JP2018535595A5 - - Google Patents
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Description
ソリッドマウント共振器（solidly mounted resonator）のＢＡＷ技術は、共振器の下にある反射構造体（例えば、反射体アレイ、音響ミラー等）によってエネルギーを共振構造体内にとどめている。すなわち、反射構造体は、音響エネルギーを共振器のほうに反射させ、共振器を基板から隔離している。反射構造体の反射が完全ではない場合、基板への漏えいによりエネルギーが消失し、共振器の品質係数（Ｑ）が低下する。ソリッドマウント共振器ＢＡＷ装置用の一般的な反射体は、基板と圧電層との間に配置された高音響インピーダンス層と低音響インピーダンス層とを含む。
本開示は、せん断モードおよび縦モードの音響振動の反射が増強された多層反射体を含むソリッドマウント共振器構造体（solidly mounted resonator structure)を提供する。詳しくは、本開示は、第１の電極と第２の電極との間に配置され、かつ、音響反射構造体を覆うように配置されている圧電材料層を含むソリッドマウント共振器構造体を提供する。ソリッドマウント共振器構造体は、少なくとも１つの活性領域で縦波長λＬの音波を変換するように構成されている。前記圧電材料層は、縦応答の第１および第２高調波共振を示し、かつ、せん断応答の第１、第２、および第３高調波共振を示す。前記音響反射構造体は、複数の交互に配置された高音響インピーダンス材料層および低音響インピーダンス材料層を含み、縦応答の第２高調波共振の最小透過率に対応する周波数が、せん断応答の第３高調波共振の最小透過率の周波数に実質的に合致するように構成されている層の厚さを有する（例えば、低音響インピーダンス層の厚さは０．７３λＬ〜０．８２λＬで、高音響インピーダンス層の厚さは、０．１３λＬ〜０．１９λＬである）。音響反射構造体は、せん断モードと縦モードの両方（例えば、所定の数の層）の透過率を最小にするのが好ましい。
第一の側面では、ソリッドマウント共振器構造体は基板と；前記基板上に配置され、順次配置された複数の差動音響インピーダンス層単位を含む音響反射構造体であって、ここで前記順次配置された複数の差動音響インピーダンス層単位の各差動音響インピーダンス層単位が、高音響インピーダンス材料層と接触した低音響インピーダンス材料層を含む、音響反射構造体と；前記音響反射構造体の少なくとも一部分を覆うよう配置された少なくとも１つの第１電極構造体と；前記少なくとも１つの第１電極構造体を覆うよう配置された圧電材料層と；及び、前記圧電材料層の少なくとも一部を覆うよう配置された少なくとも１つの第２電極構造体とを含み；ここで、前記圧電材料層の少なくとも一部は、前記少なくとも１つの第１電極構造体と前記少なくとも１つの第２電極構造体との間に配置され、少なくとも１つの活性領域を形成し；前記ソリッドマウント共振器構造体は、前記少なくとも１つの活性領域において縦波長λＬを有する音波を変換するように構成されており；各差動音響インピーダンス層単位の前記低音響インピーダンス材料層は０．７３λＬ〜０．８２λＬの範囲の厚さを有し、各差動音響インピーダンス層単位の前記高音響インピーダンス材料層は０．１３λＬ〜０．１９λＬの範囲の厚さを有する。
特定の実施形態では、前記少なくとも１つの第１電極構造体は、複数の第１電極構造体を含み；前記少なくとも１つの第２電極構造体は、複数の第２電極構造体を含み；前記ソリッドマウント共振器構造体の第１の部分は、複数の第１電極構造体のうちの１つの第１電極構造体と複数の第２電極構造体のうちの１つの第２電極構造体との間に配置された第１の活性領域を含む第１のソリッドマウントバルク音波共振器装置を含み；前記ソリッドマウント共振器構造体の第２の部分は、前記複数の第１電極構造体のうちのもう１つの第１電極構造体と前記複数の第２電極構造体のうちのもう１つの第２電極構造体との間に配置された第２の活性領域を含む第２のソリッドマウントバルク音波共振器装置を含む。特定の実施形態では、ソリッドマウントバルク音波共振チップは、前記ソリッドマウント共振器構造体に由来する。特定の実施形態では、センサーまたはマイクロ流体装置は、前記ソリッドマウントバルク音波共振チップを組み込んでいる。
第一の側面では、ソリッドマウント共振器構造体は、基板と；前記基板上に配置され、順次配置された複数の差動音響インピーダンス層単位を含む音響反射構造体であって、ここで前記順次配置された複数の差動音響インピーダンス層単位の各差動音響インピーダンス層単位が、高音響インピーダンス材料層と接触した低音響インピーダンス材料層を含む、音響反射構造体と；前記音響反射構造体の少なくとも一部分を覆うように配置された少なくとも１つの第１電極構造体と；前記少なくとも１つの第１電極構造体上を覆うように配置された圧電材料層と；前記圧電材料層の少なくとも一部を覆うように配置された少なくとも１つの第２電極構造体と、を含み、ここで前記圧電材料層の少なくとも一部は、前記少なくとも１つの第１電極構造体と前記少なくとも１つの第２電極構造体との間に配置され、少なくとも１つの活性領域を形成し；前記ソリッドマウント共振器構造体は、前記少なくとも１つの活性領域において縦成分とせん断成分とを含む音波を変換するように構成されており、これにより、前記圧電材料層は縦応答の第１および第２高調波共振を示し、かつ、せん断応答の第１、第２および第３高調波共振を示し；前記縦応答の前記第２高調波共振の最小透過率に対応する周波数は、前記せん断応答の前記第３高調波共振の最小透過率の周波数に実質的に合致する。
特定の実施形態では、前記少なくとも１つの第１電極構造体は、複数の第１電極構造体を含み；前記少なくとも１つの第２電極構造体は複数の第２電極構造体を含み；前記ソリッドマウント共振器構造体の第１の部分は、前記複数の第１電極構造体の１つの第１電極構造体と前記複数の第２電極構造体の１つの第２電極構造体との間に配置された第１の活性領域を含む第１のソリッドマウントバルク音波共振器装置を含み；そして、前記ソリッドマウント第２の部分は、前記複数の第１電極構造体のもう１つの第１電極構造体と前記複数の第２電極構造体のもう１つの第２電極構造体との間に配置されている第２の活性領域を含む第２のソリッドマウントバルク音波共振器装置を含む。特定の実施形態では、ソリッドマウントバルク音波共振チップは、前記ソリッドマウント共振器構造体に由来する。特定の実施形態では、センサーまたはマイクロ流体装置は、前記ソリッドマウントバルク音波共振チップを組み込んでいる。
本開示は、せん断モードおよび縦モードの音響振動の反射が強化された多層反射体を含むソリッドマウント共振器構造体を提供する。詳しくは、本開示は第１の電極と第２の電極との間に配置され、音響反射構造体を覆うように配置されている圧電材料層を含むソリッドマウント共振器構造体を提供する。ソリッドマウント共振器構造体は、少なくとも１つの活性領域で縦波長λＬを有する音波を変換するように構成されている。前記圧電材料層は、縦応答の第１および第２高調波共振を示し、かつ、せん断応答の第１、第２、および第３高調波共振を示す。前記音響反射構造体は、複数の交互に配置された高音響インピーダンス材料層および低音響インピーダンス材料層を含み、この層の厚さは、縦応答の第２高調波共振の最小透過率に対応する周波数が、せん断応答の第３高調波共振の最小透過率に対応する周波数に実質的に合致するように構成されている（例えば、低音響インピーダンス材料層の厚さは０．７３λＬ〜０．８２λＬで、高音響インピーダンス材料層の厚さは、０．１３λＬ〜０．１９λＬである）。音響反射構造体は、せん断モードと縦モードの両方の透過率（例えば、特定の数の層の透過率）を最小にするのが望ましい。
特定の実施形態では、以後詳述するように、本明細書で開示する音響反射体１４を組み込んでいる前記ソリッドマウント共振器構造体は、液体ベースのセンサーの一部であり、音響反射体１４は縦モードおよび／またはせん断モードの音響振動を共振器構造体の活性領域へ反射するように構成されるものであり、それにより、前記ソリッドマウント共振器構造体の基板において、せん断モードおよび縦モードの散逸を防止または少なくとも実質的に減らす。これが、基板１２（例えば、Ｓｉ基板）から、センサーの測定と干渉し得る、せん断モードおよび縦モードの音響振動の裏面の反射を減少、または除去する。さらに、特定の実施形態では、基板１２は、共振器装置の裏面と音響反射体１４との間に配置され、裏面音響反射をさらに削減または除去するために、前記裏面（例えば、基板の１つの面を具現化したもの）は粗面化される。
図５は、微細流路４６を含む流体装置４４（例えば、生化学センサー装置）の一部の概略断面図であり、下はバルク音波ＭＥＭＳ共振器構造体１０と境界を接し、横は壁４８と境界を接し、上は微細流路４６と流体連結している流体口５２Ａ、５２Ｂを規定しているカバーもしくはキャップ層５０と境界を接している微細流路４６を含む。特定の実施形態では、流体装置４４は図３および図４に関連して記載された、ソリッドマウントバルク音波ＭＥＭＳ共振器構造体を組み込む。前述のように、バルク音波ＭＥＭＳ共振器構造体１０は、音響反射体１４で覆われた基板１２、および通常圧電材料２２の下に配置され、両方が音響反射体１４を覆っている下方電極２０とを含む。音響反射体は、交互に配置された複数の低音響インピーダンス材料層１６と高音響インピーダンス材料層１８とを含み、これらのインピーダンス材料層は複数の差動音響インピーダンス層単位を形成し、その厚さの範囲は本明細書で開示するとおりである。上方電極２８は圧電材料層２２の一部を覆うように延在する。圧電材料層２２の一部が上方電極２８と下方電極２０とに挟まれ、バルク音波共振器構造体の活性領域３０を具現化している。上方電極２８および圧電材料層２２は気密性層４２に覆われている。活性領域３０で示される（registered with）気密性層４２の一部はさらにインタフェース層５４、ＳＡＭ５６および機能化材料（例えば、特異的結合材料）３２に覆われている。機能化材料３２は指定の被検物質５８と結合するように配置されている。活性領域３０から横方向に離れた壁４８はインタフェース層５４から上方向に延在し、活性領域３０を含む微細流路４６の横方向の境界を規定している。このような壁４８は任意の適した材料、例えば、任意に１つ以上の粘着表面（例えば、粘着テープ）を含む、薄いポリマー材料および／または積層材料をレーザー加工した「ステンシル」層で形成されてもよい。あるいは、壁４８は、ＳＵ−８ネガ型エポキシレジストまたは他のフォトレジスト材料で形成されてもよく、任意にＳＡＭ５６、機能化材料３２、および化学的または生物学的ブロッキング材を成膜する前に形成されてもよい。上面流体口５２Ａ、５２Ｂを規定するカバーもしくはキャップ層５０は、さらに微細流路４６の上側の境界を提供するために提供される。被覆層５０は適当な材料（例えば、実質的に不活性なポリマー、ガラス、シリコン、セラミック等）の層の中に（例えば、レーザー切断または水ジェット切断により）ポートを形成し、カバーもしくはキャップ層５０を壁４８の上面に固着させることで形成してもよい。
Claims (11)
- ソリッドマウント共振器構造体（solidly mounted resonator structure)であって、
基板と；
前記基板上に配置され、順次配置された複数の差動音響インピーダンス層単位を含む音響反射構造体であって、ここで前記順次配置された複数の差動音響インピーダンス層単位の各差動音響インピーダンス層単位は、高音響インピーダンス材料層と接触した低音響インピーダンス材料層を含む、音響反射構造体と；
前記音響反射構造体の少なくとも一部を覆うように配置されている少なくとも１つの第１電極構造体と；
前記少なくとも１つの第１電極構造体を覆うように配置されている圧電材料層と；
前記圧電材料層の少なくとも一部を覆うように配置されている少なくとも１つの第２電極構造体と、
を含み、
ここで、前記圧電材料層の少なくとも一部は前記少なくとも１つの第１電極構造体と前記少なくとも１つの第２電極構造体との間に配置され、少なくとも１つの活性領域を形成し；
前記ソリッドマウント共振器構造体は、前記少なくとも１つの活性領域で縦成分とせん断成分とを含む音波を変換するように構成され、それによって前記圧電材料層は縦応答の第１および第２高調波共振を示し、かつ、せん断応答の第１、第２および第３高調波共振を示し；及び、
前記縦応答の前記第２高調波共振の最小透過率に対応する周波数が、前記せん断応答の前記第３高調波共振の最小透過率に対応する周波数と実質的に合致する、
ソリッドマウント共振器構造体。 - 前記縦応答の前記第２高調波共振の最小透過率に対応する前記周波数が、前記せん断応答の前記第３高調波共振の最小透過率に対応する前記周波数の約５％以内である、請求項１に記載のソリッドマウント共振器構造体。
- 前記音響反射構造体は第１、第２および第３の低音響インピーダンス材料層を含み、かつ、第１および第２の高音響インピーダンス材料層を含む、請求項１に記載のソリッドマウント共振器構造体。
- 前記圧電材料層は、前記基板の一面からの法線に対し大部分が非平行の配向分布を有するＣ軸を含む、六方晶構造の圧電材料を含む、請求項１に記載のソリッドマウント共振器構造体。
- 前記音波は縦波長λＬを含み；
各差動音響インピーダンス層単位の前記低音響インピーダンス材料層は０．７３λＬ〜０．８２λＬの範囲の厚さを有し；
各差動音響インピーダンス層単位の前記高音響インピーダンス材料層は０．１３λＬ〜０．１９λＬの範囲の厚さを有する、請求項１に記載のソリッドマウント共振器構造体。 - 前記音響反射構造体は少なくとも２つの順次配置された差動音響インピーダンス層単位と、少なくとも１つの追加の低音響インピーダンス材料層とを含む、請求項５に記載のソリッドマウント共振器構造体。
- 各差動音響インピーダンス層単位において、前記高音響インピーダンス材料層は、前記低音響インピーダンス材料層の音響インピーダンスよりも少なくとも２．５倍大きい音響インピーダンスを含む、請求項１に記載のソリッドマウント共振器構造体。
- 前記基板は、裏面と前記音響反射構造体の間に配置されており、前記裏面は、裏面音響反射を減少または除去するように構成された粗表面を含む、請求項１に記載のソリッドマウント共振器構造体。
- 前記少なくとも１つの第１電極構造体は複数の第１電極構造体を含み；
前記少なくとも１つの第２電極構造体は複数の第２電極構造体を含み；
前記ソリッドマウント共振器構造体の第１の部分は、前記複数の第１電極構造体の１つの第１電極構造体と前記複数の第２電極構造体の１つの第２電極構造体との間に配置された第１の活性領域を含む、第１のソリッドマウントバルク音波共振器装置を含み；及び、
前記ソリッドマウント共振器構造体の第２の部分は、前記複数の第１電極構造体のもう１つの第１電極構造体と前記複数の第２電極構造体のもう１つの第２電極構造体との間に配置された第２の活性領域を含む、第２のソリッドマウントバルク音波共振器装置を含む、
請求項１に記載のソリッドマウント共振器構造体。 - 請求項９に記載の前記ソリッドマウント共振器構造体から得られるソリッドマウントバルク音波共振チップ。
- 請求項１０に記載の前記ソリッドマウントバルク音波共振チップを組み込んだセンサーまたはマイクロ流体装置。
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