專利名稱：電磁生物傳感器裝置及其制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物傳感器。更具體地 ，本發(fā)明涉及一種電磁生物傳感器裝置及其制作方法。
背景技術(shù)：
在1998年，Baselt等人在美國(guó)專利US5，981，297中首次報(bào)道了利用標(biāo)記有生物分子的磁顆粒和巨磁阻(GMR)磁敏傳感器探測(cè)生物靶標(biāo)分子的原理。此專利中描述的檢測(cè)原理是首先在GMR磁敏傳感器表面修飾上能夠識(shí)別靶標(biāo)分子的捕捉分子(抗體或抗原或DNA)，然后使樣品中的靶標(biāo)分子與之特異性結(jié)合。隨之，抗體或抗原檢測(cè)分子與靶標(biāo)分子反應(yīng)，形成捕捉分子-靶標(biāo)分子-檢測(cè)分子的夾心結(jié)構(gòu)。檢測(cè)分子上連接有納米或微米尺寸的磁顆粒，這些磁顆粒以如上所述夾心結(jié)構(gòu)為橋梁被固定在傳感器表面。所用磁顆粒是順磁磁顆粒，在沒有磁場(chǎng)作用的情況下不產(chǎn)生磁信號(hào)。在外加磁場(chǎng)的作用下，順磁磁顆粒被磁化，產(chǎn)生磁信號(hào)，被磁敏傳感器探測(cè)。GMR磁敏傳感器通過對(duì)磁顆粒的檢測(cè)來間接檢測(cè)靶標(biāo)分子的數(shù)量。由于隨后開發(fā)的MTJ磁隧道結(jié)磁敏傳感器具有比GMR傳感器更高的靈敏度，王善祥等人在美國(guó)專利US7, 682，838，姜熙福等人在中國(guó)專利公開號(hào)CN1510417A，陳超等人中國(guó)專利公開號(hào)CN1475806A，石西增在美國(guó)專利申請(qǐng)公開號(hào)US20090186770中相繼提出用MTJ磁隧道結(jié)磁敏傳感器代替GMR磁敏傳感器進(jìn)行生物分子檢測(cè)。在王善祥的專利和陳超的專利中，磁敏傳感器是一個(gè)多層結(jié)構(gòu)，從下到上依次包括下部電極、磁隧道結(jié)、和上部電極三層主要結(jié)構(gòu)。通過類似于Baselt所描述的由生物分子特異反應(yīng)形成的“捕捉分子-靶標(biāo)分子-檢測(cè)分子-磁顆?！眾A心結(jié)構(gòu)，和靶標(biāo)分子濃度成正比的一定數(shù)量的磁顆粒反應(yīng)在上部電極上。MTJ磁隧道結(jié)磁敏傳感器通過對(duì)磁顆粒數(shù)量的檢測(cè)來間接檢測(cè)靶標(biāo)分子的數(shù)量。姜熙福的專利和石西增的專利進(jìn)一步改進(jìn)了 MTJ傳感器陣列，在每一個(gè)MTJ傳感器下面連接了一個(gè)開關(guān)電路，如圖I所示。此開關(guān)電路受位于MTJ傳感器陣列外圍的例如地址譯碼器的控制電路控制，使具有大規(guī)模MTJ傳感器陣列的生物傳感器的實(shí)現(xiàn)成為可能，并且陣列的尺寸和形狀可以根據(jù)被檢測(cè)靶標(biāo)的數(shù)量進(jìn)行優(yōu)化。使用目前先進(jìn)的半導(dǎo)體工藝制造技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)幾個(gè)甚至幾十個(gè)GB的傳感器陣列。這樣大的傳感器陣列可以被用來檢測(cè)大規(guī)模DNA陣列。在姜熙福的專利中，芯片上的位線被用來產(chǎn)生測(cè)試磁場(chǎng)。MTJ傳感器所感應(yīng)到的磁信號(hào)隨著傳感器周圍的被測(cè)介質(zhì)的生物特性的變化而變化。在石西增等的專利中，測(cè)試磁場(chǎng)是由外界器件如電磁鐵產(chǎn)生。通過類似于Baselt所描述的由生物分子特異反應(yīng)形成的“捕捉分子-靶標(biāo)分子-檢測(cè)分子-磁顆?！眾A心結(jié)構(gòu)，和靶標(biāo)分子濃度成正比的一定數(shù)量的磁顆粒反應(yīng)在MTJ傳感器上方。MTJ磁隧道結(jié)磁敏傳感器通過對(duì)磁顆粒數(shù)量的檢測(cè)來間接檢測(cè)靶標(biāo)分子的數(shù)量。姜熙福的專利除外，現(xiàn)有技術(shù)中制作生物磁敏傳感器的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)是把磁顆粒通過特異反應(yīng)過程連接到傳感器結(jié)構(gòu)的的上表面?，F(xiàn)有技術(shù)中，磁敏傳感器件最上層一般是SiO2或Si3N4鈍化層，此鈍化層的主要作用是保護(hù)下面的金屬導(dǎo)電層及磁性材料不受隨后制作工藝的影響以及不受傳感器使用環(huán)境的影響以保持高的靈敏度。該鈍化層需要經(jīng)過活化、修飾才能有效的附著“捕捉分子”。一種公知方法是在SiO2或Si3N4鈍化層上面濺射淀積一層金(Au)薄膜。含有“捕捉分子”的試劑被點(diǎn)在金薄膜上后，在潮濕的環(huán)境中培養(yǎng)一小時(shí)使“捕捉分子”通過物理吸附作用固定在金薄膜上。如王善祥等人的專利所公開的。此方法的一個(gè)不利之處在于金材料的刻蝕工藝和用于制作芯片上焊接點(diǎn)的鋁膜的刻蝕工藝不能兼容、需要引入單獨(dú)的設(shè)備進(jìn)行刻蝕，增加了芯片制造過程的復(fù)雜性。此方法的另一個(gè)重大缺陷在于金的淀積過程和通用的半導(dǎo)體制作工藝不匹配。由于金原子很容易對(duì)半導(dǎo)體材料造成嚴(yán)重的污染、引起電路完全失效，半導(dǎo)體生產(chǎn)線一般不引入金膜淀積過程。另一種常見的活化、修飾SiO2或Si3N4鈍化層的方法是在鈍化層上面形成一層聚乙烯亞胺(PEI)薄膜。PEI薄膜是一個(gè)帶正電的聚合物薄膜，和酸性“捕捉分子”以靜電力結(jié)合，見王善祥等人的專利。王善祥把濃度為2%的PEI水溶液滴加在芯片表面，經(jīng)過兩分鐘的吸附后，用去離子水把PEI溶液沖洗干凈，然后把芯片放進(jìn)攝氏150度的環(huán)境中烘烤2分鐘、固化吸附上的PEI薄膜。含有“捕捉分子”試劑被點(diǎn)在芯片表面，然后把芯片放置在攝氏4度的濕潤(rùn)的環(huán)境中8-12個(gè)小時(shí)使“捕捉分子”通過靜電力吸附在PEI表面。由于該方法固定生物分子的原理只是基于靜電吸附，而“捕捉分子”多數(shù)條件下是蛋白，不同蛋白的等電點(diǎn)不同，在中性條件下的荷電量不同，在PEI表面的吸附強(qiáng)度會(huì)有顯著不同。再一種活化修飾SiO2或Si3N4絕緣層方法是在鈍化層上面形成一層環(huán)氧分子層?！安蹲椒肿印鄙系陌被肿訄F(tuán)和環(huán)氧分子層通過共價(jià)鍵結(jié)合使“捕捉分子”固定在芯片表面。在Reiss發(fā)表的文獻(xiàn)中，含有丙烯酸酯的二惡烷溶液被旋涂在芯片表面，形成一層60納米厚的丙烯酸酯薄膜。丙烯酸酯薄膜上的環(huán)氧分子和“捕捉分子”上的氨基分子團(tuán)通過共價(jià)鍵結(jié)合使“捕捉分子”固定在芯片表面。環(huán)氧分子層還可以通過化學(xué)修飾的過程來形成，最常見的修飾過程是用氧等離子體處理SiO2或Si3N4鈍化層，然后迅速浸入到5%體積含有環(huán)氧官能團(tuán)的硅烷溶液中，如3-縮水甘油醚氧基丙基三甲氧基硅烷(GPTS)的乙醇溶液，并置于37°C氣浴恒溫振蕩器反應(yīng)2h，反應(yīng)完成后用無(wú)水乙醇清洗5次，并用氮?dú)獯蹈桑玫江h(huán)氧基硅片。將含有氨基的生物分子例如抗體滴加到環(huán)氧層，通過共價(jià)反應(yīng)將生物分子固定在環(huán)氧分子表面，進(jìn)而通過免疫反應(yīng)測(cè)試靶標(biāo)分子。又一種已知的活化修飾SiO2或Si3N4鈍化層方法是在鈍化層上面形成一層羧基表面，羧基表面對(duì)蛋白的非特異性低。該方法是將氧等離子體處理好的具有SiO2或Si3N4鈍化層的基片浸入到5%體積分?jǐn)?shù)的3-氨基丙基三乙氧基硅烷乙醇溶液中，置于37°C氣浴恒溫振蕩器反應(yīng)2h.反應(yīng)完成后用無(wú)水乙醇清洗5次，并用氮?dú)獯蹈珊笾糜?0°C烘箱中烘烤40min.得到氨基基片，將氨基基片浸泡在含有戊二酸酐或者對(duì)醛基苯甲酸的DMF溶液中37°C反應(yīng)Ih得到羧基化表面，DMF清洗干凈后再將羧基基片浸泡在1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亞胺鹽酸鹽(EDC)，和N-羥基琥珀酰亞胺(NHS)的混合溶液中室溫反應(yīng)30min將羧基活化后，再將含有氨基的生物分子如抗體溶液滴加到基片表面上，形成具有識(shí)別靶標(biāo)分子能力的生物分子層。如上所述的GMR或MTJ傳感器上均覆蓋有一層SiO2或者Si3N4鈍化層，通過對(duì)鈍化層進(jìn)行活化和修飾將生物分子層固定在鈍化層上。但是對(duì)鈍化層的活化和修飾過程復(fù)雜，增加了芯片制造工藝的難度，不利于獲得高精度和高穩(wěn)定性的傳感器器件。
韓秀峰等在2005年的專利中國(guó)專利申請(qǐng)公開號(hào)CNl645142A中描述了在巨磁阻(GMR)陣列或者磁隧道結(jié)(MTJ)陣列上面直接用塑料材料作保護(hù)層的生物傳感器，其中的塑料材料直接和GMR或者M(jìn)TJ上面的金屬導(dǎo)電層接觸，GMR或者M(jìn)TJ上面的金屬導(dǎo)電層與塑料材料保護(hù)層之間沒有任何的其他材料層。這樣作法的目的是為了減小磁顆粒和GMR或者M(jìn)TJ傳感器之間的距離，增加被檢測(cè)信號(hào)，提高檢測(cè)靈敏度。但是，這種結(jié)構(gòu)有兩個(gè)問題，一是單層的塑料材料保護(hù)層和已知CMOS-MTJ器件加工工藝不兼容，不能應(yīng)用于具有CMOS開關(guān)器件的MTJ器件，二是厚度很薄的塑料薄膜在絕緣性能上不能達(dá)到工藝要求。具體而言，CMOS-MTJ器件加工的最后一道工藝是在通過刻蝕形成在器件表面的金屬膜制作焊接點(diǎn)。塑料材料的保護(hù)層在通常的制作焊接點(diǎn)的刻蝕成型過程會(huì)被損壞，導(dǎo)致已加工完成的CMOS-MTJ器件受 到刻蝕過程的損傷。此外，在濕度和溫度比較高的環(huán)境中，這層塑料薄膜不能夠長(zhǎng)期有效地阻擋潮濕氣體和有害物質(zhì)對(duì)芯片的侵蝕，造成芯片的失效。因此，需要一種能夠以簡(jiǎn)單的方式制作高靈敏度生物傳感器的方法和一種具有高靈敏度的可靠的生物磁敏傳感器。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述問題，本發(fā)明提供一種電磁生物傳感器，包括制作在單晶硅襯底上的開關(guān)器件，制作在開關(guān)器件上受開關(guān)器件控制的磁隧道結(jié)器件，形成在所述磁敏傳感器上方的鈍化層，和形成在所述鈍化層上的聚合物絕緣層。優(yōu)選地，所述聚合物絕緣層由選自聚苯乙烯，聚丙烯，聚碳酸酯，或環(huán)烯材料的材料制成。優(yōu)選地，所述鈍化層和所述聚合物絕緣層的總厚度為2納米到100微米。優(yōu)選地，所述聚合物絕緣層的厚度為I納米到10微米。優(yōu)選地，所述開關(guān)器件為CMOS器件。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種電磁生物傳感器芯片，該芯片包括由如上所述的電磁生物傳感器構(gòu)成的傳感器陣列。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種電磁生物傳感器裝置，包括包括電磁生物傳感器陣列的電磁生物傳感器芯片，和通過壓焊與所述電磁生物傳感器芯片電連接的印刷電路板，所述電磁生物傳感器包括制作在單晶硅襯底上的開關(guān)器件；制作在開關(guān)器件上受開關(guān)器件控制的磁隧道結(jié)器件；形成在所述磁敏傳感器上方的鈍化層；形成在所述鈍化層上的聚合物絕緣層。優(yōu)選地，該裝置進(jìn)一步包括固定在電磁生物傳感器芯片上的聚合物絕緣層上的生物分子。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種制作電磁生物傳感器裝置的方法，該方法包括以下步驟在單晶硅襯底上形成開關(guān)器件的陣列；
在開關(guān)器件的陣列上形成受開關(guān)器件控制的磁隧道結(jié)器件的陣列；在磁隧道結(jié)器件的陣列上方形成鈍化層，得到硅片；將得到的硅片切割為電磁生物傳感器單元；在電磁生物傳感器單元的鈍化層上涂覆聚合物絕緣層得到電磁生物傳感器芯片;
通過壓焊將電磁生物傳感器芯片與印刷電路板電連接。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種制作電磁生物傳感器裝置的方法，該方法包括以下步驟在單晶硅襯底上形成開關(guān)器件的陣列；在開關(guān)器件的陣列上方形成受開關(guān)器件控制的磁隧道結(jié)器件的陣列；在磁隧道結(jié)器件的陣列上方形成鈍化層；在鈍化層上涂覆聚合物絕緣層得到硅片；將得到的硅片切割為電磁生物傳感器芯片；通過壓焊將電磁生物傳感器芯片與印刷電路板電連接。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種制作電磁生物傳感器裝置的方法，該方法包括以下步驟在單晶硅襯底上形成開關(guān)器件的陣列；在開關(guān)器件的陣列上形成受開關(guān)器件控制的磁隧道結(jié)器件的陣列；在磁隧道結(jié)器件的陣列上方形成鈍化層得到硅片；將得到的硅片切割為電磁生物傳感器單元；通過壓焊將電磁生物傳感器單元與印刷電路板電連接；以及
在電磁生物傳感器單元的鈍化層上涂覆聚合物絕緣層。優(yōu)選地，如上所述的方法進(jìn)一步包括在聚合物絕緣層上固定生物分子的步驟。優(yōu)選地，該方法進(jìn)一步包括對(duì)所述聚合物絕緣層進(jìn)行化學(xué)處理或者電磁波輻射處理來增加生物分子的固定量的步驟。根據(jù)本發(fā)明的方法，可以通過簡(jiǎn)單的方法例如旋涂的方法將聚合物絕緣層涂覆在鈍化層上實(shí)現(xiàn)對(duì)鈍化層的活化修飾。該涂覆工藝可根據(jù)需要在硅片的切割前或切割后進(jìn)行，方便了對(duì)制造工藝的設(shè)計(jì)。根據(jù)本發(fā)明的方法，利用壓焊技術(shù)將芯片焊接在印刷電路板上，節(jié)省了在聚合物絕緣層上形成焊接墊的工藝步驟，無(wú)需在聚合物絕緣層上提供金屬層并對(duì)金屬層進(jìn)行刻蝕的復(fù)雜工藝。本發(fā)明的方法在保證了產(chǎn)品成品率的同時(shí)有效地降低了制造成本。


下面將參照附圖并結(jié)合實(shí)施例具體說明本發(fā)明的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)，其中圖I示出現(xiàn)有結(jié)構(gòu)的生物傳感器的結(jié)構(gòu)圖。圖2示出根據(jù)本發(fā)明的磁敏生物傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3示出根據(jù)本發(fā)明的磁敏生物傳感器的檢測(cè)原理示意圖。圖4示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例I的制作生物磁敏傳感器裝置的方法。圖5示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的制作生物磁敏傳感器裝置的方法。圖6示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例3的制作生物磁敏傳感器裝置的方法。圖7示意性示出根據(jù)本發(fā)明的生物磁敏傳感器裝置焊接區(qū)的剖面圖。
具體實(shí)施例方式下面將結(jié)合附圖并參照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)的說明。附圖中相似的附圖標(biāo)記代表相應(yīng)的部件。
圖2示出根據(jù)本發(fā)明的生物磁敏傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。根據(jù)本發(fā)明的生物磁敏傳感器100包括形成在單晶硅襯底101中的開關(guān)器件例如CMOS三極管102、形成在CMOS三極管102上并受其控制的MTJ磁敏器件106、形成在CMOS三極管和MTJ磁敏器件上方的導(dǎo)線層107，形成在導(dǎo)線層上的鈍化層108、形成在鈍化層上的絕緣聚合物層109。CMOS三極管102包括源極，柵極和漏極。在一種傳感器結(jié)構(gòu)中，三極管的源極端子103例如可接地，漏極端子105和MTJ磁敏器件106的下電極相連，柵極端子104作為控制極來開通或者關(guān)閉從漏極到源極的電流通路。應(yīng)當(dāng)理解，源極和漏極的連接可根據(jù)需要互換。MTJ磁敏器件106的下電極和CMOS三極管的漏極端子105連接，上電極和金屬引線107連接。形成在CMOS開關(guān)器件和MTJ磁敏器件上的鈍化層108例如是SiO2或者Si3N4絕緣層，用于保護(hù)其下方的金屬引線107及CMOS-MTJ器件在后續(xù)的工藝中以及使用中不被損壞。形成在鈍化層108上的絕緣聚合物層109，例如聚苯乙烯薄膜層，通過例如旋涂的方式施加在鈍化層108上。聚合物絕緣層109的厚度例如為I納米到10微米，優(yōu)選為I納米-I微米，用于通過諸如物理吸附、化學(xué)吸附或靜電吸附的方式把“捕捉分子”固定在傳感器芯片的表面，形成電磁生物傳感器。為了獲得良好的絕緣性能和優(yōu)異的傳感器靈敏度，應(yīng)分別選擇鈍化層108的厚度和聚合物絕緣層109的厚度和二者的總厚度，在保證器件絕緣性能的情況下，使厚度盡可能的小以獲得良好的靈敏度。例如鈍化層108和聚合物絕緣層109的總厚度可為2納米到100微米，優(yōu)選50到500納米?？筛鶕?jù)形成在聚合物絕緣層表面的“捕捉分子”的類型對(duì)芯片表面的聚合物絕緣層109進(jìn)行化學(xué)處理或電磁輻射處理，以調(diào)節(jié)聚合物絕緣層109固定“捕捉分子”的能力。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種電磁生物傳感器芯片。圖2所示的開關(guān)三極管及與其連接的MTJ器件示出了作為一個(gè)檢測(cè)單元的傳感器。本發(fā)明的電磁生物傳感器芯片包括由如上所述傳感器構(gòu)成的傳感器陣列和控制電路。控制電路用于提供為傳感器中的各電極提供控制信號(hào)。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種電磁生物傳感器裝置，該裝置包括如上所述的電磁生物傳感器芯片，通過壓焊與芯片形成電連接的印刷電路板和形成在該芯片的聚合物絕緣層上的用于捕捉待檢測(cè)分子的生物分子。圖3示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的磁敏生物傳感器的檢測(cè)原理示意圖。在圖2所示的CMOS三極管的柵極加上來自控制電路的控制信號(hào)使三極管導(dǎo)通的情況下，如果在圖2所示導(dǎo)線上加上適當(dāng)?shù)碾妷海娏鲿?huì)從所述導(dǎo)線經(jīng)MTJ器件、三極管的漏極流入三極管的源極。電流的大小和MTJ磁敏器件的電阻值有關(guān)。相對(duì)來講，電阻值越大，電流越小。反之電阻值越小電流越大。磁敏器件的電阻隨著該器件所感應(yīng)到的磁場(chǎng)的強(qiáng)度而變化。把含有“捕捉分子”的試劑滴加在形成有聚合物絕緣層的傳感器芯片表面。例如通過分子間作用力，也稱為范德華力，“捕捉分子”201被吸附在聚合物絕緣層109表面。應(yīng)用時(shí)，把含有待檢測(cè)分子202，即如上所述的靶標(biāo)分子，的待檢測(cè)樣品滴加在吸附有“捕捉分子”201的聚合物絕緣層上。通過特異反應(yīng)，待檢測(cè)分子202和“捕捉分子”201結(jié)合。然后，把攜帶有檢測(cè)分子203的納米或者微米磁顆粒204溶液加在聚合物絕緣層上，檢測(cè)分子203和待檢測(cè)分子204通過特異反應(yīng)結(jié)合。通過這樣的一個(gè)夾心結(jié)構(gòu)，磁顆粒204通過待檢測(cè)分子結(jié)合到電磁傳感器100表面。如果待檢試劑中沒有待檢測(cè)分子，磁顆粒不會(huì)結(jié)合到芯片表面。傳感器芯片表面上結(jié)合上的磁顆粒的數(shù)量和反應(yīng)上的待檢測(cè)分子的數(shù)量成正t匕。所述納米或者微米磁顆粒是超順磁磁顆粒，即磁顆粒本身在磁場(chǎng)為零的環(huán)境中不產(chǎn)生磁場(chǎng)。在外加磁場(chǎng)中,所述納米或者微米磁顆粒被磁化,產(chǎn)生磁場(chǎng)。MTJ磁敏器件的電阻隨著該器件所感應(yīng)到的磁場(chǎng)的強(qiáng)度而變化。MTJ器件電阻值的變化被用來檢測(cè)磁顆粒的數(shù)量，也就是待檢測(cè)分子的數(shù)量。 檢測(cè)時(shí)，在三極管開關(guān)的柵極施加來自控制電路的控制信號(hào)使三極管導(dǎo)通，在圖中所示導(dǎo)線上加上適當(dāng)?shù)碾妷海娏鲝乃鰧?dǎo)線經(jīng)MTJ器件、三極管流入三極管的源極。電流的大小和MTJ磁敏器件的電阻值有關(guān)。磁敏器件的電阻隨著該器件所感應(yīng)到的磁場(chǎng)的強(qiáng)度而變化。通過對(duì)流經(jīng)MTJ磁敏器件的電流的測(cè)試可以檢測(cè)MTJ器件電阻值的變化，間接檢測(cè)結(jié)合到傳感器芯片上磁顆粒的數(shù)量，也就是待檢測(cè)分子的數(shù)量。如上所述，本發(fā)明的磁敏生物傳感器裝置包括電磁生物傳感器芯片和印刷電路板。電磁生物傳感器芯片包括CMOS開關(guān)器件陣列、MTJ磁敏器件陣列、控制電路、鈍化層以及用于固定捕捉分子的聚合物絕緣層。MTJ磁敏器件中包括半導(dǎo)體器件中不經(jīng)常使用的材料如鐵、鎳等，其制造工藝不同于常規(guī)半導(dǎo)體器件制作工藝。因此在電磁生物傳感器的制造方法中要特別關(guān)注在各個(gè)器件和結(jié)構(gòu)特征的制作工藝之間的相互匹配，以避免后道工藝對(duì)之前形成的結(jié)構(gòu)的損壞。根據(jù)本發(fā)明的形成電磁生物傳感器裝置的方法，通過壓焊工藝將焊料壓穿涂覆的聚合物絕緣膜上，將芯片電連接到印刷電路板形成電磁生物傳感器裝置。本發(fā)明的方法一方面簡(jiǎn)化了現(xiàn)有技術(shù)中通過刻蝕淀積在例如塑料的聚合物絕緣膜上的金屬層形成焊接墊的復(fù)雜的工藝流程，另一方面避免了刻蝕工藝對(duì)塑料絕緣層的損壞，提高了傳感器裝置的成品率。下面將結(jié)合各附圖以聚苯乙烯作為聚合物絕緣層為例具體說明本發(fā)明的磁敏生物傳感器的制作方法。實(shí)施例I圖4示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例I的制作磁敏生物傳感器裝置的方法。步驟401 :在單晶硅襯底上形成CMOS開關(guān)器件陣列和控制電路。在單晶硅襯底上制作CMOS開關(guān)器件陣列和控制電路可采用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的常規(guī)CMOS芯片制作工藝進(jìn)行，這里不再贅述。在得到的CMOS電路和控制電路結(jié)構(gòu)中要預(yù)留和MTJ器件的電學(xué)連接點(diǎn)。步驟402 :形成MTJ器件陣列。MTJ器件包含在常規(guī)半導(dǎo)體器件中不太常用的材料如鐵、鎳等，MTJ器件的制造工藝也不同于半導(dǎo)體器件的制造工藝。MTJ器件的制造一般在獨(dú)立于CMOS生產(chǎn)線的專用工藝線進(jìn)行?？衫藐惓谥袊?guó)專利公開號(hào)CN1475806A中公開的MTJ器件陣列形成方法在步驟401得到的CMOS開關(guān)器件陣列上制作受開關(guān)器件控制的MTJ器件陣列，具體步驟這里不再贅述。步驟403 形成鈍化層?？衫弥T如淀積的工藝在MTJ器件上方形成SiO2或Si3N4鈍化層。
然后通過例如刻蝕工藝和金屬濺射工藝分別形成穿過鈍化層的與CMOS器件的導(dǎo)線層以及MTJ器件的導(dǎo)線層的電接觸。步驟404:切割硅片。
把形成有COMS器件陣列、控制電路和MTJ器件陣列的硅片切割分離成用于形成電磁生物傳感器芯片的電磁生物傳感器單元。步驟405 :涂覆聚苯乙烯薄膜。在切割后得到的電磁生物傳感器單元上通過例如旋涂的涂覆方法形成聚苯乙烯薄膜，由此得到根據(jù)本發(fā)明的電磁生物傳感器芯片。將傳感器單元放在一個(gè)旋轉(zhuǎn)平臺(tái)上，然后把含有聚苯乙烯的溶液滴加在傳感器單元的鈍化層表面上，由旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力使聚苯乙烯溶液在芯片表面形成一層半固態(tài)薄膜。例如，把有聚苯乙烯半固態(tài)薄膜的傳感器單元在50-200°C溫度下烘烤15分鐘，使半固態(tài)薄膜固化。然后根據(jù)需要，可以對(duì)聚苯乙烯薄膜進(jìn)行化學(xué)處理或者電磁輻射以調(diào)節(jié)固定“捕捉分子”的能力。Weiping Qian等人的題目為“Immobilization of Antibodieson Ultra flat Polystyrene Surfaces，，，Clinical Chemistry 46 :9，1456-1463，2000 ;Green RJ 等人的題目為 “Surfaceplasmon resonance for real time in situ analysisof protein adsorption to polymersurfaces，，，Biomaterials 1997 ; 18 :405-13 ;以及Wink T等人的“Liposome-mediated enhancement of the sensitivity in immunoassaysof proteinsand peptides in surface plasmon resonance spectrometry，，，Anal Chem1998 ；70 :827-32,分別描述了聚苯乙稀薄膜的制作過程及特性，這里引入其全文以供參考。步驟406 :通過壓焊，將傳感器芯片焊接在PCB上。本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)聚苯乙烯薄膜層的厚度，選擇合適的壓焊溫度形成穿透聚苯乙烯薄膜層的焊接區(qū)，將傳感器芯片與印刷電路板電連接。圖7示意性示出根據(jù)本發(fā)明的電磁生物傳感器裝置焊接區(qū)的剖面圖。通過壓焊，焊接線3分別焊接到印刷電路板I的焊接墊2和電磁生物傳感器芯片6的焊接墊5上，將印刷電路板與芯片電連接。如圖所示，焊接線3通過壓焊穿透電磁生物傳感器芯片3的聚苯乙烯層4直接焊接到芯片3上的焊接墊5上。由此得到的生物傳感器裝置中，聚合物絕緣層未經(jīng)歷金屬層淀積和蝕刻等工藝，其絕緣性能得到了最大程度的保護(hù)。步驟407 :固定捕捉分子。圖4所示的形成電磁生物傳感器的方法，可進(jìn)一步包括固定捕捉分子的步驟。如上所述，“捕捉分子”可以借助例如分子之間的范德華力結(jié)合到聚苯乙烯表面。一般來講，“捕捉分子”構(gòu)成的檢測(cè)區(qū)圖案是圓形圖案，直徑為從幾十微米到幾百甚至幾千微米。一個(gè)芯片上可以有一個(gè)或者多個(gè)檢測(cè)區(qū)。不同的檢測(cè)區(qū)可以有不同的檢測(cè)分子，也可以是同樣的檢測(cè)分子。由此，獲得了本發(fā)明實(shí)施例I的磁敏生物傳感器裝置。實(shí)施例2圖5示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例2的制作電磁生物傳感器裝置的方法。實(shí)施例2和實(shí)施例I的制作方法的區(qū)別在于切割硅片和涂覆聚苯乙烯薄膜兩個(gè)步驟的次序。在實(shí)施例2的制作方法中，聚苯乙烯薄膜在整個(gè)硅片被切割成獨(dú)立的電磁傳感器芯片之前形成在完整的例如圓形的硅片上。這樣做的優(yōu)點(diǎn)在于聚苯乙烯薄膜在完整的硅片上一次完成，而不是對(duì)每個(gè)獨(dú)立的電磁傳感器芯片進(jìn)行諸如旋涂的涂覆操作，簡(jiǎn)化了工藝過程。該方法的優(yōu)越性在電磁傳感器芯片的面積很小的情況下尤為明顯，不僅很大程度上簡(jiǎn)化了操作程序和時(shí)間，并且可以解決小芯片上難以進(jìn)行涂覆操作的困難。除步驟504和步驟505外，其他步驟及得到的生物傳感器裝置與實(shí)施例I中步驟相同，在此不再贅述。 實(shí)施例3圖6示出根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例3的制作電磁生物傳感器裝置的方法。在實(shí)施例3的電磁生物傳感器裝置制作方法中，聚苯乙烯薄膜的形成是在傳感器單元焊接到PCB以后進(jìn)行，見步驟605-606。一般來說，對(duì)傳感器芯片的生物活化過程，即固定“捕捉分子”的過程是在超凈間內(nèi)進(jìn)行的，而將傳感器單元焊接到PCB的過程可以在一般的非超凈廠房?jī)?nèi)完成。在實(shí)施例I和實(shí)施例2所描述的方法中，先涂覆聚苯乙烯薄膜再將涂覆有聚苯乙烯薄膜的芯片焊接到PCB上，焊接設(shè)備及過程必須在超凈間內(nèi)，這增加了生產(chǎn)成本及操作難度。實(shí)施例3的方法首先將切割好的傳感器芯片焊接到PCB上，見步驟605，然后再對(duì)焊接后的芯片涂覆聚苯乙烯薄膜，見步驟606，焊接設(shè)備及過程就可以在一般的非超凈廠房?jī)?nèi)完成。根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例3的方法可以在保證電磁生物傳感器裝置的成品率的同時(shí)有效降低制造成本。除步驟605-步驟607外，其他步驟及得到的生物傳感器裝置與實(shí)施例I中步驟相同，在此不再贅述。以上以聚苯乙烯薄膜為例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明?？梢圆捎闷渌酆衔锝^緣薄膜，如聚丙烯薄膜、聚碳酸酯薄膜或環(huán)烯薄膜，達(dá)到同樣的目的。以上借助優(yōu)選實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了具體說明。應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的上述描述是示例性的而非限制性的。本領(lǐng)域技術(shù)人員通過閱讀本說明書，在不偏離本發(fā)明精神的情況下可以對(duì)本發(fā)明進(jìn)行修改和變型。本發(fā)明的保護(hù)范圍僅由所附權(quán)利要求限定。
權(quán)利要求
1.一種電磁生物傳感器,包括 制作在單晶硅襯底上的開關(guān)器件， 制作在開關(guān)器件上受開關(guān)器件控制的磁隧道結(jié)器件， 形成在所述磁敏傳感器上方的鈍化層，和 形成在所述鈍化層上的聚合物絕緣層。
2.如權(quán)利要求I所述電磁生物傳感器，其特征在于，所述聚合物絕緣層由選自聚苯乙烯，聚丙烯，聚碳酸酯，或環(huán)烯材料的材料制成。
3.如權(quán)利要求I所述電磁生物傳感器，其特征在于，所述鈍化層和所述聚合物絕緣層的總厚度為2納米到100微米。
4.如權(quán)利要求I所述電磁生物傳感器，其特征在于，所述聚合物絕緣層的厚度為I納米到10微米。
5.如權(quán)利要求I所述電磁生物傳感器，其特征在于，所述開關(guān)器件為CMOS器件。
6.一種電磁生物傳感器芯片，包括由如權(quán)利要求I所述的電磁生物傳感器構(gòu)成的傳感器陣列。
7.一種電磁生物傳感器裝置，包括 包括電磁生物傳感器陣列的電磁生物傳感器芯片,和 通過壓焊與所述電磁生物傳感器芯片電連接的印刷電路板， 所述電磁生物傳感器包括 制作在單晶硅襯底上的開關(guān)器件； 制作在開關(guān)器件上受開關(guān)器件控制的磁隧道結(jié)器件； 形成在所述磁敏傳感器上方的鈍化層； 形成在所述鈍化層上的聚合物絕緣層。
8.如權(quán)利要求7所述的電磁生物傳感器裝置，其特征在于，該裝置進(jìn)一步包括固定在電磁生物傳感器芯片的聚合物絕緣層上的生物分子。
9.一種制作電磁生物傳感器裝置的方法，包括以下步驟 在單晶硅襯底上形成開關(guān)器件的陣列； 在開關(guān)器件的陣列上形成受開關(guān)器件控制的磁隧道結(jié)器件的陣列； 在磁隧道結(jié)器件的陣列上方形成鈍化層得到硅片； 將得到的硅片切割為電磁生物傳感器單元； 在電磁生物傳感器單元的鈍化層上涂覆聚合物絕緣層得到電磁生物傳感器芯片； 通過壓焊將電磁生物傳感器芯片與印刷電路板電連接。
10.如權(quán)利要求9所述的制作電磁生物傳感器裝置的方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括在聚合物絕緣層上固定生物分子的步驟。
11.如權(quán)利要求9所述的制作電磁生物傳感器裝置的方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括對(duì)所述聚合物絕緣層進(jìn)行化學(xué)處理或者電磁波輻射處理的步驟，以便增加生物分子的固定量。
12.—種制作電磁生物傳感器裝置的方法，包括以下步驟 在單晶硅襯底上形成開關(guān)器件的陣列； 在開關(guān)器件的陣列上方形成受開關(guān)器件控制的磁隧道結(jié)器件的陣列；在磁隧道結(jié)器件的陣列上方形成鈍化層； 在鈍化層上涂覆聚合物絕緣層得到硅片； 將得到的硅片切割為電磁生物傳感器芯片； 通過壓焊將電磁生物傳感器芯片與印刷電路板電連接。
13.如權(quán)利要求12所述的制作電磁生物傳感器裝置的方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括在聚合物絕緣層上固定生物分子的步驟。
14.一種制作電磁生物傳感器裝置的方法，包括以下步驟 在單晶硅襯底上形成開關(guān)器件的陣列； 在開關(guān)器件的陣列上形成受開關(guān)器件控制的磁隧道結(jié)器件的陣列； 在磁隧道結(jié)器件的陣列上方形成鈍化層得到硅片； 將得到的硅片切割為電磁生物傳感器單元； 通過壓焊將電磁生物傳感器單元與印刷電路板電連接；以及 在電磁生物傳感器單元的鈍化層上涂覆聚合物絕緣層。
15.如權(quán)利要求14所述的制作電磁生物傳感器裝置的方法，其特征在于，該方法進(jìn)一步包括在聚合物絕緣層上固定生物分子的步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種電磁生物傳感器，包括制作在單晶硅襯底上的開關(guān)器件，制作在開關(guān)器件上受開關(guān)器件控制的磁隧道結(jié)器件，形成在所述磁敏傳感器上方的鈍化層，和形成在所述鈍化層上的聚合物絕緣層。本發(fā)明進(jìn)一步提供一種電磁生物傳感器裝置及其制作方法。根據(jù)本發(fā)明的方法，利用壓焊技術(shù)將芯片焊接在印刷電路板上，節(jié)省了在聚合物絕緣層上形成觸點(diǎn)的工藝步驟，無(wú)需在聚合物絕緣層上提供金屬層并對(duì)金屬層進(jìn)行刻蝕的復(fù)雜工藝。
文檔編號(hào)G01N33/543GK102621188SQ20111003318
公開日2012年8月1日 申請(qǐng)日期2011年1月30日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月30日
發(fā)明者陳思 申請(qǐng)人:北京慈欣生物科技有限公司