CN104483498A - 传感芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于面发射激光器和金属阵列结构的表面等离子体共振传感的高灵敏度便携式传感芯片的制作和使用方法，属于光电子器件与传感技术领域。首先在面发射激光器的出光端面生长一层介质层用于隔离，再在该隔离层端面采用微纳加工技术，制作出可用于生物传感的金属阵列结构，最后通过微流控技术将PDMS(聚二甲基硅氧烷)制作的微流通道与芯片集成，实现芯片的传感封装，以进行传感检测。金属阵列结构表面的折射率变化影响面发射激光器出射波长的强度。将待测样品通入微流通道，测试出射光强度的变化即可对待测样品进行传感。本发明通过激光器与探测器集成，传感敏感单元及传感光学部件的高度集成，达到了传感设备微型化。

Description

传感芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种传感芯片及其制备方法，属于光电子器件与传感技术领域。

背景技术

随着生活水平的提高，人们对自身身体健康状况越来越重视，能否及时准确对身体指标进行检测已成为医学领域急需解决的重要问题。与此同时，生态环境的破坏也让人们越来越关心环境、注意保护环境，为此研制低成本高灵敏度的便携式传感器实现对生态环境实时监测已成为当今传感领域的研究热点。半导体加工技术制备的传感芯片具有体积小、灵敏度高、造价低廉等优点，且可广泛应用于生物医学、环境监测等领域。

半导体加工技术制备的金属阵列结构，其表面激发的表面等离子体对金属或电介质的表面特性的变化非常敏感，适用于对金属表面平整度及其吸附物等相关性质的表征。因其具有样品用量少、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，广泛应用于化学和生物传感领域。在金属阵列的表面等离子体传感中，除了波长检测需要宽谱光源外，其余检测技术都可以采用激光光源。半导体激光器具有体积小、成本低、功耗低、寿命长及稳定性好等优点特别适合于检测设备的小型化，目前已有研究者选用半导体激光器作为表面等离子体传感芯片的光源。面发射激光器作为一种新型的半导体激光器具有低成本、低功耗和易于二维集成等特点被广泛用于短距离光纤通信及传感应用中。基于面发射激光器的光学传感器已被用于光学导航追踪和气体传感监测等领域。采用面发射激光器提高了定位分辨率、灵敏度和追踪的速度，并且能够在更大范围内和各种不同的表面的进行定位跟踪。

近年来面发射激光器还被应用到化学传感和生物医学传感等领域。有研究者通过光子晶体垂直腔面发射半导体激光器波长移动检测流经光子晶体空气孔液体成份，通过检测体内长波长激光器光强被吸收情况来监控糖尿病患者血糖变化。面发射激光器作为理想的光源成为光学集成和微流体系统集成研究的热点。其易于与探测器集成的优势，成为制备片上微全分析系统的理想选择。

目前，将面发射激光器与金属阵列结构进行集成以实时检测生物、化学及医学领域的微量物质尚无确切的专利报道。

发明内容

本发明的目的在于提出一种集成面发射激光器与金属阵列结构的传感芯片及其制备方法。

面发射激光器成本低廉、体积微小且功耗极低，有利于低成本及集成化的传感应用。面发射激光器可以通过半导体平面工艺制备，芯片的其他部分也可通过标准得平面半导体工艺进行制备，因而该芯片最终可以通过平面半导体工艺实现大规模低成本制备。本发明实现了面发射激光器与金属阵列传感结构的集成，实现了传感结构的微型化。

面发射激光器的工作时间可以达到1万小时以上，成本远低于常用的各种光源。面发射激光器的阈值电流通常在一个毫安以下，工作电流在10mA左右，采用面发射激光器作为光源，可以有效的减小能源消耗，具有很好的环境保护意义。

集成与面发射激光器端面的金属阵列结构，可以用于生物样品和环境指标的检测，具有广泛的应用空间。此外，可以根据不同的待测样品，设计不同结构参数的金属阵列结构，通过对金属阵列结构的透射率的有效控制，实现对待测物品的高灵敏度检测，预期检测精度能达到10-6。

面发激光器具有很高的传输速率，集成面发射激光器的新型传感芯片，可以实现高速实时传感，可集成到相关的数据传输系统中。

为了实现上述目标，本发明还在传感芯片的结构设计和工艺制作上都采用了创新。其特征是在面发射激光器的出光端面生长一层介质层用于隔离，如：二氧化硅、氮化硅等，再在该隔离层端面采用微纳加工技术，如：电子束曝光、聚焦离子束刻蚀，制作出可用于生物传感的金属阵列结构，最后通过微流控技术将PDMS(聚二甲基硅氧烷)制作的微流通道与芯片集成，实现芯片的传感封装，以进行传感检测。芯片在传感检测中，待测溶液通过PDMS制作的微流通道进入传感芯片中，利用光功率计测试通入待测溶液前后面发射激光器出光强度的变化来实现芯片传感。

传感芯片具体结构如图1所示，包括：样品注入端1和样品流出端2，用于待检测样品的注入和流出；样品注入端和样品流出端之间的微流通道3，微流通道3位于外壳7内；光源6，光源6的出光端上部依次生长形成介质隔离层5和传感层4；外壳7与光源6封装形成检测机构；探测器8位于外壳7的外部，正对于光源6；其特征在于：光源6为面发射激光器，传感层为金属阵列结构。

其中结构5是一层隔离层可以采用二氧化硅、氮化硅等绝缘介质材料，可有效的将面发射激光器的出光面和金属阵列结构隔离开，使两者不发生相互作用。介质膜隔离层可以采用化学气相沉积、磁控溅射等介质膜生长技术进行生长。

结构4是芯片的传感层，是通过微纳加工技术制备的金属阵列结构，如：金属光栅、金属点阵等。该结构是通过在隔离层上先生长一层厚度为几十纳米的贵重金属薄膜，如：Au、Ag等，再利用电子束曝光，聚焦离子束刻蚀等半导体的微纳加工技术，制备而获得。传感用金属阵列结构需要特殊设计，使其在面发射激光器的出光波长处有明显的透射峰，当其中通入待测液体时，其光强需要发生明显变化，以实现相关物质检测。在具体金属阵列结构选取上，可以通过三维时域有限差分方法进行设计，选取灵敏度高、性能优异的光栅、圆孔、点阵等结构，其特征尺寸一般在几十纳米。

结构3是基于微流控制备的PDMS微流通道，是样品反应和检测的通道，可用于待检测样品的注入和流出。通道的两端是利用打孔器制备的注入端开口和流出端开口，其上分别插入L型钢管，以实现橡胶管与PDMS微流通道的连接。

微流通道3制备步骤：

1.利用光刻曝光技术在硅芯片上曝光形成微流通道的图形；

2.利用反应离子束刻蚀技术，在硅芯片上，刻蚀出微流通道的图形模具；

3.将PDMS溶液浇筑在硅模具上，并置于80℃的烘箱中1小时，使其固化；

4.将PDMS从模具上揭下来，对其凹槽端面进行打氧处理之后，与面发射激光器键合，中间凹槽形成的腔室即位微流通道3。

结构7是PDMS做的，结构7的一端面有凹槽。结构7凹槽的端面与面发射激光器6键合，中间的腔室即位微流通道3。PDMS在面发射激光器面发射激光器出光波段没有吸收峰存在，是一层透明的薄膜。微流通道高度一般在几十个微米，测试溶液只需要几十微升就可以满足测试，因此所需待测样品用量极少。此外，PDMS还有很好的生物相容性，对于测试样品不会有副作用。

通过采用电晕的方法对PDMS和芯片表面进行处理，使二者两表面形成不可逆键合，进而结合一个完整的新型传感芯片。

通过微流泵注入待测样品，该方法可以十分精确控制注入流量和流速，实现准确的实时监测。另外，还可以通过医用注射器进行样品注入，实现芯片的静态监测。

本发明的有益效果：

从上述技术方案可以看出，与已有的基于面发射激光器的传感器相比，本发明的特点在于：

1.本发明实现了面发射激光器与金属阵列传感结构的集成，实现了传感结构的微型化，将来我们可以进一步将探测器与芯片进行集成，使基于面发射激光器的片上实验室的建造成为一种可能。

2.面发射激光器的工作时间可以达到1万小时以上，成本远低于常用的各种光源，面发射激光器与金属阵列结构的集成，再进一步减小了传感芯片的体积的同时，提高了器件的稳定性和可靠性，大大降低了传感芯片的成本。

3.面发射激光器的阈值电流通常在一个毫安以下，工作电流在10mA左右，采用面发射激光器作为光源，可以有效的减小能源消耗，具有很好的环境保护意义。

4.面发射激光器可以通过半导体平面工艺制备，芯片的其他部分也可通过标准得平面半导体工艺进行制备，因而该芯片最终可以通过平面半导体工艺实现大规模低成本制备。

5.集成与面发射激光器端面的金属阵列结构，可以用于生物样品和环境指标的检测，具有广泛的应用空间。此外，可以根据不同的待测样品，设计不同结构参数的金属阵列结构，通过对金属阵列结构的透射率的有效控制，实现对待测物品的高灵敏度检测，预期检测精度能达到10-6。

6.面发激光器具有很高的传输速率，集成面发射激光器的新型传感芯片，可以实现高速实时传感，可集成到相关的数据传输系统中。

附图说明

为进一步说明本发明的技术内容，以下结合实施例及丰田详细说明如后，其中：

图1是本发明提供的集成面发射激光器与金属阵列结构的新型传感芯片的结构剖面示意图。

图2是基于面发射激光器的表面等离子体共振传感装置的结构俯视图。

图3是金狭缝光栅在不同折射率介质中的透射谱。

图4是金狭缝光栅在842.33nm附近的透射谱。

图5不同介质折射率中842.33nm处的透射强度及其与折射率的线性拟合曲线。

具体实施方式

为了更清楚的展示本发明设计的基于面发射激光器和金属阵列结构表面等离子体共振传感装置的工作原理及工作过程，下面以基于面发射激光器和金狭缝光栅的表面等离子体共振新型传感芯片为例，结合附图来进行说明。该芯片采用的面发射激光器的激射波长为842.33nm，隔离层SiO₂薄膜厚300nm，其中金属采用的是金，金光栅的周期为600nm，金光栅的狭缝宽80nm，金膜厚度为50nm。具体结构如附图1。

传感芯片结构如图1所示，其制作过程是在激光的波长在842.33nm的面发射激光器6的出光面，生长一层300nm厚的膜5。在SiO₂膜5上蒸发一层50nm金膜，并利用电子束曝光技术将金膜制作成为周期575nm，狭缝宽度80nm的金狭缝阵列4。将利用翻模技术制得的PDMS膜打孔，形成样品注入口1和流出口2。将PDMS外壳7和传感芯片表面进行电晕处理后键合，制作成一个完成的传感芯片，中间形成微流通道3。

面发射激光器6发出的842.33nm的激光穿过SiO₂膜5，SiO₂膜5对出射的激光基本上没有损耗，并且具有将面发射激光器出光面和金狭缝光栅4隔离开的作用，使面发射激光器6和金狭缝光栅4不相互作用。金狭缝光栅在不同的折射率的介质中，其透射峰的强度和波长会有相应的改变，如图3所示。尤其在842.33nm，随着微流通道3中介质折射率的改变，其透射强度也发生相应的改变。如图4所示，介质折射率1.333，1.343，1.353，1.363和1.373时，金狭缝光栅4的透射峰是发生变化，843.22nm的透射强度也是不一样的。并且PDMS外壳7对842.33nm的光也没有大的损耗，通过测试其出射光的强度即可对微流通道3中介质折射率的变化进行传感。

如图5所示，当微流通道3中介质的折射率为1.333，1.343，1.353，1.363和1.373时，其透射强度分别为面发射激光器6出射光强度的0.726，0.563，0.353，0.148和0.041。将强度和折射率做线性拟合可以得出其斜率为-18.2。在折射率1.333-1.373的范围内，每当折射率增大0.01时，探测到的843.22nm的出射光的强度减少发射光强度的18.2％。面发射激光器6的发射光的强度为10mW，激光探测器的探测精度为1μW，即可以探测到发射光强度万分之一的变化。发光强度万分之一的变化对应的是折射率变化约为10^-6，其具有较高的灵敏度和较高的探测极限。

将PDMS外壳7，打孔后形成注入口1和流出口2，两个出口的直径为1mm。通过注入口1和流出口2可以将待测样品通入和排出微流通道3。微流通道3的高度为70μm，待测样品所需求的量只要几十微升便可测量。PDMS也有很好的生物相容性，对于测试样品不会有副作用。待测样品进入微流通道3后，其与金狭缝阵列4的上表面接触，改变了上表面的介质折射率，通过测试出射光的强度就可以得到待测样品的折射率。

除了测试样品折射率的改变，传感芯片还可以对微量的生物分子进行传感。将亚二硫基二乙酸通入微流通道，让其与金形成金硫键。然后通入FDC/NHS等交联剂与亚二硫基二乙酸键合，在金表面形成一层羟基。最后通入生物分子，生物分子包括抗原、抗体、生物素、蛋白质或核酸分子等，其可以与羟基键合，在表面形成一层生物分子层。生物分子层键合在金狭缝阵列表面，改变其表面的折射率，生物分子层导致的折射率改变大于传感芯片的最低探测极限，能够被传感系统所测试。

上述例子只是为了说明该方法举出的实例，并不是实现本发明所述方法的全部例子，不同出射波长的面发射激光器只需要对应在出射波长处有透射峰的金属纳米结构即可采用类似的办法实现溶液折射率和生物分子的检测。

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 (10)

1.一种传感器芯片，包括：

样品注入端和样品流出端，用于待检测样品的注入和流出；

样品注入端和样品流出端之间的微流通道，微流通道位于外壳内；

光源，光源的出光端上部依次生长形成介质隔离层和传感层；外壳与光源封装形成检测机构；

探测器位于外壳的外部，正对于光源；

其特征在于：光源为面发射激光器，传感层为金属阵列结构。

2.如权利要求1所述的传感器芯片，其特征在于：其中金属阵列为狭缝阵列，圆孔阵列或圆盘阵列。

3.如权利要求2所述的传感器芯片，其特征在于：其中金属阵列为Au、Ag，金属阵列的尺寸为几十纳米。

4.如权利要求1所述的传感器芯片，其特征在于：其中面发射激光器的出光强度为10mW量级。

5.如权利要求1所述的传感器芯片，其特征在于：其中介质隔离层为二氧化硅或氮化硅。

6.如权利要求1所述的传感器芯片，其特征在于：其中外壳为PDMS制备，外壳和面发射激光器键合之后中间形成的腔室为微流通道。

7.如权利要求1所述的传感器芯片，其特征在于：其中在金属阵列结构的表面进一步包括化学修饰物层、交联剂层或生物单分子层，化学修饰物层所使用的化学试剂为亚二硫基二乙酸；交联剂层为EDC/NHS；生物分子层为抗原、抗体、生物素、蛋白质或核酸分子。

8.如权利要求1-7任一所述的传感器芯片的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)在面发射激光器的出光端面先生长一层介质隔离层；

2)在介质隔离层上生长一层金属层；

3)将金属层制作成金属阵列结构；

4)利用光刻曝光技术在硅芯片上曝光形成微流通道的图形；

5)利用反应离子束刻蚀技术，在硅芯片上，刻蚀出微流通道的图形模具；

6)将PDMS溶液浇筑在硅模具上，并置于80℃的烘箱中1小时，使其固化；

7)将PDMS从模具上揭下来，对其凹槽端面进行打氧处理之后，与面发射激光器键合，中间凹槽形成的腔室即位微流通道。

9.如权利要求8所述的传感器芯片的制备方法，其特征在于：步骤3)中金属阵列的采用微纳加工技术制备。

10.如权利要求8所述的传感器芯片的制备方法，其特征在于：进一步包括采用电晕的方法对PDMS和芯片表面进行处理，使二者两表面形成不可逆键合。