專利名稱：利用具有絕緣層的薄膜諧振器(fbar)探測物質(zhì)的裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于探測流體的至少一種物質(zhì)的裝置，包括具有至少一個壓電層、設(shè)置在壓電層處的電極層、至少一個設(shè)置在壓電層處的其他電極層的壓電薄膜諧振器和至少一個用于積聚流體的物質(zhì)的積聚面，其中，壓電層、電極層和積聚面這樣被設(shè)計和彼此設(shè)置，使得通過電極層的電觸發(fā)可以將激勵交變場耦合輸入到壓電層中，薄膜諧振器由于耦合輸入到壓電層中的激勵交變場可以以諧振頻率fK被激勵成諧振振蕩并且諧振頻率 fK取決于在積聚面處所積聚的物質(zhì)的量。除了裝置外，還說明一種用于在使用該裝置的情況下探測物質(zhì)的方法。
背景技術(shù)：
開頭所述類型的裝置例如由DE 103 08 975 B4得知。已知的裝置例如具有薄膜諧振器，其中電極層、壓電層和其他電極層層狀地相疊地堆疊。壓電層例如由氧化鋅組成。 上電極層(top electrode(頂部電極))由金組成并具有用于積聚(例如吸附)流體的物質(zhì)的積聚面。通過下電極層(bottom electrode (底部電極))，薄膜諧振器被施加在硅襯底上。為使硅襯底和薄膜諧振器彼此聲退耦，其間例如設(shè)置由不同聲阻抗的λ/4厚的層組成的聲反射鏡(Spiegel)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的任務(wù)是，這樣改進用于探測物質(zhì)的已知的裝置，使得提高質(zhì)量靈敏度。為解決該任務(wù)，說明一種用于探測流體的至少一種物質(zhì)的裝置，包括具有至少一個壓電層、設(shè)置在壓電層處的電極層、至少一個設(shè)置在壓電層處的其他電極層的壓電聲學(xué)薄膜諧振器和至少一個用于積聚流體的物質(zhì)的積聚面，其中，壓電層、電極層和積聚面這樣被設(shè)計和彼此設(shè)置，使得通過電極層的電觸發(fā)可以將激勵交變場耦合輸入到壓電層中，薄膜諧振器由于耦合輸入到壓電層中的激勵交變場可以以諧振頻率fK被激勵成諧振振蕩，以及諧振頻率fR取決于在積聚面處所積聚的物質(zhì)的量。該裝置的特征在于，直接在電極層的至少一個的背離壓電層的側(cè)上設(shè)置至少一個用于電絕緣電極層的電絕緣層。絕緣層在此優(yōu)選地這樣被設(shè)計，使得流體和薄膜諧振器完全彼此分離。為解決該任務(wù)，還說明一種用于在使用該裝置的情況下探測流體的至少一種物質(zhì)的方法，具有以下方法步驟a)使積聚面和流體這樣相聚，使得物質(zhì)可以在積聚面處被積聚，以及b)確定薄膜諧振器的諧振頻率。薄膜諧振器例如具有由下電極層、壓電層和上電極層組成的層結(jié)構(gòu)。電極層設(shè)置在壓電層的不同側(cè)處。也可以設(shè)想，電極層設(shè)置在壓電層的一側(cè)處。通過電極層的電觸發(fā)(Ansteuerimg)，可以將薄膜諧振器激勵成厚度振蕩 (Dickenschwingung)。鑒于用于探測液體的物質(zhì)的應(yīng)用，有益的是這樣設(shè)計壓電層，使得所述壓電層由于電極層的觸發(fā)可以被激勵成切變厚度振蕩(Scherdickensctwingung)。對于高物質(zhì)靈敏度來說有利的是，諧振頻率fK從包括500MHz在內(nèi)到包括IOGHz在內(nèi)的范圍中選擇。為此壓電層的層厚從包括0. 1 μ m在內(nèi)到包括20μπι在內(nèi)的范圍中選擇。壓電層例如由氧化鋅組成。其他適用的材料例如是氮化鋁。電極層優(yōu)選地具有在 1 μ m以下的層厚(例如lOnm)。同樣可以設(shè)想直至幾個μ m的更大層厚。在一種特別的擴展方案中，絕緣層具有無機絕緣材料。絕緣材料在此可以是任意的。但是優(yōu)選地，無機絕緣材料具有至少一種從金屬氮化物和金屬氧化物的組中選取的化合物。例如，絕緣材料是氧化鋁(Al2O3)或氮化硅(Si3N4)15在一種優(yōu)選的擴展方案中，金屬氧化物是二氧化硅(SiO2)。二氧化硅除了良好的電絕緣能力外，特征還在于低的聲阻抗并因此特別適用于采用薄膜諧振器的應(yīng)用。電極層優(yōu)選地由鋁組成。在一種特別的擴展方案中，其上設(shè)置絕緣層的電極層具有鋁。鋁作為電極材料特別適用于薄膜諧振器。鋁具有低電阻。由此使電阻噪聲最小化。 重要的還有低的聲阻抗。這導(dǎo)致比較高的質(zhì)量靈敏度。同樣鋁的質(zhì)量密度低。鋁的特征此外在于高的聲速。由此將相應(yīng)材料中的相分量保持得小。但除了鋁外，同樣也可以設(shè)想其他材料和材料組合，如由不同材料組成的多層結(jié)構(gòu)。薄膜諧振器可以施加在任意的襯底(載體)上。薄膜諧振器優(yōu)選地設(shè)置在半導(dǎo)體襯底上。讀出電路可以集成在半導(dǎo)體襯底中。這例如借助CMOS (互補金屬氧化物半導(dǎo)體 (Complementary Metal Oxid kmiconductor))技術(shù)進行。鑒于節(jié)省位置的結(jié)構(gòu)，特別有利的是，薄膜諧振器設(shè)置在集成在半導(dǎo)體襯底中的讀出電路上方。但讀出電路完全可以通過 SMD(表面安裝器件(Surface Mounted Device))器件實現(xiàn)。在一種特別的擴展方案中，積聚面由絕緣層形成。這意味著絕緣層承擔(dān)生物功能化(Bio-Funktionalisierung) ο但依據(jù)一種特別的擴展方案，積聚面由施加在絕緣層上的化學(xué)敏感涂層形成。化學(xué)敏感涂層例如可以是塑料涂層。尤其，化學(xué)敏感涂層具有金。化學(xué)敏感涂層優(yōu)選地由金組成。由金組成的化學(xué)敏感涂層特別適用于生物功能化?；瘜W(xué)敏感涂層施加在絕緣層上。因此化學(xué)敏感涂層本身也有助于薄膜諧振器的諧振頻率。尤其是在金的情況下，由于比較高的質(zhì)量密度，鑒于盡可能高的質(zhì)量靈敏度，盡可能小的層厚是有利的。依據(jù)一種特別的裝置，其中化學(xué)敏感涂層具有5nm至30nm范圍的層厚。所述層厚完全足以取得必要的生物功能化。同時由于化學(xué)敏感涂層的低質(zhì)量而取得高的質(zhì)量靈敏度。對此的基礎(chǔ)是薄膜諧振器的非常高的諧振頻率。在適用的材料和層厚的情況下，可以取得來自包括500MHz在內(nèi)至包括IOGHz在內(nèi)的范圍的諧振頻率。該裝置可以用于分析氣體或氣體混合物。該裝置優(yōu)選地用于探測液體中的生物分子。概括起來利用本發(fā)明產(chǎn)生下列特別的優(yōu)點-用于探測流體的物質(zhì)的裝置可以非常靈活地構(gòu)成。因此該裝置的薄膜諧振器或在晶片(例如由半導(dǎo)體材料組成)或CMOS讀出電子裝置上或在通過絕緣層(例如SiO2)與薄膜諧振器分開的CMOS讀出電子裝置上構(gòu)成。-尤其利用由鋁組成的上電極層實現(xiàn)下列優(yōu)點通過低電阻最小化電阻噪聲。鋁的低聲阻抗導(dǎo)致薄膜諧振器的提高的質(zhì)量靈敏度。鋁的低質(zhì)量密度具有同樣的效應(yīng)，結(jié)果是非常高的質(zhì)量靈敏度。鋁的特征還在于高的CMOS兼容性。因此使到CMOS電路中的集成變得容易。金對此更確切地說并不適用，因為它與CMOS電路很難兼容。此外，金的特征在于比較高的質(zhì)量密度。這導(dǎo)致比較低的質(zhì)量靈敏度。-由于絕緣層，實現(xiàn)薄膜諧振器與流體彼此的高效電絕緣。-在S^2作為絕緣材料的情況下，諧振頻率的溫度系數(shù)降低，也就是說，薄膜諧振器的諧振頻率的穩(wěn)定性相對于溫度波動得到提高。-在使用CVD工藝用于施加例如由S^2組成的絕緣層的情況下使表面平滑。這特別是在水中使用的情況下導(dǎo)致聲損失降低。-尤其由鋁組成的電極層和由二氧化硅組成的絕緣層的組合是有利的。鋁和二氧化硅的聲損失低于例如金。因此得出約三倍提高的質(zhì)量靈敏度。因為材料鋁和二氧化硅比例如金含有更少的相分量，所以在相同的諧振頻率時可以使壓電層更厚。由此更高的相分量處于壓電層中。這提高有效的壓電耦合系數(shù)。-由于壓電層的較高厚度，薄膜諧振器的電容降低，這對于許多讀出電路來說是有利的。


下面借助多個實施例和附圖對本發(fā)明進行更詳細說明。圖是示意性的和不是按正確比例的圖示。圖1至4以側(cè)橫截面分別示出用于探測流體的物質(zhì)的裝置的實施形式。
具體實施例方式用于探測流體的物質(zhì)的裝置是用于探測生物分子的生物傳感器。生物分子是DNA 的部分。作為對此的替代方案，生物分子以蛋白質(zhì)的形式被探測。用于探測流體2的物質(zhì)的裝置1的重要組成部分是壓電聲學(xué)薄膜諧振器10，其具有相疊地堆疊的壓電層11、電極層(top electrode (頂部電極))12和其他電極層(bottom electrode (底部電極))13。壓電層由氧化鋅組成。氧化鋅層的層厚約為0. 5 μ m。上電極層由鋁組成和約IOOnm厚。下電極層約890nm厚。薄膜諧振器的橫向伸展約為200 μ m。薄膜諧振器被施加在由硅襯底5的不同聲阻抗的λ /4厚的層組成的聲反射鏡6 上。直接在電極層12的背離壓電層的側(cè)121上設(shè)置用于電絕緣電極層12的電絕緣層4。絕緣層約IOOnm厚并由作為無機絕緣材料的二氧化硅組成。在一種可替代的擴展方案中，無機絕緣材料是氮化硅。絕緣層利用CVD(化學(xué)氣相沉積(Chemical Vapour Deposition))方法被施加。示例1 為形成用于積聚流體的物質(zhì)的積聚面3，在絕緣層上施加由金組成的化學(xué)敏感涂層7(圖1)。該涂層具有用于生物分子的功能化。生物分子可以積聚在積聚面處。薄膜諧振器設(shè)置在以CMOS技術(shù)集成在襯底5中的讀出電路8上方。為電絕緣讀出電路，在聲反射鏡5與讀出電路8之間存在絕緣層81。該絕緣層由二氧化硅組成。通過電接觸82，讀出電路與薄膜諧振器的電極層連接用于電觸發(fā)。示例 2 與前述的示例不同，在其上設(shè)置有薄膜諧振器的聲反射鏡6與讀出電路8之間不存在附加的絕緣層(圖2)。示例3 依據(jù)該示例，薄膜諧振器不被設(shè)置在集成在硅襯底中的讀出電路上方(圖幻。通過聲反射鏡直接進行薄膜諧振器和襯底的聲退耦。未示出的讀出電路要么集成在半導(dǎo)體襯底的另一位置處，要么作為外部器件實現(xiàn)。通過接觸83，該讀出電路與薄膜諧振器的電極層電連接。示例 4 該實施例從示例1中導(dǎo)出。與之相區(qū)別，絕緣層4形成積聚面。絕緣層具有用于積聚生物分子所需要的生物功能化。其他實施例通過所示示例的任意組合產(chǎn)生。
權(quán)利要求
1.用于探測流體( 的至少一種物質(zhì)的裝置(1)，包括壓電聲學(xué)薄膜諧振器(10)，具有 -至少一個壓電層(11)，-設(shè)置在壓電層(11)處的電極層(12)， -至少一個設(shè)置在壓電層(11)處的其他電極層(1；3)，以及 -至少一個用于積聚流體O)的物質(zhì)的積聚面(3)，其中， -壓電層(11)、電極層(12、1；3)和積聚面C3)被設(shè)計和彼此設(shè)置，使得 -通過電極層(12、1；3)的電觸發(fā)可以將激勵交變場耦合輸入到壓電層(11)中， -薄膜諧振器(10)由于耦合輸入到壓電層(11)中的激勵交變場可以以諧振頻率&被激勵成諧振振蕩，以及-諧振頻率&取決于在積聚面(3)處所積聚的物質(zhì)的量， 其特征在于，直接在電極層的至少一個的背離壓電層的側(cè)(121)上設(shè)置至少一個用于電絕緣電極層的電絕緣層G)。
2.按權(quán)利要求1所述的裝置，其中，絕緣層具有無機絕緣材料。
3.按權(quán)利要求2所述的裝置，其中，無機絕緣材料具有至少一種從金屬氮化物和金屬氧化物的組中選取的化合物。
4.按權(quán)利要求3之一所述的裝置，其中，金屬氧化物是二氧化硅。
5.按權(quán)利要求1至4之一所述的裝置，其中，其上設(shè)置有絕緣層的電極層具有鋁。
6.按權(quán)利要求1至5之一所述的裝置，其中，薄膜諧振器設(shè)置在半導(dǎo)體襯底( 上。
7.按權(quán)利要求6所述的裝置，其中，薄膜諧振器設(shè)置在集成在半導(dǎo)體襯底中的讀出電路上方。
8.按權(quán)利要求1至7之一所述的裝置，其中，積聚面由絕緣層形成。
9.按權(quán)利要求1至7之一所述的裝置，其中，積聚面由施加在絕緣層上的化學(xué)敏感涂層 (7)形成。
10.按權(quán)利要求9所述的裝置，其中，化學(xué)敏感涂層具有金。
11.按權(quán)利要求9或10所述的裝置，其中，化學(xué)敏感涂層具有5nm至30nm范圍中的層厚。
12.用于在使用按權(quán)利要求1至11之一所述的裝置(1)的情況下探測流體(2)的至少一種物質(zhì)的方法，具有以下方法步驟a)使積聚面C3)和流體( 相聚，使得物質(zhì)可以在積聚面( 處被積聚，以及b)確定薄膜諧振器(10)的諧振頻率。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于探測流體的至少一種物質(zhì)的裝置，包括具有至少一個壓電層、設(shè)置在壓電層處的電極層、至少一個設(shè)置在壓電層處的其他電極層的壓電聲學(xué)薄膜諧振器和至少一個用于積聚流體的物質(zhì)的積聚面，其中，壓電層、電極層和積聚面這樣被設(shè)計和彼此設(shè)置，使得通過電極層的電觸發(fā)可以將激勵交變場耦合輸入到壓電層中，薄膜諧振器由于耦合輸入到壓電層中的激勵交變場可以以諧振頻率fR被激勵成諧振振蕩并且諧振頻率fR取決于在積聚面處所積聚的物質(zhì)的量。該裝置的特征在于，直接在電極層的至少一個的背離壓電層的側(cè)上設(shè)置至少一個用于電絕緣電極層的電絕緣層。特別有利的是，由鋁組成的電極層和由二氧化硅組成的絕緣層的組合。由此產(chǎn)生比較高的質(zhì)量靈敏度。該裝置特別是作為用于探測和檢驗生物分子的生物傳感器使用。
文檔編號G01N27/00GK102216765SQ200980142045
公開日2011年10月12日 申請日期2009年9月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年10月21日
發(fā)明者D·皮策爾, M·尼爾施爾, M·施雷特, T·胡貝爾 申請人:西門子公司