采用諧振腔耦合單元構(gòu)建的新型生化傳感器研制

彭金銀

（海南科技職業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，?？?571126）

0 引言

隨著人們對食品與醫(yī)藥安全的需求日益增加，環(huán)境問題日漸引人關(guān)注，如何研制出能夠快速、準(zhǔn)確檢測出化學(xué)和生物成分的生化傳感器已成為當(dāng)今社會的研究熱點(diǎn)［1-3］。傳統(tǒng)的傳感器已經(jīng)不能滿足社會發(fā)展的新需求。研制出具有更高靈敏度及集成度的傳感器已迫在眉睫［4］。

微腔生化傳感器，具有靈敏度高，尺寸小，易于集成，便于批量生產(chǎn)等優(yōu)勢［5］。光學(xué)微腔以其特有的回音壁光學(xué)傳輸模式使其擁有超高的品質(zhì)因數(shù)，并在高靈敏度傳感領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。多重信號分類（Multiple Signal Classification，MUSIC）算法是Schmidt等學(xué)者于1979 年提出的先進(jìn)信號處理算法［6］。它的提出標(biāo)志著空間譜估計算法進(jìn)入了一個新的時代。

利用錐形光纖和高Q 平面環(huán)形微腔在光傳輸過程中產(chǎn)生的強(qiáng)倏逝場近場耦合激發(fā)光學(xué)微腔的高Q光學(xué)模式［7］，并利用強(qiáng)倏逝場研制出具有較強(qiáng)敏感性和分辨能力的生化傳感器，這種傳感器不但能檢測出低濃度的生化物種，也能快速檢測出破壞生化物質(zhì)的污染物成分，能有效保護(hù)工作人員的安全［8-10］。

國內(nèi)外眾多研究人員因環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)的生化傳感器獨(dú)有的優(yōu)勢，紛紛投入到該傳感器的研究中，如何制造出性能更優(yōu)良、成本更低廉的生化傳感器具有非常深遠(yuǎn)的意義［11-13］。為提高生化傳感器的性能指標(biāo)，本文以光學(xué)環(huán)形諧振腔為載體，設(shè)計了一種新型環(huán)形諧振腔生化傳感器，并利用時域有限差分法（Finite Difference Time Domain，F(xiàn)DTD）對環(huán)形諧振腔進(jìn)行了系統(tǒng)的光學(xué)特性仿真和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，同時對優(yōu)化后的環(huán)形諧振腔進(jìn)行了工藝加工。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化設(shè)計后的器件靈敏度有一定的提升，且降低了對傳感設(shè)備的苛刻要求，非常適合對生化物種的快速檢測。

1 諧振腔耦合單元的生化傳感器的理論基礎(chǔ)

1.1 微腔生化傳感原理

生化傳感器最核心的器件為環(huán)形諧振腔，它的性能參數(shù)對傳感器的靈敏度和性能優(yōu)化起著決定性的作用。

諧振條件可表述為：

式中：R 和neff分別為環(huán)形諧振腔的半徑和有效折射率；λ和m分別為真空中光的波長和諧振次數(shù)。耦合結(jié)構(gòu)效率的高低由諧振腔尺寸、波導(dǎo)寬度、耦合長度以及耦合距離4 個參數(shù)共同決定。設(shè)計環(huán)形諧振腔與直波導(dǎo)耦合系統(tǒng)時，必須對兩者結(jié)構(gòu)的尺寸進(jìn)行有效的分析和仿真，以達(dá)到優(yōu)秀的耦合效果。

在達(dá)到耦合效率高，品質(zhì)因數(shù)（Quality Factor）增高的情況下，通過在微腔內(nèi)壁固化生化檢測試劑，當(dāng)檢測試劑與流過的生化分子發(fā)生反應(yīng)后造成內(nèi)壁表面折射率的改變。折射率的變化，將會導(dǎo)致環(huán)形諧振腔的諧振波長發(fā)生漂移，或品質(zhì)因數(shù)Q 值的改變，因此可以測出折射率引起的諧振模波長漂移等變化［14］。

實(shí)驗(yàn)中利用無水乙醇和蒸餾水配制不同濃度的乙醇溶液，用注射器向微管中注入乙醇溶液并依靠重力作用使溶液勻速流過微管。乙醇溶液濃度c與折射率n的關(guān)系為：

1.2 環(huán)形諧振腔的主要性能指標(biāo)

環(huán)形諧振腔的主要性能指標(biāo)包括：諧振波長λm，自由頻譜寬度（Free Spectral Range，F(xiàn)SR），諧振腔半高全寬Dn，精細(xì)度（Finesse），Q以及消光比。

諧振頻率f0可表示為

式中，c為光速。

自由頻譜寬度FSR可表示為

自由頻譜寬度與諧振腔的半徑R 成反比，可直觀體現(xiàn)諧振腔頻譜的間距。

諧振腔半高全寬Dn定義為諧振峰兩側(cè)輸出端輸出功率為峰值功率一半的兩光波的波長差，其可表示為

式中，L為環(huán)形波導(dǎo)的周長。

精細(xì)度F可表示為

設(shè)計環(huán)形諧振腔結(jié)構(gòu)時，可通過減小諧振腔的半徑并提高其品質(zhì)因數(shù)來提高精細(xì)度，進(jìn)而提高系統(tǒng)信號的分辨率。

環(huán)形諧振腔的Q反映了微腔存儲能量的能力，是環(huán)形諧振腔最重要的參數(shù)之一。其可表示為：

式中：Q總體表示回音壁模式微腔的總體Q值，Q內(nèi)在表示非耦合狀態(tài)下腔體本身對光存儲能力的參數(shù)，Q耦合表示光能量的損耗，Q耦合的值可通過耦合錐形光纖和微腔來提高［15］。

通過對影響Q值的因素進(jìn)行仿真和計算，并對加工工藝進(jìn)行優(yōu)化，有效降低了Dn/λ 比率而導(dǎo)致的損失，腔內(nèi)材料的內(nèi)部損耗，腔體表面的起伏存在的折射和散射損失和內(nèi)部介質(zhì)的污染構(gòu)成的損失，有效提高了Q值。

2 仿真設(shè)計與優(yōu)化

環(huán)形諧振腔生化傳感器體積小，成本高，用實(shí)物制作比較困難，制作過程繁雜。由于時域有限差分法（FDTD）具備二階數(shù)值精準(zhǔn)度以及最先進(jìn)的邊界條件-完美匹配層。通過在FDTD區(qū)域截斷邊界處設(shè)置一個特殊介質(zhì)層，該介質(zhì)層對入射波具有很好的吸收效果。采用此軟件可精確演算所設(shè)計的結(jié)構(gòu)在時間及空間領(lǐng)域的電磁場分布?？赏ㄟ^此軟件精確展示設(shè)計的結(jié)構(gòu)在時間及空間領(lǐng)域的電磁場分布以提高生化傳感器的耦合效率和微環(huán)的Q值，優(yōu)化微腔生化傳感器［16］。

2.1 仿真過程設(shè)計

（1）建立一個新工程。

（2）設(shè)計結(jié)構(gòu)，繪畫并設(shè)置環(huán)形波導(dǎo)。設(shè)置環(huán)形波導(dǎo)長半徑和短半徑，圓心的z坐標(biāo)和x 坐標(biāo)，并設(shè)置圓環(huán)的厚度。

（3）設(shè)置輸入平面，設(shè)置輸入波為激光波長為1.5 μm的高斯波。

（4）設(shè)置觀察點(diǎn)、觀察線、觀察面，不但可用來觀察仿真過程的數(shù)據(jù)，還可觀察場的模型，傳輸功能，反映功能。圖1 所示為設(shè)計好的整體結(jié)構(gòu)。

圖1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

（5）啟動仿真。

（6）分析仿真結(jié)果并導(dǎo)出數(shù)據(jù)，三維模型計算如圖2 所示。

圖2 三維模型計算

2.2 優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計

在激光波長為1.5 μm 下分別觀察不同尺寸的波導(dǎo)寬度、矩形波導(dǎo)、環(huán)形微腔的間距及外徑對耦合效率和Q 值的作用，然后得出最優(yōu)值。仿真過程如圖3所示。

圖3 仿真過程

2.2.1 環(huán)形諧振腔半徑的仿真分析

在環(huán)形諧振腔半徑的仿真過程中，耦合間距和波導(dǎo)寬度不變，改變諧振腔的半徑來對結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化。這里波導(dǎo)和環(huán)形諧振腔之間的間距為0.05 μm，波導(dǎo)的寬度為0.5 μm。改變環(huán)形諧振腔的半徑分別為2、5、10 μm。仿真結(jié)果如圖4 所示。通過圖4 可測出自由頻譜寬度FSR及諧振腔半高全寬Dn，然后計算出精細(xì)度F，反映耦合效率的k2和反映能量損耗的Q值，可以算出最好的結(jié)構(gòu)。

圖4 不同環(huán)形諧振腔半徑時的仿真情況

經(jīng)測量可得出FSR 和諧振腔半高全寬Dn的值，經(jīng)計算可得出F，反映耦合效率的k2和反映能量損耗的Q值如表1 所示。

表1 不同半徑時諧振腔的性能參數(shù)

由表1 可見：Q 值隨著環(huán)形微腔半徑的增大而增大，耦合效率卻在減小。在實(shí)際應(yīng)用中，還需根據(jù)實(shí)際需求選定半徑的大小。

2.2.2 波導(dǎo)與諧振腔耦合間距的仿真分析

在間距仿真中，使波導(dǎo)寬度和環(huán)形諧振腔半徑不變，令波導(dǎo)寬度為0.5 μm，環(huán)形微腔的半徑為4.7 μm，令兩者的耦合間距分別為0、0.05 和0.1 μm。仿真結(jié)果如圖5 所示。

圖5 不同耦合間距下仿真結(jié)果

經(jīng)測量可得出FSR、Dn，經(jīng)計算可算出F，繼而算出反映耦合效率的k2和反映能量損耗的Q值，計算結(jié)果如表2 所示。

表2 耦合間距影響耦合效率和Q值

由表2 數(shù)據(jù)可得，Q值隨著間距的增大而增大，但耦合效率卻在減小，因此間距的大小還需根據(jù)實(shí)際需求來定。

2.2.3 光波導(dǎo)寬度仿真分析

在光波導(dǎo)寬度仿真中，使耦合間距和諧振腔半徑不變，改變光波導(dǎo)的寬度，分別變化光波導(dǎo)寬度為0.5、1、1.5 μm。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6 所示。測量了自由頻譜寬度和半高全寬，算出Q值和耦合效率見表3。由表3數(shù)據(jù)可得，耦合效率隨著波導(dǎo)寬度的增大而增大，但Q值卻在減小，因此制造器件時需折中選擇Q 和耦合效率。

圖6 不同光波導(dǎo)寬度下仿真結(jié)果

表3 Q值和耦合效率隨波導(dǎo)寬度的變化

通過上面的仿真可得：Q 值與諧振腔耦合間距及環(huán)形微腔半徑成正比，與波導(dǎo)寬度成反比；耦合效率與環(huán)形微腔半徑及耦合間距成反比，與矩形波導(dǎo)寬度成正比。綜上，通過仿真最后得到Q 值最高的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：光波導(dǎo)寬度為0.5 μm，環(huán)形諧振腔和直波導(dǎo)的間距為50 nm，環(huán)形諧振腔的半徑為10 μm，此時的Q值為1 037。

2.3 環(huán)形微腔生化傳感器對折射率的敏感性驗(yàn)證

2.3.1 環(huán)形諧振腔對酒精的敏感性驗(yàn)證

空氣和水的折射率分別為1 和1.333 3，根據(jù)式（2）可知酒精的濃度決定著酒精的折射率，濃度為20%的酒精的折射率為1.345 2，通過改變環(huán)形諧振腔外部環(huán)境（分別為空氣、水、酒精）來驗(yàn)證諧振腔對酒精的敏感性，圖7 為仿真結(jié)果。

圖7 外部環(huán)境分別為空氣，水，酒精時的仿真結(jié)果

通過圖7 可以看出，同一個波谷點(diǎn)，在不同折射率的外部環(huán)境中，下陷譜線發(fā)生了漂移，由此可以驗(yàn)證環(huán)形諧振腔對折射率的敏感性。

2.3.2 不同濃度酒精引起的譜線漂移情況

本文對濃度分別為20%、40%、60%、80%的酒精進(jìn)行了仿真。根據(jù)式（2）可以算出濃度20%、40%、60%、80%的酒精折射率分別為：1.345 2、1.359 2、1.368 5、1.371 0，仿真結(jié)果如圖8 所示。

通過對圖8 的分析，可得：當(dāng)酒精濃度不同時，折射率不同，環(huán)形諧振腔的外部環(huán)境改變，橫坐標(biāo)逐漸變大，譜線逐漸向右偏移，這種微量的偏移可以用于探測生物分子的濃度和反應(yīng)等信息。

通過仿真可驗(yàn)證環(huán)形諧振腔對折射率的敏感性，同時也可通過改變酒精的濃度改變外部環(huán)境的折射率，生物分子濃度和反應(yīng)等信息可通過折射率引起的譜線漂移探測。仿真結(jié)果表明，該優(yōu)化設(shè)計后的器件靈敏度有一定的提升，且降低了對傳感設(shè)備的苛刻要求，非常適合作為對生化特種快速檢測具有高要求的傳感結(jié)構(gòu)設(shè)計。

3 版圖設(shè)計與工藝

3.1 版圖設(shè)計

通過軟件仿真與分析，得到環(huán)形諧振腔的結(jié)構(gòu)如圖9 所示，為了提高耦合效率，將環(huán)形諧振腔半徑設(shè)置為4.7 μm，得到更好的透射譜圖。本次仿真均是以硅為主要材料，通過L-edit軟件制作所需要的掩模版。

圖8 不同濃度的酒精引起譜線漂移

圖9 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

為了制作一體化、高固化、高精度的環(huán)形微腔結(jié)構(gòu)以提高傳感器結(jié)構(gòu)的集成度，設(shè)計了如圖10 所示的垂直耦合光柵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了與光波導(dǎo)、環(huán)形諧振腔在單芯片內(nèi)集成。分別在光波導(dǎo)的兩端加工兩組對稱的衍射光柵結(jié)構(gòu)，當(dāng)光從左端進(jìn)入與微腔耦合后再從右端輸出。

圖10 垂直耦合光柵結(jié)構(gòu)圖示意圖

根據(jù)仿真優(yōu)化，對環(huán)形諧振腔版圖進(jìn)行了設(shè)計，垂直耦合光柵結(jié)構(gòu)的線寬設(shè)計為3 μm，因此選擇正膠，采用正膠所需的版圖如圖11 所示。所謂正膠，就是在曝光后，曝光區(qū)可在顯影液中溶解，而非曝光區(qū)則保留下來作為腐蝕掩模，正膠的分辨率高，在超大規(guī)模集成電路工藝中，一般只采用正膠。而負(fù)膠在曝光后，曝光區(qū)固化不可溶解，其分辨率差，適于加工線寬＞3 μm的線條。

圖11 使用正膠所需的掩模版結(jié)構(gòu)

3.2 制作工藝流程

工藝流程包括對晶片進(jìn)行反復(fù)清洗、脫水和烘干、甩膠、前烘、曝光、顯影、堅(jiān)膜、腐蝕及去膠，工藝流程圖如圖12 所示。

圖12 工藝流程圖

4 結(jié)語

本文主要面向基于環(huán)形諧振腔與光波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)設(shè)計了微環(huán)腔生化傳感器，并實(shí)現(xiàn)了環(huán)形諧振腔優(yōu)化結(jié)構(gòu)仿真模型的搭建，光波導(dǎo)寬度為0.5 μm，環(huán)形諧振腔和直波導(dǎo)的間距為50 nm，環(huán)形諧振腔的半徑為10 μm，Q值為1 037。同時搭建了系統(tǒng)對其光學(xué)特性進(jìn)行了測試，為環(huán)形諧振腔在應(yīng)用方面的研究打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該優(yōu)化設(shè)計后的器件靈敏度有一定的提升。本文設(shè)計的生化傳感器，可用來檢測空氣、液體中的生物濃度和反應(yīng)等信息，非常適合作為對生化特種快速檢測具有高要求的傳感結(jié)構(gòu)設(shè)計，具有廣泛的應(yīng)用前景。