CN102253123A - 一种高分辨力的闭环控制薄膜体声波传感系统及反馈控制方法 - Google Patents

一种高分辨力的闭环控制薄膜体声波传感系统及反馈控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高分辨力的闭环控制薄膜体声波传感系统及反馈控制方法，其是由薄膜体声波传感器、电阻和反馈控制电路构成，其中薄膜体声波传感器与电阻串联，反馈控制电路对电阻两端的电压施加一个常数增益和一个常数相位差得到反馈电压，并将该反馈电压叠加到薄膜体声波传感系统的简谐驱动电压上实现主动控制。该反馈电压产生的声能可以部分地补偿薄膜体声波传感器的声能损失，从而达到提高分辨力的目的，声能损失的补偿效果可以通过调节反馈电压的增益和相位差进行控制。本发明提出的闭环控制体声波传感系统和相应的反馈控制方法对底部固定和底部自由的薄膜体声波传感器均适用，也适用于石英晶体微天平，同时具有易于实现和成本低等显著优点。

Description

一种高分辨力的闭环控制薄膜体声波传感系统及反馈控制方法
技术领域
本发明属于微机械电子系统（MEMS）领域，特别涉及到基于薄膜体声波谐振器(FBAR)的传感系统，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。
背景技术
根据Sauerbrey方程可知，晶体谐振频率变化与其表面淀积的物质质量成线性关系，因此可以通过测量晶体谐振频率的变化，准确检测其表面粘附物质的质量。声波传感器就是基于以上原理，通过检测其频率变化测量晶体表面粘附质量的传感器，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、药物开发等领域具有广阔应用前景。但是，同质谱、等离子体谐振和椭圆偏光等检测方法相比，声波传感器的分辨力相对较低，限制了其在药物筛选与生物材料筛选等领域的应用。开展便于应用的提高薄膜体声波传感器分辨力的方法研究，对扩大其应用范围具有重要意义。
基于微加工技术，国际上目前已经成功研制出厚度伸缩模式和厚度剪切模式的薄膜体声波传感器。在薄膜体声波传感器工作时，材料阻尼和向衬底传播的声能消耗了部分声能，使传感器品质因数降低，进一步导致传感器分辨力降低。为了提高薄膜体声波传感器的质量分辨力，必须降低传感器工作过程中的声能损失，以提高其品质因数，为此，薄膜体声波传感器一般采用以下两种典型结构：（1）压电层通过布拉格反射层固定于衬底表面；（2）压电层下面为支撑薄膜，支撑薄膜直接与空气接触。其中第一种结构的机械强度高，但品质因数相对更低；第二种结构的强度低，但品质因数相对更高。从本质上讲，以上两种结构都是采用被动隔声技术来降低声能损失，但这种被动隔声技术只适用于降低声音向衬底传播引起的声能损失，不能降低材料阻尼引起的声能损失。为了进一步提高薄膜体声波传感系统的分辨力，重庆大学提出一种利用主动控制技术提高薄膜体声波传感系统分辨力的方法（专利申请号：201010233043.6.），利用该方法可以同时补偿声音散射和材料阻尼引起的声能损失，其是在传感系统的驱动电压上叠加一个反馈电压，利用该反馈电压产生的声能部分地补偿损失的声能，进一步达到了提高品质因数和分辨力的目的。以上反馈电压是对通过薄膜体声波谐振器的电流施加一个常数增益和一个常数相位差得到的，为了尽可能避免测量电流过程中对薄膜体声波谐振器两端的电压产生影响，这种基于检测电流来实现主动控制的方法对反馈控制电路要求很高，不便于实际应用。为了降低具有主动控制功能的薄膜体声波传感系统对反馈控制电路的要求，本发明提出了一种高分辨力的闭环控制薄膜体声波传感系统及反馈控制方法，具有更易于实现和成本更低等显著优点。
 
发明内容
本发明的目的是提出一种便于实现的高分辨力薄膜体声波传感系统及其反馈控制方法。
为实现上述发明目的，本发明采取以下技术方案：
一种高分辨力的闭环控制薄膜体声波传感系统，包括薄膜体声波传感器、电阻和反馈控制电路，其特征在于：
所述薄膜体声波传感器与电阻串联，反馈控制电路对电阻两端的电压施加一个增益                                                
Figure 2011101557080100002DEST_PATH_IMAGE001
和一个相位差
Figure 640810DEST_PATH_IMAGE002
得到反馈电压，并将该反馈电压叠加到薄膜体声波传感系统的简谐驱动电压上实现主动控制，该反馈电压用于补偿薄膜体声波传感器损失的部分声能，以达到提高薄膜体声波传感系统分辨力的目的。
所述反馈控制电路包括反馈补偿电路和加法器，所述反馈补偿电路的输入端连接在所述电阻与薄膜体声波传感器之间，所述反馈补偿电路的输出端通过加法器连接至所述薄膜体声波传感器的输入端。
本发明还公开了一种基于上述薄膜体声波传感系统的提高分辨力的反馈控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）保持闭环控制薄膜体声波传感系统的反馈参数不变，即保持增益
Figure 952842DEST_PATH_IMAGE001
和相位差不变，对薄膜体声波传感系统施加简谐驱动电压，测出相应的导纳或阻抗，通过频域扫描法得到与特定增益
Figure 310191DEST_PATH_IMAGE001
和特定相位差
Figure 443232DEST_PATH_IMAGE002
所对应的传感器系统的导纳或阻抗的幅值随驱动电压频率变化的幅频曲线；
（2）改变反馈参数、即增益
Figure 57491DEST_PATH_IMAGE001
和一个相位差
Figure 897271DEST_PATH_IMAGE002
，对每一组反馈参数进行步骤（1）的测量，得到与不同的增益
Figure 440248DEST_PATH_IMAGE001
和相位差
Figure 795006DEST_PATH_IMAGE002
对应的的传感器系统的导纳或阻抗的幅值随驱动电压频率变化的幅频曲线；
（3）根据步骤（2）中测得的幅频曲线确定导纳或阻抗的谐振峰、即导纳或阻抗的幅值随驱动电压频率变化的幅频曲线的极值点，以及与谐振峰对应的频率，确定与不同的增益
Figure 652103DEST_PATH_IMAGE001
和相位差
Figure 408707DEST_PATH_IMAGE002
对应的薄膜体声波传感系统的品质因数；
（4）选择能够实现将薄膜体声波传感系统的品质因数提高到无反馈控制（即反馈电压的增益取为零）时的品质因数的预定倍数时所对应的增益
Figure 2011101557080100002DEST_PATH_IMAGE003
和相位差；
（5）保持增益
Figure 731683DEST_PATH_IMAGE003
和相位差
Figure 189209DEST_PATH_IMAGE004
，将反馈电压叠加到薄膜体声波传感系统的简谐驱动电压上，实现对待测物质粘附质量的测量。
同基于薄膜体声波传感器的电流实现反馈控制的方法相比，本发明提出的基于电阻两端的电压实现反馈控制的方法降低了对电路的要求，更易于实现。本发明提出的提高薄膜体声波传感系统分辨力的反馈控制方法，对底部固定和底部自由的薄膜体声波传感器均适用，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，同样也适用于石英晶体微天平。
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是制备及图形化下电极示意图；
图3是制备及图形化压电层示意图；
图4是制备及图形化上电极示意图；
图5是制备及图形化保护层示意图；
图6是从背面释放薄膜体声波传感器的示意图；
图7是高分辨力的闭环控制薄膜体声波传感系统框图；
图8是仿真得到的某闭环控制薄膜体声波传感系统的阻抗幅频曲线。
具体实施方式
对于底部固定和底部自由的薄膜体声波传感器，均可以采用本发明提出的闭环控制控制方法提高薄膜体声波传感系统的分辨率，以上薄膜体声波谐振器易于采用硅基微加工技术制作，下面是典型的制作底部自由的薄膜体声波谐振器的工艺流程：
1、选择双面抛光的硅片1作为衬底，采用低压化学气相淀积（LPCVD）或等离子增强化学气相淀积（PECVD）在衬底上分别生长SiO2层2和SixNy层3，其厚度分别约500nm和200nm（如图1所示）； 
2、采用磁控溅射的方法在衬底正面的SixNy层上溅射Cr/Au电极，厚度约50nm/180nm，衬底正面旋涂光刻胶，正面第一次光刻，形成光刻胶图形，以光刻胶为掩膜，利用湿法腐蚀分别腐蚀Au和Cr，去除光刻胶，形成Cr/Au下电极图形4（如图2所示）；
3、采用溅射法在衬底正面溅射ZnO或AlN压电层，衬底正面旋涂光刻胶，正面第二次光刻，刻蚀压电层，湿法去除光刻胶，形成压电层图形5（如图3所示）；
4、利用此刻溅射在衬底正面溅射Cr/Au电极，厚度约50nm/150nm，衬底正面旋涂光刻胶，正面第三次光刻，形成光刻胶图形，以光刻胶为掩膜，利用湿法腐蚀分别腐蚀Au和Cr，去除光刻胶，形成Cr/Au上电极图形6（如图4所示）；
5、采用溅射法在衬底正面溅射作为保护层的SiO2或SixNy层，衬底正面旋涂光刻胶，正面第四次光刻，利用反应离子刻蚀或湿法腐蚀的方法分别刻蚀SiO2或SixNy，湿法去除光刻胶，形成SiO2或SixNy保护层图形7（如图5所示）；
6. 采用溅射法在衬底背面溅射Al，衬底背面旋涂光刻胶，背面第一次光刻，利用反应离子刻蚀的方法分别刻蚀SixNy和SiO2层，进一步利用湿法腐蚀刻蚀Al，以光刻胶、Al、SixNy和SiO2为掩膜，利用感应耦合等离子（ICP）刻蚀工艺从衬底背面刻蚀单晶硅衬底至正面的SiO2层2，形成底部自由的薄膜体声波传感器（如图6所示）。
本发明提出的提高薄膜体声波传感系统分辨力的方法是将薄膜体声波传感器7与一个电阻8串联，与反馈控制电路9一起构成图7所示的闭环控制薄膜体声波传感系统。反馈控制电路对电阻两端的电压施加一个常数增益和一个常数相位差得到反馈电压，并将反馈电压叠加到传感系统的简谐驱动电压上。设简谐驱动电压为
Figure 2011101557080100002DEST_PATH_IMAGE005
，电阻
Figure 800319DEST_PATH_IMAGE006
两端的电压
Figure 2011101557080100002DEST_PATH_IMAGE007
，为了达到补充部分声能损失的目的，在初始驱动电压上叠加一个反馈电压，该反馈电压的幅度是的幅度的
Figure 784422DEST_PATH_IMAGE001
倍，并且相对于
Figure 983323DEST_PATH_IMAGE007
有一个相位差，即反馈电压为，因此实际作用于体声波传感器和电阻上的电压为，根据简谐驱动
Figure 88310DEST_PATH_IMAGE010
和通过传感器的电流可得到闭环控制的薄膜体声波传感系统的导纳和阻抗分别为
Figure 887639DEST_PATH_IMAGE012
和
Figure 2011101557080100002DEST_PATH_IMAGE013
。
由于反馈的增益
Figure 535658DEST_PATH_IMAGE001
和相位差
Figure 965502DEST_PATH_IMAGE002
对反馈电压产生的声能有显著影响，因此
Figure 502400DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 105420DEST_PATH_IMAGE002
对薄膜体声波传感系统声能补偿的效果有显著影响，对传感系统的导纳和阻抗也有显著影响。对于不同的薄膜体声波传感器和待检样本，由于通过不同的声能耗散机理损失的声能的比例不同，因此在测试时往往需要根据测试环境和具体的传感器结构，选择不同的
Figure 748891DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 146374DEST_PATH_IMAGE002
，以达到将传感器系统的品质因数和分辨力提高到期望的倍数的目的。
应用以上闭环控制薄膜体声波传感系统实现薄膜体声波谐振器表面粘附质量的检测包括以下步骤：
（1）保持闭环控制薄膜体声波传感系统的反馈参数（反馈电压相对于电阻两端的电压的增益
Figure 937613DEST_PATH_IMAGE001
和相位差）不变，对其施加简谐驱动电压，可测得相应的导纳或阻抗，进一步通过频域扫描法得到与特定
Figure 30518DEST_PATH_IMAGE001
和
Figure 100367DEST_PATH_IMAGE002
相应的传感系统导纳或阻抗的幅频曲线；
（2）改变反馈参数和，对每一组反馈参数进行步骤（1）的测量，得到与不同的增益
Figure 676208DEST_PATH_IMAGE001
和相位差
Figure 618756DEST_PATH_IMAGE002
对应的薄膜体声波传感系统的导纳或阻抗的幅频曲线；
（3）根据（2）中测得的幅频曲线确定与导纳或阻抗的极值点对应的谐振峰，以及与谐振峰对应的频率，进一步确定与不同的增益
Figure 119008DEST_PATH_IMAGE001
和相位差对应的品质因数；
（4）根据待检样本特点，选择可以实现确定将传感器系统品质因数提高到无反馈控制、即反馈电压的增益取为零时的品质因数的预定倍数时所对应的增益
Figure 573047DEST_PATH_IMAGE003
和相位差
Figure 483234DEST_PATH_IMAGE004
；
（5）保持增益
Figure 470781DEST_PATH_IMAGE003
和相位差
Figure 757406DEST_PATH_IMAGE004
，将反馈电压叠加到薄膜体声波传感系统的简谐驱动电压上，实现对待测物质粘附质量的测量。
为了验证本发明提出的闭环控制薄膜体声波传感系统及反馈控制方法可以提高分辨力，下面以一个例子进行简单分析。设一个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3×10-7g/cm2，传感器的面积为300μm×300μm，设与该薄膜体声波传感器串联的电阻为
Figure 84482DEST_PATH_IMAGE014
。为了模拟较大的声能损失情况，将ZnO的阻尼系数取为5×10-1Ｎ.s.m-2。为了简化问题，忽略金属电极影响。当
Figure 932615DEST_PATH_IMAGE001
分别等于0和3，
Figure 407459DEST_PATH_IMAGE002
等于2.07弧度时，得到闭环控制薄膜体声波传感系统的导纳的幅频曲线见图8，图中横坐标为频率，纵坐标为阻抗的幅值（绝对值）。由图8可见，当
Figure 2011101557080100002DEST_PATH_IMAGE015
时，即没有施加主动控制以补充损失的声能时，相应品质因数为24.6；当
Figure 232195DEST_PATH_IMAGE016
，时，即施加了主动控制以补充损失的声能时，薄膜体声波传感系统的品质因数变为119.8。以上例子采用主动控制方法将薄膜体声波传感系统的品质因数提高了4倍以上，由于薄膜体声波传感系统的分辨力与品质因数成正比，因此传感系统的分辨力也将提高4倍以上。以上算例表明，利用本发明提出的闭环控制薄膜体声波传感系统及反馈控制方法可以有效提高薄膜体声波传感系统的分辨力。

Claims (4)

1.一种高分辨力的闭环控制薄膜体声波传感系统，包括薄膜体声波传感器、电阻和反馈控制电路，其特征在于：
所述薄膜体声波传感器与电阻串联，反馈控制电路对电阻两端的电压施加一个增益                                               
Figure 2011101557080100001DEST_PATH_IMAGE002
和一个相位差
Figure 2011101557080100001DEST_PATH_IMAGE004
得到反馈电压，并将该反馈电压叠加到薄膜体声波传感系统的简谐驱动电压上实现主动控制，该反馈电压用于补偿薄膜体声波传感器损失的部分声能，以达到提高薄膜体声波传感系统分辨力的目的。
2.根据权利要求1所述的薄膜体声波传感系统，其特征在于：
所述反馈控制电路包括反馈补偿电路和加法器，所述反馈补偿电路的输入端连接在所述电阻与薄膜体声波传感器之间，所述反馈补偿电路的输出端通过加法器连接至所述薄膜体声波传感器的输入端。
3.一种基于权利要求1-2所述薄膜体声波传感系统的提高薄膜体声波传感器分辨力的反馈控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
（1）保持闭环控制薄膜体声波传感系统的反馈参数、即增益
Figure 708233DEST_PATH_IMAGE002
和相位差
Figure 687690DEST_PATH_IMAGE004
不变，对薄膜体声波传感系统施加简谐驱动电压，测出相应的导纳或阻抗，通过频域扫描法得到与特定增益和特定相位差
Figure 987271DEST_PATH_IMAGE004
所对应的传感器系统的导纳或阻抗的幅值随驱动电压频率变化的幅频曲线；
（2）改变反馈参数、即增益
Figure 801643DEST_PATH_IMAGE002
和一个相位差，对每一组反馈参数进行步骤（1）的测量，得到与不同的增益
Figure 517237DEST_PATH_IMAGE002
和相位差
Figure 716137DEST_PATH_IMAGE004
对应的的传感器系统的导纳或阻抗的幅频曲线；
（3）根据步骤（2）中测得的幅频曲线确定与导纳或阻抗的极值点对应的谐振峰，以及与谐振峰对应的频率，确定与不同的增益
Figure 447333DEST_PATH_IMAGE002
和相位差对应的薄膜体声波传感系统的品质因数；
（4）选择能够实现将传感器系统品质因数提高到无反馈控制、即反馈电压的增益取为零时的品质因数的预定倍数时所对应的增益
Figure 2011101557080100001DEST_PATH_IMAGE006
和相位差
Figure 2011101557080100001DEST_PATH_IMAGE008
；
（5）保持增益
Figure 886371DEST_PATH_IMAGE006
和相位差
Figure 623383DEST_PATH_IMAGE008
，将反馈电压叠加到薄膜体声波传感系统的简谐驱动电压上，实现对待测物质粘附质量的测量。
4.根据权利要求3所述的反馈控制方法，其特征在于：
所述反馈控制方法对底部固定和底部自由的薄膜体声波传感器均适用，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，也适用于石英晶体微天平。
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