嵌有fp腔的mz干涉式光學生化傳感芯片的制作方法
【專利摘要】本發明為了解決某些生物化學物質的探測問題，一種嵌有FP腔的MZ干涉式光學生化傳感芯片，主要包括MZ干涉單元，所述MZ干涉單元包括兩段光波導，在其中一段光波導上包含有光柵FP腔，所述MZ干涉單元與光柵FP腔具有不相同的自由光譜范圍，二者光學耦合連接。本發明的嵌有FP腔的MZ干涉式光學生化傳感芯片通過在頂部的單晶硅層形成兩個自由光譜范圍不同，且以光柵FP光學諧振腔（光柵FP腔）嵌入在MZ干涉結構（MZ干涉單元）的一個臂（其中一段波導）中相連接的方式形成干涉式光學諧振腔，用于檢測外界物質對光信號的影響。與其他的生化傳感芯片相比，具有制作工藝標準化、便于集成化、傳感性能優良等一系列特點。
【專利說明】嵌有FP腔的MZ干涉式光學生化傳感芯片
【技術領域】
[0001]本發明涉及對氣體分子或者生物分子等特定的化學或生物物質的檢測技術，具體涉及光傳感【技術領域】，特別涉及一種基于嵌入有FP諧振腔的MZ干涉式光學生化傳感芯片。
【背景技術】
[0002]生化傳感器是一種生物活性材料與相應換能器的結合體，它用于測定特定的化學或生物物質。由于測定這些化學或生物物質在環境監測、疾病監控以及藥物研發中具有重要意義，所以對生化傳感器的研究已經顯得非常重要。目前典型的光學生化傳感器主要可分為熒光標記型光學生化傳感器和無標記型光學生化傳感器兩大類，由相關的文獻可知，熒光標記型光學生化傳感器雖然已被用于探測和辨別特定的生物化學分子，但卻有設備龐大、操作復雜及花費時間長等缺點，且通常需要具有一定專業技術的專人操作，普及成本較高，同時，用于標記的熒光分子還有可能影響樣本的探測。相比而言，無標記型光學生化傳感器的尺寸更小，成本更低，應用方法也更為便捷，而且在測量過程中不再引入新的干擾，結果也更加可靠。
[0003]基于SOI (Silicon-On-1nsulator,絕緣襯底上的娃)的光學生化傳感器就是一種無標記型光學生化傳感器，同時也正是本領域的研究熱點。從現有的基于SOI的光學生化傳感器來看，大多采用了倏逝波(消逝波)探測原理，倏逝波是指由于全反射而在兩種不同介質的分界面上產生的一種電磁波，其幅值隨與分界面相垂直的深度的增大而呈指數形式衰減，通過檢測所述的光學生化傳感器光波導的倏逝波以探測樣本生物化學物質。其原理在于待測樣本中生物化學物質會引起光學生化傳感器中光波傳輸性質的改變(表現為光學生化傳感器的有效折射率的變化)，也即將使樣本中的生物化學物質濃度信號轉換為光信號變化。目前已用于傳感的平面波導結構有馬赫澤德干涉計、光柵、以及法布里-伯羅(FP)腔、環形腔、表面等離子體共振等結構。其中，對基于光學諧振腔結構(如FP腔、環形腔等)的光學生化傳感器而言，諧振效應的引入可使光信號在諧振腔內不斷諧振和放大，因此等效于光學生化傳感器探測長度的增加，更能引起相位(或強度)等光信號變化到可探測的量值，進而實現在小尺寸光學生化傳感器上達到較好的傳感性能，另外小尺寸的光學生化傳感器也便于光學生化傳感器系統的小型化與微型化，將有效地降低系統成本。
[0004]近年來，基于MZ干涉式和光柵FP諧振腔光學生化傳感芯片的光學生化傳感器被人們逐漸提出，這種傳感器是利用兩個具有不同自由光譜范圍的傳感子系統，組成一個新的傳感系統。
[0005]在現有的對氣體分子或者生物分子等特定的化學或生物物質的檢測【技術領域】中，在將基于SOI的片上系統的可小型化的優勢和MZ干涉式的系統測量精度等優勢相結合的實例幾乎沒有。
【發明內容】
[0006]本發明的目的是為了解決某些生物化學物質的探測問題，提出了嵌有FP腔的MZ干涉式光學生化傳感芯片。
[0007]為了實現上述目的，本發明的技術方案是:嵌有FP腔的MZ干涉式光學生化傳感芯片，包括自下而上依次層疊鍵合的硅基層、二氧化硅層和單晶硅層構成的SOI基體，其特征在于，所述SOI基體的單晶硅層包含MZ干涉單元，所述MZ干涉單元包括兩段光波導，在其中一段光波導上包含有光柵FP腔，所述MZ干涉單元與光柵FP腔具有不相同的自由光譜范圍，二者光學耦合連接。
[0008]進一步的，組成MZ干涉單元的兩段光波導具有相同的結構。
[0009]進一步的，組成MZ干涉單元的光波導還包括輸入直波導、第一耦合區波導、半跑道形波導和第二耦合區波導，兩段組成MZ干涉單元的光波導組成中心對稱結構，其中第一段波導的第一耦合區波導與第二段波導的第二耦合區波導耦合連接，第一段波導的第二耦合區波導與第二段波導的第一耦合區波導耦合連接，兩段光波導耦合形成跑道形結構。
[0010]進一步的，所述光柵FP腔被刻蝕在組成MZ干涉單元的兩段光波導之一的半跑道形波導上，與MZ干涉單元形成耦合。
[0011]本發明的有益效果:本發明的嵌有FP腔的MZ干涉式光學生化傳感芯片通過在頂部的單晶硅層形成兩個自由光譜范圍不同，且以光柵FP光學諧振腔(光柵FP腔)嵌入在MZ干涉結構(MZ干涉單元)的一個臂(其中一段波導)中相連接的方式形成干涉式光學諧振腔，用于檢測外界物質對光信號的影響。另外，這種傳感芯片采用MZ干涉式結構，利用光學諧振腔的諧振效應，使得可以在達到優良傳感性能的條件下，大大減小光學生化傳感芯片的體積，有利于實現光學生化傳感器的微型化與片上傳感系統。以SOI材料為基體，可以利用成熟的微電子CMOS加工工藝,使得這種光學生化傳感芯片易于大規模批量生產，有利于降低光學生化傳感芯片的成本。本光學生化傳感芯片既可用于生物大分子(蛋白質或者是DNA)液體樣本探測，也可用于氣體分子檢測。因此，本發明與其他的生化傳感芯片相比，具有制作工藝標準化、價格低、體積小、便于集成化、傳感性能優良及適用范圍廣等一系列特點。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0012]圖1為本發明實施例的光學生化傳感芯片的結構示意圖；
[0013]圖2為本發明實施例的光學生化傳感芯片的橫截面視圖；
[0014]圖3為本發明的光學生化傳感芯片構成的生化傳感系統結構示意圖。
[0015]附圖標記說明:輸入直波導11，輸出直波導12, f禹合區21 (22),半跑道形波導3
(4),光柵FP腔5,第一光柵51,第二光柵52,娃基層61, 二氧化娃層62,單晶娃層63。
【具體實施方式】
[0016]下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳述。
[0017]如圖1和圖2所示，本實施例的嵌有FP腔的MZ干涉式光學生化傳感芯片，包括自下而上依次層疊鍵合的娃基層61、二氧化娃層62和單晶娃層63構成的SOI基體,所述SOI基體的單晶硅層63包含MZ干涉單元，所述MZ干涉單元包括兩段光波導，在其中一段光波導上包含有光柵FP腔5，所述MZ干涉單元與光柵FP腔具有不相同的自由光譜范圍，二者光學耦合連接。組成MZ干涉單元的兩段光波導具有相同的結構。為示區別，在本文中將兩段光波導分別稱為第一段波導和第二段波導。所述的第一段波導(或第二段波導)還包括輸入或輸出直波導11 (12)、第一耦合區波導、半跑道形波導3 (4)和第二耦合區波導，兩段組成MZ干涉單元的光波導為中心對稱結構，其中第一段波導的第一耦合區波導與第二段波導的第二耦合區波導耦合連接，第一段波導的第二耦合區波導與第二段波導的第一耦合區波導耦合連接，兩段光波導耦合形成跑道形結構。兩段波導耦合的區域為耦合區21(22)。特別的，在本實施例中，光柵FP腔5被刻蝕在組成MZ干涉單元的兩段光波導之一的半跑道形波導4上，與MZ干涉單元形成耦合。
[0018]在上述實施例中，光柵FP諧振腔具有選頻震蕩的作用，從而可以增加光與物質之間相互作用的有效區域以及增強光與物質之間相互作用的強度，其單獨存在時輸出的光譜為一定周期的梳狀譜；而MZ干涉結構的作用是將從輸入直波導11 口輸入的光通過耦合區21分為兩部分，一部分送到干涉臂(半跑道形波導3)中，另外一部分送到另一干涉臂(半跑道形波導4)中，由于兩臂光的光程不同，通過耦合區22時發生干涉并從輸出端口 12輸出，其單獨存在時輸出光譜為具有準周期(并非嚴格的周期，相鄰的波峰之間的間距會逐漸緩慢單調變化)的梳狀譜，當把光柵FP諧振腔(光柵FP腔)嵌入到MZ干涉結構(MZ干涉單元)的一條干涉臂上時，光柵FP諧振腔的輸出光譜將會被MZ干涉結構的輸出光譜所調制，光柵FP諧振腔輸出光譜的幅度變化曲線(包絡)即為MZ干涉結構的輸出光譜。以上所述的光柵FP諧振腔和MZ干涉結構所對應的自由光譜范圍(相鄰諧振波長的間距)不相同，目的在于使當前所述的光柵FP諧振腔的輸出光譜被MZ干涉結構的輸出光譜所調制以增大芯片的傳感范圍和提高芯片的測量精度。
[0019]由于基于光柵FP諧振腔的傳感器和MZ干涉單元已為現有技術，所以光柵FP諧振腔和MZ干涉結構的自由波長范圍的確定也就成了本領域的普通技術人員的基本常識，可以根據實際需要通過有限實驗而確定，故在此不做詳述。
[0020]其中光柵FP腔5包含包括第一光柵51和第二光柵52，第一光柵51和第二光柵52刻蝕于MZ干涉結構的一條臂的光波導上，所述第一光柵和第二光柵結構相同并相隔一定的距離d，所述距離d根據光信號波段及光柵參數確定。光柵FP腔在本實施例的方案中用于波長的選擇，利用光柵FP腔的諧振效應，能夠在器件微小尺寸條件下實現讓光與物質充分接觸，提高傳感性能。由于本領域的普通技術人員運用現有技術根據光柵的相位條件以及FP諧振腔的諧振條件能夠容易地確定距離d和光柵的結構參數，故在此不作詳細描述。具體的，本實施例的第一光柵51或第二光柵52包括不少于5個不多于30個周期單元。所述的光柵周期單元的周期是指一個周期單元的橫向長度值，在本實施例中優選為0.3um?0.7um之任一值。進一步的，本實施例中的光柵周期單元的占空比為30%?80%之任一值，這里的占空比在本實施例中是指構成光柵周期單元中被刻蝕槽的寬度占整個光柵周期單元橫向長度的比例。光柵周期單元中被刻蝕槽的深度為單晶硅層厚度的50%?100%。光柵周期單元的縱向長度占長方形基體寬度的比例為1:1。其中，涉及的光柵周期單元的橫向與縱向等方向描述為本領域的普通技術人員的公知常識，是本領域默認的清楚的表述方式，將其用于發明方案中技術方案的參數限定自然也是清楚的。
[0021]下面對基于MZ干涉單元和光柵FP諧振腔的光學生化傳感芯片的傳感器的工作原理作進一步詳述，該傳感器是利用兩個具有不同自由光譜范圍的傳感子系統，組成一個新的傳感系統。這種新的傳感系統的工作原理是:在整個傳感芯片中FP諧振腔的尺寸決定了它的自由光譜范圍較小，而MZ干涉器件的準自由光譜范圍較大，由于光柵FP諧振腔嵌入在MZ干涉器件的一條臂上，所以整個傳感芯片的輸出光譜是光柵FP諧振腔的輸出光譜被MZ干涉器件的輸出光譜所調制，即整個傳感芯片的輸出光譜中，光柵FP諧振腔單獨作用時的輸出光譜的幅度被MZ干涉器件單獨作用時的輸出光譜的幅度所形成的包絡給調制。所以整個芯片的自由光譜范圍是MZ干涉器件單獨作用時的自由光譜范圍，同時由于引入了光柵FP諧振腔結構，能夠讓入射光來回震蕩，增強光與物質的相互作用強度和有效區域，從而提高傳感芯片的靈敏度。因此，這種傳感器具有很大的測量范圍和高靈敏度特性。
[0022]生化傳感器主要用于生物大分子如DNA或者蛋白質檢測等以及軍事上有毒氣體或者病毒的檢測。下面結合具體應用對本發明的實施例作進一步詳述:
[0023]應用與檢測出未知樣本中是否含有某種我們希望檢測到的物質或者檢測未知樣本中含有哪些物質，這要求傳感器對不同物質具有的選擇性不同，表現為傳感器的特異性傳感，通常的做法是在傳感器的外表面涂敷一層生物敏感材料，當某種具有特異性的生物大分子隨流體樣本進入到傳感器流體通道中并流過傳感芯片時，該生物大分子就會與傳感芯片表面的敏感材料發生親和反應，使傳感芯片的表面特性發生變化，導致傳感器的有效折射率變化，進而使得傳感器的諧振波長也發生漂移，通過數據處理顯示出這一變化，可以推斷出待測樣本中是否含有某種我們想要探測的待測物質或者是樣本中含有哪些物質。
[0024]圖3所示為基于本發明實施例的光學生化傳感芯片(圖示為光子傳感器芯片)的光學生化傳感系統結構示意圖，包括傳感器芯片(光子傳感器芯片)、光電探測器、激光器、溫度控制器及計算機控制部分，同時還包括控制被測液體輸入的微泵和注入閥門，待分析物通過注入閥門進入傳感芯片，流經傳感芯片后作為廢液被收集起來。以下將通過對本傳感系統的工作過程進行詳述，以便本發明的光學諧振腔(光柵FP腔)生化傳感芯片的原理及作用能被更好的理解:該傳感系統工作時(結合實施例分析)，首先信號光從激光器中發射出來，通過光耦合器進入到傳感芯片中，為了避免溫度對傳感器的性能的影響，我們在傳感器的狹縫光波導中安裝了溫度控制器，用來對傳感器加熱或者是制冷(溫度監控)。當信號光在傳感器中傳輸時，滿足光柵相位條件的光幾乎都被反射回去，但我們這里設計的光柵是弱反射光柵，即滿足光柵相位條件的光只有部分被反射回去，另外一部分仍然可以透射過去并進入到MZ干涉單元(光柵FP腔)中，進入到MZ干涉單元中的那部分滿足光柵相位條件的光將會被光柵FP腔繼續反射回去，被光柵FP腔反射的光將會與重新透過MZ干涉單元進入的那部分滿足光學諧振腔諧振條件的光發生干涉，在光學諧振腔中入射光與反射光會發生干涉及震蕩，從而形成一系列的諧振峰。這些從MZ干涉單元出射的諧振信號隨后會進入到光柵FP腔中，作用機理分析同上，由于兩個諧振腔形成的諧振峰的自由光譜范圍不同，所以MZ干涉單元出射的諧振信號將會被光柵FP腔調制，從而在傳感器件輸出端口將輸出一種自由光譜范圍很寬，品質因子很高的諧振曲線。當待分析物樣品通過微泵注入到微流體通道，并達到傳感器芯片的上包層時，樣品會使得傳感器周圍環境發生變化，導致傳感器的有效折射率變化，進而使得傳感器輸出端口的諧振峰會發生漂移，我們通過在傳感器輸出端口的光電探測器來測量這一變化，并將光場強度的數據送到計算機中進行處理，將計算的結果與計算機中各物質組成的數據庫信息進行比對，我們可以得出被測量物的相關信息，從而實現傳感功能。
[0025]以上所述僅為本發明的【具體實施方式】，本領域的技術人員將會理解，在本發明所揭露的技術范圍內，可以對本發明進行各種修改、替換和改變。因此本發明不應由上述事例來限定，而應以權利要求書的保護范圍來限定。
【權利要求】
1.嵌有FP腔的MZ干涉式光學生化傳感芯片，包括自下而上依次層疊鍵合的硅基層、二氧化硅層和單晶硅層構成的SOI基體，其特征在于，所述SOI基體的單晶硅層包含MZ干涉單元，所述MZ干涉單元包括兩段光波導，在其中一段光波導上包含有光柵FP腔，所述MZ干涉單元與光柵FP腔具有不相同的自由光譜范圍，二者光學耦合連接。
2.根據權利要求1所述的光學生化傳感芯片，其特征在于，組成MZ干涉單元的兩段光波導具有相同的結構。
3.根據權利要求1所述的光學生化傳感芯片，其特征在于，組成MZ干涉單元的光波導還包括輸入直波導、第一耦合區波導、半跑道形波導和第二耦合區波導，兩段組成MZ干涉單元的光波導組成中心對稱結構，其中第一段波導的第一耦合區波導與第二段波導的第二耦合區波導耦合連接，第一段波導的第二耦合區波導與第二段波導的第一耦合區波導耦合連接，兩段光波導耦合形成跑道形結構。
4.根據權利要求1所述的光學生化傳感芯片，其特征在于，所述光柵FP腔被刻蝕在組成MZ干涉單元的兩段光波導之一的半跑道形波導上，與MZ干涉單元形成耦合。
5.根據權利要求1-4之任一項權利要求所述的光學生化傳感芯片，其特征在于，所述光柵FP腔包括第一光柵和第二光柵,第一光柵和第二光柵相隔一定的距離d,且第一光柵和第二光柵具有相同的結構。
6.根據權利要求5所述的光學生化傳感芯片,其特征在于,第一光柵或第二光柵包括不少于5個且不多于30個周期單元。
7.根據權利要求5所述的光學生化傳感芯片，其特征在于，所述光柵周期單元的周期為0.3um?0.7um之任一值。
8.根據權利要求5所述的光學生化傳感芯片，其特征在于，所述光柵周期單元的占空比為30%?80%之任一值。
9.根據權利要求8所述的光學生化傳感芯片，其特征在于，光柵周期單元中被刻蝕槽的深度為單晶硅層厚度的50%?100%。
【文檔編號】G01N21/45GK103558183SQ201310330166
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年7月31日 優先權日:2013年7月31日
【發明者】王卓然, 袁國慧, 高亮 申請人:電子科技大學