基于受限液滴谐振的集成光学生化传感芯片及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种基于受限液滴谐振的集成光学生化传感芯片及其制作方法。掩埋光波导、光输入接口和光输出接口均埋设在衬底中，微流通道水平置于位于掩埋光波导正上方的衬底上，连续相充满在微流通道内腔，液滴发生器设置在微流通道的一端，液滴发生器用于输送连续相并将分散相加入生成受限液滴，使得受限液滴在微流通道中的连续相包覆下流动；信号光经光输入接口输入掩埋光波导，在掩埋光波导中形成传输导模，导模与受限液滴的回音壁谐振模式相耦合，在光输出接口检测输出光谱谐振波长的改变获得受限液滴特性变化。本发明专利技术集成光学生化传感芯片具有易于制作、液滴稳定、传感灵敏度高、对待测物耗费极少和成本低廉等优点。

Integrated optical biochemical sensing chip based on limited liquid drop resonance and manufacturing method thereof

The invention discloses an integrated optical biochemical sensing chip based on a limited liquid drop resonance and a manufacturing method thereof. Buried optical waveguide, optical input interface and output interface of light is buried in the substrate, the substrate is placed horizontally on the microfluidic channel located just above the buried waveguide, the continuous phase is full in microchannel cavity, droplet generator is arranged at one end of microfluidic channels, droplet generator for conveying the continuous phase and the dispersed phase to generate restricted droplet, limited the droplet in the micro flow channel in the continuous phase coating under flow; the signal light by the optical input interface input buried optical waveguide, transmission mode in forming a buried optical waveguide, coupling the whispering gallery mode of guided mode and limited droplet phase change limited droplet characteristics in the detection of output spectrum of the resonant wavelength of light output interface change. The integrated optical biochemical sensing chip of the invention has the advantages of easy fabrication, stable liquid drop, high sensitivity, low cost and low cost for measuring objects.

【技术实现步骤摘要】
基于受限液滴谐振的集成光学生化传感芯片及其制作方法
本专利技术涉及一种集成光学生化传感技术，特别是涉及光学传感器件领域的一种基于受限液滴谐振的集成光学生化传感芯片及其制作方法。
技术介绍
近年来，由于医学诊断、环境监测、食品安全和反恐等方面的急迫技术需求，低成本高性能片上传感芯片的研究方兴未艾。与其它类型的传感器相比，集成光学传感器具有灵敏度高、微型化、高选择性、抗电磁干扰、性能稳定等优点，特别是在低成本、分析物耗费少等指标上具有压倒性优势而备受广泛关注。集成光学传感器主要包括三种基本类型：折射率型，吸收型和荧光型。其中，折射率型传感器具有通用性和无需标记(label-free)的特点，应用最为广泛。折射率型集成光学传感器的基本原理是：利用光导波的倏逝场“感知”波导表面附近待测物折射率的变化，由干涉或谐振效应将其转变为可探测的光信号，再通过检测光信号的变化情况获得待测物信息。折射率型光学传感器的基本指标是灵敏度(S)和检测极限(DL)等。灵敏度表达为单位折射率变化引起的波长漂移量(nm/RIU)其中，Δλ为折射率改变Δn所引起的波长变化量，传感器正是根据可以测得的折射率改变Δn与待测物特性之间关系推导出分析物的浓度、含量等待测参数。由于噪声影响，传感器可以分辨的波长变化δλ决定了其可以检测到的最小折射率改变即检测极限DL(RIU)。从式(2)可知，折射率传感器的性能设计主要有两个方面：一是提高其传感灵敏度S，二是提高波长分辨本领(减小δλ)以获得尽可能小的检测极限DL。微扰理论分析表明，灵敏度S与光能量在待测物中分布比率fa有关，因此式(1)可以写成：此处，λ和nc分别为工作波长和待测物的折射率，Δλ和Δnc分别表示为工作波长和待测物折射率的变化，fa表示待测物中光能量分布，而待测物中光能量分布fa定义为：其中，Va为待测物分布空间，ε(r)介电系数的空间分布函数，E(r)电场强度矢量的空间分布，Va表示待测物所占据的积分空间，r表示空间位置矢量。由式(3)和式(4)知，提高传感灵敏度S的有效方法是增大待测物中光能量分布fa，即增强光与待测物的相互作用。为了实现将折射率微小改变Δn转换为可分辨的波长变化Δλ，目前已报道的主要有两种光学结构：干涉型和谐振型。干涉型的典型结构有Mach-Zehnder干涉型、杨氏干涉型，这一类光学结构简单，最先被用于传感研究。但是，干涉型传感器输出光谱一般为正弦曲线，对输出光谱的微细变化较难分辨，典型的器件尺寸为毫米级，难以适应片上实验室对器件尺寸紧凑性的要求。谐振型的典型结构有回音壁模类光学微腔(微环、微球等)，光子晶体微腔等。对基于光学微腔的传感器，输出光谱通常为对称的Lorentz线型，其波长分辨能力定义为谐振模的3dB全宽其中λ0为谐振波长，Q为该谐振模的品质因数。光学微腔利用高Q值增强光与待测物质的相互作用时间，以其为传感器结构的器件尺寸紧凑，对待测物的消耗亦很低，因此越来越受到研究人员的重视。基于高Q值的微球、微碟和微环等微腔的传感器有较多报道。对于这一类微腔来讲，提高微腔的Q值和增大fa是矛盾的，增大fa意味着要减小光波在波导材料中的光能量分布，使波导对光波的限制能力减弱，相应的微腔Q值亦会减小。此外，由于目前工艺水平限制，实际制作出的光学微腔表面粗糙，散射损耗较大，因而实际的Q值比设计的Q值要低很多；而在待测物作用环境下其Q值由于吸收、散射等影响又会进一步降低，直接影响了传感器的检测极限。
技术实现思路
为了解决
技术介绍
中存在的问题，本专利技术的目的在于提供了一种基于受限液滴谐振的集成光学生化传感芯片及其制作方法，具有易于制作、液滴稳定、传感灵敏度高、对待测物耗费少和成本低廉等优点。本专利技术采用的技术方案是：一、一种基于受限液滴谐振的集成光学生化传感芯片：包括液滴发生器、受限液滴、微流通道、衬底、掩埋光波导、光输入接口和光输出接口，掩埋光波导、光输入接口和光输出接口均埋设在衬底中，微流通道水平置于位于掩埋光波导正上方的衬底上，连续相充满在微流通道内腔，液滴发生器设置在微流通道的一端，液滴发生器用于输送作为连续相的气/液体并将作为分散相的液体水加入生成受限液滴，使得受限液滴在微流通道中的连续相包覆下流动，待测物以分散相输入到液滴发生器。所述的集成光学生化传感芯片以光输入接口和光输出接口分别作为输入端口和输出端口，信号光经光输入接口输入掩埋光波导，在掩埋光波导中形成传输导模，导模与受限液滴的回音壁谐振模式相耦合，在光输出接口检测输出光谱谐振波长的改变获得受限液滴特性变化。所述的微流通道内腔的上壁和衬底表面均具有超疏水性，受限液滴分别与微流通道的上壁和衬底表面之间的接触角为90度到180度之间。从而使得受限液滴与微流通道内壁之间形成上下两个平行接触界面。所述的液滴发生器是可控单分散的液滴发生器。所述的连续相形成弧形面包层包覆在受限液滴外，受限液滴折射率大于弧形面包层的连续相材料折射率。具体实施中所述的光输入接口和光输出接口采用倒锥波导耦合器或垂直光栅耦合器，但不限于此。调节单分散液滴发生器，使其在微流通道中形成与微流通道上下两个平行界面接触角大于90度的受限液滴，受限液滴两侧弧面与连续相接触。当信号光通过光输入接口进入掩埋波导形成传输导模，待测物经液滴发生器形成与微流通道上侧壁和衬底接触的受限液滴，掩埋波导中的导模与受限液滴的回音壁谐振模式相耦合，在光输出接口检测到的光信号会呈现液滴的回音壁模式谐振波长处陷波信号。通过监测和分析光谱线型谐振波长的漂移量可获得待测物的浓度、成分变化和生化反应过程等信息。二、一种基于受限液滴回音壁谐振模式的集成光学生化传感芯片的制备方法，包括以下步骤：1)在衬底的上波导层采用光刻和刻蚀方法形成波导和光输入接口和光输出接口；2)在步骤2)的衬底上沉积衬底材料形成掩埋波导，经抛光处理使整个衬底层平整获得掩埋光波导；3)制作微流层，微流层包含单分散的液滴发生器和微流通道；4)对衬底上表面和微流通道内腔下壁进行超疏水性处理；5)对准微流通道和掩埋波导，并将衬底和微流层结合固定，形成集成光学生化传感芯片。本专利技术具有的有益效果是：本专利技术直接利用液滴充当光学微腔腔体，其回音壁模式的能量大部分位于液滴内部，增强光与待测物的相互作用，大大提高了待测物中光能量分布fa的数值，使得传感器灵敏度极高。液滴表面由表面张力作用形成，其光滑度为分子级别，因而散射损耗极小，可以获得极高的Q值，使得传感器具有极强的波长分辨能力。本专利技术传感芯片的制作方法具有CMOS兼容性，利用微流道和衬底材料的超疏水性形成受限液滴，设计适当的耦合波导从而实现结构简单、灵敏度高和对待测物耗费极少的传感芯片，并利用成熟的标准CMOS工艺，使得本专利技术所涉及的传感芯片可大规模制作，大大降低传感芯片的生产成本。附图说明图1是本专利技术的结构俯视图。图2是图1的A-A'剖面图。图3是本专利技术采用T形微流道液滴发生器的实施例图。图4是本专利技术采用倒锥波导光输入输出接口的实施例图。图5是本专利技术采用波导光栅光输入输出接口的实施例图。图中：1、液滴发生器，2、受限液滴，3、微流通道，4、衬底，5、掩埋光波导，6、光输入接口，7、光输出接口，8、上壁，9、连续相。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术作进一步的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于受限液滴谐振的集成光学生化传感芯片，其特征是：包括液滴发生器(1)、受限液滴(2)、微流通道(3)、衬底(4)、掩埋光波导(5)、光输入接口(6)和光输出接口(7)，掩埋光波导(5)、光输入接口(6)和光输出接口(7)均埋设在衬底(4)中，微流通道(3)水平置于位于掩埋光波导(5)正上方的衬底(4)上，连续相(9)充满在微流通道(3)内腔，液滴发生器(1)设置在微流通道(3)的一端，液滴发生器(1)用于输送作为连续相(9)的气/液体并将作为分散相的液体水加入生成受限液滴(2)，使得受限液滴(2)在微流通道(3)中的连续相(9)包覆下流动。

【技术特征摘要】
1.一种基于受限液滴谐振的集成光学生化传感芯片，其特征是：包括液滴发生器(1)、受限液滴(2)、微流通道(3)、衬底(4)、掩埋光波导(5)、光输入接口(6)和光输出接口(7)，掩埋光波导(5)、光输入接口(6)和光输出接口(7)均埋设在衬底(4)中，微流通道(3)水平置于位于掩埋光波导(5)正上方的衬底(4)上，连续相(9)充满在微流通道(3)内腔，液滴发生器(1)设置在微流通道(3)的一端，液滴发生器(1)用于输送作为连续相(9)的气/液体并将作为分散相的液体水加入生成受限液滴(2)，使得受限液滴(2)在微流通道(3)中的连续相(9)包覆下流动。2.根据权利要求1的一种基于受限液滴回音壁谐振模式的集成光学生化传感芯片，其特征在于：所述的集成光学生化传感芯片以光输入接口(6)和光输出接口(7)分别作为输入端口和输出端口，信号光经光输入接口(6)输入掩埋光波导(5)，在掩埋光波导(5)中形成传输导模，导模与受限液滴(2)的回音壁谐振模式相耦合，在光输出接口(7)检测输出光谱谐振波长的改变获得受限液滴特性变化。3.根据权利要求1的一种基于受限液滴回音壁谐振模式的集成光学生化传感芯片，其特征在于：所述的微流通道(3)内腔的上壁(8)和衬底(4)表面均具有超疏水性，受限液滴(2)分别与微流通...

【专利技术属性】
技术研发人员：喻平，王卓远，吴飞青，吴成玉，吴双卿，孙炯，
申请(专利权)人：浙江大学宁波理工学院，
类型：发明
国别省市：浙江,33