基于光学悬臂的试样分析.pdf

摘要
申请专利号：	CN201280018896.5	申请日：	2012.02.24
公开号：	CN103733097A	公开日：	2014.04.16
当前法律状态：	撤回	有效性：	无权
法律详情：	发明专利申请公布后的视为撤回 IPC(主分类):G02B 6/00申请公布日:20140416\|\|\|实质审查的生效IPC(主分类):G02B 6/00申请日:20120224\|\|\|公开
IPC分类号：	G02B6/00; G01N21/00; G02B6/26	主分类号：	G02B6/00
申请人：	全景协同有限公司
发明人：	罗杰·杰弗里
地址：	澳大利亚新南威尔士州
优先权：	2011.02.25 AU 2011900669
专利代理机构：	南京经纬专利商标代理有限公司 32200	代理人：	楼高潮
PDF下载：	PDF下载

内容摘要

一种用于分析试样的设备及其方法。该设备包括：波导(205)，包括用于接收光的输入端和输出端；与波导(205)光学连接的第一微环谐振器(210)；以及与所述第一微环谐振器(210)光学连接的第一柔性光波导(215)。所述第一柔性光波导(215)包括用于与所述试样相互作用的部分。从所述波导(205)的所述输出端发出的光在所述第一微环谐振器(210)的第一光学谐振波长下进行调制，并且所述调制为在所述第一柔性光波导和所述第一微环谐振器(210)之间的距离的函数。

权利要求书

权利要求书
1.   一种用于分析试样的设备，所述设备包括：
波导，包括用于接收光的输入端和输出端；
第一微环谐振器，与所述波导光学连接；以及
第一柔性光波导，与所述第一微环谐振器光学连接；
其中所述第一柔性光波导包括用于与所述试样相互作用的部分；并且
其中从所述波导的所述输出端发出的光在所述第一微环谐振器的第一光学谐振波长下进行调制，并且所述调制为在所述第一柔性光波导和所述第一微环谐振器之间的距离的函数。

2.   如权利要求1所述的设备，其中所述第一柔性光波导包括光学悬臂波导和光束波导中的一个。

3.   如权利要求1所述的设备，其中用于与所述试样相互作用的所述部分包括针对一种或多种待分析物具有选择性的待分析物选择性涂层。

4.   如权利要求1所述的设备，其中用于与所述试样相互作用的所述部分包括尖端，用于与所述试样的表面进行物理相互作用，或者与所述试样的磁性区域反应。

5.   如权利要求1所述的设备，还包括与所述波导的所述输出端连接的检测模块，所述检测模块分析在所述输出端上的所述光以确定在所述试样中待分析物的量和所述试样的轮廓线中的一个。

6.   如权利要求1所述的设备，还包括与所述波导光学连接的第二微环谐振器以及与所述第二微环谐振器光学连接的第二柔性光波导，其中从所述波导的所述输出端发出的光另外在所述第二微环谐振器的第二光学谐振波长下进行调制，并且所述另外的调制是在所述第二柔性光波导和所述第二微环谐振器之间的距离的函数。

7.   如权利要求6所述的设备，其中所述第一微环谐振器和所述第二微环谐振器具有不同的光学谐振波长。

8.   如权利要求7所述的设备，其中所述不同的光学谐振波长为所述微环谐振器的直径以及制造微环谐振器所用的材料的折射率中的任一个或多个的函数。

9.   如权利要求6所述的设备，其中所述第一微环谐振器、所述第二微环谐振器、所述第一柔性光波导和所述第二柔性光波导构造在绝缘体圆晶上的硅上。

10.   如权利要求6所述的设备，其中所述第一微环谐振器、所述第二微环谐振器、所述第一柔性光波导和所述第二柔性光波导构造在具有形成在顶部上的绝缘层的硅衬底上。

11.   如权利要求6所述的设备，其中所述第一微环谐振器和所述第二微环谐振器构造在第一平面上，所述第一柔性光波导和所述第二柔性光波导构造在第二平面上，并且所述第一平面与所述第二平面相邻。

12.   如权利要求6所述的设备，还包括与所述波导的所述输出端连接的检测模块，所述检测模块分析在所述输出端上的所述光以确定出在所述试样中待分析物的量和所述试样的轮廓线中的一个，其中所述检测模块识别出所述第一柔性光波导在所述第一谐振光学波长下的调制和所述第二柔性光波导在所述第二谐振光学波长下的调制。

13.   如权利要求1所述的设备，还包括第二柔性光波导，所述第二柔性光波导与所述第一微环谐振器光学连接。

14.   如权利要求13所述的设备，其中所述第一柔性光波导和所述第二柔性光波导具有不同的刚度。

15.   如权利要求13所述的设备，还包括与所述波导的所述输出端连接的检测模块，所述检测模块分析在所述输出端上的所述光以确定出在所述试样中待分析物的量和所述试样的轮廓线中的一个，其中所述检测模块对根据所述第一柔性光波导或所述第二柔性光波导中的任一个或两个调制的光进行分析。

16.   一种试样的分析方法，该方法包括：
将光输入给波导，其中所述波导与所述第一微环谐振器光学连接，所述第一微环谐振器与第一柔性光波导光学连接；
将所述试样施加到所述第一柔性光波导上，其中所述第一柔性光波导构成为与所述试样相互作用；
使得光在所述第一微环谐振器的第一光学谐振波长下耦合至所述第一微环谐振器中；
根据在所述第一柔性光波导和所述第一微环谐振器之间的距离的函数在所述第一光学谐振波长下调制所述光；并且
在所述波导的输出端处分析所述经调制的光。

17.   如权利要求16所述的方法，其中所述第一柔性光波导包括光学悬臂波导和光束波导中的一个。

18.   如权利要求16所述的方法，其中所述第一柔性光波导构成为通过针对一种或多种待分析物具有选择性的待分析物选择性涂层与所述试样相互作用。

19.   如权利要求16所述的方法，其中所述第一柔性光波导构成为通过用于与所述试样的表面进行物理相互作用或者与所述试样的磁性区域反应的尖端与所述试样相互作用。

20.   如权利要求16所述的方法，其中所述传输光的步骤还包括在所述第二微环谐振器的第二光学谐振波长下将光耦合至第二微环谐振器中，其中所述第二微环谐振器与所述波导光学连接，并且所述第二微环谐振器与第二柔性光波导光学连接，并且所述调制所述光的步骤还包括根据在所述第二柔性光波导和所述第二微环谐振器之间的距离的函数在所述第二光学谐振波长下调制所述光。

说明书

说明书基于光学悬臂的试样分析
技术领域
本发明涉及一种用于分析试样的设备及其方法，更具体地说涉及采用光波导对试样进行分析。
背景技术
已经采用了不同的方法来对试样进行分析以便检测化学和生物待分析物。这种技术例如已经应用于工艺控制、环境监测、医学诊断和安保中。
质谱分析是检测这种待分析物的一种方法。该过程用离子化试样开始，将离子化试样发射穿过受到电磁场作用的真空。电磁场使得较轻离子的路径改变程度比较重离子大。然后使用一系列检测器和照相底板来根据离子质量对离子进行分类。该过程的输出，也就是是来自检测器或照相底板的信号，可以用来确定试样中待分析物的组分。
质谱分析仪的缺点在于，它通常是高成本的仪器。另外，质谱分析仪不耐用，并且不能应用于需要远离信号处理电子器件的传感器头的情况。
最新的方法是采用基于微型机电系统(MEMS)的微结构，并且更具体地说使用微悬臂。这些是非常灵敏的系统，并且已经对检测极限低至10-21g（大约为单个蛋白质分子的质量）的质量传感器进行了多次论证。虽然这些试验是在理想化环境中进行的，但是拒证明实际的基于悬臂的系统可以用于检测大范围的单个待分析物。
根据现有技术，一部分微悬臂通常涂覆有其上吸附着待分析物的待分析物选择性涂层。微悬臂传感器存在两种常见的操作模式，即静态模式和动态模式。
在静态模式中，由于待分析物至待分析物选择性涂层的差异吸收引起悬臂弯曲，所以在悬臂上引起应力差。弯曲程度与所吸附的待分析物量直接相关。可以通过待分析物引起覆盖层膨胀或者通过表面的吉布斯自由能的变化引起应力差。
在动态模式中，被吸附的待分析物改变了悬臂的质量，从而改变了其机械谐振频率。然后测量谐振频率变化的比例和大小，来估算待分析物浓度。通过谐振激励来实现采用这些结构的有源传感。
通常，灵敏的静态传感器需要长柔性悬臂，而动态传感器的高灵敏度表明需要具有高Q因子机械谐振的短刚性悬臂。目前为止，最灵敏的基于微型机电系统的传感器是基于谐振频率的测量。
动态模式悬臂传感器的性能在阻尼较高时降低。尤其是，如果挤压薄膜阻尼是明显的，那么在流体或甚至是气体中会出现这种性能降低。
微悬臂传感器所采用的读取技术主要基于针对原子力显微镜(AFM)分析方法开发出的光学技术。这里，光从悬臂顶端向远程象限检测器反射，该过程被称为光学杠杆作用。也可以采用电学传感和光学传感技术。电学传感包括压阻、压电、电容、Lorentz力/emf传感和隧道电流技术。光学传感技术包括基于光干涉的光学传感，光学干涉在干涉仪中进行或者采用来自由一排悬臂形成的光栅的衍射来进行。在文献中，采用由一排悬臂形成的光栅的后面结构通常被描述为阵列，但是针对单个待分析物而言仍然是有效的传感器。
待分析物检测的另一种方法，其中采用大而紧凑的单个传感器的集成阵列，尤其是针对多个待分析物、多分析应用的情况。这在要识别出未知物质时或者在要同时检测多种化学物质的情况下尤为有用。这种需求的示例有，在筛除其中存在许多不同潜在污染物的食物的杀虫剂时、在单个血液试样中检测不同的抗体或者检测在行李中是否存在许多可能的违禁毒品或爆炸物时。另外，传感器阵列也能够通过将在许多传感器上的响应取平均值来明显改善检测的统计数据(包括较少的假阳性和假阴性)，并且能够采用多元统计的化学计量技术，如在光谱分析中通常采用的技术一样。
当前的分析物检测技术存在多个缺点。首先，没有已知方法具有成本效益地将大量传感器集成到单个基板上。另外，缺少一种紧凑、坚固耐用并且具有成本效益的读取技术来将高灵敏度与高动态范围组合在一起。
针对将悬臂传感器应用于传感器阵列的限制是源自当前可以用来测量由待分析物引起的悬臂变化的技术。在传感器阵列中，基于AFM的悬臂系统的问题在于，这样的悬臂系统非常大，因为它们结合有庞大的自由空间光学元件。另外，电悬臂系统的问题在于，它们需要大量的芯片上通电的电子元件。
发明内容
在一种形式中，本发明涉及一种用于分析试样的设备，所述设备包括：
波导，包括用于接收光的输入端和输出端；
第一微环谐振器，其与所述波导光学连接；以及
第一柔性光波导，其与所述第一微环谐振器光学连接，
其中所述第一柔性光波导包括用于与所述试样相互作用的部分，并且
其中从所述波导的所述输出端发出的光在所述第一微环谐振器的第一光学谐振波长下进行调制，并且所述调制为在所述第一柔性光波导和所述第一微环谐振器之间的距离的函数。
优选地，所述第一柔性光波导包括光学悬臂波导和光束波导中的一个。
优选地，用于与所述试样相互作用的所述部分包括针对一种或多种待分析物具有选择性的待分析物选择性涂层。
可选的是或者另外，用于与所述试样相互作用的所述部分包括尖端。优选地，所述尖端用于与所述试样的表面进行物理相互作用。可选的是，所述尖端包括与所述试样的磁性区域反应的铁磁材料。
优选地，所述设备还包括与所述波导的所述输出端连接的检测模块，该检测模块分析在所述输出端上的所述光以确定在所述试样中待分析物的量和所述试样的轮廓线中的一个。所述轮廓线例如可以是物理轮廓线或磁力轮廓线。
优选地，所述设备包括与所述波导光学连接的第二微环谐振器，以及与所述第二微环谐振器光学连接的第二柔性光波导，其中从所述波导的所述输出端发出的光另外在所述第二微环谐振器的第二光学谐振波长下进行调制，并且所述另外的调制是在所述第二柔性光波导和所述第二微环谐振器之间的距离的函数。
优选地，所述第一微环谐振器和所述第二微环谐振器具有不同的光学谐振波长。优选地，所述不同的光学谐振波长为所述微环谐振器的直径以及制造微环谐振器所用的材料的折射率中的任一个或多个的函数。
优选地，所述第一微环谐振器、所述第二微环谐振器、所述第一柔性光波导和所述第二柔性光波导构造在绝缘圆晶的硅上。
可选地，所述第一微环谐振器、所述第二微环谐振器、所述第一柔性光波导和所述第二柔性光波导构造在具有形成在顶部上的绝缘层的硅衬底上。
优选地，所述第一微环谐振器和所述第二微环谐振器构造在第一平面上，所述第一柔性光波导和所述第二柔性光波导构造在第二平面上，所述第一平面与所述第二平面相邻。
优选地，所述检测模块识别出所述第一柔性光波导在所述第一谐振光学波长处的调制和所述第二柔性光波导在所述第二谐振光学波长下的调制。
任选地，第二柔性光波导与所述第一微环谐振器光学连接。
任选地，所述第一柔性光波导和所述第二柔性光波导具有不同的刚度。
任选地，所述检测模块对根据所述第一柔性光波导或所述第二柔性光波导中的任一个或两个调制的光进行分析。
在另一种形式中，本发明涉及试样的分析方法，所述方法包括：
将光输入给波导，其中所述波导与所述第一微环谐振器光学连接，所述第一微环谐振器与第一柔性光波导光学连接；
将所述试样施加到所述第一柔性光波导上，其中所述第一柔性光波导配置成为与所述试样相互作用；
使得光在所述第一微环谐振器的第一光学谐振波长下耦合到所述第一微环谐振器中；
根据在所述第一柔性光波导和所述第一微环谐振器之间的距离的函数在所述第一光学谐振波长下调制所述光；并且
在所述波导的输出端处分析所述经调制的光。
优选地，所述第一柔性光波导包括光学悬臂波导和光束波导中的一个。
优选地，所述第一柔性光波导通过针对一种或多种待分析物具有选择性的待分析物选择性涂层与所述试样相互作用。可选的是或另外，所述第一柔性光波导构成为通过尖端与所述试样相互作用。
优选地，所述耦合光的步骤还包括在所述第二微环谐振器的第二光学谐振波长下将光耦合到第二微环谐振器中，其中所述第二微环谐振器与所述波导光学连接，并且所述第二微环谐振器与第二柔性光波导光学连接，并且所述调制所述光的步骤还包括根据在所述第二柔性光波导和所述第二微环谐振器之间的距离的函数在所述第二光学谐振波长下调制所述光。
优选地，所述分析所述光的步骤涉及采用波长分析。
附图说明
为了帮助理解本发明以使得本领域技术人员能够实施本发明，下面将参照附图只是以实施例的方式对本发明的优选实施方案进行说明，其中：
图1示出了根据现有技术的光学悬臂式波导的侧视图；
图2a示出了根据本发明第一实施方案的用于检测待分析物的设备的顶视图；
图2b示出了根据本发明第一实施方案的用于检测待分析物的图2a的设备的剖视图；
图3示出了根据本发明第二实施方案的用于检测待分析物的设备的示意图；
图4示出了根据本发明第三实施方案的用于检测待分析物的设备的示意图；并且
图5示出了根据本发明第四实施方案的用于检测待分析物的设备的示意图。
具体实施方式
虽然本发明可以有各种变型和可选的结构，但是在这里将对在这些附图中所示的示例性实施方案进行详细说明。但是要理解的是，这里并不打算将本发明限制于所披露的具体实施例。相反，本发明打算涵盖落入在所附权利要求书中所限定的本发明精神和范围内的所有变型、等同方案和可选结构。
图1示出了根据现有技术的光学悬臂波导100的侧剖视图。光学悬臂波导100包括固定部件102和动态部件104。固定部件安装在绝缘体108例如SiO2或Si3N4上。绝缘体108安装在基板110例如Si基板上。该层状结构使得能够通过将基板110、绝缘体108和光学悬臂波导100层叠在一起来简单地构造出光学悬臂波导100。然后将绝缘体108的一个区域(以及也可能是基板110的区域)蚀刻掉，从而形成在光学悬臂波导100的动态部件104下面的孔隙112。悬臂波导100的动态部件104与固定波导106光学连接。
动态部件104自由地在绝缘体108中的孔隙112上方运动。一旦吸收待分析物，光学悬臂波导100的动态部件104的质量改变。这种质量改变导致光学悬臂波导100的机械谐振频率变化。
光在光学悬臂波导100的固定部件102的端部114处进入并且沿着波导104传播到动态部件104。光沿着朝着固定波导106的方向离开动态部件104。
在动态模式中，进入固定波导106的光由于在动态部件104和与动态部件104紧密相邻的固定波导106之间的耦合损失而受振幅调制，该损失随着动态部件104振动而出现。进入固定波导106的光名义上在动态部件104的振动频率的两倍下受到调制以便进行对称振动。可选的是，在静态模式中，光学悬臂波导100的动态部件104可以在吸收待分析物时改变形状。在该情况下，进入固定波导106的光具有基于光学悬臂波导100的动态部件104的形状的振幅。
对进入固定波导106的光进行分析以检测出在光学悬臂波导100上待分析物的存在。可以将该光与具有已知特性的光例如由于待分析物的存在而经调制的光进行比较。可选地，可以估计出光学悬臂波导100的机械谐振频率或形状，并且将它与预定特性进行比较。
本发明涉及用于分析试样的设备。该设备包括：波导，其包括输入端和输出端，用于在所述输入端处接收光；与所述波导光学连接的微环谐振器；以及与所述微环谐振器光学连接的柔性光波导。柔性光波导具有用于与试样相互作用的部分。在波导的输出端上的光根据在柔性光波导和微环谐振器之间的距离的函数在微环谐振器的光学谐振波长下进行调制。
本发明的优点在于能够以经济的方式在小的表面上具有非常多的传感器，从而例如能够有效检测多种待分析物或者有效检测三维表面。另外，本发明的传感器是结实的，并且没有笨重的光学元件，并且可能具有独立的单个处理单元。
图2a示出了设备200的顶视图，图2b示出了根据本发明第一实施方案用于分析试样的图2a设备200的截面图(A-A)。该设备200包括波导205、微环谐振器210和光学悬臂波导215。
波导205与微环谐振器210相邻并且光学连接。光学悬臂波导215在微环谐振器210的与波导205相对的侧面上与微环谐振器210相邻并且光学连接。
在一个实施方案中，波导205、微环谐振器210和光学悬臂波导215构造在绝缘体(Sol)圆晶的硅上。波导205和微环谐振器210构造在绝缘体圆晶上的硅的第一平面上，并且光学悬臂波导215构造在绝缘体圆晶上的硅的第二平面上。第二平面与第一平面相邻并且成间隔关系，从而得到位于微环谐振器210的顶部上并且与之重叠的光学悬臂波导215。
可选地，微环谐振器210可以构造在相同的平面中，并且与光学悬臂波导215相邻。另外，应该理解的是，波导205可以构造在与微环谐振器210不同的平面上，从而波导205位于微环谐振器210的顶部上并且与之重叠，由此在波导205和微环谐振器210没有接触的情况下，光从波导205耦合至微环谐振器210。
将设备200构造在绝缘体圆晶上的硅上的可选方式可以是将设备200构造在硅衬底上，并且在硅衬底的顶部上形成绝缘层。但是，应该理解的是，可以采用任意合适的结构来构造设备200。
如前面参照图1所述一样，光学悬臂波导215包括固定部件和动态部件，其中动态部件自由地在空隙上方运动。
一旦吸收待分析物，光学悬臂波导215的质量变化。在动态操作模式中，质量的变化导致光学悬臂波导215的机械谐振频率变化。在静态操作模式中，待分析物的存在使得光学悬臂波导215的形状变化。
根据可选实施方案(未示出)，光学悬臂波导通过尖端(未示出)与试样相互作用，以便例如进行原子力测量。尖端可以与试样的表面进行物理相互作用，或者例如根据所述试样的磁性区域反应。
光学悬臂波导215如此设置，从而动态部件的运动与微环谐振器210基本上垂直。光学悬臂波导215的动态部件的运动导致在光学悬臂波导215和微环谐振器210之间的距离变化，因此导致从波导205通过微环谐振器210耦合至光学悬臂波导215的光量变化。在波导205的输出端处可以测量出这种光变化或调制以确定出待分析物的存在和/或浓度。
输入给波导205的光以微环谐振器210的光学谐振波长耦合至微环谐振器210。光学谐振波长取决于微环谐振器210的直径或周长以及制造该微环谐振器210的材料的折射率，并且由下面的公式得出：
λ=Lmneff]]>公式1
其中：
λ为光学谐振波长；
L为微环谐振器210的圆周或周长，并且由π×d得出，其中d为微环谐振器210的直径；
m为空腔谐振模序号(1、2、3…)；并且
neff为制造微环谐振器的材料的折射率。
然后在微环谐振器210的光学谐振波长下调制从波导205输出的光，其中根据在光学悬臂波导215和微环谐振器210之间的距离变化的函数来进行这种调制。在光学悬臂波导215的输出端处出现相应的调制。然后分析并且估计在波导205的输出端处的经调制光以确定出待分析物的存在和/或浓度。可选的是，可以在光学悬臂波导215的输出端处分析经调制的光。最后，将经调制的光与已知的特定待分析物和待分析物的浓度的调制进行比较。
图3示出了根据本发明第二实施方案的用于分析试样的设备300的示意图。该设备类似于图2的设备200，除了该设备300包括与两个微环谐振器310a、310b光学连接的波导305，其中每个微环谐振器310a、310b与相应的光学悬臂波导315a、315b光学连接。
第一光学悬臂波导315a如此设置，从而第一光学悬臂波导315a的动态部件的运动与第一微环谐振器210a基本上垂直。第二光学悬臂波导315b如此设置，从而第二光学悬臂波导315b的动态部件的运动与第二微环谐振器310b基本上垂直。
与第一实施方案类似，第一微环谐振器310a和第二微环谐振器310b可以构造在绝缘体圆晶上的硅上，并且第一光学悬臂波导315a和第二光学悬臂波导315b可以构造在绝缘体圆晶上的硅的第二平面上。可选的是，该设备300可以构造在在顶部上具有绝缘层的硅衬底上。
在第一微环谐振器310a的第一光学谐振波长下将输入给波导305的光耦合至第一微环谐振器310a。同样，在第二微环谐振器310b的第二光学谐振波长下将输入给波导305的光耦合至第二微环谐振器310b。在波导305的输出端处的光根据在第一光学悬臂波导315a和第一微环谐振器310a之间的距离的函数在第一光学谐振波长下进行调制。相应量的光在第一光学悬臂波导315a的输出端处进行调制。
同样，在第二光学谐振波长下在波导305的输出端处的光另外根据在第二光学悬臂波导315b和第二微环谐振器310b之间的距离的函数受到调制。相应量的光在第二光学悬臂波导315b的输出端处进行调制。
可以针对待分析物的存在和/或浓度或者试样的轮廓线实时地或者随后在第一和第二光学谐振波长下对从波导305输出的调制光进行分析。可选的是，可以在每个光学悬臂波导315的输出端处分析经调制的光。另外，可以将从每个光学悬臂波导315输出的光复合并且随后进行分析。
图4显示出根据本发明第三实施方案的用于分析试样的设备400的示意图。与在图3中所示的实施方案类似，该设备400包括波导405、多个微环谐振器410a-410z和多个光学悬臂波导415a-415z。另外，该设备400包括用于分析从波导405输出的光的检测模块。
波导405与多个微环谐振器410a-410z光学连接。另外，多个光学悬臂波导415a至415z中的每一个与相应的微环谐振器410a至410z光学连接。
与前面实施方案类似，在波导405的输出端处微环谐振器410a-410z中的每一个的光学谐振波长下，根据在相应光学悬臂波导415a至415z和相关的微环谐振器410a至410z之间的距离的函数对光进行调制。同样，在光学悬臂波导415a至415z处的输出端对相应量的光进行调制。
检测模块420与波导405的输出端连接，并且分析从波导405的输出端传输出的调制光，以便例如检测一种或多种试样中的存在的待分析物或者分析试样的轮廓线。可选地，检测模块420可以与光学悬臂波导415a至415z中的每一个的输出端光学连接。
图5显示出根据本发明第四实施方案的用于分析试样的设备500的示意图。该设备500包括波导505、微环谐振器510、第一光学悬臂波导515a、第二光学悬臂波导515b和检测模块520。
该设备500与在图2中所示的设备类似，除了单个微环谐振器510与两个光学悬臂波导515a、515b光学连接。虽然只示出了两个光学悬臂波导515a、515b，但是应该理解的是，该设备500可以包括与微环谐振器510连接的两个以上的光学悬臂波导515。
在该实施方案中，光学悬臂波导515a、515b具有不同的刚度，因此具有不同的机械谐振频率。光学悬臂波导515a、515b的刚度在动态操作模式的情况下影响谐振频率，或者在静态操作模式的情况中影响光学悬臂波导515a、515b的弯曲量。
检测模块520在动态模式的情况下根据每个光学悬臂波导515a、515b检测不同的谐振频率。从谐振频率和/或相应的振幅中，检测模块520能够确定待分析物的类型和浓度。
可选地，检测模块520可以选择操作光学悬臂波导515a或515b。一旦已经启用光学悬臂波导515a、515b中的一个，则可以通过检测模块520分析由于该启用的光学悬臂波导515a、515b而从波导505输出的调制光，以便分析待分析物的存在或者确定试样的轮廓线。
图6a示出了根据本发明第五实施方案的用于分析试样的设备600的顶视图，并且图6b显示出图6a的设备600的横截面图(A-A)。
与图2的设备200类似，该设备600包括波导205和微环谐振器210，但是代替光学悬臂波导215，该设备600包括柔性梁605。
该梁605通过连接部件610在两端锚固，并且另外自由地围绕着孔隙运动。该梁605包括尖端615，它能够与试样直接相互作用。一旦与试样相互作用，尖端615将向梁605施加压力，因此使得梁605弯曲并且朝着或远离微环谐振器210运动。
梁605在微环谐振器210的与波导205相对的侧面上与微环谐振器210相邻并且光学连接。
该梁605如此设置，从而由尖端615引起的运动与微环谐振器210基本上垂直。这种运动导致在梁605和微环谐振器210之间的距离变化，因此导致从波导205通过微环谐振器210耦合至梁605的光量变化。可以在波导205的输出端处测量出这种光变化或调制以确定出试样的表面。
通过在两个端部处锚固梁605，与图2的光学悬臂波导215相比可以实现更大的刚度和/或扭转刚度。
本领域技术人员将很容易理解的是，上述附图为多个柔性光波导205a、205b、305a至305z、605和微环谐振器210a、210b、310a至310z的连接特性的例举说明。许多这些柔性光波导205a、205b、305a至305z、605和微环谐振器210a、210b、310a至310z可以按照各种布置光学连接。在例举说明第一和第二光学悬臂波导或微环谐振器时，这里决不是打算对本发明进行限制，并且本领域技术人员要理解的是，这些第一和第二元件可以代表来自多个元件中的第一和第二元件。
另外，检测模块420、520不必与设备400、500直接连接。例如可以在与试样施加不同的时间记录和分析经调制的光。
本领域技术人员很容易理解的是，对试样的分析不必限制于特定试样类型或特定待分析物类型。例如，试样可以包括含有编码数据的介质，例如磁性介质或者其中在所述介质表面上编码有数据的介质。同样，分析可以包括从介质中读取数据或将数据解码，或者其它试样分析。
另外，光行进穿过系统的不同部件的方向是为了解释说明。本领域技术人员要理解的是，光可以沿着任一方向行进穿过部件。
同样，采用了术语例如光、光源和光学信号，并且如本领域技术人员所理解的一样，光或光学信号可以来回转变成另一种类型的信号，例如电子信号。在采用光、光源和光学信号时，光信号实际上可以按照非光学的形式例如电信号进行发送和/或处理。这种示例为可以接收光学信号的电子形式的检测模块420、520。
在本发明的可选实施方案中在设备中的所有光学微环谐振器210、310a、310b、410a-410z、510不都具有不同的直径。还期望具有例如多个光学悬臂波导215、315a、315b、415a-415z、515a、515b，构成用于重复检测相同待分析物的存在以便提高结果的可靠性或者为了其它目的。
本领域普通技术人员要理解的是，在当前说明书的技术启示下，本发明的优点在于能够以经济的方式在较小的表面上具有非常多的传感器，从而能够有效检测多种待分析物或者准确测定样品的轮廓线。另外，本发明的传感器是结实的，并且没有笨重的光学元件，并且可以具有独立的单个处理单元。
本发明各个实施方案的上述说明提供用于对相关领域的普通技术人员进行说明。它不打算进行穷举，或者将本发明限制于单个所披露的实施方案。如上所述，得到上述教导的本发明技术人员可以很容易想到本发明的许多替换方案和变型。因此，虽然已经对一些可选实施方案进行了具体说明，但是本领域普通技术人员很容易想到或相对容易地开发出其它实施方案。因此，该专利说明书打算涵盖已经在这里说明的所有可选方案、变型和变化以及落入在上述发明的精神和范围内的其它实施方案。
在任意专利权利要求中的限制应该根据在这些权利要求中所采用的语言进行广义解释，并且这些限制不应该局限于在这里所述的具体实施例。在该说明书中，术语“本发明”用于指代在本公开内容内的一个或多个方面。术语“本发明”不应该不正确地解释为表示关键要素，不应该不正确地解释为适用于所有方面和实施方案，并且不应该不正确地解释为限制任一个专利权利要求的范围。

资源描述

《基于光学悬臂的试样分析.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于光学悬臂的试样分析.pdf（16页珍藏版）》请在专利查询网上搜索。

1、(10)申请公布号 CN 103733097 A(43)申请公布日 2014.04.16CN103733097A(21)申请号 201280018896.5(22)申请日 2012.02.242011900669 2011.02.25 AUG02B 6/00(2006.01)G01N 21/00(2006.01)G02B 6/26(2006.01)(71)申请人全景协同有限公司地址澳大利亚新南威尔士州(72)发明人罗杰杰弗里(74)专利代理机构南京经纬专利商标代理有限公司 32200代理人楼高潮(54) 发明名称基于光学悬臂的试样分析(57) 摘要一种用于分析试样的设备及其方法。该设备包括：波。

2、导(205)，包括用于接收光的输入端和输出端；与波导(205)光学连接的第一微环谐振器(210)；以及与所述第一微环谐振器(210)光学连接的第一柔性光波导(215)。所述第一柔性光波导(215)包括用于与所述试样相互作用的部分。从所述波导(205)的所述输出端发出的光在所述第一微环谐振器(210)的第一光学谐振波长下进行调制，并且所述调制为在所述第一柔性光波导和所述第一微环谐振器(210)之间的距离的函数。(30)优先权数据(85)PCT国际申请进入国家阶段日2013.10.17(86)PCT国际申请的申请数据PCT/AU2012/000185 2012.02.24(87)PCT国际申请的公。

3、布数据WO2012/113034 EN 2012.08.30(51)Int.Cl.权利要求书2页说明书8页附图5页(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页说明书8页附图5页(10)申请公布号 CN 103733097 ACN 103733097 A1/2页21.一种用于分析试样的设备，所述设备包括：波导，包括用于接收光的输入端和输出端；第一微环谐振器，与所述波导光学连接；以及第一柔性光波导，与所述第一微环谐振器光学连接；其中所述第一柔性光波导包括用于与所述试样相互作用的部分；并且其中从所述波导的所述输出端发出的光在所述第一微环谐振器的第一光学谐振波长下进行。

4、调制，并且所述调制为在所述第一柔性光波导和所述第一微环谐振器之间的距离的函数。2.如权利要求1所述的设备，其中所述第一柔性光波导包括光学悬臂波导和光束波导中的一个。3.如权利要求1所述的设备，其中用于与所述试样相互作用的所述部分包括针对一种或多种待分析物具有选择性的待分析物选择性涂层。4.如权利要求1所述的设备，其中用于与所述试样相互作用的所述部分包括尖端，用于与所述试样的表面进行物理相互作用，或者与所述试样的磁性区域反应。5.如权利要求1所述的设备，还包括与所述波导的所述输出端连接的检测模块，所述检测模块分析在所述输出端上的所述光以确定在所述试样中待分析物的量和所述试样的轮廓线中的一个。6.。

5、如权利要求1所述的设备，还包括与所述波导光学连接的第二微环谐振器以及与所述第二微环谐振器光学连接的第二柔性光波导，其中从所述波导的所述输出端发出的光另外在所述第二微环谐振器的第二光学谐振波长下进行调制，并且所述另外的调制是在所述第二柔性光波导和所述第二微环谐振器之间的距离的函数。7.如权利要求6所述的设备，其中所述第一微环谐振器和所述第二微环谐振器具有不同的光学谐振波长。8.如权利要求7所述的设备，其中所述不同的光学谐振波长为所述微环谐振器的直径以及制造微环谐振器所用的材料的折射率中的任一个或多个的函数。9.如权利要求6所述的设备，其中所述第一微环谐振器、所述第二微环谐振器、所述第一柔性光波导。

6、和所述第二柔性光波导构造在绝缘体圆晶上的硅上。10.如权利要求6所述的设备，其中所述第一微环谐振器、所述第二微环谐振器、所述第一柔性光波导和所述第二柔性光波导构造在具有形成在顶部上的绝缘层的硅衬底上。11.如权利要求6所述的设备，其中所述第一微环谐振器和所述第二微环谐振器构造在第一平面上，所述第一柔性光波导和所述第二柔性光波导构造在第二平面上，并且所述第一平面与所述第二平面相邻。12.如权利要求6所述的设备，还包括与所述波导的所述输出端连接的检测模块，所述检测模块分析在所述输出端上的所述光以确定出在所述试样中待分析物的量和所述试样的轮廓线中的一个，其中所述检测模块识别出所述第一柔性光波导在所述。

7、第一谐振光学波长下的调制和所述第二柔性光波导在所述第二谐振光学波长下的调制。13.如权利要求1所述的设备，还包括第二柔性光波导，所述第二柔性光波导与所述第一微环谐振器光学连接。14.如权利要求13所述的设备，其中所述第一柔性光波导和所述第二柔性光波导具有权利要求书CN 103733097 A2/2页3不同的刚度。15.如权利要求13所述的设备，还包括与所述波导的所述输出端连接的检测模块，所述检测模块分析在所述输出端上的所述光以确定出在所述试样中待分析物的量和所述试样的轮廓线中的一个，其中所述检测模块对根据所述第一柔性光波导或所述第二柔性光波导中的任一个或两个调制的光进行分析。16.一种。

8、试样的分析方法，该方法包括：将光输入给波导，其中所述波导与所述第一微环谐振器光学连接，所述第一微环谐振器与第一柔性光波导光学连接；将所述试样施加到所述第一柔性光波导上，其中所述第一柔性光波导构成为与所述试样相互作用；使得光在所述第一微环谐振器的第一光学谐振波长下耦合至所述第一微环谐振器中；根据在所述第一柔性光波导和所述第一微环谐振器之间的距离的函数在所述第一光学谐振波长下调制所述光；并且在所述波导的输出端处分析所述经调制的光。17.如权利要求16所述的方法，其中所述第一柔性光波导包括光学悬臂波导和光束波导中的一个。18.如权利要求16所述的方法，其中所述第一柔性光波导构成为通过针对一种或多种待。

9、分析物具有选择性的待分析物选择性涂层与所述试样相互作用。19.如权利要求16所述的方法，其中所述第一柔性光波导构成为通过用于与所述试样的表面进行物理相互作用或者与所述试样的磁性区域反应的尖端与所述试样相互作用。20.如权利要求16所述的方法，其中所述传输光的步骤还包括在所述第二微环谐振器的第二光学谐振波长下将光耦合至第二微环谐振器中，其中所述第二微环谐振器与所述波导光学连接，并且所述第二微环谐振器与第二柔性光波导光学连接，并且所述调制所述光的步骤还包括根据在所述第二柔性光波导和所述第二微环谐振器之间的距离的函数在所述第二光学谐振波长下调制所述光。权利要求书CN 103733097 A1。

10、/8页4基于光学悬臂的试样分析技术领域0001 本发明涉及一种用于分析试样的设备及其方法，更具体地说涉及采用光波导对试样进行分析。背景技术0002 已经采用了不同的方法来对试样进行分析以便检测化学和生物待分析物。这种技术例如已经应用于工艺控制、环境监测、医学诊断和安保中。0003 质谱分析是检测这种待分析物的一种方法。该过程用离子化试样开始，将离子化试样发射穿过受到电磁场作用的真空。电磁场使得较轻离子的路径改变程度比较重离子大。然后使用一系列检测器和照相底板来根据离子质量对离子进行分类。该过程的输出，也就是是来自检测器或照相底板的信号，可以用来确定试样中待分析物的组分。0004 质谱分析仪的缺。

11、点在于，它通常是高成本的仪器。另外，质谱分析仪不耐用，并且不能应用于需要远离信号处理电子器件的传感器头的情况。0005 最新的方法是采用基于微型机电系统(MEMS)的微结构，并且更具体地说使用微悬臂。这些是非常灵敏的系统，并且已经对检测极限低至10-21g（大约为单个蛋白质分子的质量）的质量传感器进行了多次论证。虽然这些试验是在理想化环境中进行的，但是拒证明实际的基于悬臂的系统可以用于检测大范围的单个待分析物。0006 根据现有技术，一部分微悬臂通常涂覆有其上吸附着待分析物的待分析物选择性涂层。微悬臂传感器存在两种常见的操作模式，即静态模式和动态模式。0007 在静态模式中，由于待分析物至待分。

12、析物选择性涂层的差异吸收引起悬臂弯曲，所以在悬臂上引起应力差。弯曲程度与所吸附的待分析物量直接相关。可以通过待分析物引起覆盖层膨胀或者通过表面的吉布斯自由能的变化引起应力差。0008 在动态模式中，被吸附的待分析物改变了悬臂的质量，从而改变了其机械谐振频率。然后测量谐振频率变化的比例和大小，来估算待分析物浓度。通过谐振激励来实现采用这些结构的有源传感。0009 通常，灵敏的静态传感器需要长柔性悬臂，而动态传感器的高灵敏度表明需要具有高Q因子机械谐振的短刚性悬臂。目前为止，最灵敏的基于微型机电系统的传感器是基于谐振频率的测量。0010 动态模式悬臂传感器的性能在阻尼较高时降低。尤其是，如果挤压薄。

13、膜阻尼是明显的，那么在流体或甚至是气体中会出现这种性能降低。0011 微悬臂传感器所采用的读取技术主要基于针对原子力显微镜(AFM)分析方法开发出的光学技术。这里，光从悬臂顶端向远程象限检测器反射，该过程被称为光学杠杆作用。也可以采用电学传感和光学传感技术。电学传感包括压阻、压电、电容、Lorentz力/emf传感和隧道电流技术。光学传感技术包括基于光干涉的光学传感，光学干涉在干涉仪中进行或者采用来自由一排悬臂形成的光栅的衍射来进行。在文献中，采用由一排悬臂形成的光栅的后面结构通常被描述为阵列，但是针对单个待分析物而言仍然是有效的传感器。说明书CN 103733097 A2/8页50012。

14、待分析物检测的另一种方法，其中采用大而紧凑的单个传感器的集成阵列，尤其是针对多个待分析物、多分析应用的情况。这在要识别出未知物质时或者在要同时检测多种化学物质的情况下尤为有用。这种需求的示例有，在筛除其中存在许多不同潜在污染物的食物的杀虫剂时、在单个血液试样中检测不同的抗体或者检测在行李中是否存在许多可能的违禁毒品或爆炸物时。另外，传感器阵列也能够通过将在许多传感器上的响应取平均值来明显改善检测的统计数据(包括较少的假阳性和假阴性)，并且能够采用多元统计的化学计量技术，如在光谱分析中通常采用的技术一样。0013 当前的分析物检测技术存在多个缺点。首先，没有已知方法具有成本效益地将大量传感器集。

15、成到单个基板上。另外，缺少一种紧凑、坚固耐用并且具有成本效益的读取技术来将高灵敏度与高动态范围组合在一起。0014 针对将悬臂传感器应用于传感器阵列的限制是源自当前可以用来测量由待分析物引起的悬臂变化的技术。在传感器阵列中，基于AFM的悬臂系统的问题在于，这样的悬臂系统非常大，因为它们结合有庞大的自由空间光学元件。另外，电悬臂系统的问题在于，它们需要大量的芯片上通电的电子元件。发明内容0015 在一种形式中，本发明涉及一种用于分析试样的设备，所述设备包括：0016 波导，包括用于接收光的输入端和输出端；0017 第一微环谐振器，其与所述波导光学连接；以及0018 第一柔性光波导，其与所述第一微。

16、环谐振器光学连接，0019 其中所述第一柔性光波导包括用于与所述试样相互作用的部分，并且0020 其中从所述波导的所述输出端发出的光在所述第一微环谐振器的第一光学谐振波长下进行调制，并且所述调制为在所述第一柔性光波导和所述第一微环谐振器之间的距离的函数。0021 优选地，所述第一柔性光波导包括光学悬臂波导和光束波导中的一个。0022 优选地，用于与所述试样相互作用的所述部分包括针对一种或多种待分析物具有选择性的待分析物选择性涂层。0023 可选的是或者另外，用于与所述试样相互作用的所述部分包括尖端。优选地，所述尖端用于与所述试样的表面进行物理相互作用。可选的是，所述尖端包括与所述试样的磁性区域。

17、反应的铁磁材料。0024 优选地，所述设备还包括与所述波导的所述输出端连接的检测模块，该检测模块分析在所述输出端上的所述光以确定在所述试样中待分析物的量和所述试样的轮廓线中的一个。所述轮廓线例如可以是物理轮廓线或磁力轮廓线。0025 优选地，所述设备包括与所述波导光学连接的第二微环谐振器，以及与所述第二微环谐振器光学连接的第二柔性光波导，其中从所述波导的所述输出端发出的光另外在所述第二微环谐振器的第二光学谐振波长下进行调制，并且所述另外的调制是在所述第二柔性光波导和所述第二微环谐振器之间的距离的函数。0026 优选地，所述第一微环谐振器和所述第二微环谐振器具有不同的光学谐振波长。优选地，所述不。

18、同的光学谐振波长为所述微环谐振器的直径以及制造微环谐振器所用的材说明书CN 103733097 A3/8页6料的折射率中的任一个或多个的函数。0027 优选地，所述第一微环谐振器、所述第二微环谐振器、所述第一柔性光波导和所述第二柔性光波导构造在绝缘圆晶的硅上。0028 可选地，所述第一微环谐振器、所述第二微环谐振器、所述第一柔性光波导和所述第二柔性光波导构造在具有形成在顶部上的绝缘层的硅衬底上。0029 优选地，所述第一微环谐振器和所述第二微环谐振器构造在第一平面上，所述第一柔性光波导和所述第二柔性光波导构造在第二平面上，所述第一平面与所述第二平面相邻。0030 优选地，所述检测模块识别出。

19、所述第一柔性光波导在所述第一谐振光学波长处的调制和所述第二柔性光波导在所述第二谐振光学波长下的调制。0031 任选地，第二柔性光波导与所述第一微环谐振器光学连接。0032 任选地，所述第一柔性光波导和所述第二柔性光波导具有不同的刚度。0033 任选地，所述检测模块对根据所述第一柔性光波导或所述第二柔性光波导中的任一个或两个调制的光进行分析。0034 在另一种形式中，本发明涉及试样的分析方法，所述方法包括：0035 将光输入给波导，其中所述波导与所述第一微环谐振器光学连接，所述第一微环谐振器与第一柔性光波导光学连接；0036 将所述试样施加到所述第一柔性光波导上，其中所述第一柔性光波导配置成为与。

20、所述试样相互作用；0037 使得光在所述第一微环谐振器的第一光学谐振波长下耦合到所述第一微环谐振器中；0038 根据在所述第一柔性光波导和所述第一微环谐振器之间的距离的函数在所述第一光学谐振波长下调制所述光；并且0039 在所述波导的输出端处分析所述经调制的光。0040 优选地，所述第一柔性光波导包括光学悬臂波导和光束波导中的一个。0041 优选地，所述第一柔性光波导通过针对一种或多种待分析物具有选择性的待分析物选择性涂层与所述试样相互作用。可选的是或另外，所述第一柔性光波导构成为通过尖端与所述试样相互作用。0042 优选地，所述耦合光的步骤还包括在所述第二微环谐振器的第二光学谐振波长下将光耦。

21、合到第二微环谐振器中，其中所述第二微环谐振器与所述波导光学连接，并且所述第二微环谐振器与第二柔性光波导光学连接，并且所述调制所述光的步骤还包括根据在所述第二柔性光波导和所述第二微环谐振器之间的距离的函数在所述第二光学谐振波长下调制所述光。0043 优选地，所述分析所述光的步骤涉及采用波长分析。附图说明0044 为了帮助理解本发明以使得本领域技术人员能够实施本发明，下面将参照附图只是以实施例的方式对本发明的优选实施方案进行说明，其中：0045 图1示出了根据现有技术的光学悬臂式波导的侧视图；说明书CN 103733097 A4/8页70046 图2a示出了根据本发明第一实施方案的用于检测待分。

22、析物的设备的顶视图；0047 图2b示出了根据本发明第一实施方案的用于检测待分析物的图2a的设备的剖视图；0048 图3示出了根据本发明第二实施方案的用于检测待分析物的设备的示意图；0049 图4示出了根据本发明第三实施方案的用于检测待分析物的设备的示意图；并且0050 图5示出了根据本发明第四实施方案的用于检测待分析物的设备的示意图。具体实施方式0051 虽然本发明可以有各种变型和可选的结构，但是在这里将对在这些附图中所示的示例性实施方案进行详细说明。但是要理解的是，这里并不打算将本发明限制于所披露的具体实施例。相反，本发明打算涵盖落入在所附权利要求书中所限定的本发明精神和范围内的所有变型、。

23、等同方案和可选结构。0052 图1示出了根据现有技术的光学悬臂波导100的侧剖视图。光学悬臂波导100包括固定部件102和动态部件104。固定部件安装在绝缘体108例如SiO2或Si3N4上。绝缘体108安装在基板110例如Si基板上。该层状结构使得能够通过将基板110、绝缘体108和光学悬臂波导100层叠在一起来简单地构造出光学悬臂波导100。然后将绝缘体108的一个区域(以及也可能是基板110的区域)蚀刻掉，从而形成在光学悬臂波导100的动态部件104下面的孔隙112。悬臂波导100的动态部件104与固定波导106光学连接。0053 动态部件104自由地在绝缘体108中的孔隙112上方运动。

24、。一旦吸收待分析物，光学悬臂波导100的动态部件104的质量改变。这种质量改变导致光学悬臂波导100的机械谐振频率变化。0054 光在光学悬臂波导100的固定部件102的端部114处进入并且沿着波导104传播到动态部件104。光沿着朝着固定波导106的方向离开动态部件104。0055 在动态模式中，进入固定波导106的光由于在动态部件104和与动态部件104紧密相邻的固定波导106之间的耦合损失而受振幅调制，该损失随着动态部件104振动而出现。进入固定波导106的光名义上在动态部件104的振动频率的两倍下受到调制以便进行对称振动。可选的是，在静态模式中，光学悬臂波导100的动态部件104可以在。

25、吸收待分析物时改变形状。在该情况下，进入固定波导106的光具有基于光学悬臂波导100的动态部件104的形状的振幅。0056 对进入固定波导106的光进行分析以检测出在光学悬臂波导100上待分析物的存在。可以将该光与具有已知特性的光例如由于待分析物的存在而经调制的光进行比较。可选地，可以估计出光学悬臂波导100的机械谐振频率或形状，并且将它与预定特性进行比较。0057 本发明涉及用于分析试样的设备。该设备包括：波导，其包括输入端和输出端，用于在所述输入端处接收光；与所述波导光学连接的微环谐振器；以及与所述微环谐振器光学连接的柔性光波导。柔性光波导具有用于与试样相互作用的部分。在波导的输出端上的光。

26、根据在柔性光波导和微环谐振器之间的距离的函数在微环谐振器的光学谐振波长下进行调制。0058 本发明的优点在于能够以经济的方式在小的表面上具有非常多的传感器，从而例说明书CN 103733097 A5/8页8如能够有效检测多种待分析物或者有效检测三维表面。另外，本发明的传感器是结实的，并且没有笨重的光学元件，并且可能具有独立的单个处理单元。0059 图2a示出了设备200的顶视图，图2b示出了根据本发明第一实施方案用于分析试样的图2a设备200的截面图(A-A)。该设备200包括波导205、微环谐振器210和光学悬臂波导215。0060 波导205与微环谐振器210相邻并且光学连接。光学悬臂。

27、波导215在微环谐振器210的与波导205相对的侧面上与微环谐振器210相邻并且光学连接。0061 在一个实施方案中，波导205、微环谐振器210和光学悬臂波导215构造在绝缘体(Sol)圆晶的硅上。波导205和微环谐振器210构造在绝缘体圆晶上的硅的第一平面上，并且光学悬臂波导215构造在绝缘体圆晶上的硅的第二平面上。第二平面与第一平面相邻并且成间隔关系，从而得到位于微环谐振器210的顶部上并且与之重叠的光学悬臂波导215。0062 可选地，微环谐振器210可以构造在相同的平面中，并且与光学悬臂波导215相邻。另外，应该理解的是，波导205可以构造在与微环谐振器210不同的平面上，从而波导2。

28、05位于微环谐振器210的顶部上并且与之重叠，由此在波导205和微环谐振器210没有接触的情况下，光从波导205耦合至微环谐振器210。0063 将设备200构造在绝缘体圆晶上的硅上的可选方式可以是将设备200构造在硅衬底上，并且在硅衬底的顶部上形成绝缘层。但是，应该理解的是，可以采用任意合适的结构来构造设备200。0064 如前面参照图1所述一样，光学悬臂波导215包括固定部件和动态部件，其中动态部件自由地在空隙上方运动。0065 一旦吸收待分析物，光学悬臂波导215的质量变化。在动态操作模式中，质量的变化导致光学悬臂波导215的机械谐振频率变化。在静态操作模式中，待分析物的存在使得光学悬臂。

29、波导215的形状变化。0066 根据可选实施方案(未示出)，光学悬臂波导通过尖端(未示出)与试样相互作用，以便例如进行原子力测量。尖端可以与试样的表面进行物理相互作用，或者例如根据所述试样的磁性区域反应。0067 光学悬臂波导215如此设置，从而动态部件的运动与微环谐振器210基本上垂直。光学悬臂波导215的动态部件的运动导致在光学悬臂波导215和微环谐振器210之间的距离变化，因此导致从波导205通过微环谐振器210耦合至光学悬臂波导215的光量变化。在波导205的输出端处可以测量出这种光变化或调制以确定出待分析物的存在和/或浓度。0068 输入给波导205的光以微环谐振器210的光学谐振波。

30、长耦合至微环谐振器210。光学谐振波长取决于微环谐振器210的直径或周长以及制造该微环谐振器210的材料的折射率，并且由下面的公式得出：0069 公式10070 其中：0071 为光学谐振波长；0072 L为微环谐振器210的圆周或周长，并且由d得出，其中d为微环谐振器210的直径；说明书CN 103733097 A6/8页90073 m为空腔谐振模序号(1、2、3)；并且0074 neff为制造微环谐振器的材料的折射率。0075 然后在微环谐振器210的光学谐振波长下调制从波导205输出的光，其中根据在光学悬臂波导215和微环谐振器210之间的距离变化的函数来进行这种调制。在光学悬臂波导。

31、215的输出端处出现相应的调制。然后分析并且估计在波导205的输出端处的经调制光以确定出待分析物的存在和/或浓度。可选的是，可以在光学悬臂波导215的输出端处分析经调制的光。最后，将经调制的光与已知的特定待分析物和待分析物的浓度的调制进行比较。0076 图3示出了根据本发明第二实施方案的用于分析试样的设备300的示意图。该设备类似于图2的设备200，除了该设备300包括与两个微环谐振器310a、310b光学连接的波导305，其中每个微环谐振器310a、310b与相应的光学悬臂波导315a、315b光学连接。0077 第一光学悬臂波导315a如此设置，从而第一光学悬臂波导315a的动态部件的运动。

32、与第一微环谐振器210a基本上垂直。第二光学悬臂波导315b如此设置，从而第二光学悬臂波导315b的动态部件的运动与第二微环谐振器310b基本上垂直。0078 与第一实施方案类似，第一微环谐振器310a和第二微环谐振器310b可以构造在绝缘体圆晶上的硅上，并且第一光学悬臂波导315a和第二光学悬臂波导315b可以构造在绝缘体圆晶上的硅的第二平面上。可选的是，该设备300可以构造在在顶部上具有绝缘层的硅衬底上。0079 在第一微环谐振器310a的第一光学谐振波长下将输入给波导305的光耦合至第一微环谐振器310a。同样，在第二微环谐振器310b的第二光学谐振波长下将输入给波导305的光耦合至第二。

33、微环谐振器310b。在波导305的输出端处的光根据在第一光学悬臂波导315a和第一微环谐振器310a之间的距离的函数在第一光学谐振波长下进行调制。相应量的光在第一光学悬臂波导315a的输出端处进行调制。0080 同样，在第二光学谐振波长下在波导305的输出端处的光另外根据在第二光学悬臂波导315b和第二微环谐振器310b之间的距离的函数受到调制。相应量的光在第二光学悬臂波导315b的输出端处进行调制。0081 可以针对待分析物的存在和/或浓度或者试样的轮廓线实时地或者随后在第一和第二光学谐振波长下对从波导305输出的调制光进行分析。可选的是，可以在每个光学悬臂波导315的输出端处分析经调制的光。

34、。另外，可以将从每个光学悬臂波导315输出的光复合并且随后进行分析。0082 图4显示出根据本发明第三实施方案的用于分析试样的设备400的示意图。与在图3中所示的实施方案类似，该设备400包括波导405、多个微环谐振器410a-410z和多个光学悬臂波导415a-415z。另外，该设备400包括用于分析从波导405输出的光的检测模块。0083 波导405与多个微环谐振器410a-410z光学连接。另外，多个光学悬臂波导415a至415z中的每一个与相应的微环谐振器410a至410z光学连接。0084 与前面实施方案类似，在波导405的输出端处微环谐振器410a-410z中的每一个的光学谐振波长。

35、下，根据在相应光学悬臂波导415a至415z和相关的微环谐振器410a至410z之间的距离的函数对光进行调制。同样，在光学悬臂波导415a至415z处的输出端对说明书CN 103733097 A7/8页10相应量的光进行调制。0085 检测模块420与波导405的输出端连接，并且分析从波导405的输出端传输出的调制光，以便例如检测一种或多种试样中的存在的待分析物或者分析试样的轮廓线。可选地，检测模块420可以与光学悬臂波导415a至415z中的每一个的输出端光学连接。0086 图5显示出根据本发明第四实施方案的用于分析试样的设备500的示意图。该设备500包括波导505、微环谐振器510、。

36、第一光学悬臂波导515a、第二光学悬臂波导515b和检测模块520。0087 该设备500与在图2中所示的设备类似，除了单个微环谐振器510与两个光学悬臂波导515a、515b光学连接。虽然只示出了两个光学悬臂波导515a、515b，但是应该理解的是，该设备500可以包括与微环谐振器510连接的两个以上的光学悬臂波导515。0088 在该实施方案中，光学悬臂波导515a、515b具有不同的刚度，因此具有不同的机械谐振频率。光学悬臂波导515a、515b的刚度在动态操作模式的情况下影响谐振频率，或者在静态操作模式的情况中影响光学悬臂波导515a、515b的弯曲量。0089 检测模块520在动态模。

37、式的情况下根据每个光学悬臂波导515a、515b检测不同的谐振频率。从谐振频率和/或相应的振幅中，检测模块520能够确定待分析物的类型和浓度。0090 可选地，检测模块520可以选择操作光学悬臂波导515a或515b。一旦已经启用光学悬臂波导515a、515b中的一个，则可以通过检测模块520分析由于该启用的光学悬臂波导515a、515b而从波导505输出的调制光，以便分析待分析物的存在或者确定试样的轮廓线。0091 图6a示出了根据本发明第五实施方案的用于分析试样的设备600的顶视图，并且图6b显示出图6a的设备600的横截面图(A-A)。0092 与图2的设备200类似，该设备600包括波。

38、导205和微环谐振器210，但是代替光学悬臂波导215，该设备600包括柔性梁605。0093 该梁605通过连接部件610在两端锚固，并且另外自由地围绕着孔隙运动。该梁605包括尖端615，它能够与试样直接相互作用。一旦与试样相互作用，尖端615将向梁605施加压力，因此使得梁605弯曲并且朝着或远离微环谐振器210运动。0094 梁605在微环谐振器210的与波导205相对的侧面上与微环谐振器210相邻并且光学连接。0095 该梁605如此设置，从而由尖端615引起的运动与微环谐振器210基本上垂直。这种运动导致在梁605和微环谐振器210之间的距离变化，因此导致从波导205通过微环谐振器。

39、210耦合至梁605的光量变化。可以在波导205的输出端处测量出这种光变化或调制以确定出试样的表面。0096 通过在两个端部处锚固梁605，与图2的光学悬臂波导215相比可以实现更大的刚度和/或扭转刚度。0097 本领域技术人员将很容易理解的是，上述附图为多个柔性光波导205a、205b、305a至305z、605和微环谐振器210a、210b、310a至310z的连接特性的例举说明。许多这些柔性光波导205a、205b、305a至305z、605和微环谐振器210a、210b、310a至310z可以按照各种布置光学连接。在例举说明第一和第二光学悬臂波导或微环谐振器时，这里决不是打算说明书CN 103733097 A10。

展开阅读全文