DE112008002787T5 - Hochempfindlichkeits-Schallwellenmikrosensorgen auf Basis von Spannungseffekten - Google Patents

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Abstract

System für akustisches Abtasten, umfassend:
– eine Brückenanordnung, die zumindest zwei Endpunkte hat, die an jeweilige voneinander beabstandete Haltepunkte auf einem Substrat gekoppelt sind, wodurch die Brückenanordnung physisch von dem Substrat entlastet ist und den Abstand zwischen den Haltepunkten aufspannt und wobei die Brücke einen piezoelektrischen Abschnitt umfasst und zumindest eine Schallwellenvorrichtung (AWD) in der Nähe eines Abschnitts der Brücke hat, wobei die AWD eine aktive akustische Region umfasst und wobei eine Störung der Brücke Spannungseffekte produziert, die durch die AWD messbar sind.

Description

  • Verwandte Anmeldungen
  • Diese Anmeldung nimmt die Priorität der anhängigen US-Patentanmeldung Nr. 11/875,162 in Anspruch, die am 19. Oktober 2007 angemeldet wurde und hierin in ihrer Gesamtheit durch Bezugnahme aufgenommen wird.
  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung bezieht sich auf Sensoren und insbesondere auf eine Abtasttechnologie, die mikromechanische Strukturen in piezoelektrischen Schallwellenvorrichtungen umfasst.
  • Hintergrund der Erfindung
  • Es hat signifikante Fortschritte in der Sensorindustrie auf Basis der Erfordernisse für solche Gebiete wie die Flughafensicherheit sowie militärische und medizinische Anwendungen gegeben. Zum Beispiel ist umfassend veröffentlicht worden, dass die Durchleuchtungsmaßnahmen an Flughäfen und Schiffsterminals für Explosivstoffe, radioaktive und biologische Gefahren durch eine unzureichende Sensorausstattung erschwert worden sind.
  • Es gibt verschiedene Arten von Sensoren und Sensoranwendungen. Gegenwärtige Gassensoren basieren typischerweise auf einer Massebelastung eines Abtastfilms bei dem Aussetzen mit einem Zielanalyt. Massebelastung bezieht sich aus das Messen von Änderungen des schwingenden Teils auf Grund einer Vergrößerung der Masse, die durch eine Adsorption irgendeines Gases hervorgerufen wird. Ein massebelasteter Resonator hat Elektroden und die Vorrichtung schwingt bei irgendeiner Resonanzfrequenz. Wenn die Gasmoleküle von dem Abtastfilm adsorbiert werden, ruft die hinzugefügte Masse der Gasmoleküle eine Änderung in der Ausbreitung oder Resonanz der Schallwellenvorrichtung hervor. Für eine derartige Vorrichtung ist die resultierende Änderung ein Frequenzabfall.
  • Ein weiteres Abtastgebiet umfasst Ausleger. Ein Auslegerverfahren verwendet eine hochempfindliche Auslegeranordnung mit einer optischen Detektion auf Basis eines Biegens des Auslegers. Eine weitere Auslegertechnik ist ein piezoresistives/piezoelektrisches Element auf dem Ausleger, das unmittelbar die induzierte Verformung, die durch ein Biegen des Auslegers hervorgerufen wird, als Widerstands- oder Spannungsänderung abtastet.
  • Einige Beispiele des gegenwärtigen Standes der Technik werden hier zu Veranschauungszwecken in allgemeiner Form beschrieben. Unter Bezugnahme auf 1A ist dort eine kapazitäts-basierte Plattform, die in einer Baugruppe angeordnet ist, typischerweise ein Mikroelektromechaniksystem-(MEMS-)Kapazitätsdiaphragmasensor, dargestellt. Angeordnet auf einem Substrat 5 gibt es eine untere Platte 20 und eine belüftete obere Platte 10 mit einem zentralen Einfüllloch 25. Ein polymerer Abtastfilm 30 ist zwischen der unteren Platte 20 und der oberen Platte 10 angeordnet. Eine elektrische Anschlussfähigkeit wird durch den elektrischen Anschluss 15 der unteren Platte zur Verfügung gestellt, der die Energiequellen- und Antwortmessungsanschlüsse ermöglicht. Typischerweise nutzen diese Vorrichtungen Dickschicht-Polymerabtastfilme, um ein Sensorfeld zu bilden. Wie Fachleuten bekannt ist, gibt es eine Änderung in der Dielektrizitätskonstanten des Polymers bei der Aussetzung, was dadurch eine Detektion ermöglicht. In diesem kapazitiven Sensordesign gibt es im allgemeinen eine konsistente Lückenbreite zwischen den Platten und einem guten Impulsboden. Solch ein System ist typischerweise in seiner Leistungsfähigkeit gering und es gibt keinen Vorkonzentrator.
  • 1B zeigt einen SiC-Resonator, der typischerweise in einem Sensorfeld aufgebaut ist und eine Massebelastung für die Detektion verwendet. Die piezoelektrische Niederfrequenz-MEMS-Anordnung in 1B zeigt ein P-leitendes Siliziumsubstrat 40, auf dem ein N-leitendes Material 45, wie zum Beispiel SiC, angeordnet ist. Es wird nicht nur das Substrat von dem N-leitenden Material abgedeckt, sondern das N-leitende Material 45 erstreckt sich nach außen von einem Ende des Substrats, was eine Anordnung einer ausgedehnten Art erzeugt, die als ausladender Ausleger bezeichnet werden soll. Eine epitaktische piezoelektrische Schicht (AlN) 50 ist auf Teilen der N-leitenden Beschichtung 45 angeordnet, die Teile auf dem ausladenden Ausleger umfasst. Eine obere Elektrode 55 ist auf der epitaktischen piezoelektrischen Schicht 50 angeordnet. Ein unterer Elektrodenkontakt 35 ist an die N-leitende Schicht auf einem Teil über dem Substrat 40 angeschlossen, ohne sich auf den ausladenden Ausleger zu erstrecken. Diese Anordnung kann einen Vorkonzentrator umfassen, um die Sensitivität zu erhöhen, braucht aber weitere Zeit, um Proben zu sammeln, so dass sie allgemein nicht in Echtzeit arbeitet. Diese nutzt typischerweise Dickschichtpolymere und ist Gegenstand von Polymerdickeneinstellungsproblemen. Der Resonator ist anfällig für Q- und Temperaturstabilitätsprobleme, da das Polymer den aktiv schwingenden Bereich des Sensors abdecken muss. Er ist ebenfalls mit Spannungsspitzen für das erforderliche Heizen des Vorkonzentrators nicht energieeffizient. Zu Beschreibungszwecken kann eine weitergehende Beschreibung dieses allgemeinen Typs der Vorrichtung in dem US Patent Nr. 6,953,977 gefunden werden.
  • 2A zeigt eine SAW-Verzögerungsleitungsanordnung, die gewöhnlich für Sensorapplikationen verwendet wird. Diese Zwei- Anschluss-Anordnung dient als Gassensor durch Platzierung eines gasspezifischen Abtastfilms 65 auf der Oberfläche der Vorrichtung zwischen einem Eingangs-Transducer 60 und einem Ausgangs-Transducer 70, der auf einem piezoelektrischen SAW-Substrat 75 angeordnet ist. Wenn der Abtastfilm 65 einem Gas ausgesetzt wird, rufen mechanische und elektrische Störungen des Abtastfilm 60 eine entsprechende Änderung in den Ausbreitungseigenschaften der Schallwellenvorrichtung hervor. Wenn die SAW-Anordnung an einen Oszillator-Schaltkreis angeschlossen ist, führen die Änderungen zu einem Anstieg oder zu einem Abfall in der Oszillatorfrequenz. Einige Beispiele von Abtastfilmen können Metall, Metalloxid, Metallnitrid, Polymer oder biologisches Material (Antigene, bakterielle Biofilme oder Zellkulturen) sein. In manchen Kombinationen von Filmen und Vorrichtungsanordnungen ist es möglich, den Abtastfilm über die gesamte Vorrichtung zu erstrecken oder die Vorrichtungsleitungen oder das Substrat als Abtastmedium zu verwenden. Wiederum ist der SAW-Sensor anfällig für Q- und Temperaturstabilitätsprobleme, da das Polymer den aktiv schwingenden Bereich des Sensors abdecken muss. Frühere SAW-Resonatoren umfassen diejenigen, die in dem US Patent Nr. 6,335,667 beschrieben sind und die Mehrfachreflexions-Schallwellenvorrichtungen, wie sie in dem US Patent Nr. 7,002,281 offenbart sind.
  • Die Plattformen auf SAW-Basis, wie diejenigen, die in 2A dargestellt sind, haben typischerweise Dickschichtpolymere, die das Sensorfeld bilden. Der Abtastfilm ist in dem Verzögerungspfad und verwendet eine Massebelastung, um eine Änderung in der Frequenz zu detektieren. Ein Vorkonzentrator kann verwendet werden, um die Empfindlichkeit zu erhöhen, allerdings kann das Heizen hohe Spannungsspitzen hervorrufen und ist weniger energieeffizient.
  • Es gibt ebenfalls bekannte Systeme, die die Verschiebung eines Auslegers messen, indem sie Optiken verwenden. Unter Bezugnahme auf 2B ist dort ein MEMS-Auslegersystem mit einer optischen Detektion dargestellt, bei der die mechanische Resonanz einer mechanischen Anordnung verwendet wird. Dieser Systemtyp setzt allgemein ein Siliziumsubstrat ein, welches kein piezoelektrisches Material ist. Das Siliziumsubstrat 80 hat einen Hohlraumabschnitt 100 und die Anordnung umfasst Schichten um den Rand der Vorrichtung herum, umfassend einen Ausleger 85, der sich von einem Ende der Vorrichtung weg erstreckt. Es gibt einen Abtastfilm 95, der auf einer Filmoberfläche 90 angeordnet ist, wobei die Filmoberfläche 90 sich auf Anhaftungsschemie bezieht, um einen Abtastfilm 95, der typischerweise eine Metallisierungsschicht ist, anzulagern.
  • Die Silizium-MEMS-Auslegeranordnung 85 ist typischerweise an einen piezoelektrischen Transducer (nicht gezeigt) angeschlossen, der mit einem Oszillator (nicht gezeigt) betrieben wird, um bei der mechanischen Resonanz des Auslegers 85 zu schwingen. Die Laserdiode 105 emittiert ein Laserstrahlsignal 110, das von der Auslegeroberfläche zu dem Detektor 115 reflektiert wird. Die gemessene Antwort kann verwendet werden, um diese Relativfrequenz festzustellen und sie kann Änderungen von dieser Relativfrequenz detektieren.
  • Ein induziertes Biegen des Auslegers ist im Resonanzmodus und nutzt einen Doppelzellendetektor 115, der die Frequenz misst und ebenfalls Biegeeffekte direkt messen kann, ohne eine Antriebsresonanz zur Vereinfachung. Dieses optische Auslegersystem misst die Änderung des Ablenkwinkels eines Laserlichts 110 typischerweise von einer Laserdiode 105. Das Laserlicht 110, das auf das Ende des Auslegers 85 einfällt, prallt typischerweise von dem Ende des Auslegers ab und wird bei einem optischen Detektor 115, wie zum Beispiel einem optischen Doppelzellendetektor, empfangen. Wenn Gas den Abtastfilm 95 beeinflusst, gibt es eine Änderung an dem Ausleger 85 und die optische Erfassung 115 misst Änderungen an dem Ablenkwinkel des Laserlichts 110, das an dem Ende des Auslegers 85 abgeprallt ist. Obwohl kompliziert, liefern die spannungsinduzierten Effekte auf dem Ausleger 85 in Kombination mit der optischen Detektion eine zufriedenstellende Genauigkeit.
  • In der Summe messen Sensoren dieses Typs typischerweise Änderungen in der Biegung des Auslegers oder Änderungen in der Resonanzfrequenz der mechanischen Anordnung, wie sie durch die Auslegergeometrie definiert sind. In einem Ansatz überträgt sich eine Änderung in der Biegung oder Dehnung des Abtastfilms in eine direkte Änderung in der Form des Auslegers, welche dann von dem optischen Detektionssystem gemessen wird. Ein weiterer Ansatz nutzt Änderungen in der Filmmasse oder Steifigkeit des Abtastfilms, um die gesamte Federmassenkonstante des Auslegers zu beeinflussen, indem sie dessen Resonanzfrequenz ändert. In diesem Resonanzsystem braucht der Ausleger einen piezoelektrischen Transducer und einen Oszillator oder elektrostatische Mittel, um die Einheit zusätzlich zu dem optischen Detektionsmechanismus zu betreiben. Sensoren dieses Typs werden durch die exakte Form und Resonanzfrequenz des Auslegers selbst gesteuert, was das Design und die Implementierung einschränkt und eine direkte Dämpfung des Auslegerresonanz-Q durch den Sensorfilm eintreten lässt. Zu Veranschaulichungszwecken beschreiben das US-Patent Nr. 5,719,324 und das US-Patent 5,445,008 Hintergrundinformationen für Sensoren dieses Typs.
  • Schallwellenvorrichtungs-(AWD-)Auslegersensoren arbeiten auf einem nichtlinearen akustischen Prinzip, bei dem eine Vorspannungsverformung (typischerweise eine Biegung) die elastischen Eigenschaften einer Schallwellenvorrichtung ändert, die auf einem frei montierten Ausleger gehalten wird. Da der Ausleger an zumindest einem Ende frei ist, hat er keine Dehnungs- oder Kompressionsvorspannung und nur gelegentliche Scherspannungen, die mit der freien Deformation eines elastischen Körpers verbunden sind. Die nichtlineare Spannungs(T)-Verformungs(S-)Beziehung wird in zweiter Ordnung durch T + To = c(S + So) + c'(S + So)2 T + To = cS + c'(S2 + 2SoS) + cSo + c'So 2 beschrieben, wobei c der lineare Elastizitätsmodul ist, c' der nichtlineare Elastizitätsmodul ist und die Indizes 0 ein konstantes Vorspannungsfeld repräsentieren. In dem Ausleger ist To ~ 0 und So ist Vorspannungsverformung. Für kleine Ultraschalldehnungen kann die Beziehung parametrisch linearisiert werden zu T ~ (c + c'So)S,was zu einer sich parametrisch ändernden effektiven Elastizitätskonstanten führt.
  • Obwohl Sensorplattformen erhältlich sind, verlangt die Industrie eine Sensortechnologie, die eine signifikante Verbesserung in der Empfindlichkeit und Einfachheit gegenüber existierenden Sensortechnologien hat.
  • Zusammenfassende Darstellung der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich gemäß einer Ausführungsform auf eine Sensortechnologie, die auf einer geometrischen Antwort auf die filminduzierte Spannung basiert.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein System für eine akustische Abtastung, umfassend eine Brückenanordnung, die zumindest zwei Endpunkte hat, die an entsprechende, voneinander beabstandete Haltepunkte auf einem Substrat angeschlossen sind, wodurch die Brückenanordnung physisch von dem Substrat entlastet ist und den Abstand zwischen den Haltepunkten aufspannt, und wobei die Brücke einen piezoelektrischen Abschnitt umfasst und zumindest eine Schallwellenvorrichtung (AWD) in der Nähe eines Abschnitts der Brücke umfasst, wobei die AWD eine aktive akustische Region umfasst; und bei dem eine Störung der Brücke Spannungseffekte produziert, die von der AWD messbar sind.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst darüber hinaus ein Sensormaterial, das auf zumindest einem Abschnitt mindestens einer Oberfläche der Brücke angeordnet ist.
  • Noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Abtastmaterial, das ausgewählt ist aus zumindest einem aus der Gruppe bestehend aus: Metall, Metalloxid, Metallnitrid, Keramik, Karbid, Polymer, magnetisches Material, magnetostriktives Material, elektrostriktives Material und biologisches Material.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst einen aktiven akustischen Bereich, der eine Dickenfeldanregungs-(TFE-)Anordnung ist, die durch zumindest eine positive Elektrode, die auf einer Seite der Brücke angeordnet ist und durch zumindest eine Erdelektrode auf einer gegenüberliegenden Seite der Brücke gebildet ist, und wobei eine elektrische Energiequelle an zumindest eine positive Elektrode und zumindest eine Masseelektrode angeschlossen ist.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Dickenfeldanregungs-(TFE-)Anordnung, die eine Zwei-Anschluss-Vorrichtung ist, wobei ein erster Transducer elektrisch an die elektrische Energiequelle durch einen positiven elektrischen Anschluss und einen negativen elektrischen Anschluss angeschlossen ist und ein zweiter Transducer eine Antwort zur Verfügung stellt, die auf ein elektrisches Eingangssignal von der elektrischen Energiequelle zu einem zweiten positiven elektrischen Anschluss und zu einem zweiten negativen elektrischen Anschluss bezogen ist.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst eine aktive akustische Region, die eine Lateralfeldanregungs-(LFE-)Anordnung ist, die durch zumindest eine positive Elektrode und zumindest eine negative Elektrode gebildet ist, die elektrisch an eine Seite der Brücke und an eine elektrische Energiequelle angeschlossen sind.
  • Eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst eine aktive akustische Region, die eine oberflächengenerierte Schallwellenanordnung (SGAW-Anordnung) ist, die durch zumindest einen Transducer gebildet ist, der elektrisch an eine Seite der Brücke angeschlossen ist, wobei zumindest ein Transducer elektrisch an eine elektrische Energiequelle angeschlossen ist.
  • Noch eine andere Ausführungsform der Erfindung umfasst darüber hinaus eine oberflächengenerierte Schallwellen-(SGAW-)Energiemanipulationsanordnung, die betreibbar an zumindest einen Transducer angeschlossen ist, wobei die SGAW-Energiemanipulationsanordnung ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Reflexionsgitter, Verzögerungsleitung, Metalleinfangsgitter, Mehrstreifenkoppler, Interdigitaltransducer und Dünnfilm-Einfangschicht.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst eine oberflächengenerierte Schallwellen-(SGAW-)Anordnung, die eine Einzelanschlussvorrichtung ist, wobei ein einzelner Transducer durch einen positiven elektrischen Anschluss und einen negativen elektrischen Anschluss elektrisch an die elektrische Energiequelle angeschlossen ist.
  • Noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst eine oberflächengenerierte Schallwellen-(SGAW-)Anordnung, die eine Zwei-Anschluss-Vorrichtung ist, bei der zumindest ein Transducer einen ersten Transducer und einen zweiten Transducer umfasst, wobei der erste Transducer durch einen positiven elektrischen Anschluss und einen negativen elektrischen Anschluss elektrisch an die elektrische Energiequelle angeschlossen ist und der zweite Transducer eine Antwort zur Verfügung stellt, die auf ein Eingangssignal von der elektrischen Energiequelle zu einem zweiten positiven elektrischen Anschluss und einem zweiten negativen elektrischen Anschluss bezogen ist.
  • Ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung umfasst eine Brücke, die eine Anordnung hat, die ausgewählt ist aus zumindest einer der Gruppe bestehend aus: Volumenschallwellen-Vollbrücke, monolithische Kristallfilter-(MCF)-Volumenschallwellen-Vollbrücke, Volumenschallwellenlateralfeldanregungs-(LFE-)Vollbrücke, oberflächengenerierte Schallwellen-Vollbrücke, Filmvolumenschallresonator-(FBAR-)Vollbrücke, Volumenschallwellen-Isolationsbrücke, MCF-Volumenschallwellen-Isolationsbrücke, Volumenschallwellen-LFE-Isolationsbrücke, oberflächengenerierte Schallwellen-Isolationsbrücke, und FBAR-Volumenschallwellen-Isolationsbrücke.
  • Die Erfindung kann sofort von biegefähigen Plattenwellenvorrichtungen (FPW-Vorrichtungen) unterschieden werden, die auch auf einer nichtlinearen elastischen Eigenschaft einer gedehnten Membran arbeiten. Die FPW ist eine zweidimensionale Membran, die an allen Seiten gehalten wird. Im Gegensatz dazu hat die Brückenanordnung, die zumindest an zwei Enden gehalten wird, eine Spannungsentlastung entlang zumindest eines Teils beider Seiten. Die FPW-Anordnung antwortet auf isotrope Spannung, wohingegen die Brückenanordnung Filmspannungen in eine bevorzugte Richtung lenkt. Die Anordnung der vorliegenden Erfindung erlaubt es, dass die Spannungsempfindlichkeit der Brücke optimiert werden kann.
  • Eine zusätzliche Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Brücke, die an das Substrat durch eine aus der Gruppe, bestehend aus: zwei Halterungen und vier Halterungen angeschlossen ist.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst darüber hinaus eine Messvorrichtung, die an die Schallwellenvorrichtung (AWD) angeschlossen ist und die Spannungseffekte misst.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Verfahren zum Detektieren einer Zielsubstanz, umfassend das Bilden einer piezoelektrischen Brücke, die zumindest zwei Endpunkte hat, die an entsprechende voneinander beanstandete Haltepunkte auf einem Substrat angeschlossen sind, wodurch die Brückenanordnung physisch von dem Substrat entlastet ist und den Abstand zwischen den Haltepunkten aufspannt, wobei die Brücke zumindest eine Schallwellenvorrichtung hat, die in der Nähe eines Teils der Brücke angeordnet ist; Aussetzen der Brücke irgendeiner Umgebung; Hervorrufen einer Spannungsantwort der Brücke von der Umgebung; und Detektieren einer Antwort der Schallwellenvorrichtung auf die Brückenspannungsantwort.
  • Noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst darüber hinaus das Anordnen eines Abtastmaterials auf zumindest einem Teil der Brücke und das Erlauben der Adsorption/Absorption der Zielsubstanz durch das Abtastmaterial.
  • Eine zusätzliche Ausführungsform der Erfindung umfasst darüber hinaus das Ausrichten der Schallwellenvorrichtung auf einen Winkel (ψ) für eine maximale Änderung in der Frequenz.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Abtastvorrichtung für das Messen von Spannungseffekten, umfassend ein Substrat, das elektrische Anschlüsse hat, die um das Substrat angeordnet sind und eine Anschlussfähigkeit an eine elektrische Energiequelle und eine Messvorrichtung zur Verfügung stellen; eine Brückenanordnung, die zumindest zwei Endpunkte hat, die an die jeweiligen voneinander beabstandeten Haltepunkte auf dem Substrat angeschlossen sind, wodurch die Brückenanordnung physisch von dem Substrat entlastet wird und den Abstand zwischen den Haltepunkten aufspannt, wobei die Brücke umfasst: zumindest eine Schallwellenvorrichtung, die in der Nähe eines Teils der Brücke ausgebildet ist, wobei die Schallwellenvorrichtung einen piezoelektrischen Abschnitt umfasst mit zumindest zwei Elektroden, die darauf angeordnet sind, wobei eine Störung der Brücke eine Änderung in den elektrischen Eigenschaften der Schallwellenvorrichtung hervorruft, wobei die Änderung in den elektrischen Eigenschaften ein Signal von der elektrischen Energiequelle in einer Art und Weise modifiziert, die von der Messvorrichtung messbar ist.
  • Noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst darüber hinaus ein Abtastmaterial, das auf zumindest einem Abschnitt von zumindest einer Oberfläche der Brücke angeordnet ist, das eine Störung der Brücke hervorruft.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Abtastvorrichtung ausgewählt aus zumindest einer aus der Gruppe bestehend aus: Volumenschallwellen-(BAW)-Brückengassensoren, BAW-Brückenmagnetsensoren, BAW-Brückendrehmomentsensoren, Oberflächenschallwellen-(SAW-)Brückengassensoren, SAW-Brückenmagnetsensoren, SAW-Brückengassensoren, monolithische Kristallfilter-(MCF-)Brückengassensoren, MCF-Brückenmagnetsensoren, MCF-Brückendrehmomentsensoren, Filmvolumen-Schallresonator-(FBAR-)Brückengassensoren, FBAR-Magnetsensoren und FBAR-Drehmomentsensoren.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung existieren Felder von Brücken. In einer spezifischen Ausführungsform gibt es ein Feld von zumindest zwei Brücken, die im Wesentlichen in rechten Winkeln in Bezug aufeinander hergestellt sind. Wenn sie geeignet auf die Symmetrieachse des Substratkristalls ausgerichtet ist, bietet solch eine Anordnung die bevorzugte Ausführungsform für ein Drehmomentsensorsystem.
  • In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der piezoelektrische Abschnitt ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Quarz, Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Langasit, Aluminiumphosphat, Galliumphosphat, Kalzium-Niob-Galliumsilikat, Kalzium-Tantal-Gallium-Silikat, Strontium-Niob-Galliumsilikat, Strontium-Tantal-Gallium-Silikat, Kalzium-Niob-Aluminiumsilikat, Kalzium-Tantal- Aluminiumsilikat, Strontium-Niob-Aluminiumsilikat, Strontium-Tantal-Aluminium-Silikat, Zinkoxid, Aluminiumnitrid und Verbindungen davon.
  • Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein System für akustisches Abtasten, umfassend eine Brückenanordnung, die zumindest zwei Endpunkte hat, die an entsprechende voneinander beabstandete Haltepunkte auf einem Substrat angeschlossen sind, wodurch die Brückenanordnung physisch von dem Substrat entlastet wird und die Entfernung zwischen den Haltepunkten aufspannt, wobei die Brücke einen piezoelektrischen Abschnitt umfasst und zumindest eine Schallwellenvorrichtung (AWD) in der Nähe eines Abschnitts der Brücke hat, wobei die AWD eine aktive akustische Region umfasst, wobei Ränder der aktiven akustischen Region von Rändern der Brücke entkoppelt sind; ein elektrisches Signal, das an die Brückenanordnung angeschlossen ist, wobei Spannungen, die in der Brücke induziert werden, Kraftfrequenzeffekte produzieren, die von der AWD messbar sind, und wobei die Kraftfrequenzeffekte eine Modulation des elektrischen Signals induzieren.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Abtastvorrichtung zum Messen physikalischer Parameter, umfassend ein Substrat, das elektrische Anschlüsse hat, die um das Substrat angeordnet sind und eine Anschlussfähigkeit an eine elektrische Energiequelle und eine Messvorrichtung zur Verfügung stellen; eine Brücke, die zumindest zwei Endpunkte hat, die an die jeweiligen voneinander beabstandeten Haltepunkte auf dem Substrat angeschlossen sind, wodurch die Brückenanordnung physisch von dem Substrat entlastet wird und den Abstand zwischen den Haltepunkten aufspannt, wobei die Brücke umfasst: zumindest eine Schallwellenvorrichtung, die in der Nähe eines Abschnitts der Brücke ausgebildet ist, wobei die Schallwellenvorrichung einen piezoelektrischen Abschnitt mit zumindest zwei Elektroden, die darauf angeordnet sind, umfasst, wobei die Brücke empfindlich für Spannungen ist, die durch Ausüben einer Punktkraft auf die Brücke induziert werden, wobei die Brückenspannungsantwort eine Änderung in den elektrischen Eigenschaften der Schallwellenvorrichtung hervorruft, wobei die Änderung in elektrischen Eigenschaften ein Signal von der elektrischen Energiequelle in einer Art und Weise verändert, die von der Messvorrichtung messbar ist.
  • Eine zusätzliche Ausführungsform der Erfindung umfasst darüber hinaus ein Diaphragma, das für einen Druck empfindlich ist, der in der Nähe der Brücke ausgeübt wird, wobei das Diaphragma die Punktkraft überträgt.
  • Noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst Magnetfelder, die auf einen magnetischen Bereich wirken, der in der Nähe der Brücke die Punktkraft erzeugt.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung umfasst eine Beschleunigung, die auf eine Prüfmasse wirkt, die in der Nähe der Brücke die Punktkraft produziert.
  • Die Merkmale und Vorteile, die hierin beschrieben werden, sind nicht allumfassend und insbesondere werden zahlreiche zusätzliche Merkmale und Vorteile einem Fachmann bei der Betrachtung der Zeichnungen, der Beschreibung und der Ansprüche deutlich. Überdies soll angemerkt werden, dass die Sprache, die in der Beschreibung verwendet wurde, prinzipiell für Lesbarkeits- und Instruktionszwecke ausgewählt wurde und nicht, um den Schutzbereich des Erfindungsgegenstands einzuschränken.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnungen
  • Ein tieferes Verständnis der Erfindung kann aus der nachfolgenden Beschreibung erhalten werden, wenn sie mit den anliegenden Zeichnungen gelesen wird.
  • 1A ist ein Sensor aus dem Stand der Technik für die kapazitätsbasierte Plattform.
  • 1B ist ein mikroelektromechanischer(MEMS-)Resonatorsensor aus dem Stand der Technik.
  • 2A ist eine Oberflächenwellen-(SAW-)Verzögerungsleitung aus dem Stand der Technik.
  • 2B ist eine optische, auslegerbasierte Plattform aus dem Stand der Technik.
  • 3A ist ein Basisflussdiagramm des Betriebs einer auslegerbasierten Vorrichtung mit optischer Detektion aus dem Stand der Technik.
  • 3B ist ein Basisflussdiagramm des Betriebs einer auslegerbasierten Schallwellendetektionsvorrichtung gemäß einer Ausführungsform.
  • 4A ist eine perspektivische Draufsicht einer Volumenschallwellen-(BAW-)Vollbrückenanordnung ohne Abtastfilm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 4B ist eine perspektivische Unteransicht der Volumenenschallwellen-(BAW-)Vollbrückenanordnung von 4A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 4C zeigt eine weggeschnittene, perspektivische Seitenansicht einer Volumenschallwellen-(BAW-)Vollbrückenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 5A ist eine perspektivische Draufsicht einer monolithischen Kristallfilter-(MCF-)Vollbrückenanordnung ohne einen Abtastfilm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 5B ist eine perspektivische Unteransicht der monolithischen Kristallfilter-(MCF)-Vollbrückenanordnung von 5 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 5C zeigt eine weggeschnittene, perspektivische Seitenansicht einer monolithischen Kristallfilter-(MCF)-Vollbrückenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 6A ist eine perspektivische Draufsicht auf eine Volumenschallwellen-(BAW-)Isolationsbrückenanordnung ohne Abtastfilm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die eine Lateralfeldanregung einsetzt.
  • 6B ist eine perspektivische Unteransicht der Volumenschallwellen-(BAW-)Isolationsbrückenanordnung von 6A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 6C zeigt eine weggeschnittene perspektivische Seitenansicht einer Volumenschallwellen-(BAW-)Isolationsbrückenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 7A ist eine perspektivische Draufsicht einer oberflächengenerierten Schallwellen-(SGAW-)Vollbrückenanordnung ohne einen Abtastfilm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 7B ist eine perspektivische Unteransicht der oberflächengenerierten Schallwellen-(SGAW-)Vollbrückenanordnung von 6 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 7C zeigt eine perspektivische, weggeschnittene Seitenansicht einer oberflächengenerierten Schallwellen-(SGAW-)Vollbrückenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 8A ist eine perspektivische Draufsicht auf eine Volumenschallwellen-(BAW-)Filmvolumenakustikresonator(FBAR-)Vollbrückenanordnung ohne einen Abtastfilm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 8B ist eine perspektivische Unteransicht der Volumenschallwellen-(BAW-)Filmvolumenakustikresonator(FBAR-)Vollbrückenanordnung von 8 gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 8C zeigt eine perspektivische, weggeschnittene Seitenansicht einer Volumenschallwellen-(BAW-)Filmvolumenakustikresonator-(FBAR-)Vollbrückenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 9A ist eine perspektivische Draufsicht auf eine Volumenschallwellen-(BAW-)Isolationsbrückenanordnung mit einem Abtastfilm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 9B ist eine perspektivische Unteransicht der Volumenschallwellen-(BAW-)Isolationsbrückenanordnung von 9A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 9C ist eine perspektivische, weggeschnittene Seitenansicht einer Volumenschallwellen-(BAW-)Isolationsbrückenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 10A ist eine perspektivische Draufsicht auf eine monolithische Kristallfilter-(MCF-)Volumenschallwellen-(BAW-)Isolationsbrückenanordnung mit einem Abtastfilm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 10B ist eine perspektivische Unteransicht der monolithischen Kristallfilter-(MCF-)Volumenschallwellen-(BAW-)Isolationsbrückenanordnung von 10A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 10C zeigt eine weggeschnittene, perspektivische Seitenansicht einer monolithischen Kristallfilter-(MCF-)Volumenschallwellen-(BAW-)Isolationsbrückenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 11A ist eine perspektivische Draufsicht auf eine Volumenschallwellen-(BAW-)Lateralfeldanregungs-(LFE-)Isolationsbrückenanordnung mit einem Abtastfilm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 11B ist eine perspektivische Unteransicht auf die Volumenschallwellen-(BAW-)Lateralfeldanregungs-(LFE-)Isolationsbrückenanordnung von 11A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 11C ist eine perspektivische, weggeschnittene Seitenansicht einer Volumenschallwellen-(BAW-)Lateralfeldanregungs(LFE-)Isolationsbrückenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 12A ist eine perspektivische Draufsicht auf eine oberflächengenerierte Schallwellen-(SGAW-)Isolationsbrückenanordnung mit einem Abtastfilm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 12B ist eine perspektivische Unteransicht der oberflächengenerierten Schallwellen-(SGAW-)Isolationsbrückenanordnung von 12A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 12C zeigt eine perspektivische, weggeschnittene Seitenansicht einer oberflächengenerierten Schallwellen-(SGAW-) Isolationsbrückenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 13A ist eine perspektivische Draufsicht auf eine Volumenschallwellen-(BAW-)Filmvolumenakustikresonator(FBAR-)Isolationsbrückenanordnung mit einem Abtastfilm gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 13B ist eine perspektivische Unteransicht der Volumenschallwellen-(BAW-)Filmvolumenakustikresonator(FBAR-)Isolationsbrückenanordnung von 13A gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
  • 13C zeigt eine weggeschnittene, perspektivische Seitenansicht einer Volumenschallwellen-(BAW-)Filmvolumenakustikresonator-(FBAR-)Isolationsbrückenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 14A zeigt eine graphische Darstellung der Frequenzverschiebung gegenüber dem Azimutwinkel, der den Kraftfrequenzeffekt einer in der Ebene liegenden Spannung veranschaulicht.
  • 14B zeigt eine perspektivische Draufsicht auf eine Volumenschallwellen-(BAW-)Vollbrückenanordnung mit einer angulären Ausrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 14C zeigt eine perspektivische Draufsicht auf eine Volumenschallwellen-(BAW-)Isolationsbrückenanordnung mit einer angulären Ausrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 14D zeigt eine perspektivische Draufsicht auf eine oberflächengenerierte Schallwellen-(SGAW-)Isolationsbrückenanordnung mit einer angulären Ausrichtung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • 14E zeigt eine perspektivische Draufsicht auf eine monolithische Kristallfilter-(MCF-)Volumenschallwellen-(BAW-)Isolationsbrückenanordnung mit einer angulären Anordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
  • Ausführliche Beschreibung
  • Ein weites Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, die Empfindlichkeit von Sensortechnologien durch den Einsatz piezoelektrischer Brücken zu verbessern, wobei manche der Verbesserungen auf der geometrischen Antwort der Brücke auf eine filminduzierte Spannung basieren, wenn sie einer Zielsubstanz ausgesetzt ist.
  • Die vorliegende Anmeldung ist bezogen auf die Anmeldung mit dem Titel „Hochempfindliche Mikrosensoren auf Basis von biegungsinduzierten Frequenzeffekten”, die eine Abtasttechnologie beschreibt, welche Ausleger verwendet. Obwohl die Auslegerausführungsformen, die darin beschrieben sind, mehrere Halteseile umfasste, stellen die Halterungen eine gewisse Biegsamkeit des Auslegers zur Verfügung. Es wird gelehrt, dass die Sensoren so gestaltet werden sollen, damit sie den Einfluss der Biegebeanspruchung auf die Sensorantwort maximieren, typischerweise durch eine beanspruchungsabhängige Nichtlinearität der Schallwellenvorrichtung, die eine messgrößeninduzierte Spannung nutzt, um den frei aufgehängten Ausleger zu deformieren. Im Unterschied dazu sollen die spannungsempfindlichen Mikrosensorausführungsformen, die hier beschrieben werden, sicherer befestigt sein, so dass ein gewisser Grad der Spannung aufgebaut wird, wenn die Brücke gewissen Effekten von den Abtastfilmen, die auf der Brücke angeordnet sind, ausgesetzt ist. Insbesondere sind die Sensoranordnungen so ausgeführt, um den Einfluss der spannungsinduzierten nichtlinearen Eigenschaften des Substrats auf die elektrischen Eigenschaften einer gehaltenen Schallwellenvorrichtung zu maximieren. Die Halteanordnungen sind so ausgeführt, dass sie gut gesichert sind, aber so, um die Spannung in die optimalen Richtungen fokussieren können.
  • Brückenanordnungen sind durch zumindest zwei Haltepunkte an das Substrat gekoppelt. In Ausführungsformen kann es auch drei oder mehr Haltepunkte geben. Haltepunkte sind an den Seiten der Brücke, die Endpunkte darstellen. Endpunkte unterscheiden die Brückenanordnungen von den Auslegeranordnungen dadurch, dass ihre Orte so ausgewählt sind, dass sie Spannung an Stelle von Biegung produzieren. Für gewisse Ausführungsformen ist diese Spannung in der Ebene der Brücke.
  • Im Gegensatz zu Auslegern sind die Brückenanordnungen so spezifiziert, damit sie physisch eingeschränkt sind. Das Vorspannungsfeld entspricht einer Vorspannungbeanspruchung in der Nähe von Null und das nichtlineare Akustikproblem wird am besten angenähert durch die wechselnden konstitutiven Zustandsgleichungen, die eine elastische Federung s und eine nichtlineare Federung s' verwenden, und zwar S + So = s(T + To) + s'(T + To)2, die zu einer parametrisch abhängigen effektiven elastischen Nachgiebigkeit führt, die von der Vorspannung der fest gespannten Brücke abhängt.
  • Ein Fachmann wird erkennen, dass es fundamentale strukturelle Unterschiede zwischen dem mechanisch freien Ausleger oder der mechanisch freien Auslegerbrücke und den mechanisch geklemmten Brückenanordnungen gibt. Sie werden ebenfalls erkennenn, dass es signifikante Unterschiede in den Erfordernissen an einen optimalen Abtastfilm gibt, der so zugeschnitten ist, dass er eine Biegebeanspruchung gegenüber Zug- oder Druckspannungen induziert.
  • Die piezoelektrische Brücke in einer Ausführungsform nutzt die Tatsache, dass die mitschwingenden aktiven Schallwellenregionen der starr fixierten Brücke auf die induzierte Spannung antworten werden, die durch den Anstieg oder den Abfall in der Filmspannung hervorgerufen wird, wenn ein Abtastfilm entlang der Länge der Brücke irgendeinem Einfluss, wie zum Beispiel einem Zielgas, ausgesetzt wird. Der Abtastfilm wird einen Anstieg oder einen Abfall in seinen elastischen Eigenschaften erfahren, was dazu führt, dass die Brücke eine Spannung erfährt und dies wird umgekehrt zu einer korrespondierenden Änderung in der Frequenz in dem mitschwingenden Abschnitt/den mitschwingenden Abschnitten der Brücke führen, die die aktiven akustischen Regionen abschließen.
  • Gemäß manchen Ausführungsformen werden die Brücken an ihrem Ort gehalten und sind nicht in der Lage, sich frei zu bewegen. Wenn der Abtastfilm Änderungen unterliegt, ist die Brücke einer Spannung ausgesetzt, und da die Enden der Brücke fixiert sind, baut die Brücke notwendigerweise eine Gegenspannung auf. Die Fixierung der Brücken stellt eine Gesamtvorrichtung zur Verfügung, die weniger empfindlich für eine Schwingung ist. Manche feindlichen Umgebungen sind ideal geeignet für solch eine robuste Anordnung. Allerdings soll angemerkt werden, dass der Brückenabtastmechanismus sich typischerweise auf nichtlineare elastische Eigenschaften bezieht und Effekte zweiter Ordnung zur Verfügung stellt (Elastizitätskonstanten dritter Ordnung), die möglicherweise nicht so groß sein können wie die geometrischen Änderungen, die mit dehnungsbasierten Sensoren verbunden sind.
  • Hintergrundinformationen über Resonatorkräfte und Spannung, umfassend Kraftfrequenz oder Biegefrequenz mit TSM-Vorrichtungen sind im gemeinschaftlich übertragenen US Patent 6,984,925 mit dem Titel „Low Acceleration Sensitivity Mounting Structures for Crystal Resonators” erläutert und sie werden hiermit durch Bezugnahme für alle Zwecke eingebunden. Wie bekannt ist, sind TSM-Vorrichtungen empfindlich für Kraftfrequenz- und Kraftbiegungseffekte. Das US Patent Nr. 6,984,925 lehrt gemäß einer der Ausführungsformen das Orientieren von Anordnungen bei optimalen Winkeln, um den Effekt der Spannung, die an die Vorrichtung gekoppelt ist, zu minimieren.
  • In einer Ausführungsform ruft eine Spannung innerhalb der Brücke eine spannungsinduzierte Frequenzänderung in der AWD vor, das heißt einen Dickenschubspannungsmodus-(TSM-)Resonator/Detektor. in dieser Ausführungsform induziert eine intern erzeugte Spannung in dem Film die Gegenspannung der Brücke, was bewirkt, dass sich nichtlineare Materialeigenschaften ändern. Wie hierin verwendet, umfassen TSM-Vorrichtungen Volumenschallwellen-(BAW-)Vorrichtungen, Lateralfeldanregungs-(LFE-)Vorrichtungen und monolithische Kristallfilter-(MCF-)Vorrichtungen. Andere Betriebsarten sind generell erlaubt und analog, umfassend Flächenscherungsbetriebsarten, Torsionsbetriebsarten, Längenausdehnungsbetriebsarten und Dickenverschränkungsbetriebsarten. Für einen Betrieb an Luft oder im Vakuum betreffen die Konzepte und Ansprüche hierin ebenfalls eine Dickenausdehnungsbetriebsart und diese soll als beinhaltet angesehen werden. Oberflächengenerierte Schallwellen-(SGAW-)Vorrichtungen umfassen einige spezifische Klassen, wie zum Beispiel Oberflächenschallwellen-(SAW-)Vorrichtungen, Oberflächentransversalwellen-(STW-)Vorrichtungen, Oberflächenglättungsvolumenwellen-(SSBW-)Vorrichtungen, Pseudooberflächenschallwellen-(PSAW-)Vorrichtungen, Lovewellen-Vorrichtungen, Lambwelien-Vorrichtungen, flüssigkeitsgeführte Schallwellen-(LGAW-)Vorrichtungen und einen akustischen Plattenmodus (APM). Wie hier verwendet und wenn nicht irgendwo eingeschränkt, soll eine Schallwellenvorrichtung (AWD) in einem weiten Sinne angesehen werden, um jede solche Vorrichtung einzuschließen, die entweder als Resonator, Filter oder Verzögerungsleitung arbeitet und sie soll nicht auf ein besonderes Material, eine besondere Form oder einen besonderen Schnitt beschränkt sein.
  • Ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung bezieht sich auf die Verwendung der Brückenanordnung, um eine extern erzeugte Spannung der Brücke aufzuzeichnen, die durch „statische” oder „niederfrequente” Magnetfelder induziert wird. Der magnetostriktive Effekt kann mit einem Abtastfilm verwendet werden oder eine Probemasse mit ferromagnetischen Eigenschaften kann eingesetzt werden, um die Brücke zu spannen. Eine Probemasse zentral zu einer Brücke kann eine vertikale Biegung und longitudinale Streckung der Brücke als Antwort auf ein Magnetfeld induzieren. Die longitudinale Streckung führt zu einer Wiederherstellungsspannung als Resultat der Elastizität des Brückenmaterials.
  • Traditionelle niederfrequentere BAW-Vorrichtungen (das heißt Dickenscherspannungsmodus (TSM) weniger als 20 MHz) leiden an zwei Nachteilen, wenn sie als Massebelastungssensoren konfiguriert sind. Der erste Nachteil ist die extrem niedrige Betriebsfrequenz. Für Schallwellensensoren ist es eine allgemeine Daumenregel, dass die Masseempfindlichkeit eine Funktion des Frequenzquadrats ist. Somit wird ein 100 MHz TSM-Gerät theoretisch hundert mal empfindlicher als ein 10 MHz MSN-Gerät sein. Diese Empfindlichkeitserhöhung wird typischerweise nicht realisiert, da die Frequenzstabilität sich mit erhöhter Frequenz schnell verschlechtert, wenn Polymerfilme mit einem geringen Q-Wert in akustisch aktiven Orten platziert werden. Die direkte Messung der hinzugefügten Masse durch ihren Effekt auf die Resonanzfrequenz ist somit in der Praxis eingeschränkt und es ist ein Ziel dieser Erfindung, es einer Hochfrequenz-AWD zu ermöglichen, mit optimierter Frequenzstabilität (hoher Q-Wert) zu operieren, obwohl man es der Frequenz immer noch erlaubt, dass sie durch die Abtastfilm-Analyt-Wechselwirkung mit optimierter Empfindlichkeit gestört wird.
  • Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die Änderung in der Frequenz des Sensors durch die Menge der Masse eingeschränkt ist, die auf dem Abtastfilm adsorbiert wird oder in dem Abtastfilm absorbiert wird. Niederfrequentere TSM-Vorrichtungen sind allgemein groß in ihrer Bauform. Die erforderliche Menge des Analyts skaliert zumindest wie 1/F2 durch Bereichsüberlegungen über der F2-Empfindlichkeit und über diese hinaus zur Masse pro Einheitsbereich. Wie bei BAW-Vorrichtungen besteht der Nachteil der Oberflächenwellen-(SAW-)Vorrichtungen darin, dass die Änderung in der Frequenz des Sensors durch die Menge der Masse beschränkt werden wird, die auf dem Abtastfilm adsorbiert wird oder in dem Abtastfilm absorbiert wird.
  • Es ist ebenfalls gezeigt worden, dass elastische Filmänderungen auf Nicht-Schallwellenauslegern Sensorplattformen erzeugen können mit viel höherer Empfindlichkeit als dieselben Auslegeranordnungen, die so ausgeführt sind, dass sie auf eine Massebelastung antworten, wenn sie einem Zielgas ausgesetzt sind (siehe zum Beispiel: T. Thundat, E. A. Wachter, S. L. Sharp, R. J. Warmack, "Detection of Mercury Vapor Using Resonating Microcantilevers", Appl. Phys. Lett., 66, 13, 1995; und http://www.time.com/time/magazine/article/0,9171,570260,00.html.)
  • Diese Anordnungen haben wiederum die allgemeinen Einschränkungen, dass die Ausleger selbst die resonante Anordnung sind, wodurch eine Herstellungs- und Umgebungsvariabilität leidet, und dass der Abtastfilm direkt die Schallwelle belastet, was den Q-Wert und das Signal-zu-Rauschverhältnis reduziert.
  • Kraftfrequenzeffekte sind im Stand der Technik in Bezug auf Resonatoren bekannt. Siehe zum Beispiel: K. Yoonkee und A. Ballato, "Force-Frequency Effects of Y-cut Langanate and Y-cut Langasite", 2002 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition; und J. J. Boy, R. J. Besson, E. Bigler, R. Bourquinn, B. Dulmet, "Theoretical and Experimental Studies of the Force-Frequency Effects in BAW LGS and LGT Resonators", 2001 International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition.)
  • In einer Ausführungsform nutzt die vorliegende Erfindung den Kraftfrequenzeffekt eines Films auf einer Brücke, wie er durch die Schallwellenvorrichtung gemessen wird, um das Zielmaterial, wie zum Beispiel ein Gas, abzutasten, wobei die Gasmoleküle sich auf einem Abtastfilm ansammeln, der an zumindest einem Teil der Brücke fixiert ist.
  • Als Erklärung ist der Abtastfilm typischerweise für einen bestimmte Gasart oder bestimmte Gasarten ausgewählt, welcher empfindlich für ein gewisses Gas/für gewisse Gase sein kann und nicht für andere. Ein Beispiel für das Detektieren von Hg ist die Verwendung eines Au-Films, der Hg auffängt und ein Amalgam bildet. Wenn das Hg auf dem Au-Abtastfilm adsorbiert wird, existiert dort eine atomare Dichteänderung des Goldfilms, was bewirkt, dass der Film versucht, sich auszudehnen. Die Elastizität des Brückenmaterials schafft eine Wiederherstellungskraft (Spannung), die dieser Ausdehnung Widerstand leistet. Die Rate, bei der das Hg auf der Oberfläche anhaftet, ändert die Rate, bei der sich die BAW-Frequenz ändert. Die Menge des Hg, das an der Oberfläche haftet, ist konzentrationsabhängig und ändert die Größe der Antwort. Somit kann es unterschiedliche Konzentrationen des abgetasteten Gases/der abgetasteten Gase detektieren.
  • Es soll angemerkt werden, dass es, wie bei den vorher offenbarten Auslegern, nicht notwendigerweise die Form oder Abmessung der Brücke ist, welche die Betriebsfrequenz des Resonators bestimmt. Die Brücke als Ganzes ist nicht das mitschwingende Element und stellt bloß eine starre oder halbstarre Halterung zur Verfügung, auf der Spannung auf dem Resonator (aktive akustische Region), wie ein photolithographisch definierter Einfangsenergie-Resonator oder eine Verzögerungsleitung, induziert werden soll. Die Schallwellenvorrichtungen mit ihren korrespondierenden aktiven Wellenregionen befinden sich auf einem Abschnitt der Brücke, der kleiner ist als die Dimensionen der gesamten Brücke und liegen innerhalb der Kanten der Brücke.
  • Unter Bezugnahme auf 3A wird dort der Basisbetrieb für eine Sensorplattform aus dem Stand der Technik auf Basis optischer MEMs-Ausleger, die in 2B dargestellt sind, präsentiert. Dieses Beispiel ist ein filmspannungsbasiertes Beispiel, das eine Auslegerbiegung hervorruft. In diesem Gasabtastbeispiel gibt es nach der Gasaussetzung 116 eine Polymerfilmadsorption 117. Die Adsorption des Gases mit dem Abtastfilm ruft hervor, dass der frei gehaltene Ausleger sich aufgrund von Änderungen in der Filmspannung biegt. Die Auslegerbiegung 118 ruft hervor, dass ein einfallender Laserstrahl abgelenkt wird und erlaubt eine hochempfindliche Messung auf Basis der optischen Erfassung 119.
  • Der Stand der Technik umfasst mechanische Resonanzfrequenzsysteme, die von der mechanischen Geometrie des Auslegers abhängig sind. Für Abtastapplikationen können Änderungen in einem Abtastfilm auf dem Ausleger Änderungen in der Federkonstante des mechanischen Auslegers hervorrufen, was dazu führt, dass die mechanische Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der Art der Abtastfilmantwort (das heißt Massebelastung gegenüber elastischer Versteifung) ansteigt oder abfällt. Man könnte sich brückenäquivalente Versionen von dieser vorstellen, bei der eine Resonanzbetriebsart der Brücke (eine mikrobearbeitete „Gitarrensaite”) als Resonator dient. Wiederum würde der Abtastfilm die resonante Brücke stark belasten und die Herstellungsvariabilität der Brücken selbst ist typischerweise schlechter als diejenige der Einfangsenergieresonatoren oder der SGAW-Anordnungen.
  • Typischerweise neigen die mechanischen Resonanzfrequenzen dazu, relativ klein in der Frequenz (das heißt << 100 kHz) zu sein. Ein weiterer bekannter, darauf bezogener Effekt ist die statische Auslegerbiegung. Eine statische Biegung ist nicht notwendigerweise bezogen auf die mechanische Auslegerresonanzfrequenz, sondern die statische Biegung wird hervorgerufen durch einen Aufbau einer Filmspannung, wenn der Abtastfilm einem Zielgas ausgesetzt wird. Diese Spannung bewirkt, dass sich der Ausleger verbiegt, um das Gleichgewicht von Kraft/Spannung wiederherzustellen und das Ausmaß der Biegung wird optisch gemessen. Zu Referenzzwecken stellt das US Patent Nr. 6,336,366 einige zusätzliche Hintergrundinformationen zur Verfügung.
  • Unter Bezugnahme auf 3B ist dort eine Ausführungsform der Schallwellenvorrichtung gezeigt. In dieser Gasabtastausführungsform ist eine Brücke, die einen oder mehrere Schallwellendetektoren mit einem Abtastfilm aufweist, Gegenstand einer Gasaussetzung 121. Es gibt eine gewisse Gasadsorption/Gasabsorption 121, die eine Membranspannung 123 hervorruft. Dieses Ergebnis wird auf Basis einer Schallwellendetektion 124 gemessen. Als Beispiel wird eine Frequenzänderung aufgrund der Spannung gemessen und verarbeitet, um den Einfluss der Zielsubstanz zu bestimmen. In der Praxis gibt es zahlreiche andere Messgrößen, die eine Spannung entweder in einem Film oder durch Einwirken auf ein oder mehrere Materialien, die an der Brücke fixiert sind oder in die Brücke integriert sind, induzieren können.
  • Für Schallwellenvorrichtungen in Sensorapplikationen gibt es mechanische und elektrische Effekte, die Änderungen hervorrufen. Die mechanischen Effekte umfassen typischerweise eine Massebelastung und elastische Versteifung oder Erweichung. Wenn ein Gas auf dem Abtastfilm adsorbiert oder in dem Abtastfilm absorbiert, ändert es ebenfalls die molare Dichte, das Volumen oder die intrinsische Spannung des Films auf der Oberfläche der Vorrichtung, was dazu führt, dass die gehaltene Brücke eine Gegenkraft aufbaut. In einer Ausführungsform sind die TSM-Vorrichtung und die Brücke zwei seperate Elemente, wobei filminduzierte Spannungen in der Brücke auf den TSM-Sensor, der bei einer Brückenhalterung vorgesehen ist, fokussiert werden.
  • Typischerweise erfasst die TSM-Vorrichtung die Spannung und antwortet darauf mit Kraftfrequenzeffekten.
  • Zu Referenzzwecken bezieht sich eine kursorische Beschreibung der Adsorption (Massebelastung) auf die Ansammlung eines Zielmaterials auf der Oberfläche eines Abtastmaterials. Wenn ein Abtastfilm einem Gas von Interesse ausgesetzt wird, werden sich die Gasmoleküle entweder auf der Oberfläche ansammeln (adsorbieren) oder in das Volumen des Abtastfilms diffundieren (absorbieren). Der Effekt der Adsorption führt gewöhnlich nur zu einer Massebelastung und das Resultat ist ein Abfall in der piezoelektrischen Resonanzfrequenz einer piezoelektrischen (wie zum Beispiel BAW, SGAW, FBAR, LFE) Resonatoranordnung. Für Verzögerungsleitungsanordnungen (das heißt eine SAW-Verzögerungsleitung) wird die Oberflächenmasseansammlung zu einer Reduktion in der Geschwindigkeit der Welle führen, wenn sie sich vom Eingangs-IDT durch den Abtastfilm zum Ausgangs-IDT ausbreitet (dieser Abfall in der Geschwindigkeit führt zu einer Änderung in der Phase). Für den Fall eines nicht-piezoelektrischen mechanischen Auslegers ist der Adsorptions-(Oberflächenansammlungs-)Effekt typischerweise eine Massebelastung und daraus resultiert ein Abfall in der mechanischen Resonanzfrequenz.
  • Die Effekte der Absorption (Diffusion in den Film) werden eine Änderung in der molaren Dichte oder in dem Volumen des Films aufgrund der Expansion hervorrufen, wenn die zusätzlichen Gasmoleküle in das Volumen des Abtastfilms diffundieren. Diese Änderung in dem Abtastfilmvolumen ruft einen Aufbau einer Filmspannung hervor, die allgemein bewirken wird, dass sich der Film sowohl vertikal als auch horizontal ausdehnen möchte. Die vertikale Komponente hat einen kleinen Effekt auf jede der Anordnungen; allerdings ruft die horizontale Komponente der Filmdimensionsänderung drei Haupteffekte hervor, nämlich Biegung, Versteifung und Spannung. Der erste Effekt, Biegung, wird auf Anordnungen auftreten, die sich als Antwort auf die Filmausdehnung frei bewegen können, und der zweite Effekt, elastische Versteifung, wird typischerweise sowohl auf Auslegern als auch eingeklemmten Anordnungen auftreten, wohingegen der dritte Effekt hauptsächlich auf eingeklemmten Anordnungen auftreten wird.
  • Der Biegungseffekt bezieht sich auf die Absorption, wobei die Expansion des Films bei allen Auslegern hervorrufen wird, dass sie sich als Antwort auf die Filmspannung und ihr Erfordernis, in ein Gleichgewicht zu gelangen, biegen. Nachdem der Ausleger die Biegung beendet, ist das Ergebnis eine Nettospannung von Null quer zur Anordnung, da die anfängliche Filmspannung gleich der Auslegerspannung ist, die erforderlich ist, um den Ausleger in seiner endgültigen Biegeposition zu halten. Dieses Durchbiegen wird Biegung genannt und der resultierende Effekt ist nicht Spannung sondern Dehnung. Es gibt beträchtliche Unterschiede zwischen dem Schallwellenfall und den mechanischen Auslegerimplementierungen, nämlich, dass sich der Ausleger durchbiegt und eine Änderung in der Form des Auslegers und eine große Verschiebung der vertikalen Position des Endes des Auslegers hervorrufen wird. Im Stand der Technik wird die Auslegerverschiebung typischerweise optisch gemessen.
  • Die Schallwellenresonanz der Schallwellenvorrichtungen, die auf den Auslegern angeordnet sind, hängen von der piezoelektrischen Dicke für eine BAW, von den IDT- und Reflektordesigneigenschaften für eine SGAW, von der piezoelektrischen Dicke für eine LFE und der Dicke/der Lücke für einen MCF ab. Die Filmspannung, die auf den Ausleger und seine Halteabschnitte im Stand der Technik ausgeübt wird, ruft eine Biegeverformung hervor, wobei die Verformung eine Änderung in den Dimensionen und potentiell in den Materialeigenschaften hervorruft. Die Dimensions- und Materialänderungen werden in der elektrischen Antwort der Schallwellenvorrichtung wiedergegeben. Insbesondere ruft die Biegedeformation Änderungen in den fundamentalen elastischen, piezoelektrischen und dielektrischen Konstanten hervor, welche die elektrischen Eigenschaften beherrschen. Dies kann sofort anhand der signifikanten Änderungen zwischen den dielektrischen Konstanten eines ferroelektrischen oder piezoelektrischen Materials erkannt werden, die bei konstanter Spannung gemessen werden, gegenüber denen, die im Wege nicht einschränkender Beispiele bei konstanter Dehnung gemessen werden.
  • Die Absorption des Films (Diffusion in diesen) kann hervorrufen, dass der Abtastfilm in der Steifigkeit ansteigt, was in geeigneter Weise als elastischer Versteifungseffekt bezeichnet wird. Für die Ausleger aus dem Stand der Technik wird der Anstieg in der Filmsteifigkeit einen Anstieg in der Federkonstanten des Auslegers hervorrufen. Dieser Anstieg in der Federkonstanten bewirkt, dass die mechanische Resonanzfrequenz ansteigt. Die mechanische Auslegerfederkonstante ändert sich und die mechanische Resonanzfrequenz steigt an. Die Empfindlichkeit dieses Effekts ist geringer als der Effekt der Messung der Verschiebung eines gebogenen Auslegers.
  • In ähnlicher Weise wird dieser Anstieg in der Filmelastizität für Schallwellenvorrichtungen, mit oder ohne erhabene Ätzstrukturen, einen Anstieg in der piezoelektrischen Resonanzfrequenz (für Resonatoren) oder einen Anstieg in der Geschwindigkeit hervorrufen, die für Verzögerungsleitungsanordnungen zu einer Änderung in der Phase führen. Allerdings ist dieser Effekt klein im Vergleich zu den unmittelbaren spannungsbasierten Änderungen der Schallwellenvorrichtungen. Da der Film unter Bedingungen einer leichten Belastung des Resonators eine schwache Störung ist, liegt es nahe, dass kleine Änderungen in den Filmeigenschaften aufgrund der nichtlinearen Materialeffekte einen geringeren Effekt haben werden als dieselben Effekte in dem Hauptkörper des Resonators.
  • Die Schallwellenresonanz der Schallwellenbrücken hängt in erster Linie von den Materialeigenschafen ab und von der Dicke für eine BAW, von den IDT- und Reflektordesigneigenschaften für eine SGAW, von der piezoelektrischen Dicke für eine LFE und von der Dicke/Lücke für einen MCF. Der Anstieg in der Filmsteifigkeit ruft einen Anstieg in der Resonanzfrequenz (höhere Geschwindigkeit für den Film) oder Änderungen in der Phase für eine Verzögerungsleitung (eine erhöhte Steifigkeit bewirkt, dass die Welle sich schneller ausbreitet) hervor. Es gibt keine Abhängigkeit von der allgemeinen Form der Brücke für gut gestaltete Vorrichtungen.
  • In Bezug auf Spannungseffekte ruft die Absorption des Film (Diffusion in den Film) eine Spannung des Abtastfilms hervor, da der Ausleger geklemmt ist und nicht dazu in der Lage ist, sein Volumen zu vergrößern.
  • Für Schallwellenvorrichtungen in Gassensorapplikationen gibt es mechanische und elektrische Effekte, die Änderungen hervorrufen. Die mechanischen Effekte umfassen Massebelastung und elastische Versteifung oder Erweichung. Wenn Gas auf dem Abtastfilm adsorbiert oder in diesem absorbiert, ändert es ebenfalls die intrinsische Spannung des Films auf der Oberfläche der Vorrichtung, was bewirkt, dass die Brücke eine Gegenspannung aufbaut. In einer Ausführungsform sind die TSM-Vorrichtung und die Brücke zwei separate Elemente. Die Brücke ist unter Spannung gesetzt, was die Spannung in die TSM-Vorrichtung überträgt, die an der Halterung der Brücke angeordnet ist. Der TSM-Sensor detektiert die Spannung aufgrund von Kraftfrequenzeffekten. Diese Art der Anordnung kann verwendet werden für Flussabtastung, wo ein einfallender Flussstrom, der senkrecht zu der Brückenanordnung gerichtet ist, entweder eine direkte Verbiegung und Streckung der Brücke hervorrufen wird oder hervorrufen wird, dass die Brücke vibriert und somit die Frequenz oder Phase der AWD mit dem eintreffenden Signal, wie einem Fluss oder einer Vibration, moduliert. Zum Beispiel hat die AWD in einer Ausführungsform eine Betriebsfrequenz und durch Spannen der Membran ändert sie ihre Frequenz. Wenn die Membran geschwungen wird, kann die damit verbundene AWD durch die Schwingung frequenzmoduliert oder phasenmoduliert werden. Es gibt zahlreiche Anwendungen für solch eine Vorrichtung, wie zum Beispiel Schwingungsdetektion, magnetische Abtastung und Kommunikation.
  • Gemäß einer Ausführungsform existiert der Schallwellenmodus innerhalb eines Abschnitts dieser Brückenanordnung, die durch die Schallwellenvorrichtung definiert ist. Die Brückenanordnung selbst verwendet ein piezoelektrisches Material und es gibt keine Veranlassung, eine separate piezoelektrische Schicht anzuwenden. Anders als die MEMS-Konfiguration, die hierin beschrieben ist, ist der Schallwellenvorrichtungsbetrieb nicht notwendigerweise abhängig von der Abtastfilm- oder Brückenfederkonstanten. Eine Ausführungsform der Erfindung beobachtet die Effekte der Antwort, welche die Belastung ist, die auf einen Resonator ausgeübt wird, anstelle der Änderung der Federkonstanten der Anordnung. Gemäß einer Ausführungsform ändert die vorliegende Erfindung nicht den fundamentalen Betrieb, beobachtet aber Effekte zweiter Ordnung der Vorrichtung.
  • Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die piezoelektrische Resonanzfrequenz oder piezoelektrische Gestaltungsfrequenz nicht abhängig von der Geometrie der Brückenanordnungen. Diese Systeme sind abhängig von anderen piezoelektrischen Gestaltungskriterien (das heißt BAW abhängig von der Plattendicke und von BAW-Elektroden, SAW abhängig von der IDT-Anordnung, MCF abhängig von der Plattendicke und der Elektrodenstruktur) und solange wie die Brückenanordnung eine ausreichende Länge und Breite aufweist, um einen zufriedenstellenden piezoelektrischen Resonator oder eine Verzögerungsleitung zu bilden, ist die aktuelle Geometrie der Brücke bei der Verarbeitung nicht relevant. Somit erfordert die Schallwellenvorrichtung keine Kenntnis der Brücke. Sie antwortet nur auf die Masse direkt auf dem aktiven akustischen Bereich oder auf Kräfte, Spannung und Dehnung in der Umgebung des akustisch aktiven Bereichs, die durch den Ausleger, die Brücke oder eine andere spannungs-/dehnungserzeugende Struktur, hervorgerufen werden können.
  • Es gibt zahlreiche illustrative Beispiele und Ausführungsformen für die verschiedenen Ausgestaltungen, die hier beschrieben sind. in dem BAW-(TSM-)Resonatorbeispiel wird die Resonanzfrequenz typischerweise bestimmt durch die Plattendicke, die Oberseiten-/Unterseitenelektroden und einen Überlapp der oberen und unteren Elektroden. Eine Masse auf dem aktiven Bereich oder Spannung oder Dehnung, die auf den aktiven akustischen Bereich ausgeübt werden, werden zu einer Änderung in der Resonanzfrequenz führen.
  • Für den MCF-(TSM-)Filter kann die Gestaltungsfrequenz durch die Plattendicke, den Überlapp des oberen Eingangs und Masse, den Überlapp des oberen Ausgangs und der Erde und die Lücke zwischen den Eingangs- und Ausgangselektroden bestimmt sein. Die Masse über dem aktiven Bereich oder eine Spannung oder Dehnung, die auf den akustisch aktiven Bereich ausgeübt werden, werden zu Änderungen der Transmission der BAW-Energie von dem Eingangs-TSM zu dem Ausgangs-TSM führen.
  • Die Resonanzfrequenz für den LFE-(TSM-)Resonator wird allgemein durch die Plattendicke, die Eingangs- und Ausgangselektrode und die Lücke zwischen der Eingangs- und Ausgangselektrode bestimmt. Eine Masse über dem aktiven Bereich oder eine Spannung oder Dehnung, die auf den aktiven akustischen Bereich ausgeübt werden, werden zu Änderungen der Resonanzfrequenz der LFE-Anordnung führen.
  • Der FBAR ist im Wesentlichen ein paralleler Plattenresonator und er ist unmittelbar analog zu den TSM-Resonatoren, die hierin beschrieben werden.
  • In dem SAW-Resonator kann die Resonanzfrequenz durch die IDT-Periodizität/die Elektrodenstruktur, die Gitter-(Reflektor-)Struktur und die effektive Hohlraumlänge bestimmt werden. Eine Masse über dem aktiven Bereich oder eine Spannung oder Dehnung, die auf den aktiven akustischen Bereich ausgeübt werden, werden zu Änderungen in der Resonanzfrequenz der SAW-Anordnung führen.
  • Die SAW-Verzögerungsleitungs-Gestaltungsfrequenz ist typischerweise abhängig von der Zwei-Anschluss-IDT-Periodizität/der Elektrodenstruktur. Eine Masse über dem aktiven Bereich oder eine Spannung oder Dehnung, die auf den aktiven akustischen Bereich ausgeübt werden, werden zu einer Änderung in der Transmission in der SAW-Energie von dem Eingangs-IDT zu dem Ausgangs-IDT führen.
  • Die Resonanzfrequenz des Akustikplattenmodus-(APM-)Resonators wird typischerweise durch die IDT-Periodizität/die Elektrodenstruktur, das Gitter (Reflektor) und die piezoelektrische Plattendicke bestimmt. Eine Masse über dem aktiven Bereich oder eine Spannung oder Dehnung, die auf den aktiven akustischen Bereich ausgeübt werden, wird zu Änderungen der Resonanzfrequenz der APM-Struktur führen.
  • In Bezug auf den FPW-Resonator, wird die Resonanzfrequenz bestimmt durch die piezoelektrische Dünnschichtdicke und die Geometrie der oberen und unteren Elektrode. Eine Masse über dem aktiven Bereich oder eine Spannung oder Dehnung, die auf den aktiven akustischen Bereich ausgeübt werden, wird zu Änderungen in der Resonanzfrequenz führen.
  • Wie hierin angemerkt, entkoppelt eine der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die Brücke von der AWD. Wie hierin beschrieben wird, gibt es grundsätzlich drei Betriebsarten. Die erste Betriebsart, Massebelastung, führt allgemein zu einem Abfall in der Resonanzfrequenz. Die zweite Betriebsart, elastische Versteifung, ist ebenfalls auf die Resonanzfrequenzoperationen bezogen und insbesondere auf den Anstieg in der mechanischen Resonanzfrequenz aufgrund der elastischen Versteifung. Die dritte Betriebsart ist bezogen auf eine Vorspannung der Brückenanordnung und ihrer Halterungen, und ist die empfindlichste, da die Detektionsoperationen direkt durch spannungsinduzierte Änderungen des Substratmaterials beeinflusst werden. Es soll ebenfalls angemerkt werden, dass für eine oder mehrere AWDs die Antwort nicht nur auf Biegungen oder nur auf Spannung isoliert ist. Mit anderen Worten kann die AWD gemäß einer Ausführungsform Effekte aufgrund einer Kombination sowohl von Spannung als auch von Dehnung messen.
  • Unter Bezugnahme auf 4A, 4B und 4C ist dort eine BAW-Vollbrückenanordnung dargestellt. Das Anordnungssubstrat 125 ist ein piezoelektrisches Material mit einer elektrischen Masseverbindung 120, die darauf auf einer Seite angeordnet ist, und mit einem positiven elektrischen Anschluss 155 auf der gegenüberliegenden Seite. Es gibt einen geätzten Taschenbereich 145 mit einer Form, die von Anwendungs- und Packungsüberlegungen abhängt. Ein geätzter Reliefbereich 140 ist in der Nähe der Schallwellenbrücke 137 und definiert die Randseitenabschlüsse der Brücke 137.
  • Innerhalb der Schallwellenbrücke 137 ist eine Schallwellenvorrichtung (AWD) 138 ausgebildet durch die Masseelektrode 130 auf einer Seite der piezoelektrischen Brücke 135 und eine positive Elektrode 150 auf der anderen Seite, welche in Kombination die Schallwellenvorrichtung bilden. Die Masseelektrode 130 ist an den elektrischen Masseanschluss 120 angeschlossen, während die positive Elektrode 150 an den positiven elektrischen Anschluss 150 angeschlossen ist. Gemäß einer Ausführungsform arbeitet eine derartige Schallwellenvorrichtung in einer aktiven akustischen Region in der Nähe des Überlappbereichs der Elektroden 130, 150.
  • In dieser Ausführungsform ist der Abtastfilm 160 auf zumindest einem Abschnitt der Masseelektrode 130 angeordnet. Die piezoelektrische Brücke 135 ist an dem piezoelektrischen Substrat 150 mit einem geätzten Relief 140 befestigt, das hilft, den Seitenrand der Brücke 137 zu definieren. Die Brücke 137 ist typischerweise so dimensioniert, um einen geeigneten Halt für die Brücke mit einem Grad der Starrheit zur Verfügung zu stellen, um eine Spannung zu erlauben.
  • Wenn die akustische Brücke 137 eine Gegenspannung aufbaut, antwortet die Schallwellenvorrichtung durch eine Änderung ihrer Frequenz aufgrund der Spannung, die in die piezoelektrische Brückenschicht, wie zum Beispiel Quarz, transferiert worden ist. Somit bildet die Anordnung in einer Ausführungsform eine TSM-Vorrichtung mit der piezoelektrischen Membran 135, so dass die Vorrichtung dann, wenn sie wegen des Abtastfilms einer Spannung ausgesetzt wird, auf die Spannung durch eine Änderung ihrer Frequenz antwortet. Bei der Dickenscherspannungsbetriebsartvorrichtung (TSM) bezieht sich die Dickenscherspannungsbetriebsart (TSM) in einem allgemeinen Sinne auf den Effekt, welcher auftritt, wenn es ein piezoelektrisches Material gibt, das zwischen einer Masseelektrode und einer positiven Elektrode auf einer Vorrichtung angeordnet ist mit einem entsprechend ausgewählten Substratmaterial und einer Orientierung wie AT-Quarz oder Y-Schnitt-Langasit. Eine Ausübung eines Signals auf die Elektroden ruft eine Anregung einer mechanischen Dickenscherspannungsresonanz hervor. Die intrinsische Filmspannung des Abtastfilms induziert eine Biegung der AWD. In Abhängigkeit von den Einzelheiten der AWD kann die resultierende Biegung direkt die AWD-Antwort oder die nichtlineare Elastizität ändern und Dichteänderungen des Substrats können indirekt die AWD-Antwort während der induzierten Biegung ändern. Keiner dieser Effekte erfordert, dass der Abtastfilm unmittelbar die akustische Energie der AWD belastet, obwohl es kein spezifisches Verbot gibt. Somit ist in einer Ausführungsform kein Abtastfilm erforderlich und in einer weiteren ist der Abtastfilm nicht in dem akustisch aktiven Bereich 138 angeordnet.
  • Zum Beispiel bezieht sich eine Betriebsart auf Kraftfrequenzeffekte aufgrund der Gasadsorption durch einen Film 160, wobei die Frequenzänderung auf die Spannung der piezoelektrischen Brückenmembran 135 aufgrund der elastischen Änderung des Films bezogen sein wird. Der Film 160 ist auf einem wesentlichen Abschnitt der Brücke 137 dargestellt. In anderen Ausführungsformen kann der Film einen kleinen Bereich der Brückenoberfläche einnehmen, wobei alle von den Gestaltungskriterien abhängen. Mehrere Abtastfilme, die auf eine einzelne Brücke 137 angewandt werden, sind ebenfalls innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung.
  • Da zusätzlich der Resonatorabschnitt (Schallwellenvorrichtung) typischerweise nur auf die Spannung antwortet, die in den aktiven akustischen Bereich eingekoppelt wird, benötigt er keine lange Brücke. Wenn Gasadsorption und die resultierende Spannung linear in Bezug auf die Gaskonzentration ist, wird die Frequenzänderung der Schallwellenvorrichtung linear sein in Bezug auf die Gaskonzentration. Diese besondere Gestaltung ist gut geeignet für alle Arten von Abtastfilmen (Monolagenpolymere, dünne Metallfilme, dünne Metalloxidfilme und weitere). Verschiedene biologische und chemische Antworten können gemessen werden, indem man die vorliegende Erfindung und die erhöhte Empfindlichkeit, die damit zur Verfügung gestellt wird, verwendet.
  • Die Brücke 135 kann jedes piezoelektrische Material sein, wie zum Beispiel Quarz, sowohl als Langasit als auch dessen Isomorphe, und alle illustrativen Beispiele, die Quarz einsetzen, sollen nicht als einschränkend angesehen werden.
  • Es gibt zusätzliche Anwendungen in Bezug auf Flüssigkeitserfassung und physikalische Erfassung, die ebenfalls innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung sind. Zum Beispiel kann anstelle der Verwendung eines Abtastfilms auf der Brücke ein magnetischer Film, wie zum Beispiel Nickel, auf dem Ende der Brücke angeordnet werden. Die Vorrichtung kann in dem Vorhandensein eines Magnetfelds platziert werden, so dass das Magnetfeld eine Bewegung der Brücke aufgrund der magnetischen Beschichtung beeinflussen würde. Wenn man als Beispiel die Vorrichtung mit einem Magneten in dem Vorhandensein eines Getriebezahns vorspannt, kann es Geschwindigkeit messen. Solch ein Beispiel kann kombiniert werden mit einer SAW oder einer Hochfrequenz-BAW in Verbindung mit einem drahtlosen Sender, um dadurch eine drahtlose magnetische Abtastung zur Verfügung zu stellen.
  • In einer Ausführungsform ist die Schallwellenvorrichtung nicht mittig in Bezug auf die Schallwellenbrücke 137 angeordnet. Mehrere Schallwellenvorrichtungen können zusammen um die Brücke herum angeordnet sein. Die Platzierung der Schallwellenvorrichtung in der Ausführungsform mit einem Ende kann bei der Brückenverbindung sein. In anderen Ausführungsformen kann die Schallwellenvorrichtung entlang der Brückenlänge angeordnet sein, abhängig von den Gestaltungskriterien.
  • Obwohl sich die Beschreibung auf BAW-Vorrichtungen bezieht, ist die vorliegende Erfindung anwendbar auf verschiedene andere derartige Vorrichtungen, wie zum Beispiel Resonatorvorrichtungen vom Typ SAW, LFE, MCF, FBAR und MEMS.
  • Zu Beschreibungszwecken werden hierin einige Beispiele der Brückenform/der Brückengestaltung erläutert. Diese Beispiele umfassen zwei Basistypen, nämlich eine rechteckige Brücke und eine kreisförmige Brücke. Es gibt weitere Teilmengen mit rechteckiger Gesamtheit und rechteckiger Hälfte und kreisförmiger Gesamtheit und kreisförmiger Hälfte. Und es gibt Variationen für jede mit unterschiedlicher Länge und unterschiedlichen Winkeln. Die vorliegende Erfindung kann in einer Vielzahl von Formen und Größen konfiguriert werden, die von den Gestaltungskriterien abhängen. Die Form kann symmetrisch sein und sie kann ebenfalls asymmetrisch sein, wobei das asymmetrische Design verwendet werden kann, um sie für Spannungseffekte maßzuschneidern. Die Verwendung von rechteckigen und kreisförmigen Formen ist eingeschlossen, um die Lehre der vorliegenden Erfindung zu erklären und dies soll nicht als einschränkende Merkmale angesehen werden. Weitere geometrische Formen, wie zum Beispiel Ovale, Diamanten und Quadrate sind alle innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung.
  • In einer Ausführungsform ist die Schallwellenvorrichtung ein kleiner Abschnitt der Brücke. In einer weiteren Ausführungsform ist nahezu die gesamte Brücke die Schallwellenvorrichtung, obwohl sie den Energieeinfang weg von den Kanten der Brücke erlaubt. Es kann ebenfalls mehrere Schallwellenvorrichtungen um die Brücke herum geben, abhängig von der besonderen Anwendung und dem gewünschten Ergebnis.
  • Unter Bezugnahme auf 5A, 5B und 5C ist dort eine Schallwellenvorrichtung mit zwei Anschlüssen dargestellt, wie zum Beispiel eine monolithische Kristallfilter-(MCF-)BAW-Vorrichtung. Auf dem piezoelektrischen Substrat 125 gibt es einen elektrischen Masseanschluss, der an eine Masseelektrode 130 auf einer Seite des Substrats 125 angeschlossen ist. Auf der anderen Seite des Substrats 125 sind zumindest zwei positive Elektroden, nämlich eine positive Eingangselektrode 170 und eine positive Ausgangselektrode 175.
  • In dieser Ausführungsform ist ein positiver elektrischer Eingangsanschluss 165 auf dem Substrat 125 angeordnet und elektrisch an eine positive Eingangselektrode 175 mit der piezoelektrischen Brücke 135 dazwischen angeschlossen. Dieses bildet einen ersten Transducer oder elektrischen Anschluss. Es gibt ebenfalls einen positiven elektrischen Ausgangsanschluss 180, der an einer positiven Ausgangselektrode mit der piezoelektrischen Brücke 135 dazwischen angeordnet ist. Dieses bildet einen zweiten Transducer oder elektrischen Anschluss.
  • Ein Fachmann wird erkennen, dass die Elektroden eines MCF in zahlreichen anderen Folgen angeordnet werden können und dass die Masseelektroden in separate Eingangs- und Ausgangsmasseelektroden aufgeteilt werden können.
  • Wenn die Brücke 172 im Betrieb einer Spannung ausgesetzt wird, die von dem Film 160 hervorgerufen wird, beeinflusst sie die Kopplung des Eingangs an den Ausgang. Die Zweianschluss-Anordnung arbeitet leicht unterschiedlich zu einer Einzelanschluss-Anordnung, die nur nach Frequenz- und Verluständerungen sucht. Wenn man die Zweianschluss-Anordnung einsetzt, kann man nach Frequenzänderungen suchen, aber aufgrund der zweipolig gekoppelten Resonatorstruktur wird es zwei Frequenzen geben, bei denen die zwei Frequenzen für verschiedene Anwendungen ausgeführt sein können.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann das Design unterschiedliche Niveaus der Kopplung zwischen den Elektroden implementieren für Situationen, wie zum Beispiel überkoppelten, unterkoppelten und kritisch gekoppelten Betrieb. Die Zweianschluss-Anordnung erlaubt die Messung eines Einführungsverlustes durch unterschiedliches Messen des Signals beim Eingang/Ausgang und durch die Verwendung eines Spitzendetektors. Die Bestimmung, ob die Vorrichtung in einer bestimmten Betriebsart arbeitet, hängt davon ab, ob die beiden Elektroden für Kopplungseffekte nahe genug sind. Gemäß einer Ausführungsform beeinflusst die Spannung der Brücke die Eigenschaften zumindest eines der Transducer oder die Lücke dazwischen und beeinflusst damit die Kopplungsaspekte. Mit anderen Worten könnte die Vorrichtung in einem kritisch gekoppelten Modus arbeiten und eine Änderung in der Brücke könnte die Resonanzen getrennt verschieben, so dass sie übergekoppelt werden.
  • Ausgestaltungen, bei denen der Elektrodenabstand anfangs groß ist, werden zu beiden Resonanzen führen, die bei derselben Frequenz sind, was zu einer Butterworth-Filterfunktion führt. Wenn die Elektroden in größerer Nähe beansprucht werden, beeinflusst die Recktanz eines Resonators den anderen und die Filterfunktion präsentiert zwei Spitzen in einer Tschebyscheff-Filterfunktion. Der Frequenzabstand zwischen diesen beiden Frequenzen ist auf die Zusammenkopplung der Elektroden bezogen.
  • Unter Bezugnahme auf die 6A, 6B und 6C ist dort eine Volumenschallwellen-(BAW-)Lateralfeldanregungs-(LFE-)Vollbrückenanordnung dargestellt. In dieser besonderen Ausführungsform hat die Brücke 177 keine Masseelektrode. Der Abtastfilm 160 ist auf der piezoelektrischen Brücke 135 angeordnet. Auf der gegenüberliegenden Seite gibt es zwei Elektroden, nämlich eine positive Eingangselektrode 170 und eine positive Ausgangselektrode 175. Diese Ausführungsform ist nicht Gegenstand der Dickenfeldanregung (TFE), die typischerweise erfordert, dass es Elektroden auf der Oberseite und auf dem Boden gibt, so dass das Feld durch die Vorrichtung hindurchtritt. Anstelle dessen ist diese Ausführungsform Gegenstand einer Lateralfeldanregung (LFE), bei der es nur Elektroden auf einer Seite gibt und die Felder durchqueren die Vorrichtung lateral zwischen den beiden Elektroden 170, 175 auf derselben Seite. Manche Materialorientierungen erlauben eine Metallschicht auf der gegenüberliegenden Oberfläche ohne Einfluss auf die Lateralfeldanregung und die Hinzufügung solcher Filme aus anderen Gründen ist nicht einschränkend.
  • Unter Bezugnahme auf die 7A, 7B und 7C ist dort eine oberflächengenerierte Schallwellen-(SGAW-)Vollbrückenanordnung auf einer Brücke dargestellt. Gemäß einer Ausführungsform setzen oberflächeneingekoppelte Schallwellenvorrichtungen eine gewisse Form der Oberflächenverschiebung ein, um zahlreiche Messgrößen zu erfassen und zu quantifizieren mittels der Störungen, die in den elektrischen und mechanische Eigenschaften der Vorrichtungen durch diese Messgrößen induziert werden.
  • Die oberflächengenerierten Schallwellenvorrichtungen umfassen grundsätzlich jede solcher Vorrichtungen, bei denen Transducer (mit einem Anschluss oder mit zwei Anschlüssen) auf der Oberfläche sind und die Eingangsenergie Oberflächenwellen erzeugt. Oberflächengenerierte Schallwellenvorrichtungen umfassen einige spezifische Klassen, wie zum Beispiel Oberflächenschallwellen (SAW), Oberflächentransversalwellen (STW), oberflächenglättende Volumenwellen (SSBW), Pseudooberflächenschallwellen (PSAW), akustische Plattenmoden (APM), Love-Wellen, Lamb-Wellen und flüssigkeitsgeführte Schallwellen (LGAW) und akustischen Plattenmodus (APM). Die Oberflächenverschiebungsmedien umfassen zum Beispiel reflektive Gitter, metallische Einfanggitter, Verzögerungsleitungen und Dünnschichteinfangfilme.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 7A, 7B und 7C hat die Brücke 182 eine metallisierte Oberfläche 185, die typischerweise floatet, obwohl sie als Masseebene angesehen werden kann. Zum Beispiel kann die metallisierte Oberfläche 185 in unterschiedlicher Weise, zum Beispiel mit Einphasentransducern, „geerdet” werden. Die Schallwellenbrücke 182 ist mit einem geätzten Reliefabschnitt 140 auf gegenüberliegenden Seiten der Brücke 182 ausgebildet, wobei die Brücke 182 fest an das Substrat 125 gekoppelt ist.
  • Es gibt eine positive elektrische Eingangsanschlussverbindung 190, die an den positiven Eingangsstromanschluss 195 angeschlossen ist. Auf der anderen Seite gibt es einen negativen elektrischen Anschluss 215, der an einen negativen Eingangsstromanschluss 220 angeschlossen ist. Ein interdigitaler Eingangstransducer (IDT) 235 ist elektrisch an den positiven Eingangsstromanschluss 195 und den negative Eingangsstromanschluss 220 angeschlossen. Ein oder mehrere Oberflächengitter sind auf der Brücke 182 angeordnet, wobei der interdigitale Eingangstransducer (IDT) 235 von irgendeiner Schallwellenquelle Energie erhält. Es kann irgendeine Form der Oberflächenverschiebung geben, wie ein zentrales Gitter 200, das zwischen zwei IDTs 234, 240 platziert ist. Das zentrale Gitter 200 braucht nicht dieselbe Anzahl von Fingern oder dieselbe Gitterperiode wie die IDTs 235, 240 zu haben.
  • Auf der Ausgangsseite ist der positive Ausgangsstromanschluss 205 an den positiven elektrischen Ausgangsanschluss 210 angeschlossen. In ähnlicher Weise ist der negative Ausgangsstromanschluss 225 an den negativen elektrischen Ausgangsanschluss 230 angeschlossen.
  • Gemäß einer Ausführungsform kann die Spannung über der SGAW gemessen werden durch Platzieren der SGAW-Ausbreitungsrichtung senkrecht zu der Länge der Brücke. Darüber hinaus können die Propagationseigenschaften empfindlicher für Spannungen sein, die bei unterschiedlichen Winkeln in Bezug auf die Propagationsrichtung und/oder die kristallinen Achsen ausgeübt werden, wobei die Brückenlänge definiert ist bei einem gewissen Winkel, so dass die Vorrichtungseigenschaften einen optimalen Winkel, verglichen mit der Propagationsrichtung, bestimmen.
  • Eine alternative Ausführungsform setzt einen IDT mit einem Anschluss ein, der sowohl als Eingangs-IDT als auch als Ausgangs-IDT dient mit einem Paar von Endgittern, die die Reflexionen zur Verfügung stellen. Andere Ausführungsformen umfassen dispersive, nicht-dispersive, resonante Anordnungen, sowie Verzögerungsleitungsanordnungen. Auf der Oberflächentransducerseite werden die Schallwellen erzeugt und gemessen, indem man interdigitale Transducer (IDTs) verwendet, die auf der Brücke 182 angeordnet sind. Eine SAW-Implementierung kann einen Eingangs-IDT und einen Ausgangs-IDT mit einer Verzögerungsleitung dazwischen haben. Eine STW-Implementierung kann einen Eingangs- und Ausgangstransducer haben mit einem Metalleinfanggitter. Eine Love-Modus-Vorrichtung kann Dünnschichteinfanglagen verwenden. Ein APM mit horizontaler Scherung kann Eingangs- und Ausgangstransducer umfassen, die mit Oberflächenverschiebungen Wechselwirken, so dass es eine Vorrichtung in einem Dickenscherspannungsbetriebsmodus gibt, die mit einer oberflächenerzeugten Schallwellenvorrichtung kombiniert ist, so dass die Schallwelle mit beiden Oberflächen der Platte für ein Abtasten wechselwirkt.
  • Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die piezoelektrische Brücke aus Materialien wie Quarz, Lithiumniobat und Lithiumtantalat sein, wobei ein elektrisches Potential in eine mechanische Energie umgewandelt wird und umgekehrt. Die spezifische Geometrie des Substrats und der Interdigitaltransducer und die Art und die kristallographische Orientierung des Substratmaterials bestimmen das Spektrum der Wellen, die angeregt und gemessen werden. In anderen Ausführungsformen können die Materialien, die eingesetzt werden, um zwischen elektrischen und mechanischen Signalen zu konvertieren, jedes andere piezoelektrische Material, ferroelektrische Material oder gepolte Keramik usw. sein, die zur Vereinfachung der Darstellung und Definition kollektiv als „piezoelektrisch” bezeichnet werden.
  • In Ausführungsformen werden Polymerfilme auf der Brückenoberfläche gegenüber dem SAW-Transducer angeordnet. Solche Filme werden die SAW nicht dämpfen, sondern werden Filmspannung in die Brücke koppeln, was die SAW-Eigenschaften verändert.
  • Unter Bezugnahme auf 8A, 8B und 8C ist dort ein Vollbrücken-Filmvolumenakustikresonator (FBAR) gezeigt. Die Masseelektrode 251 auf einer Seite der Brücke 172 ist elektrisch an einen Masseanschluss 248 angeschlossen, typischerweise durch Verwendung von Durchkontaktierungen (nicht gezeigt) durch die piezoelektrische Dünnfilmschicht 243. In dieser Ausführungsform ist ein positiver elektrischer Anschluss 242 auf der piezoelektrischen Dünnfilmschicht 243 und ist elektrisch an eine positive Elektrode 244 angeschlossen mit dem piezoelektrischen FBAR-Brückenabschnitt 246, der darunter angeordnet ist. Das FBAR-Relief 247 definiert den Umfang der rechteckigen Brückenanordnung 172 und die piezoelektrische, rechteckige FBAR-Brücke 246 trennt die positive Elektrode 244 und die Masseelektrode 251 voneinander. Die positive Elektrode 242 ist vorzugsweise von den Kanten der Brücke eingesetzt, um einen Energieeinfangbereich zu definieren. Eine Basissubstrattasche 249 erlaubt, dass die Brückenanordnung 172 über einem offenen Bereich aufgehängt ist und an die Brückenenden für den festen Halt gekoppelt ist.
  • Die Brückenanordnung 172 von 8C veranschaulicht eine Ausführungsform für die Anordnung. Die Anordnung selbst hat ein Basissubstrat 241 mit einer Basissubstrattasche 249, die einen offenen Bereich unter der Brücke 172 definiert. Die Masseelektrode 251 ist auf zumindest einem Abschnitt des Basissubstrats angeordnet und ein Abschnitt der Masseelektrode 251 ist dem offenen Bereich der Tasche 249 ausgesetzt. Auf der Oberseite der Masseelektrode 251 ist ein dünner piezoelektrischer Film 243 angeordnet, der zumindest einen Abschnitt der Masseelektrode 251 abdeckt. Im Wesentlichen alles von dem dünnen piezoelektrischen Films 243 ist durch einen elektrischen Masseanschluss 248 abgedeckt mit Ausnahme des Brückenabschnitts, bei dem es eine Region ohne die elektrische Masseanschlussschicht 247 gibt.
  • In dem Brückenabschnitt ist der dünne piezoelektrische Film von der piezoelektrischen Brücke 246 angeschlossen. Das untere Niveau der Brücke 172 ist durch die Masseelektrode 251 gebildet, die über der Basissubstrattasche 249 aufgehängt ist. Die piezoelektrische Dünnschichtbrücke 246 ist über der Masseelektrode 251 angeordnet. Ein Abschnitt des positiven elektrischen Anschlusses 242 ist auf der piezoelektrischen Brücke 246 angeordnet und der Abtastfilm 160 ist auf der positiven elektrischen Verbindung 242 angeordnet. In dem Brückenbereich, der frei von dem elektrischen Masseanschluss 248 ist, gibt es FBAR-Reliefstrukturen 247 auf den Seiten der Brücke 172.
  • Der FBAR kann mit Dickenfeldanregung (TFE) arbeiten, die ein Z-gerichtetes elektrisches Feld verwendet, um sich in Z-Richtung ausbreitende longitudinale oder kompressive Wellen zu erzeugen. In einem Lateralfeldanregungs-(LFE-)FBAR ist das angelegte elektrische Feld in Y-Richtung und die Scherschallwelle (angeregt durch das laterale elektrische Feld) breitet sich in Z-Richtung aus.
  • Unter Bezugnahme auf die 9A, 9B und 9C ist dort eine BAW-Isolationsbrückenanordnung gemäß einer Ausführungsform dargestellt und veranschaulicht mehrere Abschnitte eines Abtastfilms. Anders als die Vollbrückenanordnung in den 4A bis 4C bildet diese Ausführungsform eine isolierte Brücke 182 mit separaten Abtastfilmen aus. Das Struktursubstrat 125 ist ein piezoelektrisches Material mit einer elektrischen Masseverbindung 120, die auf einer Seite darauf angeordnet ist, und einer positiven Elektrode 150 auf der gegenüberliegenden Seite. Es gibt einen geätzten Taschenbereich 145 mit einer Form, die abhängt von Anwendungs- und Packungsüberlegungen. Ein geätzter Reliefbereich 140 ist in der Nähe der isolierten Schallwellenbrücke 182 und definiert die seitlichen Randabschlüsse.
  • Die Masseelektrode 130 ist an den elektrischen Masseanschluss 120 angeschlossen, während die positive elektrische Elektrode 150 an den positiven elektrischen Anschluss 155 angeschlossen ist. Es soll angemerkt werden, dass der aktive akustische Bereich der überlappende Bereich der Schallwellenvorrichtung ist. Der Abtastfilm 160 ist auf zumindest einem Abschnitt der Masseelektode 130 angeordnet. In dieser Ausführungsform ist die piezoelektrische Brücke 135 an dem piezoelektrischen Substrat 125 mit einem geätzten Relief 140 befestigt, das den Seitenrand der Schallwellenbrücke 182 definiert. Die Brücke 182 ist typischerweise so dimensioniert, um einen geeigneten Halt mit einem Grad der Starrheit zu umfassen, um die Entwicklung der Spannung zu ermöglichen.
  • Innerhalb der isolierten Schallwellenbrücke 182 ist eine Schallwellenvorrichtung ausgebildet durch die Masseelektrode 130 auf einer Seite der piezoelektrischen Brücke und eine positive Elektrode 150 auf der anderen Seite, welche in Kombination eine Schallwellenvorrichtung (AWD) definieren. Gemäß einer Ausführungsform arbeitet solch eine akustische Vorrichtung in einem aktiven akustischen Bereich in der Nähe des Überlappbereichs der Elektroden.
  • Wenn die akustische Brücke 182 eine Gegenspannung in jedem Arm aufbaut, antwortet die Schallwellenvorrichtung durch eine Änderung ihrer Frequenz wegen der Spannung, die in die piezoelektrische Brückenschicht 135, wie zum Beispiel Quarz, transferiert wird. Somit bildet die Anordnung in einer Ausführungsform eine TSM-Vorrichtung mit der piezoelektrischen Membran 135, so dass die Vorrichtung dann, wenn sie aufgrund des Abtastfilms 160 eine Spannung erfährt, durch eine Änderung ihrer Frequenz auf die Spannung antwortet.
  • Zum Beispiel bezieht sich eine Betriebsart auf Spannungskraftfrequenzeffekte aufgrund der Gasadsorption durch einen Film 160, wobei die Frequenzänderung bezogen sein wird auf die Spannung der Schallwellenbrücke 182 wegen der strukturellen und chemischen Änderungen des Films 160 und der Spannungen, die davon in die piezoelektrische Brücke gekoppelt werden. In dieser Ausführungsform ist der Film 160 auf mehreren Abschnitten der Brücke 180 gezeigt. Mehrere Abtastfilme 160, die auf eine einzelne Brücke 182 angewandt werden, erlauben die Detektion unterschiedlicher Zielsubstanzen. Alternativ können Abtastfilme 160 für eine maximale Antwort und Empfindlichkeit für eine bestimmte Zielsubstanz orientiert werden.
  • Da zusätzlich der Resonatorabschnitt (Schallwellenbrückenvorrichtung) typischerweise nur auf die Spannung antwortet, die in den aktiven akustischen Bereich eingekoppelt wird, erfordert dies keine lange Brücke. Wenn Gasadsorption und die resultierende Spannung linear in Bezug auf die Gaskonzentration sind, wird eine Frequenzänderung der Schallwellenvorrichtung linear in Bezug auf die Gaskonzentration sein. Dieses besondere Design ist gut geeignet für alle Arten von Abtastfilmen (Monolagenpolymere, dünne Metallfilme, dünne Metalloxidfilme und andere). Verschiedene biologische und chemische Antworten können gemessen werden, indem man die vorliegende Erfindung und die damit zur Verfügung gestellte erhöhte Sensitivität verwendet.
  • Die Brücke der vorliegenden Erfindung kann in einer Vielfalt von Formen und Größen konfiguriert werden, abhängig von den Designkriterien. Die Form kann symmetrisch sein und kann ebenfalls asymmetrisch sein, wobei das asymmetrische Design verwendet werden kann, um für Spannungseffekte maßzuschneidern. Die Verwendung rechteckiger Formen ist eingeschlossen, um die Lehre der vorliegenden Erfindung zu erklären und soll nicht als einschränkendes Merkmal angesehen werden. Andere geometrische Formen, wie Ovale, Diamanten und Quadrate sind alle innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung.
  • In einer Ausführungsform ist die ausgebildete Schallwellenvorrichtung ein kleiner Abschnitt der Brücke. In einer weiteren Ausführungsform ist nahezu die gesamte Brücke die Schallwellenvorrichtung. Es kann ebenfalls mehrere Schallwellenvorrichtungen um die Brücke geben, abhängig von der jeweiligen Anwendung und dem gewünschten Ergebnis.
  • Ein Aspekt der Isolationsbrücke ist, dass sie eine Kopplung der Spannung in den Resonator erlaubt, aber den Abtastfilm von den aktiven akustischen Bereichen separiert. Solch eine Isolation macht den Einschluss von Abtastfilmen auf mehreren Seiten der Brücke leichter zu verarbeiten. Eine weitere Anwendung der Isolation bezieht sich auf die Verwendung sehr dicker Polymerfilme, die eine Kopplung der Spannung von außerhalb der Vorrichtung ermöglichen, die anderenfalls die der Resultate dämpfen würden.
  • Die 10A, 10B und 10C zeigen eine monolithische Kristallfilter(MCF-)BAW-Isolationsbrücken-Vorrichtung. Solche eine Anordnung ist ähnlich zu der Ausführungsform von 5A bis 5C mit dem Zusatz der isolierten Segmente um die Brücke und separat von der aktiven akustischen Region, die mit den Elektroden 130, 170, 175 ausgebildet ist. Auf dem piezoelektrischen Substrat 125 gibt es eine elektrische Masseverbindung 120, die an eine Masseelektrode 130 auf einer Seite des Substrats angeschlossen ist. Auf der anderen Seite des Substrats 125 sind zumindest zwei positive Elektroden, nämlich eine positive Eingangselektrode 170 und eine positive Ausgangselektrode 175.
  • In dieser Ausführungsform ist eine positive elektrische Eingangsverbindung 165 auf dem Substrat 125 angeordnet und elektrisch an eine positive Eingangselektrode 170 angeschlossen. Auf der gegenüberliegenden Seite ist die Masseelektrode 130 mit der piezoelektrischen Brücke 135 dazwischen, welche einen ersten Schallwellentransducer bildet. Es gibt ebenfalls eine positive elektrische Ausgangsverbindung 180, die an eine positive Ausgangselektrode 175 angeschlossen ist, die die Masseelektrode 130 auf der gegenüberliegenden Seite hat, und mit der piezoelektrischen Brücke 135 dazwischen. Dieses bildet einen zweiten Schallwellentransducer.
  • Es gibt Abtastbereiche, die in dieser Ausführungsform sowohl auf jeder Seite der zentralen Schallwellenvorrichtung als auch auf beiden Seiten der Brücke 174 ausgebildet sind. Diese Abtastbereiche sind ausgebildet mit der piezoelektrischen Brücke 135 als Basis, mit einer optionalen Metallisierungsschicht 245, gefolgt von einem optionalen Abtastfilm 160 (aus Klarheitsgründen nicht gezeigt).
  • Wie angemerkt, kann der Abtastfilm 160 auf der oberen Oberfläche und der unteren Oberfläche der isolierten BAW-Struktur angeordnet sein für einen Betrieb als Scherspannungsmodus-Vorrichtung. Zusätzlich soll betont werden, dass die Orientierung der Brücke in Bezug auf die Propagationsrichtung in jedem Winkel sein kann, abhängig von den Designkriterien. Typischerweise ist sie für eine maximale Antwort orientiert, es kann aber gewisse Applikationen geben, die Charakteristika haben, für die andere Orientierungen bevorzugt sind. Der Betrieb des MCF wurde vorher bereits für eine Vollbrücke beschrieben und ein Betrieb der Vorrichtung auf der Isolationsbrücke ist analog.
  • Ein Fachmann wird erkennen, dass die Elektroden eines MCF in zahlreichen anderen Sequenzen angeordnet sein können und dass die Masseelektroden in separate Eingangs- und Ausgangsmasseelektroden aufgeteilt werden können.
  • Unter Bezugnahme auf die 11A, 11B und 11C ist dort eine Volumenschallwellen-(BAW)-Lateralfeldanregungs-(LFE)-Isolationsbrückenanordnung dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der Vollbrücken-BAW-LFE von 6A bis 6C durch die mehrfachen Abtastfilme und Anordnungen, die um die Schallwellenvorrichtung angeordnet sind, die durch die Elektroden 170, 175 und die reine Oberfläche 131 gebildet sind. Die positive Eingangselektrode 170 und eine positive Ausgangselektrode 175 begründen, dass die Schallwellenvorrichtung Gegenstand einer Lateralfeldanregung (LFE) ist, bei der die Schallwellen die Vorrichtung lateral zwischen den beiden Elektroden 170, 175 hindurchschreiten. Es gibt mehrere Abtastbereiche, die in der Nähe der aktiven Schallwellenregion ausgebildet sind. Die Abtastbereiche sind von der Kombination der piezoelektrischen Brücke 135, der Metallisationsschicht 245 und des Abtastfilms 160 gebildet. Eine Mehrzahl von Abtastfilmen 160 kann auf der piezoelektrischen Brücke 176 angeordnet sein, wobei der Abtastfilm 160 der selbe Typ sein kann, um eine größere Antwort sicherzustellen, oder es kann unterschiedliche Abtastfilme geben, die auf unterschiedliche Zielsubstanzen antworten.
  • Unter Bezugnahme auf die 12A, 12B und 12C ist dort eine oberflächengenerierte Schallwellen-(SGAW-) Isolationsbrückenanordnung dargestellt. Diese Ausführungsform ist eine Vorrichtung mit einem Anschluss, die Reflektoren hat; allerdings ist eine Ausführungsform mit zwei Anschlüssen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, entweder als Verzögerungsleitung oder als Resonator mit zwei Anschlüssen, der ebenfalls Reflektoren hat. Die Brücke 176 hat eine metallisierte Oberfläche 245, die typischerweise floatet, obwohl sie eine Masseebene sein kann. Die Schallwellenbrücke 176 ist mit einem geätzten Reliefabschnitt 140 auf gegenüberliegenden Seite 176 ausgebildet, wobei die Brücke 176 fest mit dem Substrat 125 gekoppelt ist.
  • Es gibt eine positive elektrische Einzelanschlussverbindung 250, die an die positive Einzelanschlussstromversorgung 260 angeschlossen ist. Auf der benachbarten Seite gibt es eine negative elektrische Einzelanschlussverbindung, die an eine negative Einzelanschlussstromversorgung 270 angeschlossen ist. Ein Einzelanschluss-Interdigitaltransducer (IDT) 275 ist elektrisch an die positive Einzelanschlussstromversorgung 260 und die negative Einzelanschlussstromversorgung 270 angeschlossen. Ein oder mehrere Oberflächengitter 255 sind auf der Brücke 176 angeordnet, wobei der Eingangs-Interdigitaltransducer (IDT) 275 von einer Schallwellenenergiequelle Energie erhält. Die Oberflächengitter 255 brauchen nicht dieselbe Anzahl von Fingern oder dieselbe Gitterperiode wie die IDTs 275 zu haben.
  • Gegenüber den Oberflächengittern 255 sind die Abtastbereiche, welche in dieser Ausführungsform eine Metallisierungsschicht 245 haben, die auf der piezoelektrischen Brücke 135 angeordnet ist, und ein Abtastfilm 160, der auf der Metallisierungsschicht 245 angeordnet ist. Es kann mehrere Abtastfilme 160 geben.
  • Eine alternative Ausführungsform setzt einen Doppelanschluss-IDT ein, der einen separaten Eingangs-IDT und Ausgangs-IDT zur Verfügung stellt, die ein zentrales Oberflächengitter umfassen können. Andere Ausführungsformen umfassen dispersive, nicht dispersive, resonante Strukturen und Verzögerungsleitungsstrukturen. Verschiedene andere Kombinationen und Ausführungsformen, die hierin beschrieben werden, können implementiert werden.
  • Unter Bezugnahme auf die 13A, 13B und 13C ist dort ein Isolations-BAW-Filmvolumenakustikresonator (FBAR) gezeigt. Die Masseelektrode 251 auf einer Seite der Brücke 172 ist elektrisch an einen Masseanschluss 248 angeschlossen, typischerweise durch Verwendung von Durchkontaktierungen (nicht gezeigt) durch die piezoelektrische Dünnfilmschicht 243. In dieser Ausführungsform ist ein positiver elektrischer Anschluss 242 auf der piezoelektrischen Dünnfilmschicht 243 angeordnet und elektrisch an eine positive Elektrode 244 mit dem piezoelektrischen FBAR-Brückenabschnitt 246, der darunter angeordnet ist, angeschlossen. Das FBAR-Relief 247 definiert den Umfang der rechteckigen Brückenstruktur 172 und die piezoelektrische rechteckige FBAR-Brücke 246 trennt die positive Elektrode 244 und die Masseelektrode 251.
  • Eine Basissubstrattasche 249 erlaubt es der Brückenanordnung 172, dass sie über einem offenen Bereich gehalten wird und an die Brückenenden für eine feste Halterung gekoppelt wird.
  • Die Brückenanordnung 172 von 8C veranschaulicht eine Ausführungsform für die Anordnung. Die Anordnung selbst hat ein Basissubstrat 241 mit einer Basissubstrattasche 249, die den offenen Bereich unter der Brücke 172 definiert. Die Masseelektrode 251 ist auf zumindest einem Abschnitt des Basissubstrats angeordnet und ein Abschnitt der Masseelektrode 251 ist dem offenen Bereich der Tasche 249 ausgesetzt. Auf der Oberseite der Masseelektrode 251 ist ein dünner piezoelektrischer Film 243 angeordnet, der zumindest einen Abschnitt der Masseelektrode 251 abdeckt. Im Wesentlichen alles von dem dünnen piezoelektrischen Films 243 ist durch einen elektrischen Masseanschluss 248 abgedeckt mit der Ausnahme des Brückenabschnitts, bei dem es einen Bereich ohne die elektrische Masseanschlussschicht 247 gibt.
  • In dem Brückenabschnitt ist der dünne piezoelektrische Film durch die piezoelektrische Brücke 246 abgeschlossen. Das untere Niveau der Brücke 172 ist durch die Masseelektrode 251 gebildet, die über der Basissubstrattasche 249 gehalten wird. Die piezoelektrische Dünnschichtbrücke 246 ist über der Masseelektrode 251 angeordnet. Ein Teil der positiven elektrischen Verbindung 242 ist auf der piezoelektrischen Brücke 246 angeordnet und der Abtastfilm 160 ist auf dem positiven elektrischen Anschluss 242 angeordnet. In dem Brückenbereich, der von der elektrischen Masseverbindung 248 frei ist, gibt es FBAR-Reliefstrukturen 247 auf den Seiten der Brücke 172.
  • Unter Bezugnahme auf 14A ist gezeigt worden, dass es eine optimale Frequenzänderungsantwort gibt, wie in der Frequenzantwortkurve gezeigt. Manche der Ausführungsformen hier umfassen das Orientieren der Brücke für maximale Empfindlichkeit. Es wird Bezug genommen auf „Resonators for severe environments" von T. J. Lukaszek und A. Ballato, in: Proc. 33rd Annual Symposium an Frequency Control, S. 311-321, 1979, welche durch Bezugnahme hierin eingebunden wird. Es gibt optimale Richtungen für die Empfindlichkeit hinsichtlich der Spannung und für AT-Schnitt-Quarz wird eine Orientierung der Brücke entlang der kristallographischen X-Achse optimal für Spannungseffekte sein. Somit kann die Brückenvorrichtung entlang einer bestimmten azimutalen Richtung für Spannungseffekte, die für jedes gegebene Substrat optimiert sind, orientiert werden.
  • Unter Bezugnahme auf die 14B, 14C und 14D veranschaulichen diese, dass es Winkel ψ für die Spannung gibt, wobei diese Winkelorientierung maßgeschneiderte Antworten zur Verfügung stellen wird. Gemäß einer Ausführungsform ist die Anordnung so ausgeführt, damit sie für die Antwortkurve gemäß der Winkelanordnung für die Vollbrücken- und Isolationsbrückenanordnungen optimiert ist.
  • Für jede der Ausgestaltungen, die hierin beschrieben werden, gibt es andere Variationen auf Basis der Brückenlänge oder des Durchmessers und einen Brückausrichtungswinkel in Bezug auf die kristalline X-Achse. Wenn die Brücke unter Spannung gesetzt wird, wird dies eine korrespondierende Änderung in der Resonanzfrequenz oder in der Propagation oder in den Kopplungscharakteristika der Schallwellenvorrichtung hervorrufen. Die Resonanzfrequenz- oder Propagations- oder Kopplungscharakteristika der Brücke werden typischerweise abhängig sein von der Spannung und nicht von der Länge der Brücke oder dem Durchmesser der Brücke. Dies stellt einen Vorteil gegenüber anderen mikrobearbeiteten resonanten Strukturen zur Verfügung, da die vorliegende Erfindung dazu in der Lage ist, Brückenstrukturen herzustellen, die viel kürzer in der Länge oder kleiner im Durchmesser sind, obwohl sie im Wesentlichen unempfindlich für kleine Veränderungen in den Herstellungsdimensionen sind. Diese Tatsache erlaubt umgekehrt die Erzeugung von Brückenfeldern in einem viel kleineren Bereich als andere im Wettbewerb stehende Brückentechnologien mit viel höherer Prozessleistung.
  • Eine stationäre Vorrichtung kann ebenfalls die vorliegende Abtastung einsetzen, wobei die Einheit kontinuierlich die Umgebung aufzeichnet und beim Triggern eines gewissen Zielereignisses wird eine Benachrichtigung zur Verfügung gestellt. Wie hierin ausgeführt ist, kann ein Feld von Brückensensorvorrichtungen eingesetzt werden mit entsprechenden Schallwellenvorrichtungen für die Detektion der Gase/des Gases für einen bestimmten Film. Mehrere Felder mit unterschiedlichen Ausführungen und unterschiedlichen Filmen können innerhalb eines einzelnen Gehäuses eingebaut sein, so dass mehrere Gase detektiert werden können.
  • Unter erneuter Bezugnahme auf 14D ist dort die Kopplung der Schallenergiequelle 300 und der Messvorrichtung 310 gemäß einer Ausführungsform dargestellt. Eine elektrische Anschlussfähigkeit und die Schaltkreiskonfigurationen zum Erzeugen des Schallwellensignals und das Messen der Antworten sind aus dem Stand der Technik wohlbekannt, umfassend sowohl drahtgebundene als auch drahtlose Implementierungen. Typischerweise gibt es eine Energiequelle 300, die dann elektrisch an die Anordnung über elektrische Spuren, Durchkontaktierungen und Verteilerleitungen angeschlossen ist und darin zu Schallwellen konvertiert wird, die empfindlich für spannungsinduzierte Veränderungen sind. Gemäß einem Basisbeispiel, welches eine einfache Ausführungsform zeigen soll, gibt es eine Energiequelle 300, wie zum Beispiel einen Oszillatorschaltkreis, der ein Treibersignal zur Verfügung stellt. Das Treibersignal, welches eine stabile Frequenz sein kann, ist an die Anordnung über die elektrischen Anschlüsse angeschlossen, welche umgekehrt elektrisch an die korrespondierenden Elektroden der Brückenvorrichtung angeschlossen sind, um dadurch die Schallwellen zur Verfügung zu stellen. Die Ausgangsantwort ist elektrisch in einer ähnlichen Art und Weise über die Elektroden und elektrische Anschlüsse an eine Messvorrichtung 310 gekoppelt, die eine Frequenzmessvorrichtung sein kann. Der Unterschied in der Frequenz auf Basis der Bewegung der Brücke kann verarbeitet werden, um die Effekte, die sich auf den Abtastfilm beziehen, zu bestimmen.
  • Wie hierin beschrieben wurde, gibt es viele Ausführungsformen und Applikationen, die implementiert werden können, indem man die vorliegende Erfindung verwendet. Einige von diesen umfassen die folgenden: BAW-Brücken-BAW-Brücken-Gassensoren und BAW-Brücken-Magnetsensoren; und BAW-Brücken-Drehmomentsensoren: SGAW-Brücken-SGAW-Brücken-Gassensoren und SGAW-Brücken-Magnetsensoren; und SGAW-Brückendrehmomentsensoren: MCF-Brücken-MCF-Brückengassensoren; MCF-Brücken-Magnetsensoren; und MCF-Brückendrehmomentsensoren; LFE-Brücken-LFE-Brücken-Gassensoren; und LFE-Brücken-Magnetsensoren; und LFE-Brücken-Drehmomentsensoren: FBAR-Brücken-FBAR-Brückengassensoren; und FBAR-Brücken-Magnetsensoren; und FBAR-Brücken-Drehmomentsensoren. Es können ebenfalls Drucksensoren existieren, bei denen ein Druck, der auf eine Membran ausgeübt wird, als Normalkraft übertragen wird, die auf einen Punkt oder über einen kleinen Bereich auf die Brücke ausgeübt wird. Die Spannungsverteilung von dem Kontaktpunkt erzeugt ein Spannungsfeld, das durch die Form der Brücke definiert ist und die Spannungen ändern die Sensorfrequenz, was einen Ausgang zur Verfügung stellt, der proportional ist zu dem Druck, der auf die Membran ausgeübt wird.
  • Die Vollbrückenanordnung stellt einen Fall dar, in dem die AWD auf der Brücke platziert ist, wohingegen die Isolationsbrückenanordnungen eine Anordnung beschreiben, bei der die AWD zwischen zwei Brücken platziert ist. Andere Orte für die AWD können sofort erkannt werden, dass sie empfindlich für Spannungen sind, die durch eine Störung der Brücke induziert werden und jede solche Platzierung kann beschrieben werden, dass sie in der Nähe der Brücke ist.
  • Die vorhergehende Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung ist präsentiert worden für die Zwecke der Illustration und der Beschreibung. Sie soll nicht allumfassend sein oder die Erfindung beschränken auf die genaue Form, die offenbart worden ist. Zahlreiche Modifikationen und Änderungen sind im Lichte dieser Offenbarung möglich. Es ist beabsichtigt, dass der Schutzbereich der Erfindung nicht durch diese ausführliche Beschreibung eingeschränkt sein soll sondern, durch die Ansprüche, die sich hieran anschließen.
  • Zusammenfassung
  • Akustische Abtastung, die eine Brückenanordnung verwendet, die zumindest zwei Haltepunkte hat, die an entsprechende voneinander beabstandete Haltepunkte auf einem Substrat angeschlossen sind, wodurch die Brückenanordnung physisch von dem Substrat entlastet wird und den Abstand zwischen den Haltepunkten aufspannt, und wobei die Brücke einen piezoelektrischen Abschnitt umfasst und zumindest eine aktive akustische Region in der Nähe der Brücke hat. Ein Abtastmaterial ist auf zumindest einem Teil von zumindest einer Oberfläche der Brücke angeordnet, wobei die Brücke Spannungseffekte produziert, die durch eine Schallwellenvorrichtung messbar sind, die in dem aktiven akustischen Bereich angeordnet ist. Gemäß einer Ausführungsform werden die Spannungseffekte durch eine Schallwellenvorrichtung gemessen, um ein Zielmaterial abzutasten. Wenn sich Zielmoleküle auf einem Abtastfilm ansammeln, der an zumindest einem Teil der Brücke fixiert ist, wird in der Brücke eine Spannung erzeugt, die eine Frequenzänderung induziert, die durch eine Schallwellenvorrichtung gemessen wird.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Claims (25)

  1. System für akustisches Abtasten, umfassend: – eine Brückenanordnung, die zumindest zwei Endpunkte hat, die an jeweilige voneinander beabstandete Haltepunkte auf einem Substrat gekoppelt sind, wodurch die Brückenanordnung physisch von dem Substrat entlastet ist und den Abstand zwischen den Haltepunkten aufspannt und wobei die Brücke einen piezoelektrischen Abschnitt umfasst und zumindest eine Schallwellenvorrichtung (AWD) in der Nähe eines Abschnitts der Brücke hat, wobei die AWD eine aktive akustische Region umfasst und wobei eine Störung der Brücke Spannungseffekte produziert, die durch die AWD messbar sind.
  2. System nach Anspruch 1, darüber hinaus umfassend ein Abtastmaterial, das auf zumindest einem Abschnitt mindestens einer Oberfläche der Brücke angeordnet ist.
  3. System nach Anspruch 2, bei dem das Abtastmaterial ausgewählt ist von zumindest einem aus der Gruppe bestehend aus: Metall, Metalloxid, Metallnitrid, Keramik, Karbid, Polymer, magnetisches Material, magnetostriktives Material, elektrostriktives Material und biologisches Material.
  4. System nach Anspruch 1, bei dem die aktive akustische Region eine Dickenfeldanregungs-(TFE-)Anordnung ist, die durch zumindest eine positive Elektrode, die auf einer Seite der Brücke angeordnet ist und zumindest eine Masseelektrode auf einer gegenüberliegenden Seite der Brücke gebildet ist, und wobei eine elektrische Energiequelle an die mindestens eine positive Elektrode und die zumindest eine Masseelektrode angeschlossen ist.
  5. System nach Anspruch 4, bei dem die Dickenfeldanregungs-(TFE-)Anordnung eine Vorrichtung mit zwei Anschlüssen ist, wobei ein erster Transducer elektrisch an die elektrische Energiequelle durch einen positiven elektrischen Anschluss und einen negativen elektrischen Anschluss angeschlossen ist, und ein zweiter Transducer eine Antwort zur Verfügung stellt, die auf ein elektrisches Eingangssignal von der elektrischen Energiequelle zu einer zweiten positiven elektrischen Verbindung und einer zweiten negativen elektrischen Verbindung bezogen ist.
  6. System nach Anspruch 1, bei dem die aktive akustische Region eine Lateralfeldanregungs-(LFE-)Struktur ist, die durch zumindest eine positive Elektrode und zumindest eine negative Elektrode gebildet ist, die elektrisch an eine Seite der Brücke und an eine elektrische Energiequelle angeschlossen sind.
  7. System nach Anspruch 1, bei dem die aktive akustische Region eine oberflächengenerierte Schallwellen-(SGAW-)Anordnung ist, die durch zumindest einen Transducer gebildet ist, der elektrisch an eine Seite der Brücke angeschlossen ist, wobei der mindestens eine Transducer elektrisch an eine elektrische Energiequelle angeschlossen ist.
  8. System nach Anspruch 7, darüber hinaus umfassend eine oberflächengenerierte Schallwellen-(SGAW-)Energiemanipulationsanordnung, die betreibbar an zumindest einen Transducer angeschlossen ist, wobei die SGAW-Energiemanipulationsanordnung ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus reflektives Gitter, Verzögerungsleitung, Metalleinfanggitter, Mehrstreifenkoppler, Interdigitaltransducer und Dünnfilmeinfangschicht.
  9. System nach Anspruch 7, wobei die oberflächengenerierte Schallwellen-(SGAW-)Anordnung eine Vorrichtung mit einem Anschluss ist, wobei ein einzelner Transducer durch eine positive elektrische Verbindung und eine negative elektrische Verbindung elektrisch an die elektrische Energiequelle angeschlossen ist.
  10. System nach Anspruch 7, bei dem die oberflächengenerierte Schallwellen-(SGAW-)Anordnung eine Vorrichtung mit zwei Anschlüssen ist, wobei der zumindest eine Transducer einen ersten Transducer und einen zweiten Transducer umfasst, wobei der erste Transducer elektrisch an die elektrische Energiequelle durch eine positive elektrische Verbindung und eine negative elektrische Verbindung angeschlossen ist und der zweite Transducer eine Antwort zur Verfügung stellt, die auf ein Eingangssignal von der elektrischen Energiequelle zu einer zweiten positiven elektrischen Verbindung und einer zweiten negativen elektrischen Verbindung bezogen ist.
  11. System nach Anspruch 1, bei dem die Brücke eine Anordnung ist, die ausgewählt ist von zumindest einer aus der Gruppe bestehend aus: Volumenschallwellen-Vollbrücke, monolithische Kristallfilter-(MCF-)Volumenschallwellen-Vollbrücke, Volumenschallwellen-Lateralfeldanregungs(LFE-)Vollbrücke, oberflächengenerierte Oberflächenschallwellen-Volumenbrücke, Filmvolumenakustikresonator-(FBAR-)Vollbrücke, Volumenschallwellen-Isolationsbrücke, MCF-Volumenschallwellen-Isolationsbrücke, LFE-Volumenschallwellen-Isolationsbrücke, Oberflächenschallwellen-Isolationsbrücke- und FBAR-Volumenschallwellen-Isolationsbrücke.
  12. System nach Anspruch 1, bei dem die Brücke an das Substrat durch eine der Gruppe bestehend aus: zwei Halterungen und vier Halterungen gekoppelt ist.
  13. System nach Anspruch 1, darüber hinaus umfassend eine Messvorrichtung, die an die Schallwellenvorrichtung (AWD) angeschlossen ist und die Spannungseffekte misst.
  14. Verfahren zum Detektieren einer Zielsubstanz umfassend: – Ausbilden einer piezoelektrischen Brücke, die zumindest zwei Endpunkte hat, die an entsprechende voneinander beabstandete Haltepunkte auf einem Substrat angeschlossen sind, wodurch die Brückenanordnung physisch von dem Substrat entlastet ist und den Abstand zwischen den Haltepunkten aufspannt, wobei die Brücke zumindest eine Schallwellenvorrichtung hat, die in der Nähe eines Teils der Brücke angeordnet ist; – Aussetzen der Brücke zu irgendeiner Umgebung; – Hervorrufen einer Spannungsantwort der Brücke von der Umgebung; und – Detektieren einer Antwort der Schallwellenvorrichtung auf die Brückenspannungsantwort.
  15. Verfahren nach Anspruch 14, darüber hinaus umfassend das Anordnen eines Abtastmaterials auf zumindest einem Teil der Brücke und das Erlauben von Adsorption/Absorption der Zielsubstanz durch das Abtastmaterial.
  16. Verfahren nach Anspruch 14, darüber hinaus umfassend das Ausrichten der Schallwellenvorrichtung bei einem Winkel (ψ) für eine maximale Änderung in der Frequenz.
  17. Sensorvorrichtung zum Messen von Spannungseffekten, umfassend: – ein Substrat, das elektrische Anschlüsse hat, die um das Substrat angeordnet sind und eine Anschlussfähigkeit an eine elektrische Energiequelle und eine Messvorrichtung zur Verfügung stellen; – eine Brückenanordnung, die zumindest zwei Endpunkte hat, die an entsprechende voneinander beabstandete Haltepunkte auf dem Substrat angeschlossen sind, wodurch die Brückenanordnung physisch von dem Substrat entlastet ist und die Entfernung zwischen den Haltepunkten aufspannt, wobei die Brücke umfasst: – zumindest eine Schallwellenvorrichtung, die in der Nähe eines Teils der Brücke ausgebildet ist, wobei die Schallwellenvorrichtung einen piezoelektrischen Abschnitt mit zumindest zwei Elektroden, die darauf angeordnet sind, umfasst, wobei eine Störung der Brücke eine Änderung in den elektrischen Eigenschaften der Schallwellenvorrichtung hervorruft, wobei die Änderung in den elektrischen Eigenschaften ein Signal von der elektrischen Energiequelle in einer Art und Weise verändert, dass es von der Messvorrichtung messbar ist.
  18. Vorrichtung nach Anspruch 17, darüber hinaus umfassend ein Abstastmaterial, das auf zumindest einem Abschnitt von zumindest einer Oberfläche der Brücke angeordnet ist und die Störung der Brücke hervorruft.
  19. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der die Abtastvorrichtung ausgewählt ist von zumindest einer aus der Gruppe bestehend aus Volumenschallwellen-(BAW-)Brückengassensoren, BAW-Brückenmagnetsensoren, BAW-Brückendrehmomentsensoren, Oberflächenschallwellen-(SAW-)Brückengassensoren, SAW-Brückenmagnetsensoren, SAW-Brückengassensoren, monolithische Kristallfilter-(MCF-)Brückengassensoren, MCF-Brückenmagnetsensoren, MCF-Brückendrehmomentsensoren, Filmvolumenakustikresonator-(FBAR-)Brückengassensoren, FBAR-Magnetsensoren und FBAR-Drehmomentsensoren.
  20. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der der piezoelektrische Abschnitt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Quarz, Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Langasit, Aluminiumphosphat, Galliumphosphat, Kalzium-Niob-Galliumsilikat, Kalzium-Tantal-Galliumsilikat, Strontium-Niob-Galliumsilikat, Strontium-Tantal-Galliumsilikat, Kalzium-Niob-Aluminiumsilikat, Kalzium-Tantal-Aluminiumsilikat, Strontium-Niob-Aluminiumsilikat, Strontium-Tantal-Aluminiumsilikat, Zinkoxid, Aluminiumnitrid und Zusammensetzungen davon.
  21. System für akustisches Abtasten, umfassend: – eine Brückenanordnung, die zumindest zwei Endpunkte hat, die an entsprechende voneinander beabstandete Haltepunkte auf einem Substrat angeschlossen sind, wodurch die Brückenanordnung physisch von dem Substrat entlastet ist und den Abstand zwischen den Haltepunkten aufspannt, wobei die Brücke einen piezoelektrischen Abschnitt umfasst und zumindest eine Schallwellenvorrichtung (AWD) in der Nähe eines Abschnitts der Brücke hat, wobei die AWD eine aktive akustische Region umfasst, wobei Ränder der aktiven akustischen Region von Rändern der Brücke entkoppelt sind; – ein elektrisches Signal, das an die Brücke gekoppelt ist, wobei Spannungen, die in der Brücke induziert werden, Kraft-Frequenzeffekte erzeugen, die von der AWD messbar sind; und wobei die Kraft-Frequenzeffekte eine Modulation des elektrischen Signals induzieren.
  22. Abtastvorrichtung zum Messen physikalischer Parameter, umfassend – ein Substrat, das elektrische Anschlüsse hat, die um das Substrat angeordnet sind und eine Anschlussfähigkeit an eine elektrische Energiequelle und eine Messvorrichtung zur Verfügung stellen; – eine Brücke, die zumindest zwei Endpunkte hat, die an entsprechende voneinander beabstandete Haltepunkte auf dem Substrat angeschlossen sind, wodurch die Brückenanordnung physisch von dem Substrat entlastet ist und die Entfernung zwischen den Haltepunkten aufspannt, wobei die Brücke umfasst: – zumindest eine Schallwellenvorrichtung, die in der Nähe eines Abschnitts der Brücke ausgebildet ist, wobei die Schallwellenvorrichtung einen piezoelektrischen Abschnitt mit zumindest zwei Elektroden umfasst, die darauf angeordnet sind, wobei die Brücke empfindlich ist für Spannungen, die durch Anwendung einer Punktkraft auf die Brücke induziert werden, wobei die Brückenspannungsantwort eine Änderung in den elektrischen Eigenschaften der Schallwellenvorrichtung hervorruft, wobei die Änderung in den elektrischen Eigenschaften ein Signal von der elektrischen Energiequelle in einer Art und Weise modifiziert, dass dieses von der Messvorrichtung messbar ist.
  23. Vorrichtung nach Anspruch 22, darüber hinaus umfassend ein Diaphragma, das auf Druck anspricht und in der Nähe der Brücke angeordnet ist, wobei das Diaphragma die Punktkraft überträgt.
  24. Vorrichtung nach Anspruch 22, bei der Magnetfelder, die auf eine magnetische Region in der Nähe der Brücke wirken, die Punktkraft produzieren.
  25. Vorrichtung nach Anspruch 22, wobei eine Beschleunigung, die auf eine Probemasse in der Nähe der Brücke wirkt, die Punktkraft erzeugt.
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