专利名称：使用薄膜体声共振器的材料感应传感器和模块的制作方法
技术领域：
本发明涉及到材料感应模件，特别涉及一种使用薄膜体声共振器(TFBAR)的材料感应模件。
背景技术：
近来，人们对于可感应生物材料、化学材料、环境材料、气体材料等的材料感应系统的兴趣与日俱增，用于感应和分析各种材料的传感器的开发正在积极地进行之中。特别是，一种通过利用压电电子材料的属性可感应材料的表面吸附量的材料感应传感器，它通过使用该压电电子材料的体声波属性，可按照目标材料输出共振频偏。通过测量该共振频偏，材料的粘附量可被获知。
QCM(石英晶体微量天平)已经被用作材料感应传感器。QCM是通过沿晶格方向切割石英晶体并且在切割的石英晶体上形成电极来构成QCM。由于QCM具有体声波特性，它吸收目标材料到形成的电极上并且通过共振频率变化值(即，共振频偏)感应目标材料的表面吸附量。
如果QCM使用大体积水晶，它就会具有大的尺寸。另外，用于处理通过材料感应传感器的感应单元获得的信号的信号处理器需要形成在QCM的外部，材料感应系统的尺寸就会不可避免地增大。
至于QCM，它的共振频率根据石英水晶切片的厚度而变化，并且石英越薄，它的感应灵敏度越好。但是，使用石英，不可能获得大于几百兆赫的共振频率。
另外，QCM具有用于感应一个材料的单一的感应单元。而且，由于没有办法安排多个感应单元，如果安装多个传感器以感应多个目标材料，则材料感应传感器的体积就太大了。
QCM以石英体声共振器的共振频偏为基础测量材料，或者通过测量视石英体声共振器的共振频偏而定的振荡频偏来测量材料的粘附量。QCM测量方法需要大尺寸、高价格的测量装置，诸如网络分析器或者示波镜。
如上所述，常规材料感应系统具有下列问题即，第一，因为常规材料感应系统使用石英体声共振器，所以材料感应传感器和材料感应模块尺寸大，并且由于最大共振频率低，测量敏感度低。
第二，由于常规材料感应系统不具有用于形成阵列结构石英的处理方法，多个材料感应传感器不能被实现在单一的片上，不能测量多个目标材料。
同时，另一种薄膜体声共振器及其制造方法还被公开在2003年9月9日出版的编号为6,617,751的美国专利中。

发明内容
因此，本发明的目的是提供一种使用薄膜体声共振器的材料感应传感器，它具有压缩的尺寸并且具有高材料测量敏感度，被形成为阵列形式，并且在同一板上与一个信号处理器相互集成，从而精确地感应多种材料；以及一种材料感应模块。
为了获得这些和其它优点以及遵从本发明的目的，如这里被实例化并且被广泛说明的，提供有一种使用薄膜体声共振器(TFBAR)的材料感应传感器，其包括一第一薄膜体声共振器，用于产生视目标材料的量和/或厚度而定的第一共振频率；和一用于产生参照共振频率的参照薄膜体声共振器。
为了获得上述目的，还提供一种使用薄膜体声共振器的材料感应传感器，其包括一基板；一形成在所述基板上表面的上薄膜层；一形成在所述基板下表面的下薄膜层；一形成在所述下薄膜层上的共用下电极；一形成在所述共用下电极上的压电电子材料层；形成在所述压电电子材料层上的指定部分的第一和第二上电极；形成在所述第一和第二上电极相应方向上的，并且通过蚀刻所述上薄膜层和基板而形成在所述下薄膜层上的槽形图案；形成在通过所述槽形图案而显露出来的下薄膜层的上表面的第一和第二吸附层；和一形成在所述第一吸附层上的反应层。
为了获得上述目的，还提供一种使用薄膜体声共振器的材料感应传感器，其包括一基板；一形成在所述基板上表面的上薄膜层；一形成在所述基板下表面的下薄膜层；一形成在所述下薄膜层上的下电极；一形成在所述下电极上的压电电子材料层；一对形成在所述压电电子材料层上的上电极；一对形成在成对上电极相应方向上的，并且通过蚀刻所述上薄膜层、基板和下薄膜层以暴露下电极而形成的槽形图案；和一形成在由成对槽形图案之一暴露出的下电极上的反应层。
为了获得上述目的，还提供一种使用薄膜体声共振器的材料感应传感器，其包括一基板；一形成在所述基板上的薄膜支承层；一形成在所述薄膜支承层上的薄膜层；一形成在所述薄膜层上的共用下电极；一形成在所述共用下电极上的压电电子材料层；形成在所述压电电子材料层上的第一和第二上电极；一形成在所述第一上电极上的反应层；和一为暴露所述反应层和所述第二上电极的一部分而形成的腔结构。
为了获得上述目的，还提供一种使用薄膜体声共振器的材料感应传感器，其包括一基板；一形成在所述基板上的薄膜支承层；一形成在所述薄膜支承层上的共用下电极；一形成在所述共用下电极上的压电电子材料层；形成在所述压电电子材料层上的第一和第二上电极；一形成在所述第一上电极上的反应层；和一为暴露所述反应层和所述第二上电极的一部分而形成的腔结构。
为了获得上述目的，还提供一种使用薄膜体声共振器的材料感应模块，其包括一传感器芯片，该传感器芯片包括多个材料感应传感器，每个材料感应传感器分别具有一个可根据目标材料的量和/或厚度产生一测量共振频率的薄膜体声共振器；和一信号处理器，用于将测量共振频率与参照共振频率混合，并且以混合信号的功率值为基础测量目标材料的量和/或厚度。
该使用薄膜体声共振器的材料感应模块的信号处理器包括一感应振荡器，用于输出材料感应传感器的测量薄膜体声共振器的测量共振频率；一参照振荡器，用于将材料感应传感器的参照薄膜体声共振器的共振频率相移180°，从而输出参照共振频率；一射频(RF)信号混合器，用于将测量共振频率与参照共振频率混合；和一功率测量单元，用于计算混合信号的功率。
该使用薄膜体声共振器的材料感应模块的信号处理器包括一感应振荡器，用于输出测量薄膜体声共振器的测量共振频率；一参照电压控制振荡器(VCO)，用于将参照薄膜体声共振器的共振频率相移180°并输出相移的参照共振频率；一RF信号混合器，用于将感应振荡器的测量共振频率与参照VCO的参照共振频率混合；和一功率测量单元，用于改变施加到参照VCO上的电压，从而使混合信号的输出功率达到最小，其中，当施加到参照VCO上的电压被改变时，以改变的电压值为基础测量目标材料的粘附量和厚度。
当结合附图看说明书中下面的详细说明时，本发明的上述和其它目的、特征、情况和优点将会变得更加明晰。


为便于进一步理解本发明而被包含进来并且被引用以及构成说明书一部分的附图，图示本发明的实施例并且和说明书一起来解释本发明的原理。
在附图中图1所示为按照本发明的使用薄膜体声共振器的材料感应传感器的结构透视图；图2所示为按照本发明的第一实施例的图1的形成在传感器芯片中的材料感应传感器之一的剖视图；
图3所示为目标材料被粘附在图2的材料感应传感器上时产生的共振频偏实验的曲线图；图4所示为按照本发明的第二实施例的材料感应传感器的剖视图；图5所示为按照本发明的第三实施例的材料感应传感器的剖视图；图6所示为按照本发明的第四实施例的材料感应传感器的剖视图；图7所示为按照本发明的材料感应传感器的信号处理器的第一实施例的方块图；图8所示为按照本发明的材料感应传感器的信号处理器的第二实施例的方块图；和图9A和9B所示为采用以体显微机械加工形式形成的材料感应传感器的传感器芯片背面的部分示意图。
具体实施例方式
现在参照附图中所示的例子，对本发明的优选实施方式进行详细说明。
按照本发明的优选实施例的一种能够精确感应多个材料的使用薄膜体声共振器的材料感应传感器和一种材料感应模块现在将要被进行说明。在本发明中，多个材料感应传感器，每个都具有一第一薄膜体声共振器，该第一薄膜体声共振器根据目标材料的量和/或厚度产生一第一共振频率；和一参照薄膜体声共振器，该参照薄膜体声共振器产生一第一共振频率，被提供来精确感应多个材料。
图1所示为按照本发明的使用薄膜体声共振器的材料感应传感器插件的结构透视图。
如图1中所示，该使用薄膜体声共振器的材料感应传感器插件包括一传感器芯片100，具有多个设置在其中的材料感应传感器101；和一传感器芯片插件200，用于封装传感器芯片100。
所述传感器芯片插件200包括连接到多个材料感应传感器101上的结合垫201；和连接到该结合垫上的外部连接引脚202。
使用薄膜体声共振器的材料感应传感器插件的结构现在将被进行说明。
首先，该传感器芯片100包括多个排列成格状形式的材料感应传感器。也就是，多个材料可以通过多个材料感应传感器101被同时测量，并且多个材料感应传感器101被设置到一个传感器芯片100中。该传感器芯片100被可拆卸地连接到传感器芯片插件中，从而使一次性使用的传感器芯片100可以被容易地置换。
传感器芯片100的材料感应传感器被形成为一对一组，并且一个目标材料可以通过选择性地将每一材料感应传感器的上电极5-1和5-2与共用下电极3连接得到单独的测量。
在本发明中，为了获得排除环境影响的绝对测量值，一对TFBAR被用作一个材料感应传感器。即，成对的TFBAR中的一个被用作感应注入的目标材料的测量TFBAR，而另一个被用作参照TFBAR。例如，在要被感应的目标材料被注入进测量TFBAR之后，该目标材料的存在或不存在，该目标材料的量和厚度能够以测量TFBAR的共振频率和参照TFBAR的共振频率为基础得到感应。
同时，如该传感器芯片的背面所示，包括上电极5-1和5-2、共用下电极3和压电电子材料层4的TFBAR按照信号处理方法设置，并且该传感器芯片100被结合到传感器芯片插件200上。然后，通过使用焊剂，上电极5-1和5-2、共用下电极3和压电电子材料层4被结合到结合垫201上。
形成的TFBAR传感器芯片插件200与信号处理器(集成电路(IC))一起被安装在同一印刷电路板上，从而制造材料感应模块。
也就是，在本发明中，多个材料感应传感器可以被设置到一个传感器芯片中，或者信号处理器可以与传感器芯片一起被形成在同一基板上。
按照本发明的第一实施例的材料感应传感器101的结构现在将参照图2进行说明。
图2所示为按照本发明的第一实施例的图1的形成在传感器芯片中的材料感应传感器之一的剖视图。
如图2中所示，具有一对TFBAR的材料感应传感器101包括一基板1；一形成在所述基板1上表面的上薄膜层2-1；一形成在所述基板1下表面的下薄膜层2-2；一形成在所述下薄膜层2-2上的共用下电极3；一形成在所述共用下电极3上的压电电子材料层4；形成在所述压电电子材料层4上的指定部分的第一和第二上电极5-1和5-2；通过蚀刻所述上薄膜层2-1和基板1、形成在所述第一和第二上电极5-1和5-2相应方向上的和形成在所述下薄膜层2-2上的槽形图案；形成在由所述槽形图案暴露出的下薄膜层2-2的上表面的第一和第二吸附层6-1和6-2；和一形成在所述第一吸附层6-1上的反应层7。
具有反应层7的TFBAR是测量TFBAR(感应部分)，用于测量一个材料，而没有反应层7的TFBAR是参照TFBAR(参照部分)。
一个TFBAR包括一下电极、一压电电子材料层和一上电极。
形成在基板1的上表面的薄膜层2-1与实施本发明并不相关，并且，通过使用低压SiNx薄膜，不妨碍测量TFBAR和参照TFBAR的工作。
共用下电极3形成在基板1的下表面的下薄膜层2-2上，并且被TFBAR对(测量TFBAR和参照TFBAR)共同使用。
压电电子材料层4形成在共用下电极3上，并且由产生薄膜体声波的ZnO、AIN和PZT中的一种形成。因为压电电子材料层4是由薄膜沉积工艺形成，所以它能够被制造得非常薄，并因此使具有少量GHz共振频带的测量TFBAR和参照TFBAR能够被轻易地形成。即，通过形成具有少量GHz共振频带的测量TFBAR和参照TFBAR，采用TFBAR的材料感应传感器的敏感度可以被提高，并且该材料感应传感器可以被用于测量诸如DNA(脱氧核糖核酸)、细胞和蛋白质的生物材料。
为了独立地操作每对TFBAR(测量TFBAR和参照TFBAR)，在压电电子材料层4上，上电极5-1和5-2被分别成对形成。
之后，在对应于测量TFBAR和参照TFBAR的方向上，利用各向异性，上薄膜层2-1和基板1被蚀刻，从而形成槽形图案。此时，只有基板1被完全地蚀刻，呈斜坡状，从而暴露出下薄膜层2-2。蚀刻处理通过显微电版机械系统体显微机械工艺来完成。
吸附层6由诸如Au、Al、W、Ta等金属，或者带一电极和反应层的具有粘性的聚合体材料制成较好。反应层7的材料可以根据目标材料的类型来选择。例如，反应层7可被用作检测前列腺癌的反应材料，或者检测胃癌的材料。
反应层7会去吸收目标材料8。例如，为了只向感应单元提供目标材料8(也就是，测量TFBAR)，一腔结构以暴露槽形图案或者反应层7的形式形成在测量TFBAR上。
测量TFBAR和参照TFBAR的共振频率根据下电极8、压电电子材料层4、上电极5-1和5-2以及下薄膜层2-2的厚度而定，并且共振频率(fr)由下面所示的等式(1)来计算。这里，当目标材料被沉积或者被粘附到反应层7上时，共振频偏被产生。
fr=n2[dpvp+dmvm]-1----(1)]]>其中，‘n’是整数，dp是压电电子材料层的厚度，vp是压电电子材料层中声波的传播速度，dm是上电极或下电极的厚度，和vm是上电极或下电极中声波的传播速度。
通过利用常规的半导体工艺将感应片100与信号处理器集成在同一印刷电路板上，材料感应模块的尺寸可以被大大地缩小。
在本发明中，材料感应传感器插件被形成可从材料感应模块上分离的形式，一次性传感器芯片或/和传感器芯片插件被形成为可从材料感应模块上分离下来或者可被附着在材料感应模块上。
图3所示为目标材料被粘附在图2的材料感应传感器上时产生的共振频偏实验的曲线图。
如图3中所示，通过粘附的目标材料，共振频率被减小和偏离。因为共振频偏根据粘附的目标材料的厚度和量而有所不同，所以频偏可以按照实验结果(各种材料的厚度和粘附的量)提前测量，然后实际目标材料的粘附量和它的厚度可以以测量的频偏为基础来测量。例如，提前测量的频偏被存储在一数据库中，以它为基准，粘附的目标材料的粘附量就能够被精确地测量出。
图4所示为按照本发明的第二实施例的材料感应传感器的剖视图。
如图4中所示，一种按照本发明的第二实施例的使用薄膜体声共振器的材料感应传感器包括一基板1；一形成在所述基板1上表面的上薄膜层2-1和一形成在所述基板1下表面的下薄膜层2-2；一形成在所述下薄膜层2-2上的下电极3；一形成在所述下电极3上的压电电子材料层4；一对形成在所述压电电子材料层4上的上电极5-1和5-2；一对形成在成对上电极5-1和5-2相应方向上并且通过蚀刻所述上薄膜层2-1、基板1和下薄膜层2-2形成以暴露下电极3而形成的槽形图案；和一形成在由成对槽形图案之一暴露出的下电极上的反应层7。
在按照本发明的第二实施例的材料感应传感器中，取代去除诸如图2的材料感应传感器中的吸附层6，基板1被蚀刻到薄膜层2-2，在测量TFBAR的下电极3上直接形成反应层7。因此，可以避免另外形成诸如Au、Ai、W、Ta或聚合物的吸附层6的不便。这里，具有如图2和4中所示的通过各向异性蚀刻基板1形成的腔结构形式的测量TFBAR的材料感应传感器被称为体显微机械形式。
现在将参照图5对一种按照本发明的第三实施例的材料感应传感器进行说明。
图5所示为按照本发明的第三实施例的材料感应传感器的剖视图。
该按照本发明的第三实施例的材料感应传感器具有这样的结构测量TFBAR和参照TFBAR被形成在基板1的上表面。
如图5中所示，一种按照本发明的第三实施例的使用薄膜体声共振器的材料感应传感器110包括一基板1；一形成在所述基板1上的薄膜支承层9；一形成在所述薄膜支承层9上的薄膜层10；一形成在所述薄膜层10上的共用下电极3；一形成在所述共用下电极3上的压电电子材料层4；形成在所述压电电子材料层4上的第一和第二上电极5-1和5-2；一形成在所述第一上电极5-1上的反应层；和一为暴露所述反应层和所述第二上电极的一部分而形成的腔结构11。
因为测量TFBAR和参照TFBAR被形成在基板1的上面，所以薄膜支承层9被形成在薄膜层10的下表面，从而提供可产生共振频率的一个空间。薄膜支承层9可以使用牺牲层来形成。此处，形成牺牲层的工艺是一种共知工艺。因此，在该按照本发明的第三实施例的材料感应传感器中，反应层7被形成在测量TFBAR(感应部分)的上电极5-1上，使得吸附层6不是必须的。
用于向测量TFBAR的上电极5-1提供目标材料8的腔结构11是通过使用PDMS(Poly Dimethyl Siloxane)或者聚合物树脂形成的。自然不用说，除了腔结构11或者槽形图案之外，通过覆盖参照TFBAR的槽形图案部分从而只向测量TFBAR提供目标材料8的额外的腔结构也可以被施加到传感器芯片100的上部分，便于大量使用。
现在将参照图6对一种按照本发明的第四实施例的材料感应传感器进行说明。
图6所示为按照本发明的第四实施例的材料感应传感器的剖视图。
如图6中所示，一种按照本发明的第四实施例的使用薄膜体声共振器的材料感应传感器包括一基板1，一形成在所述基板1上的薄膜支承层9；一形成在所述薄膜支承层9上的共用下电极3；一形成在所述共用下电极3上的压电电子材料层4；分别形成在所述压电电子材料层4的上部的第一和第二上电极5-1和5-2；一形成在所述第一上电极5-1上的反应层7；和一为暴露所述反应层7和所述第二上电极5-2的一部分而形成的腔结构11。
也就是，该按照本发明的第四实施例的材料感应传感器是一种没有图4的薄膜层10的结构。
测量TFBAR和参照TFBAR可以被形成为各种结构，而且优选地，测量TFBAR和参照TFBAR共享使用压电电子材料层4。
优选地，一对TFBAR中的一个被设置为一测量TFBAR并且反应层7只被形成在该测量TFBAR的上电极处。
优选地，构成材料感应传感器的测量TFBAR和参照TFBAR的电极是由从下面的一组材料中选出的一种或者多种材料制成Pt，Au，Mo，Al，Cr，Ti，TiN，W，Ta，lr，lrO2。
为了把使用如图5和6中的材料感应传感器的传感器芯片置于传感器芯片插件上，使用常规半导体芯片的诸如填料技术(packingtechnique)的引线接合工艺。接合工艺是常规的并且是本领域普通技术人员已知的。因此，省略对传感器芯片插件的详细结构的说明。
一个通过常规半导体加工处理的具有多个材料感应传感器的传感器芯片可以被制造和设置在印刷电路板上，从而完成一个能够同时测量多个材料的材料感应传感器插件。
另外，为了把连接多个材料感应传感器的信号处理器集成进单一的芯片中，通过常规的半导体加工处理，信号处理器可以与具有材料感应传感器的传感器芯片一起被形成在同一个印刷电路板上。
现在将对一种通过材料感应传感器感应目标材料的粘附量和厚度的方法进行说明。
即，关于本发明中所需的信号处理器的结构。该本发明的信号处理器可以包括一感应材料的测量TFBAR的振荡器和一参照TFBAR的振荡器。为了测量测量共振频率和参照共振频率混合后产生的射频功率的变化，振荡出一个与从测量TFBAR的振荡器输出的测量共振频率还有从参照TFBAR的振荡器输出的参照共振频率同步的信号，然后，在测量的功率值的基础上，检测一目标材料存在还是不存在，以及该目标材料的粘附量和厚度。
现在将参照图7对该信号处理器的一个实施例进行说明。
图7所示为按照本发明的材料感应传感器的信号处理器的第一实施例的方块图。
如图7中所示，一种按照第一实施例的信号处理器包括一感应振荡器20，用于输出材料感应传感器的测量TFBAR的测量共振频率；一参照振荡器21，用于将材料感应传感器的参照TFBAR的共振频率相移180°，从而输出参照共振频率；一射频(RF)信号混合器22，用于将测量共振频率与参照共振频率混合；和一功率测量单元23，用于计算混合信号的功率。
按照第一实施例的信号处理器以如下方式操作。
首先，当一个目标材料被粘附到测量TFBAR上时，感应振荡器20输出一测量共振频率到RF信号混合器22。这里，当该目标材料被粘附到测量TFBAR上时，测量TFBAR的测量共振频率被改变。
参照振荡器21以180°移动参照TFBAR产生的共振频率的相位，并且输出相移的参照共振频率到RF信号混合器22。
然后，RF信号混合器22混合参照共振频率和测量TFBAR的测量共振频率，并且输出混合信号到功率测量单元23。
然后，功率测量单元23测量混合信号的功率。例如，当参照共振频率和测量共振频率彼此相同时，功率测量单元23计算出的输出功率是‘0’。
同时，如果测量TFBAR的测量共振频率按照目标材料的粘附量或者厚度而改变，则功率测量单元23计算出的输出功率增加。因此，通过以目标材料没有粘附时的输出功率值为基础计算目标材料被粘附时的功率值，目标材料是否被粘附、粘附量和厚度就可以被获知。
另外，当功率测量单元23以数字信号提供输出功率时，连接到材料感应模块的主控制系统(未显示)就可以方便地使用和材料的粘附量以及它的厚度相关的数据。
图8所示为按照本发明的材料感应传感器的信号处理器的第二实施例的方块图。
如图8中所示，该按照第二实施例的信号处理器包括一感应振荡器30，用于输出测量TFBAR的测量共振频率；一参照电压控制振荡器(VCO)31，用于将参照TFBAR的共振频率相移180°并输出相移的参照共振频率；一RF信号混合器32，用于将感应振荡器30的测量共振频率与参照VCO31的参照共振频率混合；和一功率测量单元33，用于改变施加到参照VCO31上的电压，从而使混合信号的输出功率达到最小。
即，该按照第二实施例的信号处理器，以施加到参照VCO上的电压为基础，测量目标材料的粘附量和厚度。
现在将对该按照第二实施例的信号处理器的工作原理进行说明。
首先，当一个目标材料被粘附到测量TFBAR上时，感应振荡器30输出测量TFBAR的测量共振频率到RF信号混合器32。这里，当该目标材料被粘附到测量TFBAR上时，测量TFBAR的测量共振频率发生变化。
参照VCO31以180°移动参照TFBAR产生的共振频率的相位，并且输出相移的参照共振频率到RF信号混合器32。
RF信号混合器32混合参照共振频率和测量TFBAR的测量共振频率，并且输出混合信号到功率测量单元33。
为了使混合信号的尺寸达到最小，功率测量单元33改变施加到参照VCO上的电压，并且以改变的电压值为基础测量该目标材料的粘附量和厚度。
例如，当施加到参照VCO上的电压被调控到使混合信号的尺寸达到最小时，施加到参照VCO上的电压是按照粘附到测量TFBAR上的该目标材料的量和/或厚度而变化的。此时，改变的电压值可读，以它为基础，粘附材料的量和获得就能被获知。
优选地，该按照第二实施例的信号处理器被应用到一个模拟信号处理系统。
图9A和9B所示为采用以体显微机械加工形式形成的材料感应传感器的传感器芯片背面的部分示意图。
如图9A中所示，由传感器芯片、感应器芯片插件和信号处理器组成的材料感应模块共用材料感应传感器101的下电极3，并且只用上电极5-1和5-2驱动特定的材料感应传感器。
如图9B中所示，具有传感器芯片、传感器芯片插件和信号处理器的材料感应模块可以被形成为NxN矩阵结构，以便通过分离该材料感应传感器101的下电极3进行地址指定。这可以由开发者选择使用。自不必说，应用到传感器芯片的材料感应传感器的下电极可以被分离或者合并。
因此，通过实现使用成对TFBAR的材料感应模块，按照常规技术的生物传感器、化学传感器、气味传感器、环境传感器以及材料传感器可以得到改善，并且因为多个材料可以被同时测量，测量材料所花的时间可以被减少，并且材料感应模块可以被压缩到更小，集成度更高。
按照目前的说明，本发明的使用TFBAR的材料感应模块具有下列优点。
也就是，例如，由于多个材料感应传感器，每一个都具有一对通过显微机械加工形成的TFBAR，被设置在一个单一的传感器芯片内并且该单一的传感器芯片与信号处理器被安装在同一印刷电路板上，所以材料感应传感器的灵敏度可以得到增强，多个材料可以被同时并且精确地检测，并且材料感应模块的尺寸可以被大大的缩小。
另外，采用TFBAR的材料感应模块的单一传感器芯片可以被附在传感器芯片插件上和从传感器芯片插件上拆下，因此一次性传感器芯片可以被方便地置换。
在不脱离本发明的精神或者实质特征的前提下，本发明可以被具体化为几种形式。同时应该理解，除非另外说明，上述实施例不受任何前述细节的限制，而应该在所附权利要求书中定义的它的精神和范围内进行广义地解释，因此凡是落入该权利要求的界线或者这些界线的等价物内的所有的变化和修改都被所附权利要求包含在内。
权利要求
1.一种使用薄膜体声共振器(TFBAR)的材料感应传感器，包括一第一薄膜体声共振器，用于根据一目标材料的量和/或厚度产生一第一共振频率；和一参照薄膜体声共振器，用于产生一参照共振频率。
2.权利要求1的传感器，进一步还包括一形成在所述第一TFBAR上并且接收目标材料的第一槽形图案。
3.权利要求2的传感器，进一步还包括一形成在所述参照TFBAR上的第二槽形图案。
4.权利要求1的传感器，包括一基板；一形成在所述基板上表面的上薄膜层；一形成在所述基板下表面的下薄膜层；一形成在所述下薄膜层上的共用下电极；一形成在所述共用下电极上的压电电子材料层；形成在所述压电电子材料层上的指定部分的第一和第二上电极；形成在所述第一和第二上电极相应方向上的，并且通过蚀刻所述上薄膜层和基板而形成在所述下薄膜层上的槽形图案；形成在由所述槽形图案暴露出的下薄膜层的上表面的第一和第二吸附层；和一形成在所述第一吸附层上的反应层。
5.权利要求1的传感器，包括一基板；一形成在所述基板上表面的上薄膜层；一形成在所述基板下表面的下薄膜层；一形成在所述下薄膜层上的下电极；一形成在所述下电极上的压电电子材料层；一对形成在所述压电电子材料层上的上电极；一对形成在成对上电极相应方向上的，并且通过蚀刻所述上薄膜层、基板和下薄膜层以暴露下电极而形成的槽形图案；和一形成在由成对槽形图案之一暴露出的下电极上的反应层。
6.权利要求1的传感器，包括一基板；一形成在所述基板上的薄膜支承层；一形成在所述薄膜支承层上的薄膜层；一形成在所述薄膜层上的共用下电极；一形成在所述共用下电极上的压电电子材料层；形成在所述压电电子材料层上的第一和第二上电极；一形成在所述第一上电极上的反应层；和一为暴露所述反应层和所述第二上电极的一部分而形成的腔结构。
7.权利要求1的传感器，包括一基板，一形成在所述基板上的薄膜支承层；一形成在所述薄膜支承层上的共用下电极；一形成在所述共用下电极上的压电电子材料层；形成在所述压电电子材料层上的第一和第二上电极；一形成在所述第一上电极上的反应层；和一为暴露所述反应层和所述第二上电极的一部分而形成的腔结构。
8.权利要求1的传感器被形成为多个，并且所述多个材料感应传感器被设置在单一传感器芯片内。
9.权利要求1的传感器被形成为多个，所述多个材料感应传感器在单一传感器芯片上被排列成格状图案形式。
10.权利要求9的传感器，进一步还包括一具有可被连接到所述传感器芯片上的结合垫的传感器芯片插件，连接到所述结合垫的外部连接引脚，和一用于保护和支承所述传感器芯片的结构。
11.权利要求1的传感器，进一步还包括一信号处理器，用于混合所述第一共振频率和参照共振频率，并且以混合信号的功率值为基础测量目标材料的量和/或厚度。
12.权利要求11的传感器，其特征在于，所述信号处理器包括一感应振荡器，用于输出所述材料感应传感器的第一薄膜体声共振器的第一共振频率；一参照振荡器，用于将所述材料感应传感器的参照薄膜体声共振器的共振频率相移180°，从而输出参照共振频率；一射频(RF)信号混合器，用于混合第一共振频率和参照共振频率；和一功率测量单元，用于计算混合信号的功率。
13.权利要求11的传感器，其特征在于，所述信号处理器包括一感应振荡器，用于输出所述第一薄膜体声共振器的第一共振频率；一参照电压控制振荡器(VCO)，用于将所述参照薄膜体声共振器的共振频率相移180°并输出相移的参照共振频率；一RF信号混合器，用于混合所述感应振荡器的第一共振频率和所述参照VCO的参照共振频率；和一功率测量单元，用于改变施加到所述参照VCO上的电压，从而使混合信号的输出功率达到最小，其中，当施加到参照VCO上的电压被改变时，以改变的电压值为基础测量目标材料的粘附量和厚度。
14.一种使用薄膜体声共振器的材料感应模块，包括一传感器芯片，该传感器芯片包括多个材料感应传感器，每一个材料感应传感器具有一可根据目标材料的量和/或厚度产生测量共振频率的薄膜体声共振器和一产生参照共振频率的参照薄膜体声共振器；和一信号处理器，用于混合测量共振频率和参照共振频率并且以混合信号的功率值为基础测量目标材料的量和/或厚度。
15.权利要求14的模块，其特征在于，所述信号处理器与所述传感器芯片一起被形成在所述同一基板上。
16.权利要求14的模块，其特征在于，一具有可被连接到所述传感器芯片上的结合垫的传感器芯片插件，连接到所述结合垫的外部连接引脚，和一用于保护和支承所述传感器芯片的结构。
17.权利要求16的模块，其特征在于，所述传感器芯片插件与所述信号处理器一起被安装在一个印刷电路板上并且被可分离地贴附在所述印刷电路板上。
18.权利要求16的模块，其特征在于，所述传感器芯片可从所述传感器芯片插件上分离或者可被贴附在所述传感器芯片插件上。
19.权利要求14的模块，其特征在于，在所述传感器芯片中的一个材料感应传感器包括一基板；一形成在所述基板上表面的上薄膜层；一形成在所述基板下表面的下薄膜层；一形成在所述下薄膜层上的共用下电极；一形成在所述共用下电极上的压电电子材料层；形成在所述压电电子材料层上的指定部分的第一和第二上电极；形成在所述第一和第二上电极相应方向上的，并且通过蚀刻所述上薄膜层和基板而形成在所述下薄膜层上的槽形图案；形成在由所述槽形图案暴露出的下薄膜层的上表面的第一和第二吸附层；和一形成在所述第一吸附层上的反应层。
20.权利要求14的模块，其特征在于，在所述传感器芯片中的一个材料感应传感器包括一基板；一形成在所述基板上表面的上薄膜层；一形成在所述基板下表面的下薄膜层；一形成在所述下薄膜层上的下电极；一形成在所述下电极上的压电电子材料层；一对形成在所述压电电子材料层上的上电极；一对形成在成对上电极相应方向上的，并且通过蚀刻所述上薄膜层、基板和下薄膜层以暴露下电极而形成的槽形图案；和一形成在由成对槽形图案之一暴露出的下电极上的反应层。
21.权利要求14的模块，其特征在于，在所述传感器芯片中的一个材料感应传感器包括一基板；一形成在所述基板上的薄膜支承层；一形成在所述薄膜支承层上的薄膜层；一形成在所述薄膜层上的共用下电极；一形成在所述共用下电极上的压电电子材料层；形成在所述压电电子材料层上的第一和第二上电极；一形成在所述第一上电极上的反应层；和一为暴露所述反应层和所述第二上电极的一部分而形成的腔结构。
22.权利要求14的模块，其特征在于，在所述传感器芯片中的一个材料感应传感器包括一基板，一形成在所述基板上的薄膜支承层；一形成在所述薄膜支承层上的共用下电极；一形成在所述共用下电极上的压电电子材料层；形成在所述压电电子材料层上的第一和第二上电极；一形成在所述第一上电极上的反应层；和一为暴露所述反应层和所述第二上电极的一部分而形成的腔结构。
23.权利要求14的模块，其特征在于，所述信号处理器包括一感应振荡器，用于输出所述材料感应传感器的测量薄膜体声共振器的测量共振频率；一参照振荡器，用于将所述材料感应传感器的参照薄膜体声共振器的共振频率相移180°，从而输出参照共振频率；一射频(RF)信号混合器，用于混合测量共振频率和参照共振频率；和一功率测量单元，用于计算混合信号的功率。
24.权利要求14的模块，其特征在于，所述信号处理器包括一感应振荡器，用于输出所述测量薄膜体声共振器的测量共振频率；一参照电压控制振荡器(VCO)，用于将所述参照薄膜体声共振器的共振频率相移180°并输出相移的参照共振频率；一RF信号混合器，用于混合所述感应振荡器的测量共振频率和所述参照VCO的参照共振频率；和一功率测量单元，用于改变施加到所述参照VCO上的电压，从而使混合信号的输出功率达到最小，其中，当施加到参照VCO上的电压被改变时，以改变的电压值为基础测量目标材料的粘附量和厚度。
全文摘要
本发明公开的内容包括一种使用具有小尺寸和高材料测量灵敏度的薄膜体声共振器的材料感应传感器，与其它材料感应传感器一起被形成阵列形式，并且与信号处理器集成在同一印刷电路板上，从而精确地测量多个材料；和一种材料感应模块。该使用薄膜体声共振器(TFBAR)的材料感应传感器包括一第一薄膜体声共振器，用于根据一目标材料的量和/或厚度产生一第一共振频率；和一参照薄膜体声共振器，用于产生一参照共振频率。
文档编号G01N5/02GK1517706SQ20041000112
公开日2004年8月4日 申请日期2004年1月20日 优先权日2003年1月24日
发明者李宪民, 朴宰永 申请人:Lg电子有限公司