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 ...
【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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