专利名称：双环结构微纳生物传感器及其制作方法
技术领域：
本发明涉及半导体器件的设计、生物传感以及微流控技术领域，特别是涉及一种双环结构微纳生物传感器及其制作方法。
背景技术：
生物传感器是一种新型的具有广泛应用前景的传感结构。利用半导体技术制作加工的生物传感器具有体积小、灵敏度高、工艺成熟、且与微电子工艺兼容等优点。可广泛应用于生物医学、健康医疗、医疗药品、环境监测、国防安全和军事等。与传统的电学传感器相比，光学微纳生物传感器具有不受电磁干扰、远程传感、实时探测、并能用单一设备实现多种探测等优点。微环生物传感器是光学生物传感器的一种，典型的微环传感器包括微环及与其侧向耦合的输入波导和输出波导。光从输入波导的一端输入，满足以下条件的光将耦合进入微环m λ = Neff · L其中m为耦合阶数，λ为耦合波长，Nrff为波导的模式折射率，L为微环的长度。在微环中传播的光到达另一耦合区将被耦合进输出波导中，并在输出端下载。当波导上限制层附着物或溶液浓度变化时，将引起模式折射率的变化，从而引起谐振峰的移动。这就是微环生物传感器的传感原理。一般的微环传感器都是采用单环结构，这种结构的特点是工艺相对简单，但是缺点是Q值不高，而生物传感器要求很高的Q值。单环结构传感器通常可以通过增大微环直径来提高Q值，但是这又使得器件结构偏大，不利于小型化需要，同时增大微环半径也使有效光谱范围(FSR)变窄，进而使得测量范围缩小。所以我们提出了双环结构的微纳生物传感器，该结构不仅使器件保持较小的器件结构，又使得Q值得到很大提高，同时有效光谱范围(FSR)没有受到影响，从而非常有利于生物传感应用。同时，我们结合微流控技术，利用 PDMS制作用以液体流通的通道，并将该微流通道键合在器件的表面，使微流通道覆盖双环结构区域，这样就实现了对流过器件表面物质的实时监测。
发明内容
本发明的目的在于提出一种双环微纳生物传感器结构及其制作方法。相对于单环结构的微环生物传感器，本发明具有更高的Q值，可以获得更高的探测灵敏度，同时可以维持很小的器件结构。本发明提供一种双环结构的微纳生物传感器，包括一 SOI基片，该SOI基片的顶层为顶层硅；一双环结构，该双环结构形成于SOI基片的顶层硅上；一输入波导和一输出波导，该输入波导和输出波导位于双环结构的两侧，并形成于SOI基片的顶层硅上；一 U型微流通道，该U型微流通道扣置键合在双环结构上。
其中所述的双环结构包括一大环和位于大环内一侧的小环。其中所述的位于大环内的小环是位于输入波导和输出波导的中间。其中所述的该输入波导和输出波导与大环之间有一间隙。其中所述的大环小环之间有一间隙。其中所述双环结构、输入波导和输出波导是采用条形波导结构。本发明还提供一种双环结构的微纳生物传感器的制作方法，包括如下步骤步骤1 在SOI基片的顶层硅上旋涂光刻胶；步骤2 通过深紫外曝光或电子束曝光进行波导图形定义；步骤3 显影定影后通过ICP等离子体刻蚀技术在SOI基片的顶层硅上刻蚀出双环结构、输入波导和输出波导的传感器芯片；步骤4 对传感器芯片解离抛光露出波导端面；步骤5 将一制作好的U型微流通道扣置键合在双环结构上，该U型微流通道与输入波导和输出波导的方向垂直，完成微纳生物传感器的制作。其中所述的光刻胶为PMMA。其中所述的输入波导和输出波导位于双环结构的两侧。其中所述的U型微流通道键合在双环结构上的步骤1)对U型微流通道和双环结构的表面进行氧等离子体处理；2)将U型微流通道与双环结构对准、键合。其中所述的对准、键合在30秒内。其中所述的双环结构包括一大环和位于大环内一侧的小环。其中所述的双环结构中的小环位于大环内的一侧，并位于输入波导和输出波导的中间，该小环、大环之间有一间隙，该输入波导和输出波导与大环之间有一间隙。
为了更详细的说明本发明的目的和优势以及实施方式，下面结合附图和具体实施例对本发明做一个更详细的描述，其中图1为双环生物传感器的整体结构示意图。图2为双环生物传感器的局部放大示意图。图3为双环谐振器的放大示意图。
具体实施例方式请参阅图1、图2和图3所示，本发明提供一种双环结构的微纳生物传感器，包括一 SOI基片，该SOI基片的顶层为顶层硅；该SOI基片的顶层硅厚度为240nm，衬底的厚度为396 μ m。一双环结构3，该双环结构3形成于SOI基片的顶层硅上，所述的双环结构3包括一大环5和位于大环5内一侧的小环6，所述的大环5与小环6之间有一间隙(图3中)；一输入波导1和一输出波导2，该输入波导1和输出波导2位于双环结构3的两侧，并形成于SOI基片的顶层硅上，所述双环结构3、输入波导1和输出波导2是采用条形波导结构；
一 U型微流通道4，该U型微流通道4扣置键合在双环结构3上。其中所述的位于大环5内的小环6是位于输入波导1和输出波导2的中间，所述的该输入波导1和输出波导2与大环5之间有一间隙。请再参阅图1、图2和图3所示，本发明提供一种双环结构的微纳生物传感器的制作方法，包括如下步骤步骤1 在SOI基片的顶层硅上旋涂光刻胶，所述的光刻胶为PMMA ；步骤2 通过深紫外曝光或电子束曝光进行波导图形定义；步骤3 显影定影后通过ICP等离子体刻蚀技术在SOI基片的顶层硅上刻蚀出双环结构3、输入波导1和输出波导2的传感器芯片，所述的输入波导1和输出波导2位于双环结构3的两侧，所述的双环结构3包括一大环5和位于大环5内一侧的小环6 (图3中)， 所述的双环结构3中的小环6位于大环5内的一侧，并位于输入波导1和输出波导2的中间，该小环6、大环5之间有一间隙，该输入波导1和输出波导2与大环5之间有一间隙；输入波导1与大环5、大环5与小环6、输出波导2与大环5之间的间隙取决于该结构的临界耦合条件，该临界耦合条件可以通过以下公式获得T1= T3A1 τ2-Α2|/| -τ2Α2|，其中τ” τ2> τ3分别为输入波导1与大环5、大环5与小环6、大环5与输出波导2之间直通系数， 它们与耦合系数之间的关系为T =，其中k为耦合系数。ApA2分别为大环5和小环 6的损耗系数(无损耗对应A1 = A2 = 1)。同时小环6和大环5彼此没有限制关系，就是说小环和大环的大小可以任意取，这样大大降低了器件制作的难度。步骤4 对传感器芯片解离抛光露出波导端面11、21 (图1中)；步骤5 将一制作好的U型微流通道4扣置键合在双环结构3上，该U型微流通道 4与输入波导1和输出波导2的方向垂直，完成微纳生物传感器的制作。其中所述的U型微流通道4键合在双环结构3上的步骤1)对U型微流通道4和双环结构3的表面进行氧等离子体处理；2)将U型微流通道4与双环结构3对准、键合，所述的对准、键合在30秒内。注意此键合为不可逆键合，对准时要确认U型微流通道4覆盖双环结构3后方可键合，同时由于在氧等离子处理后表面的断键在很短的时间内就会复合，所以氧等离子处理后应立即进行对准键合(30秒内)。为了更详尽的描述本发明，我们将描述它用于生物传感时的具体实施步骤首先将与待检测物质(抗原、抗体等)有特异性反应的物质(如抗体、抗原等)通过微流通道4 一端注入，经过一段时间后，该特异性物质(抗体、抗原等)将沉积附着在器件表面，然后用缓冲液将未附着的特异性物质(抗体、抗原等)冲洗掉，接着将待检测物质(如抗原、抗体等)溶液注入微流通道4，待检测物质(如抗原、抗体等)将与特异性物质(抗体、抗原等) 进行特异性反应，并附着在器件表面。特异性反应的进行过程将使上限制层折射率发生变化，进而引起模式有效折射率的改变，最终使双环谐振器的谐振波长发生偏移。通过检测谐振波长的移动进而可以实时检测待测物质(如抗原、抗体等)的浓度变化。以上所述，仅为本发明中的具体实施方式
，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可轻易想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
权利要求
1.一种双环结构的微纳生物传感器，包括一 SOI基片，该SOI基片的顶层为顶层硅；一双环结构，该双环结构形成于SOI基片的顶层硅上；一输入波导和一输出波导，该输入波导和输出波导位于双环结构的两侧，并形成于SOI 基片的顶层硅上；一 U型微流通道，该U型微流通道扣置键合在双环结构上。
2.根据权利要求1所述的双环结构的微纳生物传感器，其中所述的双环结构包括一大环和位于大环内一侧的小环。
3.根据权利要求2所述的双环结构的微纳生物传感器，其中所述的位于大环内的小环是位于输入波导和输出波导的中间。
4.根据权利要求2所述的双环结构的微纳生物传感器，其中所述的该输入波导和输出波导与大环之间有一间隙。
5.根据权利要求2所述的双环结构的微纳生物传感器，其中所述的大环小环之间有一间隙。
6.根据权利要求1所述的双环结构的微纳生物传感器，其中所述双环结构、输入波导和输出波导是采用条形波导结构。
7.—种双环结构的微纳生物传感器的制作方法，包括如下步骤步骤1 在SOI基片的顶层硅上旋涂光刻胶；步骤2 通过深紫外曝光或电子束曝光进行波导图形定义；步骤3 显影定影后通过ICP等离子体刻蚀技术在SOI基片的顶层硅上刻蚀出双环结构、输入波导和输出波导的传感器芯片；步骤4 对传感器芯片解离抛光露出波导端面；步骤5 将一制作好的U型微流通道扣置键合在双环结构上，该U型微流通道与输入波导和输出波导的方向垂直，完成微纳生物传感器的制作。
8.根据权利要求7所述的双环结构的微纳生物传感器的制作方法，其中所述的光刻胶为 PMMA。
9.根据权利要求7所述的双环结构的微纳生物传感器的制作方法，其中所述的输入波导和输出波导位于双环结构的两侧。
10.根据权利要求7所述的双环结构的微纳生物传感器的制作方法，其中所述的U型微流通道键合在双环结构上的步骤1)对U型微流通道和双环结构的表面进行氧等离子体处理；2)将U型微流通道与双环结构对准、键合。
11.根据权利10所述的双环结构的微纳生物传感器的制作方法，其中所述的对准、键合在30秒内。
12.根据权利7所述的双环结构的微纳生物传感器的制作方法，其中所述的双环结构包括一大环和位于大环内一侧的小环。
13.根据权利要求8所述的双环结构的微纳生物传感器的制作方法，其中所述的双环结构中的小环位于大环内的一侧，并位于输入波导和输出波导的中间，该小环、大环之间有一间隙，该输入波导和输出波导与大环之间有一间隙。
全文摘要
一种双环结构的微纳生物传感器，包括一SOI基片，该SOI基片的顶层为顶层硅；一双环结构，该双环结构形成于SOI基片的顶层硅上；一输入波导和一输出波导，该输入波导和输出波导位于双环结构的两侧，并形成于SOI基片的顶层硅上；一U型微流通道，该U型微流通道扣置键合在双环结构上。
文档编号B81B3/00GK102285623SQ201110100110
公开日2011年12月21日 申请日期2011年4月21日 优先权日2011年4月21日
发明者李俊华, 王春霞, 王真真, 苏保青, 解意洋, 阚强, 陈弘达 申请人:中国科学院半导体研究所