微环谐振腔内嵌FP腔的光学生化传感芯片制造技术

本实用新型专利技术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，本实用新型专利技术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系统。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。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
微环谐振腔内嵌FP腔的光学生化传感芯片
本技术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
，特别涉及微环谐振腔内嵌FP腔的光学生化传感芯片。
技术介绍
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-1nsulator,绝缘衬底上的娃)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系统的小型化与微型化，将有效地降低系统成本。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系统，组成一个新的传感系统。这种新的传感系统的工作原理是:由于其两个子系统的自由光谱范围(FSR)不同，因此，整个传感系统的自由光谱范围应该是两个子系统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
中，在将基于SOI的片上系统的可小型化的优势和基于游标效应的系统测量精度等优势相结合的实例几乎没有。
技术实现思路
本技术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，本技术的技术方案是: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基体的单晶娃层包含输入直波导、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。本技术的有益效果:本技术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，本技术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为本技术实施例的光学生化传感芯片的结构示意图；图2为本技术实施例的光学生化传感芯片的横截面视图；图3为本技术的光学生化传感芯片构成的生化传感系统结构示意图。附图标记说明:输入直波导I，I禹合区波导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,娃基层61, 二氧化娃层62,单晶娃层63,【具体实施方式】下面结合附图和实施例对本技术做进一步详述。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娃基层61、二氧化娃层62和单晶娃层63构成的SOI基体,所述SOI基体的单晶娃层包含输入直波导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
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本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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。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...

【专利技术属性】
技术研发人员：王卓然，袁国慧，高亮，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：新型
国别省市：四川;51