一种全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片制造技术

本发明专利技术公开了一种全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片，由三层结构组成，底层为透明介质基底，中间层为介质薄膜，上层为周期性排列的超表面光栅阵列；所述的介质薄膜的材料是高折射率低损耗的介质；所述的超表面光栅阵列的材料是较低折射率低损耗的介质；所述的周期性排列的超表面光栅阵列，每个周期单元光栅的周期为P，范围为300

【技术实现步骤摘要】
一种全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片


[0001]本专利技术属于光学传感领域，涉及一种全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片，可应用于生物样品检测及疾病诊断等领域。

技术介绍

[0002]古斯汉森位移（Goos
‑
H
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nchenshift,GHS）是指反射光在入射面和全反射界面交线处沿光传输的方向上产生的一段空间平移，是一种光学现象。古斯汉森位移对芯片表面样品的介电常数变化有灵敏的响应。通过检测反射光的古斯汉森位移，可对样品进行实时高效的检测。古斯汉森位移的表达式为：，与反射相位对入射角的偏微分成正比。因此，反射相位变化的越剧烈（Q值越大），古斯汉森位移就越大，对于提高传感的灵敏度及其重要。然而由于金属材料的损耗较大，SPR共振峰的Q值较低，现有的利用金属SPR（表面等离子体共振）效应的古斯汉森位移一般都在几百微米量级，传感灵敏度也较低。
[0003]超表面是指由周期或非周期排列的亚波长结构单元构成的具有超常电磁性能的一种新型人工光学材料，为人工操控光及电磁波提供了新的途径，现在已经成为超灵敏生物化学传感器、纳米光子学等领域的研究热点。而超表面具有自然界常规媒质所不具备的奇异电磁特性，可以通过合理设计实现高Q值的共振峰。
[0004]导模共振（Guidedmoderesonance,GMR）是指外部电磁场与亚波长光栅波导的泄漏模之间产生耦合出的共振模式。超表面光栅阵列等效于周期调制的平面波导。当一个外部传播波和亚波长光栅波导所支持的导波模式满足波矢匹配时，会产生强耦合，耦合的能量再通过周期性光栅反射或透射出去，形成尖锐的反射或者透射共振峰。

技术实现思路

[0005]为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的是提出了一种全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片，可实现超高灵敏的古斯汉森位移传感，对生物样品检测、疾病诊断等领域具有重要意义。
[0006]本专利技术所采用的技术方案如下：一种全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片，芯片由三层结构组成，底层为透明介质基底，中间层为介质薄膜，上层为周期性排列的超表面光栅阵列；所述的介质薄膜的材料是高折射率低损耗的介质；所述的超表面光栅阵列的材料是较低折射率低损耗的介质；所述的周期性排列的超表面光栅阵列，每个周期单元光栅的周期为P，范围为300
‑
800nm；光栅的宽度为a，范围为0.3*P
‑
0.7*P；光栅的厚度为h，范围为0.5
‑
20nm。
[0007]所述的透明介质基底包括石英玻璃和普通玻璃。
[0008]所述的介质薄膜的材料是高折射率低损耗的介质，包括TiO2、Si3N4和ZnO；介质薄膜的厚度范围为50
‑
300nm。
[0009]所述的超表面光栅阵列的材料是较低折射率低损耗的介质，包括单层或者多层hBN、单层或者多层WS
2、
单层或者多层MoS2、和SiO2。
[0010]所述的周期性排列的超表面光栅阵列，通过减小光栅的厚度h，共振峰的Q值迅速增大；当光栅阵列的材料为单层二维材料时，Q值达到最大。
[0011]所述的一种全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片，谐振峰的波长通过调节超表面光栅阵列的结构参数改变，应用于可见光至近红外宽波段的古斯汉森位移传感增强。
[0012]所述的一种全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片，高Q值共振峰处具有突变的相位，并且随着超表面光栅厚度的减小，Q值增大，相位突变更加剧烈；控制入射光波长不变，通过测量反射光的位移变化进行高灵敏度的古斯汉森位移传感。
[0013]所述的一种全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片，用于将光场局域在芯片表面，提高了表面灵敏度。
[0014]所述的一种全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片，光栅的结构参数通过微纳加工技术调节。
[0015]本专利技术所产生的技术效果：本专利技术基于超表面光栅阵列中GMR模式的超高Q值共振峰，同时具有剧烈突变的相位，可应用于超灵敏的折射率相位传感。周期性纳米结构阵列对光场极强的束缚能力，能够极大的增强局域电场，增强对超低浓度分子的检测能力。基于本结构可实现高灵敏的折射率相位传感，对生物样品检测、疾病诊断等领域具有重要意义。
附图说明
[0016]图1为本专利技术一种全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片的结构示意图。
[0017]图2为全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片的反射谱。
[0018]图3为共振峰处的局域电场增强。
[0019]图4为全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片的Q值与hBN层数的关系图。
[0020]图5为高Q值共振峰反射光的相位变化图。
[0021]图6为古斯汉森位移随周围环境折射率而改变的曲线。
[0022]附图标记说明：1
‑
透明介质基底、2
‑
介质薄膜、3
‑
超表面光栅阵列。
具体实施方式
[0023]下面结合附图对本专利技术做进一步阐述。
[0024]如图1所示，一种全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片，芯片由三层结构组成，底层为透明介质基底1，中间层为介质薄膜2，上层为周期性排列的超表面光栅阵列3。
[0025]所述的透明介质基底1包括石英玻璃和普通玻璃。
[0026]所述的介质薄膜2的材料是高折射率低损耗的介质，如TiO2、Si3N4和ZnO等；介质薄膜2的厚度范围为50
‑
300 nm。以上这些材料在可见光与近红外波段的折射率大于2.0，且损耗可以忽略。
[0027]所述的超表面光栅阵列3的材料是较低折射率低损耗的介质；如二维材料（单层/多层hBN、单层/多层WS2和单层/多层MoS2）和SiO2等。以上这些材料在可见光与近红外波段的折射率在1.5
‑
2.0之间，且损耗可以忽略。
[0028]所述的周期性排列的超表面光栅阵列3，每个周期单元光栅的周期为P，范围为300
‑
800 nm；光栅的宽度为a，范围为 0.3*P
‑
0.7*P；光栅的厚度为h，范围为0.5
‑
20 nm；光栅的以上结构参数可通过微纳加工技术调节。
[0029]所述的超表面光栅阵列3的材料是较低折射率低损耗的介质，包括单层或者多层hBN、单层或者多层WS
2、
单层或者多层MoS2、和SiO2。
[0030]所述的周期性排列的超表面光栅阵列3，通过减小光栅的厚度h，共振峰的Q值迅速增大；当光栅阵列的材料为单层二维材料时，Q值达到最大。
[0031]所述的一种全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片，谐振峰的波长通过调节超表面光栅阵列3的结构参数改变，应用于可见光至近红外宽波段的古斯汉森位移传感增强。
[0032]所述的一种全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片，高Q值共振峰处具有突变的相位，并且随着超表面光栅3厚度的减小，Q值增大，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片，其特征在于，芯片由三层结构组成，底层为透明介质基底（1），中间层为介质薄膜（2），上层为周期性排列的超表面光栅阵列（3）；所述的介质薄膜（2）的材料是高折射率低损耗的介质；所述的超表面光栅阵列（3）的材料是较低折射率低损耗的介质；所述的周期性排列的超表面光栅阵列（3），每个周期单元光栅的周期为P，范围为300
‑
800 nm；光栅的宽度为a，范围为 0.3*P
‑
0.7*P；光栅的厚度为h，范围为0.5
‑
20 nm。2.根据权利要求1所述的一种全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片，其特征在于，所述的透明介质基底（1）包括石英玻璃和普通玻璃。3.根据权利要求1所述的一种全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片，其特征在于，所述的介质薄膜（2）的材料是高折射率低损耗的介质，包括TiO2、Si3N4和ZnO；介质薄膜（2）的厚度范围为50
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300 nm。4.根据权利要求1所述的一种全介质GMR型古斯汉森位移传感芯片，其特征在于，所述的超表面光栅阵列（3）的材料是较低...

【专利技术属性】
技术研发人员：曹顺，何赛灵，邢宇心，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：