基于薄膜体声波谐振传感器的生化检测技术研究(2)
2.3 BMVD模型的 ADS 仿真. 14
2.3.1 模型参数的提取 14
2.3.2 MBVD 模型的ADS 仿真 . 15
2.3.3 仿真结果说明 17
3 FBAR 振荡电路设计 18
3.1 振荡器的基本模型 18
3.2 FBAR 振荡器设计 19
3.3 FBAR 振荡器PCB实现. 21
4 FBAR 传感信号处理电路设计 24
结 论 28
致 谢 29
参 考 文 献 30 1 绪论
1.1 研究背景
随着经济、社会的发展，环境污染问题日益突出，特别是大气和水源的生化污染
已经严重影响人们的正常生活甚至身体健康，所以对大气和水源的生化物质含量进行
精确检测也就成为十分重要的课题。同时在生物医学和生命科学研究领域，超高灵敏
度、成本低廉、操作简便的生物检测传感器也一直是研究的热点。
目前，广泛使用的是压电石英谐振检测技术[1]
，由于它对石英晶体电极表面质量
负载和晶体所处体系的形状如溶液的密度、粘度、电导率、介电常数等的变化非常敏
感，具有 ng 级的质量检测灵敏度，被称为“石英晶体微天平” （Quartz Crystal
Microbalance, QCM） 。它具有灵敏度高、特异性好；操作简单，不需任何标记；检测
速度快，成本低廉；能实时检测等特点。近年来，压电石英晶体生物传感器在医学实
验诊断、军事监控、环境监测、视频卫生检验、工业生产实时监测等野外流动作业和
在线检测等领域得到广泛应用。
用石英晶体作为压电体的微质量传感器，需要足够大的电极面积才能够稳定起
振，并且由于极限厚度(目前约为 30μm)的限制，即最高频率仅为 20MHz。这也限制
了石英晶片向生物传感器微型化方向的发展。为了适应传感器的微型化，可集成化以
及更高灵敏度的发展趋势，薄膜体声波谐振器（Film Bulk Acoustic Resonator, FBAR）
成为研究的热点。 基于薄膜体声波谐振器的高灵敏度微质量压电谐振传感器被广泛关
注和研究，FBAR 的结构和工作原理与低频石英晶体谐振器是一样的，但是压电薄膜
的厚度在1~2μm，工作频率达到 GHz。 用FBAR 替代石英晶片做传感器具有很大的优
势。 1.2 FBAR概述
1.2.1 FBAR应用现状
FBAR 是最近几年研究和应用发展很快的一种采用薄膜和微纳加工技术制作的
甚高频谐振器。FBAR 器件表现出如石英晶体一样的谐振特性，可以构成振荡器或滤
波器应用于现代通信传感和探测等系统中。目前，越来越多的科研人员已经认识到
FBAR 器件的重要性。它代表着一类性能最先进的声波谐振器件。由于 FBAR 工艺与
现有 Si 半导体工艺兼容，因此 FBAR 器件和低噪声功率放大器、混频器等器件可以
进行集成，制造更高性能和更小体积的射频系统。利用FBAR 技术可以实现滤波器、
双工器级振荡器这样的高性能小体积微波器件和高灵敏度的微质量压电谐振传感器。
目前，FBAR 技术的应用主要集中在滤波器（包括双工器和多工器）、传感器和
振荡器，其中FBAR 滤波器（包括双工器和多工器）已实现商业化，且市场上以美国
Avago、德国Infineon、荷兰Philips和美国TriQuint公司生产的产品为主，而基于FBAR
的传感器和振荡器目前仍处于实验阶段还未被商业化。
1.2.2 FBAR工作原理
如图1.1（a）所示，薄膜体声波谐振器由三部分组成：衬底、声波反射层和由上