[发明专利]集成CMOS-MEMS的高灵敏谐振式传感器

说明书

本公开提供了一种集成CMOS‑MEMS的高灵敏谐振式传感器，包括：微流道谐振腔、MEMS悬臂梁结构、惠斯通电桥检测电路、CMOS信号处理电路；谐振式传感器集成了MEMS悬臂梁结构和CMOS信号处理电路，惠斯通电桥检测电路输出信号在CMOS信号处理电路内闭环传递并激励MEMS悬臂梁结构谐振；通过获取MEMS悬臂梁结构在吸附待测物前后的频率变化来计算待测物的质量。本公开具有CMOS‑MEMS集成度高、灵敏度高、可大规模制作等特点，相比于同类MEMS器件和电路模块，占用面积减少了近90％，因此，非常适用于便携式检测，尤其是可穿戴系统，能够广泛应用于生物医疗、食品安全、化学化工、航天国防等领域。

技术领域

本公开涉及MEMS、CMOS以及生物化学领域，尤其涉及一种集成CMOS-MEMS的高灵敏谐振式传感器。

背景技术

70年代以来谐振式传感器在电子、计算和半导体集成电路技术的基础上迅速发展起来。随着MEMS的快速发展，谐振式传感器的尺寸减小到了微米、亚微米甚至纳米量级，可对温度、热能、电磁场和质量等多种物理量进行高精度测量，因此被广泛应用于生物医疗、化学分析，环境监测和航天国防等各个领域。

近几年，随着微纳制造技术的迅速发展，对芯片高集成度、小型化的需求逐渐增强。2006年巴塞罗那自治大学Mar′1a Villarroya等人发展了基于悬臂梁的MEMS-CMOS集成芯片技术，该芯片包含MEMS悬臂梁和CMOS读取电路，实现了传感器的片上检测。2013年台湾科学委员会Huang Y.J.等人将悬臂梁与CMOS读取电路和处理器集成，实现了MEMS器件与计算机内核的片上制作，完成了传感器从检测到计算再到数据存储的功能化集成。但是上述MEMS与CMOS集成技术仍然存在若干问题，如：集成后的MEMS谐振器件相较于独立器件品质因子会降低，后端MEMS制作会影响CMOS电路性能；集成后的CMOS电路产生的噪声会对原本微小的传感器信号产生干扰，无法进行有效封装等等。

目前生化检测对于高性能传感芯片的需求日趋增加，例如：可对集成芯片进行片上液体实时检测，需要更低的检测下限，更低的信号噪声水平以及更高质量的传感器件等。因此，迫切需要开发新型高灵敏、高精度、高稳定性，便携式的MEMS-CMOS集成传感器芯片。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种集成CMOS-MEMS的高灵敏谐振式传感器，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种集成CMOS-MEMS的高灵敏谐振式传感器，包括：微流道谐振腔；MEMS悬臂梁结构，所述MEMS悬臂梁结构包括自由端和支撑端，所述MEMS悬臂梁结构包括自由端伸入所述微流道谐振腔，所述MEMS悬臂梁结构自由端包括生化反应区，用于与待测物的特异性反应；惠斯通电桥检测电路，与所述悬臂梁结构的支撑端连接；CMOS信号处理电路，与惠斯通电桥检测电路相连；所述CMOS信号处理电路引出电极用于通信；惠斯通电桥检测电路输出信号在CMOS信号处理电路内闭环传递并激励MEMS悬臂梁结构谐振；通过获取所述MEMS悬臂梁结构在吸附待测物前后的频率变化来计算待测物的质量。

在本公开一些实施例中，所述悬臂梁支撑端还包括：谐振隔离槽，其形状为细长的三角形、矩形、梯形、弧形中任一种。

在本公开一些实施例中，所述微流道谐振腔为无转角平滑结构。

在本公开一些实施例中，所述MEMS悬臂梁结构包括：n根MEMS悬臂梁，其中n≥1，所述MEMS悬臂梁形状包括三角形、矩形、T型、双端固支中的任一种。

在本公开一些实施例中，所述惠斯通电桥检测电路包括四个压阻条、电学连接线和电学阱；所述惠斯通电桥式检测电路中的压阻条位于电学阱上，通过调节所述电学阱的电位来调节所述压阻条及其下部区域的寄生电容，减小电学噪声，提高传感器精度，降低检测下限。