传感器、形成传感器的方法和装置的制造方法
【专利说明】传感器、形成传感器的方法和装置
[oow] 相关申请
[0002] 本申请要求2013年5月23日提交的美国临时申请号为61/826, 884的申请的优 先权。
【背景技术】
[0003] 有许多仪器和测量技术用于与医学、兽医学、环境、生物危害、生物恐怖主义、农业 商品、和食品安全相关的材料的诊断测试。诊断测试传统上需要长反应时间W获得有意义 的数据，包含昂贵的远程或笨重的实验室设备，需要大样本量，利用多种试剂，要求训练有 素的用户，W及可包含显著的直接和间接成本。例如，在人类和兽医诊断市场中，大多数测 试需要从病人收集样本并在之后将其发送至实验室，在实验室中，结果在几小时或几天内 是无法得到的。其结果是，护理者必须等待W治疗病人。
[0004] 用于诊断测试和分析的方案的使用点（或当讨论人或兽医时的兴趣点），虽然能 够解决大部分所指出的缺点，但是在某种程度上仍然是有限的。甚至可用的一些方案的使 用点相比于实验室测试被W敏感性和再现性限制。还有对于用户而言通常显著的直接成 本，因为可能有对于可用的每个使用点的分开的系统。
【发明内容】
阳〇化]在此公开的是传感器，其包括至少第一谐振器，该至少第一谐振器具有第一表面 和相对的第二表面，并且第一谐振器还具有底电极；压电层；和顶电极，其中，压电层被定 位在底电极和顶电极之间；金属氧化物层，该金属氧化物层定位在第一谐振器的至少第二 表面上，金属氧化物层具有从大约]OA至大约5说姓的厚度并且金属氧化物层包含氧原子； 硅烷层，硅烷层包含娃原子，硅烷层的娃原子被结合到金属氧化物层中的氧原子；W及分子 识别成分层，该分子识别成分层包括分子识别成分并且分子识别成分层被结合到硅烷层。
[0006] 还在此公开的是传感器，其包括至少第一和第二谐振器，第一和第二谐振器中的 每个具有第一表面和相对的第二表面并且每个谐振器具有底电极；压电层；和顶电极，其 中，压电层被定位在底电极和顶电极之间；在第一和第二谐振器二者的第一表面之下的布 拉格反射镜堆叠；W及分子识别成分层，该分子识别成分层被定位为邻近第一和第二谐振 器二者的第二表面，其中，至少第一和第二谐振器被串联连接。
[0007] 还在此公开的是传感器，其包括至少第一和第二谐振器，至少第一和第二谐振器 中的每个具有第一表面和相对的第二表面，并且每个谐振器具有底电极；压电层；和顶电 极，其中，压电层被定位在底电极和顶电极之间；禪合层，该禪合层；W及分子识别成分层， 该分子识别成分层具有大体上圆形的形状并且分子识别层包括被结合到禪合层的分子识 别成分。
[0008] 还在此公开的是传感器，其包括至少第一和第二谐振器，至少第一和第二谐振器 中的每个具有大体上相同的形状，并且第一和第二谐振器中的每个具有第一表面和相对的 第二表面，并且每个谐振器包括：底电极；压电层；和顶电极，其中，压电层被定位在底电极 和顶电极之间；金属氧化物层，该金属氧化物层定位在第一和第二谐振器二者的至少第二 表面上，金属氧化物层具有从大约至大约500爲的厚度并且金属氧化物层包含氧原子； 硅烷层，该硅烷层包括娃原子，硅烷层的娃原子被结合到金属氧化物层中的氧原子；W及分 子识别成分层，该分子识别成分层包括被结合到硅烷层的分子识别成分，其中，至少第一和 第二谐振器被串联连接。
[0009] 还在此公开的是总成，其包括至少一个有源传感器和至少一个参考传感器。至少 一个有源传感器和至少一个参考传感器可总体上包括底电极、压电层和顶电极。总成可进 一步包括在此讨论的附加结构或成分。公开的总成中的至少一个参考传感器包括遍及至少 一个参考传感器的参考结合材料层并且至少一个有源传感器包括遍及至少一个有源传感 器的分子识别结合材料层。
[0010] 还在此公开的是形成传感器的方法，其包括形成至少第一和第二谐振器，该第一 和第二谐振器各自具有第一表面和相对的第二表面，第一和第二谐振器中的每个具有底电 极；在底电极的至少一部分上的压电层；和在压电层的至少一部分上的顶电极；W及使金 属氧化物层沉积在第一和第二谐振器二者的第二表面上，利用原子层沉积（ALD)使金属氧 化物沉积。
[0011] 还在此公开的是形成传感器的方法，其包括形成至少第一和第二谐振器，该第一 和第二谐振器各自具有第一表面和相对的第二表面，第一和第二谐振器中的每个具有底电 极；在底电极的至少一部分上的压电层；和在压电层的至少一部分上的顶电极；W及在至 少第一和第二谐振器的第二表面上形成禪合层；W及使分子识别成分组合物沉积在禪合层 上，W大体上圆形的形状沉积覆盖至少第一和第二谐振器二者的分子识别成分。
[0012] 运些W及其它各种特征将通过阅读W下【具体实施方式】和相关附图而显而易见。
【附图说明】 阳01引图IA和IB是说明性公开的传感器的剖面图（图1A)和俯视图（图1B)的示意性 描述。
[0014] 图2A和2B是包括公开的传感器的说明性公开的总成的剖面图（图2A)和俯视图 (图2B)的示意性描述。
[0015] 图3描述了说明性公开的传感器的剖面图。
[0016] 图4描述了说明性公开的传感器的剖面图。
[0017] 图5A和5B描述了说明性公开的传感器的剖面图（图5A)和俯视图（图5B)。
[0018] 图6A到抓是各种谐振器的史密斯平面图（Smithplots)。
[0019] 示意图不一定是按比例的。用在附图中的相同的附图标记指代相同的部件、步骤 和诸如此类。然而，应该理解的是，用附图标记指代在给定附图中的部件并不旨在限制另一 附图中标记有相同附图标记的部件。此外，用不同附图标记指代部件并不旨在指示不同编 号的部件不能是相同或相似的。
【具体实施方式】
[0020] 公开的传感器可包括至少一个谐振器（在一些实施例中，至少两个谐振器）和可 W与谐振器联合的各种其它的结构。在实施例中的至少一个谐振器可W包括底电极、压电 层、和顶电极。
[0021] 在一些实施例中，公开的传感器可包括至少第一和第二谐振器、在谐振器的一个 表面上的含氧层、在含氧层上的禪合层和在禪合层上的分子识别层。图3描述了传感器300 的说明性实施例，传感器300包括第一谐振器302、含氧层340、禪合层330、W及分子识别 层320。在一些实施例中，含氧层可W具有仅仅IOA的厚度，并且在一些实施例中不大于 500入。在一些实施例中，传感器可W包括至少第一谐振器，至少第一谐振器具有第一表面 和相对的第二表面，并且第一谐振器包括底电极；压电层；和顶电极，其中压电层被定位在 底电极和顶电极之间；金属氧化物层定位在至少第一谐振器的第二表面上，金属氧化物层 具有从大约IQA至大约500A的厚度并且金属氧化物层包括氧原子；硅烷层，硅烷层包括 娃原子，硅烷层的娃原子结合到金属氧化物层中的氧原子；W及分子识别成分层，该分子识 别层包括分子识别成分并且分子识别成分结合到硅烷层。在一些实施例中，运样的传感器 也可W包括至少第二谐振器，该第二谐振器包括底电极；压电层；和顶电极，其中，压电层 被定位在底电极和顶电极之间。
[0022] 形成运样的传感器的方法也在此公开。形成传感器的说明性方法可W包括形成至 少第一和第二谐振器，该第一和第二谐振器各自具有第一表面和相对的第二表面，第一和 第二谐振器中的每个包含底电极；在底电极的至少一部分上的压电层；和在压电层的至少 一部分上的顶电极；W及将金属氧化物层沉积在第一和第二谐振器二者的第二表面上，利 用原子层沉积（ALD)沉积金属氧化物层。在一些实施例中，可利用例如原子层沉积（ALD) 形成含氧层。
[0023] 在此公开的是谐振传感器，其可起薄膜体声波谐振器（TFBAR)传感器的作用。 TFBAR传感器包括由束缚在电极的相对侧的一层压电材料。当传感器由谐振器的共振带中 的信号驱动时，传感器的两个表面会经受振动运动。谐振器的一个表面可适合于为待分析 的样品中感兴趣的分析物提供结合位点。谐振器的表面上的感兴趣的材料的结合改变了传 感器的谐振特性。运样的改变可被检测和分析W提供关于感兴趣的分析物的定量信息。通 常，当感兴趣的结合材料被尽可能紧密地物理地结合到传感器自身时（压电材料束缚在电 极的相对侧），谐振传感器提供更好的结果。为此，传感器通常通过使用为感兴趣的分析物 提供结合所必需的最小可能的材料和/或层来制造。
[0024]W前使用可W将感兴趣的样本的成分直接结合至顶电极的传感器附接材料。相 反，公开的传感器的一些实施例可W包括至少一个附加的层，其在顶电极的顶部上、在可W 结合感兴趣的样本的成分的材料之前。在一些实施例中，附加层中的一个可包括氧原子，该 氧原子可W在之后被结合到禪合层，能够结合感兴趣的材料的材料可W被结合至禪合层。 令人惊讶的是，在顶电极和之间的附加层的添加一一其使感兴趣的材料（例如，大部分感兴 趣的材料）远离传感器移动一一不会使由传感器提供的信号减少，并且在一些实施例中可 W实际上提供来自于传感器的更好的信号。人们认为但不依赖的是，设置在顶电极上的含 氧层可W为传感器提供刚性。致使传感器更刚性可减少谐振的阻尼，从而保持或者甚至增 加来自于传感器的信号。
[00巧]在一些实施例中，公开的传感器可W包括被串联电连接的至少第一和第二谐振 器、在第一和第二谐振器之下的布拉格反射镜堆叠和在第一和第二谐振器之上的分子识别 成分层。图4描述了传感器400的说明性实施例，其包括第一谐振器402、第二谐振器412、 布拉格反射镜堆叠415、和分子识别层420。在一些实施例中，传感器可W至少包括至少第 一和第二谐振器，第一和第二谐振器中的每个具有第一表面和相对的第二表面并且每个谐 振器具有底电极；压电层；和顶电极，其中，压电层被定位在底电极和顶电极之间；在第一 和第二谐振器二者的第一表面之下的布拉格反射镜堆叠；和被定位为邻近第一和第二谐振 器二者的第二表面的分子识别成分层，其中至少第一和第二谐振器被串联连接。
[0026] 具有邻近的配置的第一和第二谐振器一一例如，比如在图4中描述的谐振器一一 可W变成通过基片禪接，它们形成在基片上。运样的禪接可W被认为是不良的。声学的布 拉格反射镜堆叠的使用可用于减轻运样的禪接。虽然通过布拉格反射镜堆叠减少运样的禪 接可能是有利的，但是布拉格反射镜堆叠会产生寄生谐振。串联连接第一和第二谐振器可 W减少或阻止可能的寄生谐振。串联连接第一和第二谐振器的电气和质量负载效果可W实 际上等于（在一些实施例中，大于）单个谐振器减去布拉格反射镜堆叠诱发的寄生谐振。
[0027] 在一些实施例中，公开的传感器可W包括至少第一谐振器、在第一谐振器上的禪 合层和禪接至禪合层的分子识别成分层。图5A和5B描述了传感器500的说明性实施例的 剖视图和俯视图，传感器500包括第一谐振器502、禪合层530和大体上圆形的分子识别层 520。分子识别层520的大体上圆形的形状可W尤其在图5B中看到。应该注意的是，在运 样的实施例中的至少第一谐振器可W具有任何配置，分子识别成分层520可W上覆盖不仅 仅是至少第一谐振器，例如，至少第二谐振器、或它们的组合。在一些实施例中，公开的传感 器可包括至少第一谐振器，该至少第一谐振器具有第一表面和相对的第二表面并且谐振器 具有底电极；压电层；和顶电极，其中，压电层被定位在底电极和顶电极之间；禪合层，该禪 合层被定位为邻近至少第一谐振器的第二表面；W及分子识别成分层，该分子识别成分层 具有大体上圆形的形状并且分子识别成分层包括结合禪合层的分子识别成分。
[0028]