專利名稱：生物傳感器的制作方法
技術領域：
本發明為一種生物傳感器，特別是關于一種基于垂直腔表面發射激光共 振放大的的陣列式表面等離子共振傳感器，用以對微弱的生物檢測信號進行 光學放大，便于信號檢測。
背景技術：
生物傳感器由于具有特異性，針對特定的待測分析物，必需要有特定的 酶或反應物與待測分析物發生反應，然后依據反應前后電學、光學、質量等 特性的變化設計出多種類型的生物傳感器。由于生物分子之間的相互作用比 較微弱，若對弱信號處理不好，有可能會使有用信號被淹沒在干擾信號中。 目前在生物傳感領域用的比較廣泛的檢測方法是利用表面等離子共振
(Surface Plasma Resonance, SPR)效應來4企測生物反應信號。
表面等離子共振(SPR)檢測方法的原理主要是利用光線在金屬膜表面 發生全反射時，會在金屬膜中產生消失波，消失波與表面等離子波發生共振 時，檢測到的反射光強度會大幅度地減弱。對表面等離子共振傳感器而言， 一般都是改變金屬膜與被測表面的結構用來提高檢測靈敏度。如美國專利公 告號US 5，991，048所述，將金屬薄膜與被檢測表面的中間電介質層作為增加 靈敏度的途徑。然而，這些表面等離子共振技術都只利用了光線的單次或幾 次反射結果，信號未能被有效放大。
因此為了提高生物傳感器的檢測精度，有時不得不投入大量資金用于弱 信號的檢測及處理上，這樣將增加產品的生產成本。
發明內容
有鑒于上述課題，本發明的目的為提供一種生物傳感器，可對弱生物反 應信號實現光學放大，便于檢測電路的信號處理。
為達上述目的，本發明的生物傳感器，包括 一垂直腔表面發射激光陣 列，包括多個垂直腔表面發射激光器；以及一表面等離子共振單元，設置在垂直腔表面發射激光陣列上。其中垂直腔表面發射激光器依序包括一 P型布 拉格反射層、 一量子阱有源層以及一第一半導體層，表面等離子共振單元設 置在第一半導體層上。第一半導體層與表面等離子共振單元設置位于量子阱 有源層一側，構成了光學共振腔的一反射元件，P型布拉格反射層設置于量 子阱有源層的另 一側，構成了光學共振腔的另 一反射元件。
本發明提供的生物傳感器，結合垂直腔表面發射激光器的多次共振放大 特性，光子在光學共振腔中往返一次便受到光腔一個端面的表面等離子共振 調制，光子的能量也相應受到表面等離子共振單元表面生物分子信號的調 制，這樣經過光子的多次往返，金屬膜表面生物分子信號便可得到有效放大。 使得微弱的生物反應信號變得易于檢測，極大簡化了生物傳感器的檢測手 段。
圖1A及圖1B為本發明優選實施例的生物傳感器不同視角的立體以及
圖2及圖3為本發明兩種優選實施例的垂直腔表面發射激光器的剖面
圖
主要元件符號說明 1:生物傳感器
11:垂直腔表面發射激光陣列 111:垂直腔表面發射激光器 1111:量子阱有源層 1113:第一半導體層 12:表面等離子共振單元 14:粘合層 16:溝道
1112: P型布拉格反射層
1114: P型電^L
13:隔離區
15:特定生物分子
具體實施例方式
以下將參照相關附圖，說明依據本發明優選實施例的生物傳感器。 圖1A及圖1B為本發明優選實施例的生物傳感器不同視角的立體圖。 該生物傳感器1主要包括一垂直腔表面發射激光(Vertical Cavity Surface
4Emitting Laser, VCSEL)陣列11以及一表面等離子共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)單元12。表面等離子共振單元12設置在垂直腔表面發射激 光陣列11上。垂直腔表面發射激光陣列11包括多個垂直腔表面發射激光器 111。
圖2及圖3為本發明兩種優選實施例的垂直腔表面發射激光器的剖面 圖。請同時參照圖l至圖3，垂直腔表面發射激光器lll依序包括量子阱有 源層1111、 P型布拉格反射層(Distributed Brag Reflection layer) 1112以及第一
半導體層1113。量子阱有源層llll為激光的受激輻射^:大區域。P型布4立 格反射層1112及第一半導體層1113分別設置量子阱有源層1111的兩側，其 中第 一半導體層1113可以為N型布拉格反射層或N型載流子限制層。本實 施例的P型或N型布拉格反射層(DBR)是借由多層具有高、低折射率的半導 體層交錯設置而成，可部分反射激光、部分透射。本實施例的P型或N型布 拉格反射層(DBR)其亦可為單層設計，為一單層的半導體層。表面等離子共 振單元12設置在第一半導體層1113上，表面等離子共振單元12的功能是 產生表面等離子共振效應，同時具備反射激光的功能，表面等離子共振單元 12可以為一層薄的高反射金屬膜，其材料可以為金、銀、銅或其復合多層金 屬膜。P型布拉格反射層1112、量子阱有源層llll、第一半導體層1113及 表面等離子共振單元12形成光學共振腔，設置于量子阱有源層1111 一側的 P型布拉4各反射層1112為一反射單元，量子阱有源層1111另一側的第一半 導體層1113及表面等離子共振單元12構成了光學共振腔另一側的反射元 件，只有特定波長的激光可在光學共振腔中往返運動，由于需要將激光入射 到表面等離子共振單元12(金屬膜)上，因此第一半導體層1113可以為N型 布拉格反射層(如圖2所示)，需要合理設計其反射率等相應參數，也可在量 子阱有源層1111與表面等離子共振單元12之間不設計N型布拉才各反射層， 而是"i殳計為N型載流子限制層1U3(如圖3所示)。
再者，垂直腔表面發射激光器111還包括一P型電極1114設置在P型 布拉格反射層1112上，亦即，激光的出光面上，P型電極1114為一環形電 極，泵能量是通過向垂直腔表面發射激光的兩電極注入電流實現，在本發明 的優選實施例中，其中一個電極為P型電極，另一個電極為表面等離子共振 單元12(金屬膜)。當對兩電極注入電流時，量子阱有源層1111滿足粒子數 反轉分布條件，能夠激發光子的受激輻射過程，使得光子能量在光學共振腔中不斷被放大，最終以激光的形式輸出。須強調的是，垂直腔表面發射激光 陣列11的多個垂直腔表面發射激光器111是借由半導體相關制程同時形成。
生物傳感器1還包括隔離區13，設置于表面等離子共振單元12上，在 表面等離子共振單元12上方形成多個溝道16,與多個垂直腔表面發射激光 器lll對應，供待測分析物與綁定的特定生物分子15發生反應，其中隔離 區13可由高分子聚合物材料制成。生物傳感器1還包括粘合層14,覆蓋在 溝道16的表面等離子共振單元112上方，用于固定特定生物分子115,特定 生物分子115主要包括DNA片斷、抗原、抗體、酶、輔酶或其他生物小分 子等，用來與待測分析物中相應生物分子發生作用。當加入待測分析物時， 該特定功能生物分子將與待測分析物中的對應的功能單元發生生物反應，而 影響表面等離子共振單元12的反射率。經由適當的設計使出射波長的光子 入射到表面等離子共振單元12，因此反射的光子將會受到表面等離子共振單 元生物反應信號的調制。
當垂直腔表面發射激光器111電極兩端注入的電流不變時，激光器的輸 出功率應保持恒定，即使溫度改變導致激光功率發生波動，也是在小范圍內 變化。當將待測樣液滴到本發明的生物傳感器的溝道時，溝道內綁定的生物 分子將與待測液中相應生物分子發生反應。這樣將引起表面等離子共振單元 的表面等離子共振效應發生改變，此時入射到表面等離子共振單元的光子能 量將受到生物反應信號的調制。當受調制的光子在光學共振腔中往返運行多 次后在量子阱有源區將得到光學放大，表現在輸出的激光強度發生變化。因 此通過檢測并分析垂直腔表面發射激光器的輸出光強度變化便可分析對應 生物傳感器的生物反應信號變化。
本發明的傳感原理利用了表面等離子共振技術，垂直腔表面發射激光器 中的光子在入射到表面等離子共振單元時，大部分能量被全反射回光學共振 腔，有部分能量以消失波的形式被垂直腔表面發射激光表面等離子共振單元
的表面等離子吸收，當待測分析物與綁定在表面等離子共振單元的生物分子 發生反應時，消失波的大小將受到影響，從而導致反射的光子能量發生變化。 從損耗角度考慮，也可認為整個光腔的損耗因數發生變化。
承上所述，本發明提供的生物傳感器，結合了激光的光學放大特性及表 面等離子共振技術，光子在光學共振腔中往返一周時，除了在有源層引起受 激輻射，引起光信號放大外，同時光信號在表面等離子共振單元受到生物信號調制，從而改變輸出激光的強度。此時的光強度變化是光子多次受到表面 等離子共振單元調制的結果，實現了對弱生物反應的光學放大。本發明采用 的方法由于是對生物反應信號實現直接強度調制，因而信號檢測十分方便， 同時又因為結合了激光光學放大原理，克服了表面等離子共振單次檢測信號 比較弱的不足，使得后級微弱信號檢測電路比較容易實現。本發明的垂直腔 表面發射激光器易于制作高集成的陣列單元，因此利用本發明可方便設計出 高集成陣列式生物傳感器，非常適合于用在需同時測量多組生物信號的應用 場合。
以上所述僅為舉例性，而非為限制性者。任何未脫離本發明的精神與范 疇，而對其進行的等效^^改或變更，均應包括在本發明中。
權利要求
1.一種生物傳感器，包括一垂直腔表面發射激光陣列，包括多個垂直腔表面發射激光器；以及一表面等離子共振單元，設置在該垂直腔表面發射激光陣列上。
2. 根據權利要求1所述的生物傳感器，其中該垂直腔表面發射激光器包 括一P型布拉格反射層、 一量子阱有源層以及一第一半導體層，該表面等離 子共振單元設置在該第 一半導體層上。
3. 根據權利要求2所述的生物傳感器，其中該該第一半導體層與該表面 等離子共振單元設置于該量子阱有源層一側，構成了光學共振腔的一反射元 件，該P型布拉才各反射層設置于該量子阱有源層的另一側，構成了該光學共 振腔的另一反射元件。
4. 根據權利要求2所述的生物傳感器，其中該第一半導體層為N型布拉 格反射層或N型載流子限制層。
5. 根據權利要求2或4所述的生物傳感器，其中該N型或P型布拉格反 射層由多層具有高、低折射率的半導體層交錯設置而成。
6. 根據權利要求2或4所述的生物傳感器，其中該N型或P型布拉格反 射層為單層的半導體層。
7. 根據權利要求1所述的生物傳感器，其中該表面等離子共振單元為一 層薄的高反射金屬膜，該金屬膜的材質包括金、銀、銅或其復合多層膜。
8. 根據權利要求2所述的生物傳感器，其中該垂直腔表面發射激光器還 包括一 P型電極，設置在該P型布拉格反射層上，該P型電極為一環形電極。
9. 根據權利要求1所述的生物傳感器，其還包括隔離區，設置于該表面 等離子共振單元上，在該表面等離子共振單元上方形成多個溝道，對應于該 多個垂直腔表面發射激光器，該隔離區的材質為高分子聚合物材料。
10. 根據權利要求9所述的生物傳感器，其還包括一粘合層，覆蓋在該等 溝道內的該表面等離子共振單元上，用于固定一特定生物分子，與待測分析 物中相應生物分子發生作用。
11. 根據權利要求IO所述的生物傳感器，其中該特定生物分子包括DNA 片斷、抗原、抗體、酶或輔酶。
全文摘要
一種生物傳感器，包括一垂直腔表面發射激光陣列，包括多個垂直腔表面發射激光器；以及一表面等離子共振單元，設置在垂直腔表面發射激光陣列上。垂直腔表面發射激光器包括一P型布拉格反射層、一量子阱有源層以及一第一半導體層，表面等離子共振單元設置在第一半導體層上。
文檔編號C12Q1/00GK101592605SQ200810098500
公開日2009年12月2日 申請日期2008年5月30日 優先權日2008年5月30日
發明者湯玉琴, 程 王, 解亞平 申請人:臺達電子工業股份有限公司