基于光栅狭缝波导复合结构的传感器制造技术

本发明专利技术公开了基于光栅狭缝波导复合结构的传感器，传感器包括：衬底，包括相对的第一表面和第二表面，第一表面凹陷以形成第一凹槽，衬底还包括至少两个贯穿第二表面和第一凹槽底面的通孔；介质层，盖设于第一表面上，且介质层与第一凹槽相对；金属层，设置于第一凹槽底面上且避开通孔在第一凹槽底面上的开口；其中，介质层、金属层及介质层与金属层之间的间隔构成狭缝光波导；光栅，光栅形成于介质层上，或者光栅形成于第一凹槽底面上，或者光栅通过金属层形成；光栅用于使入射光与狭缝光波导的模式实现波矢匹配。本发明专利技术的目的在于实现同时具有高品质因子和高传感灵敏度的光学折射率传感器，使其获得超高的器件优值。

Sensor based on grating narrow waveguide composite structure

【技术实现步骤摘要】
基于光栅狭缝波导复合结构的传感器
本专利技术涉及传感器技术，具体涉及一种基于光栅狭缝波导复合结构的传感器。
技术介绍
目前，生物医学、环境监测、食品安全甚至国防等领域都对高灵敏传感器提出了迫切的需求。光学折射率传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、非标记等特点，因而得到广泛关注和大力发展。通常利用光学共振结构来增强传感灵敏度，通过测试共振峰的频率移动和强度变化来感知被测物的变化。同样被测物变化的条件下，传感器具有更大的频率移动和强度变化代表更高的传感灵敏度，而更窄的共振峰(即更高的品质因子)也有利于提高检测限，因此光学折射率传感器的器件优值的提高需要更高的传感灵敏度和更高的品质因子。2009年NaturePhotonics期刊第4卷第46页报道了一种基于微盘结构谐振腔的光学折射率传感器，这种结构的品质因子高达108，可以测到半径仅30纳米的纳米颗粒，然而由于谐振模式光场分布都集中在微盘内部，与外界被测物质的接触非常小，其传感灵敏度很低，限制了器件优值。2012年NatureNanotechnology期刊第7期第379页报道了一种基于金属纳米颗粒的光学折射率传感器，这种结构具有很强的光场局域效果，极大增强了光与被测物的相互作用，实现了非吸收型的单分子探测，然而此结构共振模式的品质因子仅有十几，严重限制了器件优值的提升。2016年Laser&PhotonicsReviews第10期第962页报道了一种基于超材料吸收器的传感器，通过将微流通道集成到吸收器内部，实现了近完全的光场与被测物的空间重合，获得3.5THz/RIU的超高灵敏度，然而其品质因子仅为10左右，同样限制了器件优值。可以看到，以上述例子为代表的现有技术难以实现高传感灵敏度和高品质因子的共存，极大限制了光学折射率传感器的器件优值提升。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种基于光栅狭缝波导复合结构的传感器，以实现同时具有高品质因子和高传感灵敏度的光学折射率传感器，获得超高的器件优值。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用了如下的技术方案：在一个总体方面，本专利技术提供一种基于光栅狭缝波导复合结构的传感器，所述传感器包括：衬底，包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面凹陷以形成第一凹槽，所述衬底还包括至少两个贯穿所述第二表面和所述第一凹槽底面的通孔；介质层，盖设于所述第一表面上，且所述介质层与所述第一凹槽相对；金属层，设置于所述第一凹槽底面上且避开所述通孔在所述第一凹槽底面上的开口；其中，所述介质层、所述金属层及所述介质层与所述金属层之间的间隔构成狭缝光波导；光栅，所述光栅形成于所述介质层上，或者所述光栅形成于所述第一凹槽底面上，或者所述光栅通过所述金属层形成；所述光栅用于使入射光与所述狭缝光波导的模式实现波矢匹配。优选地，当所述光栅形成于所述介质层上时；所述介质层的背向所述第一凹槽的表面设有多个第二凹槽，多个所述第二凹槽等间距间隔设置以形成所述光栅。优选地，当所述光栅形成于所述第一凹槽底面上时；所述第一凹槽底面上设有多个第三凹槽，多个所述第三凹槽等间距间隔设置以形成所述光栅，所述金属层连续覆盖所述第一凹槽底面和所述第三凹槽的槽表面。优选地，当所述光栅通过所述金属层形成时；所述金属层包括设于所述第一凹槽底面上的多个金属块，多个所述金属块等间距间隔设置以形成所述光栅。优选地，所述衬底的材料包括石英、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基戊烯和聚酰亚胺中的至少一种。优选地，所述介质层的材料包括硅、砷化镓、石英、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基戊烯或聚酰亚胺中的至少一种。优选地，所述金属层的材料包括金、银、铜、铝、钛、镍及铬中的至少一种；和/或所述金属层的厚度为0.05μm～0.5μm。优选地，所述光栅具有一维周期结构或者二维周期结构。优选地，所述光栅的光栅周期为所述传感器的工作波长的0.2倍～2倍；和/或所述光栅的厚度为0.03μm～10μm。优选地，所述介质层与所述金属层之间的间隔为所述传感器的工作波长的0.01倍～0.2倍。当所述光栅形成于所述介质层上或者所述光栅形成于所述第一凹槽底面上时，所述金属层覆盖所述第一凹槽底面的除所述开口之外的其余部分。与现有技术相比，本专利技术的优点至少在于：(1)通过将金属层和介质层组装起来并在其间形成狭缝(即金属层与介质层之间的间隔，即微流通道)，获得光场高度局域在狭缝的狭缝光波导，同时把狭缝作为被测物流入流出的微流通道，使得高度局域的光场与被测物在空间上充分重叠即相互作用，提高传感灵敏度；同时，(2)采用光栅将入射光与狭缝光波导的模式进行共振耦合，通过调节光栅及波导结构，实现极低损耗的共振透射或反射，提高品质因子。最终，在同一个传感器结构中同时获得了高传感灵敏度和高品质因子，因此实现了极高的器件优值。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例一的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器的剖视结构示意图；图2为图1中光栅部分的俯视结构示意图；图3(a)为本专利技术实施例一的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器对应不同折射率n1的被测液体情况下的计算反射谱；图3(b)为本专利技术实施例一的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器对应n1＝1.3和1.5的被测液体有0.002折射率变化情况下的计算反射谱；图3(c)为本专利技术实施例一的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器结构在n1＝1.5时共振峰对应的电场密度的空间分布；图4为本专利技术实施例二的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器的剖视结构示意图；图5为图4中光栅部分的俯视结构示意图；图6为本专利技术实施例二的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器对应不同折射率n1的被测液体情况下的计算透射谱；图7为本专利技术实施例三的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器的剖视结构示意图；图8为图7中光栅部分的俯视结构示意图；图9(a)为本专利技术实施例三的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器对应不同折射率n1的被测液体情况下的计算透射谱；图9(b)为本专利技术实施例三的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器对应87号、89号和93号汽油作为被测液体情况下的计算透射谱；图10为本专利技术实施例四的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器的剖视结构示意图；图11为图10中光栅部分的俯视结构示意图；图12为本专利技术实施例四的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器对应不同折射率n1的被测液体情况下的计算透射谱。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光栅狭缝波导复合结构的传感器，其特征在于，所述传感器包括：/n衬底，包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面凹陷以形成第一凹槽，所述衬底还包括至少两个贯穿所述第二表面和所述第一凹槽底面的通孔；/n介质层，盖设于所述第一表面上，且所述介质层与所述第一凹槽相对；/n金属层，设置于所述第一凹槽底面上且避开所述通孔在所述第一凹槽底面上的开口；其中，所述介质层、所述金属层及所述介质层与所述金属层之间的间隔构成狭缝光波导；/n光栅，所述光栅形成于所述介质层上，或者所述光栅形成于所述第一凹槽底面上，或者所述光栅通过所述金属层形成；所述光栅用于使入射光与所述狭缝光波导的模式实现波矢匹配。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光栅狭缝波导复合结构的传感器，其特征在于，所述传感器包括：
衬底，包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面凹陷以形成第一凹槽，所述衬底还包括至少两个贯穿所述第二表面和所述第一凹槽底面的通孔；
介质层，盖设于所述第一表面上，且所述介质层与所述第一凹槽相对；
金属层，设置于所述第一凹槽底面上且避开所述通孔在所述第一凹槽底面上的开口；其中，所述介质层、所述金属层及所述介质层与所述金属层之间的间隔构成狭缝光波导；
光栅，所述光栅形成于所述介质层上，或者所述光栅形成于所述第一凹槽底面上，或者所述光栅通过所述金属层形成；所述光栅用于使入射光与所述狭缝光波导的模式实现波矢匹配。


2.根据权利要求1所述的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器，其特征在于，当所述光栅形成于所述介质层上时；所述介质层的背向所述第一凹槽的表面设有多个第二凹槽，多个所述第二凹槽等间距间隔设置以形成所述光栅。


3.根据权利要求1所述的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器，其特征在于，当所述光栅形成于所述第一凹槽底面上时；所述第一凹槽底面上设有多个第三凹槽，多个所述第三凹槽等间距间隔设置以形成所述光栅，所述金属层连续覆盖所述第一凹槽底面和所述第三凹槽的槽表面。


4.根据权利要求1所述的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器，其特征在于，当所述光栅通过所述金属层形成时；所述金属层包括设于所述第一凹槽底面上的多个金属块，多个所述金属块等间距间隔设置以形成所述光栅。


5....

【专利技术属性】
技术研发人员：陈沁，梁丽，文龙，胡鑫，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32