本發(fā)明涉及一種基于微波貼片諧振器的葡萄糖定量測試傳感器及制備方法。

背景技術(shù)：

糖尿病是一種代謝性疾病，它的特征是患者的血糖長期高于標(biāo)準(zhǔn)值，全世界糖尿病患人數(shù)，1997年為1億2,400萬人，2014年全球估計(jì)有4.22億成人患有糖尿病，由于糖尿病患病人數(shù)快速增加，而且其并發(fā)癥會(huì)造成財(cái)務(wù)負(fù)擔(dān)、生活品質(zhì)下降，因此對于糖尿病的前期檢測變得尤為重要。葡萄糖溶液作為常用的前期測試溶液，對其濃度的檢測有著重要意義。目前常用的葡萄糖濃度的檢測方法有三種：基于生物酶的化學(xué)方法；基于光學(xué)器件光學(xué)方法；基于微波器件的方法。微波器件檢測葡萄糖濃度作為新興的一種檢測方法，越來越為人關(guān)注。由于葡萄糖溶液的濃度的值和其介電常數(shù)是成反比的，葡萄糖濃度越高，其介電常數(shù)越小，因此不同濃度的葡萄糖溶液與微波器件接觸后，由于介電常數(shù)的不同，對微波器件的電磁場特性的影響也不同，使得微波器件的參數(shù)特性也隨之發(fā)生變化，微波器件生物傳感器正是通過檢測微波器件測的參數(shù)特性，從而得到器件參數(shù)與葡萄糖濃度之間的線性關(guān)系，以此線性關(guān)系來計(jì)算葡萄糖的濃度。目前報(bào)道的可用于檢測葡萄糖溶液的微波器件參數(shù)特性有等效電阻值、等效電容值、等效電感值、介電常數(shù)值、諧振頻率、傳輸零點(diǎn)頻率、反射系數(shù)、以及傳輸系數(shù)等，通過對這些參數(shù)的分析，研究人員可以分析并計(jì)算得出微波器件參數(shù)與葡萄糖濃度之間存在的線性關(guān)系，利用該線性關(guān)系來實(shí)現(xiàn)葡萄糖濃度檢測的需求。

現(xiàn)有的生物酶檢測方法往往需要較長的時(shí)間來使得生物酶與葡萄糖溶液進(jìn)行充分的反應(yīng)，進(jìn)而得到測量結(jié)果，反應(yīng)時(shí)間相對較長且生物酶不能重復(fù)利用，增大了測量成本。光學(xué)檢測方法也同樣需要一定的時(shí)間來穩(wěn)定測量所需的溶液和儀器，反應(yīng)時(shí)間較長。此外，光學(xué)測量方法的測量穩(wěn)定性容易受到測量溶液的形狀、厚度、密度等因素的影響，測量結(jié)果的準(zhǔn)確性不能得到很好的保證。相比于上述兩種測量方法，基于微波器件的生物傳感器的方法具有靈敏度高、反應(yīng)時(shí)間快、可重復(fù)利用等諸多優(yōu)點(diǎn)，上述特性是目前生物傳感器研究的重要方向之一。定量檢測作為現(xiàn)階段生物傳感器研究的另一個(gè)熱點(diǎn)方向，受到了越來越多的科研人員的關(guān)注。由于現(xiàn)有的葡萄糖溶液的檢測技術(shù)往往受限于溶液的用量、形狀、以及測試位置的影響，其結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性得不到保證，很大程度上限制了葡萄糖生物傳感器的廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決上述問題，本發(fā)明提出了一種基于微波貼片諧振器的葡萄糖定量測試傳感器及制備方法，本發(fā)明采用諧振頻率和反射系數(shù)作為檢測參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了不超過一秒的檢測反應(yīng)時(shí)間、高靈敏度和可重復(fù)利用特性，克服了基于微波器件的生物傳感器普遍存在的不能定量測試的弊端。

本發(fā)明所采用的技術(shù)如下：

一種基于微波貼片諧振器的葡萄糖定量測試傳感器的制備方法，首先在半導(dǎo)體基板正面上制作貼片諧振器和共面波導(dǎo)饋線的樣本貼片，然后在含有樣本貼片基板的正面制作su-8光阻膠的圍墻結(jié)構(gòu)，包括如下制作步驟：

步驟(1)基板表面進(jìn)行親水化處理；

步驟(2)應(yīng)用等離子體對基板進(jìn)行表面清潔處理；

步驟(3)在基板正面上使用su-8光阻膠材料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂膠，從而得到致密性高、無空洞結(jié)構(gòu)、無分葉層的su-8光刻膠層；

步驟(4)軟烘去除su-8光阻膠中的水成分，然后利用紫外線對su-8光阻膠材料進(jìn)行曝光，在基板正面上形成su-8光阻膠的圍墻結(jié)構(gòu)，所述的圍墻結(jié)構(gòu)應(yīng)完全包圍貼片諧振器，而共面波導(dǎo)饋線的位置則需要在圍墻結(jié)構(gòu)之外，再硬烘焙以完全蒸發(fā)掉su-8光刻膠里面剩余的溶劑，接著使用su-8專用顯影液浸泡基進(jìn)行顯影；

步驟(5)使用去離子水溶液清洗基板表面雜質(zhì)；

步驟(6)硬烘，增強(qiáng)su-8光阻膠與半導(dǎo)體基板之間的粘合力。

本發(fā)明還具有如下技術(shù)特征：

1、如上所述的步驟(3)在100℃～150℃，300rpm～500rpm,10rpm/s的加速度下，在基板正面上使用su-8光阻膠材料進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂膠。

2、如上所述的步驟(4)在65℃～85℃條件下軟烘5分鐘去除su-8光阻膠中的水成分，然后在240mj/cm²～300mj/cm²的條件下利用紫外線對su-8光阻膠材料進(jìn)行曝光，在基板正面上形成su-8光阻膠的圍墻結(jié)構(gòu)，所述的圍墻結(jié)構(gòu)的應(yīng)完全包圍貼片諧振器，而共面波導(dǎo)饋線的位置則需要在所述的圍墻結(jié)構(gòu)之外，然后在95℃～115℃條件下硬烘焙10分鐘～20分鐘以完全蒸發(fā)掉su-8光刻膠里面剩余的溶劑，接著使用su-8專用顯影液浸泡基板30～45分鐘進(jìn)行顯影。

3、如上所述的步驟(6)在150℃～250℃條件下硬烘20分鐘以上增強(qiáng)su-8光阻膠與半導(dǎo)體基板之間的粘合力。

4、如上所述的圍墻結(jié)構(gòu)為矩形或圓形。

5、另外一種基于微波貼片諧振器的葡萄糖定量測試傳感器的制備方法，首先在半導(dǎo)體基板正面制作貼片諧振器和共面波導(dǎo)饋線的樣本貼片，然后在含有樣本貼片基板的背面制作凹槽結(jié)構(gòu)，包括如下制作步驟：

步驟(1)先確定背面凹槽的位置，為貼片諧振器的正面相對應(yīng)的背面的位置，并大于該正面貼片諧振器的背面相對應(yīng)的面積，而正面的共面波導(dǎo)饋線的背面相對應(yīng)的位置則在該凹槽位置之外；然后除了凹槽位置涂抹光阻膠層，

步驟(2)采用深硅刻蝕工藝?yán)梅涛g性氣體實(shí)施刻蝕操作，再利用碳氟基鈍化性氣體實(shí)施鈍化操作，然后反復(fù)重復(fù)“刻蝕-鈍化”的操作，直到完成既定厚度的基板背面深硅刻蝕，實(shí)現(xiàn)貼片諧振器背面凹槽型結(jié)構(gòu)；

步驟(3)在離子反應(yīng)刻蝕腔中用刻蝕性氣體對做好的凹槽結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行親水化處理；

步驟(4)使用麻凝集素溶液和去離子水溶液對做好的凹槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面清潔清理。

6、如上所述的步驟(2)采用深硅刻蝕工藝?yán)梅涛g性氣體在10^-2～10^-3mbar的真空度，2500～3000瓦特的功率，-10℃溫度下實(shí)施刻蝕操作6～10秒，并利用碳氟基鈍化性氣體在10^-2～10^-3mbar的真空度，1500～2000瓦特的功率下實(shí)施鈍化操作2～4秒，并反復(fù)重復(fù)“刻蝕-鈍化”的操作55～65次，直到完成既定厚度的基板背面深硅刻蝕，實(shí)現(xiàn)貼片諧振器背面凹槽結(jié)構(gòu)。

7、如上所述的凹槽結(jié)構(gòu)為矩形或圓形。

8、在半導(dǎo)體基板正面上制作貼片諧振器和共面波導(dǎo)饋線的樣本貼片的制作方法包括如下步驟：

步驟(1)使用半導(dǎo)體基板，清洗其表面，保證其表面清潔且無雜質(zhì)；

步驟(2)利用低壓化學(xué)氣象沉淀方法，在半導(dǎo)體基板上沉淀一層厚度為50～200納米的氧化物或氮化物鈍化層，從而獲得更加平坦的表面；

步驟(3)利用噴濺方法生長一層厚度為50～150納米的種子金屬層以提升半導(dǎo)體基板與后續(xù)器件金屬層之間的粘合力；

步驟(4)在所述種子金屬層上形成圖案化的光阻膠層，圖案化的光阻膠層窗口對應(yīng)于預(yù)定位置的貼片諧振器和共面波導(dǎo)饋線位置；

步驟(5)電鍍一層厚度為7.0～10.0微米厚的金屬層來構(gòu)成貼片諧振器和共面波導(dǎo)饋線的結(jié)構(gòu)；

步驟(6)去除光阻膠；

步驟(7)用刻蝕性氣體來去除不需要的種子金屬防止短路；至此，微波貼片諧振器結(jié)構(gòu)完成，將此時(shí)完成的結(jié)構(gòu)稱為樣本貼片結(jié)構(gòu)。

9、基于如上所述的方法制備的一種基于微波貼片諧振器的葡萄糖定量測試生物傳感器。

本發(fā)明的有益效果：

(1)本發(fā)明通過微納加工工藝，提出并實(shí)現(xiàn)了基于微波器件的定量、定點(diǎn)、定形測試，解決了微波器件測量葡萄糖濃度時(shí)的不準(zhǔn)確性問題；

(2)本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了葡萄糖濃度的微量檢測，高效地節(jié)省了測試用葡萄糖溶液的成本，有利于商業(yè)化推廣應(yīng)用；

(3)本發(fā)明在實(shí)現(xiàn)了微波器件對于葡萄糖溶液檢測的高靈敏度和低反應(yīng)時(shí)間的特性的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)了器件的可重復(fù)利用特性；

(4)其他對于介電常數(shù)敏感的生物標(biāo)記物溶液，也可以采納該發(fā)明提出的生物傳感器作為檢測器件。

附圖說明

圖1為實(shí)施例1的基于硅基板且結(jié)合正面su-8圍墻結(jié)構(gòu)的微波貼片諧振器示意圖；

圖2為實(shí)施例2的基于硅基板且結(jié)合背面凹槽結(jié)構(gòu)的微波貼片諧振器的正面示意圖；

圖3為實(shí)施例2的基于硅基板且結(jié)合背面凹槽結(jié)構(gòu)的微波貼片諧振器的背面示意圖；

圖4為基于硅基的su-8“圍墻”結(jié)構(gòu)貼片生物傳感器顯微鏡圖；

圖5為基于硅基的凹槽結(jié)構(gòu)的生物傳感器的顯微鏡正面圖像圖；

圖6為多個(gè)基于硅基的凹槽結(jié)構(gòu)的生物傳感器的顯微鏡背面圖像圖；

圖7為反射系數(shù)測量數(shù)據(jù)圖；(a)和(b)為正面su-8“圍墻”結(jié)構(gòu)和背面“凹槽”結(jié)構(gòu)的生物傳感器的分別在裸片、滴入異丙胺溶液、以及滴入去離子水溶液時(shí)的反射系數(shù)測量數(shù)據(jù)；(c)和(d)為正面su-8“圍墻”結(jié)構(gòu)和背面“凹槽”結(jié)構(gòu)的生物傳感器在滴入濃度范圍為25mg/dl～1000mg/dl的葡萄糖溶液時(shí)的反射系數(shù)測量數(shù)據(jù)；

圖8為線性擬合曲線分析圖：(a)和(b)為正面su-8“圍墻”結(jié)構(gòu)和背面“凹槽”結(jié)構(gòu)的生物傳感器關(guān)于諧振頻率值和葡萄糖濃度的線性關(guān)系(線性相關(guān)度分別為0.96823和0.90470)；(c)和(d)為正面su-8“圍墻”結(jié)構(gòu)和背面“凹槽”結(jié)構(gòu)的生物傳感器關(guān)于反射系數(shù)幅值和葡萄糖濃度的線性關(guān)系(線性相關(guān)度分別為0.97848和0.98712)；

其中1貼片諧振器；2共面波導(dǎo)饋線結(jié)構(gòu)；3硅基板；4、圍墻結(jié)構(gòu)；5、凹槽結(jié)構(gòu)。

具體實(shí)施方式

下面根據(jù)附圖舉例對本發(fā)明做進(jìn)一步說明：

實(shí)施例1：

如圖1和4所示，一種正面含有圍墻結(jié)構(gòu)的基于微波貼片諧振器的葡萄糖生物傳感器的制作方法如下：

(1)首先使用玻璃、石英、硅等半導(dǎo)體基板，并利用異丙胺溶液進(jìn)行一次清洗，再用去離子水溶液進(jìn)行二次清洗，保證表面清潔且無雜質(zhì)；

(2)利用低壓化學(xué)氣象沉淀方法，在半導(dǎo)體基板上沉淀一層厚度為50～200納米的二氧化硅或氮化硅鈍化層，從而獲得更加平坦的表面以便于之后的加工；

(3)利用噴濺方法生長一層厚度為20～50納米左右鈦或者鉻作為第一層種子金屬層，之后再利用噴濺方法生長一層厚度為30～100納米左右的金作為第二層種子金屬層以提升半導(dǎo)體基板與后續(xù)器件金屬層之間的粘合力；

(4)在所述種子金屬層上形成圖案化的光阻膠層，圖案化的光阻膠層窗口對應(yīng)于所述預(yù)定義的貼片諧振器和共面波導(dǎo)饋線位置；

(5)首先電鍍一層厚度為6.0～9.0微米厚的銅作為第一層金屬層，之后繼續(xù)電鍍一層厚度為0.5～1.0微米厚的金作為第二層金屬層來構(gòu)成貼片諧振器和共面波導(dǎo)饋線的結(jié)構(gòu)。此處一般采用較厚銅，因?yàn)槠渚哂邢鄬Ω叩碾妼?dǎo)率、更低電阻率、更低損耗的金屬材料和價(jià)格更低，從而可以獲得更快的反應(yīng)速度，方便之后的器件焊接，以及獲得更低的加工成本；但是銅易氧化，所以最終需要在銅上面再加一層金作為防止氧化層。

(6)利用金屬剝離設(shè)備并且使用丙酮溶液去除光阻膠；

(7)基于感性耦合等離子體刻蝕工藝，使用氬氣等刻蝕性氣體來去除不需要的種子金屬以防止器件工作時(shí)的短路現(xiàn)象。

(8)在離子反應(yīng)刻蝕腔中用氬氣、氯氣等刻蝕性氣體對對前述做好的樣本貼片表面進(jìn)行親水化處理；

(9)在一定溫度80～140℃下應(yīng)用n2h2/o2、o2等離子體對對前述做好的樣本貼片進(jìn)行表面清潔處理；

(10)在100℃～150℃，300rpm～500rpm,10rpm/s的加速度下，使用su-8光阻膠材料在前述做好的樣本貼片結(jié)構(gòu)上進(jìn)行旋轉(zhuǎn)涂膠，從而得到致密性高、無空洞結(jié)構(gòu)、無分葉層的su-8光刻膠層；

(11)在65℃～85℃條件下軟烘5分鐘去除su-8光阻膠中的水成分，其次在240mj/cm²～300mj/cm²的條件下利用紫外線對su-8光阻膠材料進(jìn)行曝光，在所述樣本貼片結(jié)構(gòu)上形成“圍墻”圖案化，“圍墻”圖案化的su-8光阻膠窗口應(yīng)完全包含前述做好的貼片諧振器，可以是方形結(jié)構(gòu)、矩形結(jié)構(gòu)、圓形結(jié)構(gòu)等，而共面波導(dǎo)饋線的位置則需要在該“圍墻”結(jié)構(gòu)之外，然后在95℃～115℃條件下后硬烘焙10分鐘～20分鐘以完全蒸發(fā)掉su-8光刻膠里面剩余的溶劑并進(jìn)一步減少駐波效應(yīng)，接著使用su-8專用顯影液浸泡基板30～45分鐘進(jìn)行顯影；

(12)使用去離子水溶液清洗步驟(11)中的基板表面雜質(zhì)；

(13)在150℃～250條件下硬烘20分鐘以上以最大程度增強(qiáng)su-8光阻膠與半導(dǎo)體基板直接的粘合力。

實(shí)施例2：

如圖2-3，5-6所示，一種背面含有凹槽結(jié)構(gòu)的基于微波貼片諧振器的葡萄糖生物傳感器的制作方法如下：

(1)首先使用玻璃、石英、硅等半導(dǎo)體基板，并利用異丙胺溶液進(jìn)行一次清洗，再用去離子水溶液進(jìn)行二次清洗，保證表面清潔且無雜質(zhì)；

(2)利用低壓化學(xué)氣象沉淀方法，在半導(dǎo)體基板上沉淀一層厚度為50～200納米的二氧化硅或氮化硅鈍化層，從而獲得更加平坦的表面以便于之后的加工；

(3)利用噴濺方法生長一層厚度為20～50納米左右鈦或者鉻作為第一層種子金屬層，之后再利用噴濺方法生長一層厚度為30～100納米左右的金作為第二層種子金屬層以提升半導(dǎo)體基板與后續(xù)器件金屬層之間的粘合力；

(4)在所述種子金屬層上形成圖案化的光阻膠層，圖案化的光阻膠層窗口對應(yīng)于所述預(yù)定義的貼片諧振器和共面波導(dǎo)饋線位置；

(5)首先電鍍一層厚度為6.0～9.0微米厚的銅作為第一層金屬層，之后繼續(xù)電鍍一層厚度為0.5～1.0微米厚的金作為第二層金屬層來構(gòu)成貼片諧振器和共面波導(dǎo)饋線的結(jié)構(gòu)。此處一般采用較厚銅，因?yàn)槠渚哂邢鄬Ω叩碾妼?dǎo)率、更低電阻率、更低損耗的金屬材料和價(jià)格更低，從而可以獲得更快的反應(yīng)速度，方便之后的器件焊接，以及獲得更低的加工成本；但是銅易氧化，所以最終需要在銅上面再加一層金作為防止氧化層。

(6)利用金屬剝離設(shè)備并且使用丙酮溶液去除光阻膠；

(7)基于感性耦合等離子體刻蝕工藝，使用氬氣等刻蝕性氣體來去除不需要的種子金屬以防止器件工作時(shí)的短路現(xiàn)象；

(8)在前述做好的樣本貼片的背面形成圖案化的光阻膠層，圖案化的光阻膠層窗口互補(bǔ)于(反向于)所述預(yù)定義的凹槽位置(僅凹槽位置沒有光阻膠層)，預(yù)定義的凹槽位于前述做好的正面貼片諧振器的正下方，并完全包含該正面貼片諧振器，可以是方形結(jié)構(gòu)、矩形結(jié)構(gòu)、圓形結(jié)構(gòu)等，而共面波導(dǎo)饋線的位置則需要在該“凹槽”結(jié)構(gòu)之外；

(9)采用深硅刻蝕工藝(bosch)利用氟基刻蝕性氣體在10^-2～10^-3mbar的真空度，2500～3000瓦特的功率，-10℃溫度下實(shí)施刻蝕操作6～10秒，并利用碳氟基鈍化性氣體在10^-2～10^-3mbar的真空度，1500～2000瓦特的功率下實(shí)施鈍化操作2～4秒，并反復(fù)重復(fù)“刻蝕-鈍化”的操作55～65次，直到完成既定厚度的基板背面深硅刻蝕，實(shí)現(xiàn)貼片諧振器背面“凹槽”型結(jié)構(gòu)；

(10)在離子反應(yīng)刻蝕腔中用刻蝕性氣體對對前述做好的“凹槽”結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行親水化處理；

(11)使用麻凝集素溶液和去離子水溶液對對前述做好的“凹槽”結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面清潔清理。

實(shí)施例1-2的優(yōu)點(diǎn)及有益效果；

(1)正面su-8“圍墻”型結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)范圍在0.1mm³-10mm³之間的體積，可檢測容積范圍為0.1μl-10μl的葡萄糖溶液，該結(jié)構(gòu)尺寸可調(diào)節(jié)；

(2)背面“凹槽”型結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)范圍在0.1mm³–15mm³之間的體積，可檢測容積范圍為0.1μl-15μl的葡萄糖溶液，該結(jié)構(gòu)尺寸可調(diào)節(jié)；

(3)可以實(shí)現(xiàn)除葡萄糖溶液以外的所有液態(tài)生物標(biāo)記物的定量、定形、定點(diǎn)檢測；

(4)檢測所需的葡萄糖溶液少于1μl，可以極大程度的節(jié)省了檢測溶液；

(5)微波貼片諧振器是單層結(jié)構(gòu)，加工簡單，成本低廉；

(6)本發(fā)明提出的兩種生物傳感器均實(shí)現(xiàn)了高靈敏度、低反應(yīng)時(shí)間、可重復(fù)使用、小尺寸的諸多優(yōu)良特性；

(7)線性回歸分析表明該發(fā)明具有出色的線性相關(guān)度；

(8)可以作為糖尿病前期檢測的一種有效途徑，有利于推廣應(yīng)用。

實(shí)施例3：

葡萄糖溶液濃度的檢測

(1)在計(jì)算機(jī)上利用hfssv16軟件，設(shè)計(jì)并仿真得到兩種規(guī)格嚴(yán)整的基于基板正面“圍墻”結(jié)構(gòu)和基板背面“凹槽”結(jié)構(gòu)的貼片諧振器，圖1和圖2分別為基于正面su-8“圍墻”結(jié)構(gòu)和基于背面“凹槽”型結(jié)構(gòu)的貼片諧振器；

(2)貼片諧振器的頻率響應(yīng)應(yīng)該具有高品質(zhì)因數(shù)，且貼片諧振器的大小應(yīng)略小于“圍墻”和“凹槽”結(jié)構(gòu)，從而保證測試溶液在滴入“圍墻”和“凹槽”結(jié)構(gòu)后能完全覆蓋貼片傳感器，接觸并影響貼片諧振器的電場，最終使得貼片諧振器的頻率和反射系數(shù)的值發(fā)生變化，以用于表征葡萄糖的濃度；

(3)利用微納米技術(shù)完成生物傳感器的加工，加工得到的器件如圖3所示；

(4)對測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，得到表征生物傳感器的關(guān)鍵參數(shù)。例如，靈敏度、反應(yīng)時(shí)間、檢測限度(lod)值、以及線性度。