JP6916176B2 - 音響振動のせん断モードおよび縦モードの反射を増強した共振器構造体 - Google Patents
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Description
関連出願の記述
本出願は、２０１５年１０月２１日に出願した仮特許出願番号６２／２４４，２８４の権利を主張し、同仮特許出願番号の開示内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０１５年１０月２１日に出願した仮特許出願番号６２／２４４，２８４の権利を主張し、同仮特許出願番号の開示内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
技術分野
本開示は、共振器構造体、特に、音響振動のせん断モードおよび縦モードを反射する共振器構造体に関する。
本開示は、共振器構造体、特に、音響振動のせん断モードおよび縦モードを反射する共振器構造体に関する。
バイオセンサー（または生物学的センサー）は、生物学的要素と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、試料内に存在する可能性のある複数の種類また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使用するものがある。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。バイオセンサーと共に使用される変換方法は、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、特異的結合材料の内部を通過するかまたはその表面を伝搬する音波を使用し、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面上または同領域を覆うように存在する機能化材料により、被検物質をこの機能化材料に結合することが可能となる。これにより、音波による振動質量が変化し、音波の伝搬特性（例えば、速度、それによる共振周波数）も変化する。速度の変更は、センサーの周波数特性または位相特性を測定することで監視し、測定対象の物理量に相関させることができる。
電子音響装置の高周波数検知への応用について、高感度、高解像度および高信頼性の可能性により関心が高まっている。しかし、特定のセンサー用途、特に、液体／粘性媒質で動作するセンサー（例えば、化学センサーおよび生化学センサー）に電子音響技術を応用することはたやすくはない。なぜなら、縦波および表面波はこのような媒体に対し高い音響漏洩を示し、検知機能を阻害しているからである。
圧電変換共振器の場合、音波は圧電材料の内部（すなわち「バルク」）を通過して伝搬するバルク音波（ｂｕｌｋ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ、ＢＡＷ）を具現化し得る。ＢＡＷ装置は、通常、圧電材料の上面および下面の互いに対抗する側に配置された電極を使用して音波の変換を伴う。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および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、材料特性と結晶軸の配向を基準とした伝搬方向とに依存する。せん断変位を生み出す能力は音波装置を液体で動作させるのに有利である。なぜなら、せん断波が相当量のエネルギーを液体に付与することはないからである。
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。電極が挟まれた標準的な構成の装置を使用してせん断モードを含む音波を発生するには、圧電薄膜内の分極軸は一般に薄膜面に対し垂直であってはならない（例えば、薄膜面に対し傾斜していなければならない）。液体媒体を含む生物学的検知用途では、液体の負荷によって完全に減衰することがないので、共振器のせん断成分が用いられる。この場合、圧電材料は下層の基板面に対して垂直ではないＣ軸配向分布とともに成長し、せん断成分を縦成分に比べ増加させることができる。
電気機械結合係数は、所定の音響モードについて電気エネルギーを音響エネルギーに変換する際の圧電材料の効率を示す数値である。六方晶系圧電材料のＣ軸傾斜角度を変化させると、せん断結合係数および縦結合係数が変動する。他の圧電材料も同様な振る舞いを示すが、図１は、それぞれＡｌＮのＣ軸傾斜角度の関数として、せん断結合係数（Ｋｓ）および縦結合係数（Ｋｌ）のプロットを示す。縦成分は特定の角度（例えば、４６°および９０°）で最小化され、Ｋｌの値はゼロとなり、せん断成分は特定角度（例えば、０°および６７°）で最小化され、Ｋｓの値はゼロとなる。他のあらゆるＣ軸傾斜角度では、せん断成分と縦成分両方の音波伝搬が存在する。縦モードおよびせん断モードを含むＣ軸角度（例えば、約０°、４６°、６７°および９０°を除く角度）で製造されている装置は準せん断モード装置（quasi-shear mode devices）と呼ばれる。
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。
１／４波長薄膜技術は、一般に、異なる音響インピーダンスの材料の複数の層を用いる、反射積層体（例えば、ブラッグ反射体またはブラッグ格子と呼ばれることもある）の製造に使用される。音響インピーダンスが異なる材料の層を交互に配置することで、層の境界から反射する音波の構造的な干渉を促進し、高い反射性（低い透過率）が達成される周波数帯を作る。図２に、二酸化ケイ素［ＳｉＯ２］とタングステン［Ｗ］とが交互に配置された５層の組み合わせを使用した１／４波長反射体設計の一般的な透過率プロットを示す。この透過率プロットは、せん断応答２Ａ（例えば、最小せん断透過率）と縦応答２Ｂ（例えば、最小縦透過率）とがほぼ完全に重複している領域がないことから、せん断波漏えいを示している。１／４波長設計に付随するせん断波漏えい（応答の重複がないことによる）が、得ることが可能な共振器のＱを低減し得る。
従来の音響反射体は、縦成分およびせん断成分の両方が基板の裏面から反射するのを防止しつつ、準せん断モード用途でせん断モードの音響共振器に高いＱを提供するのに非常に適しているとは言えない（反射共振器を内蔵するセンサーで得られる測定と干渉する可能性がある）。従来の音響反射体は、特定の音響共振器をベースとした検知用途に対して、所望の動作周波数においてせん断モードおよび縦モードの少なくとも１つのモードで過度な透過率を示す傾向がある。
従って、準せん断モード検知用途のためにせん断エネルギーおよび縦エネルギーの両方の反射を向上することができる音響反射体の改善が求められている。
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。
特定の実施形態では、前記圧電材料層は、基板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含む。
特定の実施形態では、各差動音響インピーダンス層単位において、高音響インピーダンス材料層は、低音響インピーダンス材料層の音響インピーダンスの少なくとも約２．５倍大きい音響インピーダンスを含む。
特定の実施形態では、前記基板は裏面と前記音響反射構造体との間に配置され、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面を含む。
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、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は、せん断応答の第３高調波共振の最小透過率の周波数の約５％以内である。
特定の実施形態では、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。前記音響反射構造体は、特に前述の５層の構造体に限定されるわけではない。したがって、特定の実施形態では、そのような層に限定されるが、他の実施形態では、１つ以上の追加の低音響インピーダンス材料層および／または１つ以上の追加の高音響インピーダンス材料層を提供してよい。
特定の実施形態では、前記圧電材料層は、基板面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含む。
特定の実施形態では、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、各差動音響インピーダンス層単位において、高音響インピーダンス材料層は、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少なくとも約２．５倍大きい音響インピーダンスを含む。
特定の実施形態では、前記基板は裏面と前記音響反射構造体との間に配置され、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面を含む。
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。
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、本開示の範囲を正しく理解し、本開示の追加の側面を実現するであろう。
図面の簡単な説明
本明細書に組み込まれその一部となっている添付図面は本開示のいくつかの側面を説明し、本文と共に本開示の原理を説明するのに役立つ。
本明細書に組み込まれその一部となっている添付図面は本開示のいくつかの側面を説明し、本文と共に本開示の原理を説明するのに役立つ。
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使用される。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。本明細書で使用されている「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使用される。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。
本明細書で使用する用語は、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。本明細書で使用される単数表現「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。本明細書で使用される「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」、「含んでいる（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」、「含む（ｉｎｃｌｕｄｅｓ）」および／または「含んでいる（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、本明細書で使用するあらゆる用語（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もつ。本明細書で使用す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。
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。
音響反射構造体は、準せん断モード操作用に配置され、液体と共に使用するように構成されている音響共振器と併用することができ、例えば液体またはその他の粘性媒質中の１つ以上の被験物質の存在および／または濃度を検知する。音響反射構造体は、好ましくは、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。音響反射構造体は、反射体構造の透過率特性の重複高調波を利用するものであり、これが、材料の異なるせん断音響速度および縦音響速度の結果となる。特定の実施形態では、反射体構造の様々な設計が可能であるが、共振器に最も近い２つの層が好ましいレベルの透過率と温度補償を提供するように構成されるように、変更されてもよい。本明細書で開示されている音響反射構造体は、液体検知用途に求められる高いＱ準せん断共振器を達成するために、様々な材料系に応用可能である。
図３Ａは、本開示の一実施形態による多層音響反射構造体を含むバルク音波微小電気機械システム（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素材）、基板１２を覆うように配置された音響反射体１４、圧電材料層２２、下方電極２０および上方電極２８を含む。下方電極２０は圧電材料層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。圧電材料層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。音響反射体１４は様々な材料（例えば、オキシ炭化けい素［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］）の交互に配置されている薄膜層１６、１８を含み、これらの薄膜層は基板１２を覆うように積層されている。共振器装置１０の形成工程は、基板１２を覆うように音響反射体１４の層１６、１８を積層し、下方電極２０を積層し、圧電材料２２を（例えば、スパッタリング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。
音響反射体１４は、交互に配置された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を含み、音響反射体１４の最上層および最下層は低音響インピーダンス材料層１６を有する。１つの低音響インピーダンス材料層１６と隣接する高音響インピーダンス材料層１８の各対は、複数の音響インピーダンス層単位を含む音響反射体１４を有する、音響インピーダンス層単位とみなされてもよいは。特定の実施形態では、高音響インピーダンス材料層１８は差動音響インピーダンス層単位の低音響インピーダンス材料層１６の音響インピーダンスより少なくとも約２．５倍大きい音響インピーダンスを含む。
特定の実施形態では、低音響インピーダンス材料層１６および高音響インピーダンス材料層１８の厚さは縦モードおよびせん断モードの音響振動の透過率を最小にするように構成されている。後に詳細に説明するように、高音響インピーダンス材料層１８および低音響インピーダンス材料層１６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（又は実質的に同じになる）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１６は厚さが０．７３λＬ〜０．８２λＬで、高音響インピーダンス材料層１８は厚さが０．１３λＬ〜０．１９λＬであり、ここでλＬは前記少なくとも１つの活性領域での音波の縦波長を表す）。特定の実施形態では、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は、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の約５％、約４％、約３％、約２％または約１％以内（例えば、実質的に一致）である。すなわち、音響反射体は、せん断透過率応答の第２高調波と縦透過率応答の第３高調波との間の所望の周波数範囲で高調波が重複するように構成されており、それは、所定の材料におけるせん断モードおよび縦モードでの音響速度の違いの結果である（例えば、Ｖｓ／ＶＬは約０．５６〜約０．６３の範囲である）。このような透過率応答は、本明細書で開示し請求する範囲の厚さを有する複数の差動音響インピーダンス層単位によって提供される。特定の実施形態では、低音響インピーダンス材料層１６は、すべて同じ厚さ（例えば、第１の厚さ）であり、高音響インピーダンス材料層１８は、すべて同じ厚さである（例えば、第２の厚さ）。特定の実施形態では、低音響インピーダンス材料層１６は必ずしもすべてが同じ厚さでなく、および／または、高音響インピーダンス材料層１８も必ずしもすべてが同じ厚さでない。
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３Ａに示すバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置１０は、装置１０を生化学センサーとして使用できるようにする活性領域３０を覆う（例えば、機能化材料等を含む）任意の層が欠如している。必要に応じて、図３Ａによるバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置１０の少なくとも一部（例えば、活性領域３０を含む）は、様々な層が重ねられてもよい。図３Ｂに示すように、圧電材料層２２および上方電極２８を、気密性層４２（例えば、液体環境内での腐食から上方電極２８を保護するため）、インタフェース層５４（例えば、機能化材料の付着を可能にするため）および機能化材料層３２で覆ってもよく、それは、特異的結合材料または非特異的結合材料を含んでもよい。特定の実施形態では、自己組織化単分子層（ＳＡＭ）５６は、機能化材料を付着を促進するために、機能化材料層３２の前に積層されてもよい。特定の実施形態では、以後積層される１つ以上の層の局所的な付着を防止するため、または（ＳＡＭまたは機能化材料の選択領域を覆うように適用される場合）活性領域を覆っていない領域に被検物質が入り込むのを防止するために、製造中に、１つ以上のブロッキング材が、例えばインタフェース層の部分の上に、適用されてもよい。
特定の実施形態では、フォトリソグラフ法を使用して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使用さ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定義した後、フォトレジスト層に規定された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）はオルガノシラン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取り込んだ代替材料は、二酸化チタン［ＴｉＯ２］と五酸化タンタル［Ｔａ２Ｏ５］を含む。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）またはインタフェース層に覆われていない少なくとも１つの電極は、機能化材料でおおわれてもよい、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との間に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）が使用されている場合は、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、０．１ｇ／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。ＳＡＭは特定の実施形態においてオルガノシラン材料を含む。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）、化学蒸着または物理蒸着などの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を使用して気密性層を積層する場合、特定の実施形態における気密性層は約５ｎｍ〜約１００ｎｍ、約５ｎｍ〜約５０ｎｍまたは約１０ｎｍ〜約２５ｎｍの範囲の厚さを有してよい。特定の実施形態における気密性層の厚さは約１５ｎｍまたは約１２ｎｍ〜約１８ｎｍである。一方、化学蒸着などのもう１つの工程を使用する場合、気密性層は約８０ｎｍ〜約１５０ｎｍ以上または約８０ｎｍ〜約１２０ｎｍの範囲の厚さを有してよい。上述の両方の工程を考慮すると、気密性層は約５ｎｍ〜約１５０ｎｍの範囲の厚さであってもよい。ＡＬＤを使用してインタフェース層の積層を行う場合は、インタフェース層は約５ｎｍ〜約５０ｎｍまたは約５ｎｍ〜約１５ｎｍの範囲の厚さを有してよい。特定の実施形態におけるインタフェース層は約１０ｎｍまたは約８ｎｍ〜約１２ｎｍの範囲の厚さを有してよい。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使用してよい。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、これによって２つの層間のインタフェースの高品質化が促進される。
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ける気密性層はＡｌ２Ｏ３またはＳｉＮのうちの少なくとも１つを含んでいてよい。特定の実施形態における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使用されるが、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使用することができる。
（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使用する際には、水酸化酸化物表面への付着のために、オルガノシランＳＡＭが特に好ましい。オルガノシラン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、オルガノシラン分子は、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。オルガノシランＳＡＭは、微量の水の存在で水酸化表面をオルガノ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上で遊離ヒドロキシル基と反応し、共有結合によってオルガノ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オルガノシラン系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に使用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は少なくとも０．５ｎｍまたはそれ以上の範囲の厚さを有してよい。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、圧電材料層および／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使用する際には、チオール系（例えば、アルカンチオール系）のＳＡＭを使用することができる。アルカンチオール類は、主鎖としてアルキル鎖、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使用されてもよい。使用できるチオール系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使用し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、例えば少なくとも１つの特異的結合材料を受けるなどによって、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適切な方法を使用して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、インタフェース層を画定するためのフォトリソグラフィを用いて）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規定された標的種（例えば、分子、たんぱく質、ＤＮＡ、ウイルス、バクテリア等）を受け入れるように構成するのが好ましい。特異的結合材料を含む機能化層は約５ｎｍ〜約１０００ｎｍまたは約５ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲の厚さを有してよい。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（例えば、化学的または生物学的な機能化材料）は非特異的な結合機能を提供してよい。
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み、圧電材料は、基板面からの法線に対して大部分が非平行（非垂直でもよい）の配向分布を有するＣ軸を含む六方晶構造の圧電材料（例えば、窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛）を含むの。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使用するなど、液体と共に使用できるという利点がある。基板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日に出願され以後＿＿＿＿＿＿＿＿（日付）に米国特許出願公報番号＿＿＿＿＿＿＿＿として発行された米国特許出願番号１５／２９３，０６３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軸配向をもつ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番号４，６４０，７５６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。特定の実施形態では、１つ以上の圧電材料領域が縦配向のＣ軸を有していてもよい。
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）（図５に示すもの、後に述べる）と接触するように配置されている流体路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、気密性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によって、マイクロ流体装置を製造し、次に、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）の適用は、微細流路の壁を形成した後、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／または積層板をレーザー加工した「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、機能化層、および／またはブロッキング層を積層する前に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、鋳造または他の適切な工程により）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規定し、一体化して形成されたカバー／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）、前記少なくとも１つの流路を閉じてもよい。
特定の実施形態では、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）がバルク音波共振器構造体の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（例えば、ウシ血清アルブミン）、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を使用してＳＡＭ上の空き領域をブロッキングしてもよい。追加のブロッカーとして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であれば、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というわけではない。
図４は、本明細書で開示する一実施形態に従った音響反射体１４を含むバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置１０’の一部の概略断面図である。図４に示すバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置１０’は、特に別段の断り書きがない限り、図３に示すバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置１０と同様である。詳しくは、図４のバルク音波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素材）、基板１２を覆うように配置された音響反射体１４、圧電材料層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バルク音波ＭＥＭＳ共振器装置１０’の活性領域３０とみなされる。機能化材料（例えば、特異的結合材料）３２は活性領域３０を覆うように適用され、活性領域３０の少なくとも一部または実質的に活性領域３０全部を覆う。音響反射体１４は交互に配置された低音響インピーダンス材料層１６および高音響インピーダンス材料層１８を含み、本明細書で記述された厚さ範囲の複数の差動音響インピーダンス層単位を形成する。
図示するように、上方電極２８は下方電極２０の右端の上部に位置し、圧電材料２２はその間に配置されている。下方電極２０との電気接続を提供するため、導電性ビア（conductive via）３４が、下方電極２０の左端と導体パッド４０ａとの間の圧電材料２２を貫通して伸びており、導体パッド４０ａは圧電材料層２２の上面２６に沿って配置されている。図４は、さらに下方電極２０の中央部分を覆うように配置された下方電極積み重ね層３６、上方電極２８の一部の上方に配置された上方電極積み重ね層３８、導体パッド４０ａを覆うように配置された導体パッド積み重ね層４０ｂ、導体パッド積み重ね層４０ｂ（および導体パッド４０ａ）を覆うように配置されたバンプ下金属皮膜層４０ｃを示す。下方電極積み重ね層３６、上方電極積み重ね層３８および／または導体パッド積み重ね層４０ｂは特定の実施形態で任意に設けることができる。下方電極積み重ね層３６を設ける場合、下方電極積み重ね層３６は、下方電極２０より幅を狭くし、下方電極２０の左端で導電性貫通孔３４との伝導連通を防止し、下方電極２０の右端での活性領域３０への侵入を回避するのが好ましい。同様に、上方電極積み重ね層３８を設ける場合、上方電極積み重ね層３８は上方電極２８より幅を狭くし、上方電極積み重ね層３８と活性領域３０との重複を防止するように構成してもよい。導体パッド積み重ね層４０ｂは導体パッド４０ａを覆うように配置されている。
気密性層４２は、圧電材料２２、上方電極２８、上方電極積み重ね層３８、導体パッド４０ａ、導体パッド積み重ね層４０ｂおよびバンプ下金属皮膜層４０ｃの露出上面および／または側面の少なくとも複数の部分を覆うように（例えば、原子層堆積によって）配置されている。気密性層４２はバンプ下金属皮膜層４０ｃに繋がるように中に１つ以上の開口部を有してもよい。機能化材料３２は、活性領域３０および気密性層４２を覆うように配置されており、その接着がインタフェース層（図示せず）を覆うように配置された自己組織化単分子層（図示せず）によって支援されているのが好ましい。
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。
流体装置４４を使用する際には、流体試料を第１の流体口５２Ａから、活性領域３０上の微細流路４６の中へと供給され、第２の流体口５２Ｂを通って微細流路４６から排出されてもよい。図示するように、流体試料によって供給される被検物質５８は機能化材料（例えば、特異的結合材料）３２に結合する。下方電極および上方電極２０、２８に電気信号（例えば、交流信号）を与えることによって、活性領域３０内でバルク音波が、誘発される場合、バルク音波共振器構造体の少なくとも１つの周波数特性または位相特性の変化の検出が、機能化材料３２に結合した標的種（すなわち、被験物質）の存在および／または量を示す。
図６Ａは、バルク音波共振器構造体の７層音響反射体の周波数の関数としての反射体の透過率のプロットの一例であり、この音響反射体は、複数の差動音響インピーダンス層単位を形成する、交互に配置されたＳｉＯ２層とＷ層とからなる。図示するように、せん断応答は第１高調波６０Ａ、第２高調波６０Ｂおよび第３高調波６０Ｃを含み、縦応答は第１高調波６２Ａおよび第２高調波６２Ｂを含む。反射層の厚さは、せん断応答の第３高調波６０Ｃの最小透過率と縦応答の第２高調波６２Ｂの最小透過率が、実質的に同じ周波数で生じ、縦応答の第２高調波６２Ｂとせん断応答の第３高調波６０Ｃの有意な重複を形成するように、せん断透過率および縦透過率の両方を所望の周波数で最適化するように構成された。その結果、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、所与の数の層）の透過率を最小化する。
図６Ｂは、図６Ａに関連して説明した７層の音響反射体の各層の厚さを例示した表である。層の厚さは、縦波長λＬの分数倍として規定されている。図示するように、低音響インピーダンス材料層（Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５およびＲ７）は、全て同一材料（ＳｉＯ２）と同一の厚さ（０．７７＊λＬ）であり、高音響インピーダンス材料層（Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６）は全て同一の材料（Ｗ）と同一の厚さ（０．１６＊λＬ）である。
図７Ａは、複数の差動音響インピーダンス層単位を形成する、交互に配置されたＳｉＯ２層とＡｌＮ層とからなる１３層の音響反射体の周波数の関数としての、反射体の透過率のプロットの一例である。図示するように、せん断応答は第１高調波６４Ａ、第２高調波６４Ｂおよび第３高調波６４Ｃを含み、縦応答は第１高調波６６Ａおよび第２高調波６６Ｂを含む。反射層の厚さは、せん断応答の第３高調波６４Ｃの最小透過率と、縦応答の第２高調波６６Ｂの最小透過率が、実質的に同様の（または、ほぼ合致した）周波数で生じ、それによって縦応答の第２高調波６６Ｂとせん断応答の第３高調波６４Ｃの有意な重複を形成するように、せん断透過率および縦透過率の両方を所望の周波数で最適化するように構成された。交互に配置された低インピーダンス層と高インピーダンス層とを含む音響反射体の効率は、それぞれの層間の音響インピーダンスの相違に関係している。図６Ａおよび７Ａの音響反射体を比較すると、ＡｌＮとＳｉＯ２との音響インピーダンスの差はＷのＳｉＯ２に対する比よりも約２．６倍低く、図７Ａに関連して説明する音響反射体は、対象の周波数周辺での帯域幅の減少を示し、所望の透過率閾値（＜４０ｄＢ）を達成するにはさらに多くの層を交互に配置する必要もある。
図７Ｂは、図７Ａに関連して説明した１３層の音響反射体の各層の厚さを例示した表である。層の厚さは、縦波長λＬの分数倍として規定されている。図示するように、低音響インピーダンス材料層（Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７、Ｒ９、Ｒ１１、Ｒ１３）はどれも材料（ＳｉＯ２）と厚さ（０．７８＊λＬ）が同じである。高音響インピーダンス材料層（Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６、Ｒ８、Ｒ１０、Ｒ１２）はどれも材料（ＡｌＮ）と厚さ（０．１６＊λＬ）が同じである。
図８Ａは、複数の差動音響インピーダンス層単位を形成する、交互に配置された４層のＳｉＯ２／ＡｌＮ層と５層のＳｉＯ２／Ｗ層とからなる９層の音響反射体の周波数の関数としての、反射体の透過率のプロットの一例である。図示するように、せん断応答は、第１高調波６８Ａ、第２高調波６８Ｂおよび第３高調波６８Ｃを含み、縦応答は第１高調波７０Ａおよび第２高調波７０Ｂを含む。反射層の厚さは、せん断応答の第３高調波６８Ｃの最小透過率と縦応答の第２高調波７０Ｂの最小透過率は、実質的に合致した周波数で生じ、縦応答の第２高調波７０Ｂとせん断応答の第３高調波６８Ｃの有意な重複を形成するように、せん断透過率および縦透過率の両方を所望の周波数で最適化するように構成された。その結果、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、特定の数の層）の透過率が最小になる。
図８Ｂは、図８Ａに関連して説明した９層の音響反射体の各層の厚さを例示した表である。層の厚さは、縦波長λＬの分数倍として規定されている。図示するように、低音響インピーダンス材料層（Ｒ１、Ｒ３、Ｒ５、Ｒ７、Ｒ９）は、全て同じ材料（ＳｉＯ２）だが、厚さが異なる。特に、低音響インピーダンス材料層Ｒ１およびＲ３（０．７９＊λＬ）は他の低音響インピーダンス材料層Ｒ５、Ｒ７、Ｒ９（０．７６＊λＬ）に比べて若干厚い。高音響インピーダンス材料層（Ｒ２、Ｒ４、Ｒ６、Ｒ８）は、複数の異なる材料を含むが、厚さは同じである。特に、高音響インピーダンス材料層Ｒ２、Ｒ４の第１の対は第１の材料（Ｗ）からなり、第１の厚さ（０．１６＊λＬ）をもつ。高音響インピーダンス材料層Ｒ６、Ｒ８の第２の対は第２の材料（ＡｌＮ）からなり、第１の厚さ（０．１６＊λＬ）をもつ。低音響インピーダンス材料層および／または高音響インピーダンス材料層の厚さは、音響反射体の必要な仕様によって様々な実施形態で異なっていてよい。ＳｉＯ２／ＡｌＮ層はすべて誘電体であり、ＳｉＯ２／Ｗ層の場合に必要とされるようなパターン形成および平坦化を必要としない。
図９は、本開示の様々な実施形態による音響反射構造体で使用するための低音響インピーダンス材料および高音響インピーダンス材料の例を示した表である。低音響インピーダンス材料層１６の例として、限定されるわけではないが、シリコンオキシカーバイド［ＳｉＯＣ］（密度：１．５ｇｍ／ｃｍ３、音響Ｚ：３．６×１０５ｇｍ／ｃｍ２秒）、二酸化ケイ素［ＳｉＯ２］（密度：２．２ｇｍ／ｃｍ３、音響Ｚ：１２．９×１０５ｇｍ／ｃｍ２秒）およびポリマー（密度：１．０〜１．５ｇｍ／ｃｍ３）がある。高音響インピーダンス材料層１８の例として、限定されるわけではないが、酸化タンタル（ＩＶ）［ＴａＯ２］（密度：７．６ｇｍ／ｃｍ３、音響Ｚ：３４．５×１０５ｇｍ／ｃｍ２秒）、窒化アルミニウム［ＡｌＮ］（密度：３．３ｇｍ／ｃｍ３、音響Ｚ：３５．８×１０５ｇｍ／ｃｍ２秒）、酸化アルミニウム［Ａｌ２Ｏ３］（密度：３．９ｇｍ／ｃｍ３、音響Ｚ：３９．８×１０５ｇｍ／ｃｍ２秒）、モリブデン［Ｍｏ］（密度：１０．２ｇｍ／ｃｍ３、音響Ｚ：６４．３×１０５ｇｍ／ｃｍ２秒）およびタングステン［Ｗ］（密度：１９．４ｇｍ／ｃｍ３、音響Ｚ：１００．６×１０５ｇｍ／ｃｍ２秒）がある。当業者が認識する他の材料も使用してよい。
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とみなされる。
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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