[发明专利]电磁生物传感器装置及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物传感器。更具体地，本发明涉及一种电磁生物传感器装置及其制作方法。

背景技术

在1998年，Baselt等人在美国专利US5,981,297中首次报道了利用标记有生物分子的磁颗粒和巨磁阻(GMR)磁敏传感器探测生物靶标分子的原理。此专利中描述的检测原理是首先在GMR磁敏传感器表面修饰上能够识别靶标分子的捕捉分子(抗体或抗原或DNA)，然后使样品中的靶标分子与之特异性结合。随之，抗体或抗原检测分子与靶标分子反应，形成捕捉分子-靶标分子-检测分子的夹心结构。检测分子上连接有纳米或微米尺寸的磁颗粒，这些磁颗粒以如上所述夹心结构为桥梁被固定在传感器表面。所用磁颗粒是顺磁磁颗粒，在没有磁场作用的情况下不产生磁信号。在外加磁场的作用下，顺磁磁颗粒被磁化，产生磁信号，被磁敏传感器探测。GMR磁敏传感器通过对磁颗粒的检测来间接检测靶标分子的数量。

由于随后开发的MTJ磁隧道结磁敏传感器具有比GMR传感器更高的灵敏度，王善祥等人在美国专利US7,682,838，姜熙福等人在中国专利公开号CN1510417A，陈超等人中国专利公开号CN1475806A，石西增在美国专利申请公开号US20090186770中相继提出用MTJ磁隧道结磁敏传感器代替GMR磁敏传感器进行生物分子检测。在王善祥的专利和陈超的专利中，磁敏传感器是一个多层结构，从下到上依次包括下部电极、磁隧道结、和上部电极三层主要结构。通过类似于Baselt所描述的由生物分子特异反应形成的“捕捉分子-靶标分子-检测分子-磁颗粒”夹心结构，和靶标分子浓度成正比的一定数量的磁颗粒反应在上部电极上。MTJ磁隧道结磁敏传感器通过对磁颗粒数量的检测来间接检测靶标分子的数量。

姜熙福的专利和石西增的专利进一步改进了MTJ传感器阵列，在每一个MTJ传感器下面连接了一个开关电路，如图1所示。此开关电路受位于MTJ传感器阵列外围的例如地址译码器的控制电路控制，使具有大规模MTJ传感器阵列的生物传感器的实现成为可能，并且阵列的尺寸和形状可以根据被检测靶标的数量进行优化。使用目前先进的半导体工艺制造技术，可以实现几个甚至几十个GB的传感器阵列。这样大的传感器阵列可以被用来检测大规模DNA阵列。在姜熙福的专利中，芯片上的位线被用来产生测试磁场。MTJ传感器所感应到的磁信号随着传感器周围的被测介质的生物特性的变化而变化。在石西增等的专利中，测试磁场是由外界器件如电磁铁产生。通过类似于Baselt所描述的由生物分子特异反应形成的“捕捉分子-靶标分子-检测分子-磁颗粒”夹心结构，和靶标分子浓度成正比的一定数量的磁颗粒反应在MTJ传感器上方。MTJ磁隧道结磁敏传感器通过对磁颗粒数量的检测来间接检测靶标分子的数量。

姜熙福的专利除外，现有技术中制作生物磁敏传感器的一个关键技术环节是把磁颗粒通过特异反应过程连接到传感器结构的的上表面。现有技术中，磁敏传感器件最上层一般是SiO₂或Si₃N₄钝化层，此钝化层的主要作用是保护下面的金属导电层及磁性材料不受随后制作工艺的影响以及不受传感器使用环境的影响以保持高的灵敏度。该钝化层需要经过活化、修饰才能有效的附着“捕捉分子”。一种公知方法是在SiO₂或Si₃N₄钝化层上面溅射淀积一层金(Au)薄膜。含有“捕捉分子”的试剂被点在金薄膜上后，在潮湿的环境中培养一小时使“捕捉分子”通过物理吸附作用固定在金薄膜上。如王善祥等人的专利所公开的。此方法的一个不利之处在于金材料的刻蚀工艺和用于制作芯片上焊接点的铝膜的刻蚀工艺不能兼容、需要引入单独的设备进行刻蚀，增加了芯片制造过程的复杂性。此方法的另一个重大缺陷在于金的淀积过程和通用的半导体制作工艺不匹配。由于金原子很容易对半导体材料造成严重的污染、引起电路完全失效，半导体生产线一般不引入金膜淀积过程。