[发明专利]一种光子晶体三谐振腔无热化生物传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种生物传感器，尤其涉及一种光子晶体三谐振腔无热化生物传感器。

背景技术

生物传感器是以生物活性单元作为生物敏感基元，对被测物具有高度选择性的探测器，在环境监测、生物防范、食品检测、疾病监控以及药物研发中有着重要的应用。近年来，随着光子集成技术的发展以及片上实验室（Lab-on-a-chip）概念的提出，基于光光子晶体谐振腔的生物传感器由于兼具检测速度快、灵敏度高、实时性好、无需标记、不受环境和工频干扰等优点，已成为目前生物传感领域的研究热点之一。

生物传感器市场规模庞大，且每年呈上升趋势，据美国市场信息反馈专业公司Market Research估计，2012年全球生物传感器市规模为85亿美元，到2018年将增至168亿美元；若加上传感器周边配套设施，生物传感产业的市场规模将达数千亿美元，生物传感器相关方面的研究具有可观的社会及经济效益。

光子晶体又被称为光半导体，是由具有不同介电常数的物质，在空间周期性排列而形成的人工微结构。光子晶体具备光子禁带，具有控制光在其内传播的特性，是实现未来大规模光电集成以及全光网络的潜在应用材料。在完整的光子晶体材料中引入缺陷时，则会在光子禁带中引入缺陷态。例如，引入点缺陷则可以将光局域在缺陷内，从而形成光子晶体谐振腔；而如果引入线缺陷，则可以将光限制于线缺陷内传播，形成光子晶体波导。近年来，基于光子晶体谐振腔的生物传感器因其集成度高、待测物用量少、探测极限高已成为该领域的研究热点。

对于基于谐振腔的生物传感器，其无热化研究近年来受到了较多的关注。这主要来源于常用的谐振腔生物传感器制备材料如硅、氮化硅以及聚合物等都具有较高热效应，使得这类生物传感器探测结果极易受温度波动影响。由于在测试过程中，温度引起的噪声信号与传感信号叠加，从而使得传感测试系统的信噪比降低，甚至造成测试失败。

通过合理的设计以及新材料的选择，可以使温度致折射率变化及温度致形变对器件光谱特性影响相反，甚至接近为0，从而减小甚至消除温度对光器件的测量准确度的影响。然而，一方面，从严格意义上讲这种方法不可能使温度影响严格为零，即不能从根本的解决温度变化对器件性能的影响；另一方面，这种方法对器件的制备材料要求较为严格，可备选材料并不多，例如，对于现阶段制备工艺较为成熟且器件集成度较高的硅材料（包括SOI材料），其温度对折射率的影响为1.8×10^-4/℃，而热膨胀系数仅为2.63×10^-6/℃，难以通过这种方法来设计制备无热化光器件。

另外，对于谐振腔结构生物传感芯片，通过设计制作参考谐振腔也可以得到温度不敏感生物传感器芯片，这种方法需要设计一个或多个不与待测物质接触的参考谐振腔，当对测试结果进行分析时，以参考谐振腔作为判断温度影响漂移的基准，从而避免温度对测量结果的影响。这种方法可以在不改变器件制作材料的基础上避免温度的影响，对传感器芯片制备材料不提出特别要求。但这种方法也存在一些本质上的缺点。由于基于谐振腔的生物传感器的高集成特性，一块芯片可以集成上百个传感单元，如果一整片生物传感芯片只配置一个参考谐振腔，则会出现参考谐振腔与探测谐振腔距离过远，而在实际应用过程中，如果出现芯片温度不均匀的情况，参考谐振腔就不可能提供有价值的参考值。而若在每一个传感单元中都布置参考谐振腔则会出现面积浪费的情况，不利于高集成生物传感芯片的设计制备。

发明内容

为克服上述缺陷，本发明要解决的技术问题是提出一种高集成度且结构更为简单的光子晶体三谐振腔无热化生物传感器。

本发明是这样实现的，一种光子晶体三谐振腔无热化生物传感器，其包括基板、以及呈矩阵式垂直设置在该基板上的若干第一介质柱（1）与若干第二介质柱（2），该第一介质柱（1）的半径为r，该第二介质柱（2）的半径为r_a，且r≠r_a，其中，该若干第二介质柱（2）分成三部分分别构成主波导（5）与两个耦合波导（6、7），两个耦合波导（6、7）分别对称设置于主波导（5）的两侧，主波导（5）呈直线形为光子晶体直波导，两个耦合波导（6、7）呈直角转弯形为直角转弯波导，主波导（5）、两个耦合波导（6、7）三者之间填充有该若干第一介质柱（1）而相互独立，两个耦合波导（6、7）与主波导（5）之间设有三个光子晶体谐振腔（8、9、10），主波导（5）、两个耦合波导（6、7）分别与三个光子晶体谐振腔（8、9、10）耦合。