[發(fā)明專利]基于狹縫光波導(dǎo)外延型光柵FP腔光學生化傳感芯片

有效

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• 申請日: 2013-05-16
• 公開（公告）號: CN103293129A
• 公開（公告）日: 2013-09-11
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 王卓然;袁國慧;高亮
• 申請（專利權(quán)）人: 成都譜視科技有限公司
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 成都宏順專利代理事務(wù)所(普通合伙) 51227
• 代理人: 周永宏

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及對氣體分子或者生物分子等特定的化學或生物物質(zhì)的檢測技術(shù)，具體涉及光傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于SOI（Silicon-On-Insulator，絕緣襯底上的硅）的狹縫光波導(dǎo)光柵FP腔光學生化傳感芯片。

背景技術(shù)

生化傳感器是一種生物活性材料與相應(yīng)換能器的結(jié)合體，它用于測定特定的化學或生物物質(zhì)。由于測定這些化學或生物物質(zhì)在環(huán)境監(jiān)測、疾病監(jiān)控以及藥物研發(fā)中具有重要意義，所以對生化傳感器的研究已經(jīng)顯得非常重要。目前典型的光學生化傳感器主要可分為熒光標記型光學生化傳感器和無標記型光學生化傳感器兩大類，由相關(guān)的文獻可知，熒光標記型光學生化傳感器雖然已被用于探測和辨別特定的生物化學分子，但卻有設(shè)備龐大、操作復(fù)雜及花費時間長等缺點，且通常需要具有一定專業(yè)技術(shù)的專人操作，普及成本較高，同時，用于標記的熒光分子還有可能影響樣本的探測。相比而言，無標記型光學生化傳感器的尺寸更小，成本更低，應(yīng)用方法也更為便捷，而且在測量過程中不再引入新的干擾，結(jié)果也更加可靠。

基于SOI的光學生化傳感器就是一種無標記型光學生化傳感器，同時也正是本領(lǐng)域的研究熱點。從現(xiàn)有的基于SOI的光學生化傳感器來看，大多采用了倏逝波（消逝波）探測原理，倏逝波是指由于全反射而在兩種不同介質(zhì)的分界面上產(chǎn)生的一種電磁波，又叫消逝波，其幅值隨與分界面相垂直的深度的增大而呈指數(shù)形式衰減，通過檢測所述的光學生化傳感器的光波導(dǎo)的倏逝波以探測樣本生物化學分子。其原理在于待測樣本中生物化學分子會引起光學生化傳感器中光波傳輸性質(zhì)的改變（表現(xiàn)為光學生化傳感器的倏逝場發(fā)生變化），也即將樣本中的生物化學分子濃度信號轉(zhuǎn)換為光信號變化。目前光學生化傳感器的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有馬赫澤德干涉計、光柵、以及法布里-伯羅（FP）腔、環(huán)形腔、表面等離子體共振等結(jié)構(gòu)。對基于光學諧振腔結(jié)構(gòu)（如FP腔，環(huán)形腔等）的光學生化傳感器而言，諧振效應(yīng)的引入可使光信號在光學諧振腔內(nèi)不斷諧振和放大，因此等效于光學生化傳感器探測長度的增加，更能引起相位(或強度)等光信號變化到可探測的量值，進而實現(xiàn)在小尺寸光學生化傳感器上達到較好的傳感性能，另外小尺寸的光學生化傳感器也便于光學生化傳感器系統(tǒng)的小型化與微型化，將有效地降低系統(tǒng)成本。

當前，基于FP諧振效應(yīng)，光柵FP諧振腔結(jié)構(gòu)的光學生化傳感器可以做得非常微小，并且表現(xiàn)出很好的傳感性能，但是分布于光學生化傳感器光波導(dǎo)周圍的倏逝波的能量密度較低，故仍存在靈敏度較低的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明為了解決某些生物化學物質(zhì)探測的問題，在現(xiàn)有技術(shù)中主流的光學生化傳感器的基礎(chǔ)上，為進一步解決其利用倏逝波探測原理所存在的由于其被探測的倏逝波分布于器件光波導(dǎo)周圍并存在能量密度低導(dǎo)致探測難度大的缺陷，提出了一種基于SOI的狹縫光波導(dǎo)光柵FP腔光學生化傳感芯片技術(shù)。

為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：基于狹縫光波導(dǎo)外延型光柵FP腔光學生化傳感芯片，包括自下而上依次層疊鍵合的硅基層、二氧化硅層和單晶硅層構(gòu)成的基體，其特征在于，所述基體的單晶硅層包含狹縫光波導(dǎo)，所述狹縫光波導(dǎo)的光傳播路徑上包含光柵FP腔，基體俯視方向為長方形，所述光柵FP腔的光柵為外延型光柵，位于長方形基體外側(cè)，為外凸型齒狀光柵。

進一步的，上述狹縫光波導(dǎo)的狹縫為直狹縫槽；

上述狹縫光波導(dǎo)的狹縫為垂直于單晶硅層表面由單晶硅層向下刻蝕形成的狹縫；

上述狹縫光波導(dǎo)的狹縫深度為單晶硅層厚度。

進一步的，所述基體俯視方向為長方形，所述狹縫光波導(dǎo)以基體的長度方向的中心線為軸對稱分布，并保持方向與基體長度方向一致，其中狹縫槽寬度為80nm～120nm。

進一步的，上述光柵FP腔包括第一光柵和第二光柵，第一光柵和第二光柵均刻蝕于狹縫光波導(dǎo)上，所述第一光柵和第二光柵相隔一定的距離d，且第一光柵和第二光柵具有相同的結(jié)構(gòu)，并在狹縫光波導(dǎo)上刻蝕形成光柵FP腔，所述距離d和光柵的參數(shù)由光柵的相位條件以及FP諧振腔的諧振條件共同確定。

上述的第一光柵或第二光柵包括不少于3個不多于25個周期單元。

上述光柵周期單元的周期為0.3μm～0.6μm之任一值。

上述光柵周期單元的占空比為40%～70%之任一值。

上述光柵周期單元的縱向長度（與作為周期單元長度的橫向長度對應(yīng)）占上述基體寬度的比例為70%～100%之任一值。