DE102005043039A1

DE102005043039A1 - Vorrichtung mit piezoakustischem Resonatorelement, Verfahren zu dessen Herstellung und Verfahren zur Ausgabe eines Signals in Abhängigkeit einer Resonanzfrequenz

Info

Publication number: DE102005043039A1
Application number: DE102005043039A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr. Gabl
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Biomensio Ltd
Priority date: 2005-09-09
Filing date: 2005-09-09
Publication date: 2007-03-22
Anticipated expiration: 2025-09-10
Also published as: WO2007028810A1; DE102005043039B4; US20100134209A1; US7965019B2

Abstract

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens ein piezoakustisches Resonatorelement 21-29 mit mindestens einer piezoelektrischen Schicht 21a-29a und zwei an der piezoelektrischen Schicht 21a-29a anliegenden Elektroden 21b-29b, 21c-29c, wobei das piezoakustische Resonatorelement 21-29 derart beschaffen ist, dass durch Anlegen einer Spannung mittel der Elektroden 21b-29b, 21c-29c an die piezoelektrische Schicht 21a-29a eine Volumenschwingung der piezoelektrischen Schicht 21a-29a mit Resonanzfrequenz angeregt wird. DOLLAR A Die Vorrichtung umfasst außerdem eine Heizeinrichtung mit einem integriert mit dem piezoakustischen Resonatorelement 21-29 ausgebildeten Heizelement 211-219 zur Steuerung der Arbeitstemperatur der Vorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung umfassend mindestens ein piezoakustisches Resonatorelement mit einer piezoelektrischen Schicht und zwei an der piezoelektrischen Schicht anliegenden Elektroden, wobei das piezoakustische Resonatorelement derart beschaffen ist, dass durch Anlegen einer Wechselspannung an die piezoelektrische Schicht über die Elektroden eine Volumenschwingung der piezoelektrischen Schicht mit Resonanzfrequenz angeregt wird, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung und ein Verfahren zur Ausgabe eines Signals in Abhängigkeit einer Resonanzfrequenz.
Piezoakustische Resonatorelemente dieses Typs, bei denen durch Anlegen eines Wechselspannungsfelds eine Dickenschwingung, d.h. eine Körpervolumenschwingung, der piezoelektrischen Schicht mit Resonanzfrequenz angeregt wird, sind unter der englischen Bezeichnung „Bulk Acoustic Wave (BAW) Piezoelectric Resonator" bekannt geworden und wurden in erster Linie für Hochfrequenzanwendungen der Kommunikationselektronik entwickelt.
Die einfachste Konfiguration zur Realisierung eines BAW-Resonators ist eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material, das bei geeigneter kristallographischer Orientierung, z.B. mit der c-Achse senkrecht zur Elektrodenfläche, zwischen zwei Elektroden in Sandwichstruktur angeordnet ist.
In den 1 und 2 sind zwei grundsätzliche Typen der BAW-Resonatoren schematisch dargestellt, wie sie in dem Übersichtsartikel von M. Dubois „Thin Film Bulk Acoustic Resonators: A Technology Overview", publiziert anlässlich der Tagung MEMSWAVE 03, Toulouse, France, July 2–4, 2003, gezeigt sind.
1A zeigt dabei ein Beispiel eines so genannten „Thin Film Bulk Acoustic Resonators (FBAR)" schematisch. Eine piezoelektrische AlN-Schicht 300 ist auf einem Trägersubstrat in Form eines Si-Wafers 400 aufgebracht. Auf der Unterseite und der Oberseite der piezoelektrischen Schicht sind Elektroden 100 bzw. 200 angebracht. Wenn durch die Elektroden 100/200 ein elektrisches Wechselfeld an die piezoelektrische Schicht 300 angelegt wird, so tritt aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts eine Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Energie auf. Die resultierende akustische Volumenschwingung breitet sich innerhalb der piezoelektrischen Schicht aus, wobei die Fortschrittsrichtung parallel dem elektrischen Feld ist und die Welle an der Grenzfläche Elektrode/Luft reflektiert wird. Die Resonanzschwingung wird erreicht, wenn die Dicke des Schichtaufbaus des Resonators gleich der halben Wellenlänge des Eingangssignals beträgt. Zur Vermeidung akustischer Verluste in das Trägerssubstrat ist an der Unterseite der piezoelektrischen Schicht ein Hohlraum vorgesehen, sodass die akustischen Wellen an der Grenzfläche Elektrode/Luft reflektiert werden können.
1B zeigt einen Aufbau eines BAW-Resonators als so genannter Solidly Mounted Resonator (SMR). Im Unterschied zum Aufbau der 1 ist hier zur Vermeidung akustischer Verluste in Richtung des Trägersubstrats ein akustischer Spiegel (Bragg-Reflektor) 500 zwischen der unteren Elektrode 300 und dem Substrat 400 vorgesehen. Dieser akustische Spiegel besteht aus mehreren Schichten mit stark unterschiedlicher akustischer Impedanz, die in wechselnder Folge angeordnet sind, beispielsweise Lagen von W/SiO₂ oder Al/AlN, etc. Die Schichtdicke beträgt λ/4.
Im Vergleich zu so genannten Oberflächenwellen-Resonatoren („Surface Acoustic Wave (SAW-Resonatoren), die bereits seit längerem als Filterelemente Anwendung in der Hochfrequenztechnik finden, besteht ein prinzipieller Unterschied darin, dass im Falle der BAW-Resonatoren eine Dickenschwingung (Volumenschwingung) der piezoelektrischen Schicht angeregt wird, im Gegensatz zu Oberflächenwellen bei Oberflächenwellen-Resonatoren. Die Anregung einer Volumenschwingung (Körpervolumenschwingung) erfolgt durch geeignete Elektrodenanordnung in Kombination mit geeigneter kristallographischer Orientierung der piezoelektrischen Schicht. Je nach Konfiguration kann es sich bei der angeregten Volumenschwingung des piezoakustischen Resonatorelements um eine longitudinale Schwingung oder eine Dickenscherschwingung handeln.
Dieser grundsätzliche Unterschied zwischen Oberflächenwellen-Resonatoren (SAW-Resonatoren) und Körpervolumenwellen-Resonatoren (BAW-Resonatoren) hat je nach Anwendungsgebiet erhebliche Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften der Komponenten. Beispielsweise erfolgt bei der Anwendung von BAW Resonatoren als Filterelement im Hochfrequenzbereich aufgrund des zwischen den beiden Elektroden erzeugten elektrischen Felds nur eine minimale Kopplung mit elektrischen Feldern außerhalb der Metalloberflächen. Des Weiteren zeigen FBAR- bzw. BAW-Filter geringere elektrische Verluste im Durchlassbereich als OFW-Filter und sind darüber hinaus erheblich leistungsverträglicher als diese.
Besondere Vorteile ergeben sich auch in Bezug auf die Herstellungstechnologie, da sich BAW-Resonatoren in einfacher Weise mit Standard IC-Technologien (z.B. CMOS, BiC-MOS, etc.) auf einem Halbleiterchip als Trägersubstrat integrieren lassen.
Grundsätzlich kommen als Herstellungstechnologie für BAW-Resonatoren jedoch sowohl die Dickschichttechnik, die im Wesentlichen auf Siebdrucktechniken beruht und insbesondere für Strukturen im Bereich von > 100 μm geeignet ist, als auch die Dünnschichttechnik, wie zum Beispiel die Abscheidung aus der Dampfphase über CVD-/PVD-Verfahren, in Betracht.
Auf Grund der Tatsache, dass über die Dünnschichttechnik Strukturen im Größenbereich deutlich unterhalb 10 μm bis hin in den sub-μm-Bereich zugänglich sind, bietet sich diese im Hinblick auf die Erfordernisse der zunehmenden Integration und der fortschreitenden Miniaturisierung der verschiedenen Komponenten besonders an.
Beispielsweise wird in der eingangs zitierten Veröffentlichung von Marc-Alexandre Dubois, Thin Film Bulk Acoustic Wave Resonators: A Technology Overview, MEMS Wave 03, Toulouse, France, July 2–4, 2003, als Herstellungstechnologie für BAW Resonatoren reaktives Sputtering als Herstellungsprozess zum Wachstum von Aluminiumnitridschichten als piezoelektrische Schicht auf entsprechenden Elektroden beschrieben. So lässt sich, wie in dieser Veröffentlichung beschrieben, durch reaktives Sputtering eine 1,8 μm dicke AlN-Schicht mit einem piezoelektrischen Koeffizienten von d_33,f von 5,3 ± 0,22 pm/V erzeugen, was auf die hohe Qualität der durch den Sputterprozess erzeugten AlN-Schicht hinweist.
Neben AlN können grundsätzlich z.B. auch ZnO, PZT (Bleizirkonattitanat) oder Lithiumniobat als piezoelektrische Schicht verwendet werden, wobei jedoch AlN im Hinblick auf seine chemischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften Vorteile aufweist, insbesondere aber auch was die bereits angesprochene Integration auf einem Halbleiter Chip anbetrifft.
Wie eingangs erwähnt, sind BAW-Resonatoren ursprünglich als passive Komponenten für die Hochfrequenztechnik insbesondere für Systeme im Zielbereich von 1 bis 10 GHz entwickelt worden. Als Anwendungsbeispiele sind insbesondere die Herstellung von spannungsgesteuerten Oszillatoren (Voltage Controlled Oscillator, VCO) oder von Verstärkern (Low Noise Amplifier, LNA) zu nennen.

Neben der Anwendung als Komponenten der Hochfrequenztechnik ist die Anwendung eines BAW-Resonators als Sensor vorgeschlagen worden. Beispielsweise beschreibt die Anmeldung WO 2004/017063 A2 der Anmelderin einen Sensor zur Erfassung der Anlagerung einer bestimmten Substanz an der Oberfläche des BAW-Resonators. Auf diese Weise lässt sich die betreffende Substanz identifizieren. Anlagerung kann dabei Adsorption und/oder Absorption bedeuten.

Strukturell weist der Resonator zu diesem Zweck eine sensitive Beschichtung auf, beispielsweise in Form eines Polymerfilms, die auf einer Elektrode des Resonators angebracht ist. Auf diesem Polymerfilm können verschiedene Substanzen, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, absorbiert werden. Die zu detektierende Substanz befindet sich in einem Fluid (Gas oder Flüssigkeit), das als Messmedium dient. Zur Messung wird der Sensor in Kontakt mit dem Messmedium gebracht, das die Substanz enthält, die sich an der sensitiven Beschichtung anlagern kann. Üblicherweise wird eine Mikrofluidik mit Messzelle verwendet, durch die das Messmedium an dem betreffenden Oberflächenabschnitt des Sensors vorbei strömt.

Der Oberflächenabschnitt des Sensors, an dem sich die betreffende Substanz anlagert, richtet sich in vielen Fällen nach der Art der zu detektierenden Substanz, um auf diese Weise eine bestimmte Substanz selektiv aus einem Gemisch mehrerer Substanzen detektieren zu können. Beispielsweise beschreibt die oben genannte Patentanmeldung die Detektion von DNA-Fragmenten mittels eines Sensors, der auf einem Oberflächenabschnitt der Elektrode eine Beschichtung mit einer ausgewählten DNA-Sequenz aufweist, die eine Anlagerung passender DNA-Sequenzen nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip ermöglicht.

Bei der Detektion von DNA ist es entscheidend, das Stränge mit ein- oder mehrbasigen Mismatches gegenüber einem perfekten Match (komplementärer Strang) unterschieden werden können. Dies hängt in entscheidender Weise von dem Gleichgewichtszustand der Desorption der DNA-Stränge an dem Oberflächenabschnitt ab. Dieser Gleichgewichtszustand der Desorption wird von den Gegebenheiten des entsprechenden Systems, wie zum Beispiel Art der Beschichtung, Konzentration der beteiligten Spezies, Temperatur, etc. bestimmt.

Durch die Anlagerung einer Substanz an dem Resonator ändert sich die Resonanzfrequenz in Abhängigkeit der Masse der angelagerten Substanz. Durch Messung der Resonanzfrequenz kann daher auf die Anlagerung einer Substanz rückgeschlossen werden. Der betreffende Kennwert ist die Massensensitivität des Resonators, die proportional zum Quadrat der Resonanzfrequenz des Resonators ist.

In der genannten Patentanmeldung wird der positive Einfluss einer äußerst geringen Schichtdicke der piezoelektrischen Schicht im Bereich von 0,1 μm bis 20 μm beschrieben, was sich aufgrund des angesprochenen Zusammenhangs zwischen Massensensitivität und Resonanzfrequenz positiv auf die Detektionsempfindlichkeit des Sensors auswirkt. Zudem ergeben sich Vorteile im Hinblick auf Integrationsdichte und Miniaturisierung, insbesondere bei Sensor-Arrays, die mehrere derartige Sensorelemente enthalten.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung umfassend mindestens ein piezoakustisches Resonatorelement der eingangs genannten Art sowie ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung anzugeben. Insbesondere ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine derartige Vorrichtung, die als Sensor zur Detektion einer Substanz ausgestaltet ist, mit erhöhter Messgenauigkeit und erweitertem Einsatzbereich bereitzustellen.

Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein optimiertes Verfahren zur Ausgabe eines Signals in Abhängigkeit einer Resonanzfrequenz eines piezoakustischen Resonators anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit piezoakustischem Resonatorelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 22 gelöst. Ein optimiertes Verfahren zur Ausgabe eines Signals in Abhängigkeit einer Resonanzfrequenz eines piezoakustischen Resonators wird in Anspruch 23 angegeben.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden durch die abhängigen Ansprüche beschrieben.

Erfindungsgemäß umfasst die Vorrichtung eine Heizeinrichtung mit einem integriert mit dem piezoakustischen Resonatorelement ausgebildeten Heizelement zur Steuerung der Arbeitstemperatur der Vorrichtung.

Die Arbeitstemperatur der Vorrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung kann die Temperatur des piezoakustischen Resonatorelements sein. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Der Ort der Arbeitstemperatur der Vorrichtung kann ein beliebiger Abschnitt der Vorrichtung selbst und/oder ein Umgebungsabschnitt nahe der Vorrichtung sein.

Insbesondere bei Ausgestaltung der Vorrichtung als Sensor zur Detektion einer Substanz kann die Arbeitstemperatur sich auf den Oberflächenabschnitt beziehen, an dem sich die zu detektierende Substanz anlagert. Auch die Temperatur des Messmediums, in dem sich die Substanz befindet, kann eine Arbeitstemperatur der Vorrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung darstellen.

Zur Integration der Heizeinrichtung mit dem piezoakustischen Resonatorelement ist das Heizelement der Heizeinrichtung vorteilhafterweise als Schicht ausgebildet. Diese Schicht kann im Wesentlichen aus einem Material bestehen, das als Widerstandsheizer zum Beheizen der Vorrichtung ausgebildet sein kann.

Vorteilhafterweise liegt die Dicke der Schicht im Bereich unterhalb 25 μm, besonders bevorzugt ist eine Schichtdicke < 10 μm, und am meisten bevorzugt wird eine Schichtdicke < 1 μm. Eine geringe Schichtdicke begünstigt die Integration des Heizelementes durch Nutzung von Verfahren der Dünnschichttechnologie, wie zum Beispiel Abscheideverfahren über PVD/CVD-Prozesse. Hierdurch wird es in besonders einfacher Weise ermöglicht, das Heizelement gemeinsam mit dem piezoakustischen Resonatorelement zu prozessieren.

Bei einer einfachen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das als Schicht ausgebildete Heizelement gemeinsam mit dem piezoakustischen Resonatorelement auf einem Trägersubstrat ausgebildet.

Dabei können zwischen dem schichtförmigen Heizelement und dem Trägersubstrat Zwischenschichten angeordnet sein. Beispielsweise können das piezoakustische Resonatorelement und das Heizelement in Schichttechnik auf Zwischenschichten angeordnet sein, die als akustischer Spiegel (Bragg-Reflektor) fungieren, der einen akustischen Verlust in Richtung des Substrats reduzieren soll.

Bei einer besonders einfachen und vorteilhaften Ausgestaltung ist das Trägersubstrat als Membran ausgebildet, die beispielsweise durch Rückseitenätzung eines Halbleitersubstrats mit SiO₂- oder Si₃N₄-Schicht als Ätzstopp hergestellt werden kann. Alternativ kann die Membran einen Hohlraum im Trägersubstrat abdecken, d.h. als Oberflächenmikromechanik ausgebildet sein, wie in 1A gezeigt.

Bei BAW-Resonatoren dient die Verwendung einer Membran der akustischen Isolation, um zu verhindern, dass sich die angeregte Schwingung in das Trägersubstrat ausbreitet und zu akustischen Verlusten führt. Durch Anordnung des Heizelementes auf einer Membran wird eine thermische Isolation der Einrichtung rückseitig bewirkt, was die erforderliche Heizleistung minimiert, da rückwärtige Wärmediffusion und dadurch bedingte thermische Verluste nahezu vollständig verhindert werden können.

Auf diese Weise ergibt sich bei Anordnung des Heizelementes gemeinsam mit dem piezoakustischen Resonatorelement auf einer Membran der besondere Vorteil, dass gleichzeitig eine akustische und eine thermische Isolation erzielt werden kann.

Neben dem Heizelement kann die Heizeinrichtung übliche Funktionselemente zum Betreiben des Heizelementes wie z.B. Verbindungsmittel mit externer Stromversorgung etc. enthalten.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Heizelement mehrere miteinander verbundene Teilabschnitte, die derart angeordnet sind, dass das Resonatorelement und/oder seine Umgebung von mehreren Seiten des Resonatorelements beheizbar sind. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel sind diese Teilabschnitte lateral mit gleichem Abstand zu Randabschnitten des Resonators angeordnet, so dass das Resonatorelement entlang seines Randes von den Teilabschnitten des Heizelements umfasst wird. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen dem Heizelement und der piezoelektrischen Schicht des piezoakustischen Resonators weniger als 100 μm, stärker bevorzugt weniger 50 μm und am meisten bevorzugt weniger als 10 μm.

Erfindungsgemäß kann auch eine Elektrode des piezoakustischen Resonatorelements selbst als Heizelement verwendet werden.

Das Heizelement kann durch übliche Techniken der Dickschichttechnologie hergestellt werden. Eine verbesserte Integrationsmöglichkeit und Miniaturisierung ergibt sich jedoch bei Verwendung von aus der Halbleitertechnik bekannten Dünnschichttechnologien zur Herstellung von Schichtdicken im sub-μm-Bereich bis hin in den nm-Bereich. Hierbei kann es sich um übliche PVD/CVD-Verfahren handeln.

Was die Materialbeschaffenheit des Heizelementes anbetrifft, wird vorzugsweise ein Material verwendet, das als Widerstandsheizer betrieben werden kann. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Metallen, die auch als Metallwiderstandsthermometer fungieren können. In diesem Fall kann das Heizelement auch als Temperaturmesselement betrieben werden, bei dem die Vorrichtung dazu eingerichtet wird, aus dem Widerstandswert des Heizelements, das hier als Temperaturmesselement fungiert, die Temperatur zu ermitteln. In diesem Zusammenhang ist insbesondere Platin zu nennen, dessen Temperaturkoeffizient des Widerstands von 3,85·10^–3/°C beträgt, bei einem Einsatzbereich von –200 bis +850 °C. Auch Nickel kann verwendet werden, wenn die zu messende Temperatur 150 °C nicht überschreitet. Nickel bietet insbesondere im Hinblick auf den geringeren Preis Vorteile gegenüber Platin.

Eine derartige Vorrichtung, bei der eine Heizeinrichtung und ein Temperatursensor integriert mit dem piezoakustischen Resonatorelement ausgebildet sind, kann eine Auswerteeinrichtung mit einer Speichereinrichtung umfassen, in der die entsprechende Kennlinie der Temperaturabhängigkeit des Widerstands für das gegebene Material abgelegt ist, sowie eine Ausleseeinrichtung zum Auslesen eines Temperaturwerts in Abhängigkeit des erfassten Widerstandswerts. Auswerteeinrichtung und Ausleseeinrichtung können Bestandteil einer externen Vorrichtung sein, die in geeigneter Weise mit dem piezoakustische Resonatorelement und der Temperaturerfassungseinrichtung, elektrisch verbunden ist. Elektrisch verbunden im Sinne der vorliegenden Erfindung kann eine übliche Wireless-Verbindung sein und ist nicht auf konventionelle Verdrahtung beschränkt.

Durch die Ausgestaltung der Vorrichtung mit Temperaturerfassungseinrichtung (Mikrosensor) und Heizeinrichtung wird eine geschlossene Temperaturregelung der Arbeitstemperatur des piezoakustischen Resonatorelements ermöglicht, die die Steuerung der Temperatur durch die Heizeinrichtung, die Erfassung der Arbeitstemperatur und die sich anschließende Regelung der Arbeitstemperatur in Abhängigkeit der erfassten Temperatur umfasst.

Auf diese Weise kann beispielsweise eine effektive Temperaturkompensation der Resonanzfrequenz vorgenommen werden, indem sichergestellt wird, dass die Vorrichtung bei einer vorgegebenen Temperatur betrieben wird.

Besondere Vorteile ergeben sich für den Fall der Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Sensor zur Detektion einer Substanz, da durch Steuerung der Temperatur die Gleichgewichtsbedingungen der Anlagerung der zu detektierenden Substanz an dem Oberflächenabschnitt des piezoakustischen Resonatorelements gezielt gesteuert werden können. Auf diese Weise kann je nach zu detektierender Substanz die Genauigkeit der Messwerterfassung erhöht werden. Gleichzeitig kann der Einsatzbereich des Sensors vergrößert werden, da die Sorptionbedingungen, die neben der Temperatur durch das Messmedium (Gas, Flüssigkeit), durch die zu detektierende Substanz sowie weitere gegebenenfalls in dem Messmedium befindliche Substanzen bestimmt werden, gezielt beeinflusst werden können. Auf diese Weise wird die Detektion von Substanzen zugänglich, die sich beispielsweise nur bei einer vorgegebenen Temperatur an dem Oberflächenabschnitt des Sensors anlagern.

„Detektion einer Substanz" im Sinne der vorliegenden Erfindung kann der Identifikation einer Substanz dienen. Der Sensor kann jedoch beispielsweise auch als Massensensor zur Ermittlung einer angelagerten Menge ausgebildet sein.

In diesem Zusammenhang kann es vorteilhaft sein, dass sich die Heizeinrichtung an einer Position des Sensorelementes befindet, die gewährleistet, dass sich die Heizeinrichtung in Kontakt mit dem Messmedium befindet. Hierdurch kann eine effektive Erwärmung des Messmediums, das beispielsweise durch eine Flusszelle des Sensors strömt, erzielt werden.

Die Erfindung umfasst auch ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Bei diesem Verfahren wird ein Trägersubstrat mit einer metallischen Schicht beschichtet. Durch Mikrostrukturierung dieser metallischen Schicht wird anschließend eine Elektrode des piezoakustischen Resonatorelements und das Heizelement erstellt. Der wesentliche Aspekt ist dabei, dass durch Mikrostrukturierung von nur einer metallischen Schicht in einem Arbeitsgang ein Teil des piezoakustischen Resonatorelements und das Heizelement erstellt werden können. Besonders geeignet zur Mikrostrukturierung sind photolithographische Verfahren, wie sie grundsätzlich aus der Halbleitertechnik bekannt sind.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine erhebliche Rationalisierung des Fertigungsprozesses, da der Mehraufwand äußerst gering ist und im Wesentlichen auf eine Anpassung des Layouts begrenzt ist.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird z.B. durch Abscheidung aus der Dampfphase Platin auf das Substrat aufgebracht. Platin eignet sich aufgrund seiner Temperaturabhängigkeit des Widerstandes auch als Widerstandsthermometer, so dass in einem Verfahrensschritt eine Elektrode des Resonatorelements, ein Heizelement der Heizeinrichtung und ein Messelement einer Temperaturerfassungseinrichtung durch Mikrostrukturierung der aufgebrachten Schicht hergestellt werden können.

Dies ist insbesondere bei Ausgestaltung der Vorrichtung als Sensor zur Detektion der Sorption einer Substanz von besonderem Vorteil, da auf diese Weise die gewünschte Temperatur zur Sorption einer vorbestimmten Substanz im Umgebungsbereich der Vorrichtung, insbesondere im Bereich des Oberflächenabschnitts zur Anlagerung der Substanz, präzise geregelt, d.h. gesteuert und gemessen, werden kann.

Alle drei Funktionselemente, Heizelement, Messelement und Elektrode, können dabei durch denselben Schichtabschnitt realisiert werden, der unterschiedlich angesteuert wird.

Der Resonator und das Heizelement können über das Trägersubstrat mit einem Hochfrequenzsubstrat (z.B. LTCC(Low Temperature Cofired Ceramics) Substrat) durch Bondpads über Flip Chip Technik kontaktiert sein, beispielsweise als Modul. Dies dient der Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des Hochfrequenzbauteils, da Induktivitäten entsprechender Verbindungsdrähte vermieden werden können. Zudem ermöglicht es die Flip-Chip-Technik, die grundsätzlich aus der Halbleitertechnologie bekannt ist, eine erhöhte Packungsdichte der verschiedenen Komponenten zu erzielen und trägt damit erheblich zur verbesserten Integration und Miniaturisierung bei der Erstellung ganzer HF-Module bei.

Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Ausgabe eines Signals, das von einer Resonanzfrequenz abhängt, mit den Schritten Steuern der Arbeitstemperatur eines piezoakustischen Resonatorelements einer Vorrichtung umfassend mindestens ein piezoakustisches Resonatorelement mit einer piezoelektrischen Schicht und zwei mit der piezoelektrischen Schicht elektrisch kontaktierten Elektroden, wobei das piezoakustische Resonatorelement derart beschaffen ist, dass durch Anlegen einer Wechselspannung an die piezoelektrische Schicht über die Elektroden eine akustische Volumenschwingung der piezoelektrischen Schicht mit Resonanzfrequenz angeregt wird, durch ein Heizelement, Anregen einer Volumenschwingung der piezoelektrischen Schicht des piezoakustischen Resonatorelements mit Resonanzfrequenz, und Ausgeben eines Ausgabesignals in Abhängigkeit der gemessenen Resonanzfrequenz.

Bei einem besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens handelt es sich um ein Verfahren zur Detektion einer Substanz, das vorzugsweise unter Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfolgt. Dieses Verfahren beinhaltet die Schritte Zusammenbringen des Fluids und des piezoakustischen Resonators derart, dass die Substanz an einem Abschnitt des Resonators absobiert und/oder adsobiert werden kann, und Bestimmen einer Resonanzfrequenz des Resonators, wobei aus der Resonanzfrequenz auf die im Oberflächenabschnitt angelagerte Menge der Substanz geschlossen werden kann. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird vor dem Schritt des Bestimmens der Resonanzfrequenz die Steuerung der Arbeitstemperatur der Vorrichtung mit dem piezoakustische Resonatorelement vorgenommen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann vorteilhafterweise zusätzlich die Arbeitstemperatur der Vorrichtung mit einem entsprechenden piezoakustischem Resonatorelement gemessen werden. Dies erfolgt in besonders einfacher Weise durch die oben beschriebene Vorrichtung, bei der gleichzeitig ein Temperaturmesselement und ein Heizelement miteinander integriert sind. Das Verfahren kann dabei den Schritt des Regelns der Arbeitstemperatur, d.h. die Steuerung in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur als Regelschleife, beinhalten.

Auf diese Weise kann je nach zu detektierender Substanz die Genauigkeit des Sensors erheblich erhöht werden. Außerdem ermöglicht es das Verfahren beispielsweise bestimmte Substanzen, die bei Raumtemperatur nicht detektiert werden können, zu erfassen.

Die vorliegende Erfindung ergibt insbesondere die folgenden Vorteile:

– Durch geringen Mehraufwand und Prozessierung kann mit dem Heizelement ein weiteres notwendiges Element auf dem Trägersubstrat (Chip) integriert werden.
– Der erfindungsgemäße Aufbau der Vorrichtung trägt insbesondere bei stark miniaturisierten System vor allem der Integration Rechnung.
– Im Gegensatz zu einer diskreten Lösung kann das Heizelement sehr nahe an den piezoakustischen Resonator herangeführt werden, wodurch sich das aufzuheizende Volumen verkleinert und dadurch die Heizleistung sinken kann. Dies kann gerade bei wireless-auslesbaren Sensoren von erheblichem Vorteil sein.
– Insbesondere bei der Verwendung von Platin kann durch Auswerten des Widerstands des Heizelements gleichzeitig ein Temperaturfühler bereitgestellt werden. Hierdurch wird eine vollständige Temperaturregelung ermöglicht.
– Durch Einstellung einer Arbeitstemperatur des piezoakustischen Resonatorelements kann dem Temperaturgang der Resonanzfrequenz Rechnung getragen werden.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und weitere Details der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand verschiedener Ausführungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren beschrieben.
1A und B zeigen schematisch im Querschnitt den Aufbau eines FBAR- und eine SMR-Resonators als Beispiele für BAW-Resonatoren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind.
2A zeigt schemattisch den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit integrierter Heizeinrichtung im Querschnitt.
2B zeigt eine Draufsicht auf das in 1 gezeigte erste Ausführungsbeispiel der Erfindung.
3 zeigt den schematischen Aufbau eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt.
4 zeigt den schematischen Aufbau eines dritten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt.
5 zeigt ein Ablaufdiagram eines Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
6 zeigt ein Ablaufdiagram eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ausgabe eines Signalwertes, der von einer Resonanzfrequenz abhängt.
Das in den 2A und 2B gezeigte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung betrifft ein 3 × 3 Sensorarray 2, umfassend 9 Sensoreinzelelemente 21–29. Die Einzelelemente 21–29 werden je von einem piezoakustisches Resonatorelement mit einer piezoelektrischen Schicht 21a, 22a, 23a aus AlN und zwei an der piezoelektrischen Schicht 21a, 22a, 23a anliegenden Elektroden 21b, 22b, 23b bzw. 21c, 22c, 23c gebildet. Die Elektroden bestehen aus Pt. Bei dem in 2 gezeigten ersten Ausführungsbeispiel sind die beiden Elektroden 21b, 22b, 23b bzw. 21c, 22c, 23c auf der Oberseite der piezoelektrischen Schichten 21a, 22a, 23a angeordnet. Die resultierende Volumenschwingung ist eine Dickenscherschwingung.
In der Draufsicht der 2b ist von oben jeweils eine Sensorfläche mit Beschichtung 201–209 zu erkennen, an der sich die zu detektierende Substanz des Messmediums anlagern kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel handelt es sich um eine chemisch sensitive Beschichtung, bestehend aus einer bestimmten DNA-Sequenz. An diese DNA-Sequenz kann eine korrespondierende DNA-Sequenz nach dem Schlüssel-Schloss-Prinzip andocken, so dass eine Selektivität bezüglich eines Gemisches verschiedener DNA-Sequenzen gegeben ist. Dabei kann die entsprechende DNA-Sequenz unter der Bildung von Wasserstoffbrückenbindungen an den Beschichtungen 201–209 chemiesorbiert werden.
Die einzelnen Sensorelemente 21–29 sind auf einem Halbleitersubstrat 20 angeordnet. Zwischen dem Halbleitersubstrat 20 und den einzelnen Sensorelementen 21–29 ist ein akustischer Spiegel 210 vorgesehen, der aus λ/4-dicken Einzelschichten besteht, die eine stark unterschiedliche akustische Impedanz aufweisen. Der Spiegel 210 dient als Braggreflektor zur Verringerung der akustischen Verluste in Richtung des Trägersubstrats.
Wenngleich in 2 nicht explizit gezeigt, kann in dem Halbleitersubstrat eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz integriert sein. Die Realisierung der entsprechenden an sich bekannten Schaltkreise (Schwingkreis zum Auslesen der Resonanzfrequenz) kann durch übliche Halbleitertechnologien, wie zum Beispiel die Bipolar- oder CMOS-Technologie erfolgen. Auf diese Weise kann die Vorrichtung als vollständiges Messmodul ausgebildet sein, in Form eines so genannten "Lab on a Chip".
Auf dem Halbleitersubstrat 20 sind eine Mehrzahl von Heizelementen 211–219 angeordnet, die, wie aus 2B ersichtlich, die einzelnen Sensorelemente 21–29 quadratisch umfassen. Der laterale Abstand d zwischen dem inneren Rand der Heizelemente 211–219 und dem äußeren Rand der Sensorelemente 21–29 beträgt im vorliegenden Ausführungsbeispiel 50 μm, kann jedoch auch darunter liegen, z.B. bei kleiner 10 μm. Die Schichtdicke der Platinleiterbahnen, die die Heizelemente 211–219 bilden, beträgt bei diesem Ausführungsbeispiel 500 nm, die Breite 2 μm.
Durch die symmetrische Anordnung der Heizelemente 211–219 in Bezug auf die Sensorelemente 21–29 ist gewährleistet, dass sämtliche Sensorelemente 21–29 bei gleicher Arbeitstemperatur eingesetzt werden können.
Wenngleich in 2a die Heizelemente 211–219 in der schematischen Darstellung ungefähr die gleiche Dicke aufweisen wie die beschichteten piezoakustischen Resonatorelemente 21–29, so wird darauf hingewiesen, dass diese Abbildung nicht maßstäblich ist und die Dicke der Heizelemente 211–219 bei vielen Anwendungen im Bereich der Schichtdicke der unteren Elektrode 21c liegt.
3 zeigt einen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, die als 2 × 2 Sensorarray 3 ausgestaltet ist. Der Aufbau dieser Vorrichtung entspricht grundsätzlich dem in 2 gezeigten Aufbau, bis auf den Unterschied, dass bei diesem Ausführungsbeispiel die Elektroden 31b, 31c bzw. 32b, 32c jeweils auf der Unterseite bzw. der Oberseite der piezoelektrischen Schichten 31a, 32a angeordnet sind. Zwischen den Elektroden 31b und 31c bzw. 32b und 32c, ist eine zusätzliche Isolation 39 vorgesehen. Darüber hinaus werden identische Bezugszeichen verwendet, soweit gleiche Teile bezeichnet sind.
Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der 2 sind beim Ausführungsbeispiel der 3 die Sensorelemente 31–32 und die Heizelemente 311–312 auf einer Membran 30 angeordnet. Es handelt sich um eine freistehende Membran, die durch rückseitige Bearbeitung eines Si-Wafers 35 hergestellt wurde. Beispielsweise kann dies durch Rückseitenätzung erfolgen, wobei eine Oxid- oder Nitridschicht als Ätzstopp fungiert und die beim fertig gestellten Array die Membran bildet.
Dieses Ausführungsbeispiel hat insbesondere den Vorteil, dass Wärmeverluste in das Trägersubstrat verhindert werden können. Die Membran 30 hat dabei eine thermisch isolierende Wirkung, so dass die Heizleistung der Heizvorrichtung begrenzt werden kann. Hierdurch kann bei gegebener Heizleistung die Abmessung des Heizelementes verringert werden. Dies trägt erheblich zur Miniaturisierung bei.
4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung im Querschnitt, das ebenfalls als 3 × 3 Sensorarray 4 zur Detektion einer Substanz ausgebildet ist. Die verwendeten Bezugszeichen entsprechen denen der 2 und 3, soweit gleiche Teile bezeichnet sind. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die Sensorelemente des zweiten Ausführungsbeispiels zu einem 3 × 3 Array angeordnet.
Im Unterschied zu dem ersten und dem zweiten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind beim dritten Ausführungsbeispiel die Heizelemente 211–219 und die Sensorelemente 31–39 auf einer Oberflächenmikromechanik 48 angeordnet. Diese Oberflächenmikromechanik 48 besteht aus einer Basis, die durch das Substrat 40 gebildet wird. Hohlräume 41a–41c zur Isolation sind durch selektives Ätzen des Substrats von der Oberseite eingebracht, indem eine Opferschicht 45a–45c durch Ätzen entfernt wurde. Hierfür sind in den Membranen 42a–42c entsprechende Kanäle, z.B. Kanäle 421a–421c, vorgesehen. Nach dem Ätzvorgang werden die Kanäle durch die Deckschicht 43 verschlossen. Im Ergebnis resultiert ebenfalls jeweils eine Membran 42a–42c, die die oben geschilderten Vorteile bezüglich thermischer und akustischer Isolation bietet.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind auf die Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung als Sensor zur Detektion der Sorption einer Substanz gerichtet. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschränkt. Andere Anwendungsbeispiele betreffen ein als Hochfrequenzfilter ausgestaltetes Bauelement oder einen Verstärker. Weitere Anwendungsbeispiele, bei denen der Ausgangswert einer entsprechenden Vorrichtung durch die Resonanzfrequenz des piezoakustischen Resonatorelements bestimmt wird, sind vorstellbar. Durch die integrierte Ausgestaltung von piezoakustischen Resonatorelement und Heizelement kann die Miniaturisierung einer derartigen Vorrichtung ermöglicht werden. Durch ortsnahe Erzeugung einer vorbestimmten Arbeitstemperatur kann je nach Anwendungsfall die Genauigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung bezüglich des von ihr ausgegebenen Wertes erhöht werden.
Details der Strukturen der oben genannten Ausführungsbeispiele können in Abhängigkeit der beabsichtigten Anwendung miteinander kombiniert werden, um auf diese Weise für den speziellen Anwendungsfall optimierte weitere Ausführungsbeispiele bereitzustellen. Soweit derartige Modifikationen der beschriebenen Ausführungsbeispiele für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich sind, sind sie durch die obige Beschreibung als implizit offenbart anzusehen.
Im Folgenden unter Bezugnahme auf 5 ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.
In Schritt 51 wird ein Si-Wafer-Element, dessen Deckschicht aus Siliziumoxid (Si_xO_y/SiO₂) besteht, mit einer Pt-Schicht durch Aufsputtern versehen.
In Schritt 52 wird durch Mikrostrukturierung eine Elektrode des piezoakustischen Resonators sowie ein Heizleiter erstellt.
Die übrigen Schritte 53 zum Aufbau eines BAW Resonators sind grundsätzlich aus der Technik bekannt und bedürfen daher an dieser Stelle keiner detaillierten Erörterung. Beispielsweise kann durch rückseitiges selektives Ätzen einer Opferschicht, wie mit Bezug auf die 4 oben beschrieben wurde, eine Membran erstellt werden. Weitere Verfahrensschritte umfassen das Abscheiden einer piezoelektrischen Schicht, das Aufbringen der zweiten Elektrode sowie die entsprechende Kontaktierung der Elemente zur Erstellung der Vorrichtung.
Wie bereits erwähnt, ist es besonders vorteilhaft die untere oder die obere Elektrode sowie das Heizelement durch Mikrostrukturierung derselben Pt-Schicht zu erstellen. Auf diese Weise ist es möglich nicht nur Elektrode bzw. Heizelement aus einer Schicht zu erstellen, sondern auch Messelement eines Temperatursensors.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden Elektrode, Heizelement und Messelement des Sensors aus einem Schichtabschnitt gebildet, der je nach gewünschter Funktion unterschiedlich angesteuert wird.
Bezugnehmend auf 6 wird ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Ausgabe eines Signals, das von einer Resonanzfrequenz abhängt, beschrieben.
In Schritt 61 wird eine vorbestimmte Arbeitstemperatur einer Vorrichtung mit piezoakustischem Resonatorelement mit einem Heizelement eingestellt, d.h. gesteuert.
In Schritt 62 wird durch Aufbringen einer Wechselspannung an die Elektroden der piezoelektrischen Schicht des piezoakustischen Resonatorelements eine Dickenschwingung (d.h. Volumenschwingung) mit Resonanzfrequenz angeregt.
In Schritt 63 erfolgt das Ausgeben eines Ausgabesignals in Abhängigkeit der gemessenen Resonanzfrequenz.
Besonders sinnvoll ist ein derartiges erfindungsgemäßes Verfahren, wenn es als Verfahren zur Detektion einer Substanz ausgestaltet ist. Hierbei umfasst es die Schritte Zusammenbringen eines zur Sorption einer Substanz eingerichteten Oberflächenabschnitts des piezoakustischen Resonators mit einem Fluid, das die betreffende zu detektierende Substanz enthält. Nach Anlagerung der Substanz erfolgt die Messung der Resonanzfrequenz die von der Masse der angelagerten Substanz abhängt. Es kann sich hierbei um eine differenzielle Messung, d.h. eine Messung der Resonanzfrequenz vor und nach Anlagerung der Substanz handeln. Aus der gemessenen Resonanzfrequenz kann auf die Anlagerung der betreffenden Substanz in dem Fluid rückgeschlossen werden. Durch Steuerung der Arbeitstemperatur der Vorrichtung kann eine selektive Anlagerung einer bestimmten Substanz erfolgen, die sich bei einer vorgegebenen Temperatur anlagert. Dieses Ausführungsbeispiel beinhaltet den Verfahrensschritt der Auswertung der gemessenen Resonanzfrequenz zur Detektion der betreffenden Substanz und Ausgabe eines betreffenden Ausgabewertes.

Claims

Vorrichtung umfassend mindestens ein piezoakustisches Resonatorelement (21–29) mit mindestens einer piezoelektrischen Schicht (21a–29a) und zwei an der piezoelektrischen Schicht (21a–29a) anliegenden Elektroden (21b–29b, 21c–29c), wobei das piezoakustisches Resonatorelement (21–29) derart beschaffen ist, dass durch Anlegen einer Spannung mittels der Elektroden (21b–29b, 21c–29c) an die piezoelektrischen Schicht (21a–29a) eine Volumenschwingung der piezoelektrischen Schicht (21a–29a) mit Resonanzfrequenz angeregt wird, gekennzeichnet durch eine Heizeinrichtung mit einem integriert mit dem piezoakustischen Resonatorelement (21–29) ausgebildeten Heizelement (211–219) zur Steuerung der Arbeitstemperatur der Vorrichtung.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (211–219) einen als Schicht ausgebildeten Widerstandsheizer umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (211–219) im Wesentlichen aus Platin besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (211–219) eine Schichtdicke d < 25 μm aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht und das piezoakustische Resonatorelement (21–29) in Schichttechnik direkt oder mit Zwischenschichten auf einem gemeinsamen Trägersubstrat ausgebildet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat aus einem Halbleitermaterial besteht und die Vorrichtung als System-on-a-Chip auf dem Substrat integriert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektrode des Resonatorelements (21–29) und die Heizeinrichtung als Schichten direkt auf einem gemeinsamen Trägersubstrat angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägersubstrat als Membran (30) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (211–219) aus mehreren miteinander verbundenen Teilabschnitten besteht, die derart angeordnet sind, dass das Resonatorelement (21–29) und/oder seine Umgebung von mehreren Seiten des Resonatorelements (21–29) aus beheizbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Teilabschnitte mit im Wesentlichen gleichem Abstand zu Randabschnitten des Resonatorelements (21–29) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (211–219) als metallische Leiterbahn ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5–11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Trägersubstrat und dem piezoakustischen Resonatorelement (21–29) ein akustischer Spiegel (210) angeordnet ist, der aus mehreren Schichten besteht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der laterale Abstand zwischen dem Heizelement (211–219) und der piezoelektrischen Schicht (21a–29a) kleiner ist als 100 μm.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Array ausgebildet ist mit einer Mehrzahl piezoakustischer Resonatorelemente (21–29) und mindestens einer Heizeinrichtung.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet dass die Vorrichtung derart ausgebildet ist, dass das Heizelement (211–219) der Heizeinrichtung zusätzlich als Temperaturmesselement betrieben werden kann.
Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Heizelement (211–219) und das Temperaturmesselement von einer Schicht gebildet werden, die im Wesentlichen aus Platin besteht.
Vorrichtung nach Anspruch 15 oder 16, gekennzeichnet durch eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der Temperatur aus dem Widerstandswert des Temperaturmesselements, die integriert mit dem Trägersubstrat ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteinrichtung eine Speichereinrichtung zur Speicherung einer Kennlinie, die die Temperaturabhängigkeit des Widerstands beschreibt, und eine Ausleseeinrichtung zum Auslesen eines Temperaturwerts in Abhängigkeit des erfassten Widerstandswertes des Heizelements (211–219) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung als Sensorelement zur Detektion einer Substanz ausgebildet ist, wobei das piezoakustische Resonatorelement (21–29) einen Oberflächenabschnitt zur Anlagerung einer zu detektierenden Substanz aufweist und die Resonanzfrequenz des Resonatorelements (21–29) von der Anlagerung der Substanz abhängig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung an einer solchen Position des Sensorelements angeordnet ist, dass das Messmedium durch das Heizelement (211–219) beheizbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung an einer solchen Position des Sensorelements angeordnet ist, dass der Oberflächenabschnitt durch das Heizelement (211–219) beheizbar ist.
Verfahren zur Herstellung einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit den Schritten Aufbringen einer metallischen Schicht auf ein Trägersubstrat, Mikrostrukturierung der metallischen Schicht zur Erstellung einer Elektrode des piezoakustischen Resonatorelements (21–29) und eines Heizelements (211–219) aus dieser Schicht.
Verfahren zur Ausgabe eines Signals, das von einer Resonanzfrequenz abhängt, gekennzeichnet durch die Schritte – Steuern der Arbeitstemperatur einer Vorrichtung mit piezoakustischem Resonatorelement (21–29) gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1, insbesondere einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–21, durch ein Heizelement (211–219), – Anregen einer Volumenschwingung einer piezoelektrischen Schicht (21a–29a) des piezoakustischen Resonatorelements (21–29) mit Resonanzfrequenz, – Ausgeben eines Ausgabesignals in Abhängigkeit der gemessenen Resonanzfrequenz.
Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren als Verfahren zur Detektion einer Substanz ausgestaltet ist mit dem Schritt – Zusammenbringen eines zur Anlagerung der Substanz eingerichteten Oberflächenabschnitts des piezoakustischen Resonators mit einem Fluid, das die zu detektierende Substanz enthält, – Messen der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit der Menge an sorbierter Substanz, und – Auswerten der gemessenen Resonanzfrequenz zur Detektion der Substanz.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 oder 24, gekennzeichnet durch den Schritt Messen der Arbeitstemperatur des piezoakustischen Resonatorelements (21–29).
Verfahren nach Anspruch 26, gekennzeichnet durch den Schritt Regeln der Arbeitstemperatur des piezoakustischen Resonatorelements (21–29).