CN1800797A

CN1800797A - 应用薄膜体声波共振器的感测装置

Info

Publication number: CN1800797A
Application number: CN 200510004177
Authority: CN
Inventors: 吴宗颖; 邢泰刚
Original assignee: Delta Optoelectronics Inc
Current assignee: Delta Electronics Inc; Delta Optoelectronics Inc
Priority date: 2005-01-06
Filing date: 2005-01-06
Publication date: 2006-07-12

Abstract

一种应用薄膜体声波共振器的感测装置，包括一薄膜体声波共振结构(FBAR)，具有一体声波波速值(Vb)以及与其相对应的一共振频率值(f)，其中，薄膜体声波共振结构受到外力而产生形变，改变体声波波速值，相对应地改变共振频率值，得到一频率偏移量，借由计算频率偏移量即可推得外力的大小。

Description

应用薄膜体声波共振器的感测装置

技术领域

本发明有关一种感测装置，特别是有关一种应用薄膜体声波共振器的感测装置。

背景技术

随着生物科技的发达，生物医疗上的检测也由传统大型机台及长时间及复杂的检测也渐渐走入家庭，小型化的检测设备及包含快速的检测机制的产品在近几年不断提出；而机械工艺方面如汽车工业，在越来越注重人车的整合及驾乘者的舒适度及安全性，汽车也由传统的机械装置慢慢进化成内含数十种传感器反馈的精密微调系统，这些应用都有赖于精密和实时性的传感器才能达成。

表面声波组件(surface acoustical wave device，SAW device)除了在通讯领域上的应用，近年来也被广泛的应用在传感器的领域上，借由量测实时且高零敏度的表面声波组件的变化，就可以达到快速及高准确性的检测。然而，由于现行的表面声波组件是以单晶或块体的压电材料制作，虽具压电特性良好且一致的优点，但其材料成本过高，且由于受到材料及工艺上的限制，当操作频率越高时，能量衰减越大，故无法适用于高工作频率的状况。

再者，现行的表面声波组件，必须使用额外的再加工与封装步骤，才能够将表面声波组件与一般半导体工艺及组件结合，不仅使整体体积无法达到微小化的目的，更会耗费成本，增加工时，且因再加工与封装步骤的进行，而增加表面声波组件特性上变异的机会。

发明内容

因此，为解决上述问题，本发明的目的是提出一种感测装置，其应用薄膜体声波共振器，不仅具有快速及高准确性的检测特性，更具有体积小、低材料成本，且具低能量损耗，适用于高工作频率的优点。再者，薄膜体声波共振器在工艺上可与传统半导体组件整合，在晶片工艺的阶段即可整合于同一芯片内，免除了需额外再加工与封装的步骤，更可避免因进行额外再加工与封装的步骤而可能导致的特性上的变异。

根据本发明一方面，提出一种感测装置，用以感测一外力，感测装置包括一薄膜体声波共振结构(film bulk acoustic resonator，FBAR)，具有一体声波波速值(Vb)以及与其相对应的一共振频率值(f)，其中，薄膜体声波共振结构受到外力而产生形变，改变体声波波速值，相对应地改变共振频率值，得到一频率偏移量，借由计算频率偏移量即可推得外力的大小。其中，薄膜体声波共振结构包括二电极，以及介于这些电极之间的一压电材料层，当由这些电极之一输入一高频电压信号时，形成一体声波于这些电极之间传递，得到体声波波速值(Vb)以及与其相对应的共振频率值(f)。高频电压信号是由一震荡电路提供，且震荡电路与这些电极之一电性连接。或者，高频电压信号是由一无线发射源提供，且高频电压信号是由与这些电极之一电性连接的一天线接收。天线还输出一相对频率偏移量的信号予无线发射源，以计算并推得外力的大小。

外力为重力或一气体压力。感测装置是与一频率计数器电性连接，且此频率计数器可计算该频率偏移量以推得压力的大小。其中，于感测装置与频率计数器之间还包括一震荡器或放大器，用以调变频率偏移量。感测装置可于晶片工艺阶段整合于一半导体芯片中，且感测装置是利用微机电的精密技术来制作。

根据本发明另一方面，提出一种感测装置，包括一阻抗型传感器、一薄膜体声波共振结构，以及一匹配电路。薄膜体声波共振结构与阻抗型传感器电性连接，而匹配电路用以调变薄膜体声波共振结构与阻抗型传感器间的阻抗。其中，借由薄膜体声波共振结构的高工作频率特性，以增加阻抗型传感器的灵敏度。其中，阻抗型传感器用以感测一气体压力，例如是一汽车轮胎的胎压。或者，阻抗型传感器用以感测一由一旋转物的扭力造成的加速度。

薄膜体声波共振结构包括二电极，以及介于这些电极之间的一压电材料层，当由这些电极之一输入一高频电压信号时，形成一体声波于这些电极之间传递，得到一体声波波速值(Vb)以及与其相对应的一共振频率值(f)。或者，薄膜体声波共振结构包括至少二层的压电材料层与复数个电极，以增加薄膜体声波共振结构的电性连接弹性。压电材料层例如是氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、或钛酸钡(BaTiO₃)。阻抗型传感器与薄膜体声波共振结构是于晶片工艺阶段共同整合于一半导体芯片中，且感测装置是利用微机电的精密技术来制作。

根据本发明又一方面，提出一种感测装置，包括一薄膜体声波共振结构，以及一化学或生化敏感性物质。薄膜体声波共振结构具有一体声波波速值(Vb)以及与其相对应的一共振频率值(f)，而化学或生化敏感性物质则设置于薄膜体声波共振结构上。其中，若一待测物与化学或生化敏感性物质产生反应，则化学或生化敏感性物质的重量改变，使得体声波波速值改变，相对应地共振频率值改变，可得到一频率偏移量，即可推得待测物的化学或生化特性。

薄膜体声波共振结构包括二电极，以及介于这些电极之间的一压电材料层，当由这些电极之一输入一高频电压信号时，形成一体声波于这些电极之间传递，得到体声波波速值(Vb)以及与其相对应的共振频率值(f)。高频电压信号是由一震荡电路提供，震荡电路与这些电极之一电性连接。或者，高频电压信号是由一无线发射源提供，且高频电压信号是由与这些电极之一电性连接的一天线接收。天线还输出一相对频率偏移量的信号子无线发射源，即可推得待测物的化学或生化特性。压电材料层例如是氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、或钛酸钡(BaTiO3)。

感测装置是与一频率计数器电性连接，且此频率计数器是可计算频率偏移量以推得外力的大小。其中，于感测装置与频率计数器之间还包括一震荡器或放大器，用以调变频率偏移量。感测装置可于晶片工艺阶段整合于一半导体芯片中，且感测装置是利用微机电的精密技术来制作。

为让本发明的上述和其它目的、特点和优点能更明显易懂，下文特举一较佳实施例，并配合附图进行详细说明如下：

附图说明

图1A是依照本发明的薄膜体声波共振器的示意图。

图1B是图1A的薄膜体声波共振器受力时的示意图。

图2A与图2B是依照本发明第一实施例感测装置的二方块示意图。

图2C是采用无线方式的本发明第一实施例的感测装置的方块示意图。

图3A是依照本发明第二实施例的感测装置的示意图。

图3B是依照本发明第二实施例的另一感测装置的示意图。

具体实施方式

本发明主要是将薄膜体声波共振器应用于感测装置上，利用薄膜体声波共振器具低能量损耗，适用于高工作频率(可达10GHz)的优点，使得感测装置的检测特性增进。以下先介绍薄膜体声波共振器的工作原理。

请参照图1A，其是依照本发明的薄膜体声波共振器的示意图。薄膜体声波共振器(film bulk acoustic resonator，FBAR)12主要包括二电极13a、13b，以及一压电材料层14，介于电极13a、13b之间。薄膜体声波共振器12设置于一具有形变空间的基板11上，且电极13a与一震荡电路79电性连接。

当震荡电路79提供一高频电压信号并借由电极13a输入薄膜体声波共振器12时，由于压电效应的关系，会激发出体声波于上下电极13a、13b间传递。由于边界反射的影响，声波传递成为一驻波共振，其共振频率与体声波波速及压电薄膜厚度的关系如下式：

f＝Vb/(2*t)

其中f为共振频率，Vb为体声波波速，t为压电材料层14的厚度。亦即，当由薄膜体声波共振器12的电极之一输入一高频电压信号时，会形成一体声波于电极13a、13b之间传递，则得到一体声波波速值(Vb)以及与其相对应的一共振频率值(f)。

接着，请参照图1B，其是图1A的薄膜体声波共振器受力时的示意图。当A处的压力大于B处的压力时，薄膜体声波共振结构12会因受力而产生形变，如图1B所示。如此一来，薄膜体声波共振结构12内的应力变化使体声波波速值(Vb)改变，相对应地改变共振频率值共振频率值(f)，得到一频率偏移量(Δf)，借由计算此频率偏移量(Δf)即可推得A处压力的大小。

另外，薄膜体声波共振结构12除了会因受到周围气体压力不均的力而产生形变之外，亦会受重力的影响而产生形变。为了更清楚使熟悉该项技术者能据以实施本发明，特根据上述的薄膜体声波共振器的工作原理，再将本发明可能的实施例详细叙述如下。

第一实施例

请参照图2A与图2B，其是依照本发明第一实施例感测装置的二方块示意图。本发明第一实施例所揭示的感测装置20包括一薄膜体声波共振结构22。以电性连接的方式，由一震荡电路提供一高频电压信号予薄膜体声波共振结构22，另一方面，感测装置20与一频率计数器27电性连接，且感测装置20与频率计数器27之间还包括一震荡器25(如图2A所示)，或一放大器26(如图2B所示)。薄膜体声波共振结构22具有一体声波波速值(Vb)以及与其相对应的一共振频率值(f)。当薄膜体声波共振结构22受力而产生形变时，则体声波波速值(Vb)改变，相对应地共振频率值(f)改变，得到一频率偏移量(Δf)。经过震荡器25或放大器26的调变后，最后利用频率计数器27加以计算频率偏移量(Δf)，即可推得待测量(即受力的大小)。

另外，除了以有线的方式提供一高频电压信号予薄膜体声波共振结构22之外，亦可使用无线方式来侦测频率偏移量(Δf)。请参照图2C，其是采用无线方式的本发明第一实施例的感测装置的方块示意图。感测装置20是通过一天线来接收高频电压信号并传送相对于频率偏移量(Δf)的信号反馈至无线发射源89。高频电压信号是由无线发射源89提供，且高频电压信号是由与薄膜体声波共振结构22的电极电性连接的天线来接收。

再者，传回至无线发射源89的相对于频率偏移量(Δf)的信号，再利用频率计数器27加以计算后，即可推得待测量(即受力的大小)。

第二实施例

第一实施例是利用薄膜体声波共振结构22本身来感测，进而求得推得受力的大小。此外，亦可将薄膜体声波共振结构在电路上与一阻抗型传感器串联或并联，由薄膜体声波共振结构等效电路的观点，其共振频率将随阻抗型传感器的输入阻抗变化，故亦能借由侦测薄膜体声波共振结构的共振频率来推算待测量。请参照图3A，其是依照本发明第二实施例的感测装置的示意图。本发明第二实施例所揭示的感测装置30包括一阻抗型传感器38、一薄膜体声波共振结构32a，以及一匹配电路39。薄膜体声波共振结构32a与阻抗型传感器38电性连接，而匹配电路39用以调变薄膜体声波共振结构32a与阻抗型传感器38间的阻抗，匹配电路39可使薄膜体声波共振结构32a与阻抗型传感器38在电气连接上有较好的特性。

阻抗型传感器38例如是一电容式或电阻式压力传感器。借由薄膜体声波共振结构32a的高工作频率特性，可增加阻抗型传感器的灵敏度。另外，阻抗型传感器38可感测一气体压力，例如是一汽车轮胎的胎压。或者，阻抗型传感器38用以感测一由一旋转物的扭力造成的加速度。

与第一实施例的薄膜体声波共振结构22相似，本实施例的薄膜体声波共振结构32a包括二电极，以及介于这些电极之间的一压电材料层，当由这些电极的一输入一高频电压信号时，形成一体声波于这些电极之间传递，得到一体声波波速值(Vb)以及与其相对应的一共振频率值(f)。

或者，可采用双端口的薄膜体声波共振结构。请参照图3B，其是依照本发明第二实施例的另一感测装置的示意图。薄膜体声波共振结构32b包括至少二层的压电材料层与复数个电极，薄膜体声波共振结构32b与阻抗型传感器38电性连接，且通过匹配电路39以调变薄膜体声波共振结构32b与阻抗型传感器38间的阻抗，匹配电路39可使薄膜体声波共振结构32b与阻抗型传感器38在电气连接上有较好的特性。

以图3B为例，具有双层压电薄膜结构的薄膜体声波共振结构32b，其下层压电层的电极与阻抗型传感器38连接，改变了薄膜体声波共振结构32b的第一个端口P的输入阻抗，亦即改变了由第一个端口P所量测的共振频率。此方式增加了薄膜体声波共振结构电性连接方式的弹性。对于不同种类的阻抗型传感器，可依其阻抗输出值选择适合的连接方式，以使量测灵敏度获得最佳化。

不论是单端口的薄膜体声波共振结构32a，或是双端口的薄膜体声波共振结构32b，除可提升感测装置30的灵敏度外，还可将薄膜体声波共振结构32a/32b与多种同样利用微机电工艺而制作的阻抗型传感器(例如是压力计及加速度计等)在同一芯片上整合，达到降低制作成本，简化封装程序及尺寸微小化等目标。

第三实施例

除了上述第一实施例与第二实施例所采用的利用薄膜体声波共振结构的受力后产生机械形变的特性来作为侦测的方式外，亦可利用薄膜体声波共振结构来制作化学或生化传感器。第三实施例所揭示的感测装置，包括一薄膜体声波共振结构，以及一化学或生化敏感性物质。薄膜体声波共振结构具有一体声波波速值(Vb)以及与其相对应的一共振频率值(f)，而化学或生化敏感性物质则以一沉积，涂布或其它方式设置于薄膜体声波共振结构上。

当待测物中具有某种与此敏感物质对应的物质存在时，会与此敏感性物质发生反应，例如是与此敏感性物质结合，或使此敏感性物质变质或脱落，则此敏感性物质的重量改变，使得其对薄膜体声波共振结构表面所产生的质量负载改变，使得体声波波速值改变，相对应地造成共振频率的偏移。如此一来，即可推得待测物的化学或生化特性。反之亦然，若共振频率值无偏移，则表示待测物并不具有此项化学或生化特性。另外，随着所欲测量的化学或生化特性的不同，可相对应地涂布不同的化学或生化敏感性物质于薄膜体声波共振结构表面上进行侦测。

再者，第三实施例所揭示的感测装置，亦可利用如第一实施例中所揭示的无线方式，来侦测薄膜体声波共振结构的共振频率。由于此种感测方式为纯被动式的感测，在感测装置端并不需要额外的电源，排除主动式感测装置因附加电池所产生的如电池寿命限制、增加额外重量尺寸及成本等缺点。由于薄膜体声波共振结构在高频的Q值较表面声波组件为高，具低能量损耗的特性，且制作成本不随频率升高而提高，故以2.4GHz ISM频段的无线被动式感测应用为例，薄膜体声波共振结构是较佳的选择。

上述各实施例中的感测装置，可利用微机电的精密技术来制作，且薄膜体声波共振器可设置于一硅基板上，故可于晶片工艺阶段即可整合于一半导体芯片中，不需额外再加工与封装的步骤，达到降低制作成本，简化封装程序及尺寸微小化等目标。另外，薄膜体声波共振器的压电材料层例如是氮化铝(AlN)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、或钛酸钡(BaTiO₃)。

本发明所揭示的感测装置，利用压电薄膜及微机电工艺制作一薄膜体声波共振器(Film Bulk Acoustic Resonator，FBAR)，不仅具有快速及高准确性的检测特性，更具有体积小、低材料成本，且具低能量损耗，适用于高工作频率(可达10GHz)的优点。再者，薄膜体声波共振器在工艺上可与传统半导体组件整合在同一芯片中，达到降低制作成本，简化封装程序及尺寸微小化等目标。且由于在晶片工艺的阶段即可整合于同一芯片内，免除了需额外再加工与封装的步骤，更可避免因进行额外再加工与封装的步骤而可能导致的特性上的变异。

虽然本发明已以一较佳实施例揭示如上，然而其并非用以限定本发明，任何熟悉本技术的人员在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的等效的变化或替换，因此本发明的保护范围当视后附的本申请权利要求范围所界定的为准。

Claims

1.一种感测装置，用以感测一外力，该感测装置包括一薄膜体声波共振结构，具有一体声波波速值(Vb)以及与其相对应的一共振频率值(f)，其中，该薄膜体声波共振结构受到该外力而产生形变，改变该体声波波速值，相对应地改变该共振频率值，得到一频率偏移量，借由计算该频率偏移量即可推得该外力的大小。

2.如权利要求1所述的感测装置，其特征在于该薄膜体声波共振结构包括二电极，以及介于该些电极之间的一压电材料层，当由该些电极之一输入一高频电压信号时，形成一体声波于该些电极之间传递，得到该体声波波速值以及与其相对应的该共振频率值。

3.如权利要求2所述的感测装置，其特征在于该高频电压信号是由一震荡电路提供，该震荡电路与该些电极之一电性连接。

4.如权利要求2所述的感测装置，其特征在于该高频电压信号是由一无线发射源提供，且该高频电压信号是由与该些电极的一电性连接的一天线接收。

5.如权利要求4所述的感测装置，其特征在于该天线还输出一相对该频率偏移量的信号予该无线发射源，以计算并推得该外力的大小。

6.如权利要求2所述的感测装置，其特征在于该压电材料层为氮化铝、氧化锌、锆钛酸铅、或钛酸钡。

7.如权利要求1所述的感测装置，其特征在于该外力为一重力或气体压力。

8.如权利要求1所述的感测装置，其特征在于该感测装置是与一频率计数器电性连接，该频率计数器可计算该频率偏移量以推得该外力的大小。

9.如权利要求8所述的感测装置，其特征在于于该感测装置与该频率计数器之间还包括一震荡器，用以调变该频率偏移量。

10.如权利要求8所述的感测装置，其特征在于于该感测装置与该频率计数器之间还包括一放大器，用以调变该频率偏移量。

11.如权利要求1所述的感测装置，其特征在于该感测装置是于晶片工艺阶段整合于一半导体芯片中。

12.如权利要求11所述的感测装置，其特征在于该感测装置是利用微机电的精密技术来制作。

13.如权利要求1所述的感测装置，其特征在于还包括一阻抗型传感器，与该薄膜体声波共振结构电性连接，其中，借由该薄膜体声波共振结构的高工作频率特性，以增加该阻抗型传感器的灵敏度。

14.如权利要求13所述的感测装置，其特征在于还包括一匹配电路，电性连接于该薄膜体声波共振结构与该阻抗型传感器之间，用以调变该薄膜体声波共振结构与该阻抗型传感器间的阻抗。

15.如权利要求13所述的感测装置，其特征在于该阻抗型传感器用以感测一气体压力。

16.如权利要求15所述的感测装置，其特征在于该气体压力是一汽车轮胎的胎压。

17.如权利要求13所述的感测装置，其特征在于该阻抗型传感器用以感测一加速度。

18.如权利要求17所述的感测装置，其特征在于该加速度是由一旋转物的扭力造成。

19.如权利要求13所述的感测装置，其特征在于该阻抗型传感器与该薄膜体声波共振结构是于晶片工艺阶段共同整合于一半导体芯片中。

20.如权利要求13所述的感测装置，其特征在于该薄膜体声波共振结构包括至少二层的压电材料层与复数个电极，以增加该薄膜体声波共振结构的电性连接弹性。

21.如权利要求1所述的感测装置，还包括一化学或生化敏感性物质，设置于该薄膜体声波共振结构上，其中，若一待测物与该化学或生化敏感性物质产生反应，则该化学或生化敏感性物质的重量改变，产生该外力，即可推得该待测物的化学或生化特性。

22.如权利要求21所述的感测装置，其特征在于该薄膜体声波共振结构包括二电极，以及介于该些电极之间的一压电材料层，当由该些电极的一输入一高频电压信号时，形成一体声波于该些电极之间传递，得到该体声波波速值以及与其相对应的该共振频率值。

23.如权利要求22所述的感测装置，其特征在于该高频电压信号是由一震荡电路提供，该震荡电路与该些电极之一电性连接。

24.如权利要求22所述的感测装置，其特征在于该高频电压信号是由一无线发射源提供，且该高频电压信号是由与该些电极之一电性连接的一天线接收。

25.如权利要求24所述的感测装置，其特征在于该天线还输出一相对该频率偏移量的信号予该无线发射源，即可推得该待测物的化学或生化特性。

26.如权利要求21所述的感测装置，其特征在于该感测装置是与一频率计数器电性连接，该频率计数器可计算该频率偏移量以推得该外力的大小。

27.如权利要求26所述的感测装置，其特征在于于该感测装置与该频率计数器之间还包括一震荡器，用以调变该频率偏移量。

28.如权利要求26所述的感测装置，其特征在于于该感测装置与该频率计数器之间还包括一放大器，用以调变该频率偏移量。

29.如权利要求21所述的感测装置，其特征在于该感测装置是于晶片工艺阶段整合于一半导体芯片中。