采用諧振腔耦合單元構建的新型生化傳感器研制

彭金銀

（海南科技職業大學機電工程學院，海口 571126）

0 引言

隨著人們對食品與醫藥安全的需求日益增加，環境問題日漸引人關注，如何研制出能夠快速、準確檢測出化學和生物成分的生化傳感器已成為當今社會的研究熱點［1-3］。傳統的傳感器已經不能滿足社會發展的新需求。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，便于批量生產等優勢［5］。光學微腔以其特有的回音壁光學傳輸模式使其擁有超高的品質因數，并在高靈敏度傳感領域發揮重要作用。多重信號分類（Multiple Signal Classification，MUSIC）算法是Schmidt等學者于1979 年提出的先進信號處理算法［6］。它的提出標志著空間譜估計算法進入了一個新的時代。

利用錐形光纖和高Q 平面環形微腔在光傳輸過程中產生的強倏逝場近場耦合激發光學微腔的高Q光學模式［7］，并利用強倏逝場研制出具有較強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的污染物成分，能有效保護工作人員的安全［8-10］。

國內外眾多研究人員因環形諧振腔結構的生化傳感器獨有的優勢，紛紛投入到該傳感器的研究中，如何制造出性能更優良、成本更低廉的生化傳感器具有非常深遠的意義［11-13］。為提高生化傳感器的性能指標，本文以光學環形諧振腔為載體，設計了一種新型環形諧振腔生化傳感器，并利用時域有限差分法（Finite Difference Time Domain，FDTD）對環形諧振腔進行了系統的光學特性仿真和結構優化設計，同時對優化后的環形諧振腔進行了工藝加工。實驗結果表明，優化設計后的器件靈敏度有一定的提升，且降低了對傳感設備的苛刻要求，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

1.1 微腔生化傳感原理

生化傳感器最核心的器件為環形諧振腔，它的性能參數對傳感器的靈敏度和性能優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。耦合結構效率的高低由諧振腔尺寸、波導寬度、耦合長度以及耦合距離4 個參數共同決定。設計環形諧振腔與直波導耦合系統時，必須對兩者結構的尺寸進行有效的分析和仿真，以達到優秀的耦合效果。

在達到耦合效率高，品質因數（Quality Factor）增高的情況下，通過在微腔內壁固化生化檢測試劑，當檢測試劑與流過的生化分子發生反應后造成內壁表面折射率的改變。折射率的變化，將會導致環形諧振腔的諧振波長發生漂移，或品質因數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］。

實驗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的關系為：

1.2 環形諧振腔的主要性能指標

環形諧振腔的主要性能指標包括：諧振波長λm，自由頻譜寬度（Free Spectral Range，FSR），諧振腔半高全寬Dn，精細度（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，可直觀體現諧振腔頻譜的間距。

諧振腔半高全寬Dn定義為諧振峰兩側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為環形波導的周長。

精細度F可表示為

設計環形諧振腔結構時，可通過減小諧振腔的半徑并提高其品質因數來提高精細度，進而提高系統信號的分辨率。

環形諧振腔的Q反映了微腔存儲能量的能力，是環形諧振腔最重要的參數之一。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內在表示非耦合狀態下腔體本身對光存儲能力的參數，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值的因素進行仿真和計算，并對加工工藝進行優化，有效降低了Dn/λ 比率而導致的損失，腔內材料的內部損耗，腔體表面的起伏存在的折射和散射損失和內部介質的污染構成的損失，有效提高了Q值。

2 仿真設計與優化

環形諧振腔生化傳感器體積小，成本高，用實物制作比較困難，制作過程繁雜。由于時域有限差分法（FDTD）具備二階數值精準度以及最先進的邊界條件-完美匹配層。通過在FDTD區域截斷邊界處設置一個特殊介質層，該介質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計的結構在時間及空間領域的電磁場分布。可通過此軟件精確展示設計的結構在時間及空間領域的電磁場分布以提高生化傳感器的耦合效率和微環的Q值，優化微腔生化傳感器［16］。

2.1 仿真過程設計

（1）建立一個新工程。

（2）設計結構，繪畫并設置環形波導。設置環形波導長半徑和短半徑，圓心的z坐標和x 坐標，并設置圓環的厚度。

（3）設置輸入平面，設置輸入波為激光波長為1.5 μm的高斯波。

（4）設置觀察點、觀察線、觀察面，不但可用來觀察仿真過程的數據，還可觀察場的模型，傳輸功能，反映功能。圖1 所示為設計好的整體結構。

圖1 整體結構設計

（5）啟動仿真。

（6）分析仿真結果并導出數據，三維模型計算如圖2 所示。

圖2 三維模型計算

2.2 優化結構設計

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

圖3 仿真過程

2.2.1 環形諧振腔半徑的仿真分析

在環形諧振腔半徑的仿真過程中，耦合間距和波導寬度不變，改變諧振腔的半徑來對結構進行仿真優化。這里波導和環形諧振腔之間的間距為0.05 μm，波導的寬度為0.5 μm。改變環形諧振腔的半徑分別為2、5、10 μm。仿真結果如圖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，可以算出最好的結構。

圖4 不同環形諧振腔半徑時的仿真情況

經測量可得出FSR 和諧振腔半高全寬Dn的值，經計算可得出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

由表1 可見：Q 值隨著環形微腔半徑的增大而增大，耦合效率卻在減小。在實際應用中，還需根據實際需求選定半徑的大小。

2.2.2 波導與諧振腔耦合間距的仿真分析

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

圖5 不同耦合間距下仿真結果

經測量可得出FSR、Dn，經計算可算出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 數據可得，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實際需求來定。

2.2.3 光波導寬度仿真分析

在光波導寬度仿真中，使耦合間距和諧振腔半徑不變，改變光波導的寬度，分別變化光波導寬度為0.5、1、1.5 μm。實驗結果如圖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數據可得，耦合效率隨著波導寬度的增大而增大，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 不同光波導寬度下仿真結果

表3 Q值和耦合效率隨波導寬度的變化

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

2.3 環形微腔生化傳感器對折射率的敏感性驗證

2.3.1 環形諧振腔對酒精的敏感性驗證

空氣和水的折射率分別為1 和1.333 3，根據式（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，通過改變環形諧振腔外部環境（分別為空氣、水、酒精）來驗證諧振腔對酒精的敏感性，圖7 為仿真結果。

圖7 外部環境分別為空氣，水，酒精時的仿真結果

通過圖7 可以看出，同一個波谷點，在不同折射率的外部環境中，下陷譜線發生了漂移，由此可以驗證環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%的酒精進行了仿真。根據式（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，仿真結果如圖8 所示。

通過對圖8 的分析，可得：當酒精濃度不同時，折射率不同，環形諧振腔的外部環境改變，橫坐標逐漸變大，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等信息。

通過仿真可驗證環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境的折射率，生物分子濃度和反應等信息可通過折射率引起的譜線漂移探測。仿真結果表明，該優化設計后的器件靈敏度有一定的提升，且降低了對傳感設備的苛刻要求，非常適合作為對生化特種快速檢測具有高要求的傳感結構設計。

3 版圖設計與工藝

3.1 版圖設計

通過軟件仿真與分析，得到環形諧振腔的結構如圖9 所示，為了提高耦合效率，將環形諧振腔半徑設置為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 傳感器結構示意圖

為了制作一體化、高固化、高精度的環形微腔結構以提高傳感器結構的集成度，設計了如圖10 所示的垂直耦合光柵結構，實現了與光波導、環形諧振腔在單芯片內集成。分別在光波導的兩端加工兩組對稱的衍射光柵結構，當光從左端進入與微腔耦合后再從右端輸出。

圖10 垂直耦合光柵結構圖示意圖

根據仿真優化，對環形諧振腔版圖進行了設計，垂直耦合光柵結構的線寬設計為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，曝光區可在顯影液中溶解，而非曝光區則保留下來作為腐蝕掩模，正膠的分辨率高，在超大規模集成電路工藝中，一般只采用正膠。而負膠在曝光后，曝光區固化不可溶解，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構

3.2 制作工藝流程

工藝流程包括對晶片進行反復清洗、脫水和烘干、甩膠、前烘、曝光、顯影、堅膜、腐蝕及去膠，工藝流程圖如圖12 所示。

圖12 工藝流程圖

4 結語

本文主要面向基于環形諧振腔與光波導耦合結構設計了微環腔生化傳感器，并實現了環形諧振腔優化結構仿真模型的搭建，光波導寬度為0.5 μm，環形諧振腔和直波導的間距為50 nm，環形諧振腔的半徑為10 μm，Q值為1 037。同時搭建了系統對其光學特性進行了測試，為環形諧振腔在應用方面的研究打下了堅實的基礎。實驗結果表明，該優化設計后的器件靈敏度有一定的提升。本文設計的生化傳感器，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構設計，具有廣泛的應用前景。