本發(fā)明涉及檢測(cè)或感測(cè)體液中的成分的水平的微加工的傳感器和方法。

背景技術(shù)：

存在需要檢測(cè)體液中的成分或感測(cè)體液中的成分的水平的許多應(yīng)用。這些可以是例如診斷疾病、調(diào)整藥物或檢測(cè)人體內(nèi)的不希望或違禁物質(zhì)。

作為一個(gè)示例，葡萄糖監(jiān)測(cè)是日常生活的一部分，對(duì)于有糖尿病的人來(lái)說(shuō)尤其如此。為了適應(yīng)正常生活，糖尿病個(gè)體需要準(zhǔn)確且頻繁地測(cè)量體內(nèi)（優(yōu)選少量體液中）的葡萄糖水平。確定血糖水平的最常用方法是使用一次性葡萄糖測(cè)試條和葡萄糖計(jì)（參見(jiàn)US 5951836）。為了提取血液，刺血針刺破手指并將一滴血放在該條上。葡萄糖測(cè)試條的主要缺點(diǎn)是來(lái)自使用刺血針提取血液的疼痛以及皮膚損傷。

現(xiàn)有技術(shù)中已經(jīng)提議了測(cè)量葡萄糖水平的其它方法。主要目標(biāo)是開(kāi)發(fā)一種無(wú)創(chuàng)傷性方法（參見(jiàn)“The Pursuit of Noninvasive Glucose: Hunting the Deceitful Turkey”, John L. Smith, Second edition 2011）。測(cè)量技術(shù)從分光鏡、光學(xué)、光散射、呼吸和經(jīng)皮技術(shù)變動(dòng)。技術(shù)主要因?yàn)殡y以獲得準(zhǔn)確的葡萄糖測(cè)量結(jié)果而失敗。然而，已經(jīng)表明間質(zhì)液（ISF）中的葡萄糖水平與血糖水平非常相關(guān)（Suresh等人的“Comparison of glucose concentration in interstitial fluid, and capillary and venous blood during rapid changes in blood glucose levels”, Vol 3, No 3, 2001 , Diabetes Technology and Therepeutics）。

將微加工用于降低針頭的尺寸以便使不適最小化是對(duì)藥物的經(jīng)皮遞送的快速開(kāi)發(fā)的研究競(jìng)技場(chǎng)。這樣的微針頭已經(jīng)被開(kāi)發(fā)用于提取ISF經(jīng)皮吸收，參見(jiàn)US7753888。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種用于體液中的成分的快速且準(zhǔn)確檢測(cè)的傳感器。

因此，本公開(kāi)涉及一種用于檢測(cè)體液中的成分的微加工的傳感器。該傳感器包括：用于接收體液樣本的入口裝置；和連接到該入口裝置以用于接收來(lái)自該入口裝置的體液樣本的流體腔。該傳感器還包括作為RF諧振腔的微波諧振器。該微波諧振器是將電磁場(chǎng)限制在封閉的（或大部分封閉的）金屬結(jié)構(gòu)中的電磁電路。該結(jié)構(gòu)或者是中空的或者被填充有介電材料。它通過(guò)一個(gè)或若干個(gè)諧振頻率來(lái)表征。RF諧振腔通過(guò)壁來(lái)劃界，并且其中壁中的至少一個(gè)進(jìn)一步形成分離壁，從而將流體腔和RF諧振腔分離開(kāi)。分離壁被配置成使得流體腔中的體液的介電性質(zhì)提供對(duì)RF諧振腔的電磁性質(zhì)的影響。

由此提供一種傳感器，其借助于利用RF腔諧振模式中的一個(gè)或若干個(gè)的擾動(dòng)來(lái)提供體液中的成分的快速且準(zhǔn)確檢測(cè)。與RF腔相關(guān)聯(lián)的諧振頻率是腔的尺寸以及引入RF腔中的或緊靠著腔的任何介電材料（例如氣體、液體或固體材料）的函數(shù)?？梢酝ㄟ^(guò)電容性或電感性耦合來(lái)實(shí)現(xiàn)到RF腔外部的介電材料的耦合。

分離壁可以包括膜。因此，RF諧振腔和流體腔可以被布置成彼此緊靠以能夠?qū)崿F(xiàn)流體腔中的流體的性質(zhì)與RF諧振腔的電磁性質(zhì)的良好耦合。

RF諧振腔的壁可以被至少部分金屬化，而RF耦合區(qū)可以被提供在分離壁處，以使得將RF諧振腔耦合到流體腔。RF耦合區(qū)可以是分離壁的非導(dǎo)電和/或非金屬化區(qū)。由此RF諧振腔可以被電磁耦合到流體腔中收集的任何體液。

可以以對(duì)于所考慮流體內(nèi)的給定介電損耗來(lái)優(yōu)化對(duì)體液內(nèi)的成分的耦合水平以及由此的敏感性的這樣方式來(lái)對(duì)RF諧振腔進(jìn)行尺寸確定（dimension）和設(shè)計(jì)。當(dāng)介電損耗太高時(shí)，對(duì)體液的耦合被降低，因而敏感性降低。

流體腔可以包括延伸到RF諧振腔中的一部分，并且分離壁可以包括對(duì)凸出到RF諧振腔中的流體腔的該部分劃界的介電材料的壁。

由此可以確定流體腔的一部分中的體液的介電性質(zhì)。這還能夠?qū)崿F(xiàn)RF諧振腔和流體腔之間的電磁相互作用的其它模式。

RF諧振腔可以被形成為具有寬度、長(zhǎng)度和高度的立方體體積、或者具有高度和直徑的圓柱體體積。

RF諧振腔可以包括調(diào)諧柱或多個(gè)調(diào)諧柱?？梢杂媒殡娀蚪饘倩膶?dǎo)電壁兩者來(lái)形成該調(diào)諧柱。

由此可以調(diào)諧RF諧振腔的諧振頻率。這可以被用來(lái)降低RF諧振腔的諧振頻率以便使該腔小型化。通過(guò)在RF諧振腔中提供調(diào)諧柱或多個(gè)調(diào)諧柱，可以獲得較小尺寸的腔以及因此具有較小占用空間的傳感器。這對(duì)于成批微加工的器件來(lái)說(shuō)是非常有利的，因?yàn)榭梢栽黾映膳庸さ膫鞲衅鞯臄?shù)目，從而降低每個(gè)傳感器的成本。

調(diào)諧柱可以是立方體的、立方體的或圓柱體，因此具有寬度、長(zhǎng)度和高度。調(diào)諧柱可以位于RF諧振腔中心處，或者在與分離壁相對(duì)的腔的壁處。調(diào)諧柱的橫向尺寸可以具有RF諧振腔的橫向尺寸的通常大約20-70%或大約60%的長(zhǎng)度和寬度。

調(diào)諧柱或多個(gè)調(diào)諧柱可以被配置成在RF諧振腔中、在分離壁附近提供間隙。因此，可以相對(duì)于RF諧振腔的高度來(lái)選擇調(diào)諧柱的高度以便調(diào)諧該腔的諧振行為。

調(diào)諧柱可以被尺寸確定成提供間隙（調(diào)諧柱的一側(cè)和RF諧振腔之間的距離），其是RF諧振腔的高度的1-10%，通常RF諧振腔的高度的2%。較小的間隙可以能夠?qū)崿F(xiàn)RF諧振腔的較高程度的小型化，但是會(huì)使Q因數(shù)降低。Q因數(shù)是在諧振頻率處評(píng)估的在一個(gè)周期期間所存儲(chǔ)的最大能量和諧振器中耗散的能量之間的比率。

流體腔延伸到RF諧振腔中的該部分可以在RF諧振腔內(nèi)的間隙上延伸。由此該部分中的流體可以提供對(duì)RF諧振腔的諧振的影響。

流體腔的尺寸可以是100μm或更多，優(yōu)選地200μm或更多。

傳感器可以包括連接到流體腔以用于從流體腔排出流體的流體出口。由此可以借助于傳感器中的毛管吸力來(lái)提取和運(yùn)送體液。

流體出口可以延伸通過(guò)調(diào)諧柱。

可以在RF諧振腔的一端處引入電磁（RF）能量并且在同一端處通過(guò)電容性或電感性耦合來(lái)去除該電磁（RF）能量，或者可以在諧振腔的一端處引入電磁（RF）能量并且在諧振腔的另一端處通過(guò)電容性或電感性耦合來(lái)去除該電磁（RF）能量。這可以例如通過(guò)布置在諧振腔中的一個(gè)或多個(gè)耦合槽來(lái)完成。

可以以RF腔從流體腔完全封離的這樣的方式來(lái)配置傳感器。由此流體腔中的體液可以被電容性或電感性地耦合到RF諧振腔，但是從RF諧振腔分離。

入口裝置可以包括用于提取體液樣本的至少一個(gè)中空微針頭，優(yōu)選地多個(gè)中空微針頭，更優(yōu)選地10個(gè)到100個(gè)微針頭。由此可以在患者具有最小不適的情況下將諸如間質(zhì)液（ISF）或血液之類的體液提取并引入到傳感器中。

該至少一個(gè)微針頭可以包括毛細(xì)管孔，例如單個(gè)毛細(xì)管孔。由此可以借助于通過(guò)微針頭、流體腔和流體出口的毛管吸力來(lái)提取體液。替代地或者另外，可以將吸力施加于流體腔或流體出口。

可以在遠(yuǎn)端處為至少一個(gè)微針頭提供蓋子以用于保護(hù)毛細(xì)管孔防止堵塞，由此在垂直于微針頭的軸向或縱向延伸的微針頭的橫向方向上提供毛細(xì)管孔的至少一個(gè)開(kāi)口。

可以在橫向方向上在微針頭的周邊周圍提供多個(gè)開(kāi)口?？梢栽谘刂⑨橆^的縱向延伸的大約中間提供至少一個(gè)開(kāi)口。由此促進(jìn)體液的提取并且進(jìn)一步降低堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

至少一個(gè)微針頭的毛細(xì)管孔可以被提供有親水面。由此可以幫助體液的毛細(xì)流動(dòng)。

微針頭可以包括沿著微針頭的縱向方向延伸的多個(gè)切割元件。從而皮膚可以被切割并開(kāi)口以促進(jìn)體液的提取。

至少一個(gè)微針頭可以具有200-1000μm的長(zhǎng)度（優(yōu)選地400-900μm的長(zhǎng)度、更優(yōu)選地500-600μm的長(zhǎng)度），以及50-200μm的外徑（優(yōu)選地80-150μm的外徑）。由此該微針頭具有適合于穿透皮膚并提取體液的尺寸。

至少一個(gè)微針頭可以至少部分被尺寸確定成支撐手指尖端的框架結(jié)構(gòu)包圍。由此該手指尖端的皮膚可以被支撐和拉緊以促進(jìn)該至少一個(gè)微針頭到皮膚中的穿透。

尺寸確定成支撐手指尖端的框架結(jié)構(gòu)是沿著該至少一個(gè)微針頭的縱向方向突出的環(huán)形結(jié)構(gòu)，并且優(yōu)選地具有1-5mm的直徑（更優(yōu)選地2-3mm的直徑）。

傳感器可以被配置用于檢測(cè)體液中葡萄糖的水平，即葡萄糖傳感器。由此可以提供用于快速且準(zhǔn)確地檢測(cè)體液中葡萄糖水平的傳感器。

本公開(kāi)還涉及一種檢測(cè)患者體液中的成分的方法，其包括提供如本文公開(kāi)的傳感器，在入口裝置處提供體液樣本，將流體樣本接收在流體腔中，通過(guò)用RF信號(hào)激勵(lì)RF諧振腔且檢測(cè)RF響應(yīng)來(lái)執(zhí)行RF測(cè)量，以及基于所執(zhí)行的RF測(cè)量來(lái)檢測(cè)成分。

該成分的檢測(cè)可以基于將一個(gè)或兩個(gè)端口耦合結(jié)構(gòu)用于RF腔體諧振器中的振蕩器電路。RF測(cè)量可以基于濾波器設(shè)計(jì)以及1或2端口腔體諧振器。

RF測(cè)量可以基于諧振器讀出和1或2端口測(cè)量。

檢測(cè)成分的步驟可以包括基于所執(zhí)行的RF測(cè)量來(lái)確定該成分的水平。

該體液可以是血液和/或間質(zhì)液（ISF）。

該成分可以是葡萄糖。

為了使設(shè)備小型化，可以以范圍為2-50GHz的頻率（更優(yōu)選地范圍為8-20GHz的頻率、最優(yōu)選地范圍為16-18GHz的頻率）來(lái)執(zhí)行RF測(cè)量。

附圖說(shuō)明

現(xiàn)在作為示例參考附圖來(lái)描述本發(fā)明，其中：

圖1以透視圖示出根據(jù)第一示例的微加工的傳感器。

圖2以截面視圖示出根據(jù)第一示例的微加工的傳感器。

圖3以分解圖示出根據(jù)第一示例的微加工的傳感器。

圖4示出傳感器的微針頭的透視圖。

圖5示出傳感器的微針頭的各種截面視圖。

圖6示出用于傳感器的電子讀出電路。

圖7以截面視圖示出根據(jù)第二示例的微加工的傳感器。

圖8示出根據(jù)第二示例的微加工的傳感器的一部分的特寫圖。

圖9概述微加工如本文公開(kāi)的用于傳感器的微針頭晶圓的工藝步驟。

圖10概述根據(jù)第一示例的微加工流體腔晶圓的工藝步驟。

圖11概述結(jié)合微針頭晶圓和流體腔晶圓的工藝步驟。

圖12概述根據(jù)第一示例的微加工RF諧振腔晶圓的工藝步驟以及結(jié)果得到的傳感器的截面。

圖13概述根據(jù)第二示例的微加工流體腔晶圓的工藝步驟。

圖14示出根據(jù)第二示例的結(jié)果得到的傳感器的截面。

具體實(shí)施方式

在下文中，公開(kāi)檢測(cè)或感測(cè)體液中的成分的水平的微加工的傳感器和方法的各種實(shí)施例的詳細(xì)描述。

在圖1中，示出用于檢測(cè)體液中的成分的微加工的傳感器1的第一示例。該傳感器被提供有用于接收體液樣本的入口裝置2，其處于多個(gè)中空微針頭3的形式。該中空微針頭被提供用于從用戶最小創(chuàng)傷性地提取體液樣本。術(shù)語(yǔ)最小創(chuàng)傷性意味著在微針頭的進(jìn)入點(diǎn)處存在對(duì)生物組織的最小損傷，因此降低了患者的不適。微針頭以5×5個(gè)針頭陣列布置，即在這種情況下為25個(gè)微針頭。

環(huán)形框架結(jié)構(gòu)4包圍微針頭。環(huán)形結(jié)構(gòu)的內(nèi)徑在1-5mm（通常地2-3mm）的范圍中，并且因此被尺寸確定成支撐手指尖端。微針頭的尖端受到環(huán)形框架結(jié)構(gòu)的上表面的保護(hù)，以使得它們不會(huì)突出超過(guò)此上表面。因此在傳感器的加工和處理期間保護(hù)針頭以防破損，并且在加工和處理期間可以用保護(hù)膜密封傳感器。環(huán)形結(jié)構(gòu)具有壓向微針頭的手指尖端的皮膚可能進(jìn)入張力的效果，由此促進(jìn)微針頭通過(guò)皮膚的穿透。

在圖2中，以截面示出圖1中示出的傳感器1。微針頭3每個(gè)包括單毛細(xì)管孔5，并且傳感器還包括連接到微針頭以用于接收由微針頭提取的體液樣本的流體腔6。經(jīng)由用于毛細(xì)管流體運(yùn)送的鉆孔7將每個(gè)微針頭連接到流體腔。該流體腔通過(guò)流體出口8向周圍環(huán)境開(kāi)放以能夠?qū)崿F(xiàn)體液的毛管吸力。該傳感器是由堆疊在一起的針頭晶圓9、流體腔晶圓10和RF腔體晶圓11微加工的。

用具有比膜的橫向延伸更小得多的厚度的膜12來(lái)形成流體腔6的底部（即流體腔面對(duì)RF腔體晶圓11的側(cè)）。該膜的厚度可以處于1-2μm的范圍中。用介電材料（例如硅）來(lái)形成該膜。

該傳感器還包括形成在RF腔體晶圓11中的RF諧振腔13。該RF諧振腔通過(guò)至少部分被金屬化以限制電磁場(chǎng)的壁14來(lái)劃界。該RF諧振腔面對(duì)流體腔的膜，由此膜形成對(duì)RF腔劃界的壁的一部分。該膜因此形成分離壁15，從而將流體腔與RF諧振腔分離。

使得RF腔的壁14是導(dǎo)電的。然而，在膜12處，由膜定義的壁的一部分16在金屬化中被留有開(kāi)口。膜的材料本身是介電材料。由此分離壁被配置成使得流體腔中的體液的介電性質(zhì)對(duì)RF諧振腔的電磁性質(zhì)提供影響。此外，被配置用于將RF能量耦合到諧振腔以及從諧振腔耦合出RF能量的一個(gè)或多個(gè)耦合槽被提供為開(kāi)口，或在沒(méi)有任何金屬化的情況下提供該一個(gè)或多個(gè)耦合槽。

RF諧振腔13被形成為立方體腔。諧振腔具有外部尺寸，所述外部尺寸具有1-3mm范圍中（優(yōu)選地2-2.5mm范圍中或大約2.4mm）的長(zhǎng)度、1-3mm范圍中（優(yōu)選地2-2.5mm范圍中或大約2.4mm）的寬度和0.5-1mm范圍中（優(yōu)選地0.6-0.8mm范圍中或大約650μm）的高度。在RF諧振腔中，通過(guò)從該腔的與分離壁相對(duì)的側(cè)突出，具有立方體形狀的調(diào)諧柱17突入到該腔中。調(diào)諧柱具有調(diào)諧RF諧振腔的諧振行為的功能。調(diào)諧柱的壁通過(guò)金屬化層或通過(guò)其它裝置而是導(dǎo)電。

位于RF諧振腔中的調(diào)諧柱主要擾動(dòng)腔內(nèi)的電場(chǎng)或磁場(chǎng)分布。該調(diào)諧柱由此減小或增加腔體諧振器的諧振頻率。調(diào)諧柱的大小和位置（寬度、長(zhǎng)度和高度）確定諧振頻率的移動(dòng)。因此可以通過(guò)調(diào)諧柱的幾何形狀和位置的選擇來(lái)針對(duì)給定諧振頻率使RF諧振腔的大小小型化。在所示的示例中，調(diào)諧柱具有1440μm×1440μm×637μm的寬度×長(zhǎng)度×高度。

通常，對(duì)于諧振基模（即立方體腔的TE101模式），關(guān)于RF諧振腔中存在的電磁場(chǎng)來(lái)計(jì)算至少一個(gè)調(diào)諧柱17的尺寸、幾何形狀和位置。這樣尺寸和放置的調(diào)諧柱可以以這樣的方式生成諧振的基?；蚱渌Ｊ降闹C振頻率的變化。通過(guò)將至少一個(gè)調(diào)諧柱放置在腔的中心，將基模的諧振頻率最小化且反過(guò)來(lái)通過(guò)將至少一個(gè)調(diào)諧柱放置在RF諧振腔的一側(cè)處來(lái)增加基模的諧振頻率。因此，可以通過(guò)至少一個(gè)調(diào)諧柱的適當(dāng)設(shè)計(jì)和放置來(lái)修整（tailor）基模的諧振頻率。

通過(guò)如圖2中所示在RF諧振腔13的中心提供調(diào)諧柱17，可以在保持腔體的某一基本諧振頻率的同時(shí)使該諧振腔的尺寸最小化。這是重要的，以便將傳感器的尺寸最小化。通過(guò)將傳感器的占用空間最小化，可以在單批傳感器中加工更多數(shù)目的傳感器，由此降低每個(gè)傳感器的成本。

可以通過(guò)應(yīng)用擾動(dòng)理論來(lái)計(jì)算諧振頻率的移動(dòng)（R.E. Collin, Foundations for microwave engineering, McGraw-Hill, New York, 1966）。場(chǎng)分布被用來(lái)計(jì)算存儲(chǔ)在初始腔體積中的電能W_e和磁能W_m、以及存儲(chǔ)在對(duì)應(yīng)擾動(dòng)體積中的電能和磁能ΔW_e和ΔW_m，分別被如下評(píng)估：

其中對(duì)于W_e和W_m來(lái)說(shuō)積分體積是v=a×d×b，并且對(duì)于ΔW_e和ΔW_m來(lái)說(shuō)積分體積是v=W×L×Hbox。另外，E₀和H₀分別是未擾動(dòng)的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。頻率移動(dòng)被評(píng)估為存儲(chǔ)在擾動(dòng)體積中的磁能和電能之間的差比存儲(chǔ)在腔體中的總能量的分?jǐn)?shù)：

，

其中f和f₀分別是被擾動(dòng)和未被擾動(dòng)的諧振頻率。

調(diào)諧柱的橫向尺寸越大，調(diào)諧柱的體積中的等效存儲(chǔ)能量就越大。所存儲(chǔ)的電能比所存儲(chǔ)的磁能更高，因?yàn)樵撝挥谇惑w諧振器中心，在那里對(duì)于TE101模式而言電場(chǎng)是主導(dǎo)的。在此特定情況下，柱擾動(dòng)的結(jié)果是諧振頻率的降低。

調(diào)諧柱被尺寸確定成在調(diào)諧柱17和膜12之間提供間隙18。在所示的示例中該間隙是13μm寬。調(diào)諧柱和間隙的尺寸被仔細(xì)選擇以調(diào)諧腔室的基本諧振頻率并且提供諧振腔到流體腔的高效耦合。

在圖3（a）中，示出尺寸為a×d×b的RF諧振腔13，其具有尺寸為W×L×H_box的位于中心的調(diào)諧柱17。頻率移動(dòng)（f-f₀）/f₀被繪制為該腔體和柱的橫向尺寸的比（水平軸線：以百分比計(jì)的W/a）和H_box與b的比（從0到0.9）的函數(shù)。對(duì)于具有接近60%的W/a的比的相對(duì)為高的調(diào)諧柱（H_box/b=0.9），頻率移動(dòng)是最高的。

在圖4中示出微針頭3的示例。該微針頭具有細(xì)長(zhǎng)的形狀，其具有基底部分19和尖端部分20。該基底部分是圓柱體的并且形成毛細(xì)管孔5。該尖端部分包括用于保護(hù)毛細(xì)管孔的蓋子21。通過(guò)圍繞微針頭的周邊形成多個(gè)開(kāi)口23的一組細(xì)長(zhǎng)元件22來(lái)在基底部分中支撐該尖端部分。這些細(xì)長(zhǎng)元件沿著微針頭的縱向方向延伸并且還用作用于切割皮膚的切割元件。

在圖5中，以三個(gè)不同截面A-A、B-B和C-C來(lái)示出微針頭3。在截面A-A中，示出形成用于將流體運(yùn)送到流體腔的毛細(xì)管孔5的基底部分。由多個(gè)細(xì)長(zhǎng)元件22來(lái)支撐蓋子。在所示的示例中，細(xì)長(zhǎng)元件的數(shù)目是5，但是細(xì)長(zhǎng)元件的數(shù)目可以在2-20的范圍中。在截面B-B和C-C中，示出了細(xì)長(zhǎng)元件朝向微針頭的尖端部分縮小以形成用于在穿透期間切割皮膚的切割元件。

在如圖1-2中示出的傳感器的操作期間，手指尖端壓向微針頭3并且被環(huán)形框架結(jié)構(gòu)4支撐。然后皮膚被支撐結(jié)構(gòu)拉伸，以使得促進(jìn)微針頭通過(guò)皮膚的穿透。通過(guò)借助于針頭的鋒利尖端部分并且借助于細(xì)長(zhǎng)的切割元件切割皮膚來(lái)將微針頭穿透到皮膚中。借助于微針頭的多個(gè)開(kāi)口來(lái)提取手指皮膚中的或下面的體液。該體液可以是例如血液或間質(zhì)液。通過(guò)毛管吸力將體液提取到毛細(xì)管孔中。蓋子降低了微針頭的毛細(xì)管孔被來(lái)自手指的組織材料堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

此后例如通過(guò)毛管吸力將體液樣本運(yùn)送到流體腔并收集在其中。

為了分析例如體液的葡萄糖含量，監(jiān)測(cè)腔體諧振器的擾動(dòng)。葡萄糖含量將改變流體腔中收集的體液的介電常數(shù)，其繼而將影響RF腔體諧振器的諧振。因此RF腔體諧振器的頻率響應(yīng)可以被用來(lái)監(jiān)測(cè)體液中的介電常數(shù)值的任何變化。可以被腔體諧振器檢測(cè)的變化是腔體諧振器的諧振頻率的移動(dòng)和/或諧振帶寬的變化。介電常數(shù)計(jì)及當(dāng)在介質(zhì)中形成電場(chǎng)時(shí)遇到的阻抗。探測(cè)材料對(duì)外部場(chǎng)的響應(yīng)取決于該場(chǎng)的頻率。此頻率相關(guān)性反映了介質(zhì)內(nèi)存儲(chǔ)的能量（ε'）和介質(zhì)內(nèi)的能量耗散（損失）（ε''）并且通過(guò)所施加的場(chǎng)的頻率（f）的復(fù)變函數(shù)來(lái)表示：

。

相對(duì)于諧振器的品質(zhì)因數(shù)來(lái)說(shuō)，腔體諧振器的諧振在頻率上是高度選擇性的。探測(cè)流體腔中的不同介電材料的影響導(dǎo)致如下的諧振頻率的移動(dòng)和諧振帶寬的變化：

和。

在這里，通過(guò)和來(lái)描述介電常數(shù)，最后面的與介質(zhì)內(nèi)的能量耗散（損失）有關(guān)；V_c和V_s分別是腔體和樣本體積；和分別是沒(méi)有擾動(dòng)和具有擾動(dòng)的諧振頻率，并且Q_c和Q_s分別是沒(méi)有擾動(dòng)和具有擾動(dòng)的品質(zhì)因數(shù)。在圖6中，公開(kāi)了用于傳感器的電子讀出電路的基本框圖。該讀出電路將用于介電表征的高頻率轉(zhuǎn)換成基帶信號(hào)并且可以取回關(guān)于諧振頻率的信息和品質(zhì)因數(shù)兩者。可以設(shè)想用來(lái)測(cè)量振蕩器的振蕩頻率和相位噪聲的相位噪聲測(cè)量技術(shù)。于是振蕩的頻率與諧振頻率直接相關(guān)，并且振蕩器的相位噪聲與腔體諧振器的Q因數(shù)直接相關(guān)。

低相位噪聲振蕩器包括負(fù)電阻電路模塊、腔體諧振器和諧振腔和負(fù)電阻之間的耦合（在圖6中DUT）。用于振蕩器的兩個(gè)實(shí)施例是可能的。第一個(gè)是反射類型振蕩器。它由連接到負(fù)電阻電路的一端口諧振器構(gòu)成。第二個(gè)是直通類型振蕩器，其中諧振器就像通過(guò)有源電路的反饋回路的濾波器那樣起作用。

在相位噪聲測(cè)量技術(shù)之中，可以在嵌入式電路中實(shí)施“參考源/PLL方法”。圖6示出用于使用參考源/PLL技術(shù)的相位檢測(cè)方法的示意性電路。此方法的基礎(chǔ)是使用PLL連同用于相位檢測(cè)（PD）的雙平衡混頻器（DBM）。

當(dāng)相位差被設(shè)置成90°（正交）時(shí)，低通濾波器（LPF）之后輸出的電壓將是零伏特。在小相角的情況下，在檢測(cè)器的輸出處的LPF輸出被簡(jiǎn)化成與兩個(gè)輸入信號(hào)的相位差成比例的電壓。這允許測(cè)量在具有轉(zhuǎn)換損耗的情況下下混頻到基帶的相位噪聲。來(lái)自正交的任何相位波動(dòng)將導(dǎo)致輸出處的電壓波動(dòng)。已經(jīng)基于相位檢測(cè)器概念開(kāi)發(fā)了若干方法。在它們之中，參考源/PLL(鎖相環(huán))是最廣泛使用的方法之一。相位噪聲與Q因數(shù)成正比，遵循Lesson's方程：

，

其中F是經(jīng)驗(yàn)參數(shù)（常常被稱為“設(shè)備多余噪聲數(shù)”），k是玻耳茲曼常數(shù)。T是絕對(duì)溫度，P_sig是所耗散的平均功率，是振蕩頻率，Q是加載的品質(zhì)因數(shù)，是從載波的偏移并且是和區(qū)之間的拐角的頻率。

一對(duì)振蕩器（即感測(cè)振蕩器和參考振蕩器）之間的混頻所得到的電壓可被用于感測(cè)振蕩器的頻率讀出并且隨后將提供關(guān)于諧振頻率和的信息。這是外差頻率測(cè)量方法。電壓波動(dòng)被饋送到電壓到頻率轉(zhuǎn)換器，其繼而饋送頻率計(jì)數(shù)器以讀出頻率波動(dòng)。第二參考振蕩器可以是基于頻率固定的第二集成腔體諧振器的PLL合成振蕩器。

電壓控制源（VCO）的信號(hào)被與感測(cè)振蕩器的信號(hào)下混頻。通過(guò)低通濾波器將混頻輸出連接到鎖相放大器（PLL）。噪聲輸出通常被發(fā)送到低噪聲放大器，之后是音頻頻譜分析器、基帶分析器。這可以被用于相位噪聲測(cè)量并且隨后將提供關(guān)于Q因數(shù)和的信息。

圖7中示出傳感器1的另一實(shí)施例。該傳感器與先前公開(kāi)的傳感器的不同之處在于通過(guò)延伸到RF諧振腔中的小擾動(dòng)腔室24將RF諧振腔3耦合到流體腔6。借助于連接膜12和調(diào)諧柱17的分離壁25將擾動(dòng)腔室與RF諧振腔分離。這些分離壁沒(méi)有被金屬化，并且它們被尺寸確定成使得在來(lái)自分離壁的材料的有限影響的情況下RF能量被耦合到擾動(dòng)腔室中的流體。擾動(dòng)腔室被連接到延伸通過(guò)調(diào)諧柱的流體出口8。另一特征是，因?yàn)殡姶挪ㄍㄟ^(guò)擾動(dòng)腔室耦合到流體腔中，所以可以使得用作連接到微針頭的流體貯器的流體腔6的尺寸更淺。而且在圖中，提供用于將電磁能量耦合到RF諧振腔中且從RF諧振腔耦合出電磁能量的耦合槽26。如圖1和2中示出的傳感器可以被提供有類似的耦合槽。

在圖8中，更詳細(xì)地示出擾動(dòng)腔室的構(gòu)造。在通過(guò)膜12劃界的流體腔6和調(diào)諧柱17之間，通過(guò)橋接在膜和調(diào)諧柱之間的間隙來(lái)使流體腔6的一部分24延伸到RF諧振腔中。流體腔室的此部分被方形結(jié)構(gòu)的分離壁15、25包圍。從而通過(guò)分離壁15、25來(lái)形成擾動(dòng)腔室24。該壁被配置成使得RF諧振腔中的RF波延伸到擾動(dòng)腔室中存在的流體中。這意味著例如它們由介電材料制成，并且被尺寸確定成是薄的以將對(duì)電磁場(chǎng)的任何影響最小化。此結(jié)構(gòu)的另一優(yōu)點(diǎn)是它將支撐膜，因此形成更魯棒的構(gòu)造。

在下文中，以解釋的方式來(lái)描述一種微加工傳感器的方法。微加工被定義成包括微米范圍內(nèi)的結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)。最終的部件可以是大約數(shù)毫米、或甚至數(shù)厘米，包括向下至數(shù)亞微米的特征尺寸。微加工可以包括光刻、濕式蝕刻、干式蝕刻（諸如深反應(yīng)離子蝕刻DRIE）等等中的一個(gè)或多個(gè)，但是還可以包括電子或離子束加工、等離子束加工、激光加工、靜電放電加工、微銑削、微成型、聚合物中的微復(fù)制、微固體自由形式制造、微立體光刻、電鍍等工藝步驟和方法中的一個(gè)或多個(gè)。微加工允許可成批制造并且因此以降低的成本來(lái)產(chǎn)生的小型化傳感器設(shè)備。

類似地執(zhí)行微加工傳感器的方法的光刻步驟。光刻術(shù)的第一步驟是將晶圓填裝在HMDS爐中。這給予稍后涂覆在晶圓上的抗蝕劑更好的粘附力。作為副作用，晶圓還將是疏水性的。

光刻術(shù)的下一步驟是抗蝕劑涂覆，諸如用正性抗蝕劑。

光刻術(shù)的下面的步驟是在晶圓上創(chuàng)建圖案，因而可以稍后創(chuàng)建蝕刻圖案。用于不同蝕刻結(jié)構(gòu)和晶圓的掩模被用UV光暴露，從而在抗蝕劑中創(chuàng)建圖案。（具有圖案的）抗蝕劑在蝕刻期間充當(dāng)掩模，這允許晶圓被蝕刻并且僅創(chuàng)建想要的圖案，并且抗蝕劑保護(hù)表面的剩余部分。

此后抗蝕劑的圖案被顯影并且被硬烘烤。硬烘烤的目的是去除殘留溶劑并且改進(jìn)抗蝕劑的粘附力，因而它將足以保護(hù)晶圓。

在硅蝕刻之后，執(zhí)行抗蝕劑剝離步驟以去除抗蝕劑并接近下一掩模。這是有利的，因?yàn)橐粋€(gè)掩模可以被去除并且可以用被前一抗蝕劑掩模覆蓋的氧化物掩模來(lái)執(zhí)行另一硅蝕刻。

通過(guò)將晶圓浸入50% HF中來(lái)完成氧化物剝離并且進(jìn)行氧化物剝離來(lái)去除氧化物層。當(dāng)形成針頭時(shí)，氧化和氧化物剝離可以被重復(fù)直到創(chuàng)建尖端足夠鋒利的針頭為止。

執(zhí)行氧化物蝕刻以創(chuàng)建氧化物掩模，因?yàn)樵诘谝还栉g刻之后可能沒(méi)有進(jìn)行抗蝕劑掩模。因此，在由抗蝕劑創(chuàng)建第一蝕刻圖案之前，通過(guò)之后是氧化物蝕刻的抗蝕劑來(lái)創(chuàng)建第二蝕刻圖案。如果之后需要進(jìn)行硅蝕刻的話，還執(zhí)行氧化物蝕刻來(lái)從晶圓去除氧化物。

在加工傳感器方面，三個(gè)晶圓被處理并且稍后被結(jié)合在一起；

-用于微針頭和鉆孔的針頭晶圓（NW）（例如采用雙面拋光（DSP）硅晶圓的形式）。該晶圓可以例如是具有500-1000±25μm厚度的、p摻雜的、1-10Ωcm或等同的普通電阻率的4''的（100）取向硅，

-具有300±15μm厚度的、p摻雜的、1-10Ωcm或等同的普通電阻率的（100）取向硅的流體晶圓（FW）（例如采用雙面拋光（DSP）4''硅的形式），

-RF腔體晶圓（CW）（例如采用絕緣體上硅（SOI）晶圓的形式），其具有15μm厚的設(shè)備層并且優(yōu)選地在高電阻率硅中。

晶圓是單結(jié)晶硅晶圓，但是還可想到將諸如玻璃、金屬和塑料之類的其它材料用在傳感器中。傳感器的處理包括以下步驟：

-具有通過(guò)晶圓的鉆孔和微針頭的針頭晶圓（NW）的圖案化和蝕刻，

-流體晶圓（FW）的圖案化和蝕刻，

-RF腔體晶圓（CW）的圖案化和蝕刻，

-針頭晶圓和流體晶圓的結(jié)合（例如直接結(jié)合），

-流體和RF腔體晶圓的金屬化，

-針頭/流體和腔體晶圓之間的結(jié)合（例如熱壓縮結(jié)合），以及

-將晶圓堆疊切割成單個(gè)部件。

在電感耦合等離子體（ICP）深反應(yīng)離子蝕刻（DRIE）裝置中蝕刻該結(jié)構(gòu)。在圖9中，示出了加工微針頭晶圓的工藝步驟。

該晶圓被提供有熱氧化層，通過(guò)光刻術(shù)對(duì)該熱氧化層圖案化（a）以便用DRIE來(lái)蝕刻微針頭的孔（b）。之后再次剝離和氧化該結(jié)構(gòu)（c）。頂側(cè)上的氧化物被圖案化（星形），并且第二抗蝕劑掩模（圓形）被沉積和圖案化（d）。用圓形掩模通過(guò)各向同性和各向異性蝕刻的組合來(lái)蝕刻微針頭（e）。之后通過(guò)去除抗蝕劑掩模來(lái)將星狀物掩模暴露，并且通過(guò)各向異性蝕刻來(lái)蝕刻針頭（f）。之后將氧化物剝離并且微針頭被暴露，之后可能是進(jìn)一步氧化和剝離步驟以使針頭的尖端鋒利。

圖10示出根據(jù)如關(guān)于圖1和2描述的傳感器的第一示例的處理流體腔晶圓（FW）的一個(gè)示例。通過(guò)如上面（a）所述的光刻術(shù)向硅晶圓提供氧化物和抗蝕劑掩模。之后通過(guò)DRIE來(lái)蝕刻流體腔（b），并且使第二掩模（流體出口）暴露。對(duì)流體出口進(jìn)行蝕刻（c）并且將氧化物剝離。

如圖11中所示，將針頭晶圓（NW）和流體腔晶圓（CW）對(duì)準(zhǔn)（a）并且通過(guò)硅晶圓的直接結(jié)合來(lái)將其結(jié)合（b）。

如圖12中所示，根據(jù)如本文描述的傳感器的第一示例來(lái)處理RF諧振腔晶圓（CW）。通過(guò)熱氧化來(lái)使SOI晶圓氧化（a）。將SOI晶圓的設(shè)備層向下蝕刻到掩埋氧化層（b）。對(duì)氧化物進(jìn)行圖案化以形成氧化物掩模（c）并且沉積和圖案化抗蝕劑掩模，之后是耦合槽的蝕刻（d）。之后將抗蝕劑掩模剝離并且對(duì)RF諧振腔進(jìn)行蝕刻，從而留下調(diào)諧柱（e）。去除底部金屬化且將該結(jié)構(gòu)氧化并且借助于濺射或蒸發(fā)將金屬層沉積在腔壁上（f）?？梢酝ㄟ^(guò)電鍍來(lái)獲得較厚的金屬化層。而且，將結(jié)合的針頭/流體晶圓堆疊的底側(cè)金屬化。之后在升高的溫度（例如400℃）和壓力下通過(guò)熱壓縮結(jié)合來(lái)組裝晶圓堆疊和RF諧振腔晶圓（g）。借助于切鋸從結(jié)合的晶圓堆疊切出單個(gè)的傳感器元件。

根據(jù)如關(guān)于圖7和8描述的傳感器的第二示例，從如圖13中示出的SOI晶圓來(lái)處理流體晶圓（FW）。該晶圓被氧化并且將氧化層圖案化到兩側(cè)上以定義用于流體腔和用于擾動(dòng)腔室的掩模（a）。將抗蝕劑掩模沉積和圖案化以用于從流體腔到擾動(dòng)腔室的通孔的蝕刻（b）。之后通過(guò)使用氧化物掩模來(lái)蝕刻流體腔和擾動(dòng)腔室（c）。將晶圓的面對(duì)RF腔體晶圓的側(cè)金屬化。

類似于上文關(guān)于圖12描述的內(nèi)容來(lái)處理RF腔體晶圓（CW），加上對(duì)通過(guò)調(diào)諧柱的流體出口的蝕刻。借助于熱壓縮結(jié)合來(lái)將晶圓結(jié)合并且將其切割成單個(gè)傳感器部件。在圖14中示出結(jié)果得到的器件。

具有RF諧振腔的傳感器可以被安裝在載體上，這意味著該RF腔被密封。該載體可以包括用于通過(guò)耦合槽將電磁能量注入到RF腔中的適當(dāng)?shù)腞F傳輸線?？梢酝ㄟ^(guò)同一傳輸線（反射模式）或另一額外的耦合槽（傳輸模式）來(lái)執(zhí)行感測(cè)。