文档介绍：华中科技大学
硕士学位论文
基于微环谐振腔的免标记生物传感器
姓名:李振宇
申请学位级别:硕士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:周治平
20090515
华中科技大学硕士学位论文
摘要
以硅为主要材料(包括二氧化硅、氮化硅等)的微环谐振腔是一类非常重要的
光学器件。微环谐振腔具有较高的品质因数,由此能够获得较高的灵敏度和较低的
探测极限。同时,微环谐振腔的制作工艺与当前的微电子工艺完全兼容,使其可以
实现大批量生产,降低成本。此外,它还具有尺寸小、易于集成等优点。本文就是
利用微环谐振腔的上述优点,将其用于生物传感,初步实现免标记生物检测。
本文在国家自然科学基金的资助下,对基于微环谐振腔的免标记生物传感器进
行了研究,获得了以下成果:
在理论上,本文重点对单直波导微环谐振腔的工作原理、耦合模型进行了研究;
给出了自耦合因子和传输因子越接近 1 时,场增强因子越大的物理解释;用耦合相
位模型解释了临界耦合时,直波导输出端的光功率为零的现象。
在制作工艺上,对光刻、刻蚀等微电子工艺进行了学习与掌握。通过实验摸索,
对工艺参数与器件性能之间的关系有了较好的理解。通过优化工艺参数,制作了具
有较小表面粗糙度和较好侧壁垂直度的微环谐振器。
由于器件尺寸在微纳米量级,使得对器件性能的测试有别于一般的光学测试。
为此,构建了高精度的光学测试平台,并建立了完善的测试流程。在此过程中,解
D 聚焦的问题,提出了快速确定器件谐振特性的方法。
通过测试,获得了器件的特征参数,其品质因数可达 25000 以上。用不同浓度
的乙醇溶液进行测试,获得了器件对溶液折射率的探测灵敏度()
和探测极限(×10-4RIU)。用不同浓度的单链 DNA 分子进行测试,实验结果表
明,器件能够检测出 nmol/L 的分子溶液的浓度变化。

关键词:生物传感器微环谐振腔探测灵敏度 DNA检测
I
华中科技大学硕士学位论文
Abstract
Due to its naturally high Q factor, microring resonator has e an important
optical sensing device with high sensitivity and low detection limit. The microring
resonator is based on silicon, SiO2 and Si3N4 materials and can be realized with high-mass
production and low costs because its fabrication process is patible with the
micro-electronics processing technology. In addition, it has other advantages such as small
size, easy integration and so on. With its unique sensing mechanism, it can be used as
biosensor to realize label-free detection.
Supported by National Natural Science Fund, microring resonator based label-free
biosensor is studied and following results are obtained:
Theory of operating principle, coupling model of microring resonator coupled with
single straight waveguide is studied. Physical interpretation is given on the phenomenon
that field enhancement factor es larger as self-coupling factor and transmission
factor getting close to 1; coupling phase model is used to explain the zero output optical
power from straight waveguide on critical coupling co