基于游標效應的雙微環(huán)諧振腔光學生化傳感芯片的制作方法
【專利摘要】本實用新型的基于游標效應的雙微環(huán)諧振腔光學生化傳感芯片，包括自下而上依次層疊鍵合的硅基層、二氧化硅層和單晶硅層構(gòu)成的SOI基體，SOI基體的單晶硅層包含光學耦合連接的兩個微環(huán)諧振腔。所述的微環(huán)諧振腔在空間結(jié)構(gòu)上為層疊狀。由于在方案中引入狹縫光波導結(jié)構(gòu)，而狹縫波導能夠?qū)⒐鈽O大的限制在狹縫區(qū)域以增強光和物質(zhì)之間的相互作用，其優(yōu)勢在于狹縫空間中的光能量密度遠遠大于倏逝場中光能量的密度，光與物質(zhì)相互作用更強，檢測靈敏度更高。并可以在達到相同傳感性能的條件下，有利于實現(xiàn)光學生化傳感器的微型化與片上傳感系統(tǒng)。
【專利說明】基于游標效應的雙微環(huán)諧振腔光學生化傳感芯片
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及對氣體分子或者生物分子等特定的化學或生物物質(zhì)的檢測技術，具體涉及光傳感【技術領域】，特別涉及一種基于游標效應光學諧振腔生化傳感芯片。
【背景技術】
[0002]生化傳感器是一種生物活性材料與相應換能器的結(jié)合體，它用于測定特定的化學或生物物質(zhì)。由于測定這些化學或生物物質(zhì)在環(huán)境監(jiān)測、疾病監(jiān)控以及藥物研發(fā)中具有重要意義，所以對生化傳感器的研究已經(jīng)顯得非常重要。目前典型的光學生化傳感器主要可分為熒光標記型光學生化傳感器和無標記型光學生化傳感器兩大類，由相關的文獻可知，熒光標記型光學生化傳感器雖然已被用于探測和辨別特定的生物化學分子，但卻有設備龐大、操作復雜及花費時間長等缺點，且通常需要具有一定專業(yè)技術的專人操作，普及成本較高，同時，用于標記的熒光分子還有可能影響樣本的探測。相比而言，無標記型光學生化傳感器的尺寸更小，成本更低，應用方法也更為便捷，而且在測量過程中不再引入新的干擾，結(jié)果也更加可靠。
[0003]基于SOI (Silicon-On-1nsulator,絕緣襯底上的娃)的光學生化傳感器就是一種無標記型光學生化傳感器，同時也正是本領域的研究熱點。從現(xiàn)有的基于SOI的光學生化傳感器來看，大多采用了倏逝波(消逝波)探測原理，倏逝波是指由于全反射而在兩種不同介質(zhì)的分界面上產(chǎn)生的一種電磁波，其幅值隨與分界面相垂直的深度的增大而呈指數(shù)形式衰減，通過檢測所述的光學生化傳感器光波導的倏逝波以探測樣本生物化學物質(zhì)。其原理在于待測樣本中生物化學物質(zhì)會引起光學生化傳感器中光波傳輸性質(zhì)的改變(表現(xiàn)為光學生化傳感器的有效折射率的變化)，也即將使樣本中的生物化學物質(zhì)濃度信號轉(zhuǎn)換為光信號變化。目前已用于傳感的平面波導結(jié)構(gòu)有馬赫澤德干涉計、光柵、以及法布里-伯羅(FP)腔、環(huán)形腔、表面等離子體共振等結(jié)構(gòu)。其中，對基于光學諧振腔結(jié)構(gòu)(如FP腔、環(huán)形腔等)的光學生化傳感器而言，諧振效應的引入可使光信號在諧振腔內(nèi)不斷諧振和放大，因此等效于光學生化傳感器探測長度的增加，更能引起相位(或強度)等光信號變化到可探測的量值，進而實現(xiàn)在小尺寸光學生化傳感器上達到較好的傳感性能，另外小尺寸的光學生化傳感器也便于光學生化傳感器系統(tǒng)的小型化與微型化，將有效地降低系統(tǒng)成本。
[0004]此外，基于游標效應的光學生化傳感器近年來被人們逐漸提出，這種傳感器是利用兩個具有不同自由光譜范圍的傳感子系統(tǒng)，組成一個新的傳感系統(tǒng)。這種新的傳感系統(tǒng)的工作原理是:由于其兩個子系統(tǒng)的自由光譜范圍(FSR)不同，因此，整個傳感系統(tǒng)的自由光譜范圍應該是兩個子系統(tǒng)的自由光譜范圍的最小公倍數(shù)。因此，這種傳感器具有很大的自由光譜范圍以及很大的測量范圍。并且，如果我們將其中的一個傳感子系統(tǒng)作為參考系統(tǒng)，另外一個傳感子系統(tǒng)作為傳感系統(tǒng)，我們可以得到靈敏度很高的傳感器。
[0005]在現(xiàn)有的對氣體分子或者生物分子等特定的化學或生物物質(zhì)的檢測【技術領域】中，在將基于SOI的片上系統(tǒng)的可小型化的優(yōu)勢和基于游標效應的系統(tǒng)測量精度等優(yōu)勢相結(jié)合的實例幾乎沒有。在現(xiàn)有技術中，基于SOI的片上系統(tǒng)多采用倏逝波探測的形式，可是大部分片上系統(tǒng)中由于倏逝波能量密度低，使得它們的靈敏度比較低，對待分析物不是太敏感，因此測量時對光電探測裝置的要求相應較高，進而使系統(tǒng)的整體成本也相應較高。
實用新型內(nèi)容
[0006]本實用新型的目的是為了解決某些生物化學物質(zhì)的探測問題，在現(xiàn)有技術中主流的基于光學探測的光學生化傳感器的基礎上，為進一步解決其利用倏逝波探測原理及單系統(tǒng)探測所存在的倏逝波能量密度低導致探測難度大及單系統(tǒng)測量范圍窄、靈敏度不高等問題，提出了一種基于游標效應光學諧振腔生化傳感芯片。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型的技術方案是:一種基于游標效應的雙微環(huán)諧振腔光學生化傳感芯片，包括自下而上依次層疊鍵合的硅基層、二氧化硅層和單晶硅層構(gòu)成的SOI基體，其特征在于，所述SOI基體的單晶硅層包含第一光學諧振腔和第二光學諧振腔，所述第一光學諧振腔與第二光學諧振腔具有不相同的自由光譜范圍，二者光學耦合連接，所述第一光學諧振腔和第二光學諧振腔同為微環(huán)諧振腔。
[0008]進一步的，上述第一光學諧振腔和第二光學諧振腔在空間結(jié)構(gòu)上為層疊狀。
[0009]進一步的，上述光學諧振腔生化傳感芯片的SOI基體的單晶硅層還包括狹縫光波導，所述狹縫光波導位于第一光學諧振腔和/或第二光學諧振腔的光信號傳播路徑上。
[0010]上述狹縫光波導的狹縫為垂直于單晶硅層表面由單晶硅層向下刻蝕形成的狹縫；
[0011]上述狹縫光波導的狹縫深度等于單晶硅層厚度；
[0012]上述狹縫光波導的狹縫寬度為80nm?120nm。
[0013]本實用新型的有益效果:本實用新型的光學諧振腔生化傳感芯片通過在頂部的單晶硅層形成兩個自由光譜范圍不同且相互以光學耦合方式相連接的光學諧振腔形成游標效應，用于檢測外界物質(zhì)對光信號的影響。此外，由于在方案中引入狹縫光波導結(jié)構(gòu)，而狹縫波導能夠?qū)⒐鈽O大的限制在狹縫區(qū)域以增強光和物質(zhì)之間的相互作用，使光信號的檢測從傳統(tǒng)的倏逝場轉(zhuǎn)向狹縫空間，其優(yōu)勢在于狹縫空間中的光能量密度遠遠大于倏逝場中光能量的密度，光與物質(zhì)相互作用更強，檢測靈敏度更高，降低了對檢測設備的要求，檢測難度進一步降低。另外，這種傳感芯片采用光學諧振腔結(jié)構(gòu)，利用光學諧振腔的諧振效應，使得可以在達到相同傳感性能的條件下，大大減小光學生化傳感芯片的體積，有利于實現(xiàn)光學生化傳感器的微型化與片上傳感系統(tǒng)。以SOI材料為基體，可以利用成熟的微電子CMOS加工工藝，使得這種光學生化傳感芯片易于大規(guī)模批量生產(chǎn)，有利于降低光學生化傳感芯片的成本。本光學生化傳感芯片既可用于生物大分子(蛋白質(zhì)或者是DNA)液體樣本探測，也可用于氣體分子檢測。因此，本實用新型與其他的生化傳感芯片相比，具有制作工藝標準化、價格低、體積小、便于集成化、傳感性能優(yōu)良及適用范圍廣等一系列特點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1-1為本實用新型的實施例的光學諧振腔生化傳感芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖1-2為本實用新型的實施例的光學諧振腔生化傳感芯片的橫截面視圖；
[0016]圖2為本實用新型的光學諧振腔生化傳感芯片構(gòu)成的生化傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖?！揪唧w實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實施例對本實用新型做進一步詳述。
[0018]如圖1-1和圖1-2所不,本實施例的基于游標效應的雙微環(huán)諧振腔光學生化傳感芯片包括自下而上依次層疊并鍵合的硅基層31、二氧化硅層32和單晶硅層33構(gòu)成的SOI基體，所述SOI基體的單晶娃層33包含第一光學諧振腔34和第二光學諧振腔35,所述第一光學諧振腔34與第二光學諧振腔35具有不相同的自由光譜范圍，二者光學耦合連接。在本實施例中，所述第一光學諧振腔和第二光學諧振腔均為微環(huán)諧振腔。第一光學諧振腔和第二光學諧振腔(微環(huán)諧振腔)在空間結(jié)構(gòu)上為層疊狀。光學諧振腔具有選頻的作用，以上所述的兩個光學諧振腔的不相同的自由光譜范圍即是指第一光學諧振腔34和第二光學諧振腔35所對應的自由光譜范圍(相鄰諧振波長的間距)不相同，目的在于使當所述的兩個光學諧振腔相耦合連接時可以借助形成的游標效應增大芯片的傳感范圍和提高芯片的測量精度。由于基于游標效應的傳感器應用已為傳感器【技術領域】的現(xiàn)有技術，其兩個諧振腔的自由波長范圍的確定也就成了本領域的普通技術人員的基本常識，可以根據(jù)實際需要通過有限實驗而確定，故在此不做詳述。所述的光學耦合連接是指通過接口匹配及結(jié)構(gòu)對接等技術實現(xiàn)將所述的兩個光學諧振腔相互連接，并使耦合連接后的兩個光學諧振腔滿足光信號在二者間自由傳輸?shù)囊蟆?br> [0019]在本實施例的上述方案中，由于其中的部分方案還沿用了現(xiàn)有的基于SOI的傳感芯片利用其倏逝場探測的方式，故在此基礎上還存在進一步的技術改進空間，為了克服上述方案中利用倏逝場探測方式的步驟，這里提出一種基于上述方案的本實施例的優(yōu)選實施方式，該優(yōu)選實施方式在光學諧振腔生化傳感芯片的SOI基體的單晶硅層還包括狹縫光波導，狹縫光波導位于第一光學諧振腔和/或第二光學諧振腔的光信號傳播路徑上。設置狹縫光波導可以將傳輸路徑上的光信號大量集中到狹縫中，在傳感器應用時，可以使被測樣品通過狹縫空間，這樣被測樣品和光信號即被限制在狹縫空間內(nèi)相互作用，其作用強度相對于通過倏逝波作用將更強。同時，該作用后的變化信息被反饋與檢測系統(tǒng)，以此實現(xiàn)提高系統(tǒng)靈敏度等性能的目的。由于只要是在光信號傳播的路徑上設置該狹縫光波導即可實現(xiàn)上述目的，只是在實現(xiàn)效果的程度上略有不同，故該狹縫光波導可設置于系統(tǒng)光信號傳播路徑的任一位置，比如說可以設置在第一光學諧振腔的光信號傳播路徑上或者設置于第二光學諧振腔的光信號傳播路徑上，也可在所述的兩個光學諧振腔的光信號傳播路徑上均設置該狹縫光波導，其效果以同時設置為優(yōu)。此外，所述的狹縫光波導優(yōu)選為垂直于單晶硅層表面由單晶硅層向下開設，且狹縫槽的深度與單晶硅層的厚度相等，此時光信號與被測樣品在狹縫光波導中的作用效果最好。進一步的，這里的狹縫光波導的狹縫寬度為80nm?120nm。其作用在于使狹縫槽中光信號與被測樣品的作用效果最優(yōu)，因為狹縫槽過寬其聚集光信號的能力將無明顯改善甚至變差，同時會以犧牲器件的小型化為代價，若狹縫過窄將同時影響樣品進入狹縫和光信號的聚集，故通過優(yōu)化得出此狹縫寬度的取值范圍。特別的，在本實用新型的說明書中所涉及的狹縫槽和狹縫光波導屬于同一結(jié)構(gòu)的不同表述方式。
[0020]如圖1-1和圖1-2所示，本實施例的基于游標效應的雙微環(huán)諧振腔生化傳感芯片，所述的第一光學諧振腔(微環(huán)諧振腔)34和第二光學諧振腔35在空間上結(jié)構(gòu)上為層疊狀。需要說明的是，第一光學諧振腔34位于第二光學諧振腔35的下面，二者之間留有一定的間隙(間隙可調(diào)，最小可為零)，使第二光學諧振腔35形成懸空結(jié)構(gòu)，這是因為本視圖為技術方案的結(jié)構(gòu)原理圖，而固定支撐結(jié)構(gòu)并非本實施例的創(chuàng)新點所在，故此省略。但這并不影響本實施例對本實用新型方案公開的清楚與完整性，也不應被理解為對本實用新型技術方案的限制。優(yōu)選的，本實施例的第一和/或第二光學諧振腔可以在任一或所有光學諧振腔的光信號傳輸路徑上設置狹縫光波導。
[0021]生化傳感器主要用于生物大分子如DNA或者蛋白質(zhì)檢測等以及軍事上有毒氣體或者病毒的檢測。下面結(jié)合具體應用對本實用新型的實施例作進一步詳述:
[0022]應用于檢測出未知樣本中是否含有某種我們希望檢測到的物質(zhì)或者檢測未知樣本中含有哪些物質(zhì)，這要求傳感器對不同物質(zhì)具有的選擇性不同，表現(xiàn)為傳感器的特異性傳感，通常的做法是在傳感器的外表面涂敷一層生物敏感材料，當某種具有特異性的生物大分子隨流體樣本進入到傳感器流體通道中并流過傳感芯片時，該生物大分子就會與傳感芯片表面的敏感材料發(fā)生親和反應，使傳感芯片的表面特性發(fā)生變化，導致傳感器的有效折射率變化，進而使得傳感器的諧振波長也發(fā)生漂移，通過數(shù)據(jù)處理顯示出這一變化，可以推斷出待測樣本中是否含有某種我們想要探測的待測物質(zhì)或者是樣本中含有那些物質(zhì)；
[0023]應用于已知待測樣本中含有某種物質(zhì)，現(xiàn)在想測量樣本中這種物質(zhì)的濃度是多少，這種情況下，我們首先配置一份標準溶液作為參考，讓標準溶液流過傳感器的上表層，當滿足諧振波長的信號光從上方的狹縫光波導的端口輸入進去并進入光學諧振腔中，由光學諧振腔的諧振效應可知，當光波在諧振腔內(nèi)往返一周后產(chǎn)生的光程差為波長的整數(shù)倍時，光波會與新耦合進入光學諧振腔的光波相互干涉產(chǎn)生諧振增強效應，光會在諧振腔中來回震蕩，從而增加了光和物質(zhì)之間相互作用的長度以及增強了光和物質(zhì)之間相互作用的強度，并且，光學諧振腔中的狹縫會將光場限制的狹縫區(qū)域，便于光與狹縫區(qū)域的物質(zhì)之間發(fā)生相互作用，從而進一步的提高光和物質(zhì)之間的相互作用。我們采用的兩個具有不同的自由光譜范圍諧振腔級聯(lián)的形式，整個系統(tǒng)的自由光譜范圍會變得很大，是兩個諧振腔的自由光譜范圍的最小公倍數(shù)，從而我們可以實現(xiàn)大范圍的探測。光電探測器探測輸出光信號的強度大小，同時得到相應的諧振波長，然后讓一定量的待測溶液流過傳感器件的上表層，由于溶液的濃度發(fā)生了變化，傳感芯片的有效折射率變化，進而使得傳感器的諧振波長也發(fā)生漂移，通過測量輸出波導端口的光信號并加以數(shù)據(jù)處理可以得到輸出光信號的頻譜圖，進而得到漂移后的諧振峰的位置以及相應諧振波長，根據(jù)諧振波長漂移量的相對大小，我們可以確定待分析物中某種物質(zhì)的濃度大小，從而實現(xiàn)傳感器如期的功能。
[0024]圖2所示為基于本實用新型的實施例的基于游標效應的雙微環(huán)諧振腔光學生化傳感芯片(圖示為光子傳感器芯片)的光學生化傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，包括傳感器芯片(光子傳感器芯片)、光電探測器、激光器、溫度控制器及計算機控制部分，同時還包括控制被測液體輸入的微泵和注入閥門，待分析物通過注入閥門進入傳感芯片，流經(jīng)傳感芯片后作為廢液被收集起來。以下將通過對本傳感系統(tǒng)的工作過程進行詳述，以便本實用新型的光學諧振腔(微環(huán)諧振腔)生化傳感芯片的原理及作用能被更好的理解:該傳感系統(tǒng)工作時(結(jié)合實施例分析)，首先信號光從激光器中發(fā)射出來，通過光耦合器進入到傳感芯片中，為了避免溫度對傳感器的性能的影響，我們在傳感器的狹縫光波導中安裝了溫度控制器，用來對傳感器加熱或者是制冷(溫度監(jiān)控)。當信號光在傳感器中傳輸時，滿足光柵相位條件的光幾乎都被反射回去，但我們這里設計的光柵是弱反射光柵，即滿足光柵相位條件的光只有部分被反射回去，另外一部分仍然可以透射過去并進入到第一光學諧振腔中，進入到第一光學諧振腔中的那部分滿足光柵相位條件的光將會被第二光學諧振腔繼續(xù)反射回去，被第二光學諧振腔反射的光將會與重新透過第一光學諧振腔進入的那部分滿足光學諧振腔諧振條件的光發(fā)生干涉，在光學諧振腔中入射光與反射光會發(fā)生干涉及震蕩，從而形成一系列的諧振峰。這些從第一光學諧振腔出射的諧振信號隨后會進入到第二光學諧振腔中，作用機理分析同上，由于兩個諧振腔形成的諧振峰的自由光譜范圍不同，所以第一光學諧振腔出射的諧振信號將會被第二光學諧振腔調(diào)制，從而在傳感器件輸出端口將輸出一種自由光譜范圍很寬，品質(zhì)因子很高的諧振曲線。當待分析物樣品通過微泵注入到微流體通道，并達到傳感器芯片的上包層時，樣品會使得傳感器周圍環(huán)境發(fā)生變化，導致傳感器的有效折射率變化，進而使得傳感器輸出端口的諧振峰會發(fā)生漂移，我們通過在傳感器輸出端口的光電探測器來測量這一變化，并將光場強度的數(shù)據(jù)送到計算機中進行處理，將計算的結(jié)果與計算機中各物質(zhì)組成的數(shù)據(jù)庫信息進行比對，我們可以得出被測量物的相關信息，從而實現(xiàn)傳感功能。
[0025]以上所述僅為本實用新型的【具體實施方式】，本領域的技術人員將會理解，在本實用新型所揭露的技術范圍內(nèi)，可以對本實用新型進行各種修改、替換和改變。因此本實用新型不應由上述事例來限定，而應以權力要求書的保護范圍來限定。
【權利要求】
1.基于游標效應的雙微環(huán)諧振腔光學生化傳感芯片，包括自下而上依次層疊鍵合的硅基層、二氧化硅層和單晶硅層構(gòu)成的SOI基體，其特征在于，所述SOI基體的單晶硅層包含第一光學諧振腔和第二光學諧振腔，所述第一光學諧振腔與第二光學諧振腔具有不相同的自由光譜范圍，二者光學耦合連接，所述第一光學諧振腔和第二光學諧振腔同為微環(huán)諧振腔。
2.根據(jù)權利要求1所述的基于游標效應的雙微環(huán)諧振腔光學生化傳感芯片，其特征在于，所述的第一光學諧振腔和第二光學諧振腔在空間結(jié)構(gòu)上為層疊狀。
3.根據(jù)權利要求1所述的基于游標效應的雙微環(huán)諧振腔光學生化傳感芯片，其特征在于，所述生化傳感芯片的SOI基體的單晶硅層還包括狹縫光波導，所述狹縫光波導位于第一光學諧振腔和/或第二光學諧振腔的光信號傳播路徑上。
4.根據(jù)權利要求3所述的基于游標效應的雙微環(huán)諧振腔光學生化傳感芯片，其特征在于，所述狹縫光波導的狹縫為垂直于單晶硅層表面由單晶硅層向下刻蝕形成的狹縫。
5.根據(jù)權利要求3或4所述的基于游標效應的雙微環(huán)諧振腔光學生化傳感芯片，其特征在于，所述狹縫光波導的狹縫深度等于單晶硅層厚度。
6.根據(jù)權利要求3或4所述的基于游標效應的雙微環(huán)諧振腔光學生化傳感芯片，其特征在于，所述狹縫光波導的狹縫寬度為80nm?120nm。
【文檔編號】G01N21/41GK203385659SQ201320266094
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年5月16日 優(yōu)先權日:2013年5月16日
【發(fā)明者】袁國慧, 王卓然, 高亮 申請人:成都譜視科技有限公司