TW200413698A - Planar optical waveguide sensing apparatus with grating and its application method - Google Patents

Description

200413698 ，、麵義明 【發明所屬之技術領域】 本發明是提供一種光學 特別是指一種具有光栅之平 方法。 波導感測裝置及其使用方法， 面光學波導感測裝置及其使用 【先前技術】 *現今通訊與遙測系統的進步，不僅擴展了人類活動之 乾圍’更大幅應用於各個領域’加速提昇各個科技領域的 進步。其中，光電元件的研發與生產扮演著關鍵性的重要 10 ^色，特別是以光學原理製叙光學元件，由於具有寬頻 帶、低損失、冑絕緣性、防電磁干擾、耐腐蝕，以及光訊 號處理頻率較電訊號傳導快速且精確等特性，因此成為目 前研發之主要趨勢。 光學兀件可概分為光學主動元件與光學被動元件，而 以目前的光學被動元件的發展而言，光纖仍是相當主要之 Η 基礎元件，但光纖在製造上耗時且不易快速量產，並在與 其他光電兀件續接上具有較高之技術困難度，因此在應用 上到相當之限制。加上近年來半導體製程技術快速發展， 使得相關產品不僅能大量快速生產，且成本低廉，同時在 尺寸的微型化及配置積體化方面，均令人激賞。這也促進 20 了積體光學（Integrated 0Ptics)的高度發展，因此便漸有以 平面光學波導取代光纖元件之趨勢。 進一步地就光學感測器領域而言，由於目前光栅仍是 提供物理量感測的主要方法，因此除了一般以光纖為主的 光柵感測裔外，更有應用平面光學波導及光栅原理所製成 200413698 玖、發明說明（2) 之感測器，如中華民國專利申請號第090118488號案，便 揭露了一種以絕緣層上矽晶波導耦合器與絕緣層上矽晶波 導布拉格光栅結合之麥克森干涉式溫度感測器，利用矽晶 較一般光纖大之膨脹係數特性，以形成於其上之光栅進行 5 溫度量測，提供高確度之溫度監測。然而，由於該麥克森

干涉式溫度感測器是利用形成於矽晶上之光栅進行該矽晶 整體溫度之量測，因此勢必僅能於一整個矽晶片上形成一 單點溫度感測器，不僅無法發揮不同週期之光栅所具有之 多工特性，更無法發揮如平面光學波導高密集度之陣列優 10 點。 此外，若僅能於單一矽晶片上形成單一光柵感測器， 由於單一矽晶片之長寬高均較單股光纖之直徑為大，因此 便失去了平面光學波導之光柵尺寸小於光纖之光柵的優點 ，而無法充分發揮積體光學之優勢。

15 【發明内容】 因此，本發明之目的是在提供一種具有光栅之平面光 學波導感測裝置及其使用方法。 本發明之另一目的是在提供一種能於一平面光學波導 上進行多點量測之平面光學波導感測裝置及其使用方法。 20 本發明之再一目的是在提供一種能進行溫度、應變及 生化檢測之平面光學波導感測裝置及其使用方法。 於是，本發明具有光柵之平面光學波導感測裝置包括 * 一具有一基面之基層及一形成於該基層遠離該基面處之光 學波導。該光學波導具有一包含相反於該基面之一感測面 8 玖、發明說明（3) '.… .................麵__賴^ 的感測段。其特徵在於該光學波導感測裝置更包括_形成 於該感測段内之光柵及一言史置於該感㈣面上之金屬膜。藉 由該光栅以判定該感測段之變形。 而使用上述光學波導感測裝置量測溫度之方法，則包 括下列步驟： a) 製備如上述之光學波導感測裝置； b) 以經過該光學波導之光訊號量測該感測段之變形； 及 c) 以該感測段之變形判斷影響該金屬膜之溫度。 另外，運用本發明具有光栅之平面光學波導感測裝置 量測一待測物表面應變之方法，則包括下列步驟： a) 製備一光學波導感測裝置，該光學波導感測裝置包 括一具有一基面之基層、一形成於該基層遠離該 基面處並具有一包含一相反於該基面之感測面的 感測段及一包含一相反於該基面之量測面的量測 段之光學波導、複數分別形成於該感測段與該量 測段内之光柵、一設置於該感測面上之金屬膜， 以及一設置於該量測面上之接觸膜； b) 將該接觸膜固設於該待測物表面上； c) 以經過該光學波導之光訊號量測該感測段與該量測 段之變形； d) 以該量測段之變形判斷該待測物表面之應變；及 e) 與步驟d)同時以該感測段之變形判斷影響該金屬 膜之溫度。 200413698

* ' ss 、 、％ 、 、 - f , b I ' «LV,^. S%S 玖、發明說明（4) …….㈣::’物:说纖|:丨;运浞弱*相商丨纖繼讓 此外，運用本發明具有光栅之平面光學波導感測裝置 對一待測物質進行生化檢測之方法，則包括下列步 a)製備一光學波導感測裝置，該光學波導感測裝置包 括/、有基面之基層及一形成於該基層遠離該 基面處之光學波導；該光學波導具有一包含相反 於該基面之一感測面的感測段；該光學波導感測 I置更包括一形成於該感測段内之光栅、_設置 於該感測面上並具有一遠離該基面之探測面的金 屬膜，以及一設置於該探測面上之探針； ίο

b)使一待測物質接觸該探針； c)發射光訊號進入該光學波導；及 d)以經過該光栅之光訊號判斷該探針是否與該待測物 質產生交互作用。 【實施方式】

本發明之前述以及其他技術内容、特點與優點，在以 下配a芩考圖式之一較佳實施例的詳細說明中，將可清楚 的明白。在提出詳細說明之前，要注意的是，在以下的敛 述中，類似的元件是以相同的編號來表示。 如第一圖所示，本發明具有光柵之平面光學波導感測 20衣置1的苐較佳貫施例是用於進行溫度之量測，該光學 波導感測裝置1包括一具有一基面21之基層2及一形成 於該基層2遠離該基面21處之光學波導3。該光學波導3 具有一包含一相反於該基面21之感測面3ιι的感測段31 。該光學波導感職置1更包括-形成於該❹m 31内 10 200413698

之光柵4及一設置於該感測面311上之金屬膜5。 以下藉由第二圖進一步地說明該光學波導感測裝置1 之製作方法，其步驟包括：

步驟100,如第三圖所示，製備該基層2。在本實施 5 例中，是先製備一半導體製程上所使用之矽晶6，再應用 ”絕緣詹石夕晶片（Silicon On Insulator，SOI)”之技術於該石夕 晶6鄰近一表面61處形成該由二氧化矽（Si02)所組成之 基層2。 步驟102,於該基層2上形成一光傳導層62。在本實 10 施例中，由於該矽晶6被該基層2隔絕為兩部分，故自然 形成一退離该表面61之底層63及該鄰近該表面61之光 傳導層62。 步驟104，如第四圖所示，於該光傳導層62上形成 該光柵4，在本實施例中，該光柵4是運用矽晶微細加工

15 技術（Silicon Micro Machining)以微影（Photolithography)及 蝕刻（Etching)等方法於該光傳導層62上形成之週期性表 面光柵。當然，該光栅4並不以表面光栅為限，如以相位 光罩法（Phase Mask method)利用紫外線雷射光束（uv Laser b e am)直接聚焦或產生干涉條紋於摻入摻雜劑之該光傳導 20 層62上，所造成折射率週期性變化之光栅，也能應用於 本發明平面光學波導感測裝置1中。 步驟106，如第五圖所示，於該光傳導層62上定義 出該光學波導3。在本實施例中，是再一次運用矽晶微細 加工技術以微影及蝕刻方式於該光傳導層62上的形成包 11 200413698 s 、、、 ·* V ' s 、S 八、、、、:'、-' ^ %、v 龄效:⑽ W十价•.从-. 玖、發明說明（6) 含該光柵4之該光學波導3。 步驟108，如第六圖所示，於該光學波導3上沉積一 二氧化矽層64，以供進行半導體製程中所謂的平坦化製 程（Planarization Process) 〇 步驟110’以化學機械研磨法（Chemical Mechanical Polishing)研磨該二氧化矽層64至裸露該光栅4所在之該 感測段31的感測面3 11。

步驟112，如第七圖所示，於該光學波導3上形成一 金屬層65。在本實施例中該金屬層65是以鋁為材質由真 空濺鍍法（Sputtering)製成。但並不以此為限，該金屬層 65也可以是鐵、鉛、錫、銅、鋁、鎳、鈦、鉻、鈀、纽 、金、銀及包含上述金屬材質之合金，而其也能以無電鍍 及化學沉積等方式形成，或是以一般半導體製程之各式物 理、/=1相〉儿積法（Physical Vapor Deposition)及各式化學汽相 >儿積法（Chemical Vapor Deposition)等技術，如真空蒸鍵 (Evaporation)或離子披覆（i〇n piating)等取代。 步驟114,如第八圖所示，利用光罩以微影及蝕刻方 式於該金屬層65(見第七圖）上定義出該金屬膜5,並移除 位於該感測面311上以外之金屬層65(見第七圖）。 步驟116 ’完成該光學波導感測裝置1。 在本實施例中，該光學波導3與該基層2是分別是半 導體製程中所使用之矽晶ό及以SOI技術於矽晶6上形成 之二氧化矽層，但並不以此為限，熟習該項技藝人士當能 輕易理解，該光學波導3與該基層2也能是以其他方式及 12 200413698 &'翻酬（7) ....................... 材質製成，例如，該基層2能以如含參雜劑之二氧化石夕、 議及其類似物等之石夕石為主之材質製成，或以如加 5 等之材質取代。而該光學料3财以是以-般折射率高 於該基層2之波導材質製成，如含摻雜劑之二氧化石夕等。 同時，將該光學波導3形成於該基層2上之方式則包括一 般半導體製程之各式物理汽相沉積法(physicai v啊 Deposidon)及各式化學汽相沉積法（Che^d Vapw D—)等方式。“’該基層2與該光學波導3能以 現有之有機光學波導製程技術製作而成。

10 15 由於本發明具有光柵之平面光學波導感測裝置1是應 用SOI技術於矽晶6上以半導體製程所製成，因此能輕易 地與現行符合半導體製程之光電主、被動元件進行整合， 而使.亥光學波導感測裝置i能真正達到積體化與微型化之 需求，但由於各該光電主、被動元件之製造方式非本發明 主要技術手段，且該等元件與該光學波導3之整合方式均 為熟習該項技藝人士所能輕易了解及施行，故在此不再多 加贅述。

由於該光學波導感測裝置1是藉由該光栅4判定該於 該感測面311上形成之金屬膜5沿該感測段31軸向之變 2〇 形’而組成該金屬膜5的金屬鋁熱膨脹係數為25χΐ〇_6/尤， 相較於矽的熱膨脹係數2·6χ1〇-6/尤及二氧化矽的熱膨脹係數 o.sxicr0/尤大十倍及五十倍。因此，該金屬膜5能大幅提高 該光學波導感測裝置1對於溫度之感測能力。 如第九圖所示，為本實施例之另一態樣，由於上述步 13 200413698 玖、發明說明（8) ίο 15 20 驟U2中移除了位於該感測面311上以外之金屬層^(見 第七圖），使得該具有複數光學波導3、複數光柵4、複數 感測段3卜以及複數感測面M1之光學波導感測裝置卜 更具有複數彼此獨立之金相5。其中，位於各該感測面 3U上之各該金屬m 5因彼此獨立，而不會相互影變，故 能使該光學波導❹以置丨能分騎料該金屬膜5所在 位置點之溫度進行量測。加上該等光栅4所擁有多工優點 以及平面光學波導能形成不同週期光栅4之陣列等特性 ，使得該光學波導感測裝置1更能針對該等金屬膜5所电 成之平Φ 50進行陣列式的掃描量測，而得到該平面％區 域溫度分布狀況。 如第十圖所示’以下藉由—具有上述光學波導感測 置1之量測系統7量測溫度之方法，說明該光學波導感 裝置1之運作方式。該量測系統7具有該光學波導感測 置1、—與該光學料3相連接之光纖71、—與該光 71連接之光麵合器72、一與該光輕合器72連接之光源 置73、-與該光轉合器72相連接之接收裝置μ及: 該接收裝置74連接之分析裝置乃。 如第十-圖所示，使用該量測系統7量測環境温度 方法包括下列步驟： 又 步驟彻，製備如上所述之光學波導感測裝置】盘 測系統7。 一 設置於待測環境

步驟402，將該光學波導感測裝置 中。 14 200413698 y.. .一峨娜從:琴琴辦參!潑濟燦變涔跑蹈駿p裕娜奶嘴 玖、發明說明（9) 步驟404，由該光源裝置73發射光訊號經該光纖71 進入該光學波導感測裝置1之光學波導3中。 步驟406’由該接收裝置74接收經過該形成於該感 測段3 1中之光栅4的光訊號，在本實施例中是接收由該 5 光柵4反射之反射訊號。而誠如熟悉此項技藝人士所了解 ，亦能接收通過該光栅4之透射訊號。

步驟408 ’由該分析裝置75分析經過該光栅4後之 光δΚ號波長偏移f以測讀該感測段31之變形。在本實施 例中是以該光訊號之波長偏移量以測讀該感測段31之軸 10 向變形。 步驟410 ’以该感測段31之變形判斷該金屬膜5之 變形。在本實施例中是以該感測段31之軸向變形判斷該 金屬膜5沿該感測段31軸向之變形。

步驟412，以該金屬膜5之變形判斷影響該金屬膜5 15 之溫度。在本實施例中是以該金屬膜5沿該感測段3丨軸 向之變形測讀影響該金屬膜5之溫度及其變化。 在本實施例中’該光源裝置73、該接收裝置74及該 分析裝置75均是以光纖與該光學波導感測裝置1相連接 ，且均為熟習該項技藝人士所能輕易理解，但並不以此為 20 限’由於該光源裝置73、該接收裝置74及該分析裝置 均能藉由現今光電整合與積體電路技術將其整合於一晶片 上，因此，該包含以soi技術製成之光學波導感測裝置i 的量測系統7當然也能製成晶片型態。由於此非本發明主 要技術手段並為熟習該項技藝人士所能輕易推想，故在此 15 200413698 、、發明說明（10) 不多加贅述。 另外，在應變的量測中，由於溫度變化也造成溫度應 k分布之改變。因此，藉由本發明具有光拇之平面光學波 導感測裝置的第二較佳實施例，便能進行具有溫度補償之 5應變量測，如第十二圖所示，在本實施例中之光學波導感 測表置11疋應用於進行一待測物9〇之表面91具溫度補 償的應變量測，該光學波導感測裝置11包括一具有一基 面21之基層2及一形成於該基層2遠離該基面21處之光 學波導3。該光學波導3具有一包含一相反於該基面21 10之感測面311的感測段31及_包含—同樣相反於該基面 21之量測面321的量測段32。該光學波導感測裝置u則 更包括複數形成於該感測段31與該量測段32内之光柵4 、一设置於該感測面311上之金屬膜5，以及一設置於該 里測面321上並與該待測物表面91固接之之接觸膜55。 15 在本實施例中，該等光栅4分別具有不同之週期，而 該接觸膜55之材質與製作方式大致與第一實施相同。其 差異處在於，為使該接觸膜55與該待測物9〇表面91連 動，並同時避免該金屬膜5與該表面91連動，因此在本 貝施例中’疋以避免该金屬膜5接觸該表面91之方式達 2〇 成。故在製作過程中，是將該感測面311與該量測面321 蝕刻成不同高度，使該量測面321與該基面21之最短距 離大於該感測面311與該基面21之最短距離。藉由高低 差以達到避免該設置於該感測面上之金屬膜5接觸該待測 物90之表面91。當然，並不以此為限，該光學波導感測 16 200413698 玖、發明說明（11) 裝置U亦能如第一實施例中步驟110 一樣將該感測面 311與該量測面321研磨成同一平面，再藉由形成該^ 大於該金屬膜5厚度的接觸膜55，同樣能達到相同^ 果。因此，只要是能分別控制該金屬膜5與該接觸膜；5 相對於該待測物9 〇表面9 i之連動關係，即能藉由本㈣ 具有光栅之平面光學波導感測裝置u進行該待測物％之 表面91具溫度補償的應變量測。 以下藉由與第一實施例中大致相同的量測系統見 第十圖）進行該待測物90表面91之應變量測，以說明以 1〇該光學料感測裝i 11 *測應變之方法。在本實施例中 ，該待測物90為一金屬物體。如第十二圖及第十三圖所 示，使用該量測系統7量測該待測物9〇表面91應變之方 法包括下列步驟： 步驟500 ,製備如上所述之光學波導感測裝置u與 15 量測系統7。 步驟502，將該光學波導感測裝置丨丨之該接觸膜55 固設於該待測物90之表面91上，並避免該金屬膜5直接 接觸該表面91。在本實施例中，該接觸膜55是以與第一 實施例中之該金屬膜5相同之金屬材質所製成，因此能藉 20 由焊接方式固設於該待測物90表面91，當然，其固設之 方式並不以此為限，其他能良好接合兩金屬之固設方式， 亦能運用於將該接觸膜55固設於該待測物體90之表面 91上。 步驟504’由該光源裝置72發射光訊號進入該光學 200413698 .....〜.州·:.:‘::::::游稱:¾雜錄鑛^ 波導感測裝置11之光學波導3中。 步驟506，由該接收裝置74接收經過該等分別形成 於该感測段3 1及該量測段32中之光柵4的光訊號。在本 貫施例中是接收由該等光栅4反射之反射訊號，當然，亦 5 能接收通過該等光栅4之透射訊號。 步驟508，由該分析裝置74分析經過該等光柵4之 光訊號波長偏移量以測讀該感測段3丨與該量測段32之變 形。在本實施例中，是藉由光訊號波長偏移量分別測讀該 0 感測段3 1與該量測段32之軸向變形。 10 步驟510，以該量測段32之變形判斷該待測物9〇表 面91之應變。在本實施例中是以該量測段32之軸向變形 判斷該待測物90表面91沿該量測段32軸向之應變。 步驟512，與步驟51〇同時，以該感測段31之變形 判斷該金屬膜5之變形。 15 步驟514，以該金屬膜5之變形判斷影響該金屬膜5 之溫度。 步驟516 ’以步驟514所得之溫度補償該待測物9〇 表面91沿該量測段32之應變。 依上述方式進行應變量測時，由於該接觸膜Μ固設 20 於該待測物9〇之表面91，因此該量測段32的變形便受 該表面91應變之影響，因此量測該量測段32之變形便能 判斷出該表面91沿該量測段32之應變。更由於該感測段 31能藉由該設置於該感測面311上之金屬膜5精確地量 測出该光學波導3所在位置點之溫度，因此便能藉由交叉 18 200413698 玫、發明說明（13) 補償，達到修正及精確量測之目的。同時因該感測段31 舁該里測段32彼此串聯，使得僅藉由該光源裝置72發射 一光訊號進入該光纖7(見第十圖），便能同時達成該表面 91之量測與修正補償。 依上所述，由於僅發射一進入該光學波導3之光訊號 便旎同時篁測出該感測段31與該量測段32之變形，並 對於該待測物90表面91之量測與修正補償，因此能大幅 降低ΐ測成本並發揮光學精確量測之效果。當然，該光學 ίο

波導感測裝置11也能以陣列形式於該基層2上形成複數 並聯之光學波導3，並分別於各該光學波導3上形成該感 測段31與該量測段32，藉由經過各該光學波導3之光訊 號分別進行該感測段31與該量測段32變形之量測，也能 達到相同之效果。

丄、i由於該光學波導感測裝置u能製成複數密集度高 15並具有複數以陣列排列之感測段31與複數同樣以陣列排 列之里測段32的光學波導3,因此該光學波導感測裝置 11，分別針對各該感測段31所在位置點之溫度，以及各 該量測段32所在位置點之應變進行量測。使得該光學波 導感測裝置11進行陣列式的掃描量測，而得到該待測物 2。表面91高密集度與高解析度之應變與温度分布狀況。更 由於該藉由微影钮刻所製成之光學波導3能形成彼此不同 方向與角度之波導通道，故能設計出該等彼此夹角不同之 感敎31 ’而以熟習該項技藝人士所能輕易了解的平面 應變量測方法量測出該待測物9〇表面91之平面應變。 19 200413698 玖、發明說明（14)

由於本發明具有光栅之平面光學波導感測裝置擁有高 精度與高密集度之溫度量測能力，故亦能運用於檢測交互 作用過程會產生熱量改變之生物與化學反應。如第十四圖 所示，本發明具有光柵之平面光學波導感測裝置12之第 5 三較佳實施例即是應用於對一待測物質92於進行生化檢 測，其構造與第一較佳實施例大致相同，而差異處在於該 金屬膜5更具有一遠離該基面21之探測面51，且該光學 波導感測裝置12更具有一設置於該探測面51上並能與該 待測物質92發生生化反應之探針8。該探針8具有一設 10 置於該探測面51上之保護膜81及一設置於該保護膜81 上並遠離該探測面51之配體82。在本實施例中，該金屬 膜5是以金（Au)為材質製成。而該保護膜81具有一由硫 醇物質組成並設置於該探測面51上之有機單層811以及 一設置於該有機單層811與該配體82間並由葡聚糖 15 (carbomethyl-dextran)所組成之修飾層812。該配體82是 能偵測帶有His-tag之蛋白質的抗組胺酸標籤之抗體（Anti-his tag antibody)，而使該探針8為一抗體探針，但並不以 此為限，該探針8也可以是以蛋白質或DNA為配體82而 形成之蛋白質探針或DNA探針。當然，該配體82也可以 20 直接以物理方式固定於該探測面51上，如以共價鍵結方 式將生物分子直接共價於該探測面51上、利用蛋白質之 疏水區域與該探測面51之疏水性相互作用產生之物理吸 附，以及利用生物分子與該探測面51之電性不同而產生 之靜電吸附等方式，均能將該配體82直接固定於該探測 20 200413698

以下藉由與第一實施例中大致相同的量測系統7(見 第十圖）進行生化檢測，以說明運用該光學波導感測 12對該待測物f 92進行生化檢測之方法。在本實施财 5 ，言亥待測物質92是帶有His七g之蛋白質的抗組胺酸標籤 。如第十五圖所示，使用該量測系統7(見第十圖）對該待 測物質92進行生化檢測之步驟包括： 步驟600，製備如上所述之光學波導感測裝置12與 量測系統7。 10 步驟602，使該待測物質92接觸該探針8 ; 步驟604,由該光源裝置72發射光訊號進入該光學 波導感測裝置12之光學波導3中。 步驟606,由該接收裝置73接收經過該形成於該感 測段31中之光柵4的光訊號，在本實施例中是接收由該 15 光栅4反射之反射訊號，當然亦能接收通過該光柵4之透 射訊號。 步驟608 ’由該分析裝置74分析經過該光柵4後之 光訊號波長偏移量以測讀該感測段3丨之變形。 步驟610，以該感測段31之變形判斷該金屬膜5沿 20 該感測段31之變形。 步驟612，以該金屬膜5沿該感測段31之變形判斷 該金屬膜5是否有溫度變化。 步驟614，依據該金屬膜5是否有溫度變化判斷該探 針8是否與該待測物質92產生交互作用。 21 j〇y〇 玖、發明說明（16) 依上述方式進行生化檢測使 S Μ雜““ 物質92與該探針 8產生雜合反應時’由於雜合過程中所產 Μ ς πΏ »Z- 、 …、里 S 由該 "、 ，並能藉由該感測段31 ，目 以該光學波導感測農置12進行生物檢測。當然，該探針 8也能以會與其他物質發生化學變化之無機㈣製成以進 灯化學反應之檢測。例如以會產生氧化還原反應而生鐘之 金屬鐵為探針8時，便能做為鋼筋混凝土結構物中氯離子 對鋼筋之侵餘檢測。 10 15

由於該光學波導感測裝置12於該感測面311上設置 有該提昇溫度感測能力之金屬膜5，使.得該光學波導感測 裝置12能僅以偵測生化反應中所產生之微量熱能，便能 進行特定物質之生化檢測，且由於該光學波導感測裝置 12能形成具有複數感測段31之高密集度的陣列型態，因 此更能於各該金屬膜5上設置不同種類及型態之探針8， 利用本發明之感測機制而一具有生化檢測能力之生化晶片 。另外’當應用於生物檢測時，由於本發明該光學波導感 測裝置12是於該具有該光柵4之光學波導3上形成一金 屬膜5，因此亦能配合表面電漿子共振震效應（Surface Plasmon Resonance，SPR)之原理，由該探測面51入射光 線已進行檢驗，甚至同步進行微量熱能與溫度量測而達到 雙重檢核之效。 綜上所述，本發明具有光柵之平面光學波導感測裝置 1、11、12利用各該形成於各該感測段31内之光栅4量 測各該獨立設置於各該感測面311上之金屬膜5，使該光 22 20 200413698 玖、發明說明(17厂:' 學波導感測裝置1、11、12充分發揮陣列及多點量測之功 能，更由於該光學波導3具有微型化與高密集度之特性， 不僅能配合現今半導體製程而快速地大量生產，更能與光 電元件以及積體電路進行整合，使該光學波導感測裝置1 5 、11、12與該量測系統7能達到微型化與單晶片化之目 標，而更能發揮積體光學之優勢，確實達到本發明之目的 〇 惟以上所述者，僅為本發明之三較佳實施例而已，當 不能以此限定本發明實施之範圍，即大凡依本發明申請專 10 利範圍及發明說明書内容所作之簡單的等效變化與修飾， 皆應仍屬本發明專利涵蓋之範圍内。 【圖式簡单說明】 第一圖是本發明具有光栅之平面光學波導感測裝置的 第一較佳實施例之一側視示意圖； 15 第二圖是第一較佳實施例之一流程圖，說明該光學波 導感測裝置之一製作方法； 第三圖是第一較佳實施例之一立體示意圖，說明以應 用SOI技術形成有一基層之一矽晶； 第四圖是第一較佳實施例之一立體示意圖，說明形成 20 有一光栅之一光傳導層； 第五圖是第一較佳實施例之一立體示意圖，說明定義 出一光學波導之該光傳導層； 第六圖是第一較佳實施例之一立體示意圖，說明沉積 有一二氧化矽層之一矽晶；

23 200413698 玖、發明說明（18) 第七圖是第一較佳實施例之一立體示意圖，說明形成 一金屬層之一碎晶； 第八圖是第一較佳實施例之一立體示意圖，說明定義 出一金屬膜之一石夕晶； 5 第九圖是第一較佳實施例之一立體示意圖，說明該光 學波導感測裝置之另一態樣；

第十圖是第一較佳實施例之一示意圖，說明一量測系 統之連接關係； 第十一圖是第一較佳實施例之一流程圖，說明該光學 10 波導感測裝置之一溫度量測方法； 第十二圖是本發明具有光栅之平面光學波導感測裝置 的第二較佳實施例之一側視示意圖； 第十三圖是第二較佳實施例之一流程圖，說明該光學 波導感測裝置之一應變量測方法；

15 第十四圖是本發明具有光栅之平面光學波導感測裝置 的第三較佳實施例之一側視示意圖；及 第十五圖是第二較佳實施例之一流程圖，說明該光學 波導感測裝置之一生化檢測量測方法。 24 200413698 玖、發明說明（19) 【圖式之主要元件代表符號簡單說明】 1 光學波導感測裝置 63 底層 11 光學波導感測裝置 64 二氧化矽層 12 光學波導感測裝置 65 金屬層 2 基層 7 量測系統 21 基面 71 光纖 3 光學波導 72 光摩馬合器 31 感測段 73 光源裝置 311 感測面 74 接收裝置 32 量測段 75 分析裝置 321 量測面 8 探針 4 光柵 81 保護膜 5 金屬膜 811 有機單層 50 平面 812修飾層 51 探測面 82 配體 55 接觸膜 90 待測物 6 碎晶 91 表面 61 表面 92 待測物質 62 光傳導層

100·102·104.106.108·110·112·114·116·步驟 400·402·404·406·408.410·412·步驟 500.502·504.506·508·510.512·514·516·步驟 600·602·604·606·608·610.612·614.步驟 25

Claims (1)

1. 200413698 琀:>:申__譲 1. 一種光學波導感測裝置，包括一具有一基面之基層及一形 成於該基層遠離該基面處之光學波導；該光學波導具有一 包含一相反於該基面之感測面的感測段； 其特徵在於：該光學波導感測裝置更包括一形成於該 感測段内之光柵及一設置於該感測面上之金屬膜；藉由該 光栅以判定該感測段之變形。

   2·依據申請專利範圍第丨項所述的光學波導感測裝置，其中 ，該金屬膜會受溫度影響而產生變化。 3·依據申請專利範圍第丨項所述的光學波導感測裝置，其中 ’該金屬膜會受應力影響而產生變化。 4·依據申請專利範圍第丨項所述的光學波導感測裝置，其中 ，該金屬膜是以物理汽相沉積法及化學汽相沉積法其中之 一方式形成於該感測面上。

   5_依據，料鄕圍第丨項所述的光學波導制裝置，其中 ，該金屬膜是以真线鍍、真空蒸錄、離子披覆、無電錄 及化學沉積其中之一方式形成於該感測面上。 6. 依據中請專利範圍第丨項所述的光學波導感崎置，其中 ，該金屬膜是由鐵、鉛、錫、銅、鋁、鎳、鈦、鉻、鈀、 鈕、金及銀其中之一材質製成。 7. 依據申晴專利範圍第丨項所述的光學波導感測裝置， ，該金屬収由—合金製成，該合金選自於下列-群电之 金屬，該群組包含鐵、錯、錫、銅、紹、鎳、鈦、絡、纪

   8· —種光學波導感測裝置 應用於待測物表面之應變量測 26 200413698 ............, 合、申請專利範圍 ,該光學波導感測裝置包括一具有一基面之基層及一形成 於該基層遠離該基面處之光學波導；該光學波導具有一包 含一相反於該基面之感測面的感測段及一包含一相反於該 基面之量測面的量測段； 其特徵在於：該光學波導感測裝置更包括複數分別形 成於該感測段及該量測段内之光柵、一設置於該感測面上 之金屬膜，以及一設置該量測面上並與該待測物表面固接 之接觸膜；藉由該等光柵以判定該感測段與該量測段之變 形0 9·依據申請專利範圍第8項所述的光學波導感測裝置，其中 ，該接觸膜是由金屬材質製成。 10·依據申請專利範圍第9項所述的光學波導感測裝置，其中 ，該接觸膜是由鐵、鉛、錫、銅、鋁、鎳、鈦、鉻、鈀、 鈕、金及銀其中之一材質製成。 11.依據申請專利範圍第9項所述的光學波導感測裝置，其中 ，該金屬膜是由一合金製成，該合金選自於下列一群組之 金屬，該群組包含鐵、鉛、錫、銅、鋁、鎳、鈦、鉻、絶 、鈕、金及銀。 12·依據申請專利範圍第8項所述的光學波導感測裝置，其中 ’該量測面與該基面之最短距離大於該感測面與該基面之 最短距離。 13·依據申請專利範圍第8項所述的光學波導感測裝置，其中 ，该接觸膜之厚度大於該金屬膜之厚度。 14· 一種光學波導感測裝置，應用於一待測物質之生化檢測 200413698 ' ,請專_範自 ’該光學波導感測裝置包括一具有一基面之基層及一形成 於該基層遠離該基面處之光學波導；該光學波導具有一包 含一相反於該基面之感測面的感測段； 其特徵在於：該光學波導感測裝置更包括一形成於該 感測段内之光栅、一設置於該感測面上並具有一遠離該基 面之探測面的金屬膜，以及一設置於該探測面上並能與該 待測物質發生生化反應之探針。

   15·依據申請專利範圍第14項所述的光學波導感測裝置，其 中’該探針具有一固定於該探測面上之配體。 16·依據申請專利範圍第14項所述的光學波導感測裝置，其 中’該探針具有一設置於該探測面上之保護膜及一設置於 邊保護膜上並遠離該探測面之配體。 17·依據申請專利範圍第16項所述的光學波導感測裝置，其 中，該保護膜具有一設置於該探測面上之有機單層。

   •依據申明專利範圍第17項所述的光學波導感測裝置，其 中，該保護臈更具有一設置於該有機單層與該配體間之修 飾層。 19·依據巾請專利範圍第14項所述的光學波導感測裝置，其 中，邊捺針是蛋白質探針、dna探針及抗體探針其中之一 〇 •種使用光學波導感測裝置量測溫度之方法，包括下列步 驟： a)製備一光學波導感測裝置，該光學波導感測裝置包括

   28 200413698 、' 、、 v s s 、 _ s 拾褐審譲事興_圍 一基層，具有一基面； 一光學波導，形成於該基層遠離該基面處，並具 有一包含一相反於該基面之感測面的感測段； 一光栅，形成於該感測段内；及 一金屬膜，設置於該感測面上； b) 以經過該光學波導之光訊號量測該感測段之變形；及

   c) 以該感測段之變形判斷影響該金屬膜之温度。 21·依據申請專利範圍第20項所述的使用光學波導感測裝置 量測溫度之方法，其中，於步驟b)包含下列步驟： b-Ι)發射光訊號進入該光學波導； b-2)接收經過該光栅之光訊號；及 b-3)由經過該光栅之光訊號得到該感測段之變形。

   22·依據申請專利範圍第20項所述的使用光學波導感測裝置 量測溫度之方法，其中，步驟b)是以經過該光栅後之光訊 號波長偏移量，測讀該感測段之變形。 23·種使用光學波導感測裝置量測一待測物表面應變之方法 ’包括下列步驟： a)製備一光學波導感測装置，該光學波導感測裝置包括 一基層，具有一基面； 一光學波導，形成於該基層遠離該基面處，並具 有一包含一相反於該基面之感測面的感測段及一包含

   29 200413698 拾r申纖利鋼' 一相反於該基面之量測面的量測段； 複數光栅，分別形成於該感測段與該量測段内； 一金屬膜，設置於該感測面上；及 一接觸膜，設置於該量測面上； b) 將該接觸膜固設於該待測物表面上； c) 以經過該光學波導之光訊號量測該感測段與該量測段 之變形； d) 以該量測段之變形判斷該待測物表面之應變；及 e) 與步驟d)同時以該感測段之變形判斷影響該金屬膜之 溫度。 24·依據申請專利範圍第23項所述的使周光學波導感測裝置 量測應變之方法，其中，於步驟c)包含下列步驟： c-1)發射光訊號進入該光學波導； c-2)接收經過該等光栅之光訊號；及 c-3)由經過該等光栅之光訊號得到該量測段與該感測段 之變形。 25·依據巾睛專利範圍第23項所述的使用光學波導感測裝置 里測應艾之方法，其中，於步驟e)之後更包括下列步驟： f) 以該/J2L度補償該待測物表面沿該量測段之應變。 26=射請專㈣圍第23項所述的使用光學波導感測裝置 墨測應夂之方法，其中，步驟c)是以經過該等光柵後之該 光訊號波長偏移量，測讀該感測段與該量職之變形。 200413698 拾，申_專_鱗_ 27. —種使用光學波導感測裝置對一待測物質進行生化檢測之 方法，包括下列步驟： a) 製備-光學波導制裝置，該光學波導感測裝置包括 一基層，具有一基面； 一光學波導，形成於該基層遠離該基面處，並具 有一包含一相反於該基面之感測面的感測段； 一光柵，形成於該感測段内； 一金屬膜，設置於該感測面上並具有一遠離該基 面之探測面；及 一探針，設置於該探測面上； b) 使一待測物質接觸該探針； ，c)發射光訊號進入該光學波導；及 d)以紅過該光栅之光訊號判斷該探針是否與該待測物質 產生交互作用。 28. ，射請專利範圍第27項所述的使用光學波導感測褒置 量測應變之方法，其中，於步驟d)包含下列步驟； d-l)以該感測段之變形判斷該金屬冑沿該感測段之變形 J 心2)以該金屬膜沿該感測段之變形判斷該金屬膜是否有 溫度變化； ci-3)依據該金屬膜^否有溫度變㈣__是否與該 31 200413698 拾^ 待測物質產生交互作用。 29.依據申請專利範圍第28項所述的使用光學波導感測裝置 進行生化檢測之方法，其中，步驟d-Ι)是以經過該光柵後 之該光訊號波長偏移量’測讀該感測段之變形。

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