一種基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器，包括：自支撐的介質(zhì)光柵；以及形成于該介質(zhì)光柵上的金屬光柵；其中，該傳感器是利用該金屬光柵和該介質(zhì)光柵在平面波照射下引發(fā)的導(dǎo)波共振所產(chǎn)生的透射吸收峰來探測待測樣品的折射率變化。該傳感器的自支撐光柵結(jié)構(gòu)是由納米加工技術(shù)制作而成。利用該金屬-介質(zhì)光柵在光的垂直照射下引發(fā)的導(dǎo)波共振所產(chǎn)生的透射吸收峰來探測待測樣品的折射率變化。本發(fā)明傳感器采用周期納米結(jié)構(gòu)，體積小，易于攜帶；同時(shí)采用自支撐光柵結(jié)構(gòu)，制作工藝和測試方法簡單，敏感度高。
【專利說明】一種基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體的說，涉及一種基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]檢測固定化生物化學(xué)成分在生物、化學(xué)基礎(chǔ)研究以及環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療和國防安全中非常重要。檢測固定化生物化學(xué)成分(例如酶、抗體、抗原、微生物、細(xì)胞、組織、核酸等生物活性物質(zhì))的傳感器，廣泛應(yīng)用于生物技術(shù)、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療衛(wèi)生、食品檢驗(yàn)和國防安全等領(lǐng)域。
[0003]目前，基于表面等離子體共振(SPR)技術(shù)的傳感器以其較高的靈敏度以及高效性得到了廣泛的應(yīng)用和快速的發(fā)展，是表征化學(xué)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(shí)現(xiàn)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(biāo)簽或者其他標(biāo)簽，能夠?qū)悠愤M(jìn)行原位、無損且無標(biāo)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(jié)構(gòu)，如Kretschmann棱鏡結(jié)構(gòu)，以及棱鏡結(jié)構(gòu)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(jīng)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(jié)構(gòu)本身體積大、造價(jià)高，導(dǎo)致棱鏡型的SPR傳感器的體積龐大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，通常適用于實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)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(huán)境保護(hù)、安全、工業(yè)過程控制以及氣象等領(lǐng)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(xué)氣體傳感器和光學(xué)氣體傳感器。在所有氣體傳感器中，光學(xué)傳感器由于不依賴于電化學(xué)相互作用，所以是最準(zhǔn)確可靠的。最常用的光學(xué)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(yōu)點(diǎn)是能夠測量幾乎所有氣體，主要缺點(diǎn)是體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)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(qiáng)吸收而價(jià)格昂貴。
[0006]為了減小測量的復(fù)雜性，提高靈敏度，以及降低成本，人們利用微機(jī)電系統(tǒng)，發(fā)展了各種各樣的無標(biāo)簽傳感技術(shù)，例如表面等離子共振和導(dǎo)波共振傳感技術(shù)。同時(shí)，傳感器分析系統(tǒng)的小型化和便攜性在生物醫(yī)學(xué)和國防方面尤其重要。在微型化和高靈敏度方面，基于導(dǎo)波共振的全介質(zhì)光子晶體傳感器具有巨大的潛力。
[0007]在一個(gè)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(shè)計(jì)光子晶體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可以激發(fā)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的結(jié)構(gòu)參數(shù)和材料極其敏感，這是我們利用光子晶體制作傳感器的主要原因。在實(shí)際應(yīng)用中，通過測量峰值頻率的移動(dòng)得到折射率的微小變化。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0008](一)要解決的技術(shù)問題
[0009]為解決上述的一個(gè)或多個(gè)技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器及其制備方法，以實(shí)現(xiàn)對氣態(tài)或者液態(tài)樣品的檢測，獲得高靈敏度，并且易于集成和制造，降低成本。
[0010](二)技術(shù)方案
[0011]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，本發(fā)明提供了一種基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器，包括:自支撐的介質(zhì)光柵；以及形成于該介質(zhì)光柵上的金屬光柵；其中該傳感器是利用該金屬光柵和該介質(zhì)光柵在平面波照射下引發(fā)的導(dǎo)波共振所產(chǎn)生的透射吸收峰來探測待測樣品的折射率變化。
[0012]上述方案中，該介質(zhì)光柵和該金屬光柵均為周期性的一維光柵結(jié)構(gòu)，其周期介于500納米至5微米之間。
[0013]上述方案中，該金屬光柵制作于該介質(zhì)光柵之上，該介質(zhì)光柵和該金屬光柵的占空比相同，其占空比介于65%至95%之間。
[0014]上述方案中，該介質(zhì)光柵中采用的介質(zhì)材料為氮化硅、碳化硅或者聚酰亞胺材料，該金屬光柵采用的金屬材料為金或者銀。
[0015]上述方案中，該介質(zhì)光柵的柵條高度介于200納米至5微米之間，該金屬光柵的柵條高度介于20納米至2微米之間。
[0016]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明還提供了一種基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器的制備方法，該方法包括:在拋光的硅片上形成自支撐的介質(zhì)薄膜，在該介質(zhì)薄膜上制作金屬光柵，以及在該金屬光柵的掩蔽下刻蝕出介質(zhì)光柵。
[0017]上述方案中，所述在拋光的硅片上形成自支撐的介質(zhì)薄膜，包括:采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法在硅片上沉積一定厚度的碳化硅或氮化硅薄膜，或者通過在硅片上旋涂一定厚度的聚酰亞胺溶液，通過烘箱烘烤干燥后獲得聚酰亞胺薄膜；采用濕法刻蝕方法從硅襯底背面去除圖形區(qū)的硅襯底，形成自支撐的氮化硅或碳化硅或聚酰亞胺薄膜結(jié)構(gòu)。
[0018]上述方案中，所述在該介質(zhì)薄膜上形成金屬光柵，包括:采用電子束光刻技術(shù)以及電鍍技術(shù)在自支撐的氮化硅或碳化硅或聚酰亞胺薄膜結(jié)構(gòu)上制作金屬光柵。
[0019]上述方案中，所述在金屬光柵的掩蔽下刻蝕出介質(zhì)光柵，包括:采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)將該金屬光柵空隙下面的介質(zhì)薄膜材料刻蝕透，留下金屬光柵掩蔽下的介質(zhì)材料，形成自支撐的介質(zhì)光柵；自支撐的介質(zhì)光柵和金屬光柵共同形成基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器。
[0020]根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)方面，本發(fā)明還提供了一種測試液態(tài)或氣態(tài)樣品折射率的系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括光源、自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器、待測液態(tài)或氣態(tài)樣品和光探測器；測試時(shí)，該自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器浸泡于該待測液態(tài)或氣態(tài)樣品之中；由光源發(fā)出的探測光垂直入射到該自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器上，由于光與光柵結(jié)構(gòu)的耦合作用產(chǎn)生導(dǎo)波共振，導(dǎo)波共振模式與待測液態(tài)或氣態(tài)樣品相互作用，使得通過該自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器的透射光產(chǎn)生透射吸收峰；光探測器檢測該吸收峰的位置實(shí)現(xiàn)對待測液態(tài)或氣態(tài)樣品折射率的測量。[0021](三)有益效果
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
[0023](I)本發(fā)明提供的基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器及其制備方法，通過微納米結(jié)構(gòu)的光柵實(shí)現(xiàn)的傳感器，結(jié)構(gòu)簡單，對加工工藝要求較低，與傳統(tǒng)的半導(dǎo)體工藝兼容，易于集成。
[0024](2)本發(fā)明提供的基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器及其制備方法，采用光柵的周期納米結(jié)構(gòu)與垂直入射的光波耦合激發(fā)導(dǎo)波共振，產(chǎn)生共振吸收峰，用于探測樣品折射率的變化，靈敏度高，測試方法簡單，容易實(shí)現(xiàn)，而且器件結(jié)構(gòu)體積小，易于攜帶。
[0025](3)本發(fā)明提供的基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器及其制備方法，不同周期的光柵產(chǎn)生的共振吸收峰的位置不同，研究人員可以根據(jù)需要制作不同周期大小的光柵，滿足不同波長情況下的測量。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0026]圖1為本發(fā)明提供的基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器的局部區(qū)域結(jié)構(gòu)圖；
[0027]圖2為依照本發(fā)明實(shí)施例的基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器的俯視圖；
[0028]圖3為依照本發(fā)明實(shí)施例基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器的制作過程流程圖。
[0029]圖4為依照本發(fā)明實(shí)施例的基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器的樣品測試系統(tǒng)示意圖；
[0030]圖5為依照本發(fā)明實(shí)施例基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器對不同折射率的氣體進(jìn)行測試得到的透射譜；
[0031]圖6為依照本發(fā)明實(shí)施例基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器的透射吸收峰位置與待測樣品折射率的關(guān)系；
[0032]圖7為依照本發(fā)明實(shí)施例基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器的透射吸收峰位置與光柵周期的關(guān)系。
【具體實(shí)施方式】
[0033]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合具體實(shí)施例，并參照附圖，對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0034]本發(fā)明公開了一種基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器及其制備方法。該傳感器包括:自支撐的介質(zhì)光柵；以及形成于該介質(zhì)光柵上的金屬光柵；其中該傳感器是利用該金屬光柵和該介質(zhì)光柵在平面波照射下引發(fā)的導(dǎo)波共振所產(chǎn)生的透射吸收峰來探測待測樣品的折射率變化。
[0035]其中，該介質(zhì)光柵和該金屬光柵均為周期性的一維光柵結(jié)構(gòu)，其周期介于500納米至5微米之間。該金屬光柵制作于該介質(zhì)光柵之上,該介質(zhì)光柵和該金屬光柵的占空比相同，其占空比介于65%至95%之間。該介質(zhì)光柵中米用的介質(zhì)材料為氮化娃、碳化娃或者聚酰亞胺材料，該金屬光柵米用的金屬材料為金或者銀。該介質(zhì)光柵的柵條高度介于200納米至5微米之間，該金屬光柵的柵條高度介于20納米至2微米之間。
[0036]本發(fā)明提供的傳感器采用周期納米結(jié)構(gòu)，體積小，易于攜帶；同時(shí)采用自支撐光柵結(jié)構(gòu)，制作工藝和測試方法簡單，敏感度高。[0037]基于上述基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器,本發(fā)明還提供了一種基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器的制備方法，該方法包括:在拋光的硅片上形成自支撐的介質(zhì)薄膜；在該介質(zhì)薄膜上制作金屬光柵；以及在該金屬光柵的掩蔽下刻蝕出介質(zhì)光柵。該傳感器的自支撐光柵結(jié)構(gòu)是由納米加工技術(shù)制作而成。
[0038]其中，所述在拋光的硅片上形成自支撐的介質(zhì)薄膜，包括:采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法在硅片上沉積一定厚度的碳化硅或氮化硅薄膜，或者通過在硅片上旋涂一定厚度的聚酰亞胺溶液，通過烘箱烘烤干燥后獲得聚酰亞胺薄膜；采用濕法刻蝕方法從硅襯底背面去除圖形區(qū)的硅襯底，形成自支撐的氮化硅或碳化硅或聚酰亞胺薄膜結(jié)構(gòu)。
[0039]所述在該介質(zhì)薄膜上形成金屬光柵，包括:采用電子束光刻技術(shù)以及電鍍技術(shù)在自支撐的氮化硅或碳化硅或聚酰亞胺薄膜結(jié)構(gòu)上制作金屬光柵。
[0040]所述在金屬光柵的掩蔽下刻蝕出介質(zhì)光柵，包括:采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)將該金屬光柵空隙下面的介質(zhì)薄膜材料刻蝕透，留下金屬光柵掩蔽下的介質(zhì)材料，形成自支撐的介質(zhì)光柵；自支撐的介質(zhì)光柵和金屬光柵共同形成基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器。
[0041]為了對本發(fā)明提出的方案進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了一個(gè)周期為750nm的光柵，光柵柵條的寬度為95nm,金屬柵條的材料為金,厚度為200nm,介質(zhì)柵條的材料為氮化硅，厚度為500nm，光柵的局部示意圖如圖1所示。圖2為依照本發(fā)明實(shí)施例的基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器的俯視圖，中間區(qū)域?yàn)楣鈻艆^(qū)域，大小為ImmX 1mm，此區(qū)域內(nèi)的光柵放大后為圖1所示光柵，四周為支撐光柵柵條的支撐材料。
[0042]圖3為依照本發(fā)明實(shí)施例基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器的制作過程流程圖。制作過程包括:
[0043]步驟S1:采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法在硅片上沉積一定厚度的碳化硅薄膜，碳化硅薄膜厚度為500nm ；
[0044]步驟S2:采用濕法刻蝕方法，比如采用33%的氫氧化鉀溶液，從硅襯底背面去除圖形區(qū)的娃襯底，大小為1_X 1_，形成自支撐氮化娃薄膜結(jié)構(gòu)；
[0045]步驟S3:采用電子束光刻和顯影技術(shù)，將旋涂在薄膜結(jié)構(gòu)上的抗蝕劑制作出95nm寬度的槽，然后通過金電鍍技術(shù)在槽里面電鍍上200nm厚度的金，抗蝕劑去膠后得到200nm厚度的金柵條；
[0046]步驟S4:采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)將金屬光柵空隙下面的氮化硅薄膜結(jié)構(gòu)刻蝕透，留下金屬光柵掩蔽下的氮化硅材料，在金屬柵條的下面形成500nm厚度的氮化娃光柵柵條。
[0047]圖4為依照本發(fā)明實(shí)施例基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器的樣品測試系統(tǒng)示意圖。如圖4所示，該樣品測試系統(tǒng)包括光源，傳感器，待測液態(tài)或者氣態(tài)樣品，光探測器。測試樣品時(shí)，傳感器浸泡于待測液態(tài)或者氣態(tài)樣品之中；由光源發(fā)出的探測光垂直入射到自支撐光柵結(jié)構(gòu)傳感器上；由于光與光柵結(jié)構(gòu)的耦合作用產(chǎn)生導(dǎo)波共振，導(dǎo)波共振模式與待測液態(tài)或者氣態(tài)樣品相互作用，使得通過傳感器的透射光產(chǎn)生透射吸收峰；由光探測器檢測吸收峰的位置測量待測液態(tài)或者氣態(tài)樣品的折射率。
[0048]圖5為依照本發(fā)明實(shí)施例基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器對不同折射率的氣體進(jìn)行測試得到的透射譜。如圖5所示，由于光與光柵結(jié)構(gòu)的耦合作用產(chǎn)生導(dǎo)波共振，導(dǎo)波共振模式與待測液態(tài)或者氣態(tài)樣品相互作用，使得通過傳感器的透射光產(chǎn)生透射吸收峰，吸收峰的位置與待測樣品的折射率成正比。傳感器的折射率敏感度為:
【權(quán)利要求】
1.一種基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器，其特征在于，包括: 自支撐的介質(zhì)光柵；以及 形成于該介質(zhì)光柵上的金屬光柵； 其中，該傳感器是利用該金屬光柵和該介質(zhì)光柵在平面波照射下引發(fā)的導(dǎo)波共振所產(chǎn)生的透射吸收峰來探測待測樣品的折射率變化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器，其特征在于，該介質(zhì)光柵和該金屬光柵均為周期性的一維光柵結(jié)構(gòu)，其周期介于500納米至5微米之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器，其特征在于，該金屬光柵制作于該介質(zhì)光柵之上，該介質(zhì)光柵和該金屬光柵的占空比相同，其占空比介于65%至95%之間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器，其特征在于，該介質(zhì)光柵中采用的介質(zhì)材料為氮化硅、碳化硅或者聚酰亞胺材料，該金屬光柵采用的金屬材料為金或者銀。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器，其特征在于，該介質(zhì)光柵的柵條高度介于200納米至5微米之間，該金屬光柵的柵條高度介于20納米至2微米之間。
6.一種基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器的制備方法，其特征在于，該方法包括: 在拋光的娃片上形成自支撐的介質(zhì)薄膜； 在該介質(zhì)薄膜上制作金屬光柵 ；以及 在該金屬光柵的掩蔽下刻蝕出介質(zhì)光柵。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器的制備方法，其特征在于，所述在拋光的硅片上形成自支撐的介質(zhì)薄膜，包括: 采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積方法在硅片上沉積一定厚度的碳化硅或氮化硅薄膜，或者通過在硅片上旋涂一定厚度的聚酰亞胺溶液，通過烘箱烘烤干燥后獲得聚酰亞胺薄膜； 采用濕法刻蝕方法從硅襯底背面去除圖形區(qū)的硅襯底，形成自支撐的氮化硅或碳化硅或聚酰亞胺薄膜結(jié)構(gòu)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器的制備方法，其特征在于，所述在該介質(zhì)薄膜上形成金屬光柵，包括: 采用電子束光刻技術(shù)以及電鍍技術(shù)在自支撐的氮化硅或碳化硅或聚酰亞胺薄膜結(jié)構(gòu)上制作金屬光柵。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器的制備方法，其特征在于，所述在該金屬光柵的掩蔽下刻蝕出介質(zhì)光柵，包括: 采用感應(yīng)耦合等離子體刻蝕技術(shù)將該金屬光柵空隙下面的介質(zhì)薄膜材料刻蝕透，留下金屬光柵掩蔽下的介質(zhì)材料，形成自支撐的介質(zhì)光柵；自支撐的介質(zhì)光柵和金屬光柵共同形成基于自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器。
10.一種測試液態(tài)或氣態(tài)樣品折射率的系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括光源、權(quán)利要求1至5所述的自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器、待測液態(tài)或氣態(tài)樣品和光探測器； 測試時(shí)，該自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器浸泡于該待測液態(tài)或氣態(tài)樣品之中；由光源發(fā)出的探測光垂直入射到該自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器上，由于光與光柵結(jié)構(gòu)的耦合作用產(chǎn)生導(dǎo)波共振，導(dǎo)波共振模式與待測液態(tài)或氣態(tài)樣品相互作用，使得通過該自支撐光柵結(jié)構(gòu)的傳感器的透射光產(chǎn)生透射吸收峰； 光探測器檢測該吸收峰的位置實(shí)現(xiàn)對待測液態(tài)或氣態(tài)樣品折射率的測量。
【文檔編號】G01N21/41GK103543128SQ201210238221
【公開日】2014年1月29日 申請日期:2012年7月10日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月10日
【發(fā)明者】謝常青, 洪梅華, 史麗娜, 朱效立, 李海亮, 劉明 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所