[发明专利]具有主动抑制声能损失功能的薄膜体声波传感器及方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)领域，特别涉及到薄膜体声波谐振器(FBAR)和薄膜体声波传感器。

背景技术

传感器是获取信息的基本手段，微电子机械系统(MEMS)技术促进了传感器技术向微型化、集成化和智能化方向发展，MEMS传感器同时还具有低成本、低功耗、易集成等优点。声波传感器是一类通用的物理、化学和生物传感器，具有操作简便、速度快、非标记、灵敏度高、检测范围大等优点，在工业过程监测、环境监测、临床医学检验、食品安全检验、毒气检测、药物开发等领域都有广阔的应用前景。近年来，作为生物传感器，声波传感器在生化聚合物、自组装生化膜生长动力学、酶与DNA相互作用、蛋白质相互作用、病毒与细菌、活细胞粘附行为和药物与耙相互作用等方面的研究中发挥了巨大的作用，正逐步成为生化分析的一种重要手段。但是，同质谱、等离子体谐振和椭圆偏光等分析方法相比，声波传感器的灵敏度相对较低，因此声波传感器目前在低浓度小分子检测、药物筛选与生物材料筛选等研究领域应用得并不多。为了进一步扩大声波传感器的应用范围，必须进一步降低其成本，提高其灵敏度，声波传感器的微型化和集成化是达到以上目标的有效手段，已经成为当前国际上研究的热点。

基于微加工技术，国际上开发成功的厚度剪切模式薄膜体声波生化传感器，这种传感器的振动模式与常规的石英晶体微天平一样，均是厚度剪切模式，因此在液态环境也有较高灵敏度，特别适合于生化检测。为了降低的能量泄漏，薄膜体声波传感器一般采用以下两种结构：(1)敏感压电薄膜通过布拉格反射层固定于衬底表面；(2)敏感压电薄膜的下面是金属电极和支撑薄膜，支撑薄膜直接与空气接触。第二种结构的声波的能量泄漏很小，传感器的品质因子和灵敏度高，但这种传感器结构的机械强度低，容易被损坏。第一种传感器采用布拉格反射层将声波尽可能限制在敏感层内，由于与衬底固接，因此传感器机械强度高，不易被损坏；布拉格反射层由多层高声阻材料和低声阻材料交替组成，每层的厚度均为四分之一波长，但由于布拉格发射层仍然会导致声波能量的损失，因此这种结构的传感器灵敏度相对更低。

发明内容

本发明的目的是提出一种利用主动控制技术提高薄膜体声波传感器灵敏度的方法与结构。

为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：

具有主动抑制声能损失功能的薄膜体声波传感器包括硅基片、微加工在基片上的绝缘层、敏感压电层，以及分别位于敏感压电层上、下表面的电极，在敏感压电层下电极与绝缘层之间微加工一主动控制压电层及相应的底部电极。在进行检测时，需要通过对主动控制压电层施加一个与敏感压电层检测电压相关的控制电压，实现对损失的声能进行有效补充，达到提高传感器品质因子和灵敏度的目的。

对主动控制压电层施加的电压与对敏感压电层施加的电压的关系通过以下方法确定：

(1)假设以薄膜体声波传感器第i阶振动频率的变化来确定待测量。首先仅对所述薄膜体声波传感器的敏感压电层施加幅值为V₀的交变检测电压，测得所述薄膜体声波传感器与第i阶振动频率对应的品质因子Q₀，即每次振动损失的声能为

Ecmax=2πEpmax0Q0---(1)]]>

其中E_pmax0表示传感器在检测电压V₀作用下振动时的最大弹性势能，E_cmax表示传感器在每一个振动周期内因损失的声能；

(2)当施加在敏感压电层上的交变检测电压幅值为V_m，施加在主动控制压电层上的交变控制电压幅值为V_c时，根据传感器的期望品质因子Q_e和由上一步测得的声能损失特性，得到每一次振动需要从主动控制压电层得到补充的声能为