CN107250767A - 光学光谱仪 - Google Patents

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Abstract

一个示例中提供一种装置，包括由基板支撑的微流体通道。一种光学光谱仪，包括由基板支撑的波导。波导包括耦合器和输出耦合器。光源将光引导到波导的耦合器。光学传感器由基板支撑。光学传感器中的每个被光耦合到输出耦合器中的一个。

Description

光学光谱仪
背景技术
光学光谱仪根据波长或频率检测光的强度。现有的光谱仪难以制造且昂贵。现有的光谱仪难以集成到用于血细胞计数的微流体系统中。
附图说明
图1是示意性地示出示例微流体流体传感器的剖视图。
图2是示意性地示出另一示例微流体流体传感器的剖视图。
图3是使用微流体流体传感器感测流体的示例方法的流程图。
图4是示意性地示出另一示例微流体流体传感器的顶视图。
图5-16是示出另一示例微流体流体传感器的形成的剖视图。
图17是示出图5-16中生产的微流体流体传感器的完成的截面图。
图18是图18的微流体传感器的顶视图。
图19是示意性地示出另一示例微流体流体传感器的剖视图。
图20是图19的微流体流体传感器的顶视图。
图21是形成光谱仪和包括该光谱仪的微流体流体传感器的示例方法的流程图。
图22是示例光谱仪的剖面图。
图23是形成有图21的光谱仪的微流体流体传感器的剖视图。
具体实施方式
图1是示出示例微流体流体传感器20的剖视图。微流体流体传感器20集成光谱仪以分析流体和流体成分。微流体流体传感器20包括基板22、微流体通道24和光学光谱仪25。
基板22包括在其上支撑传感器20的剩余部件和相关电子器件的基底或平台。在一个实施例中，基板22包括硅。在其他实施例中，基板22可包括其他材料。在一个实施例中，基板22被提供作为晶片的一部分，该晶片被冲切成单个芯片。
微流体通道24包括在基板22上或基板22内形成的导管或通路，被感测和分析的流体被引导通过该导管或通路。微流体通道24具有宽度和高度，每个都在亚毫米级。在一个实施例中，微流体通道24具有宽度和高度，每个所具有的尺寸都在5和200μm之间，标称尺寸在5和50μm之间。虽然被图示为线性的，但微流体通道24可具有弯曲、蛇形、分支或其他形状。
光学光谱仪25包括使用光学光谱测定法检测或感测微流体通道24内的流体的不同特性的器件。光学光谱仪25分析穿过或通过微流体通道24且与通道24内的流体相互作用的光。光学光谱仪25通过模式干涉法分析这种光。在图示的示例中，光学光谱仪25与微流体通道24集成为单个基板或芯片的一部分。为了本公开的目的，关于芯片、基板或微流体通道的术语“集成”意味着一器件或部件与芯片或基板是一体的，或者该器件或部件是置入为或作为芯片或基板的一部分，由于该器件或部件的结构被形成或制作在芯片或基板上，使得它们在不被切开或切掉芯片或基板的一部分的情况下就不能轻易分离。结果，微流体流体传感器20可以是紧凑的(小型化)，不太复杂和自完备的。
光学光谱仪25包括波导27、光学传感器28和光发射器或光源30。波导27包括引导电磁波的光导管或其它结构。波导27传输不同频率或频率范围的光。波导27可包含一种材料或多重材料，如氮化硅、碳化硅和磷化镓，便于光传输通过可见和近红外频率。
波导27包括输入耦合器36和输出耦合器38。输入耦合器36被集成到波导27中，以促进光输入到波导27中。在一个实施例中，输入耦合器36包括光栅耦合器，其中光栅耦合器被提供有用于入射光的衍射和/或反射的预定间距、蚀刻角和/或占空比。在另一个实施例中，输入耦合器36包括角度刻面(facet)，用于通过全内反射将入射光引导到波导中。在一个实施例中，输入耦合器36促进特定频率或频率范围的输入到波导27中。
输出耦合器38被集成到波导27中，并促进由波导27传输的所选成分、频谱或频率的光的排放或输出。在图示的示例中，输出耦合器38包括用作散射对象的光栅。输出耦合器38对由于多模干涉而在波导27中形成的光强度的驻波图像进行采样。该被采样的光图像被引导到光电二极管702。所检测的光图像可以被数字处理(例如，使用离散余弦变换)以获得波导27中的光的频谱。
在一个实施例中，每个输出耦合件38包括对部分驻波图案进行采样的散射体，其中光的采样被引导到相应的光学传感器28。在这一实施例中，散射体自身可以通过以下几种方式制作。在一个实施例中，形成输出耦合件38的散射体包括“弱”光栅，只有2或3个周期和浅蚀刻凹槽。虽然从这些光栅散射的光有一定的方向性，但到达光电二极管的光的比例增加。在另一实施例中，形成输出耦合器的散射体可以包括波导27中的单个槽或孔。在该情况下，光完全不是方向性的；然而，这种散射体可以相对容易制造，并且在宽频率范围内工作。在又一个实施例中，形成输出耦合器38的散射体可以包括放置在波导27的顶部或下方的金属脊或隆起。
光学传感器28收集从相应的输出耦合器38发射的光、能量和/或信号。在阐述的示例中，每个光学传感器28与输出耦合器38的相应一个相互对准，并且具有与相应的输出耦合器38基本相同的空间频率。在一个实施例中，每个光学传感器28包括光敏传感器，如电荷耦合器件。电荷耦合器件的一个例子是光电二极管。每个光学传感器28基于从相应的输出耦合器38接收到的光采样输出信号。将来自所有光电二极管的信息一起结合并分析(使用傅立叶分析或相关类型的重构算法)来确定光的频率，并检测微流体通道24中的流体的确定性质。
光源30包括在基板上或在基板内形成的器件，该器件引导电磁辐射，例如光，穿过微流体通道24，最终到达光学传感器28。光源30将光传送通过微流体通道24到波导27。在一个实施例中，光发射器30发射或传送一定频率和/或波长范围的光。在一个实施例中，光源30包括光产生装置，例如发光二极管。在一个实施例中，光源30包括诸如紫外发光二极管的窄带光源。在一些实施例中，紫外光可用于在微流体通道24内的流体中激发发光标记物的光致发光响应。在另一实施例中，光源30包括宽带光源，例如白色发光二极管，以激发反射和散射信号或者光致发光反应。在另一实施例中，光源30包括开口或透明窗口，通过该开口或透明窗口，光从未必由基板22支撑的外部源(宽带光源或窄带紫外光源)照亮微流体通道24。
图2是示出微流体流体传感器120、上述微流体流体传感器20的示例实施例的剖视图。传感器120包括基板22、微流体通道24、光学光谱仪125、泵126、输出132和流体分析电子器件134。基板22和微流体通道24以上关于传感器20被描述。在图2的剖视图中，通道24被透明基板层135部分包围。
光学光谱仪125与光学光谱仪25相似。光学光谱仪125包括波导127、光学传感器28(如上描述)和光源130。波导127传输不同频率或频率范围的光。波导127可包括促进光传输提供可见和近红外频率的一种材料或多种材料，如氮化硅、碳化硅和磷化镓。
波导127可以包括输入耦合器36、模式滤波器137和输出耦合器38。上面描述了输入耦合器36和输出耦合器38。在阐述的示例中，波导127在基板22上制造，通过粘附层139粘附在基板122上。
模式滤波器137在输入耦合器36和包含输出耦合器38的波导127的多模部分之间延伸。模式滤波器137仅传输单一的空间模式，并且偏离中心地连接到多模波导127。这可能导致控制良好的启动条件(launch condition)，其中在多模波导127的开始处激发空间模式的特定叠加。在一个实施例中，模式滤波器137还包括选择性地移除特定频率的光的集成光栅滤波器(未显示)。这可能是有用的，例如，在荧光光谱学中，去除不需要的激发光。在这样的实施例中，光栅滤波器具有预定间距、蚀刻角和/或占空比，以衍射和/或反射特定频率或频率范围的光。在一些实施例中，特定频率或频率范围可能对应于来自激光或其它光源的输出，其中在下游分析中不关心该特定频率或频率范围。在进入多模波导137之前，光栅滤波器会将这类频率衍射或散射掉。
微流体泵126包括泵送或移动流体通过微流体通道24的器件。在阐述的示例中，微流体泵126被集成作为芯片的一部分，并被集成作为基板22的一部分。在一个实施例中，微流体泵126包括惯性泵。在一个实施例中，微流体泵126包括泡沫喷射惯性泵，其中泵产生初始膨胀气泡以移动或驱动邻近的流体远离气泡。气泡射流泵的一个例子包括微加热器，如热喷墨(TIJ)泵。TIJ泵可利用有电流通过的电阻器。当电流通过电阻器时，电阻器产生的热量会使靠近电阻器的流体蒸发，从而产生气泡。当该气泡最初产生和膨胀时，气泡开始驱使邻近的流体远离气泡。在这样的实施例中，微流体泵126沿通道24被定位为靠近储液器，并且远离不同的储液器或流体交互部件。换言之，惯性泵与储液器相隔的距离少于储液器与其他储液器或流体交互部件之间的总流体路径的长度的一半。惯性泵可以利用与其所连接的两个储液器相比相对狭窄的通道内的惯性和动量以产生流体流动。为了本公开的目的，术语“惯性泵”是指最初在与其连接的两个储液器相比相对狭窄的通道中的两个方向上驱动流体的泵送器件，但其中泵送器件不对称地位于储液器之间，使得流体最终被沿朝向两个储液器中的最远的储液器的方向驱动。
光源130包括与基板22上芯片和部件不同的电磁辐射源或光源，其中光源130引导光通过透明基板或覆盖层141进入微流体通道24。在一个实施例中，光源130包括发光装置，如发光二极管。在一个实施例中，光源130包括具有紫外发光二极管的窄带光源。在一些实施例中，紫外光可用于在微流体通道24内的流体中激发发光标记物的光致发光响应。在另一实施例中，光源130包括宽带光源，如白色发光二极管，以激发反射和散射信号或光致发光响应。在再一实施例中，光源130可以在基板22上被集成作为传感器120的一部分。例如，在一个实施例中，光源130可以设置在透明覆盖层141内或透明覆盖层141上。
输出132包括用来呈现和/或存储电子器件134产生的流体分析结果的器件。在一个实施例中，输出132包括显示屏或监视器。在一个实施例中，显示屏幕或监视器进一步用作输入器件，包括触摸屏。在一个实施例中，输出132包括存储器，其中存储着流经微流体通道24的液体的感测和分析数据。在一个实施例中，输出132位于外部或独立于提供传感器120其它部件的芯片中，其中输出132以有线或无线方式连接到电子器件134。
电子器件134可以包括控制传感器120的操作并接收来自光传感器125的信号且利用这种信号(或以原始格式，或在这种信号被电子器件134过滤、转换或处理后)以识别或确定流经微流体通道222的流体的特性的器件。例如，在一个实施例中，电子器件134，依照包含在非瞬态的计算机可读介质或存储器中的指令，分析从光学传感器28接收的信号，识别在微流体通道624中流动的液体或流体中的特定成分或细胞的计数或数量。在另一实施例中，电子器件634依照包含在非瞬态计算机可读介质中的指令，识别在微流体通道24内流动或以其他方式存在的流体中的特定成分或流体中的成分的特性。这种分析的结果可以传送到输出632。
就本申请而言，术语“处理单元”指的是当前开发的或将来开发的处理单元，包括执行存储器中包含的指令序列的硬件(例如处理器)。执行指令序列使处理单元执行诸如生成控制信号的步骤。指令可被加载在随机存取存储器(RAM)中，以便由处理单元从只读存储器(ROM)、大容量存储设备或其它永久性存储器中执行。在其他实施例中，硬件连接电路可被用来代替软件指令或者与软件指令结合来实施所描述的功能。例如，电子器件134可作为专用集成电路(ASICs)的一部分。除非另有特别说明，控制器不限于硬件电路和软件的任何特定组合，也不限于处理单元执行的指令的任何特定来源。
在一个实施例中，混杂于低空间频率并由输出耦合器38的光栅发射且被诸如单个光学传感器28(例如，光敏传感器)的单个检测器所收集(例如，捕获)的能量、光和/或信号，并且在一些实施方案中，由光源130提供的输入光的特性，被电子器件134(例如，使用傅里叶分析)分析和/或标定，以确定识别被感测的流体的特性的特定特性(例如，光谱)。
在一个实施例中，电子器件包括存储器，该存储器存储一个预设的查找表，该查找表将来自光学传感器28不同的电信号关联到不同流体成分计数和/或不同流体成分特性。在这一实施例中，处理单元通过将来自传感器28的电信号与查找表中的不同值进行比较来识别流体成分计数或流体成分特性。在另一实施例中，电子器件34。在另一个实施例中，电子器件134利用基于不同电子参数信号的值作为公式的一部分计算或估算流体流速。
在一个实施例中，流体传感器120完全包含或集成在含有微流体通道24的基板22或电路芯片上。例如，在一个实施例中，电子器件134被集成为在其上或其中设有微流体通道24的芯片或基板22的一部分。在其它实施例中，流体传感器120的部分分布在分离的基板或器件中。例如，在一个实施例中，输出132和电子器件134由分离的器件所提供，该器件电连接到含有传感器120剩余元件的芯片上提供的电触点或电接触垫。
图3是可由系统120执行的用于感测和分析流体的示例方法200的流程图。如方框204所示，电子器件134输出指引我的流体泵126移动或泵送流体通过通道24的控制信号。如方框206所示，光源130将光引导通过通道24内的流体至波导127的输入耦合器，比如输入耦合器36。如图2示意性所示，光被反射和/或折射偏离流体222携带的成分220中，其中光入射到输入耦合器36。在其它实施例中，输入耦合器36位于微流体通道24的与光源130的相反侧，其中来自光源130的光通过并穿过通道24至输入耦合器36。
如方框208所示，波导127将光引导到输出耦合器38，其中每个输出耦合器可采样驻波图像并将光学强度中的采样引导朝向相应的光学传感器28。如箭头28所示，光的采样被传送到相应的光学传感器28。
在一个实施例中，光被传输通过模式滤波器137，模式滤波器137仅能传输单一空间模式，并且从由多模波导127偏心地传送的光中滤除或移除选定的频率。这产生了一个良好控制的启动条件，在多模波导127的起始处，空间模式的特定叠加被激发。
如方框210所示，光学传感器28感测从输出耦合器38接收到的光。光学传感器28输出电信号，该电信号传送到电子器件134。在一个实施例中，基板22包括电接触垫，电子元件134、外部基板22或由基板22形成的芯片通过电接触垫连接。在另一实施例中，电子器件134被集成在基板22上。
如方框212所示，电子器件134分析由来自光学传感器28的小信号代表的光的驻波形态，以确定流体的特性。在一个实施例中，来自驻波图案的采样使用电信号的傅里叶分析方法(离散余弦变换，例如)或更复杂的重构方法(基于最小二乘法，例如)被转换为光谱信息，其可以包含传感器的标定数据。电子器件134根据光谱信息确定流体的特性。这些特性可包括流体的细胞、微粒或成分的计数或数目，此类细胞、微粒或成分的大小或密度，和/或特定的细胞、微粒或成分的识别。分析的结果存储和/或呈现在输出632上。
图4是示意性示出微流体流体传感器320、微流体流体传感器20的另一示例实施例的俯视图。微流体流体传感器320除了流体传感器320感测多通道内的流体外，类似于流体传感器120。微流体流体传感器320包括基板22、液体输入323A，323B，323C(统称为输入323)、微流体通道324A，324B，324C(统称为通道324)、微流体泵326A，326B，326C(统称为泵326)、波导327A，327B，327C(统称为波导327)、光学传感器328A，328B，328C(统称为光学传感器328)，光源330A，330B，330C(统称为光源330)、柱形过滤器331、输出132和电子器件134。流体输入323包括通路或端口，通过它们将流体引入通道324。在这个阐述的示例中，通道324A和324B将流体引导到并排光谱仪。通道324C包括参考通道。在这个阐述的示例中，柱形过滤器331过滤引入通过流体进口323C的流体，以防止细胞进入通道324C。
通道324的每一个都类似于上面描述的通道24。尽管通道324被例示为线性的，但在其它实施例中，通道324可以具有其他形状。泵326每一个都类似于上面描述的泵126。同样，波导327类似于上述的波导127。波导327包括输入耦合器36和多个相关的输出耦合器38。光学传感器328每一个都类似于上面描述的光学传感器28。
光源330包括电磁辐射或光的源，其中每个光源130可将光引导至其相应的一个微流体通道324。在一个实施例中，每个光源130包括光发生器件，如发光二极管。在一个实施例中，光源330A包括具有紫外线发光二极管的窄带光源。在一些实施例中，紫外线可以用来从微流体通道24内的流体中的发光标记激励光致发光响应。光源330B包含宽带光源，如白色发光二极管，以激发出反射和散射信号或光致发光响应。光源330C为参考通道324C提供光。参考通道324C促进了使用光源330C提供的宽带照明进行的差异光致发光单一检测，参考通道324C和其相关部件的配备增加了细胞检测和区分的稳健性。
上面描述了输出132和电子器件134。在操作中，当分析开始时，比如当流体样品被引导通过流体输入323时，电子器件134输出控制信号启动泵326使流体通过相应的通道324。来自光源330的光被引导进入通道324入射到流体上。输入耦合器36接收入射光并将光引导到输出耦合器38，该输出耦合器38将光进行光谱分离为被光学传感器328检测到的不同频率或成分。来自光学传感器328的信号被电子器件134接收并分析，通过诸如傅立叶分析来检测以确定流体的特性。此类流体特性的检测可能涉及检测流体中发光标记物的光致发光响应和流体成分反射或散射的检测。这些信号可与包含在参考通道324中由柱形过滤器331过滤的流体进行比较。这种分析的结果被呈现和/或存储在输出132上。
图5-18示出示例微流控光学流体传感器620的形成(如图17和18完成)。如图5所示，对基板622运用了半导体制造工艺以形成场效应晶体管700(包括源、漏极、门和半导体通道)并在基板622上形成光电二极管阵列702。在阐述的示例中，晶体管700和光电二极管702的各部分都包括同时形成的p型掺杂区703和n型掺杂区705。金属/电介质层623在基板622上形成或图案化，并包括用于晶体管700和光电二极管702的各种电互连件704。在阐述的示例中，补充的金属氧化物半导体工艺用来形成这种结构。在阐述的示例中，基板622可以包括硅基板。在其它实施例中，可以使用其它半导体工艺，并且基板622可以由其它材料形成和/或包括其它材料。
如图6所示，传感器620利用波导将光发送到形成的光电二极管702。在阐述的示例中，形成波导层706的材料层在金属/电介层623上沉积并图案化。在一个实施例中，用于波导层706的材料包括氮化硅。在一个实施例中，使用等离子体增强化学气相沉积或低压化学气相沉积方法沉积形成波导层706的氮化硅或其它材料。在其它实施例中，波导层706可以由其它材料形成，并且可以其它方式形成。
如图7所示，除去波导层706的局部以形成或限定单模区域710和多模区域712。在阐述的示例中，通过蚀刻除去波导层706的局部以限定这些区域。如图8所示，进一步除去多模区域712的局部以形成或限定各种输出耦合器或光栅714。输出耦合器或光栅714包括散射体，经由散射体行进通过波导层206的光的驻波强度图像被采样并导向到相应的光电二极管702的形式的光学传感器。在一个实施例中，这样的光栅714沿波导层706以规则间距(空间频率)相间隔。由于光栅714是在上表面上，其可以采样到波导顶部附近的电场。
在一个实施例中，光栅714起到散射体的作用，经由散射，光栅706采样在波导706中由于多模干涉而形成的光强的驻波图像。该采样的光图像被引导到光电二极管702。所检测到的光图像可以被数字化处理(例如，使用离散余弦变换)以获得波导27中的光的频谱。
如图9所示，进一步除去波导层706的额外部分以形成输入耦合器720并限定波导的侧壁。在阐述的示例中，输入耦合器720包括光栅耦合器。充当输入耦合器720的光栅耦合器有用于入射光(比如来自光发射器的入射光)的衍射和/或反射的预定的间距、蚀刻角度、和/或占空比，其中入射光可以被重新引导以便沿波导层706在预期方向上行进到光栅714。
如图10所示，当输入耦合器720和作为输出耦合器的光栅714形成时，顶部电介质层724被应用或淀积在波导层706上。如图11所示，金属反射或光屏蔽层726被沉积在顶部电介质层724上与充当输出耦合器的光栅714相反的区域中。如图12所示，附加的电介质层728沉积在金属反射层或光屏蔽层726上。如图13所示，层728,724和623被蚀刻以形成过道(via)730。如图14所示，热喷墨电阻器734形成在电介质层728上，并通过过道730与晶体管700电连接。如图15所示，在层728和电阻器734上形成通道形成层738。在一个实施例中，层738包括一层透明的光致蚀刻材料，诸如环氧基负性光致抗蚀剂，比如SU-8(已被溶解在诸如伽马丁内酯GBL或环戊酮的有机溶剂中的双酚A酚醛环氧树脂)。由图16所示，层738进一步暴露并发展以形成微流体通道624。最后，如图17所示，透明覆盖层740形成或沉积层738上且在微流体通道624上方或跨越微流体通道624。在一些实施例中，透镜另外地形成为与微流体通道624相对或在微流体通道624上方。
图18是已完成的微流体光学流体传感器620的俯视图。如图18所示，传感器620包括微流体通道624、气泡喷射惯性泵626、光学传感器628、光源30(如图2所示)、输出632和控制及分析电子器件634。微流体通道624、气泡喷射惯性泵626、光学传感器628，光发射器30运行和执行上述关于微流体通道24，气泡喷射惯性泵26、光学传感器28和光发射器30在上述关于系统20中的一般功能。这些部件中的每一个都整体形成在感测芯片上(如图19所示)，感测芯片可包含包括基板622在内的各种层。
输出632可包括一装置，通过该装置，电子器件634的液体分析结果被显示和/或存储。在一个实施例中，输出632包括显示屏或监视器。在一个实施例中，显示屏幕或监视器进一步用作输入设备，包括触摸屏。在一个实施例中，输出632包括存储器，其中可以存储流经微流体通道624的液体的感测和分析的数据。在一个实施例中，输出632位于外部或独立于提供传感器620的其它部件的芯片，其中输出632以有线或无线方式连接到电子器件634。
电子器件634可以包括一装置，该装置控制传感器620的操作并接收来自光传感器625的信号，并利用该信号(或以RAW格式或该信号通过电子器件634被过滤、转换或处理后)识别或确定流经微流体通道624的流体的特性。例如，在一个实施例中，电子器件634，根据包含在非瞬态计算机可读介质或存储器中的指令，分析来自光学传感器628的信号，以识别微流体通道624内的液体或微流体通道624内流动的流体中的特定成分或细胞的计数或数量。在另一个实施例中，电子器件634根据在包含在非瞬态计算机可读介质中的指令，以识别微流体通道624内的流体的特定成分或微流体通道624内流动的流体中的成分的特性。该分析的结果被传送到输出632。
图19和图20示出微流体流体传感器820，微流体传感器20的另一实施例。微流体流体传感器820类似于微流体流体传感器620，除了传感器820包括波导层824替代了波导层724。波导层824本身类似于波导层724，除了波导层824具有与波导层724的取向有90°的偏移。换言之，波导层824是水平取向的，使得波导层824具有充当输出耦合器的光栅814，其面向水平方向而不是光栅714的竖直方向。这种结构的一个优点是，在一个实施例中，该结构可以用单个影印步骤来制造，而不是用三个步骤。这些与微流体流体传感器620的部件另外相对应的微流体流体传感器820的剩余部件也被类似地编号。
在图1-20图解的示例中，波导层706，波导层127或波导层327形成在基板22上，且在先前形成的光学传感器28,328,702的顶部上方。在一个实施例中，使用集成电路互补金属氧化物半导体(CMOS)热喷墨制造工艺形成波导层706、波导127或波导327。在这样的制造工艺过程中，采用光掩模工艺，输出耦合器38或光栅714,814被制造为与光传感器28,328,702对准。结果，装配复杂性可被降低。
图21是用于形成作为每个上述微流体流体传感器的一部分的光谱仪的示例方法900的流程图。如方框910所示，在基板22上形成光学传感器28,328或702。在一个实施例中，利用CMOS制造工艺形成这种光学传感器。如方框914所示，提供输入耦合器36,720和输出耦合器38或光栅714,814的波导层706沉积在基板22上。通过光掩模工艺，输出耦合器38或光栅714,814分别精确地与光学传感器28,328或702对准。如方框916所示，提供或形成光源以将光引导到输入耦合器36,720。在一个实施例中，光源是通过形成透明的玻璃罩来提供的。在一个实施例中，光源还另外包括透镜。在一些实施例中，光源包括光发射器，比如发光二极管。
如方框918所示，在如此形成的光谱仪用作微流体流体传感器的一部分的应用中，比如上述的这些，在波导上或上方形成微流体通道和泵。因此，每个部件都是通过逐层CMOS制造工艺形成的，削减了用于光谱仪或使用光谱仪的微流体流体传感器的任何装配。
图21示出由方法900的方框910,914和916形成的示例光谱仪1020的剖视图。光谱仪1020包括基板22、波导层706、反射层1021和光学传感器628。基板22和波导层706如上所述。反射层1021用作镜子，保持波导层706内的光。
如图21所示，光学传感器28直接形成在基板22上。波导层706形成在光学传感器28的顶部上。反射层1021形成在波导层706的顶部上。因此，光谱仪1020可以由一堆层组成。在阐述的示例中，反射层1021不延伸到输入耦合器720上方，使得外部光源1030能够提供光到输入耦合器720。如虚线所示，在其它实施例中，反射层1021可以延伸到输入耦合器720上方并横跨输入耦合器720，其中，在输入耦合器720下的基板22的部分(如附图标记1023所示)可以被移除以形成光通路或可以被制成透明的。在这样的实施例中，底层光源1030’可以将光引导到输入耦合器720。
图22示出使用图21中的形成为单芯片的光谱仪1020以形成微流体流体传感器1120。如图22所示，微流体流体传感器1120通过将第二芯片1121与光谱仪1020粘合而形成。第二芯片1121包括基板1122、电互连层1123、微流体通道1124、微流体泵1126和粘合层1128,1129。基板1122包括支持电互连层1123和微流体泵1126的基板。在一个实施例中，基板1122基本上类似于基板22。
电互连层1123可以包括其中图案化有导电迹线或导线以及用于选择性地致动微流体泵1126的晶体管的电介质层。在一个实施例中，电互连层1123类似于上面描述的层623、晶体管701和互连件704。如图22所示，基板1122和电互连层1123的部分具有开口和/或是透明的，以促进来自光源1030的光传输通过基板1122和层1123并进入微流体通道1124。在图解的示例中，芯片1121包括可选的透镜1133，当芯片1121结合到提供光谱仪1020的芯片时，将来自光源1030的光聚焦在输入耦合器720上。如图22显示，这样的光入射到微流体通道1124中的流体携带的细胞或其他微粒1135(图示地表示)上。
微流体通道1124包括尺寸和形状被设置为与波导层706的输入耦合器720相对延伸的通路。微流体通道1124通过微流体泵1126在来自光源1030的光和输入耦合器720之间泵送流体。微流体泵1126类似于上面描述的微流体泵734。在图解的示例中，微流体泵1126包括气泡喷射惯性泵。在其他实施例中，微流体泵1126可以包括其它形式的泵，比如压阻式惯性泵。
粘合层1128,1129促进芯片1121固定到光谱仪1022形成双芯片微流体光谱仪或微流体流体传感器1120。在一个实施例中，粘合层1128包含正硅酸乙酯(TEOS)。粘合层1129包括粘合剂或底漆(primer)。在其它实施例中，粘合层1128和/或1129可以包括其它粘合剂或其它粘结材料。由于光传感器628和波导706的输入耦合器714被形成在用于单基板的单芯片上，可以实现光学传感器628和输出耦合器714的对准，从而促进芯片1121和形成光谱仪1020的芯片的装配具有更大的公差。
尽管本公开已参照示例的实施例进行描述，但是本领域技术人员将认识到可以在形式和细节上进行更改而不偏离所要求保护的主题的精神和范围。例如，虽然不同的示例实施例可能被描述为包含产生有益效果的特征，可以预见的是，所述特征在所描述的示例实施例或者在其他替代的实施例中，可以与其他特征进行互换或者选择性地彼此结合。由于本公开的技术相对复杂，并非所有技术的变化都是可预见的。本公开参照示例实施例的描述和在下面的权利要求中的陈述显然是为了尽可能宽泛。例如，除非特别说明，引用单一特定元素的权利要求也包含多个这样的特定元素。

Claims (15)

1.一种装置，包括：
基板；
由所述基板支撑的微流体通道；
光学光谱仪，包括：
由所述基板支撑的波导，所述波导包括输入耦合器和输出耦合器；
光源，用于将光引导到所述波导的所述输入耦合器；和
由所述基板支撑的光学传感器，所述光学传感器中的每个被光耦合到所述输出耦合器中的一个。
2.权利要求1所述的装置，进一步包括由所述基板支撑的微流体泵，用于移动流体通过所述微流体通道。
3.权利要求2所述的装置，其中所述微流体泵包括热喷墨电阻器。
4.权利要求1所述的装置，其中所述光学传感器和所述输出耦合器位于所述微流体通道的同一侧。
5.权利要求1所述的装置，其中所述光学传感器和所述输出耦合器位于所述微流体通道的相反侧。
6.权利要求1所述的装置，进一步包括：
由所述基板支撑的第二微流体通道；
由所述基板支撑的第二波导，该波导包括第二输入耦合器和第二输出耦合器；和
第二光源，用于引导不同于所述光的第二光穿过所述第二微流体通道与所述第二波导的所述第二输入耦合器接合；
由所述基板支撑的第二光学传感器，所述第二光学传感器中的每个被光耦合到所述第二输出耦合器中的一个。
7.权利要求1所述的装置，进一步包括：
由所述基板支撑的参考微流体通道：
由所述基板支撑的参考波导，所述参考波导包括参考耦合器和参考输出耦合器；
通向所述参考微流体通道的输入，该输入包括柱形过滤器；和
由所述基板支撑的参考光学传感器，该光学传感器中的每个被光耦合到所述参考输出耦合器中的一个。
8.权利要求1所述的装置，其中所述光源被定位为引导光穿过所述微流体通道至所述波导的所述输入耦合器。
9.权利要求1所述的装置，其中所述输出耦合器被定位为将选定波长的光引导穿过所述微流体通道朝向其相应的光学传感器。
10.一种装置，包括：
基板；
光学光谱仪，包括：
由所述基板支撑的光学传感器；
形成在所述光学传感器上的波导，该波导具有耦合器和输出耦合器，所述输出耦合器中的每个被可操作地耦合到所述光学传感器中的一个；和
光源，用于将光引导到所述波导的所述耦合器。
11.权利要求10所述的装置，进一步包括在所述光源和所述波导的所述耦合器之间的微流体通道。
12.权利要求10所述的装置，进一步包括由所述基板支撑的微流体泵，其中所述微流体泵、所述光学传感器和所述输出耦合器位于所述微流体通道的同一侧。
13.一种方法，包括：
在基板上形成光学传感器；
在所述基板上形成波导，所述波导具有耦合器和输出耦合器，其中在采用光掩模工艺形成所述输出耦合器的过程中，所述输出耦合器被光耦合到所述光学传感器；和
提供光源，用于将光引导到所述波导的所述耦合器。
14.权利要求11所述的方法，进一步包括在所述波导上形成微流体通道。
15.权利要求13所述的方法，进一步包括在所述基板上形成微流体泵。
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