CN109642891A - 具有受控放置的功能化材料的声谐振器装置 - Google Patents

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Abstract

一种微机电系统(MEMS)谐振器装置，包括至少一种功能化材料，所述功能化材料布置在顶侧电极的至少中心部分上，但是少于整个顶侧电极。对于在中心点处表现出最大灵敏度并且沿其外围具有降低的灵敏度的有源区域，在谐振器有源区域的至少一个外围部分上省略功能化材料防止分析物在最低灵敏度的区域中结合。至少一种功能化材料的最大长度在有源区域长度的约20％至约95％的范围内延伸，并且最大宽度在有源区域宽度的约50％至100％的范围内延伸。还提供了用于制造MEMS谐振器装置的方法。

Description

具有受控放置的功能化材料的声谐振器装置
相关申请的声明
本申请要求2016年8月11日提交的美国临时专利申请序列号为62/373,668的优先权，其公开内容通过引用整体并入本文。本文公开的主题还涉及2016年10月26日提交或将要提交的以下三个美国专利申请：(1)题为“提供图案化功能化区域的声谐振器装置和方法”的美国专利申请___(2)题为“用于功能化的贵金属层的声谐振器装置和方法”和(3)题为“提供气密性和表面功能化的声谐振器装置和制造方法”的美国专利申请___，其中前述三个美国专利申请的内容通过引用结合于此，如同在此完全阐述一样。
技术领域
本公开涉及声谐振器装置，包括声波传感器和适用于生物传感或生化传感应用的流体装置。
背景技术
生物传感器(或生物学传感器)是包括生物元件和将生物响应转换成电信号的换能器的分析装置。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)与目标物质(例如分子、蛋白质、DNA、病毒、细菌等)之间的选择性生化反应，以及通过换能器将这种高度特异性反应的产物转化为可测量的量。其他传感器可以利用能够结合多种类型或类别的分子或可以存在于样品中的其他部分的非特异性结合材料，例如可以用于化学传感应用。本文中可使用的术语“功能化材料”通常涉及特异性和非特异性结合材料。与生物传感器一起使用的转换方法可以基于各种原理，例如电化学、光学、电学、声学等。其中，声学转换提供许多潜在的优点，例如实时、无标签和低成本、以及表现出高灵敏度。
声波装置采用传播通过压电材料表面或在压电材料表面上的声波，由此传播路径特性的任何变化都会影响波的速度和/或振幅。在声波装置的有源区域上或上方功能化材料的存在允许分析物结合到功能化材料，从而改变由声波振动的质量并改变波传播特性(例如速度，从而改变谐振频率)。速度的变化可以通过测量声波装置的频率、幅度或相位特性来监测，并且可以将其与被测量的物理量相关联。
在压电晶体谐振器的情况下，声波可以包括传播通过基板内部的体声波(BAW)，或者在基板表面上传播的表面声波(SAW)。SAW装置涉及利用沿压电材料表面的叉指式换能器转换声波(通常包括二维瑞利波)，其中波被限制在约一个波长的穿透深度。
BAW装置通常涉及使用布置在压电材料的相对的顶表面和底表面上的电极来转换声波。在BAW装置中，三种波模式可以传播，即一种纵向模式(体现纵向波，也称为压缩/拉伸波)和两种剪切模式(体现剪切波，也称为横波)，其中纵向和剪切模式分别识别粒子运动平行于或垂直于波传播方向的振动。纵向模式的特征在于在传播方向上的压缩和伸长，而剪切模式由垂直于传播方向的运动组成，没有局部的体积变化。纵向和剪切模式以不同的速度传播。实际上，这些模式不一定是纯模式，因为粒子振动或极化既不是纯粹平行于也不是纯粹垂直于传播方向。各模式的传播特性取决于相应于晶轴取向的材料特性和传播方向。产生剪切位移的能力有利于具有流体(例如液体)的声波装置的操作，因为剪切波不会将大量能量传递到流体中。
某些压电薄膜能够激发纵向和剪切模式谐振，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层来激发包括剪切模式的波，压电薄膜中的偏振轴通常必须与薄膜平面不垂直(例如相对于薄膜平面倾斜)。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，压电材料可以生长为具有相对于下层基板的表面不垂直的c轴取向分布，以使得BAW谐振器结构能够在跨电极施加交流信号时表现出主要的剪切响应。它们。相反，以相对于下层基板的表面垂直的c轴取向生长的压电材料在跨越其电极施加交流信号时将表现出主要的纵向响应。
通常，由于需要提供适于促进高频操作的微尺度特征，因此通过微机电系统(MEMS)制造技术制造BAW器件。在生物传感器的背景下，可以使用微阵列点样针通过微阵列点样(也称为微阵列印刷)将功能化材料(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的功能化材料(例如允许多种类型或种类的分子结合)也可用于某些背景，例如化学传感。遗憾的是，微阵列点样的尺寸公差通常大于MEMS制造技术所允许的尺寸公差。过量的特异性结合材料可能降低传感器响应，例如通过损害检测的下限。单独地，过量的暴露的非特异性结合材料可能在使用装置时导致不希望的分析物附着。
当分析物在流体样品中以非常低的浓度存在时，对于基于MEMS谐振器的生物传感器的有源区域的表面上的位置对吸附质量的变化的敏感性是不均匀的，可能难以可靠地提高对吸附质量变化的高灵敏度。重申，可能难以从吸附质量的微小变化提供大的信号变化。当含有分析物的流体样品平行于生物传感器的顶侧电极的上表面供应时，这种困难可能加剧。
因此，需要采用功能化材料的MEMS谐振器，以及利用这种谐振器的流体装置和方法，其能够可靠地提供对吸附质量的增强的灵敏度，并且适合于在含有分析物的流体(例如液体)样品存在下操作，用于生物传感或生物化学传感应用。
发明内容
本公开提供了一种微机电系统(MEMS)谐振器装置，其布置在基板上并且包括至少一种功能化材料，所述功能化材料布置在顶侧电极的至少中心部分上，但是少于整个顶侧电极。对于在中心点处表现出最大灵敏度并且沿其外围具有降低的灵敏度的有源区域，在谐振器有源区域的至少一个外围部分上省略功能化材料防止分析物在最低灵敏度的区域中结合。重申，仅在具有最大灵敏度的谐振器有源区域的中心部分上提供功能化材料，通过与功能化材料结合吸附的质量的较小变化提供较大的信号变化。当基于MEMS谐振器的传感装置与包含非常低浓度的分析物的流体样品一起使用时，这可能是特别有益的。相对于有源区域调整包含功能化材料的区域的尺寸和配置也可以增强传感器响应。例如，至少一种功能化材料的最大长度可以在有源区域长度的约20％至约95％的范围内(或在约30％至约95％、或约40％至约90％、或约50％至约90％的子范围内)延伸，并且最大宽度可以在有源区域宽度的约50％至100％的范围内(或在约60％至约100％、或约70％至约95％的子范围内)延伸。当将这样的MEMS谐振器装置结合到流体装置中时，还可以选择包含功能化材料的区域相对于包含分析物的流体流的方向性以增强传感器响应，这在分析物存在于非常低的浓度时可能是重要的。
在一个方面，本公开涉及一种微机电系统(MEMS)谐振器装置，其包括基板、布置在基板的至少一部分上的体声波谐振器结构以及至少布置在顶侧电极的中心部分上的至少一种功能化材料。体声波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以及布置在压电材料和基板之间的底侧电极，其中一部分压电材料布置在顶侧电极和底侧电极之间以形成有源区域。顶侧电极包括与底侧电极重叠并与有源区域重合的有源区域部分，有源区域部分包括有源区域宽度，并且有源区域部分包括垂直于有源区域宽度延伸的有源区域长度。所述至少一种功能化材料的最大长度在有源区域长度的约20％至约95％的范围内(或在约30％至约95％、或约40％至约90％、或约50％至90％的子范围内)延伸，并且最大宽度在有源区域宽度的约50％至100％的范围内(或在约60％至约100％、或约70％至约95％的子范围内)延伸。
在某些实施例中，至少一种功能化材料的最大宽度超过其最大长度。
在某些实施例中，MEMS谐振器装置还包括布置在顶侧电极和至少一种功能化材料之间的自组装单层(SAM)。在某些实施例中，MEMS谐振器装置还包括布置在顶侧电极和至少一种功能化材料之间的界面层(例如包括氧化物层、氮化物或氮氧化物材料)。
在某些实施例中，顶侧电极包括非贵金属，并且MEMS谐振器装置还包括布置在界面层和顶侧电极之间的气密层。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0.1g/m2/天)的电介质材料。在某些实施方案中，自组装单层布置在界面层和至少一种功能化材料之间。在某些实施例中，MEMS谐振器装置还包括布置在压电材料的与有源区域不一致的部分上方的阻断层，其中阻断层的存在可用于防止一种或多种物质的结合。
在某些实施例中，至少一种功能化材料包含特异性结合材料。在某些实施例中，至少一种功能化材料包含非特异性结合材料。
在某些实施例中，压电材料包括具有取向分布的c轴，该取向分布与基板的面的法线显著不平行。
在某些实施例中，MEMS谐振器装置还包括布置在基板和体声波谐振器结构之间的至少一个声反射器元件，以便形成牢固安装的谐振器结构。在其他实施例中，基板限定凹槽，并且MEMS谐振器装置还包括布置在体声波谐振器结构和凹槽之间的支撑层，其中有源区域布置在支撑层的至少一部分和凹槽的至少一部分上，例如形成薄膜体声谐振器(FBAR)结构。
在另一方面，本公开涉及一种传感器和/或流体装置，其包括如本文所公开的MEMS谐振器装置。在一个实施例中，包括MEMS谐振器装置的流体装置包括流体通道，所述流体通道包含有源区域并且布置成引导液体流以接触至少一种功能化材料，其中流体通道布置成在基本平行于有源区域长度的方向上将液体流从有源区域上游的入口导向有源区域。在某些实施例中，至少一种功能化材料布置成包括前缘的形状(其可以是直的、弯曲的、成角的、锯齿的或其他合适的形状)，其中前缘的中心点布置在入口和有源区域的中心点之间。
在另一方面，本公开涉及一种用于生物或化学感测的方法，包括如本文所公开的流体装置。一个方法步骤包括将含有目标物质的流体供应到流体装置的流体通道中，其中所述供应被配置成使至少一些目标物质结合到至少一种功能化材料。另外的方法步骤包括在有源区域中感应体声波，并且感测体声波谐振器结构的频率特性、幅度特性或相位特性中的至少一个的变化，以指示与至少一种功能化材料结合的目标物质的存在或量中的至少一种。
在另一方面，本公开涉及一种用于制造微机电系统(MEMS)谐振器装置的方法。一个方法步骤包括形成包括压电材料、布置在压电材料的一部分上的顶侧电极以及布置在压电材料和基板之间的底侧电极的体声波谐振器结构，其中一部分压电材料布置在顶侧电极和底侧电极之间以形成有源区域，顶侧电极包括与底侧电极重叠并与有源区域重合的有源区域部分，有源区域部分包括有源区域宽度，并且有源区域部分包括垂直于有源区域宽度延伸的有源区域长度。另一方法步骤包括沉积布置在顶侧电极的至少中心部分上的至少一种功能化材料，其中至少一种功能化材料的最大长度在有源区域长度的约20％至约95％的范围内(或在约30％至约95％、或约40％至约90％、或约50％至约90％的子范围内)延伸，并且最大宽度在有源区域宽度的约50％至100％的范围内(或在约60％至约100％、或约70％至约95％的子范围内)延伸。
在某些实施例中，前述方法还包括在所述沉积至少一种功能化材料之前在顶侧电极的至少一部分上形成自组装单层，其中至少一种功能化材料被布置在自组装单层的至少一部分上。在某些实施例中，在顶侧电极的至少一部分上形成自组装单层包括多个步骤，包括(i)在顶侧电极上施加自组装单层；(ii)在自组装单层上布置第一机械掩模，其中第一机械掩模限定至少一个第一孔，自组装单层的至少一个第一部分通过该第一孔暴露；(iii)通过至少一个第一孔传输包括在约150nm至400nm范围内的峰值波长的电磁辐射，以与自组装单层的至少一个第一部分相互作用，以促进自组装单层的至少一个第一部分的去除。在某些实施例中，一种方法还包括在包括有源区域的体声波谐振器结构的至少一部分上布置第二机械掩模，其中第二机械掩模限定至少一个第二孔，自组装单层的至少一个第二部分通过该第二孔暴露；通过至少一个第二孔将阻断层施加到自组装单层的至少一个第二部分。某些实施例还包括在体声波谐振器结构的一部分上形成至少一个壁并限定覆盖有源区域的流体通道的步骤，其中流体通道布置成在基本平行于有源区域长度的方向上将液体流从有源区域的上游的入口朝向有源区域引导，并且流体通道布置成引导液体流以接触至少一种功能化材料。
在另一方面，可以组合如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。除非在本文中相反指示，否则本文所公开的任何各种特征和元件可以与一个或多个其他公开的特征和元件组合。
在结合附图阅读以下优选实施例的详细描述之后，本领域技术人员将理解本公开的范围并实现其另外的方面。
附图说明
结合在本说明书中并形成本说明书的一部分的附图示出了本公开的若干方面，并且与说明书一起用于解释本公开的原理。
图1A是包含覆盖有功能化材料的BAW MEMS谐振器结构的有源区域的流体通道的侧面横截面示意图，示出了叠加在有源区域上的高斯灵敏度分布，并且示出了在横向于有源区域的上表面的法线的流体通道中沿左右方向前进的流体前沿的流线；
图1B是图1A的流体通道、有源区域和流体前沿的侧面横截面示意图，进一步描绘了有源区域上游和下游的分析物的分布，其中分析物的累积接近于在有源区域的中心点上游的有源区域的径向边界；
图1C是图1B的流体通道、有源区域、流体前沿、分析物分布和分析物积累的侧面横截面示意图，其中图1A的高斯灵敏度分布叠加在有源区域上。
图2是可与本文公开的实施例一起使用的体声波(BAW)MEMS谐振器装置的一部分的示意性横截面示图，其包括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有源区域；
图3是BAW谐振器装置的上部的示意性横截面示图，该BAW谐振器装置包括压电材料和覆盖有气密层、界面层、自组装单层和功能化材料(例如特异性结合材料)的顶侧电极；
图4是流体装置(例如生化传感器装置)的一部分的示意性横截面示图，该流体装置包括流体通道，该流体通道由覆盖有功能化材料的BAW谐振器结构从下面界定，由壁横向界定，并且通过限定流体端口的覆盖层从上面界定，其中功能化材料延伸越过整个有源区域并越过整个有源区域；
图5A-5E提供了在执行顺序制造步骤并且结合根据图2的BAW谐振器结构之后的流体装置(例如生化传感器装置)的部分的示意性横截面视图；
图5F是结合图5A-5E中所示的中间结构的流体装置的一部分的示意性横截面视图，其中根据一个实施例，小于BAW谐振器结构的整个有源区域覆盖有功能化材料；
图5G是图5F的流体装置部分在其使用之后的示意性横截面视图，示出了与功能化材料结合的分析物；
图6是类似于图5F和5G的装置的另一流体装置的示意性横截面视图，其中根据一个实施例，小于BAW谐振器结构的整个有源区域覆盖有功能化材料；
图7A是根据一个实施例的结合有BAW谐振器结构的流体装置的有源区域的示意性俯视平面图，其中有源区域的中心部分覆盖有以对称圆形配置布置的功能化材料，并且有源区域的环形外围部分没有功能化材料；
图7B和7C分别提供了图7A的有源区域和功能化材料的示意性横截面侧视图和主视图；
图8A是根据一个实施例的结合有BAW谐振器结构的流体装置的有源区域的示意性俯视平面图，其中有源区域的中心部分覆盖有功能化材料，所述功能化材料布置成宽度大于长度的椭圆形配置，其中有源区域的最大宽度大于功能化材料的最大宽度，并且有源区域的外围部分没有功能化材料；
图8B和8C分别提供了图8A的有源区域和功能化材料的示意性横截面侧视图和主视图；
图9A是根据一个实施例的结合有BAW谐振器结构的流体装置的有源区域的示意性俯视平面图，其中有源区域的中心部分覆盖有功能化材料，所述功能化材料布置成宽度大于长度的细长椭圆形配置，其中有源区域的最大宽度等于功能化材料的最大宽度，并且有源区域的新月形前后外围部分没有功能化材料；
图9B和9C分别提供了图9A的有源区域和功能化材料的示意性横截面侧视图和主视图；
图10是BAW谐振器结构的有源区域的示意性侧面横截面视图，在该有源区域上布置有窗口限定机械掩模，以允许用于自组装单层的前体材料通过窗口沉积在有源区域的一部分上；
图11是覆盖有图案化光致抗蚀剂层的BAW谐振器结构的有源区域的示意性侧面横截面视图，以允许用于自组装单层的前体材料通过光致抗蚀剂层中的窗口沉积在有源区域的一部分上；
图12A是BAW谐振器结构的有源区域的示意性侧面横截面视图，该有源区域覆盖有基于有机硅烷的自组装单层(SAM)，其中辐射阻断机械掩模布置在SAM上，并且其中电磁辐射源定位成使光穿过掩模中的开口，用于选择性地去除SAM的部分；
图12B是沿着有源区域的外围部分移除SAM之后的图12A的BAW谐振器结构的有源区域的示意性侧面横截面视图；
图13是适用于接收如本文所公开的气密层、界面层、自组装单层和功能化(例如特异性结合)材料的体声波MEMS谐振器装置的俯视平面图照片；
图14是结合具有如本文所公开的多个体声波MEMS谐振器装置的基板、限定包含MEMS谐振器装置的有源区域的通道的中间层以及覆盖层或保护层的微流体装置的透视组装图；
图15是可用于根据本文公开的某些实施例的装置中的膜体声波谐振器(FBAR)结构的示意性剖视图，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腔的基板以及与腔对准的有源区域，其中压电材料的一部分布置在顶侧电极和底侧电极的重叠部分之间；
图16是根据图15的在FBAR结构的至少一部分上添加气密层、界面层、自组装单层和功能化材料(例如特异性结合材料)之后的FBAR结构的示意性横截面视图。
具体实施方式
以下阐述的实施例表示使得本领域技术人员能够实践实施例的必要信息，并且示出了实践实施例的最佳模式。在根据附图阅读以下描述时，本领域技术人员将理解本公开的构思并且将认识到这里未特别提出的这些构思的应用。应该理解，这些构思和应用都落入本公开和所附权利要求的范围内。
应当理解，尽管这里可以使用术语第一、第二等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，第一元件可以被称为第二元件，并且类似地，第二元件可以被称为第一元件，而不脱离本公开的范围。如这里所使用的，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。
还应该理解，当一个元件被称为“连接”或“耦合”到另一个元件时，它可以直接连接或耦合到另一个元件，或者可以存在中间元件。相反，当一个元件被称为“直接连接”或“直接耦合”到另一个元件时，不存在中间元件。
应当理解，尽管这里可以使用术语“上”、“下”、“底部”、“中间”、“中”、“顶部”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于区分一个元件与另一个元件。例如，第一元件可以被称为“上”元件，并且类似地，取决于这些元件的相对取向，第二元件可以被称为“上”元件，而不脱离本公开的范围。
本文使用的术语仅用于描述特定实施方案的目的，并不意图限制本公开。如这里所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”也旨在包括复数形式，除非上下文另有明确说明。将进一步理解，术语“包括”、“包含”在本文中使用时指定所述特征、整数、步骤、操作、元件和/或组件的存在，但是不排除存在或添加一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、组件和/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含义相同的含义。将进一步理解，本文使用的术语应被解释为具有与本说明书和相关领域的上下文中的含义一致的含义，并且除非在本文中明确如此定义，否则将不以理想化或过于正式的含义解释。
本公开提供了一种微机电系统(MEMS)谐振器装置，其布置在基板上并且包括至少一种功能化材料，所述功能化材料布置在顶侧电极的至少中心部分上，但是少于整个顶侧电极。对于在中心点处表现出最大灵敏度并且沿其外围具有降低的灵敏度的有源区域，在谐振器有源区域的至少一个外围部分上省略功能化材料防止分析物在最低灵敏度的区域中结合。相对于有源区域调整包含功能化材料的区域的尺寸和配置也可以增强传感器响应。例如，至少一种功能化材料的最大长度可以在有源区域长度的约20％至约95％的范围内(或在约30％至约95％、或约40％至约90％、或约50％至约90％的子范围内)延伸，并且最大宽度在有源区域宽度的约50％至100％的范围内(或在约60％至约100％、或约70％至约95％的子范围内)延伸。
已知石英微量天平表现出频率响应，该频率响应随着距中心的距离的高斯函数而变化(即中心点对质量的变化表现出最高的灵敏度，并且灵敏度从中心下降)。参见，例如S.Zhang等人的应用物理A64,545-552(1997)。申请人已假定类似的现象可适用于基于体声波MEMS谐振器的传感器和包含如本文所公开的用于生物传感或生物化学传感应用的传感器的流体装置。当样品中分析物的浓度极低时(例如在某些医学诊断应用中)，仅允许分析物结合在基于谐振器的生化传感器装置的最敏感区域中可能是非常有利的。重申，避免分析物结合在不敏感或相对不敏感的区域(例如传感器有源区域外的区域)以及对吸附质量的变化表现出低灵敏度的传感器有源区域的区域可能是非常有利的。
图1A-1C提供了包含BAW MEMS谐振器装置的有源区域20的流体通道10的侧面横截面示意图，其中有源区域20包括布置在其上的功能化材料。流体通道10的特征可以是微流体。在图1A中，高斯灵敏度分布22叠加在有源区域20上，示出了在有源区域20的中心点18上的最大灵敏度，并且示出了以曲线方式远离中心点18的灵敏度降低(例如在外围边缘(例如前缘16)呈现最小灵敏度)。流体通道10包括下边界和上边界12A、12B，其包含处于层流条件下的流体14的前沿(例如在微流体通道(也称为微通道)中经历的)。流体14的前沿可以表示为平行流线路径14A-14N之后的流体，具有接近下边界12A和上边界12B的较低速度以及边界12A、12B之间的流体通道10的中间部分处的相对较高的速度。当流体14的前沿流过有源区域20时，靠近下部流线路径14A的流体部分经受与有源区域20的相互作用。
尽管未在图1A中示出，但是流体通道10内的流体可包括至少一个经受与有源区域20相互作用的分析物。图1B示出了流体通道10、有源区域20和图1A的流体14的前沿，并且还示出了有源区域20的前缘16的上游和下游的分析物24的分布。当流体14的前沿流过有源区域20时，包含在靠近下边界12A的流体中的分析物24可以与有源区域20的功能化材料结合。如果功能化材料分布在整个有源区域20上，则包含在靠近下部流线路径14A的流体中的分析物24可能与其接触的第一功能化材料结合，从而形成靠近有源区域20的前缘16的分析物累积24A。不幸的是，有源区域20的靠近前缘16的部分是对吸附质量的变化的敏感性明显低于有源区域的中心点18，如图1C所示(其提供与图1B相同的内容，但图1A的高斯灵敏度分布22叠加在有源区域20上)。
层流中的流体倾向于遵循平行的流线路径，使得不存在趋于使湍流中的流体均匀化的速度的混沌波动。引入标准微通道的多种流体通常不会彼此混合，除了通过扩散在流体之间的共同界面处，并且与沿着微流体通道的主轴的流体流动相比，扩散过程通常是缓慢的。抑制在微流体通道中在层流条件下流动的流体的快速混合的相同原理也影响在微流体通道内流动的一种或多种流体中包含的分析物的分布。菲克的第一扩散定律表明，通量从高浓度区域移动到低浓度区域。其次，通量率与浓度梯度差成比例。
参考图1B和1C，含有分析物24的流体14的前沿可以被建模为水平流体层的移动“堆叠”(例如对应于流线路径14A-14N)。即使假设在形成有源区域20上游的流体体积的堆叠的每层中分析物浓度恒定，在流体体积通过覆盖有源区域20的功能化材料之后，由于分析物24与功能化材料的结合(例如图1B和1C中的分析物累积24A所示)，堆叠的一个或多个最下面的流体层将表现出降低的或耗尽的分析物浓度。但是由于在垂直于流体流过流体通道10的方向的方向上扩散缓慢，并且分析物24需要扩散到覆盖有源区域20的功能化材料以结合，存在于除最下面的流体层之外的流体层中的分析物24在合理的时间段内可能不能用于与有源区域20的功能化材料结合。因此，分析物24的浓度可以在流体通道10内保持分层，直到发生扩散。结果，当存在于流体14的前沿的最下面的流体层中的分析物24与沿着有源区域20的前缘16布置的功能化材料结合时，分析物累积24A可以形成在前缘16附近，但是在有源区域20的中心点18附近可以发生非常少的分析物结合。给定高斯灵敏度分布22，在有源区域20的前缘16处存在分析物累积24A，并且没有与靠近有源区域20的中心点18的功能化材料结合的分析物，二者组合将导致包含有源区域20的传感器的有限(低)聚合响应。
如前所述，相对于有源区域调整包含功能化材料的区域的尺寸和配置可以增强传感器响应。例如，至少一种功能化材料的最大长度可以在有源区域长度的约20％至约95％的范围内(或在约30％至约95％、或约40％至约90％、或约50％至约90％的子范围内)延伸，并且最大宽度在有源区域宽度的约50％至100％的范围内(或在约60％至约100％、或约70％至约95％的子范围内)延伸。在少于整个有源区域上施加至少一种功能化材料的方法可以包括但不限于以下中的一个或多个：使用一个或多个机械掩模或图案化的光致抗蚀剂层在有源区域的一个或多个区域上图案化功能化材料；在有源区域的一个或多个区域上图案化界面层(布置成在下面并接收功能化材料)；或者在有源区域的一个或多个区域上图案化阻断材料(布置成防止功能化材料和/或分析物的结合)。通过使用这些方法，可以以比单独通过微阵列点样获得的更高的尺寸公差施加和/或使得功能化材料可用于分析物结合。
在描述用于在少于谐振器装置的整个有源区域上施加至少一种功能化材料的方法之前，示例性体声波MEMS谐振器装置、用于提供生物化学传感效用的相关层以及结合MEMS谐振器装置的流体装置将被引入。
根据某些实施例的优选的微机电系统(MEMS)谐振器装置包括基板、布置在基板的至少一部分上的BAW谐振器结构以及布置在BAW谐振器结构的有源区域的至少一部分上的功能化材料。在功能化材料和顶侧电极(其与BAW谐振器结构的有源区域重合)之间可以布置各种层，例如：气密层(例如以保护顶侧电极免受液体环境中的腐蚀)、界面层和/或自组装单层(SAM)，其中界面层和/或SAM可用于促进至少一种上覆材料层的附着，最终包括功能化材料。在某些实施例中，界面层有助于附着上覆SAM，并且SAM有助于附着上覆的功能化材料。
图2是可与本文公开的实施例一起使用的体声波MEMS谐振器装置30的一部分的示意性横截面视图。谐振器装置30包括基板32(例如通常为硅或另一种半导体材料)、布置在基板32上的声反射器34、压电材料42以及底侧和顶侧电极40、48。底侧电极40是沿着压电材料42的下表面44的一部分(在声反射器34和压电材料42之间)布置，并且顶侧电极48沿着压电材料42的上表面46的一部分布置。压电材料42布置在顶侧电极48和底侧电极40的重叠部分之间的区域被认为是谐振器装置30的有源区域50。声反射器34用于反射声波并因此减少或避免它们在基板32中的耗散。在某些实施例中，声反射器34包括沉积在基板32上的具有不同声阻抗值的交替的材料薄层36、38(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])，可选地以四分之一波布拉格反射镜实施。在某些实施例中，可以使用其他类型的声反射器。形成谐振器装置30的步骤可以包括在基板32上沉积声反射器34，接着沉积底侧电极40，然后生长(例如通过溅射或其他适当的方法)压电材料42，接着沉积顶侧电极48。
在某些实施例中，压电材料42包括六方晶体结构压电材料(例如氮化铝或氧化锌)，该压电材料包括具有取向分布的c轴，该取向分布主要与基板32的面的法线不平行(并且也可以不垂直)。在适当的条件下，存在具有取向分布的c轴，该取向分布主要与基板的面的法线不平行，使得BAW谐振器结构能够被配置为在跨越远端电极和其近端电极施加交流信号时表现出主剪切响应(例如在提供传感效用的BAW谐振器结构的背景下可能需要)。在2016年10月13日提交的美国专利申请号15/293,063中公开了形成六方晶体结构压电材料的方法，该压电材料包括具有主要与基板的面的法线不平行的取向分布的c轴，其中上述申请作为参考引入本文。在1987年2月3日授权的美国专利号4,640,756中公开了形成具有倾斜的c轴取向的压电材料的附加方法，该专利作为参考引入本文。
图2中所示的体声波MEMS谐振器装置30没有覆盖有源区域50的任何层(例如包括功能化材料)，这将允许谐振器装置30用作生化传感器。如果需要，图2中所示的谐振器装置30的至少一部分(例如包括有源区域50)可以覆盖有各种层，例如以下中的一个或多个：气密层、界面层、自组装单层(SAM)和/或功能化材料层(其可以包括特异性结合材料或非特异性结合材料)。
图3是BAW谐振器装置的上部的示意性横截面视图，该BAW谐振器装置包括压电材料42和覆盖有气密层52、界面层54、自组装单层(SAM)56和功能化材料层(例如特异性结合材料)58的顶侧电极48。在某些实施例中，可以在制造期间施加一种或多种阻断材料(未示出)，例如在界面层的部分上施加以防止一个或多个随后沉积的层的局部附着，或(如果施加在SAM或功能化材料的选定区域上)以防止分析物捕获在不覆盖BAW谐振器装置的有源区域的区域中。
在某些实施例中，光刻可用于促进界面材料或阻断材料在MEMS谐振器装置的部分上的图案化。光刻涉及使用光将几何图案从光掩模转移到基板上的光敏化学光致抗蚀剂，并且是半导体制造领域的普通技术人员公知的工艺。光刻中采用的典型步骤包括晶片清洁、光致抗蚀剂涂覆(涉及正或负光致抗蚀剂)、掩模对准以及曝光和显影。在所需表面上的光致抗蚀剂中限定特征之后，可以通过在光致抗蚀剂层中的一个或多个间隙中蚀刻来图案化界面层，并且随后可以去除光致抗蚀剂层(例如使用液体光致抗蚀剂剥离剂、通过施加含氧等离子体进行灰化或其他去除工艺)。
在某些实施例中，界面层(例如可布置在顶侧电极和SAM之间)包括适于形成有机硅烷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)。掺入羟基化氧化物表面以形成界面层的替代材料包括二氧化硅[SiO2]、二氧化钛[TiO2]、五氧化二钽[Ta2O5]、氧化铪[HfO2]或氧化铝[Al2O3]。包含羟基化氧化物表面的其他替代材料对于本领域技术人员来说是已知的，并且这些替代方案被认为是在本公开的范围内。
在其他实施例中，界面层(例如可布置在顶侧电极和SAM之间)，或至少一个没有覆盖界面层的电极，包括金或其他贵金属(例如钌、铑、钯、锇、铱、铂或银)，其适于接收可以用功能化材料覆盖的硫醇基SAM。
在结合经受腐蚀的电极材料的某些实施例中，可以在顶侧电极和界面层之间施加气密层。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0.1g/m2/天)的电介质材料。在沉积气密层和界面层之后，可以在界面层上形成SAM，在某些实施例中SAM包括有机硅烷材料。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中的侵蚀，并且界面层促进SAM的适当化学结合。
在某些实施例中，可以通过诸如原子层沉积(ALD)、化学气相沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)的一个或多个沉积工艺来施加气密层和/或界面层。在上述工艺中，ALD优选用于至少沉积气密层(并且还可以优选用于沉积界面层)，因为其能够提供具有优于器件特征的良好的阶梯覆盖的优异的保形涂层，从而提供没有针孔的层结构。此外，ALD能够形成提供相对较小的声振动衰减的均匀的薄层，否则会导致装置性能下降。覆盖的充分性对于气密层(如果存在)是重要的，以避免下面的电极的腐蚀。如果ALD用于沉积气密层，则在某些实施例中，气密层可包括约5nm至约100nm、或约5nm至约50nm、或约10nm至约25nm范围内的厚度。在某些实施例中，气密层厚度为约15nm、或约12nm至约18nm。相反，如果使用诸如化学气相沉积的另一种工艺，则气密层可以包括约80nm至约150nm或更大范围内、或者约80nm至约120nm范围内的厚度。考虑到前述两种工艺，气密层厚度可以在约5nm至约150nm的范围内。如果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。在某些实施例中，界面层可包括约10nm的厚度，或约2nm至约20nm、或约5nm至约15nm、或约8nm至约12nm范围内的厚度。在某些实施例中可以使用除ALD之外的其他界面层厚度范围和/或沉积技术。在某些实施例中，气密层和界面层可以在真空环境中顺序施加，从而促进两层之间的高质量界面。
如果提供，气密层可以包括用作电介质材料并且具有低水蒸气透过率(例如不大于0.1g/m2/天)的氧化物、氮化物或氮氧化物材料。在某些实施例中，气密层包括氧化铝(Al2O3)或氮化硅(SiN)中的至少一种。在某些实施例中，界面层包括SiO2、TiO2或Ta2O5中的至少一种。在某些实施例中，多种材料可以组合在单个气密层中，和/或气密层可以包括多个不同材料的子层。优选地，进一步选择气密层以促进与声谐振器结构的下面的反应性金属(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BAW谐振器结构中的电极材料，但是各种过渡和后过渡金属可用于这种电极。
在沉积界面层(任选地布置在下面的气密层上)之后，优选在界面层上形成SAM。SAM通常通过将固体表面暴露于两亲性分子而形成，所述两亲性分子具有对固体表面显示出强亲和力的化学基团。当使用包含羟基化氧化物表面的界面层时，有机硅烷SAMs特别优选用于连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。更具体地，有机硅烷分子包括水解敏感基团和有机基团，因此可用于将无机材料偶联到有机聚合物上。可以通过在痕量水的存在下将羟基化氧化物表面暴露于有机硅烷材料以形成中间硅烷醇基团来形成有机硅烷SAM。然后这些基团与羟基化表面上的游离羟基反应以共价固定有机硅烷。与包含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的示例包括3-缩水甘油醚丙基三甲氧基硅烷(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。可用于SAM的其他硅烷包括聚(乙二醇)(PEG)缀合的变体。本领域技术人员将认识到存在其他替代方案，并且这些替代方案被认为在本公开的范围内。示例性SAM可以包括至少0.5nm或更大的厚度。优选地，SAM容易地结合到局部图案化的界面层，但是不容易结合到其他相邻的材料层(例如气密层、压电材料和/或阻断材料层)。
当使用包含金或另一种贵金属的电极和/或界面层时，可以使用硫醇基(例如基于烷硫醇的)SAM。烷硫醇是具有烷基链作为主链、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，硫醇可用于贵金属界面层。可以使用的基于硫醇的SAM的示例包括但不限于1-十二烷硫醇(DDT)、11-巯基十一烷酸(MUA)和羟基封端的(六乙二醇)十一烷硫醇(1-UDT)。这些硫醇含有相同的主链，但分别具有不同的端基—即分别用于DDT、MUA和1-UDT的甲基(CH3)、羧基(COOH)和羟基封端的六乙二醇(HO-(CH2CH2O)6)。在某些实施例中，可以通过使用合适的溶剂(例如无水乙醇)在硫醇溶液中孵育金表面来形成SAM。
在形成SAM之后，SAM可以是生物学功能化的，例如通过接收至少一种特异性结合材料。在某些实施例中，可以使用微阵列点样针或其他合适的方法在SAM上或SAM上方施加特异性结合材料。在某些实施例中，界面层可以仅在谐振器结构的一部分(包括基板)上具有高尺寸公差的图案(例如使用光刻以限定界面层)，可以在界面层上施加SAM，并且随后施加的特异性结合材料可以仅附着到SAM上。在某些实施例中，界面层的图案化可以为特异性结合材料的定位提供比单独通过微阵列点样所获得的更高的尺寸公差。特异性结合材料的示例包括但不限于抗体、受体、配体等。特异性结合材料优选地配置成接收预定目标物质(例如分子、蛋白质、DNA、病毒、细菌等)。包括特异性结合材料的功能化材料可以包括约5nm至约1000nm、或约5nm至约500nm范围内的厚度。在某些实施例中，可以在多谐振器结构(即包括多个有源区域的一个或多个谐振器结构)的不同有源区域上提供不同特异性结合材料的阵列，任选地与一个或多个缺乏特异性结合材料的有源区域组合以用作比较(或“参考”)区域。在某些实施例中，功能化材料(例如化学功能化材料)可以提供非特异性结合效用。
某些实施例涉及一种流体装置，其包括如本文所公开的多个体声波MEMS谐振器结构，并且包括布置成引导液体以接触布置在谐振器结构的至少一个有源区域上的至少一种功能化(例如特异性结合)材料的流体通道(例如通道、腔室等)。这种装置的规模可以是微流体的，并且包括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谐振器结构和在其部分上沉积SAM之后(可选地在沉积气密层和界面层之前)，可以通过在第一体声波MEMS谐振器结构上形成限定微流体通道的横向边界的一个或多个壁来制造微流体装置，其中有源区域沿着微流体通道的底表面布置，然后使用保护层或覆盖层封闭微流体通道，所述保护层或覆盖层可以限定流体端口(例如开口)，使得能够与微流体通道流体连通。在某些实施例中，在形成微流体通道之前，可以将功能化(例如特异性结合)材料预先施加到体声波MEMS谐振器结构的有源区域；在其他实施例中，在形成微流体通道之后，可以在体声波谐振器结构的有源区域上施加功能化材料。
微流体通道的壁可以由任何合适的材料(例如薄聚合物材料和/或层压材料的激光切割的“模板”层)形成，任选地包括一个或多个自粘表面(例如胶带)。任选地，可以在沉积SAM层、功能化材料和/或阻断层之前，用SU-8负性环氧树脂抗蚀剂或其他光致抗蚀剂材料形成这样的壁。在某些实施例中，覆盖层或保护层可以与一个或多个壁一体地形成(例如通过模制或其他合适的工艺)以限定上边界的一部分以及至少一个流体通道的横向边界，并且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)整体形成的部分盖/壁结构，以封闭至少一个流体通道。
在某些实施例中，可以在SAM的一部分上施加化学或生物阻断材料，以防止功能化(例如特异性结合)材料附着在BAW谐振器结构的一个或多个选定区域(例如除了有源区域之外的一个或更多区域)上。对于给定分析，适当选择化学或生物阻断材料(例如阻断缓冲液)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断缓冲液(例如高度纯化的蛋白质、血清或乳汁)来阻断SAM上的游离位点。另外的阻断剂包括乙醇胺或含聚环氧乙烷(PEO)的材料。理想的阻断缓冲液将与远离有源区域的非特异性相互作用的所有潜在位点结合。为了优化用于特定分析的阻断缓冲液，可以使用经验测试来确定信噪比。由于每种抗体-抗原对具有独特的特性，因此没有一种化学阻断材料适用于所有情况。
图4是流体装置70(例如生化传感器装置)的一部分的示意性横截面视图，该流体装置70包括微流体通道72，微流体通道72由包括有源区域50的体声波MEMS谐振器结构从下面界定、通过壁64横向界定并且从上方通过限定流体端口68A、68B的覆盖或保护层66界定，以用作比较装置，旨在为随后描述的本公开的实施例提供背景。流体装置70包括覆盖声反射器34的基板32，以及通常布置在压电材料42下方的底侧电极40。顶侧电极48在压电材料42的一部分上延伸，其中布置在顶侧电极48和底侧电极40之间的压电材料42的一部分体现了BAW MEMS谐振器结构的有源区域50。顶侧电极48和压电材料42覆盖有气密层52、界面层54和自组装单层(SAM)56。有源区域50和壁64之间的SAM 56的部分被覆盖有化学或生物阻断材料60来防止功能化材料和/或分析物的局部附着。与有源区域50配准的SAM 56的一部分覆盖有布置成结合至少一种分析物的功能化(例如特异性结合)材料层58。从有源区域50横向移位的壁64从化学或生物阻断材料60向上延伸，以限定包含有源区域50的微流体通道72的横向边界。如果壁64形成在SAM 56上，则SAM56可以促进壁64的粘附。壁64可以由任何合适的材料(例如薄聚合物材料和/或层压材料的激光切割的“模板”层)形成，任选地包括一个或多个自粘表面(例如胶带)。可选地，这样的壁64可以在SAM 56、功能化材料层58和具有SU-8负性环氧树脂抗蚀剂或其他光致抗蚀剂材料的化学或生物阻断材料60沉积之前形成。限定上表面流体端口68A、68B的覆盖或保护层66还被提供以提供微流体通道72的上边界。可以通过在适当材料(例如基本上惰性的聚合物、玻璃、硅、陶瓷等)层中限定端口(例如通过激光切割或水射流切割)来形成覆盖层或保护层66，并将覆盖层或保护层66粘附到壁64的顶表面上。
如前所述，通过仅依靠微阵列点样，可能难以在功能化材料和MEMS谐振器装置的有源区域之间实现高度对准。如图4所示，功能化材料层58的横向延伸部分58'横向延伸超出BAW MEMS谐振器装置的有源区域50，并且可用于结合微流体通道72内的流体中包含的分析物。功能化材料层58的横向延伸部分58'构成过量的功能化(例如特异性结合)材料，其可以减少传感器响应，例如通过在将供应到有源区域50的分析物输送到有源区域50之前结合来损害检测的下限。即使在有源区域50的横向范围之外不存在过量的功能化材料，由于有源区域50远离其中心点或中心区域的灵敏度降低，在整个有源区域50上存在功能化材料层58可能倾向于损害检测的下限。如前面结合图1A-1C所述，当沿整个有源区域提供功能化材料并且含有分析物的流体被布置成平行于有源区域的上表面流动时，分析物可能倾向于靠近有源区域的径向边界沿功能化材料的前缘积聚。分析物与布置在有源区域的径向边界附近的功能化材料的结合可以减少或消除可用于结合布置在有源区域的中心点或中心区域上的功能化材料的分析物的存在，特别是如果分析物浓度是非常低。给定高斯(或类似)灵敏度分布，在有源区域的前缘处存在分析物积累结合不存在与有源区域的中心点附近的功能化材料结合的分析物将导致包含有源区域的传感器的有限(低)聚集响应。
在使用流体装置70时，流体样品可通过第一流体端口68A供应到有源区域50上方的微流体通道72中并通过第二流体端口68B离开微流体通道72。由于微流体通道72内的流体流动的层流性质，流体体积可以被建模并且表现为水平流体层的“堆叠”，包括最下面的流体层74A和最上面的流体层74N。包含在流体样品的最下面的流体层74A中的分析物将倾向于与布置在有源区域50的上游的功能化材料层58的横向延伸部分58'结合并在该位置处积聚。如果样品中的分析物浓度低，则在分析物沿着有源区域50的外围部分在功能化材料的前缘处结合和累积之后，最下面的流体层74A可以耗尽分析物。包含在最下面的流体层74A(包括最上面的流体层74N)上方的流体层中的分析物可能无法与功能化材料层58结合，因为流体层74A-74N之间的分析物的扩散(例如在垂直方向上)可能缓慢发生。结果，样品中的分析物浓度可能需要相对较高，以使任何分析物可以与布置在有源区域50的中心点上的功能化材料层58结合。假设存在足够的分析物与布置在有源区域50上方的功能化材料层58结合，当通过向底侧和顶侧电极40、48提供电(例如交流电)信号而在有源区域50中感应到体声波时，可以检测BAW谐振器结构的频率特性、幅度特性或相位特性中的至少一个的变化，以指示与功能化材料层58结合的分析物的存在和/或量。如果在有源区域50的中心点附近没有分析物结合到功能化材料层58，则传感器响应可能低或难以检测。
为了克服与布置在谐振器的有源区域的外围部分上的功能化材料(以及横向延伸超出有源区域的过量功能化材料)的存在相关的限制，本文公开的实施例通过在谐振器有源区域的至少一个外围部分上省略功能化材料，将功能化材料的存在限制为小于整个有源区域。用于将功能化材料的位置限制到小于整个有源区域的方法可以包括，例如：在少于整个有源区域上图案化界面层(例如沿有源区域的中心部分提供界面层，但不是沿着有源区域的一个或多个外围部分)；在有源区域的一个或多个外围部分上图案化阻断层，在界面层或SAM上；在少于整个有源区域上图案化SAM；或者前述的一种或多种组合。由于开发了具有比传统微阵列点样更高分辨率的技术用于沉积功能化材料，所以此类技术可另外用于将功能化材料的位置限制为小于整个有源区域。
图5A-5F示出了结合根据图2的体声波MEMS谐振器结构的流体装置(例如生化传感器装置)的制造，每个图示出了在完成制造步骤之后的结构，并且包括功能化材料的流体装置布置在BAW谐振器结构的有源区域的中心部分上，但是少于整个有源区域。
图5A是在顶侧电极48和压电材料42的表面上沉积气密层52之后的根据图2的BAW谐振器装置部分(包括基板32、声反射器34、压电材料42以及底侧和顶侧电极40、48)的示意性横截面视图。气密层52在有源区域50以及压电材料42的其余部分上延伸。图5B示出了在气密层52上沉积界面层54之后的图5A的BAW谐振器装置部分。在某些实施例中，气密层52和/或界面层54可以通过一个或多个沉积工艺施加，例如原子层沉积(ALD)、化学蒸汽沉积(CVD)或物理气相沉积(PVD)，其中这些层52、54可选地在真空环境中顺序施加。气密层52优选地包括用作电介质材料并且具有低水蒸气透过率的氧化物、氮化物或氮氧化物材料。界面层54优选包括适合于接收SAM的羟基化氧化物表面，或金或其他贵金属。图5C示出了在界面层54上形成壁64之后图5B的BAW谐振器装置部分，其中壁64相对于有源区域50横向移位，以限定包含有源区域50的微流体通道的横向边界。这样的壁64可以由任何合适的材料(例如薄聚合物材料和/或层压材料的激光切割的“模板”薄层)形成，任选地包括一个或多个自粘表面(例如胶带)，或使用SU-8负极环氧树脂抗蚀剂或其他光致抗蚀剂材料。
图5D示出了在壁64之间的界面层54上方形成自组装单层(SAM)56之后并且仅在有源区域50的中心部分76上施加功能化材料层58之后的图5C的BAW谐振器装置部分。在下文中结合图10至12A讨论了仅在有源区域的中心部分上和在延伸超过功能化材料的SAM层上施加功能化材料的方法。在此结合图6讨论仅在有源区域的中心部分上施加功能化材料的方法，其中一个或多个下层(例如SAM层和界面层)也布置在有源区域的中心部分上。
图5E示出了在先前未覆盖有功能化材料层58的SAM 56的部分上施加化学或生物阻断材料60之后的图5D的BAW谐振器装置部分。化学或生物阻断材料60在有源区域50的外围部分上延伸，与中心部分76不一致，并且进一步在有源区域50和壁64之间的非有源区域上延伸。图5F示出了在添加布置在壁64的顶表面上的覆盖层或保护层66以形成流体装置78之后的图5E的装置。覆盖层或保护层66限定了适于允许含有目标物质的流体(例如液体)被引入包含有源区域50的微流体通道72中的流体端口68A、68B，其中功能化材料层58布置在有源区域50的中心部分76上。
图5G示出了图5F的流体装置78，其中分析物62结合到功能化材料层58，例如在含有分析物62(或目标物质)的流体(通过流体端口68A、68B之一)流入微流体通道72以接触功能化材料层58之后可能发生这种情况。当通过向底侧和顶侧电极40、48提供电(例如交流电)信号而在有源区域50中感应体声波时，可以检测BAW谐振器结构的频率特性、幅度特性或相位特性中的至少一个的变化，以指示结合到功能化材料层58的分析物62的存在和/或量。由于功能化材料层58仅布置在有源区域50的中心部分76上，对吸附质量的变化具有高灵敏度，有源区域50的外围部分没有吸附的分析物，流体装置78被配置为响应于分析物62与功能化材料层58的结合而提供相对大的信号变化。
图6示出了与图5F和5G中所示的流体装置78类似的另一流体装置80，其中不仅功能化材料层58而且界面层54和SAM 56仅布置在有源区域50的中心部分76上。流体装置80包括基板32、声反射器34、压电材料42、底侧和顶侧电极40、48、以及在顶侧电极48和压电材料的表面上的气密层52。相对于有源区域50横向移位的壁64从气密层52向上延伸，并且限定流体端口68A、68B的覆盖或保护层66布置(例如粘附)到壁64的顶表面，以包围包含覆盖有功能化材料层58的有源区域50的微流体通道72。界面层54可以通过本文公开的任何合适的沉积技术沉积(例如ALD、CVD或PVD)优选地与一个或多个掩模(例如光刻和/或机械掩模)结合以精确地控制其仅在有源区域50的中心部分76上的放置。界面层54优选地包括包含羟基化氧化物表面或包含金或其他适于连接基于硫醇的SAM的贵金属，羟基化氧化物表面适于连接基于有机硅烷的SAM。在形成界面层54之后，可以在其上沉积自组装单层(SAM)56，任选地与一个或多个掩模结合，以控制界面层54的放置仅在与有源区域50的中心部分76对准的SAM 56上。可选地，可以在气密层52的未覆盖界面层54和SAM 56的区域上图案化一种或多种阻断材料(未示出)。在形成SAM 56之后，功能化材料58可以沉积在SAM 56上。由于功能化材料58倾向于需要SAM 56用于粘合，因此功能化材料58将倾向于仅在有源区域50的中心部分76上方的SAM 56上沉积。如果需要，在功能化材料58的应用期间可任选地使用一个或多个光刻或机械掩模。
图7A至图9C示出了包含BAW谐振器结构的流体装置的有源区域，其中有源区域的中心部分以三种不同的配置被功能化材料覆盖，并且图8A至9C还包括指示相对于相应的有源区域的流体流动方向的空心箭头。尽管示出了三种特定配置(即分别在图7A-7C、图8A-8C和图9A-9C中的第一、第二和第三配置)，应当理解，可以在所附权利要求的范围内以任何合适的形状或配置在有源区域的中心部分上提供功能化材料。另外，尽管为了便于公开而示出了具有圆形形状的有源区域，但是应当理解，谐振器结构的有源区域不限于此，并且有源区域可以包括任何合适的矩形、梯形、椭圆形、弯曲的或其他几何形状。
图7A是根据一个实施例的结合有BAW谐振器结构的流体装置的有源区域50A的示意性俯视平面图，其中有源区域50A的中心部分76A(呈圆形)覆盖有以对称圆形配置布置的功能化材料58A，并且有源区域50A的环形外围部分84A没有功能化材料。有源区域50A包括最大宽度Wa和最大长度La，并且功能化材料包括最大宽度Wf和最大长度Lf。有源区域50A包括具有最大灵敏度的中心点82A，中心点82A与覆盖有功能化材料58A的中心部分76A的中心重合。功能化材料58A布置成包括弯曲前缘的形状，其中弯曲前缘的中心点76A'布置在有源区域50A的中心点82A和包含有源区域50A的流体装置的入口(未示出)之间。尽管中心部分76A是对称的并且与有源区域50A同心，但是在替代实施例中，覆盖有功能化材料的中心部分可以相对于相关的有源区域是非对称的和/或非同心的。另外，尽管功能化材料58A的前缘布置成弯曲形状，但是应当理解，前缘可以制成任何合适的形状，例如直的、成角度的、锯齿的或其他几何构造。图7B和7C分别提供了图7A的功能化材料58A和有源区域50A的示意性横截面侧视图和主视图，其中功能化材料58A布置在有源区域50A的中心部分76A上方，并且中心部分76A被外围部分84A包围，外围部分84A没有功能化材料。
图8A是根据一个实施例的结合有BAW谐振器结构的流体装置的有源区域50B的示意性俯视平面图，其中有源区域50B的中心部分76B(呈圆形)覆盖有功能化材料58B，功能化材料58B以椭圆形配置布置，其宽度大于长度，有源区域的最大宽度大于功能化材料58B的最大宽度，并且有源区域的外围部分没有功能化材料。有源区域50B包括最大宽度Wa和最大长度La，并且功能化材料58B包括最大宽度Wf和最大长度Lf。如图所示，Wf>Lf，Wa>Wf，La>Lf。有源区域50B包括具有最大灵敏度的中心点82B，其中心点82B与被功能化材料58B覆盖的中心部分76B的中心重合。图8B和8C分别提供了图8A的有源区域50B和功能化材料58B的示意性横截面侧视图和主视图，其中功能化材料58B布置在有源区域50B的中心部分76B上方，并且中心部分76B被外围部分84B包围，外围部分84B没有功能化材料。功能化材料58B布置成包括弯曲前缘的形状，其中弯曲前缘的中心点76B'布置在有源区域50B的中心点82B和包含有源区域50B的流体装置的入口(未示出)之间。
图9A是根据一个实施例的结合有BAW谐振器结构的流体装置的有源区域50C的示意性俯视平面图，其中有源区域50C的中心部分76C覆盖有功能化材料58C，功能化材料58C布置成宽度大于长度的细长椭圆形配置，有源区域50C的最大宽度等于功能化材料58C的最大宽度，并且有源区域50C的新月形前后外围部分84C没有功能化材料。有源区域50C包括最大宽度Wa和最大长度La，并且功能化材料58C包括最大宽度Wf和最大长度Lf。如图所示，Wf>Lf，Wa＝Wf，La>Lf。有源区域50C包括具有最大灵敏度的中心点82C，其中中心点82C与覆盖有功能化材料58C的中心部分76C的中心重合。图9B和图9C分别提供了图9A的有源区域50C和功能化材料58C的示意性横截面侧视图和主视图，其中功能化材料58C布置在有源区域50C的中心部分76C上，并且中心部分76C在前后用新月形的前后外围部分84C界定，所述新月形前后外围部分84C没有功能化材料。功能化材料58C布置成包括弯曲前缘的形状，其中弯曲前缘的中心点76C'布置在有源区域50C的中心点82C和包含有源区域50C的流体装置的入口(未示出)之间。
比较图7A、8A和9A中所示的配置，图7A中的带有功能化材料58A的中心部分76A的圆形配置可能表现出比用功能化材料58A覆盖整个有源区域50A时更高的灵敏度，但是对于非常低的分析物浓度，灵敏度可能不是最佳的，因为功能化材料58A的前缘(在外围部分84A和中心部分76A之间的边界处)比中心点82A明显更靠近有源区域50A的侧边缘。另外，沿着外围部分84A的子集不存在功能化材料意味着一些分析物可以直接在外围部分84A上行进而不与任何功能化材料58A相互作用。图8A中的带有功能化材料58B的中心部分76B的椭圆形构造可能需要比图7A中所示的配置增强的灵敏度，因为功能化材料58B的前缘(在外围部分84B和中心部分76B之间的边界处)比有源区域50B的侧边缘更靠近中心点82B，这使得在功能化材料58B的前缘上的任何初始分析物累积将比图7A中的情况更接近中心点82B。然而，沿着外围部分84B的子集不存在功能化材料意味着一些分析物可以立即在外围部分84B上(即在其最窄部分)行进而不与任何功能化材料58B相互作用(即结合到功能化材料58B)。图9A中的具有功能化材料58C的中心部分76C的细长椭圆形配置可能比图8A的配置具有甚至更高的灵敏度。因为在有源区域的整个宽度Wa上存在功能化材料58C意味着直接在有源区域50C上行进的任何分析物可能与某些功能化材料58C相互作用(即结合到某些功能化材料58C)。
图10-12示出了用于控制自组装单层(SAM)的局部沉积的方法，以使得能够将SAM放置在谐振器的少于整个的有源区域上，从而使得能够覆盖SAM的功能化材料类似地放置在少于整个的有源区域上。
图10是BAW谐振器结构的有源区域50的示意性侧面横截面视图，在该有源区域50上布置有限定窗口88的机械掩模86，以允许用于自组装单层56的前体材料90通过窗口88沉积在有源区域50的中心部分76上，而不在有源区域50的外围部分84上形成SAM。在形成SAM56之后，可以去除机械掩模86。可以通过任何合适的方式在机械掩模86中形成一个或多个窗口88，例如蚀刻、激光切割、水射流切割等。
图11是BAW谐振器结构的有源区域50的示意性侧面横截面视图，该有源区域50覆盖有图案化的光致抗蚀剂层92，以允许SAM 56的前体材料90通过光致抗蚀剂中的窗口94沉积在有源区域50的中心部分76上，而不在有源区域50的外围部分84上形成SAM。光致抗蚀剂层92中的窗口94可以通过光刻蚀刻或其他常规手段形成。在形成SAM 56之后，可以去除光致抗蚀剂层92，优选地通过不倾向于降解SAM 56的化学方法。在某些实施例中，在去除光致抗蚀剂层92期间，可以在SAM 56上布置一个或多个可去除的保护层(例如反向机械掩模或化学涂层)，以防止SAM 56的劣化，然后去除保护层。
图12A是BAW谐振器结构的有源区域50的示意性侧面横截面视图，该有源区域50覆盖有基于有机硅烷的SAM 56，其中辐射阻断机械掩模96布置在SAM 56上方并且电磁辐射源98定位成使光束98A透过机械掩模96的孔(开口)或边界，以选择性地去除SAM 56的部分。在某些实施例中，电磁辐射源98被配置为发射包括峰值波长在约150nm至400nm范围内的紫外线范围内的电磁辐射。图12B是沿着有源区域50的外围部分84去除SAM 56以引起仅有源区域50的中心部分76覆盖有SAM 56之后的图12A的BAW谐振器结构的有源区域50的示意性侧面横截面视图。在某些实施例中，可以在覆盖有源区域50的中心部分76的SAM 56上施加第二机械掩模(未示出)，其中孔布置在外围部分84上，并且可以通过限定在第二机械掩模中的至少一个孔施加阻断层材料(未示出)，以覆盖未被SAM 56覆盖的BAW谐振器结构的部分(例如包括但不限于有源区域50的外围部分84)。
图13是适用于接收如本文所公开的气密层、界面层、自组装单层和功能化(例如特异性结合)材料的体声波MEMS谐振器装置30(与图2中所示的谐振器装置30的部分一致)的俯视平面图照片。MEMS谐振器装置30包括布置在基板32上方的压电材料(未示出)、布置在压电材料的一部分下方的底侧电极40以及布置在压电材料的一部分上方的顶侧电极48，包括有源区域50，其中压电材料布置在顶侧电极48和底侧电极40的重叠部分之间。外部可接触的触点40A、48A分别与底侧电极40和顶侧电极48电连通。在MEMS谐振器装置30的部分覆盖有如本文所公开的界面层、自组装单层和功能化(例如特异性结合)材料之后，谐振器装置30可用作传感器和/或并入微流体装置。如果需要，可以在单个基板32上以阵列形式提供多个MEMS谐振器装置30。
图14是结合有具有多个体声波MEMS谐振器装置的基板102、限定与MEMS谐振器装置的有源区域108A-108N对准的中心微流体通道122的中间层120、布置成覆盖中间层120保护层或覆盖层130的微流体装置100的透视组装图。包括声反射器(未示出)和压电材料(未示出)的基板102的顶部中心部分包括顶侧电极106和底部侧电极104A-104N。前述电极彼此重叠且其间布置有压电材料的区域包括有源区108A-108N。可以提供任何合适数量的有源区域108A-108N并且串行或并行流体布置，尽管图14中示出了五个有源区域。基板102的顶部外围(或顶端)部分还包括与参考重叠区域110连通的参考顶侧电极116和参考底侧电极114。这样的参考重叠区域110不暴露于流体，并且存在以提供用于比较从暴露于中心微流体通道122内的流体的有源区域108A-108N获得的信号的基础。基板102覆盖有中间(例如壁限定)层120，其中中心微流体通道122用于接收流体，并且限定外围腔室124，外围腔室124布置成以密封方式覆盖参考重叠区域110。中间层120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、其他光致抗蚀剂材料，或者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“模板”层。中间层120还包括横向插入区域126，横向插入区域126使得在组装微流体装置100时能够接近顶侧电极106和底侧电极104A-104N的侧向部分。保护层或覆盖层130包括与中间层120的横向插入区域126对齐的横向插入区域136，并且包括微流体端口132、134，微流体端口132、134可沿顶表面138进入并与中间微流体通道122的限定在中间层120中的端部对齐，以允许流体(例如液体)在有源区域108A-108N上方供应到中心微流体通道122。优选地，至少电极104A-104N、106覆盖有如本文所公开的气密层、界面层、自组装单层和功能化(例如特异性结合)材料。可以提供根据其他配置的微流体装置，如本领域技术人员在阅读本公开后将认识到的。
图15是根据一个实施例的包括有源区域50的薄膜体声波谐振器(FBAR)结构140的示意性横截面视图，该有源区域50的至少一部分被适于接收功能化材料(例如特异性结合或非特异性结合材料)的界面层和自组装单层(SAM)覆盖。FBAR结构140包括限定腔144的基板142(例如硅或另一半导体材料)，腔144被支撑层146(例如二氧化硅)覆盖。底侧电极40布置在支撑层146的一部分上，优选地体现倾斜的c轴六角晶体结构压电材料(例如AlN或ZnO)的压电材料42布置在底侧电极40和支撑层146上方，并且顶侧电极48布置在压电材料42的顶表面的至少一部分上。布置在顶侧电极48和底侧电极40之间的压电材料42的一部分体现了FBAR结构140的有源区域50。有源区域50布置在设置在支撑层146下方的腔144上并与之对齐。腔144用于通过防止声能消散到基板142中来限制在有源区域50中感应的声波，因为声波不能有效地传播通过腔144。在这方面，腔144提供了图2和4-6中所示的声反射器34的替代方案。尽管图15中所示的腔144从下方通过基板142的变薄部分界定，但是在替代实施例中，腔144的至少一部分可以延伸穿过基板142的整个厚度。用于形成FBAR结构140的步骤可以包括在基板142中限定腔144，用牺牲材料(未示出)填充腔144，可选地随后平坦化牺牲材料，在基板142和牺牲材料上沉积支撑层146，去除牺牲材料(例如通过使蚀刻剂流过限定在基板142或支撑层146或基板142的侧边缘中的垂直开口)，将底侧电极40沉积在支撑层146上，生长(例如通过溅射或其他适当的方法)压电材料42，并沉积顶侧电极48。
图16是在FBAR结构140的至少部分上添加气密层52、界面层54、自组装单层56和功能化材料层58(例如特异性结合材料)之后的根据图15的FBAR结构140的示意性横截面视图。功能化材料层58仅布置在有源区域50的中心部分76上，界面层54和SAM 56类似地仅布置在中心部分76上。如图16所示，分析物62与功能化材料层58结合，例如可以在功能化材料层58暴露于任选地作为微流体装置的一部分的含有分析物的介质(例如液体或其他流体)之后发生。
本领域技术人员将认识到对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构思和随后的权利要求的范围内。

Claims (20)

1.一种微机电系统(MEMS)谐振器装置，包括：
基板；
设置在所述基板的至少一部分上的体声波谐振器结构，所述体声波谐振器结构包括压电材料、布置在所述压电材料的一部分上的顶侧电极以及布置在所述压电材料和所述基板之间的底侧电极，其中一部分所述压电材料布置在所述顶侧电极和所述底侧电极之间以形成有源区域，所述顶侧电极包括与所述底侧电极重叠并与所述有源区域重合的有源区域部分，所述有源区域部分包括有源区域宽度，并且所述有源区域部分包括垂直于所述有源区域宽度延伸的有源区域长度；以及
布置在所述顶侧电极的至少中心部分上的至少一种功能化材料，其中所述至少一种功能化材料的最大长度在所述有源区域长度的约20％至约95％的范围内延伸并且最大宽度在所述有源区域宽度的约50％至100％的范围内延伸。
2.根据权利要求1所述的MEMS谐振器装置，其中所述至少一种功能化材料的所述最大宽度超过其所述最大长度。
3.根据权利要求1所述的MEMS谐振器装置，还包括布置在所述顶侧电极和所述至少一种功能化材料之间的自组装单层。
4.根据权利要求1所述的MEMS谐振器装置，还包括布置在所述顶侧电极和所述至少一种功能化材料之间的界面层。
5.根据权利要求4所述的MEMS谐振器装置，其中所述顶侧电极包括非贵金属，并且所述MEMS谐振器装置还包括布置在所述界面层和所述顶侧电极之间的气密层。
6.根据权利要求4所述的MEMS谐振器装置，还包括布置在所述界面层和所述至少一种功能化材料之间的自组装单层。
7.根据权利要求1所述的MEMS谐振器装置，其中所述至少一种功能化材料包括特异性结合材料或非特异性结合材料。
8.根据权利要求1所述的MEMS谐振器装置，其中所述压电材料包括c轴，所述c轴具有主要与所述基板的面的法线不平行的取向分布。
9.根据权利要求1所述的MEMS谐振器装置，还包括布置在所述基板和所述体声波谐振器结构之间的至少一个声反射器元件。
10.根据权利要求1所述的MEMS谐振器装置，其中所述基板限定凹槽，并且所述MEMS谐振器装置进一步包括布置在所述体声波谐振器结构与所述凹槽之间的支撑层，其中所述有源区域布置在所述支撑层的至少一部分和所述凹槽的至少一部分上。
11.根据权利要求1所述的MEMS谐振器装置，还包括布置在与所述有源区域不重合的所述压电材料的一部分上的阻断层。
12.一种传感器，包括权利要求1所述的MEMS谐振器装置。
13.一种流体装置，包括根据权利要求1所述的MEMS谐振器装置，以及包含所述有源区域并且布置成引导液体流以接触所述至少一种功能化材料的流体通道，其中所述流体通道布置成在基本平行于所述有源区域长度的方向上将所述液体流从所述有源区域上游的入口导向所述有源区域。
14.根据权利要求13所述的流体装置，其中所述至少一种功能化材料布置成包括前缘的形状，其中所述前缘的中心点布置在所述入口和所述有源区域的中心点之间。
15.一种用于生物或化学感测的方法，所述方法包括：
将含有目标物质的流体供应到根据权利要求13所述的流体装置的所述流体通道中，其中所述供应构造成使至少一些所述目标物质结合到所述至少一种功能化材料；
在所述有源区域引入体声波；以及
感测所述体声波谐振器结构的频率特性、幅度特性或相位特性中的至少一个的变化，以指示与所述至少一种功能化材料结合的目标物质的存在或量中的至少一个。
16.一种制造微机电系统(MEMS)谐振器装置的方法，该方法包括：
形成包括压电材料、布置在所述压电材料的一部分上的顶侧电极以及布置在所述压电材料和基板之间的底侧电极的体声波谐振器结构，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有源区域，所述顶侧电极包括与所述底侧电极重叠并与所述有源区域重合的有源区域部分，所述有源区域部分包括有源区域宽度，并且所述有源区域部分包括垂直于所述有源区域宽度延伸的有源区域长度；以及
沉积布置在所述顶侧电极的至少中心部分上的至少一种功能化材料，其中所述至少一种功能化材料的最大长度在所述有源区域长度的约20％至约95％的范围内延伸并且最大宽度在所述有源区域宽度的约50％至100％的范围内延伸。
17.根据权利要求16所述的方法，还包括在所述沉积所述至少一种功能化材料之前在所述顶侧电极的至少一部分上形成自组装单层，其中所述至少一种功能化材料布置在所述自组装单层的至少一部分上。
18.根据权利要求17所述的方法，其中在所述顶侧电极的至少一部分上形成自组装单层包括：
在所述顶侧电极上施加所述自组装单层；
在所述自组装单层上设置第一机械掩模，其中所述第一机械掩模限定至少一个第一孔，所述自组装单层的至少一个第一部分通过所述第一孔暴露；以及
通过所述至少一个第一孔传输包括在约150nm至400nm范围内的峰值波长的电磁辐射，以与所述自组装单层的所述至少一个第一部分相互作用，以促进所述自组装单层的所述至少一个第一部分的去除。
19.根据权利要求18所述的方法，还包括：
在包括所述有源区域的所述体声波谐振器结构的至少一部分上布置第二机械掩模，其中所述第二机械掩模限定至少一个第二孔，所述自组装单层的至少一个第二部分通过所述第二孔暴露；以及
通过所述至少一个第二孔将阻断层施加到所述自组装单层的所述至少一个第二部分。
20.根据权利要求16所述的方法，还包括在所述体声波谐振器结构的一部分上形成至少一个壁并限定覆盖所述有源区域的流体通道，其中所述流体通道布置成在基本平行于所述有源区域长度的方向上将液体流从所述有源区域上游的入口朝向所述有源区域引导，并且所述流体通道布置成引导所述液体流以接触所述至少一种功能化材料。
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