TW297103B - - Google Patents

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經濟部中央標準局員工消費合作社印製 2^l〇s A7 ----------B7 ____ 五、發明説明（1 ) 本發明係有關於光感測器，特別是有關於光導波化學 生化感測器。 不同種類之光化學生化感莉器以光纖爲基礎且已發展 其它波導。例如，美國專利no 4 846 548、no 4 929 049、 >1〇.5,026,139、>1〇.5，165,005 及]^〇.5,405,583，位址固態 光化學及生化感測器。美國專利4 892 383、5 〇59 79〇和 5，1 16,759，係儲存式感測器。很多不同之化學或生化感測 皆已描述。還有裸纖光極（〇ptr〇de),其中使用光纖之裸感 測區。幾乎在所有設計中，外源和檢波器光學地耦合波導。 習知技術之問題係整個感測器不是一體的 (integrated)，即’不同的化學或生化感測需更換外源和檢 波器及整個波導。據此，需提供整體結構之導波化學或生 化感測器，及其中化學或生化感測能容易地改變。 據此，本發明之一目的係提供具整體結構之導波化學 生化感測器。 本發明之另一目的係提供帶有可交換（interchangeable) 化學或生化感測之導波化學生化感測器。 本發明之導波化學或生化感測器係具有至少一波導裝 設在具有至少一源和至少一檢波器之基體或晶片上或其内 一體成型。波導臂能固定地裝設在基體上（例如，藉由膠黏 )或可拆卸地（removably)附著（例如，藉由機械的扣爽）。波 導臂或其部分也能和基體或晶片本身之零件一起形成（例 如，模製）。尚有包括參考通道（channel)。經波導之反射端 面傳輪之光導向基體中之檢波器。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS〉Λ4規格（210X297公釐） ---^--.----ί -裝------訂-----* •線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 A7 經濟部中央標準局員工消費合作杜印製 五、發明説明（2 ) 不同感測臂能被不同化學或生化感測所覆蓋或形成。 感測臂也说不被覆蓋。使用感測和參考臂之感測之基本機 構係感測和參考臂之比較，其中感測臂受標的分析物之影 響，而參考臂則否。因此，感測臂可覆蓋或不覆蓋，參考 臂可覆蓋或不覆蓋，但兩者不能同時不覆蓋。若有多感測 及參考臂，能覆蓋一些其它不覆蓋。 圖式之詳細説明： 第1A，B圖係帶有參考臂和感測臂之導波感測器的 側視及立體圖。 第1C圖係第1 a，B圖之導波感測器的立體圖，其中 感測臂波導係由化學感測形成。 第2A，B圖係帶有參考臂和感測臂之導波感測器之 另一實施例的侧視及立體圖。 第2C圖係第2A，B圖之導波感測器的立體圖，其中 感測臂波導係由化學感測形成。 第3A-C圖係繪示多臂導波感測器組態。 第3D圖係第3A-C圖之導波感測器的另一實施例，其 中感測臂係由化學感測形成。 第3E圖係第3 A-C圖之導波感測器之頂視圖，其繪示 波導臂之裝配。 第3 F圖係繪示具有多源之多臂導波感測器。 第3G，Η圖係繪示具有多源之多臂導波感測器之另 一實施例。 第4 A-D圖係繪示具有整體波導形成元件之模製晶片 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) Α4規格（210x297公釐） 丨~γ——.---.U.—裝------訂-----{-線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中夬標準局員工消费合作社印製 A7 ------------ ---- 五、發明説明（3 ) 封裝。 第4E-H圖係繪示具有整體波導形成元件之模製晶片 封裝之另一實施例。 較佳實施例之詳細説明 如第ΙΑ，1B圖所繪示，導波感測器10係形成在基 體或晶片12上，其包括其内之一體成形之光源14和—對 檢波器16 ’ 18。源14和檢波器16、18線性地對齊，源 14在一端；然，也能用不同幾何線條圖形。參考臂22和 感測臂24形成之波導2〇裝設在基體n上和感測器14及 檢波器16，18排成直線。臂22、24由光東分裂器26分 離。光束分裂器26由毗連參考臂22和感測臂24之斜端形 成，且使用適合之光塗層以產生欲得之反射和傳輸。自斜 反射端面28下之源14之光在其上入射且反射以發射光 束。光束分裂為26反射部分光下至下面的參考檢波器μ 且傳輸其餘光經過感測臂24，感測臂24其部分上形成感 測區30。通過感測臂24之光束受感測區3〇影響，其和樣 品發生交互作用。 感測區30可爲化學或生化感測覆在感測臂24上。能 使用之化學或生化感測之種類包括（但並不限於）無機物、 有機物、聚合體、金屬、金屬化合物、有機金屬物、生物 無機物、购、抗體及微生物。美國專利4 846 548 、 4,892,383 > 4,929,049 ^ 5,026,139 . 5,059,790 ^ 5,1 16,759、5，165,005、5,405,583，其描述許多特定的化 學或生化者，在此併入參考。 本紙張尺度適用中國國家標準（CNS ) A4規格（210X297公釐） 丨-_ ^ 一—裝------訂-----^ -線 (請先聞讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 B7 五、發明説明（4 ) 或者’感測臂24上之感測區3〇爲無覆層（裸露）區.， 標的分析物改變裸露波導之導波特性。帶有覆層或也覆層 <波導，測量特性包括吸收(absorpti〇n)、螢光性和折射指 標。產生之光入射在斜反射端面32上，其反射光下至檢^ 器18上。參考臂22被塗層23覆蓋或有時如果分析物不影 響無覆層波導則不被覆蓋。感測臂24或參考臂22其―^ 不被覆蓋，但非同時皆可不被覆蓋。許可之組合爲覆蓋之 感測臂24和覆蓋之參考臂22，覆蓋之感測臂μ和無覆蓋 <參考臂22或無覆蓋之感測臂μ和覆蓋之參考臂22。 如第1A圖所示，基體12最好是模製半導體晶片封 裝。源14典型爲LED或雷射二極體。檢波器16、18典型 爲光電一極g(例如，妙光電二極管snic〇n ph〇t〇di〇(j[e)。源 14和檢波器16、18一體成形在晶片封裝中，而非在其表 面上。晶片封裝是由光地透明材質所製，且保護源和檢波 器。 第1C圖所繪之導波感測器]1和第ΙΑ、B _之感測 器10相似’除感測臂24換爲感測化學或生化形成之感測 臂25外’亦即’化學或生化感測不只是覆蓋在第1A圖之 臂24上’而是整個臂25本身以化學或生化感測所製或化 學或生化感測分布在模型中。在吸收式或螢光式感測器尤 其有利’因爲光將比使用表面覆蓋通過更多化學或生化感 測。在吸收之情況中，有效的路徑長度增加，而在螢光之 十月況中’更多之螢光波長侷限在波導中，藉以使信號中較 大< 改變。第1A圖之斜反射端面32以反射元件33 (例如 ^ 裝 訂 一 ·線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 五 經 濟 部 中 標 準 Μ 員 工 消 合 社 印 製 A7 B7 、發明説明（5 ~~^——* 棱鏡）代替以反射經過f 25通過之光至檢波器18。

第2A、B圖係繪示導波感測器15，其爲第1A、B 圖之感測器Η)的變化。在感測器15中，光源以位置和 參考檢波器16顚倒，即，g&置仍爲線性，但源μ是在中 間而非在一端。參考臂22在源14有斜反射端面Μ，用來 輸入-部分光至臂22。絲臂22通過至斜反射端面Μ， 其反射光下至參考檢波器16。第1A、B圖之感測臂Μ 以感測臂27代替，具有感測區3〇形成在其部*上。感測 區30能爲化學或生化感測覆蓋在感測臂27上或能在感測 臂27上爲完全未覆蓋區。感測臂27具有斜反射端面31在 源14上，其自源14輸入部分光至感測臂27。在光和感測 區30交互作用後，其由斜反射端面32反射下至檢波器 18 ° 第2C圖所繪之導波感測器17和第2A、B圖之感測 器5相似，除感測臂27換爲化學或生化感測形成之感測臂 34外，或其中化學或生化感測分散在惰性模型中，第， B圖之斜反射端面3i，32以反射元件35，％(例如：棱 鏡）代替，其反射光至及出臂34。 第3 A-C圖係繪示感測器58，晶片56上帶有多波導。 配置係繪示，使用三個不同的波導（感測臂）6〇，62，64 和單一參考臂。此允許三種不同的化學或生化者3〇a，b， c同時使用而且提供參考通道66。任一化學者3〇a，b , c 月E以裸感測區代替。系統使用單一光源68和多檢波器7〇， 72，74。第四檢波器76能用來觀察參考通道66。自晶片 本紙張尺度適用中國國家襟準（CNS ) Α4規格（2丨0Χ297公釐） —ϋ - - I «H ^^^1 -I — ^—^1 I ^ϋ— - (請先閱讀背面之注意事項存填寫本頁) 、玎---------_--^____ A7 B7 五、發明説明（ό ) '~~— 50中之源68之光入射在波導59之斜反射端面61上，其反 射光下波導59至光束分裂器71。光東分裂器71反射部分 光至參考檢波器76。光束分裂器73，7S將傳輪之光分別 分至二個具有感測區3〇a，b，c之感測波導6〇，6?， 64，其能以感測化學或生化覆蓋或包括未覆蓋區。通過波 導60，62，64之光受感測區30a，b，c影響，然後分 別由斜反射端面63，65，67反射至檢波器7〇，72， 74。此配置能用於三種方法（appr〇aeh) : 能同時分析三 種不同之分析物，或（2)若有明確性之問題，則利用二或多 種對標的分析物反應之化學或生化感測而完成符合或多餘 分析，或（3)若有需要附加靈敏性，相同化學或生化者或缺 少覆蓋能使用在所有感測波導及增加其輪出信號。能使用 之波導之數目只受源強度和幾何因素所限制。 第3D圖所繪之多波導感測器77和第3A_C圖之感測 器58相似，除感測臂6〇，62，64換爲感測化學或生化 形成之感測臂7 8，79，80外，或化學或生化感測同質地 刀散在惰性模型中且斜反射端面63 , 65，67以反射元件 81，82，83(例如：棱鏡）代替。 經濟部中央標隼局員工消費合作杜印製 --；---.---」—裝-- (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) L,-線 第3E圖係第3A-C圖多臂波導感測器58之構造。具參 考通道66之波導59具有平坦端面84在斜端61之遠側。 波導60置於和毗連端面84之波導59成直角。波導6〇之 —端在斜端63之遠側傾斜以形成光東分裂器73。配合 (matchmg)棱鏡85置於靠在波導6〇之斜端（光束分裂器73 )以形成和靠在波導64之平坦面成直角。波導64之端在斜 經濟部中央標準局員工消費合作社印裝 A7 B7 五、 3 發明説明（ :之遠側呈傾斜以形成光束分裂器75。波導62具有—斜 岣面’在斜端65遠侧之-端’其配合波導64之斜端(光束 分裂器75)’使波導62和波導59成-直線，光東分裂器73， 二之形成由㈣6G ’ 62 ’ 64之端塗適合之域層產生希 k之反射和傳輪特性。 第3F圖係繪示導波感測器86形成在基體或晶片56 上，其和第3A_C圖之感測器58相似，而其具有多源和單 一檢波器。感測器S6之檢波器7〇，？2，Μ以三源9〇， 92，94代替，典型地三種不同波長和化學、生化感測或 '又有覆蓋相容，且源68以檢波器88代替，其充分地包括 多種頻率（broadband)以檢探自所有三源90，92，94之 光。光束分裂器73對於源90之波長具高度反射及對於源 92 94之波長具向度傳輸。光東分裂器之特性由適當之 光覆層獲得。斜端面63，65，67自源90，92，94導光 下波導60，62，64及光束分裂器73，75導光束至波導 (感測和參考臂）59。波導59包括光束分裂器9]，其導部 分光至參考檢波器96。其餘光東經過覆蓋（或包括）化學或 生化感測或没覆蓋形成感測區30之波導59，則調變之光 束由端面61反射下至檢波器8 8。因此，此組態中，只有 一感測區但有三個不同光源。波導6〇 ’ 62，64不包括任 何化學感測或未覆蓋感測區。 第3G，Η圖係繪示第3F圖之感測器86之另一實施 例，其具有多源和多化學’生化感測或未覆蓋感測區。在 晶片56上之導波感測器87具有典型在三波長之三源9〇， 10 本紙浪尺度適用中國國家操準（CNS ) Α4規格（2丨0Χ297公釐） — I---·----< I裝------訂-----1 線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 A7 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 五、發明説明（8 ) 92，94及一檢波器8S。斜反射端面〇，65，67自9〇 , 92 ’ 94導兩光土波導60 ’ 62，64，光首先遭遇光束分 裂器93 ’ 95 ’ 97’其導部分光下至參考檢波器51，52， 53。其餘光通過下波導6〇, 62, 64,其覆蓋(或包括)化 學或生化感測或未覆蓋以形成感測區施，b , c。光束 分裂器’ 73，75自波導6〇，62，64通過或導調變之光束 至波導59，光在端面反射下至檢波器88。因此，此配置 中’具有源《臂上有化學或生化感測或未覆蓋感測區，但 感測臂上還具有參考檢波器。其它之組合中感測臂可不覆 蓋和參考臂能不覆蓋，但非在同時。許可之組合係覆蓋感 測臂和覆蓋參考臂，覆蓋感測臂和不覆蓋參考臂或不覆蓋 感測臂和覆蓋參考臂。用來定義光傳輸方向之元件係和晶 片起形成。然後只需插入非常簡單之元件以形成工作感 $ ’且仏些7G件能容易地互換以產生不同種類感測器。甚 土可提供液體波導’使能液體化學或生化感測之利用。 如第4A圖所繪，具有源14及檢波器16，]8之晶片 和波導定義元件36，38，39形成一體在其上，即，當 晶^ Π被模製時，元件％，％，39形成爲部分模製程 一件3 8，3 9，3 6分別形成在源14和檢波器丨6，】8 /原丨4疋在線性配置的一端。元件％％爲角反射器 一件39爲光束分裂器。波導本體4丨能容易地插入元件 39間1能覆蓋化學或生化感測4不覆蓋形成感測區 3〇(或者化學感測部分形成）之波導本體42能容易地插入元 件39，36間以形成導波感測器37。如第4B圖 ，元 --1------裝-- (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 、\-° .丄-線-----

經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A7 -----—— _ B7 五、發明説明（9) 件36，38，39間之空間由侧壁44封閉，定義通道45， 46。第4C，D圖係頂视和側視斷面圖。第4A圖之嵌入物 41，42能插入通道45，46中或送道45，46能填充液體 試劑然後覆蓋膜50，如第4D圖所繪。膜50能附著側壁 44。通道45，46也能填充在溶膠或多孔玻璃或其它光地 透明之吸收材料中散布且允許凝結之液體或固體試劑，因 此不需要膜，除非是膜提供化學或生化感測之外加特效或 物理保護。通道45，46也能填充溶膠或其它具有不同試 劑在其内散佈之吸收材料之多數層。 第4E圖係繪示具有一體波導定義元件35，36，38， 39之晶片12之另一實施例。此時源在其中，而檢波器16， 18在兩端。再者，元件35，36，38，39爲角反射器， 其形成爲部分晶片12製造程序。波導本體41能容易地插 於元件38，39間，且能覆蓋（或包括）化學或生化感測或 不覆蓋形成感測區30之波導本體43能容易地插入元件 35 ’ 36間以形成波導4〇。如第4F圖所繪，元件35，36， 38，39間之空間由側壁44封閉，定義通道47，48。第 4G-H圖係頂視和側視斷面圖。第4E圖之嵌入物4ι，43 能插入通道47，48中或通道47，48能填充液體試劑然 後覆蓋膜50，如第4H圖所繪。膜5〇能附著側壁44。通 道47，48也能填充一層或多層在溶膠或多孔玻璃或其它 吸收材料中散佈且允許凝結之液體或固體試劑，因此不需 要膜，除非是膜提供化學或生化感測之外加特效或物理保 護。

本紙張尺舰财關( CNS ) Mim ( 210X 29^tT I—：-------^ I裝------訂-----^ -線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) A7 五、發明説明（10 ) 、处模製之一體晶片封裝12包括源14和檢波器16，18 ^此包括其它電子零件，如第ΙΑ，2Λ圏所繪。放大器98 <其它訊號處理電子零件能聯繫檢波器16，18。尚能包 括回馈電路99，連接在源14和參考檢波器16間，以維持 一固定的源輸出。 在不脱離本發明之精神和範圍内，任何熟習此項技藝 者，奋可作些許之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當 視後附之申請專利範圍所界定者爲準。 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 丨裝. 、\=° 線 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 本紙張纽賴中11國家縣（CNS ) Λ4規格（21GX297公楚）

Claims (1)

1. 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 夂、申請專利範圍 1. 一種光導波感測器，包括： 一組合基體（modular substrate)，具有至少一光源和至 少一光檢波器在其内形成且被一光地透明材料所覆蓋， 一波導結構，裝設在該基體上及在該至少一源和至少 一檢波器上方延伸，該波導結構包括方向形成裝置 (direction turning means)用來導引自該至少一源之光至該 波導結構及方向形成裝置用來導引自該波導結構之光至該 至少-檢波器； 一感測區形成在波導結構之上或之内。 2. 如申請專利範圍第1項所述之感測器，其中該組合 基體具有一源和第一及第二檢波器，以源在一端線性配 置，且波導結構由一自該源至第一檢波器延伸之第一波導 本體和一第二波導本體形成，該第二波導本體形成一和該 第一波導本體之連接且其在第一和第二檢波器間延伸。 3如申請專利範圍第2項所述之感測器，其中該用來 導引自源至波導結構之光之方向形成裝置係包括一斜反射 端面形成在該第—波導本體上，及用來導引自波導結構至 該第一和第二檢波器之光之方向形成裝置係包括一光東分 裂器形成在該第一和該第二波導本體間之連接及—斜反射 端面形成在該第二波導本體之末端（distal)。 4. 如申請專利範圍第3項所述之感測器，其中感測區 形成在第二波導本體上或内，且第一檢波器形成—參考檢 波器。 5. 如申請專利範圍第1項所述之感測器，該組合基體 本紙張尺度適用中國國^ 八4規格（2丨〇乂297公釐> ----：----^ I裝------訂-----ί .線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁)

   申請專利範固 ▼有得、和二檢波器，以該源在該二檢波器之間線性配 ^及忒波導結構由一自該源至一檢波器延伸之第一波導 本體和〜被、& 哪運的自該源至另一檢波器延伸之第二波導本體 所形成。 6. 如申請專利範圍第5項所述之感測器，其中該用來 =引自療至波導結構之光之方向形成裝置係包括一斜反射 /成在每—波導本體之一端（one end)上，及用來導引 …波導結構至檢波器之光之方向形成裝置係包括一斜反射 柄面形成在每—波導本體之該-端（_ end)之遠侧（dlstal) 之一端（an end)上。 7. 如申請專利範圍第6項所述之感測器，其中感測區 成在波導本體上或内，且另一波導本體形成一參考 臂。 8·如申請專利範圍第〗項所述之感測器，其中該組合 基體具有幾何的圖形之一源和複數檢波器，且波導結構包 括複數互聯臂（interconnected arm)自該檢波器至該源延 伸。 9-如申請專利範圍第8項所述之感測器，其中一感測 區係形成在每一延伸至一檢波器之臂上或内。 1〇如申請專利範圍第9項所述之感測器，其中每一延 伸至—檢波器之臂具有一不同的感測區形成在其上或其 内。 Π.如申請專利範圍第8項所述之感測器，其中該組合 基體具有一源和三檢波器且該波導結構包括一自源延伸之 15 CNS Μ4& ( 21GX297公董） -----j— I」—裝--11! 訂 一 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 -------- D8 六、申請專利範圍 第一波導臂和三自第一波導臂至一對應之檢波器延伸之感 測臂，一感測臂和第一波導臂成一直線而另二個呈正交 (orthogonal)，且更包括一對光束分裂器，形成在感測臂内 用來分裂自三感測臂間之光源。 12. 如申請專利範圍第11項所述之感測器，其在第一 波導臂中更包括一光束分裂器，及在光東分裂器下方之一 參考檢波器。 13. 如申請專利範圍第1項所述之感測器，其中該組合 基體具有幾何圖形之一檢波器和複數源，且波導結構包括 複數互聯臂，自該源至該檢波器延伸。 14. 如申請專利範圍第η項所述之感測器，其中感測 區形成在靠近檢波器之波導結構之一臂上或内，且更包括 一光束分裂器在自檢波器之波導臂和感測區間，且一參考 檢波器在該光束分裂器下。 15. 如申請專利範圍第Η項所述之感測器，其中—感 測區形成在每一延伸至一源之臂上或内，且在源和感測區 間之每一該臂内更包括一光束分裂器，且一參考檢波器在 每一光東分裂器下。 16. 如申請專利範圍第〗項所述之感測器，其中該組合 基體係一半導體晶片封裝。 17. 如申請專利範圍第丨項所述之感測器，更包括可拆 卸的（remOVabie)波導本體嵌入物，其配合在該方向形成裝 置間。 1 8.如申請專利範圍第Π項所述之感測器，其中感測 16 [紙張尺度適用中2ΐ〇χ ) ^ ~ -----；----{ 裝------訂-----一線 (請先閱讀背面之注意事項再填寫本頁) 經濟部中央標準局員工消費合作社印製 A8 B8 C8 D8 六、申請專利範圍 區係形成在一波導本體嵌入物上或内。 19. 如申請專利範圍第1項所述之感測器，該方向形成 裝置間更包括側壁定義開放通道（〇pen c]iannei)。 20. 如申請專利範圍第19項所述之感測器，該開放通 道更包括一填充之液體試劑且一膜覆該液體試劑填充通 道。 21如申請專利範圍第19項所述之感測器，該開放通 道更包括一填充之液體或固體試劑，其在一溶膠或多孔玻 璃或其它光地透明之吸收材料散布且允許凝結。 22. 如申請專利範圍第21項所述之感測器，溶膠或多 孔玻璃或其它光地透明且允許凝結之吸收材料之複數層， 其具有不同的試劑散佈其内。 23. 如申請專利範圍第1項所述之感測器，該感測區包 括一化學感測’其選自無機物、有機物、聚合體、金屬化 合物和有機金屬物。 24. 如申請專利範圍第1項所述之感測器，該感測區包 括一生化感測，其選自抗體、峨·、微生物和生物無機物。 25. 如申請專利範圍第1項所述之感測器，該感測區係 '亥波導之兴覆蓋部分，其作用如同一感測元件。 ---,0----^ I --n 訂 乂 線 (請先閲讀背面之注意事項再填寫本頁) 17