专利名称：基于金属双栅结构的反射式传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及的是一种反射式折射率传感器，尤其涉及的是一种基于金属双栅结构 的反射式传感器。
背景技术：
表面等离激元(SPP)共振因其对界面折射率变化的高度敏感性而被广泛应用于 光学传感技术中，于是表面等离激元共振传感器这类新颖的光学器件被提出了，在医药业、 水安全探测以及医疗诊断等领域均具有重要的应用价值。表面等离激元共振传感器涉及到一个重要的物理过程，即表面等离激元的 激发，主要有棱镜耦合和光栅耦合两种技术。E. Kretschmann在Z. Naturforsch23A, 2135-2136(1968)(自然科学杂志)上发表的"Radiative decay ofnon-radiative surface plasmons excited by light (光激发的非辐射表面等离子的辐射衰减)” 一文中提出了科 瑞奇曼(Kretschmarm)构型，该构型最常用于基于棱镜耦合的表面等离激元共振传感器， 具有较高的灵敏度和较精细的探测极限。其缺点是结构制作困难，体积大，难以实现集成 化。J. Homola 等人在 Sensors and Actuators B 54,16(1999)(传感器与激励器 B)上发表 白勺工作“Surface ρlasmon resonance sensors based on diffraction gratings andprism couplers sensitivity comparison(基于衍射栅和棱镜耦合的表面等离激元共振传感器 灵敏度比较)”，和 Jakub Dostcilek 等人在 Sensors andActuators B 107，154 (2008)(传 感器与激励器 B)上发表的工作"Richinformation format surface ρ lasmon resonance biosensor based on array ofdiffraction gratings (基于衍身寸栅阵列的具有丰富信息格 式的表面等离激元共振生物传感器)”，他们分别提出一种基于光栅耦合的表面等离激元共 振传感器，这类表面等离激元共振传感器结构制作相对简单，体积小易实现集成化。但是， 灵敏度却大大下降了。近年来，随着激发表面等离激元的各种结构的出现，许多新型的表面等离激元共 振传感器构型被提出，以提高探测灵敏度抑或是探测极限。例如，在基于棱镜的构型中，人 们借助金属-介电材料多层结构，利用优化的长程表面等离激元传输模式来提高灵敏度； 在基于表面微结构的构型中，栅结构和纳米颗粒阵列结构被设计用于支持局域的表面等离 激元模式，并且它们能非常有效地集成到光路中；另有一些基于波导的构型，以及侧边抛光 光纤构型也被提出了。上述这些构型中大多数都依赖于单层金属_介电材料界面(光滑的或者是有结构 的)表面等离激元激发，然后优化表面等离激元模式以实现探测或传感的目的。其存在的 不足是无法同时实现材料选取与结构制作简单，结构体积小易实现集成化，实验操作简单， 并获得较高灵敏度。而申请人设计了一种材料选取简单，结构易制作，结构体积小容易实现 集成化的基于金属双栅结构的反射式传感器。其反射式的设计使得实验操作更加简单方 便，双层金属栅的结构设计更加新颖，涉及到的物理机制也更加丰富，并且能够获得相对较 高的角度灵敏度。

发明内容
发明目的本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种基于金属双栅结 构的反射式传感器，将待测样品溶液充盈于两栅间的盛液部内，利用激光器提供斜入射的 P-偏振平面波，探测器探测反射波，进而实现对样品溶液的折射率的测量。技术方案本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括两层正对平行排列的 全同金属栅和由介电材料制成的衬底，其中两层金属栅分别镶嵌于衬底上；两层金属栅 之间形成盛液部，金属栅的栅周期小于工作电磁波的波长，金属栅上狭缝的宽度小于工作 电磁波波长的一半且大于等于栅周期的0. 1倍。所述的金属栅是银(Ag)，金(Au)或铝(Al)等低损耗金属制成。本发明的工作原理是首先，在理论计算上定标根据电磁波波长和待测样品溶 液折射率计算出相应的最优的结构参数。对于不同的样品溶液折射率通过计算寻找到相应 的零反射系数入射角，从而找到入射角与折射率的一一对应关系。然后，根据定标进行具体 的实验操作。或者，也可先将结构制作好，用标准溶液进行定标。样品溶液充盈于两栅间的 盛液部内。激光器或其他类型光源提供角度可变的平面波，通过偏振片获得P-偏振波。探 测器接收反射波，改变入射角度测量相应的反射系数，寻找到对应零反射系数的入射角。根 据理论计算或是标准溶液定标的对照数据，确定样品溶液的折射率。该传感器可以用于测 量未知样品溶液的折射率，或者测量样品溶液发生变化前后的折射率值。有益效果本发明设计出了一种结构相对简单的双层金属栅构型的反射式传感 器。以入射角度定标，即斜入射提供光源的方式，更加利于测量反射系数。反射波不经过传 感器和样品溶液本身，所受器件结构和材料的干扰较小，测量较精确。反射式的设计使得实 验操作也更加简单方便。双层金属栅结构的设计，使得整个结构器件在工作过程中不仅有 表面等离激元消逝场的参与，更加涉及到了双层栅之间的法布里波罗腔共振效应，二者的 共存和相互竞争效应的存在使得该结构的灵敏度要远远高于其他一些构型。


图1是本发明的结构示意图；其中d为两栅的栅周期，h为两栅的厚度，a为两栅的狭缝的宽度，G为两栅的层 间距，H1是衬底的折射率，hs为栅外侧衬底的厚度，n2是待测样品溶液的折射率；图2是本发明在不同电磁波情况下，对应不同间距时，样品溶液折射率变化时，不 同入射角度下的反射系数，其中(a)是770nm工作波长的情况，(b)是768nm工作波长的情况。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行 实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施 例。如图1所示，本实施例包括两层正对平行排列的全同金属栅1栅和由介电材料制 成的衬底2，其中两层金属栅1栅分别镶嵌于介电材料衬底2上，狭缝内材料与衬底2的材料一致；两层金属栅1的栅之间的间隙自然形成盛液部3，金属栅1的栅周期小于工作电磁 波的波长，金属栅1栅上狭缝的宽度小于工作电磁波波长的一半且大于等于栅周期的0. 1倍。本实施例中，光源4提供斜入射的P-偏振平面波，探测器5探测反射波，待测样品 溶液充盈于两层金属栅1栅的间距上的盛液部3内，进而进行样品溶液折射率的测量。所述的两层全同金属栅1的厚度满足条件，使得其零级波导模式波长略小于工作 电磁波的波长，即工作电磁波波长略大于单栅的波导模式波长。所述的两层全同金属栅1之间存在间距G，间距G的选择满足条件使得双层栅结构 内的消逝场耦合效应和法布里波罗腔共振效应共存竞争，以使得当两栅间距内的溶液折射 率发生变化时，工作电磁波以不同的入射角入射，对于0反射率的情况有较高的角度灵敏 度响应。所述的基于金属栅1双栅结构的反射式折射率传感器需要先在理论计算上定标 根据电磁波波长和所测样品溶液折射率计算出相应的最优的结构参数。对于不同的样品溶 液折射率通过计算寻找到相应的零反射系数入射角，从而找到入射角与折射率的一一对应 关系。然后再根据定标进行具体的实验操作。也可先将结构制作好，用标准溶液进行定标。本实施例中，相应的结构参数分别为，栅周期d = 400·，栅狭缝宽度a = 40nm，栅 厚度h = 140nm，栅外侧衬底的厚度hs = 0。本实施例中两层金属栅1栅均由银(Ag)制成，介电材料衬底2是氟化镁(MgF2)制 成。本实施例中，两栅对应的波导模式波长为762nm，工作电磁波波长应大于该波长， 可选取770nm，768nm等。该结构的操作大多在近红外至可见光波段进行，这个波段内工作波长较小，对应 的结构参数值较小，制备精度要求相对较高。金属栅1薄膜的制备可以采用磁控溅射等工 艺实现沉积在衬底2上，而金属栅1上栅结构的制备可采用聚焦离子束刻蚀(FIB)实现。在 此结构上，再进行衬底2介电材料的沉积，可实现栅狭缝内衬底2的填充。此时，金属栅1 将完全嵌于衬底介电材料之内。利用机械抛光等工艺，可以根据需要将金属栅1栅上的衬 底2去除或达到所需厚度。如图2所示，给出了一个用时域有限差分法(FDTD)计算模拟计算出的两个具体实 例。(a)为770nm工作波长的情况，(b)为768nm工作波长的情况。每个工作波长下，均给出 了大、中、小三个不同间距的情况的比较。图中的实线、虚线、点线分别对应了三个不同的样 品溶液折射率值。图中箭头标出了各情况下对应零反射系数的入射角度值。利用角度灵敏 度的计算公式S=角度变化值/折射率变化值，可计算出各情况下的角度灵敏度。在768nm 工作波长的情况下，对于310nm的间距值时，相应的角度灵敏度可以达到500° /RIU (500度 /折射率单位)。这个灵敏度值远远大于现有的许多表面等离激元共振传感器的灵敏度，相 对应的间距值即是最优的间距值。选取适当的结构参数和工作波长，测量出零反射系数对 应的入射角度值，根据定标标准便可得样品溶液的折射率值或折射率变化值。
权利要求
一种基于金属双栅结构的反射式传感器，其特征在于包括两层正对平行排列的全同金属栅(1)和由介电材料制成的衬底(2)，其中两层金属栅(1)分别镶嵌于衬底(2)上；两层金属栅(1)之间形成盛液部(3)，金属栅(1)的栅周期小于工作电磁波的波长，金属栅(1)上狭缝的宽度小于工作电磁波波长的一半且大于等于栅周期的0.1倍。
2.根据权利要求1所述的基于金属双栅结构的反射式传感器，其特征在于所述的金 属栅(1)是银(Ag)、金(Au)或铝(Al)制成。
3.根据权利要求1所述的基于金属双栅结构的反射式传感器，其特征在于所述的衬 底⑵是氟化镁(MgF2)制成。
4.根据权利要求1所述的基于金属双栅结构的反射式传感器，其特征在于所述的金 属栅(1)的单栅波导模式波长小于工作电磁波波长。
全文摘要
本发明公开了一种基于金属双栅结构的反射式传感器，包括两层正对平行排列的全同金属栅和介电材料制成的衬底，两层金属栅分别镶嵌于介电材料衬底上，两层金属栅之间形成盛液部，用于填充被测样品溶液。金属栅的栅周期小于工作电磁波的波长，金属栅上狭缝的宽度小于工作电磁波波长的一半且大于等于栅周期的0.1倍。本发明以斜入射提供光源的方式，更加利于测量反射系数。反射波不经过传感器和样品溶液本身，所受器件结构和材料的干扰较小，测量较精确。反射式的设计使得实验操作也更加简单方便。双层金属栅结构的设计，使得该结构的灵敏度要远远高于其他一些构型。
文档编号G01N21/41GK101915749SQ201010235439
公开日2010年12月15日 申请日期2010年7月23日 优先权日2010年7月23日
发明者丁剑平, 樊亚仙, 王慧田, 程晨, 许吉, 陈璟 申请人:南京大学