CN103163115B - 感应物质的多层可变微结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光学感应器，包括一具有上表面的衬底，位于衬底上的多个突起，其中多个突起中的每一个由衬底上表面的底部及一个或更多的与衬底上表面成一倾斜角的斜表面决定，及位于斜表面上的两个或更多的结构层。两个或更多的结构层的表面能够吸附化学或生物物质的分子。本发明还公开了一种包含上述光学感应器的系统及制作使用光散射感应物质的微结构的方法。本发明公开的系统和方法能够增强检测痕量化学物质的散射光的强度。多层纳米结构中多层的不同物质组成也能允许不同类型的化学分子被吸附到纳米结构的表面，从而能够检测多于一种类型的痕量化学物质。

Description

感应物质的多层可变微结构

本专利申请是未决美国13/030,274号专利申请的一个部分延续(CIP)申请，要求美国13/030,274号专利申请的优先权，美国13/030,274号专利申请的名称是“感应衬底的多层微结构”，申请日是2011年2月18日，发明人相同。美国13/030,274号专利申请又是未决美国11/754,912号专利申请(现已授权为美国专利7,892,489)的部分延续(CIP)申请，要求美国11/754,912号专利申请的优先权。美国11/754,912号专利申请名称是“具有多层微结构的光散射装置”，申请日是2007年5月29日，发明人相同。本专利申请也与2010年1月26日申请的未决美国12/643,689号专利申请(将被授权为美国专利8,081,308)，2011年4月5日申请的13/080,142号专利申请，及2010年8月2日申请的12/848,893号专利申请有关。在此公开这些相关专利申请是以引用的方式将其并入本申请。

技术领域

本申请涉及包括一种具有微结构的感应衬底的拉曼散射装置。

背景技术

传统的拉曼光谱法的限制在于用作痕量化学物质检测的拉曼散射信号较弱。增强拉曼散射信号的技术包括表面增强拉曼光谱技术(SERS)和表面增强共振拉曼光谱技术(SERRS)。痕量化学物质分子能够被吸附到微结构表面。微结构表面的贵金属能增强拉曼散射信号已被披露。

有必要提供一种通过良好控制的生产工艺制作的微结构。也有必要提供一种具有无污染的微结构允许野外实施拉曼散射检测的拉曼散射装置。

发明内容

一方面，本申请涉及一种光学感应器，其包含一具有上表面的衬底；位于衬底上的多个突起，其中多个突起中的每一个是由衬底上表面的底部和一个或更多的相对于上表面形成倾斜角的斜表面决定的；及在斜表面上的两个或更多的结构层，其中两个或更多层结构的表面被构造用来吸附化学或生物物质的分子。

本发明的系统在实施时可包括以下一个或多个方面。多个突起在衬底上表面的各自底部的宽度在约1nm～20μm范围内。多个突起相对于衬底上表面的高度在约0.5nm～20μm范围内。两个或更多的结构层可包括聚合材料、金属材料或氧化物材料中的至少一种。两个或更多的结构层包括的材料可选自钛、镍、钴、银、金、钯、铜、铂、锡、铝、铁、铬、铑、钌、二氧化硅、三氧化二铝、氧化锌、二氧化钛、氮化硅、五氧化二钽、锌氧化物、铁氧化物、锡氧化物、锑氧化物、银氧化物、金氧化物及聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate)。一个或更多的结构层包括的材料可选自砷化镓(GaAs)、硫化锌(ZnS)、硫化镉(CdS)、铟氮化镓(InGaN)、铟氮化镓(InGaN)/氮化镓(GaN)、铝砷化镓(AlGaAs)、铟砷化银(InAgAs)、砷化镓(GaAs)/砷化镓铝(GaAlAs)、氮化镓(GaN)、4H-碳化硅(4H SiC)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、铝氮化镓(AlGaN)/氮化镓(GaN)、磷化铟(InP)、铟砷化铝(InAlAs)/铟砷化镓(InGaAs)、铯、铷、砷化铟(InAs)、锑化铝(AlSb)/砷化铟(InAs)、铝砷化镓(AlGaAs)/铟砷化镓(InGaAs)、铟砷化铝(InAlAs)、铟磷化镓(InGaP)、锗化硅(SiGe)、含碳材料、金刚石、石墨烯、碳纳米管、硅和碳化硅及它们的组合。两个或更多的结构层的材料组成能形成重复模式。多个突起可包括锥形壁，具有相对于上表面形成倾斜角的斜表面。多个突起可包括倒金字塔或斜截棱锥。至少两个相邻的突起的底部彼此接触或连接。多个突起中至少一个的顶面大致平行于衬底的上表面。多个突起中至少一个可包括与衬底的上表面大致平行的脊。衬底包括的材料可选自硅、二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、五氧化二钽、锌氧化物、锡氧化物、锑氧化物、银氧化物、金氧化物、乙烯三氟氯乙烯(ECTFE)、聚(乙烯-共-丙烯酸丁酯-共-一氧化碳)(PEBA)、聚丙烯氯化铵(PAH)、聚苯乙烯磺酸(PSS)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯醇(PVA)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)及它们的组合。

另一方面，本申请涉及一种光学感应器，其包含具有上表面的衬底；衬底上具有多个凹坑，其中多个凹坑的每一个是由一开口和相对于上表面形成倾斜角的一个或多个斜表面决定的；及斜表面中两个或更多的结构层，其中两个或更多的结构层的表面被构造用来吸附化学或生物物质的分子。

本发明的系统在实施时可包括以下一个或更多方面。多个凹坑具有的开口的宽度可在约1nm～1,000nm范围内。多个凹坑相对于衬底上表面的深度可在1nm～1,000nm范围内。两个或更多的结构层可包括聚合材料、金属材料或氧化物材料中的至少一种。两个或更多的结构层包括的材料可选自钛、镍、钴、银、金、钯、铜、铂、锡、铝、铁、铬、铑、钌、二氧化硅、三氧化二铝、氧化锌、二氧化钛、氮化硅、五氧化二钽、锌氧化物、铁氧化物、锡氧化物、锑氧化物、银氧化物、金氧化物及聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate)。一个或更多的结构层包括的材料可选自砷化镓(GaAs)、硫化锌(ZnS)、硫化镉(CdS)、铟氮化镓(InGaN)、铟氮化镓(InGaN)/氮化镓(GaN)、铝砷化镓(AlGaAs)、铟砷化银(InAgAs)、砷化镓(GaAs)/砷化镓铝(GaAlAs)、氮化镓(GaN)、4H-碳化硅(4H SiC)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、铝氮化镓(AlGaN)/氮化镓(GaN)、磷化铟(InP)、铟砷化铝(InAlAs)/铟砷化镓(InGaAs)、铯、铷、砷化铟(InAs)、锑化铝(AlSb)/砷化铟(InAs)、铝砷化镓(AlGaAs)/铟砷化镓(InGaAs)、铟砷化铝(InAlAs)、铟磷化镓(InGaP)、锗化硅(SiGe)、含碳材料、金刚石、石墨烯、碳纳米管、硅和碳化硅及它们的组合。两个或更多的结构层的材料组成形成重复模式。多个凹坑可包括沟槽、倒金字塔、截顶倒金字塔。衬底包括的材料可选自硅、二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、五氧化二钽、锌氧化物、锡氧化物、锑氧化物、银氧化物、金氧化物、乙烯三氟氯乙烯(ECTFE)、聚(乙烯-共-丙烯酸丁酯-共-一氧化碳)(PEBA)、聚丙烯氯化铵(PAH)、聚苯乙烯磺酸(PSS)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯醇(PVA)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)及它们的组合。

另一方面，本申请涉及一种光学感应系统，包括一种光学感应器，该光学感应器包括：具有上表面的衬底；衬底上有多个突起，其中多个突起中的每一个是由衬底上表面的底部和一个或更多的相对于上表面形成倾斜角的斜表面决定的；位于斜表面中的两个或更多的结构层，其中两个或更多层结构的表面被构造用来吸附化学或生物物质的分子；一光源被配置以发射入射光束冲击吸附分子的多个突起；及一探测器被配置采集两个或更多的结构层上吸附的分子散射的光以允许分子被识别。

本发明的系统在实施时可包括下列方面。分子可从液体、溶胶、气体、气溶胶或液体、溶胶、气体、气溶胶的混合物中被吸附。多个突起可包括与被激发电子的平均自由程(mean free paths)或波长(wavelength)或被入射光束激发的声子波长相匹配的可变宽度。多个突起在位于衬底上表面的各自的底部的宽度可在约1nm～20μm范围内，其中多个突起相对于衬底上表面的高度在约0.5nm～20μm范围内。两个或更多的结构层包括聚合物材料、金属材料或氧化物材料中的至少一种。

另一方面，本申请涉及一种使用光散射感应物质的微结构。该微结构包括一衬底；衬底第一层，其中第一层包括一种金属材料；位于第一层上的第二层；第二层上的掩膜层，其中多个孔洞穿过掩膜层和第二层被形成，其中多个孔洞由第二层和掩膜层的内表面部分决定，其中多个孔洞的宽度在约1nm～1,000nm范围内；及在掩膜层和多个孔洞的内表面形成的两个或更多的结构层，其中两个或更多的结构层包含不同的材料组成。

另一方面，本申请涉及一种使用光散射感应物质的微结构。该微结构包括一衬底；衬底第一层；位于第一层上的第二层；位于第二层上的掩膜层，其中多个孔洞穿过掩膜层和第二层被形成，其中多个孔洞由第二层和掩膜层的内表面部分决定，其中多个孔洞的宽度在约1nm～1,000nm范围内；一个或更多的结构层形成于掩膜层和多个孔洞的内表面，其中结构层包括聚合物材料、金属材料或氧化物材料中的至少一种。

另一方面，本申请涉及一种制作使用光散射感应物质的微结构的方法。所述方法包括形成衬底上的第一层；形成位于第一层上的第二层；形成第一层的掩膜层；形成掩膜层和第一层上的多个孔洞，其中多个孔洞由第二层和掩膜层上的内表面部分决定，其中多个孔洞的宽度在约1nm～1,000nm范围内；及形成在掩膜层上和多个孔洞的内表面形成的一个或更多的结构层。

另一方面，本申请涉及一种微结构，包括硅衬底；硅衬底上的粘附层；粘附层上的偏压层；粘附层上两个或更多的结构层，其中两个或更多的结构层包含不同的材料组成且有多个孔洞穿过两个或更多的结构层中的至少两层，其中多个孔洞的宽度在0.5～500nm范围内。

另一方面，本申请涉及一种微结构，包括硅衬底；硅衬底上的粘附层；粘附层上的偏压层；和偏压层上的多个柱体，其中多个柱体或孔洞中的至少一个包含两个或更多的具有不同材料组成及宽度在0.5～500nm范围内的结构层。

另一方面，本申请涉及一种制作微结构的方法。该方法包括在衬底上形成粘附层；在粘附层上形成温度偏压层；粘附层上两个或更多的结构层，其中两个或更多的结构层包含不同的材料组成；在两个或更多的结构层上形成上层；在上层上产生凹坑或突起；去除部分上层以生成具有多个开口的掩膜；并在两个或更多的结构层上形成多个孔洞，或通过去除穿过掩膜层开口的部分两个或更多的结构层，形成多个具有两个或更多结构层的柱体，其中多个孔洞或柱体的宽度在0.5～500nm范围内，如5～200nm。

另一方面，本申请涉及一种获得微结构的方法。该方法包括在衬底上形成粘附层；在粘附层上形成一偏压层；粘附层上两个或更多的结构层具有不同的材料组成；在两个或更多的结构层上形成上层，其中该上层包含一种金属材料；阳极氧化上层的至少一部分来生成具有多个开口的掩膜；并通过去除部分穿过掩膜层开口的两个或更多的结构层，形成两个或更多的结构层中的多个孔洞或具有两个或更多层结构的多个柱体，其中多个孔洞或柱体的宽度在0.5～500nm范围内。

本发明的系统在实施时可包括以下一个或更多方面。一个或更多的结构层包括的材料可选自钛、镍、钴、银、金、钯、铜、铂、锡、铝、铁、铬、铑、钌、二氧化硅、三氧化二铝、氧化锌、二氧化钛、氮化硅、五氧化二钽、锌氧化物、铁氧化物、锡氧化物、锑氧化物、银氧化物、金氧化物、聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate)及它们的组合。一个或更多的结构层包括的材料可选自砷化镓(GaAs)、硫化锌(ZnS)、硫化镉(CdS)、铟氮化镓(InGaN)、铟氮化镓(InGaN)/氮化镓(GaN)、铝砷化镓(AlGaAs)、铟砷化银(InAgAs)、砷化镓(GaAs)/砷化镓铝(GaAlAs)、氮化镓(GaN)、4H-碳化硅(4H SiC)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、铝氮化镓(AlGaN)/氮化镓(GaN)、磷化铟(InP)、铟砷化铝(InAlAs)/铟砷化镓(InGaAs)、铯、铷、砷化铟(InAs)、锑化铝(AlSb)/砷化铟(InAs)、铝砷化镓(AlGaAs)/铟砷化镓(InGaAs)、铟砷化铝(InAlAs)、铟磷化镓(InGaP)、锗化硅(SiGe)、含碳材料(如金刚石、石墨烯、碳纳米管等等)、硅和碳化硅及它们的组合。第一层包括的材料可选自钛、镍或钴及它们的组合。第二层可包括钛、镍、钴、铬、铝或锌。微结构可进一步包括位于第二层和掩膜层之间的第三层，其中多个孔洞穿过掩膜层、第三层和第二层被形成，其中第三层包含钛、镍、钴、银、金、钯、铜、铂、锡、铝、铁、铬、铑、钌、二氧化硅、三氧化二铝、氧化锌、二氧化钛、氮化硅、五氧化二钽、锌氧化物、铁氧化物、锡氧化物、锑氧化物、银氧化物、金氧化物或聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate)。多个孔洞可由第一层的上表面部分决定。微结构可进一步包括位于第一层和第二层之间的偏压层，其中多个孔洞穿过掩膜层、第二层和偏压层被形成。该偏压层能接收电偏压来增强用于痕量化学物质的拉曼散射感应的多个孔洞中一个或多个表面上的分子吸附。一个或多个结构层的一个或多个表面能吸附痕量化学物质分子以检测痕量化学物质。该分子可从液体、溶胶、气体和气溶胶或液体、溶胶、气体和气溶胶的混合物中吸附。多个孔洞中至少一些能大致按周期性阵列分布在一个或更多的结构层中。多个孔洞中相邻两孔洞之间中心至中心间距可在约1nm～1000nm范围内。多个孔洞的深度可在1nm～2000nm范围内。掩膜层可包括铝、铝氧化物或聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

实施例可包括以下优点中的一个或更多个。公开的系统和方法能够增强检测痕量化学物质的散射光的强度。多层纳米结构中多层的不同物质组成也能允许不同类型的化学分子被吸附到纳米结构的表面，从而能够检测多于一种类型的痕量化学物质。

下面结合附图，通过优选的实施例详细描述本发明，本领域普通技术人员将更了解本发明的目的和优势。

附图说明

图1是起始制作纳米结构表面过程的三层结构的剖视图。

图2A是通过阳极氧化过程形成带有孔洞的辅助层的剖视图。

图2B是图2A中辅助层的顶视图。

图2C是沿着图2B顶视图的水平线的剖视图。

图3显示经化学腐蚀或化学机械抛光后的纳米结构表面的剖视图。

图4显示去除孔洞底部的阻挡层并通过化学腐蚀刻蚀至导电层的纳米结构表面的剖视图。

图5A和5B分别显示贵金属沉积在纳米结构表面顶部和随后从顶层去除贵金属薄膜。

图6显示去除氧化物层后具贵金属柱的纳米结构表面侧面剖视图。

图7A-7H是一系列显示与本申请一致的形成纳米结构表面的候选过程方法的剖视图和顶视图。

图8显示在真空密封的探头室中的表面增强拉曼光谱(SERS)或表面增强共振拉曼光谱(SERRS)的探头透视图。

图9显示用来移动并暴露纳米结构感应面至在图7表面增强拉曼光谱(SERS)或表面增强共振拉曼光谱(SERRS)探头中实施的入射激光束的滚轮的透视图。

图10显示纳米结构表面的表面封装图解的透视图。

图11显示纳米结构表面密封在袋中并被安置为滚轮上的薄膜。

图12A-12C是可制作纳米结构的多层结构的剖视图。

图13A举例说明压印前图12A中模具和多层结构的相关位置的剖视图。

图13B是图13A所示的模具的仰视图。

图13C举例说明压印中图12A中模具和多层结构的相关位置的剖视图。

图13D举例说明压印后图12A中模具和多层结构的相关位置的剖视图。

图13E举例说明图12A中多层结构上掩膜构成的剖视图。

图13F是多层结构中形成的纳米孔洞的顶视图。

图13G是图13F沿A-A线的剖视图。

图13H是举例说明在掩膜去除后具有纳米孔洞的多层结构。

图14A是纳米柱结构模型的仰视图。

图14B是图14A所示的纳米柱的顶视图。

图14C是图14B所示的纳米柱沿A-A线的剖视图。

图15A是多层结构的剖视图。

图15B是图15A所示多层结构的上层阳极氧化后的剖视图。

图15C是化学腐蚀穿过经阳极氧化形成的掩膜形成的纳米孔洞的顶视图。

图15D是图15C所示的纳米孔洞沿A-A线的剖视图。

图16是另一个适合形成纳米结构的多层结构的剖视图。

图17A举例说明压印前图16中模具和多层结构的相关位置的剖视图。

图17B是图17A所示的模具的仰视图。

图17C是压印中模具和多层结构的相关位置的剖视图。

图17D举例说明压印后多层结构上表面形成的印迹剖视图。

图17E举例说明图16所示的多层结构上掩膜形成的剖视图。

图17F是在多层结构中形成的纳米孔洞的顶视图。

图17G是图17F沿A-A线的剖视图。

图18是多层纳米结构的剖视图。

图19是示例检测化学和生物物质的光学感应系统的示意图。

图20A是适合图19所示光学感应系统的示例光学感应器的剖视图。

图20B是图20A所示光学感应器的顶视图。

图20C是图20A所示光学感应器锥形壁的详细剖视图。

图21A-21C是适合图19所示光学感应系统的示例光学感应器的剖视图。

图22是适合图19所示光学感应系统的另一示例光学感应器的剖视图。

图23是纳米结构表面的斜面上包含多重结构层的示例光学感应器的剖视图。

图24是纳米结构表面的斜面上包含多重结构层的另一示例光学感应器的剖视图。

具体实施方式：

参见图1-6，是本申请制作纳米结构贵金属表面的一系列的过程步骤。图1显示一种具有n型(100)硅片(3～8Ω-cm)或氧化的(30～50nmSiO₂)p型(100)硅片(5～10mΩ-cm)的双层结构，导电导热层110沉积在一(100)硅衬底105上。导电层110，如钛和镍的厚度被优化使之i)最好的粘附到随后沉积的贵金属膜，例如银或金膜等等；ii)为导电薄膜，在实际应用中对感应面施加电偏压；iii)为导热层，降低感应面的温度；iv)为导热薄膜，传导光源激发引起的局部热量。此金属膜的厚度通常控制在或范围内。然后纯度99.999％，厚度在范围内的铝层115被沉积到导电层110上。进行阳极氧化以生成如图2A所示的多孔氧化铝层115形式的多孔结构。图2B是在多孔氧化铝层115上生成多孔结构的顶视图，其中，多孔结构包括多个由孔壁114环绕的孔洞112，其沿水平线A-A的剖视图如图2C所示。然后在图3中进行湿法氧化腐蚀过程，以去除顶部的多孔三氧化二铝层和阻挡层。进行第二次氧化消耗掉所有的金属铝，使阻挡层和顶部的多孔三氧化二铝层正好位于导电金属层之上。在图4中，进行氧化刻蚀以去除孔洞底部的阻挡层并拓宽孔洞直径。湿法腐蚀过程完成之后，孔洞112向下延伸至导电层。所形成的多孔氧化物层的厚度可以通过控制铝物理气相沉积(PVD)、阳极氧化和随后的湿法腐蚀过程的工艺参数来控制。自组装的孔洞结构自然地形成一六边形阵列。孔径(d)取决于所施加的氧化电压，电流密度和电解液及随后的湿法腐蚀扩孔过程；而孔洞间的距离(D)取决于施加的氧化电压(V)，电流密度(i)和电解液。选择性地，可进行第二个阳极氧化过程来消耗部分铝金属膜，从而使阻挡层和顶部的多孔三氧化二铝层位于铝层之上。

贵金属(如银)层120沉积在图5A的多孔层115上并通过偏压物理气相沉积(PVD)过程或电镀法填充孔洞112。在图5B中，贵金属120的顶层被去除，贵金属填入孔洞112。再一次进行湿法金属腐蚀或化学机械抛光(CMP)过程以进一步控制填充在孔洞中的贵金属120-N的高度。在图6中，氧化铝115和多孔铝层115底部的残余的铝膜115-AL被去除，然后保留可控高度(H)和明确的纳米结构中心至中心距离(D)具有柱径d的贵金属柱120-N阵列，从而完成了贵金属纳米结构表面100的制作。

上述制作工艺中使用的光刻掩膜的几何形状与感应芯片的尺寸要求及金属衬垫的区域相匹配，金属衬垫位于芯片的角落上。为了野外应用，化学品检测感应芯片采用不同的半导体封装技术进行封装，例如，引线键合、倒装法、编带法、系统级芯片(SOC)等等。

如图1-6所公开的，本申请提供了一种用铝材料和阳极氧化方法在具有被覆金属的导电层或其他相应的材料表面的硅衬底上制造纳米级多孔结构的新方法。由于铝物理气相沉积(PVD)，阳极氧化，湿法腐蚀和化学机械抛光(CMP)过程的过程参数对本领域人员都是已知的，纳米结构的层厚度及新的几何参数都是可以准确控制的。一种可准确控制的化学腐蚀工艺被应用以去除孔洞底部的阻挡层。多孔氧化铝层被用作沉积贵金属到孔洞114中的硬掩膜，然后通过控制铝层上的阳极氧化过程，化学过程或化学机械抛光过程去除剩余的铝膜和多孔氧化铝以暴露具有可控高度H和柱间距D的贵金属柱。本申请从而提供了一种在硅衬底(100)上通过这些新颖的工艺步骤制作的纳米结构表面。通过使用该纳米结构表面，来自硅衬底520cm^-1附近的拉曼散射带可被用作在实际应用中协助拉曼实验的调整及校准光谱频率和强度的内参比。电压可穿过导电层110应用到纳米结构感应面用来吸引以带电分子团形式存在的带电痕量化学物质，例如依据感应运用的或带负电或带正电的颗粒。此外，导电层110可被冷却到室温以下进一步增强相关分子的表面吸附。

参见图7A-7F，是一系列制作本申请另一纳米结构贵金属表面的工艺步骤。图7A显示一双层结构。此双层结构具有沉积在硅衬底130之上的导电导热层135。在一些实施例中，导电层135可以是钛或镍层。衬底130可以是n-型硅衬底(3～8Ωcm)或氧化的(30～50nmSiO₂)p-型硅片(5～10mΩcm)。导电金属膜135的厚度可被控制在范围内，并被优化以最好的粘附到按以下描述被沉积的贵金属层上。金属层135的厚度也被优化以对痕量化学物质检测感应面施加电偏压，此外能为感应面提供较低的温度以增强痕量化学物质检测的敏感性。在图7B中，贵金属层140被沉积于导电层135上。贵金属层可以是银的，厚度是0.5～5,000nm，或10～200nm。在图7C中，第二层145，例如，厚度范围在0.5～10.0μm的铝层145被沉积到贵金属层140上。进行阳极氧化，转换铝层145为具有孔洞148的氧化铝层150。自组装的六边形纳米孔洞148由六边形孔壁149围绕。在通过湿法化学工艺去除顶部氧化层和阻挡层后，进行第二阳性氧化过程以将所有铝金属转换为铝氧化物。然后进行湿法腐蚀过程来拓宽孔洞148底部。如图7F所示，随着湿法腐蚀过程的进行，孔洞148被拓宽而围绕孔洞的孔壁149变薄。腐蚀过程可被控制以形成多个被孔壁149围绕的纳米孔洞148或孔洞148被拓宽以致无关的接触到彼此。在腐蚀工艺完成后形成了多个准三角形纳米柱150。

在图7G中，贵金属层140被腐蚀掉，孔洞148向下延伸到导电的钛层135。在图7H中，进行湿法氧化腐蚀去除氧化铝，继之以湿法金属腐蚀去除残余在孔洞148底部的铝。氧化铝115和多孔铝层115底部残余的铝膜115-AL被去除，留下一个在纳米柱150之间具有空隙147的纳米柱阵列。

上述方法产生了具有准三角形形状的纳米柱150。配位数是3。该方法与以上讨论的图1-6中实施例的优点在于i)钛层135和银层140之间更好的膜粘附；ii)更短的纳米柱间距，也就是，如图7F所示的D_A，在其他所有工艺条件相同时，与D_B相比减少了约40％；iii)纳米柱150的高度可以通过穿过包括至少几百甚至几千装置的整个芯片的膜厚度上的银物理气相沉积被很好的控制。

通过以上描述，自组装纳米感应面被形成，其中纳米柱150阵列或六边形纳米孔洞148阵列中，每个银纳米柱或纳米孔阵列在空间上彼此分离。

纳米柱阵列尺寸大小可以通过以上所述工艺被很好的控制。特别地，阵列尺寸和大小被很好的控制在以下四个范围内：

1)钛膜厚度： 0.5～5,000nm

2)纳米柱径宽，d： 0.5～500nm

3)纳米柱内颗粒间距，D： 0.5～1000nm

4)纳米柱高度，H： 0.5～1000nm

其中d是宽度，也就是，纳米柱的横向尺寸。例如，d可以是大致圆形的纳米柱的直径。在另一实施例中，d可以是大致矩形的纳米柱的宽度。

另一方面，纳米孔洞阵列尺寸和大小可以通过上述工艺很好的控制。特别地：

1)钛膜厚度： 0.5～5,000nm

2)纳米孔径宽度，d： 0.5～500nm

3)纳米孔洞内孔间距，D： 0.5～1000nm

4)纳米孔深度： 0.5～1000nm

其中，d是宽度，也就是，纳米孔的横向尺寸。例如，d可以是大致圆形的纳米孔洞的直径。在另一实施例中，d可以是大致矩形的纳米孔洞的宽度。

如图6和7H所示的纳米结构感应面可用在感应化学物质的光学探头中。参见图8，光学探头200包括被箱盖205遮盖的密封室210。密封室210装有一装置220，在下图9中有进一步的详细结构。密封室210包括一个连接到一真空汞(未显示)的空气出口225以在室210中形成真空。密封室进一步包括一具有引入样品分子如吸入痕量化学物质以吸附到纳米结构表面的真空管的空气入口230，如图9所示。光学探头200进一步包括一光学窗240和一透镜250，用来发射作为一入射波束的激光束，冲击纳米结构表面以生成散射信号进行光散射分子检测操作。密封室210从而提供了作为光散射检测的迷你环境的独立空间。

图9是支持和操作用如图6所示贵金属纳米柱120-N制作的纳米结构表面的装置220的透视图。纳米结构表面滚轮的目的是提供给探头室中的空气分子暴露(一袋大小)新鲜纳米结构表面100的装置，该探头室在激光冲击表面时，使任何痕量化学分子吸附到表面，以提供表面增强的拉曼散射。纳米结构表面260能感应痕量化学物质。该纳米结构表面260可通过光刻法、电子束光刻法、化学反应、金属沉积前的多孔硅层(PSL)沉积或上述特殊超大规模集成电路技术制作。例如，纳米结构表面260与上述纳米结构表面100及关于图13A-18公开的纳米孔洞和纳米柱是一致的。纳米级贵金属颗粒在软金属箔或聚合物材料270上制作。为防止感应面从空气中吸附不需要的分子，感应面用聚合物或薄金属膜276覆盖。进一步地，只允许一小部分表面暴露到目的样品分子，构成的表面每一个小区域被圆形的、方形的、矩形的或其他类型的形状的密封脊275所围绕。当样品分子被泵入探头室将要进行新的检测时，驱动滚轮280和薄膜剥离滚轮285能前进与密封袋相等大小的距离来剥离薄膜276覆盖层并暴露新的纳米结构表面260使分子吸附到上面。滚轮245，280按滚轮245，280上显示的箭头转动。激光束250穿过光学窗进入密封室并冲击纳米结构表面260。反射光谱255通过反射镜290反射离开出口路径。散射光通过物镜295采集。

图10显示围绕和保护袋中纳米结构表面260的密封脊275的详细结构。在暴露纳米结构表面260给入射光250时，薄膜276被剥离以允许纳米结构表面260接收入射激光束并允许有关的痕量化学物质吸附到新的感应面，来产生用于痕量化学物质检测的拉曼散射光。剥膜配置和检测过程能使痕量化学物质检测操作有效的将样品污染降到最小并允许新检测操作中通过使用新的纳米结构表面方便的进行每次痕量化学物质检测。

参见图9和10，散射光在穿过出射窗退出探头室前(未显示)能被透镜295采集。散射光可被一拉曼分光计分析产生拉曼光谱。反射镜290能指引反射激光束255远离出射窗来防止反射激光束255增加拉曼散射信号的噪音。

为了增加金属表面的分子吸附，一直流电压电源被提供并连接到感应面以在表面提供正或负电压(未在图中显示)。控制电压能选择性增强某些分子吸附；从而，提供了可增强某些相关分子的拉曼散射信号的偏压装置。此外，为了增强纳米结构感应面的分子吸附，热电冷却器被用来冷却感应面的温度至0℃～20℃之间，在这个温度区间中，许多相关的痕量化学物质被浓缩到感应衬底上，从而使痕量化学分子更好的吸附到感应面上，并更有效的增强了拉曼散射信号。

为了进一步增强纳米结构感应面上的拉曼散射信号，偏振激光束被应用，其或接近平行于感应面和/或纳米阵列的主轴之一，或接近垂直于感应面。激光束的入射角是设置好的，以使激光偏振方向与纳米柱的轴向一致，也就是，垂直于感应面的正常方向，或平行于感应面。因为许多有机化学分子含有苯环结构，这样的化学分子被要求定向于它的大环结构，该大环结构由于水平布置在纳米柱侧面、纳米柱顶面或相邻纳米柱之间的底面而易于偏振。

为了降低拉曼散射噪音，应用到金属表面的电压可被调节到一个已知的频率以提供一适合不同检测的装置，以下会有更多的细节描述。

在图11中对一个纳米结构贵金属表面滚轮的实施例进行说明。在这个实施例中，旋转轮300被建构来为表面增强拉曼光谱(SERS)或表面增强共振拉曼光谱(SERRS)提供袋装的纳米结构表面。该旋转轮被机动化(未在图中显示)并通过电机械装置控制。每当样品空气被泵入探头室，机动轮能转动一步而覆盖的薄膜310被掀起以暴露袋表面320。在轮上可制作许多袋以不需要改变任何部分就能进行多个检测。与图9所示的实施例相似，直流电压被连到金属表面为表面吸附增强提供正或负电压。用来暴露密封在每个单独的袋中纳米结构表面的装置，与上述图中滚轮驱动的装置相似。轮300被装在探头室中。激光束冲击暴露到样品空气的表面并从表面反射出来。如上所述，反射光谱被引导远离光分散和采集器。只有散射光被分散和反映到一电荷耦合元件(CCD)相机做光谱分析。

表面增强拉曼光谱(SERS)或表面增强共振拉曼光谱(SERRS)探测器，如以上所公开的，具有小型尺寸，安装在具有纳米结构感应面的密封探头室，为单独的曝光设置。公开的探头在野外可方便的配置。为了被非常经济有效的实施，纳米结构表面被配置并被分割成袋装的及膜保护的表面。纳米结构感应面被覆盖在膜下从而能在痕量化学物质检测实施前被保护不被污染。脊被有效实施以密封并安全的将保护膜贴到纳米结构表面以保证纳米结构表面不被污染。一种能掀起遮盖膜以暴露一小部分表面给样品及检测分子的装置被公开。公开的滚轮支持并操作纳米结构表面一次只暴露一个袋来控制检测过程的精准有效的操作。同时，新的表面增强拉曼光谱(SERS)或表面增强共振拉曼光谱(SERRS)检测使用连续更新的，未被污染的表面实施检测操作。滚轮构造为进行更有效的化学检测操作进一步提高了膜替换过程。目前应用到纳米结构表面的直流电压进一步增强了痕量化学物质检测的吸附和敏感度。在一些实施例中，应用到支持纳米结构表面的导电层的电压能被调节以提供不同的信号来进一步减少噪音。为了增强纳米结构感应面的分子吸收，热电冷却器被应用于冷却感应表面至0℃～20℃区间，在这个温度区间里，许多相关的痕量化学物质以更高的概率被浓缩到检测衬底上。此外，为了增强纳米感应面的分子吸附，偏振激光束被应用，或平行于感应面和/或纳米阵列的主轴之一，或垂直于感应面。

本申请进一步公开了实施色谱层析操作的附加方法，例如，在实施痕量化学物质检测之前，实施气相色谱分析(GC)或高效液相色谱法(HPLC)操作。色谱分析过程是一种按时间分配流动相和固相混合物的成分来分离混合物的过程。流动相可以是一种液相或气相，固相可以是吸附到柱填充材料上的成分。本申请从而公开了一种联合的GC-Raman(或GC-SERS)感应系统或联合的HPLC-Raman(或HPLC-SERS)感应系统，通过首先进行相分级过程，如气相色谱分析(GC)或高效液相色谱法(HPLC)，随后通过上述拉曼散射感应过程检测痕量化学物质。

拉曼散射传感器的检测敏感度也能通过将表面电子-光子耦合效应及表面干涉效应与纳米结构表面尺寸相结合来增强。特别地，金或银表面上的电子平均自由程(MFP)约10～50nm(Penn，D.R.Phys.Rev.B13，52481976，1976；Physicsat Surface，Andrew Zangwill，Cambridge University Press，1988)。银金属表面可被配置成具有与银电子平均自由程(MFP)范围相匹配的纳米阵列。银纳米结构表面阵列与入射可见偏振激光作用时，其物理属性显示出突然的重大的变化。物理属性的突变可以被量化使其与由表面电子-光子-声子耦合效应、表面干涉效应、表面共振效应、表面类衍射效应等等引起的光子和电子和其他亚原子颗粒的相互作用相关联。

银纳米结构表面上电子的平均自由程(MFP)是基于万有曲线的下表所列电子动能的函数。假设受激激光能量作为动能被转移到银表面上的一电子，下表列出了不同激光波长下，银纳米结构表面上电子的平均自由程(MFP)：

a)激光波长＝375nm，

b)激光波长＝532nm，

c)激光波长＝785nm，

d)激光波长＝1064nm，

因此，在受激激光波长在375～1064nm范围内条件下银金属表面的电子平均自由程(MFP)在5～50nm范围内。通过以上讨论，可以预知优化的和最佳的表面增强拉曼光谱(SERS)信号增强发生在当电子平均自由程(MFP)与优化的几个纳米结构参数在性能上匹配时。这些参数包括i)银纳米柱阵列或纳米孔洞阵列的直径d；ii)纳米结构表面的柱间隙或孔间隙D；iii)纳米柱阵列的高度或纳米孔洞阵列的深度；或iv)以上三个参数中的任何两个。以上描述的“性能匹配”可包括上述银表面纳米特征大小为约等于、小于银金属估算的电子平均自由程(MFP)、是其整数或特殊的数学函数的情况。性能匹配相关也可被定义成由表面电子-光子耦合效应、表面干涉效应、表面共振效应、表面类衍射效应等引起的光子、电子和其他亚原子颗粒的相互作用所表征的功能上的关联。

相似地，银电子平均自由程(MFP)与纳米表面特征的匹配可被扩展至i)电子波长。考虑到银金属表面的电子波长在约范围内，如果金属表面纳米特征大小与其匹配，从而，在那个激光束激发下非传统的物理学现象可能会发生，如表面增强拉曼散射，从而导致拉曼散射可被明显增强；ii)声子波长。考虑到银固体表面的声子波长在约范围内，如果在激光激发下金属表面纳米特征大小与其匹配，拉曼散射可被明显增强。需要注意的是，声子被定义为具有晶格或化学键的简正振动态能量的量子，且拉曼光谱记录晶格或化学键振动；iii)声子平均自由程。考虑到银固体表面的声子平均自由程在约范围内，如果金属表面纳米特征大小与以上范围匹配，则导致拉曼散射可被明显增强。需要注意的是，声子被定义为具有晶格或化学键简正振动态能量的量子，且拉曼光谱记录晶格或化学键振动。从而拉曼散射可通过表面电子-光子-声子耦合效应、表面干涉效应、表面共振效应、表面类衍射效应等等引起的光子和电子和其他亚原子颗粒相互作用和其他颗粒间相互作用被显著增强。

基于以上描述，考虑到入射激光和纳米结构表面的相互作用，通过使用入射激光调制来调节入射激光使其具有一个掠入射角以至激光偏振方向接近纳米柱轴的方向，也就是，垂直于感应面或平行于感应面，可进一步增强散射感应强度。通过移动受激激光波长约半个拉曼带宽度及使用光谱差异分析技术渗漏大部分背景噪音或/和来自样品、检测环境和检测系统中不必要的荧光信号，这两者都具有非常宽的带，也可进一步增强感应性能。除以上技术之外，一种候选方法是电信号差分方法，即通过移动电荷耦合元件(CCD)的检测像素位置然后使用差光谱方法来减少检测噪音，以进一步增强散射感应过程的性能。

在一些实施例中，纳米结构如纳米孔洞或纳米柱可在它们的结构中包括多重的层。参见图12A，多层结构1200A可包括一衬底1205，一粘附层1210，结构层1215，1220，1225，1230和上层1250。衬底1205可包括一具有(100)或(111)晶体平面取向的硅衬底。粘附层1210可包括如可包括钛、镍或钴的导电材料。粘附层1210可在衬底1205上通过物理气相沉积(PVD)形成。粘附层1210可导电、导热或既导电又导热。粘附层1210示例厚度是5nm～5,000nm，如10nm～100nm。

粘附层1210具有几个功能。它可以粘附到衬底1205上。它可以使纳米结构形成电偏压或温度偏压以增强光散射信号。它还可以作为散热片。制作过程中，粘附层1210可作为化学腐蚀(如以下所述)的阻挡层或一种漫射阻挡层。

随机的热偏压层1215可接着在粘附层1210上形成。该热偏压层1215可通过如物理气相沉积法(PVD)形成。热偏压层1215可由铬、铂、钌、镍-铬合金、镍氮化铬、铂-铑合金、铜-金-钴合金、铱-铑合金或钨-铼合金制成。热偏压层1215的厚度可在5nm～10μm范围内，如10nm～1μm。热偏压层1215根据运用可行使不同的功能。例如，当纳米孔洞或纳米柱被用来在拉曼散射中感应痕量化学物质时，热偏压层可被冷却作为纳米孔洞或纳米柱的散热片。较低的温度能够增强纳米孔洞或纳米柱表面对痕量化学物质的吸附。热偏压层1215也可在每次化学物质感应检测后被加热以释放吸附在纳米结构表面的分子以使纳米表面可被重复利用到下一次化学物质感应检测中。

在一些实施例中，粘附层1210和热偏压层1215可通过单一的大体均质的层来构成，例如通过一钛层或镍层实现。

接下来，可在热偏压层1215上形成结构层1220，1225和1230。结构层1220，1225和1230可具有不同的材料组成A、B、C(这样结构层可被简写成“ABC”。)选择性地，结构层1220和1230可具有相同的材料组成“A”及结构层1225可具有不同的材料组成“B”(结构层可被简写成“ABA”)。

相似地，参见图12B，结构层1220-1235可包括三个或具有不同顺序如“ABAB”、“ABAC”、“ABCA”、“ABCB”及“ABCD”等等的更多层，其中“A”，“B”，“C”和“D”每个代表一种不同的材料组成。此外，参见图12C，结构层1220-1245可具有不同的材料顺序如“ABCDEF”、“ABABAB”，“ABCABC”等等，其中“A”，“B”，“C”，“D”，“E”，“F”每个代表一种不同的材料组成。多层结构可具有(AB)_n，(AB)_nA，(ABC)n，(ABC)_nA，(ABC)_nAB等等的层顺序，其中n是整数。

结构层1220，1225，1230...1245可包括金属材料如银、金、铜、铂、铝、铁、钴、镍、铬、钌、铑及钯；掺杂氯或氯化物的银及掺杂氯或氯化物的金；氧化物如二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、五氧化二钽、锌氧化物、锡氧化物、锑氧化物、铁氧化物、银氧化物、金氧化物；和聚合物材料如乙烯三氟氯乙烯(ECTFE)、聚(乙烯-共-丙烯酸丁酯-共-一氧化碳)(PEBA)、聚丙烯氯化铵(PAH)、聚苯乙烯磺酸(PSS)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯醇(PVA)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。结构层1220，1225，1230...1245也可包括半导体材料如砷化镓(GaAs)、硫化锌(ZnS)、氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)、掺铒(Er3)二氧化硅、铟氮化镓(InGaN)、铟氮化镓(InGaN)/氮化镓(GaN)、铝砷化镓(AlGaAs)、铟砷化银(InAgAs)、砷化镓(GaAs)/砷化镓铝(GaAlAs)、氮化镓(GaN)、4H-碳化硅(4H SiC)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、铝氮化镓(AlGaN)/氮化镓(GaN)、磷化铟(InP)、铟砷化铝(InAlAs)/铟砷化镓(InGaAs)、铯、铷、金刚石、砷化铟(InAs)、锑化铝(AlSb)/砷化铟(InAs)、铝砷化镓(AlGaAs)/铟砷化镓(InGaAs)、铟砷化铝(InAlAs)、铟磷化镓(InGaP)、锗化硅(SiGe)、铝、硅、含碳材料如石墨烯、碳纳米管、金刚石等等。

结构层1220，1225，1230...1245的厚度可在0.3nm～2000nm范围内。结构层1220，1225，1230...1245可通过实施物理气相沉积(PVD)、化学汽相沉积(CVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、原子层沉积(ALD)、分子束外延(MBE)、电镀、电解电镀、旋涂和喷射形成，形成方法可依据要形成的纳米结构的材料组成及应用进行选择。

接下来，参见图12A，在结构层1230上形成上层1250以完成多层结构1200A。上层1250可通过用模具刻印时适合形成印迹的材料形成。适合上层1250的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。上层1250的厚度可在20～800nm范围内，如50～350nm。相似地，多层结构1200B和1200C也可通过分别在结构层1235和结构层1245上形成上层1250来构成。

一模具(模板或印章)1300，参见图13A和13B，接下来被安置到多层结构1200上。模具1300可包括面向上层1250(图13A所示交叉部分为图13B沿A-A线)的突起1310(或孔洞)。该突起1310(或孔洞)可决定将要形成的孔洞(1320)的形状和尺寸。模具1300可通过刻蚀硅片或镍、钛、钴或包被玻璃的铬制作以生成具有合适的尺寸和间隙(中心到中心)突起1310(或孔洞)。模具1300被按压到上层1250，如图13C所示，以在上层1250形成印迹，如图13C和13D所示。该印迹包括位于上层1250中的多个凹坑1255(或突起)。

然后上层1250通过化学腐蚀形成掩膜1251。上层1250在凹坑1255和未刻印部分中被腐蚀。腐蚀被控制直至凹坑1255下面的上层1250部分被腐蚀至在掩膜层1251中形成孔洞1320。结构层1225的上表面被暴露在掩膜层1251中的孔洞1320内。

然后结构层1215-1225被化学刻蚀剂腐蚀形成穿过多层结构1200的孔洞1320(图13F和13G)。掩膜1251随后被去除以形成带多个孔洞1320的多层结构1200的多层纳米孔洞阵列1350(图13H)。孔洞1320的直径可在0.5nm～1,000nm范围内，如5nm～200nm。相邻孔洞1320中心至中心的间距在0.5nm～1,000nm范围内，如5nm～200nm。多个孔洞1320的至少一部分可大致按周期性阵列分布到多层结构1215-1225中。孔洞1320包括结构层1215-1225上的侧表面1325。该表面1325可被导电材料覆盖。相似地，可使用上述与图13A-13H相关的步骤在多层结构1200B和1200C中形成孔洞。

孔洞1320代表性的形状由模具1300中的突起1310的形状决定。孔洞1320代表性形状的例子可包括圆形、三角形、矩形等等。

在一些实施例中，多个柱体1430也可使用如图13A-13H所示步骤相似的步骤在多层结构1200A，1200B和1200C中形成。如图14A-14C所示，一模具1400可包括多个凹坑1420或突起。凹坑1420或突起决定将要在多层结构1200中形成的柱体1430的位置及侧向尺寸。该模具1400可被用来刻印到上层1250以生成在上层1250中柱体1430将要被形成的位置具有突起的印迹。多层结构1200然后经历刻蚀，掩膜形成和刻蚀除了孔洞之外的区域或穿过掩膜的孔洞相似地步骤，以形成纳米柱或包括多个柱体1430或粘附层1210上的孔洞或甚至深1～10,000nm至衬底1205的孔洞阵列。多层纳米柱阵列1450被形成。柱体1430的代表性形状由模具1400中凹坑1420的形状决定。例如，柱体1430的代表性形状可包括圆形、三角形、正方形、矩形、两端带有半圆的矩形、椭圆形等等。在X-Y轴上的直径d或尺寸在0.3～500nm范围内，如5～200nm。相邻柱体1430之间的间隙(中心至中心)D可在0.5nm～1,000nm范围内，如5～200nm。柱高度可在0.5～1,000nm范围内，如5～200nm。至少一部分柱体1430可按大致周期性的模式分布。

公开的多层纳米结构(如，多层纳米孔洞阵列1350和多层纳米柱阵列1450)可通过几个机制增强散射光信号。用入射激光束照射，在多重的层和衬底可形成电子驻波，增强表面核壳共振进而增强拉曼散射。纳米孔洞或纳米柱可有效的作为电子共振的空穴。包含金属材料的多层纳米结构也能增强吸附到表面的化学分子与纳米柱或纳米孔洞的结构材料之间的电荷转移，其能增强拉曼信号。由于纳米空穴中电子的共振，定位电场密度(E-field)也能被增加。已知拉曼散射信号强度是电场密度(E-field)的乘四次方。此外，纳米空穴中的电子驻波也可发出可作为第二激发原的光子。第二激发源的数量由外部激光激发下的纳米阵列中纳米柱和纳米孔洞的数量决定。第二激发源发射的光能相干激发吸附在感应面上可能构成拉曼激光的化学分子，从而进一步增强拉曼信号。

在一些实施例中，用阳极氧化形成的掩膜腐蚀多层结构可在多层结构中形成多个孔洞或柱。如图15A所示，多层结构1500A包括除在顶部形成上层1550外与多层1200相同的结构(与图7C公开的步骤相似)。上层1550可由金属材料制成，如厚度在0.1～10.0μm范围内的铝，如0.5～5μm。上层1550可使用与图7D相关描述的步骤被阳极氧化以在上层1550形成孔洞1555。阳极氧化可包括在上层1550、粘附层1210(能导电)和硅片衬底施加电偏压。在阳极氧化过程中上层1550中的铝材料可被转换成三氧化二铝。退火和氧化工艺参数被控制以使孔洞1555能在硬掩膜层中自组装形成具有指定物理学尺寸的六边形阵列。孔洞1555暴露结构层1225的上表面。结构层1215-1225从而通过掩膜层1551中的孔洞1555被化学腐蚀形成具有穿过结构层1215-1225的多个孔洞1520的纳米孔洞阵列1550。孔洞1520包括侧表面1525。掩膜层1551在孔洞1520形成后可随机被去除。

在一些实施例中，掩膜层可通过刻印与阳极氧化相结合的方法在多层结构上形成。例如，一具有突起或凹坑的模具能被按压到多层结构1500A中的上层1550以在上层1550形成一印迹。随后的阳极氧化过程可利用印迹上的凹坑作为成核位置在上层1550形成孔洞1555，从而产生掩膜层1551。选择性地，随后的刻蚀过程可利用印迹上的凹坑为起始位置刻蚀位于上层1550上的孔洞1555，从而产生掩膜层1551。

在一些实施例中，不同型号的多层纳米结构可使用多层结构1600建构，如图16所示。多层结构1600可包括一衬底1605，第一层1610，一可选偏压层1615，第二层1620，第三层1625和一掩膜层1650。衬底1605可包括一具有(100)或(111)晶体平面取向的硅衬底。第一层1610可粘附到衬底1605。第一层1610可包括金属材料如钛、镍、钴、铬等等，可在衬底1605上通过物理气相沉积(PVD)形成，厚度范围5～50nm，如10nm。制作过程中，如以下描述，第一层1610可作为化学腐蚀的阻挡层或漫射阻挡层。

随机地，偏压层1615在第一层1610上形成。偏压层1615可通过如物理气相沉积(PVD)形成。偏压层1615可包括一种导电材料，导电材料可包括铬、铂、钌、镍-铬合金、镍氮化铬、铂-铑合金、铜-金-钴合金、铱-铑合金或钨-铼合金。偏压层1615的厚度可在5nm～10μm范围内，如10nm～1μm。偏压层1615可根据运用行使不同的功能。例如，当纳米孔洞或纳米柱被用来在拉曼散射中感应痕量化学物质时，为了增强拉曼散射信号，偏压层1615可被冷却作为纳米孔洞或纳米柱的散热片。较低的温度能够增强痕量化学物质在纳米孔洞或纳米柱表面上的吸附。每次化学物质感应检测后偏压层1615也可被加热以释放纳米结构表面吸附的分子，以使纳米表面能重复用于下一次化学物质感应检测中。

在一些实施例中，第一层1610和偏压层1615可用单一层形成，包括材料如钛、镍、钴、铬等等。

接下来，第二层1620使用如物理气相沉积(PVD)技术在偏压层1615上形成。第二层1620能给吸附到纳米表面结构的分子提供磁场。第二层1620可包括，但不限于钛、镍、钴、铬、铁，合金如镍-铬合金、镍氮化铬、铂-铑合金、铜-金-钴合金、铱-铑合金或钨-铼合金，金属氧化物或其它材料。第二层1620的厚度范围是5～50nm，如10nm。

然后第三层1625在第二层1620上形成。第三层1625厚度可在0.5μm～5μm范围内，如2μm。适合的材料包括铝或锌。

接下来，掩膜层1650来自或在第三层1625上形成。掩膜层1650的材料根据纳米结构形成方法进行选择。例如，适合的材料可包括聚合物、金属、金属合金和氧化物材料如钛、镍、钴、银、金、钯、铜、铂、锡、铝、铁、铬、铑、钌、二氧化硅、三氧化二铝、氧化锌、钛氧化物、锡氧化物、铁氧化物、金属氧化物、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和其他聚合物材料。

参见图17A和17B，一模具1700接着被放置于多层结构1600上。该模具1700可包括面向掩膜层1650的多个突起1710(如图17A所示的交叉部分是沿着图17B的A-A线)。模具1700可通过刻蚀硅片或镍、钛、钴或覆有玻璃的铬制作以生成突起1710。模具1700被对着掩膜层1650按压，如图17C所示，在掩膜层1650中生成多个凹坑1655，如图17C和17D所示。突起1710决定凹坑1655(以及图17E-17G中的孔洞1720)的形状、尺寸和间距。孔洞1720代表性的形状示例可包括圆形、三角形、矩形等等。

掩膜层1650接下来被化学腐蚀形成如图17E所示的掩膜1651。腐蚀被控制直至凹坑1655下的掩膜层1650部分被腐蚀透形成位于掩膜层1651中的孔洞1720，以允许第三层1625暴露在位于掩膜1651中的孔洞1720中。

应当被理解的是，具有孔洞的掩膜层也可以通过上述模刻方法之外的技术形成。例如，第三层1625可用铝层构成。铝层的顶端部分可被氧化形成一包含开口的氧化铝掩膜层，如上述图7A-7F相关描述。在本实施例中，掩膜层和掩膜层上的开口通过阳极氧化同时形成。纳米孔洞从而能被形成并通过腐蚀透过掩膜层上的开口进行调节。在一些实施例中，掩膜层上的开口也可通过电子束放射形成。

多层结构1600接下来被化学刻蚀剂腐蚀以致孔洞1720穿过偏压层1615、第二层1620和第三层1625(图17F和17G)。第一层1610的上表面暴露在孔洞1720的底端。孔洞1720的直径在约1nm～1,000nm范围内，如5～200nm。相邻孔洞1720之间的中心至中心距离在约1nm～1,000nm范围内，如约5～200nm。孔洞1720的深度在约1nm～2,000nm范围内。多个孔洞1720中至少一部分能大致按周期性的或规则的阵列分布，如六边形、三角形或正方形阵列。孔洞1720部分由偏压层1615、第二层1620、第三层1625和掩膜层1650的内表面1725所决定。

接下来，如图18所示，使用如物理气相沉积(PVD)、化学汽相沉积(CVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、原子层沉积(ALD)、分子束外延(MBE)、电子束蒸镀、电镀、电解电镀、旋涂和喷射技术，将多层结构1810沉积在表面1725上。多重结构层1810可按顺序简写为AB，ABC，ABA，ABAB，ABABAB，ABCABCABC，其中每个“A”，“B”和“C”显示一个上述具有不同材料组成的层。结构层根据它们各自的材料组成可按周期性顺序分布。这些层中每个的厚度可在1nm～2500nm范围内，如约10nm。

适合多重结构层1810的材料包括钛、镍、铁、钴、银、金、铜、铂、锡、铬、聚合物材料、合金材料及氧化物材料如二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝、铁氧化物、氮化硅、五氧化二钽、锌氧化物、锡氧化物、锑氧化物、银氧化物和金氧化物。适合多重结构层1810的材料也包括砷化镓(GaAs)、硫化锌(ZnS)、硫化镉(CdS)、铟氮化镓(InGaN)、铟氮化镓(InGaN)/氮化镓(GaN)、铝砷化镓(AlGaAs)、铟砷化银(InAgAs)、砷化镓(GaAs)/砷化镓铝(GaAlAs)、氮化镓(GaN)、4H-碳化硅(4H SiC)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、铝氮化镓(AlGaN)/氮化镓(GaN)、磷化铟(InP)、铟砷化铝(InAlAs)/铟砷化镓(InGaAs)、铯、铷、砷化铟(InAs)、锑化铝(AlSb)/砷化铟(InAs)、铝砷化镓(AlGaAs)/铟砷化镓(InGaAs)、铟砷化铝(InAlAs)、铟磷化镓(InGaP)、锗化硅(SiGe)、含碳材料金刚石、石墨烯、碳纳米管等等、硅和碳化硅。结果，多层纳米结构1800被形成，其可作为光学探头200(图8和9)中的纳米结构表面260使用。图18举例说明具有层顺序ABAB的多层1800的特殊示例。

在一些实施例中，参见图19，示例光学感应系统1900包括一光源1905，一光电探测器1910，一光谱分析器1912和一样品采集器1915。一携带多个光学感应器1930a-1930d的柔性衬底1925被卷绕在一供应滚轮1922上。光学感应器1930a-1930d可用位于柔性衬底1925上的柔性薄片1945密封。一拉紧滚轮1920按方向1927从供应滚轮1922拉起柔性衬底1925。光学感应器1930a-1930d被移动的柔性衬底1925移至样品采集器1915下面，然后是光源1905和光电探测器1910下面。柔性薄片1945可被一滚轮1940牵拉，导致柔性薄片1945从光学感应器1930a-1930d上剥离。

样品采集器1915能采集流动状态的化学或生物样品如液体、气体或水蒸气、溶胶、气溶胶或它们的混合物。当光学感应器1930a-1930d与位于样品采集器1915下面的柔性衬底1925一起移动时，样品采集器1915能将样品传送到光学感应器1930a-1930d。样品采集器1915可以是一种能够滴加包含样品的流体滴1917到光学感应器1930c的流控传输装置。

当光学感应器1930a移动到光源1905和光电探测器1910下面时，光源1905发射一入射光束1906以照射光学感应器1930a的表面。光源1905可以是被配置用来发射激光束的一种激光器。光学感应器1930a中来自吸附有样品分子的表面的散射光1907被光电探测器1910所收集。

光电探测器1910能依据来自光学感应器1930的散射光1907生成光谱信号。光谱信号包括样品中有关化学或生物样品的信息。光电探测器1910的示例包括紫外-可见-近红外(UV-VIS-NIR)分光计，拉曼分光计，傅里叶变换红外线(FTIR)分光计或荧光(FL)分光计等等。散射光1907也可包括光学感应器1930a上穿过表面结构或由其发射的光。光学感应器1930a-1930d和光电探测器1910与表面增强红外吸收、荧光感应和光激发光感应也是兼容的。

光谱分析器1912能够通过将来自光电探测器1910的光谱信号与已知化学物质的光谱特征(光谱信号)相比较，分析光谱确定化学或生物物质。在一些实施例中，样品采集器1915可包括一种能够分离采集的样品分子混合物中的分子的化学物质分离装置。化学物质分离装置的示例包括气相色谱分析(GC)或高效液相色谱(HPLC)。

光谱信号的强度取决于光学感应器被照射的表面吸附的化学分子中的电子和入射光束中的光子之间的耦合。此耦合能够决定被吸附分子的电子激发及被激活电子的光发射。在本发明中，光子、电子及声子的耦合与表面附近被激活电子的共振通过表面结构被增强。在本发明中，表面结构能被能被建构成与电子激发的平均自由程(MFP)和/或电子激发波长相吻合的尺寸。对于波长范围在200～12,000nm的入射激光束，电子平均自由程(MFP)的范围可以从几纳米至数十纳米。

相似地，光谱信号的强度也取决于电子、光子和被光学感应器中表面结构固体部分中的声子所激活的声子之间的耦合。与被激活的电子相似，声子-电子-光子耦合也能增加能产生声子共振的表面结构的特征尺寸。

本发明的实验中，在用表面结构增强光子与激发的电子及激发的声子之间的耦合遇到了几个困难。第一，激发电子的平均自由程和电子及声子共振波长分布在一个范围内，而不是在特殊的固定的长度。第二，长度特征会依据光学感应器表面吸附的分子类型而变化。光学感应器表面吸附的不同分子能够与入射光束或散射光不同的相互作用，导致特征长度的可变性从而影响散射光中的信号强度。

在本发明中，光学感应器被设计用来使光子、激发的电子和声子之间的耦合最佳化，以增强光谱信号的强度。光学感应器能够增加来自化学和生物物质宽范围的光谱信号。参见图20A-20C，光学感应器2000包括一衬底2010和衬底2010上的多个锥形壁2020。衬底2010可包括金属、氧化物、氯化物和聚合物材料如银、金、铜、铝、铁、钴、镍、钌、铑、钯、铂和镉、二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、五氧化二钽、锌氧化物、镉氧化物、锡氧化物、锑氧化物、银氧化物、金氧化物、掺杂氯或氯化物的银和掺杂氯或氯化物的金或聚合物材料如乙烯三氟氯乙烯(ECTFE)、聚(乙烯-共-丙烯酸丁酯-共-一氧化碳)(PEBA)、聚丙烯氯化铵(PAH)、聚苯乙烯磺酸(PSS)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯醇(PVA)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)等等。

锥形壁2020包括一具有宽度“B”的底部表面2022。锥形壁2020可在衬底2010的上表面2015上形成或形成如衬底2010的整体结构。锥形壁2020包括一个或更多的斜表面2021a或2021b，其相对于衬底2010的表面2015各自形成倾斜角θ₁或θ₂。倾斜角θ₁或θ₂可在约5度至85度范围内，或是从约10度至约80度。倾斜角θ₁和θ₂可以是不同的，或大致相同的，形成一对称的锥形壁2020。

衬底2010上的锥形壁2020可分布成阵列2030。锥形壁2020可被布置成二维的周期性模式，准周期性的或非周期性的模式。在衬底2010的上表面2015的平面上，每个锥形壁2020可包括一纵向2018和一垂直于纵向2018的横向。锥形壁2025的脊是沿着纵向2018的。

相邻锥形壁2020的脊2025可沿着共同的纵向2018大致平行于彼此。相邻锥形壁2020的脊可通过2nm～2000μm之间的距离“D”隔开。相邻锥形壁2020的底部2022可具有一个比2000μm小的距离“d”。在一些实施例中，相邻锥形壁2020的底部2022可彼此接触或连接，也就是，d＝0(如下图21B所示)。因而在两个相邻锥形壁2020之间形成气隙2050。气隙2050宽度作为高度的函数变动，从底部2022的“d”延伸至脊2025的高度“D”。

锥形壁2020相对于衬底2010的上表面2015的高度“H”可在约0.5nm～20,000nm范围内。锥形壁2020的底部“B”可在约1nm～20,000nm范围内。锥形壁2020的长度“L”可以是2nm或更长。相邻锥形壁2020上的斜表面2021a，2021b在彼此间形成气隙2050。气隙2050具有在两个相邻锥形壁2020的斜表面之间的变动宽度“G”。G在从“d”到“D”范围内变动。

在其他示例中，光学感应器2100，如图21A所示，包括斜表面2021a，2021b和一平整的顶面2027。此顶面2027可大致平行于上表面2015。光学感应器2130，如图21B所示，包括交叉形成大致平行于上表面2015的脊2025的斜表面2021a，2021b。锥形壁2020的底部彼此相接触(也就是d＝0)。

在一些实施例中，参见图21C，光学感应器2150包括形成于锥形壁2020上的斜表面2021a，2021b和随机形成于衬底2010的上表面的一部分上的导电层2050。表面上的导电材料能够帮助增强在某些光学感应技术如拉曼散射或表面增强拉曼散射中散射光1907的信号强度(图19)。适合导电层2050的材料包括银、金、铜、铂、铝、铁、钴、镍、钌、铑和钯；掺杂氯或氯化物的银和掺杂氯或氯化物的金及导电氧化物。导电层2050的厚度可在0.5nm～50μm范围内。

参见图22，光学感应器2200包括衬底2210上的锥形壁2220。锥形壁2220可包括衬底2210的较低部分2220a和在较低部分2220a上的上部分2220b。较低部分2220a包括斜表面2221a和2221b。上部分2220b包括斜表面2221c和2221d。斜表面2221a，2221c具有不同的斜面。斜表面2221b，2221d具有不同的斜面。上部分2220b可包括脊2225。

在一些实施例中，参见图23，光学感应器2300包括形成于锥形壁2320上的表面2321a，2321b和随机形成于衬底2310的上表面上的多重的层2350。多重结构层2350包括不同的一种或多种材料组成的多个层。图23显示了一个具有交互材料组成“A”和“B”的多层的例子。多重结构层2350的表面被构造用来吸附需用光学感应系统(如图19中的光学感应系统1900)检测的痕量化学或生物物质分子。多重结构层2350被形成以增强来自光学感应技术如拉曼散射或表面拉曼散射中散射光1907的信号强度(图19)。需要注意的是锥形壁可具有不同的形状和尺寸。一般而言，本发明适合其他具有斜表面的突起。例如，突起可包括棱椎，斜截棱锥等等。斜表面可以是非常平整的、糙面的、弯曲的或包括不同的斜面。

在一些实施例中，参见图24，光学感应器2400包括通过衬底2410上的斜表面2421a，2421b形成的多个凹坑2420。该凹坑2420可具有从约1nm至约1,000nm宽的开口。凹坑2420的深度从约1nm至约1,000nm。凹坑2420可包括倒金字塔、截顶倒金字塔或具有相对于上表面形成倾斜角的斜表面的沟槽。

凹坑可通过以下步骤形成。首先通过光刻形成一掩膜(未显示)并刻蚀掩膜层以形成开口，该开口决定将要形成的凹坑的开口。然后衬底2410被腐蚀形成凹坑2420。随机地，掩膜层(未显示)被去除，例如，衬底可以是具有(100)上表面2425的硅晶体材料。衬底2410的刻蚀可去除硅材料暴露凹坑上的(111)表面。该(111)表面(也就是斜表面2421a，2421b)相对于硅衬底的(100)上表面(也就是上表面2425)倾斜54.7°角。

应当被理解的是，斜表面2421a，2421b能够以不同于以上实施例的角度截取衬底2410的上表面。适合衬底的材料也可包括二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝、五氧化二钽、锌氧化物、锡氧化物、锑氧化物、银氧化物、金氧化物、乙烯三氟氯乙烯(ECTFE)、聚(乙烯-共-丙烯酸丁酯-共-一氧化碳)(PEBA)、聚丙烯氯化铵(PAH)、聚苯乙烯磺酸(PSS)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯醇(PVA)、聚氯乙烯(PVC)、聚偏氟乙烯(PVDF)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)。

多重结构层2450可形成于凹坑2420中的斜表面2421a，2421b和随机形成于衬底2410的上表面2425上。多重结构层2450的表面被构造用来吸附需用光学感应系统(如图19中的光学感应系统1900)检测的痕量化学或生物物质分子。多层结构2450能够增强来自光学感应技术如拉曼散射或表面拉曼散射中散射光1907的信号强度(图19)。

多重结构层2350，2450的厚度可在0.5nm～1,000nm范围内，如约10nm。多层结构2350，2450可使用如物理气相沉积(PVD)、化学汽相沉积(CVD)、金属有机化学气相沉积(MOCVD)、原子层沉积(ALD)、分子束外延(MBE)、电子束蒸镀、电镀、电解电镀、旋涂和喷射技术被沉积在斜表面2321a，2321b上。多层结构2350，2450可以是简写成AB，ABC，ABA，ABAB，ABABAB，ABCABCABC的顺序，其中“A”，“B”和“C”中每一个表示具有上述不同材料组成的层。结构层的材料组成可以按重复模式分布。多层结构2350(图23)具有示例层顺序ABAB。多层结构(图24)具有示例层顺序ABAC。

适合多重结构层2350，2450的材料可包括聚合物材料、金属材料、合金或氧化物材料如钛、镍、铁、钴、银、金、铂、钯、铑、钌、铜、铝、锡、铬、二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝、铁氧化物、氮化硅、五氧化二钽、锌氧化物、锡氧化物、锑氧化物、银氧化物、金氧化物、掺杂氯或氯化物的银及掺杂氯或氯化物的金及导电氧化物。适合多重结构层2350，2450的材料也可包括砷化镓(GaAs)、硫化锌(ZnS)、硫化镉(CdS)、铟氮化镓(InGaN)、铟氮化镓(InGaN)/氮化镓(GaN)、铝砷化镓(AlGaAs)、铟砷化银(InAgAs)、砷化镓(GaAs)/砷化镓铝(GaAlAs)、氮化镓(GaN)、4H-碳化硅(4H SiC)、氮化铝(AlN)、氮化镓(GaN)、铝氮化镓(AlGaN)/氮化镓(GaN)、磷化铟(InP)、铟砷化铝(InAlAs)/铟砷化镓(InGaAs)、铯、铷、砷化铟(InAs)、锑化铝(AlSb)/砷化铟(InAs)、铝砷化镓(AlGaAs)/铟砷化镓(InGaAs)、铟砷化铝(InAlAs)、铟磷化镓(InGaP)、锗化硅(SiGe)、含碳材料(包括结构如金刚石、石墨烯、碳纳米管等等)、硅和碳化硅。

前述内容应当被看作是本发明原理的示例性描述。所属装置可被设置成多种形状和尺寸且发明范围不受到所述实施例尺寸的限制。本发明的众多应用对于本领域技术人员是显而易见的。因此，本发明并非意在受限于公开的特殊实施例或精确的注释，操作或显示的及描述的尺寸。进而，所有适当的改动及等同替换均落在本发明范围内。例如，光学感应器可以用不同的装置来传送。光源和光电探测器可被放置在相对于光学感应器不同的位置。样品采集器可通过流体传送装置或吹送气流传送样品到光学感应器的表面。入射光束可以是与激发电子形成的表面等离子体耦合和/或与激发电子共振的激光束。

光学感应器可通过与上述不同的技术来制作。例如，锥形壁可首先通过适配层的机械冲压，随后通过紫外线固化或加热变形的适配层被形成。锥形壁也可通过穿过硬掩膜的定向离子刻蚀被形成。

公开的光学感应器中的突起和凹坑可具有相同的形状和大小，或不同的形状和大小。锥形壁可具有不同的形状和尺寸。锥形壁的纵向可比它的横向长，反之亦然。衬底上表面中锥形壁的发射可具有矩形的、正方形的、椭圆的、圆形的或多边形的形状，或具有圆角的矩形形状。锥形壁可在衬底上按不同模式分布。邻近的锥形壁可以，例如，安置成圆形的、椭圆的、矩形的、三角形的、菱形的、六边形的和其他模式。多层结构的数量、厚度、顺序和材料组成可在不偏离本发明精神下变动。衬底可包括一位于锥形壁下面用来提供电偏压或控制衬底温度的偏压层。

Claims (9)

1.一种光学感应器，包括：

一具有上表面的衬底；

形成于衬底上表面的多个锥形壁,其中多个锥形壁的每一个包括衬底上表面中的底部，一个或更多的相对于上表面成倾斜角的斜表面以及大致平行于衬底上表面的顶面,斜表面相对于上表面的倾斜角大致相同，形成对称的锥形壁,每个锥形壁包括一纵向和一垂直于纵向的横向，锥形壁的脊是沿着纵向的，相邻锥形壁的脊沿着共同的纵向大致平行于彼此，多个锥形壁在衬底上表面上各自的底部宽度范围是1nm～20μm,多个锥形壁相对于衬底上表面的高度范围是0.5nm～20μm；

位于锥形壁下面用来提供电偏压或控制衬底温度的偏压层；及

形成于锥形壁的斜表面和随机形成于衬底的上表面上的多重结构层，多重结构层包括不同的多种材料组成的多个层，其中多重结构层的表面被构造用来吸附化学或生物物质的分子，多重结构层的材料选自聚合物材料、金属材料、半导体材料或氧化物材料中不同的多种，多重结构层的材料组成形成一种重复的模式。

2.如权利要求1所述的光学感应器，其中多重结构层的材料选自钛、镍、钴、银、金、钯、铜、铂、锡、铝、铁、铬、铑、钌、二氧化硅、三氧化二铝、氧化锌、二氧化钛、氮化硅、五氧化二钽、锌氧化物、铁氧化物、锡氧化物、锑氧化物、银氧化物、金氧化物和聚甲基丙烯酸甲酯及它们的组合；或砷化镓、硫化锌、硫化镉、铟氮化镓、铟氮化镓/氮化镓、铝砷化镓、铟砷化银、砷化镓/砷化镓铝、氮化镓、氮化铝、氮化镓、铝氮化镓/氮化镓、磷化铟、铟砷化铝/铟砷化镓、铯、铷、砷化铟、锑化铝/砷化铟、铝砷化镓/铟砷化镓、铟砷化铝、铟磷化镓、锗化硅、含碳材料、硅及它们的组合。

3.如权利要求2所述的光学感应器，其中所述含碳材料包括金刚石、石墨烯、碳纳米管和碳化硅。

4.如权利要求3所述的光学感应器，其中所述碳化硅包括4H-碳化硅。

5.如权利要求1所述的光学感应器，其中至少两个相邻锥形壁的底部彼此相接触或连接。

6.如权利要求1所述的光学感应器，其中衬底包含的材料选自硅、二氧化钛、二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅、五氧化二钽、锌氧化物、锡氧化物、锑氧化物、银氧化物、金氧化物、乙烯三氟氯乙烯、聚(乙烯-共-丙烯酸丁酯-共-一氧化碳)、聚丙烯氯化铵、聚苯乙烯磺酸、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚氯乙烯、聚偏氟乙烯和聚乙烯吡咯烷酮及它们的组合。

7.一种光学感应系统，包括：

一光学感应器，其包括:

一具有上表面的衬底；

形成于衬底上表面的多个锥形壁，其中多个锥形壁的每一个包括衬底上表面中的底部，一个或更多的相对于上表面成倾斜角的斜表面以及大致平行于衬底上表面的顶面，斜表面相对于上表面的倾斜角大致相同，形成对称的锥形壁,每个锥形壁包括一纵向和一垂直于纵向的横向，锥形壁的脊是沿着纵向的，相邻锥形壁的脊沿着共同的纵向大致平行于彼此，多个锥形壁包含与激发电子的平均自由程或波长或入射光束激发的声子的波长相匹配的变动的宽度，范围是1nm～20μm,多个锥形壁相对于衬底上表面的高度范围是0.5nm～20μm；

位于锥形壁下面用来提供电偏压或控制衬底温度的偏压层；及

形成于锥形壁的斜表面和随机形成于衬底的上表面上的多重结构层，多重结构层包括不同的多种材料组成的多个层，其中多重结构层的表面被构造用来吸附化学或生物物质的分子，多重结构层的材料选自聚合物材料、金属材料、半导体材料或氧化物材料中不同的多种，多重结构层的材料组成形成一种重复的模式；

一光源，其被配置发射入射光束以冲击吸附有分子的多个锥形壁；及

一探测器，其被配置采集吸附在多重结构层上的分子的散射光以允许分子被识别。

8.如权利要求7所述的光学感应系统，其中分子可吸附自液体、溶胶、气体或液体、溶胶、气体的混合物。

9.如权利要求8所述的光学感应系统，其中所述溶胶包括气溶胶。