CN103575698B - 微环谐振腔内嵌fp腔的光学生化传感芯片 - Google Patents

Abstract

本发明为了解决某些生物化学物质的探测问题，提出了一种微环谐振腔内嵌FP腔的光学生化传感芯片，该芯片在SOI基体的单晶硅层上包含输入/输出直波导和第一谐振腔，第一谐振腔为环状波导构成的微环谐振腔，在微环谐振腔的环状波导上还包含光栅FP腔，FP腔的光栅被刻蚀在所述微环谐振腔的环状波导上。通过采用上述结构，本发明的光学生化传感芯片在达到相同传感性能的条件下，减小光学生化传感芯片的体积，有利于实现光学生化传感器的微型化与片上传感***。可用于生物大分子（蛋白质或者是DNA）液体样本探测和气体分子检测。与其他的生化传感芯片相比具有制作工艺标准化、便于集成化、传感性能优良及适用范围广等一系列特点。

Description

微环谐振腔内嵌FP腔的光学生化传感芯片

技术领域

本发明涉及对气体分子或者生物分子等特定的化学或生物物质的检测技术，具体涉及光传感技术领域，特别涉及微环谐振腔内嵌FP腔的光学生化传感芯片。

背景技术

生化传感器是一种生物活性材料与相应换能器的结合体，它用于测定特定的化学或生物物质。由于测定这些化学或生物物质在环境监测、疾病监控以及药物研发中具有重要意义，所以对生化传感器的研究已经显得非常重要。目前典型的光学生化传感器主要可分为荧光标记型光学生化传感器和无标记型光学生化传感器两大类，由相关的文献可知，荧光标记型光学生化传感器虽然已被用于探测和辨别特定的生物化学分子，但却有设备庞大、操作复杂及花费时间长等缺点，且通常需要具有一定专业技术的专人操作，普及成本较高，同时，用于标记的荧光分子还有可能影响样本的探测。相比而言，无标记型光学生化传感器的尺寸更小，成本更低，应用方法也更为便捷，而且在测量过程中不再引入新的干扰，结果也更加可靠。

基于SOI（Silicon-On-Insulator，绝缘衬底上的硅）的光学生化传感器就是一种无标记型光学生化传感器，同时也正是本领域的研究热点。从现有的基于SOI的光学生化传感器来看，大多采用了倏逝波（消逝波）探测原理，倏逝波是指由于全反射而在两种不同介质的分界面上产生的一种电磁波，其幅值随与分界面相垂直的深度的增大而呈指数形式衰减，通过检测所述的光学生化传感器光波导的倏逝波以探测样本生物化学物质。其原理在于待测样本中生物化学物质会引起光学生化传感器中光波传输性质的改变（表现为光学生化传感器的有效折射率的变化），也即将使样本中的生物化学物质浓度信号转换为光信号变化。目前已用于传感的平面波导结构有马赫泽德干涉计、光栅、以及法布里-伯罗（FP）腔、环形腔、表面等离子体共振等结构。其中，对基于光学谐振腔结构（如FP腔、环形腔等）的光学生化传感器而言，谐振效应的引入可使光信号在谐振腔内不断谐振和放大，因此等效于光学生化传感器探测长度的增加，更能引起相位(或强度)等光信号变化到可探测的量值，进而实现在小尺寸光学生化传感器上达到较好的传感性能，另外小尺寸的光学生化传感器也便于光学生化传感器***的小型化与微型化，将有效地降低***成本。

此外，基于游标效应的光学生化传感器近年来被人们逐渐提出，这种传感器是利用两个具有不同自由光谱范围的传感子***，组成一个新的传感***。这种新的传感***的工作原理是：由于其两个子***的自由光谱范围（FSR）不同，因此，整个传感***的自由光 谱范围应该是两个子***的自由光谱范围的最小公倍数。因此，这种传感器具有很大的自由光谱范围以及很大的测量范围。

在现有的对气体分子或者生物分子等特定的化学或生物物质的检测技术领域中，在将基于SOI的片上***的可小型化的优势和基于游标效应的***测量精度等优势相结合的实例几乎没有。

发明内容

本发明的目的是为了解决某些生物化学物质的探测问题，在现有技术中主流的基于光学探测的生化传感器的基础上，提出了一种基于游标效应光学谐振腔生化传感芯片。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：微环谐振腔内嵌FP腔的光学生化传感芯片，包括自下而上依次层叠键合的硅基层、二氧化硅层和单晶硅层构成的SOI基体，其特征在于，所述SOI基体的单晶硅层包含输入直波导、输出直波导和第一谐振腔，所述第一谐振腔为环状波导构成的微环谐振腔，所述微环谐振腔分别与输入直波导和输出直波导耦合连接，在微环谐振腔的环状波导上还包含光栅FP腔，所述光栅FP腔包含第一光栅和第二光栅，所述第一光栅和第二光栅被刻蚀在所述微环谐振腔的环状波导上，所述微环谐振腔与光栅FP腔具有不相同的自由光谱范围，二者光学耦合连接，所述第一光学谐振腔和第二光学谐振腔同为光栅FP腔。

本发明的有益效果：本发明的光学生化传感芯片通过在顶部的单晶硅层形成两个自由光谱范围不同但耦合在一起的光学谐振腔（微环谐振腔和FP腔），用于检测外界物质对光信号的影响。特别的，这种传感芯片采用一个光学谐振腔嵌入另一光学谐振腔结构达到耦合条件，利用其谐振效应，使得在达到相同传感性能的条件下，大大减小光学生化传感芯片的体积，有利于实现光学生化传感器的微型化与片上传感***。以SOI材料为基体，可以利用成熟的微电子CMOS加工工艺，使得这种光学生化传感芯片易于大规模批量生产，有利于降低光学生化传感芯片的成本。本光学生化传感芯片既可用于生物大分子（蛋白质或者是DNA）液体样本探测，也可用于气体分子检测。因此，本发明与其他的生化传感芯片相比，具有制作工艺标准化、价格低、体积小、便于集成化、传感性能优良及适用范围广等一系列特点。

附图说明

图1为本发明实施例的光学生化传感芯片的结构示意图；

图2为本发明实施例的光学生化传感芯片的横截面视图；

图3为本发明的光学生化传感芯片构成的生化传感***结构示意图。

附图标记说明：输入直波导1，耦合区波导2，第一谐振腔3，光栅FP腔4，第一光栅 41，第二光栅42，输出直波导5，硅基层61，二氧化硅层62，单晶硅层63，

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。

如图1和图2所示，本实施例的微环谐振腔内嵌FP腔的光学生化传感芯片，包括自下而上依次层叠键合的硅基层61、二氧化硅层62和单晶硅层63构成的SOI基体，所述SOI基体的单晶硅层包含输入直波导1、输出直波导5和第一谐振腔3。其中第一谐振腔3为环状波导构成的微环谐振腔，该微环谐振腔分别与输入直波导和输出直波导通过耦合区波导2耦合连接，在微环谐振腔的环状波导上还包含光栅FP腔4，所述光栅FP腔4包含第一光栅41和第二光栅42，所述第一光栅41和第二光栅42被刻蚀在微环谐振腔的环状波导上，所述微环谐振腔与光栅FP腔4具有不相同的自由光谱范围，二者光学耦合连接，所述第一光学谐振腔和第二光学谐振腔同为光栅FP腔。光学谐振腔（第一谐振腔和光栅FP腔）具有选频的作用，以上的两个光学谐振腔的不相同的自由光谱范围即是指微环谐振腔和光栅FP腔所对应的自由光谱范围（相邻谐振波长的间距）不相同，目的在于使当所述的两个光学谐振腔相耦合连接时可以借助形成的游标效应增大芯片的传感范围和提高芯片的测量精度。由于基于游标效应的传感器应用已为传感器技术领域的现有技术，其两个谐振腔的自由波长范围的确定也就成了本领域的普通技术人员的基本常识，可以根据实际需要通过有限实验而确定，故在此不做详述。所述的光学耦合连接是指通过接口匹配及结构对接等技术实现将所述的两个光学谐振腔相互连接，并使耦合连接后的两个光学谐振腔满足光信号在二者间自由传输的要求。对于通过此种方式耦合的两个光学谐振腔，只有那些同时满足微环谐振条件和FP腔谐振条件的光波才可以耦合进微环谐振腔中传输和发生微环谐振并在FP谐振腔中传输和发生FP谐振，从而增大光与物质之间相互作用的有效区域，增强光与物质之间相互作用的强度，在器件微小尺寸下，实现高灵敏度的探测。同时，在这种嵌有FP腔的微环谐振腔的游标效应传感器的输出光谱中，相邻两个波峰的距离为微环谐振腔和FP谐振腔各自的自由光谱范围的乘积。

在上述实施例中，微环谐振腔与光栅FP腔的耦合的目的是使二者通过某种方式连接并在选频时形成游标效应。能达到此种目的的光栅FP腔与微环谐振腔的连接方式均包含于本发明的光栅FP腔与微环谐振腔的耦合方式之中。

为使发明的方案更明确，以下具体提供一种实现上述实施例中微环谐振腔与光栅FP腔的耦合结构，具体为，光栅FP腔的第一光栅与第二光栅被刻蚀于微环谐振腔环状波导上，并且所述第一光栅与第二光栅的中心连线方向与环状波导中该段波导方向一致。

进一步的，光栅FP腔的第一光栅与第二光栅的光栅条文宽度等于环状波导的波导宽度。 所述第一光栅和第二光栅结构相同并相隔一定的距离d，所述距离d根据光信号波段及光栅参数确定。光栅FP腔在本实施例的方案中用于波长的选择，利用光栅FP腔的谐振效应，能够在器件微小尺寸条件下实现让光与物质充分接触，提高传感性能。由于本领域的普通技术人员运用现有技术根据光栅的相位条件以及FP谐振腔的谐振条件能够容易地确定距离d和光栅的结构参数，故在此不作详细描述。具体的，本实施例的第一光栅41或第二光栅42包括不少于5个不多于30个周期单元。所述的光栅周期单元的周期是指一个周期单元的纵向长度值，在本实施例中优选为0.3um～0.7um之任一值。进一步的，本实施例中的光栅周期单元的占空比为30%～80%之任一值，这里的占空比在本实施例中是指构成光栅周期单元中被刻蚀槽的宽度占整个光栅周期单元纵向长度的比例。光栅周期单元中被刻蚀槽的深度为单晶硅层厚度的50%～100%。光栅周期单元的横向长度占长方形基体宽度的比例为1:1。其中，涉及的光栅周期单元的横向与纵向等方向描述为本领域的普通技术人员的公知常识，是本领域默认的清楚的表述方式，将其用于发明方案中技术方案的参数限定自然也是清楚的。

生化传感器主要用于生物大分子如DNA或者蛋白质检测等以及军事上有毒气体或者病毒的检测。下面结合具体应用对本发明的实施例作进一步详述：

应用于检测出未知样本中是否含有某种我们希望检测到的物质或者检测未知样本中含有哪些物质，这要求传感器对不同物质具有的选择性不同，表现为传感器的特异性传感，通常的做法是在传感器的外表面涂敷一层生物敏感材料，当某种具有特异性的生物大分子随流体样本进入到传感器流体通道中并流过传感芯片时，该生物大分子就会与传感芯片表面的敏感材料发生亲和反应，使传感芯片的表面特性发生变化，导致传感器的有效折射率变化，进而使得传感器的谐振波长也发生漂移，通过数据处理显示出这一变化，可以推断出待测样本中是否含有某种我们想要探测的待测物质或者是样本中含有那些物质；

应用于已知待测样本中含有某种物质，现在想测量样本中这种物质的浓度是多少，这种情况下，我们首先配置一份标准溶液作为参考，让标准溶液流过传感器的上表层，当满足谐振波长的信号光从上方的输入直波导的端口输入进去并进入微环谐振腔中，由微环谐振腔的谐振效应可知，当光波在谐振腔内往返一周后产生的光程差为波长的整数倍时，光波会与新耦合进入微环谐振腔的光波相互干涉产生谐振增强效应，光会在谐振腔中来回震荡，从而增加了光和物质之间相互作用的长度以及增强了光和物质之间相互作用的强度。我们采用的两个具有不同的自由光谱范围谐振腔级联的形式，整个***的自由光谱范围会变得很大，是两个谐振腔的自由光谱范围的最小公倍数，从而我们可以实现大范围的探测。光电探测器探测输出光信号的强度大小，同时得到相应的谐振波长，然后让一定量的待测 溶液流过传感器件的上表层，由于溶液的浓度发生了变化，传感芯片的有效折射率变化，进而使得传感器的谐振波长也发生漂移，通过测量输出波导端口的光信号并加以数据处理可以得到输出光信号的频谱图，进而得到漂移后的谐振峰的位置以及相应谐振波长，根据谐振波长漂移量的相对大小，我们可以确定待分析物中某种物质的浓度大小，从而实现传感器如期的功能。并且采用的将一个谐振腔嵌入另一个谐振腔的耦合方式，为器件的进一步小型化提供了更宽的空间。

图3所示为基于本发明的实施例的光学生化传感芯片（图示为光子传感器芯片）的光学生化传感***结构示意图，包括传感器芯片（光子传感器芯片）、光电探测器、激光器、温度控制器及计算机控制部分，同时还包括控制被测液体输入的微泵和注入阀门，待分析物通过注入阀门进入传感芯片，流经传感芯片后作为废液被收集起来。以下将通过对本传感***的工作过程进行详述，以便本发明的微环谐振腔内嵌FP腔的光学生化传感芯片的原理及作用能被更好的理解：该传感***工作时（结合实施例分析），首先信号光从激光器中发射出来，通过光耦合器进入到传感芯片中，为了避免温度对传感器的性能的影响，我们在传感器的狭缝光波导中安装了温度控制器，用来对传感器加热或者是制冷（温度监控）。当信号光在传感器中传输时，满足光栅相位条件的光几乎都被反射回去，但我们这里设计的光栅是弱反射光栅，即满足光栅相位条件的光只有部分被反射回去，另外一部分仍然可以透射过去并进入到第一光学谐振腔（微环谐振腔）中，进入到第一光学谐振腔中的那部分满足光栅相位条件的光将会被第二光学谐振腔（光栅FP腔）继续反射回去，被第二光学谐振腔反射的光将会与重新透过第一光学谐振腔进入的那部分满足光学谐振腔谐振条件的光发生干涉，在光学谐振腔中入射光与反射光会发生干涉及震荡，从而形成一系列的谐振峰。这些从第一光学谐振腔出射的谐振信号随后会进入到第二光学谐振腔中，作用机理分析同上，由于两个谐振腔形成的谐振峰的自由光谱范围不同，所以第一光学谐振腔出射的谐振信号将会被第二光学谐振腔调制，从而在传感器件输出端口将输出一种自由光谱范围很宽，品质因子很高的谐振曲线。当待分析物样品通过微泵注入到微流体通道，并达到传感器芯片的上包层时，样品会使得传感器周围环境发生变化，导致传感器的有效折射率变化，进而使得传感器输出端口的谐振峰会发生漂移，我们通过在传感器输出端口的光电探测器来测量这一变化，并将光场强度的数据送到计算机中进行处理，将计算的结果与计算机中各物质组成的数据库信息进行比对，我们可以得出被测量物的相关信息，从而实现传感功能。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，本领域的技术人员将会理解，在本发明所揭露的技术范围内，可以对本发明进行各种修改、替换和改变。因此本发明不应由上述事例来 限定，而应以权利要求书的保护范围来限定。

Claims (7)

1.微环谐振腔内嵌FP腔的光学生化传感芯片，包括自下而上依次层叠键合的硅基层、二氧化硅层和单晶硅层构成的SOI基体，其特征在于，所述SOI基体的单晶硅层包含输入直波导、输出直波导和第一谐振腔，所述第一谐振腔为环状波导构成的微环谐振腔，所述微环谐振腔分别与输入直波导和输出直波导耦合连接，在微环谐振腔的环状波导上还包含光栅FP腔，所述光栅FP腔包含第一光栅和第二光栅，所述第一光栅和第二光栅被刻蚀在所述微环谐振腔的环状波导上，所述微环谐振腔与光栅FP腔具有不相同的自由光谱范围，二者光学耦合连接，所述第一光学谐振腔和第二光学谐振腔同为光栅FP腔；

所述第一光栅或第二光栅包括不少于5个不多于30个周期单元，光栅周期单元的横向长度占长方形SOI基体宽度的比例为1:1。

2.根据权利要求1所述的光学生化传感芯片，其特征在于，光栅FP腔的第一光栅与第二光栅被刻蚀于微环谐振腔的环状波导上，并且第一光栅与第二光栅的中心连线方向与环状波导中该段波导方向一致。

3.根据权利要求1所述的光学生化传感芯片，其特征在于，光栅FP腔的第一光栅与第二光栅的光栅条文宽度等于环状波导的波导宽度。

4.根据权利要求2或3所述的光学生化传感芯片，其特征在于，所述光栅FP腔的第一光栅和第二光栅结构相同。

5.根据权利要求1所述的光学生化传感芯片，其特征在于，所述光栅周期单元的周期为0.3um～0.7um之任一值。

6.根据权利要求5所述的光学生化传感芯片，其特征在于，所述光栅周期单元的占空比为30％～80％之任一值。

7.根据权利要求5或6所述的光学生化传感芯片，其特征在于，所述光栅周期单元被刻蚀槽的深度为单晶硅层厚度的50％～100％。