，自支撑薄膜结构2可以为碳化硅薄膜或者氮化硅薄膜。
[0032] 图2为依照本发明实施例基于导波共振的自支撑薄膜传感器中球形空气孔阵列 的俯视图。如图2所示，球形空气孔阵列呈三角格子密堆积排列，X和y方向周期介于800 纳米至2800纳米之间，优选地，X方向周期介于800纳米至1600纳米之间，y方向周期介于 1300纳米至2800纳米。对于球形空气孔阵列中的单个空气孔，其半径介于400纳米至800 纳米之间。
[0033] 图3为依照本发明实施例利用基于导波共振的自支撑薄膜传感器对样品进行测 试的示意图。如图3所示，本发明提供的传感器测试系统，包括所述的基于导波共振的传感 器，还包括：所述传感器的自支撑薄膜上及球形空气孔阵列内的待测样品，位于待测样品之 上的光源、半反半透膜以及光探测器。由光源5发出的探测光经过半反半透膜6后垂直入射 到自支撑薄膜结构2上；自支撑薄膜结构2上分布有球形空气孔阵列3 ;球形空气孔阵列3 中的球形空气孔呈三角格子密堆积周期分布，探测光垂直入射到带有球形空气孔阵列3的 自支撑薄膜结构2上，这时在某些波长会产生导波共振，导波共振模式与待测样品4相互作 用，然后反射光沿入射光路垂直出射，经过半反半透膜6,最后反射光由光探测器7接收。
[0034] 以下对本发明导波共振传感器的原理及特性进行说明。为方便起见，以下说明中， 自支撑薄膜结构采用的材料为氮化硅，其折射率为2. 05。
[0035] 图4为依照本发明实施例利用基于导波共振的自支撑薄膜传感器对不同折射率 的样品进行测试的反射谱图。所用基于导波共振的自支撑薄膜传感器中球形空气孔半径 250纳米，自支撑薄膜结构2中覆盖层厚度100纳米。如图4所示，当自支撑薄膜结构2表面 待测分析物折射率从1. 30变化到1. 33时，导波共振波长从593. 2606纳米红移到602. 9908 纳米。由此可得导波共振传感器的灵敏度为：（324nm/RIU)
[0037] 图5为依照本发明实施例利用不同球形空气孔半径的自支撑薄膜传感器对样品 进行测试的反射谱图。所用自支撑薄膜传感器中覆盖层厚度100纳米，球形空气孔半径 分别为250、300和350纳米，球形空气孔呈三角格子密堆积排列，待测物折射率为1. 30和 1. 33。如图5所示，随球形空气孔半径增加，传感器更加灵敏，灵敏度分别为324. 3、389. 2、 454. lnm/RIU，这说明球形空气孔的大小对导波共振波长的影响很大，我们要获得更高的灵 敏度，必须选择半径较大的二氧化硅球形空气孔。
[0038] 图6为依照本发明实施例利用不同覆盖层厚度的自支撑薄膜传感器对样品进行 测试的反射谱图。所用自支撑薄膜传感器中自支撑薄膜覆盖层厚度分别为50、100和150 纳米；球形空气孔半径250纳米；待测物折射率为1. 30和1. 33。从图6可以看出，不同覆 盖层厚度的自支撑薄膜有不同的反射特性，随折射率增大，导波共振波长红移。为了获得更 高的灵敏度，我们选取红移较大共振峰作为探测的特征峰。为了得到更大传感器探测的动 态范围，需要选取能够支持孤立共振峰的自支撑薄膜覆盖层厚度。
[0039] 根据本发明的另一个方面，还提供了一种制备基于导波共振的自支撑薄膜传感器 的方法。图7为本发明实施例制备基于导波共振的自支撑薄膜传感器的方法流程图，该方 法包括以下步骤：
[0040] 步骤S702,在硅衬底上自组装生成单层二氧化硅球，形成三角格子周期密堆积排 列的二氧化硅球；
[0041] 步骤S704,采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD)方法在二氧化硅球上沉积碳 化硅或氮化硅；
[0042] 步骤S706,采用湿法刻蚀方法（例如氢氧化钾）从硅衬底背面去除图形区的硅衬 底，形成自支撑薄膜结构；
[0043] 步骤S708,采用湿法刻蚀方法（例如氢氟酸）去除二氧化硅球，形成带有球形空气 孔阵列的自支撑薄膜结构。
[0044] 综上所述，本发明基于导波共振的自支撑薄膜传感器及其制备方法具有下列有益 效果：
[0045] (1)本发明实施例的传感器及其制备方法，通过自组装方法形成单层三角格子密 堆积阵列，成本低；对加工工艺要求较低，与传统的半导体工艺兼容，易于集成。
[0046] (2)采用球形空气孔周期纳米结构激发导波共振，探测样品折射率的变化，体积 小，易于携带。
[0047] (3)本发明自支撑薄膜传感器中，不同球形空气孔半径的反射谱特性不同，研究人 员可以根据需要制作不同半径大小的二氧化硅球，满足不同波长情况下的测量。
[0048] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于导波共振的传感器，其特征在于，包括： 衬底； 形成于该衬底上的自支撑薄膜结构；以及 形成于该自支撑薄膜结构中的球形空气孔阵列，用于承载待测样品，利用该球形空气 孔阵列中的导波共振来探测该待测样品的折射率变化。2. 根据权利要求1所述的基于导波共振的传感器，其特征在于，所述球形空气孔阵列 呈三角格子周期排列，X和y方向周期介于800纳米至2800纳米之间。3. 根据权利要求1所述的基于导波共振的传感器，其特征在于，对于所述球形空气孔 阵列中的单个空气孔，其半径介于400纳米至800纳米之间。4. 根据权利要求1至3中任一项所述的基于导波共振的传感器，其特征在于，所述自支 撑薄膜结构采用的材料为碳化硅或氮化硅。5. -种传感器测试系统，包括权利要求1-4中任一项所述的基于导波共振的传感器， 还包括：所述传感器的自支撑薄膜上及球形空气孔阵列内的待测液态或者气态样品，位于 待测液态或者气态样品之上的光源、半反半透膜以及光探测器。6. 根据权利要求5所述的传感器测试系统，其特征在于，由光源发出的探测光经过半 反半透膜后垂直入射到自支撑薄膜结构上；自支撑薄膜结构上分布有球形空气孔阵列，球 形空气孔阵列中的球形空气孔呈三角格子密堆积周期分布，探测光垂直入射到带有球形空 气孔阵列的自支撑薄膜结构上，在某些波长会产生导波共振，导波共振模式与待测液态或 者气态样品相互作用，然后反射光沿入射光路垂直出射，经过半反半透膜，最后反射光由光 探测器接收。
【专利摘要】本发明公开了一种基于导波共振的传感器及传感器测试系统。该传感器包括：衬底；形成于该衬底上的自支撑薄膜结构；以及形成于该自支撑薄膜结构中的球形空气孔阵列，用于承载待测样品，利用该球形空气孔阵列中的导波共振来探测该待测样品的折射率变化。本发明传感器采用周期纳米结构，体积小，易于携带。
【IPC分类】G01N21/41
【公开号】CN105044029
【申请号】CN201510413211
【发明人】史丽娜, 谢常青, 牛洁斌, 李海亮, 刘明
【申请人】中国科学院微电子研究所
【公开日】2015年11月11日
【申请日】2012年2月7日
【公告号】CN103245635A, CN103245635B