專利名稱：一種基于cmut的生化傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于MEMS和生物化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種基于CMUT的生化傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
生物和化學(xué)傳感器多由質(zhì)量傳感器和聚合物功能層結(jié)合而成，通過質(zhì)量改變引起共振頻率的平移來實現(xiàn)生物化學(xué)量的檢測。常見的基于MEMS(Micrc) Electro-Mechanical Systems，微型機械電子系統(tǒng))技術(shù)的生化感器微結(jié)構(gòu)主要有微懸臂梁、壓電石英晶體、薄膜體聲波諧振器、表面聲波諧振器，這些測量結(jié)構(gòu)雖已十分成熟，但由于其自身的結(jié)構(gòu)特征限制了共振頻率和品質(zhì)因子的提高，例如，常用的懸臂梁結(jié)構(gòu)的在空氣中共振頻率為幾十 KHz，品質(zhì)因子小于100 ；而在液體中由于阻尼的增加，共振頻率和品質(zhì)因子將大幅降低(共振頻率降到十幾KHz，品質(zhì)因子小于10)，因而基于這些結(jié)構(gòu)的生化傳感器則很難實現(xiàn)高靈敏度、高分辨和更小質(zhì)量極限的生化物質(zhì)的檢測。相對于以上微傳感結(jié)構(gòu)，近幾年才開始研究的基于CMUT (Capactive Micromachined Ultrasonic ^Transducer，電容微加工超聲傳感器)的生化傳感器在克服以上所述難題上表現(xiàn)出更多的優(yōu)勢。得益于MEMS微加工技術(shù)和CMUT自身獨特結(jié)構(gòu)，CMUT所具有的更小的薄膜質(zhì)量、更高的共振頻率(可達幾十MHz)和品質(zhì)因子(可達幾百)決定其可以實現(xiàn)更高靈敏度和更小質(zhì)量極限的測量；其易加工、易陣列、易集成等特點為實現(xiàn)多通道不同生化物質(zhì)同時測量提供了有利條件。目前，已出現(xiàn)采用CMUTs作為生化傳感器來檢測甲基膦酸二甲酯(dimethyl methylphosphonate，簡稱DMMP)的試驗，其檢測質(zhì)量極限是 0. 162X10_16g，體積靈敏度為37. 38ppb/Hz ；還采用CMUTs檢測異丙醇、丙酮、酒精和水，檢測質(zhì)量極限為10_15g，體積靈敏度為41.6ppb/Hz。但這些生化傳感器多是基于一些常見的 CMUT結(jié)構(gòu)，在工作時因大寄生電容、大薄膜質(zhì)量、硅基底高阻抗以及隔絕層充電現(xiàn)象等因素影響，限制了檢測靈敏度和質(zhì)量極限的進一步提高，因而這些常規(guī)的CMUT結(jié)構(gòu)不適應(yīng)于用作生化傳感器或者說作為生化傳感器使用時不能充分發(fā)揮CMUT的諸多優(yōu)勢。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種基于CMUT的生化傳感器及其制備方法， 以避免下電極隔絕層充電現(xiàn)象、減小寄生電容及電能損耗，進一步提高機電耦合系數(shù)和測量靈敏度，實現(xiàn)更微量有毒生化物質(zhì)的檢測。本發(fā)明基于CMUT的生化傳感器，包括上下鍵合在一起的第一部件和第二部件，所述第一部件包括第一單晶硅以及在第一單晶硅上表面氧化形成的二氧化硅薄膜層，所述第一單晶硅中部設(shè)置有空腔，該空腔在厚度方向上貫穿第一單晶硅止于二氧化硅薄膜層，在二氧化硅薄膜層上表面依次設(shè)置有金屬的上電極層以及敏感材料層；所述第二部件包括硅基底以及二氧化硅絕緣層，所述硅基底沿厚度方向設(shè)置有通孔和凹槽，二者在其厚度方向上貫通，所述二氧化硅絕緣層設(shè)置在硅基底上表面、下表面以及通孔和凹槽的內(nèi)表面，在硅基底上表面的二氧化硅絕緣層上設(shè)置有下電極，該下電極包括沉積在二氧化硅絕緣層上表面的金屬薄膜層以及沉積在貫穿硅基底上表面的通孔中的柱狀體，其中，所述下電極的金屬薄膜層未完全覆蓋整個二氧化硅絕緣層而是覆蓋在二氧化硅絕緣層的中間部分且下電極的金屬薄膜層的中心線與上電極的中心線重合，所述第一部件和第二部件通過第一部件第一單晶硅余留的部分與第二部件位于硅基底上表面的二氧化硅絕緣層進行鍵合而成。所述二氧化硅薄膜層厚度范圍為0. 1 μ m 0. 5 μ m，二氧化硅薄膜層的有效振動表面直徑范圍為10 μ m 20 μ m ；所述第一單晶硅中部設(shè)置空腔后余留的部分形成硅支柱，該硅支柱的寬度大于 40ym, 1 ^ 2 ~ 5ym ；所述空腔的高度為0. 5 1. 2 μ m ；所述下電極的金屬薄膜層的厚度為1 4μπι，金屬薄膜層的橫向尺寸至少為二氧化硅薄膜層的有效振動薄膜地相應(yīng)尺寸的一半，并與第一部件的單晶硅內(nèi)壁面的橫向距離至少為1 μ m ；所述通孔用于為下電極和外界提供電連接通道，其通孔高度至少為40 μ m，其通孔直徑為3 4 μ m ；所述上電極覆蓋整個二氧化硅薄膜或者覆蓋二氧化硅薄膜中間的部分區(qū)域；所述二氧化硅薄膜、上電極、敏感識別材料層共同形成振動薄膜，該振動薄膜的厚度小于1. 5μπι。本發(fā)明基于CMUT的生化傳感器的制備方法包括以下步驟(1)取第一單晶硅并將其上下表面分別氧化形成二氧化硅薄膜層(此時未被氧化單晶硅即稱為第一單晶硅)，刻蝕其下表面二氧化硅層中部形成空腔圖形窗口，露出單晶硅，刻蝕暴露于窗口中的單晶硅并停止于其上表面二氧化硅層，露出上層的二氧化硅層，然后去除位于第一單晶硅下表面的剩余二氧化硅層并對其下表面進行化學(xué)機械拋光，形成第一部件；其中，第一單晶硅中部被刻蝕區(qū)域形成空腔，余留的空腔周圍單晶硅部分形成單晶硅支柱；(2)取第二單晶硅并將其上下表面氧化形成二氧化硅薄膜層，刻蝕上下二氧化硅層使其分別形成圖形窗口，露出第二單晶硅，刻蝕暴露于上下圖形窗口中的第二單晶硅直至貫通，此時在第二單晶硅中部被刻蝕區(qū)域自上而下形成通孔和凹槽；氧化第二單晶硅上下表面以及通孔和凹槽內(nèi)表面形成完整的二氧化硅隔絕層，化學(xué)機械拋光第二單晶硅上表面二氧化硅絕緣層，然后在該二氧化硅絕緣層上表面以及通孔內(nèi)沉積金屬材料，光刻后作為下電極，至此形成第二部件；(3)在真空環(huán)境下，將步驟(1)得到的第一部件和步驟( 得到的第二部件進行鍵合，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單晶硅上表面的二氧化硅絕緣層上，如此，第二單晶硅上表面的二氧化硅絕緣層將第一部件的空腔封閉；(4)在第一部件上表面的二氧化硅薄膜上表面沉積作為上電極的金屬薄膜層，在金屬薄膜層上表面沉積敏感材料層，最后在敏感層上光刻用于引線。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明基于CMUT的生化傳感器及其制備方法至少具有以下優(yōu)
(1)進一步減小振動薄膜厚度(小于0.5 μ m)和質(zhì)量，可有效提高薄膜共振頻率， 進而提高CMUT工作靈敏度和生化物質(zhì)檢測極限。(2)振動薄膜和支柱之間內(nèi)應(yīng)力更小及連接可靠性更高，有效保證了薄膜良好的機械性能和工作可靠性。(3)相對于用整個硅基底作為下電極的情況，運用金屬薄膜作為下電極大幅度提高下電極的導(dǎo)電能力，增強兩電極之間的電場強度，進而使機電耦合系數(shù)得以大幅提高。(4)金屬下電極上無電隔絕層，避免了因強電場中下電極隔絕層充電現(xiàn)象對CMUT 工作穩(wěn)定性的影響。(5)金屬下電極僅位于有效振動薄膜的下方，空腔的內(nèi)部，有效減少了寄生電容的影響，進一步提高傳感器的工作性能。(6)在硅基底背面形成凹槽，減小了用于下電極電連接通孔的長度，在降低加工難度和時間的同時，還有效減小了串聯(lián)電阻阻值，降低功耗。


圖1為本發(fā)明基于CMUT的生化傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明傳感器的加工流程圖。圖中的標號如下表示
權(quán)利要求
1.一種基于CMUT的生化傳感器，其特征在于包括上下鍵合在一起的第一部件和第二部件，所述第一部件包括第一單晶硅以及在第一單晶硅上表面氧化形成的二氧化硅薄膜層 O)，所述第一單晶硅中部設(shè)置有空腔(8)，該空腔在厚度方向上貫穿第一單晶硅止于二氧化硅薄膜層，在二氧化硅薄膜層( 上表面依次設(shè)置有金屬的上電極層(7)以及敏感材料層(1)；所述第二部件包括硅基底以及二氧化硅絕緣層(3)，所述硅基底沿厚度方向設(shè)置有通孔(9)和凹槽(10)，二者在其厚度方向上貫通，所述二氧化硅絕緣層C3)設(shè)置在硅基底(4)上表面、下表面以及通孔和凹槽的內(nèi)表面，在硅基底上表面的二氧化硅絕緣層(3)上設(shè)置有下電極(5)，該下電極(5)包括沉積在二氧化硅絕緣層C3)上表面的金屬薄膜層以及沉積在貫穿硅基底上表面的通孔中的柱狀體，其中，所述下電極(5)的金屬薄膜層未完全覆蓋整個二氧化硅絕緣層而是覆蓋在二氧化硅絕緣層的中間部分且下電極的金屬薄膜層的中心線與上電極的中心線重合，所述第一部件和第二部件通過第一部件第一單晶硅余留的部分與第二部件位于硅基底上表面的二氧化硅絕緣層進行鍵合而成。
2.如權(quán)利要求1所述的基于CMUT的生化傳感器，其特征在于所述二氧化硅薄膜層 (2)厚度范圍為0. 1 μ m 0. 5 μ m，二氧化硅薄膜層的有效振動表面直徑范圍為10 μ m 20 μ m0
3.如權(quán)利要求1所述的基于CMUT的生化傳感器，其特征在于所述第一單晶硅中部設(shè)置空腔(8)后余留的部分形成硅支柱(6)，該硅支柱(6)的寬度大于40 μ m，高度為2 5 μ m0
4.如權(quán)利要求1所述的基于CMUT的生化傳感器，其特征在于所述空腔(8)的高度為 0. 5 1. 2 μ m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CMUT的生化傳感器其特征在于所述下電極(5)的金屬薄膜層的厚度為1 4μπι，金屬薄膜層的橫向尺寸至少為二氧化硅薄膜層O)的有效振動薄膜的相應(yīng)尺寸的一半，并與第一部件的單晶硅內(nèi)壁面的橫向距離至少為1 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CMUT的生化傳感器其特征在于所述通孔(9)用于為下電極( 和外界提供電連接通道，其通孔高度至少為40 μ m，其通孔直徑為3 4μπι。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CMUT的生化傳感器其特征在于所述上電極覆蓋整個二氧化硅薄膜或者覆蓋二氧化硅薄膜中間的部分區(qū)域。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于CMUT的生化傳感器其特征在于所述二氧化硅薄膜 O)、上電極(7)、敏感識別材料層(1)共同形成振動薄膜，該振動薄膜的厚度小于1.5 μ m。
9.一種基于CMUT的生化傳感器的制備方法，其特征在于包括以下步驟(1)取第一單晶硅并將其上下表面分別氧化形成二氧化硅薄膜層，刻蝕其下表面二氧化硅層中部形成空腔圖形窗口，露出單晶硅，刻蝕暴露于窗口中的單晶硅并停止于其上表面二氧化硅層，露出上層的二氧化硅層，然后去除位于第一單晶硅下表面的剩余二氧化硅層并對其下表面進行化學(xué)機械拋光，形成第一部件；其中，第一單晶硅中部被刻蝕區(qū)域形成空腔，余留的空腔周圍單晶硅部分形成單晶硅支柱；(2)取第二單晶硅并將其上下表面氧化形成二氧化硅薄膜層，刻蝕上下二氧化硅層使其分別形成圖形窗口，露出第二單晶硅，刻蝕暴露于上下圖形窗口中的第二單晶硅直至貫通，此時在第二單晶硅中部被刻蝕區(qū)域自上而下形成通孔和凹槽；氧化第二單晶硅上下表面以及通孔和凹槽內(nèi)表面形成完整的二氧化硅隔絕層，化學(xué)機械拋光第二單晶硅上表面二氧化硅絕緣層，然后在該二氧化硅絕緣層上表面以及通孔內(nèi)沉積金屬材料，光刻后作為下電極，至此形成第二部件；(3)在真空環(huán)境下，將步驟(1)得到的第一部件和步驟( 得到的第二部件進行鍵合， 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)位于第二部件第二單晶硅上表面的二氧化硅絕緣層上，如此，第二單晶硅上表面的二氧化硅絕緣層將第一部件的空腔封閉；(4)在第一部件上表面的二氧化硅薄膜上表面沉積作為上電極(7)的金屬薄膜層，在金屬薄膜層上表面沉積敏感材料層(1)，最后在敏感層上光刻用于引線。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種基于CMUT的生化傳感器及其制備方法，傳感器自上而下依次包括敏感識別材料層、上電極、二氧化硅薄膜、硅支柱、下電極、二氧化硅絕緣層、硅基底。本發(fā)明金屬下電極與硅基底完全電隔離，取代常規(guī)基于CMUT的生化傳感器中將硅基底作為下電極的做法，降低功耗，大幅度提高上下兩電極之間的電場強度，增強機電耦合能力；下電極僅位于二氧化硅薄膜與硅支柱以及二氧化硅絕緣層形成的空腔內(nèi)部，有效振動薄膜的下方，而非覆蓋整個硅基底，有效減小寄生電容，進一步增大機電轉(zhuǎn)化比，提高了電能的有效利用率。
文檔編號G01N27/26GK102520032SQ20111039956
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月5日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月5日
發(fā)明者張桂銘, 李支康, 蔣莊德, 趙玉龍, 趙立波, 郭鑫, 黃恩澤 申請人:西安交通大學(xué)