一種提高單壓電層薄膜體聲波傳感器分辨力的方法
2024-02-19 19:09:15
專利名稱：一種提高單壓電層薄膜體聲波傳感器分辨力的方法
技術領域：
本發明屬於微機械電子系統(MEMS)領域，特別涉及到薄膜體聲波諧振器(FBAR) 和薄膜體聲波傳感器，其提出的提高體聲波傳感器分辨力的方法同樣適用於石英晶體微天 平(QCM)。
背景技術：
作為一種通用的物理、化學和生物傳感器，聲波傳感器，具有成本低、操作簡便、速 度快、非標記、靈敏度高、檢測範圍大等諸多優點，在工業過程監測、環境監測、臨床醫學檢 驗、食品安全檢驗、毒氣檢測、藥物開發等領域都有廣闊的應用前景。但是，同質譜、等離子 體諧振和橢圓偏光等分析方法相比，聲波傳感器的分辨力相對較低，限制了其在低濃度小 分子檢測、藥物篩選與生物材料篩選等研究領域的應用。開展提高薄膜體聲波傳感器分辨 力的方法與結構研究，對擴大其應用範圍具有重要意義。基於微加工技術，國際上目前已經開發成功的厚度伸縮模式和厚度剪切模式的薄 膜體聲波傳感器，這些薄膜體聲波傳感器均為單壓電層，其中厚度剪切模式的薄膜體聲波 傳感器的振動模式與常規的石英晶體微天平一樣，在液態環境也有較高靈敏度，特別適合 於生化檢測。在薄膜體聲波傳感器工作時，材料自身的阻尼和向襯底傳播的聲能消耗了部 分聲能，導致傳感器品質因子降低，進一步引起傳感器質量分辨力降低。為了提高薄膜體聲 波傳感器的質量分辨力，必須減少傳感器工作時的聲能損失，以提高其品質因子，為此，薄 膜體聲波傳感器一般採用以下兩種結構(1)壓電層通過布拉格反射層固定於襯底表面； (2)壓電層的下面是金屬電極和支撐薄膜，支撐薄膜直接與空氣接觸。以上兩種薄膜體聲波 傳感器結構均是採用聲能的被動隔離方法減少聲能的損失以提高品質品質。為了進一步提 高薄膜體聲波傳感器的分辨力，重慶大學提出利用主動控制技術提高薄膜體聲波傳感器分 辨力的方法，並申請了發明專利「具有主動抑制聲能損失功能的薄膜體聲波傳感器」(申請 號=200910103042. 7)，其是在薄膜體聲波傳感器的敏感壓電層與襯底之間加入一個主動控 制壓電層，通過對主動控制壓電層施加一個控制電壓以補償部分損失的聲能，進一步達到 提高傳感器分辨力的目的。由於該具有雙壓電層薄膜體聲波傳感器專門增加了 一個主動控 制壓電層，因此聲能補償效果很好，傳感器的分辨力有較大提高，但與常規的單壓電層薄膜 體聲波傳感器相比，以上具有雙壓電層的薄膜體聲波傳感器的加工工藝更複雜，成本更高， 成品率更低。為此，本發明提出了一種利用主動控制技術提高單壓電層薄膜體聲波傳感器 的方法。
發明內容
本發明的目的是提出一種利用主動控制技術提高單壓電層薄膜體聲波傳感器的 質量分辨力的方法。為實現上述發明目的，本發明採取以下技術方案一種提高單壓電層薄膜體聲波傳感器的分辨力的方法，其是在薄膜體聲波傳感器的激勵電壓中增加了一個反饋電壓，並在檢測過程中保持以上反饋參數(即該反饋電壓的 反饋參數)不變。該反饋電壓是對通過薄膜體聲波傳感器的電流施加一個常數增益和一個常數相 位差得到。該常數增益和常數相位差具體是通過以下方法獲得首先對所使用的單壓電層薄膜體聲波傳感器進行測量，通過掃頻法得到與不同增 益和相位差所對應的導納或阻抗的幅值和相位隨頻率的變化曲線，根據導納或阻抗的幅值 曲線確定與諧振峰對應的頻率，再根據導納或阻抗的相位曲線在該頻率處的斜率的絕對值 確定與不同增益和相位差對應的傳感器品質因子，在此基礎上進一步確定將傳感器品質因 子提高到無反饋控制(即反饋電壓的增益取為零)時的品質因子的特定倍數(該倍數即為 期望通過主動控制將薄膜體聲波傳感器的分辨力提高的倍數)所對應的增益和相位差，該 增益和相位差即為需要得到的常數增益和常數相位差，並在後續對特定物質實施檢測的過 程中保持該增益和相位差不變。本發明通過在薄膜體聲波傳感器激勵電壓中疊加一個反饋電壓，可以補充薄膜體 聲波傳感器部分的聲能損失，降低傳感器的阻尼，從而達到提高薄膜體聲波傳感器的品質 因子和質量分辨力的目的。本發明提出的提高單壓電層薄膜體聲波傳感器的分辨力的方 法，可以與被動隔聲的方法一起用於提高薄膜體聲波傳感器的分辨力，對厚度伸縮模式和 厚度剪切模式的薄膜體聲波傳感器均適用，同樣也適用於石英晶體微天平。本發明提出的提高單壓電層薄膜體聲波傳感器的質量分辨力的方法，其單壓電層 薄膜體聲波傳感器的壓電層同時作為傳感器和執行器實現反饋控制，而雙壓電層薄膜體聲 波傳感器則是利用在敏感壓電層下面增加的主動控制壓電層實現控制的(即通過對主動 控制壓電層施加控制信號實現聲能的補償)。具有主動控制功能的雙壓電層薄膜體聲波傳 感器由於在傳感器結構上進行了改進，其控制電路相對簡單，但由於增加了一個壓電層，導 致傳感器製作工藝更複雜，導致傳感器與電路集成難度更大，成本更高，成品率更低。本發 明提出的提高單壓電層薄膜體聲波傳感器的分辨力的主動控制方法，其傳感器結構與目前 常用的薄膜體聲波傳感器相同，僅含一個壓電層，其結構比雙壓電層結構更簡單，其加工工 藝更簡單，成本更低、成品率更高。
下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。圖1是在矽片正面生長二氧化矽層示意2是製備及圖形化壓電層底部電極示意3是製備及圖形化壓電層示意4是製備及圖形化壓電層上電極示意5是製備及圖形化保護層示意6是基於主動控制技術提高單壓電層薄膜體聲波傳感器分辨力的工作原理7是通過仿真得到的某單壓電層薄膜體聲波傳感器的導納隨頻率的變化曲線
具體實施例方式本發明提出的提高薄膜體聲波傳感器分辨力的方法，適用於單壓電層薄膜體聲波 傳感器，這種傳感器可以採用矽基微加工技術製作，下面是一個典型的工藝流程1、選擇雙面拋光的、中等摻雜的、電阻率為2 4Ω 的(100)矽片1作為襯底， 在其上熱氧化澱積SiO2層2，厚度約300nm(如圖1所示)；2、正面光刻1次，形成光刻膠圖形，在襯底上蒸發厚度約IOOnm的Pt電極層，溼法 去除光刻膠，形成與光刻膠圖形互補的壓電層底部電極3圖形(如圖2所示)；3、採用濺射法製備ZnO或AlN壓電層，第二次光刻，刻蝕壓電層，去除光刻膠，形成 壓電層4圖形(如圖3所示)；4、正面進行第三次光刻，形成光刻膠圖形，蒸發厚度約IOOnm的Pt電極層，溼法去 除光刻膠，形成與光刻膠圖形互補的壓電層頂部電極5圖形(如圖4所示)；5、採用濺射法或等離子增強化學氣相澱積方法製備作為保護層的Si02或Si3N4 膜，正面進行第四次光刻，利用幹法或溼法刻蝕形成保護層6圖形(如圖5所示)。在以上加工工藝基礎上，可以在襯底上面，壓電層底部電極下面製作布拉格反射 層，或直接從襯底背面將傳感器敏感區域下面的襯底掏空，以利用被動隔聲方法進一步提 高傳感器的分辨力。對沒有實施主動控制的普通薄膜體聲波傳感器而言，為了得到薄膜體聲波傳感器 的固有頻率等參數，需要在其壓電層的上、下電極之間施加一個激勵電壓Φ^μ"(其中f 為激勵電壓的頻率)，同時測得通過傳感器的電流i，根據施加的電壓和通過傳感器的電流
I1 Λ2φ
得到器件的導納和阻抗分別為^^和^~，當保持激勵電壓的幅值而改變其頻率進行
掃頻時，就得到傳感器的導納和阻抗的幅值與相位隨頻率的變化曲線，導納或阻抗的幅值 曲線的諧振峰對應的頻率即為傳感器的固有頻率。由於材料阻尼和聲能向襯底傳播的聲能 損失了部分聲能，造成傳感器品質因子的降低，導致傳感器的導納和阻抗的幅值曲線的諧 振峰不明顯，引起傳感器分辨力的降低。品質因子可以從導納或阻抗的相位曲線得到。根 據阻抗曲線，傳感器的品質因子的表達式為Q =終
2 評 f-f,其中ft為阻抗幅值的諧振峰所對應的頻率，Ψζ為阻抗的相位。為了提高單壓電層薄膜體聲波傳感器的質量分辨力，本發明提出採用反饋控制技 術補償部分聲能的損失，從而達到提高傳感器品質因子和分辨力的目的，圖6是利用主動 控制技術提高單壓電層薄膜體聲波傳感器的質量分辨力的工作原理圖。設施加在薄膜體聲 波傳感器7壓電層上、下電極之間的初始激勵電壓為(^ei2nft，測得的通過薄膜體聲波傳感 器7的電流為i，為了達到補充部分聲能損失的目的，在激勵電壓上疊加一個反饋電壓，該 反饋電壓的幅度是電流i的幅度的α倍，並且相對於電流i有一個相位差θ，即反饋電壓 為iae"，因此施加在傳感器壓電層的上、下電極之間的實際激勵電壓為(Kei2nft+i aei0, 根據初始激勵電壓和電流可得到具有主動控制功能的單壓電層薄膜體聲波傳感器的導納
Iι αφ
和阻抗分別為^Hy和AL，通過掃頻法得到與不同的α和θ對應的傳感器的導納和 9oei
5阻抗的幅值與相位隨頻率的變化曲線，根據導納或阻抗的幅值曲線得到與諧振峰對應的頻 率，同未實施主動控制的傳感器一樣，根據導納或阻抗的相位曲線在導納或阻抗的幅值曲 線的諧振峰處的頻率對應的斜率的絕對值，可以進一步確定與不同的α和θ對應的品質 因子。對於不同的傳感器和不同的待測環境而言，由於通過不同的聲能耗散機理損失的聲 能的比例不同，因此在測試時往往選擇不同的α和θ，以達到將傳感器的品質因子和分辨 力提高到期望的倍數的目的。反饋參數α和θ的值一旦選定後，在整個測試過程中均保 持不變。本發明利用主動控制技術提高單壓電層薄膜體聲波傳感器的分辨力方法包括以 下步驟1、在薄膜體聲波傳感器的敏感區域生長對待測物質敏感的敏感膜。2、測量薄膜體聲波傳感器的導納或阻抗的幅值與相位曲線，通過改變反饋參數α 和θ，根據薄膜體聲波傳感器的導納或阻抗的幅值曲線，得到與諧振峰對應的頻率，根據導 納或阻抗的相位曲線在該頻率處的斜率的絕對值得到品質因子，進一步確定將傳感器品質 因子提高到無反饋控制(即α =0的情形)時的品質因子的期望倍數所對應的增益α C1和 相位差θ ^，記錄下相應的導納或阻抗的幅值曲線的諧振峰對應的頻率作為初始頻率&，在 後面的實驗中，需保持α = Citl和θ = θ ^不變。3、將薄膜體聲波傳感器置於需要實施檢測的環境，重新測量薄膜體聲波傳感器的 導納或阻抗曲線，保持α = C^和θ = θ ^，根據傳感器的導納或阻抗的幅值曲線得到傳 感器此時的頻率f」若環境中有待測物質，該待測物質將與敏感膜反應，導致吸附在傳感器 敏感區域的質量增加，引起傳感器頻率變化△ f = frfo ；若環境中沒有待測物質，吸附在傳 感器敏感區域的質量不變，傳感器的頻率不變，即仍為fo，此時頻率的變化為Af = Otj待 測物質的濃度越大，將引起頻率變化的絕對值越大，因此根據頻率變化Δι就可以確定需 要實施檢測的環境裡待測物質的濃度。由於頻率變化Af的測量精度與品質因子Q成正比，因此傳感器的品質因子越高， 則其分辨力越高。本發明通過對單壓電層薄膜體聲波傳感器實施主動控制，將降低聲能的 損失，提高傳感器的品質因子Q，進一步提高頻率變化Δ ·的檢測精度，因此可以有效提高 薄膜體聲波傳感器的分辨力。為了驗證本發明提出的提高單壓電層薄膜體聲波傳感器的分辨力的有效性，下面 以一個例子進行簡單分析。設一個單壓電層薄膜體聲波傳感器的壓電層為ΖηΟ，壓電層厚度 為lym，粘附層面密度為9X10_8g/cm2。為了模擬較大的聲能損失情況，將ZnO的阻尼係數 取為5Χ10_2Ν·8·πΓ2。為了簡化問題，忽略金屬電極影響。當α分別等於0和5，θ等於 1. 70弧度時，得到傳感器的導納的幅值曲線見圖7，圖中橫坐標為頻率，縱坐標為導納。由 圖7可見，當α =0時，即沒有施加主動控制以補充損失的聲能時，相應品質因子為230; 當α =5，θ = 1.70時，即施加了主動控制以補充損失的聲能時，傳感器的品質因子變為 977。以上例子採用主動控制方法將單壓電層薄膜體聲波傳感器的品質因子提高了 4倍以 上，傳感器的分辨力也將提高4倍以上。以上算例表明，利用本發明提出的主動控制方法可 以有效地提高單壓電層薄膜體聲波傳感器的分辨力。
權利要求
一種提高單壓電層薄膜體聲波傳感器的分辨力的方法，其特徵在於所述方法是在用單壓電層薄膜體聲波傳感器進行特定物質的檢測時，在單壓電層薄膜體聲波傳感器的壓電層上、下電極之間施加的激勵電壓上疊加一個反饋電壓，並在檢測過程中需保持以上反饋電壓的反饋參數不變，以補充薄膜體聲波傳感器部分的聲能損失，降低傳感器的阻尼，從而達到提高薄膜體聲波傳感器的品質因子和質量分辨力的目的；所述反饋電壓是對通過薄膜體聲波傳感器的電流施加一個常數增益和一個常數相位差得到；所述常數增益和常數相位差通過以下方法得到首先對所使用的單壓電層薄膜體聲波傳感器進行測量，通過掃頻法得到與不同增益和相位差所對應的導納或阻抗的幅值和相位隨頻率的變化曲線，根據導納或阻抗的幅值曲線確定與諧振峰對應的頻率，再根據導納或阻抗的相位曲線在該頻率處的斜率的絕對值確定與不同增益和相位差對應的品質因子，在此基礎上進一步確定將傳感器品質因子提高到無反饋控制，即反饋電壓的增益取為零時的品質因子的特定倍數所對應的增益和相位差，該特定倍數即為期望通過主動控制將薄膜體聲波傳感器的分辨力提高的倍數，並在對特定物質實施檢測的過程中保持該增益和相位差不變，該增益和相位差即分別為反饋電壓的常數增益和常數相位差。
2.根據權利要求1所述的提高單壓電層薄膜體聲波傳感器的分辨力的方法，其特徵在 於所述常數增益和常數相位差是通過對傳感器進行測試獲得，具體方法如下設施加在 膜體聲波傳感器的壓電層上、下電極之間的初始激勵電壓為Φ Oei2nft，通過薄膜體聲波傳 感器的電流為i，為了達到補充部分聲能損失的目的，在激勵電壓上疊加一個反饋電壓，該 反饋電壓的幅度是電流i的幅度的α倍，並且相對於電流i有一個相位差θ，即反饋電壓 為iae"，因此施加在傳感器壓電層的上、下電極之間的實際激勵電壓為(Kei2nft+i aei0,根據初始激勵電壓和電流可得到單壓電層薄膜體聲波傳感器的導納和阻抗分別為^W和^^，通過掃頻法得到與不同的α和θ對應的傳感器的導納和阻抗的幅值與相位隨頻 i率的變化曲線，根據導納或阻抗的幅值曲線得到與諧振峰對應的頻率，根據導納或阻抗的 相位曲線在導納或阻抗的幅值曲線的諧振峰處的頻率對應的斜率的絕對值，進一步確定與 不同的α和θ對應的品質因子，在此基礎上確定使傳感器品質因子和分辨力提高到未實 施主動控制即α =0情形的期望倍數所對應的常數增益C^和常數相位差θ ^，該反饋參 數即常數增益和常數相位差的值和θ ^—旦選定後，在整個測試過程中均保持不變。
全文摘要
本發明涉及一種提高單壓電層薄膜體聲波傳感器的分辨力的方法，其是在單壓電層薄膜體聲波傳感器的激勵電壓中增加一個反饋電壓，該反饋電壓是對通過薄膜體聲波傳感器的電流施加一個常數增益和一個常數相位差得到。本發明通過在薄膜體聲波傳感器激勵電壓中加入反饋電壓，可以補充薄膜體聲波傳感器部分的聲能損失，降低傳感器的阻尼，從而達到提高薄膜體聲波傳感器的品質因子和質量分辨力的目的。本發明提出的基於主動控制技術的提高單壓電層薄膜體聲波傳感器的分辨力的方法，可以與薄膜體聲波傳感器的被動隔聲技術同時使用，對厚度伸縮模式和厚度剪切模式的薄膜體聲波傳感器均適用，對石英晶體微天平也同樣適用。
文檔編號G01N29/22GK101900709SQ20101023304
公開日2010年12月1日 申請日期2010年7月22日 優先權日2010年7月22日
發明者劉興, 溫志渝, 賀學鋒, 陳可萬 申請人:重慶大學