美國南加州大學(University of Southern California;USC)的研究人員採用異質整合薄膜微型垂直腔面發射雷射器(VCSEL)與矽光電二極體(Si-PD)的方式,設計出一種完全封裝的軟性微流控螢光感測器。

這種軟性感測器的厚度僅幾微米,尺寸約幾平方公分(包括微流控通道聚合物塗層),經證實能以低至5×10-5%權重的發光體密度,執行多工、即時監測流經透明微流控通道的螢光分析。

研究人員採用在先前研究中開發出的轉印方法,在軟性聚對苯二甲酸乙二酯(PET)基板上實現異質共組過程,使其得以從其GaAs生長的晶圓剝離微型VCSEL薄膜,以及在以預定的圖案膠合元件之前從SOI基板剝離Si-PD,從而打造出軟性感測器。

使用這種轉印方法,研究人員得以突破傳統的半導體基板限制,使其能夠在較大面積的軟性、防水分層結構上設計感測器陣列——每一個感測器包括以Si-PD U型陣列包圍的發射型850nm微型VCSEL,每二個感測器之間均以金屬溝槽分離。

其光學堆疊還包括多層角度和波長可選的光譜濾波器,可減少微型VCSEL與Si-PD共整合之間的光學串擾,從而最佳化訊噪比(SNR),以及偵測螢光感測器的閾值,作為在微流控通道流通的發光體以及層疊於元件頂部的儲存槽。

20160621 sensor NT01P1 在PET基板上異質整合微型VCSEL與Si-PD的機械式軟性整合螢光感測器的(a)分層(左)與傾斜視圖(右);(b)在矽基板上共整合發射型850nm微型VCSEL與3μm Si-PD影像的彩色掃描電子顯微鏡(SEM)傾斜視圖。圖中顯示詳細的Si-PD摻雜佈署,包括n+-與p+-雜區域。(c)包覆於圓柱上PET互連螢光感測器的2x4陣列(彎曲半徑:12 mm)。

研究人員表示,所顯示的層壓彈性微流控與光感測器組裝均能可靠地執行螢光測量,即使是在彎曲半徑小至50mm時也能反覆進行彎曲。

有趣的是,該微型VCSEL(22×22μm2孔徑)在進行聚合物封裝後,其GaAs晶圓的輸出功耗並未降低,實際上卻是從大約4.5mW增加到5.3mW。研究人員認為原因就來自於雷射開孔頂部的聚合物層,導致傳輸雷射輸出增加。

針對具有分佈式感測器的較大面積上,這種軟性感測器陣列可用於同時檢測各種不同的發光體。最終,這些軟性光微流控將能在體內螢光感測或成像技術中找到應用於穿戴式診斷系統或甚至是可植入式裝置的方式。在這一類應用中,機械的靈活性將使感測器更能發揮作用。

編譯:Susan Hong

(參考原文:Micro-VCSELs and silicon photodiodes into flexible micro-fluidics,by Julien Happich)