[發明專利]一種光子晶體三諧振腔無熱化生物傳感器

有效

• 申請號: 201310651910.1
• 申請日: 2013-12-05
• 公開（公告）號: CN103616348A
• 公開（公告）日: 2014-03-05
• 發明（設計）人: 崔乃迪;郭進;馮俊波;滕婕;周杰
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第三十八研究所
• 主分類號: G01N21/41
• 分類號: G01N21/41;G02B6/122
• 代理公司: 安徽匯樸律師事務所 34116
• 代理人: 胡敏

技術領域

本發明涉及一種生物傳感器，尤其涉及一種光子晶體三諧振腔無熱化生物傳感器。

背景技術

生物傳感器是以生物活性單元作為生物敏感基元，對被測物具有高度選擇性的探測器，在環境監測、生物防范、食品檢測、疾病監控以及藥物研發中有著重要的應用。近年來，隨著光子集成技術的發展以及片上實驗室（Lab-on-a-chip）概念的提出，基于光光子晶體諧振腔的生物傳感器由于兼具檢測速度快、靈敏度高、實時性好、無需標記、不受環境和工頻干擾等優點，已成為目前生物傳感領域的研究熱點之一。

生物傳感器市場規模龐大，且每年呈上升趨勢，據美國市場信息反饋專業公司Market?Research估計，2012年全球生物傳感器市規模為85億美元，到2018年將增至168億美元；若加上傳感器周邊配套設施，生物傳感產業的市場規模將達數千億美元，生物傳感器相關方面的研究具有可觀的社會及經濟效益。

光子晶體又被稱為光半導體，是由具有不同介電常數的物質，在空間周期性排列而形成的人工微結構。光子晶體具備光子禁帶，具有控制光在其內傳播的特性，是實現未來大規模光電集成以及全光網絡的潛在應用材料。在完整的光子晶體材料中引入缺陷時，則會在光子禁帶中引入缺陷態。例如，引入點缺陷則可以將光局域在缺陷內，從而形成光子晶體諧振腔；而如果引入線缺陷，則可以將光限制于線缺陷內傳播，形成光子晶體波導。近年來，基于光子晶體諧振腔的生物傳感器因其集成度高、待測物用量少、探測極限高已成為該領域的研究熱點。

對于基于諧振腔的生物傳感器，其無熱化研究近年來受到了較多的關注。這主要來源于常用的諧振腔生物傳感器制備材料如硅、氮化硅以及聚合物等都具有較高熱效應，使得這類生物傳感器探測結果極易受溫度波動影響。由于在測試過程中，溫度引起的噪聲信號與傳感信號疊加，從而使得傳感測試系統的信噪比降低，甚至造成測試失敗。

通過合理的設計以及新材料的選擇，可以使溫度致折射率變化及溫度致形變對器件光譜特性影響相反，甚至接近為0，從而減小甚至消除溫度對光器件的測量準確度的影響。然而，一方面，從嚴格意義上講這種方法不可能使溫度影響嚴格為零，即不能從根本的解決溫度變化對器件性能的影響；另一方面，這種方法對器件的制備材料要求較為嚴格，可備選材料并不多，例如，對于現階段制備工藝較為成熟且器件集成度較高的硅材料（包括SOI材料），其溫度對折射率的影響為1.8×10^-4/℃，而熱膨脹系數僅為2.63×10^-6/℃，難以通過這種方法來設計制備無熱化光器件。

另外，對于諧振腔結構生物傳感芯片，通過設計制作參考諧振腔也可以得到溫度不敏感生物傳感器芯片，這種方法需要設計一個或多個不與待測物質接觸的參考諧振腔，當對測試結果進行分析時，以參考諧振腔作為判斷溫度影響漂移的基準，從而避免溫度對測量結果的影響。這種方法可以在不改變器件制作材料的基礎上避免溫度的影響，對傳感器芯片制備材料不提出特別要求。但這種方法也存在一些本質上的缺點。由于基于諧振腔的生物傳感器的高集成特性，一塊芯片可以集成上百個傳感單元，如果一整片生物傳感芯片只配置一個參考諧振腔，則會出現參考諧振腔與探測諧振腔距離過遠，而在實際應用過程中，如果出現芯片溫度不均勻的情況，參考諧振腔就不可能提供有價值的參考值。而若在每一個傳感單元中都布置參考諧振腔則會出現面積浪費的情況，不利于高集成生物傳感芯片的設計制備。

發明內容

為克服上述缺陷，本發明要解決的技術問題是提出一種高集成度且結構更為簡單的光子晶體三諧振腔無熱化生物傳感器。

本發明是這樣實現的，一種光子晶體三諧振腔無熱化生物傳感器，其包括基板、以及呈矩陣式垂直設置在該基板上的若干第一介質柱（1）與若干第二介質柱（2），該第一介質柱（1）的半徑為r，該第二介質柱（2）的半徑為r_a，且r≠r_a，其中，該若干第二介質柱（2）分成三部分分別構成主波導（5）與兩個耦合波導（6、7），兩個耦合波導（6、7）分別對稱設置于主波導（5）的兩側，主波導（5）呈直線形為光子晶體直波導，兩個耦合波導（6、7）呈直角轉彎形為直角轉彎波導，主波導（5）、兩個耦合波導（6、7）三者之間填充有該若干第一介質柱（1）而相互獨立，兩個耦合波導（6、7）與主波導（5）之間設有三個光子晶體諧振腔（8、9、10），主波導（5）、兩個耦合波導（6、7）分別與三個光子晶體諧振腔（8、9、10）耦合。