CN111539234A - 基于模块化超构表面和cmos图像传感器的分子条形码检测法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于等离激元超构表面和CMOS图像传感器技术领域，尤其为基于模块化超构表面和CMOS图像传感器的分子条形码检测方法，包括窄带可调谐光源和模块化传感阵列芯片，所述模块化传感阵列芯片的单元结构由CMOS图像层、隔离层、等离激元层组成，所述CMOS图像层由衬底层和COMS像元层组成，所述隔离层由中间介质层和钝化层组成，所述等离激元层由介质衬底层和金属圆片层组成，所述衬底层、COMS像元层、中间介质层、钝化层、介质衬底层、金属圆片层自下而上复合而成。在所述传感阵列芯片上形成16×16的模块化单元，使用该传感方法可以极大降低检测系统复杂性和尺寸，具有免标记、低成本、定制化的优异性能，提高样品检测的精准度。
Description
技术领域
本发明属于等离激元超构表面和CMOS图像传感器技术领域，具体涉及基于模块化超构表面和CMOS图像传感器的分子条形码检测方法。
背景技术
为了满足高性能传感器日益增长的需求，科研工作者对等离激元超构表面进行了系统研究。运用不同材料、结构优化的等离激元传感器在灵敏度、检测极限、品质因数等方面有了极大的提高。目前，通过多参数优化和等离激元传感器芯片的紧凑集成已经使传感阵列芯片的尺寸可以达到硬币大小。虽然等离激元传感器芯片尺寸已大大减小，但配套检测仪器仍需笨重昂贵的实验室设备，如激光器、光谱仪、探测器等。为此，对等离激元传感器芯片提出了“微机电系统”的要求，这意味着不仅要缩小芯片尺寸，而且要简化检测设备。许多研究者在提高等离激元光传感器芯片本身的性能参数方面已经付出了巨大的努力，但是对微型化传感系统的研究仍存在诸多缺陷。一、现有的等离激元传感器系统的检测设备和芯片是相互独立的，需要对检测设备进行精确操控，增加了系统复杂性和尺寸。二、采用图像成像仪测量荧光实现生物传感的方法虽免去了大型光谱仪设备，但需要进行标志物标记，不具有免标记传感的优点。三、由于实际生活中待测样品分子形态、大小存在较大差异，单一图案化纳米结构的超表面不仅无法保证宽带范围的高灵敏，而且会导致最敏感区域偏出可见光范围的情况，不具备宽带、高光谱的优异性能。
近年来，互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的新发展有望使新型微传感器在疾病早期诊断、精密医学、痕量检测等领域取得广泛应用。过去的十年，CMOS图像传感器技术取得了令人瞩目的进展，图像传感器的性能也得到了极大的改善。自从在手机中引入相机以来，CMOS图像传感技术取得了巨大的商业成功。甚至有专家预言，CMOS图像传感器将完全取代电荷耦合器件(CCD)成像设备。为此，我们将等离激元模块化超构表面与CMOS图像传感器相结合产生一类新的传感器，从而解决上述诸多缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：一、现有的等离激元传感器系统检测设备和芯片相互独立，需要对检测设备进行精确操控，增加系统复杂性和尺寸。二、采用图像成像仪测量荧光实现生物传感的方法虽免去了大型光谱仪设备，但需要进行标志物标记，不具有免标记传感的优点。三、由于实际生活中待测样品分子形态、大小存在较大差异，单一图案化纳米结构的等离激元超构表面不仅无法保证宽带范围高灵敏性，而且会导致最敏感区域偏出可见光范围，不具备宽带、高光谱的优异性能。
本发明提供基于模块化超构表面和CMOS图像传感器的分子条形码检测法，该方法结合等离激元模块化超构表面与CMOS图像传感器进行设计，可实现对待测样品浓度的条形码可视化，具有微型化、免光谱仪、高灵敏等优点。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：基于模块化超构表面和CMOS图像传感器的分子条形码检测法，包括窄带可调谐光源和模块化传感阵列芯片，所述模块化传感阵列芯片的单元结构由CMOS图像层、隔离层、等离激元层组成，所述CMOS图像层由衬底层和COMS像元层组成，所述隔离层由中间介质层和钝化层组成，所述等离激元层由介质衬底层和金属圆片层组成，所述衬底层、CMOS像元层、中间介质层、钝化层、介质衬底层、金属圆片层自下而上复合而成，所述金属圆片层呈周期性均匀分布在介质衬底层上。
进一步的，所述相邻两个模块化传感阵列芯片的单元结构之间的距离定义为D，所述两个模块化传感阵列芯片的单元结构之间的距离D的范围是2μm-4μm；
优选的，所述两个模块化传感阵列芯片的单元结构之间的距离D为2.6μm。
进一步的，所述介质衬底层和金属圆片层组成等离激元层，所述介质衬底层的材质为二氧化硅(SiO2)，所述金属圆片层的材质为金(Au)或铝(Al)。
进一步的，所述钝化层的材质为氮化硅(Si3N4)，采用电子束蒸发工艺制备。
进一步的，所述中间介质层的材质为二氧化硅(SiO2)，采用气相化学沉积制备。
进一步的，所述二氧化硅(SiO2)的折射率范围为1.44-1.48。
优选的，二氧化硅(SiO2)的折射率为1.46，所述金属圆片层采用相干光刻工艺制备。
进一步的，所述模块化传感阵列芯片的结构单元由以下各项参数定义：中间介质层的厚度t1、钝化层的厚度t2、介质衬底层的厚度t3、金属圆片层的高度t4，金属圆片层的周期p，单一金属圆片的直径d；
进一步的，所述中间介质层的厚度t1的范围为300nm-500nm；
进一步的，所述钝化层的厚度t2的范围为400nm-800nm；
进一步的，所述介质衬底层的厚度t3的范围为200nm-500nm；
进一步的，所述金属圆片层的高度t4的范围为50nm-200nm；
进一步的，所述金属圆片层的周期p的范围为300nm-600nm；
进一步的，所述单一金属圆片的直径d的范围为50nm-180nm。
作为本发明的优选方案，所述传感阵列芯片的结构参数包括：在所述传感阵列芯片上形成16×16的模块化单元，每一个单元对应一个特定共振波长的单元结构，所述模块化传感阵列芯片的单元结构由衬底层、CMOS像元层、中间介质层、钝化层、介质衬底层、金属圆片层自下而上复合而成。所述中间介质层的厚度t1为300nm；所述钝化层的厚度t2为520nm；所述介质衬底层的厚度t3为400nm；所述金属圆片层的高度t4为80nm；所述金属圆片层的周期p在380nm-530nm以间隔10nm递增；所述单一金属圆片的直径d的范围为75nm-150nm以间隔5nm递增；从而形成周期p和直径d的16×16种排列组合结构。
进一步的，所述模块化传感阵列芯片可以应用于分子条形码传感，实现对不同浓度样品的检测。首先，测量16×16的模块化传感阵列芯片在纯水里的透射强度。其次，对芯片进行生物功能化之后再次测量透射强度，所述生物功能化采用分子结构尺寸为20-100nm的待测溶液执行。最后，将两次所测透射强度的256个数据分别映射成一维的分子条形码。通过比对两个分子条形码透射强度最大值的光谱偏移，计算出待测样本浓度。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：使用该传感方法可以极大降低检测系统复杂性和尺寸，具有免标记、低成本、定制化的优异性能，提高样品检测的精准度。
附图说明
附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明等离激元模块化超构表面芯片传感示意图；
图2为本发明等离激元模块化超构表面传感阵列芯片的单元结构图；
图3为本发明模块化超构表面芯片周期结构参数425nm和500nm的透射率曲线图；
图4为本发明模块化超构表面芯片周期结构参数425nm和500nm的电场分布图；
图5为本发明分子条形码传感示意图。
图中：金属圆片层101、介质衬底层102、隔离层200、钝化层201、中间介质层202、CMOS图像层300、COMS像元层301、衬底层302、窄带可调光源400。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-5,本发明提供以下技术方案：本发明实施例提供基于模块化超构表面和CMOS图像传感器的分子条形码检测法，该方法包括窄带可调谐光源和模块化传感阵列芯片，可以极大降低检测系统复杂性和尺寸，具有免标记、高精准的优异性能。
实施例一
在本发明实施例中，具体阐述基于模块化超构表面和CMOS图像传感器的分子条形码检测法。
请参阅图1，基于模块化超构表面和CMOS图像传感器的分子条形码检测法，包括金属圆片层101、介质衬底层102、隔离层200、CMOS图像层300、窄带可调光源400。
请参阅图2，所述金属圆片层101、介质衬底层102组成等离激元层100，所述隔离层200由钝化层201和中间介质层202组成，所述CMOS图像层300由COMS像元层301、衬底层302组成，所述衬底层302、COMS像元层301、中间介质层202、钝化层201、介质衬底层102、金属圆片层101自下而上复合而成，所述金属圆片层101呈周期性均匀分布在介质衬底层102上。
所述相邻两个模块化传感阵列芯片单元结构之间的距离定义为D，所述两个模块化传感阵列芯片单元结构之间的距离D的范围是2μm-4μm；
优选的，所述两个模块化传感阵列芯片的单元结构之间的距离D为2.6μm。
进一步的，所述介质衬底层102的材质为二氧化硅(SiO2)，所述金属圆片层101的材质为金(Au)或铝(Al)。
进一步的，所述钝化层201的材质为氮化硅(Si3N4)，采用电子束蒸发工艺制备。
进一步的，所述中间介质层202的材质为二氧化硅(SiO2)，采用气相化学沉积制备。
进一步的，在结构谐振范围内，所述二氧化硅(SiO2)的折射率范围为1.44-1.48。
优选的，二氧化硅(SiO2)的折射率为1.46，所述金属圆片层101采用相干光刻工艺制备。
进一步的，所述模块化传感阵列芯片的结构单元由以下各项参数定义：中间介质层202的厚度t1、钝化层201的厚度t2、介质衬底层102的厚度t3、金属圆片层101的高度t4，金属圆片层101的周期p，单一金属圆片的直径d；
进一步的，所述中间介质层202的厚度t1的范围为300nm-500nm；
进一步的，所述钝化层201的厚度t2的范围为400nm-800nm；
进一步的，所述介质衬底层102的厚度t3的范围为200nm-500nm；
进一步的，所述金属圆片层101的高度t4的范围为50nm-200nm；
进一步的，所述金属圆片层101的周期p的范围为300nm-600nm；
进一步的，所述单一金属圆片的直径d的范围为50nm-180nm。
作为本发明的优选方案，所述传感阵列芯片的结构参数包括：在所述传感阵列芯片上形成16×16的模块化单元，每一个单元对应一个特定共振波长的单元结构，所述模块化传感阵列芯片的单元结构由衬底层302、CMOS像元层301、中间介质层202、钝化层201、介质衬底层102、金属圆片层101自下而上复合而成。所述中间介质层202的厚度t1为300nm；所述钝化层201的厚度t2为520nm；所述介质衬底层102的厚度t3为400nm；所述金属圆片层101的高度t4为80nm；所述金属圆片层101的周期p在380nm-530nm以间隔10nm递增；所述单一金属圆片的直径d的范围为75nm-150nm以间隔5nm递增；从而形成周期p和直径d的16×16种排列组合结构。
由于窄带可调光源可以确保波长高分辨率和高灵敏性，渐变等离激元模块阵列设计则具有满足不同检测样品需求的通用性。
实施例二
在本发明实施例中，在所述中间介质层202的厚度t1、钝化层201的厚度t2、介质衬底层102的厚度t3、金属圆片层101的高度t4、单一金属圆片的直径d等参数确定情况下，仅改变金属圆片层101的周期p的取值，取值范围为400nm-600nm。
优选的，所述金属圆片层101的周期p分别取值为425nm和500nm。
请参阅图3，根据模拟仿真结果，所述金属圆片层101的周期p取值为425nm时，由于发生等离激元共振，波长在665nm处产生凹陷。所述金属圆片层101的周期p取值为500nm时，共振波长位置为725nm。共振波长随着周期取值变大而发生红移。
请参阅图5，对比共振波长位置分别为665nm和725nm的电场强度图，可以直观发现金属圆片层101的周期p取值为500nm的场增强更加明显，可以应用于检测不同分子量和分子形态的检测样品。
实施例三
基于实施例一和实施例二，进一步将所述模块化传感阵列芯片应用于分子条形码传感，实现对不同浓度样品的测量。首先，对所述16×16的模块化传感阵列芯片在纯水里测量光强数据。其次，进行生物功能化之后再次测量光强信息，所述生物功能化采用分子结构尺寸为20-100nm的待测溶液执行。最后将两次所测的256个数据分别映射成为一维的分子条形码。通过比对两个分子条形码共振光强最大值的光谱偏移，计算出待测样本浓度。这种设计理念可以极大简化生物芯片检测流程。
本发明的有益效果在于：极大地简化了等离激元传感设备的复杂性和尺寸；无需进行标志物标记，具有免标记传感的优点；具备宽带、高灵敏、低成本的优异性能。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (8)
1.基于模块化超构表面和CMOS图像传感器的分子条形码检测法，其特征在于，包括窄带可调谐光源和模块化传感阵列芯片，所述模块化传感阵列芯片的单元结构由CMOS图像层、隔离层、等离激元层组成；所述CMOS图像层由衬底层和COMS像元层组成，所述隔离层由中间介质层和钝化层组成，所述等离激元层由介质衬底层和金属圆片层组成，所述衬底层、COMS像元层、中间介质层、钝化层、介质衬底层、金属圆片层自下而上复合而成，所述金属圆片层呈周期性均匀分布在介质衬底层上。
2.据权利要求1所述的基于模块化超构表面和CMOS图像传感器的分子条形码检测法，其特征在于，相邻两个所述模块化传感阵列芯片的单元结构之间的距离定义为D，两个所述模块化传感阵列芯片的单元结构之间的距离D的范围是2μm-4μm。
3.据权利要求2所述的基于模块化超构表面和CMOS图像传感器的分子条形码检测法，其特征在于，两个所述模块化传感阵列芯片的单元结构之间的优选距离D为2.6μm。
4.根据权利要求1所述的基于模块化超构表面和CMOS图像传感器的分子条形码检测法，其特征在于，所述介质衬底层和金属圆片层组成等离激元层，所述介质衬底层的材质为二氧化硅(SiO2)，所述金属圆片层的材质为金(Au)或铝(Al)，所述钝化层的材质为氮化硅(Si3N4)，采用电子束蒸发工艺制备。
5.根据权利要求1所述的基于模块化超构表面和CMOS图像传感器的分子条形码检测法，其特征在于，所述传感阵列芯片的结构参数包括：在所述传感阵列芯片上形成16×16的模块化单元，每一个单元对应一个特定共振波长的单元结构，所述模块化传感阵列芯片的单元结构由衬底层、CMOS像元层、中间介质层、钝化层、介质衬底层、金属圆片层自下而上复合而成；所述中间介质层的厚度t1为300nm；所述钝化层的厚度t2为520nm；所述介质衬底层的厚度t3为400nm；所述金属圆片层的高度t4为80nm；所述金属圆片层的周期p在380nm-530nm以间隔10nm递增；所述单一金属圆片的直径d的范围为75nm-150nm以间隔5nm递增；从而形成周期p和直径d的16×16种排列组合结构。
6.根据权利要求1所述的基于模块化超构表面和CMOS图像传感器的分子条形码检测法，其特征在于，所述模块化传感阵列芯片可以应用于分子条形码传感，实现对不同浓度样品的检测；首先，测量16×16的模块化传感阵列芯片在纯水里的透射强度；其次，对芯片进行生物功能化之后再次测量透射强度，所述生物功能化采用分子结构尺寸为20-100nm的待测溶液执行；最后，将两次所测透射强度的256个数据分别映射成一维的分子条形码；通过比对两个分子条形码透射强度最大值的光谱偏移，计算出待测样本浓度。
7.根据权利要求1所述的基于模块化超构表面和CMOS图像传感器的分子条形码检测法，其特征在于，所述中间介质层的材质为二氧化硅(SiO2)，采用气相化学沉积制备。
8.根据权利要求4所述的基于模块化超构表面和CMOS图像传感器的分子条形码检测法，其特征在于，所述二氧化硅(SiO2)的折射率范围为1.44-1.48，所述二氧化硅(SiO2)的优选折射率为1.46，所述金属圆片层采用相干光刻工艺制备。
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