CN102520032B - 一种基于cmut的生化传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

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。

Description

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（MicroElectro-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（CapactiveMicromachined 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1μm。

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；

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：

（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（2）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点：

（1）进一步减小振动薄膜厚度（小于0.5μm）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。

附图说明

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：

1	敏感识别材料层	2	二氧化硅薄膜层
				3	二氧化硅绝缘层	4	硅基底
5	下电极	6	硅支柱
				7	上电极	8	空腔
9	通孔	10	凹槽
				11	第一单晶硅	12	第二单晶硅

具体实施方式

下面结合附图，对本发明基于CMUT（Capacitive Micro-fabricated UltrasonicTransducer）的生化传感器及其制备方法做详细描述：

请参阅图1所示，本发明公开了一种基于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、在第一单晶硅上表面氧化形成的二氧化硅薄膜2、沉积在二氧化硅薄膜2上表面并作为上电极7的金属薄膜层、沉积在金属薄膜层上表面的敏感识别材料层1，其中，所述第一单晶硅的中部刻蚀有空腔8，露出二氧化硅薄膜2，留下来的第一单晶硅形成与第二部分键合的硅支柱6；所述第二部件包括硅基底4、通孔9、凹槽10、下电极5以及在硅基底4上下表面、通孔9和凹槽10内表面氧化形成的整个二氧化硅绝缘层3；其中所述通孔9和凹槽10关于硅基底4中心线对称并在其厚度方向上连通并贯穿，所述二氧化硅绝缘层3覆盖硅基底4、通孔9和凹槽10内表面，用于电隔绝整个单晶硅基底4，所述下电极5包括二氧化硅绝缘层3上的金属薄膜层和通孔9内的柱状体，金属薄层位于空腔8内部。

请继续参阅图1所示，本发明基于CMUT的生化传感器结构自上而下依次包括：敏感识别材料层1、上电极7、二氧化硅薄膜2、硅支柱6、下电极5、二氧化硅绝缘层3、硅基底4。其中，所述硅基底4自上而下依次为下电极电连接通孔9和硅基底凹槽10，其中，下电极电连接通孔9和硅基底凹槽10处于硅基底4中心位置，并关于硅基底4中心轴对称；所述下电极电连接通孔9和硅基底凹槽10在硅基底4厚度方向上连通并贯穿；所述硅基底4上下表面以及下电极电连接通孔9和硅基底凹槽10的内表面经氧化形成二氧化硅隔绝层3。所述下电极5包括二氧化硅绝缘层3上的金属薄膜层和下电极电连接通孔9内与金属薄膜层材料相同的柱状体。所述二氧化硅薄膜2、硅支柱6以及空腔8由同一单晶硅经氧化、刻蚀形成，二氧化硅绝缘层3密封空腔8。所述二氧化硅薄膜2、上电极7及敏感识别材料层1共同形成振动薄膜。

所述二氧化硅薄膜2是CMUT振动薄膜的主要部分，为尽量减小薄膜质量、提高共振频率，进而增加所述传感器检测生化物质的灵敏度，实现更小质量极限值测量，二氧化硅薄膜厚度范围为0.1μm～0.5μm，二氧化硅薄膜的有效振动表面直径范围为10μm～20μm，所述二氧化硅薄膜的有效振动表面直径指二氧化硅薄膜位于空腔正上方的横向尺寸或宽度尺寸；另外由于下电极5上无电隔绝层，因此，所述二氧化硅薄膜同时用作上电极7和下电极5之间的电隔绝层，以确保传感器工作的安全性。

所述硅支柱6横向尺寸应大于40μm，以保证其支持强度，同时为尽量减小空腔高度，增强机电耦合系数，硅支柱6高度范围为2～5μm。

所述空腔8，为增大机电耦合系数，提高灵敏度，空腔高度应尽量小，此处空腔8有效高度值等于硅支柱6的高度减去下电极5厚度，其范围为0.5μm～1.2μm，所述空腔的有效高度值指二氧化硅薄膜与下电极之间的空腔高度。二氧化硅薄膜2、硅支柱6和空腔8在同一单晶硅片上先后通过氧化、背部刻蚀形成，并未采用常见的薄膜沉积或键合工艺，因此硅支柱6和二氧化硅薄膜2之间内应力更小、连接可靠性更高，提高薄膜振动机械性能和工作可靠性。

下电极5由二氧化硅绝缘层3上金属薄膜层和电连接的柱状体组成；所述金属薄膜层用于与上电极7产生电场，电连接的柱状体用于实现金属薄膜层与外界的电连接。其中，金属薄膜层的厚度范围为1μm～4μm，一方面较厚的金属薄膜有利于减少串联电阻，另一方面较大的薄膜厚度范围有利于与硅支柱6高度进行合理组合，在减小硅支柱6加工难度的同时形成所设计的空腔高度；金属薄膜层的表面直径至少为二氧化硅薄膜2的有效振动薄膜尺寸的一半，并与硅支柱6内壁面的横向距离至少为1μm。

所述电连接通孔9用于为下电极5和外界提供电连接通道，其通孔高度尽量小但至少为40μm，以尽量减小串联电阻的同时保证通孔周围结构强度；其通孔直径为3μm～4μm，在保证低串联电阻同时减小加工难度、缩短加工时间。

所述硅基底凹槽10，一方面相对于贯穿整个硅基底的电连接通孔情况，可大幅降低加工难度、缩短加工周期；另一方面方便整个传感器的固定与电连接。硅基底凹槽10高度因电连接通孔9的高度而定，凹槽10与通孔9连通并贯穿整个硅基底；其横向尺寸在满足凹槽以上方结构强度前提下，以方便加工为宜，其横向尺寸至少为4μm。

所述二氧化硅绝缘层3，其厚度尺寸至少为2μm，以实现将下电极5与硅基底4完全电隔离，以利于减小寄生电容。

所述上电极7覆盖整个二氧化硅薄膜2，以增强电场强度，减小吸合电压，其厚度尺寸范围为0.5～1μm。

所述敏感识别材料层1，为识别检测生物化学物质的功能材料层，不同的敏感材料可识别不同的生物化学物质，其覆盖于上电极7上，厚度小于1μm。二氧化硅薄膜2、上电极7、敏感识别材料层1共同形成振动薄膜，其厚度小于1.5μm。

硅基底4为整个传感器提供支撑和基础。

本发明基于CMUT的生化传感器，其主要结构参数为：

二氧化硅薄膜有效直径：10μm～20μm

二氧化硅振动薄膜厚度：0.1μm～0.5μm

上电极厚度：0.5μm～1μm

下电极厚度：1μm～4μm

振动薄膜总厚度：小于1.5μm

空腔高度：0.5～1.2μm

下电极电连接通孔直径：3μm～4μm

下面结合图2说明本发明一种基于CMUT的生化传感器的制造流程：

(1)对位于左边的（111）晶面第一单晶硅11双面氧化，严格控制氧化层厚度，在（111）晶面第一单晶硅11的上下表面分别形成二氧化硅薄膜2；对位于右边的<111>晶面第二单晶硅12双面氧化，控制氧化层厚度，在（111）晶面第二单晶硅12的上下表面分别形成二氧化硅绝缘层3。

(2)对左边的第一单晶硅11下表面的二氧化硅薄膜光刻图形窗口，并用HF溶液去除暴露于窗口中的二氧化硅氧化层，形成二氧化硅掩蔽层；对右边的第二单晶硅12上下表面的二氧化硅绝缘层3各光刻一定形状窗口，并用HF溶液去除暴露圆形窗口中的二氧化硅层，形成二氧化硅掩蔽层。

(3)对左边的第一单晶硅11用湿法或等离子刻蚀掉第一单晶硅11的中间部分形成空腔8，保留两侧的部分，形成硅支柱6；对右第二单晶硅12用同样方法刻蚀形成通孔9和凹槽10，其中，通孔9为刻蚀掉第二单晶硅12上表面的二氧化硅绝缘层3以及与其相邻的部分第二单晶硅12，所述凹槽10为自通孔9下边缘向下直至贯穿第二单晶硅12下表面的二氧化硅绝缘层。

(4)用HF溶液去除左边的第一单晶硅11下表面的二氧化硅薄膜，并进行化学机械剖光，形成第一部分；对右边的第二单晶硅进一步氧化，即在第二单晶硅与通孔相邻的一端以及第二单晶硅与凹槽相邻的一端进一步氧化形成二氧化硅绝缘层。

(5)用LPCVD技术在右边第二单晶硅上表面的二氧化硅绝缘层3上表面和通孔9中沉积金属，形成下电极5，该下电极5包括位于二氧化硅绝缘层上表面的金属薄膜以及沉积在通孔中的柱状体。

(6)光刻掉下电极5的金属薄膜部分的两侧，并对暴露出的二氧化硅层3进行局部化学机械抛光，形成第二部分。

(7)在真空环境下，将步骤（4）形成的第一部分与步骤（6）形成的第二部分进行阳极键合，其中，第一部分在上，第二部分在下，第二部分的第二单晶硅形成整个传感器的硅基底。

(8)在第一部分上表面的二氧化硅薄膜上表面用LPCVD技术沉积作为上电极7的金属薄膜层，在金属薄膜层上表面采用LPCVD技术沉积敏感材料层1，最后在敏感材料层1上光刻用于引线。

所述空腔8的形状可以圆形、矩形、方形或其它多边形，可以具体应用情况选择适宜的形状；所述电连接通孔9以及硅基底凹槽10为圆形，也可为其它形状，以易加工、适用于具体应用情况为设计原则。硅支柱6、下电极5、空腔8的尺寸应综合考虑，尽量使所形成的空腔8的高度最小。上电极7和下电极5的材料可相同，也可不同，可根据功能需求、成本等适当选择，且上电极7可以覆盖整个二氧化硅薄膜2，当然，也可以仅覆盖二氧化硅薄膜2中间的部分区域，金属薄膜在二氧化硅薄膜2上沉积并完全覆盖后可通过光刻形成各种形状和尺寸的上电极，总之要使CMUT的工作性能最优。敏感识别材料层1可根据所需检测的生化物质应用相应的敏感材料。另外，本发明基于CMUT的生化传感器为一传感器单元，在实际应用中则为多个传感单元组成阵列形式，传感器单元数量和所形成的阵列形式可根据功能要求、加工工艺条件、成本自行设计，一般该设计较为简单、成熟，此处不再论述。此外，应用时还应考虑设计最后的封装结构，以防止生化物质对传感器的腐蚀等影响。最后，相应于不同的工作温度，应考虑下金属电极的热膨胀性能对传感器空腔高度的影响，准确确定该温度下传感器的工作电压，以实现对被检测物质的精确测量。

本发明的主要技术指标如下：

测量介质：微量生化物质

体积灵敏度：优于50ppb/Hz

质量极限值：优于10^-18g

响应时间：小于15min

测量精度：优于8%FS

工作温度：-20℃-150℃

本发明一种基于CMUT的生化传感器能有效提高生化物质检测灵敏度，实现更微量生化物质检测；避免常规基于CMUT的生化传感器工作中下电极电隔绝层充电现象，提高传感器工作稳定性；采用金属电极作为下电极，并将金属电极层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，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。

以上所述仅为本发明的一种实施方式，不是全部或唯一的实施方式，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (9)

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（2），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（2）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（4）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（3）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（3）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；所述金属薄膜层的横向尺寸至少为二氧化硅薄膜层（2）的有效振动薄膜的相应尺寸的一半，并与第一部件的第一单晶硅内壁面的横向距离至少为1μm。

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0.1μm～0.5μm，二氧化硅薄膜层的有效振动表面直径范围为10μm～20μm。

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40μm，高度为2～5μm。

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0.5～1.2μm。

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1～4μm。

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（5）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。

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（2）、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1.5μm。

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，二氧化硅薄膜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薄膜层，然后去除位于第一单晶硅下表面的剩余二氧化硅薄膜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，刻蚀上下二氧化硅薄膜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绝缘层，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（2）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。