基于CMOS图像传感的光栅波导多微流道检测系统技术方案

本实用新型专利技术提供一种基于CMOS图像传感的光栅波导多微流道检测系统，包括微流体芯片、CMOS图像传感层和分析装置；微流体芯片包括微流体组，微流体组包括第一数量的微流体，微流体包括微流道和光栅波导及出射光栅，出射光栅位于微流道下方用以将光沿垂直方向向上导入微流道内；还包括在25‑150℃沉积温度下形成的氮化硅波导层；CMOS图像传感层位于下包层下方。具有有益效果：形成光栅波导与多微流道一体化矩阵的结构，通过多微流体通道和大规模矩阵化的光栅波导来实现比传统光学系统更高通量的分析性能，快速构建高通量生物样品的芯片级的片上光学检测分析系统，实现微纳尺度下的生物检测的高通量芯片；减少实验中对收集光路调整等准备工作，提高检测系统的便携性。

【技术实现步骤摘要】
基于CMOS图像传感的光栅波导多微流道检测系统
本专利技术涉及一种基于CMOS图像传感的光栅波导多微流道检测系统，尤其涉及一种基于CMOS图像传感的光栅波导多微流道生物检测系统。
技术介绍
在现代生化分析流程中，高通量检测设备已经被广泛使用。这些设备大多采用基于微流体技术或者微孔阵列的生物芯片，装载在高性能的光学系统中，实现对诸如核酸、蛋白、病毒、细菌、细胞等等不同尺寸的生物样品的分析。这些光学系统的设计通常都基于复杂的几何光学，其体积大、成本高、需要光学准直、维护成本较高。在精准医疗时代，小型化、高性能、低成本和可移动的集成化分析系统受到很大关注。尤其是labonchip的概念，经过几十年的发展，基于微流体技术对生物样品的操控方面取得了长足的进步，但真正的labonchip系统仍然缺少一种微纳尺度下的高通量生物样品的芯片级的片上光学检测和分析集成系统。CMOS图像传感器是利用CMOS半导体的有源像素传感器，其中每个光电传感器附近都有相应的电路直接将光能量转换成电压信号。与感光耦合元件CCD不同的是，它并不涉及信号电荷。同等条件下，CMOS图像传感器元件数相对更少，功耗较低，数据吞吐速度也比CCD高，信号传输距离较CCD短，电容、电感和寄生延迟降低，且资料输出采用X-Y寻址方式，速度更快。CCD的数据输出速率一般不超过每秒70百万像素，而CMOS则可以达到每秒100百万像素。
技术实现思路
为解决目前现代生化分析仪器体积庞大、成本高和满足精准医疗时代所需求的仪器小型化、可移动和集成化等一系列新的需求。本专利技术通过集成电路量产工艺来生产这种芯片级光学检测和分析系统，将传统光学系统的功能通过集成光学或片上光学器件来实现，在高分子聚合材料和CMOS图像传感层上形成光波导层，利用CMOS的替代性，减少了实验中对收集光路调整等准备工作，提高了实验效率；提高了检测系统的便携性，不仅可以把传统的台式甚至大型的光学系统缩小到芯片尺寸，而且还保证同等甚至更出色的分析性能，实现微纳尺度下的生物样品的高通量芯片级光学检测和分析集成系统，大幅度降低系统成本。本专利技术提供一种基于CMOS图像传感的光栅波导多微流道检测系统，包括：微流体芯片、光谱收集装置和分析装置；其特征在于，所述微流体芯片包括微流体组，所述微流体组包括第一数量的微流体，所述微流体包括微流道和光栅波导组，所述光栅波导包括出射光栅，所述出射光栅位于所述微流道下方用以将光沿垂直方向向上导入所述微流道内；所述光谱收集装置包括CMOS图像传感层，所述CMOS图像传感层用于收集所述微流道内的光信号，处理所述光信号产生待分析信号并向所述分析装置传输所述待分析信号，所述分析装置分析所述待分析信号形成光谱或图像；其特征在于，所述微流体芯片还包括：依次由下而上设置下包层、波导层、保护层、上包层和流道盖板，所述波导层是在25-150℃沉积温度下形成的氮化硅材料，所述波导层用以形成所述光栅波导组；所述保护层是二氧化硅材料，用以覆盖所述光栅波导组并保护所述出射光栅；所述CMOS图像传感层位于所述下包层下方；所述微流道贯穿所述上包层以暴露出所述保护层；所述流道盖板覆盖所述微流道上开口，所述微流道盖板包括用以向所述微流道注入含待检测生物分子溶液的注液口；所述下包层是厚度为15～30μm高分子聚合材料，所述上包层是厚度为15～30μm的高分子聚合材料，所述微流道宽度为10-100μm。优选地，所述光栅波导组包括第二数量相互平行的所述光栅波导，以将光导入所述微流道，所述光栅波导的宽度为300-600nm。优选地，所述波导层的折射率为1.75-2.2。优选地，所述波导层厚度为150nm-1000nm。优选地，还包括导光结构，所述导光结构与所述光栅波导组光连接。优选地，所述导光结构包括分光结构和交叉跨层结构。优选地，所述分光结构用以从第二数量的第一导光中向上引出第二数量的第二导光。优选地，所述导光结构包括干路导光和导光组，所述导光组采用所述分光结构从所述干路导光中引出；所述干路导光包括第一导光，所述导光组包括第二导光，所述第一导光与所述第二导光通过所述交叉跨层结构交叉。优选地，所述交叉跨层结构包括第一导光重叠区和第二导光重叠区；所述第一导光在交叉处断开，并在断开相对的两端形成第一锐角导光端面和第二锐角导光端面；所述第二导光在交叉处形成分别与所述第一锐角导光端面和所述第二锐角导光端面相匹配的第一锐角导光引面和第二锐角导光引面；所述第一导光重叠区包括所述第一锐角导光端面和所述第一锐角导光引面，所述第二导光重叠区包括所述第二锐角导光端面和所述第二锐角导光引面。优选地，所述光栅波导是耦合光栅波导；所述耦合光栅波导还包括入射光栅，将所述上包层上方的光导入所述耦合光栅波导直至沿垂直方向向上导入所述微流道；所述保护层覆盖并保护所述入射光栅，所述波导层厚度为150nm-1000nm，所述耦合光栅波导的宽度为300-600nm。本专利技术提供一种基于CMOS图像传感的光栅波导多微流道检测系统，具有有益效果：形成光栅波导与多微流道一体化矩阵的结构，通过多微流体通道和大规模矩阵化的光栅波导来实现比传统光学系统更高通量的分析性能，快速构建高通量生物样品的芯片级的片上光学检测分析系统，实现微纳尺度下的生物检测的高通量芯片；减少实验中对收集光路调整等准备工作，提高检测系统的便携性。附图说明附图1是本专利技术光栅波导多微流道检测系统侧面视图；附图2是图1芯片中的一个微流体的侧视图；附图3是图2的俯视图；附图4是导光结构的示意图；附图5是图4的结构示意图；附图6是图1中A的放大视图；附图7是图1中B的放大视图；附图8是图7的剖面图；附图9是耦合光栅波导多微流道检测系统的示意图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式做详细说明。在附图中，为了描述方便，层和区域的尺寸比例并非实际比例。当层(或膜)被称为在另一层或衬底“上”时，它可以直接在另一层或衬底上，或者也可以存在中间层。此外，当一层被称为在另一层“下”时，它可以直接在下面，并且也可以存在一个或多个中间层。另外，当层被称为在两个层之间时，它可以是两个层之间的唯一层，或者也可以存在一个或多个中间层。相同的附图标记始终表示相同的元件。另外，当两个部件之间称为“连接”时，包括物理连接，除非说明书明确限定，此种物理连接包括但不限于电连接、接触连接、无线信号连接。本专利技术专利提出垂直光栅波导与微流体通道一体化模块方案，同时提出多微流体通道系统矩阵化方案，快速构建微纳尺度下的高通量生物样品的芯片级的片上光学检测和分析集成系统。其中，垂直光栅波导是指将光沿垂直方向向上导入微流道的光栅波导一种基于CMOS图像传感的光栅波导多微流道检测系统，如图1～4所示，包括：微流体芯片1、光谱收集装置和分析装置5；所述微流体芯片1包括微流体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于CMOS图像传感的光栅波导多微流道检测系统，包括：微流体芯片、光谱收集装置和分析装置；/n所述微流体芯片包括微流体组，所述微流体组包括第一数量的微流体，所述微流体包括微流道和光栅波导组，所述光栅波导包括出射光栅，所述出射光栅位于所述微流道下方用以将光沿垂直方向向上导入所述微流道内；/n所述光谱收集装置包括CMOS图像传感层，所述CMOS图像传感层用于收集所述微流道内的光信号，处理所述光信号产生待分析信号并向所述分析装置传输所述待分析信号，所述分析装置分析所述待分析信号形成光谱或图像；其特征在于，/n所述微流体芯片还包括：依次由下而上设置下包层、波导层、保护层、上包层和流道盖板，所述波导层是在25-150℃沉积温度下形成的氮化硅材料，所述波导层用以形成所述光栅波导组；所述保护层是二氧化硅材料，用以覆盖所述光栅波导组并保护所述出射光栅；所述CMOS图像传感层位于所述下包层下方；/n所述微流道贯穿所述上包层以暴露出所述保护层；/n所述流道盖板覆盖所述微流道上开口，所述微流道盖板包括用以向所述微流道注入含待检测生物分子溶液的注液口；/n所述下包层是厚度为15～30μm高分子聚合材料，所述上包层是厚度为15～30μm的高分子聚合材料，所述微流道宽度为10-100μm。/n...

【技术特征摘要】
1.一种基于CMOS图像传感的光栅波导多微流道检测系统，包括：微流体芯片、光谱收集装置和分析装置；
所述微流体芯片包括微流体组，所述微流体组包括第一数量的微流体，所述微流体包括微流道和光栅波导组，所述光栅波导包括出射光栅，所述出射光栅位于所述微流道下方用以将光沿垂直方向向上导入所述微流道内；
所述光谱收集装置包括CMOS图像传感层，所述CMOS图像传感层用于收集所述微流道内的光信号，处理所述光信号产生待分析信号并向所述分析装置传输所述待分析信号，所述分析装置分析所述待分析信号形成光谱或图像；其特征在于，
所述微流体芯片还包括：依次由下而上设置下包层、波导层、保护层、上包层和流道盖板，所述波导层是在25-150℃沉积温度下形成的氮化硅材料，所述波导层用以形成所述光栅波导组；所述保护层是二氧化硅材料，用以覆盖所述光栅波导组并保护所述出射光栅；所述CMOS图像传感层位于所述下包层下方；
所述微流道贯穿所述上包层以暴露出所述保护层；
所述流道盖板覆盖所述微流道上开口，所述微流道盖板包括用以向所述微流道注入含待检测生物分子溶液的注液口；
所述下包层是厚度为15～30μm高分子聚合材料，所述上包层是厚度为15～30μm的高分子聚合材料，所述微流道宽度为10-100μm。


2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述光栅波导组包括第二数量相互平行的所述光栅波导，以将光导入所述微流道，所述光栅波导的宽度为300-600nm。


3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述波导层的折射率为1.75-2.2。


4.根据权利要求1～3任一所述的系...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈昌，刘博，王靖，
申请(专利权)人：上海新微技术研发中心有限公司，
类型：新型
国别省市：上海;31