JP7007362B2 - 機能化材料を制御して配置した弾性共振装置 - Google Patents

機能化材料を制御して配置した弾性共振装置 Download PDF

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Description

技術分野
本開示はバイオセンシング又は生化学センシングへの応用に適した弾性波センサ及び流体装置を含む弾性共振装置に関する。
関連出願の記載
本出願は２０１６年８月１１日に出願された米国仮特許出願第６２／３７３６６８号明細書の優先権を主張し、当該出願の内容は参照により本明細書に援用される。本明細書にて開示する対称はまた、出願済みの、又は２０１６年１０月２６日に出願される、以下の３つの米国特許出願に関する。（１）「Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ Ｐａｔｔｅｒｎｅｄ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ Ａｒｅａｓ」と題する米国特許出願第＿＿＿号明細書、（２）「Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄｓ ｗｉｔｈ Ｎｏｂｌｅ Ｍｅｔａｌ Ｌａｙｅｒ ｆｏｒ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ」と題する米国特許出願第＿＿＿号明細書、及び（３）「Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ Ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄｓ Ｐｒｏｖｉｄｉｎｇ Ｈｅｒｍｅｔｉｃｉｔｙ ａｎｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚａｔｉｏｎ」と題する米国特許出願第＿＿＿号明細書であり、これら３つの米国特許出願の内容は本明細書内で開示するかのように、参照により本明細書に全内容が援用される。
背景
バイオセンサ（又は生体センサ）は生体要素を含む解析装置であり、生体反応を電気信号に変換する変換器である。特定のバイオセンサは特異的結合材（例：抗体、受容体、リガンド）と対象種（例：分子、タンパク質、ＤＮＡ、ウイルス、バクテリア等）間における選択的な生化学的反応を伴い、高度に明確な反応の産物は変換器により測定可能な量へ変換される。その他のセンサは、化学検出の応用例に役立つような、サンプルの中に存在し得る複数の種類のクラスの分子又はその他の部分を結合することが可能な非特異的結合材を使用し得る。「機能化材料」の語は本明細書中において特異的及び非特異的結合材の両方に対して使用され得る。バイオセンサに使用する変換方法は、電気化学、光学、電気、音響、等の様々な原理に基づいていてもよい。それらの中でも、音響変換は、リアルタイムであること、ラベルフリーであること、低コストであること、そして高感度であることなどの、幾つもの潜在的な利点がある。
弾性波装置は圧電材料の内部又は面を伝搬する弾性波を使用し、伝搬路における特徴量の変化が波の速度及び／又は振幅に影響を与える。機能化材料が弾性波装置の活性領域上、又は活性領域を覆って存在することにより、検体が機能化材料に結合することができ、それにより弾性波により振動させられる質量を変更し、波の伝搬特性が変化する（例：速度、その結果としての共振周波数）。速度の変化は、弾性波装置の周波数、振幅、又は位相の特徴量を計測することでモニタでき、計測対象の物理量と関連付けることができる。
圧電水晶共振器の場合は、弾性波は、基板の内部を伝搬するバルク弾性波（ＢＡＷ）、又は基板の面を伝搬する表面弾性波（ＳＡＷ）のどちらかであってもよい。ＳＡＷ装置は圧電材料の面の櫛型電極を使用して弾性波（一般には二次元レイリー波を含む）を変換し、波は一波長分の侵入深さに閉じ込められている。
ＢＡＷ装置では一般的に、圧電材料の対向する上下の面に配置した電極を使用して弾性波の変換を行う。ＢＡＷ装置では、３種類の波のモード、すなわち、一つの縦モード（疎密波／エクステンショナルウェーブ（ｅｘｔｅｎｓｉｏｎａｌ ｗａｖｅ）とも呼ばれる縦波を体現する）、及び二つの剪断モード（横波とも呼ばれる剪断波を体現する）を伝搬することができ、縦モードと剪断モードは、分子の振動が波の伝搬方向に対して平行か直角かで独立して振動を識別する。縦モードは伝搬方向における圧縮と伸長により特徴づけられ、一方剪断モードは伝搬方向に対して直角の方向の、局所的な体積の変化を伴わない動きからなる。縦及び剪断モードは異なるスピードで伝搬する。実際には、分子の振動又は分極として必ずしも純粋なモードでなくてもよく、伝搬方向に対して純粋に平行でもなければ純粋に直角でもない。各モードにおける伝搬の特徴は材料の特性や結晶軸の方向に対応した伝搬方向に依存する。剪断波は流体へ著しいエネルギーを加えないため、剪断変位を造れることは、流体（例：液体）を使用した弾性波装置の動作にとって利益がある。
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）や酸化亜鉛（ＺｎＯ）などを（特定せず）含む六方晶構造の圧電材料などの特定の圧電薄膜は縦及び剪断モードの両方の共振を励起することが可能である。電極の間に配置された圧電材料の層を使用して剪断モードを含む波を励起するためには、圧電薄膜の分極軸は概ね膜面に対して直角であってはならない（例：面に対して傾きがある）。液状媒体を伴う生体センシングの応用例では、共振器の剪断要素が使用される。そのような応用例では、電極間に交流電流信号を加えるとＢＡＷ共振器構造が主に剪断応答を示すように、圧電材料は基礎をなす基板の面に対して直角でないｃ軸配向を持つよう育成され得る。逆に、基礎をなす基板の面に対して直角なｃ軸配向を持つよう育成された圧電材料は、電極間に交流電流信号を加えると主に縦方向の応答を示す。
典型的には、ＢＡＷ装置は、高周波の動作を促進することに適したマイクロスケールな機能を提供する必要性から、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の製造技術により製造される。バイオセンサの観点からは、機能化材料（例：生理活性プローブ又は薬剤としても知られる特異的結合材）は、マイクロアレイスポッティング針を使用してマイクロアレイスポッティング（マイクロアレイ印刷としても知られる）の手法によりセンサの面に堆積される。非特異的結合の能力（例：複数の型又は種類の分子の結合を可能にする）をもたらす機能化材料は化学センシングのような特定の状況においても使用され得る。不幸にもマイクロアレイスポッティングの寸法公差はＭＥＭＳ製造技術により起こる寸法公差よりも一般的に大きい。特異的結合材を過剰使用すると、検出下限を損なうなど、センサ応答が減少し得る。別に、非特異的結合材への過剰な露出により、装置を使用時に検体の望ましくない付着が起こり得る。
検体が流体サンプル中に非常に低濃度で存在するとき、また吸着質量の変化への感度がＭＥＭＳ共振器に基づいたバイオセンサの活性領域の面上の位置に鑑みて不均一であるとき、吸着質量への高感度を信頼度高く提供することは困難であり得る。言い換えると、吸着質量の少ない変化から大きな信号変化を提供することは困難であり得る。そのような困難さは、検体を含む流体サンプルが、バイオセンサの上側電極の上面側に平行に提供された時に悪化し得る。
したがって、吸着質量へのより高い感度を信頼度高く提供することが可能であり、検体を含んだ流体（例：液体）サンプルの存在下でのバイオセンシング又は生化学センシングへの応用に適した機能化材料を使用したＭＥＭＳ共振器、及びそのような共振器を使用した流体装置や方法が必要である。
概要
本開示は、基板上に配置され、含まれた少なくとも一つの機能化材料が少なくとも上側電極の中心部の上に配置され、しかし全体には配置されていない、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）共振装置を提供する。共振器の活性領域の周囲の少なくとも一つの部分上の機能化材料が省略され、中心点にて最も高感度を示し、周辺部にてより低い感度を示す活性領域は、最も感度の低い領域における検体の結合を妨げる。言い換えれば、機能化材料を共振器の最高感度を示す活性領域の中心部のみに提供することにより、機能化材料との結合による質量吸着のより少ない変化に起因する、より大きな信号の変化を提供することができる。このことは、ＭＥＭＳ共振器に基づいたセンシング装置が検体を非常に低濃度で含む流体サンプルに使用されるときに特に利益となり得る。活性領域に対する機能化材料を含む領域の寸法及び構成を調整することによりセンサ応答が高められ得る。例えば、少なくとも一つの機能化材料の最大長さは、活性領域長さの約２０％から約９５％の範囲（又は約３０％から９５％、約４０％から約９０％、又は５０％から９０％の副範囲）を占め得る。また最大幅は、活性領域幅の約５０％から約１００％の範囲（又は約６０％から約１００％、又は約７０％から約９５％の副範囲）を占め得る。そのようなＭＥＭＳ共振機器が流体装置に組み入れられたとき、検体を含む流体の流れる方向に対する機能化材料を含む領域の方向性は、センサ応答を向上させるために選択されてもよく、そのことは検体が非常に低濃度で存在する場合に重要であり得る。
ある態様では、本開示は基板を含み、基板の少なくとも一部分上にバルク弾性波共振器構造を配置し、少なくとも一つの機能化材料が上側電極の少なくとも中心部に配置される、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）共振装置に関する。バルク弾性波共振器構造は圧電材料を含み、圧電材料の一部分の上に上側電極が配置され、下側電極は基板と圧電材料の間に配置され、前記圧電材料の一部分は上側電極と下側電極の間に配置され活性領域を形成する。上側電極は下側電極と重なり活性領域と一致する活性領域部分を含み、活性領域部分は活性領域幅を持ち、活性領域部分は活性領域幅に対して直角の方向へ活性領域長さを持つ。少なくとも一つの機能化材料の最大長は、活性領域長さの約２０％から約９５％の範囲（又は約３０％から９５％、約４０％から約９０％、又は５０％から９０％の副範囲）を占める。また最大幅は、活性領域幅の約５０％から約１００％の範囲（又は約６０％から約１００％、又は約７０％から約９５％の副範囲）を占める。
特定の幾つかの実施形態では、少なくとも一つの機能化材料の最大幅は、最大長を上回る。
特定の幾つかの実施形態では、ＭＥＭＳ共振装置は、上側電極と少なくとも一つの機能化材料の間に、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）をさらに含む。特定の幾つかの実施形態では、ＭＥＭＳ共振装置は、上側電極と少なくとも一つの機能化材料の間に、インターフェース層（例：酸化物層、窒化物、又は酸窒化物材料）をさらに含む。
特定の幾つかの実施形態では、上側電極は非貴金属を含み、ＭＥＭＳ共振装置はインターフェース層と上側電極の間に配置された気密層をさらに備える。気密層は、もし提供される場合は、好ましくは低い水蒸気透過率（例：０．１ｇｍ２／ｄａｙ以下）を持つ絶縁材料を含む。特定の幾つかの実施形態では、自己組織化単分子膜はインターフェース層と少なくとも一つの機能化材料の間に配置される。特定の幾つかの実施形態では、ＭＥＭＳ共振装置は圧電材料の一部分の上に活性領域とは一致しないように配置されたブロッキング層をさらに含む。ブロッキング層が存在することで一つ以上の種の結合を防ぐことが可能になり得る。
特定の幾つかの実施形態では、少なくとも一つの機能化材料は特異的結合材を備える。特定の幾つかの実施形態では、少なくとも一つの機能化材料は非特異的結合材を備える。
特定の幾つかの実施形態では、圧電材料は基板の面の法線方向に対して支配的に平行ではない配向のｃ軸を備える。
特定の幾つかの実施形態では、ＭＥＭＳ共振装置は、堅牢に装着された共振器構造を形成するような、基板とバルク弾性波共振器構造の間に配置された少なくとも一つの弾性波反射器要素をさらに含む。他の幾つかの実施形態では、基板は凹部を画定し、ＭＥＭＳ共振装置はバルク弾性波共振器構造と凹部の間に配置されたサポート層をさらに備え、活性領域は圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ）を形成するように、少なくともサポート層の一部分と凹部の一部分の上に配置される。
別の態様では、本開示は、本明細書内で開示するように、ＭＥＭＳ共振装置を含むセンサ及び／又は流体装置に関する。一実施形態では、ＭＥＭＳ共振装置を備える流体装置は活性領域を含む流路を備え、少なくとも一つの機能化材料に接するよう液体の流れを起こすよう配置され、流路は、活性領域の上流の流入口から活性領域に向かって活性領域長さ方向に概ね平行な流体の流れを起こすよう配置される。特定の幾つかの実施形態では、少なくとも一つの機能化材料は立ち上がり（直線状、湾曲、傾斜付き、鋸歯、又はその他の適切な形状）を備える形に配置され、このとき立ち上がりの中心点が流入口と活性領域の中心の間になるように配置される。
別の態様では、本開示は、本明細書内で開示するような、流体装置を含んだ生物学的又は化学的なセンシングに関する。一つの方法のステップは、流体装置の流路に対象種を含む流体を提供し、対象種の少なくとも幾つかが少なくとも一つの機能化材料と結合するよう前記提供が行われる。追加の方法のステップは、活性領域にてバルク弾性波を誘起し、少なくとも一つの機能化材料に結合する対象種の存在の有無又は量のうち少なくとも一つを示す、バルク弾性波共振器構造の周波数特性、振幅特性、位相特性のうち少なくとも一つの変化を、センシングすることを含む。
別の態様では、本開示は微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）共振装置を製造するための方法に関する。方法の一つのステップは、圧電材料と、圧電材料の一部分の上に配置された上側電極と、圧電材料と基板の間に配置された下側電極と、を含むバルク弾性波共振器構造を形成し、圧電材料の一部分は上側電極と下側電極の間に配置され活性領域を形成し、上側電極は下側電極と重なる活性領域部分を備え活性領域と一致し、活性領域部分は活性領域幅を含み、活性領域部分は活性領域幅に対して直角の方向に延びる活性領域長さを含む。方法の別のステップは、少なくとも一つの機能化材料を上側電極の少なくとも中心部に堆積させ、少なくとも一つの機能化材料の最大長が、活性領域長さの約２０％から約９５％の範囲（又は約３０％から９５％、約４０％から約９０％、又は５０％から９０％の副範囲）を占め、また最大幅が、活性領域幅の約５０％から約１００％の範囲（又は約６０％から約１００％、又は約７０％から約９５％の副範囲）を占める。
特定の幾つかの実施形態では、前述の方法はさらに、上側電極の少なくとも一部分の上に、少なくとも一つの機能化材料を堆積させる前に自己組織化単分子膜を形成することを含み、機能化材料は自己組織化単分子膜の少なくとも一部分の上に配置される。特定の幾つかの実施形態では、上側電極の少なくとも一部分の上に自己組織化単分子膜を形成することは以下を含む複数のステップを含む：（ｉ）自己組織化単分子膜を上側電極の上に当て、（ｉｉ）自己組織化単分子膜の上に第一のメカニカルマスクを配置し、第一のメカニカルマスクは自己組織化単分子膜の少なくとも一つの第一の部分が露出する少なくとも一つの第一の開口を画定し、（ｉｉｉ）自己組織化単分子膜の少なくとも一つの第一の部分の除去を助長するために、自己組織化単分子膜の少なくとも一つの第一の部分と相互作用するために、少なくとも一つの第一の開口を通してピーク波長が約１５０ｎｍから４００ｎｍの範囲である電磁気放射を送信する。特定の幾つかの実施形態では、方法はさらに、活性領域を含むバルク弾性波共振器構造の一部分の上に第二のメカニカルマスクを配置し、第二のメカニカルマスクは自己組織化単分子膜の少なくとも一つの第二の部分が露出する少なくとも一つの第二の開口を画定し、自己組織化単分子膜の少なくとも一つの第二の部分へ少なくとも一つの第二の開口を通してブロッキング層を当てることを含む。特定の実施形態はさらに、バルク弾性波共振器構造の一部分上にあり活性領域上の流路を画定する少なくとも一つの壁を形成するステップを含み、流路は活性領域の上流の流入口から活性領域に向かって活性領域長さの方向に概ね平行な流体の流れを起こすよう配置され、流路は少なくとも一つの機能化材料に接するような液体の流れを起こすよう配置される。
別の態様にて、本明細書にて説明する上記の任意の態様、及び／又は様々な別の態様及び機能は、さらなる優位性のために組み合わされてもよい。本明細書にて開示される様々な機能及び要素は、本明細書にて反対と指摘されない限り、一つ以上の開示される機能及び要素と組み合わされてもよい。
当業者は以降の好適な実施形態及び添付する図面の詳細な説明を読めば本開示の範疇を理解し、追加の態様を認識するであろう。
本明細書に組み込まれその一部を形成する添付図面は本開示の幾つかの態様を示し、説明とともに本開示の原理を説明する役割を担う。
図１Ａは機能化材料に覆われたＢＡＷ ＭＥＭＳ共振器構造の活性領域を含み活性領域上にガウス感度プロファイルを重畳させてあり、活性領域の上面の法線を横断する流路にて流体の先頭が左から右の方向に進む流線を示す、流路の側方断面概略図である。 図１Ｂは流路、活性領域、図１Ａの前進する流体の先頭、の側方断面概略図であり、活性領域の中心点の上流に位置する活性領域の半径方向の境界の近傍に検体が蓄積している状態の、活性領域の上流と下流の検体の分布をさらに示す。 図１Ｃは流路、活性領域、前進する流体の先頭、検体の分布、及び図１Ｂの蓄積検体の側方断面概略図であり、図１Ａのガウス感度プロファイルを活性領域に重畳させた図である。 図２は上側電極と下側電極が重なる部分の間に配置された圧電材料を含む活性領域を含む、本明細書にて開示する実施形態に使用可能なバルク弾性波（ＢＡＷ）ＭＥＭＳ共振装置の一部分の断面概略図である。 図３は圧電材料及び気密層、インターフェース層、自己組織化単分子膜、及び機能化材料（例：特異的結合材）を重ねた上側電極を含むＢＡＷ共振装置の上側の一部分の断面概略図である。 図４は機能化材料を重ねたＢＡＷ共振器構造により下から境界付けられ、壁により横方向に境界付けられ、上から流体口を画定するカバーにより境界付けられた流路を含み、機能化材料が活性領域全体及び活性領域を超えて延びる流体装置（例：生化学センサ装置）の一部分の断面概略図である。 図５Ａから図５Ｅは図２のＢＡＷ共振器構造を組み入れた流体装置（例：生化学センサ装置）の部分を、順を追って製造するステップに追従した、断面概略図である。 図５Ｆは、図５Ａから５Ｅに示した中間的な構造を組み入れ、一実施形態によりＢＡＷ共振器構造の活性領域の全体より少ない部分が機能化材料で覆われている流体装置の、断面概略図である。 図５Ｇは図５Ｆの流体装置の一部分であり、使用方法に従い検体が機能化材料に結合した状態を示す断面概略図である。 図６は、一実施形態による、図５Ｆ及び図５Ｇの装置に類似し、ＢＡＷ共振器構造の活性領域の全体よりは少ない部分が機能化材料で覆われた別の流体装置の断面概略図である。 図７Ａは一実施形態によるＢＡＷ共振器構造を組み入れ、活性領域の機能化材料に覆われた中心部を持つ流体装置の活性領域であり、活性領域の環状の周辺部に機能化材料が欠けている状態の、平面概略図である。 図７Ｂ及び図７Ｃは、図７Ａの活性領域及び機能化材料のそれぞれ横及び前面の断面概略図である。 図８Ａは一実施形態によるＢＡＷ共振器構造を組み入れた流体装置の活性領域であり、活性領域の中心部が長さより幅が大きい楕円形に配置された機能化材料に覆われ、活性領域の最大幅が機能化材料の最大幅よりも大きく、活性領域の周辺部に機能化材料が欠けている状態の、平面概略図である。 図８Ｂ及び図８Ｃは、図８Ａの活性領域及び機能化材料のそれぞれ横及び前面の断面概略図である。 図９Ａは一実施形態によるＢＡＷ共振器構造を組み入れた流体装置の活性領域であり、活性領域の中心部が長さより幅が大きい長尺の楕円形に配置された機能化材料に覆われ、活性領域の最大幅が機能化材料の最大幅と同じで、活性領域の三日月形部分及び後方周辺部に機能化材料が欠けている状態の、平面概略図である。 図９Ｂ及び図９Ｃは、図９Ａの活性領域及び機能化材料のそれぞれ横及び前面の断面概略図である。 図１０は、窓を通して活性領域の一部分の上に自己組織化単分子膜を堆積させる目的にて、窓を画定するメカニカルマスクが前駆材料を許容するために配置されたＢＡＷ共振器構造の活性領域の、側方断面概略図である。 図１１は、フォトレジスト層中の窓を通して活性領域の一部分の上に自己組織化単分子膜のための前駆材料を堆積させる目的にて、図案入りフォトレジスト層が重ねられたＢＡＷ共振器構造の活性領域の、側方断面概略図である。 図１２Ａは、放射を防御するメカニカルマスクが、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）のある部分を選択的に除去するためにＳＡＭの上に配置され、ＳＡＭを選択的に部分的に除去するために、電磁気放射源がマスクの開口部を通じて光を送信するようＳＡＭ上に位置する、オルガノシラン系のＳＡＭが重ねられたＢＡＷ共振器構造の活性領域の側方断面概略図である。 図１２Ｂは活性領域周辺部のＳＡＭを除去した後の、図１２ＡのＢＡＷ共振器構造の活性領域の側方断面概略図である。 図１３は本明細書中にて開示する気密層、インターフェース層、自己組織化単分子膜、及び機能化（例：特異的結合）材料を受け取ることに適したバルク弾性波ＭＥＭＳ共振装置の平面図写真である。 図１４は本明細書にて開示した複数のバルク弾性波ＭＥＭＳ共振装置を搭載した基板、ＭＥＭＳ共振装置の活性領域を含むチャネルを画定する中間層、カバー又はキャップ層を組み込んだマイクロ流体装置の斜視集合図である。 図１５は本明細書にて開示する特定の実施形態にて使用可能な圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ）構造であり、ＦＢＡＲ構造は傾斜したｃ軸六方晶構造の圧電材料と、サポート層に覆われた孔を画定する基板とを含み、活性領域には孔が重なっていて、圧電材料の一部分は上側電極と下側電極が重なる部分の間に配置されている状態を示す断面概略図である。 図１６は図１５のＦＢＡＲ構造の、気密層、インターフェース層、自己組織化単分子膜、及び機能化材料（例：特異的結合材）をＦＢＡＲ構造の少なくとも複数の部分の上に配置した状態における、断面概略図である。
詳細な説明
以下に明らかにする実施形態は当業者が実施形態を実行するために必要な情報を提示し、実施形態を実行する最良の形態を示す。添付する図面を参照した説明を読むにあたり、当業者は本開示の概念を理解し、本明細書内にて特別に言及されない応用例を認識するであろう。それらの概念と応用例は本開示及び添付する請求項の範疇に該当すると理解される。
第一の、第二の等の語が様々な要素を説明するために用いられ得るが、これらの要素はこれらの語により限定されないことは理解されるべきである。これらの語はある要素を他の要素から区別するためにのみ用いられる。例えば、本開示の範疇を逸脱することなく、第一の要素が第二の要素と呼ばれたり、又は同様に第二の要素が第一の要素と呼ばれたりすることがあり得る。本明細書内で使用するように、「及び／又は」の語は関連する項目の一覧からの一つ以上の項目の任意及び全ての組み合わせを含む。
ある要素が「接続」されると表現されたとき、直接接続されることもできれば、介在する要素が存在することもあり得る。対照的に、ある要素が「直接接続」されると表現されるとき、介在する要素は存在しない。
上方、下方、底、中間、先端、等の語が様々な要素を説明するために用いられるが、これらの要素はこれらの語により限定されないことは理解されるべきである。これらの語はある要素を他の要素から区別するためのみに用いられる。例えば、要素間の相対的な方向関係により、本開示の範疇を逸脱することなく、第一の要素が「上方」の要素と呼ばれたり、同様に、同様に第二の要素が「上方」の要素と呼ばれたりすることがあり得る。
本明細書内にて用語は特定の実施形態を説明する目的のみにて用いられ、本開示を限定するよう意図されない。本明細書内で使用されるように、単数形及び定冠詞は、特別に指定されない限り、複数形をも含むよう意図される。本明細書内で使用される「備える」「備えている」「含む」及び／又は「含んでいる」は、言及される機能、数値、ステップ、操作、要素、及び／又は構成要素の存在を示すが、一つ以上の他の要素、数値、ステップ、操作、要素、構成要素、及び／又はそれらのグループを排除しない。
特別に定義されない限り、本明細書中に使用する全ての語（技術用語及び化学用語を含む）は本開示が属する業界の当業者が理解する意味と同じ意味を持つ。本明細書中に使用される語は本明細書の文脈の中で持つ意味と整合性のある意味を持つとして解釈されなければならなく、そして関連技術は、本明細書内で明確に定義されない限り、理想化又は過剰に正式に解釈されないことはさらに理解されるべきである。
本開示は、基板上に配置され、含まれた少なくとも一つの機能化材料が少なくとも上側電極の中心部の上に配置され、しかし全体には配置されていない、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）共振装置を提供する。中心点にて最も高感度を示し、周辺部にてより低い感度を示す活性領域は、共振器の活性領域の周囲の少なくとも一部分上の機能化材料が省略されることにより、最も感度の低い領域における検体の結合を妨げる。活性領域に対する機能化材料を含む領域の寸法及び構成を調整することによりセンサ応答が高められ得る。例えば、少なくとも一つの機能化材料の最大長さは、活性領域の最大長の約２０％から約９５％の範囲（又は約３０％から９５％、約４０％から約９０％、又は５０％から９０％の副範囲）を占め得る。また最大幅は、活性領域の約５０％から約１００％の範囲（又は約６０％から約１００％、又は約７０％から約９５％の副範囲）を占め得る。
水晶振動子は中央からの距離に関して変化するガウス関数としての周波数応答を示すことで知られる（すなわち、中心点にて質量の変化に対して最高の感度を示し、中心点から離れるに従い感度が低下する）。例えばＳ． ＺｈａｎｇらによるＡｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ａ ６４、５４５－５５２（１９９７）を参照すること。出願者は類似の現象が、バイオセンシング及び生化学センシングにおける応用のためのバルク弾性波ＭＥＭＳ共振器に基づいたセンサ及び本明細書にて開示するそれらのセンサを組み入れた流体装置に当てはまると仮定した。サンプル中の検体の濃度が著しく低い場合（例：特定の医学診断応用例）、共振器に基づいた生化学センサ装置の最も高感度な領域のみにおいて検体の結合を許可することは高度に有利である。言い換えれば、センサ活性領域の外側の領域や、センサ活性領域内でも吸着質量変化に対して低感度を示す領域などの、低感度又は比較的低感度な領域にて検体の結合を避けることは、高度に有利である。
図１Ａから図１Ｃは、流路１０の側方断面概略図であり、ＢＡＷ ＭＥＭＳ共振装置の活性領域２０を含み、活性領域２０の内部には機能化材料が配置されている。流路１０の特性はマイクロ流体的である。図１Ａには、活性領域２０に、活性領域２０の中心点１８にて最高感度を示し、中心点１８から離れるに従い曲線的に低下する（例：立ち上がり１６のような周辺境界にて最低感度を示す）ガウス感度プロファイル２２を重畳して示す。流路１０は上側及び下側境界１２Ａ、１２Ｂを含み、層流条件（マイクロチャネルとしても知られるマイクロ流体チャネルで経験されるような）にて前進する流体の先頭１４を含む。前進する流体の先頭１４は流体が流れる平行な流線経路１４Ａから１４Ｎとして表現されてもよく、下側及び上側の境界１２Ａ、１２Ｂの近傍にて低速度であり、境界１２Ａ、１２Ｂ間の流路１０の内側部にて比較的高い速度を示す。前進する流体の先頭１４が活性領域２０の上を流れるとき、下側の流線経路１４Ａの近傍の一部の流体は活性領域２０と相互作用することが仮定される。
図１Ａには示されていないが、流路１０内の流体内には活性領域２０と相互作用することを仮定した少なくとも一つの検体が含まれ得る。図１Ｂは図１Ａの流路１０、活性領域２０及び前進する流体の先頭１４を示し、検体２４の分布、活性領域２０の立ち上がり１６の上流及び下流をさらに示す。前進する流体の先頭１４が活性領域２０の上を流れるとき、下側の境界１２Ａの近傍に位置する流体に含まれる検体２４は活性領域２０の機能化材料と結合し得る。機能化材料が活性領域２０の全体に分布する場合、下側の流線経路１４Ａの近傍にある流体に含まれる検体２４は接触する第一の機能化材料に結合し、故に活性領域２０の立ち上がり１６の近傍に蓄積検体２４Ａを形成する確率が高い。不幸にも、立ち上がり１６近傍の活性領域２０の部分は、図１Ｃ（図１Ｂと同内容を提供するが図１Ａのガウス感度プロファイル２２を活性領域２０の上に重畳して示す）に示されるように吸着質量の変化への感度が活性領域の中心点１８よりも著しく低い。
層流をなす流体は平行な流線経路に従う傾向があり、その結果、乱流において流体を均質にする無秩序な速度の変化は起こらない。標準的なマイクロチャネルに導入された複数の流体は拡散による共通した接点を除いては互いに混ざらず、拡散のプロセスは概ねマイクロ流体チャネルの主軸に沿った流れよりも遅い。マイクロ流体チャネルでの層流条件における流体の素早い混合を防ぐ同様の原理は、マイクロ流体チャネルに従う一つ以上の流体に含まれる検体の分布にも影響を与える。フィックの拡散における第一法則は、流束は高濃度の領域から低濃度の領域へ移動すると述べている。次に、流束率は濃度の勾配に比例すると述べている。
図１Ｂから図１Ｃを参照し、検体２４を含む前進する流体の先頭１４は水平な流体の層の重なりとしてモデリングされてもよい（例：流線経路１４Ａから１４Ｎ）。活性領域２０の上流において液体体積を形成する重なった各層内において検体の濃度が一定であると仮定しても、活性領域２０の上を覆う機能化材料の上を通る液体体積の経路を追えば、検体２４が機能化材料と結合することにより（例：図１Ｂ及び図１Ｃの蓄積検体２４Ａに示す）、重なりのうち一つ以上の最下流体層はより低い、又は枯渇した検体濃度を示す。しかし、流路１０を流体が流れる方向に対して直角な方向における拡散は遅いため、検体２４は、活性領域２０の上を覆う機能化材料に対して結合するために拡散する必要があり、（一層以上の）最下流体層以外の流体の層中に存在する検体２４は正当な時間内にて活性領域２０の機能化材料と結合することができない。したがって、拡散が起こるまで流路１０内における検体２４の濃度は層状のままとなる。結果、前進する流体の先頭１４中の（一層以上の）最下流体層に存在する検体２４は活性領域２０の立ち上がり１６に配置された機能化材料と結合し、蓄積検体２４Ａは立ち上がり１６の近傍に形成され得る。しかし活性領域２０の中心点１８の近傍においては非常に少ない検体結合しか起こらないことがあり得る。ガウス感度プロファイル２２を前提に、活性領域２０の中心点１８付近の機能化材料と結合した検体の不在と組み合わせた活性領域２０の立ち上がり１６における蓄積検体２４Ａの存在により、結果活性領域２０を組み入れたセンサの応答は低密度となる。
前述のとおり、活性領域に対する機能化材料を含む領域の寸法及び構成を調整することによりセンサ応答が高められ得る。例えば、少なくとも一つの機能化材料の最大長は、活性領域の最大長の約２０％から約９５％の範囲（又は約３０％から９５％、約４０％から約９０％、又は５０％から９０％の副範囲）を占め得る。また最大幅は、活性領域幅の約５０％から約１００％の範囲（又は約６０％から約１００％、又は約７０％から約９５％の副範囲）を占め得る。活性領域の全体よりも少ない領域に少なくとも一つの機能化材料を付加することは、活性領域の一つ以上の領域に一つ以上のメカニカルマスク又は図案を付加したフォトレジスト層を使用することで機能化材料に図案を付与することと、活性領域の一つ以上の領域のインターフェース層（下に横たわらせ機能化材料を受け取るよう配置される）に図案を付与することと、又は活性領域の一つ以上の領域上のブロッキング材料（機能化材料及び／又は検体の結合を妨げる）に図案を付与することと、のうち一つ以上を限定せず含み得る。上記のような方法を使用することを通して、機能化材料は、検体結合が可能になるように、マイクロアレイスポッティングのみにより得られるよりも高い寸法公差にて、適用及び／又は与えられ得る。
共振装置の活性領域の全体よりも少ない領域へ少なくとも一つの機能化材料を適用する方法を説明する前に、バルク弾性波ＭＥＭＳ共振装置の例、生化学センシング能力を提供するために有用な関連する層、及びＭＥＭＳ共振装置を組み入れた流体装置を紹介する。
特定の実施形態による好ましい微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）共振装置は基板、基板の少なくとも一部分上に配置されたＢＡＷ共振器構造、及びＢＡＷ共振器構造の活性領域の少なくとも一部分の上に配置された機能化材料を含む。機能化材料と上側電極（ＢＡＷ共振器構造の活性領域と一致する）の間には：気密層（例：上側電極を液体環境による腐食から保護するための）、インターフェース層、及び／又は自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）、のような様々な層が配置されてもよく、インターフェース層及び／又はＳＡＭは少なくとも一つの上に配置する材料層の適用を促進することに有用であり、究極的には機能化材料を含む。特定の幾つかの実施形態では、インターフェース層は上に配置するＳＡＭの適用を促進し、ＳＡＭは上に配置する機能化材料の適用を促進する。
図２は本明細書中に開示する実施例に有用なバルク弾性波ＭＥＭＳ共振装置３０の一部分の断面概略図である。共振装置３０は基板３２（例：一般的にはケイ素又は他の半導体材料）、基板３２上に配置される弾性波反射器３４、圧電材料４２、及び下側と上側電極４０、４８を含む。下側電極４０は圧電材料４２の下面４４の一部分に沿って配置され（弾性波反射器３４と圧電材料４２の間）、上側電極４８は圧電材料４２の上面４６の一部分に沿って配置される。上側電極４８と下側電極４０が重なり合う部分の間であって圧電材料４２が配置される領域は領域共振装置３０の活性領域５０であると考えられる。弾性波反射器３４は弾性波を反射するよう機能し、その結果基板３２における消散を防ぐ。特定の幾つかの実施形態では、弾性波反射器３４は、それぞれ異なる音響インピーダンス値を持つ材料（例：酸炭化ケイ素［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］、及びモリブデン）の薄層３６、３８を交互に、随意には４分の１波長ブラッグ鏡中に組み込まれ基板３２上に堆積される形で含む。特定の幾つかの実施形態では、その他の型の弾性波反射器が使用されてもよい。共振装置３０を形成するステップは、弾性波反射器３４を基板３２上に配置し、その後下側電極４０を配置し、その後圧電材料４２を育成し（例：スパッタリング又は他の適切な方法により）、その後上側電極４８を配置することを含んでもよい。
特定の幾つかの実施形態では、圧電材料４２は基板３２の表面の法線に対して支配的に平行でない（そして直角でないことがあり得る）配向を持つｃ軸を含む六方晶構造を持つ圧電材料（例：窒化アルミニウム又は酸化亜鉛）を備える。適切な条件では、基板の表面の法線に対して支配的に平行でない配向を持つｃ軸の存在により、ＢＡＷ共振器構造は遠位電極と近位電極の間（例：センシング能力を提供するＢＡＷ共振器構造において望ましいように）に交流電流信号を印加したときに主に剪断応答を示すよう構成することができる。圧電材料において、基板の表面の法線に対して支配的に平行でない配向を持つｃ軸六方晶構造を形成する方法は、内容を本明細書中に参照により援用する２０１６年１０月１３日に出願された米国特許出願第１５／２９３０６３号明細書にて開示されている。傾斜したｃ軸方向を持つ圧電材料を形成する追加の方法は、内容を本明細書中に参照により援用する１９８７年２月３日に発行済の米国特許第４６４０７５６号明細書にて開示されている。
図２に示すバルク弾性波ＭＥＭＳ共振装置３０には活性領域５０上に配置され共振装置３０を生化学センサとして使えるようにするための任意の層（例：機能化材料を含む）が欠けている。所望であれば図２に示した共振装置３０の少なくとも部分（例：活性領域５０を含む）は、以下の一つ以上のような様々な層をその上に配置してもよい：気密層、インターフェース層、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）、及び／又は機能化材料層（特異的結合材又は非特異的結合材を含んでもよい）。
図３は圧電材料４２及び気密層５２、インターフェース層５４、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）５６、及び機能化材料層（例：特異的結合材）５８を重ねた上側電極４８を含むＢＡＷ共振装置の上側の一部分の断面概略図である。特定の実施例では、続いて堆積される一つ以上の層がインターフェース層の部分の上に付加されることを防ぐために、又は（ＳＡＭ又は機能化材料の選択した領域に適用された場合）ＢＡＷ共振装置の活性領域を覆わない領域における検体捕捉を防ぐために一つ以上のブロッキング材料（図示せず）が製造中に適用されてもよい。
特定の幾つかの実施形態では、ＭＥＭＳ共振装置の幾つかの部分上におけるインターフェース材料又はブロッキング材料の図案化を促進するために、フォトリソグラフィが使用されてもよい。フォトリソグラフィは光を使用して幾何学図案をフォトマスクから基板上の光感応化学フォトレジストへ転送することを伴い、半導体製造の当業者にはよく知られたプロセスである。フォトリソグラフィに用いられる一般的なステップは、ウエハ洗浄、フォトレジスト塗布（ポジティブ又はネガティブなフォトレジストを使用）、マスクの位置合わせ、及び露光と現像である。所望の面上のフォトレジストにて形が定義された後、インターフェース層がフォトレジスト層の一つ以上の隙間にエッチングにより図案化され、フォトレジスト層はその後除去される（例：液体フォトレジスト剥離剤を使用する、酸素含有プラズマを塗布してアッシングする、又は他の除去方法により）。
特定の幾つかの実施形態では、インターフェース層（例：上側電極とＳＡＭの間に配置された）はオルガノシランＳＡＭの形成に適した水酸化酸化物面を含む。水酸化酸化物を含む好ましいインターフェース層材料は二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）である。インターフェース層を形成するための水酸化酸化物面を含む代替の材料は二酸化ケイ素［ＳｉＯ２］、二酸化チタン［ＴｉＯ２］、五酸化タンタル［Ｔａ２Ｏ５］、酸化ハフニウム［ＨｆＯ２］、又は酸化アルミニウム［Ａｌ２Ｏ３］である。水酸化酸化物面を含むその他の代替の材料は当業者にとって既知となり、それらの代替材料は本開示の範疇と考えられる。
その他の実施形態では、インターフェース層（例：上側電極とＳＡＭの間に配置される）又はインターフェース層に覆われていない少なくとも一つの電極は、機能化材料に覆われたチオール系のＳＡＭを受け取ることに適した、金又はその他の貴金属（例：ルテニウム、ロジウム、パラジウム、オスミウム、イリジウム、白金又は銀）を含む。
腐食を仮定した電極材料を組み入れる特定の幾つかの実施形態では、上側電極とインターフェース層の間に気密層が配されてもよい。気密層は上側電極に貴金属（例：金、白金等）が使用される場合は必要ない。気密層は、提供される場合は、好ましくは低い水蒸気透過率（例：０．１ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下）を持つ絶縁材料を含む。気密層及びインターフェース層を堆積させた後、インターフェース層上にＳＡＭが形成されてもよく、特定の実施形態においてはＳＡＭはオルガノシラン材料を含んでもよい。気密層は液体環境による腐食から反応的な電極材料（例：アルミニウム又はアルミニウム合金）を保護し、インターフェース層はＳＡＭの適切な化学結合を促進する。
特定の幾つかの実施形態では、気密層及び／又はインターフェース層は、原子層堆積法（ＡＬＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）などの一つ以上の堆積プロセスにより配されてもよい。前述のプロセスの中では、装置への良好なステップカバレッジとなる優秀なコンフォーマルコーティングを提供する目的にて、ピンホールのない層構造を提供できるように、少なくとも気密層の堆積の際にＡＬＤが好ましい（そしてインターフェース層の堆積にも好ましいことがあり得る）。さらに、ＡＬＤは、音響振動の比較的小さい減衰を提供する一様に薄い層を形成することが可能であり、これはもし実現できなければ装置のパフォーマンスを下げることにつながる。気密層（存在する場合）のカバー範囲の適当さは、その下にある電極の腐食を防ぐために重要である。ＡＬＤが気密層の堆積に使用された場合、特定の幾つかの実施形態では、気密層は約５ｎｍから約１００ｎｍ、又は約５ｎｍから約５０ｎｍ、又は約１０ｎｍから約２５ｎｍの範囲の厚さを含み得る。特定の幾つかの実施形態では、気密層の厚さは約１５ｎｍ、又は約１２ｎｍから約１８ｎｍである。逆に、化学蒸着など別のプロセスを使用した場合、気密層の厚さは約８０ｎｍから約１５０ｎｍ以上、又は約８０ｎｍから約１２０ｎｍの範囲となる。前述の両方のプロセスを考慮すると、気密層の厚さは約５ｎｍから約１５０ｎｍの範囲となる。ＡＬＤがインターフェース層の堆積に使用された場合、インターフェース層の厚さは約５ｎｍから約１５ｎｍの範囲となる。特定の幾つかの実施形態では、インターフェース層は約１０ｎｍ、又は約２ｎｍから約２０ｎｍ、又は約５ｎｍから約１５ｎｍ、又は約８ｎｍから約１２ｎｍの範囲の厚さを含み得る。特定の実施形態においては他のインターフェース層の厚さ及び／又はＡＬＤ以外の堆積技術が使用されてもよい。特定の幾つかの実施形態では、気密層及びインターフェース層は、二つの層の高品質な相互作用を促進するよう、真空環境にて連続して配されてもよい。
気密層は、提供される場合は、絶縁材料として機能し、低い水蒸気透過率（例：０．１ｇ／ｍ２／ｄａｙ以下）を持つ酸化物、窒化物、又は酸窒化物材料を含んでもよい。特定の幾つかの実施形態では、気密層は酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）又は窒化ケイ素（ＳｉＮ）のうち少なくとも一つを含む。特定の幾つかの実施形態では、インターフェース層はＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５のうち少なくとも一つを含む。特定の幾つかの実施形態では、一つの気密層に複数の材料が組み合わされてもよく、そして／又は気密層は複数の異なる材料の層を含んでもよい。好ましくは、音響共振器構造において、気密層は、その下にある反応性材料（例：アルミニウム又はアルミニウム合金）でできた電極構造との互換性を提供するように選択される。ＢＡＷ共振器構造の電極材料としてアルミニウム又はアルミニウム合金が頻繁に使用されるが、様々な遷移金属及び外部遷移金属が使用されてもよい。
インターフェース層（任意には下にある気密層の上に配置される）の堆積の後に、インターフェース層の上に、好ましくはＳＡＭが形成される。ＳＡＭは一般的には、固体面に対して強い親和性を示す化学基を持つ両親媒性分子に固体面を露出することにより形成される。水酸化酸化物を備えるインターフェース層面が使用される場合は、オルガノシランＳＡＭが、一般的に水酸化酸化物への付着の点から特に好ましい。オルガノシランＳＡＭはケイ素―酸素（Ｓｉ－Ｏ）結合を通して表面接合を促進する。より具体的には、オルガノシラン分子は加水分解に対して感受性の高い基及び有機基を含み、それゆえに無機材料を有機高分子に連結するときに有用である。オルガノシランＳＡＭは水酸化酸化物面を微量の水の存在下でオルガノシラン材料に露出し中間シラノール基を生成することにより形成され得る。これらの基は水酸化酸化物面にて自由水酸基と相互作用し、オルガノシランを共有結合的に固定する。インターフェース層と互換であり水酸化酸化物面を持つオルガノシラン系のＳＡＭの例は以下を含む：
３－グリシド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メトキシシラン（ＭＰＴＭＳ）、
３－アミノプロピルトリメトキシシラン（ＡＰＴＭＳ）及び
オクタデシルトリメトキシシラン（ＯＴＭＳ）であり、
上記のエトキシー及びクロロ変異体を含む。ＳＡＭに使用され得る追加のシランにはポリ（エチレングリコール）（ＰＥＧ）複合変異体が含まれる。当業者はその他の代替が存在し、それらの代替は本開示の範疇であると考えられることを理解するであろう。ＳＡＭの例は少なくとも０．５ｎｍ以上の厚さであってもよい。好ましくは、ＳＡＭは容易に局所的に図案の付いたインターフェース層に結合するが、その他の隣接した材料層には容易に結合しない（例：気密層、圧電材料、及び／又はブロッキング材料層）。
金又はその他の貴金属を含む電極及び／又はインターフェース層が使用されたとき、チオール系（例：アルカンチオール系）ＳＡＭが使用されてもよい。アルカンチオールは、バックボーン、尾部基、Ｓ－Ｈ頭基としてアルキル鎖を持つ分子である。硫黄と貴金属との親和性が高いことから、チオールは貴金属のインターフェース層上に使用されてもよい。使用され得るチオール系のＳＡＭの例は、１－ドデカンチオール（ＤＤＴ）、１１－メルカプトウンデカン酸（ＭＵＡ）、及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）を限定せず含む。これらのチオールは同じバックボーンを含むが、異なる末端基、すなわち、ＤＤＴ、ＭＵＡ、１－ＵＤＴに対して、メチル（ＣＨ３）、カルボキシル（ＣＯＯＨ）、及び水酸基末端ヘキサエチレングリコール（ＨＯ－（ＣＨ２ＣＨ２Ｏ）６）をそれぞれ持つ。特定の幾つかの実施形態では、ＳＡＭは、金の面をチオール溶液にて無水エタノールなどの適切な溶媒を使用してインキュベートすることにより形成してもよい。
以下のＳＡＭの形成においては、ＳＡＭは少なくとも一つの特異的結合材を受け取ることなどにより生体的に機能化してもよい。特定の実施形態においては、特異的結合材はマイクロアレイスポッティング針又はその他の適切な方法を使用してＳＡＭ上に適用されてもよい。特定の実施形態においては、インターフェース層は、共振器構造の一部分（基板を含む）上のみに高い寸法公差を持つよう図案化されてもよく（例：インターフェース層を画定するためにフォトリソグラフィを用いて）、ＳＡＭはインターフェース層上に配され、その後特異的結合材がＳＡＭのみに付着されてもよい。特定の実施形態にて、インターフェース層の図案化は、特異的結合材を配置する際、マイクロアレイスポッティングのみにて得られるよりもより高い寸法公差を提供し得る。特異的結合材の例は、抗体、受容体、配位子等を限定せず含む。特異的結合材は好ましくは定義済みの対象種を受け取る（例：分子、タンパク質、ＤＮＡ、ウイルス、バクテリア等）。特異的結合材を含む機能化材料は約５ｎｍから約１０００ｎｍ、又は約５ｎｍから約５００ｎｍの範囲の厚さを含んでもよい。特定の幾つかの実施形態では、複数の共振器（すなわち複数の活性領域を持つ一つ以上の共振器構造）を持つ構造においては異なる特異的結合材の層は異なる活性領域上に提供され、任意には、特異的結合材が配されない、比較（又は「参照」）領域として働く一つ以上の活性領域が組み合わされる。特定の幾つかの実施形態では、機能化材料（例：化学機能化材料）は非特異的結合能力を提供してもよい。
特定の実施形態は、本明細書にて開示し、共振器構造の少なくとも一つの活性領域上に液体が少なくとも一つの機能化（例：特異的結合）材料の接触を起こすよう配置された流路（例：チャネル、空洞又は同種のもの）を持つような、複数のバルク弾性波ＭＥＭＳ共振器構造を含む流体装置に向けられている。そのような装置はマイクロ流体スケールであり、少なくとも一つのマイクロ流路（例：約５００ミクロン又は約２５０ミクロン、又は１００ミクロン以下の高さ及び／又は幅のような少なくとも一つの寸法）を備える。例えば、バルク弾性波ＭＥＭＳ共振器構造を製造し部分の上にＳＡＭを堆積した後に（その後任意に気密層及びインターフェース層を堆積させた後に）、マイクロ流体装置は、活性領域がマイクロ流路の底面に配置され第一のバルク弾性波ＭＥＭＳ共振器構造上にマイクロ流体チャネルの一つ以上の側方壁を形成し、その後マイクロ流路を、流体口（例：開口）を画定し得る、マイクロ流路との流体連通を可能にする形成し得るキャップ又はカバー層を使用して閉じることにより製造される。特定の幾つかの実施形態では、機能化（例：特異的結合）材料は、マイクロ流路を形成する前にバルク弾性波ＭＥＭＳ共振器構造の活性領域に事前に配され、別の幾つかの実施形態では、機能化材料はバルク弾性波共振器構造の活性領域の上に、マイクロ流路を形成した後に配される。
マイクロ流体チャネルの壁は、薄い高分子材料及び／又はラミネート材料層をレーザーで切断した「ステンシル」層であり、任意に一つ以上の粘着面（例：接着テープ）を含むような、任意の適切な材料で形成してもよい。任意には、それらの壁は、ＳＵ－８ネガティブエポキシレジスト又はその他のフォトレジスト材料にて、ＳＡＭ層、機能化材料及び／又はブロッキング層の堆積の前に形成されてもよい。特定の幾つかの実施例では、カバー又はキャップ層は、少なくとも一つの流体チャネルの側方の境界に加えて上方の境界の一部分を画定するように、一つ以上の壁と統合的に形成されてもよく（例：塑造又はその他の適切なプロセスにて）、統合的に形成された部分的なカバー／壁構造は、少なくとも一つの流体チャネルを囲むようバルク弾性波共振器構造の少なくとも一部分上に配されてもよい。
特定の幾つかの実施形態では、ＢＡＷ共振器構造の一つ以上の領域（例：活性領域から離れた一つ以上の領域）の上の機能化（例：特異的結合）材料と接触を防ぐために化学的又は生物的ブロッキング材料がＳＡＭの一部分の上に配されてもよい。化学的又は生物的ブロッキング材料（例：ブロッキングバッファ）の適切な選択は、サンプル中に存在する検体又は対象種の型に依存する。高精製タンパク質、セラム、ミルクなどの様々な型のブロッキングバッファがＳＡＭ上の自由領域をブロックするために使用されてもよい。追加のブロッカーとしてはエタノールアミン又はポリエチレンオキシド（ＰＥＯ）を含む材料が含まれる。理想的なブロッキングバッファは全ての非特異的相互作用する可能性のある領域を活性領域から遠ざけるように結合する。特定の解析にブロッキングバッファを最適化するには、信号対雑音比を求める実証的検定が使用されてもよい。抗原―抗体はユニークな特性を持つため、ある化学物質がブロッキング材料として全ての状況に適するということはない。
図４は、バルク弾性波ＭＥＭＳ共振器構造により下から境界付けられ、壁６４により側方から境界付けられ、流体口６８Ａ、６８Ｂを画定するカバー又はキャップ層６６により上から境界付けられた活性領域５０を持ち、マイクロ流路７２を持つ流体装置７０（例：生化学センサ装置）の一部分の断面概略図であり、この後説明する本開示の実施形態の状況を提供することを意図した比較用装置となる。流体装置７０は弾性波反射器３４に覆われた基板３２、及び通常圧電材料４２の下に配置された下側電極４０を含む。上側電極４８は圧電材料４２の一部分の上に延び、上側電極４８と下側電極４０の間の圧電材料４２の一部分はＢＡＷ ＭＥＭＳ共振器構造の活性領域５０を具現化する。上側電極４８及び圧電材料４２は気密層５２、インターフェース層５４、及び自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）５６に覆われている。ＳＡＭ５６の活性領域５０と壁６４の間の部分は、機能化材料及び／又は検体の局所的な付着を防ぐために化学的又は生物的ブロッキング材料６０に覆われている。ＳＡＭ５６の一部分は活性領域５０と重なり、少なくとも一つの検体と結合するよう配置された機能化（特異的結合）材料層５８に覆われている。活性領域５０からずれている壁６４が化学的又は生物的ブロッキング材料６０から上方に延び、活性領域５０を含むマイクロ流路７２の側面の境界を画定している。壁６４はＳＡＭ５６上に形成され、ＳＡＭ５６は壁６４の接着を促す。壁６４は、薄い高分子材料及び／又はラミネート材料層をレーザーで切断した「ステンシル」層であり、任意に一つ以上の粘着面（例：接着テープ）を含むような、任意の適切な材料で形成してもよい。任意には、それらの壁６４は、ＳＵ－８ネガティブエポキシレジスト又はその他のフォトレジスト材料にて、ＳＡＭ５６、機能化材料層５８及び／又は化学的又は生物的ブロッキング材料６０の堆積の前に形成されてもよい。マイクロ流路７２の上方の境界を提供するために、上面の流体口６８Ａ、６８Ｂを画定するカバー又はキャップ層６６がさらに提供される。カバー又はキャップ層６６は、適切な材料（例：実質的に不活性な高分子、ガラス、ケイ素、セラミック等）中におけるポートの画定（例：レーザー切断又は噴射水切削又は同種のもの）、そしてカバー又はキャップ層６６を壁６４の上面に接着することにより形成されてもよい。
本明細書中にて既に示したように、マイクロアレイスポッティングのみに依存すれば、機能化材料とＭＥＭＳ共振装置の活性領域を高精度に整列することを達成することは難しい可能性がある。図４に示すように、機能化材料層５８の側方延長部分５８’は、側方へ、ＢＡＷ ＭＥＭＳ共振装置の活性領域５０の向こうへ延び、マイクロ流路７２中の流体に含まれた検体と結合することができる。機能化材料層５８の側方延長部分５８’は、マイクロ流路７２に提供された検体が活性領域５０へ送られる前に結合することで検出下限を損なうなどによりセンサ応答を減少させる過剰な機能化（例：特異的結合）材料を構成する。過剰な機能化材料が活性領域５０の側方への広がりを超えて存在しない場合でも、機能化材料層５８が活性領域５０全体上に存在することにより、活性領域５０の中心点から離れた地点における低感度が原因となり検出下限を損なう傾向となり得る。図１Ａから図１Ｃに関連して説明したように、機能化材料が活性領域全体に提供されれば、検体を含んだ流体は活性領域の上面に平行に流れるようになり、検体は、活性領域の半径方向の境界近傍の機能化材料の立ち上がりに沿って蓄積する。検体が、活性領域の半径方向の境界近傍に配された機能化材料と結合することにより、特に検体濃度が非常に低い場合に活性領域の中心点又は中心領域上の機能化材料と結合可能な検体が削減又は制限される。ガウス（又は類似の）感度プロファイルを前提に、活性領域の中心点付近の機能化材料と結合した検体の不在と組み合わせた活性領域の立ち上がりにおける蓄積検体の存在により、結果活性領域を組み入れたセンサの応答は低集合となる。
流体装置７０の使用時には、流体サンプルが第一の流体口６８Ａからマイクロ流路７２へ供給され、活性領域５０上を通り、第二の流体口６８Ｂを通ってマイクロ流路７２から脱出する。マイクロ流路７２中の流体の流れが層流である性質により、液体体積は、最下流体層７４Ａ及び最上流体層７４Ｎを持つ水平な流体の層の「積み重ね」としてモデル化され、そしてふるまう。流体サンプル中の最下流体層７４Ａ中に含まれる検体は、活性領域５０より上流に配された機能化材料層５８の側方延長部分５８’と結合し、その場所に蓄積する傾向にある。サンプル中の検体濃度が低い場合は、活性領域５０の周辺部に沿った立ち上がりにおける機能化材料と検体が結合し蓄積した後、最下流体層７４Ａ中の検体は枯渇し得る。層７４Ａから７４Ｎ間の検体の拡散（例：垂直方向）は遅く起こるため、最下流体層７４Ａより上の流体の層（最上流体層７４Ｎを含む）に含まれた検体は機能化材料層５８と結合することができない可能性がある。結果、活性領域５０の中心点上に配された機能化材料層５８と結合できるためにはサンプル中の検体濃度は比較的高い必要があり得る。活性領域５０上の機能化材料層５８と結合するために充分な検体が存在すると仮定して、下側電極４０と上側電極４８へ電気的（例：交流）信号を供することによりバルク弾性波が活性領域５０に含まれる場合、機能化材料層５８と結合した検体の存在及び／又は量を示すＢＡＷ共振器構造の周波数特性、振幅特性、又は位相特性のうち少なくとも一つの変化が検出され得る。活性領域５０の中心点付近の機能化材料層５８と結合した検体がない場合、センサ応答が低いか、又は検出困難である。
共振器の活性領域の周辺部の一部上に配置された機能化材料（活性領域を超えて横方向に延びる剰余機能化材料）の存在に関連した制限を克服するために、本明細書で開示する実施形態において、共振器活性領域の周辺部分の少なくとも一部分上の機能化材料を省略することにより機能化材料の存在を活性領域の全体よりも少ない領域に制限する。活性領域の全体より少ない領域に機能化材料の位置を制限する方法は、例えば：活性領域の全体よりも少ない領域上にインターフェース層を図案化する（例：インターフェース層を中心部に沿って提供するが、活性領域の一つ以上の周辺部に沿っては提供しない）；
ブロッキング層を、インターフェース層上又はＳＡＭ上である、活性領域の一つ以上の周辺部上に図案化する；
ＳＡＭを活性領域の全体より少ない位置に図案化する；
又は上記の一つ以上の組み合わせ、を含む。従来のマイクロアレイスポッティングよりも高解像度にて機能化材料を堆積させることできる技術が開発されるに従い、それらの技術を機能化材料の位置を活性領域の全体よりも少なく制限するために付加的に使用してもよい。
図５Ａから５Ｆは図２のバルク弾性波ＭＥＭＳ共振器構造を組み入れた流体装置（例：生化学センサ装置）の機能を示し、各図は製造の各ステップを終えた様子を示す。ここで機能化材料は流体装置のＢＡＷ共振器構造の活性領域の中心部上に含まれるが中心部全体上には含まれない。
図５Ａは図２のＢＡＷ共振装置（基板３２、弾性波反射器３４、圧電材料４２、及び下側と上側電極４０、４８を含む）の一部分の、上側電極４８及び圧電材料４２の面の上に気密層５２を堆積させた後の断面概略図である。気密層５２は、余剰分の圧電材料４２と共に、活性領域５０上に延びる。図５Ｂは、インターフェース層５４を気密層５２上に堆積させた後の、図５ＡのＢＡＷ共振装置の一部分を示す。特定の幾つかの実施形態では、気密層５２及び／又はインターフェース層５４は、原子層堆積法（ＡＬＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、物理蒸着（ＰＶＤ）などの一つ以上の堆積プロセスにより配されてもよく、これらの層５２、５４は任意に、順に真空環境下で配置されてもよい。気密層５２は好ましくは、絶縁材料として機能し低い水蒸気透過率を持つ酸化物、又は酸窒化物材料を備える。インターフェース層５４は好ましくは、ＳＡＭの受領に適した水酸化酸化物面、又は金又はその他の貴金属を備える。図５Ｃは、インターフェース層５４上に壁６４を形成した後の図５ＣのＢＡＷ共振装置の一部分を示し、壁６４は活性領域５０に対して側方に配置され、活性領域５０を含むマイクロ流路を画定している。壁６４は、薄い高分子材料及び／又はラミネート材料層をレーザーで切断した「ステンシル」層であり、任意に一つ以上の粘着面（例：接着テープ）を含むような、任意の適切な材料、又はＳＵ－８ネガティブエポキシレジスト又はその他のフォトレジスト材料を使用して形成してもよい。
図５Ｄは、インターフェース層５４上の壁６４の間に、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）５６を形成し、活性領域５０の中心部７６上のみに機能化材料層５８を配した後の図５ＣのＢＡＷ共振装置の一部分を示す。活性領域の中心部上、そして機能化材料を超えて延びるＳＡＭ層上のみに機能化材料を配する方法は、図１０から図１２Ａを参照して、この後議論する。活性領域の中心部上のみに配された一つ以上の下層（例：ＳＡＭ層及びインターフェース層）を持つ活性領域の中心部上のみに機能化材料を配する方法は、図６を参照してこの後議論する。
図５Ｅは、ＳＡＭ５６の、機能化材料層５８により覆われていない部分の上に化学的又は生物的ブロッキング材料６０を配した後の図５ＤのＢＡＷ共振装置の一部分を示す。化学的又は生物的ブロッキング材料６０は活性領域５０の、中心部７６と一致しない周辺部上に延び、さらに活性領域５０と壁６４の間の非活性領域上に延びる。図５Ｆは壁６４の上にカバー又はキャップ層６６を追加して流体装置７８を形成した後の、図５Ｅに示す装置を示す。カバー又はキャップ層６６は、中心部７６上に機能化材料層５８が配置された活性領域５０を含むマイクロ流路７２上に、対象種を含む流体（例：液体）が導入されることを可能にする流体口６８Ａ、６８Ｂを画定する。
図５Ｇは、検体６２（又は対象種）を含んだ流体が（流体口６８Ａ、６８Ｂのうち一つから）マイクロ流路７２中へ流れ、機能化材料層５８と接触した後に起こり得る、機能化材料層５８と結合した検体６２と共にある図５Ｆの流体装置７８を示す。下側電極４０と上側電極４８へ電気的（例：交流）信号を供することによりバルク弾性波が活性領域５０に含まれる場合、機能化材料層５８と結合した検体６２の存在及び／又は量を示すＢＡＷ共振器構造の周波数特性、振幅特性、又は位相特性のうち少なくとも一つの変化が検出され得る。機能化材料層５８は、吸着質量に対して高感度を示す活性領域５０の中心部７６の上のみに配置されるため、活性領域５０の周辺部には吸着された検体が存在せず、流体装置７８は検体６２の機能化材料層５８に対する結合に反応して比較的大きな信号変化を提供するよう構成される。
図６は機能化材料層５８だけでなくインターフェース層５４及びＳＡＭ５６が活性領域５０の中心部７６上のみに配された、図５Ｆ及び図５Ｇに示された流体装置７８と同様の別の流体装置８０を示す。流体装置８０は、基板３２、弾性波反射器３４、圧電材料４２、下側と上側電極４０、４８、上側電極４８及び圧電材料４２の面の上に気密層５２を含む。壁６４は活性領域５０に対して側方に配置され、気密層５２から上方に延び、流体口６８Ａ、６８Ｂを画定するカバー又はキャップ層６６が、壁６４の、上面に配置（例：接着）され、機能化材料層５８に覆われた活性領域５０を含むマイクロ流路７２を囲む。インターフェース層５４は、活性領域５０の中心部７６のみの上に配置するように制御できるよう、好ましくは一つ以上のマスク（例：フォトリソグラフィ及び／又はメカニカルマスク）と合わせて、本明細書中にて開示する任意の配置技術（例：ＡＬＤ、ＣＶＤ、又はＰＶＤ）により堆積させられてもよい。インターフェース層５４は好ましくは、オルガノシラン系ＳＡＭの付着に適した水酸化酸化物面を含む材料、又はチオール系ＳＡＭの付着に適した金又はその他の貴金属を備える。インターフェース層５４を形成した後、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）５６がその上に、任意には、活性領域５０の中心部７６に重なったＳＡＭ５６上のみへのインターフェース層５４の配置の制御のために一つ以上のマスクと合わせて堆積される。任意には、一つ以上のブロッキング材料（図示せず）が、気密層５２上の、インターフェース層５４及びＳＡＭ５６に覆われていない部分上へ図案化されてもよい。ＳＡＭ５６の形成に続き、機能化材料５８はＳＡＭ５６上に堆積されてもよい。機能化材料５８は付着のためにＳＡＭ５６を要求する傾向にあるため、機能化材料５８はＳＡＭ５６上に、活性領域５０の中心部７６上のみに堆積される傾向にある。要求があれば、機能化材料５８を配する最中に、任意に、一つ以上のフォトリソグフィ又はメカニカルマスクをさらに使用してもよい。
図７Ａから９ＣはＢＡＷ共振器構造を組み入れた流体装置の活性領域であり、活性領域の中心部が機能化材料により３つの異なる構成にて覆われた様子を示し、図８Ａから図９Ｃはそれぞれの活性領域に関連して流体が流れる方向を示す中空の矢印をさらに含む。３つの特定の構成（すなわち、図７Ａから図７Ｃ、図８Ａから図８Ｃ及び図９Ａから９Ｃの、それぞれ第一、第二、第三の構成）が示されるが、機能化材料は活性領域の中心部上に、添付する請求項の範囲内である任意の適切な形状又は構成にて提供されると理解される。加えて、開示の簡易性のために円形の活性領域が示されているが、共振器構造の活性領域は円形に限定されず、活性領域は長方形、台形、楕円形、曲線上、又はその他の幾何学計上を含んでもよいことが理解される。
図７Ａは一実施形態によるＢＡＷ共振器構造を組み入れ、（円形をした）活性領域５０Ａの機能化材料５８Ａに覆われた中心部７６Ａを持つ流体装置の活性領域５０Ａであり、活性領域５０Ａの環状の周辺部８４Ａに機能化材料が欠けている状態の、平面概略図である。活性領域５０Ａは最大幅Ｗａ及び最大長Ｌａを持ち、機能化材料は最大幅Ｗｆ及び最大長Ｌｆを持つ。活性領域５０Ａは最高感度を持つ中心点８２Ａを持ち、中心点８２Ａは機能化材料５８Ａに覆われた中心部７６Ａの中心と一致する。機能化材料５８Ａは曲線状の立ち上がりを持つ形状に配置され、曲線状の立ち上がりの中心点７６Ａ’は活性領域５０Ａの中心点８２Ａと、活性領域５０Ａを含む流体装置の流入口（図示せず）の間に配される。中心部７６Ａは対称であり活性領域５０Ａと同心円状であるが、代替の実施形態においては機能化材料に覆われた中心部は活性領域に対して非対称及び／又は非同心円状であってもよい。加えて、機能化材料５８Ａの立ち上がりは曲線状であるが、立ち上がりは、直線、傾斜付き、鋸歯、又は他の幾何学的構成などの、任意の適切な形状としてもよい。図７Ｂ及び７Ｃは、図７Ａの機能化材料５８Ａ及び活性領域５０Ａのそれぞれ側方及び前方からの断面概略図であり、機能化材料５８Ａは活性領域５０Ａの中心部７６Ａ上に配され、中心部７６Ａは機能化材料に覆われていない周辺部８４Ａに囲まれている。
図８Ａは一実施形態によるＢＡＷ共振器構造を組み入れた流体装置の活性領域５０Ｂであり、（円形である）活性領域５０Ｂの中心部７６Ｂが長さより幅が大きい楕円形に配置された機能化材料５８Ｂに覆われ、活性領域の最大幅が機能化材料５８Ｂの最大幅よりも大きく、活性領域の周辺部に機能化材料が欠けている状態の、平面概略図である。活性領域５０Ｂは最大幅Ｗａ及び最大長Ｌａを持ち、機能化材料５８Ｂは最大幅Ｗｆ及び最大長Ｌｆを持つ。図示するように、Ｗｆ＞Ｌｆ、Ｗａ＞Ｗｆ、そしてＬａ＞Ｌｆである。活性領域５０Ｂは最高感度を持つ中心点８２Ｂを持ち、中心点８２Ｂは機能化材料５８Ｂに覆われた中心部７６Ｂの中心と一致する。図８Ｂ及び８Ｃは、図８Ａの活性領域５０Ｂ及び機能化材料５８Ｂのそれぞれ側方及び前方から見た断面概略図であり、機能化材料５８Ｂは活性領域５０Ｂの中心部７６Ｂ上に配され、中心部７６Ｂは機能化材料に覆われていない周辺部８４Ｂに囲まれている。機能化材料５８Ｂは曲線状の立ち上がりを持つ形状に配置され、湾曲状の立ち上がりの中心点７６Ｂ’は活性領域５０Ｂの中心点８２Ｂと、活性領域５０Ｂを含む流体装置の流入口（図示せず）の間に配される。
図９Ａは一実施形態によるＢＡＷ共振器構造を組み入れた流体装置の活性領域５０Ｃであり、活性領域５０Ｃの中心部７６Ｃが長さより幅が大きい長尺の楕円形に配置された機能化材料５８Ｃに覆われ、活性領域５０Ｃの最大幅が機能化材料５８Ｃの最大幅と同じで、活性領域５０Ｃの三日月形部分前方及び後方周辺部８４Ｃに機能化材料が欠けている状態の、平面概略図である。活性領域５０Ｃは最大幅Ｗａ及び最大長Ｌａを持ち、機能化材料５８Ｃは最大幅Ｗｆ及び最大長Ｌｆを持つ。図示するように、Ｗｆ＞Ｌｆ、Ｗａ＝Ｗｆ、そしてＬａ＞Ｌｆである。活性領域５０Ｃは最高感度を持つ中心点８２Ｃを持ち、中心点８２Ｃは機能化材料５８Ｃに覆われた中心部７６Ｃの中心と一致する。図９Ｂ及び図９Ｃは、図９Ａの活性領域５０Ｃ及び機能化材料５８Ｃのそれぞれ横及び前面から見た断面概略図であり、機能化材料５８Ｃは活性領域５０Ｃの中心部７６ＣＢ上に配され、中心部７６Ｃは前方及び後方の末端にて、機能化材料に覆われていない三日月形の周辺部８４Ｃと接合している。機能化材料５８Ｃは曲線状の立ち上がりを持つ形状に配置され、曲線状の立ち上がりの中心点７６Ｃ’は活性領域５０Ｃの中心点８２Ｃと、活性領域５０Ｃを含む流体装置の流入口（図示せず）の間に配される。
図７Ａ、図８Ａ及び図９Ａに示される構成を比較して、図７Ａにおける機能化材料５８Ａを付着された中心部７６Ａの円形構成は、活性領域５０Ａの中心部全体が機能化材料５８Ａで覆われた場合と比較して高感度を示す傾向があるが、機能化材料５８Ａの立ち上がり（周辺部８４Ａと中心部７６Ａの間の境界）が中心点８２Ａよりも活性領域５０Ａの側方端と非常に近いため、検体濃度が非常に低い場合は最適でない可能性がある。加えて、周辺部８４Ａの一部に沿って機能化材料が配されていないことは、検体のうちいくらかは周辺部８４Ａ上を、機能化材料５８Ａと相互作用しないまま即座に移動することを示す。図８Ａの機能化材料５８Ｂを付着された中心部７６Ｂの楕円形構成は、機能化材料５８Ｂの立ち上がり（周辺部８４Ｂと中心部７６Ｂの間の境界）が活性領域５０Ｂの側方端よりも中心点８２Ｂにより近いため、機能化材料５８Ｂの立ち上がりにおけるいかなる初期検体蓄積は図７Ａに示したよりも中心点８２Ｂにより近い場所で起こり、それゆえ、図７Ａに示した構成よりもより高感度となる。しかしながら、周辺部８４Ｂの一部に沿って機能化材料が配されていないことは、検体のうちいくらかは周辺部８４Ｂ上（すなわち最も細い部分）を、機能化材料５８Ｂと相互作用（すなわち結合）しないまま即座に移動することを示す。図９Ａにおける機能化材料５８Ｃが付着し中心部７６Ｃが引き延ばされた楕円形の構成は、活性領域の幅Ｗａ全体における機能化材料５８Ｃの存在により活性領域５０Ｃ上を即座に移動する検体が機能化材料５８Ｃと相互作用（すなわち結合）する可能性が高いため、図８Ａの校正と比較してさらに高感度を示す傾向にある。
図１０から図１２は、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）を共振器の活性領域の全体よりも少ない部分に配置し、結果としてＳＡＭを覆う機能化材料を活性領域の全体よりも少ない領域に配置することを可能にする、ＳＡＭの堆積の制御方法を示す。
図１０は、窓８８を通して、活性領域５０の周辺部８４上にＳＡＭを形成せずに活性領域５０の中心部７６の上に自己組織化単分子膜５６を堆積させる目的にて、窓８８を画定するメカニカルマスク８６が前駆材料９０を許容するために配置されたＢＡＷ共振器構造の活性領域５０の、側方断面概略図である。ＳＡＭ５６の形成に続いて、メカニカルマスク８６が取り除かれる。エッチング、レーザー切断又は噴射水切削又は同種の任意の適切な手段により一つ以上の窓８８がメカニカルマスク８６内に形成されてもよい。
図１１は、ＳＡＭ５６のための前駆材料９０をフォトレジスト層９２中の窓９４を通して、活性領域５０の中心部７６上に活性領域５０の周辺部８４上にＳＡＭを形成せずに堆積させることを目的として、図案入りフォトレジスト層９２が重ねられたＢＡＷ共振器構造の活性領域５０の中心部７６の、側方断面概略図である。フォトレジスト層９２の窓９４はフォトリソグラフィエッチング又は従来の方法により形成されてもよい。ＳＡＭ５６の形成後、好ましくはＳＡＭ５６を劣化させない傾向のある化学的手段にてフォトレジスト層９２が除去されてもよい。特定の幾つかの実施形態では、一つ以上の除去可能な保護層（例：インバースメカニカルマスク又は化学コーティング）が、フォトレジスト層９２の除去中、ＳＡＭ５６の変質を防ぐためにＳＡＭ５６上に配置されてもよく、そのあと保護層を除去する。
図１２Ａは、放射を防御するメカニカルマスク９６がＳＡＭ５６の上に配置され、ＳＡＭ５６を選択的に部分的に除去するために、電磁気放射源９８がマスクの開口（開口部）又はメカニカルマスク９６の境界を通じて光線９８Ａを送信するために配置された、オルガノシラン系のＳＡＭ５６が重ねられたＢＡＷ共振器構造の活性領域５０の側方断面概略図である。特定の幾つかの実施形態では、電磁気放射源９８は、約１５０ｎｍから４００ｎｍの範囲のピーク波長を持つ紫外域の電磁気放射を行うよう構成される。図１２Ｂは、ＳＡＭ５６が活性領域５０の中心部７６のみを覆うように、活性領域５０の周辺部８４のＳＡＭ５６を除去した後の、図１２ＡのＢＡＷ共振器構造の活性領域５０の側方断面概略図である。特定の実施例では、活性領域５０の中心部７６を覆うように、ＳＡＭ５６上に、周辺部８４上に開口が配置され、第二のメカニカルマスク（図示せず）が配置されて、ブロッキング層材料（図示せず）が、第二のメカニカルマスクに画定された少なくとも一つの開口を通してＳＡＭ５６に覆われていないＢＡＷ共振器構造（例：活性領域５０の周辺部８４に限らない領域を含む）を部分的に覆うように適用されてもよい。
図１３は本明細書中にて開示する気密層、インターフェース層、自己組織化単分子膜、及び機能化（例：特異的結合）材料を受け取ることに適したバルク弾性波ＭＥＭＳ共振装置３０（図２に示す共振装置３０の一部分と整合している）の平面図写真である。ＭＥＭＳ共振装置３０は基板３２上に配置された圧電材料（図示せず）、圧電材料の一部分の下に配置された下側電極４０、圧電材料の一部分の上に配置された上側電極４８を含み、圧電材料が上側電極４８と下側電極４０が重なる領域の間に配置された活性領域５０を含む。外部から到達可能な接点４０Ａ、４８Ａは下側電極４０、上側電極４８とそれぞれ電気的に接触している。ＭＥＭＳ共振装置３０がインターフェース層、自己組織化単分子膜、本明細書にて開示した機能化（例：特異的結合）材料、により部分的に覆われた後、共振装置３０がセンサとして使用されてもよく、そして／又はマイクロ流体装置に組み入れられてもよい。要求があれば、一枚の基板３２上に複数のＭＥＭＳ共振装置３０が配列されて提供されてもよい。
図１４は本明細書にて開示した複数のバルク弾性波ＭＥＭＳ共振装置を搭載した基板１０２、ＭＥＭＳ共振装置の活性領域１０８Ａから１０８Ｎと重なった中心マイクロ流体チャネル１２２を画定する中間層１２０、中間層１２０をカバーするよう配置されたキャップ又はカバー層１３０を組み込んだマイクロ流体装置１００の斜視集合図である。弾性波反射器（図示せず）及び圧電材料（図示せず）を含む基板１０２の上部の中心部は、上側電極１０６及び下側電極１０４Ａから１０４Ｎを含む。前述の電極が、間に配された圧電材料と互いに重なり合う領域は、活性領域１０８Ａから１０８Ｎを形成する。図１４には５つの活性領域が示されているが、任意の適切な数の活性領域１０８Ａから１０８Ｎが提供され、直列又は平行に流体的に配置されてもよい。基板１０２の上部の周辺（又は上端）部分はさらに、参照重複領域１１０と通信状態である参照上側電極１１６及び参照下側電極１１４を含む。これらの参照重複領域１１０は流体へ露出せず、中心マイクロ流体チャネル１２２内の活性領域１０８Ａから１０８Ｎより得られた信号を比較するための基準を提供する。基板１０２は、中心マイクロ流体チャネル１２２が流体を受け取り、参照重複領域１１０を上から封入する形で覆う周辺空洞１２４を画定するよう意図される中間（例：壁を画定する）層１２０に覆われる。中間層１２０は、任意に一つ以上の粘着面（例：接着テープ）等を含む、ＳＵ－８ネガティブエポキシレジスト、その他のフォトレジスト材料、又はレーザー切断した「ステンシル」層のような任意の適切な材料により形成されてもよい。中間層１２０はさらに、マイクロ流体装置１００の組み立て中に上側電極１０６及び下側電極１０４Ａから１０４Ｎの側方部分が接触されることを可能にする側方挿入領域１２６を含む。キャップ又はカバー層１３０は、中間層１２０の側方挿入領域１２６に重なった側方挿入領域１３６を含み、上面１３８に沿って接触可能であり中間層１２０内に画定され流体（例：液体）を活性領域１０８Ａから１０８Ｎ上の中心マイクロ流体チャネル１２２に提供することを可能にする中心マイクロ流体チャネル１２２の末端部に重なったマイクロ流体口１３２、１３４を含む。好ましくは、電極１０４Ａから１０４Ｎ、１０６は、本明細書で開示する気密層、インターフェース層、自己組織化単分子膜、機能化（例：特異的結合）材料に覆われる。当業者が本開示を吟味したうえで認識するその他の構成によるマイクロ流体装置が提供されてもよい。
図１５は、一実施形態による、少なくとも部分的にインターフェース層及び自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）に覆わることを仮定し、機能化材料（例：特異的又は非特異的結合材）を受領することに適した活性領域５０を含む、圧電薄膜共振子（ＦＢＡＲ）構造１４０の断面概略図である。ＦＢＡＲ構造１４０はサポート層１４６（例：二酸化ケイ素）に覆われた孔１４４を画定する基板１４２（例：ケイ素又は他の半導体材料）を含む。下側電極４０はサポート層１４６の一部分の上に配置され、好ましくは傾斜したｃ軸六方晶構造の圧電材料（例：ＡｌＮ又はＺｎＯ）を持つ圧電材料４２は下側電極４０とサポート層１４６の上に配置され、上側電極４８は圧電材料４２の上面の少なくとも一部分上に配置される。上側電極４８と下側電極４０の間に配置される、圧電材料４２の一部分は、ＦＢＡＲ構造１４０の活性領域５０を形成する。活性領域５０は、サポート層１４６の下に配置された孔１４４上に重なるように形成される。弾性波は孔１４４内を効果的に伝搬しないため、孔１４４は、弾性波エネルギーの基板１４２への消散を防ぐことにより、活性領域５０内に誘起された弾性波を閉じ込めるよう機能する。この点において、孔１４４は図２及び図４から図６に示された弾性波反射器３４の代替となる。図１５に示された孔１４４は、基板１４２の薄い部分により下から境界付けられるが、代替の実施形態では、孔１４４の少なくとも一部分が基板１４２の厚み全体にわたって延びてもよい。ＦＢＡＲ構造１４０を形成するステップは、板１４２中に孔１４４を画定し、孔１４４に犠牲材料（図示せず）を満たし、任意にはその後に犠牲材料を平面化し、サポート層１４６を基板１４２と犠牲材料の上に堆積させ、犠牲材料を除去し（例：基板１４２、サポート層１４６、又は基板１４２の側方端に画定された垂直開口からエッチング液を流すことにより）、サポート層１４６上に下側電極４０を配置し、圧電材料４２を育成し、上側電極４８を配置することを含んでもよい。
図１６は図１５のＦＢＡＲ構造１４０の、気密層５２、インターフェース層５４、自己組織化単分子膜５６、及び機能化材料層５８（例：特異的結合材）をＦＢＡＲ構造１４０の少なくとも複数の部分の上に配置した状態における、断面概略図である。機能化材料層５８は活性領域５０の中心部７６上のみに配置され、インターフェース層５４及びＳＡＭ５６は同様に中心部７６上のみに配置される。図１６に示すように、検体６２は、任意にはマイクロ流体装置の一部として、機能化材料層５８を、検体を含む媒体（例：液体又は流体）に露出した後に起こり得るように、機能化材料層５８に結合する。
当業者は本開示の好ましい実施形態に対する改善及び変更を認識するであろう。そのような改善及び変更は本明細書にて開示する概念及び以下の請求項の範疇であると考えられる。

Claims (20)

  1. 基板と、
    前記基板の少なくとも一部分上に配置されたバルク弾性波共振器構造であって、前記バルク弾性波共振器構造は圧電材料と、前記圧電材料の一部分の上に配置された上側電極と、前記圧電材料と前記基板の間に配置された下側電極と、を含み、前記圧電材料の一部分は前記上側電極と前記下側電極の間に配置され活性領域を形成し、前記上側電極は前記下側電極と重なり前記活性領域と一致する活性領域部分を備え、前記活性領域部分は活性領域幅を含み、前記活性領域部分は前記活性領域幅に対して直角の方向に活性領域長さを含むようなバルク弾性波共振器構造と、
    前記上側電極の少なくとも中心部上に配され、最大長さが前記活性領域長さの約２０％から９５％の範囲を占め、最大幅が前期活性領域幅の約５０％から１００％の範囲を占める、前記少なくとも一つの機能化材料と、
    を備え、活性領域長さは、少なくとも一つの機能化材料に接する液体の流れの方向で定義され、当該液体の流れは、前記活性領域の上流から前記活性領域に向かって活性領域の長さに概ね平行である、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）共振装置。
  2. 前記少なくとも一つの機能化材料の前記最大幅が機能化材料の前記最大長さを超える、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振装置。
  3. 前記上側電極と前記少なくとも一つの機能化材料の間に配置された自己組織化単分子膜をさらに備える、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振装置。
  4. 前記上側電極と前記少なくとも一つの機能化材料の間に配置されたインターフェース層をさらに備える、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振装置。
  5. 前記上側電極が非貴金属を備え、前記ＭＥＭＳ共振装置が前記インターフェース層と前記上側電極の間に気密層をさらに備える、請求項４に記載のＭＥＭＳ共振装置。
  6. 前記インターフェース層と前記少なくとも一つの機能化材料の間に配置された自己組織化単分子膜をさらに備える、請求項４に記載のＭＥＭＳ共振装置。
  7. 前記少なくとも一つの機能化材料は特異的結合材又は非特異的結合材を備える、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振装置。
  8. 前記圧電材料は前記基板の面の法線方向に対して支配的に平行ではない配向を持つｃ軸を備える、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振装置。
  9. 前記基板と前記バルク弾性波共振器構造の間に少なくとも一つの弾性波反射器要素をさらに備える、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振装置。
  10. 前記基板は凹部を画定し、前記ＭＥＭＳ共振装置は前記バルク弾性波共振器構造と前記凹部の間に配置されたサポート層をさらに備え、前記活性領域は前記サポート層の少なくとも一部分と前記凹部の少なくとも一部分の上に配置される、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振装置。
  11. 前記圧電材料の一部分であり前記活性領域とは一致しない領域の上にブロッキング層をさらに備える、請求項１に記載のＭＥＭＳ共振装置。
  12. 請求項１に記載のＭＥＭＳ共振装置を備えるセンサ。
  13. 請求項１に記載のＭＥＭＳ共振装置と、前記活性領域及び前記少なくとも一つの機能化材料に接するよう液体の流れを起こすよう配置された流路とを備え、前記流路は、前記活性領域の上流の流入口から前記活性領域に向かって前記活性領域長さ方向に概ね平行な液体の前記流れを起こすよう配置される、流体装置。
  14. 前記少なくとも一つの機能化材料は立ち上がりを備える形に配置され、前記立ち上がりの中心点が前記流入口と前記活性領域の中心の間になるように配置される、請求項１３に記載の流体装置。
  15. 対象種の少なくともいくらかが前記少なくとも一つの機能化材料と結合するように、請求項１３に記載の流体装置の前記流路に前記対象種を含む流体を提供することと、
    前記活性領域がバルク弾性波を含むことと、
    前記少なくとも一つの機能化材料に結合する対象種の存在の有無又は量のうち少なくとも一つを示す、前記バルク弾性波共振器構造の周波数特性、振幅特性、位相特性のうち少なくとも一つの変化をセンシングすることと、を含む、
    生物学的又は化学的なセンシング方法。
  16. 圧電材料と、前記圧電材料の一部分の上に配置された上側電極と、前記圧電材料と基板の間に配置された下側電極と、を含み、前記圧電材料の一部分は前記上側電極と前記下側電極の間に配置され活性領域を形成し、前記上側電極は前記下側電極と重なり前記活性領域と一致する活性領域部分を備え、前記活性領域部分は活性領域幅を含み、前記活性領域部分は前記活性領域幅に対して直角の方向に延びる活性領域長さを含むようなバルク弾性波共振器構造を形成することと、
    前記上側電極の少なくとも中心部上に少なくとも一つの機能化材料を堆積させ、前記少なくとも一つの機能化材料の最大長さは前記活性領域長さの約２０％から９５％の範囲を占め、最大幅は前期活性領域幅の約５０％から１００％の範囲を占めることと、を含み、活性領域長さは、少なくとも一つの機能化材料に接する液体の流れの方向で定義され、当該液体の流れは、前記活性領域の上流から前記活性領域に向かって活性領域の長さに概ね平行である、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）共振装置を製造する方法。
  17. 前記上側電極の少なくとも一部分の上に、前記少なくとも一つの機能化材料を前記堆積させる前に自己組織化単分子膜を形成することを含み、前記少なくとも一つの機能化材料は前記自己組織化単分子膜の少なくとも一部分の上に配置されることをさらに含む、請求項１６に記載の方法。
  18. 前記上側電極の少なくとも一部分上の自己組織化単分子膜の前記形成は
    前記上側電極の上に前記自己組織化単分子膜を適用することと、
    第一のメカニカルマスクを前記自己組織化単分子膜の上に配置し、前期第一のメカニカルマスクは、前記自己組織化単分子膜の少なくとも一つの第一の部分が露出する少なくとも一つの第一の開口を画定することと、
    前記自己組織化単分子膜の前記少なくとも一つの第一の部分の除去を促進することを目的として、前記自己組織化単分子膜の前記少なくとも一つの第一の部分と相互作用するために、前記少なくとも一つの第一の開口からピーク波長が約１５０ｎｍから４００ｎｍの範囲である電磁気放射を送信することと、
    を含む、請求項１７に記載の方法。
  19. 第二のメカニカルマスクを、前記活性領域を含む前記バルク弾性波共振器構造の少なくとも一部分の上に、前記第二のメカニカルマスクは前記自己組織化単分子膜の少なくとも一つの第二の部分が露出する少なくとも一つの第二の開口を画定するように配置することと、
    前記自己組織化単分子膜の前記少なくとも一つの第二の部分に前記少なくとも一つの第二の開口を通してブロッキング層を適用することと、
    をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
  20. バルク弾性波共振器構造の一部分上に前記活性領域を覆う流路を画定するよう少なくとも一つの壁を形成することをさらに含み、前期流路は前記活性領域の上流の流入口から前記活性領域に向かって前記活性領域長さ方向に概ね平行な流体の流れを起こすよう配置され、前記流路は前記少なくとも一つの機能化材料に接するよう液体の前記流れを起こすよう配置される、請求項１６に記載の方法。
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