一种基于集成光子技术的SPR传感器的制作方法

本实用新型涉及一种基于表面等离子共振技术的传感器，尤其涉及的是一种基于集成光子技术的SPR传感器。

背景技术：

SPR是一种物理光现象，利用光在界面处发生全内发射时的消逝波，可以引发金属表面的自由电子产生表面等离子体在入射角或波长为某一适当值的条件下，表面等离子与消逝波的频率和波数相等，二者将发生共振，入射光被吸收，使反射光能量急剧下降，在发射谱上出现谐振峰(即反射强度最低值)。当紧靠在金属薄膜表面的介质折射率不同时，共振峰位置将不同，可以通过四种参数来表现，也就对应了四种方法用于检测介质的折射率，分别为强度法、角度法、波长法以及相位法。

自Liedberg等人于1983年首次运用表面等离子激元共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)技术进行抗原抗体相互作用分析，并逐步将此项技术引入生物传感领域以来，基于SPR 的基础生命科学研究进行得如火如荼。经过近30年的发展，SPR技术已广泛应用于分子生物学、医学、环境科学等领域。基于SPR技术的生物传感器具有其他大分子相互作用检测技术所无法比拟的优点，如不需要对分子进行标记，能实时检测生物分子结合反应的全过程等，其发展非常迅速，已经成为一种成熟的检测生物大分子间相互作用的方法，并走在了传感器研究的前沿。

但目前商用的SPR传感探测系统复杂，体积大而且价格昂贵，并且不利于实现单片阵列化探测。硅基光子学技术在过去十几年中快速发展，且与CMOS工艺兼容，适合大规模生产，将SPR技术与硅基光子学技术相结合，是解决目前商用SPR传感器遇到的瓶颈的一条重要途径。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于集成光子技术的SPR传感器，实现对待测介质的传感率检测。

本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型包括硅基底、衬底、上包层，还包括夹持于上包层和衬底之间的芯片，所述芯片包括分光器件、光栅结构、金属薄膜、定向耦合器、参考光发射波导、信号光发射波导和光电探测器，所述衬底设置于硅基底之上，所述参考光发射波导的一端连接分光器件的一个出口，另一端垂直于芯片端面向空间发射，所述分光器件的另一个出口连接光栅结构，所述金属薄膜设置于光栅结构之上，光源进入光栅结构后倾斜射入金属薄膜上，所述光栅结构的发射端连接定向耦合器，所述定向耦合器的输出端的一路连接光电探测器，另一路连接信号光发射波导，所述信号光发射波导的输出端垂直于芯片端面向空间发射。

所述分光器件为功分器，所述功分器的输入端输入光信号，功分器的输出端分为两路，一路连接到参考光发射波导，另一路连接到光栅结构。

所述向空间发射的输出波导之间的距离小于3um。能够确保两束光由于距离很近，将会在CCD上进行相干。

所述传感器还设有偏振分束器，所述偏振分束器分离出的P光输出连接到分光器件。输入光在进入芯片之前已经进行的偏振分离，只将P光传输进芯片。

所述光栅结构为两端窄中间宽的结构，所述金属薄膜位于光栅结构的中间宽部之上。

所述金属薄膜为金薄膜，厚度为40～60nm。金属薄膜上设置有待测物质。

所述光栅结构为氮化硅光栅，所述光栅结构的周期数为10～15，周期为1～3μm，所述光栅结构的刻蚀深度为70～90nm。

所述光栅结构的出射光倾斜角度为70～80°。适当的角度能够确保光在光栅结构上方的金属薄膜处发生等离子共振。

所述光电探测器为硅制成，光电探测器为PIN结构。暗电流更小，相对于金属-半导体- 金属，可大大提高信噪比。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：本实用新型结构简单，是基于强度检测和相位检测的片上一体化模式，相位检测的检测灵敏度高，而强度检测的动态范围更大，结合两者优势实现高灵敏度、高集成度的传感，可大大减小对外围设备的要求，降低系统成本。

附图说明

图1是本实用新型的立体结构示意图；

图2是本实用新型的俯视图；

图3是本实用新型的主视图；

图4是本实用新型光传输示意图；

图5是光栅结构的光发射角度分布仿真图；

图6是SPR过程中强度、相位与入射角的的关系图；

(a)强度与入射角的关系图；(b)相位信号与入射角的关系图。

具体实施方式

下面对本实用新型的实施例作详细说明，本实施例在以本实用新型技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括硅基底10、衬底9、上包层8，夹持于上包层8和衬底9之间的芯片，所述芯片包括分光器件1、光栅结构3、金属薄膜2、定向耦合器4、参考光发射波导6、信号光发射波导7和光电探测器5，所述衬底9设置于硅基底10之上，所述参考光发射波导6的一端连接分光器件1的一个出口，另一端垂直于芯片端面向空间发射，所述分光器件1的另一个出口连接光栅结构3，所述金属薄膜2设置于光栅结构3之上，光源进入光栅结构3后倾斜射入金属薄膜2上，所述光栅结构3的发射端连接定向耦合器4，所述定向耦合器4的输出端的一路连接光电探测器5，另一路连接信号光发射波导7，所述信号光发射波导7的输出端垂直于芯片端面向空间发射。

向空间发射的输出波导之间的距离小于3um。能够确保两束光由于距离很近，将会在CCD 上进行相干。

本实施例的分光器件1为功分器，所述功分器的输入端输入光信号，功分器的输出端分为两路，一路连接到参考光发射波导6，另一路连接到光栅结构3。

其他的实施方式中，传感器还设有偏振分束器，所述偏振分束器分离出的P光输出连接到分光器件1。输入光在进入芯片之前已经进行的偏振分离，只将P光传输进芯片。

光栅结构3为两端窄中间宽的结构，所述金属薄膜2位于光栅结构3的中间宽部之上。

本实施例金属薄膜2为金薄膜，厚度为40～60nm。金属薄膜2上设置有待测物质。金薄膜的物理化学性质比较稳定。

光栅结构3为氮化硅光栅，所述光栅结构3的周期数为15，周期为2μm，所述光栅结构 3为浅刻蚀，刻蚀深度为80nm。

本实施例选用632nm的激光器作为光源，选用250nm的氮化硅作为波导芯层。

利用光栅的高阶衍射，实现出射光的发射角度为70°附近，满足SPR共振角的要求，如图5为光栅结构3的不同出射角度的电场强度分布仿真图，在70～75°之间，电场强度出现了一个尖峰。光电探测器5的材料为硅，光电探测器5的类型为暗电流更小的PIN结构，相对于金属-半导体-金属，可大大提高信噪比。

当632nm的激光进入波导中时，首先经过功分器的Y分支分成两束光，一束光作为参考光，另外一束光经过光栅结构3，以70°左右的角斜向上发射，由于满足共振条件，所以在金属薄膜2与上包层8的界面处发生等离子共振。

如图4所示，在光栅处的光传输过程，只有一部分光才能被反射回光栅，并进入波导中。进入波导中的光，其中一部分通过定向耦合器4进入到光电探测器5中进行强度检测，另外一部分光经过信号光输出波导向空间发射，参考光经过参考光输出波导向空间发射，这两束光由于距离很近，将会在CCD上进行相干，产生相干条纹。

为了说明SPR传感的原理过程，图6为强度和相位信号与入射角的关系图，以图中的黑色点表示SPR传感器的起始点，金属薄膜2上方的折射率增大时，由SPR原理可知，图6中的曲线将会向左移动，反射的光强将会增大，而相位也会变大，可以分别通过光电探测器5 和CCD上条纹的变化读出强度信息和相位信息。一般情况下，强度检测的灵敏度为10^-5～ 10^-6RIU，而相位的灵敏度高达10^-7RIU。

由等离子共振产生的机理可知，当金属薄膜2上物质折射率发生变化时，反射光的强度和相位均会发生变化，直观的反应在直接强度探测和相干探测的信号变化，根据信号的变化即可反推出上方物质的信息。使用本实用新型的传感器，结合相位检测和强度检测的优点，进行互补，既能实现大范围的探测，又能满足高灵敏度的需求。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。