一种非温度依赖型光学传感系统的制作方法

1.本发明涉及半导体器件、光学传感系统和微流控芯片领域，尤其涉及一种非温度依赖型光学传感系统。


背景技术：

2.光学传感器是基于光信号的变化来进行检测的器件，具有无标记、非接触性和高灵敏度等优点，被广泛应用于医疗诊断、食品检测和环境检测等领域，其中，硅光微环传感器是一种基于波导倏逝波传感的器件，能量高度集中于波导与空气界面附近，光信号对器件表面折射率的扰动特别敏感，可以实现对表面吸附物微小变化的检测，硅光微环传感器以其集成度高、尺寸小、与微电子工艺相兼容、样品量少、灵敏度高、抗干扰能力强、可实现对检测物实时定量检测等优势，显现出巨大的商业价值。
3.但硅光微环传感器一般利用硅基材料来制备，硅的热光系数较高，环境温度变化和芯片热量堆积对光学传感器的性能影响较为明显，而温控将增加芯片的能耗，因此，非温度依赖型硅光微环传感器的设计至关重要，目前抑制温度噪声的方法有引入外部温控系统、采用光热系数相反的两种材料和增加参考环等方法，引入外部温控系统从而使微环谐振器保持在恒定的工作温度，但其同时增加了功率消耗，采用光热系数相反的两种材料来制造微环谐振腔，降低微环共振的温度依赖性，但此种方法需要精确设计来实现，而且温度依赖性并不能完全消除，增加参考环来消除温度波动的影响即设置参考环和检测环，检测环进行开窗处理直接接触待测物，参考环则不接触待测物，传感环共振波长的变化是由待测物附着和温度波动共同引起，参考环共振波长的变化则是由温度波动引起，通过对传感环和参考环的数据校准处理即可消除温度波动带来的影响，总体而言，增加参考环可以有效地抑制温度噪声，且制造简单，无需增加额外的能耗，测出的数据准确可信是一个传感器的必备要素，因此需要多个微环测试的平均数据来做为最终输出数据。
4.要实现硅光微环传感器的实际应用，还面临着缺乏与所设计光学传感芯片契合的多通道微流控芯片及夹具，使其组成为一个完整的传感系统，此外还需把光纤阵列集成在整个光学传感系统里，光波通过耦合到光纤阵列，从而实现光信号的输入和输出，无需再通过三维定位系统去进行光纤对准，缩短测试时间，尽可能保证测试样品的生物活性。
5.当下还没有非温度依赖型的一体化光学传感系统设计，以解决现有技术中存在的问题。


技术实现要素：

6.本发明克服了现有技术的不足，提供一种非温度依赖型光学传感系统。
7.为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种非温度依赖型光学传感系统，包括：光学传感芯片、微流控芯片、阵列光纤和夹具，其特征在于：所述光学传感芯片位于微流控通道内，所述光学传感芯片采用的波导结构为偏心双跑道型，任一所述微流控通道内设置有至少3个微环谐振器，其中至少1个微环谐振器作为参考环，用于消除温度波动影响，且
至少2个微环谐振器数据平均后作为测试的输出数据，用于保证准确度。
8.本发明一个较佳实施例中，所述微环谐振器的输入波导和输出波导位于同一侧，且间距与所述阵列光纤中相邻两根光纤的距离一致，以便于封装。
9.本发明一个较佳实施例中，相邻所述微流控通道里的光学传感芯片呈梯形排列，以便光学传感芯片与微流控芯片之间的匹配对准。
10.本发明一个较佳实施例中，所述微流控芯片包含若干通道，且通道的宽度大于光学传感芯片中传感的核心区域宽度，使得分析物与核心传感面积充分接触。
11.本发明一个较佳实施例中，所述微流控芯片的相邻通道之间留有间隔，以防止通道之间漏液互渗，且通道入口与出口之间留有间隔，以避免制造打孔过程中打穿。
12.本发明一个较佳实施例中，所述夹具包括上层夹具和下层夹具，用于固定光学传感芯片和微流控芯片。
13.本发明一个较佳实施例中，所述上层夹具在所述微流控芯片的通道分布位置开口，所述下层夹具底部设置胶套以使整个装置直立。
14.本发明一个较佳实施例中，所述光学传感芯片的材质为玻璃或其聚合物中的任意一种。
15.本发明一个较佳实施例中，应用在医疗诊断、食品检测以及环境检测领域。
16.本发明解决了背景技术中存在的缺陷，本发明具备以下有益效果：
17.(1)本发明通过光学传感系统一体化设计消除了温度依赖性，保证了数据的准确性，可进行多路复用检测，同时提高了芯片集成度，具体的，每个通道放置相同的多个微环，其中一个为参考环，通过数据处理消除温度波动引起的影响，其他环则进行数据平均以保证测试数据的准确性。
18.(2)本发明中光学传感芯片的光栅设置在同一侧，方便与光纤阵列进行封装，缩短测试时间，尽可能保证测试样品的生物活性；微流控芯片设置多个通道，可测试多个分析样品。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；
20.图1是本发明的优选实施例的微流控芯片通道和光学传感芯片的相对位置示意图；
21.图2是本发明的优选实施例的光学传感芯片结构示意图；
22.图3是本发明的优选实施例的光学传感芯片非温度依赖设计结构示意图；
23.图4是本发明非温度依赖型光学传感器示意图；
24.图5是本发明非温度依赖型光学传感器结构爆炸图；
25.图中：1、光学传感芯片；2、微流控芯片；3、input端；4、drop端；5、through端；6、传感环；7、传感环；8、参考环；9、上层夹具；10、下层夹具。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，本发明的描述中，“实施例”、“一个实施例”或“其他实施例”的提及表示结合实施例说明的特定特征、结构或特性包括在至少一些实施例中，但不必是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.一种非温度依赖型光学传感系统，包括光学传感芯片1、微流控芯片2、阵列光纤和夹具，光学传感芯片1的光栅设置在同一侧，方便与光纤阵列进行封装，缩短测试时间，尽可能保证测试样品的生物活性；微流控芯片2设置多个通道，可测试多个分析样品。每个通道放置相同的微环多个，其中一个为参考环，通过数据处理消除温度波动引起的影响，其他环则进行数据平均以保证测试数据的准确性；夹具根据光学传感芯片1和微流控芯片2的尺寸进行设计，起到压紧固定的作用，该光学传感系统一体化设计的优势是消除了温度依赖性，保证了数据的准确性，可进行多路复用检测，同时提高了芯片集成度。
28.一实施例中，光学传感芯片1包括三层，分别为基板层、绝缘层和器件层，器件层用于实现波导结构，优选的，采用的波导结构为偏心双跑道型，一方面耦合长度增加可以更好控制耦合系数，有利于得到高q值微环谐振腔，从而提高传感的灵敏度，另一方面能够降低制作工艺的要求，每个微流控通道里至少有3个相同的微环谐振器，其中至少有1个微环作为参考环以消除温度波动带来的影响，至少2个微环进行数据平均作为测试的输出数据以保证数据的准确度。
29.一优选例中，微环谐振器输入和输出波导位于同一侧，间距为光纤阵列中相邻两根光纤的距离，这样可使光学传感芯片1与光纤阵列进行更好地封装。
30.优选的，相邻微流控通道里的光学传感芯片1呈梯形排列，以便匹配光学传感芯片1与微流控芯片2之间的对准，微流控芯片2包含多条通道，通道的宽度要大于光学传感芯片1中传感的核心区域，使得分析物可以充分与核心传感面积接触。每条通道要间隔一定距离，以防止通道之间漏液互渗。管道之间的入口和出口要间隔一定距离，不能过近，容易在制造打孔过程中出现打穿的现象。
31.优选的，夹具采用上层夹具9和下层夹具10配合的设置，起到固定光学传感芯片1和微流控芯片2的作用。上下层夹具10四个角分别固定一个螺丝。上层夹具9根据微流控芯片2管道的分布进行设计，微流控芯片2管道分布部分进行开口处理，不遮挡管道；下层夹具10底部设置胶套以使整个装置可以稳固直立。
32.如图1所示的实施例，微流控芯片22放置在光学传感芯片1的上方，微流控芯片2的通道的宽度要大于光学传感芯片1中传感核心区域(微环部分)。通道之间间隔70～200μm，优选的为100μm。通道孔直径为0.8～1.5mm，优选的为1mm。相邻微流控通道里的光学传感芯片1呈梯形排列，以便匹配光学传感芯片1与微流控芯片2之间的对准。
33.如图2所示，光学传感芯片1采用偏心双跑道结构，可更好地进行耦合，从而提高传感的灵敏度，另一方面能够降低制作工艺的要求。光栅的端口及其作用如下：input端3进行光输入，drop端4输出满足谐振条件的光，through端5输出不满足谐振条件的光。
34.如图3所示的实施例，每个微流控通道中有3个相同的传感单元，传感环6，传感环7和参考环8。传感环6和传感环7光谱位移的平均值与参考环8光谱位移的差值即为消除温度
波动后由检测物引起的光谱位移。
35.如图4以及图5的非温度依赖型光学传感器结构，从上到下依次是上层夹具9，微流控芯片2，光学传感芯片1，下层夹具10。微流控芯片2的光栅连接着光纤阵列，光纤阵列连接着光谱仪，光谱仪进行数据的输出。夹具起到固定夹紧微流控芯片2和光学传感芯片1的用途，上层夹具9有两个矩形的开口，用于露出微流控芯片2的输入和输出样品的部分。
36.本发明的非温度依赖型光学传感系统可用于医疗诊断、食品检测和环境检测等领域。通过在微环谐振器表面修饰不同的吸附连接待测物的涂层，即可实现不同浓度待测物的检测，这是由于涂层会特异性吸附待测物质，从而引起折射率的变化，具体表现在光谱的位移变化。
37.以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。

技术特征：
1.一种非温度依赖型光学传感系统，包括：光学传感芯片、微流控芯片、阵列光纤和夹具，其特征在于：所述光学传感芯片位于微流控通道内，所述光学传感芯片采用的波导结构为偏心双跑道型，任一所述微流控通道内设置有至少3个微环谐振器，其中至少1个微环谐振器作为参考环，用于消除温度波动影响，且至少2个微环谐振器数据平均后作为测试的输出数据，用于保证准确度。2.根据权利要求1所述的一种非温度依赖型光学传感系统，其特征在于：所述微环谐振器的输入波导和输出波导位于同一侧，且间距与所述阵列光纤中相邻两根光纤的距离一致，以便于封装。3.根据权利要求2所述的一种非温度依赖型光学传感系统，其特征在于：相邻所述微流控通道里的光学传感芯片呈梯形排列，以便光学传感芯片与微流控芯片之间的匹配对准。4.根据权利要求1所述的一种非温度依赖型光学传感系统，其特征在于：所述微流控芯片包含若干通道，且通道的宽度大于光学传感芯片中传感的核心区域宽度，使得分析物与核心传感面积充分接触。5.根据权利要求4所述的一种非温度依赖型光学传感系统，其特征在于：所述微流控芯片的相邻通道之间留有间隔，以防止通道之间漏液互渗，且通道入口与出口之间留有间隔，以避免制造打孔过程中打穿。6.根据权利要求1所述的一种非温度依赖型光学传感系统，其特征在于：所述夹具包括上层夹具和下层夹具，用于固定光学传感芯片和微流控芯片。7.根据权利要求6所述的一种非温度依赖型光学传感系统，其特征在于：所述上层夹具在所述微流控芯片的通道分布位置开口，所述下层夹具底部设置胶套以使整个装置直立。8.根据权利要求1所述的一种非温度依赖型光学传感系统，其特征在于：所述光学传感芯片器件层的材质至少为硅、氮化硅、氮氧化硅中任意一种。9.根据权利要求1所述的一种非温度依赖型光学传感系统，其特征在于：所述微流控芯片的材质为玻璃、聚合物中任意一种。10.如权利要求1-9任一项所述的一种非温度依赖型光学传感系统在医疗诊断、食品检测以及环境检测领域的应用。

技术总结
本发明公开了一种非温度依赖型光学传感系统，包括：光学传感芯片、微流控芯片、阵列光纤和夹具，光学传感芯采用的波导结构为偏心双跑道型，每个微流控通道里至少有3个相同的微环，参考环以消除温度波动带来的影响，多个环数据平均以保证数据的准确度，微环谐振器输入和输出波导位于同一侧，与光纤阵列进行封装，夹具将光学传感芯片、微流控芯片和阵列光纤有机地结合在一起，该光学传感系统一体化设计的优势是消除了温度依赖性，保证了数据的准确性，可进行多路复用检测，同时提高了芯片集成度。度。度。


技术研发人员：郝喜娟
受保护的技术使用者：苏州集微光电有限公司
技术研发日：2022.08.05
技术公布日：2023/9/11