嵌有FP腔的MZ干涉式光学生化传感芯片制造技术

本发明专利技术为了解决某些生物化学物质的探测问题，一种嵌有FP腔的MZ干涉式光学生化传感芯片，主要包括MZ干涉单元，所述MZ干涉单元包括两段光波导，在其中一段光波导上包含有光栅FP腔，所述MZ干涉单元与光栅FP腔具有不相同的自由光谱范围，二者光学耦合连接。本发明专利技术的嵌有FP腔的MZ干涉式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，且以光栅FP光学谐振腔（光栅FP腔）嵌入在MZ干涉结构（MZ干涉单元）的一个臂（其中一段波导）中相连接的方式形成干涉式光学谐振腔，用于检测外界物质对光信号的影响。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、传感性能优良等一系列特点。

【技术实现步骤摘要】
【专利摘要】本专利技术为了解决某些生物化学物质的探测问题，一种嵌有FP腔的MZ干涉式光学生化传感芯片，主要包括MZ干涉单元，所述MZ干涉单元包括两段光波导，在其中一段光波导上包含有光栅FP腔，所述MZ干涉单元与光栅FP腔具有不相同的自由光谱范围，二者光学耦合连接。本专利技术的嵌有FP腔的MZ干涉式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，且以光栅FP光学谐振腔（光栅FP腔）嵌入在MZ干涉结构（MZ干涉单元）的一个臂（其中一段波导）中相连接的方式形成干涉式光学谐振腔，用于检测外界物质对光信号的影响。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、传感性能优良等一系列特点。【专利说明】嵌有FP腔的MZ干涉式光学生化传感芯片
本专利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
，特别涉及一种基于嵌入有FP谐振腔的MZ干涉式光学生化传感芯片。
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。近年来，基于MZ干涉式和光栅FP谐振腔光学生化传感芯片的光学生化传感器被人们逐渐提出，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。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MZ干涉式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
本专利技术的目的是为了解决某些生物化学物质的探测问题，提出了嵌有FP腔的MZ干涉式光学生化传感芯片。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是:嵌有FP腔的MZ干涉式光学生化传感芯片，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MZ干涉单元，所述MZ干涉单元包括两段光波导，在其中一段光波导上包含有光栅FP腔，所述MZ干涉单元与光栅FP腔具有不相同的自由光谱范围，二者光学耦合连接。进一步的，组成MZ干涉单元的两段光波导具有相同的结构。进一步的，组成MZ干涉单元的光波导还包括输入直波导、第一耦合区波导、半跑道形波导和第二耦合区波导，两段组成MZ干涉单元的光波导组成中心对称结构，其中第一段波导的第一耦合区波导与第二段波导的第二耦合区波导耦合连接，第一段波导的第二耦合区波导与第二段波导的第一耦合区波导耦合连接，两段光波导耦合形成跑道形结构。进一步的，所述光栅FP腔被刻蚀在组成MZ干涉单元的两段光波导之一的半跑道形波导上，与MZ干涉单元形成耦合。本专利技术的有益效果:本专利技术的嵌有FP腔的MZ干涉式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，且以光栅FP光学谐振腔(光栅FP腔)嵌入在MZ干涉结构(MZ干涉单元)的一个臂(其中一段波导)中相连接的方式形成干涉式光学谐振腔，用于检测外界物质对光信号的影响。另外，这种传感芯片采用MZ干涉式结构，利用光学谐振腔的谐振效应，使得可以在达到优良传感性能的条件下，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，本专利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为本专利技术实施例的光学生化传感芯片的结构示意图；图2为本专利技术实施例的光学生化传感芯片的横截面视图；图3为本专利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，输出直波导12, f禹合区21 (22),半跑道形波导3(4),光栅FP腔5,第一光栅51,第二光栅52,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专利技术做进一步详述。如图1和图2所示，本实施例的嵌有FP腔的MZ干涉式光学生化传感芯片，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基体的单晶硅层63包含MZ干涉单元，所述MZ干涉单元包括两段光波导，在其中一段光波导上包含有光栅FP腔5，所述MZ干涉单元与光栅FP腔具有不相同的自由光谱范围，二者光学耦合连接。组成MZ干涉单元的两段光波导具有相同的结构。为示区别，在本文中将两段光波导分别称为第一段波导和第二段波导。所述的第一段波导(或第二段波导)还包括输入或输出直波导11 (12)、第一耦合区波导、半跑道形波导3 (4)和第二耦合区波导，两段组成MZ干涉单元的光波导为中心对称结构，其中第一段波导的第一耦合区波导与第二段波导的第二耦合区波导耦合连接，第一段波导的第二耦合区波导与第二段波导的第一耦合区波导耦合连接，两段光波导耦合形成跑道形结构。两段波导耦合的区域为耦合区21(22)。特别的，在本实施例中，光栅FP腔5被刻蚀在组成MZ干涉单元的两段光波导之一的半跑道形波导4上，与MZ干涉单元形成耦合。在上述实施例中，光栅FP谐振腔具有选频震荡的作用，从而可以增加光与物质之间相互作本文档来自技高网...

【技术保护点】
嵌有FP腔的MZ干涉式光学生化传感芯片，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MZ干涉单元，所述MZ干涉单元包括两段光波导，在其中一段光波导上包含有光栅FP腔，所述MZ干涉单元与光栅FP腔具有不相同的自由光谱范围，二者光学耦合连接。

【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：发明
国别省市：