[发明专利]具有声学振动的剪切模式和纵向模式的增强反射的谐振器结构

说明书

一种牢固安装的谐振器结构包括多层声反射器结构和布置在第一电极结构和第二电极结构之间以形成有源区的压电材料层，其中所述声反射器结构提供声学振动的剪切模式和纵向模式的增强反射。所述牢固安装的谐振器结构构造成转换包含纵向分量和剪切分量的声波。所述声反射器结构包括多个顺次布置的差分声阻抗层单元，每个差分声阻抗层单元包括与高声阻抗材料层接触的低声阻抗材料层。对应于纵向响应的第二谐波共振的最小透射率的频率与对应于剪切响应的第三谐波共振的最小透射率的频率基本匹配。

有关申请的声明

本申请要求2015年10月21日提交的临时专利申请序号62/244,284的权益，其全部公开内容通过引用结合到本文中。

技术领域

本公开涉及谐振器结构，并且特别涉及反射声学振动的剪切模式和纵向模式的谐振器结构。

背景

生物传感器(或生物学传感器)是包括生物学元件和将生物学响应转化为电信号的转换器的分析装置。某些生物传感器涉及在特异性结合材料(例如，抗体、受体、配体等)与靶物质(例如，分子、蛋白、DNA、病毒、细菌等)之间的选择性生物化学反应，并且这种高度特异性反应的产物通过转换器转化为可测量的量。其他传感器可以利用能够结合可能存在于样品中的多种类型或种类的分子或其他部分的非特异性结合材料。术语“官能化材料”在本文中可以用于概括地涉及特异性结合材料和非特异性结合材料。与生物传感器一起使用的转换方法可以基于各种原理，诸如电化学、光学、电学、声学等。其中，声学转换提供了许多潜在的优点，诸如实时性、无标签、低成本以及表现出高灵敏度。

声波装置采用传播经过特异性结合材料或在特异性结合材料的表面上传播的声波，由此传播路径的特性的任何改变都会影响波的速度和/或幅度。在声波装置的有源区上或之上存在官能化材料允许分析物结合到官能化材料上，从而改变被声波振动的物质并改变波传播特性(例如速度，从而改变共振频率)。速度的变化可以通过测量传感器的频率或相位特性来监测，并且可以与被测量的物理量相关联。

由于具有高灵敏度、高分辨率和高可靠性的潜力，人们对用于高频传感应用的电声装置的兴趣日益浓厚。然而，将电声技术应用于某些传感器应用-特别是在液体/粘性介质中操作的传感器(例如，化学和生物化学传感器)-并不是平常的，因为纵向和表面波在这类介质中表现出相当大的声泄漏，从而抑制了传感能力。

在压电晶体谐振器的情况下，声波可以表现为通过压电材料的内部(或“本体”)传播的体声波(BAW)。BAW装置通常涉及使用布置在压电材料的相对的顶表面和底表面上的电极来转换声波。在BAW装置中，三种波模式可以传播，即，一种纵向模式(表现为纵向波，也称为压缩波/拉伸波，和两种剪切模式(表现为剪切波，也称为横波)，其中纵向模式和剪切模式分别确定其中质点运动与波传播方向平行或垂直的振动。纵向模式的特征在于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，而没有局部体积变化。纵向模式和剪切模式以不同的速度传播。实际上，这些模式不一定是纯粹的模式，因为质点振动或偏振既不是纯粹平行于传播方向，也不是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相对于晶轴取向的传播方向。产生剪切位移的能力对于使用流体的声波装置的操作是有益的，因为剪切波不会赋予流体显著的能量。

某些压电薄膜能够激发纵向模式共振和剪切模式共振两者，诸如包括氮化铝(AlN)和氧化锌(ZnO)的六方晶系压电材料。为了使用标准夹心电极构造装置激发包括剪切模式的波，压电薄膜中的偏振轴通常必须不垂直于膜平面(例如，相对于膜平面倾斜)。在涉及液体介质的生物传感应用中，使用谐振器的剪切分量，因为它不会被液体负载完全阻尼。在这种情况下，压电材料以相对于下面基材的面非垂直的c-轴取向分布生长，以使剪切分量能够相对于纵向分量增加。