[发明专利]一种基于VCSEL耦合阵列的光学相位差的液体检测芯片

权利要求书

1.一种基于VCSEL耦合阵列的光学相位差的液体检测芯片，其特征在于：

S1.通过质子注入限制、光子晶体或腔诱导反波导技术，使VCSEL阵列各个发光单元的光场在器件内部耦合，单元间有固定的相位关系，从而制备出能够获得高光束质量相干光输出的VCSEL耦合阵列；

S2.通过微流控技术，在VCSEL耦合阵列表面出光区集成微流通道；当待测液体注入VCSEL耦合阵列表面的微流通道时，VCSEL耦合阵列单元间会产生相位差，使出射光束偏转，通过测量光束偏转角，计算出液体折射率。

2.按照权利要求1所述的一种基于VCSEL耦合阵列的光学相位差的液体检测芯片系统，其特征在于：

所述的VCSEL耦合阵列包含质子注入耦合阵列、光子晶体耦合阵列以及腔诱导反波导耦合阵列能够获得相干光输出的VCSEL耦合阵列。

3.按照权利要求1所述的一种基于VCSEL耦合阵列的光学相位差的液体检测芯片系统，其特征在于：所述的VCSEL耦合阵列的单元个数为M×N个，其中，M和N至少有一个大于等于2。

4.按照权利要求1所述的一种基于VCSEL耦合阵列的光学相位差的液体检测芯片系统，其特征在于：在VCSEL耦合阵列单元的上方可以制备两条或两条以上微通道；其中，一条作为液体检测通道，其他的微通道作为折射率填充通道；通过往折射率填充通道内注入已知折射率的液体，可以扩大芯片检测液体的折射率范围。

5.按照权利要求1所述的一种基于VCSEL耦合阵列的光学相位差的液体检测芯片系统，其特征在于：所述的VCSEL耦合阵列激光源采用分离电极设计，使每个VCSEL阵元有独立的电极，对VCSEL耦合阵列的每个阵列单元实现单独的电流控制。

6.根据权利要求1所述的一种基于VCSEL耦合阵列的光学相位差的液体检测芯片的制备工艺，其特征在于：首先生长VCSEL外延结构，然后采用质子注入、光子晶体或腔诱导反波导技术，通过光刻、溅射、PECVD、刻蚀、质子注入工艺制备出VCSEL耦合阵列，以获得相干光输出；利用光刻和溅射工艺，制备分离电极；接着采用PECVD在VCSEL阵列表面淀积一层厚度为3～10μm厚的SiO₂或SiN_x；Ni做掩膜用RIE刻蚀的方法在SiO₂或SiN_x上刻微流通道；将PDMS材料在硅片上培养皿内静置，PDMS的厚度为3mm，在温度为70-90℃的烘台上烘30分钟，制作厚度为3mm的固态的PDMS膜；用打孔器打在PDMS表面开出两个注射液体的孔；将PDMS键合到激光器表面；在PDMS的注射孔内插入钢针并用注射泵将液体注入微流通道内，在完成芯片的制作。

7.根据权利要求6所述的制备工艺，其特征在于：具体步骤包括如下：

步骤1、采用金属有机物化学气相淀积在N-GaAs上依次外延生长三十四对n-Al_(0.12-0.9)GaAs与n-Al_0.9GaAs构成DBR反射镜，Al_(0.12-0.9)GaAs/Al_0.9GaAs下限制层，三对Al_0.3GaAs/GaAs量子阱结构有源区，Al_0.9GaAs/Al_(0.12-0.9)GaAs上限制层，22.5对p-Al_0.12GaAs与p-Al_(0.9-0.12)GaAs构成DBR反射镜，p-Al_0.12GaAs与p-GaAs重掺杂接触层，完成VCSEL外延片的生长；

步骤2、利用等离子体增强化学气相淀积技术，在步骤1制备的外延片表面生长一层3.5μm的二氧化硅；

步骤3、利用光刻和溅射工艺，制备厚度为300nm金属Ni掩膜；

步骤4、利用感应耦合等离子体刻蚀方法刻蚀除出光孔外其他区域的二氧化硅，刻蚀厚度为3μm，余下0.5μm防止质子注入时产生沟道效应和控制质子注入深度，从而完成质子注入掩膜的制作；

步骤5、利用质子注入法在上述步骤4得到的样品中进行H⁺注入，第一次注入能量为315keV，第二次注入能量为250keV，两次注入剂量均为1E15cm^-2；

步骤6、利用光刻胶保护对版标记，用湿法腐蚀法去除外延片表面的二氧化硅；

步骤7、利用反转胶做光刻和溅射工艺在注入区正上方表面溅射厚度为的Ti/Au周边电极，用丙酮结合超声剥离掉出光孔区域的金属，即除出光孔区域无Ti/Au外，其他区域均覆盖有Ti/Au；

步骤8、溅射的AuGeNi/Au背面电极；

步骤9、利用快速热退火使片子形成良好的欧姆接触，完成VCSEL耦合阵列的制备；

步骤10、利用PECVD在上述得到的VCSEL耦合阵列表面生长一层6μm的SiO₂，利用镍做掩膜，用RIE刻蚀出液体通道，刻蚀厚度为5.5μm；

步骤11、在培养皿内放入大小相当的干净硅片底部，将PDMS材料倒入培养皿内，PDMS的厚度为3mm，静置，在温度为70-80℃的烘台上烘30分钟，这样我们的得到了厚度为3mm的固态的PDMS膜；

步骤12、切出0.8cm×1cm的方形型PDMS，并用打孔器在PDMS表面的打出用于液体注射的孔，最后将该PDMS与VCSEL耦合阵列进行键合；

步骤13、将钢针插入PDMS液体注射孔内，并用软管连接注射泵，用注射泵将液体注入微流通道。