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专利名称：一种基于cmut的生化传感器及其制备方法
技术领域：
本发明属于MEMS和生物化学技术领域，特别是一种基于CMUT的生化传感器及其制备方法。
背景技术：
生物和化学传感器多由质量传感器和聚合物功能层结合而成，通过质量改变引起共振频率的平移来实现生物化学量的检测。常见的基于MEMS(Micrc) Electro-Mechanical Systems，微型机械电子系统)技术的生化感器微结构主要有微悬臂梁、压电石英晶体、薄膜体声波谐振器、表面声波谐振器，这些测量结构虽已十分成熟，但由于其自身的结构特征限制了共振频率和品质因子的提高，例如，常用的悬臂梁结构的在空气中共振频率为几十 KHz，品质因子小于100 ；而在液体中由于阻尼的增加，共振频率和品质因子将大幅降低(共振频率降到十几KHz，品质因子小于10)，因而基于这些结构的生化传感器则很难实现高灵敏度、高分辨和更小质量极限的生化物质的检测。相对于以上微传感结构，近几年才开始研究的基于CMUT (Capactive Micromachined Ultrasonic ^Transducer，电容微加工超声传感器)的生化传感器在克服以上所述难题上表现出更多的优势。得益于MEMS微加工技术和CMUT自身独特结构，CMUT所具有的更小的薄膜质量、更高的共振频率(可达几十MHz)和品质因子(可达几百)决定其可以实现更高灵敏度和更小质量极限的测量；其易加工、易阵列、易集成等特点为实现多通道不同生化物质同时测量提供了有利条件。目前，已出现采用CMUTs作为生化传感器来检测甲基膦酸二甲酯(dimethyl methylphosphonate，简称DMMP)的试验，其检测质量极限是 0. 162X10_16g，体积灵敏度为37. 38ppb/Hz ；还采用CMUTs检测异丙醇、丙酮、酒精和水，检测质量极限为10_15g，体积灵敏度为41.6ppb/Hz。但这些生化传感器多是基于一些常见的 CMUT结构，在工作时因大寄生电容、大薄膜质量、硅基底高阻抗以及隔绝层充电现象等因素影响，限制了检测灵敏度和质量极限的进一步提高，因而这些常规的CMUT结构不适应于用作生化传感器或者说作为生化传感器使用时不能充分发挥CMUT的诸多优势。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种基于CMUT的生化传感器及其制备方法， 以避免下电极隔绝层充电现象、减小寄生电容及电能损耗，进一步提高机电耦合系数和测量灵敏度，实现更微量有毒生化物质的检测。本发明基于CMUT的生化传感器，包括上下键合在一起的第一部件和第二部件，所述第一部件包括第一单晶硅以及在第一单晶硅上表面氧化形成的二氧化硅薄膜层，所述第一单晶硅中部设置有空腔，该空腔在厚度方向上贯穿第一单晶硅止于二氧化硅薄膜层，在二氧化硅薄膜层上表面依次设置有金属的上电极层以及敏感材料层；所述第二部件包括硅基底以及二氧化硅绝缘层，所述硅基底沿厚度方向设置有通孔和凹槽，二者在其厚度方向上贯通，所述二氧化硅绝缘层设置在硅基底上表面、下表面以及通孔和凹槽的内表面，在硅基底上表面的二氧化硅绝缘层上设置有下电极，该下电极包括沉积在二氧化硅绝缘层上表面的金属薄膜层以及沉积在贯穿硅基底上表面的通孔中的柱状体，其中，所述下电极的金属薄膜层未完全覆盖整个二氧化硅绝缘层而是覆盖在二氧化硅绝缘层的中间部分且下电极的金属薄膜层的中心线与上电极的中心线重合，所述第一部件和第二部件通过第一部件第一单晶硅余留的部分与第二部件位于硅基底上表面的二氧化硅绝缘层进行键合而成。所述二氧化硅薄膜层厚度范围为0. 1 μ m 0. 5 μ m，二氧化硅薄膜层的有效振动表面直径范围为10 μ m 20 μ m ；所述第一单晶硅中部设置空腔后余留的部分形成硅支柱，该硅支柱的宽度大于 40ym, 1 ^ 2 ~ 5ym ；所述空腔的高度为0. 5 1. 2 μ m ；所述下电极的金属薄膜层的厚度为1 4μπι，金属薄膜层的横向尺寸至少为二氧化硅薄膜层的有效振动薄膜地相应尺寸的一半，并与第一部件的单晶硅内壁面的横向距离至少为1 μ m ；所述通孔用于为下电极和外界提供电连接通道，其通孔高度至少为40 μ m，其通孔直径为3 4 μ m ；所述上电极覆盖整个二氧化硅薄膜或者覆盖二氧化硅薄膜中间的部分区域；所述二氧化硅薄膜、上电极、敏感识别材料层共同形成振动薄膜，该振动薄膜的厚度小于1. 5μπι。本发明基于CMUT的生化传感器的制备方法包括以下步骤(1)取第一单晶硅并将其上下表面分别氧化形成二氧化硅薄膜层(此时未被氧化单晶硅即称为第一单晶硅)，刻蚀其下表面二氧化硅层中部形成空腔图形窗口，露出单晶硅，刻蚀暴露于窗口中的单晶硅并停止于其上表面二氧化硅层，露出上层的二氧化硅层，然后去除位于第一单晶硅下表面的剩余二氧化硅层并对其下表面进行化学机械抛光，形成第一部件；其中，第一单晶硅中部被刻蚀区域形成空腔，余留的空腔周围单晶硅部分形成单晶硅支柱；(2)取第二单晶硅并将其上下表面氧化形成二氧化硅薄膜层，刻蚀上下二氧化硅层使其分别形成图形窗口，露出第二单晶硅，刻蚀暴露于上下图形窗口中的第二单晶硅直至贯通，此时在第二单晶硅中部被刻蚀区域自上而下形成通孔和凹槽；氧化第二单晶硅上下表面以及通孔和凹槽内表面形成完整的二氧化硅隔绝层，化学机械抛光第二单晶硅上表面二氧化硅绝缘层，然后在该二氧化硅绝缘层上表面以及通孔内沉积金属材料，光刻后作为下电极，至此形成第二部件；(3)在真空环境下，将步骤(1)得到的第一部件和步骤( 得到的第二部件进行键合，其中，第一部件位于第二部件的上方，也就是第一部件的硅支柱位于第二部件第二单晶硅上表面的二氧化硅绝缘层上，如此，第二单晶硅上表面的二氧化硅绝缘层将第一部件的空腔封闭；(4)在第一部件上表面的二氧化硅薄膜上表面沉积作为上电极的金属薄膜层，在金属薄膜层上表面沉积敏感材料层，最后在敏感层上光刻用于引线。与现有技术相比，本发明基于CMUT的生化传感器及其制备方法至少具有以下优
(1)进一步减小振动薄膜厚度(小于0.5 μ m)和质量，可有效提高薄膜共振频率， 进而提高CMUT工作灵敏度和生化物质检测极限。(2)振动薄膜和支柱之间内应力更小及连接可靠性更高，有效保证了薄膜良好的机械性能和工作可靠性。(3)相对于用整个硅基底作为下电极的情况，运用金属薄膜作为下电极大幅度提高下电极的导电能力，增强两电极之间的电场强度，进而使机电耦合系数得以大幅提高。(4)金属下电极上无电隔绝层，避免了因强电场中下电极隔绝层充电现象对CMUT 工作稳定性的影响。(5)金属下电极仅位于有效振动薄膜的下方，空腔的内部，有效减少了寄生电容的影响，进一步提高传感器的工作性能。(6)在硅基底背面形成凹槽，减小了用于下电极电连接通孔的长度，在降低加工难度和时间的同时，还有效减小了串联电阻阻值，降低功耗。


图1为本发明基于CMUT的生化传感器的结构示意图；图2为本发明传感器的加工流程图。图中的标号如下表示
权利要求
1.一种基于CMUT的生化传感器，其特征在于包括上下键合在一起的第一部件和第二部件，所述第一部件包括第一单晶硅以及在第一单晶硅上表面氧化形成的二氧化硅薄膜层 O)，所述第一单晶硅中部设置有空腔(8)，该空腔在厚度方向上贯穿第一单晶硅止于二氧化硅薄膜层，在二氧化硅薄膜层( 上表面依次设置有金属的上电极层(7)以及敏感材料层(1)；所述第二部件包括硅基底以及二氧化硅绝缘层(3)，所述硅基底沿厚度方向设置有通孔(9)和凹槽(10)，二者在其厚度方向上贯通，所述二氧化硅绝缘层C3)设置在硅基底(4)上表面、下表面以及通孔和凹槽的内表面，在硅基底上表面的二氧化硅绝缘层(3)上设置有下电极(5)，该下电极(5)包括沉积在二氧化硅绝缘层C3)上表面的金属薄膜层以及沉积在贯穿硅基底上表面的通孔中的柱状体，其中，所述下电极(5)的金属薄膜层未完全覆盖整个二氧化硅绝缘层而是覆盖在二氧化硅绝缘层的中间部分且下电极的金属薄膜层的中心线与上电极的中心线重合，所述第一部件和第二部件通过第一部件第一单晶硅余留的部分与第二部件位于硅基底上表面的二氧化硅绝缘层进行键合而成。
2.如权利要求1所述的基于CMUT的生化传感器，其特征在于所述二氧化硅薄膜层 (2)厚度范围为0. 1 μ m 0. 5 μ m，二氧化硅薄膜层的有效振动表面直径范围为10 μ m 20 μ m0
3.如权利要求1所述的基于CMUT的生化传感器，其特征在于所述第一单晶硅中部设置空腔(8)后余留的部分形成硅支柱(6)，该硅支柱(6)的宽度大于40 μ m，高度为2 5 μ m0
4.如权利要求1所述的基于CMUT的生化传感器，其特征在于所述空腔(8)的高度为 0. 5 1. 2 μ m。
5.根据权利要求1所述的基于CMUT的生化传感器其特征在于所述下电极(5)的金属薄膜层的厚度为1 4μπι，金属薄膜层的横向尺寸至少为二氧化硅薄膜层O)的有效振动薄膜的相应尺寸的一半，并与第一部件的单晶硅内壁面的横向距离至少为1 μ m。
6.根据权利要求1所述的基于CMUT的生化传感器其特征在于所述通孔(9)用于为下电极( 和外界提供电连接通道，其通孔高度至少为40 μ m，其通孔直径为3 4μπι。
7.根据权利要求1所述的基于CMUT的生化传感器其特征在于所述上电极覆盖整个二氧化硅薄膜或者覆盖二氧化硅薄膜中间的部分区域。
8.根据权利要求1所述的基于CMUT的生化传感器其特征在于所述二氧化硅薄膜 O)、上电极(7)、敏感识别材料层(1)共同形成振动薄膜，该振动薄膜的厚度小于1.5 μ m。
9.一种基于CMUT的生化传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤(1)取第一单晶硅并将其上下表面分别氧化形成二氧化硅薄膜层，刻蚀其下表面二氧化硅层中部形成空腔图形窗口，露出单晶硅，刻蚀暴露于窗口中的单晶硅并停止于其上表面二氧化硅层，露出上层的二氧化硅层，然后去除位于第一单晶硅下表面的剩余二氧化硅层并对其下表面进行化学机械抛光，形成第一部件；其中，第一单晶硅中部被刻蚀区域形成空腔，余留的空腔周围单晶硅部分形成单晶硅支柱；(2)取第二单晶硅并将其上下表面氧化形成二氧化硅薄膜层，刻蚀上下二氧化硅层使其分别形成图形窗口，露出第二单晶硅，刻蚀暴露于上下图形窗口中的第二单晶硅直至贯通，此时在第二单晶硅中部被刻蚀区域自上而下形成通孔和凹槽；氧化第二单晶硅上下表面以及通孔和凹槽内表面形成完整的二氧化硅隔绝层，化学机械抛光第二单晶硅上表面二氧化硅绝缘层，然后在该二氧化硅绝缘层上表面以及通孔内沉积金属材料，光刻后作为下电极，至此形成第二部件；(3)在真空环境下，将步骤(1)得到的第一部件和步骤( 得到的第二部件进行键合， 其中，第一部件位于第二部件的上方，也就是第一部件的硅支柱(6)位于第二部件第二单晶硅上表面的二氧化硅绝缘层上，如此，第二单晶硅上表面的二氧化硅绝缘层将第一部件的空腔封闭；(4)在第一部件上表面的二氧化硅薄膜上表面沉积作为上电极(7)的金属薄膜层，在金属薄膜层上表面沉积敏感材料层(1)，最后在敏感层上光刻用于引线。
全文摘要
本发明提供了一种基于CMUT的生化传感器及其制备方法，传感器自上而下依次包括敏感识别材料层、上电极、二氧化硅薄膜、硅支柱、下电极、二氧化硅绝缘层、硅基底。本发明金属下电极与硅基底完全电隔离，取代常规基于CMUT的生化传感器中将硅基底作为下电极的做法，降低功耗，大幅度提高上下两电极之间的电场强度，增强机电耦合能力；下电极仅位于二氧化硅薄膜与硅支柱以及二氧化硅绝缘层形成的空腔内部，有效振动薄膜的下方，而非覆盖整个硅基底，有效减小寄生电容，进一步增大机电转化比，提高了电能的有效利用率。
文档编号G01N27/26GK102520032SQ20111039956
公开日2012年6月27日 申请日期2011年12月5日 优先权日2011年12月5日
发明者张桂铭, 李支康, 蒋庄德, 赵玉龙, 赵立波, 郭鑫, 黄恩泽 申请人:西安交通大学