一种硅基荧光传感芯片及系统

本发明属于半导体集成电路制造，特别是涉及一种硅基荧光传感芯片及系统。

背景技术：

1、荧光化学传感作为荧光方法的一种，它是通过荧光传感材料与待测物间发生相互作用(非共价相互作用、化学反应等)，使得作用前后的荧光的性质(颜色、强度等)发生改变，从而达到检测的目的，具有较高的精确性，其灵敏度高、选择性好、响应速度快、操作简单。

2、相比受限于体积大、检测时间过长、灵敏度低等因素的公共安全领域应用的x射线扫描、ct等成像技术或质谱、离子迁移谱等气相分析技术等危险品检测的传统技术，荧光传感器可以很容易地结合到手持式设备中，用作传感检测工具符合便携要求，因而得到了高速的发展。如今荧光传感器作为实现荧光检测法的一个关键部件已经被广泛用于爆炸物、毒品，神经毒剂等物质的检测。用于爆炸物、毒品、神经毒剂等物质检测时，所配套的荧光传感器通常具有气室，待检测物质进入气室后，其中的爆炸物或毒品等颗粒或气体分子与荧光材料接触，通过分子间氢键、静电、配位或共价相互作用使荧光信号发生改变。通过痕量化学分析仪对待检测物质与荧光材料反应前后的荧光强度、光谱位置或荧光寿命等进行对比，可以实现对待检测物质的定性或定量分析。

3、传统的荧光传感器体积大、难以规模化生产，微纳加工技术基于折射率原理得到小尺寸的器件结构，实现了化学气体传感器向芯片级的转变，然而该类荧光传感器容易受到环境条件、背景噪声的干扰，因此研制新型cmos工艺兼容的高集成、芯片级的痕量气体检测的方法和仪器显得尤为重要。

4、应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的，不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

技术实现思路

1、鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种硅基荧光传感芯片及系统，用于解决现有技术中荧光传感芯片体积大、易受干扰的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供一种硅基荧光传感芯片，所述芯片包括：光波导、待检测物质通道和感光元件；

3、所述光波导包括波导层和设置于所述波导层上的检测流道，所述检测流道包括设置于所述波导层上的荧光材料层和覆盖所述荧光材料层的反应腔；所述待检测物质通道与所述光波导的检测流道相交，所述待检测物质通道设置有进口通道和出口通道，所述反应腔的一端与所述进口通道相连通，所述反应腔的另一端与所述出口通道相连通；

4、外界的激光导入所述光波导的所述波导层，所述激光激发所述荧光材料层产生荧光信号，待检测物质通过所述待检测物质通道的所述进口通道进入所述反应腔与所述荧光材料层发生作用，使荧光信号发生改变，所述光波导将改变后的所述荧光信号耦合至所述感光元件，所述感光元件将所述荧光信号转换成电信号，反应后的所述待检测物质从所述待检测物质通道的所述出口通道排出。

5、可选地，所述反应腔沿垂直于所述光波导轴向的方向贯穿所述光波导。

6、可选地，所述芯片还包括多模干涉耦合器、入射光栅和出射光栅，所述入射光栅包括第一接收端口和第一发射端口，所述出射光栅包括所述第二接收端口和所述第二发射端口，所述多模干涉耦合器包括第三接收端口和第三发射端口，所述光波导包括第四接收端口和第四发射端口；所述入射光栅的所述第一发射端口与所述多模干涉耦合器的所述第三接收端口相连通，所述光波导的所述第四接收端口与所述多模干涉耦合器的所述第三发射端口相连通，所述光波导的所述第四发射端口与所述出射光栅的所述第二接收端口相连通；所述激光从所述入射光栅的所述第一接收端口耦入所述多模干涉耦合器，所述多模干涉耦合器将所述激光均匀分束进入多个所述光波导，所述光波导内激发的所述荧光信号与待检测物质发生反应后通过所述出射光栅的所述第二发射端口耦出至所述感光元件。

7、可选地，所述光波导从下到上依次包括衬底层、下包覆层、波导层、上包覆层，所述检测流道的所述反应腔设置于所述上包覆层内，所述波导层的折射率高于所述下包覆层及所述上包覆层的折射率。

8、可选地，所述反应腔沿平行于所述衬底层方向上的截面为梯形或矩形。

9、可选地，所述波导层的材料为氮化硅，所述上包覆层和所述下包覆层的材料为二氧化硅、氮氧化硅或光刻胶中的一种或一种以上的任意组合。

10、可选地，所述荧光材料层的材料为共轭聚合物中的一种或一种以上的任意组合。

11、可选地，所述感光元件上设置有滤光层，使所述荧光信号通过所述滤光层后到达所述感光元件。

12、本发明还提供一种硅基荧光传感系统，所述硅基荧光传感系统采用上述任意一种硅基荧光传感芯片，所述传感系统还包括激光源、检测系统、控制电路和显示模组，所述激光源用于产生激光导入所述光波导，所述检测系统用于检测所述硅基荧光传感芯片中所述感光元件转化的电信号以绘制函数曲线；

13、所述控制电路用于控制所述激光源、所述硅基荧光传感芯片、所述检测系统，对所述函数曲线进行分析得到检测结果，当检测结果显示所述待检测物质中包含目标分析物时进行预报警；

14、所述显示模组用于显示和记录所述检测结果。

15、可选地，所述激光源为激光器，所述激光器产生所述激光进入所述光波导。

16、如上，本发明的硅基荧光传感芯片及系统，具有以下有益效果：

17、本发明通过光波导内进行荧光的产生、传导和检测反应，缩小荧光传感器的尺寸，降低功耗、简化结构、降低空间要求和成本，提高检测灵敏度和效率；

18、本发明利用光波导内进行光传导的方法，降低荧光传导过程中的损耗，避免荧光与其他光源发生串扰；

19、本发明通过将光波导与待检测物质通道垂直设置，提高检测灵敏度；

20、本发明最后利用多模干涉耦合器分束激光，使产生的荧光信号更均匀，检测结果更可靠。

技术特征：

1.一种硅基荧光传感芯片，其特征在于，所述芯片包括：光波导、待检测物质通道和感光元件；

2.根据权利要求1所述的硅基荧光传感芯片，其特征在于，所述反应腔沿垂直于所述光波导轴向的方向贯穿所述光波导。

3.根据权利要求1-2中任意一项所述的硅基荧光传感芯片，其特征在于，所述芯片还包括多模干涉耦合器、入射光栅和出射光栅，所述入射光栅包括第一接收端口和第一发射端口，所述出射光栅包括所述第二接收端口和所述第二发射端口，所述多模干涉耦合器包括第三接收端口和第三发射端口，所述光波导包括第四接收端口和第四发射端口；所述入射光栅的所述第一发射端口与所述多模干涉耦合器的所述第三接收端口相连通，所述光波导的所述第四接收端口与所述多模干涉耦合器的所述第三发射端口相连通，所述光波导的所述第四发射端口与所述出射光栅的所述第二接收端口相连通；所述激光从所述入射光栅的所述第一接收端口耦入所述多模干涉耦合器，所述多模干涉耦合器将所述激光均匀分束进入多个所述光波导，所述光波导内激发的所述荧光信号与待检测物质发生反应后通过所述出射光栅的所述第二发射端口耦出至所述感光元件。

4.根据权利要求3所述的硅基荧光传感芯片，其特征在于，所述光波导从下到上依次包括衬底层、下包覆层、波导层、上包覆层，所述检测流道的所述反应腔设置于所述上包覆层内，所述波导层的折射率高于所述下包覆层及所述上包覆层的折射率。

5.根据权利要求4所述的硅基荧光传感芯片，其特征在于，所述反应腔沿平行于所述衬底层方向上的截面为梯形或矩形。

6.根据权利要求5所述的硅基荧光传感芯片，其特征在于，所述波导层的材料为氮化硅，所述上包覆层和所述下包覆层的材料为二氧化硅、氮氧化硅或光刻胶中的一种或一种以上的任意组合。

7.根据权利要求1所述的硅基荧光传感芯片，其特征在于，所述荧光材料层的材料为共轭聚合物中的一种或一种以上的任意组合。

8.根据权利要求1所述的硅基荧光传感芯片，其特征在于，所述感光元件上设置有滤光层，使所述荧光信号通过所述滤光层后到达所述感光元件。

9.一种硅基荧光传感系统，其特征在于，所述传感系统包括权利要求1-8中任意一项所述的硅基荧光传感芯片，所述传感系统还包括激光源、检测系统、控制电路和显示模组，所述激光源用于产生激光导入所述光波导，所述检测系统用于检测所述硅基荧光传感芯片中所述感光元件转化的电信号以绘制函数曲线；

10.根据权利要求9所述的硅基荧光传感系统，其特征在于，所述激光源为激光器，所述激光器产生所述激光进入所述光波导。

技术总结
本发明提供一种硅基荧光传感芯片及系统，硅基荧光传感芯片包括光波导、待检测物质通道和感光元件，通入光波导内的激光激发荧光材料层产生荧光信号，荧光材料与待检测物质通道通入的待检测物质反应后，产生变化的荧光信号并耦合至感光元件。本发明通过光波导进行荧光的产生、传导和检测反应，提高检测灵敏度和效率，缩小荧光传感器的尺寸，降低功耗，简化结构，制备方法与半导体工艺兼容，降低成本；同时利用光波导内进行光传导的方法，降低荧光传导过程中的损耗，避免荧光与其他光源发生串扰；另外通过将光波导与待检测物质通道垂直设置，提高检测灵敏度；最后利用多模干涉耦合器分束激光，使产生的荧光信号更均匀，检测结果更可靠。

技术研发人员：王泊,程建功,陈昌,贺庆国,付艳艳
受保护的技术使用者：中国科学院上海微系统与信息技术研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/9/26