專利名稱：紫外線曝光成型硅基生物傳感器的設(shè)計(jì)與制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器設(shè)備及其制作方法。具體來(lái)說，本發(fā)明涉及一種基于可大量滲透氣體分子但不滲透非氣態(tài)分子和離子的紫外線曝光成型硅基生物傳感器的設(shè)計(jì)與制備方法。
背景技術(shù)：
有機(jī)硅，即有機(jī)硅化合物，是指含有S1-O鍵、且至少有一個(gè)有機(jī)基是直接與硅原子相連的化合物，習(xí)慣上也常把那些通過氧、硫、氮等使有機(jī)基與硅原子相連接的化合物也當(dāng)作有機(jī)硅化合物。其中，以硅氧鍵(-S1-O-S1-)為骨架組成的聚硅氧烷，是有機(jī)硅化合物中為數(shù)最多，研究最深、應(yīng)用最廣的一類，約占總用量的90%以上。目前已有許多以有機(jī)硅為材料的微加工薄膜，可大量滲透氣體分子，但不滲透非氣態(tài)分子和離子。然而成功應(yīng)用的硅材料卻不能直接進(jìn)行光成型。因此使用間接的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)光在表面特定位置的定型。共聚物本身不是一個(gè)光活性物質(zhì)，但這種間接的方法可以使共聚物光成型。然而盡管得到的共聚物膜表現(xiàn)出代謝物(如葡萄糖)運(yùn)輸衰減的特性，且可自由地滲透氧氣，但是制造過程仍是復(fù)雜的，會(huì)降低產(chǎn)量，提高成品的成本。根據(jù)上述情況，有必要利用一種簡(jiǎn)單且可靠的制造工序來(lái)制作傳感裝置，用簡(jiǎn)單的步驟來(lái)制備可滲透氣體但不滲透離子和代謝產(chǎn)物的膜。

發(fā)明內(nèi)容
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本發(fā)明闡述了光成型硅傳感器膜及其制造方法。本發(fā)明的目的之一是提供一種可滲透氣體但不滲透非氣態(tài)分子和離子的膜，該膜由光成型有機(jī)硅聚合物膜組成。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種可滲透氣體但不滲透非氣態(tài)分子和離子的膜，該膜由基于倍半硅氧烷聚合物的光成型膜組成。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供可滲透氣體但不滲透非氣態(tài)分子和離子的光成型膜的制作方法，包括:用有機(jī)硅聚合物形成一層表面，應(yīng)用紫外線(UV)輻射照射該層的至少一部份，使聚合物在表面形成黏附膜，然后將黏附層暴露到顯影機(jī)中，選擇性地去除未暴露的聚合物，使黏附膜不受干擾。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供可滲透氣體但不滲透非氣態(tài)分子和離子的光成型膜的制作方法，包括:用倍半硅氧烷聚合物形成一層表面，應(yīng)用紫外線(UV)輻射照射該層的至少一部份，使聚合物在表面形成黏附膜，然后將黏附層暴露到顯影機(jī)中，選擇性地去除未暴露的聚合物，即光刻工藝。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供可滲透氣體但不滲透非氣態(tài)分子和離子的光成型膜的制作方法，包括:在表面微噴一層定量的有機(jī)硅聚合物，應(yīng)用紫外線(UV)輻射照射該層，使聚合物在表面形成黏附膜。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供可滲透氣體但不滲透非氣態(tài)分子和離子的光成型膜的制作方法，包括:在表面微噴一層定量的倍半硅氧烷聚合物，應(yīng)用紫外線(UV)輻射照射該層，使聚合物在表面形成黏附膜。本發(fā)明的目的之一是提供一種傳感裝置，包括:可滲透氣體但不滲透非氣態(tài)分子和離子的光固化娃膜。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種傳感裝置，包括:感應(yīng)表面，覆蓋感應(yīng)表面的基質(zhì)，以及覆蓋至少基質(zhì)一部分的光成型膜，該光成型膜由光不穩(wěn)定的有機(jī)硅聚合物組成，可大量滲透氣體分子但不滲透非氣態(tài)分子和離子。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種參考電極，包括:銀-氯化銀感應(yīng)表面，覆蓋感應(yīng)表面的含有氯離子的基質(zhì)，以及至少覆蓋基質(zhì)一部分的光成型硅膜，該硅膜可滲透水蒸氣但不滲透離子，且必須帶有至少一個(gè)光闌允許氯離子交換。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種氧氣傳感裝置，包括:惰性金屬表面，覆蓋感應(yīng)表面的基質(zhì)，以及至少覆蓋基質(zhì)一部分的光成型硅膜，該硅膜可滲透氧分子但不滲透非氣態(tài)分子和離子。本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種二氧化碳傳感裝置，包括:pH值感應(yīng)表面，覆蓋感應(yīng)表面的含有碳酸酐酶與氫醌的基質(zhì)，以及覆蓋基質(zhì)的光成型微噴硅膜，其中該膜可滲透二氧化碳分子，但不滲透非氣態(tài)分子和離子。特別地，本文還闡述了可滲透氣體分子但不滲透非氣態(tài)分子和離子的光成型硅膜傳感裝置及其制作方法。根據(jù)本發(fā)明典型實(shí)施方案的第一個(gè)方面，一個(gè)傳感裝置包括感應(yīng)表面和覆蓋傳感表面的基質(zhì)。傳感裝置還包括覆蓋至少基質(zhì)一部分的光成型膜。該光成型膜由可滲透氣體分子但不滲透非氣態(tài)分子和離子的直接光成型的有機(jī)硅聚合物組成。根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè) 方面，有機(jī)硅聚合物可由倍半硅氧烷聚合物組成。另外有機(jī)硅聚合物還可由3 -取代倍半硅氧烷聚合物組成，或由氧化硅倍半氧烷聚合物或類似物組成。將其暴露在光中可取代綁定的成分，形成光成型膜。例如，光可由一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)在200-400nm范圍的光組成。有機(jī)硅聚合物可通過光引發(fā)劑作用進(jìn)行交聯(lián)。該光成型膜可大幅度或完全將基質(zhì)封閉。也可通過將基質(zhì)置于大致固定的幾何關(guān)系來(lái)對(duì)該光成型膜進(jìn)行定型。此外，也可通過將基質(zhì)和傳感表面置于大致固定的幾何關(guān)系來(lái)對(duì)該光成型膜進(jìn)行定型。根據(jù)本發(fā)明的第一個(gè)方面，配置傳感設(shè)備可用于檢測(cè)氧氣、二氧化碳或水蒸氣。配置傳感裝置可用于檢測(cè)血糖、乳酸、肌酐、抗壞血酸、尿酸和/或膽紅素。配置傳感裝置可用于檢測(cè)氯、鉀、鈉、鈣、質(zhì)子和氫氧根組成的離子。傳感表面具有多種選擇，包括金屬電極、非金屬電極和光學(xué)波導(dǎo)。此外，傳感表面還可由鉬金、黃金、銥、銀、鹵化銀、氯化銀和碳等組成。傳感表面根據(jù)電位法或安培法進(jìn)行編制?；|(zhì)可由聚乙烯醇、光成型的聚乙烯醇、明膠、光成型明膠和硝酸纖維組成，包括生物活性分子。例如，基質(zhì)可由葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、膽紅素氧化酶、抗壞血酸氧化酶、碳酸酐酶、肌氨酸氧化酶、肌酸酶和肌酸酐酶等組成的生物活性分子形成，還可包括氧化還原物。此外，該基質(zhì)可由氫醌、二茂鐵、亞鐵和鐵氰化鉀組成的氧化還原物組成，還可包括離子物質(zhì)。根據(jù)第一個(gè)方面的另一個(gè)典型方案，基質(zhì)還可包括氯離子。根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，參考電極包括銀-氯化銀感應(yīng)表面以及覆蓋感應(yīng)表面的含有氯離子的基質(zhì)。該參考電極至少覆蓋基質(zhì)一部分的直接光成型的硅膜。該硅膜由有機(jī)硅聚合物組成，可滲透水蒸氣但不滲透離子，且必須帶有至少一個(gè)允許氯離子交換的光闌。根據(jù)本發(fā)明的第二個(gè)方面，有機(jī)硅聚合物可由倍半硅氧烷聚合物組成。另外，有機(jī)硅聚合物可由3 -取代倍半硅氧烷聚合物，或由氧化硅倍半氧烷聚合物或類似物組成。將其暴露在光中可取代綁定的成分，形成光成型膜。例如，光可由一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)在200-400nm范圍的光組成。有機(jī)硅聚合物可通過光引發(fā)劑作用進(jìn)行交聯(lián)。該光成型膜可大幅度或完全將基質(zhì)封閉。也可通過將基質(zhì)置于大致固定的幾何關(guān)系來(lái)對(duì)該光成型膜進(jìn)行定型。此外，也可通過將基質(zhì)和傳感表面置于大致固定的幾何關(guān)系來(lái)對(duì)該光成型膜進(jìn)行定型。根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，氧氣傳感裝置包括惰性金屬表面以及覆蓋感應(yīng)表面的基質(zhì)。氧氣傳感裝置還包括至少覆蓋基質(zhì)一部分的光成型硅膜，該硅膜由有機(jī)硅聚合物組成，可滲透氧氣分子，但不滲透非氣態(tài)分子和離子。根據(jù)本發(fā)明的第三個(gè)方面，有機(jī)硅聚合物可由倍半硅氧烷聚合物組成。另外，有機(jī)硅聚合物可由3 -取代倍半硅氧烷聚合物，或由氧化硅倍半氧烷聚合物或類似物組成。將其暴露在光中可取代綁定的成分，形成光成型膜。例如，光可由一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)在200-400nm范圍的光組成。有機(jī)硅聚合物可通過光引發(fā)劑作用進(jìn)行交聯(lián)。該光成型膜可大幅度或完全將基質(zhì)封閉。也可通過將基質(zhì)置于大致固定的幾何關(guān)系來(lái)對(duì)該光成型膜進(jìn)行定型。此外，也可通過將基質(zhì)和傳感表面置于大致固定的幾何關(guān)系來(lái)對(duì)該光成型膜進(jìn)行定型。根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)方面，二氧化碳感應(yīng)裝置包括一個(gè)感應(yīng)表面。二氧化碳感應(yīng)裝置還包括覆蓋至少感應(yīng)表面一部分的含有碳酸酐酶與氫醌的基質(zhì)，以及覆蓋基質(zhì)的光成型硅膜，該硅膜由有機(jī)硅聚合物組成，可滲透二氧化碳分子但不滲透非氣態(tài)分子和離子。根據(jù)本發(fā)明的第四個(gè)方面，有機(jī)硅聚合物可由倍半硅氧烷聚合物組成。另外，有機(jī)硅聚合物可由3 -取代倍半硅氧烷聚合物，或由氧化硅倍半氧烷聚合物或類似物組成。將其暴露在光中可取代綁定的成分，形成光成型膜。例如，光可由一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)在200-400nm范圍的光組成。有機(jī)硅聚合物可通過光引發(fā)劑作用進(jìn)行交聯(lián)。該光成型膜可大幅度或完全將基質(zhì)封閉。也可通過將基質(zhì)置于大致固定的幾何關(guān)系來(lái)對(duì)該光成型膜進(jìn)行定型。此外，也可通過將基質(zhì)和 傳感表面置于大致固定的幾何關(guān)系來(lái)對(duì)該光成型膜進(jìn)行定型。根據(jù)本發(fā)明的第五個(gè)方面，光成型透氣膜不可滲透非氣態(tài)分子和離子，包括有機(jī)硅聚合物，將其暴露在光中可取代綁定的成分，形成光成型膜。根據(jù)本發(fā)明的第五個(gè)方面，光可由一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)在200_400nm范圍的光組成。該膜可與基質(zhì)層接觸。該膜可大幅度或完全將基質(zhì)封閉，也可通過將基質(zhì)置于大致固定的幾何關(guān)系來(lái)對(duì)該光成型膜進(jìn)行定型。有機(jī)硅聚合物可由倍半硅氧烷聚合物組成。另外，有機(jī)硅聚合物可由3 -取代倍半硅氧烷聚合物組成，或由氧化硅倍半氧烷聚合物或類似物組成。根據(jù)本發(fā)明的第六個(gè)方面，光成型透氣膜不能滲透非氣態(tài)分子和離子，由倍半硅氧烷聚合物組成，通過光線直接照射制成。根據(jù)本發(fā)明的第六個(gè)方面，光可由一個(gè)或多個(gè)波長(zhǎng)在200_400nm范圍的光組成。該膜可與基質(zhì)層接觸。該膜可大幅度或完全將基質(zhì)封閉，也可通過將基質(zhì)置于大致固定的幾何關(guān)系來(lái)對(duì)該光成型膜進(jìn)行定型。根據(jù)本發(fā)明的第七個(gè)方面，制備透氣但不透非氣態(tài)分子和離子的光成型膜的步驟包括:a)用帶有綁定活性成分的有機(jī)硅聚合物形成一層表面；b)用紫外線(UV)輻射照射該層的至少一部份，以去除活性成分，使有機(jī)硅聚合物在表面形成黏附膜；c)將黏附層暴露到顯影機(jī)中，選擇性地去除未暴露于紫外線的有機(jī)硅聚合物。根據(jù)本發(fā)明的第七個(gè)方面，有機(jī)硅聚合物可由倍半硅氧烷聚合物組成。另外，有機(jī)硅聚合物可由個(gè)3 -取代倍半硅氧烷聚合物組成，或由氧化硅倍半氧烷聚合物或類似物組成。根據(jù)本發(fā)明的第八個(gè)方面，制備透氣但不透非氣態(tài)分子和離子的光成型膜的步驟包括:a)用倍半硅氧烷聚合物形成一層表面；b)用紫外線(UV)輻射照射該層的至少一部份，以去除活性成分，使倍半硅氧烷聚合物在表面形成黏附膜；c)將黏附層暴露到顯影機(jī)中，選擇性地去除未暴露于紫外線的倍半硅氧烷聚合物。根據(jù)本發(fā)明的第九個(gè)方面，制備透氣但不透非氣態(tài)分子和離子的光成型膜的步驟包括:a)在表面微噴一層定量的有機(jī)硅聚合物；b)用紫外線(UV)輻射照射該層，以去除活性成分，使有機(jī)硅聚合物在表面形成黏附膜。根據(jù)本發(fā)明的第十個(gè)方面，制備透氣但不透非氣態(tài)分子和離子的光成型膜的步驟包括:a)在表面微噴一層定量的倍半硅氧烷聚合物；b)用紫外線(UV)輻射照射該層，使倍半硅氧烷聚合物在表面形成黏附膜。根據(jù)本發(fā)明的第十一個(gè)方面，制備覆蓋表面的成型層的方法包括如下步驟:a)用可產(chǎn)生活性基團(tuán)的有機(jī)硅聚合物同質(zhì)混合物和有效量的光引發(fā)劑形成一層表面；b)將該層選定的區(qū)域暴露在紫外線下，使其足以對(duì)該層的外露區(qū)域進(jìn)行聚合；c)去除該層表面未曝光的部分，以制備覆蓋表面的成型層。本發(fā)明有益效果:成功的利用一種簡(jiǎn)單且可靠的制造工序來(lái)制作傳感裝置，用簡(jiǎn)單的步驟來(lái)制備可滲透氣體但不滲透離子和代謝產(chǎn)物的膜。


圖1 (a)和I (b)分別描繪了傳統(tǒng)和本發(fā)明的傳感芯片將其納入?yún)⒖紓鞲衅?。圖1 (C)和I (d)分別描繪了部分傳統(tǒng)和本發(fā)明的設(shè)備參考傳感器的縱向視圖。圖2 (a)和2 (b)分別描繪了傳統(tǒng)和本發(fā)明參考傳感器膜的制作流程的詳細(xì)圖解。圖3說明了改良的參考傳感器接界電勢(shì)與KCl鹽橋的函數(shù)關(guān)系。圖4分別描繪了用貝克曼CX7分析儀衡量時(shí)，根據(jù)本發(fā)明工藝和傳統(tǒng)工藝制備的葡萄糖傳感器的線性響應(yīng)。圖5分別描繪了用ABL的血?dú)夥治鰞x衡量時(shí)，根據(jù)本發(fā)明工藝和傳統(tǒng)工藝制備的氧氣傳感器的線性響應(yīng)。圖6分別描繪了用設(shè)定的乳酸質(zhì)量濃度衡量的根據(jù)本發(fā)明工藝和傳統(tǒng)工藝制備的乳酸傳感器的線性響應(yīng)。
具體實(shí)施例方式本發(fā)明的實(shí)施方案旨在闡述可大量滲透氣體分子但不滲透非氣態(tài)分子和離子的光成型硅膠膜的傳感裝置及其制作方法。具體地說本發(fā)明涉及具有用于樣品中的各種分子濃度檢測(cè)的光固化有機(jī)硅膜傳感裝置。該裝置可用作實(shí)驗(yàn)室自動(dòng)分析儀傳感器和一次性使用測(cè)試盒進(jìn)行實(shí)時(shí)或接近實(shí)時(shí)的分析物檢測(cè)。
根據(jù)典型實(shí)施方案，本發(fā)明涉及到分析物傳感器，以確定液體樣品中分析物的含量，其中包括，如血液等中的分析物，如葡萄糖、乳酸、肌酐、氧分壓、二氧化碳分壓等等。本發(fā)明的典型實(shí)施方案也可用作與上述分析物傳感器相關(guān)的銀-氯化銀和其他類似電化學(xué)耦聯(lián)的參考傳感器，提供測(cè)量分析物傳感器電勢(shì)的半電池電勢(shì)。這些參考傳感器也可用于進(jìn)行安培測(cè)量。傳統(tǒng)的透氣材料不能直接進(jìn)行光成型，但這些材料已發(fā)現(xiàn)用于傳感器的制作，如包括，二巰丙磺和聚碳酸酯的嵌段共聚物。例如將6%的固體溶于二氯甲烷和氯苯溶劑中制備共聚物。為了制成這種聚物層，將光成型材料涂層(如重鉻酸鹽明膠或用聚乙烯醇處理的有機(jī)吡啶鹽，可選擇性地與牛血清白蛋白融合以助于形成聚乙烯醇黏附底層)涂于聚合物膜層之上。此第二層涂層成型后采用光刻工藝形成保護(hù)層帽，然后用濕蝕工藝將共聚物從未保護(hù)區(qū)剝離。用該種方法制備的硅氧烷共聚物具有良好的透氣性和機(jī)械性能(如靈活性)，也不滲透非氣態(tài)分子和離子。避免此類透氣膜的間接成型以及具備制作直接光成型的膜材料都是非常必要的。由于微加工傳感器可通過簡(jiǎn)化的制造工藝制備，且具有更好的可靠性，能降低成本，改進(jìn)和微結(jié)構(gòu)尺寸的保真度，因此生產(chǎn)這種微加工傳感器具有很強(qiáng)的優(yōu)勢(shì)。根據(jù)本發(fā)明典型實(shí)施方案制備的光成型透氣膜，其重要性能主要是微加工適用性。最好的該材料具有水蒸汽、氧氣、二氧化碳之類的高滲透性，但不滲透中性分子(如大于120道爾頓分子量的分子)和離子(如通常以水合形式存在的物質(zhì)，如[X，H20(n)]-)。根據(jù)典型實(shí)施方案，膜具有足夠的彈性，允許其與其他任何層接觸后的再水化膨脹，如底部的凝膠基質(zhì)層。這種情況下發(fā)生的膨脹，最好不引起膜開裂或變形。制造過程還需要 適用于微加工的簡(jiǎn)化性和健壯性，如包括黏附于表面之上或之下的粘合劑，以及厚度和尺寸特征均勻的成型層，通常厚度從0.1-10微米，寬度為大于等于20微米。由此產(chǎn)生的光成型膜還需具有圖案完整性，使圖案適合下一步的工藝，如硅片切割(在不分層的情況下)等等。當(dāng)材料被旋涂到平面(如硅晶片)上時(shí)，光成型混合材料還需具有最小的徑向厚度變化。如果將透氣膜用于微加工傳感器使用，該膜還需具備以下屬性，包括但不限于:
1.)該膜不可污染制模設(shè)備)該膜在室溫下應(yīng)具有穩(wěn)定性，盡管該膜在合適時(shí)間具有這種穩(wěn)定性，但需確保其穩(wěn)定期可達(dá)幾個(gè)星期；ii1.)在指定的存儲(chǔ)條件下，盡管該存儲(chǔ)情況可長(zhǎng)達(dá)任何適當(dāng)時(shí)間，該膜保質(zhì)期需長(zhǎng)達(dá)數(shù)個(gè)月。該膜還應(yīng)當(dāng)具備合適的傳感器行為，如包括，原始信號(hào)可在分析物報(bào)告的整個(gè)或接近整個(gè)或大范圍內(nèi)大幅度地線性地隨著感應(yīng)到的分析物濃度的增加而增強(qiáng)。該膜應(yīng)具有良好的辨別性能，允許大量氣體分子的自由通過，同時(shí)大幅阻斷非氣態(tài)分子和離子通道。本發(fā)明的此類優(yōu)良特性可在光成型材料混合物和由此產(chǎn)生的預(yù)期形成光固化電解質(zhì)涂層的以鈍化電子設(shè)備以及提供電路板、光學(xué)元件、擋風(fēng)玻璃、電腦屏幕及類似的防刮涂層的光成型膜中得以實(shí)現(xiàn)。這種混合物如紫外光固化聚硅氧烷，在本發(fā)明出現(xiàn)以前沒有進(jìn)行光刻工藝成型處理。此外，這種常規(guī)應(yīng)用光固化聚硅氧烷的成功并沒有考慮或要求上述需要的重要感應(yīng)應(yīng)用領(lǐng)域的特性，包括透氣性、水基有機(jī)聚合物基質(zhì)附著性、低溫加工特性，等等。本研究首次考慮到用于微加工傳感器制造的光刻工藝混合物和材料的適用性。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)高分子材料具有(RSi03 / 2)和(R’Si03 / 2)y的倍半形式，其中R由一個(gè)有機(jī)基團(tuán)組成(如燒基、稀基、燒氧基和鏈稀氧基)，和R’由一個(gè)有機(jī)基團(tuán)或氫!原子組成，適用于本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用。這種混合物和材料包括道康寧WL- 7154樹脂(CAS號(hào)609768-46-9)，是一種溶于丙二醇甲醚醋酸酯的聚硅氧烷溶液(PGMEA，CAS號(hào)108_65_6)，在三甲苯中約有30%的固體。該聚硅氧烷可以是羥基終止的3-(甲基丙烯酰氧基)苯丙基倍半硅氧烷。這種聚硅氧烷溶液與光引發(fā)劑如苯基雙(2，4，6-三甲基苯甲酰)氧化膦(CAS號(hào)162881-26-7)混合，以形成樹脂。當(dāng)暴露在紫外線下時(shí)(如在200-400納米的波長(zhǎng)范圍內(nèi))，聚硅氧烷的甲基丙烯酰氧基團(tuán)通過光引發(fā)劑作用進(jìn)行交聯(lián)。也可使用另一種道康寧樹脂WL- 5351，由此產(chǎn)生的光成型膜具有良好的透氣性和彈性。根據(jù)本發(fā)明的典型實(shí)施方案，參考傳感器通過微加工步驟完成，但不包括上述描述的用保護(hù)蓋12 (如圖1 (a)所示)將非光成型硅酮-非硅酮共聚物11 (如圖1 (a)所示)剝離下來(lái)。如圖1 (a)、l (b)、l (c)和I (d)所示，微加工步驟如下:a)硅晶片(I)熱氧化在晶片表面形成二氧化硅絕緣層(2) ;b)將鈦鎢合金(3)噴射到表面，再噴上一層銀(4)。該領(lǐng)域技術(shù)人員知道，可使用傳統(tǒng)的光刻工藝制作金屬形成所需的電極(5)、導(dǎo)電線(6)和電接觸墊(7)，如圖1 (a)所示和圖1 (c)的縱向視圖(14)所示。接著，光成型聚酰亞胺被旋離下來(lái)，落到晶片上成型，形成覆蓋導(dǎo)電線的鈍化層(8)。經(jīng)過銀電極的氯化(9)，光成型重鉻酸鹽明膠層剝離下來(lái)，落到晶片上成型，形成覆蓋銀-氯化銀電極及周邊區(qū)域的電解質(zhì)基質(zhì)層(10)。在圖1 (a)和I (b)中，娃晶片I的整體尺寸約為3mm乘以5mm。此外，圖1
(c)和I(d)所示的縱向視圖指出了不同層之間的關(guān)系，而不是指出其等級(jí)。據(jù)悉，電極可用諸如鉬、金、銥、其他銀齒化物、碳之類進(jìn)行微加工，這種制作方式在該領(lǐng)域很常見。除了金屬·和非金屬電極外，感應(yīng)表面還可包括，如平面光波導(dǎo)、消逝波傳感器、聲表面波傳感器等。這類裝置在該領(lǐng)域是眾所周知的，適用于上述的基質(zhì)和膜制作流程。根據(jù)本發(fā)明典型實(shí)施方案的改進(jìn)流程，上述描述的晶片制造可用上述的道康寧樹脂WL- 7154 (CAS號(hào)609768-46-9)進(jìn)行旋涂，每晶片使用約3 _5mL樹脂，在材料表面旋涂10秒鐘，轉(zhuǎn)速為900 RPM。緊接這一步驟，用2000 RPM的高轉(zhuǎn)速旋涂40秒，直到膜厚度達(dá)到1.85微米。接著，在軟烤箱中100°C預(yù)暴露約60秒，使溫度逐漸下降，以提高附著力，防止由于脫氣劑的誘捕形成的膠片空隙。接下來(lái)用光罩進(jìn)行約1000 mj/cm2的寬帶頻譜U曝光。接著100°C烘烤約60秒，室溫固化至少30分鐘。用三甲苯噴頭沿著晶片噴涂約15秒，以500 RPM的轉(zhuǎn)速用異丙醇沖洗約10秒，然后以3500 RPM的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)旋干約20秒。這些步驟結(jié)束后，產(chǎn)生770微米乘以930微米的約1.85微米厚的長(zhǎng)方形膜，其平面圖如圖1 (b)所示，縱向視圖(15)如圖1
(d)所示。如圖1 (b)所示，成型的膜13可與底層基質(zhì)、電極和其他表面特征形成固定的幾何關(guān)系，通過光掩模對(duì)準(zhǔn)和曝光來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。據(jù)悉，這一過程可選擇性地包括約2-4%的溶于丙二醇甲醚醋酸酯(PGMEA)的甲基丙烯酰氧丙基三甲氧基硅烷(CAS號(hào)4369-14-6)(PGMEA)黏附底漆涂層。這種底漆可提高產(chǎn)生膜在表面上的附著力。根據(jù)典型實(shí)施方案，這種使用方法不是必需的，只是簡(jiǎn)化了流程，減少晶片暴露于其他化學(xué)品。本工藝比傳統(tǒng)工藝更簡(jiǎn)單。更重要的是樹脂材料的圖案出奇地漂亮，如圖2所示傳統(tǒng)工藝(圖2 (a))與本發(fā)明工藝(圖2 (b))的比較。圖2 (b)表明，本發(fā)明工藝在邊緣的圖案控制方面有明顯的改善，因?yàn)楸景l(fā)明典型實(shí)施方案與傳統(tǒng)工藝17相比，可提供較銳利、較干凈的邊緣16。由于蝕刻過程的削弱趨勢(shì)，傳統(tǒng)工藝形成的橫向尺寸變化較大。由于傳感設(shè)備的性能取決于從膜邊緣到電極的路徑長(zhǎng)度一致，更干凈、更明確的邊緣可減少同塊晶片上傳感器之間、連續(xù)加工的晶片之間以及各批次晶片之間的差異。這種改良對(duì)設(shè)備來(lái)說非常重要，傳感器的生產(chǎn)是數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的，可用于一次性分析設(shè)備的使用。本發(fā)明典型實(shí)施方案的發(fā)明流程有許多理想的特性。例如，膜層在軌道烘烤后具有最小的粘性，沒有發(fā)現(xiàn)受污染的設(shè)備，在下游過程如晶圓切割和傳感器封裝中也沒有發(fā)現(xiàn)受損的膠片。最重要的是，可對(duì)材料進(jìn)行統(tǒng)制以控制幾百個(gè)感應(yīng)器晶片的徑向尺寸以及晶片與晶片之間的尺寸，使其厚度在0.1微米之內(nèi)?？刂茖?shí)驗(yàn)表明，如果制成的膜材料可以完全或幾乎完全包圍住底層基質(zhì)層，第二個(gè)外部測(cè)試參照電極結(jié)構(gòu)與離子水溶液設(shè)備沒有發(fā)生電接觸(即電極為開路的)。這種測(cè)試證明，成型的膜材料不利于離子傳導(dǎo)，或者更具體地說，離子擴(kuò)散速度太慢，以致在測(cè)試時(shí)間內(nèi)，無(wú)法測(cè)量離子擴(kuò)散，無(wú)法將形成的鹽橋開口圍起來(lái)。如果第二個(gè)電極的結(jié)構(gòu)按圖1的晶片進(jìn)行制作，并通過膜封閉，那么當(dāng)膜與水溶液接觸時(shí)，在這兩個(gè)電極間可建立電接觸。在這里前面干燥保存的設(shè)備將隨著水蒸汽穿過膜而變得潮濕，從而溶化底層基質(zhì)的離子。對(duì)于厚度約1.85微米的膜，該濕化過程大約需要10-60秒鐘，濕化時(shí)間隨厚度而定。厚度在0.1-10微米范圍內(nèi)的膜具有理想的濕膜特性。這些實(shí)驗(yàn)證實(shí)，根據(jù)本發(fā)明典型實(shí)施方案加工的膜，具有相當(dāng)幅度的離子非滲透性和透氣性(如水蒸汽)。在操作過程中，參考傳感器向第二個(gè)傳感器電勢(shì)如鉀電極施加固定的或可預(yù)見的半電池電勢(shì)，該 電勢(shì)可被衡量。水蒸汽通過氣體滲透膜溶化含有氯離子的底層基質(zhì)。這些離子在銀-氯化銀電極上產(chǎn)生可預(yù)見的電勢(shì)。在透氣膜的周邊，底層基質(zhì)接觸校準(zhǔn)液形成液接(或鹽橋)，通過這個(gè)過程，離子流動(dòng)起來(lái)，建立與相鄰傳感器如鉀電極的電連續(xù)性。根據(jù)典型實(shí)施方案，分析周期包括:傳感器與校準(zhǔn)液接觸1-2分鐘，接著與血液樣品接觸I分鐘。注意，在該系統(tǒng)電化學(xué)測(cè)試時(shí)間范圍內(nèi)，參考傳感器基質(zhì)的離子濃度必須基本恒定，從而提供一個(gè)可靠的基準(zhǔn)電位。關(guān)于改進(jìn)參考傳感器的實(shí)際性能，預(yù)計(jì)需要比在地面更高的參考電位，通過降低液接電位來(lái)縮短陰離子的干擾程度。圖3為圖300，說明液接電勢(shì)305達(dá)到了最低電位310，約100 mV。通過增加成型后暴露于晶片的氯化鉀水溶液濃度可提高該電勢(shì)，因此，浸泡過程可向參考傳感器基質(zhì)層加入更多的氯化鉀鹽。因此，使用WL- 7154進(jìn)行改進(jìn)的透氣膜可提供可靠的半電池電勢(shì)用于電勢(shì)的測(cè)量。根據(jù)典型實(shí)施方案發(fā)明的透氣膜加工流程已應(yīng)用于葡萄糖傳感器的生產(chǎn)。不同的是銀金屬用鉬代替，且基質(zhì)為聚乙烯醇，也包含葡萄糖氧化酶。上述參考傳感器描述了 WL- 7154材料的沉積和成型。在這個(gè)例子中，支持葡萄糖酶氧化的氧氣通過透氣膜層的直接擴(kuò)散供應(yīng)到基質(zhì)，而葡萄糖只通過一個(gè)或多個(gè)透氣層的開口進(jìn)入到基質(zhì)中。該過程可確保傳感器的輸出與臨床糖尿病血液樣本中發(fā)現(xiàn)的血糖濃度范圍成線性關(guān)系。圖4為圖400，說明了用CX7分析儀的參考方法測(cè)量的新工藝405和傳統(tǒng)工藝410在10-680mg/dL范圍內(nèi)的理想的線性關(guān)系。發(fā)現(xiàn)這種新透氣流程也適用于測(cè)量如乳酸、肌酐等其他分析物的其他安培傳感器的制造。對(duì)于新的葡萄糖傳感器，控制實(shí)驗(yàn)表明，如果制成的膜材料可以完全或幾乎完全包圍住含有葡萄糖氧化酶的底層基質(zhì)層以及內(nèi)部參考電極，那么當(dāng)其與含有不同濃度葡萄糖的溶液接觸時(shí)，將檢測(cè)不到葡萄糖依賴信號(hào)。該測(cè)試證實(shí)，按照此方法加工的膜，基本上不滲透非氣態(tài)分子，如葡萄糖通過膜的葡萄糖擴(kuò)散率與氧氣和水蒸汽的擴(kuò)散速度相比是微不足道的。另外的實(shí)驗(yàn)表明，通過膜的乳酸、肌酐、肌酸、抗壞血酸、尿酸和膽紅素以及包括氯、鉀、鈉、鈣的離子、質(zhì)子和氫氧基的擴(kuò)散率也是不易察覺的。這一發(fā)現(xiàn)與本發(fā)明的透氣但不透非氣態(tài)分子和離子的膜特性一致。注意上述典型實(shí)施方案的葡萄糖氧化酶可替換為生物活性分子，這些分子在傳感器上具有其特異性。這些生物活性分子包括酶，如抗壞血酸氧化酶、乳酸氧化酶、膽紅素氧化酶、肌氨酸氧化酶、肌酸酶、肌酸酐酶、碳酸酐酶等等。根據(jù)典型實(shí)施方案改良的透氣膜生產(chǎn)流程已被應(yīng)用于氧氣(p02)、二氧化碳(PC02)和乳酸傳感器的制造。在硅片上制作氧傳感器與上述的葡萄糖傳感器過程類似，不同的是，鉬金屬被金電極芯片所取代，直徑約10微米，且聚乙烯醇基質(zhì)中不含酶，但可包括用于粘連的失活蛋白(如白蛋白)。WL- 7154材料的沉積及成型詳見上述參考傳感器。圖5為圖500，說明了用新材料加工的氧傳感器在22-324_ Hg p02范圍與傳統(tǒng)工藝510相比的線性響應(yīng)505。值得注意的是，樣品電流與校準(zhǔn)液電流的比值與p02成正比，可使用合適的線性方程將納安(nA)單位轉(zhuǎn)換為毫米汞柱(_ Hg)。圖6所示的圖600說明了利用本發(fā)明工藝605和傳統(tǒng)工藝610制作的乳酸感應(yīng)器也具有相似的結(jié)果。由圖可知，如圖6所示，根據(jù)典型實(shí)施方案，本發(fā)明工藝具有理想的線性關(guān)系。硅片上二氧化碳 傳感器的制作過程與上述氧傳感器相似，不同的是基質(zhì)中包括氫醌和碳酸酐酶。氫醌可建立氧化還原電位，根據(jù)溶解的二氧化碳、碳酸和碳酸氫根離子之間的平衡，是氫離子濃度的函數(shù)。碳酸酐酶充當(dāng)這個(gè)反應(yīng)的催化劑。注意也可使用替代成氫醌的氧化還原活性物質(zhì)，其中包括二茂鐵、取代二茂鐵以及三價(jià)鐵和二價(jià)鐵。PC02傳感器的WL- 7154材料沉積詳見上述參考傳感器。不過根據(jù)典型實(shí)施方案，二氧化碳傳感器的制作方法為，將約10 nL的膜材料直接微噴在基質(zhì)層上，干燥并形成包覆或幾乎包覆住基質(zhì)的膜層。過度暴露于紫外線輻射可進(jìn)行膜受光顯影和固定。這種做法避免了旋轉(zhuǎn)材料、面罩曝光和顯影步驟，即省卻了成型過程。當(dāng)透氣膜包圍或幾乎包圍整個(gè)基質(zhì)層，且參考電極置于膜下時(shí)，氧氣和二氧化碳傳感器運(yùn)作良好。這與聚合物膜可滲透如氧氣和二氧化碳等氣體分子的特性描述一致。根據(jù)另一個(gè)典型實(shí)施方案，傳感器為圓柱形設(shè)備，如光纖元件或電極絲等，該傳感器可用光成型共聚物進(jìn)行圖層，然后充分暴露在紫外線輻射下以制備氣體滲透膜。根據(jù)另一個(gè)典型實(shí)施方案，除了利用定型的光成型明膠和聚乙烯醇制備底層基質(zhì)，也可用微噴技術(shù)在表面噴上定量的材料，然后充分暴露在紫外線輻射下來(lái)制備這些基質(zhì)。另外，用微噴技術(shù)噴上如明膠、聚乙烯醇和硝化纖維的非光成型物質(zhì)，然后進(jìn)行干燥也可制備基質(zhì)。根據(jù)本發(fā)明典型實(shí)施方案制備的設(shè)備和方法適用于進(jìn)行代謝產(chǎn)物如葡萄糖和氧氣檢測(cè)和測(cè)量的微加工傳感器，也適用于參考傳感器，如基于銀-氯化銀等制備的傳感器。這類傳感器可用于進(jìn)行血液或液體樣品的測(cè)定，且適用于點(diǎn)護(hù)理診斷，包括事故現(xiàn)場(chǎng)、急診室、加護(hù)病房等，也可用于非醫(yī)療用途，例如環(huán)境測(cè)試等。本發(fā)明在不悖離其必要特點(diǎn)或思想的情況下，可用各種特定形式進(jìn)行實(shí)施。本發(fā)明典型方案的各方面都只是說明性的，不受任何形式的限制。不僅僅上述的描述，附加的注意事項(xiàng)對(duì)本發(fā)明的范圍進(jìn) 行了劃定。由此引申的意思和內(nèi)容的所有變更也包括在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.紫外線曝光成型硅基生物傳感器的設(shè)計(jì)與制備方法，其特征在于傳感裝置包括 傳感表面以及覆蓋表面的基質(zhì)以及覆蓋至少基質(zhì)一部分的光成型膜，其中光成型膜由直接光成型的有機(jī)硅聚合物組成；可滲透氣體分子，但不滲透非氣態(tài)分子和離子；其有機(jī)硅聚合物為倍半硅氧烷聚合物，還可以為3 -取代倍半硅氧烷聚合物，或者是氫化硅倍半氧烷聚合物； 傳感裝置，其綁定成分通過暴露于光中被取代并形成光成型膜；其光由波長(zhǎng)在200-400nm范圍內(nèi)的一個(gè)或多個(gè)光組成；其有機(jī)硅聚合物通過光引發(fā)劑作用進(jìn)行交聯(lián)；其光成型膜為完全封閉基質(zhì)；其通過將基質(zhì)和傳感表面置于大致固定的幾何關(guān)系來(lái)對(duì)該光成型膜進(jìn)行定型；其配置的傳感裝置可用于檢測(cè)氧氣、二氧化碳和水蒸氣；其配置的傳感裝置也可用于檢測(cè)葡萄糖、乳酸、肌酐、抗壞血酸、尿酸和膽紅素；其可選擇的離子基團(tuán)可為氯、鉀、鈉、鈣、質(zhì)子和氫氧根；其可選擇的感應(yīng)表面可為金屬電極、非金屬電極和光學(xué)波導(dǎo)；其可選擇的感應(yīng)表面可為鉬、金、銥、銀、鹵化銀、氯化銀和碳；其感應(yīng)表面適用于電勢(shì)法或安培法；其可選擇的基質(zhì)可為聚乙烯醇、光成型聚乙烯醇、明膠、光成型明膠和硝化纖維；其基質(zhì)包括具有生物活性的分子；其可選擇的具有生物活性分子的基質(zhì)可為葡萄糖氧化酶、乳酸氧化酶、膽紅素氧化酶、抗壞血酸氧化酶、碳酸酐酶、肌氨酸氧化酶、肌酸酶和肌酸酐酶；其基質(zhì)包括氧化還原物質(zhì)；其可選擇的包括氧化還原物質(zhì)的基質(zhì)可為帶有氫醌、二茂鐵、亞鐵和鐵氰化鉀基團(tuán)的氧化還原物；其基質(zhì)包括氯離子； 參考電極包括:銀-氯化銀感應(yīng)表面；覆蓋感應(yīng)面的含有氯離子的基質(zhì)；以及覆蓋至少基質(zhì)一部分的直接光成型膜，其中光成型膜由有機(jī)硅聚合物組成，可滲透水蒸汽，但不滲透離子，而且光成型膜還包括至少一個(gè)光闌以允許離子交換； 參考電極，其有機(jī)硅聚合物為倍半硅氧烷聚合物； 其綁定成分通過暴露于光中被取代并形成光成型膜； 其有機(jī)硅聚合物通過光引發(fā)劑作用進(jìn)行交聯(lián)； 其光成型膜完全封閉基質(zhì)； 其通過將基質(zhì)和傳感表面置于大致固定的幾何關(guān)系來(lái)對(duì)該光成型膜進(jìn)行定型； 制備透氣但不透非氣態(tài)分子和離子的光成型膜的步驟包括: a)用帶有綁定活性成分的有機(jī)硅聚合物形成一層表面； b)用紫外線(UV)輻射照射該層的至少一部分，以去除活性成分，使有機(jī)硅聚合物在表面形成黏附膜； c)將黏附層暴露到顯影機(jī)中，選擇性地去除未暴露于紫外線的有機(jī)硅聚合物；其中有機(jī)硅聚合物為倍半硅氧烷聚合物； 制備透氣但不透非氣態(tài)分子和離子的光成型膜的步驟包括: a)用帶有綁定活性成分的有機(jī)硅聚合物形成一層表面； b)用紫外線(UV)輻射照射該層的至少一部份，使倍半硅氧烷聚合物在表面形成黏附膜； c)將黏附層暴露到顯影機(jī)中，選擇性地去除未暴露于紫外線的倍半硅氧烷聚合物。
全文摘要
本發(fā)明涉及傳感器設(shè)備及其制作方法。具體來(lái)說，本發(fā)明涉及一種基于可大量滲透氣體分子但不滲透非氣態(tài)分子和離子的紫外線曝光成型硅基生物傳感器的設(shè)計(jì)與制備方法。本發(fā)明包括用有機(jī)硅聚合物/倍半硅氧烷聚合物形成一層表面，應(yīng)用紫外線(UV)輻射照射該層的至少一部份，使聚合物在表面形成黏附膜，然后將黏附層暴露到顯影機(jī)中，選擇性地去除未暴露的聚合物，使黏附膜不受干擾。本發(fā)明成功的利用一種簡(jiǎn)單且可靠的制造工序來(lái)制作傳感裝置，用簡(jiǎn)單的步驟來(lái)制備可滲透氣體但不滲透離子和代謝產(chǎn)物的膜。
文檔編號(hào)B01D67/00GK103226124SQ20131013584
公開日2013年7月31日 申請(qǐng)日期2013年4月18日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月18日
發(fā)明者徐云鵬, 燕春暉 申請(qǐng)人:徐云鵬