微机械传感器、传感器阵列和方法技术

本发明专利技术涉及适用于分析液态样品的微机械传感器以及这类传感器的阵列。本发明专利技术也关注适用于检测液态样品的方法以及适用于微机械分析液相样品的纵向体声波的使用。这种传感器包括主体以及与主体分开的平面波导部分。至少一个电－机械换能器元件用于响应于电激励而将纵向体声波激励到波导部分，并还用于将声波转换成电信号。波导部分具有样品接受区域，可以将样品引入到它上面。借助于本发明专利技术，能够提高微机械液态传感器的灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】专利技术背景专利
本专利技术涉及传感器。尤其是，本专利技术涉及在半导体基片上制成的微机械制造 的传感器。这类传感器可以用于分析诸如小量的生物制品。本专利技术也涉及用于微 机械地分析液态样品的方法。
技术介绍
使用现代硅微机械技术，有可能批量生产适用于传感器应用的微机械器件。这类器件中有许多都利用绝缘体上硅(SOI)结构。最近有关分子类膜的研究已经扩展到了微机械实现生物化学分析的可能性。众所周知，生物化学分 析可以使用微机械谐振器来进行，该谐振器的谐振频率是由传感器的表面质量的 变化来改变的。通过检测谐振频率，就能获得关于传感器上的物质的信息。一般来说，检测微小的质量变化的分辨率是与谐振器的有效质量成反比，而 与谐振器的谐振频率和Q值成正比。另外，分辨率正比于谐振器的位移振幅。于 是，谐振器所存储的机械能量越高，则分辨率越好。表面波传感器是基于将表面波(SAW)激发到基片中。在这类器件中，波在 传感器的表面(或者在表面附近)传播，使之对传感器表面上的质量微小变化都 十分灵敏，例如，在气体环境中的质量生长。SAW器件始终是在波传播方向的垂 直或者水平方向振荡。垂直模式的SAW传感器的表面位移很大，使之很少用于液 态样品的分析。特别是，对液态样品进行小质量变化的检测十分困难。这是因为 振动能量对液体的辐射/损失使得振荡很容易衰减。剪切水平(Shear-Horizontal) SAW(SH-SAW)传感器已经用作为液相传感器，尽管它们采用平行于表面的横波。 釆用弯曲波模式的SAW硅微机械谐振器也能使用，但是，它仅仅只适用于气相分 析。体声波(BAW)在谐振器的整个体积中传播。厚度剪切模式BAW谐振器(TSM) 利用在传感器电极之间横波，它能够很好地应用于气相分析。它们也能在一定程 度上应用于液相分析。剪切水平声平面模式传感器(SH-APM)的质量灵敏度优于 TSM，但是仍比SAW器件要差得多。主要原因之一是BAW传感器表面上的能量 密度比SAW器件中的要低。几乎任何一种机械型传感器都能成功地应用于测量在其表面上的质量生长， 只要将其置于气体中即可。在分析液态样品时就会出现两个问题。第一，仅仅只 能使用密封的结构。也就是说，传感器的液体接受部分必须与其它结构部分(例 如，换能器元件)机械地隔离。第二，机械振荡通过液态样品的耗散而严重衰减。 这种耗散起因于，例如，较高质量的液态样品和液体的粘性，还起因于谐振器材 料和液体的相当类似的声阻抗(一般是在10倍以内)。于是，声能的大部分可以 通过固体一液体界面传播(损失)。这就是只有基于TSM、 SH-APM和SH-SAW 的传感器已经用作为生物传感器的原因，这些传感器都产生主要在剪切水平(横 向，平行于表面)方向上传播的波。然而，器件的灵敏度和适用性还不能满足现 代液相分析应用的需要。现有BAW器件的另一缺点是谐振器的厚度受到所需工 作频率的制约。
技术实现思路
本专利技术的一个目的是至少能够解决现有技术中一些问题并且提供一种适用于 液相分析的新颖微机械B A W传感器。本专利技术的另一目的是提供适用于若干样品并行分析的微机械BAW传感器阵列。本专利技术还有一个目的是提供一种机械地分析小量液态样品的新颖方法以及纵 向体声波的新颖使用。本专利技术基于这样一个想法，即通过微机械结构使用纵向体声波来检测在样品 (特别是，液态样品)中所发生现象。根据本专利技术的传感器是制造在基片(主体)上的，并且它呈现出传播声波的 波导部分。该波导部分设置在离主体有一段距离的位置处。波导部分也在其至少 一个表面上设置了样品接受区域。纵向体声波由至少一个设置在波导部分附近的电-机械换能元件来产生。根据本专利技术的方法包括下列步骤将液态样品引入到微机械波导的样品接受 区域上，并且使用电-机械耦合方式将纵向体声波传播到波导中；以及将声波转换 成电信号以便检测样品对波导的振动行为的影响。根据本专利技术的一个传感器或者多个传感器可以合并到一个具有若干微机械声 波传感器元件的阵列中。更具体的说，本专利技术的特征在于权利要求1所阐述的内容。传感器阵列的特征在于权利要求29所阐述的内容。形成阵列的方法的特征在于权利要求34所阐述的内容。 使用方法的特征在于权利要求38所阐述的内容。籍助于本专利技术的实施例可以获得显著的优点。于是，位移的表面法线分量仍 然较小，这是体波在纵向方向上传播的结果。由垂直方向(垂直于表面)的泊松(Poisson)效应所引起的收縮和伸展仍旧很小。通过适当切割单晶硅，使得位移 的表面法线分量非常之小。此外，通过应用这种横向声波模式使得在平行于表面 的一个方向上呈现出收縮而在其它方向上伸展，预期会进一步减小位移的表面法 线分量，并由此减小因声波辐射到液体中而引起的损失。典型的SOI器件的层厚在10 — 3(^im的量级中，使得体声波传播对样品接受区 域的物理性能的任何变化都有适当的敏感度。特别是，如果样品接受区域设置有 分子特异性层(MSL)，则就很容易检测到MSL的性能变化。另一方面，该结构 足够厚以包含足够多的能量，与之相比，在表面声波(SAW)器件中由于不可避 免的液体粘性加载而引起过大的衰减。另外，因为使用了纵波，所以能在电和声能之间实现很强的耦合。例如，通 过使用窄间隙的电容换能器、压电换能器、磁换能器或者热换能器，便能够实现 电-机械转换。在器件内可以采用驻波操作(谐振)，以便于改善耦合和分辨率。于是，我们已经发现，将长度伸展(纵向)的体声波激励到微机械器件中能 够很好地用于液态样品的分析。特别是，通过使用一层便于专门结合分子(抗原、 抗体、DNA等)、细胞、甚至包含样品的组织的附加层，就能够实现有效的生物 传感器。这类传感器潜在应用领域的实例是临床和环境的分析，以及例如，在生 物学、生物技术、化学和卫生保健领域中的研究目的。特别是在免疫学中，液相分析方法的进步都是受欢迎的，并且在其它例行的生物分析中也是如此。纵波传感器可以由硅基晶片十分经济地制造。此外，微机械硅基元件所具有 的固有潜能在于，批量生产包括传感器阵列或矩阵并集成有读出电路的传感器器 件。就原理而言，硅基传感器以及读出和激励电路都能够被并入任何普通的集成 电路(IC)结构中。用于不同化学和生物分析的传感器都能通过应用不同的分子 特异性膜(具有较低的非特异性结合)来实现。非特异性结合、温度补偿和其它 干扰现象都能通过使用集成参考器件来消除。根据较佳实施例，至少谐振器的样品接受区域是对器件外部开放的。在器件 内部，谐振器(波导部分)的开放前端或者谐振器的后端都可以用于接受样品， 这取决于实施例。通过"开放"的结构，我们是指在这类解决方案中，样品可以 直接地或通过器件的开口被引入到样品接受区域。可以将一个或者多个传感器封 装在一个外壳中，该外壳具有一个密封部分或多个这类部分，它可以是贯穿的以 便于样品的引入。外壳可以是，例如，在半导体行业中通常使用的陶瓷包装或者 塑料包装。从实践的观点来看，所讨论的结构允许-液态样品与电容性电-机械耦合所需的开放结构的隔离；-液态样品容易插入；-分子特异性表面以及相关缓冲层(例如，金)都容易制备； -该器件能够使用工业中可用的批量生产方法来制造； -该器件的关键部分是用现有工业方法气密式或者真空封装的。 这种传感器可以应用于工业或本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于分析样品的微机械传感器，它包括：　　　　－主体（１００，４００，５００，８００，９００）；　　　　－平面波导部分（１０６，４０６，５０６，８０６，９０６），与主体分开；　　　　　－至少一个电－机械换能器元件（１１０，４１０，５１０，８１０，９１０），位于波导部分的横向一侧，用于响应于电激励而将声波激励到波导部分中；以及　　　　－样品接受区域（１０４，４０４，５０４，８０４，９０４），位于波导部分的一个表面上，用于接受样品（１０１，４０１，５０１，８０１，９０１）；　　　　其特征在于：　　　　－至少一个换能器元件适用于将纵向体声波激励到波导部分。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：H瑟帕，K塔普拉，J土普瑞尼恩，T玛蒂拉，A阿拉斯塔洛，H海勒，A欧加，
申请(专利权)人：芬兰国立技术研究中心，
类型：发明
国别省市：FI[芬兰]