本发明专利技术的基于差频式薄膜体声波谐振器的微质量传感器，包括用于质量传感的质量传感薄膜体声波谐振器、用于产生参考频率的薄膜体声波谐振器、第一和第二高频振荡电路和高频放大、高频混频和低通滤波电路，及频率测量和显示装置；第一和第二高频振荡电路分别与质量传感薄膜体声波谐振器和薄膜体声波谐振器组成第一和第二高频振荡器；当质量传感薄膜体声波谐振器上的质量负载有微小的变化时，第一高频振荡器输出高频信号频率将产生小的偏移；第二高频振荡器产生的参考高频信号经过高频放大后，与第一高频振荡器输出的高频信号共同输到高频混频电路上混频，再输出经过低通滤波电路得微质量负载引起的频率变化量，并通过频率测量和显示装置直接给出。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种对极微小质量进行高精度测量的微质量传感器，特别涉及一 种基于差频式薄膜体声波谐振器(FBAR)的微质量传感器。
技术介绍
微质量传感器是一种将微小的质量变化转化为频率信号的传感器。它正在被 越来越多地应用于化学和生物环境中，用以进行气体和液体的成分分析、微质量 的测量、薄膜厚度的测量以及压力检测等。在军事和安全方面，它也有着很重要 的用途，可以用作地铁、客车、剧院等人口众多地点的有毒气体探测和爆炸物的 检测等，以防止恐怖事件的发生。目前已知的石英晶体微量天平(Quartz Crystal Microbalance，简称QCM) 是一个典型的微质量传感器，在不同的领域得到广泛的应用。这种传感器利用了 石英晶体谐振器的谐振特性，将石英晶体谐振器电极表面质量的变化转化为石英 晶体振荡电路输出电信号的频率变化。由于石英晶体不可能做得很薄，因此其工 作基频一般在几十兆赫兹以下。这样，对极微小的质量的测量就有很大的困难。和已知的石英晶体微量天平(QCM)相比，本专利技术有二个突出的优点， 一是提高了质量传感器的灵敏度；二是提高了测量的准确性，克服了外界环境(如环境温 度等)对传感器系统的影响。
技术实现思路
本专利技术的目的就是为了解决上述晶体微量天平(QCM)灵敏度低的困难，而提 供一种基于差频式薄膜体声波谐振器(FBAR)的微质量传感器，该微质量传感器为 采用了基于薄膜体声波谐振器(FBAR)的微质量传感器，它的谐振频率可以达到 几千兆赫兹，从而大大地提高传感质量的灵敏度。由于采用了差频式的结构，可以精确地测量频率变化量，从而也大大地提高了测量准确度，并可以消除外界环 境(如环境温度等)对系统的影响。 本专利技术的技术方案如下本专利技术提供的基于差频式薄膜体声波谐振器的微质量传感器，包括用于质量传感的质量传感薄膜体声波谐振器100、用于产生参考频率的薄膜体 声波谐振器200、第一高频振荡电路300、第二高频振荡电路400、 DC/DC直流升 压偏置电路500、高频放大电路600、高频混频电路700、低通滤波电路800和频 率测量和显示装置900;所述用于质量传感的质量传感薄膜体声波谐振器100和第一高频振荡电路300 — 起构成第一高频振荡器，产生一高频信号/01，当质量传感薄膜体声波谐振器100上 的质量负载有微小的变化时，第一高频振荡电路300输出信号的频率也相应地变化， 即输出的高频信号频率为/w—A/，其中，频率的变化量A/是质量负载引起的；所述用于产生参考频率的薄膜体声波谐振器200和第二高频振荡电路400—起构 成第二高频振荡器，产生一参考的高频信号力2((理想的情况下，/Ql=/C2)，此信号经 过高频放大电路600放大后与第一高频振荡电路300输出信号共同作为输入端连接到 高频混频电路700上进行混频，混频后的输出经过低通滤波电路800得到微质量负载 引起的频率变化量A/，此频率变化量通过频率测量和显示装置900直接给出。本专利技术提供的基于差频式薄膜体声波谐振器的微质量传感器，还可包括一 DC/DC 直流升压偏置电路500;所述DC/DC直流升压偏置电路500通过一个大的电阻或电感元 件加到薄膜体声波谐振器200上产生一个高于供电电压的直流电压；此直流电压用于微 调薄膜体声波谐振器200的频率。当薄膜体声波谐振器(FBAR) 100和用于产生参考频率的薄膜体声波谐振器 200的谐振频率比较接近时，所述DC/DC直流升压偏置电路(500)也可以不设。所述的质量传感薄膜体声波谐振器100和薄膜体声波谐振器200为制作在一片基 片上二个相同的单元；所述质量传感薄膜体声波谐振器100和薄膜体声波谐振器200封装在同一管壳 内，或者经切割后封装在不同的管壳内。所述的质量传感薄膜体声波谐振器100和薄膜体声波谐振器200工作在基频 或髙次谐波上。所述的质量传感薄膜体声波谐振器100由基片106和依次覆于所述基片106的支撑层105、下电极104、压电薄膜103、绝缘层102和上电极101组成；所述基片106为半导体工艺中常用的掺杂硅基片、本征硅基片或砷化镓基片； 所述支撑层105为淀积在所述基片106上的低应力氮化硅膜、直接热氧化在基片106上的二氧化硅膜；或为注入或扩散在基片106上的浓硼扩散膜；所述下电极104为金属电极；该金属电极为铝电极、金电极、铝/钛复合层金属电极，或金铬复合层电极；所述下电极104引出导线与模拟地线相连接；当所述的支撑层105是较好的导电层时(如浓硼扩散的形成的膜)，所述的下电极104可以没有，导线可以直接从所述的支撑层105引出与模拟地线相连接； 所述压电薄膜103为磁控溅射方法生成的压电薄膜、化学微加工方法制作的压电单晶薄膜、或为用Sol-gel溶胶法帝,的PZT压电薄膜；其厚度为0.1微米 30微米。 所述绝缘层102为用磁控溅射方法生成的二氧化硅层、LTO绝缘层；所述的绝缘层102也可以没有；所述上电极101为铝或金金属电极；或者为铝/钛复合层金属电极，或者为金铬复合层电极；所述的上电极101引出导线与所述的第一高频振荡电路300相连 接；所述上电极IOI为质量传感的敏感区；所述的薄膜体声波谐振器200的上电极201引出导线与所述的第二高频振荡 电路400和所述的DC/DC直流升压偏置电路500相连接；所述第一高频振荡电路300为由半导体晶体管或集成放大器及电阻、电容和 电感构成的振荡电路(例如Colpitis等)；所述第一高频振荡器产生的高频信号作为信号端连接到所述的高频混频电路700;所述的第二高频振荡电路400由半导体晶体管或集成放大器及电阻、电容和电感构成的振荡电路(例如C0lpittS等)；所述第二高频振荡器产生的高频信号经所述高频放大电路600放大后，作为 本振端连接到所述的高频混频电路700;所述高频放大电路600为单个晶体管放大器或集成放大器及电阻、电容和电 感组成的放大电路，将所述第二高频振荡电路400的信号进行放大到满足所述高 频混频电路700本振端所需要的信号幅度；所述的高频混频电路700由高频混频器及电阻、电容和电感组成的混频电路； 其信号输入端和所述第一高频振荡电路300输出端相连接，高频混频电路700的本振输入端与所述高频放大电路600输出端相连接；所述高频混频电路700的混频输出连接到所述低通滤波电路800的输入端；所述低通滤波电路800为由晶体管或集成放大器及电阻、电容和电感组成的 有源低通滤波器，或者为由电阻、电容和电感组成的无源滤波器，以滤掉高频混 频电路700的混频输出的高频分量，而保留所述第一高频振荡电路300和第二高 频振荡电路400的差频信号分量，即低频频率分量；所述低通滤波电路800的滤 波输出作为输入连接到所述的频率测量和显示装置900上；所述的频率测量和显示装置900包括对低频信号的高精度频率测量电路、显示驱 动电路和显示部分，以将所述第一高频振荡电路300和第二高频振荡电路400的差频 信号分量转换成相应的质量显示出来或输出到别的智能设备上去。所述的磁控溅射方法生成的压电薄膜为ZnO压电薄膜或A1N压电薄膜；所 述的化学微加工方法制作的压电单晶薄膜为LiNb03压电单晶薄膜或LiTa03压 电单晶薄膜；所述的D本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于差频式薄膜体声波谐振器的微质量传感器，包括：用于质量传感的质量传感薄膜体声波谐振器（１００）、用于产生参考频率的薄膜体声波谐振器（２００）、第一高频振荡电路（３００）、第二高频振荡电路（４００）、高频放大电路（６００）、高频 混频电路（７００）、低通滤波电路（８００）和频率测量和显示装置（９００）；所述用于质量传感的质量传感薄膜体声波谐振器（１００）和第一高频振荡电路（３００）一起构成第一高频振荡器，产生一高频信号ｆ↓［０１］，当质量传感薄膜体声波谐振器 （１００）上的质量负载有微小的变化时，第一高频振荡电路（３００）输出信号的频率也相应地变化，即输出的高频信号频率为ｆ↓［０１］－△ｆ，其中，频率的变化量△ｆ是质量负载引起的；所述用于产生参考频率的薄膜体声波谐振器（２００）和第二高频 振荡电路（４００）一起构成第二高频振荡器，产生一参考的高频信号ｆ↓［０２］，此信号经过高频放大电路（６００）放大后与第一高频振荡电路（３００）输出信号共同作为输入端连接到高频混频电路（７００）上进行混频，混频后的输出经过低通滤波电路（８００）得到微质量负载引起的频率变化量ｄｆ，此频率变化量通过频率测量和显示装置（９００）直接给出。...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：乔东海，汤亮，邓英，田静，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]
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