[发明专利]一种基于脊形光波导的集成生化传感器

说明书

技术领域

本发明涉及光学生化传感技术领域，特别涉及一种基于脊形光波导的集成生化传感器。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，相关学科先进技术对生物医学领域的不断渗透，生物医学检验技术的发展出现越来越明显的两极分化现象。一方面是各类大型自动化、高性能、高效率仪器设备的相继问世，大大提高了实验室分析检测的工作效率；另一方面则是实验仪器的小型化、便携化、操作简便化、结果及时准确化，以及在此基础上产生的新的生物医学检验模式，即Point of Care Testing(POCT)。

大多数集成生化传感器干涉结构长，耦合效率低，不易于集成。一般情况下，MZI传感器为了降低辐射损耗，采用小角度Y型分支结构，为了获得理想的相位调制结果，需要很大的整体尺寸；亚微米级的波导MZI传感器通常需要采用光栅耦合方式，不能直接采用端面耦合，耦合效率低；波导与样品接触时通常采用直接浸泡的方式，不利于集成片上系统。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于脊形光波导的集成生化传感器，能够与光纤直接高效耦合，易于加工，灵敏度高，抗电磁辐射、环境耐受力强，易于微型化集成化，成本低廉。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于脊形光波导的集成生化传感器，包括在同一SOI硅片上加工形成的MZI(Mach-Zehnder interferometer,马赫曾德干涉仪)检测芯片、光纤支架、键合在所述MZI检测芯片表面的聚合物形成的多个聚合物腔体、由所述多个聚合物腔体的一部分形成的微流道系统和在所述多个聚合物腔体的另一部分中设置的光电探测器及检测电路，所述MZI检测芯片包括脊形光波导、样品池、介质槽分束器和介质槽合束器，光纤通过所述经光纤支架与所述脊形光波导的输入端的端面耦合，所述脊形光波导在传播路径上分支为两条波导臂，形成两个光传播通道，所述脊形光波导的输出端耦合到所述光电探测器及检测电路，所述脊形光波导的一条波导臂耦合到所述样品池，所述微流道系统连接所述样品池，用于更换所述样品池内的样品，由所述脊形光波导的输入端传输的光经过介质槽分束器分解成两个分支光束，一个分支光束作为参考信号，另一个分支光束由所述样品池内的样品实现相位调制，并分别沿着两条波导臂传播后经所述介质槽合束器合并成输出光束，从所述脊形光波导的输出端出射，由所述光电探测器及检测电路探测出射光强的变化并转换成电信号，实现对所述样品池内样品有关成分或浓度的检测。

进一步地：

所述MZI检测芯片包括在所述SOI硅片上加工形成的第一介质槽，优选为空气槽，所述第一介质槽与所述脊形光波导的T型分支处相配合形成所述介质槽分束器，以利用全内反射将一束光分为两束，沿所述两个光传播通道分别传播并完成样品检测。

所述脊形光波导具有多处90°弯折结构，所述MZI检测芯片包括在所述SOI硅片上加工形成的多个第二介质槽，优选为空气槽，所述第二介质槽与所述脊形光波导的弯折处相配合以利用全内反射按预定路径改变光在MZI检测芯片内的传播方向，以使光按所述预定路径传播而完成样品检测。

所述一条波导臂与所述样品池内的样品直接接触。

所述两个光传播通道对称设置在所述脊形光波导的输入输出端波导轴线的两侧。

所述聚合物为PDMS，优选采用压印的微纳加工工艺在其内形成空腔。

所述脊形波导为单模波导，所述脊形光波导的波导部分突出于基底材料的表面而呈脊形。

所述光纤支架与所述脊形波导的输入端处于同一轴线，经SOI硅片表面深刻蚀形成，尺寸与单模光纤包层相当；优选地，所述光电探测器处于所述脊形波导的输出端的轴线上。

所述微流道系统包括进液口、进液端储液池、出液口及出液端储液池，所述进液口连接所述进液端储液池，所述进液端储液池连接所述样品池的进液端，所述样品池的出液端连接所述出液端储液池，所述出液端储液池连接所述出液口；优选地，通过在所述微流道系统内产生负压的方式实现液体的流通。

具有多组所述MZI检测芯片、所述微流道系统和所述光电探测器及检测电路，形成阵列化以实现不同样品的同时检测。

本发明的有益效果：