CN109827932A

CN109827932A - 一种基于波导耦合表面等离子体共振传感芯片

Info

Publication number: CN109827932A
Application number: CN201910093815.1A
Authority: CN
Inventors: 马佑桥
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2019-01-31
Filing date: 2019-01-31
Publication date: 2019-05-31

Abstract

本发明公开了一种基于波导耦合表面等离子体共振的崭新传感芯片，涉及光学传感领域，尤其涉及表面等离子体传感领域。传感芯片包括基底，黏附薄膜层，两层金属薄膜层和位于两层金属薄膜层之间的介质波导层。相比传统表面等离子体芯片设计，所述传感芯片能够激发欧姆损耗相对较低的波导耦合表面等离子体模式，增加了表面等离子体共振峰的品质因子值，大大提高了检测分析的灵敏度，同时，通过控制介质波导层的厚度和折射率，可以调控波导耦合表面等离子体模式衰逝场的深度，拓展了对于不同大小生物分子的检测范围，因此，本芯片的设计具备很强的应用价值。

Description

一种基于波导耦合表面等离子体共振传感芯片

技术领域

本发明涉及光学表面等离子体传感领域，具体涉及一种基于崭新波导耦合表面等离子体（Surface Plasmon Polaritons, SPPs）共振的传感芯片。

背景技术

表面等离子体（Surface Plasmon Polaritons, SPPs）共振是一种光学物理现象，当偏振激光光波传输至金属界面处，满足入射角度大于全反射临界角时，在金属界面处会激发出所谓的全反射衰逝波。当衰逝波的传播常数与SPPs的传播常数相匹配时，两种电磁波模式发生强烈耦合，SPPs模式被激发。此时对应的入射角被称为SPPs共振角。由于SPPs是金属界面附近存在的模式，所以界面两侧的折射率、厚度、温度等参数变化对SPPs的电磁场特性有着非常大的影响，这些参数的改变会引起共振角度的变化，通过共振角度的变化可以推知待测物的相关特性。因此，SPPs技术被广泛应用于生物传感领域。与传统生化检测方法相比，SPPs传感技术具备灵敏度高，无需标记，响应速度快以及能够实时检测等优点，近年来已经成为生化检测的热门手段，在制药工程，环境检测，食品安全以及生物学等领域受到了广泛的关注。

传统SPPs传感芯片通常利用存在于金属层和待测物分界面上的SPPs共振效应。由于金属存在欧姆损耗，因此SPPs波的传播距离较短，人们称这种SPPs模式为短程SPPs，其衰逝场深度也仅有200纳米左右，一定程度上影响传感灵敏度和分辨率，且不适合对生物大分子的检测。近年来研究人员尝试多种方法降低SPPs的传输损耗以提高检测敏感度，例如当金属层被介质缓冲层和待测物包覆成三明治结构时，且缓冲层和待测物的折射率相近，金属膜两侧存在的SPPs模式会发生耦合叠加，形成电磁场对称分布的所谓长程SPPs。相对短程SPPs，长程SPPs具备更低的传输损耗和更深的衰逝场深度，因此，长程SPPs传感技术具备较高的灵敏度和分辨率。然而，苛刻的折射率对称条件严重限制了长程SPPs检测的实际应用。

发明内容

本发明本着降低SPPs传输损耗同时实现衰逝场深度可调的目的，传感芯片的设计采用先进的模式耦合理念，激发出传输损耗较低的波导耦合SPPs崭新模式，增加了SPPs共振峰的品质因子值，提高了检测的准确度和灵敏度，同时通过控制介质波导层的厚度和折射率可以实现对波导耦合SPPs模式衰逝场深度的调控，传感芯片具备制作工艺简单，检测灵敏度高，精确度高以及应用拓展性强等优点。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案实现：

一种基于波导耦合表面等离子体共振传感芯片包括：芯片基底（1），黏附薄膜层（2），下层金属薄膜层（3），介质波导层（4），上层金属薄膜层（5），待测物（6）。如图1所示，本发明设计采用多层膜激发波导耦合SPPs模式理论：SPPs模式I在下层金属薄膜层3表面被激发，其部分衰逝场分布于介质波导层4内，当满足波导边界全反射条件时，SPPs模式I耦合并激发出波导模式II，波导模式II在介质波导层4内传输。当波导模式II的传播常数与上层金属薄膜层5支持SPPs模式III的传播常数相匹配时，波导模式II和SPPs模式III发生强烈耦合作用，形成波导耦合SPPs模式，由此可见，本技术可以实现三种模式的相互耦合转换，下层金属薄膜层3起到了向上助推衰逝场的作用。

本发明中芯片基底（1）材料必须对工作波长透明，所述芯片基底的材料为玻璃，或是有机聚合物材料等中的一种。

本发明中黏附薄膜层（2）起增强芯片基底（1）和下金属薄膜层（3）之间黏附力的作用，黏附薄膜层的厚度范围在1-5纳米，所述黏附薄膜层的材料为铬，钛，铬氧化物，钛氧化物，或是氟化镁等中的一种。

本发明中下层金属薄膜层（3）和上层金属薄膜层（5）的金属材料可以相同，也可以不相同，材料为能激发SPPs模式的金属，包括金，银，铝，铜，钛，铬等贵金属中的任何一种，或是各自的合金材料，所述下层金属薄膜层厚度控制在20纳米至60纳米范围内，同时为保证高敏感度，所述上层金属薄膜层厚度控制在10纳米至30纳米范围内。

本发明中介质波导层（4）材料须与下层金属薄膜层（3）和上层金属薄膜层（5）有着良好的黏附特性，介质波导层材料折射率在1.5至3.5之间，其厚度根据介质折射率和光源波长而定，同时必须满足波导基模激发条件，介质波导层厚度控制在100纳米至300纳米之间。

本发明中所有薄膜层的镀膜工艺,可以采取常用真空蒸镀和离子溅射等镀膜工艺。

附图说明

图1为基于波导耦合SPPs传感芯片结构示意图。

图2为传统SPPs传感芯片结构示意图。

图3为波导耦合SPPs传感芯片和传统SPPs传感芯片性能对比示意图。

图4为波导耦合SPPs衰逝场深度随介质波导层折射率变化关系。

具体实施方式

为使本发明的目的和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进完整地描述。如图1，本发明所提的基于波导耦合表面等离子体共振传感芯片包括：芯片基底（1），黏附薄膜层（2），下金属薄膜层（3），介质波导层（4），上金属薄膜层（5），待测物（6）。

本发明创新地利用三明治结构，即在两层金属层之间增加一层介质波导层，通过控制该介质层的厚度和该介质的折射率，可以实现以下三种模式的相互耦合作用：下层金属薄膜层支持的SPPs模式I，介质波导层支持的波导模式II和上层金属薄膜层支持的SPPs模式III。SPPs模式I首先被入射光波激发，在满足波导激发条件后，SPPs模式I耦合为波导模式II，随着波导模式II与SPPs模式II强烈耦合的发生，最终波导耦合SPPs模式被激发。

以下两个实施例中，工作波长选定为632.8纳米,基底材料为SF10玻璃，其折射率为1.723；黏附薄膜层材料为钛，厚度为2纳米；下层金属薄膜层材料为银，其厚度和折射率分别为40纳米和0.082+4.1563i；介质波导层材料为硫化锌-二氧化硅（ZnS-ZiO2），其折射率为2.198，厚度为130纳米；上层金属薄膜层材料为金，其厚度为15纳米，折射率为0.2184+3.5113i；待测物为水溶液，初始折射率为1.332，后变为1.333，折射率差为0.001。

实施例一

本实施例将结合图2和图3论证本发明所提波导耦合SPPs传感芯片检测性能的提高。

为了与传统SPPs传感芯片对比，图2给出了传统SPPs传感芯片结构示意图：图2(a)所示芯片中金属薄膜层3厚度为40纳米，材料为银；图2(b)所示芯片中金属薄膜层5厚度为40纳米，材料为金。

图3描述了波导耦合SPPs传感芯片和传统SPPs传感芯片的反射率，实线和虚线分别代表待测样品折射率发生0.001变化前后的反射率，角度灵敏度定义为SPPs共振角度的变化率与待测样品折射率变化率的比值，反射率灵敏度则定义为SPPs共振角反射率的变化率与待测样品折射率变化的比值。由图3可以清晰看出：I、波导耦合SPPs传感芯片的共振峰更加尖锐，相比两种传统SPPs传感芯片，共振峰的品质因子值提高了至少4倍和20倍，反射率灵敏度提高了至少1000倍和10000倍以上；II、波导耦合SPPs传感芯片共振峰对待测样品的折射率变化更为敏感，当待测样品折射率改变0.001时，波导耦合SPPs传感芯片的角度灵敏度为70度/每折射率，而两种传统SPPs传感芯片的角度灵敏度则分别为20度/每折射率和5度/每折射率，因此，相比传统SPPs传感芯片，波导耦合SPPs传感芯片拥有更为卓越的检测性能。

实施例二

本实施例将结合图4论证SPPs衰逝场深度的可调性。

图4描述了波导耦合SPPs模式场强分布：图4(a)中介质波导层材料折射率设置为2.198, 图4(b)中介质波导层材料折射率设置为2.298。由图4可以清晰看出，随着介质波导层材料折射率的变大，波导耦合SPPs模式衰逝场的深度变小，例如，介质波导层材料折射率增加0.1，波导耦合SPPs模式衰逝场深度减小一半。介质波导层可变折射率可以通过热光或电光效应实现，因此，本实施例充分说明波导耦合SPPs模式具备非常灵活的衰逝场深度可调性，对于不同大小生物分子检测的应用拓展性强。

Claims

1.一种基于波导耦合表面等离子体（Surface Plasmon Polaritons, SPPs）共振的崭新传感芯片，其特征在于，包括基底，黏附薄膜层，介质波导层和上下两层金属薄膜层，所述黏附薄膜层位于所述基底和所述下层金属薄膜层之间，所述介质波导层位于所述上下两层金属薄膜层之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于波导耦合SPPs共振传感芯片，其特征在于，所述基底材料对工作波长透明，基底材料为玻璃，或有机聚合物材料等中的一种。

3.根据权利要求1所述的一种基于波导耦合SPPs共振传感芯片，其特征在于，所述黏附薄膜层起增强基底和下金属薄膜层之间黏附力的作用，所述黏附薄膜层厚度在1至5纳米范围内，所述黏附薄膜层的材料为铬，钛，铬氧化物，钛氧化物，或是氟化镁等中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种基于波导耦合SPPs共振传感芯片，其特征在于，所述下层金属层和上层金属层的金属材料可以相同，也可以不相同，材料为能激发SPPs模式的金属，包括金，银，铝，铜，钛，铬等贵金属中的任何一种，或是各自的合金材料。

5.根据权利要求1或4所述的一种基于波导耦合SPPs共振传感芯片，其特征在于，所述下层金属薄膜层厚度控制在20纳米至60纳米范围内，同时，为保证高敏感度，所述上层金属薄膜层厚度控制在10纳米至30纳米范围内。

6.根据权利要求1所述的一种基于波导耦合SPPs共振传感芯片，其特征在于，所述介质波导层与所述上下两层金属薄膜层之间有着良好的黏附特性，所述介质波导层的材料折射率位于1.5至3.5之间，所述介质波导层的厚度根据介质层材料折射率和工作波长而定，须满足波导基模的激发条件，所述介质波导层厚度控制在100纳米至300纳米之间。

7.根据权利要求1所述的一种基于波导耦合SPPs共振传感芯片，其特征在于，所述黏附薄膜层，介质波导层和上下两层金属薄膜层的镀膜工艺,可以采取常用真空蒸镀和离子溅射等镀膜工艺。