一種光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器，其包括基板、以及呈矩陣式垂直設(shè)置在該基板上的若干第一介質(zhì)柱與若干第二介質(zhì)柱，該第一介質(zhì)柱的半徑為r，該第二介質(zhì)柱的半徑為ra，且r≠ra。其中，該若干第二介質(zhì)柱分成三部分分別構(gòu)成主波導(dǎo)與兩個(gè)耦合波導(dǎo)，兩個(gè)耦合波導(dǎo)分別對(duì)稱設(shè)置于主波導(dǎo)的兩側(cè)，主波導(dǎo)呈直線形為光子晶體直波導(dǎo)，兩個(gè)耦合波導(dǎo)呈直角轉(zhuǎn)彎形為直角轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)，主波導(dǎo)、兩個(gè)耦合波導(dǎo)三者之間填充有該若干第一介質(zhì)柱而相互獨(dú)立。兩個(gè)耦合波導(dǎo)與主波導(dǎo)之間設(shè)有三個(gè)光子晶體諧振腔，主波導(dǎo)、兩個(gè)耦合波導(dǎo)分別與三個(gè)光子晶體諧振腔耦合。
【專利說明】一種光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種生物傳感器，尤其涉及一種光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]生物傳感器是以生物活性單元作為生物敏感基元，對(duì)被測(cè)物具有高度選擇性的探測(cè)器，在環(huán)境監(jiān)測(cè)、生物防范、食品檢測(cè)、疾病監(jiān)控以及藥物研發(fā)中有著重要的應(yīng)用。近年來(lái)，隨著光子集成技術(shù)的發(fā)展以及片上實(shí)驗(yàn)室(Lab-on-a-chip)概念的提出，基于光光子晶體諧振腔的生物傳感器由于兼具檢測(cè)速度快、靈敏度高、實(shí)時(shí)性好、無(wú)需標(biāo)記、不受環(huán)境和工頻干擾等優(yōu)點(diǎn)，已成為目前生物傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。
[0003]生物傳感器市場(chǎng)規(guī)模龐大，且每年呈上升趨勢(shì)，據(jù)美國(guó)市場(chǎng)信息反饋專業(yè)公司Market Research估計(jì)，2012年全球生物傳感器市規(guī)模為85億美元，到2018年將增至168億美元；若加上傳感器周邊配套設(shè)施，生物傳感產(chǎn)業(yè)的市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)數(shù)千億美元，生物傳感器相關(guān)方面的研究具有可觀的社會(huì)及經(jīng)濟(jì)效益。
[0004]光子晶體又被稱為光半導(dǎo)體，是由具有不同介電常數(shù)的物質(zhì)，在空間周期性排列而形成的人工微結(jié)構(gòu)。光子晶體具備光子禁帶，具有控制光在其內(nèi)傳播的特性，是實(shí)現(xiàn)未來(lái)大規(guī)模光電集成以及全光網(wǎng)絡(luò)的潛在應(yīng)用材料。在完整的光子晶體材料中引入缺陷時(shí)，則會(huì)在光子禁帶中引入缺陷態(tài)。例如，引入點(diǎn)缺陷則可以將光局域在缺陷內(nèi)，從而形成光子晶體諧振腔；而如果引入線缺陷，則可以將光限制于線缺陷內(nèi)傳播，形成光子晶體波導(dǎo)。近年來(lái)，基于光子晶體諧振腔的生物傳感器因其集成度高、待測(cè)物用量少、探測(cè)極限高已成為該領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。
[0005]對(duì)于基于諧振腔的生物傳感器，其無(wú)熱化研究近年來(lái)受到了較多的關(guān)注。這主要來(lái)源于常用的諧振腔生物傳感器制備材料如硅、氮化硅以及聚合物等都具有較高熱效應(yīng)，使得這類生物傳感器探測(cè)結(jié)果極易受溫度波動(dòng)影響。由于在測(cè)試過程中，溫度引起的噪聲信號(hào)與傳感信號(hào)疊加，從而使得傳感測(cè)試系統(tǒng)的信噪比降低，甚至造成測(cè)試失敗。
[0006]通過合理的設(shè)計(jì)以及新材料的選擇，可以使溫度致折射率變化及溫度致形變對(duì)器件光譜特性影響相反，甚至接近為0，從而減小甚至消除溫度對(duì)光器件的測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。然而，一方面，從嚴(yán)格意義上講這種方法不可能使溫度影響嚴(yán)格為零，即不能從根本的解決溫度變化對(duì)器件性能的影響；另一方面，這種方法對(duì)器件的制備材料要求較為嚴(yán)格，可備選材料并不多，例如，對(duì)于現(xiàn)階段制備工藝較為成熟且器件集成度較高的硅材料(包括SOI材料)，其溫度對(duì)折射率的影響為1.8X 10_4/°C，而熱膨脹系數(shù)僅為2.63X 10_6/°C，難以通過這種方法來(lái)設(shè)計(jì)制備無(wú)熱化光器件。
[0007]另外，對(duì)于諧振腔結(jié)構(gòu)生物傳感芯片，通過設(shè)計(jì)制作參考諧振腔也可以得到溫度不敏感生物傳感器芯片，這種方法需要設(shè)計(jì)一個(gè)或多個(gè)不與待測(cè)物質(zhì)接觸的參考諧振腔，當(dāng)對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行分析時(shí)，以參考諧振腔作為判斷溫度影響漂移的基準(zhǔn)，從而避免溫度對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。這種方法可以在不改變器件制作材料的基礎(chǔ)上避免溫度的影響，對(duì)傳感器芯片制備材料不提出特別要求。但這種方法也存在一些本質(zhì)上的缺點(diǎn)。由于基于諧振腔的生物傳感器的高集成特性，一塊芯片可以集成上百個(gè)傳感單元，如果一整片生物傳感芯片只配置一個(gè)參考諧振腔，則會(huì)出現(xiàn)參考諧振腔與探測(cè)諧振腔距離過遠(yuǎn)，而在實(shí)際應(yīng)用過程中，如果出現(xiàn)芯片溫度不均勻的情況，參考諧振腔就不可能提供有價(jià)值的參考值。而若在每一個(gè)傳感單元中都布置參考諧振腔則會(huì)出現(xiàn)面積浪費(fèi)的情況，不利于高集成生物傳感芯片的設(shè)計(jì)制備。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]為克服上述缺陷，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提出一種高集成度且結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單的光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器。
[0009]本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，一種光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器，其包括基板、以及呈矩陣式垂直設(shè)置在該基板上的若干第一介質(zhì)柱(I)與若干第二介質(zhì)柱(2)，該第一介質(zhì)柱(I)的半徑為r，該第二介質(zhì)柱(2)的半徑為ra，且r ，其中，該若干第二介質(zhì)柱(2)分成三部分分別構(gòu)成主波導(dǎo)(5)與兩個(gè)耦合波導(dǎo)(6、7)，兩個(gè)耦合波導(dǎo)(6、7)分別對(duì)稱設(shè)置于主波導(dǎo)(5)的兩側(cè)，主波導(dǎo)(5)呈直線形為光子晶體直波導(dǎo)，兩個(gè)耦合波導(dǎo)(6、7)呈直角轉(zhuǎn)彎形為直角轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)，主波導(dǎo)(5)、兩個(gè)稱合波導(dǎo)(6、7)三者之間填充有該若干第一介質(zhì)柱(I)而相互獨(dú)立，兩個(gè)耦合波導(dǎo)(6、7)與主波導(dǎo)(5)之間設(shè)有三個(gè)光子晶體諧振腔(8、9、10 )，主波導(dǎo)(5 )、兩個(gè)耦合波導(dǎo)(6、7 )分別與三個(gè)光子晶體諧振腔(8、9、10 )耦合。
[0010]作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，三個(gè)光子晶體諧振腔(8、9、10)中分別存在三個(gè)點(diǎn)缺陷(11、12、13)，三個(gè)點(diǎn)缺陷(11、12、13)的半徑分別為r2、r3，且T1 ≤ r2 ≤ r3 < r,T1 ≤ r2 ≤ r3 < ra。優(yōu)選地,第一介質(zhì)柱(I)、第二介質(zhì)柱(2)、三個(gè)點(diǎn)缺陷(11、12、13)的高度均相同。
[0011]作為上述方案的進(jìn)一步改進(jìn)，該基板包括二氧化硅埋層(3)以及硅襯底層(4)，第一介質(zhì)柱(I)與第二介質(zhì)柱(2 )均設(shè)置該二氧化硅埋層(3 )上，二氧化硅埋層(3 )位于硅襯底層(4)上。優(yōu)選地，二氧化硅埋層(3)的厚度為3μπι，第一介質(zhì)柱(I)與第二介質(zhì)柱(2)的高度均為220nm，硅襯底層(4)的厚度為600 μ m。
[0012]本發(fā)明應(yīng)用光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器實(shí)現(xiàn)生物傳感無(wú)熱化特性。傳感器芯片的每一個(gè)傳感單元由分束器、光子晶體波導(dǎo)及三個(gè)光子晶體諧振腔構(gòu)成。三個(gè)諧振腔的諧振波長(zhǎng)不同，這樣就可以通過公式換算消去溫度對(duì)探測(cè)結(jié)果的影響，從而實(shí)現(xiàn)傳感器的無(wú)熱化探測(cè)。由于三個(gè)諧振腔均作為探測(cè)單元應(yīng)用，所以相對(duì)參考光子晶體諧振腔方法，本發(fā)明光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器沒有浪費(fèi)面積，而且由于三個(gè)諧振腔密集排列(間距小于ΙΟμπι)，避免了芯片溫度不均勻是造成的測(cè)量偏差。綜上，本發(fā)明提出的光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器生物傳感器，相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)熱化解決方案，具有無(wú)需溫控裝置、無(wú)熱化、集成度高及不受制備材料限制等優(yōu)點(diǎn)。
[0013]以SOI (Silicon-on-1nsulator)為光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器芯片制備材料，其中SOI頂硅層厚為220nm，下方二氧化硅埋層厚為3μπι。本生物傳感器芯片可同時(shí)集成多個(gè)傳感單元，每個(gè)傳感單元由三個(gè)光子晶體諧振腔構(gòu)成。經(jīng)由耦合光柵或側(cè)面耦合系統(tǒng)耦合進(jìn)入的電磁波由分束器分為三束，經(jīng)過三個(gè)諧振腔最后出射，接入探測(cè)設(shè)備即可得到生物傳感器單元的出射譜線，分析可得被測(cè)物的折射率特性，從而分析被測(cè)物成分及含量等特征。
[0014]本發(fā)明提出的光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器，相對(duì)于傳統(tǒng)的無(wú)熱化解決方案，具有無(wú)需溫控裝置、無(wú)熱化、集成度高及不受制備材料限制等優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1是本發(fā)明光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器主體結(jié)構(gòu)三維意圖。 [0016]圖2是本發(fā)明光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器主體結(jié)構(gòu)側(cè)視圖。
[0017]圖3是本發(fā)明光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器主體結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0018]圖4是光子晶體諧振腔與光子晶體波導(dǎo)耦合區(qū)結(jié)構(gòu)圖。
[0019]圖5是光子晶體諧振腔傳輸特性隨溫度變化曲線。
[0020]圖6是光子晶體諧振腔傳輸特性隨包層折射率變化曲線。
[0021]圖7三環(huán)型生物傳感器特征曲線。
[0022]圖8a、圖8b、圖8c、圖8d、圖8e、圖8f為制備劃片所需的劃片槽工藝流程示意圖。
[0023]圖9a、圖％、圖9c、圖9d為制備SOI頂硅層主體結(jié)構(gòu)的工藝流程示意圖。
[0024]圖10a、圖1Ob為對(duì)加工精度要求高的光子晶體諧振腔進(jìn)行高精度修整的工藝流程不意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0026]如圖1、2、3、4所示，為本發(fā)明較佳實(shí)施方式提供的光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器包括基板以及呈矩陣式垂直設(shè)置在該基板上的若干第一介質(zhì)柱I與若干第二介質(zhì)柱2。該第一介質(zhì)柱I的半徑為r，該第二介質(zhì)柱2的半徑為ra,且r古ra。
[0027]該若干第二介質(zhì)柱2分成三部分分別構(gòu)成主波導(dǎo)5與兩個(gè)稱合波導(dǎo)6、7，兩個(gè)I禹合波導(dǎo)6、7分別對(duì)稱設(shè)置于主波導(dǎo)5的兩側(cè)，主波導(dǎo)5呈直線形為光子晶體直波導(dǎo)，兩個(gè)耦合波導(dǎo)6、7呈直角轉(zhuǎn)彎形為直角轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)。主波導(dǎo)5、兩個(gè)耦合波導(dǎo)6、7三者之間填充有該若干第一介質(zhì)柱I而相互獨(dú)立，兩個(gè)耦合波導(dǎo)6、7與主波導(dǎo)5之間設(shè)有三個(gè)光子晶體諧振腔
8、9、10，主波導(dǎo)5、兩個(gè)耦合波導(dǎo)6、7分別與三個(gè)光子晶體諧振腔8、9、10耦合。
[0028]三個(gè)光子晶體諧振腔8、9、10中分別存在三個(gè)點(diǎn)缺陷11、12、13，第一介質(zhì)柱1，第二介質(zhì)柱2，三個(gè)點(diǎn)缺陷11、12、13分別呈圓柱形。三個(gè)點(diǎn)缺陷11、12、13的半徑分別為r2> r3,且!T1關(guān)r2關(guān)r3 < r, !T1關(guān)r2關(guān)r3 < ra。第一介質(zhì)柱1、第二介質(zhì)柱2、三個(gè)點(diǎn)缺陷
11、12、13的高度均相同。
[0029]主波導(dǎo)5，耦合波導(dǎo)6、7，以及光子晶體諧振腔8、9、10構(gòu)成光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器的微結(jié)構(gòu)即主體結(jié)構(gòu)。該基板包括二氧化硅埋層3以及硅襯底層4，光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器主體結(jié)構(gòu)設(shè)置該二氧化硅埋層3上，二氧化硅埋層3位于硅襯底層4上。如圖2中，h3=220nm為主體結(jié)構(gòu)的高度(即第一介質(zhì)柱I的高度)，h2=3 μ m為二氧化硅埋層的厚度，4=600 μ m為底層硅的厚度。[0030]電磁波耦合進(jìn)入光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器主體結(jié)構(gòu)中并均分進(jìn)入主波導(dǎo)5及耦合波導(dǎo)6、7中，然后耦合進(jìn)入光子晶體諧振腔8、9、10中，其諧振波長(zhǎng)分別為λ 1入2和λ 3，其中光子晶體諧振腔8、9為生物傳感器的探測(cè)諧振腔，光子晶體諧振腔10為生物傳感器備用諧振腔，若所有光子晶體諧振腔工作正常，則光子晶體諧振腔10仍可作為探測(cè)諧振腔，用以提高生物傳感器的探測(cè)精度。若有光子晶體諧振腔工作失常，光子晶體諧振腔8則作為備用諧振腔替換工作失常的光子晶體諧振腔，確保傳感器正常工作。耦合進(jìn)入光子晶體諧振腔探測(cè)器的電磁波最后耦合出傳感器芯片，并接入分析設(shè)備對(duì)測(cè)得光譜進(jìn)行分析，從而得出待測(cè)物種類及含量等特征。
[0031]這里舉例:光子晶體諧振腔8、9、10的諧振波長(zhǎng)分別為1550nm，1500nm、1580nm。其中光子晶體諧振腔8、9作為探測(cè)諧振腔，光子晶體諧振腔10作為備用諧振腔。
[0032]圖5為對(duì)于波長(zhǎng)為1500nm和1550nm諧振腔諧振波長(zhǎng)漂移隨溫度的變化曲線?？梢婋S著溫度變化，曲線近線性變化。可見溫度變化為_20°C時(shí)，光子晶體諧振腔的響應(yīng)波長(zhǎng)藍(lán)移2.37nm，而溫度變化為50°C時(shí)，光子晶體諧振腔的響應(yīng)波長(zhǎng)紅移5.97nm。對(duì)于相應(yīng)波長(zhǎng)為1500nm的光子晶體諧振腔9，溫度變化在_20°C到50°C的區(qū)間內(nèi)，光子晶體諧振腔相應(yīng)波長(zhǎng)漂移由-2.32nm變化到6.27nm。
[0033]其中圖6為對(duì)于波長(zhǎng)為1500nm和1550nm電磁波，諧振腔諧振波長(zhǎng)漂移隨上包層折射率變化曲線。隨著包層折射率的增加，響應(yīng)波長(zhǎng)為1500nm的光子晶體諧振腔9中心波長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)最大為47.78318nm的紅移，而響應(yīng)波長(zhǎng)為1550nm的光子晶體諧振腔8中心波長(zhǎng)會(huì)出現(xiàn)最大為57.73003nm的紅移。將圖5及圖6曲線進(jìn)行擬合可得到對(duì)于諧振波長(zhǎng)為1550nm的光子晶體諧振腔8其特征方程為:
[0034]
【權(quán)利要求】
1.一種光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器，其包括基板、以及呈矩陣式垂直設(shè)置在該基板上的若干第一介質(zhì)柱(I)與若干第二介質(zhì)柱(2)，該第一介質(zhì)柱(I)的半徑為r，該第二介質(zhì)柱(2)的半徑為ra，且，其特征在于，該若干第二介質(zhì)柱(2)分成三部分分別構(gòu)成主波導(dǎo)(5)與兩個(gè)耦合波導(dǎo)(6、7)，兩個(gè)耦合波導(dǎo)(6、7)分別對(duì)稱設(shè)置于主波導(dǎo)(5)的兩偵牝主波導(dǎo)(5)呈直線形為光子晶體直波導(dǎo)，兩個(gè)耦合波導(dǎo)(6、7)呈直角轉(zhuǎn)彎形為直角轉(zhuǎn)彎波導(dǎo)，主波導(dǎo)(5)、兩個(gè)稱合波導(dǎo)(6、7)三者之間填充有該若干第一介質(zhì)柱(I)而相互獨(dú)立，兩個(gè)耦合波導(dǎo)(6、7)與主波導(dǎo)(5)之間設(shè)有三個(gè)光子晶體諧振腔(8、9、10)，主波導(dǎo)(5)、兩個(gè)耦合波導(dǎo)(6、7 )分別與三個(gè)光子晶體諧振腔(8、9、10 )耦合。
2.如權(quán)利要求1所述的光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器，其特征在于:三個(gè)光子晶體諧振腔(8、9、IO )中分別存在三個(gè)點(diǎn)缺陷(11、12、13 )，三個(gè)點(diǎn)缺陷(11、12、13 )的半徑分另1J為 r” r2、r3, ? T1 ^ r2 ^ r3 < r, T1 ^ r2 ^ r3 < ra。
3.如權(quán)利要求2所述的光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器，其特征在于:第一介質(zhì)柱(I)、第二介質(zhì)柱(2)、三個(gè)點(diǎn)缺陷(11、12、13)的高度均相同。
4.如權(quán)利要求1所述 的光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器，其特征在于:該基板包括二氧化硅埋層(3)以及硅襯底層(4)，第一介質(zhì)柱(I)與第二介質(zhì)柱(2)均設(shè)置該二氧化硅埋層(3 )上，二氧化硅埋層(3 )位于硅襯底層(4 )上。
5.如權(quán)利要求4所述的光子晶體三諧振腔無(wú)熱化生物傳感器，其特征在于:二氧化硅埋層(3)的厚度為3 μ m,第一介質(zhì)柱(I)與第二介質(zhì)柱(2)的高度均為220nm，硅襯底層(4)的厚度為600 μ m。
【文檔編號(hào)】G02B6/122GK103616348SQ201310651910
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月5日
【發(fā)明者】崔乃迪, 郭進(jìn), 馮俊波, 滕婕, 周杰 申請(qǐng)人:中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所