[发明专利]声学谐振器设备和提供气密性及表面功能化的制造方法

说明书

微电子机械系统(MEMS)谐振器设备包括用低水渗透性气密层叠盖的顶侧电极和包括适合于接收自组装单层(SAM)的材料(例如金或羟基化氧化物表面)的界面层，所述自组装单层可以用功能化(例如，特异性结合)材料功能化，前述层设计成对传感器性能具有非实质性影响。原子层沉积可以用于气密层和/或界面层的沉积。气密层保护电极材料免受腐蚀性液体环境的侵蚀，且界面层促进SAM的适当化学结合。还提供结合MEMS谐振器设备的传感器和微流体设备。

相关申请的声明

本申请要求2015年11月6日提交的美国临时专利申请序列号62/252,402的优先权，其公开内容通过引用全部结合于此。本文公开的主题还涉及以下三个美国专利申请，每个申请在2016年10月26日提交或将在2016年10月26日提交：(1)标题为“AcousticResonator Devices and Methods Providing Patterned Functionalization Areas”的美国专利申请___号；(2)标题为“Acoustic Resonator Devices and Methods with NobleMetal Layer for Functionalization”的美国专利申请___号；和(3)标题为“AcousticResonator Device with Controlled Placement of Functionalization Material”的美国专利申请___号；其中前述三个美国专利申请的内容在此通过引用并入，如同在此完全阐述一样。

技术领域

本公开涉及声学谐振器设备，包括适合于生物传感或生物化学传感应用的声波传感器和微流体设备。

背景

生物传感器(biosensor)(或生物传感器(biological sensor))是包括生物元件和将生物响应转化为电信号的换能器的分析设备。某些生物传感器涉及特异性结合材料(例如抗体，受体，配体等)和靶物质(例如分子，蛋白质，DNA，病毒，细菌等)之间的选择性生物化学反应，且这种高度特异性反应的产物通过换能器转化为可测量的量。其它传感器可利用能够结合多种类型或种类的分子或可存在于样品中的其它部分的非特异性结合材料，例如可用于化学传感应用。术语“功能化材料”在本文中可以用于通常涉及特异性和非特异性结合材料二者。换能方法可以基于各种原理，例如电化学、光学、电学、声学等。其中，声学换能提供许多潜在的优点，如实时性、无标签和低成本，以及表现出高灵敏度。

声波设备采用通过压电材料表面或在压电材料表面上传播的声波，由此传播路径的特征的任何变化都会影响波的速度和/或幅度。沿着声波设备的有源区域存在以特异性结合材料呈现的功能化材料，允许特定分析物结合到特异性结合材料，从而改变被声波振动的物质并改变波传播特征(例如速度，从而改变谐振频率)。速度的变化可以通过测量传感器的频率、幅度或相位特征来监测，且可以与被测量的物理量相关联。

在压电晶体谐振器的情况下，声波可以体现为通过基底内部传播的体声波(BAW)或在基底表面上传播的表面声波(SAW)。SAW设备涉及利用沿着压电材料表面的叉指式换能器进行声波(通常包括二维瑞利波)换能，其中波被限制在约一个波长的穿透深度。在BAW设备中，三种波模式可以传播，即一种纵向模式(体现为纵向波，也称为压缩波/外延波)和两种剪切模式(体现为剪切波，也称为横向波)，纵向和剪切模式分别识别其中粒子运动与波传播方向平行或垂直的振动。纵向模式的特征在于在传播方向上的压缩和伸长，而剪切模式由不具有局部体积变化的垂直于传播方向的运动组成。纵向和剪切模式以不同的速度传播。实际上，这些模式不一定是纯的模式，因为粒子振动或偏振既不是与传播方向纯粹平行的，也不是纯粹垂直的。各个模式的传播特征取决于材料性质和相对于晶轴取向的传播方向。产生剪切位移的能力对于用流体(例如液体)的声波设备的操作是有益的，因为剪切波不会将显著的能量赋予到流体。