WO2007028810A1 - Vorrichtung mit piezoaküstischem resonatorelement und integriertem heizelement, verfahren zu dessen herstellung und verfahren zur ausgabe eines signals in abhängigkeit einer resonanzfrequenz - Google Patents

Vorrichtung mit piezoaküstischem resonatorelement und integriertem heizelement, verfahren zu dessen herstellung und verfahren zur ausgabe eines signals in abhängigkeit einer resonanzfrequenz Download PDF

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WO2007028810A1
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resonator element
substance
layer
heating
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Reinhard Gabl
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the invention relates to a device comprising at least one piezoacoustic resonator element having a piezoelectric layer and two electrodes adjoining the piezoelectric layer, wherein the piezoacoustic resonator element is such that by applying an AC voltage to the piezoelectric layer via the electrodes a volume oscillation of the piezoelectric layer with resonant frequency is excited, a method for producing such a device and a method for outputting a signal in response to a resonant frequency.
  • Piezoacoustic resonator elements of this type in which by applying an alternating voltage field a
  • Thickness vibration i. a body volume vibration excited to resonant frequency with the piezoelectric layer has come to be known by the name "Bulk Acoustic Wave (BAW) Piezoelectric Resonator” and has been developed primarily for high frequency communications electronics applications.
  • BAW Bulk Acoustic Wave
  • the simplest configuration for realizing a BAW resonator is a layer of a piezoelectric material which, with suitable crystallographic orientation, for. B. with the c-axis perpendicular to the electrode surface, sandwiched between two electrodes.
  • FIGS. 1 and 2 Two basic types of BAW resonators are schematically illustrated in FIGS. 1 and 2, as published in the review article by M. Dubois "Thin Film Bulk Acoustic Resonators: A Technology Overview", published on the occasion of Meeting MEMSWAVE 03, Toulouse, France, June 2-4, 2003.
  • FIG. 1A schematically shows an example of a so-called “thin film acoustic acoustic resonator (FBAR)."
  • FBAR thin film acoustic acoustic resonator
  • Electrodes 100 and 200 attached.
  • an alternating electric field is applied to the piezoelectric layer 300 by the electrodes 100/200
  • conversion of the electrical energy into mechanical energy occurs due to the inverse piezoelectric effect.
  • the resulting bulk acoustic wave propagates within the piezoelectric layer with the advancing direction parallel to the electric field and the wave being reflected at the electrode / air interface.
  • the resonance vibration is achieved when the thickness of the
  • Layer structure of the resonator is equal to half the wavelength of the input signal amounts.
  • a cavity is provided on the underside of the piezoelectric layer, so that the acoustic waves can be reflected at the electrode / air interface.
  • FIG. 1B shows a construction of a BAW resonator as a so-called solidly mounted resonator (SMR).
  • SMR solidly mounted resonator
  • an acoustic mirror (Bragg reflector) 500 between the lower electrode 300 and the substrate 400 is provided.
  • This acoustic mirror consists of several layers with very different acoustic impedance, which are arranged in alternating sequence, for example, layers of W / SiC> 2 or A1 / A1N, etc.
  • the layer thickness is ⁇ / 4.
  • a thickness oscillation (volume oscillation) of the The excitation of a volume oscillation is effected by suitable electrode arrangement in combination with suitable crystallographic orientation of the piezoelectric layer act longitudinal vibration or a thickness shear vibration.
  • SAW resonators surface acoustic wave resonators
  • BAW resonators body volume wave resonators
  • FBAR and BAW filters show lower electrical losses in the pass band than SAW filters and, moreover, are considerably more contractual in terms of performance than these.
  • BAW resonators can be easily integrated with standard IC technologies (eg CMOS, BiC-MOS, etc.) on a semiconductor chip as a carrier substrate.
  • standard IC technologies eg CMOS, BiC-MOS, etc.
  • AlN in principle z.
  • BAW resonators were originally developed as passive components for high-frequency technology, in particular for systems in the target range of 1 to 10 GHz.
  • VCO Voltage Controlled Oscillator
  • LNA Low Noise Amplifier
  • the application of a BAW resonator has been proposed as a sensor.
  • the applicant's application WO 2004/017063 A2 describes a sensor for detecting the attachment of a specific substance to the surface of the BAW resonator. In this way, the substance in question can be identified. Addition can mean adsorption and / or absorption.
  • the resonator for this purpose has a sensitive coating, for example in the form of a polymer film, which is mounted on an electrode of the resonator.
  • a sensitive coating for example in the form of a polymer film, which is mounted on an electrode of the resonator.
  • Various substances for example hydrocarbons, can be absorbed on this polymer film.
  • the substance to be detected is located in a fluid (gas or liquid), which serves as a measuring medium.
  • the sensor is brought into contact with the measuring medium containing the substance that can attach to the sensitive coating.
  • a microfluidics with measuring cell is used, through which the measuring medium flows past the respective surface section of the sensor.
  • the surface portion of the sensor to which the substance in question attaches depends in many cases on the nature of the substance to be detected, in order to be able to detect a specific substance selectively from a mixture of several substances in this way.
  • the abovementioned patent application describes the detection of DNA fragments by means of a sensor having on a surface portion of the electrode a coating with a selected DNA sequence which allows attachment of suitable DNA sequences according to the key-lock principle.
  • it is crucial to be able to distinguish the strand with mono- or polybasic mismatches versus a perfect match (complementary strand). This critically depends on the equilibrium state of desorption of the DNA strands at the surface portion. This equilibrium state of desorption is determined by the conditions of the corresponding system, such as, for example, the type of coating, the concentration of the species involved, temperature, etc.
  • the resonance frequency changes depending on the mass of the deposited substance.
  • the characteristic value concerned is the mass sensitivity of the resonator, which is proportional to the square of the resonant frequency of the resonator.
  • the object of the invention is to provide an improved device comprising at least one piezoacoustic resonator element of the aforementioned type and a simple and cost-effective method for producing such a device.
  • an object of the present invention is to provide such a device, which is designed as a sensor for detecting a substance, with increased measurement accuracy and extended field of application.
  • the device comprises a heating device with an integrated with the piezoacoustic
  • Resonator element formed heating element for controlling the working temperature of the device.
  • the operating temperature of the device according to the present invention may be the temperature of the piezoacoustic resonator element.
  • the invention is not limited thereto. The place of
  • Operating temperature of the device may be any portion of the device itself and / or a surrounding portion near the device.
  • the working temperature may refer to the surface portion at which attaches the substance to be detected.
  • the temperature of the measuring medium in which the substance is located can also represent a working temperature of the device in the sense of the present invention.
  • the heating element of the heater is advantageously formed as a layer.
  • This layer may consist essentially of a material that may be designed as a resistance heater for heating the device.
  • the thickness of the layer is in the range below 25 .mu.m, more preferably a layer thickness ⁇ 10 .mu.m, and most preferably a layer thickness ⁇ 1 .mu.m.
  • a small layer thickness favors the integration of the heating element by utilizing thin film technology techniques such as PVD / CVD deposition processes. This makes it possible in a particularly simple manner to process the heating element together with the piezoacoustic resonator element.
  • the heating element formed as a layer is formed together with the piezoacoustic resonator element on a carrier substrate.
  • intermediate layers can be arranged between the layered heating element and the carrier substrate.
  • the piezoacoustic resonator element and the heating element can be arranged in layer technology on intermediate layers which act as an acoustic mirror (Bragg reflector), which is intended to reduce an acoustic loss in the direction of the substrate.
  • Bragg reflector acoustic mirror
  • the carrier substrate is formed as a membrane, for example, by back side of a
  • Semiconductor substrate with Si ⁇ 2 ⁇ or Si3N 4 layer can be produced as an etch stop.
  • the membrane can cover a cavity in the carrier substrate, ie as
  • Fig. IA Surface micromechanics be formed, as shown in Fig. IA.
  • the use of a membrane serves for acoustic isolation to prevent the excited vibration from propagating into the carrier substrate and resulting in acoustic losses.
  • the heating element By arranging the heating element on a membrane, a thermal insulation of the device is effected on the back, which minimizes the required heating power, since rear thermal diffusion and thermal losses caused by it can be almost completely prevented.
  • the heating device may have conventional functional elements for operating the heating element, such as e.g. Connecting means with external power supply etc. included.
  • the heating element comprises a plurality of interconnected subsections which are arranged such that the resonator element and / or its surroundings can be heated from several sides of the resonator element.
  • these sections are arranged laterally equidistant from edge sections of the resonator, so that the resonator element is encompassed along its edge by the sections of the heating element.
  • the distance between the heating element and the piezoelectric layer of the piezoacoustic resonator is less than 100 ⁇ m, more preferably less than 50 ⁇ m, and most preferably less than 10 ⁇ m.
  • an electrode of the piezoacoustic resonator element itself can also be used as a heating element.
  • the heating element can be made by conventional techniques of thick film technology.
  • the heating element can also be operated as a temperature measuring element, in which the device is set up to determine the temperature from the resistance value of the heating element, which here acts as a temperature measuring element.
  • platinum in particular, whose temperature coefficient of resistance of 3.85-10 ⁇ 3 / ° C amounts, in an application range of -200 to +850 ° C.
  • Nickel can also be used if the temperature to be measured does not exceed 150 ° C. Nickel offers advantages over platinum, especially with regard to the lower price.
  • Such a device in which a heating device and a temperature sensor are formed integrally with the piezoacoustic resonator element, may include an evaluation device with a memory device in which the corresponding characteristic of the temperature dependence of the resistance for the given material is stored, as well as a read-out device for reading a temperature value depending on the detected resistance value.
  • Evaluation device and readout device may be part of an external device, which is suitably connected to the piezoacoustic resonator element and the
  • Temperature detection device is electrically connected. Electrically connected in the sense of the present invention may be a common wireless connection and is not on limited conventional wiring.
  • the design of the device with temperature detection device (microsensor) and heating device enables a closed temperature control of the working temperature of the piezoacoustic resonator element, which comprises the control of the temperature by the heating device, the detection of the working temperature and the subsequent regulation of the working temperature as a function of the detected temperature.
  • an effective temperature compensation of the resonance frequency can be made by ensuring that the device is operated at a predetermined temperature.
  • the embodiment of the inventive device as a sensor for detecting a substance, since by controlling the temperature, the equilibrium conditions of the addition of the substance to be detected on the surface portion of the piezoacoustic resonator element can be controlled. In this way, depending on the substance to be detected, the accuracy of the measured value detection can be increased.
  • the range of application of the sensor can be increased since the sorption conditions, which are determined by the temperature of the measuring medium (gas, liquid), the substance to be detected and other substances optionally present in the measuring medium, can be influenced in a targeted manner. In this way, the detection of substances becomes accessible, which accumulate, for example, only at a predetermined temperature at the surface portion of the sensor.
  • the Invention can serve the identification of a substance.
  • the sensor can also be designed, for example, as a mass sensor for determining an accumulated quantity.
  • the heating device it may be advantageous for the heating device to be located at a position of the sensor element which ensures that the heating device is in contact with the measuring medium. In this way, an effective heating of the measuring medium, which flows, for example, through a flow cell of the sensor, can be achieved.
  • the invention also includes a manufacturing method for producing a device according to the invention.
  • a carrier substrate is coated with a metallic layer.
  • an electrode of the piezoacoustic resonator element and the heating element is then created.
  • Microstructuring of only one metallic layer in one operation, a part of the piezoacoustic resonator element and the heating element can be created.
  • Particularly suitable for microstructuring are photolithographic processes, as they are known in principle from semiconductor technology.
  • the inventive method allows a considerable rationalization of the manufacturing process, since the overhead is extremely low and is essentially limited to an adjustment of the layout.
  • z. B deposited by deposition of the vapor phase of platinum on the substrate. Platinum is suitable because of it
  • thermometer so that in one process step, an electrode of the resonator, a heating element of
  • Heating device and a measuring element of a temperature detection device can be produced by microstructuring the applied layer.
  • the resonator and the heating element can be contacted via the carrier substrate with a high-frequency substrate (eg, LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) substrate) through bond pads via flip-chip technology, for example as a module.
  • a high-frequency substrate eg, LTCC (Low Temperature Cofired Ceramics) substrate
  • flip-chip technology for example as a module.
  • This serves to improve the electrical properties of the high-frequency component, since inductances of corresponding connecting wires can be avoided.
  • the flip-chip technique which is generally known from semiconductor technology, allows for increased
  • the invention further comprises a method for outputting a signal which depends on a resonant frequency, comprising the steps of controlling the working temperature of a piezoacoustic resonator element of a device comprising at least one piezoacoustic resonator element with a piezoelectric layer and two electrodes electrically contacted with the piezoelectric layer, wherein the piezoacoustic one Resonator element is such that by applying an AC voltage to the piezoelectric layer via the electrodes, an acoustic volume vibration of the piezoelectric layer is excited at a resonant frequency, by a heating element, exciting a volume vibration of the piezoelectric layer of the piezoacoustic resonator element with resonant frequency, and outputting an output signal in response to the measured resonance frequency.
  • This method includes the steps of bringing the fluid and the piezoacoustic resonator together such that the substance can be absorbed and / or adsorbed on a portion of the resonator, and determining a resonant frequency of the resonator, closing the resonant frequency to the amount of substance deposited in the surface portion can be.
  • the control of the working temperature of the device with the piezoacoustic resonator element is performed before the step of determining the resonance frequency.
  • the method according to the invention it is advantageously additionally possible to measure the working temperature of the device with a corresponding piezoacoustic resonator element. This is done in a particularly simple manner by the device described above, in which at the same time a temperature measuring element and a heating element are integrated with each other.
  • the method may include the step of controlling the operating temperature, i. the control depending on the measured temperature as a control loop, include.
  • the method makes it possible, for example, to detect certain substances that can not be detected at room temperature.
  • the present invention provides the following advantages: • With little additional effort and processing, the heating element can be used to integrate another necessary element on the carrier substrate (chip).
  • Heating element are brought very close to the piezoacoustic resonator, which reduces the volume to be heated and thereby reduce the heating power. This can be a considerable advantage, especially with wireless-readable sensors.
  • a temperature sensor can be provided by evaluating the resistance of the heating element at the same time. This allows complete temperature control.
  • the temperature response of the resonant frequency can be taken into account.
  • FIGS. 1A and B show schematically in cross-section the structure of an FBAR and an SMR resonator as examples of BAW resonators known in the prior art.
  • Fig. 2A shows schematically the structure of a
  • FIG. 2B shows a top view of the first exemplary embodiment of the invention shown in FIG.
  • Fig. 3 shows the schematic structure of a second exemplary embodiment of the inventive device in cross section.
  • Fig. 4 shows the schematic structure of a third exemplary embodiment of the inventive device in cross section.
  • FIG. 5 shows a flow chart of an exemplary embodiment of a method for producing the device according to the invention.
  • FIG. 6 shows a flow diagram of an exemplary embodiment of a method according to the invention for outputting a signal value that depends on a resonant frequency.
  • the exemplary embodiment of the device according to the invention shown in FIGS. 2A and 2B relates to a 3 ⁇ 3 sensor array 2 comprising 9 individual sensor elements 21-29.
  • the individual elements 21-29 are each formed by a piezoacoustic resonator element with a piezoelectric layer 21a, 22a, 23a made of AlN and two electrodes 21b, 22b, 23b or 21c, 22c, 23c which abut against the piezoelectric layer 21a, 22a, 23a.
  • the electrodes are made of Pt. In the first exemplary embodiment shown in FIG. 2, the two are
  • the resulting volume vibration is a thickness shear vibration.
  • a sensor surface with coating 201-209 can be seen from above, at which the substance of the measuring medium to be detected is deposited can.
  • it is a chemically sensitive coating consisting of a specific DNA sequence.
  • To this DNA sequence can dock a corresponding DNA sequence according to the key-lock principle, so that there is a selectivity for a mixture of different DNA sequences.
  • the corresponding DNA sequence can be chemisorbed onto the coatings 201-209 with the formation of hydrogen bonds.
  • the individual sensor elements 21-29 are arranged on a semiconductor substrate 20. Between the semiconductor substrate 20 and the individual sensor elements 21-29, an acoustic mirror 210 is provided, which consists of ⁇ / 4-thick single layers, which have a very different acoustic impedance.
  • the mirror 210 serves as a Bragg reflector for reducing the acoustic losses in the direction of the carrier substrate.
  • Semiconductor substrate may be integrated an evaluation device for determining the resonant frequency.
  • the realization of the corresponding circuits known per se can be carried out by conventional semiconductor technologies, such as, for example, the bipolar or CMOS technology. In this way, the device can be designed as a complete measuring module, in the form of a so-called "lab on a chip”.
  • Heating elements 211-219 arranged, which, as shown in Fig. 2B, the individual sensor elements 21-29 square.
  • the lateral distance d between the inner edge of the heating elements 211-219 and the outer edge of the sensor elements 21-29 amounts to the present
  • Embodiment 50 microns, but may also be below, for example, at less 10 microns.
  • the layer thickness of the platinum conductors, which form the heating elements 211-219, amounts to 500 nm in this embodiment, the width 2 microns.
  • the symmetrical arrangement of the heating elements 211-219 with respect to the sensor elements 21-29 ensures that all the sensor elements 21-29 can be used at the same operating temperature.
  • the heating elements 211-219 in the schematic are approximately the same thickness as the coated piezoacoustic resonator elements 21-29, it should be understood that this figure is not to scale and the thickness of the heating elements 211-219 in many applications is in the range of the layer thickness of the lower electrode 21c.
  • Fig. 3 shows a cross section of a second
  • Exemplary embodiment of an inventive device which is designed as 2x2 sensor array 3.
  • the structure of this device basically corresponds to the structure shown in Fig. 2, except for the difference that in this embodiment, the electrodes 31b, 31c and 32b, 32c respectively on the bottom and the top of the piezoelectric layers 31a, 32a are arranged. Between the electrodes 31b and 31c or 32b and 32c, an additional insulation 39 is provided.
  • identical reference numerals are used, as far as the same parts are designated.
  • the sensor elements 31-32 and the heating elements 311-312 arranged on a membrane 30 is a freestanding membrane made by backside processing of a Si wafer 35. For example, this can be done by backside etching, wherein an oxide or nitride layer acts as an etch stop and forms the membrane in the finished array.
  • This exemplary embodiment has the particular advantage that heat losses in the carrier substrate can be prevented.
  • the membrane 30 has a thermally insulating effect, so that the heating power of the heater can be limited. As a result, the dimension of the heating element can be reduced for a given heat output. This contributes significantly to miniaturization.
  • FIG. 4 shows a third exemplary embodiment of a device according to the invention in cross section, which is likewise designed as a 3 ⁇ 3 sensor array 4 for the detection of a substance.
  • the reference numerals used correspond to those of FIGS. 2 and 3, as far as the same parts are designated.
  • the sensor elements of the second exemplary embodiment are arranged in a 3 ⁇ 3 array.
  • the heating elements 211-219 and the sensor elements 31-39 are arranged on a surface micromechanics 48 in the third exemplary embodiment.
  • This surface micromechanical system 48 consists of a base, which is formed by the substrate 40. Holes 41a-41c for isolation are introduced by selectively etching the substrate from the top by removing a sacrificial layer 45a-45c by etching.
  • the membranes 42a-42c corresponding channels, for. B. channels 421a-421c provided. After etching, the channels are closed by the cover layer 43.
  • a membrane 42a-42c which offers the above-described advantages relating to thermal and acoustic insulation.
  • the exemplary embodiments described are directed to the embodiment of the device according to the invention as a sensor for detecting the sorption of a substance.
  • the invention is not limited thereto.
  • Other application examples relate to a high-frequency filter designed as a device or an amplifier.
  • Further Application examples in which the output value of a corresponding device is determined by the resonant frequency of the piezoacoustic resonator element are conceivable. Due to the integrated design of piezoacoustic resonator element and heating element, the miniaturization of such a device can be made possible. By local generation of a predetermined operating temperature, the accuracy of the inventive device can be increased depending on the application of the value output by it.
  • a Si wafer element whose top layer is made of silicon oxide (Si x OyZS 1 O 2 ) is provided with a Pt layer by sputtering.
  • step 52 an electrode of the piezoacoustic resonator and a heating conductor is created by microstructuring.
  • the remaining steps 53 for constructing a BAW resonator are basically known in the art and therefore need not be discussed in any detail here. For example, by backside selective etching of a sacrificial layer, as described above with reference to FIG Membrane to be created. Further method steps include the deposition of a piezoelectric layer, the application of the second electrode and the corresponding contacting of the elements to create the device.
  • the electrode, heating element and measuring element of the sensor are formed from a layer section, which is controlled differently depending on the desired function.
  • step 61 a predetermined operating temperature of a piezoacoustic resonator element device having a heating element is set, i. controlled.
  • step 62 by applying an AC voltage to the electrodes of the piezoelectric layer of the piezoacoustic resonator element, a thickness vibration (i.e., volume vibration) having a resonance frequency is excited.
  • a thickness vibration i.e., volume vibration
  • step 63 an output signal is output as a function of the measured resonance frequency.
  • Such a method according to the invention is particularly meaningful if it is designed as a method for the detection of a substance.
  • it comprises the steps of bringing together a surface section of the piezoacoustic element set up for the sorption of a substance Resonator with a fluid containing the relevant substance to be detected.
  • the measurement of the resonant frequency depends on the mass of the deposited substance. This can be a differential measurement, ie a measurement of the
  • Resonant frequency act before and after attachment of the substance. From the measured resonance frequency can be concluded on the attachment of the substance in question in the fluid. By controlling the operating temperature of the device, a selective addition of a particular substance can take place, which accumulates at a predetermined temperature.
  • This exemplary embodiment includes the method step of evaluating the measured resonant frequency for detecting the relevant substance and outputting a respective output value.

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Abstract

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

Description

Beschreibung
VORRICHTUNG MIT PIΞZOAKÜSTISCHEM RESONATORELEMENT UND INTEGRIERTEM HEIZELEMENT, VERFAHREN ZU DESSEN HERSTELLUNG UND VERFAHREN ZUR AUSGABE EINES SIGNALS IN ABHÄNGIGKEIT EINER RESONANZFREQUENZ
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung umfassend mindestens ein piezoakustisches Resonatorelement mit einer piezoelektrischen Schicht und zwei an der piezoelektrischen Schicht anliegenden Elektroden, wobei das piezoakustische Resonatorelement derart beschaffen ist, dass durch Anlegen einer Wechselspannung an die piezoelektrische Schicht über die Elektroden eine Volumenschwingung der piezoelektrischen Schicht mit Resonanzfrequenz angeregt wird, ein Verfahren zur Herstellung einer derartigen Vorrichtung und ein Verfahren zur Ausgabe eines Signals in Abhängigkeit einer Resonanzfrequenz .
Piezoakustische Resonatorelemente dieses Typs, bei denen durch Anlegen eines Wechselspannungsfelds eine
Dickenschwingung, d.h. eine Korpervolumenschwingung, der piezoelektrischen Schicht mit Resonanzfrequenz angeregt wird, sind unter der englischen Bezeichnung „Bulk Acoustic Wave (BAW) Piezoelectric Resonator" bekannt geworden und wurden in erster Linie für Hochfrequenzanwendungen der Kommunikationselektronik entwickelt .
Die einfachste Konfiguration zur Realisierung eines BAW- Resonators ist eine Schicht aus einem piezoelektrischen Material, das bei geeigneter kristallographischer Orientierung, z. B. mit der c-Achse senkrecht zur Elektrodenflache, zwischen zwei Elektroden in Sandwichstruktur angeordnet ist.
In den Figuren 1 und 2 sind zwei grundsatzliche Typen der BAW-Resonatoren schematisch dargestellt, wie sie in dem Ubersichtsartikel von M. Dubois „Thin Film Bulk Acoustic Resonators: A Technology Overview", publiziert anlasslich der Tagung MEMSWAVE 03, Toulouse, France, JuIy 2-4, 2003, gezeigt sind .
Figur IA zeigt dabei ein Beispiel eines so genannten „Thin Film BuIk Acoustic Resonators (FBAR)" schematisch. Eine piezoelektrische AlN-Schicht 300 ist auf einem Tragersubstrat in Form eines Si-Wafers 400 aufgebracht. Auf der Unterseite und der Oberseite der piezoelektrischen Schicht sind
Elektroden 100 bzw. 200 angebracht. Wenn durch die Elektroden 100/200 ein elektrisches Wechselfeld an die piezoelektrische Schicht 300 angelegt wird, so tritt aufgrund des inversen piezoelektrischen Effekts eine Umwandlung der elektrischen Energie in mechanische Energie auf. Die resultierende akustische Volumenschwingung breitet sich innerhalb der piezoelektrischen Schicht aus, wobei die Fortschrittsrichtung parallel dem elektrischen Feld ist und die Welle an der Grenzflache Elektrode/Luft reflektiert wird. Die Resonanzschwingung wird erreicht, wenn die Dicke des
Schichtaufbaus des Resonators gleich der halben Wellenlange des Eingangssignals betragt. Zur Vermeidung akustischer Verluste in das Tragerssubstrat ist an der Unterseite der piezoelektrischen Schicht ein Hohlraum vorgesehen, sodass die akustischen Wellen an der Grenzflache Elektrode/Luft reflektiert werden können.
Figur IB zeigt einen Aufbau eines BAW-Resonators als so genannter Solidly Mounted Resonator (SMR) . Im Unterschied zum Aufbau der Figur 1 ist hier zur Vermeidung akustischer
Verluste in Richtung des Tragersubstrats ein akustischer Spiegel (Bragg-Reflektor) 500 zwischen der unteren Elektrode 300 und dem Substrat 400 vorgesehen. Dieser akustische Spiegel besteht aus mehreren Schichten mit stark unterschiedlicher akustischer Impedanz, die in wechselnder Folge angeordnet sind, beispielsweise Lagen von W/SiC>2 oder A1/A1N, etc. Die Schichtdicke betragt λ/4. Im Vergleich zu so genannten Oberflachenwellen-Resonatoren („Surface Acoustic Wave (SAW-Resonatoren) , die bereits seit längerem als Filterelemente Anwendung in der Hochfrequenztechnik finden, besteht ein prinzipieller Unterschied darin, dass im Falle der BAW-Resonatoren eine Dickenschwingung (Volumenschwingung) der piezoelektrischen Schicht angeregt wird, im Gegensatz zu Oberflachenwellen bei Oberflachenwellen-Resonatoren. Die Anregung einer Volumenschwingung (Korpervolumenschwingung) erfolgt durch geeignete Elektrodenanordnung in Kombination mit geeigneter kristallographischer Orientierung der piezoelektrischen Schicht. Je nach Konfiguration kann es sich bei der angeregten Volumenschwingung des piezoakustischen Resonatorelements um eine longitudinale Schwingung oder eine Dickenscherschwingung handeln.
Dieser grundsatzliche Unterschied zwischen Oberflachenwellen- Resonatoren (SAW-Resonatoren) und Korpervolumenwellen- Resonatoren (BAW-Resonatoren) hat je nach Anwendungsgebiet erhebliche Auswirkungen auf die elektrischen Eigenschaften der Komponenten. Beispielsweise erfolgt bei der Anwendung von BAW Resonatoren als Filterelement im Hochfrequenzbereich aufgrund des zwischen den beiden Elektroden erzeugten elektrischen Felds nur eine minimale Kopplung mit elektrischen Feldern außerhalb der Metalloberflachen. Des
Weiteren zeigen FBAR- bzw. BAW-Filter geringere elektrische Verluste im Durchlassbereich als OFW-Filter und sind darüber hinaus erheblich leistungsvertraglicher als diese.
Besondere Vorteile ergeben sich auch in Bezug auf die
Herstellungstechnologie, da sich BAW-Resonatoren in einfacher Weise mit Standard IC-Technologien (z. B. CMOS, BiC-MOS, etc.) auf einem Halbleiterchip als Tragersubstrat integrieren lassen .
Grundsatzlich kommen als Herstellungstechnologie für BAW- Resonatoren jedoch sowohl die Dickschichttechnik, die im Wesentlichen auf Siebdrucktechniken beruht und insbesondere für Strukturen im Bereich von >100 μm geeignet ist, als auch die Dünnschichttechnik, wie zum Beispiel die Abscheidung aus der Dampfphase über CVD-/PVD-Verfahren, in Betracht.
Auf Grund der Tatsache, dass über die Dünnschichttechnik
Strukturen im Großenbereich deutlich unterhalb 10 μm bis hin in den sub-μm-Bereich zuganglich sind, bietet sich diese im Hinblick auf die Erfordernisse der zunehmenden Integration und der fortschreitenden Miniaturisierung der verschiedenen Komponenten besonders an.
Beispielsweise wird in der eingangs zitierten Veröffentlichung von Marc-Alexandre Dubois, Thin Film BuIk Acoustic Wave Resonators: A Technology Overview, MEMS Wave 03, Toulouse, France, JuIy 2-4, 2003, als
Herstellungstechnologie für BAW Resonatoren reaktives Sputtering als Herstellungsprozess zum Wachstum von Aluminiumnitridschichten als piezoelektrische Schicht auf entsprechenden Elektroden beschrieben. So lasst sich, wie in dieser Veröffentlichung beschrieben, durch reaktives Sputtering eine 1,8 μm dicke AlN-Schicht mit einem piezoelektrischen Koeffizienten von d33,f von 5,3 + 0,22 pm/V erzeugen, was auf die hohe Qualität der durch den Sputterprozess erzeugten AlN-Schicht hinweist.
Neben AlN können grundsatzlich z. B. auch ZnO, PZT (Bleizirkonattitanat) oder Lithiumniobat als piezoelektrische Schicht verwendet werden, wobei jedoch AlN im Hinblick auf seine chemischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften Vorteile aufweist, insbesondere aber auch was die bereits angesprochene Integration auf einem Halbleiter Chip anbetrifft .
Wie eingangs erwähnt, sind BAW-Resonatoren ursprunglich als passive Komponenten für die Hochfrequenztechnik insbesondere für Systeme im Zielbereich von 1 bis 10 GHz entwickelt worden. Als Anwendungsbeispiele sind insbesondere die Herstellung von spannungsgesteuerten Oszillatoren (Voltage Controlled Oscillator, VCO) oder von Verstarkern (Low Noise Amplifier, LNA) zu nennen.
Neben der Anwendung als Komponenten der Hochfrequenztechnik ist die Anwendung eines BAW-Resonators als Sensor vorgeschlagen worden. Beispielsweise beschreibt die Anmeldung WO 2004/017063 A2 der Anmelderin einen Sensor zur Erfassung der Anlagerung einer bestimmten Substanz an der Oberflache des BAW-Resonators. Auf diese Weise lasst sich die betreffende Substanz identifizieren. Anlagerung kann dabei Adsorption und/oder Absorption bedeuten.
Strukturell weist der Resonator zu diesem Zweck eine sensitive Beschichtung auf, beispielsweise in Form eines Polymerfilms, die auf einer Elektrode des Resonators angebracht ist. Auf diesem Polymerfilm können verschiedene Substanzen, beispielsweise Kohlenwasserstoffe, absorbiert werden. Die zu detektierende Substanz befindet sich in einem Fluid (Gas oder Flüssigkeit), das als Messmedium dient. Zur Messung wird der Sensor in Kontakt mit dem Messmedium gebracht, das die Substanz enthalt, die sich an der sensitiven Beschichtung anlagern kann. Üblicherweise wird eine Mikrofluidik mit Messzelle verwendet, durch die das Messmedium an dem betreffenden Oberflachenabschnitt des Sensors vorbei strömt.
Der Oberflachenabschnitt des Sensors, an dem sich die betreffende Substanz anlagert, richtet sich in vielen Fallen nach der Art der zu detektierenden Substanz, um auf diese Weise eine bestimmte Substanz selektiv aus einem Gemisch mehrerer Substanzen detektieren zu können. Beispielsweise beschreibt die oben genannte Patentanmeldung die Detektion von DNA-Fragmenten mittels eines Sensors, der auf einem Oberflachenabschnitt der Elektrode eine Beschichtung mit einer ausgewählten DNA-Sequenz aufweist, die eine Anlagerung passender DNA-Sequenzen nach dem Schlussel-Schloss-Prinzip ermöglicht . Bei der Detektion von DNA ist es entscheidend, das Strange mit ein- oder mehrbasigen Mismatches gegenüber einem perfekten Match (komplementärer Strang) unterschieden werden können. Dies hangt in entscheidender Weise von dem Gleichgewichtszustand der Desorption der DNA-Strange an dem Oberflachenabschnitt ab. Dieser Gleichgewichtszustand der Desorption wird von den Gegebenheiten des entsprechenden Systems, wie zum Beispiel Art der Beschichtung, Konzentration der beteiligten Spezies, Temperatur, etc. bestimmt.
Durch die Anlagerung einer Substanz an dem Resonator ändert sich die Resonanzfrequenz in Abhängigkeit der Masse der angelagerten Substanz. Durch Messung der Resonanzfrequenz kann daher auf die Anlagerung einer Substanz ruckgeschlossen werden. Der betreffende Kennwert ist die Massensensitivitat des Resonators, die proportional zum Quadrat der Resonanzfrequenz des Resonators ist.
In der genannten Patentanmeldung wird der positive Einfluss einer äußerst geringen Schichtdicke der piezoelektrischen
Schicht im Bereich von 0,1 μm bis 20 μm beschrieben, was sich aufgrund des angesprochenen Zusammenhangs zwischen Massensensitivitat und Resonanzfrequenz positiv auf die Detektionsempfindlichkeit des Sensors auswirkt. Zudem ergeben sich Vorteile im Hinblick auf Integrationsdichte und
Miniaturisierung, insbesondere bei Sensor-Arrays, die mehrere derartige Sensorelemente enthalten.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Vorrichtung umfassend mindestens ein piezoakustisches Resonatorelement der eingangs genannten Art sowie ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Herstellung einer solchen Vorrichtung anzugeben. Insbesondere ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine derartige Vorrichtung, die als Sensor zur Detektion einer Substanz ausgestaltet ist, mit erhöhter Messgenauigkeit und erweitertem Einsatzbereich bereitzustellen . Darüber hinaus ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein optimiertes Verfahren zur Ausgabe eines Signals in Abhängigkeit einer Resonanzfrequenz eines piezoakustischen Resonators anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit piezoakustischem Resonatorelement mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. ein Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 22 gelost. Ein optimiertes Verfahren zur Ausgabe eines Signals in Abhängigkeit einer Resonanzfrequenz eines piezoakustischen Resonators wird in Anspruch 23 angegeben .
Bevorzugte Ausfuhrungsformen der Erfindung werden durch die abhangigen Ansprüche beschrieben.
Erfindungsgemaß umfasst die Vorrichtung eine Heizeinrichtung mit einem integriert mit dem piezoakustischen
Resonatorelement ausgebildeten Heizelement zur Steuerung der Arbeitstemperatur der Vorrichtung.
Die Arbeitstemperatur der Vorrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung kann die Temperatur des piezoakustischen Resonatorelements sein. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschrankt. Der Ort der
Arbeitstemperatur der Vorrichtung kann ein beliebiger Abschnitt der Vorrichtung selbst und/oder ein Umgebungsabschnitt nahe der Vorrichtung sein.
Insbesondere bei Ausgestaltung der Vorrichtung als Sensor zur Detektion einer Substanz kann die Arbeitstemperatur sich auf den Oberflachenabschnitt beziehen, an dem sich die zu detektierende Substanz anlagert. Auch die Temperatur des Messmediums, in dem sich die Substanz befindet, kann eine Arbeitstemperatur der Vorrichtung im Sinne der vorliegenden Erfindung darstellen.
Zur Integration der Heizeinrichtung mit dem piezoakustischen Resonatorelement ist das Heizelement der Heizeinrichtung vorteilhafterweise als Schicht ausgebildet. Diese Schicht kann im Wesentlichen aus einem Material bestehen, das als Widerstandsheizer zum Beheizen der Vorrichtung ausgebildet sein kann .
Vorteilhafterweise liegt die Dicke der Schicht im Bereich unterhalb 25 μm, besonders bevorzugt ist eine Schichtdicke < 10 μm, und am meisten bevorzugt wird eine Schichtdicke < 1 μm. Eine geringe Schichtdicke begünstigt die Integration des Heizelementes durch Nutzung von Verfahren der Dunnschichttechnologie, wie zum Beispiel Abscheideverfahren über PVD/CVD-Prozesse . Hierdurch wird es in besonders einfacher Weise ermöglicht, das Heizelement gemeinsam mit dem piezoakustischen Resonatorelement zu prozessieren.
Bei einer einfachen Ausgestaltung der erfindungsgemaßen Vorrichtung ist das als Schicht ausgebildete Heizelement gemeinsam mit dem piezoakustischen Resonatorelement auf einem Tragersubstrat ausgebildet.
Dabei können zwischen dem schichtformigen Heizelement und dem Tragersubstrat Zwischenschichten angeordnet sein. Beispielsweise können das piezoakustische Resonatorelement und das Heizelement in Schichttechnik auf Zwischenschichten angeordnet sein, die als akustischer Spiegel (Bragg- Reflektor) fungieren, der einen akustischen Verlust in Richtung des Substrats reduzieren soll.
Bei einer besonders einfachen und vorteilhaften Ausgestaltung ist das Tragersubstrat als Membran ausgebildet, die beispielsweise durch Ruckseitenatzung eines
Halbleitersubstrats mit Siθ2~ oder Si3N4-Schicht als Atzstopp hergestellt werden kann. Alternativ kann die Membran einen Hohlraum im Tragersubstrat abdecken, d.h. als
Oberflachenmikromechanik ausgebildet sein, wie in Fig. IA gezeigt . Bei BAW-Resonatoren dient die Verwendung einer Membran der akustischen Isolation, um zu verhindern, dass sich die angeregte Schwingung in das Tragersubstrat ausbreitet und zu akustischen Verlusten fuhrt. Durch Anordnung des Heizelementes auf einer Membran wird eine thermische Isolation der Einrichtung rückseitig bewirkt, was die erforderliche Heizleistung minimiert, da rückwärtige Warmediffusion und dadurch bedingte thermische Verluste nahezu vollständig verhindert werden können.
Auf diese Weise ergibt sich bei Anordnung des Heizelementes gemeinsam mit dem piezoakustischen Resonatorelement auf einer Membran der besondere Vorteil, dass gleichzeitig eine akustische und eine thermische Isolation erzielt werden kann.
Neben dem Heizelement kann die Heizeinrichtung übliche Funktionselemente zum Betreiben des Heizelementes wie z.B. Verbindungsmittel mit externer Stromversorgung etc. enthalten .
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst das Heizelement mehrere miteinander verbundene Teilabschnitte, die derart angeordnet sind, dass das Resonatorelement und/oder seine Umgebung von mehreren Seiten des Resonatorelements beheizbar sind. Bei einem besonders bevorzugten Ausfuhrungsbeispiel sind diese Teilabschnitte lateral mit gleichem Abstand zu Randabschnitten des Resonators angeordnet, so dass das Resonatorelement entlang seines Randes von den Teilabschnitten des Heizelements umfasst wird. Vorzugsweise betragt der Abstand zwischen dem Heizelement und der piezoelektrischen Schicht des piezoakustischen Resonators weniger als 100 μm, starker bevorzugt weniger 50 μm und am meisten bevorzugt weniger als 10 μm.
Erfindungsgemaß kann auch eine Elektrode des piezoakustischen Resonatorelements selbst als Heizelement verwendet werden. Das Heizelement kann durch übliche Techniken der Dickschichttechnologie hergestellt werden. Eine verbesserte Integrationsmoglichkeit und Miniaturisierung ergibt sich jedoch bei Verwendung von aus der Halbleitertechnik bekannten Dunnschichttechnologien zur Herstellung von Schichtdicken im sub-μm-Bereich bis hin in den nm-Bereich. Hierbei kann es sich um übliche PVD/CVD-Verfahren handeln.
Was die Materialbeschaffenheit des Heizelementes anbetrifft, wird vorzugsweise ein Material verwendet, das als Widerstandsheizer betrieben werden kann. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung von Metallen, die auch als Metallwiderstandsthermometer fungieren können. In diesem Fall kann das Heizelement auch als Temperaturmesselement betrieben werden, bei dem die Vorrichtung dazu eingerichtet wird, aus dem Widerstandswert des Heizelements, das hier als Temperaturmesselement fungiert, die Temperatur zu ermitteln. In diesem Zusammenhang ist insbesondere Platin zu nennen, dessen Temperaturkoeffizient des Widerstands von 3,85-10~3/°C betragt, bei einem Einsatzbereich von -200 bis +850 °C. Auch Nickel kann verwendet werden, wenn die zu messende Temperatur 150 °C nicht überschreitet. Nickel bietet insbesondere im Hinblick auf den geringeren Preis Vorteile gegenüber Platin.
Eine derartige Vorrichtung, bei der eine Heizeinrichtung und ein Temperatursensor integriert mit dem piezoakustischen Resonatorelement ausgebildet sind, kann eine Auswerteeinrichtung mit einer Speichereinrichtung umfassen, in der die entsprechende Kennlinie der Temperaturabhangigkeit des Widerstands für das gegebene Material abgelegt ist, sowie eine Ausleseeinrichtung zum Auslesen eines Temperaturwerts in Abhängigkeit des erfassten Widerstandswerts.
Auswerteeinrichtung und Ausleseeinrichtung können Bestandteil einer externen Vorrichtung sein, die in geeigneter Weise mit dem piezoakustische Resonatorelement und der
Temperaturerfassungseinrichtung, elektrisch verbunden ist. Elektrisch verbunden im Sinne der vorliegenden Erfindung kann eine übliche Wireless-Verbindung sein und ist nicht auf konventionelle Verdrahtung beschrankt.
Durch die Ausgestaltung der Vorrichtung mit Temperaturerfassungseinrichtung (Mikrosensor) und Heizeinrichtung wird eine geschlossene Temperaturregelung der Arbeitstemperatur des piezoakustischen Resonatorelements ermöglicht, die die Steuerung der Temperatur durch die Heizeinrichtung, die Erfassung der Arbeitstemperatur und die sich anschließende Regelung der Arbeitstemperatur in Abhängigkeit der erfassten Temperatur umfasst.
Auf diese Weise kann beispielsweise eine effektive Temperaturkompensation der Resonanzfrequenz vorgenommen werden, indem sichergestellt wird, dass die Vorrichtung bei einer vorgegebenen Temperatur betrieben wird.
Besondere Vorteile ergeben sich für den Fall der Ausgestaltung der erfindungsgemaßen Vorrichtung als Sensor zur Detektion einer Substanz, da durch Steuerung der Temperatur die Gleichgewichtsbedingungen der Anlagerung der zu detektierenden Substanz an dem Oberflachenabschnitt des piezoakustischen Resonatorelements gezielt gesteuert werden können. Auf diese Weise kann je nach zu detektierender Substanz die Genauigkeit der Messwerterfassung erhöht werden. Gleichzeitig kann der Einsatzbereich des Sensors vergrößert werden, da die Sorptionbedingungen, die neben der Temperatur durch das Messmedium (Gas, Flüssigkeit) , durch die zu detektierende Substanz sowie weitere gegebenenfalls in dem Messmedium befindliche Substanzen bestimmt werden, gezielt beeinflusst werden können. Auf diese Weise wird die Detektion von Substanzen zuganglich, die sich beispielsweise nur bei einer vorgegebenen Temperatur an dem Oberflachenabschnitt des Sensors anlagern.
„Detektion einer Substanz" im Sinne der vorliegenden
Erfindung kann der Identifikation einer Substanz dienen. Der Sensor kann jedoch beispielsweise auch als Massensensor zur Ermittlung einer angelagerten Menge ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang kann es vorteilhaft sein, dass sich die Heizeinrichtung an einer Position des Sensorelementes befindet, die gewahrleistet, dass sich die Heizeinrichtung in Kontakt mit dem Messmedium befindet. Hierdurch kann eine effektive Erwärmung des Messmediums, das beispielsweise durch eine Flusszelle des Sensors strömt, erzielt werden.
Die Erfindung umfasst auch ein Herstellungsverfahren zur Herstellung einer erfindungsgemaßen Vorrichtung. Bei diesem Verfahren wird ein Tragersubstrat mit einer metallischen Schicht beschichtet. Durch Mikrostrukturierung dieser metallischen Schicht wird anschließend eine Elektrode des piezoakustischen Resonatorelements und das Heizelement erstellt. Der wesentliche Aspekt ist dabei, dass durch
Mikrostrukturierung von nur einer metallischen Schicht in einem Arbeitsgang ein Teil des piezoakustischen Resonatorelements und das Heizelement erstellt werden können. Besonders geeignet zur Mikrostrukturierung sind photolithographische Verfahren, wie sie grundsatzlich aus der Halbleitertechnik bekannt sind.
Das erfindungsgemaße Verfahren ermöglicht eine erhebliche Rationalisierung des Fertigungsprozesses, da der Mehraufwand äußerst gering ist und im Wesentlichen auf eine Anpassung des Layouts begrenzt ist.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird z. B. durch Abscheidung aus der Dampfphase Platin auf das Substrat aufgebracht. Platin eignet sich aufgrund seiner
Temperaturabhangigkeit des Widerstandes auch als
Widerstandsthermometer, so dass in einem Verfahrensschritt eine Elektrode des Resonatorelements, ein Heizelement der
Heizeinrichtung und ein Messelement einer Temperaturerfassungseinrichtung durch Mikrostrukturierung der aufgebrachten Schicht hergestellt werden können.
Dies ist insbesondere bei Ausgestaltung der Vorrichtung als Sensor zur Detektion der Sorption einer Substanz von besonderem Vorteil, da auf diese Weise die gewünschte Temperatur zur Sorption einer vorbestimmten Substanz im Umgebungsbereich der Vorrichtung, insbesondere im Bereich des Oberflachenabschnitts zur Anlagerung der Substanz, präzise geregelt, d.h. gesteuert und gemessen, werden kann.
Alle drei Funktionselemente, Heizelement, Messelement und Elektrode, können dabei durch denselben Schichtabschnitt realisiert werden, der unterschiedlich angesteuert wird.
Der Resonator und das Heizelement können über das Tragersubstrat mit einem Hochfrequenzsubstrat (z. B. LTCC- (Low Temperature Cofired Ceramics) Substrat) durch Bondpads über Flip Chip Technik kontaktiert sein, beispielsweise als Modul. Dies dient der Verbesserung der elektrischen Eigenschaften des Hochfrequenzbauteils, da Induktivitäten entsprechender Verbindungsdrahte vermieden werden können. Zudem ermöglicht es die Flip-Chip-Technik, die grundsatzlich aus der Halbleitertechnologie bekannt ist, eine erhöhte
Packungsdichte der verschiedenen Komponenten zu erzielen und tragt damit erheblich zur verbesserten Integration und Miniaturisierung bei der Erstellung ganzer HF-Module bei.
Die Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zur Ausgabe eines Signals, das von einer Resonanzfrequenz abhangt, mit den Schritten Steuern der Arbeitstemperatur eines piezoakustischen Resonatorelements einer Vorrichtung umfassend mindestens ein piezoakustisches Resonatorelement mit einer piezoelektrischen Schicht und zwei mit der piezoelektrischen Schicht elektrisch kontaktierten Elektroden, wobei das piezoakustische Resonatorelement derart beschaffen ist, dass durch Anlegen einer Wechselspannung an die piezoelektrische Schicht über die Elektroden eine akustische Volumenschwingung der piezoelektrischen Schicht mit Resonanzfrequenz angeregt wird, durch ein Heizelement, Anregen einer Volumenschwingung der piezoelektrischen Schicht des piezoakustischen Resonatorelements mit Resonanzfrequenz, und Ausgeben eines Ausgabesignals in Abhängigkeit der gemessenen Resonanzfrequenz.
Bei einem besonders vorteilhaften Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemaßen Verfahrens handelt es sich um ein Verfahren zur
Detektion einer Substanz, das vorzugsweise unter Verwendung der erfindungsgemaßen Vorrichtung erfolgt. Dieses Verfahren beinhaltet die Schritte Zusammenbringen des Fluids und des piezoakustischen Resonators derart, dass die Substanz an einem Abschnitt des Resonators absobiert und/oder adsobiert werden kann, und Bestimmen einer Resonanzfrequenz des Resonators, wobei aus der Resonanzfrequenz auf die im Oberflachenabschnitt angelagerte Menge der Substanz geschlossen werden kann. Bei dem erfindungsgemaßen Verfahren wird vor dem Schritt des Bestimmens der Resonanzfrequenz die Steuerung der Arbeitstemperatur der Vorrichtung mit dem piezoakustische Resonatorelement vorgenommen.
Bei dem erfindungsgemaßen Verfahren kann vorteilhafterweise zusatzlich die Arbeitstemperatur der Vorrichtung mit einem entsprechenden piezoakustischem Resonatorelement gemessen werden. Dies erfolgt in besonders einfacher Weise durch die oben beschriebene Vorrichtung, bei der gleichzeitig ein Temperaturmesselement und ein Heizelement miteinander integriert sind. Das Verfahren kann dabei den Schritt des Regeins der Arbeitstemperatur, d.h. die Steuerung in Abhängigkeit der gemessenen Temperatur als Regelschleife, beinhalten .
Auf diese Weise kann je nach zu detektierender Substanz die Genauigkeit des Sensors erheblich erhöht werden. Außerdem ermöglicht es das Verfahren beispielsweise bestimmte Substanzen, die bei Raumtemperatur nicht detektiert werden können, zu erfassen.
Die vorliegende Erfindung ergibt insbesondere die folgenden Vorteile : • Durch geringen Mehraufwand und Prozessierung kann mit dem Heizelement ein weiteres notwendiges Element auf dem Tragersubstrat (Chip) integriert werden.
• Der erfindungsgemaße Aufbau der Vorrichtung tragt insbesondere bei stark miniaturisierten System vor allem der Integration Rechnung.
• Im Gegensatz zu einer diskreten Losung kann das
Heizelement sehr nahe an den piezoakustischen Resonator herangeführt werden, wodurch sich das aufzuheizende Volumen verkleinert und dadurch die Heizleistung sinken kann. Dies kann gerade bei wireless-auslesbaren Sensoren von erheblichem Vorteil sein.
• Insbesondere bei der Verwendung von Platin kann durch Auswerten des Widerstands des Heizelements gleichzeitig ein Temperaturfühler bereitgestellt werden. Hierdurch wird eine vollständige Temperaturregelung ermöglicht.
• Durch Einstellung einer Arbeitstemperatur des piezoakustischen Resonatorelements kann dem Temperaturgang der Resonanzfrequenz Rechnung getragen werden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und weitere Details der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden anhand verschiedener Ausfuhrungsbeispiele mit Bezug auf die Figuren beschrieben .
Fig. IA und B zeigen schematisch im Querschnitt den Aufbau eines FBAR- und eine SMR-Resonators als Beispiele für BAW-Resonatoren, die aus dem Stand der Technik bekannt sind.
Fig. 2A zeigt schematisch den Aufbau eines
Ausfuhrungsbeispiels der erfindungsgemaßen Vorrichtung mit integrierter Heizeinrichtung im Querschnitt .
Fig. 2B zeigt eine Draufsicht auf das in Fig. 1 gezeigte erste Ausfuhrungsbeispiel der Erfindung.
Fig. 3 zeigt den schematischen Aufbau eines zweiten Ausfuhrungsbeispiels der erfindungsgemaßen Vorrichtung im Querschnitt.
Fig. 4 zeigt den schematischen Aufbau eines dritten Ausfuhrungsbeispiels der erfindungsgemaßen Vorrichtung im Querschnitt.
Fig. 5 zeigt ein Ablaufdiagram eines Ausfuhrungsbeispiels eines Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemaßen Vorrichtung.
Fig. 6 zeigt ein Ablaufdiagram eines Ausfuhrungsbeispiels eines erfindungsgemaßen Verfahrens zur Ausgabe eines Signalwertes, der von einer Resonanzfrequenz abhangt.
Das in den Fig. 2A und 2B gezeigte Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemaßen Vorrichtung betrifft ein 3x3 Sensorarray 2, umfassend 9 Sensoreinzelelemente 21-29. Die Einzelelemente 21-29 werden je von einem piezoakustisches Resonatorelement mit einer piezoelektrischen Schicht 21a, 22a, 23a aus AlN und zwei an der piezoelektrischen Schicht 21a, 22a, 23a anliegenden Elektroden 21b, 22b, 23b bzw. 21c, 22c, 23c gebildet. Die Elektroden bestehen aus Pt. Bei dem in Fig. 2 gezeigten ersten Ausfuhrungsbeispiel sind die beiden
Elektroden 21b, 22b, 23b bzw. 21c, 22c, 23c auf der Oberseite der piezoelektrischen Schichten 21a, 22a, 23a angeordnet. Die resultierende Volumenschwingung ist eine Dickenscherschwingung .
In der Draufsicht der Fig. 2b ist von oben jeweils eine Sensorflache mit Beschichtung 201-209 zu erkennen, an der sich die zu detektierende Substanz des Messmediums anlagern kann. Im vorliegenden Ausfuhrungsbeispiel handelt es sich um eine chemisch sensitive Beschichtung, bestehend aus einer bestimmten DNA-Sequenz . An diese DNA-Sequenz kann eine korrespondierende DNA-Sequenz nach dem Schlussel-Schloss- Prinzip andocken, so dass eine Selektivität bezuglich eines Gemisches verschiedener DNA-Sequenzen gegeben ist. Dabei kann die entsprechende DNA-Sequenz unter der Bildung von Wasserstoffbruckenbindungen an den Beschichtungen 201-209 chemiesorbiert werden.
Die einzelnen Sensorelemente 21-29 sind auf einem Halbleitersubstrat 20 angeordnet. Zwischen dem Halbleitersubstrat 20 und den einzelnen Sensorelementen 21-29 ist ein akustischer Spiegel 210 vorgesehen, der aus λ/4- dicken Einzelschichten besteht, die eine stark unterschiedliche akustische Impedanz aufweisen. Der Spiegel 210 dient als Braggreflektor zur Verringerung der akustischen Verluste in Richtung des Tragersubstrats.
Wenngleich in Fig. 2 nicht explizit gezeigt, kann in dem
Halbleitersubstrat eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der Resonanzfrequenz integriert sein. Die Realisierung der entsprechenden an sich bekannten Schaltkreise (Schwingkreis zum Auslesen der Resonanzfrequenz) kann durch übliche Halbleitertechnologien, wie zum Beispiel die Bipolar- oder CMOS-Technologie erfolgen. Auf diese Weise kann die Vorrichtung als vollständiges Messmodul ausgebildet sein, in Form eines so genannten "Lab on a Chip" .
Auf dem Halbleitersubstrat 20 sind eine Mehrzahl von
Heizelementen 211-219 angeordnet, die, wie aus Fig. 2B ersichtlich, die einzelnen Sensorelemente 21-29 quadratisch umfassen. Der laterale Abstand d zwischen dem inneren Rand der Heizelemente 211-219 und dem äußeren Rand der Sensorelemente 21-29 betragt im vorliegenden
Ausfuhrungsbeispiel 50 μm, kann jedoch auch darunter liegen, z.B. bei kleiner lOμm. Die Schichtdicke der Platinleiterbahnen, die die Heizelemente 211-219 bilden, betragt bei diesem Ausfuhrungsbeispiel 500 nm, die Breite 2 μm.
Durch die symmetrische Anordnung der Heizelemente 211-219 in Bezug auf die Sensorelemente 21-29 ist gewahrleistet, dass samtliche Sensorelemente 21-29 bei gleicher Arbeitstemperatur eingesetzt werden können.
Wenngleich in Fig. 2a die Heizelemente 211-219 in der schematischen Darstellung ungefähr die gleiche Dicke aufweisen wie die beschichteten piezoakustischen Resonatorelemente 21-29, so wird darauf hingewiesen, dass diese Abbildung nicht maßstablich ist und die Dicke der Heizelemente 211-219 bei vielen Anwendungen im Bereich der Schichtdicke der unteren Elektrode 21c liegt.
Fig. 3 zeigt einen Querschnitt eines zweiten
Ausfuhrungsbeispiels einer erfindungsgemaßen Vorrichtung, die als 2x2 Sensorarray 3 ausgestaltet ist. Der Aufbau dieser Vorrichtung entspricht grundsatzlich dem in Fig. 2 gezeigten Aufbau, bis auf den Unterschied, dass bei diesem Ausfuhrungsbeispiel die Elektroden 31b, 31c bzw. 32b, 32c jeweils auf der Unterseite bzw. der Oberseite der piezoelektrischen Schichten 31a, 32a angeordnet sind. Zwischen den Elektroden 31b und 31c bzw. 32b und 32c, ist eine zusatzliche Isolation 39 vorgesehen. Darüber hinaus werden identische Bezugszeichen verwendet, soweit gleiche Teile bezeichnet sind.
Im Gegensatz zum Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 2 sind beim
Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 3 die Sensorelemente 31-32 und die Heizelemente 311-312 auf einer Membran 30 angeordnet. Es handelt sich um eine freistehende Membran, die durch rückseitige Bearbeitung eines Si-Wafers 35 hergestellt wurde. Beispielsweise kann dies durch Ruckseitenatzung erfolgen, wobei eine Oxid- oder Nitridschicht als Atzstopp fungiert und die beim fertig gestellten Array die Membran bildet. Dieses Ausfuhrungsbeispiel hat insbesondere den Vorteil, dass Warmeverluste in das Tragersubstrat verhindert werden können. Die Membran 30 hat dabei eine thermisch isolierende Wirkung, so dass die Heizleistung der Heizvorrichtung begrenzt werden kann. Hierdurch kann bei gegebener Heizleistung die Abmessung des Heizelementes verringert werden. Dies tragt erheblich zur Miniaturisierung bei.
Fig. 4 zeigt ein drittes Ausfuhrungsbeispiel einer erfindungsgemaßen Vorrichtung im Querschnitt, das ebenfalls als 3x3 Sensorarray 4 zur Detektion einer Substanz ausgebildet ist. Die verwendeten Bezugszeichen entsprechen denen der Fig. 2 und 3, soweit gleiche Teile bezeichnet sind. Bei diesem Ausfuhrungsbeispiel sind die Sensorelemente des zweiten Ausfuhrungsbeispiels zu einem 3x3 Array angeordnet.
Im Unterschied zu dem ersten und dem zweiten Ausfuhrungsbeispiel der erfindungsgemaßen Vorrichtung sind beim dritten Ausfuhrungsbeispiel die Heizelemente 211-219 und die Sensorelemente 31-39 auf einer Oberflachenmikromechanik 48 angeordnet. Diese Oberflachenmikromechanik 48 besteht aus einer Basis, die durch das Substrat 40 gebildet wird. Hohlräume 41a-41c zur Isolation sind durch selektives Atzen des Substrats von der Oberseite eingebracht, indem eine Opferschicht 45a-45c durch Atzen entfernt wurde. Hierfür sind in den Membranen 42a-42c entsprechende Kanäle, z. B. Kanäle 421a-421c, vorgesehen. Nach dem Atzvorgang werden die Kanäle durch die Deckschicht 43 verschlossen. Im Ergebnis resultiert ebenfalls jeweils eine Membran 42a-42c, die die oben geschilderten Vorteile bezuglich thermischer und akustischer Isolation bietet.
Die beschriebenen Ausfuhrungsbeispiele sind auf die Ausgestaltung der erfindungsgemaßen Vorrichtung als Sensor zur Detektion der Sorption einer Substanz gerichtet. Die Erfindung ist jedoch nicht hierauf beschrankt. Andere Anwendungsbeispiele betreffen ein als Hochfrequenzfilter ausgestaltetes Bauelement oder einen Verstarker. Weitere Anwendungsbeispiele, bei denen der Ausgangswert einer entsprechenden Vorrichtung durch die Resonanzfrequenz des piezoakustischen Resonatorelements bestimmt wird, sind vorstellbar. Durch die integrierte Ausgestaltung von piezoakustischen Resonatorelement und Heizelement kann die Miniaturisierung einer derartigen Vorrichtung ermöglicht werden. Durch ortsnahe Erzeugung einer vorbestimmten Arbeitstemperatur kann je nach Anwendungsfall die Genauigkeit der erfindungsgemaßen Vorrichtung bezuglich des von ihr ausgegebenen Wertes erhöht werden.
Details der Strukturen der oben genannten Ausfuhrungsbeispiele können in Abhängigkeit der beabsichtigten Anwendung miteinander kombiniert werden, um auf diese Weise für den speziellen Anwendungsfall optimierte weitere Ausfuhrungsbeispiele bereitzustellen. Soweit derartige Modifikationen der beschriebenen Ausfuhrungsbeispiele für den Fachmann ohne weiteres ersichtlich sind, sind sie durch die obige Beschreibung als implizit offenbart anzusehen.
Im Folgenden unter Bezugnahme auf Figur 5 ein Ausfuhrungsbeispiel eines Verfahrens zur Herstellung der erfindungsgemaßen Vorrichtung beschrieben.
In Schritt 51 wird ein Si-Wafer-Element, dessen Deckschicht aus Siliziumoxid (SixOyZS1O2) besteht, mit einer Pt-Schicht durch Aufsputtern versehen.
In Schritt 52 wird durch Mikrostrukturierung eine Elektrode des piezoakustischen Resonators sowie ein Heizleiter erstellt .
Die übrigen Schritte 53 zum Aufbau eines BAW Resonators sind grundsatzlich aus der Technik bekannt und bedürfen daher an dieser Stelle keiner detaillierten Erörterung. Beispielsweise kann durch rückseitiges selektives Atzen einer Opferschicht, wie mit Bezug auf die Figur 4 oben beschrieben wurde, eine Membran erstellt werden. Weitere Verfahrensschritte umfassen das Abscheiden einer piezoelektrischen Schicht, das Aufbringen der zweiten Elektrode sowie die entsprechende Kontaktierung der Elemente zur Erstellung der Vorrichtung.
Wie bereits erwähnt, ist es besonders vorteilhaft die untere oder die obere Elektrode sowie das Heizelement durch Mikrostrukturierung derselben Pt-Schicht zu erstellen. Auf diese Weise ist es möglich nicht nur Elektrode bzw. Heizelement aus einer Schicht zu erstellen, sondern auch Messelement eines Temperatursensors.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung werden Elektrode, Heizelement und Messelement des Sensors aus einem Schichtabschnitt gebildet, der je nach gewünschter Funktion unterschiedlich angesteuert wird.
Bezugnehmend auf Fig. 6 wird ein Ausfuhrungsbeispiel eines Verfahrens zur Ausgabe eines Signals, das von einer Resonanzfrequenz abhangt, beschrieben.
In Schritt 61 wird eine vorbestimmte Arbeitstemperatur einer Vorrichtung mit piezoakustischem Resonatorelement mit einem Heizelement eingestellt, d.h. gesteuert.
In Schritt 62 wird durch Aufbringen einer Wechselspannung an die Elektroden der piezoelektrischen Schicht des piezoakustischen Resonatorelements eine Dickenschwingung (d.h. Volumenschwingung) mit Resonanzfrequenz angeregt.
In Schritt 63 erfolgt das Ausgeben eines Ausgabesignals in Abhängigkeit der gemessenen Resonanzfrequenz.
Besonders sinnvoll ist ein derartiges erfindungsgemaßes Verfahren, wenn es als Verfahren zur Detektion einer Substanz ausgestaltet ist. Hierbei umfasst es die Schritte Zusammenbringen eines zur Sorption einer Substanz eingerichteten Oberflachenabschnitts des piezoakustischen Resonators mit einem Fluid, das die betreffende zu detektierende Substanz enthalt. Nach Anlagerung der Substanz erfolgt die Messung der Resonanzfrequenz die von der Masse der angelagerten Substanz abhangt. Es kann sich hierbei um eine differenzielle Messung, d.h. eine Messung der
Resonanzfrequenz vor und nach Anlagerung der Substanz handeln. Aus der gemessenen Resonanzfrequenz kann auf die Anlagerung der betreffenden Substanz in dem Fluid ruckgeschlossen werden. Durch Steuerung der Arbeitstemperatur der Vorrichtung kann eine selektive Anlagerung einer bestimmten Substanz erfolgen, die sich bei einer vorgegebenen Temperatur anlagert. Dieses Ausfuhrungsbeispiel beinhaltet den Verfahrensschritt der Auswertung der gemessenen Resonanzfrequenz zur Detektion der betreffenden Substanz und Ausgabe eines betreffenden Ausgabewertes.

Claims

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

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111811426A (zh) * 2020-06-29 2020-10-23 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 微机电系统结构的调控方法及装置

Families Citing this family (18)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102005043037B4 (de) * 2005-09-09 2009-04-09 Siemens Ag Vorrichtung mit piezoakustischem Resonatorelement, Verfahren zu dessen Herstellung und Verfahren zur Ausgabe eines Signals in Abhängigkeit einer Resonanzfrequenz
US8410868B2 (en) * 2009-06-04 2013-04-02 Sand 9, Inc. Methods and apparatus for temperature control of devices and mechanical resonating structures
WO2011003583A1 (de) * 2009-07-07 2011-01-13 Eth Zurich Sensor als biochip
US9490418B2 (en) 2011-03-29 2016-11-08 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Acoustic resonator comprising collar and acoustic reflector with temperature compensating layer
US9401692B2 (en) 2012-10-29 2016-07-26 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Acoustic resonator having collar structure
US9490771B2 (en) * 2012-10-29 2016-11-08 Avago Technologies General Ip (Singapore) Pte. Ltd. Acoustic resonator comprising collar and frame
US9240767B2 (en) * 2012-05-31 2016-01-19 Texas Instruments Incorporated Temperature-controlled integrated piezoelectric resonator apparatus
US9129886B2 (en) 2012-11-07 2015-09-08 Texas Instruments Incorporated Integrated piezoelectric resonator and additional active circuit
WO2015190322A1 (ja) * 2014-06-12 2015-12-17 株式会社村田製作所 圧電デバイス
WO2016114172A1 (ja) 2015-01-13 2016-07-21 株式会社村田製作所 圧電デバイスの製造方法
JP6365690B2 (ja) * 2015-01-13 2018-08-01 株式会社村田製作所 圧電デバイスの製造方法
DE102015225470A1 (de) * 2015-12-16 2017-06-22 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren zur Detektion und Substanzdetektor
US11209394B2 (en) 2016-07-26 2021-12-28 Qorvo Us, Inc. Cartridges for integrated BAW biosensors and methods for using the same
US11467126B2 (en) 2016-07-29 2022-10-11 Qorvo Us, Inc. BAW biosensor including heater and temperature sensor and methods for using the same
KR20200048289A (ko) * 2018-10-29 2020-05-08 삼성전자주식회사 공진기 센서 소자
FR3094089B1 (fr) * 2019-03-20 2021-07-23 Commissariat Energie Atomique Capteur de gaz par mesure gravimétrique
DE102020130172B3 (de) * 2020-11-16 2022-06-15 Tdk Electronics Ag Akustischer Transponder, Verwendung eines akustischen Transponders, Verfahren zur Herstellung eines Transponders und akustisches Übertragungssystem
WO2023188760A1 (ja) * 2022-03-31 2023-10-05 太陽誘電株式会社 検出装置およびその製造方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5212988A (en) * 1988-02-29 1993-05-25 The Reagents Of The University Of California Plate-mode ultrasonic structure including a gel
US5674742A (en) * 1992-08-31 1997-10-07 The Regents Of The University Of California Microfabricated reactor

Family Cites Families (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5587620A (en) * 1993-12-21 1996-12-24 Hewlett-Packard Company Tunable thin film acoustic resonators and method for making the same
US5696423A (en) * 1995-06-29 1997-12-09 Motorola, Inc. Temperature compenated resonator and method
DE19644290C2 (de) * 1996-10-24 1998-09-24 Fraunhofer Ges Forschung Sensorelement zur gleichzeitigen Messung von zwei verschiedenen Eigenschaften einer chemisch sensitiven Substanz in einem Fluid
US7468608B2 (en) 2002-07-19 2008-12-23 Siemens Aktiengesellschaft Device and method for detecting a substance of a liquid
FR2857785B1 (fr) * 2003-07-17 2005-10-21 Commissariat Energie Atomique Resonateur acoustique de volume a frequence de resonance ajustee et procede de realisation
AT414045B (de) * 2003-11-26 2006-08-15 Univ Wien Tech Sensor
US7061086B2 (en) * 2004-09-01 2006-06-13 Bliley Technologies Inc. Silicon package for piezoelectric device

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5212988A (en) * 1988-02-29 1993-05-25 The Reagents Of The University Of California Plate-mode ultrasonic structure including a gel
US5674742A (en) * 1992-08-31 1997-10-07 The Regents Of The University Of California Microfabricated reactor

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FERRARI M ET AL: "Cavitand-coated PZT resonant piezo-layer sensors: properties, structure, and comparison with QCM sensors at different temperatures under exposure to organic vapors", SENSORS AND ACTUATORS B, ELSEVIER SEQUOIA S.A., LAUSANNE, CH, vol. 103, no. 1-2, 29 September 2004 (2004-09-29), pages 240 - 246, XP004560587, ISSN: 0925-4005 *
RUBY R ET AL: "Micromachined thin film bulk acoustic resonators", FREQUENCY CONTROL SYMPOSIUM, 1994. 48TH., PROCEEDINGS OF THE 1994 IEEE INTERNATIONAL BOSTON, MA, USA 1-3 JUNE 1994, NEW YORK, NY, USA,IEEE, 1 June 1994 (1994-06-01), pages 135 - 138, XP010137881, ISBN: 0-7803-1945-1 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111811426A (zh) * 2020-06-29 2020-10-23 中国人民解放军军事科学院国防科技创新研究院 微机电系统结构的调控方法及装置

Also Published As

Publication number Publication date
US7965019B2 (en) 2011-06-21
US20100134209A1 (en) 2010-06-03
DE102005043039A1 (de) 2007-03-22
DE102005043039B4 (de) 2008-10-30

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