本发明专利技术提出一种可实现敏感生化膜应力释放的柱状电极阵列结构及其制备方法，用于基于梁结构的谐振式痕量质量传感器。该结构包括梁结构、设置于梁结构上的若干微型柱状电极、设置于微型柱状电极上的晶向占优的金膜、位于晶向占优的金膜上的单分子层以及位于单分子层上的生化敏感膜。由于柱状电极阵列是不连续的，并且高度远大于直径，生化膜内的应力不会传递到梁结构上，不会对梁结构的共振频率产生影响，可提高痕量质量传感器的信噪比。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种可实现敏感生化膜应力释放的柱状电极阵列结构及方法，用于谐 振梁式痕量质量传感器。属于传感器领域。
技术介绍
采用微机电系统技术(Micro Electro Mechanical System, MEMS)制作的基于悬 臂梁或双端固支梁等梁结构的谐振式痕量质量传感器可以实现痕量质量的检测。该类传感 器的基本原理是在梁结构上制作可以吸附特定生化物质的生化敏感膜，当生化敏感膜吸附 了特定生化物质时，会引起生化敏感膜的质量增加，从而引起梁结构共振频率的下降，测量 梁结构共振频率的下降即可测得吸附的特定生化物质的质量。基于谐振梁的痕量质量传感器可以实现超高灵敏度的测量。加州理工大学 的Yang等人2006年发表了利用双端固支纳机电谐振器进行痕量质量检测的实验，在 低温高真空条件下展示了 zg量级(10-21g)的质量分辨能力(Y.T.Yang，C. Cal Iegari, X. L. Feng,K. L. Ekinci and Μ. L. Roukes,Zeptogram-ScaleNanomechanical Mass Sensing, Nano Letters, 2006,6 (4), pp. 583-586)。中国科学院上海微系统与信息技术研究所的 Liu Yongjing等人2009年发表了可以在大气环境下实现AFP痕量检测的悬臂梁传感器， 检测灵敏度达到 ng/ml 量级(Liu，Yongjing/Li, Xinxin/Zhang, Zhixiang/Zuo, Guomin/ Cheng, Zhenxing/Yu, Haitao, Nanogram per milliliter-level immunologic detection of alpha-fetoproteinwith integrated rotating—resonance microcantilevers for early-stage diagnosis οfheptocellular carcinoma. Biomedical microdevices,11(1), p. 183-191，Feb 2009)。痕量质量传感器在实际使用中需要在梁上制作生化敏感膜。通常的制作方法是在 梁上先制作<111>晶向的金膜，然后在金膜上生长单分子层，在单分子层上生长生化敏感 膜。金膜上制作单分子层和生化敏感膜的结构统称为化学修饰电极。图1所示为一种常见 的制作在悬臂梁结构上的化学修饰电极。基于谐振梁的痕量质量传感器的一个主要问题是，当生化敏感膜吸附被检测物质 后不仅质量会改变，还会产生应力。该部分应力也会引起梁结构的共振频率变化。应力的 影响可以比质量的影响更大。生化敏感膜的应力不仅与被检测物质的量有关，还与被检测 物质的晶态有关。由于被检测物质会出现再结晶、应力弛预等现象，生化敏感膜内的应力不稳定。显然，实现应力释放的化学修饰电极结构可以显著降低应力对梁结构共振频率的 影响，显著提高传感器的信噪比。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题在于提供一种可实现敏感生化膜应力释放的柱状电极阵列结构及其制作方法，以提高传感器的信噪比。为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案可实现敏感生化膜应力释放的 柱状电极阵列结构，所述柱状电极阵列结构包括梁结构、设置于梁结构上的若干微型柱状 电极、设置于微型柱状电极上的<111>晶向的金膜、位于<111>晶向的金膜上的单分子层以 及位于单分子层上的生化敏感膜；所述微型柱状电极包括柱体以及位于柱体上表面的粘附层。本专利技术还包括一种可实现敏感生化膜应力释放的柱状电极阵列结构的制备方法， 该方法包括以下步骤1)在SOI的顶层硅上光刻并刻蚀形成梁结构；2)在该梁结构上制作氮化硅、氧化硅或多层结构的金属层；3)在该层上溅射TiW/Au层；4)光刻并刻蚀形成微型柱状电极阵列；5)用氢氟酸蒸汽腐蚀去除梁结构下的SOI的埋层二氧化硅，6)依次生长单分子层与生化敏感膜。本专利技术还包括另一种可实现敏感生化膜应力释放的柱状电极阵列结构的制备方 法，该方法包括以下步骤1)在SOI的顶层硅上光刻并刻蚀形成梁结构；2)在SOI上用LPCVD制作氧化硅牺牲层，光刻并刻蚀部分氧化硅牺牲层，暴露出需 要制作柱体电极阵列结构的区域；3)在步骤2)后获得的结构上制作氮化硅、氧化硅或多层结构的金属层；4)在该层上溅射TiW/Au层；5)采用化学方法在Au层表面形成亚微米掩模颗粒的阵列；6)采用离子束刻蚀对制作了亚微米掩模颗粒阵列的Au层和粘附层金属进行刻 蚀；7)清洗去除步骤幻中产生的亚微米掩模颗粒；8)用氢氟酸蒸汽腐蚀去除梁结构下的SOI的埋层二氧化硅以及氧化硅牺牲层上 的微型柱状电极；9)依次生长单分子层与生化敏感膜。本专利技术的优点是微型柱状电极阵列可以显著降低生化敏感膜内应力变化对敏感 梁共振频率的影响，从而显著提高谐振梁式痕量质量传感器的信噪比。微型柱状电极阵列 是离散结构，其本身的质量小，对谐振梁式痕量质量传感器的灵敏度影响小。附图说明图1为悬臂梁结构上制作化学修饰电极示意图。1为微悬臂梁，2为<111>晶向的金膜，3为单分子层，4为生化敏感膜图2为悬臂梁结构上制作微型柱状电极阵列示意图。图2(a)为侧视图，图2(b)为俯视图。图中1为微悬臂梁，5为柱体，6为金属粘附 层，7为<111>晶向的金膜。图3为以悬臂梁上的微型柱状电极阵列为基地制作化学修饰电极的侧视图。图中 1为微悬臂梁，5为柱体，6为金属粘附层，7为<111>晶向的金膜，3为单分子层，4为生化敏感膜。图4为由于生化敏感膜内压应力引起微型柱状电极阵列变形的侧视图。图5为由于生化敏感膜内张应力引起微型柱状电极阵列变形的侧视图。图6为在SOI硅片上光刻/刻蚀形成悬臂梁结构的示意图，是采用集成电路工艺 制作微型柱状电极阵列的流程图的一部分。图6(a)为侧视图，图6(b)为俯视图。图中1为悬臂梁结构，10为悬臂梁的锚点， 悬臂梁与锚点采用SOI硅片的顶层硅制作，其下为8埋层二氧化硅和9硅衬底。图7为在悬臂梁结构上制作了微型柱状电极阵列的示意图，是采用集成电路工艺 制作微型柱状电极阵列的流程图的一部分。图7(a)为侧视图，图7(b)为俯视图。图8为腐蚀去除悬臂梁下埋层氧化层释放悬臂梁后的示意图，是采用集成电路工 艺制作微型柱状电极阵列的流程图的一部分。图9为在悬臂梁结构上淀积氧化硅牺牲层，并光刻/刻蚀牺牲层后的示意图，是采 用集成电路工艺结合化学方法制作微型柱状电极阵列的流程图的一部分。图9(a)为侧视图，图9(b)为俯视图。图中11为氧化硅牺牲层。图10为采用化学方法制作微型柱状电极阵列后的示意图，是采用集成电路工艺 结合化学方法制作微型柱状电极阵列的流程图的一部分。图10(a)为侧视图，图10(b)为俯视图。图11为腐蚀去除氧化硅牺牲层和悬臂梁下埋层二氧化硅后的示意图，是采用集 成电路工艺结合化学方法制作微型柱状电极阵列的流程图的一部分。11(a)为侧视图， 1Kb)为俯视图。具体实施例方式本专利技术提出在敏感梁上制作如图2所示的离散的柱状电极阵列结构，电极上表面 为<111>晶向的金本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．可实现敏感生化膜应力释放的柱状电极阵列结构，其特征在于：该结构包括梁结构、设置于梁结构上的若干微型柱状电极、设置于微型柱状电极上的（１１１）晶向占优的金膜、位于（１１１）晶向占优的金膜上的单分子层以及位于单分子层上的生化敏感膜。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：杨恒，吴燕红，成海涛，戴斌，吴紫阳，
申请(专利权)人：中国科学院上海微系统与信息技术研究所，
类型：发明
国别省市：31
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