一种基于差频式薄膜体声波谐振器的微质量传感器

摘要

本发明的基于差频式薄膜体声波谐振器的微质量传感器，包括用于质量传感的质量传感薄膜体声波谐振器、用于产生参考频率的薄膜体声波谐振器、第一和第二高频振荡电路和高频放大、高频混频和低通滤波电路，及频率测量和显示装置；第一和第二高频振荡电路分别与质量传感薄膜体声波谐振器和薄膜体声波谐振器组成第一和第二高频振荡器；当质量传感薄膜体声波谐振器上的质量负载有微小的变化时，第一高频振荡器输出高频信号频率将产生小的偏移；第二高频振荡器产生的参考高频信号经过高频放大后，与第一高频振荡器输出的高频信号共同输到高频混频电路上混频，再输出经过低通滤波电路得微质量负载引起的频率变化量，并通过频率测量和显示装置直接给出。

说明书

技术领域

本发明涉及一种对极微小质量进行高精度测量的微质量传感器，特别涉及一种基于差频式薄膜体声波谐振器(FBAR)的微质量传感器。

发明背景

微质量传感器是一种将微小的质量变化转化为频率信号的传感器。它正在被越来越多地应用于化学和生物环境中，用以进行气体和液体的成分分析、微质量的测量、薄膜厚度的测量以及压力检测等。在军事和安全方面，它也有着很重要的用途，可以用作地铁、客车、剧院等人口众多地点的有毒气体探测和爆炸物的检测等，以防止恐怖事件的发生。

目前已知的石英晶体微量天平(Quartz Crystal Microbalance，简称QCM)是一个典型的微质量传感器，在不同的领域得到广泛的应用。这种传感器利用了石英晶体谐振器的谐振特性，将石英晶体谐振器电极表面质量的变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化。由于石英晶体不可能做得很薄，因此其工作基频一般在几十兆赫兹以下。这样，对极微小的质量的测量就有很大的困难。

和已知的石英晶体微量天平(QCM)相比，本发明有二个突出的优点，一是提高了质量传感器的灵敏度；二是提高了测量的准确性，克服了外界环境(如环境温度等)对传感器系统的影响。

发明内容

本发明的目的就是为了解决上述晶体微量天平(QCM)灵敏度低的困难，而提供一种基于差频式薄膜体声波谐振器(FBAR)的微质量传感器，该微质量传感器为采用了基于薄膜体声波谐振器(FBAR)的微质量传感器，它的谐振频率可以达到几千兆赫兹，从而大大地提高传感质量的灵敏度。由于采用了差频式的结构，可以精确地测量频率变化量，从而也大大地提高了测量准确度，并可以消除外界环境(如环境温度等)对系统的影响。

本发明的技术方案如下：    

本发明提供的基于差频式薄膜体声波谐振器的微质量传感器，包括：

用于质量传感的质量传感薄膜体声波谐振器100、用于产生参考频率的薄膜体声波谐振器200、第一高频振荡电路300、第二高频振荡电路400、DC/DC直流升压偏置电路500、高频放大电路600、高频混频电路700、低通滤波电路800和频率测量和显示装置900；

所述用于质量传感的质量传感薄膜体声波谐振器100和第一高频振荡电路300一起构成第一高频振荡器，产生一高频信号f₀₁，当质量传感薄膜体声波谐振器100上的质量负载有微小的变化时，第一高频振荡电路300输出信号的频率也相应地变化，即输出的高频信号频率为f₀₁-Δf，其中，频率的变化量Δf是质量负载引起的；

所述用于产生参考频率的薄膜体声波谐振器200和第二高频振荡电路400一起构成第二高频振荡器，产生一参考的高频信号f₀₂(理想的情况下，f₀₁＝f₀₂)，此信号经过高频放大电路600放大后与第一高频振荡电路300输出信号共同作为输入端连接到高频混频电路700上进行混频，混频后的输出经过低通滤波电路800得到微质量负载引起的频率变化量Δf，此频率变化量通过频率测量和显示装置900直接给出。

本发明提供的基于差频式薄膜体声波谐振器的微质量传感器，还可包括一DC/DC直流升压偏置电路500；所述DC/DC直流升压偏置电路500通过一个大的电阻或电感元件加到薄膜体声波谐振器200上产生一个高于供电电压的直流电压；此直流电压用于微调薄膜体声波谐振器200的频率。

当薄膜体声波谐振器(FBAR)100和用于产生参考频率的薄膜体声波谐振器200的谐振频率比较接近时，所述DC/DC直流升压偏置电路(500)也可以不设。

所述的质量传感薄膜体声波谐振器100和薄膜体声波谐振器200为制作在一片基片上二个相同的单元；

所述质量传感薄膜体声波谐振器100和薄膜体声波谐振器200封装在同一管壳内，或者经切割后封装在不同的管壳内。

所述的质量传感薄膜体声波谐振器100和薄膜体声波谐振器200工作在基频或高次谐波上。

所述的质量传感薄膜体声波谐振器100由基片106和依次覆于所述基片106的支撑层105、下电极104、压电薄膜103、绝缘层102和上电极101组成；

所述基片106为半导体工艺中常用的掺杂硅基片、本征硅基片或砷化镓基片；

所述支撑层105为淀积在所述基片106上的低应力氮化硅膜、直接热氧化在基片106上的二氧化硅膜；或为注入或扩散在基片106上的浓硼扩散膜；

所述下电极104为金属电极；该金属电极为铝电极、金电极、铝/钛复合层金属电极，或金铬复合层电极；所述下电极104引出导线与模拟地线相连接；

当所述的支撑层105是较好的导电层时(如浓硼扩散的形成的膜)，所述的下电极104可以没有，导线可以直接从所述的支撑层105引出与模拟地线相连接；

所述压电薄膜103为磁控溅射方法生成的压电薄膜、化学微加工方法制作的压电单晶薄膜、或为用Sol-gel溶胶法制作的PZT压电薄膜；其厚度为0.1微米～30微米。

所述绝缘层102为用磁控溅射方法生成的二氧化硅层、LTO绝缘层；所述的绝缘层102也可以没有；

所述上电极101为铝或金金属电极；或者为铝/钛复合层金属电极，或者为金铬复合层电极；所述的上电极101引出导线与所述的第一高频振荡电路300相连接；所述上电极101为质量传感的敏感区；

所述的薄膜体声波谐振器200的上电极201引出导线与所述的第二高频振荡电路400和所述的DC/DC直流升压偏置电路500相连接；

所述第一高频振荡电路300为由半导体晶体管或集成放大器及电阻、电容和电感构成的振荡电路(例如Colpitts等)；

所述第一高频振荡器产生的高频信号作为信号端连接到所述的高频混频电路700；

所述的第二高频振荡电路400由半导体晶体管或集成放大器及电阻、电容和电感构成的振荡电路(例如Colpitts等)；

所述第二高频振荡器产生的高频信号经所述高频放大电路600放大后，作为本振端连接到所述的高频混频电路700；

所述高频放大电路600为单个晶体管放大器或集成放大器及电阻、电容和电感组成的放大电路，将所述第二高频振荡电路400的信号进行放大到满足所述高频混频电路700本振端所需要的信号幅度；

所述的高频混频电路700由高频混频器及电阻、电容和电感组成的混频电路；其信号输入端和所述第一高频振荡电路300输出端相连接，高频混频电路700的本振输入端与所述高频放大电路600输出端相连接；所述高频混频电路700的混频输出连接到所述低通滤波电路800的输入端；

所述低通滤波电路800为由晶体管或集成放大器及电阻、电容和电感组成的有源低通滤波器，或者为由电阻、电容和电感组成的无源滤波器，以滤掉高频混频电路700的混频输出的高频分量，而保留所述第一高频振荡电路300和第二高频振荡电路400的差频信号分量，即低频频率分量；所述低通滤波电路800的滤波输出作为输入连接到所述的频率测量和显示装置900上；

所述的频率测量和显示装置900包括对低频信号的高精度频率测量电路、显示驱动电路和显示部分，以将所述第一高频振荡电路300和第二高频振荡电路400的差频信号分量转换成相应的质量显示出来或输出到别的智能设备上去。

所述的磁控溅射方法生成的压电薄膜为ZnO压电薄膜或AlN压电薄膜；所述的化学微加工方法制作的压电单晶薄膜为LiNbO₃压电单晶薄膜或LiTaO₃压电单晶薄膜；

所述的DC/DC直流升压偏置电路500产生一个高于供电电源电压的直流电压，并通过一个大的电阻或电感元件供给所述薄膜体声波谐振器200直流偏置电压，以微调薄膜体声波谐振器200的谐振频率；所述DC/DC直流升压偏置电路500为电感开关泵压电路，或者为采用电容/二极管阵的电荷泵压电路；所述一个大的电阻的阻值为1K～10G欧姆。

在所述质量传感薄膜体声波谐振器100的质量敏感区域，即所述上电极101或/和所述的支撑层105的敏感区域放置一层选择性气体吸附膜108；所述的选择性气体吸附膜108暴露在被监测的气体环境中，用以检测被检测气体环境中被吸附气体的浓度；所述支撑层105的敏感区域为所述上电极101在所述支撑层105上的垂直投影区域。

所述的选择性气体吸附膜(108)为ZSE-5纳米分子筛吸附膜或者为吸附三过氧化三丙酮的纳米分子筛吸附膜或者别的气体吸附膜。

所述的质量传感薄膜体声波谐振器100的支撑层105的敏感区域放置一层选择性离子吸附膜109；所述选择性离子吸附膜109和所述的薄膜体声波谐振器200的支撑层的敏感区域浸泡在被监测的液体环境中，用以检测液体环境中被吸附物质或离子的浓度；所述质量传感薄膜体声波谐振器100的支撑层105的敏感区域是指所述上电极101在所述支撑层105上的垂直投影区域；所述薄膜体声波谐振器200支撑层的敏感区域是指所述上电极201在所述支撑层105上的垂直投影区域。

与现有的技术相比，本发明有三个突出的优点：

(1)由于谐振器的工作频率高(如1GHz)，因此可以大大地提高质量传感器的灵敏度；

(2)由于采用差频式结构，提高了频率测量的准确性，同时也克服了外界环境(如环境温度等)对传感器系统的影响。

(3)由于制作薄膜体声波谐振器(FBAR)与通常的半导体工艺兼容，因此，容易和后续的电路进行一体化集成，即构成单芯片系统(System On a Chip，简称SOC)。

附图说明

图1是基于差频式薄膜体声波谐振器(FBAR)的微质量传感器系统的原理性框图；

图2是应用于微质量传感时薄膜体声波谐振器(FBAR)的结构示意图；

图3是应用于气体环境中可选择性气体吸附时薄膜体声波谐振器(FBAR)的结构示意图；

图4是应用于液体环境中可选择性物质或离子吸附时薄膜体声波谐振器(FBAR)的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例将详述本发明用作微质量传感器的情况(参考图1)，本实施例包括用于质量传感的质量传感薄膜体声波谐振器(FBAR)100、用于产生参考频率的薄膜体声波谐振器(FBAR)200、第一高频振荡电路300、第二高频振荡电路400、DC/DC直流升压偏置电路500、高频放大电路600、高频混频电路700、低通滤波电路800和频率测量和显示装置900；

本实施例的工作原理是这样的：用于质量传感的质量传感薄膜体声波谐振器(FBAR)100和第一高频振荡电路300一起构成第一高频振荡器，产生一高频信号f₀₁(如f₀₁＝1GHz)。当质量传感薄膜体声波谐振器(FBAR)100上的质量负载有微小的变化时，第一高频振荡电路300输出信号的频率也相应地变化，即输出区域是指所述上电极201在所述支撑层105上的垂直投影区域。

与现有的技术相比，本发明有三个突出的优点：

(1)由于谐振器的工作频率高(如1GHz)，因此可以大大地提高质量传感器的灵敏度；

(2)由于采用差频式结构，提高了频率测量的准确性，同时也克服了外界环境(如环境温度等)对传感器系统的影响。

(3)由于制作薄膜体声波谐振器(FBAR)与通常的半导体工艺兼容，因此，容易和后续的电路进行一体化集成，即构成单芯片系统(System On a Chip，简称SOC)。

附图说明

图1是基于差频式薄膜体声波谐振器(FBAR)的微质量传感器系统的原理性框图；

图2是应用于微质量传感时薄膜体声波谐振器(FBAR)的结构示意图；

图3是应用于气体环境中可选择性气体吸附时薄膜体声波谐振器(FBAR)的结构示意图；

图4是应用于液体环境中可选择性物质或离子吸附时薄膜体声波谐振器(FBAR)的结构示意图。

具体实施方式

实施例1

本实施例将详述本发明用作微质量传感器的情况(参考图1)，本实施例包括用于质量传感的质量传感薄膜体声波谐振器(FBAR)100、用于产生参考频率的薄膜体声波谐振器(FBAR)200、第一高频振荡电路300、第二高频振荡电路400、DC/DC直流升压偏置电路500、高频放大电路600、高频混频电路700、低通滤波电路800和频率测量和显示装置900；

本实施例的工作原理是这样的：用于质量传感的质量传感薄膜体声波谐振器(FBAR)100和第一高频振荡电路300一起构成第一高频振荡器，产生一高频信号f₀₁(如f₀₁＝1GHz)。当质量传感薄膜体声波谐振器(FBAR)100上的质量负载有微小的变化时，第一高频振荡电路300输出信号的频率也相应地变化，即输出也可以是化学微加工方法(CMP)制作的压电单晶薄膜(如LiNbO₃、LiTaO₃)，也可以是用溶胶法(Sol-gel)制作的压电薄膜(如Sol-gel方法制作的PZT压电薄膜)。所述的压电薄膜103的厚度决定薄膜体声波谐振器(FBAR)100的振荡频率。

所述的绝缘层102可以是用磁控溅射方法生成的二氧化硅(SiO2)，也可以是别的方法制作的绝缘层(如LTO)等，也可以没有。所述的绝缘层102作用是避免所述的压电薄膜103上的小的缺陷或针孔引起的直流短路或击穿。

所述的上电极101通常是一种金属电极(如铝，金等)，可以是铝/钛(Al/Ti)复合层金属电极，也可以是金铬复合层(Au/Cr)电极。所述的上电极101引出导线与所述的第一振荡电路300相连接。所述的上电极101通常是用于质量传感的敏感区域。

所述的用于产生参考频率的薄膜体声波谐振器(FBAR)200和所述的用于质量传感的薄膜体声波谐振器(FBAR)100相同的部分，这里不再重述。不同的部分包括：a)所述的用于产生参考频率的薄膜体声波谐振器(FBAR)200的上电极不再用于质量传感；b)所述的用于产生参考频率的薄膜体声波谐振器(FBAR)200的上电极201引出导线与所述的第二振荡电路400和所述的DC/DC直流升压偏置电路500相连接。

所述的第一高频振荡电路300是由半导体晶体管或集成放大器及若干个电阻、电容和电感构成的振荡电路(例如Colpitts振荡电路)组成，和所述的用于产生参考频率的薄膜体声波谐振器(FBAR)100一起构成一个高频振荡器，产生一高频信号作为信号端连接到所述的高频混频电路700。

所述的第二高频振荡电路400是由半导体晶体管或集成放大器及若干个电阻、电容和电感构成的振荡电路(例如Colpitts振荡电路)，和所述的用于产生参考频率的薄膜体声波谐振器(FBAR)200一起构成一个高频振荡器，产生一高频信号，此信号经所述的高频放大电路600放大后，作为本振端连接到所述的高频混频电路700。

所述的DC/DC直流升压偏置电路500产生一个高于供电电源电压的直流电压，并通过一个大的电阻或电感元件给所述的用于产生参考频率的薄膜体声波谐振器(FBAR)200直流偏置电压，以微调其谐振频率。它可以是采用电感的开关泵压电路，也可以是采用电容/二极管阵的电荷泵压电路。当薄膜体声波谐振器(FBAR)100和200的谐振频率比较接近时，所述DC/DC直流升压偏置电路(500)也可以没有；

所述的高频放大电路600是单个晶体管放大器或集成放大器及若干个电阻、电容和电感组成的放大电路，将所述的高频振荡电路400的信号进行放大到满足所述的高频混频电路700本振端所需要的信号幅度。    

所述的高频混频电路700是由高频混频器及若干个电阻、电容和电感组成的混频电路。它的信号输入端和所述的高频振荡电路300的输出端相连接，它的本振输入端与所述的高频放大电路600的输出端相连接。所述的高频混频电路700的混频输出连接到所述的低通滤波电路800的输入端。

所述的低通滤波电路800可以是由晶体管或集成放大器及若干个电阻、电容和电感组成的有源低通滤波器，也可以只有若干个电阻、电容和电感组成无源滤波器。它的作用是将高频混频电路700的混频输出的高频分量滤掉，只保留所述的高频振荡电路300和400的差频信号分量，即低频频率分量。所述的低通滤波电路800的滤波输出作为输入连接到所述的频率测量和显示装置900上。

所述的频率测量和显示装置900包括对低频信号的高精度频率测量电路、显示驱动电路和显示部分。它的功能是将所述的高频振荡电路300和400的差频信号分量转换成相应的质量显示出来或输出到别的智能设备上去。

实施例2

本实施例将详述本发明在气体环境中用作选择性物质质量传感的应用(参考图3)。与实施例1相同的部分，不再重述。

从图3可以看出，本实施例中在所述的用于质量传感的薄膜体声波谐振器(FBAR)100的质量敏感区域即所述的上电极101和所述的支撑层105的敏感区域放置一层选择性气体吸附膜108。在实际的应用中，只有所述的选择性气体吸附膜108暴露在被监测的气体环境中，而其他的部分则与被监测气体环境隔离。

当被监测的气体环境中出现所要吸附的气体分子时，所述的选择性气体吸附膜108将气体分子吸附住，这样作用在所述的用于质量传感的薄膜体声波谐振器(FBAR)100的质量负载就增加，从而引起所述的用于质量传感的薄膜体声波谐振器(FBAR)100的谐振频率发生变化。这种变化将被检测出来，从可以知道被检测气体环境种，某些被吸附气体的浓度。

所述的选择性气体吸附膜108可以只在质量敏感区所述的上电极101上放置，也可以只在所述的支撑层105的敏感区域放置；也可以同时在二个质量敏感区域同时放置。

示例性应用1，这里给出用ZSE-5纳米分子筛作为选择性吸附膜，用于检测神经类毒剂沙林的相似物甲基磷酸二甲脂(DMMP)气体的情况。此时，所述的质量传感器的可作为神经毒气传感器，用于化学分析和反恐中。

将乙醇溶解合成的针对甲基磷酸二甲脂(DMMP)分子直径大小的ZSE-5纳米分子筛，经超声后，让他们充分溶解。然后，涂在所述的用于质量传感的薄膜体声波谐振器(FBAR)100的敏感区域，形成所述的选择性吸附膜108。这样，当被检测的环境中有甲基磷酸二甲脂(DMMP)分子时，所述的选择性吸附膜108就会将其吸附，从而引起所述的用于质量传感的薄膜体声波谐振器(FBAR)100的谐振频率发生变化。这种变化将被检测出来，从可以知道被检测气体环境种，基磷酸二甲脂(DMMP)气体的浓度。

示例性应用2，当所述的选择性吸附膜108是吸附三过氧化三丙酮(Triacetone-triperoxide，简称TATP)的纳米分子筛吸附膜时，本发明就可以用作检测空气中的三过氧化三丙酮分子，应用于火车站、地铁、商场等公共场合的爆炸物安全检测。三过氧化三丙酮是在伦敦爆炸案中恐怖分子使用的一种非硝基烈性炸药。

实施例3

本实施例将详述本发明在液体环境中用作选择性物质质量传感的应用(参考图4)。与实施例1和实施例2相同的部分，不再重述。

从图4可以看出，本实施例中在所述的用于质量传感的薄膜体声波谐振器(FBAR)100的支撑层105的敏感区域放置一层选择性离子吸附膜109。在实际的应用中，只有所述的选择性离子吸附膜109和所述的用于产生参考频率的薄膜体声波谐振器(FBAR)200支撑层的敏感区域浸泡在被监测的液体环境中，而其他的部分则与被监测环境隔离。

当被监测的液体环境中出现所要吸附的物质或离子时，所述的选择性气体吸附膜109将它们吸附住，这样作用在所述的用于质量传感的薄膜体声波谐振器(FBAR)100的质量负载就增加，从而引起所述的用于质量传感的薄膜体声波谐振器(FBAR)100的谐振频率发生变化。这种变化将被检测出来，从可以知道被检测液体环境种，某些被吸附物质或离子的浓度。