藉由饋通消除技術於離子液體中實時操作共振式壓電MEMS感測器

林仲偉；李昇憲

微系統暨奈米科技協會會刊

50期（2023 / 12 / 31）

18 - 22

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本研究提出了一種操作於離子（即具導電性）液體環境中薄膜壓電式（Thin-film Piezoelectric-on-Silicon, TPoS）諧振器和振盪器，透過所提出的一種新穎的饋通消除技術，實現導電液體中的實時量測，並且不受到現有的離子背景干擾訊號。此種微機電共振傳感器操作方式擁有巨大的潛力，將成為在離子液體介質中進行質量感測的重要基礎單元組件，如食鹽水溶液等在物理、化學和生物應用中需要感測的場合。本研究全面探討了不同種類的壓電材料的TPoS諧振器（如PZT和AIN）。通過饋通訊號消除的方式，PZT諧振器的Stopband Rejection（SBR）表現達到了約21 dB的數值，並且藉由商用之鎖相放大迴路儀器（HF2LI+PLL）能夠在離子溶液中產生持續振盪，振盪頻率為5.75 MHz，振盪器於導電液體中的艾倫偏差（Allan Deviation, ADEV）表現為2.05 ppm，這意味著此振盪器理論上擁有3.7 pg的質量解析度。在導電液體中，PZT振盪器的相位雜訊（Phase Noise, PN）性能在偏置頻率分別為1 kHz和100 kHz下分別為-83.15 dBc/Hz和-127.04 dBc/Hz。根據已有的知識及發表的文獻，TPoS諧振器／振盪器的訊號電極和待測量液體之間在沒有做額外隔離的情況下，於離子環境中運作會遇到很大的困難，而此技術能於無特別處理的情況下，進行實時測量。此外量測結果顯示，此饋通消除技術使得諧振器SBR在離子水中的表現（21 dB）甚至比在去離子（DI）水中的表現（11 dB）更為優秀。這一新技術在未來的化學和生物感測應用中具有巨大潛力。