基于部分耗尽SOI CMOS技术的单片集成微悬臂梁生物传感器

迄今为止，具有高灵敏度和小尺寸的无标记微悬臂梁传感器已成功地应用于多种目标分子的检测，如DNA、蛋白质、病毒、重金属离子和细菌。检测通常是通过测量由分子吸附引起的频移或微小偏转来进行的，分别称为“动态模式”、“静态模式”。一般来说，以动态模式工作的微悬臂梁可以实现极低的检测限（LOD）。然而，由于阻尼效应，微悬臂梁的灵敏度在粘性环境中显著降低，这极大地限制了其在这种条件（包括液体环境）下的应用。

据麦姆斯咨询报道，近日，北京大学于晓梅教授课题组开发了一种基于部分耗尽（PD）绝缘体上硅（SOI）CMOS技术的单片集成微悬臂梁传感器，其中压阻式微悬臂梁阵列及其片上信号处理电路都制作在SOI晶圆的器件层上。与体硅CMOS电路相比，这种单片集成工艺利用了高应变灵敏度因数的硅基微悬臂梁和低寄生电容、低闩锁效应和低漏电流的SOI CMOS。通过对人免疫球蛋白（IgG）、相思子毒素（abrin）和葡萄球菌肠毒素B（SEB）的检测，验证了所开发的集成微悬臂梁的优异性能，进一步证明了该集成微悬臂梁在无标记、实时和高灵敏度检测方面具有巨大的应用潜力。

在本研究中，所提出的集成微悬臂梁传感器由十二个压阻式微悬臂梁和一个信号处理电路组成。四个带有嵌入式压敏电阻器的微悬臂梁构成了一个惠斯通电桥配置的传感器，因此，在一个芯片上设计了三个集成压阻式微悬臂梁传感器。

单片集成微悬臂梁的整体架构

在集成微悬臂梁芯片上，利用12个相同尺寸的压阻式微悬臂梁实现了三组惠斯通电桥。基于研究人员的优化结果，压阻式微悬臂梁为矩形，长200 μm，宽50 μm，厚1 μm。根据有限元分析，最大应力集中在微悬臂梁的根部。因此，压敏电阻器被布置成U型，单边尺寸为100 μm × 13 μm，并嵌入在微悬臂梁的固定端，以确保高灵敏度。

微悬臂梁示意图

单片集成微悬臂梁芯片在布局上分为三个模块：微悬臂梁传感器模块、模拟电路模块、数字电路模块。整体的集成微悬臂梁芯片的尺寸为4.26 mm × 3.86 mm，其中包括位于微悬臂梁阵列下方的反应井，用于实现生物分子检测。由于SOI晶圆的掩埋氧化层可以将微悬臂梁与衬底隔离，降低漏电流，并获得较低的噪声，因此采用SOI晶圆来制造集成微悬臂梁。使用具有一层多晶硅和四层金属的0.15 μm标准PD-SOI CMOS工艺来制造集成微悬臂梁。与体硅CMOS相比，基于PD-SOI CMOS的单片集成技术具有寄生电容低、漏电流小、闩锁效应低等优点。

集成微悬臂梁的制造

为了验证集成微悬臂梁传感器具有高信噪比（SNR）的检测能力，对人IgG、abrin和SEB进行了检测。通过用生物素-亲和素系统（BAS）方法对微悬臂梁功能化，检测到人IgG、abrin和SEB，检测限为48 pg/mL。此外，通过检测SEB也验证了三个集成微悬臂梁适体传感器的多通道检测。所有这些实验结果表明，单片集成微悬臂梁的设计和工艺能够满足生物分子高灵敏度检测的要求。

总而言之，研究人员开发了一种由压阻式微悬臂梁阵列和片上信号处理电路组成的单片集成微悬臂梁，采用了PD-SOI CMOS技术的单片集成工艺。各项性能测试结果表明，集成微悬臂梁的设计和制造工艺是成功的，能够满足生物分子高灵敏度检测的要求。使用通过BAS方法功能化的集成微悬臂梁适体传感器，在PBS溶液中实现了不同浓度的人IgG、abrin和SEB的检测。集成微悬臂梁适体传感器具有良好的线性响应和多通道检测能力，检测SEB时的LOD为48 pg/mL。所开发的单片集成微悬臂梁适体传感器具有高信噪比、便携和无标记检测的优点，可用于生物分子检测。此外，基于SOI CMOS的集成工艺具有广泛的适用性，可以应用于制造其他压阻式集成MEMS传感器。

论文信息：
https://www.nature.com/articles/s41378-023-00534-y