CN114156625A - 一种谐振芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供了一种谐振芯片及其制作方法，涉及半导体领域。该谐振芯片包括衬底；位于衬底一侧的导电层；位于导电层一侧的附着层；位于附着层一侧的介电层，其中，介电层上设置有谐振狭缝，谐振狭缝贯通介电层。本申请通过设置谐振狭缝，在进行生物分子荧光测试时，在谐振狭缝中可以实现更高能量的光场局域，大大地提高了狭缝内生物分子的荧光增强效果，从而有效地提高荧光测序的准确率以及荧光信号的信噪比。

Description

一种谐振芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，具体而言，涉及一种谐振芯片及其制作方法。

背景技术

目前，固态电子学技术与生物研究应用的结合取得了很多重要进展，包括分子阵列技术、微流控芯片技术、化学敏感场效应晶体管以及零模式波导等有价值的传感技术。

但是现有的阵列芯片在进行生物化学荧光分析时，往往存在荧光测序的准确率低且荧光信号的信噪比较低的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种谐振芯片及其制作方法，其能够有效地提高荧光测序的准确率以及荧光信号的信噪比。

为了实现上述目的，本发明实施例采用的技术方案如下：

本申请提供了一种谐振芯片，所述谐振芯片包括：

衬底；

位于所述衬底一侧的导电层；

位于所述导电层一侧的附着层；

位于所述附着层一侧的介电层，其中，所述介电层上设置有谐振狭缝，所述谐振狭缝贯通所述介电层。

可选的，所述介电层包括谐振器与过渡介电层；

所述过渡介电层位于所述附着层的一侧，所述谐振器位于所述过渡介电层的一侧；

所述谐振狭缝依次贯通所述谐振器与所述过渡介电层。

可选的，所述谐振器为圆形，所述谐振狭缝的形状为条状矩形，所述谐振狭缝设置于所述谐振器的中心。

可选的，制作所述谐振器与所述过渡介电层的材料包括磷化镓。

可选的，所述介电层还包括介电波导，所述介电波导位于所述过渡介电层上。

可选的，所述介电波导发射的光束水平入射所述谐振器。

可选的，所述介电波导发射的光束与所述谐振器平行。

可选的，所述导电层与所述衬底上还设置有渗水孔，所述渗水孔的位置与所述谐振狭缝对应。

本申请还提供了一种谐振芯片的制作方法，所述方法包括：

提供一衬底；

沿所述衬底的一侧生成导电层；

沿所述导电层的一侧生成附着层；

沿所述附着层的一侧制作介电层，其中，所述介电层上设置有谐振狭缝，所述谐振狭缝贯通所述介电层。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本申请提供了一种谐振芯片及其制作方法，该谐振芯片包括衬底；位于衬底一侧的导电层；位于导电层一侧的附着层；位于附着层一侧的介电层，其中，介电层上设置有谐振狭缝，谐振狭缝贯通介电层。本申请通过设置谐振狭缝，在进行生物分子荧光测试时，在谐振狭缝中可以实现更高能量的光场局域，大大地提高了狭缝内生物分子的荧光增强效果，从而有效地提高荧光测序的准确率以及荧光信号的信噪比。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请实施例提供的谐振芯片的剖面示意图之一；

图2为本申请实施例提供的谐振芯片的剖面示意图之二；

图3为本申请实施例提供的谐振芯片的结构示意图之一；

图4为本申请实施例提供的谐振芯片的剖面示意图之三；

图5为本申请实施例提供的谐振芯片的透视图；

图6为本申请实施例提供的谐振芯片的结构示意图之二；

图7为本申请实施例提供的谐振芯片的结构示意图之三；

图8为本申请实施例提供的谐振芯片的制作方法流程图。

图标：101-介电层；102-附着层；103-导电层；104-衬底；1011-谐振器；1012-过渡介电层；1013-介电波导。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

术语“包括”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。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。

正如背景技术中所记载的，目前，固态电子学技术与生物研究应用的结合取得了很多重要进展，包括分子阵列技术、微流控芯片技术、化学敏感场效应晶体管以及零模式波导等有价值的传感技术。

但是现有的阵列芯片在进行生物化学荧光分析时，往往存在荧光测序的准确率低且荧光信号的信噪比较低的问题。

针对现有技术所存在的问题，均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本发明实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是发明人在发明过程中做出的贡献。

有鉴于此，为了解决上述问题，本申请提供了一种谐振芯片，通过设置谐振狭缝，大大地提高了狭缝内生物分子的荧光增强效果，从而有效地提高荧光测序的准确率以及荧光信号的信噪比。

下面对本实施例提供的谐振芯片进行示例性说明。

请结合参阅图1，作为一种可选的实施方式，该谐振芯片包括衬底104、导电层103、附着层102以及介电层101；其中，导电层103位于衬底104的一侧，附着层102位于导电层103的一侧，介电层101位于附着层102的一侧，即衬底104、导电层103、附着层102以及介电层101逐层连接。其中，介电层101上设置有谐振狭缝，谐振狭缝贯通介电层101。

本实施例中，衬底104作为芯片的支撑层用于固定导电层103，并保证其上方的各层级单元的结构稳固；可以通过外接设备对导电层103施加适当的电压，从而加速待测样本在谐振狭缝处的生物特异性反应；附着层102也称之为生物附着渗水层，用于将生物分子附着于该层的表面，同时还用于保证在液体环境下进行生物分子测试的透水性，加强液体的进出，提高液体的流动性；介电层101采用全介电纳米材料制成，介电层101上设置有贯穿的谐振狭缝，从而构成谐振单元，在特定波长光的入射下，介电层101可以将光场能量束缚在介电层101内，由于谐振狭缝的存在打破了原有的极化模式，使得光场能量全部集中在谐振狭缝内部，实现局域场的增强，有利于提高谐振狭缝内部荧光分子的发光效率即荧光增强，从而有效地提高荧光测序的准确率以及荧光信号的信噪比。

下面以生物分子荧光测试为例，对本实施提供的谐振芯片做具体的说明。

在利用该谐振芯片对生物分子进行荧光测试时，需要将该谐振芯片浸入液体环境中，液体环境中有对应的生物分子，生物分子会慢慢移动至谐振狭缝中，并附着于附着层102的表面，此时，通过照射对应波长的光束，由于谐振狭缝的存在，会使得光场能量集中于谐振狭缝内部，从而达到荧光增强并提高荧光测序的准确率以及荧光信号的信噪比的目的。同时，由于附着层102自身存在一定的渗透性，其也可以提高液体环境的流动性，在需要观察生物分子的特异性反应时，可以通过对导电层103施加适当的电压来实现。

请参阅图2，作为另外一种可选的实施方式，介电层101包括谐振器1011与过渡介电层1012。

过渡介电层1012位于附着层102的一侧，谐振器1011位于过渡介电层1012的一侧，即附着层102、过渡介电层1012以及谐振器1011逐层设置。

谐振狭缝依次贯通谐振器1011与过渡介电层1012。

在本实施例中，谐振器1011与过渡介电层1012为同种介电材料制成，其本质是一体制作成型的。过渡介电层1012的作用主要是为了将附着层102与液体环境进行隔离，从而使得生物分子通过谐振狭缝附着于附着层102上，而谐振器1011的作用主要是为了吸收光场能量。

需要说明的是，介电层101当为平面结构时，谐振器1011与过渡介电层1012位于同一平面，二者融为一体，形成介电层101。而当介电层为凸状结构时，介电层101分为谐振器1011与过渡介电层1012时，其本质只为介电层101的另外一种结构。

请参阅图3，在另外一种可能的实施方式中，谐振器1011为圆形，谐振狭缝的形状为条状矩形，谐振狭缝设置于谐振器1011的中心。

需要说明的是，具体来讲，谐振器1011为圆盘形状，谐振狭缝为狭窄的长条矩形，谐振狭缝的中心点与谐振器1011的圆心垂直对其，谐振狭缝依次贯穿谐振器1011与过渡介电层1012。长条状的谐振狭缝，可以更好的提高荧光增强的效果。

在另外一种可能的实施例中，制作谐振器1011与过渡介电层1012的材料包括磷化镓。

需要说明的是，上述谐振器1011与过渡介电层1012的材料只是实施方式的一种，包括但不限于磷化镓，也可以是其他无光损耗的，具有高折射系数的介电材料，从而有利于避免光场能量的损耗以及光淬灭的问题。

在另外一种可选的实施方式中，介电层101的折射率高于附着层102的折射率，也就说，介电层101的材料应当选择折射系数高于附着层102材料折射系数的介电材料。

由于生物样本是处于液体环境中的，所以为了提高液体环境的流动性，在另外一种可选的实施方式中，请结合参阅图4和图5，导电层103与衬底104上还设置有渗水孔，渗水孔的位置与谐振狭缝对应。

渗水孔的位置与谐振狭缝对应是指，渗水孔应当设置于谐振狭缝的正下方，且渗水孔的中心点与谐振狭缝的中心点位于同一垂直轴线上。

通过设置渗水孔，谐振狭缝中的液体可以通过附着层102，浸入渗水孔中，以此来提高液体的流动性。

一般而言，谐振芯片在空间光垂直入射其表面时，极化模式会影响其电场空间分布，在特定波长下的光场能量能被束缚在狭缝内部，实现狭缝内的分子荧光增强，不过这种垂直激发体系很难实现芯片上的光激发，不利于一体化集成光系统的构建。

有鉴于此，请结合参阅图6，在另外一种可能的实施方式中，介电层101还包括介电波导1013，介电波导1013位于过渡介电层1012上。

需要说明的是，在本实施例中，介质波导位于过渡介质层上，介质波导应当与谐振器1011位于同一平面，且二者厚度相同，通过设置介质波导，可以实现激发光平行入射谐振器1011，从而在谐振狭缝中实现更高能量的光场局域，大大地提高了谐振狭缝内的分子荧光增强效果，并且实现了便携式集成光系统的构建。

在可选的实施方式中，请继续参阅图6，介电波导1013发射的光束水平入射(如图中箭头所示，其为光束的发射方向)谐振器1011，从而实现激发光水平入射。

需要说明的是，本实施例中的水平入射是指，当介电波导1013与谐振器1011位于同于平面时，介电波导1013发射的光束通过谐振器1011的侧面(即垂直于过渡介电层1012的一面)入射谐振器1011。

需要说明的是，在实际的应用中，可以根据需要调整介电波导1013的位置，从而调整其发射的光束的方向。

在另外一种可选的实施方式中，请结合参阅图7，所述介电波导1013发射的光束与所述谐振器1011平行(如图中箭头所示，其为光束的发射方向)。

在本实施例中，虽然介电波导1013仍然与谐振器1011位于同一平面，但是，介电波导1013发射的光速并不通过谐振器1011的侧面入射谐振器1011，而是与整个谐振器1011平行，光束在介电波导1013中全内反射的传输形式导致了波导表面处产生倏逝波，当谐振器1011贴近介电波导1013侧面时，波导表面处的倏逝波能量可以耦合进入谐振器1011内，由于谐振狭缝的存在使得电场束缚在谐振狭缝当中，可以实现谐振狭缝内分子荧光增强，并且通过设定介电波导1013侧面与谐振器1011的间距可以提高耦合效率。

需要说明的是，在本实施例中，介电波导1013的长度是可以任意设置的，在本实施例中，优选的将介电波导1013延长至芯片的边缘。

请结合参阅图8，本申请实施例还提供了一种谐振芯片的制作方法，方法包括以下步骤：

步骤201：提供一衬底104；

步骤202：沿衬底104的一侧生成导电层103；

步骤203：沿导电层103的一侧生成附着层102；

步骤204：沿附着层102的一侧制作介电层101，其中，介电层101上设置有谐振狭缝，谐振狭缝贯通介电层101。

在另外一种可选的实施方式，在上述步骤204之后，该方法还包括：

步骤205：将介电层101划分为谐振器1011与过渡介电层1012，过渡介电层1012位于附着层102的一侧，谐振器1011位于过渡介电层1012的一侧，谐振狭缝依次贯通谐振器1011与过渡介电层1012。

可选的，上述步骤205中，谐振器1011为圆形，谐振狭缝的形状为条状矩形，谐振狭缝设置于谐振器1011的中心。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种谐振芯片，其特征在于，所述谐振芯片包括：

衬底；

位于所述衬底一侧的导电层；

位于所述导电层一侧的附着层；

位于所述附着层一侧的介电层，其中，所述介电层上设置有谐振狭缝，所述谐振狭缝贯通所述介电层。

2.根据权利要求1所述的谐振芯片，其特征在于，所述介电层包括谐振器与过渡介电层；

所述过渡介电层位于所述附着层的一侧，所述谐振器位于所述过渡介电层的一侧；

所述谐振狭缝依次贯通所述谐振器与所述过渡介电层。

3.根据权利要求2所述的谐振芯片，其特征在于，所述谐振器为圆形，所述谐振狭缝的形状为条状矩形，所述谐振狭缝设置于所述谐振器的中心。

4.根据权利要求2所述的谐振芯片，其特征在于，制作所述谐振器与所述过渡介电层的材料包括磷化镓。

5.根据权利要求2所述的谐振芯片，其特征在于，所述介电层还包括介电波导，所述介电波导位于所述过渡介电层上。

6.根据权利要求5所述的谐振芯片，其特征在于，所述介电波导发射的光束水平入射所述谐振器。

7.根据权利要求5所述的谐振芯片，其特征在于，所述介电波导发射的光束与所述谐振器平行。

8.根据权利要求1所述的谐振芯片，其特征在于，所述导电层与所述衬底上还设置有渗水孔，所述渗水孔的位置与所述谐振狭缝对应。

9.一种谐振芯片的制作方法，其特征在于，所述方法包括：

提供一衬底；

沿所述衬底的一侧生成导电层；

沿所述导电层的一侧生成附着层；

沿所述附着层的一侧制作介电层，其中，所述介电层上设置有谐振狭缝，所述谐振狭缝贯通所述介电层。

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