JP7007362B2 - 機能化材料を制御して配置した弾性共振装置 - Google Patents
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Description
本開示はバイオセンシング又は生化学センシングへの応用に適した弾性波センサ及び流体装置を含む弾性共振装置に関する。
本出願は2016年8月11日に出願された米国仮特許出願第62/373668号明細書の優先権を主張し、当該出願の内容は参照により本明細書に援用される。本明細書にて開示する対称はまた、出願済みの、又は2016年10月26日に出願される、以下の3つの米国特許出願に関する。(1)「Acoustic Resonator Devices and Methods Providing Patterned Functionalization Areas」と題する米国特許出願第___号明細書、(2)「Acoustic Resonator Devices and Methods with Noble Metal Layer for Functionalization」と題する米国特許出願第___号明細書、及び(3)「Acoustic Resonator Devices and Fabrication Methods Providing Hermeticity and Surface Functionalization」と題する米国特許出願第___号明細書であり、これら3つの米国特許出願の内容は本明細書内で開示するかのように、参照により本明細書に全内容が援用される。
バイオセンサ(又は生体センサ)は生体要素を含む解析装置であり、生体反応を電気信号に変換する変換器である。特定のバイオセンサは特異的結合材(例:抗体、受容体、リガンド)と対象種(例:分子、タンパク質、DNA、ウイルス、バクテリア等)間における選択的な生化学的反応を伴い、高度に明確な反応の産物は変換器により測定可能な量へ変換される。その他のセンサは、化学検出の応用例に役立つような、サンプルの中に存在し得る複数の種類のクラスの分子又はその他の部分を結合することが可能な非特異的結合材を使用し得る。「機能化材料」の語は本明細書中において特異的及び非特異的結合材の両方に対して使用され得る。バイオセンサに使用する変換方法は、電気化学、光学、電気、音響、等の様々な原理に基づいていてもよい。それらの中でも、音響変換は、リアルタイムであること、ラベルフリーであること、低コストであること、そして高感度であることなどの、幾つもの潜在的な利点がある。
本開示は、基板上に配置され、含まれた少なくとも一つの機能化材料が少なくとも上側電極の中心部の上に配置され、しかし全体には配置されていない、微小電気機械システム(MEMS)共振装置を提供する。共振器の活性領域の周囲の少なくとも一つの部分上の機能化材料が省略され、中心点にて最も高感度を示し、周辺部にてより低い感度を示す活性領域は、最も感度の低い領域における検体の結合を妨げる。言い換えれば、機能化材料を共振器の最高感度を示す活性領域の中心部のみに提供することにより、機能化材料との結合による質量吸着のより少ない変化に起因する、より大きな信号の変化を提供することができる。このことは、MEMS共振器に基づいたセンシング装置が検体を非常に低濃度で含む流体サンプルに使用されるときに特に利益となり得る。活性領域に対する機能化材料を含む領域の寸法及び構成を調整することによりセンサ応答が高められ得る。例えば、少なくとも一つの機能化材料の最大長さは、活性領域長さの約20%から約95%の範囲(又は約30%から95%、約40%から約90%、又は50%から90%の副範囲)を占め得る。また最大幅は、活性領域幅の約50%から約100%の範囲(又は約60%から約100%、又は約70%から約95%の副範囲)を占め得る。そのようなMEMS共振機器が流体装置に組み入れられたとき、検体を含む流体の流れる方向に対する機能化材料を含む領域の方向性は、センサ応答を向上させるために選択されてもよく、そのことは検体が非常に低濃度で存在する場合に重要であり得る。
以下に明らかにする実施形態は当業者が実施形態を実行するために必要な情報を提示し、実施形態を実行する最良の形態を示す。添付する図面を参照した説明を読むにあたり、当業者は本開示の概念を理解し、本明細書内にて特別に言及されない応用例を認識するであろう。それらの概念と応用例は本開示及び添付する請求項の範疇に該当すると理解される。
3-グリシド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メトキシシラン(MPTMS)、
3-アミノプロピルトリメトキシシラン(APTMS)及び
オクタデシルトリメトキシシラン(OTMS)であり、
上記のエトキシー及びクロロ変異体を含む。SAMに使用され得る追加のシランにはポリ(エチレングリコール)(PEG)複合変異体が含まれる。当業者はその他の代替が存在し、それらの代替は本開示の範疇であると考えられることを理解するであろう。SAMの例は少なくとも0.5nm以上の厚さであってもよい。好ましくは、SAMは容易に局所的に図案の付いたインターフェース層に結合するが、その他の隣接した材料層には容易に結合しない(例:気密層、圧電材料、及び/又はブロッキング材料層)。
ブロッキング層を、インターフェース層上又はSAM上である、活性領域の一つ以上の周辺部上に図案化する;
SAMを活性領域の全体より少ない位置に図案化する;
又は上記の一つ以上の組み合わせ、を含む。従来のマイクロアレイスポッティングよりも高解像度にて機能化材料を堆積させることできる技術が開発されるに従い、それらの技術を機能化材料の位置を活性領域の全体よりも少なく制限するために付加的に使用してもよい。
Claims (20)
- 基板と、
前記基板の少なくとも一部分上に配置されたバルク弾性波共振器構造であって、前記バルク弾性波共振器構造は圧電材料と、前記圧電材料の一部分の上に配置された上側電極と、前記圧電材料と前記基板の間に配置された下側電極と、を含み、前記圧電材料の一部分は前記上側電極と前記下側電極の間に配置され活性領域を形成し、前記上側電極は前記下側電極と重なり前記活性領域と一致する活性領域部分を備え、前記活性領域部分は活性領域幅を含み、前記活性領域部分は前記活性領域幅に対して直角の方向に活性領域長さを含むようなバルク弾性波共振器構造と、
前記上側電極の少なくとも中心部上に配され、最大長さが前記活性領域長さの約20%から95%の範囲を占め、最大幅が前期活性領域幅の約50%から100%の範囲を占める、前記少なくとも一つの機能化材料と、
を備え、活性領域長さは、少なくとも一つの機能化材料に接する液体の流れの方向で定義され、当該液体の流れは、前記活性領域の上流から前記活性領域に向かって活性領域の長さに概ね平行である、微小電気機械システム(MEMS)共振装置。 - 前記少なくとも一つの機能化材料の前記最大幅が機能化材料の前記最大長さを超える、請求項1に記載のMEMS共振装置。
- 前記上側電極と前記少なくとも一つの機能化材料の間に配置された自己組織化単分子膜をさらに備える、請求項1に記載のMEMS共振装置。
- 前記上側電極と前記少なくとも一つの機能化材料の間に配置されたインターフェース層をさらに備える、請求項1に記載のMEMS共振装置。
- 前記上側電極が非貴金属を備え、前記MEMS共振装置が前記インターフェース層と前記上側電極の間に気密層をさらに備える、請求項4に記載のMEMS共振装置。
- 前記インターフェース層と前記少なくとも一つの機能化材料の間に配置された自己組織化単分子膜をさらに備える、請求項4に記載のMEMS共振装置。
- 前記少なくとも一つの機能化材料は特異的結合材又は非特異的結合材を備える、請求項1に記載のMEMS共振装置。
- 前記圧電材料は前記基板の面の法線方向に対して支配的に平行ではない配向を持つc軸を備える、請求項1に記載のMEMS共振装置。
- 前記基板と前記バルク弾性波共振器構造の間に少なくとも一つの弾性波反射器要素をさらに備える、請求項1に記載のMEMS共振装置。
- 前記基板は凹部を画定し、前記MEMS共振装置は前記バルク弾性波共振器構造と前記凹部の間に配置されたサポート層をさらに備え、前記活性領域は前記サポート層の少なくとも一部分と前記凹部の少なくとも一部分の上に配置される、請求項1に記載のMEMS共振装置。
- 前記圧電材料の一部分であり前記活性領域とは一致しない領域の上にブロッキング層をさらに備える、請求項1に記載のMEMS共振装置。
- 請求項1に記載のMEMS共振装置を備えるセンサ。
- 請求項1に記載のMEMS共振装置と、前記活性領域及び前記少なくとも一つの機能化材料に接するよう液体の流れを起こすよう配置された流路とを備え、前記流路は、前記活性領域の上流の流入口から前記活性領域に向かって前記活性領域長さ方向に概ね平行な液体の前記流れを起こすよう配置される、流体装置。
- 前記少なくとも一つの機能化材料は立ち上がりを備える形に配置され、前記立ち上がりの中心点が前記流入口と前記活性領域の中心の間になるように配置される、請求項13に記載の流体装置。
- 対象種の少なくともいくらかが前記少なくとも一つの機能化材料と結合するように、請求項13に記載の流体装置の前記流路に前記対象種を含む流体を提供することと、
前記活性領域がバルク弾性波を含むことと、
前記少なくとも一つの機能化材料に結合する対象種の存在の有無又は量のうち少なくとも一つを示す、前記バルク弾性波共振器構造の周波数特性、振幅特性、位相特性のうち少なくとも一つの変化をセンシングすることと、を含む、
生物学的又は化学的なセンシング方法。 - 圧電材料と、前記圧電材料の一部分の上に配置された上側電極と、前記圧電材料と基板の間に配置された下側電極と、を含み、前記圧電材料の一部分は前記上側電極と前記下側電極の間に配置され活性領域を形成し、前記上側電極は前記下側電極と重なり前記活性領域と一致する活性領域部分を備え、前記活性領域部分は活性領域幅を含み、前記活性領域部分は前記活性領域幅に対して直角の方向に延びる活性領域長さを含むようなバルク弾性波共振器構造を形成することと、
前記上側電極の少なくとも中心部上に少なくとも一つの機能化材料を堆積させ、前記少なくとも一つの機能化材料の最大長さは前記活性領域長さの約20%から95%の範囲を占め、最大幅は前期活性領域幅の約50%から100%の範囲を占めることと、を含み、活性領域長さは、少なくとも一つの機能化材料に接する液体の流れの方向で定義され、当該液体の流れは、前記活性領域の上流から前記活性領域に向かって活性領域の長さに概ね平行である、微小電気機械システム(MEMS)共振装置を製造する方法。 - 前記上側電極の少なくとも一部分の上に、前記少なくとも一つの機能化材料を前記堆積させる前に自己組織化単分子膜を形成することを含み、前記少なくとも一つの機能化材料は前記自己組織化単分子膜の少なくとも一部分の上に配置されることをさらに含む、請求項16に記載の方法。
- 前記上側電極の少なくとも一部分上の自己組織化単分子膜の前記形成は
前記上側電極の上に前記自己組織化単分子膜を適用することと、
第一のメカニカルマスクを前記自己組織化単分子膜の上に配置し、前期第一のメカニカルマスクは、前記自己組織化単分子膜の少なくとも一つの第一の部分が露出する少なくとも一つの第一の開口を画定することと、
前記自己組織化単分子膜の前記少なくとも一つの第一の部分の除去を促進することを目的として、前記自己組織化単分子膜の前記少なくとも一つの第一の部分と相互作用するために、前記少なくとも一つの第一の開口からピーク波長が約150nmから400nmの範囲である電磁気放射を送信することと、
を含む、請求項17に記載の方法。 - 第二のメカニカルマスクを、前記活性領域を含む前記バルク弾性波共振器構造の少なくとも一部分の上に、前記第二のメカニカルマスクは前記自己組織化単分子膜の少なくとも一つの第二の部分が露出する少なくとも一つの第二の開口を画定するように配置することと、
前記自己組織化単分子膜の前記少なくとも一つの第二の部分に前記少なくとも一つの第二の開口を通してブロッキング層を適用することと、
をさらに含む、請求項18に記載の方法。 - バルク弾性波共振器構造の一部分上に前記活性領域を覆う流路を画定するよう少なくとも一つの壁を形成することをさらに含み、前期流路は前記活性領域の上流の流入口から前記活性領域に向かって前記活性領域長さ方向に概ね平行な流体の流れを起こすよう配置され、前記流路は前記少なくとも一つの機能化材料に接するよう液体の前記流れを起こすよう配置される、請求項16に記載の方法。
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