CN109870504A - 一种用于液体检测的微流通道声波传感器 - Google Patents

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张辉
毛飞龙
沈浪
殷国栋
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本发明涉及一种用于液体检测的微流通道声波传感器，属于微电子声学与声波传感器领域。用于液体检测的微流通道声波传感器包括压电薄膜层，硅（Si）基底层、声波透射阻抗匹配层，布拉格反射层；所述的压电薄膜层的上方设有布拉格反射层；其布拉格反射层上方设有硅（Si）基底层；所述的压电薄膜层的下方设有声波透射阻抗匹配层。本发明的液体传感器使纵波大部分能量进入厚的Si基底中产生驻波谐振而使得Q值显著提高。

Description

一种用于液体检测的微流通道声波传感器
技术领域
本发明涉及一种用于液体检测的微流通道声波传感器，属于微电子声学与声波传感器领域。
背景技术
近年来，薄膜体声波传感器由于其拥有小的体积、较低的能量损耗以及较高的传感灵敏度而受到关注。通常，剪切模式的声波更多地用于液体测量环境中，由于剪切波只在固液表面传播，所以测量中基于剪切声波模式的传感器有较大的品质因子(Q)和较高的灵敏度。但是由于剪切波进入液体的深度极小(纳米量级)，所以在流体受到扰动情形下会产生大的检测误差。而纵声波模式可以在液体传播较长的距离，这样，基于纵波的液体传感器一方面可以检测液体媒质的特征等信息，同时对液体流动、扰动等的检测干扰具有很好的抑制能力。尽管如此，纵波模式的液体传感器由于在液体中的长距离传播，由液体阻尼带来的能量损耗较大，相应的器件的谐振Q值会大幅降低并直接减弱传感器的检测灵敏度和精度。
发明内容
技术问题：
本发明的目的在于实现纵波模式的声波传感器具有大谐振Q值，实现对液体检测的高灵敏度和高分辨率。
本发明采用如下技术方案：
本发明所述的用于液体检测的微流通道声波传感器，包括压电薄膜层，硅(Si)基底层、声波透射阻抗匹配层，布拉格反射层；所述的压电薄膜层的上方设有布拉格反射层；其布拉格反射层上方设有硅(Si)基底层；所述的压电薄膜层的下方设有声波透射阻抗匹配层。为了实现声能量的反射，在压电薄膜上方布置了两个布拉格反射对，并将待检测的液体层作为第一布拉格反射层对的低阻抗层。这样的结构设计可以最大限度的将液体层的声学信息反映在反射的声波之中，有利于提高液体密度、粘度和组分含量的检测灵敏度。
另一方面，本发明在压电薄膜层的下方设计了声透射阻抗匹配层，这种设计最大限度的将压电薄膜激发的声波(包括由压电薄膜层上方的布拉格反射层反射的声波)通过阻抗匹配层引入Si基底层中，最终声波在基底层中形成驻波谐振。本发明中，选择Si基底的优势在于：一方面可以使本发明的液体传感器件制备与集成电路工艺相匹配；另一方面Si基底具有非常小的损耗特性，声波在其形成驻波谐振可以提高纵波液体传感器的谐振Q值。
本发明所述的用于液体检测的微流通道声波传感器，所述的布拉格反射层由高阻抗层与低阻抗层组成的反射层对构成。
本发明所述的用于液体检测的微流通道声波传感器，所述的压电薄膜层由激发声波的压电材料制备而成，该压电材料包括锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)。
本发明所述的用于液体检测的微流通道声波传感器，所述的压电薄膜层上方为双布拉格反射结构，在压电薄膜上方由电极金属层及待检测流体层构成第一布拉格反射层对；所述的第一布拉格反射层对的上方采用二氧化硅(SiO2)层及金属层构成第二布拉格反射层对。
本发明所述的用于液体检测的微流通道声波传感器，所述的电极金属层其声阻抗大于压电薄膜声阻抗，由钨(W)或钼(Mo)或铜(Cu)或金(Au)或钌(Ru)材料制成。
本发明所述的用于液体检测的微流通道声波传感器，所述的金属层其声阻抗大于二氧化硅(SiO2)声阻抗，由钨(W)或钼(Mo)或铜(Cu)或金(Au)或钌(Ru)材料制成。
本发明所述的用于液体检测的微流通道声波传感器，所述的压电薄膜层上方的双布拉格反射对，其构成反射对的各层厚度为激发频率声波在各层声波长的四分之一。
本发明所述的用于液体检测的微流通道声波传感器，压电薄膜层下方由声波透射阻抗匹配层和Si基底层构成，其中阻抗匹配层可以为一层，也可以为多层。通过阻抗匹配层对压电薄膜和Si基底层之间的阻抗匹配，由压电薄膜层激发的声纵波透过阻抗匹配层传递到Si基底层，并在基底中形成驻波谐振。其中，声波透射阻抗匹配层满足四分之一波长声阻抗匹配关系如下：
其中，Zs和Zp分别代表压电薄膜层和Si基底材料的声阻抗，小标n表示匹配层的总层数，上标j表示第j层。并且各个阻抗匹配层的厚度为激发频率声波在各层声波长的四分之一。
本发明所述的用于液体检测的微流通道声波传感器，由压电薄膜层激发的声纵波透过阻抗匹配层传递到硅(Si)基底层，并在基底中形成驻波谐振。
有益效果
本发明的液体传感器使纵波大部分能量进入厚的Si基底中产生驻波谐振而使得Q值显著提高。通过控制衬底厚度和激发频率可以实现谐振Q达到1270。
另外，一部分声波能量被设计的布拉格反射结构(液体层做为布拉格反射对的一层)反射进入Si基底，从而在Si基底的驻波谐振中包含了待检测液体的声学信息。这有利于提高液体密度、粘度和组分含量的检测灵敏度。通过对谐振频率的测量可以实现对生物组织液等流体物质的检测，其质量传感灵敏度可达33.5kHz cm2/ng，对黏度系数的检测灵敏度可达35kHz/(Pa·s)。
附图说明
图1为压电薄膜上方双布拉格反射对结构示意图。
图2为压电薄膜下方声透射阻抗匹配结构示意图。
图3为纵波液体声波传感器结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的和技术方案更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图所示：用于液体检测的微流通道声波传感器，包括压电薄膜层，硅(Si)基底层、声波透射阻抗匹配层，布拉格反射层。
所述的布拉格反射层为高阻抗和低阻抗层组成，为了实现声能量的反射，在压电薄膜上方布置了两个布拉格反射对，并将待检测的液体层作为第一布拉格反射层对的低阻抗层。这样的结构设计可以最大限度的将液体层的声学信息反映在反射的声波之中，有利于提高液体密度、粘度和组分含量的检测灵敏度。
在具体实施中压电薄膜层采用氮化铝(AlN)，在压电薄膜上的第一布拉格反射对由上电极金属层钌(Ru)和待检测流体层构成，在第一层布拉格反射层上的第二层布拉格反射对由二氧化硅(SiO2)层和金属层W构成，如图1所示。其中传感器工作频率由下式确定：
其中，vAlN和l分别为AlN压电薄膜的纵波声速度和厚度。AlN薄膜的厚度是4.81μm，工作频率是f＝1.04GHz。对应的Ru/SiO2/W/微流腔各层的厚度分别为0.72/0.73/0.63/0.18μm。
构成布拉格反射对的各层厚度计算如下：
其中，lp和vp分别为构成布拉格反射对的各层厚度和纵波声速度。
本发明在压电薄膜层的下方设计了声透射阻抗匹配层，这种设计最大限度的将压电薄膜激发的声波(包括由压电薄膜层上方的布拉格反射层反射的声波)通过阻抗匹配层引入Si基底层中，最终声波在基底层中形成驻波谐振。根据四分之一波长阻抗匹配公式其中AlN声阻抗为Zs＝20.84Mrayl，Si基底声阻抗为Zp＝35.12Mrayl，如果取一层阻抗匹配层n＝j＝1，则阻抗匹配层阻抗为27.05Mrayl。金属Ti的声阻抗是28.5Mrayl，这一数值非常接近计算值，可以充当完美的匹配材料。其中Ti阻抗匹配层厚度利用公式求得。另外，在磁控溅射制备AlN薄膜过程中，Ti和AlN薄膜的晶格失配，一般选用Pt作为溅射AlN薄膜的晶格匹配层。由于Pt与AlN和Ti薄膜都具有非常好的晶格匹配特征，所以，通过溅射非常薄的Pt薄膜可以作为种子层。如果采用超薄的Pt薄膜，由于其厚度相比于其声波波长极小，Pt薄膜对于声波传输的影响可以忽略。在纵波液体传感器的设计中，AlN薄膜的厚度是4.81μm，工作频率是f＝1.04GHz。对应的Ti薄膜的厚度是它的声波波长的1/4倍，即为0.76μm。Pt薄膜层的厚度为0.01μm，这远小于其声波波长(1.29μm)。通过这种设计，声波能量通过Ti阻抗匹配层(Pt层由于极薄，其对声波的影响忽略，在图2中Pt层没有画出)导入Si基底之中，如图2所示。
与体声波谐振器类似，纵波由夹在两个电极材料中的压电AlN薄膜所激发，因为AlN薄膜具有较大的纵波声速度，这能提高谐振器的谐振频率和减少压电薄膜的厚度，其中阻抗匹配层Ti和构成第一布拉格反射对的金属层Ru当作压电薄膜的电极。考虑到将传感器组成阵列整合到微机电系统(MEMS)的方便，采用Si作为基底。Si材料作为基底通过和集成电路工艺匹配，可以简化器件制作工艺，同时Si拥有较低的能量损耗，这样还能显著提高传感器的谐振性能。
总之，通过在AlN压电薄膜的声透射阻抗匹配层将包含待检测液体信息的布拉格反射对的反射声波导入Si基底，在Si基底形成包含待检测液体信息的驻波谐振，提高纵波在液体密度、粘度和组分含量的检测Q值和检测灵敏度。
本发明基于优化的声波反射和透射结构，极大地提升了纵波在液体检测的Q值和传感灵敏度；本领域的普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实例，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施案例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对此技术方案进行修改，对部分技术特征进行等同替换。凡在本发明原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种用于液体检测的微流通道声波传感器，其特征在于：包括压电薄膜层，硅（Si）基底层、声波透射阻抗匹配层，布拉格反射层；所述的压电薄膜层的上方设有布拉格反射层；其布拉格反射层上方设有硅（Si）基底层；所述的压电薄膜层的下方设有声波透射阻抗匹配层。
2.根据权利要求1所述的用于液体检测的微流通道声波传感器，其特征在于：所述的布拉格反射层由高阻抗层与低阻抗层组成的反射层对构成。
3.根据权利要求1所述的用于液体检测的微流通道声波传感器，其特征在于：所述的压电薄膜层由激发声波的压电材料制备而成，该压电材料包括锆钛酸铅（PZT）、 氧化锌（ZnO）、 氮化铝（AlN）。
4.根据权利要求1所述的用于液体检测的微流通道声波传感器，其特征在于：所述的压电薄膜层上方为双布拉格反射结构，在压电薄膜上方由电极金属层及待检测流体层构成第一布拉格反射层对；所述的第一布拉格反射层对的上方采用二氧化硅（SiO2）层及金属层构成第二布拉格反射层对。
5.根据权利要求4所述的用于液体检测的微流通道声波传感器，其特征在于：所述的电极金属层其声阻抗大于压电薄膜声阻抗，由钨（W）或钼（Mo）或铜（Cu）或金（Au）或钌（Ru）材料制成。
6.根据权利要求4所述的用于液体检测的微流通道声波传感器，其特征在于：所述的金属层其声阻抗大于二氧化硅（SiO2）声阻抗，由钨（W）或钼（Mo）或铜（Cu）或金（Au）或钌（Ru）材料制成。
7.根据权利要求6所述的用于液体检测的微流通道声波传感器，其特征在于：所述的压电薄膜层上方的双布拉格反射对，其构成反射对的各层厚度为激发频率声波在各层声波长的四分之一。
8.根据权利要求1所述的用于液体检测的微流通道声波传感器，其特征在于：所述的声波透射阻抗匹配层为一层或多层；声波透射匹配层满足四分之一波长声阻抗匹配关系。
9.根据权利要求1所述的用于液体检测的微流通道声波传感器，其特征在于：由压电薄膜层激发的声纵波透过阻抗匹配层传递到硅（Si）基底层，并在基底中形成驻波谐振。
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