Abstract
本論文提出一直接式光學生化傳感器之設計與製造的方法，其具有高靈敏度和低檢出限制(limit of detection, LOD)。根據先前研究指出，為了提高此傳感器的靈敏度和降低LOD，常使用以下兩種材料來實現：光子晶體(Photonic crystal, PhC)和多孔矽(Porous silicon, PSi)。如果光子晶體結構藉由侷限共振模式的電場能量來增加與分析物相互作用的能力，然後使用多孔矽本身結構的高孔隙率以允許大量的分析物的吸收於所增加的表面與穿透至多孔結構與電場相互作用。 本論文共分為6章和5個附錄。在第1章中介紹光子晶體結構及其製造方法。首先是有關光子晶體結構的一維、二維與三維能隙和計算方法。光子晶體像能隙和非線性的特殊性質使得它們有潛力發展成一高整合光路的微型元件。其中列出了不同的製造方法，包括eBeam蝕刻奈米圖形化結構，尤其應用於原型和小製造元件上，為一最常用的方法，後續也將進行詳細說明。挾帶著能隙和IC兼容製造的優勢，光子晶體結構被廣泛的應用於製作一系列的光電子裝置，包括光學生物感測器。 在第2章中，回顧一些已發表以光子晶體為基礎之無需標記生物傳感器，展示它們的結構設計和在生物感測上的結果。其中兩篇討論到接近光子晶體波導之光子晶體腔共振現象。在in-plane激發耦合從纖維至設備與發送信號被耦合出來承載腔區域的環境變化信息。三種設備是基於off-plane一維或二維光子晶體光柵共振方式，該in-plane配置解決現存難以對準的問題但仍具有高靈敏度。 第3章介紹我們的實驗裝置設計和模擬。從光子晶體的知識(第1章)與以光子晶體為基礎的生物傳感器概述(第2章)，引發我們製作一無需標記生物傳感器的動機，提出以光子晶體結構為基礎並結合多孔矽和懸浮的結構。此“3合1”功能將提高檢測的靈敏度和最小化生化傳感檢測限制。我們介紹二種裝置：一為in-plane光子晶體腔 - 光子晶體波導配置，另一為off-plane一維光子晶體之多孔矽結構。該裝置的設計和模擬將於本章內詳細介紹。 第4章著重於裝置的製造。利用矽與絕緣層覆矽(silicon on insulator, SOI)作為基板，透過微影、ebeam蝕刻技術與反應離子蝕刻矽基材，光子晶體結構依據設計和模擬結果來進行製作。多孔矽結構的形成係利用於氫氟酸溶液中進行電化學蝕刻方式來完成—固定蝕刻溶液(即濃度和反應溫度)，以不同的電流密度來決定矽基材上不同的孔隙率(孔洞密度和尺寸)，並可選擇具有不同的摻雜類型和摻雜程度(電阻率)的矽基材，而蝕刻時間將決定多孔矽的厚度。不同的孔隙度和光子晶體的晶格將製作來評估對於某些化學品和生物分析物的靈敏度和檢測極限。 第5章介紹為一些化學和生化分析相關之裝置測試。本論文中分別介紹兩個實驗裝置的設置方式：in-plane與off-plane的測量。第一方式設置中，利用一個近紅外雷射掃描範圍從1.2至1.6微米和一台光譜儀用於激發與建構一光譜設備。偏振器被使用於該設備是偏振依賴性和單模光纖的光耦合設備。在第二次方式之測量設置中，我們使用了兩組儀器設備：第一組包括倒立式顯微鏡配備高倍率物鏡(50X)、光源和高分辨率的光譜儀。一些標準使用的化學品在可見光波長範圍內被用於評估裝置的特性；第二組為使用高靈敏度的反射光譜設備VIS-670和FTIR4000(JASCO, USA)運用於中紅外波長範圍內的一些化學物質和蛋白質檢測。上述兩種裝置檢測的結果將得到的該裝置的靈敏度和檢測限制。 第6章結論和未來工作部份強調研究中就微奈米結構的製作與化學、生物檢測方面的成果等。以一個絕緣層覆矽為基材之二維光子晶體設計在一個二維光子晶體波導旁邊將提高了該裝置的靈敏度和降低檢測限制。三維的SU8菱鏡與超小角度放置以調整絕緣層覆矽波導來大大降低光纖波導相互聯繫的插入損耗，同時能夠保持信號不失真。其他類型的化學和生物傳感器是基於多孔矽結構的單一和多層設計和工作在UVIS和中紅外光範圍並在UVIS和FTIR4000光譜範圍中進行測試。由於高孔隙率的多孔矽結構所製成的裝置對於液體化學品與固體生物層結構有很高的靈敏度和非常低的檢測限制。另外，傅立葉轉換紅外光譜技術也有助於檢測並指出所分析存在於生物物質中官能基的特徵峰。 附錄。在這裡可以找到關於本論文所提及光子晶體的裝置，如光子晶體結構製作、三維SU8菱鏡製造、化學和電化學蝕刻技術以及生物分析物相關製備過程的詳細訊息。 發表。修習博士學位課程期間所發表相關論文著作。