基于薄膜体声波谐振器的超高分辨率MEMS湿度敏感元件#赵洪元，张代化，庞慰，张浩**5101520253035（天津大学精密仪器与光电子工程学院，天津300072）摘要：本文介绍了一种基于旋涂了PVA薄膜的MEMS薄膜体声波谐振器的高分辨率湿度传感器。本传感器表现出对水蒸气的高敏感度，并可通过监测薄膜体声波谐振器的串联谐振频率变化检测小至0.08%的相对湿度变化。集成了这种器件的CMOS振荡电路和射频前端芯片将为基于质量传感的薄膜体声波谐振器在化学和生物传感领域的广泛应用创造极大的潜力关键词：湿度传感器；MEMS；体声波谐振器中图分类号：TN385Ultrahigh-resolutionMEMSHumiditySensingElementsBasedOnFilmBulkAcousticWaveResonatorsHongyuanZhao,DaihuaZhang,WeiPang,HaoZhang(StateKeylaboratoryofPrecisionMeasuringTechnologyandInstruments,TianjinUniversity,Tianjin,300072)Abstract:Inthispaperahigh-resolutionhumiditysensorbasedonMEMSFBARwithspin-coatedPVAthinfilmisreported.Thesensorsexhibitveryhighsensitivitytowatervaporandareabletodetectdownto0.08%changeinrelativehumiditybymonitoringtheshiftinseriesresonantfrequencyoftheFBARs.TheintegrationofthesedeviceswithCMOSoscillatingcircuitsandRFfront-endchipswillcreategreatpotentialofFBARbasedmasssensorsinawidevarietyofapplicationsinchemicalandbiologicalsensing.Keywords:Humiditysensor,MEMS,Bulkacousticwaveresonator.0引言由于具有尺寸小，重量轻，功耗低，性能高，易集成，IC兼容，价格低的特点，薄膜声波谐振器（例如SAW和薄膜体声波谐振器）逐渐取代石英晶体天平（QCM）引起人们的广泛关注。基于微小机械器件的质量传感器在检测浓度在nM级别的气体及生化物质方面已经表现出了巨大的潜力。随着不同环境、不同应用领域（如气象学、医学、comfort、农业、过程控制、食品科学领域）相对湿度的检测对精确、低价、可靠的化学传感器的需求日益增强，目前出现了包括基于电流[1]、电阻[2]、电容[3]、导电性[4]、吸收光谱[5]、荧光[6]等不同方法进行检测的湿度传感器。一般而言，湿度传感器有时必须满足严格的工作要求，例如敏感性高、相应快速、可靠性高、稳定性强、响应线性高、动态范围宽、价格低廉、尺寸小、重量轻、易用易加工、大规模生产等。尽管市场上已有销售的湿度传感器，例如基于石英晶体或者基于其他压电效应的湿度传感器，但是上述要求难以被完全满足。相比已有的其他基于压电效应的化学传感基金项目：极高频率MEMS体波谐振器质量传感器理论与实验研究(20100032120056)作者简介：赵洪元（1987-），男，天津大学博士生，主要研究MEMS体波谐振器的基本理论，制造工艺与基于MEMS体波谐振器的生物传感器通信联系人：张浩（1978-），男，教授，主要研究方向为MEMS射频芯片和生物微流控芯片.haozhang@tju.edu.cn-1-40455055606570器，薄膜体声波传感器以其与众不同的性能满足了更多的要求。近期，薄膜体声波谐振器对水蒸气固有响应的研究已经被Qiu[7]和Ashley[8]报道。但是，在上述两篇文章中，喷涂的PVP膜较厚，未能到达小于1μm的薄膜厚度要求，同时也没有可控的表面粗糙度，导致了很高的质量载荷和随之引起的性能下降，最终严重影响湿度传感器的底噪声和分辨率。在本文中，我们提出一种涂覆聚乙烯醋酸（PVA）膜的薄膜体声波谐振器用于湿度检测。PVA膜通过旋涂的方式涂覆在薄膜体声波谐振器上表面，可以得到低至400埃的厚度与50埃（均方根值）的表面粗糙度。薄膜体声波谐振器为固体装配型，具有多层结构，经过优化可得到令人满意的有效的机电系数（keff2）5.8%和品质因数（Q）800。上述两个参数在涂覆聚合物层后仍处在较好的水平。首先，通过概念实验证实了涂覆PVA膜的薄膜体声波谐振器对于湿度的频率响应，然后，我们在精确控制湿度的前提下，完整统计了相对湿度变化时薄膜体声波谐振器的各参数响应。1实验固体装配型谐振器通过反射矩阵使之与衬底隔离，器件的有效面积取决于表面涂覆PVA膜的电极的面积。堆积层的厚度运用一维传输线模型进行了优化，同时获取最佳性能的keff2和Q。经检...