一种巨压阻双谐振质量传感器制造技术

本实用新型专利技术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。本实用新型专利技术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，在本实用新型专利技术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。

【技术实现步骤摘要】

本技术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）

技术介绍
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。
技术实现思路
本技术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，本技术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。本技术所达到的有益效果：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，在本技术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）本技术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技术作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本技术的技术方案，而不能以此来限制本技术的保护范围。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，故在本专利技术中，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：包括如下本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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...

【专利技术属性】
技术研发人员：张加宏，潘周光，葛益娴，李敏，孙林峰，
申请(专利权)人：南京信息工程大学，
类型：新型
国别省市：江苏;32