CN111795947A - 具有共振腔的等离激元波导传感器及其使用和制备方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种具有共振腔的等离激元波导传感器及其使用和制备方法，该具有共振腔的等离激元波导传感器包括等离激元波导和光学共振结构；等离激元波导用于传输表面等离激元信号，并将传输的表面等离激元信号耦合到光学共振结构中；光学共振结构与所述等离激元波导间隔设置，光学共振结构用于存储待测物质，并将接收到的表面等离激元信号耦合到所述等离激元波导中，使所述光学共振结构耦合出来的表面等离激元信号与等离激元波导中的表面等离激元信号发生干涉。本申请提供的具有共振腔的等离激元波导传感器，具有低插损、探测灵敏度更高的优点。

Description

具有共振腔的等离激元波导传感器及其使用和制备方法

技术领域

本申请涉及半导体技术领域，特别涉及一种具有共振腔的等离激元波导传感器及其使用和制备方法。

背景技术

目前高灵敏度的光学传感器在生化医疗、环境监测、基础物理量测量、环境与结构监测、物联网、国家安全等方面有重要的应用，与传统的电子传感器相比，光学传感器具有抗电磁干扰、精度高、响应快、稳定性好等优势。并且，光纤传感技术是光学传感器中最具代表性的技术，因抗电磁干扰能力强、成本低、响应速度快等优点，在轨道交通/油气储罐火灾检测、桥梁健康监控、重大装备状态检车等应用场景得到了广泛的应用。

随着制备技术的不断发展，光传感器从光纤端发展到平面集成波导上，使得器件小型化、样品测试微量化。表面等离激元是一种表面传播的电磁波，本质上是由于金属表面的自由子与在光子的驱动下形成的集体震荡，电磁波在金属和介质中均呈指数形式衰减的，它能提供亚波长的光束缚和高度局域的场分布。采用等离激元作为信息载体可以突破衍射极限的限制，将光回路和元件的尺寸降到纳米量级，可以实现光子与电子在纳米尺度上的完美结合。由于表面等离激元能够提交高度局域化的光场，提供强的光和物质相互作用，被广泛用于表面等离激元传感技术。

当前基于表面等离激元技术发展起来的表面等离激元传感器主要被用于生化领域，成为测定生化分子的重要手段，与传统技术相比，表面等离激元传感器具有无需样品标记、灵敏度高、实时观测等优点。基于表面等离激元共振(surface plasmon resonance，SPR)技术已经被商用，能实现目前最高的折射率精度10^-7，用于监控生物分子之间的相互作用和蛋白结构-功能分析、药物靶标发现、修饰和验证以及在食品安全和体外诊断领域中的快速筛查及定量分析等。

然而，现有的表面等离激元传感器都是单层平面结构，在进行传感测试的时候，被测物会覆盖整个等离激元器件结构，会造成模场不匹配而插入损耗增加，影响探测灵敏度。

发明内容

本申请实施例提供一种具有共振腔的等离激元波导传感器及其使用和制备方法，以解决相关技术中单层平面结构的表面等离激元传感器会造成模场不匹配而增加插入损耗，并影响探测灵敏度的问题。

第一方面，提供了一种具有共振腔的等离激元波导传感器，其包括等离激元波导和光学共振结构；

等离激元波导用于传输表面等离激元信号，并将传输的表面等离激元信号耦合到光学共振结构中；

光学共振结构设于所述等离激元波导上，光学共振结构用于存储待测物质，并将接收到的表面等离激元信号耦合到所述等离激元波导中，使所述光学共振结构耦合出来的表面等离激元信号与等离激元波导中的表面等离激元信号发生干涉。

一些实施例中，所述光学共振结构自下而上依次包括有机玻璃和第一金薄膜，且所述第一金薄膜内具有一共振腔。

一些实施例中，所述共振腔为矩形共振腔。

一些实施例中，所述等离激元波导自下而上依次包括衬底和第二金薄膜，且所述第二金薄膜内具有一与所述共振腔配合设置的沟道。

一些实施例中，所述等离激元波导为沟道等离激元波导、介质加载型等离激元波导或金属条状波导。

一些实施例中，所述第一金薄膜和共振腔的厚度相同。

一些实施例中，所述第二金薄膜和沟道的厚度相同。

一些实施例中，所述共振腔和沟道的宽度相同，所述共振腔的长度小于所述沟道的长度。

第二方面，提供了一种上述具有共振腔的等离激元波导传感器的使用方法，包括步骤：

光学共振结构内存储待测物质；

等离激元波导传输表面等离激元信号，并将传输的表面等离激元信号耦合到光学共振结构中；

光学共振结构将接收到的表面等离激元信号耦合到所述等离激元波导中，使所述光学共振结构耦合出来的表面等离激元信号与等离激元波导中的表面等离激元信号发生干涉；

比较干涉后的共振峰值和预设的峰值阈值，得到干涉后共振峰值的偏移量，进而得到待测物质的传感信息。

第三方面，提供了一种上述具有共振腔的等离激元波导传感器的制备方法，包括步骤：

在衬底上镀第二金薄膜；

在所述第二金薄膜上刻蚀一沟道；

涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯，并烘干，形成有机玻璃；

在所述有机玻璃上镀第一金薄膜；

在第一金薄膜上刻蚀一与所述沟道配合的共振腔。

本申请提供的技术方案带来的有益效果包括：具有低插损、探测灵敏度更高的优点。

本申请实施例提供了一种具有共振腔的等离激元波导传感器，由于包括等离激元波导和光学共振结构两层结构，在进行传感测试时，只需在光学共振结构中存储待测物质，无需在等离激元波导中存储待测物质，即可探测出待测物质的传感信息，不会造成模场不匹配，具有低插损、探测灵敏度更高的优点。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的具有共振腔的等离激元波导传感器的光传输示意图；

图2为本申请实施例中等离激元波导发生干涉后的透射谱；

图3为本申请实施例中光学共振结构的侧视图；

图4为本申请实施例中光学共振结构的俯视图；

图5为本申请实施例中等离激元波导的侧视图；

图6为本申请实施例中等离激元波导的俯视图；

图7为本申请实施例中具有共振腔的等离激元波导传感器的使用方法的流程图；

图8为本申请实施例提供的具有共振腔的等离激元波导传感器的制备方法的流程图；

图9为本申请实施例提供的具有共振腔的等离激元波导传感器的制备方法中步骤B1的示意图。

图中：1、等离激元波导；11、衬底；12、第二金薄膜；13、沟道；2、光学共振结构；21、有机玻璃；22、第一金薄膜；23、共振腔。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

参见图1所示，本申请实施例提供了一种具有共振腔的等离激元波导传感器，其包括等离激元波导1和光学共振结构2。

等离激元波导1用于传输表面等离激元信号，并将传输的表面等离激元信号耦合到光学共振结构2中；光学共振结构2设于所述等离激元波导1上，光学共振结构2用于存储待测物质，并将接收到的表面等离激元信号耦合到所述等离激元波导1中，使所述光学共振结构2耦合出来的表面等离激元信号与等离激元波导1中的表面等离激元信号发生干涉。

在本申请实施例中，表面等离激元信号的传输方向如图1中箭头所示的光传输方向，图1中示出的x方向为等离激元波导1的长度方向，y方向为等离激元波导1的宽度方向，z方向为等离激元波导1的厚度方向。

本申请实施例的具有共振腔的等离激元波导传感器的工作原理为：

表面等离激元信号沿x方向传输至等离激元波导1中，等离激元波导1传输表面等离激元信号，并将传输的表面等离激元信号沿z方向耦合到光学共振结构2中，光学共振结构2内存储有待测物质，光学共振结构2将接收到的表面等离激元信号再沿z的反方向耦合到所述等离激元波导1中，使所述光学共振结构2耦合出来的表面等离激元信号与等离激元波导1中的表面等离激元信号发生干涉，产生如图2所示的等离激元波导1发生干涉后的透射谱，图2中实线为光学共振结构2内未存储有待测物质的情况下等离激元波导1发生干涉后的波长曲线，虚线为光学共振结构2内存储有待测物质的情况下等离激元波导1发生干涉后的波长曲线，根据两个波长曲线中的共振峰值可以得到干涉后共振峰值的偏移量Δλ，进而根据干涉后共振峰值的偏移量Δλ得到待测物质的传感信息。

本申请实施例的具有共振腔的等离激元波导传感器，由于包括等离激元波导1和光学共振结构2两层结构，在进行传感测试时，只需在光学共振结构2中存储待测物质，无需在等离激元波导1中存储待测物质，即可探测出待测物质的传感信息，不会造成模场不匹配，具有低插损、探测灵敏度更高的优点。

参见图3和图4所示，更进一步地，在本申请实施例中，所述光学共振结构2自下而上依次包括有机玻璃21和第一金薄膜22，且所述第一金薄膜22内具有一共振腔23。

优选地，在本申请实施例中，所述共振腔23为矩形共振腔。

本申请实施例中，所述第一金薄膜22和共振腔23的厚度相同，所述第一金薄膜22和共振腔23的厚度均为50nm。

参见图5和图6所示，更进一步地，在本申请实施例中，所述等离激元波导1自下而上依次包括衬底11和第二金薄膜12，且所述第二金薄膜12内具有一与所述共振腔23配合设置的沟道13。在本申请实施例中，所述表面等离激元信号在所述沟道13和共振腔23内进行耦合。

本申请实施例中，所述第二金薄膜12和沟道13的厚度相同，所述第二金薄膜12和沟道13的厚度均为50nm。

优选地，在本申请实施例中，所述共振腔23和沟道13的宽度相同，所述共振腔23的长度小于所述沟道13的长度。并且，在本申请实施例中，所述沟道13为U型条状沟道，所述共振腔23为长方体结构。

具体地，所述共振腔23和沟道13的厚度均为50nm，所述共振腔23和沟道13的宽度均为100nm。共振腔23的长度为300nm，沟道13的长度大于300nm，沟道13的长度等于等离激元波导1的长度，即等离激元波导1的长度大于300nm。

更进一步地，在本申请实施例中，所述等离激元波导1为沟道等离激元波导、介质加载型等离激元波导或金属条状波导，根据实际情况进行选取即可。

参见图7所示，本申请实施例还提供了一种上述具有共振腔的等离激元波导传感器的使用方法，包括步骤：

A1：光学共振结构2内存储待测物质；

A2：等离激元波导1传输表面等离激元信号，并将传输的表面等离激元信号耦合到光学共振结构2中；

A3：光学共振结构2将接收到的表面等离激元信号耦合到所述等离激元波导1中，使所述光学共振结构2耦合出来的表面等离激元信号与等离激元波导1中的表面等离激元信号发生干涉；

A4：比较干涉后的共振峰值和预设的峰值阈值，得到干涉后共振峰值的偏移量，进而得到待测物质的传感信息。

需要说明的是，本申请实施例得到的待测物质的传感信息为待测物质的折射率变化，由于待测物质的传感信息中的浓度、湿度等均与折射率有直接关系，在得到折射率变化后即可得知待测物质的浓度和湿度。

优选地，本申请实施例步骤A4中预设的峰值阈值为测量所得，其测量过程为：在光学共振结构2内不存储任何待测物质，重复上述步骤A2和A3，可以得到所述光学共振结构2耦合出来的表面等离激元信号与等离激元波导1中的表面等离激元信号发生干涉后的透射谱，根据此种情况下的透射谱即可得到在光学共振结构2内未存储待测物质时的共振峰值，并将其作为预设的峰值阈值。

本申请实施例提供的具有共振腔的等离激元波导传感器的使用方法，在进行传感测试时，只需在光学共振结构2中存储待测物质，无需在等离激元波导1中存储待测物质，即可探测出待测物质的传感信息，不会造成模场不匹配，具有低插损、探测灵敏度更高的优点。

参见图8所示，本申请实施例还提供了一种具有共振腔的等离激元波导传感器的制备方法，包括步骤：

B1：在衬底11上镀第二金薄膜12，如图9所示；

B2：在所述第二金薄膜12上刻蚀一沟道13，形成等离激元波导1，如图5和6所示；

B3：在所述等离激元波导1上涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯，并烘干，形成有机玻璃21；

B4：在所述有机玻璃21上镀第一金薄膜22；

B5：在第一金薄膜22上刻蚀一与所述沟道13配合的共振腔23，形成光学共振结构2，如图3和图4所示。

本申请实施例还提供了一种具有共振腔的等离激元波导传感器的制备方法的更为详细的步骤包括：

准备一块半导体，如Si或SiO2，作为衬底11，然后采用热蒸镀仪在衬底11上镀厚度为50nm的第二金薄膜12；

采用聚焦离子束在第二金薄膜12刻蚀一宽度为100nm、厚度为50nm的沟道13；

均匀涂覆一层厚度为100nm的聚甲基丙烯酸甲酯，并烘干，形成有机玻璃21；

采用热蒸镀仪在有机玻璃21上蒸镀厚度为50nm的第一金薄膜22；

采用聚焦离子束在第一金薄膜22上刻蚀出厚度为50nm的共振腔23，且所述共振腔23为矩形共振腔，所述共振腔23的宽度为100nm，长度为300nm，所述共振腔23在水平面上的位置与沟道13在水平面上的位置对齐，即所述共振腔23在等离激元波导1上的垂直投影正好落入所述沟道13内。

本申请实施例提供的具有共振腔的等离激元波导传感器的制备方法，可以制成具有共振腔的等离激元波导传感器，由于制成的具有共振腔的等离激元波导传感器包括等离激元波导1和光学共振结构2两层结构，在进行传感测试时，只需在光学共振结构2中存储待测物质，无需在等离激元波导1中存储待测物质，即可探测出待测物质的传感信息，不会造成模场不匹配，具有低插损、探测灵敏度更高的优点。

在本申请的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

需要说明的是，在本申请中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种具有共振腔的等离激元波导传感器，其特征在于，其包括等离激元波导(1)和光学共振结构(2)；

等离激元波导(1)用于传输表面等离激元信号，并将传输的表面等离激元信号耦合到光学共振结构(2)中；

光学共振结构(2)设于所述等离激元波导(1)上，光学共振结构(2)用于存储待测物质，并将接收到的表面等离激元信号耦合到所述等离激元波导(1)中，使所述光学共振结构(2)耦合出来的表面等离激元信号与等离激元波导(1)中的表面等离激元信号发生干涉。

2.如权利要求1所述的具有共振腔的等离激元波导传感器，其特征在于：所述光学共振结构(2)自下而上依次包括有机玻璃(21)和第一金薄膜(22)，且所述第一金薄膜(22)内具有一共振腔(23)。

3.如权利要求2所述的具有共振腔的等离激元波导传感器，其特征在于：所述共振腔(23)为矩形共振腔。

4.如权利要求2所述的具有共振腔的等离激元波导传感器，其特征在于：所述等离激元波导(1)自下而上依次包括衬底(11)和第二金薄膜(12)，且所述第二金薄膜(12)内具有一与所述共振腔(23)配合设置的沟道(13)。

5.如权利要求1所述的具有共振腔的等离激元波导传感器，其特征在于：所述等离激元波导(1)为沟道等离激元波导、介质加载型等离激元波导或金属条状波导。

6.如权利要求2所述的具有共振腔的等离激元波导传感器，其特征在于：所述第一金薄膜(22)和共振腔(23)的厚度相同。

7.如权利要求4所述的具有共振腔的等离激元波导传感器，其特征在于：所述第二金薄膜(12)和沟道(13)的厚度相同。

8.如权利要求4所述的具有共振腔的等离激元波导传感器，其特征在于：所述共振腔(23)和沟道(13)的宽度相同，所述共振腔(23)的长度小于所述沟道(13)的长度。

9.一种如权利要求1至8任一项所述的具有共振腔的等离激元波导传感器的使用方法，其特征在于，包括步骤：

光学共振结构(2)内存储待测物质；

等离激元波导(1)传输表面等离激元信号，并将传输的表面等离激元信号耦合到光学共振结构(2)中；

光学共振结构(2)将接收到的表面等离激元信号耦合到所述等离激元波导(1)中，使所述光学共振结构(2)耦合出来的表面等离激元信号与等离激元波导(1)中的表面等离激元信号发生干涉；

比较干涉后的共振峰值和预设的峰值阈值，得到干涉后共振峰值的偏移量，进而得到待测物质的传感信息。

10.一种如权利要求1至8任一项所述的具有共振腔的等离激元波导传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：

在衬底(11)上镀第二金薄膜(12)；

在所述第二金薄膜(12)上刻蚀一沟道(13)；

涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯，并烘干，形成有机玻璃(21)；

在所述有机玻璃(21)上镀第一金薄膜(22)；

在第一金薄膜(22)上刻蚀一与所述沟道(13)配合的共振腔(23)。

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