CN101666672B - 一种基于fbar的微质量检测传感电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于FBAR的微质量检测传感电路，包括：作为传感源的第一FBAR和作为参考源的第二FBAR；对第一FBAR和第二FBAR的输出信号分别进行变频的第一N分频电路和第二N分频电路；基于时钟源产生周期性计数信号的定时器；由计数信号触发，分别对第一N分频电路和第二N分频电路输出信号进行计数的第一计数器和第二计数器；接收第一计数器和第二计数器计数结果，计算两者差值的减法器；接收减法器计算结果计算微质量负载的质量的传感信息处理模块；驱动第一计数器、第二计数器、定时器和传感信息处理模块同步工作的时钟源。本发明检测系统通过两个FBAR来检测微小物质的质量，具有敏感度高，检测准确的优点。

Description

一种基于FBAR的微质量检测传感电路

技术领域

本发明涉及微质量检测领域，尤其涉及一种基于FBAR的微质量检测传感电路。

背景技术

压电传感器在微质量检测领域有广泛的应用前景，其传感原理是压电传感器工作在谐振状态，当有质量负载沉积到振动体表面时，其谐振频率会发生漂移，检测出频率的漂移量，再通过计算便可获得沉积物质的质量大小，其传感敏感度主要取决于工作频率和品质因子Q。

目前这类传感器主要有声表面波传感器(SAW)和体声波传感器(BAW)。SAW是利用叉指电极发射和接收声表面波来传感，优点是结构简单，便于信号变换和处理，缺点是体积较大，且与半导体工艺不兼容。BAW主要是利用压电晶体中纵波或剪切模式的体声波来传感，目前已有比较成熟的石英晶片微天平(QCM)。

薄膜体声波谐振器(FBAR)也是BAW的一种，其构造是由半波长的压电薄膜和其上下表面电极组成的三明治结构，上下电极作用是馈入电场和形成声全反射层，压电薄膜(目前主要是AlN或ZnO)在该电场下产生射频段声波的纵波谐振。

FBAR用作传感器具有其它传感器所没有的优点：①FABR工作频率高，可达20GHz以上、品质因子高、插损低，具有极高的敏感度，可以实现纳克量级的传感。这是目前传感器中敏感度最高的。2005年加州大学的Hao Zhang等研究了Al/ZnO/Al和空气腔结构的FABR传感器，其质量传感的敏感度是QCM的57倍。②低功耗和优良无线传输特性，是无线传感网络(WSN)的理想节点解决方案。③FBAR兼容半导体工艺，可以将传感和无线收发集成在一个IC中，并可以微区传感。④结构简单、性能可靠、成本低廉。

发明内容

本发明提供了一种灵敏度高的基于FBAR的微质量检测传感电路。

一种基于FBAR的微质量检测传感电路，包括：

用于检测微质量负载的作为传感源的第一FBAR和作为参考源的第二FBAR；

对第一FBAR输出信号进行变频的第一N分频电路以及对第二FBAR输出信号进行变频的第二N分频电路；

基于时钟源产生周期性计数信号的定时器；

由计数信号触发，对第一N分频电路输出信号进行计数的第一计器和对第二N分频电路输出信号进行计数的第二计数器；

接收第一计数器和第二计数器计数结果，计算两者差值的减法器；

接收减法器计算结果计算微质量负载的质量的传感信息处理模块；

驱动第一计数器、第二计数器、定时器和传感信息处理模块同步工作的时钟源。

所述第一FBAR的上电极或下电极表面淀积有微小物质吸附薄膜，可以吸附一种或几种特定微小物质，特定的薄膜吸附特定的微小物质，例如淀积TiO₂，其表面有自由的OH^-和Ti-O^-，可以吸附K⁺，淀积Au，可吸附Hg²⁺，还可淀积薄膜吸附蛋白质、DNA等有机物。

所述第二FBAR顶部未淀积微小物质吸附薄膜，或者密封不与外界接触，使之对工作环境中的微小质量因素不敏感。

所述第一FBAR和第二FBAR初始谐振频率相同，且处于相同工作环境中，可以差分抵消环境噪声、温度漂移等影响。

所述的第一N分频电路和第二N分频电路将FBAR的谐振频率降至电路可以处理的频率，为实现频率采样，降至的频率通常小于时钟源的工作频率的1/2；为方便实现，分频比N通常取2的整数次幂。分频比N越小，整个微质量检测电路的精度越高，优选设置在2⁶～2¹⁰。

在传感器的灵敏度范围内，所述定时器产生的计数触发信号周期越长，整个微质量检测电路的精度越高，即电路可以检测更小质量的微质量负载，其工作原理如下：

第一FBAR原有谐振频率为f_s，附着微质量负载后，其谐振频率变为f_s′，谐振频率变化大小为Δf，因此有：

              f_s′＝f_s-Δf_s                  (1)

而作为参考源的第二FBAR，谐振频率仍然保持为f_s。

经过N分频电路N分频后，传感源信号分频变为

参考源信号分频变为

定时器会产生周期性的计数信号，在一个计数周期T内，对第一N分频电路和第二N分频电路输出信号进行计数，传感源脉冲个数为参考源脉冲个数为

参考源计数脉冲个数减去传感源计数脉冲得两者脉冲计数差S，如下：

$S=\frac{1}{N}\mathrm{T\Δ}{f}_s---\left(2\right)$

一般情况下S为整数。

当S≥1时，即可得出结论：已检测到了微质量负载附着在FBAR上。故系统能检测到的最小质量引起的谐振频率的变化Δf至少要使得S＝1，此即系统的检测精度必须满足的条件。此时有：

$\frac{1}{N}\mathrm{T\Δ}{f}_s=1---\left(3\right)$

所述的传感信息处理模块通过微质量负载的质量和频率差值的对应关系，得出吸附在第一FBAR上的微质量负载的质量，其原理如下：

图4(a)和图4(b)为本发明检测电路无负载和有负载情况下第一FBAR的BVD(Butterworth-Van Dyke)等效电路，该等效电路中C₀为FBAR的静态电容，C_m、L_m、R_m分别表示第一FBAR的动态电容、动态电感和回路损耗，它们均和FBAR的物理参数和增加的负载有关。

$C_0=\frac{\mathrm{\ϵA}}{d_0}---\left(4a\right)$

$C_m=\frac{{8k}_t^2{C}_0}{{\mathrm{\π}}^2}---\left(4b\right)$

$L_m=\frac{1}{4{\mathrm{\π}}^2{f}_S^2{C}_m}---\left(4c\right)$

$R_m=\frac{{\mathrm{\η}}_0}{{\mathrm{\ρ}}_0{v}_0^2{C}_m}{\left(\frac{f}{f_S}\right)}^2---\left(4d\right)$

$L_3=\frac{4f_S{L}_m{\mathrm{\ρ}}_3{d}_3}{{\mathrm{\ρ}}_0{v}_0}---\left(4e\right)$

其中，ε是压电层电导率，A是FBAR压电工作区的面积，d₀是压电层厚度，k_t ²是机电耦合系数，η₀是压电层的声学粘性，ρ₀是压电层的密度，ρ₃是微质量负载的密度，d₃是所增加的微质量负载的厚度，L₃是微质量负载附着于FBAR引起的动态电感的变化，v₀是压电层的纵波声速，f是FBAR的激发频率，f_s是FBAR初始的谐振频率且

$f_s=\frac{v_0}{2d_0}---\left(5\right)$

该等效电路平时工作在谐振频率f_s的谐振点，当FBAR吸附微质量负载时，根据等效电路谐振可得其谐振频率变为f_s′：

$f_S^{\′}=\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{{{L_m}^{\′}C}_m}}---\left(6\right)$

其中，L_m′＝L_m+L₃。

由上述方程可以推到出式(7)

$\frac{\mathrm{\Δ}{f}_s}{f_s}=\frac{f_s^{\′}-f_s}{f_s}=\sqrt{\frac{L_m}{{L_m}^{\′}}}-1={(1-\frac{L_3}{L_m+L_3})}^{\frac{1}{2}}-1---\left(7\right)$

因为微质量负载附着于第一FBAR引起的动态电感的变化量L₃相对于其动态电感L_m非常小，即L₃＜＜L_m，可求极限化简(7)得

$\frac{\mathrm{\Δ}{f}_s}{f_s}\≈-\frac{1}{2}\·\frac{L_3}{L_m+L_3}\≈-\frac{L_3}{2L_m}---\left(8\right)$

将4(c)、4(e)和(5)代入简化得：

$\frac{{\mathrm{\Δf}}_s}{f_s}\≈-\frac{{\mathrm{\ρ}}_3{d}_3}{{\mathrm{\ρ}}_0{d}_0}=-\frac{{\mathrm{\ρ}}_3{d}_{3}A}{{\mathrm{\ρ}}_0{d}_{0}A}=-\frac{\mathrm{\Δm}}{M}---\left(9\right)$

其中，Am是微质量负载的质量，M是FBAR的压电工作区的质量，式(9)是经典Sauerbrey方程形式，表示声波谐振器的谐振频率差与谐振器吸附质量成线性关系。负号表示质量增加，FBAR谐振频率减小。需注意的是：方程两边的比值小于2％时式(9)才成立，即最大质量负载不能超过FBAR压电工作区的质量的2％，这是由于当质量负载过大时，Sauerbrey方程的基于微扰的前提假设就失效了。

当S＝1时，由(3)和(9)推得

$\mathrm{\Δm}\≈-\frac{M\·N}{f_s\·T}---\left(10\right)$

可得出结论，系统能检测到的最小质量同FBAR压电工作区的质量M成正比，同FBAR的谐振频率f_s成反比，同系统分频比N成正比，同系统计数周期T成反比。当FBAR传感源确定时，压电工作区的质量M一定，FBAR的谐振频率f_s一定，要提高系统的检测精度，只需减小系统分频比N，或增大系统计数周期T，通常需要根据电路资源对两者进行优化。

一个谐振频率为40MHz的QCM单位面积质量响应度在纳克量级，而谐振频率在1GHz的FBAR响应度能达到皮克量级，精度是QCM传感器的1000倍。通过调整电路参数N和T，理论上可以达到FBAR可检测微小质量的最小极限。

当S＞1时，由(2)和(9)推得：

$\mathrm{\Δm}\≈-\frac{M\·S\·N}{f_s\·T}---\left(11\right)$

由此式可知，通过参考源和传感源信号分频后的脉冲计数差，可以推得FBAR顶层吸附薄膜上微质量负载的质量。

本发明基于FBAR的微质量检测传感电路具有以下优点：

(1)检测系统采用两个FBAR来检测微小质量，以差分方式克服外界环境干扰，可提高检测准确度；

(2)可通过调整电路参数，提高检测灵敏度高，理论上可以达到FBAR检测微小质量的最小极限；

(3)电路结构简单，功能稳定，实现成本较低。

附图说明

图1为本发明第一FBAR的结构示意图；

图2为本发明第二FBAR的结构示意图；

图3为本发明第一FBAR吸附微质量负载后的示意图；

图4为本发明电路的模块示意图；

图5为本发明电路FBAR无负载(a)、有负载(b)时的等效电路图。

具体实施方式

如图1所示，一种带微小质量吸附薄膜的FBAR 100主要包括衬底105、声学反射层106、上电极101、下电极103、压电层102，以及微质量吸附薄膜104，其中压电层材料选用AlN，压电工作区面积为100um×100um。

如图2所示，一种不带微小质量吸附薄膜的FBAR 200主要包括衬底205、声学反射层204、上电极201、下电极203、以及压电层202，其中压电层材料选用AlN，压电工作区面积为100um×100um。

如图3所示，FBAR 100顶层的微质量吸附薄膜104吸附了一层微质量负载108。

如图4所示，一种基于FBAR的微质量检测传感电路，包括第一FBAR100和第二FBAR200，其中第一FBAR100顶部淀积一层吸附薄膜，作为传感源。第二FBAR200，未淀积吸附薄膜，作为频率参考源。

FBAR的上、下电极厚度非常小，对FBAR的谐振频率影响可以忽略，FBAR的谐振频率主要由压电层决定。AlN材料的纵波声速是10400m/s，对于谐振频率2GHz的第一FBAR100和第二FBAR200，其AlN压电层厚度都约为2.6um。AlN材料的密度为3260Kg/m³，计算得第一FBAR100和第二FBAR200的压电工作区质量为84.76ng。

第一FBAR100和第二FBAR200的信号输出端分别连接第一N分频电路3和第二N分频电路4，第一N分频电路3和第二N分频电路4分别对第一FBAR100和第二FBAR200的输出信号进行变频。

FBAR振荡器的谐振频率相对于普通CMOS集成电路所能处理的频率(或说相对于计数器最大工作频率)要高，CMOS集成电路(计数器)难以处理如此高的频率，需要对谐振频率进行N分频，一般取N在2⁶～2¹⁰之间，本实施例中取N＝256。

第一N分频电路3和第二N分频电路4的输出端分别连接第一计数器5和第二计数器6，第一计数器5和第二计数器6同时还与时钟源9连接，如图3所示，该时钟源9(由数字电路或振荡电路整形得到)作为计数时钟，在计数周期内驱动计数器对分频下来的信号采样计数。

定时器8由时钟源9驱动，用以产生具有固定周期的周期性计数信号，该计数信号为一方波。当计数信号为高电平时，第一计数器5和第二计数器6开始计数，计数信号转为低电平时，第一计数器5和第二计数器6结束计数，本实施例设计数触发信号周期设为256ms。

计数结果输入到与第一计数器5和第二计数器6连接的减法器7中，减法器7计算得到两个计数结果的差值，本实施例中此差值设为100。

同时减法器7的输出端与传感信息处理模块10连接，在计数结束时，时钟源9驱动传感信息处理模块10根据计数结果的差值计算吸附在第一FBAR100的微质量负载108的质量，为

$\mathrm{\Δm}\≈-\frac{84.76\mathrm{ng}\·100\·256}{2\mathrm{GHz}\·256\mathrm{ms}}=-4.238\×{10}^{-12}g$

传感信息处理模块10计算得到的结果通过输出模块11在外部设备显示。

Claims (3)

1.一种基于FBAR的微质量检测传感电路，包括：

用于检测微质量负载的作为传感源的第一FBAR和作为参考源的第二FBAR；

对第一FBAR输出信号进行变频的第一N分频电路以及对第二FBAR输出信号进行变频的第二N分频电路；

基于时钟源产生周期性计数信号的定时器；

由计数信号触发，对第一N分频电路输出信号进行计数的第一计数器和对第二N分频电路输出信号进行计数的第二计数器；

接收第一计数器和第二计数器计数结果，计算两者差值的减法器；

接收减法器计算结果计算微质量负载的质量的传感信息处理模块；

驱动第一计数器、第二计数器、定时器和传感信息处理模块同步工作的时钟源。

2.根据权利要求1所述的微质量检测传感电路，其特征在于：所述的第一N分频和第二N分频电路的分频比为2⁶～2¹⁰。

3.一种基于FBAR的微质量检测方法，包括以下步骤：

a、提供作为传感源的第一FBAR和作为参考源的第二FBAR，将微质量负载吸附在第一FBAR上；

b、分别对第一FBAR和第二FBAR的输出信号进行变频；

c、在固定周期内，分别对变频后的第一FBAR和第二FBAR的输出信号进行计数，并计算两者的差值；

d、通过式(Ⅰ)计算微质量负载的质量；

$\mathrm{\Δm}\≈-\frac{M\·S\·N}{f_s\·T}---\left(I\right)$

其中，M为FBAR压电工作区的质量；S为步骤(c)中的差值；f_s为FBAR原有谐振频率；N为步骤(b)中变频的分频比；T为步骤(c)中固定周期的时间；Δm为微质量负载的质量。

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