專利名稱：具有主動(dòng)抑制聲能損失功能的薄膜體聲波傳感器及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)領(lǐng)域，特別涉及到薄膜體聲波諧振器 (FBAR)和薄膜體聲波傳感器。
背景技術(shù)：
傳感器是獲取信息的基本手段，微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)技術(shù)促進(jìn)了傳感 器技術(shù)向微型化、集成化和智能化方向發(fā)展，MEMS傳感器同時(shí)還具有低成本、 低功耗、易集成等優(yōu)點(diǎn)。聲波傳感器是一類通用的物理、化學(xué)和生物傳感器，具 有操作簡(jiǎn)便、速度快、非標(biāo)記、靈敏度高、檢測(cè)范圍大等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)過(guò)程監(jiān)測(cè)、 環(huán)境監(jiān)測(cè)、臨床醫(yī)學(xué)檢驗(yàn)、食品安全檢驗(yàn)、毒氣檢測(cè)、藥物開發(fā)等領(lǐng)域都有廣闊 的應(yīng)用前景。近年來(lái)，作為生物傳感器，聲波傳感器在生化聚合物、自組裝生化 膜生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、酶與DNA相互作用、蛋白質(zhì)相互作用、病毒與細(xì)菌、活細(xì)胞粘附 行為和藥物與耙相互作用等方面的研究中發(fā)揮了巨大的作用，正逐步成為生化分 析的一種重要手段。但是，同質(zhì)譜、等離子體諧振和橢圓偏光等分析方法相比，
聲波傳感器的靈敏度相對(duì)較低，因此聲波傳感器目前在低濃度小分子檢測(cè)、藥物 篩選與生物材料篩選等研究領(lǐng)域應(yīng)用得并不多。為了進(jìn)一步擴(kuò)大聲波傳感器的應(yīng) 用范圍，必須進(jìn)一步降低其成本，提高其靈敏度，聲波傳感器的微型化和集成化 是達(dá)到以上目標(biāo)的有效手段，已經(jīng)成為當(dāng)前國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。
基于微加工技術(shù)，國(guó)際上開發(fā)成功的厚度剪切模式薄膜體聲被生化傳感器， 這種傳感器的振動(dòng)模式與常規(guī)的石英晶體微天平一樣，均是厚度剪切模式，因此 在液態(tài)環(huán)境也有較高靈敏度，特別適合于生化檢測(cè)。為了降低的能量泄漏，薄膜 體聲波傳感器一般采用以下兩種結(jié)構(gòu)(1)敏感壓電薄膜通過(guò)布拉格反射層固定 于襯底表面；(2)敏感壓電薄膜的下面是金屬電極和支撐薄膜，支撐薄膜直接與 空氣接觸。第二種結(jié)構(gòu)的聲波的能量泄漏很小，傳感器的品質(zhì)因子和靈敏度高， 但這種傳感器結(jié)構(gòu)的機(jī)械強(qiáng)度低，容易被損壞。第一種傳感器采用布拉格反射層 將聲波盡可能限制在敏感層內(nèi)，由于與襯底固接，因此傳感器機(jī)械強(qiáng)度高，不易 被損壞；布拉格反射層由多層高聲阻材料和低聲阻材料交替組成，每層的厚度均 為四分之一波長(zhǎng)，但由于布拉格發(fā)射層仍然會(huì)導(dǎo)致聲波能量的損失，因此這種結(jié) 構(gòu)的傳感器靈敏度相對(duì)更低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種利用主動(dòng)控制技術(shù)提高薄膜體聲波傳感器靈敏度的
方法與結(jié)構(gòu)。
為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取以下技術(shù)方案
具有主動(dòng)抑制聲能損失功能的薄膜體聲波傳感器包括硅基片、微加工在基片 上的絕緣層、敏感壓電層，以及分別位于敏感壓電層上、下表面的電極，在敏感 壓電層下電極與絕緣層之間微加工一主動(dòng)控制壓電層及相應(yīng)的底部電極。在進(jìn)行 檢測(cè)時(shí)，需要通過(guò)對(duì)主動(dòng)控制壓電層施加一個(gè)與敏感壓電層檢測(cè)電壓相關(guān)的控制 電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)損失的聲能進(jìn)行有效補(bǔ)充，達(dá)到提高傳感器品質(zhì)因子和靈敏度的目 的。
對(duì)主動(dòng)控制壓電層施加的電壓與對(duì)敏感壓電層施加的電壓的關(guān)系通過(guò)以下方 法確定
(1) 假設(shè)以薄膜體聲波傳感器第i階振動(dòng)頻率的變化來(lái)確定待測(cè)量。首先僅 對(duì)所述薄膜體聲波傳感器的敏感壓電層施加幅值為^的交變檢測(cè)電壓，測(cè)得所述 薄膜體聲波傳感器與第i階振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的品質(zhì)因子gfl，即每次振動(dòng)損失的聲能 為
^cmax — ~^- 、 1 J
其中^,皿o表示傳感器在檢測(cè)電壓^作用下振動(dòng)時(shí)的最大彈性勢(shì)能，& ^表示傳
感器在每一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)因損失的聲能；
(2) 當(dāng)施加在敏感壓電層上的交變檢測(cè)電壓幅值為^，施加在主動(dòng)控制壓 電層上的交變控制電壓幅值為^時(shí)，根據(jù)傳感器的期望品質(zhì)因子込和由上一步測(cè) 得的聲能損失特性，得到每一次振動(dòng)需要從主動(dòng)控制壓電層得到補(bǔ)充的聲能為
「"^ ^
其中& ^是傳感器在振動(dòng)過(guò)程中的最大彈性勢(shì)能。根據(jù)第i階振動(dòng)的品質(zhì)因子 和振型，得到￡，《與^和K的關(guān)系，即
A鵬-^鵬(、乂,a) (3) 若檢測(cè)電壓幅值^不變，根據(jù)傳感器第i階振動(dòng)的振型，得到K與每一個(gè)振動(dòng)周 期通過(guò)控制壓電層補(bǔ)充到傳感器中的聲能&的關(guān)系，即
五ZA(、，K必) (4)
(3) 將公式(3)和公式(4)帶入公式(2)，得到與特定檢測(cè)電壓^和期 望品質(zhì)因子込對(duì)應(yīng)的控制電壓K。本發(fā)明具有以下特點(diǎn) 1、本發(fā)明提出的方法和結(jié)構(gòu)可以對(duì)傳感器損失的聲能進(jìn)行有效補(bǔ)充，實(shí)現(xiàn) 傳感器靈敏度的提高。
2、 以上薄膜體聲波生化傳感器可利用現(xiàn)有薄膜體聲波諧振器或傳感器的微加 工工藝流程進(jìn)行制作，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)。
3、 傳感器的機(jī)械強(qiáng)度高，不易被損壞。


下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1是在硅片正面生長(zhǎng)二氧化硅層示意圖
圖2是制備及圖形化主動(dòng)控制壓電層底部電極示意圖
圖3是制備及圖形化主動(dòng)控制壓電層示意圖
圖4是制備及圖形化敏感壓電層下電極(同時(shí)為主動(dòng)控制壓電層頂部電極)
示意圖
圖5是制備及圖形化敏感壓電層示意圖
圖6是制備制備及圖形化敏感壓電層上電極示意圖
圖7是傳感器剖面圖
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的具有主動(dòng)抑制聲能損失功能的薄膜體聲波傳感器可以采用硅基
微加工技術(shù)制作，下面是一個(gè)典型的工藝流程
1、 在雙面拋光的硅基片1上熱氧化淀積Si02層2(即絕緣層)，厚度100 500nm (如圖l所示)；
2、 正面光刻1次，形成光刻膠圖形，在襯底上蒸發(fā)Pt電極層，濕法去除光
刻膠，形成與光刻膠圖形互補(bǔ)的主動(dòng)控制壓電層底部電極3圖形(如圖2所示)；
3、 采用濺射法制備ZnO主動(dòng)控制壓電層，光刻2次，刻蝕ZnO壓電層，去 除光刻膠，形成主動(dòng)控制壓電層4圖形(如圖3所示)；
4、 正面光刻3次，形成光刻膠圖形，蒸發(fā)Pt電極層，濕法去除光刻膠，形 成與光刻膠圖形互補(bǔ)的敏感壓電層下電極5(該電極同時(shí)為主動(dòng)控制壓電層頂部電 極)圖形(如圖4所示)；
5、 采用濺射法制備ZnO敏感壓電層，光刻4次，刻蝕ZnO壓電層，去除光 刻膠，形成敏感壓電層6圖形(如圖5所示)；
6、 正面光刻5次，形成光刻膠圖形，蒸發(fā)Pt電極層，濕法去除光刻膠，形 成與光刻膠圖形互補(bǔ)的敏感壓電層上電極6圖形(如圖6所示)。得到的具有主動(dòng)抑制聲能損失功能功能的薄膜體聲波傳感器的剖面圖如圖7所示。
進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要通過(guò)對(duì)傳感器的主動(dòng)控制壓電層施加一個(gè)與敏感壓電層檢 測(cè)電壓相關(guān)的控制電壓，該控制電壓的確定方法見發(fā)明內(nèi)容中的相關(guān)部分。該控 制電壓將使控制壓電層對(duì)傳感器損失的聲能得到補(bǔ)充，從而提高傳感器的品質(zhì)因 子，進(jìn)一步提高傳感器的靈敏度。
權(quán)利要求
1、具有主動(dòng)抑制聲能損失功能的薄膜體聲波傳感器，其包括硅基片、微加工在基片上的絕緣層、敏感壓電層，以及分別位于敏感壓電層上、下表面的電極，其特征在于，在所述敏感壓電層下電極與絕緣層之間微加工一主動(dòng)控制壓電層及相應(yīng)的底部電極；在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，通過(guò)對(duì)主動(dòng)控制壓電層施加一個(gè)與敏感壓電層檢測(cè)電壓相關(guān)的控制電壓，實(shí)現(xiàn)對(duì)損失的聲能進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到提高傳感器靈敏度的目的；所述對(duì)主動(dòng)控制壓電層施加的控制電壓與對(duì)敏感壓電層施加的檢測(cè)電壓的關(guān)系通過(guò)以下方法確定(1)假設(shè)以薄膜體聲波傳感器第i階振動(dòng)頻率的變化來(lái)確定待測(cè)量，首先僅對(duì)所述薄膜體聲波傳感器的敏感壓電層施加幅值為V0的交變檢測(cè)電壓，測(cè)得所述薄膜體聲波傳感器與第i階振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的品質(zhì)因子Q0，即每次振動(dòng)損失的聲能為其中Epmax0表示傳感器在檢測(cè)電壓V0作用下振動(dòng)時(shí)的最大彈性勢(shì)能，Ecmax表示傳感器在每一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)因損失的聲能；(2)當(dāng)施加在敏感壓電層上的交變檢測(cè)電壓幅值為Vm，施加在主動(dòng)控制壓電層上的交變控制電壓幅值為Vc時(shí)，根據(jù)傳感器的期望品質(zhì)因子Qe和由上一步測(cè)得的聲能損失特性，得到每一次振動(dòng)需要從主動(dòng)控制壓電層得到補(bǔ)充的聲能為其中Epmax是傳感器在振動(dòng)過(guò)程中的最大彈性勢(shì)能。根據(jù)第i階振動(dòng)的品質(zhì)因子Q0和振型，得到Epmax與Vm和Vc的關(guān)系，即Ep max＝Ep max(Vm，Vc，Q0) (3)若檢測(cè)電壓幅值Vm不變，根據(jù)傳感器第i階振動(dòng)的振型，得到Vc與每一個(gè)振動(dòng)周期通過(guò)控制壓電層補(bǔ)充到傳感器中的聲能Es的關(guān)系，即Es＝Es(Vm，Vc，Q0)(4)(3)將公式(3)和公式(4)帶入公式(2)，得到與特定檢測(cè)電壓Vm和期望品質(zhì)因子Qe對(duì)應(yīng)的控制電壓Vc。
2、 利用主動(dòng)控制技術(shù)提高薄膜體聲波傳感器靈敏度的方法，其特征在于 所述方法是在只具有敏感壓電層的薄膜體聲波諧振器或傳感器上，增加主動(dòng)控制電壓層，并相應(yīng)增加一個(gè)主動(dòng)控制端口，在檢測(cè)時(shí)，對(duì)敏感壓電層施加檢測(cè)電壓 的同時(shí)對(duì)主動(dòng)控制電壓層施加控制電壓，以對(duì)損失的聲能進(jìn)行有效補(bǔ)充，達(dá)到提 高傳感器靈敏度的目的；所述對(duì)主動(dòng)控制壓電層施加的控制電壓與對(duì)敏感壓電層施加的檢測(cè)電壓的關(guān) 系通過(guò)以下方法確定(1) 假設(shè)以薄膜體聲波傳感器第i階振動(dòng)頻率的變化來(lái)確定待測(cè)量。首先僅 對(duì)所述薄膜體聲波傳感器的敏感壓電層施加幅值為^的交變檢測(cè)電壓，測(cè)得所述 薄膜體聲波傳感器與第i階振動(dòng)頻率對(duì)應(yīng)的品質(zhì)因子gc，即每次振動(dòng)損失的聲能為lax=^^ (1)其中五，^表示傳感器在檢測(cè)電壓^作用下振動(dòng)時(shí)的最大彈性勢(shì)能，五^ox表示傳 感器在每一個(gè)振動(dòng)周期內(nèi)因損失的聲能；(2) 當(dāng)施加在敏感壓電層上的交變檢測(cè)電壓幅值為Fm,施加在主動(dòng)控制壓電層上的交變控制電壓幅值為K時(shí)，根據(jù)傳感器的期望品質(zhì)因子込和由上一步測(cè) 得的聲能損失特性，得到每一次振動(dòng)需要從主動(dòng)控制壓電層得到補(bǔ)充的聲能為其中^,皿是傳感器在振動(dòng)過(guò)程中的最大彈性勢(shì)能。根據(jù)第i階振動(dòng)的品質(zhì)因子& 和振型，得到^^與J^和^的關(guān)系，即五戶ax-五p咖"^,K,e。) (3) 若檢測(cè)電壓幅值J^不變，根據(jù)傳感器第i階振動(dòng)的振型，得到K與每一個(gè)振動(dòng)周 期通過(guò)控制壓電層補(bǔ)充到傳感器中的聲能&的關(guān)系，即￡,=五義，^必) (4) G)將公式(3)和公式(4)帶入公式(2)，得到與特定檢測(cè)電壓^和期 望品質(zhì)因子ge對(duì)應(yīng)的控制電壓K。
全文摘要
本發(fā)明提出利用主動(dòng)控制技術(shù)提高薄膜體聲波傳感器靈敏度的方法，以及實(shí)現(xiàn)該方法的一種薄膜體聲波傳感器結(jié)構(gòu)，其是在常規(guī)薄膜體聲波諧振器或傳感器的敏感壓電層下面與襯底之間增加一層主動(dòng)控制壓電層及相應(yīng)的金屬電極，在進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，需要在對(duì)敏感壓電層施加電信號(hào)的同時(shí)，對(duì)主動(dòng)控制壓電層施加一個(gè)電信號(hào)，以補(bǔ)充部分損失的聲能和提高體聲波傳感器的品質(zhì)因子，達(dá)到提高體聲波傳感器靈敏度的目的。本傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以采用常規(guī)薄膜體聲波諧振器或傳感器的微加工工藝流程制作等優(yōu)點(diǎn)，為提高薄膜體聲波傳感器的靈敏度提出了一種解決方案，也可應(yīng)用于其它聲波傳感器和聲波諧振器。
文檔編號(hào)G01N29/32GK101477083SQ20091010304
公開日2009年7月8日 申請(qǐng)日期2009年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月9日
發(fā)明者溫志渝, 賀學(xué)鋒 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)