专利名称：聚二甲基硅氧烷表面应力微薄膜生物传感器制造方法
技术领域：
本技术涉及生物传感器制造领域，具体是一种聚二甲基硅氧烷表面应力微薄膜生物传感器制造方法。
背景技术：
基于表面应力的微型生物传感器是一种新型的生物传感器，因其在疾病诊断、生物传感材料研究、组织工程、表面修饰、植入式生物传感器及药物释放系统等方面有重要应用，近年来受到国内外的广泛关注。由于其是利用反应界面的自由能转换进行传感，因此不必对待测物进行标定，是一种简单易行的生物传感方法，通过不同的表面修饰即可实现对不同待测物精确检测，具有广阔的应用前景和巨大的社会经济效益。当前基于表面应力的微型生物传感器主要是微悬臂梁几何结构，通常采用传统的微纳加工工艺，研究表明利用此类传感器可以对多种生化反应进行检测。然而，基于表面应力的微悬臂梁生物传感器，也存在着以下三方面的不足。首先，在传感测试过程中，整个微悬臂梁需浸没在待测液体中，这在生化检测当中是非常普遍的情况，这样，由于微悬臂梁背面对待测液存在非选择性吸附，从而引入噪声，这是此类传感器的主要噪声来源，将会严重的降低传感器的信噪比。其次，基于微悬臂梁几何结构的材料多为硅及其氮化硅等刚性较强的材料，其杨氏模量(硅的杨氏模量为165Gpa，氮化硅的杨氏模量为310Gpa)很大，因此对于较微弱的表面应力存在灵敏度不高的问题。再次，微悬臂梁这种几何结构也不便于传感单元与信号读出系统的集成。随着生物微机电的发展，各种有机材料在微机电系统中得到越来越广泛的应用， 例如，常用的有机材料有聚甲基苯烯酸甲酯，聚二甲基硅氧烷等，这就为克服当前此类传感器的主要缺陷，制备出高灵敏度和精确度，便于微型化和集成化的表面应力生物传感器提供了重要基础。基于表面应力的有机微薄膜生物传感器相比传统此类传感器有以下主要优点。第一，在传感测试过程中只有选择性修饰表面与待测溶液接触，从而有效地克服了传统微悬臂梁表面应力生物传感器存在的双面吸附问题。第二，聚二甲基硅氧烷具有很好的生物相容性，适用于制备生物传感器，同时，其杨氏模量很小(约1. 2k-0. 5Gpa)并且可以经过不同的加工工艺按照所需进行调节。这就为微弱表面应力的检测提供了必要条件，对于提高此类传感器的检测灵敏度和精度有着至关重要的作用。第三，微薄膜式的几何结构有利于与信号采集、读出系统相集成从而为此类生物传感器的微型化、低成本、大批量的生产奠定了工艺基础。然而，在具体实施过程中，以聚二甲基硅氧烷微薄膜结构为核心敏感单元的生物传感器制备工艺，存在着许多挑战，例如，怎样获得具有较高灵敏度、质地均勻膜厚仅 Ιμπι的聚二甲基硅氧烷薄膜，如何实现微薄膜的无损释放，另外，聚二甲基硅氧烷为有机材料，其加工工艺对温度有很高的要求，不能在过高的温度下处理，与传统的微纳加工之间存在工艺相容性问题等，本发明通过新颖的结构和工艺设计成功克服了这些困难，以上即为本发明的主要构思。
发明内容
本发明旨在提供一种新型的基于表面应力的聚二甲基硅氧烷微薄膜生物传感器的加工方法，制备用于生化检测的表面应力生物传感器。以弥补传统基于表面应力生物传感器的不足。发明中有效的克服了聚二甲基硅氧烷处理工艺与传统的微纳加工工艺的相容性问题。一种聚二甲基硅氧烷表面应力微薄膜生物传感器制造方法，包括以下步骤(1)在
单晶硅原片两侧淀积氮化硅；(2)在上层氮化硅的表面旋涂约1 μ m厚的聚二甲基硅氧烷薄膜；(3)旋涂及曝光光刻胶；(4)蒸镀厚度为20nm，长X宽=390 μ mX 390 μ m的金薄膜；(5)剥离光刻胶；(6)在硅基片的背面旋涂、曝光光刻胶；(7)用反应离子刻蚀的方法刻蚀下层氮化硅；(8)氢氧化钾刻蚀硅；(9)用反应离子刻蚀的方法刻蚀上层氮化硅，释放长X宽=400 μ mX400 μ m的聚
二甲基硅氧烷微薄膜；(10)以熔融状态聚二甲基硅氧烷为粘结剂在聚二甲基硅氧烷薄膜表面键合玻璃微腔。所述的制造方法，所述步骤(1)包括以下步骤1)室温下，以Sylgard 184和己烷为原材料按照基液固化剂己烷= 10 1 3(体积比)的比例配置20ml原溶液；2)强力搅拌使原溶液混合均勻；3)将混合均勻的原溶液倒入玻璃器皿中抽真空15分钟以滤除气泡；得到旋涂液；4)使用旋涂机在上层氮化硅表面以6200rpm/13k的旋涂速率进行旋涂；5)涂覆后再用电热炉在150°C下加热15分钟，对形成的聚二甲基硅氧烷薄膜进行固化。所述的制造方法，所述的聚二甲基硅氧烷微薄膜，其表面金膜长宽为 390 μ mX 390 μ m，该尺寸比例能够提供最大的应力形变。本发明以Sylgard 184(Dow Corning公司产品)为制备聚二甲基硅氧烷微薄膜的原始材料，Sylgard 184包括两个部分，即基液与固化剂，采用己烷作为稀释剂，按照体积比(基液固化剂己烷=10 1 3)的比例，使用一步旋涂工艺6200rpm/13k，成功制备了质地均勻，厚度约1 μ m的聚二甲基硅氧烷微薄膜。本发明中采用一种室温下的键合技术，以熔融状态的聚二甲基硅氧烷为粘结剂， 用于玻璃微腔与聚二甲基硅氧烷薄膜之间的键合。综上所述，本发明采用新型的聚二甲基硅氧烷微薄膜结构，通过传统的表面加工及体微加工工艺，实现了基于表面应力的聚二甲基硅氧烷微薄膜生物传感器的加工及制备，克服了聚二甲基硅氧烷处理工艺与传统微纳加工的工艺相容性问题。制备了膜厚均勻， 质量优异的聚二甲基硅氧烷微薄膜，采用熔融状态的聚二甲基硅氧烷材料为粘结剂，实现了聚二甲基硅氧烷薄膜与玻璃的键合，键合强度达到了聚二甲基硅氧烷材质的强度，完全满足该类生物传感器的应用需要。采用本发明中的加工方法制备的表面应力生物传感器， 结构新颖实用，制备工艺简单，可以实现多种极微弱表面应力的检测，具有灵敏度、精确度高，噪声小，生物相容性好，操作简单，便于低成本、大批量生产等特点，具有广阔的应用前
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图1为本发明的生物传感器的结构原理图；图2为在W01]晶相的硅原片两侧淀积氮化硅；图3为在上层氮化硅表面旋涂聚二甲基硅氧烷薄膜；图4为旋涂并曝光光刻胶；图5为蒸镀金纳米薄膜；图6为剥离光刻胶；图7为在底层氮化硅表面旋涂并曝光光刻胶；图8为反应离子刻蚀底层氮化硅；图9为湿法刻蚀单晶硅；图10为反应离子刻蚀上层氮化硅释放微薄膜；图11为传感器实物剖面图。
具体实施例方式以下结合具体实施例，对本发明进行详细说明。(1)准备四英寸W01]单晶硅原片，厚度为525μπι，使用LPCVD法，将硅片置于氧化炉中并通入二氯二氢硅和氨气，二氯二氢硅的流量为20sCCm，氨气的流量为4kccm，反应温度为800°C，压强为20pa，淀积40分钟，即可在硅片表面沉积约SOnm厚的氮化硅薄膜， 同样的工艺，在该硅片的背面也沉积同样的氮化硅薄膜，如图2，上层氮化硅用作后续工艺过程中聚二甲基硅氧烷薄膜的保护层，下层氮化硅用作硅各向异性腐蚀的保护掩模。⑵以Sylgard 184(Sylgard 184包含一瓶基液和一瓶固化剂)、己烷为原材料，按照体积比基液固化剂己烷=10 1 3的比例配置20ml原溶液，用搅拌器混合均勻后放到玻璃器皿中抽真空15分钟以滤除气泡，以6200rpm/13k的旋涂速率使用 PhotoResist Spinner Model 5000-1旋涂机在上层氮化硅表面进行旋涂，可以得到性能优异，质地均勻的厚度约Iym的聚二甲基硅氧烷薄膜，如图3。涂覆后再用电热炉在150°C下加热15分钟，对形成的聚二甲基硅氧烷薄膜进行固化。(3)用旋涂机以4000rpm/min的速率在聚二甲基硅氧烷薄膜表面旋涂一层约1.8μπι厚的正性光刻胶AZ9260，在95°C的条件下固化十分钟，然后使用(Fischer ； A. 3. 19. 09)金掩模板为掩膜，利用EV6/2曝光设备进行选择性曝光，如图4，以便在聚二甲基硅氧烷薄膜表面蒸镀金层(金层长度X宽度=390 μ mX 390 μ m，见表1)。(4)使用(Edwards Auto 306)电子束蒸镀器，在聚二甲基硅氧烷薄膜表面沉积约 20nm厚的金层如图5。(5)将硅片放置于盛有丙酮溶液烧杯中，剥离聚二甲基硅氧烷表面剩余的光刻胶，
5并用去离子水清洗一分钟，室温下晾干，如图6。(6)在原片的背面以4000rpm/min的速率旋涂正性光刻胶(AZ1518)约1. 8 μ m厚， 并以(Fischer ；Α. 3. 19. 09)为掩模板利用EV 6/2曝光机进行曝光，形成需要刻蚀的图样模型，如图7。最后在105°C环境下固化30分钟。(7)用RIE-Oxford反应离子刻蚀机刻蚀掉下表面约80nm厚的氮化硅，如图8。(8)用浓度为25%的氢氧化钾溶液，在90°C环境下，湿法刻蚀硅衬底以形成梯形台镂空结构，如图9。在W01]晶相的刻蚀速率约为1.84 μ m/min，刻蚀完成后用去离子水
清洗约一分钟。(9)同于步骤七工艺过程，再次使用RIE-Oxford反应离子刻蚀机，刻蚀上层的氮化硅保护层，释放长X宽=400 μ mX400 μ m的聚二甲基硅氧烷薄膜，如图10，过程中必须
小心保护聚二甲基硅氧烷薄膜。(10)利用熔融状态的聚二甲基硅氧烷材料作为粘结剂110，在转移玻璃基片上旋涂熔融状态的聚二甲基硅氧烷薄膜，将要键合的玻璃微腔与熔融状态的聚二甲基硅氧烷粘结剂粘连110从而转移部分粘结剂到玻璃微腔边沿上，将粘有粘结剂的一侧放到聚二甲基硅氧烷薄膜上形成键合，已键合玻璃微腔的生物传感器，如图11所示。(11)划片、封装、测试本发明涉及生物传感器制造领域，具体是一种聚二甲基硅氧烷表面应力微薄膜生物传感器制造工艺，适应了生物传感测试的需要，有效克服了传统的基于微悬臂梁结构的表面应力生物传感器噪声大，灵敏度不高，不便于与信号读出系统集成等缺点，并能够实现微型化、低成本、批量化生产，可以很好的满足生物传感器制备领域的实际应用需要。使用方法和工作原理将含有待测生物细胞的溶液，滴加到该生物传感器活性薄膜微腔中，将不含待测生物细胞的同浓度溶液等量滴加到参照薄膜微腔中。由于生物细胞(如大肠杆菌)表面含有脂多糖，其富含-C00H，-OH, -H，= 0，等化学基团，能够与活性薄膜自组装的有机分子进行特异性结合从而产生较强的结合能，导致薄膜形变。而参照薄膜中没有待测生物细胞，其薄膜形变主要因为滴加溶液的重力、溶液与薄膜的非特异性结合能等导致的薄膜形变，可以作为系统噪声信号的测量，通过活性薄膜信号与参照薄膜信号差分即获得仅由于生物细胞表面应力导致的薄膜形变信号。当该细胞的健康状况出现变化(如细胞死亡)时，细胞膜表面的结构将产生一定的变化，使得其与传感器自组装分子层的应力产生相应的变化进而导致薄膜形变量的不同，利用白光干涉仪测试系统可以该对微小形变进行精确测量，实现对细胞状态的检测。表1微薄膜的结构尺寸
权利要求
1.一种聚二甲基硅氧烷表面应力微薄膜生物传感器制造方法，其特征在于，包括以下步骤(1)在W01]单晶硅原片两侧淀积氮化硅；(2)在上层氮化硅的表面旋涂约1μ m厚的聚二甲基硅氧烷薄膜；(3)旋涂及曝光光刻胶；(4)蒸镀厚度为20nm，长X宽=390μ mX 390 μ m的金薄膜；(5)剥离光刻胶；(6)在硅基片的背面旋涂、曝光光刻胶；(7)用反应离子刻蚀的方法刻蚀下层氮化硅；(8)氢氧化钾刻蚀硅；(9)用反应离子刻蚀的方法刻蚀上层氮化硅，释放长X宽=400μ mX400 μ m的聚二甲基硅氧烷微薄膜；(10)以熔融状态聚二甲基硅氧烷为粘结剂在聚二甲基硅氧烷薄膜表面键合玻璃微腔。
2.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述步骤(1)包括以下步骤1)室温下，以Sylgard184和己烷为原材料按照基液固化剂己烷=10 1 3(体积比)的比例配置20ml原溶液；2)强力搅拌使原溶液混合均勻；3)将混合均勻的原溶液倒入玻璃器皿中抽真空15分钟以滤除气泡；得到旋涂液；4)使用旋涂机在上层氮化硅表面以6200rpm/13k的旋涂速率进行旋涂；5)涂覆后再用电热炉在150°C下加热15分钟，对形成的聚二甲基硅氧烷薄膜进行固化。
3.根据权利要求1所述的制造方法，其特征在于，所述的聚二甲基硅氧烷微薄膜，其表面金膜长宽为390 μ mX 390 μ m，该尺寸比例能够提供最大的应力形变。
全文摘要
本发明公开了一种聚二甲基硅氧烷表面应力微薄膜生物传感器制造方法。以Sylgard 184，Dow Corning为制备聚二甲基硅氧烷微薄膜的原始材料，即基液与固化剂，采用己烷作为稀释剂，按照体积比基液∶固化剂∶己烷＝10∶1∶3的比例，使用一步旋涂工艺6200rpm/132s，成功制备了质地均匀，厚度约1μm的聚二甲基硅氧烷微薄膜作为传感器的传感层，表面蒸镀金膜便于对其进行功能化。本发明制备工艺简单，灵敏度高，能够实现微型化、低成本、批量生产。
文档编号B81C1/00GK102502478SQ20111034885
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月8日 优先权日2011年11月8日
发明者奉辉, 张文栋, 李朋伟, 桑胜波 申请人:太原理工大学