[发明专利]一种基于微电子机械技术的电磁微扭摆谐振式传感器

说明书

技术领域

本发明属于微机械传感技术领域，涉及一种基于微电子机械技术(MEMS)的电磁微扭摆结构谐振式传感器。

背景技术

微机械悬臂梁的固有谐振频率取决于悬臂梁的等效刚度及等效质量两个参量，任何能够引起这两个参量改变的待测量都可通过测量微悬臂梁固有谐振频率的变化达到检测的目的。谐振式微悬臂梁在生化传感器方面的典型应用是作为质量敏感器，在悬臂梁上制作的生化敏感层特意性吸附生化分子后，悬臂梁等效质量的变化导致悬臂梁谐振频率改变，测量谐振频率的变化量就可实现待测物的定量分析。谐振式微悬臂梁传感器具有检测灵敏度高、分辨率好、动态响应快以及直接数字量输出等优点，成为生物化学传感器的一个重要研究方向，但由于受粘性液体阻尼、非特异性吸附干扰、MEMS工艺兼容性以及液体中激励和检测方式的选取等因素的影响，谐振式微悬臂梁在液相生化分析和生物传感等领域的应用受到了很大限制。

发明内容

现有技术中微扭摆在液相中振动时阻尼易造成能量损耗，使传感器的品质因数下降；由于温度、薄膜内应力等外界因素效应易造成系统误差；为了解决现有技术的问题，本发明提出一种基于微电子机械技术(MEMS)的微扭摆结构谐振式传感器。

为实现本发明的目的，本发明基于微电子机械技术的电磁微扭摆谐振式传感器解决问题的技术方案是：在衬底上有：

一第一微扭摆谐振器，用于输出可变的第一谐振频率，及

一第二微扭摆谐振器，用于输出固定的第二谐振频率；

一框架，用于将第一微扭摆谐振器和第二微扭摆谐振器相连接。

根据本发明的实施例，第一微扭摆谐振器与第二微扭摆谐振器结构相同、并列放置，用于输出差分谐振频率。

根据本发明的实施例，所述微扭摆谐振式传感器采用微电子机械工艺在单晶硅衬底上制作而成。

根据本发明的实施例，第一微扭摆谐振器和第二微扭摆谐振器及框架的材料是绝缘介质材料或带绝缘介质层的单晶硅或多晶硅。

根据本发明的实施例，框架的绝缘介质材料选择二氧化硅或氮化硅；带绝缘介质层的单晶硅、多晶硅选择二氧化硅、氮化硅或氮氧硅。

根据本发明的实施例，第一微扭摆谐振器和第二微扭摆谐振器中任一个包括：

一对拾振电极及与其连接的拾振电极导线位于框架、摆片和摆轴的上表面，通过拾振电极导线与一对拾振电极连接；

一敏感层位于框架中部的摆片的绝缘介质钝化保护层上，用于检测微量生化分子；

一对电磁激励电极及与其连接的电磁激励电极导线位于框架、摆片和摆轴的上表面，通过电磁激励电极导线连接一对电磁激励电极；

一摆片，摆片两端面分别位于两个摆轴的一端之间；

两个摆轴的另一端分别与框架相连；

一绝缘介质钝化保护层，位于框架上，并且覆盖除电磁激励电极和拾振电极以外的整个区域，用于保护电磁激励电极导线和拾振电极导线。

根据本发明的实施例，第一微扭摆谐振器上的第一敏感层采用敏感膜，用于产生与待测物相关的谐振频率输出信号。

根据本发明的实施例，第二微扭摆谐振器上的第二敏感层采用非敏感层膜，用于只产生与待测物不相关的谐振频率参比信号。

根据本发明的实施例，拾振电极、拾振电极导线、电磁激励电极、电磁激励电极导线通过溅射或蒸发金属于框架、摆片及摆轴上表面通过光刻而形成。

根据本发明的实施例，在除电磁激励电极和拾振电极以外的区域之上采用等离子增强化学气相沉积制作绝缘介质钝化保护层、拾振电极导线和电磁激励电极导线并被绝缘介质钝化保护层覆盖。

根据本发明的实施例，绝缘介质钝化保护层是二氧化硅、或氮化硅和氮氧硅。

根据本发明的实施例，在绝缘介质钝化保护层上制作敏感层的敏感膜，钝化处理制作敏感层的非敏感膜。

本发明由于采用以上技术方案，具有以下优点：

1、本发明采用电磁激励和电磁拾振的闭环自激系统使微扭摆谐振传感器工作于扭转谐振模态，并应用闭环反馈技术补充微扭摆在液相中振动时阻尼造成的能量损耗，提高传感器的品质因数。

2、本发明设置两个结构完全相同的微扭摆谐振器，并采用差动输出，有效抑制由于温度、薄膜内应力等外界因素效应造成的误差。

3、本发明提出一种夹心式微电极，电磁激振和拾振线圈均采用蒸发或溅射的薄膜金属电极制作，并采用钝化介质绝缘材料保护，具有制作工艺简单，适用于液相工作等优点。

本发明可作为生化传感器用于检测微量生化分子，尤其适用于液态条件的生化检测和传感。

附图说明