專利名稱：一種高靈敏度表面等離子體共振傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器及傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種高靈敏度表面等離子體共振傳 感器。
背景技術(shù)：
表面等離子體是由光和金屬表面自由電子的相互作用所引起的一種電磁波模式。 這種模式存在于金屬與介質(zhì)界面附近，其場強(qiáng)在界面處達(dá)到最大，且在界面兩側(cè)均沿垂直 于界面的方向呈指數(shù)式衰減。表面等離子體的產(chǎn)生需要滿足特定的條件。由于表面等離子體的波矢比同頻率下 其所存在界面的一側(cè)的介質(zhì)中的光波矢要大，因此只有在滿足波矢匹配的情形下才能產(chǎn)生 表面等離子體，形成表面等離子體共振。由于發(fā)生共振時入射光被吸收，使反射光能量急劇 下降，表現(xiàn)為反射率衰減的尖峰，此即為表面等離子體共振峰，產(chǎn)生表面等離子體共振的光 波波長稱為共振波長，光波入射角度稱為共振角。表面等離子體共振對金屬附近介質(zhì)的折射率、厚度等參數(shù)變化比較敏感，這些參 數(shù)的改變會引發(fā)表面等離子體共振條件的變化(包括共振角度、共振波長、強(qiáng)度、相位等)， 因此可以被應(yīng)用到傳感領(lǐng)域。同時由于表面等離子體在界面處有非常大的局部場增強(qiáng)效 應(yīng)，因此可以大幅提高傳感靈敏度。基于表面等離子體共振技術(shù)的傳感器的優(yōu)點是測量的 靈敏度較高、響應(yīng)速度快、體積小、機(jī)械強(qiáng)度強(qiáng)以及抗干擾能力強(qiáng)等，因此，表面等離子體共 振傳感技術(shù)在近年來已經(jīng)成為生化檢測的熱門測量手段，在生物分子相互作用、藥物篩選、 臨床診斷、食物檢測、環(huán)境監(jiān)控以及生物學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。目前，基于金屬薄膜層的表面等離子體共振傳感器通常是通過高折射率棱鏡耦合 的方法來實現(xiàn)空間波矢與表面等離子體波矢的相位匹配，從而共振激發(fā)金屬薄膜層與被測 樣品分界面處的表面等離子體。被測樣品折射率等參數(shù)的變化引發(fā)棱鏡中光波與表面等離 子體波的耦合情況的改變，通過檢測再次從棱鏡中耦合輸出的光波特性，就可以實現(xiàn)對被 測樣品折射率等參數(shù)的測量，該方案通常稱為衰減全反射法。由于傳統(tǒng)的基于單層金屬薄膜層的表面等離子體共振傳感器的靈敏度相對較低， 近年來研究人員嘗試多種方法以提高其靈敏度，其中引入新型表面等離子體共振傳感芯片 成為有效途徑之一。但目前大多數(shù)新型傳感芯片包含較復(fù)雜的微納結(jié)構(gòu)，加工工藝復(fù)雜且 對加工精度的要求很高，因此，如何保證高靈敏度的同時，簡化表面等離子體共振傳感芯片 的結(jié)構(gòu)成為亟待解決的問題。本發(fā)明在基于單層金屬薄膜層的表面等離子體共振傳感器的基礎(chǔ)上，在金屬薄膜 層和透明電介質(zhì)基底之間引入了由低折射率介質(zhì)薄層和高折射率介質(zhì)薄層交替組成的多 層介質(zhì)層。多層介質(zhì)層的引入，使得該表面等離子體共振傳感器的靈敏度得到了明顯提高。 此外，由于多層介質(zhì)層結(jié)構(gòu)簡單，總厚度較小，可采用蒸鍍法制備，易于加工且厚度可控性 好，同時加工成本較低，因此該表面等離子體共振傳感器具有較強(qiáng)的實用價值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服傳統(tǒng)表面等離子體共振傳感器靈敏度較低的缺陷，從而提出一種易于加工的高靈敏度表面等離子體共振傳感器。本發(fā)明提供了一種高靈敏度表面等離子體共振傳感器，依次由透明電介質(zhì)基底 (2)、低折射率介質(zhì)薄層(3)和高折射率介質(zhì)薄層(4)交替組成的多層介質(zhì)層以及金屬薄膜 層(5)組成，傳感器的透明電介質(zhì)基底的一側(cè)與耦合棱鏡(1)相臨，金屬薄膜層的一側(cè)與被 測樣品(6)相臨；多層介質(zhì)層中的低折射率介質(zhì)薄層和高折射率介質(zhì)薄層的總層數(shù)需滿足 條件2η+1 (η為正整數(shù))，其中低折射率介質(zhì)薄層的層數(shù)為η+1，高折射率介質(zhì)薄層的層數(shù)為 η，分別與透明電介質(zhì)基底和金屬薄膜層相臨的都是多層介質(zhì)層中的低折射率介質(zhì)薄層；多 層介質(zhì)層中的各薄層厚度均不相等，同時各薄層厚度需滿足ndsin( θ te) ^ λ，其中，n是 該薄層的折射率，d是該薄層厚度，λ是入射到傳感器的光的波長，θ 是傳感器測量被測 樣品并發(fā)生全反射時透明電介質(zhì)基底與多層介質(zhì)層交界面上的入射光的入射角；該多層介 質(zhì)層的反射率滿足以下條件將傳感器的金屬薄膜層及被測樣品替換為厚度無限且折射率 與高折射率介質(zhì)薄層材料的折射率相同的材料時的多層介質(zhì)層的反射率，從(θ te+m)度至 (θ tr+2m)度范圍內(nèi)必須大于等于0.8，m= (10/n)度。所述高靈敏度表面等離子體共振傳感器中透明電介質(zhì)基底的材料折射率必須小 于等于耦合棱鏡的材料折射率，所述透明電介質(zhì)基底的材料為玻璃、有機(jī)聚合物材料中的一種。所述高靈敏度表面等離子體共振傳感器中金屬薄膜層的材料為能夠產(chǎn)生表面等 離子體共振效應(yīng)的金屬，包括金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、鉻中的任何一種、或是各自的合金、或是 不同金屬層復(fù)合的材料。所述高靈敏度表面等離子體共振傳感器中的金屬薄膜層的厚度介于15nm-100nm 之間。所述高靈敏度表面等離子體共振傳感器中組成多層介質(zhì)層的高折射率介質(zhì)薄層 材料與低折射率介質(zhì)薄層材料的折射率比值必須大于1. 2。在此前提下，組成多層介質(zhì)層的 低折射率介質(zhì)薄層材料是二氧化硅、氟化鎂、三氧化二鋁中的任何一種，或是低折射率有機(jī) 聚合物材料；組成多層介質(zhì)層的高折射率介質(zhì)薄層材料是二氧化鈦、五氧化二鉭、硅中的任 何一種，或是高折射率有機(jī)聚合物材料。本發(fā)明的高靈敏度表面等離子體共振傳感器具有以下優(yōu)點1.傳感器性能高于傳統(tǒng)基于單層金屬薄膜層的表面等離子體共振傳感器，只需引 入厚度很薄的多層介質(zhì)層即可獲得成倍的靈敏度提高，同時節(jié)省了材料和成本。2.加工工藝簡單可控，多層介質(zhì)層結(jié)構(gòu)可以采取熱蒸鍍的方式實現(xiàn)，厚度可控性 好，誤差小。


圖1是高靈敏度表面等離子體共振傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是實例所述高靈敏度表面等離子體共振傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖3是實例所述覆蓋高折射率介質(zhì)的多層介質(zhì)層的結(jié)構(gòu)示意圖。圖4是如圖3所示結(jié)構(gòu)下的不同角度下的多層介質(zhì)層的反射率曲線。
圖5是實例所述高靈敏度表面等離子體共振傳感器在大角度范圍內(nèi)的反射率曲 線圖。圖6是實例所述高靈敏度表面等離子體共振傳感器在小角度范圍內(nèi)的反射率曲 線圖。
具體實施方式
圖2給出了一個根據(jù)發(fā)明內(nèi)容所述的高靈敏度表面等離子體共振傳感器實例的 結(jié)構(gòu)示意圖。在本實例中，輸入的光信號的波長λ選定為632. 8nm，耦合棱鏡(201)和透明 電介質(zhì)基底(202)的材料為ZF3玻璃，其折射率為1.71239 ；多層介質(zhì)層中的低折射率介 質(zhì)薄層(203)的材料為二氧化硅，其折射率為1.457;多層介質(zhì)層中的高折射率介質(zhì)薄層 (204)的材料為五氧化二鉭，其折射率為2. 0373;金屬薄膜層(205)的材料為金，折射率為 0. 1807+2. 993 ；被測樣品(206)為水溶液，初始折射率為1. 33269，后變?yōu)?. 33270，二者折 射率差 Δη = 0. 00001ο在本實例中，η為2，即多層介質(zhì)層共2η+1 = 5層，該多層介質(zhì)層結(jié)構(gòu)由203和204 交替組成，其中材料為203的薄層共3層，材料為204的薄層共2層。在如圖2所示的傳感器實例中，對多層介質(zhì)層中各薄層的厚度需要進(jìn)行設(shè)計與優(yōu) 化以滿足發(fā)明內(nèi)容所述的覆蓋高折射率介質(zhì)的多層介質(zhì)層結(jié)構(gòu)(如圖3所示)的反射率等 條件，最終得到滿足上述反射率條件的多層介質(zhì)層各薄層厚度的解集。在如圖3所示的結(jié)構(gòu)示意圖中，耦合棱鏡(301)、透明電介質(zhì)基底(302)以及由低 折射率介質(zhì)薄層(303)和高折射率介質(zhì)薄層(304)交替組成的多層介質(zhì)層，其結(jié)構(gòu)組成及 各參數(shù)均與圖2所示結(jié)構(gòu)相同；僅將與多層介質(zhì)層一側(cè)相臨的外部介質(zhì)設(shè)定為無限厚的介 質(zhì)層(305)，該介質(zhì)層的材料的折射率與多層介質(zhì)層中的高折射率介質(zhì)薄層(304)的材料 折射率相同。本實例中圖2和圖3所示的結(jié)構(gòu)在各角度下的反射率均可通過菲涅爾公式計算得 到 公式(1)中，λ是入射光波的波長；θ是傳感器的透明電介質(zhì)基底與多層介質(zhì)層交界面上的入射光的入射角；ni是第i層介質(zhì)的折射率噸是第i層介質(zhì)的厚度；ri,i+1是第 i層與第i+Ι層交界面上的反射系數(shù)；ru是整體結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)；整體結(jié)構(gòu)的反射率R是 Γι, Ν的模平方；N是該結(jié)構(gòu)的總層數(shù)。本實例中，圖2所示結(jié)構(gòu)的N為8，圖3所示結(jié)構(gòu)的N 為7。根據(jù)公式(1)計算得到符合發(fā)明內(nèi)容所述的多層介質(zhì)層的各薄層厚度的解集，再 利用遺傳及模擬退火算法在解集中篩選出使傳感器靈敏度達(dá)到最大的最優(yōu)解。計算得到的 最優(yōu)解如下 在如圖2所示的傳感器實例中，203對應(yīng)的各薄層厚度依次為dl = 365. 3nm、d3 = 297. lnm、d5 = 399. 5nm ；204 對應(yīng)的各薄層厚度依次為 d2 = 117. 2nm、d4 = 125. 9nm ；205 對應(yīng)的最優(yōu)厚度dm = 21. 5nm ；在實際應(yīng)用中，透明電介質(zhì)基底202的厚度一般是毫米級， 在本實例中202的厚度ds = 2mm。上述最優(yōu)解包含在滿足發(fā)明內(nèi)容所述條件的解集中，基于上述最優(yōu)解的多層介質(zhì) 層滿足發(fā)明內(nèi)容所述的反射率條件，其反射率曲線如圖4所示(該曲線基于圖3所示結(jié)構(gòu) 計算得到)。圖4中，在角度(9te+m) =56.丨度到(0te+2m) =61. 1度范圍內(nèi)，反射率始 終大于0.8。其中，m= (10/n)度，θ &是傳感器測量被測樣品并發(fā)生全反射時透明電介質(zhì) 基底與多層介質(zhì)層交界面上的入射光的入射角(以下簡稱全反射角)，全反射角的值 和透明電介質(zhì)基底以及被測樣品的折射率有關(guān)，在本實例中，θ tr = 51. 10度；基于上述最 優(yōu)解的多層介質(zhì)層滿足發(fā)明內(nèi)容所述的各薄層厚度條件nd sin(9tr) ^ λ，其中，n是該 薄層的折射率，d是該薄層厚度，λ是入射到傳感器的光的波長，θ 是全反射角。傳感器靈敏度是指傳感器響應(yīng)相對被測量變化的比值。本實例中，通過表面等離 子體共振峰的半高寬和強(qiáng)度靈敏度這兩個參數(shù)來衡量該傳感器的靈敏度。表面等離子體共振峰的半高寬定義為共振峰反射率曲線上最大值一半處對應(yīng)的 峰寬。半高寬越窄標(biāo)志著共振峰下降沿的斜率越大，也就標(biāo)志著對被測樣品折射率的變化 越敏感，因此可以將其作為衡量傳感器靈敏度的重要指標(biāo)。強(qiáng)度靈敏度是衡量傳感器靈敏度的另一重要指標(biāo)。在其它條件不變的情況下，被 測樣品的折射率改變Δη，表面等離子體共振峰曲線也會隨之變化，具體表現(xiàn)為在相同角度 下得到不同的反射率。強(qiáng)度靈敏度SI定義為反射率差A(yù)i與折射率差Δη之比，即SI= Ai/Δ η(2)利用公式⑴和公式⑵對如圖2所示的傳感器實例進(jìn)行仿真，計算得到的大角 度范圍內(nèi)的反射率曲線如圖5所示。圖5中，在全反射角θ 右側(cè)54. 73度附近出現(xiàn)了一 個尖銳的表面等離子體共振峰，該表面等離子體共振峰的下降沿各點對被測樣品折射率的 變化比較敏感，因此可用于精確傳感。圖5中包含兩條反射率曲線，然而由于被測樣品折 射率的改變非常微小(Δη = 0. 00001)，各角度下的反射率相應(yīng)的變化也非常細(xì)微，因此兩 條反射率曲線非常接近，在大角度范圍內(nèi)難以分辨。這種細(xì)微的變化可以在小角度范圍內(nèi) 觀測到，如圖6所示。圖6中實線和虛線分別代表被測樣品水溶液的折射率發(fā)生變化Δη =0.00001前后的各角度下的反射率，二者的反射率差A(yù)i在圖中豎直點劃線位置θ = 54. 611度處達(dá)到最大，即此角度下的強(qiáng)度靈敏度SI達(dá)到最大，值為94. 50/RIU。在大角度 范圍內(nèi)觀測該角度位置，可知強(qiáng)度靈敏度SI達(dá)到最大的點位于表面等離子體共振峰的左 側(cè)下降沿，即靠近全反射角θ 側(cè)的下降沿，如圖5所示。表面等離子體共振峰的半高寬為0. 421 度。作為對比，基于單層金薄膜層的表面等離子體共振傳感器的靈敏度，通過優(yōu)化計 算，當(dāng)金薄膜層厚度為58. 7nm時，強(qiáng)度靈敏度達(dá)到最大的28. 94/RIU，此時的表面等離子體 共振峰的半高寬為4. 55度。因此，由實例可知，所提出的基于多層介質(zhì)層結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振傳感器比 傳統(tǒng)的基于單層金薄膜層的表面等離子體共振傳感器的強(qiáng)度靈敏度提高了 2. 26倍，半高 寬縮小到原來的9. 3%，并且只增加了總厚度1. 3 iim的多層介質(zhì)層。最后應(yīng)說明的是，以上各附圖中的實例僅用以說明本發(fā)明的高靈敏度表面等離子 體共振傳感器，但非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人 員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精 神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
一種高靈敏度表面等離子體共振傳感器，依次由透明電介質(zhì)基底、低折射率介質(zhì)薄層和高折射率介質(zhì)薄層交替組成的多層介質(zhì)層以及金屬薄膜層組成，傳感器的透明電介質(zhì)基底的一側(cè)與耦合棱鏡相臨，金屬薄膜層的一側(cè)與被測樣品相臨；多層介質(zhì)層中的低折射率介質(zhì)薄層和高折射率介質(zhì)薄層的總層數(shù)需滿足條件2n+1(n為正整數(shù))，其中低折射率介質(zhì)薄層的層數(shù)為n+1，高折射率介質(zhì)薄層的層數(shù)為n，分別與透明電介質(zhì)基底和金屬薄膜層相臨的都是多層介質(zhì)層中的低折射率介質(zhì)薄層；多層介質(zhì)層中的各薄層厚度均不相等，同時各薄層厚度需滿足ndsin(θtr)≤λ，其中，n是該薄層的折射率，d是該薄層厚度，λ是入射到傳感器的光的波長，θtr是傳感器測量被測樣品并發(fā)生全反射時透明電介質(zhì)基底與多層介質(zhì)層交界面上的入射光的入射角；該多層介質(zhì)層的反射率滿足以下條件將傳感器的金屬薄膜層及被測樣品替換為厚度無限且折射率與高折射率介質(zhì)薄層材料的折射率相同的材料時的多層介質(zhì)層的反射率，從(θtr+m)度至(θtr+2m)度范圍內(nèi)必須大于等于0.8，m＝(10/n)度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度表面等離子體共振傳感器，其特征在于，所述結(jié)構(gòu) 中透明電介質(zhì)基底的材料折射率必須小于等于耦合棱鏡的材料折射率，所述透明電介質(zhì)基 底的材料為玻璃、有機(jī)聚合物材料中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度表面等離子體共振傳感器，其特征在于，所述結(jié)構(gòu) 中金屬薄膜層的材料為能夠產(chǎn)生表面等離子體共振效應(yīng)的金屬，包括金、銀、鋁、銅、鈦、鎳、 鉻中的任何一種、或是各自的合金、或是不同金屬層復(fù)合的材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度表面等離子體共振傳感器，其特征在于，所述結(jié)構(gòu) 中金屬薄膜層的厚度介于15nm-100nm之間。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高靈敏度表面等離子體共振傳感器，其特征在于，所述結(jié)構(gòu) 中組成多層介質(zhì)層的高折射率介質(zhì)薄層材料與低折射率介質(zhì)薄層材料的折射率比值必須 大于1. 2。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的多層介質(zhì)層，其特征在于，所述結(jié)構(gòu)中組成多層介質(zhì)層的低 折射率介質(zhì)薄層材料是二氧化硅、氟化鎂、三氧化二鋁中的任何一種，或是低折射率有機(jī)聚 合物材料；所述結(jié)構(gòu)中組成多層介質(zhì)層的高折射率介質(zhì)薄層材料是二氧化鈦、五氧化二鉭、 硅中的任何一種，或是高折射率有機(jī)聚合物材料。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種高靈敏度表面等離子體共振傳感器，該傳感器依次由透明電介質(zhì)基底(2)、低折射率介質(zhì)薄層(3)和高折射率介質(zhì)薄層(4)交替組成的多層介質(zhì)層以及金屬薄膜層(5)組成，傳感器的透明電介質(zhì)基底的一側(cè)與耦合棱鏡(1)相臨，金屬薄膜層的一側(cè)與被測樣品(6)相臨，多層介質(zhì)層中的低折射率介質(zhì)薄層和高折射率介質(zhì)薄層的總層數(shù)為奇數(shù)，且各層厚度均不相等，與透明電介質(zhì)基底和金屬薄膜層相臨的都是多層介質(zhì)層中的低折射率介質(zhì)薄層。該傳感器相比于傳統(tǒng)基于單層金屬薄膜層的表面等離子體共振傳感器，其靈敏度顯著提升，同時多層介質(zhì)層結(jié)構(gòu)相對簡單，總厚度較小，易于加工并降低了成本，因此具有較強(qiáng)的實用價值。
文檔編號G01N21/41GK101865841SQ20101021039
公開日2010年10月20日 申請日期2010年6月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月28日
發(fā)明者劉婭, 卞宇生, 姜宇, 朱勁松, 鄭錚 申請人:北京航空航天大學(xué)