基于FP激光器和金属阵列结构的传感芯片及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于FP激光器和金属阵列结构的传感芯片及其制备方法，属于光电子器件与传感技术领域。该芯片的制备，首先是在FP激光器的出光端面生长一层介质隔离层，再在该介质隔离层端面采用聚焦离子束等微纳加工技术，制作出可用于生物传感的金属阵列结构，最后通过微流控技术将PDMS制作微流通道与芯片集成，实现芯片的传感封装，以进行传感检测；该结构中，金属阵列结构表面的折射率变化影响FP激光器出射波长的强度，将待测样品通入微流通道，测试出射光强度的变化即可对待测样品进行传感。本发明专利技术通过激光器与探测器集成，传感敏感单元及传感光学部件的高度集成，达到了传感设备微型化。设备微型化。设备微型化。

【技术实现步骤摘要】
基于FP激光器和金属阵列结构的传感芯片及其制备方法


[0001]本专利技术涉及光电子器件与传感
，是一种基于FP激光器和金属阵列结构的传感芯片及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着生活水平的提高，人们对自身身体健康状况越来越重视，能否及时准确对身体指标进行检测已成为医学领域急需解决的重要问题。与此同时，生态环境的破坏也让人们越来越关心环境、注意保护环境，为此研制低成本高灵敏度的便携式传感器实现对生态环境实时监测已成为当今传感领域的研究热点。半导体加工技术制备的传感芯片具有体积小、灵敏度高、造价低廉等优点，且可广泛应用于生物医学、环境监测等领域。
[0003]半导体加工技术制备的金属阵列结构，其表面激发的表面等离子体对金属或电介质的表面特性的变化非常敏感，适用于对金属表面平整度及其吸附物等相关性质的表征。因其具有样品用量少、灵敏度高、抗干扰能力强等优点，广泛应用于化学和生物传感领域。
[0004]在金属阵列的表面等离子体传感中，除了波长检测需要宽谱光源外，其余检测技术都可以采用激光光源。半导体激光器具有体积小、成本低、功耗低、寿命长及稳定性好等优点特别适合于检测设备的小型化，目前已有研究者选用半导体激光器作为表面等离子体传感芯片的光源。
[0005]其中，FP（Fabry-perot）激光器作为一种新型的半导体激光器，具有低成本、高出光功率等特点，被广泛用于短距离光纤通信及传感应用中。目前，基于激光器的光学传感器已被用于光学导航追踪和气体传感监测等领域，但是还没有利用具有出光功率大的FP激光器与金属阵列结构进行集成以实时检测生物、化学及医学领域的微量物质的方法和集成芯片。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的在于提出基于FP激光器和金属阵列结构的传感芯片及其制备方法，利用FP激光器成本低廉、体积微小且出光功率大的特点，主要是将FP激光器与金属阵列结构集成化设计，实现了传感结构的微型化，通过半导体工艺实现制备出的传感芯片，可用于生物样品和环境指标的检测，具有广泛的应用空间。
[0007]为了实现上述目标，本专利技术的技术方案如下：基于FP激光器的传感芯片，其特征在于：包括下方的FP激光器和上方的金属阵列结构，所述FP激光器的出光端面上有一介质隔离层，介质层的上端面有PDMS（聚二甲基硅氧烷）外壳，所述PDMS外壳包括侧壁和顶面，侧壁和顶面和介质层的上端面形成的空腔为微流通道，顶面上设置有样品注入口和样品流出口，所述样品注入口和样品流出口位于微流通道的两端；在微流通道内，介质层的上端面布置有金属阵列结构。
[0008]进一步的，所述介质隔离层可以二氧化硅层，或者氮化硅层等绝缘介质材料，可有效的将FP激光器的出光面和金属阵列结构隔离开，使两者不发生相互作用。
[0009]进一步的，所述金属阵列结构是传感芯片的传感层，该结构可以是：金属光栅、金属点阵等。
[0010]进一步的，所述PDMS外壳为底部开口的筒状结构。其中，所述PDMS外壳可以为长方体筒状结构。
[0011]进一步的，所述基于FP激光器的传感芯片布置于探测器下方，PDMS外壳的顶面正对与探测器的下方面。
[0012]进一步的，所述样品注入口和样品流出口位于PDMS外壳顶面的两端。
[0013]制备上述基于FP激光器的传感芯片的制备方法，其特征在于，步骤如下：（1）在FP激光器的出光端面上生长一层膜，该膜为介质隔离层；（2）在介质隔离层上蒸发一层金属膜，然后利用微纳加工技术将金属膜制作成为金属阵列结构；（3）利用PDMS翻模技术制成底部开口的PDMS膜，形成呈筒状结构的PDMS外壳；（4）在PDMS外壳的顶部打孔，形成样品注入口和样品流出口；（5）在介质隔离层上，将PDMS外壳和介质隔离层上表面外沿进行电晕处理后键合，制作完成传感芯片，PDMS外壳与介质隔离层上表面之间的空腔配合样品注入口、样品流出口形成微流通道。
[0014]进一步的，步骤（1）中的介质膜隔离层可以采用化学气相沉积或磁控溅射等介质膜生长技术进行生长。
[0015]进一步的，步骤（2）中的微纳加工技术，可以采用聚焦离子束直接写入技术、或者电子束曝光技术，制作出可用于生物传感的金属阵列结构。该结构是通过在介质隔离层上先生长一层厚度为几十纳米的贵重金属薄膜（如：Au、Ag等），再利用微纳加工技术制备而得。
[0016]传感用金属阵列结构需要特殊设计，使其在FP激光器的出光波长处有明显的透射峰，当其中通入待测液体时，其光强需要发生明显变化，以实现相关物质检测。在具体金属阵列结构选取上，可以通过三维时域有限差分方法进行设计，选取灵敏度高、性能优异的光栅、圆孔、点阵等结构，其尺寸一般在几十纳米。
[0017]进一步的，步骤（4）中的样品注入口和样品流出口是在PDMS外壳的顶部，分别在微流通道的两端利用打孔器制备。安装时，分别在样品注入口和样品流出口插入L型钢管，以实现橡胶管与微流通道的连接。
[0018]进一步的，步骤（3）中的微流通道是利用翻模技术将硅片上的微流通道转移到PDMS上。PDMS在FP激光器出光波段没有吸收峰存在，是一层透明的薄膜。微流通道高度一般在几十个微米，测试溶液只需要几十微升就可以满足测试，因此所需待测样品用量极少。此外，PDMS还有很好的生物相容性，对于测试样品不会有副作用。
[0019]进一步的，步骤（5）采用电晕方法对PDMS和芯片表面进行处理，使二者两表面形成不可逆键合，进而结合一个完整的新型传感芯片。再通过微流泵注入待测样品，该方法可以十分精确控制注入流量和流速，实现准确的实时监测。另外，还可以通过医用注射器进行样品注入，实现芯片的静态监测。
[0020]当实现传感芯片的传感封装后，传感芯片在传感检测中，待测溶液通过PDMS外壳的微流通道进入传感芯片中，利用光功率计测试通入待测溶液前后FP激光器出光强度的变
化来实现芯片传感。
[0021]那么，上述技术方案与已有的基于FP激光器的传感器相比，具有以下有益效果：1、本专利技术实现了FP激光器与金属阵列传感结构的集成，实现了传感结构的微型化，将来我们可以进一步将探测器与芯片进行集成，使基于FP激光器的片上实验室的建造成为一种可能。
[0022]2、FP激光器与金属阵列结构的集成，再进一步减小了传感芯片的体积的同时，提高了器件的稳定性和可靠性。
[0023]3、FP激光器可以通过半导体平面工艺制备，芯片的其他部分也可通过半导体工艺进行制备，因而该芯片最终可以通过平面半导体工艺实现制备。
[0024]4、集成于FP激光器端面的金属阵列结构，可以用于生物样品和环境指标的检测，具有广泛的应用空间。此外，可以根据不同的待测样品，设计不同结构参数的金属阵列结构，通过对金属阵列结构的透射率的有效控制，实现对待测物品的高灵敏度检测，预期检测精度能达到10-8
。
[0025]5、本专利技术可用于生物、化学及医学领域的微量物质检测，具有实时、快速检测等优势。
附图说明...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于FP激光器的传感芯片，其特征在于：包括下方的FP激光器和上方的金属阵列结构，所述FP激光器的出光端面上有一介质隔离层，介质层的上端面有PDMS外壳，所述PDMS外壳包括侧壁和顶面，侧壁和顶面和介质层的上端面形成的空腔为微流通道，顶面上设置有样品注入口和样品流出口，所述样品注入口和样品流出口位于微流通道的两端；在微流通道内，介质层的上端面布置有金属阵列结构；所述传感芯片在传感检测中，待测溶液通过PDMS外壳的微流通道进入传感芯片中，测试通入待测溶液前后FP激光器出光强度的变化来实现芯片传感。2.根据权利要求1所述的基于FP激光器的传感芯片，其特征在于：所述介质隔离层采用二氧化硅层或者氮化硅层。3.根据权利要求1所述的基于FP激光器的传感芯片，其特征在于：所述PDMS外壳为底部开口的筒状结构。4.根据权利要求3所述的基于FP激光器的传感芯片，其特征在于：所述PDMS外壳为长方体筒状结构。5.根据权利要求1所述的基于FP激光器的传感芯片，其特征在于：所述基于FP激光器的传感芯片布置于探测器下方，PDMS外壳的顶面正对与探测器的下方面。6.根据权利要求1所述的基于FP激光器的传感芯片，其特征在于：所述样品注入口和样品流出口位于PDMS外壳顶面的两端。7.制备权利要求1-6任意一项所述的传感芯片的...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁浚，王文杰，廖明乐，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院电子工程研究所，
类型：发明
国别省市：