组成图示
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传感器类型
其他（氮化硅槽波导MZI光学生物传感器）
检测对象
氯化钠溶液（NaCl solution，水溶液基质）、PSS/PAH 聚电解质多层膜表面密度（表面吸附模型，水溶液基质）
检测原理
该传感器为无标记折射率检测。目标物进入 PDMS 微流道后，在 APTES/PSS-PAH 功能化表面吸附或改变槽波导周围介质的折射率，使 SiN 槽波导传感臂的有效折射率 neff_slot 发生变化。MZI 中传感臂与参考臂的相位差随之改变，输出光谱峰值发生波长偏移，或在固定波长下光电流发生周期性变化。SiN 热光系数低于硅，且通过 ΔL/L 设计使条波导与槽波导的热光贡献相互抵消，从而降低温度漂移。级联 MZI 利用 Vernier 效应，使传感 MZI 与参考 MZI 的自由光谱范围差异放大波长偏移，增强因子 K=8.38，提高表面检测限。
检测灵敏度
LOD: 1.30 (pgmm−2)（表面，空气包覆）；LOD: 1.29 × 10−5 RIU（体，水包覆）；LOD: 0.155 (pgmm−2)（级联表面）；表面灵敏度: 7.16 nm/ (ngmm−2)；体灵敏度: 1730(2π)/RIU；级联表面灵敏度: 60.00 nm/ (ngmm−2)；灵敏度增强因子: 8.38
效应效果
器件在空气包覆下实现 5.0 pm/°C 的低温度依赖，水/NaCl 溶液切换回水后光电流基本恢复，表明响应可逆且测量可靠。SiN 条波导和槽波导传输损耗分别为 0.602 dB/cm 和 0.872 dB/cm，模式耦合器插入损耗低至 0.03 dB/pair。级联 MZI 的表面检测限 0.155 pgmm−2 与文献报道的 0.3 pgmm−2 相当。未报告选择性、RSD 和实际样品回收率。作者强调该设计被动、简单、CMOS 兼容，并具有较大制造容差（ΔL/L 可在 0.30–0.38 内保持 ±5 pm/°C），适合高灵敏度无标记生物检测。
传感器的构成
- 基底/换能器：硅基底（Si substrate）与 3 µm 埋氧层（BOX），承载 CMOS 兼容氮化硅波导并隔离衬底。
- 波导换能层：氮化硅（SiN）马赫-曾德尔干涉仪（MZI），传感臂含槽波导（slot waveguide），参考臂含条波导（strip waveguide），将折射率变化转换为相位/波长偏移。
- 传感臂槽波导：SiN 槽波导（wh=440 nm，wl=190 nm），光场集中于纳米槽区，增强与包覆介质的相互作用。
- 参考臂条波导：SiN 条波导（ws=1 µm）与连接波导，提供相位参考并参与热光补偿。
- 氧化隔离层：二氧化硅（SiO2）包覆层（tc=150 nm）覆盖条波导臂，隔离目标物对参考臂影响；级联参考 MZI 使用 2 µm SiO2 包覆。
- 表面功能化层：3-氨基丙基三乙氧基硅烷（APTES）处理形成正电荷表面，再交替沉积聚苯乙烯磺酸钠（PSS）与聚烯丙胺盐酸盐（PAH）多层膜，用于表面密度传感/生物分子吸附界面。
- 微流道：聚二甲基硅氧烷（PDMS）覆盖芯片并制作微管，形成样品流通通道。
- 耦合接口：纳米尖（nano-tips）用于光纤-波导耦合，实现光输入/输出。
中文摘要
随着光子折射率（RI）生物传感器灵敏度和检测限不断提高，温度依赖性成为主要挑战。本文提出一种基于氮化硅（SiN）槽波导的马赫-曾德尔干涉仪（MZI）生物传感器，通过设计传感臂与参考臂的长度比及利用 SiN 较低的热光系数，在不牺牲灵敏度和检测限的前提下实现低温度依赖。空气包覆条件下，测得表面灵敏度为 7.16 nm/(ngmm−2)，表面检测限为 1.30 pgmm−2，温度依赖为 5.0 pm/°C；水包覆条件下，测得体灵敏度为 1730(2π)/RIU，体检测限为 1.29×10−5 RIU。通过级联 MZI 结构利用 Vernier 效应，测得灵敏度增强因子为 8.38，使表面检测限达到 0.155 pgmm−2。该设计在保持高灵敏度与低检测限的同时，显著降低温度依赖，适用于无标记生物分子检测。
英文摘要
As the sensitivity and detection limit of photonic refractive index (RI) biosensor increases, the temperature dependence becomes a major challenge. In this paper, we present a Mach-Zehnder Interferometer (MZI) biosensor based on silicon nitride slot waveguides. The biosensor is designed for minimal temperature dependence without compromising the performance in terms of sensitivity and detection limit. With air cladding, the measured surface sensitivity and detection limit of MZI biosensor reach 7.16 nm/(ng mm(-2)) and 1.30 (pg mm(-2)), while achieving a low temperature dependence is 5.0 pm/° C. With water cladding, the measured bulk sensitivity and detection limit reach 1730(2π)/RIU and 1.29 × 10(-5) RIU respectively. By utilizing Vernier effect through cascaded MZI structures, the measured sensitivity enhancement factor is 8.38, which results in a surface detection limit of 0.155 (pg mm(-2)).