基于SOI平面波导的表面等离子体共振传感器的研究

摘要

随着社会经济的高速发展，人们的生活水平大幅提高，对生活品质的追求渐渐成为主流。而科学技术特别是在传感技术、生物技术的高度发展，也使人们对生活品质的追求变得更为现实与迫切。及时有效地开展重大疾病监控、环境保护、食品安全工作已刻不容缓，而生物传感技术已经在疾病检测、临床诊断、环境监控、食品检测上获得了广泛的应用。
　　表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)传感器由于其免标记、高灵敏度、成本低、可以实时实地检测等优点，在生物传感领域具有很大的应用价值。
　　本课题旨在研究一种高灵敏度的基于SOI材料的平面波导型表面等离子体共振传感器，它有别于目前商用的基于棱镜耦合的SPR传感器，具有更小的体积、更高的集成度。
　　本文提出的平面波导表面等离子体传感器使用材料SOI(Silicon-on-insulator)来实现，研究了工作波长在1550nm波段的传感器。利用刻蚀面或解离端面作为反射端面，将传统的棱镜式结构移植到波导结构中，将检测简单化，真正地完成了实时检测。
　　本文通过传输矩阵、FDTD理论对器件的波导结构、布局设计等进行了理论的仿真和优化，通过参数的优化，探测的灵敏度理论上可以达到22.4°/RIU。当设计出射阵列波导间的角度间隔为0.135°时，该器件的探测极限可以到达6.0×10-3RIU。
　　本文还对SOI的表面等离子体共振传感器的制作工艺进行了研究，包括整个芯片制作过程中的半导体工艺，芯片侧壁的金属溅射工艺等。

目录

声明

致谢

摘要

1．绪论

1．1 引言

1．2 光学生物传感器

1．3 芯片实验室(lab-on-a-chip)

1．3．1 微流体技术

1．3．2 芯片实验室

1．4 表面等离子体共振传感器的研究现状

1．4．1 棱镜式表面等离子体共振传感器

1．4．2 光栅武表面等离子体共振传感器

1．4．3 光纤式表面等离子体共振传感器

1．4．4 波导武耦合表面等离子体共振传感器

1．5 表面等离子体共振传感器的测试方法

1．6 本论文章节安排和创新点

2．表面等离子体共振传感器工作原理

2．1 表面等离子体传播常数推导

2．2 衰减全反射激发表面等离子体共振传感器(棱镜型)

2．3 Kretsehmann结构下的反射率公式推导

2．4 表面等离子体共振传感器用于生物传感的工作原理

3．集成光波导基本理论和转移矩阵方法

3．1 引言

3．2 电磁波理论

3．3 非对称平板波导的TE、TM导模

3．3．1 TE导模的场分布函数及特征方程推导

3．3．2 TM导模的场分布函数及特征导模推导

3．4 矩形波导的等效折射事计算

3．5 转移矩阵理论

4．基于平面波导的表面等离子体共振传感器设计方案

4．1 基于角度调谐的波导型表面等离子体共振传感器的设计原理

4．2 具体参数设计

4．2．1 入射波导结构的设计

4．2．2 taper长度的设计

4．2．3 输入阵列波导的间隔角度设计

4．2．4 波导间间隔的设计

4．2．5 弯曲波导半径的设计

4．2．6 金属层厚度的设计

4．2．7 自由传播区域的设计、出射波导结构和阵列波导间角度间隔的设计

4．3 传感器的最终掩膜设计

4．4 传感器的性能计算

4．4．1 传感器的灵敏度

4．4．2 传感器的探测精度

4．4．3 波长调谐的计算

5．器件的制作与测试

5．1 器件制作方案

5．2 器件制作的半导体工艺

5．2．1 光刻工艺

5．2．2 二氧化硅薄膜的沉积生长工艺

5．2．3 二氧化硅和硅波导刻蚀工艺

5．2．4 金属溅射工艺

5．2．5 微流通道的制作

5．3 测试平台的搭建及测试方案

5．4 测试结果及分析

5．4．1 数据处理方法

5．4．2 测试结果及处理

5．4．3 实验结果分析与计算

6．总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

附录

作者简介

成果附录