[发明专利]基于CMUT的海洋生化物质监测传感器及其制备与测量方法

权利要求书

1.一种基于CMUT的海洋生化物质监测传感器，其特征在于：包括基座（7）、敏感材料层（8）、下电极（9）、振动薄膜（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）分别位于振动薄膜（4）的上、下两侧，所述上空腔（2）上方被第一密封结构密封，所述下空腔（3）下方被所述基座（7）密封，所述敏感材料层（8）设置在所述基座（7）下表面，所述下电极设置在所述敏感材料层的下表面，所述下电极设置有贯穿其厚度的通孔（10），所述振动薄膜同时作为上电极。

2.如权利要求1所述的一种基于CMUT的海洋生化物质监测传感器，其特征在于：所述第一密封结构包括位于上空腔（2）两侧的上支柱（5）以及位于上支柱（5）上方的上薄板（1），所述振动薄膜（4）、上薄板（1），以及上支柱形成所述上空腔；所述上支柱与上薄板为一体结构或者分体结构。

3.如权利要求2所述的一种基于CMUT的海洋生化物质监测传感器，其特征在于：所述上薄板（1）为抗压且绝缘材料，包括单晶硅、二氧化硅、氮化硅或碳化硅，其厚度尺寸保证其在液体环境中保持足够的耐压能力。

4.如权利要求1至3中任意一项所述的一种基于CMUT的海洋生化物质监测传感器，其特征在于：所述上空腔（2）的横向尺寸与振动薄膜的有效振动区域的横向尺寸相同。

5.如权利要求1所述的一种基于CMUT的海洋生化物质监测传感器，其特征在于：所述基座（7）与振动薄膜之间进一步设置有下支柱（6），下支柱、基座，以及振动薄膜形成所述下空腔（3）；所述下支柱与基座为一体设计或分体设计。

6.如权利要求1或5所述的一种基于CMUT的海洋生化物质监测传感器，其特征在于：所述下空腔的横向尺寸以及形状与上空腔相同。

7.如权利要求1所述的一种基于CMUT的海洋生化物质监测传感器，其特征在于：所述基座的材料为绝缘材料，包括二氧化硅、氮化硅，或者在所使用的环境中不具有导电能力的材料。

8.如权利要求1所述的一种基于CMUT的海洋生化物质监测传感器，其特征在于：所述下电极未覆盖整个敏感材料层，其覆盖区域形状及横向尺寸与上空腔和下空腔的形状和横向尺寸一致。

9.如权利要求1至8中任意一项所述的基于CMUT的海洋生化监测传感器的测量方法，其特征在于：被测生化物质与敏感材料层作用前，在振动薄膜与下电极之间施加直流偏置电压和一定频率的交流电压，使振动薄膜发生谐振，并将该谐振频率作为参考频率；当被测生化物质与敏感功能材料相互作用后，位于振动薄膜和下电极之间的敏感材料层的介电常数发生改变，进而引起振动薄膜所受的静电力发生改变，该静电力改变振动薄膜的应力状态，从而使其谐振频率发生变化；改变交流电压的频率使振动薄膜再次发生谐振，获取该谐振频率，最终通过频率变化与被测生化物质浓度之间的关系即可实现生化物质的监测。

10.权利要求1至8中任意一项所述的一种基于CMUT的海洋生化物质监测传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）以单晶硅片作为基座，在其上表面采用刻蚀的方法形成下空腔，或者在单晶硅片上表面氧化形成二氧化硅层，再采用刻蚀的方法刻蚀掉中部的二氧化硅层，刻蚀停止于单晶硅片，以此形成下空腔，形成第一器件；取SOI晶片，采用离子掺杂技术掺杂SOI的顶部单晶硅片，该顶部单晶硅片用作振动薄膜，形成第二器件；

（2）抛光第一器件和第二器件的上表面，然后采用阳极键合将第一器件和第二器件进行真空键合，以此将下空腔真空密封，真空键合时，SOI晶片在上；

（3）依次使用机械法和刻蚀方法去掉SOI晶片的衬底单晶硅，然后再通过不同的刻蚀溶液分步刻蚀掉埋层二氧化硅以保证刻蚀停止后所暴露出来的SOI顶部单晶硅片表面具有较好的平面度，此时SOI顶部单晶硅片被完全释放，形成振动薄膜；同时取另一单晶硅片，采用刻蚀的方法将中心的区域刻蚀掉以形成上空腔，或者氧化其上表面形成二氧化硅层，然后采用刻蚀的方法将二氧化硅中部区域刻蚀掉，形成上空腔；

（4）采用化学机械抛光技术同时抛光振动薄膜和第二单晶硅或其上的二氧化硅层上表面，并将两表面采用阳极键合技术进行真空键合，上空腔被真空密封，其中振动薄膜在下；

（5）选择与被测生化物质相应的敏感材料，并用该敏感材料在基底下侧形成敏感材料层；

（6）在敏感材料层下侧形成下电极层，光刻、刻蚀该下电极层形成多孔底部电极。