[发明专利]三维微结构光寻址电位传感器

说明书

本发明属于传感器，特别是光寻址电位传感器。

光寻址电位传感器(LAPS)的基本原理是表面光电位法。基于电场效应，传感器的敏感薄膜与电解质溶～液界面产生与溶液pH值成正比的能斯特电位。利用光生伏特效应，光照在硅单晶片上产生光生载流子，在偏置电压作用下产生光电流。以调制光电流的形式检测半导体/敏感薄膜/电解质界面的电位变化。进一步通过光扫描或调制光束选择地对器件不同敏感薄膜实现寻址。LAPS可在一个硅片上实现多功能、多参数测量。虽然信号很微弱，采用锁相放大器可以实现精确测量。美国MOLECULAR DEVICE公司研制成功的LAPS，它基本上属于电极形式的，与参比电极分离，实际使用不方便，稳定性和抗干扰能力较差。见图1。

本发明的目的是提供一种结构合理、灵敏度高、稳定性好的三维光寻址电位传感器。

本发明的主要特点是参比电极2与硅单晶片6构成微型腔体。

本发明结构合理，参比电极与测量池一体化、微型化，这样既可以节约待测溶液，又可以与IC工艺兼容，特别容易集成化和多功能化。

附图说明

图1是现有技术结构图

图中1是偏置电压、2是控制电极、3是电解质溶液、4是不同部位的敏感膜、5是绝缘层、6是硅、7是欧姆接触、8是光电流、9是发光二极管

图2是本发明传感器结构图

图中1是偏置电压、2是参比电极、3是电解质溶液、4是玻璃、5是发光器件、6是硅单晶片、7是欧姆接触、8是光电流、9是待测液入口、10是待测液出口、11是硅尖锥阵列

图3是硅尖锥阵列放大图

图中6是硅单间晶片、12是SiO₂    13是Si₃N₄

下面结合附图详述本发明。LAPS结构如图2所示，是在参比电级和氢离子敏感膜/绝缘层/半导体结构之间施加一个直流偏压，在硅片背面照射被调制的交变红外光束。当无调制光照射时，偏压电压使半导体界面电荷积累形成耗尽区，LAPS成为一个电容量随偏压变化的电容器。当交变光照射硅片的某部位，在该部位产生电子一空穴对。对于N型硅片，偏压大于零，LAPS处于电荷积累状态，外电路电流幅值几乎等于零。当偏压小于零时，光电子从光照一侧垂直迁移到空间电荷区，导致产生明显的光电流。其幅值与敏感膜界面的膜电位，即H⁺活度成正比。由此可以检测溶液的pH值。如果在敏感膜Si₃N₄表面覆盖上其它离子敏生物敏感薄膜，它们与待测溶液接触，在其表面局部反应调制Si₃N₄表面H⁺活度，可以检测其它离子或生物分子浓度。背面照射的红外光可采用扫描法或阵列法寻址，检测与光照相对应的敏感薄膜所实别的离子或生物分子浓度。

本发明的LAPS是一个三维微型结构。LAPS芯片由一块硅单晶片制成的微机械结构和一块薄型玻璃片或有机玻璃片封装成一个微型的腔体，腔内可流过待测电解质溶液或生物溶液。在微型腔体内做成上下电极，上下电极平行，上电极由Ag/Agce薄膜做成参比电极2，下电极由硅单晶基片6制成硅尖锥阵列11，在硅尖锥阵列表面覆盖SiO₂绝缘层12和Si₃N₄氢离子敏感膜13。若要检测其它离子或生物分子，再在Si₃N₄表面复合其它离子敏感薄膜或生物敏感膜。测量电极表面设计成尖锥阵列11，尖锥数量越多，其灵敏度越高。本发明已做到尖锥100个。光源窗口开在硅单晶基片6的背面，对应于尖锥阵列11。薄区厚度为15至25微米。在光源窗口处放置光源器件，可以是发光二极管或光纤导光。腔体有待测电解质溶液的入口9和出口10，以便于更换待测溶液。本发明由于采取了减小了参比电极2与测量电极之间的距离、增加尖锥数量、减薄窗区硅片厚度等措施，大大提高了LAPS的灵敏度，并使信号电流得到数量级的提高，这样就可以使用简单的锁相环电路，对相应光源窗口的光束进行调制，通过锁相放大实现寻址。