[发明专利]一种无热的片上集成的光波导生物传感器芯片

说明书

一种无热的片上集成的光波导生物传感器芯片，包括一个集成的宽带光源、至少一个微环的传感区域、一个阵列波导光栅、一个集成的探测器阵列，所述的宽带光源和微环传感区域的输入端相连接，所述的阵列波导光栅包括三条输入阵列波导和至少三条输出阵列波导，所述的三条输入波导中的中间一条输入波导和微环传感区域的下载端输出波导相连接，其余两条输入波导关于中间输入波导呈对称分布，所述的至少三条输出波导和一个具有相同数目的探测器阵列相连接；传感微环在检测物质中随外界环境温度变化的波长漂移量和阵列波导光栅随外界环境温度变化的波长漂移量相同。本发明降低基于微环的光波导传感器的检测成本及有效解决微环传感器面临的温度相关问题。

技术领域

本发明涉及光波导生物传感器，尤其是一种无热的片上集成的光波导生物传感器芯片。

背景技术

目前，基于微环的光波导生物传感器得到了广泛的研究。由于环的谐振峰具有非常大的Q值(Q＝λ_res/Δλ_3dB,λ_res是环的谐振波长，Δλ_3dB是环响应频谱的半最大值全宽，即3dB带宽)，从而使得环的3dB带宽值Δλ_3dB非常小，所以要精确探测环谐振时的中心响应波长就需要使用高精度的可调谐激光器或者是高精度的光谱仪，这大大增加了检测成本。M.Iqbal等人(M.Iqbal,et al,Label-free biosensor arrays based on silicon ringresonators and high-speed optical scanning instrumentation,IEEE JSTQE,vol.16,no.3,pp.654-661,2010.)利用微环做为传感单元并结合复杂的高精度扫面系统实现了10^-7量级的折射率探测灵敏度以及多种生物分子的实时检测，整个系统由于使用了分立元件，结构较为复杂，成本非常昂贵。D.-X.Xu等人(D.-X.Xu,et al,Real-time cancellation oftemperature induced resonance shifts in SOI wire waveguide ring resonatorlabel-free biosensor arrays,Opt.Express,vol.18,no.22,pp.22867-22879,2010.)提出了将参考环和传感环一起置入微流通道中以使参考环和传感环具有真正意义上相同的外界环境来进行生物检测的结构示意，然后在利用参考环和传感环之间的温度变化关系将传感环中的温度效应进行消除从而进一步提高最终测试数据的真实可靠性，但是该结构中使用了分辨率为1pm的高精度可调谐激光器，增大了检测成本。浙江大学的何建军研究小组提出了双环级联的传感检测示意(Lei Jin,et al,Optical waveguide double-ringsensor using intensity interrogation with low-cost broadband source,OpticsLetters,vol.36,no.7,pp.1128–1130,2011.)，它利用传感环和参考环之间微弱的自由光谱范围(FSR)差异来对传感信号进行游标放大，大大提高了传感检测灵敏度，同时在传感器的输入端利用宽谱光源作为检测光源大大降低了检测成本，该结构虽然具有简单、灵敏度高和成本低等优点，但是传感环和参考环二者之间所处的外界环境差异(比如二者的温度相关性等)较大，所以该结构中的温度噪音信号也同时被游标放大，使得我们很难从最终的检测信号中区分出噪音部分，对实验结果的准确性造成了一定影响，同时光源功率的抖动也会影响检测结果的准确性。

现有的基于微环的光波导传感器都需要配备高精度的可调谐激光器、光谱仪或者复杂的高精度扫描检测系统，同时该微环传感器还具有温度相关问题，需要辅以相关的温度变化参照结构来消除温度引起的传感信号变化，另一方面，片上集成的生物传感器芯片由于其小型化、低成本、性能优良，能与电路系统集成并最终实现一个功能化的模块，该模块可以广泛应用于便携式医疗、电子移动设备等中，因而片上集成的生物传感芯片的研究备受瞩目。

发明内容