采用谐振腔耦合单元构建的新型生化传感器研制

彭金银

（海南科技职业大学机电工程学院，海口 571126）

0 引言

随着人们对食品与医药安全的需求日益增加，环境问题日渐引人关注，如何研制出能够快速、准确检测出化学和生物成分的生化传感器已成为当今社会的研究热点［1-3］。传统的传感器已经不能满足社会发展的新需求。研制出具有更高灵敏度及集成度的传感器已迫在眉睫［4］。

微腔生化传感器，具有灵敏度高，尺寸小，易于集成，便于批量生产等优势［5］。光学微腔以其特有的回音壁光学传输模式使其拥有超高的品质因数，并在高灵敏度传感领域发挥重要作用。多重信号分类（Multiple Signal Classification，MUSIC）算法是Schmidt等学者于1979 年提出的先进信号处理算法［6］。它的提出标志着空间谱估计算法进入了一个新的时代。

利用锥形光纤和高Q 平面环形微腔在光传输过程中产生的强倏逝场近场耦合激发光学微腔的高Q光学模式［7］，并利用强倏逝场研制出具有较强敏感性和分辨能力的生化传感器，这种传感器不但能检测出低浓度的生化物种，也能快速检测出破坏生化物质的污染物成分，能有效保护工作人员的安全［8-10］。

国内外众多研究人员因环形谐振腔结构的生化传感器独有的优势，纷纷投入到该传感器的研究中，如何制造出性能更优良、成本更低廉的生化传感器具有非常深远的意义［11-13］。为提高生化传感器的性能指标，本文以光学环形谐振腔为载体，设计了一种新型环形谐振腔生化传感器，并利用时域有限差分法（Finite Difference Time Domain，FDTD）对环形谐振腔进行了系统的光学特性仿真和结构优化设计，同时对优化后的环形谐振腔进行了工艺加工。实验结果表明，优化设计后的器件灵敏度有一定的提升，且降低了对传感设备的苛刻要求，非常适合对生化物种的快速检测。

1 谐振腔耦合单元的生化传感器的理论基础

1.1 微腔生化传感原理

生化传感器最核心的器件为环形谐振腔，它的性能参数对传感器的灵敏度和性能优化起着决定性的作用。

谐振条件可表述为：

式中：R 和neff分别为环形谐振腔的半径和有效折射率；λ和m分别为真空中光的波长和谐振次数。耦合结构效率的高低由谐振腔尺寸、波导宽度、耦合长度以及耦合距离4 个参数共同决定。设计环形谐振腔与直波导耦合系统时，必须对两者结构的尺寸进行有效的分析和仿真，以达到优秀的耦合效果。

在达到耦合效率高，品质因数（Quality Factor）增高的情况下，通过在微腔内壁固化生化检测试剂，当检测试剂与流过的生化分子发生反应后造成内壁表面折射率的改变。折射率的变化，将会导致环形谐振腔的谐振波长发生漂移，或品质因数Q 值的改变，因此可以测出折射率引起的谐振模波长漂移等变化［14］。

实验中利用无水乙醇和蒸馏水配制不同浓度的乙醇溶液，用注射器向微管中注入乙醇溶液并依靠重力作用使溶液匀速流过微管。乙醇溶液浓度c与折射率n的关系为：

1.2 环形谐振腔的主要性能指标

环形谐振腔的主要性能指标包括：谐振波长λm，自由频谱宽度（Free Spectral Range，FSR），谐振腔半高全宽Dn，精细度（Finesse），Q以及消光比。

谐振频率f0可表示为

式中，c为光速。

自由频谱宽度FSR可表示为

自由频谱宽度与谐振腔的半径R 成反比，可直观体现谐振腔频谱的间距。

谐振腔半高全宽Dn定义为谐振峰两侧输出端输出功率为峰值功率一半的两光波的波长差，其可表示为

式中，L为环形波导的周长。

精细度F可表示为

设计环形谐振腔结构时，可通过减小谐振腔的半径并提高其品质因数来提高精细度，进而提高系统信号的分辨率。

环形谐振腔的Q反映了微腔存储能量的能力，是环形谐振腔最重要的参数之一。其可表示为：

式中：Q总体表示回音壁模式微腔的总体Q值，Q内在表示非耦合状态下腔体本身对光存储能力的参数，Q耦合表示光能量的损耗，Q耦合的值可通过耦合锥形光纤和微腔来提高［15］。

通过对影响Q值的因素进行仿真和计算，并对加工工艺进行优化，有效降低了Dn/λ 比率而导致的损失，腔内材料的内部损耗，腔体表面的起伏存在的折射和散射损失和内部介质的污染构成的损失，有效提高了Q值。

2 仿真设计与优化

环形谐振腔生化传感器体积小，成本高，用实物制作比较困难，制作过程繁杂。由于时域有限差分法（FDTD）具备二阶数值精准度以及最先进的边界条件-完美匹配层。通过在FDTD区域截断边界处设置一个特殊介质层，该介质层对入射波具有很好的吸收效果。采用此软件可精确演算所设计的结构在时间及空间领域的电磁场分布。可通过此软件精确展示设计的结构在时间及空间领域的电磁场分布以提高生化传感器的耦合效率和微环的Q值，优化微腔生化传感器［16］。

2.1 仿真过程设计

（1）建立一个新工程。

（2）设计结构，绘画并设置环形波导。设置环形波导长半径和短半径，圆心的z坐标和x 坐标，并设置圆环的厚度。

（3）设置输入平面，设置输入波为激光波长为1.5 μm的高斯波。

（4）设置观察点、观察线、观察面，不但可用来观察仿真过程的数据，还可观察场的模型，传输功能，反映功能。图1 所示为设计好的整体结构。

图1 整体结构设计

（5）启动仿真。

（6）分析仿真结果并导出数据，三维模型计算如图2 所示。

图2 三维模型计算

2.2 优化结构设计

在激光波长为1.5 μm 下分别观察不同尺寸的波导宽度、矩形波导、环形微腔的间距及外径对耦合效率和Q 值的作用，然后得出最优值。仿真过程如图3所示。

图3 仿真过程

2.2.1 环形谐振腔半径的仿真分析

在环形谐振腔半径的仿真过程中，耦合间距和波导宽度不变，改变谐振腔的半径来对结构进行仿真优化。这里波导和环形谐振腔之间的间距为0.05 μm，波导的宽度为0.5 μm。改变环形谐振腔的半径分别为2、5、10 μm。仿真结果如图4 所示。通过图4 可测出自由频谱宽度FSR及谐振腔半高全宽Dn，然后计算出精细度F，反映耦合效率的k2和反映能量损耗的Q值，可以算出最好的结构。

图4 不同环形谐振腔半径时的仿真情况

经测量可得出FSR 和谐振腔半高全宽Dn的值，经计算可得出F，反映耦合效率的k2和反映能量损耗的Q值如表1 所示。

表1 不同半径时谐振腔的性能参数

由表1 可见：Q 值随着环形微腔半径的增大而增大，耦合效率却在减小。在实际应用中，还需根据实际需求选定半径的大小。

2.2.2 波导与谐振腔耦合间距的仿真分析

在间距仿真中，使波导宽度和环形谐振腔半径不变，令波导宽度为0.5 μm，环形微腔的半径为4.7 μm，令两者的耦合间距分别为0、0.05 和0.1 μm。仿真结果如图5 所示。

图5 不同耦合间距下仿真结果

经测量可得出FSR、Dn，经计算可算出F，继而算出反映耦合效率的k2和反映能量损耗的Q值，计算结果如表2 所示。

表2 耦合间距影响耦合效率和Q值

由表2 数据可得，Q值随着间距的增大而增大，但耦合效率却在减小，因此间距的大小还需根据实际需求来定。

2.2.3 光波导宽度仿真分析

在光波导宽度仿真中，使耦合间距和谐振腔半径不变，改变光波导的宽度，分别变化光波导宽度为0.5、1、1.5 μm。实验结果如图6 所示。测量了自由频谱宽度和半高全宽，算出Q值和耦合效率见表3。由表3数据可得，耦合效率随着波导宽度的增大而增大，但Q值却在减小，因此制造器件时需折中选择Q 和耦合效率。

图6 不同光波导宽度下仿真结果

表3 Q值和耦合效率随波导宽度的变化

通过上面的仿真可得：Q 值与谐振腔耦合间距及环形微腔半径成正比，与波导宽度成反比；耦合效率与环形微腔半径及耦合间距成反比，与矩形波导宽度成正比。综上，通过仿真最后得到Q 值最高的结构参数为：光波导宽度为0.5 μm，环形谐振腔和直波导的间距为50 nm，环形谐振腔的半径为10 μm，此时的Q值为1 037。

2.3 环形微腔生化传感器对折射率的敏感性验证

2.3.1 环形谐振腔对酒精的敏感性验证

空气和水的折射率分别为1 和1.333 3，根据式（2）可知酒精的浓度决定着酒精的折射率，浓度为20%的酒精的折射率为1.345 2，通过改变环形谐振腔外部环境（分别为空气、水、酒精）来验证谐振腔对酒精的敏感性，图7 为仿真结果。

图7 外部环境分别为空气，水，酒精时的仿真结果

通过图7 可以看出，同一个波谷点，在不同折射率的外部环境中，下陷谱线发生了漂移，由此可以验证环形谐振腔对折射率的敏感性。

2.3.2 不同浓度酒精引起的谱线漂移情况

本文对浓度分别为20%、40%、60%、80%的酒精进行了仿真。根据式（2）可以算出浓度20%、40%、60%、80%的酒精折射率分别为：1.345 2、1.359 2、1.368 5、1.371 0，仿真结果如图8 所示。

通过对图8 的分析，可得：当酒精浓度不同时，折射率不同，环形谐振腔的外部环境改变，横坐标逐渐变大，谱线逐渐向右偏移，这种微量的偏移可以用于探测生物分子的浓度和反应等信息。

通过仿真可验证环形谐振腔对折射率的敏感性，同时也可通过改变酒精的浓度改变外部环境的折射率，生物分子浓度和反应等信息可通过折射率引起的谱线漂移探测。仿真结果表明，该优化设计后的器件灵敏度有一定的提升，且降低了对传感设备的苛刻要求，非常适合作为对生化特种快速检测具有高要求的传感结构设计。

3 版图设计与工艺

3.1 版图设计

通过软件仿真与分析，得到环形谐振腔的结构如图9 所示，为了提高耦合效率，将环形谐振腔半径设置为4.7 μm，得到更好的透射谱图。本次仿真均是以硅为主要材料，通过L-edit软件制作所需要的掩模版。

图8 不同浓度的酒精引起谱线漂移

图9 传感器结构示意图

为了制作一体化、高固化、高精度的环形微腔结构以提高传感器结构的集成度，设计了如图10 所示的垂直耦合光栅结构，实现了与光波导、环形谐振腔在单芯片内集成。分别在光波导的两端加工两组对称的衍射光栅结构，当光从左端进入与微腔耦合后再从右端输出。

图10 垂直耦合光栅结构图示意图

根据仿真优化，对环形谐振腔版图进行了设计，垂直耦合光栅结构的线宽设计为3 μm，因此选择正胶，采用正胶所需的版图如图11 所示。所谓正胶，就是在曝光后，曝光区可在显影液中溶解，而非曝光区则保留下来作为腐蚀掩模，正胶的分辨率高，在超大规模集成电路工艺中，一般只采用正胶。而负胶在曝光后，曝光区固化不可溶解，其分辨率差，适于加工线宽＞3 μm的线条。

图11 使用正胶所需的掩模版结构

3.2 制作工艺流程

工艺流程包括对晶片进行反复清洗、脱水和烘干、甩胶、前烘、曝光、显影、坚膜、腐蚀及去胶，工艺流程图如图12 所示。

图12 工艺流程图

4 结语

本文主要面向基于环形谐振腔与光波导耦合结构设计了微环腔生化传感器，并实现了环形谐振腔优化结构仿真模型的搭建，光波导宽度为0.5 μm，环形谐振腔和直波导的间距为50 nm，环形谐振腔的半径为10 μm，Q值为1 037。同时搭建了系统对其光学特性进行了测试，为环形谐振腔在应用方面的研究打下了坚实的基础。实验结果表明，该优化设计后的器件灵敏度有一定的提升。本文设计的生化传感器，可用来检测空气、液体中的生物浓度和反应等信息，非常适合作为对生化特种快速检测具有高要求的传感结构设计，具有广泛的应用前景。