JP2018536157A - バルク音波（ｂａｗ）共振器と基板を貫通する流体ビアを有するセンサー装置 - Google Patents
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Abstract
流体装置は基板、少なくとも１つのバルク音波（ＢＡＷ）共振器構造体、および少なくとも１つのＢＡＷ共振器構造体と少なくとも部分的に境界を接する流路を組み込んでいる。流体装置は基板の少なくとも一部を貫通して画定された少なくとも１つの流体ビアをさらに含み、それにより流体接続部および電気接続部を流体装置の対向する上面および底面に設けることができる。少なくとも１つのＢＡＷ共振器構造体は基板の一面からの法線に対して大部分が非平行の配向分布を有するＣ軸を含む圧電材料を含んでもよく、流体装置に供給される試料中の標的種を検知可能にする、機能化材料（例えば、自己組織化単層を覆う特異的結合材料）で覆われてもよい。
Description
関連出願の記述
本願は２０１５年１０月２８日に出願された米国特許仮出願第６２／２４７，２３３号に対する優先権を主張し、その開示は全体が参照により本明細書に組み込まれる。本明細書に開示される主題は２０１６年１０月２８日に出願され、または出願されることになっている「Fluidic Device Including BAW Resonators Along Opposing Channel Surfaces」という名称の米国特許出願第 号にも関連し、その内容は本明細書に完全に記載された場合と同様に参照により組み込まれる。
本願は２０１５年１０月２８日に出願された米国特許仮出願第６２／２４７，２３３号に対する優先権を主張し、その開示は全体が参照により本明細書に組み込まれる。本明細書に開示される主題は２０１６年１０月２８日に出願され、または出願されることになっている「Fluidic Device Including BAW Resonators Along Opposing Channel Surfaces」という名称の米国特許出願第 号にも関連し、その内容は本明細書に完全に記載された場合と同様に参照により組み込まれる。
技術分野
本開示は生物学的感知用途または生化学的感知用途に好適な音波センサーおよびマイクロ流体装置を含む音波共振器装置に関する。
本開示は生物学的感知用途または生化学的感知用途に好適な音波センサーおよびマイクロ流体装置を含む音波共振器装置に関する。
バイオセンサー（または生物学的センサー）は、生物学的要素および生物学的応答を電気信号に変換するトランスデューサーを含む分析装置である。特定のバイオセンサーは、特異的結合材料（例えば、抗体、受容体、リガンド等）と標的種（例えば、分子、たんぱく質、ＤＮＡ、ウイルス、バクテリア等）の間の選択的生化学反応を伴う。この非常に特異的な反応からの生成物はトランスデューサーによって測定可能な量に変換される。センサーによっては、例えば化学的感知用途で有用かもしれない、試料内に存在する可能性のある複数の種類もしくはクラスの分子または他の部分を結合できる非特異的結合材料を用いるものがある。本明細書で用いられる「機能化材料」という用語は、一般に特異的結合材料と非特異的結合材料の両方に関係している。変換方法は、電気化学的、光学的、電気的、音響的等のさまざまな原理に基づくことができる。これらのうち、音響変換は、実時間、無標識、低コスト並びに高感度といった多くの潜在的利点を提供する。
音波装置は圧電材料を通過するかまたはその表面を伝搬する音波を利用し、これにより伝搬経路の特性の変化が音波の速度および／または振幅に影響する。音波装置の活性領域に沿った特異的結合材料中に具現化される機能化材料が存在すると、特異的被検物質はこの特異的結合材料に結合することが可能となる。この結合により、音波によって振動して質量が変化し、音波の伝搬特性（例えば、速度、それによる共振周波数）が変化する。速度の変化はセンサーの周波数特性、振幅特性、または位相特性（例えば、周波数偏移）を測定することで監視でき、かつ測定される物理的量に相関させることができる。
圧電結晶共振器の場合、音波は圧電材料中で伝搬するバルク音波（bulk acoustic wave、ＢＡＷ）または圧電材料の表面で伝搬する弾性表面波（surface acoustic wave、ＳＡＷ）のいずれかを具現化することができる。ＳＡＷ装置には圧電材料の表面に沿って交差指型トランスデューサーを用いる音波（通常、二次元のレーリー波を含む）の変換を伴い、音波はほぼ１波長の侵入深度に限定される。ＢＡＷ装置では、３つの音波モードで音波が伝搬する。すなわち、１つの縦モード（圧縮波／伸長波とも呼ばれる縦波を具現化したもの）および２つのせん断モード（横波とも呼ばれるせん断波を具現化したもの）である。縦モードおよびせん断モードはそれぞれ、粒子の動きが音波伝搬の方向に平行または垂直になる振動を特定する。縦モードは、伝搬方向の圧縮および伸長を特徴とし、せん断モードは、伝搬方向に垂直な動きから構成されるが、体積の局所的な変化はない。縦モードおよびせん断モードは異なる速度で伝搬する。実際、粒子振動または分極が伝搬方向に厳密に平行でも垂直でもないように、これらのモードも必ずしも純粋なモードではない。各モードの伝搬特性は、材料特性と各結晶軸の配向に対する伝搬方向とに依存する。せん断波は液体への非常に低い侵入深度を示すので、純粋または主要なせん断モードを用いる装置は著しい放射損失を伴うことなく液体中で動作することができる（液体中で放射するが、著しい伝搬損失を示す可能性がある縦波とは対照的である）。繰り返すならば、せん断モードの振動は流体（例えば、液体）を用いる音波装置の動作には有利である。せん断波は流体に大きなエネルギーを付与しないからである。
窒化アルミニウム［ＡｌＮ］および酸化亜鉛［ＺｎＯ］を含む（ただしこれらに限定されない）六方晶系圧電材料などの特定の圧電薄膜は、縦モード共振およびせん断モード共振の両方を発生させることができる。電極間に配置された圧電材料を用いてせん断モードを含む波を発生させるために、圧電薄膜内の分極軸は通常、膜平面に対して非垂直である（例えば、膜平面に対して傾いている）必要がある。六方晶構造の圧電材料、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および酸化亜鉛（ＺｎＯ）は膜平面に対して垂直に分極軸（すなわちＣ軸）を作り出す傾向があるが、既知の技術（例えば、反応性高周波マグネトロンスパッタ法）により成長し、基板の一面からの法線に対して大部分が非平行の配向分布を有するＣ軸を有する結晶を（例えば、少なくとも小さい区域上に）生じさせることができる。液体媒体を含む生物学的感知用途では、共振器のせん断成分が用いられる。そのような用途では、圧電材料は下部基板の一面に対して垂直でないＣ軸配向分布とともに成長し、ＢＡＷ共振器構造体は電極全体に交流信号を印加すると明らかなせん断応答を示すことができる。
通常、ＢＡＷ装置は高周波動作を容易にするのに好適な微小規模の機能を提供する必要があるため、微少電気機械システム（ＭＥＭＳ）製造技術により製造される。バイオセンサーの文脈において、機能化材料（例えば、特異的結合材料。生物活性プローブまたは生物活性剤とも呼ばれる）を、様々な技術、例えば、マイクロアレイスポッティング法（マイクロアレイ印刷法とも呼ばれる）によりセンサー表面に置く場合がある。（例えば、複数のタイプまたは種の分子の結合を可能にする）非特異的結合の有用性を提供する機能化材料は特定の状況、例えば化学的感知でも用いることができる。
生化学的センサーは例えば、特異的結合材料がない少なくとも１つの参照領域および１つ以上の特異的結合材料を含む（任意に、一次元または二次元のアレイに配置された）１つ以上の検知領域などの、複数の共振器を組み込んでもよい。複数の電気接続部および流体接続部を提供する必要があるので複数の共振器および流体接続部が存在することで、センサー装置の大きさおよびコストが増加しがちであるという実装上の制約がある。そのような装置は、互いに近位にある電気接続部と流体接続部が存在するので信頼性のリスクも伴う。例えば、音響共振器は多くの場合、液体と接触すると腐食しやすい反応性材料（例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金）で作られた電極を用いる。流体が音響共振器の結合パッドと予期しない接触をすることで上面金属トレースの損傷や信頼性低下が生じる可能性がある。
したがって、生物学的感知または生化学的感知の用途において液体の存在下で動作するのに好適であり、従来の装置に関連する限界を克服するバルク音波共振器構造体を組み込んだ装置が必要である。
本開示は基板を貫通する流体ビア（fluidic vias）を有する少なくとも１つの音波共振器を組み込んだ流体装置を提供する。より詳細には、本開示は基板、基板の少なくとも一部の上に配置された少なくとも１つのバルク音波（ＢＡＷ）共振器構造体、および活性領域の少なくとも一部の上に配置された機能化材料を含む基底構造体を組み込んだ流体装置を提供し、少なくとも１つの流体ビアは基底構造体の少なくとも一部を貫通し（例えば、少なくとも基板を貫通して伸びている）、基底構造体の上にあり、および／または少なくとも部分的に基底構造体と境界を接する流路との流体連通を提供する。このような構造により流体装置への電気接続部および流体接続部を別々の面上に互いに分けることができる（例えば、電気接続部は流体装置の上面に沿って配置され、流体接続部は流体装置の下面に沿って配置される）。この構成により、少なくとも１つのバルク音波共振器構造体を組み込んだ流体装置の大きさおよびコストを低減することができ、そのような装置の信頼性が向上する。特定の実施形態では、機能化材料は特異的結合材料を具現化してもよい。他の実施形態では、機能化材料は非特異的結合材料を含んでもよい。
１つの側面において、流体装置は：（ｉ）基板；（ｉｉ）基板の少なくとも一部の上に配置された少なくとも１つのバルク音波共振器構造体であって、基板の一面からの法線に対して大部分が非平行の配向分布を有するＣ軸を含む圧電材料、圧電材料の一部の上に配置された上方電極、および圧電材料と基板の間に配置された下方電極を含む少なくとも１つのバルク音波共振器構造体であって、ここで圧電材料の一部は上方電極と下方電極の間に配置され、活性領域を形成する、少なくとも１つのバルク音波共振器構造体；ならびに（ｉｉｉ）活性領域の少なくとも一部の上に配置された機能化材料、を含む基底構造体と、基底構造体と少なくとも部分的に境界を接する流路と、基板を含む基底構造体の少なくとも一部を貫通し、流路と流体連通するよう画定された少なくとも１つの流体ビアとを含む。
特定の実施形態では、基底構造体は、活性領域の上に配置された自己組織化単層をさらに含み、ここで機能化材料は自己組織化単層の上に配置された特異的結合材料を含む。
特定の実施形態では、基底構造体は、活性領域の少なくとも一部の上に配置されたインタフェース層をさらに含み、自己組織化単層はインタフェース層の少なくとも一部の上に配置される。特定の実施形態では、インタフェース層は圧電材料の全体にわたっては伸びていない。特定の実施形態では、上方電極は非貴金属を含み、流体装置はインタフェース層と上方電極の間に配置された気密層をさらに含む。
特定の実施形態では、流体装置は基底構造体の上に配置された少なくとも１つの経路境界画定構造体をさらに含み、ここで少なくとも１つの経路境界画定構造体は流路の上部境界および少なくとも１つの側部境界を画定する。
特定の実施形態では、少なくとも１つの経路境界画定構造体は流路の少なくとも１つの側部境界を画定する少なくとも１つの中間構造体を含み、流路の上部境界を画定する被覆を含む。
特定の実施形態では、少なくとも１つの流体ビアは基板および圧電材料を貫通して伸びる。特定の実施形態では、少なくとも１つの流体ビアは基底構造体の少なくとも一部を貫通する複数の流体ビアを含む。特定の実施形態では、少なくとも１つの流体ビアは基板、音響反射構造体、および圧電材料を貫通して伸びている。
特定の実施形態では、基底構造体は基板と下方電極の間に配置された音響反射構造体をさらに含む。
特定の実施形態では、基板は下方電極の下部に位置し、活性領域と近位の凹部を画定する。特定の実施形態では、基底構造体は、基板中に画定された凹部と下方電極の少なくとも一部の間に配置された支持層とをさらに含む。
特定の実施形態では、少なくとも１つのバルク音波共振器構造体は流路とともに示される（registered with）複数のバルク音波共振器構造体を含む。
特定の実施形態では、機能化材料は非特異的結合材料を含む。
特定の実施形態では、流体装置は基板よりも圧電材料に対して近くなるように配置された上面、圧電材料よりも基板に対して近くなるように配置された底面、および上面に沿って配置された第１の電気的結合パッドと第２の電気的結合パッド、をさらに含み、ここで第１の電気的結合パッドは上方電極と導電接続し、第２の電気的結合パッドは下方電極と導電接続し、ここで少なくとも１つの流体ビアは底面を貫通して伸びている。
特定の実施形態では、生物学的感知または化学的感知の方法は、標的種を含む流体を、本明細書で開示する流体装置の流路に少なくとも１つの流体ビアを通して供給する工程であって、ここで前記供給する工程は、標的種の少なくとも一部が、機能化材料に結合するよう構成されている、工程；活性領域にバルク音波を誘導する工程；および、少なくとも１つのバルク音波共振器構造体の周波数特性、振幅特性、または位相特性の少なくとも１つの変化を感知し、機能化材料に結合した標的種の存在または量の少なくとも１つを表示する工程、を含む。
別の側面では、基板の少なくとも一部の上に配置された少なくとも１つのバルク音波共振器構造体であって、基板の一面からの法線に対して大部分が非平行の配向分布を有するＣ軸を含む圧電材料、圧電材料の一部の上に配置された上方電極、および圧電材料と基板の間に配置された下方電極を含む少なくとも１つのバルク音波共振器構造体を含む流体装置を製造するための方法であって、ここで圧電材料の一部は上方電極と下方電極の間に配置され、活性領域を形成する、前記方法であり、以下の工程：基板および圧電材料を貫通する少なくとも１つの流体ビアを画定する工程；活性領域の少なくとも一部の上に少なくとも１種類の機能化材料を提供する工程；ならびに少なくとも１つのバルク音波共振器構造体の上に少なくとも１つの経路境界画定構造体を配置する工程であって、ここで少なくとも１つの経路境界画定構造体は少なくとも１つの流体ビアと流体連通する流路の上部境界および少なくとも１つの側部境界を画定し、活性領域は流路の下部境界に沿って配置される工程、を含む。
特定の実施形態では、方法は活性領域の少なくとも一部の上にインタフェース層を形成する工程、インタフェース層の少なくとも一部の上に自己組織化単層を形成する工程、および自己組織化単層の少なくとも一部の上に少なくとも１種類の機能化材料を提供する工程をさらに含み、ここで少なくとも１種類の機能化材料は特異的結合材料を含む。特定の実施形態では、方法は活性領域の少なくとも一部の上にインタフェース層を形成する工程の前に、上方電極の上に気密層を形成する工程をさらに含む。
特定の実施形態では、基板および圧電材料を貫通する少なくとも１つの流体ビアを形成する工程は、水ジェットにより導かれるレーザーマイクロマシニングを含む。
特定の実施形態では、少なくとも１つのバルク音波共振器構造体の上に少なくとも１つの経路境界画定構造体を配置する工程は、活性領域の少なくとも一部の上に少なくとも１種類の機能化材料を提供する工程の前に行われる。
別の側面では、さらなる利点を求めて上記の側面のいずれかおよび／または本明細書で説明する様々な他の側面ならびに特徴を組み合わせてもよい。本明細書で特に記載がない限り、本明細書に開示する様々な特徴および要素のいずれかを開示の他の１つ以上の特徴および要素と組み合わせてもよい。
当業者は、好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を添付の図面を参照しながら読めば、本開示の範囲を理解し、本開示のさらなる側面を実現することができる。
図面の簡単な説明
組み込まれて本明細書の一部をなす添付の図面は本開示のいくつかの側面を示し、明細書とともに本開示の原理を説明する一助となる。
組み込まれて本明細書の一部をなす添付の図面は本開示のいくつかの側面を示し、明細書とともに本開示の原理を説明する一助となる。
以下に示す実施形態は、当業者がこれらの実施形態を実施するのに必要な情報を表し、これらの実施形態の最善の形態を示している。添付の図面を参照して以下の説明を読めば、当業者は本開示の概念を理解し、本明細書で特に取り上げていない用途にも気付くであろう。当然のことだが、これらの概念および用途は本開示および添付図面の範囲内にある。
「第１の」、「第２の」等の用語は、本明細書で様々な要素を表現するのに用いることができるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるものではないと理解すべきである。これらの用語は、１つの要素をもう１つの要素と区別するためにのみ用いられる。例えば、第１の要素を第２の要素と表現し、同様に第２の要素を第１の要素と表現してもかまわず、これによって本開示の範囲を逸脱することはない。本明細書で用いられる「および／または」は、関連するリスト項目の１つ以上の組み合わせをすべて含む。
当然のことだが、ある要素がもう１つの要素に「接続（connected）」または「連結(coupled)」されていると表現されるときは、その要素に直接接続または直接連結していることもあれば、介在する要素が存在する可能性がある。一方、要素がもう１つの要素に「直接接続されている」または「直接連結されている」と表現される場合には介在する要素は存在しない。
なお、「上部(upper)」、「下部(lower)」、「最下部(bottom)」、「中間(intermediate)」、「真ん中(middle)」、「最上部(top)」等の用語は、本明細書で様々な要素を表現するのに用いることができるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるものではない。これらの用語は、１つの要素をもう１つの要素と区別するためにのみ用いられる。例えば、第１の要素と第２の要素の相対的な位置関係によって、第１の要素を「上部」要素と表現し、同様に第２の要素を「上部」要素と表現してもかまわず、これによって本開示の範囲を逸脱することはない。
本明細書で用いる用語は、特定の実施形態を説明することをのみを目的としており、本開示の範囲を制限することを意図していない。本明細書で用いる単数表現「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈で特に明確な別段の断りがない限り、複数表現も含むことを意図している。本明細書で用いる「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」および／または「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」は、特徴、整数、手順、操作、要素および／または構成要素の存在を指定しているが、１つ以上の他の特徴、整数、手順、操作、要素および／または構成要素の存在または追加を排除するものでない。
別段の定義がない限り、本明細書で用いるあらゆる用語（技術的用語および科学的用語）は本開示が属する分野の通常の当業者が一般に理解しているのと同じ意味を有する。本明細書で用いる用語は本明細書の文脈における意味と同じであると解釈し、本明細書で明確に定義されない限り、理想化された意味または過度に正式な意味に解釈しないものと理解すべきである。
一側面では本開示は基板、基板の少なくとも一部の上に配置された少なくとも１つのバルク音波（ＢＡＷ）共振器構造体、および少なくとも１つのバルク音波共振器構造体の活性領域の少なくとも一部に配置された機能化材料（例えば、少なくとも１つの特異的結合材料）を含む基底構造体を含む流体装置に関するものであり、ここで流路は、この基底構造体と少なくとも部分的に境界を接しており、少なくとも１つの流体ビアは基底構造体の少なくとも一部を通って画定されている。特定の実施形態では、特異的結合材料で具現化される機能化材料はインタフェース層の上に配置された自己組織化単層（ＳＡＭ）の上に提供されてもよい。ＢＡＷ共振器構造体は、圧電材料、圧電材料の一部の上に配置された上方電極、および圧電材料と基板の間に配置された下方電極を含む。活性領域は上方電極と下方電極の間に配置された圧電材料の一部を含む。特定の実施形態では、上方電極を金または別の貴金属で形成またはメッキしてもよく、それにより適切な（例えば、チオール系）ＳＡＭを貴金属面に直に貼り付けることができる。別の実施形態では、貴金属以外の材料（例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金）を含む上方電極は、有機シラン系ＳＡＭを貼り付けるのに好適なインタフェース層を、任意に上方電極とインタフェース層の間に配置された気密層と組み合わせて、積層してもよい。
基底構造体（例えば、基板を含むがこれに限定されない）の少なくとも一部を貫通して伸びている少なくとも１つの流体ビア（例えば、流体導管）、および流路に流体を供給する流体口（基底構造体の背面または底面に配置してもよい）を設けることにより、流体装置の前面に配置された電気接続部を流体源から離間および隔離する。このように、電気接続部および流体接続部は、流体装置の別々の（例えば、対向する）上部面および下部面に設けてもよい。例えば特定の実施形態では、流体入口と流体出口を流体装置の下部面または最下部面に配置し、電気接続部（例えば、電気的結合パッド）を流体装置の上部面または再上部面に設ける。この構成により１つ以上のＢＡＷ共振器構造体を組み込んだ流体装置の大きさおよびコストを低減でき、液体が流体装置の電気接続部と不意に接触する可能性を回避する。
特定の実施形態では、本明細書に説明する流体装置のＢＡＷ共振器構造体に含まれる圧電材料のすべてが、自己組織化単層（ＳＡＭ）を受けることができるインタフェース層が積層されるわけではない。特定の実施形態では、インタフェース層は圧電材料の全体にわたっては配置されない。あるいは、インタフェース層を圧電材料の実質的に全体にわたって配置してもよいが、パターン形成したブロック層（例えば、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＣ、フォトレジスト（例えばＳＵ−８）、ポリイミド、パリレン、またはポリ（エチレングリコール）の少なくとも１つ）はインタフェース層の少なくとも一部の上に配置してもよい。この場合に、パターン形成したブロッキング材が存在するため、インタフェース層の一部はＳＡＭを受けるのに利用できない。堆積技術、例えば原子層堆積（ＡＬＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、または物理蒸着（ＰＶＤ）を、１つ以上のマスク（例えば、フォトリソグラフィーマスク）とともに用いて、活性領域の少なくとも一部を含むＭＥＭＳ共振器装置のうちの選択した部分（すなわち、装置全体よりは狭い部分）の上にインタフェース層をパターン形成してもよい。特定の実施形態では、インタフェース層はヒドロキシル化酸化物表面を含み、自己組織化単層は有機シラン材料を含む。特定の実施形態では、インタフェース層は金または別の貴金属を含み、自己組織化単層はチオール材料を含む。インタフェース層の形成後にＳＡＭをその上に形成してもよく、機能化（例えば、特異的結合）材料をＳＡＭに適用してもよい。好ましくは、特異的結合材料は、ＢＡＷ共振器構造体の活性領域の少なくとも一部と共に示される。
図１は、カバーもしくはキャップ層および流体ビアが存在しないが、以下に開示する実施形態の機能を導入するのに有利である、バルク音波ＭＥＭＳ共振器装置１０の一部の概略断面図である。バルク音波ＭＥＭＳ共振器装置１０は、基板１２（例えば、一般には、シリコンまたはその他の半導体材料）、基板１２上に配置された音響反射体１４、圧電材料２２、下方電極２０および上方電極２８を含む。下方電極２０は圧電材料２２の底面２４の一部に沿って配置されており（音響反射体１４と圧電材料２２とに挟まれている）、上方電極２８は圧電材料２２の上面２６の一部に沿って配置されている。圧電材料２２が上方電極２８と下方電極２０との重複部分に挟まれている領域が共振器装置１０の活性領域３０とみなされる。音響反射体１４は音波を反射する役割があるため、音波の基板１２内での消失を減少または回避する。特定の実施形態では、音響反射体１４は、任意に基板１２の上に積層した１／４波長のブラッグミラー（Ｂｒａｇｇ ｍｉｒｒｏｒ）に具現化される、異なる材料（例えば、オキシ炭化ケイ素［ＳｉＯＣ］、窒化ケイ素［Ｓｉ３Ｎ４］、二酸化ケイ素［ＳｉＯ２］、窒化アルミニウム［ＡｌＮ］、タングステン［Ｗ］およびモリブデン［Ｍｏ］）の薄膜層１６、１８を交互に重ねることを含む。特定の実施形態では、他の種類の音響反射体を用いてもよい。共振器装置１０の形成工程は、基板１２の上に音響反射体１４を積層し、下方電極２０を積層し、圧電材料２２を（例えば、スパッタ法または他の適切な方法によって）成長させ、上方電極２８を積層するという工程を含んでいてもよい。
特定の実施形態では、ＭＥＭＳ共振器装置の活性領域全体にわたってＳＡＭを受けるようにインタフェース層をパターン形成し、あるいは別の方法で利用可能にし、ＳＡＭと機能化材料（例えば、特異的結合材料）をインタフェース層全体に適用して活性領域全体と重なるようにすることができる。他の実施形態では、インタフェース層上に適用されたＳＡＭと機能化材料が活性領域の一部と重なるように、ブロック層をインタフェース層上にパターン形成してもよく、あるいは別の方法で活性領域の一部のみにわたってＳＡＭを受けることができるようにしてもよい。
特定の実施形態では、フォトリソグラフ法を用いてＭＥＭＳ共振器装置の複数の部分を覆っているインタフェース材またはブロッキング材のパターン形成を促進してもよい。フォトリソグラフ法は、幾何学パターンをフォトマスクから基板上にある感光性化学フォトレジストに転写するための光の使用を含み、半導体製造技術に関わる技術者によく知られている工程である。フォトリソグラフ法で用いられる典型的な工程は、ウェハーの洗浄、フォトレジスト（ポジ型またはネガ型のいずれか一方を含む）の適用、マスク位置合わせ、露光および現像を含む。所望の表面上のフォトレジストに特徴構造を画定した後、フォトレジスト層の１つ以上のギャップをエッチングしてインタフェース層をパターン形成してもよく、その後フォトレジスト層を除去してもよい（例えば、フォトレジスト除去液の使用、酸素含有プラズマの適用を介した灰化またはその他の除去工程）。
特定の実施形態では、インタフェース層（例えば、上方電極とＳＡＭとの間に配置可能）は有機シランＳＡＭの形成に適した水酸化酸化物表面を含む。水酸化酸化物表面を含む好ましいインタフェース層の材料は二酸化ケイ素［ＳｉＯ２］である。インタフェース層を形成するための水酸化酸化物表面を含む代替材料として二酸化チタン［ＴｉＯ２］、五酸化タンタル［Ｔａ２Ｏ５］、酸化ハフニウム［ＨｆＯ２］、または酸化アルミニウム［Ａｌ２Ｏ３］がある。水酸化酸化物表面を取り込むその他の代替材料は当業者には知られており、これらの代替材料は本開示の範囲内とみなされる。
他の実施形態では、インタフェース層（例えば、上方電極とＳＡＭとの間に配置可能）または被覆するインタフェース層を欠く少なくとも１つの電極は、チオール系ＳＡＭを受けるのに適している、金または他の貴金属（例えば、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、プラチナまたは銀）を含む。
腐食しやすい電極材料を含む特定の実施形態では、気密性層を上方電極とインタフェース層の間にも適用することができる。上方電極に貴金属（例えば、金、プラチナ等）が用いられる場合は、気密性層は不要となる可能性がある。気密性層を設ける場合は、気密性層は水蒸気透過率が小さい（例えば、０.１（ｇ／ｍ２／日）以下）誘電体を含むのが望ましい。気密性層とインタフェース層の積層に続いて、特定の実施形態において有機シラン材料を含むＳＡＭを用いて、インタフェース層を覆うようにＳＡＭを形成してもよい。気密性層は、反応性電極材料（例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金）を腐食性液体環境での攻撃から保護し、インタフェース層はＳＡＭとの適切な化学結合を促進する。
特定の実施形態では、気密性層および／またはインタフェース層は、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）または物理蒸着（ＰＶＤ）などの１つ以上の積層工程を経て適用してもよい。ピンホールがない層構造体を提供するために、装置の特徴にわたって良好な工程適用範囲を有する優れたコンフォーマルコーティングを提供する能力があるので、上述の工程のうち、ＡＬＤは、少なくとも気密性層の積層に好ましい（インタフェース層の積層にも好ましい可能性がある）。さらに、ＡＬＤは、装置性能の低下につながりかねない音響振動の相対的な減衰をほとんど提供しない、均一な薄膜層を形成することが可能である。下方にある電極の腐食を防止するには、気密性層（存在する場合）の十分な被覆性が重要である。ＡＬＤを用いて気密層の積層を行う場合、特定の実施形態では気密層の厚さは約１０ｎｍ〜約２５ｎｍの範囲を含むことがある。特定の実施形態において、気密性層の厚さは約１５ｎｍまたは約１２ｎｍ〜約１８ｎｍである。一方、ＣＶＤなどのもう１つの工程を用いると、気密性層の厚さは約８０ｎｍ〜約１５０ｎｍもしくはそれ以上または約８０ｎｍ〜約１２０ｎｍの範囲を含む。上述の両方の工程を考慮すると、気密性層の厚さは約５ｎｍ〜約１５０ｎｍの範囲でよい。ＡＬＤを用いてインタフェース層の積層を行う場合は、インタフェース層の厚さは約５ｎｍ〜約１５ｎｍの範囲を含んでよい。特定の実施形態におけるインタフェース層の厚さは約１０ｎｍまたは約８ｎｍ〜約１２ｎｍの範囲を含んでよい。その他のインタフェース層の厚さの範囲および／またはＡＬＤ以外の積層手法を特定の実施形態で用いてもよい。特定の実施形態では、気密性層およびインタフェース層を真空環境で順番に適用し、それによって２つの層間のインタフェースの高品質化を促進する。
気密性層を設ける場合、気密性層は特定の実施形態で誘電体として機能し、水蒸気透過率が低い（例えば、０．１（ｇ／ｍ２／日）以下）酸化物、窒化物またはオキシ窒化物を含んでよい。特定の実施形態において、気密性層はＡl２Ｏ３またはＳｉＮの少なくとも１つを含む。特定の実施形態において、インタフェース層はＳｉＯ２、ＴｉＯ２またはＴａ２Ｏ５の少なくとも１つを含む。特定の実施形態では、複数の材料は、単一の気密性層において、結合されてもよく、および／または、気密性層は、異なる材料の複数の下位層（sublayers）を含んでも良い。好ましくは、気密性層は、音響共振器構造体の下層にある反応性金属（例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金）電極構造体との適合性を高めるように、さらに選択される。アルミニウムまたはアルミニウム合金はバルク音波共振器構造体の電極材料としてよく用いられるが、このような電極には様々な遷移金属およびポスト遷移金属を用いることができる。
（任意に、下層の気密性層の上に配置された）インタフェース層の積層に続いて、好ましくはインタフェース層を覆うようにＳＡＭが形成される。ＳＡＭは、通常、固体表面を固体表面と強い親和性を示す化学基をもつ両親媒性分子に暴露することで形成される。水酸化酸化物表面を含むインタフェース層を用いる際には、水酸化酸化物表面への付着のために、有機シランＳＡＭが特に好ましい。有機シランＳＡＭはケイ素−酸素（Ｓｉ−Ｏ）結合を介して表面結合を促進する。詳細には、有機シラン分子は、加水分解感受性基および有機基を含み、非有機材料を有機ポリマーに結合するのに有効である。有機シランＳＡＭは、微量の水の存在で水酸化表面を有機シラン材料に暴露することで形成され、中間的なシラノール基を形成してもよい。これらの基は水酸化表面で遊離ヒドロキシル基と反応し、共有結合によって有機シランを固定化する。水酸化酸化物表面を含むインタフェース層と適合性がある使用可能な有機シラン系ＳＡＭの例は、３−グリシジルオキシプロピルトリメトキシシラン（ＧＰＴＭＳ）、３−メルカプトプロピルトリエトキシシラン（ＭＰＴＭＳ）、３−アミノプロピルトリメトキシシラン（ＡＰＴＭＳ）およびオクタデシルトリメトキシシラン（ＯＴＭＳ）のほか、それらのエトキシ変異体およびクロロ変異体を含む。このほかＳＡＭに用いることができるシランとしてポリエチレングリコール（ＰＥＧ）共役変異体がある。当業者にはこの他にも代替材料が存在することが分かっている。これらの代替材料は本開示の範囲内とみなされる。典型的なＳＡＭの厚さは少なくとも０.５ｎｍまたはそれ以上の範囲を含んでもよい。好ましくは、ＳＡＭは局所的にパターン形成されたインタフェース層に容易に結合するが、その他の隣接する材料層（例えば、気密性層、圧電材料および／またはブロッキング材料層）には容易に結合しない。
電極および／または金または他の貴金属を含むインタフェース層を用いる際には、チオール系（例えば、アルカンチオール系）のＳＡＭを用いることができる。アルカンチオール類は、主鎖としてのアルキル鎖、末端基およびＳ−Ｈ頭部基を有する分子である。これらの金属は硫黄に対し強い親和性をもつため、チオール類は、貴金属インタフェース層上で用いられてもよい。用いることができるチオール系ＳＡＭの例として、１−ドデカンチオール（ＤＤＴ）、１１−メルカプトウンデカン酸（ＭＵＡ）およびヒドロキシル基末端（ヘキサエチレングリコール）ウンデカンチオール（１−ＵＤＴ）がある。これらのチオール類は同じ主鎖を含むが末端基が異なる。すなわち、ＤＤＴ、ＭＵＡおよび１−ＵＤＴに対してはそれぞれ、メチル基（ＣＨ３）、カルボキシル基（ＣＯＯＨ）およびヒドロキシル基末端ヘキサエチレングリコール（ＨＯ−（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）６）である。特定の実施形態では、無水エタノールなど適切な溶剤を用いてチオール溶液内で金表面をインキュベートすることによってＳＡＭを形成してもよい。
ＳＡＭの形成に続いて、ＳＡＭは少なくとも１つの機能化材料（例えば、特異的結合材料）を受けるなどして生物学的に機能化されてもよい。特定の実施形態では、特異的結合材料をマイクロアレイスポット針または他の好適な方法を用いてＳＡＭ上またはＳＡＭを覆うように適用してもよい。特定の実施形態では、（基板を含む）共振器構造体の一部のみに対して高い寸法許容で、インタフェース層を（例えば、フォトリソグラフィおよびインタフェース層を画定するための選択的エッチングを用いて）パターニングしてもよく、ＳＡＭはインタフェース層の上に適用されてもよく、続いて、適用された特異的結合材料はＳＡＭにのみ付着する。特定の実施形態では、インタフェース層のパターン形成は、特異的結合材料を配置するため、マイクロアレイスポット単独で達成できる寸法許容度よりも、より高い寸法許容度を提供してもよい。特異的結合材料の例として抗体、受容体、リガンド等があるが、これらに限定されない。特異的結合材料はあらかじめ決定された標的種（例えば、分子、たんぱく質、ＤＮＡ、ウイルス、バクテリア等）を受け入れるよう構成するのが好ましい。特異的結合材料を含む機能化材料の厚さの範囲は約５ｎｍ〜約１０００ｎｍまたは約５ｎｍ〜約５００ｎｍであってもよい。特定の実施形態では、異なる特異的結合材料のアレイを複数の共振器を備えた装置の異なる活性領域（すなわち、複数の活性領域を含む共振器装置）に設けてもよく、任意に、特異的結合材料が含まれない１つ以上の活性領域を比較領域（すなわち「参照」領域）として上記活性領域と組み合わせてもよい。特定の実施形態では、機能化材料は非特異的な結合機能を提供してよい。
生物学的感知機能を提供する複数の層を上層に形成し、特定の実施形態にかかる流体装置とともに用いることができる例示的なバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置を図２に示す。図２はバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置の上部の概略断面図であり、圧電材料２２および上方電極２８、ならびにその上に形成された気密層３２、インタフェース層３４、自己組織化単層３６、および機能化材料（例えば、特異的結合材料）３８を含む。特定の実施形態では、ＭＥＭＳ共振器装置はバルク音波共振器装置を含む。圧電材料２２は、基板の一面からの法線に対して大部分が非平行（非垂直であってもよい）の配向分布を有するＣ軸を含む窒化アルミニウム材料または酸化亜鉛材料を含む（図２に図示せず）。このようなＣ軸配向分布はせん断変位を発生させることができ、これによってＭＥＭＳ共振器装置をセンサー内および／またはマイクロ流体装置内で用いるなど、液体とともに用いることができるという利点がある。特定の実施形態では、圧電材料は長手方向の配向を有するＣ軸を含む。
基板の一面からの法線に対して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形成する方法は、２０１６年１０月１３日に出願された米国特許出願第１５／２９３，０６３号で開示されており、前述の出願は本明細書で参照することにより本明細書に組み込まれる。傾斜したＣ軸配向を有する圧電材料を形成する追加の方法は、１９８７年２月３日に発行された米国特許第４,６４０，７５６号で開示されており、前述の特許は本明細書で参照することにより本明細書に組み込まれる。
特定の実施形態は、本明細書で開示するようなバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置を含み、かつ、液体を少なくとも１つの機能化材料（例えば、特異的結合材料）と接触するように配置されている流体路（例えば、経路、チャンバ等）を含む、流体装置を対象としている。このような装置は、規模的にはマイクロ流体であってよいが、少なくとも１つの微細流路（例えば、高さおよび／または幅などの少なくとも１つの寸法が約５００ミクロン、約２５０ミクロン、または約１００ミクロン以下）を含む。例えば、バルク音波ＭＥＭＳ共振器装置の製造およびバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置の複数の部分を覆うインタフェース層およびＳＡＭの積層（任意に、液密層の積層が先行して行われる）に続いて、少なくとも１つの音響共振器の活性領域を好ましくは含む微細流路の側方境界を画定する１つ以上の壁を形成することでマイクロ流体装置を製造し、続いてカバーもしくはキャップ層の適用によって微細流路を取り囲んでもよい。特定の実施形態では、機能化材料（例えば、特異的結合材料）は、微細流路の壁を形成した後、かつカバーもしくはキャップ層の適用前に適用されてもよい。微細流路の壁は、任意の適切な材料、例えば、薄いポリマー材料および／または積層板のレーザー切断「ステンシル」層で形成されてもよく、任意に１つ以上の粘着表面（例えば、粘着テープ）を含んでもよい。任意にこのような壁は、ＳＡＭ層、機能化材料、および／またはブロック層を積層する前に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してもよい。特定の実施形態では、カバーもしくはキャップ層を（例えば、鋳造または他の好適な工程により）１つ以上の壁と一体的に形成して少なくとも１つの流路の上部境界と側部境界を画定し、一体形成されたカバー／壁構造体をバルク音波共振器構造体の少なくとも一部を覆うように適用され（例えば、付着またはその他の方法で結合）、少なくとも１つの流路を閉じてもよい。特定の実施形態では、機能化材料（例えば 特異的結合材料）は、微細流路の形成前に、バルク音波共振器構造体の活性領域に予め適用されてもよい。他の実施形態では、機能化材料は、微細流路を形成した後にバルク音波共振器構造体の活性領域の上に適用してもよい。
特定の実施形態では、化学的または生物学的ブロッキング材をＳＡＭの一部の上に適用し、機能化材料（例えば、特異的結合材料）がＢＡＷ共振器構造体の１つ以上選択された領域（例えば、活性領域から離れた１つ以上の領域）に付着するのを防止してもよい。所与の分析のための、化学的または生物学的ブロッキング材（例えば、ブロッキングバッファー）の適切な選択は、試料内に存在する標的種または被検物質の種類に依存する。高度精製たんぱく質、血清または乳などの、様々な種類のブロッキングバッファーが、ＳＡＭ上の空き領域をブロッキングするために使用されてもよい。追加のブロッカーは、エタノールアミンまたは酸化ポリエチレン（ＰＥＯ）を含む材料がある。理想的なブロッキングバッファーは、活性領域から離れた場所にある非特異的な相互作用を起こす可能性があるすべての領域に結合するであろう。特定の分析のためにブロッキングバッファーを最適化するには経験的な検証により信号対ノイズ比を決定すればよい。抗体と抗原の各対は固有の特性をもつため、化学的ブロッキング材がすべての状況に理想的ではない。
図３は流体装置５０（例えば、生物化学的センサー装置）の一部の概略断面図であり、下側はバルク音波（ＢＡＷ）共振器構造体と境界を接し、側方は壁４４と境界を接し、上側は上部もしくは最上部面流体口４８Ａ、４８Ｂを形成するカバーもしくはキャップ層４６と境界を接する微細流路５２を含み、本開示の以下に記載の実施形態の背景を説明する比較用の装置として機能する流体装置５０である。流体装置５０は、音響反射体１４が積層された基板１２と、圧電材料２２のほぼ下に配置された下方電極２０を含む。上方電極２８は圧電材料２２の一部の上に伸びており、ここで上方電極２８と下方電極２０の間に配置された圧電材料２２の一部はＢＡＷ共振器構造体の活性領域３０を具現化する。上方電極２８と圧電材料２２の上には気密層３２、インタフェース層３４、および自己組織化単層（ＳＡＭ）３６が積層されている。活性領域３０から離れて伸びるＳＡＭ３６の一部は、化学的または生物学的ブロッキング材４０が覆われ、特異的結合材料の付着を防止する。活性領域３０とともに示されるＳＡＭ３６の一部は、指定の被検物質と結合するよう配置された機能化材料３８（例えば、特異的結合材料）で覆われる。活性領域３０から横方向に移動した壁４４は、化学的または生物学的ブロッキング材４０から上方に伸び、活性領域３０を含む微細流路５２の側部境界を画定する。このような壁４４は、任意の好適な材料、例えば、薄いポリマー材料および／または積層板のレーザー切断「ステンシル」層で形成してもよく、任意に１つ以上の粘着表面（例えば、粘着テープ）を含んでもよい。任意に、壁４４は、ＳＡＭ３６、機能化材料３８、および化学的または生物学的ブロッキング材４０の積層前に、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してもよい。壁４４をＳＡＭ３６上に形成する場合、ＳＡＭ３６は壁４４の接着を促進してもよい。さらに、微細流路５２の上側の境界を提供するために、上部面流体口４８Ａ、４８Ｂを画定するカバーもしくはキャップ層４６が設けられる。カバーもしくはキャップ層４６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）開口を画定すること、及びカバーもしくはキャップ層４６を壁４４の上面に固着させることで形成してもよい。
流体装置５０を使用する際には、流体試料は、第１の上部面流体口４８Ａから、活性領域３０の上方の微細流路５２へと供給され、微細流路５２から第２の上部面流体口４８Ｂを通って放出されてもよい。図３に示すように、流体試料により供給される被検物質４２は機能化材料３８（例えば、特異的結合材料）に結合する。電流信号（例えば、交流信号）を下方電極２０および上方電極２８に供給して活性領域３０内にバルク音波を誘導する場合、バルク音波共振器構造体の周波数特性、振幅特性、または位相特性の少なくとも１つの変化の検知が、機能化材料３８に結合した標的種（すなわち、被検物質）の存在および／または量を示す。電気接続部（例えば、結合パッド。図示しない）は、通常は流体装置５０の上面にまたはこれに沿って配置される（例えば、圧電材料２２の上）。流体装置５０の上面にまたはこれに沿って上部面流体口４８Ａ、４８Ｂおよび電気接続部があるので、そのような要素は、パッケージングの理由のためと、流体と電気接続部の間の好ましくない接触を回避するために、互いに分離されなければならい。
図４は本開示の一実施形態による流体装置５４の一部の概略断面図であり、バルク音波（ＢＡＷ）共振器構造体を支持する基板１２を貫通する流体流入ビア(fluidic inlet via)５８Ａおよび流体流出ビア(fluidic outlet via)５８Ｂを含み、流体装置５４の底面から活性領域３０の上にある微細流路５２に流体を供給することができる。流体装置５４の底部から始まり、基板１２（例えば、シリコンまたは他の半導体材料）の上に順に音響反射体１４、下方電極２０、圧電材料２２、および上方電極２８が積層され、バルク音波（ＢＡＷ）共振器構造体を提供する。上方電極２８と下方電極２０の重なっている部分の間に圧電材料２２が配置される領域がＢＡＷ共振器構造体の活性領域３０を具現化する。圧電材料２２と上方電極２８の上に気密層３２が積層される。活性領域３０で示された気密層３２の中心部分は、インタフェース層３４、自己組織化単層（ＳＡＭ）３６、および機能化材料３８（例えば、特異的結合材料）が積層される。ＢＡＷ共振器構造体および上述の積層（すなわち、気密層３２、インタフェース層３４、ＳＡＭ３６、および機能化材料３８）は、活性領域３０を含む微細流路５２の下方境界を画定する。活性領域３０から横方向に移動した壁４４は気密層３２から上方に伸び、微細流路５２の側部境界を画定する。壁４４に付加されたカバーもしくはキャップ層４６がさらに設けられ、微細流路５２の上方境界として機能する。特定の実施形態では、カバーもしくはキャップ層４６は（例えば、成形または別の好適な技術により）壁４４と一体に形成されてもよい。
流体入口５６Ａおよび流体出口５６Ｂは基板１２の底面に画定される。流体入口５６Ａは流体流入ビア５８Ａと流体連通し、流体出口５６Ｂは流体流出ビア５８Ｂと流体連通する。流体流入ビア５８Ａと流体流出ビア５８Ｂは、基板１２、音響反射体１４、圧電材料２２、ならびに下方電極２０および／または上方電極２８を貫通して伸び、それにより流体流入ビア５８Ａは微細流路５２の第１の端部と流体連通し、流体流出ビア５８Ｂは微細流路５２の第２の端部と流体連通する。活性領域３０は微細流路５２の中に配置される。特定の実施形態では、流体入口５６Ａと流体出口５６Ｂはそれぞれ、基板１２の底面に開口部（例えば、円形開口部）を形成し、流体ビア５８Ａ、５８Ｂはそれぞれ、基板１２およびその上に形成された層を通る導管（例えば、円筒形の経路）を形成する。
流体装置５４を使用する際には、流体サンプルを、流体入口５６Ａおよび流体流入ビア５８Ａを通って微細流路５２へと供給され、活性領域３０の上方を通過し、流体流出ビア５８Ｂおよび流体出口５６Ｂを通って微細流路５２から放出してもよい。図４に示すように、流体試料により供給される被検物質４２は機能化材料３８（例えば、特異的結合材料）に結合する。流体装置５４を環境内の標的種の存在を検知するセンサーとして用いてもよい。電気信号（例えば、せん断モードで圧電材料２２を駆動するよう構成されている無線周波数変換交流信号(radio frequency alternating current signal)）を下方電極２０および上方電極２８に供給することで活性領域３０内にバルク音波を誘導する場合、ＢＡＷ共振器構造体の周波数特性、振幅特性、または位相特性の少なくとも１つの変化の検出が、機能化材料３８に結合した標的種（すなわち、被検物質）の存在および／または量を示す。例えば、被検物質４２が機能化材料３８と結合することによる質量負荷は、ＢＡＷ共振器構造体の共振周波数における変動により検知することができる。電気接続部（例えば、結合パッド。図示しない）は流体装置５４の上面（例えば、圧電材料２２の上）にて、またはこれに沿って配置されてもよく、流体装置５４の底面に沿って配置された流体入口５６Ａおよび流体出口５６Ｂに対向する。それらは流体装置５４の対向する上面と底面に沿って設けられるので、電気接続部と流体接続部は互いに分離され、実装上の制約が低減される。
図４に示す流体装置５４では、インタフェース層３４、ＳＡＭ３６、および機能化材料３８が活性領域３０の全体を覆う。代替的な実施形態では、インタフェース層、ＳＡＭ、および機能化材料は活性領域全体よりも小さい面積であってもよい。例えば、特定の実施形態では、パターン形成したブロック層（例えば、窒化ケイ素[Ｓｉ３Ｎ４]もしくは炭化ケイ素［ＳｉＣ］等、またはＳＵ−８、フォトレジスト、ポリイミド、パリレン、もしくはポリ（エチレングリコール）等の有機物質などの１種以上の非酸化物薄膜を含む）をインタフェース層の少なくとも一部にわたって配置してもよく、それにより、パターン形成したブロッキング材の存在が、インタフェース層の一部にＳＡＭを受けることを不可能にする。
図５Ａ〜図５Ｄは、図４のＢＡＷセンサーを形成する工程を示す。より詳細には、図５Ａは、上方電極２８および圧電材料２２の上に気密層３２を適用し、活性領域３０で示される気密層３２の一部の上にインタフェース層３４を適用した後の図１のＭＥＭＳ共振器装置部分を示す概略断面図である。特定の実施形態では、気密層３２は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）膜からなり、もしくは、を含み、および／または、インタフェース層３４は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）、二酸化チタン（ＴｉＯ２）、または酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）からなり、もしくは、を含む。特定の実施形態では、気密層３２および／またはインタフェース層３４は、原子層堆積（ＡＬＤ）および／または化学蒸着（ＣＶＤ）により適用されてもよい。本明細書ですでに述べたように、気密層３２は不動態化および防湿層として機能するのが好ましく、インタフェース層３４はＳＡＭを後で固定する接着層として機能する。
図５Ｂは、図４の流体装置を製造する別の工程で、基板１２、音響反射体１４、圧電材料２２、下方電極２０および上方電極２８、ならびに気密層３２を貫通する流体流入ビア５８Ａおよび流体流出ビア５８Ｂを形成した後の図５ＡのＭＥＭＳ共振器装置部分を示す概略断面図である。特定の実施形態では、水ジェットにより導かれるレーザーマイクロマシニング、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）、レーザーマイクロマシニング、化学ドライエッチング、化学ウェットエッチング、アブレイシブジェットマシニング、上記処理のうちの２つ以上の組み合わせ、またはその他の好適な手段または方法で、流体流入ビア５８Ａおよび流体流出ビア５８Ｂを形成してもよい。特定の実施形態では、シノヴァ・レーザー・マイクロジェット（スイス・ローザンヌ市のシノヴァ社）を用いてもよく、それは、水ジェットがレーザーを導いて、基板１２、音響反射体１４、下方電極２０および上方電極２８、ならびに／または圧電材料２２を除去および融解させる。特定の実施形態では、流体流入ビア５８Ａおよび流体流出ビア５８Ｂの形成中の一時的保護のために（例えば、気密層３２およびインタフェース層３４の上の）部分組立品の上面または前面にフォトレジストを適用してもよい。
図５Ｃは、インタフェース層３４（例えば、パターン形成したＡＬＤ ＳｉＯ２）の上に自己組織化単層（ＳＡＭ）３６を形成した後の図５ＢのＭＥＭＳ共振器装置部分の概略断面図である。図５Ｄは図４の流体装置を製造するさらなる工程で、ＳＡＭ３６の上に機能化材料３８（例えば、特異的結合材料）を適用した後の図５ＣのＭＥＭＳ共振器装置部分の概略断面図である。ＳＡＭ３６を適用して機能化材料３８の結合または接着を促進する。特定の実施形態では、ＳＡＭ３６は有機シラン材料（例えば、３−グリシドキシプロピルトリメトキシシラン）を含んでもよく、インタフェース層３４はパターン形成したＳｉＯ２を含んでもよい。特定の実施形態では、機能化材料３８（例えば、抗体）はマイクロアレイスポット針を用いてプリントされてもよく、ＳＡＭ３６が存在する領域のみに貼り付けてもよく、結合していない過剰な機能化材料３８は洗浄除去されてもよい。特定の実施形態では、流体装置の動作中に、機能化が望ましくないか、存在しないＳＡＭ３６の領域は、化学的または生物学的にブロッキングし、機能化材料３８がＳＡＭ３６の望ましくない部分に適用されるのを防止し、あるいは１つ以上の化学種がＳＡＭ３６に望ましくない非特異的結合をするのを防止することができる。図４に示す流体装置５４の形成を完了するには、壁とカバーもしくはキャップ層（図示せず）は、活性領域３０から横方向に離間配置した気密層３２の領域の上に適用されてもよく、流体流入ビア５８Ａおよび流体流出ビア５８Ｂが、微細流路（図示せず）を画定する。特定の実施形態では、壁およびカバーもしくはキャップ層は、レーザーで予め切断、または成形により画定されてもよく、その後、感圧性粘着剤または他の好適な取り付け手段で気密層３２に適用してもよい。
図６は、傾斜Ｃ軸六方晶構造の圧電材料バルク層２２（例えば、圧電材料）を含む一実施形態による薄膜バルク音波共振器（ＦＢＡＲ）構造体６０の概略断面図である。ＦＢＡＲ構造体６０は支持層６６（例えば、二酸化ケイ素）で覆われた空洞６４を画定する基板６２（例えば、シリコンまたはその他の半導体材料）を含み、上方電極２８および下方電極２０の重なった部分の間に配置される圧電材料２２の一部を有する空洞６４とともに示された活性領域３０を含む。下方電極２０は、空洞６４上に配置され、支持層６６は下方電極２０と空洞６４の間に配置される。特定の実施形態では、支持層６６を除去、または省略してもよい。下方電極２０と支持層６６は、傾斜Ｃ軸六方晶構造の圧電材料（例えば、ＡｌＮまたはＺｎＯ）を具現化する圧電材料２２が積層され、そして上方電極２８は圧電材料２２の上面の少なくとも一部にわたって配置される。上方電極２８と下方電極２０の間に配置された圧電材料２２の一部は、ＦＢＡＲ構造体６０の活性領域３０を具現化する。活性領域３０は、支持層６６の下に配置された空洞６４の上に配置され、空洞６４とともに表わされる。音波は空洞６４を越えて効率良く伝播しないので、空洞６４は音響エネルギーが基板６２内で消失するのを防止することで、活性領域３０で誘導された音波を閉じ込める役割を果たす。この点で、空洞６４は図４に関連して上記で考察した音響反射体の代替物を提供する。上述のように、支持層６６は特定の実施形態では任意に選択してもよい。示された空洞６４は、下側で基板６２の薄くなった部分と境界を接しているが、代替的な実施形態では、空洞６４の少なくとも一部は基板６２の厚み全体を貫通して伸びている。ＦＢＡＲ構造体６０を形成する工程は、基板６２の中に空洞６４を形成すること、犠牲材料（sacrificial material）（図示せず）で空洞６４を充填すること、任意にその後に犠牲材料を平坦化すること、支持層６６を基板６２と犠牲材料の上に積層すること、犠牲材料を除去すること（例えば、基板６２もしくは支持層６６、または基板６２の外縁に画定された縦方向の開口部を通してエッチャントを流すことによって）、下方電極２０を支持層６６の上に積層すること、（例えば、スパッタ法または他の適切な方法で）圧電材料２２を成長させること、および上方電極２８を積層すること、を含んでもよい。
図７は図６のＦＢＡＲ構造体６０を組み込んだ流体装置６８の概略断面図である。流体流入ビア５８Ａおよび流体流出ビア５８ＢがＦＢＡＲ構造体６０の基板６２を貫通することで、ＦＢＡＲ構造体６０の活性領域３０を含む微細流路５２と流体連通することができる。流体装置６８は図４に関連して説明した流体装置と同じ機能および要素の多くを含んでおり、類似した動作をする。ただし、音響反射体１４に代えて空洞６４を用いて音波を圧電材料２２の中に閉じ込め、基板６２の中で音響エネルギーが消失するのを防止する。基板６２の中に形成された空洞６４は支持層６６と境界を接し、支持層６６の上に順に下方電極２０、圧電材料２２、および上方電極２８が形成される。上方電極２８と下方電極２０の一部が重なる部分の間に圧電材料２２が配置される領域はＦＢＡＲ構造体６０の活性領域３０を具現化する。圧電材料２２と上方電極２８の上に気密層３２が形成される。活性領域３０に含まれる気密層３２の中心部の上にはインタフェース層３４、自己組織化単層（ＳＡＭ）３６、および機能化材料３８（例えば、特異的結合材料）が形成される。活性領域３０から横方向に変位した壁４４は気密層３２から上方に伸びることで微細流路５２の側部境界を画定する。カバーもしくはキャップ層４６は微細流路５２の上部境界を画定する。
流体入口５６Ａと流体出口５６Ｂは基板６２の底面に画定される。流体入口５６Ａは流体流入ビア５８Ａと流体連通し、流体出口５６Ｂは流体流出ビア５８Ｂと流体連通する。流体流入ビア５８Ａと流体流出ビア５８Ｂは基板６２、支持層６６、圧電材料２２、ならびに下方電極２０および／または上方電極２８を貫通して伸び、流体流入ビア５８Ａは微細流路５２の第１の端部と流体連通し、流体流出ビア５８Ｂは微細流路５２の第２の端部と流体連通する。活性領域３０は微細流路５２の中に配置される。
流体装置６８を用いる際に、流体試料は、流体入口５６Ａおよび流体流入ビア５８Ａを通って微細流路５２に供給され、活性領域３０の上を通過し、流体流出ビア５８Ｂおよび流体出口５６Ｂを通って微細流路５２から出ることができる。図７に示すように、流体試料により供給される被検物質４２は機能化材料３８（例えば、特異的結合材料）に結合する。流体装置６８を環境内での標的種の存在を検知するセンサーとして用いてもよい。電気信号（例えば、せん断モードで圧電材料２２を駆動するようになっている無線周波数変換交流信号）を下方電極２０および上方電極２８に供給することによりバルク音波が活性領域３０に誘導されたときに、ＦＢＡＲ構造体６０の周波数特性または位相特性の少なくとも１つの変化を検知することで機能化材料３８に結合した標的種（すなわち、被検物質）の存在および／または量を示す。
図８はマイクロ流体装置７０の組立斜視図であり、複数のバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置を備えた基板７２、ＭＥＭＳ共振器装置の活性領域７８Ａ〜７８Ｎが示される中央微細流路９２を画定する中間層９０、および中間層９０を覆うように配置されるカバーもしくはキャップ層１００を組み込んでいる。音響反射体（図示せず）と圧電材料（図示せず）を含む基板７２の上面中央部は上方電極７６と下方電極パッド７４Ａ〜７４Ｎを含む。上記の電極が互いに重なり、圧電材料を挟む領域が活性領域７８Ａ〜７８Ｎを具現化する。図８には直列に配置された５つの活性領域が記載されているが、任意の好適な数の活性領域７８Ａ〜７８Ｎが設けられ、直列または並列に流体接続してもよい。基板７２の上面周縁部（または上面端部）は、参照重複領域８０と接続した参照上方電極８６と参照下方電極８４をさらに含む。このような参照重複領域８０は流体に対して露出されておらず、中央微細流路９２の中の流体に対して露出された活性領域７８Ａ〜７８Ｎから得られる信号の比較の基礎を提供するために存在する。基板７２は、基板７２の底面と中央微細流路９２の間に伸びる流体ビア１０２、１０４を更に含む。流体ビア１０２、１０４はそれぞれ、基板７２の底部に沿って到達可能な微細流体口と、基板７２の上面の開口部との間に伸びている。基板７２は、中間層９０（例えば、壁規定層）で覆われており、中央微細流路９２は、流体を受けるように意図されており、そして封止する方法で、参照重複領域８０を覆うように配置された周縁チャンバ９４を画定する。中間層９０は、任意の好適な材料、例えばＳＵ−８ネガ型エポキシレジスト、他のフォトレジスト材料、または任意に１つ以上の粘着表面（例えば、粘着テープ）等を含む薄いポリマー材料をレーザー切断した「ステンシル」層などで形成されてもよい。中間層９０は、マイクロ流体装置７０を組み立てると、上方電極７６および下方電極パッド７４Ａ〜７４Ｎの一部を利用可能にする横方向差込領域９６をさらに含む。カバーもしくはキャップ層１００は、中間層９０の横方向差込領域９６とともに示される横方向差込領域１０６を含む。流体ビアの上面開口部１０２、１０４は、中間層９０に画定された中央微細流路９２の端部とともに示され、流体（例えば液体）を活性領域７８Ａ〜７８Ｎの上の中央微細流路９２に供給することができるようにする。
好ましくは、少なくとも活性領域７８Ａ〜７８Ｎは、本明細書で開示した気密層、インタフェース層、自己組織化単層、および機能化材料（例えば 特異的結合）で覆われる。他の構成によるマイクロ流体装置を提供できることは、当業者が本開示を検討すれば気づくことである。
当業者は、本開示の好ましい実施形態の改善点および修正点が分かるだろう。そのような改善点および修正点はすべて本明細書で開示し以下で請求する概念の範囲に含まれるものとみなされる。
Claims (20)
- （ｉ）基板；（ｉｉ）前記基板の少なくとも一部の上に配置された少なくとも１つのバルク音波共振器構造体であって、前記基板の一面からの法線に対して大部分が非平行の配向分布を有するＣ軸を含む圧電材料、前記圧電材料の一部の上に配置された上方電極、および前記圧電材料と前記基板の間に配置された下方電極を含む前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造体であって、ここで前記圧電材料の一部は前記上方電極と前記下方電極の間に配置され、活性領域を形成する、少なくとも１つのバルク音波共振器構造体；ならびに（ｉｉｉ）前記活性領域の少なくとも一部の上に配置される機能化材料、を含む基底構造体と、
前記基底構造体と少なくとも部分的に境界を接する流路と、
前記基板を含む前記基底構造体の少なくとも一部を貫通し、前記流路と流体連通する少なくとも１つの流体ビア（fluidic via）と、
を含む、流体装置。 - 前記基底構造体は前記活性領域の上に配置された自己組織化単層をさらに含み、前記機能化材料は前記自己組織化単層の上に配置された特異的結合材料を含む、請求項１に記載の流体装置。
- 前記基底構造体は前記活性領域の少なくとも一部の上に配置されたインタフェース層をさらに含み、前記自己組織化単層は前記インタフェース層の少なくとも一部の上に配置される、請求項２に記載の流体装置。
- 前記インタフェース層は前記圧電材料の全体にわたっては伸びていない、請求項３に記載の流体装置。
- 前記上方電極は非貴金属を含み、前記流体装置は前記インタフェース層と前記上方電極の間に配置された気密層をさらに含む、請求項３に記載の流体装置。
- 前記基底構造体の上に配置された少なくとも１つの経路境界画定構造体をさらに含み、前記少なくとも１つの経路境界画定構造体は前記流路の上部境界および少なくとも１つの側部境界を画定する、請求項１に記載の流体装置。
- 前記少なくとも１つの経路境界画定構造体は前記流路の前記少なくとも１つの側部境界を画定する少なくとも１つの中間構造体を含み、前記流路の前記上部境界を画定する被覆を含む、請求項６に記載の流体装置。
- 前記少なくとも１つの流体ビアは前記基板および前記圧電材料を貫通して伸びている、請求項１に記載の流体装置。
- 前記少なくとも１つの流体ビアは前記基底構造体の前記少なくとも一部を貫通する複数の流体ビアを含む、請求項１に記載の流体装置。
- 前記基底構造体は前記基板と前記下方電極の間に配置された音響反射構造体をさらに含む、請求項１に記載の流体装置。
- 前記基板は前記下方電極の下方にあり、前記活性領域と近位の凹部を画定する、請求項１に記載の流体装置。
- 前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造体は、前記流路とともに示された複数のバルク音波共振器構造体を含む、請求項１に記載の流体装置。
- 前記機能化材料は非特異的結合材料を含む、請求項１に記載の流体装置。
- 前記基板よりも前記圧電材料に対して近くなるように配置された上面、
前記圧電材料よりも前記基板に対して近くなるように配置された底面、および
前記上面に沿って配置された第１の電気的結合パッドと第２の電気的結合パッドをさらに含み、
ここで前記第１の電気的結合パッドは前記上方電極と導電接続し、前記第２の電気的結合パッドは前記下方電極と導電接続し、
ここで前記少なくとも１つの流体ビアは前記底面を貫通して伸びている、請求項１に記載の流体装置。 - 生物学的感知または化学的感知の方法であって、前記方法は：
標的種を含む流体を、請求項１に記載の前記流体装置の前記流路に、前記少なくとも１つの流体ビアを通して供給する工程であって、ここで前記供給する工程が、前記標的種の少なくとも一部は前記機能化材料に結合するよう構成されている、工程、
前記活性領域にバルク音波を誘導する工程、および
前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造体の周波数特性、振幅特性、または位相特性の少なくとも１つの変化を感知して、前記機能化材料に結合した標的種の存在または量の少なくとも１つを表示する工程、
を含む、方法。 - 基板の少なくとも一部の上に配置された少なくとも１つのバルク音波共振器構造体を含む流体装置を製造する方法であって、前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造体が、前記基板の一面からの法線に対して大部分が非平行の配向分布を有するＣ軸を含む圧電材料、前記圧電材料の一部の上に配置された上方電極、および前記圧電材料と前記基板の間に配置された下方電極を含み、ここで前記圧電材料の一部は前記上方電極と前記下方電極の間に配置され、活性領域を形成するものであり、前記方法は、以下：
前記基板および前記圧電材料を貫通する少なくとも１つの流体ビアを画定する工程、
前記活性領域の少なくとも一部の上に少なくとも１種類の機能化材料を提供する工程、ならびに
前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造体の上に少なくとも１つの経路境界画定構造体を配置する工程であって、ここで前記少なくとも１つの経路境界画定構造体は前記少なくとも１つの流体ビアと流体連通する流路の上部境界および少なくとも１つの側部境界を画定し、前記活性領域は前記流路の下部境界に沿って配置される工程、
を含む、方法。 - 前記活性領域の少なくとも一部の上にインタフェース層を形成する工程、前記インタフェース層の少なくとも一部の上に自己組織化単層を形成する工程、および前記自己組織化単層の少なくとも一部の上に前記少なくとも１種類の機能化材料を提供する工程をさらに含み、ここで前記少なくとも１種類の機能化材料は特異的結合材料を含む、請求項１６に記載の方法。
- 前記活性領域の少なくとも一部の上に前記インタフェース層を形成する工程の前に、前記上方電極の上に気密層を形成する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
- 前記基板および前記圧電材料を貫通する前記少なくとも１つの流体ビアを画定する工程は、水ジェットにより導かれるレーザーマイクロマシニング、深掘り反応性イオンエッチング、レーザーマイクロマシニング、化学ドライエッチング、化学ウェットエッチング、アブレイシブジェットマシニング、またはこれらの処理のうちの２つ以上の組み合わせを含む、請求項１６に記載の方法。
- 前記少なくとも１つのバルク音波共振器構造体の上に前記少なくとも１つの経路境界画定構造体を配置する工程は、前記活性領域の少なくとも一部の上に前記少なくとも１種類の機能化材料を提供する工程の前に行われる、請求項１６に記載の方法。
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