CN102062729A - 双通道微环形腔结构传感器与微流通道的集成结构及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双通道微环形腔结构传感器与微流通道的集成结构及其制作方法。该结构包含两个直波导微环耦合传感单元结构和两个微流通道。直波导微环耦合单元结构位于硅材料衬底上，在传感单元上面是两个由PDMS材料制作的微流通道，该微流通道方向垂直于直波导方向，两个微流通道各自对应一个微环形腔结构。现有该类传感器结构主要是基于单通道单微环耦合单元结构，单环谐振腔传感结构对环境温度比较敏感，在具体检测中，容易产生温度漂移现象，这极大的限制了该类传感器的实际应用。本发明提供的这种基于微环形腔结构的双通道温度补偿传感器结构，有效地避免微环形谐振腔在传感应用中的环境温度变化对测试结果的干扰，提高了器件性能。
Description
技术领域
本发明涉及生物传感技术领域，尤其是一种双通道微环形腔结构传感器与微流通道的集成结构及其制作方法。
背景技术
生物传感技术不仅为基础医学研究及临床诊断提供了一种快速简便的新型方法，而且因为其专一、灵敏、响应快等特点，在军事医学方面，也具有广阔的应用前景。
基于倏逝波敏感机制的光学微纳生物传感器，其工作原理是利用波导或微腔中光传导模式、局域模式的倏逝波场对其穿透深度内的介电常数敏感的特性，通过检测光学强度的衰减或光谱频率的移动等物理量来探测物质浓度变化，其探测灵敏度取决于光波的倏逝波场与待测物质的空间重叠。
光学传感器相对电化学传感器、磁效应传感器等，具有高灵敏、无电磁干扰、响应速度快等优点，因此在生物传感、环境监测等领域已逐步得到应用。
在光波导类型传感器中，微环谐振腔结构紧凑，具有极高微腔品质因子，这种精细的光谱分辨能力可以感应周围环境中极微小体积样品浓度变化。基于微环形腔结构的传感器，在发展集成化便携式检测仪器方面，具有潜在的应用价值。
现有该类传感器结构主要是基于单通道单微环耦合单元结构，单环谐振腔传感结构对环境温度比较敏感，在具体检测中，容易产生温度漂移现象，这极大的限制了该类传感器的实际应用。
现有基于微环形腔结构的传感器，主要都是采用单环结构，当环境温度发生变化的时候，会引起单环形腔的有效折射率发生变化，进而导致共振波长发生漂移，对测试结果造成干扰，本发明针对目前存在的技术问题，提出一个改善的技术方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的主要目的在于提供一种基于微环形腔结构的双通道温度补偿传感器结构，以有效避免微环形谐振腔在传感应用中的环境温度变化对测试结果的干扰，提高器件性能。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种双通道微环形腔结构传感器与微流通道的集成结构，该集成结构自下而上依次由硅衬底、光传输波导层和PDMS材料层三层材料构成，在光传输波导层有两个微环耦合传感单元结构，在PDMS材料层有两个微流通道。
上述方案中，所述双通道微环形腔结构传感器由两个耦合单元构成，每个耦合单元由微环形腔结构、该微环形腔结构与两个直波导的耦合区、一路输入波导和两路输出波导构成。
上述方案中，在所述两个微环耦合传感单元结构中，一个微环耦合传感单元结构作为传感检测单元，另外一个微环耦合传感单元结构作为环境温度变化监测参考单元。
上述方案中，所述微流通道由PDMS材料制作而成，位于微环耦合传感单元结构之上，且微流通道的方向垂直于直波导方向，两个微流通道各自对应一个微环形腔结构。
上述方案中，所述两个微流通道在PDMS材料内，位于PDMS材料与双通道微环形腔结构材料界面处，是两个封闭的液体流通管道。
上述方案中，所述双通道微环形腔结构传感器具有一敏感窗口区，该敏感窗口区位于微环形腔结构与微流通道交叉重叠区域。
为达到上述目的，本发明还提供了一种制作双通道微环形腔结构传感器与微流通道集成结构的方法，该方法包括：
步骤1：在SOI基片表面旋涂光刻胶或电子束胶，采用高精度光刻或电子束曝光工艺在旋涂的光刻胶或电子束胶上进行微环形腔波导耦合结构图形定义；
步骤2：采用电感耦合等离子体刻蚀技术，将光刻胶或电子束胶上的图形转移到硅波导层，得到微环形腔波导耦合结构芯片；
步骤3：将带有微流通道图形的硅模板通过压印的方法，将结构转移到PDMS薄膜材料上，在PDMS薄膜上得到深度和宽度合适的微流管道；
步骤4：将带有微环形腔波导耦合结构芯片用氧等离子体处理之后，通过键合的方法，将带有微流管道的PDMS材料结合到波导层材料之上。
上述方案中，步骤1中所述采用高精度光刻或电子束曝光工艺取决于微环或波导的宽度和加工精度要求，如果波导为宽度微米级的脊形波导则采用高精度光刻工艺，如果波导为亚微米级的条形波导则采用电子束曝光工艺。
上述方案中，所述步骤4包括：将带有微流管道的PDMS材料键合到波导层材料，将带有微流管道的界面与波导层材料结合，形成闭合式管道；然后采用无源对准的方法，将微流管道与微环交叉重叠，微流管道方向与直波导方向垂直。
(三)有益效果
1、本发明提供的这种基于微环形腔结构的双通道温度补偿传感器结构及其制作方法，一个通道作为检测通道，另外一个通道作为测试参考通道，通过两个通道测试数据的对比，得到实际检测物质信息，该种结构能够有效避免微环形谐振腔在传感应用中的环境温度变化对测试结果的干扰，提高器件性能。
2、本发明提供的这种基于微环形腔结构的双通道温度补偿传感器结构及其制作方法，能够有效避免微环形谐振腔在传感应用中的温度敏感性，提高传感器的灵敏度和可靠性，特别适合于进行生物分子识别分析及环境监测，其紧凑的器件结构有望在便携式传感检测仪器中得到应用。
附图说明
图1是波导层双通道微环形腔波导的耦合结构示意图；
图2是本发明提供的双通道微环形腔结构传感器与微流通道的集成结构的示意图；
图3是本发明提供的双通道微环形腔结构传感器与微流通道的集成结构的截面示意图；
其中，1检测单元直通波导；2检测单元微环形腔；3温度补偿单元微环形腔；4温度补偿单元直通波导；5检测单元耦合区；6温度补偿单元耦合区；7检测单元微流通道；8温度补偿单元微流通道；9PDMS材料层；10氧化硅隔离层；11硅衬底；12检测单元光输入端；13温度补偿单元光输入端；14检测单元光输出端；15温度补偿单元光输出端。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
如图2和图3所示，本发明提供的这种双通道微环形腔结构传感器与微流通道的集成结构，自下而上依次由硅衬底、光传输波导层和PDMS材料层三层材料构成，在光传输波导层有两个微环耦合传感单元结构，在PDMS材料层有两个微流通道。
其中，双通道微环形腔结构传感器由两个耦合单元构成，每个耦合单元由微环形腔结构、该微环形腔结构与两个直波导的耦合区、一路输入波导和两路输出波导构成。
在两个微环耦合传感单元结构中，一个微环耦合传感单元结构作为传感检测单元，另外一个微环耦合传感单元结构作为环境温度变化监测参考单元。
微流通道由PDMS材料制作而成，位于微环耦合传感单元结构之上，且微流通道的方向垂直于直波导方向，两个微流通道各自对应一个微环形腔结构。两个微流通道在PDMS材料内，位于PDMS材料与双通道微环形腔结构材料界面处，是两个封闭的液体流通管道。
双通道微环形腔结构传感器具有一敏感窗口区，该敏感窗口区位于微环形腔结构与微流通道交叉重叠区域。
请再次参阅图2和图3所示，本发明提供的这种双通道微环形腔结构传感器与微流通道的集成结构包括：
一检测单元，该检测单元由直通波导1和微环形腔2组成，直波导和微环形腔波导截面尺寸大小选取要符合其工作波长范围内光波模式的单模条件，对于顶层硅厚度为300nm的SOI材料来说，波导的宽度一般选择为200nm～400nm范围之内；微环形腔的直径大小决定了该结构单元的自由光谱范围，直径小的微环具有大的自由光谱范围，但是其尺寸受限于微环中弯曲波导损耗；直通波导1和微环形腔2的耦合区5间隙宽度与波导的宽度尺寸相近比较合适，间隙的宽度影响该检测单元的光谱响应线宽和光传输效率。
一温度补偿单元，该温度补偿单元与检测单元要进行隔离，由微环形腔3和直通波导4组成，直波导4和微环形腔3波导截面尺寸选取同检测单元；微环形腔3直径选取可以和检测单元中的微环形腔2相同，也可以不相同，当环境温度变化时，微环形腔3的共振波长位置发生变化，通过检测光谱变化来标定环境温度变化对检测单元中微环形腔2的影响，起到温度补偿的作用。
两个微流通道7和8，该微流通道是PDMS材料层上的两个直通管路，与检测单元和温度补偿单元接触，其中一个通道7和检测单元接触，一个通道8和温度补偿单元接触。微流通道7和8的宽度要覆盖微环形腔2和3，一般选取在10～40微米范围内，如图2所示，微流管道7和8的方向与直通波导1和4方向垂直。
本发明的工作过程是：结合图2说明本发明实施例，在图示情况下，入射光经过检测单元的波导输入端12，在耦合区5处同微环形腔2发生耦合，共振模式光能量耦合至微环形腔2中，当微环形腔2上方微流管道7中的液体折射率、浓度或成分发生变化时，微环形腔2中的共振光波长将发生变化，通过测量检测单元输出端14光谱变化可以检测微流管道7中的物质变化。温度补偿单元的工作过程同检测单元，不同的地方是微流通道8中液体缓冲液保持不变，其温度保持与环境温度相同。当环境温度发生变化时，微环形腔2和3的共振波长都发生变化，通过在温度补偿单元输出端15监测微环形腔3的共振条件变化，即可修正微环形腔2在进行物质检测时温度变化造成的影响。
本发明双通道微环形腔结构传感器与微流通道集成结构的制造方法工艺步骤是：
步骤1：在SOI基片表面旋涂光刻胶或电子束胶，采用高精度光刻或电子束曝光工艺在旋涂的光刻胶或电子束胶上进行微环形腔波导耦合结构图形定义；
在本步骤中，选用合适的SOI基片，SOI基片顶层硅厚度在200nm～300nm之间，氧化硅隔离层10的厚度要在1μm以上，传感芯片衬底为单晶硅衬底11，在顶层硅上制作检测单元和温度补偿单元，在顶层硅表面旋涂光刻胶或电子束胶，光刻胶或电子束胶厚度选为100nm～200nm，采用高精度光刻或电子束曝光工艺在光刻胶或电子束胶上进行检测单元和温度补偿单元结构图形定义。采用高精度光刻或电子束曝光工艺取决于微环或波导的宽度和加工精度要求，如果波导为宽度微米级的脊形波导则采用高精度光刻工艺，如果波导为亚微米级的条形波导则采用电子束曝光工艺。
步骤2：采用电感耦合等离子体刻蚀技术，将光刻胶或电子束胶上的图形转移到硅波导层，得到微环形腔波导耦合结构芯片；
在本步骤中，利用光刻胶或电子束抗蚀剂作为掩膜，采用电感耦合等离子体刻蚀技术，将光刻胶或电子束胶上的图形转移到硅波导层，刻蚀深度同SOI材料顶层硅厚度，得到微环形腔波导耦合结构芯片。
步骤3：将带有微流通道图形的硅模板通过压印的方法，将结构转移到PDMS薄膜材料上，在PDMS薄膜上得到深度和宽度合适的微流管道；
在本步骤中，微流通道的制作是将带有微流通道图形的硅模板通过压印的方法，将结构转移到PDMS薄膜材料上，在PDMS薄膜上得到深度和宽度合适的微流管道7和8。
步骤4：将带有微环形腔波导耦合结构芯片用氧等离子体处理之后，通过键合的方法，将带有微流管道的PDMS材料结合到波导层材料之上；
在本步骤中，将带有微流管道的PDMS材料键合到波导层材料，将带有微流管道的界面与波导层材料结合，形成闭合式管道；然后采用无源对准的方法，将微流管道与微环交叉重叠，微流管道方向与直波导方向垂直。将带有微环形腔波导耦合结构芯片用氧等离子体处理之后，通过键合的方法，将带有微流管道的PDMS材料结合到波导层材料上面，带有微流管道7和8的界面与波导层材料结合。
本发明公开的制备方法简单易行，若波导的尺寸选择恰当，器件的光传输损耗可以很低。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种双通道微环形腔结构传感器与微流通道的集成结构，其特征在于，该集成结构自下而上依次由硅衬底、光传输波导层和PDMS材料层三层材料构成，在光传输波导层有两个微环耦合传感单元结构，在PDMS材料层有两个微流通道。
2.根据权利要求1所述的双通道微环形腔结构传感器与微流通道的集成结构，其特征在于，所述双通道微环形腔结构传感器由两个耦合单元构成，每个耦合单元由微环形腔结构、该微环形腔结构与两个直波导的耦合区、一路输入波导和两路输出波导构成。
3.根据权利要求1所述的双通道微环形腔结构传感器与微流通道的集成结构，其特征在于，在所述两个微环耦合传感单元结构中，一个微环耦合传感单元结构作为传感检测单元，另外一个微环耦合传感单元结构作为环境温度变化监测参考单元。
4.根据权利要求1所述的双通道微环形腔结构传感器与微流通道的集成结构，其特征在于，所述微流通道由PDMS材料制作而成，位于微环耦合传感单元结构之上，且微流通道的方向垂直于直波导方向，两个微流通道各自对应一个微环形腔结构。
5.根据权利要求1所述的双通道微环形腔结构传感器与微流通道的集成结构，其特征在于，所述两个微流通道在PDMS材料内，位于PDMS材料与双通道微环形腔结构材料界面处，是两个封闭的液体流通管道。
6.根据权利要求1所述的双通道微环形腔结构传感器与微流通道的集成结构，其特征在于，所述双通道微环形腔结构传感器具有一敏感窗口区，该敏感窗口区位于微环形腔结构与微流通道交叉重叠区域。
7.一种制作双通道微环形腔结构传感器与微流通道集成结构的方法，其特征在于，该方法包括：
步骤1：在SOI基片表面旋涂光刻胶或电子束胶，采用高精度光刻或电子束曝光工艺在旋涂的光刻胶或电子束胶上进行微环形腔波导耦合结构图形定义；
步骤2：采用电感耦合等离子体刻蚀技术，将光刻胶或电子束胶上的图形转移到硅波导层，得到微环形腔波导耦合结构芯片；
步骤3：将带有微流通道图形的硅模板通过压印的方法，将结构转移到PDMS薄膜材料上，在PDMS薄膜上得到深度和宽度合适的微流管道；
步骤4：将带有微环形腔波导耦合结构芯片用氧等离子体处理之后，通过键合的方法，将带有微流管道的PDMS材料结合到波导层材料之上。
8.根据权利要求7所述的制作双通道微环形腔结构传感器与微流通道集成结构的方法，其特征在于，步骤1中所述采用高精度光刻或电子束曝光工艺取决于微环或波导的宽度和加工精度要求，如果波导为宽度微米级的脊形波导则采用高精度光刻工艺，如果波导为亚微米级的条形波导则采用电子束曝光工艺。
9.根据权利要求7所述的制作双通道微环形腔结构传感器与微流通道集成结构的方法，其特征在于，所述步骤4包括：
将带有微流管道的PDMS材料键合到波导层材料，将带有微流管道的界面与波导层材料结合，形成闭合式管道；然后采用无源对准的方法，将微流管道与微环交叉重叠，微流管道方向与直波导方向垂直。
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