一种微悬臂谐振结构传感器及其制造方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微纳传感器领域，涉及一种微悬臂谐振结构传感器及其制造方法。
【背景技术】
[0002]随着国家与群众对公共安全、环境保护、食品安全、医疗健康等领域的日益关注，以及物联网技术和可穿戴设备的持续发展，生化传感器技术得到了空前的重视与研究。谐振式微悬臂谐振结构生化传感器由于具有灵敏度高、响应快、体积小、可阵列化、成本低等优点，在现场快速生化检测上具有良好的应用前景。
[0003]—般来说，谐振式微悬臂谐振结构传感器主要由微悬臂谐振结构、敏感材料和接口电路组成。其工作原理如下:在微悬臂谐振结构表面固定特异性敏感材料，当敏感材料对目标分子发生特异性吸附后，会引起悬臂谐振结构的质量增加，从而导致悬臂谐振结构的谐振频率下降。通过接口电路监测谐振频率下降的数值，并根据该传感器的设计质量检测灵敏度，便可以得到吸附的目标分子的质量。目前，微悬臂谐振结构的制作和敏感材料的固定是分立完成的，亦即，先完成微悬臂谐振结构的批量制备，然后再通过生物化学手段固定敏感材料，而且，固定敏感材料的步骤往往无法实现批量化。这两个制作步骤的不兼容增加了传感器的加工成本和时间成本，同时传感器的一致性也无法得到保证，这严重制约了谐振式微悬臂谐振结构传感器的商业化应用。另外，传统谐振式微悬臂谐振结构的制备一般使用SOI硅片采用双面加工的方式制造，成本较高，也对谐振式微悬臂谐振结构传感器的商业化不利。
【发明内容】
[0004]鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微悬臂谐振结构传感器及其制造方法，用于解决现有技术中微悬臂谐振结构的制作和敏感材料的固定是分立完成的，固定敏感材料的步骤无法实现批量化的问题。
[0005]为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种微悬臂谐振结构传感器的制造方法，包括如下步骤:
[0006]提供一衬底，所述衬底中形成有微悬臂结构；所述微悬臂结构包括形成于所述衬底中的空腔及位于所述空腔上方的微悬臂梁；所述微悬臂梁一端固定，另一端自由；所述微悬臂梁表面形成有亲水层；
[0007]在所述微悬臂梁的敏感区域表面形成一保护层；
[0008]在所述衬底表面形成疏水分子层；
[0009]去除所述保护层，露出其下的亲水层；在去除所述保护层的过程中，所述保护层表面的疏水分子层也被去除，其余部分的疏水分子层不受影响；
[0010]在所述衬底表面涂覆敏感材料，由于所述疏水分子层的存在，所述敏感材料集中于所述敏感区域。
[0011]可选地，所述衬底中形成有至少两个所述微悬臂结构；在敏感材料涂覆完毕后，通过划片得到分立的微悬臂谐振结构传感器。
[0012]可选地，所述疏水分子层为双疏分子层。
[0013]可选地，所述疏水分子层的材料包括C-H类硅烷化偶联剂及C-F类硅烷化偶联剂中的至少一种。
[0014]可选地，所述C-H类硅烷化偶联剂包括十八烷基三甲氧基硅烷；所述C-F类硅烷化偶联剂包括十七氟癸基三甲氧基硅烷。
[0015]可选地，通过化学气相沉积法或物理气相沉积法在所述衬底表面形成所述疏水分子层。
[0016]可选地，所述疏水分子层为单层或多层。
[0017]可选地，所述疏水分子层的厚度范围是I?20nm。
[0018]可选地，采用剥离工艺形成所述保护层。
[0019]可选地，所述保护层为Ti保护层。
[0020]可选地，采用双氧水溶液湿法去除所述Ti保护层。
[0021]可选地，所述敏感区域位于所述微悬臂梁的自由端。
[0022]可选地，在所述衬底表面涂覆敏感材料的方法包括浸渍提拉、旋涂或滴涂的至少一种。
[0023]可选地，采用包含所述敏感材料的分散液进行涂覆，所述分散液采用水或有机溶剂作为分散液。
[0024]可选地，所述空腔的厚度为10?200 μ m。
[0025]可选地，所述微悬臂梁两旁的缝隙宽度为3?20 μ m。
[0026]可选地，所述亲水层包括二氧化娃层。
[0027]可选地，所述微悬臂梁的固定端区域集成有用于电热激励的加热电阻以及用于压阻拾振的压敏惠斯通电桥。
[0028]可选地，所述微悬臂结构通过单面体微机械加工工艺制备。
[0029]可选地，通过如下方法在所述衬底中形成所述微悬臂结构:
[0030]提供硅片作为所述衬底，在所述硅片表面形成第一钝化层，并进行离子注入，在所述硅片表面得到加热电阻及压敏电阻；
[0031]在所述硅片中形成第一深度的凹槽，所述凹槽围成所述微悬臂梁的轮廓；
[0032]在所述凹槽侧壁形成第二钝化层；
[0033]刻蚀所述凹槽底部，将所述凹槽加深至第二深度；
[0034]湿法腐蚀所述硅片，形成所述空腔，释放得到所述微悬臂梁。
[0035]可选地，所述硅片为N型(111)晶面的单晶硅，所述微悬臂梁沿长度方向为〈211〉晶向的方向排布。
[0036]可选地，采用四甲基氢氧化铵溶液湿法腐蚀所述硅片，得到所述空腔。
[0037]可选地，所述压敏电阻的数量为4个，依次首尾相连形成压敏惠斯通电桥。
[0038]本发明还提供一种采用上述任意一种制造方法制造的微悬臂谐振结构传感器。
[0039]如上所述，本发明的微悬臂谐振结构传感器及其制造方法，具有以下有益效果:本发明通过疏水或双疏的分子层将器件表面封闭，仅悬臂谐振结构敏感区域露出下方的亲水表面，从而使敏感材料的水或有机溶剂等分散液易于通过浸渍提拉、旋涂或者滴涂的方法固定在悬臂谐振结构的该区域上，使敏感材料的固定实现批量化，进而提高在悬臂谐振结构上固定的敏感材料的一致性，同时也可以抑制在生化检测时在其余区域发生非特异性吸附引起的干扰信号；传感器的制备使用单晶硅片单面加工，制造成本低；激励与检测元件集成在微悬臂谐振结构上，利于传感器系统的小型化，也便于配套电路的片上集成。
【附图说明】
[0040]图1显示为本发明的微悬臂谐振结构传感器的制造方法的工艺流程图。
[0041]图2显示为在硅片表面形成第一钝化层，并进行离子注入得到加热电阻及压敏电阻的示意图。
[0042]图3显示为图2所示结构的俯视图。
[0043]图4显示为在所述硅片中形成第一深度的凹槽的示意图。
[0044]图5显示为图4所示结构的俯视图。
[0045]图6?图7显示为在所述凹槽侧壁形成第二钝化层的示意图。
[0046]图8显示为刻蚀所述凹槽底部，将所述凹槽加深至第二深度的示意图。
[0047]图9显示为湿法腐蚀所述硅片，形成所述空腔，释放得到所述微悬臂梁的示意图。
[0048]图10显示为在所述微悬臂梁的敏感区域表面形成一保护层的示意图。
[0049]图11显不为在所述衬底表面形成疏水分子层的不意图。
[0050]图12显示为去除所述保护层，露出其下的亲水层的示意图。
[0051]图13显示为在所述衬底表面涂覆敏感材料的示意图。
[0052]元件标号说明
[0053]SI ?S5 步骤
[0054]I硅片
[0055]2第一钝化层
[0056]3加热电阻
[0057]4压敏电阻
[0058]5引线孔
[0059]6凹槽
[0060]7 第二钝化层
[0061]8 空腔
[0062]9 微悬臂梁
[0063]10 保护层
[0064]11 引线
[0065]12 疏水分子层
[0066]13 敏感材料
【具体实施方式】
[0067]以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的【具体实施方式】加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。
[0068]请参阅图1至图