CN106940298B - 一种集成型生物传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成型生物传感器及其制备方法，所述入射波导设置在本体的输入端，所述滤波器的输入端位于本体的输入端上，所述滤波器的输出端位于本体的输出端上，所述热调谐微环设置在滤波器的输出端上，所述功分器的输入端位于热调谐微环的下载端上，所述传感微环设置在功分器的另一个输出端，所述锗硅探测器设置在传感微环的下载端的输出口，所述加热电极设置在热调谐微环之上，所述传感微环位于所述传感窗口内。本发明将光电探测器与传感无源器件的进行单片集成，易于进行阵列式传感；输入的光源为宽谱光源，以及不需要外接光功率计，减少了系统的损耗以及复杂性；无需昂贵的可调谐激光器和高精度的光谱仪，大大的减小了整个系统成本。

Description

一种集成型生物传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种微电子生物传感器，尤其涉及的是一种集成型生物传感器及其制备方法。

背景技术

作为传统的微电子材料，硅材料在CMOS领域得到了广泛的应用，而硅材料在通信波段具有很低的损耗系数，是一种良好的导波材料，近年来硅光子学逐渐成为一个热门的研究领域，在光电调制器，分路器以及各种有源无源器件获得了巨大的突破，同时研究者们也逐渐将硅光子学应用到各个传感领域，包括生物，环境，化学检测，硅材料由于与CMOS兼容，高折射率，研究者们已经研究出了基于各种不同结构的集成光学传感器，包括马赫曾德干涉仪，表面等离子，微腔。在这些当中，高Q值的微腔(包括微环和微盘)是最受欢迎的传感器之一，因为可以实现超高的集成度，高灵敏性以及易于形成阵列。对于一个微环谐振器，当目标待测物质的浓度发生变化，微环波导的有效折射率发生变化，从而导致微环谐振峰产生一定的变化，单个基于生物传感的微环，使用普通的微环结构和槽型波导结构，探测极限从10-4到 10-7，一般情况下，对于光学传感的两个基本检测方法分别是波长扫描和强度扫描，然而，对于波长扫描法，为了测量谐振峰的漂移，正常的方式是结合光电探测器和高精度的可调谐激光器，或者采用宽谱光源和光谱仪(OSA)分析系统，然而这些设备通常都是比较昂贵，不适合低成本的系统应用，况且对于OSA或者可调谐激光器，检测的灵敏度受OSA的探测精度和可调谐的激光器的限制；而对于强度扫描，设定一个波长，当谐振峰漂移时，输出的光强会发生变化，但是由于谐振峰的宽度很小，响应功率随着折射率变化很快趋近于零，所以测量的范围有限。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种集成型生物传感器及其制备方法，基于电跟踪实现生物化学传感。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明所述生物传感器为微结构，所述微结构包括本体和分别设置在本体上的入射波导、滤波器、热调谐微环、加热电极、功分器、锗硅探测器、传感微环和传感窗口；所述本体的一侧为输入端，本体的另一侧为输出端，所述入射波导设置在本体的输入端，所述滤波器的输入端位于本体的输入端上，所述滤波器的输出端位于本体的输出端上，所述热调谐微环设置在滤波器的输出端上，所述功分器的输入端位于热调谐微环的下载端上，所述传感微环设置在功分器的另一个输出端，所述锗硅探测器设置在传感微环的下载端的输出口，所述加热电极设置在热调谐微环之上，所述传感微环位于所述传感窗口内。

所述传感器还具有一个监测环和一个锗硅探测器，所述锗硅探测器设置在监测环的直通端，所述监测环设置在功分器的一个输出端上。

所述热调谐微环和传感微环均位于滤波器的滤波窗口内，所述滤波窗口中只有热调谐微环和传感微环中的一个谐振峰。

所述监测环的自由光谱范围小于滤波器的滤波窗口。热调谐微环和传感微环的自由光谱范围(FSR)差很小，在滤波窗口中，监测环的FSR是一定的，可以监测热调谐微环调谐过程中的失调，起到光学标准具的作用。

所述本体、入射波导、功分器、滤波器、热调谐微环、传感微环、监测环的高度一致，所述热调谐微环、传感微环、监测环的半径不同。

所述本体的宽度为0.4～0.6μm，所述热调谐微环、传感微环、监测环与滤波器对应支路的间距为0.2μm。

所述传感器还包括二氧化硅埋层、硅衬底层和二氧化硅上包层，所述二氧化硅埋层设置于本体之下，所述二氧化硅上包层覆盖在本体之上，所述本体夹持于所述二氧化硅埋层和二氧化硅上包层之间，所述硅衬底层设置于二氧化硅埋层的底部。

所述本体的厚度为200～300nm，所述二氧化硅埋层的厚度为2～4μm，所述硅衬底层的厚度为500～700μm，所述二氧化硅上包层2～4μm。

一种集成型生物传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)用电子束曝光或者光刻的方式在晶圆上制作好两个级联的热调谐微环、传感微环以及光电探测器；

(2)然后生长二氧化硅上包层，在二氧化硅上包层上制作锗硅探测器以及热调微环的热电极，并且在传感微环部分制作好传感窗口；

(3)对传感单元进行生物修饰，对需要测试的物质进行特异性表征。

首先外接宽谱光源，通过入射波导结构耦合进本体，通过滤波器将不需要的光谱范围滤掉，再通过由一个热调谐微环作为波长调谐单元，此热调谐微环作为热调扫描单元，在器件的二氧化硅上包层的上方制作有加热电极，由于硅材料的热光系数较高(-1.84×10-4/℃)，对加热电极通入电流，硅波导的折射率会产生漂移，从而谐振峰的位置将会产生移动，起到波长扫描的作用，然后热调谐微环下载端的输出光输入进传感微环，由传感微环的下载端输入进锗硅探测器，由锗硅探测器即可读出光功率的大小。

传感微环的谐振峰在输入不同浓度的生物或者化学溶液时会产生漂移，漂移后的谐振峰可以通过加热另外一个微环实现扫描，而漂移量的大小，可以由加热功率得出，根据加热的功率可以反推出漂移的波长大小，从而可以得出生物或者化学溶液的浓度。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明将光电探测器与传感无源器件的进行单片集成，易于进行阵列式传感；输入的光源为宽谱光源，以及不需要外接光功率计，减少了系统的损耗以及复杂性；无需昂贵的可调谐激光器和高精度的光谱仪，大大的减小了整个系统成本；带有监测环，根据滤波窗口中监测环各个自由光谱范围的大小来判断热调微环扫描过程中的误差，起到标准具的功能；具有无需昂贵的光源、光谱分析系统，具有高集成度，低成本等优点。

附图说明

图1是本发明的立体图；

图2是本发明的俯视图；

图3是本发明的正视图；

图4是滤波器平面结构示意图；

图5是滤波器的滤波示意图；

图6是滤波器的窗口与热调微环，传感微环的谐振峰波长位置。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1～3所示，本实施例包括本体1、二氧化硅埋层10、硅衬底层11和二氧化硅上包层8，所述二氧化硅埋层10设置于本体1之下，所述二氧化硅上包层8覆盖在本体1之上，所述本体1夹持于所述二氧化硅埋层10和二氧化硅上包层8之间，所述硅衬底层11设置于二氧化硅埋层10的底部。

本体1的厚度h3为220nm，二氧化硅埋层10的厚度h2为3μm，硅衬底层11的厚度h1为600μm，二氧化硅上包层82μm。本实施例的二氧化硅埋层10为低折射率层。

所述本体1上分别设置入射波导2、滤波器3、热调谐微环4、加热电极9、功分器13、锗硅探测器7、监测环6、传感微环5和传感窗口12；所述本体1的一侧为输入端，本体1的另一侧为输出端，所述入射波导2设置在本体1的输入端，所述滤波器3的输入端位于本体1的输入端上，所述滤波器3的输出端位于本体1的输出端上，所述热调谐微环4设置在滤波器3的输出端上，所述功分器13的输入端位于热调谐微环4的下载端上，所述监测环6设置在功分器13的一个输出端，所述传感微环5设置在功分器13的另一个输出端，所述锗硅探测器7有两个，其中一个设置在监测环6的直通端，另一个设置在传感微环5的下载端的输出口，所述加热电极9设置在热调谐微环4之上，所述传感微环5位于所述传感窗口12 内。

本体1、入射波导2、功分器13、滤波器3、热调谐微环4、传感微环5、监测环6的高度一致，所述热调谐微环4、传感微环5、监测环6的尺寸不同。

本体1的宽度为0.5μm，所述热调谐微环4、传感微环5、监测环6与滤波器3对应支路的间距为0.2μm。

热调谐微环4以及传感微环5的波导宽度为w＝0.5um，波导与两个微环的间距g＝0.2um。

本实施例的功分器13为1分2的多模干涉耦合仪，滤波器3为集成的平坦型片上滤波器 3，由于平坦型滤波器3的结构较大，所以在图中仅用一个方块代替。

1550nm波段的光通过入射波导2耦合进入本体1中，再通过滤波器3将光通入热调谐微环4中，热调谐微环4的下载端输出的光导入进1分2功分器13，功分器13的一路输出的光然后进入监测环6，由监测环6的直通端再进入集成的锗硅探测器7，功分器13的另一路光导入传感微环5中，由传感微环5的下载端再通入进另一个集成的锗硅探测器7；热调谐微环4和传感微环5的自由光谱范围(FSR)差很小，并且谐振峰相近，处在滤波器3的滤波窗口中，同时，滤波窗口中只有热调谐微环4和传感微环5中一个谐振峰，对于监测环6，此微环的自由光谱范围要比滤波窗口小很多。

在晶圆上，根据设计的参数，使用电子束曝光或者光刻(紫外光刻或者深紫外光刻)的方式在晶圆上制作好两个级联的微环器件和锗硅探测器7，生长二氧化硅上包层8，制作锗硅探测器7以及热调微环的热电极，并且在传感微环5部分制作好传感窗口12。对传感单元进行生物修饰，对需要测试的物质进行特异性表征。

制作完成后，测试待测物质之前，保持芯片的温度稳定，排除外界的干扰。滤波器3的详细的平面结构如图4所示，为了达到平坦滤波的效果，滤波器3是由级联的马赫曾德干涉仪组成，耦合区均由定向耦合器组成，定向耦合器的波导间距为g，波导的宽度为w，长度根据耦合功率的大小来设定，图中标出了每个定向耦合器的耦合功率大小，图中两个箭头分别表示光输入输出口，在设计过程中，根据需要的波长带宽，分别选择ΔL1，ΔL2，ΔL3的大小可以得到不同带宽、不同中心波长的平坦型滤波器3。

滤波功能如图5所示，在光通入滤波器3之前，是宽光谱，经过滤波器3之后，将不需要的光谱都滤掉。

图6分别给出了滤波器3的输出光谱与热调微环以及传感微环5的谐振峰的波长位置，通过滤波，将输入光谱限制在热调谐微环4和传感微环5的一个自由光谱范围(FSR)内，减少其他谐振峰在热调谐过程的干扰，在设计这三种器件中，滤波器3的带宽为5nm,热调谐微环4的FSR1为6nm,而传感微环5的FSR2为6.2nm。

如图6中，λt0，λt1为热调谐微环4的光谱响应的两个相邻谐振峰，λs0，λs1为传感微环5的光谱响应的两个相邻谐振峰，设计时应满足：1、尽量使λt的谐振峰与λs谐振峰靠近，且前者稍微小于后者；2、热调微环的Q值与插入损耗应达到折衷，且热调谐微环4的Q值尽量要高，便于提高下载端输出光的单色性和扫描分辨率。

为了监测热调微环在加热过程中的速度失调，在热调微环的输出端加一个监测环6，起标准具作用，校准扫描过程中的步进，减少热调微环扫描过程中波长抖动，监测微环的FSR 要小于滤波器3的带宽，可以取为1nm或者更小，根据监测过程中谐振峰之间的相对位置可以判断热调谐微环4在加热过程中的扫描失调，在监测环6的输出再加一个锗硅探测器7，用于探测输出的光强。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种集成型生物传感器，其特征在于，所述生物传感器为微结构，所述微结构包括本体和分别设置在本体上的入射波导、滤波器、热调谐微环、加热电极、功分器、锗硅探测器、传感微环和传感窗口；所述本体的一侧为输入端，本体的另一侧为输出端，所述入射波导设置在本体的输入端，所述滤波器的输入端位于本体的输入端上，所述滤波器的输出端位于本体的输出端上，所述热调谐微环设置在滤波器的输出端上，所述功分器的输入端位于热调谐微环的下载端上，所述传感微环设置在功分器的另一个输出端，所述锗硅探测器设置在传感微环的下载端的输出口，所述加热电极设置在热调谐微环之上，所述传感微环位于所述传感窗口内。

2.根据权利要求1所述的一种集成型生物传感器，其特征在于，所述传感器还具有一个监测环和一个锗硅探测器，所述锗硅探测器设置在监测环的直通端，所述监测环设置在功分器的一个输出端上。

3.根据权利要求1所述的一种集成型生物传感器，其特征在于，所述热调谐微环和传感微环均位于滤波器的滤波窗口内，所述滤波窗口中只有热调谐微环和传感微环中的一个谐振峰。

4.根据权利要求1所述的一种集成型生物传感器，其特征在于，所述滤波器的带宽为5nm，热调微环的FSR1为6nm，传感微环的FSR2为6.2nm。

5.根据权利要求2所述的一种集成型生物传感器，其特征在于，所述监测环的自由光谱范围小于滤波器的滤波窗口。

6.根据权利要求2所述的一种集成型生物传感器，其特征在于，所述本体、入射波导、功分器、滤波器、热调谐微环、传感微环、监测环的高度一致，所述热调谐微环、传感微环、监测环的半径不同。

7.根据权利要求2所述的一种集成型生物传感器，其特征在于，所述本体的宽度为0.4～0.6μm，所述热调谐微环、传感微环、监测环与滤波器对应支路的间距为0.2μm。

8.根据权利要求1所述的一种集成型生物传感器，其特征在于，所述传感器还包括二氧化硅埋层、硅衬底层和二氧化硅上包层，所述二氧化硅埋层设置于本体之下，所述二氧化硅上包层覆盖在本体之上，所述本体夹持于所述二氧化硅埋层和二氧化硅上包层之间，所述硅衬底层设置于二氧化硅埋层的底部。

9.根据权利要求8所述的一种集成型生物传感器，其特征在于，所述本体的厚度为200～300nm，所述二氧化硅埋层的厚度为2～4μm，所述硅衬底层的厚度为500～700μm，所述二氧化硅上包层2～4μm。

10.如权利要求1～9任一项所述的一种集成型生物传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)用电子束曝光或者光刻的方式在晶圆上制作好两个级联的热调谐微环、传感微环以及光电探测器；

(2)然后生长二氧化硅上包层，在二氧化硅上包层上制作锗硅探测器以及热调微环的热电极，并且在传感微环部分制作好传感窗口；

(3)对传感单元进行生物修饰，对需要测试的物质进行特异性表征。

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