专利名称：一种光波导谐振腔型传感设备的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种传感设备，具体的涉及一种光波导谐振腔型传感设备。
背景技术：
在面对新的疾病和疾病变异的同时，传统重大疾病仍在给我国的医疗卫生部门带 来重大压力。要保障人民群众健康，做好预防和治疗的工作，迫切需要在分子水平上潜在的 对人类健康产生影响的生物物质进行快速、准确的检测。基于光波导倏逝波传感的原理传 感器，利用全反射传播产生的倏逝波来感知外界的折射率变化。当待测样品通过传感区域 时，传感区折射率会发生变化，导致芯层有效折射率发射变化，利用干涉、谐振等原理可将 有效折射率变化转换到输出光谱曲线变化上，通过光谱分析测量出输出光谱变化，即可推 算待测物的浓度。环形谐振腔结构在环形光波导内建立谐振模式，显著提升环形波导外的倏逝场强 度，从而增强对外界折射率变化的感知能力。其等效探测长度Lrff ^ LQ,这里L为传感区长 度，Q为谐振腔品质因子，因此高Q值的光波导谐振腔可显著增加光与物质的等效作用长度 和作用时间，提升传感灵敏度。基于光波导环形谐振腔的传感器无需标记，结构简单，集成 度高，可实现功能多，与微流控技术完全兼容。但要探测周围折射率变化，需要在外围检测 设备中采用专门的光谱分析装置，从而导致检测设备体积大，结构复杂，价格昂贵，波段针 对性不高。
实用新型内容为了克服现有技术中的不足，本实用新型的目的在于提供了一种光波导谐振腔型 传感设备，该传感设备无需专门的光谱分析装置或是窄线宽的可调光源，价格低廉，可对生 物物质实现准确的测量。为了解决上述技术问题，实现上述目的，本实用新型通过如下技术方案实现一种光波导谐振腔型传感设备，由传感芯片和外围检测设备构成，所述传感芯片 的衬底基片上制作有一输入光波导、一个或多个光波导环形谐振腔、一个或多个耦合区、一 个或多个传感区、一个输出光波导和一作为光谱展开区的平面波导光栅，所述输入光波导 与光波导环形谐振腔通过耦合区相连接，所述输出光波导与光波导环形谐振腔通过耦合区 相连接，所述平面波导光栅与所述光波导环形谐振腔通过输出光波导相连接，所述光波导 环形谐振腔表面全部或部分暴露在传感区里，传感区一端连接有进样口、另一端连接有出 样口。优选的，所述输入光波导与所述光波导环形谐振腔之间的耦合区，与输出光波导 与所述光波导环形谐振腔之间的耦合区为同一个耦合区，即所述光波导环形谐振腔、所述 耦合区和所述传感区都为同一个。优选的，所述光波导环形谐振腔包括第一光波导环形谐振腔和第二光波导环形谐 振腔，所述耦合区包括第一耦合区和第二耦合区，所述传感区包括第一传感区和第二传感区，所述进样口包括第一进样口和第二进样口，所述出样口包括第一出样口和第二出样口， 所述第一进样口和第一出样口分别连接所述第一传感区，所述第二进样口和第二出样口分 别连接所述第二传感区；所述第一光波导环形谐振腔与所述第一耦合区相连接，所述第二 光波导环形谐振腔与所述第二耦合区相互连接，所述输入光波导与所述第一光波导环形谐 振腔通过第一耦合区相连接，所述输出光波导与所述第二光波导环形谐振腔通过第二耦合 区相连接，所述第一耦合区和第二耦合区通过一传输光波导连接。进一步的，所述外围检测设备包括依次设置在所述传感芯片输入端的宽带光源模 块、输入光耦合模块和依次设置在所述传感芯片输出端的输出光耦合模块、光电探测组件 和数据处理电路。进一步的，所述光电探测组件由一光电探测器和一可带动所述光电探测器在像面 内移动的步进电机，所述光电探测器和所述步进电机之间通过一传动装置连接。进一步的，所述光电探测器之前光信号进入的位置上有一用于调节光斑透过尺寸 的光阑。优选的，所述光电探测组件为一线阵红外光电探测器。本实用新型的设备通过对输出的谐振光谱分析以获得折射率变化，并推算出相应 的变化待测物含量。下面具体说明本实用新型的检测原理。光经由输入光波导进入耦合区，一部分光功率将耦合进环形或碟形谐振腔，如果 光在谐振腔内绕行一周后相位相同，会叠加增强，形成谐振。其谐振波长由式(1)给出。Aes = 7^jl…
m(1)其中，m是正整数，neff是有效折射率，Lu是环形谐振腔的周长。发生谐振的光波长将在谐振腔内聚集大量能量，使得光在谐振腔内绕行时的损耗 增大，如果使耦合区的耦合比例满足一定的关系，甚至可以使输出光波导的光功率为零。这 意味着此结构的谐振腔可以在谐振频率处引入一个强吸收点。在溶液中通入待测物质后，会通过管道引入传感区中的光波导表面，导致周围的 折射率发生改变，若周围折射率的改变量为△%，那么由于倏逝场的作用，谐振腔光波导的 有效折射率将会发生改变。有效折射率与周围折射率变化的关系如下
权利要求1.一种光波导谐振腔型传感设备，由传感芯片(1)和外围检测设备⑵构成，其特征在 于所述传感芯片(1)的衬底基片上制作有一输入光波导(11)、一个或多个光波导环形谐 振腔、一个或多个耦合区、一个或多个传感区、一个输出光波导(1 和一作为光谱展开区 的平面波导光栅(18)，所述输入光波导(11)与光波导环形谐振腔通过耦合区相连接，所述 输出光波导(1 与光波导环形谐振腔通过耦合区相连接，所述平面波导光栅(18)与所述 光波导环形谐振腔通过输出光波导(1 相连接，所述光波导环形谐振腔表面全部或部分 暴露在传感区里，传感区一端连接有进样口、另一端连接有出样口。
2.根据权利要求1所述的光波导谐振腔型传感设备，其特征在于所述输入光波导 (11)与所述光波导环形谐振腔之间的耦合区，与输出光波导(1 与所述光波导环形谐振 腔之间的耦合区为同一个耦合区，即所述光波导环形谐振腔、所述耦合区和所述传感区都 为同一个。
3.根据权利要求1所述的光波导谐振腔型传感设备，其特征在于所述光波导环形谐 振腔包括第一光波导环形谐振腔(141)和第二光波导环形谐振腔(142)，所述耦合区包括 第一耦合区(121)和第二耦合区(122)，所述传感区包括第一传感区(151)和第二传感区 (152)，所述进样口包括第一进样口(161)和第二进样口(162)，所述出样口包括第一出样 口(171)和第二出样口(172)，所述第一进样口(161)和第一出样口(171)分别连接所述 第一传感区(151)，所述第二进样口(16 和第二出样口(17 分别连接所述第二传感区 (152)；所述第一光波导环形谐振腔(141)与所述第一耦合区(121)相连接，所述第二光波 导环形谐振腔(14 与所述第二耦合区(12 相互连接，所述输入光波导(11)与所述第一 光波导环形谐振腔(141)通过第一耦合区(121)相连接，所述输出光波导(1 与所述第二 光波导环形谐振腔(14 通过第二耦合区(12 相连接，所述第一耦合区(121)和第二耦 合区(12 通过一传输光波导(19)连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的光波导谐振腔型传感设备，其特征在于所述外围 检测设备(2)包括依次设置在所述传感芯片(1)输入端的宽带光源模块(21)、输入光耦合 模块和依次设置在所述传感芯片(1)输出端的输出光耦合模块(M)、光电探测组件 (25)和数据处理电路(26) 0
5.根据权利要求4所述的光波导谐振腔型传感设备，其特征在于所述光电探测组件 (25)由一光电探测器(25 和一可带动所述光电探测器(25 在像面内移动的步进电机 0讨)，所述光电探测器052)和所述步进电机054)之间通过一传动装置053)连接。
6.根据权利要求5所述的光波导谐振腔型传感设备，其特征在于所述光电探测器 (252)之前光信号进入的位置上有一用于调节光斑透过尺寸的光阑051)。
7.根据权利要求4所述的光波导谐振腔型传感设备，其特征在于所述光电探测器组 件05)为一线阵红外光电探测器。
专利摘要本实用新型公开了一种光波导谐振腔型传感设备，由传感芯片和外围检测设备构成，所述传感芯片的衬底基片上制作有一输入光波导、一个或多个光波导环形谐振腔、一个或多个耦合区、一个或多个传感区、一个输出光波导和一作为光谱展开区的平面波导光栅，所述输入光波导与光波导环形谐振腔通过耦合区相连接，所述输出光波导与光波导环形谐振腔通过耦合区相连接，所述平面波导光栅与所述光波导环形谐振腔通过输出光波导相连接，所述光波导环形谐振腔表面全部或部分暴露在传感区里，传感区一端连接有进样口、另一端连接有出样口。本实用新型无需荧光标记，灵敏度高，结构紧凑，外围检测设备无需光谱分析装置，成本低。
文档编号G02B6/34GK201897570SQ201020650750
公开日2011年7月13日 申请日期2010年12月9日 优先权日2010年12月9日
发明者施燕博, 武晓东, 王帆, 田玉冰, 董宁宁 申请人:苏州生物医学工程技术研究所