生物传感器及其制备方法与流程
本发明涉及一种生物传感器及其制备方法，属于光学传感器领域。
背景技术：
光学生物传感器作为一种新型传感器被广泛应用于生物医疗、环境监测、食品安全、化工检测等方面。
目前，基于光学的生物传感器受到了广泛的关注和研究，但是大多数光学生物传感器存在结构复杂、尺寸大、集成困难、受温度影响大等缺点。
技术实现要素：
根据以上现有技术的不足，本发明为解决上述技术中的问题，提供一种生物传感器及其制备方法，其具有结构简单，制作简便，可消除温度影响，易集成等优点。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是提供一种生物传感器，包括产生光学信号的光源,所述光源通过波导与传感单元输入端连接,传感单元输出端与检测单元输入端连接，信号处理器接收检测单元的输出电信号，并确认检测物质存在和浓度信息；所述传感单元接收光源的输出信号，并将携带物质存在和浓度信息的光学信号提供给检测单元；所述传感单元包括若干个环形谐振器，所述传感单元内波导接收光学信号，并将该信号耦合进入环形谐振器阵列中，其中环形谐振器通过与传感单元内波导的间隙提取谐振波长，并将提取到的波长分别耦合进入环形谐振单元的输出波导中，并将携带有谐振波长的光学信号传递给检测单元输入端，作为检测单元的输入信号，所述传感单元可消除传感测量中温度对光学生物传感器的影响。
所述生物传感器为多种物质同时检测的光学生物传感器，其所检测范围可以为状态为液体或气体的生物、化学物质,包括生物分子、单链dna、病毒、细菌、化学甲醛气体、丙酮气体分子等。所述光学生物传感器的光源可以为led芯片、发光二极管、发光三极管、宽带光源模块等。
优选的，所述光源和传感单元之间还有分束器，所述分束器包括一个输入端和至少两个输出端，所述光源通过波导与分束器输入端连接，分束器的输出端分别通过对应数量的传感单元内波导连接传感单元输入端，所述传感单元接收分束器的输出信号，并将携带物质存在和浓度信息的光学信号提供给检测单元。
优选的，分束器每一路的配置完全相同，所述每路传感单元内的波导上的环形谐振单元完全对称相同的。传感单元内每路波导所对称的环形谐振器单元所涂覆的敏感材料相同。可以避免单个环形谐振单元测量所带来的偶然误差，使检测更为准确。
所述分束器可以为1*n的多路分束器，用于产生多路相同光学信号。如可以为y型分束器，y型分束器接收来至滤波单元的输出光学信号，并将该信号等分成两路，由输出端、分别输入到传感单元的波导中作为传感单元的输入光学信号。
传感单元内不同路波导上相对应位置的环形谐振器在尺寸、材料方面完全相同。所述传感单元中输出波导同传感单元内波导处于同一平面a，环形阵列处于该平面的上方b，通过与输入波导的间隙提取谐振波长，并通过与输出波导的间隙耦合进入输出波导中，作为传感单元的输出光学信号。其所述的传感单元中输出波导同环形阵列还可以处于同一平面a，输入光波导处于平面的b，平面a在平面b的上方并具有一定的间隙，同样输出波导与环形谐振器阵列具有一定间隙，环形谐振器通过与输入波导的间隙提取谐振波长，并通过与输出波导的间隙，将谐振波长耦合进入输出波导中，作为传感单元的输出光学信号。
优选的，所述传感单元还包括流体通道，流体经由邻近开口进入流体通道，检测物质经由该流体通道作用于环形谐振阵列。
优选的，所述光源和分束器之间还设有滤波单元，所述滤波单元对光源输出宽带光学信号进行波长提取或波长去除，并将输出光学信号提供至分束器；
所述滤波单元包括输入波导、第一环形谐振器、第二环形谐振器及输出波导，其中输入波导接收来自光源的光学信号，并将该信号耦合进入第一环形谐振器中，第一环形谐振器中的光耦合进入第二环形谐振器中，第二环形谐振器中的光耦合进入输出波导中并传输到分束器的输入端。
所述滤波单元用于对来至宽带光源的光进行谐振波长的提取，输出带宽较为窄的光学信号并用于作为传感单元的输入光学信号，其中所述的谐振波长是经由环形谐振器与输入波导之间的间距以及环形谐振器与环形谐振器的间距提取。滤波单元还可以用于对来至光源的光学信号进行谐振波长的去除，并将去除谐振波长后的光学信号作为传感单元的输入。
谐振器可以为环形谐振器、微盘谐振器、跑道型谐振器等，所述谐振器采用平面集成光波导或光纤波导。
优选的，所述检测单元用于将带有检测物质存在和浓度的信息转换成电信号；所述检测单元包括若干个检测器，所述检测器用于检测传感单元中输出端所输出的传感光学信号；所述检测器可以采用光电二极管、芯片、光谱仪等。
优选的，所述生物传感器可以进行混合物质中成分的分析，其中每个环形谐振单元涂覆不同的敏感物质，不同敏感物质只与混合物中的特定成分发生反应，用于检测混合物中特定物质的存在和其浓度信息。
优选的，所述光学生物传感器还可以实现无热化处理，其中传感单元(40)中的相邻两个环形谐振单元作为一个无热传感单元，所述传感单元中的任意两个环形谐振单元尺寸不同，该无热传感单元中的两个微环涂覆相同的敏感物质，基于温度和检测物质对无热传感单元中两个不同尺寸微环的影响的不同，消除传感测量中温度对光学生物传感器的影响。
提供一种生物传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在衬底上形成覆层；
(2)覆层上形成芯层；
(3)图案化芯层以便形成滤波单元、分束器、传感单元中的多个环形谐振器；
(4)图案化芯层后形成流体通道和邻近开口。
该生物传感器制作步骤还应包括：
(a)在覆层上形成前，形成光源芯片或提供光源信号的装置；
(b)形成将携带物质存在和浓度信息的光学信号转变为电信号的光学检测单元；
(c)形成通过光学检测单元输出电信号确认物质存在及浓度的信号处理单元。
本发明的有益效果是：本发明为光学生物传感器，其所检测范围可以为生物分子、单链dna、病毒、细菌、化学甲醛气体、丙酮气体分子等，并且可以提高准确度，消除温度影响，结构简单，更易制作。
附图说明
图1为一种基于环形谐振器的生物传感器示意图；
图2具体地图示了本发明构思生物传感器中的滤波单元；
图3具体地图示了本发明构思生物传感器中的y型分束器；
图4具体地图示了本发明构思的生物传感器中的传感单元；
图5为环形谐振单元的环形附着抗体a与抗原b未发生特异性结合的图示；
图6具体为环形谐振单元的环形附着抗体a与抗原b特异性结合后的图示；
图7为输入波导输入端及环形谐振阵列输出端的波长曲线图；
图8为抗原-抗体特异性结合前后的环形谐振阵列输出端光学信号的波长曲线图；
图9为本光学传感单元中的检测单元的详细框图；
图10至图12为顺序的图示了根据本发明构思的生物传感器方法的剖视图；
图13为根据本发明构思的生物传感系统的示意图；
图14为根据本发明构思的实施例2的无热化生物传感器示意图；
图15为根据本发明构思的实施例3的高精度生物传感器示意图；
图16为根据本发明构思的实施例4的无热化高精度生物传感器示意图；
其中：1、输入波导；10、光源；2、输出波导；20、滤波单元；21、第一环型谐振器；22、第二环形谐振器22；3、第二输入波导；30、y型分束器；4、第三输入波导；40、传感单元；41、环形谐振器单元；5、第一输入端口；50、检测单元；6、第二输出端口；7、第三输出端口。
具体实施方式
所述的实施例1，实施例2，实施例3和实施例4的光学生物传感器，该传感器的传感单元和检测单元中只列举了5个环形谐振器和5个光电检测器，但本发明不仅限于列举到的5个环形谐振器和光电检测器。
实施例1：
参照说明书附图，本实施例所述的一种生物传感器及其制备方法，包括产生光学信号的光源10，所述光源10通过波导与分束器输入端连接，分束器包括至少两个输出端，分束器的输出端分别通过对应数量的传感单元内波导连接传感单元40输入端，传感单元40输出端与检测单元50输入端连接，信号处理器接收检测单元50的输出电信号，并确认检测物质存在和浓度信息。
生物传感器可以根据混合物质中各物质的光学特性的变化来检测各物质是否存在及其浓度信息。具体地如抗原a和其对应的抗体b发生特异性结合时，结合后的物质c与原抗原a的光学特性不同，因此可以根据此原理判断各物质是否存在及其浓度信息。
如图2所示，滤波单元20对光源10输出的光学信号进行波长提取，并将获得的某特定波段的光学信号传输至分束器输入端。具体地，分束器采用y型分束器30，y型分束器30可以包括：被配置为接收滤波单元20光学信号的第一输入端口5；被配置为输出两路光学信号的第二输出端口6、第三输出端口7(由于第二、三端口作用相同，且相应的两路端口连接的后续传感单元完全相同，因此在后续的说明中不再对两路端口及连接的传感单元40进行分别阐述，仅保留对第二输出端口6及其连接的传感单元40的解释)。
滤波单元20包括输入波导1、第一环型谐振器21、第二环形谐振器22和输出波导2，输入波导1接收来至光源10传输的光学信号；第一环形谐振器21通过与输入波导1之间的间距d21提取谐振波长；第二环形谐振器22通过与第一环形谐振器21之间间距d22进一步提取谐振波长；输出波导2通过与第二环形谐振器之间间距d23获得谐振波长并将其传输至y型分束器30的第一输入端口5。
根据本发明构思的一个方面，滤波单元20中的环形谐振器21、环形谐振器22可以为跑道型谐振器。
根据本发明构思的另一方面，图2中的滤波单元20可以对光源10输出的光学信号进行谐振波长的去除，并将去除谐振波长后的光学信号传输至y型分束器30的第一输入端口5。
图3具体地图示了本发明构思的生物传感器中y型分束器30，如图3所示，y型分束器30接收来至滤波单元20的输出光学信号，并将该光学信号分成两路相同的光学信号传输至传感单元40的两路输入波导。具体地，y型分束器30第一输入端口5接收来至滤波单元20的输出光学信号，并将该光学信号分成两路相同的光学信号至第二输出端6和第三输出端7；第二输出端6和第三输出端7通过耦合的方法将两路相同的光学信号分别传输给传感单元40的第二输入波导3和第三输入波导4。
根据本发明构思的一个方面，图3中的生物传感器中的y型分束器30可以替换为1xn路光分束器，同理的传感单元40的输入波导可以增加为第四输入波导、第五输入波导至第n输入波导。
根据本发明构思的另一方面，y型分束器30两条支路上的环形谐振单元可以一一对应并且完全相同，而且对应的环形谐振单元测量相同的物质，以避免单次测量带来的误差。同样的，对应的环形谐振单元可以测量不同的物质，以便在不增加传感单元40尺寸的情况下增加测量物质的种类。
图4具体地图示了本发明构思的生物传感器中的传感单元40，传感单元40接收来至y型分束器30输出端的光学信号，并将携带多种物质各自是否存在及浓度信息的光学信号传输至检测单元50的输入端。图4中，由于y型分束器30输出的为两路相同的光学信号，并且传感单元中40中的第二输入波导3和第三输入波导4上的环形谐振单元为一一对应的对称结构，并且一一对应的环形谐振单元在尺寸、材料等方面也是完全相同，因此在后续的说明中仅对传感单元40中的第二输入波导3及其对应的环形谐振单元进行阐述，但是该阐述同样对第三输入波导4及其对应的环形谐振单元有效，除非后续说明中有特殊解释，此次说明在后续阐述都有效。
图4中具体地，传感单元40包括第二输入波导3和环形谐振单元阵列，其中环形谐振单元阵列包括环形谐振器41a、环形谐振器42a至环形谐振器45a。
根据本发明构思的一个方面，所述传感单元40中的环形谐振器阵列和第二输入波导3处于同一平面。根据本发明的另一个方面，所述环形谐振器阵列中的输出波导阵列同第二输入波导3处于同一平面u，环形谐振器阵列中的微环处于u平面的上方为o平面，其中o平面与u平面间距为d，可以看出此时第二输入波导3和环形谐振器的间距以及环形谐振器中的微环与输出波导间距相同，均为d。
图5为环形谐振器单元41的微环附着抗体a与抗原b未发生特异性结合的图示，如图5所示，环形谐振器单元41包括微环rw41和输出波导i1a，微环rw41表面修饰有一定浓度的抗体a，该抗体a与抗原b可以发生特异性结合。当抗原b与抗体a未发生特异性结合即含有抗原b的流体未通过流体通道时，微环rw41通过与第二输入波导3的间距d411提取谐振波长λ41a，而环形谐振单元41中的输出波导i1a与rw41间距d412获得谐振波长λ41a，并将携带该谐振波长的光学信号作为传感单元的输出光学信号。
根据本发明构思的一个方面，所述传感单元中的环形谐振器可以为跑道型谐振器。
图6具体为微环谐振单元41的微环附着抗体a与抗原b特异性结合后的图示。参照图6，当抗原b通过流体通道与微环rw41上的抗体a发生特异性反应时，微环rw41通过与输入波导3的间距d411提取的谐振波长发生改变，为λ41b，这是由于环形谐振器的谐振波长满足：
λ＝2πrneff/m
式中λ为环形谐振器的谐振波长，r为环形谐振器的半径，neff为环形谐振器的有效折射率，m为整数。式中可以看出，当环形谐振器的半径固定不变时，环形谐振器的谐振波长λ与neff成正比。因此，当微环rw41上的抗体a与抗原b特异性结合后，该微环的有效折射率会发生改变，从而使得谐振波长发生变化，最终影响输出端的光学信号。
图7为输入波导3输入端及环形谐振阵列输出端的波长曲线图，图8为抗原-抗体特异性结合前后的光学信号的波长曲线图。
参照图7可以看出，λ1为输入波导3输入端的谐振波长，该λ1谐振波长是通过滤波单元从宽带光源提取到的谐振波段，图中λ41a、λ42a、λ43a、λ44a、λ45a分别为抗原-抗体特异性结合前环形谐振单元中输出波导i1a、i2a、i3a、i4a、i5a提取的谐振波长。
参照图8可以看出，λ41a、λ41b分别为抗原-抗体特异性结合前、后输出波导i1a提取的谐振波长。对比图中两个谐振波长可以看出当流体通道中有含有抗原b的流体通过并同微环上的抗体a特异性结合后，环形谐振单元41的输出端输出的光学信号波长发生变化，由λ41a变化为λ41b，同时可以看出固定波长处的光功率发生改变。
根据本发明构思的一个方面，光源10、滤波单元20、y型分束器30、生物传感单元40可以集成或封装在同一衬底上。
图9为本光学传感单元中的检测单元50的详细框图。如图9所示，检测单元50包括多个光电检测器p1a至p5a和p1b至p5b，所述的多个光电检测器p1a至p5a和p1b至p5b连接环形谐振单元的输出波导i1a至i5a和i1b至i5b。所述多个光电检测器p1a至p5a和p1b至p5b可以将环形谐振单元的输出波导i1a至i5a和i1b至i5b输出的光学信号分别转换为电信号e1a至e5a和e1b至e5b。所述光电检测器可以包括光电二极管、光电三极管、光电晶体管等。
图10至12顺序的图示了根据本发明构思的生物传感器方法的剖视图。
参照图10，s100为衬底，图中可以看出衬底s110由p型半导体衬底s101、n型半导体衬底及隔离区s103。作为发光单元的发光二极管及光接收单元的光电二极管的功能由衬底s110提供，作为提供发光二极管电能以便为整个传感系统提供光能量的小型电路也是需要的(常规技术，未示出)，同样的，作为接收整个传感系统转换后微弱电信号的小型电路也是需要的(常规技术，未示出)。为了方便介绍，图10至12只是图示了整个传感系统的一部分。
参照图11，衬底s100上形成了一层下覆层s110，此处所说的下覆层与光刻得到的芯层相结合，使得光能量绝大部分在芯层传输。
参照图12，下覆层s110上形成一层芯层，图案化芯层得到本发明实施例中的传感结构，其中包括波导1至波导4、第一环形谐振器21和第二环形谐振器22、y型分束器30、环形谐振单元41a至45a和41b至45b以及其对应的输出波导i1a至i5a和i1b至i5b。为了方便介绍，图12中只展示了与光源直接连接的输入波导1和环形谐振单元。
图13为根据本发明构思的完整光学传感系统ws1000的示意图。
参照图13可以看出，本发明构思的光学系统ws1000包括芯片cp100，流体通道fc100，以及信号处理单元50和芯片驱动单元60。其中芯片驱动单元为整个系统提供能量，同时控制整个传感系统的运作，且芯片驱动单元中的一部分用于同芯片的衬底一端相连接，以便使电能有效的转换为贯穿整个传感系统的光能量。因此可以看出，根据本发明构思的光学传感芯片，不需要额外的光源为其提供能量，同样不需要额外的光电探测器探测传感端的光能量。芯片cp100完全包括了光学传感所需要的输入光源、传感区域、探测器，只需要外部提供信号处理单元及芯片驱动单元，因此，该传感芯片制作紧凑、易于集成，同时功耗小有利于大规模的生产。
实施例2：
参照说明书附图，本实施例所述的一种光学生物传感器，包括产生光学信号的光源10，所述光源10通过波导与分束器输入端连接，分束器包括至少两个输出端，分束器的输出端分别通过对应数量的传感单元40内波导连接传感单元40输入端，传感单元40输出端与检测单元50输入端连接，信号处理器接收检测单元50的输出电信号，并确认检测物质存在和浓度信息。其中，本实施例中所涉及到的对各个单元的介绍、环形谐振的条件以及整个传感器的运行与实施例1中提及的相同，这里不再赘述。
参照图14，根据本发明的一个方面，传感单元40中相邻两个环形谐振器为一个无热传感单元。图中，无热传感单元n1a中两个环形谐振器41a和42a的微环涂覆相同的敏感物质，根据环形谐振器的谐振波长满足：
λ＝2πrneff/m
可知，由于温度t对该传感器中环形谐振器具有热光效应和热膨胀效应，因此，当一定温度t的携带测量物质的流体流经两个微环的表面时，环形谐振器中微环的有效折射率会受到温度t和测量物质的同时影响而发生变化。而且，由于两个涂覆相同浓度敏感材料的微环尺寸不同，因此，温度t和测量物质对环形谐振器的谐振波长产生不同的影响，体现在公式中为：
其中，n1和n’1分别为温度t的测量物质影响后的环形谐振器41a和42a中微环的有效折射率，na和nb分别为温度t和测量物质对环形谐振器41a中微环影响后的折射率，t和n分别为测量物质的温度和折射率，
根据上述公式可知，通过两微环的谐振波长公式可以消除温度对温度的影响，最终输出无热化测量物质的浓度信息。
实施例3：
参照说明书附图，本实施例所述的一种光学生物传感器，包括产生光学信号的光源10，所述光源10通过波导与分束器输入端连接，分束器包括至少两个输出端，分束器的输出端分别通过对应数量的传感单元40内波导连接传感单元40输入端，传感单元40输出端与检测单元50输入端连接，信号处理器接收检测单元50的输出电信号，并确认检测物质存在和浓度信息。其中，本实施例中所涉及到的对各个单元的介绍、环形谐振的条件以及整个传感器的运行与实施例1中提及的相同，这里不再赘述。
参照图15，根据本发明的一个方面，传感单元(40)中y型分束器的上下对应的环形谐振器为一个精度传感单元。其中环形谐振器41a和41b、42a和42b至45a和45b分别组成精度传感单元j41，精度传感单元j42至精度传感单元j45。其中精度传感单元j41(同理的精度传感单元42至45同样适用，这里不再赘述)中的两个环形谐振器41a和41b在尺寸材质上均相同，并且涂覆相同浓度的同一敏感材料，因此，对于同一测量物质的浓度信息，该生物传感器可以对其至少进行两次的数据测量，避免单次测量带来的误差，提高该生物传感器的精度。
实施例4：
参照图16，根据本发明的一个方面，结合实施例2和实施例3，提出一种无热化高精度的生物传感器。图中，传感单元40中的环形谐振器41a，41b，42a，42b组成一个新的感测单元s1，同理的43a，43b，44a，44b组成一个感测单元s2，这里不再赘述。
感测单元s1中41a，42a同实施例2中相同，利用温度及测量物质对不同尺寸微环的影响不同的原理，消除温度对传感器的影响。同时，41b和42b同实施例3中相同，再次对同一测量物质进行二次测量，消除单次测量可能带来的误差。因此，本实施例兼顾了温度和精度两种因素对该生物传感器带来的影响，实现了该生物传感器的无热化高精度传感。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
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