专利摘要
本发明提供了一种设备，包括薄膜体声波谐振器，该薄膜体声波谐振器如包括声反射镜、在声学上连接至声反射镜的压电区域、电连接至压电区域的第一导体和第二导体。在一种实施例中，集成电路衬底可以包括连接至谐振器的第一导体和第二导体的接口电路，该集成电路衬底构造为机械地支撑谐振器。一种实施例可以包括这种谐振器的阵列，其与接口电路共同集成在一起并构造为检测与指定蛋白结合、指定抗体-抗原耦合、DNA低聚体的指定杂化或指定气体分子的吸附中的一个或多个相关联的质量变化。
权利要求
1.一种设备，包括：
薄膜体声波谐振器，包括：
声反射镜；
压电区域，在声学上连接至声反射镜；
第一导体，电连接至压电区域；和
第二导体，电连接至压电区域并与第一导体电绝缘；
集成电路衬底，包括接口电路，所述第一导体和第二导体电连接至接口电路；
其中集成电路衬底构造为机械地支撑谐振器；并且
其中声反射镜构造为抑制或阻止声能以薄膜体声波谐振器的谐振频率或附近的频率从压电区域耦合到集成电路衬底中。
2.根据权利要求1所述的设备，其中压电区域包括氧化锌。
3.根据权利要求1所述的设备，其中声反射镜包括钨和二氧化硅的交替层。
4.根据权利要求3所述的设备，其中接口电路包括CMOS电路，并且
其中谐振器位于集成电路的顶面上。
5.根据权利要求1所述的设备，包括振荡器，该振荡器包括接口电路的至少一部分和所述声波谐振器。
6.根据权利要求5所述的设备，其中所述振荡器的工作频率至少部分地由加载所述压电区域的质量确定。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述谐振器包括感测表面，该感测表面构造为检测指定蛋白结合、指定抗体-抗原耦合、DNA低聚体的指定杂化或指定气体分子的吸附中的至少一种。
8.根据权利要求7所述的设备，其中所述感测表面被功能化为吸附气体分子。
9.根据权利要求7所述的设备，其中所述感测表面包括固定抗体、抗体片段或核酸探测器。
10.根据权利要求7所述的设备，其中所述感测表面构造为响应于指定蛋白结合、指定抗体-抗原耦合、DNA低聚体的指定杂化或指定气体分子的吸附中的至少一种来增加质量。
11.根据权利要求5所述的设备，其中所述振荡器构造为采用该谐振器的机械振荡的剪切模式进行运行。
12.根据权利要求5所述的设备，其中所述振荡器构造为当该设备与液体介质接触或由液体介质包围时以指定工作频率振荡。
13.根据权利要求5所述的设备，其中所述集成电路包括频率计数器，该频率计数器连接至所述振荡器并构造为提供表示所述振荡器的振荡频率的信息。
14.一种设备，包括：
薄膜体声波谐振器阵列，每个谐振器包括：
声反射镜；
压电区域，在声学上连接至声反射镜；
第一导体，电连接至压电区域；和
第二导体，电连接至压电区域并与第一导体电绝缘；
包括接口电路的集成电路衬底，每个谐振器的第一导体和第二导体电连接至接口电路；
其中集成电路衬底构造为机械地支撑所述谐振器阵列；
其中每个对应的声反射镜构造为减少或抑制声能以包括所述对应的声反射镜的对应薄膜体声波谐振器的谐振频率或附近的频率从对应的压电区域耦合到集成电路衬底中；并且
其中所述阵列包括振荡器阵列，每个振荡器包括接口电路的至少一部分和至少一个声波谐振器。
15.根据权利要求14所述的设备，其中包括在所述阵列中的至少一个振荡器包括谐振器，该谐振器包括感测表面，该感测表面构造为检测指定蛋白结合、指定抗体-抗原耦合、DNA低聚体的指定杂化和指定气体分子的吸附中的至少一种。
16.根据权利要求14所述的设备，其中所述集成电路包括频率计数器，该频率计数器连接至包括在所述阵列中的至少一个振荡器并构造为提供表示所述至少一个振荡器的振荡频率的信息。
17.一种方法，包括下述步骤：
在集成电路衬底上形成薄膜体声波谐振器，包括下述步骤：
形成声反射镜，该声反射镜构造为降低声能以薄膜体声波谐振器的谐振频率或附近的频率从压电区域耦合到集成电路衬底中；
形成在声学上连接至声反射镜的压电区域；
将第一导体电连接在压电区域和包括在集成电路衬底中的接口电路之间；以及
将第二导体电连接在压电区域和包括在集成电路衬底中的接口电路之间。
18.根据权利要求17所述的方法，其中将第一导体和第二导体电连接至压电区域的步骤包括沉积金属。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述金属包括钨。
20.根据权利要求17所述的方法，其中形成声反射镜的步骤包括在集成电路衬底的顶面上形成二氧化硅和钨的交替层。
21.根据权利要求17所述的方法，包括在集成电路衬底上形成薄膜体声波谐振器阵列的步骤。
22.根据权利要求17所述的方法，包括在所述谐振器上提供感测表面的步骤，该感测表面用于检测指定蛋白结合、指定抗体-抗原耦合、DNA低聚体的指定杂化或指定气体分子的吸附中的至少一种。
23.根据权利要求17所述的方法，包括功能化所述谐振器上的感测表面以促进指定气体分子的吸附的步骤。
24.根据权利要求17所述的方法，包括下述步骤：
提供使用所述接口电路的至少一部分和所述谐振器的振荡器；和
其中所述振荡器的工作频率至少部分地由加载所述压电区域的质量确定。
25.根据权利要求24所述的方法，包括提供频率计数器的步骤，该频率计数器构造为采用所述接口电路的至少一部分测量表示所述振荡器的振荡频率的信息。
说明书
要求优先权
在此要求于2009年4月29日递交的美国临时专利申请序列No.61/173,866(代理案号No.2413.107PRV)和于2009年5月7日递交的美国临时专利申请序列No.61/215,611(代理案号No.2413.107PV2)的优先权权益，通过引用将这两个申请的全部内容结合于此。
关于联邦政府赞助研究或开发的声明
本发明是在来自国家环境健康科学协会(National Institute of Environmental Health Sciences)或国家健康协会(National Institutes of Health)的资助号U01ES016074下由政府支持进行的。政府在本发明中具有一定的权利。
版权信息
本专利文献的公开内容的一部分包含受版权保护的材料。版权所有者不反对由专利文献或专利公开内容的任何人复制，如它出现在专利商标局专利文件或记录中一样，但另外无论如何保留所有版权。接下来的信息适用于形成本文献的一部分的附图和图片：版权2010，纽约市哥伦比亚大学信托人，版权所有(Copyright 2010，The Trustees of Columbia University in the City of New York，All Rights Reserved)。
背景技术
超高精质量感测会是重要的检测方法，如用于生物分子和化学检测。通过质量检测分子不需要要求化学或荧光标记，这可以允许简化检测规程和用于受标记的不利影响的系统中的感测。例如，荧光标记的一般粘合剂的有限交叉反应会限制如其中用于分析或表征多种细胞、生物标志、自身免疫性疾病的蛋白质化验的特异性。此外，未结合的标记指示器的使用也会具有限制，如阻止约束性事件的实时检测和量化，同样未结合的指示器在光学询问之前必须洗净。
发明内容
其中，本文献呈现了一种机械地和电学地连接至诸如互补金属-氧化物-半导体(CMOS)集成电路之类的有源集成电路的单块、集成式固贴式薄膜体声波谐振器(FBAR)。这种FBAR-CMOS传感器或这种传感器的单块阵列可以用于质量感测应用。与外部连接的FBAR结构或其它类型的谐振质量传感器相反，本发明人已经认识到，集成传感器阵列可以直接构建在有源驱动和读出电路的上方。在FBAR-CMOS阵列中，包括在该阵列的一个或多个单独的FBAR质量传感器可以以指定的方式起作用或功能化，如用于捕获特定蛋白质、核酸或气体分子。这种功能化的传感器阵列可以允许对单个(如，单块)传感器芯片上的多个目标进行同时、多路的、高灵敏度的测量(如，多种、不同种类的检测或测量)。在其它实施例中，一个或多个FBAR-CMOS器件可以用作滤波器、振荡器或变压器，如其中用于微波或固态功率转换应用。
单块、固贴式FBAR谐振设备可以包括位于机械隔离的声反射镜的顶上的压电氧化锌谐振器。当声波通过四分之一波长层和相长干涉向回反射到谐振器中时，该反射镜可以起机械模拟光学布拉格堆栈的作用。通过隔离声反射镜进行的这种反射可以抑制或防止声能耦合到谐振器下面的衬底中。
在实施例1中，一种设备可以包括薄膜体声波谐振器，该薄膜体声波谐振器包括声反射镜、在声学上连接至声反射镜的压电区域、电连接至压电区域的第一导体、以及电连接至压电区域并与第一导体电绝缘的第二导体。在实施例1，该设备任选地包括集成电路衬底，该集成电路衬底包括接口电路，所述第一导体和第二导体电连接至接口电路，该集成电路衬底构造为机械地支撑谐振器，声反射镜构造为抑制或阻止声能以薄膜体声波谐振器的谐振频率或附近的频率从压电区域耦合到集成电路衬底中。
在实施例2中，实施例1的主题任选地包括包含氧化锌的压电区域。
在实施例3中，实施例1-2中的任意一个或多个的主题任选地包括声反射镜，该声反射镜包括钨和二氧化硅的交替层。
在实施例4中，实施例1-3中的任意一个或多个的主题任选地包括包含CMOS电路的接口电路和位于集成电路的顶面上的谐振器。
在实施例5中，实施例1-4中的任意一个或多个的主题任选地包括振荡器，该振荡器包括接口电路的至少一部分和所述声波谐振器。
在实施例6中，实施例1-5中的任意一个或多个的主题任选地包括至少部分地由加载所述压电区域的质量确定的振荡器工作频率。
在实施例7中，实施例1-6中的任意一个或多个的主题任选地包括谐振器，所述谐振器包括感测表面，该感测表面构造为检测指定蛋白结合、指定抗体-抗原耦合、DNA低聚体的指定杂化或指定气体分子的吸附中的至少一种。
在实施例8中，实施例1-7中的任意一个或多个的主题任选地包括被功能化为吸附气体分子的感测表面。
在实施例9中，实施例1-8中的任意一个或多个的主题任选地包括包括固定抗体、抗体片段或核酸探测器的感测表面。
在实施例10中，实施例1-9中的任意一个或多个的主题任选地包括构造为响应于指定蛋白结合、指定抗体-抗原耦合、DNA低聚体的指定杂化或指定气体分子的吸附中的至少一种增加质量的感测表面。
在实施例11中，实施例1-10中的任意一个或多个的主题任选地包括构造为采用该谐振器的机械振荡的剪切模式(thear mode)进行运行的振荡器。
在实施例12中，实施例1-11中的任意一个或多个的主题任选地包括构造为当该设备与液体介质接触或由液体介质包围时以指定工作频率振荡的振荡器。
在实施例13中，实施例1-12中的任意一个或多个的主题任选地包括集成电路，该集成电路包括频率计数器，该频率计数器连接至所述振荡器并构造为提供表示所述振荡器的振荡频率的信息。
在实施例14中，一种设备，包括薄膜体声波谐振器阵列，每个谐振器包括声反射镜、在声学上连接至声反射镜的压电区域、连接至压电区域的第一导体电、以及电连接至压电区域并与第一导体电绝缘的第二导体。在该实施例中，该设备任选地包括包括接口电路的集成电路衬底，每个谐振器的第一导体和第二导体电连接至接口电路，该集成电路衬底构造为机械地支撑所述谐振器阵列，每个对应的声反射镜构造为减少或抑制声能以包括所述对应的声反射镜的对应薄膜体声波谐振器的谐振频率或附近的频率从对应的压电区域耦合到集成电路衬底中。在该实施例中，所述阵列任选地包括振荡器阵列，每个振荡器包括接口电路的至少一部分和至少一个声波谐振器。
在实施例15中，实施例1-14中的任意一个或多个的主题任选地包括位于该阵列中的至少一个振荡器，所述至少一个振荡器包括谐振器，该谐振器具有感测表面，该感测表面构造为检测指定蛋白结合、指定抗体-抗原耦合、DNA低聚体的指定杂化或指定气体分子的吸附中的至少一种。指
在实施例16中，实施例1-15中的任意一个或多个的主题任选地包括集成电路，所述集成电路包括频率计数器，该频率计数器连接至包括在所述阵列中的至少一个振荡器并构造为提供表示所述至少一个振荡器的振荡频率的信息。
在实施例17中，一种方法，包括在集成电路衬底上形成薄膜体声波谐振器，形成薄膜体声波谐振器的步骤如包括下述步骤：形成声反射镜，该声反射镜构造为降低声能以薄膜体声波谐振器的谐振频率或附近的频率从压电区域耦合到集成电路衬底中；形成在声学上连接至声反射镜的压电区域；将第一导体电连接在压电区域和包括在集成电路衬底中的接口电路之间；以及将第二导体电连接在压电区域和包括在集成电路衬底中的接口电路之间。
在实施例18中，根据实施例1-17中的任意一个或多个的主题，任选地，将第一导体和第二导体电连接至压电区域的步骤包括沉积金属。
在实施例19中，实施例1-18中的任意一个或多个的主题任选地包括沉积钨。
在实施例20中，实施例1-19中的任意一个或多个的主题任选地包括形成声反射镜，形成声反射镜的步骤包括在集成电路衬底的顶面上形成二氧化硅和钨的交替层。
在实施例21中，实施例1-20中的任意一个或多个的主题任选地包括在集成电路衬底上形成薄膜体声波谐振器阵列的步骤。
在实施例22中，实施例1-21中的任意一个或多个的主题任选地包括在所述谐振器上提供感测表面的步骤，该感测表面用于检测指定蛋白结合、指定抗体-抗原耦合、DNA低聚体的指定杂化和指定气体分子的吸附中的至少一种。
在实施例23中，实施例1-22中的任意一个或多个的主题任选地包括功能化所述谐振器上的感测表面以促进指定气体分子的吸附的步骤。
在实施例24中，实施例1-23中的任意一个或多个的主题任选地包括采用所述接口电路的至少一部分和所述谐振器提供振荡器，并且所述振荡器的工作频率至少部分地由加载所述压电区域的质量确定。
在实施例25中，实施例1-24中的任意一个或多个的主题任选地包括提供频率计数器的步骤，该频率计数器构造为采用所述接口电路的至少一部分测量表示所述振荡器的振荡频率的信息。
这些实施例可以以任何排列或组合结合。本概述是要提供本专利申请的主题的综述。它不是要提供本发明的排外的或详尽的说明。具体实施方式被包括以提供关于本专利申请的其它信息。
附图说明
在附图中，相同的数字在不同视图可以描述相似的部件，附图没有必要按比例绘制。具有不同字母后缀的相似数字可以表示相似部件的不同例子。附图大致以举例的方式而非限制性的方式图示在本文献中讨论的多种实施方式。
图1大致图示了薄膜体声波谐振器(FBAR)和接口电路的一部分的侧视图的示例。
图2大致图示了包括FBAR和接口电路的振荡器电路的示例。
图3大致图示了包括声反射镜部的固贴式FBAR的侧视图的示例。
图4A-I大致图示了诸如包括在FBAR-CMOS振荡器阵列中的单块薄膜体声波谐振器(FBAR)的post-CMOS制造的示例。
图5包括如根据图4A-I的示例的处理制造的固贴式单块FBAR的说明性示例的SEM显微照片。
图6包括FBAR-CMOS振荡器的6×4阵列的说明性示例的两个管芯照片，包括CMOS制造之后的第一管芯照片和如根据图4A-I制造的FBAR结构的制造之后的第二管芯照片。
图7A-C大致图示了在玻璃上制造的单个FBAR结构的电性能的说明性示例。
图8一般地图示振荡频率相对沉积的二氧化硅的厚度的图的说明性示例，诸如用于包括图6的示例的6×4阵列的六个不同FBAR-CMOS振荡器。
具体实施方式
在重量分析生物分子检测中，特定抗体、抗体片段或核酸探测器可以固定在诸如机械谐振器之类的机械传感器的表面上。目标分子可以结合至固定的探测器，进一步增加结合质量。在一个例子中，通过电监测轻质、高Q机械谐振器的谐振频率可以进行质量感测，如与将被测量的这种结合材料接触。谐振器表面处的质量增加引起负载系统的机械频率整体降低、且因此电学谐振频率整体降低，并且该频率可以被测量并用来确定质量增加，如随着结合材料的积聚实时确定，而不要求荧光标记。
石英晶体微量天平(QCM)已经用来如以与传统标记免疫测定法可比拟的灵敏度检测抗体和抗原。然而，在QCM中，谐振频率会受到自支撑石英的厚度的限制(如，在兆赫范围内)。在谐振质量传感器中，每单位质量的频率变化范围可以与谐振频率的平方相关联，因此限制QCM的灵敏度。而且，厘米刻度的QCM传感器会排除高密度集成，这会将QCM传感器限制到涉及相对小数量的目标分析物的应用。
相反，本发明人已经认识到薄膜体声波谐振器(FBAR)可以允许比诸如QCM之类的其它谐振结构高的灵敏度幅度量级，因为FBAR可以具有在数百MHz至数千兆赫兹的谐振频率。例如，单独的FBAR可以与有源CMOS元件连接在一起，如通过引线键合或倒装芯片连接方法(如，“外部”连接方法)。但是，这种外部连接会阻止多于一个或两个的谐振器集成在单个芯片中。因此，本发明人还已经认识到，将FBAR连同有源CMOS元件单块地集成在一起可以允许明显比外部连接方法小的尺寸。因此，可以直接在有源驱动和读出电路(如，包括CMOS电路)的上方构建FBAR的集成阵列。在这种质量传感器的阵列中，包括在该阵列中的一个或多个单独的质量传感器可以以指定的方式被功能化或起作用，如用于检测指定蛋白质的结合、指定抗体-抗原耦合、指定杂化DNA低聚体或指定吸附的气体分子。这种功能化传感器的阵列可以允许对单块传感器组件上的多个目标进行同时的、多路的、高灵敏度的测量(如，多种、不同的种类的检测或测量)。
在一种实施例中，FBAR-CMOS传感器或阵列可以用于工业、医疗或农业的免疫测定用途，其中，如用于识别病原体、杂质(contaminent)、过敏原(allergen)、毒素或其它化合物。在另一种实施例中，FBAR-CMOS传感器或阵列可以用作用于静态的(如，在反应终点处)或实时的基因表达的质量传感器。在又一种实施例中，FBAR-CMOS传感器或阵列可以用于气体感测或空气样品监测，如响应于被包括作为FBAR-CMOS传感器或阵列的一部分的感测表面上的表面改性(如，吸附或汽相冷凝)。在其它实施例中，FBAR谐振器还可以用在微波电路应用中。这种FBAR谐振器在高频率下可以具有相对强烈的谐振，如用在滤波器、振荡器中或作为变压器(如，电压或阻抗变压器等)。
图1大致图示了薄膜体声波谐振器(FBAR)102的一部分的侧视图100的示例，薄膜体声波谐振器(FBAR)102包括电连接至第一电极112的感测表面116、压电区域114、第二电极110和接口电路104。在一种实施例中，接口电路104可以如采用第一电连接106A和第二电连接106B电连接至FBAR 102，第一电连接106A和第二电连接106B如包括包括在集成电路中的金属层。在一种实施例中，第一电极112或第二电极110中的一个或多个可以包括如溅射或沉积在集成电路衬底上的钨。在另一种实施例中，可以采用一种或多种其它金属，如金、银等。在图1的示例中，接口电路104可以提供如输送表示振荡频率的电压、电流或其它信号的输出108。在一种实施例中，FBAR102和接口电路104可以提供一种振荡器，如包括至少部分地由结合至或以其它方式加载在感测表面116上的质量确定的工作频率。
在说明性实施例中，FBAR102的高度可以为约2微米，感测表面116的宽度可以为约100微米。在一种实施例中，压电区域114可以包括氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)或一种或多种其它压电聚合物、压电陶瓷或其它压电材料。在一种实施例中，FBAR102可以采用剪切振荡模式谐振，如以在约500MHz至大于2千兆赫的谐振工作频率谐振。在一种实施例中，如图3、图4A-I和图5-6所示，诸如声反射镜之类的机械隔离器可以抑制或阻止声能以FBAR102的谐振工作频率或附近的频率耦合到周围衬底中，如以提供较高的品质因数“Q”(如，更清晰的峰值谐振工作频率)。
图2大致图示了振荡器电路200的示例，振荡器电路200包括FBAR202和接口电路，接口电路包括MOS晶体管M1-M6。在一种实施例中，图2的电路200可以表示如包括在FBAR 202的阵列中的单个传感器，如包括在图6的示例中示出的6×4阵列中的单个传感器。在图2的示例中，FBAR202可以连接至反相CMOS放大器204，放大器204包括如用来形成集成FBAR-CMOS振荡器电路200的MOS晶体管M1-M6。在严格的意义上，MOS晶体管M1-M6不需要包括金属栅，代替的是采用多晶硅或其它导电栅材料，如采用商用0.18微米CMOS制造工艺制造的。类似地，在一种实施例中，除硅之外的半导体材料或除二氧化硅之外的氧化物可以用来实现晶体管M1-M6中的一个或多个。
在图2中，振荡器电路200可以包括皮尔斯(Pierce)振荡器布局。例如，反相放大器204可以被实施为由MOS晶体管M1-M6实现的三个串联式CMOS反相器，如用于提供增益以克服FBAR材料损耗、持续振荡。在图2的示例中，MOS晶体管M7可以向MOS晶体管M1-M6提供偏压。例如，晶体管M7可以包括压控栅极，如被调整以使偏压强度与振荡器负荷平衡。在一种实施例中，晶体管M7可以由节点V偏压处的电压控制，如用于校准振荡器电路或适应单个FBAR传感器中的由于设计或制造变化或其它变化源引起的变化。在一种实施例中，节点V输出处的输出电压可以提供至共合体式或片外模拟或数字频率计数器，如用于在指定操作间隔期间对振荡器200的输出频率进行连续的监测或采样(如，用于测量对应于质量增加的频率漂移，或用于一种或多种其它用途)。
在图2的示例中，第一电容器C1和第二电容器C2可以促进振荡器启动。例如，C1和C2可以包括可以被设置为近似相等的值的金属-绝缘体-金属(MIM)电容器。再一次，术语金属-绝缘体-金属不需要精确地涉及金属板，如电容器C1和C2可以共同集成在与晶体管M1-M7相同的单块CMOS集成电路上。在说明性实施例中，FBAR 102可以由等效Butterworth-Van Dyke电路表示，如图2所示。在该说明性实施例中，Cm、Rm和Lm在电学上可以表示FBAR的动态分量，Co和Rx可以表示FBAR的固有电特性(如，如诸如ZnO之类的压电材料的整体性质)。在一种实施例中，FBAR 102可以用作用于振荡器的高-Q谐振回路。
图3大致图示了包括声反射镜部的固贴式FBAR 300的一部分的侧视图的示例。在图3中，FBAR 300可以制造在集成电路(如无源衬底304或有源集成电路衬底304)的第一、第二和第三钝化区域320A-C的顶部上。在另一种实施例中，FBAR 300可以制造在不具有钝化区域320A-C的集成电路上(如，在传感器组件的有源电路部分的制造期间与其它处理一起，在钝化之前，如并行)。第一电极312可以电连接至该集成电路的第一顶层金属层区域322A，第二电极310可以电连接至该集成电路的第二顶层金属层区域322B。本发明人还已经认识到，与其它体声波结构(如包括隔膜的体声波结构)不同，固贴式FBAR 300结构可以允许简单的制造，如图4A-I中描述的那样。例如，FBAR 300或FBAR 300的阵列可以经由每一层的顺序沉积和图案化构建而成，不要求如可能用在其它类型的体声波结构的制造中的底切或牺牲层集成工艺。
在图3的示例中，FBAR 300可以包括如由第一电极312的一部分形成的感测表面316。感测表面316可以连接至压电区域314(如，ZnO或一种或多种其它压电材料)。与图1的示例不同，图3的FBAR 300包括声反射镜，如用于将FBAR 300的机械谐振部分与机械支撑衬底304(如，位于钝化区域320A-C下面)机械地隔离。通常，机械谐振器可以与其支撑衬底机械地隔离，如用于帮助避免将太多的能量耗散到其周围环境(这会阻尼且可能阻止振荡)。在一些实施例中，这种隔离可以用气隙实现，其中FBAR300结构可以被实施为隔膜或悬臂结构。在其它实施例中，所述隔离可以通过介电声反射镜实现。这种隔离可以允许FBAR 300以清晰的峰值谐振响应工作，而不管是否固贴至衬底304。在图3的示例中，可以采用相对高的声阻抗材料和相对低的声阻抗材料的一个或多个交替层，如用来将机械模拟提供至分布式Bragg反射镜。
例如，绝缘层318和导电层320中的一个或多个都可以为声波波长厚度的四分之一，诸如在每个对应材料中在FBAR 300的谐振工作频率或附近的频率的声波波长。交替层318和320的组合(如，如包括比图3的说明性实施例示出的更多的交替层)可以抑制或阻止声能机械地耦合到压电区域314、感测表面316和第二电极310下面的区域中的衬底304中。例如，层318和320的尺寸和形状可以形成为促进声能以FBAR 300的谐振工作频率或附近的频率在层318和320之间的界面处以及在电极310和压电区域314之间的相长干涉，将大多数声能反射回压电区域314。在说明性实施例中，导电层320可以为钨，绝缘层318可以二氧化硅、或一种或多种其它绝缘材料。在图3中，第二电极310也可以用作声反射镜中的顶层。然而，在其它实施例中，诸如二氧化硅之类的绝缘体可以用作该反射镜的顶部功能层，如包括用于提供第二电极310的沉积或溅射薄膜导电涂层(如，包括薄的金或银层，或其它导电材料)。
在一种实施例中，感测表面316可以包括或可以涂敷有金、二氧化硅、层积聚对苯二甲撑、或一种或多种其它生物相容材料，如为用于后续的与其中指定蛋白结合、指定抗体-抗原耦合、DNA低聚体的指定杂化或指定气体分子的吸附相关的质量变化的检测的功能化做准备。
图4A-I大致图示了如包括在FBAR-CMOS振荡器阵列中的单块薄膜体声波谐振器(FBAR)400的post-CMOS制造的示例。图4A-I的制造工艺不需要要求专用的制造技术或非标准CMOS制造工艺(如，这种制造可以包括类似于用于商用数字或混合数字CMOS器件制造的处理和材料的处理和材料)。在图4A，FBAR 400A的post-CMOS制造可以从商用集成电路衬底404开始，集成电路衬底404如包括位于钝化层中的用于暴露一个或多个金属区域的开口。在说明性实施例中，集成电路衬底404可以包括有源CMOS衬底(如，包括一个或多个有源器件或电路的集成电路衬底)，如采用商用0.18μm代工厂CMOS工艺或采用一种或多种其它制造工艺。
在图4B中，如可以采用相对厚(如，约1微米至8微米，或采用其它厚度)的光致抗蚀剂层对post-CMOS衬底404进行图案化。随后，如通过在图案化化的衬底上进行RF溅射，二氧化硅(如，约750纳米厚)和钨(如，约650纳米厚)的交替层(如包括金属层420和绝缘层418，类似于上文在图3的声反射镜的示例中讨论的层)可以形成在衬底404上。在图4B中，由于光致抗蚀剂层可以相对厚，曝光时间可以相应地增加，以补偿明显的边缘和角部珠子。
在图4C中，剩余光致抗蚀剂上的区域中的金属层420和绝缘层418可以从FBAR400C上弄走(如，采用超声波帮助)或以其它方式移除，在衬底404的工作表面上留下如位于衬底404中的钝化开口之间的金属层420和绝缘层418。在说明性实施例中，金属层420和绝缘层418可以形成声反射镜的至少一部分，如在图3中讨论的那样。在图4D中，FBAR400D可以被再次图案化，并且顶部钨声反射镜层410(或其它导电材料)可以沉积或溅射FBAR 400D的位于衬底404的工作顶面区域之上的暴露部分上。在一种实施例中，顶部钨反射镜层410也可以用作FBAR400D的底部电极，并且该层如可以通过钝化层404中的开口连接至CMOS衬底的顶层金属层。在图4E中，钨反射镜层410的不想要的部分可以从FBAR 400E上弄走或以其它方式去除。
在图4F中，可以图案化FBAR400F，并且可以形成压电区域414，如包括RF溅射氧化锌层(如，约1450纳米厚)，或包括一种或多种其它压电材料。在图4G中，压电区域414的不想要的部分可以从FBAR 400G上弄走或以其它方式去除。在说明性实施例中，压电区域可以包括如通过2θX射线衍射图中的清晰的34.4°峰值确定的晶向(<002>)(如，表示强c-轴压电晶体)。
在图4H中，可以图案化FBAR 400H，并且可以溅射或沉积顶部电极416。在图4I中，顶部电极416的不想要的部分可以从FBAR 400I上弄走或以其它方式去除。在一种实施例中，顶部电极416可以包括顶部钨触点(如，约200纳米厚)，顶部钨触点可以被图案化，并且可以通过CMOS顶层金属连接至下层电路(如，振荡器、放大器、互连或别处的其它电路)。在一种实施例中，压电材料可以在FBAR 400G的横向区域中提供绝缘，如用于防止顶部电极416和一个或多个其它区域(如反射镜层410)之间的电短路。
图5包括如根据图4A-I的示例的处理制造的固贴式单块FBAR的说明性实施例的SEM显微照片。在该说明性实施例中，FBAR的感测表面可以为近似正方向的，如近似为100微米×100微米，具有对应的主要由单个FBAR传感器而不是任何下层电路的面积限制的阵列密度(如，如图6所示)。
图6包括FBAR-CMOS振荡器的6×4阵列的说明性实施例的两个管芯照片，包括CMOS制造之后且FBAR结构的制造之前的第一管芯照片600A和如根据图4A-I说明的过程制造的FBAR结构的制造之后的第二管芯照片600B。在第一管芯照片600A的说明性实施例中，在管芯上可以包括一个或多个测试区域，如用于表征包括在管芯中的电路，或用于测量采用如在该阵列中的其它地方使用的类似材料或结构制造的一个或多个区域。
例如，在第二管芯照片600B中，靠近该照片的顶部边缘的光带可以包括一个或多个无源测试结构，如用于有源FBAR-CMOS振荡器的独立测试或用于无源FBAR谐振器的测试。这种测试可以用于表征或校准包括在该阵列中的一个或多个FBAR结构。在第二管芯照片600B的说明性实施例中，该阵列中的每个FBAR-CMOS元件可以占据约0.13平方毫米，但据信FBAR元件的用于特定感测应用的其它优化可以在某些实施方案中带来更小的FBAR覆盖区和更高的阵列密度。在说明性实施例中，如第二管芯照片600B，每个FBAR-CMOS振荡器可以包括它自己的与周围的振荡器隔离的声反射镜，如包括如上文在图3和图4A-I中示出和讨论的一个或多个制造工艺或结构。在另一种实施例中，两个或更多个FBAR结构可以被形成或可以结合如在所述两个或更多个FBAR结构下面的区域中形成或构建的共享“覆盖”声反射镜。
图7A-C大致图示了类似于上文在图3和图4A-I中示出和讨论的结构的单个FBAR结构的电性能的说明性实施例。
图7A示出了单个FBAR的关于频率700(以千兆赫)绘制的S11参数710(如，与回波损失成比例，以dB)的说明性实施例。在该说明性实施例中，FBAR结构制造在包括覆盖声反射镜的玻璃衬底上，并在约fo＝905MHz处展示第一谐振720，并在约2.18千兆赫处展现第二谐振730，这据信分别归功于FBAR的剪切和纵向谐振模式，或者可能归功于与合并组件的谐振相关联的较高阶模式。在集成FBAR-CMOS中还未观察到第二谐振730。这些模式的声速共享近似相同的比率。此外，谐振品质因数“Q”可以被表示为fo/f(如，“全宽度半最大(full-width half-maximum)”或FWHM表示)，并且对于第一谐振720约为113，对于第二谐振730约为129。据信，采用声反射镜的更好的调谐可以实现相应更高的Q(如，用于在谐振器和周围衬底之间提供更有效的声能反射或隔离)。
图7B示出了FBAR-CMOS振荡器的关于偏移频率740(按Hz)绘制的相位噪声(按dB/Hz)的说明性实施例，包括10kHz的偏移下的约-83dB/Hz的测量噪声和100kHz的偏移下的约-104dB/Hz的测量噪声，这二者都是在振荡基频下从载波信号测量的。相位噪声曲线770的相对倾斜区域表示根据Leeson相位噪声关系的用于218的振荡器的加载Q，其中曲线770在fo/2Q处的拐点可以表示至相对平的、白噪声占优势的相位噪声响应的转换。在一种实施例中，当传感器用来将输入提供至频率计数器时，测量综合(如，平分或积分指定测量时间范围期间的多个频率或间隔测量值)可以调整相位噪声的影响，以改善测量分辨率。
图7C示出了如在片上FBAR-CMOS振荡器的输出端处测量的关于频率700(按MHz)的输出振幅谱(按dB绘制)的说明性实施例，包括在约864.5MHz处的峰值790。在如图6的照片中示出的阵列中，彼此相比起来，振荡器交叉阵列可以在谐振频率中展现～10MHz的范围，如由于氧化锌厚度变化或其它因数引起。然而，这种变化并部阻碍差异质量测量(如，如在不同时间处测量)，如其中在质量增加之前和之后测量振荡频率，因为在整个阵列范围内传感器的质量灵敏度可以相对相似(如，相似的质量变化出现相似的频率偏移，与“基线”谐振频率的变化无关)。
图8大致图示了如用于图6的示例的包括6个不同的FBAR-CMOS振荡器的6×4阵列的振荡频率810(按MHz)与沉积的二氧化硅的厚度800(按纳米)之间的关系曲线的说明性实施例。在该说明性实施例中，所述六个振荡器中的每一个的基础振荡频率首先被测量作为基线，在此之后可以添加质量(如，通过形成图案化二氧化硅的连续层，RF溅射在FBAR顶面上，如感测表面上)。随后当质量依附或结合至对应的功能化感测表面时，在每次质量添加之后可以进行频率测量，如模拟这种传感器的现场性能。在该说明性实施例中，示出了完成质量系列的所有的振荡器，而在测试过程之前或期间出现故障(如，不能承受可测量的振荡)的振荡器未示出。FBAR对质量添加的频率灵敏度(如，每单位质量添加的频率变化)可以由Sauerbrey方程表示，如Δf＝-(fo2Δm/NAρ)，其中fo可以表示工作频率，Δm可以表示质量增加，N可以表示灵敏度常数，A可以表示有效面积，ρ可以表示密度。Sauerbrey方程预测用于非均匀质量的少量添加的频率变化，类似于图8的说明性实施例中示出的响应，图8的示例的平均质量灵敏度表示约3.05×10-12g/Hz cm2，其明显高于典型QCM的灵敏度(约6×10-9g/Hz cm2)，并且可比拟于片外FBAR传感器。
其它事项
上述详细描述包括对附图的引用，附图形成所述详细描述的一部分。附图以举例的方式示出其中可以实践本发明的具体实施方式。这些实施方式在此也称为“实施例”。这些实施例可以包括除示出或描述的要素之外的要素。然而，本发明人还预期其中仅提供示出或描述的那些要素的实施例。而且，本发明人还预期采用示出或描述的那些要素(或其一个或多个方面)的任何组合或排列的实施例，无论是关于特定实施例(或其一个或多个方面)，还是关于在此示出或描述的其它实施例(或其一个或多个方面)。
通过引用将在本文献中涉及的所有公开文本、专利和专利文献结合于此，好像通过引用单独结合的那样。在本文献和通过引用如此结合的这些文献之间的不一致的用法的情况中，所结合的引用文献中的用法应当认为是本文献的补充；对于不能协调的矛盾，本文献中的用法控制。
在本文献中，如在专利文献中常见的那样，术语“a”或“an”用来包括一个或多个一个，而不管任何“至少一个”或“一个或更多个”的其它实例或用法。在本文献中，除非另外指明，术语“或”用来涉及非排外的，使得“A或B”包括“A但不排除B”、“B但不排除A”以及“A和B”。在随附权利要求中，术语“包括”和“在其中”用作对应的术语“包括”和“其中的”通俗易懂的等同物。此外，在接下来的权利要求中，术语“包括”和“包含”是开放式的，即，包括除在权利要求中的这种术语之后列出的要素之外的要素的系统、装置、物件或工艺仍然视为落入该权利要求的保护范围之类。而且，在接下来的权利要求中，术语“第一”、“第二”和“第三”等仅仅用作标记，而不是要对它们的目标施加数值要求。
上述描述的意图是说明性的，不是限制性的。例如，上述实施例(或其一个或多个方面)可以彼此组合使用。可以由本领域技术人员在回顾上述描述之后采用其它实施方式。提供摘要以遵照37C.F.R.§1.72(b)，以允许读者快速弄清技术公开内容的本质。所主张的理解是，它将部用来解释或限制权利要求的保护范围或含义。此外，在上述具体实施方式中，不同的特征可以集合在一起以将该公开内容连成一个整体。这不应当解释为未要求保护的公开特征是任何权利要求的必要特征的意图。确切地说，创造性的主题可以在于比特定公开实施方式的所有特征少的特征中。因此，据此将接下来的权利要求结合在具体实施方式中，每个权利要求自身独立为单独的实施方式，并且预期这种实施方式可以以多种组合或排列彼此组合。本发明的保护范围应当参考随附权利要求以及这些权利要求具有的等同物的全部范围确定。
如用于质量感测的单块FBAR-CMOS结构专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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