一种侧激发Kretschmann型波导SPR传感器的制备方法与流程

本发明属于光学传感领域，特别涉及到一种侧激发kretschmann型波导spr传感器的制备方法。

背景技术：

表面等离子体共振（surfaceplasmonresonance,spr）是实现光学传感的一种重要方法，目前应用最广泛的spr传感器是利用kretschmann结构，即使用准直激光束照射高折射率棱镜侧面，通过棱镜来激发金属薄层与待测物质界面处的表面等离激元。当角度或波长达到特定值时，发生共振，反射谱上则出现一个吸收峰，通过读取吸收峰的位置，可以反推出待测样品的折射率信息，从而实现传感功能。spr传感器具有较高的探测灵敏度，在生化传感、医学诊断等领域具有广泛的应用。

然而，传统的棱镜型spr传感器体积较为庞大，便携性差，不适合非实验室环境的探测需求，因此，spr传感器的小型化、集成化受到了研究者的广泛关注。其替代方案主要包括光纤型spr传感器及波导spr传感器。

光纤spr传感器需要经过研磨、刻蚀、拉锥等方式将倏逝场引出，或使用多芯光纤、d型光纤等昂贵的特种光纤，除了成本问题外，这些额外的加工过程会造成光纤的机械性能严重下降，易变形或断裂，从而限制了其实际应用。光纤类传感器的另外一个问题是容易受到震动、温度等无关因素的扰动，造成交叉响应，从而影响对结果的判断。

与之相比，波导传感器的机械性能稳定，不易受到震动等因素的干扰。然而，目前波导spr传感器主要是利用贵金属表面覆层的结构实现表面等离激元的激发。考虑到生化探测主要是针对1.33-1.40左右折射率的液体样品进行探测，为了达到相位匹配，只能选取低折射率玻璃类材料来制备波导spr传感器的波导结构。由于可供选取的材料种类（折射率范围）十分有限，其共振波长不易调节，而传感灵敏度也被锁死，无法进一步提高。另外，由于共振波长固定，也无法基于现有波导spr传感方案开发单通道、多参量的spr传感器，这无疑对实用型波导spr传感器的进一步开发形成了限制。

近年来，基于飞秒激光写入、离子注入、金属离子热扩散等技术在各类晶体材料中制备光波导的技术日益成熟。晶体材料具有丰富的电光、声光特性，可以为spr传感器提供更多的调控选择，另外，晶体材料种类繁多，其折射率选择范围广（例如，mgf2晶体在可见光波段的折射率约为1.38；而硅单晶在600nm附近的折射率高达3.95左右），这些都为spr传感器的共振波长调节、灵敏度调节提供了更多选择。然而，由于前述相位匹配的要求，大部分晶体材料无法采用现有金属覆层结构实现spr传感。因此，开发基于各类晶体材料的波导spr传感器，对于该类传感器性能的进一步提升及实用化具有重要意义。

技术实现要素：

为克服上述不足，本发明提供一种新型侧激发波导spr传感器的制备方法。该方案可以实现各类晶体波导的表面等离子体共振的相位匹配，从而实现基于不同种类晶体材料的波导spr传感功能。另外，通过结构参数的调节，可以对共振波长及灵敏度实现较大范围的自由调节。

本申请采用的技术方案是：本发明采用的技术方案如下：

步骤a:在晶体片的上表面通过离子注入、钛离子热扩散、飞秒激光写入等方式制备两条相互交叉的波导，分别作为入射、出射波导。两波导的夹角根据晶体折射率、需要得到的共振波长范围、传感灵敏度等因素，通过计算得到。具体设计中，可以使用传输矩阵法或有限时域差分法的计算结果作为设计依据。

步骤b：使用精密金刚石刀切割的方法，在两波导交叉处附近适当位置切割一凹槽。凹槽长度约数毫米，凹槽的位置要求为两波导交叉的中心点位于凹槽内侧壁所处的直线上。最好不贯通至晶片边缘。对凹槽走向的要求为：凹槽与两波导的夹角相等，两波导位于凹槽同侧。

步骤c：通过蒸镀等方法在凹槽中靠近波导一侧的侧壁上，沉积一层约几十纳米厚度的金属薄层。所述金属薄层为金或银薄层，厚度为50纳米。金属薄层也可采用金属多层膜结构，具体参考现有的spr传感器方案。

在制作好的晶体片上，绑定由pdms（聚二甲基硅氧烷）材料制备的薄片作为封装层。安装微流控装置（包括进液孔、出液孔、微流泵等），将步骤b中切出的凹槽作为微流体通道使用。

使用时，通过微流系统将待测液体注入微流体通道。将宽谱信号光通过端面耦合的方式输入入射波导，使用光谱仪读取出射波导输出的光谱信息，即可实现传感功能。

本发明的有益效果：

1.可以实现基于各类晶体材料的波导型spr传感，而传统的金属覆层型波导spr传感器由于相位匹配条件的限制，仅能选取低折射率玻璃或聚合物材料作为波导介质；

2.在不更换波导基质材料的情况下，仅通过选取不同的波导入射角度，就可以实现表面等离激元共振波长的自由调节，相对于现有金属覆层式波导spr传感器，可大幅提高传感灵敏度；

3.由于可调节表面等离激元共振波长范围，降低了对光谱仪覆盖波段的要求，从而降低了探测成本。

附图说明

图1为该传感器结构俯视示意图；

图2为安装微流控系统后的传感器示意图（侧视图）；

图3为实施例1的传感器效果图（待测液体折射率分别为1.33及1.38）；

图4为实施例2的传感器俯视示意图（可看作本发明的一种改进型传感器）；

图5为实施例2的传感器效果图（待测液体折射率分别为1.33及1.34）。

其中，1入射波导，2出射波导，3晶体衬底，4凹槽，5金属薄层，6微注射器，7pdms覆层，8进液孔/出液孔，9反射镜（300nm左右厚度的金或银膜层）。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

实施例1一种侧激发kretschmann型波导spr传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤a，在光学抛光的1cm×1cm×1mm的z-切铌酸锂晶片的上表面，使用光刻辅助的溅射工艺，沉积两条相互交叉的钛金属条。钛金属条的宽度为8微米，厚度为50nm。其中一个钛金属条垂直于某一晶片边缘，另一钛金属条与其夹角为80度；

步骤b，利用精密金刚石刀切割技术，在两钛金属条交叉点附近切割形成一个凹槽。对凹槽走向的要求为：两钛金属条与凹槽内侧壁形成的夹角相等；对凹槽位置的要求为：两钛金属条交叉的中心点位于凹槽内侧壁所处的直线上。切割可使用树脂粘合刀片（pia系列，disco公司，金刚石颗粒尺寸6μm）。切割时，竖直方向下刀速度保持在10μm/s，转速为20-30kr/min，切割深度约50μm，切割形成的凹槽长度为数毫米，但凹槽不能切到晶片边缘，以保证微流体通道的密封性。

步骤c，将晶体片置于氩气环境下，在960摄氏度下维持恒温6小时，以实现钛金属离子的热扩散，形成波导结构。

步骤d，在切割形成的凹槽内侧壁上，选择性地镀上一层约50nm厚的金，金层的范围能覆盖波导模式区域即可。具体方法可以采用聚焦离子束辅助沉积，或采用传统平面工艺，即：先旋涂光刻胶保护晶片表面，倾斜放置并使用蒸镀法在沟槽内侧蒸镀金，最后去胶。

步骤e，制备尺寸与之匹配的pdms载片，在pdms薄片上与晶片沟槽相应位置制作微流通道的进液孔、出液孔。使用等离子热键合等方法将pdms片与加工好的晶体片绑定在一起，即完成晶体波导传感芯片的制作。

使用方法：具体使用时，利用微流控系统将待测液体注入微流体通道（凹槽），将宽谱光源信号通过商用光纤耦合进入射波导，在出射波导端收集光谱信号，即可实现传感功能。该传感器的效果见附图3，据测算，在1.33-1.38折射率探测范围内的平均灵敏度为2170nm/riu，工作波长位于可见波段。

实施例2一种侧激发kretschmann型波导spr传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤a，在光学抛光的1cm×1cm×1mm的z-切铌酸锂晶片的上表面，使用光刻辅助的离子注入技术制备两条相互交叉的波导，波导的注入区宽度为5μm，两波导夹角为74°，其中一条波导垂直于某一晶体边缘，作为入射波导。离子注入条件为：使用氧离子源，注入能量为3.5mev，注入剂量为5×10¹⁴/cm²。注入时，样品倾斜放置7°以避免沟道效应。注入后的样品可以在280摄氏度的空气氛围中退火2-3小时，以降低损耗；

步骤b，利用精密金刚石刀切割技术，在两波导条交叉点附近切割形成第一个凹槽。对凹槽走向的要求为：两波导与凹槽内侧壁形成的夹角相等；对凹槽位置的要求为：两波导交叉的中心点位于凹槽内侧壁所处的直线上。利用精密金刚石刀切割技术，在出射波导的某一位置切割形成第二个凹槽。第二个凹槽垂直于出射波导，不能与第一个凹槽贯通。切割可使用树脂粘合刀片（pia系列，disco公司，金刚石颗粒尺寸6μm）。切割时，竖直方向下刀速度保持在10μm/s，转速为20-30kr/min，切割深度约50μm，切割形成的凹槽长度为数毫米，但第一个凹槽不能切到晶片边缘，以保证微流体通道的密封性。

步骤c，在切割形成的第一个凹槽内侧壁上，选择性地镀上一层约50nm厚的金。在第二个凹槽内侧壁（信号输入的方向）上，选择性地镀上一侧约300nm厚的金。以上金层的范围能覆盖波导模式区域即可。具体方法可以采用聚焦离子束辅助沉积，或采用传统平面工艺，即：先旋涂光刻胶保护晶片表面，倾斜放置并使用蒸镀法在凹槽内侧蒸镀金，最后去胶，结构见附图4。

步骤d，制备尺寸与之匹配的pdms载片，在pdms上与晶片第一凹槽相应位置制作微流通道的进液孔、出液孔。使用等离子热键合等方法将pdms片与加工好的晶体片绑定在一起，即完成晶体波导传感芯片的制作。

使用方法：具体使用时，利用微流控系统将待测液体注入微流体通道（第一个凹槽），将宽谱光源信号通过商用光纤耦合进入射波导，在信号输入端收集反射光谱信号，即可实现传感功能。该传感器的效果见附图5，据测算，在1.33-1.35折射率探测范围内的平均灵敏度为38140nm/riu，工作波长位于红外波段。

实施例3一种侧激发kretschmann型波导spr传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤a，将yag晶体切割成1cm×1cm×1mm的晶体片，对各面进行光学抛光，并用乙醇、丙酮等清洗表面。

步骤b，通过飞秒激光写入的方式制备两条相互交叉的双线型波导作为入射、出射波导。两波导夹角为100°，其中一条波导垂直于某一晶体边缘，作为入射波导。飞秒激光光源采用775nm波长钛宝石激光器，脉冲宽度150fs，脉冲能量1.3μj，重复频率1khz，通过显微物镜聚焦到晶体样品表面下约100μm深度进行写入。写入双线间距20μm。写入过程中，光源位置固定，样品固定于电控载物台上，以10μm/s的速度平移，以形成双线波导。

步骤c，利用精密金刚石刀切割技术，在两波导条交叉点附近切割形成一个凹槽。对凹槽走向的要求为：两波导与凹槽内侧壁形成的夹角相等；对凹槽位置的要求为：两波导交叉的中心点位于凹槽内侧壁所处的直线上。切割可使用disco公司生产的p1a系列刀片(可采用宽度为200μm左右刀片进行切割，刀片内嵌的金刚石颗粒尺寸为5μm)。下刀速度保持在10μm/s，转速为20-30kr/min，切割深度约150μm。切割过程中，不需水平移动样品以增加凹槽长度。

步骤d，在切割形成的凹槽内侧壁上，选择性地镀上一层约50nm厚的金，金层的范围能覆盖波导模式区域即可。具体方法可以采用聚焦离子束辅助沉积，或采用传统平面工艺，即：先旋涂光刻胶保护晶片表面，倾斜放置并使用蒸镀法在凹槽内侧蒸镀金，最后去胶。至此，传感器制作完成。

使用方法：具体使用时，用微量注射器将待测液体滴至晶片凹槽位置，填充凹槽。将宽谱光源信号通过商用光纤耦合进入射波导，在出射波导端收集光谱信号，即可实现传感功能。据测算，该传感器在1.33-1.37折射率范围内的平均灵敏度为9710nm/riu。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。