本发明专利技术属于电子信息领域，涉及一种电信号直接读出的光学传感装置及其制备方法，激发光照射至周期性金属纳米结构阵列层，待测物注入流通池并浸没传感芯片，之后，传感芯片将具有特征反射谷的反射光谱；当待测物的浓度或种类变化时，反射光谱特征反射谷的中心位置将发生变化；进而导致传感装置的光响应度谱的特征峰位发生位移，直接表现为两根引线间的光电流发生变化。通过装置输出光电流的变化，可反演出待测物的浓度或种类。本装置无需外置半导体光电探测单元，即可实现电信号直接读出的工作特性；此外，可工作在自驱动工作模式下，所采用的光源在传感测试过程中无需改变入射角度、功率和波长。和波长。和波长。
【技术实现步骤摘要】
一种电信号直接读出的光学传感装置及其制备方法
[0001]本专利技术涉及一种电信号直接读出的光学传感装置及其制备方法，涉及光电子学及微纳制造，属电子信息领域。
技术介绍
[0002]近年来，生物/化学分子的传感与检测在环境监测、食品安全、医学诊断等领域具有越来越重要的作用和迫切的需求，高性能、操作便捷、功能多样化、智能化的生物/化学传感系统得到了学术界与产业界的极大关注和重点投入。按工作原理来分类，生物/化学传感装置主要包括：电化学传感器、热学传感器、声学传感器和光学传感器等。电化学传感器是一种基于待测物电化学性质并将待测物化学量转变成电学量进行传感检测的技术。虽然电化学传感器具有检测速度快、灵敏度高、选择性强和电信号读出等优点，但由于需在电极上修饰具有特定识别性能的感应元件(如酶)，在生物分子的活体与实时检测、生物/化学物质免标记检测等方面面临着巨大挑战。与之对比的光学传感器基于光波直接(或通过介质间接)与待测物质的相互作用，因光学性质(如折射率)变化而引起特征光谱的变化，进而反演待测物质的种类或浓度。光学传感常用的信号转换技术包括荧光光谱、拉曼光谱、反射干涉光谱、消光光谱和表面等离子体共振(SPR)等。其中，SPR传感器由于能够将入射光局域在深亚波长区域，且可通过形貌和尺寸等参数调控共振峰的位置和强度，在实时、免标记和非破坏性检测方面表现出显著技术优势。
[0003]目前，已商用化的SPR传感器，体系结构主要有两类：一是Kretschmann式棱镜耦合金属薄膜(如美国GE Biacore T200系统)，二是金属纳米结构阵列(瑞典Insplorion Xnano仪器)。前者的工作原理为：当金属薄膜表面吸附物发生变化时，能激发表面等离极化激元(SPP)的入射波长或角度将发生偏移，通过监测这些光信息量的偏移而实现被吸附物质的传感与检测。后者的工作原理为：当金属纳米结构表面及附近物质的折射率变化时，金属纳米结构阵列对应的反射、透射或吸收光谱将出现特征峰或特征谷的位移，进而反推背景物质的种类或浓度。在学术界，得益于先进微纳制造技术的迅速发展，多种形貌或不同材料复合的微纳结构不断地被提出与制备，并用于开发高性能的SPR传感装置。例如，Ren等结合全息光刻和电子束蒸镀技术制得了六方排列金纳米半球结构，通过精确控制金纳米结构的散射体特征尺寸、均匀性和表面粗糙度，实现了半高宽低至3nm、品质因数(FOM，定义为光学灵敏度与共振峰半高宽的比值)达730的SPR传感检测[B.Liu等.A plasmonic sensor array with ultrahigh figures of merit and resonance linewidths down to 3nm,Advanced Materials,2018,30,1706031]。中国专利(专利号：ZL 201711291796.0)提出利用自组装聚苯乙烯微米球阵列为模板制备金纳米孔阵列薄膜，并将其与覆盖了介质层的金薄膜耦合，数值计算预测可得到半高宽仅为4nm的超低反射峰，且该峰位随背景折射率的变化而出现线性位移。
[0004]SPR传感器在生物/化学分子的检测领域已被证明具有高光学灵敏度(定义为每折射率变化时光谱特征峰或谷的偏移量，单位为nm/RIU)、免标记和实时分析的优势，但这些
传感系统必需配置高分辨光谱仪、外置半导体光电探测模块或高精度机械装置，以实现光谱频域信息、光强变化的检测或入射角度的精准控制。这些要求使得SPR传感器的整体体积偏大、检测成本偏高，不利于传感装置集成化、数字化和多功能化的发展趋势与要求。
技术实现思路
[0005]本专利技术为解决现有光学传感装置需配置光谱仪、光电探测模块或旋转马达等部件，且无法直接读出电信号的技术问题，提出了一种可以直接电信号读出的技术方案，具体如下。
[0006]一种电信号直接读出的光学传感装置，包括：激发光源、传感芯片、流通池、对电极；传感芯片设置于流通池中，其中传感芯片包括：金属基底层，以及依次设置于金属基底层上的半导体薄膜层、周期性金属纳米结构阵列层；流通池用于盛放待测物，流通池上设置有待测物输入管道、待测物排出管道、透明窗口；所述金属基底层上设置传感芯片引线端；所述对电极设置于透明窗口与传感芯片之间，且对电极上设置有对电极引线端；传感芯片引线端和对电极引线端之间接入数字源表或电流表；激发光源发出的光入射至透明窗口。
[0007]激发光源发出的入射光透过透明窗口后照射至周期性金属纳米结构阵列层上，待测物通过输入管道注入并填满流通池；当待测物浸没传感芯片后，传感芯片将表现出具有特征反射谷的反射光谱；同时，当待测物质浓度或种类变化时，反射光谱的特征反射谷的中心位置将发生变化，进而导致传感装置的光响应度谱的特征峰位发生位移，直接表现为两根引线间的光电流发生变化；通过监测光电流的变化，反演出待测物质的浓度或种类。
[0008]所述光学传感装置产生电信号的原理为：特定波长的入射光子在传感芯片中产生表面等离子体共振，导致入射光的大部分能量被周期性金属纳米结构阵列层吸收；周期性金属纳米结构阵列层内产生热电子与热空穴对，热空穴扩散至周期性金属纳米结构的表面参与待测物的氧化反应；半导体薄膜层为n型半导体时，热电子注入至n型半导体薄膜层最终被金属基底层引出，流出的电子通过外接导线到达对电极参与还原反应，从而形成闭环的电流。此外，当半导体薄膜层为p型半导体，且待测物更容易被还原而不是被氧化时，热电子扩散至周期性金属纳米结构的表面参与还原反应，而热空穴注入至p型半导体薄膜层最终被金属基底层引出，流出的空穴通过外接导线到达对电极参与氧化反应，从而形成闭环的电流。
[0009]采用本技术方案的优点有：无需外置半导体光电探测模块，可直接利用传感芯片内部产生的热空穴来氧化(或热电子来还原)待测物而形成电信号；传感装置无需外加偏压，可在自驱动模式下工作；可采用固定功率的光源，且无需改变入射光波长和角度，光谱仪为非必需品；工作波长(即光源波长)可通过改变周期性金属纳米结构的周期、宽度、形状和半导体薄膜层的厚度而调控。
[0010]优选地，周期性金属纳米结构阵列层与半导体薄膜层形成肖特基接触，对应的势垒高度小于等离子体共振波长对应光子能量。
[0011]优选地，周期性金属纳米结构阵列层的周期为300～2000nm、宽度为周期的20％～90％；
[0012]优选地，周期性金属纳米结构阵列层材质为金、银、钯、过渡金属氮化物的一种；
[0013]优选地，半导体薄膜层为n型半导体，材质为氧化钛、氧化锌、氧化锡、氧化镁、氟化
锂中的一种；
[0014]优选地，半导体薄膜层为p型半导体，材质为氧化镍、氧化钼、氧化钒中的一种；
[0015]优选地，金属基底层包括：抛光的金属基片，沉积的金属薄膜。
[0016]优选地，金属基底层的材质由半导体薄膜层材质决定，以使得金属基底层与半导体薄膜层形成的接触势垒尽量小为选择依据。
[0017]优选地，对电极为铂丝电极。
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【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种电信号直接读出的光学传感装置，其特征在于包括：激发光源、传感芯片、流通池、对电极；传感芯片设置于流通池中，其中传感芯片包括：金属基底层，以及依次设置于金属基底层上的半导体薄膜层、周期性金属纳米结构阵列层；流通池用于盛放待测物，流通池上设置有待测物输入管道、待测物排出管道、透明窗口；所述金属基底层上设置传感芯片引线端；所述对电极设置于透明窗口与传感芯片之间，且对电极上设置有对电极引线端；传感芯片引线端和对电极引线端之间接入数字源表或电流表；激发光源发出的光入射至透明窗口。2.根据权利要求1所述的一种电信号直接读出的光学传感装置，其特征在于：周期性金属纳米结构阵列层与半导体薄膜层形成肖特基接触，对应的势垒高度小于等离子体共振波长对应光子能量。3.根据权利要求1所述的一种电信号直接读出的光学传感装置，其特征在于：周期性金属纳米结构阵列层的周期为300～2000nm、宽度为周期的20％～90％。4.根据权利要求1所述的一种电信号直接读出的光学传感装置，其特征在于：周期性金属纳米结构阵列层材质为金、银、钯、过渡金属氮化物的一种。5.根据权利要求1所述的一种电信号直接读出的光学传感装置，其特征在于：半导体薄膜层为n型半导体，材质为氧化钛、氧化锌、氧化锡、氧化镁、氟化锂中的一种。6.根据权利要求1所述的一种电信号直接读出的光学传感装置，其特征在于：半导体薄膜层为p型半导体，材质为氧化镍、氧化钼、氧化钒中的...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴绍龙，于逸凡，李刘晶，卢文祥，秦琳玲，张程，李孝峰，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：
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