CN101218503B - 微机械传感器、传感器阵列和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及适用于分析液态样品的微机械传感器以及这类传感器的阵列。本发明也关注适用于检测液态样品的方法以及适用于微机械分析液相样品的纵向体声波的使用。这种传感器包括主体以及与主体分开的平面波导部分。至少一个电-机械换能器元件用于响应于电激励而将纵向体声波激励到波导部分，并还用于将声波转换成电信号。波导部分具有样品接受区域，可以将样品引入到它上面。藉助于本发明，能够提高微机械液态传感器的灵敏度。

Description

微机械传感器、传感器阵列和方法
发明背景
发明领域
本发明涉及传感器。尤其是，本发明涉及在半导体基片上制成的微机械制造的传感器。这类传感器可以用于分析诸如小量的生物制品。本发明也涉及用于微机械地分析液态样品的方法。
背景技术
使用现代硅微机械技术，有可能批量生产适用于传感器应用的微机械器件。这类器件中有许多都利用绝缘体上硅(SOI)结构。最近有关分子类膜的研究[文献1-4]已经扩展到了微机械实现生物化学分析的可能性。众所周知，生物化学分析可以使用微机械谐振器来进行，该谐振器的谐振频率是由传感器的表面质量的变化来改变的。通过检测谐振频率，就能获得关于传感器上的物质的信息。
一般来说，检测微小的质量变化的分辨率是与谐振器的有效质量成反比，而与谐振器的谐振频率和Q值成正比。另外，分辨率正比于谐振器的位移振幅。于是，谐振器所存储的机械能量越高，则分辨率越好。
表面波传感器是基于将表面波(SAW)激发到基片中。在这类器件中，波在传感器的表面(或者在表面附近)传播，使之对传感器表面上的质量微小变化都十分灵敏，例如，在气体环境中的质量生长。SAW器件始终是在波传播方向的垂直或者水平方向振荡。垂直模式的SAW传感器的表面位移很大，使之很少用于液态样品的分析。特别是，对液态样品进行小质量变化的检测十分困难。这是因为振动能量对液体的辐射/损失使得振荡很容易衰减。剪切水平(Shear-Horizontal)SAW(SH-SAW)传感器已经用作为液相传感器，尽管它们采用平行于表面的横波。采用弯曲波模式的SAW硅微机械谐振器也能使用，但是，它仅仅只适用于气相分析。
体声波(BAW)在谐振器的整个体积中传播。厚度剪切模式BAW谐振器(TSM)利用在传感器电极之间横波，它能够很好地应用于气相分析。它们也能在一定程度上应用于液相分析。剪切水平声平面模式传感器(SH-APM)的质量灵敏度优于TSM，但是仍比SAW器件要差得多。主要原因之一是BAW传感器表面上的能量密度比SAW器件中的要低。
几乎任何一种机械型传感器都能成功地应用于测量在其表面上的质量生长，只要将其置于气体中即可。在分析液态样品时就会出现两个问题。第一，仅仅只能使用密封的结构。也就是说，传感器的液体接受部分必须与其它结构部分(例如，换能器元件)机械地隔离。第二，机械振荡通过液态样品的耗散而严重衰减。这种耗散起因于，例如，较高质量的液态样品和液体的粘性，还起因于谐振器材料和液体的相当类似的声阻抗(一般是在10倍以内)。于是，声能的大部分可以通过固体-液体界面传播(损失)。这就是只有基于TSM、SH-APM和SH-SAW的传感器已经用作为生物传感器的原因，这些传感器都产生主要在剪切水平(横向，平行于表面)方向上传播的波。然而，器件的灵敏度和适用性还不能满足现代液相分析应用的需要。现有BAW器件的另一缺点是：谐振器的厚度受到所需工作频率的制约。
发明内容
本发明的一个目的是至少能够解决现有技术中一些问题并且提供一种适用于液相分析的新颖微机械BAW传感器。
本发明的另一目的是提供适用于若干样品并行分析的微机械BAW传感器阵列。
本发明还有一个目的是提供一种机械地分析小量液态样品的新颖方法以及纵向体声波的新颖使用。
本发明基于这样一个想法，即通过微机械结构使用纵向体声波来检测在样品(特别是，液态样品)中所发生现象。
根据本发明的传感器是制造在基片(主体)上的，并且它呈现出传播声波的波导部分。该波导部分设置在离主体有一段距离的位置处。波导部分也在其至少一个表面上设置了样品接受区域。纵向体声波由至少一个设置在波导部分附近的电-机械换能元件来产生。
根据本发明的方法包括下列步骤：将液态样品引入到微机械波导的样品接受区域上，并且使用电-机械耦合方式将纵向体声波传播到波导中；以及将声波转换成电信号以便检测样品对波导的振动行为的影响。
根据本发明的一个传感器或者多个传感器可以合并到一个具有若干微机械声波传感器元件的阵列中。
更具体的说，本发明的特征在于权利要求1所阐述的内容。
传感器阵列的特征在于权利要求29所阐述的内容。
形成阵列的方法的特征在于权利要求34所阐述的内容。
使用方法的特征在于权利要求38所阐述的内容。
籍助于本发明的实施例可以获得显著的优点。于是，位移的表面法线分量仍然较小，这是体波在纵向方向上传播的结果。由垂直方向(垂直于表面)的泊松(Poisson)效应所引起的收缩和伸展仍旧很小。通过适当切割单晶硅，使得位移的表面法线分量非常之小。此外，通过应用这种横向声波模式使得在平行于表面的一个方向上呈现出收缩而在其它方向上伸展，预期会进一步减小位移的表面法线分量，并由此减小因声波辐射到液体中而引起的损失。
典型的SOI器件的层厚在10-30μm的量级中，使得体声波传播对样品接受区域的物理性能的任何变化都有适当的敏感度。特别是，如果样品接受区域设置有分子特异性层(MSL)，则就很容易检测到MSL的性能变化。另一方面，该结构足够厚以包含足够多的能量，与之相比，在表面声波(SAW)器件中由于不可避免的液体粘性加载而引起过大的衰减。
另外，因为使用了纵波，所以能在电和声能之间实现很强的耦合。例如，通过使用窄间隙的电容换能器、压电换能器、磁换能器或者热换能器，便能够实现电-机械转换。在器件内可以采用驻波操作(谐振)，以便于改善耦合和分辨率。
于是，我们已经发现，将长度伸展(纵向)的体声波激励到微机械器件中能够很好地用于液态样品的分析。特别是，通过使用一层便于专门结合分子(抗原、抗体、DNA等)、细胞、甚至包含样品的组织的附加层，就能够实现有效的生物传感器。这类传感器潜在应用领域的实例是临床和环境的分析，以及例如，在生物学、生物技术、化学和卫生保健领域中的研究目的。特别是在免疫学中，液相分析方法的进步都是受欢迎的，并且在其它例行的生物分析中也是如此。
纵波传感器可以由硅基晶片十分经济地制造。此外，微机械硅基元件所具有的固有潜能在于，批量生产包括传感器阵列或矩阵并集成有读出电路的传感器器件。就原理而言，硅基传感器以及读出和激励电路都能够被并入任何普通的集成电路(IC)结构中。用于不同化学和生物分析的传感器都能通过应用不同的分子特异性膜(具有较低的非特异性结合)来实现。非特异性结合、温度补偿和其它干扰现象都能通过使用集成参考器件来消除。
根据较佳实施例，至少谐振器的样品接受区域是对器件外部开放的。在器件内部，谐振器(波导部分)的开放前端或者谐振器的后端都可以用于接受样品，这取决于实施例。通过“开放”的结构，我们是指在这类解决方案中，样品可以直接地或通过器件的开口被引入到样品接受区域。可以将一个或者多个传感器封装在一个外壳中，该外壳具有一个密封部分或多个这类部分，它可以是贯穿的以便于样品的引入。外壳可以是，例如，在半导体行业中通常使用的陶瓷包装或者塑料包装。
从实践的观点来看，所讨论的结构允许：
-液态样品与电容性电-机械耦合所需的开放结构的隔离；
-液态样品容易插入；
-分子特异性表面以及相关缓冲层(例如，金)都容易制备；
-该器件能够使用工业中可用的批量生产方法来制造；
-该器件的关键部分是用现有工业方法气密式或者真空封装的。
这种传感器可以应用于工业或者商业中的各个领域。本发明实施例的潜在应用区域的实例包括：
-医疗诊断：例如，在医生办公室中的快速诊断；
-家庭测试(福利，诊断)
-甄别滥用或者添加毒品的测试；
-化学和生物武器或者炸药的检测；
-环境检测；
-工业加工工艺的检测；
-香料混合物的检测；
-毒品的开发；和，
-研究。
尽管所讨论的谐振器结构是为液态样品所特别设计的，但是也希望在从事气相样品研究时能够给出良好的结果。
术语“纵向”是用于描述平行于声波传播方向的方向。
术语“横向”是用于描述平行于波导的样品接受表面的方向。
籍助于术语“平面波导部分”和“平面谐振器”，我们是指能够传播体声波的薄型(层叠)结构，大致设置在谐振器的边缘区域(横向侧面)附近的换能元件激励并检测上述体声波。然而，谐振器并不一定要十分均匀，并且可以具有可变化的厚度和/或样品接受表面几何形状。
接着，本发明将籍助于详细的描述以及参考附图来解释。
附图的简要说明
图1显示了根据本发明一个实施例的传感器的剖面侧视图；
图2图示了根据本发明一个实施例的传感器的横向视图；
图3显示了根据本发明一个实施例的传感器阵列；
图4图示了具有样品注入管的传感器的剖面侧视图；
图5图示了具有适用于样品注入的改良基层的传感器的剖面侧视图；
图6显示了根据本发明一个实施例的传感器内核的横向视图；
图7显示了通过激励设置在谐振器中心区域附近呈现出5种不同节点位置的声波模式所获得的模拟数据；
图8图示了根据本发明另一实施例的传感器的剖面侧视图；
图9图示了根据本发明还有一个实施例的传感器的剖面侧视图；
图10显示了根据本发明另一实施例的传感器内核的横向视图；
图11图示说明了为参考测试所耦合的分子特种传感器和参考传感器；
图12图示说明了根据本发明一个实施例的多个传感器结构；
图13a至13c显示了方形谐振器的三种不同模拟模式结构(振荡幅度)；
图14显示了一个放大的谐振器的典型模拟模式结构(振荡幅度)；
图15a和15b分别显示了另一种激励矩形谐振器的模式的总的以及表面法线振荡；以及，
图16a和16b分别显示了还有一种激励矩形谐振器的模式的总的以及表面法线振荡。
具体实施方式
根据本发明，传感器是由绝缘体上半导体制成的，较佳地是由绝缘体上硅(SOI)晶片制成的。晶片的主体也较佳地是由半导体材料所制成，例如，硅，但是也可以使用其它材料，例如，玻璃或者其它绝缘体。通过使用这类基于半导体的结构，有利于获得现代微机械技术的优点。特别是，这类结构提供较低的原材料成本和制造成本。用于形成晶片的器件层的半导体层的晶体(晶格)结构必须使得它能够传播纵向声波。也可以使用导致波在两个横向方向上各向同性或者各向异性传播的晶格结构和晶体切割方法。
换能器的数量可以变化，例如，从1变化到4。也就是说，可以使用相同的换能器来发射和接受声波信号，也可以使用单独的发射器和接收器来发射和接受声波信号。在典型的实施例中，器件包括两个或者四个换能器，例如，设置在矩形谐振器的各个端面上。
图1图示了传感器的第一实施例的结构示意图。传感器器件制成在半导体主体100上。用于构成器件中的一部分换能元件的电极110通过绝缘层112与主体100分开。在该实例中，使用耦合在电极110和波导106之间的机电压电换能器108来产生和检测纵向体声波。波导106和电极110是由绝缘体上硅(SOI)晶片190的器件层中的释放部分所形成的。在波导106和主体100之间的空间间隔由标号102来注明。
分子特异性层(MSL)104可以被沉积在波导上面。如果液态样品101包含与MSL相匹配的分子，则MSL的物理性能会发生变化，从而导致在体声波传播过程中出现可检测的变化。波的速度和损耗会受到表面层变化的影响。一般来说，通过检测谐振器的谐振频率就能检测出速度，而通过Q值就能检测出损耗。
典型的是，MSL层包括底部基质，该底部基质能够防止非特异性结合。这类层可以包括共价结合到缓冲层(例如，通过硫结合的金)的亲水性聚合体以及部分嵌入的特异性(生物)分子。特异性分子必须至少部分设置在MSL层的样品接受表面。典型的特异性分子是抗体或者它们的Fab-片段。特异性分子也可以与替代层共价结合。这类MSL涂层的厚度一般仅为4至10nm。根据一个实施例，MSL的特异性部分也可以合成制备(分子压印聚合体)。
MSL在谐振器的样品接受表面上的应用可以在密切结合器件制造工艺的步骤来进行，例如，结合SOI技术。就传感器器件本身而言，传感器已经是非常普及的，MSL也能应用于单元加工工艺。于是，传感器能够在不了解终端用户的特异性应用的条件下制造。当谐振器的样品接受区域较佳地对外开放时，可以采用适当的设备，将MSL涂层直接从谐振器或者通过在传感器接受的开口涂敷在传感器上。如果传感器是紧紧密封的，则较佳的是，在外壳密封之前涂敷MSL。缓冲层也能在器件的制造阶段中或者在后续阶段中涂敷。
主体100和晶片的器件层较佳的是由硅(Si)来制成，但是在某些应用中，也可以考虑其它半导体材料(以及其它等等)，例如，锗(Ge)、砷化镓(GaAs)、金刚石和蓝宝石。特别是，硅(SiC)可以应用于某些目的，以便于保留硅的某些优点，即良好的可加工性和IC兼容性。主体和器件层也可以是不同的材料。一般来说，波导材料(器件层)的良好性能是低的内部损耗(高的Q值)、高的杨氏模量和良好的热性能。如果使用电容性激励的话，则器件层也应该具有高的导电性。能够利用的器件层的其它性能是晶格序列，特别是晶格结构(例如，硅)所形成的各向异性的弹性性能。半导体层也可以进行掺杂，例如，提高它的导电性。绝缘层可以是嵌埋氧化物层(BOX)，例如，是由石英(SiO2)所形成的氧化物层。
在图2中，使用俯视图图示说明了图1所示的结构。在该实例中，波导部分206成矩形，从而能够在两个横向方向(白色箭头所示，仅仅只显示了一对电极)上等效于驻波声波。在驻波(谐振)条件下，谐振器平板的长度是等于在波导中间的所需音频的波长λ的一半(或者它的倍数)。MSL使用标号204来表示。图2也图示了机械支撑214，例如，它能够粘结在波导部分206的各个角上。支撑214较佳的是它们不会与横波形成明显的交叉。替代内层支撑214，也可以使用绝缘体支撑。在参考图4、5、8和9所阐述实施例的内容中说明了这些类型的支撑。
根据样品的数量和性能(特别是粘性性能)以及传感器器件的性能，声频一般是在2至20MHz的范围内，较佳的是在，5至15MHz的范围内。取决于波导部分的材料，它所产生的声波长为200至9000μm，一般是在400至4000μm。
典型的是，波导部分的共面尺寸在一维操作模式中为600至1200μm(纵向)乘以400至900μm(横向)而在两维操作模式中两个横向方向均为600至900μm。波导部分的厚度可以是，例如，10至30μm。波导部分的横向尺寸可以考虑所使用的BAW波长和所需要的振动模式来调整。
能量的电-机械转换可以电容性方式来进行，正如图4所示。在这类实施例中，换能器的电极410是由狭窄的间隙408与波导406分开。间隙408的尺寸一般为0.7至1μm，较佳的是，0.3至0.7μm。狭窄的间隙为换能器和波导提供了更好的电容性耦合。
考虑液态样品的引入，图4所示的实施例表示了一个开放的系统，其中样品接受表面是直接存取的，这也如同图1所示实施例的情况。
图4也说明了一个实施例，其中波导的样品接受表面采用疏水性材料422涂敷在实际样品接受区域404之外。在较佳实施例中，电极410和/或狭窄间隙408也都采用疏水性材料422涂敷。疏水性涂层422能够便于使用引入管418来进行样品的引入。散布在样品接受区域404上的样品，但当接近于区域的边缘时，疏水性涂层422防止样品进入样品接受区域的外面，并最后都进入到狭窄的间隙408或者电极410。液态样品能够通过诸如在器件封装(例如，LTCC或者塑料)中的激光打的狭小的小孔儿直接引入样品接受区域。在一个实施例中，样品接受区域(典型的是在该区域上的MSL)404可以是亲水性的，以便于获得或者有助于样品能够集中在所需测量区域上。
在谐振器可以设置一层或者多层其它缓冲层416。在较佳实施例中，缓冲层设置在谐振器和MSL之间，缓冲层较佳的是由惰性物质所制成，例如，金。通过缓冲层就能形成适用于MSL的合适基层。谐振器的总的质量或谐振性能受到缓冲层的影响。
波导部分406通过使用SOI晶片的绝缘层与器件的主体400分开(间隔开)。在图4所示的实施例中，支撑424保留在波导406的中心。支撑可以是点状或以垂直于图4所示投影剖面方向的拉长。在另一实施例中，有两个或者多个支撑424对称于谐振器406放置，较佳的是，放置在声波的节点位置上，或者放置在离开波导端面的λ/4+N*λ/2距离的点位置上，其中，N＝0，1，2，3，...。
样品通过单独的毛细管418或者在芯片制造(例如，热塑模压、注入模压、氧化铝平板或者LTCC技术)封装中的小孔传递到检测表面404。轨道418的端面是与检测表面404粘结在一起，使得样品点滴能够保持与管道德接触，同时点滴的较低部分接触/散布在亲水性检测表面上。
根据一个实施例，在谐振器平面(特别是样品接受区域)上腐蚀凹陷的杯底或者盆地，以便于对液体进行处理和改善液态样品与谐振器的模式结构的对准程度。这类使得平面局部较薄也可以用于提高传感器的质量灵敏度，同时仍提供使用足够厚度的结构来防止弯曲(例如，在封装系统中可能发生的不希望的毛细力)的可能性。
特别是在与某些应用密切相关的开放系统中，少量液态样品的蒸发所产生的噪声(在点滴尺寸中引起波动)可能是一个问题。这类噪声可以通过谐振模式的仔细设计来最小化/消除，例如，通过选择运行将点滴的边缘放置在谐振器的驻波节点上或者接近于驻波节点的最低谐波谐振模式。
基于一维或者两维纵向BAW的结构都可以应用于上述所有的实施例中。如果需要的是两维BAW结构，则各个换能器元件能够延伸至谐振器的两个相邻端面的附近。另外，可以制造两对各自垂直横向方向的换能器元件。然而，不同的两维模式也可以使用一个单独的换能器元件来激励，其模式取决于平面的晶体取向和横向维度。
图5、8和9分别图示说明了样品通过主体500、800、900引入的实施例。
图5和图6所示的实施例以两个不同的角度表示了具有正方性延伸的横向振动模式的2D BAW结构。谐振器506、606采用标准加工工艺方法制成在绝缘体上硅(SOI)晶片上[文献5、文献6]。谐振器506、606锚定在主体500的中心。其它或者替代的角落锚定也是可能的。嵌埋氧化物层(BOX)锚定524成环状(圆环)并且在中心构成样品接受表面504。检测表面通过贯穿衬底腐蚀而成的开孔520从器件的“背面”来存取。环状氧化物层锚定524物理隔离了SOI晶片的两边。这允许容易地将样品插入，因为液体是与器件层中的开放结构分开的，特别是电-机械耦合间隙和隔离槽等等。
因为晶片的器件层和衬底边是隔离的，所有也容易获得器件层边的密封晶片盖。如果需要，可以采用真空密封，以便于提高谐振器的Q值。最后的封装结构方便地允许样品插入和来自元件相反边的电接触。电接触焊盘采用标号534来表示，接触通孔(较佳的也是硅)采样标号532来表示。通孔532可以利用绝缘体530与盖状晶片550相隔离。
在检测表面处于谐振平面中心的实施例中，对于横向传播的声波耦合很强，分子特异性层呈现出足够的刚性。这是因为最大的应力，即，在中心周围，晶格平面的相对位移。从另一观点来看，在绝对坐标中的谐振器运动在中心附近是最小的，这可以防止由于液态样品所引起的谐振器有效质量的不必要的变化。在样品接受表面，较佳的是在分子特异性层中，所发生的分子识别影响着声的传播，这是用于检测在谐振频率中的变化。环状锚定直径(分析表面区域)可以稍微变化，以便于满足分辨率或者其它需要(例如，样品尺寸)。然而，增加锚定的尺寸将会导致谐振器Q值得下降。如果需要，可以使用高阶模式，例如，“λ/4-λ-λ/4”模式(参见图10)，这允许锚定位置定位在节点上。除了正方形的外延模式之外，如果需要将锚定定位在节点附近，也可以使用方形平面的其它模式(参见图7)。
在图7中，显示了模拟模式的总的振动的实例。从图中可知，说明了在五个点状区域上呈现出非常小的运动(图中由于色差等级分辨率较差，相互之间的合并形成了图中的X状图像)，这些点状区域也可以用作为潜在的锚定位置(例如，在这些位置上的锚定不会对模式产生显著的损耗)。
图13至16显示了更多的模拟振荡模式结构。在这些图中，通过使用成形方法来图示说明谐振器平面的振动运动幅度。在阴影条的左边的阴影表示低的幅度，而在阴影条的右边的阴影表示高的幅度。图中表示了最小和最大数值。
在图13a至13c中，显示了正方形谐振器的三种低的模式(例如，Lame、“Corner-Lame”和正方形外延模式)。尽管由于谐振器的维度所引起的高的两维，但是所有显示的模式都可以只有一边的谐振器来激励。这就说明了使用最小BAW模式的优点，该模式使得波容易从谐振器的边界反射，这就提供了选择所使用模式的高灵活性。当然，驱动器模式可以通过使用更加复杂的激励方案(更多的电极、不同的维度、不同设置在锚定部分)来激励。
图14显示了激励到拉长谐振器的较佳模式的总的振动。在谐振器的整个区域上，振动的表面法线分量是非常低的。
图15a和15b分别显示了谐振器的另一较佳模式结构的总的和表面法线幅度。当在谐振器中心附近的环状区域中横向振荡的能力较高而表面法线振荡能力较低时，所示模式可以用于有效地分析在接近于样品点滴中心的区域。此外，所有的运动在环状区域之外都是相对较低的，使得这一区域设置了点滴的边界。这种结构能够减小在点滴大小可能(不希望的)振动所产生的噪声。
图16a和16b分别显示了谐振器的其它模式结构的总的和表面法线幅度。
现在，再参考图8，该图图示说明了一个实施例，在该实施例中，样品是通过主体800引入的，但是结构的器件层的前面一边仍旧用于分析。在一个实施例中，半导体主体800和谐振器806都提供了开口，用于从半导体主体800的方向江样品引入到样品接受区域。于是，，谐振器的基础结构如同参考图4的讨论，但是通过衬底800腐蚀而成的孔820现在连续通过整个结构。液态样品，以及样品接受区域的分子特异性涂层804制备所需的溶剂都从衬底一边散布在亲水性(毛细)开口820中。开口820将液体引向结构的前端，其中谐振器的中心区域是由亲水性材料制成的，而在表面的其它区域是由疏水性材料制成的。利用重力和毛细力来传输液体。从有益角度来看，也可以应用其它欠或者过压力，以及保护在器件层一边的晶片盖850。在器件和分子特异性膜804制备之后，在衬底一边上的空820的端面可以塞紧并且器件层一边密封罩住(或者真空密封)。当注入样品时可以打开塞子。如果器件的内部是真空密封时，一般欠压力有助于将样品传输到样品接受区域。支撑824可以是上述环状。在有助于样品传输接触谐振器的各种情况下，在支撑和周围表面上可以设置亲水性或疏水性涂层。
图9和图10显示了器件的还有一个实施例，器件表示图6所示器件的一维波版本。于是，波导906在横向长度延伸模式中起着1D-BAW谐振器的作用。谐振器906包括两个臂状平面1072(具有的较佳长度为λ/4)，各自连接着桥状平面1074(较佳的长度为λ/2(或者n*为λ/2))，在桥状平面上，分子特异性涂层904粘结着所需的缓冲层916(例如，金)。正如2D BAW情况，在器件层背面上的检测表面904可以通过贯穿衬底腐蚀而成的通孔(或者多个通孔)从背面存取。然而，现在在节点点上的两个氧化脊924、1024仅在一维中保护着器件层一边的开放结构。疏水性表面处理可以用于也以其它横向方向将液体集中在桥状平面中心的亲水性检测表面上。如果谐振器的开放前端用于在1D或者2D BAW谐振器总的检测，则也可以应用类似于疏水性/亲水性处理，如同上述实施例。
在采用器件层的背面作为检测使用的1D和2D的解决方法中，分子特异性膜、可能的缓冲层底层(例如，金)和可能用于表面亲水性/疏水性的表面处理都可以通过在衬底中的孔来方便地设置、衬底具有自对准掩膜的作用。在前端一边进行检测的情况下，还需要其它掩膜用于表面处理。
正如以上所讨论的那样，可以将传感器设计成采用1D或者2D模式来驱动。2D的操作方式可以产生更好的信号质量方面，也就是说，在实验的分辨率方面提供一些优点。首先，通过使用交叉的振荡，波导的能量存储容量可以更好的发挥。因此，可以使得波导更薄，有益提高灵敏度。第二，2D结构提供了选择工作波形的更多可能。通过仔细选择模式，就可以减小晶体的表面法线运动。这是因为当使用谐振器在一个直角坐标方向上伸展而在另一方向上收缩的模式时，就能够使得在第三个直角坐标方向上位移最小化。
未加负载的谐振器的品质因子Q可以好于80000至200000，处于真空操作频率为10MHz时，较佳的是至少120000且甚至于更高。
样品接受区域的面积可以是波导的整个样品接受表面的5％至80％，较佳的是40％至70％。然而，在谐振器的设计和实验中，更重要的因素是如何根据振动模式来放置样品。
根据较佳实施例，使用能量的电容性电-机械转换。采用这一选择，就不再需要压电材料。上述实施例也提供了对电容性间隙的常规保护，因而增加了测量的可靠性。芯片可以在不需要复杂的原材料或者使用众所周知的制造方法的生产阶段的条件下方便地制造，电容性激励也为激励和读取电路的设计提供了更多的灵活性。然而，在一些实施例中，压电换能器的使用是有道理的。
正如以上所讨论的那样，传感器元件的关键部分可以是密封隔离或者真空封装的。也就是说，在样品接受区域周围的空间在器件第一次使用之前可以保持密封或者低压条件。在使用时，破坏或者去除密封(一般是，器件外壳的不同部分或者在传感器的器件层或者主体中的微机械“塞”)并引入样品。通过该实施例，就能确保样品接受区域的清洁和/或有助于通过微机械结构引入样品。
传感器元件的输入电路可以包括用于电子激励的集成部件，无论是压电或者电容性。当使用电容性激励时，在输入电极和波导之间间隙上的电压幅度可以是，例如，10至100V。传感器的输出电路可以包括用于检测谐振的集成放大器。
图3显示了以六个传感器作为实例的传感器阵列。电极Ia，in 320用于驱动所有传感器301至306，而电极Ua，in 330用于检测在传感器输入端两端的电压。反馈电路用于保持输入电压的恒定。输出电压通过电极Ui，out(i＝1，2，...，6)来测量，通过电极Ib的反馈使得输出电压保持为零。图3所示的四端电极结构使得各个电极都能使用在传感器元件301至306和读出电路之间的电容性接触。其它可能性是由仅仅使用一个(或者两个)电极的传感器来测量电流，但是在这种情况下，机械谐振频率必须不同，以便于能在频率空间中区别谐振频率。应该注意的是，如果将谐振器设置成并联或者串联来简化读出电路会影响分辨率并且如果不是一定需要的话不应该使用。在电容性激励的情况下，应该避免DC偏置，如果可能的话，采用AC偏置来替代，以避免与表面现象有关的不稳定性[文献7]。
图11图示说明了基于两个振荡器的测量结构，该结构便于检测样品引入在谐振器本征频率中的变化。在一个实施例中，分子特异性传感器和参考传感器并联耦合并且连接着比较电路1188，1190。参考谐振器类似于分子特异性谐振器，但是它具有非分子特异性样品接受区域。反馈电路1180用于产生持续不变的振荡工作。例如，通过将输出信号插入到后随低通滤波器1190的混频器1188中可以求解在两个振荡器之间的频率差异。
一般来说，硅微机械谐振器的本征频率呈现出大的温度依赖性(典型值为大约30ppm/K)。因此，希望液态样品插入能够引起与频率漂移相关的显著温度变化。然而，由于硅的良好热导性，希望在同一芯片上制造两个谐振器来迅速获得相互的热平衡。通过监测在分子特异性和参考谐振器之间的频率差异，将温度效应抵消到第一程度。
现在参考图12，当微机械谐振器技术本能地适用于器件并联时，就可以使用多个谐振器来提高分析的分辨率。图12显示了这类具有六个传感器元件1201至1206的结构。在典型的实施例中，一半传感器元件是参考传感器，而另一半传感器元件是为使用分子特异性层的分子特异性所制备的。传感器对采用上述方法进行耦合或者通过集中的比较器126进行耦合，在另一实施例中，所有的传感器都是分子特异性的。各个传感器或者传感器对都可以相同的频率或者不同的频率进行驱动。多频率测量可以提供单一频率不能有效的样品的信息。
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Claims (37)

1.一种用于分析样品的微机械传感器，它包括：
-主体；
-平面波导部分，与主体分开；
-至少一个电-机械换能器元件，位于波导部分的横向一侧，用于响应于电激励而将声波激励到波导部分中；以及
-样品接受区域，位于波导部分背对或面对着所述主体的一个表面上，用于接受样品；
其特征在于：
-至少一个电-机械换能器元件适用于将纵向体声波激励到波导部分。
2.如权利要求1所述的微机械传感器，其特征在于，它包括至少一个用于将波导部分所传递的纵向体声波转换成电信号的换能器元件。
3.如权利要求2所述的微机械传感器，其特征在于，用于声波的传输和转换的电-机械换能器元件包括适用于执行传输和转换的功能的单个元件。
4.如上述权利要求中任一项所述的微机械传感器，其特征在于，所述主体和波导部分是由硅半导体材料制成的。
5.如权利要求1所述的微机械传感器，其特征在于，所述传感器中所包含的波导部分和至少部分换能器元件是由绝缘体上半导体结构的半导体层制造的。
6.如权利要求5所述的微机械传感器，其特征在于，所述绝缘体上半导体包括硅半导体层，并且绝缘层是SiO2层的嵌埋氧化物层。
7.如权利要求5或6所述的微机械传感器，其特征在于，所述传感器所包含的换能器元件包括AlN或者ZnO压电材料，且所述压电材料被设置在所述波导部分和所述换能器元件的半导体层之间，用于声波的压电激励和检测。
8.如权利要求5或6所述的微机械传感器，其特征在于，在所述传感器所包含的所述波导部分和所述换能器元件的半导体层之间有一狭窄间隙，用于声波的电容性转换。
9.如权利要求5或6所述的微机械传感器，其特征在于，通过在所述主体和所述波导部分之间的至少一个绝缘锚定元件，将所述波导部分锚定在所述主体上。
10.如权利要求5或6所述的微机械传感器，其特征在于，所述样品接受区域包括涂敷在所述波导部分上的分子特异性层。
11.如权利要求10所述的微机械传感器，其特征在于，所述样品接受区域包括设置在所述波导部分和分子特异性层之间的缓冲层。
12.如上利要求5或6所述的微机械传感器，其特征在于，所述传感器中所包含的样品接受区域之外的至少一部分所述波导部分和/或至少一部分所述换能器元件都具有疏水性涂层。
13.如权利要求5或6所述的微机械传感器，其特征在于，所述样品接受区域包括亲水性表面。
14.如权利要求5或6所述的微机械传感器，其特征在于，所述样品接受区域背对着主体。
15.如权利要求14所述的微机械传感器，其特征在于，所述主体和所述波导部分具有开口，用于从所述主体的方向将所述样品引入到样品接受区域上。
16.如权利要求1所述的微机械传感器，其特征在于，所述样品接受区域面对着所述主体，并且所述主体具有用于将所述样品引入到样品接受区域上的开口。
17.如权利要求15或16所述的微机械传感器，其特征在于，在所述主体和所述波导部分之间的所述主体的开口周围提供了绝缘体环，以便于辅助将所述样品引入到样品接受区域上。
18.如权利要求5或6所述的微机械传感器，其特征在于，所述波导部分在纵向方向上的长度为λ，并且线性隔离体锚定元件在相互平行且相互距离大致为λ/2的情况下对称地设置在所述波导部分和所述主体之间。
19.如权利要求9所述的微机械传感器，其特征在于，所述器件的半导体部分中的开口的表面和/或绝缘锚定元件都具有亲水性或疏水性涂层，以便辅助将样品引入到样品接受区域上。
20.如权利要求5或6所述的微机械传感器，其特征在于，从与样品引入侧相反的传感器一侧向传感器中所包含的所述换能器元件提供电触点。
21.如权利要求5或6所述的微机械传感器，其特征在于，所述传感器中所包含的所述换能器元件包括半导体电极，这些半导体电极能够对纵向体声波进行电-机械转换。
22.如权利要求5或6所述的微机械传感器，其特征在于，至少一个换能器元件在波导部分的两个侧边延伸，以便将纵向体声波激励到与波导部分的样品接受表面相平行的两个正交的方向中。
23.如权利要求1所述的微机械传感器，其特征在于，所述波导部分的厚度为10至30μm。
24.如权利要求1所述的微机械传感器，其特征在于，所述波导部分在横向方向上的长度为400至4000mm。
25.如权利要求1所述的微机械传感器，其特征在于，所述样品接受区域是对传感器的外部开放的。
26.如权利要求1所述的微机械传感器，其特征在于，所述传感器被包装在气密式密封外壳中，所述外壳具有与所述传感器中所包含的所述换能器元件相耦合的电接触端。
27.如权利要求1所述的微机械传感器，其特征在于，它被并入集成电路(IC)结构中，所述集成电路结构包括与传感器中所包含的所述换能器元件相耦合的激励和/或读取电子器件。
28.如权利要求1所述的微机械传感器，其特征在于，它被并入集成电路(IC)结构中，所述集成电路结构包括集成的参考传感器以及用于将所述传感器和所述参考传感器的输出信号进行比较的电路。
29.一种微机械传感器的阵列，该阵列包括主体和多个传感器元件，各个传感器元件包括：
-平面波导部分，与主体分开；
-至少一个电-机械换能器元件，被设置在波导部分的横向一侧，以便响应于电激励而将声波激励到波导部分并将声波转换成电信号；以及
-样品接收区域，位于波导部分背对或面对着所述主体的一个表面上，用于接受样品；
其特征在于：
-至少一个传感器元件的电-机械换能器元件适用于将纵向体声波激励到波导部分。
30.如权利要求29所述的微机械传感器的阵列，其特征在于，所述传感器元件中的至少一个包括根据权利要求1至26中任一项所述的微机械传感器。
31.如权利要求29或30所述的微机械传感器的阵列，其特征在于，它还包括在阵列上微加工制成的电导体，用于电接触阵列元件之外的各个换能器元件。
32.如权利要求29或30所述的微机械传感器的阵列，其特征在于，它还包括到每个传感器元件的一个换能器元件的电触点，以便同时激励传感器和电触点从而单独读取每个传感器元件。
33.如权利要求29或30所述的微机械传感器的阵列，其特征在于，所述传感器元件中的至少一个是参考传感器，它与所述纵向体声波传感器中的至少一个一起耦合到频率比较器。
34.一种适用于微机械地检测样品的方法，所述方法包括下列步骤：
-将样品引入到平面微机械波导的样品接受区域上；
-通过使用换能器经换能器和波导的电-机械耦合，将声波传输到波导中；以及
-将声波转换成电信号，以便波导检测样品对波导振动行为的影响；
其特征在于：
-传输声波的步骤包括将纵向体声波用作所述声波。
35.如权利要求34所述的方法，其特征在于，它是用根据上述权利要求1至26中任一项所述的微机械传感器来执行的。
36.如权利要求34或35所述的方法，其特征在于，传输声波的步骤包括以这样一种模式在两个横向方向上传输纵波，使得在样品接受区域附近波导在其表面的法线方向上的位移最小化。
37.如上述权利要求34或35所述的方法，其特征在于，将样品引入到样品接受区域上的步骤包括传递液态样品使之穿过一半导体层，平面微机械波导位于该半导体层上。
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