FI91806B - Pintaplasmonresonanssiin perustuva integroidun optiikan anturi nesteiden ja kaasujen mittaamista varten sekä menetelmä anturin valmistamiseksi - Google Patents

Description

9 ι 61)6

Pintaplasmonresonanssiin perustuva integroidun optiikan anturi nesteiden ja kaasujen mittaamista varten sekä menetelmä anturin valmistamiseksi

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen pintaplasmon-5 resonanssiin perustuva integroidun optiikan anturi nesteiden ja kaasujen mittaamista varten.

Keksinnön kohteena on myös menetelmä anturin valmistamiseksi.

10 Tunnetaan mikro-optiikalla toteutettuja pintaplasmonresonanssiin perustuvia antureita. Nämä ovat kuitenkin hankalia valmistaa ja näin hinnaltaan kalliita. Valon kulkutienä näissä ratkaisuissa on pääasiassa ilma ja tämä aiheuttaa monimutkaisen säätömekaniikan oikean kohdistuksen aikaansaamiseksi.

15 Tunnettuja anturin valmistusmenetelmiä on kuvattu viitteissä /1/, /3/ ja /4/. Nämä menetelmät perustuvat kolmen valoa johtavan eristekerroksen kasvattamiseen piikiekolle. Passiivisena tasoaaltojohderakenteena voivat toimia myös viitteessä /5/ kuvatun menetelmän mukaiset ionivaihdetut lasiaaltojohteet.

20 Tämän keksinnön tarkoituksena on aikaansaada aivan uudentyyppinen pintaplasmonresonanssiin perustuva anturi sekä menetelmä tämän valmistamiseksi.

Keksintö perustuu siihen, että anturi valmistetaan miniatyrisoituna integroidun optiikan keinoin piisubstraatille siten, että keskeisimmät bioanturin komponentit 25 sijoitetaan tasoaaltojohteeseen yhdelle piisirulle, jolloin säteilyn kulkureittinä toimii tasoaaltojohde.

Keksinnön mukainen valmistusmenetelmä puolestaan perustuu siihen, että tasoaal-tojohteen kytkentäpinta muodostetaan siten, että märkäetsataan piisirun pintaan V-30 uria piisirun < 100> kidesuunnan suuntaisesti ja katkaistaan siru urien suuntaisesti.

Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle anturille on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

2 91806

Keksinnön mukaiselle valmistusmenetelmälle puolestaan on tunnusomaista se, mikä on esitetty patenttivaatimuksen 4 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

5

Keksinnön mukainen ratkaisu tarjoaa mahdollisuudet valmistaa bioanturi, joka on yksinkertainen, pieni ja halpa ja joka on herkin sähkömagneettista evanecent-aaltoa käyttävistä menetelmistä. Keksinnön mukainen integroitu optiikka piisubstraatilla tarjoaa optisten toimintojen miniatyrisoinnin monoliittisen integroinnin avulla, missä 10 mahdollisimman monta optista osakomponenttia, mukaanlukien pintaplasmon-resonanssin aktiivinen alue, sijoitetaan tasoaaltojohteeseen yhdelle piisirulle. Keksinnön mukaisessa anturissa mikroelektroniikan prosessointilaitteita ja -vaiheita voidaan soveltaa anturiteknologiaan. Käytetty tasoaaltoteknologia takaa erittäin hyvän toistettavuuden ja saannon valmistuksessa. Valon kytkentäoptiikka integ-15 roidun optiikan anturipiiriin voidaan tehdä hyvin luotettavaksi, koska kohdis-tustarkkuusvaatimukset eivät ole kriittisiä. Piikiekko on halpa, suuripinta-alainen ja sillä on erittäin hyvät optiset ja mekaaniset ominaisuudet perusmateriaaliksi. Kiekon paloittelu voidaan tehdä teollisesti, V-uratekniikka tarjoaa tähän myös hyvän ratkaisun. Passiivisten osakomponenttien keskinäinen kohdistustarkkuus on 20 erittäin hyvä (n. 0,2 μ m) piisirun sisällä. Mekaanisten osien määrä vähenee ratkaisevasti mikro-optiikkaan perustuvaan anturiin verrattuna.

Keksintöä ryhdytään seuraavassa lähemmin tarkastelemaan oheisten kuvioiden mukaisten suoritusesimerkkien avulla.

25

Kuvio 1 esittää perspektiivikuvantona yhtä keksinnön mukaista anturia.

Kuvio 2 esittää yksityiskohtaa kuvion 1 mukaisesta anturista.

30 Kuvio 3 esittää yläkuvantona keksinnön mukaisen anturin V-urien valmistusvaihetta.

I: 91 8 ϋ 6 3

Kuvio 4 esittää sivukuvantona leikkausta A-A kuvion 3 mukaisesta valmistusvaiheesta.

Kuvion 1 mukaisesti keksinnön mukainen komponentti käsittää tasoaaltojohteen 5 taitekerroinrakenteen, joka on valmistettu esimerkiksi viitteiden /1,2,3 tai 4/ mukaisilla menetelmillä. Taitekerroinrakenne on optimoitu yksimuotoiseksi käytetyillä aallonpituuksilla. Polarisoitu valo 2 johdetaan laserista 11 suoraan pistelähteenä toimivan raon 3 tai kuidun tai V-uran avulla tasoaaltojohteeseen 1, jossa se etenee suurella numeerisella aukolla kokonaisheijastavan ellipsin 4 pinnalle, joka on 10 syövytetty kohtisuoraan piikiekon 5 pintaa vastaan. Ellipsillä 4 kohdistettu ja tästä heijastuva valo herättää pintaplasmonresonanssin tietyllä tulokulman arvolla tasoaaltojohteen höyrystetyssä metallikalvossa 6, joka on sopivasti kultaa (Au), hopeaa (Ag) tai alumiinia (AI). Metallikalvon 6 paksuus on sopivasti 50 - 150 nm. Resonanssi on erittäin herkkä taitekertoimen muutoksille kalvon 6 pinnalla, mikä 15 voidaan havaita heijastuksen häviämisenä tietyllä tulokulmanarvolla. Heijastuva säde ohjataan kokonaisheijastavan paraabelin 8 avulla piisirun 5 reunaan hybridoi-tavaan CCD-rakenteeseen 9, joka kytketään edelleen elektroniikkaan.

Kuviossa 2 on esitetty suurennettu kaaviokuva valon kytkentäkohdasta 10 piisirun 20 5 reunassa resonanssialueella. Valon kytkentäkohta 10 syövytetään aluksi aniso- trooppisesti reaktiivisella ionietsauksella (RIE) samassa maslrivaiheessa yhdessä muiden osarakenteiden kanssa tasoaaltojohteeseen, joka on kuviossa piirrostason suuntainen. Näin menetellen ei kohdistusvirheitä synny. Toisin sanoen ellipsiltä 4 tulevan säteen polttopiste jäljestetään oikealle kohdalle syövyttämällä kytkentäkoh-25 daksi 10 tarkoitettua piipalan 5 sivua.

Kuvion 3 mukaisesti tasainen ja kohtisuora pinta kytkentäkohtaa 10 varten voidaan piipohjaisessa komponentissa muodostaa myös katkaisemalla piisiru kuvion mukaisesti. Perusajatus on käyttää tunnettuja KOHrssa märkäetsattavia V-uria 20 30 piisirun 5 ja samalla tasoaaltojohteen katkaisuun oikealta kohdalta, jolloin kuvion V-urien 20 suunnassa piisubstraatti ja tasoaaltojohteen reuna katkeavat terävästi n. 90° kulmassa. Tällä menetelmällä reaktiiviseen ionietsaukseen (RIE) verrattuna 4 91806 tasoaaltojohteen reunan kaltevuuden ja erityisesti tasaisuuden epäideaalisuudet eivät muodostu ongelmaksi kriittisellä resonanssialueella 10, koska epätasaisuus leventää CCD-rakenteella mitattavaa intensiteettiminimiä ja huonontaa pintaplas-monresonanssimittauksen tarkkuutta.

5

Kuviossa 4 on esitetty kuvion 3 rakenne leikkauksena A-A katkaisun jälkeen. V-urien 20 leveys ja etäisyys toisistaan optimoidaan kokeellisesti. V-urien suunta valitaan piikiekon 5 <100>- kidesuunnan mukaiseksi. Kuvan 3 esimerkissä uran 20 leveys on 50 pm ja urien välinen matka n. 100 pm.

10

Kuvion 4 mukaisesti tasoaaltojohteen ja kide tason <111> välinen kulma muodostuu KOH-etsissä 55°:ksi.

Tämän jälkeen höyrystetään halutun paksuinen metallikalvo 6. Metallikalvo ja 15 tasoaaltojohteen reuna muodostavat pintaplasmonresonanssialueen, joka sopii biologisen aineen, nesteen tai kaasun taitekertoimien muutosten mittaamiseen. Metallikalvon 6 pinnalla oleva neste, kaasu tai biologinen aine muuttavat resonans-sikulmaa, mikä näkyy intensiteetin pienenemisenä vastaavalla heijastuskulmalla. Kuvion 1 mukaisesti eri heijastuskulmia vastaavat intensiteetin paikat ja paikan 20 muutokset määritetään kokonaisheijastavan paraabelin 8 ja CCD-rakenteen 9 avulla.

Viitteet: 25 /1/ G. Grand, S. Valette, G. J. Cannell, J. Aarnio, M. del Giudice, "Fiber Pigtailed

Silicon Based Low Cost Passive Optical Components", Proc. of 16th European conference on Optical Communication, Amsterdam, Netherlands, pp. 525-528 (1990).

30 /2/ P. Heimala, J. Aarnio, U. Gyllenberg, H. Ronkanen, "Evaluation of LPCVD

PSG-layers for applications in integrated optics", Proc. of 14th Nordic Semiconductor Meeting, Arhus, Denmark, Technical University of Denmark & University of l, 5 91806 Ärhus, pp. 194-197 (1990).

/3/ J. Aarnio: "An Integrated-optic polarization splitter on silicon substrate", Proc. of 14th ECOC, IEE, Brighton, I, pp. 34-37 (1988) 5 /4/ J. Bismuth, P. Gidon, F. Revol, S. Valette, "Low-loss ring resonators fabricated from silicon based integrated optics technologies", Electronics letterrs, 27, pp. 722-724 (1991) 10 /5/ A. Tervonen, "Optical waveguides by ion exchange in glas: Fabrication proces ses for integrated optics applications", Commentationes Physio-Mathematicae 109/1990, Dissertationes No 28, The Finnish Society of Sciences and Letters . ·

Claims (4)

6 91806

1. Pintaplasmonresonanssiin perustuva integroidun optiikan anturi nesteiden ja kaasujen mittaamista varten, joka anturi käsittää 5 - elimet (11) polarisoidun sähkömagneettisen säteilyn (2) tuottamiseksi, - säteilyn (2) kulkureitin (1), johon polarisoitu sähkömagneettinen 10 säteily (2) on johdettavissa, - pistelähteen (3), jossa polarisoitu sähkömagneettinen säteily muutetaan pistemäiseksi, 15. kohdistuselimen (4), jolla pistemäinen sähkömagneettinen säteily on kohdistettavissa kytkentäkohtaan (10), - kytkentäkohdan (10) taakse muodostetun metallikalvon (6), 20. suuntauselimen (8), jolla kytkentäkohtaan (10) kohdistettu sähkö magneettinen säteily on suunnattavissa ilmaisua varten, ja - ilmaisinelimen (9), jolla metallikalvon (6) takana olevan aineen optiset ominaisuudet ovat määritettävissä tästä heijastuneen säteilyn 25 avulla, tunnettu siitä, että - säteilyn kulkureitti (1) on tasoaaltojohde, ja 30 - piste lähde (3), kohdistuselin (4), suuntauselin (8) ja ilmaisinelin (9) on muodostettu samalle yhtenäiselle piipalalle (5) tasoaaltojohtee-seen (1). I;

91. O 6 7

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen anturi, tunnettu siitä, että kohdistuselin (4) on kokonaisheijastava ellipsipinta ja suuntausselin (8) on kokonaisheijastava paraabelipinta.

3. Patenttivaatimuksen 1 mukainen anturi, tunnettu siitä, että ilmaisinelin (9) on CCD-kenno.

4. Menetelmä patenttivaatimuksen 1 mukaisen anturin valmistamiseksi, tunnettu siitä, että tasoaaltojohteen (1) kytkentäpinta (10) muodostetaan siten, 10 että märkäetsataan piisirun (5) pintaan V-uria (20) piisirun (5) < 100> kidesuun-nan suuntaisesti ja katkaistaan siru (5) urien (20) suuntaisesti. 91 δ ϋ 6 8