专利名称：一种用于疾病诊断的光学生物芯片与制备方法
技术领域：
本发明是一种用于疾病诊断的光学生物芯片。 本发明还涉及上述生物芯片的制备方法。
背景技术：
光学生物芯片(Optical Biochips)的设计与制备技术是一种以激光器 为基础的片上实验室的关键技术，它充分利用了半导体技术，集成了对生 物分子的标定、检测与分析的微型系统，能花很少量样品和试剂以很短的 时间内同时完成大量检测工作。
以激光器为基础的片上实验室(Lab-on-a-chip)要求芯片微型化，同 时芯片还应具有功能全，速度快，精度高的特点。
垂直腔面发射激光器(VCSEL)具有以下优点，如小的发散角和圆 形对称的光斑；出光方向垂直衬底，可实现高密度二维面阵的集成；可以 在片测试，极大地降低了开发成本。从集成的观点来看，VCSEL有以下 几个优点(1)占用面积小.一个器件大小为几到几十微米，与条形激光 器的300pm相比更小；(2)从周围的各个方向都可以存取，而条形激光
器只限于两侧，且其大小受谐振腔的长度限制；(3)层叠后再集成，可 充分利用谐振腔的垂直特征；(4)可构成二维阵列。最吸引人的是它的 制造工艺与发光二极管(LED)兼容，大规模制造的成本很低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于疾病诊断的光学生物芯片。 本发明的又一目的在于提供一种制备上述光学生物芯片的方法。 为实现上述目的，本发明提供的用于疾病诊断的光学生物芯片，其结 构由一个面阵垂直腔面发射激光器的出光面和一个硅探测器阵列的感光
面进行键合而成；
底面出光的面阵垂直腔面发射激光器的出光面上设有至少一个微通 道反应池，该微通道反应池分别连接二个输入槽和一个输出槽，该微通道 反应池与面阵垂直腔面发射激光器的出光孔相对；
硅探测器阵列的感光面上有与面阵垂直腔面发射激光器的出光面上 的微通道反应池、输入槽和输出槽相对应地阵列。
所述的光学生物芯片，其中，反应池的深度比输入槽深lpm。
所述的光学生物芯片，其中，面阵垂直腔面发射激光器的出光面和硅 探测器阵列的感光面上沉积有一层Si02薄膜。
本发明提供的制备上述光学生物芯片的方法，其步骤如下
A) 在底面出光的面阵垂直腔面发射激光器的出光面上的出光孔相对 应的位置上刻蚀出一个微通道反应池和与之相连的输入槽及输出槽；
B) 在微通道反应池上外延一Si02薄膜，以提高光学生物芯片的生物兼 容性；
C) 根据步骤A制备的微通道反应池和与之相连的输入槽及输出槽的
具体位置，硅探测器阵列的感光面上制作硅探测器阵列；
D) 在步骤C制备的硅探测器阵列的感光面上沉积一Si02薄膜，作为探 测器的感光窗口，同时提高光学生物芯片的生物兼容性
E) 将硅探测器阵列感光面上的Si02薄膜与面阵垂直腔面发射激光器的 出光面上的Si02薄膜直接键合，使面阵垂直腔面发射激光器的出光面与探 测器阵列的键合面间有输入槽、输出槽和微通道反应池，其中硅探测器阵 列的感光窗口与输入槽和输出槽相对应，以对被特定的荧光物质所标定的 目标生物分子发出的荧光进行探测。
所述的制备方法，其中，刻蚀是利用聚焦离子束系统。 所述的制备方法，其中，面阵垂直腔面发射激光器的出光面上的Si02 薄膜厚度为l-l(Hxm。
所述的制备方法，其中，硅探测器阵列的感光面上的Si02薄膜厚度为
0.6-1,。
所述的制备方法，其中，硅探测器阵列的工作波长为400-1100nm，在 800nm-900nm范围有波长应答高峰。
所述的制备方法，其中，面阵垂直腔面发射激光器的出光面与硅探测
器阵列的感光面之间的键合是SiOrSi02之间的键合。
本发明把荧光物质诱导光源(激光器)与荧光探测器集成在一个芯片 上的结构，可在一块芯片上完成对样本的标定、检测与分析。本发明的结 构设计及其制备方法，其具有成本低、结构与制造工艺简单、应用范围广、 所需样品与试剂量小，方便易携带的优点。
图1为面阵垂直腔面发射激光器的出光面上制作的结构的平面图； 图2为光学生物芯片的下截面图； 图3为光学生物芯片的侧截面图； 图4为光学生物芯片的上截面图5为光学生物芯片中的垂直腔面发射激光器与反应池和输液槽的相 对位置图6为光学生物芯片中的硅探测器阵列与反应池和输液槽的相对位置
图7为光学生物芯片的整体结构的三维截面图。
具体实施例方式
本发明的光学生物芯片的荧光诱导光源(激光器)选用垂直腔面发射 激光器。需要在出光面制作输液沟槽和反应池，这里以背面出光的面阵垂 直腔面发射激光器为例
本发明的用于疾病诊断的光学生物芯片的结构，其结构包括一个底面 出光的面阵垂直腔面发射激光器和一个硅探测器阵列及在面阵垂直腔面 发射激光器出光面上制作的微通道反应池。微通道反应池是在与垂直腔面 发射激光器的出光口正对的衬底上用聚焦离子束系统加工出反应池，以及 与之相连的若干条输液槽，然后覆盖一层Si02薄膜，再与沉积了 一层Si02薄 膜的硅探测器阵列的感光面进行键合而制成，其中硅探测器阵列的感光窗 口正与输液槽相对应，键合是在SiOrSiQ2之间的键合。面阵垂直腔面发射激光器出光面制备的薄膜材料为Si02，厚度为lpm -lOpm，其具有良好化学稳定性的薄膜材料Si02，主要是为了提高整个光 学生物芯片的生物兼容性，同时Si02薄膜起到了增透作用，提高了激光器 的出光功率；
反应池的位置正与面阵垂直腔面发射激光器的出光孔相对，且加工在
衬底材料上，然后覆盖一层Si02薄膜；
面阵垂直腔面发射激光器主要起激发被荧光物质标定的目标生物分 子，使其发出荧光，同时可通过改变激光器的输入电流来控制激光器的出
光功率，以满足生物分子与荧光物质进行结合时所需的条件；
硅探测器阵列的工作波长为400-1100nm，在800-900nm范围有波长 应答高峰；
硅探测器阵列的感光面被覆盖的Si02薄膜厚度约为1^11， Si02主要起
提高芯片的生物兼容性的作用，同时作为硅探测器阵列的感光窗口；
面阵垂直腔面发射激光器的出光面与硅探测器阵列的感光面之间的
键合是SiOrSi02之间的键合；
光学生物芯片的结构为面阵垂直腔面发射激光器与探测器阵列直接
键合，键合面间有刻有输入槽、输出槽和生物分子进行反应的微通道反应池。
本发明的光学生物芯片(Optical Biochips)的制备方法，包括以下步
骤
l)在底面出光的面阵垂直腔面发射激光器的出光面上利用聚焦离子
束系统在与每一个激光器的出光孔相对应的Si02薄膜面上加工出一个反
应池和与之相连的若干个输入、输出槽；
2) 制备一层较厚的有良好化学稳定性的Si02薄膜，以提高光学生物芯 片的生物兼容性；
3) 根据步骤2的具体位置需要，制作硅探测器阵列。
4) 在硅探测器阵列的感光面上沉积一层Si02薄膜，作为探测器的感光 窗口，主要是为了提高光学生物芯片的生物兼容性；
5) 把沉积了一层Si02薄膜的硅探测器阵列的感光面与面阵垂直腔面发
射激光器的出光面上所沉积的Si02薄膜直接键合，其中硅探测器阵列的感
光窗口与输入槽和输出槽相对应，以对被特定的荧光物质所标定的目标生 物分子发出的荧光进行探测。 上述制备方法中
步骤1:根据设计要求设计反应池和与其相连的输液沟槽的版图，制 版；利用光刻技术或直接利用聚焦离子束系统在面阵垂直腔面发射激光器 的出光面上加工出微通道反应池以及输入槽、输出槽，如图1所示。
步骤2:根据设计要求利用离子辅助化学气相沉积(PECVD)技术在垂 直腔面发射激光器的出光面上沉积厚度为l-10pm的SiO2薄膜；
步骤3:根据设计要求与步骤1的设计的反应池、输入槽及输出槽的 位置相对应；设计硅探测器阵列版图，制版；制作出光电探测器；
步骤4:根据设计要求利用离子辅助化学气相沉积(PECVD)技术在硅 探测器阵列的感光面上沉积一层厚度约为lpm的Si02薄膜；
步骤5:根据设计要求利用低温直接键合技术对刻有反应池和输液槽
的垂直腔面发射激光器的出光面与硅探测器阵列的感光面进行键合，其中硅探测器阵列的感光窗口与输液槽相对应，如图6所示。
概括地说，本发明的用于疾病诊断的光学生物芯片，该结构包括一个 底面出光面阵垂直腔面发射激光器和一个硅探测器阵列，在面阵垂直腔面 发射激光器中的激光器出光口正对的衬底材料上用聚焦离子束系统加工 出微通道反应池和与之相连的若干条输液沟槽(即输入槽和输出槽)，然后 在已刻蚀出微通道反应池和与之相连的输液沟槽的面阵垂直腔面发射激 光器的出光面上沉积一层Si02材料，最后与已沉积了一层Si02薄膜的硅探 测器阵列的感光面直接键合而制成，其中硅探测器阵列的感光窗口正与输 入槽和输出槽相对应。
为进一步说明本发明的内容及特点，以下结合附图及实施例对本发明 作一详细的描述，其中
请参阅图l-图7，本发明一种用于疾病诊断的光学生物芯片的设计与 制备，其中包括以下步骤
1)利用光刻技术或直接利用聚焦离子束系统在面阵垂直腔面发射激 光器1的出光面上刻蚀出图1所示的微通道反应池8、输入槽5、 6以及输
出槽7，其中微通道反应池8深度比输入槽5、 6以及输出槽7深约 以利于样本分子11与荧光物质12分别自输入槽5、 6进入微通道反应池8 中进行较充分的反应，被荧光物质标定的样本分子13自输出槽7流出； 其中微通道反应池8是在与面阵垂直腔面发射激光器的出光孔9正对的衬 底上；
2)如图1所示用离子辅助化学气相沉积法(PECVD)在底面出光的面 阵垂直腔面发射激光器1的出光面沉积一层厚度为l-10pm的SiO2薄膜2;3) 根据设计要求与步骤1的设计的微通道反应池、输入槽和输出槽的 位置相对应，设计硅探测器阵列层IO的版图、制版、制作出光电探测器；
4) 用离子辅助化学气相沉积法(PECVD)在硅探测器阵列4的感光面上 沉积一层厚度约为lpm的Si02薄膜3，以提高芯片的生物兼容性，同时沉 积的Si02薄膜3可以用来作为探测器的感光窗口，其中硅探测器阵列的感 光窗口与输入槽5、 6以及输出槽7(如图1所示)相对应；
5) 用低温直接键合的方法把面阵垂直腔面发射激光器的出光面沉积的 Si02薄膜与硅探测器阵列10的感光面上沉积的Si02薄膜直接键合起来，如 图6所示。
权利要求
1. 一种用于疾病诊断的光学生物芯片，其结构由一个面阵垂直腔面发射激光器的出光面和一个硅探测器阵列的感光面进行键合而成；底面出光的面阵垂直腔面发射激光器的出光面上设有至少一个微通道反应池，该微通道反应池分别连接二个输入槽和一个输出槽，该微通道反应池且与面阵垂直腔面发射激光器的出光孔相对；硅探测器阵列的感光面上有与面阵垂直腔面发射激光器的出光面上的微通道反应池、输入槽和输出槽相对应地阵列。
2、 如权利要求1所述的光学生物芯片，其中，反应池的深度比输入 槽深lpm。
3、 如权利要求1所述的光学生物芯片，其中，面阵垂直腔面发射激光器的出光面和硅探测器阵列的感光面上沉积有一层Si02薄膜。
4、 制备如权利要求1所述光学生物芯片的方法，其步骤如下A) 在底面出光的面阵垂直腔面发射激光器的出光面上的出光孔相对 应的位置上刻蚀出一个微通道反应池和与之相连的输入槽及输出槽；B) 在微通道反应池上外延一Si02薄膜，以提高光学生物芯片的生物兼 容性；C) 根据步骤A制备的微通道反应池和与之相连的输入槽及输出槽的 具体位置，硅探测器阵列的感光面上制作硅探测器阵列；D) 在步骤C制备的硅探测器阵列的感光面上沉积一Si02薄膜，作为探 测器的感光窗口，同时提高光学生物芯片的生物兼容性；E)将硅探测器阵列的感光面上的Si02薄膜与面阵垂直腔面发射激光器 的出光面上的Si02薄膜直接键合，使面阵垂直腔面发射激光器的出光面与探测器阵列的键合面间有输入槽、输出槽和微通道反应池，其中硅探测器阵列的感光窗口与输入槽和输出槽相对应，以对被特定的荧光物质所标定的目标生物分子发出的荧光进行探测。
5、 如权利要求4所述的制备方法，其中，刻蚀是利用聚焦离子束系统。
6、 如权利要求4所述的制备方法，其中，面阵垂直腔面发射激光器的出光面上的Si02薄膜厚度为l-lOium。
7、 如权利要求4所述的制备方法，其中，硅探测器阵列的感光面上的Si02薄膜厚度为0.6-lpm。
8、 如权利要求4所述的制备方法，其中，硅探测器阵列的工作波长 为400-1100nm，在800nm-900nm范围有波长应答高峰。
9、 如权利要求4所述的制备方法，其中，面阵垂直腔面发射激光器的出光面与硅探测器阵列的感光面之间的键合是Si02-Si02之间的键合。
全文摘要
一种用于疾病诊断的光学生物芯片及制备方法，是在垂直腔面发射激光器阵列本身的优越性，硅探测器阵列很高的灵敏度和微电子机械系统技术而得到的。具体方案是先在底面出光的垂直腔面发射激光器阵列的出光面上加工若干个微米量级的反应池以及与之相连的若干微米量级的输液槽，然后覆盖一层SiO<sub>2</sub>，最后与感光面上沉积有一薄层SiO<sub>2</sub>的硅探测器阵列直接键合，探测器阵列用来探测被特定的荧光物质标记的目标生物分子发出的荧光，从而快速检测出患者是否患有某种疾病。所用的激光器的峰值波长为650-980nm，探测器的敏感波长为400-1100nm。
文档编号G01N21/25GK101206175SQ20061016554
公开日2008年6月25日 申请日期2006年12月21日 优先权日2006年12月21日
发明者宋国峰, 汪卫敏 申请人:中国科学院半导体研究所