[发明专利]金属膜上介质周期结构折射率传感器及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于金属膜上介质周期结构折射率传感器，传感元件为纳米光子结构，上至下分别为介质柱阵列，氧化铝保护层贵金属反射层，基底；由圆柱体介质柱构成的介质柱阵列呈中心对称的形状，且紧贴氧化铝表面；通过共振峰位置偏移测量折射率。本发明所制备的折射率传感器，制作工艺简单，有效区域面积大，灵敏度高，分辨率高，且性质稳定，不会因为处于一定的高温或者潮湿的环境下而失去性能。

技术领域

本发明涉及光学折射率传感及微纳米制造领域，提出了一种金属膜上介质周期结构高灵敏度折射率传感器及制备方法。

背景技术

制作工艺简单，灵敏度高的折射率传感器一直是近些年的研究热点，这种设备可以广泛的应用于各种检测技术上，比如生化，医学，环保。表面等离子体共振，是由光波与金属电子相互作用而产生的现象，当光波入射到结构中时，入射光能量被大量吸收，反射光能量显著减少，在金属纳米结构附近形成增强的电磁场，所以在反射谱中形成一个极窄的反射谷。然而，金属等离子体纳米结构表面的强光场会产生大量损耗和热量，采用金属膜上介质结构就可以很好的抑制这种损耗的产生。

品质因数(Figure of merit，FOM)是定义折射率传感器的一个重要参数，定义为折射率传感器的灵敏度与反射峰的半高全宽的比值，其中灵敏度定义为：纳米/单位折射率。金属膜上的低折射率对比介质柱阵列具有很窄的线宽，而窄线宽的特性就是提高品质因数与传感器灵敏度的一个重要因素。

随着科技的进步，折射率传感器的发展速度很快，从1960年的光栅式，波导式，到后来的光纤SPR式的传感器，都能应用于各个领域。最常用的基于石英光纤的折射率传感器具有体积小，方便测量，且响应速度快，抗干扰能力强的特点，但是也具有灵敏度低，损耗高，反射峰宽，受限与测量的非线性和测量范围等缺点。

发明内容

1、本发明的目的

为了解决上述金属和高折射率介质结构的吸收损耗等制约问题，本发明旨在提供一种新型的大面积的金属介质复合结构高灵敏度折射率传感器及其制备方法。

2、本发明所采用的技术方案

本发明公开了一种金属膜上介质周期结构折射率传感器，传感元件为纳米光子结构，上至下分别为介质柱阵列，氧化铝保护层贵金属反射层，基底；由圆柱体介质柱构成的介质柱阵列呈中心对称的形状，且紧贴氧化铝表面；通过共振峰位置偏移测量折射率。

优选的，介质柱阵列在所工作的光波段透明，折射率范围1.4～2.5，且大于被测气体或者被测溶液的折射率，选用二氧化硅、氧化铝、二氧化钛、氮化硅任一种材料。

优选的，本发明工作于400-2500nm的波段，拥有两个不同的共振模式，在反射谱上面表现为两个不同线宽的反射谷。反射谷的中心波长随结构近表面环境折射率变化发生移动，因此可以在可见光及近红外波段实现对结构近表面环境变化的高分辨率、高灵敏度测量。其中一个反射谷的中心波长靠近但不小于阵列周期与背景环境折射率的乘积，源自表面晶格共振，模式光场被局域在介质柱的顶端以及介质柱之间的空白区域，具有高品质因子。另外一个模式，光场被局域在介质柱底部，具有较高的表面灵敏度。两个模式一起可兼顾体折射率传感灵敏度、表面传感灵敏度以及检测极限。

优选的，所述的介质柱阵列采用二氧化钛，氧化铝保护层上二氧化钛周期阵列与PDMS微流通道贴合构成传感器，透过PDMS测量垂直反射谱。

优选的，介质柱二维周期阵列中，介质柱的高宽比大于1。

优选的，介质柱阵列高度420nm，直径290nm。

优选的，贵金属反射层的厚度为50～200nm，氧化铝保护层厚度为10～20nm。

优选的，贵金属反射层采用材料包括金、银、铝、铜。

本发明公开了一种金属膜上介质周期结构折射率传感器的制备方法：