本发明是关于一种基于标准cmos工艺的阵列激光诱导荧光波导芯片及制作工艺，涉及光学分析和检测技术领域。
背景技术：
光学生物传感器大多基于倏逝波原理。倏逝波又叫消逝波，是指在发生全反射时，入射光被全部反射回光密介质，但是在两种不同介质的分界面上产生的一种随距离成指数衰减的电磁场。利用倏逝波能量激发传感元件表面捕获的荧光分子，由此可建立起与待测样品中污染物浓度的定量关系。由于倏逝波渗透深度只有几百nm，可以有效削弱背景干扰，提高灵敏度和选择性，因此基于倏逝波诱导荧光的传感器具有很高的检测灵敏度，可用于痕量物质的检测。
多指标并行检测具有越来越广泛的应用需求和前景。多指标并行检测中通常需要采用不同的生化反应条件，为了从空间上对不同反应过程进行隔离，需要设计分叉的光路结构以形成多个光传输通道，也称为多通道激光诱导荧光芯片。在欧盟第5、6轮框架计划(fp5、fp6)的指引下研发的四通道32指标平面光波导型激光诱导荧光传感芯片是该方面的代表性成果。该芯片以离子交换工艺在高折射率玻璃表面形成掩埋式光波导结构，然后通过两次y型分叉结构形成四通道光路，该结构的缺点是光波导与基底材料的折射率差值小，导致倏逝波表面场强小，且传输损失大，造成各个传感位点之间的信号差值大。因此研究低损耗、高灵敏度的阵列式光波导芯片引起了研究人员的广泛关注。
技术实现要素：
针对上述问题，本发明的目的是提供一种低损耗且灵敏度高的阵列激光诱导荧光波导芯片及其制作工艺。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种阵列激光诱导荧光波导芯片，其特征在于该波导芯片包括：基底；所述基底顶部开设第一y型分支结构，所述第一y型分支结构的两个分支处均开设有第二y型分支结构形成四个分支作为分光区域；所述基底设置有底层波导芯层，所述底层波导芯层顶部设置有隔离层，所述第二y型分支结构的后段隔离层顶部设置有顶部波导芯层，所述顶部层波导芯层顶部设置有包覆层，其中，所述第一y型分支结构和第二y型分支结构前段的底层波导芯层构成低折射率差的单条形波导结构形成光的单模传输，所述第二y型分支结构后段、底层波导芯层和顶部波导芯层构成高折射率差的双条形波导组合结构形成光的多模传输；每一所述第二y型分支结构顶部后段的包覆层上间隔开设若干凹槽并裸露所述顶部波导芯层作为传感窗口。
进一步地，相邻两所述分支的传感窗口交错排列，以防止信号干扰。
进一步地，每一所述传感窗口的大小为1.5mm×0.8mm，同一分支相邻所述传感窗口的中心距为4mm。
进一步地，所述单条形波导结构的入射端设置有入射标记。
进一步地，所述第一y型结构与第二y型结构的宽度均为1μm，且每一所述第二y型结构的最外侧与所述基底外边缘的距离为5.5nm，所述第二y型结构的两个分支之间的距离为3mm。
进一步地，所述底层波导芯层和所述顶部波导芯层均采用si3n4。
进一步地，所述隔离层和包覆层均采用sio2。
进一步地，所述基底采用玻璃晶元制作。
为实现上述目的，本发明还采取以下技术方案：一种阵列激光诱导荧光波导芯片的制作工艺，其特征在于包括以下内容：
选择基底材料；
制作单条形波导结构：采用低压力化学气相沉积法沉积底层波导芯层，形成低折射率差区域；
沉积隔离层：采用lpcvd法沉积隔离层；
制作双条形波导结构：采用lpcvd法沉积顶层波导芯层，底层波导芯层和顶层波导形成高折射率差区域；
确定波导结构过渡区：利用光掩模和光刻技术实现由低折射率区到高折射率区的转换；
反离子刻蚀y型分支结构，得到四个分支作为分光区域；
沉积包覆层：采用lpcvd法沉积包覆层；
刻蚀传感窗口：采用化学机械研磨抛光整个波导芯片表面，去掉包覆层，在包覆层处裸露顶层波导芯层作为传感窗口。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明提供低损耗、阵列式激光诱导荧光传感芯片，与低成本的荧光信号检测单元联合使用，可以同时检测多种目标物质(如生物大分子、有机小分子、病毒及细菌等)，且由于其具有灵敏度高、操作简单等优点，在生物分析、医学诊断、环境监测、食品卫生检验等各个领域有着广泛的应用前景。2、本发明将激发光耦合进波导中，利用波导结构中的y型分支结构实现光路一分为二，激发光通过3个y型分支结构被分到4条波导中，制作的波导芯片可以用于多通道多指标污染物检测。3、本发明的多通道低损耗阵列光波导传感元件是以玻璃晶圆为基底，设计一种在常用波长(635nm红光和520nm绿光)条件下传播损耗低，表面倏逝波强度高，芯片制作批次间差异小的阵列光波导芯片，利用cmos(互补金属氧化物半导体)工艺在玻璃基底上形成不同的波导结构，可以实现光波导芯片大批量低成本的制作。4、本发明在整个波导表面覆盖一层sio2作为隔离层，以防止环境基质与波导的接触导致光散射。5、本发明利用高折射率材料si3n4为波导芯层，sio2为包覆层，采用单条形波导和双条形波导组合的波导结构，通过光学仿真模拟确定最优的芯片结构参数，并基于cmos工艺制作阵列传感芯片，该阵列光波导芯片具有光传播损耗低、表面倏逝波强度高，芯片制作批次间差异小，易于实现产业化推广，具有显著实用化优点，有望推动多通道阵列光波导传感芯片从实验室走向实际应用。
附图说明
图1是本发明阵列激光诱导荧光波导芯片的结构示意图；
图2是本发明cmso工艺制作多通道波导芯片的具体工艺流程图，其中，黑色表示si3n4层，灰色表示sio2层。
具体实施方式
以下结合附图来对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，附图的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。
本发明的阵列激光诱导荧光波导芯片通过薄膜沉积工艺分为两个区域，一个是单层si3n4为波导结构的低折射率差区域，此区域为单模结构，易于入射光的耦合；且利用y型分支将入射光平均分配到波导结构的4个分支，定义为分光区；另一区域是以双层si3n4为波导结构的高折射率差区域，以易于激发光进入波导结构之后在波导表面产生较强的倏逝波能量，定义为检测区；检测区的4条波导上设计传感窗口，用于倏逝波激发待测物。
基于上述设计原理，如图1、图2所示，本发明提供的基于标准cmos工艺的阵列激光诱导荧光波导芯片，包括玻璃晶元制作的基底1，基底1顶部通过标准cmos工艺设置第一y型分支结构2，第一y型分支结构2的两个分支处均开设有第二y型分支结构3形成四个分支作为分光区域，基底1顶部设置一层si3n4作为底层波导芯层5，底层波导芯层5顶部设置一层sio2作为隔离层6，位于第二y型分支结构3上方的后段隔离层6顶部设置一层si3n4作为顶部波导芯层7，顶部层波导芯层7的顶部设置第二层sio2作为包覆层8，其中，底层波导芯层5(第一y型分支结构2和第二y型分支结构3前段)形成低折射率差区域，低折射率差区域为单条形波导结构形成光的单模传输，第二y型分支结构3后段、底层波导芯层5和顶部波导芯层7构成高折射率差区域，此区域为双条形波导组合结构形成光的多模传输，每一第二y型分支结构3顶部的包覆层间隔开设若干凹槽并裸露顶部波导芯层7作为传感窗口9。
在一个优选的实施例中，基底1尺寸为65mm×20mm×1mm。
在一个优选的实施例中，单条形波导结构的波导长度为16.7mm。
在一个优选的实施例中，本发明四条分支上的每一分支均间隔设置4个传感窗口9(以此为例，不限于此，可以根据具体检测情况进行设置)，即本发明的阵列激光诱导荧光波导芯片共设置有32个传感窗口9，即可以同时用于32种指标污染物检测，且相邻两条分支的传感窗口9交错排列，以防止传感窗口9间的信号干扰，每一传感窗口9的大小可以为1.5mm×0.8mm，同一分支相邻传感窗口9的中心距可以为4mm。
在一个优选的实施例中，为了方便光纤与波导结构光耦合，单条形波导结构的入射端设置有入射标记10，入射标记10的宽度为0.4nm。
在一个优选的实施例中，第一y型结构2与第二y型结构3的宽度均为1μm，且每一第二y型结构3的最外侧与基底1外边缘的距离为5.5nm，第二y型结构3的两个分支之间的距离为3mm。
如图2所示，本发明阵列激光诱导荧光波导芯片的制作工艺具体过程为：
1)选择基底材料：本发明实施例采用直径为100mm，厚500μm圆形sio2晶元作为基底1。
2)制作单条形波导结构：采用低压力化学气相沉积法(lpcvd)沉积一层si3n4作为底层波导芯层5，底层波导芯层5的目标厚度：25nm；实测厚度：29.1nm；折射率(633nm)：2.0136。
3)沉积sio2隔离层6：采用lpcvd法沉积一层sio2作为隔离层隔离高折射率区的两层波导芯层，隔离层6的目标厚度：100nm；实测厚度：106.6nm；折射率(633nm)：1.4507。
4)双条形波导结构：用lpcvd法沉积一层si3n4作为顶层波导芯层7构成双条形波导组合结构。顶层波导芯层7的目标厚度：70nm；实测厚度：70.6nm；折射率(633nm)：2.0119。
5)确定波导结构过渡区：利用光掩模和光刻技术实现由低折射率区到高折射率区的转换。
6)反离子刻蚀(rie)波导结构，得到y型分支结构。
7)沉积sio2包覆层8：用lpcvd法沉积sio2包覆层8，包覆层8的目标厚度：3000nm；实测厚度：2933.8-2076.6nm；折射率(633nm)：1.4558。
8)刻蚀传感窗口9：采用化学机械研磨抛光波导芯片表面，每个传感窗口9大约去掉250nmsio2包覆层，在包覆层8处裸露出顶层波导芯层7作为传感窗口。
实施例：
如图1所示，本发明的阵列激光诱导荧光波导芯片有32个传感窗口(4×8)，激发光是波长为635nm的红光，利用y型分支结构可将激发光平均分配到波导上的32个位点(传感窗口)。在32个位点上通入cy5.5荧光染料溶液，本实施例阵列激光诱导荧光波导芯片的32个位点对cy5.5荧光分子溶液的检出限均能达到1nm，充分说明本发明的传感器的灵敏度很高，可以用于后续的免疫分析，而且完成一次荧光信号的检测所需时间小于25min。
上述各实施例仅用于说明本发明，其中各部件的结构、连接方式和制作工艺等都是可以有所变化的，凡是在本发明技术方案的基础上进行的等同变换和改进，均不应排除在本发明的保护范围之外。