ES2819125T3 - Resonador acústico con fijación mecánica reducida de una región activa para una respuesta de modo de cizalladura mejorada - Google Patents
Resonador acústico con fijación mecánica reducida de una región activa para una respuesta de modo de cizalladura mejorada Download PDFInfo
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Abstract
Un dispositivo resonador (10) de sistemas microelectromecánicos, de tipo MEMS, que comprende: un sustrato (12); y una estructura de resonador de ondas acústicas de volumen (14) dispuesta sobre al menos una porción del sustrato, incluyendo la estructura de resonador de ondas acústicas de volumen un material piezoeléctrico (22) que comprende un eje c (30) con una distribución de orientación que es predominantemente no paralela a la normal de una cara del sustrato, un electrodo de lado superior (26) dispuesto sobre el material piezoeléctrico, y un electrodo de lado inferior (24) dispuesto entre el material piezoeléctrico y el sustrato, en donde al menos una porción del material piezoeléctrico está dispuesta entre el electrodo de lado superior y el electrodo de lado inferior para formar una región activa (28); caracterizado por que: la región activa está rodeada lateralmente por una región inactiva (42), y un espesor de material piezoeléctrico de al menos una porción de la región inactiva es menor que un espesor de material piezoeléctrico de la región activa, de modo que al menos una porción superior de la región inactiva a lo largo de un límite (44) de la región activa esté desprovista de material piezoeléctrico, definiendo al menos una discontinuidad a lo largo de al menos unas porciones superiores de los bordes laterales opuestos del material piezoeléctrico en la región activa; la al menos una discontinuidad está configurada para reducir la fijación mecánica de la región activa en una dirección de desplazamiento lateral máximo durante el funcionamiento en el modo de cizalladura de la estructura de resonador de ondas acústicas de volumen; la región activa comprende una longitud paralela a la dirección de desplazamiento lateral máximo durante el funcionamiento en el modo de cizalladura de la estructura de resonador de ondas acústicas de volumen, extendiéndose la longitud entre un primer extremo longitudinal y un segundo extremo longitudinal de la región activa; y la al menos una discontinuidad está limitada al menos en parte por el primer extremo longitudinal y el segundo extremo longitudinal.
Description
DESCRIPCIÓN
Resonador acústico con fijación mecánica reducida de una región activa para una respuesta de modo de cizalladura mejorada
Campo técnico
La presente divulgación se refiere a estructuras de resonador y, en particular, a estructuras de resonador de ondas acústicas de volumen (BAW) con confinamiento mecánico reducido, tales como aquellas que puedan incorporarse de forma útil en dispositivos fluídicos y sistemas relacionados adecuados para aplicaciones de detección biológica o detección bioquímica.
Antecedentes
Un biosensor (o sensor biológico) es un dispositivo analítico que incluye un elemento biológico y un transductor, que convierte una respuesta biológica en una señal eléctrica. Ciertos biosensores implican una reacción bioquímica selectiva entre un material de unión específica (p. ej., un anticuerpo, un receptor, un ligando, etc.) y una especie objetivo (p. ej., una molécula, proteína, ADN, virus, bacteria, etc.), y el producto de esta reacción altamente específica se convierte en una cantidad mensurable mediante un transductor. Otros sensores pueden utilizar un material de unión no específica capaz de unirse a múltiples tipos o clases de moléculas u otros restos que puedan estar presentes en una muestra, tal como puede resultar útil en aplicaciones de detección química. En el presente documento, el término "material de funcionalización" puede usarse para referirse en general a materiales de unión tanto específica como no específica. Los métodos de transducción utilizados con biosensores pueden basarse en diversos principios, tales como electroquímico, óptico, eléctrico, acústico, etc. Entre estos, la transducción acústica ofrece una serie de ventajas potenciales, como el hecho de suceder a tiempo real, no precisar etiquetas y tener un bajo costo, además de presentar una alta sensibilidad.
Un dispositivo de ondas acústicas emplea una onda acústica que se propaga a través de la superficie de un material de funcionalización (p. ej., de unión específica) o sobre el mismo, de modo que cualquier cambio en las características de la trayectoria de propagación afecten a la velocidad y/o la amplitud de la onda. La presencia de material de funcionalización en o sobre una región activa de una región de un dispositivo de ondas acústicas permite unir un analito al material de funcionalización, alterando así la masa que vibra debido a la onda acústica y alterando las características de propagación de la onda (p. ej., velocidad, alterando así la frecuencia de resonancia). Los cambios de velocidad pueden monitorizarse midiendo la frecuencia, amplitud-magnitud o características de fase del dispositivo de ondas acústicas, y pueden correlacionarse con una cantidad física que se esté midiendo.
En el caso de un resonador piezoeléctrico de cristal, una onda acústica puede incorporar una onda acústica de volumen (BAW) que se propaga a través del interior de un material piezoeléctrico, o una onda acústica de superficie (SAW) que se propaga sobre la superficie del material piezoeléctrico. Los dispositivos SAW implican la transducción de ondas acústicas (que incluyen comúnmente ondas Rayleigh bidimensionales) utilizando transductores interdigitales a lo largo de la superficie de un material piezoeléctrico, estando confinadas las ondas a una profundidad de penetración de aproximadamente una longitud de onda. Normalmente, los dispositivos BAW se fabrican mediante técnicas con sistemas microelectromecánicos (MEMS) debido a la necesidad de proporcionar características a microescala, adecuadas para facilitar el funcionamiento a alta frecuencia. Los dispositivos BAW normalmente implican la transducción de una onda acústica utilizando electrodos dispuestos sobre unas superficies superior e inferior, opuestas, de un material piezoeléctrico. En un dispositivo BAW, pueden propagarse ondas en tres modos, a saber: un modo longitudinal (que incorpora ondas longitudinales, también denominadas ondas de compresión/extensión) y dos modos de cizalladura (que incorporan ondas de cizalladura, también denominadas ondas transversales), identificando los modos longitudinal y de cizalladura respectivamente vibraciones en las que el movimiento de las partículas es paralelo o perpendicular a la dirección de propagación de las ondas. El modo longitudinal se caracteriza por la compresión y elongación en la dirección de propagación, mientras que los modos de cizalladura consisten en un movimiento perpendicular a la dirección de propagación sin cambio local de volumen. Los modos longitudinal y de cizalladura se propagan a diferentes velocidades. En la práctica, estos modos no son necesariamente modos puros, ya que la vibración de las partículas, o polarización, no es ni puramente paralela ni puramente perpendicular a la dirección de propagación. Las características de propagación de los respectivos modos dependen de las propiedades del material y la dirección de propagación con respecto a las orientaciones axiales del cristal. La capacidad de crear desplazamientos de cizalladura resulta beneficiosa para el funcionamiento de los dispositivos de ondas acústicas con fluidos (p. ej., líquidos) porque las ondas de cizalladura no imparten una cantidad significativa de energía a los fluidos.
Ciertas películas piezoeléctricas delgadas son capaces de excitar la resonancia en modo tanto longitudinal como de cizalladura, tales como los materiales piezoeléctricos de estructura cristalina hexagonal que incluyen (pero no se limitan a) nitruro de aluminio (AIN) y óxido de zinc (ZnO). Para excitar una onda que incluya un modo de cizalladura usando un material piezoeléctrico dispuesto entre electrodos, un eje de polarización de una película piezoeléctrica delgada generalmente deberá ser no perpendicular a (p. ej., inclinado con respecto a) el plano de la película. En aplicaciones de detección biológica que involucran medios líquidos, se usa el componente de cizalladura del resonador. En tales aplicaciones, el material piezoeléctrico puede cultivarse con una distribución de orientación del eje
c que no sea perpendicular con respecto a una cara de un sustrato subyacente, para permitir que una estructura de resonador BAW presente una respuesta dominante de cizalladura ante la aplicación de una señal de corriente alterna a través de los electrodos del mismo.
La fabricación de un dispositivo resonador BAW puede implicar depositar un reflector acústico sobre un sustrato, depositar un electrodo de lado inferior, cultivar (p. ej., mediante pulverización catódica u otros métodos apropiados) un material piezoeléctrico, depositar un electrodo de lado superior. El cultivo del material piezoeléctrico podría hacerse mediante deposición química de vapor (CVD), pulverización catódica reactiva con magnetrón RF (p. ej., de iones de Al en un entorno de gas nitrógeno), etc. Estas técnicas son capaces de formar capas uniformemente gruesas (p. ej., material piezoeléctrico mediante pulverización catódica), aunque algunas capas pueden tener porciones con diferentes alturas dependiendo de la topografía de una superficie de deposición de material subyacente. Por ejemplo, un electrodo de lado inferior podría no cubrir la totalidad del reflector acústico subyacente, de manera que una superficie de deposición de material que incluya las anteriores capas sobre un sustrato podrá incluir material de electrodo de lado inferior que esté ligeramente elevado con respecto a una superficie superior del reflector acústico. Tras aplicar un material piezoeléctrico uniformemente grueso sobre la superficie de deposición de material, las porciones del material piezoeléctrico colocadas sobre el electrodo de lado inferior quedarán elevadas con respecto a otras porciones del material piezoeléctrico que no estén superpuestas al electrodo del lado inferior.
Los modos de vibración de los dispositivos resonadores BAW de tipo sólidamente montado (SMR) se determinan basándose en la suposición de que el material piezoeléctrico es una placa infinita, definida por las dimensiones de los electrodos dispuestos encima y debajo del material piezoeléctrico formando una región activa. Fuera de la región activa, el dispositivo resonador BAW está fijado mecánicamente (p. ej., restringido mecánicamente para que no pueda moverse libremente) en la dirección lateral debido a la presencia de material piezoeléctrico limitando una periferia de la región activa. Para un dispositivo resonador BAW que vibre con un modo mixto longitudinal y de cizalladura, esta fijación mecánica tiene el potencial de degradar una respuesta de modo de cizalladura deseada en un plano del material piezoeléctrico. En particular, tal fijación mecánica tiende a amortiguar las vibraciones del modo de cizalladura (p. ej., respuesta del modo de cizalladura, desplazamiento de cizalladura, etc.) de la región activa, limitando de este modo la sensibilidad y el rendimiento del dispositivo resonador BAW.
Por consiguiente, existe la necesidad de dispositivos de ondas acústicas mejorados capaces de mejorar las vibraciones del modo de cizalladura, por ejemplo para aplicaciones de detección biológica o detección bioquímica, que superen las limitaciones asociadas con los dispositivos convencionales.
El documento US 2002/0190814 A1 da a conocer una depresión formada en un sustrato que comprende una oblea de silicio, estando formada una capa delgada de óxido de silicio sobre una superficie de la misma. Una estructura intercalada, que comprende una capa piezoeléctrica y unos electrodos superior e inferior unidos a ambas superficies de la capa piezoeléctrica, está dispuesta a caballo por encima de la depresión. La superficie superior del electrodo inferior y la superficie inferior de la capa piezoeléctrica, unidas a la superficie superior del electrodo inferior, están tratadas de modo que la variación eficaz de la altura de las mismas sea igual a 25 nm o menos. El espesor del electrodo inferior se establece en 150 nm o menos.
El documento US 2006/0125489 A1 da a conocer un dispositivo para detectar al menos una sustancia de un fluido que incluye al menos un resonador piezoacústico con al menos una capa piezoeléctrica, un electrodo dispuesto sobre la capa piezoeléctrica, al menos otro electrodo dispuesto sobre la capa piezoeléctrica y una sección de superficie utilizada para la absorción de la sustancia del fluido. La capa piezoeléctrica, los electrodos y la sección de superficie están dispuestos de tal manera que el control eléctrico de los electrodos conduzca a una oscilación del resonador a una frecuencia de resonancia que dependa de la cantidad de sustancia absorbida en la sección de superficie. El espesor de la capa bioeléctrica está en la región de 0,5 a 20 pm y la frecuencia de resonancia de la oscilación varía de 500 MHz a 2 GHz. El dispositivo es un sensor de masa con un resonador piezoacústico de película delgada de alta frecuencia.
El documento US 2005/0148065 A1 da a conocer sistemas y métodos para detectar la presencia de biomoléculas en una muestra, usando biosensores que incorporan resonadores con superficies funcionalizadas para que reaccionen con biomoléculas diana. En una realización, un dispositivo incluye un resonador piezoeléctrico que tiene una superficie funcionalizada configurada para reaccionar con moléculas diana, cambiando de este modo la masa y/o carga del resonador, lo que consecuentemente cambia la respuesta de frecuencia del resonador. Se compara con una referencia la respuesta de frecuencia del resonador tras la exposición a una muestra, tal como la respuesta de frecuencia antes de la exposición a la muestra, una respuesta de frecuencia de referencia almacenada o la respuesta de frecuencia de un resonador de control.
Sumario
La presente invención está definida en las reivindicaciones.
La presente divulgación proporciona un resonador acústico con fijación mecánica reducida de una región activa, para una respuesta mejorada durante el modo de cizalladura. Más específicamente, la presente divulgación proporciona
un dispositivo resonador BAW sólidamente montado con una región activa de material piezoeléctrico rodeada lateralmente por una región inactiva con un espesor reducido de material piezoeléctrico, de modo que al menos una porción superior de la región inactiva a lo largo de un límite de la región esté desprovista de material piezoeléctrico. El dispositivo resonador proporciona una discontinuidad a lo largo de los bordes laterales opuestos del material piezoeléctrico de la región activa, para reducir la fijación mecánica de la región activa en una dirección de desplazamiento lateral máximo durante el funcionamiento en el modo de cizalladura. Aumentar el aislamiento mecánico de la región activa del material piezoeléctrico de un dispositivo resonador (p. ej., BAW) de ondas acústicas disminuye la amortiguación mecánica de vibraciones laterales en la región activa, lo que proporciona una respuesta mejorada durante el modo de cizalladura que puede beneficiar al rendimiento del sensor en un entorno líquido.
En un aspecto, se define un dispositivo resonador de sistemas microelectromecánicos (MEMS) en la reivindicación 1.
En ciertas realizaciones, la al menos una porción del material piezoeléctrico dispuesto entre el electrodo de lado superior y el electrodo de lado inferior comprende un espesor nominal; y al menos una porción de un perímetro lateral de la región activa está delimitada por una porción de espesor reducido del material piezoeléctrico, que tiene un espesor en un intervalo del 0 % a aproximadamente el 50 % del espesor nominal.
En ciertas realizaciones, la al menos una discontinuidad rodea al menos aproximadamente el 60 % de un perímetro de la región activa.
En ciertas realizaciones, la estructura de resonador de ondas acústicas de volumen comprende una estructura de reflector acústico dispuesta entre el sustrato y el electrodo de lado inferior. En ciertas realizaciones, el sustrato define una cavidad y una capa de soporte está dispuesta entre la cavidad y la estructura de resonador de ondas acústicas de volumen.
En ciertas realizaciones, la región activa comprende una longitud paralela a la dirección de desplazamiento lateral máximo durante el funcionamiento en el modo de cizalladura de la estructura de resonador de ondas acústicas de volumen; la región activa comprende una anchura perpendicular a la longitud; y la longitud es mayor que la anchura.
En ciertas realizaciones, la región activa comprende una longitud paralela a la dirección de desplazamiento lateral máximo durante el funcionamiento en el modo de cizalladura de la estructura de resonador de ondas acústicas de volumen, y comprende una anchura perpendicular a la longitud; y el material piezoeléctrico comprende al menos una porción de anclaje que se extiende en una dirección perpendicular a la longitud de la región activa, y que hace contacto con la región activa a medio camino entre los extremos longitudinales de la región activa. En ciertas realizaciones, al menos una porción de al menos uno del electrodo de lado superior o el electrodo de lado inferior se extiende a lo largo de al menos una porción de anclaje del material piezoeléctrico. En ciertas realizaciones, el dispositivo resonador de MEMS comprende adicionalmente un material dieléctrico dispuesto sobre los bordes laterales de la región activa. En ciertas realizaciones, una capa de hermeticidad está dispuesta sobre al menos una porción de al menos uno de: el electrodo de lado superior, el electrodo de lado inferior, o al menos un borde lateral de la región activa.
En ciertas realizaciones, un dispositivo fluídico comprende el dispositivo resonador de MEMS; al menos un material de funcionalización dispuesto sobre al menos una porción de la región activa; y un canal fluídico que contiene la región activa. En ciertas realizaciones, el al menos un material de funcionalización comprende al menos uno de un material de unión específica o un material de unión no específica. En ciertas realizaciones, el dispositivo fluídico comprende adicionalmente una monocapa autoensamblada dispuesta entre el al menos un material de funcionalización y el electrodo de lado superior. En ciertas realizaciones, el dispositivo fluídico comprende adicionalmente una capa de interfaz dispuesta entre el electrodo de lado superior y la monocapa autoensamblada.
En otro aspecto, se define un método para la detección biológica o química en la reivindicación 12.
En otro aspecto, se define un método para fabricar un dispositivo resonador de sistemas microelectromecánicos (MEMS) en la reivindicación 13.
En ciertas realizaciones, el método comprende adicionalmente depositar una capa de hermeticidad sobre al menos una porción de al menos uno de: el electrodo de lado superior, el electrodo de lado inferior, o al menos un borde lateral de la región activa. En ciertas realizaciones, el método comprende adicionalmente formar una monocapa autoensamblada sobre al menos una porción del electrodo de lado superior, y aplicar al menos un material de funcionalización sobre al menos una porción de la monocapa autoensamblada, en donde se hace coincidir con la región activa al menos una porción del al menos un material de funcionalización.
En otro aspecto, pueden combinarse cualquiera de los aspectos anteriores y/o diversos aspectos separados y características descritos en el presente documento, para obtener una ventaja adicional. Cualquiera de las diversas características y elementos dados a conocer en el presente documento puede combinarse con una o más características y elementos dados a conocer, a menos que se indique lo contrario en el presente documento.
Los expertos en la materia apreciarán el alcance de la presente divulgación y serán conscientes de aspectos
adicionales de la misma tras leer la siguiente descripción detallada de las realizaciones preferidas, en asociación con las figuras adjuntas.
Breve descripción de los dibujos
Las figuras adjuntas incorporadas en la presente memoria descriptiva y que forman parte de la misma ilustran diversos aspectos de la divulgación y, junto con la descripción, sirven para explicar los principios de la divulgación.
La FIG. 1A es una vista esquemática en perspectiva superior de al menos una porción de un dispositivo resonador de ondas acústicas de volumen (BAW) sólidamente montado, que incluye material piezoeléctrico de una región activa que está rodeada periférica y continuamente por un mismo espesor de material piezoeléctrico de una región inactiva que hace contacto con la región activa, para que sirva como un dispositivo de comparación destinado a proporcionar contexto para las realizaciones de la presente divulgación posteriormente descritas.
La FIG. 1B es una vista esquemática en sección transversal del dispositivo de la FIG. 1A tomada a lo largo de la línea de sección "A"-"A" de la FIG. 1A.
La FIG. 1C es una vista esquemática en sección transversal del dispositivo de la FIG. 1A tomada a lo largo de la línea de sección "B"-"B" de la FIG. 1A.
La FIG. 2A es una vista esquemática en perspectiva superior de al menos una porción de un dispositivo resonador BAW sólidamente montado de acuerdo con una realización, teniendo el dispositivo resonador BAW una región activa rectangular que incluye un material piezoeléctrico y está rodeada lateralmente por una región inactiva que está desprovista de (es decir, incluye un espesor nulo de) material piezoeléctrico, proporcionando así una discontinuidad a lo largo de los bordes laterales opuestos del material piezoeléctrico de la región activa para reducir la fijación mecánica de la región activa en una dirección de desplazamiento lateral máximo, durante el funcionamiento en el modo de cizalladura.
La FIG. 2B es una vista esquemática en sección transversal del dispositivo de la FIG. 2A tomada a lo largo de la línea de sección "C"-"C" de la FIG. 2A.
La FIG. 2C es una vista esquemática en sección transversal del dispositivo de la FIG. 2A tomada a lo largo de la línea de sección "D"-"D" de la FIG. 2A.
La FIG. 3A es una vista esquemática en perspectiva superior de al menos una porción de un dispositivo resonador BAW sólidamente montado de acuerdo con otra realización, teniendo el dispositivo resonador BAW una región activa rectangular que incluye un material piezoeléctrico y está rodeada lateralmente por una región inactiva que está desprovista de (es decir, incluye un espesor nulo de) material piezoeléctrico en un único rebaje que rodea la región activa, con trazas para un electrodo de lado superior que se extiende a lo largo de las paredes laterales y una base del rebaje único, y proporcionando el rebaje único una discontinuidad a lo largo de los bordes laterales opuestos de la región activa para reducir la fijación mecánica de la región activa en una dirección de desplazamiento máximo durante la operación en modo de cizalladura.
La FIG. 3B es una vista esquemática en sección transversal del dispositivo de la FIG. 3A tomada a lo largo de la línea de sección "E"-"E" de la FIG. 3A.
La FIG. 3C es una vista esquemática en sección transversal del dispositivo de la FIG. 3A tomada a lo largo de la línea de sección "F"-"F" de la FIG. 3A.
La FIG. 4A es una vista esquemática en perspectiva superior de al menos una porción de un dispositivo resonador BAW sólidamente montado de acuerdo con otra realización, teniendo el dispositivo resonador BAW una región activa rectangular que incluye un material piezoeléctrico y está desprovista de (es decir, incluye un espesor nulo de) material piezoeléctrico en una primera y segunda porciones de rebaje separadas por unos anclajes de material piezoeléctrico, con trazas para un electrodo de lado superior que se extiende a lo largo de las superficies superiores de los anclajes, y proporcionando la primera y segunda porciones de rebaje una discontinuidad a lo largo de los bordes laterales opuestos de la región activa en una dirección de desplazamiento máximo durante la operación en modo de cizalladura.
La FIG. 4B es una vista esquemática en sección transversal del dispositivo de la FIG. 4A tomada a lo largo de la línea de sección "G"-"G" de la FIG. 4A.
La FIG. 4C es una vista esquemática en sección transversal del dispositivo de la FIG. 4A tomada a lo largo de la línea de sección "H"-"H" de la FIG. 4A.
La FIG. 5 es una vista esquemática en perspectiva superior de al menos una porción de un dispositivo resonador BAW sólidamente montado de acuerdo con otra realización, teniendo el dispositivo resonador BAW una región activa elíptica que incluye un material piezoeléctrico y está desprovista de (es decir, incluye un espesor nulo de) material piezoeléctrico en una primera y segunda porciones de rebaje separadas por unos anclajes de material piezoeléctrico, con trazas para un electrodo de lado superior que se extiende a lo largo de las superficies superiores de los anclajes, y proporcionando la primera y segunda porciones de rebaje una discontinuidad a lo largo de los bordes laterales opuestos de la región activa en una dirección de desplazamiento máximo durante la operación en modo de cizalladura.
La FIG. 6A es una vista esquemática en perspectiva superior de al menos una porción de un dispositivo resonador BAW de tipo FBAR de acuerdo con otra realización, incluyendo el dispositivo resonador BAW una región activa rectangular dispuesta sobre una capa de soporte que abarca una cavidad en un sustrato, incluyendo la región activa un material piezoeléctrico y estando rodeada lateralmente por una región inactiva que está desprovista de (es decir, incluye un espesor nulo de) material piezoeléctrico, proporcionando así una discontinuidad a lo largo de los bordes laterales opuestos del material piezoeléctrico de la región activa para reducir la fijación mecánica de la
región activa en una dirección de desplazamiento lateral máximo, durante el funcionamiento en el modo de cizalladura.
La FIG. 6B es una vista esquemática en sección transversal del dispositivo de la FIG. 6A tomada a lo largo de la línea de sección "I"-"I" de la FIG. 6A.
La FIG. 6C es una vista esquemática en sección transversal del dispositivo de la FIG. 6A tomada a lo largo de la línea de sección "J"-"J" de la FIG. 6A.
La FIG. 7 es una vista esquemática en sección transversal de una porción superior de un dispositivo resonador BAW de MEMS de acuerdo con una realización de la presente divulgación, que incluye un electrodo de lado superior sobre el que está superpuesta una capa de hermeticidad, una capa de interfaz, una monocapa autoensamblada y un material de funcionalización (p. ej., de unión específica).
La FIG. 8 es una vista esquemática en sección transversal de una porción de un dispositivo fluídico (p. ej., un dispositivo sensor bioquímico) que incluye un canal microfluídico delimitado desde abajo por un dispositivo resonador BAW sólidamente montado sobre el que está superpuesto un material de funcionalización, delimitado lateralmente por paredes y delimitado por arriba por una capa de cubierta o de tapa que define unos orificios fluídicos, de acuerdo con una realización de la presente divulgación.
Descripción detallada
Las realizaciones expuestas a continuación representan la información necesaria para permitir a los expertos en la materia poner en práctica las realizaciones, e ilustran el mejor modo de puesta en práctica de las realizaciones. Al leer la siguiente descripción a la luz de las figuras adjuntas, los expertos en la materia comprenderán los conceptos de la divulgación y reconocerán aplicaciones de estos conceptos que no se tratan particularmente en el presente documento. Debe comprenderse que estos conceptos y aplicaciones están dentro del alcance de la divulgación y las reivindicaciones adjuntas.
Debe comprenderse que, aunque los términos primer/o/a, segundo/a, etc. pueden usarse en el presente documento para describir diversos elementos, estos elementos no deberán verse limitados por estos términos. Estos términos solo se usan para distinguir un elemento de otro. Por ejemplo, un primer elemento podría denominarse segundo elemento, y, de manera similar, un segundo elemento podría denominarse primer elemento, sin salirse del alcance de la presente divulgación. Tal como se usa en el presente documento, el término "y/o" incluye todas y cada una de las combinaciones de uno o varios de los elementos asociados enumerados.
Debe comprenderse que cuando se haga referencia a que un elemento está "conectado" o "acoplado" a otro elemento, puede estar conectado o acoplado directamente al otro elemento o pueden estar presentes elementos intermedios. Por el contrario, cuando se haga referencia a que un elemento está "conectado directamente" o "acoplado directamente" a otro elemento, no estarán presentes elementos intermedios.
Debe comprenderse que, aunque los términos "superior", "inferior", "parte inferior", "intermedio", "central" "parte superior", y similares pueden utilizarse en el presente documento para describir diversos elementos, estos elementos no deberán verse limitados por estos términos. Estos términos solo se usan para distinguir un elemento de otro. Por ejemplo, un primer elemento podría denominarse elemento "superior" y, de manera similar, un segundo elemento podría denominarse elemento "superior" dependiendo de las orientaciones relativas de dichos elementos, sin salirse del alcance de la presente divulgación.
La terminología utilizada en el presente documento tiene la finalidad de describir realizaciones particulares solamente, y no pretende limitar la divulgación. Tal como se usa en el presente documento, las formas en singular "un", "uno/una" y "el/la" están destinadas a incluir también las formas en plural, a menos que el contexto indique claramente lo contrario. Debe comprenderse adicionalmente que los términos "comprende", "que comprende/comprendiendo", "incluye", y/o "que incluye/incluyendo", cuando se utilicen en el presente documento, especifican la presencia de características, números enteros, etapas, operaciones, elementos y/o componentes expresados, pero no excluyen la presencia o adición de una o varias características adicionales, números enteros, etapas, operaciones, elementos, componentes y/o grupos de los mismos.
A menos que se defina de otro modo, todos los términos (incluyendo los términos técnicos y científicos) utilizados en el presente documento tienen el mismo significado entendido comúnmente por un experto en la materia a la que pertenece la presente divulgación. Debe comprenderse adicionalmente que los significados de términos utilizados en el presente documento deben interpretarse de manera coherente con su significado en el contexto de la técnica relevante, y que no se interpretarán en un sentido idealizado o excesivamente formal a menos que así se defina expresamente en el presente documento.
La presente divulgación proporciona un resonador acústico con fijación mecánica reducida de una región activa, para una respuesta mejorada durante el modo de cizalladura. Más específicamente, la presente divulgación proporciona un dispositivo resonador BAW sólidamente montado con una región activa de material piezoeléctrico rodeada lateralmente por una región inactiva con un espesor reducido de material piezoeléctrico, de manera que al menos una porción superior de la región inactiva a lo largo de un límite de la región activa esté desprovista de material piezoeléctrico. El dispositivo resonador proporciona una discontinuidad a lo largo de los bordes laterales opuestos del
material piezoeléctrico de la región activa, para reducir la fijación mecánica de la región activa en una dirección de desplazamiento lateral máximo durante el funcionamiento en el modo de cizalladura. Aumentar el aislamiento mecánico de la región activa del material piezoeléctrico de un dispositivo resonador de ondas acústicas (p. ej., de tipo BAW) disminuye la amortiguación mecánica de las vibraciones laterales de la región activa, lo que proporciona una respuesta mejorada durante el modo de cizalladura que puede beneficiar al rendimiento del sensor en un entorno líquido.
Como se analiza a continuación en mayor detalle, los dispositivos resonadores de acuerdo con las realizaciones dadas a conocer en el presente documento incluyen un sustrato con una estructura de resonador montada sobre el mismo. Al menos una parte inferior o porción inferior de la estructura de resonador está fijada al sustrato, pero al menos una porción superior de una región activa de la estructura de resonador no está restringida a lo largo de las regiones de borde lateral opuestas de material piezoeléctrico, para reducir la fijación mecánica. Dicho de otra manera, en ciertas realizaciones, al menos una porción superior de las regiones de borde lateral opuestas de material piezoeléctrico de la región activa tiene un límite bien definido con una interfaz de aire o líquido. La fijación mecánica reducida de la región activa puede servir para mejorar la vibración durante el modo de cizalladura, mejorando así la sensibilidad y el límite de detección del dispositivo resonador cuando esté detectando en un entorno líquido. Pueden hacerse conexiones eléctricas de entrada y/o de salida con respecto a una región activa de un dispositivo resonador con fijación mecánica reducida, utilizando trazas accesibles a una superficie superior del dispositivo resonador y/o utilizando vías eléctricamente conductoras que se extiendan a través de un sustrato (p. ej., vías a través de silicio o similares).
En ciertas realizaciones, una estructura de resonador BAW comprende un material piezoeléctrico de estructura cristalina hexagonal (p. ej., nitruro de aluminio u óxido de zinc) que incluye un eje c que tiene una distribución de orientación que no es paralela (ni perpendicular) a la normal de una cara de un sustrato sobre el que está formado el material piezoeléctrico, proporcionando así un resonador acústico de modo casi de cizalladura. Tal distribución de orientación del eje c permite crear desplazamientos de cizalladura en ciertas frecuencias (lo que permite de manera beneficiosa el funcionamiento en entornos líquidos de un dispositivo sensor de tipo resonador BAW), y permite crear desplazamientos longitudinales en otras frecuencias (que pueden ser útiles para promover el mezclado localizado). En la Solicitud de Patente de Estados Unidos n.° 15/293.063, presentada el 13 de octubre de 2016, se describen métodos para formar materiales piezoeléctricos de estructura cristalina hexagonal que incluyen un eje c con una distribución de orientación predominantemente no paralela a la normal de una cara de un sustrato, incorporándose la anterior solicitud en el presente documento como referencia. En la Patente de Estados Unidos n.° 4.640.756, presentada el 3 de febrero de 1987, se describen métodos adicionales para formar un material piezoeléctrico con una orientación inclinada del eje c, incorporándose la anterior patente en el presente documento como referencia. Antes de describir realizaciones de la presente divulgación que proporcionan una fijación mecánica reducida de una región activa, se describirá una estructura de comparación (es decir, como se ilustra en las FIGS. 1A-1C).
Las FIGS. 1A-1C ilustran esquemáticamente al menos una porción de un dispositivo resonador BAW 10, sólidamente montado, que sirve a modo de dispositivo de comparación destinado a proporcionar contexto para las realizaciones posteriormente descritas de la presente divulgación. El dispositivo resonador BAW 10 incluye un sustrato 12 (p. ej., habitualmente silicio u otro material semiconductor) y una estructura de resonador 14 dispuesta sobre el sustrato 12. La estructura de resonador 14 incluye un reflector acústico 16 (p. ej., un espejo acústico) dispuesto sobre el sustrato 12. El reflector acústico 16 incluye unas capas de baja impedancia acústica 18 y unas capas de alta impedancia acústica 20 alternadas, preferentemente delimitadas en las partes superior e inferior por unas capas de baja impedancia acústica 18, como se muestra en las FIGS. 1B y 1C. En ciertas realizaciones, un reflector acústico 16 incluye unas capas alternas 18, 20 de diferentes materiales (p. ej., oxicarburo de silicio [SiOC], nitruro de silicio [Si3N4], dióxido de silicio [SiO2], nitruro de aluminio [AIN], tungsteno [W] y molibdeno [Mo]) con diferentes valores de impedancia acústica, opcionalmente incorporadas en un espejo de Bragg de cuarto de onda, depositadas sobre el sustrato 12. En ciertas realizaciones, pueden utilizarse otros tipos de reflectores acústicos.
La estructura de resonador 14 incluye adicionalmente un material piezoeléctrico 22 dispuesto sobre el reflector acústico 16, un electrodo de lado inferior 24 dispuesto a lo largo de una porción de una superficie inferior del material piezoeléctrico 22 (es decir, entre el reflector acústico 16 y el material piezoeléctrico 22), y un electrodo de lado superior 26 dispuesto a lo largo de una porción de una superficie superior del material piezoeléctrico 22. Un área en la que el material piezoeléctrico 22 está dispuesto entre porciones superpuestas del electrodo de lado superior 26 y el electrodo de lado inferior 24 define una región activa 28 del dispositivo resonador 10. El reflector acústico 16 sirve para reflejar ondas acústicas y por lo tanto para reducir o evitar la disipación de tales ondas sobre el sustrato 12. Las etapas para formar el dispositivo resonador 10 pueden incluir depositar el reflector acústico 16 sobre el sustrato 12, depositar el electrodo de lado inferior 24, cultivar (p. ej., mediante pulverización catódica u otros métodos apropiados) del material piezoeléctrico 22, tras lo cual se deposita el electrodo de lado superior 26.
El material piezoeléctrico 22 puede incluir material de nitruro de aluminio o de óxido de zinc que incluya un eje c 30 (representado por una flecha blanca) con una distribución de orientación que sea predominantemente no paralela (y también puede ser no perpendicular) a la normal de una cara del sustrato 12 (mostrada en la FIG. 1C). Tal distribución de orientación del eje c permite crear desplazamientos de cizalladura, lo que permite de manera beneficiosa el funcionamiento del dispositivo resonador 10 con líquidos, por ejemplo en un sensor y/o un dispositivo microfluídico. Aunque el eje c 30 del material piezoeléctrico 22 mostrado en la FIG. 1B parece tener una orientación vertical, debe
observarse que el eje c 30 está inclinado con respecto a la vista, como resulta evidente al revisar la FIG. 1C.
El electrodo de lado inferior 24 comprende un segmento activo 32, una traza 34, y una vía conductora 36 en comunicación eléctricamente conductora entre sí. El segmento activo 32 del electrodo de lado inferior 24 es generalmente circular, pero podría tener cualquier otra forma (p. ej., rectangular, elíptica, poligonal irregular, etc.). La traza 34 tiene un primer extremo próximo al segmento activo 32 y un segundo extremo próximo a la vía conductora 36, y proporciona comunicación eléctricamente conductora entre el segmento activo 32 y la vía conductora 36. La vía conductora 36 se extiende hacia arriba a través del material piezoeléctrico 22 (p. ej., desde una superficie inferior hasta una superficie superior del material piezoeléctrico 22).
El electrodo de lado superior 26 comprende una porción central activa 38, una traza izquierda 40A que se extiende desde un lado izquierdo de la porción central activa 38 y una traza derecha 40B que se extiende desde un lado derecho de la porción central activa 38. La porción central activa 38 del electrodo de lado superior 26 es generalmente circular pero podría tener cualquier otra forma (p. ej., rectangular, elíptica, poligonal irregular, etc.). El segmento activo 32 del electrodo de lado inferior 24 y la porción central activa 38 del electrodo de lado superior 26 pueden tener aproximadamente el mismo tamaño y forma. La traza izquierda 40A y la derecha 40B se extienden en direcciones opuestas. El electrodo de lado superior 26, en particular en la traza izquierda 40A y la traza derecha 40B, está configurado de manera que se extienda a lo largo de una dirección que es sustancialmente perpendicular a una orientación del electrodo de lado inferior 24 (p. ej., la traza 34 del electrodo de lado inferior 24).
Tal como se muestra en las FIGS. 1B y 1C, la región activa 28 incluye un límite de región activa 44 y está rodeada por todos los lados por una región inactiva 42. El material piezoeléctrico 22 se extiende continuamente desde la región activa 28 hasta la región inactiva 42. Debido a este contacto circundante, la respuesta de cizalladura (p. ej., modo de cizalladura, vibraciones de cizalladura, desplazamiento de cizalladura, desplazamiento lateral máximo durante el funcionamiento en el modo de cizalladura, etc.) del material piezoeléctrico 22 en la región activa 28 se ve amortiguada por el material piezoeléctrico 22 en la región inactiva 42, lo que limita el desplazamiento de cizalladura y limita potencialmente la sensibilidad de detección y el rendimiento del dispositivo resonador 10.
Habiendo presentado el dispositivo resonador 10 como una estructura de comparación, se describirán ahora las realizaciones de la presente descripción en conexión con las figuras restantes.
Las FIGS. 2A-2C ilustran al menos una porción de un dispositivo resonador BAW 46 sólidamente montado de acuerdo con una realización. El dispositivo resonador BAW 46 tiene una región activa rectangular 28 que incluye un material piezoeléctrico 22 y está rodeada lateralmente por una región inactiva 42 desprovista de (es decir, que incluye un espesor nulo de) material piezoeléctrico. La apariencia del material piezoeléctrico 22 recuerda a una mesa. Tal configuración proporciona una discontinuidad a lo largo de los bordes laterales opuestos del material piezoeléctrico 22 de la región activa 28, para reducir la fijación mecánica de la región activa 28 en una dirección de desplazamiento lateral máximo durante la operación en modo de cizalladura (p. ej., en una dirección de izquierda a derecha de la región activa 28 mostrada en la FIG. 2C).
El dispositivo resonador BAW 46 incluye un sustrato 12 (p. ej., habitualmente silicio u otro material semiconductor) y una estructura de resonador 14 dispuesta sobre el sustrato 12. La estructura de resonador 14 incluye un reflector acústico 16 dispuesto sobre el sustrato 12. El reflector acústico 16 incluye unas capas de baja impedancia acústica 18 y unas capas de alta impedancia acústica 20 alternadas, como se muestra en las FIGs . 2b y 2C. En ciertas realizaciones, un reflector acústico 16 incluye unas finas capas alternas 18, 20 de diferentes materiales (p. ej., SiOC, Si3N4, SiO2, AlN, W y Mo), opcionalmente embebidas en un espejo de Bragg de cuarto de onda, depositadas sobre el sustrato 12. En ciertas realizaciones, pueden utilizarse otros tipos de reflectores acústicos.
La estructura de resonador 14 incluye adicionalmente el material piezoeléctrico 22 dispuesto sobre el reflector acústico 16, un electrodo de lado inferior 24 dispuesto a lo largo de una porción de una superficie inferior del material piezoeléctrico 22 (entre el reflector acústico 16 y el material piezoeléctrico 22), y un electrodo de lado superior 26 dispuesto a lo largo de una porción de una superficie superior del material piezoeléctrico 22. Un área en la que el material piezoeléctrico 22 está dispuesto entre porciones superpuestas del electrodo de lado superior 26 y el electrodo de lado inferior 24 define una región activa 28 del dispositivo resonador BAW 46. El reflector acústico 16 sirve para reflejar ondas acústicas y por lo tanto para reducir o evitar la disipación de tales ondas sobre el sustrato 12. El material piezoeléctrico 22 dispuesto entre el electrodo de lado superior 26 y el electrodo de lado inferior 24 tiene un espesor nominal. Las etapas para formar el dispositivo resonador BAW 46 pueden incluir depositar el reflector acústico 16 sobre el sustrato 12, depositar el electrodo de lado inferior 24, cultivar (p. ej., mediante pulverización catódica u otros métodos apropiados) del material piezoeléctrico 22, tras lo cual se deposita el electrodo de lado superior 26.
En ciertas realizaciones, el material piezoeléctrico 22 comprende material de nitruro de aluminio u óxido de zinc que incluye un eje c 30 con una distribución de orientación que es predominantemente no paralela (y también puede ser no perpendicular) a la normal de una cara del sustrato 12 (p. ej., mostrado en la FIG. 2C). Tal distribución de orientación del eje c permite crear desplazamientos de cizalladura, lo que permite de manera beneficiosa el funcionamiento del dispositivo resonador BAW 46 con líquidos, por ejemplo en un sensor y/o un dispositivo microfluídico. El electrodo de lado inferior 24 comprende un segmento activo 32, una traza 34 y una vía eléctricamente conductora 36. El segmento
activo 32 del electrodo de lado inferior 24 es generalmente circular pero podría tener cualquier otra forma (p. ej., rectangular, elíptica, poligonal irregular, etc.). La traza 34 tiene un primer extremo próximo al segmento activo 32 y un segundo extremo opuesto al primer extremo próximo a la vía 36. Así, la traza 34 proporciona comunicación eléctricamente conductora entre el segmento activo 32 y la vía 36 (extendiéndose verticalmente a través de una o más capas hasta una superficie superior). El electrodo de lado inferior 24, en particular la traza 34, está configurado para extenderse a lo largo de una primera dirección (p. ej., de adelante hacia atrás en la FIG. 2B, o de izquierda a derecha en la FIG. 2C) en la misma dirección que una dirección de desplazamiento máximo de la región activa 28 durante el funcionamiento en el modo de cizalladura.
El electrodo de lado superior 26 incluye una porción central activa 38, una traza izquierda 40A que se extiende desde un lado izquierdo de la porción central activa 38 y una traza derecha 40B que se extiende desde un lado derecho de la porción central activa 38. La porción central activa 38 del electrodo de lado superior 26 es generalmente circular pero podría tener cualquier otra forma (p. ej., rectangular, elíptica, poligonal irregular, etc.). El segmento activo 32 del electrodo de lado inferior 24 y la porción central activa 38 del electrodo de lado superior 26 pueden tener aproximadamente el mismo tamaño y forma. La traza izquierda 40A y la derecha 40B se extienden en direcciones opuestas. El electrodo de lado superior 26, en particular en la traza izquierda 40A y la traza derecha 40B, está configurado para extenderse a lo largo de una segunda dirección (p. ej., de izquierda a derecha) perpendicular a la primera dirección. De esta forma, el electrodo de lado superior 26 se extiende en una dirección perpendicular a la del eje c 30 y/o electrodo de lado inferior 24 (p. ej., la traza 34 del electrodo de lado inferior 24).
El electrodo de lado inferior 24 y el electrodo de lado superior 26 podría ser un único metal o un metal con dos capas. Podría usarse una estructura de dos capas para mejorar el rendimiento eléctrico o para que actúe como una capa de parada de corrosión, protegiendo así el electrodo de lado inferior 24 mientras se definen características grabadas lateralmente.
Como se muestra en las FIGS. 2A-2C, la región activa 28 (p. ej., que incluye el material piezoeléctrico 22, el segmento activo 32 del electrodo de lado inferior 24 y la porción central activa 38 del electrodo de lado superior 26) incluye un límite de región activa 44 y tiene una forma rectangular, aunque puede proporcionarse una región activa con cualquier otra forma deseada (p. ej., circular, elíptica, etc.). La forma de la región activa 28 puede optimizarse basándose en la dirección de propagación de las ondas en el modo de cizalladura y en el desplazamiento superficial máximo a la frecuencia de interés. Cuando una región activa incorpora una forma rectangular o elíptica, la relación entre longitud y anchura puede optimizarse para mejorar la propagación de las ondas de cizalladura del dispositivo resonador BAW 46. También puede considerarse una longitud de onda deseada de una onda acústica a inducir, al optimizar las dimensiones de una región activa de un dispositivo resonador. Todavía con referencia a las FIGS. 2A-2C, la región activa rectangular 28 está orientada de tal manera que la longitud de la región activa 28 (siendo la longitud más ancha que la anchura) esté orientada en una dirección (p. ej., la dirección de cizalladura, que se extiende de adelante hacia atrás en la FIG. 2B, y se extiende de izquierda a derecha en la FIG. 2C), y una anchura de la región activa 28 esté orientada en otra dirección que sea perpendicular a la mencionada dirección.
En la realización mostrada en las FIGS. 2A-2C, el material piezoeléctrico 22 incorpora una mesa y su presencia está limitada a la región activa 28. Dicho de otra manera, el material piezoeléctrico 22 se extiende lateralmente solo hasta el límite de región activa 44. La región inactiva 42 del dispositivo resonador BAW 46 rodea la región activa 28. El espesor del material piezoeléctrico 22 en la región inactiva 42 es nulo (por lo tanto, menor que el espesor del material piezoeléctrico 22 en la región activa 28), de modo que la totalidad de la región inactiva 42 (incluyendo una porción superior de la misma) carece de material piezoeléctrico 22. En otras palabras, el material piezoeléctrico 22 presente en la región activa 28 tiene un espesor nominal, y al menos una porción del material piezoeléctrico 22 en la región inactiva 42 (p. ej., más allá de los lados opuestos de la región activa 28) puede tener un espesor en un intervalo del 0 % a aproximadamente el 50 % del espesor nominal. Esta diferencia de espesor define una discontinuidad en el material piezoeléctrico 22 a lo largo de una porción superior de los lados (p. ej., los bordes laterales opuestos) del material piezoeléctrico 22 de la región activa 28. En ciertas realizaciones, se proporciona una discontinuidad en el material piezoeléctrico 22 alrededor de al menos aproximadamente el 60 % de un perímetro de la región activa 28. La falta de material piezoeléctrico en la región inactiva 42 en contacto con al menos una porción superior del material piezoeléctrico 22 de la región activa 28 da como resultado que la región activa 28 experimente una fijación mecánica reducida, en una dirección (p. ej., la primera dirección) de desplazamiento lateral máximo durante el funcionamiento en el modo de cizalladura del dispositivo resonador BAW 46. En realizaciones alternativas, la reducción del material piezoeléctrico 22 en la región inactiva 42 puede ser nula, y puede extenderse continuamente desde el material piezoeléctrico 22 en la región activa 28 para proporcionar una fijación mecánica reducida de la región activa 28.
Todavía con referencia a las FIGS. 2A-2C, la traza izquierda 40A del electrodo de lado superior 26 incluye una porción vertical 48A y una porción horizontal 50A, y la traza derecha 40B del electrodo de lado superior 26 incluye una porción vertical 48B y una porción horizontal 50B. Para evitar el contacto eléctrico entre el electrodo de lado superior 26 y el electrodo de lado inferior 24, el dispositivo resonador BAW 46 incluye una capa de barrera 52 eléctricamente aislante (p. ej., óxido de aluminio [AbOa] depositado mediante ALD) que comprende una porción vertical 54 y una porción horizontal 56. La capa de barrera 52 está dispuesta generalmente debajo de porciones del electrodo de lado superior 26, excepto debajo de la porción central activa 38 que coincide con la región activa 28. La porción vertical 54 de la capa de barrera 52 se extiende alrededor de al menos una porción de la superficie lateral de la región activa 28, y se
extiende hacia arriba hasta al menos una altura de la superficie lateral de la región activa 28. La porción horizontal 56 de la capa de barrera 52 está posicionada para cubrir al menos una porción del reflector acústico 16. En ciertas realizaciones, es previsible el configurar la capa de barrera 52 de manera que sea más espesa que electrodo de lado inferior 24, de manera que pueda omitirse de la capa de barrera 52 una porción vertical 54, pero aun pueda evitarse que el electrodo de lado superior 26 haga contacto con el electrodo de lado inferior 24. Como se ha observado anteriormente, la capa de barrera 52 no está presente entre la porción central activa 38 del electrodo de lado superior 26 y la capa de material piezoeléctrico 22 (p. ej., depositando inicialmente la capa de barrera 52 sobre toda una superficie de deposición, y posteriormente grabando selectivamente la capa de barrera 52 en sentido opuesto a la región activa 28), para evitar la degradación del factor de calidad (Q) del resonador. Cabe señalar que el material piezoeléctrico 22 en la región activa 28 puede tener unas paredes laterales inclinadas (p. ej., más anchas en la base que en la parte superior), y en tal caso, las porciones verticales izquierda y derecha 48a , 48B del electrodo de lado superior 26, y/o la porción vertical 54 de la capa de barrera 52, también estarán inclinadas de manera que sigan los contornos laterales del material piezoeléctrico 22 en la región activa 28.
Las FIGS. 3A-3C ilustran al menos una porción de un dispositivo resonador BAW 58 sólidamente montado de acuerdo con otra realización, con una región activa rectangular 28 que se asemeja a una mesa rebajada o hundida y que está rodeada por un único rebaje continuo 60. La región activa rectangular 28 incluye un material piezoeléctrico 22 y está rodeada lateralmente por una región inactiva 42 desprovista de (es decir, que incluye un espesor nulo de) material piezoeléctrico 22 dentro del rebaje único 60 que rodea la región activa 28. Unas trazas eléctricas izquierda y derecha 40A, 40B en comunicación eléctricamente conductora con un electrodo de lado superior 26 se extienden a lo largo de las paredes laterales y la base del rebaje único 60. El rebaje único 60 proporciona una discontinuidad a lo largo de los bordes laterales opuestos de la región activa 28 para reducir la fijación mecánica de la región activa 28, en una dirección de desplazamiento máximo, durante el funcionamiento en el modo de cizalladura (p. ej., en paralelo a una dirección longitudinal de la región activa 28). La FIG. 3A incluye porciones rayadas con fines meramente ilustrativos.
Al igual que con la realización de las FIGS. 2A-2C, el dispositivo resonador BAW 58 mostrado en las FIGS. 3A-3C incluye un sustrato 12 y una estructura de resonador 14 dispuesta sobre el sustrato 12, con un reflector acústico 16 dispuesto entre los mismos. El reflector acústico 16 incluye unas capas de baja impedancia acústica 18 y unas capas de alta impedancia acústica 20 alternadas (mostradas en las FIGS. 3B y 3C). La estructura de resonador 14 incluye adicionalmente un electrodo de lado inferior 24 dispuesto sobre una porción del reflector acústico 16, el material piezoeléctrico 22 dispuesto sobre el electrodo de lado inferior 24 así como el reflector acústico 16, y el electrodo de lado superior 26 dispuesto sobre porciones del material piezoeléctrico 22. El material piezoeléctrico 22 incluye un eje c 30 que tiene una distribución de orientación que es predominantemente no paralela a la normal de una cara del sustrato 12. El electrodo de lado inferior 24 comprende un segmento activo 32, una traza 34 y una vía eléctricamente conductora 36, y el electrodo de lado superior incluye una porción central activa 38. La estructura de resonador 14 también incluye la región activa 28 definida por una porción del material piezoeléctrico 22 dispuesto entre el electrodo de lado inferior 24 y el electrodo de lado superior 26, rodeando la región inactiva 42 generalmente la región activa 28. Un límite de región activa 44 representa una extensión lateral de la región activa 28. Sobre las porciones del dispositivo resonador BAW 58 se proporciona adicionalmente una capa de barrera 52 eléctricamente aislante.
El rebaje único 60 está definido entre el material piezoeléctrico 22 en la región activa 28 y el material piezoeléctrico 22 en la región inactiva 42. Dicho de otra forma, el material piezoeléctrico 22 de la región activa 28 se extiende lateralmente hasta el límite de región activa 44, donde se ve interrumpido (p. ej., está ausente), y el material piezoeléctrico 22 continúa de nuevo en la región inactiva 42. Como se muestra en la FIG. 3A, el material piezoeléctrico 22 de la región inactiva 42 se proporciona con una forma que se asemeja a un marco rectangular que rodea el rebaje único 60, que rodea la zona activa 28. El espesor del material piezoeléctrico 22 en el rebaje único 60 de la región inactiva 42 pasa a ser nulo (incorporando así un valor menor que el espesor del material piezoeléctrico 22 en la región activa 28), de manera que la totalidad del rebaje único 60 (que incluye una porción superior de la región inactiva 42 que limita la región activa 28) esté desprovista de material piezoeléctrico 22. Dicho de otra forma, el material piezoeléctrico 22 en la región activa 28 tiene un espesor nominal, y al menos una porción del material piezoeléctrico 22 en la región inactiva 42 (es decir, en el rebaje único 60, que incluye los lados opuestos de la región activa 28) tiene un cero porciento del espesor nominal del material piezoeléctrico 22. Esto define una discontinuidad del material piezoeléctrico 22 a lo largo de una porción superior de los lados (p. ej., los bordes laterales opuestos) del material piezoeléctrico 22 de la región activa 28 (p. ej., que se extiende a lo largo de la mayoría de un perímetro de la región activa 28, tal como al menos aproximadamente el 60 %, al menos aproximadamente el 80 %, o al menos aproximadamente el 100 % del perímetro de la región activa 28). Por consiguiente, la región activa 28 experimenta una fijación mecánica reducida en una dirección (p. ej., la primera dirección) de desplazamiento lateral máximo durante el funcionamiento en el modo de cizalladura del dispositivo resonador BAW 58. En ciertas realizaciones, el material piezoeléctrico 22 está reducido en la región inactiva 42 por lo que limita la región activa 28 en una cantidad distinta de cero (p. ej., a un espesor de hasta el 50 % del espesor nominal), y se extiende continuamente desde el material piezoeléctrico 22 en la región activa 28, para proporcionar una fijación mecánica reducida de la región activa 28.
Todavía con referencia a las FIGS. 3A-3C, la traza izquierda 40A del electrodo de lado superior 26 incluye una porción vertical interior 48A, una porción vertical exterior 62a , una porción inferior horizontal 50A y una porción superior horizontal 64A. La traza derecha 40B del electrodo de lado superior 26 incluye de manera similar una porción vertical interior 48B, una porción vertical exterior 62B, una porción horizontal inferior 50B y una porción horizontal superior
64B.
Para evitar el contacto eléctrico entre el electrodo de lado superior 26 y el electrodo de lado inferior 24, se proporciona la capa de barrera 52 (p. ej., óxido de aluminio [AbOa]). La capa de barrera 52 incluye una porción vertical interior 54A, una porción vertical exterior 54B, una porción horizontal inferior 56A y una porción horizontal superior 56B. La porción horizontal inferior 56A de la capa de barrera 52 está dispuesta entre el reflector acústico 16 y las porciones horizontales inferiores 50A, 50B de las trazas izquierda y derecha 40A, 40B del electrodo lateral superior 26. La porción vertical interior 54A de la capa de barrera 52 está dispuesta entre (i) los laterales de cada uno del material piezoeléctrico 22 y el electrodo de lado inferior 24 y (ii) las porciones verticales interiores izquierda y derecha 48A, 48B del electrodo lateral superior 26. La porción vertical exterior 54B de la barrera la capa 52 está dispuesta entre (i) las porciones verticales exteriores 62A, 62B de las trazas izquierda y derecha 40A, 40B del electrodo de lado superior 26 y (ii) el material piezoeléctrico 22 en la región inactiva 42.
La porción vertical interior 54A de la capa de barrera 52 se extiende alrededor de al menos una porción de la superficie lateral de la región activa 28, y se extiende hacia arriba hasta al menos una altura de la superficie lateral de la región activa 28. En ciertas realizaciones, es previsible el configurar la capa de barrera 52 de manera que sea más espesa que electrodo de lado inferior 24, de modo que podrían omitirse la porción vertical interior 54A, la porción vertical exterior 54B y/o la porción horizontal superior 56B, pero todavía podrá evitarse el contacto eléctrico entre el electrodo de lado superior 26 y el electrodo de lado inferior 24.
Aunque las FIGS. 3A-3C ilustran el rebaje único 60 que rodea lateralmente la región activa 28, cabe señalar que, en ciertas realizaciones, pueden disponerse múltiples rebajes (o porciones de rebaje) que incluyan un espesor reducido de material piezoeléctrico (p. ej., reducido entre un 50 % y un 100 % con respecto a un espesor nominal de material piezoeléctrico en una región activa), a lo largo de la periferia de una región activa para reducir la fijación mecánica. Por ejemplo, pueden disponerse a lo largo de una periferia de la región activa un primer y segundo rebajes sustancialmente en forma de C o sustancialmente en forma de U. Pueden proporcionarse rebajes de acuerdo con otras configuraciones. Preferentemente, al menos la mayoría de un perímetro de una región activa (tal como al menos aproximadamente el 60 %, al menos aproximadamente el 80 %, o al menos aproximadamente el 100 % del perímetro de una región activa) está limitado por una región inactiva con un espesor reducido de material piezoeléctrico.
Las FIGS. 4A-4C ilustran al menos una porción de un dispositivo resonador BAW 66 sólidamente montado de acuerdo con otra realización, estando la mayoría de una región activa rectangular 28 rodeada periféricamente por dos primer y segundo rebajes (o porciones de rebaje) 60A, 60B discontinuos, separados por unos anclajes izquierdo y derecho 68A, 68B de material piezoeléctrico. Los rebajes 60A, 60B están desprovistos de (es decir, incluyen un espesor nulo de) un material piezoeléctrico 22 y proporcionan una discontinuidad a lo largo de los bordes laterales opuestos de la región activa 28 en una dirección de desplazamiento máximo durante el funcionamiento en el modo de cizalladura. Las trazas 40A, 40B para un electrodo de lado superior 26 se extienden a lo largo de las superficies superiores de los anclajes 68A, 68B, proporcionando el primer y segundo rebajes 60A, 60B una discontinuidad a lo largo de los bordes laterales opuestos de la región activa 28 en una dirección de desplazamiento máximo durante la operación en modo de cizalladura (p. ej., una primera dirección que se extiende en una dirección de adelante hacia atrás en la FIG. 4B, o en una dirección de lado a lado en la FIG. 4C). El material piezoeléctrico 22 incluye un eje c 30 que tiene una distribución de orientación que es predominantemente no paralela a la normal de una cara del sustrato 12. El electrodo de lado inferior 24 comprende un segmento activo 32, una traza 34 y una vía eléctricamente conductora 36, mientras que el electrodo de lado superior incluye una porción central activa 38. La FIG. 4A incluye porciones rayadas con fines meramente ilustrativos.
Al igual que con la realización de las FIGS. 2A-2C y las FIGS. 3A-3C, el dispositivo resonador BAW 66 mostrado en las FIGS. 4A-4C incluye un sustrato 12 y una estructura de resonador 14 dispuesta sobre el sustrato 12, con un reflector acústico 16 dispuesto entre los mismos. El reflector acústico 16 incluye unas capas de baja impedancia acústica 18 y unas capas de alta impedancia acústica 20 alternadas (mostradas en las FIGS. 4B y 4C). La estructura de resonador 14 incluye adicionalmente un electrodo de lado inferior 24 dispuesto sobre una porción del reflector acústico 16, un material piezoeléctrico 22 dispuesto sobre el electrodo de lado inferior 24 así como el reflector acústico 16, y un electrodo de lado superior 26 dispuesto sobre porciones del material piezoeléctrico 22. La estructura de resonador 14 también incluye la región activa 28 definida por una porción del material piezoeléctrico 22 dispuesto entre el electrodo de lado inferior 24 y el electrodo de lado superior 26, rodeando una región inactiva 42 generalmente la región activa 28. Un límite de región activa 44 representa una extensión lateral de la región activa 28.
El primer y segundo rebajes 60A, 60B están definidos entre el material piezoeléctrico 22 en la región activa 28 y el material piezoeléctrico 22 en la región inactiva 42, estando los rebajes 60A, 60B separados por los anclajes 68A, 68B. Dicho de otra forma, el material piezoeléctrico 22 se extiende lateralmente hasta el límite de región activa 44, donde se ve interrumpido (p. ej., está ausente), y el material piezoeléctrico 22 continúa nuevamente en la región inactiva 42 (excepto en los anclajes 68A, 68B analizados con más detalle a continuación). Excluyendo los anclajes 68A, 68B, el espesor del material piezoeléctrico 22 en los rebajes 60A, 60B de la región inactiva 42 pasa a ser nulo (incorporando así un valor menor que el espesor del material piezoeléctrico 22 en la región activa 28), de manera que una totalidad de cada rebaje 60A, 60B (incluyendo una porción superior de la región inactiva 42 que delimita la región activa 28) carecerá de material piezoeléctrico 22. Dicho de otra forma, el material piezoeléctrico 22 en la región activa 28 tiene
un espesor nominal, y al menos una porción del material piezoeléctrico 22 en la región inactiva 42 (es decir, en los rebajes 60A, 60B, incluyendo los lados opuestos de la región activa 28) presenta un cero porciento del espesor nominal. Esto define una discontinuidad del material piezoeléctrico 22 a lo largo de una porción superior de los lados (p. ej., los bordes laterales opuestos) del material piezoeléctrico 22 de la región activa 28 , (p. ej., que se extiende a lo largo de la mayoría de un perímetro de la región activa 28, tal como al menos aproximadamente el 60 %, al menos aproximadamente el 80 %, o al menos aproximadamente el 90 % del perímetro de la región activa 28). Por consiguiente, la región activa 28 experimenta una fijación mecánica reducida en una dirección (p. ej., la primera dirección) de desplazamiento lateral máximo durante el funcionamiento en el modo de cizalladura del dispositivo resonador BAW 46. En ciertas realizaciones, el material piezoeléctrico 22 está reducido en la región inactiva 42 por lo que limita la región activa 28 en una cantidad distinta de cero (p. ej., a un espesor de hasta el 50 % del espesor nominal), y se extiende continuamente desde el material piezoeléctrico 22 en la región activa 28, para proporcionar una fijación mecánica reducida de la región activa 28.
A diferencia de las dos realizaciones precedentes, el dispositivo resonador BAW 66 mostrado en las FIGS. 4A-4C no requiere una capa de barrera para proporcionar aislamiento eléctrico entre los electrodos 26, 24 de lado superior y de lado inferior. En cambio, el dispositivo resonador BAW 66 incluye unos anclajes izquierdo y derecho 68A, 68B sobre los cuales se extienden porciones de las trazas izquierda y derecha 40A, 40B del electrodo de lado superior 26 para proporcionar una comunicación eléctricamente conductora con una porción central activa 38 del electrodo de lado superior 26. El electrodo de lado superior 26 no podrá entrar accidentalmente en contacto con el electrodo de lado inferior 24 debido a que los anclajes izquierdo y derecho 68A, 68B están colocados entre los mismos. Cada uno del anclaje izquierdo 68A y el anclaje derecho 68B incluye un material piezoeléctrico que se extiende continuamente desde un lado de la región activa 28 hasta el material piezoeléctrico 22 en la región inactiva 42, que rodea sustancialmente la región activa 28. Los anclajes izquierdo y derecho 68A, 68B también representan límites entre el primer y segundo rebajes 60A, 60B.
El anclaje izquierdo 68A y el anclaje derecho 68B están dispuestos en lados opuestos de la región activa 28 (aproximadamente a medio camino entre sus extremos longitudinales) y se extienden en una segunda dirección perpendicular a la primera dirección. Cuando la región activa 28 experimenta una vibración dominante en el modo de cizalladura, los extremos longitudinales de la región activa 28 experimentan un desplazamiento en la primera dirección (p. ej., una primera dirección que se extiende en una dirección de adelante hacia atrás en la FIG. 4B, o en una dirección de lado a lado dirección en la FIG. 4C), pero un plano medial posicionado en el centro de la región activa 28 (p. ej., que se extienda a través de los anclajes izquierdo y derecho 68A, 68B en un punto medio entre los extremos longitudinales de la región activa 28) puede ser estático. Así, la sujeción de los anclajes 68A, 68B al material piezoeléctrico 22 que forma los laterales de la región activa 28 en un punto medio entre los extremos longitudinales de la región activa 28 no impide significativamente el desplazamiento lateral de la región activa 28, cuando se vea sometida a vibración durante el modo de cizalladura. Las dimensiones de los anclajes 68A, 68B pueden optimizarse para permitir que pase suficiente corriente eléctrica a través de las porciones de lado superior de las trazas izquierda y derecha 40A, 40b del electrodo de lado superior 26, minimizando al mismo tiempo la impedancia mecánica de la vibración en el modo de cizalladura. En particular, cuanto más pequeños sean los anclajes 68A, 68B (p. ej., anchura, altura, etc.), la región activa 28 experimentará una menor fijación mecánica, pero también deberán tenerse en cuenta las limitaciones de soporte mecánico y de manejo de corriente eléctrica. Al orientar un eje c 30 del material piezoeléctrico 22 con una dirección de desplazamiento máximo, durante el funcionamiento en el modo de cizalladura, en perpendicular a los anclajes izquierdo y derecho 68A, 68B, se minimiza la amortiguación mecánica y puede mejorarse la respuesta en el modo de cizalladura.
En ciertas realizaciones, los dispositivos resonadores BAW pueden incluir regiones activas que tengan una forma no rectangular. La FIG. 5 es una vista esquemática en perspectiva superior de al menos una porción de un dispositivo resonador BAW 70 sólidamente montado que es similar al dispositivo resonador BAW 66 mostrado en las FIGs .4A-4C, pero que presenta una región activa 28 elíptica. El dispositivo resonador BAW 70 incluye un sustrato 12 y una estructura de resonador 14 dispuesta sobre el sustrato 12, con un reflector acústico 16 dispuesto entre los mismos. La estructura de resonador 14 incluye adicionalmente un electrodo de lado inferior 24 dispuesto sobre una porción del reflector acústico 16, un material piezoeléctrico 22 dispuesto sobre el electrodo de lado inferior 24 así como el reflector acústico 16, y un electrodo de lado superior 26 dispuesto sobre porciones del material piezoeléctrico 22. El material piezoeléctrico 22 incluye un eje c 30 que tiene una distribución de orientación que es predominantemente no paralela a la normal de una cara del sustrato 12. El electrodo de lado inferior 24 comprende un segmento activo 32, una traza 34 y una vía eléctricamente conductora 36, y el electrodo de lado superior incluye una porción central activa 38 que está rodeada por un primer y segundo rebajes discontinuos (o porciones de rebaje) 60A, 60B que están separados por unos anclajes 68A, 68B de material piezoeléctrico. Los rebajes 60A, 60B están desprovistos de (es decir, incluyen un espesor nulo de) material piezoeléctrico 22. Las trazas eléctricas 40A, 40B para el electrodo de lado superior 26 se extienden a lo largo de las superficies superiores de los anclajes 68A, 68B, proporcionando el primer y segundo rebajes 60A, 60B una discontinuidad a lo largo de los bordes laterales opuestos de la región activa 28 en una dirección de desplazamiento máximo durante el funcionamiento en el modo de cizalladura. La FIG. 5 incluye porciones rayadas con fines meramente ilustrativos.
Cabe señalar que puede proporcionarse una región activa de un dispositivo resonador BAW dado a conocer en el presente documento (p. ej., que incluya cualquiera de las realizaciones dadas a conocer anteriormente) con cualquier
forma adecuada (p. ej., circular, rectangular, ovalada, trapezoidal, poligonal irregular, etc.). En ciertas realizaciones, una región activa puede tener la forma de un polígono irregular (p. ej., un cuadrilátero irregular) sin lados iguales o paralelos. Evitar la simetría lateral en la forma de una región activa puede reducir beneficiosamente la presencia de ondas estacionarias laterales. La simetría anteriormente mencionada corresponde a la huella de la región activa, y evitar la simetría lateral corresponde a evitar la simetría asociada con los lados de la huella. Por ejemplo, puede seleccionarse una huella que corresponda a un pentágono en lugar de a un cuadrado o un rectángulo. Puede evitarse la simetría lateral, lo que también se conoce como apodización, para suprimir los modos espúreos que estén por debajo de la frecuencia de resonancia en serie (fs) o banda de paso. La apodización trata de evitar, o al menos de reducir significativamente, cualquier simetría lateral en un dispositivo resonador, o al menos en la región activa del mismo, para suavizar parcialmente los modos espúreos por debajo de fs. Una forma apodizada está más cerca de un continuo de modos, o al menos presenta un mayor número de modos con un espaciado denso y un acoplamiento más pequeño que en un rectángulo.
Aunque diversas figuras precedentes ilustran diversos dispositivos resonadores de ondas acústicas de volumen de MEMS del tipo sólidamente montado (SMR), cabe señalar que en dispositivos fluídicos de acuerdo con determinadas realizaciones pueden emplearse dispositivos resonadores de ondas acústicas de volumen de película (FBAR). Las FIGS. 6A-6C ilustran un dispositivo resonador BAW 72 de tipo FBAR que incorpora una estructura de resonador 14 que incluye una región activa rectangular 28 de tipo mesa, dispuesta sobre una capa de soporte 74 que abarca una cavidad 76 definida en un sustrato 12. La región activa 28 incluye un material piezoeléctrico 22 y un límite de región activa 44, y está rodeada lateralmente por una región inactiva 42 que está desprovista de (es decir, incluye un espesor nulo de) material piezoeléctrico 22, proporcionando así una discontinuidad a lo largo de los bordes laterales opuestos del material piezoeléctrico 22 de la región activa 28 para reducir la fijación mecánica de la región activa 28 en una dirección de desplazamiento lateral máximo, durante el funcionamiento en el modo de cizalladura. Como se muestra, el dispositivo resonador 72 es similar al de las FIGS. 2A-2C, excepto por que el dispositivo resonador BAW 72 es un resonador de tipo FBAR en lugar de un resonador sólidamente montado y, por lo tanto, no incluye un reflector acústico.
El dispositivo resonador 72 incluye el sustrato 12 (p. ej., silicio u otro material semiconductor) que define una cavidad 76 (p. ej., una cavidad trapezoidal) cubierta por la capa de soporte 74 (p. ej., dióxido de silicio), e incluye la región activa 28 en coincidencia con la cavidad 76, estando dispuesta una porción del material piezoeléctrico 22 entre porciones de un electrodo de lado inferior 24 y un electrodo de lado superior 26. Cabe señalar que la cavidad 76 tiene una forma trapezoidal, estando dispuesta la base del trapezoide en la superficie inferior del sustrato 12. Cabe señalar que el dispositivo resonador 72 podría fabricarse de manera que la base de la cavidad 76 quede situada en la superficie superior del sustrato 12, y que se extienda al menos parcialmente (o totalmente) hacia abajo a través del sustrato 12. Adicionalmente, en otras realizaciones, la cavidad 76 puede proporcionarse con cualquier forma adecuada.
El electrodo de lado inferior 24 está dispuesto sobre una porción de la capa de soporte 74. Sobre el electrodo de lado inferior 24 y la capa de soporte 74 está superpuesto el material piezoeléctrico 22 (p. ej., incorporando un material piezoeléctrico de estructura cristalina hexagonal con eje c inclinado, tal como AIN o ZnO), y el electrodo de lado superior 26 está dispuesto sobre al menos una porción de una superficie superior del material piezoeléctrico 22. El material piezoeléctrico 22 incluye un eje c 30 que tiene una distribución de orientación que es predominantemente no paralela a la normal de una cara del sustrato 12. El electrodo de lado inferior 24 comprende un segmento activo 32, una traza 34 y una vía eléctricamente conductora 36, y el electrodo de lado superior incluye una porción central activa 38. Unas trazas eléctricas izquierda y derecha 40A, 40B que incluyen unas porciones verticales 48A, 48B y unas porciones horizontales 50A, 50B, respectivamente, están en comunicación eléctricamente conductora con la porción central activa 38. Una porción del material piezoeléctrico 22 dispuesta entre el electrodo de lado superior 26 y el electrodo de lado inferior 24 incorpora la región activa 28 del dispositivo resonador 72. La región activa 28 está dispuesta sobre, y coincide con, la cavidad 76 dispuesta debajo de la capa de soporte 74. La cavidad 76 sirve para confinar las ondas acústicas inducidas en la región activa 28 al evitar la disipación de energía acústica dentro del sustrato 12, ya que las ondas acústicas no se propagan eficientemente a través de la cavidad 76. A este respecto, la cavidad 76 proporciona una alternativa a los reflectores acústicos 16 ilustrados y descritos en relación con las FIGS.
1A-5. Aunque las FIGS. 6A-6C ilustran la cavidad 76 extendiéndose a través de todo el espesor del sustrato 12, en realizaciones alternativas, la cavidad 76 puede estar limitada desde arriba o desde debajo por una porción reducida del sustrato 12. Las etapas para formar el dispositivo resonador 72 pueden incluir depositar la capa de soporte 74 sobre el sustrato 12, definir la cavidad 76 en el sustrato 12, llenar la cavidad 76 con un material sacrificatorio (no mostrado) para proporcionar soporte, tras lo que opcionalmente puede planarizarse el material sacrificatorio, eliminar el material sacrificatorio (p. ej., utilizando una solución de ataque a través de los bordes laterales del sustrato 12 o unas aberturas verticales definidas en el sustrato 12 o la capa de soporte 74), depositar el electrodo de lado inferior 24 sobre la capa de soporte 74, cultivar (p. ej., mediante pulverización catódica u otros métodos apropiados) el material piezoeléctrico 22 y depositar el electrodo de lado superior 26.
Para evitar el contacto eléctrico entre el electrodo de lado superior 26 y el electrodo de lado inferior 24, se proporciona una capa de barrera 52 eléctricamente aislante (p. ej., óxido de aluminio [AbO3]). La capa de barrera 52 incluye una porción vertical 54 y una porción horizontal 56, y está dispuesta generalmente debajo de porciones del electrodo de lado superior 26, excepto debajo de una porción central activa 38 del electrodo de lado superior 26 que coincide con la región activa 28. La porción vertical 54 de la capa de barrera 52 se extiende alrededor de al menos una porción de la superficie lateral de la región activa 28, y se extiende hacia arriba hasta al menos una altura de la superficie lateral
de la región activa 28. La porción horizontal 56 de la capa de barrera 52 se coloca de manera que cubra al menos una porción de la capa de soporte 74.
En ciertas realizaciones, como se explica en más detalle a continuación, pueden incorporarse una o más estructuras de resonador BAW con fijación mecánica reducida de una región activa, para una mejor respuesta del modo de cizalladura, como parte de un sensor adecuado para el funcionamiento con muestras líquidas o en entornos líquidos. Los dispositivos resonadores BAW de MEMS descritos anteriormente en el presente documento carecen de capas (p. ej., ni siquiera el material de funcionalización) superpuestas sobre las regiones activas de los mismos que permitirían utilizar tales dispositivos como sensores bioquímicos. Si fuera deseable, pueden superponerse varias capas sobre al menos ciertas porciones de un dispositivo resonador de ondas acústicas de volumen de MEMS tal como el dado a conocer en el presente documento.
Los dispositivos resonadores de sistemas microelectromecánicos (MEMS) de acuerdo con ciertas realizaciones incluyen un sustrato, una estructura de resonador BAW dispuesta sobre al menos una porción del sustrato y un material de funcionalización dispuesto sobre al menos una porción de una región activa de la estructura de resonador BAW. Pueden disponerse varias capas entre el material de funcionalización y un electrodo de lado superior (que coincida con una región activa de la estructura de resonador BAW), tales como: una capa de hermeticidad (p. ej., para proteger un electrodo de lado superior frente a la corrosión en un entorno líquido), una capa de interfaz y/o una monocapa autoensamblada (SAM), siendo útil la capa de interfaz y/o la SAM para facilitar la sujeción de al menos una capa de material superpuesta, que finalmente incluirá material de funcionalización. En ciertas realizaciones, la capa de interfaz facilita la sujeción de una SAM superpuesta, y la SAM facilita la sujeción de un material de funcionalización superpuesto. En ciertas realizaciones, pueden proporcionarse múltiples materiales de funcionalización.
En la FIG. 7 se proporciona un ejemplo de un dispositivo resonador de ondas acústicas de volumen de MEMS, sobre el que están superpuestas múltiples capas para proporcionar utilidad de biodetección, y que puede utilizarse con dispositivos fluídicos de acuerdo con ciertas realizaciones. La FIG. 7 es una vista esquemática en sección transversal de una porción superior 78 de un dispositivo resonador BAW que incluye un material piezoeléctrico 22 y un electrodo de lado superior 28, sobre el que están superpuestas una capa de hermeticidad 80, una capa de interfaz 82, una monocapa autoensamblada (SAM) 84, y un material de funcionalización (p. ej., de unión específica o no específica) 86. En ciertas realizaciones, pueden aplicarse uno o más materiales de bloqueo (no mostrados) durante la fabricación, por ejemplo sobre porciones de la capa de interfaz 82 para evitar la sujeción localizada de una o más capas depositadas posteriormente, o (si se aplican sobre regiones seleccionadas de la SAM 84 o el material de funcionalización 86) para evitar la captura de analitos en regiones no superpuestas a la región activa de un dispositivo resonador BAW de MEMS. A continuación se expone más información sobre capas de hermeticidad, capas de interfaz, monocapas autoensambladas y materiales de funcionalización.
En ciertas realizaciones, puede utilizarse fotolitografía para promover el modelado de una o más capas (p. ej., un material de interfaz o material de bloqueo) sobre porciones de un dispositivo resonador de MEMS. La fotolitografía implica el uso de luz para transferir un patrón geométrico desde una fotomáscara a una fotoprotección química sensible a la luz situada sobre un sustrato, y es un proceso bien conocido por los expertos en la materia de fabricación de semiconductores. Las etapas habituales empleadas en fotolitografía incluyen limpieza de obleas, aplicación de fotoprotección (que puede ser fotoprotección positiva o negativa), alineación de máscara, y exposición y revelado. Una vez que las características han quedado definidas por fotosensibilidad sobre una superficie deseada, puede modelarse una capa de interfaz grabando una o más escotaduras en una capa fotoprotectora, y posteriormente puede eliminarse la capa fotoprotectora (p. ej., utilizando un disolvente líquido de fotoprotección, mediante calcinación a través de la aplicación de un plasma que contenga oxígeno, u otro proceso de eliminación).
En ciertas realizaciones, una capa de interfaz (p. ej., que puede disponerse entre un electrodo de lado superior y una SAM) incluye una superficie de óxido hidroxilado adecuada para la formación de una SAM de organosilano. Un material preferido para la capa de interfaz que incluye una superficie de óxido hidroxilado es dióxido de silicio [SO 2]. Algunos materiales alternativos que incorporan superficies de óxido hidroxilado para formar capas de interfaz incluyen dióxido de titanio [TO 2], pentóxido de tantalio [Ta2Os], óxido de hafnio [HfO2], u óxido de aluminio [AbO3]. Los expertos en la materia conocerán otros materiales alternativos que incorporan superficies de óxido hidroxilado, y se considera que estas alternativas están dentro del alcance de la presente divulgación.
En otras realizaciones, una capa de interfaz (p. ej., que puede disponerse entre un electrodo de lado superior y una SAM), o al menos un electrodo que esté desprovisto de una capa de interfaz suprayacente, incluye el oro u otro metal noble (p. ej., rutenio, rodio, paladio, osmio, iridio, platino o plata) adecuado para recibir una SAM con base de tiol sobre la pueda superponerse material de funcionalización.
En ciertas realizaciones que incorporan materiales de electrodo que se ven sometidos a la corrosión, puede aplicarse una capa de hermeticidad entre un electrodo de lado superior y una capa de interfaz. Una capa de hermeticidad puede resultar innecesaria cuando se usen metales nobles (p. ej., oro, platino, etc.) para los electrodos de lado superior. En caso de proporcionarse, una capa de hermeticidad incluirá preferentemente un material dieléctrico con una tasa de transmisión de vapor de agua baja (p. ej., no superior a 0,1 g/m2/día). Tras la deposición de una capa de hermeticidad y una capa de interfaz, puede formarse una SAM sobre la capa de interfaz, incluyendo la sA m un material de
organosilano en ciertas realizaciones. La capa de hermeticidad protege un material de electrodo reactivo (p. ej., aluminio o una aleación de aluminio) frente al ataque en entornos líquidos corrosivos, y la capa de interfaz facilita una unión química adecuada de la SAM.
En ciertas realizaciones, puede aplicarse una capa de hermeticidad y/o una capa de interfaz mediante uno o más procesos de deposición tales como deposición de capa atómica (ALD), deposición química de vapor (CVD) o deposición física de vapor (PVD). De los procesos anteriores, resulta preferible la ALD para la deposición de al menos la capa de hermeticidad (y también puede resultar preferible para la deposición de la capa de interfaz) debido a su capacidad para proporcionar un revestimiento de conformación excelente con una buena cobertura de etapa sobre las características del dispositivo para proporcionar una capa estructuras que están libres de poros. Además, la ALD es capaz de formar capas uniformemente delgadas que proporcionan una amortiguación relativamente pequeña de las vibraciones acústicas que, de otro modo, resultarían en un rendimiento degradado del dispositivo. La idoneidad de la cobertura resulta importante para una capa de hermeticidad (en caso de que esté presente) para evitar la corrosión del electrodo subyacente. Si se usa ALD para la deposición de una capa de hermeticidad, entonces, en ciertas realizaciones, una capa de hermeticidad puede incluir un espesor en un intervalo de aproximadamente 10 nm a aproximadamente 25 nm. En ciertas realizaciones, el espesor de la capa de hermeticidad es de aproximadamente 15 nm, o de aproximadamente 12 nm a aproximadamente 18 nm. Por el contrario, si se usa otro proceso tal como deposición química de vapor, entonces una capa de hermeticidad puede incluir un espesor en un intervalo de aproximadamente 80 nm a aproximadamente 150 nm o más, o en un intervalo de aproximadamente 80 nm a aproximadamente 120 nm. Teniendo en cuenta los dos procesos anteriores, los espesores de la capa de hermeticidad pueden estar entre aproximadamente 5 nm y aproximadamente 150 nm. Si se usa ALD para la deposición de una capa de interfaz, entonces una capa de interfaz puede incluir un espesor en un intervalo de aproximadamente 5 nm a aproximadamente 15 nm. En ciertas realizaciones, una capa de interfaz puede incluir un espesor de aproximadamente 10 nm, o un espesor en un intervalo de aproximadamente 8 nm a aproximadamente 12 nm. En determinadas realizaciones pueden utilizarse otros intervalos de espesor de capa de interfaz y/o técnicas de deposición distintas de la ALD. En ciertas realizaciones, pueden aplicarse una capa de hermeticidad y una capa de interfaz secuencialmente en un entorno al vacío, promoviendo así una interfaz de alta calidad entre las dos capas.
En caso de proporcionarse, una capa de hermeticidad puede incluir un óxido, un nitruro, o un material de oxinitruro que sirva como material dieléctrico y que tenga una velocidad de transmisión de vapor de agua baja (p. ej., no superior a 0,1 g/m2/día) de acuerdo con determinadas realizaciones. En ciertas realizaciones, una capa de hermeticidad incluye al menos uno de óxido de aluminio [AbO3] o nitruro de silicio [SiN]. En ciertas realizaciones, una capa de interfaz incluye al menos uno de SiO2, TiO2, o Ta2O5. En ciertas realizaciones, pueden combinarse múltiples materiales en una sola capa de hermeticidad y/o una capa de hermeticidad puede incluir múltiples subcapas de diferentes materiales. Preferentemente, se selecciona adicionalmente una capa de hermeticidad para promover la compatibilidad con una estructura de electrodo de metal reactivo subyacente (p. ej., aluminio o aleación de aluminio) de una estructura de resonador acústico. Aunque con frecuencia se utiliza aluminio o aleaciones de aluminio como materiales de electrodo en estructuras de resonador BAW, pueden utilizarse varios metales de transición y postransición para tales electrodos.
Tras la deposición de una capa de interfaz (opcionalmente dispuesta sobre una capa de hermeticidad subyacente), preferentemente se forma una SAM sobre la capa de interfaz. Las SAM habitualmente se forman por exposición de una superficie sólida a moléculas anfifílicas con grupos químicos que presentan fuertes afinidades por la superficie sólida. Cuando se usa una capa de interfaz que comprende una superficie de óxido hidroxilado, entonces resultan particularmente preferentes las SAM de organosilano para la sujeción a la superficie de óxido hidroxilado. Las SAM de organosilano promueven la sujeción de superficies a través de enlaces de silicio-oxígeno (Si-O). Más específicamente, las moléculas de organosilano incluyen un grupo hidrolíticamente sensible y un grupo orgánico y, por lo tanto, resultan útiles para acoplar materiales inorgánicos a polímeros orgánicos. Puede formarse una SAM de organosilano exponiendo una superficie de óxido hidroxilado a un material de organosilano en presencia de trazas de agua para formar grupos silanol intermedios. Estos grupos reaccionan luego con grupos hidroxilo libres en la superficie de óxido hidroxilado para inmovilizar covalentemente el organosilano. Algunos ejemplos de posibles SAM con base de organosilano que son compatibles con capas de interfaz que incorporen superficies de óxido hidroxilado incluyen 3-glicidoxipropiltrimetoxisilano (GPTMS), 3-mercaptopropiltrimetoxisilano (MPTMS), 3-aminopropiltrimetoxisilano (APTMS), y octadeciltrimetoxisilano (OTMS), incluyendo sus variantes etoxi- y cloro-. Algunos silanos adicionales que pueden usarse para las SAM incluyen variantes conjugadas con poli(etilenglicol) (PEG). Los expertos en la materia reconocerán que existen otras alternativas, y se considera que estas alternativas están dentro del alcance de la presente divulgación. Una SAM ejemplar puede incluir un espesor en un intervalo de al menos 0,5 nm o más. Preferentemente, una SAM se unirá fácilmente a la capa de interfaz localmente modelada, pero no se unirá fácilmente a otras capas de material adyacentes (p. ej., una capa de hermeticidad, un material piezoeléctrico y/o una capa de material de bloqueo).
Cuando se utiliza un electrodo y/o una capa de interfaz que comprende oro u otro metal noble, entonces pueden utilizarse capas SAM a base de tiol (p. ej., a base de alcanotiol). Los alcanetioles son moléculas con un grupo de cabeza S-H, un grupo de cola y una estructura principal que comprende una cadena de alquilo. Pueden usarse tioles en capas de interfaz de metales nobles debido a la fuerte afinidad del azufre por estos metales. Algunos ejemplos de SAM a base de tiol que pueden utilizarse incluyen, pero no se limitan a, 1-dodecanotiol (DDT), ácido 11-mercaptoundecanoico (MUA) y undecanotiol (1-UDT) terminado en hidroxilo (hexaetilenglicol). Estos tioles contienen
la misma estructura principal, pero diferentes grupos terminales, a saber, metilo (CH3), carboxilo (COOH) y hexaetilenglicol terminado en hidroxilo (HO-(HO-(CH2CH2O)6) para DDT, MUA y 1-UDT, respectivamente. En ciertas realizaciones, las SAM pueden formarse incubando superficies de oro en soluciones de tiol usando un disolvente adecuado, tal como etanol anhidro.
Tras la formación de una SAM, puede funcionalizarse biológicamente la SAM, por ejemplo recibiendo al menos un material de funcionalización (p. ej., de unión específica). En ciertas realizaciones, pueden aplicarse materiales de unión específica en o sobre una SAM usando una aguja de deposición de micromatrices u otros métodos adecuados. En ciertas realizaciones, puede modelarse una capa de interfaz (p. ej., usando enmascaramiento fotolitográfico y grabado selectivo para definir la capa de interfaz) con una alta tolerancia dimensional, solo sobre una porción de una estructura de resonador BAW (que incluye un sustrato), puede aplicarse una SAM sobre la capa de interfaz, y puede sujetarse solo a la SAM un material de unión específica aplicado posteriormente. En ciertas realizaciones, el modelado de una capa de interfaz puede proporcionar una tolerancia dimensional para el posicionamiento del material de unión específica más alta de la que podría lograrse solo mediante deposición de micromatrices. Algunos ejemplos de materiales de unión específica incluyen, pero no se limitan a, anticuerpos, receptores, ligandos y similares. Un material de unión específica está preferentemente configurado para recibir una especie diana predefinida (p. ej., una molécula, proteína, ADN, virus, bacteria, etc.). Un material de funcionalización que incluya un material de unión específica puede incluir un espesor en un intervalo de aproximadamente 5 nm a aproximadamente 1000 nm, o de aproximadamente 5 nm a aproximadamente 500 nm. En ciertas realizaciones, puede proporcionarse una matriz de diferentes materiales de unión específica sobre diferentes regiones activas de una estructura de resonador múltiple (es decir, una o más estructuras de resonador que incluyan múltiples regiones activas), opcionalmente en combinación con una o más regiones activas que estén desprovistas de materiales de unión específica para servir como regiones de comparación (o de "referencia"). En ciertas realizaciones, un material de funcionalización (p. ej., de biofuncionalización) puede proporcionar una utilidad de unión no específica.
Ciertas realizaciones están dirigidas a un dispositivo fluídico que incluye un dispositivo resonador BAW como el dado a conocer en el presente documento, e incluye un pasaje fluídico (p. ej., un canal) dispuesto para conducir un líquido para que entre en contacto con al menos un material de funcionalización (p. ej., de unión específica). Dicho dispositivo puede tener una escala microfluídica y comprender al menos un canal microfluídico (p. ej., que tenga al menos una dimensión, tal como la altura y/o la anchura, de no más de aproximadamente 500 micrones, o aproximadamente 250 micrones, o aproximadamente 100 micrones). Por ejemplo, tras la fabricación de un dispositivo resonador de ondas acústicas de volumen de MEMS y la deposición de una capa de interfaz y una SAM sobre porciones del mismo (opcionalmente precedida por la deposición de una capa de hermeticidad), puede fabricarse un dispositivo microfluídico formando una o más paredes que definan los límites laterales de un canal microfluídico que contenga preferentemente la región activa de al menos un resonador acústico, tras lo cual se aplica una capa de cubierta o de tapa para encerrar el canal microfluídico. En ciertas realizaciones, el material de funcionalización (p. ej., de unión específica) puede aplicarse después de formar las paredes de un canal microfluídico, pero antes de aplicar la capa de cubierta o de tapa. Las paredes de un canal microfluídico pueden estar formadas de cualquier material adecuado, tal como una capa protectora negativa de epoxi SU-8, otro material fotoprotector o capas de "estarcido" cortadas con láser de materiales poliméricos delgados y/o laminados, que incluyen opcionalmente una o más superficies adhesivas (p. ej., cinta adhesiva). En ciertas realizaciones, puede formarse una capa de cubierta o de tapa integralmente con una o más paredes (p. ej., mediante moldeo u otro proceso adecuado) para definir los límites superior y laterales de al menos un canal microfluídico, y la estructura de cubierta/paredes integralmente formada puede aplicarse (p. ej., adherirse o unirse de otra manera) sobre al menos una porción de una estructura de resonador de ondas acústicas de volumen para encerrar el al menos un canal microfluídico.
En ciertas realizaciones, puede aplicarse un material de bloqueo químico o biológico sobre una porción de una SAM para evitar la sujeción de un material de funcionalización (p. ej., de unión específica) sobre una o más regiones seleccionadas de una estructura de resonador BAW (p. ej., una o más regiones aparte de una región activa). La elección adecuada de un material de bloqueo químico o biológico (p. ej., un tampón de bloqueo) para un análisis determinado depende del tipo de especie diana o analito presente en una muestra. Pueden usarse varios tipos de tampones de bloqueo, tales como proteínas altamente purificadas, suero o leche, para bloquear sitios libres en una SAM. Un tampón de bloqueo ideal se unirá a todos los sitios potenciales de interacción no específica alejados de una región activa. Para optimizar un tampón de bloqueo para un análisis en particular, pueden usarse pruebas empíricas para determinar la relación entre señal y ruido. No existe un único material de bloqueo químico que sea ideal para cada situación, dado que cada par anticuerpo-antígeno presenta características únicas.
La FIG. 8 es una vista esquemática en sección transversal de una porción de un dispositivo fluídico 88 (p. ej., un dispositivo sensor bioquímico) que incluye un canal microfluídico 90 delimitado desde abajo por un dispositivo resonador BAW 46 que incorpora una estructura de resonador 14 (como se muestra en las FIGS. 2A -2C, aunque puede usarse cualquier estructura de resonador BAW dada a conocer en el presente documento), delimitada lateralmente por unas paredes 92 y delimitada desde arriba por una capa de cubierta o de tapa 94 que define unos orificios fluídicos de parte o superficie superior 96A, 96B. El dispositivo fluídico 88 incluye un sustrato 12 sobre el que está superpuesto un reflector acústico 16 (que incluye unas capas alternas de baja impedancia acústica y alta impedancia acústica 18, 20), y un electrodo de lado inferior 24 (que incluye un segmento activo 32) dispuesto generalmente debajo de un material piezoeléctrico 22. Un electrodo de lado superior 26 (que incluye una porción
central activa 38, y unas trazas izquierda y derecha 40A, 40B) se extiende sobre una porción del material piezoeléctrico 22, en donde una porción del material piezoeléctrico 22 dispuesta entre el electrodo de lado superior 26 y el electrodo de lado inferior 24 incorpora una región activa 28 del dispositivo resonador BAW 46. La región activa 28 está rodeada por una región inactiva 42, con un límite de región activa 44 dispuesto entre las mismas. Sobre el electrodo de lado superior 26 y el material piezoeléctrico 22 están superpuestas una capa de hermeticidad 80, una capa de interfaz 82 y una monocapa autoensamblada (SAM) 84. Opcionalmente, ciertas porciones de la SAM 84 que se extienden en sentido opuesto a la región activa 28 podrían recubrirse con un material de bloqueo químico o biológico (no mostrado) para evitar la sujeción del material de unión específica. Una porción de la SAM 84 que coincide con la región activa 28 está recubierta con un material de funcionalización (p. ej., (de unión específica) 86, dispuesto para la unión con un analito específico 98.
Las paredes 92 que están desplazadas lateralmente con respecto a la región activa 28 se extienden hacia arriba desde la capa de hermeticidad 80, para definir unos límites laterales del canal microfluídico 90 que contiene la región activa 28. Tales paredes 92 pueden formarse con cualquier material adecuado, tal como una capa de "estarcido" cortada con láser de materiales poliméricos delgados y/o materiales laminados, que opcionalmente incluyen una o más superficies autoadhesivas (p. ej., cinta adhesiva). Opcionalmente, tales paredes 92 pueden formarse antes de la deposición de la SAM 84, el material de funcionalización 86 y el material de bloqueo químico o biológico con una capa protectora negativa de epoxi SU-8 u otro material fotoprotector. La capa de cubierta o de tapa 94 que define los orificios fluídicos 96A, 96B se proporciona adicionalmente para proporcionar un límite superior para el canal microfluídico 90. La capa de cubierta o de tapa 94 puede formarse definiendo los orificios 96A, 96B (p. ej., mediante corte con láser o corte por chorro de agua) en una capa de un material apropiado (p. ej., un polímero sustancialmente inerte, vidrio, silicio, cerámica o similares), y adhiriendo la capa de cubierta o de tapa 94 a las superficies superiores de las paredes 92.
Durante el uso del dispositivo fluídico 88, puede suministrarse una muestra de fluido, a través del primer orificio fluídico 96A, dentro del canal microfluídico 90 sobre la región activa 28, y a través del segundo orificio fluídico 96B para que salga del canal microfluídico 90. Como se muestra en la FIG. 8, el analito 98 suministrado por la muestra de fluido se une al material de funcionalización (p. ej., de unión específica) 86. Cuando se induce una onda acústica de volumen en la región activa 28 mediante el suministro de una señal eléctrica (p. ej., corriente alterna) a los electrodos de lado inferior y de lado superior 24, 26, la detección de un cambio en al menos una de una propiedad de frecuencia, una propiedad de magnitud de amplitud o una propiedad de fase de la estructura de resonador de ondas acústicas de volumen indica una presencia y/o cantidad de una especie diana (es decir, analito) unido al material de funcionalización 86.
Los expertos en la materia reconocerán posibles mejoras y modificaciones con respecto a las realizaciones preferidas de la presente divulgación. Todas estas mejoras y modificaciones se consideran dentro del alcance de los conceptos dados a conocer en el presente documento y las siguientes reivindicaciones.
Claims (15)
1. Un dispositivo resonador (10) de sistemas microelectromecánicos, de tipo MEMS, que comprende:
un sustrato (12); y
una estructura de resonador de ondas acústicas de volumen (14) dispuesta sobre al menos una porción del sustrato, incluyendo la estructura de resonador de ondas acústicas de volumen un material piezoeléctrico (22) que comprende un eje c (30) con una distribución de orientación que es predominantemente no paralela a la normal de una cara del sustrato, un electrodo de lado superior (26) dispuesto sobre el material piezoeléctrico, y un electrodo de lado inferior (24) dispuesto entre el material piezoeléctrico y el sustrato, en donde al menos una porción del material piezoeléctrico está dispuesta entre el electrodo de lado superior y el electrodo de lado inferior para formar una región activa (28);
caracterizado por que:
la región activa está rodeada lateralmente por una región inactiva (42), y un espesor de material piezoeléctrico de al menos una porción de la región inactiva es menor que un espesor de material piezoeléctrico de la región activa, de modo que al menos una porción superior de la región inactiva a lo largo de un límite (44) de la región activa esté desprovista de material piezoeléctrico, definiendo al menos una discontinuidad a lo largo de al menos unas porciones superiores de los bordes laterales opuestos del material piezoeléctrico en la región activa;
la al menos una discontinuidad está configurada para reducir la fijación mecánica de la región activa en una dirección de desplazamiento lateral máximo durante el funcionamiento en el modo de cizalladura de la estructura de resonador de ondas acústicas de volumen;
la región activa comprende una longitud paralela a la dirección de desplazamiento lateral máximo durante el funcionamiento en el modo de cizalladura de la estructura de resonador de ondas acústicas de volumen, extendiéndose la longitud entre un primer extremo longitudinal y un segundo extremo longitudinal de la región activa; y
la al menos una discontinuidad está limitada al menos en parte por el primer extremo longitudinal y el segundo extremo longitudinal.
2. El dispositivo resonador de MEMS de la reivindicación 1, en donde:
la al menos una porción del material piezoeléctrico dispuesto entre el electrodo de lado superior y el electrodo de lado inferior comprende un espesor nominal; y
al menos una porción de un perímetro lateral de la región activa está delimitada por una porción de espesor reducido del material piezoeléctrico, que tiene un espesor en un intervalo del 0 % a aproximadamente el 50 % del espesor nominal.
3. El dispositivo resonador de MEMS de la reivindicación 1, en donde la al menos una discontinuidad rodea al menos aproximadamente el 60 % de un perímetro de la región activa.
4. El dispositivo resonador de MEMS de la reivindicación 1,
en donde la estructura de resonador de ondas acústicas de volumen comprende una estructura de reflector acústico (16) dispuesta entre el sustrato y el electrodo de lado inferior; o
en donde el sustrato define un rebaje, y una capa de soporte está dispuesta entre el rebaje y la estructura de resonador de ondas acústicas de volumen.
5. El dispositivo resonador de MEMS de la reivindicación 1, en donde:
la región activa comprende una anchura perpendicular a la longitud; y
la longitud es mayor que la anchura.
6. El dispositivo resonador de MEMS de la reivindicación 1, en donde:
la región activa comprende una longitud paralela a la dirección de desplazamiento lateral máximo durante el funcionamiento en el modo de cizalladura de la estructura de resonador de ondas acústicas de volumen, y comprende una anchura perpendicular a la longitud; y
el material piezoeléctrico comprende al menos una porción de anclaje que se extiende en una dirección perpendicular a la longitud de la región activa, y que hace contacto con la región activa a medio camino entre los extremos longitudinales de la región activa;
en donde, opcionalmente, al menos una porción de al menos uno del electrodo de lado superior o el electrodo de lado inferior se extiende a lo largo de al menos una porción de anclaje del material piezoeléctrico.
7. El dispositivo resonador de MEMS de la reivindicación 1, que comprende adicionalmente un material dieléctrico dispuesto sobre los bordes laterales de la región activa.
8. El dispositivo resonador de MEMS de la reivindicación 1, en donde una capa de hermeticidad (80) está dispuesta sobre al menos una porción de al menos uno de: el electrodo de lado superior, el electrodo de lado inferior, o al menos un borde lateral de la región activa.
9. Un dispositivo fluídico, que comprende:
el dispositivo resonador MEMS de cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8;
al menos un material de funcionalización (86) dispuesto sobre al menos una porción de la región activa; y un canal fluídico que contiene la región activa.
10. El dispositivo fluídico de la reivindicación 9, en donde el al menos un material de funcionalización comprende al menos uno de un material de unión específica o un material de unión no específica.
11. El dispositivo fluídico de la reivindicación 9, que comprende adicionalmente una monocapa autoensamblada (84) dispuesta entre el al menos un material de funcionalización y el electrodo de lado superior;
que opcionalmente comprende adicionalmente una capa de interfaz dispuesta entre el electrodo de lado superior y la monocapa autoensamblada.
12. Un método de detección biológica o química, comprendiendo el método:
proporcionar un dispositivo fluídico de acuerdo con la reivindicación 9; suministrar al canal fluídico del dispositivo fluídico un fluido que contenga una especie diana, en donde dicho suministro está configurado para hacer que al menos parte de la especie diana se una al al menos un material de funcionalización;
inducir una onda acústica de volumen en la región activa; y
detectar un cambio en al menos una propiedad de frecuencia, una propiedad de magnitud de amplitud o una propiedad de fase de la estructura de resonador de ondas acústicas de volumen para indicar al menos una de la presencia o una cantidad de la especie diana unida al al menos un material de funcionalización.
13. Un método para fabricar un dispositivo resonador (10) de sistemas microelectromecánicos, de tipo MEMS, comprendiendo el método:
formar una estructura de base que incluye un sustrato (12), un material piezoeléctrico (22) dispuesto sobre al menos una porción del sustrato y que comprende un eje c (30) con una distribución de orientación que es predominantemente no paralela a la normal de una cara del sustrato, y un electrodo de lado inferior (24) dispuesto entre el sustrato y al menos una porción del material piezoeléctrico, en donde el material piezoeléctrico comprende un espesor nominal;
eliminar una porción del material piezoeléctrico para definir una porción de espesor reducido de material piezoeléctrico que tenga un espesor en un intervalo del 0 % a aproximadamente el 50 % del espesor nominal; y formar un electrodo de lado superior (26) sobre una porción del material piezoeléctrico, en donde al menos una porción del material piezoeléctrico que comprende el espesor nominal está dispuesta entre el electrodo de lado superior y el electrodo de lado inferior para formar una región activa (28) de una estructura de resonador de ondas acústicas de volumen (14);
en donde al menos una porción de un perímetro lateral de la región activa está delimitada por la porción de espesor reducido del material piezoeléctrico, definiendo al menos una discontinuidad configurada para reducir la fijación mecánica de la región activa en una dirección de desplazamiento lateral máximo durante el funcionamiento en el modo de cizalladura de la estructura de resonador de ondas acústicas de volumen;
en donde la región activa comprende una longitud paralela a la dirección de desplazamiento lateral máximo durante el funcionamiento en el modo de cizalladura de la estructura de resonador de ondas acústicas de volumen, extendiéndose la longitud entre un primer extremo longitudinal y un segundo extremo longitudinal de la región activa; en donde la al menos una discontinuidad está limitada al menos en parte por el primer extremo longitudinal y el segundo extremo longitudinal.
14. El método de la reivindicación 13, que comprende adicionalmente depositar una capa de hermeticidad (80) sobre al menos una porción de al menos uno de: el electrodo de lado superior, el electrodo de lado inferior, o al menos un borde lateral de la región activa.
15. El método de la reivindicación 13, que comprende adicionalmente formar una monocapa autoensamblada (84) sobre al menos una porción del electrodo de lado superior, y aplicar al menos un material de funcionalización (86) sobre al menos una porción de la monocapa autoensamblada, en donde se hace coincidir con la región activa al menos una porción del al menos un material de funcionalización.
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