用于流体环境检测的谐振传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种用于流体环境检测的谐振传感器，其中，压电声波谐振器谐振传感器包括：多层结构，多层结构包括以下结构中的至少之一：上电极、压电层和下电极；其中，多层结构中所有结构彼此重叠的区域为有效区域；至少一流道，对于每条流道，该流道的至少部分位于有效区域的表面或内部；其中，所有流道与有效区域的重叠部分的水平投影面积总和与有效区域的水平投影面积的比值小于或等于50%。本发明通过集成流道与谐振传感器，并且限制流道面积，能够提高谐振器的品质因数，从而得到更高的测量精度。
【专利说明】用于流体环境检测的谐振传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体领域，并且特别地，涉及一种用于流体环境检测的谐振传感器。【背景技术】
[0002]基于压电材料的薄膜体声波传感器的研究近年来受到广泛关注，特别是应用在生物、化学、医学诊断与环境检测等领域。薄膜体声波传感器用于流体环境中的检测表现出巨大潜力，其中，流体可以包括液体和气体。目前已经开发出用于测量氢气、一氧化碳和乙醇等气体的薄膜体声波传感器，测量速度快、重复性良好。在常温时，薄膜体声波传感器对TNT,RDX的测量精度分别可达ppb量级和ppt量级。将薄膜体声波传感器应用在液体环境中存在大量应用实例，例如，薄膜体声波传感器可以有效地用于检测Hg2+等离子和DNA等生物大分子，在薄膜体声波传感器的探测区域修饰特定碱基对可以探测匹配的DNA序列。此夕卜，薄膜体声波传感器还广泛应用于抗体-抗原相互反应等蛋白质分子反应的研究。
[0003]薄膜体声波传感器利用基于压电材料的薄膜体声波谐振器作为敏感元件，具有吸附质量敏感效应。薄膜体声波谐振器的基本结构包括:下电极、压电薄膜和上电极。当激励信号作用于薄膜体声波谐振器上下电极时，压电薄膜会产生声波，称之为薄膜体声波。通常将上电极、下电极和压电薄膜在厚度方向上重叠的区域定义为谐振器的有效区域。被探测物吸附在薄膜体声波谐振器的有效区域表面时，吸附质量引起声波传播特性的改变，使得谐振器的谐振频率、相位或者振幅等发生变化。通过测量谐振频率、相位或振幅的变化可以获取目标被探测物的相关信息。
[0004]附图1所示为现有技术中用于检测流体的薄膜体声波传感器。如图1所示，薄膜体声波传感器包括一个薄膜体声波谐振器和一个衬底。衬底刻蚀形成沟槽1，沟槽底部为薄膜体声波谐振器探测表面。用抗体对薄膜体声波谐振器的探测表面进行修饰后，含目标被探测物(即目标抗原)的流体完全浸入沟槽I中，流体中的目标抗原与探测表面上的修饰物抗体产生特异性结合，测得目标抗原的相关信息。
n I ΔΦ
[0005]R = —X — ~(I)
2 QxSκ}
[0006]品质因数是决定薄膜体声波传感器性能的重要参数之一。如公式(I)所示，R代表最小探测精度，Λ 代表最小可探测阻抗相位变化，Q为品质因数，S代表灵敏度。由公式(I)可见，品质因数Q越大，最小探测精度越高。因而，获取薄膜体声波传感器更高的最小探测精度需要薄膜体声波谐振器具有更高的品质因数。传统的薄膜体声波传感器(如附图1)将探测表面完全浸入流体中，由于谐振器的大部分有效区域与流体接触，能量以声波的形式传入流体中而大量耗散，谐振器的品质因数大幅下降，从而导致传感器的最小探测精度难以满足要求。
[0007]针对相关技术中谐振传感器用于流体检测时不能满足测量精度要求的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
【发明内容】
[0008]针对相关技术中谐振传感器用于流体检测时不能满足测量精度要求的问题，本发明提出一种用于流体环境检测的谐振传感器，能够提高谐振器的品质因数，从而得到更高的测量精度。
[0009]本发明的技术方案是这样实现的:
[0010]根据本发明的一个方面，提供了一种用于流体环境检测的谐振传感器。
[0011]该谐振传感器包括:
[0012]多层结构，多层结构包括以下结构中的至少之一:上电极、压电层和下电极；其中，多层结构中所有结构彼此重叠的区域为有效区域；
[0013]至少一流道，对于每条流道，该流道的至少部分位于有效区域的表面或内部；其中，所有流道与有效区域的重叠部分的水平投影面积总和与有效区域的水平投影面积的比值小于或等于50%。
[0014]优选地，所有流道与有效区域的重叠部分的水平投影面积总和与有效区域的水平投影面积的比值小于或等于20%。
[0015]可选地，在流道的数量为多个的情况下，流道的交汇情况包括以下至少之一:
[0016]多个流道彼此独立；
[0017]多个流道存在至少一个交汇点。
[0018]其中，对于每个流道，该流道与多层结构的接触面的形状可以包括为:
[0019]直线形状、任意曲线形状。
[0020]而且，每个流道的高度大于或等于lnm，且小于或等于100 μ m。
[0021]优选地，每个流道的高度大于或等于10nm，且小于或等于10 μ m。
[0022]并且，对于位于多层结构的表面的流道，该流道由位于多层结构表面的流道腔体与多层结构的表面限定得到。
[0023]可选地，流道腔体的材料包括以下至少之一:
[0024]金属、介质材料、半导体材料、聚合物。
[0025]此外，流道腔体进一步沿多层结构的表面延展。
[0026]并且，形成流道腔体的材料的频率温度系数与形成多层结构的材料的频率温度系数相反。
[0027]进一步地，形成流道腔体的材料的频率温度系数与形成压电层的材料的频率温度系数相反。
[0028]另外，对于多层结构的有效区域与至少一流道接触的表面，该表面覆盖有修饰物。
[0029]可选地，上述谐振传感器为:
[0030]薄膜体声波谐振器或石英晶体谐振器。
[0031]本发明通过集成流道与谐振传感器，并且限制流道面积，能够提高谐振器的品质因数，从而得到更高的测量精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1是现有技术中用于流体环境检测的谐振传感器的示意图；[0033]图2是根据本发明的一个实施例的谐振传感器的立体图；
[0034]图3是图2所示的谐振传感器的截面图；
[0035]图4-6是根据本发明的多个实施例的谐振传感器的示意图；
[0036]图7A是根据本发明的又一个实施例的石英晶体谐振器的俯视图；
[0037]图7B是图7A所示石英晶体谐振器的截面图；
[0038]图8是根据本发明实施例的流道结构的俯视图；
[0039]图9是根据本发明实施例的有效区域和去离子水的接触面积与谐振器品质因数的比例关系图。
【具体实施方式】
[0040]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0041 ] 根据本发明的实施例，提供了 一种用于流体环境检测的谐振传感器。
[0042]谐振传感器包括薄膜体声波传感器和石英晶体传感器。薄膜体声波传感器包括薄膜体声波谐振器和微流道(可能还有空气反射镜或者布拉格反射层)。石英晶体传感器包括石英晶体谐振器和微流道。
[0043]提高谐振器(薄膜体声波谐振器和石英晶体谐振器)的品质因数可以提高谐振传感器(薄膜体声波传感器和石英晶体传感器)的测量精度(最小探测精度)。
[0044]根据本发明实施例的谐振传感器可以包括:
[0045]多层结构，多层结构可以包括以下结构中的至少之一:上电极、压电层和下电极；其中，多层结构中所有结构彼此重叠的区域为有效区域(即，谐振器的有效区域);
[0046]至少一流道，对于每条流道，该流道的至少部分位于有效区域的表面或内部；其中，所有流道与有效区域的重叠部分的水平投影面积总和与有效区域的水平投影面积的比值可以小于或等于50%，优选地，可以小于或等于20%。流道可以位于上电极上方或压电层中或是下电极下方等，亦或者，当谐振器包括其他层时，流道也可以位于其他层中，只要流道与有效区域的重叠部分的水平投影面积总和与有效区域的水平投影面积的比值可以小于或等于50%，或者，小于或等于20%。流道与谐振器有效区域的接触面积减少，意味着需要检测的流体与谐振器有效区域的接触面积减小，这样的结构能够减小能量泄露，保证谐振器具备较高的品质因数，与传统的薄膜体声波传感器相比，传感器的最小探测精度显著提闻。
[0047]另外，对于有效区域与至少一流道接触的表面，至少在该表面覆盖有修饰物，根据情况还可以在流道腔体内壁覆盖修饰物，根据需要检测的不同流体选择不同的修饰物进行覆盖。
[0048]可选地，在流道的数量为多个的情况下，流道的交汇情况可以是多个流道彼此独立；或者，流道的交汇情况也可以是多个流道存在至少一个交汇点。例如，可以存在数条流道汇合成为一条流道的情况，或者一种目标被分为多条流道情况，根据每条流道覆盖的修饰物不同的情况可以探测不同的被探测物，此外，每条流道的覆盖面积可以相同或者不同。在需要检测的液体为多种的情况下，可以使用多个流道分别进行检测，提高了流体检测的效率。
[0049]其中，对于每个流道，该流道与多层结构的接触面的形状可以为直线形状或者任意曲线形状。
[0050]而且，每个流道的高度大于或等于lnm，且小于或等于100 μ m,优选地，每个流道的高度大于或等于10nm，且小于或等于10 μ m。
[0051]并且，对于位于多层结构的表面的流道，该流道由位于多层结构表面的流道腔体与多层结构的表面限定得到。
[0052]可选地，流道腔体的材料包括以下至少之一:金属、介质材料、半导体材料、聚合物。可以根据需要检测的流体的性质以及流道的结构方面的需要来选择不同的材料制作流道腔体。
[0053]此外，流道腔体进一步沿多层结构的表面延展。
[0054]并且，形成流道腔体的材料的频率温度系数可以与形成多层结构的材料的频率温度系数相反，进一步地，形成流道腔体的材料的频率温度系数可以与形成压电层的材料的频率温度系数相反，这样的材料选择有利于谐振器的温度补偿。
[0055]可选地，根据本发明实施例的谐振传感器是薄膜体声波谐振器或石英晶体谐振器。
[0056]在实际应用中，由于流道尺寸较小，因此也可以称为微流道。根据本发明的实施例，提供了一种图2所示的集成微流道与薄膜体声波传感器的三维图，图3为图2所示三维图从垂直于微流道的中间部分截取的截面图。如图3所示的薄膜体声波传感器包括衬底1、压电层2、上电极3、下电极4、微流道腔体5、微流道6和空气反射镜7。
[0057]衬底I包括硅(Si)、砷化镓(GaAs)、玻璃、PDMS (聚二甲基硅氧烷)等常用的衬底材料；压电层2可以由诸如氮化铝(A1N)、氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)等压电材料组成；上电极3和下电极4可以由诸如金(Au)、钼(Pt)、铝(Al)、铜(Cu)、钥(Mo)、钨(W)等金属或其组合组成，上电极3和下电极4也可能是复合层，包含多层金属或非金属材料，但其中至少一层为金属；通过刻蚀衬底I得到空气反射镜7，用于为谐振器提供声波反射界面，使能量存储在谐振器内。
[0058]如图2所示，含有目标被探测物的流体可以在微流道6中流通，流体从微流道腔体的N端注入，M端流出或者相反方向也可。流体为含有目标被探测物的气体或者液体。微流道腔体5的截面形状包括梯形，矩形，拱形等等。可以通过薄膜沉积和刻蚀的方法直接在谐振器上加工微流道腔体5，也可以分别加工后通过键合的方法结合微流道和谐振器。在一些实施例中，可对集成微流道的薄膜体声波传感器的探测表面进行生物化学等修饰，修饰区域至少应包括探测区域，即微流道覆盖的谐振器有效区域。修饰物包括各类生物素、抗体或者抗原、DNA等生物试剂，聚对二甲苯、酯醛树脂、PMMA等聚合物，SWCNT、石墨烯等纳米材料。微流道材料需具备生物兼容性，即，不对修饰物及目标被探测物的性质产生影响。微流道腔体5的材料可以包括:金(Au)、钼(Pt)、铝(Al)、铜(Cu)、钥(Mo)、钨(W)等金属；也可以包括:二氧化硅(Si02)、氮化硅(SiNx)、氧化铝(Al2O3)等介质材料；或者包括硅(Si)、砷化镓(GaAs)等半导体材料；也可以包括:SU8、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和干膜光刻胶(dryfilm)等聚合物。[0059]微流道覆盖谐振器有效区域的面积小于谐振器有效区域的面积，通常微流道覆盖谐振器有效区域的面积小于谐振器有效区域面积的50%。优选地，微流道覆盖谐振器有效区域的面积小于谐振器有效区域面积的20%。流体与谐振器的接触面积大大减小，从而减小了能量泄露，保证谐振器具备较高的品质因数，与传统的薄膜体声波传感器相比，传感器的最小探测精度显者提闻。
[0060]根据本发明的实施例，还提供了如图4所示的另一种集成微流道的薄膜体声波传感器。图4所示的与图3所示的薄膜体声波传感器基本相同，除了图4所示的薄膜体声波传感器没有空气反射镜，而是在衬底I上沉积布拉格反射层，即交替沉积四分之一波长厚度的低声阻抗材料7和高声阻抗材料8，低声阻抗材料7可由诸如二氧化硅(SiO2)、铝(Al)等材料形成，高声阻抗材料8可由诸如钨(W)、钥(Mo)、氮化铝(AlN)等材料形成。布拉格反射层为谐振器提供声波反射界面，使能量存储在谐振器内。
[0061]根据本发明的实施例，还提供了如图5所示的另一种集成微流道的薄膜体声波传感器。图5所示的与图3所示的薄膜体声波传感器基本相同，除了图5所示的薄膜体声波传感器的空气反射镜的结构不同，图5所示的薄膜体声波传感器在衬底I中填充牺牲层，然后释放牺牲层得到空气反射镜7 ;此外，图5所示的薄膜体声波传感器还在流道腔体5的设置上与图3所示的薄膜体声波传感器存在差别，流道腔体5除了与上电极3共同构成流道6以外，流道腔体5的其余部分与上电极3的大部分区域接触，这样设置的流道腔体5可用作钝化层，保护下方结构免受外部环境的污染或者氧化。还可以选择频率温度系数与压电层的频率温度系数相反的材料制作流道腔体5，从而用于谐振器的温度补偿。进一步地，本文其他实施例中当流道腔体位于上电极上方时，也可以制作为全部覆盖上电极的结构从而保护谐振器，并且用于谐振器的温度补偿。
[0062]根据本发明的实施例，还提供了如图6所示的另一种集成微流道的薄膜体声波传感器。图6所示的与图3所示的薄膜体声波传感器基本相同，除了图6所示的薄膜体声波传感器包括支撑层5，并且微流道6位于下电极4内部。支撑层5可以由诸如二氧化硅(Si02)、氮化硅(SiNx)等材料形成，并且作为微流道6的结构层，与下电极4共同构成微流道6。
[0063]图6所示的薄膜体声波传感器的加工流程如下:
[0064]在衬底I上沉积支撑层5 ；
[0065]在支撑层5上沉积并刻蚀牺牲层，形成微流道图案；
[0066]沉积并刻蚀下电极4，形成下电极图案；
[0067]沉积压电层2、上电极3，并刻蚀出相应图案；
[0068]释放牺牲层，形成微流道6 ；
[0069]从背面刻蚀衬底I,形成空气反射镜7。
[0070]根据本发明的实施例，还提供了如图7A、7B所示的一种石英晶体传感器，其中，7A为石英晶体传感器的俯视图，图7B为图7A在A-A方向上的截面图。该石英晶体传感器包括石英晶体1、下电极2、上电极3、流道腔体4以及流道5。其中，石英晶体1、下电极2和上电极3组成石英晶体谐振器。组成下电极2和上电极3的材料与图2所示谐振器相同。流道腔体4以及流道5的特征与图2中所示的流道和流道腔体特征相同。
[0071]图8为流道结构的俯视图，其中3A和3B为谐振器的有效区域，5A和5B为谐振器有效区域内的流道，在未示出的实施例中，可以存在部分流道结构位于有效区域之外，但是，在有效区域以外的流道不起探测作用，只起运输等其他作用。虽然上文仅示出了与流道为直线的情况，在实际应用中，所有实施例均可以将流道结构制作成如5B的曲线型或者其他形状。将微流道结构加工成任意曲线型使得流道流径更加灵活，可有效避开其他结构，有利于微流道流径的拓展，扩大了集成微流道的传感器的应用范围。
[0072]如图9所示，在流道中的流体为去离子水的情况下，通过实验测得，去离子水和薄膜体声波谐振器有效区域和去离子水的接触面积与薄膜体声波谐振器品质因数的关系图。图9中横坐标(相对面积)代表去离子水与有效区域的重叠部分的水平投影面积总和与有效区域的水平投影面积的比值；纵坐标相对Qs代表薄膜体声波谐振器在施加去离子水之后串联谐振频率处的品质因数与空气环境下串联谐振频率处的品质因数的比值。所用薄膜体声波谐振器上下电极材料为Mo，上下电极厚度分别为5000A和5600A ;压电层材料为A1N，厚度为10000A。该薄膜体声波谐振器有效区域面积为40000um2。
[0073]此外，在未示出的实施例中，由于在实际应用中可以通过现有技术对谐振传感器进行封装(保护谐振传感器免受外界环境污染和物理冲击)，因此通过在谐振器的上方形成没有上盖的流道(也可以称为微流渠)来形成谐振传感器的结构也在本发明的保护范围之内。
[0074]如附图9所示，当薄膜体声波谐振器工作在空气环境中时，相对Qs值为I。当去离子水与薄膜体声波谐振器的接触面积小于薄膜体声波谐振器有效区域面积20%时，相对Qs值保持在0.9左右。当去离子水接触面积小于薄膜体声波谐振器有效区域面积50%时，相对Qs值不低于0.8。当去离子水完全浸覆薄膜体声波谐振器有效区域时，相对Qs值降至0.1左右，在这种情况下，薄膜体声波传感器性能严重恶化，这也是传统薄膜体声波传感器的缺点与不足所在。相比之下，当接触面积与其有效区域面积的比值小于50%时，优选地，当接触面积与其有效区域面积的比值小于20%时，薄膜体声波谐振器品质因数的恶化得到了有效遏制，能够显著提高薄膜体声波传感器的性能。
[0075]综上所述，借助于本发明的上述技术方案，本发明通过集成流道与谐振传感器，并且限制流道面积，能够提高谐振器的品质因数，从而得到更高的测量精度，并且，可以在谐振器的多处位置设置流道，使制作技术更灵活，此外，形成流道腔体的材料的频率温度系数与形成压电层的材料的频率温度系数相反，这样的材料选择可以有利于谐振器的温度补
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[0076]以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种用于流体环境检测的谐振传感器，其特征在于，包括: 多层结构，所述多层结构包括以下结构中的至少之一:上电极、压电层和下电极；其中，所述多层结构中所有结构彼此重叠的区域为有效区域； 至少一流道，对于每条流道，该流道的至少部分位于所述有效区域的表面或内部；其中，所有流道与所述有效区域的重叠部分的水平投影面积总和与所述有效区域的水平投影面积的比值小于或等于50%。
2.根据权利要求1所述的谐振传感器，其特征在于，所有流道与所述有效区域的重叠部分的水平投影面积总和与所述有效区域的水平投影面积的比值小于或等于20%。
3.根据权利要求1所述的谐振传感器，其特征在于，在流道的数量为多个的情况下，所述流道的交汇情况包括以下至少之一: 所述多个流道彼此独立； 所述多个流道存在至少一个交汇点。
4.根据权利要求1所述的谐振传感器，其特征在于，对于每个流道，该流道与所述多层结构的接触面的形状可以包括为: 直线形状、任意曲线形状。
5.根据权利要求1所述的谐振传感器，其特征在于，每个流道的高度大于或等于lnm，且小于或等于100 μ m。
6.根据权利要求5所述的谐振传感器，其特征在于，每个流道的高度大于或等于10nm，且小于或等于10 μ m。
7.根据权利要求1所述的谐振传感器，其特征在于，对于位于所述多层结构的表面的流道，该流道由位于所述多层结构表面的流道腔体与所述多层结构的表面限定得到。
8.根据权利要求7所述的谐振传感器，其特征在于，所述流道腔体的材料包括以下至少之一: 金属、介质材料、半导体材料、聚合物。
9.根据权利要求7所述的谐振传感器，其特征在于，所述流道腔体进一步沿所述多层结构的表面延展。
10.根据权利要求9所述的谐振传感器，其特征在于，形成所述流道腔体的材料的频率温度系数与形成所述多层结构的材料的频率温度系数相反。
11.根据权利要求9所述的谐振传感器，其特征在于，形成所述流道腔体的材料的频率温度系数与形成所述压电层的材料的频率温度系数相反。
12.根据权利要求1所述的谐振传感器，其特征在于，对于所述有效区域与所述至少一流道接触的表面，该表面覆盖有修饰物。
13.根据权利要求1-12中任一项所述的谐振传感器，其特征在于，所述谐振传感器为: 薄膜体声波传感器或石英晶体传感器。
【文档编号】G01N29/036GK103472129SQ201310428440
【公开日】2013年12月25日 申请日期:2013年9月17日 优先权日:2013年9月17日
【发明者】张 浩, 张孟伦, 庞慰, 张代化 申请人:天津大学