CN103293103A - 外延光栅fp腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片 - Google Patents

Abstract

本发明的外延光栅FP腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片，包括依次层叠键合的硅基层、二氧化硅层和单晶硅层构成的SOI基体，SOI基体的单晶硅层包含光学耦合连接的外延型光栅FP腔和微环谐振腔，所述外延型光栅FP腔的外延型光栅形成于SOI基体外侧，为外凸型齿状光栅。所述生化传感芯片的SOI基体的单晶硅层还包括狭缝光波导。由于在方案中引入狭缝光波导结构，而狭缝波导能够将光极大的限制在狭缝区域以增强光和物质之间的相互作用，其优势在于狭缝空间中的光能量密度远远大于倏逝场中光能量的密度，光与物质相互作用更强，检测灵敏度更高。并可以在达到相同传感性能的条件下，有利于实现光学生化传感器的微型化与片上传感系统。

Description

外延光栅FP腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片

技术领域

本发明涉及对气体分子或者生物分子等特定的化学或生物物质的检测技术，具体涉及光传感技术领域，特别涉及一种基于游标效应光学谐振腔生化传感芯片。

背景技术

生化传感器是一种生物活性材料与相应换能器的结合体，它用于测定特定的化学或生物物质。由于测定这些化学或生物物质在环境监测、疾病监控以及药物研发中具有重要意义，所以对生化传感器的研究已经显得非常重要。目前典型的光学生化传感器主要可分为荧光标记型光学生化传感器和无标记型光学生化传感器两大类，由相关的文献可知，荧光标记型光学生化传感器虽然已被用于探测和辨别特定的生物化学分子，但却有设备庞大、操作复杂及花费时间长等缺点，且通常需要具有一定专业技术的专人操作，普及成本较高，同时，用于标记的荧光分子还有可能影响样本的探测。相比而言，无标记型光学生化传感器的尺寸更小，成本更低，应用方法也更为便捷，而且在测量过程中不再引入新的干扰，结果也更加可靠。

基于SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）的光学生化传感器就是一种无标记型光学生化传感器，同时也正是本领域的研究热点。从现有的基于SOI的光学生化传感器来看，大多采用了倏逝波（消逝波）探测原理，倏逝波是指由于全反射而在两种不同介质的分界面上产生的一种电磁波，其幅值随与分界面相垂直的深度的增大而呈指数形式衰减，通过检测所述的光学生化传感器光波导的倏逝波以探测样本生物化学物质。其原理在于待测样本中生物化学物质会引起光学生化传感器中光波传输性质的改变（表现为光学生化传感器的有效折射率的变化），也即将使样本中的生物化学物质浓度信号转换为光信号变化。目前已用于传感的平面波导结构有马赫泽德干涉计、光栅、以及法布里-伯罗（FP）腔、环形腔、表面等离子体共振等结构。其中，对基于光学谐振腔结构（如FP腔、环形腔等）的光学生化传感器而言，谐振效应的引入可使光信号在谐振腔内不断谐振和放大，因此等效于光学生化传感器探测长度的增加，更能引起相位(或强度)等光信号变化到可探测的量值，进而实现在小尺寸光学生化传感器上达到较好的传感性能，另外小尺寸的光学生化传感器也便于光学生化传感器系统的小型化与微型化，将有效地降低系统成本。

此外，基于游标效应的光学生化传感器近年来被人们逐渐提出，这种传感器是利用两个具有不同自由光谱范围的传感子系统，组成一个新的传感系统。这种新的传感系统的工作原理是：由于其两个子系统的自由光谱范围（FSR）不同，因此，整个传感系统的自由光谱范围应该是两个子系统的自由光谱范围的最小公倍数。因此，这种传感器具有很大的自由光谱范围以及很大的测量范围。并且，如果我们将其中的一个传感子系统作为参考系统，另外一个传感子系统作为传感系统，我们可以得到灵敏度很高的传感器。

在现有的对气体分子或者生物分子等特定的化学或生物物质的检测技术领域中，在将基于SOI的片上系统的可小型化的优势和基于游标效应的系统测量精度等优势相结合的实例几乎没有。在现有技术中，基于SOI的片上系统多采用倏逝波探测的形式，可是大部分片上系统中由于倏逝波能量密度低，使得它们的灵敏度比较低，对待分析物不是太敏感，因此测量时对光电探测装置的要求相应较高，进而使系统的整体成本也相应较高。

发明内容

本发明的目的是为了解决某些生物化学物质的探测问题，在现有技术中主流的基于光学探测的生化传感器的基础上，为进一步解决其利用倏逝波探测原理及单系统探测所存在的倏逝波能量密度低导致探测难度大及单系统测量范围窄、灵敏度不高等问题，提出了一种基于游标效应光学谐振腔生化传感芯片。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：外延光栅FP腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片，包括自下而上依次层叠键合的硅基层、二氧化硅层和单晶硅层构成的SOI基体，其特征在于，所述SOI基体的单晶硅层包含第一光学谐振腔和第二光学谐振腔，所述第一光学谐振腔与第二光学谐振腔具有不相同的自由光谱范围，二者光学耦合连接，所述第一光学谐振腔为外延型光栅FP腔，第二光学谐振腔为微环谐振腔，所述外延型光栅FP腔的外延型光栅形成于SOI基体外侧，为外凸型齿状光栅。

进一步的，上述光学谐振腔生化传感芯片的SOI基体的单晶硅层还包括狭缝光波导，所述狭缝光波导位于第一光学谐振腔和/或第二光学谐振腔的光信号传播路径上。

上述狭缝光波导的狭缝为垂直于单晶硅层表面由单晶硅层向下刻蚀形成的狭缝；

上述狭缝光波导的狭缝深度等于单晶硅层厚度；

上述狭缝光波导的狭缝宽度为80nm～120nm。

本发明的有益效果：本发明的光学谐振腔生化传感芯片通过在顶部的单晶硅层形成两个自由光谱范围不同且相互以光学耦合方式相连接的光学谐振腔形成游标效应，用于检测外界物质对光信号的影响。此外，由于在方案中引入狭缝光波导结构，而狭缝波导能够将光极大的限制在狭缝区域以增强光和物质之间的相互作用，使光信号的检测从传统的倏逝场转向狭缝空间，其优势在于狭缝空间中的光能量密度远远大于倏逝场中光能量的密度，光与物质相互作用更强，检测灵敏度更高，降低了对检测设备的要求，检测难度进一步降低。另外，这种传感芯片采用光学谐振腔结构，利用光学谐振腔的谐振效应，使得可以在达到相同传感性能的条件下，大大减小光学生化传感芯片的体积，有利于实现光学生化传感器的微型化与片上传感系统。以SOI材料为基体，可以利用成熟的微电子CMOS加工工艺，使得这种光学生化传感芯片易于大规模批量生产，有利于降低光学生化传感芯片的成本。本光学生化传感芯片既可用于生物大分子（蛋白质或者是DNA）液体样本探测，也可用于气体分子检测。因此，本发明与其他的生化传感芯片相比，具有制作工艺标准化、价格低、体积小、便于集成化、传感性能优良及适用范围广等一系列特点。

附图说明

图1-1为本发明的实施例的光学谐振腔生化传感芯片的结构示意图；

图1-2为本发明的实施例的光学谐振腔生化传感芯片的横截面视图；

图2为本发明的光学谐振腔生化传感芯片构成的生化传感系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

如图1-1和图1-2所示，本实施例的光栅FP腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片包括自下而上依次层叠并键合的硅基层51、二氧化硅层52和单晶硅层53构成的SOI基体，所述SOI基体的单晶硅层53包含第一光学谐振腔54和第二光学谐振腔55，所述第一光学谐振腔54与第二光学谐振腔55具有不相同的自由光谱范围，二者光学耦合连接。在本实施例中，所述第一光学谐振腔为光栅FP腔，第二光学谐振腔为微环谐振腔。光学谐振腔具有选频的作用，以上所述的两个光学谐振腔的不相同的自由光谱范围即是指第一光学谐振腔54和第二光学谐振腔55所对应的自由光谱范围（相邻谐振波长的间距）不相同，目的在于使当所述的两个光学谐振腔相耦合连接时可以借助形成的游标效应增大芯片的传感范围和提高芯片的测量精度。由于基于游标效应的传感器应用已为传感器技术领域的现有技术，其两个谐振腔的自由波长范围的确定也就成了本领域的普通技术人员的基本常识，可以根据实际需要通过有限实验而确定，故在此不做详述。所述的光学耦合连接是指通过接口匹配及结构对接等技术实现将所述的两个光学谐振腔相互连接，并使耦合连接后的两个光学谐振腔满足光信号在二者间自由传输的要求。

在本实施例的上述方案中，由于其中的部分方案还沿用了现有的基于SOI的传感芯片利用其倏逝场探测的方式，故在此基础上还存在进一步的技术改进空间，为了克服上述方案中利用倏逝场探测方式的步骤，这里提出一种基于上述方案的本实施例的优选实施方式，该优选实施方式在光学谐振腔生化传感芯片的SOI基体的单晶硅层还包括狭缝光波导，狭缝光波导位于第一光学谐振腔和/或第二光学谐振腔的光信号传播路径上。设置狭缝光波导可以将传输路径上的光信号大量集中到狭缝中，在传感器应用时，可以使被测样品通过狭缝空间，这样被测样品和光信号即被限制在狭缝空间内相互作用，其作用强度相对于通过倏逝波作用将更强。同时，该作用后的变化信息被反馈与检测系统，以此实现提高系统灵敏度等性能的目的。由于只要是在光信号传播的路径上设置该狭缝光波导即可实现上述目的，只是在实现效果的程度上略有不同，故该狭缝光波导可设置于系统光信号传播路径的任一位置，比如说可以设置在第一光学谐振腔的光信号传播路径上或者设置于第二光学谐振腔的光信号传播路径上，也可在所述的两个光学谐振腔的光信号传播路径上均设置该狭缝光波导，其效果以同时设置为优。此外，所述的狭缝光波导优选为垂直于单晶硅层表面由单晶硅层向下开设，且狭缝槽的深度与单晶硅层的厚度相等，此时光信号与被测样品在狭缝光波导中的作用效果最好。进一步的，这里的狭缝光波导的狭缝宽度为80nm～120nm。其作用在于使狭缝槽中光信号与被测样品的作用效果最优，因为狭缝槽过宽其聚集光信号的能力将无明显改善甚至变差，同时会以牺牲器件的小型化为代价，若狭缝过窄将同时影响样品进入狭缝和光信号的聚集，故通过优化得出此狭缝宽度的取值范围。特别的，在本发明的说明书中所涉及的狭缝槽和狭缝光波导属于同一结构的不同表述方式；光栅FP腔和光栅FP谐振腔也同属于同一结构的不同表述方式。

对于本实施例中采用外延型光栅FP腔包含包括第一光栅和第二光栅，第一光栅和第二光栅开设于狭缝光波导上，所述第一光栅和第二光栅结构相同并相隔一定的距离d，且在狭缝光波导上形成外延型光栅FP腔，所述距离d根据光信号波段及光栅参数确定。外延型光栅FP腔在本实施例的方案中用于波长的选择，利用外延型光栅FP腔的谐振效应，能够在器件微小尺寸条件下实现让光与物质充分接触，提高传感性能。由于本领域的普通技术人员运用现有技术根据光栅的相位条件以及外延型FP谐振腔的谐振条件能够容易地确定距离d和光栅的结构参数，故在此不作详细描述。具体的，本实施例的第一光栅或第二光栅包括不少于3个不多于25个周期单元。所述的光栅周期单元的周期是指一个周期单元的横向长度值，在本实施例中优选为0.3um～0.6um之任一值。进一步的，本实施例中的光栅周期单元的占空比为40%～70%之任一值，这里的占空比在本实施例中是指构成光栅周期单元中被刻蚀槽的宽度占整个光栅周期单元横向长度的比例。光栅周期单元中被刻蚀槽的深度为单晶硅层厚度的70%～100%。光栅周期单元的纵向长度占长方形基体宽度的比例为70%～100%之任一值。其中，涉及的光栅周期单元的横向与纵向等方向描述为本领域的普通技术人员的公知常识，是本领域默认的清楚的表述方式，将其用于发明方案中技术方案的参数限定自然也是清楚的。

如图1-1和图1-2所示，本体实施例的外延光栅FP腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片，包括自下而上依次层叠并键合的硅基层51、二氧化硅层52和单晶硅层53构成的SOI基体，外延型光栅形成于SOI基体外侧，为外凸型齿状光栅，在本实施例中，外延型光栅FP腔的光栅单元的占空比是指光栅单元的栅齿宽度占整个周期单元长度的比例，而微环谐振腔属于本领域的一种常规设计，可以由本领域的普通技术人员根据需求自行设计，故在此不再详述。在本实施例中可以采用狭缝光波导及其优选参数等优选实施方式作为本实施例的优选方式，这种优选方式在本实施例中的作用及效果与其在上述各实施例中没有本质区别。

生化传感器主要用于生物大分子如DNA或者蛋白质检测等以及军事上有毒气体或者病毒的检测。下面结合具体应用对本发明的实施例作进一步详述：

应用与检测出未知样本中是否含有某种我们希望检测到的物质或者检测未知样本中含有哪些物质，这要求传感器对不同物质具有的选择性不同，表现为传感器的特异性传感，通常的做法是在传感器的外表面涂敷一层生物敏感材料，当某种具有特异性的生物大分子随流体样本进入到传感器流体通道中并流过传感芯片时，该生物大分子就会与传感芯片表面的敏感材料发生亲和反应，使传感芯片的表面特性发生变化，导致传感器的有效折射率变化，进而使得传感器的谐振波长也发生漂移，通过数据处理显示出这一变化，可以推断出待测样本中是否含有某种我们想要探测的待测物质或者是样本中含有那些物质；

应用于已知待测样本中含有某种物质，现在想测量样本中这种物质的浓度是多少，这种情况下，我们首先配置一份标准溶液作为参考，让标准溶液流过传感器的上表层，当满足谐振波长的信号光从上方的狭缝光波导的端口输入进去并进入光学谐振腔中，由光学谐振腔的谐振效应可知，当光波在谐振腔内往返一周后产生的光程差为波长的整数倍时，光波会与新耦合进入光学谐振腔的光波相互干涉产生谐振增强效应，光会在谐振腔中来回震荡，从而增加了光和物质之间相互作用的长度以及增强了光和物质之间相互作用的强度，并且，光学谐振腔中的狭缝会将光场限制的狭缝区域，便于光与狭缝区域的物质之间发生相互作用，从而进一步的提高光和物质之间的相互作用。我们采用的两个具有不同的自由光谱范围谐振腔级联的形式，整个系统的自由光谱范围会变得很大，是两个谐振腔的自由光谱范围的最小公倍数，从而我们可以实现大范围的探测。光电探测器探测输出光信号的强度大小，同时得到相应的谐振波长，然后让一定量的待测溶液流过传感器件的上表层，由于溶液的浓度发生了变化，传感芯片的有效折射率变化，进而使得传感器的谐振波长也发生漂移，通过测量输出波导端口的光信号并加以数据处理可以得到输出光信号的频谱图，进而得到漂移后的谐振峰的位置以及相应谐振波长，根据谐振波长漂移量的相对大小，我们可以确定待分析物中某种物质的浓度大小，从而实现传感器如期的功能。

图2所示为基于本发明的实施例的外延型光栅FP腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片（图示为光子传感器芯片）的光学生化传感系统结构示意图，包括传感器芯片（光子传感器芯片）、光电探测器、激光器、温度控制器及计算机控制部分，同时还包括控制被测液体输入的微泵和注入阀门，待分析物通过注入阀门进入传感芯片，流经传感芯片后作为废液被收集起来。以下将通过对本传感系统的工作过程进行详述，以便本发明的光学谐振腔（光栅FP腔）生化传感芯片的原理及作用能被更好的理解：该传感系统工作时（结合实施例分析），首先信号光从激光器中发射出来，通过光耦合器进入到传感芯片中，为了避免温度对传感器的性能的影响，我们在传感器的狭缝光波导中安装了温度控制器，用来对传感器加热或者是制冷（温度监控）。当信号光在传感器中传输时，满足光栅相位条件的光几乎都被反射回去，但我们这里设计的光栅是弱反射光栅，即满足光栅相位条件的光只有部分被反射回去，另外一部分仍然可以透射过去并进入到第一光学谐振腔中，进入到第一光学谐振腔中的那部分满足光栅相位条件的光将会被第二光学谐振腔继续反射回去，被第二光学谐振腔反射的光将会与重新透过第一光学谐振腔进入的那部分满足光学谐振腔谐振条件的光发生干涉，在光学谐振腔中入射光与反射光会发生干涉及震荡，从而形成一系列的谐振峰。这些从第一光学谐振腔出射的谐振信号随后会进入到第二光学谐振腔中，作用机理分析同上，由于两个谐振腔形成的谐振峰的自由光谱范围不同，所以第一光学谐振腔出射的谐振信号将会被第二光学谐振腔调制，从而在传感器件输出端口将输出一种自由光谱范围很宽，品质因子很高的谐振曲线。当待分析物样品通过微泵注入到微流体通道，并达到传感器芯片的上包层时，样品会使得传感器周围环境发生变化，导致传感器的有效折射率变化，进而使得传感器输出端口的谐振峰会发生漂移，我们通过在传感器输出端口的光电探测器来测量这一变化，并将光场强度的数据送到计算机中进行处理，将计算的结果与计算机中各物质组成的数据库信息进行比对，我们可以得出被测量物的相关信息，从而实现传感功能。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，本领域的技术人员将会理解，在本发明所揭露的技术范围内，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此本发明不应由上述事例来限定，而应以权力要求书的保护范围来限定。

Claims (10)

1.外延光栅FP腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片，包括自下而上依次层叠键合的硅基层、二氧化硅层和单晶硅层构成的SOI基体，其特征在于，所述SOI基体的单晶硅层包含第一光学谐振腔和第二光学谐振腔，所述第一光学谐振腔与第二光学谐振腔具有不相同的自由光谱范围，二者光学耦合连接，所述第一光学谐振腔为外延型光栅FP腔，第二光学谐振腔为微环谐振腔，所述外延型光栅FP腔的外延型光栅形成于SOI基体外侧，为外凸型齿状光栅。

2.根据权利要求1所述的外延光栅FP腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片，其特征在于，所述生化传感芯片的SOI基体的单晶硅层还包括狭缝光波导，所述狭缝光波导位于第一光学谐振腔和/或第二光学谐振腔的光信号传播路径上。

3.根据权利要求2所述的外延光栅FP腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片，其特征在于，所述狭缝光波导的狭缝为垂直于单晶硅层表面由单晶硅层向下刻蚀形成的狭缝。

4.根据权利要求2或3所述的外延光栅FP腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片，其特征在于，所述狭缝光波导的狭缝深度等于单晶硅层厚度。

5.根据权利要求2或3所述的外延光栅FP腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片，其特征在于，所述狭缝光波导的狭缝宽度为80nm～120nm。

6.根据权利要求2或3所述的外延光栅FP腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片，其特征在于，所述外延型光栅FP腔包括第一光栅和第二光栅，第一光栅和第二光栅均刻蚀于狭缝光波导上，所述第一光栅和第二光栅相隔一定的距离d，且第一光栅和第二光栅具有相同的结构，并在狭缝光波导上形成光栅FP腔结构。

7.根据权利要求6所述的外延光栅FP腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片，其特征在于，所述的第一光栅或第二光栅包括不少于3个不多于25个周期单元。

8.根据权利要求6或7所述的外延光栅FP腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片，其特征在于，所述光栅周期单元的周期为0.3um～0.6um之任一值。

9.根据权利要求8所述的外延光栅FP腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片，其特征在于，所述光栅周期单元的占空比为40%～70%之任一值。

10.根据权利要求6、7或9之任一项权利要求所述的外延光栅FP腔与微环谐振腔级联型光学生化传感芯片，其特征在于，所述光栅周期单元的纵向长度占所述基体宽度的比例为70%～100%之任一值。

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