[发明专利]具有梯度纳米结构的传感器及其使用方法

说明书

提供了一种具有梯度纳米结构的等离子体传感器及其使用方法。形状的梯度将在传感器的不同区域引起不同的光谱响应，并显示不同的颜色。当物质的环境特性发生变化时，比如折射率、气体浓度或离子密度变化时，传感器会显示不同的图像，例如径向强度显示和径向颜色显示。基于图像识别的方法可用于根据传感器图像以高精度提取环境特性。

技术领域

本发明总体上涉及纳米结构的装置，更具体地涉及用于感测生物和环境参数的具有梯度纳米结构的光学装置的制造和使用。

背景技术

具有纳米结构的装置广泛用于生物医学感测和环境监测。纳米结构经过合理设计和精心制造以增强信号强度。出于制造原因，基于晶圆的传感器包括具有长距离均匀性的随机结构(比如基于纳米粒子的传感器)或均匀的纳米结构(比如孔阵列、盘阵列和多层结构)。

传统上，应用于这些传感器的感测方法通常基于反射或透射光谱分析，这既昂贵又费时。另一类型的感测方法是基于比色法。然而，这些比色传感器由于受到人眼的颜色辨别能力的限制而不能提供高精度的结果。

发明内容

本发明针对一种新的等离子体传感器，其包含具有空间变化的几何参数的纳米级梯度结构。

该装置包含基板，并且在装置的中心，存在从基板的表面延伸的多个纳米柱。纳米柱在其顶部具有金属盘。金属底板覆盖纳米柱的脚部附近的基板表面。在装置的边缘处，存在从顶表面延伸到基板中的多个孔，金属盘位于孔的底部。纳米孔金属板在孔的区域中覆盖基板表面。从中心到边缘，纳米柱的尺寸逐渐增大，然后形状过渡到孔，并且孔的尺寸从中心区域到边缘逐渐减小。

形状的梯度在传感器的不同区域引发不同的光谱响应，从而显示不同的颜色。当环境特性比如折射率、气体浓度或离子密度变化时，传感器将显示不同的图像。

已经开发了机器学习模型以通过图像识别方法识别由传感器显示的图像图案，并且在有足够的训练数据的情况下，该模型可用于基于传感器图像以高精度提取环境特性。

本发明的制造方法基于干涉光刻和纳米压印，其比诸如电子束光刻或离子铣削的任意光刻技术更节省时间和成本。

由于感测区域包含空间变化的结构，所以本发明针对广泛的环境特征进行操作，因此可以在特定结构处更有效地感测更广泛的环境特性。

附图说明

当结合下面的详细描述和附图考虑时，本发明的前述及其他目的和优点将变得更加明显，在各个附图中，相同的标号表示相同的元件，其中：

图1A示出了具有盘孔双层构造的根据本发明的传感器的结构，图1B示出了孔盘双层构造，图1C示出了盘孔单层构造，图1D示出了孔盘单层构造；

图2示出了根据本发明的传感器的制造过程，其中步骤(a-c)示出了通过干涉光刻的梯度图案制造，步骤(d-g)示出了具有梯度图案的纳米压印光刻模板的制造，步骤(h-i)示出了通过纳米压印的薄膜的制造，步骤(j)示出了金属沉积；

图3A示出了具有纳米结构的抗蚀剂层的硅基板以及在样品的不同区域的纳米结构的SEM图像；

图3B示出了具有被金盘和纳米孔平面覆盖的纳米结构的表面的最终传感器以及在样品的不同区域的纳米结构的SEM图像；

图4示出了用于捕获被具有不同环境指数的液体覆盖的传感器的图像的设置；

图5A示出了被具有不同折射率的材料覆盖的传感器的图片；以及

图5B示出了在0至12mm的径向距离上被折射率在1.00至1.40的范围内的材料覆盖的传感器的色相强度相对于径向距离的曲线图(a)以及在5-10mm的径向距离上的放大曲线图(b)。

具体实施方式