[發明專利]一種長程表面等離子波折射率檢測芯片

有效

• 申請號: 200810055626.7
• 申請日: 2008-01-04
• 公開（公告）號: CN101246123A
• 公開（公告）日: 2008-08-20
• 發明（設計）人: 黃翊東;饒軼;劉仿;張巍;彭江德
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41
• 代理公司: 北京眾合誠成知識產權代理有限公司
• 代理人: 史雙元

技術領域

本發明屬于集成光電子技術領域。特別涉及在光子集成、傳感等領域應用的可集成的一種長程表面等離子波折射率檢測芯片。

背景技術

表面等離子波(Surface?plasmon?polariton(SPP)，圖1)是一種沿金屬和介質界面傳播的電磁場，在介質中它的振幅隨著離開界面的距離指數衰減。SPP是一種表面波，它的場能量集中在金屬和介質界面的附近，這使得在金屬表面的場很強，對于表面的形態，特別是折射率的變化非常敏感。在生化傳感器方面有著廣泛的應用前景。

如圖1所示，傳統的表面等離子波生化傳感器是將一束光3打在容易產生表面等離子的金屬表面1上，改變入射光3的角度，表面等離子體只在某一個特定角度5的入射光下被激勵，這時，反射光4的功率會急劇減小。而這個特定的角度對金屬表面交界處物質2的折射率非常敏感，通過測定反射光功率減小時入射光的角度5，可以測定金屬表面交界處物質2的折射率。這種傳統的測量方法需要棱鏡、轉臺等分離的元件，不僅體積大，調節困難，而且，穩定性差，成本高，嚴重限制了它的推廣和應用。

當金屬部分做成薄膜狀，如圖2所示，在薄膜的上表面101，下表面102將產生兩組表面等離子波，當金屬薄膜薄到一定的程度，這兩組表面等離子波將產生耦合，這種耦合波的電場分布大部分集中在金屬以外的上介質2和下介質6中，所以，傳播損耗比較小，可以在金屬表面傳播較長一段距離，所以被稱為長程表面等離子波(long?range?surface?plasmon，LR-SP)。這種長程表面等離子波的傳播損耗對金屬薄膜上介質2和下介質6的折射率差非常敏感，測定長程表面等離子波傳輸損耗或(和)光斑尺寸大小，可以實現折射率高精度測量。但是這種方法精度高但測量范圍小，且結構不利于封裝和實用化，對其推廣和應用有負面影響。

當金屬做成條狀，如圖3所示，并在金屬上方加入緩沖層3，待測條形金屬11兩旁加入參考臂12、參考臂13，芯片測量范圍可以通過緩沖層厚度調節，芯片封裝可以通過參考臂對準來完成，且條形金屬更利于光纖直接激勵。這種長程表面等離子波的傳輸損耗對條形金屬上介質4，下介質7的折射率差非常敏感，測定長程表面等離子波傳輸損耗或(和)光斑尺寸大小，可以實現折射率高精度測量(如圖4所示)，當緩沖層3和下介質7的折射率固定在1.444時，條形金屬上介質4的折射率(圖中橫坐標)發生變化時，長程表面等離子波的傳輸損耗(圖中縱坐標)隨之發生明顯變化，測量區域如圖8所示，且隨緩沖層3厚度的增加，靈敏度減小而測量范圍增加，這為我們利用長程表面等離子波來實現折射率的大范圍，高精度檢測提供了可能。

發明內容

本發明是為了解決傳統的表面等離子波折射率檢測器的體積大、所需元器件多、調節困難、穩定性差等問題而提供可集成的一種長程表面等離子波折射率檢測芯片。同時提出了條形金屬結構，緩沖層結構和參考臂結構，增加檢測芯片的測量范圍，使其更實用化。其特征在于，

所述長程表面等離子波折射率檢測芯片結構特征，是由金屬薄膜或條形金屬，上下表面為富硅氧化硅SiO_x、SiO₂或苯并環丁烯BCB以及介質緩沖層富硅氧化硅SiO_x或富硅氮化硅SiN_y組成，其中0＜x＜2、0＜y＜4/3；介質緩沖層附著在金屬薄膜或條形金屬上，金屬薄膜或條形金屬和介質緩沖層夾在兩層SiO_x、SiO₂或BCB中間，并在SiO_x、SiO₂或BCB上層表面開孔作為測量槽。所有結構生長在Si襯底，GaAs襯底，InP襯底或SiO₂襯底上。該芯片通過從該金屬薄膜或條形金屬端面激勵的方法產生長程表面等離子波，通過測定該長程表面等離子波的傳輸損耗變化或/和光斑尺寸大小變化來檢測測量槽內液體折射率變化或生物抗體抗原反應。

所述金屬薄膜或條形金屬中的金屬是金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中的任何一種，厚度限定在10nm～100nm，條形金屬寬度限定在2μm～20μm。

所述介質的折射率限定在1.2～3.8，該介質厚度限定在1μm～20μm。

所述介質緩沖層為SiO_x或SiN_y，其折射率限定在1.2～3.8，該介質厚度限定在1nm～5μm。

所述SiO₂厚度限定在1μm～20μm。

所述BCB厚度限定在1μm以上。