基于薄膜体声波谐振传感器的生化检测技术研究(4)
⑴器件的制作过程没有体加工或表面加工工艺，工序更趋简单，性能更加稳定；
⑵器件直接沉积在衬底上，没有悬空结构，提高了谐振器的抗击强度；
⑶由于器件的多层薄膜结构，散热性较好，对大功率应用而言，可以明显降低对
周围环境的热阻抗；
⑸布拉格反射层的选频作用可以有效抑制杂波和多次谐波的产生。
图 1.3 展示的是 1987 年，Toshiba 公司的 Satoh 研究组报道的 FBAR 单片集成电
路。他们的器件采用空气隙结构，利用 ZnO 作为压电层，谐振频率为 423MHz,信噪
比为90dB。
图 1.3 Toshiba公司的Satoh研究组报道的 FBAR 单片集成电路
（a）器件结构；（b）单片照片
图 1.4 展示的是用 AlN 做压电薄膜，Al 做电极，SiO2和 AlN 交替组成 3 层布拉
格反射层的3D和侧视图。 本科毕业设计说明书（论文） 第 5 页 共 31 页
图1.4 AlN薄膜 FBAR 结构图（a）3D图；（b）侧视图
1.3 FBAR生化检测技术研究现状
1.3.1 现有生化检测技术
压电晶体表面微小的压力变化会引起其振动谐振频率的改变。依据这一原理，可
以通过测量其谐振频率的变化来反映或测定出晶体表面的应力变化，而这个应力反应
出晶体表面附着质量的改变。压电晶体谐振传感器是一种吸附传感器，依靠压电晶体
表面吸附层的质量变化来进行物质的探测。
根据 Sauerbrey 对压电晶体质量敏感性的研究，基频谐振频率与质量之间存在以
其中，Δm 是质量负载的改变，Δf 是质量改变所引起的频率变化，f 为压电晶体的工
作频率，t 为晶体厚度，A是晶体电极的面积，负号表示质量的增加导致频率的下降。
由于频率的微小变化比较容易被探测到，因此压电晶体谐振器具有极高的灵敏度，并
且响应速度快。理论计算结果和实验所得到的结果均证实，在一定范围内，频率的改
变量与附着质量呈线性关系。
由公式（1.2） ，通过测量压电晶体振荡频率的改变，可以检测出压电晶体表面微
小的负载质量变化。对于基频为 5MHz 的石英压电晶片，附加质量增加 18ng/cm2
，
将会引起1Hz 的频率变化，对于为 9MHz 的石英压电晶片， 5.5ng/cm2
的质量变化就
会引起1Hz 的频率变化。目前商用的石英晶体微天平通常采用基频为 5~10MHz 的晶
振，技术已经比较成熟。利用压电晶体探测质量变化的优点是[8]
：
⑴器件结构简单，可靠程度高； 本科毕业设计说明书（论文） 第 6 页 共 31 页
⑵对微小质量敏感，灵敏度高，质量-频率的线性度较高；
⑶频率信号检测、处理易于计算机自动化；
⑷压电晶体振动频率的改变依靠表面惯性力，因而测量结果与重力和空间位置无
关；
⑸无污染、能够适合真空中的测量。
利用压电石英晶体制作的微天平（QCM） ，在晶体上面涂覆特定的敏感材料，当
吸附材料因吸附产生质量改变时，器件的谐振频率发生变化。目前这种传感器已经应
用于微质量称重、薄膜沉积探测[9]、空气和溶液中特定分子的探测[10]、以及微生物[11]、
DNA探测[12,13]
等方面。
1.3.2 FBAR的物质检测研究现状
用石英晶体来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