一种用于宽带中红外检测的波导集成表面增强芯片及制备方法

技术领域

本发明涉及红外光谱检测技术领域，尤其涉及一种用于宽带中红外检测的波导集成表面增强芯片及制备方法。

背景技术

红外吸收光谱基于分子化学键和官能团的吸收特性，对特定波长的红外辐射实现无创、无标记和实时的分子检测。表面增强红外吸收(SEIRA)基于局域表面等离子体共振，将天线表面近场强度提高3至7个数量级，可以显著改善红外吸收信号。然而，现有的SEIRA测量系统大多是将傅里叶变换红外(FTIR)光谱仪与显微镜相结合，难以实现小型化。商用FTIR光谱仪采用低亮度热辐射源，利用反射物镜将红外光聚焦到几十微米大小的光斑。光斑尺寸与纳米天线尺寸的不匹配导致耦合效率低，需要大量的纳米天线才能达到足够的信噪比。近年来，激光光源有望为SEIRA提供高功率和良好的模式质量，支持将表面增强纳米天线集成到薄膜波导上。薄膜波导表面距离为微米量级的连续倏逝场与表面增强纳米天线的近场距离匹配较好，实现了波导与纳米天线的高效耦合。这提高了纳米天线的空间利用率，有助于实现芯片小型化和批量化生产。这种片上表面增强微纳器件与片上激光器和探测器相结合，有利于开发完全集成的生化检测系统。

目前，IV族材料例如硅、锗由于其较好的生物兼容性常用于中红外波导检测。但因波导的绝缘层如二氧化硅的高吸收损耗，检测应用范围受限于4微米以下。专利授权公告号为CN 102096149B的专利公开了一种硅基长波红外光波导及其制备方法。基于侧面开槽工艺，通过减小波导绝缘层的折射率(硅变成了空气)，从而避免了光场向绝缘层泄漏的问题，实现低传输损耗的波导结构。但引入了复杂的制造工艺和更多的成本。除了可检测范围之外，带宽是评价芯片性能的重要指标。对于波导集成纳米天线而言，透射光的空间分布比SEIRA更加集中，使得沿光传输方向排列的纳米天线能够更有效地利用多波长的光。

发明内容

本发明提供了一种用于宽带中红外检测的波导集成表面增强芯片及制备方法，可满足长波红外、宽带、高灵敏度的气体或液体检测需求。

本发明的技术方案如下：

一种波导集成表面增强芯片由基底模块、波导模块、纳米天线模块和加样模块四部分组成。基底模块、波导模块和纳米天线模块自下而上依次设置；

所述基底模块由衬底和绝缘层两部分组成，绝缘层设置于衬底上。

所述波导模块设置于绝缘层上，为肋形结构；所述波导模块包括上层肋形波导和下层肋形波导；

所述波导模块的厚度通常大于1微米以满足长波红外的低损耗传输需求并通过进一步增大波导模块厚度以满足长波红外更长波段的低损耗传输需求，同时通过调整上层肋形波导的宽度和深度以确保波导模块的单模传输。

所述上层肋形波导包括输入耦合波导、输入传输波导、传感波导、输出传输波导和输出耦合波导五部分组成；所述输入耦合波导、输入传输波导、传感波导、输出传输波导和输出耦合波导依次首尾相连；所述输入耦合波导的输入端用于将中红外激光耦合进波导模块；所述输入传输波导和输出传输波导用于传输中红外激光；所述传感波导用于将中红外激光耦合进纳米天线模块；所述输出耦合波导的输出端出射光信号，用于后续探测和信号分析；所述输入耦合波导和输出耦合波导为倒锥形结构；所述输入耦合波导的倒锥形结构为宽度沿着光传输方向逐渐增大的结构以提高耦合波导与入射光的模式重叠度以及减少背向反射；所述倒锥形结构宽度变化包括线性变化或非线性变化。

所述纳米天线模块设置于传感波导上，用于等离激元共振激发高强度电场，从而增强信号；所述纳米天线模块为沿着光传输方向排布的阵列；纳米天线模块的阵列单元的长度沿着光传输方向逐渐增大以获得多个频率不同的共振峰，从而拓宽使信号增强的波段带宽。

所述加样模块用于控制加样使样品接触纳米天线模块；加样模块根据加样需求配置，主要包括以下三种配置方案：1.对于薄膜检测，可以直接将薄膜样品旋涂在纳米天线模块上；2.对于液体或溶液检测，可以利用移液枪或注射器将样品滴加在纳米天线模块上；3.对于气体、液体或溶液动态监测，可以利用微流控芯片精确控制样品的加样位置、体积以及与纳米天线模块的作用长度。

所述微流控芯片包括下固定板、微流槽、上固定板、钢针毛细管、导管和锁紧螺栓；所述下固定板设置于衬底下；所述微流槽设置于传感波导上，并将纳米天线模块囊括在微流槽内；所述微流槽通道的宽度应略大于纳米天线模块沿着光传输方向的阵列长度以减小传输波导接触样品对纳米天线模块增强效果的影响；所述上固定板设置于微流槽上，为透明材料以便观察微流槽中的样品和气泡；所述上固定板和下固定板用锁紧螺栓进行连接以固定上固定板与下固定板之间的微流槽与波导模块；所述钢针毛细管通过上固定板上的进样孔和出样孔与上固定板连接；所述导管与钢针毛细管相连接，用于进样和出样。

本发明提供了一种用于波导模块和纳米天线模块的制备方法，包括以下步骤：

步骤S101:在硅晶圆的顶层硅上涂上光刻胶；

步骤S102:利用电子束曝光显影在硅晶圆上曝光纳米天线图案；

步骤S103:利用电子束蒸发设备沉积黏附层；

步骤S104:利用电子束蒸发设备沉积纳米天线层；

步骤S105:利用剥离(Lift-off)技术去除纳米天线图案以外的光刻胶、黏附层和纳米天线层,得到纳米天线模块；

步骤S106:在硅晶圆表面的顶层硅上涂上光刻胶；

步骤S107:利用电子束曝光显影在硅晶圆上曝光上层肋形波导图案；

步骤S108:利用电感耦合等离激元技术(ICP)或反应离子刻蚀(RIE)技术刻蚀上层肋形波导图案以外的顶层硅；

步骤S109:利用缓冲氧化物刻蚀液去除光刻胶,得到上层肋形波导；

步骤S110:在硅晶圆表面的顶层硅上涂上光刻胶；

步骤S111:利用紫外曝光显影在硅晶圆上曝光下层肋形波导图案；

步骤S112:利用电感耦合等离激元技术(ICP)或反应离子刻蚀(RIE)技术刻蚀下层肋形波导图案以外的顶层硅；

步骤S113:利用丙酮去除光刻胶,得到下层肋形波导。

本发明的增益效果如下：

1.波导模块采用剖面厚度超过1微米和肋形结构设计以拓宽中红外波段的单模传输范围；

2.波导模块采用倒锥形的输入波导和输出波导设计以提高耦合波导与入射光的模式重叠度以及减少背向反射，从而提高耦合效率。

3.纳米天线阵列的单元长度沿着光传输方向逐渐增大以获得多个频率不同的共振峰，从而拓宽信号增强的波段带宽。

4.对于气体、液体或溶液动态监测，加样模块利用微流控芯片精确控制样品的加样位置、体积以及与纳米天线模块的作用长度。

应当理解，本部分所描述的内容并非旨在标识本发明的实施例的关键或重要特征，也不用于限制本发明的范围。本发明的其它特征将通过以下的说明书而变得容易理解。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中的一种波导集成表面增强芯片的结构示意图；

图2为本发明实施例中基底模块和波导模块的剖面示意图；

图3为本发明实施例中波导模块传输损耗(3dB/cm)截止波长随厚度变化的仿真图；

图4为本发明实施例中波导模块剖面基模电场分布图；

图5为本发明实施例中波导模块俯视示意图；

图6为本发明实施例中耦合效率随倒锥形宽度变化仿真图；

图7为本发明实施例中耦合效率随倒锥形长度变化仿真图；

图8为本发明实施例中纳米天线模块的结构俯视示意图；

图9为本发明实施例中纳米天线模块结构长度沿光传输方向变化图；

图10为本发明实施例中纳米天线模块结构透射光谱仿真图；

图11为本发明实施例中纳米天线模块和波导模块制备流程图；

图12为本发明实施例中基于加样模块微流控芯片的三维组装示意图；

图13为本发明实施例中基于加样模块微流控芯片的芯片检测待测样品中目标物质的流程图；

附图标记列示如下：1-基底模块、2-波导模块、3-纳米天线模块、4-加样模块、11-衬底、12-绝缘层、21-上层肋形波导、22-下层肋形波导、41-下固定板、42-微流槽、43-上固定板、44-钢针毛细管、45-导管、46-锁紧螺栓、211-输入耦合波导、212-输入传输波导、213-传感波导、214-输出传输波导、215-输出耦合波导。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

图1为本发明实施例提供的一种波导集成表面增强芯片的结构示意图。所述芯片由基底模块1、波导模块2、纳米天线模块3和加样模块4组成。基底模块1、波导模块2和纳米天线模块3自下而上依次设置于加样模块4内。

在本发明的一个具体实施例中，如图2所示，所述基底模块1由衬底11和绝缘层12两部分组成，绝缘层12设置于衬底11上；所述波导模块2设置于绝缘层11上。

可选的，所述衬底11材料为硅；所述绝缘层12材料为二氧化硅；所述波导模块2材料为硅。

所述波导模块2为肋形结构；波导模块2包括上层肋形波导21和下层肋形波导22；波导模块2的肋形结构的主要参数包括厚度t，宽度w和深度d。

可选的，如图3所示，在w为4微米，深度d为t/2时，波导传输损耗3dB/cm的截止波长随着t的增加而增加，在t为2微米时，截止波长为7微米，满足长波红外(大于6微米)的传输需求。同时如图4所示，在上述参数条件下波导模块支持波长6.7微米的单模传输。

在本发明的一个具体实施例中，如图5所示，所述上层肋形波导21包括输入耦合波导211、输入传输波导212、传感波导213、输出传输波导214和输出耦合波导215五部分组成；所述输入耦合波导211、输入传输波导212、传感波导213、输出传输波导214和输出耦合波导215依次首尾相连；所述输入耦合波导211为宽度沿着光传输方向逐渐增大的倒锥形结构，所述输出耦合波导215为宽度沿着光传输方向逐渐减小的倒锥形结构。

所述输入耦合波导211的主要参数包括倒锥宽度tw和倒锥长度tl。

可选的，倒锥宽度tw沿着光传输方向线性增大。

可选的，如图6所示，波导模块2的耦合效率随tw的增大先增大后减小；在t为2.2微米，w为4微米，d为1微米，tl为400微米时，耦合效率在tw为0.6微米处存在最大值。如图7所示，波导模块2的耦合效率随tl的增大而对数型增大，tl应根据具体的需求确定。

在本发明的一个具体实施例中，如图8所示，所述纳米天线模块3设置于传感波导213上；

可选的，所述纳米天线模块3材料为金属或介质；

所述纳米天线模块3为沿着光传输方向排布的阵列；阵列单元为钩状纳米天线对；

可选的，所述纳米天线模块3的阵列单元长度l垂直于光传输方向；阵列单元钩状宽度hw平行于光传输方向。

可选的，如图9所示，长度l沿着光传输方向近似指数型的增大。考虑到实际加工的精度，长度变化间隔为0.4微米。如图10所示，在传感波导213上排列3组如图9所示的纳米天线阵列，芯片的透射谱3dB带宽接近2微米，实现覆盖5.1-7微米宽带增强。

在本发明的一个具体实施例中，如图11所示，一种用于硅波导模块2和金纳米天线模块3的制备方法包括以下步骤：

步骤S101:在硅晶圆的顶层硅上涂上光刻胶；

步骤S102:利用电子束曝光显影在硅晶圆上曝光纳米天线图案；

步骤S103:利用电子束蒸发设备沉积黏附层；

步骤S104:利用电子束蒸发设备沉积纳米天线层；

步骤S105:利用剥离(Lift-off)技术去除纳米天线图案以外的光刻胶、黏附层和纳米天线层,得到纳米天线模块；

步骤S106:在硅晶圆表面的顶层硅上涂上光刻胶；

步骤S107:利用电子束曝光显影在硅晶圆上曝光上层肋形波导图案；

步骤S108:利用电感耦合等离激元技术(ICP)或反应离子刻蚀(RIE)技术刻蚀上层肋形波导图案以外的顶层硅；

步骤S109:利用缓冲氧化物刻蚀液去除光刻胶,得到上层肋形波导；

步骤S110:在硅晶圆表面的顶层硅上涂上光刻胶；

步骤S111:利用紫外曝光显影在硅晶圆上曝光下层肋形波导图案；

步骤S112:利用电感耦合等离激元技术(ICP)或反应离子刻蚀(RIE)技术刻蚀下层肋形波导图案以外的顶层硅；

步骤S113:利用丙酮去除光刻胶,得到下层肋形波导。

优选的，先制备纳米天线模块3，再制备波导模块2以减少套刻误差。

在本发明的一个具体实施例中，如图12所示，所述加样模块4包括下固定板41、微流槽42、上固定板43、钢针毛细管44、导管45和锁紧螺栓46；下固定板41设置于衬底11下；

可选的，下固定板41材料为不锈钢；

可选的，所述微流槽42材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；

可选的，上固定板43材料为可见光波段透明的亚克力；

所述微流槽42设置于传感波导213上，并将纳米天线模块3囊括在微流槽42内以控制样品与纳米天线模块3的作用长度；上固定板43设置于微流槽42上；上固定板43和下固定板41用锁紧螺栓46进行连接以固定上固定板43与下固定板41之间的微流槽42与波导模块2；钢针毛细管44与上固定板连接；导管45与钢针毛细管44相连接。

在本发明的一个具体实施例中，如图13所示，一种用于宽带中红外传感的波导集成表面增强芯片检测待测样品中目标物质的方法包括以下步骤：

步骤S201:在输入耦合波导211的输入端通过透镜聚焦来自中红外激光光源的激光，在输出耦合波导215的输出端通过物镜准直入射到中红外探测器，探测器连接信号采集和分析电路；

步骤S202:利用注射器从出样孔一侧抽取待测样品以减少气泡的产生，使待测样品流过微流槽42通道与纳米天线模块3接触；

步骤S203:调节中红外激光器的电流，使中红外激光器的输出波长扫描过待测样品的吸收波段；

步骤S204:在调谐中红外激光器波长时，利用光电探测器将输出耦合波导的输出光信号转变为电信号；实时记录中红外探测器输出信号和中红外激光器波长的关系，获得待测样品的透射谱；

步骤S205:根据公式：待测样品透射谱-背景透射谱、待测样品透射谱/背景透射谱或lg(待测样品透射谱/背景透射谱)获得芯片加载样品待测样品的光谱信号；

步骤S206:分析待测样品中目标物质对光的吸收特性及其浓度。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围。对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。