專利名稱：局域等離子體諧振折射率傳感器及其制造方法
技術領域：
本發明涉及一種傳感器，特別是涉及一種局域等離子體諧振折射率傳感器及其制造方法。
背景技術：
金屬納米顆粒或金屬納米結構激發的局域表面等離子體可以將入射光局域在一個亞波長尺寸的區域，這個效應廣泛的應用于折射率傳感、表面增強拉曼散射、熒光增強以及非線性增強等領域。由于局域場的存在，金屬納米顆粒或金屬納米結構對周圍介質的介電常數的微小變化通常有一個非常靈敏的光譜響應。基于這個原理，當傳感器處于不同被測物(溶液或氣體)環境中時，傳感器的消光譜或反射譜在強度或諧振波長上的變化可以表征被測物的折射率變化。品質因數(Figure of merit,FoM)是一個被廣泛接受的表征折射率傳感器性能的參數。它定義為折射率傳感器的靈敏度與諧振峰(谷)半高寬之比，其中靈敏度定義為每變化一個單位折射率光譜的諧振峰(或谷)移動的波長。一個性能優良的折射率傳感器需要很高的靈敏度和很窄的線寬。由于極高的靈敏度，傳播表面等離子體諧振折射率傳感器在商業化應用中占主導地位。但其由于需要復雜的光耦合和光探測設備以及精確的溫度控制，表面等離子體折射率傳感器的整套設備非常昂貴。局域等離子體諧振折射率傳感器的成本則要低得多，而且在實際的傳感過程中不需要復雜的光耦合和光探測設備以及精確的溫度控制。但是，傳統的局域等離子體諧振折射率傳感器由于品質因數比傳播表面等離子體諧振折射率傳感器的低了 I到2個數量級，使之無法廣泛應用到實際的生化傳感中。
發明內容
本發明所要解決的技術問題是提供一種局域等離子體諧振折射率傳感器的結構及其制造方法，并通過調整入射角度、金屬顆粒以及周期的大小、和顆粒抬升的高度，可工作在不同的波長，且品質因數可以接近100，可以廣泛應用到實際的生化傳感中。本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題的:一種局域等離子體諧振折射率傳感器，其包括上層金屬帽、介質柱和下層金屬孔陣，介質柱位于上層金屬帽和下層金屬孔陣之間。同時，為簡化制備過程，介質柱可以是光刻膠。優選地，所述介質柱的頂部和底部都稍大于中部。優選地，所述局域等離子體諧振折射率傳感器的結構是四方晶格排列的。本發明還提供一種局域等離子體諧振折射率傳感器的制造方法，其包括以下步驟:步驟一:在干凈的石英襯底上旋涂一層粘附膜；步驟二:在暗室條件下，旋涂一層光刻膠于粘附膜的表面上；
步驟三:對旋涂好光刻膠的樣品進行兩次正交的雙光束曝光或一次三光束曝光；步驟四:對曝光和顯影之后的樣品垂直沉積金，為了讓金膜與光刻膠更好的粘連，可以在鍍金之前先鍍一層鎳或鉻，最后得到局域等離子體諧振折射率傳感器。優選地，所述粘附膜為聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯薄膜或聚丙烯薄膜等有機薄膜。優選地，所述金屬為金、銀、鉬等貴金屬或鈀、鎂等功能性金屬。優選地，所述介質柱的頂面近似于切角正方形、三角形、圓形或橢圓，且其頂部和底部都稍大于中部，其周期和大小及高度可根據工作的波長范圍進行調整。優選地，所述局域等離子體諧振折射率傳感器的結構是四方晶格、三角晶格或六角晶格排列。優選地，和微流體通道等相連，這種局域等離子體諧振折射率傳感器也可構成單通道和多通道生物探測系統。 本發明的積極有益效果在于:1、本發明通過調整入射角度、金屬顆粒以及周期的大小、和顆粒抬升的高度，品質因數可以達到100，并可調節工作波長，可以廣泛應用到實際的生化傳感中。本發明的折射率傳感器核心結構簡單，制備技術簡易，成本低廉，適用于大批量生產。2、本發明由于具有一個納米尺度的探測區域，更適合于探測由于分子吸附而造成的局域折射率的微小改變。3、本發明利用Wood’s anomaly (伍德異常)和被抬升的金屬粒子陣列產生的局域等離子體模的干涉，并將金屬顆粒陣列抬升以提高電場在環境中的分布比重，來提升基于局域等離子體的折射率傳感器的性能。
圖1為本發明局域等離子體諧振折射率傳感器的制造方法的步驟一的示意圖。圖2為本發明局域等離子體諧振折射率傳感器的制造方法的步驟二的示意圖。圖3為本發明形成光刻膠介質柱的示意圖。圖4是在圖3的基礎上進行垂直沉積金屬后形成最終結構示意圖。圖5是圖4所示的最終結構的俯視圖。圖6是雙光束曝光的實驗光路圖。圖7是周期610nm，柱高5IOnm的光刻膠介質柱陣列的俯視電鏡圖。圖8是周期610nm，柱高510nm的光刻膠介質柱陣列的傾斜角度的電鏡圖。圖9是周期610nm，柱高510nm，鍍金厚度IlOnm的金蘑菇陣列的俯視電鏡圖。圖10是周期610nm，柱高510nm，鍍金厚度IlOnm的金蘑菇陣列的傾斜角度的電鏡圖。
具體實施例方式下面結合附圖給出本發明較佳實施例，以詳細說明本發明的技術方案。如圖1-4所示，本發明局域等離子體諧振折射率傳感器(也可以稱“金蘑菇陣列折射率傳感器”)包括上層金屬帽5、光刻膠介質柱31和下層金屬孔陣4，光刻膠介質柱31位于上層金屬帽5和下層金屬孔陣4之間。光刻膠介質柱31的頂部和底部都稍大于中部。確定傳感器要求的折射率環境和工作波長的范圍，利用電磁波數值模擬方法模擬出在折射率環境下金屬蘑菇陣列的局域等離子體模的諧振波長位置，使之落在工作波長上，以此來確定金屬顆粒的大小，同時確定金屬顆粒抬升的高度，也就是介質柱的高度。本發明的性能測試可以通過以下手段實現:通過斜入射下的反射譜表征金蘑菇陣列的折射率傳感器品質因數以及測量金蘑菇陣列對蛋白質分子吸附前后的光譜移動。設計一個目標工作波長在1280nm左右，環境折射率在1.333^1.417的局域等離子體諧振折射率傳感器，確定其結構參數。首先，利用FDTD Solutions軟件(Lumerical公司)模擬正入射下水中(折射率為1.333)金蘑菇陣列的反射譜，調節金帽的大小(也就是孔的大小)，使金蘑菇陣列的局域等離子體的諧振波長落在1280nm左右，此時對應的金屬帽的邊長為285nm。同時，模擬中金帽被抬升起來的高度是510nm，沉積的金的厚度是llOnm。然后確定希望的入射角在36°左右，那么根據入射光通過Wood’ s anomaly耦合到與入射面垂直平面的公式:
權利要求
1.一種局域等離子體諧振折射率傳感器，其特征在于其包括:上層金屬帽、介質柱和下層金屬孔陣，介質柱位于上層金屬帽和下層金屬孔陣之間。
2.如權利要求1所述的局域等離子體諧振折射率傳感器，其特征在于:所述介質柱的頂部和底部都稍大于中部。
3.如權利要求2所述的局域等離子體諧振折射率傳感器，其特征在于:所述局域等離子體諧振折射率傳感器的結構是四方晶格、三角晶格或六角晶格排列的。
4.一種局域等離子體諧振折射率傳感器的制造方法，其特征在于其包括以下步驟: 步驟一:在干凈的石英等透明襯底上旋涂一層粘附膜； 步驟二:在暗室條件下，旋涂一層光刻膠于粘附膜的表面上； 步驟三:對旋涂好光刻膠的樣品進行兩次正交的雙光束曝光或者三束光的一次曝光； 步驟四:對曝光和顯影之后的樣品垂直沉積金屬，為了讓金屬膜與光刻膠更好的粘連，可以在鍍金屬之前先鍍一層鎳或鉻，最后得到局域等離子體諧振折射率傳感器。
5.如權利要求4所述的局域等離子體諧振折射率傳感器的制造方法，其特征在于:所述粘附膜為聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯薄膜或聚丙烯薄膜等。
6.如權利要求4所述的局域等離子體諧振折射率傳感器的制造方法，其特征在于:所述金屬為金、銀、鉬等貴金屬或鈀、鎂等功能性金屬。
7.如權利要求4所述的局域等離子體諧振折射率傳感器的制造方法，其特征在于:所述介質柱的頂面近似于切角正方形、三角形、圓形或橢圓，且其頂部和底部都稍大于中部，其周期和大小及高度可根據工作的波長范圍進行調整。
8.如權利要求4所述的局域等離子體諧振折射率傳感器的制造方法，其特征在于:所述局域等離子體諧振折射率傳感器的結構是四方晶格、三角晶格或六角晶格排列。
9.如權利要求4所述的局域等離子體諧振折射率傳感器的制造方法，其特征在于:所述局域等離子體諧振折射率傳感器和微流體通道等相連，其也可構成單通道和多通道生物探測系統。
全文摘要
本發明公開了一種局域等離子體諧振折射率傳感器及其制造方法，局域等離子體諧振折射率傳感器包括上層金屬帽、介質柱和下層金屬孔陣，介質柱可以是光刻膠等低折射率電介質,介質柱位于上層金屬帽和下層金屬孔陣之間。本發明通過調整入射角度、金屬顆粒以及周期的大小、和顆粒抬升的高度，品質因數可以達到100，可以廣泛應用到實際的生化傳感中。本發明制備技術簡單，成本低廉，適用于大批量生產。
文檔編號G01N21/41GK103196867SQ201310111228
公開日2013年7月10日 申請日期2013年4月1日 優先權日2013年4月1日
發明者金崇君, 沈楊, 周建華 申請人:中山大學