[实用新型]一种基于集成光子技术的SPR传感器

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种基于表面等离子共振技术的传感器，尤其涉及的是一种基于集成光子技术的SPR传感器。

背景技术

SPR是一种物理光现象，利用光在界面处发生全内发射时的消逝波，可以引发金属表面的自由电子产生表面等离子体在入射角或波长为某一适当值的条件下，表面等离子与消逝波的频率和波数相等，二者将发生共振，入射光被吸收，使反射光能量急剧下降，在发射谱上出现谐振峰(即反射强度最低值)。当紧靠在金属薄膜表面的介质折射率不同时，共振峰位置将不同，可以通过四种参数来表现，也就对应了四种方法用于检测介质的折射率，分别为强度法、角度法、波长法以及相位法。

自Liedberg等人于1983年首次运用表面等离子激元共振(Surface Plasmon Resonance, SPR)技术进行抗原抗体相互作用分析，并逐步将此项技术引入生物传感领域以来，基于SPR 的基础生命科学研究进行得如火如荼。经过近30年的发展，SPR技术已广泛应用于分子生物学、医学、环境科学等领域。基于SPR技术的生物传感器具有其他大分子相互作用检测技术所无法比拟的优点，如不需要对分子进行标记，能实时检测生物分子结合反应的全过程等，其发展非常迅速，已经成为一种成熟的检测生物大分子间相互作用的方法，并走在了传感器研究的前沿。

但目前商用的SPR传感探测系统复杂，体积大而且价格昂贵，并且不利于实现单片阵列化探测。硅基光子学技术在过去十几年中快速发展，且与CMOS工艺兼容，适合大规模生产，将SPR技术与硅基光子学技术相结合，是解决目前商用SPR传感器遇到的瓶颈的一条重要途径。

实用新型内容

本实用新型的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于集成光子技术的SPR传感器，实现对待测介质的传感率检测。

本实用新型是通过以下技术方案实现的，本实用新型包括硅基底、衬底、上包层，还包括夹持于上包层和衬底之间的芯片，所述芯片包括分光器件、光栅结构、金属薄膜、定向耦合器、参考光发射波导、信号光发射波导和光电探测器，所述衬底设置于硅基底之上，所述参考光发射波导的一端连接分光器件的一个出口，另一端垂直于芯片端面向空间发射，所述分光器件的另一个出口连接光栅结构，所述金属薄膜设置于光栅结构之上，光源进入光栅结构后倾斜射入金属薄膜上，所述光栅结构的发射端连接定向耦合器，所述定向耦合器的输出端的一路连接光电探测器，另一路连接信号光发射波导，所述信号光发射波导的输出端垂直于芯片端面向空间发射。

所述分光器件为功分器，所述功分器的输入端输入光信号，功分器的输出端分为两路，一路连接到参考光发射波导，另一路连接到光栅结构。

所述向空间发射的输出波导之间的距离小于3um。能够确保两束光由于距离很近，将会在CCD上进行相干。

所述传感器还设有偏振分束器，所述偏振分束器分离出的P光输出连接到分光器件。输入光在进入芯片之前已经进行的偏振分离，只将P光传输进芯片。

所述光栅结构为两端窄中间宽的结构，所述金属薄膜位于光栅结构的中间宽部之上。

所述金属薄膜为金薄膜，厚度为40～60nm。金属薄膜上设置有待测物质。

所述光栅结构为氮化硅光栅，所述光栅结构的周期数为10～15，周期为1～3μm，所述光栅结构的刻蚀深度为70～90nm。

所述光栅结构的出射光倾斜角度为70～80°。适当的角度能够确保光在光栅结构上方的金属薄膜处发生等离子共振。

所述光电探测器为硅制成，光电探测器为PIN结构。暗电流更小，相对于金属-半导体- 金属，可大大提高信噪比。

本实用新型相比现有技术具有以下优点：本实用新型结构简单，是基于强度检测和相位检测的片上一体化模式，相位检测的检测灵敏度高，而强度检测的动态范围更大，结合两者优势实现高灵敏度、高集成度的传感，可大大减小对外围设备的要求，降低系统成本。

附图说明

图1是本实用新型的立体结构示意图；

图2是本实用新型的俯视图；

图3是本实用新型的主视图；

图4是本实用新型光传输示意图；

图5是光栅结构的光发射角度分布仿真图；

图6是SPR过程中强度、相位与入射角的的关系图；

(a)强度与入射角的关系图；(b)相位信号与入射角的关系图。

具体实施方式