CN103645158B - 一种三环型无热化生物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三环型无热化生物传感器，其包括基板及设置在基板上的微结构。微结构包括主体结构、入射耦合光栅、三路分束器、三个微环谐振器、三个出射耦合光栅。主体结构的一端连接入射耦合光栅，另一端连接三路分束器的输入端。三个出射耦合光栅分别设置在三路分束器的三个支路的三个输出端，三个微环谐振器并联并分别与三路分束器的三个支路临近排列。电磁波通过入射耦合光栅耦合进入主体结构中，再通过三路分束器将电磁波均分进入三个支路中，后分别耦合进入与三个支路临近排列的三个微环谐振器中，并经由三个出射耦合光栅出射；三个微环谐振器的谐振波长互不相同。本发明具有无需温控装置、无热化、集成度高及不受制备材料限制等优点。

Description

一种三环型无热化生物传感器

技术领域

本发明涉及一种生物传感器，尤其涉及一种三环型无热化生物传感器。

背景技术

生物传感器是以生物活性单元作为生物敏感基元，对被测物具有高度选择性的探测器，在环境监测、生物防范、食品检测、疾病监控以及药物研发中有着重要的应用。近年来，随着光子集成技术的发展以及片上实验室(Lab-on-a-chip)概念的提出，基于光波导微环谐振腔的生物传感器由于兼具检测速度快、灵敏度高、实时性好、无需标记、不受环境和工频干扰等优点，已成为目前生物传感领域的研究热点之一。

生物传感器市场规模庞大，且每年呈上升趋势，据美国市场信息反馈专业公司MarketResearch估计，2012年全球生物传感器市规模为85亿美元，到2018年将增至168亿美元；若加上传感器周边配套设施，生物传感产业的市场规模将达数千亿美元，生物传感器相关方面的研究具有可观的社会及经济效益。

对于基于波导微环谐振器的生物传感器，其无热化研究近年来受到了较多的关注。这主要来源于常用的波导微环生物传感器制备材料如硅、氮化硅以及聚合物等都具有较高热效应，使得这类生物传感器探测结果极易受温度波动影响。由于在测试过程中，温度引起的噪声信号与传感信号叠加，从而使得传感测试系统的信噪比降低，甚至造成测试失败。

对于波导微环谐振腔，其谐振条件为：

2πrn_eff＝mλ_c(m＝0,1,2……)

其中r为微环半径，n_eff为微环有效折射率，λ_c则为波导微环谐振腔的谐振波长。对上式进行温度求导可得到温度变化对微环谐振波长的影响特性：

$\frac{{\mathrm{d\λ}}_c}{dT}=\frac{{\mathrm{\λ}}_c}{n_{eff}}(\frac{{\mathrm{dn}}_{eff}}{dT}+\frac{n_{eff}}{\mathrm{\Δ}L}\frac{d\mathrm{\Δ}L}{dT})$

其中为波导材料的热系数，ΔL为当环境温度变化时材料的形变量，项则是温度是材料产生形变后对折射率的影响。

首先，我们要承认的是，通过合理的设计以及新材料的选择，可以使得温度影响项接近为0，即通过材料选择，使器件构成材料的折射率随温度变化和热产生膨胀对材料折射率的影响相反，从而减小甚至消除温度对光器件的测量准确度的影响。然而，一方面，从严格意义上讲这种方法不可能使温度影响项严格为零，即不能从根本的解决温度变化对器件性能的影响；另一方面，这种方法对器件的制备材料要求较为严格，可备选材料并不多，例如，对于现阶段制备工艺较为成熟且器件集成度较高的硅材料(包括SOI材料)，其温度对折射率的影响为1.8×10^-4/℃，而热膨胀系数仅为2.63×10^-6/℃，难以通过这种方法来设计制备无热化光器件。

另外，对于微环谐振腔结构生物传感芯片，通过设计制作参考微环也可以得到温度不敏感生物传感器芯片，这种方法需要设计一个或多个不与待测物质接触的参考微环，当对测试结果进行分析时，以参考微环作为判断温度影响漂移的基准，从而避免温度对测量结果的影响。这种方法可以在不改变器件制作材料的基础上避免温度的影响，对传感器芯片制备材料不提出特别要求。但这种方法也存在一些本质上的缺点。由于基于微环谐振器的生物传感器的高集成特性，一块芯片可以集成上百个传感单元，如果一整片生物传感芯片只配置一个参考微环，则会出现参考微环与探测微环距离过远，而在实际应用过程中，如果出现芯片温度不均匀的情况，参考微环就不可能提供有价值的参考值。而若在每一个传感单元中都布置参考微环则会出现面积浪费的情况，不利于高集成生物传感芯片的设计制备。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提出一种高集成度且结构更为简单的三环型无热化生物传感器。

本发明是这样实现的，一种三环型无热化生物传感器，其包括基板以及设置在该基板上的微结构，该微结构包括主体结构(1)、入射耦合光栅(4)、三路分束器(5)、三个微环谐振器(6、7、8)、三个出射耦合光栅(9)；入射耦合光栅(4)设置在主体结构(1)的一端，三路分束器(5)的输入端设置在主体结构(1)的另一端，三个出射耦合光栅(9)分别设置在三路分束器(5)的三个支路的三个输出端，三个微环谐振器(6、7、8)并联并分别与三路分束器(5)的三个支路临近排列；三个微环谐振器(6、7、8)均作为探测单元应用；电磁波通过入射耦合光栅(4)耦合进入主体结构(1)中，再通过三路分束器(5)将电磁波均分进入三个支路中，然后分别耦合进入与三个支路临近排列的三个微环谐振器(6、7、8)中，最终经由三个出射耦合光栅(9)出射；三个微环谐振器(6、7、8)的谐振波长互不相同。

作为上述方案的进一步改进，三个微环谐振器(6、7、8)同时用作该三环型无热化生物传感器的传感单元。

作为上述方案的进一步改进，三个微环谐振器(6、7、8)中的至少两者为生物传感器的探测微环。

作为上述方案的进一步改进，三个微环谐振器(6、7、8)的谐振波长分别为1550nm、1500nm、1580nm。优选地，谐振波长分别为1550nm、1500nm的微环谐振器作为探测微环，谐振波长为1580nm的微环谐振器作为备用微环。

作为上述方案的进一步改进，三路分束器(5)采用定向耦合器结构。

作为上述方案的进一步改进，入射耦合光栅(4)、三个出射耦合光栅(9)、三路分束器(5)、三个微环谐振器(6、7、8)的高度均相同，三个微环谐振器(6、7、8)的半径互不相同，三个微环谐振器(6、7、8)与三路分束器(5)的相应支路的间距均相同。优选地，主体结构(1)的宽度为0.5μm，三个微环谐振器(6、7、8)与三路分束器(5)的相应支路的间距为0.25μm。

作为上述方案的进一步改进，该基板包括二氧化硅埋层(2)以及硅衬底层(3)，该微结构设置该二氧化硅埋层(2)上，二氧化硅埋层(2)位于硅衬底层(3)上。优选地，二氧化硅埋层(2)的厚度为3μm，主体结构(1)的高度为220nm，硅衬底层(3)的厚度为600μm。

本发明应用三环型波导微环生物传感器实现生物传感无热化特性。传感器芯片的每一个传感单元由分束器、波导及三个微环谐振器构成，三个微环的谐振波长不同。这样就可以通过公式换算消去温度对探测结果的影响，从而实现传感器的无热化探测。由于三个微环均作为探测单元应用，所以相对参考微环方法，本发明三环型波导微环谐振器生物传感器没有浪费面积，而且由于三个微环密集排列(间距小于10μm)，避免了芯片温度不均匀是造成的测量偏差。综上，本发明提出的三环型波导微环谐振器生物传感器，相对于传统的无热化解决方案，具有无需温控装置、无热化、集成度高及不受制备材料限制等优点。

以SOI(Silicon-on-Insulator)为三环型无热化生物传感器芯片制备材料，其中SOI顶硅层厚为220nm，下方二氧化硅埋层厚为3μm。设计波导宽度为0.5μm。本生物传感器芯片可同时集成多个传感单元，每个传感单元由三个波导微环谐振器构成。为了提高器件耦合效率，器件的入射及出射端均采用光栅耦合的方式。经由耦合光栅或侧面耦合系统耦合进入的电磁波由分束器分为三束，经过三个微环谐振器最后由耦合光栅出射，接入探测设备即可得到生物传感器单元的出射谱线，分析可得被测物的折射率特性，从而分析被测物成分及含量等特征。

综上所述，本发明提出的三环型波导微环谐振器生物传感器，相对于传统的无热化解决方案，具有无需温控装置、无热化、集成度高及不受制备材料限制等优点。

附图说明

图1是本发明三环型无热化生物传感器主体结构三维意图。

图2是本发明三环型无热化生物传感器主体结构侧视图。

图3是本发明三环型无热化生物传感器主体结构俯视图。

图4是微环谐振器与波导耦合区结构图。

图5a、图5b为微环谐振器传输特性随温度变化曲线。

图6a、图6b微环谐振器传输特性随包层折射率变化曲线。

图7三环型生物传感器特征曲线。

图8a、图8b、图8c、图8d、图8e、图8f为制备划片所需的划片槽工艺流程示意图。

图9a、图9b、图9c、图9d为制备SOI顶硅层主体结构的工艺流程示意图。

图10a、图10b对加工精度要求高的波导微环谐振器进行高精度修整的工艺流程示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1、2、3、4所示，为本发明较佳实施方式提供的三环型无热化生物传感器的结构示意图。三环型无热化生物传感器包括基板以及设置在该基板上的微结构，该微结构包括：主体结构1；入射耦合光栅4；三路分束器5；三个微环谐振器6、7、8；三个出射耦合光栅9。

该基板包括二氧化硅埋层2以及硅衬底层3，三环型无热化生物传感器主体结构1设置该二氧化硅埋层2上，二氧化硅埋层2位于硅衬底层3上。如图2中，h₃＝220nm为主体结构1的高度，主体结构1，入射耦合光栅4，三个出射耦合光栅9，三路分束器5，三个微环谐振器6、7、8的高度均相同，h₂＝3μm为二氧化硅埋层2的厚度，h₁＝600μm为硅衬底层3的厚度，主体结构1中波导宽度(即三路分束器5的三个支路的宽度)w＝0.5μm，波导与三个微环谐振器6、7、8的间距g＝0.25μm。

如图3所示，在本实施方式中，三路分束器5为定向耦合器结构。

三环型无热化生物传感器通过入射耦合光栅4将电磁波耦合进入三环型无热化生物传感器的主体结构1中，通过三路分束器5将电磁波均分进入三个支路中，并耦合进入微环谐振器6、7、8中，其谐振波长分别为λ₁、λ₂和λ₃，其中微环谐振器6、7为生物传感器的探测微环，微环谐振器8为生物传感器备用微环，若所有微环工作正常，则微环谐振器8仍可作为探测微环，用以提高生物传感器的探测精度。若有微环工作失常，微环谐振器8则作为备用微环替换工作失常的微环，确保传感器正常工作。耦合进入微环探测器的电磁波最后由出射耦合光栅9耦合出传感器芯片，并接入分析设备对测得光谱进行分析，从而得出待测物种类及含量等特征。

这里举例：微环谐振器6、7、8的谐振波长分别为1550nm、1500nm、1580nm。其中微环谐振器6、7作为探测微环，微环谐振器8作为备用微环。

图5a、图5b分别为对于波长为1500nm和1550nm电磁波，波导有效折射率及波长漂移随温度的变化曲线。可见随着温度变化，曲线近线性变化。随着温度的升高，波导微环谐振器的有效折射率逐渐升高，其中谐振波长为1550nm的波导微环谐振器6有效折射率由1.85754增大到1.86754。应用有效折射率法可计算得到温度致波长漂移曲线，可见温度变化为-20℃时，微环的响应波长蓝移2.37nm，而温度变化为50℃时，微环的响应波长红移5.97nm。对于相应波长为1500的波导微环谐振器7，温度变化在-20℃到50℃的区间内，也可得到其有效折射率1.9251变化到1.9360，同时微环相应波长漂移由-2.32nm变化到6.27nm。

其中图6a、图6b分别为对于波长为1500nm和1550nm电磁波，波导有效折射率及波长漂移随上包层折射率变化曲线。对于响应波长为1500nm的波导微环谐振器7，其有效折射率由1.92813变化到1.98953，而响应波长为1550nm的波导微环谐振器6其有效折射率由1.86066变化到1.92516。且随着包层折射率的增加，响应波长为1500nm的波导微环谐振器7中心波长会出现最大为47.78318nm的红移，而响应波长为1550nm的波导微环谐振器6中心波长会出现最大为57.73003nm的红移。将图5及图6曲线进行拟合可得到对于谐振波长为1550nm的波导微环谐振器6其特征方程为：

${\mathrm{\Δ\λ}}_1=167.43884{\mathrm{\Δn}}_w^2+236.33737{\mathrm{\Δn}}_w-0.23231+0.1191\mathrm{\Δ}t$

对于谐振波长为1050nm波导微环谐振器7其特征方程为：：

${\mathrm{\Δ\λ}}_2=135.51825{\mathrm{\Δn}}_w^2+212.88515{\mathrm{\Δn}}_w-0.08861+0.12267\mathrm{\Δ}t$

解波导微环谐振器6、7的特征方程可得到三环型无热化生物传感器特征方程为： ${\mathrm{\Δ\λ}}_1-0.9709{\mathrm{\Δ\λ}}_2=35.8645{\mathrm{\Δn}}_w^2+29.6477{\mathrm{\Δn}}_w-0.1463$

图7所示三环型无热化生物传感器的特征曲线，将实验测得的数据带入特征方程或特征曲线即可得到对应的包层折射率变化，从而得到待测物品类及浓度等特征。

本发明三环型无热化生物传感器波导的工作过程是：不同入射频率的电磁波经由入射耦合光栅4耦合进入三环型无热化生物传感器的主体结构1中，而后通过三路分束器5将电磁波均分进入三个支路中，并耦合进入微环谐振器5、6、7中，其谐振波长分别为λ₁、λ₂和λ₃，其中微环谐振器5、6为生物传感器的探测微环，微环谐振器8为生物传感器备用微环，若所有微环工作正常，则微环谐振器8仍可作为探测微环，用以提高生物传感器的探测精度。若有微环工作失常，微环谐振器8则作为备用微环替换工作失常的微环，确保传感器正常工作。耦合进入微环探测器的电磁波最后由出射耦合光栅9耦合出传感器芯片，并接入分析设备对测得光谱进行分析，得到各个支路波长漂移情况。由于三个微环的谐振波长不同，而引起波长漂移的温度及折射率变化均与谐振波长相关，通过公式换算可以消去由于温度波动引起的波长漂移项，得到与温度无关且仅与折射率变化相关的传感器特征方程及特征曲线。由于特征方程与温度变化无关，故仅分析波长漂移数据即可得出待测物种类及含量等特征，实现生物传感器的无热化。

本发明的基于波导微环谐振腔的三环型无热化生物传感器结构包括衬底基片(即基板)，入射耦合光栅4，三路分束器5，波导微环谐振器6、7、8及出射耦合光栅9。衬底基片由顶硅层、下方低折射率层(即二氧化硅埋层2)和衬底硅层3构成。其中主体结构1高度可与顶硅层厚度相同。故硅柱阵列与衬底基片的低折射率层接触。波导微环谐振器6、7、8与波导支路临近排列，且距离为g，机构中所有波导宽度均为w。

本发明的具体制作过程如下：

第一步，制备划片所需的划片槽，如图8a-8f所示；

(A)对顶硅厚220nm，二氧化硅埋层厚3μm，衬底硅600μm厚的SOI基底(如图8a所示)进行清洁处理；

(B)在SOI基底上制作一层厚度为2-3μm的光刻胶膜104；

(C)将涂覆光刻胶膜的基底104放入烘箱中前烘；

(D)对制备好的光刻胶薄膜104进行电子束曝光，得到划片槽图形，如图8c所示；

(E)如图8d所示，经过显影、坚膜等工艺流程制作光刻胶掩模结构；

(F)如图8e所示，对应用步骤(E)制作好的光刻胶掩模结构进行感应耦合等离子体刻蚀(InductivelyCoupledPlasmaetching，ICP)，制作三环型无热化生物传感器主体结构，刻蚀深度为4μm。去除光刻胶薄膜104，得到划片槽结构，如图8f所示；

第二步，制备ICP刻蚀所需的光刻胶掩膜，如图9a-9d所示；

(G)如图9a-9b所示，在步骤(F)制备好的带有划片槽结构的SOI基底上制备一层厚度为100nm的光刻胶薄膜201；

(H)将步骤(G)制备完成的结构进行前烘；

(I)如图9c所示，对制备好的光刻胶薄膜201进行电子束曝光；

(J)如图9d所示，经过显影、坚膜得到掩膜结构；

第三步，利用第二步制备的ICP光刻胶掩膜结构进行ICP刻蚀，制作本发明所述光子晶体三谐振腔无热化生物传感器主体结构；

(K)如图10a所示，对步骤(J)制作好的ICP光刻胶掩膜结构进行ICP刻蚀，刻蚀深度为220nm，得到光子晶体三谐振腔无热化生物传感器主体结构；

(L)如图10b所示，去除步骤(K)所得到的光子晶体三谐振腔无热化生物传感器主体结构上光刻胶薄膜，并进行清洗；

本发明不限于上述实施方式，所述波导结构可以是条形、脊型及缝隙波导结构等，波导微环谐振腔结构也可以是跑道型微环结构、椭圆形微环结构等。三路分束器也可以是波分复用结构、Y分支结构等。微环排列方式也可以是串联结构。因此，凡是在本发明权利要求1技术方案基础上做出的任何简单变形都在本发明意图保护范围之列。

Claims (10)

1.一种三环型无热化生物传感器，其包括基板以及设置在该基板上的微结构，其特征在于：该微结构包括主体结构(1)、入射耦合光栅(4)、三路分束器(5)、三个微环谐振器(6、7、8)、三个出射耦合光栅(9)；入射耦合光栅(4)设置在主体结构(1)的一端，三路分束器(5)的输入端设置在主体结构(1)的另一端，三个出射耦合光栅(9)分别设置在三路分束器(5)的三个支路的三个输出端，三个微环谐振器(6、7、8)并联并分别与三路分束器(5)的三个支路临近排列；三个微环谐振器(6、7、8)均作为探测单元应用；电磁波通过入射耦合光栅(4)耦合进入主体结构(1)中，再通过三路分束器(5)将电磁波均分进入三个支路中，然后分别耦合进入与三个支路临近排列的三个微环谐振器(6、7、8)中，最终经由三个出射耦合光栅(9)出射；三个微环谐振器(6、7、8)的谐振波长互不相同。

2.如权利要求1所述的三环型无热化生物传感器，其特征在于：三个微环谐振器(6、7、8)同时用作该三环型无热化生物传感器的传感单元。

3.如权利要求1所述的三环型无热化生物传感器，其特征在于：三个微环谐振器(6、7、8)中的至少两者为生物传感器的探测微环。

4.如权利要求1所述的三环型无热化生物传感器，其特征在于：三个微环谐振器(6、7、8)的谐振波长分别为1550nm、1500nm、1580nm。

5.如权利要求4所述的三环型无热化生物传感器，其特征在于：谐振波长分别为1550nm、1500nm的微环谐振器作为探测微环，谐振波长为1580nm的微环谐振器作为备用微环。

6.如权利要求1所述的三环型无热化生物传感器，其特征在于：三路分束器(5)采用定向耦合器结构。

7.如权利要求1所述的三环型无热化生物传感器，其特征在于：主体结构(1)、入射耦合光栅(4)、三个出射耦合光栅(9)、三路分束器(5)、三个微环谐振器(6、7、8)的高度均相同，三个微环谐振器(6、7、8)的半径互不相同，三个微环谐振器(6、7、8)与三路分束器(5)的相应支路的间距均相同。

8.如权利要求7所述的三环型无热化生物传感器，其特征在于：主体结构(1)的宽度为0.5μm，三个微环谐振器(6、7、8)与三路分束器(5)的相应支路的间距为0.25μm。

9.如权利要求1所述的三环型无热化生物传感器，其特征在于：该基板包括二氧化硅埋层(2)以及硅衬底层(3)，该微结构设置该二氧化硅埋层(2)上，二氧化硅埋层(2)位于硅衬底层(3)上。

10.如权利要求9所述的三环型无热化生物传感器，其特征在于：二氧化硅埋层(2)的厚度为3μm，主体结构(1)的高度为220nm，硅衬底层(3)的厚度为600μm。