МИКРОЭЛЕКТРОНИКА, 2013, том 42, № 1, с. 23-33
= МИКРО- И НАНОСТРУКТУРЫ
УДК 621.382
СЕНСОР НА ОСНОВЕ КРЕМНИЕВОГО МИКРОКАНАЛЬНОГО РЕЗИСТОРА
© 2013 г. М. А. Паращенко, Н. В. Вандышева, В. В. Кириенко, Н. С. Филиппов, С. И. Романов
Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова СО Российской АН
E-mail: map@isp.nsc.ru Поступила в редакцию 20.02.2012 г.
Представленная работа посвящена созданию сенсорной структуры на основе упорядоченного микроканального кремния для электрофизического детектирования жидкостей. Методом измерения проводимости микроканальной мембраны (чувствительный элемент сенсора) было изучено поведение во времени различных органических и неорганических веществ (деионизованной воды, этанола, водно-этанольных растворов, уксусной кислоты и гидроксида аммония), помещаемых на пористое тело. Установлено, что для каждой жидкости, наносимой капельным способом на чувствительный элемент, микроканальный резистор имел свой специфический отклик. Предложенный электрофизический метод позволял выявлять жидкости, с которыми взаимодействовал сенсор.
Б01: 10.7868/80544126913010043
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы мезо- и макропористый кремний находил применение в решении различных биоаналитических задач для медицины, молекулярной биологии, вирусологии и генной инженерии. На его основе создавались молекулярные и клеточные фильтры [1, 2], биосенсоры [3—5], твердотельные носители с огромной внутренней поверхностью и в широком диапазоне линейных размеров пор от нескольких нанометров до десятков микрометров [6—8]. Пористый кремний предоставляет практически неограниченную возможность высокоуправляемой модификации своей развитой поверхности, что особенно важно для создания биосенсоров, в которых используется принцип связывания детектируемых молекул со специфическими молекулами-зондами, иммобилизованными на пористом носителе. Здесь наиболее привлекателен макропористый кремний, который помимо легко осуществляемой функциона-лизации внутренней поверхности позволяет применить перспективный электрофизический метод регистрации, например, образующихся комплементарных комплексов ДНК при гибриди-зационном анализе [9].
Наиболее эффективную иммобилизацию различных молекулярных зондов и, следовательно, более качественную диагностику белка и коротких фрагментов ДНК может предоставить упорядоченный микроканальный кремний, монокристаллическая матрица которого имеет однотипную внутреннюю кристаллографическую поверхность, близкую к ориентации {110} [8]. До настоящего времени кремниевая микроканальная матрица (81-МКМ)
была реализована только в качестве высокочувствительного емкостного сенсора влажности [10].
В свете современных тенденций биотехнологий, ориентирующихся на быстро развивающуюся элементную базу микро- и наноэлектроники [11], актуальна задача создания электрофизических сенсоров на основе 81-МКМ, предназначенных для анализа биологических веществ. В настоящей работе был сделан первый шаг в этом направлении, а именно: разработан сенсор в виде кремниевого микроканального резистора, который был апробирован на детектировании жидких сред. Тестированию подвергались жидкости, применяемые для создания буферных растворов с различным водородным показателем рН. С этой целью были выбраны вода, повсеместно используемая в качестве основного растворителя, кислота, щелочь и спирт (этанол).
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ
1. Изготовление сенсора
Чувствительным элементом сенсорной структуры являлась 81-МКМ, изготовленная анодным электрохимическим травлением монокристаллической пластины кремния с проводимостью р-ти-па, удельным сопротивлением 40 Ом • см и ориентацией поверхности (100). Детальное описание процесса анодного травления кремния представлено в [12, 13]. Схема изготовления чувствительного элемента сенсора приведена на рис. 1. На фронтальную поверхность матрицы, защищенную тонким слоем термического 8Ю2 толщиной 5 нм (окисление в сухом кислороде при 900°С 10 мин),
(1)
(4)
(2)
(5)
(3)
(6)
Рис. 1. Схема создания сенсорной микроканальной структуры: (1) — термическое окисление химически обработанной пластины ^-81(100) с получением маскирующего слоя 8Ю2; (2) — фотолитография по слою диэлектрика на фронтальной поверхности пластины; (3) — получение затравочных ямок и удаление 8Ю2 химическим травлением с последующим осаждением пленки алюминия на тыльную поверхность кремниевой пластины и отжигом-формовкой омического контакта; (4) — анодное электрохимическое травление с образованием микроканальной матрицы с несквозными каналами; (5) — вскрытие микроканалов и термическое окисление структуры с формированием пассивирующего слоя диэлектрика на ее поверхности; (6) — получение контактных площадок осаждением пленки золота на фронтальную поверхность сенсора.
(а)
(б)
Л ^ - / - г-Т- г -
1_—_ 1 1 г
■ ■
■ ■
(2)
Рис. 2. Схема расположения контактов и места присоединения термопары на фронтальной поверхности чувствительного элемента сенсора с указанием подключений к внешним электрическим цепям измерения адмитанса (1), нагрева (2) и измерения термоэдс (3) (а) — оптический снимок фронтальной поверхности элемента со вставкой, демонстрирующей электронномикроскопическое изображение фрагмента этой микроканальной поверхности (б).
через маску осаждался слой золота, образующий контактные площадки для проведения электрофизических измерений и осуществления нагрева структуры, как это схематично показано на рис. 2а.
В работе использовалась кремниевая матрица микроканалов с ячейкой 10 х 10 мкм2, толщиной (длиной сквозных микроканалов) 195 мкм и площадью 0.5 см2 в круге диаметром 8 мм. Поперечный размер квадратных в сечении микроканалов составлял 8.7 мкм и, соответственно, толщина межканальных стенок — 1.3 мкм. Матрица была изготовлена в монолитной кремниевой пластине. Расстояние между контактными площадками по форме в виде кольцевых секторов с радиальной толщиной 0.5 мм равнялось 5 мм. Оптическое и
электронномикроскопическое изображения фронтальной поверхности чувствительного элемента сенсора представлены на рис. 2б.
Сенсор помещался в специальную герметичную камеру, объем которой заполнялся инертным газом аргоном. Камера подключалась к измерительному стенду так, как это схематично представлено на рис. 3. Все электрофизические измерения проводились при комнатной температуре. Тестируемые жидкости наносились каплями на центр открытой поверхности горизонтально расположенной 81-МКМ с помощью калиброванного дозатора объемом 3—6 мкл, избегая смачивания контактных площадок, находящихся на нижней, фронтальной поверхности сенсора.
4
А
Г 1 А V У 6 И 1 1 I 1 □
111 1
■ Ьш'- 5 г • п 1
V У
т, с 1 • и 1 • [-1
2
3
Рис. 3. Схема измерительной установки: 1 — сенсор; 2 — измеритель адмитанса чувствительного элемента сенсора; 3 — источник питания в цепи нагрева; 4 — термопара и блок измерения термоэдс; 5 — измерительная камера с контролируемой средой; 6 — управляющая ЭВМ.
2. Методика измерений
Измеряемой электрофизической величиной являлась активная составляющая О комплексной проводимости У электрической цепи, включающей кремниевый микроканальный резистор. С помощью измерителя адмитанса Е7-12 проводился непрерывный контроль О на частоте 1 МГц с амплитудой импульсов 2 мВ при нулевом потенциале смещения. Управление процессом измерений, накопление, сохранение и вывод получаемых данных осуществлялись с помощью ЭВМ (см. рис. 3).
Все измерения выполнялись по схеме:
— предварительный прогрев чувствительного элемента при температуре 140°С в течение 5 мин с целью восстановления исходного состояния сенсора;
— охлаждение структуры до комнатной температуры за 5 мин;
— нанесение капли тестируемой жидкости на центр тыльной поверхности 81-МКМ калиброванным дозатором объемом 3 и 6 мкл;
— непрерывное измерение О во время всех осуществляемых операций.
Тестировались следующие жидкости:
— деионизованная вода Н20;
— этанол С2Н50Н (96 об. %);
— водно-этанольные растворы с концентрацией спирта 20, 50 и 80 об. %;
— уксусная кислота СН3С00Н (37 вес. %);
— гидроксид аммония МН40Н (18 вес. %). Перед каждым измерением О(1) исходное состояние сенсора проверялось и устанавливалось посредством его калибровки с использованием де-ионизованной воды (ДВ). Эта операция повторялась до тех пор, пока не воспроизводился точный электронный отклик сенсора О(1), характерный по величине и форме для ДВ. Как правило, было достаточно от одного до трех повторений с нанесением воды на чувствительный элемент, чтобы получить стандартный отклик сенсора, указывающий на его готовность к тестированию новой жидкости.
3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 3.1. Деионизованная вода Реакция сенсора на ДВ была наиболее тщательно изучена, поскольку эта жидкость составляет основу практически всех биологических растворов. Предполагалось использовать зависимость О(0, полученную для воды, в качестве эталона при последующем анализе других жидкостей.
Согласно представленной схеме измерений, были проведены три последовательных теста на ДВ объемом 3 мкл в каждой пробе. Проводимость чувствительного элемента сенсора О(1) во время этих испытаний регистрировалась непрерывно. Результаты измерений представлены на рис. 4а. Видно, что воспроизводились практически иден-
50
и
а 40
л н о о
£
и
?! и
о р
П
и а
30 20 10
0 60
50
40
и
«
о р
П
3 30 -
20
10
Нагрев
3 мкл
Остывание
3 мкл
(а)
3 мкл
10 20 30 40 50 60 Время, мин
70 80
90
10
20 40
Время, мин
50
60
Рис. 4. Изменение во времени проводимости сенсора при контакте с деионизованной водой: (а) — три последовательных цикла измерений с жидкостью объемом 3 мкл; (б) — электронный отклик устройства на воду объемом 3 и 6 мкл.
тичные по величине и форме зависимости С(/), разделяемые областями с сильно шумящими сигналами, вызванными прогревом структуры. Вода в 81-МКМ всегда повышала ее проводимость. Испарение воды из матрицы являлось единственной причиной уменьшения измеряемой величины.
При увеличении количества жидкости в пробе в два раза электронный отклик сенсора был более сильным, как это видно на рис. 4б, на котором приведены два последоват
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.