CN101900709B - 一种提高单压电层薄膜体声波传感器分辨力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种提高单压电层薄膜体声波传感器的分辨力的方法，其是在单压电层薄膜体声波传感器的激励电压中增加一个反馈电压，该反馈电压是对通过薄膜体声波传感器的电流施加一个常数增益和一个常数相位差得到。本发明通过在薄膜体声波传感器激励电压中加入反馈电压，可以补充薄膜体声波传感器部分的声能损失，降低传感器的阻尼，从而达到提高薄膜体声波传感器的品质因子和质量分辨力的目的。本发明提出的基于主动控制技术的提高单压电层薄膜体声波传感器的分辨力的方法，可以与薄膜体声波传感器的被动隔声技术同时使用，对厚度伸缩模式和厚度剪切模式的薄膜体声波传感器均适用，对石英晶体微天平也同样适用。

Description

一种提高单压电层薄膜体声波传感器分辨力的方法

技术领域

本发明属于微机械电子系统(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，其提出的提高体声波传感器分辨力的方法同样适用于石英晶体微天平(QCM)。

背景技术

作为一种通用的物理、化学和生物传感器，声波传感器，具有成本低、操作简便、速度快、非标记、灵敏度高、检测范围大等诸多优点，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。但是，同质谱、等离子体谐振和椭圆偏光等分析方法相比，声波传感器的分辨力相对较低，限制了其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的应用。开展提高薄膜体声波传感器分辨力的方法与结构研究，对扩大其应用范围具有重要意义。

基于微加工技术，国际上目前已经开发成功的厚度伸缩模式和厚度剪切模式的薄膜体声波传感器，这些薄膜体声波传感器均为单压电层，其中厚度剪切模式的薄膜体声波传感器的振动模式与常规的石英晶体微天平一样，在液态环境也有较高灵敏度，特别适合于生化检测。在薄膜体声波传感器工作时，材料自身的阻尼和向衬底传播的声能消耗了部分声能，导致传感器品质因子降低，进一步引起传感器质量分辨力降低。为了提高薄膜体声波传感器的质量分辨力，必须减少传感器工作时的声能损失，以提高其品质因子，为此，薄膜体声波传感器一般采用以下两种结构：(1)压电层通过布拉格反射层固定于衬底表面；(2)压电层的下面是金属电极和支撑薄膜，支撑薄膜直接与空气接触。以上两种薄膜体声波传感器结构均是采用声能的被动隔离方法减少声能的损失以提高品质品质。为了进一步提高薄膜体声波传感器的分辨力，重庆大学提出利用主动控制技术提高薄膜体声波传感器分辨力的方法，并申请了发明专利“具有主动抑制声能损失功能的薄膜体声波传感器”(申请号：200910103042.7)，其是在薄膜体声波传感器的敏感压电层与衬底之间加入一个主动控制压电层，通过对主动控制压电层施加一个控制电压以补偿部分损失的声能，进一步达到提高传感器分辨力的目的。由于该具有双压电层薄膜体声波传感器专门增加了一个主动控制压电层，因此声能补偿效果很好，传感器的分辨力有较大提高，但与常规的单压电层薄膜体声波传感器相比，以上具有双压电层的薄膜体声波传感器的加工工艺更复杂，成本更高，成品率更低。为此，本发明提出了一种利用主动控制技术提高单压电层薄膜体声波传感器的方法。

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单压电层薄膜体声波传感器的质量分辨力的方法。

为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：

一种提高单压电层薄膜体声波传感器的分辨力的方法，其是在薄膜体声波传感器的激励电压中增加了一个反馈电压，并在检测过程中保持以上反馈参数(即该反馈电压的反馈参数)不变。

该反馈电压是对通过薄膜体声波传感器的电流施加一个常数增益和一个常数相位差得到。

该常数增益和常数相位差具体是通过以下方法获得：

首先对所使用的单压电层薄膜体声波传感器进行测量，通过扫频法得到与不同增益和相位差所对应的导纳或阻抗的幅值和相位随频率的变化曲线，根据导纳或阻抗的幅值曲线确定与谐振峰对应的频率，再根据导纳或阻抗的相位曲线在该频率处的斜率的绝对值确定与不同增益和相位差对应的传感器品质因子，在此基础上进一步确定将传感器品质因子提高到无反馈控制(即反馈电压的增益取为零)时的品质因子的特定倍数(该倍数即为期望通过主动控制将薄膜体声波传感器的分辨力提高的倍数)所对应的增益和相位差，该增益和相位差即为需要得到的常数增益和常数相位差，并在后续对特定物质实施检测的过程中保持该增益和相位差不变。

本发明通过在薄膜体声波传感器激励电压中叠加一个反馈电压，可以补充薄膜体声波传感器部分的声能损失，降低传感器的阻尼，从而达到提高薄膜体声波传感器的品质因子和质量分辨力的目的。本发明提出的提高单压电层薄膜体声波传感器的分辨力的方法，可以与被动隔声的方法一起用于提高薄膜体声波传感器的分辨力，对厚度伸缩模式和厚度剪切模式的薄膜体声波传感器均适用，同样也适用于石英晶体微天平。

本发明提出的提高单压电层薄膜体声波传感器的质量分辨力的方法，其单压电层薄膜体声波传感器的压电层同时作为传感器和执行器实现反馈控制，而双压电层薄膜体声波传感器则是利用在敏感压电层下面增加的主动控制压电层实现控制的(即通过对主动控制压电层施加控制信号实现声能的补偿)。具有主动控制功能的双压电层薄膜体声波传感器由于在传感器结构上进行了改进，其控制电路相对简单，但由于增加了一个压电层，导致传感器制作工艺更复杂，导致传感器与电路集成难度更大，成本更高，成品率更低。本发明提出的提高单压电层薄膜体声波传感器的分辨力的主动控制方法，其传感器结构与目前常用的薄膜体声波传感器相同，仅含一个压电层，其结构比双压电层结构更简单，其加工工艺更简单，成本更低、成品率更高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是在硅片正面生长二氧化硅层示意图

图2是制备及图形化压电层底部电极示意图

图3是制备及图形化压电层示意图

图4是制备及图形化压电层上电极示意图

图5是制备及图形化保护层示意图

图6是基于主动控制技术提高单压电层薄膜体声波传感器分辨力的工作原理图

图7是通过仿真得到的某单压电层薄膜体声波传感器的导纳随频率的变化曲线

具体实施方式

本发明提出的提高薄膜体声波传感器分辨力的方法，适用于单压电层薄膜体声波传感器，这种传感器可以采用硅基微加工技术制作，下面是一个典型的工艺流程：

1、选择双面抛光的、中等掺杂的、电阻率为2～4Ω·cm的(100)硅片1作为衬底，在其上热氧化淀积S_iO₂层2，厚度约300nm(如图1所示)；

2、正面光刻1次，形成光刻胶图形，在衬底上蒸发厚度约100nm的Pt电极层，湿法去除光刻胶，形成与光刻胶图形互补的压电层底部电极3图形(如图2所示)；

3、采用溅射法制备ZnO或AlN压电层，第二次光刻，刻蚀压电层，去除光刻胶，形成压电层4图形(如图3所示)；

4、正面进行第三次光刻，形成光刻胶图形，蒸发厚度约100nm的Pt电极层，湿法去除光刻胶，形成与光刻胶图形互补的压电层顶部电极5图形(如图4所示)；

5、采用溅射法或等离子增强化学气相淀积方法制备作为保护层的SiO2或Si3N4膜，正面进行第四次光刻，利用干法或湿法刻蚀形成保护层6图形(如图5所示)。

在以上加工工艺基础上，可以在衬底上面，压电层底部电极下面制作布拉格反射层，或直接从衬底背面将传感器敏感区域下面的衬底掏空，以利用被动隔声方法进一步提高传感器的分辨力。

对没有实施主动控制的普通薄膜体声波传感器而言，为了得到薄膜体声波传感器的固有频率等参数，需要在其压电层的上、下电极之间施加一个激励电压φ₀e^i2πft(其中f为激励电压的频率)，同时测得通过传感器的电流i，根据施加的电压和通过传感器的电流得到器件的导纳和阻抗分别为

和当保持激励电压的幅值而改变其频率进行扫频时，就得到传感器的导纳和阻抗的幅值与相位随频率的变化曲线，导纳或阻抗的幅值曲线的谐振峰对应的频率即为传感器的固有频率。由于材料阻尼和声能向衬底传播的声能损失了部分声能，造成传感器品质因子的降低，导致传感器的导纳和阻抗的幅值曲线的谐振峰不明显，引起传感器分辨力的降低。品质因子可以从导纳或阻抗的相位曲线得到。根据阻抗曲线，传感器的品质因子的表达式为

$Q=\frac{f_t}{2}\frac{{\∂\mathrm{\ψ}}_Z}{\∂f}{|}_{f=f_t}$

其中f_t为阻抗幅值的谐振峰所对应的频率，ψ_Z为阻抗的相位。

为了提高单压电层薄膜体声波传感器的质量分辨力，本发明提出采用反馈控制技术补偿部分声能的损失，从而达到提高传感器品质因子和分辨力的目的，图6是利用主动控制技术提高单压电层薄膜体声波传感器的质量分辨力的工作原理图。设施加在薄膜体声波传感器7压电层上、下电极之间的初始激励电压为φ₀e^i2πft，测得的通过薄膜体声波传感器7的电流为i，为了达到补充部分声能损失的目的，在激励电压上叠加一个反馈电压，该反馈电压的幅度是电流i的幅度的α倍，并且相对于电流i有一个相位差θ，即反馈电压为iαe^iθ，因此施加在传感器压电层的上、下电极之间的实际激励电压为φ₀e^i2πft+iαe^iθ，根据初始激励电压和电流可得到具有主动控制功能的单压电层薄膜体声波传感器的导纳和阻抗分别为

和

通过扫频法得到与不同的α和θ对应的传感器的导纳和阻抗的幅值与相位随频率的变化曲线，根据导纳或阻抗的幅值曲线得到与谐振峰对应的频率，同未实施主动控制的传感器一样，根据导纳或阻抗的相位曲线在导纳或阻抗的幅值曲线的谐振峰处的频率对应的斜率的绝对值，可以进一步确定与不同的α和θ对应的品质因子。对于不同的传感器和不同的待测环境而言，由于通过不同的声能耗散机理损失的声能的比例不同，因此在测试时往往选择不同的α和θ，以达到将传感器的品质因子和分辨力提高到期望的倍数的目的。反馈参数α和θ的值一旦选定后，在整个测试过程中均保持不变。

本发明利用主动控制技术提高单压电层薄膜体声波传感器的分辨力方法包括以下步骤：

1、在薄膜体声波传感器的敏感区域生长对待测物质敏感的敏感膜。

2、测量薄膜体声波传感器的导纳或阻抗的幅值与相位曲线，通过改变反馈参数α和θ，根据薄膜体声波传感器的导纳或阻抗的幅值曲线，得到与谐振峰对应的频率，根据导纳或阻抗的相位曲线在该频率处的斜率的绝对值得到品质因子，进一步确定将传感器品质因子提高到无反馈控制(即α＝0的情形)时的品质因子的期望倍数所对应的增益α₀和相位差θ₀，记录下相应的导纳或阻抗的幅值曲线的谐振峰对应的频率作为初始频率f₀，在后面的实验中，需保持α＝α₀和θ＝θ₀不变。

3、将薄膜体声波传感器置于需要实施检测的环境，重新测量薄膜体声波传感器的导纳或阻抗曲线，保持α＝α₀和θ＝θ₀，根据传感器的导纳或阻抗的幅值曲线得到传感器此时的频率f₁。若环境中有待测物质，该待测物质将与敏感膜反应，导致吸附在传感器敏感区域的质量增加，引起传感器频率变化Δf＝f₁-f₀；若环境中没有待测物质，吸附在传感器敏感区域的质量不变，传感器的频率不变，即仍为f₀，此时频率的变化为Δf＝0。待测物质的浓度越大，将引起频率变化的绝对值越大，因此根据频率变化Δf就可以确定需要实施检测的环境里待测物质的浓度。

由于频率变化Δf的测量精度与品质因子Q成正比，因此传感器的品质因子越高，则其分辨力越高。本发明通过对单压电层薄膜体声波传感器实施主动控制，将降低声能的损失，提高传感器的品质因子Q，进一步提高频率变化Δf的检测精度，因此可以有效提高薄膜体声波传感器的分辨力。

为了验证本发明提出的提高单压电层薄膜体声波传感器的分辨力的有效性，下面以一个例子进行简单分析。设一个单压电层薄膜体声波传感器的压电层为ZnO，压电层厚度为1μm，粘附层面密度为9×10^-8g/cm²。为了模拟较大的声能损失情况，将ZnO的阻尼系数取为5×10^-2N·s·m^-2。为了简化问题，忽略金属电极影响。当α分别等于0和5，θ等于1.70弧度时，得到传感器的导纳的幅值曲线见图7，图中横坐标为频率，纵坐标为导纳。由图7可见，当α＝0时，即没有施加主动控制以补充损失的声能时，相应品质因子为230；当α＝5，θ＝1.70时，即施加了主动控制以补充损失的声能时，传感器的品质因子变为977。以上例子采用主动控制方法将单压电层薄膜体声波传感器的品质因子提高了4倍以上，传感器的分辨力也将提高4倍以上。以上算例表明，利用本发明提出的主动控制方法可以有效地提高单压电层薄膜体声波传感器的分辨力。

Claims (2)

1.一种提高单压电层薄膜体声波传感器的分辨力的方法，其特征在于：所述方法是在用单压电层薄膜体声波传感器进行特定物质的检测时，在单压电层薄膜体声波传感器的压电层上、下电极之间施加的激励电压上叠加一个反馈电压，并在检测过程中需保持以上反馈电压的反馈参数不变，以补充薄膜体声波传感器部分的声能损失，降低传感器的阻尼，从而达到提高薄膜体声波传感器的品质因子和质量分辨力的目的；

所述反馈电压是对通过薄膜体声波传感器的电流施加一个常数增益和一个常数相位差得到；

所述常数增益和常数相位差通过以下方法得到：首先对所使用的单压电层薄膜体声波传感器进行测量，通过扫频法得到与不同增益和相位差所对应的导纳或阻抗的幅值和相位随频率的变化曲线，根据导纳或阻抗的幅值曲线确定与谐振峰对应的频率，再根据导纳或阻抗的相位曲线在该频率处的斜率的绝对值确定与不同增益和相位差对应的品质因子，品质因子的表达式为

$Q=\frac{f_t}{2}\frac{{\∂\mathrm{\ψ}}_Z}{\∂f}{|}_{f=f_t}$

其中f_t为阻抗幅值的谐振峰所对应的频率，ψ_Z为阻抗的相位；

在此基础上进一步确定将传感器品质因子提高到无反馈控制，即反馈电压的增益取为零时的品质因子的特定倍数所对应的增益和相位差，该特定倍数即为期望通过主动控制将薄膜体声波传感器的分辨力提高的倍数，并在对特定物质实施检测的过程中保持该增益和相位差不变，该增益和相位差即分别为反馈电压的常数增益和常数相位差。

2.根据权利要求1所述的提高单压电层薄膜体声波传感器的分辨力的方法，其特征在于：所述常数增益和常数相位差是通过对传感器进行测试获得，具体方法如下：设施加在膜体声波传感器的压电层上、下电极之间的初始激励电压为φ₀e^i2πft，通过薄膜体声波传感器的电流为i，为了达到补充部分声能损失的目的，在激励电压上叠加一个反馈电压，该反馈电压的幅度是电流i的幅度的α倍，并且相对于电流i有一个相位差θ，即反馈电压为iαe^iθ，因此施加在传感器压电层的上、下电极之间的实际激励电压为φ₀e^i2πft+iαe^iθ，根据初始激励电压和电流可得到单压电层薄膜体声波传感器的导纳和阻抗分别为

和通过扫频法得到与不同的α和θ对应的传感器的导纳和阻抗的幅值与相位随频率的变化曲线，根据导纳或阻抗的幅值曲线得到与谐振峰对应的频率，根据导纳或阻抗的相位曲线在导纳或阻抗的幅值曲线的谐振峰处的频率对应的斜率的绝对值，进一步确定与不同的α和θ对应的品质因子，在此基础上确定使传感器品质因子和分辨力提高到未实施主动控制即α＝0情形的期望倍数所对应的常数增益α₀和常数相位差θ₀，该反馈参数即常数增益和常数相位差的值α₀和θ₀一旦选定后，在整个测试过程中均保持不变。

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