CN104764802A - 利用具有绝缘层的薄膜谐振器探测物质的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及利用具有绝缘层的薄膜谐振器探测物质的装置和方法。用于探测流体的至少一种物质的装置包括具有至少一个压电层、设置在压电层处的电极层、至少一个设置在压电层处的其他电极层的压电声学薄膜谐振器和至少一个用于积聚流体的物质的积聚面，其中压电层、电极层和积聚面被设计和彼此设置，使得通过电极层的电触发可以将激励交变场耦合输入到压电层中，薄膜谐振器由于耦合输入到压电层中的激励交变场可以以谐振频率fR被激励成谐振振荡并且谐振频率fR取决于在积聚面处所积聚的物质的量。该装置的特征在于，直接在电极层的至少一个的背离压电层的侧上设置至少一个用于电绝缘电极层的电绝缘层。

Description

利用具有绝缘层的薄膜谐振器探测物质的装置和方法
本申请是申请日为2009年9月29日、申请号为200980142045.X、发明名称为“利用具有绝缘层的薄膜谐振器(FBAR)探测物质的装置和方法”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及一种用于探测流体的至少一种物质的装置，包括具有至少一个压电层、设置在压电层处的电极层、至少一个设置在压电层处的其他电极层的压电薄膜谐振器和至少一个用于积聚流体的物质的积聚面，其中，压电层、电极层和积聚面这样被设计和彼此设置，使得通过电极层的电触发可以将激励交变场耦合输入到压电层中，薄膜谐振器由于耦合输入到压电层中的激励交变场可以以谐振频率fR被激励成谐振振荡并且谐振频率fR取决于在积聚面处所积聚的物质的量。除了装置外，还说明一种用于在使用该装置的情况下探测物质的方法。
背景技术
开头所述类型的装置例如由DE 103 08 975 B4得知。已知的装置例如具有薄膜谐振器，其中电极层、压电层和其他电极层层状地相叠地堆叠。压电层例如由氧化锌组成。上电极层(top electrode(顶部电极))由金组成并具有用于积聚(例如吸附)流体的物质的积聚面。通过下电极层(bottom electrode(底部电极))，薄膜谐振器被施加在硅衬底上。为使硅衬底和薄膜谐振器彼此声退耦，其间例如设置由不同声阻抗的λ/4厚的层组成的声反射镜(Spiegel)。
发明内容
本发明的任务是，这样改进用于探测物质的已知的装置，使得提高质量灵敏度。
为解决该任务，说明一种用于探测流体的至少一种物质的装置，包括具有至少一个压电层、设置在压电层处的电极层、至少一个设置在压电层处的其他电极层的压电声学薄膜谐振器和至少一个用于积聚流体的物质的积聚面，其中，压电层、电极层和积聚面这样被设计和彼此设置，使得通过电极层的电触发可以将激励交变场耦合输入到压电层中，薄膜谐振器由于耦合输入到压电层中的激励交变场可以以谐振频率fR被激励成谐振振荡，以及谐振频率fR取决于在积聚面处所积聚的物质的量。该装置的特征在于，直接在电极层的至少一个的背离压电层的侧上设置至少一个用于电绝缘电极层的电绝缘层。绝缘层在此优选地这样被设计，使得流体和薄膜谐振器完全彼此分离。
为解决该任务，还说明一种用于在使用该装置的情况下探测流体的至少一种物质的方法，具有以下方法步骤：a)使积聚面和流体这样相聚，使得物质可以在积聚面处被积聚，以及b)确定薄膜谐振器的谐振频率。
薄膜谐振器例如具有由下电极层、压电层和上电极层组成的层结构。电极层设置在压电层的不同侧处。也可以设想，电极层设置在压电层的一侧处。
通过电极层的电触发(Ansteuerung)，可以将薄膜谐振器激励成厚度振荡(Dickenschwingung)。鉴于用于探测液体的物质的应用，有益的是这样设计压电层，使得所述压电层由于电极层的触发可以被激励成切变厚度振荡(Scherdickenschwingung)。对于高物质灵敏度来说有利的是，谐振频率fR从包括500MHz在内到包括10GHz在内的范围中选择。为此压电层的层厚从包括0.1μm在内到包括20μm在内的范围中选择。
压电层例如由氧化锌组成。其他适用的材料例如是氮化铝。电极层优选地具有在1μm以下的层厚(例如10nm)。同样可以设想直至几个μm的更大层厚。
在一种特别的扩展方案中，绝缘层具有无机绝缘材料。绝缘材料在此可以是任意的。但是优选地，无机绝缘材料具有至少一种从金属氮化物和金属氧化物的组中选取的化合物。例如，绝缘材料是氧化铝(Al2O3)或氮化硅(Si3N4)。在一种优选的扩展方案中，金属氧化物是二氧化硅(SiO2)。二氧化硅除了良好的电绝缘能力外，特征还在于低的声阻抗并因此特别适用于采用薄膜谐振器的应用。
电极层优选地由铝组成。在一种特别的扩展方案中，其上设置绝缘层的电极层具有铝。铝作为电极材料特别适用于薄膜谐振器。铝具有低电阻。由此使电阻噪声最小化。重要的还有低的声阻抗。这导致比较高的质量灵敏度。同样铝的质量密度低。铝的特征此外在于高的声速。由此将相应材料中的相分量保持得小。
但除了铝外，同样也可以设想其他材料和材料组合，如由不同材料组成的多层结构。
薄膜谐振器可以施加在任意的衬底(载体)上。薄膜谐振器优选地设置在半导体衬底上。读出电路可以集成在半导体衬底中。这例如借助CMOS(互补金属氧化物半导体(Complementary Metal Oxid Semiconductor))技术进行。鉴于节省位置的结构，特别有利的是，薄膜谐振器设置在集成在半导体衬底中的读出电路上方。但读出电路完全可以通过SMD(表面安装器件(Surface Mounted Device))器件实现。
在一种特别的扩展方案中，积聚面由绝缘层形成。这意味着绝缘层承担生物功能化(Bio-Funktionalisierung)。
但依据一种特别的扩展方案，积聚面由施加在绝缘层上的化学敏感涂层形成。化学敏感涂层例如可以是塑料涂层。尤其，化学敏感涂层具有金。化学敏感涂层优选地由金组成。由金组成的化学敏感涂层特别适用于生物功能化。
化学敏感涂层施加在绝缘层上。因此化学敏感涂层本身也有助于薄膜谐振器的谐振频率。尤其是在金的情况下，由于比较高的质量密度，鉴于尽可能高的质量灵敏度，尽可能小的层厚是有利的。依据一种特别的装置，其中化学敏感涂层具有5nm至30nm范围的层厚。所述层厚完全足以取得必要的生物功能化。同时由于化学敏感涂层的低质量而取得高的质量灵敏度。对此的基础是薄膜谐振器的非常高的谐振频率。在适用的材料和层厚的情况下，可以取得来自包括500MHz在内至包括10GHz在内的范围的谐振频率。
该装置可以用于分析气体或气体混合物。该装置优选地用于探测液体中的生物分子。
概括起来利用本发明产生下列特别的优点：
-用于探测流体的物质的装置可以非常灵活地构成。因此该装置的薄膜谐振器或在晶片(例如由半导体材料组成)或CMOS读出电子装置上或在通过绝缘层(例如SiO2)与薄膜谐振器分开的CMOS读出电子装置上构成。
-尤其利用由铝组成的上电极层实现下列优点：通过低电阻最小化电阻噪声。铝的低声阻抗导致薄膜谐振器的提高的质量灵敏度。铝的低质量密度具有同样的效应，结果是非常高的质量灵敏度。
铝的特征还在于高的CMOS兼容性。因此使到CMOS电路中的集成变得容易。金对此更确切地说并不适用，因为它与CMOS电路很难兼容。此外，金的特征在于比较高的质量密度。这导致比较低的质量灵敏度。
-由于绝缘层，实现薄膜谐振器与流体彼此的高效电绝缘。
-在SiO2作为绝缘材料的情况下，谐振频率的温度系数降低，也就是说，薄膜谐振器的谐振频率的稳定性相对于温度波动得到提高。
-在使用CVD工艺用于施加例如由SiO2组成的绝缘层的情况下使表面平滑。这特别是在水中使用的情况下导致声损失降低。
-尤其由铝组成的电极层和由二氧化硅组成的绝缘层的组合是有利的。铝和二氧化硅的声损失低于例如金。因此得出约三倍提高的质量灵敏度。因为材料铝和二氧化硅比例如金含有更少的相分量，所以在相同的谐振频率时可以使压电层更厚。由此更高的相分量处于压电层中。这提高有效的压电耦合系数。
-由于压电层的较高厚度，薄膜谐振器的电容降低，这对于许多读出电路来说是有利的。
附图说明
下面借助多个实施例和附图对本发明进行更详细说明。图是示意性的和不是按正确比例的图示。
图1至4以侧横截面分别示出用于探测流体的物质的装置的实施形式。
具体实施方式
用于探测流体的物质的装置是用于探测生物分子的生物传感器。生物分子是DNA的部分。作为对此的替代方案，生物分子以蛋白质的形式被探测。
用于探测流体2的物质的装置1的重要组成部分是压电声学薄膜谐振器10，其具有相叠地堆叠的压电层11、电极层(top electrode(顶部电极))12和其他电极层(bottom electrode(底部电极))13。压电层由氧化锌组成。氧化锌层的层厚约为0.5μm。上电极层由铝组成和约100nm厚。下电极层约890nm厚。薄膜谐振器的横向伸展约为200μm。
薄膜谐振器被施加在由硅衬底5的不同声阻抗的λ/4厚的层组成的声反射镜6上。
直接在电极层12的背离压电层的侧121上设置用于电绝缘电极层12的电绝缘层4。绝缘层约100nm厚并由作为无机绝缘材料的二氧化硅组成。在一种可替代的扩展方案中，无机绝缘材料是氮化硅。绝缘层利用CVD(化学气相沉积(Chemical Vapour Deposition))方法被施加。
示例1：
为形成用于积聚流体的物质的积聚面3，在绝缘层上施加由金组成的化学敏感涂层7(图1)。该涂层具有用于生物分子的功能化。生物分子可以积聚在积聚面处。
薄膜谐振器设置在以CMOS技术集成在衬底5中的读出电路8上方。为电绝缘读出电路，在声反射镜5与读出电路8之间存在绝缘层81。该绝缘层由二氧化硅组成。通过电接触82，读出电路与薄膜谐振器的电极层连接用于电触发。
示例2：
与前述的示例不同，在其上设置有薄膜谐振器的声反射镜6与读出电路8之间不存在附加的绝缘层(图2)。
示例3：
依据该示例，薄膜谐振器不被设置在集成在硅衬底中的读出电路上方(图3)。通过声反射镜直接进行薄膜谐振器和衬底的声退耦。未示出的读出电路要么集成在半导体衬底的另一位置处，要么作为外部器件实现。通过接触83，该读出电路与薄膜谐振器的电极层电连接。
示例4：
该实施例从示例1中导出。与之相区别，绝缘层4形成积聚面。绝缘层具有用于积聚生物分子所需要的生物功能化。
其他实施例通过所示示例的任意组合产生。

Claims (12)

1.用于探测流体(2)的至少一种物质的装置(1)，包括压电声学薄膜谐振器(10)，具有
-至少一个压电层(11)，
-设置在压电层(11)处的电极层(12)，
-至少一个设置在压电层(11)处的其他电极层(13)，以及
-至少一个用于积聚流体(2)的物质的积聚面(3)，其中，
-压电层(11)、电极层(12、13)和积聚面(3)被设计和彼此设置，使得
-通过电极层(12、13)的电触发可以将激励交变场耦合输入到压电层(11)中，
-薄膜谐振器(10)由于耦合输入到压电层(11)中的激励交变场可以以谐振频率fR被激励成谐振振荡，以及
-谐振频率fR取决于在积聚面(3)处所积聚的物质的量，
其特征在于，
直接在电极层的至少一个的背离压电层的侧(121)上设置至少一个用于电绝缘电极层的电绝缘层(4)。
2.按权利要求1所述的装置，其中，绝缘层具有无机绝缘材料。
3.按权利要求2所述的装置，其中，无机绝缘材料具有至少一种从金属氮化物和金属氧化物的组中选取的化合物。
4.按权利要求3之一所述的装置，其中，金属氧化物是二氧化硅。
5.按权利要求1至4之一所述的装置，其中，其上设置有绝缘层的电极层具有铝。
6.按权利要求1至5之一所述的装置，其中，薄膜谐振器设置在半导体衬底(5)上。
7.按权利要求6所述的装置，其中，薄膜谐振器设置在集成在半导体衬底中的读出电路上方。
8.按权利要求1至7之一所述的装置，其中，积聚面由绝缘层形成。
9.按权利要求1至7之一所述的装置，其中，积聚面由施加在绝缘层上的化学敏感涂层(7)形成。
10.按权利要求9所述的装置，其中，化学敏感涂层具有金。
11.按权利要求9或10所述的装置，其中，化学敏感涂层具有5nm至30nm范围中的层厚。
12.用于在使用按权利要求1至11之一所述的装置(1)的情况下探测流体(2)的至少一种物质的方法，具有以下方法步骤：
a)使积聚面(3)和流体(2)相聚，使得物质可以在积聚面(3)处被积聚，以及
b)确定薄膜谐振器(10)的谐振频率。
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