用于对分析物进行分析的折射率传感器及其制造方法

文档序号:9457515阅读:340来源:国知局
用于对分析物进行分析的折射率传感器及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明大体涉及诸如在生化分析中用于对分析物进行分析的折射率传感器、制造 该折射率传感器的方法,更具体地,涉及高灵敏度折射率传感器。
【背景技术】
[0002] 光学折射率(RI)传感器已经被广泛研究用于多种应用,并在生化分析中起到重 要作用。在现有的生化RI传感器中,人们对那些基于集成的光学波导的传感器由于其高灵 敏度、小尺寸和高度集成而感兴趣。最近,由于在亚波长尺度低折射率区域(槽状区域)中 提供高光强的能力,基于某些类型的槽状波导的RI传感器引起人们的兴趣。相比传统带状 波导,利用这样的槽状波导可以在槽状区域中获得更大的光-分析物相互作用,并因此获 得更高的灵敏度。到目前为止,已经报道了基于环形谐振器、马赫-曾德尔干涉仪、布拉格 光栅以及定向耦合器的槽状波导传感器。该报道的槽状波导环形谐振器传感器可以表现出 的灵敏度比基于传统带状波导的环形谐振器的灵敏度大大约两倍(大约212nm/RIU(折射 率单位))。
[0003] 但是,进一步增强RI传感器的灵敏度以提供它的分析物检测/测量能力,从而例 如以非常低的检测阈值检测/测量生物分子将是有益的。另外,由于大多数生物相互作用 的复杂性质,提供一种能够进行波长多路复用测量的RI传感器也将是有益的。
[0004]因此,需要提供一种用于对分析物进行分析的高灵敏度并且优选地能够进行波长 多路复用测量的折射率(RI)传感器。针对于此背景,开发出本发明。

【发明内容】

[0005] 本发明寻求克服或至少改善上述现有技术的一个或多个缺陷,或向消费者提供有 用的或商业的选择。
[0006] 根据本发明的第一方面,提供了一种用于对分析物进行分析的折射率传感器,所 述传感器包括:
[0007] 带状波导,用于接收在所述带状波导中的输入光信号并将所述光信号传输至用于 对所述分析物进行分析的检测器,其中,所述光信号在传播通过所述带状波导时受到操纵; 以及
[0008] 槽状波导,用于感测放置在所述槽状波导上的所述分析物,并从所述带状波导接 收感测信号,其中,所述感测信号与所述光信号的所述操纵相对应,
[0009] 其中,光栅形成在所述带状波导的表面上,以使得能够将所述感测信号从所述带 状波导耦合至所述槽状波导,并且
[0010] 所述传感器基于所述槽状波导和所述带状波导之间的灵敏度差和/或所述槽状 波导和带状波导之间的群折射率差被配置为具有增强的灵敏度。
[0011] 优选地,所述传感器还包括基底,其中,所述带状波导和所述槽状波导被设置在所 述基板上以隔开并大体上互相平行。
[0012] 优选地,所述感测信号为光信号的形式,并且所述光栅具有被配置为将光信号在 特定共振波长处从所述带状波导耦合至所述槽状波导的光栅周期。
[0013] 优选地,所述槽状波导具有根据被放置在所述槽状波导上的所述分析物而受到改 变的模式折射率,所述模式折射率的改变导致从所述带状波导被耦合至所述槽状波导的所 述光信号的所述特定共振波长的移位,从而使得能够根据所述特定共振波长的移位对所述 分析物进行分析。
[0014] 优选地,所述传感器配置为以使得其灵敏度(S)根据以下等式确定:
[0015]
[0016] 其中,X。为所述光信号的所述特定共振波长,AS为所述槽状波导和所述带状波 导之间的所述灵敏度差,ANg为所述槽状波导和所述带状波导之间的所述群折射率差。
[0017] 优选地,所述传感器配置为以使得所述槽状波导和所述带状波导之间的所述灵敏 度差增大,和/或所述槽状波导和所述带状波导之间的所述群折射率降低。
[0018] 优选地,所述带状波导被隔离以降低其灵敏度,从而增大所述槽状波导和所述带 状波导之间的所述灵敏度差。
[0019] 优选地,所述带状波导被由Si02制成的隔离层封闭以将所述带状波导与所述分析 物隔离。
[0020] 在另一个实施方式中,所述带状波导被由聚合物材料制成的隔离层封闭以将所述 带状波导与所述分析物隔离。
[0021] 优选地,所述聚合物材料具有热光系数,所述热光系数被选择用于补偿所述传感 器的正温度相关性或负温度相关性,以降低所述传感器的温度相关性。
[0022] 优选地,所述聚合物材料由WIR30-490或SU-8制成。
[0023] 优选地,所述带状波导的宽度被配置为约600nm至约lOOOnm。
[0024] 优选地,所述槽状波导的一个或多个参数被配置为增大所述槽状波导的灵敏度, 从而增大所述槽状波导和所属带状波导之间的所述灵敏度差,其中,所述一个或多个参数 包括所述槽状波导的宽度和/或所述槽状波导的间隙的宽度。
[0025] 优选地,配置所述槽状波导以使得所述槽状波导的宽度增大,和/或所述间隙的 宽度降低。
[0026] 优选地,所述槽状波导的所述宽度处于约350nm至约550nm的范围内,并且所述间 隙的所述宽度处于约50nm至约300nm的范围内。
[0027] 优选地,彼此分离的多个光栅形成在所述带状波导的表面上,每个光栅具有被配 置为在各自的共振波长处将所述感测信号耦合至所述槽状波导的不同光栅周期,从而使得 能够进行波长多路复用测量。
[0028] 优选地,所述槽状波导和/或所述带状波导由氮化硅(Si3N4)制成。
[0029] 根据本发明的第二方面,提供一种制造用于对分析物进行分析的折射率传感器的 方法,该方法包括:
[0030] 形成带状波导,所述带状波导用于接收在所述带状波导中的输入光信号并将所述 光信号传输至用于对所述分析物进行分析的检测器,其中,所述光信号在传播通过所述带 状波导时受到操纵;以及
[0031] 形成槽状波导,所述槽状波导用于感测放置在所述槽状波导上的所述分析物,并 从所述带状波导接收感测信号,其中,所述感测信号与所述光信号的所述操纵相对应,
[0032] 其中,所述方法还包括在所述带状波导的表面形成光栅,以使得能够将所述感测 信号从所述带状波导耦合至所述槽状波导,并且
[0033] 基于在所述槽状波导和所述带状波导之间的灵敏度差和/或所述槽状波导和带 状波导之间的群折射率差,将所述传感器配置为具有增强的灵敏度。
[0034] 根据本发明的第三方面,提供一种用于对分析物进行分析的折射率传感器装置, 该传感器装置包括:
[0035] 折射率传感器,包括带状波导和槽状波导;
[0036] 光源,用于向所述带状波导输出光信号;以及
[0037] 检测器,用于从所述带状波导接收所述光信号以对所述分析物进行分析,
[0038] 其中,所述带状波导被配置为接收在所述带状波导中的输入光信号并将所述光信 号传输至用于对所述分析物进行分析的检测器,其中,所述光信号在传播通过所述带状波 导时受到操纵,
[0039] 所述槽状波导被配置为感测放置在所述槽状波导上的所述分析物,并从所述带状 波导接收感测信号,其中,所述感测信号与所述光信号的所述操纵相对应,
[0040] 光栅形成在所述带状波导的表面上,以使得能够将所述感测信号从所述带状波导 耦合至所述槽状波导,并且
[0041] 所述折射率传感器基于所述槽状波导和所述带状波导之间的灵敏度差和/或所 述槽状波导和带状波导之间的群折射率差被配置为具有增强的灵敏度。
[0042] 优选地,所述折射率传感器装置还包括偏振控制器,所述偏振控制器用于从所述 光源接收所述光信号,并向所述带状波导输出TE偏振光信号。
[0043] 附图简要说明
[0044] 结合以下附图并仅通过举例的方式,根据以下的描述,本发明的实施方式对于本 领域技术人员将被更好地理解并显而易见,其中:
[0045] 图1A示出根据本发明示例性实施方式的RI传感器的示意性立体图;
[0046] 图1B示出RI传感器的示意性剖视图;
[0047] 图2说明从带状波导向槽状波导的感测信号的耦合,并示出在两个波导的输出处 的透射光谱;
[0048] 图3A和3B分别示出用于具有示例性参数的传感器的带状波导和槽状波导的场分 布;
[0049] 图3C曲线图示出了两个波导的模式折射率Neff和两个波导104、112之间的模式 折射率差为波长A的函数的相关性;
[0050] 图3D描绘的曲线图示出了两个波导的模式折射率Neff和两个波导104、112之间 的模式折射率差A Nrff作为外部折射率!!^的相关性;
[0051] 图4描述根据本发明另一实施方式的传感器的示意性剖视图,其中,带状波导被 隔呙;
[0052] 图5A至5C示出了相对于带状波导的宽度^、槽状波导管的间隙124的宽度g和 肋高t两个传感器(即,进行隔离和未进行隔离)的灵敏度;
[0053] 图6描述耦合系数和达到kL = 31 /2所需的对应的光栅长度的变化,该耦合系数 和对应的光栅长度的变化作为对于间距s的三个示例性值的蚀刻深度的函数;
[0054] 图7A和7B分别示出了外部折射率1^的值不同的两个传感器(即,未进行隔离和 进行隔离)的透射光谱;
[0055] 图7C说明共振波长X。对外部折射率n ^的线性相关度;
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