专利名称：一种基于负折射光子晶体开放腔的生物传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及生物传感器技术领域，特别是涉及一种基于负折射光子晶体开放腔的生物传感器。
背景技术：
生物传感器是由生物、化学、物理、医学、电子技术等多种学科互相渗透成长起来的高新技术，是一种将生物感应元件的专一性与一个能够产生和待测物浓度成比例的信号传导器结合起来的分析装置。由于其具有选择性好、灵敏度高、分析速度快、成本低、能在复杂体系中进行在线连续监测的特点，已在生物、医学、环境监测、食品、医药、及军事医学等领域显示出广阔的应用前景，引起了世界各国的极大关注。
在众多生物传感器中，由于生物光学传感器具有非破坏性的操作模式、较高的信号产生与读取速度，加上近年来光纤技术的发展与应用，使生物光学传感器的探测方式和应用领域都得到极大的扩展，成为众人瞩目的焦点。
传统的生物传感器乃至生物光学传感器的检测机理主要还是分析透过分析样本的透射光，通过对透射光的强度变化或者光谱分析进行检测。传统的生物光学传感器对生物样本(例如血液)需求量大，一般还需要对样品进行预处理，同时测定时一般需加人其它试剂，而由此又带来生化反应过慢，并行处理能力弱等缺点。
光子晶体结构是由Yablonovich和John分别在1987年提出了，之后人们对光子晶体进行了深入研究。2000年Notomi等人提出光子晶体在布里源区的中心位置的具有负的有效折射率，开辟了光子晶体研究的又一方向。开放腔结构是Notomi在2000年首先提出来的，其基本思想就是利用正负折射率介质使得光程抵消，但是Notomi提出的这种开放腔结构是由一个矩形结构实现的，有着很高的反射，从而这种开放腔不能工作。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于负折射光子晶体开放腔的生物传感器。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是覆在介质基底板上的介质材料板上等分刻制有三个顶角为60°楔角负折射光子晶体和三个正三角形空气槽组成。
所述的顶角为60°楔角负折射光子晶体为具有负折射特性的三角形排列形式晶格结构。
所述的具有负折射特性的三角形排列形式晶格为空气圆孔结构。
本发明具有的有益效果是1.这种60°楔角的光子晶体结构，能够保证光子晶体与空气界面反射很小，从而基于这种结构的开放腔有很好的性能；2.利用共振波长随着折射率变化而变化实现的传感器，灵敏度非常高，能够测量折射率的微弱变化；3.响应快，样品的用量相当小，可以实现微创测量；4.采用的空气槽相对体积比较大，适合于样品的流动，有利于实时测量；5.采用平板印刷技术的制造方法，又能够在一个芯片上集成多个相同器件而达到同时探测多个分析物的目的。这样就大大提高了器件的并行处理能力，从而再一次提升了生化检测速度；6.传感器连同测定仪的成本远低于大型的分析仪器，便于推广普及。
图1是本发明光子晶体开放腔的生物传感器的结构示意图；图2是本发明光子晶体开放腔的生物传感器的Y剖面截面示意图；图3是本发明的负折射光子晶体结构的第二能带的等频率分布曲线；图4是本发明的光子晶体开放腔的频谱响应示意图；图5是本发明的光子晶体开放腔在共振波长下的模式分布图；图6是本发明的光子晶体开放腔生物传感器的共振波长及品质因素随折射率变化示意图。
具体实施例方式
如图1、图2所示，覆在介质基底板4上的介质材料板1上等分刻制有三个顶角为60°楔角负折射光子晶体2和三个正三角形空气槽3组成。
所述的顶角为60°楔角负折射光子晶体2为具有负折射特性的三角形排列形式晶格结构。
所述的具有负折射特性的三角形排列形式晶格为空气圆孔5结构。
所述光子晶体介质材料可以为砷化镓、磷化铟、氧化铝、硅等。
首先要确定开放腔的光子晶体的结构，使这个结构具有负折射特性。选取三角形空气孔光子晶体结构，通过能带计算可以发现，在空气孔的半径r取为0.4a(a为晶格周期)时，从图3中可以看出，在第二能带有显著的负折射特性。对于E偏振(电场平行于图2中z方向)，图3的等频率曲线接近于一个圆，表明在0.3(c/a)到0.315(c/a)这个频率范围内，光子晶体结构可以被看成是一个各向同性的介质，整个结构具有等效折射率。当频率为0.30(c/a)时，等效折射率Neff接近于-1。
已有研究表明，当入射角沿着与光子晶体与空气槽分界面方向平行的平面时，界面反射很大，而当入射角沿着与光子晶体与空气槽分界面方向垂直的平面时，界面反射则很小。因此，可以设计出如图1所示的由三个60°楔形负折射光子晶体结构和三个60°空气楔组成的开放腔结构。这种60°楔形结构的设计是保证所有的分界面都是与入射方向垂直的，这样就能保证光子晶体与空气槽的六个分界面的反射都很小，从而能够保证主要的能量都集中在空气楔中。从光程的角度来看，就是光在腔内走一圈，整个光程为0，正负折射率部分相抵消，从而能在某个频率产生共振。采用空气楔的另一个优点在于，与传统共振腔相比，这种空气槽的体积相对较大，能够适合于样品的流动，有利于实时测量。
对于负折射光子晶体开放腔的特性分析，可以采用时域有限差分(FDTD)方法。空气楔与光子晶体楔的分界面由图1中的三个三角形的顶角座标D1、D2、D3决定。作为简单的实施方案，考虑D1、D2、D3对称的结构，三个三角形顶点到坐标原点的距离都为d。通过利用FDTD方法可以确定当d＝0.49时，负折射光子晶体开放腔结构具有最高的品质因子Q。图4给出了d＝0.49时，负折射光子晶体开放腔结构的频谱响应，可以看出共振频率为0.309657(c/a)，品质因子为Q＝1254。在知道共振频率后，整个结构对应的模式分布就可以通过在这个共振频率下用FDTD得到。图5所示为负折射光子晶体开放腔在共振频率为0.309657(c/a)时的模式分布，可以看出主要能量都集中在三个空气楔中，因此空气楔中的待测物的折射率变化引起的共振波长的漂移及品质因子的变化最为明显。此时就可以利用共振波长随着折射率变化而变化来实现测量，灵敏度非常高，能够测量折射率的微弱变化。
图6给出了基于负折射光子晶体开放腔的生物传感器测量生物样品折射率变化的结果图。从图中可以看到折射率的微弱变化就会引起共振波长的显著漂移。通过测量共振波长就可以确定相应的折射率。
权利要求
1.一种基于负折射光子晶体开放腔的生物传感器，其特征在于覆在介质基底板(4)上的介质材料板(1)上等分刻制有三个顶角为60°楔角负折射光子晶体(2)和三个正三角形空气槽(3)组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于负折射光子晶体开放腔的生物传感器，其特征在于所述的顶角为60°楔角负折射光子晶体(2)为具有负折射特性的三角形排列形式晶格结构。
3.根据权利要求2所述的一种基于负折射光子晶体开放腔的生物传感器，其特征在于所述的具有负折射特性的三角形排列形式晶格为空气圆孔(5)结构。
全文摘要
本发明公开了一种基于负折射光子晶体开放腔的生物传感器。包括覆在介质基底板上的介质材料板上等分刻制有三个顶角为60°楔角负折射光子晶体和三个正三角形空气槽组成。这种光子晶体结构具有负折射特性，从而与正三角形空气槽构成一个零光程的闭合路径，同时在光子晶体与空气的分界面上有很高的透射率，因而这种开放腔能够在某个波长产生共振，并具有相当高的品质因子。在空气槽中注入某种待测物，待测物的折射率的变化会引起共振波长的偏移，通过测量波长测得待测物的折射率的变化。本发明采用完全开放的共振腔结构，待测物填充满三个空气槽，从而能保证样品的流动性，易于实现实时测量，同时这种结构具有很小的体积，需要的待测物的量非常小。
文档编号G01N21/01GK1715879SQ200510050880
公开日2006年1月4日 申请日期2005年7月28日 优先权日2005年7月28日
发明者何赛灵, 阮智超, 时尧成 申请人:浙江大学