[发明专利]一种基于CMUT的生化传感器及其制备方法

说明书

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(Micro 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0.162×10^-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0.1μm～0.5μm，二氧化硅薄膜层的有效振动表面直径范围为10μm～20μm；

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40μm，高度为2～5μm；

所述空腔的高度为0.5～1.2μm；

所述下电极的金属薄膜层的厚度为1～4μm，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1μm；

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40μm，其通孔直径为3～4μm；

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1.5μm。

本发明基于CMUT的生化传感器的制备方法包括以下步骤：