CN105044029A - 基于导波共振的传感器及传感器测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于导波共振的传感器及传感器测试系统。该传感器包括：衬底；形成于该衬底上的自支撑薄膜结构；以及形成于该自支撑薄膜结构中的球形空气孔阵列，用于承载待测样品，利用该球形空气孔阵列中的导波共振来探测该待测样品的折射率变化。本发明传感器采用周期纳米结构，体积小，易于携带。

Description

基于导波共振的传感器及传感器测试系统

本申请是分案申请，母案的申请号：201210026090.2，申请日：2012年2月7日，名称：基于导波共振的传感器及其制备方法。

技术领域

本发明涉及传感器技术，更具体的说，涉及一种基于导波共振的传感器及传感器测试系统。

背景技术

检测固定化生物化学成分在生物、化学基础研究以及环境监测、医疗和国防安全中非常重要。检测固定化生物化学成分(例如酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)的传感器，广泛应用于生物技术、环境监测、医疗卫生、食品检验和国防安全等领域。目前，基于表面等离子体共振(SPR)技术的传感器以其较高的灵敏度以及高效性得到了广泛的应用和快速的发展，是表征化学和生物分子相互作用的主要工具。SPR传感器的基本原理是通过记录表面等离子体共振角或共振波长的变化，来实现对金属表面待测液体分析物折射率的检测。与其它类型的传感器相比，基于表面等离子体共振的传感器通过检测样本折射率的改变来识别样本，不需要荧光标签或者其他标签，能够对样品进行原位、无损且无标记的检测，因此表面等离子体共振传感器是无污染的高灵敏度传感器。

典型的SPR传感器为棱镜型，包括棱镜结构，如Kretschmann棱镜结构，以及棱镜结构上镀的金属膜，例如Au、Ag膜等，待测样品放置于金属膜上，p偏振光经过棱镜以一定角度入射到棱镜与金属膜的界面，对于一定的入射角度和光波长，棱镜提供入射电磁波和表面等离子体之间的波矢匹配，棱镜型的SPR传感器的灵敏度较高。然而，棱镜结构本身体积大、造价高，导致棱镜型的SPR传感器的体积庞大、结构复杂、成本高，通常适用于实验室中进行检测，不易携带，也不易集成。

另一方面，微量气体检测在环境保护、安全、工业过程控制以及气象等领域非常重要。目前有几种类型的商用气体传感器，例如催化比色法气体传感器、电化学气体传感器和光学气体传感器。在所有气体传感器中，光学传感器由于不依赖于电化学相互作用，所以是最准确可靠的。最常用的光学传感器是红外吸收谱传感器，这类传感器一般通过测量气体的透射光谱上吸收峰的位置变化来测量折射率的变化，也就是说，测量气体折射率的虚部。红外吸收谱传感器的主要优点是能够测量几乎所有气体，主要缺点是体积大，结构复杂，并且由于需要红外探测器、高分辨的光谱仪和很长的气室增强吸收而价格昂贵。

为了减小生物化学成分以及微量气体测量的复杂性，提高灵敏度，以及降低成本，人们利用微机电系统，发展了各种各样的无标签传感技术，例如导波共振传感技术。同时，传感器分析系统的小型化和便携性在生物医学和国防方面尤其重要。在微型化和高灵敏度方面，基于导波共振的全介质光子晶体传感器具有巨大的潜力。

在一个典型的光子晶体传感器中，一束平面波入射到光子晶体平板上，合理设计光子晶体平板的结构参数，可以激发出局域在光子晶体平板中的长寿命的辐射模式。这种模式对光子晶体平板的结构参数和材料极其敏感，这是我们利用光子晶体平板制作传感器的主要原因。在实际应用中，通过测量峰值频率的移动得到折射率的微小变化。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个技术问题，本发明提供了一种基于导波共振的传感器及传感器测试系统，以易于集成和制造，降低成本。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种基于导波共振的传感器，包括：衬底；形成于该衬底上的自支撑薄膜结构；以及形成于该自支撑薄膜结构中的球形空气孔阵列，用于承载待测样品，利用该球形空气孔阵列中的导波共振来探测该待测样品的折射率变化。

上述方案中，所述球形空气孔阵列呈三角格子周期排列，x和y方向周期介于800纳米至2800纳米之间。

上述方案中，对于所述球形空气孔阵列中的单个空气孔，其半径介于400纳米至800纳米之间。

上述方案中，所述自支撑薄膜结构采用的材料为碳化硅或氮化硅。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种传感器测试系统，包括基于导波共振的传感器，还包括：所述传感器的自支撑薄膜上及球形空气孔阵列内的待测样品，位于待测样品之上的光源、半反半透膜以及光探测器。

上述方案中，由光源发出的探测光经过半反半透膜后垂直入射到自支撑薄膜结构上；自支撑薄膜结构上分布有球形空气孔阵列，球形空气孔阵列中的球形空气孔呈三角格子密堆积周期分布，探测光垂直入射到带有球形空气孔阵列的自支撑薄膜结构上，在某些波长会产生导波共振，导波共振模式与待测样品相互作用，然后反射光沿入射光路垂直出射，经过半反半透膜，最后反射光由光探测器接收。

(三)有益效果

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

(1)本发明提供的基于导波共振的传感器及传感器测试系统，通过自组装方法形成单层三角格子密堆积阵列，成本低；对加工工艺要求较低，与传统的半导体工艺兼容，易于集成。

(2)本发明提供的基于导波共振的传感器及传感器测试系统，采用球形空气孔周期纳米结构激发导波共振，探测样品折射率的变化，体积小，易于携带。

(3)本发明提供的基于导波共振的传感器及传感器测试系统，不同球形空气孔半径的反射谱特性不同，研究人员可以根据需要制作不同半径大小的二氧化硅球，满足不同波长情况下的测量。

附图说明

图1为依照本发明实施例基于导波共振的自支撑薄膜传感器的剖面图；

图2为依照本发明实施例基于导波共振的自支撑薄膜传感器中球形空气孔阵列的俯视图；

图3为依照本发明实施例利用基于导波共振的自支撑薄膜传感器对样品进行测试的示意图；

图4为依照本发明实施例利用基于导波共振的自支撑薄膜传感器对不同折射率的样品进行测试的反射谱图；

图5为依照本发明实施例利用不同球形空气孔半径的自支撑薄膜传感器对样品进行测试的反射谱图；

图6为依照本发明实施例利用不同覆盖层厚度的自支撑薄膜传感器对样品进行测试的反射谱图；

图7为本发明实施例制备基于导波共振的自支撑薄膜传感器的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

在本发明的一个示例性实施例中，公开了一种基于导波共振的自支撑薄膜传感器。图1为依照本发明实施例基于导波共振的自支撑薄膜传感器的剖面图。如图1所示，该自支撑薄膜传感器包括衬底1(斜方格区域)，自支撑薄膜结构2(左斜线阴影区域)和球形空气孔阵列3(右斜线阴影区域)。待测样品4在球形空气孔3中和自支撑薄膜2上。

本实施例中，自支撑薄膜结构2可以为碳化硅薄膜或者氮化硅薄膜。

图2为依照本发明实施例基于导波共振的自支撑薄膜传感器中球形空气孔阵列的俯视图。如图2所示，球形空气孔阵列呈三角格子密堆积排列，x和y方向周期介于800纳米至2800纳米之间，优选地，x方向周期介于800纳米至1600纳米之间，y方向周期介于1300纳米至2800纳米。对于球形空气孔阵列中的单个空气孔，其半径介于400纳米至800纳米之间。

图3为依照本发明实施例利用基于导波共振的自支撑薄膜传感器对样品进行测试的示意图。如图3所示，本发明提供的传感器测试系统，包括所述的基于导波共振的传感器，还包括：所述传感器的自支撑薄膜上及球形空气孔阵列内的待测样品，位于待测样品之上的光源、半反半透膜以及光探测器。由光源5发出的探测光经过半反半透膜6后垂直入射到自支撑薄膜结构2上；自支撑薄膜结构2上分布有球形空气孔阵列3；球形空气孔阵列3中的球形空气孔呈三角格子密堆积周期分布，探测光垂直入射到带有球形空气孔阵列3的自支撑薄膜结构2上，这时在某些波长会产生导波共振，导波共振模式与待测样品4相互作用，然后反射光沿入射光路垂直出射，经过半反半透膜6，最后反射光由光探测器7接收。

以下对本发明导波共振传感器的原理及特性进行说明。为方便起见，以下说明中，自支撑薄膜结构采用的材料为氮化硅，其折射率为2.05。

图4为依照本发明实施例利用基于导波共振的自支撑薄膜传感器对不同折射率的样品进行测试的反射谱图。所用基于导波共振的自支撑薄膜传感器中球形空气孔半径250纳米，自支撑薄膜结构2中覆盖层厚度100纳米。如图4所示，当自支撑薄膜结构2表面待测分析物折射率从1.30变化到1.33时，导波共振波长从593.2606纳米红移到602.9908纳米。由此可得导波共振传感器的灵敏度为：(324nm/RIU)

$S(\mathrm{\λ},n_1,n_2)=\underset{\mathrm{\Δ}n\→0}{lim}\frac{\mathrm{\λ}\left(n_1\right)-\mathrm{\λ}\left(n_2\right)}{n_1-n_2}=\frac{602.9908-593.2606}{1.33-1.30}\≈324nm/RIU.$

图5为依照本发明实施例利用不同球形空气孔半径的自支撑薄膜传感器对样品进行测试的反射谱图。所用自支撑薄膜传感器中覆盖层厚度100纳米，球形空气孔半径分别为250、300和350纳米，球形空气孔呈三角格子密堆积排列，待测物折射率为1.30和1.33。如图5所示，随球形空气孔半径增加，传感器更加灵敏，灵敏度分别为324.3、389.2、454.1nm/RIU，这说明球形空气孔的大小对导波共振波长的影响很大，我们要获得更高的灵敏度，必须选择半径较大的二氧化硅球形空气孔。

图6为依照本发明实施例利用不同覆盖层厚度的自支撑薄膜传感器对样品进行测试的反射谱图。所用自支撑薄膜传感器中自支撑薄膜覆盖层厚度分别为50、100和150纳米；球形空气孔半径250纳米；待测物折射率为1.30和1.33。从图6可以看出，不同覆盖层厚度的自支撑薄膜有不同的反射特性，随折射率增大，导波共振波长红移。为了获得更高的灵敏度，我们选取红移较大共振峰作为探测的特征峰。为了得到更大传感器探测的动态范围，需要选取能够支持孤立共振峰的自支撑薄膜覆盖层厚度。

根据本发明的另一个方面，还提供了一种制备基于导波共振的自支撑薄膜传感器的方法。图7为本发明实施例制备基于导波共振的自支撑薄膜传感器的方法流程图，该方法包括以下步骤：

步骤S702，在硅衬底上自组装生成单层二氧化硅球，形成三角格子周期密堆积排列的二氧化硅球；

步骤S704，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)方法在二氧化硅球上沉积碳化硅或氮化硅；

步骤S706，采用湿法刻蚀方法(例如氢氧化钾)从硅衬底背面去除图形区的硅衬底，形成自支撑薄膜结构；

步骤S708，采用湿法刻蚀方法(例如氢氟酸)去除二氧化硅球，形成带有球形空气孔阵列的自支撑薄膜结构。

综上所述，本发明基于导波共振的自支撑薄膜传感器及其制备方法具有下列有益效果：

(1)本发明实施例的传感器及其制备方法，通过自组装方法形成单层三角格子密堆积阵列，成本低；对加工工艺要求较低，与传统的半导体工艺兼容，易于集成。

(2)采用球形空气孔周期纳米结构激发导波共振，探测样品折射率的变化，体积小，易于携带。

(3)本发明自支撑薄膜传感器中，不同球形空气孔半径的反射谱特性不同，研究人员可以根据需要制作不同半径大小的二氧化硅球，满足不同波长情况下的测量。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于导波共振的传感器，其特征在于，包括：

衬底；

形成于该衬底上的自支撑薄膜结构；以及

形成于该自支撑薄膜结构中的球形空气孔阵列，用于承载待测样品，利用该球形空气孔阵列中的导波共振来探测该待测样品的折射率变化。

2.根据权利要求1所述的基于导波共振的传感器，其特征在于，所述球形空气孔阵列呈三角格子周期排列，x和y方向周期介于800纳米至2800纳米之间。

3.根据权利要求1所述的基于导波共振的传感器，其特征在于，对于所述球形空气孔阵列中的单个空气孔，其半径介于400纳米至800纳米之间。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于导波共振的传感器，其特征在于，所述自支撑薄膜结构采用的材料为碳化硅或氮化硅。

5.一种传感器测试系统，包括权利要求1-4中任一项所述的基于导波共振的传感器，还包括：所述传感器的自支撑薄膜上及球形空气孔阵列内的待测液态或者气态样品，位于待测液态或者气态样品之上的光源、半反半透膜以及光探测器。

6.根据权利要求5所述的传感器测试系统，其特征在于，由光源发出的探测光经过半反半透膜后垂直入射到自支撑薄膜结构上；自支撑薄膜结构上分布有球形空气孔阵列，球形空气孔阵列中的球形空气孔呈三角格子密堆积周期分布，探测光垂直入射到带有球形空气孔阵列的自支撑薄膜结构上，在某些波长会产生导波共振，导波共振模式与待测液态或者气态样品相互作用，然后反射光沿入射光路垂直出射，经过半反半透膜，最后反射光由光探测器接收。