[发明专利]基于导波共振的传感器及传感器测试系统

说明书

本申请是分案申请，母案的申请号：201210026090.2，申请日：2012年2月7日，名称：基于导波共振的传感器及其制备方法。

技术领域

本发明涉及传感器技术，更具体的说，涉及一种基于导波共振的传感器及传感器测试系统。

背景技术

检测固定化生物化学成分在生物、化学基础研究以及环境监测、医疗和国防安全中非常重要。检测固定化生物化学成分(例如酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)的传感器，广泛应用于生物技术、环境监测、医疗卫生、食品检验和国防安全等领域。目前，基于表面等离子体共振(SPR)技术的传感器以其较高的灵敏度以及高效性得到了广泛的应用和快速的发展，是表征化学和生物分子相互作用的主要工具。SPR传感器的基本原理是通过记录表面等离子体共振角或共振波长的变化，来实现对金属表面待测液体分析物折射率的检测。与其它类型的传感器相比，基于表面等离子体共振的传感器通过检测样本折射率的改变来识别样本，不需要荧光标签或者其他标签，能够对样品进行原位、无损且无标记的检测，因此表面等离子体共振传感器是无污染的高灵敏度传感器。

典型的SPR传感器为棱镜型，包括棱镜结构，如Kretschmann棱镜结构，以及棱镜结构上镀的金属膜，例如Au、Ag膜等，待测样品放置于金属膜上，p偏振光经过棱镜以一定角度入射到棱镜与金属膜的界面，对于一定的入射角度和光波长，棱镜提供入射电磁波和表面等离子体之间的波矢匹配，棱镜型的SPR传感器的灵敏度较高。然而，棱镜结构本身体积大、造价高，导致棱镜型的SPR传感器的体积庞大、结构复杂、成本高，通常适用于实验室中进行检测，不易携带，也不易集成。

另一方面，微量气体检测在环境保护、安全、工业过程控制以及气象等领域非常重要。目前有几种类型的商用气体传感器，例如催化比色法气体传感器、电化学气体传感器和光学气体传感器。在所有气体传感器中，光学传感器由于不依赖于电化学相互作用，所以是最准确可靠的。最常用的光学传感器是红外吸收谱传感器，这类传感器一般通过测量气体的透射光谱上吸收峰的位置变化来测量折射率的变化，也就是说，测量气体折射率的虚部。红外吸收谱传感器的主要优点是能够测量几乎所有气体，主要缺点是体积大，结构复杂，并且由于需要红外探测器、高分辨的光谱仪和很长的气室增强吸收而价格昂贵。

为了减小生物化学成分以及微量气体测量的复杂性，提高灵敏度，以及降低成本，人们利用微机电系统，发展了各种各样的无标签传感技术，例如导波共振传感技术。同时，传感器分析系统的小型化和便携性在生物医学和国防方面尤其重要。在微型化和高灵敏度方面，基于导波共振的全介质光子晶体传感器具有巨大的潜力。

在一个典型的光子晶体传感器中，一束平面波入射到光子晶体平板上，合理设计光子晶体平板的结构参数，可以激发出局域在光子晶体平板中的长寿命的辐射模式。这种模式对光子晶体平板的结构参数和材料极其敏感，这是我们利用光子晶体平板制作传感器的主要原因。在实际应用中，通过测量峰值频率的移动得到折射率的微小变化。

发明内容

(一)要解决的技术问题

为解决上述的一个或多个技术问题，本发明提供了一种基于导波共振的传感器及传感器测试系统，以易于集成和制造，降低成本。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，本发明提供了一种基于导波共振的传感器，包括：衬底；形成于该衬底上的自支撑薄膜结构；以及形成于该自支撑薄膜结构中的球形空气孔阵列，用于承载待测样品，利用该球形空气孔阵列中的导波共振来探测该待测样品的折射率变化。

上述方案中，所述球形空气孔阵列呈三角格子周期排列，x和y方向周期介于800纳米至2800纳米之间。

上述方案中，对于所述球形空气孔阵列中的单个空气孔，其半径介于400纳米至800纳米之间。

上述方案中，所述自支撑薄膜结构采用的材料为碳化硅或氮化硅。

根据本发明的另一个方面，本发明提供了一种传感器测试系统，包括基于导波共振的传感器，还包括：所述传感器的自支撑薄膜上及球形空气孔阵列内的待测样品，位于待测样品之上的光源、半反半透膜以及光探测器。

上述方案中，由光源发出的探测光经过半反半透膜后垂直入射到自支撑薄膜结构上；自支撑薄膜结构上分布有球形空气孔阵列，球形空气孔阵列中的球形空气孔呈三角格子密堆积周期分布，探测光垂直入射到带有球形空气孔阵列的自支撑薄膜结构上，在某些波长会产生导波共振，导波共振模式与待测样品相互作用，然后反射光沿入射光路垂直出射，经过半反半透膜，最后反射光由光探测器接收。