CN205537876U - 一种巨压阻双谐振质量传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种巨压阻双谐振质量传感器，包括传感器芯片和外部电路，其特征是，所述传感器芯片包括两个通过细纳米杆相连的谐振式传感器芯片和温度补偿装置芯片，所述谐振式传感器芯片包括谐振式传感器的敏感结构、硅底层、绝缘二氧化硅层、硅顶层、铝顶层、激励电极、激励电极引出端电极和检测电极，所述硅底层、绝缘二氧化硅层、硅顶层从下至上依次设置，所述的铝顶层与硅顶层处于同一层。本实用新型中的单晶硅纳米谐振薄膜表面通过修饰工艺处理过，带有残余应力，比传统硅压阻式谐振膜的应变系数高约2‑3个数量级。此外，为消除温度对压阻阻值变化的影响，在本实用新型中引入了温度补偿装置，大大地提高了测量的分辨率与灵敏度。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种巨压阻双谐振质量传感器，属于微纳电子机械系统（MEMS/NEMS）技术领域。
背景技术
近年来，微纳机械谐振器作为高灵敏度的质量传感器已经得到广泛的发展，这类传感器主要通过将外加质量或压力的变化转换为对应谐振频率的变化，然后通过频率与质量或压力的关系得出待测物体质量值。在生化传感领域，已经投入使用的石英晶体微天平（QCM）就是运用了这个原理：将石英晶振电极表面质量变化转化为石英晶体振荡电路输出电信号的频率变化，进而通过计算机等其他辅助设备获得高精度的数据，是一种非常灵敏的质量检测仪器。
但是目前的谐振式质量传感器存在如下问题：（1）在液体检测环境中，传感器电信号输出端在电解质溶液的影响下，其净输出电压受到很大的限制。另外，由于流体阻尼的作用，其能量消耗会增加，最终导致过高的动态电阻，影响测量的准确度；（2）压阻的阻值变化受外加质量（压力）和环境温度的双重影响，尤其在超微量检测中，环境温度对结果的影响更大，目前的谐振式质量传感器通常都缺少温度补偿措施；（3）传统通过掺杂工艺的硅压敏电阻的应变系数较小，随着目前传感器尺寸的变小，传统掺杂工艺的压敏电阻已经不能满足现代高灵敏度检测的要求，尤其是生化类压力传感器超微量超快检测的要求。
发明内容
本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种巨压阻双谐振质量传感器及其制作方法。
为解决上述技术问题，本实用新型提供一种巨压阻双谐振质量传感器，包括传感器芯片和外部电路，其特征是，所述传感器芯片包括两个通过细纳米杆相连的谐振式传感器芯片和温度补偿装置芯片，所述谐振式传感器芯片包括谐振式传感器的敏感结构、硅底层、绝缘二氧化硅层、硅顶层、铝顶层、激励电极、激励电极引出端电极和检测电极，所述硅底层、绝缘二氧化硅层、硅顶层从下至上依次设置；所述的铝顶层与硅顶层处于同一层的不同区域，所述激励电极引出端电极和检测电极设置在铝顶层，所述激励电极设置在硅顶层，所述谐振式传感器的敏感结构设置在硅顶层，所述谐振式传感器的敏感结构包括单晶硅纳米谐振薄膜和T型纳米杆，所述单晶硅纳米谐振薄膜通过T型纳米杆锚定在硅顶层中心位置，所述激励电极引出端电极通过二氧化硅表面的导线与激励电极相连，所述检测电极与所述T型纳米杆相连；所述外部电路包括调理电路和控制电路，所述调理电路电联接传感器芯片和控制电路，所述控制电路和传感器芯片电联接。
进一步的，所述调理电路包括依次电联接的运放电路、滤波电路、模拟示波器；所述控制电路包括依次电联接的模数转换器、DC/DC隔离器、微处理器、液晶显示器，所述控制电路还包括分别与微处理器电联接的数模转换器和线性电源；其中调理电路的模拟示波器与控制电路的模数转换器电联接；其中运放电路的反向输入端与所述的其中一个谐振式传感器芯片的一个检测电极电联接，运放电路的正向输入端与所述温度补偿装置芯片的一个检测电极电联接，数模转换器与上述该谐振式传感器芯片的引出端电极电联接。
进一步的，所述运放电路是差模输入的运放电路，所述滤波电路是带通滤波电路，所述模数转换器是16位的ADS8319模数转换器，所述DC/DC隔离器是型号为ADUM5000的DC/DC隔离器、所述微处理器是三星的S3C2410微处理器、所述液晶显示器是2.8寸TFTLCD液晶显示器、所述数模转换器是16位的DAC8531数模转换器，所述线性电源是LD0线性电源。
进一步的，所述单晶硅纳米谐振薄膜呈方形，所述激励电极与单晶硅纳米谐振薄膜对应的四个边呈等距分布。
进一步的，所述单晶硅纳米谐振薄膜表面用等离子体Ba和Hf进行工艺修饰。
进一步的，所述温度补偿装置芯片的尺寸与材料与谐振传感器芯片一致。
进一步的，所述两个谐振式传感器芯片的两个单晶硅纳米谐振薄膜之间通过两根细纳米杆实现频率耦合，谐振薄膜的四个角沿着T型纳米杆进行扩展与压缩运动。
本实用新型所达到的有益效果：
1）双谐振器之间通过两根细纳米杆进行耦合，使得质量感应区与信号检测区在空间上分离开来，最大可能的实现了生化感应与物理传导的最优化，最大化降低了在液体测量环境中，电解质溶液对测量结果的影响；
2）为了消除了环境温度对压阻阻值变化的影响，在本实用新型中设计了一个材料相同，外观与谐振器稍有差别的温度补偿装置，其输出的电信号与谐振器输出的电信号之差作为运放电路的差分输入信号，有效的提高了测量结果的准确度；
3）本实用新型选用的压阻阵列是一种新型的利用表面修饰工艺处理过的，带有较大的残余应力，其所表征的巨压阻效应的电阻应变系数高达4000-5000，比传统体加工的硅压阻的电阻应变系数高2-3个数量级，压阻阵列在压力作用下产生的巨压阻效应能够大大提高传感器的检测灵敏度和分辨率。易于实现微量检测；
4）检测电极输出的电信号通过外部电路的调理与控制，可以更加稳定，有效的反馈给激励电极，电信号的值可以直接通过液晶显示屏读出，电信号的输出波形也可以从模拟示波器中直观的看出。不用再通过后期的数据拟合得出电压波形曲线，大大提高了效率；
5）本专利设计大幅度提高双谐振质量传感器的灵敏度和分辨率，同时大大降低了液体环境以及环境温度对测量结果的影响，提高了检测数据的精度和可靠性。
附图说明
图1是通过工艺修饰过的单晶硅纳米谐振薄膜表面压阻分布模型图；
图2(a)是巨压阻双谐振质量传感器芯片制备流程步骤一俯视图；
图2 (b)是巨压阻双谐振质量传感器芯片制备流程步骤三俯视图；
图2 (c)是巨压阻双谐振质量传感器芯片制备流程步骤四俯视图；
图2 (d)是巨压阻双谐振质量传感器芯片制备流程步骤六俯视图；
图2(e) 是巨压阻双谐振质量传感器芯片制备流程步骤八俯视图；
图2(f)是巨压阻双谐振质量传感器芯片制备流程俯视图中的说明图；
图3是巨压阻双谐振质量传感器与外部电路连接示意图。
图中的1-10是激励电极引出端电极，11-22是检测电极，23-34是T型纳米杆，35、36是细纳米杆。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。
两个谐振式传感器芯片以下简称为谐振器Ⅰ和谐振器Ⅱ。
如图1所示，由于单晶硅材料是各向异性的，其压阻系数与晶向有关，在应力敏感器件设计中，晶体的取向主要有<110>,<100>晶面两种，而当压阻的取向在<110>晶向时，压阻系数最大，故在本发明中，单晶硅纳米谐振薄膜表面的压阻分布是沿着<110>晶向的。此时的单晶硅纳米薄膜表面就等效认为在T型纳米杆24与26所在的对角线方向排列了众多压阻单元，这些串联的和并联的压阻单元组成了一个规则的压阻阵列，并且沿着检测电极12与检测电极14所在的对角线两边对称分布，对角线上分布的压阻单元最多。通过有限元仿真可知，此时单晶硅纳米薄膜所表征出的压阻系数最大。当有外界激励信号作用时，纳米谐振薄膜就会沿着T型纳米杆23~26在一个平面内作一定频率的扩展与压缩运动，向内的黑色箭头代表向内压缩运动，向外的黑色箭头代表向外扩展运动，其中，等效压阻阵列的总阻值为Rr，四个T型纳米杆的总阻值为Rt。
如图2(a)、 (b)、 (c)、(d)、(e)所示，一种巨压阻双谐振质量传感器的制作方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：如图2（a）所示，选用N型110晶向的Si作为传感器芯片制备的材质,其中方形纳米谐振薄膜的长度为150-300µm，厚度为50-200nm;
步骤二：分别用硫酸与双氧水混合溶液和去离子DI水各冲洗Si硅片15分钟左右；
步骤三：如图2（b）所示，在Si硅芯片的硅顶层以倾斜角度5-9°，20keV能量注入1016每立方厘米剂量的As离子，时间为10分钟，然后放置于高温退火炉中25-35秒以使As离子均匀分布；
步骤四：在硅顶层旋涂光刻胶，如图2（c）所示，通过电子束曝光设计有纳米谐振薄膜图案、T型纳米杆图案、电极图案、导线图案的掩膜版进行光刻；
步骤五：接着在SF6/N2环境下，通过ICP干法刻蚀Si硅芯片上表面，刻到二氧化硅层停止；
步骤六：以硅作为掩膜，通过BOE溶液湿法腐蚀传感器敏感结构下的二氧化硅，刻到衬底硅停止，释放出传感器敏感结构，如图2（d）所示；
步骤七：利用等离子体Ba和Hf间隔20-40分钟先后对硅压阻阵列表面进行两次注入轰击，使得压阻阵列表面形成粗糙度的缺陷以及带电荷的杂质，同时在薄膜内形成较大的残余应力，有效地调制硅压阻阵列的巨压阻特性；
步骤八：如图2（e）所示，以温度400-450℃，时间为35-45分钟溅射铝作为谐振器和温度补偿装置的检测电极和激励电极引出端电极，导线。
如图3所示，传感器芯片的具体结构如下：整个传感器芯片分为三大块：谐振器Ⅰ、谐振器Ⅱ、温度补偿装置；在谐振器Ⅰ上，激励电极引出端电极1~3，它们通过二氧化硅表面的导线与激励电极相连，谐振器Ⅰ上的单晶硅纳米谐振薄膜通过T型纳米杆23~26锚定在硅表面，检测电极11~14与T型纳米杆23~26是连在一起的；在谐振器Ⅱ上，激励电极引出端电极4~6，它们通过二氧化硅表面的导线与激励电极相连，谐振器Ⅱ上的单晶硅纳米谐振薄膜通过T型纳米杆27~30锚定在硅表面，检测电极15~18与T型纳米杆27~30是连在一起的；谐振器Ⅰ与谐振器Ⅱ之间通过细纳米杆35~36连接，从而实现机械耦合谐振；在温度补偿装置上，激励电极引出端电极7~10，它们通过二氧化硅表面的导线与激励电极相连，温度补偿装置通过T型纳米杆31~34锚定在硅表面，检测电极19~22与T型纳米杆31~34是连在一起的。
如图3所示，该传感器具体测量方法如下：谐振器Ⅱ作为质量感应区，谐振器Ⅰ为振动激励和信号检测区，谐振器Ⅰ与谐振器Ⅱ的固有质量为m0，固有频率为f0，压阻阵列的电阻值为Rr，四个T型纳米杆的总阻值为Rt。谐振器Ⅰ的检测电极12连接微分运算电路的反向输入端，温度补偿装置的检测电极19连接微分运算电路的正向输入端，从而通过这种差分输入实现环境温度误差补偿。本案例中，当谐振器Ⅱ上有外加质量mc时，机械耦合在一起的谐振器Ⅰ的薄膜也发生弹性形变，由于巨压阻效应的作用，纳米薄膜表面的压阻阵列的阻值发生显著变化，其阻值变化的值为ΔRr1，在外加直流电源Vd的作用下，运算电路的反向输入端的输入电流Im≈(Vd/R)*( Δ Rr1/Rr),其中R=Rr+Rt,正向输入端输入的电流为In≈(Vd/R)*( Δ Rr2/Rr)，其中Rr2为压阻阵列的阻值在温度影响下的变化值，差分输入信号经运放电路的处理输出交流电压V0,其中V0=|V0|cosw0t，交流电压V0经滤波电路滤去表面纹波后，在模拟示波器上显示出稳定的电压波形曲线，经A/D模数转换器ADS8319转换为16位的二进制数，实时的电压值在TFTLCD上显示出来，采集到的数字量经微处理器S3C2410传送给D/A数模转换器DAC8531转换为模拟电压值V2，其中V2≈V0，输出的V2反馈到谐振器Ⅰ的激励电极引出端电极1~3上，构成闭环自激系统。电容器C3在外加交流电压V2与直流偏置电压V1的作用下，产生一个大小为F0的静电力，其中F0=1/2*（）*（V1+V2）2，其中C为电容器容量，X为电容器极板间的距离。谐振器Ⅰ与谐振器Ⅱ在静电力F0作用下产生振动，此时质量变化后的振动频率变为f1，通过公式mc =-2m0Δf / f0便可以得到外加质量mc的大小，其中Δf=f1-f0。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种巨压阻双谐振质量传感器，包括传感器芯片和外部电路，其特征是，所述传感器芯片包括两个通过细纳米杆相连的谐振式传感器芯片和温度补偿装置芯片，所述谐振式传感器芯片包括谐振式传感器的敏感结构、硅底层、绝缘二氧化硅层、硅顶层、铝顶层、激励电极、激励电极引出端电极和检测电极，所述硅底层、绝缘二氧化硅层、硅顶层从下至上依次设置；所述的铝顶层与硅顶层处于同一层的不同区域，所述激励电极引出端电极和检测电极设置在铝顶层，所述激励电极设置在硅顶层，所述谐振式传感器的敏感结构设置在硅顶层，所述谐振式传感器的敏感结构包括单晶硅纳米谐振薄膜和T型纳米杆，所述单晶硅纳米谐振薄膜通过T型纳米杆锚定在硅顶层中心位置，所述激励电极引出端电极通过二氧化硅表面的导线与激励电极相连，所述检测电极与所述T型纳米杆相连；所述外部电路包括调理电路和控制电路，所述调理电路电联接传感器芯片和控制电路，所述控制电路和传感器芯片电联接。
2.根据权利要求1所述的一种巨压阻双谐振质量传感器，其特征是，所述调理电路包括依次电联接的运放电路、滤波电路、模拟示波器；所述控制电路包括依次电联接的模数转换器、DC/DC隔离器、微处理器、液晶显示器，所述控制电路还包括分别与微处理器电联接的数模转换器和线性电源；其中调理电路的模拟示波器与控制电路的模数转换器电联接；其中运放电路的反向输入端与所述的其中一个谐振式传感器芯片的一个检测电极电联接，运放电路的正向输入端与所述温度补偿装置芯片的一个检测电极电联接，数模转换器与上述谐振式传感器芯片的引出端电极电联接。
3.根据权利要求2所述的一种巨压阻双谐振质量传感器，其特征是，所述运放电路是差模输入的运放电路，所述滤波电路是带通滤波电路，所述模数转换器是16位的ADS8319模数转换器，所述DC/DC隔离器是型号为ADUM5000的DC/DC隔离器、所述微处理器是三星的S3C2410微处理器、所述液晶显示器是2.8寸TFTLCD液晶显示器、所述数模转换器是16位的DAC8531数模转换器，所述线性电源是LD0线性电源。
4.根据权利要求1所述的一种巨压阻双谐振质量传感器，其特征是，所述单晶硅纳米谐振薄膜呈方形，所述激励电极与单晶硅纳米谐振薄膜对应的四个边呈等距分布。
5.根据权利要求1所述的一种巨压阻双谐振质量传感器，其特征是，所述单晶硅纳米谐振薄膜表面用等离子体Ba和Hf进行工艺修饰。
6.根据权利要求1所述的一种巨压阻双谐振质量传感器，其特征是，所述温度补偿装置芯片的尺寸与材料与谐振传感器芯片一致。
7.根据权利要求1所述的一种巨压阻双谐振质量传感器，其特征是，所述两个谐振式传感器芯片的两个单晶硅纳米谐振薄膜之间通过两根细纳米杆实现频率耦合，谐振薄膜的四个角沿着T型纳米杆进行扩展与压缩运动。
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