一种光子晶体三谐振腔无热化生物传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种光子晶体三谐振腔无热化生物传感器，其包括基板、以及呈矩阵式垂直设置在该基板上的若干第一介质柱与若干第二介质柱，该第一介质柱的半径为r，该第二介质柱的半径为ra，且r≠ra。其中，该若干第二介质柱分成三部分分别构成主波导与两个耦合波导，两个耦合波导分别对称设置于主波导的两侧，主波导呈直线形为光子晶体直波导，两个耦合波导呈直角转弯形为直角转弯波导，主波导、两个耦合波导三者之间填充有该若干第一介质柱而相互独立。两个耦合波导与主波导之间设有三个光子晶体谐振腔，主波导、两个耦合波导分别与三个光子晶体谐振腔耦合。

【技术实现步骤摘要】
一种光子晶体三谐振腔无热化生物传感器
本专利技术涉及一种生物传感器，尤其涉及一种光子晶体三谐振腔无热化生物传感器。
技术介绍
生物传感器是以生物活性单元作为生物敏感基元，对被测物具有高度选择性的探测器，在环境监测、生物防范、食品检测、疾病监控以及药物研发中有着重要的应用。近年来，随着光子集成技术的发展以及片上实验室(Lab-on-a-chip)概念的提出，基于光光子晶体谐振腔的生物传感器由于兼具检测速度快、灵敏度高、实时性好、无需标记、不受环境和工频干扰等优点，已成为目前生物传感领域的研究热点之一。生物传感器市场规模庞大，且每年呈上升趋势，据美国市场信息反馈专业公司Market Research估计，2012年全球生物传感器市规模为85亿美元，到2018年将增至168亿美元；若加上传感器周边配套设施，生物传感产业的市场规模将达数千亿美元，生物传感器相关方面的研究具有可观的社会及经济效益。光子晶体又被称为光半导体，是由具有不同介电常数的物质，在空间周期性排列而形成的人工微结构。光子晶体具备光子禁带，具有控制光在其内传播的特性，是实现未来大规模光电集成以及全光网络的潜在应用材料。在完整的光子晶体材料中引入缺陷时，则会在光子禁带中引入缺陷态。例如，引入点缺陷则可以将光局域在缺陷内，从而形成光子晶体谐振腔；而如果引入线缺陷，则可以将光限制于线缺陷内传播，形成光子晶体波导。近年来，基于光子晶体谐振腔的生物传感器因其集成度高、待测物用量少、探测极限高已成为该领域的研究热点。对于基于谐振腔的生物传感器，其无热化研究近年来受到了较多的关注。这主要来源于常用的谐振腔生物传感器制备材料如硅、氮化硅以及聚合物等都具有较高热效应，使得这类生物传感器探测结果极易受温度波动影响。由于在测试过程中，温度引起的噪声信号与传感信号叠加，从而使得传感测试系统的信噪比降低，甚至造成测试失败。通过合理的设计以及新材料的选择，可以使温度致折射率变化及温度致形变对器件光谱特性影响相反，甚至接近为0，从而减小甚至消除温度对光器件的测量准确度的影响。然而，一方面，从严格意义上讲这种方法不可能使温度影响严格为零，即不能从根本的解决温度变化对器件性能的影响；另一方面，这种方法对器件的制备材料要求较为严格，可备选材料并不多，例如，对于现阶段制备工艺较为成熟且器件集成度较高的硅材料(包括SOI材料)，其温度对折射率的影响为1.8X 10_4/°C，而热膨胀系数仅为2.63X 10_6/°C，难以通过这种方法来设计制备无热化光器件。另外，对于谐振腔结构生物传感芯片，通过设计制作参考谐振腔也可以得到温度不敏感生物传感器芯片，这种方法需要设计一个或多个不与待测物质接触的参考谐振腔，当对测试结果进行分析时，以参考谐振腔作为判断温度影响漂移的基准，从而避免温度对测量结果的影响。这种方法可以在不改变器件制作材料的基础上避免温度的影响，对传感器芯片制备材料不提出特别要求。但这种方法也存在一些本质上的缺点。由于基于谐振腔的生物传感器的高集成特性，一块芯片可以集成上百个传感单元，如果一整片生物传感芯片只配置一个参考谐振腔，则会出现参考谐振腔与探测谐振腔距离过远，而在实际应用过程中，如果出现芯片温度不均匀的情况，参考谐振腔就不可能提供有价值的参考值。而若在每一个传感单元中都布置参考谐振腔则会出现面积浪费的情况，不利于高集成生物传感芯片的设计制备。
技术实现思路
为克服上述缺陷，本专利技术要解决的技术问题是提出一种高集成度且结构更为简单的光子晶体三谐振腔无热化生物传感器。本专利技术是这样实现的，一种光子晶体三谐振腔无热化生物传感器，其包括基板、以及呈矩阵式垂直设置在该基板上的若干第一介质柱(I)与若干第二介质柱(2)，该第一介质柱(I)的半径为r，该第二介质柱(2)的半径为ra，且r ，其中，该若干第二介质柱(2)分成三部分分别构成主波导(5)与两个耦合波导(6、7)，两个耦合波导(6、7)分别对称设置于主波导(5)的两侧，主波导(5)呈直线形为光子晶体直波导，两个耦合波导(6、7)呈直角转弯形为直角转弯波导，主波导(5)、两个稱合波导(6、7)三者之间填充有该若干第一介质柱(I)而相互独立，两个耦合波导(6、7)与主波导(5)之间设有三个光子晶体谐振腔(8、9、10 )，主波导(5 )、两个耦合波导(6、7 )分别与三个光子晶体谐振腔(8、9、10 )耦合。作为上述方案的进一步改进，三个光子晶体谐振腔(8、9、10)中分别存在三个点缺陷(11、12、13)，三个点缺陷(11、12、13)的半径分别为r2、r3，且T1 ≤ r2 ≤ r3 < r,T1 ≤ r2 ≤ r3 < ra。优选地,第一介质柱(I)、第二介质柱(2)、三个点缺陷(11、12、13)的高度均相同。作为上述方案的进一步改进，该基板包括二氧化硅埋层(3)以及硅衬底层(4)，第一介质柱(I)与第二介质柱(2 )均设置该二氧化硅埋层(3 )上，二氧化硅埋层(3 )位于硅衬底层(4)上。优选地，二氧化硅埋层(3)的厚度为3μπι，第一介质柱(I)与第二介质柱(2)的高度均为220nm，硅衬底层(4)的厚度为600 μ m。本专利技术应用光子晶体三谐振腔无热化生物传感器实现生物传感无热化特性。传感器芯片的每一个传感单元由分束器、光子晶体波导及三个光子晶体谐振腔构成。三个谐振腔的谐振波长不同，这样就可以通过公式换算消去温度对探测结果的影响，从而实现传感器的无热化探测。由于三个谐振腔均作为探测单元应用，所以相对参考光子晶体谐振腔方法，本专利技术光子晶体三谐振腔无热化生物传感器没有浪费面积，而且由于三个谐振腔密集排列(间距小于ΙΟμπι)，避免了芯片温度不均匀是造成的测量偏差。综上，本专利技术提出的光子晶体三谐振腔无热化生物传感器生物传感器，相对于传统的无热化解决方案，具有无需温控装置、无热化、集成度高及不受制备材料限制等优点。以SOI (Silicon-on-1nsulator)为光子晶体三谐振腔无热化生物传感器芯片制备材料，其中SOI顶硅层厚为220nm，下方二氧化硅埋层厚为3μπι。本生物传感器芯片可同时集成多个传感单元，每个传感单元由三个光子晶体谐振腔构成。经由耦合光栅或侧面耦合系统耦合进入的电磁波由分束器分为三束，经过三个谐振腔最后出射，接入探测设备即可得到生物传感器单元的出射谱线，分析可得被测物的折射率特性，从而分析被测物成分及含量等特征。本专利技术提出的光子晶体三谐振腔无热化生物传感器，相对于传统的无热化解决方案，具有无需温控装置、无热化、集成度高及不受制备材料限制等优点。【附图说明】图1是本专利技术光子晶体三谐振腔无热化生物传感器主体结构三维意图。 图2是本专利技术光子晶体三谐振腔无热化生物传感器主体结构侧视图。图3是本专利技术光子晶体三谐振腔无热化生物传感器主体结构俯视图。图4是光子晶体谐振腔与光子晶体波导耦合区结构图。图5是光子晶体谐振腔传输特性随温度变化曲线。图6是光子晶体谐振腔传输特性随包层折射率变化曲线。图7三环型生物传感器特征曲线。图8a、图8b、图8c、图8d、图8e、图8f为制备划片所需的划片槽工艺流程示意图。图9a、图％、图9c、图9d为制备SOI顶硅层主体结构的工艺流程示意图。图10a、图1O本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种光子晶体三谐振腔无热化生物传感器，其包括基板、以及呈矩阵式垂直设置在该基板上的若干第一介质柱（1）与若干第二介质柱（2），该第一介质柱（1）的半径为r，该第二介质柱（2）的半径为ra，且r≠ra，其特征在于，该若干第二介质柱（2）分成三部分分别构成主波导（5）与两个耦合波导（6、7），两个耦合波导（6、7）分别对称设置于主波导（5）的两侧，主波导（5）呈直线形为光子晶体直波导，两个耦合波导（6、7）呈直角转弯形为直角转弯波导，主波导（5）、两个耦合波导（6、7）三者之间填充有该若干第一介质柱（1）而相互独立，两个耦合波导（6、7）与主波导（5）之间设有三个光子晶体谐振腔（8、9、10），主波导（5）、两个耦合波导（6、7）分别与三个光子晶体谐振腔（8、9、10）耦合。

【技术特征摘要】
1.一种光子晶体三谐振腔无热化生物传感器，其包括基板、以及呈矩阵式垂直设置在该基板上的若干第一介质柱(I)与若干第二介质柱(2)，该第一介质柱(I)的半径为r，该第二介质柱(2)的半径为ra，且，其特征在于，该若干第二介质柱(2)分成三部分分别构成主波导(5)与两个耦合波导(6、7)，两个耦合波导(6、7)分别对称设置于主波导(5)的两侦牝主波导(5)呈直线形为光子晶体直波导，两个耦合波导(6、7)呈直角转弯形为直角转弯波导，主波导(5)、两个稱合波导(6、7)三者之间填充有该若干第一介质柱(I)而相互独立，两个耦合波导(6、7)与主波导(5)之间设有三个光子晶体谐振腔(8、9、10)，主波导(5)、两个耦合波导(6、7 )分别与三个光子晶体谐振腔(8、9、10 )耦合。2.如权利要求1所述的光子晶体三谐振腔无热化生物传感器，其特征在于:三个光子晶体谐振腔(8、9、IO...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔乃迪，郭进，冯俊波，滕婕，周杰，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十八研究所，
类型：发明
国别省市：