[發(fā)明專(zhuān)利]多狹縫光波導(dǎo)外延型光柵FP腔光學(xué)生化傳感芯片

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310181258.1
• 申請(qǐng)日: 2013-05-16
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN103293104A
• 公開(kāi)（公告）日: 2013-09-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 袁國(guó)慧;王卓然;高亮
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 成都譜視科技有限公司
• 主分類(lèi)號(hào): G01N21/17
• 分類(lèi)號(hào): G01N21/17;B81C1/00
• 代理公司: 成都宏順專(zhuān)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(duì)氣體分子或者生物分子等特定的化學(xué)或生物物質(zhì)的檢測(cè)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(xué)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(cè)定特定的化學(xué)或生物物質(zhì)。由于測(cè)定這些化學(xué)或生物物質(zhì)在環(huán)境監(jiān)測(cè)、疾病監(jiān)控以及藥物研發(fā)中具有重要意義，所以對(duì)生化傳感器的研究已經(jīng)顯得非常重要。目前典型的光學(xué)生化傳感器主要可分為熒光標(biāo)記型光學(xué)生化傳感器和無(wú)標(biāo)記型光學(xué)生化傳感器兩大類(lèi)，由相關(guān)的文獻(xiàn)可知，熒光標(biāo)記型光學(xué)生化傳感器雖然已被用于探測(cè)和辨別特定的生物化學(xué)分子，但卻有設(shè)備龐大、操作復(fù)雜及花費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)，且通常需要具有一定專(zhuān)業(yè)技術(shù)的專(zhuān)人操作，普及成本較高，同時(shí)，用于標(biāo)記的熒光分子還有可能影響樣本的探測(cè)。相比而言，無(wú)標(biāo)記型光學(xué)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(cè)量過(guò)程中不再引入新的干擾，結(jié)果也更加可靠。

基于SOI的光學(xué)生化傳感器就是一種無(wú)標(biāo)記型光學(xué)生化傳感器，同時(shí)也正是本領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。從現(xiàn)有的基于SOI的光學(xué)生化傳感器來(lái)看，大多采用了倏逝波（消逝波）探測(cè)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(guò)檢測(cè)所述的光學(xué)生化傳感器的光波導(dǎo)的倏逝波以探測(cè)樣本生物化學(xué)分子。其原理在于待測(cè)樣本中生物化學(xué)分子會(huì)引起光學(xué)生化傳感器中光波傳輸性質(zhì)的改變（表現(xiàn)為光學(xué)生化傳感器的倏逝場(chǎng)發(fā)生變化），也即將樣本中的生物化學(xué)分子濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)變化。目前光學(xué)生化傳感器的光波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有馬赫澤德干涉計(jì)、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(duì)基于光學(xué)諧振腔結(jié)構(gòu)（如FP腔，環(huán)形腔等）的光學(xué)生化傳感器而言，諧振效應(yīng)的引入可使光信號(hào)在光學(xué)諧振腔內(nèi)不斷諧振和放大，因此等效于光學(xué)生化傳感器探測(cè)長(zhǎng)度的增加，更能引起相位(或強(qiáng)度)等光信號(hào)變化到可探測(cè)的量值，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)在小尺寸光學(xué)生化傳感器上達(dá)到較好的傳感性能，另外小尺寸的光學(xué)生化傳感器也便于光學(xué)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(dāng)前，基于FP諧振效應(yīng)，光柵FP諧振腔結(jié)構(gòu)的光學(xué)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(xué)生化傳感器光波導(dǎo)周?chē)馁渴挪ǖ哪芰棵芏容^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(xué)物質(zhì)探測(cè)的問(wèn)題，在現(xiàn)有技術(shù)中主流的光學(xué)生化傳感器的基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步解決其利用倏逝波探測(cè)原理所存在的由于其被探測(cè)的倏逝波分布于器件光波導(dǎo)周?chē)⒋嬖谀芰棵芏鹊蛯?dǎo)致探測(cè)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(xué)生化傳感芯片技術(shù)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：多狹縫光波導(dǎo)外延型光柵FP腔光學(xué)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?yàn)殚L(zhǎng)方形，狹縫光波導(dǎo)包含多條狹縫槽，所述狹縫以基體長(zhǎng)度方向的中心軸線(xiàn)為軸對(duì)稱(chēng)分布，長(zhǎng)度與基體所述中心軸線(xiàn)相等，所述光柵FP腔的光柵為外延型光柵，位于長(zhǎng)方形基體外側(cè)，為外凸型齒狀光柵。

進(jìn)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(jìn)一步的，所述基體俯視方向?yàn)殚L(zhǎng)方形，所述狹縫光波導(dǎo)以基體的長(zhǎng)度方向的中心線(xiàn)為軸對(duì)稱(chēng)分布，并保持方向與基體長(zhǎng)度方向一致，其中狹縫槽寬度為80nm～120nm。

進(jìn)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(gè)不多于25個(gè)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(zhǎng)度（與作為周期單元長(zhǎng)度的橫向長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)）占上述基體寬度的比例為70%～100%之任一值。