CN101294824A - 一种基于微电子机械技术的电磁微扭摆谐振式传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于微电子机械的微结构谐振式传感器，由两个微扭摆谐振器并列放置，微扭摆谐振器上有检测用敏感层膜，另一微扭摆谐振器上有差分检测的非敏感层膜。每个微扭摆谐振器由摆轴和分布在摆轴两边的摆片组成，摆片上布置电磁激励线圈和拾振线圈。注入电流的激励线圈在外加磁场洛伦兹力作用下，产生绕摆轴的扭矩，驱使扭摆的振动，振动信号通过拾振线圈切割磁力线产生的感生电动势拾取，并反馈到激励线圈，形成闭环自激，输出谐振频率。本发明工作于扭转模态，提高了品质因素，差动输出抑制了由于温度等外界因素效应造成的误差，工艺简单，检测灵敏度高，可作为生化传感器用于检测微量生化分子，尤其适用于液相条件的生化检测和传感。

Description

一种基于微电子机械技术的电磁微扭摆谐振式传感器

技术领域

本发明属于微机械传感技术领域，涉及一种基于微电子机械技术(MEMS)的电磁微扭摆结构谐振式传感器。

背景技术

微机械悬臂梁的固有谐振频率取决于悬臂梁的等效刚度及等效质量两个参量，任何能够引起这两个参量改变的待测量都可通过测量微悬臂梁固有谐振频率的变化达到检测的目的。谐振式微悬臂梁在生化传感器方面的典型应用是作为质量敏感器，在悬臂梁上制作的生化敏感层特意性吸附生化分子后，悬臂梁等效质量的变化导致悬臂梁谐振频率改变，测量谐振频率的变化量就可实现待测物的定量分析。谐振式微悬臂梁传感器具有检测灵敏度高、分辨率好、动态响应快以及直接数字量输出等优点，成为生物化学传感器的一个重要研究方向，但由于受粘性液体阻尼、非特异性吸附干扰、MEMS工艺兼容性以及液体中激励和检测方式的选取等因素的影响，谐振式微悬臂梁在液相生化分析和生物传感等领域的应用受到了很大限制。

发明内容

现有技术中微扭摆在液相中振动时阻尼易造成能量损耗，使传感器的品质因数下降；由于温度、薄膜内应力等外界因素效应易造成系统误差；为了解决现有技术的问题，本发明提出一种基于微电子机械技术(MEMS)的微扭摆结构谐振式传感器。

为实现本发明的目的，本发明基于微电子机械技术的电磁微扭摆谐振式传感器解决问题的技术方案是：在衬底上有：

一第一微扭摆谐振器，用于输出可变的第一谐振频率，及

一第二微扭摆谐振器，用于输出固定的第二谐振频率；

一框架，用于将第一微扭摆谐振器和第二微扭摆谐振器相连接。

根据本发明的实施例，第一微扭摆谐振器与第二微扭摆谐振器结构相同、并列放置，用于输出差分谐振频率。

根据本发明的实施例，所述微扭摆谐振式传感器采用微电子机械工艺在单晶硅衬底上制作而成。

根据本发明的实施例，第一微扭摆谐振器和第二微扭摆谐振器及框架的材料是绝缘介质材料或带绝缘介质层的单晶硅或多晶硅。

根据本发明的实施例，框架的绝缘介质材料选择二氧化硅或氮化硅；带绝缘介质层的单晶硅、多晶硅选择二氧化硅、氮化硅或氮氧硅。

根据本发明的实施例，第一微扭摆谐振器和第二微扭摆谐振器中任一个包括：

一对拾振电极及与其连接的拾振电极导线位于框架、摆片和摆轴的上表面，通过拾振电极导线与一对拾振电极连接；

一敏感层位于框架中部的摆片的绝缘介质钝化保护层上，用于检测微量生化分子；

一对电磁激励电极及与其连接的电磁激励电极导线位于框架、摆片和摆轴的上表面，通过电磁激励电极导线连接一对电磁激励电极；

一摆片，摆片两端面分别位于两个摆轴的一端之间；

两个摆轴的另一端分别与框架相连；

一绝缘介质钝化保护层，位于框架上，并且覆盖除电磁激励电极和拾振电极以外的整个区域，用于保护电磁激励电极导线和拾振电极导线。

根据本发明的实施例，第一微扭摆谐振器上的第一敏感层采用敏感膜，用于产生与待测物相关的谐振频率输出信号。

根据本发明的实施例，第二微扭摆谐振器上的第二敏感层采用非敏感层膜，用于只产生与待测物不相关的谐振频率参比信号。

根据本发明的实施例，拾振电极、拾振电极导线、电磁激励电极、电磁激励电极导线通过溅射或蒸发金属于框架、摆片及摆轴上表面通过光刻而形成。

根据本发明的实施例，在除电磁激励电极和拾振电极以外的区域之上采用等离子增强化学气相沉积制作绝缘介质钝化保护层、拾振电极导线和电磁激励电极导线并被绝缘介质钝化保护层覆盖。

根据本发明的实施例，绝缘介质钝化保护层是二氧化硅、或氮化硅和氮氧硅。

根据本发明的实施例，在绝缘介质钝化保护层上制作敏感层的敏感膜，钝化处理制作敏感层的非敏感膜。

本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：

1、本发明采用电磁激励和电磁拾振的闭环自激系统使微扭摆谐振传感器工作于扭转谐振模态，并应用闭环反馈技术补充微扭摆在液相中振动时阻尼造成的能量损耗，提高传感器的品质因数。

2、本发明设置两个结构完全相同的微扭摆谐振器，并采用差动输出，有效抑制由于温度、薄膜内应力等外界因素效应造成的误差。

3、本发明提出一种夹心式微电极，电磁激振和拾振线圈均采用蒸发或溅射的薄膜金属电极制作，并采用钝化介质绝缘材料保护，具有制作工艺简单，适用于液相工作等优点。

本发明可作为生化传感器用于检测微量生化分子，尤其适用于液态条件的生化检测和传感。

附图说明

图1是本发明电磁微扭摆谐振式传感器结构示意图。

图2是本发明电磁微扭摆谐振式传感器其中一个微扭摆谐振器的结构示意图

图3是本发明绝缘介质钝化保护层10的示意图

具体实施方式

下面将结合附图对本发明加以详细说明，应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

如图1是本发明基于微电子机械技术(MEMS)的电磁微扭摆谐振式传感器的实施例，由两个相同结构的第一微扭摆谐振器1和第二微扭摆谐振器2、衬底3及框架4组成，并采用微电子机械工艺在单晶硅衬底3上制作而成。

第一微扭摆谐振器1和第二微扭摆谐振器2及框架4的材料是绝缘介质材料或带绝缘介质层的单晶硅、多晶硅。例如绝缘介质材料采用二氧化硅或氮化硅；例如带绝缘介质层的单晶硅、多晶硅采用二氧化硅、氮化硅或氮氧硅等。衬底3采用矩形硅衬底。

第一微扭摆谐振器1、第二微扭摆谐振器2和框架4对称分布并列放置于衬底3的上表面，第一微扭摆谐振器1、第二微扭摆谐振器2分别与框架4连接。第一微扭摆谐振器1与第二微扭摆谐振器2结构相同、并列放置，用于输出差分谐振频率。第一微扭摆谐振器1和第二微扭摆谐振器2通过电磁激励和拾振方式，均工作于谐振扭转模态，以谐振频率作为输出。第一微扭摆谐振器1，吸附待测生化分子后，等效质量改变，从而输出变化的第一谐振频率，第二微扭摆谐振器2，不吸附待测生化分子，等效质量不改变，输出固定的第二谐振频率。通过测量第一微扭摆谐振器1和第二微扭摆谐振器2谐振频率的差，就可实现待测生化分子的定量分析。

如图2本发明一种电磁微扭摆谐振式传感器其中一个第一微扭摆谐振器1或第二微扭摆谐振器2的结构示意图所示，包括：拾振电极5、敏感层6、电磁激励电极7、摆片8和摆轴9，每个微扭摆谐振器在框架4的两端以及框架4的摆片8和摆轴9之上面置有敏感层6、拾振电极5和电磁激励电极7，敏感层6位于在摆片8之上。第一微扭摆谐振器1和第二微扭摆谐振器2中任一个的具体形式为：

一对拾振电极5及与其连接的拾振电极导线5a位于框架4、摆片8和摆轴9的上表面，通过拾振电极导线5a与一对拾振电极5连接，用于拾取由于摆片8绕摆轴9的扭转振动切割磁力线而产生的感生电动势；

一对敏感层6位于框架4中部的摆片8的绝缘介质钝化保护层10上，用于检测微量生化分子；

一对电磁激励电极7及与其连接的电磁激励电极导线7a位于框架4、摆片8和摆轴9的上表面，通过电磁激励电极导线7a连接一对电磁激励电极7，用于提供交变电流，在洛仑兹力作用下电磁激励电极7产生电磁力扭矩；

一摆片8，摆片8两端面分别位于两个摆轴9的一端之间，用于接受电磁力扭矩并产生绕摆轴9的扭转振动；

一对摆轴9的另一端分别与框架4相连；

一绝缘介质钝化保护层10，位于框架4上，并且覆盖除电磁激励电极7和拾振电极5以外的整个区域，用于保护电磁激励电极导线7a和拾振电极导线5a。

所述第一微扭摆谐振器1和第二微扭摆谐振器2采用电磁激励和电磁检测，当有交变的电流I通过电磁激励电极导线7a时，位于摆片8一端上的电磁激励电极导线7a在外加磁场B的洛伦兹力F的作用下，产生绕两摆轴9的扭矩，该扭矩驱使摆片8工作于具有比弯曲模态较高品质因素的扭转模态，摆片8另一端上的电磁拾振电极导线5a跟随摆片8作扭转运动，同时切割磁力线产生感生电动势，通过外加电路拾取、放大该信号，并反馈到电磁激励电极7的输入端，形成闭环自激，输出谐振频率。

所述的电磁激励电极7、电磁激励电极导线7a、拾振电极5和拾振电极导线5a是通过溅射或蒸发金属于框架4及第一微扭摆谐振器1和第二微扭摆谐振器2上表面通过光刻而形成。

在除电磁激励电极7和拾振电极5以外的区域之上采用等离子增强化学气相沉积(PECVD)方法制作二氧化硅、氮化硅或氮氧硅等绝缘介质钝化保护层10以保护电磁激励电极导线7a和拾振电极导线5a，在绝缘介质钝化保护层10上制作第一敏感层6和第二敏感层6，第一敏感层6和第二敏感层6制成敏感膜和非敏感膜(敏感膜钝化处理)，以保证在液态条件下的正常工作加图3绝缘介质钝化保护层10的示意图。

第一微扭摆谐振器1上的第一敏感层6采用敏感膜，敏感膜特意性吸附生化分子后，第一微扭摆谐振器1等效质量变化导致其谐振频率改变，产生与待测物相关的谐振频率输出信号。

第二微扭摆谐振器2上的第二敏感层6采用非敏感层膜(敏感膜钝化处理)，不特意性吸附生化分子，第二微扭摆谐振器2等效质量不发生变化，其谐振频率不改变，只产生与待测物不相关的谐振频率参比信号。二者构成差分检测，有效抑制由于温度等外界因素效应造成的误差。

测量第一微扭摆谐振器1和第二微扭摆谐振器2的谐振频率的差就可实现待测物的定量分析。

本发明的制作基于体硅微机械加工技术。

实施方案1：采用介质层作为扭摆材料，制作过程中需要四次光刻，最大的特点是工艺制作简单。制作过程简述如下：

1)硅片表面介质层(二氧化硅及低应力氮化硅)2～3μm生长；

2)激励和拾振金属电极(Cr+Au，0.2μm)蒸发或溅射生长及图形化；

3)钝化介质保护层(0.5～1μm)PECVD生长；

4)敏感层生长及图形化；

5)背面硅深刻蚀至二氧化硅介质层；

6)正面介质层反应等离子刻蚀(RIE)以释放微扭摆结构。

实施方案2：采用SOI(Silicon On Insulator)基片，以SOI的器件层(2～3μm)作为微扭摆材料。与实施方案1类似：

1)SOI(Silicon On Insulator)基片氧化；

2)激励和拾振金属电极(Cr+Au，0.2μm)蒸发或溅射生长及图形化；

3)钝化介质保护层(0.5～1μm)PECVD生长；

4)敏感层生长及图形化；

5)背面硅深刻蚀至二氧化硅介质层；

6)正面介质层及SOI的器件层反应等离子刻蚀(RIE)及深刻蚀以释放微扭摆结构。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (9)

1、一种基于微电子机械技术的电磁微扭摆谐振式传感器，其特征在于，包括：

在衬底(3)上有：

一第一微扭摆谐振器(1)，用于输出可变的第一谐振频率，及

一第二微扭摆谐振器(2)，用于输出固定的第二谐振频率；

一框架(4)，用于将第一微扭摆谐振器(1)和第二微扭摆谐振器(2)相连接。

2、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，还包括：第一微扭摆谐振器(1)与第二微扭摆谐振器(2)结构相同、并列放置，用于输出差分谐振频率。

3、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述微扭摆谐振式传感器采用微电子机械工艺在单晶硅衬底(3)上制作而成。

4、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述第一微扭摆谐振器1和第二微扭摆谐振器(2)及框架(4)的材料是绝缘介质材料或带绝缘介质层的单晶硅或多晶硅；所述绝缘介质材料选择二氧化硅或氮化硅；所述带绝缘介质层的单晶硅、多晶硅选择二氧化硅、氮化硅或氮氧硅。

5、根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，第一微扭摆谐振器(1)和第二微扭摆谐振器(2)中任一个包括：

一对拾振电极(5)及与其连接的拾振电极导线(5a)位于框架(4)、摆片(8)和摆轴(9)的上表面，通过拾振电极导线(5a)连接一对拾振电极(5)；

一敏感层(6)位于框架(4)中部的摆片(8)的绝缘介质钝化保护层(10)上，用于检测微量生化分子；

一对电磁激励电极(7)及与其连接的电磁激励电极导线(7a)位于框架(4)、摆片(8)和摆轴(9)的上表面，通过电磁激励电极导线(7a)连接一对电磁激励电极(7)；

一摆片(8)的两端面分别位于两个摆轴(9)的一端之间；

一对摆轴(9)的另一端分别与框架(4)相连；

一绝缘介质钝化保护层(10)，位于框架(4)上，并且覆盖除电磁激励电极(7)和拾振电极(5)以外的整个区域，用于保护电磁激励电极导线(7a)和拾振电极导线(5a)。

6、根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，还包括：第一微扭摆谐振器(1)上的第一敏感层(6)采用敏感膜，用于产生与待测物相关的谐振频率输出信号，在绝缘介质钝化保护层(10)上制作敏感层(6)的敏感膜。

7、根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，还包括：第二微扭摆谐振器(2)上的第二敏感层(6)采用非敏感层膜，用于只产生与待测物不相关的谐振频率参比信号，钝化处理制作敏感层(6)的非敏感膜。

8、根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，在除电磁激励电极(7)和拾振电极(5)以外的区域之上采用等离子增强化学气相沉积制作绝缘介质钝化保护层(10)，以保护拾振电极导线(5a)和电磁激励电极导线(7a)。

9、根据权利要求8所述的传感器，其特征在于，绝缘介质钝化保护层(10)是二氧化硅、或氮化硅和氮氧硅。

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