FI91806C - Pintaplasmonresonanssiin perustuva integroidun optiikan anturi nesteiden ja kaasujen mittaamista varten sekä menetelmä anturin valmistamiseksi - Google Patents

Description

91 Βϋ6

Pintaplasmonresonanssiin perustuva integroidun optiikan anturi nesteiden ja kaasujen mittaamista vårten sekå menetelmå anturin valmistamiseksi

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

Keksinnon kohteena on myos menetelmå anturin valmistamiseksi.

10 Tunnetaan mikro-optiikalla toteutettuja pintaplasmonresonanssiin perustuvia antureita. Nåmå ovat kuitenkin hankalia valmistaa ja nåin hinnaltaan kalliita. Valon kulkutienå nåisså ratkaisuissa on pååasiassa ilma ja tåmå aiheuttaa monimutkaisen sååtomekaniikan oikean kohdistuksen aikaansaamiseksi.

15 Tunnettuja anturin valmistusmenetelmiå on kuvattu viitteisså /1/, /3/ ja /4/. Nåmå menetelmåt perustuvat kolmen valoa johtavan eristekerroksen kasvattamiseen piikiekolle. Passiivisena tasoaaltojohderakenteena voivat toimia myos viitteesså /5/ kuvatun menetelmån mukaiset ionivaihdetut lasiaaltojohteet.

20 Tåmån keksinnon tarkoituksena on aikaansaada aivan uudentyyppinen pintaplasmonresonanssiin perustuva anturi sekå menetelmå tåmån valmistamiseksi.

Keksinto perustuu siihen, ettå anturi valmistetaan miniatyrisoituna integroidun optiikan keinoin piisubstraatille siten, ettå keskeisimmåt bioanturin komponentit 25 sijoitetaan tasoaaltojohteeseen yhdelle piisirulle, jolloin såteilyn kulkureittinå toimii tasoaaltojohde.

Keksinnon mukainen valmistusmenetelmå puolestaan perustuu siihen, ettå tasoaal-tojohteen kytkentåpinta muodostetaan siten, ettå mårkåetsataan piisirun pintaan V-30 uria piisirun < 100> kidesuunnan suuntaisesti ja katkaistaan siru urien suuntaisesti.

Tåsmållisemmin sanottuna keksinnon mukaiselle anturille on tunnusomaista se, mikå on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

91806 2

Keksinnon mukaiselle valmistusmenetelmålle puolestaan on tunnusomaista se, mikå on esitetty patenttivaatimuksen 4 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnon avulla saavutetaan huomattavia etuja.

5

Keksinnon mukainen ratkaisu taijoaa mahdollisuudet valmistaa bioanturi, joka on yksinkertainen, pieni ja halpa ja joka on herkin såhkomagneettista evanecent-aaltoa kåyttåvistå menetelmistå. Keksinnon mukainen integroitu optiikka piisubstraatilla taijoaa optisten toimintojen miniatyrisoinnin monoliittisen integroinnin avulla, misså 10 mahdollisimman monta optista osakomponenttia, mukaanlukien pintaplasmon-resonanssin aktiivinen alue, sijoitetaan tasoaaltojohteeseen yhdelle piisirulle. Keksinnon mukaisessa anturissa mikroelektroniikan prosessointilaitteita ja -vaiheita voidaan soveltaa anturiteknologiaan. Kåytetty tasoaaltoteknologia takaa erittåin hyvån toistettavuuden ja saannon valmistuksessa. Valon kytkentaoptiikka integ-15 roidun optiikan anturipiiriin voidaan tehdå hyvin luotettavaksi, koska kohdis-tustarkkuusvaatimukset eivåt ole kriittisiå. Piikiekko on halpa, suuripinta-alainen ja sillå on erittain hyvåt optiset ja mekaaniset ominaisuudet perusmateriaaliksi. Kiekon paloittelu voidaan tehdå teollisesti, V-uratekniikka taijoaa tåhån myos hyvån ratkaisun. Passiivisten osakomponenttien keskinåinen kohdistustarkkuus on 20 erittåin hyvå (n. 0,2 μιη) piisirun sisållå. Mekaanisten osien måårå våhenee ratkaisevasti mikro-optiikkaan perustuvaan anturiin verrattuna.

Keksintoå ryhdytåån seuraavassa låhemmin tarkastelemaan oheisten kuvioiden mukaisten suoritusesimerkkien avulla.

25

Kuvio 1 esittåå perspektiivikuvantona yhtå keksinnon mukaista anturia.

Kuvio 2 esittåå yksityiskohtaa kuvion 1 mukaisesta anturista.

30 Kuvio 3 esittåå ylåkuvantona keksinnon mukaisen anturin V-urien valmistusvai-hetta.

I: 91 8ΰ6 3

Kuvio 4 esittåå sivukuvantona leikkausta A-A kuvion 3 mukaisesta valmistusvai-heesta.

Kuvion 1 mukaisesti keksinnon mukainen komponentti kasittåa tasoaaltojohteen 5 taitekerroinrakenteen, joka on valmistettu esimerkiksi viitteiden /1,2,3 tai 4/ mukai-silla menetelmillå. Taitekerroinrakenne on optimoitu yksimuotoiseksi kåytetyillå aallonpituuksilla. Polarisoitu valo 2 johdetaan laserista 11 suoraan pistelåhteenå toimivan raon 3 tai kuidun tai V-uran avulla tasoaaltojohteeseen 1, jossa se etenee suurella numeerisella aukolla kokonaisheijastavan ellipsin 4 pinnaile, joka on 10 syovytetty kohtisuoraan piikiekon 5 pintaa vastaan. Ellipsillå 4 kohdistettu ja tåsta heijastuva valo heråttåå pintaplasmonresonanssin tietyllå tulokulman arvolla tasoaaltojohteen hoyrystetysså metallikalvossa 6, joka on sopivasti kultaa (Au), hopeaa (Ag) tai alumiinia (Al). Metallikalvon 6 paksuus on sopivasti 50 - 150 nm. Resonanssi on erittåin herkkå taitekertoimen muutoksille kalvon 6 pinnalla, mikå 15 voidaan havaita heijastuksen håviåmisenå tietyllå tulokulmanarvolla. Heijastuva såde ohjataan kokonaisheijastavan paraabelin 8 avulla piisirun 5 reunaan hybridoi-tavaan CCD-rakenteeseen 9, joka kytketåån edelleen elektroniikkaan.

Kuviossa 2 on esitetty suurennettu kaaviokuva valon kytkentåkohdasta 10 piisirun 20 5 reunassa resonanssialueella. Valon kytkentåkohta 10 syovytetåån aluksi aniso- trooppisesti reaktiivisella ionietsauksella (RIE) samassa maskivaiheessa yhdesså muiden osarakenteiden kanssa tasoaaltojohteeseen, joka on kuviossa piirrostason suuntainen. Nåin menetellen ei kohdistusvirheitå synny. Toisin sanoen ellipsiltå 4 tulevan såteen polttopiste jåijestetåån oikealle kohdalle syovyttåmållå kytkentåkoh-25 daksi 10 tarkoitettua piipalan 5 sivua.

Kuvion 3 mukaisesti tasainen ja kohtisuora pinta kytkentåkohtaa 10 vårten voidaan piipohjaisessa komponentissa muodostaa myos katkaisemalla piisiru kuvion mukaisesti. Perusajatus on kåyttåå tunnettuja KOHrssa mårkåetsattavia V-uria 20 30 piisirun 5 ja samalla tasoaaltojohteen katkaisuun oikealta kohdalta, jolloin kuvion V-urien 20 suunnassa piisubstraatti ja tasoaaltojohteen reuna katkeavat teråvåsti n. 90° kulmassa. Tållå menetelmållå reaktiiviseen ionietsaukseen (RIE) verrattuna 91806 4 tasoaaltojohteen reunan kaltevuuden ja erityisesti tasaisuuden epåideaalisuudet eivåt muodostu ongelmaksi kriittiseilå resonanssialueella 10, koska epåtasaisuus leventåå CCD-rakenteella mitattavaa intensiteettiminimiå ja huonontaa pintaplas-monresonanssimittauksen tarkkuutta.

5

Kuviossa 4 on esitetty kuvion 3 rakenne leikkauksena A-A katkaisun jålkeen. V-urien 20 leveys ja etåisyys toisistaan optimoidaan kokeellisesti. V-urien suunta valitaan piikiekon 5 <100>- kidesuunnan mukaiseksi. Kuvan 3 esimerkisså uran 20 leveys on 50 μπι ja urien vålinen matka n. 100 μπα.

10

Kuvion 4 mukaisesti tasoaaltojohteen ja kidetason <111> vålinen kulma muodos-tuu KOH-etsisså 55°:ksi.

Tåmån jålkeen hoyiystetåån 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, mikå nåkyy intensiteetin pienenemisenå vastaavalla heijastuskulmalla. Kuvion 1 mukaisesti eri heijastuskulmia vastaavat intensiteetin paikat ja paikan 20 muutokset mååritetåån kokonaisheijastavan paraabelin 8 ja CCD-rakenteen 9 avulla.

Viitteet: 25 /1/ G. Grand, S. Valette, G. J. Cannell, J. Aamio, 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. Aamio, U. Gyllenberg, H. Ronkanen, "Evaluation of LPCVD

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

/3/ J. Aamio: "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 9. S ϋ 6

1. Pintaplasmonresonanssiin perustuva integroidun optiikan anturi nesteiden ja kaasujen mittaamista vårten, joka anturi kåsittåå 5 - elimet (11) polarisoidun såhkomagneettisen såteilyn (2) tuottami-seksi, - såteilyn (2) kulkureitin (1), johon polarisoitu såhkomagneettinen 10 såteily (2) on johdettavissa, - pistelåhteen (3), jossa polarisoitu såhkomagneettinen såteily muute-taan pistemåiseksi, 15. kohdistuselimen (4), jolla pistemåinen såhkomagneettinen såteily on kohdistettavissa kytkentåkohtaan (10), - kytkentåkohdan (10) taakse muodostetun metallikalvon (6), 20. suuntauselimen (8), jolla kytkentåkohtaan (10) kohdistettu såhko magneettinen såteily on suunnattavissa ilmaisua vårten, ja - ilmaisinelimen (9), jolla metallikalvon (6) takana oleVan aineen optiset ominaisuudet ovat mååritettåvisså tåstå heijastuneen såteilyn 25 avulla, tunnettu siitå, ettå - såteilyn kulkureitti (1) on tasoaaltojohde, ja 30 - piste låhde (3), kohdistuselin (4), suuntauselin (8) ja ilmaisinelin (9) on muodostettu samalle yhtenåiselle piipalalle (5) tasoaaltojohtee-seen (1). I;

91. O 6 7

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

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

4. Menetelmå patenttivaatimuksen 1 mukaisen anturin valmistamiseksi, tunnettu siita, etta tasoaaltojohteen (1) kytkentapinta (10) muodostetaan siten, 10 etta mårkåetsataan piisirun (5) pintaan V-uria (20) piisirun (5) < 100> kidesuun-nan suuntaisesti ja katkaistaan siru (5) urien (20) suuntaisesti. 91. u 6 8