专利名称：一种长程表面等离子波折射率检测芯片的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种在光子集成、传感等领域应用的可集成的表面等离子波折射率探测器结构，属于集成光电子技术领域。
背景技术：
表面等离子波(Surface plasmon polariton(SPP)，图1)是一种沿金属和介质界面传播的电磁场，在介质中它的振幅随着离开界面的距离指数衰减。SPP是一种表面波，它的场能量集中在金属和介质界面的附近，这使得在金属表面的场很强，对于表面的形态，特别是折射率的变化非常敏感。在生化传感器方面有着广泛的应用前景。
如图1所示，传统的表面等离子波生化传感器是将一束光3打在容易产生表面等离子的金属表面1上，改变入射光3的角度，表面等离子体只在某一个特定角度5的入射光下被激励，这时，反射光4的功率会急剧减小。而这个特定的角度对金属表面交界处物质2的折射率非常敏感，通过测定反射光功率减小时入射光的角度5，可以测定2的折射率。这种传统的测量方法需要棱镜、转台等分离的元件，不仅体积大，调节困难，而且，稳定性差，成本高，严重限制了它的推广和应用。
当金属部分做成薄膜状，如图2所示，在薄膜的上下表面101，102将产生两组表面等离子波，当金属薄膜薄到一定的程度，这两组表面等离子波将产生耦合，这种耦合波的电场分布大部分集中在金属以外的介质2和6中，所以，传播损耗比较小，可以在金属表面传播较长一段距离，所以被称为长程表面等离子波(long range surface plasmon，LR-SP)。这种长程表面等离子波的传播损耗对金属薄膜上下介质2和6的折射率差非常敏感，如图3所示，当6的折射率固定在1.5，2的折射率(图中横坐标)发生变化时，长程表面等离子波的传输损耗(图中纵坐标)随之发生明显变化，特别在7点附近，介质2折射率微小的变化可以引起长程表面等离子波传输损耗或(和)光斑尺寸大小的剧烈变化，这为我们利用长程表面等离子波来实现折射率的高精度检测提供了可能。
发明内容
本发明是为了解决传统的表面等离子波折射率检测方法的体积大、所需元器件多、调节困难、稳定性差等问题而提供一种可集成的表面等离子波折射率检测芯片。
本发明的特征之一在于该表面等离子波折射率检测芯片是一种由金属薄膜和限定折射率介质组成，该金属薄膜附着在该介质上，通过从该金属薄膜端面激励的方法产生长程表面等离子波，通过测定该长程表面等离子波的传输损耗变化或(和)光斑尺寸大小变化来检测金属表面上方介质折射率变化的一种功能芯片，所述金属薄膜是下述金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种的薄膜，厚度限定在10nm以上，100nm以下；所述金属薄膜下方介质的折射率限定在1.2以上，3.8以下。
本发明的特征之二在于一种利用长程表面等离子波的折射率检测芯片，其特征在于，该表面等离子波折射率检测芯片是一种由金属薄膜和SiO2衬底组成，该金属薄膜附着在SiO2衬底上，通过从该金属薄膜端面激励的方法产生长程表面等离子波，通过测定该长程表面等离子波的传输损耗变化或(和)光斑尺寸大小变化来检测金属表面上方介质折射率变化的一种功能芯片，所述金属薄膜是下述金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种的薄膜，厚度限定在10nm以上，100nm以下。
本发明的特征之三在于一种利用长程表面等离子波的折射率检测芯片，其特征在于，该表面等离子波折射率检测芯片是一种由金属薄膜和GaAs衬底组成，该金属薄膜附着在SiO2衬底上，通过从该金属薄膜端面激励的方法产生长程表面等离子波，通过测定该长程表面等离子波的传输损耗变化或(和)光斑尺寸大小变化来检测金属表面上方介质折射率变化的一种功能芯片，所述金属薄膜是下述金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种的薄膜，厚度限定在10nm以上，100nm以下。
本发明的特征之四在于一种利用长程表面等离子波的折射率检测芯片，其特征在于，该表面等离子波折射率检测芯片是一种由金属薄膜和InP衬底组成，该金属薄膜附着在SiO2衬底上，通过从该金属薄膜端面激励的方法产生长程表面等离子波，通过测定该长程表面等离子波的传输损耗变化或(和)光斑尺寸大小变化来检测金属表面上方介质折射率变化的一种功能芯片，所述金属薄膜是下述金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种的薄膜，厚度限定在10nm以上，100nm以下。
由于本发明利用长程表面等离子波来进行折射率的检测，检测对象不再是传统技术中的空间反射光角度，是传输损耗变化或(和)光斑尺寸大小变化，同时，长程表面等离子波可以通过光纤或波导端面耦合的方法来激励，可以省去空间入射光的控制部分，为实现可集成的介质折射率检测器提供了可能。
图1传统表面等离子波折射率检测方法1.金属，2.金属上方介质，3.入射光，4.反射光，5.入射角。
图2承载长程表面等离子波的结构101.金属下表面，102.金属上表面，6.金属薄膜下方介质。
图3长程表面等离子波传输损耗随上下两端折射率差变化图7.可以用来检测折射率变化的区域。
图4光斑大小随金属上层介质折射率变化而变化，其对应图3中7中最低点的左边部分。
图5实施例1长程表面等离子波折射率检测芯片示意图601.SiO2衬底，11.Au薄膜，111.Au薄膜上表面，112.Au薄膜下表面，8.被测物质，91.端面激励表面等离子场的入射光纤或波导，92.探测长程表面等离子场的光纤，10.Si基板。
图6实施例2长程表面等离子波折射率检测芯片示意图602.GaAs衬底，93.光波导。
图7实施例3长程表面等离子波折射率检测芯片示意图603.InP衬底，94.CCD探测器。
具体实施例方式
本发明是按照如下技术方案实现的首先需要进行结构的设计，确定金属薄膜的材料和厚度，以及衬底的材料，使得该结构可以用端面激励的方法产生沿金属表面传播的长程表面等离子波。根据设计的结果，在所选择的衬底材料上采用金属溅射或蒸镀的方法形成符合设计厚度的金属薄膜。
实施例1本发明的长程表面等离子波折射率检测芯片实施例1的基本结构如图5所示。选择SiO2衬底601，在其上通过溅射或蒸镀的方法形成50nm厚的Au薄膜11。将上述SiO2芯片固定在Si基板10上，同时在其两侧固定上入射光线91和探测光纤92，91和92的高度要和Au薄膜11的中心对准，91和92之间Au薄膜11的长度为50μm。从91出射的光场将在Au薄膜上下表面111和112上激励起表面等离子场，由于Au薄膜合适的厚度，使得上下表面等离子场耦合形成可以在一定距离内传播的长程表面等离子波，由探测光纤92探测到传输后的表面等离子场。这时，在Au薄膜11上方放置待测物质8，由于Au薄膜11上方介质的折射率的整体改变发生在类似图3中7点附近时，可以很敏感地使长程表面等离子波的传输损耗发生改变，探测光纤92探测到的表面等离子场的功率将会随着待测物质的折射率的变化发生改变，从而达到检测折射率的功能。介质折射率的改变可以是因为物质间的反应，物质由于温度、压力、电磁场、光强等引起的整体折射率的改变，物质的成分由于外界环境引起的折射率的整体改变。
本实施例中的Au薄膜可以换成银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种或者是他们的合金，Si基底可以换成SiO2、GaAs、InP、Cu、Al等材料，不影响本实施例的使用功能。
实施例2本发明的长程表面等离子波折射率检测芯片实施例2的基本结构如图6所示。选择GaAs衬底602，在其上通过溅射或蒸镀的方法形成50nm厚的Au薄膜11。将上述GaAs芯片固定在Si基板上，同时在其两侧固定上入射光波导93和探测光纤92，93和92的高度要和Au薄膜11的中心对准，93和92之间Au薄膜11的长度为50μm。从93出射的光场将在Au薄膜上下表面111和112上激励起表面等离子场，由于Au薄膜合适的厚度，使得上下表面等离子场耦合形成可以在一定距离内传播的长程表面等离子波，由探测光纤92探测到传输后的表面等离子场。这时，在Au薄膜11上方放置待测物质8，由于Au薄膜11上方的折射率的整体改变可以很敏感地使长程表面等离子波的传输损耗发生改变，探测光纤92探测到的表面等离子场的功率将会随着待测物质的折射率的变化发生改变，从而达到检测折射率的功能。与实施例1相比，本实施例采用GaAs材料作为Au薄膜的下方材料，由于GaAs的折射率在3.5左右，比SiO2材料的1.5要大，更适合用来测定折射率较大物质。同时，由于GaAs衬底上可以直接制作有源器件，这样有可能将有源发光器件集成在一起，可以省去入射光纤部分，使得整个系统更小型、稳定。
本实施例中的Au薄膜可以换成银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种或者是他们的合金，Si基底可以换成SiO2、GaAs、InP、Cu、Al等材料，不影响本实施例的使用功能。
实施例3本发明的长程表面等离子波折射率检测芯片实施例3的基本结构如图7所示。选择InP衬底603，在其上通过溅射或蒸镀的方法形成50nm厚的Au薄膜11。将上述InP芯片固定在Si基板上，同时在其两侧固定上入射光线91和探测CCD94，91的高度要和Au薄膜11的中心对准，出射光斑在94探测范围内，91和94之间Au薄膜11的长度为50μm。从91出射的光场将在Au薄膜上下表面111和112上激励起表面等离子场，由于Au薄膜合适的厚度，使得上下表面等离子场耦合形成可以在一定距离内传播的长程表面等离子波，由探测CCD94探测到传输后的表面等离子场。这时，在Au薄膜11上方放置待测物质8，由于Au薄膜11上方的折射率的整体改变可以很敏感地使长程表面等离子波的传输损耗发生改变，探测CCD94探测到的表面等离子场的光斑尺寸大小(和功率大小)将会随着待测物质的折射率的变化发生改变，从而达到检测折射率的功能。与实施例1相比，本实施例采用InP材料作为Au薄膜的下方材料，由于InP的折射率在3.5左右，比SiO2材料的1.5要大，更适合用来测定折射率较大物质。同时，由于InP衬底上可以直接制作有源器件，这样有可能将有源发光器件集成在一起，可以省去入射光纤部分，使得整个系统更小型、稳定。与实施例2相比，InP材料的有源发光波长在1.3-1.6μm左右，比GaAs材料的波长要长，适合用于某些需要长波长激励源的折射率测试芯片。更特别的是使用CCD来探测光斑大小随折射率的变化，可以获得更高的精度。
本实施例中的Au薄膜可以换成银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种或者是他们的合金，Si基底可以换成SiO2、GaAs、InP、Cu、Al等材料，不影响本实施例的使用功能。
权利要求
1.一种利用长程表面等离子波的介质折射率检测芯片，其特征在于，该表面等离子波折射率检测芯片是一种由金属薄膜和限定折射率的介质组成，该金属薄膜附着在该介质上，通过从该金属薄膜端面激励的方法产生长程表面等离子波，通过测定该长程表面等离子波的传输损耗变化或/和光斑尺寸大小变化来检测金属表面上方介质折射率变化的一种功能芯片，所述金属薄膜是下述金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种的薄膜，厚度限定在10nm以上，100nm以下；所述金属薄膜下方介质的折射率限定在1.2以上，3.8以下。
2.一种利用长程表面等离子波的介质折射率检测芯片，其特征在于，该表面等离子波折射率检测芯片是一种由金属薄膜和SiO2衬底组成，该金属薄膜附着在SiO2衬底上，通过从该金属薄膜端面激励的方法产生长程表面等离子波，通过测定该长程表面等离子波的传输损耗变化或/和光斑尺寸大小变化来检测金属表面上方介质折射率变化的一种功能芯片，所述金属薄膜是下述金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种的薄膜，厚度限定在10nm以上，100nm以下。
3.一种利用长程表面等离子波的介质折射率检测芯片，其特征在于，该表面等离子波折射率检测芯片是一种由金属薄膜和GaAs衬底组成，该金属薄膜附着在SiO2衬底上，通过从该金属薄膜端面激励的方法产生长程表面等离子波，通过测定该长程表面等离子波的传输损耗变化或/和光斑尺寸大小变化来检测金属表面上方介质折射率变化的一种功能芯片，所述金属薄膜是下述金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种的薄膜，厚度限定在10nm以上，100nm以下。
4.一种利用长程表面等离子波的介质折射率检测芯片，其特征在于，该表面等离子波折射率检测芯片是一种由金属薄膜和InP衬底组成，该金属薄膜附着在SiO2衬底上，通过从该金属薄膜端面激励的方法产生长程表面等离子波，通过测定该长程表面等离子波的传输损耗变化或/和光斑尺寸大小变化来检测金属表面上方介质折射率变化的一种功能芯片，所述金属薄膜是下述金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种的薄膜，厚度限定在10nm以上，100nm以下。
全文摘要
本发明属于光电子技术领域，其特征在于，该表面等离子波折射率检测芯片是一种由特定金属薄膜和特定折射率介质组成，该金属薄膜附着在该介质上，通过从该金属薄膜端面激励的方法产生长程表面等离子波，通过测定该长程表面等离子波的传输损耗来检测金属表面上方介质折射率变化的一种功能芯片。所述金属薄膜是下述金、银、铝、铜、钛、镍、铬中的任何一种的薄膜，厚度限定在10nm以上，100nm以下；所述金属薄膜下方介质的折射率限定在1.2以上，3.8以下。由于本发明利用长程表面等离子波来进行折射率的检测，检测对象不再是传统技术中的空间反射光角度，是传输损耗，同时，长程表面等离子波可以通过光纤端面耦合的方法来激励，可以省去空间入射光的控制部分，为实现可集成的折射率检测器提供了可能。
文档编号G01N21/55GK1815191SQ20061001136
公开日2006年8月9日 申请日期2006年2月24日 优先权日2006年2月24日
发明者黄翊东, 刘仿, 张巍, 彭江得 申请人:清华大学