[發(fā)明專利]基于FP激光器和金屬陣列結(jié)構(gòu)的傳感芯片及其制備方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202011075860.3
• 申請(qǐng)日: 2020-10-10
• 公開（公告）號(hào): CN112275333A
• 公開（公告）日: 2021-01-29
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 袁浚;王文杰;廖明樂(lè)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所
• 主分類號(hào): B01L3/00
• 分類號(hào): B01L3/00;H01S3/00
• 代理公司: 成都天嘉專利事務(wù)所(普通合伙) 51211
• 代理人: 蔣斯琪

本發(fā)明公開了一種基于FP激光器和金屬陣列結(jié)構(gòu)的傳感芯片及其制備方法，屬于光電子器件與傳感技術(shù)領(lǐng)域。該芯片的制備，首先是在FP激光器的出光端面生長(zhǎng)一層介質(zhì)隔離層，再在該介質(zhì)隔離層端面采用聚焦離子束等微納加工技術(shù)，制作出可用于生物傳感的金屬陣列結(jié)構(gòu)，最后通過(guò)微流控技術(shù)將PDMS制作微流通道與芯片集成，實(shí)現(xiàn)芯片的傳感封裝，以進(jìn)行傳感檢測(cè)；該結(jié)構(gòu)中，金屬陣列結(jié)構(gòu)表面的折射率變化影響FP激光器出射波長(zhǎng)的強(qiáng)度，將待測(cè)樣品通入微流通道，測(cè)試出射光強(qiáng)度的變化即可對(duì)待測(cè)樣品進(jìn)行傳感。本發(fā)明通過(guò)激光器與探測(cè)器集成，傳感敏感單元及傳感光學(xué)部件的高度集成，達(dá)到了傳感設(shè)備微型化。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光電子器件與傳感技術(shù)領(lǐng)域，是一種基于FP激光器和金屬陣列結(jié)構(gòu)的傳感芯片及其制備方法。

背景技術(shù)

隨著生活水平的提高，人們對(duì)自身身體健康狀況越來(lái)越重視，能否及時(shí)準(zhǔn)確對(duì)身體指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)已成為醫(yī)學(xué)領(lǐng)域急需解決的重要問(wèn)題。與此同時(shí)，生態(tài)環(huán)境的破壞也讓人們?cè)絹?lái)越關(guān)心環(huán)境、注意保護(hù)環(huán)境，為此研制低成本高靈敏度的便攜式傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)生態(tài)環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)已成為當(dāng)今傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。半導(dǎo)體加工技術(shù)制備的傳感芯片具有體積小、靈敏度高、造價(jià)低廉等優(yōu)點(diǎn)，且可廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。

半導(dǎo)體加工技術(shù)制備的金屬陣列結(jié)構(gòu)，其表面激發(fā)的表面等離子體對(duì)金屬或電介質(zhì)的表面特性的變化非常敏感，適用于對(duì)金屬表面平整度及其吸附物等相關(guān)性質(zhì)的表征。因其具有樣品用量少、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于化學(xué)和生物傳感領(lǐng)域。

在金屬陣列的表面等離子體傳感中，除了波長(zhǎng)檢測(cè)需要寬譜光源外，其余檢測(cè)技術(shù)都可以采用激光光源。半導(dǎo)體激光器具有體積小、成本低、功耗低、壽命長(zhǎng)及穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)特別適合于檢測(cè)設(shè)備的小型化，目前已有研究者選用半導(dǎo)體激光器作為表面等離子體傳感芯片的光源。

其中，F(xiàn)P（Fabry-perot）激光器作為一種新型的半導(dǎo)體激光器，具有低成本、高出光功率等特點(diǎn)，被廣泛用于短距離光纖通信及傳感應(yīng)用中。目前，基于激光器的光學(xué)傳感器已被用于光學(xué)導(dǎo)航追蹤和氣體傳感監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，但是還沒(méi)有利用具有出光功率大的FP激光器與金屬陣列結(jié)構(gòu)進(jìn)行集成以實(shí)時(shí)檢測(cè)生物、化學(xué)及醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的微量物質(zhì)的方法和集成芯片。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提出基于FP激光器和金屬陣列結(jié)構(gòu)的傳感芯片及其制備方法，利用FP激光器成本低廉、體積微小且出光功率大的特點(diǎn)，主要是將FP激光器與金屬陣列結(jié)構(gòu)集成化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了傳感結(jié)構(gòu)的微型化，通過(guò)半導(dǎo)體工藝實(shí)現(xiàn)制備出的傳感芯片，可用于生物樣品和環(huán)境指標(biāo)的檢測(cè)，具有廣泛的應(yīng)用空間。

為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

基于FP激光器的傳感芯片，其特征在于：包括下方的FP激光器和上方的金屬陣列結(jié)構(gòu)，所述FP激光器的出光端面上有一介質(zhì)隔離層，介質(zhì)層的上端面有PDMS（聚二甲基硅氧烷）外殼，所述PDMS外殼包括側(cè)壁和頂面，側(cè)壁和頂面和介質(zhì)層的上端面形成的空腔為微流通道，頂面上設(shè)置有樣品注入口和樣品流出口，所述樣品注入口和樣品流出口位于微流通道的兩端；在微流通道內(nèi)，介質(zhì)層的上端面布置有金屬陣列結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述介質(zhì)隔離層可以二氧化硅層，或者氮化硅層等絕緣介質(zhì)材料，可有效的將FP激光器的出光面和金屬陣列結(jié)構(gòu)隔離開，使兩者不發(fā)生相互作用。

進(jìn)一步的，所述金屬陣列結(jié)構(gòu)是傳感芯片的傳感層，該結(jié)構(gòu)可以是：金屬光柵、金屬點(diǎn)陣等。

進(jìn)一步的，所述PDMS外殼為底部開口的筒狀結(jié)構(gòu)。其中，所述PDMS外殼可以為長(zhǎng)方體筒狀結(jié)構(gòu)。

進(jìn)一步的，所述基于FP激光器的傳感芯片布置于探測(cè)器下方，PDMS外殼的頂面正對(duì)與探測(cè)器的下方面。

進(jìn)一步的，所述樣品注入口和樣品流出口位于PDMS外殼頂面的兩端。

制備上述基于FP激光器的傳感芯片的制備方法，其特征在于，步驟如下：