[发明专利]一种可忽略力光耦合效应的柔性光子器件薄膜堆叠结构

说明书

本发明公开一种可忽略力光耦合效应的柔性光子器件薄膜堆叠结构，包括柔性衬底层、粘结层、包层、刚性体层以及二维光学谐振腔器件层，刚性体层嵌入到包层中并位于器件结构探测表面附近，二维光学谐振腔器件层位于刚性体层与探测表面之间。这种结构可以使分布在柔性光子器件薄膜堆叠结构中二维光学谐振腔附近的应变大大减小，在受力3MPa的条件下，包层内嵌入合适的微小刚性体可以将应变的数量级大大减小，同时柔性光子器件整体结构的柔性并不会遭到明显破坏。这种数量级的应变造成的谐振波长偏移远远小于生物探测过程中目标分析物对谐振波长偏移的影响，所以由力光耦合效应对生物传感造成的影响完全可以忽略，具有重要的实际应用价值。

技术领域

本发明属于光子集成和生物传感领域，具体涉及一种可忽略力光耦合效应以实现生物传感应用的新型柔性光子器件薄膜堆叠结构。

背景技术

传统光子器件一般是刚性基板上的硅片集成技术，其脆硬的性质使光子器件难以进行弯曲或者延展，而近年来兴起的柔性光子器件用柔性基板替换刚性基板，使光子器件发生弯曲、延展等机械变形时仍然保持着优异的光学性能。这一转变极大程度地激发了光子器件在成像、通信、能源以及传感等许多领域中的应用潜能。尤其在生物传感领域，柔性光子器件克服了传统光子器件无法与生物组织相兼容的问题，它所具有的机械可变形特性使其紧贴生物表皮组织或渗透到生物体内进行探测。

基于二维光学谐振腔的生物传感是利用倏逝波来实现对目标分析物的探测。探测行为发生前，传感器位于生物缓冲液中，当目标分析物与生物识别分子特异性结合时，由于目标分析物与生物缓冲液分子的折射率不同，传感器表面附近的折射率将发生改变，这种变化被同样分布在传感器表面附近的倏逝波检测与评估，最终导致谐振波长的偏移，并以此作为生物分子间相互作用和探测结果的定量表征。因此，光学谐振腔与探测表面的距离必须小于倏逝波的穿透深度。然而，由于柔性光子器件薄膜堆叠结构的中性平面与探测表面的距离远远大于倏逝波的穿透深度，当器件受力弯曲时，谐振腔不可避免地会受到应力的作用，其中，径向剪切应力和力光耦合效应分别造成了腔体尺寸和有效折射率的改变，进而导致谐振波长的偏移，给探测过程引入非生物因素的影响，严重降低了探测结果的准确度，给柔性光子器件的生物传感应用带来了很大的障碍。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，为了解决力光耦合效应对柔性光子器件生物传感应用的影响，基于柔性光子器件的三明治薄膜结构，本发明提出了一种可忽略力光耦合效应的新型柔性光子器件薄膜堆叠结构，可以极大地减小光学谐振腔附近的应变分布，所造成的谐振偏移远远小于光谱分析仪可捕捉到的光波长变化，也远远不及目标分析物对谐振波长的影响，这说明力光耦合效应对生物探测结果产生的影响完全可以忽略，从而实现基于柔性光子器件的生物传感应用。

本发明的技术目的通过下述技术方案予以实现：

一种可忽略力光耦合效应的柔性光子器件薄膜堆叠结构，包括衬底层，设置在衬底层上的粘结层，设置在粘结层上的包层，以及设置在包层内的刚性体，在刚性体和包层外表面之间设置二维光学谐振腔器件层。

在上述技术方案中，衬底层为聚酰亚胺薄膜，杨氏模量为2.5GPa、泊松比为0.34。

在上述技术方案中，粘结层为硅胶薄膜，杨氏模量1.5MPa、泊松比为0.49。

在上述技术方案中，包层的材料可选择，如SU-8、UV-15或者聚酰亚胺。

在上述技术方案中，在二维光学谐振腔器件层中选择金红石相二氧化钛为谐振腔材料。

在上述技术方案中，衬底层、粘结层和包层的厚度均为30μm。