TWI584779B

TWI584779B - 六角柱體微型感測探針及其製法

Info

Publication number: TWI584779B
Application number: TW103128924A
Authority: TW
Inventors: 鄭裕庭; 陳益祥; 李元鼎; 王覺瑋
Original assignee: 國立交通大學
Priority date: 2014-08-22
Filing date: 2014-08-22
Publication date: 2017-06-01
Also published as: TW201607507A

Description

六角柱體微型感測探針及其製法

本發明係關於微型感測探針，詳而言之，係關於一種可感應酸鹼和溫度之六角柱體微型感測探針。

微機械感測探針已開發且廣泛地用於生物醫學的目的，這些感測探針提供從微型加熱到流體輸送等不同應用功能，通常這些感測探針可穿透人體的肌肉組織而不會造成嚴重傷口，同時提供相關數據進行感測。因此，感測探針的微型程度、強度及功能性，也吸引許多研究人員的廣泛關注。

以微機械感測探針應用於醫學上來說，例如心臟移植手術時，心臟溫度必須保持在15至30℃的範圍內，以防止心臟的心肌壞死，因而在體外環境下的心臟，應被保存在裝滿冰塊的保溫箱。然而，由於心肌中的溫度梯度，越深的心肌部分會比心臟表面有著較高的溫度，因為心肌的溫度無法直接地由開心手術(open-heart operation)過程中測得，恐因錯誤的心臟溫度監視而導致心肌壞死可能發生。另外，在以往研究中，發現心臟肌膜的損傷可能與肌肉的pH值相關聯，因為肌肉灌注(muscle perfusion)在缺氧時會大量湧入鈣進入心臟肌肉細胞，上述因素都可能影響心臟移植手術成功的機會。因此，找出強健且纖細的探針以應用於監測心臟肌肉在不同位置的溫度和pH值，對於心臟移植手術一直是重要的研究課題，而生物醫學矽感測探針是一種好的選擇，其優點在於該技術已發展多年，且此類感測探針具有良好的生物相容性，穿透上僅造成最小的組織創傷，且可具有許多感測功能，像是從微加熱到流體輸送等。

因此，如何開發一種微型感測探針，特別是在心臟手術時，可即時監控心臟溫度和PH值，不僅要有強健且纖細的結構以及良好的生物相容性外，更要有簡易的探針製程程序，實已成目前本領域技術人員所追求的目標。

鑒於上述先前技術之缺點，本發明之目的係提供一種微型感測探針，通過簡易製程技術，以製造出強健且纖細的微型感測探針，並同時具有溫度感測和酸鹼感測的功能。

為達成前述目的及其他目的，本發明提出一種六角柱體微型感測探針，包括：熱探針組件以及PH值探針組件。該熱探針組件之橫切面為梯形，且該熱探針組件之短底邊上具有由熱傳感材料所形成之兩感測區，其中一感測區係用於感測待測物溫度，另一感測區係用於感測環境溫度，該PH值探針組件之橫切面為梯形，且該PH值探針組件之短底邊上形成有由PH值傳感材料所形成之兩感測薄膜區，其中，該熱探針組件之長底邊係接合至該PH值探針組件之長底邊，俾使該六角柱體微型感測探針之橫切面呈現六角柱體狀。

於一實施例中，該熱探針組件和該PH值探針組件係通過氫氧化鉀蝕刻，以形構出橫切面為梯形之結構。

於另一實施例中，該熱傳感材料包括透過電鍍方式形成之銅或白金，或是透過非電鍍方式形成之多晶矽。

於再一實施例中，該PH值傳感材料係為銀/氯化銀和氧化銥，或者由離子感測場效電晶體所構成者。

本發明還提出一種製造六角柱體微型感測探針之方法，係包含下列步驟：於一第一探針基礎晶片上形成由熱傳感材料所構成之兩感測區，且利用氫氧化鉀矽蝕刻(KOH silicon etching)該探針基礎晶片之部分基板以形成熱探針，及於一第二探針基礎晶片上形成有由PH值傳感材料所形成之兩感測薄膜區，且利用氫氧化鉀矽蝕刻該第二探針基礎晶片之部分基板以形成PH值探針；以及將該熱探針和該PH值探針使用黏著材料結合以形成具有六角柱體之微型感測探針。

於一實施例中，該第一和第二探針基礎晶片之製程包括：在基板上通過化學氣相沉積技術形成包含氧化物和氮化物之沉積層；於該沉積層上定義出探針圖案，再以反應離子蝕刻方法蝕刻已圖案化之該沉積層；以及於完成蝕刻之該沉積層上塗佈光阻材料以定義導電墊和導電線，並在該沉積層上形成銅層及鎳/金層，以形成該第一和第二探針基礎晶片。

於一實施例中，該銅層係以通過電鍍方式所形成，而該鎳/金層則以無電電鍍方式所形成。

於另一實施例中，該PH值傳感材料為銀/氯化銀和氧化銥，且該銀/氯化銀和該氧化銥於該鎳/金層上形成銀/氯化銀層和氧化銥層，該銀/氯化銀層係通過塗佈光阻材料以定義氯化銀墊並於氯化銀墊上濺射銀而形成，且通過電鍍形成該氧化銥層。

相較於先前技術，本發明之六角柱體微型感測探針，通過例如熱感應線圈之熱傳感材料和例如PH傳感電極之PH值傳感材料，可即時感應待測物的溫度和PH值，而微型感測探針不僅具良好的生物相容性，其六角柱體的結構，可增強其滲透力及最大壓扣力(compressive buckle force)，更容易穿透待測物，例如心肌或人類和動物組織。再者，其製程屬於CMOS兼容程序，因而可容易地與現有CMOS晶片整合。因此，本發明之六角柱體微型感測探針不僅功能性高且易於製程，對於微型感測探針的發展有極大助益。

1‧‧‧六角柱體微型感測探針

11‧‧‧熱探針組件

111‧‧‧銅線圈

112‧‧‧上感測區

113‧‧‧下感測區

12‧‧‧PH值探針組件

121‧‧‧氧化銥

122‧‧‧銀/氯化銀

S301~S306‧‧‧步驟

401‧‧‧基板

402‧‧‧氧化物層

403‧‧‧氮化物層

404‧‧‧銅層

405‧‧‧鎳/金層

406‧‧‧錫層

407‧‧‧銀/氯化銀層

408‧‧‧氧化銥層

409‧‧‧黏著層

第1圖係本發明之六角柱體微型感測探針之結構示意圖；第2A和2B圖係本發明之六角柱體微型感測探針之六角柱體外觀圖；第3圖係本發明之製造六角柱體微型感測探針之方法的步驟圖；第4A-4G圖係本發明之六角柱體微型感測探針之製程流程圖；第5圖係顯示本發明之六角柱體微型感測探針之溫度測試圖；第6圖係顯示本發明之六角柱體微型感測探針之壓力測試圖；以及第7圖係顯示本發明之六角柱體微型感測探針之PH測試圖。

以下係藉由特定的實施例說明本發明之實施方式，熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他特點與功效。本發明亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。

參閱第1圖，其係說明本發明之六角柱體微型感測探針之結構示意圖。如圖所示，六角柱體微型感測探針1包括熱探針組件11以及PH值探針組件12，分別可提供待測物的溫度感測和酸鹼PH值感測。

在外觀結構上，熱探針組件11之橫切面為梯形，且熱探針組件11之短底邊上具有由熱傳感材料所構成之上感測區112和下感測區113的兩個感測區，具體實施時，該熱傳感材料可為透過電鍍方式形成之銅線圈111，其中，下感測區113用於感測待測物溫度，上感測區112用於感測環境溫度。需說明者，本發明不限於使用銅線圈111來感測溫度，可替換為具相同功效之其他熱傳感材料，例如同樣透過電鍍方式形成之白金，或是透過非電鍍方式形成之多晶矽，因此，熱電偶(thermocouple)，熱敏電阻(thermisto)和電阻溫度檢測器(r and resistance temperature detector，RTD)等皆為常使用之熱傳感機制。

在外觀結構上，PH值探針組件12之橫切面也為梯形，且PH值探針組件12之短底邊上形成有由PH值傳感材料所形成之兩個感測薄膜區，具體實施時，該PH值傳感材料可為形成兩感測薄膜區之氧化銥(IrO_x)121和銀/氯化銀(Ag/AgCl)122，但不以此為限，例如使用離子感測場效電晶體(ion sensitive field effect transistor，ISFET)來替換PH值傳感材料，同樣也可達到PH值感測目的，另外，PH玻璃電極(pH glass electrode)或是光纖PH傳感器(optical fiber pH sensor)也常作為PH值感測結構。

該熱探針組件11之長底邊與該PH值探針組件12之長底邊接合，俾使六角柱體微型感測探針1之橫切面為六角柱體狀。

具體而言，六角柱體微型感測探針1是由熱探針組件11以及PH值探針組件12組成，熱探針組件11及PH值探針組件12可分別設計成具有6毫米長和5.3毫米寬的尾部，以及長10毫米和0.7毫米寬的本體，兩者是以背對背(back-to-back)方式黏合在一起，其中，特別是採用氫氧化鉀(KOH)蝕刻方式使得六角柱體微型感測探針1形成六角柱體，此將有助於穿透待測物之內。

於一具體實施例中，熱探針組件11中具有兩個感測區，靠近熱探針組件11之尾部的上感測區112用於感測室溫，而遠離熱探針組件11之尾部的下感測區113用於感測待測物溫度，其中，熱感測的機制為金屬電阻，其將隨溫度變化而線性改變。在考量熱探針組件11之尺寸限制，只採用15歐姆的銅線圈，其中，選擇銅作為傳感材料之原因包括銅具有良好的溫度係數，另外，銅電鍍也是方便且穩定的一般製程。

另外，在PH值探針組件12中，由氧化銥121和銀/氯化銀122所形成之兩個感測薄膜區可分別設計成600毫米×200毫米的大小，其中，氧化銥121是作為PH值之傳感電極(sensing electrode)，而銀/氯化銀122是作為PH值之參比電極(reference electrode)，下面顯示能斯特(Nernstian)方程式：

其中，F表示為法拉第常數，其值約為96500C/mole，R表示氣體常數，其值為8.314J/mole K，E⁰為氯化銀的標準電位，其值為577mV。在感測薄膜電極充電後，能斯特響應將顯示PH值敏感性在25℃時為-59mV/pH，在製造pH感測薄膜後，PH值可通過開路方法進行測定。

由上可知，透過熱探針組件11及PH值探針組件12的組成可形成六角柱體微型感測探針1，所呈現的六角柱體形狀係如第2A和2B圖所示，第2A圖為六角柱體微型感測探針的側視圖，第2B圖則為六角柱體微型感測探針的45度角的視圖。

參閱第3圖，其係說明本發明之製造六角柱體微型感測探針之方法的步驟圖，另外第4A-4G圖，則說明本發明之六角柱體微型感測探針之製程流程圖。接著，將由第3圖搭配第4A-4G圖說明本發明之製造六角柱體微型感測探針之方法的製程步驟。

需先說明者，本發明技術核心是將利用氫氧化鉀蝕刻所形成之梯型結構的熱探針及PH值探針結合，因而，形成熱探針及PH值探針的製程非本發明重點，但為說明本發明具有易於製程的優點，故下列製程步驟仍以最基礎的各探針製程開始，且於本製程步驟中，將選擇以銅線圈為熱傳感材料以及以氧化銥和銀/氯化銀為PH值傳感材料作為示例說明。

於步驟S301中，係在基板上通過化學氣相沉積技術形成包含氧化物和氮化物之沉積層。請配合第4A圖，基板401可為利用<100>-orient、標準摻雜以及250μm厚度的矽晶片，通過氧化爐和低壓化學氣相沉積系統(LPCVD)，在基板401上形成氧化物層402和氮化物層403的沉積層，厚度分別大約為6000Å和7000Å，其中，氮化物層403可作為保護層，以避免氫氧化鉀對基板401的刻蝕。接著至步驟S302。

於步驟S302中，係於該沉積層上定義出探針圖案，將已圖案化之該沉積層通過反應離子蝕刻進行蝕刻。於本步驟中，可塗佈5μm厚的光阻材料AZ4620，來定義探針圖案，並且通過電介質材料反應離子蝕刻系統，對已圖案化的氧化物層402和氮化物層403進行蝕刻，在離子蝕刻氧化物層402和氮化物層403後，透過ACE將光阻材料AZ4620除去，形成如第4A圖所示之結構。接著至步驟S303。

於步驟S303中，係於完成蝕刻之該沉積層上塗佈光阻材料以定義導電墊和導電線，在該沉積層上形成銅層及鎳/金層，以形成第一與第二探針基礎晶片。請配合第4B圖，先於完成蝕刻之沉積層上塗佈光阻材料以定義導電墊和導電線，具體而言，可先通過濺射鈦/銅層作為種子層，之後，再電鍍1μm厚的銅層404，以及通過無電電鍍形成0.5μm厚的鎳/金層405，其中，鎳/金層是用於防止銅的氧化。

至目前的步驟，可形成探針基礎晶片，也就是可供熱探針組件和PH值探針組件共用，之後，可依據熱探針和PH值探針的各別需求再繼續後面的製程。接著至步驟S304。

於步驟S304中，係於第一探針基礎晶片中，在該鎳/金層上形成錫層，蝕刻該第一探針基礎晶片之部分基板以形成為熱探針。請配合第4C和4D圖，選用第一探針基礎晶片，可於第一探針基礎晶片之部分鎳/金層405上形成錫層406，接著通過氫氧化鉀蝕刻第一探針基礎晶片之部分基板，如此即完成熱探針。接著至步驟S305。

於步驟S305中，係於第二探針基礎晶片中，在該鎳/金層上形成銀/氯化銀層和氧化銥層，蝕刻該第二探針基礎晶片之部分基板以形成PH值探針。請配合第4E和4F圖，選用第二探針基礎晶片，可於其鎳/金層405上形成銀/氯化銀層407和氧化銥層408，具體而言，氧化銥層408可通過循環伏安法電鍍法(cyclic voltammetry electroplating method)形成，該方法之氧化銥電鍍溶液包含溶於50mL水的0.75毫克IrCl₄，然後攪拌溶液15分鐘，加入0.5毫升30%過氧化氫(H₂O₂)，並將該溶液再攪拌10分鐘，加入250毫克草酸鈉(Na₂C₂O₄)，並將溶液再攪拌10分鐘，在該溶液中加入小部分的1M K₂CO₃直至pH值為10.5。穩定2天後，再將溶液靜置2天即可。

另外，電化學實驗是由3個電極電池系統進行的，銀/氯化銀作為參比電極，鉑箔作為對比電極，而PH值探針的金層作為工作電極。採用循環伏安法電鍍法，從0V到0.6V對氯化銀以速率為20mV/s作280個週期，在氯化銀電鍍後，將完成的晶片沐浴在pH為7的緩衝溶液中以穩定氯化銀的電位(potential)。

接著，塗佈光阻材料以定義氯化銀墊的區域，然後濺射100nm厚的銀在晶片上，使用具ACE和超聲(ultra sound)的剝離法(lift off method)，並在氯化銀墊留下銀薄膜，以50mM FeCl₃溶液氫化氯化銀20秒，然後將晶片浸泡在3M KCL溶液中，以穩定的氯化銀的電位。

同樣地，通過氫氧化鉀蝕刻探針基礎晶片之部分基板，如此即完成熱探針，其中，在進行氫氧化鉀蝕刻前，可通過銅蝕刻容易將種子層先移除。另外，步驟S304和 S305所形成之熱探針和PH值探針並無前後順序。接著至步驟S306。

於步驟S306中，係將該熱探針和該PH值探針結合以形成具有六角柱體之微型感測探針。請配合第4G圖，具體而言，可通過使用黏著材料將該熱探針和該PH值探針結合，如圖所示，熱探針和PH值探針兩組件間具有黏著層409。

綜上所述，於六角柱體微型感測探針之製造方法中，可同時形成熱探針及PH值探針之基礎晶片，之後，在兩個基礎晶片分別形成熱傳感材料和PH值感測材料以完成熱探針及PH值探針，其中，熱傳感材料和PH值感測材料並不限於銅線圈以及氧化銥和銀/氯化銀，接著，經氫氧化鉀蝕刻後形成梯形結構，再將兩者結合以構成六角柱體之微型感測探針，因而具備易於製程的優點。

參閱第5圖，係顯示本發明之六角柱體微型感測探針之溫度測試圖。此測量採用四點電阻法，設置一個恆定的電流流過銅線圈，然後測量銅線圈兩端的電壓，如圖所示，顯示電阻變化在25℃到42.5℃的溫度範圍內，兩個點之間的每個間隔是2.5℃。

參閱第6圖，係顯示本發明之六角柱體微型感測探針之壓力測試圖。如圖所示，上面一排的方塊顯示具有背靠背接合之探針有較好的應激能力，明顯優於不具有背靠背接合之探針，且具有背靠背接合之探針顯示出平均3.8Nt應力持續性。

參閱第7圖，係顯示本發明之六角柱體微型感測探針之PH測試圖。該圖表示氧化銥感測器相對氯化銀的PH值檢測結果，如圖所示，氧化銥相對於氯化銀的電位差與PH值間的變化呈現線性關係，亦即本發明之六角柱體微型感測探針可提供良好的PH值檢測效果。

綜上所述，本發明之六角柱體微型感測探針，由一片金屬基電阻式溫度感測探針以及氧化銥/氯化銀酸鹼值感測探針覆合壓焊而成，可同時感測溫度及酸鹼值，不僅具良好的生物相容性，且其六角柱體的結構可增強其滲透力及最大壓扣力，將更易穿透待測物。再者，六角柱體微型感測探針之製程為CMOS兼容程序，故易於與現有CMOS晶片整合。因此，本發明之六角柱體微型感測探針提供即時且準確的感測，同時製程簡易，將對於微型感測探針的發展有極大幫助。

上述實施例僅例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施例進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。