[发明专利]利用具有绝缘层的薄膜谐振器(FBAR)探测物质的装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于探测流体的至少一种物质的装置，包括具有至少一个压电层、设置在压电层处的电极层、至少一个设置在压电层处的其他电极层的压电薄膜谐振器和至少一个用于积聚流体的物质的积聚面，其中，压电层、电极层和积聚面这样被设计和彼此设置，使得通过电极层的电触发可以将激励交变场耦合输入到压电层中，薄膜谐振器由于耦合输入到压电层中的激励交变场可以以谐振频率f_R被激励成谐振振荡并且谐振频率f_R取决于在积聚面处所积聚的物质的量。除了装置外，还说明一种用于在使用该装置的情况下探测物质的方法。

背景技术

开头所述类型的装置例如由DE 103 08 975 B4得知。已知的装置例如具有薄膜谐振器，其中电极层、压电层和其他电极层层状地相叠地堆叠。压电层例如由氧化锌组成。上电极层(top electrode(顶部电极))由金组成并具有用于积聚(例如吸附)流体的物质的积聚面。通过下电极层(bottom electrode(底部电极))，薄膜谐振器被施加在硅衬底上。为使硅衬底和薄膜谐振器彼此声退耦，其间例如设置由不同声阻抗的λ/4厚的层组成的声反射镜(Spiegel)。

发明内容

本发明的任务是，这样改进用于探测物质的已知的装置，使得提高质量灵敏度。

为解决该任务，说明一种用于探测流体的至少一种物质的装置，包括具有至少一个压电层、设置在压电层处的电极层、至少一个设置在压电层处的其他电极层的压电声学薄膜谐振器和至少一个用于积聚流体的物质的积聚面，其中，压电层、电极层和积聚面这样被设计和彼此设置，使得通过电极层的电触发可以将激励交变场耦合输入到压电层中，薄膜谐振器由于耦合输入到压电层中的激励交变场可以以谐振频率f_R被激励成谐振振荡，以及谐振频率f_R取决于在积聚面处所积聚的物质的量。该装置的特征在于，直接在电极层的至少一个的背离压电层的侧上设置至少一个用于电绝缘电极层的电绝缘层。绝缘层在此优选地这样被设计，使得流体和薄膜谐振器完全彼此分离。

为解决该任务，还说明一种用于在使用该装置的情况下探测流体的至少一种物质的方法，具有以下方法步骤：a)使积聚面和流体这样相聚，使得物质可以在积聚面处被积聚，以及b)确定薄膜谐振器的谐振频率。

薄膜谐振器例如具有由下电极层、压电层和上电极层组成的层结构。电极层设置在压电层的不同侧处。也可以设想，电极层设置在压电层的一侧处。

通过电极层的电触发(Ansteuerung)，可以将薄膜谐振器激励成厚度振荡(Dickenschwingung)。鉴于用于探测液体的物质的应用，有益的是这样设计压电层，使得所述压电层由于电极层的触发可以被激励成切变厚度振荡(Scherdickenschwingung)。对于高物质灵敏度来说有利的是，谐振频率f_R从包括500MHz在内到包括10GHz在内的范围中选择。为此压电层的层厚从包括0.1μm在内到包括20μm在内的范围中选择。

压电层例如由氧化锌组成。其他适用的材料例如是氮化铝。电极层优选地具有在1μm以下的层厚(例如10nm)。同样可以设想直至几个μm的更大层厚。

在一种特别的扩展方案中，绝缘层具有无机绝缘材料。绝缘材料在此可以是任意的。但是优选地，无机绝缘材料具有至少一种从金属氮化物和金属氧化物的组中选取的化合物。例如，绝缘材料是氧化铝(Al₂O₃)或氮化硅(Si₃N₄)。在一种优选的扩展方案中，金属氧化物是二氧化硅(SiO₂)。二氧化硅除了良好的电绝缘能力外，特征还在于低的声阻抗并因此特别适用于采用薄膜谐振器的应用。

电极层优选地由铝组成。在一种特别的扩展方案中，其上设置绝缘层的电极层具有铝。铝作为电极材料特别适用于薄膜谐振器。铝具有低电阻。由此使电阻噪声最小化。重要的还有低的声阻抗。这导致比较高的质量灵敏度。同样铝的质量密度低。铝的特征此外在于高的声速。由此将相应材料中的相分量保持得小。

但除了铝外，同样也可以设想其他材料和材料组合，如由不同材料组成的多层结构。