[發明專利]一種基于脊形光波導的集成生化傳感器

在審

• 申請號: 201710623106.0
• 申請日: 2017-07-27
• 公開（公告）號: CN107478607A
• 公開（公告）日: 2017-12-15
• 發明（設計）人: 董瑛;劉躍明;王璽;王曉浩
• 申請（專利權）人: 清華大學深圳研究生院
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45
• 代理公司: 深圳新創友知識產權代理有限公司44223
• 代理人: 王震宇

技術領域

本發明涉及光學生化傳感技術領域，特別涉及一種基于脊形光波導的集成生化傳感器。

背景技術

隨著科學技術的飛速發展，相關學科先進技術對生物醫學領域的不斷滲透，生物醫學檢驗技術的發展出現越來越明顯的兩極分化現象。一方面是各類大型自動化、高性能、高效率儀器設備的相繼問世，大大提高了實驗室分析檢測的工作效率；另一方面則是實驗儀器的小型化、便攜化、操作簡便化、結果及時準確化，以及在此基礎上產生的新的生物醫學檢驗模式，即Point of Care Testing(POCT)。

大多數集成生化傳感器干涉結構長，耦合效率低，不易于集成。一般情況下，MZI傳感器為了降低輻射損耗，采用小角度Y型分支結構，為了獲得理想的相位調制結果，需要很大的整體尺寸；亞微米級的波導MZI傳感器通常需要采用光柵耦合方式，不能直接采用端面耦合，耦合效率低；波導與樣品接觸時通常采用直接浸泡的方式，不利于集成片上系統。

發明內容

本發明的主要目的在于克服現有技術的不足，提供一種基于脊形光波導的集成生化傳感器，能夠與光纖直接高效耦合，易于加工，靈敏度高，抗電磁輻射、環境耐受力強，易于微型化集成化，成本低廉。

為實現上述目的，本發明采用以下技術方案：

一種基于脊形光波導的集成生化傳感器，包括在同一SOI硅片上加工形成的MZI(Mach-Zehnder interferometer,馬赫曾德干涉儀)檢測芯片、光纖支架、鍵合在所述MZI檢測芯片表面的聚合物形成的多個聚合物腔體、由所述多個聚合物腔體的一部分形成的微流道系統和在所述多個聚合物腔體的另一部分中設置的光電探測器及檢測電路，所述MZI檢測芯片包括脊形光波導、樣品池、介質槽分束器和介質槽合束器，光纖通過所述經光纖支架與所述脊形光波導的輸入端的端面耦合，所述脊形光波導在傳播路徑上分支為兩條波導臂，形成兩個光傳播通道，所述脊形光波導的輸出端耦合到所述光電探測器及檢測電路，所述脊形光波導的一條波導臂耦合到所述樣品池，所述微流道系統連接所述樣品池，用于更換所述樣品池內的樣品，由所述脊形光波導的輸入端傳輸的光經過介質槽分束器分解成兩個分支光束，一個分支光束作為參考信號，另一個分支光束由所述樣品池內的樣品實現相位調制，并分別沿著兩條波導臂傳播后經所述介質槽合束器合并成輸出光束，從所述脊形光波導的輸出端出射，由所述光電探測器及檢測電路探測出射光強的變化并轉換成電信號，實現對所述樣品池內樣品有關成分或濃度的檢測。

進一步地：

所述MZI檢測芯片包括在所述SOI硅片上加工形成的第一介質槽，優選為空氣槽，所述第一介質槽與所述脊形光波導的T型分支處相配合形成所述介質槽分束器，以利用全內反射將一束光分為兩束，沿所述兩個光傳播通道分別傳播并完成樣品檢測。

所述脊形光波導具有多處90°彎折結構，所述MZI檢測芯片包括在所述SOI硅片上加工形成的多個第二介質槽，優選為空氣槽，所述第二介質槽與所述脊形光波導的彎折處相配合以利用全內反射按預定路徑改變光在MZI檢測芯片內的傳播方向，以使光按所述預定路徑傳播而完成樣品檢測。

所述一條波導臂與所述樣品池內的樣品直接接觸。

所述兩個光傳播通道對稱設置在所述脊形光波導的輸入輸出端波導軸線的兩側。

所述聚合物為PDMS，優選采用壓印的微納加工工藝在其內形成空腔。

所述脊形波導為單模波導，所述脊形光波導的波導部分突出于基底材料的表面而呈脊形。

所述光纖支架與所述脊形波導的輸入端處于同一軸線，經SOI硅片表面深刻蝕形成，尺寸與單模光纖包層相當；優選地，所述光電探測器處于所述脊形波導的輸出端的軸線上。

所述微流道系統包括進液口、進液端儲液池、出液口及出液端儲液池，所述進液口連接所述進液端儲液池，所述進液端儲液池連接所述樣品池的進液端，所述樣品池的出液端連接所述出液端儲液池，所述出液端儲液池連接所述出液口；優選地，通過在所述微流道系統內產生負壓的方式實現液體的流通。

具有多組所述MZI檢測芯片、所述微流道系統和所述光電探測器及檢測電路，形成陣列化以實現不同樣品的同時檢測。

本發明的有益效果：