專利名稱：利用壓電薄膜體聲波器件的抗體檢測生物芯片的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于基于壓電效應(yīng)的抗體檢測生物芯片，特別是涉及一種利用壓電 薄膜體聲波器件的抗體檢測生物芯片。
技術(shù)背景壓電傳感器在生物檢測利于有廣泛的應(yīng)用，其傳感原理是壓電傳感器的壓 電體工作在諧振狀態(tài)，當(dāng)有質(zhì)量負(fù)載沉積在振動(dòng)體表面時(shí)，其諧振頻率會(huì)發(fā)生 漂移，通過計(jì)算可以獲得沉積物質(zhì)的質(zhì)量大小，其傳感敏感度主要取決于工作頻率和品質(zhì)因子Q 。目前這類傳感器主要有基于聲表面波的SAW傳感器和 基于聲體波的BAW傳感器。SAW傳感器是利用叉指電極發(fā)射和接收聲表面波 來傳感，其便于信號(hào)變換和處理，但是體積較大不能集成到半導(dǎo)體芯片中，也 不適合微小區(qū)域的傳感，例如單細(xì)胞、生物微芯片以及微膠囊的傳感，另外SA W傳感器操作頻率很難做到超過GHz，所以注定其低的測量敏感度。BAW傳感 器主要是利用壓電晶體中縱或剪切模式的體聲波來傳感，目前比較成熟的是石 英晶片微天平(QCM)，其利用石英晶片諧振產(chǎn)生幾百M(fèi)Hz的縱波，通過諧振 頻率變化來傳感力學(xué)參數(shù)，QCM結(jié)構(gòu)的石英晶片很難研磨到諧振頻率超過GHz，也限制了其測量敏感度。2001年美國HP公司研發(fā)出了基于薄膜聲體波結(jié)構(gòu)的諧振器(FBAR)，其結(jié)構(gòu)是半波長的壓電薄膜和上下表面電極的三明治結(jié)構(gòu)，上下電極作用是饋入 射頻電場和形成聲全反射層，壓電薄膜(目前主要是AlN或ZnO)在該電場下 產(chǎn)生射頻段聲波的縱波諧振，其工作頻率和Q是目前所有薄膜壓電器件中最高的，分別是數(shù)GHz和1000以上。由于其在射頻通訊器件的潛在應(yīng)甩前景，隨后 各大國際公司如菲利普、意法公司、LG等相繼推出各種結(jié)構(gòu)的FBAR。目前F BAR主要結(jié)構(gòu)如圖1所示VIA平面工藝通過預(yù)先填入PSG等犧牲層獲得氣囊 結(jié)構(gòu)，兩種平面工藝區(qū)別是氣囊在硅片表面上還是內(nèi)部，內(nèi)部結(jié)構(gòu)的壓電膜應(yīng) 力較低?？涛g氣囊工藝復(fù)雜，成品率低，刻蝕不完全對(duì)諧振性能影響大；體硅 工藝包括(100)硅和(110)硅刻蝕，(100)硅的刻蝕孔有55度斜角，(IIO)硅刻蝕 可以獲得近似垂直的刻蝕孔，體硅工藝相對(duì)平面工藝簡單的多，但是結(jié)構(gòu)脆弱， 下電極要阻擋層保護(hù)，來防止刻蝕電極同時(shí)起到支撐作用，其諧振性能受到較 大影響，另外刻蝕后硅片的切割、封裝(雙面)的次品率高，孔邊緣應(yīng)力可達(dá) 幾GPa，膜層易破裂；布拉格反射層的FBAR工藝最簡單、熱阻抗低，但是要 反射層膜厚要精確控制，并且Q值較低，在要求較高的場合性能會(huì)達(dá)不到要求。 另外還有Motorola的雙硅片粘合結(jié)構(gòu)和Intel的垂直壁結(jié)構(gòu)。如果將FABR技術(shù)用于傳感，理論上說，應(yīng)具有目前其他傳感器所無法比 擬的眾多優(yōu)點(diǎn).-(1) FABR工作頻率高， 一般可達(dá)20GHz以上、品質(zhì)因子高、插損低，所 以對(duì)測量參數(shù)敏感度非常高。理論計(jì)算認(rèn)為FABR敏感度是目前敏感度最高的Q CM傳感器的50倍以上；(2) FABR制作屬于標(biāo)準(zhǔn)半導(dǎo)體制程。所以FBAR可集成到半導(dǎo)體芯片中， 并具有封裝和制造工藝成熟、成本低廉、可大批量生產(chǎn)優(yōu)點(diǎn)；(3) FABR結(jié)構(gòu)簡單牢固，所以性能可靠穩(wěn)定；(4) FABR本身就是RF器件，便于信號(hào)的直接收發(fā)，易于實(shí)現(xiàn)無線傳感；(5) FABR (或通過表面修飾)比SAW傳感器更容易實(shí)現(xiàn)多功能傳感，如 溫度、濕度、化學(xué)特性等，并便于構(gòu)成多功能微傳感陣列。(6)由于FBAR可以半導(dǎo)體工藝集成，其傳感面積非常小(微米量級(jí))—而 傳感敏感度很高，是理想的單細(xì)胞傳感、生物微芯片以及微膠囊傳感的候選者。鑒于此，這兩年國外也開始了FBAR傳感器的研究。2004年俄國GD.Mans feld等分析了 Al/ZnO/Al和雙布拉格反射層結(jié)構(gòu)的FBAR溫度傳感器，認(rèn)為其 溫度敏感度是SAW傳感器的20倍；2005年加州大學(xué)的Hao Zhang等研究了 A 1/ZnO/Al和空氣腔結(jié)構(gòu)的FABR傳感器，其質(zhì)量傳感的敏感度是QCM的57倍。 但是目前將FBAR用于生物檢測"~~抗體檢測的傳感器還未見報(bào)道，而基于Al N、 Mo的FBAR生物傳感器也未見報(bào)道。與ZnO比，AIN具有優(yōu)良的化學(xué)穩(wěn)定 性，也更適合半導(dǎo)體工藝制造，另外AIN具有更高的聲速和低的多的溫度系數(shù)， 適合做更高頻高敏感的傳感器件；電極Mo比Al具有更好的聲阻抗特性、更好 的溫度及化學(xué)穩(wěn)定，更適合做傳感器件的傳感面；如何將Mo/AIN/Mo的FABR 應(yīng)用于生物檢測領(lǐng)域，特別是解決在體液環(huán)境下的生物極微量物質(zhì)的測量問題， 以測量亞納克量級(jí)的物質(zhì)，從而對(duì)微量檢測和疾病早期預(yù)防有重要意義。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明目的是提供一種工作于體液環(huán)境中具有超高靈敏度的新型生物傳感 器，特別是是涉及利用壓電薄膜體聲波器件的抗體檢測生物芯片。本發(fā)明的目的是采用這樣的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的它包括諧振器FBAR，在諧振 器FBAR上設(shè)有上電極、下電極和布拉格反射層全反射膜，其特征在于所述諧 振器FBAR上的上電極與下電極之間設(shè)有壓電薄膜，所述布拉格反射層全反射 膜包括高聲阻抗和低聲阻抗，高聲阻抗由金屬M(fèi)o構(gòu)成，低聲阻抗由金屬Al構(gòu) 成；所述FBAR的工作頻率在0.1— 10GHz， Q值范圍100 — 2000;在上電極上 鍍有金屬層,該金屬層上附著有蛋白。所述上電極上金屬層厚度為1一100納米；所述諧振器FBAR的結(jié)構(gòu)為表面 氣囊結(jié)構(gòu)、體腔結(jié)構(gòu)和SMR結(jié)構(gòu)中的一種；FBAR的上電極、下電極由金屬 Mo、 Cr、 A1或W中的一種材料構(gòu)成；上電極和下電極的厚度為10—1000 納米，所述壓電薄膜為A1N材料層，其厚度為0.1-10微米；所述上電極上 鍍有厚度為1一100納米的金屬層為金屬Au層。由于本發(fā)明采用在諧振器FBAR上的上電極與下電極之間設(shè)有壓電薄膜， 所述FBAR的工作頻率在0.1 — 10GHz， Q值范圍100 — 2000;在上電極上鍍有 厚度為1一100納米的金屬層,該金屬層上附著有蛋白1和抗體組織的結(jié)構(gòu)，通過 測量其諧振頻率，然后放入待測液體中，取出再測量其諧振頻率，取兩次諧振 頻率的差值，如果出現(xiàn)偏移就說明存在與抗體對(duì)應(yīng)的抗原，計(jì)算頻率偏移量可 以獲得具體的抗原含量，從而為解決在體液環(huán)境下的生物極微量物質(zhì)的測量創(chuàng) 造了有利條件。


圖1為現(xiàn)有技術(shù)中FBAR的結(jié)構(gòu)示意圖 圖2為本發(fā)明的FBAR壓電薄膜A1N的XRD 圖3為本發(fā)明的局部結(jié)構(gòu)示意圖 圖4為本發(fā)明的局部橫斷面電鏡照 圖5為本發(fā)明的測試原理圖 圖6為本發(fā)明的測量結(jié)果曲線圖 圖7為抗體固定后的FBAR諧振曲線 圖8發(fā)生特異反應(yīng)后的FBAR諧振曲線具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D2、圖3;本發(fā)明包括諧振器FBAR，在諧振器FBAR的(100)單晶硅片14上設(shè)有上電極3、下電極5和布拉格反射層全反射膜，所述布拉格反射 層全反射膜包括高聲阻抗5、 7、 9和低聲阻抗6、 8、 10，高聲阻抗5、 7、 9由 金屬M(fèi)o構(gòu)成，低聲阻抗6、 8、 10由金屬A1構(gòu)成；每層厚度為四分之一波長， 高、低聲阻抗層依次按照交替直流濺射淀積在FBAR的硅片14上，高、低聲阻 抗層的層數(shù)一般為3—7層；所述諧振器FBAR上的上電極3與下電極5之間設(shè) 有壓電薄膜4，所述FBAR的工作頻率在0.1 — 10GHz， Q值范圍100—2000; 在上電極上3鍍有金屬層2，該金屬層2厚度為1一100納米，在該金屬層2上附 著有蛋白1。所述諧振器FBAR的結(jié)構(gòu)為表面氣囊結(jié)構(gòu)、體腔結(jié)構(gòu)和SMR結(jié)構(gòu)中的一種； 所述FBAR的上電極3和下電極5的材料為金屬M(fèi)o、 Cr、 Al或W中 的一種；上電極3和下電極5的厚度為10—1000納米，所述壓電薄膜4為 A1N材料層，其厚度為O.l-lO微米；所述金屬層2由金屬Au構(gòu)成。采用SMR結(jié)構(gòu)FBAR檢測特異性抗體抗原的反應(yīng)的基本方法是先將兩個(gè) FBAR分別固定羊抗人IgG抗體和羊抗鼠IgG抗體，然后放入人抗原液體中， 按照抗體抗原理論，羊抗人抗體和人抗原會(huì)發(fā)生特異性反應(yīng)，而羊抗鼠抗體不 會(huì)和人抗原反應(yīng)，測量FBAR放入人抗原液體前后是否有諧振頻率的變化，來 驗(yàn)證抗體種類。參照?qǐng)D3、圖4: SMR結(jié)構(gòu)的FBAR制備在(100)單晶硅片14上制備 布拉格反射層全反射膜，布拉格反射層全反射膜包括高聲阻抗5、 7、 9和低聲 阻抗6、 8、 10，高聲阻抗5、 7、 9由金屬M(fèi)o構(gòu)成，低聲阻抗6、 8、 10由金屬 Al構(gòu)成；每層厚度為四分之一波長，高、低聲阻抗層依次按照交替直流濺射淀 積在FBAR的硅片14上，然后在這反射層上射頻反應(yīng)濺射制備C軸取向的A1N 壓電薄膜4，用醋酸硝酸=1: 2比例的刻蝕液刻蝕出A1N薄膜加下電極5，再直流濺射上電極3， KOH標(biāo)準(zhǔn)液刻蝕出上電極3薄—膜方框，從上到下依次的 金屬層是Al-AIN-Mo-Al-Mo-Al-Mo-Al，壓電薄膜4厚度是工作聲波的半波長， 其它金屬層厚度都是四分之一工作聲波的波長，下電極5和布拉格反射層 Mo-A1-Mo-Al-Mo-Al面積是1 X 1平方毫米，壓電薄膜4在上述面積內(nèi)，其面積 是500X500平方微米，上電極3面積是200X200平方微米。參照?qǐng)D5、圖6:測量使用探針臺(tái)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀11測量，地線探針與 下電極5連接，上電極3接射頻信號(hào)源，由探針和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀ll饋入射頻 信號(hào)；測量結(jié)果顯示在上電極3、下電極5間存在聲波的縱波諧振，也就是 FBAR是可以正常工作的。在FBAR上電極3表面直流濺射50納米的金屬鋁層2。然后進(jìn)行抗體固定 金屬鋁層2能夠與蛋白1具有良好的穩(wěn)定吸附結(jié)構(gòu)，選擇簡單而頻率穩(wěn)定性高 的蛋白1物理吸附固定法，因?yàn)榈鞍?與金屬鋁層2能夠形成穩(wěn)定的范德華力 直接吸附，同時(shí)蛋白1又能與免疫球蛋白IgG的Fc段結(jié)合。先將FBAR順次在 酸、堿稀溶液中浸泡，然后蒸餾水清洗后，再用乙醇清洗，獲得潔凈表面后， 再將微量蛋白1溶液加在電極表面，靜置。將一個(gè)FBAR放入羊抗人IgG抗體 液體中，另外一個(gè)FBAR放入羊抗鼠IgG抗體液體中，30分鐘后抗體12與蛋白 l反應(yīng)，用PBS溶液進(jìn)行清洗，這樣抗體12就固定在FBAR傳感表面上，通過 測量諧振頻率，可以得知FBAR放入液體中后，其諧振頻率是2.048GHz;如圖 6所示。用FBAR測量特異反應(yīng)是否存在，或者說測試液體中是否有對(duì)應(yīng)的抗原 將FBAR放入人抗原IgG含量萬分之一的液體中，反應(yīng)30分鐘，用PBS溶液 進(jìn)行清洗，測量諧振頻率。測試結(jié)果表明固定了羊抗鼠IgG抗體的FBAR放 入人抗原液體后，其諧振頻率沒有噪聲范圍外的變化，而固定了羊抗人IgG抗體的FBAR放入人抗原液體后，其諧振頻率下降為2.028GHz，諧振頻率的變化， 是因?yàn)橛锌乖镔|(zhì)l 3沉淀在FBAR傳感器表面，說明FBAR確實(shí)可以檢測到 抗體抗原地反應(yīng)；本發(fā)明明能夠測量抗體組織與抗體對(duì)應(yīng)的抗原的諧振頻率偏 移參數(shù)，從而獲得抗原含量的多少；這種傳感器可以集成到芯片中，并且能夠 實(shí)現(xiàn)微量抗體物質(zhì)的傳感。
權(quán)利要求
1、利用壓電薄膜體聲波器件的抗體檢測生物芯片，包括諧振器FBAR，在諧振器FBAR上設(shè)有上電極、下電極和布拉格反射層全反射膜，其特征在于所述諧振器FBAR上的上電極與下電極之間設(shè)有壓電薄膜，所述布拉格反射層全反射膜包括高聲阻抗和低聲阻抗，高聲阻抗由金屬M(fèi)o構(gòu)成，低聲阻抗由金屬Al構(gòu)成；所述FBAR的工作頻率在0.1-10GHz，Q值范圍100-2000；在上電極上鍍有金屬層，該金屬層上附著有蛋白。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用壓電薄膜體聲波器件的抗體檢測生物芯片， 其特征在于所述諧振器FBAR的結(jié)構(gòu)為表面氣囊結(jié)構(gòu)、體腔結(jié)構(gòu)和SMR結(jié)構(gòu)中 的一種。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用壓電薄膜體聲波器件的抗體檢測生物芯片， 其特征在于所述FBAR的上電極、下電極由金屬M(fèi)o、 Cr、 Al或W中的一 種材料構(gòu)成。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用壓電薄膜體聲波器件的抗體檢測生物芯片， 其特征在于所述上電極和下電極的厚度為IO—IOOO納米。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用壓電薄膜體聲波器件的抗體檢測生物芯片， 其特征在于所述壓電薄膜為A1N材料層，其厚度為0.1-10微米。
6、 .根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用壓電薄膜體聲波器件的抗體檢測生物芯片， 其特征在于所述上電極上鍍有的金屬層由金屬Au構(gòu)成。
7、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的利用壓電薄膜體聲波器件的抗體檢測生物芯片， 其特征在于所述高聲阻抗、低聲阻抗每層厚度為四分之一波長，高、低聲阻抗 層依次按照交替直流濺射淀積在FBAR的硅片上，高、低聲阻抗層的層數(shù)為3 一7層。
8、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用壓電薄膜體聲波器件的抗體檢測生物芯片，其特征在于所述FBAR的上電極、下電極由金屬M(fèi)o、 Cr、 A1或W中的一 種材料構(gòu)成。
9、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用壓電薄膜體聲波器件的抗體檢測生物芯片， 其特征在于所述上電極和下電極的厚度為IO—IOOO納米。
10、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的利用壓電薄膜體聲波器件的抗體檢測生物芯片， 其特征在于所述高聲阻抗、低聲阻抗每層厚度為四分之一波長，高、低聲阻抗 層依次按照交替直流濺射淀積在FBAR的硅片上，高、低聲阻抗層的層數(shù)為3 一7層。
全文摘要
本發(fā)明屬于基于壓電效應(yīng)的抗體檢測生物芯片，特別是涉及一種利用壓電薄膜體聲波器件的抗體檢測生物芯片；包括諧振器FBAR，在諧振器FBAR上設(shè)有上電極、下電極和布拉格反射層全反射膜，其特征在于所述諧振器FBAR上的上電極與下電極之間設(shè)有壓電薄膜，所述布拉格反射層全反射膜包括高聲阻抗和低聲阻抗，高聲阻抗由金屬M(fèi)o構(gòu)成，低聲阻抗由金屬Al構(gòu)成；所述FBAR的工作頻率在0.1-10GHz，Q值范圍100-2000；在上電極上鍍有金屬層，該金屬層上附著有蛋白和抗體組織；本發(fā)明能夠測量抗體組織與抗體對(duì)應(yīng)的抗原的諧振頻率偏移參數(shù)，從而獲得具體的抗原含量；這種傳感器可以集成到芯片中，并且能夠?qū)崿F(xiàn)微量抗體物質(zhì)的傳感，從而為解決在體液環(huán)境下的生物極微量物質(zhì)的測量創(chuàng)造了有利條件。
文檔編號(hào)G01N33/53GK101246162SQ200810060159
公開日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2008年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月12日
發(fā)明者侃 李, 王德苗, 程維維, 董樹榮, 趙士恒, 雁 韓 申請(qǐng)人:浙江大學(xué)