TWI639225B - 彎曲平板波感測器及其製作方法 - Google Patents

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一種彎曲平板波感測器包含一基板、一壓電薄膜及一指叉電極結構，該基板之上表面凹設有一反射閘極溝槽結構，該基板之下表面凹設有一感測腔，該壓電薄膜形成於該上表面，且該反射閘極溝槽結構圍繞該壓電薄膜，該指叉電極結構形成於該壓電薄膜上，其中，該反射溝槽結構及該指叉電極結構是呈同心圓排列，使得該指叉電極結構接收到電訊號後，壓電薄膜產生之各個方向的表面聲波能被反射閘極溝槽結構反射，而減少該彎曲平板波的插入損失。

Description

彎曲平板波感測器及其製作方法
本發明是關於一種感測器，特別是關於一種彎曲平板波感測器及其製作方法。
彎曲平板波感測器是利用指叉電極與壓電薄膜之間的機電耦合效應產生及接收藍姆波(Lamb wave)，而可藉由波之相速度的變化量感測得液體之質量、密度或黏滯係數的細微變化。但由於電訊號施加至指叉電極時，壓電薄膜因壓電效應所產生之表面波是朝向四面八方傳遞，一般以並排方式擺放之指叉電極僅能接收到一半以下的表面聲波，而造成彎曲平板波感測器的插入損失較高。因此，請參閱台灣專利第I417544號「彎曲平板波感測器及其製造方法」，該彎曲平板波感測器於指叉電極外側設置有凸出於表面之反射閘極，用以反射向外傳遞之表面聲波，而能降低彎曲平板波的插入損失，但是改善的效果還是相當有限。
本發明的主要目的在於藉由指叉電極結構及反射閘極溝槽結構的佈局呈同心圓排列，使得壓電薄膜因壓電效應產生之各個方向的表面聲波能被 反射閘極溝槽結構反射且有效地被指叉電極所接收，而可降低彎曲平板波感測器的插入損失。
本發明之一種彎曲平板波感測器包含一基板、一壓電薄膜及一指叉電極結構(Interdigital transducer structure)，該基板具有一上表面及一下表面，其中該上表面凹設有一反射閘極溝槽結構，且該反射閘極溝槽結構具有複數個反射溝槽，該下表面凹設有一感測腔，該壓電薄膜形成於該上表面，且該些反射溝槽圍繞該壓電薄膜，該指叉電極結構形成於該壓電薄膜上，該指叉電極結構具有一輸入指叉電極及一輸出指叉電極，其中該輸入指叉電極及該輸出指叉電極之間具有一電極間延遲距離，其中，該些反射溝槽、該輸入指叉電極及該輸出指叉電極之佈局(Layout)是以一圓心呈同心圓排列。
本發明之一種彎曲平板波感測器的製作方法包含：提供一基板，該基板具有一本體、一上表面及一下表面，該上表面具有一上氧化層，該下表面具有一下氧化層，其中該上表面定義有一感測區及一反射區；於該反射區形成一反射閘極溝槽結構，該反射閘極溝槽結構凹設於該上氧化層，其中該反射閘極溝槽結構具有複數個反射溝槽；於該感測區形成一底金屬層，該底金屬層位於該上氧化層上；形成一壓電薄膜於該底金屬層上，該壓電薄膜電性連接該底金屬層；形成一指叉電極結構於該壓電薄膜上，該指叉電極結構具有一輸入指叉電極及一輸出指叉電極，其中該輸入指叉電極及該輸出指叉電極之間具有一電極間延遲距離；以及於該下氧化層形成一感測腔，該感測腔凹設於該下氧化層，其中該感測腔位於該上表面之該感測區下方，其中，該些反射溝槽、該輸入指叉電極及該輸出指叉電極之佈局是以一圓心呈同心圓排列。
本發明藉由該反射閘極溝槽結構及該指叉電極結構呈同心圓排列，使該壓電薄膜產生之各方向的表面聲波能被該反射閘極溝槽結構反射，並傳遞至該指叉電極結構之該輸出指叉電極下方之該壓電薄膜，使該輸出指叉電極輸出訊號，而可降低該彎曲平半波感測器之插入損失。
請參閱第1圖，為本發明之一實施例，一種彎曲平板波感測器的製作方法10的流程圖，其包含「提供基板11」、「形成反射閘極溝槽結構12」、「形成開口13」、「形成底電極層14」、「形成壓電薄膜15」、「形成圖案化光阻層16」、「形成指叉電極結構17」及「形成感測腔18」之步驟。
請參閱第1及2圖，在步驟11中提供一基板110，該基板110具有一本體111、一上表面112及一下表面113，該上表面112具有一上氧化層114，該下表面113具有一下氧化層115，其中該上氧化層114及該下氧化層115分別由一二氧化矽層114a、115a及一氮化矽層114b、115b堆疊而成，在本實施例中，該上氧化層114及該下氧化層115是由一矽基板分別進行化學氣相沈積SiO 2及Si 3N 4而成，其中，該上表面112定義有一感測區112a及一反射區112b。
請參閱第1及3圖，在步驟12中於該反射區112b形成一反射閘極溝槽結構120，較佳的，該反射閘極溝槽結構120是以感應耦合離子電漿製程(Inductively-Coupled Plasma)經由一圖案化光阻層(圖未繪出)蝕刻該上氧化層114之該反射區112b而形成複數個第一反射溝槽121及複數個第二反射溝槽122，且該些第一反射溝槽121及該些第二反射溝槽122凹設於該上氧化層114。
請參閱第1及4圖，在步驟13中於該下氧化層115形成一開口115c，該開口115c顯露該本體111，該開口115c對應至該上表面112之該感測區112a，且該開口115c略大於該感測區112a，其中該開口115c用以定義後續形成之感測腔的圖案。
請參閱第1及5圖，在步驟14中於該上表面112之該感測區112a形成一底金屬層130，該底金屬層130位於該上氧化層114上，其中該底金屬層130具有一鉻層131及一金層132，該鉻層131位於該上氧化層114及該金層132之間，以提供該金層132與該上氧化層114之間良好的接合強度。
請參閱第1及6圖，在步驟15中形成一壓電薄膜140於該底金屬層130上，該壓電薄膜140電性連接該底金屬層130之該金層132，由於該壓電薄膜140及該底金屬層130均位於該上表面112之該感測區112a中，因此該些反射溝槽121圍繞該壓電薄膜140。較佳的，該壓電薄膜140為以射頻磁控濺鍍法沈積之具高C軸優選取向之氧化鋅薄膜，並具有良好的壓電效應。
請參閱第1及7圖，在步驟16中形成一圖案化光阻層PR於該基板110之該上表面112及該壓電薄膜140上，其中該圖案化光阻層PR顯露部份之該壓電薄膜140，以定義後續形成之指叉電極結構的圖案。
請參閱第1及8圖，在步驟17中藉由該圖案化光阻層PR形成一指叉電極結構150(Interdigital transducer structure)於該壓電薄膜140上，該指叉電極結構150具有一輸入指叉電極151及一輸出指叉電極152，其中該輸入指叉電極151及該輸出指叉電極152之間具有一電極間延遲距離D1，其中該輸入指叉電極151及該輸出指叉電極152亦分別由一鉻層及一金層構成。較佳的，該指叉電極結構150是以舉離法形成於該壓電薄膜140上，也就是將鉻層及金層沉積於該圖案化光阻層PR及該圖案化光阻層PR所顯露之該壓電薄膜140上，並於剝離該圖案化光阻層PR時將不需要之鉻層及金層隨著該圖案化光阻層PR移除，而留下沉積於該壓電薄膜140上的該指叉電極結構150，以舉離法形成該指叉電極結構150能避免金蝕刻液侵蝕該壓電薄膜140，而造成該壓電薄膜140之破壞。
最後，請參閱第1及9圖，在步驟18中藉由該下氧化層115之該開口115c於該下氧化層115形成一感測腔160，該感測腔160凹設於該下氧化層115，且該感測腔160位於該上表面112之該感測區112a下方。請參閱第9圖，由於該基板110於該感測區112a剩餘的厚度極薄，以一般之蝕刻製程容易將該感測區112a蝕刻過度，而導致製程良率較低。因此，較佳的，該感測腔160是以2次濕式蝕刻而 成，其中2次濕式蝕刻中的第1次濕式蝕刻具有一第一操作溫度，2次濕式蝕刻中的第2次濕式蝕刻具有一第二操作溫度，其中該第二操作溫度低於該第一操作溫度，在本實施例中，第1次濕式蝕刻是以60℃之KOH對該基板110蝕刻35.5小時，第2次濕式蝕刻是以27℃之KOH對該基板110蝕刻6.8小時，以準確地控制該基板110之該感測區112a的厚度，並大幅地提高製程良率。
請參閱第10圖，為該彎曲平板波感測器100的上視圖，在本實施例中，該輸出指叉電極152位於中心，且該輸出指叉電極152之佈局呈圓形，該輸入指叉電極151位於該輸出指叉電極152外圍，且該輸入指叉電極151環繞該輸出指叉電極152，該輸入指叉電極151之佈局呈環形。該反射閘極溝槽結構120具有複數個第一反射溝槽121及複數個第二反射溝槽122，該第一反射溝槽121及該些第二反射溝槽122環繞該輸入指叉電極151，該輸入指叉電極151位於該反射閘極溝槽結構120及該輸出指叉電極152之間，該第一反射溝槽121及該些第二反射溝槽122之佈局呈環形，且該反射閘極溝槽結構120與該指叉電極結構150之間具有一電極-反射閘極間延遲距離D4。其中，該些第一反射溝槽121、該些第二反射溝槽122、該輸入指叉電極151及該輸出指叉電極152之佈局(Layout)是以一圓心呈同心圓排列，藉此，施加訊號至該輸入指叉電極151使該壓電薄膜140產生之各個方向的聲波均能有效地被該些第一反射溝槽121及該些第二反射溝槽122所反射，並傳遞至該輸出指叉電極152下方之該壓電薄膜140，使該輸出指叉電極152輸出訊號，而可降低該彎曲平板波感測器100的插入損失。
請參閱第10圖，圖中是以4對該輸入指叉電極151、4對該輸出指叉電極152及4對該反射溝槽(1個該第一反射溝槽121及1個該第二反射溝槽122為1對)為例，於實際製程中，該彎曲平板波感測器100具有10對該輸入指叉電極151、 10對該輸出指叉電極152及10對該反射溝槽，能讓該彎曲平板波感測器100的插入損失降低且具有小尺寸之佈局面積。
請參閱第11圖，為另一實施例之該彎曲平板波感測器100的上視圖，在本實施例中，該輸入指叉電極151及該輸出指叉電極152於該感測區112a中以左右對稱排列，且該輸入指叉電極151及該輸出指叉電極152之佈局呈弧形，該反射閘極溝槽結構120之該些第一反射溝槽121鄰近該輸入指叉電極151，且該第一反射溝槽121與該輸入指叉電極151之間具有一輸入電極-反射閘極間延遲距離D2，該反射閘極溝槽結構120之該些第二反射溝槽122鄰近該輸出指叉電極152，且該第二反射溝槽122與該輸出指叉電極152之間具有一輸出電極-反射閘極間延遲距離D3，其中該些第一反射溝槽121及該些第二反射溝槽122之佈局呈弧形，且該輸入電極-反射閘極間延遲距離D2實質上等於該輸出電極-反射閘極間延遲距離D3。相同地，該些第一反射溝槽121、該些第二反射溝槽122、該輸入指叉電極151及該輸出指叉電極152之佈局亦以一圓心呈同心圓排列，讓該壓電薄膜140產生之聲波亦能被該第一反射溝槽121及該第二反射溝槽122反射並傳遞至該輸出指叉電極152下方之該壓電薄膜140，而可降低該彎曲平板波感測器100的插入損失。
請參閱第12圖，該彎曲平板波感測器100於使用時，須於該感測腔160中設置自我組裝單分子170及CEA(癌胚抗原)抗體180，在本實施例中是於該感測腔160中鍍上一金層後，再以胱胺酸法於金層上形成該自我組裝單分子170及該CEA抗體180，以感測待測物之CEA濃度，進而判斷是否罹癌之風險。或在其他實施例中，能以其他種抗體，如AFP(甲胎蛋白)抗體，組裝於該自我組裝單分子170上，以進行他種物質之感測。
本發明藉由該反射閘極溝槽結構120及該指叉電極結構150呈同心圓排列，使該壓電薄膜140產生之各方向的表面聲波能被該反射閘極溝槽結構120反射，並傳遞至該指叉電極結構150之該輸出指叉電極152下方之該壓電薄膜140，使該輸出指叉電極152輸出訊號，而可降低該彎曲平半波感測器100之插入損失。
本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準，任何熟知此項技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內所作之任何變化與修改，均屬於本發明之保護範圍。
100‧‧‧彎曲平板波感測器
110‧‧‧基板
111‧‧‧本體
112‧‧‧上表面
112a‧‧‧感測區
112b‧‧‧反射區
113‧‧‧下表面
114‧‧‧上氧化層
114a‧‧‧二氧化矽層
114b‧‧‧氮化矽層
115‧‧‧下氧化層
115a‧‧‧二氧化矽層
115b‧‧‧氮化矽層
115c‧‧‧開口
120‧‧‧反射閘極溝槽結構
121‧‧‧第一反射溝槽
122‧‧‧第二反射溝槽
130‧‧‧底金屬層
131‧‧‧鉻層
132‧‧‧金層
140‧‧‧壓電薄膜
150‧‧‧指叉電極結構
151‧‧‧輸入指叉電極
152‧‧‧輸出指叉電極
160‧‧‧感測腔
170‧‧‧自我組裝單分子
180‧‧‧CEA抗體
PR‧‧‧圖案化光阻層
D1‧‧‧電極間延遲距離
D2‧‧‧輸入電極-反射閘極間延遲距離
D3‧‧‧輸出電極-反射閘極間延遲距離
D4‧‧‧電極-反射閘極間延遲距離
10‧‧‧彎曲平板波感測器
11‧‧‧提供基板
12‧‧‧形成反射閘極溝槽結構
13‧‧‧形成開口
14‧‧‧形成底電極層
15‧‧‧形成壓電薄膜
16‧‧‧形成圖案化光阻層
17‧‧‧形成指叉電極結構
18‧‧‧形成感測腔
第1圖： 依據本發明之一實施例，一種彎曲平板波感測器的製作方法的流程圖。 第2圖： 依據本發明之一實施例，一基板的剖視圖。 第3圖： 依據本發明之一實施例，該基板形成反射溝槽結構的剖視圖。 第4圖： 依據本發明之一實施例，該基板形成開口的剖視圖。 第5圖： 依據本發明之一實施例，該基板形成底金屬的剖視圖。 第6圖： 依據本發明之一實施例，該基板形成壓電薄膜的剖視圖。 第7圖： 依據本發明之一實施例，該基板形成圖案化光阻層的剖視圖。 第8圖： 依據本發明之一實施例，該基板形成指叉電極結構的剖視圖。 第9圖： 依據本發明之一實施例，該基板形成感測腔的剖視圖。 第10圖： 依據本發明之一第一實施例，該彎曲平板波感測器的上視圖。 第11圖： 依據本發明之一第二實施例，該彎曲平板波感測器的上視圖。 第12圖： 依據本發明之一實施例，該彎曲平板波感測器實際應用的示意圖。

Claims (14)

  1. 一種彎曲平板波感測器，其包含：一基板，具有一上表面及一下表面，其中該上表面凹設有一反射閘極溝槽結構，且該反射閘極溝槽結構具有複數個反射溝槽，該下表面凹設有一感測腔；一壓電薄膜，形成於該上表面，且該些反射溝槽圍繞該壓電薄膜；以及一指叉電極結構(Interdigital transducer structure)，形成於該壓電薄膜上，該指叉電極結構具有一輸入指叉電極及一輸出指叉電極，其中該輸入指叉電極及該輸出指叉電極之間具有一電極間延遲距離；其中，該些反射溝槽、該輸入指叉電極及該輸出指叉電極之佈局(Layout)是以一圓心呈同心圓排列。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之彎曲平板波感測器，其中該上表面對應該感測腔之區域定義為一感測區，其餘之區域定義為一反射區，其中該指叉電極結構位於該感測區，該反射閘極溝槽結構位於該反射區。
  3. 如申請專利範圍第2項所述之彎曲平板波感測器，其中該輸入指叉電極及該輸出指叉電極於該感測區中以左右對稱排列，且該輸入指電極及該輸出指叉電極之佈局呈弧形。
  4. 如申請專利範圍第3項所述之彎曲平板波感測器，其中該反射閘極溝槽結構具有複數個第一反射溝槽及複數個第二反射溝槽，該些第一反射溝槽鄰近該輸入指叉電極，且該第一反射溝槽與該輸入指叉電極之間具有一輸入電極-反射閘極間延遲距離，該些第二反射溝槽鄰近該輸出指叉電極，且該第二反射溝槽與該輸出指叉電極之間具有一輸出電極-反射閘極間延遲距離，其中該些第一反射溝槽及該些第二反射溝槽之佈局呈弧形。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之彎曲平板波感測器，其中該反射閘極溝槽結構環繞該指叉電極結構，且該反射閘極溝槽結構與該指叉電極結構之間具有一電極-反射閘極間延遲距離，其中該反射閘極溝槽結構之佈局呈環形。
  6. 如申請專利範圍第5項所述之彎曲平板波感測器，該輸入指叉電極環繞該輸出指叉電極，且該輸入指叉電極位於該反射閘極溝槽結構及該輸出指叉電極之間。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之彎曲平板波感測器，其中該輸入指叉電極之佈局呈環形，該輸出指叉電極之佈局呈圓形。
  8. 如申請專利範圍第2項所述之彎曲平板波感測器，其中該基板具有一上氧化層及一下氧化層，該上氧化層位於該上表面，該下氧化層位於該下表面，其中該反射閘極溝槽結構凹設於該上氧化層。
  9. 如申請專利範圍第8項所述之彎曲平板波感測器，其另包含有一底金屬層，該底金屬層形成於該上表面之該感測區，且該底金屬層位於該上氧化層及該壓電薄膜之間，該壓電薄膜電性連接該底金屬層。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之彎曲平板波感測器，其具有10對該輸入指叉電極及10對該輸出指叉電極，該反射閘極溝槽結構具有10對該反射溝槽。
  11. 一種彎曲平板波感測器的製作方法，其包含：提供一基板，該基板具有一本體、一上表面及一下表面，該上表面具有一上氧化層，該下表面具有一下氧化層，其中該上表面定義有一感測區及一反射區；於該反射區形成一反射閘極溝槽結構，該反射閘極溝槽結構凹設於該上氧化層，其中該反射閘極溝槽結構具有複數個反射溝槽；於該感測區形成一底金屬層，該底金屬層位於該上氧化層上；形成一壓電薄膜於該底金屬層上，該壓電薄膜電性連接該底金屬層； 形成一指叉電極結構(Interdigital transducer structure)於該壓電薄膜上，該指叉電極結構具有一輸入指叉電極及一輸出指叉電極，其中該輸入指叉電極及該輸出指叉電極之間具有一電極間延遲距離；以及 於該下氧化層形成一感測腔，該感測腔凹設於該下氧化層，其中該感測腔位於該上表面之該感測區下方； 其中，該些反射溝槽、該輸入指叉電極及該輸出指叉電極之佈局(Layout)是以一圓心呈同心圓排列。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之彎曲平板波感測器的製作方法，其中該反射閘極溝槽結構是以感應耦合離子電漿製程(Inductively-Coupled Plasma)蝕刻而成。
  13. 如申請專利範圍第12項所述之彎曲平板波感測器的製作方法，其中該感測腔是以2次濕式蝕刻而成。
  14. 如申請專利範圍第13項所述之彎曲平板波感測器的製作方法，其中2次濕式蝕刻中的第1次濕式蝕刻具有一第一操作溫度，2次濕式蝕刻中的第2次濕式蝕刻具有一第二操作溫度，其中該第二操作溫度低於該第一操作溫度。
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