本实用新型涉及一种光电检测装置，特别涉及一种基于热光效应的光波导检测装置。
背景技术：
随着人类科学技术的巨大进步和经济、社会的不断发展，普通民众越来越注重个人的身体健康,对健康医疗提出了更高的要求。无论疾病的预防或治疗，都需要即刻、及时乃至长期大数据量的人体医学检测数据。但是，专业医学检测设备的稀缺、医疗检测价格的昂贵、专业检测场所的局限，都极大限制了普通民众在健康体检甚至疾病治疗时的医学检测。因此，以便捷低廉、灵敏快速为主要特征的“即刻检验”(Point-of-Care Testing,POCT)成为医疗设备的发展趋势之一。另一方面，在当今世界，环境污染、食品安全、恐怖袭击等问题也时时困扰着很多国家和地区，对人们的健康乃至生存造成了严重威胁。专业机构需要对环境污染物、食品添加剂、病毒细菌等目标进行现场快速检测(Rapid on-site detection)，微型便携、操作简便、快速灵敏的检测分析设备也显得尤为重要。因此，便携便捷、低耗低廉、灵敏快速的生物学、化学检测分析手段是医学、环境、食品、反恐等多个社会领域的热点需求。
作为一种新兴的生物化学检测手段，光波导生化传感器以其无需标定、高灵敏度、结构简单、可实时实地检测等优良的性质，在食品安全、疾病检测、环境监测等方面已实现了多种的应用，具有非常光明的前景。由于折射率通常和液体的化学性质(如物质成分、各组分含量以及粘稠度等)联系在一起，另外，很多生物分子的折射率也是其结构、大小、形态等参数的函数。同时折射率是所有材料的固有特征，它通常不会受物理、化学和生物效应的影响而发生变化，所以通过折射率测量来实现对各种化学量的传感无疑是最简单和直接的途径。通常情况下在波导表面涂覆的高选择性敏感层与液体中的待测分子发生特异性反应，其引起导模的折射率变化由探测设备测得，即可反映出样品特性上的差异。利用折射率传感器测量气/液相浓度、监测生物活性膜厚度、抗体－抗原反应和DNA反应中参数的变化等，可以实现对生物化学、医学、生命科学等领域中各种现象的分析。
技术实现要素：
为解决上述问题，提供了一种一种热光效应光波导检测装置，包括：第一光电探测器，具有输入端、输出端，基于参考光源产生第一电信号；光波导器件，具有第一光输入端、第一光输出端、第一控制端和第二控制端，具有第一波导和第二波导，其第一光输入端用于接收第一光信号，其第一光输出端用于提供第一光输出信号，其第一控制端和第二控制端接收控制电压，基于热光效应调整光第一光输出信号；第二光电探测器，具有输入端、输出端，其输入端耦接至光波导器件的光输出端，基于第二光信号产生第二电信号；第一放大器，具有电源端、接地端、第一端、第二端和输出端，其电源端耦接至电源，其接地端耦接至地，其第一端耦接至第一光电检测器件输出端以接收第一电信号，其第二端耦接至第二光电检测器件输出端以接收第二电信号，其输出端耦接至所述光波导器件的第一控制端并提供第一模拟信号。
可以采用现存半导体工艺将光波导、加热装置、温度检测装置、放大器等全部集成于单个晶片(例如硅片)上。第一放大器输出的电信号调整光波导器件的温度，基于热光效应调整光波导器件的输出光信号，从而获得环路稳定。测量第一放大器输出的电信号或者光波导器件的温度即可快速准确地获得待测物品的信息。
附图说明
图1示出根据本实用新型一个实施例的热光效应光波导检测装置10。
图2示出根据本实用新型一个实施例的光波导器件20的结构示意图，2(a)为三维立体示意图，2(b)为截面图，2(c)为俯视图。
图3示出根据本实用新型一个实施例的检测流程图30。
图4为根据本实用新型一个实施例的偏置和温测电路40的示意图。
图5为根据本实用新型一个实施例的偏置和温测电路50的电路图。
图6示出根据本实用新型一个实施例的光波导器件60，6(a)为三维立体示意图，6(b) 为切面图，6(C)为沿XY面的切面图。
图7示出根据本实用新型一个实施例的热光效应光波导检测装置70。
具体实施方式
在下文所述的特定实施例代表本实用新型的示例性实施例，并且本质上仅为示例说明而非限制。在说明书中，提及“一个实施例”或者“实施例”意味着结合该实施例所描述的特定特征、结构或者特性包括在本实用新型的至少一个实施例中。术语“在一个实施例中”在说明书中各个位置出现并不全部涉及相同的实施例，也不是相互排除其他实施例或者可变实施例。本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。
下面将参考附图详细说明本实用新型的具体实施方式。贯穿所有附图相同的附图标记表示相同的部件或特征。
图1是根据本实用新型一个实施例的光电检测装置10，该装置包括第一光电探测器11、光波导器件12、第二光电探测器13和第一放大器14。
第一光电探测器11，具有输入端和输出端，基于参考光源PREF产生第一电信号V1。
光波导器件12，具有第一光输入端、第一光输出端、第一控制端和第二控制端，其第一光输入端用于接收第一光信号PIN，其第一光输出端用于提供第一光输出信号POUT1，其第二控制端耦接至地电势GND。第一控制端和第二控制端接收外部控制信号以调整光波导器件的温度，基于热光效应改变光波导器件的折射率，进而调整第一光输出信号POUT1。
第二光电探测器13，具有输入端、输出端，其输入端耦接至光波导器件102的第一光输出端，基于第一光输出信号POUT1产生第二电信号V2。
第一放大器14，具有电源端、接地端、第一端、第二端和输出端，其电源端耦接至内部电源VINT，其接地端耦接至地电势GND，其第一端耦接至第一光电检测器件11输出端以接收第一电信号V1，其第二端耦接至第二光电探测器件13输出端以接收第二电信号V2，其输出端耦接至所述光波导器件12的第一控制端并提供第一模拟信号VA1。
当待检测物品放置进入光波导器件12的检测区域后，由于折射率的改变(待测物品的折射率不同于空气或水)，光波导器件12输出的光信号(即第一光输出信号POUT1)将会发生变化，第二光电探测器13输出的第二电信号V2发生变化，第一放大器14输出电压发生变化，光波导器件的控制电压(第一模拟信号VA1)调整光波导器件12的温度，由于热光效应改变光波导器件12的折射率从而改变第二光电探测器13的输入信号(第一光输出信号 POUT1)和输出信号(第二电信号V2)，使得第一电信号V1等于第二电信号V2。不同的物体、不同的化学性质、或不同的浓度具有不同的折射率，第一放大器14也会输出不同电压。测量第一模拟信号VA1的电压就可以获得物品信息，例如浓度、粘稠度、物质属性等。
图2示出根据本实用新型一个实施例的光波导器件20的结构示意图，其中2(a)为三维立体示意图，2(b)为截面图，2(c)为俯视图，光波导器件20可以作为光波导器件12 用于检测装置10。需要指出的是光波导器件20仅是一个实施例而非限制，本领域的技术人员可以根据本实用新型的教导选择其他热光效应光波导器件/热光效应定向耦合器作为光波导器件12用于检测装置10。在一个实施例中，热光效应指通过控制电压改变光波导器件温度，从而改变导光特性，例如折射率、光波导之间的耦合等，最终改变光强。
如图2(a)所示，光波导器件20包括衬底层21，一般采用Si材料；两条平行的光波导 22和23，一般采用二氧化硅，集成在硅衬底21的上表面24上方；作为电极用于连接外部(控制)电压的接触孔25-28。图2(b)示出光波导器件20沿YZ平面的切面图(如2(a)中虚线/切线所示)。波导层22和23的下方采用半导体工艺集成了电阻器221和231作为加热装置。电阻器通过金属线或者重掺杂半导体区域连接至外部控制信号或进行互联。图2(c)示出光波导20的俯视图，两条平行的光波导22和23集成在半导体层21上。第一光信号PIN 通过第一光输入端进入光波导22后，一部分通过光波导22的输出端产生第二光输出信号 POUT2，另外一分部被耦合至光波导23并在其输出端提供第一光输出信号POUT1。合理设置光波导的宽度(d1)和光波导耦合距离(d2)，光波导器件20可以作为理想的定向耦合器使用，即，第一光信号PIN全部被耦合至光波导23并在其输出端提供第一光输出信号POUT1 (PIN实质等于POUT1，POUT2实质等于0)。
根据本实用新型的一个实施例，电阻器221第一端通过接触孔27接收第一模拟信号VA1，电阻器221第二端通过接触孔28连接至接地端；电阻器231第一端通过接触孔26接收第一模拟信号VA1，电阻器231第二端通过接触孔25连接至接地端。通电后，电阻器221和231 即可分别对光波导22和23进行加热。在其他实施例中，电阻器221和231还可以组成串联电阻对光波导22和23进行加热。光波导22和23之间的区域用以盛放待测物体/液体，称为测试区29。当待测液体进入测试区29后，由于待测液体的折射率高于空气或水的折射率，导致耦合进入光波导23的光量发生变化，进而使得第二电信号V2发生变化，第一放大器 V1提供的VA1也发生变化，进而调整光波导器件的温度，由于热光效应，改变光波导的折射率，使得光信号PIN再次耦合进入光波导23，以最终达到平衡。不同的液体具有不同的折射率，导致VA1发生不同变化，即VA1的电压包含了待测液体折射率信息。
需要指出的是，加热装置不仅限于集成电阻，还可以是金属电阻，还可以是电阻和MO S管串联或其他。电阻221和231不限于集成于波导层下面，还可以是侧面或上面。
由于两个光电探测器之间不可避免的存在失配，误差放大器14也存在失调，因而将同一种液体放置在两个不同的检测装置时，第一放大器可能会得到两个不同的输出电压。为解决上述问题，可以采用图3所示检测方法。
首先，执行步骤31，对校准物品进行检测，获得该物品对应的输出电压VS1。而后，执行步骤32，对待测物品进行检测，获得对应的输出电压VJ1。最后，执行步骤33，对两次检测的电压求差，得到差值信号(VDIF＝VS1-VJ1)。由于两次检测所得的电压都包含了光电探测器失配值、第一放大器的失调电压等因素。相减所得差值就去除了失调、失配的影响，仅包含了校准物品的折射率信息和待测物品的折射率信息，从而提高了精准度。优选地，校准物品可以是纯水、特定浓度葡萄糖或者空气。
由于电子电路中存储模拟电压或者计算两个模拟电压之间的差值不仅困难而且精度低，优选地，检测电路10还可以进一步包括AD转换器15，寄存器16、计算单元17和查找表 18。
AD转换器15，用于将第一模拟信号VA1转换为第一数字信号D1。第一寄存器(Register Unit)16，具有控制端、输入端和输出端，其输入端用以接收所述第一数字信号D1，其输出端提供第二数字信号D2。第一计算单元(Computing Unit)17，具有第一输入端、第二输入端和输出端，其第一输入端耦接至所述寄存器16输出端以接收所述第二数字信号D2，其第二端耦接至所述AD转换器15输出端用以接收第一数字信号D1，其输出端提供计算信号。查找表，基于计算信号和预存储数据输出待测物品信息。
在一个实施例中，对校准物品进行检测，该物品对应的第一数字信号即存储进入第一寄存器16。对物品进行检查时，第一计算单元17将该待测物品对应的数字信号与寄存器存储的校准电压(校准数字信号)进行运算(例如相减)，并将结果提供给查找表18。查找表根据与存储信息输出物品信息，例如在一个实施例中，差值信号为000111时表示该物品折射率为1.8。在另外一个实施例中，差值信号为000111时还可以表示该液体浓度为1mol/L。
在一个实施例中，所述第一光电探测器11、第二光电探测器13、光波导器件12、放大器14、寄存器16和计算单元17集成于同一晶片上(例如衬底21的外延层区域)或布局于硬件系统上。查找表18采用计算机程序实现以增加灵活度。在一个实施例中，可以在出厂检测时将校准物品对应的第一数字信号存储进入第一寄存器16，这样后续用户使用时即可无需再次进行校准。
在一个实施例中，所述第一寄存器16、所述第一计算单元17和所述查找表18采用计算机程序实现。
特别地，本实用新型还提供了一种偏置电路19，该电路可以为光电探测器11、光电探测器13、放大器14、AD转换器15，寄存器16、计算单元17和查找表18提供稳定的高抑制比内部电源VINT和高抑制比参考电流IREF，为AD转换器15提供高电源抑制比基准电压源VREF。在另外一个实施例中，偏置电路19还可以检测温度并提供温测信号VSES，此时偏置电路19也可以称为偏置与温测电路19。
图4为根据本实用新型一个实施例的偏置与温测电路40，包括启动电路401、基准单元 402和反馈电路403。
启动电路401，具有第一控制端、第一偏置端、第二偏置端、电源输入端和电源提供端，其第一控制端接收控制信号VCON，其电源输入端耦接至外部电源VCC。
基准单元402，具有电源端、接地端、第一偏置端、第二偏置端、电压提供端和电流提供端，其电源端耦接至启动电路的电源提供端，其接地端耦接至地，其第一偏置端耦接至启动电路第二偏置端、其第二偏置端耦接至反馈电路偏置端提供偏置电压VB，其电压提供端提供一基准电压VREF，其温测端提供温度信号VSES。
反馈电路403，具有电源输入端、接地端、偏置端、控制端和电源提供端，其电源输入端耦接至外部电源VCC，其接地端耦接至地，其偏置端耦接至基准单元第二偏置端，其控制端耦接至启动电路第一偏置端，其电源提供端耦接至基准单元电源端以提供内部电源VINT，其中基准单元402启动前，启动电路401为基准单元402供电；基准单元402启动后，反馈电路403控制启动电路401停止为基准单元402供电以减小功耗，反馈电路403开始为基准单元402供电。由于反馈电路403具有反馈功能，当外部电源VCC发生变化或抖动时，其电源提供端提供的内部电源VINT基本不发生变化，故而增大了基准电压源100的电源抑制比。即，基准单元402提供了电源抑制功能(VINT到VREF)同时，反馈电路403还提供了电源抑制功能(VCC到VINT)，从而使得基准电压源400获得更高的电源抑制比。
图5为根据本实用新型一个实施例的偏置与温测电路50。包括启动电路501、基准单元 502(包括PTAT电流产生电路5021和基准电压产生电路5022)和反馈电路503。基准电压源电路50可以看作基准电压源电路40的一个具体实施例。
启动电路501包括：
第一晶体管M1，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至地，其控制端耦接至启动电路的第一控制端；第一电阻R1，具有第一端和第二端，其第一端耦接至第一晶体管M1 的第二端；第二晶体管M2，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至第一电阻R1的第二端，其控制端耦接至第二晶体管M2的第一端，其第二端耦接至启动电路的电源输入端；第三晶体管M3，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至启动电路的第二偏置端，其第二端耦接至启动电路电源的输入端VCC，其控制端耦接至第二晶体管M2的控制端；第五晶体管M5，具有第一端、第二端和控制端，其第二端耦接至启动电路的电源输入端，其控制端耦接至第二晶体管M2的控制端，其第一端耦接至启动电路的电源提供端。
基准单元502包括PTAT(proportional to absolute temperature,与绝对温度成正比)电流产生电路5021，用以产生PTAT电流；以及基准电压产生电路5022，镜像PTAT电流作为参考电流IREF，并产生基准电压VREF。
PTAT电流产生电路5021包括：
第六晶体管M6，具有第一端、第二端和控制端，其第二端耦接至基准单元的电源端；第二电阻R2，具有第一端和第二端，其第二端耦接至第六晶体管M6的第一端，其第一端耦接至第六晶体管M6的控制端；第七晶体管M7，具有第一端、第二端和控制端，其第二端耦接至基准单元的电源端，其控制端耦接至第六晶体管M6的控制端；第三电阻R3，具有第一端和第二端，其第二端耦接至第七晶体管M7的第一端；第八晶体管M8，具有第一端、第二端和控制端，其第二端耦接至第二电阻R2的第一端，其控制端耦接至启动电路第二偏置端；第九晶体管M9，具有第一端、第二端和控制端，其第二端耦接至第三电阻R3的第一端，其控制端耦接至第八晶体管M8控制端和第三电阻R3的第二端；第四电阻R4，具有第一端和第二端，其第二端耦接至第八晶体管M8的第一端；第十晶体管Q10，具有第一端、第二端和控制端，其第一端和控制端耦接至地，其第二端耦接至第四电阻R4的第一端；第十一晶体管Q11，具有第一端、第二端和控制端，其第一端和控制端耦接至地，其第二端耦接至第九晶体管M9的第一端；第十四晶体管M14，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至地，其第二端耦接至基准单元的电源端，其控制端耦接至第九晶体管M9的第二端。
PTAT电流产生电路2021采用了低电压结构，在不使用运算放大器情况下，即可产生PTAT 电流。尤其是，电阻R2和电阻R3的引入，可以进一步降低基准单元202的最低工作电压，从而降低整个基准电压源200的最低工作电压。因此，PTAT电流产生电路2021也可以称为低电压基准源电路，用以产生PTAT电流或与基准电压产生电路2022组合以产生基准电压源。
电压产生电路5022包括：
第十五晶体管M15，具有第一端、第二端和控制端，其第二端耦接至基准单元的电源端，其第一端耦接至基准单元的电压提供端，其控制端耦接至第六晶体管M6的控制端；第四晶体管M4，具有第一端、第二端和控制端，其第二端耦接至基准单元的电源端，其第一端耦接至基准单元的温测端以提供温度检测信号VSES，其控制端耦接至第六晶体管M6的控制端。第五电阻R5，具有第一端和第二端，其第二端耦接至第十五晶体管M15的第一端，以及耦接至基准单元的电压提供端。第六电阻R6，具有第一端和第二端，其第二端耦接至第四晶体管M15的第一端，其第二端耦接至接地端。第十六晶体管Q16，具有第一端、第二端和控制端，其第一端和控制端耦接至地，其第二端耦接至第五电阻R5第一端。
反馈电路503包括：
第十七晶体管M17，具有第一端、第二端和控制端，其第一端配置为反馈电路的控制端并耦接至启动电路第一偏置端，其第二端耦接至反馈电路的电源输入端；第十八晶体管M18，具有第一端、第二端和控制端，其第二端耦接至反馈电路的电源输入端，其控制端耦接至第十七晶体管M17的控制端；第十九晶体管M19，具有第一端、第二端和控制端，其第二端耦接至反馈电路的电源输入端，其控制端耦接至第十七晶体管M17的控制端；第二十晶体管 M20，具有第一端、第二端和控制端，其第二端耦接至第十八晶体管M18的第一端，其第一端配置为反馈电路电源提供端以提供内部电源VINT；第二十一晶体管M21，具有第一端、第二端和控制端，其第二端耦接至第十九晶体管M19的第一端，其第二端耦接至第十九晶体管M19的控制端，其控制端耦接至第二十晶体管M20的控制端；第二十二晶体管M22，具有第一端、第二端和控制端，其第二端耦接至第二十晶体管M20的第一端，其控制端耦接至反馈电路偏置端；第二十三晶体管M23，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至地，其第二端耦接至第二十二晶体管M22的第一端，其控制端耦接至第二十三晶体管M23的第二端；第二十四晶体管M24，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至地，其第二端耦接至第二十一晶体管M21第一端，其控制端耦至第二十三晶体管M23的控制端；第二十五晶体管M25，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至接地端，其控制端耦接至第二十三晶体管M23的控制端；第二十六晶体管M26，具有第一端、第二端和控制端，其第一端耦接至第二十五晶体管M25的第二端，其控制端耦接至第二十六晶体管M26的第一端和第二十晶体管的控制端，其第二端耦接至反馈电路的电源输入端。
电路工作原理如下：
启动电路包括M1、M2、M3、M5和R1，若EN高电压使能，M1导通，在M2上产生电流，M2、M3、M5工作，M3为基准单元提供偏置，M5为基准单元模块供电。基准单元模块包括M6、M7、M8、M9、Q10、Q11、R2、R3和R4。核心单元开始工作后，M6和M7 所在的两条支路导通，产生PTAT电流，并通过M15镜像至电阻R5。电流IM15与电流IM8， IM9相等，M15、Q16、R5构成基准电压产生模块，Q10、Q11和Q16三者尺寸比为10:1:1 (示例而非限制)。
基准电压值具体计算如下：
VREF＝VBE+KVT (2)
因此根据式(1)具体可得：
I1即为PTAT与绝对温度成正比的电流。
因为M8、M9匹配，
IM8＝IM9＝I1＝IM15 (4)
根据式(2)可知：
M6、M7导通后，M22产生电流，导致M23、M24和M25导通，M26、M21和M20(M18 和M19)所在支路也导通，即M20所在支路开始为PTAT电流产生电路2021供电。M18和M19导通后，M17上开始流过电流，导致M2栅极电压升高，进而导致M2～M5关断，M5 不再为基准单元202提供电源，基准单元2021主要靠M20所在支路提供电流。即，基准单元202启动前，启动电路501为基准单元202供电；基准单元502启动后，反馈电路503控制启动电路501停止为基准单元502供电(节省能耗同时避免电源VCC的噪声通过M5直接传递给基准单元502)，反馈电路503为基准单元供电。基准单元502启动后，供电主要靠反馈电路503，由于反馈单元503具有反馈功能，基准电压VREF的电源抑制比得到提高。即，基准单元502提供了电源抑制功能(VINT到VREF)同时，反馈电路503还提供了电源抑制功能(VCC到VINT)，从而使得基准电压源50获得更高的电源抑制比。
图6示出根据本实用新型一个实施例的光波导器件60，其中6(a)为三维立体示意图， 6(b)为切面图。与图2所示的光波导器件20相比，光波导器件60的衬底层进一步包括第一半导体层61(例如P沉底)和第二半导体层62(例如N外延)，第二半导体层62即可用于集成多种半导体器件，例如电阻、电容、三极管、MOS管。
根据本实用新型一个实施例，所示波导层22和23的侧面(测试区域29非相邻一面)被第二半导体层，这样即可在波导层22和23侧面相邻的第二半导体层内集成加热电阻器(63 和64)或其他器件。
根据本实用新型一个实施例，如6(C)所示沿XY面的切面图。波导层22和23下方集成了可以感应温度的感应晶体管(第十晶体管Q10、第十一晶体管Q11和第十六晶体管Q16)。由于这些器件紧邻波导层22和23，可以更好地检测波导层的温度。在其他实施例中，感应晶体管还可以集成于波导层两侧的第二半导体层内。
图7示出根据本实用新型一个实施例的热光效应光波导检测装置70。与图1所示的热光效应光波导检测装置10相比，检测装置70不再基于第一放大器14的输出信号VA1进行检测，而是基于光波导器件的温度(即温度信号VSES)进行检测。检测装置10各种检测方法、步骤同样适用于检测装置70。
在本公开内容中所使用的量词“一个”、“一种”等不排除复数。文中的“第一”、“第二”等仅表示在实施例的描述中出现的先后顺序，以便于区分类似部件。“第一”、“第二”在权利要求书中的出现仅为了便于对权利要求的快速理解而不是为了对其进行限制。权利要求书中的任何附图标记都不应解释为对范围的限制。