传感器的制作方法

专利名称：传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种传感器，其用于读取流入微量分析系统(μ-TAS)通道中的物质的浓度、微压分布和温度分布、生物信息和遗传信息。本发明进一步涉及一种高效传输和处理所检测的信息的数据发送器。
背景技术：
近年来，用于以更小型的系统进行分析的技术已经在化学和生化领域中开发出来。典型实例是利用微通道的μ-TAS系统。已经利用比常规通道更小的通道来进行分离/混合、反应等等。而且，用于读取生物和遗传信息的检测元件(称为DNA芯片)已随着在生物工艺学和生物产业的发展而被开发出来。
另外，随着三维微机械加工在近年来的发展，已开始关注这样的系统，在这些系统中，小型通道、流体装置(比如泵和阀)和传感器被集成于由从玻璃和硅构成的组中选择的材料所制成的衬底上，并在该衬底上进行化学分析。这些系统被称为缩微分析系统、μ-TAS(微量总分析系统)或芯片上实验室(Lab on a Chip)。通过减小化学分析系统的尺寸，可减少反应量，并大为减少样本量。此外，还可缩短分析时间，并减少整个系统的功耗。而且，更小的系统提高了对更低成本的期望。由于μ-TAS可使系统小型化、降低成本和显著缩短分析时间，所以希望将μ-TAS应用于包括家庭护理和临床监测的医学领域、包括DNA分析和蛋白分析的生物技术领域。
例如，公开了一种微反应器(microreactor)，其中通过数个单元的组合来进行一系列生化实验(日本专利申请待审号10-337173)。在该系列实验中，在混合溶液和进行反应之后，进行量化分析、然后进行分离。图11示意性示出了微反应器11的概念。微反应器11在硅衬底上具有被平面板严密覆盖的分离反应室。贮存单元12、混合单元13、反应单元14、检测单元15和分离单元16被组合于该反应器中。通过在衬底上形成若干反应器，可并行进行若干生化反应。在单元上不仅可进行简单分析，还可进行物质合成，比如蛋白质合成。
这样的μ-TAS系统和生物芯片在包含反应的操作被进行之后最终需要检测步骤。光检测已被用作一种具有较高准确性、较少影响分析物的方法，因为它具有非接触性和非响应性。例如，已使用多种测量方法，包括将荧光标记添加到分析物，并且从激励光源射出光线以检测荧光的测量方法；利用来自光源的光线照射分析物以测量透射光的强度的测量方法；将棱镜靠近分析物，从光源发光，并测量全反射光的损耗的测量方法。
然而，利用荧光标记的方法产生了分析物和标记之间同质性的问题，使得不可使用所需要的标记，其为具有高灵敏度的标记。另外，激励光线和荧光在该方法中具有不同波长。尽管作为噪声成分的强烈激励光线较少地造成降级，但是产生作为信号成分的荧光的效率却难以提高。因此，难以增大整体信噪比。
根据通过利用透射光来测量透射率和吸光率的方法，当分析物具有低透射率时，也就是当所检测的流体中所含的受测物质具有高浓度时，信号会由于透射光量小而降低，造成了低信噪比。当受测物质的浓度被降低以提高信噪比时，原信号有所降低，由此信噪比被降级。另外，尽管测量较少受光线影响，但是光线直接穿越所检测的流体。因此，测量易受发热或光反应的影响，由此限制了可用光量。
根据测量全反射光的损耗的方法，与透射光相比而言，它能够利用光量较大的光线。然而，具有待检变化(损耗)的光线和照射光在波长上相等，使得检测器需要很大的动态范围。也就是，无法精确测量由微通道中的轻微反应等所造成的微小损耗。
本发明被构思为解决常规技术的上述问题，并且提供一种传感器和一种测量装置，由此在利用微通道的μ-TAS系统、生物芯片等等的微量化学和生化分析中，通过利用被集成于紧凑结构中的器件来高灵敏地进行检测，并在通道的所需位置上可自由进行检测。而且根据本发明，应用了微腔激光器，以提供便携式测试器。

发明内容
按照本发明的一个方面，提供一种用于检测信息和按照该信息输出光线的传感器，在该传感器中包括微光腔(micro-optical cavity)，用于按照该腔的环境条件来改变光电磁场模式的选择度；以及有源层，其中发光受到光电磁场模式选择影响的限制，其中该发光是按照该环境条件的变化来改变的。
按照本发明的另一方面，提供一种传感器阵列，其包括并列排列成一维或二维阵列的如权利要求1所述的传感器，并且按照与这些传感器的位置相对应的多个环境信息，输出从这些传感器输出的并列光的信号。
按照本发明的另一方面，提供一种用于获取传感器信息的方法，其中使用了如权利要求16所述的传感器阵列，并且来自该传感器阵列的并列光的信号通过面传感器(area sensor)来检测。
按照本发明的另一方面，提供一种利用微腔激光器的传感器，其中能够与待检物质进行特定结合的两个支持物质之一被支持于该微光腔的外围部分上，并且基于有关受检激光的激光振荡状态的信息检测待检物质与该支持物质的特定结合状态。另外，本发明涉及一种传感器系统，其中上述传感器被并列排列于公共衬底上，并且通过利用并列排列的多个微腔激光器，来并列地检测多种待检物质。
按照本发明的另一方面，提供一种传感器，其包括具有微腔激光器的微光腔，和用于在该微光腔上产生机械形变的探针，其中通过测量激光振荡状态的变化来检测该机械形变的状态，该变化是由该探针产生的微光腔形变造成的。


图1A和1B是分别示出了按照使用本发明的传感器的实例1的流体成分检测器结构的示意剖面图；图2是示出了按照实例1的微腔LD的具体结构的示意图；图3A、3B、3C、3D、3E和3F是分别示出了利用实例2的微腔LD的传感器器件结构的示意图；图4A和4B是示出了利用实例2的微腔LD的另一传感器器件结构的示意图；图5A、5B、5C和5D是示出了利用实例3的微腔LD的传感器器件结构的示意图；图6A和6B是示出了利用实例4的微腔LD的传感器器件结构的示意图；图7A、7B和7C是分别示出了利用实例5的微腔LD的传感器器件结构的示意图；图8是示出了利用实例6的微腔LD的传感器器件结构的示意图；图9是示出了利用实例7的微腔LD的已安装传感器器件结构的示意图；图10是示出了利用实例7的微腔LD的传感器器件的步骤的示意图；图11是示出了常规微反应器的概念图；图12A和12B是示出了利用实例8的微腔LD的生化传感器结构的示意图；图13是示出了按照实例8的另一生化传感器实施例的实例的示意图；图14A、14B、14C和14D是示出了按照实例8的另一生化传感器实施例的示意图；图15A、15B和15C是示出了按照实例9的另一生化传感器实施例的示意图；图16A、16B和16C是示出了按照实例10利用金属表面等离子体激元(metal surface plasmon)的传感器结构实例的示意图；图17A、17B和17C是示出了按照实例10利用金属表面等离子体激元的另一传感器结构实例的示意图；图18是示出了按照实例11的触觉传感器结构实例的示意图；以及图19是示出了利用按照实例11的触觉传感器的生化传感器结构实例的示意图。
具体实施例方式
下文将描述本发明的优选实施例。
按照本发明的传感器被优选用于检测除了光之外的信息。
本发明的传感器优选地被设置于用于流过流体的通道中或该通道附近，环境条件优选地按照通道中流动的溶液或该溶液的溶解物质或溶剂来改变。该通道优选地是具有10μm或更大尺寸的微通道，该通道中流动的溶液优选地在预定位置上形成层流。另外，环境条件更优选地选自于这样的组，该组由折射率的变化、光吸收率、光散射率、温度变化和传感器的轻微形变构成。折射率的变化可取决于溶剂浓度和溶液温度。光吸收率可取决于溶解物质的浓度。温度变化可由溶液和/或溶解物质的化学反应所产生的热量造成。传感器可由于扩张和收缩所造成的振动而出现，该扩张和收缩是由溶解物质的碰撞或溶液中物质的化学反应造成的。传感器的轻微形变可由于扩张和收缩所造成的压力而出现，该扩张和收缩是由溶液流速的变化或溶液中物质的化学反应造成的。可选地，传感器的轻微形变可由于扩张和收缩所造成的压力变化而出现，该扩张和收缩是由溶液流速的变化或溶液中物质的化学反应造成的。
本发明的传感器中微光腔的周围部分可通过抗原或抗体来修改。
本发明的传感器还可包括用于在微光腔上产生机械形变的探针。
本发明的传感器还可包括微光腔和受检物质之间的金属薄膜。
在本发明的传感器中，一种待检物质可按照微腔的激光振荡模式变化来检测，该微腔的外围部分支持与多种待检物质相对应的多种支持物质。在此情况下，该探针可支持能够与待检测物质进行特定结合的两种支持物质之一，通过探针对微光腔产生的机械形变的调制可根据激光振荡状态的变化来检测，该变化基于对周围流体的机械阻力和/或该特定结合造成的探针重量的变化。
在本发明中，按照信息来输出光。该信息优选地是除了光之外的信息。
在普通传感器中，电气变化，即电流或电压的变化被用作输出。尽管这样的电气输出在某些情况下再被转换成光以进行光通信，但是本发明的传感器的特征在于，传感器的主要输出是光。
在本发明中，用于发光的有源层表示半导体发光器件(比如激光器)中的有源层。正电荷和负电荷(载流子)发光，并在半导体发光器件的二极管PN结上彼此再次耦合。该区域被称为有源区域。该区域通常形成为层状，因而该区域被表示为有源层。因此，“有源层”在本说明书中可表示有源区域。
本发明的微光腔被表示为微腔或光器件的场中的微腔。另外，“微盘腔”表示微盘腔激光器和微球腔激光器。
光电磁场模式优选地是与光模式或光电磁场模式的光有关的电磁场中的自然振荡模式。
另外，对于自然振荡模式，振荡包括空间和时间的两个变量。因此，存在空间模式和时间模式的两个特性。时间模式表示光波长的选择，空间模式表示腔内部和外部的光强分布(准确地说，复数幅度具有相位)。在本发明中，就空间模式而言，“光约束”优选地仅利用空间模式，其中具有强光的部分被聚集于窄的区域上。
在本发明中，在正常条件下存在多个光电磁场模式。当微腔的尺寸减小时，在原理上存在单个模式，光仅在预定方向上发射。实际上，例如对发出在腔周围广泛发散的非必要光的模式进行轻微耦合。不希望的泄漏光的程度通常由作为物理定义量的Q因子(质量因子)来定义。这意味着当具有一波长值的腔具有1000的Q时，光泄漏到外界，并在进行1000次往复之后消失。当泄漏量完全为0并且实际仅使用单模式时，激光器具有0A的阈值电流。由于阈值电流在实际中是nA和μA，所以存在一些泄漏光。
在本发明中，微腔的环境条件的具体实例包括与腔接触的物质的折射率；从与微腔接触的物质接收到的力(包括振荡和压力)；与微腔接触的物质的温度。
在本发明中，传感器优选地测量环境条件以及发光的变化。环境条件的测量是目的，对光或用于泵激的注入电流进行的测量可作为手段来利用。
对于本发明的传感器，利用了微腔LD。微腔LD是众所周知的。本发明的特征在于利用微腔LD来测量环境条件。例如，在某些情况下，微腔LD在温度变化时工作不良。本发明的特征在于，将这样的现象用于传感器，比如测量设备。
在本发明中，传感器被设置于用于流过溶液的通道中或该通道的邻近。“邻近度”被定义如下(1)对于与微腔接触的物质的折射率，邻近度表示用于感测光电磁场的范围。波长级别的范围(也就是上限)基本上为约0.01μm至约10μm。
(2)对于从与微腔接触的物质接收到的力，邻近度表示振荡和压力的传导范围。该范围随着结构而变化，上限为约0.1μm至约10mm。
(3)对于与微腔接触的物质的温度，邻近度表示热传导范围。该范围随着热传导性而变化，上限为约0.1μm至约10mm。
因此，邻近度0对应于实例2的结构，其中将孔形成于通道上，微腔被用作通道的壁。
在本发明中，流体流入通道中，流体具体地包括液体和气体。当气体携带微粒时，折射率、温度、浓度和振荡的变化与液体情况下一样。因此，本发明可应用于用作在通道中流动和携带微粒的流体的气体。
如下将要描述的，对于利用按照本发明的微腔的超低阈值激光器的微传感器，在利用微通道的μ-TAS系统、生物分析芯片等的微量化学和生化分析中，通过利用集成到紧凑结构中的器件，能够高灵敏度地进行检测，并且多个检测器可被自由设置于平坦表面上通道的所需位置上。而且，对应于所检测信息的信号通过器件阵列进行并行光输出，使得并行输出可被直接处理，并用简单的结构来进行传输。而且，便携式测试器也可通过应用本发明的微腔激光器来形成。
参照实例，下面将具体地描述本发明。随后，LD表示微腔激光二极管。
实例1在本实施例中，本发明的传感器被应用于流体成分检测器。如图1A所示，流体成分检测器包括LD层101、导线层102和光接收层103三层和通道。图1B是示出LD层101的示意性平面剖视图。
表示为104、105、106和106的通道和表示为108、109和110的LD被设置于相同层(也就是通道LD层101)中。载流子通过导线层102提供到LD，来自LD的光输出111和112被相对侧的光接收层103检测。也就是，本实例的光接收层103用作为用以检测来自传感器的光输出信号的面传感器。在本实例中，通过利用CCD图像传感器，检测发光LD的位置，对于每个LD检测LD的光量作为图像，并处理该图像。
本实例的微腔LD在尺寸上是1至10μm。所用波长的范围从约1.5μm(其是用于光通信的近红外线)到约300nm(光在该波长下几乎无法穿过玻璃)。为获得信息，正常表面发射激光器的尺寸级别超过微腔LD的尺寸。
在本实例中，通道的横截面尺寸(也就是通道宽度)约为10μm。考虑到流体控制技术(包括利用所谓μ-TAS(微量总分析系统)中使用的层流等等)，通道宽度可从1至数百μm的范围中选择。
图2示出了本实施例中所用的微腔LD。图2示意性示出了圆柱形微腔LD的外观。微腔LD由微光腔(其在衬底201上包括用于第一、第二微光腔的反射镜202、203以及腔间隔物204)和有源层205构成。微光腔具有这样的尺寸，其允许用于约束光线的狭小区域具有与光的波长相对应的尺寸。标号206表示发射的激光束。箭头207表示发射方向，也就是发光方向。
在圆柱形微腔LD中，光受到发光方向上的多层反射镜202、203，和全内反射的约束，该全内反射是由圆柱体侧边法线方向上圆柱体和外界之间的折射率差异造成的，该法线方向垂直于发光方向。这样的圆柱形微腔具有1000或更高的Q因子，这表示约束的质量。
腔间隔物204的内部包括用于发光的有源层205。有源层的有源物质和有源结构的实例包括量子点、量子阱等等的高效光半导体(直接能带隙半导体)。例如，量子点由InAs制成，并通过包括自组装方法(称为SK生长方法)的方法，或包括晶格变形(其是由晶体生长期间的晶格常数失配、断裂和重构(比如MBE)造成的)的工艺来形成。
设置了导线(未示出)，用以将电子和正空穴的载流子注入到有源层中。该导线连接于用于提供电流的电源。有源层205对电流起物理反应，由于腔效应而作为激光器工作，并输出激光束206。
按照最近的基础研究，有源层可被约束于具有高质量(也就是高Q因子)和具有对应于波长的尺寸的半导体微腔中，使得发光受到限制，并可对腔的单光模式高效地进行耦合。结果，实现了具有超低阈值的激光器(日本专利申请待审公开号10-284806)。
这样的超低阈值激光器有时被称为零阈值激光器。在普通激光器中，基本上没有对于低电流输入响应缓慢的LED发光特性。即使在低电流区域中，仍可有效地利用激光束输出的多个特性，这些特性包括(1)光输出的响应线性、(2)低噪声和(3)高相干性，这些特性在光输出被用来传输信息时是极为有利的。
这样的零阈值激光器的典型阈值输入电流范围在nA级别和μA级别之间。
在本实例中，根据闭合通道中的条件，设置于通道LD层101中的LD在发光方面有所改变。
本实例基于以下两个环境条件检测到光电磁场模式的程度的变化(1)折射率条件，其取决于受检物质的浓度，该物质包含于流入通道的流体中；以及(2)折射率条件，其取决于反应物的反应热所造成的温度变化，该反应物包含于流入通道的流体中。也就是，(1)在高浓度的情况下或(2)在高温度的情况下，流体的折射率增大，与圆柱体腔之间的折射率差减小。因此，在圆柱体腔中约束光线的条件(也就是电磁波的本征模式)有变化，从而改变了LD的光输出。
当折射率变化很大时，阈值增加到所供应的电流或更大，并停止发光。因此，当LD的发光状态被光接收层103检测到时，能够测量接近于LD的通道的条件。通过适当设计与待提供的物质、待提供该物质的位置相关的通道和LD，可对各位置进行检测，等等，由此实现这样的装置，其作为综合和并行检测系统是高度实用的。光泵激激光器可被用作LD。
实例2与实例1相对照，本发明的实例2利用了不同形式的LD和通道。参照图3A至3F、4A和4B，下面将描述本实例。图3A示出了实例1中所用的结构。圆柱体微腔LD 302被设置为与通道301相接触。图3B中的箭头在几何上示意性示出光的本征模式。
在本实例中，图3C、3D和3E、3F中所示的微盘腔腔LD 304和微盘腔腔LD 306被用来替代圆柱体微腔LD 302。在图3A至3F中，标号303和305表示通道。图3C和3E的微腔LD中的光具有本征模式，其在图3D和3F中被几何示出。光沿着外围光路(其被称为所谓的回音壁模式(WGM))传播，并通过全内反射而约束到对应于波长的狭小区域中。
图4A和4B示出了实施例，在这些实施例中，与通道的接触对于圆柱体微腔、微盘腔腔和微球腔有所不同。图3A是示意性示出同时与通道402和403相接触的LD 401的图例。图4B是示出了一结构的示意图，在该结构中，将孔形成于通道405上，腔LD 404的一部分被用作通道的壁。在图4A中，能够检测两个或更多通道之和以及平均条件，从而实现更为稳定的检测等等。在图4B中，腔直接与流体相接触，实现了高度灵敏的检测。
实例3在本发明的实例3中，对流入通道的分析物的压力或物质的碰撞进行检测。参照图5A至5D，下面将描述实例3。
图5B是示出微腔LD 502与通道501相接触的示意图(与实例1一样)。图5A是图5B的剖视图。图5C是剖面示意图，其示出了通道中的流体的压力增大，由此使通道503扩张和变形的情况。与这样变形的通道相接触的微腔LD 504也可因从通道施加的力而变形。微腔中光的约束(也就是电磁波的空间模式)高度依赖边界条件。由此，腔上的形变改变了光的约束。对于上述变化，LD的发光按照激光器的振荡条件来改变。因此，通过检测发光的变化，能够检测通道压力的微小变化。图5D示出了用于在具有较大质量的受检物质微粒507被混合到流入通道505的流体中时检测受检物质微粒507的量、速度、质量等等的实例。在此情况下，当该物质与通道505的壁碰撞时，通道的壁因反应冲击而变形，该冲击是由于运动动量的较大变化造成的。与通道相接触的微腔LD 506按照该变形而发生变形，并改变LD的发光(与图5C所示的压力检测实例中一样)。
由于变形量取决于碰撞频率、碰撞速度和碰撞物质的质量的乘法结果。因此，通过检测LD的发光，能够测量受检物质微粒507的量、速度和质量。
实例4参照图6A和6B，下面将描述本发明的实例4。
图6A是在横截面上示出传感器器件的结构的示意图。在本实例中，传感器器件由通道层601、具有微腔LD的LD导线层602和光接收层603三层构成。标号611和612表示光输出。
如图6A中示意性所示，圆柱形微腔LD 608、609和610在圆柱体底面处与通道604、605和606相接触。在图6B中，标号613表示通道，标号614表示微腔LD。圆柱体轴向上的光约束主要是由多层膜的反射造成的。在本实例中，层数在多层膜中有所减少，以受到通道影响，并且反射率有些降低，由此优化了与通道的交互作用。另外在图6A中，标号607表示通道，微腔LD在剖视图的横截面中不与该通道相接触。图6A表明，多个设置的微腔LD中的608和610按照通道(微腔LD的底面与其相接触)的条件来发光，微腔LD 605则不发光。光接收层603的面传感器检测到发光。CCD被用作面传感器。考虑到功耗，还使用另一最适用的传感器，比如CMOS图像传感器。
当具有通道的层和具有LD的层相互分离时，尽管多层反射镜的优化变得有些复杂化，但是制造工艺由于分离层而变得更为简化。
实例5参照图7A、7B和7C，下面将描述本发明的实例5。在本实例中，所谓的光子能带隙(PBGphotonic band gap)结构被用作微腔LD。图7A是示出本实例的结构的示意性纵向剖面图。包括PBG腔的LD层702被设置为与包括通道704、705和706的通道层701相接触。另外，光接收层703被设置为从LD接收光输出710和711。
图7B是示出通道层701的示意性平面剖视图。图7C是示出LD层702的示意性平面剖视图。PBG由圆柱形孔构成，这些孔是规则排列于图7A和7C中的阴影部分。
然而，这些孔的规则排列包括其上未设置孔的微腔(表示为707、708和709)。结果，周期性局部地消失。显然，局部缺陷使光局部化，由此起到腔的作用。由于缺陷的大小取决于波长，所以通过在微腔LD中注入用于发光的有源物质，使得由PBG中少量孔的缺乏所造成的缺陷起到微腔LD的作用。在该实例中，黑三角所示的有源物质被注入到微腔707、708和709(其经由未示出的导线，连接于用于载流子注入的电源)中。
在与其他实例相同的原理下，通过与通道的交互作用来改变发光。
对于按照本实例的PBG微腔LD，按照平面内方向上的周期性来约束光，并通过厚度方向上的折射率差异所造成的全内反射来约束光，该厚度方向是与其中腔LD和通道相互接触的表面垂直的方向。由此，通过取决于通道温度和浓度的折射率变化来调制光发射，从而实现了检测。
PBG的周期长度、通道的大小等等不限于图7A、7B和7C。考虑到设计参数(比如取决于所用有源物质的光波长)，可恰当地调整周期长度等等。
实例6参照图8，将描述本发明的实例6。
与实例7一样，本实例构成了微腔LD802、803和804，横截面与实例7的图7A、7B和7C基本相似。然而如图8(其示出LD层801的平面剖视图)所示，PBG中的局部缺陷不仅形成于腔上而且形成于波导上，光输出在平面内方向上形成，并通过该层的端面来检测。
显然，周期性的孔变得不存在，以便连通类似直线或曲线状的波导，由此即使在其尺寸等于或小于波长时仍可传播光。已通过这样构造的平面波导805、806和807来引导的、已到达端面的光经由耦合透镜被输入至光纤808、809和810。输入至光纤的光被光学连接于光电检测器811的预定位置并被检测。因而能够检测已射出光线的PBG微腔LD和射出光线的量。因此，能够检测与PBG微腔LD相接触的通道的各种条件。
光接收单元被单独设置于该布局中，其对于这样的结构是有利的，在该结构中，通道和PBG层的两个或更多组合被叠置和整合，或者使这些通道穿透PBG层和相互连接。
此外，用于获取光输出的表面不限于端表面。该布局可被自由改变，只要实现本发明的目的即可。例如，光线从腔LD中在内平面方向上暂时传播。随后，光在厚度方向上被反射和传播，同时提供反射平面等，并在厚度方向上获得光。
另外，从由Er和Tm构成的组中选择的有源物质不仅设置于腔上，而且设置于波导上，以进行光放大，使得光输出被放大并由此改善SNR。这样的变化在本发明中也是有效的。
实例7参照图9和图10，下面将描述本发明的实例7。
图9示出了包括按照本发明的微腔LD和通道的结构的检测器。图9是一示意图，其示出了检测器被形成为手表状并可附着于人的手臂。
该检测器通过表带902附着于手臂上。通过包括血液采样的所图解步骤中，由传感器901检测必需的信息。检测结果被显示于显示器903上。
图10示出了流程图，其仅包括用于检测必需信息的代表性步骤。步骤序列由如下步骤构成血液采样步骤1001，用于通过利用采集针(未示出)从人体采样少量血液；成分分离/反应步骤1002，用于从血液成分中分离目标成分，并致使进行分离所需要的反应；成分浓缩/反应步骤1003，用于提高检测敏感度；检测步骤1004，用于使含有已被浓缩的受检物质的流体与本发明的微腔LD相接触，以便进行高度灵敏的检测，并通过计算将检测结果直接转换成所需的检测结果；以及结果显示步骤1005，用于将结果传输到显示器903，以提供结果的显示。
如图9和图10所示，便携式检测器和测试器可通过利用本发明的微腔LD和通道来形成。毋庸赘言，本实例的佩带型设备可恰当地包括与服务器等进行通信的功能、时钟和便携式终端的摄像功能。
本发明不限于上述实例，并且在不背离本发明的精神的前提下，可改变其序列等等。
实例8本实例将描述一种形式，其中本发明的传感器被应用作为生化传感器，该传感器利用了特定的结合，比如抗原-抗体反应。按照图12A、12B和13将进行如下说明。
图12A示出了圆柱形微腔激光器1101。该激光器由多层反射镜1102和1103、腔间隔物1104和激光介质1105构成。在多层反射镜1103的外表面上进行表面修改以固定配位体1106，从而形成生化传感器。
作为受检物质的分析物1107例如包含于流体中，并被传递到接近本实例的传感器，分析物1107被特定地结合于配位体1106。该结合改变了多层反射镜1103的特性。这样的变化包括这样一些现象，比如多层膜物质的介电常数和折射率变化，其归因于多层膜表面上的电子状态变化；以及多层膜的光学厚度变化，其归因于物质的粘着，该物质简单地具有与空气不同的折射率。然而，多层反射镜的光学特性变化是本实例的基本。这样的变化改变了微腔的光约束状态，由此改变了微腔激光器的特性。也就是，改变了诸如阈值、激光振荡的振荡模式的状态。
在此方式下，通过特定的结合来改变激光的振荡状态。由此，通过将激光振荡设定于阈值周围，如图12A所示，并不出现耦合。
在初始状态下，出现了激光振荡，激光输出光1108被射向外界。如图12B所示，在耦合之后的状态下，通过微腔LD的光约束的变化来增大激光器阈值，并且不出现激光振荡，使得不射出激光输出光。在此方式下，按照分析物(其作为受检物质)与配位体的耦合的存在与否来改变激光输出光。因此，能够检测分析物和耦合状态的存在。
此外，该起始状态表示微腔激光在配位体的修改之后的状态。进行各种设定，其包括配位体修改的变化。
而且在本实例中，激光振荡出现于初始状态下。该过程也可反向。即如下设定也是适用的激光振荡并不出现于初始状态下，而是激光振荡出现于分析物被耦合之后。毋庸赘言，可按照传感器系统的设计来进行选择。
同时，为了增强检测灵敏度，如下变化也是可适用的以金属恰当地标记分析物，当与配位体进行耦合时极大地改变透射率。可按照传感器系统的用途和规格来恰当地选择这样的变化。
另外，如图13所示，具有按照本实例而修改的配位体的多个激光传感器可被排列于衬底上。标号1201和1202表示第一种和第二种配位体的修改部分。在其布局由具有两种或更多修改配位体的传感器构成的情况下，当含有两种或更多混合分析物的流体1203被传递至接近这些传感器时，每个分析物被特定地结合于具有相应配位体的传感器。如在仿真方式下图13的1204和1205所示，来自传感器的激光输出光随着分析物-配位体对的种类而变化。因此，对于每种配位体跟踪传感器位置，例如通过利用面型传感器来检测不同激光输出的位置，从而能以集中方式容易地检测两种或更多分析物。
如图12A、12B和13所示，实例8的微腔LD是圆柱形的。毋庸赘言，可恰当地使用微球腔(图14A)、微盘腔(图14B和14D)、光子晶体点缺陷腔(photonic crystal point defect cavity)(图14C)等等。
此外，在本实例的传感器中，可在单个微腔上修改两种或更多配位体。下面将描述其效果。
激光器一般具有可能发生振荡的多个振荡模式，微腔LD也具有多个激光振荡模式。特别是在高度对称球体和圆盘或光子晶体的情况下，多个退化模式可用。如图15所示，当在多个激光振荡模式中进行多个配位体修改时，对于每种配位体都丧失了对称性和提高了退化度。因此，由于特定结合的分析物，激光振荡具有不同模式。例如，在图15B中提供了六边形配位体修改1401和正方形配位体修改1402。在图15C中，在圆柱形孔(称为三角形晶格结构)的光子晶体点检测1405周围，设置有四个圆柱形的孔1403和两个圆柱形的孔1404。在圆柱形的孔1403的内壁上进行第一配位体修改，在圆柱形的孔1404的内壁上进行第二配位体修改。由这样构造的微腔LD组成的传感器按照特定结合的分析物的种类而具有不同的激光振荡模式。因此，Q因子(质量因子)对应于振荡模式，该Q因子是随着光约束的不同状态而改变的阈值，从而可检测激光振荡输出的变化。可选地，振荡激光输出光的发射状态(即激光输出光的取向和强度分布)通过面传感器、分离传感器等等来检测，由此检测多个分析物。
实例9实例9示出了表示按照本发明的一种结构的实例，该结构用于局部地增强传感器的灵敏度。
参照图16A和16B，下面将描述本实例的原理。
在图16A中，电介质1501对应于微腔的内部，内部约束的光线1502传播到分界面。微光腔中光线的高效约束有赖于高折射率物质和低折射率物质之间分界面的全内反射(除了利用多层膜或光子晶体的周期性结构的部分之外)。图16A表示光线1502在分界面上被全反射。理论上可获得反射率为100％的反射光线1503。在此情况下，如广泛公知的，被称为Goos-Hnchen偏移的位移(displacement)1504作为几何光学路径出现于反射位置上。偏移1504的大小是所用光波长的数量级的。因此可理解，当通过本发明微腔LD来测量微腔LD的环境时，测量范围几乎是所用光线的波长。另外可理解，当光线与受检物质交互作用时，交互作用的长度也是光波长的量级的。
本实例示出了用于以更高灵敏度进行检测的结构的实例。如图16B所示，该结构的特征在于，金属薄膜被设置于其中微腔与受检物质相邻的分界面上。在图16B中，金属薄膜1506被形成于电介质1505和外界之间的分界面上，因而全内反射被改变为用于在金属中移动电子的现象。特别是在薄膜等具有增强的表面/分界面效果时，电子在金属中的运动被称为表面等离子体激元(surface plasmon)。然后，光可在金属薄膜电介质的分界面周围传播一段长于光波长的距离，同时光线和金属表面等离子体激元相互交互作用。与电子运动一起的传播光被称为金属表面等离子体激元偏振子。本实例利用了比光波长更长的偏振子传播距离。即通过利用偏振子1507的传播距离(其为与受检物质的有效交互长度)，可增强本发明的微腔激光传感器的灵敏度。
如图16C所示，实际的结构实例表明，微球腔激光器1508的走廊模式光1509围绕一表面传播，该表面比金属薄膜1510(在受检物质1511周围形成)的正常全内反射要更长，由此增强检测灵敏度。
另外，通过在具有不同于微球腔的形状的微腔激光传感器中也实现相同的变化，可局部地增强检测灵敏度。例如如图17A和17B所示，可恰当地进行各种布局，其包括设置于圆柱形微腔侧面上的金属薄膜1601(图17A)和设置于圆柱形微腔底面上的金属薄膜1603(图17B)。此外，在图17A、17B和17C中，标号1602和1604表示受检物质，标号1605表示光子晶体物质，标号1606表示周期性圆柱形的孔，标号1607表示激光介质，标号1609表示通道和受检流体。
另外，金属薄膜可具有圆柱体底面上的共心结构，由此光线可更加集中于底面中央，以增强中央周围的局部检测灵敏度。
而且，如图17C所示，通过实现相同的变化，光子晶体的点缺陷腔在检测灵敏度方面也可得以增强。特别是在按照本发明实例5的微通道系统上感测的情况下，在通道周围局部增强检测灵敏度是高效的。因此，图17C的通道盖1608和金属薄膜1610形成了通道和金属薄膜。与金属表面等离子体激元偏振子的增大交互作用长度相结合，通过使金属薄膜用作与流体直接相接触的通道壁，能够以更高灵敏度进行检测。
实例10本实例表示了结构实例，在该结构中，本发明的微腔激光传感器例如可应用于机械传感器，比如用于检测微小机械变化的触觉型。在图18中，八个圆柱形微腔激光1701被形成于公共衬底上。本实例的特征在于触觉探针1702，它们是机械连接于圆柱形微腔顶表面的结构。当机械力1703施加于触觉探针1702时，探针1702发生变形，微腔激光器1701与探针一起发生变形。微腔的光约束取决于其形状。特别是在本发明中所用的具有高Q因子的腔的情况下，即使微小的变化也会改变光的约束和光的模式。因此如图18所示，当力被施加于左侧端部上的三个探针时，形变停止激光振荡，射出激光振荡输出光，只有其他微腔激光器可具有激光振荡输出光1704。
在此方式下，例如与利用人体皮肤上毛发的触觉感知一样地检测压力分布，通过利用面传感器等来检测输出光，从而以集中方式将压力分布作为图像而获得。而且，由于本实例的结构利用了激光振荡和光输出的存在与否，所以该系统具有很高的响应速度，并且例如可工作于MHz或更高级别。因此，可所谓实时地将压力分布作为活动图像来容易地检测，并且该系统可应用于针对人体的反馈系统。
此外，毋庸赘言，本实例的传感器可用于人体之外的其他物体。例如，如图19所示，配位体可在探针的尖端上被修改。通过利用包含探针谐振频率的机械响应变化(该变化是由按照分析物的重量和相对于环境气氛的摩擦阻力来耦合分析物而造成的)，激励调制可通过利用压电单元致动器1803和驱动交流电源1804来进行，检测输出光1805的变化，根据需要进行同步检测，从而能够以高灵敏度检测物质。在图19中，标号1801和备用标号1802是触觉探针，其中以第一种和第二种配位体来修改其尖端。通过利用配位体和分析物的特定结合，检测两种或更多物质，通过面传感器并行地检测这些检测结果，并可从这些结果中容易地获取图像。
此外，本实例描述了配位体修改和特定的结合。毋庸赘言，通过更为简易的方法能够进行检测，其包括普通的物理吸收、利用物质和探针之间摩擦和物质之间粘性差异等方法。
权利要求
1.一种用于检测信息和按照该信息输出光线的传感器，在该传感器中包括微光腔，用于按照该腔的环境条件来改变光电磁场模式的选择度；以及有源层，其中光发射受到光电磁场模式的选择影响的限制，其中，按照该环境条件的变化改变该光发射。
2.如权利要求1所述的传感器，其中，该传感器被设置于用于流过流体的通道中或该通道附近。
3.如权利要求2所述的传感器，其中，按照该通道中流动的溶液或该溶液的溶解物质或溶剂来改变该环境条件。
4.如权利要求3所述的传感器，其中，该通道是具有10μm或更大尺寸的微通道，流动于该通道中的溶液在预定位置形成层流。
5.如权利要求3所述的传感器，其中，该环境条件是从由折射率变化、光吸收、光散射、温度变化和传感器的轻微形变构成的组中选择的。
6.如权利要求5所述的传感器，其中，该折射率变化取决于该溶剂的浓度。
7.如权利要求5所述的传感器，其中，该折射率变化取决于该溶剂的温度。
8.如权利要求5所述的传感器，其中，该光吸收取决于该溶解物质的浓度。
9.如权利要求5所述的传感器，其中，该光散射取决于该溶解物质的浓度。
10.如权利要求5所述的传感器，其中，该温度变化是由该溶液和/或该溶解物质的化学反应所产生的热量造成的。
11.如权利要求5所述的传感器，其中，该传感器的轻微形变由于扩张和收缩所造成的振荡而出现，该扩张和收缩是由该溶解物质的碰撞或该溶液中物质的化学反应造成的。
12.如权利要求5所述的传感器，其中，该传感器的轻微形变由于扩张和收缩所造成的压力变化而出现，该扩张和收缩是由该溶液的流速变化或该溶液中的物质的化学反应造成的。
13.如权利要求1所述的传感器，其中，通过抗原或抗体来修改该传感器中微光腔的周围部分。
14.如权利要求1所述的传感器，还包括用于在该微光腔上产生机械形变的探针。
15.如权利要求1所述的传感器，还包括该微光腔和受检物质之间的金属薄膜。
16.一种传感器阵列，其包括并列排列成一维或二维阵列的如权利要求1所述的传感器，并且按照与所述传感器的位置相对应的多个环境信息，输出从所述传感器输出的并列光信号。
17.一种用于获取传感器信息的方法，其中使用如权利要求16所述的传感器阵列，并且通过面传感器检测来自该传感器阵列的并列光信号。
18.一种利用微腔激光的传感器，其中，能够与待检物质进行特定结合的两个支持物质之一被支持于该微光腔的外围部分上，基于关于受检激光的激光振荡状态的信息来检测待检物质与该支持物质的特定结合状态。
19.一种传感器系统，其中，如权利要求18所述的传感器被并列排列于公共衬底上，通过利用并列排列的多个微腔激光，并列地检测多种待检物质。
20.如权利要求18所述的传感器，其中，按照该微腔的激光振荡模式变化来检测一种待检物质，该微光腔的外围部分支持多种所述支持物质，所述支持物质对应于多种所述待检物质。
21.一种传感器，包括微腔激光器的微光腔和用于在该微光腔上产生机械形变的探针，其中，通过测量激光振荡状态的变化来检测该机械形变的状态，该变化是由该探针产生的微光腔形变造成的。
22.如权利要求21所述的传感器，其中，该探针支持能够与待检物质进行特定结合的两种支持物质之一，根据激光振荡状态的变化来检测通过探针对微光腔产生的机械形变的调制，该变化基于对周围流体的阻力和/或该特定结合造成的探针重量的变化。
全文摘要
提供一种传感器，其通过利用被集成到紧凑结构中的器件在微量化学和生化分析中实现高灵敏度的检测，并可被自由设置于通道的所需位置上以进行检测。一种用于检测信息和按照该信息输出光线的测量装置，包括用于发光的有源层和微光腔，其中由于光电磁场模式选择的影响，光发射在有源层中受到限制，该光发射和光电磁场模式的选择度是按照腔的环境条件来改变的，从而改变该发光，并按照发光的变化来测量环境条件。
文档编号G01H9/00GK1703810SQ20038010112
公开日2005年11月30日 申请日期2003年10月10日 优先权日2002年10月11日
发明者杉田充朗 申请人:佳能株式会社