臺灣博碩士論文加值系統

石英晶體微天平 (QCM) 為一種高靈敏度、選擇性及穩定性之感測元件，近年來也成為一種廣泛研發之生物感測器。QCM的振盪頻率會隨著表面質量因生化反應產生的變化而改變，例如抗原、抗體專一結合的免疫反應、以及序列互補的核酸雜交反應等，訊號可即時偵測，故時效性優於一般傳統的生化檢測。
本文擬藉由半導體之製程方法在AT切面石英上加工以解決石英震盪器不易縮小化之問題。探討製程中石英振盪器結構對應諧振頻率的影響，進而提出石英振盪器微小化及陣列化的初步流程，並建構一套適合平行檢測大量資訊的生物微陣列感測石英晶體微天平系統，對於石英震盪器在檢測器上之應用是一大進展。

Quartz crystal microbalance (QCM) is widely used in the biosensor field due to its high sensitivity, selectivity, and stability. The resonance frequency of QCM is associated with a mass change by some biological specific reaction such as hybridization between the complementary oligonucleotides or immunoreactions between antibody and antigen.
One subject is performed in this paper. Systematical experiments are designed to study the fabrication parameters in semiconductor process. An improved fabrication process can achieve miniature and array bio-QCM sensor system.

目錄
論文摘要 i
Abstract ii
致謝 iii
圖目錄 viii
表目錄 xii
第一章 緒論 1
1.1 前言 1
1.2 研究動機與目的 2
1.3 生物感測器 3
1.3.1 生物感測器的簡介 3
1.3.2 壓電晶體生物感測器（Piezoelectric crystal biosensor） 5
1.4 石英晶體微天平法(Quartz Crystal Microbalance，QCM)簡介及應用 6
1.5 研究方法與架構 11
第二章 理論基礎 12
2.1 石英晶體微天秤法(Quartz Crystal Microbalance，QCM) 12
2.1.1 壓電效應 12
2.1.2 石英晶體的特性 15
2.1.3 QCM原理 18
2.1.4 震盪頻率與吸附質量的關係式-Sauerbrey Equation 19
2.1.4.1 無負載時的QCM 20
2.1.4.2 理想質量負載於QCM表面 22
2.1.4.3 液體負載於QCM表面 23
2.1.4.4 理想質量和液體負載於QCM表面 24
第三章 陣列式生醫感測器之應用與設計感測器之設計及製作 26
3.1 感測器的設計 26
3.1.1 單一感測器設計 26
3.1.2 陣列感測器設計 29

3.2 微影技術 34
3.2.1 光罩設計與製作 34
3.2.2 光阻製程 37
3.2.2.1 光阻塗佈 38
3.2.2.2 軟烤（Soft Bake） 40
3.2.2.3 曝光 41
3.2.2.4 反轉烤以及反轉曝光 41
3.2.2.5 顯影 41
3.2.2.6 硬烤（Hard Bake） 42
3.2.2.7 光阻去除 43
3.2.3 蝕刻製程 44
3.2.3.1 蝕刻簡介 44
3.2.3.2 濕式蝕刻 45
3.2.3.3 濕式蝕刻原理 45
3.2.3.4 乾式蝕刻 46
3.2.3.4.1 反應性蝕刻 46
3.2.3.4.2 感應耦合式電漿(inductively coupled plasma, ICP) 48
3.2.3.4.3 影響ICP電漿蝕刻之參數 50
3.2.4 感測器之製作流程 56
3.2.4.1 晶片的清潔 56
3.2.4.2 微影製程 56
3.2.4.3 濺鍍金屬鋁薄膜 58
3.2.4.4 蒸鍍金屬層 58
3.2.4.5 乾式蝕刻石英 58
3.2.4.6 溼式蝕刻石英 58
3.2.4.7 蝕刻金屬 59
3.2.4.7.1 鋁的蝕刻 59
3.2.4.7.2 金之蝕刻 59
3.2.5 生物DNA分子檢測 60
3.2.5.1 晶片表面清潔 60
3.2.5.2 待測物 cDNA (complementary DNA)製備 60
3.2.5.3 生物感測器表面的修飾與處理 61
3.2.5.3.1 生物分子固定化 61
3.2.5.3.2 以glutaraldehyde 法進行抗體固定化 65
3.2.5.4 石英晶體微天秤晶片與注流式分析系統 66
第四章 結果與討論 68
4.1 蝕刻條件 68
4.1.1 濕蝕刻 68
4.1.1.1蝕刻速率 69
vi
4.1.1.2 表面粗糙度 73
4.1.2 乾蝕刻 76
4.1.2.1 蝕刻結果 77
4.1.3 元件設計分析 84
4.1.3.1 電極結構不同對頻率的影響 84
4.1.3.1.1 單一電極結構對頻率的影響 84
4.1.3.1.2 軸向轉換對頻率的影響 86
4.1.3.2 感測重量與頻率比較 89
4.2 生物分子感測結果與討論 95
4.2.1 偵測系統最佳條件之確立 95
4.2.1.1 最適Glutaraldehyde（GA）作用時間之確立 95
4.2.1.2 最適抗體固定時間之確立 96
4.3 感測器之感測 98
第五章 結論與未來展望 100
5.1 結論 100
5.2 未來展望 101
第六章 參考文獻 107

圖目錄
圖1-1 生物感測器之結構及其反應過程示意圖........................................4
圖1-2 各種生物感測器偵測範圍之比較....................................................6
圖 1-3 壓電石英晶體示意圖：...................................................................7
圖 1-4 動相液體壓電感測器.......................................................................8
圖 1-5 靜相液體壓電感測器.......................................................................8
圖 1-6 典型感測曲線示意圖：.................................................................10
圖 1-7 實際感測感測曲線圖：.................................................................11
圖 2-1 壓電材料單位晶格示意圖:............................................................13
圖 2-2 壓電效應示意圖：.........................................................................14
圖 2-3 定義的切割座標系統與不同的切割種類.....................................16
圖 2-4 石英晶體切割方式與溫度的關係圖.............................................17
圖 2-5 簡單之QCM 振盪模式：..............................................................20
圖 2-6 QCM的共振頻率.............................................................................21
圖 2-7 QCM的共振頻率在結構上的示意圖.............................................22
圖 2-8 各種負載於QCM表面：................................................................25
圖 3-1靈敏度與感測頻率關係圖：..........................................................27
圖 3-2 單一感測器之結構設計：.............................................................28
圖 3-3 同一平面雙感測器結構示意圖.....................................................30
圖 3-4同一平面雙感測器頻率耦合示意圖：..........................................30
圖 3-5 理想陣列結構示意圖.....................................................................31
圖 3-6 軸向轉換示意圖：.........................................................................32
圖 3-7 軸向轉換溫度與金屬厚度關係圖：.............................................32 viii
圖 3-8 軸向轉換截止頻率示意圖.............................................................33
圖 3-9 單一感測器光罩.............................................................................35
圖 3-10 陣列式感測器光罩（一）...........................................................35
圖 3-11 陣列式感測器個別感測區域（數字單位代表圓形直徑）.......36
圖 3-12 aligner key......................................................................................36
圖 3-13 陣列以及單一感測器成品...........................................................37
圖 3-14正、負光阻曝光顯影成像及蝕刻後圖形轉移結果剖析圖........38
圖 3-15 蝕刻速率與ICP Power關係..........................................................52
圖 3-16 蝕刻速率與RIE Power關係.........................................................53
圖 3-17 蝕刻速率與反應腔壓力關係.......................................................54
圖 3-18不同生物分子固定方法示意圖：................................................62
圖 3-19 GA共價鍵結酵素示意圖：..........................................................65
圖 3-20注流式分析系統：........................................................................67
圖4-1 （A）做好蝕刻圖形之quartz wafer；（B）經切割機切割後的die...............................................................................................................68
圖4-2 BOE分別蝕刻0、2、6、10、20以及28小時後的表面輪廓圖.70
圖4-3 BOE蝕刻的蝕刻速率.......................................................................70
圖4-4 DHF分別蝕刻1、2、4、6、15.5、29以及52小時後的表面輪廓圖...........................................................................................................72
圖4-5 BOE蝕刻的蝕刻速率.......................................................................72
圖4-6 BOE分別蝕刻0、、6、10、20以及28小時後的底面輪廓圖...74
圖4-7 DHF分別蝕刻1、2、4、6、15.5、29以及52小時後的底面輪廓圖...........................................................................................................75
圖4-8 Before etching...................................................................................79
圖4-9 （A）Condition A:0.5hr..................................................................80
圖4-9（B）Condition A:1hr.......................................................................80
圖4-9 （C）Condition A:1.5hr..................................................................80
圖4-10 （A）Condition B:0.5hr................................................................81
圖4-10（B）Condition B:1hr.....................................................................81
圖4-10 （C）Condition B:1.5hr................................................................81
圖4-11 （A）Condition C:0.5hr................................................................82
圖4-11（B）Condition C:1hr.....................................................................82
圖4-11 （C）Condition C:1.5hr................................................................82
圖4-12 Condition D (A) 0.5 hr；(B) 1.0 hr；(C) 1.5 hr；(D) 2.0 hr.........83
圖 4-13 感測電極區域大小與頻率比較做圖...........................................85
圖 4-14 軸向轉換後頻率比較做圖...........................................................87
圖 4-15 軸向轉換前後頻率比較做圖.......................................................88
圖 4-16 軸向轉換前感測重量與頻率比較做圖.......................................90
圖 4-17 軸向轉換前感測重量極限與頻率比較做圖...............................91
圖 4-18 分別滴入0.5、1.0、1.3、1.5、2.0μg的頻率改變圖.................92
圖4-19 軸向轉換後，感測重量頻率比較做圖........................................93
圖4-20 軸向轉換後，感測重量極限頻率比較做圖................................94
圖4-21 頻率隨時間變化的 2.5% GA 實驗結果.....................................96
圖4-22 0.25 mg/mL st-β-Gal 抗體經不同時間後所得的結果.................97
圖4-23 Biotin-DNA感測曲線.....................................................................99
圖 5-1 單一感測器側視圖.......................................................................104
圖 5-2 陣列式感測器側視圖...................................................................104
圖5-3 陣列式感測器電極分佈與軸向轉換示意圖................................105 x
圖 5-4 陣列式感測器俯視圖...................................................................105
圖 5-5 陣列式感測器斜視圖...................................................................106

表目錄
表 1-1 依轉換器之不同對生物感測器的分類...........................................5
表3-1 製程上常用之光阻去除方法..........................................................44
表3-2 晶片清洗之步驟..............................................................................56
表3-3 微影製程之步驟及條件..................................................................57
表 3-4不同生物分子固定技術一覽表......................................................64
表 4-1 乾蝕刻的參數條件.........................................................................77
表 4-2 感測電極區域大小與頻率比較.....................................................85
表 4-3 軸向轉換後頻率比較.....................................................................87
表 4-4 軸向轉換前後頻率比較.................................................................88
表 4-5 軸向轉換前感測重量與頻率比較.................................................90
表 4-6 軸向轉換前感測重量極限與頻率比較.........................................91
表 4-7 軸向轉換後，感測重量頻率比較.................................................93
表 4-8 軸向轉換後，感測重量極限頻率比較.........................................94

Johnston, D. H., K. Glasgow, and H. H. Thorp. 1995. Electrochemical measurement of the solvent accessibility of nucleobases using electron transfer between DNA and metal complexes. J. Am. Chem. Soc. 117:8933-8938.
Takenaka, S., K. Yamashita, M. Takagi, Y. Uto, and H. Kondo. 2000. DNA sensing on a DNA probe-modified electrode using Ferrocenylnaphthalene diimide as the electrochemically active ligand. Anal. Chem. 72:1334-1341.
Wang, J., G. Rivas, C. Parrado, X. Cai, and M. Flair. 1997. Electrochemical biosensor for detecting DNA sequences from the pathogenic protozoan Cryptosporidium parvum. Talanta 44:2003-2010.
Wang, J., G.Rivas, J. Fernandes, J. L. Paz, M. Jiang, and R. Waymire. 1998. Indicator-free electrochemical DNA hybridization biosensor. Anal. Chim. Acta. 375:197-203.
Wang, J. 1999. Towards genoelectronics: Electrochemical biosensing of DNA hybridization. Chem. Eur. J. 5:1681-1685.
Minunni, M., S. Tombelli, S. Pratesi, M. Mascini, P. Piatti, P. Bogani, M. Buiatti, and M. Mascini. 2001. A piezoelectric affinity biosensor for genetically modified organisms（GMOs）detection. Anal. Let. 34:825-840.
Mariotti, E., M. Minunni, and M. Mascini. 2002. Surface plasmon resonance biosensor for genetically modified organisms detection. Anal. Chim. Acta. 453:165-172.
Nelson, B., T. E. Grimsrud, M. R. Liles, R. M. Goodman, and R. Corn. 2001. Surface plasmon resonance imaging measurements of DNA and RNA hybridization adsorption onto DNA microarrays. Anal. Chem. 73:1-7.
K. Wakamatsu et. al.,“Direct in-situ measurement of Phospholipid hydration in an aqueous environment using a quartz crystal microbalance”, Anal. Chem. 67 (1995)3336.
Murray , B. S. and Deshaires, C., “Monitoring protein fouling of metal surfaces via a quartz crystal microbalance”, J. Colloid Interface Sci., 227 (2000) 32–41
http://www.cs.ucsb.edu/~mekaB/Sensor/biosensor2.gif
Ann Clin Biochem 2000; 37: 119-145, Analytical aspects of biosensors, J E Pearson, A Gill and P Vadgama
Scheller et al., 1989
J. Braz. Chem. Soc., Vol. 14, No. 4, 491-502, 2003.
ANALYTICAL SCIENCES NOVEMBER 2000, VOL. 16, A Highly Sensitive 27 MHz Quartz-Crystal Microbalance as a Device for Kinetic Measurements of Molecular Recognition on DNA Strands, Yoshio OKAHATA, Kenichi NIIKURA, Hiroyuki FURUSAWA, and Hisao MATSUNO
Biosensors & Bioelectronics ,13 ,No.3-4,(1998) 347-357, Surface modifications for the development of piezoimmunosensors, S.Storri,T.Santoni,M.Minunni ,and M.Mascini
Biosensors & Bioelectronics 16 (2001) 735–743, Ultrasensitive quartz crystal microbalance sensors for detection of M13-Phages in liquids, Erich Uttenthaler , Michael Schra¨ml, Johannes Mandel, Stephan Drost
Chem. Rev. 1902, 92, 1355-1379, Measurement of Interfacial Processes at Electrode Surfaces with the Electrochemical Quartz Crystal Microbalance, Daniel A. Buttry,Michael D. Ward
http://resources.emb.gov.hk/physics/articleIE/smartmaterials/SmartMaterials_c.htm
Biosensors & Bioelectronics 14 (1999) 663–670, Review:Commercial quartz crystal microbalances – theory and applications, C.K. O’Sullivan, G.G. Guilbault
http://www.txc.com.tw/04/4_01.html
QUARTZ CRYSTAL RESONATORS AND OSCILLATORS, SLCET-TR-88-1 (Rev.8.4.3) AD-A328861 (revised), John R. Vig
Biosensors & Bioelectronics 16 (2001) 735–743, Ultrasensitive quartz crystal microbalance sensors for detection of M13-Phages in liquids, Erich Uttenthaler , Michael Schra¨ml, Johannes Mandel, Stephan Drost
1999,joint meeting,EFTF –IEEE,IFCS ,441, Experimental study of vibrations of mesa-shaped AT-cut quartz plates, Shigeyoshi Goka,Hitoshi Sekimoto ,and Yasuaki Watanabe
Anal. Chem.2001, 73,1140-1145, Laterally Coupled Quartz Resonators, Steffen Berg and Diethelm Johannsmann
同上
Sensors and Actuators A 111 (2004) 180–187, Frequency coupling and energy trapping in mesa-shaped multichannel quartz crystal microbalances, F. Shen , P. Lu, S.J. O’Shea , K.H. Lee
1995 IEEE ultrasonics symposium,1007, Precise formation technique of x-axis inversion regions on a quartz substrate and its application to ultrasonic devices, Takehiko Uno
同上
1996IEEE IFCS 526, Themperature compensation of thickness shear mode resonators formed on artificial twinned quartz plates, Takehiko Uno
http://www.ndl.gov.tw/
國立東華大學生物技術研究所碩士論文,臨床快速檢測用登革熱免疫晶片之研究,蘇至誠,中華民國九十二年七月
Wu & Tsai, 1992;Babacan et al, 2000; 黃, 2000; Su et al, 2002