[發明專利]一種基于CMUT的生化傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201110399566.2
• 申請日: 2011-12-05
• 公開（公告）號: CN102520032A
• 公開（公告）日: 2012-06-27
• 發明（設計）人: 趙立波;李支康;蔣莊德;張桂銘;黃恩澤;郭鑫;趙玉龍
• 申請（專利權）人: 西安交通大學
• 主分類號: G01N27/26
• 分類號: G01N27/26
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責任公司 61200
• 代理人: 徐文權

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(2)，所述第一單晶硅中部設置有空腔(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(2)上表面依次設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(4)以及二氧化硅絕緣層(3)，所述硅基底沿厚度方向設置有通孔(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(3)設置在硅基底(4)上表面、下表面以及通孔和凹槽的內表面，在硅基底上表面的二氧化硅絕緣層(3)上設置有下電極(5)，該下電極(5)包括沉積在二氧化硅絕緣層(3)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0.1μm～0.5μm，二氧化硅薄膜層的有效振動表面直徑范圍為10μm～20μm。

3.如權利要求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40μm，高度為2～5μm。

4.如權利要求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0.5～1.2μm。

5.根據權利要求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1～4μm，金屬薄膜層的橫向尺寸至少為二氧化硅薄膜層(2)的有效振動薄膜的相應尺寸的一半，并與第一部件的單晶硅內壁面的橫向距離至少為1μm。

6.根據權利要求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(5)和外界提供電連接通道，其通孔高度至少為40μm，其通孔直徑為3～4μm。

7.根據權利要求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域。

8.根據權利要求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(2)、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1.5μm。

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機械拋光，形成第一部件；其中，第一單晶硅中部被刻蝕區域形成空腔，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表面形成完整的二氧化硅隔絕層，化學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)在真空環境下，將步驟(1)得到的第一部件和步驟(2)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。