一种用于疾病诊断的光学生物芯片与制备方法技术

一种用于疾病诊断的光学生物芯片及制备方法，是在垂直腔面发射激光器阵列本身的优越性，硅探测器阵列很高的灵敏度和微电子机械系统技术而得到的。具体方案是先在底面出光的垂直腔面发射激光器阵列的出光面上加工若干个微米量级的反应池以及与之相连的若干微米量级的输液槽，然后覆盖一层ＳｉＯ↓［２］，最后与感光面上沉积有一薄层ＳｉＯ↓［２］的硅探测器阵列直接键合，探测器阵列用来探测被特定的荧光物质标记的目标生物分子发出的荧光，从而快速检测出患者是否患有某种疾病。所用的激光器的峰值波长为６５０－９８０ｎｍ，探测器的敏感波长为４００－１１００ｎｍ。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术是一种用于疾病诊断的光学生物芯片。 本专利技术还涉及上述生物芯片的制备方法。
技术介绍
光学生物芯片(Optical Biochips)的设计与制备技术是一种以激光器 为基础的片上实验室的关键技术，它充分利用了半导体技术，集成了对生 物分子的标定、检测与分析的微型系统，能花很少量样品和试剂以很短的 时间内同时完成大量检测工作。以激光器为基础的片上实验室(Lab-on-a-chip)要求芯片微型化，同 时芯片还应具有功能全，速度快，精度高的特点。垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有以下优点，如小的发散角和圆 形对称的光斑；出光方向垂直衬底，可实现高密度二维面阵的集成；可以 在片测试，极大地降低了开发成本。从集成的观点来看，VCSEL有以下 几个优点(1)占用面积小.一个器件大小为几到几十微米，与条形激光 器的300pm相比更小；(2)从周围的各个方向都可以存取，而条形激光器只限于两侧，且其大小受谐振腔的长度限制；(3)层叠后再集成，可 充分利用谐振腔的垂直特征；(4)可构成二维阵列。最吸引人的是它的 制造工艺与发光二极管(LED)兼容，大规模制造的成本很低。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于疾病诊断的光学生物芯片。 本专利技术的又一目的在于提供一种制备上述光学生物芯片的方法。 为实现上述目的，本专利技术提供的用于疾病诊断的光学生物芯片，其结 构由一个面阵垂直腔面发射激光器的出光面和一个硅探测器阵列的感光面进行键合而成；底面出光的面阵垂直腔面发射激光器的出光面上设有至少一个微通 道反应池，该微通道反应池分别连接二个输入槽和一个输出槽，该微通道 反应池与面阵垂直腔面发射激光器的出光孔相对；硅探测器阵列的感光面上有与面阵垂直腔面发射激光器的出光面上 的微通道反应池、输入槽和输出槽相对应地阵列。所述的光学生物芯片，其中，反应池的深度比输入槽深lpm。所述的光学生物芯片，其中，面阵垂直腔面发射激光器的出光面和硅 探测器阵列的感光面上沉积有一层Si02薄膜。本专利技术提供的制备上述光学生物芯片的方法，其步骤如下A) 在底面出光的面阵垂直腔面发射激光器的出光面上的出光孔相对 应的位置上刻蚀出一个微通道反应池和与之相连的输入槽及输出槽；B) 在微通道反应池上外延一Si02薄膜，以提高光学生物芯片的生物兼 容性；C) 根据步骤A制备的微通道反应池和与之相连的输入槽及输出槽的具体位置，硅探测器阵列的感光面上制作硅探测器阵列；D) 在步骤C制备的硅探测器阵列的感光面上沉积一Si02薄膜，作为探 测器的感光窗口，同时提高光学生物芯片的生物兼容性E) 将硅探测器阵列感光面上的Si02薄膜与面阵垂直腔面发射激光器的 出光面上的Si02薄膜直接键合，使面阵垂直腔面发射激光器的出光面与探 测器阵列的键合面间有输入槽、输出槽和微通道反应池，其中硅探测器阵 列的感光窗口与输入槽和输出槽相对应，以对被特定的荧光物质所标定的 目标生物分子发出的荧光进行探测。所述的制备方法，其中，刻蚀是利用聚焦离子束系统。 所述的制备方法，其中，面阵垂直腔面发射激光器的出光面上的Si02 薄膜厚度为l-l(Hxm。所述的制备方法，其中，硅探测器阵列的感光面上的Si02薄膜厚度为0.6-1,。所述的制备方法，其中，硅探测器阵列的工作波长为400-1100nm，在 800nm-900nm范围有波长应答高峰。所述的制备方法，其中，面阵垂直腔面发射激光器的出光面与硅探测器阵列的感光面之间的键合是SiOrSi02之间的键合。本专利技术把荧光物质诱导光源(激光器)与荧光探测器集成在一个芯片 上的结构，可在一块芯片上完成对样本的标定、检测与分析。本专利技术的结 构设计及其制备方法，其具有成本低、结构与制造工艺简单、应用范围广、 所需样品与试剂量小，方便易携带的优点。附图说明图1为面阵垂直腔面发射激光器的出光面上制作的结构的平面图； 图2为光学生物芯片的下截面图； 图3为光学生物芯片的侧截面图； 图4为光学生物芯片的上截面图5为光学生物芯片中的垂直腔面发射激光器与反应池和输液槽的相 对位置图6为光学生物芯片中的硅探测器阵列与反应池和输液槽的相对位置图7为光学生物芯片的整体结构的三维截面图。 具体实施例方式本专利技术的光学生物芯片的荧光诱导光源(激光器)选用垂直腔面发射 激光器。需要在出光面制作输液沟槽和反应池，这里以背面出光的面阵垂 直腔面发射激光器为例本专利技术的用于疾病诊断的光学生物芯片的结构，其结构包括一个底面 出光的面阵垂直腔面发射激光器和一个硅探测器阵列及在面阵垂直腔面 发射激光器出光面上制作的微通道反应池。微通道反应池是在与垂直腔面 发射激光器的出光口正对的衬底上用聚焦离子束系统加工出反应池，以及 与之相连的若干条输液槽，然后覆盖一层Si02薄膜，再与沉积了 一层Si02薄 膜的硅探测器阵列的感光面进行键合而制成，其中硅探测器阵列的感光窗 口正与输液槽相对应，键合是在SiOrSiQ2之间的键合。面阵垂直腔面发射激光器出光面制备的薄膜材料为Si02，厚度为lpm -lOpm，其具有良好化学稳定性的薄膜材料Si02，主要是为了提高整个光 学生物芯片的生物兼容性，同时Si02薄膜起到了增透作用，提高了激光器 的出光功率；反应池的位置正与面阵垂直腔面发射激光器的出光孔相对，且加工在衬底材料上，然后覆盖一层Si02薄膜；面阵垂直腔面发射激光器主要起激发被荧光物质标定的目标生物分 子，使其发出荧光，同时可通过改变激光器的输入电流来控制激光器的出光功率，以满足生物分子与荧光物质进行结合时所需的条件；硅探测器阵列的工作波长为400-1100nm，在800-900nm范围有波长 应答高峰；硅探测器阵列的感光面被覆盖的Si02薄膜厚度约为1^11， Si02主要起提高芯片的生物兼容性的作用，同时作为硅探测器阵列的感光窗口；面阵垂直腔面发射激光器的出光面与硅探测器阵列的感光面之间的键合是SiOrSi02之间的键合；光学生物芯片的结构为面阵垂直腔面发射激光器与探测器阵列直接键合，键合面间有刻有输入槽、输出槽和生物分子进行反应的微通道反应池。本专利技术的光学生物芯片(Optical Biochips)的制备方法，包括以下步骤l)在底面出光的面阵垂直腔面发射激光器的出光面上利用聚焦离子束系统在与每一个激光器的出光孔相对应的Si02薄膜面上加工出一个反应池和与之相连的若干个输入、输出槽；2) 制备一层较厚的有良好化学稳定性的Si02薄膜，以提高光学生物芯 片的生物兼容性；3) 根据步骤2的具体位置需要，制作硅探测器阵列。4) 在硅探测器阵列的感光面上沉积一层Si02薄膜，作为探测器的感光 窗口，主要是为了提高光学生物芯片的生物兼容性；5) 把沉积了一层Si02薄膜的硅探测器阵列的感光面与面阵垂直腔面发射激光器的出光面上所沉积的Si02薄膜直接键合，其中硅探测器阵列的感光窗口与输入槽和输出槽相对应，以对被特定的荧光物质所标定的目标生 物分子发出的荧光进行探测。 上述制备方法中步骤1:根据设计要求设计反应池和与其相连的输液沟槽的版图，制 版；利用光刻技术或直接利用聚焦离子束系统在面阵垂直腔面发射激光器 的出光面上加工出微通道反应池以及输入槽、输出槽，如图1所示。步骤2:根据设计要求利用离子辅助化学气相沉积本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于疾病诊断的光学生物芯片，其结构由一个面阵垂直腔面发射激光器的出光面和一个硅探测器阵列的感光面进行键合而成；底面出光的面阵垂直腔面发射激光器的出光面上设有至少一个微通道反应池，该微通道反应池分别连接二个输入槽和一个输出槽，该微 通道反应池且与面阵垂直腔面发射激光器的出光孔相对；硅探测器阵列的感光面上有与面阵垂直腔面发射激光器的出光面上的微通道反应池、输入槽和输出槽相对应地阵列。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：宋国峰，汪卫敏，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]