【摘 要】
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随着社会的进步,实时、快捷、操作简单的检测仪器越来越为人们所需要。荧光光谱技术有着高精度、抗干扰、非侵入式等优点,一直在众多检测技术中占有重要的地位。而传统的荧光光谱仪大多在实验室等环境使用,体积大且造价高,无法适应多样化的检测场景。因此,微型荧光光谱仪成为了当前研究的热点。研究人员已经开发出了许多种荧光光谱仪的微型化方案,其中,将色散模块与光电探测器阵列集成到单个芯片上,是一种成本较低且十分有效
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随着社会的进步,实时、快捷、操作简单的检测仪器越来越为人们所需要。荧光光谱技术有着高精度、抗干扰、非侵入式等优点,一直在众多检测技术中占有重要的地位。而传统的荧光光谱仪大多在实验室等环境使用,体积大且造价高,无法适应多样化的检测场景。因此,微型荧光光谱仪成为了当前研究的热点。研究人员已经开发出了许多种荧光光谱仪的微型化方案,其中,将色散模块与光电探测器阵列集成到单个芯片上,是一种成本较低且十分有效的方案。阵列波导光栅（AWG）作为一种成熟的平面无源波分复用器件,设计灵活且工艺简单,是色散型光谱仪微型化的研究热点之一。本文以微型化的芯片荧光光谱仪作为研究方向,参考国内外类似的研究,确定了使用阵列波导光栅（AWG）代替传统的色散模块,并且与PIN光电探测器阵列单片集成的方案,设计、制作并测试了自主研发的荧光检测芯片。本文的主要研究内容有:1.针对微型荧光光谱仪,设计了波导与PIN光电探测器耦合的结构,并且制作了与波导集成的光电探测器阵列,波导的输出光可以不改变传输方向直接进入PIN光电探测器的Ⅰ区,不用经过P、N区或器件表面,从而减少光损耗,经测试,其暗电流约为0.21 nA,对650 nm波长光输入的响应度约为0.84 A/W。2.针对多色荧光标记检测的需求,使用OptiBPM软件及其相关模块设计了 6路输出AWG的版图,并且对其进行了待测样本波段的仿真,损耗在-4.83 dB到-6.82 dB 之间。3.提出了将阵列波导光栅与PIN光电探测器单片集成的工艺方案,并且对氧化硅波导的制作工艺进行了设计及优化,最终制作出了荧光检测芯片样品。4.将荧光检测芯片与本课题组设计的微弱光电流检测IC芯片连接,搭建了一个完整的荧光检测系统,并且对宽带光源、650 nm波长激光和700 nm、785 nm中心波长的荧光量子点染料进行了检测,测试数据与仿真结果基本相符。本文工作的创新点在于波导与纵向PIN光电探测器的耦合结构,阵列波导光栅与PIN光电探测器的单片集成及其在荧光检测领域的应用。
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