利用具有絕緣層的薄膜諧振器探測(cè)物質(zhì)的裝置和方法
【專利說明】利用具有絕緣層的薄膜諧振器探測(cè)物質(zhì)的裝置和方法
[0001]本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2009年9月29日、申請(qǐng)?zhí)枮?00980142045.X、發(fā)明名稱為“利用具有絕緣層的薄膜諧振器(FBAR)探測(cè)物質(zhì)的裝置和方法”的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
技術(shù)領(lǐng)域
[0002]本發(fā)明涉及一種用于探測(cè)流體的至少一種物質(zhì)的裝置，包括具有至少一個(gè)壓電層、設(shè)置在壓電層處的電極層、至少一個(gè)設(shè)置在壓電層處的其他電極層的壓電薄膜諧振器和至少一個(gè)用于積聚流體的物質(zhì)的積聚面，其中，壓電層、電極層和積聚面這樣被設(shè)計(jì)和彼此設(shè)置，使得通過電極層的電觸發(fā)可以將激勵(lì)交變場(chǎng)耦合輸入到壓電層中，薄膜諧振器由于耦合輸入到壓電層中的激勵(lì)交變場(chǎng)可以以諧振頻率fK被激勵(lì)成諧振振蕩并且諧振頻率fK取決于在積聚面處所積聚的物質(zhì)的量。除了裝置外，還說明一種用于在使用該裝置的情況下探測(cè)物質(zhì)的方法。
【背景技術(shù)】
[0003]開頭所述類型的裝置例如由DE 103 08 975 B4得知。已知的裝置例如具有薄膜諧振器，其中電極層、壓電層和其他電極層層狀地相疊地堆疊。壓電層例如由氧化鋅組成。上電極層(top electrode (頂部電極))由金組成并具有用于積聚(例如吸附)流體的物質(zhì)的積聚面。通過下電極層(bottom electrode (底部電極))，薄膜諧振器被施加在娃襯底上。為使硅襯底和薄膜諧振器彼此聲退耦，其間例如設(shè)置由不同聲阻抗的λ/4厚的層組成的聲反射鏡(Spiegel)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的任務(wù)是，這樣改進(jìn)用于探測(cè)物質(zhì)的已知的裝置，使得提高質(zhì)量靈敏度。
[0005]為解決該任務(wù)，說明一種用于探測(cè)流體的至少一種物質(zhì)的裝置，包括具有至少一個(gè)壓電層、設(shè)置在壓電層處的電極層、至少一個(gè)設(shè)置在壓電層處的其他電極層的壓電聲學(xué)薄膜諧振器和至少一個(gè)用于積聚流體的物質(zhì)的積聚面，其中，壓電層、電極層和積聚面這樣被設(shè)計(jì)和彼此設(shè)置，使得通過電極層的電觸發(fā)可以將激勵(lì)交變場(chǎng)耦合輸入到壓電層中，薄膜諧振器由于耦合輸入到壓電層中的激勵(lì)交變場(chǎng)可以以諧振頻率fK被激勵(lì)成諧振振蕩，以及諧振頻率取決于在積聚面處所積聚的物質(zhì)的量。該裝置的特征在于，直接在電極層的至少一個(gè)的背離壓電層的側(cè)上設(shè)置至少一個(gè)用于電絕緣電極層的電絕緣層。絕緣層在此優(yōu)選地這樣被設(shè)計(jì)，使得流體和薄膜諧振器完全彼此分離。
[0006]為解決該任務(wù)，還說明一種用于在使用該裝置的情況下探測(cè)流體的至少一種物質(zhì)的方法，具有以下方法步驟:a)使積聚面和流體這樣相聚，使得物質(zhì)可以在積聚面處被積聚，以及b)確定薄膜諧振器的諧振頻率。
[0007]薄膜諧振器例如具有由下電極層、壓電層和上電極層組成的層結(jié)構(gòu)。電極層設(shè)置在壓電層的不同側(cè)處。也可以設(shè)想，電極層設(shè)置在壓電層的一側(cè)處。
[0008]通過電極層的電觸發(fā)(Ansteuerung)，可以將薄膜諧振器激勵(lì)成厚度振蕩(Dickenschwingung)。鑒于用于探測(cè)液體的物質(zhì)的應(yīng)用，有益的是這樣設(shè)計(jì)壓電層，使得所述壓電層由于電極層的觸發(fā)可以被激勵(lì)成切變厚度振蕩(Scherdickenschwingung)。對(duì)于高物質(zhì)靈敏度來說有利的是，諧振頻率fK從包括500MHz在內(nèi)到包括1GHz在內(nèi)的范圍中選擇。為此壓電層的層厚從包括0.Ιμπι在內(nèi)到包括20μπι在內(nèi)的范圍中選擇。
[0009]壓電層例如由氧化鋅組成。其他適用的材料例如是氮化鋁。電極層優(yōu)選地具有在Iym以下的層厚(例如10nm)。同樣可以設(shè)想直至幾個(gè)μπι的更大層厚。
[0010]在一種特別的擴(kuò)展方案中，絕緣層具有無機(jī)絕緣材料。絕緣材料在此可以是任意的。但是優(yōu)選地，無機(jī)絕緣材料具有至少一種從金屬氮化物和金屬氧化物的組中選取的化合物。例如，絕緣材料是氧化鋁(Al2O3)或氮化硅(Si3N4)。在一種優(yōu)選的擴(kuò)展方案中，金屬氧化物是二氧化硅(S12)。二氧化硅除了良好的電絕緣能力外，特征還在于低的聲阻抗并因此特別適用于采用薄膜諧振器的應(yīng)用。
[0011]電極層優(yōu)選地由鋁組成。在一種特別的擴(kuò)展方案中，其上設(shè)置絕緣層的電極層具有鋁。鋁作為電極材料特別適用于薄膜諧振器。鋁具有低電阻。由此使電阻噪聲最小化。重要的還有低的聲阻抗。這導(dǎo)致比較高的質(zhì)量靈敏度。同樣鋁的質(zhì)量密度低。鋁的特征此外在于高的聲速。由此將相應(yīng)材料中的相分量保持得小。
[0012]但除了鋁外，同樣也可以設(shè)想其他材料和材料組合，如由不同材料組成的多層結(jié)構(gòu)。
[0013]薄膜諧振器可以施加在任意的襯底(載體)上。薄膜諧振器優(yōu)選地設(shè)置在半導(dǎo)體襯底上。讀出電路可以集成在半導(dǎo)體襯底中。這例如借助CMOS(互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(Complementary Metal Oxid Semiconductor))技術(shù)進(jìn)行。鑒于節(jié)省位置的結(jié)構(gòu)，特別有利的是，薄膜諧振器設(shè)置在集成在半導(dǎo)體襯底中的讀出電路上方。但讀出電路完全可以通過SMD (表面安裝器件(Surface Mounted Device))器件實(shí)現(xiàn)。
[0014]在一種特別的擴(kuò)展方案中，積聚面由絕緣層形成。這意味著絕緣層承擔(dān)生物功能化(B1-Funkt1nalisierung)。
[0015]但依據(jù)一種特別的擴(kuò)展方案，積聚面由施加在絕緣層上的化學(xué)敏感涂層形成?；瘜W(xué)敏感涂層例如可以是塑料涂層。尤其，化學(xué)敏感涂層具有金?；瘜W(xué)敏感涂層優(yōu)選地由金組成。由金組成的化學(xué)敏感涂層特別適用于生物功能化。
[0016]化學(xué)敏感涂層施加在絕緣層上。因此化學(xué)敏感涂層本身也有助于薄膜諧振器的諧振頻率。尤其是在金的情況下，由于比較高的質(zhì)量密度，鑒于盡可能高的質(zhì)量靈敏度，盡可能小的層厚是有利的。依據(jù)一種特別的裝置，其中化學(xué)敏感涂層具有5nm至30nm范圍的層厚。所述層厚完全足以取得必要的生物功能化。同時(shí)由于化學(xué)敏感涂層的低質(zhì)量而取得高的質(zhì)量靈敏度。對(duì)此的基礎(chǔ)是薄膜諧振器的非常高的諧振頻率。在適用的材料和層厚的情況下，可以取得來自包括500MHz在內(nèi)至包括1GHz在內(nèi)的范圍的諧振頻率。
[0017]該裝置可以用于分析氣體或氣體混合物。該裝置優(yōu)選地用于探測(cè)液體中的生物分子。
[0018]概括起來利用本發(fā)明產(chǎn)生下列特別的優(yōu)點(diǎn):
[0019]-用于探測(cè)流體的物質(zhì)的裝置可以非常靈活地構(gòu)成。因此該裝置的薄膜諧振器或在晶片(例如由半導(dǎo)體材料組成)或CMOS讀出電子裝置上或在通過絕緣層(例如S12)與薄膜諧振器分開的CMOS讀出電子裝置上構(gòu)成。
[0020]-尤其利用由鋁組成的上電極層實(shí)現(xiàn)下列優(yōu)點(diǎn):通過低電阻最小化電阻噪聲。鋁的低聲阻抗導(dǎo)致薄膜諧振器的提高的質(zhì)量靈敏度。鋁的低質(zhì)量密度具有同樣的效應(yīng)，結(jié)果是非常高的質(zhì)量靈敏度。
[0021]鋁的特征還在于高的CMOS兼容性。因此使到CMOS電路中的集成變得容易。金對(duì)此更確切地說并不適用，因?yàn)樗cCMOS電路很難兼容。此外，金的特征在于比較高的質(zhì)量密度。這導(dǎo)致比較低的質(zhì)量靈敏度。
[0022]-由于絕緣層，實(shí)現(xiàn)薄膜諧振器與