高性能折射率传感器的制作方法

本发明涉及生物检测技术领域，特别是涉及了一种高性能折射率传感器，可应用于化学分析、生物检测以及食品加工监测等方面。

背景技术：

目前化学分析、生物检测以及食品加工监测方面对高性能传感器的需求越来越高。在传感探测系统中，传感器通常用来进行气体分析、生物信号检测。但由于传统的传感器体积大，测量精度不高无法满足当代生物检测等方面的需求。因此研究高灵敏度、高集成度的传感器成为当前传感探测系统的一大挑战。

近年来，表面等离激元(spp,surfaceplasmonpolaritons)是一种局域在金属与介质分界面的局域电磁模式，光频段的电磁波与金属中的自由电子的振荡耦合，将电磁场的能量限制在比光波长更小的尺度内。该模式的振荡频率由金属与其周围环境的折射率共同决定，因此对周围环境的折射率非常敏感。通过探测由周围折射率变化引起的等离激元谐振模式的变化形成的表面等离激元谐振(spr,surfaceplasmonresonance)折射率探测器是一种非接触式的、实时和不需要荧光标记的新型探测器。近20年以来，其在疾病诊断、生物化学研究与应用和环境监控等领域取得了非常大的成功。该探测器中的表面等离激元激发一般通过棱镜耦合或光栅耦合等方式将入射探测光与表面等离激元的传播常数匹配以激发表面等离激元。因此设计一款能够易于激发等离激元谐振，同时能够实现高灵敏度、高集成度的折射率传感器对于现代探测传感系统的发展至关重要。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种高性能折射率传感器，利用局域性表面等离元与环磁偶极子响应相结合的结构，实现高品质因数的环磁偶极子响应，可以高效率的检测周围环境折射率的变化。同时本发明能够实现高集成度的传感器结构用于现代探测传感系统。

本发明解决上述问题所采用的技术方案是：

所述传感器包括从上到下依次布置的顶层、介质层s和底层；顶层包括多组顶金属贴片，八组顶金属贴片绕介质层s中心沿圆周周向间隔均布，每组顶金属贴片主要由沿介质层s中心同一径向方向间隔布置的一对条形的顶贴片p1与p2构成，一对顶贴片p1与p2在相互相远离的末端端部均连接设置一个焊盘d，所有组顶金属贴片各自的一对顶贴片p1与p2中靠近介质层s中心的顶贴片p2均位于同一圆周位置，所有组顶金属贴片各自的一对顶贴片p1与p2中远离介质层s中心的顶贴片p1均位于同一圆周位置；底层也包括八组底金属贴片，八组底金属贴片绕介质层s中心沿圆周周向间隔均布，每组底金属贴片主要由沿介质层s中心径向方向布置的一条条形的底贴片p3构成，底贴片p3在两末端端部均连接设置一个焊盘d，所有组底金属贴片的底贴片p3均位于同一圆周位置；介质层s为圆柱形结构，介质层s上布置有金属过孔t，顶层的顶金属贴片和底层的底金属贴片通过贯穿过介质层s的金属过孔t上下连接：各个组顶金属贴片中靠近介质层s中心的顶贴片p2靠近介质层s中心末端的焊盘d经金属过孔t和各个组底金属贴片的底贴片p3靠近介质层s中心末端的焊盘d连接，各个组顶金属贴片中远离介质层s中心的顶贴片p1远离介质层s中心末端的焊盘d经金属过孔t和各个组底金属贴片的底贴片p3远离介质层s中心末端的焊盘d连接。

所有组底金属贴片的底贴片p3长度相同，且各组顶金属贴片中的一对顶贴片p1与p2构成整体的长度相同。

每组顶金属贴片中的顶贴片p1长度与顶贴片p2长度相同。

所述的顶层的顶金属贴片的组数和底层的底金属贴片的组数相同一致。

所述的介质层s采用f4b板材。

本发明用于化学分析、生物检测和食品加工监测等中。

本发明中的传感器采用了完全对称的设计结构，如果用空间电磁波进行激发，等离激元模式不受入射角度的影响，提高了传感器的性能。本发明是小型化、高灵敏度的高性能折射率传感器设计，在化学分析、生物检测以及食品加工监测领域应用价值巨大。

本发明适用于高频段折射率传感器以及生物传感，灵敏度极佳，易于检测信号。利用点源进行激励时，在谐振频率处可以实现品质因数很高的谐振峰，可以通过偶极子天线检测辐射能量，在谐振频率处可以检测到峰值。通过改变传感器结构的结构尺寸以及传感器周围环境折射率，可以改变谐振峰值，通过频率变化量可以确定外界参数改变。

本发明的有益效果是：

本发明实现高灵敏度的折射率传感器的设计，适用于现代探测传感系统，具有高灵敏度，高集成度等优势。在谐振频率处形成谐振，谐振的品质因数为50，随着环境折射率的变化，本发明中的传感器具有0.78ghz/refractiveindexunit的灵敏度，解决现代探测传感系统中传感器灵敏度不高、体积过大等的技术问题。

本发明传感器大小为1/2波长，厚度为0.04波长，大大减小了传感器的尺寸，提高了集成度，使其在新一代探测传感系统中的应用成为可能。

本发明采用完全对称设计，使得不同角度入射的电磁波均能激发等离激元谐振模式，提高了其在新一代探测传感系统中应用的可能。

综合来说，本发明适用于小型化、高灵敏度的高性能折射率传感器设计，在化学分析、生物检测以及食品加工监测领域应用价值巨大。

附图说明

图1是本发明实施例的传感器三维结构图；

图2是本发明顶部金属结构视图；

图3是本发明底部金属结构视图；

图4是本发明金属过孔结构视图；

图5是本发明开口谐振环结构在4.2ghz时电流分布图；

图6是本发明传感器结构的反射参数曲线图；

图7是本发明传感器结构的传输参数曲线图；

图8是金属贴片长度对反射参数的影响曲线图；

图9是金属过孔长度对反射参数的影响曲线图；

图10是仿真情况下环境折射率变化对反射参数的影响曲线图；

图11是实验情况下环境折射率变化对反射参数的影响曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

本发明具体实施的传感器结构分为三层，包括介质层和介质层上下两侧的无耗金属层，金属层均为金属贴片结构，上下两层金属间分布有16个金属过孔，连接上下两层金属贴片结构。

如图1所示，具体的传感器包括从上到下依次布置的顶层、介质层s和底层；顶部贴片p1、p2,底部贴片p3，顶部贴片与底部贴片通过金属过孔t连接，贴片与金属过孔连接处有焊盘d。

介质层s为圆柱形结构，顶层布置在介质层s的圆形顶面，底层布置在介质层s的圆形底面。

如图2所示，顶层包括多组顶金属贴片，八组顶金属贴片绕介质层s中心沿圆周周向间隔均布，每组顶金属贴片主要由沿介质层s中心同一径向方向间隔布置的一对条形的顶贴片p1与p2以及设置在顶贴片端部的焊盘构成，一对顶贴片p1与p2在相互相远离的末端端部均连接设置一个焊盘d，所有组顶金属贴片各自的一对顶贴片p1与p2中靠近介质层s中心的顶贴片p2均位于同一圆周位置，所有组顶金属贴片各自的一对顶贴片p1与p2中远离介质层s中心的顶贴片p1均位于同一圆周位置；例如图2所示，顶贴片p1径向的外端连接设置一个焊盘d，且所有顶贴片p1的该焊盘d处于同一圆周，且沿该圆周间隔均布；顶贴片p2径向的内端连接设置一个焊盘d，且所有顶贴片p2的该焊盘d处于同一圆周，且沿该圆周间隔均布。

如图3所示，底层也包括八组底金属贴片，八组底金属贴片绕介质层s中心沿圆周周向间隔均布，每组底金属贴片主要由沿介质层s中心径向方向布置的一条条形的底贴片p3以及设置在底贴片端部的焊盘构成，底贴片p3在两末端端部均连接设置一个焊盘d，所有组底金属贴片的底贴片p3均位于同一圆周位置；例如图2所示，底贴片p3径向的外端连接设置一个焊盘d，且所有底贴片p3的该外端的焊盘d处于同一圆周，且沿该圆周间隔均布；底贴片p3径向的内端也连接设置一个焊盘d，且所有底贴片p3的该端的焊盘d处于同一圆周，且沿该圆周间隔均布。

如图4所示，介质层s上布置有金属过孔t，顶层的顶金属贴片和底层的底金属贴片通过贯穿过介质层s的金属过孔t上下连接：各个组顶金属贴片中靠近介质层s中心的顶贴片p2靠近介质层s中心末端的焊盘d经金属过孔t和各个组底金属贴片的底贴片p3靠近介质层s中心末端的焊盘d连接，各个组顶金属贴片中远离介质层s中心的顶贴片p2远离介质层s中心末端的焊盘d经金属过孔t和各个组底金属贴片的底贴片p3远离介质层s中心末端的焊盘d连接。

具体实施中，所有组底金属贴片的底贴片p3长度相同，且各组顶金属贴片中的一对顶贴片p1与p2构成整体的两端之间长度相同。每组顶金属贴片中的顶贴片p1长度与顶贴片p2长度相同。

顶层的顶金属贴片的组数和底层的底金属贴片的组数相同一致。具体实施中，取为八组。介质层s采用f4b板材介电常数为2.5，介质损耗正切值为0.001。

本发明传感器具有确定的谐振频率，谐振频率与传感器结构尺寸大小相关，本发明具体实施中采用的频率范围是3ghz-6ghz。

当自由空间中的电磁波入射到本发明传感器或者通过近场耦合进行激励本发明传感器时，在谐振频率处，会激发传感器的等离激元谐振模式，可测量到谐振峰值。当周围环境的折射率发生变化时，谐振峰值会发生偏移，通过谐振峰值频率的偏移发生变化，从而可实现对环境折射率变化的监控检测。

在谐振频率处，入射电磁波可以激发等离激元谐振模式，谐振模式向外辐射可以探测到辐射电磁波，等离激元谐振模式与结构大小以及周围环境的折射率相关，本发明的等离激元传感器对折射率变化很敏感，实现高效率的探测。

从等效电路角度考虑，通过金属过孔连接的上下两层贴片可以看作一个开口谐振环，等效为一个lc谐振电路，如图5所示为谐振频率时开口谐振环的电流分布，可以发现在特定频率下，该开口谐振环形成谐振效果，产生一个电流环。

利用近场耦合的激发方式，将一个点源放置在开口谐振环的开口处，特定频率下可以激发开口谐振环的谐振模式，同时能量会耦合到相邻的开口谐振环，形成一个环形的磁场，即环磁偶极子响应。在实验中通过一个偶极子天线激发等离激元谐振模式，另一个偶极子天线测量辐射能量，如图6和图7所示分别为本发明传感器结构的反射和传输参数曲线。可以发现在4.2ghz处可以探测到一个谐振峰值。通过改变环境折射率，可以测量到谐振峰值的变化，如图10，图11所示，本发明中的折射率传感器的灵敏度达到0.78ghz/refractiveindexunit。

本发明实施例以应用于探测传感系统的折射率传感器为例，具体阐述本发明各个部分的实施方式及各个结构参数对于传感器性能的影响：

本发明中介质板采用f4b板材，介电常数2.5，损耗正切0.001，在实际的应用中也可以选择与该材料介电常数相近的板材来进行设计加工，不同材料的损耗影响谐振峰的峰值，对偏移基本没有影响。

如图1-图4所示，实施例的传感器顶层由顶金属贴片组成，p1与p2组成一对顶贴片，共有八组顶贴片。每组顶贴片的两端都有一个焊盘d，八组顶贴片位于介质层几何中心为圆心的一个圆上。底层由八个底金属贴片p3组成，八个底贴片位于介质层几何中心为圆心的一个圆上，每个底贴片两端都有焊盘d。介质层中有16个金属过孔，分别连接顶层与底层的贴片末端的焊盘。

如图1所示，实施例为一个等离激元谐振结构，各部分结构尺寸如表1所示，在实际应用中可根据具体的设计目标进行相应尺寸的选择，结构尺寸等比例缩小或放大，工作频率等比例提高或降低。

表1本发明实施例的结构各部分尺寸

当贴片长度l增加时，lc等效电路中电感增加，谐振峰频率向低频偏移；反之，当贴片长度l减小时，lc等效电路中电感减小，谐振峰频率向高频频偏移。当金属过孔长度h增加时，lc等效电路中电感增加，谐振峰频率向低频偏移；反之，当金属过孔长度h减小时，lc等效电路中电感减小，谐振峰频率向高频频偏移。图8和图9具体描述了金属贴片长度和金属过孔厚度对谐振峰的影响。

本实施例设计中把局域型等离激元与环磁偶极子响应结合的传感器设计是本发明的设计创新。如图1所示，整个结构可以是由八个开口谐振环与一层介质层组成，在谐振频率处八个开口谐振环可以形成环形的磁场，及环磁偶极子响应。环磁偶极子谐振具有很高的品质因数，可以应用于高分辨率的传感器设计。与等离激元谐振结合能够实现小型化、高灵敏度的折射率传感器设计。

本实施例在点源近场耦合激发下的反射曲线和传输曲线如图6和图7所示.本发明中的等离激元谐振结构，对入射的电磁波，在4.2ghz时产生等离激元谐振，可以观察到谐振峰，谐振峰品质因数为50。如图10与图11所示，描述了随着周围环境折射率的变化，本发明的折射率传感器的反射参数曲线的变化情况，随着周围环境折射率增加，谐振频率向低频偏移，对于周围环境折射率从1变到1.4以及1.6时，等离激元谐振峰的偏移量分别为0.26ghz以及0.47ghz，灵敏度达到0.78ghz/refractiveindexunit。谐振器尺寸为1/2波长。

因此，本发明实现了高集成度、高灵敏度的等离激元传感器设计，在化学分析、生物检测以及食品加工监测领域应用价值巨大。