基于光栅狭缝波导复合结构的传感器的制作方法

本发明涉及传感器技术，具体涉及一种基于光栅狭缝波导复合结构的传感器。

背景技术：

目前，生物医学、环境监测、食品安全甚至国防等领域都对高灵敏传感器提出了迫切的需求。光学折射率传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、非标记等特点，因而得到广泛关注和大力发展。通常利用光学共振结构来增强传感灵敏度，通过测试共振峰的频率移动和强度变化来感知被测物的变化。同样被测物变化的条件下，传感器具有更大的频率移动和强度变化代表更高的传感灵敏度，而更窄的共振峰(即更高的品质因子)也有利于提高检测限，因此光学折射率传感器的器件优值的提高需要更高的传感灵敏度和更高的品质因子。

2009年naturephotonics期刊第4卷第46页报道了一种基于微盘结构谐振腔的光学折射率传感器，这种结构的品质因子高达108，可以测到半径仅30纳米的纳米颗粒，然而由于谐振模式光场分布都集中在微盘内部，与外界被测物质的接触非常小，其传感灵敏度很低，限制了器件优值。

2012年naturenanotechnology期刊第7期第379页报道了一种基于金属纳米颗粒的光学折射率传感器，这种结构具有很强的光场局域效果，极大增强了光与被测物的相互作用，实现了非吸收型的单分子探测，然而此结构共振模式的品质因子仅有十几，严重限制了器件优值的提升。

2016年laser&photonicsreviews第10期第962页报道了一种基于超材料吸收器的传感器，通过将微流通道集成到吸收器内部，实现了近完全的光场与被测物的空间重合，获得3.5thz/riu的超高灵敏度，然而其品质因子仅为10左右，同样限制了器件优值。可以看到，以上述例子为代表的现有技术难以实现高传感灵敏度和高品质因子的共存，极大限制了光学折射率传感器的器件优值提升。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于光栅狭缝波导复合结构的传感器，以实现同时具有高品质因子和高传感灵敏度的光学折射率传感器，获得超高的器件优值。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

在一个总体方面，本发明提供一种基于光栅狭缝波导复合结构的传感器，所述传感器包括：

衬底，包括相对的第一表面和第二表面，所述第一表面凹陷以形成第一凹槽，所述衬底还包括至少两个贯穿所述第二表面和所述第一凹槽底面的通孔；

介质层，盖设于所述第一表面上，且所述介质层与所述第一凹槽相对；

金属层，设置于所述第一凹槽底面上且避开所述通孔在所述第一凹槽底面上的开口；其中，所述介质层、所述金属层及所述介质层与所述金属层之间的间隔构成狭缝光波导；

光栅，所述光栅形成于所述介质层上，或者所述光栅形成于所述第一凹槽底面上，或者所述光栅通过所述金属层形成；所述光栅用于使入射光与所述狭缝光波导的模式实现波矢匹配。

优选地，当所述光栅形成于所述介质层上时；所述介质层的背向所述第一凹槽的表面设有多个第二凹槽，多个所述第二凹槽等间距间隔设置以形成所述光栅。

优选地，当所述光栅形成于所述第一凹槽底面上时；所述第一凹槽底面上设有多个第三凹槽，多个所述第三凹槽等间距间隔设置以形成所述光栅，所述金属层连续覆盖所述第一凹槽底面和所述第三凹槽的槽表面。

优选地，当所述光栅通过所述金属层形成时；所述金属层包括设于所述第一凹槽底面上的多个金属块，多个所述金属块等间距间隔设置以形成所述光栅。

优选地，所述衬底的材料包括石英、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基戊烯和聚酰亚胺中的至少一种。

优选地，所述介质层的材料包括硅、砷化镓、石英、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基戊烯或聚酰亚胺中的至少一种。

优选地，所述金属层的材料包括金、银、铜、铝、钛、镍及铬中的至少一种；和/或所述金属层的厚度为0.05μm～0.5μm。

优选地，所述光栅具有一维周期结构或者二维周期结构。

优选地，所述光栅的光栅周期为所述传感器的工作波长的0.2倍～2倍；和/或所述光栅的厚度为0.03μm～10μm。

优选地，所述介质层与所述金属层之间的间隔为所述传感器的工作波长的0.01倍～0.2倍。

当所述光栅形成于所述介质层上或者所述光栅形成于所述第一凹槽底面上时，所述金属层覆盖所述第一凹槽底面的除所述开口之外的其余部分。

与现有技术相比，本发明的优点至少在于：

(1)通过将金属层和介质层组装起来并在其间形成狭缝(即金属层与介质层之间的间隔，即微流通道)，获得光场高度局域在狭缝的狭缝光波导，同时把狭缝作为被测物流入流出的微流通道，使得高度局域的光场与被测物在空间上充分重叠即相互作用，提高传感灵敏度；同时，

(2)采用光栅将入射光与狭缝光波导的模式进行共振耦合，通过调节光栅及波导结构，实现极低损耗的共振透射或反射，提高品质因子。最终，在同一个传感器结构中同时获得了高传感灵敏度和高品质因子，因此实现了极高的器件优值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例一的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器的剖视结构示意图；

图2为图1中光栅部分的俯视结构示意图；

图3(a)为本发明实施例一的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器对应不同折射率n1的被测液体情况下的计算反射谱；

图3(b)为本发明实施例一的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器对应n1＝1.3和1.5的被测液体有0.002折射率变化情况下的计算反射谱；

图3(c)为本发明实施例一的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器结构在n1＝1.5时共振峰对应的电场密度的空间分布；

图4为本发明实施例二的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器的剖视结构示意图；

图5为图4中光栅部分的俯视结构示意图；

图6为本发明实施例二的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器对应不同折射率n1的被测液体情况下的计算透射谱；

图7为本发明实施例三的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器的剖视结构示意图；

图8为图7中光栅部分的俯视结构示意图；

图9(a)为本发明实施例三的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器对应不同折射率n1的被测液体情况下的计算透射谱；

图9(b)为本发明实施例三的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器对应87号、89号和93号汽油作为被测液体情况下的计算透射谱；

图10为本发明实施例四的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器的剖视结构示意图；

图11为图10中光栅部分的俯视结构示意图；

图12为本发明实施例四的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器对应不同折射率n1的被测液体情况下的计算透射谱。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行详细地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护范围。

本实施例的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器，其至少包括衬底、金属层、光栅及介质层。其中，衬底上设有第一凹槽，金属层覆盖于第一凹槽底面上，介质层盖设于衬底上、且介质层与第一凹槽相对，金属层与介质层之间具有一定间隔，该间隔形成液体流动的微流通道，金属层、介质层及两者之间的间隔(即微流通道)一起构成狭缝光波导，具有波导模式局域在微流通道内的特性。必然的，衬底上设有贯通至所述微流通道的通孔，该通孔用于引入液体。

光栅用于辅助所设定频率的入射光与狭缝光波导的模式实现波矢匹配，从而获得两者的共振耦合，因此，本发明的光栅可形成于介质层上、或第一凹槽的地面(即衬底上)、或通过金属层形成，其均可达到辅助的作用。在光栅制作过程中，如果光栅太薄，则作用太弱，但太厚可能浪费材料、增加损耗，因此，优选的，光栅厚度为0.03～10微米；另外光栅为周期性结构，其周期优选为传感器工作波长的0.2～2倍，其可以为一维或者二维平面周期结构。

金属层材料可以为金、银、铜、铝、钛、镍和铬之中的任意一种或两种及以上的组合，优选的，其厚度为0.05～0.5微米。

介质层材料包括硅、砷化镓、石英、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基戊烯和聚酰亚胺等低吸收损耗材料中的任意一种或两种及以上的组合；优选的，为其中单一一种。

衬底材料包括石英、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚甲基戊烯和聚酰亚胺等低折射率材料中的任意一种，应当说明的是，当光栅为设于衬底上的透射光栅时，要求衬底的材料为低折射率材料，但对其他类型均不做限定。

金属层与介质层之间的间隔可形成封闭的微流通道，在实际应用过程中发现，如果微流通道太小，则流体不容易注入，也会降低光场与流体的接触；但若微流通道太大，则导致波导中模式太多，共振峰会太多，不容易检测一个特定峰的移动，因此，优选的，本实施例的微流通道高度为传感器工作波长的0.01～0.2倍。

通过上述传感器结构的设置，本实施例的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器其获得的品质因子大于1000；进一步的，所述传感器的器件优值大于或等于140。

下面结合若干较佳实施例及相关附图对本发明的技术方案进行详细说明：

实施例一

参照图1和图2所示，作为上述光栅形成的一种方式，本实施例的光栅为形成于介质层上的反射型光栅。具体的，本实施例的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器的制备过程为：

参照图1，在本实施例的衬底1上通过微加工制备出一个中间部分凹下的第一凹槽；并在第一凹槽的底面制备出连续的金属层2。

在第一凹槽底面的边缘处制备穿透衬底1的通孔3，所述通孔3分别为液体输入口和输出口。可理解的是，输入口和输出口用于被测液体的输入和输出，则其必然与微流通道6贯通，其中贯通的方式可通过两种方式进行，一种是在制备连续的金属层2时避开输入口和输出口；另一种可在完成连续的金属层2的制备后，设置输入口和输出口并使得输入口和输出口直接贯穿金属层2以与微流通道6贯通。

结合图1和图2所示，在介质层4表面制备光栅5。其中光栅5包括刻写于介质层4上表面的多个第二凹槽51，多个第二凹槽51等间距间隔设置，以在介质层4表面形成反射型光栅，入射光7经反射后形成反射光8。必然的，每相邻的两个第二凹槽51之间形成一个凸起52，则多个第二凹槽51之间形成多个等间距的多个凸起52，其中形成的光栅5与金属层2相对。

最后将介质层4远离光栅5的面与衬底1设有第一凹槽的面相对组装起来，并使得金属层2与介质层4之间形成间隔，即形成微流通道6，完成整个传感器的制备。

优选地，参照图1，本实施例中衬底1的材料可采用硅；金属层2的材料可采用铜，金属层2厚度为0.2μm；介质层4的材料可采用硅，介质层4的厚度为45μm(不包括光栅条厚度)，所述介质层4可由硅片或者绝缘衬底上的硅(soi)为基础制备出此薄膜；光栅中的凸起52形成于介质层4上，同为硅材料，高度为5μm，参照图2所示，本实施例的光栅5采用一维周期结构，光栅5的周期为160μm，其中两相邻第二凹槽51之间的凸起52(即光栅条宽度)宽度为40μm；微流通道6的高度为20μm。

图3(a)是通过本实施例的传感器计算微流通道6中不同折射率n1的被测液体情况下的反射谱，折射率1.3到1.8覆盖绝大多数常用液体被测物的范围。可看出，反射谱中都有很窄的共振峰，品质因子均高于1000。例如，以液体折射率为n1＝1.5为例，共振峰中心频率f0为0.94thz，共振峰的半高宽fwhm为6.25×10^-4thz，由于品质因子q为共振峰中心频率f0与共振峰半高宽fwhm的比值，即q＝f0/fwhm，因此当液体折射率为n1＝1.5时，得到的品质因子q为1504，其远大于现有的表面等离激元和超材料等机制的光学传感器。

参照图3(b)，对于进一步获得频率移动传感灵敏度和强度传感灵敏度，本实施例通过被测液体折射率的微小变化来获得，当该微小变化(即折射率变化)为0.002时，可以看到共振峰明显的频率移动，其中，共振频率变化△f和光谱强度变化δi。其中，光学传感器有两种传感方式，一种是通过光谱峰位移动来传感，其频率移动传感灵敏度sf为共振频率变化△f与折射率变化△n的比值，即sf＝△f/△n；另一种是通过光谱强度变化来传感，其强度传感灵敏度si为光谱强度变化△i与折射率变化△n的比值，即si＝△i/△n；经过计算，在n1＝1.3和1.5，微小变化(即折射率变化)均为0.002时，频率移动传感灵敏度分别为232ghz/riu和248.5ghz/riu(riu代表每个折射率单位)，强度传感灵敏度分别为170/riu和350/riu。具体的，以n1＝1.3为例进行说明，在n1＝1.3和1.302时，共振峰的中心频率分别为990.510ghz和990.046ghz；而在n1＝1.3的共振峰中心频率990.510ghz处，n1＝1.3和1.302的强度分别是0.34和0.68；因此，计算得到的频率移动传感灵敏度sf和强度传感灵敏度si分别为232ghz/riu和170/riu。

于此同时，本实施例的器件优值(fom)超过250，其中器件优值为频率移动传感灵敏度sf与共振峰半高宽fwhm的比值，即fom＝sf/fwhm，即fom＝(sf×q)/f0。具体的，以n1＝1.5为例，sf＝248.5ghz/riu，q＝1504，f0＝0.94thz，得到的fom＝397.6，该值达到2016年laser&photonicsreviews第10期第962页报道的超材料传感器的40倍以上。

图3(c)是n1＝1.5时共振峰对应的电场密度的空间分布，白色虚线内为微流通道，可以看到大部分电场都局域在微流通道内，因此与被测液体具有很强的相互作用。

实施例二

参照图4和图5所示，作为上述光栅形成的一种方式，本实施例的光栅为形成于衬底上的反射型光栅。具体的，本实施例的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器的制备过程为：

参照图4，在本实施例的衬底1表面通过微加工制备出一个中间部分凹下的第一凹槽；并在第一凹槽的底面制备出光栅5；其中光栅5包括刻写于第一凹槽的底面的多个第三凹槽51’，多个第三凹槽51’等间距间隔设置，以在衬底1的第一凹槽的底面上形成反射性光栅，入射光7经反射后形成反射光8。必然的，每相邻的两个第三凹槽51’之间形成一个凸起52，则多个第三凹槽51’之间形成多个等间距的多个凸起52。

在形成的光栅5上沉积连续的金属层2，即金属层2连续覆盖第一凹槽底面和第三凹槽的槽表面；在第一凹槽底面的边缘处制备穿透衬底1的通孔3，所述通孔3分别为液体输入口和输出口。同样的，输入口和输出口用于被测液体的输入和输出，则其必然与微流通道6贯通，其中贯通的方式可通过两种方式进行，一种是在制备连续的金属层2时避开输入口和输出口；另一种可在完成连续的金属层2的制备后，设置输入口和输出口并使得输入口和输出口直接贯穿金属层2以与微流通道6贯通。

最后将介质层4与衬底1设有第一凹槽的面相对组装起来，在金属层2与介质层4之间形成间隔，即形成微流通道6，完成整个传感器的制备。

优选地，参照图4，本实施例中衬底1可采用硅；光栅5制备在衬底1的第一凹槽的底面，光栅5高度为4μm，采用一维周期结构，周期为160μm，考虑光栅5制备工艺中可能存在的误差，假设光栅条为底角60度的等腰梯形，则下底面宽度为75μm，上表面宽度为70.4μm；金属层2的材料可采用铜，金属层2的厚度为0.2μm，共形贴覆在光栅5表面；介质层4的材料可采用硅，厚度30μm，可由硅片或者绝缘衬底上的硅(soi)为基础制备出此薄膜；微流通道6的高度为30μm。

图6是通过本实施例的传感器计算微流通道6中不同折射率n1的被测液体情况下的反射谱。可看出，反射谱中都有很窄的共振峰，品质因子均高于1000。通过计算(计算方式参照实施一)，其在n1＝1.3时的频率移动传感灵敏度达到438ghz/riu，品质因子为1879，因此器件优值高达692。而且可以看到在n1从1.3到1.9变化之间，共振峰的反射都达到零，厚金属膜又保证了没有透射发生，因此所有入射光均被局域在传感器共振结构中，实现了与被测液体极强的相互作用。在强度变化做传感应用时保证了在更大折射率测试范围的高灵敏度。

实施例三

参照图7和图8所示，作为上述光栅形成的一种方式，本实施例的光栅通过金属层形成，形成一维的金属光栅，其为透射型光栅。具体的，本实施例的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器的制备过程为：

参照图7，在本实施例的衬底1表面通过微加工制备出一个中间部分凹下的第一凹槽；并在衬底1的第一凹槽的底面上制备出金属层2；其中，金属层2包括多个金属条21，多个金属条21等间距间隔设置，以形成金属光栅5。

在第一凹槽底面的边缘处制备穿透衬底1的通孔3，所述通孔3分别为液体输入口和输出口。同样的，输入口和输出口用于被测液体的输入和输出，则其必然与微流通道6贯通，其中贯通的方式可通过两种方式进行，一种是在制备连续的金属层2时避开输入口和输出口；另一种可在完成连续的金属层2的制备后，设置输入口和输出口并使得输入口和输出口直接贯穿金属层2以与微流通道6贯通。

最后将介质层4与衬底1面相对组装起来，在金属层2与介质层4之间形成间隔，即形成微流通道6，完成整个传感器的制备。入射光7经金属条21反射后形成反射光8，入射光7经两金属条21之间的间隙透射形成透射光9。

优选的，参照图7，本实施例中衬底1可采用高密度聚乙烯；光栅5为金属光栅，通过衬底1上面的金属层2形成，其中金属层2的材料可采用铝，厚度为0.2μm，采用一维周期结构，周期140μm，金属条宽度为139μm；介质层4的材料可采用硅，厚度30μm，可由硅片或者绝缘衬底上的硅(soi)为基础制备出此薄膜；微流通道6的高度为50μm。

图9(a)是通过本实施例的传感器计算微流通道6中不同折射率n1的被测液体情况下的透射谱。可看出，透射谱中都有很窄的共振峰，品质因子均高于1000。通过计算，频率移动传感灵敏度达到380ghz/riu，品质因子最高为2400，对应的器件优值高达180。

图9(b)是通过本实施例的传感器以87号、89号和93号汽油为被测物计算的透射谱，可以看到三种汽油的透射谱有明显差异，例如，在1.27thz处87号和89号汽油的透射强度差了74％，远高于2012年appliedoptics期刊第51期第3258页发表的金属纳米孔传感不到1％的强度变化，体现了在石油勘探和检测方面的潜在应用。

实施例四

参照图10和图11所示，作为上述光栅形成的一种方式，本实施例的光栅通过金属层形成，形成二维的金属光栅。本实施例与实施例三的区别仅在于，实施例三中形成的光栅为一维结构，而本实施例形成的光栅5为二维机构，对于二维结构的形成，是将实施例三中等间距间隔设置的金属条替换为多个等间距间隔设置的金属块，多个金属块阵列排布，以此实现二维目的。

优选的，本实施例中的衬底1可采用高密度聚乙烯；光栅5为通过金属层2形成的金属光栅，其中金属层2的材料可采用铝，厚度为0.2μm，采用二维周期结构，周期140μm，金属块宽度为139μm；介质层4的材料可采用硅，厚度30μm，可由硅片或者绝缘衬底上的硅(soi)为基础制备出此薄膜；微流通道6的高度为50μm。

图12是通过本实施例的传感器计算微流通道6中分别通入不同折射率n1的被测液体情况下的透射谱。可看出，透射谱中都有很窄的共振峰，品质因子均高于1000。通过计算，频率移动传感灵敏度达到398ghz/riu，器件优值为140。体现了在物质检测方面的潜在应用。

本发明的基于光栅狭缝波导复合结构的传感器，通过将金属层和介质层组装起来并在其间形成狭缝(即金属层与介质层之间的间隔，即微流通道)，获得光场高度局域在狭缝的狭缝光波导，同时把狭缝作为被测物流入流出的微流通道，使得高度局域的光场与被测物在空间上充分重叠即相互作用，提高传感灵敏度；同时，采用光栅将入射光与狭缝光波导的模式进行共振耦合，通过调节光栅及波导结构，实现极低损耗的共振透射或反射，提高品质因子。最终，在同一个传感器结构中同时获得了高传感灵敏度和高品质因子，因此实现了极高的器件优值。

本发明所揭示的乃较佳实施例的一种或多种，凡是局部的变更或修饰而源于本发明的技术思想而为熟习该项技术的人所易于推知的，俱不脱离本发明的专利权范围。所给实施例都是在太赫兹波段工作，但完全可以推广到红外和可见光等波段。