集成CMOS-MEMS的高灵敏谐振式传感器制造技术

技术编号:20240433 阅读:27 留言:0更新日期:2019-01-29 22:43
本公开提供了一种集成CMOS‑MEMS的高灵敏谐振式传感器,包括:微流道谐振腔、MEMS悬臂梁结构、惠斯通电桥检测电路、CMOS信号处理电路;谐振式传感器集成了MEMS悬臂梁结构和CMOS信号处理电路,惠斯通电桥检测电路输出信号在CMOS信号处理电路内闭环传递并激励MEMS悬臂梁结构谐振;通过获取MEMS悬臂梁结构在吸附待测物前后的频率变化来计算待测物的质量。本公开具有CMOS‑MEMS集成度高、灵敏度高、可大规模制作等特点,相比于同类MEMS器件和电路模块,占用面积减少了近90%,因此,非常适用于便携式检测,尤其是可穿戴系统,能够广泛应用于生物医疗、食品安全、化学化工、航天国防等领域。

High Sensitive Resonant Sensor Integrated with CMOS-MEMS

The present disclosure provides a highly sensitive resonant sensor integrated with CMOS MEMS, including a micro-channel resonator, a cantilever beam structure, a Wheatstone bridge detection circuit, and a CMOS signal processing circuit; a resonant sensor integrates a cantilever beam structure of the MEMS and a CMOS signal processing circuit; the output signal of the Wheatstone bridge detection circuit is closed-loop transmitted in the CMOS signal processing circuit and stimulates the MEMS. Resonance of cantilever beam structure; the mass of the object to be measured can be calculated by obtaining the frequency changes of the structure before and after the absorption of the object to be measured. The present disclosure has the characteristics of high integration, high sensitivity and large-scale fabrication of CMOS-MEMS. Compared with similar MEMS devices and circuit modules, the occupied area is reduced by nearly 90%. Therefore, it is very suitable for portable detection, especially wearable systems, and can be widely used in biomedical, food safety, chemical industry, aerospace and national defense and other fields.

【技术实现步骤摘要】
集成CMOS-MEMS的高灵敏谐振式传感器
本公开涉及MEMS、CMOS以及生物化学领域,尤其涉及一种集成CMOS-MEMS的高灵敏谐振式传感器。
技术介绍
70年代以来谐振式传感器在电子、计算和半导体集成电路技术的基础上迅速发展起来。随着MEMS的快速发展,谐振式传感器的尺寸减小到了微米、亚微米甚至纳米量级,可对温度、热能、电磁场和质量等多种物理量进行高精度测量,因此被广泛应用于生物医疗、化学分析,环境监测和航天国防等各个领域。近几年,随着微纳制造技术的迅速发展,对芯片高集成度、小型化的需求逐渐增强。2006年巴塞罗那自治大学Mar′1aVillarroya等人发展了基于悬臂梁的MEMS-CMOS集成芯片技术,该芯片包含MEMS悬臂梁和CMOS读取电路,实现了传感器的片上检测。2013年台湾科学委员会HuangY.J.等人将悬臂梁与CMOS读取电路和处理器集成,实现了MEMS器件与计算机内核的片上制作,完成了传感器从检测到计算再到数据存储的功能化集成。但是上述MEMS与CMOS集成技术仍然存在若干问题,如:集成后的MEMS谐振器件相较于独立器件品质因子会降低,后端MEMS制作会影响CMOS电路性能;集成后的CMOS电路产生的噪声会对原本微小的传感器信号产生干扰,无法进行有效封装等等。目前生化检测对于高性能传感芯片的需求日趋增加,例如:可对集成芯片进行片上液体实时检测,需要更低的检测下限,更低的信号噪声水平以及更高质量的传感器件等。因此,迫切需要开发新型高灵敏、高精度、高稳定性,便携式的MEMS-CMOS集成传感器芯片。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本公开提供了一种集成CMOS-MEMS的高灵敏谐振式传感器,以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本公开的一个方面,提供了一种集成CMOS-MEMS的高灵敏谐振式传感器,包括:微流道谐振腔;MEMS悬臂梁结构,所述MEMS悬臂梁结构包括自由端和支撑端,所述MEMS悬臂梁结构包括自由端伸入所述微流道谐振腔,所述MEMS悬臂梁结构自由端包括生化反应区,用于与待测物的特异性反应;惠斯通电桥检测电路,与所述悬臂梁结构的支撑端连接;CMOS信号处理电路,与惠斯通电桥检测电路相连;所述CMOS信号处理电路引出电极用于通信;惠斯通电桥检测电路输出信号在CMOS信号处理电路内闭环传递并激励MEMS悬臂梁结构谐振;通过获取所述MEMS悬臂梁结构在吸附待测物前后的频率变化来计算待测物的质量。在本公开一些实施例中,所述悬臂梁支撑端还包括:谐振隔离槽,其形状为细长的三角形、矩形、梯形、弧形中任一种。在本公开一些实施例中,所述微流道谐振腔为无转角平滑结构。在本公开一些实施例中,所述MEMS悬臂梁结构包括:n根MEMS悬臂梁,其中n≥1,所述MEMS悬臂梁形状包括三角形、矩形、T型、双端固支中的任一种。在本公开一些实施例中,所述惠斯通电桥检测电路包括四个压阻条、电学连接线和电学阱;所述惠斯通电桥式检测电路中的压阻条位于电学阱上,通过调节所述电学阱的电位来调节所述压阻条及其下部区域的寄生电容,减小电学噪声,提高传感器精度,降低检测下限。在本公开一些实施例中,还包括:电学隔离岛,设置于所述惠斯通电桥检测电路和所述CMOS信号处理电路之间并接地,用于减小电路干扰,提高传感器灵敏度;所述电学隔离岛包括:场氧层、栅氧层、多晶注入层、单层/多层金属;所述电学隔离岛形状包括独立状、带状、环状、区域包围状中的任一种。在本公开一些实施例中,还包括:反应隔离槽,设置于所述微流道谐振腔与CMOS信号处理电路之间,用于防止微流道内生化液体样本泄漏对CMOS信号处理电路产生化学腐蚀或引入电学噪声。在本公开一些实施例中,还包括:应力释放环,设置于所述高灵敏谐振式传感器单片外;所述应力释放环包括:场氧层、栅氧层、多晶层、介质层、金属层和钝化层中的一种或多种。在本公开一些实施例中,所述CMOS信号处理电路包括:电源管理、第一多路复用器、第二多路复用器、一级放大器、二级放大器、移相器、比较器、锁相环和正弦发生器;所述电源管理分别为所述惠斯通电桥式测量电路提供输入信号、所述CMOS信号处理电路提供稳定电源、所述锁相环提供稳定基准信号;所述第一多路复用器完成对MEMS悬臂梁结构的独立控制,减少悬臂梁或阵列工作时产生的热噪声;所述第二多路复用器完成对电桥的输出信号的独立控制,防止多路信号同时输出产生混乱,提高传感器精度和稳定性;所述一级放大器和二级放大器,两级级联放大对传感器获得的微小信号进行有效放大,降低了传感器的检测下限。在本公开一些实施例中,所述电极分别与所述电源管理模块、惠斯通电桥测量电路的输出信号以及第一多路复用器控制端和第二多路复用器的控制端连接,同时接地。(三)有益效果从上述技术方案可以看出,本公开集成CMOS-MEMS的高灵敏谐振式传感器至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分:(1)本公开具有CMOS-MEMS集成度高、灵敏度高、可大规模制作等特点,相比于同类MEMS器件和电路模块,占用面积减少了近90%,因此,非常适用于便携式检测,尤其是可穿戴系统,能够广泛应用于生物医疗、食品安全、化学化工、航天国防等领域。(2)微流道谐振腔的无转角平滑结构,减小待测物由于在微流道入口处的冲击形成的不均匀分布,减少非反应物质在微流道中的残留,提高传感器测量精度。(3)通过调节电学阱的电位来调节压阻条与MEMS悬臂梁结构自由端的寄生电容,减小电学噪声,提高传感器精度,降低检测下限。(4)谐振隔离槽可减少悬臂梁谐振时能量从根部的扩散,提高悬臂梁Q值,提高传感器灵敏度。(5)MEMS悬臂梁结构中可以选用不同的悬臂梁的自由端吸附不同的待测物,利于同时完成对多种待测物宽范围检测。(6)应力释放环,利于消除多层膜结构在MEMS工艺时产生的应力对CMOS信号处理电路的影响,提高芯片成品率。(7)电学隔离岛有利于减小电路干扰,提高传感器灵敏度。(8)电极分别接电源、地、输出信号,第一多路复用器控制端和第二多路复用器控制端,最大程度减少外接电极数量,减少电极的寄生电容以及引线封装时带来的信号线串扰,提高传感器的测量精度和稳定性。附图说明图1为本公开实施例集成CMOS-MEMS的高灵敏谐振式传感器的结构示意图。图2为图1中悬臂梁结构的结构示意图。图3为图1中CMOS信号处理电路示意图。图4为惠斯通电桥检测原理示意图。【附图中本公开实施例主要元件符号说明】1-微流道谐振腔;2-悬臂梁结构;3-惠斯通电桥检测电路;4-电学阱;5-CMOS信号处理电路;6-电学隔离岛;7-电极;8-压阻条;9-谐振隔离槽;10-电学连接线;11-生化反应区;12-电源管理;13-第一多路复用器;14-第二多路复用器;15-一级放大器;16-二级放大器;17-移相器;18-比较器;19-锁相环;20-正弦发生器;21-反应隔离槽;22-应力释放环。具体实施方式本公开提供了一种集成CMOS-MEMS的高灵敏谐振式传感器,包括:微流道谐振腔、MEMS悬臂梁结构、惠斯通电桥检测电路、CMOS信号处理电路;谐振式传感器集成了MEMS悬臂梁结构和CMOS信号处理电路,惠斯通电桥检测电路输出信号在CMOS信号处理电路内闭环传递并激励MEMS本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种集成CMOS‑MEMS的高灵敏谐振式传感器,其中,包括:微流道谐振腔;MEMS悬臂梁结构,所述MEMS悬臂梁结构包括自由端和支撑端,所述MEMS悬臂梁结构包括自由端伸入所述微流道谐振腔,所述MEMS悬臂梁结构自由端包括生化反应区,用于与待测物的特异性反应;惠斯通电桥检测电路,与所述悬臂梁结构的支撑端连接;CMOS信号处理电路,与惠斯通电桥检测电路相连;所述CMOS信号处理电路引出电极用于通信;惠斯通电桥检测电路输出信号在CMOS信号处理电路内闭环传递并激励MEMS悬臂梁结构谐振;通过获取所述MEMS悬臂梁结构在吸附待测物前后的频率变化来计算待测物的质量。

【技术特征摘要】
1.一种集成CMOS-MEMS的高灵敏谐振式传感器,其中,包括:微流道谐振腔;MEMS悬臂梁结构,所述MEMS悬臂梁结构包括自由端和支撑端,所述MEMS悬臂梁结构包括自由端伸入所述微流道谐振腔,所述MEMS悬臂梁结构自由端包括生化反应区,用于与待测物的特异性反应;惠斯通电桥检测电路,与所述悬臂梁结构的支撑端连接;CMOS信号处理电路,与惠斯通电桥检测电路相连;所述CMOS信号处理电路引出电极用于通信;惠斯通电桥检测电路输出信号在CMOS信号处理电路内闭环传递并激励MEMS悬臂梁结构谐振;通过获取所述MEMS悬臂梁结构在吸附待测物前后的频率变化来计算待测物的质量。2.根据权利要求1所述的高灵敏谐振式传感器,其中,所述悬臂梁支撑端还包括:谐振隔离槽,其形状为细长的三角形、矩形、梯形、弧形中任一种。3.根据权利要求1所述的高灵敏谐振式传感器,其中,所述微流道谐振腔为无转角平滑结构。4.根据权利要求1所述的高灵敏谐振式传感器,其中,所述MEMS悬臂梁结构包括:n根MEMS悬臂梁,其中n≥1,所述MEMS悬臂梁形状包括三角形、矩形、T型、双端固支中的任一种。5.根据权利要求1所述的高灵敏谐振式传感器,其中,所述惠斯通电桥检测电路包括四个压阻条、电学连接线和电学阱;所述惠斯通电桥式检测电路中的压阻条位于电学阱上,通过调节所述电学阱的电位来调节所述压阻条及其下部区域的寄生电容,减小电学噪声,提高传感器精度,降低检测下限。6.根据权利要求1所述的高灵敏谐振式传感器,其中,还包括:电学隔离岛,设置于所述惠斯通电桥检测电路和所述CMOS信号处...

【专利技术属性】
技术研发人员:王栎皓朱银芳赵俊元杨晋玲杨富华
申请(专利权)人:中国科学院半导体研究所
类型:发明
国别省市:北京,11

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