CN106908397A - 基于受限液滴谐振的集成光学生化传感芯片及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于受限液滴谐振的集成光学生化传感芯片及其制作方法。掩埋光波导、光输入接口和光输出接口均埋设在衬底中，微流通道水平置于位于掩埋光波导正上方的衬底上，连续相充满在微流通道内腔，液滴发生器设置在微流通道的一端，液滴发生器用于输送连续相并将分散相加入生成受限液滴，使得受限液滴在微流通道中的连续相包覆下流动；信号光经光输入接口输入掩埋光波导，在掩埋光波导中形成传输导模，导模与受限液滴的回音壁谐振模式相耦合，在光输出接口检测输出光谱谐振波长的改变获得受限液滴特性变化。本发明集成光学生化传感芯片具有易于制作、液滴稳定、传感灵敏度高、对待测物耗费极少和成本低廉等优点。

Description

基于受限液滴谐振的集成光学生化传感芯片及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种集成光学生化传感技术，特别是涉及光学传感器件领域的一种基于受限液滴谐振的集成光学生化传感芯片及其制作方法。
背景技术
近年来，由于医学诊断、环境监测、食品安全和反恐等方面的急迫技术需求，低成本高性能片上传感芯片的研究方兴未艾。与其它类型的传感器相比，集成光学传感器具有灵敏度高、微型化、高选择性、抗电磁干扰、性能稳定等优点，特别是在低成本、分析物耗费少等指标上具有压倒性优势而备受广泛关注。
集成光学传感器主要包括三种基本类型：折射率型，吸收型和荧光型。其中，折射率型传感器具有通用性和无需标记(label-free)的特点，应用最为广泛。折射率型集成光学传感器的基本原理是：利用光导波的倏逝场“感知”波导表面附近待测物折射率的变化，由干涉或谐振效应将其转变为可探测的光信号，再通过检测光信号的变化情况获得待测物信息。折射率型光学传感器的基本指标是灵敏度(S)和检测极限(DL)等。灵敏度表达为单位折射率变化引起的波长漂移量(nm/RIU)
其中，Δλ为折射率改变Δn所引起的波长变化量，传感器正是根据可以测得的折射率改变Δn与待测物特性之间关系推导出分析物的浓度、含量等待测参数。由于噪声影响，传感器可以分辨的波长变化δλ决定了其可以检测到的最小折射率改变即检测极限DL(RIU)。
从式(2)可知，折射率传感器的性能设计主要有两个方面：一是提高其传感灵敏度S，二是提高波长分辨本领(减小δλ)以获得尽可能小的检测极限DL。微扰理论分析表明，灵敏度S与光能量在待测物中分布比率fa有关，因此式(1)可以写成：
此处，λ和nc分别为工作波长和待测物的折射率，Δλ和Δnc分别表示为工作波长和待测物折射率的变化，fa表示待测物中光能量分布，而待测物中光能量分布fa定义为：
其中，Va为待测物分布空间，ε(r)介电系数的空间分布函数，E(r)电场强度矢量的空间分布，Va表示待测物所占据的积分空间，r表示空间位置矢量。由式(3)和式(4)知，提高传感灵敏度S的有效方法是增大待测物中光能量分布fa，即增强光与待测物的相互作用。
为了实现将折射率微小改变Δn转换为可分辨的波长变化Δλ，目前已报道的主要有两种光学结构：干涉型和谐振型。干涉型的典型结构有Mach-Zehnder干涉型、杨氏干涉型，这一类光学结构简单，最先被用于传感研究。但是，干涉型传感器输出光谱一般为正弦曲线，对输出光谱的微细变化较难分辨，典型的器件尺寸为毫米级，难以适应片上实验室对器件尺寸紧凑性的要求。谐振型的典型结构有回音壁模类光学微腔(微环、微球等)，光子晶体微腔等。对基于光学微腔的传感器，输出光谱通常为对称的Lorentz线型，其波长分辨能力定义为谐振模的3dB全宽
其中λ0为谐振波长，Q为该谐振模的品质因数。光学微腔利用高Q值增强光与待测物质的相互作用时间，以其为传感器结构的器件尺寸紧凑，对待测物的消耗亦很低，因此越来越受到研究人员的重视。基于高Q值的微球、微碟和微环等微腔的传感器有较多报道。
对于这一类微腔来讲，提高微腔的Q值和增大fa是矛盾的，增大fa意味着要减小光波在波导材料中的光能量分布，使波导对光波的限制能力减弱，相应的微腔Q值亦会减小。此外，由于目前工艺水平限制，实际制作出的光学微腔表面粗糙，散射损耗较大，因而实际的Q值比设计的Q值要低很多；而在待测物作用环境下其Q值由于吸收、散射等影响又会进一步降低，直接影响了传感器的检测极限。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种基于受限液滴谐振的集成光学生化传感芯片及其制作方法，具有易于制作、液滴稳定、传感灵敏度高、对待测物耗费少和成本低廉等优点。
本发明采用的技术方案是：
一、一种基于受限液滴谐振的集成光学生化传感芯片：
包括液滴发生器、受限液滴、微流通道、衬底、掩埋光波导、光输入接口和光输出接口，掩埋光波导、光输入接口和光输出接口均埋设在衬底中，微流通道水平置于位于掩埋光波导正上方的衬底上，连续相充满在微流通道内腔，液滴发生器设置在微流通道的一端，液滴发生器用于输送作为连续相的气/液体并将作为分散相的液体水加入生成受限液滴，使得受限液滴在微流通道中的连续相包覆下流动，待测物以分散相输入到液滴发生器。
所述的集成光学生化传感芯片以光输入接口和光输出接口分别作为输入端口和输出端口，信号光经光输入接口输入掩埋光波导，在掩埋光波导中形成传输导模，导模与受限液滴的回音壁谐振模式相耦合，在光输出接口检测输出光谱谐振波长的改变获得受限液滴特性变化。
所述的微流通道内腔的上壁和衬底表面均具有超疏水性，受限液滴分别与微流通道的上壁和衬底表面之间的接触角为90度到180度之间。从而使得受限液滴与微流通道内壁之间形成上下两个平行接触界面。
所述的液滴发生器是可控单分散的液滴发生器。
所述的连续相形成弧形面包层包覆在受限液滴外，受限液滴折射率大于弧形面包层的连续相材料折射率。
具体实施中所述的光输入接口和光输出接口采用倒锥波导耦合器或垂直光栅耦合器，但不限于此。
调节单分散液滴发生器，使其在微流通道中形成与微流通道上下两个平行界面接触角大于90度的受限液滴，受限液滴两侧弧面与连续相接触。
当信号光通过光输入接口进入掩埋波导形成传输导模，待测物经液滴发生器形成与微流通道上侧壁和衬底接触的受限液滴，掩埋波导中的导模与受限液滴的回音壁谐振模式相耦合，在光输出接口检测到的光信号会呈现液滴的回音壁模式谐振波长处陷波信号。通过监测和分析光谱线型谐振波长的漂移量可获得待测物的浓度、成分变化和生化反应过程等信息。
二、一种基于受限液滴回音壁谐振模式的集成光学生化传感芯片的制备方法，包括以下步骤：
1)在衬底的上波导层采用光刻和刻蚀方法形成波导和光输入接口和光输出接口；
2)在步骤2)的衬底上沉积衬底材料形成掩埋波导，经抛光处理使整个衬底层平整获得掩埋光波导；
3)制作微流层，微流层包含单分散的液滴发生器和微流通道；
4)对衬底上表面和微流通道内腔下壁进行超疏水性处理；
5)对准微流通道和掩埋波导，并将衬底和微流层结合固定，形成集成光学生化传感芯片。
本发明具有的有益效果是：
本发明直接利用液滴充当光学微腔腔体，其回音壁模式的能量大部分位于液滴内部，增强光与待测物的相互作用，大大提高了待测物中光能量分布fa的数值，使得传感器灵敏度极高。
液滴表面由表面张力作用形成，其光滑度为分子级别，因而散射损耗极小，可以获得极高的Q值，使得传感器具有极强的波长分辨能力。
本发明传感芯片的制作方法具有CMOS兼容性，利用微流道和衬底材料的超疏水性形成受限液滴，设计适当的耦合波导从而实现结构简单、灵敏度高和对待测物耗费极少的传感芯片，并利用成熟的标准CMOS工艺，使得本发明所涉及的传感芯片可大规模制作，大大降低传感芯片的生产成本。
附图说明
图1是本发明的结构俯视图。
图2是图1的A-A'剖面图。
图3是本发明采用T形微流道液滴发生器的实施例图。
图4是本发明采用倒锥波导光输入输出接口的实施例图。
图5是本发明采用波导光栅光输入输出接口的实施例图。
图中：1、液滴发生器，2、受限液滴，3、微流通道，4、衬底，5、掩埋光波导，6、光输入接口，7、光输出接口，8、上壁，9、连续相。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1所示，本发明包括液滴发生器1、受限液滴2、微流通道3、衬底4、掩埋光波导5、光输入接口6和光输出接口7，掩埋光波导5、光输入接口6和光输出接口7均埋设在衬底4中，微流通道3水平置于位于掩埋光波导5正上方的衬底4上，连续相9充满在微流通道3内腔，液滴发生器1设置在微流通道3的一端，液滴发生器1用于输送作为连续相9的气/液体并将作为分散相的液体水加入生成受限液滴2，使得受限液滴2在微流通道3中的连续相9包覆下流动。
其中，以光输入接口6和光输出接口7分别作为输入端口和输出端口，并分别连接输入光纤和输出光纤。信号光经光输入接口6输入掩埋光波导5，在掩埋光波导5中形成传输导模，导模与受限液滴2的回音壁谐振模式相耦合，在光输出接口7检测输出光谱谐振波长的改变获得受限液滴特性变化。
本发明的实施例：
具体实施的液滴发生器1是可控单分散的液滴发生器，采用图3所示T形结构微流通道构成，其中连续相9为空气，分散相为待测物的水溶液。
下面以图1及图2所示的一种具体实施结构并采用二氧化硅衬底上氮化硅(Silicon Nitride on Silica)基片为例子予以说明。
选取二氧化硅衬底上氮化硅材料的目的是光波在800nm波长附近在二氧化硅、氮化硅和水溶液对其吸收极小，有利于液滴腔获得极高的Q值。
制作步骤为：
1)在二氧化硅衬底上氮化硅层采用光刻和刻蚀形成掩埋波导和倒锥形光输入输出接口，波导尺寸为2μm宽×500nm高，经500μm长度渐变到尺寸为500nm×500nm的倒锥波导；
2)在刻蚀好波导和光输入输出接口的基片上，使用增强化学气相沉积法(PECVD)继续生长二氧化硅材料，经化学机械抛光处理使衬底层平整，基片表面离掩埋波导顶部距离约为300nm；
3)制作PDMS微流通道层，同时制作出如图3所示T形单分散液滴发生器和微流通道，微流通道的高度为2.8微米，其中控制电极制作在T形结微流通道外部，其作用是利用电润湿性控制产生液滴的尺寸；
4)对衬底和微流道壁进行硅烷超疏水性处理；
5)对齐微流通道与掩埋波导位置，尽量使微流通道的中心和掩埋波导的中心对齐，对齐误差一般不超过500nm。采用等离子辅助键合法将衬底和微流层键合形成传感芯片；
进行传感分析时，将图3所示的液滴发生器的连续相通道和分散相通道分别连接驱动连续相气/液和分散相待测物的微泵，将光输入输出接口分别与连接激光器和探测器的光纤进行端面耦合，如图4所示。通过调节控制电极和泵的注入速度，在微流通道中形成与微流通道上下两个平行界面接触且接触角大于90度的受限液滴，受限液滴两侧弧面与连续相接触，液滴直径控制在10微米；当液滴成分变化或分析物发生反应时，通过监测输出光谱信号谐振波长位置可以即时获得变化信息。
实施例上述受限液滴腔基模的谐振波长位于780nm附近发生变化，Q值大于1×107，传感器灵敏度为590nm/RIU，折射率分辨率小于10-7RIU。上述掩埋波导和微流通道尺寸制作误差为亚微米，能够采用商用集成电路产业中已逐渐淘汰的光刻设备进行制作，因此批量生产时单个器件成本极低，优于分离器件的制作成本。
由此可见，本发明集成光学生化传感芯片具有器易于制作、液滴稳定、传感灵敏度高、对待测物耗费极少和成本低廉等突出显著的技术效果。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于受限液滴谐振的集成光学生化传感芯片，其特征是：包括液滴发生器(1)、受限液滴(2)、微流通道(3)、衬底(4)、掩埋光波导(5)、光输入接口(6)和光输出接口(7)，掩埋光波导(5)、光输入接口(6)和光输出接口(7)均埋设在衬底(4)中，微流通道(3)水平置于位于掩埋光波导(5)正上方的衬底(4)上，连续相(9)充满在微流通道(3)内腔，液滴发生器(1)设置在微流通道(3)的一端，液滴发生器(1)用于输送作为连续相(9)的气/液体并将作为分散相的液体水加入生成受限液滴(2)，使得受限液滴(2)在微流通道(3)中的连续相(9)包覆下流动。
2.根据权利要求1的一种基于受限液滴回音壁谐振模式的集成光学生化传感芯片，其特征在于：所述的集成光学生化传感芯片以光输入接口(6)和光输出接口(7)分别作为输入端口和输出端口，信号光经光输入接口(6)输入掩埋光波导(5)，在掩埋光波导(5)中形成传输导模，导模与受限液滴(2)的回音壁谐振模式相耦合，在光输出接口(7)检测输出光谱谐振波长的改变获得受限液滴特性变化。
3.根据权利要求1的一种基于受限液滴回音壁谐振模式的集成光学生化传感芯片，其特征在于：所述的微流通道(3)内腔的上壁(8)和衬底(4)表面均具有超疏水性，受限液滴(2)分别与微流通道(3)的上壁(8)和衬底(4)表面之间的接触角为90度到180度之间。
4.根据权利要求1的一种基于受限液滴回音壁谐振模式的集成光学生化传感芯片，其特征在于：所述的液滴发生器(1)是可控单分散的液滴发生器。
5.根据权利要求1的一种基于受限液滴回音壁谐振模式的集成光学生化传感芯片，其特征在于：所述的连续相(9)形成弧形面包层包覆在受限液滴(2)外，受限液滴(2)折射率大于弧形面包层的连续相(9)材料折射率。
6.根据权利要求1的一种基于受限液滴回音壁谐振模式的集成光学生化传感芯片，其特征在于：所述的光输入接口(6)和光输出接口(7)采用倒锥波导耦合器或垂直光栅耦合器。
7.如权利要求1-6任一所述的一种基于受限液滴回音壁谐振模式的集成光学生化传感芯片的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
1)在衬底(4)的上波导层采用光刻和刻蚀方法形成波导和光输入接口(6)和光输出接口(7)；
2)在步骤2)的衬底上沉积衬底材料形成掩埋波导，经抛光处理使整个衬底层平整获得掩埋光波导(5)；
3)制作微流层，微流层包含单分散的液滴发生器(1)和微流通道(3)；
4)对衬底(4)上表面和微流通道(3)内腔下壁进行超疏水性处理；
5)对准微流通道(3)和掩埋波导(5)，将衬底(4)和微流层结合固定，形成集成光学生化传感芯片。
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