基于soi的狭缝光波导光栅fp腔光学生化传感芯片的利记博彩app
【专利摘要】本实用新型的一种基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片，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基体，其特征在于，所述基体的单晶硅层包含狭缝光波导，所述狭缝光波导的光信号传播路径上包含光栅FP腔。本实用新型的光学生化传感芯片通过在顶部的单晶硅层形成光栅FP腔检测外界物质对光信号的影响，同时引入狭缝光波导结构，使光信号的检测从传统的倏逝场转向狭缝空间，其优势在于狭缝空间中的光能量密度远大于倏逝场中光能量的密度，光与物质相互作用更强，使检测灵敏度更高，检测难度进一步降低。
【专利说明】基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片
【技术领域】
[0001]本实用新型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】，特别涉及一种基于绝缘衬底上的娃(SiIicon-On-1nsulator,SOI)的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片。
【背景技术】
[0002]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。
[0003]基于SOI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，又叫消逝波，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的光波导的倏逝波以探测样本生物化学分子。其原理在于待测样本中生物化学分子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倏逝场发生变化)，也即将样本中的生物化学分子浓度信号转换为光信号变化。目前光学生化传感器的光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。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光学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系统的小型化与微型化，将有效地降低系统成本。
[0004]当前，基于FP谐振效应，光栅FP谐振腔结构的光学生化传感器可以做得非常微小，并且表现出很好的传感性能，但是分布于光学生化传感器光波导周围的倏逝波的能量密度较低，故仍存在灵敏度较低的缺陷。
实用新型内容
[0005]本实用新型为了解决某些生物化学物质探测的问题，在现有技术中主流的光学生化传感器的基础上，为进一步解决其利用倏逝波探测原理所存在的由于其被探测的倏逝波分布于器件光波导周围并存在能量密度低导致探测难度大的缺陷，提出了一种基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片技术。
[0006]为了实现上述目的，本实用新型的技术方案是:一种基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片，包括自下而上依次层叠键合的娃基层、二氧化娃层和单晶娃层构成的基体，其特征在于，所述基体的单晶硅层包含狭缝光波导，所述狭缝光波导的光信号传播路径上包含光栅FP腔，用于使沿狭缝光波导传播的光信号谐振。
[0007]进一步的，上述狭缝光波导的狭缝为直狭缝槽。
[0008]上述狭缝光波导的狭缝为垂直于单晶硅层表面由单晶硅层向下刻蚀形成的狭缝。
[0009]上述狭缝光波导的狭缝深度为单晶硅层厚度。
[0010]进一步的，所述基体俯视方向为长方形，所述狭缝光波导以基体的长度方向的中心线为轴对称分布，并保持方向与基体长度方向一致，其中狭缝槽宽度为80nm?120nm。
[0011]进一步的，上述光栅FP腔包括第一光栅和第二光栅,第一光栅和第二光栅均刻蚀于狭缝光波导上，所述第一光栅和第二光栅相隔一定的距离d,且第一光栅和第二光栅具有相同的结构，并在狭缝光波导上刻蚀形成光栅FP腔，所述距离d和光栅的参数由光栅的相位条件以及FP谐振腔的谐振条件共同确定。
[0012]上述的第一光栅或第二光栅包括不少于3个不多于25个周期单元。
[0013]上述光栅周期单兀的周期为0.3μηι?0.6μηι之任一值。
[0014]上述光栅周期单元的占空比为40%?70%之任一值。
[0015]上述光栅周期单元的纵向长度(与作为周期单元长度的横向长度对应)占上述基体宽度的比例为70%?100%之任一值。
[0016]本实用新型的有益效果:本实用新型的光学生化传感芯片通过在顶部的单晶硅层形成光栅FP腔检测外界物质对光信号的影响，同时引入狭缝光波导结构，由于狭缝波导能够将光极大的限制在狭缝区域，从而有效增强了光和物质之间的相互作用，使光信号的检测从传统的倏逝场转向狭缝空间，其优势在于狭缝空间中的光能量密度远大于倏逝场中光能量的密度，光与物质相互作用更强，使检测灵敏度更高，检测难度进一步降低。另外，这种光学生化传感芯片采用FP谐振腔结构，利用光学谐振腔的谐振效应，使得可以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系统。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以用于生物大分子(蛋白质或者是DNA)液体样本探测，也可以用于气体分子检测。因此，本实用新型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。
【专利附图】
【附图说明】
[0017]图1-1为实施例1的光学生化传感芯片的立体结构示意图；
[0018]图1-2为图1-1所示的光学生化传感芯片的俯视图；
[0019]图2-1为实施例2的光学生化传感芯片的结构示意图；
[0020]图2-2为实施例2的光学生化传感芯片的横截面视图；
[0021]图3-1为实施例3的光学生化传感芯片的结构示意图；
[0022]图3-2为实施例3的光学生化传感芯片的横截面视图；[0023]图4-1为实施例4的光学生化传感芯片的结构示意图；
[0024]图4_2为实施例4的光学生化传感芯片的横截面视图；
[0025]图5-1为实施例5的光学生化传感芯片的结构示意图；
[0026]图5-2为实施例5的光学生化传感芯片的横截面视图；
[0027]图6-1为实施例6的光学生化传感芯片的结构示意图；
[0028]图6_2为实施例6的光学生化传感芯片的横截面视图；
[0029]图7-1为NaCl溶液在不同浓度下实施例1传感器对不同波长光波的响应曲线；
[0030]图7-2为不同NaCl溶液折射率下对应实施例1传感器谐振波长的线性拟合；
[0031]图8为本实用新型的光学生化传感芯片构成的生化传感系统结构示意图。
【具体实施方式】
[0032]下面结合附图和实施例对本实用新型做进一步详述。
[0033]实施例1:
[0034]如图1-1所示，本体实施例的一种基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片，包括自下而上依次层叠键合的硅基层11、二氧化硅层12和单晶硅层13构成的基体，所述基体的单晶硅层13包含狭缝光波导15，狭缝光波导15的光传播路径AA'上包含光栅FP腔14，用于使沿狭缝光波导传播的光谐振。为了便于工艺制作及保证狭缝光波导的光学传输性能，上述狭缝光波导的狭缝为直狭缝；该狭缝光波导垂直于单晶硅层表面由单晶硅层向下刻蚀形成；其刻蚀方法比如说使用电子束曝光并通过RIE (反应离子刻蚀)刻蚀工艺在SOI的单晶硅材料上刻蚀得到；另外，所述的狭缝光波导的狭缝槽深度需要满足一定的条件，该条件具体为狭缝光波导中狭缝槽深度为单晶硅层厚度。狭缝槽在这里的目的是使信号光集中在狭缝中传播，使光信号的能量密度更大，便于分析检测，同时另一个目的是通过增大被测物质与光学生化传感器的接触面积来提高传感芯片的灵敏度等性能。如图1-2所示，基体俯视方向为长方形，狭缝光波导15包含一条狭缝槽，所述狭缝槽位于基体长度方向的中心轴线上,其中狭缝槽宽度为80nm?120nm之任一值。
[0035]在本实施例中，狭缝槽位于基体长度方向的中心轴线处，狭缝槽宽度为lOOnm。狭缝光波导中的狭缝槽即为光信号的传播路径，在该路径上还包括光栅FP腔，在本实施例中光栅FP腔包括第一光栅141和第二光栅142，第一光栅141和第二光栅142均刻蚀于狭缝光波导上，所述第一光栅和第二光栅结构相同并相隔一定的距离d，且在狭缝光波导上形成光栅FP谐振腔，所述距离d和光栅的参数由光栅的相位条件以及FP谐振腔的谐振条件共同决定。光栅FP谐振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，能够让满足谐振条件的光在谐振腔中来回震荡，确保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使用的光源频段及目标参数能够较容易地确定距离d和光栅参数，故在此不作详细描述。
[0036]具体的，本实施例的第一光栅141或第二光栅142包括不少于3个不多于25个光栅周期单元。所述的光栅周期单元的周期是指一个周期单元的长度值，在本实施例中为0.3μηι ?0.6μηι 之任一值。
[0037]本实施例中的光栅周期单元的占空比为40%?70%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横向长度的比例。光栅周期单元的纵向长度占长方形基体宽度的比例为70%?100%之任一值，光栅周期单元中被刻蚀槽的深度为单晶硅层厚度的70%?100%。本实施例中由于狭缝光波导能够将FP谐振腔中的光极大的限制在狭缝区域，同时FP谐振腔能够使光在谐振腔中来回震荡，增加光与物质相互作用的强度和有效长度，从而提高光和狭缝区域中的流体物质之间的相互作用，使得器件的灵敏度提高。
[0038]需要说明的是，在本实用新型的技术方案及所有实施例中，所涉及的光栅FP谐振腔和光栅FP腔为同一部件的不同表述；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，将其用于实用新型方案中技术方案的参数限定自然也是清楚的。
[0039]实施例1示出了本实用新型方案的基本结构，以下从优化传感芯片性能提供进一步的优选实施例。
[0040]实施例2:
[0041]如图2-1和图2-2所示，本体实施例的一种基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片，包括自下而上依次层叠键合的硅基层21、二氧化硅层22和单晶硅层23构成的基体。与实施例1相比，其不同点在于，在本实施例中，单晶硅层23上包含多条狭缝槽构成的多狭缝光波导25，所述狭缝以基体长度方向的中心轴线为轴对称分布，长度与基体所述中心轴线相等。其中，图2-1中示出的三条狭缝槽的情况为本实施例的一具体的优选方案，在这里仅是为了附图表述之便，不应该被理解为对本实用新型方案的限制。
[0042]所述狭缝光波导25以长方形基体的长度方向的中心轴线为对称轴对称分布于单晶硅层上，具体的，第一狭缝槽位于对称轴处，第二及第三狭缝槽对称分布于第一狭缝槽的两侧。在本实施例的多狭缝光波导25的结构中，光信号相应的在各个狭缝槽中形成通路BB'，即光信号具有与狭缝光波导狭缝槽数目对应的传播路径数。与此相应，在各个光信号的传播路径上形成光栅FP腔24。本实施例的方案因为狭缝槽数相对于实施例1更多，故本实施例中用于检测光信号变化的有效面积增大，相应的检测到的光信号强度也相应更高。特别的，在本实施例中，多狭缝光波导的各狭缝槽参数一致，均为贯穿了整个基体，即狭缝槽的长度与长方形基体的长度相同。
[0043]实施例3:
[0044]如图3-1和图3-2所示，本实施例的一种基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片，包括自下而上依次层叠键合的硅基层31、二氧化硅层32和单晶硅层33构成的基体。与实施例1相比，本实施例的不同之处在于所述狭缝光波导为增强型狭缝光波导35。具体的，所述增强型狭缝光波导包括中心狭缝槽351和增强狭缝槽352，其中中心狭缝槽与实施例2中第一狭缝槽相同，为贯穿基体并位于基体长度方向中心轴线处的狭缝槽。在中心狭缝槽上如同实施例2也包含光栅FP腔34，在光栅FP腔34的两个光栅之间区域以中心狭缝槽为轴对称设置有两条较短的狭缝槽，即增强型狭缝槽35的增强狭缝槽352，所述的两条增强狭缝槽352方向与中心狭缝槽的方向CC'相同，刻蚀深度也相同，但是这两条狭缝槽的长度小于光栅FP腔的两个光栅之间的距离，位于所述的两个光栅之间的区域。与实施例I相比，本实施例的优势在于采用的增强型狭缝光波导具有更大的检测面积，同时与实施例2相比又避免了因为引入多狭缝槽导致光在器件中传输损耗增加的不利因素，使传感芯片的性能整体有所提升。[0045]实施例4:
[0046]如图4-1和图4-2所示，本体实施例的一种基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片，包括自下而上依次层叠键合的硅基层41、二氧化硅层42和单晶硅层43构成的基体。与实施例1相比，本实施例的光学生化传感芯片的不同之处在于，所述光栅FP腔的光栅为外延型光栅。如图4-1所不,外延型光栅形成于光信号路径DD'上长方形基体外侦牝为外凸型齿状光栅，在本实施例中，光栅FP腔44的光栅单元的占空比是指光栅周期单元的栅齿宽度占整个光栅周期单元横向长度的比例。其中，狭缝槽45的位置与实施例1中狭缝槽相同。本实施例相对于实施例1的意义在于提供了另一种思路的本实用新型方案的实现方式。
[0047]实施例5:
[0048]如图5-1和图5-2所示，本体实施例的一种基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片，包括自下而上依次层叠键合的娃基层51、二氧化娃层52和单晶娃层53构成的基体。与实施例1相比，本实施例的光学生化传感芯片的不同之处在于，所述光栅FP腔54的光栅为外延型光栅，狭缝光波导为多狭缝光波导，如图5-1所示为三狭缝槽，其中包括第一狭缝槽551和第二及第三狭缝槽552。由于基于外延型光栅的光栅FP腔及多狭缝光波导结构分别在实施例4和实施例2中已做详细描述，在此不再详述。相对于实施例1，本实施例的意义在于它将实施例2及实施例4的优势结合到了一起。
[0049]实施例6:
[0050]如图6-1和图6-2所示，本体实施例的一种基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片，包括自下而上依次层叠键合的娃基层61、二氧化娃层62和单晶娃层63构成的基体。与实施例1相比，本实施例的光学生化传感芯片的不同之处在于，所述构成光栅FP腔64的光栅为外延型光栅，狭缝光波导为增强型狭缝光波导。所述狭缝光波导如实施例4所示，包括中心狭缝槽651和增强狭缝槽652。由于基于外延型光栅的光栅FP腔及增强型狭缝光波导结构分别在实施例4和实施例3中已做详细描述，在此不再详述。相对于实施例I，本实施例的意义在于它将实施例3及实施例4的优势结合到了一起。
[0051]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。下面结合实施例1的一种具体应用实例对本实用新型的技术方案作进一步详述:
[0052]应用于检测出未知样本中是否含有某种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；
[0053]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狭缝光波导的端口输入进去并进入光栅FP腔中，由FP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光栅FP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，并且，FP谐振腔中的单狭缝槽4会将光场限制的狭缝区域，便于光与狭缝区域的物质之间发生相互作用，从而进一步的提高光和物质之间的相互作用。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，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。
[0054]如图7-1所示是本实施例1的传感芯片对NaCl溶液不同浓度下的响应曲线，图7-2所示是不同NaCl溶液折射率下对应实施例1传感器谐振波长的线性拟合。从图中的关系不难看出，本实施例1的传感芯片能够将NaCl溶液的浓度大小通过输出光信号的波长位置及强度对应并通过检测系统检测而表现出来。
[0055]图8所示为基于本实用新型的光学生化传感芯片的生化传感系统结构示意图，包括传感器芯片、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系统的工作过程进行详述，以便本实用新型的光学生化传感芯片的原理及作用能被更好的理解:该传感系统工作时，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，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FP谐振腔中，进入到FP谐振腔中的那部分满足光栅相位条件的光将会被第二个光栅继续反射回去，被第二个光栅反射的光将会与重新透过被第一个光栅进入到FP谐振腔中的那部分满足光栅相位条件的光发生干涉，由于两个光栅形成了 FP谐振腔，所以入射光与反射光会在光栅FP腔中发生干涉，来回震荡，从而在透射窗口形成一系列的谐振峰。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，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，可以得出被测量物的相关信息，从而实现传感功能。
[0056]以上所述仅为本实用新型的【具体实施方式】，本领域的技术人员将会理解，在本实用新型所揭露的技术范围内，可以对本实用新型进行各种修改、替换和改变。因此本实用新型不应由上述事例来限定，而应以权力要求书的保护范围来限定。
【权利要求】
1.基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片，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基体，其特征在于，所述基体的单晶硅层包含狭缝光波导，所述狭缝光波导的光信号传播路径上包含光栅FP腔。
2.根据权利要求1所述的基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片，其特征在于，所述狭缝光波导的狭缝为直狭缝。
3.根据权利要求1所述的基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片，其特征在于，所述狭缝光波导的狭缝为垂直于单晶硅层表面由单晶硅层向下刻蚀形成的狭缝。
4.根据权利要求1至3之任一项权利要求所述的基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片，其特征在于，所述狭缝光波导的狭缝深度为单晶硅层厚度。
5.根据权利要求1所述的基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片，其特征在于，所述基体俯视方向为长方形，所述狭缝光波导以基体的长度方向的中心线为轴对称分布，并保持方向与基体长度方向一致，其中狭缝槽宽度为80nm?120nm。
6.根据权利要求1所述的基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片，其特征在于，所述光栅FP腔包括第一光栅和第二光栅，第一光栅和第二光栅均刻蚀于狭缝光波导上，所述第一光栅和第二光栅相隔一定的距离d，且第一光栅和第二光栅具有相同的结构，并在狭缝光波导上刻蚀形成光栅FP腔。
7.根据权利要求6所述的基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片，其特征在于，所述的第一光栅或第二光栅包括不少于3个不多于25个周期单元。
8.根据权利要求7所述的基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片，其特征在于，所述光栅周期单元的周期为0.3 μ m?0.6 μ m之任一值。
9.根据权利要求8所述的基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片，其特征在于，所述光栅周期单元的占空比为40%?70%之任一值。
10.根据权利要求8或9所述的基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片，其特征在于，所述光栅周期单元的纵向长度占所述基体宽度的比例为70%?100%之任一值。
【文档编号】G01N21/45GK203479702SQ201320266101
【公开日】2014年3月12日 申请日期:2013年5月16日 优先权日:2013年5月16日
【发明者】王卓然, 袁国慧, 高亮 申请人:成都谱视科技有限公司