基于cmut的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器及其制備與測量方法
【專利摘要】一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器及其制備與測量方法。其總體結(jié)構(gòu)由上而下為：上薄板，上空腔、振動薄膜、下空腔、基座、敏感材料層、多孔下電極。所述上空腔和下空腔分別位于振動薄膜的上、下兩側(cè)，所述敏感材料層設置在所述基座下表面，所述下電極設置在所述敏感材料層的下表面，所述下電極設置有貫穿其厚度的通孔，所述振動薄膜同時作為上電極。本發(fā)明生化傳感器可避免液體環(huán)境中流體阻尼對振動薄膜品質(zhì)因子的影響，因而能實現(xiàn)高靈敏度生化物質(zhì)測量。
【專利說明】基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器及其制備與測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于MEMS和生物化學【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器及其制備與測量方法。
【背景技術(shù)】
[0002]海洋占據(jù)70%的地球面積，蘊含著豐富的可利用資源。隨著陸地資源的日益拮據(jù)，甚至枯竭，開發(fā)海洋資源、發(fā)展海洋經(jīng)濟已成為沿海國家尤其是沿海發(fā)達國家國民經(jīng)濟的重要支柱。與此同時，一個重要的前提就是對海洋環(huán)境的監(jiān)測與保護，了解如pH值、石油污染物、重金屬離子、毒素等海洋環(huán)境信息，預測和防止各種生化污染對海洋環(huán)境的破壞，從而保證海洋資源開發(fā)與利用的持續(xù)性。因此，用于海洋環(huán)境中生物、化學污染物含量檢測的傳感器已成為海洋環(huán)境監(jiān)測與保護的重要手段。
[0003]目前,基于MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems,微型機械電子系統(tǒng))技術(shù)的諧振式生物化學傳感器由于其體積小、靈敏度高、響應快、數(shù)字化輸出信號便于遠距離傳輸?shù)葍?yōu)點受到諸多研究人員的青睞。常見的基于MEMS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)的在空氣中諧振頻率為幾十kHz，品質(zhì)因子小于100 ;而在海洋等液體環(huán)境中由于阻尼的迅速增加，諧振頻率和品質(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在海洋環(huán)境中實現(xiàn)生化物質(zhì)的高靈敏檢測。
[0004]近幾年發(fā)展起來的基于CMUT (Capactive Micromachined UltrasonicTransducer,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(dimethylmethyIphosphonate,簡稱DMMP)的試驗,其檢測質(zhì)量極限是0.162X l(T16g,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l(T15g，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)，且這些結(jié)構(gòu)在海洋環(huán)境中應用時也存在因阻尼增大而測量靈敏度、精度降低等問題，不適用于海洋環(huán)境中生化物質(zhì)的檢測。因而有必要對探索一種新型CMUT結(jié)構(gòu)及相應的測量原理，以滿足海洋環(huán)境中生化物質(zhì)檢測的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對上述技術(shù)難題，本發(fā)明提出一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器及其制備與測量方法，以避免海洋環(huán)境中阻尼對振動薄膜諧振頻率以及品質(zhì)因子的影響，實現(xiàn)生化物質(zhì)的高精度、高靈敏度測量。
[0006]為達到上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器，包括基座、敏感材料層、下電極、振動薄膜，以及上空腔和下空腔，其中，所述上空腔和下空腔分別位于振動薄膜的上、下兩側(cè)，所述上空腔上方被第一密封結(jié)構(gòu)密封，所述下空腔下方被所述基座密封，所述敏感材料層設置在所述基座下表面，所述下電極設置在所述敏感材料層的下表面，所述下電極設置有貫穿其厚度的通孔，所述振動薄膜同時作為上電極。
[0008]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述第一密封結(jié)構(gòu)包括位于上空腔兩側(cè)的上支柱以及位于上支柱上方的上薄板，所述振動薄膜、上薄板，以及上支柱形成所述上空腔；所述上支柱與上薄板為一體結(jié)構(gòu)或者分體結(jié)構(gòu)。
[0009]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述上薄板為抗壓且絕緣材料，包括單晶硅、二氧化硅、氮化硅或碳化硅，其厚度尺寸保證其在液體環(huán)境中保持足夠的耐壓能力。
[0010]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述上空腔的橫向尺寸與振動薄膜的有效振動區(qū)域的橫向尺寸相同。
[0011]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述基座與振動薄膜之間進一步設置有下支柱，下支柱、基座，以及振動薄膜形成所述下空腔；所述下空腔與基座為一體設計或分體設計。
[0012]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述下空腔的橫向尺寸以及形狀與上空腔相同。
[0013]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述基座的材料為絕緣材料，包括二氧化硅、氮化硅，或者在所使用的環(huán)境中不具有導電能力的材料。
[0014]作為本發(fā)明的優(yōu)選實施例，所述下電極未覆蓋整個敏感材料層，其覆蓋區(qū)域形狀及橫向尺寸與上空腔和下空腔的形狀和橫向尺寸一致。
[0015]上述基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器的具體測量方法為:在被測生化物質(zhì)與敏感材料層相互作用前，在振動薄膜與下電極之間施加直流偏置電壓和一定頻率的交流電壓，使振動薄膜發(fā)生諧振，并將該頻率作為參考頻率，當被測生化物質(zhì)與敏感功能材料作用后，位于振動薄膜和下電極之間的敏感材料層的介電常數(shù)發(fā)生改變，進而引起振動薄膜所受的靜電力發(fā)生改變，該靜電力改變振動薄膜的應力狀態(tài)從而使其諧振頻率發(fā)生變化，改變交流電壓的頻率使振動薄膜再次發(fā)生諧振，獲取該諧振頻率，最終通過頻率變化與被測生化物質(zhì)濃度之間的關(guān)系即可實現(xiàn)生化物質(zhì)的測量。
[0016]本發(fā)明還提供了一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器的制備方法，包括以下步驟:
[0017](I)以單晶硅片作為基座，在其上表面采用刻蝕的方法形成下空腔，或者在單晶硅片上表面氧化形成二氧化硅層，再采用刻蝕的方法刻蝕掉中部的二氧化硅層，刻蝕停止于單晶硅片，以此形成下空腔，形成第一器件；取301晶片，采用離子摻雜技術(shù)摻雜SOI的頂部單晶硅片，該頂部單晶硅片用作振動薄膜，形成第二器件；
[0018](2)拋光第一器件和第二器件的上表面，然后采用陽極鍵合技術(shù)將第一器件和第二器件進行真空鍵合，以此將下空腔真空密封，真空鍵合時，SOI晶片在上。
[0019](3)依次使用機械法和刻蝕方法去掉SOI晶片的襯底單晶硅，然后再通過不同的刻蝕溶液分步刻蝕掉埋層二氧化硅以保證刻蝕停止后所暴露出來的SOI頂部單晶硅片表面具有較好的平面度，此時SOI頂部單晶硅片被完全釋放，形成振動薄膜；同時取另一單晶硅片，采用刻蝕的方法將中心的區(qū)域刻蝕掉以形成上空腔，或者氧化其上表面形成二氧化硅層，然后采用刻蝕的方法將二氧化硅中心的區(qū)域刻蝕掉，形成上空腔；
[0020](4)采用化學機械拋光技術(shù)同時拋光振動薄膜和第二單晶硅或其上的二氧化硅層上表面，并將兩表面采用陽極鍵合技術(shù)真空鍵合，上空腔被真空密封，其中振動薄膜在下；
[0021](5)選擇與被測生化物質(zhì)相應的敏感材料，并用該敏感材料在基底下側(cè)形成敏感材料層；
[0022](6)在敏感材料層下側(cè)形成下電極層，光刻、刻蝕該下電極層形成多孔底部電極。
[0023]本發(fā)明一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器及其制備與測量方法至少具有以下優(yōu)點:
[0024]首先，不同于常規(guī)CMUT結(jié)構(gòu)中振動薄膜與環(huán)境直接接觸的情況，本發(fā)明在CMUT振動薄膜兩側(cè)皆形成有真空腔，成功地避免了來自外界環(huán)境(如空氣、液體)的阻尼對薄膜振動頻率以及品質(zhì)因子的影響，因而可直接應用于液體環(huán)境中，實現(xiàn)生化物質(zhì)的高精度、高靈敏度測量。
[0025]其次，常規(guī)的諧振式生化傳感器將敏感材料層位于諧振元件之上，因敏感材料以及相關(guān)的功能化工藝對振動元件的固有諧振頻率有影響，很難實現(xiàn)諧振元件結(jié)構(gòu)尺寸及固有頻率的精確設計；而本發(fā)明中振動薄膜和敏感材料層分離，敏感功能材料的力學性能以及相應功能化工藝對振動薄膜的設計沒有影響，因而可實現(xiàn)振動薄膜尺寸及固有頻率的精確化設計。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器的基本結(jié)構(gòu)示意圖；
[0027]圖2為本發(fā)明一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器的第一種變化結(jié)構(gòu)；
[0028]圖3為本發(fā)明一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器的第二種變化結(jié)構(gòu)；
[0029]圖4為本發(fā)明一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器的第三種變化結(jié)構(gòu)；
[0030]圖5為對應于圖1 一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器的基本結(jié)構(gòu)的典型制備工藝步驟。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器的具體實施方法進行詳細說明。
[0032]結(jié)合圖1對該傳感器的具體結(jié)構(gòu)特征進行說明:
[0033]本發(fā)明一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器的整體結(jié)構(gòu)自上而下依次為:上薄板1、上空腔2、振動薄膜4、下空腔3、基座7、敏感材料層8以及多孔下電極9。其中上空腔2周圍為上支柱5，下空腔3周圍為下支柱6.[0034]所述上薄板I優(yōu)選為抗壓、絕緣材料，也可為常見硅基材料如單晶硅、二氧化硅、氮化硅、碳化硅等材料，主要用于將振動薄膜與外界環(huán)境隔離，其厚度尺寸應保證其在液體環(huán)境中保持足夠的耐壓能力。
[0035]所述上支柱5主要用于支撐上薄板1，同時與上薄板I 一道將振動薄膜4上側(cè)與環(huán)境隔離，形成上空腔2 ;上支柱5的橫向尺寸應保證其在液體環(huán)境有足夠耐壓能力，以免因液體壓力過大而造成上支柱5斷裂；上支柱5的厚度尺寸應根據(jù)振動薄膜4尺寸確定，應保證振動薄膜4有足夠的位移空間；上支柱5的材料為絕緣材料如氮化硅、二氧化硅等。
[0036]振動薄膜4為單晶硅、多晶硅、碳化硅等材料，經(jīng)離子摻雜后同時用作上電極，其有效振動區(qū)域(可在電壓激勵下發(fā)生運動的薄膜區(qū)域)尺寸可根據(jù)目標工作頻率確定。
[0037]上空腔2由振動薄膜4、上薄板I以及位于空腔2周圍的上支柱5共同組成。其空腔內(nèi)部為真空，因而能有效避免環(huán)境阻尼的影響，提高振動薄膜的諧振頻率以及品質(zhì)因子。上空腔2的形狀可為矩形、方形、多邊形或圓形，其高度與上支柱5相同，其橫向尺寸與振動薄膜4有效振動區(qū)域的橫向尺寸相同。
[0038]下支柱6用于支撐振動薄膜4及其以上部分，其材料為絕緣材料如二氧化硅、氮化硅等，其橫向尺寸應保證在液體環(huán)境中有足夠的耐壓能力，以確保結(jié)構(gòu)的堅固性，其高度尺寸應保證振動薄膜4有足夠的位移空間，同時在不以降低耦合系數(shù)為代價的前提下使CMUT的工作偏置電壓盡量小，以減小功耗。
[0039]下空腔3由振動薄膜4、基座7以及圍繞下空腔3的下支柱6共同組成，其高度尺寸與下支柱6相同，橫向尺寸以及形狀與上空腔2相同。
[0040]基座7用于承載整個傳感器結(jié)構(gòu)，其材料優(yōu)選為絕緣材料如二氧化硅、氮化硅；也可為在所使用環(huán)境中不具有導電能力的材料，如低溫下的未摻雜單晶硅、多晶硅等材料。其厚度尺寸應在保證具有足夠結(jié)構(gòu)強度的情況盡量小，以減小該結(jié)構(gòu)電極之間的塌陷電壓進而減小工作時的偏置電壓。
[0041]敏感材料層8位于基座7下側(cè),是針對于特定生化物質(zhì)具有選擇能力的敏感材料；同時該層的材料應為絕緣性材料，且與被測生化物質(zhì)作用后，其介電常數(shù)可發(fā)生很大改變。
[0042]多孔下電極9位于敏感材料層8下側(cè)，用作下電極，其材料可為鋁、金等導電材料；其形狀和橫向尺寸與上空腔2或者下空腔3相同，厚度尺寸應使下電極9的電阻盡量??；下電極9上設置有貫穿其厚度的通孔10。通孔10的尺寸、排列和個數(shù)應使被測生化物質(zhì)能充分與敏感材料層8接觸，同時又對底部電極的電學性能如電場強度、導電能力影響較小。
[0043]上述結(jié)構(gòu)特征為本發(fā)明一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器的基本結(jié)構(gòu)，在該基本結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，本發(fā)明海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器還有如下結(jié)構(gòu)變化。
[0044]圖2所示為該傳感器的第一種變化結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)中下支柱和基底為一體結(jié)構(gòu)，由同一材料經(jīng)光刻、刻蝕、氧化等工藝形成，其尺寸與圖1中相應結(jié)構(gòu)部分的設計考慮一致。該結(jié)構(gòu)的其他部分與圖1相同。
[0045]圖3所示為該傳感器基本結(jié)構(gòu)的第二種變化結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中上支柱與上薄板為一體化結(jié)構(gòu)，由同一材料經(jīng)光刻、刻蝕、氧化等工藝形成，其尺寸與圖1中相應結(jié)構(gòu)部分的設計考慮一致。該結(jié)構(gòu)的其他部分與圖1 一致。
[0046]圖4所示為該傳感器基本結(jié)構(gòu)的第三種變化結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)上支柱與上薄板為一體化結(jié)構(gòu)，下支柱和基底也為一體結(jié)構(gòu)，他們均由同一材料經(jīng)光刻、刻蝕、氧化等工藝形成，其尺寸與圖1中相應結(jié)構(gòu)部分的設計考慮一致。該結(jié)構(gòu)其他部分與圖1一致。
[0047]參考圖1，本發(fā)明一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器的具體應用方法為:在被測生化物質(zhì)與敏感材料層8相互作用前，在振動薄膜4與多孔下電極9之間施加直流偏置電壓和一定頻率的交流電壓，使振動薄膜4發(fā)生諧振，并將該諧振頻率作為參考頻率。當被測生化物質(zhì)與敏感功能材料作用后，位于振動薄膜4和下電極9之間的敏感材料層8的介電常數(shù)將發(fā)生改變，進而引起振動薄膜4所受的靜電力發(fā)生改變，該靜電力可改變振動薄膜4的應力狀態(tài)從而使其諧振頻率發(fā)生變化。改變交流電壓的頻率使振動薄膜4再次發(fā)生諧振，通過相關(guān)分析儀器(如阻抗分析儀、網(wǎng)路分析儀、頻率計數(shù)器等)和電路(如頻率跟蹤電路)獲取該諧振頻率，最終通過頻率變化與被刺生化物質(zhì)濃度之間的關(guān)系即可實現(xiàn)生化物質(zhì)的測量。
[0048]對應于圖1所示一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器的基本結(jié)構(gòu)，其典型制備工藝步驟為:
[0049](I)取一單晶硅片作為第一單晶硅，通過熱氧化工藝在其上側(cè)生成一定厚度的二
氧化硅層。
[0050](2)光刻二氧化硅層形成空腔圖形，刻蝕圖形窗口中的二氧化硅，刻蝕停止于第一單晶硅上側(cè)，刻蝕結(jié)束后形成下空腔3及位于其周圍的下支柱6，所述第一單晶硅為初步形成的所述基座7 ;與此同時，取一 SOI晶片，采用離子摻雜技術(shù)摻雜SOI的頂部單晶硅片，形成摻雜頂部單晶硅薄片以用作振動薄膜4。
[0051](3)采用化學機械拋光技術(shù)拋光第一單晶硅上的二氧化硅層表面和SOI頂部單晶硅片的上表面，然后采用陽極鍵合技術(shù)將二氧化硅層的表面和SOI頂部單晶硅片的表面真空鍵合，下空腔3被真空密封。其中第一單晶硅片在下，SOI晶片在上。
[0052](4)依次使用機械法和刻蝕方法去掉SOI晶片的襯底單晶硅，然后再通過不同的刻蝕溶液分步刻蝕掉埋層二氧化硅以保證刻蝕停止后所暴露出來的SOI頂部單晶硅片表面具有較好的平面度，此時SOI頂部單晶硅片被完全釋放，形成振動薄膜4 ;同時另取一單晶硅片作為第二單晶硅，氧化其上表面形成二氧化硅層。
[0053]( 5 )光刻第二單晶硅上的二氧化硅層形成上空腔圖形，刻蝕圖形窗口中的二氧化硅層，刻蝕停止于第二單晶硅上側(cè)，此時形成上空腔2及位于其周圍的上支柱5。
[0054](6)米用化學機械拋光技術(shù)同時拋光振動薄膜4和上支柱5的表面,并將兩表面米用陽極鍵合技術(shù)真空鍵合，上空腔2被真空密封；其中振動薄膜4在下，上支柱5在上。同時，對第一單晶硅下側(cè)進行減薄以及表面處理，形成基座7。
[0055](7)對第二單晶硅進行減薄處理以及表面處理，形成上薄板1，同時選擇與被測生化物質(zhì)相應的敏感材料，并用該敏感材料在基座7下側(cè)通過相應的加工工藝形成敏感材料層8.[0056](8)在敏感材料層8下側(cè)通過濺射或其他加工方法形成電極層，光刻、刻蝕該電極層形成多孔下電極9和通孔10。
[0057]所述典型制備工藝步驟中的(4)、(5)、(6)和(7)也可為:
[0058](4)先用機械法減薄80%的襯底單晶硅，再用緩沖刻蝕液刻蝕剩余的20%的襯底單
晶硅，刻蝕停止于埋層二氧化硅。
[0059](5)光刻埋層二氧化硅形成上空腔圖形，并刻蝕圖形窗口中的埋層二氧化硅，刻蝕停止于SOI頂部單晶硅片，釋放作為振動薄膜的SOI頂部單晶硅片，同時形成上空腔以及位于其周圍的上支柱。
[0060](6)另取一單晶娃片作為第二單晶娃,米用化學拋光技術(shù)拋光其上表面，同時拋光步驟(5)中上支柱表面，在真空條件下將兩表面鍵合，從而將上空腔密封。其中第二單晶硅在上，上支柱在下。第二單晶硅的厚度可根據(jù)需求進行進一步減薄和表面處理，以用作上薄板。
[0061](7)對第一單晶硅進行進一步減薄和表面處理，形成基底；選擇與被測生化物質(zhì)相應的敏感材料，并用該敏感材料在基底下側(cè)通過相應的加工工藝形成敏感材料層，該加工工藝應根據(jù)具體的基底材料和敏感材料確定。
[0062]結(jié)合上述實施方式，本發(fā)明一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器的參考結(jié)構(gòu)參數(shù)為:
[0063]上薄板厚度:根據(jù)其材料的抗壓力學性能以及海洋環(huán)境中深度確定；
[0064]空腔高度:0.4 -20μπι ;
[0065]空腔橫向尺寸:8-200 μ m ；
[0066]電極有效橫向尺寸:8-200μηι;
[0067]基底厚度:50-400 μ m。
[0068]本發(fā)明一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器的參考性能指標為:
[0069]測量介質(zhì):海洋環(huán)境中常見生化物質(zhì)，如石油污染物、農(nóng)藥、重金屬離子等；
[0070]體積靈敏度:大于40ppb/Hz ；
[0071]質(zhì)量極限值:小于10_1Qg ；
`[0072]響應時間:小于15min` ；
[0073]測量精度:優(yōu)于5%FS ；
[0074]工作溫度:-2(TC-120?。
[0075]以上所述僅為本發(fā)明的一種實施方式，不是全部或唯一的實施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員通過閱讀本發(fā)明說明書而對本發(fā)明技術(shù)方案采取的任何等效的變換，均為本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器，其特征在于:包括基座(7)、敏感材料層(8)、下電極(9)、振動薄膜(4)，以及上空腔(2)和下空腔(3)，其中，所述上空腔(2)和下空腔(3)分別位于振動薄膜(4)的上、下兩側(cè)，所述上空腔(2)上方被第一密封結(jié)構(gòu)密封，所述下空腔(3 )下方被所述基座(7 )密封，所述敏感材料層(8 )設置在所述基座(7 )下表面，所述下電極設置在所述敏感材料層的下表面，所述下電極設置有貫穿其厚度的通孔(10)，所述振動薄膜同時作為上電極。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器，其特征在于:所述第一密封結(jié)構(gòu)包括位于上空腔(2)兩側(cè)的上支柱(5)以及位于上支柱(5)上方的上薄板(1)，所述振動薄膜(4)、上薄板(1)，以及上支柱形成所述上空腔；所述上支柱與上薄板為一體結(jié)構(gòu)或者分體結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求2所述的一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器，其特征在于:所述上薄板(I)為抗壓且絕緣材料，包括單晶硅、二氧化硅、氮化硅或碳化硅，其厚度尺寸保證其在液體環(huán)境中保持足夠的耐壓能力。
4.如權(quán)利要求1至3中任意一項所述的一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器，其特征在于:所述上空腔 (2)的橫向尺寸與振動薄膜的有效振動區(qū)域的橫向尺寸相同。
5.如權(quán)利要求1所述的一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器，其特征在于:所述基座(7)與振動薄膜之間進一步設置有下支柱(6)，下支柱、基座，以及振動薄膜形成所述下空腔(3);所述下支柱與基座為一體設計或分體設計。
6.如權(quán)利要求1或5所述的一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器，其特征在于:所述下空腔的橫向尺寸以及形 狀與上空腔相同。
7.如權(quán)利要求1所述的一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器，其特征在于:所述基座的材料為絕緣材料，包括二氧化硅、氮化硅，或者在所使用的環(huán)境中不具有導電能力的材料。
8.如權(quán)利要求1所述的一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器，其特征在于:所述下電極未覆蓋整個敏感材料層，其覆蓋區(qū)域形狀及橫向尺寸與上空腔和下空腔的形狀和橫向尺寸一致。
9.如權(quán)利要求1至8中任意一項所述的基于CMUT的海洋生化監(jiān)測傳感器的測量方法，其特征在于:被測生化物質(zhì)與敏感材料層作用前，在振動薄膜與下電極之間施加直流偏置電壓和一定頻率的交流電壓，使振動薄膜發(fā)生諧振，并將該諧振頻率作為參考頻率；當被測生化物質(zhì)與敏感功能材料相互作用后，位于振動薄膜和下電極之間的敏感材料層的介電常數(shù)發(fā)生改變，進而引起振動薄膜所受的靜電力發(fā)生改變，該靜電力改變振動薄膜的應力狀態(tài)，從而使其諧振頻率發(fā)生變化；改變交流電壓的頻率使振動薄膜再次發(fā)生諧振，獲取該諧振頻率，最終通過頻率變化與被測生化物質(zhì)濃度之間的關(guān)系即可實現(xiàn)生化物質(zhì)的監(jiān)測。
10.權(quán)利要求1至8中任意一項所述的一種基于CMUT的海洋生化物質(zhì)監(jiān)測傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟: (O以單晶硅片作為基座，在其上表面采用刻蝕的方法形成下空腔，或者在單晶硅片上表面氧化形成二氧化硅層，再采用刻蝕的方法刻蝕掉中部的二氧化硅層，刻蝕停止于單晶硅片，以此形成下空腔，形成第一器件；取301晶片，采用離子摻雜技術(shù)摻雜SOI的頂部單晶硅片，該頂部單晶硅片用作振動薄膜，形成第二器件；(2)拋光第一器件和第二器件的上表面，然后采用陽極鍵合將第一器件和第二器件進行真空鍵合，以此將下空腔真空密封，真空鍵合時，SOI晶片在上； (3)依次使用機械法和刻蝕方法去掉SOI晶片的襯底單晶硅，然后再通過不同的刻蝕溶液分步刻蝕掉埋層二氧化硅以保證刻蝕停止后所暴露出來的SOI頂部單晶硅片表面具有較好的平面度，此時SOI頂部單晶硅片被完全釋放，形成振動薄膜；同時取另一單晶硅片，采用刻蝕的方法將中心的區(qū)域刻蝕掉以形成上空腔，或者氧化其上表面形成二氧化硅層，然后采用刻蝕的方法將二氧化硅中部區(qū)域刻蝕掉，形成上空腔； (4)采用化學機械拋光技術(shù)同時拋光振動薄膜和第二單晶硅或其上的二氧化硅層上表面，并將兩表面采用陽極鍵合技術(shù)進行真空鍵合，上空腔被真空密封，其中振動薄膜在下； (5)選擇與被測生化物質(zhì)相應的敏感材料，并用該敏感材料在基底下側(cè)形成敏感材料層； (6)在敏感材料層下側(cè)形 成下電極層，光刻、刻蝕該下電極層形成多孔底部電極。
【文檔編號】G01N29/036GK103454345SQ201310364961
【公開日】2013年12月18日 申請日期:2013年8月20日 優(yōu)先權(quán)日:2013年8月20日
【發(fā)明者】趙立波, 李支康, 蔣莊德, 葉志英, 趙玉龍, 王苑, 王久洪 申請人:西安交通大學