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专利名称：集成光波导渐逝场传感器和用在这样的传感器中的基板的纵向部分的制作方法
集成光波导渐逝场传感器和用在这样的传感器中的基板的纵向部分本发明涉及用于感测化学和/或物理量的集成光波导渐逝场传感器，其包括支撑波导层结构的基板，所述基板包括-波导核心层，其夹在由具有比波导核心层更低的折射率的下覆层和上覆层形成的两个覆层之间，以及-感测部分，其包含被包括在上覆层中的感测层。集成光波导渐逝场传感器可以用于感测化学和/或物理量。在使用过程中，传感器通常使用光纤连接到測量设备，其中所述光纤光学地连接到波导核心层。已知传感器的缺点是，感测通常需要由技术人员完成。本发明的目的是从集成光波导渐逝场感器(其中感测可由任何非技术人员完成)被提供的意义上消除这个缺点。为了实现该目的，在介绍中提到的类型的集成光波导渐逝场传感器特征在于，包括所述波导层结构和所述感测部分的所述基板的纵向部分作为单独元件是可更换的。通过在单独元件中有传感器的感测部分，化学和/或物理量的感测可由非技术人员容易完成。例如，这是由于只有所述单独元件在新的感测时间段被更换，使得连接到所述传感器的任何光纤可以保持连接到所述传感器的其余部分。因为传感器与光纤的连接是非常精确的，使得只有技术人员可以正常地将传感器与光纤连接，这允许由任何(非)技术人员完成感测。使用用于感测化学和/或物理量的传感器，必须小心不会发生不同传感器的交叉污染。由于根据本发明的単独的感测部分，交叉污染可以被防止，因为感测部分可在所述感测被完成之后处理棹。另ー优点是，単独元件允许制造缺少所述传感器的単独元件，从而允许生产的更大的自由和/或生产成本的減少。此外，在生产场所，単独元件可以被包覆，使得它被保护而免受外在环境。以这种方式，可以防止传感器的感测部分的污染。在正常情况下，感测层必须在受控环境中被贴到传感器，且因此，感测也通常发生在受控的环境中。使用被包括在根据本发明的单独元件中的感测层，在受控环境中仅制造所述单独元件。在制造后，具有感测层的単独元件可在任何地方使用，以使感测容易在受控环境的外部发生。这允许更自由地使用根据本发明的传感器。此外，所述单独元件允许将元件更换为不同种类的元件的可能性，以使不同类型的感测可以容易完成，而不需要完全更换传感器。因此，提高了根据本发明的传感器的使用的灵活性。注意，纵向部分被理解为使得単独部分在使用过程中在穿过所述传感器的光的传播方向上延伸。优选地，単独元件可位于所述传感器的中间区或端部区附近。如果光纤连接到所述传感器的两个端部区，则位于中间区附近的単独元件是优选的。在根据本发明的传感器的优选的实施方案中，波导层结构形成为在其长度的一部分之上的通道。这样的通道具有在使用过程中穿过所述传感器的光可以被精确地引导的优点。优选地，至少ー个透镜被包括在位于所述通道外部和所述单独元件外部的波导层结构中，使得在使用中离开通道并穿过透镜的发散光束转换成平行光束，所述平行光束具有的宽度大于通道宽度。所述光束的所述宽度的増加可降低単独元件必须被定位的精确度。因此，更换単独元件可变得更加容易。在根据本发明的传感器的另ー优选的实施方案中，所述波导层结构形成为在其长度的所述部分之上的两个平行通道，其中两个透镜被包括在位于通道外部和単独元件外部的波导层结构中，使得在使用中离开两个通道并穿过相应的透镜的两个发散光束转换成平行光束，所述平行光束具有大于通道宽度的宽度。具有用于形成两个平行光束的透镜的两个平行通道具有使第二平行通道可以用于多个目的的优点。例如，只有第一通道可包括包含感测层的感测部分，使得第二通道作为參考通道起作用。在另ー实施方案中，这两个通道可包括感测部分，其包括感测层。使用这样的实施方案，多次感测可以被完成，其中不同的分析物分子可能被感测。此外，相同的分析物分子的感测可在两个感测部分处被完成，以便可提高测量的精确度。另外，感测层中的ー个可以是化学不敏感的，使得该通道作为參考通道起作用，其中參考通道的精确度相对于没有感测层的參考通道提高了。在根据本发明的传感器的实际配置中，所述基板包括分路器，其用于在第一接合处将公共输入通道光学地分成所述第一和第二通道。在根据本发明的传感器的又一优选的实施方案中，所述波导层结构形成为在其长度的第二部分之上的两个平行的第三和第四通道，其中第三透镜和第四透镜被包括在位于通道外部和単独元件外部的波导层结构中，使得在使用中穿过相应透镜的两个平行光束被转换成进入所述第三和第四通道的会聚光束。实际上，所述基板包括组合器，其用于在第二接合处将所述第三和第四通道光学地耦合成公共输出通道。在根据本发明的传感器的优选的实施方案中，単独元件中的核心层包括具有锥形端部区的第二核心层。具有锥形端部区的这样的第二核心层的优点是，这可支持离开传感器的剰余部分的光到単独元件中的耦合，同时可改善感測。为了与轻微的光损耗的正确的耦合，核心层优选地成ー排并优选地具有相同的厚度，使得光波的剖面不改变。很明显，支持具有更大剖面的光波的具有较大厚度的核心层比支持具有更受限的剖面的光波的具有较小厚度的核心层可以更容易地与另ー核心层成ー排。然而，具有増加的厚度的核心层对于感测不是最佳的，因为在感测层中延伸的波的部分是相对小的。因此，为了最佳的感测，具有小的厚度的核心层是优选的。在根据本发明的传感器的实施方案中，正确的耦合可以通过具有从传感器的剰余部分穿过单独元件延伸的核心层而增强，同时由具有包括在単独元件中的锥形端部区的第二核心层增强感测。锥形端部区增强光到第二核心层中的引导。在根据本发明的传感器的另ー优选的实施方案中，至少单独元件的下覆层具有的折射率低于上覆层和/或感测层的折射率。特别是，下覆层的折射率可以低于感测层的折射率。下覆层具有比上覆层的折射率更低的折射率的优点是，这增强了离开传感器的剰余部分的光到単独元件中的耦合，同时感测可被改善。正如上面所解释的，为了最佳耦合，光波的剖面不应该在从传感器的剰余部分到単独元件中的迁移中改变，这可通过成ー排并具有相同的厚度的核心层来实现。通过使下覆层具有比上覆层的折射率更低的折射率，延伸到上覆层中的光的部分相对于延伸到下覆层中的光被扩大了。因此，在本实施方式中，在单独元件中的核心层可具有比剰余部分中的核心层更小的厚度，因为延伸到上覆层中的光的剖面被扩大，从而增强了光的耦合。此外，感测精确度可被提高，因为延伸到感测层中的光的部分增加了。在根据本发明的所述传感器的实际配置中，所述基板由所述下覆层形成为ー个整体的部分。本发明还涉及用在用于感测化学和/或物理量的集成光波导渐逝场传感器中的基板的纵向部分，所述传感器包括支撑波导层结构的基板，其设置有-波导核心层，其夹在由具有比波导核心层更低的折射率的下覆层和上覆层形成的两个覆层之间。-感测部分，其包含被包括在上覆层中的感测层，其中所述基板的包括所述波导层结构以及所述感测部分的所述纵向部分作为单独元件是可更换的。现在，将參照在附图中示出的图更详细地解释本发明，其中-

图1A、1B是根据本发明的传感器的第一实施方案的顶视图，其中纵向部分被示为与传感器分离(1A)，或在传感器的中间区附近的安装位置上(IB)；-图2A、2B是根据本发明的传感器的第二实施方案的顶视图，其中纵向部分被示为与传感器分离(1A)，或在传感器的端部区附近的安装位置上(1B);-图3是图2的传感器的横截面；-图4是根据本发明的传感器的第三实施方案的横截面；-图5是根据本发明的传感器的第四实施方案的横截面，以及-图6A-6T是根据本发明的传感器的配置的示意性表示。图1A和IB的集成光波导渐逝场传感器I由支撑以输入通道波导3的形式的波导层结构的基板2构成，所述输入通道波导分成两个平行分支4和5。在明确定义的长度之后，这两个平行分支4、5再次被组合，以形成输出波导6。进入输入波导3的光在两个分支
4、5之上相等地分开，并在输出波导6处再次组合。耦合到输入通道波导3和输出波导6的为光纤7。如在图1-3中示出的，波导3和两个分支4、5包括波导核心层10，其夹在由具有比波导核心层10更低的折射率的下覆层11和上覆层12形成的两个覆层之间。在掩埋式波导的情况下，光场被完全包含在核心层和缓冲层中，以及光的传播不会受到环境的干扰。通过使用蚀刻技术，在传感器I的两个分支4、5中明确定义的位置处在通道波导上方局部地移除上覆层12。在这些所谓的窗口中，穿过下层波导的光17的渐逝场16延伸到传感器I上方的环境中，并变得易受环境变化的影响。与所关注的分析物分子特异性地结合的感测层13设置在窗ロ的表面上，以形成感测部分14A、14B。当感测部分14A、14B被暴露于样品材料时，分析物分子到感测部分14A、14B中的感测层13的特异性结合由穿过感测分支4、5的光17的渐逝场16探測。这引起光的传播速度的变化。如前所述，相同的分析物分子可以被感测，从而增强了精确度，或不同的分析物的分子可被感测到，从而有在同一时间进行多次感测的机会。可选地，分支4、5的感测部分14A、14B中的感测层13中的一个显示没有特异性结合，使得这个分支可以作为參考分支。因为在參考分支中没有发生特异性结合，光的传播速度不改变，因此导致在输出波导7处来自感测分支和參考分支的光之间的相位差。所引起的相位差与结合到感测层13的分析物分子的量成比例。如图1A和IB所示,所述基板2的包括所述分支4、5以及包含所述感测层13 (參见图3-5)的所述感测部分14A、14B的纵向部分作为单独元件20是可更换的。所述单独元件20可以在图1A中示出的位置(其中元件20与传感器分离)和图1A中所示出的位置(其中元件20位于所述传感器I的中间区附近)之间移动。中间区应当被理解为使得単独元件20被放置在传感器I的两个部分之间，以使传感器I的所述两个部分在単独元件20的相对的端部区延伸。単独元件20不一定必须放置在传感器I的中间。为了使用传感器I得到最佳感测，元件20必须相对于所述传感器I的中间区被正确定位，使得穿过两个分支4、5的光将穿过感测部分14A、14B和感测层13。在垂直方向(其为进入图1的图中的方向)上，正确的定位是相对容易的，因为基板上的所有层的厚度是已知的，使得传感器I的上覆层12的顶表面可被用作用于被动对齐的參考平面。然而，在水平方向(该水平方向是箭头21的方向)上，情况并非如此。因此，分支4、5只形成为在所述传感器I的一部分之上的通道，使得离开通道的端部区21、22的光束将发散。两个透镜23在通道外部以及元件20外部的位置处包括在分支4、5中，使得在使用中离开两个通道并穿过各自的透镜23的两个发散光束被转换成平行光束24、25，所述平行光束24、25具有的宽度大于通道的宽度。由于光束的増加的宽度，元件20的正确位置(其中光束将穿过传感部分14A、14B和感测层13)被提供。第三和第四透镜26在通道外部和単独元件20外部的位置处被包括在传感器I的另一端部处的分支4、5中，使得在使用中穿过各自透镜26的两个平行光束被转换成进入分支4、5的通道的会聚光束。图2A和2B示出了传感器I的另ー实施方案，其中単独元件20可在图2A中所示的位置(其中元件20与传感器I分离)和图2B中所示的位置(其中元件20位于所述传感器I的端部区附近)之间移动。端部区应当被理解为使得単独元件20放置在所述传感器I的一个端部区附近，以使单独元件20的另一端部区是所述传感器I的端部。正如从图2A和2B中清楚的，离开单独元件20的光没有如图1A、1B的传感器I的情况ー样被引导到传感器I的另一部分中。离开传感器的光可被定向在CCD相机上，如杨氏干涉仪中，或使用外部透镜聚焦在光检测器上。如上所述，在垂直方向上定位元件20是相对容易的。然而，如图4所示，为了增强穿过分支4、5的光到単独元件20中的耦合，核心层10具有相对于图3的核心层10的増加的厚度。这个增加的厚度使単独元件20的定位更容易。图4还示出了光17的剖面18在到単独元件20的转移中不会改变。然而延伸到感测层13中的光17的部分16相对小。因此，图4的传感器I的实施方案具有包含在单独元件20中的第一核心层10中的第二核心层30，该第二核心层30具有锥形端部区31、32。如图4中所示，延伸到感测层13中的光17的部分16由于第二核心层30的更小的厚度而增加。由于锥形端部区31、32，光17被有效地引导到第二核心层30中。图5示出了传感器I的另ー实施方案，其中穿过分支4、5的光到単独元件20中的耦合被增强。传感器I的本实施方案的単独元件20的下覆层11具有比上覆层12和感测层13的折射率更低的折射率。由于具有较低的折射率的该下覆层11，光17被有效地引导到単独元件20的核心层10中，因为延伸到上覆层12中的光17的剖面19保持差不多相同。此外，与上覆层和下覆层具有相同的折射率或上覆层具有较高的折射率的传感器相比，延伸到感测层13中的渐逝场増加。由于延伸到感测层13中的増加的渐逝�。�感测的精确度被提高。注意,在图3-5中，传感器I的实施方案的横截面被不出，其中单独兀件20位于传感器I的端部区附近。明显的是，这些横截面也适用于传感器I的实施方案，其中単独元件20位于传感器I的中间区附近，但其中在単独元件20的相対的端部区处延伸的传感器I的部分未被不出。图6A-T示出了根据本发明的传感器的几种配置。如从这些图中显现的，许多配置是可能的。因此，明显的是，这些图并非排他的。另外，明显的是，所有这些可能的配置和/或未示出的配置落在所附权利要求的范围内。为了清楚起见，元件仅在图6A-6C中被编号。图6A示出了波导层结构40被形成为单个路径的配置，该路径具有的宽度大于在图1和图2中所示的通道的宽度。这是根据本发明的传感器的廉价和简单的配置，因为不需要透镜。图6B示出波导层结构40被形成为在其长度的一部分之上的通道的配置。这是根据本发明的传感器的廉价和简单的配置，因为不需要透镜。图6C示出波导层结构40被形成为在其长度的一部分之上的通道的配置。该传感器包括两个透镜23的阵列。两个或更多的透镜的阵列具有与具有相同功率的单个透镜相比衍射损耗更低的优点。图6D-6L示出了波导层结构40被形成为多个路径和/或通道的多种配置。多个路径和/或通道具有如前面所述的多重分析、提高精确度、或具有參考路径或通道的优点。图6M-6T示出了単独元件位于传感器的端部区附近的多种配置。本发明并不限于图中所示的变形，它也延伸到落在所附权利要求的范围内的其他优选的实施方案。
权利要求
1.一种用于感测化学和/或物理量的集成光波导渐逝场传感器，包括支撑波导层结构的基板，所述基板包括-波导核心层，其夹在由具有比所述波导核心层更低的折射率的下覆层和上覆层形成的两个覆层之间，-感测部分，其包含被包括在所述上覆层中的感测层，特征在于，所述基板的包括所述波导层结构以及所述感测部分的纵向部分作为单独元件是可更换的。
2.如权利要求1所述的集成光波导渐逝场传感器，其中所述单独元件能够位于所述传感器的中间区或端部区附近。
3.如权利要求1或2所述的集成光波导渐逝场传感器，其中所述波导层结构形成为在其长度的一部分之上的通道。
4.如权利要求3所述的集成光波导渐逝场传感器，其中至少一个透镜被包括在位于所述通道外部和所述单独元件外部的所述波导层结构中，使得在使用中离开所述通道并穿过所述透镜的发散光束转换成平行光束，所述平行光束具有的宽度大于所述通道的宽度。
5.如前述权利要求1-4中的任一项所述的集成光波导渐逝场传感器，其中所述波导层结构形成为在其长度的所述部分之上的两个平行通道，其中两个透镜被包括在位于所述通道外部和所述单独元件外部的所述波导层结构中，使得在使用中离开所述两个通道并穿过相应的透镜的两个发散光束转换成平行光束，所述平行光束具有的宽度大于所述通道的宽度。
6.如权利要求5所述的集成光波导渐逝场传感器，其中所述基板包括用于在第一接合处将公共输入通道光学地分成所述第一通道和第二通道的分路器。
7.如权利要求5或6所述的集成光波导渐逝场传感器，其中所述波导层结构被形成为在其长度的第二部分之上的两个平行的第三通道和第四通道，其中第三透镜和第四透镜被包括在位于所述通道外部和所述单独元件外部的所述波导层结构中，使得在使用中穿过相应透镜的所述两个平行光束转换成进入所述第三通道和所述第四通道的会聚光束。
8.如权利要求7所述的集成光波导渐逝场传感器，其中所述基板包括用于在第二接合处将所述第三通道和所述第四通道光学地耦合成公共输出通道的组合器。
9.如前述权利要求1-8中的任一项所述的集成光波导渐逝场传感器，其中所述单独元件中的所述核心层包括具有锥形端部区的第二核心层。
10.如前述权利要求1-8中的任一项所述的集成光波导渐逝场传感器，其中至少所述单独元件的所述下覆层具有的折射率低于所述上覆层和/或所述感测层的折射率。
11.如前述权利要求1-10中的任一项所述的集成光波导渐逝场传感器，其中所述基板由所述下覆层形成为一个整体的部分。
12.—种用在根据前述权利要求1-11中的任一项的集成光波导渐逝场传感器中的基板的纵向部分，所述集成光波导渐逝场传感器用于感测化学和/或物理量，所述传感器包括支撑波导层结构的基板，所述基板设置有-波导核心层，其夹在由具有比所述波导核心层更低的折射率的下覆层和上覆层形成的两个覆层之间，-感测部分，其包含被包括在所述上覆层中的感测层，特征在于，所述基板的包括所述波导层结构以及所述感测部分的所述纵向部分作为单独元件是可更换的。
全文摘要
本发明涉及用于感测化学和/或物理量的集成光波导渐逝场传感器(1)，其包括支撑波导层结构的基板(2)，所述基板设置有-波导核心层(10)，其夹在由具有比波导核心层(10)更低的折射率的下覆层(11)和上覆层(12)形成的两个覆层(11、12)之间；-感测部分(14A、14B)，其包含被包括在上覆层(12)中的感测层(13)，其中所述基板的包括所述波导层结构以及所述感测部分(14A、14B)的纵向部分作为单独元件(20)是可更换的。
文档编号G01N21/77GK103026209SQ201180033484
公开日2013年4月3日 申请日期2011年6月15日 优先权日2010年6月17日
发明者M·B·J·迪恩米尔, H·M·M·克列宁科尔坎普, T·M·科斯特 申请人:光学感觉有限公司