垂直腔面发射激光器(Vertical-cavity surface-emitting laser,VCSEL)具有低阈值、圆形光斑、平面工艺兼容易于集成等优点,在光通信、光互联、传感等领域有着重要应用,也是实现微型化生化检测系统的理想光源之一。将多个VCSEL紧密排列在一起形成VCSEL阵列,当阵列相邻单元间的距离小于一定值时,各个发光单元之间的光场在器件内完成耦合,实现位相锁定。耦合阵列的单元间有固定的相位关系,波长一致,可实现相干输出。通过调控阵列单元间的相位差,依据相控阵原理,可使阵列激光光束在空间上发生偏转,实现对光束的操控。基于耦合阵列的这种光束可操控特性,提出一种基于VCSEL耦合阵列的液体折射率传感芯片,即在VCSEL耦合阵列表面集成微通道结构。当待测液体通过微通道流过VCSEL耦合阵列的选定单元上方时,会引起该单元与其相邻单元间相位差改变,从而使得激光光束发生偏转。通过对光束偏转角度测量,可以计算出液体的折射率,从而实现对待测液体折射率检测。该传感芯片将半导体激光器与微流控进行结合,可以对液体实现实时的微量检测。主要研究工作总结如下:(1)传感芯片设计与关键参数的计算基于VCSEL耦合阵列光束操控的原理,设计了液体检测芯片,并用FDTD软件建立模型,计算了微通道高度分别为h=1μm,2μm,4μm,6μm,8μm,10μm,24μm时,芯片的液体检测特性。实验表明微通道高度越高,芯片检测液体的检测灵敏度越高,但是可以检测液体的折射率范围越小;相反,微通道高度越低,芯片检测液体的检测灵敏度越低,但是可以检测液体的折射率范围越大。因此,在保证芯片可以检测常见液体(折射率区间为1.33-1.40)的前提下,我们尽量提高芯片的检测灵敏度,从而达到优化芯片结构的目的。(2)芯片的制备工艺在确定了芯片的结构后,我们设计芯片制备的工艺流程,并绘制光刻版图。芯片的制备工艺分为两个部分:a、制备1×2耦合VCSEL阵列;b、在1×2耦合VCSEL阵列表面集成微流控结构。通过等离子体增强化学的气相沉积技术、光刻、溅射、反应离子刻蚀、湿法腐蚀和键合等半导体工艺,完成芯片的制备。最后,总结在实际器件制备过程中遇到的问题与解决办法。(3)传感芯片的测试与误差分析首先,在VCSEL耦合阵列上集成微通道前,我们测试了VCSEL耦合阵列的PIV,近场,远场,光功率和光谱等特性,确保VCSEL耦合阵列的光束是同相耦合模式。然后,在VCSEL耦合阵列表面集成微通道,再次测试芯片的PIV,远场,光功率和光谱,确保后续工艺没有对VCSEL耦合阵列的性能产生影响。最后,分别向芯片内注入6%蔗糖、20%蔗糖、异丙醇和46%蔗糖溶液,测量得到光束的偏转角度分别为0.60°,1.20°,1.89°,2.41°,与理论计算结果基本一致,说明液体检测芯片的可行性。用测试得到的液体折射率,与实际液体折射率进行对比,得到平均相对误差为0.44%。说明芯片具有较高的液体折射率检测性能。