本技術(shù)涉及一種基于凹型反射光柵的微流控折射率傳感器，屬于微納光電子。

背景技術(shù)：

1、近年來，隨著人們對醫(yī)療診斷、環(huán)境檢測以及法醫(yī)鑒定等方面的需求日益增長，傳感器的研究開發(fā)也越來越重要。表面等離子體共振傳感器與傳統(tǒng)檢測手段相比，具有免標記、實時動態(tài)檢測、高靈敏度等突出優(yōu)勢，在環(huán)境監(jiān)測、食品安全和疾病早期檢測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

2、表面等離子體共振對周圍環(huán)境的變化十分敏感，界面介質(zhì)折射率的微小變化將引起共振峰的偏移，這表明表面等離子體共振在傳感器設(shè)計中有著巨大的潛在應(yīng)用。光柵結(jié)構(gòu)可以為表面等離子體共振的激發(fā)提供波矢匹配，通過結(jié)構(gòu)輔助耦合大大簡化了光學(xué)裝置。因此，利用光柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)表面等離子體共振的光學(xué)傳感技術(shù)得到了人們越來越多的重視和應(yīng)用。

3、然而，利用光柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)表面等離子體共振的光學(xué)傳感器的現(xiàn)有技術(shù)卻大多集中在提高傳感器件的靈敏度方面，較少關(guān)注光譜的峰值半寬，這些傳感器的品質(zhì)因數(shù)普遍較低。例如，中國專利申請?zhí)?018106519091公開了一種金屬-電介質(zhì)-金屬-電介質(zhì)（mdmd）光柵結(jié)構(gòu)的折射率傳感器，靈敏度為1084nm/riu，其品質(zhì)因數(shù)fom值在對應(yīng)文獻中給出，僅為23，此專利對應(yīng)的文獻wang?l,?et?al.?applied?optics,?2018.?57(25):?7338-7343；中國專利申請?zhí)?02021931132.3公開了基于表面等離子體共振的納米金光柵透射型微流控傳感器，靈敏度為1063nm/riu,其品質(zhì)因數(shù)fom值在對應(yīng)文獻中給出，僅為29.7，此專利對應(yīng)的文獻wang?m,?et?al.?aopc?2020，?beijing，proc.of?spie?vol.?11569:?115690u。還有一些研究雖關(guān)注到了光譜的峰值半寬和傳感器的品質(zhì)因數(shù)，但仍未將工作重心集中在品質(zhì)因數(shù)的提升方面。例如，中國專利申請?zhí)?018103147896公開了一種基于金屬-介質(zhì)-金屬(mim)光柵的折射率傳感器的靈敏度為1500?riu/nm，品質(zhì)因數(shù)fom值為75；一種金硅納米線陣列等離子體光柵傳感器的靈敏度為1348?riu/nm，品質(zhì)因數(shù)fom值為190，相對較高，但仍具有一定的提升空間，所對應(yīng)的文獻為wen?l,?et?al.?acs?nano,?2019.?13(6):?6963-6972。

4、在實際的傳感應(yīng)用中，光譜的峰值半寬直接關(guān)系到傳感器對共振波長的探測精度，光譜峰值半寬越窄，檢測的精度越高，而品質(zhì)因數(shù)則綜合考慮了靈敏度與峰值半寬對傳感性能的影響，傳感器的靈敏度基本相同時，品質(zhì)因數(shù)越大，檢測精度就越高，即傳感器的綜合傳感性能越強。因此，提供一種新型的利用光柵結(jié)構(gòu)實現(xiàn)表面等離子體共振的光學(xué)傳感器件，使其在保持較高靈敏度的同時具備高品質(zhì)因數(shù)，顯然是有必要的。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本實用新型的發(fā)明目的是提供一種新的基于凹型反射光柵的微流控折射率傳感器，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的高靈敏度傳感器件品質(zhì)因數(shù)普遍較低的技術(shù)問題。

2、為達到上述發(fā)明目的，本實用新型采用的技術(shù)方案是：一種基于凹型反射光柵的微流控折射率傳感器，包括多層結(jié)構(gòu)，所述多層結(jié)構(gòu)包括二氧化硅頂蓋和基底，所述基底上設(shè)有梯形光柵結(jié)構(gòu)層，所述梯形光柵結(jié)構(gòu)層包括薄膜層和設(shè)置于薄膜層上的復(fù)數(shù)個梯形光柵，所述梯形光柵周期為1210-1290nm,梯形光柵高度為95-155nm,梯形光柵下底邊寬度為625-1250nm，其上底邊寬度為600-1000nm,每個梯形光柵頂部均設(shè)有凹槽，所述凹槽深度為20-100nm,寬度為100-500nm；

3、所述二氧化硅頂蓋與梯形光柵結(jié)構(gòu)層中間有一狹縫層作為微流控槽腔，所述微流控槽腔高度為1100-1900nm。所述微流控槽腔一側(cè)設(shè)置有待測物流入口，所述微流控槽腔另一側(cè)設(shè)置有待測物流出口，待測物通過該微流控槽腔進行傳感測試。

4、優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述梯形光柵周期為1210-1260nm，所述梯形光柵高度為110-140nm，所述下底邊寬度為900-1100nm，所述上底邊寬度為700-800nm。

5、優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述凹槽深度為60-90nm，所述凹槽寬度為200-400nm，所述微流控槽腔高度為1300-1700nm。

6、優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述待測物折射率為1.33-1.37。

7、優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述薄膜層為金薄膜層。

8、優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述基底為硅基底。

9、優(yōu)選的技術(shù)方案中，入射光的入射角度為0-10°。

10、優(yōu)選的技術(shù)方案中，入射光的波長為1500nm-1660nm。

11、一種基于上述方案所述傳感器的檢測方法，包括以下步驟：

12、(1)設(shè)定入射光入射到所述傳感器表面；

13、(2)進行波長掃描計算求解，得到入射光經(jīng)過所述折射率傳感器的反射光譜；

14、(3)當(dāng)待測物折射率發(fā)生變化時，記錄微流控槽腔內(nèi)待測物不同折射率所對應(yīng)的不同反射譜曲線；

15、(4)通過反射譜線最小值所對應(yīng)的波長的變化，測得微流控槽腔內(nèi)待測物折射率的變化。

16、優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述入射光入射到所述傳感器表面的入射角度為0-10度。

17、優(yōu)選的技術(shù)方案中，所述入射光的波長為1500nm-1600nm。

18、由于上述技術(shù)方案運用，本實用新型與現(xiàn)有技術(shù)相比具有下列優(yōu)點：

19、本實用新型申請利用光柵提供波矢匹配，在金屬-介質(zhì)分界面激發(fā)表面等離子體共振，將等離子體共振與導(dǎo)模共振結(jié)合起來；二氧化硅頂蓋與金光柵結(jié)構(gòu)之間形成微流控槽腔，電場強度最強部分幾乎都集中在微流控槽腔中，使得更多的光場泄漏到具有低折射率的待測物中，保證了折射率傳感的高靈敏度；在周期性梯形光柵結(jié)構(gòu)中引入凹型微結(jié)構(gòu)，使光柵結(jié)構(gòu)的設(shè)計更加靈活，增強光柵對光場的束縛能力，導(dǎo)致光場集中在高折射率區(qū)域，提高了折射率傳感的品質(zhì)因數(shù)。

技術(shù)特征：

1.一種基于凹型反射光柵的微流控折射率傳感器，包括多層結(jié)構(gòu)，其特征在于：所述多層結(jié)構(gòu)包括二氧化硅頂蓋和基底，所述基底上設(shè)有梯形光柵結(jié)構(gòu)層，所述梯形光柵結(jié)構(gòu)層包括薄膜層和等間隔設(shè)置于薄膜層上的復(fù)數(shù)個梯形光柵，所述梯形光柵周期為1210-1290nm，梯形光柵高度為95-155nm,梯形光柵下底邊寬度為625-1250nm，上底邊寬度為600-1000nm，每個梯形光柵頂部均設(shè)有凹槽，所述凹槽深度為20-100nm，寬度為100-500nm；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于凹型反射光柵的微流控折射率傳感器，其特征在于：所述梯形光柵周期為1210-1260nm，所述梯形光柵高度為110-140nm，所述下底邊寬度為900-1100nm，所述上底邊寬度為700-800nm。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于凹型反射光柵的微流控折射率傳感器，其特征在于：所述凹槽深度為60-90nm，寬度為200-400nm。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于凹型反射光柵的微流控折射率傳感器，其特征在于：所述微流控槽腔高度為1300-1700nm。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于凹型反射光柵的微流控折射率傳感器，其特征在于：所述待測物折射率為1.33-1.37。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于凹型反射光柵的微流控折射率傳感器，其特征在于：入射光的入射角度為0-10°。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于凹型反射光柵的微流控折射率傳感器，其特征在于：入射光的波長為1500nm-1660nm。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于凹型反射光柵的微流控折射率傳感器，其特征在于：所述薄膜層為金薄膜層。

9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于凹型反射光柵的微流控折射率傳感器，其特征在于：所述基底為硅基底。

技術(shù)總結(jié)
本技術(shù)公開了一種基于凹型反射光柵的微流控折射率傳感器，包括多層結(jié)構(gòu)，多層結(jié)構(gòu)包括二氧化硅頂蓋和基底，基底上設(shè)有梯形光柵結(jié)構(gòu)層，梯形光柵結(jié)構(gòu)層包括薄膜層和設(shè)置于薄膜層上的復(fù)數(shù)個梯形光柵，每個梯形光柵頂部均設(shè)有凹槽，所述凹槽深度為20?100nm,寬度為100?500nm。本技術(shù)在金屬?介質(zhì)分界面激發(fā)表面等離子體共振，二氧化硅頂蓋與光柵結(jié)構(gòu)之間設(shè)有微流控槽腔，使得強電場與待分析物之間的空間重疊顯著增加，提高了折射率傳感的靈敏度；在普通的周期性光柵結(jié)構(gòu)中引入凹型微結(jié)構(gòu)，增強光柵對光場的束縛能力，使光場集中在高折射率區(qū)域，提高了折射率傳感的品質(zhì)因數(shù)。

技術(shù)研發(fā)人員：許楹鸚,秦琳玲,王尨,吳紹龍,李孝峰
受保護的技術(shù)使用者：蘇州大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：20240419
技術(shù)公布日：2025/1/6