[发明专利]折射率传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器，尤其涉及一种折射率敏感的传感器。

背景技术

由于具有独特的光子禁带(Photonic Band Gap)效应，光子晶体(Photonic Crystals)为设计微型折射率敏感的传感器件提供了新的平台。近几年，基于光 子晶体设计的微型折射率敏感的传感器相继问世，由于这种传感器有较高的微 腔谐振品质因素(high-Q microcavity)和很小的传感面积(每10μm²的传感面积 只要求被测量的样本为1fL)，因此该种传感器可用于痕量样品的测量。

请参阅J.Topol’ancik等人的“Fluid detection with photonic crystal-based multichannel waveguides”(Applied Physics Letters.82，1143-1145(2003))。 J.Topol’ancik等人设计的光子晶体波导结构的传感器可以探测到的折射率变化 为0.2，此种传感器对折射率的分辨率并不高。

E.Chow等人在“ultracompact biochemical sensor built with two-dimensional photonic crystal microcavity”(Optic Letters 29，1093-1095(2004)(中提出了另一种 传感器结构，其采用二维光子晶体微腔结构进行折射率的测量，折射率的测量 范围可以达到1.0到1.5。然而此种传感器中光线的透过率很低，并且其测量精 度不够高，只能精确到0.002；灵敏度也不高，只能达到200nm/RIU，其中RIU 指单位折射率(Refractive Index Unit)。

发明内容

有鉴于此，有必要提供一种具有更高透光率及测量精度的折射率传感器。

一种折射率传感器，其包括光源、光子晶体微腔结构及感测器，所述光子 晶体微腔结构包括晶体层及大量形成于该晶体层并规则排列的孔，其中一个孔 的直径与其他孔的直径不同从而构成一谐振腔，该谐振腔相对的两侧具有线缺 陷，该线缺陷分别构成第一波导与第二波导，该第一波导及第二波导与该谐振 腔之间分别具有数个孔，所述光源设置于该第一波导之入射端，所述感测器设 置于该第二波导之出射端。

所述的折射率传感器中，第一波导及第二波导的设置使得光线的透过率可 以提升到40％到70％，而且传感器具有较高的测量精度，可以检测折射率0.001 的变化。折射率的范围较大，可从1.0适用到1.6。传感器的灵敏度达到 330nm/RIU。

附图说明

图1是本技术方案第一实施例的折射率传感器的光子晶体微腔结构示意图。

图2是图1沿II-II线的剖面示意图。

图3是本技术方案实施例提供的折射率传感器示意图。

图4是不同折射率的样品谐振光谱示意图。

图5是谐振波长的变化与折射率之间的关系曲线图。

具体实施方式

参阅图1及图2，第一实施例的光子晶体微腔结构100包括基底104及晶体 层10，晶体层10形成于基底104上。晶体层10的晶格常数为a，晶体层10的 厚度为0.4a～0.7a，本实施例优选为0.6a。晶体层10的材质可选用Si、GaAs或 GaAlAs。本实施例当中，晶体层10为GaAlAs，其晶格常数为440纳米。晶体 层10一般通过磊晶生长形成于基体104上，因此基体104适于磊晶生长晶体层 10即可，例如对于GaAs或GaAlAs材质的晶体层10，可选用GaAs、GaN作为 基底104。对于Si晶体层，可选用SiO₂作为基底104。

晶体层10内形成有大量孔102。孔102可以采用电子束微影或反应性离子 束蚀刻形成。本实施中，孔102呈圆柱形，当然孔102还可为其他形状。孔102 排列成m行，依次记为第1、2、3、...、m行，每行具有n个孔102，依次记为 第1、2、3、...、n个孔。其中m与n为14到18之间的整数。本实施例中，孔 102排列成17行，每行具有17个孔102。孔102的直径为0.3a～0.5a，本实施例 当中，孔102的直径为0.36a。