本发明属于生物光子传感技术领域，具体涉及一种高精度液体折射率传感器。
背景技术：
液体是自然界物质的基本形态之一，液体折射率是反映液体物理性能的一个重要参数。液体的纯度或浓度通常对其折射率有直接影响，因而快速、准确获得液体的折射率，对于化学分析、医学诊断、环境监测、食品生产等诸多领域具有十分重要意义。通常，测量液体折射率的方法有多种，如阿贝折射法、迈克尔逊干涉法、表面等离子法等，但这些方法通常存在测量精度差、或环境影响大、或器件结构复杂等缺点。
近年来，人们提出了各种基于光栅结构的液体折射率传感器，如波导光栅型液体折射率传感器、光纤光栅型液体折射率传感器、布拉格光栅型液体折射率传感器等，但是，这些传感器通常存在测量范围小、或测量精度低、或成本费用高等突出问题，因而在实际应用中受到诸多限制。
基于此，本发明专利采用亚波长光栅与微流体通道集成式结构，设计一种新型液体折射率传感器，该器件具有测量精度高、结构简单、测量简便、易于集成等优势，在医药、生物、工业等领域中具有广泛应用前景。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种高精度液体折射率传感器。该传感器由基片、亚波长光栅与微流体通道构成。微流体通道位于两亚波长光栅之间，在微流体泵驱动下待测液体在微流体通道内流动。当微流体通道内待测液体的折射率发生变化时，由于亚波长光栅的导模共振效应，因而其透射谱中心波长将会发生改变，其波长改变量与液体折射率变化量密切相关。通过测量其透射谱中心波长，从而便获得液体的折射率。该器件具有测量精度高、结构简单、测试简便、易于与生物芯片集成等诸多优点。
本发明技术方案如下：一种用于液体折射率测量的传感器，如图1和图2所示，其中图1为器件俯视图，图2为器件横截面图。所述传感器由基片（1）、光栅（5）和微流体通道（4）构成。待测液体由微流体通道（2）左侧注入，流经光栅区微流体通道（4），然后待测液从微流体通道（3）右侧流出。入射光的偏振态为ｔｍ波，其入射光与光栅法线n之间的夹角为θ。
所述传感器的光栅周期为t，光栅槽深为h，光栅台阶宽度为d，光栅间距为w。基片材料折射率为ns，光栅介质材料折射率为nh，待测液体折射率为nl。
所述光栅周期t小于入射光波长，光栅的介质材料为单晶硅，基片材料为光学玻璃。
所述入射光为近红外光，其波长范围约为1525~1565nm。
所述折射率传感器可采用光学光刻和反应离子刻蚀方法制备，与传统亚波长光栅制作类似，这里不再详细介绍工艺流程。
本发明的工作原理是：待测液体在微流体泵驱动下从微流体通道（2）左侧注入，然后流入微流体通道（4）。当光波入射到光栅时，光波会发生反射与透射。在一定入射条件和光栅结构参数下，光波衍射会产生共振异常现象，其反射和透射光谱是窄带宽光谱。当待测液体的折射率发生改变时，这相当于改变了光栅的结构参数，从而光栅的光学性能也发生相应变化，因此透射谱的中心波长将会发生改变，这表明中心波长的变化与液体折射率密切相关。通过标定光栅透射谱的中心波长与液体折射率的关系。当待测液体注入微流体通道时，测量透射谱的中心波长，利用透射谱中心波长与液体折射率之间的变化曲线，从而可获得其待测液体的折射率。
本发明提出的液体折射率传感器，是一种基于亚波长光栅结构的新型光学传感器，易于与各种微流体芯片集成，在医学诊断、化学分析、环境监测、食品安全等领域中具有广泛应用前景。
附图说明
图1是本发明提供的液体折射率传感器的俯视结构示意图。
图2是本发明提供的液体折射率传感器的横截面结构图。
图3是本发明提供的液体折射率传感器的透射谱随待测液体折射率的变化关系。
图4是本发明提供的液体折射率传感器的透射谱中心波长随待测液体折射率的变化关系。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步的说明。这里采用近红外光为入射光，其波长范围约为1525~1565nm，偏振态为tm波，入射平面在x-z平面，入射角θ为1°，光栅的周期t、槽深h、台阶宽度d别为0.60μm、0.45μm、0.45μm，间距w为0.80μm。基片材料采用折射率为1.5的光学玻璃。光栅介质材料为单晶硅，其折射率为3.48。
这里采用傅立叶模式法对本发明提供的液体折射率传感器的性能进行模拟分析。这里假定待测液体的折射率的变化范围为1.33~1.41。传感器的透射谱随液体折射率变化如图3所示。由图3可以看出，随着测量液体折射率的增大，透射谱中心波长向长波方向移动，其波长变化范围可达28nm。其次，透射谱峰值功率变化很小，且均接近等于1，这有利于提高光利用效率。需要特别指出的是，透射谱的带宽变化很小，且始终小于0.03nm，这对于实现折射率高精度测量十分重要。经计算，该传感器的灵敏度为350nm/riu，品质因数始终大于50000。
透射谱中心波长λ0随微流体折射率变化关系如图4所示。由图可以看出，透射谱中心波长与微流体折射率基本上成线性关系，这十分有利于对液体折射率的精确测量。
本发明所提出的一种液体折射率传感器，具有结构简单、测量简便、测量精度高、易于集成等优势，在医药、生物、工业等领域中具有广泛应用前景。