一种高分辨力的闭环控制薄膜体声波传感系统及反馈控制方法技术方案

本发明专利技术涉及一种高分辨力的闭环控制薄膜体声波传感系统及反馈控制方法，其是由薄膜体声波传感器、电阻和反馈控制电路构成，其中薄膜体声波传感器与电阻串联，反馈控制电路对电阻两端的电压施加一个常数增益和一个常数相位差得到反馈电压，并将该反馈电压叠加到薄膜体声波传感系统的简谐驱动电压上实现主动控制。该反馈电压产生的声能可以部分地补偿薄膜体声波传感器的声能损失，从而达到提高分辨力的目的，声能损失的补偿效果可以通过调节反馈电压的增益和相位差进行控制。本发明专利技术提出的闭环控制体声波传感系统和相应的反馈控制方法对底部固定和底部自由的薄膜体声波传感器均适用，也适用于石英晶体微天平，同时具有易于实现和成本低等显著优点。?

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于微机械电子系统(MEMS)领域，特别涉及到基于薄膜体声波谐振器 (FBAR)的传感系统，其提出的提高体声波传感器分辨力的方法同样适用于石英晶体微天平。
技术介绍
根据Sauerbrey方程可知，晶体谐振频率变化与其表面淀积的物质质量成线性关系，因此可以通过测量晶体谐振频率的变化，准确检测其表面粘附物质的质量。声波传感器就是基于以上原理，通过检测其频率变化测量晶体表面粘附质量的传感器，具有成本低、操作简便、速度快、非标记、灵敏度高、检测范围大等优点，在工业过程监测、环境监测、临床医学检验、食品安全检验、毒气检测、药物开发等领域具有广阔应用前景。但是，同质谱、等离子体谐振和椭圆偏光等检测方法相比，声波传感器的分辨力相对较低，限制了其在药物筛选与生物材料筛选等领域的应用。开展便于应用的提高薄膜体声波传感器分辨力的方法研究，对扩大其应用范围具有重要意义。基于微加工技术，国际上目前已经成功研制出厚度伸缩模式和厚度剪切模式的薄膜体声波传感器。在薄膜体声波传感器工作时，材料阻尼和向衬底传播的声能消耗了部分声能，使传感器品质因数降低，进一步导致传感器分辨力降低。为了提高薄膜体声波传感器的质量分辨力，必须降低传感器工作过程中的声能损失，以提高其品质因数，为此，薄膜体声波传感器一般采用以下两种典型结构(1)压电层通过布拉格反射层固定于衬底表面； (2)压电层下面为支撑薄膜，支撑薄膜直接与空气接触。其中第一种结构的机械强度高，但品质因数相对更低；第二种结构的强度低，但品质因数相对更高。从本质上讲，以上两种结构都是采用被动隔声技术来降低声能损失，但这种被动隔声技术只适用于降低声音向衬底传播引起的声能损失，不能降低材料阻尼引起的声能损失。为了进一步提高薄膜体声波传感系统的分辨力，重庆大学提出一种利用主动控制技术提高薄膜体声波传感系统分辨力的方法(专利申请号201010233043. 6.)，利用该方法可以同时补偿声音散射和材料阻尼引起的声能损失，其是在传感系统的驱动电压上叠加一个反馈电压，利用该反馈电压产生的声能部分地补偿损失的声能，进一步达到了提高品质因数和分辨力的目的。以上反馈电压是对通过薄膜体声波谐振器的电流施加一个常数增益和一个常数相位差得到的，为了尽可能避免测量电流过程中对薄膜体声波谐振器两端的电压产生影响，这种基于检测电流来实现主动控制的方法对反馈控制电路要求很高，不便于实际应用。为了降低具有主动控制功能的薄膜体声波传感系统对反馈控制电路的要求，本专利技术提出了，具有更易于实现和成本更低等显著优点
技术实现思路
本专利技术的目的是提出一种便于实现的高分辨力薄膜体声波传感系统及其反馈控制方法。为实现上述专利技术目的，本专利技术采取以下技术方案一种高分辨力的闭环控制薄膜体声波传感系统，包括薄膜体声波传感器、电阻和反馈控制电路，其特征在于所述薄膜体声波传感器与电阻串联，反馈控制电路对电阻两端的电压施加一个增益 和一个相位差β得到反馈电压，并将该反馈电压叠加到薄膜体声波传感系统的简谐驱动电压上实现主动控制，该反馈电压用于补偿薄膜体声波传感器损失的部分声能，以达到提高薄膜体声波传感系统分辨力的目的。所述反馈控制电路包括反馈补偿电路和加法器，所述反馈补偿电路的输入端连接在所述电阻与薄膜体声波传感器之间，所述反馈补偿电路的输出端通过加法器连接至所述薄膜体声波传感器的输入端。本专利技术还公开了一种基于上述薄膜体声波传感系统的提高分辨力的反馈控制方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤(1)保持闭环控制薄膜体声波传感系统的反馈参数不变，即保持增益α和相位jθ不变，对薄膜体声波传感系统施加简谐驱动电压，测出相应的导纳或阻抗，通过频域扫描法得到与特定增益α和特定相位差0所对应的传感器系统的导纳或阻抗的幅值随驱动电压频率变化的幅频曲线；(2)改变反馈参数、即增益<1和一个相位差#，对每一组反馈参数进行步骤(1)的测量， 得到与不同的增益《和相位差β对应的的传感器系统的导纳或阻抗的幅值随驱动电压频率变化的幅频曲线；(3)根据步骤(2)中测得的幅频曲线确定导纳或阻抗的谐振峰、即导纳或阻抗的幅值随驱动电压频率变化的幅频曲线的极值点，以及与谐振峰对应的频率，确定与不同的增益《 和相位差β对应的薄膜体声波传感系统的品质因数；(4)选择能够实现将薄膜体声波传感系统的品质因数提高到无反馈控制(即反馈电压的增益取为零)时的品质因数的预定倍数时所对应的增益《=<%和相位差《 =坏；(5)保持增益《= 和相位差e = ，将反馈电压叠加到薄膜体声波传感系统的简谐驱动电压上，实现对待测物质粘附质量的测量。同基于薄膜体声波传感器的电流实现反馈控制的方法相比，本专利技术提出的基于电阻两端的电压实现反馈控制的方法降低了对电路的要求，更易于实现。本专利技术提出的提高薄膜体声波传感系统分辨力的反馈控制方法，对底部固定和底部自由的薄膜体声波传感器均适用，对厚度伸缩模式和厚度剪切模式的薄膜体声波传感器均适用，同样也适用于石英晶体微天平。附图说明下面结合附图和实施例对本专利技术进一步说明。图1是在硅片正面生长二氧化硅层示意图；图2是制备及图形化下电极示意图3是制备及图形化压电层示意图4是制备及图形化上电极示意图5是制备及图形化保护层示意图6是从背面释放薄膜体声波传感器的示意图7是高分辨力的闭环控制薄膜体声波传感系统框图8是仿真得到的某闭环控制薄膜体声波传感系统的阻抗幅频曲线。具体实施例方式对于底部固定和底部自由的薄膜体声波传感器，均可以采用本专利技术提出的闭环控制控制方法提高薄膜体声波传感系统的分辨率，以上薄膜体声波谐振器易于采用硅基微加工技术制作，下面是典型的制作底部自由的薄膜体声波谐振器的工艺流程1、选择双面抛光的硅片1作为衬底，采用低压化学气相淀积(LPCVD)或等离子增强化学气相淀积(PECVD)在衬底上分别生长Si02层2和SixNy层3，其厚度分别约500nm和 200nm (如图1所示)；2、采用磁控溅射的方法在衬底正面的SixNy层上溅射Cr/Au电极，厚度约50nm/180nm， 衬底正面旋涂光刻胶，正面第一次光刻，形成光刻胶图形，以光刻胶为掩膜，利用湿法腐蚀分别腐蚀Au和Cr，去除光刻胶，形成Cr/Au下电极图形4 (如图2所示)；3、采用溅射法在衬底正面溅射SiO或AlN压电层，衬底正面旋涂光刻胶，正面第二次光刻，刻蚀压电层，湿法去除光刻胶，形成压电层图形5 (如图3所示)；4、利用此刻溅射在衬底正面溅射Cr/Au电极，厚度约50nm/150nm，衬底正面旋涂光刻胶，正面第三次光刻，形成光刻胶图形，以光刻胶为掩膜，利用湿法腐蚀分别腐蚀Au和Cr， 去除光刻胶，形成Cr/Au上电极图形6 (如图4所示)；5、采用溅射法在衬底正面溅射作为保护层的Si02或SixNy层，衬底正面旋涂光刻胶， 正面第四次光刻，利用反应离子刻蚀或湿法腐蚀的方法分别刻蚀Si02或SixNy，湿法去除光刻胶，形成Si02或SixNy保护层图形7 (如图5所示)；6、采用溅射法在衬底背面溅射Al，衬底背面旋涂光刻胶，背面第一次光刻，利用反应离子刻蚀的方法分别刻蚀SixNy和Si02层，进一步利用湿法腐蚀刻蚀Al，以光刻胶、Al、 SixNy和Si02为掩膜，利用感应耦合等离子(ICP)刻本文档来自技高网...

【技术保护点】
１．一种高分辨力的闭环控制薄膜体声波传感系统，包括薄膜体声波传感器、电阻和反馈控制电路，其特征在于：所述薄膜体声波传感器与电阻串联，反馈控制电路对电阻两端的电压施加一个增益和一个相位差得到反馈电压，并将该反馈电压叠加到薄膜体声波传感系统的简谐驱动电压上实现主动控制，该反馈电压用于补偿薄膜体声波传感器损失的部分声能，以达到提高薄膜体声波传感系统分辨力的目的。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：贺学锋，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：85