Οπτικοί αισθητήρες για χημικούς / βιολογικούς προσδιορισμούς υλοποιημένοι με μικροτεχνολογία πυριτίου

Abstract

The present doctorate thesis suggests an optoelectronic device, entirely based on silicon, which can incorporate monolithically Mach-Zehnder interferometers advantages, by employing silicon technology. The aim of the thesis is the design, fabrication and characterization of a new integrated optical sensing device for biochemical analysis. The final device consists of the planar Mach-Zehnder interferometer waveguide (MZI), the broad band light source, the detector and the appropriate microfluidic device for the samples supply. The designed and fabricated MZI structure is operational in a broad range of visible-near infrared spectrum and it is the first time that is presented the concept of broad band interferometry (broad-band MZΙ, BB-MZΙ). The broad band spectrum increases the sensitivity of detection. Every wavelength is affected in the sensing arm, due to a binding event or refractive index change generating a phase change. The measurement of interference signal was realized through a monolithically integrated detector (fully-integrated approach) and through an external spectrophotometer (semi-integrated approach). The fully integrated approach can provide the ultimate integration level, while semi-integrated approach can be more sensitive and has the potential to be used for substance fingerprinting. The first step of the thesis involves the theoretical study of the suggested device operation so as to examine the light propagation in the waveguide by using commercial simulation software. Τhe BB-MZI fabrication was realized through monolithic integration of light source and detector to the waveguide. The next step is the sensors development for biochemical specifications. The study and evaluation of successful immobilization of biomolecules onto sensors surface is essential for their detection. The used characterization techniques are white light reflectance spectroscopy and atomic force microscopy. The final step is the biochemical materials deposition onto optoelectronic device sensing arm and their detection. The photocurrent changes (fully-integrated device) as well as the spectral changes (semi-integrated device) observed after the injection of the biochemical materials proved the ability of the fabricated device for detection of ultra thin deposited layers (immobilization of low-concentration biomolecules).

Στην παρούσα διδακτορική διατριβή προτείνεται μία οπτοηλεκτρονική διάταξη, βασισμένη εξ ολοκλήρου στο πυρίτιο που ενσωματώνει μονολιθικά τα πλεονεκτήματα των συμβολομέτρων Mach-Zehnder (ΜΖΙ) με τη χρήση της τεχνολογίας πυριτίου. Σκοπός της διατριβής είναι η σχεδίαση, η υλοποίηση και ο χαρακτηρισμός πρωτότυπης ολοκληρωμένης οπτικής αισθητήριας διάταξης για την ανάλυση βιοχημικών δειγμάτων. Η τελική διάταξη αποτελείται από τον επίπεδο κυματοδηγό ΜΖΙ, την πηγή φωτός ευρέως φάσματος, τον ανιχνευτή και την κατάλληλη μικρορρευστομηχανική διάταξη για την παροχέτευση του δείγματος. Η διάταξη ΜΖΙ που σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε είναι λειτουργική σε ευρεία περιοχή του ορατού-εγγύς υπερύθρου φάσματος και είναι η πρώτη φορά που παρουσιάζεται η ιδέα της συμβολομετρίας ευρέως φάσματος (broad-band MZI, BB-MZI). Η χρήση ενός ευρυζωνικού φάσματος αυξάνει την ευαισθησία στην ανίχνευση καθώς κάθε μήκος κύματος «επηρεάζεται» στον αισθητήριο κλάδο παράγοντας μια αλλαγή φάσης. Η καταγραφή του σήματος συμβολής πραγματοποιήθηκε μέσω ενός μονολιθικά κατασκευασμένου ανιχνευτή (πλήρως ολοκληρωμένη εκδοχή) και μέσω ενός εξωτερικού φασματοφωτομέτρου (ημι-ολοκληρωμένη εκδοχή). Η πλήρως ολοκληρωμένη εκδοχή παρέχει το μέγιστο βαθμό ολοκλήρωσης, ενώ με την ημι-ολοκληρωμένη εκδοχή υπάρχει η δυνατότητα ταυτοποίησης ουσιών και μεγαλύτερης ευαισθησίας. Το πρώτο στάδιο της διατριβής περιλαμβάνει τη θεωρητική μελέτη λειτουργίας της διάταξης για τη διερεύνηση της διάδοσης του φωτός μέσα στον κυματοδηγό με τη χρήση ενός εμπορικού λογισμικού προσομοίωσης. Η υλοποίηση του BB-MZI πραγματοποιήθηκε διαμέσου της μονολιθικής ολοκλήρωσης της πηγής φωτός και του ανιχνευτή με τον επίπεδο κυματοδηγό. Το επόμενο στάδιο είναι η ανάπτυξη αισθητήρων για βιοχημικούς προσδιορισμούς. Για την ανίχνευση βιομορίων με τις συγκεκριμένες διατάξεις, αξιολογήθηκε η ακινητοποίησή τους στην επιφάνεια των αισθητήριων διατάξεων. Οι τεχνικές χαρακτηρισμού των επιφανειών που έχουν χρησιμοποιηθεί είναι η συμβολομετρία ανάκλασης λευκού φωτός και η μικροσκοπία ατομικής δύναμης. Το τελευταίο στάδιο είναι η εναπόθεση των βιοχημικών υλικών στον αισθητήριο κλάδο της διάταξης. Οι μεταβολές στην τιμή του φωτορεύματος καθώς και οι φασματικές αλλαγές που καταγράφηκαν με την εισαγωγή των βιοχημικών υλικών απέδειξαν την ικανότητα της κατασκευασθείσας διάταξης για την ανίχνευση των υπέρλεπτων εναποτιθέμενων στοιβάδων (ακινητοποίηση βιομορίων πολύ μικρής συγκέντρωσης).