具有液滴保持结构的传感器的制作方法

具有液滴保持结构的传感器
[0001]
相关申请的交叉引用
[0002]
本申请要求了美国专利申请号为us 16/119,360、2018年8月31日提交的专利申请的优先权，该专利申请要求了美国临时申请号为us 62/694,624、2018年7月6日提交的专利申请的优先权，通过引用将该专利结合于此。
技术领域
[0003]
本公开涉及用于形成生物传感器的装置和方法，更具体地涉及用于在形成生物传感器时固定分子的装置和方法。


背景技术：

[0004]
存在关于医疗、兽医、环境、生物危害、生物恐怖主义、农业商品和食品安全的材料的诊断测试的许多仪器和测量技术。分子固定用于形成一些诊断测试装置。
[0005]
在传感器表面固定如抗体或抗原的分子通常涉及使用低体积、非接触液体打印技术，如压电分配或微阀分配。在这些系统中，由于各种因素(如气流和打印尖端表面的变化)，打印的位置在打印过程中会发生变化。当尖端升高远离表面时，这些效应会被放大。为了补偿这些影响，打印大于必要的体积以适应打印位置的变化。


技术实现要素：

[0006]
本公开描述了当在传感器表面打印分子时提供对齐的方法和装置，从而消除或至少最小化打印大于必要体积的需要。打印比必要的体积更大的体积会对装置性能产生不利影响，尤其是当形成声波传感器时，例如体声波传感器(baw)，该传感器可用于检测样品中分析物的存在。在传感器(例如声波传感器)周围设置机械特征，当在传感器上打印分子时，该特征可以确保对齐。正如本公开所描述的，机械特征可以包括在基板中或在基板上限定的至少部分围绕目标表面的保持结构。谐振结构(resonating structure)(或谐振器结构(resonator structure))也可以设置在目标表面上。可用于更具体地与要检测的分析物结合的功能化材料的液滴可以设置在目标表面和谐振器结构上。有益的是，使用保持结构可以防止液滴移动和/或偏移，并且可以允许使用比其他方法更小的液滴，以确保功能化材料对谐振器结构的一致覆盖。与现有的一些技术相比，具有保持结构的传感器在制造和使用声波传感器方面可以促进更一致的结果。
[0007]
在一个方面，本公开提供了一种传感器。该传感器包括基板，基板限定目标表面和至少部分地围绕目标表面延伸的保持结构。目标表面限定与目标表面正交的轴线。保持结构具有沿轴线方向延伸的高度和沿与轴线正交的方向延伸的宽度。谐振器结构设置在基板的目标表面上，谐振器结构包括压电层。绝缘层设置在谐振器结构上，并且配置为与功能化材料耦合。
[0008]
在另一方面，本公开提供了一种方法。该方法包括形成保持结构，该保持结构至少部分地围绕基板的目标表面。该方法还包括在基板的目标表面上设置谐振器结构。该方法
还包括在谐振器结构和目标表面上设置功能化材料的液滴。
[0009]
本公开的一个或多个方面的细节记载于附图和下面的说明中。本公开中描述的技术的其他特征、目标和优势从说明书和附图以及权利要求中是显而易见的。
附图说明
[0010]
图1是根据本公开的一个实施例的传感系统的透视图；
[0011]
图2是图1的传感系统的传感器晶片(die)的透视图；
[0012]
图3a是图2的晶片的体声波传感器在(图2的)线3-3处的横截面视图；
[0013]
图3b是图3a的体声波传感器的透视图；
[0014]
图4是根据本公开的另一实施例的传感器的横截面视图；
[0015]
图5是图5的传感器的自上向下的视图；
[0016]
图6是根据本公开的另一实施例的具有保持结构的传感器的横截面视图；
[0017]
图7是根据本公开的又一实施例的具有保持结构的传感器的横截面视图；
[0018]
图8是根据本公开的一个实施例的形成传感器的方法的示意图。
[0019]
示图不一定按比例。在附图中使用的相同的标记指的是类似的部件、步骤等。然而，可以理解的是，在任何附图中使用附图标记来指代部件并不是为了限制另一附图中标记为相同附图标记的部件。此外，使用不同的附图标记来指代的部件并不是为了表明不同附图标记的部件不能是相同的或相似的。
具体实施方式
[0020]
本公开涉及传感器，如声波传感器，其可用于检测样品中分析物的存在。虽然本文参考声波传感器，如用于检测生物分子的体声波(baw)传感器，但本公开的各个方面可用于具有接收液滴的基板的任何传感器。具有本公开的有利之处的各种其他应用对于本领域技术人员而言是显而易见的。
[0021]
当打印液滴形成传感器时，例如当将抗体溶液液滴印在具有谐振器结构的基板上时，由于各种影响(如空气电流、分配尖端的表面变化和基板表面接触角不均匀等)，分配的液滴可能会“漂移”。现有技术已经通过过度打印液滴来补偿这种“漂移”，这会使大批量制造变得困难。这种过度打印可以通过增加测量的结合反应的变化来影响装置的性能。例如，较大的液滴可能比较小的液滴更容易向周围移动。此外，在使用利用打印抗体溶液液滴形成的传感器时，液滴处于谐振器结构外部可能会出现一些问题。例如，要测试的样本会通过与谐振器结构外部的抗体结合而不是与谐振器结构上的抗体结合而耗尽。此外，与谐振器结构外部结合的分析物可能落在谐振器结构上。这些问题中的任何一个或两个都可能影响使用谐振器结构和较大液滴测量结合反应的一致性。
[0022]
为液滴提供目标表面和保持结构以形成传感器是有益的，该传感器可以将液滴“自动对齐”到目标表面或区域，或者防止液滴从目标表面或区域“漂移”或移动。提供允许使用比其它方式使用的液滴更小的液滴的目标表面和保持结构来确保功能化材料对谐振器结构的一致的覆盖是有益的。进一步有利地提供一种技术，其方便大量制造抗体溶液液滴或功能化材料液滴，该功能化材料液滴有效地使用抗体溶液液滴并提高制造产量。
[0023]
在这里公开的装置中，提供了用于对齐分配的溶液液滴并限制液滴的“漂移”效应
的结构。在一些实施例中，baw表面的各种结构可以用来自动对齐分配的溶液液滴，即使分配器尖端并非准确地对准谐振器的中心。
[0024]
保持结构可以限定在基板中或在基板上，至少部分地围绕目标表面。可以在目标表面上设置谐振器。可以在目标表面上设置功能化材料的液滴，该液滴可用于与谐振结构(resonating structure)或谐振器结构(resonator structure)要检测的分析物结合。在某些实施例中，传感器包括限定目标表面和至少部分地围绕目标表面延伸的保持结构的基板。包括压电层的谐振器结构可以设置在基板的目标表面上。绝缘层可以设置在谐振器结构上，并且配置为耦合到功能化材料上。在一些实施例中，可以将功能化材料的液滴设置在谐振器结构和目标表面上。保持结构和谐振器结构可以同时或按任何顺序顺序形成。
[0025]
本文描述的一些传感器是分析装置，其包括生物分子(例如生物学分子)，并且换能器可用于将由于目标和生物分子之间的结合事件而引起的机械运动变化转换为电信号。某些装置涉及生物分子与目标之间的选择性相互作用。例如，生物分子可以是特异性结合材料(例如抗体、受体、配体等)，目标可以是分子、蛋白质、dna、病毒、细菌等。特异性结合材料与目标之间的一个或多个结合事件可以通过换能器转换成可测量的量。在其他实施例中，传感器可以利用能够结合样品中可能存在的多种类型或类别的分子或其他基团的非特异性结合材料，例如可用在化学传感应用中。
[0026]
在一些实施例中，传感器为声波装置。声波装置采用传播通过压电材料或在压电材料表面传播的声波，由此传播路径特性的变化影响波的速度和/或振幅。生物分子在声波装置的活动区域上或其上方的存在允许分析物与生物分子结合，从而改变被声波振动的质量并改变波的传播特性(例如速度，从而改变谐振频率)。可以通过测量声波装置的频率、振幅或相位特性来监测速度的变化，并且可以将速度变化与被测量的物理量相关。
[0027]
本文描述的声波装置可以包括作为谐振器结构的一部分的压电晶体谐振器。利用该装置，声波可以具体化为传播通过基板内部的体声波(baw)。
[0028]
baw传感器通常涉及利用布置在压电材料的相对的顶面和底面上的电极传导声波。在baw传感器中，可以传播三种波模式，即一种纵向模式(具体化为纵波，也称为压缩/拉伸波)和两种剪切模式(具体化为剪切波，也称为横波)，纵向模式和剪切模式分别标识平行于或垂直于波传播方向的粒子运动的振动。纵向模式的特征是在传播方向上的压缩和伸长，而剪切模式由垂直于传播方向的运动组成，没有体积的局部变化。纵向模式和剪切模式以不同的速度传播。在实践中，这些模式不一定是纯粹的模式，因为粒子振动或偏振既不纯粹平行于传播方向，也不纯粹垂直于传播方向。相应模式的传播特性取决于材料性质和与晶轴取向相关的传播方向。产生剪切位移的能力有利于声波装置与流体(例如液体)的操作，因为剪切波不会向流体传递显著的能量。baw传感器包括沉积在一个或多个反射层(如布拉格反射镜)上的体声波谐振器以及具有气隙的薄膜体声波谐振器。
[0029]
本文所描述的传感器可以使用任何合适的压电薄膜。某些压电薄膜能够激发纵向和剪切模式谐振，如六方晶体结构的压电材料，其包括(但不限于)氮化铝(aln)和氧化锌(zno)。为了激发包括剪切模式在内的波，使用布置在电极之间的压电材料层，压电薄膜中的偏振轴总体不垂直于薄膜平面(例如，相对于薄膜平面倾斜)。在涉及液体介质的传感应用中，可以使用谐振器的剪切分量。在这种应用中，压电材料可以以非垂直于底部基板的表面的c轴取向分布的方式生长，以在跨越电极应用交流信号时使baw谐振器结构显示出主导
的剪切响应。相反，以垂直于底部基板的表面的c轴取向生长的压电材料，在电极上施加交流电信号时，将显示出主导的纵向响应。
[0030]
现在将参考附图，这些附图描述了本公开中描述的一个或多个方面。然而，可以理解的是，附图中未描述的其他方面也属于本公开的范围。在附图中使用的相同的附图标记指的是类似的部件、步骤等。然而，可以理解的是，在任何附图中使用附图标记来指代部件并不是为了限制另一附图中标记为相同附图标记的部件。此外，在不同附图中使用不同的附图标记来指代的元件并不是为了表明不同附图标记的部件不能是相同的或相似的。
[0031]
图1示出了具有容纳微流控通道14的晶片12(例如传感器晶片)的传感系统10(例如盒)。传感系统10可以包括或可操作地连接到检测平台以接收谐振器数据。检测平台可以可拆卸地连接到传感系统10。
[0032]
微流控通道14可以配置为接收样品液体。晶片12可以连接到传感器平台150，以将通道14流体连接到位于传感器平台中的流体流动路径140。流体流动路径140可以从样品端口142延伸到废物室148。样品流体可以沿流体流动路径140被注射到与样品储存器144流体连通的样品端口142中。样品流体可以含有靶点材料(例如分析物)。样品储存器144可以具有亲水表面，以将样品流体吸引到储存器中。如缓冲溶液或复杂基质的样品处理流体可以注入与样品储存器144流体连通的处理流体端口146。样品处理液可用于推动样品流体通过样品储存器144朝向晶片12的通道14。样品流体可通过通道14流向废物室148。当样品流体通过或驻留在晶片12的通道14中时，可以测量样品流体中目标物质的存在。晶片12可以操作地连接到外部检测平台(未显示)，以进一步分析测量数据。复杂的基质可以包括生物液体，如尿液、血液、血清、血浆或唾液。
[0033]
图2示出了容纳微流控通道14和沿通道设置的多个谐振器结构26的晶片12。谐振器结构26可以沿通道14串联、并联或两者的组合。谐振器结构26可以暴露在通道14中，以允许通道中的任何流体流过谐振器结构。其中一个或多个谐振器结构26可以描述为传感谐振器，其表面上包括用于结合靶点材料的特异性结合材料。其中一个或多个谐振器结构26可以描述为参考谐振器。参考谐振器结构在表面上可以包括非特异性结合材料。非特异性结合材料可以与特异性结合材料(例如抗体)相似，但与非靶点材料结合，非靶点材料不太可能在样品流体中找到。可以根据使得与非特异性结合材料结合的非靶点材料的粒径大小类似于靶点材料的粒径来选择非特异性结合材料。参考谐振器结构可以包括非功能化的结合材料，如硅烷，它们不与样品流体中的任何材料结合。
[0034]
晶片12可以包括远程参考谐振器结构27。远程参考谐振器结构27可以声学地耦合到与样品流体不同类型的流体。例如，远程参考谐振器结构27可以声学耦合到空气中。
[0035]
微流控通道14的壁可以由任何合适的材料形成，例如薄聚合物材料的激光切割的“模板”层和/或层压材料，可选地包括一个或多个自粘表面(例如粘结带)。可选地，可以在自组装单层(sam)、功能化材料和/或阻塞层沉积之前形成这种壁。壁可以用su-8负环氧抗蚀剂或其他光刻胶材料制成。在某些实施例中，覆盖层或盖层可以与一个或多个壁整体形成(例如通过模制或另一适当过程)，以限定至少一个流体通道的上边界的以及横向边界的一部分，并且可以应用(例如粘合或以其他方式结合)整体形成的部分覆盖和壁结构来包围至少一个流体通道。
[0036]
通道14可以沿着从近端部分(例如上游端口160)到远端部分(例如下游端口162)
的长度延伸。总体上，样品流体可以在上游端口160中进入通道14，并在下游端口162离开通道。然而，流体流动可以被调节，例如，在某些情况下，停滞甚至逆转。当晶片12耦合到传感平台150(图1)，上游端口160可以与样品端口142(图1)流体连通并且下游端口162可以与废物室148(图1)流体连通。通道14可以平行于平面延伸或被描述为平的。通道14可以是u形。
[0037]
图3a和图3b示出了设置在基板202上的体声波(baw)传感器200的一部分，体声波传感器200包括谐振器结构201或谐振结构。图3a是沿横截面线3-3(图2)的视图。为了说明的目的，在图3b中删除了部分层。
[0038]
在所示的实施例中，传感器200的谐振器结构201包括声镜层204(例如声学反射器)、设置在镜层204上的第一电极208(例如底部电极)、设置在第一电极208上的压电层210、设置在压电层上的第二电极212(例如顶部电极)以及设置在第二电极上的绝缘层214。压电层210可以由压电换能器组成，压电换能器可以在横波模式或纵波模式下工作。
[0039]
在一些实施例中，基板202可以认为不是谐振器结构201的一部分，因为基板不影响传感器200的谐振特性。然而，在其他一些实施例中，基板202可以认为是谐振器结构201的一部分。
[0040]
基板202可以设置为邻近声镜层204并且与第一电极208相对。基板202可以由任何合适的材料形成，在该材料上可以设置层。在一些实施例中，基板202可以由半导体材料构成。例如，基板202可以由硅(si)、氮化硅(si3n4)或如砷化镓(gaas)的另一种半导体晶片材料制成。在一些实施例中，基板202由非半导体材料构成。例如，基板202可以由氧化铝或蓝宝石材料形成。
[0041]
基谐振器203包括第一电极208、压电层210和第二电极212。声镜层204可以描述为与基谐振器203相邻。
[0042]
谐振器结构201可以将基谐振器厚度205限定为等于预定波长的约一半，或半波长。基谐振器203可以由电极208、212和压电层210限定。基谐振器厚度205可以等于第二电极212顶部与第一电极208底部之间的距离，或者换句话说，电极208、212最远表面之间的距离。
[0043]
声镜层204用于反射声波，因此减少或避免它们在基板202中的耗散。声镜层204可以包括不同材料的交替层。声镜层204可以包括第一层220和第二层222，它们交替形成声镜。在一些实施例中，第一层220和第二层222是具有不同声阻抗值的交替薄层材料，可选地具体化为四分之一波布拉格镜，其沉积在基板202上。在层220、222中使用的材料的非限制性示例包括：硅氧碳化物(sioc)、氮化硅(si3n4)、二氧化硅(sio2)、氮化铝(aln)、钨(w)和钼(mo)。例如，第一层220可以由氮化铝(aln)形成，第二层可以由钨(w)形成。在一些实施例中，可以使用其他类型的声学反射器。虽然为了说明目的，显示了一定数量的层220、222，但在形成谐振器结构201时可以使用任何合适的层数。
[0044]
传感器200可以具有限定微流控通道14(图1)的至少一部分的表面。例如，绝缘层214的表面216可以限定通道14的至少一部分。
[0045]
可以使用任何合适的方法形成传感器200的谐振器结构201。在一些实施例中，谐振器结构201是利用薄膜沉积等薄膜技术形成的，该薄膜技术允许形成纳米到几微米厚度的层。
[0046]
在一种薄膜技术中，可以设置基板202。声镜层204可以沉积在基板202上。第一电
极208可以沉积在声镜层204上。此外，压电层210可以在第一电极208上生长(例如通过溅射或其他适当的方法)。第二电极212可以沉积在压电层210上。在2017年10月12日公布的美国专利申请公开号为us 2017/0294892的专利中公开了声波传感器的一些形成方法，通过引用将该专利完全结合于此。
[0047]
在某些实施例中，压电层210是六方晶体结构的压电材料(例如aln或zno)，该材料包括c轴，c轴具有主要非平行(也可以非垂直)于基板202的面的法向的取向分布。在适当的条件下，具有主要非平行于基板的面的法向的取向分布的c轴的存在使得baw谐振器结构能够配置为在跨越远端电极和近端电极应用交流电信号时表现出主要的剪切响应(例如，在提供传感实用的baw谐振器结构的情况下这是期望的)。在2016年10月13日提交的美国专利申请号为us 15/293,063的专利中公开了用于形成六方晶体结构的压电材料的一些方法，该材料包括具有主要非平行于基板的面的法向的取向分布的c轴，通过引用将其全部结合于此。在1987年2月3日公告的美国专利号为us 4,640,756的专利中公开了一些用于形成具有倾斜c轴取向的压电材料的附加方法，通过引用将其全部结合于此。
[0048]
谐振器结构201的第二电极212可以覆盖有各种层，例如下列中的一个或多个：密封层、界面层、自组装单层(sam)和/或功能化材料层(其中可以包括特异性结合材料或非特异性结合材料)。在一些实施例中，第二电极212覆盖有绝缘层214。
[0049]
任何合适的方法都可以用于将绝缘层214设置到谐振器结构201的第二电极212上。通常，原子层沉积(ald)可用于沉积绝缘层214，该方法与其他技术相比，可以提供优越的厚度控制和保形覆盖。通过使用ald，可以使用更薄的层，这可以通过不过度加载谐振器结构201来提高其性能。在不关注过渡加载的情况下，可以使用常规等离子体辅助化学气相沉积(pcvd)或物理气相沉积(pvd)沉积绝缘层214。
[0050]
绝缘层214可以将谐振器结构201的其余部分与微流控通道14(图1)中的流体电绝缘。例如，绝缘层214可以设置在通道14和第二电极212之间。
[0051]
绝缘层214也可以被描述为含氧层、耦合层、功能化层或这些层的任何组合。具体地，绝缘层214可以具有设置在表面216上的功能化材料。绝缘层214可以被功能化，以与流体样品中存在的一个或多个分析物结合。
[0052]
图4示出了另一传感器100的示例。如图所示，传感器100包括第一谐振器结构102和第二谐振器结构112。在某些实施例中，第一谐振器结构102和第二谐振器结构112可以实质上相同，在某些实施例中，它们可以在一个或多个方面不同。第一谐振器结构102和第二谐振器结构112中的每个都分别具有第一表面105和115以及相对的第二表面107和117。第一谐振器结构102和第二谐振器结构112之间可设置距离。这个距离在图5中描述为d。在一些实施例中，第一谐振器结构102和第二谐振器结构112可以间隔至少1微米(μm)的距离(d)，在一些实施例中，它们可以间隔至少45μm的距离(d)。在一些实施例中，第一谐振器结构102和第二谐振器结构112的间隔距离(d)可不大于100μm，在某些实施例中，其间隔距离(d)可不大于75μm。在一些实施例中，两个谐振器结构之间的间距不必是恒定的；两个谐振器结构之间的间距不必与其他两个谐振器结构之间的间距相同或其任何组合。
[0053]
每个谐振器结构(例如至少第一谐振器结构102和第二谐振器结构112)可以包括底部电极104和114、压电层106和116以及顶部电极108和118。压电层106和116位于底部电极104和114与顶部电极108和118之间。图4中没有描述的附加层也可以穿插在所示层的中
间、上面、下面或它们的一些组合。
[0054]
应该注意的是，谐振器结构102和112的底部电极104和114可以是单个层的一部分。压电层106和116以及顶部电极108和118也是如此。这意味着至少两个谐振器结构的底部电极(或底部电极、顶部电极和压电层中的一个或两个)可以有共享的底部电极(或其他组合)，或者底部电极(或其他组合)可以是不同的，但可以由单个材料层形成。在第一谐振器结构102和第二谐振器结构112包括由单个材料层形成的至少两个特定结构(底部电极、压电层或顶部电极)的实施例中，形成不同特定结构的材料层不需要存在于容纳传感器的整个更大的装置上(在存在这样更大的结构的情况下)。例如，传感器可以包括由单层材料形成的底部电极104和114以及由单层材料形成的压电层106和116。形成底部电极和压电层的层不需要完全一致。例如，可以在传感器的不同位置移除压电材料的部分。还应注意的是，仅在底部电极材料和顶部电极材料与中间的压电材料重叠的位置形成公开的谐振器结构(如第一谐振器结构102和第二谐振器结构112)。在一些实施例中，底部电极104和114、压电层106和116以及顶部电极108和118都可以分别由底部电极材料、压电材料和顶部电极材料的单个沉积层形成。还应注意的是，在一些实施例中，多个谐振器结构的多个底部电极、顶部电极、压电层或其任何组合可以完全独立形成独立的谐振器结构，但可以由单层材料形成。还应该注意的是，底部电极、压电层和顶部电极中的每一个或任何一个都可以具有与任何其他电极不同的形状。
[0055]
第一谐振器结构102和第二谐振器结构112可以由各种材料制成。在一些实施例中，底部电极104和114可以由相同的材料制成。底部电极104和114的说明性材料可以包括铝(al)、金(au)、钨(w)、铜(cu)、钼(mo)和钽(ta)。在一些实施例中，底部电极104和114都可以包括铝。在一些实施例中，顶部电极108和118可以由相同的材料制成。顶部电极108和118的说明性材料可以包括例如au、al、w、cu、mo和ta。在一些实施例中，顶部电极108和118都可以包括金。在一些实施例中，压电层106和116可以由相同的材料制成。压电层106和116的说明性材料可以包括氮化铝(aln)、氧化锌(zn)和锆钛酸铅(pzt)。在一些实施例中，压电层106和116都可以包括氮化铝。
[0056]
在一些实施例中，至少第一谐振器结构102和第二谐振器结构112可以描述为具有基本相同的形状。在一些实施例中，第一谐振器结构和第二谐振器结构可以被描述为具有半圆形形状。图5描述了说明性传感器的自上而下的视图，该传感器包括第一谐振器结构102和第二谐振器结构112，两者都具有基本上半圆形的形状。传感器100可以描述为具有基本圆形谐振器配置，两个半圆形谐振器结构102和112被配置为形成基本圆形谐振器配置。传感器100也可以描述为具有基本圆形的传感器形状，因为分子识别组分层122(下面讨论)或功能化材料层具有基本圆形。
[0057]
在一些说明性实施例中，第一谐振器结构102和第二谐振器结构112中的每一个的基本半圆形形状可以由顶部电极层108和118和底部电极层108和118形成，顶部电极层108和118共享基本圆形的材料层，底部电极层108和118都是独立的基本半圆形并且是不同的(例如，具有跨越圆的直径的间隙的底部电极材料的圆，间隙宽度为d)。可以使用已知的方法(例如光刻方法)将顶部电极、压电层、底部电极的层或其任何组合材料进行图案化以提供任何所需的形状，例如包括半圆形形状、圆形形状、方形形状、矩形形状、或其它形状。
[0058]
在一些实施例中，至少第一谐振器结构102和第二谐振器结构112(如果存在，还有
附加谐振器结构)可以相互串联电连接。应注意的是，在附图中没有示出两个或更多个谐振器结构的电连接。阅读该说明书的本领域技术人员将了解并知道如何串联连接至少第一谐振器102和第二谐振器112。至少第一谐振器102和第二谐振器112的串行连接总体使得就像从单个谐振器接收信号一样从其接收信号。
[0059]
在一些实施例中，传感器还可以包括含氧层。如图4所示的传感器100包括位于第一谐振器结构102和第二谐振器结构112的第二表面107和117上的含氧层132。在某些实施例中，含氧层132可以基本存在于整个传感器上。
[0060]
含氧层可以包括氧原子、包含氧原子的化合物，也可以两者兼而有之。在一些实施例中，含氧层可以是氧化物层，或者更具体地说是金属氧化物层，并且可以包括任何金属氧化物或类金属氧化物。在一些实施例中，氧化层可以包括tio2、sio2、al2o3或者zno。在一些实施例中，氧化层可以包括tio2。氧化层可以描述为包括氧原子。氧原子可以作用于沉积在其上的层的化学键或结合材料。
[0061]
可以使用各种方法沉积含氧层。在一些实施例中，可以使用原子层沉积(ald)沉积含氧层。ald可以提供相对较薄、相对均匀、相对致密的氧化层，或其某些组合。ald可以被描述为一种自限过程，它在层中构建材料薄膜，因此可以重复地产生均匀和非常薄的薄膜。
[0062]
传感器还可以包括耦合层。在图4中公开的传感器100包括耦合层130。耦合层130总体可以描述为位于含氧层132上方。在一些实施例中，耦合层可以基本存在于整个传感器100上。在一些实施例中，耦合层可以描述为组成耦合层的化合物的单层。在一些实施例中，耦合层130的厚度可以至少为也可以至少为在一些实施例中，耦合层130的厚度可以不大于也可以不大于
[0063]
在一些实施例中，耦合层130可以更具体地描述为硅烷层或包括含硅烷组分。硅烷层可以更具体地描述为由硅烷耦合剂组成。硅烷耦合剂是一种硅基化学品，其在同一分子中既含有无机反应性，又含有有机反应性。一般结构可描述为(ro)3sich2ch2ch
2-x，其中ro代表无机反应活性基团或水解基团(例如甲氧基、乙氧基、乙氧基、硫醇或醛)，x代表含有有机反应活性基团(例如氨基、甲基丙烯氧或环氧)的基团，x还可以包括另外的碳(-(ch2)
n
)，并且可以包括也可以不包括功能团。在传感器100中，硅烷耦合层130可以将氧化层132与分子识别组分层122耦合。
[0064]
可用于形成硅烷耦合层130的说明性材料可包括(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷、(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷、(3-缩水甘油基氧丙基)三乙氧基硅烷、(3-缩水甘油基氧丙基)三乙氧基硅烷、(3-巯丙基)三乙氧基硅烷、(3-巯丙基)三乙氧基硅烷、三甲氧基[2-(7-氧杂环[4.1.0]庚-3-基)乙基]硅烷，三乙氧基[2-(7-氧杂双环[4.1.0]庚-3-基)乙基]硅烷、三甲氧基甲硅烷基烷基醛和三乙氧基甲硅烷基烷基醛。在一些实施例中，可以利用例如(3-缩水甘油基氧丙基)三乙氧基硅烷形成硅烷层130。
[0065]
传感器可以包括分子识别组分层。图4中的传感器100包括分子识别组分层122。分子识别组分层122总体可以描述为定位在与至少第一和第二谐振器结构相邻的位置，并且可以更具体地描述为位于耦合层130上。在一些实施例中，分子识别组分层122可以基本存在于整个传感器100上。在一些实施例中，分子识别组分层122的厚度可以至少为也可以至少为在一些实施例中，分子识别组分层122的厚度可以不大于也可以
不大于
[0066]
分子识别组分层122可以包括能够以允许对关注的分析物进行分析的方式与关注的分析物相互作用的任何材料。分子识别组分可以包括与关注的分析物选择性地结合的任何组分。例如，分子识别组分可以从核酸、核苷酸、核苷、核酸类似物(如pna和lna分子)、蛋白质、肽、抗体(包括iga、igg、igm、ige)、凝集素、酶、酶辅助因子、酶底物、酶抑制剂、受体、配体、激酶、蛋白a、聚u、聚赖氨酸、三嗪染料、硼酸、硫醇、肝素、多糖、考马斯蓝、偶氮蓝、金属结合肽、糖、碳水化合物、螯合剂、原核细胞和真核细胞组成的组中选择。在一些实施例中，抗体可以作为分子识别组分，在这些实施例中，分子识别组分层122的厚度可以描述为不小于或者在一些实施例中，不小于
[0067]
可以使用已知的技术在耦合层130上形成分子识别组分层122，或更具体地使用已知的技术将分子识别组分层122结合到耦合层130。分子识别组分层中的一个或多于一个的单元素或化学基团(包含两个或更多个元素)组分可以分别与耦合层130中的一个或多个硅烷发生化学键合。影响这种结合的条件和过程步骤对于阅读该说明书的本领域技术人员是已知的。还应该注意的是，分子识别组分可以通过附加的耦合剂或化合物而不仅仅是耦合层本身而结合到耦合层上。在一些实施例中，抗体可以用作分子识别组分，并且可以与含有耦合层的环氧硅烷结合。
[0068]
在一些实施例中，分子识别组分层122可以具有基本的圆形。分子识别组分层122总体可以描述为覆盖至少第一谐振器结构102和第二谐振器结构112。分子识别组分层122的形状可以部分地限定传感器100的形状(结合或参考上面讨论的谐振器配置)。在一些实施例中，分子识别层的形状可以设计为至少覆盖与第一谐振器和第二谐振器结构区域重叠的整个表面。在一些实施例中，分子识别组分层的形状可以覆盖比与第一谐振器结构和第二谐振器结构的整个表面重叠的区域更大。在一些实施例中，分子识别组分层的基本圆形可以至少部分地归因于形成该层的过程。这一过程的细节在下文描述。
[0069]
如上所述，第一谐振器结构102和第二谐振器结构112可以可选地包括图4中未描述的层。例如，在第一谐振器结构和第二谐振器结构中可选地包括旨在促进两层之间粘附的层、旨在保护结构或层或材料的层、旨在提供其他功能的层、或其任何组合。
[0070]
例如，可选附加层的具体示例可以包括粘附层。例如，可以在压电层106和116的表面形成粘附层。在一些实施例中，如果包括粘附层，则粘附层可以提高顶部电极材料与压电层之间的粘附性。在一些实施例中，如果包括粘附层，则粘附层可以包括与顶部电极层材料、压电层材料、或两者相容的材料。可用于粘附层的说明性具体材料可以包括例如钛(ti)或铬(cr)。在一些实施例中，当顶部电极为金时，可选的粘附层可以包括例如ti或cr。在一些实施例中，如果包括粘附层，则粘附层的厚度至少为至少为或至少为在一些实施例中，如果包括粘附层，则粘附层的厚度可以不大于不大于或不大于在一些实施例中，如果包括粘附层，则粘附层的厚度可以约为
[0071]
说明性传感器也可以包括上面没有讨论的可选部件。例如，在一些实施例中，传感器可以包括布拉格反射堆叠结构(例如，图3a-3b的声镜层204)。在一些实施例中，如果包括
布拉格反射堆叠结构，则布拉格反射堆叠结构可以设置在至少第一谐振器结构和第二谐振器结构的底部电极104和114下面。具有相邻配置的第一谐振器结构和第二谐振器结构(如在本公开的传感器中使用的结构)可以通过基板连接，它们形成在该基板上。这种连接被认为是不期望的。利用光学布拉格反射堆叠结构可以减轻这种连接。虽然利用布拉格反射堆叠结构减少这种连接是有益的，但布拉格反射堆叠结构会产生寄生谐振。串联连接的第一谐振器结构和第二谐振器结构会减少或防止潜在的寄生谐振。串联连接的第一谐振器结构和第二谐振器结构的电负载效应和质量负载效应可以如同单个谐振器减去诱导寄生谐振的布拉格反射堆叠结构一样好，在一些实施例中前者优于后者。
[0072]
图6和图7示出了具有保持结构306、356的两个变化的传感器300、350。传感器300、350可以使用在例如图2的晶片12中。在所示的实施例中，传感器300、350中的每一个包括限定目标表面304和至少部分地在目标表面304周围延伸的保持结构306、356的基板302。在一些实施例中，保持结构306、356完全包围各自的目标表面304延伸。
[0073]
功能化材料的液滴330(例如抗体溶液液滴)可以打印到目标表面304，功能化材料或抗体可以与硅烷反应并结合，以进一步增强与样品中关注的分析物或抗原的结合。在一些实施例中，可以打印液滴330以确保设置在目标表面304上的谐振器结构308的全覆盖(例如100％)。当功能化材料的液滴330设置在被保持结构306、356至少部分地包围(例如在保持结构306、356的目标区域内部中)的目标表面304上时，液滴330可以保持在目标表面304上。换句话说，由于保持结构306、356，可以防止液滴330容易地移动离开目标表面304或远离设置在目标表面304上的一个或多个谐振器结构308。甚至当液滴330处于偏离目标表面304的中心时，液滴330也可以“自动对齐”。
[0074]
目标表面304可以限定与目标表面304正交的轴线360。保持结构306、356可以各自具有在轴线360的方向上延伸的高度322(例如，如图所示的竖直向上或向下)。保持结构306、356可以各自具有在与轴线360正交的方向上延伸的宽度324(例如，如图所示的水平向左或向右)。
[0075]
一个或多个谐振器结构308可以设置在目标表面304上。如图所示，两个谐振器结构308设置在目标表面304上。谐振器结构308在一个或多个方面可以与图3a-3b中的谐振器结构201或图4-5中的谐振器结构102、112相同或相似。每个谐振器结构308可以包括压电层。
[0076]
可以在每个谐振器结构308上设置绝缘层362。每个绝缘层362可以配置为连接到功能化材料，例如图4-5的材料识别层122。绝缘层362在一个或多个方面可以与图3a-3b中的绝缘层214或图4的耦合层130相同或相似。
[0077]
保持结构306、356中的一个或多个可延伸到基板302中或延伸超出基板302。如图6所示，保持结构306包括具有延伸到基板302中的高度322的通道。可以由本领域普通技术人员所使用的任何适当的方法(例如刻蚀)形成该通道。如图7所示，保持结构356包括突出部或壁，其高度322延伸到基板302之外。也就是说，保持结构356从基板302的目标表面304突出。可以由本领域普通技术人员所使用的任何适当的方法(例如气相沉积或光刻胶刻蚀)形成该突出部。
[0078]
可以根据要放置在目标表面304上的功能化材料的液滴330的预定尺寸和/或基于目标表面304本身的尺寸来调整保持结构306、356的高度322、宽度324或高度和宽度两者的
大小。在一些实施例中，保持结构306、356的高度322可以至少约为0.01μm、0.05μm、0.1μm、0.25μm、0.5μm、0.75μm、1μm、2μm、5μm、10μm、20μm或30μm。在一些实施例中，保持结构306、356的高度322最多可为0.01μm、0.05μm、0.1μm、0.25μm、0.5μm、0.75μm、1μm、2μm、5μm、10μm、20μm或30μm。
[0079]
保持结构306、356的高度322取决于其形成方式。在一些实施例中，通过刻蚀形成的保持结构306可以至少或最多约为0.05μm、0.1μm、0.25μm、0.5μm、0.75μm、1μm或2μm。在一些实施例中，与光刻胶形成壁的保持结构356可以至少或最多约为0.05μm、0.1μm、0.25μm、0.5μm、0.75μm、1μm、2μm、5μm、10μm、20μm或30μm。在一个示例中，tmmf
tm
可以形成约20μm的高度322。在另一示例中，聚酰亚胺可以形成约0.5μm至10μm的高度322。在一些实施例中，利用疏水材料形成壁的保持结构356可以至少或最多约为0.01μm、0.05μm、0.1μm、0.25μm、0.5μm、0.75μm、1μm、2μm或5μm。
[0080]
使用疏水材料形成壁可以使保持结构356具有比其他类型的材料更小的高度，这可以减少阻碍流体在壁附近流动的扩散效应。然而，与其他类型的材料(例如一些光刻胶，如tmmf
tm
)相比，疏水材料在使用一些现有的制造技术进行加工和处理方面会更具挑战性。
[0081]
在一些实施例中，保持结构306、356的宽度324可以至少约为0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、10μm、15μm、20μm或30μm。在一些实施例中，保持结构306、356的宽度324最多约为0.5μm、1μm、2μm、3μm、4μm、5μm、10μm、15μm、20μm或30μm。高度322和宽度324之间的比可以约为1:1(例如，大约相等的高度和宽度)。在一些实施例中，宽度324可以大于高度322，反之亦然。
[0082]
功能化材料的液滴330被示出为液体材料的斑点或珠状。保持结构306、356可以利用各种技术将液滴基本上保持在目标表面304上。
[0083]
在一个示例中，功能化材料330的液滴具有表面张力，其与基板302的目标表面304产生接触角。接触角是参考目标表面304限定的。包括通道的保持结构306可以使液滴的接触角几乎倒置(例如达到约180度)，而不从目标表面外溢或流出。保持结构306允许的液滴330的接触角的非限制性示例包括至少约为60度、90度、120度、150度或180度，以及这些角度中的任何角度之间的任何合适的范围。
[0084]
在另一示例中，包括突出部(例如竖直向上方向)的保持结构356可以像容器一样保持功能化材料的液滴330。目标表面304可以至少部分地形成该容器的底部，而保持结构356可以至少部分地形成该容器的侧壁。保持结构356可以由任何合适的材料形成。保持结构356的材料的非限制性示例包括干膜，例如su-8的干膜(例如tmmf
tm
s2000商业上可来自于东京応化工业株式会社美国，希尔斯伯勒，俄勒冈州)、聚酰亚胺和其他光刻胶。
[0085]
此外或可选地，保持结构356可以包括疏水材料或由疏水材料形成。功能化材料的液滴330可以包括极化分子，如水分子。当液滴接近由疏水材料制成的保持结构356时，排斥力可以作用于液滴330。疏水材料的非限制性示例包括石蜡、化学气相沉积(cvd)的聚四氟乙烯
tm
、自旋聚四氟乙烯
tm
(例如可来自于化学，威尔明顿，特拉华州的聚四氟乙烯
tm af)，和氟化聚酰亚胺或光刻胶。使用疏水材料可用于纠正与保持结构356相关的扩散效应。
[0086]
保持结构306、356可以是将液滴330保持在目标表面304上的任何合适的形状。例如，如图所示，保持结构306为具有梯形截面的环形形状，保持结构356为具有矩形截面的环形形状。在一些实施例中，液滴330可被保持在保持结构306、356的环形形状的内径或外径
处，这取决于液滴330的大小。
[0087]
在一些实施例中，保持结构306、356包括或限定从目标表面延伸的侧壁表面320。侧壁表面320可以形成或限定相对于目标表面304的角度364。可以根据侧壁表面320沿其整个长度(例如从上到下)的平均坡度测量角度364。角度364的非限制性示例包括在正或负(+/-)方向上的约45度、60度、75度和90度，以及这些角度中的任何角度之间的任何适当范围。换句话说，例如，角度364绝对值可以约为45度、60度、75度或90度。例如，在一个或多个实施例中，角度364的绝对值至少约为60度。在一个或多个实施例中，角度364的绝对值约为90度。角度可以例如由于用于形成保持结构308的制造工艺不同而变化。
[0088]
目标表面304的一部分310可以限定在谐振器结构308和保持结构306、356之间。在一些实施例中，部分310的宽度足以允许液滴330对谐振器结构308进行全覆盖，使液滴不会溢出或流动到目标表面304之外。部分310宽度的非限制性示例包括约5μm、10μm、15μm、20μm和25μm，以及这些中的任何两个之间的任何适当的范围。例如，在一些实施例中，该部分的宽度至少等于约5μm。在一些实施例中，该部分的宽度最多等于约25μm。
[0089]
图8示出了至少部分地形成具有保持结构的传感器的方法400的一个示例。可以设置基板402。基板可以包括任何合适的材料，如氮化硅(si3n4)或(aln)。可以在基板上形成谐振器结构404。具体地，可以在基板的目标表面(例如在目标区域内)形成谐振器结构。谐振器结构可以包括绝缘层，绝缘层可以包括耦合层。
[0090]
可以在基板上形成保持结构406。可以使用任何合适的技术，如刻蚀等离子体增强化学气相沉积(pecvd)si3n4或bcl3刻蚀aln。例如，保持结构可以是位于谐振器结构上表面以下的谐振器结构周围的“壕沟型”结构或环。保持结构的侧壁可与目标表面成90度(例如垂直)。在一些实施例中，保持结构的侧壁是非竖直的，例如蚀刻到aln中的60度侧壁。
[0091]
虽然图示的实施例示出在形成保持结构406之前形成谐振器结构404，但这些过程可以同时或按任何顺序顺序进行。例如，在谐振器结构形成过程中，尤其是在谐振器结构的顶部电极形成之前，可以形成保持结构。
[0092]
液滴可以设置在目标表面上408。具体地，在谐振器结构形成404之后和保持结构形成406之后，可以在目标表面上设置功能化材料的液滴以覆盖谐振器结构。
[0093]
液滴的大小可以尤其适合于谐振器结构的大小。例如，对于作为生物传感器的350μm圆形baw谐振器，可以在baw表面上打印大约12纳升(nl)的抗体溶液，使传感器适合于关注的抗原。由于谐振器顶部氧化物表面的硅烷化，传感器的表面可以具有大约60度的接触角。
[0094]
保持结构可以提供将液滴保持在谐振器结构上的力，如果分配足够的体积，液滴将自动与谐振器表面对齐。使用保持结构可以在处理或打印液滴时提供对齐公差。此外，由于溢出所需的接触角反转，使用保持结构可以提供大量的体积公差。
[0095]
表1示出了12nl和21nl大小的液滴(第一列)在si3n4中的三个不同刻蚀深度(第一行)的自动对准率。一般来说，较高的比率更好。
[0096] 100nm250nm500nm12nl49％90％98％21nl 43％100％
[0097]
表1
[0098]
为了获得表1所示的结果，仪器、盒和装置可以如美国专利公开号为us 2016/0091506a1、2016年3月31日公开的、名称为“两部分总成”的专利中所述的，通过引用将其全部内容结合于此。这里提出的教导可以应用于引入样品的任何其他合适的微流控装置。
[0099]
保持结构的大小可以取决于预期液滴的大小。在一个实施例中，保持结构采用tmmf
tm
制成且具有20μm的直径。在另一实施例中，保持结构可以由聚酰亚胺制成且具有1μm的直径。在某些实施例中，保持结构可以由聚酰亚胺制成且具有2μm的直径。
[0100]
系统或控制器可用于进行各种制造方面以形成传感器，如图8中所示的方法400。这种系统或控制器可以包括或可操作地连接到执行器或能够实际执行这些不同的制造方面的其他机械部件。这种系统或控制器还可以包括处理器，例如中央处理单元(cpu)、计算机、逻辑阵列或其他能够引导数据进出系统或控制器的装置。控制器可以包括具有存储器、处理器和通信硬件的一个或多个计算装置。控制器可以包括用于将控制器的各种部件连接在一起或与可操作地连接到控制器的其他部件连接的电路。控制器的功能可以由硬件和/或作为计算机指令在非瞬态计算机可读存储介质上执行。
[0101]
控制器的处理器可以包括微处理器、微控制器、数字信号处理器(dsp)、特定用途的集成电路(asic)、现场可编程门阵列(fpga)和/或等效的离散或集成逻辑电路。在某些示例中，处理器可以包括多个部件，例如一个或多个微处理器、一个或多个控制器、一个或多个dsp、一个或多个asic和/或一个或多个fpga以及其他离散或集成逻辑电路的任何组合。这里归因于控制器或处理器的功能可以具体化为软件、固件、硬件或其任何组合。虽然本文将其描述为基于处理器的系统，但另一种控制器可以利用继电器和定时器等其他部件来实现所需的结果，可以是单独的，也可以与基于微处理器的系统相结合。
[0102]
在一个或多个实施例中，示例性系统、方法和接口可以使用使用计算装置的一个或多个计算机程序来实现，计算装置可以包括一个或多个处理器和/或存储器。此处描述的程序代码和/或逻辑可应用于输入数据/信息，以执行此处描述的功能并生成所需的输出数据/信息。输出数据/信息可以作为输入应用于一个或多个其他装置和/或方法，如本文所述，或将以已知的方式应用。鉴于上述内容，很明显，本文所描述的控制器功能可以以本领域技术人员所知道的任何方式实现。
[0103]
因此，公开了具有液滴保持结构的传感器的各种实施例。虽然本文中提到了构成本公开的一部分的所附的一组附图，但本领域技术人员将理解，本公开所描述的实施例的各种修改和变形也在本公开的范围内，或不偏离本公开的范围。例如，本公开所描述的实施例的各个方面可以以各种方式相互结合。因此，可以理解的是，在所附权利要求的范围内，所要求保护的发明可以实施为除这里明确描述的方式以外的方式。
[0104]
可以理解的是，框图的每个框和这些框的组合都可以通过执行图示功能来实施。
[0105]
此处引用的所有参考资料和出版物出于所有目的均通过引用明确地整体结合于此，除非任何方面直接与本公开相矛盾。
[0106]
这里使用的所有科学和技术术语都具有本领域中常用的含义，除非另有明确说明。此处提供的定义是为了便于理解此处经常使用的某些术语，并不是为了限制本公开的范围。
[0107]
除非另有说明，说明书和权利要求中使用的所有表示特征大小、数量和物理性质的数字都可以理解为由术语“精确”或“大约”所修饰。因此，除非另有说明，上述说明书和所
附权利要求中所列的数值参数是近似值，可以根据本领域技术人员利用本文所公开的教导或例如在典型的实验误差范围内寻求获得的所需属性而变化。
[0108]
通过端点描述的数值范围包括包含在该范围内的所有参数(例如，1至5包括1、1.5、2、2.75、3、3.80、4和5)以及该范围内的任何范围。在这里，术语“最多”或“不大于”一个数字(例如，最多50)包括该数字(例如50)，术语“不少于”一个数字(例如，不少于5)包括该数字(例如5)。
[0109]
术语“耦合”或“连接”是指直接(直接接触)或间接(在两个元件之间具有一个或多个元件并且附接这两个元件)相互连接的元件。由可互换使用的术语“可操作地”和“可操作”修饰的术语可以描述耦合或连接被配置为允许部件交互以执行至少一些功能。
[0110]
与方向有关的术语，如“顶部”、“向上”、“底部”、“向下”、“竖直”、“水平”、“侧面”和“端部”等，用于描述部件的相对位置，并不是为了限制所设想的实施例的方向。例如，被描述为具有“顶部”和“底部”的实施例也包括其旋转到不同方向上的实施例，除非内容明确说明另有规定。
[0111]
提及“一个实施例”、“实施例”、“某些实施例”或“一些实施例”等，意味着与实施例有关的描述的特征、配置、组成或特征包含在公开的至少一个实施例中。因此，这些短语在各个位置出现并不一定是指本公开的同一实施例。此外，在一个或多个实施例中，可以以任何适当的方式组合特定的特征、配置、组分或特性。
[0112]
如在本说明书和所附权利要求书中所使用的，单数形式“一(a)”、“一(an)”和“所述”包含具有复数对象的实施例，除非该内容另外明确规定。正如本说明书和所附权利要求书中所使用的，术语“或”总体上以其包括“和/或”的意义使用，除非该内容另外明确规定。
[0113]
如在此所使用的，“有(have、having)”、“包括(include，including)”、“包含(comprise，comprising)”等以它们的开放式意义使用，并且总体上是指“包括，但不限于”。可以理解的是，“基本上由
……
组成(consisting essentially of)”、“由
……
组成(consisting of)”等把“包含”等包括在内。
[0114]
术语“和/或”是指一个或所有列出的元件或至少两个列出元件的组合。
[0115]
后面具有列表的短语“至少一个”、“包括至少一个”和“一个或多个”指列表中的任何一个项目和列表中的两个或更多个项目的任何组合。