專利名稱：利用角、光譜、模態(tài)和偏振分集的用于高精度感測的緊湊形式導(dǎo)模共振傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本公開提供了以周期性結(jié)構(gòu)工作在共振漏模的光學(xué)傳感器，其中，角分集、譜分集、模態(tài)(modal)分集和偏振分集被有利地以緊湊系統(tǒng)形式應(yīng)用于高精度感測。這樣所獲得的、被擬合到數(shù)值模型的交叉參照數(shù)據(jù)集提供增加的精確度和準(zhǔn)確度，以在各種各樣的應(yīng)用中增強(qiáng)感測操作的質(zhì)量。相關(guān)知識的描述用于生物和化學(xué)檢測的多種光學(xué)傳感器在商業(yè)上已經(jīng)被開發(fā)出來，并見諸于研究文獻(xiàn)中。實例器件包括表面等離子體共振傳感器，基于MEMS的懸臂傳感器，共振鏡，布拉格光柵傳感器，波導(dǎo)傳感器，波導(dǎo)干涉型傳感器，橢圓偏振(ellipsometry)及光柵耦合傳感器。盡管在概念、功能以及性能上有極大差別，表面等離子體共振(SPR)傳感器在這些器件中最接近于本公開的內(nèi)容主題的導(dǎo)模共振(GMR)傳感器。GMR傳感器和Sra傳感器二者都提供無標(biāo)簽生物化學(xué)檢測能力。術(shù)語表面等離子體(SP)指可發(fā)生在導(dǎo)體和電介質(zhì)之間的界面(例如，黃金/玻璃界面)的由電磁場感應(yīng)出的電荷密度振蕩。一個SP模式可通過平行偏振的TM偏振光(TM 偏振指電場矢量在入射平面中的光)共振激發(fā)產(chǎn)生，而不是通過TE偏振光(TE偏振指TE 矢量正交于入射平面的光)產(chǎn)生。相位匹配通過以下方式產(chǎn)生采用金屬化衍射光柵；或如在棱鏡耦合中，通過使用由高折射率材料獲得的全內(nèi)反射；或由一個導(dǎo)波獲得的漸逝場。當(dāng) SPR表面波被激發(fā)時，吸收最小值出現(xiàn)在特定的波段中。盡管對于這些傳感器來說，角靈敏度和光譜靈敏度非常高，但分辨率受到傳感器響應(yīng)的信噪比和寬共振譜線寬度(約50nm) 的限制。此外，當(dāng)傳感器工作動態(tài)范圍增加時，傳感器靈敏度通常降低。由于物理上僅單個偏振(TM)可以被用于檢測，因此，折射率和厚度的變化不能在一次測量中同時確定。這在化學(xué)傳感器應(yīng)用中非常重要，其中，結(jié)合動力學(xué)(binding kinetics)包含傳感器表面的厚度變化，而本底(background)折射率可根據(jù)分析物濃度而變化。在這里提供的本公開能夠改善現(xiàn)有技術(shù)的一些局限。Magnusson等人發(fā)現(xiàn)了導(dǎo)模共振濾波器，其對共振結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化是可調(diào)的。因此，通過層厚度的變化或周圍介質(zhì)或器件層中折射率的變化引起的譜變化或角變化能夠用于感測這些變化。Wawro等人發(fā)現(xiàn)了新的GMR傳感器實施方式以及當(dāng)與光纖集成時應(yīng)用這些GMR傳感器的新的可能。在不同應(yīng)用場景中還有GMR傳感器的附加方面。內(nèi)容概述本公開提供了無標(biāo)簽共振傳感器，其以反射方式工作(也就是，帶阻濾波器)或以透射方式工作(也就是，帶通濾波器)，其中被整形的角譜照射GMR傳感器元件。這些光譜用直接照射線性檢測器陣列、或CCD矩陣或其他檢測器的所接收到的信號同時覆蓋了所關(guān)心的入射角范圍。當(dāng)發(fā)生生物分子附著時，或在感測區(qū)域內(nèi)發(fā)生所關(guān)心的其他變化時，這些相對窄的反射或透射角譜改變了它們在檢測器矩陣上的位置，從而產(chǎn)生對所關(guān)心的分子事件的定量測量。此外，當(dāng)共振來自于不同的TE和TM偏振響應(yīng)時，通過獲取雙TE/TM共振數(shù)據(jù)，切換輸入光偏振態(tài)可以被用于改善感測操作的質(zhì)量，或者用于測量附加參數(shù)。另外，如果需要，可以調(diào)諧輸入光的光譜通過一組離散的波長，從而將被測量的光譜在檢測器上的位置進(jìn)行空間上的移動，提供額外增加測量精度的可能性。最后，由于多個波導(dǎo)漏模(leaky waveguide mode)的存在，具有多個共振峰值的傳感器操作能夠進(jìn)一步增加測量精度。這些操作形態(tài)(operational modality)(角，光譜，模態(tài)以及偏振)可以根據(jù)需要以各種組合來使用。傳感器可以布置到需要最小的試劑量的緊湊的高密度平臺中。因此， 正如本公開中所說明的，本方法在用于高精度測量應(yīng)用的實際傳感器系統(tǒng)中具有多種有利的用途。本公開提供了一種GMR傳感器組件，包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其被配置為在一個或更多漏模處或附近工作；接收裝置，其用于從光源將輸入光接收到所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上，以產(chǎn)生一個或更多泄露TE共振模式和TM共振模式；檢測裝置，其用于檢測TE共振和TM共振中的每一個的相位、波形和/或幅度中的一個或更多的變化，以允許區(qū)分所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或其直接環(huán)境的第一物理狀態(tài)和第二物理狀態(tài)。在本公開所提供的GMR傳感器組件中，GMR傳感器組件還可被配置為工作在帶阻模式。GMR傳感器組件還可被配置為工作在帶通模式。GMR傳感器組件可被配置為工作在輸入光包括發(fā)散光的情形中。GMR傳感器組件可被配置為工作在輸入光包括會聚光的情形中。GMR傳感器組件還可包括波束整形元件，所述波束整形元件用于形成具有已知的幅度和相位特性的輸入光的輸入波陣面。產(chǎn)生輸入光的輸入波陣面的照射源可從下述各項組成的組中選擇發(fā)光二極管、 激光二極管、垂直腔面發(fā)射激光器和已過濾的寬帶光源。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可被配置為用實質(zhì)上非偏振的輸入光進(jìn)行工作。
GMR傳感器組件還可包括用于在第一已知時間應(yīng)用第一已知偏振態(tài)和在第二已知時間應(yīng)用第二已知偏振態(tài)的裝置。GMR傳感器組件還可包括用于選擇性地將不同波長的輸入光輸入到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的裝置。檢測裝置可被布置成使得待被檢測的TE共振和TM共振是從波導(dǎo)結(jié)構(gòu)反射到檢測裝置上的共振。檢測裝置可被布置成使得待被檢測的TE共振和TM共振是通過穿過波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的平面透射到檢測裝置上的共振。檢測裝置可以是光探測器元件的矩陣。GMR傳感器組件可被配置為以多于一個的共振漏模進(jìn)行工作。GMR傳感器組件還可包括用于衍射輸入光的全息衍射元件。輸入光可以能夠以任意角度入射，并且檢測裝置可以以任意角度接收TE共振和 TM共振。本公開還提供了一種GMR傳感器組件，包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其被配置為在輸入光的一個或更多漏模處或附近工作，以及檢測器，其用于TE共振和TM共振，其包括具有至少NXM個傳感器元件的傳感器陣列。在本公開還提供的GMR傳感器組件中，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可被配置為接收輸入光的發(fā)散光
束ο檢測器可被布置在穿過波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的平面的與輸入光相對的一側(cè)，以便接收通過波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的平面透射的共振信號。輸入光可具有已知的幅度和相位特性。波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可被配置為接收輸入光的會聚光束。檢測器可被布置在穿過波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的平面的與輸入光相同的一側(cè)，以便接收從波導(dǎo)結(jié)構(gòu)反射的共振信號。每個傳感器元件可被輸入光源照射，所述輸入光源取自發(fā)光二極管、激光二極管和垂直腔面發(fā)射激光器的組。NXM個傳感器元件可被配置為由通過光整形端口輸入的單光源照射。


為了幫助本領(lǐng)域技術(shù)人員對本公開的使用與實現(xiàn)的理解，出于清楚和方便的考慮，參考在此附上的多個附圖。圖1表示在生物傳感器表面上的生物分子結(jié)合事件的實例。圖2提供了一個實例性的細(xì)菌檢測的示意圖。圖3給出了共振光子-晶體波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的衍射的解釋，其中清楚定義了零階狀態(tài)以及漏模共振激發(fā)。圖4提供了電介質(zhì)共振元件的實驗與理論之間的比較。圖5顯示了關(guān)于圖4中的元件共振時漏模的電場分布。圖6顯示了計算出的與圖5中的處在最大值的漏模相關(guān)聯(lián)的電磁駐波圖的瞬時“快照”。圖7表示利用TE和TM偏振分集的導(dǎo)模共振折射率傳感器，并描述了產(chǎn)生所計算出的響應(yīng)的結(jié)構(gòu)。圖8顯示了對于圖7中實例的大動態(tài)范圍感測的相應(yīng)的TE偏振共振波長偏移。圖9表示在空氣中的厚度感測。圖10提供了空氣中對于TE偏振(左上)器件表面的測量的GMR傳感器光譜響應(yīng)， 器件表面用硅烷化學(xué)連接器(左下)改性。同樣示出了一個掃描電子顯微照片(SEM)(右上)以及一個器件模型(右下)。圖11描述了亞微米光柵接觸曬印(contact printing)技術(shù)以及被接觸曬印在光學(xué)膠粘劑介質(zhì)中的周期為520-nm的光柵的電子顯微圖像。圖12表示對于生物材料的不同的附加厚度(dbio)，所計算出的GMR傳感器的TE 偏振角響應(yīng)，而圖13表示相應(yīng)的TM-偏振響應(yīng)。圖14為提出的帶有雙偏振檢測的共振傳感器系統(tǒng)的示意圖。來自光源，如LED或 LD或VCSEL的發(fā)散光束同時以不同角度入射到傳感器上。圖15給出一個示例性GMR傳感器實施方式，帶有發(fā)散輸入光束以及采用偏振分集檢測的相關(guān)檢測器。圖16是任意大小的NXM微孔陣列的示意圖，其集成了如圖15詳細(xì)示出的GMR傳
感器/檢測器單元。圖17解釋了在透射模式下的偏振感測，其中，TE峰值(或最小值)與TM峰值(或最小值)借助于微孔壁處的反射被導(dǎo)引到檢測器陣列。圖18是將GMR傳感器偏振分集實驗性地用于對生物素結(jié)合到涂有硅烷的傳感器表面進(jìn)行量化的圖解。分子附著事件作為時間的函數(shù)被監(jiān)控。顯示了對于TE和TM偏振的結(jié)果。圖19示出了一個示例性元件結(jié)構(gòu)，其達(dá)到帶通濾波器的特性，并且因此實現(xiàn)以透射方式工作的GMR傳感器。此元件能夠在絕緣體上硅(SOI)材料系統(tǒng)中實現(xiàn)。圖20提供了對于增加的生物材料的不同厚度計算出的透射型SOI共振傳感器光譜。所述傳感器在空氣中工作，具有如圖19所示的入射波，反射波(R)，以及透射波(T)。在這一示例中，入射波是TM偏振的。傳感器的設(shè)計顯示在圖19中。圖21描述了與以直接透射方式進(jìn)行感測操作相關(guān)的傳感器/檢測器結(jié)構(gòu)。圖22給出了對于生物材料增加的不同厚度計算出的與例如圖21所示的GMR傳感器設(shè)計相關(guān)的TE角響應(yīng)。圖23顯示的是，對于變化的輸入波長所計算出的圖21中的GMR傳感器結(jié)構(gòu)的TE 角響應(yīng)，以示出波長分集。在這一計算中，dbio = lOOnm。發(fā)散輸入光束自動覆蓋了所關(guān)心的角度范圍。圖M給出了對于不同生物層厚度所計算出的圖19中示意性顯示的GMR帶通型傳感器的TM角響應(yīng)。發(fā)散入射光束自動覆蓋了所關(guān)心的角度范圍。在本例中，參數(shù)與圖19 中相同，并且輸入波長設(shè)置為λ = 1.5436 μ m0圖25顯示的是在緊湊的布局中的、以直接的、偏振增強(qiáng)的檢測進(jìn)行感測操作的相關(guān)的傳感器/檢測器架構(gòu)。在檢測器陣列上的TE和TM共振零值(或峰值)的位置通過虛線箭頭示意性地指示出來。圖沈表示以直接透射穿過微流體的生物或化學(xué)感測系統(tǒng)中的流動通道進(jìn)行感測操作的相關(guān)的傳感器/檢測器架構(gòu)。圖27顯示了一個HTS平臺，其具有單源平面波輸入和用透鏡陣列整形的波陣面，以實現(xiàn)角度可尋址的GMR傳感器陣列，而無需移動部件。圖觀屬于一種HTS平臺，其有單源輸入和用透鏡陣列整形的波陣面，以實現(xiàn)在微流體環(huán)境中的角度可尋址GMR傳感器陣列。圖四表示通過印刻法和模塑法在塑料或玻璃介質(zhì)中制造的GMR傳感器。圖30屬于在絕緣體上硅材料系統(tǒng)中制造的GMR傳感器陣列。圖31提供了對于增加的生物材料的不同厚度(dbio)計算得到的GMR多模傳感器的TE-反射系數(shù)角響應(yīng)。圖32提供了計算得到的相應(yīng)于圖31的多模傳感器的角透射率光譜。圖33顯示了計算得到的對應(yīng)于圖31中器件參數(shù)的透射率光譜，其中，以法線入射，θ =0，呈現(xiàn)出多模共振特性。在所示波長范圍內(nèi)，這一多模生物傳感器以漏模ΤΕ0，ΤΕ1 和ΤΕ2工作。本示例性情況中，最高靈敏度由ΤΕ2模提供。圖34表示采用分光器和光纖傳輸?shù)膯卧聪到y(tǒng)。圖35表示用于檢測結(jié)合到抗體的化學(xué)或生物分析物的無標(biāo)簽導(dǎo)模共振傳感器系統(tǒng)的單通道示意圖。圖36表示一個反射架構(gòu)，其采用一個光纖陣列用于光傳輸。圖37表示一個反射傳感器系統(tǒng)，其采用一個掃描線源。示例性實施方式的詳述發(fā)明人已經(jīng)提出，通過改變共振波導(dǎo)光柵的折射率和/或厚度，其共振頻率可以被改變，或被調(diào)諧。本發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，這一思想能夠應(yīng)用于生物傳感器，因為通過用光譜儀跟蹤相應(yīng)的共振波長的偏移，附著生物層的累積能夠被實時地監(jiān)測，而無需使用化學(xué)標(biāo)簽。因此，被分析物與其指定受體之間的結(jié)合速率能被確定數(shù)量；事實上，整個結(jié)合周期的特性，包括結(jié)合、離解，以及再生能夠被記錄下來。類似地，在周圍介質(zhì)或者在任一波導(dǎo)光柵層中的折射率的小變化，能夠被測量。因此能夠?qū)崿F(xiàn)新的一類高靈敏度的生物和化學(xué)傳感器。這一傳感器技術(shù)被廣泛地應(yīng)用到醫(yī)療診斷、藥物開發(fā)、工業(yè)過程控制、基因組學(xué)、環(huán)境監(jiān)測，以及國土安全。比較詳細(xì)地陳述一個實施例的應(yīng)用，高性能、無標(biāo)簽光子晶體GMR傳感器對于藥物開發(fā)應(yīng)用中改善的過程控制是非常有吸引力的。這一方法非常有用，是因為這一傳感器技術(shù)能夠提供檢測精確度的提高，以推進(jìn)藥物開發(fā)和篩選的過程。在這一產(chǎn)業(yè)中，數(shù)百萬截然不同的化學(xué)化合物需要被快速準(zhǔn)確地篩選，以確定哪些化合物結(jié)合到特定蛋白質(zhì)或抑制目標(biāo)反應(yīng)。高通量篩選(HTQ的目的是在進(jìn)一步開發(fā)成本產(chǎn)生之前排除沒有前景的化合物。目前的HTS技術(shù)通常使用熒光化學(xué)標(biāo)簽或放射性化學(xué)標(biāo)簽作為生物活性的指示劑。由于指示劑-化合物結(jié)合的復(fù)雜性，有時必須采用新的指示劑技術(shù)或反應(yīng)化學(xué)仔細(xì)設(shè)計全新的化驗。對于新穎的傳感器技術(shù)有越來越多的要求，其無需標(biāo)簽，以及允許以最少的化驗開發(fā)(使用容易獲取的抗體-抗原、核酸以及其它高選擇性生物材料)來對多種材料實時地進(jìn)行選擇性地篩選。降低來自篩選變量(如溫度、和本底(background)流體變化)誤差的能力，以及用簡單的陣列架構(gòu)實時地監(jiān)測結(jié)合動力學(xué)的能力是其他所期望的特性。高精度 GMR傳感器方法，如本文在這里所公開的這些，能夠滿足對于高通量篩選應(yīng)用的這些需求。傳感器包括周期性電介質(zhì)波導(dǎo)(也被稱為光子晶體)，其中，共振漏模(leaky mode)是被入射光波激發(fā)的。入射寬帶光在一個窄光譜波段內(nèi)被有效地反射，該窄光譜波段的中心波長對于在傳感器元件表面發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)非常敏感。目標(biāo)分析物與傳感器表面的生化層的相互作用產(chǎn)生可測量的光譜移動，其直接識別結(jié)合事件，而不用附加的處理或外來標(biāo)簽。生物選擇層(如抗體)能夠被結(jié)合到傳感器表面以便在操作中給予特異性， 如圖1所示。具有對從納米級(< 0. 1埃)到幾微米大的厚度變化的靈敏度的傳感器設(shè)計已經(jīng)被做了分析。因此，同樣的傳感器技術(shù)可以用于檢測小分子藥物(< Inm)和蛋白質(zhì) (< IOnm)以及較大的細(xì)菌分析物(> 1 μ m)的結(jié)合事件，如圖2所示。高分辨率(通過窄的、輪廓分明的共振峰獲得)和高靈敏度(與表面局部漏模相關(guān))對于準(zhǔn)確地檢測一個事件提供了高可能性。此外，兩種主偏振態(tài)具有獨立的共振峰以準(zhǔn)確地感測生物材料結(jié)合事件。這一特性使在發(fā)生在傳感器表面的平均厚度變化和平均密度變化之間進(jìn)行區(qū)分的能力成為可能。因此，對目標(biāo)化學(xué)結(jié)合事件(其包括分子構(gòu)象變化)的傳感器共振響應(yīng)是能夠與非結(jié)合材料停留于傳感器表面的傳感器共振響應(yīng)區(qū)分開的，從而降低了錯誤的實際讀數(shù) (false positive reading)白勺出王見。GMR傳感器技術(shù)非常通用。與一個獨立傳感器、或一個陣列中的傳感器元件相關(guān)的生物分子反應(yīng)，可利用光的多種特性包括角譜，波長譜和偏振而被同時測量出來。此外，GMR 元件本身可以被設(shè)計成，在單種漏模(稱為TCtl基模)產(chǎn)生的單峰中，或在多種漏模(如TE。， TE1*!^模)產(chǎn)生的多峰中，呈現(xiàn)不同偏振共振。通過正確的傳感器設(shè)計，在所關(guān)心的角譜和波長譜區(qū)域內(nèi)，將可激發(fā)這樣的多種模式。共振模的電磁場結(jié)構(gòu)能夠被構(gòu)建成，使傳感器工作在感測區(qū)域內(nèi)的漸逝尾，或者，可選擇地，使之作為體模式傳感器(bulk mode sensor) 工作，在后者中，漏模完全包含了感測區(qū)域。事實上，可選擇一個特定的工作漏模以最大化光-被測物(measurand)的相互作用，以提高檢測靈敏度。例如，在特定設(shè)計中，在TC2模中的操作可以產(chǎn)生優(yōu)于TCtl模的結(jié)果。相比于那些通過其他手段收集的關(guān)于分子事件信息而言，這里所總結(jié)的檢測方案增大了所收集到的關(guān)于分子事件的信息的數(shù)量和可靠性。這一傳感器設(shè)想能夠根據(jù)材料、工作波長和設(shè)計結(jié)構(gòu)被廣泛的應(yīng)用。它是多功能的，因為只有敏化表層(sensitizing surface layer)需要被化學(xué)地改變，以檢測不同物種。工作在空氣中和液體環(huán)境中都是可能的。由于材料選擇的靈活性，環(huán)境友好的電介質(zhì)可以被選擇用于傳感器元件的制造?？蓱?yīng)用材料包括聚合體，半導(dǎo)體，玻璃，金屬和電介質(zhì)。導(dǎo)模共振效應(yīng)圖3顯示了一個薄膜波導(dǎo)光柵(光子晶體平板)和一個入射平面波的相互作用。隨著周期Λ降低，高階傳輸波越來越多地被截止，直到獲得圖3(b)中的零階狀態(tài) (zero-order regime)。如果所述結(jié)構(gòu)包含一個合適的波導(dǎo)，此刻漸逝或截止的一階波能夠通過耦合到漏模引起共振。實際上，零階狀態(tài)通常是優(yōu)選的，因為在傳輸如圖3(a)所示的高階衍射波中沒有能量浪費。這種包含波導(dǎo)層和周期元件(光子晶體)的薄膜結(jié)構(gòu)在正確的條件下呈現(xiàn)導(dǎo)模共振(GMR)效應(yīng)。當(dāng)入射波通過周期元件與如圖3(c)顯示的波導(dǎo)漏模相位匹配時，在其沿著波導(dǎo)傳輸且與直接反射的波相長地干涉時，它被以反射系數(shù)R在鏡面反射方向上再輻射，如圖3(c)所示。反之，對等地，在圖3(c)中的前向、直接透射波(透射率T)方向中的再輻射漏模的相位，與直接無導(dǎo)向T波是π弧度異相，因此消除了透射光。實驗的帶阻濾波器示例圖4表示電介質(zhì)導(dǎo)模共振器件的測量的和計算出的光譜反射率。這種器件作為一個帶阻濾波器，其中，所關(guān)心的光譜被以窄帶反射，且具有相對小的邊帶。盡管理論計算預(yù)測，一個平面入射波的峰值效率為100%，但實際中，由于不同因素使得峰值效率減小， 所述因素如材料和散射損耗，入射光束發(fā)散，以及橫向器件尺寸；這里的實驗的峰值效率在90%。這種共振元件通過在一個熔融石英襯底(直徑1英寸)上沉積一個HfO2層(約 210nm)和一個SiO2層(約135nm)制造。SiO2光柵通過一系列處理獲得，包括在勞埃德鏡干涉(Lloyd mirror interference)設(shè)置中以Ar+UV激光(λ = 364nm)對光刻膠掩模光柵(周期Λ = 446nm)進(jìn)行全息記錄，在光刻膠光柵上生長、沉積約IOnm Cr掩模層，剝離光刻膠光柵，以及隨后用CF4對S^2層進(jìn)行反應(yīng)式離子蝕刻。SEM中明顯的表面粗糙度對峰值效率的降低做出了貢獻(xiàn)。漏樽場結(jié)構(gòu)除了傳播的電磁波的反射/透射特性外，共振周期點陣(lattice)的近場特性，包括局域化和場強(qiáng)增強(qiáng)，都是傳感器應(yīng)用中所關(guān)心的。與圖4所示的制造的示例結(jié)構(gòu)相關(guān)的計算出的近場圖在圖5中表示。用嚴(yán)格耦合波分析(RCWA)獲取數(shù)值結(jié)果，以提供與近場有關(guān)的相對場強(qiáng)和空間范圍(spatial extent)的量化信息。如圖5所示，零階&波( 表示零階的電場)以接近于單位1的反射波幅傳播，通過與單位幅度輸入波的干涉，產(chǎn)生所示的駐波圖。因此，在共振時，大部分能量被反射回來。同時，S1和、表示的一階漸逝衍射波在本例中組成對向傳播的漏模。在這一特定的傳感器中，最大場值位于均質(zhì)層，且漸逝尾逐漸透入到襯底和面層，如圖5中清楚表示的。圖6表示在某一時刻由對向傳播的S—和S+1波形成的駐波圖。由于Sil空間諧波相應(yīng)于局域波，在共振時，它們能夠非常強(qiáng)。根據(jù)光柵調(diào)制的水平(IevelMA ε = 1 2- 2)，場幅度在層中可以為入射波幅度的約10-1000倍，這表示區(qū)域強(qiáng)度I S2的大的增加。S1W最大幅度約與調(diào)制強(qiáng)度成反比例。一般地，小頻偏調(diào)制(small modulation)意味著窄譜線寬度Δ λ和大的共振器Q因子Q = λ/Δλ。示例性傳感器響應(yīng)和靈敏度關(guān)于設(shè)計用于液體環(huán)境中的單層傳感器的計算出的光譜響應(yīng)在圖7中給出。這一傳感器可以用Si3N4制造且通過等離子蝕刻圖案化，從而產(chǎn)生衍射層。一維共振導(dǎo)波光柵結(jié)構(gòu)對于TE(電矢量與平面正交)和TM偏振的入射波有不同的反射系數(shù)峰值。計算表明，假設(shè)光譜儀分辨率為0. Olnm，則本設(shè)計能夠分辨3χ10_5折射率單位(RIU)的平均折射率變化。 對于與光柵結(jié)構(gòu)( = Ik = 1. 3至1. 8)相接觸的介質(zhì)的寬折射率變化，接近線性的波長偏移能夠得以保持(圖8)，使這成為具有大的動態(tài)范圍的通用傳感器。生物傳感器的靈敏度被定義為對于特定量的被檢測的材料測量到的響應(yīng)(如峰值波長偏移)。這表示對被檢測分析物的最大可獲得的靈敏度。傳感器分辨率包括實際的組件的限制，如光譜設(shè)備的分辨率，功率表準(zhǔn)確度，生物選擇試劑反應(yīng)，和峰值形狀或譜線寬度。譜線寬度是反射峰值響應(yīng)的半高全寬(FWHM)。它影響光譜傳感器的準(zhǔn)確度，因為窄的譜線通?？梢愿纳茖ΣㄩL偏移的分辨率；共振波導(dǎo)光柵傳感器通常具有約Inm量級的窄譜線寬度，這可通過設(shè)計來控制。 盡管共振傳感器能夠監(jiān)測微小的折射率變化，但是它們也可以用于檢測傳感器表面的厚度變化，對于實際的材料和波長，如圖9中的計算結(jié)果表示。示例件傳感器結(jié)果如圖10所示，GMR傳感技術(shù)用于生物感測應(yīng)用已經(jīng)被用于分析空氣中蛋白質(zhì)結(jié)合的研究，其中，利用一個以法線入射照射的2-層共振元件。在本例中，干凈的光柵表面首先通過用甲醇中的氨丙基三甲氧基硅烷(Sigma)的3%溶液處理，而被用氨基進(jìn)行化學(xué)改性 (圖10左上)。此器件然后用牛血清蛋白(BSA，100mg/ml，Sigma)溶液沖洗，并且，所沉積的38nm厚的BSA層產(chǎn)生6. 4nm的反射的共振峰光譜偏移(圖10左下)。注意到最小的信號衰減是由傳感器表面上的生物材料層產(chǎn)生的，且在BSA附著前后反射率保持在約90%。通過接觸曬印制造共振傳感元件除了至此描述的方法外，對于以期望的亞微米光柵圖案印刻光學(xué)聚合物來說，經(jīng)濟(jì)的接觸曬印方法是具有吸引力的。硅樹脂光柵壓印(silicone grating stamp)能夠用于將光柵印刻到可UV固化的光學(xué)膠粘劑的薄層(圖11 (a))。通過噴涂一薄層Si3N4或其他合適的介質(zhì)，波導(dǎo)層被沉積到光柵頂面上。可選擇地，光柵被涂上高指數(shù)旋涂(high index spin-on)TiO2聚合物薄膜，以產(chǎn)生高質(zhì)量共振傳感元件。接觸曬印的光柵的示例如圖11(b) 所示。雙樽TE/TM偏振GMR傳感器對附著到傳感器的生物層上的TE和TM共振偏移進(jìn)行同時檢測能夠極大改善感測操作的質(zhì)量。這允許準(zhǔn)確確定全部生物層性能；也就是折射率和厚度。圖12和13顯示的是表示對于兩種偏振的角度的共振偏移的計算結(jié)果。事實上，可用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計實現(xiàn)適中的角TE/TM共振分離，這使得在使用由發(fā)光二極管(LED，可能被濾波以實現(xiàn)光譜收縮)， 或垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)，或λ = 850nm的激光二極管(LD)所提供的自動覆蓋所關(guān)心的角的范圍的發(fā)散照射時，能夠?qū)€性檢測器陣列上的兩個信號進(jìn)行同時檢測，如圖14 所示。在本例中，測定光束(interrogating light beam)進(jìn)入通過覆蓋介質(zhì)，如熔融石英或塑料薄片(折射率η。)。所關(guān)心的光分布表現(xiàn)為檢測器上的反射峰。本例說明了高折射率聚合體材料作為均質(zhì)層和周期層的使用。這可以例如通過以下方式制造使用硅樹脂模具來將光柵形成在旋涂到支撐晶片上的、商用的富Ti02的、可用熱的方法固化或UV固化的聚合物介質(zhì)中?？蛇x擇地，高折射率波導(dǎo)層能夠被沉積到支撐晶片上，并且將周期層模制到其頂部。圖15說明了本發(fā)明的一種實施方式在生物分子感測環(huán)境中的應(yīng)用。盡管非偏振光將在檢測器陣列或矩陣上提供TE和TM共振峰，但信噪比(S/N)能夠通過以下方式改善 如圖15所示，在偏振態(tài)之間切換，并在時間上與偏振切換同步地掃描檢測器，以獲得獨立的TE和TM信號。此外，為了進(jìn)一步提高信噪比，光源可以安裝有光束整形元件，從而以最佳方式塑造傳感器上的光分布。事實上，在一些應(yīng)用中，可能希望使用會聚的而不是發(fā)散的波陣面。這樣的波束整形可以例如通過合適的全息或衍射光元件來完成。這允許任意幅度和相位分布的波陣面能夠被產(chǎn)生。圖16表示將圖15中的器件用于多孔系統(tǒng)。在制藥行業(yè)，微孔板被用于對藥物化合物進(jìn)行有效地篩選，而本系統(tǒng)應(yīng)用可在其中發(fā)現(xiàn)有利的使用方式。圖17表示一個附加的架構(gòu)，其中，檢測器矩陣現(xiàn)在被安裝到孔頂部，并且與TE和TM 共振相關(guān)的透射零值(或峰值)被測量。當(dāng)生物層添加到傳感器時，檢測器上零值位置發(fā)生偏移，從而允許對結(jié)合事件的量化。在這一示例中，入射波以一個角度入射，并且信號恢復(fù)借助于離開微孔壁的反射。初步試驗已經(jīng)證實了該技術(shù)的偏振分集特性，其為每個偏振(TE和TM)提供獨立的共振峰偏移，從而提供了一種方法以獲得如上文所述的高檢測準(zhǔn)確性。圖18顯示了關(guān)于 GMR生物傳感器應(yīng)用的示例結(jié)果。帶通GMR傳感器透射共振傳感器元件，或帶通共振傳感器元件能夠用多種介質(zhì)制造，包括絕緣體上硅(SOI)、藍(lán)寶石上硅(SOS)，和直接可印刻的可熱固化或可UV固化的聚合物。周期層的形成能夠用傳統(tǒng)方法實現(xiàn)，包括用預(yù)制母版的電子束寫(e-beam writing)和蝕刻、全息干涉法和納米壓印光刻技術(shù)。為了闡明這一實施方式，圖19顯示了以示例性SOI結(jié)構(gòu)設(shè)計的透射傳感器。圖20表示傳感器對厚度為dbi。的生物分子層增加到傳感器表面的響應(yīng)。透射峰值以靈敏的方式改變其光譜位置。該圖應(yīng)該例如與圖12-14中的工作在反射狀態(tài)的傳感器進(jìn)行對照。當(dāng)生物材料附著到傳感器表面時，共振波長偏移的速率基本上是材料每增加 1納米，光譜偏移約1.6nm。注意在本例中獲得這一性能的獨特的外形(profile)設(shè)計。猜GMR會充為了容易制造并降低成本，我們現(xiàn)在披露上面提出的平坦系統(tǒng)形式的本發(fā)明實施方式的實現(xiàn)。傳感器以透射方式工作。因此，光進(jìn)入傳感器，其與介質(zhì)接觸，介質(zhì)與傳感器的相互作用是所關(guān)心的。光穿過介質(zhì)傳輸?shù)竭_(dá)檢測器，在檢測器上對透射強(qiáng)度最小值(帶阻濾波器)或強(qiáng)度最大值(帶通濾波器)進(jìn)行測量。這些光分布位置的空間偏移允許對生物分子結(jié)合反應(yīng)的主要特性的量化。圖21針對用發(fā)散光束進(jìn)行測定(interrogate)的單個傳感器說明這一概念，其中發(fā)散光束來自激光二極管(LD)，發(fā)光二極管(LED)，或垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)。偏振化、波束整形或譜線窄化功能可以根據(jù)需要被集成到光源。檢測器位于感測體的相反側(cè)，如圖所示。圖22顯示的是，對于工作在帶阻模式的GMR傳感器，所計算出的檢測器矩陣上的強(qiáng)度分布(信號)，因此產(chǎn)生在反射中的峰值以及伴隨的在透射中的最小值。在本例中，輸入波長為850nm。兩個最小值出現(xiàn)在相對于傳感器法線對稱的角位置，這是因為以法線入射的共振波長不同于非法線入射的共振波長。這兩個同時存在的最小值能夠用于增強(qiáng)感測操作的準(zhǔn)確度，這是因為獲取了兩個角偏移。在圖22的本例中，對于增加的生物層厚度dbi。= 0，最小值出現(xiàn)在θ 6°，而對于dbi。= IOOnm角共振在θ 5°。圖23表示波長分集； 也就是，通過調(diào)諧輸入波長到離散的一組波長，能夠收集附加的數(shù)據(jù)點，以改善數(shù)據(jù)分析以及擬合到數(shù)值模型的準(zhǔn)確性。由于波長變化，因此傳感器的共振角和光分布也在變化。此外，波長控制最小值在檢測器上的位置，這在為傳感器陣列中每個GMR傳感器像素指定專用的檢測器面積用量中提供了靈活性。如結(jié)合圖20所解釋的，我們已經(jīng)設(shè)計了很多工作在透射峰，也就是作為帶通濾波器的共振濾波器。在本例中對于如圖21的設(shè)計，將會在檢測器陣列上出現(xiàn)強(qiáng)度最大值(而不是最小值)。這樣的透射元件能夠非常有效地以高折射率介質(zhì)如硅進(jìn)行設(shè)計。圖對表示用帶通濾波器進(jìn)行的角分集的生物感測。通過設(shè)置波長使得器件對于不受干擾的表面維持透射峰值，就獲得了超高靈敏度的布置。當(dāng)生物層累積引起的去諧(detuning)在法線入射時將傳感器從帶通狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閹ё锠顟B(tài)時，透射角譜發(fā)生最快的變化，如圖M所示。因此， 亞納米生物膜的增加將會通過在檢測器上在輸出側(cè)的簡單的強(qiáng)度變化而可被直接測量。由
1檢測器矩陣所接收到的前向透射光分布的形狀是生物層厚度的靈敏的函數(shù)，如圖M清楚地所示。而另一個偏振分集實施方式如圖25中示意性所示，其中四個同時存在的最小值 (或峰值)被監(jiān)測，用于高精度生物感測。圖26提供了可用于在微流體系統(tǒng)中進(jìn)行感測的實施方式。由于面臨生物和藥物對象數(shù)量的增長，日益需要發(fā)明新的方法來用大規(guī)模并行方式描繪化學(xué)活性。同時，需要通過為化驗分配最小量的試劑來降低HTS費用。因此，在業(yè)界有向奈升(nanoliter)級液體分配發(fā)展的趨勢。這里提出的GMR傳感器技術(shù)能夠用于滿足這些需求。上文提出并解釋的平坦透射形式能夠使多通道傳感器系統(tǒng)的開發(fā)成為可能?，F(xiàn)有的和正在開發(fā)的像素低至5-10 μ m級的CXD和CMOS檢測器矩陣技術(shù)使得對強(qiáng)度分布及其變化的精密測量成為可能。納米壓刻技術(shù)和精密薄膜方法使所需要的GMR傳感器陣列的制造成為可能。模塑法可以應(yīng)用于這些陣列中較大部件的規(guī)格制作(formatting)與拼裝 (imposition)。圖27顯示了根據(jù)本公開內(nèi)容中所描述的本發(fā)明的實施方式能夠進(jìn)行并行生物感測的系統(tǒng)。安裝到微孔板的GMR傳感器由角譜來尋址，角譜是通過用適當(dāng)設(shè)計的衍射或折射微型透鏡陣列將入射平面波轉(zhuǎn)化為球面或柱面波而產(chǎn)生的，如圖所示。安裝在上方的檢測器陣列接收信號以實現(xiàn)精確的生物感測。圖觀顯示了類似的操作，其中傳感器受微流體組件中的流動通道內(nèi)的定向流的激勵；圖觀省略了與實際微流體設(shè)備相關(guān)的復(fù)雜的通道結(jié)構(gòu)和細(xì)節(jié)。實際的成本有效的GMR陣列能夠用玻璃或塑料介質(zhì)制造。舉一個例子，在塑料襯底上的具有給定焦距和直徑的衍射或折射透鏡陣列能夠從幾個廠商以便宜的價格買到。在襯底的與透鏡陣列相對的空白側(cè)，應(yīng)用高折射率旋涂的TiO2聚合物薄膜。接著，如圖11所述，用一個特殊設(shè)計的、具有適當(dāng)?shù)闹芷诘墓铇渲?silicone stamp)印刻出光柵圖案，從而產(chǎn)生GMR傳感器。接著，可通過模塑法來安裝分離不同溶液以及避免交叉污染的溢液隔墻(spill wall)。可選擇地，高折射率薄膜首先沉積在襯底上，隨后，光柵圖案被應(yīng)用到頂部。產(chǎn)生的GMR陣列顯示在圖四中。圖30顯示了一個概念性的GMR陣列，其用SOI制造， 以利用現(xiàn)有的基于硅的微加工方法。多模GMR傳感器另一種改進(jìn)檢測可靠性的方法是增加操作的共振漏模的數(shù)量并且因此應(yīng)用更豐富光譜用于進(jìn)行感測和精密曲線擬合。這樣，可以產(chǎn)生和監(jiān)測因多個波導(dǎo)模式的存在而出現(xiàn)的多個共振峰。這些多個模式提供不同光譜特征，這些光譜特征可被用在精密感測中。圖 31顯示了雙層GMR傳感器的TE偏振響應(yīng)，其參數(shù)用圖中文字說明，且假設(shè)沒有側(cè)壁附著。 采用固定的輸入波長，反射譜表現(xiàn)出源于不同漏模的幾個共振峰值。如圖31所示，當(dāng)添加了生物層時，光譜以角譜中可測量的變化進(jìn)行響應(yīng)。這一光譜將會例如用圖16所示的架構(gòu)在反射中被監(jiān)測。圖32給出例如在圖27的系統(tǒng)中被監(jiān)測的相應(yīng)的透射譜。圖33表示對于這一傳感器在法線入射下的波長譜，表示出在所示的光譜波段內(nèi)的三個漏模。由于在這一傳感器中電磁場的特定分布，在 2模的操作給出最高靈敏度，也就是，每增加單位厚度， 產(chǎn)生最大角偏移和光譜偏移，如圖31-33所示?，F(xiàn)在參考圖34、35和36，首先參考其中的圖34，描述了在GMR傳感器平臺中采用光纖耦合的光傳輸?shù)膫鞲衅?檢測器架構(gòu)。圖34顯示的是采用了分光器和光纖傳輸?shù)膯卧聪到y(tǒng)。單個光源被(用分光器)分為“M”個通道并通過光纖入射到傳感器陣列。從每個光纖出來的光通過集成的或外部透鏡/DOE整形，然后，在自由空間中入射到傳感器元件上?？蛇x擇地，離開光纖的發(fā)散光可直接入射到傳感器元件上，而不使用波束整形元件。作為系統(tǒng)設(shè)計的一部分，可以基于光纖的數(shù)值孔徑或其他特性來選擇光纖。偏振元件或偏振保持光纖能夠被用在系統(tǒng)中，以控制入射到傳感器元件上的一個偏振態(tài)(多個偏振態(tài))。入射波長可以是可調(diào)的，因此允許在單個系統(tǒng)中的角和光譜調(diào)諧。系統(tǒng)能夠被構(gòu)建為透射系統(tǒng)，其中，用位于與傳感器陣列的入射光的相對側(cè)上的檢測器矩陣檢測通過該陣列透射的光，如描述的。系統(tǒng)同樣能夠被構(gòu)建為反射系統(tǒng)，其中光以一個角度入射到陣列，且用布置在與陣列的入射光同一側(cè)上的檢測器矩陣檢測從陣列反射的光束。圖35描述用于檢測結(jié)合到抗體的化學(xué)或生物分析物的無標(biāo)簽導(dǎo)模共振傳感器系統(tǒng)的單通道示意圖?？贵w用“Y”表示，并且分析物用“Y”的杯形部分中的球表示?？贵w應(yīng)該基于被檢測的一種分析物或多種分析物來選擇。在一些實施方式中，使用牛、駱駝或羊駝血清抗體，而本發(fā)明不限于這些抗體。在操作時，從光纖耦合激光二極管出來的發(fā)散光束以一個連續(xù)角度范圍入射到傳感器。當(dāng)結(jié)合事件在傳感器表面發(fā)生(通過分析物與抗體結(jié)合)時，作為入射角的函數(shù)，共振峰的變化能夠被跟蹤。對于入射光的TE和TM偏振態(tài)，共振發(fā)生在不同的角度，這使高準(zhǔn)確性、交叉參照檢測成為可能。圖36表示一個多通道陣列。它具有反射架構(gòu)，其采用光纖陣列用于光傳輸。光纖陣列也可以跨過傳感器陣列被掃描(對于無論是反射還是透射)。例如，為了篩選一個MXN傳感器陣列，可以跨過N排傳感器元件的底部掃描一個 M-光纖陣列。掃描能夠通過以下方式進(jìn)行(a)跨過傳感器板移動光纖陣列+檢測器矩陣， 或(b)跨過光纖陣列+檢測器矩陣移動傳感器板。圖37描述了采用掃描線源的傳感器/檢測器架構(gòu)。雖然圖37描述的是反射傳感器，但是，它也可以通過將檢測器元件放置到陣列板的與入射光的相對的那一側(cè)而被構(gòu)建為透射傳感器。光源可以是單波長(或波長可選擇的)源，其用一個線調(diào)焦元件(例如柱面透鏡) 來整形。線調(diào)焦光同時照射在MXN傳感器陣列中的M-傳感器元件。反射響應(yīng)在檢測器矩陣的M行上(如一行CCD檢測器元件)測量。跨過傳感器板的底部能夠掃描光線源(light line source)和檢測器元件組件，以有效地讀取MXN傳感器陣列。注意線調(diào)焦元件還可以作為波束整形元件(例如，能夠是發(fā)散、會聚或任何設(shè)計的波陣面)。下面附加的實施方式也是可以預(yù)期的一種GMR傳感器組件，其包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)以及用于TE和TM共振的檢測器，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被構(gòu)建成在入射光的一個或多個漏模處或附近工作，所述檢測器包括具有至少NXM 個傳感器元件的傳感器陣列。上面定義的GMR傳感器組件，進(jìn)一步包括折射透鏡以整形照射光。上面定義的GMR傳感器組件，進(jìn)一步包括折射透鏡的陣列，以整形照射光。上面定義的GMR傳感器組件，進(jìn)一步包括衍射透鏡，以整形照射光。
上面定義的GMR傳感器組件，進(jìn)一步包括用于確定輸入光的波陣面的偏振態(tài)和波形特性的裝置。上面定義的GMR傳感器組件，進(jìn)一步包括用于提供具有至少兩個不同波長的輸入光的裝置。上面定義的GMR傳感器組件，進(jìn)一步包括，用于提供具有至少第一偏振特性和第二偏振特性的輸入光的裝置。上面定義的GMR傳感器組件，進(jìn)一步包括，用于檢測至少兩個共振模式的裝置。上面定義的GMR傳感器組件，進(jìn)一步包括，與所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)相鄰的集成的微流體流動通道。上面定義的GMR傳感器組件，進(jìn)一步包括，集成到透明介質(zhì)中的襯底、光調(diào)節(jié)元件禾口微管瓶(microvial)。上面定義的GMR傳感器組件，其中，所述陣列被布置到集成的介質(zhì)上，其選自半導(dǎo)體、半導(dǎo)體/電介質(zhì)混合物、半導(dǎo)體/電介質(zhì)/金屬混合物以及電介質(zhì)的組。上面定義的GMR傳感器組件，其中，所述陣列傳感器元件與照射源物理上相分離。上面定義的GMR傳感器組件，其中，所述陣列傳感器元件與照射輸入光源集成在一起。上面定義的GMR傳感器組件，進(jìn)一步包括，讀出檢測器，其具有緊湊的生物芯片或微臺面(microbench)形式。一種導(dǎo)模共振傳感器，其中，照射源是耦合的光纖或波導(dǎo)。一種導(dǎo)模共振傳感器，其中，波導(dǎo)或光纖按設(shè)計被選擇為具有特定數(shù)值孔徑、偏振保持特性或材料規(guī)格。一種導(dǎo)模共振傳感器，其中，照射源用線調(diào)焦元件聚焦到一條線。一種導(dǎo)模共振傳感器，其中，所述照射源用線調(diào)焦元件聚焦到一條線，線調(diào)焦元件包含柱面透鏡。一種導(dǎo)模共振傳感器，其中，跨過所述傳感器陣列掃描所述照射源和檢測器元件。一種導(dǎo)模共振傳感器，其中，單光源用分光器分為幾個通道。一種導(dǎo)模共振傳感器，其具有光纖/波導(dǎo)陣列，其被用于將光傳輸?shù)絺鞲衅髟嚵小纳鲜雒枋鲞M(jìn)一步理解，不同修改和變化可以用于本發(fā)明的優(yōu)選實施方式，而不背離其真正的精神。這一描述目的僅僅是為了說明且不應(yīng)該作為限制解釋。本發(fā)明的范圍應(yīng)當(dāng)僅僅受下列權(quán)利要求的語言所限制。
權(quán)利要求
1.一種GMR傳感器組件，包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其被配置為在一個或更多漏模處或附近工作；接收裝置，其用于從光源將輸入光接收到所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上，以產(chǎn)生一個或更多共振漏模；檢測裝置，其用于檢測取自所述漏模、角譜、波長譜、偏振和幅度的組中的所述共振漏模中的至少兩個特性，以允許在所述至少兩個特性的檢測時間內(nèi)存在的、所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或其直接環(huán)境的第一物理狀態(tài)和第二物理狀態(tài)之間進(jìn)行區(qū)分。
2.如權(quán)利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述GMR傳感器組件還被配置為工作在帶阻模式。
3.如權(quán)利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述GMR傳感器組件還被配置為工作在帶通模式。
4.如權(quán)利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述GMR傳感器組件被配置為工作在所述輸入光包括發(fā)散光的情形中。
5.如權(quán)利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述GMR傳感器組件被配置為工作在所述輸入光包括匯聚光的情形中。
6.如權(quán)利要求1所述的GMR傳感器組件，還包括波束整形元件，所述波束整形元件用于形成具有已知的幅度和相位特性的輸入光的輸入波陣面。
7.如權(quán)利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，產(chǎn)生所述輸入光的輸入波陣面的照射源從下述各項組成的組中選擇發(fā)光二極管、激光二極管、垂直腔面發(fā)射激光器和已過濾的寬帶光源。
8.如權(quán)利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被配置為用實質(zhì)上非偏振的輸入光進(jìn)行工作。
9.如權(quán)利要求1所述的GMR傳感器組件，還包括用于在第一已知時間應(yīng)用第一已知偏振態(tài)和在第二已知時間應(yīng)用第二已知偏振態(tài)的裝置。
10.如權(quán)利要求1所述的GMR傳感器組件，還包括用于選擇性地將不同波長的輸入光輸入到所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的裝置。
11.如權(quán)利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述檢測裝置包括用于檢測TE共振和 TM共振的裝置，所述裝置被布置成使得被檢測的所述TE共振和所述TM共振是從所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)反射到所述檢測裝置上的共振。
12.如權(quán)利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述檢測裝置包括用于檢測TE共振和 TM共振的裝置，所述裝置被布置成使得被檢測的所述TE共振和所述TM共振是通過穿過所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的平面透射到所述檢測裝置上的共振。
13.如權(quán)利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述檢測裝置是光探測器元件的矩陣。
14.如權(quán)利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述GMR傳感器組件被配置為以多于一個的共振漏模進(jìn)行工作。
15.如權(quán)利要求1所述的GMR傳感器組件，還包括用于衍射所述輸入光的全息衍射元件。
16.如權(quán)利要求1所述的GMR傳感器組件，其中，所述輸入光能夠以任意角度入射，并且所述檢測裝置以任意角度接收所述TE共振和所述TM共振。
17.一種GMR傳感器組件，包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其被配置為在輸入光的一個或更多漏模處或附近工作；以及一個或多個檢測器，其用于檢測取自所述漏模、角譜、波長譜、偏振和幅度的組中的所述共振漏模中的至少兩個特性，以允許在所述至少兩個特性的檢測時間內(nèi)存在的、所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或其直接環(huán)境的第一物理狀態(tài)和第二物理狀態(tài)之間進(jìn)行區(qū)分。
18.如權(quán)利要求17所述的GMR傳感器組件，其中，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被配置為接收輸入光的發(fā)散光束。
19.如權(quán)利要求17所述的GMR傳感器組件，其中，所述檢測器被布置在穿過所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的平面的與所述輸入光相對的一側(cè)，以便接收通過所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的所述平面透射的共振信號。
20.如權(quán)利要求17所述的GMR傳感器組件，其中，所述輸入光具有已知的幅度和相位特性。
21.如權(quán)利要求17所述的GMR傳感器組件，其中，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被配置為接收輸入光的匯聚光束。
22.如權(quán)利要求17所述的GMR傳感器組件，其中，所述檢測器被布置在穿過所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的平面的與所述輸入光相同的一側(cè)，以便接收從所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)反射的共振信號。
23.如權(quán)利要求17所述的GMR傳感器組件，其中，每個傳感器元件被輸入光源照射，所述輸入光源取自發(fā)光二極管、激光二極管和垂直腔面發(fā)射激光器的組。
24.如權(quán)利要求17所述的GMR傳感器組件，其中，還包括NXM個傳感器元件，所述NXM 個傳感器元件被配置為由通過光整形端口輸入的單光源照射。
25.一種GMR傳感器組件，包括波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其被配置為在輸入光的一個或更多漏模處或附近工作；以及 TE共振和TM共振的檢測器，其具有傳感器陣列，該傳感器陣列具有至少NXM個傳感器元件；其中，所述檢測器被布置在穿過所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的平面的與所述輸入光相同的一側(cè)，以便接收從所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)反射的共振信號。
26.如權(quán)利要求25所述的GMR傳感器組件，其中，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被配置為接收輸入光的發(fā)散光束。
27.如權(quán)利要求25所述的GMR傳感器組件，其中，所述輸入光具有已知的幅度和相位特性。
28.如權(quán)利要求25所述的GMR傳感器組件，其中，所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被配置為接收輸入光的匯聚光束。
29.如權(quán)利要求25所述的GMR傳感器組件，其中，每個傳感器元件被輸入光源照射，所述輸入光源取自發(fā)光二極管、激光二極管和垂直腔面發(fā)射激光器的組。
30.如權(quán)利要求25所述的GMR傳感器組件，其中，所述NXM個傳感器元件被配置為由通過光整形端口輸入的單光源照射。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種導(dǎo)模共振(GMR)傳感器組件和系統(tǒng)。所述GMR傳感器包含一個波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其被配置為在一個或更多漏模處或附近工作；一個接收器，其用于將來自光源的輸入光接收到波導(dǎo)結(jié)構(gòu)上，以產(chǎn)生一個或更多泄露TE和TM共振模式；以及一個檢測器，其用于檢測每個TE共振和TM共振中的相位、波形和/或的幅值中的一個或更多的變化，以允許區(qū)分所述波導(dǎo)結(jié)構(gòu)或其直接環(huán)境中的第一物理狀態(tài)和第二物理狀態(tài)。
文檔編號G01N21/25GK102288552SQ20111012219
公開日2011年12月21日 申請日期2007年9月7日 優(yōu)先權(quán)日2006年9月8日
發(fā)明者羅伯特·馬格努松, 黛布拉·D·沃夫羅 申請人:羅伯特·馬格努松, 黛布拉·D·沃夫羅