技术的敏感应用与发展研究

第３６卷第ｌ期压电与声光Ｖ０１．３６Ｎｏ．１２０１４年０２月ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ＆ＡＣＯＵＳＴ００ＰＴＩＣＳＦｅｂ．２０１４

文章编号：１００４—２４７４（ｚ０１４）０１一００１９一０８

ＦＢＡＲ技术的敏感应用与发展研究

何杰，袁小平，刘荣贵，许昕，李“昕，袁媛，毛海燕，马晋毅

（中国电子科技集团公司第２６研究所，重庆４０００６０）

摘要：薄膜声体波谐振器（ＦＢＡＲ）技术以其频率高，品质因数（Ｑ）高，插入损耗低，与半导体集成电路（ＩＣ）工

艺兼容等优良特性在无线通信领域获得了广泛应用。基于ＦＢＡＲ技术的传感器具有灵敏度高，体积小，线性度好

及易于集成等特点，符合目前传感器的微型化、智能化、信息化的主流发展趋势。该文对ＦＢＡＲ传感器的研究现

状、发展动向等方面进行了总结并对石英晶体微天平（ＱＣＭ）、声表面波（ＳＡＷ）和ＦＢＡＲ这几种声波质量传感器

进行了比较。最后对ＦＢＡＲ传感器技术作了简要评述并讨论了ＦＢＡＲ传感器未来的发展趋势。

关键词：薄膜声体波谐振器（ＦＢＡＲ）；ＦＢＡＲ质量传感器；ＦＢＡＲ物理传感器；声波质量传感器

中圈分类号：ＴＭ２１５．３；ＴＮ６５文献标识码：Ａ

ＳｔｕｄｙｏｎＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓａｎｄＤｅＶｅｌｏｐｍｅｎｔｓｏｆＦＢＡＲＳｅｎｓｏｒｓ

ＨＥＪｉｅ，ＹＵＡＮＸｉａｏｐｉｎｇ，ＬＩＵＲｏｎｇｇｕｉ，ＸＵＸｉｎ，ＬＩＸｉｎ，ＹＵＡＮＹｕａｎ，ＭＡＯＨａｉｙａｎ，ＭＡＪｉｎｙｉ

（２６ｔｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＣｈｉｎａＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＧｒｏｕｐＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ，Ｃｈｏｎｇｑｉｎｇ４０００６０，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔ髓ｃｔ：Ｔｈｅｔｈｉｎｆｉｌｍｂｕｌｋａｃｏｕｓｔｉｃｒｅｓｏｎａｔｏｒ（ＦＢＡＲ）ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｅｎａｐｐｌｉｅｄｗｉｄｅｌｙｔｏｔｈｅｗｉｒｅｌｅｓｓｃｏｍ—

ｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓｂｅｃａｕｓｅｏｆｉｔｓｈｉｇｈｒｅｓｏｎａｎｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙ，ｈｉｇｈＱ，ｌｏｗｉｎｓｅｒｔｉｏｎｌｏｓｓａｎｄｃｏｍｐａｔｉｂｉ“ｔｙｗｉｔｈＩＣｐｒｏｃｅｓｓ．Ｔｈｅ

ＦＢＡＲ—ｂａｓｅｄｓｅｎｓｏｒｓｈａｖｅｔｈｅｅｘｃｅｌｌｅｎｔｆｅａｔｕｒｅｓｏｆｈｉｇｈｓｅｎｓｉｔｉ、，ｉｔｙ，ｓｍａｌｌｓｉｚｅ，ｇｏｏｄｌｉｎｅａｒｉｔｙ，ａｎｄｅａｓｙ—ｔｏ—ｉｎｔｅｇｒａｔｅ，

ｃｏｎｆｏｒｍｉｎｇｔｏｔｈｅｍａｉｎ＿ｓｔｒｅａｍｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｔｒｅｎｄｓｏｆｍｉｎｉａｔｕｒｉｚａｔｉｏｎ，ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔｉｚａｔｉｏｎａｎｄｉｎｆｏｒｍａｔｉｚａｔｉｏｎｉｎｓｅｎ—

ｓｏｒ’ｓｒｅａｌｍｓ．ＴｈｅｃｕｒｒｅｎｔｓｔａｔｕｓａｎｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｓｏｆＦＢＡＲｓｅｎｓｏｒｓｈａｖｅｂｅｅｎｒｅｖｉｅｗｅｄ，ａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｓａｍｏｎｇ

ＱＣＭ，ＳＡＷａｎｄＦＢＡＲｓｅｎｓｏｒｓｈａｖｅｂｅｅｎｃａｒｒｉｅｄｏｕｔｉｎｔｈｉｓｐａｐｅｒ．ＴｈｅＦＢＡＲｓｅｎｓｏｒｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙｈａｓｂｅｅｎｃｏｍｍｅｎ—

ｔｅｄｂｒｉｅｆｌｖ，ａｎｄｔｈｅｆｕｔｕｒｅｔｒｅｎｄｓｏｆＦＢＡＲｓｅｎｓｏｒｓｈａｖｅａｌｓｏｂｅｅｎｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＦＢＡＲ；ＦＢＡＲｍａｓｓｓｅｎｓｏｒ；ＦＢＡＲｐｈｙｓｉｃａｌｓｅｎｓｏｒ；ａｃｏｕｓｔｉｃｗａｖｅｍａｓｓｓｅｎｓｏｒ

０引言目前传感器的微型化、智能化、信息化的主流发展趋

薄膜声体波谐振器（ＦＢＡＲ）是一种基于压电效势；因此，ＦＢＡＲ技术在传感器领域的应用正引起世应的射频一微机电系统（ＲＦ—ＭＥＭＳ）器件，由于采用界各国工业和学术研究机构的广泛关注。

Ｓｉ微机械工艺将体压电材料薄膜化，因此ＦＢＡＲ具目前，ＦＢＡＲ的敏感应用研究主要集中在质量有高品质因数（Ｑ）值，高频及小体积的特点；由于传感器（化学／生物传感器等）、物理传感器（温度传ＦＢＡＲ技术与半导体集成电路（１Ｃ）工艺完全兼容，感器、辐射传感器等）等领域，基于ＦＢＡＲ技术的传因此易于ＲＦ系统前端集成而实现系统的微型化，感器可用于微质量、温度、湿度、环境参数、悬浮颗粒是一种可靠而有效的“芯片系统（ＳｏＣ）”解决方案，物、化学气体、辐射敏感等多个方面，在国家安全、环在降低系统体积和功耗方面具有重要的作用，能满境监测、医学免疫、食品检测等领域具有潜在的广阔足军、民用通信系统微型化、低功耗和集成化的迫切应用前景。本文在分析国内外有关ＦＢＡＲ传感器需求。文献报道的基础上，对国内外工业和学术机构在

基于ＦＢＡＲ技术的ＲＦ滤波器、双工器、振荡器ＦＢＡＲ敏感应用领域取得的成果进行了综合报道与等器件和组件已用于实现无线通信领域的射频收发评述。

机前端，在军用和民用电子通信设备中获得广泛应１ＦＢＡＲ质量传感器

用并取得了巨大的商业成功［１’５］。由于ＦＢＡＲ具有质量传感器是利用物理效应把待测物质量的变谐振频率高，Ｑ值高及损耗低等优良特性，采用化信息，通过元器件转换成电信号的一种传感器，质ＦＢＡＲ技术实现的ＦＢＡＲ传感器具有灵敏度高，体量传感器是现代传感器技术领域一个重要的分支。积小，响应快，功率容量大及易于集成等特点，符合在各种质量传感器中，基于声电器件的声波传感器

收稿日期：２０１３—１２一０５作者简介：何杰（１９６８一），男，四川南部县人，高级工程师，主要从事微声电子技术科技情报研究。

万方数据

２０

压电与声光

因其具有高质量变化灵敏度，易于封装、具有无线通信功能和制造成本低的特点而获得了最深入的研究和广泛应用。ＦＢＡＲ属于声电器件，基于ＦＢＡＲ的质量传感器是一种高精度谐振型压电声波传感器，传感器整体的能耗小，稳定性好且抗干扰能力强。

１．１

１．２

几种主要声波质量传感器性能比较

声波质量传感器利用换能器的声电转换效应，

通过测量换能器输出的声波信号参数如谐振频率、振幅、波速等的变化来反映其表面被测物特性变化（如粘附质量、液体粘度、密度等），即将被测物的物理信号转换成可直接测得的电信号的过程。这类传感器与其他传感器相比，其突出优点是检测直接输出信号为电信号，便于实现自动化、智能化、可精确定量分析。目前研究最深入、应用最广泛的声波质量传感器主要有石英晶体微天平（ＱＣＭ）、声表面波（ＳＡＷ）传感器和ＦＢＡＲ传感器。

ＱＣＭ传感器是一种采用厚度剪切模式（ＴＳＭ）的声体波（ＢＡｗ）压电传感器，它由一个某种切型的石英晶体和沉积在晶片两面的上、下电极组成口。９］。ＱＣＭ最初用于检测空气或真空中的金属薄膜厚度。２０世纪７０年代，ＱＣＭ被用于检测生物分子。在过去的２０年中，ＱＣＭ传感器由于其能检测微小质量的变化而得到越来越多的重视并已实现商业化。但ＱＣＭ的最大缺点是石英晶体受加工工艺限制不能做得很薄，从而导致其谐振频率不高（通常在

１０～５０ＭＨｚ，极限谐振频率也只有几百兆赫兹），因

ＦＢＡＲ质量传感器的基本原理与应用

ＦＢＡＲ是一种基于声体波的压电谐振器件，它

利用压电薄膜的逆压电效应将电信号转化成薄膜振动的声波信号从而形成谐振。典型的ＦＢＡＲ是由上、下金属电极和夹在中间的一层压电薄膜所构成的三明治结构构成。当交变电信号作用于金属一薄膜一金属三明治结构上并满足适当的边界条件时，处于中间的压电薄膜材料由于逆压电效应，产生机械形变，使压电薄膜层随着电场的变化而产生膨胀、收缩，若压电层的厚度等于声波半波长的整数倍时就会形成谐振。压电体中所激励起的声体波主要有纵波和剪切波两个类型。根据压电体中声波的传播方式的不同，可将ＦＢＡＲ器件分为纵波模式和剪切波模式两种。用于通信领域的ＦＢＡＲ器件／组件工作于纵波模式；而ＦＢＡＲ质量传感器多采用剪切波模式，特别是工作在液相环境下，这是因为纵波在液体中传播时衰减较大［６ｊ。

基于ＦＢＡＲ的质量传感器是由一个集成在Ｓｉ衬底上的ＦＢＡＲ器件和一个附于顶电极上的敏感层构成。当敏感层上的待测物质量发生变化时，ＦＢＡＲ谐振器的谐振频率会发生漂移，利用外围ＲＦ振荡电路可检测到这个漂移并将漂移量读出从而实现质量的敏感，图１为ＦＢＡＲ质量传感器的简单结构‘７｜。

一吸附

Ｉ—ｍ一

此检测灵敏度较低（灵敏度随频率指数增加）［１们；此外，ＱＣＭ体积较大，且不能与ＣＭＯＳ工艺集成。

ＳＡＷ器件采用叉指换能器（ＩＤＴ）激励和检测在晶体表面上传播的声波，声能量集中在距离器件一个波长的表面上而与整个基片的厚度无关。ＳＡｗ传感器中激励电极由两对ＩＤＴ组成，其中一对ＩＤＴ为发射电极，通过逆压电效应激励ＳＡＷ；另一对为接收电极，通过正压电效应将ＳＡＷ能量转换成电流输出，谐振波能量集中在晶体表面。当ＳＡＷ传感器表面有质量变化时，发射电极和接收电极间的声波速度会受到影响，因而传感器的谐振

豁藏酸粥焱麓爨嚣瓣黼麓黧黼

艿淀怨灾教交孜览狻悠狡好受落受教兜

Ｓｉ村底

……………………ｌ一压电

下电］

声反射器

频率会发生改变，通过检测其谐振频率的变化可得出质量的改变量［１１｜。由于ＳＡＷ传感器的谐振频率由叉指电极的指条宽度决定，因此，要实现谐振频率达到１ＧＨｚ的ＳＡＷ器件就需昂贵的光刻设备来形

图１ＦＢＡＲ质量传感器结构图

成极窄的叉指电极，这势必增加传感器的成本。且ＳＡＷ质量传感器体积仍偏大，难以与半导体芯片集成；同时ＳＡｗ传感器也不适合微小物质的敏感。

与ＱＣＭ和ＳＡｗ传感器相比，ＦＢＡＲ传感器具有如下优点：

１）ＦＢＡＲ的工作频率更高，目前能实现的

ＦＢＡＲ质量传感器可用于气相、液相、爆炸物、悬浮颗粒物、无标签ＤＮＡ和蛋白质分子等的敏感与检测，在国家安全、环境监测、医学免疫、食品检测等领域具有广阔的应用前景。因此，ＦＢＡＲ质量传感器的研究与应用价值很大。

万方数据

第１期何杰等：ＦＢＡＲ技术的敏感应用与发展研究

ＦＢＡＲ能达到Ｋ波段（２４．７ＧＨｚ）［１引。由于压电声波传感器随质量变化的频率变化量与谐振器工作频率的平方成正比，因此，传感器的质量灵敏度随着谐振频率的增大而提高。由此可利用ＦＡＢＲ实现分辨率很高的传感器。

２）ＦＢＡＲ具有很高的Ｑ值，可达数百至上千，因此损耗较低。基于ＦＢＡＲ的质量传感器能实现高的质量检测性能。未来如果能实现具有更高Ｑ值的ＦＢＡＲ，那么ＦＢＡＲ质量传感器的质量检测性能将会更大幅度提高，表１为随着ＦＢＡＲＱ值的提高，ＦＢＡＲ质量传感器在气相和液相环境下的最小可检测质量变化情况［１３｜。

表１

ＦＢＡＲ

Ｑ值变化与ＦＢＡＲ质量传感器

质量检测灵敏度的关系

３）ＦＢＡＲ传感器可与系统集成。ＦＢＡＲ质量传感器能兼容集成电路工艺，这样可将传感器系统和无线收发系统集成在一个芯片中，从而可在封闭环境、液体环境或其他较恶劣的环境下工作。

现代检测技术要求传感器满足微型化、智能化和集成化的需求。ＦＢＡＲ传感器是一种检测灵敏度高，可工作于液相／气相环境且能集成的压电声波微机械传感器而成为ＦＢＡＲ技术下一个研究热点［１４。１５｜。表２为ＱＣＭ、ｓＡｗ、ＦＢＡＲ质量传感器的性能比较。表２

ＱＣＭ、ＳＡＷ、ＦＢＡＲ质量传感器的性能比较

万方数据

１．３

ＦＢＡＲ质量传感器国内外发展动向

ＦＢＡＲ质量传感器的研究最先起源于国外的研

究机构。１９９２年，美国艾奥瓦州立大学的ＲｏｎａｌｄＰ．Ｏ’Ｔ００１ｅ等以基于ＡｌＮ为压电薄膜的ＦＢＡＲ谐振器制作了具有较高灵敏度的ＦＢＡＲ质量传感

器［】６｜。传感器采用金（Ａｕ）电极结合氟化硫醇（ｃＦ３

（ＣＦ。），（ＣＨ。）：ＳＨ）和ＨＯ。Ｃ（ＣＨ。）。。ＳＨ化学吸附层作为敏感层检测甲醇气体。ＦＢＡＲ谐振器工作在纵波模式，工作频率和质量检测灵敏度分别为

１

ＧＨｚ和一５５０ｃｍ２／ｇ。这是首次报道的ＦＢＡＲ质

量传感器在气相环境下的检测应用。此后，ＦＢＡＲ质量传感器技术开始引起工业界和学术界的广泛关注，包括德国Ｓｉｅｍｅｎｓ公司、瑞典乌普萨拉大学等众

多知名工业和学术研究机构陆续报道了他们在

ＦＢＡＲ质量传感器领域的研究成果。

１）在美国海军研究办公室的资金支持下，美国南加州大学的ＺｈａｎｇＨａｏ等测量了基于ＺｎＯ的Ｓｉ背腔刻蚀型ＦＢＡＲ的电极薄膜厚度与谐振频率的关系。他们将ｃ轴择优取向的ＺｎＯ薄膜作为压电层、采用Ｓｉ背腔刻蚀型结构，将纵波模式的ＦＢＡＲ

分别用于气相和液相环境下的质量敏感并在２００５年报道了研究结果［１引。实验结果表明，当ＦＢＡＲ工作在气相环境时，传感器的灵敏度能达到７２６ｃｍ２／ｇ，很接近其理论值７７３ｃｍ２／ｇ，是ＱＣＭ的５０倍；但工作在液相环境下时，ＦＢＡＲ的Ｑ值却从几百降至几十（二次谐波模式下由３４０降至４０，基频模式下由２１０降至１２）。

尽管上述研究工作从理论和实验上验证了基于Ｚｎ０薄膜的ＦＢＡＲ用于实现工作在气相／液相环境

下的质量传感器的可行性，但从ＦＢＡＲ的Ｑ值在液

相环境下迅速降低可看出，纵波模式的ＦＢＡＲ在液相环境下的应用有限，其原因是液体不支持纵波的传输。由于应用广泛的ＦＢＡＲ生物传感器一般均需工作在液体环境中；因此，传感器研究者更多地关注于剪切波模式的ＦＢＡＲ传感器。

２）２００５年，瑞典乌普萨拉大学的Ｇ．Ｗｉｎ鹊ｖｉｓｔ

等人首次采用基于ｃ轴倾斜取向的ＡｌＮ晶体作为压电薄膜制作了Ｓｉ背腔刻蚀型剪切波模式的ＦＢＡＲ生物传感器并作了实验验证［１引，图２为这种传感器及其微流体传输系统的剖视图［１７｜。ＦＢＡＲ的谐振频率为１．２ＧＨｚ，Ｑ值约为１５０。

２２

压电与声光

２０１４年

ＡｌＮ和ＳｉＯ。薄膜作为Ｂｒａｇｇ反射层，制作出工作频率为８ＧＨｚ的有机薄膜质量传感器［ｚ２。。中国山东科技大学、美国佐治亚理工学院等研究机构也在开展这项工作［２３吨４。。采用ｃ轴择优取向的压电薄膜使

图２

背腔刻蚀型剪切波模式ＦＢＡＲ及微流体

传输系统剖视图

制备工艺简单可控，且膜层的均匀性和重复性好，在气相和液相环境中均可使用；但这种结构需制备精细的叉指电极，这使器件制备工艺相对复杂，也增加了器件的横向尺寸。

４）颗粒物（ＰＭ）是指可悬浮于空气中的固态和液态微粒。其中，空气动力学当量直径小于或等于乃２．５弘ｍ的空气悬浮颗粒物称为ＰＭ２．５。研究结果表明，人体吸人的ＰＭ２．５会导致肺炎、气喘、肺功能下降等呼吸系统疾病；生活在颗粒物污染水平较高地区人群的死亡率明显增加。颗粒物污染已给人类健康带来严重威胁。然而，传统的ＰＭ质量传感器存在精度不高，体积大及适用性差的缺点。美国加州大学伯克利分校伯克利传感器与致动器研究中心长期从事ＭＥＭＳＰＭ传感器的研究与开发，２０１３年，该中心的ＩｇｏｒＰ印ｒｏｔｎｙ等设计制作了用于检测ＰＭ的ＭＥＭＳ空气微流体传感器并制作出原型样机心５１。传感器利用旋风分离器，即虚拟冲击器（ＶＩ），把直径小于万２．５“ｍ的空气悬浮颗粒分选出来，而直径大于万２．５“ｍ的颗粒物则通过输出口排除后采用热迁移沉淀法把颗粒物沉淀在ＦＢＡＲ传感器的表面，ＦＢＡＲ的质量负载效应会导致其谐振频率发生改变，频率变化的速率对应于采用空气体积的浓度。这种ＰＭ传感器的质量敏感器件采用

尽管这种背腔刻蚀型剪切波ＦＢＡＲ生物传感器具有隔离度高，声损耗低的优点，但由于需在器件背面刻蚀一个较大的空腔，这使器件对应力很敏感且易破损，不利于批量生产。后来，该研究小组放弃了背腔刻蚀型ＦＢＡＲ生物传感器方案而转向研究采用固态装配型（ＳＭＲ）结构的ＦＢＡＲ质量传感器。２０１０年，该研究小组的ＧｕｎｊａｎａＳｈａｒｍａ等人采用交替沉积的Ｍｏ—Ｓｉ０。作为Ｂｒａｇｇ声学反射层、ＡｌＮ为压电薄膜，制作出ＳＭＲ型ＦＢＡＲ并在其上形成封闭的微流体敏感系统。传感器可工作于空气、水、甘油和丙酮中，ＦＢＡＲ的谐振频率约为１．２ＧＨｚ，在水中的Ｑ值可达到１００［１引。

德国Ｓｉｅｍｅｎｓ公司的ＭａｔｈｉａｓＬｉｎｋ和ＪａｎＷｅ—ｂｅｒ等人在２００６年采用改进的反应磁控溅射法制备了ｃ轴倾斜取向的Ｚｎ０压电薄膜，他们采用交替沉积的Ｐｔ和ＺｎＯ薄膜作为Ｂｒａｇｇ反射层，制作出了ＳＭＲ型剪切波模式ＦＢＡＲ生物传感器并在气相和液相环境中对传感器的性能进行了测试。测试结果表明，ＦＢＡＲ工作在８５０ＭＨｚ，在空气中的Ｑ值为３１２，在水中的Ｑ值为１９２，传感器灵敏度为

５８５

Ｈｚ?ｃｍ２／ｎｇ，最小可检测质量为２．３ｎｇ／ｃｍ２，

了Ａｖａｇｏ公司研制的ＦＢＡＲ，传感器大小仅为

２５ｍｍ×２１ｍｍ×２

Ｓｉｅｍｅｎｓ公司将该技术应用到无标签ＤＮＡ和蛋白质分子的检测中［１争２１｜。

上述采用剪切波模式的ＦＢＡＲ质量传感器在液体环境中的Ｑ值较纵波模式ＦＢＡＲ有较大提高，但倾斜生长的压电薄膜在工艺上难以精确控制压电薄膜ｃ轴的倾斜角度、工艺的重复性难以提高，且薄

ｍｍ，比传统商用ＰＭ质量传感

器小２个数量级。柴油机尾气和烟草烟雾检测试验表明传感器的检测精度达到了２弘ｇ／ｃｍ３。未来他们将把这种传感器安装在手机和ＧＰＳ接收机上，从而实现ＰＭ２．５的便携式检测。图３为ＭＥＭＳ空气微流体ＰＭ传感器的原型样机实物照片［２５｜。

膜在整个Ｓｉ基片上的倾角一致性也难以保证。于

是，人们借鉴ＳＡＷ器件表面叉指电极的形式而提出了侧向场激励（ＬＦＥ）的剪切波模式ＦＢＡＲ结构，这种结构采用ｃ轴垂直择优取向的压电材料来获得剪切波模式，因而勿需压电薄膜具有ｃ轴倾斜取向。

３）２００６年，瑞士联邦理工学院的Ｓａｍｕｅｌ

Ｒｅｙ—

Ｍｅｒｍｅｔ等将ｆ轴垂直择优取向的ＡｌＮ薄膜作为压电层，在压电薄膜的同侧沉积叉指电极形成侧向场激励以得到剪切波模式的ＦＢＡＲ，同时交替沉积

图３

ＭＥＭｓ空气微流体ＰＭ传感器原型样机实物照片

万方数据

第１期

何杰等：ＦＢＡＲ技术的敏感应用与发展研究

５）现有的商用生物分子传感器系统主要采用光学检测技术，光学检测系统除了需采用复杂和昂贵的光学读出部件外，通常还需昂贵的分子生化标签。市场需廉价的无标签生化检测系统，如医疗定点照护（ＰＯＣ）系统。ＦＢＡＲ传感器技术能提供一种具有高灵敏度的无标签检测方法，ＦＢＡＲ传感器技

得到Ｓｉ硅基压电薄膜谐振器。生物探针涂敷在传

感器上，清洗后，再采用三明治夹心技术点样特异性结合生物体微量，可测出传感器谐振频率的相应变化，进而由相应公式换算得到待测生物体微量。２００８年，浙江大学的马绍宇等提出了一种以３对全金属Ａｌ—Ｗ层作为Ｂｒａｇｇ声反射层的ＳＭＲ型ＦＢＡＲ，采用Ａ１Ｎ作为压电层，设计出了ＳＭＲ型ＦＢＡＲ传感器［２引。通过沉积不同厚度Ａ１层上电极作为质量负载，对器件质量灵敏度进行了分析得到质量传感器的串联谐振频率约为２．８ＧＨｚ，质量响应度达到５×１０＿４ｎｇ／Ｈｚ／ｃｍ２，可实现分子量级的质量敏感。２０１１年，山东科技大学的陈达等报道了一种可用于生化战剂检测的ＳＭＲ型ＦＢＡＲ神经毒气传感器［３０｜，图５为这种传感器的基本结构［３０］。他

术相对于传统ＱＣＭ传感器技术具有决定性的优势

是能把多个ＦＢＡＲ谐振器集成在一块芯片上实现传感器阵列从而完成复杂的多任务敏感，如医疗诊断。２００９年，芬兰ＶＴＴ技术研究中心和德国西门子公司联合研制出了ＦＢＡＲ质量传感器阵列，图４为ＣＭＯＳ圆片上的单片集成ＦＢＡＲ传感器阵列剖面图［２６１。该传感器阵列由６４个ＦＢＡＲ单元和ＣＭＯＳ读出电路构成，ＦＢＡＲ阵列制作在ＣＭＯＳ电

路上，可用于检测ＤＮＡ序列和蛋白质。每一个

ＦＢＡＲ单元采用ｃ轴倾斜的ＺｎＯ薄膜，谐振器工作在剪切波模式下，在水中的质量分辨率达到了１ｎｇ／ｃｍ２。该传感器阵列真正实现了阵列化和集成化，检测过程不需使用体积庞大的网络分析仪。

们采用交替沉积的Ｍｏ／ＡｌＮ薄膜作Ｂｒａｇｇ反射层，

Ａｕ／ＡｌＮ／Ｍｏ叠层结构作压电层，制作了工作频率约为２．１ＧＨｚ的ＦＢＡＲ。在顶层电极上涂敷聚偏氟乙烯（ＰＶＤＦ）作敏感层，试验结果表明，传感器的检测灵敏度达到了８０ｋＨｚ／１０－６且性能稳定，未来可进一步发展成用于神经毒剂早期预警的手持式生化战剂传感器，而且其简单的制作工艺和小体积适

合实现传感器阵列。

图４ＣＭｕＳ圆片上的单片集成ＦＢＡＲ传感器阵列

６）与国外ＦＢＡＲ传感器研究现状相比，由于国内在ＦＢＡＲ技术的研究方面起步晚，目前还未有商

业化应用的ＦＢＡＲ产品报道，因此，ＦＢＡＲ传感器

的研究还处于起步阶段。２００６年，中国科学院声学所的乔东海等人申请了题为“一种基于差频式薄膜体声波谐振器的微质量传感器”的专利［２川，该发明采用差频式结构，可精确测量频率变化量，从而提高了测量准确度并能消除外界环境（如环境温度等）对系统的影响。２００７年，中国科学院上海微系统与信息技术研究所的宋志堂等申请了题为“一种应用于生物微质量检测的Ｓｉ基压电薄膜传感器及其制作方法”的专利［别，该发明在（１００）取向的Ｓｉ片上先后沉积具有厚为Ａ／４的Ｂｒａｇｇ反射层；接着在Ｂｒａｇｇ反射层上沉积压电薄膜层和金电极层；采用图形化工艺在电极层上制作电极结构，经退火处理

Ｇｒｅｇ

图５涂敷，ＰＶＤＦ层的ＦＢＡＲ传感器基本结构２

ＦＢＡＲ物理传感器

ＦＢＡＲ器件除了对质量负载效应敏感外，还对

温度、湿度、压力和光学辐射等物理参数敏感，因此，基于ＦＢＡＲ可实现温度／湿度传感器、辐射传感器等类型的物理传感器。

２．１

ＦＢＡＲ温度／压力传感器

ＦＢＡＲ的温度敏感特性为实现性能优良的

ＦＢＡＲ温度传感器提供了可能，英国博尔顿大学的

Ａｓｈｌｅｙ等对此进行了原理验证研究［３川。图６为工作在７０１ＭＨｚ的ＦＢＡＲ在室温下连续工作

５０

ｋｓ监测到的频率漂移口１。。采用温度分辨率为

万方数据