[发明专利]微机械传感器、传感器阵列和方法

说明书

发明背景

发明领域

本发明涉及传感器。尤其是，本发明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。本发明也涉及用于微机械地分析液态样品的方法。

背景技术

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[文献1-4]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。采用弯曲波模式的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-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。

发明内容

本发明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BAW传感器。

本发明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。

本发明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。

本发明基于这样一个想法，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。

根据本发明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。

根据本发明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。

根据本发明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，本发明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。