基于導波共振的傳感器及傳感器測試系統的制作方法
【專利說明】
[0001] 本申請是分案申請，母案的【申請號】201210026090. 2,申請日：2012年2月7日，名 稱：基于導波共振的傳感器及其制備方法。
技術領域
[0002] 本發明涉及傳感器技術，更具體的說，涉及一種基于導波共振的傳感器及傳感器 測試系統。
【背景技術】
[0003] 檢測固定化生物化學成分在生物、化學基礎研究以及環境監測、醫療和國防安全 中非常重要。檢測固定化生物化學成分（例如酶、抗體、抗原、微生物、細胞、組織、核酸等生 物活性物質）的傳感器，廣泛應用于生物技術、環境監測、醫療衛生、食品檢驗和國防安全 等領域。目前，基于表面等離子體共振（SPR)技術的傳感器以其較高的靈敏度以及高效性 得到了廣泛的應用和快速的發展，是表征化學和生物分子相互作用的主要工具。SPR傳感器 的基本原理是通過記錄表面等離子體共振角或共振波長的變化，來實現對金屬表面待測液 體分析物折射率的檢測。與其它類型的傳感器相比，基于表面等離子體共振的傳感器通過 檢測樣本折射率的改變來識別樣本，不需要熒光標簽或者其他標簽，能夠對樣品進行原位、 無損且無標記的檢測，因此表面等離子體共振傳感器是無污染的高靈敏度傳感器。
[0004] 典型的SPR傳感器為棱鏡型，包括棱鏡結構，如Kretschmann棱鏡結構，以及棱鏡 結構上鍍的金屬膜，例如Au、Ag膜等，待測樣品放置于金屬膜上，p偏振光經過棱鏡以一定 角度入射到棱鏡與金屬膜的界面，對于一定的入射角度和光波長，棱鏡提供入射電磁波和 表面等離子體之間的波矢匹配，棱鏡型的SPR傳感器的靈敏度較高。然而，棱鏡結構本身體 積大、造價高，導致棱鏡型的SPR傳感器的體積龐大、結構復雜、成本高，通常適用于實驗室 中進行檢測，不易攜帶，也不易集成。
[0005] 另一方面，微量氣體檢測在環境保護、安全、工業過程控制以及氣象等領域非常重 要。目前有幾種類型的商用氣體傳感器，例如催化比色法氣體傳感器、電化學氣體傳感器和 光學氣體傳感器。在所有氣體傳感器中，光學傳感器由于不依賴于電化學相互作用，所以是 最準確可靠的。最常用的光學傳感器是紅外吸收譜傳感器，這類傳感器一般通過測量氣體 的透射光譜上吸收峰的位置變化來測量折射率的變化，也就是說，測量氣體折射率的虛部。 紅外吸收譜傳感器的主要優點是能夠測量幾乎所有氣體，主要缺點是體積大，結構復雜，并 且由于需要紅外探測器、高分辨的光譜儀和很長的氣室增強吸收而價格昂貴。
[0006] 為了減小生物化學成分以及微量氣體測量的復雜性，提高靈敏度，以及降低成本， 人們利用微機電系統，發展了各種各樣的無標簽傳感技術，例如導波共振傳感技術。同時， 傳感器分析系統的小型化和便攜性在生物醫學和國防方面尤其重要。在微型化和高靈敏度 方面，基于導波共振的全介質光子晶體傳感器具有巨大的潛力。
[0007] 在一個典型的光子晶體傳感器中，一束平面波入射到光子晶體平板上，合理設計 光子晶體平板的結構參數，可以激發出局域在光子晶體平板中的長壽命的輻射模式。這種 模式對光子晶體平板的結構參數和材料極其敏感，這是我們利用光子晶體平板制作傳感器 的主要原因。在實際應用中，通過測量峰值頻率的移動得到折射率的微小變化。

【發明內容】

[0008] (一）要解決的技術問題
[0009] 為解決上述的一個或多個技術問題，本發明提供了一種基于導波共振的傳感器及 傳感器測試系統，以易于集成和制造，降低成本。
[0010] (二）技術方案
[0011] 根據本發明的一個方面，本發明提供了一種基于導波共振的傳感器，包括：襯底； 形成于該襯底上的自支撐薄膜結構；以及形成于該自支撐薄膜結構中的球形空氣孔陣列， 用于承載待測樣品，利用該球形空氣孔陣列中的導波共振來探測該待測樣品的折射率變 化。
[0012] 上述方案中，所述球形空氣孔陣列呈三角格子周期排列，X和y方向周期介于800 納米至2800納米之間。
[0013] 上述方案中，對于所述球形空氣孔陣列中的單個空氣孔，其半徑介于400納米至 800納米之間。
[0014] 上述方案中，所述自支撐薄膜結構采用的材料為碳化硅或氮化硅。
[0015] 根據本發明的另一個方面，本發明提供了一種傳感器測試系統，包括基于導波共 振的傳感器，還包括：所述傳感器的自支撐薄膜上及球形空氣孔陣列內的待測樣品，位于待 測樣品之上的光源、半反半透膜以及光探測器。
[0016] 上述方案中，由光源發出的探測光經過半反半透膜后垂直入射到自支撐薄膜結構 上；自支撐薄膜結構上分布有球形空氣孔陣列，球形空氣孔陣列中的球形空氣孔呈三角格 子密堆積周期分布，探測光垂直入射到帶有球形空氣孔陣列的自支撐薄膜結構上，在某些 波長會產生導波共振，導波共振模式與待測樣品相互作用，然后反射光沿入射光路垂直出 射，經過半反半透膜，最后反射光由光探測器接收。
[0017] (三）有益效果
[0018] 與現有技術相比，上述技術方案具有以下優點：
[0019] (1)本發明提供的基于導波共振的傳感器及傳感器測試系統，通過自組裝方法形 成單層三角格子密堆積陣列，成本低；對加工工藝要求較低，與傳統的半導體工藝兼容，易 于集成。
[0020] (2)本發明提供的基于導波共振的傳感器及傳感器測試系統，采用球形空氣孔周 期納米結構激發導波共振，探測樣品折射率的變化，體積小，易于攜帶。
[0021] (3)本發明提供的基于導波共振的傳感器及傳感器測試系統，不同球形空氣孔半 徑的反射譜特性不同，研究人員可以根據需要制作不同半徑大小的二氧化硅球，滿足不同 波長情況下的測量。
【附圖說明】
[0022] 圖1為依照本發明實施例基于導波共振的自支撐薄膜傳感器的剖面圖；
[0023] 圖2為依照本發明實施例基于導波共振的自支撐薄膜傳感器中球形空氣孔陣列 的俯視圖；
[0024] 圖3為依照本發明實施例利用基于導波共振的自支撐薄膜傳感器對樣品進行測 試的示意圖；
[0025] 圖4為依照本發明實施例利用基于導波共振的自支撐薄膜傳感器對不同折射率 的樣品進行測試的反射譜圖；
[0026] 圖5為依照本發明實施例利用不同球形空氣孔半徑的自支撐薄膜傳感器對樣品 進行測試的反射譜圖；
[0027] 圖6為依照本發明實施例利用不同覆蓋層厚度的自支撐薄膜傳感器對樣品進行 測試的反射譜圖；
[0028] 圖7為本發明實施例制備基于導波共振的自支撐薄膜傳感器的方法流程圖。
【具體實施方式】
[0029] 為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，并參照 附圖，對本發明進一步詳細說明。
[0030] 在本發明的一個示例性實施例中，公開了一種基于導波共振的自支撐薄膜傳感 器。圖1為依照本發明實施例基于導波共振的自支撐薄膜傳感器的剖面圖。如圖1所示， 該自支撐薄膜傳感器包括襯底1 (斜方格區域），自支撐薄膜結構2 (左斜線陰影區域）和球 形空氣孔陣列3 (右斜線陰影區域）。待測樣品4在球形空氣孔3中和自支撐薄膜2上。 [0031 ] 本實施例中