KR20140105825A

KR20140105825A - 센서를 이용하는 측정 방법; 센서 시스템 및 센서

Info

Publication number: KR20140105825A
Application number: KR1020147019302A
Authority: KR
Inventors: 엔드류 플리윗; 윌리엄 밀른; 루이스 가르시아-간세도; 잭 루오
Original assignee: 캠브리지 엔터프라이즈 리미티드; 유니버시티 오브 볼튼
Priority date: 2011-12-15
Filing date: 2012-12-14
Publication date: 2014-09-02
Also published as: US9465012B2; GB201121660D0; WO2013088163A1; US20140331778A1; EP2791665A1; KR102000774B1; EP2791665B1

Abstract

센서에서 환경의 변화를 측정하기 위한 방법이 제공된다. 상기 센서는: 압전 재료로 형성되는 제1 층; 상기 제1 층에 인접하고 상기 제1 층과 음향적으로 결합되도록 형성된 제2 층; 및 상기 제1 층에 구동 신호를 인가하여 체적(bulk) 음파들을 발생시키도록 배치(dispose)된 전극들;을 구비한다. 상기 제1 층의 주파수 온도 계수는 상기 제2 층의 주파수 온도 계수와 상이하다. 상기 방법에서는, 상기 제1 층과 결부된 제1 층 공진 주파수, 및 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 조합과 결부된 조합 공진 주파수가 검출된다. 상기 제1 층 공진 주파수 및 상기 조합 공진 주파수 중 하나 또는 둘에 있어서의 편이(shift)가 검출된다. 상기 센서에서 온도 변화에 의해 야기된, 편이의 부분(portion)이 식별된다. 상기 온도 변화 이외의 상기 센서에서의 환경적 변화에 의해 야기된, 편이의 다른 부분이 식별된다. 이에 대응되는, 상기 방법을 수행하기 위해 작동가능한 센서 및 센서 시스템도 제공된다.

Description

2개 층의 체적 음파 공진기로써 환경적 센서 변화 및 온도 센서 변화의 식별{Identification of environmental sensor changes and temperature sensor changes with a two layer bulk acoustic wave resonator}

본 발명은 센서를 이용하는 측정 방법에 관한 것이다. 전형적으로 상기 센서는 박막 체적 음향 공진기(thin film bulk acoustic resonator; FBAR) 또는 고체 장착 공진기(solidly mounted resonator; SMR) 장치인 체적 음파 공진기(bulk acoustic wave resonator; BAWR)이다. 본 발명은 그러한 센서가 일체화된 센서 시스템, 및 상기 센서 자체에 관한 것이기도 하다. 본 발명은 중량 측정-기반 감지에 있어서 그러한 센서의 이용에 대하여, 특정 응용성을 가지지만 배타적 응용성을 가지지는 않는다.

EP-A-950282[참고문헌 14]에는 압력 감지, 응력 감지와 같은, 또는 가속도계로서의 다양한 용례들에서 이용하기 위한 마이크로빔의 형태로 된 미세기계식 공진 센서가 개시된다. EP-A-950282에서 다뤄지는 문제는, 단일 재료로 형성된 센서의 공진 주파수가 온도에 의해 유도된(induced) 밀도, 탄성률과 치수들의 변화로 인해 온도에 따라 편이(shift)된다는 점이다. EP-A-950282는 결과적인 복합 마이크로빔이 온도 변동에 따라 0에 가까운(near-zero) 공진 주파수 편이를 가지도록 상이한 열팽창 계수를 갖는 재료를 일체화시킴으로써 이 문제를 다룬다.

팡 외(2008)[참고문헌 15]에는 질화 알루미늄 및 온도 보상 재료(SiO₂)를 이용하여 형성된 필름 체적 음파 공진기(FBAR)가 개시된다. AlN 및 Mo (상기 전극 재료)의 경도(stiffness)의 1차 온도 계수는 음수인 반면, SiO₂는 실온(room temperature) 근처에서 양의, 탄성률의 온도 계수를 갖는다. 적절한 두께의 SiO₂ 막을 도입함으로써, 상기 공진기의 공진 주파수의 온도 의존성이 감소될 수 있다.

가르시아-간체도(Garcia-Gancedo) 외(2010)[참조 문헌 16]에는 고품질의 ZnO 막들의 형성이 개시되며, 상기 고품질의 ZnO 막들의 공진 품질은 상기 막 내에 체적 음파들(bulk acoustic waves; BAW)을 발생시킴으로써 테스트된다. FBAR들은 연마된 Si 단결정 기판들 상에 ZnO 막들을 증착시킴으로써 제조되었다.

예를 들어 중량 측정 바이오센서들의 제조에 있어 FBAR들 및 SMR들이 관심 대상으로 알려져 있다. 상기 센서의 표면에서 종(species)의 선택적 부착 또는 흡착은 상기 장치의 공진 주파수를 감소시킨다. FBAR들 및 SMR들은 이 장치들이 높은 양호도(quality factor; Q)를 가져 공진 주파수의 상대적으로 작은 편이들이 검출될 수 있도록 허용할 잠재성(potential)으로 인해 본 출원에 있어 특별한 관심 대상이 되며, 그것으로서 수정진동자계측기(Quartz crystal microbalance; QCM)보다 잠재적으로 더 민감하다고 여겨진다.

예를 들어, 가르시아-간체도 외(2011)[참조 문헌 17]에는 중량 측정 바이오 센서와 같은 ZnO-기반 FBAR 장치의 이용의 상세사항들이 보고된다.

가르시아-간체도 외(2011)에서는, ZnO-기반 FBAR 장치에는 1.5 GHz의 범위의 공진 주파수들이 형성될 수 있는 반면, 전형적인 QCM 장치는 5-20 MHz 범위의 공진 주파수들을 가지는 것이 지적된다. 공진 주파수에 있어 이 현저한 상승은 상승된 민감도(sensitivity)에 열쇠를 제공한다.

나카무라 외(1981)[참조 문헌 18]에는 실리콘 웨이퍼 상에서 지지되는 ZnO/SiO₂-격막(diaphragm)의 압전 공진기가 개시된다. 나카무라 외(1981)에는 ppm/°C 단위의 "주파수의 온도 계수", 즉, 온도에 따른 공진 주파수의 변동(variation)이 설명된다. 나카무라 외(1981)의 목표는 실시가능한 한 낮은 주파수 온도 계수를 갖는 구조를 제공하는 것이다. ZnO와 SiO₂는 개별적으로 양의 주파수 온도 계수 및 음의 주파수 온도 계수를 가지고 있기 때문에, 그 문서에서의 개시는 복합 구조(composite structure)에 대한 영 주파수 온도 계수를 제공하도록 애쓰기 위해 ZnO 필름 및 SiO₂ 필름에 적합한 두께를 선택하기 위한 것이다. 기본 모드에 대해, ZnO 필름 및 SiO₂ 필름의 두께의 이상적 비율이 2인 것이 밝혀졌다. 상기 ZnO 필름 및 SiO₂ 필름은, 상기 ZnO 막을 사이에 끼운 상위 전극 및 하위 전극을 갖춘 실리콘 웨이퍼 상이 형성된다. 상기 실리콘 웨이퍼는, 상기 ZnO 필름 및 SiO₂ 필름을 복합 격막 구조로 형성하기 위해 식각된다. 나카무라 외(1981)에서 보고된 실제 장치는 25°C에서 10 ppm/°C의 주파수 온도 계수를 가진다.

본 발명의 특별한 관심 대상인 센서들은 상기 센서의 하나 이상 요소들에 있어 응력의 변화에 민감한 센서들이다. 상기 응력의 변화는 다양한 방식들로 초래될 수 있으며, 예컨대 질량 적재(mass loading), 압력, 기타 등등이다. 일반적인 관점에서 상기 변화는, 예컨대 상기 센서 상으로 적재(load)될 수 있는 종의 도입으로 인하거나 환경의 압력 변화로 인한 상기 센서의 환경 변화에 의해 초래된 것으로 언급될 수 있다.

본 발명자들은, 위에서 언급된 유형의 공진기들이 검출하도록 설계된 응력 변화들에 이례적으로 민감하도록 상기 공진기들이 제조될 수 있을 뿐만 아니라, 또한 심지어 매우 작은 온도 변화에도 민감할 수 있음을 깨달았다. 따라서, 온도 보상을 제공하도록 애쓰기 위해 심지어 복잡한 노력들이 이루어지는 때에도 넓은 온도 범위를 가로지르는 완벽한 온도 보상을 제공하는 것을 실제로는 불가능하다. 따라서 본 발명자들은 상이한 접근법을 제안한다. 위의 문제들 중 적어도 하나를 다루기 위해 본 발명이 고안되었다. 바람직하게는, 본 발명은 상기 위의 문제들 중 적어도 하나를 감소, 개선, 회피 또는 극복한다.

일반적인 관점에서 새로운 접근법은, 검출가능한 공진들이 응력 변화에 응답하는 것과는 상이하게 온도 변화에 응답하여 거동하도록 공진기 장치에 기초하는 센서를 설계하는 것이다. 이 방식으로 공진 주파수의 변화는 올바른 원인(correct cause)에 기인(attribute)할 수 있다. 이것은 본 발명의 일반적 양상을 구성한다.

이에 따라 제1 바람직한 양상에서, 본 발명은 센서에서 환경의 변화를 측정하기 위한 방법을 제공하는 바, 상기 측정 방법은 센서를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 센서는:

압전 재료로 형성되는 제1 층;

상기 제1 층에 인접하고 상기 제1 층과 음향적으로 결합되도록 형성된 제2 층; 및

상기 제1 층에 구동 신호를 인가하여 체적(bulk) 음파들을 발생시키도록 배치(dispose)된 전극들;을 포함하고,

상기 제1 층의 주파수 온도 계수는 상기 제2 층의 주파수 온도 계수와 상이하며,

상기 측정 방법은:

상기 제1 층과 결부된 제1 층 공진 주파수, 및 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 조합과 결부된 조합 공진 주파수를 검출하는 단계;

상기 제1 층 공진 주파수 및 상기 조합 공진 주파수 중 하나 또는 둘에 있어서의 편이(shift)를 검출하는 단계;

상기 센서에서 온도 변화에 의해 야기된, 편이의 부분(portion)을 식별하는 단계; 및

상기 온도 변화 이외의 상기 센서에서의 환경적 변화에 의해 야기된, 편이의 다른 부분을 식별하는 단계;를 더 포함한다.

"주파수 온도 계수"라는 용어는 나카무라 외(1981)에서 이용된 바와 같이 여기에서 이용된다. 재료 내의 체적 음파들의 음속은 온도에 따라 변화한다. 게다가, 열적으로 유도된(thermally-induced) 치수 변화는 상기 체적 음파들을 겪게 되는 재료의 몸체(body)의 공진 주파수에 영향을 미친다. 따라서, 재료의 주파수 온도 계수는 체적 음파들을 겪게 되는 상기 재료의 공진 주파수의 온도에 따른 거동을 설명하는 것으로 고려될 수 있다.

제2 바람직한 양상에서, 본 발명은 센서에서의 환경 변화를 측정하기에 적합한 상기 센서를 제공하는 바, 상기 센서는:압전 재료로 형성된 제1 층;

상기 제1 층에 인접하고 상기 제1 층과 음향적으로 결합되도록 형성된 제2 층으로서, 상기 제2 층은 상기 제1 층과 상이한 재료로 형성되며, 상기 제1 층의 주파수 온도 계수는 상기 제2 층의 주파수 온도 계수와 상이한, 제2 층; 및

상기 센서는:

상기 제1 층과 결부된 제1 층 공진 주파수, 및 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 조합과 결부된 조합 공진 주파수의 검출;

상기 제1 층 공진 주파수 및 상기 조합 공진 주파수 중 하나 또는 둘에 있어서의 편이(shift)의 검출;

상기 센서에서 온도 변화에 의해 야기된, 편이의 부분(portion)의 식별; 및

상기 온도 변화 이외의 상기 센서에서의 환경적 변화에 의해 야기된, 편이의 다른 부분의 식별;을 가능하게 하도록 작동가능하다.

제3 바람직한 양상에서, 본 발명은 센서에서의 환경 변화를 측정하기에 적합한 센서 시스템을 제공하는 바, 상기 센서 시스템은 센서 및 분석 장치를 포함하고, 상기 센서는:

압전 재료로 형성된 제1 층;

상기 분석 장치는:

상기 제1 층과 결부된 제1 층 공진 주파수, 및 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 조합과 결부된 조합 공진 주파수를 검출하도록;

상기 제1 층 공진 주파수 및 상기 조합 공진 주파수 중 하나 또는 둘에 있어서의 편이(shift)를 검출하도록;

상기 센서에서 온도 변화에 의해 야기된, 편이의 부분(portion)을 식별하도록; 그리고

상기 온도 변화 이외의 상기 센서에서의 환경적 변화에 의해 야기된, 편이의 다른 부분을 식별하도록; 작동가능하다.

본 발명의 상기 제1 양상 및/또는 제2 양상은, 다음의 선택적 특징들 중에서 임의의 하나, 또는 그것들이 양립가능한 범위까지의 임의의 조합을 가질 수 있다.

바람직하게, 상기 제1 층의 주파수 온도 계수 및 상기 제2 층의 주파수 온도 계수는, 온도에 있어서의 변화가 상기 제1 층 공진 주파수 및 상기 조합 공진 주파수의 각각이 대향하는 방향들로 편이되는 결과로 되도록, 된다. 따라서 온도 변화가 상기 제1 층 공진 주파수를 증가시키고 상기 조합 공진 주파수를 감소시키거나, 온도 변화가 상기 제1 층 공진 주파수를 감소시키고, 상기 조합 공진 주파수를 증가시킬 수 있다. 관측자에 대한 이것의 효과는, 상기 제1 층 공진 주파수 및 상기 조합 공진 주파수가 서로를 향해 편이되거나 서로 떨어지게 편이됨이 온도 변화에 의해 유발(motivate)된다는 점이다.

바람직하게, 온도 변화 이외의 상기 검출기에서의 환경적 변화는 상기 제1 층 공진 주파수 및 상기 조합 공진 주파수의 각각이 같은 방향으로 편이되는 결과로 된다. 따라서, (온도 변화 이외의) 상기 환경적 변화는 상기 제1 층 공진 주파수를 감소시키고 상기 조합 공진 주파수를 감소시킬 수 있다. 몇몇 상황들에서, 상기 환경적 변화에 의해 상기 제1 층 공진 주파수가 증가되고 상기 조합 공진 주파수가 증가될 수 있다. 그러나 다른 상황들에서 상기 제1 층 공진 주파수 및 상기 조합 공진 주파수는 상기 환경적 변화에 대한 응답으로서 감소된다.

관심 대상인 환경적 변화는 바람직하게, 상기 제1 층 및/또는 상기 제2 층 상의, 또는 상기 제1 층 및/또는 상기 제2 층 내의, 응력의 수준에 영향을 끼치는 하나이다. 전형적으로 상기 제1 층 및/또는 상기 제2 층 상의, 또는 상기 제1 층 및/또는 상기 제2 층 내의 응력의 증가는, 상기 제1 층 공진 주파수 및 상기 조합 공진 주파수가 감소되는 결과가 된다. 관심 대상인 상기 환경적 변화는 바람직하게: 상기 센서가 겪게 되는 환경적 압력에 있어서의 변화; 상기 센서가 겪게 되는 액체 압력에 있어서의 변화; 상기 센서의 기계적 변형; 상기 센서의 조도(illumination); 상기 센서의 표면 상의 질량 적재; 중의 하나 이상이다. 질량 적재는, 상기 표면의 적합한 처리(treatment)에 의한, 상기 표면에서의 관심의 대상인 종의 특이 결합(specific binding of a species)에 대한 응답으로서 달성될 수 있다. 그러한 접근법은 바이오-센싱에 있어 특별한 관심의 대상이다. 그 경우에 있어 상기 환경적 변화는 관심 대상인 종의 상기 센서로의 도입이다. 질량 적재는, 상기 표면의 적합한 처리에 의한, 상기 표면에서의 관심의 대상인 기체의 특이 화학 반응들(specific chemical reactions)에 대한 응답으로서 달성될 수 있다. 그러한 접근법은 기체-센싱에 있어 특별한 관심의 대상이다. 그 경우에 있어 상기 환경적 변화는 관심 대상인 기체의 상기 센서로의 도입이다. 질량 적재는, 상기 표면의 적합한 처리에 의한, 습도로 인한 상기 표면에서의 특이 화학 반응들(specific chemical reactions)에 대한 응답으로서 달성될 수 있다. 그러한 접근법은 습도-센싱에 있어 특별한 관심의 대상이다. 그 경우에 있어 상기 환경적 변화는 상기 센서가 겪게 되는 환경적 습도의 변동이다.

상기 센서에 대한 적합한 용례들은, 이미 FBAR들 및 SMR들이 알려진 원인인 모든 용례들을 포함하는 바, 이들은 예컨대 주파수 필터, 압력 센서, 온도 센서, 습도 센서, 질량 센서, 기체 센서, 바이오-센서, 광센서로서의 용례들이다. 기존의(existing) FBAR 및 SMR 센서들을 뛰어넘는 이점은, 본 발명의 바람직한 실시예들에는 일정한-온도 환경, 기준(reference) 센서들 또는 온도 독출 회로들이 제공될 필요가 없다는 점이다.

덧붙여, 상기 센서는 다음의 물리 변수들 중 임의의 2개(또는 더 많은 개수)의 조합의 동시 검출을 요구하는 용례들에 특별한 효용(utility)이 있다: 압력, 온도, 질량, 기체, 습도.

게다가 상기 센서는, 2개의 물리 변수들을 측정할 수 있는 현존하는 센서들의 전체 크기를 감소시킴으로써 (패키지화(packaging) 및/또는 전자기술(electronics)을 고려할 때) 이득을 얻는 용례들에 대해 특히 유용하다.

적합한 용례들의 몇몇 예시들은:

● 기체 농도/온도의 동시 검출: 자동차/항공기 객실 공기 품질 평가, 엔진 기체 방출물(emissions), 가정용/상업용 건물 기체 검출.

● 온도 및 질량 적재의 동시 검출: 물 모니터링 시스템들(예를 들어 개발도상국들에서 오염된 물의 검출), 박막 증착 시스템들에서의 두께 모니터링, 바이오-센싱.

● 온도 및 환경적 압력(또는 습도)의 동시 검출: 날씨 모니터링 시스템들, 진공 챔버들 상태(conditions) 모니터링 시스템들.

● 온도 및 기계적 변형의 동시 검출: 터치 센서들.

온도 변화와 조합된 환경적 변화는, 관심 대상인 공진 주파수들의 상대적으로 복잡한 편이의 결과로 될 수 있음이 위의 설명으로부터 명백할 것이다. 그 순 효과(net effect)는, 공진 주파수들 중 하나가 다른 것보다 더 편이되는 것일 수 있다. 두 공진 주파수들 모두의 순 편이(net shift)의 크기 및 방향을 평가함으로써, 온도 변화에 기인하는 편이의 부분, 및 상기 온도 변화 이외의 환경적 변화에 기인하는 편이의 부분을 식별하는 것이 가능하다.

상기 제1 층 공진 주파수는 바람직하게는 단독으로 상기 제1 층 내에 설정(set up)된 기본 모드 공진이다. 대안으로서, 상기 제1 층 공진 주파수는 단독으로 상기 제1 층 내에 설정된 낮은 차수(예컨대 1차 또는 2차)의 공진일 수 있다. 상기 공진은 상기 제1 층의 대향하는 표면들 사이에 반사되는 체적 음파들의 정상파를 나타낸다(represent).

상기 조합 공진 주파수는 바람직하게는 상기 제1 층 및 상기 제2 층 내에 설정된 기본 모드 공진이다. 대안으로서, 상기 조합 공진 주파수는 상기 제1 층 및 상기 제2 층 내에 설정된 낮은 차수(예컨대 1차 또는 2차)의 공진일 수 있다. 상기 공진은, 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 대향하는 표면들 사이에서 반사되지만 상기 제1 층과 상기 제2 층 사이의 계면(interface)으로부터의 것은 아닌 체적 음파들의 정상파를 나타낸다. 파동이 별개의 층들 내에 따로 구속되는 구성들(arrangements)도 물론 제공될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제1 층 및 상기 제2 층 내의 주파수 온도 계수는, 상기 제1 층 및 상기 제2 층 내에서의 길이방향 음파들의 전파 속도의 온도에 따른 변동에 의해 지배된다. 또한 상기 층들 내에서 두께 전단 모드들에 기초하여 본 발명이 적합하게 기능(work)할 수 있음이 고려(contemplate)되는 것이 주목된다. 바람직하게는 상기 제1 층 내에서 길이방향 음파들의 전파 속도는 온도에 따라 감소된다. 예를 들어 (실온에서) 약 -12 ppm.K^-1의 변동이 적합한 것으로 밝혀졌다. 바람직하게는 상기 제2 층 내에서 길이방향 음파들의 전파 속도는 온도에 따라 증가된다. 예를 들어 (실온에서) 약 70 ppm.K^-1의 변동이 적합한 것으로 밝혀졌다. 이것의 효과는, 상기 제1 층 공진 주파수가 온도 상승에 따라 감소되고, 상기 조합 공진 주파수가 온도 상승에 따라 증가되는 것이다.

상기 전극들 중 하나는 전형적으로 상기 제1 층과 상기 제2 층 사이에 제공되어 개재된 전극이다. 그러나 바람직하게는 상기 개재된 전극의 표면으로부터의 반사에 의해 상기 조합 공진은 제공되지 않는다.

바람직하게는 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 두께는 유사하다(예컨대 동일한 규모(order of magnitude)이다). 이것은 상기 제1 층 공진 주파수와 상기 조합된 공진 주파수 사이의 구별(differentiation)을 가능하게 한다. 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 두께는 예를 들어, 2 이하의 인수(factor)만큼만 다를 수 있으며, 더 바람직하게는 2 미만의 인수만큼만 다르다. 더더욱 바람직하게는 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 두께는 실질적으로 같다. 이것은 상기 제1 층 공진 주파수 및 상기 조합된 공진 주파수 사이의 가장 적합한 구별을 가능하게 한다.

상기 제1 층의 두께는 바람직하게는 10μm 이하이다. 더 바람직하게는 상기 제1 층의 두께는 5μm 이하이다. 이와 유사하게, 상기 제2 층의 두께는 바람직하게는 10μm 이하이다. 더 바람직하게는 상기 제2 층의 두께는 5μm 이하이다. 예를 들어, 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 각각에 대하여, 약 2μm의 두께값들은 적합한 것으로 밝혀졌다.

바람직하게는 관심 대상인 각각의 공진 주파수는 100 MHz를 넘는 주파수 범위에 있으며, 더 바람직하게는 400 MHz 이상의 주파수 범위에 있다. 더더욱 바람직하게는 관심 대상인 각각의 공진 주파수는 600 MHz 이상의 주파수 범위에 있다

바람직하게는 관심 대상인 각각의 공진의 양호도는 적어도 500이다. 더 바람직하게는 상기 양호도는 적어도 1000이다. 상기 양호도는 3dB 방법에 의해 측정된다.

바람직하게는 상기 센서는 중량 측정-기반 센서이다. 본 발명을 이용하면 약 10^-15g의 질량 민감도가 달성될 수 있다.

상기 제1 층은 임의의 적합한 압전 재료로 형성될 수 있다. 예를 들어 상기 제1 층은 ZnO, AlN, PZT, 니오브산 리튬(lithium niobate) 중 하나 이상으로 형성될 수 있다.

상기 제1 층 및 상기 제2 층은 단일 결정 층 및/또는 애피택셜(epitaxial) 층일 수 있다. 그러나 이것이 필수적(essential)인 것은 아니다. 바람직하게는 상기 제1 층의 압전 속성들은 체적 재료(bulk material)의 압전 속성들과 유사하다.

상기 제2 층은 상기 제1 층과는 상이한 재료로 형성될 수 있다. 상기 제2 층의 재료는, 상기 압전층의 주파수 온도 계수와는 반대 의미(opposite sense)의 주파수 온도 계수를 가진 임의의 적합한 재료일 수 있다. 상기 제2 층은 압전식이거나 비-압전식일 수 있으며, 따라서 상기 제2 층을 위한 재료의 선택은 상기 제1 층을 위한 선택보다 더 폭 넓다. 비-압전 재료들은 단순성을 위해 바람직하다. 예를 들어, 상기 제2 층은: SiO₂, 질화 규소(silicon nitride), 산화 알루미늄, 산화 하프늄(hafnium oxide), 산화 티타늄 중 하나 이상으로 형성될 수 있다.

상기 제1 층 및 상기 제2 층은 바람직하게는 기판 상에 형성된다. 상기 기판은 상기 제1 층 및 상기 제2 층에 대한 기계적 지지를 제공하는 임의의 적합한 재료로 될 수 있다. 예를 들어, 단결정 기판이 이용될 수 있다. 실리콘은 상기 기판을 위해 적합한 재료이다.

바람직하게는, 상기 센서는 활성 구역을 갖는다. 상기 활성 구역에서 상기 제1 층 및 상기 제2 층은 상기 기판에 의해 지지되지 않는 것이 바람직하다. 이것은 상기 제1 층 및 상기 제2 층에게 공진할 자유(freedom)를 허용한다. 상기 활성 구역은, 상기 기판 내의 구멍과 일치하는 격막의 형태로 제공될 수 있다. 이 방식으로, 상기 기판은 상기 구멍 주위에서 상기 제1 층 및 상기 제2 층에 지지를 제공할 수 있다. 상기 구멍을 상기 기판의 식각에 의해 형성될 수 있다. 상기 구멍의 치수들 및 이에 따른 격막의 치수들의 제어로써 상기 센서의 제조(manufacture)가 엄격하게 제어됨(tightly controlled)을 가능하게 하는, 적합한 식각 프로세스들이 알려져 있다.

본 발명자들은, 본 발명이 2개의 층들만이 제공되는 상황에 한정될 필요가 없다는 것도 깨달았다. 예를 들어 제3 층이 상기 제2 층에 인접하고 상기 제2 층과 음향적으로 결합되도록 형성될 수 있다. 그렇다면 이것은 예를 들어 상기 제1 층, 상기 제2 층 및 상기 제3 층의 조합과 결부되거나 상기 제2 층 및 상기 제3 층의 조합과 결부된, 하나 이상의 다른 조합 공진 주파수들의 생성을 가능하게 한다. 바람직하게는 상기 제3 층의 주파수 온도 계수는 상기 제1 및/또는 제2 층의 주파수 온도 계수와 상이하다. 바람직하게는 상기 제3 층의 재료는 상기 제1 층의 재료 및 상기 제2 층의 재료와 상이하다. 이런 식으로, 공진 주파수들의 편이 거동의, 2개의 물리 변수들에의, 위에서 설명된 바와 같은 기인(attribution)과 유사한 방식으로, 상기 공진 주파수들의 편이 거동(shift behaviour)이 3개 이상의 상이한 물리 변수들에 기인함이 가능하다.

본 발명의 다른 선택적 특징들이 아래에서 제시된다.

본 발명의 실시예들이 이제 예시의 방법으로서 아래의 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다:
도 1에는 본 발명의 실시예에 따른 장치의 개략적 단면도가 도시된다. 상기 장치의 종횡비(즉, 도면들의 x 축 및 y 축)가 확대축소(scale)되지 않음이 주목된다.
도 2에는 도 1에 따른 장치의 전형적인 주파수 응답(S₂₁)이 도시된다. 부드러운 선은 시뮬레이션된(simulated) 주파수 응답이며, 다른 선은 실험적 주파수 응답이다. 제1 기본 모드는 754MHz에 있고, 제2 모드는 1.44GHz에 있다. 상기 1차 모드의 1차 고조파 및 2차 고조파는 2.26GHz 및 3.77GHz(상기 기본 주파수의 ×3 및 ×5배)에서 발견된다. 모드 2의 1차 고조파는 4.34GHz에 있다.
도 3(a) 내지 (d)에는 공진에서 상기 장치 격막의 변형의 시뮬레이션된 단면도들이 도시된다. 도 3(a): 모드 I(754MHz); 도 3(b): 모드 I의 1차 고조파(2.26 GHz); 도 3(c) 모드 II(1.44GHz); 도 3(d): 모드 II의 1차 고조파(4.34GHz).
도 4에는 상이한 온도들에서 모드 I 및 II에 대해 Δf_r가 도시된다.
도 5에는 공진기의 표면 상에서 상이한 질량 적재들에 대한 모드 I 및 II에 대해 (실온에서의) Δf_r이 도시된다.
도 6에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 장치의 개략적 단면도가 도시된다. 상기 장치의 종횡비(즉, 도면들의 x 축 및 y 축)가 확대축소(scale)되지 않음이 주목된다.
도 7에는 2μm ZnO의 층(제1 층), 2μm SiO₂의 층(제2 층) 및 2μm SiN의 층(제3 층)에 의해 형성된 공진기의 예측(predicted) 주파수 응답(Z)이 도시된다.
도 8에는 도 7로부터의 모드 E 응답의 확대도가 도시된다.

지난 10년 동안 중량 측정식 바이오센싱을 위한 고도로 민감한 공진기들을 개발함에 있어서의 증가된 관심이 있어 왔다[참고문헌들 1-3]. 박막 기술이 고주파수(GHz 범위) 체적 음파(BAW) 공진기들의 제작(fabrication)을 위한 최적의 접근법으로서 채택되어 왔다. 공진 주파수(f_r)는, 상기 장치 구조와 크기, 및 그것들의 제작에 활용되는 막들의 음향적 특성들에 종속적이다. 상기 공진기의 표면 상에 외력을 가함은 박막들 상에 추가적인 응력들을 유도하고, 이는 결국(in turn) f_r을 낮춘다. 주파수 편이의 크기는 가해지는 외력의 함수이다. f_r 변화를 추적함으로써 (예를 들어 생물학적 샘플들의 흡착으로 인한) 상기 공진기들 상의 질량 변화가 검출될 수 있다. 상기 공진기의 표면 상에 접합되는(bound) 총 질량은 f_r의 변화에 비례한다.

주어진 질량 적재에 대한 주파수 편이, Δf_r의 크기는 f_r의 제곱에 비례한다[참고문헌 4]. 따라서 더 높은 주파수에서 작동하는 공진기들은 이론상으로 더 나은 민감도를 달성할 수 있다. 이것은 동일한 질량 변화에 대하여 더 큰 Δf_r이 유도되기 때문이다. 그러나, 더 높은 f_r 및 더 작은 장치 치수들에 의해, 더 낮은 f_r을 갖는 공진기들에서보다 더 강하게 모든 환경적 조건들 및 경계 조건들이 상기 BAW 공진기들의 작동에 영향을 미침이 초래된다.

극복되어야 할 가장 중요한 도전들 중 하나는 온도에 따른 공진 주파수 편류(drift)인 바, 상기 공진 주파수 편류는 바람직하지 않은 거짓-음의/양의 반응들의 결과로 될 수 있다.

재료 이내의 음파들의 전파 속력은 일반적으로 온도에 종속적이다. 또한, 박막의 두께는 전형적으로 상기 재료의 열팽창계수(CTE)에 따라 (수 ppm·K^-1까지 이르는) 온도 변화와 함께 변화한다. 따라서, 수 kHz에 이르는 공진 주파수 편이들은 온도 변화로 인해 발생할 수 있다. 이것은 주파수 온도 계수로서 고려될 수 있다. 이 공진 주파수 편이들은 질량 적재로 인한 공진 주파수 편이들과의 구분이 불가능하다. 따라서 몇몇 알려진 장치들에 대해 센싱은 온도가 일정한 환경에서 수행되어야만 한다. 이것은 다양한 이유들 때문에 분명히 비현실적이다.

이 문제를 극복하기 위해, 측정될 종으로부터 격리된 기준 장치가 상기 센싱 장치에 추가적으로 이용될 수 있다[참고문헌 5]. 이 구성으로써 질량 적재로 인한 Δf_r이 상기 센싱 장치 상에서 측정된 Δf_r 및 상기 기준 장치 상에서 측정된 Δf_r로부터 외삽될 수 있다. 대안으로서, 온도 독출 회로가 상기 공진기에 일체화될 수 있으며, 실시간 온도 보상이 소프트웨어 프로세싱을 통해 구현될 수 있다[참고문헌 6 및 7]. 그러나 이 기법들 모두가 상기 센서의 비용, 상기 센서의 물리적 크기를 증가시키며, 상대적으로 복잡한 전자기기들(electronics)을 요구한다.

본 발명의 바람직한 실시예는, 온도 변화 및 질량 변화에 대해 반대로 반응하는, 상이한 주파수들에서 2개의 상이한 기본 공진 모드들을 지원(support)하도록 특별히 설계된 고체 장착 공진기(SMR) 또는 박막 체적 음파 공진기(FBAR)를 이용한다. 이 장치는, 질량 변화로 인한 주파수 편이 또는 온도 변화로 인한 주파수 편이의 차이를 직접 식별(discrimination)하는 것을 가능하게 함으로써, 기준 장치 및 복잡한 전자기기들에 대한 필요성을 제거한다.

우리는 비-압전막 상에 압전 박막을 증착시킴으로써 2개의 기본 공진 모드들을 동시에 지원하는 장치들을 제조하였는 바, 각각의 막의 두께는 비슷한 크기이다. 하나의 기본 모드는 이중층(bi-layer) 스택(stack)의 공진에 대응되고(상기 조합 공진 - 이 상세한 설명의 부분들에 있어서 "모드 I"이라고 불림), 반파장이 상기 압전층 및 비-압전층의 조합된 두께가 반파장과 동일할 때 발생한다. 다른 기본 모드는 상기 압전층 단독의 공진에 대응되고, 이 층의 두께가 반파장과 동일할 때 발생한다(상기 제1 층 공진 - 이 상세한 설명의 부분들에 있어서 "모드 II"라고 불림). 상기 압전층 및 비-압전층의 두께가 비슷한 크기의 것이 아니라면, 양 모드들은 서로에게 가까운 주파수들에서 발생할 것이며, 단일 모드로 커플링(couple)될 것이다. 모드 I의 공진 주파수는 양 층들 이내의 음파 전파 속도에 의해 영향을 받는 바, 등식(1)에서와 같으며, 모드 II의 공진 주파수는 오로지 압전층 이내의 전파 속도에 의해 영향을 받는다. 비-압전막(제2 층)의 두께가 반파장과 같을 때 공진이 발생되지 않는다는 점이 주목되어야 한다.

(등식 1)

여기에서, V_t는 모드 I에 영향을 미치는 전파 속도이며, t₁ 및 t₂는 각각 상기 제1 층의 두께 및 상기 제2 층의 두께이고, v₁ 및 v₂는 각각 상기 제1 층의 전파 속도 및 상기 제2 층의 전파 속도이다.

음파 전파의 속도뿐만 아니라, 양 모드들의 공진 주파수는, 양 재료들의 열팽창계수들에 종속적으로 변화한다. 이것은 상기 CTE로 인해 온도에 따라 상기 층들의 두께가 변화하기 때문이다.

상기 압전막 및 비-압전막 재료들(및 속성들)의 적절한 선택으로써, 온도에 대하여 반대의 반응들을 가지는 모드들을 갖춘 이중-모드 센서 장치가 실현될 수 있다.

이 작업(work)에서 제조된 일 장치는 도 1에 도시된다. 상기 장치(10)는, 제2 층 상에 반응성 스퍼터링된(reactively sputtered) ZnO의 박막(2μm)(12)인 제1 층으로 구성되며, 상기 제2 층은 Si(111) 기판(16) 상에 열적으로 성장되었던(thermally grown) SiO₂의 박막(2μm)(14)이다. (Cr/Au로 형성된) 하부 전극(18)은, 포토리소그래피(photolithography)에 의해 한정되었으며 상기 ZnO를 스퍼터링하기 전에 상기 SiO₂ 상에 증착되었다. 상부 전극(20)도 포토리소그래피에 의해 한정되었으며 상기 하부 전극들로 정렬(aligned to)되었다. 상기 ZnO를 통한 상기 하부 전극으로의 비아(22)는 상기 ZnO를 습식-식각(wet-etching)함으로써 달성되었다. 마지막으로, 상기 웨이퍼의 뒤로부터의 상기 Si가 DRIE 프로세싱으로써 Al₂O₃ 하드 마스크(hard mask; 24)를 통해 제거되어 200 × 200μm 면적의 SiO₂/ZnO 멤브레인(membrane; 26)이 해제(release)되었다.

전극들(18 및 20) 사이에 적합한 구동 신호의 인가시에 체적 음파들이 활성 영역(28) 내에서 발생되는 바, 상기 활성 영역(28)은, 겹치는(overlapping) 전극들(18 및 20) 사이에 끼워진, ZnO 막의 부분에 해당한다.

상기 FBAR 장치들의 공진 주파수들은, 네트워크 분석기에 연결된 GSG 구성 상의 동일 평면상 프로브 스테이션으로써 측정되었으며 도 2에 도시된다. 공진의 2개의 기본 모드들은 754MHz(모드 I) 및 1.44GHz(모드 II)에서 관측되며, 그것들의 1차 고조파들은 각각 2.26GHz 및 4.34GHz에 있다. 모드 I의 2차 고조파는 3.77GHz에서 발견된다(도 2의 삽도).

모드 I은 상기 조합 공진(기본 모드)이며, 상기 SiO₂/ZnO 이중층 스택의 공진에 해당되며, 반파장이 상기 ZnO 층 및 SiO₂ 층의 조합된 두께와 같을 때 발생된다. 모드 II는 상기 제1 층 공진(기본 모드)이며, 상기 ZnO 층 단독의 공진에 해당되며, 반파장이 상기 ZnO 층의 두께와 같을 때 발생되지만, 또한 상기 SiO₂ 층에 의해 도입된 질량-부하에 의해 영향을 크게 받는다. 따라서 양 층 중 한 층의 두께의 변동은 양 공진 모드들 및 그것들의 고조파들에 영향을 미칠 것이다. 양 기본 모드들의 양호도(Q)는 3dB 방법[참고문헌 13]을 이용하여 계산되었으며, 모드 I 및 모드 II에 대하여 각각 2200 및 1400으로 밝혀졌다.

상기 공진 모드들의 이론적 분석은 FEA를 이용하여 수행되었으며, 그 수치 시뮬레이션들은 도 2에서와 같은 실험들과 일관되었다. 도 3에는 공진에서 상기 장치들의 시뮬레이션된 변형의 단면도가 도시된다. 도 3(a)에는 754MHz(모드 I)에서의 변형이 도시되고, 도 3(b)에는 2.26GHz에서 모드 I의 1차 고조파에서의 변형이 도시된다. 도 3(c)에는 1.44GHz(모드 II)에서의 변형이 도시되고, 도 3(d)에는 4.34GHz에서 모드 II의 1차 고조파에서의 변형이 도시된다. 양 모드들이 2개의 상이한 유형들의 길이방향 파동들에 대응된다는 것이 보여질 수 있다. x 축 및 y 축은 상이한 축척(scale)들로 그려진(plotted) 점이 주목되어야 한다. 도 3(b)에서 보여지는 바와 같이, 모드 I 1차 고조파에 대해서, 상기 ZnO 막들 내에는 작은 변형만이 있지만 상기 SiO₂ 막 내에는 큰 변형이 있다. SiO₂는 더 큰 변형을 가지며, 이 층이 센싱 층으로서 이용되는 때에는 더 큰 질량 민감도를 달성할 수 있다. 그러나 이것은 과거에는 실험적으로 달성하기가 어려웠다. SiO₂는, ZnO의 탄성률(약 170 GPa)에 비해 더 낮은 탄성률(약 60GPa)로 인해 더 큰 변형을 제공한다. 예를 들어, 참고문헌 19 및 참고문헌 20이 참조된다.

도 3에 도시된 원래 이미지들은 위색을 이용하였다. 도 3(a)에서 최소값(즉, 약 -6 x 10^-9m)은 상기 SiO₂ 층의 하부 중심에서 발견된다. 최대값(즉, 약 6 x 10^- ⁹m)은 상기 ZnO 층의 상부 중심에서 발견된다. 도 3(b)에서 최소값(즉, 약 -6 x 10^- ⁹m)은 상기 SiO₂ 층의 하부 중심에서 발견된다. 최대값(즉, 약 6 x 10^-9m)은 상기 SiO₂ 층의 상부 중심에서 발견된다. 도 3(c)에서 극대값들(즉, 약 6 x 10^-9m)은 상기 ZnO 층의 상부 중심 및 상기 SiO₂ 층의 하부 중심에서 발견된다. 최소값(즉, 약 -6 x 10^-9m)은 이 극대값들(maxima) 사이에서 발견된다. 도 3(d)에서 극대값들(즉, 약 6 x 10^-9m)은 상기 ZnO 층의 상부 중심 및 상기 SiO₂ 층의 하부 중심에서 발견된다. 교번하는 극소값들 및 극대값들이 그 사이에서 발견된다.

SiO₂ 및 ZnO의 둘 모두 양의 열팽창계수들(각각 0.5 ppm·K^-1 및 약 2.5 내지 약 5 ppm·K^-1)을 갖는다[참고문헌 8 및 9]. 따라서 온도 상승은 양 층들의 두께를 증가시키며, 임의의 다른 효과가 없는 경우 양 모드들의 공진 주파수들의 감소를 유발한다. 그러나, 온도 상승은, 길이방향 파동들(예컨대 체적 음파들)의 전파 속도가 SiO₂ 내에서 증가(약 70 ppm·K^-1)되고[참고문헌 10 및 11] ZnO 내에서 감소(약 -12 ppm·K^-1)됨[참고문헌 9 및 12]을 야기한다. 이 효과는 열팽창효과의 효과보다 더 크다. 온도 변화에 의해 야기된 공진 주파수 상의 조합된 효과는, 각각 약 69.5 ppm·K^-1 및 -7.5 ppm·K^-1인 SiO₂ 및 ZnO의 주파수 온도 계수이다. 결과적으로, 온도 상승은, (상기 SiO₂ 층 이내의 전파 속력의 변화에 의해 영향을 받지 않는) 상기 ZnO 층 이내의 파동 전파의 더 낮은 속력으로 인하여 모드 II(제1 층 공진)의 공진 주파수를 낮춘다. 모드 I(조합 공진기)은 상기 SiO₂ 층 및 상기 ZnO 층 이내의 전파 속도의 변화에 의해 영향을 받는다. 따라서, SiO₂/ZnO 층들의 두께 비율의 조심스러운 설계로써, 온도 변동으로 인한 이 모드의 주파수 편이가 제어되어 질량 적재 센싱을 위한 온도 기준(reference)으로서 활용될 수 있다.

위에서 설명된 상기 제작된 장치들은, 모드 I이 온도 상승에 따라 양의 주파수 편이를 나타내는 동안에 모드 II가 위와 동일한 온도 변동에 대하여 음의 주파수 편이를 보이도록 된다. 이것은 1:1 ZnO:SiO₂ 두께 비율로써 달성되었다. 이 방식으로 양 공진 모드들을 동시에 모니터링함으로써, 임의의 주파수 편이가 질량 적재로 인한 것인지 온도 변화로 인한 것인지가 알려진다. 만약 양 모드들이 음의 주파수 편이를 보인다면, 상기 공진기들 상에 질량이 부하걸렸던(loaded) 것이다. 대안으로서 만약 상기 공진들이 반대 부호(opposite signs)의 주파수 편이들을 보인다면 온도의 변동이 있었던 것이다.

광범위한 온도들에 걸친, 재료 이내에 음파 전파의 속도의 변동은 일반적으로 비선형이라는 것이 주목되어야 한다. 따라서 이와 동일한 원리들을 이용하면 온도에 따라 제1 모드가 주파수 편이를 보이지 않는 장치를 설계하는 것은 불가능할 것이다. 압전막 및 비-압전막의 재료들 및 두께 비율의 조심스러운 선택으로써 상기 주파수의 선형 온도 종속성은 제거될 수 있으나, 비선형 항들의 효과들은 여전히 존재할 것이다. 따라서, 하나 초과의 공진 모드들이 관측되는, 여기서 설명되는 장치들은 임의의 관측된 주파수 편류의 성질(nature)을 구별하는 이상적인 방법을 제공한다.

상기 제작된 장치들의 주파수 응답은 실험적으로 온도의 함수로서 연구되었다. 그 결과들이 도 4에 도시된다. 상기 온도는, 50 옴(Ohm) 전송선(transmission line) PCB들에 와이어-접합된(wire bonded) 장치들을 높은 열용량을 지닌 고체 황동 환경적 격리 조립체(solid brass environmental isolation assembly) 내로 위치시킴으로써 제어되었다. 이 조립체는 HAAKE K20 수조(water bath)의 금속성 출력 패드들(metallic output pads) 상에 위치되었는 바, 이것은 고정된 속도 및 제어가능한 온도에서 열유체를 펌핑(pump)하였다. 이것은, 0.1°C의 해상도와 1초 미만의 반응 시간을 가진 자동식 열전쌍(내셔널 인스트루먼츠(National Instruments) TC 01)에 의해 측정된 바와 같이, 상기 FBAR의 온도를 설정 온도의 ±0.5°C 미만으로 제어함을 가능하게 한다.

예측된 바와 같이, 온도의 증가에 따라 모드 II의 f_r은 감소되고 모드 I의 f_r은 상승한다. 모드 I의 절대(absolute) 주파수 편이(|Δf_r|)는 약 60 ppm·K^-1이며, 모드 II에 있어서의 약 -5.0 ppm·K^-1보다 훨씬 큰 바, 이는 상기 ZnO 층 단독 이내의 파동 전파 속력의 변동에 비하여 더 높은, 상기 SiO₂/ZnO 스택 층(stack layer) 이내의 파동 전파 속력의 변동 때문이다. 양 측정값들 모두는 FEA에 의해 예측된 이론적 값들과 비교할 만하다. 이론적 결과 및 실험적 결과 사이의 차이점들은, 문헌상의, 온도값들에 따른 CTE 및 음속의 변화가 상기 FEA 모델과 함께 이용되었다는 점에서 야기되었다고 믿어진다; 그러나 이 값들은, 얻어진 재료의 품질, 및 재료들의 성장(growth)을 위해 이용된 기술들에 크게 종속된다.

추가적 질량이 공진기의 표면 상에 추가될 때, 유도된 응력들이 양 층들에 영향을 미치고 음의 주파수 편이가 양 공진 모드들 및 그것들의 고조파들에 관하여 관측된다. 이것은, 상기 공진기들의 상부(top) 상에 상이한 두께의 얇은 금 층들을 스퍼터링함으로써 실험적으로 입증된다. 추가되는 정확한 질량 적재는 상기 추가적인 층 두께, 공진 구역(resonant area)의 측방향 치수들 및 상기 금의 질량 밀도로부터 정확하게 계산될 수 있다. 모드들(I 및 II)(기본 모드들)의 f_r은, 연구된 질량 적재 범위 이내에서 질량 적재들로 인해 선형적으로 감소된다. 상이한 질량 적재들에 대해 관측된 Δf_r은 FEA 예측들과 함께 도 5에 도시된다. 모드 II가 더 큰 질량 적재 민감도를 가지고, 따라서 질량 센싱을 위해 이용되는 데에 추천됨이 주목된다.

도 6에는 본 발명의 다른 실시예에 따른 장치의 개략적 단면도가 도시된다. 상기 장치의 종횡비(즉, 도면들의 x 축 및 y 축)가 확대축소(scale)되지 않음이 주목된다. 상기 장치는, 제3 층(30)이 제공된다는 점을 제외하면 도 1의 장치와 동일하다. 도 6의 다른 모든 특징부들은 도 1에서와 같은 참조 번호들로서 주어지며, 그러한 특징부들은 여기서 더 설명되지 않는다. 상기 제3 층(30)은 전형적으로 SiN의 2μm 층으로 형성된다. 제1 층(12)은 ZnO의 2μm 층으로 형성되며, 제2 층(14)은 SiO₂의 2μm 층으로 형성된다.

도 7에는 도 6에 도시된 구조에 따른 공진기의 예측 주파수 응답(Z)이 도시된다. 다양한 공진들이 다음과 같이 A-H로 식별된다.

모드 A: 451MHz(기본). 이것은 3개 층들 모두의 조합 공진에 해당된다. 따라서 도 1의 장치의 모드 I과 동등(equivalent)하지만, 더 두꺼운(2개 층들의 4μm에 비해 3개 층들의 6μm) 장치로 인하여 더 낮은 주파수에서 발생된다.

모드 B: 1150MHz(기본). 이것은 도 1의 장치의 모드 II과 유사한 ZnO (제1 층) 진동(vibrating)에 해당되지만, 추가적인 SiN 층에 의해 도입된 더 큰 질량 적재 효과로 인하여 더 낮은 주파수에서 발생된다.

모드 C: 1550MHz(기본). 이것은 상기 제2 층 및 상기 제3 층(상기 SiO₂/SiN 스택)의 공진에 해당된다. 도 1의 장치에서 이와 동등한 모드가 보이지 않는 것이 주목된다는 점이 흥미롭다. 이론에 의해 구속됨을 희망함 없이, 이것은 상이한 음향 임피던스들(acoustic impedances)/전파 속도들로 인한 것일 수 있다.

모드 D: 2260MHz(×5 모드 A)

모드 E: 3251MHz(×7 모드 A)

모드 F: 3990MHz(×9 모드 A)

모드 G: 4430MHz(아마도(probable) ×3 모드 C)

모드 H: 4980MHz(×11 모드 A)

도 8에는 도 7로부터의, 3.24GHz 내지 3.27GHz 사이의 모드 E 응답의 확대도가 도시된다.

따라서 3개의 기본 모드들이, 적어도 제1 기본 모드의 고조파들과 함께 도시된다.

도 6에 도시된 바와 같이, 상기 제3 층은 상기 제2 층 아래에 배치된다. 전극들의 구성(configuration)은 도 1의 장치에서와 같이 동일하다. 임의의 추가적 (제4, 제5, ..., 제n) 층들은 상기 제3 층 아래에 적층(stack)될 수 있다.

상기 제3 층을 위한 재료는 원리적으로는 압전식일 수 있다. 그러나 (상기 제2 층에서와 같이) 이것이 필수적이지는 않다. 도 1의 장치에서와 같이 RF 신호가 상기 제1 층에 인가된다.

만일 상기 제3 층이 상기 제3 층과는 상이하다면, 상기 제3 층은 임의의 적합한 재료로 형성될 수 있는 바, 예컨대 SiO₂, SiN, AlO_x, HfO, TiO, ZnO, AlN, LiNbO₃이다.

3개 초과의 층들을 구비하는 장치들에 대하여, 상기 주파수 응답은 더 복잡해진다. 그러나 원리적으로 상기 주파수 응답, 및 상기 주파수 응답의 환경적 자극(environmental stimulus)에 응한 변화는 분석될 수 있다.

측정될 물리 변수들은, 도 1의 장치로써 측정가능한 물리 변수들 중 3개의 선택된 변수들에 대응된다. 예시로서, 상기 제3 층이 광-민감성 재료일 때, 상기 센서는, 상기 제3 공진에서의 주파수 편이들 및 그것들이 다른 공진들에 어떻게 관련되는지를 관측(looking at)함으로써, 질량 및 온도뿐만 아니라 빛도 구별할 수 있다. 대안으로서, 상기 제3 층은, 상기 제1 층 및 상기 제2 층과는 반대되는 방식으로 환경적 압력에 노출(subjected)되어 상기 제3 층이 팽창/압축될 때, 질량 및 온도뿐만 아니라 압력을 구별하는 것도 가능하다.

따라서 본 개시서는 상이한 주파수들에서 공진의 2개(또는 그 이상)의 모드들을 동시에 지원하는 FBAR들 및 SMR들의 제작을 보여주며, 상기 상이한 주파수들은 2개(또는 그 이상)의 상이한 유형들의 길이방향 음파들 또는 두께 전단 모드들에 대응된다. 이 공진 모드들은, 질량 적재들 및 온도 변동들에 대한 상이한 반응들을 보이기(exhibit) 위하여 활용(harness)된다. 그래서 하나의 단일 장치는 임의의 관측된 주파수 편이가 질량 적재로 인한 것인지 온도 변화로 인한 것인지에 관한 정보를 제공한다. 이것은, 실-시간 온도 보상을 위한 복잡한 전자기기 또는 추가적인 기준 장치들을 필요로 하지 않으면서도 바람직하지 않은 거짓 반응들을 회피한다. 상기 장치는 중량 측정식 센싱에 대하여 특별한 관심의 대상이다.

이 개시서로부터 이해될 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 센서 시스템은 분석 장치와 결합하여, 위에서 설명된 센서를 포함한다. 실험실 설정(laboratory setting)으로 된 분석 장치는 예컨대 개인용 컴퓨터와 같은 컨트롤러일 수 있으나, 독립형 시스템에 있어서 상기 분석 장치는 전용 전자기기를 포함할 수 있다. 상기 분석 장치는, 요구되는 상이한 공진들을 구동하고 상기 요구되는 공진 주파수들을 검출하고 그 공진 주파수들에 있어서의 임의의 편이를 검출하기 위하여, 상기 센서들에 적합한 주파수 신호들을 공급할 수 있다. 상기 분석 장치는, 전형적으로 그래픽 디스플레이의 형태로 된 사용자에게 결과들을 제공하기 위한 인터페이스를 더 제공하는 바, 상기 인터페이스는 온도 변화에 기인하는 검출된 주파수 편이의 부분을 식별하고 (온도 변화 이외의) 환경적 변화에 기인하는 검출된 주파수 편이의 부분을 식별하기 위한 것이다.

본 발명이 위에서 설명된 예시적 실시예들과 결합하여 설명되어 왔지만, 많은 균등한 수정물들 및 변형물들은, 본 개시가 주어졌을 때 당업자에게 분명할 것이다. 이에 따라, 위에서 제시된 본 발명의 예시적 실시예들은 예시적인 것이며 한정적인 것은 아니라고 여겨진다. 설명된 상기 실시예들에 대한 다양한 변경들은, 본 발명의 사상 및 범위로부터의 이탈 없이 이루어질 수 있다.

위에서 언급된 모든 참고문헌들은 본 명세서에 참조로서 포함된다.

참고문헌 목록

참고문헌 1: G. Wingqvist, 표면 및 코팅 기술(Surf. & Coat. Tech.; Surface and Coatings Technology) 205, 1279 (2010).

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참고문헌 14: EP-A-950282

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참고문헌 16: Garcia-Gancedo 외(2010)[L. Garcia-Gancedo, J. Pedros, A. Flewitt, W. Milne, G. Ashley, J. Luo 및 C. Ford "음파 장치 응용을 위한, 초고속 스퍼터링된 높은 k_T를 갖는 ZnO 박막(Ultrafast sputtered ZnO thin films with high k_T for acoustic wave device applications)" 2010 IEEE 국제 초음파 심포지움 논문집(2010 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings), 1064-1067]

참고문헌 17: Garcia-Gancedo 외(2011) [L. Garcia-Gancedo, G.M. Ashley, X.B. Zhao, J. Pedros, A.J. Flewitt, W.I. Milne, J.K. Luo, J.R. Lu, C.J.B. Ford, D. Zhang "FBAR-기반 중량측정 바이오센서들을 위한 초저-응력 ZnO 박막들의 증착 및 특성(Deposition and characterisation of ultralow-stress ZnO thin films for application in FBAR-based gravimetric biosensors)" 국제 나노생산 저널 2011 - 제7 권, 제3/4 번 371-382면(International Journal of Nanomanufacturing 2011 - Vol. 7, No.3/4 pp. 371 - 382)]

참고문헌 18: Nakamura 외(1981) [K. Nakamura, H, Sasaki 및 H. Shimizu "실리콘 웨이퍼 위의 ZnO/SiO₂-격막 복합 공진기(ZnO/SiO₂-diaphragm composite resonator on a silicon wafer)" 전자공학 레터스, 제17 권, 제14 번(1981), 507-509면(Electronics Letters, Vol. 17 No. 14 (1981) pp. 507-509)]

참고문헌 19: H. Yoon 및 Y.YU "PLD 방법에 의해 ZnO 증착된 재료들의 경도 및 탄성률(Hardness and Elastic Modulus of ZnO Deposited materials by PLD Method)", IEEE 전자기기 재료 및 패키지화에 관한 국제 심포지움, 169-173면, 2005(IEEE International Symposium on Electronics Materials and Packaging, pp. 169-173, 2005)

참고문헌 20: K.E. Petersen, "실리콘에 관한 동적 미소역학(Dynamic micromechanics on Silicon)", IEEE 전자 장치들에 관한 학술지, 제25 권, 제10 번, 1241-1250면, 1978(IEEE Transactions on electron devices, Vol.25, No.10, p.1241-1250, 1978)

Claims

센서에서 환경의 변화를 측정하기 위한 방법으로서, 상기 측정 방법은 센서를 제공하는 단계를 포함하며, 상기 센서는:
압전 재료로 형성되는 제1 층;
상기 제1 층에 인접하여 형성되며 상기 제1 층과 음향적으로 결합되는 제2 층; 및
상기 제1 층에 구동 신호를 인가하여 체적(bulk) 음파들을 발생시키도록 배치(dispose)된 전극들;을 포함하고,
상기 제1 층의 주파수 온도 계수는 상기 제2 층의 주파수 온도 계수와 상이하며,
상기 측정 방법은:
상기 제1 층과 결부된 제1 층 공진 주파수, 및 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 조합과 결부된 조합 공진 주파수를 검출하는 단계;
상기 제1 층 공진 주파수 및 상기 조합 공진 주파수 중 하나 또는 둘 모두에 있어서의 편이(shift)를 검출하는 단계;
상기 센서에서 온도 변화에 의해 야기된, 편이의 부분(portion)을 식별하는 단계; 및
상기 온도 변화 이외의 상기 센서에서의 환경적 변화에 의해 야기된, 편이의 다른 부분을 식별하는 단계;를 더 포함하는, 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 층의 주파수 온도 계수 및 상기 제2 층의 주파수 온도 계수는, 온도에 있어서의 변화가 상기 제1 층 공진 주파수 및 상기 조합 공진 주파수의 각각이 대향하는 방향들로 편이되는 결과로 되도록 하는, 측정 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 온도 변화 이외의 검출기에서의 환경적 변화는 상기 제1 층 공진 주파수 및 상기 조합 공진 주파수의 각각이 같은 방향으로 변이되는 결과로 되는, 측정 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 환경적 변화는 상기 제1 층 및/또는 상기 제2 층 상의, 또는 상기 제1 층 및/또는 상기 제2 층 내의, 응력의 수준에 영향을 끼치는 하나인, 측정 방법.
제4항에 있어서, 상기 환경적 변화는: 상기 센서가 겪게 되는 기체 압력에 있어서의 변화; 상기 센서가 겪게 되는 액체 압력에 있어서의 변화; 상기 센서의 기계적 변형; 상기 센서의 표면 상의 질량 적재; 중의 하나 이상인, 측정 방법.
제5항에 있어서, 상기 질량 적재는, 상기 센서의 표면에서 관심의 대상인 종의 특이 결합(specific binding of a species)에 대한 응답으로서 달성되는, 측정 방법.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 층 공진 주파수는 단독으로 상기 제1 층 내에 설정(set up)된 기본 모드 공진인, 측정 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조합 공진 주파수는 상기 제1 층 및 상기 제2 층 내에 설정된 기본 모드 공진인, 측정 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 층의 두께 및 상기 제2 층의 두께는 실질적으로 동일한, 측정 방법.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 층은 ZnO로 형성되는, 측정 방법.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 층은 SiO₂로 형성되는, 측정 방법.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 층 및 상기 제2 층은 기판 상에 형성되고, 상기 센서는 활성 구역을 갖고, 상기 제1 층 및 상기 제2 층은 상기 활성 구역에서 상기 기판에 의해 지지되지 않는, 측정 방법.
센서에서의 환경 변화를 측정하기에 적합한 상기 센서로서, 상기 센서는:
압전 재료로 형성된 제1 층;
상기 제1 층에 인접하여 형성되고 상기 제1 층과 음향적으로 결합되는 제2 층으로서, 상기 제2 층은 상기 제1 층과 상이한 재료로 형성되며, 상기 제1 층의 주파수 온도 계수는 상기 제2 층의 주파수 온도 계수와 상이한, 제2 층; 및
상기 제1 층에 구동 신호를 인가하여 체적(bulk) 음파들을 발생시키도록 배치(dispose)된 전극들;을 포함하고,
상기 센서는:
상기 제1 층과 결부된 제1 층 공진 주파수, 및 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 조합과 결부된 조합 공진 주파수의 검출;
상기 제1 층 공진 주파수 및 상기 조합 공진 주파수 중 하나 또는 둘에 있어서의 편이(shift)의 검출;
상기 센서에서 온도 변화에 의해 야기된, 편이의 부분(portion)의 식별; 및
상기 온도 변화 이외의 상기 센서에서의 환경적 변화에 의해 야기된, 편이의 다른 부분의 식별;을 가능하게 하도록 작동가능한, 센서.
제13항에 있어서, 상기 센서는, 약 10^-15g의 질량 민감도를 가진 중량 측정-기반 센서인, 센서.
센서에서의 환경 변화를 측정하기에 적합한 센서 시스템으로서, 상기 센서 시스템은 센서 및 분석 장치를 포함하고, 상기 센서는:
압전 재료로 형성된 제1 층;
상기 제1 층에 인접하여 형성되고 상기 제1 층과 음향적으로 결합되는 제2 층으로서, 상기 제2 층은 상기 제1 층과 상이한 재료로 형성되며, 상기 제1 층의 주파수 온도 계수는 상기 제2 층의 주파수 온도 계수와 상이한, 제2 층; 및
상기 제1 층에 구동 신호를 인가하여 체적(bulk) 음파들을 발생시키도록 배치(dispose)된 전극들;을 포함하고,
상기 분석 장치는:
상기 제1 층과 결부된 제1 층 공진 주파수, 및 상기 제1 층 및 상기 제2 층의 조합과 결부된 조합 공진 주파수를 검출하도록;
상기 제1 층 공진 주파수 및 상기 조합 공진 주파수 중 하나 또는 둘에 있어서의 편이(shift)를 검출하도록;
상기 센서에서 온도 변화에 의해 야기된, 편이의 부분(portion)을 식별하도록; 그리고
상기 온도 변화 이외의 상기 센서에서의 환경적 변화에 의해 야기된, 편이의 다른 부분을 식별하도록; 작동가능한, 센서 시스템.