[发明专利]一种基于差频式薄膜体声波谐振器的微质量传感器

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；