用于流体环境检测的谐振传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于流体环境检测的谐振传感器，其中，压电声波谐振器谐振传感器包括：多层结构，多层结构包括以下结构中的至少之一：上电极、压电层和下电极；其中，多层结构中所有结构彼此重叠的区域为有效区域；至少一流道，对于每条流道，该流道的至少部分位于有效区域的表面或内部；其中，所有流道与有效区域的重叠部分的水平投影面积总和与有效区域的水平投影面积的比值小于或等于50%。本发明专利技术通过集成流道与谐振传感器，并且限制流道面积，能够提高谐振器的品质因数，从而得到更高的测量精度。

【技术实现步骤摘要】
用于流体环境检测的谐振传感器
本专利技术涉及半导体领域，并且特别地，涉及一种用于流体环境检测的谐振传感器。
技术介绍
基于压电材料的薄膜体声波传感器的研究近年来受到广泛关注，特别是应用在生物、化学、医学诊断与环境检测等领域。薄膜体声波传感器用于流体环境中的检测表现出巨大潜力，其中，流体可以包括液体和气体。目前已经开发出用于测量氢气、一氧化碳和乙醇等气体的薄膜体声波传感器，测量速度快、重复性良好。在常温时，薄膜体声波传感器对TNT、RDX的测量精度分别可达ppb量级和ppt量级。将薄膜体声波传感器应用在液体环境中存在大量应用实例，例如，薄膜体声波传感器可以有效地用于检测Hg2+等离子和DNA等生物大分子，在薄膜体声波传感器的探测区域修饰特定碱基对可以探测匹配的DNA序列。此外，薄膜体声波传感器还广泛应用于抗体-抗原相互反应等蛋白质分子反应的研究。薄膜体声波传感器利用基于压电材料的薄膜体声波谐振器作为敏感元件，具有吸附质量敏感效应。薄膜体声波谐振器的基本结构包括：下电极、压电薄膜和上电极。当激励信号作用于薄膜体声波谐振器上下电极时，压电薄膜会产生声波，称之为薄膜体声波。通常将上电极、下电极和压电薄膜在厚度方向上重叠的区域定义为谐振器的有效区域。被探测物吸附在薄膜体声波谐振器的有效区域表面时，吸附质量引起声波传播特性的改变，使得谐振器的谐振频率、相位或者振幅等发生变化。通过测量谐振频率、相位或振幅的变化可以获取目标被探测物的相关信息。附图1所示为现有技术中用于检测流体的薄膜体声波传感器。如图1所示，薄膜体声波传感器包括一个薄膜体声波谐振器和一个衬底。衬底刻蚀形成沟槽1，沟槽底部为薄膜体声波谐振器探测表面。用抗体对薄膜体声波谐振器的探测表面进行修饰后，含目标被探测物（即目标抗原）的流体完全浸入沟槽1中，流体中的目标抗原与探测表面上的修饰物抗体产生特异性结合，测得目标抗原的相关信息。品质因数是决定薄膜体声波传感器性能的重要参数之一。如公式（1）所示，R代表最小探测精度，ΔΦmin代表最小可探测阻抗相位变化，Q为品质因数，S代表灵敏度。由公式（1）可见，品质因数Q越大，最小探测精度越高。因而，获取薄膜体声波传感器更高的最小探测精度需要薄膜体声波谐振器具有更高的品质因数。传统的薄膜体声波传感器（如附图1）将探测表面完全浸入流体中，由于谐振器的大部分有效区域与流体接触，能量以声波的形式传入流体中而大量耗散，谐振器的品质因数大幅下降，从而导致传感器的最小探测精度难以满足要求。针对相关技术中谐振传感器用于流体检测时不能满足测量精度要求的问题，目前尚未提出有效的解决方案。
技术实现思路
针对相关技术中谐振传感器用于流体检测时不能满足测量精度要求的问题，本专利技术提出一种用于流体环境检测的谐振传感器，能够提高谐振器的品质因数，从而得到更高的测量精度。本专利技术的技术方案是这样实现的：根据本专利技术的一个方面，提供了一种用于流体环境检测的谐振传感器。该谐振传感器包括：多层结构，多层结构包括以下结构中的至少之一：上电极、压电层和下电极；其中，多层结构中所有结构彼此重叠的区域为有效区域；至少一流道，对于每条流道，该流道的至少部分位于有效区域的表面或内部；其中，所有流道与有效区域的重叠部分的水平投影面积总和与有效区域的水平投影面积的比值小于或等于50%。优选地，所有流道与有效区域的重叠部分的水平投影面积总和与有效区域的水平投影面积的比值小于或等于20%。可选地，在流道的数量为多个的情况下，流道的交汇情况包括以下至少之一：多个流道彼此独立；多个流道存在至少一个交汇点。其中，对于每个流道，该流道与多层结构的接触面的形状可以包括为：直线形状、任意曲线形状。而且，每个流道的高度大于或等于1nm，且小于或等于100μm。优选地，每个流道的高度大于或等于10nm，且小于或等于10μm。并且，对于位于多层结构的表面的流道，该流道由位于多层结构表面的流道腔体与多层结构的表面限定得到。可选地，流道腔体的材料包括以下至少之一：金属、介质材料、半导体材料、聚合物。此外，流道腔体进一步沿多层结构的表面延展。并且，形成流道腔体的材料的频率温度系数与形成多层结构的材料的频率温度系数相反。进一步地，形成流道腔体的材料的频率温度系数与形成压电层的材料的频率温度系数相反。另外，对于多层结构的有效区域与至少一流道接触的表面，该表面覆盖有修饰物。可选地，上述谐振传感器为：薄膜体声波谐振器或石英晶体谐振器。本专利技术通过集成流道与谐振传感器，并且限制流道面积，能够提高谐振器的品质因数，从而得到更高的测量精度。附图说明图1是现有技术中用于流体环境检测的谐振传感器的示意图；图2是根据本专利技术的一个实施例的谐振传感器的立体图；图3是图2所示的谐振传感器的截面图；图4-6是根据本专利技术的多个实施例的谐振传感器的示意图；图7A是根据本专利技术的又一个实施例的石英晶体谐振器的俯视图；图7B是图7A所示石英晶体谐振器的截面图；图8是根据本专利技术实施例的流道结构的俯视图；图9是根据本专利技术实施例的有效区域和去离子水的接触面积与谐振器品质因数的比例关系图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。根据本专利技术的实施例，提供了一种用于流体环境检测的谐振传感器。谐振传感器包括薄膜体声波传感器和石英晶体传感器。薄膜体声波传感器包括薄膜体声波谐振器和微流道（可能还有空气反射镜或者布拉格反射层）。石英晶体传感器包括石英晶体谐振器和微流道。提高谐振器（薄膜体声波谐振器和石英晶体谐振器）的品质因数可以提高谐振传感器（薄膜体声波传感器和石英晶体传感器）的测量精度（最小探测精度）。根据本专利技术实施例的谐振传感器可以包括：多层结构，多层结构可以包括以下结构中的至少之一：上电极、压电层和下电极；其中，多层结构中所有结构彼此重叠的区域为有效区域（即，谐振器的有效区域）；至少一流道，对于每条流道，该流道的至少部分位于有效区域的表面或内部；其中，所有流道与有效区域的重叠部分的水平投影面积总和与有效区域的水平投影面积的比值可以小于或等于50%，优选地，可以小于或等于20%。流道可以位于上电极上方或压电层中或是下电极下方等，亦或者，当谐振器包括其他层时，流道也可以位于其他层中，只要流道与有效区域的重叠部分的水平投影面积总和与有效区域的水平投影面积的比值可以小于或等于50%，或者，小于或等于20%。流道与谐振器有效区域的接触面积减少，意味着需要检测的流体与谐振器有效区域的接触面积减小，这样的结构能够减小能量泄露，保证谐振器具备较高的品质因数，与传统的薄膜体声波传感器相比，传感器的最小探测精度显著提高。另外，对于有效区域与至少一流道接触的表面，至少在该表面覆盖有修饰物，根据情况还可以在流道腔体内壁覆盖修饰物，根据需要检测的不同流体选择不同的修饰物进行覆盖。可选地，在流道的数量为多个的情况下，流道的交汇情况可以是多个流道彼此独立；或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于流体环境检测的谐振传感器，其特征在于，包括：多层结构，所述多层结构包括以下结构中的至少之一：上电极、压电层和下电极；其中，所述多层结构中所有结构彼此重叠的区域为有效区域；至少一流道，对于每条流道，该流道的至少部分位于所述有效区域的表面或内部；其中，所有流道与所述有效区域的重叠部分的水平投影面积总和与所述有效区域的水平投影面积的比值小于或等于50%。

【技术特征摘要】
1.一种用于流体环境检测的谐振传感器，其特征在于，包括：多层结构，所述多层结构包括：上电极、压电层和下电极；其中，所述多层结构中所有结构彼此重叠的区域为有效区域；至少一流道，对于每条流道，该流道的至少部分位于所述有效区域的表面或内部；其中，所有流道与所述有效区域的重叠部分的水平投影面积总和与所述有效区域的水平投影面积的比值小于或等于50％，所述流道位于所述上电极的上方，且与所述上电极直接接触。2.根据权利要求1所述的谐振传感器，其特征在于，所有流道与所述有效区域的重叠部分的水平投影面积总和与所述有效区域的水平投影面积的比值小于或等于20％。3.根据权利要求1所述的谐振传感器，其特征在于，在流道的数量为多个的情况下，所述流道的交汇情况包括以下至少之一：所述多个流道彼此独立；所述多个流道存在至少一个交汇点。4.根据权利要求1所述的谐振传感器，其特征在于，对于每个流道，该流道与所述多层结构的接触面的形状可以包括为：直线形状、任意曲线形状。5.根据权利要求1所述的谐振传感器，其特征在于，每个流道的高度大于或等于1nm，且小于或等于100μm。6...

【专利技术属性】
技术研发人员：张浩，张孟伦，庞慰，张代化，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：