集成CMOS-MEMS的高灵敏谐振式传感器的制作方法
本公开涉及mems、cmos以及生物化学领域，尤其涉及一种集成cmos-mems的高灵敏谐振式传感器。
背景技术：
70年代以来谐振式传感器在电子、计算和半导体集成电路技术的基础上迅速发展起来。随着mems的快速发展，谐振式传感器的尺寸减小到了微米、亚微米甚至纳米量级，可对温度、热能、电磁场和质量等多种物理量进行高精度测量，因此被广泛应用于生物医疗、化学分析，环境监测和航天国防等各个领域。
近几年，随着微纳制造技术的迅速发展，对芯片高集成度、小型化的需求逐渐增强。2006年巴塞罗那自治大学mar′1avillarroya等人发展了基于悬臂梁的mems-cmos集成芯片技术，该芯片包含mems悬臂梁和cmos读取电路，实现了传感器的片上检测。2013年台湾科学委员会huangy.j.等人将悬臂梁与cmos读取电路和处理器集成，实现了mems器件与计算机内核的片上制作，完成了传感器从检测到计算再到数据存储的功能化集成。但是上述mems与cmos集成技术仍然存在若干问题，如：集成后的mems谐振器件相较于独立器件品质因子会降低，后端mems制作会影响cmos电路性能；集成后的cmos电路产生的噪声会对原本微小的传感器信号产生干扰，无法进行有效封装等等。
目前生化检测对于高性能传感芯片的需求日趋增加，例如：可对集成芯片进行片上液体实时检测，需要更低的检测下限，更低的信号噪声水平以及更高质量的传感器件等。因此，迫切需要开发新型高灵敏、高精度、高稳定性，便携式的mems-cmos集成传感器芯片。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种集成cmos-mems的高灵敏谐振式传感器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种集成cmos-mems的高灵敏谐振式传感器，包括：微流道谐振腔；mems悬臂梁结构，所述mems悬臂梁结构包括自由端和支撑端，所述mems悬臂梁结构包括自由端伸入所述微流道谐振腔，所述mems悬臂梁结构自由端包括生化反应区，用于与待测物的特异性反应；惠斯通电桥检测电路，与所述悬臂梁结构的支撑端连接；cmos信号处理电路，与惠斯通电桥检测电路相连；所述cmos信号处理电路引出电极用于通信；惠斯通电桥检测电路输出信号在cmos信号处理电路内闭环传递并激励mems悬臂梁结构谐振；通过获取所述mems悬臂梁结构在吸附待测物前后的频率变化来计算待测物的质量。
在本公开一些实施例中，所述悬臂梁支撑端还包括：谐振隔离槽，其形状为细长的三角形、矩形、梯形、弧形中任一种。
在本公开一些实施例中，所述微流道谐振腔为无转角平滑结构。
在本公开一些实施例中，所述mems悬臂梁结构包括：n根mems悬臂梁，其中n≥1，所述mems悬臂梁形状包括三角形、矩形、t型、双端固支中的任一种。
在本公开一些实施例中，所述惠斯通电桥检测电路包括四个压阻条、电学连接线和电学阱；所述惠斯通电桥式检测电路中的压阻条位于电学阱上，通过调节所述电学阱的电位来调节所述压阻条及其下部区域的寄生电容，减小电学噪声，提高传感器精度，降低检测下限。
在本公开一些实施例中，还包括：电学隔离岛，设置于所述惠斯通电桥检测电路和所述cmos信号处理电路之间并接地，用于减小电路干扰，提高传感器灵敏度；所述电学隔离岛包括：场氧层、栅氧层、多晶注入层、单层/多层金属；所述电学隔离岛形状包括独立状、带状、环状、区域包围状中的任一种。
在本公开一些实施例中，还包括：反应隔离槽，设置于所述微流道谐振腔与cmos信号处理电路之间，用于防止微流道内生化液体样本泄漏对cmos信号处理电路产生化学腐蚀或引入电学噪声。
在本公开一些实施例中，还包括：应力释放环，设置于所述高灵敏谐振式传感器单片外；所述应力释放环包括：场氧层、栅氧层、多晶层、介质层、金属层和钝化层中的一种或多种。
在本公开一些实施例中，所述cmos信号处理电路包括：电源管理、第一多路复用器、第二多路复用器、一级放大器、二级放大器、移相器、比较器、锁相环和正弦发生器；所述电源管理分别为所述惠斯通电桥式测量电路提供输入信号、所述cmos信号处理电路提供稳定电源、所述锁相环提供稳定基准信号；所述第一多路复用器完成对mems悬臂梁结构的独立控制，减少悬臂梁或阵列工作时产生的热噪声；所述第二多路复用器完成对电桥的输出信号的独立控制，防止多路信号同时输出产生混乱，提高传感器精度和稳定性；所述一级放大器和二级放大器，两级级联放大对传感器获得的微小信号进行有效放大，降低了传感器的检测下限。
在本公开一些实施例中，所述电极分别与所述电源管理模块、惠斯通电桥测量电路的输出信号以及第一多路复用器控制端和第二多路复用器的控制端连接，同时接地。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开集成cmos-mems的高灵敏谐振式传感器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：
(1)本公开具有cmos-mems集成度高、灵敏度高、可大规模制作等特点，相比于同类mems器件和电路模块，占用面积减少了近90％，因此，非常适用于便携式检测，尤其是可穿戴系统，能够广泛应用于生物医疗、食品安全、化学化工、航天国防等领域。
(2)微流道谐振腔的无转角平滑结构，减小待测物由于在微流道入口处的冲击形成的不均匀分布，减少非反应物质在微流道中的残留，提高传感器测量精度。
(3)通过调节电学阱的电位来调节压阻条与mems悬臂梁结构自由端的寄生电容，减小电学噪声，提高传感器精度，降低检测下限。
(4)谐振隔离槽可减少悬臂梁谐振时能量从根部的扩散，提高悬臂梁q值，提高传感器灵敏度。
(5)mems悬臂梁结构中可以选用不同的悬臂梁的自由端吸附不同的待测物，利于同时完成对多种待测物宽范围检测。
(6)应力释放环，利于消除多层膜结构在mems工艺时产生的应力对cmos信号处理电路的影响，提高芯片成品率。
(7)电学隔离岛有利于减小电路干扰，提高传感器灵敏度。
(8)电极分别接电源、地、输出信号，第一多路复用器控制端和第二多路复用器控制端，最大程度减少外接电极数量，减少电极的寄生电容以及引线封装时带来的信号线串扰，提高传感器的测量精度和稳定性。
附图说明
图1为本公开实施例集成cmos-mems的高灵敏谐振式传感器的结构示意图。
图2为图1中悬臂梁结构的结构示意图。
图3为图1中cmos信号处理电路示意图。
图4为惠斯通电桥检测原理示意图。
【附图中本公开实施例主要元件符号说明】
1-微流道谐振腔；
2-悬臂梁结构；
3-惠斯通电桥检测电路；
4-电学阱；
5-cmos信号处理电路；
6-电学隔离岛；
7-电极；
8-压阻条；
9-谐振隔离槽；
10-电学连接线；
11-生化反应区；
12-电源管理；
13-第一多路复用器；
14-第二多路复用器；
15-一级放大器；
16-二级放大器；
17-移相器；
18-比较器；
19-锁相环；
20-正弦发生器；
21-反应隔离槽；
22-应力释放环。
具体实施方式
本公开提供了一种集成cmos-mems的高灵敏谐振式传感器，包括：微流道谐振腔、mems悬臂梁结构、惠斯通电桥检测电路、cmos信号处理电路；谐振式传感器集成了mems悬臂梁结构和cmos信号处理电路，惠斯通电桥检测电路输出信号在cmos信号处理电路内闭环传递并激励mems悬臂梁结构谐振；通过获取mems悬臂梁结构在吸附待测物前后的频率变化来计算待测物的质量。本公开具有cmos-mems集成度高、灵敏度高、可大规模制作等特点，相比于同类mems器件和电路模块，占用面积减少了近90％，因此，非常适用于便携式检测，尤其是可穿戴系统，能够广泛应用于生物医疗、食品安全、化学化工、航天国防等领域。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
本公开某些实施例于后方将参照所附附图做更全面性地描述，其中一些但并非全部的实施例将被示出。实际上，本公开的各种实施例可以许多不同形式实现，而不应被解释为限于此数所阐述的实施例；相对地，提供这些实施例使得本公开满足适用的法律要求。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种集成cmos-mems的高灵敏谐振式传感器。
图1为本公开实施例集成cmos-mems的高灵敏谐振式传感器的结构示意图。图2为图1中悬臂梁结构的结构示意图。图3为图1中cmos信号处理电路示意图。如图1至图3所示，本公开集成cmos-mems的高灵敏谐振式传感器，包括：微流道谐振腔1、mems悬臂梁结构2、惠斯通电桥检测电路3、cmos信号处理电路5；mems悬臂梁结构2连接微流道谐振腔1和惠斯通电桥检测电路3；cmos信号处理电路5与惠斯通电桥检测电路3相连；cmos信号处理电路5引出电极7用于芯片通信。
谐振式传感器集成了mems悬臂梁结构2和cmos信号处理电路5，惠斯通电桥检测电路3输出信号在cmos信号处理电路5内闭环传递并激励mems悬臂梁结构谐振；通过获取mems悬臂梁结构在吸附待测物前后的频率变化来计算待测物的质量。其中，输出信号在cmos信号处理电路5内闭环传递后激励悬臂梁的方式为压电、静电、电磁、热电或光驱动中的任一种或多种。
以下分别对本实施例集成cmos-mems的高灵敏谐振式传感器的各个组成部分进行详细描述。
微流道谐振腔1，为无转角平滑结构，用于减小待测物由于在进入微流道谐振腔1时的冲击形成的不均匀分布，减少非反应物质在微流道谐振腔1中的残留，提高传感器测量精度。
mems悬臂梁结构2，包括：n根mems悬臂梁，其中n≥1。每根mems悬臂梁包括自由端和支撑端，自由端在微流道谐振腔1腔内，支撑端与微流道谐振腔1腔壁相连。其中，mems悬臂梁形状包括三角形、矩形、t型、双端固支中的任一种；不同悬臂梁的自由端吸附不同的待测物，以同时完成对多种待测物宽范围检测。
mems悬臂梁结构2自由端包括生化反应区11，用于与待测物的特异性反应。其中，生化反应区11为生化修饰槽结构，修饰物质为金属薄膜、半导体薄膜，多孔材料，纳米结构，纳米颗粒，生物分子中的任一种或多种。
此外，悬臂梁支撑端还设置有谐振隔离槽9，其形状可以为细长的三角形、矩形、弧形和/或梯形。用于减少悬臂梁谐振时能量从根部的扩散，提高悬臂梁q值，提高传感器灵敏度。
惠斯通电桥检测电路3，包括：四个压阻条8、电学连接线10和电学阱4；惠斯通电桥式检测电路3中的压阻条8位于电学阱4上，电学阱4的设置可以通过调节电学阱4的电位来调节压阻条8与传感器衬底间的寄生电容，减小电学噪声，提高传感器精度，降低检测下限。这里需要理解的是谐振式传感器集成在soi(silicononinsulator)片上制得芯片，这里soi片即为衬底。
cmos信号处理电路5，包括：电源管理模块12、第一多路复用器13、第二多路复用器14、一级放大器15、二级放大器16、移相器17、比较器18、锁相环19和正弦发生器20。电源管理12通过第一多路复用器13为惠斯通电桥测量电路3提供输入信号，激励mems悬臂梁结构谐振；惠斯通电桥检测电路3的输出信号通过第二多路复用器14在cmos信号处理电路5内进行闭环传递，顺次通过一级放大器15、二级放大器16、移相器17、比较器18、锁相环19和正弦发生器20。此外，电源管理12为锁相环19提供稳定基准信号。电源管理12为cmos信号处理电路5的各个部件提供稳定电源。
以下分别对cmos信号处理电路5中部分器件进行详述。
电源管理12为惠斯通电桥测量电路3提供输入信号，为cmos信号处理电路5提供稳定电源，为锁相环19提供稳定基准信号。电源管理12的集成减小了芯片工作时的电源噪声，提高了基准信号的稳定性，提高了传感器的测量精度。
第一多路复用器13，用于完成对mems悬臂梁结构2的独立控制，减少mems悬臂梁结构2工作时产生的热噪声。
第二多路复用器14，用于完成对惠斯通电桥检测电路3的输出信号的独立控制，防止多路信号同时输出产生混乱，提高传感器精度和稳定性。
一级放大器15和二级放大器16，用于对惠斯通电桥测量电路3的输出信号进行有效放大，降低了传感器的检测下限。
电极7分别与连接电源管理模块12、地面、连接地面和惠斯通电桥测量电路3的输出信号、第一多路复用器13控制端和第二多路复用器14控制端连接。用于最大程度减少外接电极7数量，减少电极7的寄生电容以及引线封装时带来的信号线串扰，提高传感器的测量精度和稳定性。
在一具体实施例中，图4为惠斯通电桥检测原理示意图。参考图4所示，mems悬臂梁结构2支撑端的压阻条8随着mems悬臂梁结构2的谐振幅值而发生变化，通过惠斯通电桥检测电路3将电阻变化转化为相同频率的电压信号，r1为悬臂梁支撑端压变电阻，r2，r3，r4为固定电阻，初始时他们的阻值相同均为r，受力后压变电阻的变化为δr，输入电压为uin，则输出信号为：
信号通过压阻条8后端的电学连接线10输出到cmos信号处理电路5中，第一多路复用器13通过电极7施加的控制信号，选择mems悬臂梁结构2中单根或多根悬臂梁的电桥进行工作，第二多路复用器14根据电极7施加的惠斯通电桥测量电路3的输出信号，对惠斯通电桥检测电路3的输出信号进行有序选择。
输出信号δv通过一级放大器15放大g1倍，再通过二级放大器16放大g2倍；然后通过移相器17将相位提前
悬臂梁基模共振频率为：
其中，k为悬臂梁的劲度系数，m*为悬臂梁的有效质量。当悬臂梁自由端的生化修饰槽11中的修饰物与待测物发生反应，质量发生变化，如果认为k不随悬臂梁质量发生变化，此时频率的偏移为：
依据此原理可以计算获得待测物的吸附质量。
经计算，悬臂梁的最小可探测质量为：
其中q为悬臂梁的品质因数，a，b为常量。可以看出，提高器件q值可以降低检测下限。悬臂梁根部刻蚀谐振隔离槽9，可减少悬臂梁谐振时能量从根部的扩散，提高悬臂梁q值，提高传感器灵敏度。
为了提高悬臂梁的检测能力，在微流道谐振腔1中将悬臂梁进行阵列，悬臂梁自由端刻蚀有生化反应区11，用于与待测物的特异性反应。其中，生化反应区11为生化修饰槽结构，修饰物质为金属薄膜、半导体薄膜，多孔材料，纳米结构，纳米颗粒，生物分子中的任一种或多种。
在传感器进行生化反应时，前端微流道中的待测物液体的泄漏扩散会对后端cmos信号处理电路5产生影响，反应隔离槽21是由表面钝化层至soi片顶硅刻蚀而成，截止层为埋氧；硅为疏水性，而二氧化硅为亲水性，截止层能够有效地对泄漏液体起到引流作用，对cmos电路起到保护作用。
在传感芯片圆片级制作时，cmos工艺的多层膜结构会产生片内应力，对悬臂梁结构2制作以及释放微流道谐振腔1时，应力会对cmos信号处理电路5的性能产生影响。因此，可以选择性的将应力释放环22设置在高灵敏谐振式传感器单片外。其中，应力释放环22由场氧层、栅氧层，多晶层，介质层，金属层和钝化层复合构成，在每一层膜上进行刻蚀和保护，保证了工艺结束后电路的性能稳定，提高了大规模制作的成品率。
cmos信号处理电路5中各器件在工作时会产生大量电学噪声，噪声会沿金属层扩散，对微小的惠斯通电桥检测电路3输出信号产生干扰；设置电学隔离岛6并接地，将cmos信号处理电路5产生的噪声通过隔离岛中金属层导出，减小电路干扰，提高传感器灵敏度。电学隔离岛6由场氧层、栅氧层，多晶注入层，单层或多层金属构成，保证了噪声信号的顺利抑制。隔离岛可以是独立状、带状、环状或区域包围状，其作用均是对输出信号进行电学隔离。
本公开提供的谐振式传感器集成在soi(silicononinsulator)片上，得到的芯片最终与外界的通信需要金属引线进行封装，信号通过金属引线传递时会产生电磁场，相邻两根引线间会发生串扰，降低信号质量，另外较长的引线和杂乱的排布也会在引线间产生寄生电容，影响传感器性能。输出电极7优化了芯片的通信接口，最大程度减少引线带来的噪声，提高了传感器测量精度。
至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。
依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开集成cmos-mems的高灵敏谐振式传感器有了清楚的认识。
综上所述，本公开提供一种集成mems悬臂梁结构和cmos信号处理电路的高灵敏谐振式传感器，集成度高、灵敏度高、可大规模制作等特点，相比于同类mems器件和电路模块，占用面积减少了近90％，因此，非常适用于便携式检测，尤其是可穿戴系统，能够广泛应用于生物医疗、食品安全、化学化工、航天国防等领域。
还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。
并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
说明书与权利要求中所使用的序数例如“第一”、“第二”、“第三”等的用词，以修饰相应的元件，其本身并不意味着该元件有任何的序数，也不代表某一元件与另一元件的顺序、或是制造方法上的顺序，该些序数的使用仅用来使具有某命名的一元件得以和另一具有相同命名的元件能做出清楚区分。
类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。
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