一种光子晶体纳米流体传感器、其制备方法及应用技术

本发明专利技术属于传感器领域，并公开了一种基于微电子机械系统的光子晶体纳米流体传感器，包括光刻胶层、硅晶片基底、第一折射率材料薄膜层、第二折射率材料薄膜层和聚合物材料封接层，所述第二折射率材料薄膜层的顶端设置有方波形的光栅结构，所述光栅结构包括多个通槽和多个凸起并且它们交替排列，所述光刻胶层、硅晶片基底、第一折射率材料薄膜层和第二折射率材料薄膜层共同构成传感器基体层，所述传感器基体层上设置有进流口和出流口本。本传感器为基于光子晶体的纳米流体传感器，成功解决了传统的光子晶体传感器消耗检测物过多、检测时间长、测试精度不高的问题，同时，也消除了传统纳米流体传感器功能单一、结构不稳定、通道少的问题。

Photon crystal nano fluid sensor, preparation method and application thereof

The invention belongs to the field of sensor, and discloses a MEMS sensor based on photonic crystal nano fluids, including a photoresist layer, a silicon wafer substrate, a first refractive index material film layer and the second refractive index material film layer and the polymer material sealing layer, the top of the second grating refractive index material film layer is provided with a square the waveform, the grating structure includes a plurality of grooves and a plurality of protrusions and are alternately arranged in the photoresist layer, a silicon wafer substrate, a first refractive index material film layer and the second refractive index material film layer composed of the sensor substrate layer, the sensor substrate layer is provided with a fluid inlet and a fluid outlet this. This sensor is a nanometer flow sensor based on photonic crystal, photonic crystal sensor has successfully solved the traditional consumption detection of excessive, long detection time, testing accuracy is not high, at the same time, but also eliminates the traditional single function, nano fluid sensor structure is not stable, the channel is less of a problem.

【技术实现步骤摘要】
一种光子晶体纳米流体传感器、其制备方法及应用
本专利技术属于传感器领域，更具体地，涉及一种光子晶体纳米流体传感器、其制备方法及应用。
技术介绍
光子晶体与纳米流体通道是两类在生物化学、生命科学和医疗领域中广泛研究与应用的新兴传感器。光子晶体是一种由不同折射率系数材料所组成的具有周期性的光栅结构，其中间层由相对折射率系数较高的材料所构成。根据材料、光栅周期以及光子晶体结构的不同，且因光子带隙的存在，使得光子晶体能与特定频率的光波耦合产生共振进而改变共振波的传播方向；同时，与光子晶体共振的光波能够使光栅结构的局域电场增强。光子晶体传感器利用表面光栅区域与分析物的交互作用进行检测，其特点是不对分析物进行干扰或破坏，能够依据共振波峰的偏移值来实现无标识检测。美国的Cunningham教授有利用光子晶体作为传感器进行一系列生物化学分子检测(U.S.Patent6,990,259[P]，U.S.Patent7,742,662[P])。纳米流体传感器具有体积小，同时表体面积比大，能促进纳米流体通道中的分析物在较短的时间内光栅的纳米流体通道内表面进行测试。近期，许多研究机构，申请了纳米流体制备的专利，并用纳米流体传感器进行生物化学分析实验(U.S.Patent8,105,471[P])，纳米流体的相关特性使其易于进行低浓度小分子、蛋白质、基因和DNA检测，具有检测精度高和耗时少的特点但是，光子晶体类传感器的不足之处为检测所需时间较长、极限检测浓度不高，尤其是在生物蛋白分子、抗原以及基因检测等需要分子结合的领域；同时，纳米流体通道结构的制作要求苛刻，存在制备难度大、成本高、成品率低等特点。如何高精度低成本制作出满足需求的纳米流体通道是纳米传感器发展领域的关键技术课题。同时，如何提高低浓度小分子检测精度、减少检测时间是目前光子晶体传感器领域面临的主要难题。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种光子晶体纳米流体传感器、其制备方法及应用，将光子晶体和纳米流体通道两种技术结合起来，构建出基于光子晶体结构的纳米流体传感器；将光子晶体集成于纳米流体之中，能够充分利用光子晶体与纳米流体通道的优良特性，同时检测区域限定于纳米流体通道的微观环境，能够更加精确地探测研究对象的相关特性。为实现上述目的，按照本专利技术，提供了一种基于微电子机械系统的光子晶体纳米流体传感器，其特征在于，该光子晶体纳米流体传感器包括按照由下至上的顺序依次设置的光刻胶层、硅晶片基底、第一折射率材料薄膜层、第二折射率材料薄膜层和聚合物材料封接层，所述第二折射率材料薄膜层的顶端设置有方波形的光栅结构，所述光栅结构包括多个通槽和多个凸起并且它们交替排列，所述凸起的顶端与所述第一折射率材料薄膜层的底端面接触，所述光刻胶层、硅晶片基底、第一折射率材料薄膜层和第二折射率材料薄膜层共同构成传感器基体层，所述传感器基体层上设置有与所有通槽均连通的进流口和出流口。优选地，所述的第一折射率材料薄膜层的厚度h1为1μm-5μm，第二折射率材料薄膜层厚度h2为50nm-500nm，贵金属薄膜层厚度h3为10nm-50nm，感光材料薄膜层厚度h4为200nm-500nm，光刻胶层厚度h6为1μm-3μm。优选地，所述第一折射率材料为SiO2或SiOxNy。优选地，所述聚合物材料为PDMS，PMMA或SU8胶。优选地，所述第二折射率材料薄膜为ZnS，Si3N4，TiO2，ZnO或碲酸盐玻璃。优选地，所述第二折射率材料薄膜层可见光波段折射率系数为ng，第一折射率材料薄膜层的可见光波段折射率系数为nl，光栅结构的可见光波段折射率系数为nc，聚合物材料层的可见光波段折射率系数为nup，光子晶体纳米流体传感器的有效可见光波段折射率系数为neff，并且它们满足如下关系：max{nl，nc，nup}<neff<ng其中，max表示所有可能取值中的最大值。优选地，所述第一折射率材料薄膜层的可见光波段折射率系数为1.4-1.6，所述第二折射率材料薄膜层的可见光波段折射系数为1.8-2.8，所述聚合物的可见光波段折射率系数为1.4-1.6。按照本专利技术的另一个方面，还提供了一种光子晶体纳米流体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)沉积第一折射率材料薄膜层：将第一折射率材料沉积在硅晶片基底的上表面并使第一折射率材料铺满所述硅晶片基底的上表面，得到厚度为h1的第一折射率材料薄膜层，其中，所述硅晶片基底的长度、宽度和高度分别为a、b和h0；(2)沉积第二折射率材料薄膜层：将第二折射率材料沉积在第一折射率材料的上表面并使第二折射率材料铺满所述第一折射率材料薄膜层的上表面，得到厚度为h2的第二折射率材料薄膜层，所述第二折射率材料薄膜层的可见光波段折射率系数大于所述第一折射率材料薄膜层的可见光波段折射率系数；(3)溅镀贵金属薄膜层：将贵金属溅镀在第二折射率材料薄膜层的上表面并使所述贵金属铺满所述第二折射率材料薄膜层的上表面，得到厚度为h3的贵金属薄膜层；(4)涂胶：将感光材料旋涂在贵金属薄膜层的上表面并使所述感光材料铺满所述贵金属薄膜层的上表面，得到厚度为h4的感光材料薄膜层，所述感光材料薄膜层、贵金属薄膜层和第二折射率材料薄膜层共同构成纳米流体流通层；(5)刻蚀纳米流体流通层：按从上往下的方向刻蚀，在所述纳米流体流通层上刻蚀出多条相互平行的通槽，从而在每个通槽旁形成一凸起，所有通槽及所有凸起共同形成方波形的光栅结构，其中，所述通槽的高度为h5并且h3+h4＜h5＜h2+h3+h4；(6)后处理：利用有机溶剂清除感光材料薄膜层，并利用贵金属溶剂清除的贵金属薄膜层；(7)刻蚀进出口：将光刻胶旋涂在所述硅晶片基底的下底面并铺满所述硅晶片基底的下表面，从而形成厚度为h6的光刻胶层，所述光刻胶层、硅晶片基底、第一折射率材料薄膜层和第二折射率材料薄膜层共同构成传感器基体层，再按从下至上的方向，刻蚀并蚀穿所述传感器基体层，从而在所述传感器基体层上刻蚀出与所有通槽均连通的进流口和与所有通槽均连通的出流口；(8)封接：在第二折射率材料薄膜层的上表面铺一层聚合物材料进行封接，得到聚合物材料封接层，所述聚合物材料封接层的长度和宽度分别为a和b。优选地，步骤(5)中，先刻蚀并蚀穿所述感光材料薄膜层，得到多条第一凹槽，再在每条第一凹槽处刻蚀并蚀穿所述贵金属薄膜层，得到多条第二凹槽，然后再在每刻蚀所述第二折射率材料薄膜层，得到多条第三凹槽，对应位置处的所述第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽共同形成所述通槽。按照本专利技术的另一个方面，还提供了光子晶体纳米流体传感器测试纳米流体浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将纳米流体通过进流口导入所述光子晶体纳米流体传感器中，则整个光子晶体纳米流体传感器传感器的有效折射率系数neff会上升；(2)待纳米流体完全进入所有通槽后，使用一束同轴偏振白光垂直入射至光子晶体纳米流体传感器的上表面，利用光谱仪在与入射光相同的路径上接收反射光波，则在光谱仪上收集到一束共振光波，共振光波的波峰值为λm，通过λm值的频移变化量则可获得纳米流体的浓度。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：1)所制备的传感器为基于光子晶体的纳米流体传感器，成本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于微电子机械系统的光子晶体纳米流体传感器，其特征在于，该光子晶体纳米流体传感器包括按照由下至上的顺序依次设置的光刻胶层、硅晶片基底、第一折射率材料薄膜层、第二折射率材料薄膜层和聚合物材料封接层，所述第二折射率材料薄膜层的顶端设置有方波形的光栅结构，所述光栅结构包括多个通槽和多个凸起并且它们交替排列，所述凸起的顶端与所述第一折射率材料薄膜层的底端面接触，所述光刻胶层、硅晶片基底、第一折射率材料薄膜层和第二折射率材料薄膜层共同构成传感器基体层，所述传感器基体层上设置有与所有通槽均连通的进流口和出流口。

【技术特征摘要】
1.一种基于微电子机械系统的光子晶体纳米流体传感器，其特征在于，该光子晶体纳米流体传感器包括按照由下至上的顺序依次设置的光刻胶层、硅晶片基底、第一折射率材料薄膜层、第二折射率材料薄膜层和聚合物材料封接层，所述第二折射率材料薄膜层的顶端设置有方波形的光栅结构，所述光栅结构包括多个通槽和多个凸起并且它们交替排列，所述凸起的顶端与所述第一折射率材料薄膜层的底端面接触，所述光刻胶层、硅晶片基底、第一折射率材料薄膜层和第二折射率材料薄膜层共同构成传感器基体层，所述传感器基体层上设置有与所有通槽均连通的进流口和出流口。2.根据权利要求1所述的光子晶体纳米流体传感器，其特征在于，所述的第一折射率材料薄膜层的厚度h1为1μm-5μm，第二折射率材料薄膜层厚度h2为50nm-500nm，贵金属薄膜层厚度h3为10nm-50nm，感光材料薄膜层厚度h4为200nm-500nm，光刻胶层厚度h6为1μm-3μm。3.根据权利要求1所述的光子晶体纳米流体传感器，其特征在于，所述第一折射率材料为SiO2或SiOxNy。4.根据权利要求1所述的光子晶体纳米流体传感器，其特征在于，所述聚合物材料为PDMS，PMMA或SU8胶。5.根据权利要求1所述的光子晶体纳米流体传感器，其特征在于，所述第二折射率材料薄膜为ZnS，Si3N4，TiO2，ZnO或碲酸盐玻璃。6.根据权利要求1所述的光子晶体纳米流体传感器，其特征在于，所述第二折射率材料薄膜层可见光波段折射率系数为ng，第一折射率材料薄膜层的可见光波段折射率系数为nl，光栅结构的可见光波段折射率系数为nc，聚合物材料层的可见光波段折射率系数为nup，光子晶体纳米流体传感器的有效可见光波段折射率系数为neff，并且它们满足如下关系：max{nl，nc，nup}<neff<ng其中，max表示所有可能取值中的最大值。7.根据权利要求1所述的光子晶体纳米流体传感器，其特征在于，所述第一折射率材料薄膜层的可见光波段折射率系数为1.4-1.6，所述第二折射率材料薄膜层的可见光波段折射系数为1.8-2.8，所述聚合物的可见光波段折射率系数为1.4-1.6。8.一种光子晶体纳米流体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)沉积第一折射率材料薄膜层：将第一折射率材料沉积在硅晶片基底的上表面并使第一折射率材料铺满所述硅晶片基底的上表面，得到厚度为h1的第一折射率材料薄膜层，其中，所述硅晶片基底的长度、宽度和高度分别为a、b和h0；(2)沉积第二折射率材料薄膜层：将第二折...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈幼平，彭望，艾武，张代林，张冈，谢经明，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42