(57)【要約】【課題】複数の物質を精密に感知し得る薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサ及び物質感知モジュールを提供すること。【解決手段】薄膜容積弾性共振器を物質感知センサ101に適用して小型で、物質測定感度の高い物質感知センサを配列形態に形成し、物質感知センサ101と信号処理回路とを同一基板に集積するために、対象物質の量及び/又は厚さに応じて第1共振周波数を発生する第1薄膜容積弾性波共振器と、基準共振周波数を発生する基準薄膜容積弾性波共振器と、を含んで薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサを構成する。【選択図】  図１
2004226405.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物質の量および／または厚さに応じて第1共振周波数を発生する第1薄膜容積弾性波共振器と、
基準共振周波数を発生する基準薄膜容積弾性波共振器と、を含んでいることを特徴とする薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサ。
【請求項２】
前記第1薄膜容積弾性波共振器上に形成されて、前記対象物質が注入される第1チャンネルパターンを更に含んでいることを特徴とする請求項１記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサ。
【請求項３】
前記基準薄膜容積弾性波共振器上に形成された第2チャンネルパターンを更に含んで構成されることを特徴とする請求項２記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサ。
【請求項４】
前記薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサは、
基板と、
該基板の上面に形成された上部メンブレン層と、
前記基板の下面に形成された下部メンブレン層と、
該下部メンブレン層上に形成された共通下部電極と、
該共通下部電極上に形成された圧電物質層と、
該圧電物質層上の予め決定された部分にそれぞれ形成された第1及び第2上部電極と、
これらの第1及び前記第2上部電極にそれぞれ対向するように、前記上部メンブレン層及び前記基板をエッチングすることで、前記下部メンブレン層の上面に形成された各チャンネルパターンと、
これらの各チャンネルパターンを通して露出された下部メンブレン層の上面にそれぞれ形成された第1及び第2吸着層と、
前記第1吸着層上に形成された反応性膜と、を含んでいることを特徴とする請求項１記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサ。
【請求項５】
前記薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサは、
基板と、
該基板の上面に形成された上部メンブレン層と、
前記基板の下面に形成された下部メンブレン層と、
該下部メンブレン層上に形成された共通下部電極と、
該共通下部電極上に形成された圧電物質層と、
該圧電物質層上に形成された一対の上部電極と、
これらの一対の上部電極にそれぞれ対向して、前記下部電極が露出されるように、前記上部メンブレン層、前記基板及び前記下部メンブレン層がエッチングされて形成された一対のチャンネルパターンと、
これらの一対のチャンネルパターン中、何れか一つのチャンネルパターンを通して露出された下部電極上に形成された反応性膜と、を含んでいることを特徴とする請求項１記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサ。
【請求項６】
前記薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサは、
基板と、
該基板上に形成されたメンブレン支持層と、
該メンブレン支持層上に形成されたメンブレン層と、
該メンブレン層上に形成された共通下部電極と、
該共通下部電極上に形成された圧電物質層と、
該圧電物質層の上面にそれぞれ形成された第1及び第2上部電極と、
前記第1上部電極上に形成された反応性膜と、
該反応性膜及び前記第2上部電極の一部が露出されるように、メンブレン層の上部に形成されたチャンバ構造物と、を含んでいることを特徴とする請求項１記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサ。
【請求項７】
前記薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサは、
基板と、
該基板上に形成されたメンブレン支持層と、
該メンブレン支持層上に形成された共通下部電極と、
該共通下部電極上に形成された圧電物質層と、
該圧電物質層上にそれぞれ形成された第1及び第2上部電極と、
前記第1上部電極上に形成された反応性膜と、
該反応性膜及び前記第2上部電極の一部が露出されるように、前記メンブレン支持層の上面に形成されたチャンバ構造物と、を含んでいることを特徴とする請求項１記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサ。
【請求項８】
前記薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサは、
複数形成されて、これらの複数の物質感知センサは、単一のセンサチップに配置されることを特徴とする請求項１記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサ。
【請求項９】
前記薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサは、
単一のセンサチップに格子状に複数配列されることを特徴とする請求項１記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサ。
【請求項１０】
前記センサチップに連結された各ボンディングパッドと、これらの各ボンディングパッドに連結された各外部連結ピンと、前記センサチップを保護及び支持する構造物と、を有するセンサチップパッケージを更に含んでいることを特徴とする請求項９記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサ。
【請求項１１】
前記第1共振周波数と前記基準共振周波数とを混合し、該混合された信号の電力値に基づいて、前記対象物質の量および／または厚さを測定する信号処理回路を更に含んでいることを特徴とする請求項１記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサ。
【請求項１２】
前記信号処理回路は、
前記物質感知センサの第1薄膜容積弾性波共振器の第1共振周波数を出力するセンシング発振部と、
前記物質感知センサの基準薄膜容積弾性波共振器の共振周波数の位相を180°変換して基準共振周波数を出力する基準発振部と、
前記第1共振周波数と前記基準共振周波数とを混合する無線信号混合器と、
前記混合された信号の電力を算出する電力測定部と、から構成されることを特徴とする請求項１１記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサ。
【請求項１３】
前記信号処理回路は、
前記第1薄膜容積弾性波共振器の第1共振周波数を出力するセンシング発振部と、
前記基準薄膜容積弾性波共振器の共振周波数の位相を180°変換し、該位相の変換された基準共振周波数を出力する基準電圧制御発振部(Voltage Control Oscillator；VCO)と、
前記センシング発振部の第1共振周波数と前記基準電圧制御発振部の基準共振周波数とを混合する無線信号混合器と、
前記混合された信号の出力電力が最小になるように、前記基準電圧制御発振部に印加される電圧を可変する電力測定部と、から構成され、このとき、前記基準電圧制御発振部に印加される電圧が可変されると、該可変された電圧値に基づいて対象物質の粘着量及び厚さを測定することを特徴とする請求項１１記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサ。
【請求項１４】
対象物質の量および／または厚さに応じて測定共振周波数を発生する測定薄膜容積弾性波共振器と、基準共振周波数を発生する基準薄膜容積弾性波共振器とから構成される複数の物質感知センサを含むセンサチップと、
前記測定共振周波数と前記基準共振周波数とを混合して、該混合された信号の電力値に基づいて前記対象物質の量および／または厚さを測定する信号処理回路と、を含んでいることを特徴とする薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知モジュール。
【請求項１５】
前記信号処理回路は、
前記センサチップと一緒に同一基板上に形成されることを特徴とする請求項１４記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知モジュール。
【請求項１６】
前記センサチップに連結された各ボンディングパッドと、これらの各ボンディングパッドに連結された各外部連結ピンと、前記センサチップを保護及び支持する構造物と、を有するセンサチップパッケージを更に含んでいることを特徴とする請求項１４記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知モジュール。
【請求項１７】
前記センサチップパッケージは、
前記信号処理回路と一緒に前記印刷回路基板に着脱自在に装着されることを特徴とする請求項１６記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知モジュール。
【請求項１８】
前記センサチップは、
前記センサチップパッケージから着脱されることを特徴とする請求項１６記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知モジュール。
【請求項１９】
前記センサチップ内の一つの物質感知センサは、
基板と、
該基板の上面に形成された上部メンブレン層と、
前記基板の下面に形成された下部メンブレン層と、
該下部メンブレン層上に形成された共通下部電極と、
該共通下部電極上に形成された圧電物質層と、
該圧電物質層上の予め決定された部分にそれぞれ形成された第1及び第2上部電極と、
これらの第1及び第2上部電極にそれぞれ対向するように、前記上部メンブレン層及び前記基板をエッチングすることで、前記下部メンブレン層の上部に形成された各チャンネルパターンと、
これらの各チャンネルパターンを通して露出された下部メンブレン層の上面にそれぞれ形成された第1及び第2吸着層と、
前記第1吸着層上に形成された反応性膜と、を含んでいることを特徴とする請求項１４記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知モジュール。
【請求項２０】
前記センサチップ内の一つの物質感知センサは、
基板と、
該基板の上面に形成された上部メンブレン層と、
前記基板の下面に形成された下部メンブレン層と、
該下部メンブレン層上に形成された共通下部電極と、
該共通下部電極上に形成された圧電物質層と、
該圧電物質層上に形成された一対の上部電極と、
これらの一対の上部電極にそれぞれ対向して、前記共通下部電極が露出されるように、前記上部メンブレン層、前記基板及び前記下部メンブレン層をエッチングすることで形成された一対のチャンネルパターンと、
これらの一対のチャンネルパターン中、何れか一つのチャンネルパターンを通して露出されるように下部電極上に形成された反応性膜と、を含んでいることを特徴とする請求項１４記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知モジュール。
【請求項２１】
前記センサチップ内の一つの物質感知センサは、
基板と、
該基板上に形成されたメンブレン支持層と、
該メンブレン支持層上に形成されたメンブレン層と、
該メンブレン層上に形成された共通下部電極と、
該共通下部電極上に形成された圧電物質層と、
該圧電物質層の上面にそれぞれ形成された第1及び第2上部電極と、
前記第1上部電極上に形成された反応性膜と、
該反応性膜及び前記第2上部電極の一部が露出されるように形成されたチャンバ構造物と、を含んでいることを特徴とする請求項１４記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知モジュール。
【請求項２２】
前記センサチップ内の一つの物質感知センサは、
基板と、
該基板上に形成されたメンブレン支持層と、
該メンブレン支持層上に形成された共通下部電極と、
該共通下部電極上に形成された圧電物質層と、
該圧電物質層上にそれぞれ形成された第1及び第2上部電極と、
前記第1上部電極上に形成された反応性膜と、
該反応性膜及び前記第2上部電極の一部が露出されるように形成されたチャンバ構造物と、を含んでいることを特徴とする請求項１４記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知モジュール。
【請求項２３】
前記信号処理回路は、
前記物質感知センサの測定薄膜容積弾性波共振器の測定共振周波数を出力するセンシング発振部と、
前記物質感知センサの基準薄膜容積弾性波共振器の共振周波数の位相を180°変換して基準共振周波数を出力する基準発振部と、
前記測定共振周波数と前記基準共振周波数とを混合する無線信号混合器と、
前記混合された信号の電力を算出する電力測定部と、から構成されることを特徴とする請求項１４記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知モジュール。
【請求項２４】
前記信号処理回路は、
前記測定薄膜容積弾性波共振器の測定共振周波数を出力するセンシング発振部と、
前記基準薄膜容積弾性波共振器の共振周波数の位相を180°変換して、該位相の変換された基準共振周波数を出力する基準電圧制御発振部と、
前記センシング発振部の測定共振周波数と前記基準電圧制御発振部の基準共振周波数とを混合する無線信号混合器と、
前記混合された信号の出力電力が最小になるように前記基準電圧制御発振部に印加される電圧を可変する電力測定部と、から構成され、このとき、前記基準電圧制御発振部に印加される電圧が可変されると、該可変された電圧値に基づいて前記対象物質の粘着量及び厚さを測定することを特徴とする請求項１４記載の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知モジュール。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、物質感知モジュールに関するもので、詳しくは、薄膜容積弾性波共振器(Thin Film Bulk Acoustic Resonator；TFBAR)を利用した物質感知モジュールに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
最近、バイオ物質、化学物質、環境物質及びガス物質などを感知する物質感知システムに関する関心が高まるにつれて、多様な物質を感知及び分析するためのセンサに対する開発が活発に行われている。特に、圧電物質の特性を利用して物質の表面吸着量を感知する物質感知センサは、圧電物質の容積弾性波特性を利用して対象物質に対する共振周波数偏移を出力し、この共振周波数偏移を測定することで物質の粘着量を知るようになっている。
【０００３】
従来の物質感知センサとしては、QCM(Quartz Crystal Microbalance)が使用されるが、このQCMは、石英結晶を格子方向に従って切り取り、切り取られた石英結晶上に電極を形成して構成される。また、QCMは、容積弾性波特性を有するため、上記形成された電極に対象物質を吸着させて、対象物質の表面吸着量を共振周波数の変動値(共振周波数偏移)として感知し得る。
【０００４】
また、QCMは、容積の大きい石英を利用するため、物質感知センサが大きくなり、物質感知センサのセンシング部を通して得られた信号を処理するための信号処理回路を、QCMの外部に別途に形成すべきであるため、物質感知システムは非常に大きくなる。
【０００５】
また、QCMは、石英切片の厚さに応じて共振周波数が可変され、石英の厚さが薄いほど共振周波数が増加するので、センシング感度は良くなるが、石英では数百MHz以上の共振周波数を得られないという問題点があった。かつ、QCMは、一つの物質を感知し得る単一のセンシング部を有するように形成されるが、このとき、複数の対象物質を感知するために複数のセンサを設置する場合、物質感知センサの容積が非常に大きくなるという問題点があった。
【０００６】
また、QCMを利用した物質感知センサは、通常、石英容積弾性波共振器の共振周波数偏移に基づいて物質を計測するか、若しくは、石英容積弾性波共振器を利用して発振回路を設け、石英容積弾性波共振器の共振周波数偏移による発振周波数偏移を測定することで、物質の粘着量を測定するようになるため、周波数偏移を測定するQCM計測方法は、ネットワーク分析器やオシロスコープのように大型でかつ高価な計測装備が必要となる。
【特許文献１】米国特許出願6,617,751号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
以上説明したように、従来の物質感知システムにおいては、石英容積弾性波共振器を利用することで、物質感知センサ及び物質感知モジュールが大きく、最大共振周波数が低くなるため、測定感度が低下されるという不都合な点があった。
【０００８】
また、石英容積弾性波共振器に信号処理回路(物質測定回路)が形成されため、外部に信号処理回路を構成するか、または、高価の装備により物質を測定すべきであるという不都合な点があった。
【０００９】
また、石英が配列構造に形成されないため、複数の物質感知センサが単一のチップ上に形成されなく、複数の対象物質を測定し得ないという不都合な点があった。
【００１０】
一方、従来の薄膜容積弾性波共振器及びその製造方法は、2003年9月9日に米国で登録された特許文献１にも記載されている。
【００１１】
本発明は、このような従来の課題に鑑みてなされたもので、薄膜容積弾性共振器を物質感知センサに適用して小型でかつ物質測定感度の高い物質感知センサを配列形態に形成し、物質感知センサと信号処理回路とを同一基板に集積することで、複数の物質を精密に感知し得る薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサ及び物質感知モジュールを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような目的を達成するため、本発明に係る薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサは、対象物質の量及び/または厚さに応じて第1共振周波数を発生する第1薄膜容積弾性波共振器と、基準共振周波数を発生する基準薄膜容積弾性波共振器と、を含んでいることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサは、基板と、基板の上面に形成された上部メンブレン層(membrane  layer)と、基板の下面に形成された下部メンブレン層と、下部メンブレン層上に形成された共通下部電極と、共通下部電極上に形成された圧電物質層と、圧電物質層上の予め決定された部分にそれぞれ形成された第1及び第2上部電極と、それら第1及び第2上部電極にそれぞれ対応する方向に形成されて、上部メンブレン層及び基板をエッチングすることで、下部メンブレン層の上部に形成された各チャンネルパターンと、それら各チャンネルパターンを通して露出された下部メンブレン層の上部にそれぞれ形成された第1及び第2吸着層と、第1吸着層上に形成された反応性膜と、を含んでいることを特徴とする。
【００１４】
また、本発明に係る薄膜容積弾性波共振器を利用した別の物質感知センサは、基板と、基板の上面に形成された上部メンブレン層と、基板の下面に形成された下部メンブレン層と、下部メンブレン層上に形成された共通下部電極と、共通下部電極上に形成された圧電物質層と、圧電物質層上に形成された一対の上部電極と、それら一対の上部電極にそれぞれ対向して、下部電極が露出されるように上部メンブレン層、基板及び下部メンブレン層がエッチングされて形成された一対のチャンネルパターンと、それら一対のチャンネルパターン中何れか一つのチャンネルパターンを通して露出された共通下部電極上に形成された反応性膜と、を含んでいることを特徴とする。
【００１５】
また、本発明に係る薄膜容積弾性波共振器を利用した他の物質感知センサは、基板と、基板上に形成されたメンブレン支持層と、メンブレン支持層上に形成されたメンブレン層と、メンブレン層上に形成された共通下部電極と、共通下部電極上に形成された圧電物質層と、圧電物質層の上部にそれぞれ形成された第1及び第2上部電極と、第1上部電極上に形成された反応性膜と、反応性膜及び第2上部電極の一部が露出されるように、メンブレン層の上面に形成されたチャンバ構造物と、を含んでいることを特徴とする。
【００１６】
また、本発明に係る薄膜容積弾性波共振器を利用した他の物質感知センサは、基板と、基板上に形成されたメンブレン支持層と、メンブレン支持層上に形成された共通下部電極と、共通下部電極上に形成された圧電物質層と、圧電物質層上にそれぞれ形成された第1及び第2上部電極と、第1上部電極上に形成された反応性膜と、反応性膜及び第2上部電極の一部が露出されるように、メンブレン支持層の上面に形成されたチャンバ構造物と、を含んでいることを特徴とする。
【００１７】
また、本発明に係る薄膜容積弾性波共振器を利用した他の物質感知モジュールは、対象物質の量及び/または厚さに応じて測定共振周波数を発生する測定薄膜容積弾性波共振器と、基準共振周波数を発生する基準薄膜容積弾性波共振器とから構成される複数の物質感知センサを含むセンサチップと、測定共振周波数と基準共振周波数とを混合して、混合された信号の電力値に基づいて対象物質の量及び/または厚さを測定する信号処理回路と、を含んでいることを特徴とする。
【００１８】
また、本発明に係る薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知モジュールの信号処理回路は、物質感知センサの測定薄膜容積弾性波共振器の測定共振周波数を出力するセンシング発振部と、物質感知センサの基準薄膜容積弾性波共振器の共振周波数の位相を180°変換して基準共振周波数を出力する基準発振部と、測定共振周波数と基準共振周波数とを混合する無線信号混合器と、混合された信号の電力を算出する電力測定部と、を含んでいることを特徴とする。
【００１９】
また、本発明に係る薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知モジュールの別の信号処理回路は、測定薄膜容積弾性波共振器の測定共振周波数を出力するセンシング発振部と、基準薄膜容積弾性波共振器の共振周波数の位相を180°変換して、位相の変換された基準共振周波数を出力する基準電圧制御発振部と、センシング発振部の測定共振周波数と基準電圧制御発振部の基準共振周波数とを混合する無線信号混合器と、混合された信号の出力電力が最小になるように基準電圧制御発振部に印加される電圧を可変する電力測定部と、から構成され、基準電圧制御発振部に印加される電圧が可変されると、可変された電圧値に基づいて対象物質の粘着量及び厚さを測定することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２０】
以上説明したように、本発明に係る薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知モジュールは、マイクロマシニング工程により形成された一対の薄膜容積弾性共振器を有する複数の物質感知センサを単一のセンサチップに配列し、単一のセンサチップと信号処理回路とを同一印刷回路基板に設置することで、物質感知センサの感知度を改善し、複数の物質を同時に精密に検出し、かつ、物質感知モジュールの大きさを画期的に減少することができる。
【００２１】
また、本発明に係る薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知モジュールの単一のセンサチップは、センサチップパッケージに着脱自在に装着することで、1回用のセンサチップを容易に交換することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態に対し、図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係る薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサパッケージの構造を示した斜視図で、図示されたように、薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサパッケージは、複数の物質感知センサ101が配置されたセンサチップ100と、センサチップ100をパッケージングするためのセンサチップパッケージ200とを含んでいる。センサチップパッケージ200は、複数の物質感知センサ101にボンディングされる各ボンディングパッド201と、それらボンディングパッド201にそれぞれ連結される各外部連結ピン202とから構成される。
【００２３】
以下、薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサパッケージの構成について説明する。
まず、センサチップ100は、格子状に配列された複数の物質感知センサ101により構成される。即ち、複数の物質を複数の物質感知センサ101により同時に測定し、それら複数の物質感知センサ101は一つのセンサチップ100により構成され、センサチップ100がセンサチップパッケージ200に着脱自在に連結されることで、1回用のセンサチップ100を容易に交換することができる。
【００２４】
また、センサチップ100の各物質感知センサ101はそれぞれ一対に形成され、各物質感知センサ101の上下両面に上部電極5-1、5-2と共通下部電極3及び圧電物質層4とをそれぞれ選択的に連結することで、対象物質を個別的に測定し得るように、一対の薄膜容積弾性波共振器を一つの物質感知センサとして利用している。即ち、一対の薄膜容積弾性波共振器中何れか一つは注入された対象物質を感知する測定薄膜容積弾性波共振器として使用し、他の一つは基準薄膜容積弾性波共振器として使用することで、周辺環境による効果を排除した絶対測定値を得ることができる。例えば、測定薄膜容積弾性波共振器に感知しようとする対象物質を注入した後、測定薄膜容積弾性波共振器の共振周波数及び基準薄膜容積弾性波共振器の共振周波数に基づいて対象物質の有無、対象物質の量及び厚さを感知することができる。
【００２５】
一方、センサチップ100の後面に示されるように、それら上部電極5-1．5-2、共通下部電極3及び圧電物質層4により形成された薄膜容積弾性波共振器を信号処理方式によって配置し、センサチップ100をセンサチップパッケージ200にボンディングする。このとき、上部電極5-1、5-2、共通下部電極3及び圧電物質層4をボンディングパッド201にソルダーペーストを利用してボンディングする。形成された薄膜容積弾性波共振器のセンサチップパッケージ200を信号処理回路(integrated  circuit；IC)と一緒に同一印刷回路基板上に設置することで、物質感知モジュールを製作する。即ち、本発明は、複数の物質感知センサを一つのセンサチップに構成し、信号処理回路をセンサチップと一緒に同一基板上に形成することができる。
【００２６】
以下、本発明に係る物質感知センサ101の第1実施形態の構成を、図２に基づいて説明する。
図２は、図１のセンサチップ100に形成された何れか一つの物質感知センサの第1実施形態を示した断面図である。図２に示すように、本発明に係る物質感知センサ101は、一対の薄膜容積弾性波共振器を有しており、基板1と、基板1の上面及び下面に形成された上部メンブレン層2-1及び下部メンブレン層2-2と、下部メンブレン層2-2上に形成された共通下部電極3と、共通下部電極3上に形成された圧電物質層4と、圧電物質層4上の予め決定された部分にそれぞれ形成された第1及び第2上部電極5-1、5-2と、これらの第1及び第2上部電極5-1、5-2にそれぞれ対応するように、上部メンブレン層2-1及び基板1がエッチングされることで、下部メンブレン層2-2の上部に形成された各チャンネルパターンと、これらの各チャンネルパターンを通して露出された下部メンブレン層2-2の上部にそれぞれ形成された第1及び第2吸着層6-1、6-2と、第1吸着層6-1上に形成された反応性膜7と、を含んで構成されている。
【００２７】
このとき、反応性膜7を有する薄膜容積弾性波共振器は、物質を測定するための測定薄膜容積弾性波共振器(センシング部)で、反応性膜7が形成されない薄膜容積弾性波共振器は、基準薄膜容積弾性波共振器(基準部)である。また、一つの薄膜容積弾性波共振器は、下部電極、圧電物質層及び上部電極により構成され、基板1の上部に形成された上部メンブレン層2-1は、本発明の動作とは関係がなく、低応力SiNx薄膜により形成されて測定薄膜容積弾性波共振器及び基準薄膜容積弾性波共振器の動作を妨害しない。
【００２８】
また、共通下部電極3は、基板1の下面に形成された下部メンブレン層2-2上に形成され、一対の薄膜容積弾性波共振器(測定薄膜容積弾性波共振器及び基準薄膜容積弾性波共振器)に共通的に使用される。
【００２９】
また、圧電物質層4は、共通下部電極3上に形成されて、薄膜容積弾性波を発生するZnO、AlN及びPZT中何れか一つにより構成され、圧電物質層4は、薄膜蒸着技術により非常に薄く形成されることで、数GHz帯域の共振周波数を有する測定薄膜容積弾性波共振器及び基準薄膜容積弾性波共振器を容易に構成することができる。即ち、数GHz帯域の共振周波数を有する測定薄膜容積弾性波共振器及び基準薄膜容積弾性波共振器を形成することで、薄膜容積弾性波共振器の適用された物質感知センサの感度が増加し、DNA(deoxyribo nucleic acid)、細胞及び蛋白質のようなバイオ物質の測定に使用することができる。
【００３０】
このとき、各上部電極5-1、5-2は、一対の薄膜容積弾性波共振器(測定薄膜容積弾性波共振器及び基準薄膜容積弾性波共振器)を独立的に動作させるように、圧電物質層4上に一対に分離して形成される。
【００３１】
その後、測定薄膜容積弾性波共振器及び基準薄膜容積弾性波共振器に対応する方向に上部メンブレン層2-1及び基板1を非等方性(anisotropy)エッチングしてチャンネルパターンを形成するが、このとき、基板1のみを傾斜して完全にエッチングすることで、下部メンブレン層2-2が露出されるようにする。エッチング工程は、微細電子機械システムのバルクマイクロマシニング工程により行われる。
【００３２】
また、吸着層6-1、6-2は、Au、Al、W及びTaなどの金属類や、電極及び反応性膜7と粘着性のあるポリマー物質により作られるが、反応性膜7の材料は、対象物質の種類に応じて選択し、例えば、前立腺癌を検出するための反応性材料及び胃癌を検出するための材料として使用することができる。
【００３３】
また、反応性膜7は対象物質8を吸着するためのもので、例えば、測定薄膜容積弾性波共振器(センシング部)のみに対象物質8を用いるため、測定薄膜容積弾性波共振器の上部にチャンネルパターンまたは反応性膜7が露出されるようにチャンバ構造物を構成する。
【００３４】
また、形成された測定薄膜容積弾性波共振器及び基準薄膜容積弾性波共振器は、共通下部電極3、圧電物質層4、上部電極5-1、5-2及び下部メンブレン層2-2の厚さに応じて共振周波数が決定され、共振周波数(ｆｒ)は下記式1により計算される。このとき、反応性膜7に対象物質が蒸着または粘着されると、共振周波数偏移が発生する。
ｆｒ＝ｎ／２｛（ｄｐ／ｖｐ）＋（ｄｍ／ｖｍ）｝−1              式１
上式中、上記ｎは常数、ｄｐは圧電物質層の厚さ、ｖｐは圧電物質層における音響波の伝播速度、ｄｍは上部電極または下部電極の厚さ、ｖｍは上部電極または下部電極における音響波の伝播速度をそれぞれ示したものである。
【００３５】
一方、本発明に係るセンサチップ100は、一般の半導体工程により同一印刷基板上に信号処理回路と一緒に集積されることで、物質感知モジュールの大きさを大幅に減らすことができる。
【００３６】
このような第1実施形態では、物質感知センサパッケージは、物質感知モジュールから着脱し得るように形成されるため、１回用のセンサチップまたは/及びセンサチップパッケージを物質感知モジュールから着脱自在に構成することができる。
【００３７】
図３は、図２のような物質感知センサに対象物質が粘着された時に発生する共振周波数偏移を実験的に示した図である。図３に示すように、共振周波数は、粘着された対象物質により減少しながら偏移される。このとき、共振周波数偏移は、粘着された対象物質の厚さ及び質量に応じて異なるため、対象物質の粘着量及び粘着された厚さは、試験結果(多様な物質の厚さ及び粘着量)による周波数偏移を予め測定し、予め測定された周波数偏移に基づいて実際の対象物質の粘着量及び厚さを測定することができる。例えば、予め測定された周波数偏移をデータベースに格納し、格納された周波数偏移に基づいて粘着された対象物質の粘着量及び厚さを正確に測定することができる。
【００３８】
図４は、本発明に係る物質感知センサの第2実施形態を示した断面図である。図４に示すように、この第2実施形態の物質感知センサは、基板1と、基板1の上面及び下面にそれぞれ形成された上部メンブレン層2-1及び下部メンブレン層2-2と、下部メンブレン層2-2上に形成された共通下部電極3と、共通下部電極3上に形成された圧電物質層4と、圧電物質層4上に形成された一対の上部電極5-1、5-2と、これら一対の上部電極5-1、5-2にそれぞれ対向して、下部電極3が露出されるように、上部メンブレン層2-1、基板1及び下部メンブレン層2-2がエッチングされて形成される一対のチャンネルパターンと、それら一対のチャンネルパターン中何れか一つのチャンネルパターンを通して露出された下部電極3上に形成された反応性膜7と、を含んで構成されている。
【００３９】
このように構成された物質感知センサの第2実施形態は、図２に示した第1実施形態の物質感知センサから吸着層6-1、6-2を除去し、基板1をエッチングする時に下部メンブレン層2-2までエッチングすることで、測定薄膜容積弾性波共振器の下部電極3上に反応性膜7を直接形成する。よって、Au、Al、W、Ta及びポリマーのような吸着層6-1、6-2を更に形成する工程が省かれる長所がある。このとき、図2及び図4に示したように、基板1を非等方性エッチングして形成されたチャンバ構造物の内部に測定薄膜容積弾性波共振器が備えられた物質感知センサをバルクマイクロマシニング形態(a bulk micro-machining form)という。
【００４０】
以下、本発明に係る第3実施形態の物質感知センサを図５に基づいて説明する。
図５は、本発明に係る薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサの第3実施形態を示した縦断面図である。本発明に係る第3実施形態の物質感知センサは、基板1の上面に測定薄膜容積弾性波共振器及び基準薄膜容積弾性波共振器を形成して構成される。
【００４１】
即ち、図５に示すように、この物質感知センサは、基板1と、基板1上に形成されたメンブレン支持層9と、メンブレン支持層9上に形成されたメンブレン層10と、メンブレン層10上に形成された共通下部電極3と、共通下部電極3上に形成された圧電物質層4と、圧電物質層4の上面にそれぞれ形成された第1及び第2上部電極5-1、5-2と、第1上部電極5-1上に形成された反応性膜7と、反応性膜7及び第2上部電極5-2の一部が露出されるように、メンブレン層の上面に形成されたチャンバ構造物11と、を含んで構成されている。
【００４２】
このとき、基板1の上部に測定薄膜容積弾性波共振器及び基準薄膜容積弾性波共振器を形成するので、共振周波数を発生するための空間を設けるために、メンブレン支持層9が測定薄膜容積弾性波共振器及び基準薄膜容積弾性波共振器の下方に犠牲層を利用して公知の技術により形成され、測定薄膜容積弾性波共振器(センシング部)の上部電極5-1に反応性膜7を形成するため、吸着層6-1、6-2は必要としない。
【００４３】
また、対象物質8を測定薄膜容積弾性波共振器の上部電極5-1に設けるためにチャンバ構造物11をPDMS(Poly Dimethyl Siloxane)またはポリマーレジン(polymer resin)を利用して形成するが、図示されたチャンバ構造物11またはチャンネルパターンの他に、実質的に基準薄膜容積弾性波共振器のチャンネルパターン部分を遮蔽して、対象物質8を測定薄膜容積弾性波共振器のみに設けるようにチャンバ構造物をセンサチップ100の上部に適用することもできる。
【００４４】
以下、本発明に係る第4実施形態の物質感知センサについて、図６に基づいて説明する  図６は、本発明に係る物質感知センサの第4実施形態を示した断面図である。図６に示すように、本発明の第4実施形態に係る薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサは、基板1と、基板1上に形成されたメンブレン支持層9と、メンブレン支持層9上に形成された共通下部電極3と、共通下部電極3上に形成された圧電物質層4と、圧電物質層4上にそれぞれ形成された第1及び第2上部電極5-1、5-2と、第1上部電極5-1上に形成された反応性膜7と、反応性膜7及び第2上部電極5-2の一部が露出されるように、メンブレン支持層9上に形成されたチャンバ構造物11と、を含んで構成されている。
【００４５】
即ち、第4実施形態の物質感知センサは、図５でメンブレン層10が除去された構造物である。このとき、測定薄膜容積弾性波共振器及び基準薄膜容積弾性波共振器は多様な構造に形成されるが、圧電物質層4を測定薄膜容積弾性波共振器及び基準薄膜容積弾性波共振器が共有して使用する。また、一対の薄膜容積弾性波共振器中何れか一つを測定薄膜容積弾性波共振器に設定し、測定薄膜容積弾性波共振器の上部電極のみに反応性膜7を形成する。また、物質感知センサを構成する測定薄膜容積弾性波共振器及び基準薄膜容積弾性波共振器の電極は、Pt、Au、Mo、Al、Cr、Ti、TiN、W、Ta、Ir及びIrO2中何れか一つ以上の物質により形成される。
【００４６】
図５及び図６の各物質感知センサが適用されたセンサチップをセンサチップパッケージに適用するために、一般の半導体チップにおけるパッケージング技法のワイヤーボンディング(wire  bonding)技法を使用し、ボンディング技法は、当業者には公知された一般の方法であるため、センサチップパッケージの具体的な構造に対する説明は省略する。
【００４７】
また、一般の半導体工程により複数の物質感知センサを有するセンサチップを製作し、センサチップを同一印刷回路基板上に配置することで、多様な物質を同時に測定し得る物質感知センサパッケージを実現することができる。さらに、一般の半導体工程により信号処理回路を同一印刷回路基板上に物質感知センサを有するセンサチップと一緒に形成することで、複数の物質感知センサと、それら複数の物質感知センサにそれぞれ連結された信号処理回路とを単一のチップに集積することができる。
【００４８】
以下、このような物質感知センサにより対象物質の粘着量及び厚さを感知する方法を説明する。即ち、本発明に係る信号処理回路は、物質を感知する測定薄膜容積弾性波共振器の発振回路及び基準薄膜容積弾性波共振器の発振回路を構成し、測定薄膜容積弾性波共振器の発振回路から出力される測定共振周波数及び基準薄膜容積弾性波共振器の発振回路から出力される基準共振周波数に同期化される信号を発振させ、測定共振周波数と基準共振周波数とを混合することで発生する無線電力の変化を測定し、測定された電力値に基づいて対象物質の有無、対象物質の粘着量及びその厚さを検出することができる。
【００４９】
以下、このような信号処理回路の第1実施形態を図７に基づいて説明する。
図７は、本発明に係る薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサの信号処理回路の第1実施形態を示したブロック図である。図７に示すように、第1実施形態の信号処理回路は、物質感知センサの測定薄膜容積弾性波共振器の測定共振周波数を出力するセンシング発振部20と、物質感知センサの基準薄膜容積弾性波共振器の共振周波数の位相を180°変換して基準共振周波数を出力する基準発振部21と、測定共振周波数と基準共振周波数とを混合する無線信号混合器22と、混合された信号の電力を算出する電力測定部23と、から構成される。
【００５０】
以下、薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサの信号処理回路における第1実施形態の動作について説明する。
まず、センシング発振部20は、対象物質が測定薄膜容積弾性波共振器に粘着される時、測定薄膜容積弾性波共振器の測定共振周波数を無線信号混合器22に出力する。このとき、対象物質が測定薄膜容積弾性波共振器に粘着されると、測定薄膜容積弾性波共振器の測定共振周波数が可変される。
【００５１】
次いで、基準発振部21は、基準薄膜容積弾性波共振器から発生された共振周波数の位相を180°変換し、位相の変換された基準共振周波数を無線信号混合器22に出力する。
次いで、無線信号混合器22は、基準共振周波数と測定薄膜容積弾性波共振器の測定共振周波数とを混合し、混合された信号を電力測定部23に出力する。
【００５２】
次いで、電力測定部23は、混合された信号の電力を測定するが、このとき、基準共振周波数と測定共振周波数とが同一であると、電力測定部23により算出された出力電力は"0"になる。一方、対象物質の粘着量または厚さに応じて測定薄膜容積弾性波共振器の測定共振周波数が変わると、電力測定部23により算出された出力電力は増加される。よって、対象物質が粘着されない時の出力電力値に基づいて、対象物質が粘着された時の電力値を算出することで、対象物質の粘着有無、粘着量及び厚さを知ることができる。また、電力測定部23から出力電力をデジタル信号として与えられると、物質感知モジュールに連結された主制御システム(図示せず)は、物質の粘着量及び厚さのデータを容易に使用することができる。
【００５３】
図８は、本発明に係る物質感知センサの第2実施形態における信号処理回路のブロック図である。図８に示すように、第2実施形態の信号処理回路は、測定薄膜容積弾性波共振器の測定共振周波数を出力するセンシング発振部30と、基準薄膜容積弾性波共振器の共振周波数を制御して基準薄膜容積弾性波共振器の共振周波数の位相を180°変換し、位相の変換された基準共振周波数を出力する基準電圧制御発振部(Voltage control oscillator；VCO)31と、センシング発振部30の測定共振周波数と基準電圧制御発振部31の基準共振周波数とを混合する無線信号混合器32と、混合された信号の出力電力が最小になるように基準電圧制御発振部31に印加される電圧を制御する電力測定部33と、から構成される。即ち、信号処理回路の第2実施形態では、基準電圧制御発振部に印加される電圧に基づいて対象物質の粘着量及び厚さを測定する。
【００５４】
以下、第2実施形態に係る信号処理回路の動作について説明する。
まず、センシング発振部30は、対象物質が測定薄膜容積弾性波共振器に粘着される時、測定薄膜容積弾性波共振器の測定共振周波数を無線信号混合器32に出力する。このとき、対象物質が測定薄膜容積弾性波共振器に粘着されると、測定薄膜容積弾性波共振器の測定共振周波数が可変される。
【００５５】
次いで、基準電圧制御発振部31は、基準薄膜容積弾性波共振器から発生された共振周波数の位相を180°変換し、位相の変換された基準共振周波数を無線信号混合器32に出力する。
次いで、無線信号混合器32は、基準共振周波数と測定薄膜容積弾性波共振器の測定共振周波数とを混合し、混合された信号を電力測定部33に出力する。
【００５６】
次いで、電力測定部33は、混合された信号の大きさが最小になるように基準電圧制御発振部に印加される電圧を可変し、可変された電圧値に基づいて対象物質の粘着量及び厚さを測定する。例えば、混合された信号の大きさが最小になるように基準電圧制御発振部に印加される電圧を調節すると、測定薄膜容積弾性波共振器に粘着された対象物質の量または/及び厚さに応じて基準電圧制御発振部に印加される電圧が変化される。このとき、変化される電圧値を読み取り、読み取られた電圧値に基づいて現在粘着された物質の量及び厚さを知ることができる。信号処理回路の第2実施形態は、アナログ信号を処理するシステムに適用される。
【００５７】
図９(A)〜(B)はバルクマイクロマシニング形態に形成された物質感知センサが適用されたセンサチップの後面の一部を示した一部側面図である。
図９(A)に示したように、センサチップ、センサチップパッケージ及び信号処理回路により構成された物質感知モジュールは、物質感知センサ101の下部電極3を共通に共有し、上部電極5-1、5-2のみにより特定の物質感知センサを駆動させることができる。
【００５８】
また、図９(B)に示したように、センサチップ、センサチップパッケージ及び信号処理回路を有する物質感知モジュールは、物質感知センサ101の下部電極3を分離してアドレス指定が可能なN×Nマトリックス構造に形成することができる。これは、開発者により選択的に適用されるが、センサチップに適用された物質感知センサの各下部電極を分離または結合することもできる。
【００５９】
従って、一対の薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知モジュールを具現することで、従来のバイオセンサ、化学物センサ、嗅覚センサ、環境センサ及び物質センサの感度を改善すると共に、複数の物質を同時に測定することで、時間を節約し、かつ、物質感知モジュールを小型化及び集積化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】図１は、本発明に係る薄膜容積弾性波共振器を利用した物質感知センサパッケージの構造を示した斜視図である。
【図２】図２は、図1のセンサチップに形成された何れか一つの物質感知センサの第1実施形態を示した縦断面図である。
【図３】図３は、図２の物質感知センサに対象物質が粘着された時に発生する共振周波数偏移を実験的に示した図である。
【図４】図４は、本発明に係る物質感知センサの第2実施形態を示した縦断面図である。
【図５】図５は、本発明に係る物質感知センサの第3実施形態を示した縦断面図である。
【図６】図６は、本発明に係る物質感知センサの第4実施形態を示した縦断面図である。
【図７】図７は、本発明に係る物質感知センサの信号処理回路の第1実施形態を示したブロック図である。
【図８】図８は、本発明に係る物質感知センサの信号処理回路の第2実施形態を示したブロック図である。
【図９】図９の(A)(B)は、バルクマイクロマシニング形態に形成された物質感知センサが適用されたセンサチップの後面の一部を示した図である。
【符号の説明】
【００６１】
1：基板                                  2-1：上部メンブレン層
2-2：下部メンブレン層                      3：共通下部電極
4：圧電物質層                       5-1、5-2：第1及び第2上部電極
6-1、6-2：第1及び第2吸着層               7：反応性膜
8：対象物質                                9：メンブレン支持層
10：メンブレン層                          11：チャンバ構造物
20、30：センシング発振部                  21：基準発振部
22、32：信号混合器                        31：基準電圧制御発振部
23、33：電力測定部
【図１】
2004226405.tif 000003
【図２】
2004226405.tif 000004
【図３】
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【図４】
2004226405.tif 000006
【図５】
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【図６】
2004226405.tif 000008
【図７】
2004226405.tif 000009
【図８】
2004226405.tif 000010
【図９】
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