基于游标效应的双微环谐振腔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，提出了一种基于游标效应的双微环谐振腔光学生化传感芯片，主要包括输入直波导、输出直波导和两个微环谐振腔，其中，第一微环谐振腔包括环状波导，并分别与输入直波导和输出直波导耦合连接，第二微环谐振腔位于第一微环谐振腔的环状波导内侧，并与第二微环谐振腔具有不相同的自由光谱范围，二者光学耦合连接。通过上述方案，本实用新型专利技术的光学生化传感芯片以第二光学谐振腔位于在第一光学谐振腔内侧中通过侧向耦合的方式相连接形成游标效应，用于检测外界物质对光信号的影响。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。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本技术为了解决某些生物化学物质的探测问题，提出了一种基于游标效应的双微环谐振腔光学生化传感芯片，主要包括输入直波导、输出直波导和两个微环谐振腔，其中，第一微环谐振腔包括环状波导，并分别与输入直波导和输出直波导耦合连接，第二微环谐振腔位于第一微环谐振腔的环状波导内侧，并与第二微环谐振腔具有不相同的自由光谱范围，二者光学耦合连接。通过上述方案，本技术的光学生化传感芯片以第二光学谐振腔位于在第一光学谐振腔内侧中通过侧向耦合的方式相连接形成游标效应，用于检测外界物质对光信号的影响。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。【专利说明】基于游标效应的双微环谐振腔光学生化传感芯片
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
，特别涉及基于游标效应的双微环谐振腔光学生化传感芯片。
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，对基于微环谐振腔结构(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，提出了基于游标效应的双微环谐振腔光学生化传 感芯片。为了实现上述目的，本技术的技术方案是:基于游标效应的双微环谐振腔光 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、第一微环谐振 腔和第二微环谐振腔，其中，第一微环谐振腔包括环状波导，所述第一微环谐振腔分别与输 入直波导和输出直波导稱合连接，第二微环谐振腔与第一微环谐振腔位于同一平面，并位 于第一微环谐振腔的环状波导内侧，与第一微环谐振腔耦合连接，所述第一微环谐振腔与 第二微环谐振腔具有不相同的自由光谱范围，二者光学耦合连接。进一步的，第一微环谐振腔的环状波导包括两段等长且平行布置的直波导和两段 半径相等并开口相对的半圆形波导，四段波导在同一平面内首尾相连形成第一微环谐振 腔。进一步的，输入直波导和输出直波导分别在第一微环谐振腔的两段直波导处与第 一微环谐振腔I禹合。更进一步的，输入直波导和输出直波导与第一微环谐振腔I禹合的波导I禹合区内输 入或输出直波导长度不超过5 Ii m。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(两个微环谐振腔)，用于检测外界 物质对光信号的影响。特别的，以第二光学谐振腔位于在第一光学谐振腔内侧中通过侧向 耦合的方式相连接形成游标效应，用于检测外界物质对光信号的影响。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。【专利附图】【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11 (12),输出直波导13 (14),f禹合区直波导15 (16), 波导耦合区21 (22)，第一微环谐振腔3，第二微环谐振腔4，波导耦合区5，硅基层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所不,本实施例的基于游标效应的双微环谐振腔光学生化传感芯片， 包括自下而上依次层叠键合的娃基61层、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63包含输入直波导11 (12)、输出直波导13 (14)、第一微环谐振腔 3和第二微环谐振腔4，其中，第一微环谐振腔3包括环状波导，所述第一微环谐振腔3分别与输入直波导11 (12)和输出直波导13 (14)稱合连接,第二微环谐振腔4与第一微环谐振腔3位于同一平面，即同一单晶硅层63，并位于第一微环谐振腔3的环状波导内侧，与第一微环谐振腔3耦合连接，所述第一微环谐振腔3与第二微环谐振腔4的自由光谱范围不本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于游标效应的双微环谐振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、第一微环谐振腔和第二微环谐振腔，其中，第一微环谐振腔包括环状波导，所述第一微环谐振腔分别与输入直波导和输出直波导耦合连接，第二微环谐振腔与第一微环谐振腔位于同一平面，并位于第一微环谐振腔的环状波导内侧，与第一微环谐振腔耦合连接，所述第一微环谐振腔与第二微环谐振腔具有不相同的自由光谱范围，二者光学耦合连接。

【技术特征摘要】

【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：实用新型
国别省市：