专利名称：导电腔传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及导电腔传感器。
背景技术：
将电磁辐射局限在亚波长尺度的结构可以用作传感器。例如，如题为“Photonic Crystal Sensors”的美国专利No.10/799,020和题为“Apparatusfor Single Particle Detection”的美国专利No.11/078,785中所述并通过引用而全部结合于此的内容，介质光子晶体可以用于对光进行局限并用作传感器。
发明内容
根据本发明，用导电腔传感器可以对粒子含量或单个粒子进行检测。导电腔传感器包括电介质包围的导电杆的二维周期性晶格，周期性晶格中的缺陷用作感测用容腔。
图1A示出了根据本发明的一个实施例。
图1B示出图1A的实施例的截面图。
图1C示出根据本发明的一个实施例。
图2A示出根据本发明的实施例，透射率随频率的变化曲线。
图2B示出根据本发明的实施例，透射率随频率的变化曲线。
图2C示出根据本发明的实施例，透射率随频率的变化曲线。
图3示出根据本发明的多导电腔传感器结构。
图4示出根据本发明的一个实施例。
图5A-图5C示出制造根据本发明的一个实施例的步骤。
具体实施例方式
在根据本发明的一个实施例中，图1A示出带有缺陷区域129的导电腔传感器结构110的俯视图，图1B示出导电腔传感器结构110的截面图100。导电腔传感器结构110包括若干导电杆120和一对导电层150，所述导电杆由电介质围绕形成晶格常数为a的方形二维周期性晶格199。图1A所示二维周期性晶格199具有方形对称性，但根据本发明也可以使用三角对称或任何其他合适的对称性。注意，根据本发明的这些实施例是以晶格常数a为标度的。如图1B所示，导电层150通常厚度约为0.25a，并在顶部和底部都覆盖方形二维周期性晶格199。根据本发明的一个实施例，导电杆120通常的半径r约为0.34a，通常的长度约为0.5a。用介质波导125将通常来自适当的可调谐光源(未示出)的电磁辐射耦合进出导电腔传感器结构110。介质波导125可以制成锥形以提高它到导电腔传感器结构110的耦合。介质波导125通常的折射率nw约等于2，通常的宽度约等于晶格常数a，通常的厚度约为0.5a。通常处于光波长范围的波长为λ的电磁辐射由波导125沿[11]方向耦合进方形二维周期性晶格199。在所有计算中都假设导体具有完全的导电性。在1550nm附近的红外波长处，这对于例如金、银和铝的导体是近似成立的。但是在可见光波段，只有铝和银接近完全导体。
图1C示出了导电腔传感器结构180，并有助于理解根据本发明的导电腔传感器的支持理论。图1C中导电杆120的半径为0.28a，长度为0.5a。电磁辐射由介质波导125沿方形二维周期性晶格198的[11]方向耦合进出导电腔传感器结构180。介质波导125通常的折射率nw约等于2，通常的宽度约为a，通常的厚度约为0.5a。采用折射率nc约等于1.4的电介质围绕导电杆120。
根据本发明，可以改变导电腔传感器结构180中导电杆128的半径或将其完全除去以产生缺陷区域129(参见图1A)。图2A中的曲线275示出无扰动情况下透射率随频率的变化关系，其中导电杆128的半径与导电杆120相同，截止点在a/λ约为0.49处。光子带隙(没有允许的能级)从a/λ约为0处延伸到a/λ约为0.49的截止点处。曲线285示出了将导电杆128的半径减小到约0.1a对透射率随频率变化关系的影响。缺陷态出现在a/λ约为O.41处，低于a/λ为0.49的截止点。完全除去导电杆128并产生缺陷区域129对透射率随频率变化关系的影响如曲线295所示，它使缺陷态移动到a/λ更小的地方，约为0.28。
图2B示出增加图1A中杆120的半径的影响。图2C中的曲线240、250和260分别对应于半径为0.28a、0.31a和0.34a，长度为0.5a的导电杆120。电磁辐射由介质波导125沿方形二维周期性晶格199的[11]方向耦合进出导电腔传感器结构110，所述介质波导125通常的折射率nw约等于2，通常的宽度约为a，通常的厚度约为0.5a。导电杆120由折射率nc约等于1.4的电介质包围。曲线240、250和260表明，随着导电杆120的半径增加，缺陷峰从曲线240的a/λ约为0.29移动到曲线260的a/λ约为0.33处。类似地，截止频率从曲线240的a/λ约为0.50移动到a/λ约为0.55。
图2C示出沿导电腔传感器结构110的电磁透射。在图2C中，对于电介质折射率nc等于约1.2、约1.3和约1.4的情况，谐振210、220和230分别出现在a/λ等于约0.388、约0.359和约0.330处。这样得到的灵敏度的量度(Δλ/λ0)Δnc约为0.77。对于nc等于约1.2、1.3和1.4，导电腔传感器结构110的品质因数Q分别为约33、约19和约10，其中nc为导电腔传感器结构110的腔的折射率。增大导电腔传感器结构110的腔的折射率将使到介质波导125的泄漏增加，并产生减小Q值的效果。由于耦合较差会降低泄漏并使Q值更高，所以可以用Si作为用于介质波导125的材料。与上面引用并结合的美国专利No.10/799,020和美国专利No.11/078,785中所述的介质光子晶体相比，根据本发明的导电腔传感器结构110提供了比介质光子晶体更高的灵敏度量度，但是与介质光子晶体可能得到的Q因数相比，导体中的损耗通常使Q因数减小了。
图3示出多导电腔传感器结构301、302和303，它们直线排列并以逐渐变弱的方式耦合到波导325。逐渐变弱的耦合方式使电磁辐射可以不受阻碍地分布到导电腔传感器结构301、302和303。通常导电腔传感器结构301、302和303中每个都在不同的谐振频率处工作，并可以用于检测不同的微粒或分子。
图4以截面图形式示出根据本发明的导电腔传感器结构410。波导425将电磁辐射耦合进出导电腔传感器结构410，而导电板450中的孔415和420使材料可以通过以便由导电腔传感器结构410探测。例如，经过孔415将待探测的材料引入缺陷区域429，使谐振改变。如果已知粒子的折射率，即可确定特定溶液中的粒子浓度。类似地，如果已知小粒子的折射率，则通过谐振的改变，通常是基本谐振改变，即可确定缺陷区域429中存在引入的小微粒例如蛋白质分子。
例如，对于a/λ＝0.38处的谐振，设谐振波长改变了Δλ＝1nm，灵敏度(Δλ/λ0)Δnc＝0.774，导电腔传感器结构110用折射率nw＝1.32的水作为电介质。那么，对于引入的工作波长为1550nm或440nm的电磁辐射，如果蛋白质分子的标称直径分别为120nm或者50nm，即可检测到折射率np＝1.49的蛋白质分子。显然，在其他条件不变的情况下，更短的波长可以检测更小的微粒。
图5A-图5C示出制造根据本发明的导电腔传感器结构500的一系列步骤。图5A示出绝缘体上硅(SOI)晶片505，Si层515(参见图5B)的厚度约为0.25μm，Si02层508(参见图5B)的厚度在从约1μm到约3μm的范围内。通常用电子束曝光步骤在SOI晶片上限定Si波导的图样510，然后将该图样转移到下方的硅中。可以根据需要对Si波导的图样510赋予适当的锥度以便使光有效地进出导电腔传感器500。接下来进行Ti/Au覆盖层的蒸镀以覆盖SOI晶片505。将Ti沉积到约50埃的厚度，然后将金沉积到从约1000埃到约3000埃的厚度范围。之后用正性光刻胶进行遮蔽步骤，保护波导510之间的周期性晶格区域507。之后用标准刻蚀除去Ti/Au层的暴露部分。例如，可以分别用兼容的金刻蚀剂例如AUROSTRIP除去Au，用比例为100∶1的HF∶H2O混合物除去Ti。随后，将抗电子层530涂敷到约1500埃到约4000埃的厚度，接着涂敷约3μm厚的图像反转光刻胶层540(参见图5B)。
使用用于限定第一Ti/Au层的同一掩模，对图像反转光刻胶层进行曝光，并进行图像反转烘干。然后进行显影步骤，使二维周期性晶格区域507没有任何图像反转光刻胶材料(参见图5B)，并使下方的抗电子层暴露出来。然后将SOI晶片505装入电子束刻蚀机，对适当的周期性金属图样曝光并显影以在周期性晶格区域570中产生周期性晶格图样。然后通常沉积厚度约为50埃的Ti增粘层(未示出)，之后沉积Au层575直到约0.5μm的厚度，如图5B所示。然后，溶解图像反转层540使其剥离Au层575和Ti增粘层(未示出)中除了周期性晶格区域570之外的其他区域。然后，将剩余的抗电子层530溶解，留下气隙588，得到图5C所示的具有导电杆520和导电板550的导电腔传感器结构500。
尽管已经结合具体实施例对本发明进行了说明，但是对本领域技术人员来说，显然结合前述说明可以有许多替换、修改和变化。因此，本发明意在包括落在权利要求的精神和范围之内的所有其他的这种替换、修改和变化。
权利要求
1.一种导电腔传感器结构(110、180)，包括用于输入电磁辐射的介质波导(125、325、425)；以及由电介质包围的导电杆(120)的二维周期性晶格(199)，所述导电杆(120)的二维周期性晶格(199)包括晶格常数和缺陷区域(129)，能够从所述介质波导(125、325、425)接收所述电磁辐射，并在工作波长处将所述电磁辐射限制在所述缺陷区域(129)中。
2.根据权利要求1所述的结构，还包括导电层对(150、450)，所述导电层对(150、450)覆盖所述二维周期性晶格(199)的两个相反面。
3.根据权利要求1所述的结构，其中，所述二维周期性晶格(199)是方形晶格。
4.根据权利要求2所述的结构，其中，所述导电层对中的一个导电层(450)包括孔(415)。
5.根据权利要求1所述的结构，其中，所述导电杆(120)由银组成。
6.根据权利要求1所述的结构，还包括耦合到所述介质波导(125)的可调谐光源。
7.根据权利要求1所述的结构，其中，所述电介质是水。
8.根据权利要求1所述的结构，其中，所述电介质是空气。
9.根据权利要求1所述的结构，其中，所述介质波导(325)以逐渐变弱的方式耦合到由所述电介质包围的所述导电杆(120)的二维晶格结构(199)。
10.根据权利要求1所述的结构，其中，所述介质波导(125)(325)(425)由硅组成。
11.根据权利要求1所述的结构，其中，所述导电杆(120)的长度约为所述晶格常数的一半。
12.根据权利要求1所述的结构，其中，所述介质波导(125、325、425)有锥度。
13.一种多导电腔传感器结构(301、302、303)，以逐渐变弱的方式耦合到介质波导(325)，所述多导电腔传感器结构(301、302、303)的每一个结构包括多个由电介质包围的导电杆(120)的二维周期性晶格(199)之一，所述多个导电杆(120)的二维周期性晶格(199)的每一个包括缺陷区域(129)。
14.根据权利要求13所述的结构，其中，所述多个导电杆(120)的二维周期性晶格(199)中的每一个具有不同的晶格常数。
全文摘要
用导电腔传感器可以对粒子含量或单个粒子进行检测。导电腔传感器包括电介质包围的导电杆的二维周期性晶格，周期性晶格中的缺陷用作感测用容腔。
文档编号G02B6/00GK1940526SQ200610083008
公开日2007年4月4日 申请日期2006年5月25日 优先权日2005年9月26日
发明者米哈伊尔·M·西加拉斯, 蒂路玛拉·R·兰格纳斯 申请人:安捷伦科技有限公司