包括纳米通道的光波导以及使用此类光波导的光流体传感器的制造方法
【专利说明】包括纳米通道的光波导以及使用此类光波导的光流体传感
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技术领域
[0001]本发明涉及一种包括纳米通道的光波导和使用此类光波导的光流体传感器。这样的传感器可用于例如尤其是在有害环境中的流体化学、生物、生物化学或物理分析。用于流体分析的传感器的微型化使得能够减少流体的使用量，这尤其在流体具有放射性的情况下是重要的。随后使用的流体样本具有减少的放射性活动和减少的响应时间。在流体来自于产生非常有限的量的过程(例如色谱馏分或者液-液萃取法过程)的情况下，这对于分析也是重要的。这些光流体传感器使用吸收光谱测定法。吸收光谱的测量广泛用在从工业到科研的任何科学领域中。
[0002]吸收光谱测定法取决于化学物质在某些波长处吸收光的能力。这种能力由Beer-Lambert定律描述，可表示为P = PQexp (-Γ aL)，其中:
[0003]P。为光波导的输入端处的光功率，
[0004]P为透射进光波导中的光功率，
[0005]a为待分析的流体的吸收系数，a = ec，其中，ε为待分析的流体的摩尔消光系数，并且c为待分析的流体的浓度，
[0006]Γ为光与流体的互作用因子，以及
[0007]L为流体与光之间的互作用长度。
[0008]值得注意的是，包括纳米通道的光波导还可以用在电信领域，在该情况下，该通道将填充有能对引导的光信号进行调制和/或过滤和/或放大的流体。
【背景技术】
[0009]用于流体分析的集成光传感器在过去数年中已经得到快速发展。实际上，这些传感器具有多种优势:对电磁干扰不敏感、通用且精确、具有机械和热稳定性。这些传感器使用截面尺寸介于数百纳米与数个微米之间的光波导。光与待分析的流体之间的相互作用发生在数十纳米至数百纳米的深度处。垂直开槽光波导例如从这些文献[I]，[2]，[3]中获知，在说明书的最后可找到这些参考文献。光波导包括顶部有芯2的基板1，芯2采用两个平行轨2.1、2.2的形式，在这两个平行轨之间限定有用于容纳流体4的槽3。可以参照图1o芯2通常由诸如氮化硅之类的高折射率的材料制成，基板I自身通常由硅制成。槽3的横截面被定向为使得副侧面基本上平行于基板I的主表面，并且主侧面基本上垂直于基板I的主表面。该结构的优点在于，注入该波导的光的大多数准TE分量位于流体中，这导致一方面的待分析的流体与另一方面的引导光之间的相互作用增强。然而，一个缺点在于，当基板为硅板时，光的波长必须大于1.1纳米，使得基板能够透光。
[0010]在美国专利7609932中，对槽进行翻转，现其横截面的副侧面基本垂直于基板。该槽填充有在所用波长处透明的材料，并且被夹在形成光波导的芯的两层之间。该透明材料的折射率低于形成光波导的芯的两层的折射率。该配置不适用于流体分析。在另一配置中，该槽至少局部地被掏空，使流体能够被引入。损耗降低，引入光波导中的光的准TM分量被限制在流体中。然而，所提出的制造方法不能够使光波导获得数十厘米甚至数米的大长度，这是因为难以在不破坏放置在槽上的芯层的前提下从槽中移除材料。
[0011]但是，为了能够根据Beer-Lambert定律以可接受的灵敏度分析降低的浓度的具有低摩尔系数的流体，必须能够使用大的流体/光互作用长度以及(因此)足够长的光波
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[0012]目前，这种类型的光波导通过沉积层并对这些层进行蚀刻的技术来制作，这些技术是常规技术。
【发明内容】
[0013]本发明的一个目的在于精确地提供一种具有良好灵敏度的包括通道的光波导，所述光波导尤其适用于流体分析(即使这些流体具有低的浓度和摩尔消光系数)。
[0014]本发明的一个目的在于提供一种扩散或辐射损耗远小于现有技术的光波导。扩散损耗取决于所采用的技术、波导的粗糙度，而辐射损耗取决于波导的曲率。
[0015]本发明的另一目的在于提供一种光波导，该光波导可以测量数十厘米，或者甚至数十米，并且可以具有一侧边仅几厘米的封装(footprint)。
[0016]本发明的另一目的在于提供一种光波导，当用于流体时，该光波导没有堵塞通道内部的流体并阻碍其流动的风险。
[0017]本发明的又一目的在于提供一种光波导，当用于流体时，该光波导不会难以填充或清空。
[0018]本发明的又一目的在于提供一种光波导，当用于流体时，该光波导没有因流体所生成的压力而被损坏的风险。
[0019]为此，本发明建议结合两个基板，每个基板包括暴露在这些基板表面处的光导结构，并在任一光导结构或两个光导结构中设置通道。
[0020]更具体地，本发明提供了一种光波导，包括:包含第一光导结构的第一基板，所述第一光导结构与所述第一基板的表面齐平；包含第二光导结构的第二基板，所述第二光导结构与所述第二基板的表面齐平，通过使这两个基板的表面重叠，这两个基板被组装为使得两个光导结构彼此相对并且在相同的方向上延伸；通道，其被安装在所述第一光导结构与所述第二光导结构之间并沿所述方向定向，所述通道的截面的大尺寸基本上与所述第一基板的表面和所述第二基板的表面平行，所述通道被用于容纳流体。
[0021]所述通道与所述第一光导结构，或所述第二光导结构，或所述第一光导结构和所述第二光导结构两者重叠。
[0022]所述第一光导结构和所述第二光导结构选自平面光波导的芯或条形光波导的芯。
[0023]有利地，尤其为了改善波导中所引导的光信号的横向限制并降低由波导的可能曲率所引起的功率损耗，所述光波导还包括至少一个储存器，所述至少一个储存器横向连接到所述通道并与所述通道在基本上整个所述通道的长度上连续地连通。
[0024]所述光波导可以是直线波导，但是为了能够从具有小封装的大长度的光波导中受益，优选地，所述光波导采用以下任一种:直线形，蛇形，螺旋形，这三种形状中任意两种结合而成的形状，这三种形状结合而成的形状。
[0025]可替换地，所述光波导可以是以布拉格反射器或其他类型的反射器结束的环状共振结构或法布里-珀罗共振结构。
[0026]优选地，为了确保用于在通道中流通的流体的良好流通，该通道具有亲水的内表面。
[0027]出于相同的目的，优选地，该储存器具有亲水的内表面。
[0028]可替换地，所述通道具有疏水的内表面。所述储存器具有疏水的内表面。
[0029]有利地，所述第一基板和所述第二基板由玻璃制成，这是因为玻璃对光损害具有低灵敏度，并易于工作。玻璃具有良好的耐腐蚀性并允许光函数与微流体函数的协整分析。
[0030]本发明还涉及一种用于流体分析的光传感器，包括:具有上述特征的光波导，所述光波导在所述通道的任一侧设置有两个储存器；用于流体进入所述通道的装置，其连接到所述储存器之一；用于流体从所述通道输出的装置，其连接到另一储存器。
[0031]本发明还涉及一种光谱测定设备，包括:具有上述特征的光传感器，连接到所述光波导的一端上的光源以及连接到所述光波导的另一端上的光谱分析仪。
[0032]本发明还涉及一种用于制作包括通道的光波导的方法，包括以下步骤:
[0033]在第一基板中形成与所述第一基板的表面齐平的第一光导结构，并且在第二基板中形成与所述第二基板的表面齐平的第二光导结构；
[0034]形成与所述第一基板重叠或与所述第二基板重叠或与所述第一和第二基板重叠的通道，所述通道被用于容纳流体；
[0035]将所述第一基板和所述第二基板之一翻转；
[0036]将所述第一基板与所述第二基板通过其表面对齐并进行组装，使得两个光导结构彼此相对地重叠并在相同的方向上延伸，所述通道被安装在所述第一光导结构与所述第二光导结构之间并沿所述方向定向，所述通道的截面的大尺寸基本上与所述第一基板的表面和所述第二基板的表面平行。
[0037]形成所述通道的步骤发生在形成所述第一光导结构的步骤之前或之后，并且发生在形成所述第二光导结构的步骤之前或之后。
[0038]有利地，在形成所述第一光导结构的步骤、形成所述第二光导结构的步骤、形成所述通道的步骤之后，并且在翻转所述基板之一的步骤之前，设置形成至少一个储存器的步骤，所述至少一个储存器横向连接到所述通道并与所述通道在基