CN104155244B - 一种应用于智能手机上的光波导生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种应用于智能手机上的光波导生物传感器，包括智能手机、光波导生物传感器芯片、固定夹具和聚焦透镜；所述光波导生物传感器芯片包括多个由双环级联波导构成的传感器芯片单元；所述固定夹具将光波导生物传感器芯片固定在智能手机上，保证将智能手机中LED闪光灯发出的光耦合到光波导生物传感器芯片的输入波导端，且把传感器输出波导阵列端的输出光耦合到智能手机的摄像头探测器阵列中。本发明实现了目前智能手机的生物检测功能，传感芯片中每个传感器单元的输出波导端与智能手机照相机的像素一一对应，同时完成对多种被测物质的信息获取工作，并且可以通过智能手机方便地传输被测物质的信息。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于级联双环谐振腔的集成光波导生物传感器，尤其涉及一种可应用于智能手机上的集成光波导生物传感器。
背景技术
在智能手机是人们日常生活中主要通讯工具的今天，手机传感成为科研工作者感兴趣的新型领域。传感器可使手机成为在社交网络、绿色应用、全球环境监控、个人和公共医疗、电子游戏、虚拟现实和智能交通系统领域下一代革命的中心。手机是无处不在的移动设备，目前有数以百万计的人在世界各地使用。过去的几年中在移动设备中安装传感器已经成为越来越普遍的现象，手机可以用于传感器的信息获取，信息处理以及和周边的人共享数据信息。当今，中高端的智能手机都集成了很多专门的传感器，如：环境光传感器，加速度计，指纹识别、数字罗盘，陀螺仪，GPS，麦克风和摄像头。
医疗健康是人们一直关注的问题。在移动设备终端集成具有生物检测功能的传感器，实时监控健康数据，是目前各大移动终端设备公司(如三星、苹果)研究的热点。基于集成光波导器件的传感器，以其体积小、灵敏度高、易于与手机或手表等移动设备集成而备受关注。但是传统的集成光波导传感器需要测量光谱信息的光谱仪，或者需要高稳定的激光器作为光源，这些都大大增加了移动设备的成本。
发明内容
本发明的目的在于针对目前移动手机除了作为移动通信终端外，正向个人传感平台发展的趋势，提供一种可用于智能手机上的集成光波导生物传感器。此传感器可使用智能手机的LED闪光灯作为输入光源，摄像头作为探测器，通过测量光强度变化检测被测物质的变化。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种应用于智能手机上的光波导生物传感器，包括智能手机、光波导生物传感器芯片、固定夹具和聚焦透镜；其中，所述智能手机的LED闪光灯和摄像头分别作为光波导传感器芯片的入射光源和探测器；所述光波导生物传感器芯片包括光栅耦合输入波导、Y分支波导和多个传感器芯片单元；Y分支波导的输入端连接光栅耦合输入波导，每个输出端连接一传感器芯片单元；每个传感器芯片单元包括与Y分支波导的输出端相连的光栅耦合参考光输出波导，与Y分支波导的输出端波导相耦合的参照环形谐振腔、与参照环形谐振腔相耦合的连接波导、与连接波导相耦合的传感环形谐振腔、与传感环形谐振腔相耦合的光栅耦合信号光输出波导；所述传感环形谐振腔上开有传感窗口，传感环形谐振腔的波导表面具有特异性吸附生物表面膜，传感窗口被微流通道覆盖；被测液体通过微流通道引入传感环形谐振腔，传感环形谐振腔中至少有一部分波导与被测液体接触；所述微流通道具有被测液体的输入端和输出端；所述多个传感器芯片单元的光栅耦合参考光输出波导和光栅耦合信号光输出波导组成一光栅耦合输出波导阵列；所述固定夹具将光波导生物传感器芯片固定在智能手机上，使智能手机中LED闪光灯发出的光经过聚焦透镜后，透过光波导生物传感器芯片的基板汇聚到光栅耦合输入波导上，且使光波导生物传感器芯片的光栅耦合输出波导阵列的输出光透过基板后成像于智能手机的摄像头的探测器阵列中。
一种应用于智能手机上的光波导生物传感器，包括智能手机、光波导生物传感器芯片、固定夹具和聚焦透镜；其中，所述智能手机的LED闪光灯和摄像头分别作为光波导传感器芯片的入射光源和探测器；所述光波导生物传感器芯片包括多个传感器芯片单元；每个传感器芯片单元包括光栅耦合输入波导、与光栅耦合输入波导相耦合的参照环形谐振腔、与参照环形谐振腔相耦合的连接波导、与连接波导相耦合的传感环形谐振腔、与传感环形谐振腔相耦合的光栅耦合信号光输出波导；所述传感环形谐振腔上开有传感窗口，传感环形谐振腔的波导表面具有特异性吸附生物表面膜，传感窗口被微流通道覆盖；被测液体通过微流通道引入传感环形谐振腔，传感环形谐振腔中至少有一部分波导与被测液体接触；所述微流通道具有被测液体的输入端和输出端；所述光栅耦合输入波导的直通输出端与光栅耦合参考光输出波导相连接；所述多个传感器芯片单元的光栅耦合参考光输出波导和光栅耦合信号光输出波导组成一光栅耦合输出波导阵列；所述多个传感器芯片单元的光栅耦合输入波导组成一光栅耦合输入波导阵列；所述固定夹具将光波导生物传感器芯片固定在智能手机上，使智能手机中LED闪光灯发出的光经过聚焦透镜后，透过光波导生物传感器芯片的基板汇聚到光栅耦合输入波导阵列上，且使光波导生物传感器芯片的光栅耦合输出波导阵列的输出光透过基板后成像于智能手机的摄像头的探测器阵列中。
进一步地，所述光波导生物传感器芯片基板的材料为石英玻璃，芯层的材料为SiON，上包层的材料为SiO2。
进一步地，所述的参照环形谐振腔与传感环形谐振腔的光学长度相似，使得所述的参照环形谐振腔的一个谐振频率与传感环形谐振腔的一个谐振频率重合时，其他相邻的谐振峰不完全重合，从而产生游标效应。
进一步地，所述光栅耦合输入波导，光栅耦合参考光输出波导和光栅耦合信号光输出波导的耦合特性谱线形状与参照环形谐振腔和传感环形谐振腔级联后的透射谱线包络形状相似，谱线的最大峰值位置相同。
本发明具有的有益效果是：本发明使用智能手机的LED闪光灯作为输入光源，智能手机摄像头的探测器阵列作为输出光的接收器，使集成光波导传感器可在智能手机上使用，体积更小，更加便携；利用可见光波段作为生物传感器光源，与红外光源相比，在减小生物水溶液吸收的同时，大大降低了光源的制作成本；采用参考环形谐振腔与传感环形谐振腔级联，形成游标效应，大大增加了传感器的灵敏度；同时利用仿生分子修饰技术，在传感器区域波导表面修饰生物表面膜，使传感器具有特异性检测功能；本发明中的传感器芯片单元阵列和手机摄像头的探测器阵列构成一个传感器阵列，可以对多个样品同时测量。
附图说明
图1为本发明应用于智能手机上的光波导生物传感器的结构示意图；
图2为光波导生物传感器芯片示意图；
图3为一个传感器芯片单元结构示意图；
图4为智能手机LED闪光灯的输出光谱曲线；
图5为光栅耦合波导特性谱曲线；
图6为参考环形谐振腔和传感环形谐振腔传感器输出光谱示意图；
图7为被测物质发生变化前后双环级联传感器总输出光谱示意图；
图8为LED光源经过耦合光栅后进入光波导的光谱示意图；
图9为探测器接收到信号光功率与参考光功率的比值和传感器区域中待测物质折射率变化关系图；
图10为本发明所述光波导生物传感器芯片第二种实施方式结构示意图；
图中，智能手机1、光波导生物传感器芯片2、固定夹具3、LED闪光灯11、摄像头12、传感器芯片单元21、Y分支波导22、光栅耦合输出波导阵列23、石英玻璃基板201、SiON芯层202，SiO2上包层203、光栅耦合输入波导204，光栅耦合参考光输出波导205、参照环形谐振腔206、连接波导207、传感环形谐振腔208、光栅耦合信号光输出波导209、传感窗口210、微流通道211、微流通道的输入端212和输出端213。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
实施例1
如图1所示，本发明一种应用于智能手机上的光波导生物传感器，包括智能手机1、光波导生物传感器芯片2、固定夹具3和聚焦透镜4；其中，所述智能手机1的LED闪光灯11和摄像头12分别作为光波导传感器芯片2的入射光源和探测器。
如图2所示，光波导生物传感器芯片2包括光栅耦合输入波导204、Y分支波导22和多个传感器芯片单元21；Y分支波导22的输入端连接光栅耦合输入波导204，每个输出端连接一传感器芯片单元21。光波导生物传感器芯片2基板的材料为石英玻璃，芯层的材料为SiON，上包层的材料为SiO2。
如图3所示，每个传感器芯片单元21包括与Y分支波导22的输出端相连的光栅耦合参考光输出波导205，与Y分支波导22的输出端波导相耦合的参照环形谐振腔206、与参照环形谐振腔206相耦合的连接波导207、与连接波导207相耦合的传感环形谐振腔208、与传感环形谐振腔208相耦合的光栅耦合信号光输出波导209；所述传感环形谐振腔208上开有传感窗口210，传感环形谐振腔208的波导表面具有特异性吸附生物表面膜，传感窗口210被微流通道211覆盖；被测液体通过PDMS制作的微流通道211引入传感环形谐振腔208，传感环形谐振腔208中至少有一部分波导与被测液体接触；所述微流通道211具有被测液体的输入端212和输出端213；
所述智能手机1中LED闪光灯11发出的光经过聚焦透镜4后，透过光波导生物传感器芯片2的石英玻璃基板201，汇聚到光栅耦合输入波导204，与参照环形谐振腔206不发生谐振波长的光从光栅耦合参考光输出波导205输出，与参照环形谐振腔206发生谐振波长的光经过连接波导207后，与传感环形谐振腔208发生谐振波长的光从光栅耦合信号光输出波导209输出。所述多个传感器芯片单元21的光栅耦合参考光输出波导205和光栅耦合信号光输出波导209组成一光栅耦合输出波导阵列23。所述光栅耦合输出波导阵列23的输出光透过石英玻璃基板201后成像于智能手机1摄像头12的探测器阵列中。
如图4所示，所述智能手机1中LED闪光灯11的输出光谱图。从光谱图可见，LED闪光灯11在445nm和550nm处有两个峰值波长，实际应用中只选取一个峰值设计即可。考虑到550nm附近的能量比较多，本实例中选取550nm的峰值波长作为入射光源的峰值波长。波导结构选用条形波导，与TE模式的偏振光相比较，TM模式偏振的入射光具有更高的灵敏度。因此光栅耦合输入和输出波导都针对TM模式偏振光设计，耦合特性曲线的最大峰值位置设计在550nm，耦合特性谱线形状与级联参照环形谐振腔206和传感环形谐振腔208级联后的透射谱线包络形状相似，如图5所示。图6是参考环形谐振腔206透射谱线T1和传感环形谐振腔208透射谱线T2，从图中可见，两个环的谐振波长在550nm处重合，其他谐振频率不重合。当传感环表面生物膜发射吸附时，传感环形谐振腔208的透射谱T2发射移动，550nm处谐振波长不再重合，而使其相邻谐振峰频率发生重合。当T2移动FSR1-FSR2，双环级联后总透射谱T输出最大峰值波长变化了FSR1，如图7所示。相对于单独传感环208的T2移动，双环级联的传感器透射谱T最大峰值波长移动量被放大了FSR1/|FSR1-FSR2|倍，FSR1，FSR2分别为T1，T2的自由光谱范围。
手机LED闪光灯11发出的光经过光栅耦合输入波导204后进入光波导的光谱曲线如图8所示，耦合进入波导的光源中心波长在550nm，当双环级联的传感器透射谱最大峰值位置与耦合进入波导的光源中心波长重合时，因为摄像头12中的探测器接收到的光功率是对整个出射光谱曲线的积分，故此时达到最大的光功率值。当被测物质引起双环级联传感器透射谱T的移动，使最小峰值波长位置与耦合进入波导的光源中心波长550nm重合时，此时摄像头12中的探测器接收到的光功率最小。所以可以通过测量整个光谱内的总光功率变化探测被测物质的变化。为了消除光源不稳定带来的误差，把光栅耦合信号光输出波导209输出的光功率和光栅耦合参考光输出波导205的输出光功率的比值作为测量的信号，如图9所示。此实例中最高灵敏度达4380dB/RIU,如果最小可测得的功率变化为0.01dB，折射率测量的灵敏度为2.28×10-6。
实施例2
图10是本发明所述光波导生物传感器芯片2的第二种实施方式结构示意图。所述光波导生物传感器芯片2包括多个传感器芯片单元21；每个传感器芯片单元21包括光栅耦合输入波导204、与光栅耦合输入波导204相耦合的参照环形谐振腔206、与参照环形谐振腔206相耦合的连接波导207、与连接波导207相耦合的传感环形谐振腔208、与传感环形谐振腔208相耦合的光栅耦合信号光输出波导209；所述传感环形谐振腔208上开有传感窗口210，传感环形谐振腔208的波导表面具有特异性吸附生物表面膜，传感窗口210被微流通道211覆盖；被测液体通过微流通道211引入传感环形谐振腔208，传感环形谐振腔208中至少有一部分波导与被测液体接触；所述微流通道211具有被测液体的输入端212和输出端213；所述光栅耦合输入波导204的直通输出端与光栅耦合参考光输出波导205相连接；所述多个传感器芯片单元21的光栅耦合输入波导204组成一光栅耦合输入波导阵列24。
所述智能手机1中LED闪光灯11发出的光经过聚焦透镜4后，透过光波导生物传感器芯片2的石英玻璃基板201，汇聚到光栅耦合输入波导阵列24，与参照环形谐振腔206不发生谐振波长的光从光栅耦合参考光输出波导205输出，与参照环形谐振腔206发生谐振波长的光经过连接波导207后，与传感环形谐振腔208发生谐振波长的光从光栅耦合信号光输出波导209输出。所述多个传感器芯片单元21的光栅耦合参考光输出波导205和光栅耦合信号光输出波导209组成一光栅耦合输出波导阵列23。所述光栅耦合输出波导阵列23的输出光透过石英玻璃基板201后成像于智能手机1摄像头12的探测器阵列中。
上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制。在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种应用于智能手机上的光波导生物传感器，其特征在于，包括智能手机(1)、光波导生物传感器芯片(2)、固定夹具(3)和聚焦透镜(4)；其中，所述智能手机(1)的LED闪光灯(11)和摄像头(12)分别作为光波导生物传感器芯片(2)的入射光源和探测器；
所述光波导生物传感器芯片(2)包括光栅耦合输入波导(204)、Y分支波导(22)和多个传感器芯片单元(21)；Y分支波导(22)的输入端连接光栅耦合输入波导(204)，每个输出端连接一传感器芯片单元(21)；每个传感器芯片单元(21)包括与Y分支波导(22)的输出端相连的光栅耦合参考光输出波导(205)，与Y分支波导(22)的输出端波导相耦合的参照环形谐振腔(206)、与参照环形谐振腔(206)相耦合的连接波导(207)、与连接波导(207)相耦合的传感环形谐振腔(208)、与传感环形谐振腔(208)相耦合的光栅耦合信号光输出波导(209)；所述传感环形谐振腔(208)上开有传感窗口(210)，传感环形谐振腔(208)的波导表面具有特异性吸附生物表面膜，传感窗口(210)被微流通道(211)覆盖；被测液体通过微流通道(211)引入传感环形谐振腔(208)，传感环形谐振腔(208)中至少有一部分波导与被测液体接触；所述微流通道(211)具有被测液体的输入端(212)和输出端(213)；所述多个传感器芯片单元(21)的光栅耦合参考光输出波导(205)和光栅耦合信号光输出波导(209)组成一光栅耦合输出波导阵列(23)；
所述固定夹具(3)将光波导生物传感器芯片(2)固定在智能手机(1)上，使智能手机(1)中LED闪光灯(11)发出的光经过聚焦透镜(4)后，透过光波导生物传感器芯片(2)的基板汇聚到光栅耦合输入波导(204)上，且使光波导生物传感器芯片(2)的光栅耦合输出波导阵列(23)的输出光透过基板后成像于智能手机(1)的摄像头(12)的探测器阵列中。
2.一种应用于智能手机上的光波导生物传感器，其特征在于，包括智能手机(1)、光波导生物传感器芯片(2)、固定夹具(3)和聚焦透镜(4)；其中，所述智能手机(1)的LED闪光灯(11)和摄像头(12)分别作为光波导生物传感器芯片(2)的入射光源和探测器；
所述光波导生物传感器芯片(2)包括多个传感器芯片单元(21)；每个传感器芯片单元(21)包括光栅耦合输入波导(204)、与光栅耦合输入波导(204)相耦合的参照环形谐振腔(206)、与参照环形谐振腔(206)相耦合的连接波导(207)、与连接波导(207)相耦合的传感环形谐振腔(208)、与传感环形谐振腔(208)相耦合的光栅耦合信号光输出波导(209)；所述传感环形谐振腔(208)上开有传感窗口(210)，传感环形谐振腔(208)的波导表面具有特异性吸附生物表面膜，传感窗口(210)被微流通道(211)覆盖；被测液体通过微流通道(211)引入传感环形谐振腔(208)，传感环形谐振腔(208)中至少有一部分波导与被测液体接触；所述微流通道(211)具有被测液体的输入端(212)和输出端(213)；所述光栅耦合输入波导(204)的直通输出端与光栅耦合参考光输出波导(205)相连接；所述多个传感器芯片单元(21)的光栅耦合参考光输出波导(205)和光栅耦合信号光输出波导(209)组成一光栅耦合输出波导阵列(23)；所述多个传感器芯片单元(21)的光栅耦合输入波导(204)组成一光栅耦合输入波导阵列(24)；
所述固定夹具(3)将光波导生物传感器芯片(2)固定在智能手机(1)上，使智能手机(1)中LED闪光灯(11)发出的光经过聚焦透镜(4)后，透过光波导生物传感器芯片(2)的基板汇聚到光栅耦合输入波导阵列(24)上，且使光波导生物传感器芯片(2)的光栅耦合输出波导阵列(23)的输出光透过基板后成像于智能手机(1)的摄像头(12)的探测器阵列中。
3.根据权利要求1或2所述一种应用于智能手机上的光波导生物传感器，其特征在于：所述光波导生物传感器芯片(2)基板的材料为石英玻璃，芯层的材料为SiON，上包层的材料为SiO2。
4.根据权利要求1或2所述一种应用于智能手机上的光波导生物传感器，其特征在于：所述的参照环形谐振腔(206)与传感环形谐振腔(208)的光学长度相似，使得所述的参照环形谐振腔(206)的一个谐振频率与传感环形谐振腔(208)的一个谐振频率重合时，其他相邻的谐振峰不完全重合，从而产生游标效应。
5.根据权利要求1或2所述的一种应用于智能手机上的光波导生物传感器，其特征在于：所述光栅耦合输入波导(204)，光栅耦合参考光输出波导(205)和光栅耦合信号光输出波导(209)的耦合特性谱线形状与参照环形谐振腔(206)和传感环形谐振腔(208)级联后的透射谱线包络形状相似，谱线的最大峰值位置相同。
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