(57)【要約】  本開示はせん断モード応答を高めるために活性領域の機械的締め付けを少なくした音響共振器を提供する。詳細には、本開示は圧電材料からなる活性領域を備えた強固に取り付けられたバルク音波共振器装置を提供する。前記活性領域は圧電材料の厚さを薄くした非活性領域によって横方向が囲まれている。活性領域との境界に沿った非活性領域の少なくとも上部では圧電材料が欠けている。前記共振器装置は、活性領域の圧電材料の横方向に対向する両縁に沿って非連続部分を提供し、せん断モード操作時に最大横方向変位の方向における前記活性領域の機械的締め付けを少なくしている。圧電材料からなる活性領域の機械的分離が進むことで前記活性領域の横方向振動の機械的減衰が少なくなり、疑似せん断モード感知のためのせん断モード応答が改善される。
2018537672.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）共振器装置であって、
基板と；
前記基板の少なくとも一部を覆って配置された、バルク音波共振器構造体であって、前記バルク音波共振構造体は、前記基板の一面からの法線に対して大部分が非平行の配向分布を示すＣ軸を含む圧電材料、前記圧電材料を覆って配置されている上面電極、および前記圧電材料と前記基板の間に配置されている下面電極を含み、ここで前記圧電材料の少なくとも一部は前記上面電極と前記下面電極の間に配置されて活性領域を形成している、バルク音波共振器構造体、
を含み、
ここで前記活性領域は横方向を非活性領域によって囲まれ、前記非活性領域の少なくとも一部の圧電材料の厚さは前記活性領域の圧電材料の厚さより薄く、前記活性領域の境界に沿った前記非活性領域の少なくとも上部に圧電材料を欠いており、前記活性領域の圧電材料の横方向に対向する両縁の少なくとも上側部分に沿って少なくとも１つの非連続部分を規定し、ここで前記少なくとも１つの非連続部分は前記バルク音波共振器構造体のせん断モード操作時に最大横方向変位の方向における前記活性領域の機械的締め付けが少なくなるように構成されている、ＭＥＭＳ共振器装置。
【請求項２】
前記上面電極と前記下面電極の間に配置されている前記圧電材料の少なくとも一部は称呼厚を含み、
前記活性領域の横方向の周囲の少なくとも一部は前記称呼厚の０％〜約５０％の範囲の厚さを有する前記圧電材料の薄厚部と境界を接している、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器装置。
【請求項３】
前記活性領域は前記バルク音波共振器構造体のせん断モード操作時の前記最大横方向変位の方向に平行な長さを含み、前記長さは前記活性領域の第１の長手方向端部と第２の長手方向端部の間に延びており、
前記少なくとも１つの非連続部分は少なくとも部分的に前記第１の長手方向端部と前記第２の長手方向端部と境界を接している、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器装置。
【請求項４】
前記少なくとも１つの非連続部分は前記活性領域の周囲の少なくとも約６０％を囲んでいる、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器装置。
【請求項５】
前記バルク音波共振器構造体は前記基板と前記下面電極の間に配置されている音響反射構造体を含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器装置。
【請求項６】
前記基板は窪みを規定し、前記窪みと前記バルク音波共振器構造体の間に支持層が配置されている、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器装置。
【請求項７】
前記活性領域は前記バルク音波共振器構造体のせん断モード操作時の前記最大横方向変位の方向に平行な長さを含み、
前記活性領域は前記長さに垂直な幅を含み、
前記長さは前記幅より長い、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器装置。
【請求項８】
前記活性領域は前記バルク音波共振器構造体のせん断モード操作時の最大横方向変位の方向に平行な長さと、前記長さに垂直な幅を含み、
前記圧電材料は、前記活性領域の長さに垂直な方向に延びていて、前記活性領域の両方の長手方向端部の中間で前記活性領域と接触している、少なくとも１つの固定部分を含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器装置。
【請求項９】
前記上面電極または前記下面電極の少なくとも１つの少なくとも一部が前記圧電材料の前記少なくとも１つの固定部分に沿って延びている、請求項８に記載のＭＥＭＳ共振器装置。
【請求項１０】
前記活性領域の横方向の両縁を覆って配置されている誘電体材料をさらに含む、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器装置。
【請求項１１】
前記上面電極、前記下面電極または前記活性領域の少なくとも１つの横方向の縁のうちの少なくとも１つの少なくとも一部を覆って気密層が配置されている、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振器装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ共振器装置と、
前記活性領域の少なくとも一部を覆って配置されている少なくとも１つの機能化材料と
前記活性領域を含む流路と、
を含む流体装置。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの機能化材料は特異的結合材料または非特異的結合材料の少なくとも１つを含む、請求項１２の流体装置。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの機能化材料と前記上面電極の間に配置されている自己組織化単層をさらに含む、請求項１２の流体装置。
【請求項１５】
前記上面電極と前記自己組織化単層の間に配置されている界面層をさらに含む、請求項１４の流体装置。
【請求項１６】
生物学的または化学的感知方法であって、前記方法が：
請求項１２に記載の前記流体装置の前記流路に、標的種を含む流体を供給する工程であって、ここで前記供給工程は、前記標的種の少なくともいくつかが前記少なくとも１つの機能化材料に結合するように構成されている、工程と、
前記活性領域でバルク音波を誘発する工程と、
前記バルク音波共振器構造体の周波数特性、振幅特性または位相特性のうちの少なくとも１つの変化を感知し、前記少なくとも１つの機能化材料に結合する標的種の存在または量の少なくとも１つを示す工程と、
を含む方法。
【請求項１７】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）共振器装置の製造方法であって、前記方法は：
基板と、前記基板の少なくとも一部を覆って配置され、前記基板の一面からの法線に対して大部分が非平行の配向分布を示すＣ軸を有する圧電材料と、前記基板と前記圧電材料の少なくとも一部との間に配置されている下面電極とを含む基礎構造体を形成する工程であって、ここで前記圧電材料が称呼厚を含む、工程と；
前記圧電材料の一部を除去して、前記称呼厚の０％〜約５０％の範囲の厚さを有する前記圧電材料の薄厚部を規定する工程と；
前記圧電材料の一部を覆って上面電極を形成する工程であって、ここで前記称呼厚を含む前記圧電材料の少なくとも一部が前記上面電極と前記下面電極の間に配置され、バルク音波共振器構造体の活性領域を形成する工程と、
を含み、
ここで前記活性領域の横方向の周囲の少なくとも一部は前記圧電材料の薄厚部と境界を接しており、前記バルク音波共振器構造体のせん断モード操作時に最大横方向変位の方向における前記活性領域の機械的締め付けが少なくなるように構成されている少なくとも１つの非連続部分を規定する、製造方法。
【請求項１８】
前記上面電極、前記下面電極または前記活性領域の少なくとも１つの横方向の縁のうちの少なくとも１つの少なくとも一部を覆って気密層を堆積する工程をさらに含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記上面電極の少なくとも一部を覆って自己組織化単層を形成する工程と、前記自己組織化単層の少なくとも一部を覆って少なくとも１つの機能化材料を適用する工程とをさらに含み、ここで前記少なくとも１つの機能化材料の少なくとも一部が前記活性領域で示される、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願の相互参照］
本出願は、２０１５年１１月２０日に出願した仮特許出願番号６２／２５７，９５４の権利を主張し、その開示内容は参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、共振器構造体に関し、特に、例えばバイオセンシング用途または生物学的感知用途に適した流体装置および関連するシステムに便利に組み込むことができるような、機械的閉じ込めが低減されたバルク音波共振器構造体に関する。
【背景技術】
【０００３】
バイオセンサー（または生物学的感知器）は、生物学的要素および生物学的応答を電気信号に変換するトランスデューサーを含む分析装置である。特定のバイオセンサーは、特異的結合材料（例えば、抗体、受容体、リガンド等）と標的種（例えば、分子、たんぱく質、ＤＮＡ、ウイルス、バクテリア等）の間の選択的生化学反応を伴う。この非常に特異な反応からの生成物はトランスデューサーによって測定可能な量に変換される。センサーによっては、複数の種類またはクラスの分子または試料内に存在する可能性のある他の部分を結合できる非特異的結合材料（化学センシング用途で役に立つ可能性があるもの）を使用するものがある。本明細書で用いられる「機能化材料」という用語は、一般に特異的結合材料と非特異的結合材料の両方に関係している。バイオセンサーと共に使用される変換方法は、電気化学的、光学的、電気的、音響的等のさまざまな原理に基づくことができる。これらのうち、音響変換は実時間、無標識、低コスト、高感度といった多くの潜在的利点を提供する。
【０００４】
音波装置は、機能化（例えば、特異的結合）材料を通過するかまたはその表面を伝搬する音波を利用し、これにより、伝搬経路の特性の何らか変化が音波の速度および／または振幅に影響する。音波装置の活性領域面または同領域を覆うように機能化材料が存在し、被検物質がこの機能化材料に結合することができる。この結合により、音波によって振動して質量が変化し、音波の伝搬特性（例えば、速度、それによる共振周波数）も変化する。速度の変化は、音波装置の周波数特性、振幅特性または位相特性を測定することで監視され、測定対象の物理量と関連付けることができる。
【０００５】
圧電変換共振器の場合、音波は圧電材料中で伝搬するバルク音波（bulk acoustic wave、ＢＡＷ）または圧電材料の表面を伝搬する表面音波（ＳＡＷ）のいずれかを具現化することができる。ＳＡＷ装置は圧電材料の表面に沿ってインターデジタル変換器を使用して音波（通常２次元レイリー波を含む）の変換を伴い、波は約１波長の侵入深度に限定される。典型的には、バルク音波装置は、高周波操作を容易にするのに適した微小規模の機能を提供する必要があるため、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の製造技術によって製造される。ＢＡＷ装置は、通常、圧電材料の対向する上面および下面に配置された電極を用いて音波の変換を行う。バルク音波装置では、３つの音波モードで音波が伝搬する。すなわち、１つの縦モード（圧縮波／伸長波とも呼ばれる縦波を具現化したもの）および２つのせん断モード（横波とも呼ばれるせん断波を具現化したもの）である。縦モードおよびせん断モードはそれぞれ、粒子の動きが音波伝搬の方向に平行および垂直になる振動を特定する。縦モードは、伝搬方向の圧縮および伸長を特徴とし、せん断モードは、伝搬方向に垂直な動きから構成されるが、体積の局所的な変化はない。縦モードおよびせん断モードは異なる速度で伝搬する。実際、粒子振動または分極が伝搬方向に厳密に平行でも垂直でもないように、これらのモードも必ずしも純粋なモードではない。各モードの伝搬特性は、材料特性と各結晶軸の配向に対する伝搬方向とに依存する。せん断変位を発生させる能力は音波装置を流体（例えば、液体）で動作させるのに有利である。なぜなら、せん断波が相当量のエネルギーを流体に付与することはないからである。  
【０００６】
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）および酸化亜鉛（ＺｎＯ）を含む六方晶構造の圧電材料などの特定の圧電薄膜は、縦モード共振およびせん断モード共振の両方を発生させることができる。電極の間に挟まれた圧電材料を使用してせん断モードを含む音波を発生するには、圧電薄膜内の分極軸は一般に薄膜面に対し垂直であってはならない（例えば、薄膜面に対し傾斜していなければならない）。液体媒体を含む生物学的検知用途では共振器のせん断成分が用いられる。このような用途では、圧電材料は下層の基板面に対して垂直ではないＣ軸配向分布とともに成長する。これによって、バルク音波共振器構造体の電極に対し交流電流信号が印加されると、バルク音波共振器構造体は顕著なせん断応答を示すことができるようになる。
【０００７】
バルク音波共振器装置の製造では、基板を覆うように音響反射体を堆積し、続いて下面電極を堆積し、続いて圧電材料を（例えば、スパッタリングまたは他の適切な方法によって）成長させ、続いて上面電極を堆積してもよい。前記圧電材料の成長は、化学蒸着（ＣＶＤ）、（例えば、窒素ガス環境下でのＡｌイオンの）反応性ＲＦマグネトロンスパッタリング等によって行うことができる。これらの手法によって厚さが均一の層を形成できる（例えば、スパッタリングによって均一な圧電材料を形成できる）が、一部の層はその下にある材料堆積表面の形態によって高さが異なる部分があることがある。例えば、下面電極は下にある音響反射体を全面的に覆っていなくてもよく、基板を覆う前述の層を含む材料堆積表面に、前記音響反射体の上面に若干盛り上がった下面電極材料を含んでもよい。前記材料堆積表面上の均一の厚さの圧電材料の適用において、前記下面電極を覆っている圧電材料の部分は下面電極を覆っていない前記圧電材料の他の部分に比べ高さが高くなる。
【０００８】
強固に取り付けられた共振器（ＳＭＲ）を含むバルク音波装置の振動モードは、前記圧電材料が、活性領域を形成する前記圧電材料を覆い、かつ下に配置された電極の寸法によって規定される、無限板である構成を前提として決まる。前記活性領域の外側ではＢＡＷ共振器装置は、活性領域と周囲を接する圧電材料が存在するために、横方向に機械的にクランプ（clamp）されている（例えば、自由に動かないように機械的に制限されている）。縦モードとせん断モードの混在モードで振動するバルク音波共振器装置では、この機械的クランプが圧電材料の面における所望のせん断モード応答を低下させる可能性がある。特に、このような機械的クランプは、前記活性領域のせん断モード振動（例えば、せん断モード応答、せん断変位等）を減衰させ、バルク音波共振器装置の検知感度と性能を制限する。
【０００９】
従って、バイオセンシング用途または生化学感知用途のため、従来装置の制約を克服したせん断モードの振動を増強できる音波装置の改善が求められている。
【発明の概要】
【００１０】
本開示はせん断モード応答を高めるために活性領域の機械的締め付けの少ない音響共振器を提供する。詳細には、本開示は、活性領域の境界に沿った不活性領域の少なくとも上部が圧電材料を欠くように、圧電材料の厚さが減少した不活性領域によって横方向に囲まれた、圧電材料の活性領域を有する強固に取り付けられたBAW共振器デバイスを提供する。共振器装置は、活性領域の圧電材料の対向する両縁に沿って非連続部分を提供して、せん断モード動作における最大横方向変位の方向における活性領域の機械的クランプを低減する。音波共振器装置（例えば、BAW）の圧電材料の活性領域の機械的分離が進むことで前記活性領域の横方向振動の機械的減衰が少なくなる。これによってせん断モード応答が改善し、液体環境におけるセンサー性能を改善する利点が生まれる可能性がある。
【００１１】
一つの側面では、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）共振器装置は、基板および前記基板の少なくとも一部を覆って配置されたバルク音波共振器構造体を含む。前記バルク音波共振器構造体は前記基板面からの法線に対して大部分が非平行の配向分布を示すＣ軸を含む圧電材料、前記圧電材料を覆って配置された上面電極および前記圧電材料と前記基板の間に配置された下面電極を含む。前記圧電材料の少なくとも一部は上面電極と下面電極の間に配置されて活性領域を形成する。前記活性領域は横方向を非活性領域によって囲まれ、前記非活性領域の少なくとも一部の圧電材料の厚さは前記活性領域の圧電材料の厚さより薄く、活性領域との境界に沿った非活性領域の少なくとも上部には圧電材料を欠いており、圧電材料の横方向に対向する両縁の少なくとも上側部分に沿って少なくとも１つの非連続部分が形成されている。前記少なくとも１つの非連続部分は前記バルク音波共振器構造体のせん断モード操作時に最大横方向変位の方向における前記活性領域の機械的締め付けを少なくするように構成されている。
【００１２】
特定の実施形態では、前記上面電極と前記下面電極の間に配置された前記圧電材料の少なくとも一部は称呼厚を含む。前記活性領域の横方向の周囲の少なくとも一部は称呼厚の０％〜約５０％の範囲の厚さを有する圧電材料の薄厚部と境界を接している。
【００１３】
特定の実施形態では、前記活性領域は前記バルク音波共振器構造体のせん断モード操作における最大横方向変位の方向に平行な長さを含む。前記長さは前記活性領域の第１の長手方向端部と第２の長手方向端部の間を伸びており、前記少なくとも１つの非連続部分は、前記第１の長手方向端部および前記第２の長手方向端部と少なくとも部分的に境界を接している。特定の実施形態では、前記少なくとも１つの非連続部分は前記活性領域の周囲の少なくとも約６０％を囲んでいる。
【００１４】
特定の実施形態では、前記バルク音波共振器構造体は前記基板と前記下面電極の間に配置された音響反射構造体を含む。特定の実施形態では、前記基板は空洞を形成し、前記空洞および前記バルク音波共振器構造体の間に支持層が配置されている。
【００１５】
特定の実施形態では、前記活性領域は前記バルク音波共振器構造体のせん断モード操作における最大横方向変位の方向に平行な長さを含む。前記活性領域は前記長さに垂直な幅を含み、前記長さは前記幅より長い。
【００１６】
特定の実施形態では、前記活性領域は前記バルク音波共振器構造体のせん断モード操作における最大横方向変位の方向に平行な長さおよび前記長さに垂直な幅を含む。前記圧電材料は少なくとも１つの固定部分を含む。前記固定部分は、前記活性領域の前記長さに垂直な方向に延びており、前記活性領域の長手方向の両端の中間で前記活性領域と接触する。特定の実施形態では、前記上面電極および前記下面電極の少なくとも１つの少なくとも一部は前記圧電材料の前記少なくとも１つの固定部分に沿って延びている。特定の実施形態では、ＭＥＭＳ共振器装置は誘電体材料をさらに含む。前記誘電体材料は前記活性領域の横方向の両縁を覆って配置されている。特定の実施形態では、前記上面電極、前記下面電極および前記活性領域の少なくとも１つの横方向の縁のうちの少なくとも１つの少なくとも一部を覆って気密層が配置されている。
【００１７】
特定の実施形態では、流体装置は前記ＭＥＭＳ共振器装置、前記活性領域の少なくとも一部を覆って配置された少なくとも１つの機能化材料および前記活性領域を含む流路を含む。特定の実施形態では、前記少なくとも１つの機能化材料は特異的結合材料および非特異的結合材料の少なくとも１つを含む。特定の実施形態では、前記流体装置は前記少なくとも１つの機能化材料と前記上面電極の間に配置された自己組織化単層をさらに含む。特定の実施形態では、前記流体装置は、前記上面電極と前記自己組織化単層の間に配置された界面層をさらに含む。
【００１８】
もう１つの側面では、生物学的または化学的感知方法は、前記流体装置の前記流路に標的種を含む流体を供給する工程であって、ここで前記供給する工程は標的種の少なくともいくつかが前記少なくとも１つの機能化材料に結合するように構成されている工程と；前記活性領域でバルク音波を誘発する工程と；前記バルク音波共振器構造体の周波数特性、振幅特性および位相特性の少なくとも１つの変化を感知して前記少なくとも１つの機能化材料に結合した標的種の存在または量の少なくとも１つを示す工程とを含む。
【００１９】
もう１つの側面では、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）共振器装置を製造する方法は、基礎構造体（前記基板、前記基板の少なくとも一部を覆って配置され、前記基板面からの法線に対して大部分が非平行の配向分布を示すＣ軸を有する圧電材料（称呼厚を含む）および前記基板と前記圧電材料の少なくとも一部の間に配置された下面電極を含む）を形成する工程と、前記圧電材料の一部を除去し、称呼厚の０％〜約５０％の範囲の厚さを有する前記圧電材料の薄厚部を形成する工程と、前記圧電材料の一部を覆って上面電極を形成する工程と、を含む。前記称呼厚を含む前記圧電材料の少なくとも一部は前記上面電極と前記下面電極の間に配置され、バルク音波共振器構造体の活性領域を形成する。前記活性領域の横方向の周囲の少なくとも一部は前記圧電材料の前記薄厚部と境界を接している。これによって、前記バルク音波共振器構造体のせん断モード操作時に最大横方向変位の方向における前記活性領域の機械的締め付けを少なくするように構成された少なくとも１つの非連続部分を規定する。
【００２０】
特定の実施形態では、前記方法は前記上面電極、前記方電極または前記活性領域の少なくとも１つの横方向の縁のうちの少なくとも１つの少なくとも一部を覆って気密層を堆積する工程を含む。特定の実施形態では、前記方法は前記上面電極の少なくとも一部を覆って自己組織化単層を形成する工程と、前記自己組織化単層の少なくとも一部を覆って少なくとも１つの機能化材料を適用する工程とをさらに含む。前記少なくとも１つの機能化材料の少なくとも一部は前記活性領域で示される。
【００２１】
もう１つの側面では、上述の側面および／または様々な別の側面および本明細書で説明するような特徴を組み合わせると、さらに利点を得ることもできる。本明細書で別段の断り書きがない限り、本明細書で開示するような様々な特徴事項および要素のいずれかを１つ以上の開示されたその他の特徴事項および要素と組み合わせてもよい。
【００２２】
当業者は、好ましい実施形態に関する以下の詳細な説明を添付の図面を参照しながら読めば、本開示の範囲を正しく理解し、本開示の追加の側面に気付くことになる。
【００２３】
本明細書に組み込まれその一部となっている添付図面は本開示のいくつかの側面を説明し、本文と共に本開示の原理を説明するのに役立つ。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１Ａ】図１Ａは、圧電材料の活性領域を含む強固に取り付けられたバルク音波（ＢＡＷ）共振器装置の少なくとも一部の上部模式斜視図である。この活性領域は同活性領域と接する同じ厚さの非活性領域によって周囲が連続的に取り囲まれている。図１Ａの装置は以後説明する本開示のいくつかの実施形態の状況を提供することを意図した比較装置である。
【００２５】
【図１Ｂ】図１Ｂは図１Ａの切断線Ａ−Ａによる図１Ａの装置の模式断面図である。
【００２６】
【図１Ｃ】図１Ｃは図１Ａの切断線Ｂ−Ｂによる図１Ａの装置の模式断面図である。
【００２７】
【図２Ａ】図２Ａは一実施形態による強固に取り付けられたバルク音波共振器装置の少なくとも一部の上部模式斜視図である。前記バルク音波共振器装置は長方形の活性領域を含む。前記長方形の活性領域は圧電材料を含み、その横方向は圧電材料を欠いている（すなわち、厚さがゼロの圧電材料を含む）非活性領域によって囲まれている。これによって活性領域の圧電材料の横方向に対向する両縁に沿って非連続部分が形成され、せん断モード操作時に最大横方向変位の方向における前記活性領域の機械的締め付けが少なくなる。
【００２８】
【図２Ｂ】図２Ｂは図２Ａの切断線Ｃ−Ｃによる図２Ａの装置の模式断面図である。
【００２９】
【図２Ｃ】図２Ｃは図２Ａの切断線Ｄ−Ｄによる図２Ａの装置の模式断面図である。
【００３０】
【図３Ａ】図３Ａは、もう１つの実施形態による強固に取り付けられたバルク音波共振器装置の少なくとも一部の上部模式斜視図である。前記バルク音波共振器装置は長方形の活性領域を含む。前記長方形の活性領域は圧電材料を含み、その横方向は前記活性領域を囲む単一窪み内の圧電材料を欠いている（すなわち、厚さがゼロの圧電材料を含む）非活性領域によって囲まれている。上面電極のトレースは側壁および前記単一窪みの床に沿って延びている。前記単一窪みは前記活性領域の横方向に対向する両縁に沿って非連続部分を提供し、せん断モード操作時に活性領域に対する最大変位方向の機械的締め付けを少なくする。
【００３１】
【図３Ｂ】図３Ｂは図３Ａの切断線Ｅ−Ｅによる図３Ａの装置の模式断面図である。
【００３２】
【図３Ｃ】図３Ｃは図３Ａの切断線Ｆ−Ｆによる図３Ａの装置の模式断面図である。
【００３３】
【図４Ａ】図４Ａはもう１つの実施形態による強固に取り付けられたバルク音波共振器装置の少なくとも一部の上部模式斜視図である。前記バルク音波共振器装置は長方形の活性領域を含む。前記長方形の活性領域は圧電材料を含むが、圧電材料固定部によって区切られた第１および第２の窪みには圧電材料を欠いている（すなわち、厚さがゼロの圧電材料を含む）。上面電極のトレースは前記固定部の上面に沿って延びている。前記第１および第２の窪みはせん断モード操作時に前記活性領域の横方向に対向する両縁に沿って最大変位方向の非連続部分を提供する。
【００３４】
【図４Ｂ】図４Ｂは図４Ａの切断線Ｇ−Ｇによる図４Ａの装置の模式断面図である。
【００３５】
【図４Ｃ】図４Ｃは図４Ａの切断線Ｈ−Ｈによる図４Ａの装置の模式断面図である。
【００３６】
【図５】図５はもう１つの実施形態による強固に取り付けられたバルク音波共振器装置の少なくとも一部の上部模式斜視図である。前記バルク音波共振器装置は楕円形の活性領域を含み、前記楕円形の活性領域は圧電材料を含むが、圧電材料の固定部によって区切られた第１および第２の窪みには圧電材料を欠いている（すなわち、厚さがゼロの圧電材料を含む）。上面電極のトレースは前記固定部の上面に沿って延びている。前記第１および第２の窪みはせん断モード操作時に前記活性領域の横方向に対向する両縁に沿って最大変位方向の非連続部分を提供する。
【００３７】
【図６Ａ】図６Ａはもう１つの実施形態によるＦＢＡＲタイプのバルク音波共振器装置の少なくとも一部の上部模式斜視図である。前記バルク音波共振器装置は長方形の活性領域を含み、前記長方形の活性領域は基板内の空洞にまたがる支持層を覆って配置されている。前記活性領域は圧電材料を含み、その横方向は圧電材料を欠いている（すなわち、厚さがゼロの圧電材料を含む）非活性領域によって囲まれている。これによって活性領域の圧電材料の横方向に対向する両縁に沿って非連続部分が形成され、せん断モード操作時に最大横方向変位の方向における前記活性領域の機械的締め付けが少なくなる。
【００３８】
【図６Ｂ】図６Ｂは図６Ａの切断線Ｉ−Ｉによる図６Ａの装置の模式断面図である。
【００３９】
【図６Ｃ】図６Ｃは図６Ａの切断線Ｊ−Ｊによる図６Ａの装置の模式断面図である。
【００４０】
【図７】図７は、本開示の一実施形態によるバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置の上部の模式断面図である。このバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置は上面電極を含む。前記上面電極は、気密層、界面層、自己組織化単層および機能化材料（例えば、特異的結合）層に覆われている。
【００４１】
【図８】図８は、本開示の一実施形態による流体装置（例えば、生化学センサー装置）の一部の模式断面図である。この流体装置は微細流路を含む。この微細流路は、下は機能化材料で覆われた強固に取り付けられたバルク音波共振器装置と、横は壁と、さらに上は流体口を規定する被覆層とそれぞれ境界を接している。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下に示す実施形態は、当業者がこれらの実施形態を実施するのに必要な情報を説明し、これらの実施形態の最善の形態を示している。添付図面を参照して以下の説明を読めば、当業者は本開示の概念を理解し、本明細書で特に取り上げていない用途にも気付くことになる。当然のことだが、これらの概念および用途は本開示および添付図面の範囲内にある。
【００４３】
「第１の」、「第２の」等の用語は、本明細書で様々な要素を表現するのに用いることができるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるものではないと理解すべきである。これらの用語は、１つの要素をもう１つの要素と区別するためにのみ使用される。例えば、第１の要素を第２の要素と表現し、同様に第２の要素を第１の要素と表現してもかまわず、これによって本開示の範囲を逸脱することはない。本明細書で使用されている「および／または」は、関連するリスト項目の１つ以上の組み合わせをすべて含む。
【００４４】
当然のことだが、ある要素がもう１つの要素に「接続」または「連結」されていると表現されるときは、その要素に直接接続または直接連結していることもあれば、介在する要素が存在する可能性がある。一方、要素がもう１つの要素に「直接接続されている」または「直接連結されている」と表現される場合には介在する要素は存在しない。
【００４５】
なお、「上部(upper)」、「下部(lower)」、「最下部(bottom)」、「中間(intermediate)」、「真ん中(middle)」、「最上部(top)」等の用語は、本明細書で様々な要素を表現するのに用いることができるが、これらの要素はこれらの用語によって限定されるものではない。これらの用語は、１つの要素をもう１つの要素と区別するためにのみ使用される。例えば、第１の要素と第２の要素の相対的な位置関係によって、第１の要素を「上部」要素と表現し、同様に第２の要素を「上部」要素と表現してもかまわず、これによって本開示の範囲を逸脱することはない。
【００４６】
本明細書で使用する用語は、特定の実施形態を説明することをのみを目的としており、本開示の範囲を制限することを意図していない。本明細書で使用される単数表現「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈で特に明確な別段の断りがない限り、複数表現も含むことを意図している。本明細書で使用される「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」、「ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ」、「ｉｎｃｌｕｄｅｓ」および／または「ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ」は、特徴事項、整数、工程、操作、要素および／または構成要素の存在を指定しているが、１つ以上の他の特徴事項、整数、工程、操作、要素および／または構成要素の存在または追加を排除するものでない。
【００４７】
別段の定義がない限り、本明細書で使用するあらゆる用語（技術的用語および科学的用語）は本開示が属する分野の通常の当業者が一般に理解しているのと同じ意味をもつ。本明細書で使用する用語は本明細書の文脈における意味と同じであると解釈し、本明細書で明確に定義されない限り、理想化された意味または過度に正式な意味に解釈しないものと理解すべきである。
【００４８】
本開示は、せん断モード応答を高めるために活性領域の機械的締め付けを少なくした音響共振器を提供する。詳細には、本開示は圧電材料の活性領域を備えている強固に取り付けられたバルク音波共振器装置を提供する。この活性領域は、前記活性領域との境界に沿った非活性領域の少なくとも上部には圧電材料を欠いているように、圧電材料の厚さが薄い非活性領域によって横方向が囲まれている。この共振器装置は、活性領域の圧電材料の横方向に対向する両縁に沿って非連続部分を提供し、せん断モード操作時に最大横方向変位の方向における前記活性領域の機械的締め付けを少なくする。音波共振器装置（例えば、バルク音波装置）の圧電材料からなる活性領域の機械的分離が進むことで前記活性領域の横方向振動の機械的減衰が少なくなる。これによってせん断モード応答が高まり、液体環境におけるセンサー性能を改善する利点が生まれる可能性がある。
【００４９】
以下で詳述するように、本明細書で開示する実施形態による共振器装置は共振器構造体が取り付けられた基板を含む。共振器構造体の少なくとも底部または下部は前記基板にしっかりと固定されているが、共振器構造体の活性領域の少なくとも上部は圧電材料の横方向に対向する両縁部分に沿って制約されておらず、機械的締め付けが少なくなっている。言い換えると、特定の実施形態では前記活性領域の圧電材料の横方向に対向する両縁部分の少なくとも上部は空気または液体界面と境界を接している。前記活性領域の機械的締め付けが少なくなることでせん断モードの振動が増強され、共振器装置が液体環境で感知を行う際の感度と検知限界が改善される。機械的締め付けが少なくなった共振器装置の活性領域に対する電気的入出力用の接続は前記共振器装置の上面にあるトレースおよび／または基板を貫通する導電性ビア（例えば、シリコンビア［ＴＳＶ］等）を使用して行うことができる。
【００５０】
特定の実施形態では、バルク音波共振器構造体は、六方晶構造の圧電材料（例えば、窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛）を含む。前記圧電材料は同圧電材料に覆われている基板面からの法線に対して大部分が非平行（場合によっては非垂直もありえる）の配向分布を示すＣ軸を含み、これによって疑似せん断モードの音響共振器を提供する。このようなＣ軸配向分布によって特定の周波数でせん断変位を発生させ、別の周波数で縦変位を発生させることができる。前者はＢＡＷ共振器を使用した検知装置を液体環境で動作できるようにする利点があり、後者はせん断変位と縦変位の局所的な混在を促進するのに役立つ可能性がある。基板面からの法線に対して大部分が非平行の配向分布を示すＣ軸を有する六方晶構造の圧電材料を形成する方法は、２０１６年１０月１３日に出願された米国特許出願番号１５／２９３，０６３で開示されている。前述の出願は本明細書で参照することにより本明細書に組み込まれる。傾斜したＣ軸配向を有する圧電材料を形成する追加の方法は、１９８７年２月３日に発行された米国特許４，６４０，７５６で開示されている。前述の出願は本明細書で参照することにより本明細書に組み込まれる。活性領域の機械的締め付けが少ない本開示の実施形態を説明する前に、（図１Ａ〜１Ｃに示すような）比較構造体について説明する。
【００５１】
図１Ａ〜１Ｃは、強固に取り付けられたバルク音波共振器装置１０の少なくとも一部の模式図である。このバルク音波共振器装置１０は本開示の以後説明する実施形態の状況を提供することを意図した比較装置である。バルク音波共振器装置１０は基板１２（例えば、一般的なシリコンまたは他の半導体材料）および基板１２を覆って配置されている共振器構造体１４を含む。共振器構造体１４は基板１２を覆って配置されている音響反射体１６（例えば、音響鏡）を含む。音響反射体１６は、図１Ｂおよび図１Ｃに示すように交互に配置された低音響インピーダンス層１８と高音響インピーダンス層２０を含む。高音響インピーダンス層２０は低音響インピーダンス層１８の上面および下面と境界を接しているのが望ましい。特定の実施形態では、音響反射体１６は音響インピーダンス値の異なる様々な材料からなる交互の層１８、２０（例えば、オキシ炭化けい素［ＳｉＯＣ］、窒化ケイ素［Ｓｉ３Ｎ４］、二酸化ケイ素［ＳｉＯ２］、窒化アルミニウム［ＡｌＮ］、タングステン［Ｗ］およびモリブデン［Ｍｏ］）を含み、基板１２を覆って堆積された四分の一波長ブラッグ反射鏡内に実装してもよい。特定の実施形態では、他の種類の音響反射体を使用してもよい。
【００５２】
共振器構造体１４はさらに音響反射体１６を覆って配置された圧電材料層２２、圧電材料層２２の下面の一部（すなわち、音響反射体１６と圧電材料層２２の間）に沿って配置された下面電極２４および圧電材料層２２の上面の一部に沿って配置された上面電極２６を含む。圧電材料層２２が上面電極２６と下面電極２４との重複部分の間に配置された領域は共振器装置１０の活性領域２８を規定する。音響反射体１６は音波を反射する役割があり、それゆえ、基板１２内でのこのような音波の消失を減少させるか、または避ける。共振器装置１０の形成工程は、基板１２を覆って音響反射体１６を堆積し、下面電極２４を堆積し、圧電材料層２２を（例えば、スパッタリングまたは他の適切な方法によって）成長させ、上面電極２６を堆積するという工程を含んでいてもよい。
【００５３】
圧電材料層２２はＣ軸３０（白の矢印）を含む窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛の材料を含んでいてもよい。Ｃ軸３０は基板１２の一面からの法線に対して大部分が非平行（場合によっては非垂直もありえる）の配向分布を有する（図１Ｃ）。このようなＣ軸配向分布はせん断変位を発生させることを可能にし、それは、例えばセンサーおよび／またはマイクロ流体装置などにおいて、液体を用いた共振器装置１０の操作を有益に可能にする。図１Ｂに示す圧電材料層２２のＣ軸３０は配向が垂直に見えるが、当然のことながらＣ軸３０は図１Ｃに示すようにその方向から傾いてもよい。
【００５４】
下面電極２４は活性セグメント３２、トレース３４および導電性ビア３６を含み、これらは互いに電気的に接続している。下面電極２４の活性セグメント３２は概して円形をしているが、他形状であってもよい（例えば、長方形、楕円形、不規則な多角形等）。トレース３４は、活性セグメント３２に近い第１終端および導電性ビア３６に近い第２終端を有し、活性セグメント３２と導電性ビア３６との電気的接続を可能にしている。導電性ビア３６は圧電材料層２２を貫通して上方向に延びる（例えば、圧電材料層２２の下面から上面に延びる）。
【００５５】
上面電極２６は活性中心部３８、活性中心部３８の左側から延びる左トレース４０Ａおよび活性中心部３８の右側から延びる右トレース４０Ｂを含む。上面電極２６の活性中心部３８は概して円形をしているが、他形状であってもよい（例えば、長方形、楕円形、不規則な多角形等）。下面電極２４の活性セグメント３２および上面電極２６の活性中心部３８はほぼ同じ大きさおよび形状であってもよい。左トレース４０Ａと右トレース４０Ｂとは反対方向に延びる。上面電極２６のうち特に左トレース４０Ａおよび右トレース４０Ｂに含まれる部分は下面電極２４（例えば、下面電極２４のトレース３４）の配向に実質的に垂直な方向に沿って延びるように構成されている。
【００５６】
図１Ｂおよび図１Ｃに示すように、活性領域２８は活性領域境界４４を含み、非活性領域４２によってすべての側が囲まれている。圧電材料層２２は活性領域２８から非活性領域４２へ連続的に延びている。この周囲の接触により活性領域２８内の圧電材料層２２のせん断応答（例えば、せん断モード、せん断振動、せん断変位、せん断モード操作時の最大横変位等）は非活性領域４２内の圧電材料層２２によって減衰され、それによりせん断変位が制限され、共振器装置１０の検出感度および性能が制限される可能性がある。
【００５７】
共振器装置１０を比較構造体として紹介したので、以後本開示の実施形態を残りの図に関連して説明する。
【００５８】
図２Ａ〜図２Ｃは一実施形態による強固に取り付けられたバルク音波共振器装置４６の少なくとも一部を示す。バルク音波共振器装置４６は長方形の活性領域２８を有する。長方形の活性領域２８は圧電材料層２２を含み、その横方向は圧電材料のない（すなわち、厚さがゼロの圧電材料を含む）非活性領域４２によって囲まれている。圧電材料層２２は外見がメサ（台形）に似ている。このような構成は活性領域２８の圧電材料層２２の横方向に対向する両縁に沿って非連続部分を提供し、せん断モード操作時に活性領域２８に対する最大横方向変位の方向（例えば、図２Ｃに示す活性領域２８の左から右への方向）の機械的締め付けが少なくなる。
【００５９】
バルク音波共振器装置４６は基板１２（例えば、一般的なシリコンまたは他の半導体材料）および基板１２を覆って配置されている共振器構造体１４を含む。共振器構造体１４は基板１２を覆って配置されている音響反射体１６を含む。音響反射体１６は、図２Ｂおよび図２Ｃに示すように交互に配置された低音響インピーダンス層１８と高音響インピーダンス層２０を含む。特定の実施形態では、音響反射体１６は様々な材料からなる交互の層１８、２０（例えば、ＳｉＯＣ、Ｓｉ３Ｎ４、ＳｉＯ２、ＡｌＮ、ＷおよびＭｏ）を含み、任意に基板１２を覆って堆積された四分の一波長ブラッグ反射鏡（quarter-wave Bragg mirror）内に実装してもよい。特定の実施形態では、他の種類の音響反射体を使用してもよい。
【００６０】
共振器構造体１４はさらに音響反射体１６を覆って配置された圧電材料層２２、圧電材料層２２の下面の一部（すなわち、音響反射体１６と圧電材料層２２の間）に沿って配置された下面電極２４および圧電材料層２２の上面の一部に沿って配置された上面電極２６を含む。圧電材料層２２が上面電極２６と下面電極２４との重複部分の間に配置された領域はバルク音波共振器装置４６の活性領域２８を規定する。音響反射体１６は音波を反射する役割があるため、基板１２内でのこのような音波の消失を減少させるか回避する。上面電極２６および下面電極２４の間に配置された圧電材料層２２は称呼厚を有する。バルク音波共振器装置４６の形成は、基板１２を覆うように音響反射体１６を堆積し、下面電極２４を堆積し、圧電材料層２２を（例えば、スパッタリングまたは他の適切な方法によって）成長させ、上面電極２６を堆積するという工程を含んでいてもよい。
【００６１】
特定の実施形態では、圧電材料層２２は、基板１２の一面からの法線に対して大部分が非平行（および非垂直でもある）の配向分布を有するＣ軸３０を含む窒化アルミニウムまたは酸化亜鉛の材料を含む（図２Ｃ）。このようなＣ軸配向分布は、せん断変位の生成を可能にし、例えば、センサーおよび／またはマイクロ流体装置において、液体を用いたＢＡＷ共振器デバイス４６の動作を有益に可能にする。下面電極２４は活性セグメント３２、トレース３４および導電性ビア３６を含む。下面電極２４の活性セグメント３２は概して円形をしているが、他形状であってもよい（例えば、長方形、楕円形、不規則な多角形等）。トレース３４は、活性セグメント３２に近い第１終端および導電性ビア３６に近い第２終端を有する。したがって、トレース３４は、活性セグメント３２とビア３６との間の導電性の電気的連絡を提供する（垂直に１つ以上の層を通って上面まで延びる）。下面電極２４、特にトレース３４はせん断モード操作での活性領域２８の最大変位方向と同じ方向である第１方向（例えば、図２Ｂでは正面から背面、図２Ｃでは左から右）に沿って延びるように構成されている。
【００６２】
上面電極２６は活性中心部３８、活性中心部３８の左側から延びる左トレース４０Ａおよび活性中心部３８の右側から延びる右トレース４０Ｂを含む。上面電極２６の活性中心部３８は概して円形をしているが、他形状であってもよい（例えば、長方形、楕円形、不規則な多角形等）。下面電極２４の活性セグメント３２と上面電極２６の活性中心部３８はほぼ同じ大きさおよび形状であってもよい。左トレース４０Ａと右トレース４０Ｂとは反対方向に延びる。上面電極２６、特に左トレース４０Ａと右トレース４０Ｂは、第１方向に垂直な第２方向（例えば、左から右）に沿って延びるように構成されている。このように、上面電極２６はＣ軸３０および／または下面電極２４（例えば、下面電極２４のトレース３４）の方向に対し垂直な方向に延びる。
【００６３】
下面電極２４および上面電極２６は単一金属または二層金属であり得る。二層構造は電気性能を改善するためまたはエッチング停止層として使用することができるため、横方向にエッチされた特徴構造を規定する際に下面電極２４を保護できる。
【００６４】
図２Ａ〜図２Ｃに示すように、活性領域２８（例えば、圧電材料層２２、下面電極２４の活性セグメント３２および上面電極２６の活性中心部３８を含む）は、活性領域境界４４を含み、その形状は長方形であるが、他の所望の形状（例えば、円形、楕円形等）であってもよい。活性領域２８の形状は、目的の周波数におけるせん断モード波の伝搬方向と最大表面変位とに基づいて最適化できる。活性領域を長方形または楕円形で具現化する際には、長さ対幅の比を最適化してバルク音波共振器装置４６のせん断波の伝搬を改善し得る。共振器装置の活性領域の寸法を最適化する際には発生させる音波の所望の波長も考慮してもよい。図２Ａ〜図２Ｃを引き続き参照して、活性領域２８の長さ（幅よりも長い）を１つの方向（例えば、せん断方向、図２Ｂでは正面から背面、図２Ｃでは左から右）に配向し、活性領域２８の幅を前記１つの方向に垂直なもう１つの方向に配向するように長方形の活性領域２８を配向する。
【００６５】
図２Ａ〜図２Ｃに示す実施形態では、圧電材料層２２はメサ（台形）を具現化し、その存在は活性領域２８に制限されている。前述したように、圧電材料層２２は活性領域境界４４までしか横方向に延びない。バルク音波共振器装置４６の非活性領域４２は活性領域２８を囲む。非活性領域４２内の圧電材料層２２の厚さはゼロであり（したがって、活性領域２８内の圧電材料層２２の厚さより薄く）、非活性領域４２全体（その上部を含む）に圧電材料層２２を欠いている。すなわち、活性領域２８内の圧電材料層２２は称呼厚を有し、非活性領域４２内の圧電材料２２の少なくとも一部（例えば、活性領域２８の両側を超えた部分）は、称呼厚の０％〜約５０％の範囲の厚さを有してもよい。この厚さの違いによって活性領域２８の圧電材料層２２の両側（例えば、対向する横方向の両縁）の上部に沿って圧電材料層２２の非連続部分が規定される。特定の実施形態では、圧電材料層２２の非連続部分は活性領域２８の周囲の少なくとも約６０％を占める。活性領域２８の圧電材料層２２の少なくとも上部に接触する非活性領域４２内に圧電材料を欠いていることにより、活性領域２８がバルク音波共振器装置４６のせん断モード操作時に最大横方向変位の方向（例えば、第１方向）の機械的締め付けを受けることが少なくなる。別の実施形態では、圧電材料層２２を非活性領域４２でゼロ以外の値に薄くし、活性領域２８内の圧電材料層２２から連続的に延ばして活性領域２８の機械的締め付けを少なくしてもよい。
【００６６】
引き続き図２Ａ〜図２Ｃを参照すると、上面電極２６の左トレース４０Ａは垂直部分４８Ａと水平部分５０Ａを含み、上面電極２６の右トレース４０Ｂは垂直部分４８Ｂと水平部分５０Ｂを含む。上面電極２６と下面電極２４の間の電気的接触を防止するため、バルク音波共振器装置４６は電気的絶縁層５２（例えば、ＡＬＤによって堆積された酸化アルミニウム［Ａｌ２Ｏ３］）を含む。電気的絶縁層５２は垂直部分５４と水平部分５６を含む。絶縁層５２は全体が上面電極２６の下に配置されるが、活性領域２８に相当する活性中心部３８の下は例外である。絶縁層５２の垂直部分５４は活性領域２８の横面の少なくとも一部を囲むように延びていて、少なくとも活性領域２８の横面の高さまで上方向に延びている。絶縁層５２の水平部分５６は音響反射体１６の少なくとも一部を覆って配置されている。特定の実施形態では、絶縁層５２の垂直部分５４を形成しない代わりに絶縁層５２を下面電極２４より厚く構成し、上面電極２６と下面電極２４との接触を防いでもよい。前述したように、上面電極２６の活性中心部３８と圧電材料層２２の間に絶縁層５２を設けず、共振器の品質係数（Ｑ）の低下を避けている（、例えば、まず堆積表面全体を覆うように絶縁層５２を堆積した後、絶縁層５２の選択的エッチンクを行って活性領域２８から絶縁層５２を取り除くことによる）。なお、活性領域２８内の圧電材料層２２は傾斜した横壁（例えば、底面のほうが上面よりも幅が広い横壁）を持っていてもよい。その場合は、活性領域２８内の圧電材料層２２の側面形状に合わせて上面電極２６の左右の垂直部分４８Ａ、４８Ｂおよび／または絶縁層５２の垂直部分５４も傾斜することになる。
【００６７】
図３Ａ〜図３Ｃは、もう１つの実施形態による長方形の活性領域２８を有する強固に取り付けられたバルク音波共振器装置５８の少なくとも一部を示す。長方形の活性領域２８は窪みすなわち陥没メサに似た形状をし、連続した単一窪み６０に囲まれている。長方形の活性領域２８は圧電材料層２２を含み、その横方向は圧電材料２２を欠いている（すなわち、厚さがゼロの圧電材料２２を含む）非活性領域４２によって囲まれている。非活性領域４２は活性領域２８を囲む単一窪み６０内にある。左右の電気トレース４０Ａ、４０Ｂは上面電極２６と電気的に接続し、単一窪み６０の側壁および床面に沿って延びている。単一窪み６０は活性領域２８の横方向に対向する両縁に沿って非連続部分を提供し、せん断モード操作時に活性領域２８に対する最大変位方向（例えば、活性領域２８の長さ方向に平行）の機械的締め付けを少なくしている。図３Ａの斜線は単なる説明用である。
【００６８】
図２Ａ〜図２Ｃの実施形態と同様に、図３Ａ〜図３Ｃに示すバルク音波共振器装置５８は基板１２および基板１２を覆って配置されている共振器構造体１４を含み、基板１２と共振器構造体１４の間に音響反射体１６が配置されている。音響反射体１６は図３Ｂおよび図３Ｃに示すように交互に配置された低音響インピーダンス層１８と高音響インピーダンス層２０を含む。共振器構造体１４はさらに音響反射体１６の一部を覆って配置されている下面電極２４、下面電極２４と音響反射体１６とを覆って配置されている圧電材料層２２および圧電材料層２２の複数の部分を覆って配置されている上面電極２６を含む。圧電材料層２２は基板１２の一面からの法線に対して大部分が非平行の配向分布を有するＣ軸３０を含む。下面電極２４は活性セグメント３２、トレース３４および導電性ビア３６を含み、上面電極は活性中心部３８を含む。共振器構造体１４は下面電極２４と上面電極２６の間に配置された圧電材料層２２の一部によって規定される活性領域２８をも含む。非活性領域４２は活性領域２８のほぼ全体を囲んでいる。活性領域境界４４は活性領域２８の横方向の境界を表す。電気的絶縁層５２はバルク音波共振器装置５８の複数の部分を覆って設けられている。
【００６９】
単一窪み６０は活性領域２８内の圧電材料層２２と非活性領域４２内の圧電材料層２２の間に規定される。すなわち、活性領域２８の圧電材料層２２は横方向に活性領域境界４４まで延び、そこで途切れて（例えば、なくなるが）、非活性領域４２で再開する。図３Ａに示すように、非活性領域４２の圧電材料層２２は活性領域２８を囲む単一窪み６０を囲む長方形の枠に似た形状で設けられている。非活性領域４２の単一窪み６０内にある圧電材料層２２の厚さはゼロへ減少し（それによって圧電材料層２２の厚さを下回る厚さを活性領域２８で具現化し）、単一窪み６０全体（活性領域２８と境界を接する非活性領域４２の上部を含む）に圧電材料層２２がなくなる。すなわち、活性領域２８内の圧電材料層２２は称呼厚を有するが、非活性領域４２内の圧電材料２２の少なくとも一部（すなわち、活性領域２８の対向する両側を含む単一窪み６０内の部分）は圧電材料層２２の称呼厚の０パーセントとなる。これによって活性領域２８の圧電材料層２２の両側面（例えば、対向する横方向の両縁）の上部に沿って圧電材料層２２の非連続部分が規定される（例えば、この非連続部分は活性領域２８の周囲の少なくとも約６０％、少なくとも約８０％または少なくとも約１００％など、活性領域２８の周囲の大部分に沿って延びている）。したがって、バルク音波共振器装置５８のせん断モード操作時に活性領域２８が受ける最大横方向変位の方向（例えば、第１方向）の機械的締め付けが少なくなる。特定の実施形態では、活性領域２８と境界を接する非活性領域４２で圧電材料層２２の厚さをゼロ以外の値（例えば、称呼厚の最高５０％）まで薄くして活性領域２８内の圧電材料層２２から連続的に延ばすことで、活性領域２８の機械的締め付けを少なくする。
【００７０】
引き続き図３Ａ〜図３Ｃを参照し、上面電極２６の左トレース４０Ａは内側垂直部分４８Ａ、外側垂直部分６２Ａ、下側水平部分５０Ａおよび上側水平部分６４Ａを含む。同様に上面電極２６の右トレース４０Ｂは、内側垂直部分４８Ｂ、外側垂直部分６２Ｂ、下側水平部分５０Ｂおよび上側水平部分６４Ｂを含む。
【００７１】
上面電極２６と下面電極２４との電気的接触を防止するため絶縁層５２（例えば、酸化アルミニウム［Ａｌ２Ｏ３］）が設けられている。絶縁層５２は内側垂直部分５４Ａ、外側垂直部分５４Ｂ、下側水平部分５６Ａおよび上側水平部分５６Ｂを含む。絶縁層５２の下側水平部分５６Ａは音響反射体１６と上面電極２６の左右トレース４０Ａ、４０Ｂの下側水平部分５０Ａ、５０Ｂの間に配置されている。絶縁層５２の内側垂直部分５４Ａは、（ｉ）各圧電材料層２２の両側面および下面電極２４と（ｉｉ）上面電極２６の左右の内部垂直部分４８Ａ、４８Ｂの間に配置されている。絶縁層５２の外側垂直部分５４Ｂは（ｉ）上面電極２６の左右トレース４０Ａ、４０Ｂの外側垂直部分６２Ａ、６２Ｂと（ｉｉ）非活性領域４２内の圧電材料層２２の間に配置されている。
【００７２】
絶縁層５２の内側垂直部分５４Ａは活性領域２８の横面の少なくとも一部を囲んで延びており、少なくとも活性領域２８の横面の高さまで上方向に延びている。特定の実施形態では、内側垂直部分５４Ａ、外側垂直部分５４Ｂおよび／または上側水平部分５６Ｂを形成しない代わりに絶縁層５２を下面電極２４より厚く構成することができると予想されるが、上面電極２６と下面電極２４との電気的接触をは依然として防止される。
【００７３】
図３Ａ〜図３Ｃは活性領域２８を横方向に囲む単一窪み６０を示すが、特定の実施形態では、圧電材料の減少した厚さ（例えば、活性領域内の圧電材料の称呼厚の５０％〜１００％だけ薄くした）を含む複数の窪み（または複数の凹部）を活性領域の周囲に沿って配置して機械的締め付けを少なくしてもよい。例えば、ほぼＣ型またはＵ型の第１および第２の窪みを前記活性領域の周囲に沿って配置してもよい。あるいは他の構成による窪みを設けてもよい。活性領域の周囲の少なくとも大部分（活性領域の周囲の少なくとも約６０％、少なくとも約８０％または少なくとも約１００％）が厚さの薄くなった圧電材料からなる非活性領域と境界を接するのが好ましい。
【００７４】
図４Ａ〜図４Ｃは、もう１つの実施形態による強固に取り付けられたバルク音波共振器装置６６の少なくとも一部を示す。このバルク音波共振器装置６６は長方形の活性領域２８を含み、その大部分が２つの非連続の第１および第２の窪み（または凹部）６０Ａ、６０Ｂによって周囲を囲まれている。これらの第１および第２の窪み（または凹部）は圧電材料からなる左右の固定部６８Ａ、６８Ｂによって分けられている。窪み６０Ａ、６０Ｂは圧電材料層２２を欠いており（すなわち、厚さがゼロの圧電材料層２２を含み）、せん断モード操作時に活性領域２８の横方向に対向する両縁に沿って最大変位方向の非連続部分を提供する。上面電極２６のトレース４０Ａ、４０Ｂは固定部６８Ａ、６８Ｂの上面に沿って延びており、第１および第２の窪み６０Ａ、６０Ｂはせん断モード操作時に活性領域２８の横方向に対向する両縁に沿って最大変位方向（例えば、図４Ｂでは正面から背面、図４Ｃでは側部から側部への第１方向）の非連続部分を提供する。圧電材料層２２は基板１２の一面からの法線に対して大部分が非平行の配向分布を有するＣ軸３０を有する。下面電極２４は活性セグメント３２、トレース３４および導電性ビア３６を含み、上面電極は活性中心部３８を含む。図４Ａの斜線は単なる説明用である。
【００７５】
図２Ａ〜図２Ｃおよび図３Ａ〜図３Ｃの実施形態と同様に、図４Ａ〜図４Ｃに示すバルク音波共振器装置６６は基板１２および基板１２を覆って配置されている共振器構造体１４を含み、基板１２と共振器構造体１４の間に音響反射体１６が配置されている。音響反射体１６は図４Ｂおよび図４Ｃに示すように交互に配置された低音響インピーダンス層１８と高音響インピーダンス層２０を含む。共振器構造体１４はさらに音響反射体１６の一部を覆って配置されている下面電極２４、下面電極２４と音響反射体１６とを覆って配置されている圧電材料層２２、圧電材料層２２の複数の部分を覆って配置されている上面電極２６を含む。共振器構造体１４は下面電極２４と上面電極２６の間に配置された圧電材料層２２の一部によって規定される活性領域２８も含む。非活性領域４２は活性領域２８のほぼ全体を囲んでいる。活性領域境界４４は活性領域２８の横方向の境界を表す。
【００７６】
第１および第２の窪み６０Ａ、６０Ｂは活性領域２８内の圧電材料層２２と非活性領域４２内の圧電材料層２２との間に規定され、固定部６８Ａ、６８Ｂによって分けられている。すなわち、圧電材料層２２は横方向に活性領域境界４４まで延び、そこで途切れて（例えば、なくなるが）、非活性領域４２（以下で詳述する固定部６８Ａ、６８Ｂを除く）で再開する。固定部６８Ａ、６８Ｂを除く非活性領域４２の窪み６０Ａ、６０Ｂ内の圧電材料層２２の厚さはゼロへ減少し（それによって圧電材料層２２の厚さを下回る厚さを活性領域２８で具現化し）、各窪み６０Ａ、６０Ｂ全体（活性領域２８と境界を接する非活性領域４２の上部を含む）に圧電材料層２２がなくなる。すなわち、活性領域２８内の圧電材料層２２は称呼厚を有し、非活性領域４２内の圧電材料２２の少なくとも一部（すなわち、活性領域２８の対向する側も含めた窪み６０Ａ、６０Ｂ内の部分）は称呼厚の０パーセントとなる。これによって活性領域２８内の圧電材料層２２の両側（例えば、対向する横方向の両縁）の上部に沿って圧電材料層２２の非連続部分が規定される（例えば、この非連続部分は活性領域２８の周囲の少なくとも約６０％、少なくとも約８０％または少なくとも約９０％など、活性領域２８の周囲の大部分に沿って延びている）。したがって、バルク音波共振器装置４６のせん断モード操作時に活性領域２８が受ける最大横方向変位の方向（例えば、第１方向）の機械的締め付けが少なくなる。特定の実施形態では、活性領域２８と境界を接する非活性領域４２で圧電材料層２２の厚さをゼロ以外の値（例えば、称呼厚の最高５０％）まで薄くして活性領域２８内の圧電材料層２２から連続的に延ばすことで、活性領域２８の機械的締め付けを少なくする。
【００７７】
前述の２つの実施形態とは異なり、図４Ａ〜図４Ｃに示すバルク音波共振器装置６６は上面電極と下面電極２６、２４の間で電気的絶縁を提供する絶縁層を必要としない。その代わりバルク音波共振器装置６６は左右の固定部６８Ａ、６８Ｂを含み、これらの固定部を覆って上面電極２６の左右トレース４０Ａ、４０Ｂの一部が延び、上面電極２６の活性中心部３８と電気的に接続している。左右の固定部６８Ａ、６８Ｂが上面電極２６と下面電極２４の間に配置されているため、上面電極２６は間違って下面電極２４に接触することはない。左固定部６８Ａおよび右固定部６８Ｂのそれぞれに含まれる圧電材料は、活性領域２８の１つの側からその活性領域２８を実質的に囲んでいる非活性領域４２内の圧電材料層２２へと連続的に延びている。左右の固定部６８Ａ、６８Ｂは第１および第２の窪み６０Ａ、６０Ｂの境界でもある。
【００７８】
左固定部６８Ａおよび右固定部６８Ｂは活性領域２８の両側（の活性領域２８の縦方向両端のほぼ中間）に配置されており、第１方向に垂直な第２方向に延びている。活性領域２８で優勢なせん断モード振動が発生すると、活性領域２８の縦方向両端では第１方向（例えば、図４Ｂでは正面から背面、図４Ｃでは側部から側部への第１方向）への変位が発生するが、活性領域２８の中心に位置する中間面（例えば、活性領域２８の縦方向両端の間の中間点で左右の固定部６８Ａ、６８Ｂを通って延びる面）は動かない可能性がある。したがって固定部６８Ａ、６８Ｂを活性領域２８の両側を形成する圧電材料層２２の縦方向両端の中間点に取り付けても、せん断モード振動の発生時に活性領域２８の横方向変位を大幅に妨害することはない。固定部６８Ａ、６８Ｂの寸法を最適化すると、せん断モード振動での機械的インピーダンスを最小にしながら上面電極２６の左右トレース４０Ａ、４０Ｂの上側の部分に電流を流すことができる。特に、固定部６８Ａ、６８Ｂが小さければ小さいほど（例えば、幅、高さ等）、活性領域２８が受ける機械的締め付けは小さくなるが、機械的な支持と電流処理制限も検討する必要がある。左右の固定部６８Ａ、６８Ｂに垂直なせん断モード操作時に圧電材料層２２のＣ軸３０を最大変位方向に配向することで、機械的減衰を最小にしてせん断モード応答を高めることができる。
【００７９】
特定の実施形態では、バルク音波共振器装置は長方形ではない活性領域を含んでもよい。図５は図４Ａ〜図４Ｃに示すバルク音波共振器装置６６と似通っているが楕円形の活性領域２８を持つ、強固に取り付けられたバルク音波共振器装置７０の少なくとも一部の上部模式斜視図である。バルク音波共振器装置７０は基板１２および基板１２を覆って配置されている共振器構造体１４を含み、基板１２と共振器構造体１４の間に音響反射体１６が配置されている。共振器構造体１４はさらに音響反射体１６の一部を覆って配置されている下面電極２４、下面電極２４と音響反射体１６とを覆って配置されている圧電材料層２２、圧電材料層２２の複数の部分を覆って配置されている上面電極２６を含む。圧電材料層２２は基板１２の一面からの法線に対して大部分が非平行の配向分布を有するＣ軸３０も含む。下面電極２４は活性セグメント３２、トレース３４および導電性ビア３６を含む。前記上面電極は、非連続の第１および第２の窪み（または凹部）６０Ａ、６０Ｂによって囲まれている活性中心部３８を含む。第１および第２の窪み（または凹部）６０Ａ、６０Ｂは圧電材料からなる固定部６８Ａ、６８Ｂによって分けられている。窪み６０Ａ、６０Ｂは圧電材料層２２を欠いている（すなわち、厚さがゼロの圧電材料層２２を含む）。上面電極２６の電気トレース４０Ａ、４０Ｂは固定部６８Ａ、６８Ｂの上面に沿って延びており、第１および第２の窪み６０Ａ、６０Ｂはせん断モード操作時に活性領域２８の横方向に対向する両縁に沿って最大変位方向の非連続部分を提供する。図５の斜線は単なる説明用である。
【００８０】
本明細書で開示されているバルク音波共振器装置の活性領域（例えば、上記で開示されているいずれかの実施形態も含む）は任意の適切な形状（例えば、円形、長方形、楕円形、台形、不規則な多角形等）であってかまわない。特定の実施形態では、活性領域は同じ長さまたは平行な辺がない不規則な多角形の形状であってもよい（例えば、不規則な四辺形）。活性領域の形状で横方向の対称性を避けると、横方向定常波を減らすことができるため有益である。上述の対称性は前記活性領域の占有領域の対称性に相当し、横方向の対称性を避けることはこの占有領域の側面の対称性を避けることに相当する。例えば、正方形または長方形ではなく多角形に相当する占有領域を選択してもよい。横方向の対称性を避けることは「アポダイゼーション（apodization）」として知られているが、これによって直列共振周波数（ｆｓ）または通過帯を下回るスプリアスモードを抑制することができる。アポダイゼーションは、ｆｓを下回るスプリアスモードを部分的に平滑化するために、共振器装置または共振器装置の少なくとも活性領域における横方向の対称性を回避するかまたは大幅に減少させようとする。アポダイズされた形状は、連続体モードに近いかまたは少なくとも密な間隔で長方形の中よりもカップリングが小さい多数のモードをもつ。
【００８１】
前述の様々な図は強固に取り付けられた共振器（ＳＭＲ）タイプのバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置を示しているが、薄膜バルク音波共振器（ＦＢＡＲ）装置を特定の実施形態による流体装置で使用してもよい。図６Ａ〜図６Ｃは共振器構造体１４を組み込んだＦＢＡＲタイプのバルク音波共振器装置７２を示している。共振器構造体１４はメサタイプの長方形の活性領域２８を含む。メサタイプの長方形の活性領域２８は基板１２の中に規定された空洞７６にまたがる支持層７４を覆って配置されている。活性領域２８は圧電材料層２２と活性領域境界４４を含み、圧電材料層２２を欠いている（すなわち、厚さがゼロの圧電材料層２２を含む）非活性領域４２によって横方向が囲まれており、これによって活性領域２８の圧電材料層２２の横方向に対向する両縁に沿って非連続部分が形成され、せん断モード操作時に活性領域２８に対する最大横方向変位の方向の機械的締め付けが少なくなる。図示するように、共振器装置７２は図２Ａ〜図２Ｃの共振器装置と同様であるが、バルク音波共振器装置７２が強固に取り付けられた共振器ではなくＦＢＡＲタイプの共振器であり、音響反射体を含まない点が異なる。
【００８２】
共振器装置７２は、基板１２（例えば、一般的なシリコンまたは他の半導体材料）を含む。基板１２は支持層７４（例えば、二酸化ケイ素）に覆われた空洞７６（例えば、台形の空洞）を規定する。共振器装置７２は空洞７６とともに示される活性領域２８を含み、圧電材料層２２の一部は下面電極２４の一部と上面電極２６の一部の間に配置されている。なお、空洞７６は台形であるが、台形の底辺は基板１２の底面に配置されている。なお、共振器装置７２は空洞７６の底面が基板１２の上面にあり、基板１２を貫通して少なくとも部分的に（または全体的に）下方向のほうに延びるように製造してもよい。さらに、他の実施形態では適切な形状の空洞７６を設けてもよい。
【００８３】
下面電極２４は支持層７４の一部を覆って配置されている。下面電極２４および支持層７４は圧電材料層２２（例えば、Ｃ軸が傾斜した六方晶構造をもつＡｌＮまたはＺｎＯなどの圧電材料を具現化する）によって覆われている。上面電極２６は圧電材料層２２の上面の少なくとも一部を覆って配置されている。圧電材料層２２は基板１２の一面からの法線に対して大部分が非平行の配向分布を有するＣ軸３０を含む。下面電極２４は活性セグメント３２、トレース３４および導電性ビア３６を含む。前記上面電極は活性中心部３８を含む。垂直部分４８Ａ、４８Ｂおよび水平部分５０Ａ、５０Ｂを含む左右の電気トレース４０Ａ、４０Ｂは活性中心部３８に電気的に接続している。上面電極２６と下面電極２４の間に配置された圧電材料層２２の一部は共振器装置７２の活性領域２８を具現化している。活性領域２８は支持層７４の下に形成されている空洞７６を覆って配置されており、空洞７６の上に位置する。空洞７６は基板１２への音響エネルギーの消失を防ぐことにより、発生する音波を活性領域２８内にとどめている。なぜなら音波は空洞７６内を効率的には伝搬しないからである。この点において、空洞７６は図１Ａ〜図５で示し説明した音響反射体１６の代用となる。図６Ａ〜図６Ｃでは空洞７６が基板１２の厚さ全体を貫通して延びているが、他の実施形態では、空洞７６の上または下が基板１２の薄い部分と境界を接していてもよい。共振器装置７２を製造する方法は、基板１２を覆って支持層７４を堆積する工程と、基板１２内に空洞７６を規定する工程と、空洞７６に犠牲材料（図示せず）を充てんして支持機能をもたせる工程（場合によってはこれに続いて犠牲材料の平坦化を行ってもよい）と、例えばエッチング液を使用して犠牲材料を除去する工程（このエッチング液は基板１２の横方向の両縁からまたは基板１２または支持層７４で規定される垂直な開放部から注入する）と、支持層７４を覆って下面電極２４を堆積する工程と、（例えば、スパッタリングまたは他の適切な方法によって）圧電材料層２２を成長させる工程と、上面電極２６を堆積する工程を含んでもよい。
【００８４】
上面電極２６と下面電極２４との電気的接触を防止するため、電気的絶縁層５２（例えば、酸化アルミニウム［Ａｌ２Ｏ３］）が設けられている。絶縁層５２は垂直部分５４と水平部分５６を含み、全体が上面電極２６の複数の部分の下に配置されるが、活性領域２８に相当する上面電極２６の活性中心部３８は例外である。絶縁層５２の垂直部分５４は活性領域２８の横面の少なくとも一部を囲むように延びていて、活性領域２８の横面の少なくとも高さまで上方向に延びている。絶縁層５２の水平部分５６は支持層７４の少なくとも一部を覆って配置されている。
【００８５】
特定の実施形態では、以後詳述するように、せん断モード応答を高めるために活性領域の機械的締め付けを少なくした１つ以上のバルク音波共振器構造体を液体標本と共にまたは液体環境の中で動作するのに適したセンサーの一部として組み込むことができる。本明細書で上述のバルク音波ＭＥＭＳ共振器装はその活性領域を覆う任意の層（例えば、機能化材料を含む）がないため、このような装置を生物化学センサーとして使用することはできない。本明細書で開示したようなバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置の少なくとも複数の部分を必要に応じて様々な層で覆ってもよい。
【００８６】
特定の実施形態による微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）共振器装置は、基板と、前記基板の少なくとも一部を覆って配置されているバルク音波共振器構造体と、前記バルク音波共振器構造体の活性領域の少なくとも一部を覆って配置されている機能化材料を含む。前記機能化材料と上面電極の間に様々な層（前記バルク音波共振器構造体の活性領域に相当する）を配置してもよい。具体的には、気密層（例えば、液体環境内での腐食から上面電極を保護するため）、界面層、および／または自己組織化単層（ＳＡＭ）などである。界面層および／またはＳＡＭは少なくとも１つの被覆材料層（最終的には機能化材料も含む）を付着しやすくする。特定の実施形態では、前記界面層は上から被さるＳＡＭを付着しやすくし、前記ＳＡＭは上から被さる機能化材料を付着しやすくする。特定の実施形態では、複数の機能化材料を設けてもよい。
【００８７】
バイオセンシング機能を提供するために複数の層で覆われ、特定の実施形態による流体装置で使用できるバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置の一例を図７に示す。図７はバルク音波共振器装置の上部７８の模式断面図である。上部７８は圧電材料層２２および上面電極２８を含み、それらが気密層８０、界面層８２、自己組織化単層（ＳＡＭ）８４および機能化（例えば、特異的結合または非特異的結合）材料８６で覆われている。特定の実施形態では、製造中に１つ以上のブロック材を例えば界面層８２の複数の部分を覆うように適用し、以後堆積される１つ以上の層の局所的な付着を防止したり、（このブロック材をＳＡＭ８４または機能化材料８６の複数の選択領域を覆って適用することで）バルク音波ＭＥＭＳ共振器装置の活性領域を覆っていない領域に被検物質が入り込むのを防止したりしてもよい。気密層、界面層、自己組織化単層および機能化材料に関するさらなる開示については、以下に詳述する。
【００８８】
特定の実施形態では、フォトリソグラフ法を使用してＭＥＭＳ共振器装置の複数の部分を覆っている１つ以上の層（例えば、界面材またはブロック材）のパターン形成を促進してもよい。フォトリソグラフ法は、フォトマスクから基板面にある感光性化学フォトレジストに幾何学模様を転写する工程であり、半導体製造技術に関わる技術者によく知られている。フォトリソグラフ法で使用される典型的な工程は、ウェハーの洗浄、フォトレジスト（ポジ型またはネガ型のいずれか一方）の適用、マスク位置合わせ、露光および現像を含む。好ましい表面のフォトレジストに特徴構造を定義した後、フォトレジスト層内の１つ以上のすき間の中をエッチングして界面層をパターン形成し、その後フォトレジスト層を除去してもよい（除去は、例えば、フォトレジスト除去液の使用、酸素含有プラズマの照射による灰化またはその他の除去工程によって行う）。
【００８９】
特定の実施形態では、界面層（例えば、上面電極とＳＡＭの間に配置可能）はオルガノシランＳＡＭの形成に適した水酸化酸化物表面を含む。水酸化酸化物表面を含む好適な界面層材料は二酸化ケイ素［ＳｉＯ２］である。界面層を形成するための水酸化酸化物表面を含む代替材料として二酸化チタン［ＴｉＯ２］、五酸化タンタル［Ｔａ２Ｏ５］、酸化ハフニウム［ＨｆＯ２］または酸化アルミニウム［Ａｌ２Ｏ３］がある。水酸化酸化物表面を含むその他の代替材料は当業者には明白であり、これらの代替材料は本開示の範囲内とみなされる。
【００９０】
他の実施形態では、界面層（例えば、上面電極とＳＡＭの間に配置可能）または界面層に覆われていない少なくとも１つの電極は、金または他の貴金属（例えば、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、プラチナまたは銀）を含む。これらの金または他の貴金属は、機能化材料に覆われるように配置できるチオール系ＳＡＭの下に配置するのに適している。
【００９１】
腐食しやすい電極材料を含む特定の実施形態では、気密層を上面電極と界面層の間に適用することができる。上面電極に貴金属（例えば、金、プラチナ等）が使用されている場合は、気密層は不要となる可能性がある。気密層を設ける場合は、気密層は水蒸気透過率の小さい（例えば、０．１ｇ／ｍ２／日以下）誘電体を含むのが望ましい。気密層と界面層の堆積に続いて、界面層を覆ってＳＡＭを形成できる。ＳＡＭは特定の実施形態においてオルガノシラン材料を含む。気密層は、反応性電極材料（例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金）を腐食性液体環境での攻撃から保護する。界面層はＳＡＭとの適切な化学結合を促進する。
【００９２】
特定の実施形態では、気密層および／または界面層は、原子層堆積（ＡＬＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）または物理蒸着（ＰＶＤ）などの１つ以上の堆積工程を経て適用することができる。上述の工程のうち、ＡＬＤは少なくとも気密層の堆積に好ましい（界面層の堆積にも好ましい可能性がある）。なぜなら、ＡＬＤは絶縁保護被覆に優れ、装置の特徴構造物を覆う良好な段差被覆性を有しているからである。このため層構造体にはピンホールができない。さらにＡＬＤは均一な薄膜層を形成することが可能で、装置性能の低下につながりかねない音響振動の相対的な減衰がほとんど発生しない。下層電極の腐食を防止するには、気密層（存在する場合）の十分な被覆性が重要である。ＡＬＤを使用して気密層を堆積する場合、特定の実施形態における気密層は約１０ｎｍ〜約２５ｎｍの範囲の厚さを有してもよい。特定の実施形態における気密層の厚さは約１５ｎｍまたは約１２ｎｍ〜約１８ｎｍである。一方、化学蒸着などのもう１つの工程を使用する場合、気密層は約８０ｎｍ〜約１５０ｎｍ以上または約８０ｎｍ〜約１２０ｎｍの範囲の厚さを有してもよい。上述の両方の工程を考慮すると、気密層は約５ｎｍ〜約１５０ｎｍの範囲の厚さでもよい。ＡＬＤを使用して界面層の堆積を行う場合は、界面層は５ｎｍ〜約１５ｎｍの範囲の厚さを有してもよい。特定の実施形態における界面層は約１０ｎｍまたは約８ｎｍ〜約１２ｎｍの範囲の厚さを有してもよい。その他の界面層の厚さの範囲および／またはＡＬＤ以外の堆積手法を特定の実施形態で使用してもよい。特定の実施形態では、気密層および界面層を真空環境で順番に適用してもよい。これによって２つの層間の界面の高品質化が促進される。
【００９３】
気密層を設ける場合、気密層は特定の実施形態で誘電体として機能し、水蒸気透過率が低い（例えば、０．１ｇ／ｍ２／日以下）酸化物、窒化物またはオキシ窒化物を含んでよい。特定の実施形態における気密層は酸化アルミニウム［Ａｌ２Ｏ３］および窒化ケイ素［ＳｉＮ］のうちの少なくとも１つを含んでいてもよい。特定の実施形態における界面層はＳｉＯ２、ＴｉＯ２およびＴａ２Ｏ５の少なくとも１つを含む。特定の実施形態では、複数の材料を結合して単一の気密層を形成してもよいし、気密層に異なる材料からなる複数の下位層が含まれていてもよい。できれば、気密層は音響共振器構造体の下層にある反応性が高い金属（例えば、アルミニウムまたはアルミニウム合金）でできた電極構造体との互換性を高めるように選択するのがよい。アルミニウムまたはアルミニウム合金はバルク音波共振器構造体の電極材料としてよく使用されるが、このような電極には様々な遷移金属およびポスト遷移金属を使用することができる。
【００９４】
界面層の堆積（下層の気密層を覆って配置することもできる）に続いて界面層を覆ってＳＡＭを形成してもよい。ＳＡＭは、通常、固体表面を固体表面と強い親和性を示す化学基をもつ両親媒性分子に暴露することで形成する。水酸化酸化物表面を含む界面層を使用する際には、水酸化酸化物表面に付着しやすいオルガノシランＳＡＭが特に好ましい。オルガノシランＳＡＭはケイ素酸素結合（Ｓｉ−Ｏ）により表面結合を促進する。詳細には、オルガノシラン分子は加水分解性基および有機基を含み、非有機材料を有機ポリマーに結合するのに有効である。オルガノシランＳＡＭは、微量の水の存在で水酸化表面をオルガノシラン材料に暴露することで形成され、中間的なシラノール基を形成する。これらのシラノール基は水酸化表面上で遊離ヒドロキシル基と反応し、共有結合によってオルガノシランを固定化する。使用可能なオルガノシラン系ＳＡＭのうち水酸化酸化物表面を含む界面層と相性のよいものは、３−グリシジルオ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エトキシシラン（ＭＰＴＭＳ）、３−アミノプロピルトリメトキシシラン（ＡＰＴＭＳ）およびオクタデシルトリメトキシシラン（ＯＴＭＳ）のほか、それらのエトキシ変異体およびクロロ変異体を含む。このほかＳＡＭに使用できるシランとしてポリエチレングリコール（ＰＥＧ）共役変異体がある。当業者にはこの他にも代替材料が存在することが分かっている。これらの代替材料は本開示の範囲内とみなされる。典型的なＳＡＭは少なくとも０．５ｎｍ以上の範囲の厚さを有してもよい。ＳＡＭは局所的にパターン形成された界面層に容易に結合するが、その他の隣接する材料層（例えば、気密層、圧電層および／またはブロック層）には容易に結合しないのが好ましい。
【００９５】
電極および／または金または他の貴金属を含む界面層を使用する際には、チオール系（例えば、アルカンチオール系）のＳＡＭを使用することができる。アルカンチオール分子はＳ−Ｈ頭部基、末端基およびアルキル鎖を含む主鎖を有する。これらの金属は硫黄に対し強い親和性をもつため、これらのチオール分子を貴金属界面層で使用することができる。使用できるチオール系ＳＡＭの例として、１−ドデカンチオール（ＤＤＴ）、１１−メルカプトウンデカン酸（ＭＵＡ）およびヒドロキシル基末端（ヘキサエチレングリコール）ウンデカンチオール（１−ＵＤＴ）がある。これらのチオール分子は同じ主鎖を含むが末端基が異なる。すなわち、ＤＤＴ、ＭＵＡおよび１−ＵＤＴの末端基はそれぞれメチル基（ＣＨ３）、カルボキシル基（ＣＯＯＨ）およびヒドロキシル基末端ヘキサエチレングリコール（ＨＯ−（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）６）である。特定の実施形態では、無水エタノールなど適切な溶剤を使用してチオール溶液内に金表面をインキュベートしてＳＡＭを形成してもよい。
【００９６】
ＳＡＭの形成に続いて、ＳＡＭは少なくとも１つの機能化（例えば、特異的結合）材料で覆うなどして生物学的に機能化してもよい。特定の実施形態では、特異的結合材料をマイクロアレイスポット針または他の適切な方法を使用してＳＡＭ上またはＳＡＭを覆って適用してもよい。特定の実施形態では、界面層を（例えば、界面層を形成するためのフォトリソグラフィマスキングおよび選択的エッチングを使用して）パターン形成し、界面層を覆ってＳＡＭを適用してもよい。以後適用する特異的結合材料はＳＡＭにのみに付着させてもよい。なお、界面層のパターン形成ではバルク音波共振器構造体（基板を含む）の一部に対してのみ高い寸法許容度をもたせる。特定の実施形態では、界面層のパターン形成は、特異的結合材料を配置するため、マイクロアレイスポット単独で達成できる寸法許容度よりもより高い寸法許容度を提供してもよい。特異的結合材料の例として抗体、受容体、リガンド等がある。特異的結合材料はあらかじめ規定された標的種（例えば、分子、たんぱく質、ＤＮＡ、ウイルス、バクテリア等）と結合するように構成するのが好ましい。特異的結合材料を含む機能化材料は約５ｎｍ〜約１０００ｎｍまたは約５ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲の厚さを有してもよい。特定の実施形態では、様々な特異的結合材料からなるアレイを複数共振器構造体の様々な活性領域（すなわち、複数の活性領域を含む１つ以上の共振器装置）を覆って設けてもよい。必要に応じて特異的結合材料を欠いている１つ以上の活性領域を比較領域（すなわち「参照」領域）として上記活性領域と組み合わせてもよい。特定の実施形態では、機能化材料（例えば、生物学的な機能化材料）は非特異的な結合機能を提供してもよい。
【００９７】
特定の実施形態は、本明細書で開示するようなバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置と流路（例えば、流路）を対象としている。この流路は、液体を流し少なくとも１つの機能化材料（例えば、特異的結合材料）と接触するように配置されている。このような装置は、規模的にはマイクロ流体であってもよいが、少なくとも１つの微細流路（例えば、高さおよび／または幅などの少なくとも１つの寸法が約５００ミクロン、約２５０ミクロンまたは約１００ミクロン以下）を含む。例えば、バルク音波ＭＥＭＳ共振器装置の製造およびバルク音波ＭＥＭＳ共振器装置の複数の部分を覆う界面層およびＳＡＭの堆積に続いて、マイクロ流体装置を製造してもよい。なお、界面層およびＳＡＭの堆積の前に必要に応じて液密層を堆積してもよい。マイクロ流体装置の製造では、微細流路の側部境界を定める１つ以上の壁を形成し、次に被覆層を適用して微細流路を取り囲む。なお、この微細流路は少なくとも１つの音響共振器の活性領域を含むのが好ましい。特定の実施形態では、機能化材料（例えば、特異的結合材料）の適用を微細流路の壁を形成した後、被覆層を適用する前に行ってもよい。微細流路の壁はＳＵ−８ネガ型エポキシレジスト、他のフォトレジスト材料などの適切な材料、具体的には、薄いポリマー材料および／または堆積板をレーザー加工した「ステンシル」層で形成し、必要に応じて１つ以上の粘着表面（例えば、粘着テープ）を含んでもよい。特定の実施形態では、被覆層を（例えば、鋳造または他の適切な工程により）１つ以上の壁と一体的に形成して少なくとも１つの微細流路の上部境界と側部境界を規定し、一体化して形成された被覆／壁構造体をバルク音波共振器構造体の少なくとも一部を覆って取り付け（例えば、付着またはその他の方法で接着）、前記少なくとも１つの微細流路を閉じる。
【００９８】
特定の実施形態では、ＳＡＭの一部を覆って化学的または生物学的ブロック材を適用し、機能化材料（例えば、特異的結合材料）がバルク音波共振器構造体の１つ以上の選択した領域（例えば、活性領域から離れた１つ以上の領域）に付着するのを防止してもよい。化学的または生物学的ブロック材（例えば、閉塞材）は特定の分析に合わせて適切に選択するが、この選択は試料内に存在する標的種または被検物質の種類によって決まる。高度精製たんぱく質、血清または乳など、様々な種類の閉塞材を使用してＳＡＭ上の空き領域を塞いでもよい。理想的な閉塞材は、活性領域から離れた場所にある非特異的な相互作用を起こす可能性があるすべての領域に結合する。特定の分析のために閉塞材を最適化するには経験的な検証により信号対雑音比を判断すればよい。ただし、抗体と抗原の各対は固有の特性をもっているため、いかなる化学的ブロック材もすべての状況に対応することはできない。
【００９９】
図８は、微細流路９０を含む流体装置８８（例えば、生化学センサー装置）の一部の模式断面図である。微細流路９０は下がバルク音波共振器装置４６と、横が壁９２と、上が被覆層９４とそれぞれ境界を接している。バルク音波共振器装置４６は共振器構造体１４を組み込んでいる。共振器構造体１４は図２Ａ〜図２Ｃで開示するような共振器構造体であるが、本明細書で開示するどのバルク音波共振器構造体を使用してもよい。被覆層９４は上方または上面の流体口９６Ａ、９６Ｂを規定している。流体装置８８は基板１２を含み、基板１２は音響反射体１６と下面電極２４とによって覆われている。音響反射体１６は、交互に配置された低音響インピーダンス材料層および高音響インピーダンス材料層１８、２０を含む。下面電極２４は活性セグメント３２を含み、全体が圧電材料層２２の下に配置されている。上面電極２６は活性中心部３８と左右トレース４０Ａ、４０Ｂを含み、圧電材料層２２の一部を覆って延びている。上面電極２６と下面電極２４の間に配置された圧電材料層２２の一部はバルク音波共振器装置４６の活性領域２８を具現化している。活性領域２８は非活性領域４２によって囲まれ、活性領域境界４４は活性領域２８と非活性領域４２の間に配置されている。上面電極２６と圧電材料層２２は気密層８０、界面層８２および自己組織化単層（ＳＡＭ）８４に覆われている。活性領域２８から離れて延びるＳＡＭ８４の部分を必要に応じて化学的または生物的ブロック材（図示せず）で覆って特異的結合材料の付着を防止してもよい。活性領域２８に相当するＳＡＭ８４の一部は特定の被検物質９８を結合するように配置された機能化（例えば、特異的結合）材料８６によって覆われている。
【０１００】
活性領域２８から横方向に離れた壁９２は気密層８０から上方向に延びており、活性領域２８を含む微細流路９０の横方向の境界を規定している。このような壁９２は任意の適した材料で成形できる。具体的には、薄いポリマー材料および／または堆積板をレーザー加工した「ステンシル」層で形成し、必要に応じて１つ以上の粘着表面（例えば、粘着テープ）を含んでもよい。あるいは、このような壁９２はＳＵ−８ネガ型エポキシレジストまたは他のフォトレジスト材料で形成し、必要に応じてＳＡＭ８４、機能化材料８６、化学的または生物学的ブロック材を堆積する前に形成してもよい。流体口９６Ａ、９６Ｂを規定する被覆層９４はさらに微細流路９０の上側の境界をさらに提供する。被覆層９４は適当な材料（例えば、実質的に不活性なポリマー、ガラス、シリコン、セラミック等）でできた層の中に（例えば、レーザー切断または水ジェット切断により）流体口９６Ａ、９６Ｂを規定し、被覆層９４を壁９２の上面に固着させることで形成してもよい。
【０１０１】
流体装置８８を使用する際には、流体試料を第１の流体口９６Ａから活性領域２８を通過して微細流路９０の中に供給してもよい。流体試料は第２の流体口９６Ｂを通って微細流路９０から排出される。図８に示すように、流体試料によって供給される被検物質９８は機能化材料（例えば、特異的結合材料）８６に結合する。下面電極および上面電極２４、２６に電気信号（例えば、交流信号）を与えると、活性領域２８内でバルク音波が誘発される。このときバルク音波共振器構造体の周波数特性、振幅特性または位相特性のうちの少なくとも１つの変化が検知され、機能化材料８６に標的種（すなわち、被験物質）が結合したかどうかおよび／または結合した標的種の量を示す。
【０１０２】
当業者は、本開示の好適な実施形態の改善点および修正点が分かるだろう。そのような改善点および修正点はすべて本明細書で開示し以下で請求する概念の範囲に含まれるとみなされる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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