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CN104977353A - 具有压电转换器的传感器阵列芯片及喷墨形成方法 - Google Patents

具有压电转换器的传感器阵列芯片及喷墨形成方法 Download PDF

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CN104977353A
CN104977353A CN201510171314.2A CN201510171314A CN104977353A CN 104977353 A CN104977353 A CN 104977353A CN 201510171314 A CN201510171314 A CN 201510171314A CN 104977353 A CN104977353 A CN 104977353A
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resonance frequency
sensor array
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S·M·雅各布森
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Texas Instruments Inc
Original Assignee
Texas Instruments Inc
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Abstract

本发明涉及具有压电转换器的传感器阵列芯片和喷墨形成方法。一种形成功能化传感器阵列的方法(100)包括提供(101)具有至少一个传感器阵列芯片的基板，所述至少一个传感器阵列芯片包括多个传感器结构。传感器结构包括插入在上部电极和下部电极之间并且在空间布置上位于跨越传感器阵列芯片的区域的压电层。还提供(103)具有多个微流通道的喷墨墨盒芯片，所述微流通道包括具有多个填充侧孔的填充侧和具有多个分配喷嘴的分配侧，其中多个微通道中的两个或更多个装载(104)有不同传感材料，并且其中多个分配喷嘴的位置匹配空间布置。多个分配喷嘴与多个传感器结构对齐(105)，并且多个分配喷嘴被驱动以将不同传感材料沉积在多个传感器结构上。

Description

具有压电转换器的传感器阵列芯片及喷墨形成方法
技术领域
所公开的实施例涉及具有压电转换器的集成传感器阵列芯片及其形成方法。
背景技术
包括含有二维网格的生物传感器的微阵列的生物芯片提供能够执行大量(例如，上百或上千)并发生化反应的小型化实验室。生物芯片能使研究人员快速筛选用于各种用途的大量生物分析物。
微阵列的二维网格生物传感器是生物芯片的重要组件。常规上，生物传感器设置在平的基板(如，芯片)上，该基板可以是无源(如硅或玻璃)或有源的，其中“有源”是指包括集成电子器件和/或微机械器件执行或帮助信号转换。
表面化学通常用于将传感器分子共价接合到基板。微阵列的制造通常是具有挑战性的，并且被认为是主要的经济和技术障碍。一个重要的制造挑战是，将每个传感器放置在基板上特定位置的过程。存在很多方法提供传感器放置，包括机器人微移液法(robotic micro-pipetting)，其将微小亮点传感器(如，受体(receptor))材料放置在基板表面上。因为每个传感器通常是唯一的，因此只有少数亮点能够被同时放置。这种放置过程的低产出率性质导致高的制造成本。
发明内容
所提供是发明内容以简化形式引入在下文的具体实施方式(包括所提供的附图)中进一步描述的所公开概念的简单选择。该发明内容并不旨在限制所要求保护主题的范围。
所公开的实施例认识到存在一个重要需求，即开发相对低成本的小型化血清分析生物芯片阵列以用于快速并可靠的即时(point-of-care)检验和监测。此外，使用微电子机械系统(Microelectromechanical systems，MEMS)技术制作的这种系统通过对多个临床相关参数(其能够用于诊断多种不同状况以能够评估患者健康状况)提供基本上实时的测量，能够显著提高医疗保健的质量。
所公开的实施例包括形成功能化传感器阵列的方法，该方法包括：提供具有包括多个传感器结构的至少一个(并且通常是大量的)传感器阵列芯片的基板(如晶片)。传感器结构包括插入在上、下部电极之间的压电层，所述上、下部电极在空间布置上被定位跨越传感器阵列芯片的区域。还提供具有多个微通道的喷墨墨盒芯片(inkjet cartridge chip)，其中所述多个微通道包括具有多个填充侧孔的填充侧和具有多个分配喷嘴的分配侧，其中多个微通道中的两个或更多个装载有不同传感材料，且其中分配喷嘴的位置与空间布置匹配。分配喷嘴与多个传感器结构对齐，且多个分配喷嘴被驱动以将不同传感材料沉积在多个传感器结构上。传感器结构能够包括基于压电悬臂的传感器，或表面声波(SAW)传感器或体声波(BAW)传感器。
附图说明
现在将参考附图，其中附图不一定是按比例绘制的，其中：
图1的流程图示出根据一个示例性实施例形成功能化传感器阵列芯片以及使用功能化传感器阵列芯片的一个示例性方法中的步骤。
图2A示出根据一个示例性实施例的一种示例性喷墨墨盒芯片，其具有多个微通道，多个微通道包括具有多个填充侧孔的填充侧和具有多个分配喷嘴的分配侧，其中多个微通道中的两个或更多个装载有不同传感材料，并且其中分配喷嘴的位置与传感器阵列芯片上的传感器结构的空间布置匹配。
图2B示出根据一个示例性实施例的一种示例性传感器阵列芯片，其包括多个传感器结构，其中传感器结构包括插入在上部电极和下部电极之间的压电层，所述上部电极和下部电极在空间布置上被定位跨越传感器阵列芯片的区域，其中空间布置与图2A所示的多个分配喷嘴的空间布置匹配。
图3A是根据一个示例性实施例的一种示例性传感器结构的截面图，所述传感器结构包括利用传感材料进行功能化之前的压电悬臂。
图3B是根据一个示例性实施例的传感器结构的截面图，传感器结构包括图3A所示的、在通过所公开的喷墨墨盒芯片进行传感材料(如，生物标记)沉积以提供功能化之后的压电悬臂。
图3C是包括图3B所示的功能化压电悬臂的传感器结构的俯视图。
图4A是包括利用其上的传感材料功能化的BAW传感器的一种示例性传感器结构的截面图。
图4B是包括SAW传感器的一种示例性传感器结构的截面图。
具体实施方式
参考附图描述各种示例性实施例，其中相同的附图标记用于指代相同或等同的元件。所示出的行为或事件的顺序不应被认为是限制性的，因为一些行为或事件可以以不同顺序发生，和/或与其它行为或事件同时发生。此外，实施根据本发明的方法可以不需要所示出的一些行为或事件。
图1的流程图示出根据一个示例性实施例形成(步骤101，103-106)并使用功能化生物传感器或化学传感器阵列芯片(以下称为传感器阵列芯片，步骤102，107-110)的一种示例性方法100中的步骤。所公开的传感器阵列芯片包括其上的集成电路，以提供化学分析系统，如提供集成硅微电路传感器的硅或其它半导体基板。所公开的传感器阵列芯片能够与电气组件、传感器组件和液体通道组合以将液体传送到具体传感器以用于测试和电子记录或将样品喷射到微量分析板。本申请所公开的传感器阵列芯片可以包括，例如，通过低成本生物传感器和相对低成本的方法实现的化学物品的微量分析、体液分析、DNA和核苷酸序列分析以及其他医疗应用，包括，针对多个不同状况，对患者的血清样品进行分析，这将测试成本从几百或几万美元降低到几十美元。
步骤101包括提供基板(例如，硅晶片或玻璃晶片)，其具有包括多个传感器结构的至少一个传感器阵列芯片。在一个实施例中，基板是具有半导体表面的晶片，其中半导体表面包括形成在其上的大量(如数百个)相同的传感器阵列芯片。每一个传感器结构包括插入在上部电极和下部电极之间的压电层，所述上部电极和下部电极在空间布置上被定位跨越传感器阵列芯片的区域。传感器结构能够包括压电悬臂(参见下列描述的图3A)。传感器结构还能够包括BAW传感器(参见下列描述的图4A)，其包括厚度切变模式(TSM)传感器或SAW传感器(参见下列描述的图4B)。所公开的传感器结构通常被配置为测量在传感器结构的区域已经使用通过喷墨墨盒芯片(见下列描述的步骤103)沉积的微微克(pg)到毫微克(ng)数量的传感材料(如生物标记)而被功能化之后的传感器结构的功能化部分的pg到ng数量的质量变化。传感器结构的空间布置能够是提供预定间距的周期性布置，或非周期性布置。
步骤102包括电子测量传感器阵列芯片上的传感器结构以确定它们各自的谐振频率。传感器阵列芯片能够包括集成振荡器，该振荡器具有多路复用器(在其输入端测量频率)和提供数字频率输出的模数转换器(ADC)。对于传感器阵列的每一个传感器结构，得到的数字频率输出数据通常和传感器结构的标识符存储在适合的存储器中。
步骤103包括提供具有多个微流通道的喷墨墨盒芯片，其中多个微流通道包括具有多个填充侧孔的填充侧和具有多个分配喷嘴的分配侧。喷墨墨盒芯片能够包括微流通道(或微通道)，该通道允许通过大孔在顶部(填充侧)填充，然后这些大孔的尺寸减小，变小到喷墨墨盒芯片的分配侧上的小喷嘴。因此多个分配喷嘴的面积通常比填充侧孔的面积小，例如，至少差十倍。
具有大的填充侧孔和小喷嘴(例如，小十倍)的喷墨墨盒芯片能够使用美国专利申请号20110256687(Jacobsen与本文的发明人一样)、标题为“用于通过基板微通道制造的方法(Method for Fabricating ThroughSubstrate Microchannels)”中申请公开中公开的主题实现，该申请通过引用将其纳入本文。分配驱动器能够控制微通道中的传感材料的分配。
最终组装的墨盒通常包括两个主要部件：通常包括塑料的上部部件(其包含填充孔)和由硅或另一半导体材料制成的下部部件(其包含分配喷嘴)。上部部件通常包括模制塑料通道，其将各个传感材料输送到下部部件上的它们对应的目标。下部部件通常使用环氧树脂粘合剂或与那些在喷墨墨盒制造领域中实践类似的其他方法接合到上部部件。在一些情况下，使下部基板区域的较大部分仅具有包含与上部部件匹配的接收孔的功能会是有益的。
下部部件的微通道进一步变窄并将多个分析物液体的路径朝向包含提供喷射区域的分配喷嘴的下部基板的通路集中。这种布置的一个优点是允许分析物喷射到功能化传感器阵列上以具有小的区域，这导致预期一次性使用的较低成本。每个分配喷嘴包含其自己的分配元件，其在热喷射设备或替代地在压电分配装置中，是微型加热器。
步骤104包括利用传感材料装载喷墨墨盒芯片。两个或更多个的多个微通道装载有不同传感材料，并且通常情况下，传感器结构中总共装载数十、数百或数千种不同传感材料。装载能够通过常规针状填充法(needle fill)执行(通常在微升的量级上，如，利用生物标记，如测试血脂或抗体)。如喷墨领域中已知的，预期分配之前传感材料的泄漏由分配喷嘴处的液体弯月面(meniscus)阻止，该弯月面将泄漏阻挡回储液器(在喷墨术语中通常被称之为“口水(drool)”)。
因此，喷墨芯片被配置为使得单个流体墨盒接合到通过一系列微流通道传送数十、数百或数千种不同生物标志的喷墨墨盒芯片。如上所述，分配喷嘴的位置与传感器结构的空间布置匹配。
步骤105包括将分配喷嘴与多个传感器结构对齐。该对齐能够包括对齐标记，如在集成电路(IC)制造已知的，或其它已知对准结构或技术。
步骤106包括功能化步骤，其包括驱动多个分配喷嘴以在匹配的多个传感器结构上沉积不同传感材料，以形成功能化传感器结构。该沉积能够通过单个印刷步骤进行，因此，基本上是同时的。通常通过热脉冲(用于热喷墨打印机)或机械脉冲(用于压电喷墨打印机)执行传感材料的喷射。每个分配喷嘴通常能够具有其自己独特的微型加热器(其被单独寻址)(在热喷墨打印机情况下)。每个脉冲能够传送一滴尺寸为纳升(甚至皮升)的传感材料的精确喷射。功能化步骤通常花费数量级为几秒到几十秒将数十、数百或数千个传感器结构功能化。
步骤107包括通过将所有功能化传感器结构暴露于分析物(如唾液、血液等体液)的单个样品进一步处理传感器阵列芯片。存在于功能化传感器结构(如悬臂传感器的尖端)上的传感材料(如生物标记)与血清中的成分发生化学反应。一种或更多种化学反应能够发生，这增加了质量，并且然后通常进行干燥步骤。步骤108包括电子地重新测量传感器结构的谐振频率并存储生成的谐振频率数据。
步骤109包括数据分析，其通过计算由于暴露分析物引起的谐振频率变化导致的质量变化，揭示传感器结构的哪一个与分析物发生显著反应。如果具体生物标记已经显示正响应(positive response)，质量变化并且甚至小到一个原子单层的质量的非常小的变化通常都能够被检测为谐振频率的变化。所有这些信息都能够可选地被发送到传感器阵列芯片接合的手持计算机，并且能够生成关于血清的报告，例如，对于医学方面的专业人员而言，这能提供患者有关的状态以能够在步骤110中进行已知(即现存)状况的诊断。
所公开的方法的优点包括，能够基本上同时执行数十或数百个不同的医疗测试。能够即时在体(point of care in situ)功能化传感器阵列芯片，以便功能化的传感器结构没有时间通过长库存时间存储进行退化，并且例如，能够通过使新制备的功能化传感器阵列芯片上的传感器结构暴露于患者的血清的样品而被立即使用。结果能够在几分钟之内得到。如上所述，通常花费数千或数万美元进行的一组测试现在花费几十美元就能够执行。
图2A示出一种示例性基于IC的喷墨墨盒芯片200，其内建在基板205上，基板205具有多个微通道，多个微通道包括具有多个填充侧孔210的填充侧和具有多个分配喷嘴220的分配侧。如上文所公开的，两个或更多个微通道装载有不同传感材料(如血脂或抗体等生物标记)，并且分配喷嘴220的位置和传感器阵列芯片上的传感器结构的空间布置匹配(如下文描述的图2B，用于匹配传感器结构空间布置)。
图2B示出一种基于IC的传感器阵列芯片250，其包括基板255，其中传感器阵列芯片250的左下角被示为具有多个功能化传感器结构，其中8个传感器结构被示为包括传感器结构251。多个传感器阵列芯片(如传感器阵列芯片250)，在被单件化(singulate)之前，通常形成在公共基板上。传感器结构包括插入在上部电极和下部电极(如，下文所述的图3A中所示的压电悬梁)之间的压电层，其中所述上部电极和下部电极在空间布置上被定位跨越传感器阵列芯片250区域，其中该空间布置与图2A中所示的多个分配喷嘴的空间布置匹配。每个传感器结构的形状被示为是变迹的(apodized)(非平行线)，以有助于避免杂散谐振。每个传感器结构被示为具有功能化区域，功能化区域包括能够通过上述喷墨墨盒沉积的如上所述的传感材料345。
上部电极被示出路由到每个传感器结构的独特信号接合焊盘。然后，传感器阵列芯片250能够外接合(bond out)到电子设备(如，通过焊线或引线)，其中电子设备包括在传感器阵列芯片250暴露于分析物之前和之后，允许询问每个传感器结构的频率的振荡器。频率变化允许检测由功能化传感器结构与分析物的化学反应引起的质量变化。接地总线2661、2662将所有传感器结构的底部电极耦合到示为266a的公共输入/输出(I/O)接地焊盘。针对每个传感器结构提供顶部电极迹线，包括迹线2671以将传感器结构251的顶部电极连接到示为267a的专用I/O焊盘。
尽管图2B中未示出传感器阵列芯片250能够包括集成振荡器。传感器阵列芯片250还能够包括振荡器之前的多路复用器(MUX)，以允许单个振荡器测量相应传感器结构的相应谐振频率。另外，能够提供模数转换器(ADC)以将振荡器的输出数字化，从而提供数字化频率输出。
图3A是传感器结构300的截面图，其中传感器结构300包括在利用传感材料功能化之前的压电悬臂。传感器结构300包括插入在上部电极315和下部电极320之间的压电层310。上部电极315和下部电极320被示为通过包含端子318和319的金属电气连接到焊盘321和322。顶层330包括电介质材料，其用作保护层，被示出位于上部电极315上方。顶层330能够包括氮化硅、氧化硅或氮氧化硅。
压电层310能够包括氮化铝(AlN)或其它材料，如氧化锌(ZnO)、锆钛酸铅(PZT)、石英(二氧化硅，SiO2)或钛酸钡(BaTiO3)等。例如，AlN层能够使用产生低应力的过程利用氮气被反应性地溅射沉积，致密层采用c轴线取向。压电层310的厚度能够在从约0.1μm至约10μm的范围内。
图3B是传感器结构的截面图，其中传感器结构包括图3A中所示的在利用通过所公开的喷墨墨盒芯片沉积的传感材料而功能化后压电悬臂(功能化的传感器结构300')。传感材料(如生物标记)被示为345，其被沉积在顶层330上。图3C是功能化传感器结构300'的俯视图，该结构包括图3B所示的具有在顶层300上的传感材料345的压电悬臂。
图4A是部分完成的、包括BAW传感器400的传感器结构的截面图，该结构利用其上的传感材料345实施功能化的固态装配型谐振器(SMR)320、310'、330。与图3A-图3C所示的悬臂传感器实施例中悬浮的压电层310相比，BAW传感器400提供固态装配型压电层310'，这通常使得这个实施例在机械上更具鲁棒性，因此，几乎不存在对所使用的任何标准后端过程(包括切割、组装和封装)的机械损伤的风险。
声学布拉格反射器位于SMR 320、310'、330和基板255之间。声学布拉格反射器390包括多个层：391到395。声学布拉格反射器390的层391、393、395是具有高声学阻抗的层并且层392、394是具有低声学阻抗的层。391到395中的每一层的厚度被固定到约为谐振频率的四分之一波长。声学布拉格反射器390中存在的交替层数量越多，反射器的效率越高。声学布拉格反射器的效率也取决于声学阻抗之间的失配。低声学阻抗材料和高声学阻抗材料之间的声学阻抗的差越大，反射器的效率越高。
如上所述，将分析物溶液中的材料加到顶层330上的传感材料345致使发生谐振频率偏移。当谐振频率约为1GHz时，即使加入分析物的一个原子单层也能够引起谐振频率可测量的变化，其通常是每百万中至少一部分，如1kHz到几MHz。如上所述，多个传感器结构的顶层330能够通过使用具有位置匹配的分配喷嘴的喷墨打印机芯片利用不同传感材料被选择性地功能化。
图4B是包括SAW传感器的传感器结构的截面图，其中SAW传感器被示为切变水平声学板模式(SHAPM)传感器410。SHAPM传感器410包括输入叉指换能器(input interdigitated transducer，IDT)411和输出IDT 401。尽管图4B中未示出功能化，传感材料将沉积在图4B所标识的具有“表面位移”的区域中以功能化SHAPM传感器410。在此实施例中，基板255是压电基板。
所公开的传感器阵列能够可靠地以足够准度和精度测量在人体血液或其他体液中观察到的典型浓度下的许多各种临床相关的参数。此外，所公开的传感器阵列被充分集成、通常与便于集成且低成本的剩余的生物芯片处于同一基板上。
因此，所公开的传感器阵列实现充分集成的、一次性使用的传感器阵列生物芯片，其能够经部署用于即时检验(POCT)应用，这满足若干有用标准。这些标准中的一些包括：(a)每个一次性使用的传感器阵列生物芯片的低成本，其中，通过使用低成本生物相容性基板材料(如硅或玻璃)得到低成本；(b)传感器阵列生物芯片的低成本、大规模生产制造过程，其中，高产量减少每个器件的成本；(c)充分集成的采样能力，它的用途在于允许传感器阵列生物芯片直接获取血清样品；(d)集成的传感器阵列生物芯片，其中，功能化传感器阵列芯片制造在与其余传感器阵列芯片相同的基本上以允许与包括读取电子装置的其余传感器阵列芯片集成；和(e)传感器阵列生物芯片的低成本、高产量制造过程，其中，高产量制造驱使每个传感器阵列芯片的成本下降。
本发明涉及的领域中的技术人员将理解，许多其它实施例及实施例的变体在所要求保护的本发明的范围内是可能的，并且在不偏离本发明的范围的情况下，可以进行进一步增加、删除、替换和修改。例如，虽然公开了用于人类患者的医疗诊断检验，但是，所公开的实施例也能够用于动物诊断检验。

Claims (18)

1.一种形成功能化传感器阵列的方法，所述方法包括：
提供具有至少一个传感器阵列芯片的基板，所述至少一个传感器阵列芯片包括多个传感器结构，所述多个传感器结构包括插入在上部电极和下部电极之间且在空间布置上被定位在跨越所述传感器阵列芯片的区域的压电层；
提供具有多个微通道的喷墨墨盒芯片，其中所述多个微通道包括具有多个填充侧孔的填充侧和具有多个分配喷嘴的分配侧，其中所述多个微通道中的两个或更多个装载有不同传感材料，并且其中所述多个分配喷嘴的位置与所述空间布置匹配；
对齐所述多个分配喷嘴和所述多个传感器结构，以及
驱动所述多个分配喷嘴以将所述不同传感材料沉积在所述多个传感器结构上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个分配喷嘴的面积比所述多个填充侧孔的面积小。
3.根据权利要求1所述的方法，其中所述驱动所述多个分配喷嘴同时执行。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述空间布置是提供预定间距的周期性布置。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个传感器结构的每个包括悬臂。
6.根据权利要求1所述的方法，其中所述多个传感器结构的每个包括体声波传感器，即BAW传感器。
7.根据权利要求6所述的方法，其中所述BAW传感器包括厚度切变模式传感器，即TSM传感器。
8.根据权利要求1所述的方法，进一步包括：
电子地测量所述多个传感器结构以确定初始谐振频率，以及存储所述多个传感器结构的每一个的初始谐振频率数据；
将所述多个传感器结构暴露于分析物的样品；
电子地重新测量所述多个传感器结构以确定暴露后的谐振频率，并存储暴露后的谐振频率数据；
分析所述初始谐振频率数据和所述暴露后的谐振频率数据之间的差值的谐振频率的变化，以识别所述多个传感器结构的哪一个与所述分析物反应，以及
根据所述分析诊断医疗状况。
9.根据权利要求1所述的方法，其中所述基板具有多个所述传感器阵列芯片，所述方法进一步包括，将所述喷墨墨盒芯片从所述多个传感器阵列芯片中的第一个转化到所述多个传感器阵列芯片的第二个，即转化到第二传感器阵列芯片，以及：
对齐所述多个分配喷嘴和所述第二传感器阵列芯片上的所述多个传感器结构，以及
驱动所述多个分配喷嘴，以同时将所述不同传感材料沉积在所述第二传感器阵列芯片的所述多个传感器结构上。
10.一种检验液体样品的方法，其包括：
提供包括多个传感器结构的传感器阵列芯片，所述多个传感器结构包括插入在上部电极和下部电极之间且在空间布置上被定位跨越所述传感器阵列芯片的区域的压电层，其中所述多个传感器结构中的两个或更多个具有在其上包括不同传感材料的功能化区域；
电子地测量所述多个传感器结构以确定初始谐振频率以及存储所述多个传感器结构的每个的初始谐振频率数据；
将所述多个传感器结构的所述功能化区域暴露于分析物的样品；
电子地重新测量所述多个传感器结构以确定暴露后的谐振频率，以及存储暴露后的谐振频率数据；
分析所述初始谐振频率数据和所述暴露后的谐振频率数据之间的差值的谐振频率的变化，以识别所述多个传感器结构的哪一个与所述样品反应，以及
根据所述分析诊断医疗状况。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述样品是水状样品，所述方法进一步包括在所述暴露后进行干燥。
12.根据权利要求10所述的方法，进一步包括根据所述谐振频率的变化计算质量变化。
13.一种医疗诊断工具包组合件，包括：
包括多个传感器结构的传感器阵列芯片，所述多个传感器结构包括插入在上部电极和下部电极之间的压电层，其中所述上部电极和下部电极在空间布置上被定位跨越所述传感器阵列芯片的区域，和
具有多个微通道的喷墨墨盒芯片，其中所述多个微通道包括具有多个填充侧孔的填充侧和具有多个分配喷嘴的分配侧，其中所述多个微通道中的两个或更多个装载有不同传感材料，并且其中所述多个分配喷嘴的位置与所述空间布置匹配。
14.根据权利要求13所述的医疗诊断工具包组合件，其中，所述多个分配喷嘴的面积比所述多个填充侧孔的面积小。
15.根据权利要求13所述的医疗诊断工具包组合件，其中所述空间布置是提供预定间距的周期性布置。
16.根据权利要求13所述的医疗诊断工具包组合件，其中所述多个传感器结构的每个包括悬臂。
17.根据权利要求13所述的医疗诊断工具包组合件，其中所述多个传感器结构的每个包括体声波传感器，即BAW传感器。
18.根据权利要求17所述的医疗诊断工具包组合件，其中所述BAW传感器包括厚度切变模式传感器，即TSM传感器。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN107515062A (zh) * 2017-08-08 2017-12-26 雅泰歌思（上海）通讯科技有限公司 一种高精度声表面波阵列传感器
CN108474764A (zh) * 2015-11-06 2018-08-31 Qorvo美国公司 声学谐振器设备和提供气密性及表面功能化的制造方法
WO2021184494A1 (zh) * 2020-03-19 2021-09-23 山东科技大学 一种传感器的制备方法、传感器以及传感器的检测方法

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10170685B2 (en) 2008-06-30 2019-01-01 The Regents Of The University Of Michigan Piezoelectric MEMS microphone
CN102138338B (zh) * 2008-06-30 2015-01-14 密执安大学评议会 压电mems麦克风
US11700188B2 (en) 2014-09-26 2023-07-11 Suse Llc Customized cloud service
US9753028B2 (en) 2015-05-05 2017-09-05 Maxim Integrated Products, Inc. Electric-field imager for assays
US10107790B1 (en) * 2015-05-05 2018-10-23 Maxim Integrated Products, Inc. Electric-field imager for assays
US10605816B1 (en) 2015-08-11 2020-03-31 Maxim Integrated Products, Inc. H-field imager for assays
US10352904B2 (en) 2015-10-26 2019-07-16 Qorvo Us, Inc. Acoustic resonator devices and methods providing patterned functionalization areas
CN108139364A (zh) 2015-10-28 2018-06-08 Qorvo美国公司 具有baw谐振器和通过衬底的流体通孔的传感器设备
US10393704B2 (en) 2015-10-30 2019-08-27 Qorvo Us, Inc. Multi-frequency BAW mixing and sensing system and method
WO2017075354A1 (en) 2015-10-30 2017-05-04 Qorvo Us, Inc. Fluidic device including baw resonators along opposing channel surfaces
US10812045B2 (en) 2015-11-09 2020-10-20 Qorvo Biotechnologies, Llc BAW sensor with enhanced surface area active region
US20180003677A1 (en) * 2016-06-30 2018-01-04 Intel Corporation Piezoelectric package-integrated chemical species-sensitive resonant devices
US10267770B2 (en) 2016-07-27 2019-04-23 Qorvo Us, Inc. Acoustic resonator devices and methods with noble metal layer for functionalization
JP7007362B2 (ja) 2016-08-11 2022-01-24 コーボ ユーエス，インコーポレイティド 機能化材料を制御して配置した弾性共振装置
DE102023121087A1 (de) * 2023-08-08 2025-02-13 digid GmbH Sensor und Messverfahren zur Umwandlung chemischer und/oder biochemischer Information mindestens eines Analyten

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1299958A (zh) * 1999-12-10 2001-06-20 莫志宏 微型压电谐振式传感器阵列芯片
CN1566933A (zh) * 2003-06-18 2005-01-19 中山市泰威技术开发有限公司 质量放大的压电生物芯片
CN102026724A (zh) * 2008-05-13 2011-04-20 Nxp股份有限公司 传感器阵列和制造传感器阵列的方法
CN102844850A (zh) * 2010-04-15 2012-12-26 德克萨斯仪器股份有限公司 用于制造贯穿衬底的微通道的方法
WO2013181554A1 (en) * 2012-05-31 2013-12-05 Texas Instruments Incorporated Integrated piezoelectric resonator with a mass bias

Family Cites Families (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6024440A (en) 1998-01-08 2000-02-15 Lexmark International, Inc. Nozzle array for printhead
WO2005043126A2 (en) 2003-10-27 2005-05-12 Drexel University Piezoelectric cantilever sensors
US7463118B2 (en) 2006-06-09 2008-12-09 Texas Instruments Incorporated Piezoelectric resonator with an efficient all-dielectric Bragg reflector
US7667369B2 (en) 2006-11-01 2010-02-23 Delaware Capital Formation, Inc. High sensitivity microsensors based on flexure induced frequency effects
US7673972B2 (en) 2007-01-08 2010-03-09 Lexmark International, Inc. Micro-fluid ejection devices, methods for making micro-fluid ejection heads, and micro-fluid ejection head having high resistance thin film heaters
US7993854B2 (en) 2007-05-30 2011-08-09 Drexel University Detection and quantification of biomarkers via a piezoelectric cantilever sensor

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1299958A (zh) * 1999-12-10 2001-06-20 莫志宏 微型压电谐振式传感器阵列芯片
CN1566933A (zh) * 2003-06-18 2005-01-19 中山市泰威技术开发有限公司 质量放大的压电生物芯片
CN102026724A (zh) * 2008-05-13 2011-04-20 Nxp股份有限公司 传感器阵列和制造传感器阵列的方法
CN102844850A (zh) * 2010-04-15 2012-12-26 德克萨斯仪器股份有限公司 用于制造贯穿衬底的微通道的方法
WO2013181554A1 (en) * 2012-05-31 2013-12-05 Texas Instruments Incorporated Integrated piezoelectric resonator with a mass bias

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108474764A (zh) * 2015-11-06 2018-08-31 Qorvo美国公司 声学谐振器设备和提供气密性及表面功能化的制造方法
CN107515062A (zh) * 2017-08-08 2017-12-26 雅泰歌思（上海）通讯科技有限公司 一种高精度声表面波阵列传感器
WO2021184494A1 (zh) * 2020-03-19 2021-09-23 山东科技大学 一种传感器的制备方法、传感器以及传感器的检测方法

Also Published As

Publication number Publication date
US9910015B2 (en) 2018-03-06
US20150293060A1 (en) 2015-10-15

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