[發明專利]一種巨壓阻雙諧振質量傳感器及其制作方法

有效

• 申請號: 201610213732.8
• 申請日: 2016-04-07
• 公開（公告）號: CN105758501B
• 公開（公告）日: 2018-09-14
• 發明（設計）人: 張加宏;潘周光;葛益嫻;李敏;孫林峰
• 申請（專利權）人: 南京信息工程大學
• 主分類號: G01G3/13
• 分類號: G01G3/13;B81B7/00;B82Y40/00
• 代理公司: 南京縱橫知識產權代理有限公司 32224
• 代理人: 董建林

本發明公開了一種巨壓阻雙諧振質量傳感器及其制備方法，包括傳感器芯片和外部電路，其特征是，所述傳感器芯片包括兩個通過細納米桿相連的諧振式傳感器芯片和溫度補償裝置芯片，所述諧振式傳感器芯片包括諧振式傳感器的敏感結構、硅底層、絕緣二氧化硅層、硅頂層、鋁頂層、激勵電極、激勵電極引出端電極和檢測電極，所述硅底層、絕緣二氧化硅層、硅頂層從下至上依次設置，所述的鋁頂層與硅頂層處于同一層。本發明中的單晶硅納米諧振薄膜表面通過修飾工藝處理過，帶有殘余應力，比傳統硅壓阻式諧振膜的應變系數高約2?3個數量級。此外，為消除溫度對壓阻阻值變化的影響，在本發明中引入了溫度補償裝置，大大地提高了測量的分辨率與靈敏度。

技術領域

本發明涉及一種巨壓阻雙諧振質量傳感器及其制作方法，屬于微納電子機械系統（MEMS/NEMS）技術領域。

背景技術

近年來，微納機械諧振器作為高靈敏度的質量傳感器已經得到廣泛的發展，這類傳感器主要通過將外加質量或壓力的變化轉換為對應諧振頻率的變化，然后通過頻率與質量或壓力的關系得出待測物體質量值。在生化傳感領域，已經投入使用的石英晶體微天平（QCM）就是運用了這個原理：將石英晶振電極表面質量變化轉化為石英晶體振蕩電路輸出電信號的頻率變化，進而通過計算機等其他輔助設備獲得高精度的數據，是一種非常靈敏的質量檢測儀器。

但是目前的諧振式質量傳感器存在如下問題：（1）在液體檢測環境中，傳感器電信號輸出端在電解質溶液的影響下，其凈輸出電壓受到很大的限制。另外，由于流體阻尼的作用，其能量消耗會增加，最終導致過高的動態電阻，影響測量的準確度；（2）壓阻的阻值變化受外加質量（壓力）和環境溫度的雙重影響，尤其在超微量檢測中，環境溫度對結果的影響更大，目前的諧振式質量傳感器通常都缺少溫度補償措施；（3）傳統通過摻雜工藝的硅壓敏電阻的應變系數較小，隨著目前傳感器尺寸的變小，傳統摻雜工藝的壓敏電阻已經不能滿足現代高靈敏度檢測的要求，尤其是生化類壓力傳感器超微量超快檢測的要求。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是克服現有技術的缺陷，提供一種巨壓阻雙諧振質量傳感器及其制作方法。

為解決上述技術問題，本發明提供一種巨壓阻雙諧振質量傳感器及其制作方法，包括傳感器芯片和外部電路，其特征是，所述傳感器芯片包括兩個通過細納米桿相連的諧振式傳感器芯片和溫度補償裝置芯片，所述諧振式傳感器芯片包括諧振式傳感器的敏感結構、硅底層、絕緣二氧化硅層、硅頂層、鋁頂層、激勵電極、激勵電極引出端電極和檢測電極，所述硅底層、絕緣二氧化硅層、硅頂層從下至上依次設置；所述的鋁頂層與硅頂層處于同一層的不同區域，所述激勵電極引出端電極和檢測電極設置在鋁頂層，所述激勵電極設置在硅頂層，所述諧振式傳感器的敏感結構設置在硅頂層，所述諧振式傳感器的敏感結構包括單晶硅納米諧振薄膜和T型納米桿，所述單晶硅納米諧振薄膜通過T型納米桿錨定在硅頂層中心位置，所述激勵電極引出端電極通過二氧化硅表面的導線與激勵電極相連，所述檢測電極與所述T型納米桿相連；所述外部電路包括調理電路和控制電路，所述調理電路電聯接傳感器芯片和控制電路，所述控制電路和傳感器芯片電聯接。

進一步的，所述調理電路包括依次電聯接的運放電路、濾波電路、模擬示波器；所述控制電路包括依次電聯接的模數轉換器、DC/DC隔離器、微處理器、液晶顯示器，所述控制電路還包括分別與微處理器電聯接的數模轉換器和線性電源；其中調理電路的模擬示波器與控制電路的模數轉換器電聯接；其中運放電路的反向輸入端與所述的其中一個諧振式傳感器芯片的一個檢測電極電聯接，運放電路的正向輸入端與所述溫度補償裝置芯片的一個檢測電極電聯接，數模轉換器與上述該諧振式傳感器芯片的引出端電極電聯接。

進一步的，所述運放電路是差模輸入的運放電路，所述濾波電路是帶通濾波電路，所述模數轉換器是16位的ADS8319模數轉換器，所述DC/DC隔離器是型號為ADUM5000的DC/DC隔離器、所述微處理器是三星的S3C2410微處理器、所述液晶顯示器是2.8寸TFTLCD液晶顯示器、所述數模轉換器是16位的DAC8531數模轉換器，所述線性電源是LD0線性電源。