CN102735634B - 介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片及其制造方法。该介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片自下至上依次包括石英衬底、SiO₂+TiO₂双层光栅结构和微流通道，其中所述微流通道是扣置键合于该SiO₂+TiO₂双层光栅结构之上。本发明提供的这种介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片及其制造方法，实现了器件体积的微型化，节约了化学试剂；通过光栅的波长选择性反射，采用LED白光光源，就可以实现宽波长照明单波长反射功能，同时改变光栅结构参数就可以实现不同波长反射，由于光吸收传感测试精度与光谱宽度有关，因此通过测量单波长反射信号进行吸光度测量有利于提高传感芯片的灵敏度。

Description

介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片及其制造方法

技术领域

本发明涉及溶液浓度检测技术领域，尤其涉及一种利用介质光栅实现宽波长照明单波长反射的介质光栅结构光吸收传感芯片及其制造方法。

背景技术

光吸收方法是测量溶液浓度常用的一种方法，光吸收测量法遵循朗伯-比尔定律，吸光度与溶液浓度之间满足以下关系：

$A=\lg \frac{I_0}{I_t}=\mathrm{abc}$

式中，I₀和I_t分别为入射光强和透射光强，a为一定波长下的单位浓度、单位长度介质的吸收系数，b为吸光长度，c为溶液的浓度。由上式可知，在波长λ一定的情况下，如果固定吸光长度，则溶液的吸光度与其浓度成正比例关系。

通常我们可以将待测溶液放在一个特定尺寸的液池中，利用分光光度计测量透过溶液的光强变化来得到溶液浓度。利用分光光度计进行测量准确度比较高，但是需要使用昂贵的实验室大型仪器，同时化学试剂消耗量也很大。

同一种溶液在不同波长处的吸光度是不同的，通常在某一个或几个波长处具有吸收峰，该波长称为最大吸收波长。溶液在最大吸收波长处吸光度随浓度变化的幅度最大，浓度测量最灵敏。

因此，用光吸收方法对某种溶液进行测量时，一般需要选择与其最大吸收波长相对应的激光器。当测试样品种类较多时就要求准备多个不同发射波长的激光器，操作起来不方便，同时也浪费了实验室资源。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片及其制造方法，以实现器件体积的微型化，节约化学试剂，以及实现宽波长照明单波长反射功能，提高传感芯片的灵敏度。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明提供了一种介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片，该芯片自下至上依次包括石英衬底、SiO₂+TiO₂双层光栅结构和微流通道，其中所述微流通道是扣置键合于该SiO₂+TiO₂双层光栅结构之上。

上述方案中，所述石英衬底是透明的石英衬底。

上述方案中，所述SiO₂+TiO₂双层光栅结构中SiO₂层在下，TiO₂层在上，且该SiO₂+TiO₂双层介质光栅结构具有单波长反射功能。

上述方案中，该芯片的工作波长决定了介质光栅的光栅周期、双层介质厚度及线条宽度，且该芯片的反射共振峰具有比SPR传感芯片更窄的半峰宽和更高的Q值。

上述方案中，所述微流通道采用的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，在该微流通道的两端分别有溶液进出端口。

上述方案中，所述SiO₂+TiO₂双层光栅结构为传感区，所述微流通道与所述石英衬底在键合时，需要与所述SiO₂+TiO₂双层光栅结构对准。

为达到上述目的，本发明还提供了一种介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片的制作方法，包括：在石英衬底上用离子束溅射的方式长SiO₂薄膜；用电子束曝光的方法进行曝光，在电子束抗蚀剂上定义出光栅的图形，通过刻蚀在SiO₂薄膜上形成SiO₂光栅；在该SiO₂光栅上用离子束溅射的方式再长TiO₂薄膜，形成SiO₂+TiO₂双层介质光栅结构；将一制作好的微流通道扣置键合于该SiO₂+TiO₂双层介质光栅结构之上，完成传感芯片的制作。

(三)有益效果

本发明提供的这种介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片及其制造方法，实现了器件体积的微型化，节约了化学试剂；通过光栅的波长选择性反射，采用LED白光光源，就可以实现宽波长照明单波长反射功能，同时改变光栅结构参数就可以实现不同波长反射，由于光吸收传感测试精度与光谱宽度有关，因此通过测量单波长反射信号进行吸光度测量有利于提高传感芯片的灵敏度。

附图说明

图1为本发明提供的介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片的三维示意图；

图2为本发明提供的介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片的剖面示意图；

图3～图5为本发明提供的介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片中双层介质光栅结构的制作工艺图；

图6为图3～图5制作的双层介质光栅结构的示意图。

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。

本发明是一种可以实现宽波长照明单波长反射的介质光栅结构光吸收传感芯片及其制造方法，其中传感芯片包括：石英衬底；SiO₂+TiO₂双层光栅结构，其中SiO₂薄膜在下，TiO₂薄膜在上。当有光正入射于传感芯片表面时，在光栅结构的作用下，形成波导内光场的泄漏模式，泄露模式与结构表面的直接反射光相互干涉，产生单波长高反的Fano共振现象，从而实现单波长反射，采用周期介质结构，其反射共振峰具有比一般SPR传感芯片更窄的半峰宽和更高的Q值；PDMS微流通道，微流通道扣置键合在光栅结构之上，有利于实现器件的微型化。

图1为本发明提供的介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片的三维示意图，图2为剖面示意图，芯片主体包括四层结构：石英衬底5，SiO₂薄膜光栅6，TiO₂薄膜光栅7和微流通道8，其中在TiO₂薄膜光栅7和微流通道8上制作介质材料的周期性光栅结构3，微流通道8是扣置键合于SiO₂薄膜光栅6和TiO₂薄膜光栅7构成的SiO₂+TiO₂双层光栅结构之上。

其中，石英衬底5是透明的石英衬底，SiO₂+TiO₂双层光栅结构中SiO₂层在下，TiO₂层在上，且该SiO₂+TiO₂双层介质光栅结构具有单波长反射功能。微流通道8采用的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，在该微流通道8的两端分别有溶液进端口9a和溶液出端口9b。

该芯片的工作波长决定了介质光栅的光栅周期、双层介质厚度及线条宽度，且该芯片的反射共振峰具有比SPR传感芯片更窄的半峰宽和更高的Q值。所述SiO₂+TiO₂双层光栅结构为传感区，所述微流通道与所述石英衬底在键合时，需要与所述SiO₂+TiO₂双层光栅结构对准。

入射光1是来自LED白光光源的光，其经由光纤探头垂直入射到芯片传感区表面，在光栅结构的作用下，形成波导内光场的泄漏模式，泄露模式与结构表面的直接反射光相互作用，形成单波长高反的Fano共振现象，反射光2由光纤探头收集后通过光纤传输到探测器。PDMS微流通道8为溶液提供了半封闭性的通道4，同时方便溶液的更换，为器件的微型化提供了便利的条件。

下面以在700nm波长处高反为例，图3～图5示出了依照本发明实施例的介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片中双层介质光栅结构的制作工艺，具体包括：

步骤1：在石英衬底上用离子束溅射的方法溅射80nm SiO₂，如图3所示；

步骤2：在样品表面以5000r/s的速率旋涂一层Zep520光刻胶，胶厚大约200nm；用L-edit软件设计电子束曝光的版图，周期为480nm，占空比0.5，用Raith150电子束曝光设备进行曝光；

步骤3：曝光后用对二甲苯显影60s，异丙醇定影30s，在光刻胶上得到光栅图形，然后再用ICP干法刻蚀的方法将图形转移到SiO₂上，用丙酮将表层胶去掉，得到SiO₂光栅结构如图4所示；

步骤4：在SiO₂光栅上用离子束溅射的方式溅射80nm TiO₂形成双层介质的光栅结构，如图5所示；

步骤5：利用微模注塑的方法制作PDMS微流通道8，制作好的微流通道与光栅结构表面进行氧等离子体处理后，将通道4与光栅结构对准、键合，得到传感芯片如图1所示。此键合为不可逆键合，对准时要确认通道4位于光栅结构正上方之后才可进行键合；由于氧等离子体处理在表面产生的断键在很短时间内就会复合，因此对准和键合要在短时间(～30s)内完成。

图6为5个双层介质光栅阵列的剖面示意图。在同一芯片上设计几个不同结构参数的光栅阵列，由于反射波长不同，进行溶液测试时可以测量同一溶液在不同波长处的吸光度，进行对比或作为参考。

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 (6)

1.一种介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片，其特征在于，该芯片自下至上依次包括石英衬底、SiO₂+TiO₂双层光栅结构和微流通道，其中所述微流通道是扣置键合于该SiO₂+TiO₂双层光栅结构之上；其中，该芯片的工作波长决定了介质光栅的光栅周期、双层介质厚度及线条宽度，且该芯片的反射共振峰具有比SPR传感芯片更窄的半峰宽和更高的Q值。

2.根据权利要求1所述的介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片，其特征在于，所述石英衬底是透明的石英衬底。

3.根据权利要求1所述的介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片，其特征在于，所述SiO₂+TiO₂双层光栅结构中SiO₂层在下，TiO₂层在上，且该SiO₂+TiO₂双层介质光栅结构具有单波长反射功能。

4.根据权利要求1所述的介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片，其特征在于，所述微流通道采用的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，在该微流通道的两端分别有溶液进出端口。

5.根据权利要求1所述的介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片，其特征在于，所述SiO₂+TiO₂双层光栅结构为传感区，所述微流通道与所述石英衬底在键合时，需要与所述SiO₂+TiO₂双层光栅结构对准。

6.一种介质光栅结构单波长反射光吸收传感芯片的制作方法，其特征在于，包括：

在石英衬底上用离子束溅射的方式长SiO₂薄膜；

用电子束曝光的方法进行曝光，在电子束抗蚀剂上定义出光栅的图形，通过刻蚀在SiO₂薄膜上形成SiO₂光栅；

在该SiO₂光栅上用离子束溅射的方式再长TiO₂薄膜，形成SiO₂+TiO₂双层介质光栅结构；

将一制作好的微流通道扣置键合于该SiO₂+TiO₂双层介质光栅结构之上，完成传感芯片的制作。