熱電堆式生化感測器之研究

Abstract

本研究是利用標準半導體製程加上微機電製程中的厚膜光阻、矽晶片之異方性蝕刻技術，來製作一個微熱電堆元件，並將這個元件應用在量測生化反應。其原理是當某些生化反應發生的時候，會發生放熱的現象，導致熱量的變化。此時感測器上的熱電堆可以將熱量的變化轉變成電壓的變化，成為我們可以量測的訊號，進而根據電壓訊號的強弱及時間，我們可以判斷生化反應的強弱及判斷發生何種生化反應，完成感測的目的。 在元件的結構設計上，我們將熱電堆的”熱端”放在一個隔熱薄膜上，使用的薄膜材料為多矽氮化矽，使用的方式為矽體加工的異方性蝕刻技術，經過Ansys熱傳模擬，此結構能有效造成冷熱端的溫差。另外我們也利用SU8為材料來製作一個槽當作滴化學液體的地方。使用SU8的優點是能夠製造較厚的槽，並且SU8的熱傳係數也很低，可以有效阻絕熱傳。 另外，一種由Si3N4、Poly、Si3N4所組成的三明治形薄膜，也被成功製造出來。它可以在SiNx沒辦法取得時使用，並且不比SiNx薄膜性質差。

A thermopile-based sensor is fabricated using semiconductor fabrication technology and MEMS technology. The sensor is used for bio-application. When the biochemical reaction happens, the chemical reactive heat will occurs. The heat will be detected by the thermopile on the sensor. The heat will be transferred into the electrical voltage as the output signal. According to the amount of the signal and the total time of the reaction, what kind of the reaction happens and the concentration of the reactant will be known. On the aspect of the sensor structure design, the hot junction of the thermopile is placed on a SiNx membrane. The air is used as the heat isolation material. The SU8 is used as the chamber material. Its advantage is thick and low thermal conductivity. Besides, a three-layer membrane composed of Si3N4、polysilicon、Si3n4 is fabricated successfully. It can replace SiNx membrane if not available. It’s initial stress is very small so the membrane is very flat.