器结构，该结构包括含磷酸根离子敏感膜的检测单元、微流通道及电信号输出接口。磷酸根离子检 测单元及电信号输出接口位于硅片衬底材料上，在传感单元上面是由PDMS材料制作的微 流通道。磷酸根离子检测单元是由金属钴电极和Ag/AgCl电极构成的对电极结构。电极层由电信号输出接口及磷酸根离子敏感单元构成。电极层及磷酸根离子敏感 单元电极基底层是由同一种金属材料制成。磷酸根离子敏感单元由金属钴电极和Ag/AgCl 电极组成的对电极结构，两个电极之间保持一定距离。PDMS材料层覆盖磷酸根离子敏感单元，包含一个微流通道。该微流通道与磷酸根 敏感单元相结合，构成一个密闭的管道，在PDMS管道的两端是液体流入流出端口。电信号 输出接口位于PDMS材料外侧，可直接与检测仪器连接。请再次参阅图1所示，本专利技术提供的这种微电极阵列与微流通道集成的传感器结 构包括一磷酸根敏感单元，该单元包括金属钴电极4和Ag/AgCl电极5组成的对电极结 构，两个电极之间保持一定距离，通过氧化硅绝缘层10进行电隔离。一电信号输出接口，该接口通过互联线3与磷酸根敏感单元4和5相连接，进行传 感信号输出。一微流通道盖片，该盖片有PDMS材料6制成，上面带有半封闭的微流通道7，该微 流通道7与磷酸根离子敏感单元4和5通过键合的方法，构成一个密闭的微流通道，进行液 体样品传送。本专利技术的工作过程结合图1说明本专利技术实施例，在图示情况下，当含有磷酸根离子的溶液通过微流 通道7时，溶液中的磷酸根离子与磷酸根敏感电极4和5相互作用，在电极4和5之间产生 电势差，这个电势差与磷酸根离子摩尔浓度的对数成线性关系，通过测量电信号输出接口 2 之间的电势差信号即可获得溶液中磷酸根离子浓度信息。本专利技术微电极阵列与微流通道集成传感器结构的制造方法工艺步骤是步骤1 在硅片衬底上，通过PECVD (等离子体化学气相淀积)方法生长一层氧化 硅绝缘层。在本步骤中，选取合适尺寸的硅片材料作为传感器芯片衬底，样片经过清洗之后， 生长厚度为200nm左右的氧化硅绝缘层10。步骤2 在氧化硅绝缘层上，通过热蒸发技术，制作镍9金8薄膜。在本步骤中，采用热蒸发技术，生长镍金薄膜，由于金薄膜同硅材料粘附性较差， 中间采用镍金属薄膜作为过渡层。镍金薄膜的厚度为3000A，其中镍薄膜厚度50nm。步骤3 通过光刻，在光刻胶上定义出磷酸本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种微电极阵列与微流通道集成的传感器结构，其特征在于，该结构自下而上依次由硅衬底、二氧化硅绝缘层、电极层、ＰＤＭＳ微流通道层构成。

【技术特征摘要】
一种微电极阵列与微流通道集成的传感器结构，其特征在于，该结构自下而上依次由硅衬底、二氧化硅绝缘层、电极层、PDMS微流通道层构成。2.根据权利要求1所述的微电极阵列与微流通道集成的传感器结构，其特征在于，所 述电极层由电信号输出接口及磷酸根离子敏感单元构成，且电极层及磷酸根离子敏感单元 电极基底层是由同一种金属材料制成。3.根据权利要求2所述的微电极阵列与微流通道集成的传感器结构，其特征在于，所 述磷酸根离子敏感单元是由金属钴电极和Ag/AgCl电极组成的对电极结构，且金属钴电极 与Ag/AgCl电极之间保持一定距离。4.根据权利要求2所述的微电极阵列与微流通道集成的传感器结构，其特征在于，所 述PDMS微流通道层覆盖于磷酸根离子敏感单元之上，包含一个微流通道，该微流通道与磷 酸根敏感单元相结合，构成一个密闭的管道，在该密闭的管道的两端是液体流入流出端口。5.根据权利要求2所述的微电极阵列与微流通道集成的传感器结构，其特征在于，所 述电信号输出接口位于PDMS材料外侧，直接与检测仪器连接。6.一种制作微电极阵列与微流通道集成的传感器结构的方法，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王春霞，阚强，陈弘达，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]