一種生物熒光微全分析系統芯片及其制備方法技術方案

本發明專利技術公開了一種生物熒光微全分析系統芯片及其制備方法，該芯片包括：PDMS微流通道、InGaN基LD、Si光電探測器三部分，分別構成所述芯片的上層、中層、底層，通過硅片鍵合技術接合為一體；其中，所述的PDMS微流通道與玻璃片鍵合而成為樣品臺；所述的InGaN基LD用作激發光源；所述的Si光電探測器用于檢測和分析激發熒光信號；所述的InGaN基LD和Si光電探測器中間接合有一個光帶通濾波器。本發明專利技術的熒光微全分析系統芯片實現了將激發光源與樣品臺和光電檢測器集成在同一個芯片上，具有高度的集成化，此外，該芯片還具有生物材料消耗低，熒光背景噪聲小，靈敏度高等特點，在醫療診斷和環境分析等領域具有非常重要的應用意義。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術屬于微分析系統芯片
，具體涉及一種生物熒光微全分析系統芯片及其制備方法。
技術介紹
MEMS技術與生物技術緊密結合是21世紀微電子領域的一個熱點。其中生物微機電系統(Bo-iMEMS)是在生物醫學工程中使用的MEMS,其中最明顯的就是生物芯片。由尺度效應可以知道，MEMS可以靈敏、準確、低成本和微創地應用于生物芯片領域。對于傳統生化檢測儀器，其擁有體積龐大、操作復雜、靈敏度低、對待測溶液的需求量大，不易實現連續的實時監控等缺點。而采用熒光微分析系統芯片則克服了上述缺點，所提供的微型檢測平臺，便于操作、靈敏度改善、待測溶液需求量小，且與集成電路兼容。現有的熒光微分析系統，雖然實現了一定程度光學系統的集成化，但是相較于傳統的外部光源激發熒光物質，其檢測精度較低。例如，由T.Kamei等人在2003年發表的“IntegratedHydrogenatedAmorphousSiPhotodiodeDetectorforMicrofluidicBioanalyticalDevices”(集成氫化非晶硅光電探測器的微流體生物分析器件，T.Kameietal.,Anal.Chem.2003,75,5300-5305)一文中，采用了外部光源來激發熒光物質，其檢測精度可以達到17nm。而由Y.H.Kim等人在2006年發表的“Poly(dimethylsiloxane)-BasedPackagingTechniqueforMicrochipFluorescenceDetectionSystemApplications”(基于聚二甲基硅氧烷封裝技術的微芯片熒光檢測系統的應用，Y.H.Kimetal.,J.MICROELECTROMECH.S.2006,15(5),1152-1158)一文中，制備了基于PDMS為封裝技術的熒光微分析系統芯片，該熒光微分析系統芯片包括一個集成的p-i-n光電二極管，有機發光二極管(OLED)作為熒光激發光源，一個干涉濾光器，此外還有一條微通道。該芯片最后得到的檢測精度只有10μm。
技術實現思路
本專利技術的目的在于克服原有技術方案的不足，提供一種生物熒光微全分析系統芯片及其制備方法，使系統檢測精度大大提高。為解決上述技術問題，本專利技術采有以下技術方案。本專利技術的一種生物熒光微全分析系統芯片，其特征在于：包括PDMS微流通道、InGaN基LD、Si光電探測器三部分，分別構成所述芯片的上層、中層、底層，通過硅片鍵合技術接合為一體；其中，所述的PDMS微流通道與玻璃片鍵合而成為樣品臺；所述的InGaN基LD用作激發光源；所述的Si光電探測器用于檢測和分析激發熒光信號；所述的InGaN基LD和Si光電探測器中間接合有一個光帶通濾波器。其中：所述的光帶通濾波器的帶通波長范圍至少不小于450nm。所述的InGaN基LD使用Al2O3作為襯底。所述的PDMS微流通道的尺寸為：深50μm，寬100μm，長1cm。所述的InGaN基LD采用環形結構且有一個開口，發光區域外徑為1200μm，內徑為1100μm。所述的Si光電探測器的p-n結采用環形結構。所述的PDMS微流通道中溶液采用FITC標記抗體。本專利技術的一種生物熒光微全分析系統芯片的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：(1)制備用于檢測熒光的Si光電探測器，其過程為：101)采用反應離子刻蝕方法刻蝕n型、電阻率為1Ω·cm的Si晶片；102)對Si表面進行氧化處理后進行緩沖氫氟酸蝕刻；103)從窗口摻入B+形成p-n結；104)采用低壓力化學氣相沉工藝在襯底表面淀積一層均勻的SiO2薄膜；105)在SiO2薄膜表面進行BHF蝕刻；106)淀積Al以及蝕刻Al；107)燒成；(2)制備用于激發熒光物質的InGaN基LD，其過程為：201)取200μm厚研磨晶片；202)對p型InGaN進行FAB蝕刻；203)SOG涂覆，而后采用BHF蝕刻；204)Ni/Al濺射，隔離空氣退火；205)電子束蒸發Au并隔離；206)對n型InGaN進行FAB蝕刻；207)對Al2O3進行深反應離子刻蝕；(3)制備PDMS微通道，其過程為：301)采用SU-8膠光刻工藝；302)將PDMS前驅體澆注到步驟301)所得到的結構上，然后固化；303)將固化后的PDMS模板剝離；304)對PDMS模板進行鉆孔；305)將PDMS與玻璃基底接合，即：將PDMS微流通道與玻璃片鍵合而成為樣品臺；(4)將Si光電探測器、InGaN基LD和PDMS微流通道進行集成化封裝成芯片：首先在InGaN基LD和Si光電探測器中間接合一個光帶通濾波器，再采用硅片鍵合技術，將上層的PDMS微流通道、中層的InGaN基LD、底層的Si光電探測器接合為一體；其過程為：401)使用RCA1清洗；402)使用超聲波清洗；403)利用N2等離子體對Si表面進行活化處理，等離子功率75/100W，時間為15秒；活化處理時要注意平整度對鍵合的影響；404)進行接合，施加的力為500N，溫度300℃，時間60min；405)采用上述步驟401)—404)所述方法對PDMS微流體芯片和InGaN基LD進行接合處理。與現有技術相比，本專利技術具有以下優點和有益效果：1.本專利技術采用InGaN基LD做為熒光物質的激發光源，具有體積小、冷光源，響應時間短、發光效率高等優點。2.本專利技術集成了InGaN基LD的激發光源，PDMS微流體芯片，以及檢測熒光物質發光的Si光電探測器，對熒光微全分析系統實現高度集成化度。3.本專利技術具有生物材料消耗低，熒光背景噪聲小，靈敏度高等特點，在醫療診斷和環境分析等領域具有非常重要的應用意義。附圖說明圖1是本專利技術的生物熒光微全分析系統芯片的Si光電探測器的結構示意圖。其中，7-1是Si光電探測器的受光部分。圖2是本專利技術的生物熒光微全分析系統芯片的環狀InGaN基LD的結構示意圖。其中，環狀部分3-1是發光部分，開口3-2作為熒光進入Si光電探測器的通道。圖3是本專利技術的生物熒光微全分析系統芯片的PDMS微通道的結構示意圖。其中，圖4是本專利技術的生物熒光微全分析系統芯片橫截面原理圖。其中，1和2作為一個整體為PDMS微流通道，分別為：1是PDMS流路，2是玻璃基底；3，4和5作為一個整體為InGaN基LD，分別為：3是p-InGaN，4是n-InGaN，5是Al2O3基底；6是光帶通濾波器；7和8作為一本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種生物熒光微全分析系統芯片，其特征在于：包括PDMS微流通道、InGaN基LD、Si光電探測器三部分，分別構成所述芯片的上層、中層、底層，通過硅片鍵合技術接合為一體；其中，所述的PDMS微流通道與玻璃片鍵合而成為樣品臺；所述的InGaN基LD用作激發光源；所述的Si光電探測器用于檢測和分析激發熒光信號；所述的InGaN基LD和Si光電探測器中間接合有一個光帶通濾波器。

【技術特征摘要】
1.一種生物熒光微全分析系統芯片，其特征在于：包括PDMS微流通道、InGaN基LD、Si光
電探測器三部分，分別構成所述芯片的上層、中層、底層，通過硅片鍵合技術接合為一體；其
中，所述的PDMS微流通道與玻璃片鍵合而成為樣品臺；所述的InGaN基LD用作激發光源；所
述的Si光電探測器用于檢測和分析激發熒光信號；所述的InGaN基LD和Si光電探測器中間
接合有一個光帶通濾波器。
2.根據權利要求1所述的一種生物熒光微全分析系統芯片，其特征在于，所述的光帶通
濾波器的帶通波長范圍至少不小于450nm。
3.根據權利要求1所述的一種生物熒光微全分析系統芯片，其特征在于，所述的InGaN
基LD使用Al2O3作為襯底。
4.根據權利要求1所述的一種生物熒光微全分析系統芯片，其特征在于，所述的PDMS微
流通道的尺寸為：深50μm，寬100μm，長1cm。
5.根據權利要求1所述的一種生物熒光微全分析系統芯片，其特征在于，所述的InGaN
基LD采用環形結構且有一個開口，發光區域外徑為1200μm，內徑為1100μm。
6.根據權利要求1所述的一種生物熒光微全分析系統芯片，其特征在于，所述的Si光電
探測器的p-n結采用環形結構。
7.根據權利要求1所述的一種生物熒光微全分析系統芯片，其特征在于，所述的PDMS微
流通道中溶液采用FITC標記抗體。
8.如權利要求1—7任一項所述的一種生物熒光微全分析系統芯片的制備方法，其特征
在于，包括以下步驟：
(1)制備用于檢測熒光的Si光電探測器，其過程為：
101)采用反應離子刻蝕方法刻蝕n型、電阻率為1Ω·cm的Si晶片；
102)對Si表面進行氧化處理后進行緩沖氫氟酸蝕刻；
103)從窗口摻入B+形成...

【專利技術屬性】
技術研發人員：胡芳仁，張雪花，張偉，郭俊宏，
申請(專利權)人：南京郵電大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32