TW200921086A - Integrated quartz biological sensor and method - Google Patents

Description

200921086 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明有關於分子伽彳，且制是損於—種裝置，豆 整合光譜分析器（optical spectroscopy)以及奈米丘振^ (nan〇resonator)，作為監看與偵測生物分子的用途。’、° 【先前技術】 目前在各種應种，對生物藥賴泰f求十分迫切。 如何利用低價的拋棄式❹j H (sen㈣在很小的數量即能 地偵測出有害分子、DNA、病毒等等，顯得十分重要。、 先前已有數種方法發展來執行這種偵測，微機電 (Mu^electmmechanical，MEMS)技術在這個領域扮演了重要 的角色，因微機電感測器能夠以低價批次製造 processed)，並且能夠處理偵測很小數量的未知物質，極小量 的物質在icr12至ι〇-15公升都能被處理且量測出來。 奈米共振器與微米共振器分別為奈米（1〇_9)與微米（ι〇_δ)大 小等級。此種石夕基奈米共振器於實務中已展現出高達兆 赫(MHz)以及Q值可達1000至2〇〇〇之間的特性。庫貝納 (Kubena et al)在美國專利申請第1〇/426,931號中揭露一種方 法’用以I造並整合石英基底共振器(qUartz based郎〇⑽⑽） 至高速基板(substrate)上，以整合訊號處理，藉由結合新穎的 接合與蝕刻步驟產生極薄石英基底共振器，以達到超過 兆赫(MHz)的理想共振頻率。 拉哭光缙分析器(Raman spectroscopy)普遍應用在辨視分 子的官能團（functional group)，表面增強拉曼光譜偵測器 (Surface enhanced raman spectroscopy, SERS)提供強化偵測能 200921086 ^ j偵測10—12莫耳等級的化學物質及生物物種成為可行。-般來,，拉曼光言晋分析器提供了無接觸的分子即時__ :ejection) ’因此可避免樣本污染。、納坦^迦肪)在美國專 二35’5」4:767號及美國專利,請第11/132,471號中揭露 =用來提1面增強拉曼光譜侧^ _已知生物時之敏 、兒的方法’藉由製造並使用奈米顆粒(n_ i 又稱奈米標籤(nanotag)。 為了偵測生物物種，部份先前技術的感測器或許能具有 ^夠的選擇性但其敏銳性不^以監看ig_9.12莫耳等級的仏 J物種；另-方面，高敏銳性的感測器又不具有足夠』 ’以區別在分子等級的物件，這在分辨不_類的病毒中 ^頁的。因此需要有-種小型、便於使用、低錯誤率的感测 進被㈣之範’在於提供—種具選擇性、敏銳性及 準確度之感測器作為生物物種偵測，以解決上述問題。 【發明内容】 於本發明之一具體實施例中，次微米大小 sued)標籤(tag)或標記(label)可做為分子或細胞之光 η_ 藉由將這些標籤共價性或非共價性地固貼於各種大小^目庐 ，體，、至分子，大至肉眼可見之物體），可作為數= 疋、疋位、辨視及/或追蹤等用途。 里列 根據第一具體實施例，本發明提供—種裝置，其包含 質量伯測器(mass detector)以及一光學表面增強拉曼二 器。質量偵測器設置於-空腔(cavity)内，用以偵測—^測

光學表面增強拉曼光譜偵測器亦設置於該空腔内，用以偵、。I

該樣本。 、W 200921086 根據第二具體實施例，本發明提供一種裝置，用以偵測 並分析生物物種，其包含至少二晶圓；其中該至少二晶圓包 含質量偵測器及光學表面增強拉曼光譜偵測器；其中該光學 表面增強拉曼光譜偵測器包含垂直共振腔面射型雷射(vertical cavity surface emitting leaser, VCSEL);其中該垂直共振腔面 射型雷射，包含下金屬接點、第一分散式布拉格反射鏡 (distributed Bragg reflector，DBR)、具有一或多個量子井 (quantum well)的作用層(active layer)、第二分散式布拉格反射 鏡、上金屬接點，該裝置另包含繞射光桃（diffraction grating)、被全像型濾光片（holographically formed filter)包覆之 4貞測器陣列、被二色性濾、光片（dichroic filter)包覆之整合式分 光鏡及透鏡組合(integrated beamsplitter and lens assembly);其 中該二色性濾光片由複數個具有可變折射率的薄膜所構成。 根據第三具體實施例，本發明提供一種用以製造一裝置 之方法，包含提供質量偵測器、光學表面增強拉曼光譜偵測 器、第一空腔以及第二空腔，其中質量偵測器設置於第」空 腔内，用以分析分子，光學表面增強拉曼光譜偵測器設置於 第二空腔内，用以分析該分子。 根據第四具體實施例，本發明提供一種用以製造一感測 器之方法包各下列步驟.提供石英基板(quartz substrate); 提供至少一電極與至少一調控面板(tuning pad)至該石英基 板’知:供破操作晶圓(silicon handle wafer)，一空腔姓刻於該 矽操作晶圓中；接合該矽操作晶圓至該石英基板上；薄化該 石英基板；金屬化該石英基板；提供矽基晶圓(smc〇n以北 ^afer) 提供繞射光柵至該矽基晶圓；金屬化該矽基晶圓，·接 合該石英基板至該矽基晶圓，並隨後移除該矽操作晶圓，藉 以製造共振H ’·將石英從該共振H移除，以獲得修改共振器 (modified resonator);提供矽蓋晶圓(silic〇n cap评虹的，空腔 钮刻於該梦蓋晶圓巾；於财蓋晶圓上提供垂直共振腔面射 200921086 i 7 Ϊ供及透鏡組合至該矽蓋晶圓之頂表 圓；以及接合倒轉後之 §玄矽蓋晶圓至該修改共振器。 本發明揭露有關如何整合 盜S;=監;㈣之置 -晶片上，”利：石及光學偵測整合在至少 表面辦㈣央共_作為質量彻㈣，以及利用 制^供ί餘料光學偵邮’故能在生物物種 附圖精神可以藉由以下的發明詳述及所 【實施方式】 *測H力月單種其整合兩種分別且不同的偵測 ，包含了共振㈣_副 ΓΓΓΓ面增強拉曼光譜偵測器伽朊 提供，而表面增強拉曼光:二:= ίί 構成。此處提^ 一種新的概念 :成如=(::)。亦可同時強化奈米共二= 於絲增強拉曼光 振器上的標定區(SpeH^(=^vm米共 暴露於奈米顆粒77當中，i中)—之分子如抗原78 體—e 複合(以 )是口（办成奈未標籤），藉以再與抗原78 200921086 該分子奈米標籤複合物隨後導人標 中为子奈米標籤亦與標定區7〇表面之抗體°° 表面’其 依據本質特性可針對特定之抗原進行抗體75 亦然。故奈米顆粒77僅與特定捕獲抗體接合π。★獲抗體76 本發明確認表面增強拉曼光譜偵測哭 I顯著增加複合分子之重量，並強化共標籤亦

偏移進行判斷，於本發明稍後詳述率相對 供了表面增強拉曼光譜_器設置於一 ί腔器提 刻空腔），同時伴随量偵測，藉以提供餘 器’其同時具有高選擇性及敏銳性，此外’體積Hi， g及造價低廉’足以作為可拋棄使用。以發 知重里J 错偵測功能以及_共振鮮偏移進行生物抗_測。又先 Η 士古ΐϋ齡，可作為奈米誠的材料，提供質量增加同 ^有利於表面增強拉曼光譜制器的敏銳性。奈糊粒的附 者對拉曼訊號(Raman signal)的強化，由納坦…对肪)在美國 利公告第6,514,767號中提出，造成奈米顆粒與抗體附著使拉 支5化號強化的方法理論也在同一美國專利中由納坦提出。表 面增強拉曼光譜偵測器與金奈米顆粒之化學特性^納坦在^ 國專矛j公告第6,514,767號中提出。簡言之，納坦提出表面增 強拉曼光譜活性化合成奈米顆粒（SERS_active c〇mposite nanoparticles，SACNs) ’每一表面增強拉曼光譜活性化合成奈 米顆粒(此後表示為SACNs)各自包含了表面增強光譜活性化 金屬顆粒（SES-active metal nanoparticle)、亞單分子層 (submonolayer)、單分子層(monolayer)或多分子層(multilayer) 來自極度接近金屬表面的光譜活性化物種以及一個鞘殼 (encapsulating shell) ’ 鞍殼包含一聚合物Q)〇iymer)、玻璃(giass) 或其他任何介電物質(dielectric material)。此處提及之光譜活 200921086 性化分子(spectroscopy-active molecule)位於金屬奈米顆粒與鞘 Λ又之7丨面之間’此光谱活性化分子在此亦作為分析物 (analyte) ’與溶液中之物種不同’特此說明。更精確地說， SACNs是為金屬奈米顆粒其表面附著了 一個以上的拉曼光譜 活性化分子(在此作為分析物）。此種拉曼強化金屬與分析物 複合物(在此為一表面增強拉曼光譜活性化金屬奈米顆粒)隨 後被包覆或裝鞘於一鞘殼當中。在一較佳具體實施例中，此 鞘殼為一玻璃材質，而該表面增強拉曼光譜活性化合成奈米 顆粒(SACN)在此為玻璃包覆分析物負載奈米顆粒(glass_c〇ated analyte loaded nanoparticle, GAN)。 表面增強拉曼光譜活性化合成奈米顆粒(SACNs)是獨特 且可辨識的奈米顆粒，其可用於實務上以一個光學標籤標示 任何有需要的分子或物件，包含磁珠以及其他固態支撐 物的形式/生物分子能以一般技術輕易地結合到SACNs的外 表層，藉以使該分子作為生物化驗的光學標籤之用。實務 中，SACNs可以應用在任何採用光學標籤的化驗上，如同一 ，螢光標籤。然而’作為―個光學賴，SACNs比起營光桿 J具有^明顯的優點，這些優點包含極高敏銳的偵測效 性的—致性以及完全避免表面增強拉曼光譜術的 ^a^(photobleaching)^^^^^ffi(ph〇t〇d^^^ 〇 ^ 還包含各獨立SACNS與產生不同表面 ^強拉哭先瑨反應時可能造成的分解現象，至 ==在—侧單的拉曼絲伽下射分解的，這使 相異的SCANs來進行複合性化驗成為可行，其 外，sS自if f特可辨認的表面增強拉曼光譜反應。此 二型免侧式絲標籤，磁珠基組合 眚:二 ΐ sed combhatorial chemicai 彳列中，方案中的每個合成步驟都可以伴隨著將 CN連接到磁珠。磁珠的反應紀錄可以作為合成化合物的 10 200921086 ，見？二f夠透過判讀磁珠的表面增強拉曼光譜分析而決 疋，不而先行經過由磁珠上分離出SCANs。 、 士處提狀共振質齡析魏可彻Kubena在美國專利 ^ i提出的奈米共振器或微米共振器(例如 $片等級(微小等級）達成氨基化驗物制之方法^。 Kubena提^ 一種晶圓#包含複數個懸臂組件&邮❿咐 assembly)，母個懸臂組件包含懸臂構件㈣麻卿細她岣以 及了個微流道板(micro-channelplate)接合至該懸臂構件，其中 該微流迢板包含一微流道。每一個懸臂可被機能化 (ftmctionalize)，透過經由該微流道導入機能化物質流並將該 晶圓片切為複數個感測器。每一單一懸臂組件具有一基板 (substrate)，基板頂面上設置有控制與感應電極/並於基板背 面有蚀刻線圮號。此外，每一懸臂構件包含懸臂、種層(祀“ 1—)以及接觸點面板，設置於懸臂構件的頂面上。該微流道 板包含械流道谷槽，用以界定該微流道餘刻。該懸臂構件的 背面結合至該基板上，微流道接合至上述懸臂構件的頂面。 控制電子元件併入該基板以形成一完整的整合設計。 將抗體包覆於微機械共振器的方法簡述如下。將多孔管 (m^iifold)附著於奈米共振器晶圓的邊緣，以及一組氣體或液 體蒸氣具有金特性之黏合顆粒(例如：硫或硫醇類附屬物)允 許通過開口流過微流道，這些氣體被導向晶片上適當的懸臂 上，然後分子本身會附著到各懸臂頂端之金種層(g〇ld seed layer)。機能化物質的例子包含(但不受限於)如下，不同的基 序(base sequence)的合成5,硫代修飾的寡核苷酸(5, thi〇_ modified oligonucleotides)、大腸桿菌血清型(E c〇u ser〇type) 以及矽氧烷(siloxane)，其聚集在金的表面之後會聚合 (polymerize)，比如說形成一個聚二甲矽氧烷 (polydimethylsiloxane)或二次有機氣溶膠(s〇A)生物化驗物偵 200921086 ，薄膜。在本發明中’此血清型會代替抗體連結到 能化、之？占移除該多孔管，該晶片已準備好作最後的i切 icing) ’凡成之後該奈米共振器已可進行感測器操作。- 感測器的操作可以應用在許多標準模式 率下，以靜電方式刺激懸臂㈣制Ϊ 化學曝露造成的懸臂質量差動改變，果 ^mct_Ilzmg layers)的反應會導致懸臂的共振頻率的相^ 既然各別的作用層可以有不同的化學選擇性， 列的總體選擇性將高於單—的懸臂作用於單—的分子。^ 一地，作用層的化學變化可導致懸臂的壓力改變，以及= 不同懸臂之間的壓力相對改變可以由電容性、壓電、性 (|)iez〇electr1C)、壓電阻性(piez〇_resisive)變化加以觀察。包 :未包覆之懸臂間的差動摘測有利於消除溫度敏銳性。最 後，透過合併晶片内電阻加熱器，感測 物質的溫度釋放中恢復作用。 乂攸匕α應 、、，參閱圖二，根據本發明之一具體實施例之一種整合式 =盗裝置135，係以石夕基晶uj 2〇以及與其匹配之石夕蓋晶圓 二且成’兩者之卿成-空触容納奈料振H以及拉曼分 ^鏡。+如圖示及本發明所述，矽基晶圓包含石英奈米共振 器，矽蓋^圓包含近紅外線(Near化紅Red，NIR)雷射二極體 ? Μ貞㈣_(detectoi· array)120以及全像型滤光片包覆層

Hfaphie flto c〇ating)12^其中，全像型濾光片包覆層 a +為拉曼分光鏡之一部份(一併參閱圖四A到圖四⑺。如之 刖描$，該奈米共振器包含一附著有抗體75之共振器表面或 f振器標定區70。透過具選擇性的化學液體包覆於其上，使 抗體75僅能附著於共振器標定區7〇。如圖所示，^夕基晶圓 12 200921086 另包含光刻形成(lithographically formed)之繞射光柵50，包覆 以雷射拒絕用途之薄膜二色性濾光片（稍後詳述），並從而構 成拉曼分光鏡。單晶片近紅外線(小於800nm)雷射二極體9〇 設置於石夕蓋晶圓80内之餘刻空腔，並用整合式分光鏡11〇以 及聚焦透鏡115組合(亦於稍後詳述），以包覆該單晶片近紅外 線雷射二極體90。當矽蓋與矽基晶圓相連形成附著之後，共 振器標定區70之表面上的抗體75包覆層為近紅外線雷射^ 極體90所照射。由光刻形成繞射光柵5〇提供之波長分解可 由偵測器陣列120觀察，並可透過改變繞射光栅5〇與偵測器 陣列120之間的距離加以調整。 過使用本發明之感測器，如圖二所示，欲感測之液態 或氣恶的化學或生物試劑(例如抗原），被暴露至SCANs或捕 獲抗體中並與其複合。其中，該等SCANs或捕獲抗體最好與 金屬奈米顆粒複合，可得到較佳效果。完成後的液體隨後被 導入感測ϋ空腔。於此，試齡進—步與共振器上的偵測抗 ，複合’進而形成一個較大的複合物(偵測抗體—抗原—捕獲 抗體)於感測器的標定區70。標定區7〇其上包覆有三明治氨 基化驗物(sandwich amino assay)。此較大的複合物隨後，以共 振光譜分析器與整合式表面增強拉曼光譜偵測組件(例如垂直 共振腔面射型雷射90、繞射光柵50及偵測器陣列12〇)同步 進行分析。 為進行光學感測，以二極體雷射光束(垂直共振腔面射型 田射90)照射共振器70之表面作為表面增強拉曼光譜信號的 激發源，反射後之光線經由整合式分光鏡11〇導向繞射光柵 5=以進行波長分離。以二色性縣# %包覆該繞射光拇， 作為雷射線的拒絕(rejection)功能。波長分離之光線由一個線 性偵測器陣列12〇加以收集，以監看光強度(imensity)與波長 之間的相對關係。此偵測器陣列12〇以全像型濾光片125包 覆以反射瑞式散射(Rayleigh scattering)，即未偏移之光線。表 13 200921086 ί曼光譜信號其為抗體被_時的特徵，料Φ-i曰 譜效應為已知演繹推_，以 表面增強拉曼光 與已知生物藥劑之表面增強拉曼光H：丈應波長信號 藉由偵= 同時並行的_， 到共振頻钱移。該馳可觀察 加至表面造成的質量撣h不水私紙(奈未顆粒)77附 及表面增強拉曼光譜‘料於質量增加資料以 於圖三，圖二声千力、、、 央不未共振器的結果緣示 譜振幅為8·〇χ1〇ί, 關表面增強拉曼光 性方法可使祕1Gi耳濃度f) ’本發·露之極高敏銳 =閱圖四及圖五。根據本發明之一 感測器’首先執行步驟5選體實=中製造 k j板15於第—表面2卜如圖四 ：m周 選一矽晶圓。勃耔丰趣丨丁執仃步驟504，挑 Μ執仃步驟506，於該矽晶圓上形成—处胪，邗 接口至石央基板2〇的第一表面2ι = 呆作曰曰圓30 —調控板15封閉於空腔内，如圖四^所示電極1〇與第 並被金屬化，通谨v 25被形成 電極黯第通;1，立，癌板20上第一表面2i上第一 將石英基板苐二電極〗2之間。執行步驟训， 央基扳20金屬化，以形成接合面板之線路。 14 200921086 光姓刻高Sthog—tli 18，於—絲晶® 4G中形成 柵50。請參ed mesa)45以及光_繞射光 覆該繞射光栅50，苴中以二色性濾光片55包 度之複數個薄膜而形變;^率及厚 合區域60。 接者執仃步驟5U，金屬化其接 3〇 έ士 ’執行步驟524 ’將位於上方之石夕摔作曰圓 石面IC1。並執行步驟= G，執行步⑽，移除上方之°請參關四 請參閱圖四Η。共振p % i , π 53〇，透過將該共振執行步驟 英共振器79。請夂間八他石夬部份移除，形成石 原及捕獲抗體76。請參閱圖四κ 以曝露到抗 份之雷射二極體(例如垂吉妓 ^心驟538，接著將部 晶圓⑽上。執二54直〇?:;=射 板92。執行步驟542，在雷射又接點91以及η型基 式布拉格反射鏡95，透過J置:下分散 ®層的厚度為V4。 θ 了艾折射率之材料，該堆 17月參閲圖四L。執杆舟驟、 子物疊100作為雷射二極體之作dl量子井形成量 與量子井阻隔材料層疊起來‘曰由將量子井 式布拉格娜胳及上金編 15 200921086 上之雷射二極體(例如垂直共振腔面射型雷射90)。請參閱圖 四N。執行步驟548，增加整合式分光鏡組合11〇至石夕蓋^曰 圓。執行步驟550 ’設置一透鏡115至整合式分光鏡組合^ 的頂層表面。 請參閱圖四〇。執行步驟552，形成j貞測器陣列12〇至 石夕蓋晶圓之空腔底板上。請參閱圖四P。執行步驟554，以入 像型濾光片125包覆該偵測器陣列以拒絕瑞式散射(未偏移^ 光線）。請參閱圖四Q。最後執行步驟556，將該石夕蓋晶圓 130組合倒轉並接合至矽蓋晶圓之共振器組合79，形成二挤 量偵測器與一光學表面增強拉曼光譜偵測器整合於單一曰曰= 上之感測器135，如本發明前述之感測器丨35。 阳 如習知技藝之人所能了解的，本發明提出的感測器 與感測器可以用來偵測溶液中 的生物物種，以及用於大氣及其他氣體中環境中。此 種感測器足難健可以忍受必要的化學反應 = 行效果產生不利影響。 轨對其執 根據本發明，感測器之所有光學及機械組件 列的>里洛液當中。於一具體實施例中，至少—糸 该共振器以提供精確地傳送_抗體7 ^ =汗入 另-具體實施财，可將共的表面子。於 债測抗體75。 衣曲，又入，奋液之中以傳送 奶國四興圖五之實施例中7錄迎紅外 垂直共振腔面射型雷射9〇的雷射二極體。 射空腔，其射線以垂直於晶片表 祕、匕各—早電路f 射空腔由兩個分散式布拉格反射鏡95、fGf 置。剌 射鏡之間為―增益區，其總厚賴數微紐具：4個^ 16 200921086 100。在大量製造之下，垂直共振腔面射型雷射造價最 於使用且效率亦較現有之備型雷射為高。、取低便 I位於矽蓋晶圓80上之偵測器陣列12〇以微米大小等級之 製造式巧加以精確的製造程序，以容許用光學薄膜二色性包 覆於該薄單^板。因此薄膜層可以穿透薄金屬層沉積物連結 至基板上’藉由物理氣相沉積，又稱真空鍍膜(physical v叩沉 depos^tum，PVD) ’例如蒸發或是喷射’或是化學程序，例如 化學氣相》i^(chemical vapor deposition, CVD)。 根據本發明之實施例中進一步表示，全像型濾光片125 包覆層加1共振器矽蓋晶圓上，全像型濾光片包含數層，在 一大型，豐中各層同步記錄，因此此種陷波濾波器(notch filter)具尚光學密度及極窄之光譜頻寬。此外，由於其分層分 析圖為正，曲線而非方波，全像型陷波濾波器免於外來的反 射’可提供顯著較高的雷射破壞門檻（laser damage threshold)，描述之全像型濾光片可由蓋薩光學系統 Optical Systems)公司製造。該公司位於密西根州，負責人為 安•艾伯(Ann Arbor)先生。 、、 根據本發明之較佳具體實施例列舉如下： ,,1、 種褒置包含質量偵測器以及光學表面增強拉曼光 ^曰偵成I器。貝畺偵測器與光學表面增強拉曼光譜偵測器分別 設置在同-空腔内，用以_樣本。 2、如較佳具體實施例第1項所述之裝置另包含二晶圓 設置在該空腔内，用以界定空腔。 中質^偵^第1項或第2項所述之褒置，其 17 200921086 4、 如較佳具體實施例第1項或第2項所述之裝置，其 ，質量偵測器，石英基板構成’該石英基板包含第表面^ 第一表面，石英基板另包含至少一組第一電極與第二電極、 至少-個·面板、至少-個通道以及繞射光柵。該繞射光 栅被二色性慮光片包覆。其中第一電極設置在第一表面上， 第二電極設置在第二表面上，並且該至少一個 電極與第二電極。 弟一 5、 如較佳具體實施例第}項至第4項中任一 裝置，其巾該光學表面增強拉曼光譜侧器包含垂直 面射型雷射。該垂直共振腔面射型雷射包含下金 ς、\= -分散式布拉格反射鏡、作用層其具有—❹個量子井 二分散式布拉格反射鏡以及上金屬接點。該裝置 色性遽光片包覆之整合式分光鏡及透鏡組合、繞射以^ 被全像型濾'光4包覆的伽im_。其中該二色性 複數個具有可變折射率的薄膜所構成。 6、 如較佳賤實關第5項所述之裝置， 共振腔面射型雷射另包含11型基板。 〆、'^罝 7、 如較佳具體實施例第！項至第4項中任 數個微流道。微流連接該f量偵測器，用以 8' 一種製造如較佳具體實施例第1項至第7 項所，裝置的方法包含下列步驟:提供第一以= 提供先學表*增錄i 9、-種製造—感測器的方法 英基板、提供至少-電極盘至少驟·&供一石 i”、有工⑽刻於其中的石夕操作晶圓、接合石夕操作晶圓至 18 200921086 圓、、;二化石英基板、金屬化石英基板、提供石夕基晶 移除，以獲得修改共振器、提供具有一 ⑽蓋晶圓、於石夕蓋晶圓上提供垂直共振腔 表供整ΐ式分光鏡及透鏡組合錄蓋晶圓之頂 ^供胸η 1*至發蓋晶圓之頂表面、於梦蓋晶圓之空腔上 Ϊ^ίΐΐj ' 美杯H如較ΐ具^施例第9項所述之方法，其中該石英 二？if—表面與第二表面。該至少—電極包含第一電極 /、第—電極。第一電極位於石英基板之 =位=，板之第二表面上。石英基板另包含 遏’用來連接第一電極與第二電極。 11、如較佳具體實施例第10項所述之方法，盆 操作晶ϋ接合至該石英基板之該第—表面。& 中勒 U、如較佳具體實施例第10項或第U項所述之方法 其中該石英基板之該第二表面接合至該矽基晶圓。 13、 如較佳具體實施例第9項至第12項中任一項所述 之方法另包含以一二色性濾光片包覆該繞射光柵的步驟、。 14、 如較佳具體實施例第9項至第12項中任一項所述 之方法另包含提供至少一通道，穿透該矽蓋晶圓之該空腔的 步驟。 15、 之方法， 如較佳具體實施例苐9項至第12項中任一項所述 另包含以全像型濾光片包覆該偵測器陣列的步驟。 19 200921086 16、如較佳具體實施例第9項至 之方法，另包含以複數個抗體包覆該修改共^的ζ驟項所达 抗體16項㈣之方法，其中該等 18、如較佳具體實施例第16項所十 抗體藉由將該修改共振器浸入溶液中而提供。法，，、中該等 裝置1 用9於娜1觀第7射任—項所述之 2〇、如較佳具體實施例第9項至第 之方法而製造之裝置，用於生物物觀測。項中任一項所边 的為;====== 將本發明限縮於說明中所提及詳細内容，= ，人可根據本說明内容將本發明實施 二二= :的=變化的對習知技藝的從業= 外，晶圓可採用石夕以外的材料製成。此 ^ f 特定工作狀態、工程規格或相等性的特 主要庫用ϋ不限制將本發明轉用於不同領域。本發明目前 ^要於聲日种之領域，並可能促使於其他領ί中= 的元件主要範#如隨後專利申請範圍所提及，但其^ 示唯一的可能性，除非其中明顯註明。料 件:方法請顺狀部料論是元 &裝置相關之蝴為申請人所有，並不屬於大眾。 20 200921086 概念 簡單說明，本發明至少揭露廣意之概念如下·· 概念1. 一種裝置，包含： 一質量偵測器，設置在一空腔内，用以偵測一樣本；以 及 一光學表面增強拉曼光譜偵測器，設置在該空腔内，用 以偵測該樣本。 概念2.如概念第1項所述之裝置，另包含二晶圓，設置在該 空腔内，以界定該空腔。 概念3.如概念第1項或第2項所述之裝置，其中該質量偵測器 為一石英共振器。 概念4.如概念第1項或第2項所述之裝置，其中該質量偵測器 由一石英基板構成，該石英基板包含一第一表面與一第二表 面，該石英基板另包含： 至少一第一電極與一第二電極； 至少一調控面板； 至少一通道；以及 一繞射光柵，被一二色性濾光片包覆； 其中該第一電極設置在該第一表面上，該第二電極設置在該 第二表面上，並且該至少一通道連結該第一電極與該第二電 才虽〇 概念5.如概念第1項至第4項中任一項所述之裝置，其中該光 學表面增強拉曼光譜偵測器包含： 一垂直共振腔面射型雷射，包含： 一下金屬接點； 21 200921086 一苐一分散式布拉格反射鏡； 作用層’包含一或多個量子井； 一第一分散式布拉格反射鏡；以及 一上金屬接點； 該裝置另包含： ，厂$性濾光片包覆之整合式分光鏡及透鏡組合，其 該一色性濾光片由複數個具有可變折射率的薄膜 構成； 、 一繞射光栅；以及 一偵測器陣列，被一全像型濾光片包覆。 德第5項所狀裝置，其巾該垂直共振腔面射型 雷射另包含一η型基板。 既ί第if至第6項中任一項所述之装置，另包含 複數们被·道，連接該質賴·，用以傳遞分子偵測。 t8么严製造如概念第1項至第7項中任一項所述之裝置 的方法，包含下列步驟： 提供一第一空腔及一第二空腔； ^供一質量偵測器至該第一空腔；以及 提供-光學表面增強拉曼光譜偵·至 空腔 與該第二空腔。 概侧咐，峰下列步驟： 至少—調控面板至該石英基板； 二二 果作晶圓，—空腔蝕刻於該矽操作晶圓中； 接合該矽操作晶圓至該石英基板上； u r 薄化該石英基板； .、 ’ 金屬化該石英基板； 22 200921086 提供一矽基晶圓； 提供一繞射光栅至該矽基晶圓； 金屬化該矽基晶圓； 接ί該f英f板至該絲晶圓，並隨後移除該石夕摔作晶 圓，藉以製造一共振器； /诛作曰曰 將石英從該共振器移除，以獲得一修改共振器； 提供一矽蓋晶圓，一空腔蝕刻於該矽蓋晶圓中； $該矽蓋晶圓上提供一垂直共振腔面射型雷射，· 提ir整合式分光鏡及透餘合至财蓋晶®之一頂表 提供一透鏡至該矽蓋晶圓之該頂表面； 於該矽蓋晶圓之空腔上提供一偵測器陣列； 倒轉該矽蓋晶圓；以及 ’ 接合倒轉後之該矽蓋晶圓至該修改共振器。 概ί第9項所述之方法’其中該石英基板包含一 第表面與一弟二表面；其中該至少一電極肖 盥一第二雪搞.兮镑 +把， 电往包3 —弟一電極 ^基板另包含至少-通運，絲連接該第—電極與該第二電 =英如基方法’其中該賴纖合 :二===:述之方法，其中該石英基 概念13.如概念第8項至第12項中任— 含下列步驟： 唄之方法另包 以一二色性濾光片包覆該繞射光柵。 23 200921086 另包 另包 概念lfi如概念第8項至第13項中任一項 含下列步驟： 义万友 提供至少一通道，穿透該矽蓋晶圓之該空腔。 概念15.如概念第8項至幻4項 含下列步驟： 々叹之方法 提供一全像型濾光片，以包覆該偵測器陣列。 概念16,如概念第8項至第15項中 含下列步驟： ％叹之万法 以複數個抗體包覆該修改共振器。 概念第16項所述之方法，其中該等抗體經由至少 =‘==55方法’其中該等抗體胸該 =^^聰第7獅—销叙裝置，用於生 嫩—侧嫌而製造 24 200921086 【圖式簡單說明】 圖一繪示先前技術中利用金屬奈米顆粒以偵測一分子的 示意圖。 圖二繪示根據本發明之整合式感測器示意圖。 圖三繪示本發明中來自根據本發明之單一奈米共振器之 雙重量測資料的結果圖表。 圖四A至圖四Q逐步繪示根據本發明中製造奈米共振器 之方法。 圖五A至圖五B繪示圖四中之方法的流程圖。 【主要元件符號說明】 135 :感測器 70 :共振器標定區 80 .石夕盖晶圓 20 :石英基板 75 :抗體 50 :繞射光柵 115 :聚焦透鏡 120 :偵測器陣列 125 :全像型濾光片 15 :第一調控板 10 :第一電極 12 :第二電極 21 :第一表面 22 :第二表面 30 :矽操作晶圓 25 :通道 40 :矽基晶圓 45 :高台 25 200921086 60 :接合區域 79 :石英奈米共振器 75 :作用層 85 :微流道 76 :捕獲抗體 91 :下金屬接點 92 : η型基板 95 :下分散式布拉格反射鏡 100 :量子井 106 :上金屬接點 105 :上分散式布拉格反射鏡 9〇 :垂直共振腔面射型雷射二極體 110 :被二色性濾光片包覆之整合式分光鏡 500-556 :步驟 26

Claims (1)

1. 200921086 十、申請專利範圍： 1、 一種裝置，包含： 一質量偵測器，設置在一空腔内，用以偵測一樣本；以 及 一光學表面增強拉曼光譜偵測器，設置在該空腔内，用 以偵測該樣本。 2、 如申請專利範圍第1項所述之裝置，另包含二晶圓，設置在 該空腔内，以界定該空腔。 3、 如申請專利範圍第1項或第2項所述之裝置，其中該質量偵測 器為一石英共振器。 4、 如申請專利範圍第1項或第2項所述之裝置，其中該質量偵測 器由一石英基板構成，該石英基板包含一第一表面與一第二 表面，該石英基板另包含： 至少一第一電極與一第二電極； 至少一調控面板； 至少一通道；以及 一繞射光栅，被一二色性濾光片包覆； 其中該第一電極設置在該第一表面上，該第二電極設置在該 第二表面上，並且該至少一通道連結該第一電極與該第二電 極。 5、 如申請專利範圍第1項至第4項中任一項所述之裝置，其中該 光學表面增強拉曼光譜偵測器包含： 一垂直共振腔面射型雷射，包含： 一下金屬接點； 一第一分散式布拉格反射鏡； 一作用層，包含一或多個量子井； 一第二分散式布拉格反射鏡；以及 27 200921086 6、 7、 8、 9、 一 一上金屬接點； 該裝置另包含： 被—色性濾光片包覆之整合式分光 a 中該二色性減光片由游I初目 、透、兄、、且5 ’其 構成;β _旻數個具有可變折射率的薄臈所 一繞射光栅；以及 —偵測器陣列，被一全像型濾光片包覆。 如申♦專利範圍第5項所述 型雷射另包含__η型基板。褒置”中该垂直共振腔面射 專利範圍第j項至第4項中任 複數個微流道，雜雜包含 =造圍第1項至第7項中任-項所述之裝置 提供一第一空腔及一第二空腔； ，供一質量偵測器至該第一空腔；以及 提匕:表面增 一空腔與該 種製造-感測器的方法，包含下列步驟： 提供一石英基板； 至!:調控面板至該石細反； 接合該幾:曰:圓至該峨作晶圓中； 薄化該石英基板； 金屬化該石英基板； 提供一矽基晶圓； 提供一繞射光柵至該矽基 金屬化該矽基晶圓；土 晶圓 28 200921086 並隨後移除該矽操作晶 接合該石英基板至該矽基晶圓， 圓，藉以製造一共振器； =石英從該共振器移除，以獲得一修改共振器； 提供一石夕蓋晶圓，一空腔餘刻於該石夕蓋“;: 於該矽蓋晶圓上提供一垂直共振腔面射型雷射. 提=7整合式分綠及透餘合至㈣蓋晶圓之一頂表 曲， 提供一透鏡至該矽蓋晶圓之該頂表面； 於該矽蓋晶圓之空腔上提供一偵測器陣列； 倒轉該矽蓋晶圓；以及 接合倒轉後之該矽蓋晶圓至該修改共振器。 奮專利範圍第9項所述之方法，其中該 第-表面與一第二表面； 天土极已& 其中该至少一電極包含一第一電極盘一第_ 該第一電極錄該石英基板找[表第二電 極位於該石英基板之該第二表面上；以及 該基包含至少一通道，用來連接該第一電極與 該第二電極。 /、 u、圍第10項所述之方法’其中該矽操作晶圓接合 至該石央基板之該第一表面。 12、ΐίϊί利?fir或第11項所述之方法，其中該石英基 板之該第一表面接合至該矽基晶圓。 另包 I3、如申請專利範圍第9項至第丨2項中任—項所述之方 含下列步驟： 以一二色性濾光片包覆該繞射光柵。 另包 H、如申請專利範圍第9項至第U項中任—項所述之方 含下列步驟： 29 200921086 提供至少—通道，穿透财蓋晶ϋ之該空腔。 15、 如申請專利範圍第9項至第12 含下列步驟·· 、〒任項所述之方法，另包 提供-全像型遽光片，以包覆該偵測器陣列。 16、 如申請專利範圍第9項至第12項中任— 含下列步驟： 、 <之方法，另包 以複數個抗體包覆該修改共振器。 17、 如申明專利範圍第16項所述之方法，^ —微流道提供。 机體經由至少 18、 如申請專利範圍第16項所述之方法，p 修改共振器浸入溶液中而ί供方去其中射抗體猎由將該 用於生 19、 ==範圍第1項至第7項中任-項所述之裝置， A ^專:項中任一項所述之方法而製造 30