專利名稱：一種基于差頻式薄膜體聲波諧振器的微質(zhì)量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種對極微小質(zhì)量進(jìn)行高精度測量的微質(zhì)量傳感器，特別涉及一 種基于差頻式薄膜體聲波諧振器(FBAR)的微質(zhì)量傳感器。
背景技術(shù)：
微質(zhì)量傳感器是一種將微小的質(zhì)量變化轉(zhuǎn)化為頻率信號的傳感器。它正在被 越來越多地應(yīng)用于化學(xué)和生物環(huán)境中，用以進(jìn)行氣體和液體的成分分析、微質(zhì)量 的測量、薄膜厚度的測量以及壓力檢測等。在軍事和安全方面，它也有著很重要 的用途，可以用作地鐵、客車、劇院等人口眾多地點(diǎn)的有毒氣體探測和爆炸物的 檢測等，以防止恐怖事件的發(fā)生。
目前已知的石英晶體微量天平(Quartz Crystal Microbalance，簡稱QCM) 是一個(gè)典型的微質(zhì)量傳感器，在不同的領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。這種傳感器利用了 石英晶體諧振器的諧振特性，將石英晶體諧振器電極表面質(zhì)量的變化轉(zhuǎn)化為石英 晶體振蕩電路輸出電信號的頻率變化。由于石英晶體不可能做得很薄，因此其工 作基頻一般在幾十兆赫茲以下。這樣，對極微小的質(zhì)量的測量就有很大的困難。
和已知的石英晶體微量天平(QCM)相比，本發(fā)明有二個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)， 一是提高
了質(zhì)量傳感器的靈敏度；二是提高了測量的準(zhǔn)確性，克服了外界環(huán)境(如環(huán)境溫 度等)對傳感器系統(tǒng)的影響。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了解決上述晶體微量天平(QCM)靈敏度低的困難，而提 供一種基于差頻式薄膜體聲波諧振器(FBAR)的微質(zhì)量傳感器，該微質(zhì)量傳感器為 采用了基于薄膜體聲波諧振器(FBAR)的微質(zhì)量傳感器，它的諧振頻率可以達(dá)到 幾千兆赫茲，從而大大地提高傳感質(zhì)量的靈敏度。由于采用了差頻式的結(jié)構(gòu)，可
以精確地測量頻率變化量，從而也大大地提高了測量準(zhǔn)確度，并可以消除外界環(huán) 境(如環(huán)境溫度等)對系統(tǒng)的影響。 本發(fā)明的技術(shù)方案如下
本發(fā)明提供的基于差頻式薄膜體聲波諧振器的微質(zhì)量傳感器，包括
用于質(zhì)量傳感的質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器100、用于產(chǎn)生參考頻率的薄膜體 聲波諧振器200、第一高頻振蕩電路300、第二高頻振蕩電路400、 DC/DC直流升 壓偏置電路500、高頻放大電路600、高頻混頻電路700、低通濾波電路800和頻 率測量和顯示裝置900;
所述用于質(zhì)量傳感的質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器100和第一高頻振蕩電路300 — 起構(gòu)成第一高頻振蕩器，產(chǎn)生一高頻信號/01，當(dāng)質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器100上 的質(zhì)量負(fù)載有微小的變化時(shí)，第一高頻振蕩電路300輸出信號的頻率也相應(yīng)地變化， 即輸出的高頻信號頻率為/w—A/，其中，頻率的變化量A/是質(zhì)量負(fù)載引起的；
所述用于產(chǎn)生參考頻率的薄膜體聲波諧振器200和第二高頻振蕩電路400—起構(gòu) 成第二高頻振蕩器，產(chǎn)生一參考的高頻信號力2((理想的情況下，/Ql=/C2)，此信號經(jīng) 過高頻放大電路600放大后與第一高頻振蕩電路300輸出信號共同作為輸入端連接到 高頻混頻電路700上進(jìn)行混頻，混頻后的輸出經(jīng)過低通濾波電路800得到微質(zhì)量負(fù)載 引起的頻率變化量A/，此頻率變化量通過頻率測量和顯示裝置900直接給出。
本發(fā)明提供的基于差頻式薄膜體聲波諧振器的微質(zhì)量傳感器，還可包括一 DC/DC 直流升壓偏置電路500;所述DC/DC直流升壓偏置電路500通過一個(gè)大的電阻或電感元 件加到薄膜體聲波諧振器200上產(chǎn)生一個(gè)高于供電電壓的直流電壓；此直流電壓用于微 調(diào)薄膜體聲波諧振器200的頻率。
當(dāng)薄膜體聲波諧振器(FBAR) 100和用于產(chǎn)生參考頻率的薄膜體聲波諧振器 200的諧振頻率比較接近時(shí)，所述DC/DC直流升壓偏置電路(500)也可以不設(shè)。
所述的質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器100和薄膜體聲波諧振器200為制作在一片基 片上二個(gè)相同的單元；
所述質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器100和薄膜體聲波諧振器200封裝在同一管殼 內(nèi)，或者經(jīng)切割后封裝在不同的管殼內(nèi)。
所述的質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器100和薄膜體聲波諧振器200工作在基頻 或髙次諧波上。
所述的質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器100由基片106和依次覆于所述基片106的支
撐層105、下電極104、壓電薄膜103、絕緣層102和上電極101組成；
所述基片106為半導(dǎo)體工藝中常用的摻雜硅基片、本征硅基片或砷化鎵基片； 所述支撐層105為淀積在所述基片106上的低應(yīng)力氮化硅膜、直接熱氧化在
基片106上的二氧化硅膜；或?yàn)樽⑷牖驍U(kuò)散在基片106上的濃硼擴(kuò)散膜；
所述下電極104為金屬電極；該金屬電極為鋁電極、金電極、鋁/鈦復(fù)合層金
屬電極，或金鉻復(fù)合層電極；所述下電極104引出導(dǎo)線與模擬地線相連接；
當(dāng)所述的支撐層105是較好的導(dǎo)電層時(shí)(如濃硼擴(kuò)散的形成的膜)，所述的下
電極104可以沒有，導(dǎo)線可以直接從所述的支撐層105引出與模擬地線相連接； 所述壓電薄膜103為磁控濺射方法生成的壓電薄膜、化學(xué)微加工方法制作的壓電單
晶薄膜、或?yàn)橛肧ol-gel溶膠法帝,的PZT壓電薄膜；其厚度為0.1微米 30微米。 所述絕緣層102為用磁控濺射方法生成的二氧化硅層、LTO絕緣層；所述的
絕緣層102也可以沒有；
所述上電極101為鋁或金金屬電極；或者為鋁/鈦復(fù)合層金屬電極，或者為金
鉻復(fù)合層電極；所述的上電極101引出導(dǎo)線與所述的第一高頻振蕩電路300相連 接；所述上電極IOI為質(zhì)量傳感的敏感區(qū)；
所述的薄膜體聲波諧振器200的上電極201引出導(dǎo)線與所述的第二高頻振蕩 電路400和所述的DC/DC直流升壓偏置電路500相連接；
所述第一高頻振蕩電路300為由半導(dǎo)體晶體管或集成放大器及電阻、電容和 電感構(gòu)成的振蕩電路(例如Colpitis等)；
所述第一高頻振蕩器產(chǎn)生的高頻信號作為信號端連接到所述的高頻混
頻電路700;
所述的第二高頻振蕩電路400由半導(dǎo)體晶體管或集成放大器及電阻、電容和
電感構(gòu)成的振蕩電路(例如C0lpittS等)；
所述第二高頻振蕩器產(chǎn)生的高頻信號經(jīng)所述高頻放大電路600放大后，作為 本振端連接到所述的高頻混頻電路700;
所述高頻放大電路600為單個(gè)晶體管放大器或集成放大器及電阻、電容和電 感組成的放大電路，將所述第二高頻振蕩電路400的信號進(jìn)行放大到滿足所述高 頻混頻電路700本振端所需要的信號幅度；
所述的高頻混頻電路700由高頻混頻器及電阻、電容和電感組成的混頻電路； 其信號輸入端和所述第一高頻振蕩電路300輸出端相連接，高頻混頻電路700的
本振輸入端與所述高頻放大電路600輸出端相連接；所述高頻混頻電路700的混
頻輸出連接到所述低通濾波電路800的輸入端；
所述低通濾波電路800為由晶體管或集成放大器及電阻、電容和電感組成的 有源低通濾波器，或者為由電阻、電容和電感組成的無源濾波器，以濾掉高頻混 頻電路700的混頻輸出的高頻分量，而保留所述第一高頻振蕩電路300和第二高 頻振蕩電路400的差頻信號分量，即低頻頻率分量；所述低通濾波電路800的濾 波輸出作為輸入連接到所述的頻率測量和顯示裝置900上；
所述的頻率測量和顯示裝置900包括對低頻信號的高精度頻率測量電路、顯示驅(qū) 動(dòng)電路和顯示部分，以將所述第一高頻振蕩電路300和第二高頻振蕩電路400的差頻 信號分量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的質(zhì)量顯示出來或輸出到別的智能設(shè)備上去。
所述的磁控濺射方法生成的壓電薄膜為ZnO壓電薄膜或A1N壓電薄膜；所 述的化學(xué)微加工方法制作的壓電單晶薄膜為LiNb03壓電單晶薄膜或LiTa03壓 電單晶薄膜；
所述的DC/DC直流升壓偏置電路500產(chǎn)生一個(gè)高于供電電源電壓的直流電 壓，并通過一個(gè)大的電阻或電感元件供給所述薄膜體聲波諧振器200直流偏置電 壓，以微調(diào)薄膜體聲波諧振器200的諧振頻率；所述DC/DC直流升壓偏置電路500 為電感開關(guān)泵壓電路，或者為采用電容/二極管陣的電荷泵壓電路；所述一個(gè)大的 電阻的阻值為1K 10G歐姆。
在所述質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器100的質(zhì)量敏感區(qū)域，即所述上電極101 或/和所述的支撐層105的敏感區(qū)域放置一層選擇性氣體吸附膜108;所述的選擇 性氣體吸附膜108暴露在被監(jiān)測的氣體環(huán)境中，用以檢測被檢測氣體環(huán)境中被吸 附氣體的濃度；所述支撐層105的敏感區(qū)域?yàn)樗錾想姌O101在所述支撐層105 上的垂直投影區(qū)域。
所述的選擇性氣體吸附膜(108)為ZSE-5納米分子篩吸附膜或者為吸附三過 氧化三丙酮的納米分子篩吸附膜或者別的氣體吸附膜。
所述的質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器100的支撐層105的敏感區(qū)域放置一層選擇性 離子吸附膜109;所述選擇性離子吸附膜109和所述的薄膜體聲波諧振器200的支撐 層的敏感區(qū)域浸泡在被監(jiān)測的液體環(huán)境中，用以檢測液體環(huán)境中被吸附物質(zhì)或離子的 濃度;所述質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器100的支撐層105的敏感區(qū)域是指所述上電極 101在所述支撐層105上的垂直投影區(qū)域；所述薄膜體聲波諧振器200支撐層的敏感
區(qū)域是指所述上電極201在所述支撐層105上的垂直投影區(qū)域。
與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明有三個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)-
(1) 由于諧振器的工作頻率高(如1GHz)，因此可以大大地提高質(zhì)量傳感 器的靈敏度；
(2) 由于采用差頻式結(jié)構(gòu)，提高了頻率測量的準(zhǔn)確性，同時(shí)也克服了外界 環(huán)境(如環(huán)境溫度等)對傳感器系統(tǒng)的影響。
(3) 由于制作薄膜體聲波諧振器(FBAR)與通常的半導(dǎo)體工藝兼容，因 此，容易和后續(xù)的電路進(jìn)行--體化集成，即構(gòu)成單芯片系統(tǒng)(System 0naChip, 簡稱S0C)。


圖1是基于差頻式薄膜體聲波諧振器(FBAR)的微質(zhì)量傳感器系統(tǒng)的原理性框圖； 圖2是應(yīng)用于微質(zhì)量傳感時(shí)薄膜體聲波諧振器(FBAR)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是應(yīng)用于氣體環(huán)境中可選擇性氣體吸附時(shí)薄膜體聲波諧振器(FBAR)的 結(jié)構(gòu)示意圖4是應(yīng)用于液體環(huán)境中可選擇性物質(zhì)或離子吸附時(shí)薄膜體聲波諧振器 (FBAR)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
本實(shí)施例將詳述本發(fā)明用作微質(zhì)量傳感器的情況(參考圖1),本實(shí)施例包括 用于質(zhì)量傳感的質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器(FBAR) 100、用于產(chǎn)生參考頻率的 薄膜體聲波諧振器(FBAR) 200、第一高頻振蕩電路300、第二高頻振蕩電路400、 DC/DC直流升壓偏置電路500、高頻放大電路600、高頻混頻電路700、低通濾波 電路800和頻率測量和顯示裝置900;
本實(shí)施例的工作原理是這樣的用于質(zhì)量傳感的質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器 (FBAR) 100和第一高頻振蕩電路300 —起構(gòu)成第一高頻振蕩器，產(chǎn)生一高頻信 號/cn (如/w-lGHz)。當(dāng)質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器(FBAR) 100上的質(zhì)量負(fù)載 有微小的變化時(shí)，第一高頻振蕩電路300輸出信號的頻率也相應(yīng)地變化，即輸出
區(qū)域是指所述上電極201在所述支撐層105上的垂直投影區(qū)域。
與現(xiàn)有的技術(shù)相比，本發(fā)明有三個(gè)突出的優(yōu)點(diǎn)
(1) 由于諧振器的工作頻率高(如lGHz)，因此可以大大地提高質(zhì)量傳感 器的靈敏度；
(2) 由于采用差頻式結(jié)構(gòu)，提高了頻率測量的準(zhǔn)確性，同時(shí)也克服了外界 環(huán)境(如環(huán)境溫度等)對傳感器系統(tǒng)的影響。
(3) 由于制作薄膜體聲波諧振器(FBAR)與通常的半導(dǎo)體工藝兼容，因 此，容易和后續(xù)的電路進(jìn)行一體化集成，即構(gòu)成單芯片系統(tǒng)(System On a Chip, 簡稱SOC)。

圖1是基于差頻式薄膜體聲波諧振器(FBAR)的微質(zhì)量傳感器系統(tǒng)的原理性框圖； 圖2是應(yīng)用于微質(zhì)量傳感時(shí)薄膜體聲波諧振器(FBAR)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3是應(yīng)用于氣體環(huán)境中可選擇性氣體吸附時(shí)薄膜體聲波諧振器(FBAR)的 結(jié)構(gòu)示意圖4是應(yīng)用于液體環(huán)境中可選擇性物質(zhì)或離子吸附時(shí)薄膜體聲波諧振器 (FBAR)的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1
本實(shí)施例將詳述本發(fā)明用作微質(zhì)量傳感器的情況(參考圖1)，本實(shí)施例包括 用于質(zhì)量傳感的質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器(FBAR) 100、用于產(chǎn)生參考頻率的 薄膜體聲波諧振器(FBAR) 200、第一高頻振蕩電路300、第二高頻振蕩電路400、 DC/DC直流升壓偏置電路500、高頻放大電路600、高頻混頻電路700、低通濾波 電路800和頻率測量和顯示裝置900;
本實(shí)施例的工作原理是這樣的用于質(zhì)量傳感的質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器 (FBAR) 100和第一高頻振蕩電路300 —起構(gòu)成第一高頻振蕩器，產(chǎn)生一高頻信 號/oi (如/w-lGHz)。當(dāng)質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器(FBAR) 100上的質(zhì)量負(fù)載 有微小的變化時(shí)，第一高頻振蕩電路300輸出信號的頻率也相應(yīng)地變化，即輸出
也可以是化學(xué)微加工方法(CMP)制作的壓電單晶薄膜(如LiNb03、 LiTa03)， 也可以是用溶膠法(Sol-gel)制作的壓電薄膜(如Sol-gd方法制作的PZT壓電薄 膜)。所述的壓電薄膜103的厚度決定薄膜體聲波諧振器(FBAR) 100的振蕩頻率。
所述的絕緣層102可以是用磁控濺射方法生成的二氧化硅(Si02)，也可以是 別的方法制作的絕緣層(如LTO)等，也可以沒有。所述的絕緣層102作用是避 免所述的壓電薄膜103上的小的缺陷或針孔引起的直流短路或擊穿。
所述的上電極101通常是一種金屬電極(如鋁，金等)，可以是鋁/鈦(Al/Ti) 復(fù)合層金屬電極，也可以是金鉻復(fù)合層(Au/Cr)電極。所述的上電極101引出導(dǎo) 線與所述的第一振蕩電路300相連接。所述的上電極101通常是用于質(zhì)量傳感的 敏感區(qū)域。
所述的用于產(chǎn)生參考頻率的薄膜體聲波諧振器(FBAR) 200和所述的用于質(zhì) 量傳感的薄膜體聲波諧振器(FBAR) 100相同的部分，這里不再重述。不同的部 分包括a)所述的用于產(chǎn)生參考頻率的薄膜體聲波諧振器(FBAR) 200的上電極 不再用于質(zhì)量傳感；b)所述的用于產(chǎn)生參考頻率的薄膜體聲波諧振器(FBAR) 200的上電極201引出導(dǎo)線與所述的第二振蕩電路400和所述的DC/DC直流升壓 偏置電路500相連接。
所述的第一高頻振蕩電路300是由半導(dǎo)體晶體管或集成放大器及若干個(gè)電阻、 電容和電感構(gòu)成的振蕩電路(例如Colpitis振蕩電路)組成，和所述的用于產(chǎn)生參 考頻率的薄膜體聲波諧振器(FBAR) 100 —起構(gòu)成一個(gè)高頻振蕩器，產(chǎn)生一高頻 信號作為信號端連接到所述的高頻混頻電路700。
所述的第二高頻振蕩電路400是由半導(dǎo)體晶體管或集成放大器及若干個(gè)電阻、電 容和電感構(gòu)成的振蕩電路(例如Colpitis振蕩電路)，和所述的用于產(chǎn)生參考頻率的 薄膜體聲波諧振器(FBAR) 200 —起構(gòu)成一個(gè)高頻振蕩器，產(chǎn)生一高頻信號，此信 號經(jīng)所述的高頻放大電路600放大后，作為本振端連接到所述的高頻混頻電路700。
所述的DC/DC直流升壓偏置電路500產(chǎn)生一個(gè)高于供電電源電壓的直流電 壓，并通過一個(gè)大的電阻或電感元件給所述的用于產(chǎn)生參考頻率的薄膜體聲波諧 振器(FBAR) 200直流偏置電壓，以微調(diào)其諧振頻率。它可以是采用電感的開關(guān) 泵壓電路，也可以是采用電容/二極管陣的電荷泵壓電路。當(dāng)薄膜體聲波諧振器 (FBAR)100和200的諧振頻率比較接近時(shí)，所述DC/DC直流升壓偏置電路(500) 也可以沒有；
所述的高頻放大電路600是單個(gè)晶體管放大器或集成放大器及若干個(gè)電阻、 電容和電感組成的放大電路，將所述的高頻振蕩電路400的信號進(jìn)行放大到滿足 所述的高頻混頻電路700本振端所需要的信號幅度。
所述的高頻混頻電路700是由高頻混頻器及若干個(gè)電阻、電容和電感組成的 混頻電路。它的信號輸入端和所述的高頻振蕩電路300的輸出端相連接，它的本 振輸入端與所述的高頻放大電路600的輸出端相連接。所述的高頻混頻電路700 的混頻輸出連接到所述的低通濾波電路800的輸入端。
所述的低通濾波電路800可以是由晶體管或集成放大器及若干個(gè)電阻、電容 和電感組成的有源低通濾波器，也可以只有若干個(gè)電阻、電容和電感組成無源濾 波器。它的作用是將高頻混頻電路700的混頻輸出的高頻分量濾掉，只保留所述 的高頻振蕩電路300和400的差頻信號分量，即低頻頻率分量。所述的低通濾波 電路800的濾波輸出作為輸入連接到所述的頻率測量和顯示裝置900上。
所述的頻率測量和顯示裝置900包括對低頻信號的高精度頻率測量電路、顯 示驅(qū)動(dòng)電路和顯示部分。它的功能是將所述的高頻振蕩電路300和400的差頻信 號分量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的質(zhì)量顯示出來或輸出到別的智能設(shè)備上去。
實(shí)施例2
本實(shí)施例將詳述本發(fā)明在氣體環(huán)境中用作選擇性物質(zhì)質(zhì)量傳感的應(yīng)用(參考 圖3)。與實(shí)施例l相同的部分，不再重述。
從圖3可以看出，本實(shí)施例中在所述的用于質(zhì)量傳感的薄膜體聲波諧振器 (FBAR) 100的質(zhì)量敏感區(qū)域即所述的上電極101和所述的支撐層105的敏感區(qū) 域放置一層選擇性氣體吸附膜108。在實(shí)際的應(yīng)用中，只有所述的選擇性氣體吸附 膜108暴露在被監(jiān)測的氣體環(huán)境中，而其他的部分則與被監(jiān)測氣體環(huán)境隔離。
當(dāng)被監(jiān)測的氣體環(huán)境中出現(xiàn)所要吸附的氣體分子時(shí)，所述的選擇性氣體吸附 膜108將氣體分子吸附住，這樣作用在所述的用于質(zhì)量傳感的薄膜體聲波諧振器 (FBAR) 100的質(zhì)量負(fù)載就增加，從而引起所述的用于質(zhì)量傳感的薄膜體聲波諧 振器(FBAR) 100的諧振頻率發(fā)生變化。這種變化將被檢測出來，從可以知道被 檢測氣體環(huán)境種，某些被吸附氣體的濃度。
所述的選擇性氣體吸附膜108可以只在質(zhì)量敏感區(qū)所述的上電極101上放置， 也可以只在所述的支撐層105的敏感區(qū)域放置；也可以同時(shí)在二個(gè)質(zhì)量敏感區(qū)域
同時(shí)放置。
示例性應(yīng)用1，這里給出用ZSE-5納米分子篩作為選擇性吸附膜，用于檢測神 經(jīng)類毒劑沙林的相似物甲基磷酸二甲脂(DMMP)氣體的情況。此時(shí)，所述的質(zhì) 量傳感器的可作為神經(jīng)毒氣傳感器，用于化學(xué)分析和反恐中。
將乙醇溶解合成的針對甲基磷酸二甲脂(DMMP)分子直徑大小的ZSE-5納 米分子篩，經(jīng)超聲后，讓他們充分溶解。然后，涂在所述的用于質(zhì)量傳感的薄膜 體聲波諧振器(FBAR) 100的敏感區(qū)域，形成所述的選擇性吸附膜108。這樣， 當(dāng)被檢測的環(huán)境中有甲基磷酸二甲脂(DMMP)分子時(shí)，所述的選擇性吸附膜108 就會(huì)將其吸附，從而引起所述的用于質(zhì)量傳感的薄膜體聲波諧振器(FBAR) 100 的諧振頻率發(fā)生變化。這種變化將被檢測出來，從可以知道被檢測氣體環(huán)境種， 基磷酸二甲脂(DMMP)氣體的濃度。
示例性應(yīng)用2,當(dāng)所述的選擇性吸附膜108是吸附三過氧化三丙酮 (Triacetone-triperoxide，簡稱TATP)的納米分子篩吸附膜時(shí)，本發(fā)明就可以用 作檢測空氣中的三過氧化三丙酮分子，應(yīng)用于火車站、地鐵、商場等公共場合 的爆炸物安全檢測。三過氧化三丙酮是在倫敦爆炸案中恐怖分子使用的一種非 硝基烈性炸藥。
實(shí)施例3
本實(shí)施例將詳述本發(fā)明在液體環(huán)境中用作選擇性物質(zhì)質(zhì)量傳感的應(yīng)用(參考 圖4)。與實(shí)施例1和實(shí)施例2相同的部分，不再重述。
從圖4可以看出，本實(shí)施例中在所述的用于質(zhì)量傳感的薄膜體聲波諧振器 (FBAR) 100的支撐層105的敏感區(qū)域放置一層選擇性離子吸附膜109。在實(shí)際 的應(yīng)用中，只有所述的選擇性離子吸附膜109和所述的用于產(chǎn)生參考頻率的薄膜 體聲波諧振器(FBAR) 200支撐層的敏感區(qū)域浸泡在被監(jiān)測的液體環(huán)境中，而其 他的部分則與被監(jiān)測環(huán)境隔離。
當(dāng)被監(jiān)測的液體環(huán)境中出現(xiàn)所要吸附的物質(zhì)或離子時(shí)，所述的選擇性氣體吸 附膜109將它們吸附住，這樣作用在所述的用于質(zhì)量傳感的薄膜體聲波諧振器 (FBAR) 100的質(zhì)量負(fù)載就增加，從而引起所述的用于質(zhì)量傳感的薄膜體聲波諧 振器(FBAR) 100的諧振頻率發(fā)生變化。這種變化將被檢測出來，從可以知道被 檢測液體環(huán)境種，某些被吸附物質(zhì)或離子的濃度。
權(quán)利要求
1、一種基于差頻式薄膜體聲波諧振器的微質(zhì)量傳感器，包括用于質(zhì)量傳感的質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器(100)、用于產(chǎn)生參考頻率的薄膜體聲波諧振器(200)、第一高頻振蕩電路(300)、第二高頻振蕩電路(400)、高頻放大電路(600)、高頻混頻電路(700)、低通濾波電路(800)和頻率測量和顯示裝置(900)；所述用于質(zhì)量傳感的質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器(100)和第一高頻振蕩電路(300)一起構(gòu)成第一高頻振蕩器，產(chǎn)生一高頻信號f01，當(dāng)質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器(100)上的質(zhì)量負(fù)載有微小的變化時(shí)，第一高頻振蕩電路(300)輸出信號的頻率也相應(yīng)地變化，即輸出的高頻信號頻率為f01-Δf，其中，頻率的變化量Δf是質(zhì)量負(fù)載引起的；所述用于產(chǎn)生參考頻率的薄膜體聲波諧振器(200)和第二高頻振蕩電路(400)一起構(gòu)成第二高頻振蕩器，產(chǎn)生一參考的高頻信號f02，此信號經(jīng)過高頻放大電路(600)放大后與第一高頻振蕩電路(300)輸出信號共同作為輸入端連接到高頻混頻電路(700)上進(jìn)行混頻，混頻后的輸出經(jīng)過低通濾波電路(800)得到微質(zhì)量負(fù)載引起的頻率變化量df，此頻率變化量通過頻率測量和顯示裝置(900)直接給出。
2、 按權(quán)利要求1所述的基于差頻式薄膜體聲波諧振器的微質(zhì)量傳感器，其特 征在于，還包括一 DC/DC直流升壓偏置電路(500);所述DC/DC直流升壓偏置 電路(500)通過一個(gè)電阻或電感元件加到用于產(chǎn)生參考頻率的薄膜體聲波諧振器(200)上產(chǎn)生一個(gè)高于供電電壓的直流電壓；所述電阻的阻值為1K 10G歐姆。
3、 按權(quán)利要求1所述的基于差頻式薄膜體聲波諧振器的微質(zhì)量傳感器，其特征 在于，所述的用于質(zhì)量傳感的質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器(100)和用于產(chǎn)生參考頻 率的薄膜體聲波諧振器(200)為制作在一片基片上二個(gè)相同的單元；所述質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器(100)和薄膜體聲波諧振器(200)封裝在同一 管殼內(nèi)，或者經(jīng)切割后封裝在不同的管殼內(nèi)。
4、 按權(quán)利要求1所述的基于差頻式薄膜體聲波諧振器的微質(zhì)量傳感器，其特 征在于，所述的用于質(zhì)量傳感的質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器(100)和用于產(chǎn)生參 考頻率的薄膜體聲波諧振器(200)工作在基頻或高次諧波上。
5、按權(quán)利要求3所述的基于差頻式薄膜體聲波諧振器的微質(zhì)量傳感器，其特征 在于，所述的用于質(zhì)量傳感的質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器(100)由基片(106)和依 次覆于所述基片(106)的支撐層(105)、下電極(104)、壓電薄膜(103)、絕緣層 (102)和上電極(101)組成；所述基片(106)為半導(dǎo)體工藝中常用的摻雜硅基片、本征硅基片或砷化鎵基片； 所述支撐層(105)為淀積在所述基片(106)上的低應(yīng)力氮化硅膜、直接熱 氧化在基片(106)上的二氧化硅膜；或?yàn)樽⑷牖驍U(kuò)散在基片(106)上的濃硼擴(kuò) 散膜；所述下電極(104)為金屬電極；該金屬電極為鋁電極、金電極、鋁/鈦復(fù)合層 金屬電極，或金鉻復(fù)合層電極；所述下電極(104)引出導(dǎo)線與模擬地線相連接；所述壓電薄膜(103)為磁控濺射方法生成的壓電薄膜、化學(xué)微加工方法制作 的壓電單晶薄膜、或?yàn)橛肧ol-gel溶膠法制作的PZT壓電薄膜；其厚度為0.1 30 微米；所述絕緣層(102)為用磁控濺射方法生成的二氧化硅層或LTO絕緣層； 所述上電極(101)為鋁或金金屬電極；或者為鋁/鈦復(fù)合層金屬電極，或者為金鉻復(fù)合層電極；所述的上電極(101)引出導(dǎo)線與所述的第一高頻振蕩電路(300)相連接；所述上電極(101)為質(zhì)量傳感的敏感區(qū)；所述用于產(chǎn)生參考頻率的薄膜體聲波諧振器(200)的上電極(201)引出導(dǎo)線與所述的第二高頻振蕩電路(400)和所述的DC/DC直流升壓偏置電路(500)相連接；所述第一高頻振蕩電路(300)為由半導(dǎo)體晶體管或集成放大器及電阻、電容 和電感構(gòu)成的Colpitis振蕩電路；所述第一高頻振蕩器產(chǎn)生的高頻信號作為信號端連接到所述的高頻混 頻電路(700);所述的第二高頻振蕩電路(400)由半導(dǎo)體晶體管或集成放大器及電阻、電容 和電感構(gòu)成的Colpitis振蕩電路；所述第二高頻振蕩器產(chǎn)生的高頻信號經(jīng)所述高頻放大電路(600)放大后，作 為本振端連接到所述的高頻混頻電路(700);所述高頻放大電路(600)為單個(gè)晶體管放大器或集成放大器及電阻、電容和 電感組成的放大電路，將所述第二高頻振蕩電路(400)的信號進(jìn)行放大到滿足所 述高頻混頻電路(700)本振端所需要的信號幅度；所述的高頻混頻電路(700)由高頻混頻器及電阻、電容和電感組成的混頻電 路；其信號輸入端和所述第一高頻振蕩電路(300)輸出端相連接，高頻混頻電路 (700)的本振輸入端與所述高頻放大電路(600)輸出端相連接；所述高頻混頻 電路(700)的混頻輸出連接到所述低通濾波電路(800)的輸入端；所述低通濾波電路(800)為由晶體管或集成放大器及電阻、電容和電感組成 的有源低通濾波器，或者為由電阻、電容和電感組成的無源濾波器，以濾掉高頻 混頻電路(700)的混頻輸出的高頻分量，而保留所述第一高頻振蕩電路(300) 和第二高頻振蕩電路(400)的差頻信號分量，即低頻頻率分量；所述低通濾波電 路(800)的濾波輸出作為輸入連接到所述的頻率測量和顯示裝置(900)上；所述的頻率測量和顯示裝置(900)包括對低頻信號的高精度頻率測量電路、顯 示驅(qū)動(dòng)電路和顯示部分，以將所述第一高頻振蕩電路(300)和第二高頻振蕩電路(400) 的差頻信號分量轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的質(zhì)量顯示出來或輸出到一智能設(shè)備上去。
6、 按權(quán)利要求5所述的基于差頻式薄膜體聲波諧振器的微質(zhì)量傳感器，其特 征在于，所述的磁控濺射方法生成的壓電薄膜為ZnO壓電薄膜或A1N壓電薄膜； 所述的化學(xué)微加工方法制作的壓電單晶薄膜為LiNb03壓電單晶薄膜或LiTa03壓 電單晶薄膜。
7、 按權(quán)利要求4所述的基于差頻式薄膜體聲波諧振器的微質(zhì)量傳感器，其特 征在于，所述DC/DC直流升壓偏置電路(500)為電感開關(guān)泵壓電路，或者為采 用電容/二極管陣的電荷泵壓電路。
8、 按權(quán)利要求5所述的基于差頻式薄膜體聲波諧振器的微質(zhì)量傳感器，其特 征在于，在所述質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器(100)的質(zhì)量敏感區(qū)域，即所述上電 極(101)或/和所述的支撐層(105)的敏感區(qū)域放置一層選擇性氣體吸附膜(108); 所述的選擇性氣體吸附膜(108)暴露在被監(jiān)測的氣體環(huán)境中，用以檢測被檢測氣 體環(huán)境中被吸附氣體的濃度；所述支撐層(105)的敏感區(qū)域?yàn)樗錾想姌O(101) 在所述支撐層(105)上的垂直投影所限定的區(qū)域。
9、 按權(quán)利要求7所述的基于差頻式薄膜體聲波諧振器的微質(zhì)量傳感器，其特 征在于，所述的選擇性氣體吸附膜(108)為ZSE-5納米分子篩吸附膜或者為吸附 三過氧化三丙酮的納米分子篩吸附膜。
10、 按權(quán)利要求5或8所述的基于差頻式薄膜體聲波諧振器的微質(zhì)量傳感器， 其特征在于，所述的質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器(100)的支撐層(105)的敏感 區(qū)域放置一層選擇性離子吸附膜(109);所述選擇性離子吸附膜(109)和所述的 薄膜體聲波諧振器(200)的支撐層的敏感區(qū)域浸泡在被監(jiān)測的液體環(huán)境中，用以 檢測液體環(huán)境中被吸附物質(zhì)或離于的濃度；所述質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器(100)的支撐層(105)的敏感區(qū)域是指所述上電極(101)在所述支撐層(105)上的垂 直投影區(qū)域；所述頻率體聲波諧振器(200)支撐層的敏感區(qū)域是指所述上電極 (201)在所述支撐層(105)上的垂直投影區(qū)域。
全文摘要
本發(fā)明的基于差頻式薄膜體聲波諧振器的微質(zhì)量傳感器，包括用于質(zhì)量傳感的質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器、用于產(chǎn)生參考頻率的薄膜體聲波諧振器、第一和第二高頻振蕩電路和高頻放大、高頻混頻和低通濾波電路，及頻率測量和顯示裝置；第一和第二高頻振蕩電路分別與質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器和薄膜體聲波諧振器組成第一和第二高頻振蕩器；當(dāng)質(zhì)量傳感薄膜體聲波諧振器上的質(zhì)量負(fù)載有微小的變化時(shí)，第一高頻振蕩器輸出高頻信號頻率將產(chǎn)生小的偏移；第二高頻振蕩器產(chǎn)生的參考高頻信號經(jīng)過高頻放大后，與第一高頻振蕩器輸出的高頻信號共同輸?shù)礁哳l混頻電路上混頻，再輸出經(jīng)過低通濾波電路得微質(zhì)量負(fù)載引起的頻率變化量，并通過頻率測量和顯示裝置直接給出。
文檔編號G01N29/22GK101105476SQ20061009891
公開日2008年1月16日 申請日期2006年7月14日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月14日
發(fā)明者喬東海, 亮 湯, 靜 田, 英 鄧 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所