[发明专利]基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片

说明书

技术领域

本发明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，具体涉及光传感技术领域，特别涉及一种基于绝缘衬底上的硅（Silicon-On-Insulator，SOI）的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片。 

背景技术

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，又叫消逝波，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的光波导的倏逝波以探测样本生物化学分子。其原理在于待测样本中生物化学分子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倏逝场发生变化），也即将样本中的生物化学分子浓度信号转换为光信号变化。目前光学生化传感器的光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。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光学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。 

当前，基于FP谐振效应，光栅FP谐振腔结构的光学生化传感器可以做得非常微小，并且表现出很好的传感性能，但是分布于光学生化传感器光波导周围的倏逝波的能量密度较低，故仍存在灵敏度较低的缺陷。 

发明内容

本发明为了解决某些生物化学物质探测的问题，在现有技术中主流的光学生化传感器的基础上，为进一步解决其利用倏逝波探测原理所存在的由于其被探测的倏逝波分布于器件光波导周围并存在能量密度低导致探测难度大的缺陷，提出了一种基于SOI的狭缝光波导光栅FP腔光学生化传感芯片技术。 

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于SOI的狭缝光波导光栅FP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基体，其特征在于，所述基体的单晶硅层包含狭缝光波导，所述狭缝光波导的光信号传播路径上包含光栅FP腔，用于使沿狭缝光波导传播的光信号谐振。 

进一步的，上述狭缝光波导的狭缝为直狭缝槽。 

上述狭缝光波导的狭缝为垂直于单晶硅层表面由单晶硅层向下刻蚀形成的狭缝。 

上述狭缝光波导的狭缝深度为单晶硅层厚度。 

进一步的，所述基体俯视方向为长方形，所述狭缝光波导以基体的长度方向的中心线为轴对称分布，并保持方向与基体长度方向一致，其中狭缝槽宽度为80nm～120nm。 

进一步的，上述光栅FP腔包括第一光栅和第二光栅，第一光栅和第二光栅均刻蚀于狭缝光波导上，所述第一光栅和第二光栅相隔一定的距离d，且第一光栅和第二光栅具有相同的结构，并在狭缝光波导上刻蚀形成光栅FP腔，所述距离d和光栅的参数由光栅的相位条件以及FP谐振腔的谐振条件共同确定。 

上述的第一光栅或第二光栅包括不少于3个不多于25个周期单元。 

上述光栅周期单元的周期为0.3μm～0.6μm之任一值。 

上述光栅周期单元的占空比为40%～70%之任一值。 

上述光栅周期单元的纵向长度（与作为周期单元长度的横向长度对应）占上述基体宽度的比例为70%～100%之任一值。