基于高Q值环形微谐振腔倏逝场的MEMS生化传感芯片基础研究

实现污染化学气体、病原微生物、毒害人体化学气体的种类和浓度的快速检测，并采取行动快速应对，对国防、生产、生活均有着重要的意义。降低纳米光波导表面粗糙度，制造超低损耗纳米光波导，实现其高效片间光互连与片内光耦合，是集成光电子器件，特别是高灵敏生化传感器、探测器、光通讯等器件发展的关键，也是基础微腔物理、腔量子电动力学、量子光学、非线性效应研究的重要基础。本项目以高Q微谐振腔MEMS生化传感芯片制造为牵引，研究纳米光波导表面自由能最低原理，提出且利用粗糙度为亚纳米量级的硅基纳米光波导表面H2退火抛光工艺，结合XeF2硅基衬底局部刻蚀悬空工艺，实现小于0.01dB/cm超低损耗、Q参数优于106的CMOS硅基光波导环形谐振腔的制备；优化垂直耦合光栅技术及加工工艺，实现芯片之间高效互联，最终实现基于高Q微谐振腔的生化传感芯片，为研发新型高灵敏MOEMS生化传感器件打下基础。

近场光镊对微粒亚接触、无损伤、无污染的操纵，已经成为细胞生物学、微小力测量、微纳米器件加工等众多领域重要的研究工具，尤其在生物领域，已经实现了对细胞、病毒、细菌和DNA 分子的研究。从分辨率和灵敏度的角度来看，近场光镊是最有前景的操纵方法之一。因此，对近场光镊的研究至关重要。本项目在纳米光波导环形谐振腔优化设计、亚纳米精度光滑机理研究、纳米光波导对微米级粒子操控、检测及效应验证三个方面取得了主要进展；本项目对光纤锥区倏逝场进行研究，确定锥区倏逝场的存在以及影响倏逝场强度的因素。根据表面活性剂的功能和应用领域，选择阴离子表面活性剂作为聚苯乙烯微球的分散剂，克服了微球在溶液中团簇、不稳定的难题。此外，利用COMSOL Multiphysics 和MATLAB 软件对微纳光纤的倏逝场进行仿真分析。同时，对离光纤表面不同距离的倏逝场强度给出定量的实验结果。 然后研究光诱导介电泳的微粒操纵，针对介电泳芯片的结构制作，光点导层材料淀积参数的优化和加工。同时利用仿真分析验证介电泳对微粒操纵的可行性，得出一般操纵规律，并对影响光诱导介电泳力的各项因素进行特定分析，选取优化后的参数，最后，对纤芯直径为2μm 的微纳光纤光镊进行性能测试。相关研究成果为微纳光纤近场光镊在生物领域的应用提供重要的技术支持。