CN212845016U - 高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，所述的折射率传感芯片分为四层结构，第一层为底层的透明介质基底，第二层为金属薄膜层，第三层介质光栅层，第四层为高折射率介质光栅层；其中，介质光栅层和高折射率介质光栅层为周期性光栅阵列，光栅周期同为p，光栅占空比同为q，厚度分别为t1和t2，其中t1<t2；通过调整芯片的结构参数，包括金属薄膜层厚度和高折射率介质光栅层的光栅参数及厚度，在Q值较低的GMR（Guided‑Mode Resonance）共振峰的基础上，衍生出一个高Q的共振峰；该高Q共振峰处伴随着相位突变，高Q共振峰具备偏振敏感性。基于本发明可实现高灵敏的折射率传感，对疾病诊断、药物研发、生物化学检测等领域具有发展性的意义。
Description
技术领域
本发明属于光学传感领域，涉及一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，可应用于生物检测及疾病诊断治疗等领域。
背景技术
在生物检测领域，光学传感尤其是基于折射率的传感方法和器件由于不需要标记、灵敏度高等优点，受到众多研究者的关注。
GMR (Guided-Mode Resonance, 导模共振)是指外部场与亚波长光栅波导的泄漏模之间产生耦合，发生共振的现象。可以将衍射光栅相当于周期调制的平面波导，当一个外部传播波和亚波长光栅波导所支持的导波模式满足波矢匹配时，会产生强耦合，耦合的能量再通过周期性光栅反射或透射出去，形成尖锐的反射或者透射共振峰。基于GMR的折射率传感器由于具有线宽小，Q值大等优点，受到广大研究者的关注，除此外GMR还被广泛应用于滤波器、光调制器、光开关等领域。
MAGMR (Metal Assistant Guided-Mode Resonance, 金属辅助导模共振)是在GMR的基础上，在亚波长光栅底部增加一层有一定厚度的金属薄膜。当在GMR结构的波导通道下方引入金属层时，由于金属-电介质界面的损耗性质，波导内部的传播模式会经历更快的衰减。随着波长远离共振处，金属层开始显现其金属的高反特性，入射光被反射回去。基于MAGMR的传感器可以提供比基于GMR传感器更高的灵敏度值，并且共振峰的Q值也高于GMR传感器。除此之外，由于金属的存在，一定程度的抑制了场往下面基底的延伸，从而模斑更多的分布在传感空间。
但总体而言，基于GMR和MAGMR的传感器的Q值还是比较低，并且由于其电场模斑主要分布在介质内部，在外界感知空间延伸的不多，因此其传感的灵敏度有限，从而也导致较低的FoM，不利于实际应用的高灵敏传感检测。
发明内容
本发明提出了一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，可实现高灵敏度的折射率传感，对生物检测、疾病诊断、药物研发等领域具有发展性的意义。
一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，所述的折射率传感芯片分为四层结构，第一层为底层的透明介质基底，第二层为金属薄膜层，第三层介质光栅层，第四层为高折射率介质光栅层；
其中，介质光栅层和高折射率介质光栅层为周期性光栅阵列，光栅周期同为p，光栅占空比同为q，厚度分别为t1和t2，其中t1<t2；
通过调整芯片的结构参数，包括金属薄膜层厚度和高折射率介质光栅层的光栅参数及厚度，在Q值较低的GMR（Guided-Mode Resonance）共振峰的基础上，衍生出一个高Q的共振峰；
该高Q共振峰处伴随着相位突变，高Q共振峰具备偏振敏感性；
高Q共振峰的工作波长可通过调节芯片的结构参数来调节。
所述的透明介质基底为折射率低于1.6的透明材料，包括玻璃、塑料。
所述的金属薄膜层为具备金属损耗及金属高反特性的金属材料，包括Au、Ag、Al、Cu、Ti。
所述的金属薄膜层的厚度为80-200nm。
所述的介质光栅层包括Si3N4、ZnO、SiO2。
所述的高折射率介质光栅层为折射率大于2的介质材料，包括TiO2、ZrO2、Ta2O5、Si。
所述的一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，通过测量反射光光谱，用于测量波长漂移方式的折射率传感。
所述的一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，控制入射光波长不变，利用高Q共振峰处的相位存在突变，测量反射光相位变化，用于高灵敏度的折射率的相位传感。
所述的一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，可应用于生物检测、疾病诊断领域。
本发明的有益效果：
本发明的传感芯片具备很高的折射率传感灵敏度及FoM，可用于高灵敏度的折射率传感。同时，该高Q共振峰处伴随着剧烈的相位突变，也可应用于高灵敏的折射率相位传感。结构全部采用安全无毒的介质材料，可方便应用于生物检测领域。基于本芯片结构可实现高灵敏的折射率传感，对疾病诊断、药物研发、生物化学检测等领域具有发展性的意义。
附图说明
图1为本发明一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片的结构示意图。
图2为高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片的反射谱。
图3为折射率波长漂移曲线。
图4为电场模斑分布图。
图5为相位随折射率而改变的曲线。
附图标记说明：
1-透明介质基底、2-金属薄膜层、3-介质光栅层、4-高折射率介质光栅层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详述。
实施例1
本发明公开了一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，如附图1所示，该折射率传感芯片分为四层结构，第一层为底层的透明介质基底1，第二层为金属薄膜层2，第三层介质光栅层3，第四层为高折射率介质光栅层4；通过调整芯片的结构参数，在原有的GMR（Guided-Mode Resonance）共振峰的基础上，衍生出一个高Q的共振峰；该高Q共振峰处的电场模斑主要分布在外界传感空间，对外界折射率变化的传感灵敏度很高；该传感芯片具备很高的折射率传感灵敏度及FoM (Figure Of Merit)，可用于高灵敏度的折射率传感；同时，该高Q共振峰处伴随着剧烈的相位突变，也可应用于高灵敏的折射率相位传感；高Q共振峰具备偏振敏感性；高Q共振峰的波长可通过调节芯片的结构参数来调节，可方便的用于实际检测应用。
实施例2
一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，材料和结构参数可以选择为：透明介质基底1选择SiO2；金属薄膜层2选择Ag，厚度为150nm；介质光栅层3选择Si3N4，厚度参数为（光栅深度t1为40nm，光栅底部厚度150nm，占空比q为0.5。）；高折射率介质光栅层4选择TiO2，厚度t2为210nm，满足t1<t2；光栅周期p为430nm。附图2为高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片的反射谱，在原有GMR共振峰的基础上，在波长573nm衍生出一个高Q值共振峰，其FWHM估计为~0.5nm，Q值为~1100。
实施例3
一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，高Q共振峰随着外界传感折射率变化，而发生波长漂移，可用于高灵敏的折射率传感。附图3为折射率波长漂移曲线，计算得到灵敏度S=350nm/RIU，相比于GMR（~39nm/RIU）与MAGMR（~95nm/RIU），灵敏度更高，分别是GMR与MAGMR的9倍与4倍。该结构具备更高的灵敏度主要原因是其模斑相比较于GMR和MAGMR而言，更多的分布在外界感知空间，因此会具备更高的灵敏度，如附图4所示为电场模斑分布图。根据灵敏度以及FWHM（~0.5nm），可以计算得到FoM=700 RIU-1，相比于~32 RIU-1（MAGMR）和~3.9 RIU-1（GMR），FoM分别提高了1至2个数量级，能够满足高精度的基于折射率传感的生物检测的实际应用要求。
实施例4
一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，在谐振峰处存在剧烈的相位突变，因此可以用于进行折射率的相位传感。附图5为相位随折射率而改变的曲线。当外界环境折射率改变时伴随着波长漂移，从而在控制入射光波长不变的同时，反射光相位发生剧烈变化，折射率从1.330-1.332相位变化了187.9414°，灵敏度S~94000°/RIU，因此可以用于超灵敏的折射率相位传感。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，其特征在于，所述的折射率传感芯片分为四层结构，第一层为底层的透明介质基底（1），第二层为金属薄膜层（2），第三层介质光栅层（3），第四层为高折射率介质光栅层（4）；
其中，介质光栅层（3）和高折射率介质光栅层（4）为周期性光栅阵列，光栅周期同为p，光栅占空比同为q，厚度分别为t1和t2，其中t1<t2；
通过调整芯片的结构参数，包括金属薄膜层（2）厚度和高折射率介质光栅层（4）的光栅参数及厚度，在Q值较低的GMR（Guided-Mode Resonance）共振峰的基础上，衍生出一个高Q的共振峰；
该高Q共振峰处伴随着相位突变，高Q共振峰具备偏振敏感性；
高Q共振峰的工作波长可通过调节芯片的结构参数来调节。
2.根据权利要求1所述的一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，其特征在于，所述的透明介质基底（1）为折射率低于1.6的玻璃或塑料。
3.根据权利要求1所述的一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，其特征在于，所述的金属薄膜层（2）的材料包括Au、Ag、Al、Cu或Ti。
4.根据权利要求1所述的一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，其特征在于，所述的金属薄膜层（2）的厚度为80-200nm。
5.根据权利要求1所述的一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，其特征在于，所述的介质光栅层（3）包括Si3N4、ZnO或SiO2。
6.根据权利要求1所述的一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，其特征在于，所述的高折射率介质光栅层（4）的材料包括TiO2、ZrO2、Ta2O5或Si。
7.根据权利要求1所述的一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，其特征在于，通过测量反射光光谱，用于测量波长漂移方式的折射率传感。
8.根据权利要求1所述的一种高Q高FoM的金属介质辅助GMR的折射率传感芯片，其特征在于，控制入射光波长不变，利用高Q共振峰处的相位存在突变，测量反射光相位变化，用于高灵敏度的折射率的相位传感。
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