專利名稱：使用薄膜體聲共振器的材料感應(yīng)傳感器和模塊的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及到材料感應(yīng)模件，特別涉及一種使用薄膜體聲共振器(TFBAR)的材料感應(yīng)模件。
背景技術(shù)：
近來，人們對(duì)于可感應(yīng)生物材料、化學(xué)材料、環(huán)境材料、氣體材料等的材料感應(yīng)系統(tǒng)的興趣與日俱增，用于感應(yīng)和分析各種材料的傳感器的開發(fā)正在積極地進(jìn)行之中。特別是，一種通過利用壓電電子材料的屬性可感應(yīng)材料的表面吸附量的材料感應(yīng)傳感器，它通過使用該壓電電子材料的體聲波屬性，可按照目標(biāo)材料輸出共振頻偏。通過測量該共振頻偏，材料的粘附量可被獲知。
QCM(石英晶體微量天平)已經(jīng)被用作材料感應(yīng)傳感器。QCM是通過沿晶格方向切割石英晶體并且在切割的石英晶體上形成電極來構(gòu)成QCM。由于QCM具有體聲波特性，它吸收目標(biāo)材料到形成的電極上并且通過共振頻率變化值(即，共振頻偏)感應(yīng)目標(biāo)材料的表面吸附量。
如果QCM使用大體積水晶，它就會(huì)具有大的尺寸。另外，用于處理通過材料感應(yīng)傳感器的感應(yīng)單元獲得的信號(hào)的信號(hào)處理器需要形成在QCM的外部，材料感應(yīng)系統(tǒng)的尺寸就會(huì)不可避免地增大。
至于QCM，它的共振頻率根據(jù)石英水晶切片的厚度而變化，并且石英越薄，它的感應(yīng)靈敏度越好。但是，使用石英，不可能獲得大于幾百兆赫的共振頻率。
另外，QCM具有用于感應(yīng)一個(gè)材料的單一的感應(yīng)單元。而且，由于沒有辦法安排多個(gè)感應(yīng)單元，如果安裝多個(gè)傳感器以感應(yīng)多個(gè)目標(biāo)材料，則材料感應(yīng)傳感器的體積就太大了。
QCM以石英體聲共振器的共振頻偏為基礎(chǔ)測量材料，或者通過測量視石英體聲共振器的共振頻偏而定的振蕩頻偏來測量材料的粘附量。QCM測量方法需要大尺寸、高價(jià)格的測量裝置，諸如網(wǎng)絡(luò)分析器或者示波鏡。
如上所述，常規(guī)材料感應(yīng)系統(tǒng)具有下列問題即，第一，因?yàn)槌Ｒ?guī)材料感應(yīng)系統(tǒng)使用石英體聲共振器，所以材料感應(yīng)傳感器和材料感應(yīng)模塊尺寸大，并且由于最大共振頻率低，測量敏感度低。
第二，由于常規(guī)材料感應(yīng)系統(tǒng)不具有用于形成陣列結(jié)構(gòu)石英的處理方法，多個(gè)材料感應(yīng)傳感器不能被實(shí)現(xiàn)在單一的片上，不能測量多個(gè)目標(biāo)材料。
同時(shí)，另一種薄膜體聲共振器及其制造方法還被公開在2003年9月9日出版的編號(hào)為6,617,751的美國專利中。

發(fā)明內(nèi)容
因此，本發(fā)明的目的是提供一種使用薄膜體聲共振器的材料感應(yīng)傳感器，它具有壓縮的尺寸并且具有高材料測量敏感度，被形成為陣列形式，并且在同一板上與一個(gè)信號(hào)處理器相互集成，從而精確地感應(yīng)多種材料；以及一種材料感應(yīng)模塊。
為了獲得這些和其它優(yōu)點(diǎn)以及遵從本發(fā)明的目的，如這里被實(shí)例化并且被廣泛說明的，提供有一種使用薄膜體聲共振器(TFBAR)的材料感應(yīng)傳感器，其包括一第一薄膜體聲共振器，用于產(chǎn)生視目標(biāo)材料的量和/或厚度而定的第一共振頻率；和一用于產(chǎn)生參照共振頻率的參照薄膜體聲共振器。
為了獲得上述目的，還提供一種使用薄膜體聲共振器的材料感應(yīng)傳感器，其包括一基板；一形成在所述基板上表面的上薄膜層；一形成在所述基板下表面的下薄膜層；一形成在所述下薄膜層上的共用下電極；一形成在所述共用下電極上的壓電電子材料層；形成在所述壓電電子材料層上的指定部分的第一和第二上電極；形成在所述第一和第二上電極相應(yīng)方向上的，并且通過蝕刻所述上薄膜層和基板而形成在所述下薄膜層上的槽形圖案；形成在通過所述槽形圖案而顯露出來的下薄膜層的上表面的第一和第二吸附層；和一形成在所述第一吸附層上的反應(yīng)層。
為了獲得上述目的，還提供一種使用薄膜體聲共振器的材料感應(yīng)傳感器，其包括一基板；一形成在所述基板上表面的上薄膜層；一形成在所述基板下表面的下薄膜層；一形成在所述下薄膜層上的下電極；一形成在所述下電極上的壓電電子材料層；一對(duì)形成在所述壓電電子材料層上的上電極；一對(duì)形成在成對(duì)上電極相應(yīng)方向上的，并且通過蝕刻所述上薄膜層、基板和下薄膜層以暴露下電極而形成的槽形圖案；和一形成在由成對(duì)槽形圖案之一暴露出的下電極上的反應(yīng)層。
為了獲得上述目的，還提供一種使用薄膜體聲共振器的材料感應(yīng)傳感器，其包括一基板；一形成在所述基板上的薄膜支承層；一形成在所述薄膜支承層上的薄膜層；一形成在所述薄膜層上的共用下電極；一形成在所述共用下電極上的壓電電子材料層；形成在所述壓電電子材料層上的第一和第二上電極；一形成在所述第一上電極上的反應(yīng)層；和一為暴露所述反應(yīng)層和所述第二上電極的一部分而形成的腔結(jié)構(gòu)。
為了獲得上述目的，還提供一種使用薄膜體聲共振器的材料感應(yīng)傳感器，其包括一基板；一形成在所述基板上的薄膜支承層；一形成在所述薄膜支承層上的共用下電極；一形成在所述共用下電極上的壓電電子材料層；形成在所述壓電電子材料層上的第一和第二上電極；一形成在所述第一上電極上的反應(yīng)層；和一為暴露所述反應(yīng)層和所述第二上電極的一部分而形成的腔結(jié)構(gòu)。
為了獲得上述目的，還提供一種使用薄膜體聲共振器的材料感應(yīng)模塊，其包括一傳感器芯片，該傳感器芯片包括多個(gè)材料感應(yīng)傳感器，每個(gè)材料感應(yīng)傳感器分別具有一個(gè)可根據(jù)目標(biāo)材料的量和/或厚度產(chǎn)生一測量共振頻率的薄膜體聲共振器；和一信號(hào)處理器，用于將測量共振頻率與參照共振頻率混合，并且以混合信號(hào)的功率值為基礎(chǔ)測量目標(biāo)材料的量和/或厚度。
該使用薄膜體聲共振器的材料感應(yīng)模塊的信號(hào)處理器包括一感應(yīng)振蕩器，用于輸出材料感應(yīng)傳感器的測量薄膜體聲共振器的測量共振頻率；一參照振蕩器，用于將材料感應(yīng)傳感器的參照薄膜體聲共振器的共振頻率相移180°，從而輸出參照共振頻率；一射頻(RF)信號(hào)混合器，用于將測量共振頻率與參照共振頻率混合；和一功率測量單元，用于計(jì)算混合信號(hào)的功率。
該使用薄膜體聲共振器的材料感應(yīng)模塊的信號(hào)處理器包括一感應(yīng)振蕩器，用于輸出測量薄膜體聲共振器的測量共振頻率；一參照電壓控制振蕩器(VCO)，用于將參照薄膜體聲共振器的共振頻率相移180°并輸出相移的參照共振頻率；一RF信號(hào)混合器，用于將感應(yīng)振蕩器的測量共振頻率與參照VCO的參照共振頻率混合；和一功率測量單元，用于改變施加到參照VCO上的電壓，從而使混合信號(hào)的輸出功率達(dá)到最小，其中，當(dāng)施加到參照VCO上的電壓被改變時(shí)，以改變的電壓值為基礎(chǔ)測量目標(biāo)材料的粘附量和厚度。
當(dāng)結(jié)合附圖看說明書中下面的詳細(xì)說明時(shí)，本發(fā)明的上述和其它目的、特征、情況和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更加明晰。


為便于進(jìn)一步理解本發(fā)明而被包含進(jìn)來并且被引用以及構(gòu)成說明書一部分的附圖，圖示本發(fā)明的實(shí)施例并且和說明書一起來解釋本發(fā)明的原理。
在附圖中圖1所示為按照本發(fā)明的使用薄膜體聲共振器的材料感應(yīng)傳感器的結(jié)構(gòu)透視圖；圖2所示為按照本發(fā)明的第一實(shí)施例的圖1的形成在傳感器芯片中的材料感應(yīng)傳感器之一的剖視圖；
圖3所示為目標(biāo)材料被粘附在圖2的材料感應(yīng)傳感器上時(shí)產(chǎn)生的共振頻偏實(shí)驗(yàn)的曲線圖；圖4所示為按照本發(fā)明的第二實(shí)施例的材料感應(yīng)傳感器的剖視圖；圖5所示為按照本發(fā)明的第三實(shí)施例的材料感應(yīng)傳感器的剖視圖；圖6所示為按照本發(fā)明的第四實(shí)施例的材料感應(yīng)傳感器的剖視圖；圖7所示為按照本發(fā)明的材料感應(yīng)傳感器的信號(hào)處理器的第一實(shí)施例的方塊圖；圖8所示為按照本發(fā)明的材料感應(yīng)傳感器的信號(hào)處理器的第二實(shí)施例的方塊圖；和圖9A和9B所示為采用以體顯微機(jī)械加工形式形成的材料感應(yīng)傳感器的傳感器芯片背面的部分示意圖。
具體實(shí)施例方式
現(xiàn)在參照附圖中所示的例子，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。
按照本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例的一種能夠精確感應(yīng)多個(gè)材料的使用薄膜體聲共振器的材料感應(yīng)傳感器和一種材料感應(yīng)模塊現(xiàn)在將要被進(jìn)行說明。在本發(fā)明中，多個(gè)材料感應(yīng)傳感器，每個(gè)都具有一第一薄膜體聲共振器，該第一薄膜體聲共振器根據(jù)目標(biāo)材料的量和/或厚度產(chǎn)生一第一共振頻率；和一參照薄膜體聲共振器，該參照薄膜體聲共振器產(chǎn)生一第一共振頻率，被提供來精確感應(yīng)多個(gè)材料。
圖1所示為按照本發(fā)明的使用薄膜體聲共振器的材料感應(yīng)傳感器插件的結(jié)構(gòu)透視圖。
如圖1中所示，該使用薄膜體聲共振器的材料感應(yīng)傳感器插件包括一傳感器芯片100，具有多個(gè)設(shè)置在其中的材料感應(yīng)傳感器101；和一傳感器芯片插件200，用于封裝傳感器芯片100。
所述傳感器芯片插件200包括連接到多個(gè)材料感應(yīng)傳感器101上的結(jié)合墊201；和連接到該結(jié)合墊上的外部連接引腳202。
使用薄膜體聲共振器的材料感應(yīng)傳感器插件的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在將被進(jìn)行說明。
首先，該傳感器芯片100包括多個(gè)排列成格狀形式的材料感應(yīng)傳感器。也就是，多個(gè)材料可以通過多個(gè)材料感應(yīng)傳感器101被同時(shí)測量，并且多個(gè)材料感應(yīng)傳感器101被設(shè)置到一個(gè)傳感器芯片100中。該傳感器芯片100被可拆卸地連接到傳感器芯片插件中，從而使一次性使用的傳感器芯片100可以被容易地置換。
傳感器芯片100的材料感應(yīng)傳感器被形成為一對(duì)一組，并且一個(gè)目標(biāo)材料可以通過選擇性地將每一材料感應(yīng)傳感器的上電極5-1和5-2與共用下電極3連接得到單獨(dú)的測量。
在本發(fā)明中，為了獲得排除環(huán)境影響的絕對(duì)測量值，一對(duì)TFBAR被用作一個(gè)材料感應(yīng)傳感器。即，成對(duì)的TFBAR中的一個(gè)被用作感應(yīng)注入的目標(biāo)材料的測量TFBAR，而另一個(gè)被用作參照TFBAR。例如，在要被感應(yīng)的目標(biāo)材料被注入進(jìn)測量TFBAR之后，該目標(biāo)材料的存在或不存在，該目標(biāo)材料的量和厚度能夠以測量TFBAR的共振頻率和參照TFBAR的共振頻率為基礎(chǔ)得到感應(yīng)。
同時(shí)，如該傳感器芯片的背面所示，包括上電極5-1和5-2、共用下電極3和壓電電子材料層4的TFBAR按照信號(hào)處理方法設(shè)置，并且該傳感器芯片100被結(jié)合到傳感器芯片插件200上。然后，通過使用焊劑，上電極5-1和5-2、共用下電極3和壓電電子材料層4被結(jié)合到結(jié)合墊201上。
形成的TFBAR傳感器芯片插件200與信號(hào)處理器(集成電路(IC))一起被安裝在同一印刷電路板上，從而制造材料感應(yīng)模塊。
也就是，在本發(fā)明中，多個(gè)材料感應(yīng)傳感器可以被設(shè)置到一個(gè)傳感器芯片中，或者信號(hào)處理器可以與傳感器芯片一起被形成在同一基板上。
按照本發(fā)明的第一實(shí)施例的材料感應(yīng)傳感器101的結(jié)構(gòu)現(xiàn)在將參照?qǐng)D2進(jìn)行說明。
圖2所示為按照本發(fā)明的第一實(shí)施例的圖1的形成在傳感器芯片中的材料感應(yīng)傳感器之一的剖視圖。
如圖2中所示，具有一對(duì)TFBAR的材料感應(yīng)傳感器101包括一基板1；一形成在所述基板1上表面的上薄膜層2-1；一形成在所述基板1下表面的下薄膜層2-2；一形成在所述下薄膜層2-2上的共用下電極3；一形成在所述共用下電極3上的壓電電子材料層4；形成在所述壓電電子材料層4上的指定部分的第一和第二上電極5-1和5-2；通過蝕刻所述上薄膜層2-1和基板1、形成在所述第一和第二上電極5-1和5-2相應(yīng)方向上的和形成在所述下薄膜層2-2上的槽形圖案；形成在由所述槽形圖案暴露出的下薄膜層2-2的上表面的第一和第二吸附層6-1和6-2；和一形成在所述第一吸附層6-1上的反應(yīng)層7。
具有反應(yīng)層7的TFBAR是測量TFBAR(感應(yīng)部分)，用于測量一個(gè)材料，而沒有反應(yīng)層7的TFBAR是參照TFBAR(參照部分)。
一個(gè)TFBAR包括一下電極、一壓電電子材料層和一上電極。
形成在基板1的上表面的薄膜層2-1與實(shí)施本發(fā)明并不相關(guān)，并且，通過使用低壓SiNx薄膜，不妨礙測量TFBAR和參照TFBAR的工作。
共用下電極3形成在基板1的下表面的下薄膜層2-2上，并且被TFBAR對(duì)(測量TFBAR和參照TFBAR)共同使用。
壓電電子材料層4形成在共用下電極3上，并且由產(chǎn)生薄膜體聲波的ZnO、AIN和PZT中的一種形成。因?yàn)閴弘婋娮硬牧蠈?是由薄膜沉積工藝形成，所以它能夠被制造得非常薄，并因此使具有少量GHz共振頻帶的測量TFBAR和參照TFBAR能夠被輕易地形成。即，通過形成具有少量GHz共振頻帶的測量TFBAR和參照TFBAR，采用TFBAR的材料感應(yīng)傳感器的敏感度可以被提高，并且該材料感應(yīng)傳感器可以被用于測量諸如DNA(脫氧核糖核酸)、細(xì)胞和蛋白質(zhì)的生物材料。
為了獨(dú)立地操作每對(duì)TFBAR(測量TFBAR和參照TFBAR)，在壓電電子材料層4上，上電極5-1和5-2被分別成對(duì)形成。
之后，在對(duì)應(yīng)于測量TFBAR和參照TFBAR的方向上，利用各向異性，上薄膜層2-1和基板1被蝕刻，從而形成槽形圖案。此時(shí)，只有基板1被完全地蝕刻，呈斜坡狀，從而暴露出下薄膜層2-2。蝕刻處理通過顯微電版機(jī)械系統(tǒng)體顯微機(jī)械工藝來完成。
吸附層6由諸如Au、Al、W、Ta等金屬，或者帶一電極和反應(yīng)層的具有粘性的聚合體材料制成較好。反應(yīng)層7的材料可以根據(jù)目標(biāo)材料的類型來選擇。例如，反應(yīng)層7可被用作檢測前列腺癌的反應(yīng)材料，或者檢測胃癌的材料。
反應(yīng)層7會(huì)去吸收目標(biāo)材料8。例如，為了只向感應(yīng)單元提供目標(biāo)材料8(也就是，測量TFBAR)，一腔結(jié)構(gòu)以暴露槽形圖案或者反應(yīng)層7的形式形成在測量TFBAR上。
測量TFBAR和參照TFBAR的共振頻率根據(jù)下電極8、壓電電子材料層4、上電極5-1和5-2以及下薄膜層2-2的厚度而定，并且共振頻率(fr)由下面所示的等式(1)來計(jì)算。這里，當(dāng)目標(biāo)材料被沉積或者被粘附到反應(yīng)層7上時(shí)，共振頻偏被產(chǎn)生。
fr=n2[dpvp+dmvm]-1----(1)]]>其中，‘n’是整數(shù)，dp是壓電電子材料層的厚度，vp是壓電電子材料層中聲波的傳播速度，dm是上電極或下電極的厚度，和vm是上電極或下電極中聲波的傳播速度。
通過利用常規(guī)的半導(dǎo)體工藝將感應(yīng)片100與信號(hào)處理器集成在同一印刷電路板上，材料感應(yīng)模塊的尺寸可以被大大地縮小。
在本發(fā)明中，材料感應(yīng)傳感器插件被形成可從材料感應(yīng)模塊上分離的形式，一次性傳感器芯片或/和傳感器芯片插件被形成為可從材料感應(yīng)模塊上分離下來或者可被附著在材料感應(yīng)模塊上。
圖3所示為目標(biāo)材料被粘附在圖2的材料感應(yīng)傳感器上時(shí)產(chǎn)生的共振頻偏實(shí)驗(yàn)的曲線圖。
如圖3中所示，通過粘附的目標(biāo)材料，共振頻率被減小和偏離。因?yàn)楣舱耦l偏根據(jù)粘附的目標(biāo)材料的厚度和量而有所不同，所以頻偏可以按照實(shí)驗(yàn)結(jié)果(各種材料的厚度和粘附的量)提前測量，然后實(shí)際目標(biāo)材料的粘附量和它的厚度可以以測量的頻偏為基礎(chǔ)來測量。例如，提前測量的頻偏被存儲(chǔ)在一數(shù)據(jù)庫中，以它為基準(zhǔn)，粘附的目標(biāo)材料的粘附量就能夠被精確地測量出。
圖4所示為按照本發(fā)明的第二實(shí)施例的材料感應(yīng)傳感器的剖視圖。
如圖4中所示，一種按照本發(fā)明的第二實(shí)施例的使用薄膜體聲共振器的材料感應(yīng)傳感器包括一基板1；一形成在所述基板1上表面的上薄膜層2-1和一形成在所述基板1下表面的下薄膜層2-2；一形成在所述下薄膜層2-2上的下電極3；一形成在所述下電極3上的壓電電子材料層4；一對(duì)形成在所述壓電電子材料層4上的上電極5-1和5-2；一對(duì)形成在成對(duì)上電極5-1和5-2相應(yīng)方向上并且通過蝕刻所述上薄膜層2-1、基板1和下薄膜層2-2形成以暴露下電極3而形成的槽形圖案；和一形成在由成對(duì)槽形圖案之一暴露出的下電極上的反應(yīng)層7。
在按照本發(fā)明的第二實(shí)施例的材料感應(yīng)傳感器中，取代去除諸如圖2的材料感應(yīng)傳感器中的吸附層6，基板1被蝕刻到薄膜層2-2，在測量TFBAR的下電極3上直接形成反應(yīng)層7。因此，可以避免另外形成諸如Au、Ai、W、Ta或聚合物的吸附層6的不便。這里，具有如圖2和4中所示的通過各向異性蝕刻基板1形成的腔結(jié)構(gòu)形式的測量TFBAR的材料感應(yīng)傳感器被稱為體顯微機(jī)械形式。
現(xiàn)在將參照?qǐng)D5對(duì)一種按照本發(fā)明的第三實(shí)施例的材料感應(yīng)傳感器進(jìn)行說明。
圖5所示為按照本發(fā)明的第三實(shí)施例的材料感應(yīng)傳感器的剖視圖。
該按照本發(fā)明的第三實(shí)施例的材料感應(yīng)傳感器具有這樣的結(jié)構(gòu)測量TFBAR和參照TFBAR被形成在基板1的上表面。
如圖5中所示，一種按照本發(fā)明的第三實(shí)施例的使用薄膜體聲共振器的材料感應(yīng)傳感器110包括一基板1；一形成在所述基板1上的薄膜支承層9；一形成在所述薄膜支承層9上的薄膜層10；一形成在所述薄膜層10上的共用下電極3；一形成在所述共用下電極3上的壓電電子材料層4；形成在所述壓電電子材料層4上的第一和第二上電極5-1和5-2；一形成在所述第一上電極5-1上的反應(yīng)層；和一為暴露所述反應(yīng)層和所述第二上電極的一部分而形成的腔結(jié)構(gòu)11。
因?yàn)闇y量TFBAR和參照TFBAR被形成在基板1的上面，所以薄膜支承層9被形成在薄膜層10的下表面，從而提供可產(chǎn)生共振頻率的一個(gè)空間。薄膜支承層9可以使用犧牲層來形成。此處，形成犧牲層的工藝是一種共知工藝。因此，在該按照本發(fā)明的第三實(shí)施例的材料感應(yīng)傳感器中，反應(yīng)層7被形成在測量TFBAR(感應(yīng)部分)的上電極5-1上，使得吸附層6不是必須的。
用于向測量TFBAR的上電極5-1提供目標(biāo)材料8的腔結(jié)構(gòu)11是通過使用PDMS(Poly Dimethyl Siloxane)或者聚合物樹脂形成的。自然不用說，除了腔結(jié)構(gòu)11或者槽形圖案之外，通過覆蓋參照TFBAR的槽形圖案部分從而只向測量TFBAR提供目標(biāo)材料8的額外的腔結(jié)構(gòu)也可以被施加到傳感器芯片100的上部分，便于大量使用。
現(xiàn)在將參照?qǐng)D6對(duì)一種按照本發(fā)明的第四實(shí)施例的材料感應(yīng)傳感器進(jìn)行說明。
圖6所示為按照本發(fā)明的第四實(shí)施例的材料感應(yīng)傳感器的剖視圖。
如圖6中所示，一種按照本發(fā)明的第四實(shí)施例的使用薄膜體聲共振器的材料感應(yīng)傳感器包括一基板1，一形成在所述基板1上的薄膜支承層9；一形成在所述薄膜支承層9上的共用下電極3；一形成在所述共用下電極3上的壓電電子材料層4；分別形成在所述壓電電子材料層4的上部的第一和第二上電極5-1和5-2；一形成在所述第一上電極5-1上的反應(yīng)層7；和一為暴露所述反應(yīng)層7和所述第二上電極5-2的一部分而形成的腔結(jié)構(gòu)11。
也就是，該按照本發(fā)明的第四實(shí)施例的材料感應(yīng)傳感器是一種沒有圖4的薄膜層10的結(jié)構(gòu)。
測量TFBAR和參照TFBAR可以被形成為各種結(jié)構(gòu)，而且優(yōu)選地，測量TFBAR和參照TFBAR共享使用壓電電子材料層4。
優(yōu)選地，一對(duì)TFBAR中的一個(gè)被設(shè)置為一測量TFBAR并且反應(yīng)層7只被形成在該測量TFBAR的上電極處。
優(yōu)選地，構(gòu)成材料感應(yīng)傳感器的測量TFBAR和參照TFBAR的電極是由從下面的一組材料中選出的一種或者多種材料制成Pt，Au，Mo，Al，Cr，Ti，TiN，W，Ta，lr，lrO2。
為了把使用如圖5和6中的材料感應(yīng)傳感器的傳感器芯片置于傳感器芯片插件上，使用常規(guī)半導(dǎo)體芯片的諸如填料技術(shù)(packingtechnique)的引線接合工藝。接合工藝是常規(guī)的并且是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員已知的。因此，省略對(duì)傳感器芯片插件的詳細(xì)結(jié)構(gòu)的說明。
一個(gè)通過常規(guī)半導(dǎo)體加工處理的具有多個(gè)材料感應(yīng)傳感器的傳感器芯片可以被制造和設(shè)置在印刷電路板上，從而完成一個(gè)能夠同時(shí)測量多個(gè)材料的材料感應(yīng)傳感器插件。
另外，為了把連接多個(gè)材料感應(yīng)傳感器的信號(hào)處理器集成進(jìn)單一的芯片中，通過常規(guī)的半導(dǎo)體加工處理，信號(hào)處理器可以與具有材料感應(yīng)傳感器的傳感器芯片一起被形成在同一個(gè)印刷電路板上。
現(xiàn)在將對(duì)一種通過材料感應(yīng)傳感器感應(yīng)目標(biāo)材料的粘附量和厚度的方法進(jìn)行說明。
即，關(guān)于本發(fā)明中所需的信號(hào)處理器的結(jié)構(gòu)。該本發(fā)明的信號(hào)處理器可以包括一感應(yīng)材料的測量TFBAR的振蕩器和一參照TFBAR的振蕩器。為了測量測量共振頻率和參照共振頻率混合后產(chǎn)生的射頻功率的變化，振蕩出一個(gè)與從測量TFBAR的振蕩器輸出的測量共振頻率還有從參照TFBAR的振蕩器輸出的參照共振頻率同步的信號(hào)，然后，在測量的功率值的基礎(chǔ)上，檢測一目標(biāo)材料存在還是不存在，以及該目標(biāo)材料的粘附量和厚度。
現(xiàn)在將參照?qǐng)D7對(duì)該信號(hào)處理器的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行說明。
圖7所示為按照本發(fā)明的材料感應(yīng)傳感器的信號(hào)處理器的第一實(shí)施例的方塊圖。
如圖7中所示，一種按照第一實(shí)施例的信號(hào)處理器包括一感應(yīng)振蕩器20，用于輸出材料感應(yīng)傳感器的測量TFBAR的測量共振頻率；一參照振蕩器21，用于將材料感應(yīng)傳感器的參照TFBAR的共振頻率相移180°，從而輸出參照共振頻率；一射頻(RF)信號(hào)混合器22，用于將測量共振頻率與參照共振頻率混合；和一功率測量單元23，用于計(jì)算混合信號(hào)的功率。
按照第一實(shí)施例的信號(hào)處理器以如下方式操作。
首先，當(dāng)一個(gè)目標(biāo)材料被粘附到測量TFBAR上時(shí)，感應(yīng)振蕩器20輸出一測量共振頻率到RF信號(hào)混合器22。這里，當(dāng)該目標(biāo)材料被粘附到測量TFBAR上時(shí)，測量TFBAR的測量共振頻率被改變。
參照振蕩器21以180°移動(dòng)參照TFBAR產(chǎn)生的共振頻率的相位，并且輸出相移的參照共振頻率到RF信號(hào)混合器22。
然后，RF信號(hào)混合器22混合參照共振頻率和測量TFBAR的測量共振頻率，并且輸出混合信號(hào)到功率測量單元23。
然后，功率測量單元23測量混合信號(hào)的功率。例如，當(dāng)參照共振頻率和測量共振頻率彼此相同時(shí)，功率測量單元23計(jì)算出的輸出功率是‘0’。
同時(shí)，如果測量TFBAR的測量共振頻率按照目標(biāo)材料的粘附量或者厚度而改變，則功率測量單元23計(jì)算出的輸出功率增加。因此，通過以目標(biāo)材料沒有粘附時(shí)的輸出功率值為基礎(chǔ)計(jì)算目標(biāo)材料被粘附時(shí)的功率值，目標(biāo)材料是否被粘附、粘附量和厚度就可以被獲知。
另外，當(dāng)功率測量單元23以數(shù)字信號(hào)提供輸出功率時(shí)，連接到材料感應(yīng)模塊的主控制系統(tǒng)(未顯示)就可以方便地使用和材料的粘附量以及它的厚度相關(guān)的數(shù)據(jù)。
圖8所示為按照本發(fā)明的材料感應(yīng)傳感器的信號(hào)處理器的第二實(shí)施例的方塊圖。
如圖8中所示，該按照第二實(shí)施例的信號(hào)處理器包括一感應(yīng)振蕩器30，用于輸出測量TFBAR的測量共振頻率；一參照電壓控制振蕩器(VCO)31，用于將參照TFBAR的共振頻率相移180°并輸出相移的參照共振頻率；一RF信號(hào)混合器32，用于將感應(yīng)振蕩器30的測量共振頻率與參照VCO31的參照共振頻率混合；和一功率測量單元33，用于改變施加到參照VCO31上的電壓，從而使混合信號(hào)的輸出功率達(dá)到最小。
即，該按照第二實(shí)施例的信號(hào)處理器，以施加到參照VCO上的電壓為基礎(chǔ)，測量目標(biāo)材料的粘附量和厚度。
現(xiàn)在將對(duì)該按照第二實(shí)施例的信號(hào)處理器的工作原理進(jìn)行說明。
首先，當(dāng)一個(gè)目標(biāo)材料被粘附到測量TFBAR上時(shí)，感應(yīng)振蕩器30輸出測量TFBAR的測量共振頻率到RF信號(hào)混合器32。這里，當(dāng)該目標(biāo)材料被粘附到測量TFBAR上時(shí)，測量TFBAR的測量共振頻率發(fā)生變化。
參照VCO31以180°移動(dòng)參照TFBAR產(chǎn)生的共振頻率的相位，并且輸出相移的參照共振頻率到RF信號(hào)混合器32。
RF信號(hào)混合器32混合參照共振頻率和測量TFBAR的測量共振頻率，并且輸出混合信號(hào)到功率測量單元33。
為了使混合信號(hào)的尺寸達(dá)到最小，功率測量單元33改變施加到參照VCO上的電壓，并且以改變的電壓值為基礎(chǔ)測量該目標(biāo)材料的粘附量和厚度。
例如，當(dāng)施加到參照VCO上的電壓被調(diào)控到使混合信號(hào)的尺寸達(dá)到最小時(shí)，施加到參照VCO上的電壓是按照粘附到測量TFBAR上的該目標(biāo)材料的量和/或厚度而變化的。此時(shí)，改變的電壓值可讀，以它為基礎(chǔ)，粘附材料的量和獲得就能被獲知。
優(yōu)選地，該按照第二實(shí)施例的信號(hào)處理器被應(yīng)用到一個(gè)模擬信號(hào)處理系統(tǒng)。
圖9A和9B所示為采用以體顯微機(jī)械加工形式形成的材料感應(yīng)傳感器的傳感器芯片背面的部分示意圖。
如圖9A中所示，由傳感器芯片、感應(yīng)器芯片插件和信號(hào)處理器組成的材料感應(yīng)模塊共用材料感應(yīng)傳感器101的下電極3，并且只用上電極5-1和5-2驅(qū)動(dòng)特定的材料感應(yīng)傳感器。
如圖9B中所示，具有傳感器芯片、傳感器芯片插件和信號(hào)處理器的材料感應(yīng)模塊可以被形成為NxN矩陣結(jié)構(gòu)，以便通過分離該材料感應(yīng)傳感器101的下電極3進(jìn)行地址指定。這可以由開發(fā)者選擇使用。自不必說，應(yīng)用到傳感器芯片的材料感應(yīng)傳感器的下電極可以被分離或者合并。
因此，通過實(shí)現(xiàn)使用成對(duì)TFBAR的材料感應(yīng)模塊，按照常規(guī)技術(shù)的生物傳感器、化學(xué)傳感器、氣味傳感器、環(huán)境傳感器以及材料傳感器可以得到改善，并且因?yàn)槎鄠€(gè)材料可以被同時(shí)測量，測量材料所花的時(shí)間可以被減少，并且材料感應(yīng)模塊可以被壓縮到更小，集成度更高。
按照目前的說明，本發(fā)明的使用TFBAR的材料感應(yīng)模塊具有下列優(yōu)點(diǎn)。
也就是，例如，由于多個(gè)材料感應(yīng)傳感器，每一個(gè)都具有一對(duì)通過顯微機(jī)械加工形成的TFBAR，被設(shè)置在一個(gè)單一的傳感器芯片內(nèi)并且該單一的傳感器芯片與信號(hào)處理器被安裝在同一印刷電路板上，所以材料感應(yīng)傳感器的靈敏度可以得到增強(qiáng)，多個(gè)材料可以被同時(shí)并且精確地檢測，并且材料感應(yīng)模塊的尺寸可以被大大的縮小。
另外，采用TFBAR的材料感應(yīng)模塊的單一傳感器芯片可以被附在傳感器芯片插件上和從傳感器芯片插件上拆下，因此一次性傳感器芯片可以被方便地置換。
在不脫離本發(fā)明的精神或者實(shí)質(zhì)特征的前提下，本發(fā)明可以被具體化為幾種形式。同時(shí)應(yīng)該理解，除非另外說明，上述實(shí)施例不受任何前述細(xì)節(jié)的限制，而應(yīng)該在所附權(quán)利要求書中定義的它的精神和范圍內(nèi)進(jìn)行廣義地解釋，因此凡是落入該權(quán)利要求的界線或者這些界線的等價(jià)物內(nèi)的所有的變化和修改都被所附權(quán)利要求包含在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種使用薄膜體聲共振器(TFBAR)的材料感應(yīng)傳感器，包括一第一薄膜體聲共振器，用于根據(jù)一目標(biāo)材料的量和/或厚度產(chǎn)生一第一共振頻率；和一參照薄膜體聲共振器，用于產(chǎn)生一參照共振頻率。
2.權(quán)利要求1的傳感器，進(jìn)一步還包括一形成在所述第一TFBAR上并且接收目標(biāo)材料的第一槽形圖案。
3.權(quán)利要求2的傳感器，進(jìn)一步還包括一形成在所述參照TFBAR上的第二槽形圖案。
4.權(quán)利要求1的傳感器，包括一基板；一形成在所述基板上表面的上薄膜層；一形成在所述基板下表面的下薄膜層；一形成在所述下薄膜層上的共用下電極；一形成在所述共用下電極上的壓電電子材料層；形成在所述壓電電子材料層上的指定部分的第一和第二上電極；形成在所述第一和第二上電極相應(yīng)方向上的，并且通過蝕刻所述上薄膜層和基板而形成在所述下薄膜層上的槽形圖案；形成在由所述槽形圖案暴露出的下薄膜層的上表面的第一和第二吸附層；和一形成在所述第一吸附層上的反應(yīng)層。
5.權(quán)利要求1的傳感器，包括一基板；一形成在所述基板上表面的上薄膜層；一形成在所述基板下表面的下薄膜層；一形成在所述下薄膜層上的下電極；一形成在所述下電極上的壓電電子材料層；一對(duì)形成在所述壓電電子材料層上的上電極；一對(duì)形成在成對(duì)上電極相應(yīng)方向上的，并且通過蝕刻所述上薄膜層、基板和下薄膜層以暴露下電極而形成的槽形圖案；和一形成在由成對(duì)槽形圖案之一暴露出的下電極上的反應(yīng)層。
6.權(quán)利要求1的傳感器，包括一基板；一形成在所述基板上的薄膜支承層；一形成在所述薄膜支承層上的薄膜層；一形成在所述薄膜層上的共用下電極；一形成在所述共用下電極上的壓電電子材料層；形成在所述壓電電子材料層上的第一和第二上電極；一形成在所述第一上電極上的反應(yīng)層；和一為暴露所述反應(yīng)層和所述第二上電極的一部分而形成的腔結(jié)構(gòu)。
7.權(quán)利要求1的傳感器，包括一基板，一形成在所述基板上的薄膜支承層；一形成在所述薄膜支承層上的共用下電極；一形成在所述共用下電極上的壓電電子材料層；形成在所述壓電電子材料層上的第一和第二上電極；一形成在所述第一上電極上的反應(yīng)層；和一為暴露所述反應(yīng)層和所述第二上電極的一部分而形成的腔結(jié)構(gòu)。
8.權(quán)利要求1的傳感器被形成為多個(gè)，并且所述多個(gè)材料感應(yīng)傳感器被設(shè)置在單一傳感器芯片內(nèi)。
9.權(quán)利要求1的傳感器被形成為多個(gè)，所述多個(gè)材料感應(yīng)傳感器在單一傳感器芯片上被排列成格狀圖案形式。
10.權(quán)利要求9的傳感器，進(jìn)一步還包括一具有可被連接到所述傳感器芯片上的結(jié)合墊的傳感器芯片插件，連接到所述結(jié)合墊的外部連接引腳，和一用于保護(hù)和支承所述傳感器芯片的結(jié)構(gòu)。
11.權(quán)利要求1的傳感器，進(jìn)一步還包括一信號(hào)處理器，用于混合所述第一共振頻率和參照共振頻率，并且以混合信號(hào)的功率值為基礎(chǔ)測量目標(biāo)材料的量和/或厚度。
12.權(quán)利要求11的傳感器，其特征在于，所述信號(hào)處理器包括一感應(yīng)振蕩器，用于輸出所述材料感應(yīng)傳感器的第一薄膜體聲共振器的第一共振頻率；一參照振蕩器，用于將所述材料感應(yīng)傳感器的參照薄膜體聲共振器的共振頻率相移180°，從而輸出參照共振頻率；一射頻(RF)信號(hào)混合器，用于混合第一共振頻率和參照共振頻率；和一功率測量單元，用于計(jì)算混合信號(hào)的功率。
13.權(quán)利要求11的傳感器，其特征在于，所述信號(hào)處理器包括一感應(yīng)振蕩器，用于輸出所述第一薄膜體聲共振器的第一共振頻率；一參照電壓控制振蕩器(VCO)，用于將所述參照薄膜體聲共振器的共振頻率相移180°并輸出相移的參照共振頻率；一RF信號(hào)混合器，用于混合所述感應(yīng)振蕩器的第一共振頻率和所述參照VCO的參照共振頻率；和一功率測量單元，用于改變施加到所述參照VCO上的電壓，從而使混合信號(hào)的輸出功率達(dá)到最小，其中，當(dāng)施加到參照VCO上的電壓被改變時(shí)，以改變的電壓值為基礎(chǔ)測量目標(biāo)材料的粘附量和厚度。
14.一種使用薄膜體聲共振器的材料感應(yīng)模塊，包括一傳感器芯片，該傳感器芯片包括多個(gè)材料感應(yīng)傳感器，每一個(gè)材料感應(yīng)傳感器具有一可根據(jù)目標(biāo)材料的量和/或厚度產(chǎn)生測量共振頻率的薄膜體聲共振器和一產(chǎn)生參照共振頻率的參照薄膜體聲共振器；和一信號(hào)處理器，用于混合測量共振頻率和參照共振頻率并且以混合信號(hào)的功率值為基礎(chǔ)測量目標(biāo)材料的量和/或厚度。
15.權(quán)利要求14的模塊，其特征在于，所述信號(hào)處理器與所述傳感器芯片一起被形成在所述同一基板上。
16.權(quán)利要求14的模塊，其特征在于，一具有可被連接到所述傳感器芯片上的結(jié)合墊的傳感器芯片插件，連接到所述結(jié)合墊的外部連接引腳，和一用于保護(hù)和支承所述傳感器芯片的結(jié)構(gòu)。
17.權(quán)利要求16的模塊，其特征在于，所述傳感器芯片插件與所述信號(hào)處理器一起被安裝在一個(gè)印刷電路板上并且被可分離地貼附在所述印刷電路板上。
18.權(quán)利要求16的模塊，其特征在于，所述傳感器芯片可從所述傳感器芯片插件上分離或者可被貼附在所述傳感器芯片插件上。
19.權(quán)利要求14的模塊，其特征在于，在所述傳感器芯片中的一個(gè)材料感應(yīng)傳感器包括一基板；一形成在所述基板上表面的上薄膜層；一形成在所述基板下表面的下薄膜層；一形成在所述下薄膜層上的共用下電極；一形成在所述共用下電極上的壓電電子材料層；形成在所述壓電電子材料層上的指定部分的第一和第二上電極；形成在所述第一和第二上電極相應(yīng)方向上的，并且通過蝕刻所述上薄膜層和基板而形成在所述下薄膜層上的槽形圖案；形成在由所述槽形圖案暴露出的下薄膜層的上表面的第一和第二吸附層；和一形成在所述第一吸附層上的反應(yīng)層。
20.權(quán)利要求14的模塊，其特征在于，在所述傳感器芯片中的一個(gè)材料感應(yīng)傳感器包括一基板；一形成在所述基板上表面的上薄膜層；一形成在所述基板下表面的下薄膜層；一形成在所述下薄膜層上的下電極；一形成在所述下電極上的壓電電子材料層；一對(duì)形成在所述壓電電子材料層上的上電極；一對(duì)形成在成對(duì)上電極相應(yīng)方向上的，并且通過蝕刻所述上薄膜層、基板和下薄膜層以暴露下電極而形成的槽形圖案；和一形成在由成對(duì)槽形圖案之一暴露出的下電極上的反應(yīng)層。
21.權(quán)利要求14的模塊，其特征在于，在所述傳感器芯片中的一個(gè)材料感應(yīng)傳感器包括一基板；一形成在所述基板上的薄膜支承層；一形成在所述薄膜支承層上的薄膜層；一形成在所述薄膜層上的共用下電極；一形成在所述共用下電極上的壓電電子材料層；形成在所述壓電電子材料層上的第一和第二上電極；一形成在所述第一上電極上的反應(yīng)層；和一為暴露所述反應(yīng)層和所述第二上電極的一部分而形成的腔結(jié)構(gòu)。
22.權(quán)利要求14的模塊，其特征在于，在所述傳感器芯片中的一個(gè)材料感應(yīng)傳感器包括一基板，一形成在所述基板上的薄膜支承層；一形成在所述薄膜支承層上的共用下電極；一形成在所述共用下電極上的壓電電子材料層；形成在所述壓電電子材料層上的第一和第二上電極；一形成在所述第一上電極上的反應(yīng)層；和一為暴露所述反應(yīng)層和所述第二上電極的一部分而形成的腔結(jié)構(gòu)。
23.權(quán)利要求14的模塊，其特征在于，所述信號(hào)處理器包括一感應(yīng)振蕩器，用于輸出所述材料感應(yīng)傳感器的測量薄膜體聲共振器的測量共振頻率；一參照振蕩器，用于將所述材料感應(yīng)傳感器的參照薄膜體聲共振器的共振頻率相移180°，從而輸出參照共振頻率；一射頻(RF)信號(hào)混合器，用于混合測量共振頻率和參照共振頻率；和一功率測量單元，用于計(jì)算混合信號(hào)的功率。
24.權(quán)利要求14的模塊，其特征在于，所述信號(hào)處理器包括一感應(yīng)振蕩器，用于輸出所述測量薄膜體聲共振器的測量共振頻率；一參照電壓控制振蕩器(VCO)，用于將所述參照薄膜體聲共振器的共振頻率相移180°并輸出相移的參照共振頻率；一RF信號(hào)混合器，用于混合所述感應(yīng)振蕩器的測量共振頻率和所述參照VCO的參照共振頻率；和一功率測量單元，用于改變施加到所述參照VCO上的電壓，從而使混合信號(hào)的輸出功率達(dá)到最小，其中，當(dāng)施加到參照VCO上的電壓被改變時(shí)，以改變的電壓值為基礎(chǔ)測量目標(biāo)材料的粘附量和厚度。
全文摘要
本發(fā)明公開的內(nèi)容包括一種使用具有小尺寸和高材料測量靈敏度的薄膜體聲共振器的材料感應(yīng)傳感器，與其它材料感應(yīng)傳感器一起被形成陣列形式，并且與信號(hào)處理器集成在同一印刷電路板上，從而精確地測量多個(gè)材料；和一種材料感應(yīng)模塊。該使用薄膜體聲共振器(TFBAR)的材料感應(yīng)傳感器包括一第一薄膜體聲共振器，用于根據(jù)一目標(biāo)材料的量和/或厚度產(chǎn)生一第一共振頻率；和一參照薄膜體聲共振器，用于產(chǎn)生一參照共振頻率。
文檔編號(hào)G01N5/02GK1517706SQ20041000112
公開日2004年8月4日 申請(qǐng)日期2004年1月20日 優(yōu)先權(quán)日2003年1月24日
發(fā)明者李憲民, 樸宰永 申請(qǐng)人:Lg電子有限公司