生物感测器的制作方法

1.本发明实施例涉及一种生物感测器，尤其涉及一种具有光栅阵列的生物感测器。


背景技术：

2.近来，整合式感测装置已用于生物分析。对于这样的应用而言，可在生物感测器上放置生物物体(biometric objects)或生物样品，且可将生物物体或生物样品反射或发出的光线引导至生物感测器的光电二极管。因此，可判断及识别生物物体的轮廓或生物样品的生物特性以用于进一步的分析。
3.在生物感测器的演进过程中，为了追求较低成本并达到较高的产能，生物感测器的阵列密度一般通过减少间隔宽度或孔洞节距(well pitch)而增加。然而，减少阵列尺寸可能会导致操作时相邻孔洞之间的串扰，且可能无法精确地检测各个单独的荧光信号，进而造成不准确的分析结果。
4.虽然现有的生物感测器普遍符合它们的需求，但并不是在所有方面皆令人满意。因此，仍需要一种崭新且能够减少串扰的生物感测器。此外，也希望能够制造出一种可精确识别各种生物特征与生物反应的生物感测器。


技术实现要素：

5.根据本发明的一些实施例，提供一种生物感测器。生物感测器包括多个感测器单元。感测器单元各包括一或多个光电二极管、设置于光电二极管之上的第一孔径部件、设置于第一孔径部件上的中间层、设置于中间层上的第二孔径部件以及设置于第二孔径部件之上的波导器。第二孔径部件包括上光栅元件，第一孔径部件包括一或多个下光栅元件，且上光栅元件的光栅周期小于或等于一或多个下光栅元件的光栅周期。感测器单元其中一个中的上光栅元件与下光栅元件的第一偏振角度以及感测器单元邻近的其中一个中的上光栅元件与下光栅元件的第二偏振角度的绝对值差异为90
°
。
6.根据本发明的其他实施例，亦提供另一种生物感测器。生物感测器包括多个感测器单元。感测器单元各包括一或多个光电二极管、设置于光电二极管之上的第一孔径部件、设置于第一孔径部件上的中间层、设置于中间层上的第二孔径部件以及设置于第二孔径部件之上的波导器。中间层包括角度敏感滤层。第二孔径部件包括上光栅元件，第一孔径部件包括一或多个下光栅元件，且上光栅元件的光栅周期小于或等于一或多个下光栅元件的光栅周期。
7.以下实施例中参照所附附图提供详细叙述。
附图说明
8.搭配所附附图阅读后续的详细叙述与范例将能更全面地理解本发明实施例，其中：
9.图1a及图1b是根据本发明的一些实施例的生物感测器剖面图。
10.图1c是根据本发明的一些实施例的生物感测器俯视图。
11.图2是根据本发明的各种实施例示出感测器单元的俯视图。
12.图3a至图3d是光线穿过上光栅元件或下光栅元件的穿透光谱，上光栅元件与下光栅元件由各种材料所形成且具有各种光栅周期。
13.图4a及图4b是根据本发明的其他实施例，分别示出生物感测器的剖面图与俯视图。
14.图4c及图4d是根据本发明的其他实施例，分别示出具有偏置纳米孔洞的生物感测器的剖面图与俯视图。
15.图4e示出使用图4c与图4d所示的实施例提供的生物感测器来检测生物样品。
16.图4f至图4h是示出包括各种配置的下光栅元件的感测器单元的俯视图。
17.图5a及图5b是根据本发明的其他实施例，分别示出生物感测器的剖面图与俯视图。
18.附图标记如下：
19.10,20,30:生物感测器
20.100a,100b:感测器单元
21.102:基板
22.104:光电二极管
23.106:中间层
24.108:第一孔径部件
25.108a,108a1,108a2,108a3,108a4,108a5,108a6,108b,108b1,108b2,108b3,108b4:下光栅元件
26.110:第二孔径部件
27.110a,110b:上光栅元件
28.112:波导器
29.114:平台层
30.116:纳米孔洞
31.118:生物样品
32.a-a’,b-b’:线段
33.l1:第一部分
34.l2:第二部分
35.θ1:第一角度
36.θ2:第二角度
具体实施方式
37.以下详述本发明实施例的生物感测器。为了说明的目的，以下详细叙述中阐述许多特定细节与实施例以完整理解本发明实施例。以下详细叙述中所述的特定元件与状态是用以清楚描述本发明实施例。然而，此述的例示性实施例显然仅是为了说明而使用，本发明实施例的概念可以各种形式呈现而并非局限于这些例示性实施例。
38.此外，为了清楚描述本发明实施例，不同实施例的附图可使用类似及/或相对应的
数字，以表示类似及/或相对应的元件。然而，并不表示不同的实施例之间有任何关联。应能理解的是，此例示性实施例的叙述可配合附图一并理解，本发明实施例的附图亦被视为本发明实施例说明的一部分。附图并未以实际装置及元件的比例示出。此外，结构及装置是以示意的方式示出，以简化附图。
39.此外，当述及“一膜层位于另一膜层上方或之上”可指该膜层与其他膜层直接接触的情形。或者，亦可能是该膜层与其他膜层不直接接触的情形，在此情形中，该膜层与其他膜层之间设置有一或更多中间层。
40.此外，此说明书中使用了相对性的用语。例如，使用“下(lower)”或“上(upper)”来描述一个元件对于另一元件的相对位置。应能理解的是，如果将装置翻转使其上下颠倒，则所叙述在“下”侧的元件将会成为在“上”侧的元件。
41.应能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种元件、组件、区域、膜层及/或部分，这些元件、组件、区域、膜层及/或部分不应被这些用语限定。这些用语仅是用来区别不同的元件、组件、区域、膜层及/或部分。因此，以下讨论的第一元件、组件、区域、膜层及/或部分可在不偏离本发明实施例的教示下被称为第二元件、组件、区域、膜层及/或部分。
[0042]“约”一词通常表示在一给定值或范围的10％之内，较佳是5％之内，或3％之内，或2％之内，或1％之内，且更佳是0.5％之内。在此给定的数量为大约的数量，亦即在没有特定说明“约”的情况下，仍可隐含“约”的含义。
[0043]
除非另外定义，在此使用的所有技术及科学用语具有与本发明所属技术领域中技术人员所通常理解的相同涵义。应能理解的是，这些在通用字典中定义的用语，应被解读成具有与相关技术及本发明的背景或上下文一致的意思，而不应以理想化或过度正式的方式解读，除非在本发明实施例有特别定义。
[0044]
根据本发明的一些实施例，生物感测器包括多个感测器单元，且感测器单元各包括第一孔径部件(aperture feature)中的一或多个下光栅元件以及第二孔径部件中的上光栅元件。感测器单元其中一个中的下光栅元件与上光栅元件的第一偏振角度不同于邻近感测器单元中的下光栅元件与上光栅元件的第二偏振角度。因此，可减少邻近感测器单元之间的串扰(crosstalk)。此外，上光栅元件的光栅周期小于或等于下光栅元件的光栅周期，且下光栅元件的个别光栅周期可逐渐递增。生物样品发出或反射的光线穿过下光栅元件之后，可被分成具有不同光谱分布的数道光线，因此生物感测器可获得生物样品更详细的信息，且可轻易区分各种生物样品之间的差异。再者，当使用激发光照射生物样品(例如，通过波导器)时，具有特定光栅周期的上光栅元件可部分地阻挡激发光以避免对检测造成干扰。
[0045]
图1a及图1b是根据本发明的一些实施例的生物感测器10的剖面图，且图1c是根据本发明的一些实施例的生物感测器10的俯视图。参照图1a，生物感测器10包括多个感测器单元100a与100b。感测器单元100a与感测器单元100b各包括一或多个光电二极管104、第一孔径部件108、中间层106、第二孔径部件110以及波导器112。虽然图1a及图1b仅示出感测器单元100a与感测器单元100b中各包括一个光电二极管104，但各个感测器单元中光电二极管104的数量并非以此为限。在后续附图所示的其他实施例中，感测器单元可各包括一个以上的光电二极管104。
[0046]
光电二极管104设置于基板102中。在一些实施例中，在一些实施例中，基板102可以是如硅基板的半导体基板。再者，在一些实施例中，半导体基板也可以是元素半导体、化合物半导体、合金半导体或前述的组合。元素半导体包括锗。化合物半导体包括氮化镓(gan)、碳化硅(sic)、砷化镓(gaas)、磷化镓(gap)、磷化铟(inp)、砷化铟(inas)及/或锑化铟(insb)。合金半导体包括硅锗(sige)合金、磷砷化镓(gaasp)合金、砷化铝铟(alinas)合金、砷化铝镓(algaas)合金、砷化镓铟(gainas)合金、磷化镓铟(gainp)合金及/或磷砷化镓铟(gainasp)合金。
[0047]
光电二极管104可用以检测物体或生物样品反射或发出的光线。光电二极管104可将测量到的光线转换成电流信号，且可连接至金属氧化物半导体晶体管(未示出)的源极与漏极，而金属氧化物半导体晶体管可将电流传送到另一组件，例如另一金属氧化物半导体晶体管。其他组件可包括复位晶体管(reset transistor)、电流源极随耦器(current source follower)或列选择器(row selector)，以将电流转变为数字信号，但并非以此为限。
[0048]
在一些实施例中，中间层106设置于基板102与光电二极管104上。中间层106可包括介电材料、半导体材料、任何其他合适的材料或前述的组合。例如，介电材料可包括氧化硅(sio)、氮化硅(sin)、氮氧化硅(sion)、碳氧化硅(sico)、碳氮化硅(sicn)、碳氮氧化硅(siocn)或前述的组合。例如，半导体材料可包括硅、碳化硅、任何合适的半导体材料或前述的组合。在其他实施例中，中间层106可包括有机材料或聚合物材料。例如，有机材料或聚合物材料可包括光刻胶、苯并环丁烯(benzocyclobutene,bcb)、聚酰胺(polyamide)、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,pmma)或前述的组合。
[0049]
在一些实施例中，中间层106可以是透明的。更具体而言，中间层106的材料对于波长介于200nm至1100nm之间的光可具有大于90％的光穿透率，或较佳可具有大于95％的光穿透率。可利用合适的沉积技术如旋转涂布(spin-on coating)工艺、化学气相沉积(chemical vapor deposition,cvd)、物理气相沉积(physical vapor deposition,pvd)、原子层沉积(atomic layer deposition,ald)、其他合适的沉积方法或前述的组合来形成中间层106。
[0050]
第一孔径部件108设置于光电二极管104之上，且亦设置于中间层106上。各个感测器单元100a与感测器单元100b的第一孔径部件108分别包括一或多个下光栅元件108a与108b。如图1a所示，下光栅元件108a与108b各对应至一个光电二极管104。在感测器单元100a或感测器单元100b包括一个以上的下光栅元件108a或108b以及一个以上的光电二极管104的实施例中，下光栅元件108a与下光栅元件108b也可各对应至一个光电二极管104。
[0051]
中间层106也设置于第一孔径部件108上，且第二孔径部件110设置于中间层106上，使得一部分的中间层106夹设于第一孔径部件108与第二孔径部件110之间。各个感测器单元100a与感测器单元100b的第二孔径部件110分别包括上光栅元件110a与上光栅元件110b。同样地，感测器单元100a的上光栅元件110a与感测器单元100b的上光栅元件110b各对应至一个光电二极管104。在感测器单元100a与感测器单元100b包括一个以上的光电二极管104的实施例中，例如2个、4个或4个以上的光电二极管104，感测器单元110a的上光栅元件110a与感测器单元100b的上光栅元件110b可各对应至感测器单元100a与100b中的2个、4个或4个以上的光电二极管104。
[0052]
在一些实施例中，下光栅元件108a的光栅周期与下光栅元件108b的光栅周期相同，且上光栅元件110a的光栅周期与上光栅元件110b的光栅周期相同。然而，在其他实施例中，下光栅元件108a的光栅周期与下光栅元件108b的光栅周期不同，且上光栅元件110a的光栅周期与上光栅元件110b的光栅周期不同。
[0053]
此外，上光栅元件110a与110b的光栅周期小于或等于下光栅元件108a与108b的光栅周期。在感测器单元100a与100b分别具有一个以上的下光栅元件108a与108b的实施例中，上光栅元件110a与110b的光栅周期小于或等于所有下光栅元件108a与108b的光栅周期。然而，在各个感测器单元100a与100b中，个别的下光栅元件可具有相同或不同的光栅周期。
[0054]
上光栅元件110a与110b可具有特定的光栅周期以使具有特定波长的光线得以穿过。当使用激发光照射样品时，上光栅元件110a与110b可部分地阻挡激发光线穿过上光栅元件110a与110b。再者，下光栅元件108a与108b可具有比上光栅元件110a与110b更大或与上光栅元件110a与110b相同的光栅周期，以进一步阻挡剩余的激发光并筛选样品发出或反射的光线的特定光谱。
[0055]
一般而言，当下光栅元件108a与108b设计为具有比上光栅元件110a与110b更大的光栅周期时，只有较长波长的入射光可穿过下光栅元件108a与108b。因此，可达到光谱选择性的作用。
[0056]
再者，感测器单元100a中的下光栅元件108a与上光栅元件110a两者皆具有第一偏振角度，且邻近于感测器单元100a的感测器单元100b中的下光栅元件108b与上光栅元件110b两者皆具有第二偏振角度。如图1a所示，下光栅元件108a及上光栅元件110a的第一偏振角度与下光栅元件108b及上光栅元件110b的第二偏振角度彼此不同。更具体而言，任两个邻近的感测器单元(例如，图1c的俯视图所示的感测器单元100a与100b)中的下光栅元件与上光栅元件具有不同的偏振角度。
[0057]
本文所使用的“偏振角度”一词指的是以相对于此偏振角度有90
°
或270
°
的角度变化偏振的光线无法穿过具有此偏振角度的上光栅元件或下光栅元件。第一偏振角度与第二偏振角度的绝对值差异可大于0
°
且小于180
°
，例如为0
°
、45
°
、90
°
、135
°
或180
°
。在一些特定的实施例中，第一偏振角度与第二偏振角度的绝对值差异为90
°
。在此情况下，光线穿过感测器单元100a的下光栅元件108a与上光栅元件110a的偏振方向垂直于光线穿过感测器单元100b的下光栅元件108b与上光栅元件110b的偏振方向。由于任两个邻近的感测器单元中的下光栅元件与上光栅元件的偏振角度不同，可减少邻近感测器单元之间的串扰，且因此各个感测器单元可以高保真度的方式检测到来自物体或生物样品的光线信号。
[0058]
在一些实施例中，下光栅元件108a与108b于感测器单元100a与感测器单元100b的俯视图中可具有圆形形状、长方形形状、正方形形状或六角形形状。在一些实施例中，上光栅元件110a与110b于感测器单元100a与感测器单元100b的俯视图中可具有圆形形状、长方形形状、正方形形状或六角形形状。在感测器单元100a与100b分别具有一个以上的下光栅元件108a与一个以上的下光栅元件108b的实施例中，下光栅元件108a与108b于感测器单元100a与感测器单元100b的俯视图中可共同具有圆形形状、长方形形状、正方形形状或六角形形状。再者，在一些实施例中，在生物感测器10的俯视图中，下光栅元件108a与108b可形成纳米狭缝(nano-slit)阵列，且上光栅元件110a与110b也可形成纳米狭缝阵列(未示出)。
[0059]
第一孔径部件108与第二孔径部件110的材料可包括金属材料、半导体材料或前述的组合。例如，金属材料可包括al、cu、au、ag、w、ti或前述的合金，且半导体材料可包括sic。第一孔径部件108与第二孔径部件110的材料可彼此相同或不同。在一些实施例中，第一孔径部件108的厚度在约25nm至约500nm之间的范围，较佳为约50nm至约250nm之间。在一些实施例中，第二孔径部件110的厚度在约25nm至约500nm之间的范围，较佳为约50nm至约250nm之间。
[0060]
根据本发明的其他实施例，第一孔径部件108与第二孔径部件110可各包括金属层-绝缘层-金属层的堆叠。金属层可包括任何前述的金属，且绝缘层可包括sio2、al2o3或前述的组合。金属层-绝缘层-金属层的堆叠的各个金属层可具有约20nm至约150nm的厚度，例如为约40nm。金属层-绝缘层-金属层的堆叠的绝缘层可具有约60nm至约200nm的厚度，例如为约100nm。金属层-绝缘层-金属层的堆叠整体的厚度在约100nm至约500nm之间的范围，较佳为约100nm至约300nm之间。
[0061]
可对第一孔径部件108与第二孔径部件110分别进行图案化工艺，以形成具有所欲光栅周期与偏振角度的光栅元件。图案化工艺可包括光刻(photolithography)工艺与蚀刻工艺。在一些实施例中，光刻工艺可包括光刻胶涂布、软烘烤(soft baking)、硬烘烤(hard baking)、掩模对准、曝光(exposure)、曝光后烘烤、显影(developing)光刻胶、润洗(rinsing)、干燥或其他合适的工艺。在一些实施例中，蚀刻工艺可包括干蚀刻工艺，例如等离子体蚀刻(plasma etching,pe)、反应离子蚀刻(reactive ion etching,rie)、感应耦合等离子体反应离子蚀刻(inductively coupled plasma reactive ion etching,icp-rie)或前述的组合。如前文所述，下光栅元件108a、108b与上光栅元件110a、110b可根据设计需求而分别具有特定的光栅周期，但下光栅元件108a与108b的光栅周期大于或等于上光栅元件110a与110b的光栅周期。
[0062]
在一些实施例中，设置于第一孔径部件108与第二孔径部件110之间的中间层106可包括彩色滤层。例如，彩色滤层可以是拒斥滤层(rejection filter)，其可进一步过滤激发光而不让激发光进入光电二极管104。在其他实施例中，彩色滤层也可包括吸收滤层、干涉滤层、等离子体子超表面(plasmonic metasurface)结构、介电超表面结构或前述的组合。彩色滤层可以是单层结构或多层结构。
[0063]
在一些特定的实施例中，彩色滤层为角度敏感滤层(angle-sensitive filter)。当入射光以较大的入射角进入角度敏感滤层时，入射光波长于垂直角度敏感滤层方向的波长等效分量将会减少，因此导致入射光的光谱发生蓝移(blue-shift)。角度敏感滤层可以是介电干涉滤层，其通过交替沉积高折射率与低折射率的介电材料所形成。若在可见光波长范围的折射率大于约1.7，则此折射率视为高折射率。具有高折射率的介电材料可包括nb2o5、ta2o5、tio2、si3n4、al2o3、sih或前述的组合。若在可见光波长范围的折射率小于约1.7，则此折射率视为低折射率。具有低折射率的介电材料可包括sio2、al2o3、有机聚合物、空气或前述的组合。或者，角度敏感滤层可以是等离子体子滤层或介电超表面结构。
[0064]
此外，在一些实施例中，位于第一孔径部件108与第二孔径部件110之间的中间层106中可设置有至少一透镜。透镜聚焦来自样品的发射光或反射光，使得穿过数个膜层之后的发射光或反射光仍可维持足以检测的光线强度。
[0065]
参照图1a，中间层106也可设置于第二孔径部件110上，且波导器112设置于第二孔
径部件110与中间层106之上。从光源(未示出)发出的光线可通过波导器112传递至放置或固定样品的位置。波导器112可以是线性波导器或平面式波导器。
[0066]
如图1a所示，根据本发明的一些实施例，生物感测器10的感测器单元100a与感测器单元100b可各还包括设置于波导器112之上的平台层(platen layer)114。平台层114可为生物辨识(biometric identification)提供平坦的表面，例如辨识指纹或物体的轮廓。
[0067]
在一些实施例中，平台层114可以是透明或半透明的。更具体而言，在平台层114为透明的实施例中，平台层114的材料对于波长介于400nm至750nm之间的光可具有大于85％的光穿透率，或较佳可具有大于92％的光穿透率。在平台层114为半透明的实施例中，平台层114的材料对于波长介于400nm至750nm之间的光可具有大于25％且小于85％的光穿透率。
[0068]
平台层114的材料可包括氧化硅(sio2)、非晶硅(amorphous silicon,a-si)、氧化铝(al2o3)、氧化铌(nb2o5)、聚合物或前述的组合。例如，聚合物可包括苯并环丁烯(bcb)、聚酰亚胺(pi)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、环状烯烃聚合物(cyclic olefin copolymer,cop)、聚碳酸酯(pc)、另一合适的材料或前述的组合，但并非以此为限。可利用溅镀(sputtering)、蒸镀(evaporation)、旋转涂布、化学气相沉积、分子束沉积(molecular beam deposition)、任何其他合适的工艺或前述的组合来形成平台层114。例如，化学气相沉积工艺可包括低压化学气相沉积(low-pressure cvd,lpcvd)、低温化学气相沉积(low-temperature cvd,ltcvd)、快速加热化学气相沉积(rapid thermal cvd,rtcvd)、等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced cvd,pecvd)、原子层沉积或前述的组合。
[0069]
在一些实施例中，可修饰平台层114一部分的表面，使得仅有修饰的部分可捕获所欲的生物样品。例如，可修饰平台层114表面上的一些官能基以捕获所欲的生物样品。此外，可进一步修饰上述平台层114表面的修饰部分以增强生物样品的固定效果。例如，在一些实施例中，可使用自组装单层(self-assembly monolayer,sam)、功能聚合物或水凝胶(hydrogel)来涂布或处理平台层114，以将生物样品固定于特定位置而便于进行检测。生物样品可根据其重量、尺寸、表面电荷或凡得瓦力(van der waals force)等而固定于平台层114。
[0070]
参照图1b，生物感测器10的感测器单元100a与感测器单元100b各具有纳米孔洞(nanowell)116，纳米孔洞116形成于平台层114中。欲检测的生物样品可容置于纳米孔洞116中。可在沉积平台层114之后于平台层114中形成开口而形成纳米孔洞116。同样地，可使用如前文所述的相似方法来修饰纳米孔洞116的表面以增强生物样品的固定效果。
[0071]
接着，参照图1c，图1c示出图1b所示的生物感测器10的俯视图。应注意的是，仅是为了简易起见，除了纳米孔洞116，图1c及后续附图的俯视图中省略了第一孔径部件108之上的膜层或元件。在一些实施例中，纳米孔洞116可设置于各个感测器单元100a与100b的对称中心。然而，在其他实施例中，纳米孔洞可偏置于(offset)各个感测器单元100a与100b的对称中心。
[0072]
图2是根据本发明的其他实施例，示出具有一个以上的下光栅元件108a的感测器单元100a的俯视图。如前文所述，感测器单元100a的第一孔径部件108可包括一个以上的下光栅元件108a，其定义出m
×
n光栅阵列，其中m与n为正整数且可相同或不同。例如，在图2的左侧，感测器单元100a的第一孔径部件108包括9个下光栅元件108a，其定义出3
×
3光栅阵
列。在图2的右侧，感测器单元100a的第一孔径部件108包括16个下光栅元件108a，其定义出4
×
4光栅阵列。此外，纳米孔洞116可位于下光栅元件108a所定义的光栅阵列的对称中心。虽然所有下光栅元件108a于图2中为示出具有相同的光栅周期，但应可理解各个感测器单元100a可包括具有不同光栅周期的数个下光栅元件。
[0073]
虽然下光栅元件108a于图2中为示出具有相同的光栅周期，但应注意的是下光栅元件108a可具有彼此相同或不同的个别光栅周期，将于下文更加详细地描述。
[0074]
图3a至图3d是光线穿过下光栅元件或上光栅元件的穿透光谱，下光栅元件或上光栅元件分别由al、cu、au与ag所形成且具有各种光栅周期。如图3a至图3d所示，具有较大光栅周期的上光栅元件或下光栅元件可使波长较长的入射光穿过并阻挡波长较短的入射光。例如，图3a中，波长大于500nm的入射光可具有大于80％的光穿透率，且能够穿过光栅周期为250nm的下光栅元件或上光栅元件。当使用光栅周期为400nm的下光栅元件或上光栅元件时，仅有波长大于600nm的入射光可穿过下光栅元件或上光栅元件。此外，不同材料也可能会造成不同的光谱选择性。因此，可通过选择合适的材料并调整下光栅元件与上光栅元件的光栅周期来达到所欲的光谱选择性。
[0075]
图4a与图4b是根据本发明的其他实施例，分别示出生物感测器20的剖面图与俯视图。如图4a与图4b所示，感测器单元100a与100b分别具有两个下光栅元件108a1、108a2及下光栅元件108b1、108b2。一个感测器单元中，两个下光栅元件定义出1
×
2光栅阵列。例如，下光栅元件108a1与108a2于感测器单元100a中定义出1
×
2光栅阵列，且下光栅元件108b1与108b2于感测器单元100b中定义出1
×
2光栅阵列。
[0076]
在这些实施例中，下光栅元件108a1的光栅周期小于下光栅元件108a2的光栅周期，且下光栅元件108b1的光栅周期小于下光栅元件108b2的光栅周期。上光栅元件110a的光栅周期小于或等于下光栅元件108a1的光栅周期，且上光栅元件110b的光栅周期小于或等于下光栅元件108b1的光栅周期。各个下光栅元件对应至一个光电二极管104。来自生物样品的发射光或反射光穿过各个感测器单元100a与100b中的两个下光栅元件108a1、108a2或108b1、108b2可被分成具有两种光谱分布类型的两个部分，且各个部分可被一个光电二极管104所检测。因此，可从行经个别感测器单元的发射光或反射光获得更多的信息。
[0077]
此外，感测器单元100a中的上光栅元件110a与下光栅元件108a1、108a2具有第一偏振角度，且感测器单元100b中的上光栅元件110b与下光栅元件108b1、108b2具有第二偏振角度，第一偏振角度与第二偏振角度不同。因此，可减少邻近的感测器单元100a与100b之间的串扰。在一些特定的实施例中，第一偏振角度与第二偏振角度的绝对值差异为90
°
。
[0078]
参照图4c与图4d，图4c与图4d是根据本发明的其他实施例，分别示出具有偏置纳米孔洞116的生物感测器20的剖面图与俯视图。在图4c与图4d所示的实施例中，第一孔径部件108与第二孔径部件110之间的中间层106包括角度敏感滤层。各个感测器单元100a与100b的纳米孔洞116偏置于由下光栅元件108a1、108a2与108b1、108b2所定义的个别光栅阵列的对称中心。再者，纳米孔洞116与光栅周期较小的下光栅元件108a2或108b2之间的距离小于纳米孔洞116与下光栅元件108a1或108b1之间的距离。
[0079]
图4e示出使用图4c与图4d所示的生物感测器20来检测生物样品118。通过以波导器112传输的光线照射生物样品118，生物样品118可产生发射光或反射光线。发射光或反射光的第一部分l1以第一角度θ1进入上光栅元件110a(也就是说，以第一角度θ1进入下光栅
元件108a1)，且发射光或反射光的第二部分l2以第二角度θ2进入上光栅元件110a(也就是说，以第二角度θ2进入下光栅元件108a2)。第一角度θ1大于第二角度θ2，因为纳米孔洞116偏置于感测器单元100a的对称中心且较接近下光栅元件108a2。
[0080]
发射光或反射光的第一部分l1穿过第一孔径部件108与第二孔径部件110之间的中间层106中的角度敏感滤层之后，发射光或反射光的第一部分l1由于角度敏感滤层造成的蓝移现象而将具有较短的波长。因此，需要光栅周期较小的下光栅元件以用于光谱选择，例如感测器单元100a中的下光栅元件108a1与感测器单元100b中的下光栅元件108b1。另一方面，发射光或反射光的第二部分l2穿过角度敏感率层之后，发射光或反射光的第二部分l2具有比第一部分l1更长的波长。因此，需要具有较大光栅周期的下光栅元件，例如感测器单元100a中的下光栅元件108a2与感测器单元100b中的下光栅元件108b2。
[0081]
图4f至图4h为示出包括各种配置的下光栅元件的感测器单元100a的俯视图。图4f至图4h中的感测器单元100a与图4d所示的实施例中的感测器单元100a相似，但图4f中的感测器单元100a具有定义出2
×
2光栅阵列的四个下光栅元件，且图4g与图4h中的感测器单元100a具有定义出3
×
3光栅阵列的九个下光栅元件。
[0082]
在感测器单元100a包括一个以上的下光栅元件的实施例中，各个下光栅元件的光栅周期随着下光栅元件与纳米孔洞116之间的横向距离增加而减少。于此使用的横向距离可以是沿着x方向或y方向下光栅元件与纳米孔洞116之间的水平距离。图4f中，感测器单元100a具有一个下光栅元件108a1、两个下光栅元件108a2及一个下光栅元件108a3。下光栅元件108a3的光栅周期小于下光栅元件108a2的光栅周期，且下光栅元件108a2的光栅周期小于下光栅元件108a1的光栅周期。
[0083]
以较大入射角进入下光栅元件的发射光或反射光可能会具有较弱的光线强度。因此，随着下光栅元件与纳米孔洞116之间的横向距离增加，需要更多光栅周期较小的下光栅元件以获得足以进行分析的光线强度。例如，图4g中，感测器单元100a包括3个下光栅元件108a4、3个下光栅元件108a3、2个下光栅元件108a2及一个下光栅元件108a1。在所有下光栅元件之中，下光栅元件108a4距离纳米孔洞116最远，因此具有最小的光栅周期。相较之下，下光栅元件108a1最接近纳米孔洞116，因此具有最大的光栅周期。
[0084]
图4h中，感测器单元100a包括3个下光栅元件108a6、两个下光栅元件108a5、一个下光栅元件108a4、一个下光栅元件108a3、一个下光栅元件108a2及一个下光栅元件108a1。在图4h所示的实施例中，纳米孔洞116设置于下光栅元件108a1、108a2、108a3与108a4所定义的光栅阵列的中心。下光栅元件108a1-108a4具有彼此不同的个别光栅周期。同样地，与纳米孔洞116距离最远的下光栅元件108a6具有最小的光栅周期，且比下光栅元件108a6更接近纳米孔洞116的下光栅元件108a5具有比下光栅元件108a6更大的光栅周期。下光栅元件108a1-108a4可形成具有不同的光栅周期以进行更多元的光谱选择。此外，下光栅元件108a1-108a4的配置并不局限于图4h中所示。下光栅元件108a1-108a4可任意地排列，只要下光栅元件108a1-108a4是以2
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2的方式排列并位于纳米孔洞116的正下方。
[0085]
参照图5a与图5b，图5a与图5b是根据本发明的其他实施例，分别示出生物感测器30的剖面图与俯视图。图5a与图5b所示的生物感测器30与图4a与图4b所示的生物感测器20相似，但感测器单元100a与100b各具有以2
×
2的方式排列的四个下光栅元件。生物感测器30的感测器单元100a与感测器单元100b的剖面图是分别沿着线段a-a’与线段b-b’所提取。
虽然图5b示出感测器单元100a与100b是如何沿着x方向交替排列而设置，但应注意的是，感测器单元100a与100b也可以以相同的方式沿着y方向设置。
[0086]
在一些实施例中，下光栅元件108a1-a4可具有逐渐递增的个别光栅周期，且下光栅元件108a1-108a4的个别光栅周期小于上光栅元件110a的光栅周期。在其他实施例中，下光栅元件108a1-108a4其中一个或一个以上可具有与上光栅元件110a相同的光栅周期。如前文所述，感测器单元100a中的下光栅元件108a1-108a4与上光栅元件110a的第一偏振角度与感测器单元100b中的下光栅元件108b1-108b4与上光栅元件110b的第二偏振角度不同。此外，在图5a与图5b所示的实施例中，纳米孔洞116位于下光栅元件108a1-108a4或108b1-108b4所定义的2
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2光栅阵列的对称中心。
[0087]
虽然在前文提及的附图中示出了1个、2个与4个下光栅元件，但应能理解的是各个感测器单元中下光栅元件的数量并不以此为限。在其他实施例中，感测器单元可各具有定义出m
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n光栅阵列的多个下光栅元件，其中m与n为正整数且可相同或不同。
[0088]
总结以上，根据本发明的一些实施例，生物感测器的感测器单元可各具有一个上光栅元件与一或多个下光栅元件。感测器单元其中一个中的上光栅元件与下光栅元件的第一偏振角度不同于邻近感测器单元中的上光栅元件与下光栅元件的第二偏振角度。因此，可减少邻近感测器单元之间的串扰。再者，下光栅元件可具有逐渐递增的个别光栅周期，且下光栅元件的个别光栅周期大于或等于上光栅元件的光栅周期。具有这样下光栅元件的生物感测器可以精准的方式检测物体或生物样品，且可轻易区分各种物体或生物样品之间的差异。
[0089]
虽然已详述本发明的一些实施例及其优点，应能理解的是，在不背离如本发明的保护范围所定义的发明的精神与范围下，可作各种更动、取代与润饰。例如，本发明所属技术领域中技术人员应能轻易理解在不背离本发明的范围内可改变此述的许多部件、功能、工艺与材料。再者，本发明的范围并不局限于说明书中所述的工艺、机器、制造、物质组成、方法与步骤的特定实施例。本发明所属技术领域中技术人员可从本发明轻易理解，现行或未来所发展出的工艺、机器、制造、物质组成、方法或步骤，只要可以与此述的对应实施例实现大抵相同功能或达成大抵相同结果者皆可根据本发明实施例使用。因此，本发明的保护范围包括上述工艺、机器、制造、物质组成、方法或步骤。