CN108139364A - 具有baw谐振器和通过衬底的流体通孔的传感器设备 - Google Patents

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Abstract

一种流体设备，包括衬底、至少一个体声波(BAW)谐振器结构和至少部分地由所述至少一个BAW谐振器结构界定的流体通道。该流体设备还包括至少一个流体通孔，该流体通孔通过衬底的至少一部分限定，由此允许在流体设备的相对的上表面和下表面上提供流体连接和电连接。所述至少一个BAW谐振器结构可以包括压电材料，该压电材料包括具有主要不平行于衬底的面的法线的取向分布的c轴，且可以用官能化材料(例如，覆盖自组装单层的特异性结合材料)覆盖，以能够检测供应到流体设备的样品中的目标物质。

Description

具有BAW谐振器和通过衬底的流体通孔的传感器设备
相关申请的声明
本申请要求2015年10月28日提交的美国临时专利申请序列号62/247,233的优先权，其公开通过引用全文结合于此。本文公开的主题还涉及2016年10月28日提交或待提交的标题为“包括沿着相对的通道表面的BAW谐振器的流体设备(Fluidic Device Including BAWResonators Along Opposing Channel Surfaces)”的美国专利申请号___，其内容通过引用并入本文，如同在本文完全阐述一样。
技术领域
本公开涉及声学谐振器设备，包括适合于生物传感或生物化学传传感应用的声波传感器和微流体设备。
背景
生物传感器(biosensor)(或biological sensor)是包括生物元件和将生物响应转换为电信号的换能器的分析设备。某些生物传感器涉及特异性结合材料(例如抗体、受体、配体等)和目标物质(例如分子、蛋白质、DNA、病毒、细菌等)之间的选择性生物化学反应，且这种高度特异性反应的产物通过换能器转换为可测量的量。其他传感器可利用能够结合多种类型或种类的分子或可存在于样品中的其他部分的非特异性结合材料，例如可用于化学传感应用。术语“官能化材料”在本文中可以用于总括地涉及特异性和非特异性结合材料两者。换能方法可以基于各种原理，例如电化学、光学、电学、声学等。其中，声学换能提供许多潜在的优点，如实时、无标记和低成本以及表现出高灵敏度。
声波设备采用通过压电材料表面传播或在压电材料表面上传播的声波，由此传播路径的特征的任何变化影响波的速度和/或幅度。沿着声波设备的活动区域，具体表达为特异性结合材料的官能化材料的存在允许特定分析物结合到特异性结合材料，从而改变由声波振动的质量并改变波传播特征(例如速度，从而改变共振频率)。通过测量传感器的频率、幅度或相位特征(例如频移)，可以监测速度的变化，且可以将其与测量的物理量相关联。
在压电晶体谐振器的情况下，声波可以具体表达通过压电材料的内部传播的体声波(BAW)，或在压电材料的表面上传播的表面声波(SAW)。SAW设备涉及利用沿着压电材料表面的交指型换能器对声波(通常包括二维瑞利波)进行换能，其中波被限制在大约一个波长的穿透深度。在BAW设备中，三种波模式可以传播，即一种纵向模式(具体表达纵波，也称为压缩波/膨胀波)和两种剪切模式(具体表达剪切波，也称为横波)，其中纵向模式和剪波模式分别识别其中粒子运动与波传播方向平行或垂直的振动。纵向模式的特征在于在传播方向上压缩和伸长，而剪切模式由垂直于传播方向的运动组成，不具有体积的局部变化。纵向和剪切模式以不同速度传播。实际上，这些模式不一定是纯粹的模式，因为粒子振动或偏振既不是纯粹平行于传播方向，也不是纯粹垂直于传播方向。各个模式的传播特征取决于相应于晶轴取向的材料性质和传播方向。由于剪切波表现出穿透到液体中的深度非常低，具有纯粹的或主要的剪切模式的设备可以在液体中操作，而不具有明显的辐射损失(与纵波大不相同，纵波可以在液体中辐射且表现出显著的传播损耗)。重申一下，剪切模式振动对于用流体(例如液体)的声波设备的操作是有益的，因为剪切波不会给予流体显著的能量。
某些压电薄膜能够激发纵向和剪切模式共振二者，例如包括(但不限于)氮化铝[AlN]和氧化锌[ZnO]的六方晶体结构压电材料。为了使用布置在电极之间的压电材料激发包括剪切模式的波，压电薄膜中的偏振轴通常必须不垂直于膜平面(例如，相对于膜平面倾斜)。六方晶体结构压电材料例如氮化铝(AlN)和氧化锌(ZnO)倾向于显现与膜平面垂直的其偏振轴(即c轴)，但可以通过已知技术(例如，反应射频磁控管溅射)生长，以产生具有主要不平行于衬底的面的法线的取向分布的c轴的晶体(例如，至少在小面积上)。在涉及液体介质的生物传感应用中，使用谐振器的剪切分量。在这样的应用中，压电材料可以按相对于下面的衬底的面不垂直的c轴取向分布生长，以使BAW谐振器结构能够在跨其电极施加交流信号时表现出主要的剪切响应。
通常，由于提供适用于促进高频操作的微尺度特征的需要，BAW设备由微机电系统(MEMS)制造技术制造。在生物传感器的情境下，可以通过各种技术(例如微阵列点样(也称为微阵列印刷))将官能化材料(例如特异性结合材料；也称为生物活性探针或试剂)沉积在传感器表面上。提供非特异性结合效用(例如，允许结合多种类型或种类的分子)的官能化材料也可用于某些情境，例如化学传感。
生物化学传感器可以结合多个谐振器，例如不含特异性结合材料的至少一个参考区域以及包括一种或多种特异性结合材料的一个或多个传感区域(任选地布置成一维或二维阵列)。多个谐振器以及流体连接的存在呈现封装限制，由于需要提供多个电连接和流体连接，这往往会增加传感器设备的尺寸和成本。由于彼此接近的电连接和流体连接的存在，这种设备还必需伴有可靠性风险。例如，声学谐振器经常利用由与液体接触时容易腐蚀的反应性金属(例如铝或铝合金)组成的电极。流体与声学谐振器的接合垫的意外接触可导致顶侧金属迹线的损坏或可靠性降低。
因此，需要结合体声波谐振器结构的设备，该设备适合于在用于生物传感或生物化学传感应用的液体的存在下操作，其克服了与常规设备相关的限制。
概述
本公开提供一种结合至少一个声学谐振器的流体设备，具有通过衬底限定的流体通孔。更具体而言，本公开提供一种结合基础结构的流体设备，该基础结构包括衬底、布置在衬底的至少一部分上的至少一个体声波(BAW)谐振器结构和布置在活动区域的至少一部分上的官能化材料，其中至少一个流体通孔通过基础结构的至少一部分限定(例如延伸通过至少所述衬底)以提供与流体通道的流体连通，所述流体通道至少部分地通过基础结构覆盖和/或界定。这样的配置允许到流体设备的电连接和流体连接在不同的表面上彼此分开(例如，其中电连接沿着流体设备的上表面或顶部表面布置，且流体连接沿着流体设备的下表面或底部表面布置)。该配置能够减小结合至少一个体声波谐振器结构的流体设备的尺寸和成本，且促进这种设备的改进的可靠性。在某些实施方案中，官能化材料可以具体表达特异性结合材料；在其他实施方案中，官能化材料可以包含非特异性结合材料。
在一个方面，流体设备包含：
基础结构，其包含：(i)衬底；(ii)布置在所述衬底的至少一部分上的至少一个体声波谐振器结构，所述至少一个体声波谐振器结构包括：包含具有主要不平行于所述衬底的面的法线的取向分布的c轴的压电材料、布置在所述压电材料的一部分上的顶侧电极和布置在所述压电材料和所述衬底之间的底侧电极，其中所述压电材料的一部分布置在所述顶侧电极和所述底侧电极之间以形成活动区域；和(iii)布置在所述活动区域的至少一部分上的官能化材料；
至少部分通过所述基础结构界定的流体通道；和
通过包括衬底的所述基础结构的至少一部分限定的至少一个流体通孔，且所述流体通孔与所述流体通道流体连通。
在某些实施方案中，基础结构还包含布置在活动区域上的自组装单层，其中官能化材料包含布置在自组装单层上的特异性结合材料。
在某些实施方案中，基础结构还包含布置在活动区域的至少一部分上的界面层，且自组装单层布置在界面层的至少一部分上。在某些实施方案中，界面层在压电材料的小于整体上延伸。在某些实施方案中，顶侧电极包含非贵金属，且流体设备还包含布置在界面层和顶侧电极之间的气密层。
在某些实施方案中，流体设备还包含布置在基础结构上的至少一个通道边界限定结构，其中至少一个通道边界限定结构限定流体通道的上边界和至少一个横向边界。
在某些实施方案中，所述至少一个通道边界限定结构包含限定流体通道的所述至少一个横向边界的至少一个中间结构，且包含限定流体通道的上边界的覆盖物。
在某些实施方案中，所述至少一个流体通孔延伸通过衬底和压电材料。在某些实施方案中，所述至少一个流体通孔包含通过基础结构的所述至少一部分限定的多个流体通孔。在某些实施方案中，所述至少一个流体通孔延伸通过衬底、声学反射器结构和压电材料。
在某些实施方案中，基础结构还包含布置在衬底和底侧电极之间的声学反射器结构。
在某些实施方案中，衬底限定在底侧电极之下并靠近活动区域的凹陷。在某些实施方案中，基础结构还包含布置在衬底中所限定的凹陷与底侧电极的至少一部分之间的支撑层。
在某些实施方案中，所述至少一个体声波谐振器结构包含与流体通道配准的多个体声波谐振器结构。
在某些实施方案中，官能化材料包含非特异性结合材料。
在某些实施方案中，流体设备还包含：布置成更靠近压电材料而不是衬底的顶侧；布置成更靠近衬底而不是压电材料的底侧；和沿着顶侧布置的第一电接合垫和第二电接合垫，其中第一电接合垫与顶侧电极导电连通，且第二电接合垫与底侧电极导电连通；其中所述至少一个流体通孔延伸通过所述底侧。
在某些实施方案中，一种用于生物或化学传感的方法包括：通过至少一个流体通孔将包含目标物质的流体供应到本文公开的流体设备的流体通道中，其中所述供应配置为使至少一些目标物质与官能化材料结合；在活动区域中诱导体声波；和传感所述至少一个体声波谐振器结构的频率性质、幅度性质或相位性质中的至少一个的变化以指示与所述官能化材料结合的目标物质的存在或量中的至少一个。
另一方面，一种用于制造流体设备的方法，所述流体设备包含布置在衬底的至少一部分上的至少一个体声波谐振器结构，所述至少一个体声波谐振器结构包括：包含具有主要不平行于衬底的面的法线的取向分布的c轴的压电材料、布置在压电材料的一部分上的顶侧电极和布置在压电材料和衬底之间的底侧电极，其中压电材料的一部分布置在顶侧电极和底侧电极之间以形成活动区域，所述方法包括：限定通过衬底和压电材料的至少一个流体通孔；在活动区域的至少一部分上提供至少一种官能化材料；和在所述至少一个体声波谐振器结构上布置至少一个通道边界限定结构，其中所述至少一个通道边界限定结构限定与所述至少一个流体通孔流体连通的流体通道的上边界和至少一个横向边界，且所述活动区域沿着所述流体通道的下边界的一部分布置。
在某些实施方案中，该方法还包括：在活动区域的至少一部分上形成界面层，在界面层的至少一部分上形成自组装单层，和在自组装单层的至少一部分上提供至少一种官能化材料，其中所述至少一种官能化材料包含特异性结合材料。在某些实施方案中，所述方法还包括在所述活动区域的至少一部分上形成界面层之前，在顶侧电极上形成气密层。
在某些实施方案中，限定通过衬底和压电材料的至少一个流体通孔包括在水喷射中引导的激光微加工。
在某些实施方案中，在所述活动区域的至少一部分上提供所述至少一种官能化材料之前，执行在所述至少一个体声波谐振器结构上布置所述至少一个通道边界限定结构。
另一方面，可以组合本文所述的任何前述方面和/或各种单独的方面和特征以获得额外的优点。本文公开的任何各种特征和要素可以与一个或多个其他公开的特征和要素组合，除非在此相反地指出。
在结合附图阅读优选实施方案的以下详细描述之后，本领域技术人员将了解本公开的范围且认识到其另外的方面。
附图简述
并入本说明书并形成本说明书的一部分的附图示出本公开的几个方面，且与描述一起用于解释本公开的原理。
图1是不含上覆层和流体通孔、但可用于本文公开的实施方案的体声波(BAW)MEMS谐振器设备的一部分的示意性横截面图。
图2是体声波MEMS谐振器设备的上部的示意性横截面图，所述体声波MEMS谐振器设备包括压电材料和覆盖有气密层、界面层、自组装单层和官能化(例如特异性结合)材料的顶侧电极。
图3是流体设备(例如生物化学传感器设备)的一部分的示意性横截面图，所述流体设备包括微流体通道，其由体声波(BAW)谐振器结构从下面界定，由壁横向界定，且由沿着流体设备的上表面或顶部表面布置的限定流体端口的覆盖物从上面界定，以用作旨在为本公开随后描述的实施方案提供情境的比较设备。
图4是流体设备(例如生物化学传感器设备)的一部分的示意性横截面图，所述流体设备包括由BAW谐振器结构从下面界定的微流体通道，其中流体通孔延伸通过支撑BAW谐振器结构的衬底，以使流体从流体设备的底侧供应到微流体通道。
图5A是在顶侧电极和压电材料上施加气密层和界面层作为制造图4的流体设备中的步骤之后，图1的MEMS谐振器设备部分的示意性横截面图。
图5B是示出在形成通过衬底、声学反射器、压电材料、电极以及气密层的流体通孔作为制造图4的流体设备中的另一步骤之后，图5A的MEMS谐振器设备部分的示意性横截面图。
图5C是示出在活动区域上形成自组装单层(SAM)作为制造图4的流体设备中的另一步骤之后，图5B的MEMS谐振器设备部分的示意性横截面图。
图5D是示出在SAM上施加官能化(例如特异性结合)材料作为制造图4的流体设备的附加步骤之后，图5C的MEMS谐振器设备部分的示意性横截面图。
图6是可用在根据某些实施方案的流体设备中的膜体声波谐振器(FBAR)结构的示意性横截面图，其中FBAR结构包括倾斜的c轴六方晶体结构压电材料、限定由支撑层覆盖的空腔的衬底、以及与空腔配准的活动区域，所述活动区域具有布置在顶侧电极和底侧电极的重叠部分之间的压电材料的一部分。
图7是结合图6的FBAR结构的流体设备的示意性横截面图，其中背侧流体通孔延伸通过FBAR结构的衬底，且其中FBAR结构的活动区域覆盖有气密层、界面层和官能化(例如特异性结合)材料。
图8是微流体设备的透视组装图，其结合具有如本文公开的多个体声波MEMS谐振器设备的衬底、限定包含MEMS谐振器设备的活动区域的通道的中间层、和覆盖物或覆盖层，其中流体通孔通过衬底限定。
详述
下面阐述的实施方案表示使本领域技术人员能够实施实施方案的必要信息，且示出实施实施方案的最佳模式。在参考附图阅读以下描述后，本领域技术人员将理解本公开的概念且将认识到本文未特别提到的这些概念的应用。应当理解，这些概念和应用落入本公开和所附权利要求的范围内。
应当理解，虽然术语第一、第二等可以在此用于描述各种元件，这些元件不应受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可以被称为第二元件，且类似地，第二元件可以被称为第一元件。如本文所使用的，术语“和/或”包括一个或多个相关所列项目的任何和所有组合。
还应当理解，当元件被称为“连接”或“偶联”到另一个元件时，它可以直接连接或偶联到另一个元件，或可以存在居间元件。相反，当元件被称为“直接连接”或“直接偶联”到另一个元件时，不存在居间元件。
应当理解，虽然术语“上”、“下”、“底部”、“中间”、“中”、“顶部”等可以在此用于描述各种元件，这些元件不应当受这些术语限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，在不脱离本公开的范围的情况下，第一元件可以被称为“上”元件，且类似地，第二元件可以被称为“上”元件，这取决于这些元件的相对定向。
本文使用的术语仅用于描述具体实施方案的目的，并不意图限制本公开。如本文所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式。将进一步理解，术语“包含(comprises)”、“包含(comprising)”、“包括(includes)”和/或“包括(including)”当在本文中使用时指定所述特征、整体、步骤、操作、元件和/或成分的存在，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整体、步骤、操作、元件、成分和/或其组。
除非另外定义，否则本文使用的所有术语(包括技术和科学术语)具有与本公开所属领域的普通技术人员通常理解的相同的含义。将进一步理解，本文使用的术语应当被解释为具有与其在本说明书的上下文和相关领域中的含义一致的含义，且不会被解释为理想化或过度形式化的意义，除非在此明确地如此定义。
本公开一方面涉及一种包括基础结构的流体设备，所述基础结构包括衬底、布置在衬底的至少一部分上的至少一个体声波(BAW)谐振器结构、和布置在所述至少一个体声波谐振器结构的活动区域的至少一部分上的官能化材料(例如至少一种特异性结合材料)，其中流体通道至少部分地由所述基础结构界定，且至少一个流体通孔通过基础结构的至少一部分限定。在某些实施方案中，具体表达为特异性结合材料的官能化材料可以提供在布置在界面层上的下层自组装单层(SAM)上。BAW谐振器结构包括压电材料、布置在压电材料的一部分上的顶侧电极和布置在压电材料和衬底之间的底侧电极。活动区域包括布置在顶侧电极和底侧电极之间的压电材料的一部分。在某些实施方案中，顶侧电极可以由金或另一种贵金属形成或镀覆，使得合适的(例如，基于硫醇的)SAM可以直接附接到贵金属表面。在其他实施方案中，包含不同于贵金属的材料(例如，铝或铝合金)的顶侧电极可以覆盖有界面层，所述界面层适用于基于有机硅烷的SAM的附接，任选地与布置在顶侧电极和界面层之间的气密层组合。
通过提供延伸通过基础结构(例如，包括但不限于衬底)的至少一部分的至少一个流体通孔(例如，流体导管)、和用于将流体供应到流体通道的流体端口(其可以位于基础结构的背侧或底侧)，布置在流体设备的前侧上的电连接与流体源隔开和隔离。以这种方式，可以在流体设备的不同(例如，相对的)上表面和下表面上提供电连接和流体连接。例如，在某些实施方案中，流体入口端口和流体出口端口布置在流体设备的下侧或底侧上，且电连接(例如电接合垫)提供在流体设备的上侧或顶侧。该配置能够减小结合一个或多个BAW谐振器结构的流体设备的尺寸和成本，且避免液体无意地接触流体设备的电连接的可能性。
在某些实施方案中，本文所述的流体设备的BAW谐振器结构的压电材料的小于整体由可用于接收自组装单层(SAM)的界面层覆盖。在某些实施方案中，界面层布置在压电材料的小于整体上；或可替代地，界面层可以布置在压电材料的基本整体上，而图案化的阻挡层(例如，Si3N4、SiC、光刻胶(例如SU-8)、聚酰亚胺、聚对二甲苯或聚(乙二醇)中的至少一种)布置在界面层的至少一部分上，由此图案化的阻挡材料的存在使界面层的一部分不能接收SAM。沉积技术例如原子层沉积(ALD)，化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)可以与一个或多个掩模(例如，光刻掩模)结合使用，以在包括活动区域的至少一部分的MEMS谐振器设备的选定部分(即小于整体)上图案化界面层。在某些实施方案中，界面层包含羟基化氧化物表面，且自组装单层包含有机硅烷材料。在某些实施方案中，界面层包含金或另一种贵金属，且自组装单层包含硫醇材料。在形成界面层之后，可以在其上形成SAM，且可以将官能化(例如特异性结合)材料施加到SAM。优选地，特异性结合材料与BAW谐振器结构的活动区域的至少一部分配准。
图1是不含上覆层和流体通孔、但可用于介绍下文公开的实施方案的特征的体声波MEMS谐振器设备10的一部分的示意性横截面图。体声波MEMS谐振器设备10包括衬底12(例如，通常为硅或另一半导体材料)、布置在衬底12上的声学反射器14、压电材料22以及底侧电极20和顶侧电极28。底侧电极20沿着压电材料22的下表面24的一部分(在声学反射器14和压电材料22之间)布置，且顶侧电极28沿着压电材料22的上表面26的一部分布置。其中压电材料22布置在顶侧电极28和底侧电极20的重叠部分之间的区域被认为是谐振器设备10的活动区域30。声学反射器14用于反射声波并因此减少或避免声波在衬底12中的消散。在某些实施方案中，声学反射器14包括不同材料(例如碳氧化硅[SiOC]、氮化硅[Si3N4]、二氧化硅[SiO2]、氮化铝[AlN]、钨[W]和钼[Mo])的交替薄层16、18，任选地具体表达为四分之一波长布拉格反射镜，沉积在衬底12上。在某些实施方案中，可以使用其他类型的声学反射器。用于形成谐振器设备10的步骤可以包括将声学反射器14沉积在衬底12上，然后沉积底侧电极20，然后生长(例如，经由溅射或其他合适的方法)压电材料22，然后沉积顶侧电极28。
在某些实施方案中，界面层被图案化或以其他方式可用于在MEMS谐振器设备的活动区域的整体上接收SAM，以允许将SAM和官能化(例如特异性结合)材料施加到界面层上以重叠整个活动区域。在其他实施方案中，阻挡层可以在界面层上图案化，或界面层的仅一部分可以以其他方式可用于在活动区域的仅一部分上接收SAM，以允许在界面层上施加SAM和官能化材料以重叠活动区域的仅一部分。
在某些实施方案中，可以使用光刻来促进MEMS谐振器设备的各部分上的界面材料或阻挡材料的图案化。光刻包括使用光以将来自光掩模的几何图案转移到衬底上的光敏化学光刻胶，且是半导体制造领域的普通技术人员公知的方法。光刻中采用的典型步骤包括晶片清洁、光刻胶施加(包括正性或负性光刻胶)、掩模对准以及曝光和显影。在将特征限定在期望表面上的光刻胶中之后，可以通过在光刻胶层中的一个或多个间隙中蚀刻来图案化界面层，且随后可以除去光刻胶层(例如，使用液体光刻胶剥离剂，通过经由应用含氧等离子体的灰化或另一除去过程)。
在某些实施方案中，界面层(例如，可布置在顶侧电极和SAM之间)包括适用于形成有机硅烷SAM的羟基化氧化物表面。包括羟基化氧化物表面的优选界面层材料是二氧化硅[SiO2]。结合用于形成界面层的羟基化氧化物表面的备选材料包括二氧化钛[TiO2]、五氧化二钽[Ta2O5]、氧化铪[HfO2]或氧化铝[Al2O3]。结合羟基化氧化物表面的其他备选材料对于本领域技术人员来说是已知的，且这些备选方案被认为是在本公开的范围内。
在其他实施方案中，界面层(例如可布置在顶侧电极和SAM之间)或不含上覆界面层的至少一个电极包括金或另一种贵金属(例如钌、铑、钯、锇、铱、铂或银)，其适用于接收基于硫醇的SAM。
在结合经受腐蚀的电极材料的某些实施方案中，气密层也可以施加在顶侧电极和界面层之间。当贵金属(例如，金、铂等)用于顶侧电极时，可能不需要气密层。如果提供，气密层优选包括具有低水蒸气透过率(例如不大于0.1(g/m2/天))的介电材料。在气密层和界面层的沉积之后，可以在界面层上形成SAM，其中SAM在某些实施方案中包含有机硅烷材料。气密层保护反应性电极材料(例如铝或铝合金)免受腐蚀性液体环境的侵袭，且界面层促进SAM的适当化学结合。
在某些实施方案中，气密层和/或界面层可以经由一种或多种沉积方法例如原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)施加。在上述方法中，由于能够提供具有在设备特征上的良好阶梯覆盖的优异共形涂层，ALD优选用于至少沉积气密层(且也可以优选用于沉积界面层)，以提供不含针孔的层结构。此外，ALD能够形成均匀的薄层，其对声学振动提供相对较小的阻尼，否则会导致设备性能下降。对于气密层(如果存在)充足的覆盖率是重要的，以避免下面的电极的腐蚀。如果将ALD用于气密层的沉积，则在某些实施方案中，气密层可以包括约10nm至约25nm范围内的厚度。在某些实施方案中，气密层厚度为约15nm，或约12nm至约18nm。相反，如果使用另一种方法例如CVD，则气密层可包括约80nm至约150nm或更多的范围内、或约80nm至约120nm范围内的厚度。考虑到上述两种方法，气密层厚度可以为约5nm至约150nm范围。如果将ALD用于界面层的沉积，则界面层可以包括约5nm至约15nm范围内的厚度。在某些实施方案中，界面层可以包括约10nm、或约8nm至约12nm的范围内的厚度。在某些实施方案中可以使用不同于ALD的其他界面层厚度范围和/或沉积技术。在某些实施方案中，可以在真空环境中序贯施加气密层和界面层，由此促进两层之间的高品质界面。
如果提供，气密层可以包括用作介电材料、且根据某些实施方案具有低水蒸气透过率(例如，不大于0.1(g/m2/天))的氧化物、氮化物或氮氧化物材料。在某些实施方案中，气密层包括Al2O3或SiN中的至少一种。在某些实施方案中，界面层包括SiO2、TiO2或Ta2O5中的至少一种。在某些实施方案中，多种材料可以结合在单个气密层中，和/或气密层可以包括不同材料的多个子层。优选地，进一步选择气密层以促进与声学谐振器结构的下层反应性金属(例如，铝或铝合金)电极结构的相容性。尽管铝或铝合金经常用作体声波谐振器结构中的电极材料，也可以将各种过渡金属和后过渡金属用于这种电极。
在沉积界面层(任选地布置在下层气密层上)之后，优选地在界面层上形成SAM。SAM通常通过将固体表面暴露于具有对固体表面表现出强亲和力的化学基团的两性分子形成。当使用包含羟基化氧化物表面的界面层时，则有机硅烷SAM特别优选用于附接到羟基化氧化物表面。有机硅烷SAM通过硅-氧(Si-O)键促进表面键合。更具体而言，有机硅烷分子包括水解敏感基团和有机基团，且因此可用于将无机材料偶联到有机聚合物。有机硅烷SAM可以通过如下形成：在痕量水存在下将羟基化表面暴露于有机硅烷材料，以形成中间体硅烷醇基团。这些基团然后与羟基化表面上的游离羟基反应以共价固定有机硅烷。与结合羟基化氧化物表面的界面层相容的可能的基于有机硅烷的SAM的实例包括3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷(GPTMS)，3-巯基丙基三甲氧基硅烷(MPTMS)，3-氨基丙基三甲氧基硅烷(APTMS)和十八烷基三甲氧基硅烷(OTMS)，包括它们的乙氧基-和氯-变体。可以用于SAM的另外的硅烷包括聚(乙二醇)(PEG)缀合的变体。本领域技术人员将认识到存在其他备选物，且这些备选物被认为是在本公开的范围内。示例性SAM可以包括在至少0.5nm或更大的范围内的厚度。优选地，SAM容易地结合到局部图案化的界面层，但不容易结合到其他相邻材料层(例如，气密层、压电材料和/或阻挡材料层)。
当使用包含金或另一种贵金属的电极和/或界面层时，则可以使用基于硫醇(例如基于烷硫醇)的SAM。烷硫醇是具有作为骨架的烷基链、尾部基团和S-H头部基团的分子。由于硫对这些金属的强亲和力，硫醇可在贵金属界面层上使用。可以使用的基于硫醇的SAM的实例包括但不限于1-十二烷硫醇(DDT)，11-巯基十一烷酸(MUA)和羟基封端的(六甘醇)十一烷硫醇(1-UDT)。这些硫醇含有相同的骨架，但是不同的端基——即，对于DDT、MUA和1-UDT，分别为甲基(CH3)、羧基(COOH)和羟基封端的六甘醇(HO-(CH2CH2O)6)。在某些实施方案中，SAM可以通过使用合适的溶剂如无水乙醇，在硫醇溶液中培育金表面来形成。
在形成SAM之后，SAM可以被生物官能化，例如通过接收至少一种官能化(例如特异性结合)材料。在某些实施方案中，可以使用微阵列点样针或其他合适的方法将特异性结合材料施加在SAM上或SAM上方。在某些实施方案中，界面层可以仅在谐振器结构(其包括衬底)的一部分上以高尺寸公差被图案化(例如，使用光刻和用于限定界面层的选择性蚀刻)，SAM可以施加在界面层上，且随后施加的特异性结合材料仅附接到SAM。在某些实施方案中，与单独通过微阵列点样获得的相比，界面层的图案化可以提供定位特异性结合材料更高的尺寸公差。特异性结合材料的实例包括但不限于抗体、受体、配体等。特异性结合材料优选配置成接收预定的目标物质(例如分子、蛋白质、DNA、病毒、细菌等)。包括特异性结合材料的官能化材料可以包括约5nm至约1000nm、或约5nm至约500nm的范围内的厚度。在某些实施方案中，可以在多谐振器设备(即，包括多个活动区域的谐振器设备)的不同活动区域上提供不同特异性结合材料的阵列，任选地与用作比较(或“参考”)区域的不含特异性结合材料的一个或多个活动区域组合。在某些实施方案中，官能化材料可以提供非特异性结合效用。
在图2中提供体声波MEMS谐振器设备的实例，其覆盖有多层以提供生物传感效用，且根据某些实施方案可用于流体设备。图2是体声波MEMS谐振器设备的上部的示意性横截面图，所述体声波MEMS谐振器设备包括压电材料22和覆盖有气密层32、界面层34、自组装单层36和官能化(例如特异性结合)材料38的顶侧电极28。在某些实施方案中，MEMS谐振器设备包括体声波谐振器设备，且压电材料22包含氮化铝或氧化锌材料，其包括具有主要不平行于(且也可以不垂直于)衬底的面的法线(未在图2中示出)的取向分布的c轴。这样的c轴取向分布能够产生剪切位移，这有利地使MEMS谐振器设备能够用液体操作，例如在传感器和/或微流体设备中。在某些实施方案中，压电材料包括具有纵向取向的c轴。
在2016年10月13日提交的美国专利申请号15/293,063中公开了用于形成包括具有主要不平行于衬底的面的法线的取向分布的c轴的六方晶体结构压电材料的方法，其中上述申请在此通过引用并入本文。用于形成具有倾斜的c轴取向的压电材料的另外的方法在1987年2月3日授权的美国专利号4,640,756中公开，其中上述专利在此通过引入并入本文。
某些实施方案涉及流体设备，其包括如本文公开的体声波MEMS谐振器设备，且包括布置成传导液体以接触至少一种官能化(例如特异性结合)材料的流体通路(例如通道、室等)。这样的设备可以是微流体尺度，且包含至少一个微流体通道(例如，具有不大于约500微米、或约250微米、或约100微米的至少一个尺寸，例如高度和/或宽度)。例如，在制造体声波MEMS谐振器设备并在其部分上沉积界面层和SAM(任选地在沉积气密层之前)之后，微流体设备可以通过如下来制造：形成优选包含至少一个声学谐振器的活动区域的、限定微流体通道的横向边界的一个或多个壁，随后施加覆盖物或覆盖层以封闭微流体通道。在某些实施方案中，官能化(例如特异性结合)材料可以在形成微流体通道的壁之后、但在施加覆盖物或覆盖层之前施加。微流体通道的壁可以由任何合适的材料形成，例如薄聚合材料和/或层压材料的激光切割“模版”层，任选地包括一个或多个自粘表面(例如胶带)。任选地，这些壁可以在沉积SAM、官能化材料和/或阻挡层之前，用SU-8负性环氧树脂抗蚀剂或其他光刻胶材料形成。在某些实施方案中，覆盖物或覆盖层可以与一个或多个壁整体形成(例如，经由模制或另一种合适的方法)以限定至少一个流体通道的上边界和横向边界，且整体形成的覆盖物/壁结构可以在体声波谐振器结构的至少一部分上施加(例如粘附或以其他方式结合)以封闭所述至少一个流体通道。在某些实施方案中，可以在形成微流体通路之前，将官能化(例如特异性结合)材料预先施加到体声波谐振器结构的活动区域；在其他实施方案中，可以在形成微流体通道之后，将官能化材料施加在体声波谐振器结构的活动区域上。
在某些实施方案中，化学或生物阻挡材料可以施加在SAM的一部分上，以防止官能化(例如特异性结合)材料附接在BAW谐振器结构的一个或多个选定区域上(例如，与活动区域分开的一个或多个区域)。用于给定分析的化学或生物阻挡材料(例如阻挡缓冲剂)的适当选择取决于样品中存在的目标物质或分析物的类型。可以使用各种类型的阻挡缓冲剂，如高度纯化的蛋白质、血清或牛奶来阻挡SAM上的游离位点。另外的阻挡剂包括含有乙醇胺或聚环氧乙烷(PEO)的材料。理想的阻挡缓冲剂将结合到远离活动区域的所有非特异性相互作用的潜在位点。为了优化用于特定分析的阻挡缓冲剂，可以使用经验测试来确定信噪比。由于每个抗体-抗原对具有独特的特征，没有单一的化学阻挡材料对于每种情况都是理想的。
图3是流体设备50(例如，生物化学传感器设备)的一部分的示意性横截面图，所述流体设备包括微流体通道52，其由体声波(BAW)谐振器结构从下面界定，由壁44横向界定，且由限定上表面或顶部表面流体端口48A、48B的覆盖物或覆盖层46从上面界定，其中流体设备50用作旨在为本公开的随后描述的实施方案提供情境的比较设备。流体设备50包括覆盖有声学反射器14的衬底12和大致布置在压电材料22下的底侧电极20。顶侧电极28在压电材料22的一部分上延伸，其中布置在顶侧电极28和底侧电极20之间的压电材料22的一部分具体表达BAW谐振器结构的活动区域30。顶侧电极28和压电材料22覆盖有气密层32、界面层34和自组装单层(SAM)36。离开活动区域30延伸的SAM 36的部分覆盖有化学或生物阻挡材料40以防止特异性结合材料的附接。与活动区域30配准的SAM 36的一部分覆盖有布置成结合指定分析物的官能化(例如特异性结合)材料38。从活动区域30横向移位的壁44从化学或生物阻挡材料40向上延伸，以限定包含活动区域30的微流体通道52的横向边界。这样的壁44可以由任何合适的材料形成，例如薄聚合材料和/或层压材料的激光切割“模版”层，任选地包括一个或多个自粘表面(例如胶带)。任选地，这些壁44可以在沉积SAM 36、官能化材料38和化学或生物阻挡材料40之前，用SU-8负性环氧树脂抗蚀剂或其他光刻胶材料形成。如果壁44在SAM 36上形成，则SAM 36可以促进壁44的粘附。进一步提供限定上表面流体端口48A、48B的覆盖物或覆盖层46，以提供用于微流体通道52的上边界。覆盖物或覆盖层46可以通过如下来形成：在合适材料(例如，基本上惰性的聚合物、玻璃、硅、陶瓷等)的层中限定端口(例如，经由激光切割或水喷射切割)，并将覆盖物或覆盖层46粘附到壁44的顶部表面。
在流体设备50使用中，流体样品可以通过第一上表面流体端口48A供应到活动区域30上的微流体通道52中，且通过第二上表面流体端口48B离开微流体通道52。如图3所示，由流体样品供应的分析物42结合到官能化(例如特异性结合)材料38。当通过向底侧和顶侧电极20、28供应电(例如，交流)信号在活动区域30中诱导体声波时，体声波谐振器结构的频率性质、幅度性质或相位性质中的至少一个的变化的检测指示结合到官能化材料38的目标物质(即，分析物)的存在和/或量。电连接(例如，接合垫，未示出)通常在流体设备50的上表面处或沿着流体设备50的上表面(例如，在压电材料22上)布置。由于上表面流体端口48A、48B和在流体设备50的上表面或顶侧表面处或沿着前述表面的电连接的存在，这些元件由于封装原因必须彼此分离，且避免流体和电连接之间的不期望的接触。
图4是根据本公开的一个实施方案的流体设备54的一部分的示意性横截面图，所述流体设备包括延伸通过支撑体声波(BAW)谐振器结构的衬底12的流体入口通孔58A和流体出口通孔58B，以使流体能够从流体设备54的底侧供应到覆盖活动区域30的微流体通道52。从流体设备54的底部开始，衬底12(例如，硅或另一种半导体材料)由声学反射器14、底侧电极20、压电材料22和顶侧电极28依次覆盖，以提供体声波(BAW)谐振器结构。其中压电材料22布置在顶侧电极28和底侧电极20的重叠部分之间的区域具体表达BAW谐振器结构的活动区域30。压电材料22和顶侧电极28覆盖有气密层32。与活动区域30配准的气密层32的中心部分覆盖有界面层34、自组装单层(SAM)36和官能化(例如特异性结合)材料38。BAW谐振器结构和前述上覆层(即，气密层32、界面层34、SAM 36和官能化材料38)限定包含活动区域30的微流体通道52的下边界。从活动区域30横向移位的壁44从气密层32向上延伸以限定微流体通道52的横向边界。进一步提供固定到壁44的覆盖物或覆盖层46以用作微流体通道52的上边界。在某些实施方案中，覆盖物或覆盖层46可以与壁44整体形成(例如，经由模制或另一合适的技术)。
流体入口端口56A和流体出口端口56B被限定在衬底12的底部表面中。流体入口端口56A与流体入口通孔58A流体连通，且流体出口端口56B与流体出口通孔58B流体连通。流体入口和出口通孔58A、58B延伸通过衬底12、声学反射器14、压电材料22以及底侧和/或顶侧电极20、28，使得流体入口通孔58A与微流体通道52的第一端流体连通，且流体出口通孔58B与微流体通道52的第二端流体连通。活动区域30位于微流体通道52内。在某些实施方案中，每个流体端口56A、56B在衬底12的底部表面中形成孔口(例如，圆形开口)，且每个流体通孔58A、58B形成通过衬底12和上覆层的导管(例如，圆柱形通道)。
在流体设备54使用中，流体样品可以通过流体入口端口56A和流体入口通孔58A供应到微流体通道52中，越过和经过活动区域30，且通过流体出口通孔58B和流体出口端口56B离开微流体通道52。如图4所示，由流体样品供应的分析物42结合到官能化(例如特异性结合)材料38。流体设备54可以用作传感器以检测环境中目标物质的存在。当通过向底侧和顶侧电极20、28供应电信号(例如，配置为以剪切模式驱动压电材料22的射频交流信号)而在活动区域30中诱导体声波时，BAW谐振器结构的频率性质、幅度性质或相位性质中的至少一个的变化的检测指示与官能化材料38结合的目标物质(即，分析物)的存在和/或量。例如，由于分析物42与官能化材料38结合而引起的质量负荷可以通过BAW谐振器结构的谐振频率的移动来检测。可以在流体设备54的上表面处或沿着流体设备54的上表面(例如，在压电材料22上)布置电连接(例如，接合垫，未示出)，与沿着流体设备54的下表面布置的流体入口和出口端口56A、56B相对。由于它们沿着流体设备54的相对的顶部和底部表面提供，电连接和流体连接彼此隔离，且封装限制减少。
在图4所示的流体设备54中，界面层34、SAM 36和官能化材料38覆盖整个活动区域30。在备选实施方案中，界面层、SAM和官能化材料可以布置在小于活动区域的整体上。例如，在某些实施方案中，图案化的阻挡层(例如，包括一个或多个非氧化物薄膜例如氮化硅[Si3N4]或碳化硅[SiC]；或有机材料例如SU-8、光刻胶、聚酰亚胺、聚对二甲苯或聚(乙二醇))可布置在界面层的至少一部分上，由此图案化的阻挡材料的存在使界面层的一部分不能用于接收SAM。
图5A-5D示出用于形成图4的BAW传感器的步骤。更具体而言，图5A是示出在顶侧电极28和压电材料22上施加气密层32之后，和在与活动区域30配准的气密层32的一部分上施加界面层34之后，图1的MEMS谐振器设备部分的示意性横截面图。在某些实施方案中，气密层32由氧化铝(Al2O3)膜组成或包括氧化铝(Al2O3)膜，和/或界面层34由二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)或氧化铪(HfO2)组成或包括二氧化硅(SiO2)、二氧化钛(TiO2)或氧化铪(HfO2)。在某些实施方案中，气密层32和/或界面层34可以通过原子层沉积(ALD)和/或化学气相沉积(CVD)施加。如前文所述，气密层32优选用作钝化和水分阻挡层，且界面层34用作随后将SAM固定到其的粘合层。
图5B是示出在作为制造图4的流体设备中的另一步骤，形成通过衬底12、声学反射器14、压电材料22、底侧和顶侧电极20、28以及气密层32的流体入口和出口通孔58A、58B之后，图5A的MEMS谐振器设备部分的示意性横截面图。在某些实施方案中，流体入口和出口通孔58A、58B可通过激光微加工形成，所述激光微加工由水喷射、深反应离子蚀刻(DRIE)、激光微加工、化学干蚀刻、化学湿蚀刻、研磨剂喷射加工、前述方法中的两个或更多个的组合或任何其他合适的工具或方法引导。在某些实施方案中，可以使用Synova激光微喷射(Synova S.A.，Lausanne，瑞士)，其中水喷射引导激光来烧蚀和熔化衬底12、声学反射器14、底侧和顶侧电极20、28和/或压电材料22。在某些实施方案中，可以在形成流体入口和出口通孔58A、58B期间在子组件的上侧或前侧上(例如，在气密层32和界面层34上)施加光刻胶用于临时保护。
图5C是示出在界面层34(例如，图案化的ALD SiO2)上形成自组装单层(SAM)36之后，图5B的MEMS谐振器设备部分的示意性横截面图；且图5D是示出在作为制造图4的流体设备中的附加步骤，在SAM 36上施加官能化(例如特异性结合)材料38之后，图5C的MEMS谐振器设备部分的示意性横截面图。施加SAM 36以促进官能化材料38的结合或粘附。在某些实施方案中，SAM 36可以包含有机硅烷材料(例如3-缩水甘油氧基丙基三甲氧基硅烷)，且界面层34可以包含图案化的SiO2。在某些实施方案中，官能化材料38(例如抗体)可以用微阵列点样针印刷，且仅粘附到存在SAM 36的区域，且可以洗掉任何未结合的过量官能化材料38。在某些实施方案中，不需要或不存在官能化的SAM 36的区域可以被化学或生物阻挡以防止将官能化材料38施加到SAM 36的不希望的部分，或防止一种或多种化学物质在流体设备的操作期间与SAM 36的不希望的非特异性结合。为了完成图4中所示的流体设备54的形成，壁和覆盖物或覆盖层(未示出)可以施加在与活动区域30横向间隔的气密层32的区域上，且流体入口和出口通孔58A、58B限定微流体通道(未示出)。在某些实施方案中，壁和覆盖物或覆盖层可以用激光预切割，或通过模制限定，且然后用压敏粘合剂或其他合适的附接手段施加到气密层32。
图6是根据一个实施方案的膜体声波谐振器(FBAR)结构60的示意性横截面图，其包括倾斜的c轴六方晶体结构压电材料主体层(例如压电材料)22。FBAR结构60包括限定由支撑层66(例如二氧化硅)覆盖的空腔64的衬底62(例如，硅或另一种半导体材料)，且包括与空腔64配准的活动区域30，其具有布置在顶侧电极28和底侧电极20的重叠部分之间的压电材料22的一部分。底侧电极20布置在空腔64上方，其间布置有支撑层66。在某些实施方案中，支撑层66可被移除或省略。底侧电极20和支撑层66覆盖有具体表达倾斜的c轴六方晶体结构压电材料(例如，AlN或ZnO)的压电材料22，且顶侧电极28布置在压电材料22的顶部表面的至少一部分上。布置在顶侧电极28和底侧电极20之间的压电材料22的一部分具体表达FBAR结构60的活动区域30。活动区域30布置在空腔64上并与其配准，所述空腔64布置在支撑层66下。由于声波不能有效地传播穿过空腔64，空腔64通过防止声能消散到衬底62中来用于限制在活动区域30中诱导的声波。在这方面，空腔64提供上面结合图4讨论的声学反射器的备选物。如上所述，在某些实施方案中，支撑层66可以是任选的。尽管所示的空腔64通过衬底62的变薄部分从下方界定，在备选实施方案中，空腔64的至少一部分延伸通过衬底62的整个厚度。用于形成FBAR结构60的步骤可以包括：在衬底62中限定空腔64，用牺牲材料(未示出)填充空腔64，任选地随后进行牺牲材料的平坦化，将支撑层66沉积在衬底62和牺牲材料上，除去牺牲材料(例如，通过使蚀刻剂流动通过限定在衬底62或支撑层66中的垂直开口或衬底62的横向边缘)，将底侧电极20沉积在支撑层66上，生长(例如经由溅射或其他合适的方法)压电材料22，和沉积顶侧电极28。
图7是结合图6的FBAR结构60的流体设备68的示意性横截面图，其中流体入口和出口通孔58A、58B延伸通过FBAR结构60的衬底62，以允许与包含FBAR结构60的活动区域30的微流体通道52流体连通。流体设备68包括结合图4描述的流体设备的许多相同的特征和元件，且与图4类似地操作，除了使用空腔64代替声学反射器14以在压电材料22中或沿着压电材料22限制声波以防止声能在衬底62中消散。限定在衬底62中的空腔64由支撑层66界定，支撑层66依次由底侧电极20、压电材料22和顶侧电极28覆盖。其中压电材料22布置在顶侧电极28和底侧电极20的重叠部分之间的区域具体表达FBAR结构60的活动区域30。压电材料22和顶侧电极28覆盖有气密层32。与活动区域30配准的气密层32的中心部分覆盖有界面层34、自组装单层(SAM)36和官能化(例如特异性结合)材料38。从活动区域30横向移位的壁44从气密层32向上延伸以限定微流体通道52的横向边界，且覆盖物或覆盖层46限定微流体通道52的上边界。
流体入口端口56A和流体出口端口56B限定在衬底62的底部表面中。流体入口端口56A与流体入口通孔58A流体连通，且流体出口端口56B与流体出口通孔58B流体连通。流体入口和出口通孔58A、58B延伸通过衬底62、支撑层66、压电材料22以及底侧和/或顶侧电极20、28，使得流体入口通孔58A与微流体通道52的第一端流体连通，且流体出口通孔58B与微流体通道52的第二端流体连通。活动区域30位于微流体通道52内。
在流体设备68的使用中，流体样品可以通过流体入口端口56A和流体入口通孔58A供应到微流体通道52中，越过和经过活动区域30，且通过流体出口通孔58B和流体出口端口56B离开微流体通道52。如图7所示，由流体样品供应的分析物42结合到官能化(例如特异性结合)材料38。流体设备68可以用作传感器以检测环境中的目标物质的存在。当通过向底侧和顶侧电极20、28供应电信号(例如，配置为以剪切模式驱动压电材料22的射频交流信号)而在活动区域30中诱导体声波时，FBAR结构60的频率性质或相位性质中的至少一个的变化的检测指示结合到官能化材料38的目标物质(即，分析物)的存在和/或数量。
图8是微流体设备70的透视组装图，其结合具有多个体声波MEMS谐振器设备的衬底72、限定与MEMS谐振器设备的活动区域78A-78N配准的中心微流体通道92的中间层90、和布置成覆盖中间层90的覆盖物或覆盖层100。包括声学反射器(未示出)和压电材料(未示出)的衬底72的顶部中心部分包括顶侧电极76和底侧电极垫74A-74N。其中上述电极彼此重叠并夹有压电材料的区域具体表达活动区域78A-78N。可以提供任何合适数量的活动区域78A-78N且以串联或并联的方式流体布置，尽管图8中示出串联布置的五个活动区域。衬底72的顶部外围(或顶端)部分还包括与参考重叠区域80连通的参考顶侧电极86和参考底侧电极84。这样的参考重叠区域80不暴露于流体，且存在以提供用于比较从暴露于中心微流体通道92内的流体的活动区域78A-78N获得的信号的基础。衬底72还包括在衬底72的底部表面和中心微流体通道92之间延伸的流体通孔102、104。每个流体通孔102、104在沿着衬底72的底部表面可达的微流体端口和沿着衬底72的顶部表面的开口之间延伸。衬底72覆盖有中间(例如，壁限定的)层90，其中中心微流体通道92旨在接收流体，且限定布置成以密封方式覆盖参考重叠区域80的外围室94。中间层90可以由任何合适的材料形成，例如SU-8负性环氧树脂抗蚀剂、其他光刻胶材料、或任选地包括一个或多个自粘表面(例如胶带)的薄聚合物材料的激光切割的“模版”层等。中间层90进一步包括横向插入区域96，其使得在组装微流体设备70时，顶侧电极76和底侧电极垫74A-74N的横向部分可达。覆盖物或覆盖层100包括与中间层90的横向插入区域96配准的横向插入区域106。流体通孔102、104的顶部开口与限定在中间层90中的中心微流体通道92的端部配准，以允许流体(例如，液体)供应到活动区域78A-78N上的中心微流体通道92。
优选地，至少活动区域78A-78N用本文公开的气密层、界面层、自组装单层和官能化(例如特异性结合)材料覆盖。如本领域技术人员在阅读本公开时将认识到的，可以提供根据其他配置的微流体设备。
本领域技术人员将认识到，本公开的优选实施方案的改进和修改。所有这些改进和修改都被认为是在本文公开的概念和随后的权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种流体设备，包含：
基础结构，其包含：(i)衬底；(ii)布置在所述衬底的至少一部分上的至少一个体声波谐振器结构，所述至少一个体声波谐振器结构包括：包含具有主要不平行于所述衬底的面的法线的取向分布的c轴的压电材料、布置在所述压电材料的一部分上的顶侧电极和布置在所述压电材料和所述衬底之间的底侧电极，其中所述压电材料的一部分布置在所述顶侧电极和所述底侧电极之间以形成活动区域；和(iii)布置在所述活动区域的至少一部分上的官能化材料；
至少部分通过所述基础结构界定的流体通道；和
通过包括衬底的所述基础结构的至少一部分限定的至少一个流体通孔，且所述流体通孔与所述流体通道流体连通。
2.权利要求1的流体设备，其中所述基础结构还包含布置在所述活动区域上的自组装单层，其中所述官能化材料包含布置在所述自组装单层上的特异性结合材料。
3.权利要求2的流体设备，其中所述基础结构还包含布置在所述活动区域的至少一部分上的界面层，且所述自组装单层布置在所述界面层的至少一部分上。
4.权利要求3的流体设备，其中所述界面层在所述压电材料的小于整体上延伸。
5.权利要求3的流体设备，其中所述顶侧电极包含非贵金属，且所述流体设备还包含布置在所述界面层和所述顶侧电极之间的气密层。
6.权利要求1的流体设备，还包含布置在所述基础结构上的至少一个通道边界限定结构，其中所述至少一个通道边界限定结构限定所述流体通道的上边界和至少一个横向边界。
7.权利要求6的流体设备，其中所述至少一个通道边界限定结构包含限定所述流体通道的所述至少一个横向边界的至少一个中间结构，且包含限定所述流体通道的上边界的覆盖物。
8.权利要求1的流体设备，其中所述至少一个流体通孔延伸通过所述衬底和所述压电材料。
9.权利要求1的流体设备，其中所述至少一个流体通孔包含通过所述基础结构的所述至少一部分限定的多个流体通孔。
10.权利要求1的流体设备，其中所述基础结构还包含布置在所述衬底和所述底侧电极之间的声学反射器结构。
11.权利要求1的流体设备，其中所述衬底限定在所述底侧电极之下且靠近所述活动区域的凹陷。
12.权利要求1的流体设备，其中所述至少一个体声波谐振器结构包含与所述流体通道配准的多个体声波谐振器结构。
13.权利要求1的流体设备，其中所述官能化材料包含非特异性结合材料。
14.权利要求1的流体设备，还包含：
顶侧，其布置成更靠近所述压电材料而不是所述衬底；
底侧，其布置成更靠近所述衬底而不是所述压电材料；和
沿所述顶侧布置的第一电接合垫和第二电接合垫，其中所述第一电接合垫与所述顶侧电极导电连通，且所述第二电接合垫与所述底侧电极导电连通；
其中所述至少一个流体通孔延伸通过所述底侧。
15.一种用于生物或化学传感的方法，所述方法包括：
通过所述至少一个流体通孔将包含目标物质的流体供应到根据权利要求1的流体设备的流体通道中，其中所述供应配置为使得至少一些目标物质与所述官能化材料结合；
在所述活动区域中诱导体声波；和
传感所述至少一个体声波谐振器结构的频率性质、幅度性质或相位性质中的至少一个的变化，以指示与所述官能化材料结合的目标物质的存在或量中的至少一个。
16.一种用于制造流体设备的方法，所述流体设备包含布置在衬底的至少一部分上的至少一个体声波谐振器结构，所述至少一个体声波谐振器结构包括：包含具有主要不平行于所述衬底的面的法线的取向分布的c轴的压电材料、布置在所述压电材料的一部分上的顶侧电极、和布置在所述压电材料和所述衬底之间的底侧电极，其中所述压电材料的一部分布置在所述顶侧电极和所述底侧电极之间以形成活动区域，所述方法包括：
限定通过所述衬底和所述压电材料的至少一个流体通孔；
在所述活动区域的至少一部分上提供至少一种官能化材料；和
在所述至少一个体声波谐振器结构上布置至少一个通道边界限定结构，其中所述至少一个通道边界限定结构限定与所述至少一个流体通孔流体连通的流体通道的上边界和至少一个横向边界，且所述活动区域沿着所述流体通道的下边界的一部分布置。
17.权利要求16的方法，还包括：在所述活动区域的至少一部分上形成界面层、在所述界面层的至少一部分上形成自组装单层、和在所述自组装单层的至少一部分上提供所述至少一种官能化材料，其中所述至少一种官能化材料包含特异性结合材料。
18.权利要求17的方法，还包括：在所述活动区域的至少一部分上形成所述界面层之前，在所述顶侧电极上形成气密层。
19.权利要求16的方法，其中限定通过所述衬底和所述压电材料的至少一个流体通孔包括：由水喷射引导的激光微加工、深反应离子蚀刻、激光微加工、化学干蚀刻、化学湿蚀刻、研磨剂喷射加工、或前述方法中的两种或更多种的组合。
20.权利要求16的方法，其中在所述活动区域的至少一部分上提供所述至少一种官能化材料之前，执行在所述至少一个体声波谐振器结构上布置所述至少一个通道边界限定结构。
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