RU2021591C1 - Device for measurement of biological, biochemical, chemical and physical parameters of medium - Google Patents

Device for measurement of biological, biochemical, chemical and physical parameters of medium Download PDF

Info

Publication number
RU2021591C1
RU2021591C1 RU93012077A RU93012077A RU2021591C1 RU 2021591 C1 RU2021591 C1 RU 2021591C1 RU 93012077 A RU93012077 A RU 93012077A RU 93012077 A RU93012077 A RU 93012077A RU 2021591 C1 RU2021591 C1 RU 2021591C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
metal film
medium
layer
electromagnetic radiation
radiation
Prior art date
Application number
RU93012077A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU93012077A (en
Inventor
Петр Иванович Никитин
Анатолий Анатольевич Белоглазов
Original Assignee
Петр Иванович Никитин
Анатолий Анатольевич Белоглазов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Петр Иванович Никитин, Анатолий Анатольевич Белоглазов filed Critical Петр Иванович Никитин
Priority to RU93012077A priority Critical patent/RU2021591C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2021591C1 publication Critical patent/RU2021591C1/en
Publication of RU93012077A publication Critical patent/RU93012077A/en

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: electromagnetic radiation flux excites surface electromagnetic wave in metal film located on substrate made of semiconductor material. In this case investigated medium is placed in zone of propagation of electromagnetic radiation and/or of surface electromagnetic wave. Signal registered in circuit between metal film and semiconductor layer characterizes corresponding parameter of investigated medium. EFFECT: improved authenticity of measurements. 14 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к неконтактным методом исследования характеристик среды, преимущественно биологического происхождения и/или контактирующей с биологическими объектами среды, параметры которой определяют жизнедеятельность данных биологических объектов, и может быть использовано для определения состава и свойств сред, содержащих химические и биологические компоненты, в целях научных исследований и контроля технологических процессов, в частности в микробиологии, иммунологии, химии и биохимии, для экологического мониторинга. The invention relates to a non-contact method for studying the characteristics of an environment, mainly of biological origin and / or in contact with biological objects of the environment, the parameters of which determine the vital activity of these biological objects, and can be used to determine the composition and properties of media containing chemical and biological components, for scientific research and control of technological processes, in particular in microbiology, immunology, chemistry and biochemistry, for environmental monitoring.

Известно устройство для измерения параметров среды, содержащие электроразрядную ячейку и фоторегистрирующий блок. В результате регистрации формы короны исследователь может судить о величине некоторых параметров, соотнося полученную информацию с контрольными снимками. A device for measuring environmental parameters containing an electric discharge cell and a photo-recording unit. As a result of registering the shape of the corona, the researcher can judge the magnitude of some parameters by correlating the information received with the control images.

Недостатком указанного устройства является то, что оно малопригодно для исследования биологических сред, поскольку при указанном воздействии на биологическую среду велика вероятность разрушения этой среды. The disadvantage of this device is that it is unsuitable for the study of biological environments, because with the specified impact on the biological environment, the probability of destruction of this environment is high.

Также известно устройство, являющееся наиболее близким к заявленному, для измерения параметров среды, преимущественно для биологических или биофизических исследований, содержащее источник электромагнитного излучения, твердотельную структуру, состоящую из нанесенной на подложку металлической пленки для возбуждения в последней поверхностной электромагнитной волны (ПЭВ), а также блок обработки информации. Also known is the device that is closest to the declared one for measuring environmental parameters, mainly for biological or biophysical studies, containing a source of electromagnetic radiation, a solid-state structure consisting of a metal film deposited on a substrate for excitation in the last surface electromagnetic wave (SEW), and information processing unit.

Преимуществом данного устройства является то, что измерения параметров можно проводить без разрушения любой среды или без какого-либо нежелательного воздействия на среду. The advantage of this device is that the parameter measurements can be carried out without destroying any medium or without any undesirable effects on the medium.

Однако, в данном устройстве принципиальным является наличие специального встроенного канала измерения оптического сигнала, связанного с отраженным от металлической пленки пучком излучения. Этот канал содержит специальную оптическую схему и фотопреобразователь. Наличие такого канала делает устройство дорогим и сложным в эксплуатации, препятствует минимизации его габаритов. Кроме того, фиксированное расположение элементов упомянутого измерительного канала крайне суживает область применения данного устройства и диапазон измеряемых параметров. Переход же к гибким схемам канала измерения отраженного сигнала крайне усложняет устройство и его использование, снижает точность измерений. Перечисленные факторы являются существенными недостатками указанного устройства. However, in this device, the presence of a special built-in channel for measuring an optical signal associated with a radiation beam reflected from a metal film is fundamental. This channel contains a special optical circuit and a photoconverter. The presence of such a channel makes the device expensive and difficult to operate, and prevents the minimization of its dimensions. In addition, the fixed arrangement of the elements of the said measuring channel extremely narrows the scope of this device and the range of measured parameters. The transition to flexible circuits of the measuring channel of the reflected signal extremely complicates the device and its use, reduces the accuracy of the measurements. These factors are significant disadvantages of this device.

Целью изобретения является усовершенствование эксплуатационных параметров устройства, в частности его простоты, удобства, компактности и дешевизны за счет достижения возможности массового его изготовления на основе промышленных технологий микроэлектроники, а также повышение точности и разрешающей способности измерений, расширение области применимости и диапазона измеряемых параметров. The aim of the invention is to improve the operational parameters of the device, in particular its simplicity, convenience, compactness and low cost by achieving the possibility of mass production on the basis of industrial microelectronics technologies, as well as improving the accuracy and resolution of measurements, expanding the range of applicability and range of measured parameters.

Указанная цель достигается тем, что подложка выполнена из полупроводникового материала, а входы блока обработки информации связаны непосредственно с металлической пленкой и подложкой. Пленка и подложка граничат между собой непосредственно либо через промежуточный слой, удельное сопротивление которого превышает удельное сопротивление упомянутой металлической пленки, причем поверхности раздела в обоих случаях могут быть частично или полностью пространственно модулированным. This goal is achieved in that the substrate is made of semiconductor material, and the inputs of the information processing unit are connected directly to the metal film and the substrate. The film and the substrate are adjacent to each other directly or through an intermediate layer, the resistivity of which exceeds the resistivity of the aforementioned metal film, and the interface in both cases can be partially or fully spatially modulated.

Источник электромагнитного излучения может быть выполнен с возможностью перестройки по частоте излучения и/или с возможностью изменения направления распространения электромагнитной волны от этого источника относительно положения упомянутой твердотельной структуры. The source of electromagnetic radiation can be configured to readjust the frequency of radiation and / or to change the direction of propagation of the electromagnetic wave from this source relative to the position of said solid state structure.

Для обеспечения возбуждения ПЭВ поверхность металлической пленки со стороны, противоположной расположению слоя полупроводника, пространственно модулирована, либо устройство снабжено средством (например призмой) для обеспечения полного внутреннего отражения от его выходной грани. Данная грань может быть установлена с зазором относительно поверхности металлической пленки таким образом, что в упомянутом зазоре расположен слой вещества, показатель преломления которого меньше, чем показатель преломления среды упомянутого средства. To ensure the SEW excitation, the surface of the metal film from the side opposite to the location of the semiconductor layer is spatially modulated, or the device is equipped with a means (for example, a prism) to ensure complete internal reflection from its output face. This face can be set with a gap relative to the surface of the metal film in such a way that a layer of a substance is located in the said gap, the refractive index of which is less than the refractive index of the medium of said medium.

Для повышения точности и селективности измерений на или над поверхностью металлической пленки со стороны, противоположной расположению слоя полупроводника, может быть расположен слой вещества с заданными зависимостями его параметров от величины и типа внешнего воздействия, в частности от воздействия исследуемой среды. Устройство может быть снабжено по крайней мере одним слоем для связывания, по крайней мере одного компонента образца, причем данный слой расположен на или над поверхностью металлической пленки. To increase the accuracy and selectivity of measurements on or above the surface of the metal film from the side opposite to the location of the semiconductor layer, a substance layer can be located with predetermined dependences of its parameters on the magnitude and type of external influence, in particular on the influence of the medium under study. The device may be provided with at least one layer for bonding at least one component of the sample, and this layer is located on or above the surface of the metal film.

Устройство может привноситься в тестируемую среду либо быть снабжено объемом для тестируемой среды, часть которого, расположенную в зоне прохождения потока электромагнитного излучения, в ряде случаев целесообразно выполнять в виде клина. The device can be introduced into the test medium or be equipped with a volume for the test medium, part of which, located in the zone of passage of the electromagnetic radiation flux, in some cases it is advisable to perform in the form of a wedge.

Наряду с этим устройство может быть снабжено средством для поляризации потока электромагнитного излучения и оптическим волокном для подачи потока электромагнитного излучения. In addition, the device may be equipped with a means for polarizing the flow of electromagnetic radiation and an optical fiber for supplying a flow of electromagnetic radiation.

Такое выполнение устройства дает возможность за счет совмещения металлической пленки с полупроводниковой подложкой исключить канал регистрации отраженного оптического сигнала и непосредственно осуществлять регистрацию электрического сигнала, соответствующего величинам исследуемых параметров среды. Это позволяет не только расширить сферу применения устройства, поскольку в данном случае существенно уменьшаются габариты устройства, но и значительно упростить работу с ним, повысить точность и диапазон измерений, резко снизить стоимость устройства. Устройство в целом (не считая блок регистрации) приобретает вид оптоэлектронной пары - гибридной схемы, части которой, излучающая и приемная, реализуемы на базе массового промышленного микроэлектронного производства. This embodiment of the device makes it possible, by combining the metal film with the semiconductor substrate, to exclude the registration channel of the reflected optical signal and to directly register the electrical signal corresponding to the values of the studied medium parameters. This allows not only to expand the scope of the device, since in this case the dimensions of the device are significantly reduced, but also significantly simplify the work with it, increase the accuracy and range of measurements, and sharply reduce the cost of the device. The device as a whole (not counting the registration unit) takes the form of an optoelectronic pair - a hybrid circuit, parts of which, emitting and receiving, are realizable on the basis of mass industrial microelectronic production.

На фиг. 1-3 схематически представлено заявленное устройство с вариантами возбуждения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) посредством пространственной модуляции (решетки) на поверхности металла; на фиг. 4-8 - с вариантами возбуждения ПЭВ методом нарушенного полного внутреннего отражения, при этом на фиг. 1 тестируемая среда помещается в специальную кювету, одной из стенок которой является поверхность чувствительной твердотельной структуры; на фиг. 2 - в клиновидную кювету, съемную или не съемную, расположенную на некотором расстоянии от поверхности чувствительной твердотельной структуры; на фиг. 3 - то же без кюветы, когда измерительная головка сама вносится в тестируемую среду; на фиг. 4 - показана подача излучения со стороны полупроводниковой подложки, причем последняя представляет собой слой полупроводника, нанесенный на выходную грань призмы (измерительная головка может снабжаться либо не снабжаться кюветой); на фиг. 5 - клиновидная кювета, съемная или не съемная; на фиг. 6 - то же без кюветы, когда измерительная головка сама вносится в тестируемую среду; на фиг. 7 и 8 - случаи, когда полное внутреннее отражение излучения происходит от выходной границы тестируемой среды, причем на фиг. 7 показан вариант с кюветой для тестируемой среды; на фиг. 8 - измерительная головка сама вносится в тестируемую среду. In FIG. 1-3 schematically presents the claimed device with options for the excitation of surface electromagnetic waves (SEW) through spatial modulation (lattice) on the metal surface; in FIG. 4-8 - with options for the excitation of SEW by the method of impaired total internal reflection, while in FIG. 1 test medium is placed in a special cuvette, one of the walls of which is the surface of a sensitive solid-state structure; in FIG. 2 - in a wedge-shaped cell, removable or non-removable, located at some distance from the surface of the sensitive solid-state structure; in FIG. 3 - the same without a cuvette, when the measuring head itself is introduced into the test medium; in FIG. 4 - shows the radiation supply from the side of the semiconductor substrate, the latter being a semiconductor layer deposited on the output face of the prism (the measuring head may or may not be supplied with a cuvette); in FIG. 5 - wedge-shaped cell, removable or not removable; in FIG. 6 - the same without a cuvette, when the measuring head itself is introduced into the test medium; in FIG. 7 and 8 are cases when the total internal reflection of radiation comes from the output boundary of the test medium, and in FIG. 7 shows a cuvette embodiment for a test medium; in FIG. 8 - the measuring head itself is introduced into the test medium.

Устройство для измерения параметров среды содержит измерительную головку 1, блок 2 обработки и индикации информации и соединительные провода 3 и 4. Измерительная головка выполнена по принципу оптоэлектронной пары - источника и приемника излучения. A device for measuring environmental parameters comprises a measuring head 1, an information processing and display unit 2, and connecting wires 3 and 4. The measuring head is made according to the principle of an optoelectronic pair — a radiation source and receiver.

В качестве источника 5 электромагнитного излучения (как правило, видимого или инфракрасного диапазона) предпочтительно применять встроенный полупроводниковый излучатель или выходной торец оптического волокна, что обеспечивает компактность измерительной головки. As the source 5 of electromagnetic radiation (usually visible or infrared), it is preferable to use a built-in semiconductor emitter or output end of the optical fiber, which ensures the compactness of the measuring head.

В качестве приемника излучения используется твердотельная структура 6. Основными ее элементами являются металлическая пленка 7 (например Ag, Au, Al, Cu) и полупроводниковая подложка 8 (например Si, GaAs, InP). Провод 3 соединен непосредственно с металлической пленкой 7, провод 4 - с подложкой 8 через омический контакт 9. Структура 6 может содержать также тонкий промежуточный слой 10 (например SiO2) между пленкой 7 и подложкой 8, который иногда вводится для повышения электрического сопротивления перехода металл-полупроводник и не является существенным с точки зрения принципа работы предлагаемого устройства. Поверхность раздела металла 7 и полупроводника 8 либо хотя бы одна из поверхностей слоя 10 может быть пространственно модулированной (например периодически профилированной) для усиления рассеяния ПЭВ из металла 7 в полупроводник 8. Для возбуждения ПЭВ решеточным методом на поверхности металлической пленки 7, не обращенной к полупроводнику, эта поверхность выполнена пространственно модулированной, например, в виде синусоидальной решетки (фиг. 1-3). Для возбуждения ПЭВ методом нарушенного полного внутреннего отражения в схемах фиг. 5 и 6 используется призма 11, которая жестко крепится относительно структуры 6 согласно стандартной методике Отто возбуждения ПЭВ, образуя зазор 12, заполненный воздухом или иным диэлектриком (в частности самой тестируемой средой 13) с меньшим, чем у призмы, показателем преломления. Схемы фиг. 7 и 8 также используют метод Отто, но роль призмы выполняет расположенный на пути пучка излучения клиновидный слой тестируемой среды 13, показатель преломления у которой заведомо больше, чем у вещества в зазоре 12. В схеме фиг. 4 зазор между призмой 11 и пленкой 7 заполнен слоем полупроводникового материала, представляющего собой подложку 8. Полученная таким образом схема соответствует методике Кречманна возбуждения ПЭВ. В случае материала подложки 8, слабо поглощающего излучение источника 5, слой 8 и призма 11 могут представлять собой единый объем полупроводника.A solid-state structure 6 is used as a radiation detector. Its main elements are a metal film 7 (for example, Ag, Au, Al, Cu) and a semiconductor substrate 8 (for example, Si, GaAs, InP). The wire 3 is connected directly to the metal film 7, the wire 4 is connected to the substrate 8 through an ohmic contact 9. The structure 6 can also contain a thin intermediate layer 10 (for example, SiO 2 ) between the film 7 and the substrate 8, which is sometimes introduced to increase the electrical resistance of the metal semiconductor and is not essential from the point of view of the principle of operation of the proposed device. The interface between the metal 7 and the semiconductor 8 or at least one of the surfaces of the layer 10 can be spatially modulated (for example periodically profiled) to enhance the scattering of SEWs from the metal 7 into the semiconductor 8. For excitation of the SEW by the lattice method on the surface of the metal film 7 not facing the semiconductor , this surface is spatially modulated, for example, in the form of a sinusoidal lattice (Fig. 1-3). To excite the SEW by the method of impaired total internal reflection in the schemes of FIG. 5 and 6, a prism 11 is used, which is rigidly fixed relative to the structure 6 according to the standard Otto SEW excitation method, forming a gap 12 filled with air or another dielectric (in particular, the medium under test 13) with a lower refractive index than that of the prism. The diagrams of FIG. 7 and 8 also use the Otto method, but the wedge-shaped layer of the test medium 13 located on the path of the radiation beam plays the role of a prism, the refractive index of which is obviously larger than that of the substance in the gap 12. In the diagram of FIG. 4, the gap between the prism 11 and the film 7 is filled with a layer of a semiconductor material representing a substrate 8. The circuit obtained in this way corresponds to the Kretschmann method of excitation of SEW. In the case of the substrate material 8, weakly absorbing the radiation of the source 5, the layer 8 and the prism 11 can be a single volume of the semiconductor.

Источник 5 излучения может быть регулируемым по частоте и (или) по направлению излучения относительно структуры 6. На фиг. 1-8 схематически показана возможность углового перемещения и отсчета угла посредством угловой шкалы 14 с нониусом 15. Посредством сканирования по частоте и перемещения по углу источника излучения могут осуществляться регулировка и настройка устройства, сниматься контрольные зависимости. Вместо угловой шкалы и нониуса целесообразно применять потенциометрический датчик углового положения источника излучения. Он позволяет преобразовать значение угла в вольтовый сигнал и, к примеру, на двухкоординатном самописце сразу получить зависимость информационного сигнала от угла при любом способе сканирования по углу. На выходе излучения из источника 5 могут быть предусмотрены поляризатор и микрообъектив. The radiation source 5 may be adjustable in frequency and / or in the direction of radiation relative to the structure 6. In FIG. 1-8 schematically shows the possibility of angular displacement and reading of the angle by means of an angular scale 14 with a nonius 15. By scanning in frequency and moving along the angle of the radiation source, the device can be adjusted and adjusted, and control dependencies can be removed. Instead of an angular scale and a nonius, it is advisable to use a potentiometric sensor for the angular position of the radiation source. It allows you to convert the value of the angle into a volt signal and, for example, on a two-coordinate recorder, immediately obtain the dependence of the information signal on the angle for any method of scanning by angle. At the output of the radiation from the source 5, a polarizer and a micro lens can be provided.

Для всех вариантов устройства существенно, чтобы тестируемая среда 13 располагалась относительно структуры 6 со стороны металлической пленки. Во всех вариантах, кроме фиг. 4, среда 13 лежит на пути пучка излучения от источника 5 к пленке 7. For all variants of the device, it is essential that the test medium 13 is located relative to the structure 6 from the side of the metal film. In all embodiments except FIG. 4, medium 13 lies in the path of the radiation beam from source 5 to film 7.

В схемах фиг. 1, 3 и 4 среда 13 может либо соприкасаться с пленкой 7, либо быть отделенной от нее промежуточными слоями 16 и 17. Материалом слоя 16 может являться вещество, реагирующее заданным образом на воздействие со стороны тестируемой среды 13, в частности, связывающее (адсорбирующее или абсорбирующее) компонент среды 13, параметры которого требуется измерить. Слой 17 может предназначаться для вспомогательных целей, например, для защиты пленки 7 или слоя 16 от агрессивных компонентов среды 13, для улучшения адгезии слоя 16 и пр. In the diagrams of FIG. 1, 3 and 4, the medium 13 can either come into contact with the film 7 or be separated from it by the intermediate layers 16 and 17. The material of the layer 16 can be a substance that reacts in a predetermined manner to the action of the test medium 13, in particular, binding (adsorbing or absorbent) component of the medium 13, the parameters of which you want to measure. Layer 17 may be intended for auxiliary purposes, for example, to protect the film 7 or layer 16 from the aggressive components of the medium 13, to improve the adhesion of the layer 16, etc.

В схемах фиг. 5-8 среда 13 не соприкасается с пленкой 7, за исключением случаев, когда в схемах фиг. 5 и 6 среда 13 имеет меньший, чем у призмы 11, показатель преломления и заполняет также и зазор 12. В этих случаях, а также в схемах фиг. 7 и 8 зазор 12 может содержать также слои 16 и 17 при соответствующих ограничениях на их толщину и показатели преломления. In the diagrams of FIG. 5-8, the medium 13 is not in contact with the film 7, unless in the circuits of FIG. 5 and 6, the medium 13 has a lower refractive index than that of the prism 11 and also fills the gap 12. In these cases, as well as in the diagrams of FIG. 7 and 8, the gap 12 may also contain layers 16 and 17, with corresponding restrictions on their thickness and refractive indices.

В схемах фиг. 2 и 5, когда среда 13 удалена от пленки 7 на расстояния, значительно превышающие глубину проникновения ПЭВ, а среда на пути излучения перед кюветой 18 и после нее одна и та же, необходимо, чтобы слой среды 13, лежащий на пути излучения от источника 5 к пленке 7, имел форму клина. Форма клина обеспечивает зависимость условий возбуждения ПЭВ в пленке 7 от преломляющих свойств среды 13. In the diagrams of FIG. 2 and 5, when the medium 13 is removed from the film 7 by distances significantly exceeding the penetration depth of the SEW, and the medium on the radiation path in front of the cell 18 and after it is the same, it is necessary that the medium layer 13 lying on the radiation path from the source 5 to the film 7, had the shape of a wedge. The shape of the wedge provides a dependence of the excitation conditions of the SEW in the film 7 on the refractive properties of the medium 13.

Энергия кванта излучения источника 5 может быть как больше, так и меньше ширины запрещенной зоны полупроводника. The energy of the radiation quantum of the source 5 can be both greater and less than the band gap of the semiconductor.

Вариант устройства, приведенный на фиг. 4, целесообразен для исследования слабопрозрачных и рассеивающих сред аналогично, без пропускания сквозь них излучения, посредством только ПЭВ, плотность энергии которых экспоненциально убывает в среде 13. The embodiment of the device shown in FIG. 4, it is expedient for studying weakly transparent and scattering media similarly, without transmitting radiation through them, by means of only SEWs whose energy density decreases exponentially in medium 13.

Устройство работает следующим образом. The device operates as follows.

ПЭВ на поверхности пленки металла 7, не обращенной к подложке 8, возбуждаются путем преобразования p-поляризованной составляющей падающего электромагнитного излучения посредством решетки на данной поверхности пленки 7: Rn sin θ + mG = Rпэв (1) или призмы 11 Rnпризмы sin θ =Rпэв (2). где R =

Figure 00000001
=
Figure 00000002
- волновой вектор падающего излучения частотой ω и длиной волны λв вакууме;
n - показатель преломления тестируемой среды 13;
nпризмы - показатель преломления призмы 11 на фиг. 5 и 6, материала полупроводниковой подложки 8 на фиг. 4, среды 13 на фиг. 7 и 8;
θ - угол падения излучения на решетку в (1) (фиг. 1-3) или на выходную грань призмы в (2) фиг. 4-8);
m - целое число m≠0);
G =
Figure 00000003
- обратный вектор решетки периода Λ ;
Rпэв - волновой вектор ПЭВ.SEWs on the surface of the film of metal 7, not facing the substrate 8, are excited by converting the p-polarized component of the incident electromagnetic radiation by means of a lattice on this surface of the film 7: Rn sin θ + mG = R pev (1) or prism 11 Rn of the prism sin θ = R pav (2). where R =
Figure 00000001
=
Figure 00000002
- wave vector of incident radiation with frequency ω and wavelength λ in vacuum;
n is the refractive index of the test medium 13;
n prisms is the refractive index of prism 11 in FIG. 5 and 6, the semiconductor substrate material 8 in FIG. 4, medium 13 in FIG. 7 and 8;
θ is the angle of incidence of radiation on the grating in (1) (Figs. 1-3) or on the output face of the prism in (2) of Figs. 4-8);
m is an integer m ≠ 0);
G =
Figure 00000003
is the inverse lattice vector of the period Λ;
R pev - wave vector SEW.

В простейшем случае, на границе раздела двух сред - металла и диэлектрика - он описывается выражением:
Rпэв= ±

Figure 00000004
("+" ("-" для для m>0, m<0)
(3)
Здесь, в свою очередь, ε'Me - действительная часть диэлектрической проницаемости металла на частоте ω (обычно εMe<0, | ε'Me| >>1).In the simplest case, at the interface between two media - a metal and a dielectric - it is described by the expression:
R pev = ±
Figure 00000004
("+" ("-" for for m> 0, m <0)
(3)
Here, in turn, ε ' Me is the real part of the dielectric constant of the metal at a frequency ω (usually ε Me <0, | ε' Me | >> 1).

В схемах фиг. 1-4, когда не применяются дополнительные слои на поверхности пленки 7, Rпэв описывается выражением (3), но в схеме фиг. 2 вместо n надо подставить показатель преломления среды, граничащей с пленкой 7 (обычно - воздуха).In the diagrams of FIG. 1-4, when additional layers are not applied on the surface of the film 7, R pev is described by expression (3), but in the circuit of FIG. 2 instead of n, we must substitute the refractive index of the medium adjacent to the film 7 (usually air).

В схемах фиг. 5-8 без слоев 16 и 17 Rпэв описывается выражением (3) с заменой n на показатель преломления диэлектрика в зазоре 12 и не зависит от n среды (кроме случаев, когда среда 13 не изолирована от зазора 12).In the diagrams of FIG. 5-8 without layers 16 and 17 R pev is described by expression (3) with n replaced by the refractive index of the dielectric in the gap 12 and does not depend on n medium (except when the medium 13 is not isolated from the gap 12).

В случае многослойной системы (пленка 7 - слои 16 и 17) зависимость Rпэв от (n среды описывается более сложным образом и выражена менее резко. Rпэв в такой системе сильно зависит от показателей преломления слоев 16 и 17.In the case of a multilayer system (film 7 — layers 16 and 17) the dependence of R pev on (n of the medium is described in a more complex way and is less pronounced. R pev in such a system strongly depends on the refractive indices of layers 16 and 17.

Равенства (1) и (2) описывают положение резонансного максимума эффективности преобразования (доли энергии излучения, преобразованной в энергию ПЭВ) в зависимости от R, n и θ . Зависимость положения резонанса от n среды в схемах фиг. 1, 3, 7 и 8, а также фиг. 5 и 6 в случаях заполнения средой 13 зазора 12 выражена как через тангенциальную составляющую Rn sinθ волнового вектора падающего излучения, так и через Rпэв. В схемах фиг. 2, а также фиг. 5 и 6 с зазором 12, изолированным от среды 13 - только через Rn sinθ , т. е. через величину и (или) направление волнового вектора падающего излучения. В схеме фиг. 4 - только через Rпэв). При изменении какого-либо из этих параметров (например n) изменяется положение резонанса (резонансные значения R и θ ; при изменении же данного параметра в пределах ширины резонансной кривой резко изменяется величина эффективности преобразования.Equalities (1) and (2) describe the position of the resonance maximum of the conversion efficiency (the fraction of the radiation energy converted to SEW energy) depending on R, n and θ. The dependence of the resonance position on n medium in the circuits of FIG. 1, 3, 7 and 8, as well as FIG. 5 and 6, in cases when the medium 13 is filled with a gap 12, it is expressed both through the tangential component Rn sinθ of the wave vector of the incident radiation, and through R pev . In the diagrams of FIG. 2 as well as FIG. 5 and 6 with a gap 12 isolated from the medium 13 - only through Rn sinθ, i.e., through the magnitude and (or) the direction of the wave vector of the incident radiation. In the circuit of FIG. 4 - only through R pev ). When any of these parameters (for example, n) is changed, the position of the resonance changes (the resonance values are R and θ; when this parameter changes, the conversion efficiency changes sharply within the width of the resonance curve.

В схемах, где величина эффективности преобразования зависит от тестируемой среды только через Rn sin θ , данное устройство может применяться как датчик показателя преломления среды или параметра, напрямую с ним связанного (например концентрации известного компонента в растворе), т. е. как рефрактометрический датчик среды. Схемы с чувствительным слоем 16 дают, кроме того, возможность измерять через зависимость величины эффективности преобразования от оптических свойств этого слоя любой параметр среды 13, который может влиять на последние. В частности, соответствующий выбор материала слоя 16 позволяет измерять концентрацию требуемого компонента среды избирательным образом. In schemes where the conversion efficiency depends on the test medium only through Rn sin θ, this device can be used as a sensor of the refractive index of a medium or a parameter directly related to it (for example, the concentration of a known component in a solution), i.e., as a refractometric medium sensor . Schemes with a sensitive layer 16 give, in addition, the ability to measure, through the dependence of the conversion efficiency on the optical properties of this layer, any medium parameter 13 that can affect the latter. In particular, the appropriate choice of material of the layer 16 makes it possible to measure the concentration of the required component of the medium in a selective manner.

Возбуждение ПЭВ сопровождается генерацией электрического сигнала (напряжения либо тока), который через выводы 3 и 4 поступает на входы блока 2 обработки информации. Его величина напрямую связана с величиной эффективности преобразования излучения в ПЭВ. Имеются различные механизмы генерации такого сигнала. Если энергия кванта излучения больше ширины запрещенной зоны полупроводника, то возможно образование электронно-дырочных пар в полупроводнике посредством поглощения части энергии ПЭВ в полупроводнике непосредственно либо через излучательное рассеяние на границе металл - полупроводник. Если энергия кванта излучения меньше ширины запрещенной зоны полупроводника, то возможно образование горячих носителей в металле вследствие поглощения энергии ПЭВ и их эмиссия в полупроводник. В обоих случаях, ток носителей под действием поля потенциального барьера "металл - полупроводник" приводит к электрическому отклику, как в обычном фотоприемнике. The excitation of the SEW is accompanied by the generation of an electrical signal (voltage or current), which, through pins 3 and 4, enters the inputs of the information processing unit 2. Its value is directly related to the value of the conversion efficiency of radiation into SEW. There are various mechanisms for generating such a signal. If the radiation quantum energy is greater than the semiconductor band gap, then the formation of electron-hole pairs in the semiconductor is possible by absorbing part of the SEW energy in the semiconductor either directly or through radiative scattering at the metal-semiconductor interface. If the energy of the radiation quantum is less than the band gap of the semiconductor, then the formation of hot carriers in the metal due to the absorption of SEW energy and their emission into the semiconductor is possible. In both cases, the carrier current under the action of the potential metal-semiconductor barrier field leads to an electric response, as in a conventional photodetector.

Таким образом, резонанс величины эффективности преобразования излучения в ПЭВ сопровождается резонансом электрического сигнала на входах блока 2 обработки. Исследуя величину и особенности зависимостей этого сигнала от ω, θ либо от направления поляризации излучения при различных значениях параметров среды и сопоставляя полученные характеристики с контрольными, получают информацию о значениях упомянутых параметров. Кроме того, если устройство настроено так, что величина электрического сигнала соответствует склону резонансной кривой, то при изменениях исследуемого параметра среды, не выводящей систему за пределы резонанса, устройство работает как непосредственный оптоэлектронный преобразователь измеряемой величины в электрический сигнал. Проведя соответствующую градуировку, измеряемые значения можно непосредственно считывать с индикации блока 2. Thus, the resonance of the value of the conversion efficiency of radiation in SEW is accompanied by the resonance of the electrical signal at the inputs of the processing unit 2. Studying the magnitude and features of the dependences of this signal on ω, θ or on the direction of radiation polarization at various values of the medium parameters and comparing the obtained characteristics with the control ones, we obtain information on the values of the mentioned parameters. In addition, if the device is configured so that the magnitude of the electrical signal corresponds to the slope of the resonance curve, then with changes in the studied parameter of the medium, which does not bring the system beyond the limits of resonance, the device operates as a direct optoelectronic converter of the measured quantity into an electrical signal. After appropriate calibration, the measured values can be directly read from the display of block 2.

Изобретение позволяет обеспечить быстрые и удобные измерения параметров сред компактными средствами, не использующими сложных оптических схем, пригодными не только в лабораторных, но и в производственных, полевых и бытовых условиях. Оно позволяет также реализовать недорогое производство оптоэлектронных средств измерения параметров сред на базе промышленной технологии микроэлектроники. The invention allows for quick and convenient measurement of medium parameters by compact means that do not use complex optical schemes, suitable not only in laboratory, but also in industrial, field and domestic conditions. It also allows for the implementation of low-cost production of optoelectronic means for measuring medium parameters based on industrial microelectronics technology.

Claims (14)

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ, БИОХИМИЧЕСКИХ, ХИМИЧЕСКИХ ИЛИ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СРЕДЫ, содержащее источник электромагнитного излучения, твердотельную структуру, состоящую из нанесенной на подложку металлической пленки для возбуждения в последней поверхностной электромагнитной волны, а также блок обработки информации, отличающееся тем, что подложка выполнена из полупроводникового материала, а входы блока обработки информации связаны с металлической пленкой и подложкой. 1. DEVICE FOR MEASURING BIOLOGICAL, BIOCHEMICAL, CHEMICAL OR PHYSICAL MEDIA PARAMETERS, containing an electromagnetic radiation source, a solid-state structure consisting of a metal film deposited on a substrate for excitation in the last surface electromagnetic wave, as well as an information processing unit, characterized in that the substrate is from a semiconductor material, and the inputs of the information processing unit are connected with a metal film and a substrate. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поверхность раздела металлической пленки и полупроводникового материала выполнена частично или полностью пространственно модулированной. 2. The device according to claim 1, characterized in that the interface between the metal film and the semiconductor material is partially or fully spatially modulated. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что между металлической пленкой и полупроводниковым материалом расположен промежуточный слой, удельное сопротивление которого превышает удельное сопротивление упомянутой металлической пленки. 3. The device according to claim 1, characterized in that between the metal film and the semiconductor material there is an intermediate layer, the resistivity of which exceeds the resistivity of said metal film. 4. Устройство по пп.1 и 3, отличающееся тем, что по крайней мере одна из поверхностей упомянутого промежуточного слоя является частично или полностью пространственно модулированной. 4. The device according to claims 1 and 3, characterized in that at least one of the surfaces of the said intermediate layer is partially or fully spatially modulated. 5. Устройство по п.1, отличающееся тем, что источник электромагнитного излучения выполнен с возможностью перестройки по частоте излучения. 5. The device according to claim 1, characterized in that the source of electromagnetic radiation is configured to be tuned according to the frequency of radiation. 6. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно выполнено с возможностью изменения положения упомянутой твердотельной структуры относительно направления распространения электромагнитной волны от источника электромагнитного излучения. 6. The device according to claim 1, characterized in that it is arranged to change the position of said solid state structure relative to the direction of propagation of the electromagnetic wave from the source of electromagnetic radiation. 7. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поверхность металлической пленки со стороны, противоположной расположению слоя полупроводника, пространственно модулирована. 7. The device according to claim 1, characterized in that the surface of the metal film from the side opposite to the location of the semiconductor layer is spatially modulated. 8. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено средством для обеспечения полного внутреннего отражения излучения от его выходной грани. 8. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with a means for ensuring complete internal reflection of radiation from its output face. 9. Устройство по пп.1 и 8, отличающееся тем, что выходная грань упомянутого средства образует зазор с поверхностью металлической пленки, в котором расположен слой вещества, чей показатель преломления меньше показателя преломления среды упомянутого средства. 9. The device according to claims 1 and 8, characterized in that the output face of the said means forms a gap with the surface of the metal film, in which there is a layer of a substance whose refractive index is less than the refractive index of the medium of the said means. 10. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на поверхности металлической пленки или над ней со стороны, противоположной расположению слоя полупроводника, расположен слой вещества с заданными зависимостями его параметров от величины и типа внешнего воздействия. 10. The device according to claim 1, characterized in that on the surface of the metal film or above it from the side opposite to the location of the semiconductor layer, there is a layer of substance with predetermined dependences of its parameters on the size and type of external influence. 11. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено по крайней мере одним слоем для связывания по крайней мере одного компонента среды, причем данный слой расположен на поверхности металлической пленки или над ней. 11. The device according to claim 1, characterized in that it is provided with at least one layer for bonding at least one component of the medium, and this layer is located on the surface of the metal film or above it. 12. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено объемом для тестируемой среды, часть которого, расположенная в зоне прохождения потока электромагнитного излучения, выполнена в виде клина. 12. The device according to claim 1, characterized in that it is provided with a volume for the test medium, a part of which is located in the zone of passage of the electromagnetic radiation flux, made in the form of a wedge. 13. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено средством для поляризации потока электромагнитного излучения. 13. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with a means for polarizing the flow of electromagnetic radiation. 14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено оптическим волокном для подачи потока электромагнитного излучения. 14. The device according to claim 1, characterized in that it is equipped with an optical fiber for supplying a stream of electromagnetic radiation.
RU93012077A 1993-03-31 1993-03-31 Device for measurement of biological, biochemical, chemical and physical parameters of medium RU2021591C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93012077A RU2021591C1 (en) 1993-03-31 1993-03-31 Device for measurement of biological, biochemical, chemical and physical parameters of medium

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU93012077A RU2021591C1 (en) 1993-03-31 1993-03-31 Device for measurement of biological, biochemical, chemical and physical parameters of medium

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2021591C1 true RU2021591C1 (en) 1994-10-15
RU93012077A RU93012077A (en) 1998-02-20

Family

ID=20138267

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU93012077A RU2021591C1 (en) 1993-03-31 1993-03-31 Device for measurement of biological, biochemical, chemical and physical parameters of medium

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2021591C1 (en)

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Заявка РСТ WO 89/07252, кл. G 01N 33/543, 1989. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US6807323B2 (en) Active ion-doped waveguide-plasmon resonance sensor based on upconversion of active ions and imaging system using the same
JP3399836B2 (en) Surface plasmon sensor
US8068995B2 (en) Biosensing apparatus and system
JP2001066248A (en) Surface plasmon sensor
GB2197065A (en) Optical sensor device
KR20100129733A (en) Angle sensor, system and method employing guided-mode resonance
US20060023221A1 (en) Sample analysis apparatus and analysis method
JP3562912B2 (en) Surface plasmon sensor
US20060215165A1 (en) High sensitivity optical detection by temperature independent differential polarization surface plasmon resonance
JP5241274B2 (en) Detection method of detected substance
US6891620B2 (en) Measuring plate
US7057731B2 (en) Measuring method and apparatus using attenuated total reflection
JP2000019104A (en) Surface plasmon sensor
RU2021591C1 (en) Device for measurement of biological, biochemical, chemical and physical parameters of medium
US5757477A (en) Real time monitoring of medium parameters
EP1219952B1 (en) Sensor utilizing attenuated total reflection
US20050244093A1 (en) Wavelength-tuned intensity measurement of surface plasmon resonance sensor
CN100538338C (en) The analytical approach of the part in the sample and the device of the part in the analytical sample
JP3460923B2 (en) Surface plasmon sensor
RU2380665C1 (en) Device for determining absorption coefficient of surface electromagnetic waves in infrared band
US5633492A (en) Real time monitoring of changes in objects or media
US7075657B2 (en) Surface plasmon resonance measuring apparatus
RU2021590C1 (en) Method of measurement of parameters of outside action on medium or object and device to implement it
RU2021589C1 (en) Method of measurement of parameters of state of medium
JP4173628B2 (en) Surface plasmon resonance measuring device