包括納米通道的光波導以及使用此類光波導的光流體傳感器的制造方法
【專利說明】包括納米通道的光波導以及使用此類光波導的光流體傳感
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技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種包括納米通道的光波導和使用此類光波導的光流體傳感器。這樣的傳感器可用于例如尤其是在有害環(huán)境中的流體化學、生物、生物化學或物理分析。用于流體分析的傳感器的微型化使得能夠減少流體的使用量，這尤其在流體具有放射性的情況下是重要的。隨后使用的流體樣本具有減少的放射性活動和減少的響應時間。在流體來自于產生非常有限的量的過程(例如色譜餾分或者液-液萃取法過程)的情況下，這對于分析也是重要的。這些光流體傳感器使用吸收光譜測定法。吸收光譜的測量廣泛用在從工業(yè)到科研的任何科學領域中。
[0002]吸收光譜測定法取決于化學物質在某些波長處吸收光的能力。這種能力由Beer-Lambert定律描述，可表示為P = PQexp (-Γ aL)，其中:
[0003]P。為光波導的輸入端處的光功率，
[0004]P為透射進光波導中的光功率，
[0005]a為待分析的流體的吸收系數(shù)，a = ec，其中，ε為待分析的流體的摩爾消光系數(shù)，并且c為待分析的流體的濃度，
[0006]Γ為光與流體的互作用因子，以及
[0007]L為流體與光之間的互作用長度。
[0008]值得注意的是，包括納米通道的光波導還可以用在電信領域，在該情況下，該通道將填充有能對引導的光信號進行調制和/或過濾和/或放大的流體。
【背景技術】
[0009]用于流體分析的集成光傳感器在過去數(shù)年中已經得到快速發(fā)展。實際上，這些傳感器具有多種優(yōu)勢:對電磁干擾不敏感、通用且精確、具有機械和熱穩(wěn)定性。這些傳感器使用截面尺寸介于數(shù)百納米與數(shù)個微米之間的光波導。光與待分析的流體之間的相互作用發(fā)生在數(shù)十納米至數(shù)百納米的深度處。垂直開槽光波導例如從這些文獻[I]，[2]，[3]中獲知，在說明書的最后可找到這些參考文獻。光波導包括頂部有芯2的基板1，芯2采用兩個平行軌2.1、2.2的形式，在這兩個平行軌之間限定有用于容納流體4的槽3。可以參照圖1o芯2通常由諸如氮化硅之類的高折射率的材料制成，基板I自身通常由硅制成。槽3的橫截面被定向為使得副側面基本上平行于基板I的主表面，并且主側面基本上垂直于基板I的主表面。該結構的優(yōu)點在于，注入該波導的光的大多數(shù)準TE分量位于流體中，這導致一方面的待分析的流體與另一方面的引導光之間的相互作用增強。然而，一個缺點在于，當基板為硅板時，光的波長必須大于1.1納米，使得基板能夠透光。
[0010]在美國專利7609932中，對槽進行翻轉，現(xiàn)其橫截面的副側面基本垂直于基板。該槽填充有在所用波長處透明的材料，并且被夾在形成光波導的芯的兩層之間。該透明材料的折射率低于形成光波導的芯的兩層的折射率。該配置不適用于流體分析。在另一配置中，該槽至少局部地被掏空，使流體能夠被引入。損耗降低，引入光波導中的光的準TM分量被限制在流體中。然而，所提出的制造方法不能夠使光波導獲得數(shù)十厘米甚至數(shù)米的大長度，這是因為難以在不破壞放置在槽上的芯層的前提下從槽中移除材料。
[0011]但是，為了能夠根據(jù)Beer-Lambert定律以可接受的靈敏度分析降低的濃度的具有低摩爾系數(shù)的流體，必須能夠使用大的流體/光互作用長度以及(因此)足夠長的光波
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[0012]目前，這種類型的光波導通過沉積層并對這些層進行蝕刻的技術來制作，這些技術是常規(guī)技術。

【發(fā)明內容】

[0013]本發(fā)明的一個目的在于精確地提供一種具有良好靈敏度的包括通道的光波導，所述光波導尤其適用于流體分析(即使這些流體具有低的濃度和摩爾消光系數(shù))。
[0014]本發(fā)明的一個目的在于提供一種擴散或輻射損耗遠小于現(xiàn)有技術的光波導。擴散損耗取決于所采用的技術、波導的粗糙度，而輻射損耗取決于波導的曲率。
[0015]本發(fā)明的另一目的在于提供一種光波導，該光波導可以測量數(shù)十厘米，或者甚至數(shù)十米，并且可以具有一側邊僅幾厘米的封裝(footprint)。
[0016]本發(fā)明的另一目的在于提供一種光波導，當用于流體時，該光波導沒有堵塞通道內部的流體并阻礙其流動的風險。
[0017]本發(fā)明的又一目的在于提供一種光波導，當用于流體時，該光波導不會難以填充或清空。
[0018]本發(fā)明的又一目的在于提供一種光波導，當用于流體時，該光波導沒有因流體所生成的壓力而被損壞的風險。
[0019]為此，本發(fā)明建議結合兩個基板，每個基板包括暴露在這些基板表面處的光導結構，并在任一光導結構或兩個光導結構中設置通道。
[0020]更具體地，本發(fā)明提供了一種光波導，包括:包含第一光導結構的第一基板，所述第一光導結構與所述第一基板的表面齊平；包含第二光導結構的第二基板，所述第二光導結構與所述第二基板的表面齊平，通過使這兩個基板的表面重疊，這兩個基板被組裝為使得兩個光導結構彼此相對并且在相同的方向上延伸；通道，其被安裝在所述第一光導結構與所述第二光導結構之間并沿所述方向定向，所述通道的截面的大尺寸基本上與所述第一基板的表面和所述第二基板的表面平行，所述通道被用于容納流體。
[0021]所述通道與所述第一光導結構，或所述第二光導結構，或所述第一光導結構和所述第二光導結構兩者重疊。
[0022]所述第一光導結構和所述第二光導結構選自平面光波導的芯或條形光波導的芯。
[0023]有利地，尤其為了改善波導中所引導的光信號的橫向限制并降低由波導的可能曲率所引起的功率損耗，所述光波導還包括至少一個儲存器，所述至少一個儲存器橫向連接到所述通道并與所述通道在基本上整個所述通道的長度上連續(xù)地連通。
[0024]所述光波導可以是直線波導，但是為了能夠從具有小封裝的大長度的光波導中受益，優(yōu)選地，所述光波導采用以下任一種:直線形，蛇形，螺旋形，這三種形狀中任意兩種結合而成的形狀，這三種形狀結合而成的形狀。
[0025]可替換地，所述光波導可以是以布拉格反射器或其他類型的反射器結束的環(huán)狀共振結構或法布里-珀羅共振結構。
[0026]優(yōu)選地，為了確保用于在通道中流通的流體的良好流通，該通道具有親水的內表面。
[0027]出于相同的目的，優(yōu)選地，該儲存器具有親水的內表面。
[0028]可替換地，所述通道具有疏水的內表面。所述儲存器具有疏水的內表面。
[0029]有利地，所述第一基板和所述第二基板由玻璃制成，這是因為玻璃對光損害具有低靈敏度，并易于工作。玻璃具有良好的耐腐蝕性并允許光函數(shù)與微流體函數(shù)的協(xié)整分析。
[0030]本發(fā)明還涉及一種用于流體分析的光傳感器，包括:具有上述特征的光波導，所述光波導在所述通道的任一側設置有兩個儲存器；用于流體進入所述通道的裝置，其連接到所述儲存器之一；用于流體從所述通道輸出的裝置，其連接到另一儲存器。
[0031]本發(fā)明還涉及一種光譜測定設備，包括:具有上述特征的光傳感器，連接到所述光波導的一端上的光源以及連接到所述光波導的另一端上的光譜分析儀。
[0032]本發(fā)明還涉及一種用于制作包括通道的光波導的方法，包括以下步驟:
[0033]在第一基板中形成與所述第一基板的表面齊平的第一光導結構，并且在第二基板中形成與所述第二基板的表面齊平的第二光導結構；
[0034]形成與所述第一基板重疊或與所述第二基板重疊或與所述第一和第二基板重疊的通道，所述通道被用于容納流體；
[0035]將所述第一基板和所述第二基板之一翻轉；
[0036]將所述第一基板與所述第二基板通過其表面對齊并進行組裝，使得兩個光導結構彼此相對地重疊并在相同的方向上延伸，所述通道被安裝在所述第一光導結構與所述第二光導結構之間并沿所述方向定向，所述通道的截面的大尺寸基本上與所述第一基板的表面和所述第二基板的表面平行。
[0037]形成所述通道的步驟發(fā)生在形成所述第一光導結構的步驟之前或之后，并且發(fā)生在形成所述第二光導結構的步驟之前或之后。
[0038]有利地，在形成所述第一光導結構的步驟、形成所述第二光導結構的步驟、形成所述通道的步驟之后，并且在翻轉所述基板之一的步驟之前，設置形成至少一個儲存器的步驟，所述至少一個儲存器橫向連接到所述通道并與所述通道在基