用于對分析物進行分析的折射率傳感器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明大體涉及諸如在生化分析中用于對分析物進行分析的折射率傳感器、制造 該折射率傳感器的方法，更具體地，涉及高靈敏度折射率傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學折射率（RI)傳感器已經(jīng)被廣泛研究用于多種應(yīng)用，并在生化分析中起到重 要作用。在現(xiàn)有的生化RI傳感器中，人們對那些基于集成的光學波導(dǎo)的傳感器由于其高靈 敏度、小尺寸和高度集成而感興趣。最近，由于在亞波長尺度低折射率區(qū)域（槽狀區(qū)域）中 提供高光強的能力，基于某些類型的槽狀波導(dǎo)的RI傳感器引起人們的興趣。相比傳統(tǒng)帶狀 波導(dǎo)，利用這樣的槽狀波導(dǎo)可以在槽狀區(qū)域中獲得更大的光-分析物相互作用，并因此獲 得更高的靈敏度。到目前為止，已經(jīng)報道了基于環(huán)形諧振器、馬赫-曾德爾干涉儀、布拉格 光柵以及定向耦合器的槽狀波導(dǎo)傳感器。該報道的槽狀波導(dǎo)環(huán)形諧振器傳感器可以表現(xiàn)出 的靈敏度比基于傳統(tǒng)帶狀波導(dǎo)的環(huán)形諧振器的靈敏度大大約兩倍（大約212nm/RIU(折射 率單位））。
[0003] 但是，進一步增強RI傳感器的靈敏度以提供它的分析物檢測/測量能力，從而例 如以非常低的檢測閾值檢測/測量生物分子將是有益的。另外，由于大多數(shù)生物相互作用 的復(fù)雜性質(zhì)，提供一種能夠進行波長多路復(fù)用測量的RI傳感器也將是有益的。
[0004]因此，需要提供一種用于對分析物進行分析的高靈敏度并且優(yōu)選地能夠進行波長 多路復(fù)用測量的折射率（RI)傳感器。針對于此背景，開發(fā)出本發(fā)明。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明尋求克服或至少改善上述現(xiàn)有技術(shù)的一個或多個缺陷，或向消費者提供有 用的或商業(yè)的選擇。
[0006] 根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于對分析物進行分析的折射率傳感器，所 述傳感器包括：
[0007] 帶狀波導(dǎo)，用于接收在所述帶狀波導(dǎo)中的輸入光信號并將所述光信號傳輸至用于 對所述分析物進行分析的檢測器，其中，所述光信號在傳播通過所述帶狀波導(dǎo)時受到操縱； 以及
[0008] 槽狀波導(dǎo)，用于感測放置在所述槽狀波導(dǎo)上的所述分析物，并從所述帶狀波導(dǎo)接 收感測信號，其中，所述感測信號與所述光信號的所述操縱相對應(yīng)，
[0009] 其中，光柵形成在所述帶狀波導(dǎo)的表面上，以使得能夠?qū)⑺龈袦y信號從所述帶 狀波導(dǎo)耦合至所述槽狀波導(dǎo)，并且
[0010] 所述傳感器基于所述槽狀波導(dǎo)和所述帶狀波導(dǎo)之間的靈敏度差和/或所述槽狀 波導(dǎo)和帶狀波導(dǎo)之間的群折射率差被配置為具有增強的靈敏度。
[0011] 優(yōu)選地，所述傳感器還包括基底，其中，所述帶狀波導(dǎo)和所述槽狀波導(dǎo)被設(shè)置在所 述基板上以隔開并大體上互相平行。
[0012] 優(yōu)選地，所述感測信號為光信號的形式，并且所述光柵具有被配置為將光信號在 特定共振波長處從所述帶狀波導(dǎo)耦合至所述槽狀波導(dǎo)的光柵周期。
[0013] 優(yōu)選地，所述槽狀波導(dǎo)具有根據(jù)被放置在所述槽狀波導(dǎo)上的所述分析物而受到改 變的模式折射率，所述模式折射率的改變導(dǎo)致從所述帶狀波導(dǎo)被耦合至所述槽狀波導(dǎo)的所 述光信號的所述特定共振波長的移位，從而使得能夠根據(jù)所述特定共振波長的移位對所述 分析物進行分析。
[0014] 優(yōu)選地，所述傳感器配置為以使得其靈敏度（S)根據(jù)以下等式確定：
[0015]
[0016] 其中，X。為所述光信號的所述特定共振波長，AS為所述槽狀波導(dǎo)和所述帶狀波 導(dǎo)之間的所述靈敏度差，ANg為所述槽狀波導(dǎo)和所述帶狀波導(dǎo)之間的所述群折射率差。
[0017] 優(yōu)選地，所述傳感器配置為以使得所述槽狀波導(dǎo)和所述帶狀波導(dǎo)之間的所述靈敏 度差增大，和/或所述槽狀波導(dǎo)和所述帶狀波導(dǎo)之間的所述群折射率降低。
[0018] 優(yōu)選地，所述帶狀波導(dǎo)被隔離以降低其靈敏度，從而增大所述槽狀波導(dǎo)和所述帶 狀波導(dǎo)之間的所述靈敏度差。
[0019] 優(yōu)選地，所述帶狀波導(dǎo)被由Si02制成的隔離層封閉以將所述帶狀波導(dǎo)與所述分析 物隔離。
[0020] 在另一個實施方式中，所述帶狀波導(dǎo)被由聚合物材料制成的隔離層封閉以將所述 帶狀波導(dǎo)與所述分析物隔離。
[0021] 優(yōu)選地，所述聚合物材料具有熱光系數(shù)，所述熱光系數(shù)被選擇用于補償所述傳感 器的正溫度相關(guān)性或負溫度相關(guān)性，以降低所述傳感器的溫度相關(guān)性。
[0022] 優(yōu)選地，所述聚合物材料由WIR30-490或SU-8制成。
[0023] 優(yōu)選地，所述帶狀波導(dǎo)的寬度被配置為約600nm至約lOOOnm。
[0024] 優(yōu)選地，所述槽狀波導(dǎo)的一個或多個參數(shù)被配置為增大所述槽狀波導(dǎo)的靈敏度， 從而增大所述槽狀波導(dǎo)和所屬帶狀波導(dǎo)之間的所述靈敏度差，其中，所述一個或多個參數(shù) 包括所述槽狀波導(dǎo)的寬度和/或所述槽狀波導(dǎo)的間隙的寬度。
[0025] 優(yōu)選地，配置所述槽狀波導(dǎo)以使得所述槽狀波導(dǎo)的寬度增大，和/或所述間隙的 寬度降低。
[0026] 優(yōu)選地，所述槽狀波導(dǎo)的所述寬度處于約350nm至約550nm的范圍內(nèi)，并且所述間 隙的所述寬度處于約50nm至約300nm的范圍內(nèi)。
[0027] 優(yōu)選地，彼此分離的多個光柵形成在所述帶狀波導(dǎo)的表面上，每個光柵具有被配 置為在各自的共振波長處將所述感測信號耦合至所述槽狀波導(dǎo)的不同光柵周期，從而使得 能夠進行波長多路復(fù)用測量。
[0028] 優(yōu)選地，所述槽狀波導(dǎo)和/或所述帶狀波導(dǎo)由氮化硅（Si3N4)制成。
[0029] 根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種制造用于對分析物進行分析的折射率傳感器的 方法，該方法包括：
[0030] 形成帶狀波導(dǎo)，所述帶狀波導(dǎo)用于接收在所述帶狀波導(dǎo)中的輸入光信號并將所述 光信號傳輸至用于對所述分析物進行分析的檢測器，其中，所述光信號在傳播通過所述帶 狀波導(dǎo)時受到操縱；以及
[0031] 形成槽狀波導(dǎo)，所述槽狀波導(dǎo)用于感測放置在所述槽狀波導(dǎo)上的所述分析物，并 從所述帶狀波導(dǎo)接收感測信號，其中，所述感測信號與所述光信號的所述操縱相對應(yīng)，
[0032] 其中，所述方法還包括在所述帶狀波導(dǎo)的表面形成光柵，以使得能夠?qū)⑺龈袦y 信號從所述帶狀波導(dǎo)耦合至所述槽狀波導(dǎo)，并且
[0033] 基于在所述槽狀波導(dǎo)和所述帶狀波導(dǎo)之間的靈敏度差和/或所述槽狀波導(dǎo)和帶 狀波導(dǎo)之間的群折射率差，將所述傳感器配置為具有增強的靈敏度。
[0034] 根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種用于對分析物進行分析的折射率傳感器裝置， 該傳感器裝置包括：
[0035] 折射率傳感器，包括帶狀波導(dǎo)和槽狀波導(dǎo)；
[0036] 光源，用于向所述帶狀波導(dǎo)輸出光信號；以及
[0037] 檢測器，用于從所述帶狀波導(dǎo)接收所述光信號以對所述分析物進行分析，
[0038] 其中，所述帶狀波導(dǎo)被配置為接收在所述帶狀波導(dǎo)中的輸入光信號并將所述光信 號傳輸至用于對所述分析物進行分析的檢測器，其中，所述光信號在傳播通過所述帶狀波 導(dǎo)時受到操縱，
[0039] 所述槽狀波導(dǎo)被配置為感測放置在所述槽狀波導(dǎo)上的所述分析物，并從所述帶狀 波導(dǎo)接收感測信號，其中，所述感測信號與所述光信號的所述操縱相對應(yīng)，
[0040] 光柵形成在所述帶狀波導(dǎo)的表面上，以使得能夠?qū)⑺龈袦y信號從所述帶狀波導(dǎo) 耦合至所述槽狀波導(dǎo)，并且
[0041] 所述折射率傳感器基于所述槽狀波導(dǎo)和所述帶狀波導(dǎo)之間的靈敏度差和/或所 述槽狀波導(dǎo)和帶狀波導(dǎo)之間的群折射率差被配置為具有增強的靈敏度。
[0042] 優(yōu)選地，所述折射率傳感器裝置還包括偏振控制器，所述偏振控制器用于從所述 光源接收所述光信號，并向所述帶狀波導(dǎo)輸出TE偏振光信號。
[0043] 附圖簡要說明
[0044] 結(jié)合以下附圖并僅通過舉例的方式，根據(jù)以下的描述，本發(fā)明的實施方式對于本 領(lǐng)域技術(shù)人員將被更好地理解并顯而易見，其中：
[0045] 圖1A示出根據(jù)本發(fā)明示例性實施方式的RI傳感器的示意性立體圖；
[0046] 圖1B示出RI傳感器的示意性剖視圖；
[0047] 圖2說明從帶狀波導(dǎo)向槽狀波導(dǎo)的感測信號的耦合，并示出在兩個波導(dǎo)的輸出處 的透射光譜；
[0048] 圖3A和3B分別示出用于具有示例性參數(shù)的傳感器的帶狀波導(dǎo)和槽狀波導(dǎo)的場分 布；
[0049] 圖3C曲線圖示出了兩個波導(dǎo)的模式折射率Neff和兩個波導(dǎo)104、112之間的模式 折射率差為波長A的函數(shù)的相關(guān)性；
[0050] 圖3D描繪的曲線圖示出了兩個波導(dǎo)的模式折射率Neff和兩個波導(dǎo)104、112之間 的模式折射率差A(yù) Nrff作為外部折射率!!^的相關(guān)性；
[0051] 圖4描述根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的傳感器的示意性剖視圖，其中，帶狀波導(dǎo)被 隔咼；
[0052] 圖5A至5C示出了相對于帶狀波導(dǎo)的寬度^、槽狀波導(dǎo)管的間隙124的寬度g和 肋高t兩個傳感器（即，進行隔離和未進行隔離）的靈敏度；
[0053] 圖6描述耦合系數(shù)和達到kL = 31 /2所需的對應(yīng)的光柵長度的變化，該耦合系數(shù) 和對應(yīng)的光柵長度的變化作為對于間距s的三個示例性值的蝕刻深度的函數(shù)；
[0054] 圖7A和7B分別示出了外部折射率1^的值不同的兩個傳感器（即，未進行隔離和 進行隔離）的透射光譜；
[0055] 圖7C說明共振波長X。對外部折射率n ^的線性相關(guān)度；
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