專利名稱：三維微結構光尋址電位傳感器的制作方法
技術領域：
本發明屬于傳感器，特別是光尋址電位傳感器。
光尋址電位傳感器(LAPS)的基本原理是表面光電位法。基于電場效應，傳感器的敏感薄膜與電解質溶～液界面產生與溶液pH值成正比的能斯特電位。利用光生伏特效應，光照在硅單晶片上產生光生載流子，在偏置電壓作用下產生光電流。以調制光電流的形式檢測半導體/敏感薄膜/電解質界面的電位變化。進一步通過光掃描或調制光束選擇地對器件不同敏感薄膜實現尋址。LAPS可在一個硅片上實現多功能、多參數測量。雖然信號很微弱，采用鎖相放大器可以實現精確測量。美國MOLECULAR DEVICE公司研制成功的LAPS，它基本上屬于電極形式的，與參比電極分離，實際使用不方便，穩定性和抗干擾能力較差。見圖1。
本發明的目的是提供一種結構合理、靈敏度高、穩定性好的三維光尋址電位傳感器。
本發明的主要特點是參比電極2與硅單晶片6構成微型腔體。
本發明結構合理，參比電極與測量池一體化、微型化，這樣既可以節約待測溶液，又可以與IC工藝兼容，特別容易集成化和多功能化。
圖1是現有技術結構中1是偏置電壓、2是控制電極、3是電解質溶液、4是不同部位的敏感膜、5是絕緣層、6是硅、7是歐姆接觸、8是光電流、9是發光二極管圖2是本發明傳感器結構中1是偏置電壓、2是參比電極、3是電解質溶液、4是玻璃、5是發光器件、6是硅單晶片、7是歐姆接觸、8是光電流、9是待測液入口、10是待測液出口、11是硅尖錐陣列圖3是硅尖錐陣列放大中6是硅單間晶片、12是SiO213是Si3N4下面結合附圖詳述本發明。LAPS結構如圖2所示，是在參比電級和氫離子敏感膜/絕緣層/半導體結構之間施加一個直流偏壓，在硅片背面照射被調制的交變紅外光束。當無調制光照射時，偏壓電壓使半導體界面電荷積累形成耗盡區，LAPS成為一個電容量隨偏壓變化的電容器。當交變光照射硅片的某部位，在該部位產生電子—空穴對。對于N型硅片，偏壓大于零，LAPS處于電荷積累狀態，外電路電流幅值幾乎等于零。當偏壓小于零時，光電子從光照一側垂直遷移到空間電荷區，導致產生明顯的光電流。其幅值與敏感膜界面的膜電位，即H+活度成正比。由此可以檢測溶液的pH值。如果在敏感膜Si3N4表面覆蓋上其它離子敏生物敏感薄膜，它們與待測溶液接觸，在其表面局部反應調制Si3N4表面H+活度，可以檢測其它離子或生物分子濃度。背面照射的紅外光可采用掃描法或陣列法尋址，檢測與光照相對應的敏感薄膜所實別的離子或生物分子濃度。
本發明的LAPS是一個三維微型結構。LAPS芯片由一塊硅單晶片制成的微機械結構和一塊薄型玻璃片或有機玻璃片封裝成一個微型的腔體，腔內可流過待測電解質溶液或生物溶液。在微型腔體內做成上下電極，上下電極平行，上電極由Ag/Agce薄膜做成參比電極2，下電極由硅單晶基片6制成硅尖錐陣列11，在硅尖錐陣列表面覆蓋SiO2絕緣層12和Si3N4氫離子敏感膜13。若要檢測其它離子或生物分子，再在Si3N4表面復合其它離子敏感薄膜或生物敏感膜。測量電極表面設計成尖錐陣列11，尖錐數量越多，其靈敏度越高。本發明已做到尖錐100個。光源窗口開在硅單晶基片6的背面，對應于尖錐陣列11。薄區厚度為15至25微米。在光源窗口處放置光源器件，可以是發光二極管或光纖導光。腔體有待測電解質溶液的人口9和出口10，以便于更換待測溶液。本發明由于采取了減小了參比電極2與測量電極之間的距離、增加尖錐數量、減薄窗區硅片厚度等措施，大大提高了LAPS的靈敏度，并使信號電流得到數量級的提高，這樣就可以使用簡單的鎖相環電路，對相應光源窗口的光束進行調制，通過鎖相放大實現尋址。
權利要求
1.三維微結構光尋址電位傳感器，包括在硅單晶片6上的下電極11，在下電極11上有絕緣層12，敏感膜13復合在絕緣層上，發光器件5放置在下電極的下部，偏置電壓1與參比電極2相連，其特征是參比電極2與硅單晶片6構成微型腔體。
2.按權利要求1所述的三維微結構光尋址電位傳感器，其特征是硅單晶片6上的下電極11是尖錐狀。
3.按權利要求1或2所述的三維微結構光尋址電位傳感器，其特征是硅單晶片6有一對應尖錐11的光源窗口，其厚度為15-25微米。
4.按權利要求1所述的三維微結構光尋址電位傳感器，其特征是腔體有進口9和出口10。
5.按權利要求1所述的三維微結構光尋址電位傳感器，其特征是尖錐11上復合有絕緣層SiO212和敏感膜Si3N413。
6.按權利要求1所述的三維微結構光尋址電位傳感器，其特征是所說的發光器件5為發光二極管或光纖導光。
全文摘要
三維微結構光尋址電位傳感器，包括在硅單晶片6上的下電極11，在下電極11上有絕緣層12，敏感膜13復合在絕緣層上，發光器件5放置在下電極的下部，偏置電壓1與參比電極2相連，參比電極2與硅單晶片6構成微型腔體。本發明結構合理，參比電極與測量池一體化、微型化，這樣既可以節約待測溶液，又可以與IC工藝兼容，特別容易集成化和多功能化。
文檔編號G01N27/26GK1168975SQ97103670
公開日1997年12月31日 申請日期1997年3月26日 優先權日1997年3月26日
發明者韓涇鴻 申請人:中國科學院電子學研究所