[发明专利]一种用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器

说明书

本发明涉及毫米波传感技术与生物医学检测和表征的交叉技术，具体涉及一种用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器，包括由下至上的衬底层、地金属层、氧化层、顶层金属层和钝化层；还包括顶层金属层构建的横向或纵向共面叉指电容结构与方形边框电感结构形成LC并联谐振介质传感器，LC并联谐振介质传感器向外延伸两条传输线作为输入、输出信号端口，且LC并联谐振介质传感器正下方的地金属层挖空，正上方覆盖钝化层。该传感器采用横向和纵向两种介质敏感的共面叉指电容结构，基于标准集成电路工艺，构建横向和纵向两种两种高灵敏度毫米波LC并联谐振介质传感器结构，具有结构紧凑、集成度高、尺寸小、制造简单等特点。

技术领域

本发明属于毫米波传感技术与生物医学检测和表征的交叉技术领域，特别涉及一种用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器。

背景技术

当今社会，人口老龄化所带来的健康问题直接会影响到社会的医疗保健系统，迫切需要颠覆性技术来建立对生物参数具有高灵敏度、快速、高效、廉价等特点的医疗即时检测（point of care testing-POCT）系统，这不仅有利于患者或消费者，还缓解了医护人员的工作压力。POCT系统由“离体”传感器和可穿戴医疗设备组成的身体传感器网络，将对重要身体参数的持续监测，如血压、血液中的葡萄糖含量、毒性成分、大脑活动等。因此，高灵敏度、高精度生物医学传感器的设计与实现是建立POCT系统的关键。一种高灵敏度传感方案是使用非光学频率范围内的电磁波，其频率范围为1～100 GHz，此频段对样品中水含量的变化非常敏感，可以成功地应用于基于水含量变化的生物溶液浓度检测和生物材料特性表征。利用此频率范围内毫米电磁波与生物材料的相互作用，可以设计出高灵敏度的生物医学介质谐振传感器。该传感器为无源电容电感（LC）并联谐振介质传感器，传感器中的叉指电容C为主要探测区域，待测物介电常数的变化引起叉指电容的变化，从而导致谐振频率的偏移以实现传感目的。目前，随着集成电路工艺的不断发展，可以在标准半导体工艺的衬底上非常快速地设计和制造微米级的高灵敏度毫米波介质谐振传感器，具备结构紧凑、微型化，同时还有能拓展成集成传感器等特点，对于现代生物医学传感领域的应用具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的是基于标准集成电路工艺，提供横向或纵向两种介质敏感的共面叉指电容结构，并结合方形边框的电感结构，构建两种高灵敏度LC并联谐振介质传感器结构。并将传感器的工作频率设计在毫米波段。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器，包括由下至上的衬底层、地金属层、氧化层、顶层金属层和钝化层；还包括顶层金属层构建的横向或纵向共面叉指电容结构与方形边框电感结构形成LC并联谐振介质传感器，LC并联谐振介质传感器向外延伸两条传输线作为输入、输出信号端口，且LC并联谐振介质传感器正下方的地金属层挖空，正上方覆盖钝化层。

在上述用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器中，横向共面叉指电容结构的叉指方向与外延传输线输入、输出信号端口方向平行，方形边框电感结构与横向共面叉指电容结并联。

在上述用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器中，纵向共面叉指电容结构的叉指方向与外延传输线输入、输出信号端口方向垂直，方形边框电感结构与纵向共面叉指电容结并联。

在上述用于生物医学检测的高灵敏度毫米波介质谐振传感器中，衬底层厚度为726.1502µm，相对介电常数为11.9，电导率为0.1S/m；衬底层的上表面到地金属层下表面的厚度是0.595µm，地金属层厚度为0.26µm；氧化层高度起于距离地金属层下表面0.595µm处，止于顶层金属层上表面，厚度为7.009µm，相对介电常数为3.935；顶层金属层下表面到地金属层上表面的距离为3.153µm，顶层金属层厚度为3.001µm；顶层金属层上表面以上为钝化层，厚度为2.87µm，相对介电常数为5.06；钝化层上表面以上为全覆盖的待测物。