信號增強的薄膜體聲波諧振器的制造方法
【專利說明】信號増強的薄膜體聲波諧振器
[0001] 相關(guān)申請
[0002] 本申請要求了2013年3月15日提交的、美國臨時專利申請?zhí)枮?1/790,076的專利 申請的權(quán)益。
技術(shù)領(lǐng)域
[0003] 本發(fā)明除其他以外總體涉及通過質(zhì)量加載介導(dǎo)的放大元件的薄膜體聲波諧振器 (TFBAR)的信號增強。
【背景技術(shù)】
[0004] 例如薄膜體聲波諧振器(TFBAR)這樣的壓電裝置和例如石英晶體微天平(QCM)的 類似技術(shù)已經(jīng)在一段時間以來用作質(zhì)量檢測器。壓電諧振器的一種應(yīng)用是用在檢測非常小 量的材料中。在這樣的應(yīng)用中作為傳感器使用的壓電諧振器有時被稱作"微天平"。壓電諧 振器典型地構(gòu)造為夾在兩個電極層之間的晶體或多晶壓電材料的薄平層。當(dāng)用作傳感器 時，諧振器暴露于被檢測的材料，從而容許材料結(jié)合在諧振器的表面。
[0005]檢測結(jié)合在傳感諧振器的表面上的材料的量的一種傳統(tǒng)方式是將諧振器作為振 蕩器在它的諧振頻率操作。由于被檢測的材料結(jié)合在諧振器的表面，諧振器的振蕩頻率降 低。測量可能由材料在諧振器的表面的結(jié)合所引起的諧振器振蕩頻率的變化并且將該變化 用于計算結(jié)合在諧振器上的材料的量或材料在諧振器表面的累積率。
[0006] 在空氣中作為材料傳感器的壓電諧振器的靈敏度理論上與諧振頻率的平方成比 例。因此，基于普通的石英晶體諧振器的材料傳感器的靈敏度被它們相對低的振蕩頻率所 限制，該振蕩頻率典型地從幾MHz變化到約100MHz。薄膜諧振器(TFR)技術(shù)的發(fā)展可以潛在 地產(chǎn)生具有明顯增強的靈敏度的傳感器。薄膜諧振器通過在基底上沉積例如A1N或ZnO的壓 電材料的薄膜而形成。由于在薄膜諧振器內(nèi)壓電層的大約幾微米的小厚度，薄膜諧振器的 諧振頻率約為1GHz。高的諧振頻率以及相應(yīng)的高靈敏度使得薄膜諧振器在物質(zhì)傳感應(yīng)用中 變得實用。但即使是薄膜諧振器的質(zhì)量靈敏度在特定分析物的檢測中還是受限的，例如生 物分析物。
[0007] 先前已經(jīng)描述了壓電諧振傳感器在免疫測定法中的使用。通常在免疫測定中的質(zhì) 量變化歸因于抗原和抗體之間的免疫反應(yīng)的基于壓電的免疫測定法在一些情況下會遭受 差的靈敏度和低的檢測限制。因此，本該領(lǐng)域中存在對于基于壓電的特異性結(jié)合的測定的 需求，在測定中分子識別組件和它的目標(biāo)分析物之間的反應(yīng)能夠被放大以提供更靈敏的測 定。
[0008] 這樣的示例在美國專利號為4,999,284、由沃德等在1991年3月12日發(fā)表的專利中 示出，該專利公開了一種石英晶體微天平測定的使用方法，其中測定物在石英晶體微天平 (QCM)表面上或其附近的結(jié)合通過包括酶的結(jié)合物來測定。該酶可以催化底物向產(chǎn)物的轉(zhuǎn) 化，產(chǎn)物能夠積累在QCM的表面上或與QCM的表面反應(yīng)從而引起質(zhì)量變化并且因此改變諧振 頻率。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明除其他以外描述了用于增強在高頻率操作的TFBAR的靈敏度的信號放大。
[0010] 在實施例中，用于檢測樣品中的分析物的方法包括使分析物或分析物和關(guān)聯(lián)了標(biāo) 簽的分析物分子、第一識別組件以及關(guān)聯(lián)了信號放大元件的第二識別組件接觸，從而產(chǎn)生 包含第一識別組件和關(guān)聯(lián)了信號放大元件的第二識別組件的復(fù)合物。第一識別組件相對于 薄膜體聲波諧振器(TFBAR)的表面固定并且配置用于選擇性地結(jié)合分析物、關(guān)聯(lián)了標(biāo)簽的 分析物分子、或標(biāo)簽、或結(jié)合到第二識別組件的這些結(jié)合分子中的任何一個或多個。關(guān)聯(lián)了 信號放大元件的第二識別組件配置用于選擇性地結(jié)合分析物、關(guān)聯(lián)了標(biāo)簽的分析物分子、 或標(biāo)簽、或任何結(jié)合到第一識別組件的這些分子、或它們的組合中的一個或多個。該方法進 一步包括在將前驅(qū)體轉(zhuǎn)化為在TFBAR的表面增加質(zhì)量的放大分子的狀況下將關(guān)聯(lián)后的信號 放大元件與一種或多種放大前驅(qū)體接觸。增加的質(zhì)量是由放大分子在表面的沉積、放大分 子與分析物、關(guān)聯(lián)了標(biāo)簽的分析物分子、第一識別組件或關(guān)聯(lián)了放大元件的第二識別組件 中的一種或多種的結(jié)合等所引起的。該方法也包括獲取在TFBAR的表面增加的質(zhì)量(例如分 析物、關(guān)聯(lián)了信號放大元件的第二識別組件以及放大分子的質(zhì)量)的測量值。
[0011] 分析物或分析物和關(guān)聯(lián)了標(biāo)簽的分析物分子、第一識別組件和關(guān)聯(lián)了信號放大元 件的第二識別組件可以以任何合適的順序接觸。例如，分析物或分析物和關(guān)聯(lián)了標(biāo)簽的分 析物分子可以在與第一識別組件接觸之前與關(guān)聯(lián)了信號放大元件的第二識別組件接觸，第 一識別組件相對于TFBAR的表面是固定的。以其他示例的方式，分析物或分析物和關(guān)聯(lián)了標(biāo) 簽的分析物分子可以在與關(guān)聯(lián)了信號放大元件的第二識別組件接觸之前與第一識別組件 接觸。以又一示例的形式，分析物或關(guān)聯(lián)了標(biāo)簽的分析物分子、第一識別組件和關(guān)聯(lián)了信號 放大元件的第二識別組件可以同時接觸。
[0012] 增加在TFBAR表面的質(zhì)量可以通過任何合適的程序來測量。在實施例中，該質(zhì)量通 過下述方法測量：（i)將輸入電信號耦合至TFBAR，輸入電信號具有相和壓電諧振器的諧振 帶內(nèi)的頻率，其中頻率約為500MHz或更大（例如約700MHz或更大、約800MHz或更大、約 900MHz或更大、約1GHz或更大、約1.2GHz或更大、約1.4GHz或更大、約1.5GHz或更大、約 1.8GHz或更大、約2GHz或更大、約2.2GHz或更大、約2.4GHz或更大、約2.5GHz或更大、從約 500MHz到約4GHz、從約800MHz到約3GHz、從約800MHz到約10GHz或從約2GHz到約2.5GHz); (ii)使輸入電信號傳輸通過TFBAR以產(chǎn)生具有頻率和相的輸出電信號；（iii)從TFBAR接收 輸出電信號；以及（iv)確定由TFBAR表面處增加的質(zhì)量所引起的輸出電信號的頻率或相的 變化，其中相的頻率變化用作TFBAR表面增加的質(zhì)量的測量。
[0013] 這里所述的裝置、系統(tǒng)或方法的一個或多個實施例提供超越現(xiàn)有的用于檢測小量 分析物的傳感器、裝置、系統(tǒng)或方法的一種或多種優(yōu)勢。如這里所述，相比于低頻率下，在更 高頻率下意外地觀察到通過放大元件介導(dǎo)質(zhì)量加載的更大TFBAR信號放大。相應(yīng)地，當(dāng)與信 號放大協(xié)同使用時，高頻率的優(yōu)勢表現(xiàn)出甚至更進一步增強。從下面詳細(xì)的說明中，本領(lǐng)域 的技術(shù)人員可以容易地理解這些以及其他優(yōu)勢。
【附圖說明】
[0014] 圖1A-圖1C是說明薄膜體聲波諧振器(TFBAR)傳感裝置的實施例的操作原理的示 意性圖不；
[0015]圖2示出用于檢測分析物的TFBAR系統(tǒng)的部件的示意性圖示；
[0016] 圖3A-D是說明在薄膜波諧振器(TFR)表面的信號放大的實施例的示意性圖示；
[0017] 圖4A是在TFBAR的實施例上的直接分析物結(jié)合和酶放大的分析物結(jié)合的隨時間的 響應(yīng)曲線；
[0018] 圖4B是示出圖4A所示的曲線的一部分的細(xì)節(jié)的曲線。
[0019]示意性附圖不一定是按比例的。幅圖中所用的相同的附圖標(biāo)記指代相同的部件、 步驟等。但是，應(yīng)該理解的是，在給定的附圖中以附圖標(biāo)記指代部件的用法并不是要限制在 另一附圖中標(biāo)記有相同的附圖標(biāo)記的部件。此外，以不同附圖標(biāo)記指代部件的用法并不是 要表示不同的附圖標(biāo)記的部件不能相同或類似。
【具體實施方式】
[0020] 下述的具體說明中公開了化合物、混合物、產(chǎn)物和方法的幾個特定的實施例。應(yīng)該 理解的是，在不脫離本發(fā)明的范圍或精神的情況下可以預(yù)期并且可以作出其他實施例。因 此，下述具體說明沒有采取限制的意思。
[0021] 本發(fā)明除其他以外總體涉及用于檢測分析物的方法、裝置、傳感器和系統(tǒng)。該方 法、裝置、傳感器和系統(tǒng)使用薄膜體聲波諧振器(TFBAR)，TFBAR測量由諧振器表面的分析物 結(jié)合所引起的諧振器的頻率或相的變化。結(jié)合信號通過放大元件介導(dǎo)質(zhì)的質(zhì)量加載增強。 具有相以及具有在壓電諧振器的諧振帶內(nèi)的頻率一一在本發(fā)明的一些實施例的情況下可 以是約500MHz或更大（例如約1.5GHz或更大)一一的輸入電信號耦合到并傳輸通過諧振器 以產(chǎn)生輸出電信號，輸出電信號是由諧振器表面所檢測的材料的結(jié)合、沉積等以及由放大 元件介導(dǎo)的質(zhì)量加載的放大而從輸入信號的頻移或相移。從壓電諧振器接收的輸出電信號 被分析用于確定由于在諧振器表面上的分析物的結(jié)合和放大元件介導(dǎo)的質(zhì)量沉積所引起 的頻率或相的變化。測量的頻率或相變化提供關(guān)于結(jié)合到諧振器表面的分析物(或關(guān)聯(lián)了 標(biāo)簽的分析物分子)的定量信息。
[0022]傳感器、裝置和系統(tǒng)
[0023] 這里公開的傳感器包括至少一個薄膜諧振傳感器，例如薄膜體聲波諧振(TFBAR) 傳感器。TFBAR傳感器包括壓電層或壓電基底以及輸入和輸出換能器。TFBAR傳感器是使技 術(shù)適用于手提式裝置的小傳感器。相應(yīng)地，可以預(yù)期包含這里所述的傳感器的用于檢測目 標(biāo)分析物的手提式裝置。
[0024] 現(xiàn)在轉(zhuǎn)向參照附圖1A和1B，其示出作為用于檢測分析物的傳感器而使用的體聲波 壓電諧振器20的實施例的一般操作原理。諧振器20典型地包括被兩個相應(yīng)的金屬層結(jié)合