[发明专利]可见光折射率传感器及其加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及光传感器，尤其是涉及一种可见光折射率传感器及其加工方法。

背景技术

近年来，尺寸小、周期性好和灵敏度高的光传感器一直是学术界乃至工业界研究的热点，它可以广泛应用于各种检测技术上。表面等离子体共振效应是由光波与金属电子相互作用而引起的一种光电子现象，当沿界面的光波矢量分量与表面等离子体波的矢量分量相等时，会发生等离子体共振现象，入射光能量被大量吸收，致使反射光能量显著减少，在反射光谱中形成特定频率的反射谷。20世纪60年代末出现了基于表面等离子体共振技术的棱镜传感器，光栅式、波导式和光纤SPR传感器应运而生，并广泛应用于生化、医学、环保等多个领域。尤其是光纤SPR传感器，具有体积小、操作简单、可实现在线实时远距离检测和监测等优点，目前主要应用于溶液浓度测量，但只有外部环境折射率小于或等于光纤包层的折射率时才有较高的灵敏度，这就在很大程度上限制了其在化学检测方面的应用。

在现有制作SPR传感器技术中，首先利用化学合成技术可以制造大量结构和结晶度可控的纳米颗粒，再利用光刻技术使纳米颗粒保持方向一致，从而制备出均匀呈周期性排列的纳米结构，电子束光刻技术由于其工艺流程决定了它制作样品的速度很慢，不适合制作大面积的样品，而且每次加工都很耗时，不能批量生产器件。而纳米压印技术是加工聚合物结构最常用的方法，它采用高分辨率电子束等方法将结构复杂的纳米结构图案制在模具上，然后用预先图案化的模具使聚合物材料变形而在聚合物上形成结构图案，具有生产效率高、成本低、工艺过程简单等优点。纳米压印技术主要包括热压印和紫外压印，热压印技术是在微纳米尺度获得并行复制结构的一种成本低而速度快的方法，被广泛用于微纳结构加工；紫外压印技术对环境要求更低，仅在室温和低压力下就可进行，从而使用该技术生产能大大缩短生产周期，同时减小磨损。

因此，如何保证低成本、大规模可重复性的制造大面积的可见光折射率传感器，并实现对其模型尺寸的精确调控，是一个值得探究的问题。

中国专利CN103728275A公开一种基于光学Tamm态等离激元的光折射率传感器，包括金属薄膜和分布式布拉格反射镜，所述分布式布拉格反射镜包括若干层相互交替排列的高折射率层和空气层，相邻的两个高折射率层之间由连接块连接，所述金属薄膜紧邻于分布式布拉格反射镜中的高折射率层的一侧。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以制备大面积结构整齐微纳结构的可见光折射率传感器及其加工方法。

所述可见光折射率传感器为3层结构，从下至上依次设有基片、纳米压印胶层、铬层和银层，所述纳米压印胶层涂布在基片的上表面，纳米压印胶层的上表面沉积均匀周期排列的微纳米金属圆孔洞阵列，铬层蒸镀在纳米压印胶层上，银层蒸镀在铬层上。

纳米压印胶层的厚度可为200～250nm；铬层的厚度可为10～20nm；银层的厚度可为200～250nm；所述周期可为500～600nm。

所述可见光折射率传感器的加工方法，包括以下步骤：

1)将基片置于匀胶机中，采用旋涂的方式将紫外固化纳米压印胶均匀地涂布在基片上，烘烤后即在基片上形成纳米压印胶层；

在步骤1)中，所述基片可采用硅片，所述硅片可选择单面抛光的硅片，并按照标准清洗流程清洁；所述旋涂的转速可为2000r/min；所述纳米压印胶层的厚度可为200～250nm；所述烘烤的条件可于95℃烘烤2min。

2)纳米压印：将表面干净的中间聚合物软膜放在镍模板表面进行热纳米压印，得到中间聚合物软模板，在中间聚合物软模板表面得到与镍模板互补的纳米结构，以中间聚合物软模板为紫外纳米压印模板，将表面涂有纳米压印胶层的基片置于纳米压印光刻系统样品台上进行紫外纳米压印，在纳米压印胶层表面得到与中间聚合物模板互补的纳米结构；

3)用电子束蒸镀仪先蒸镀铬层，再蒸镀银层，即得可见光折射率传感器。

本发明的微纳金属圆孔洞阵列采用纳米压印工艺制作，之所以可以用纳米压印的方法来制作可见光折射率传感器，是因为它有如下特点：

(1)采用电子束直写技术制作的纳米压印模板，其精密程度完全可以满足器件对阵列周期以及阵列直径的要求。

(2)精确模板的使用可以很好地保证每个阵列单元的一致性。

(3)由于纳米压印技术的采用，使器件的制作成本降低，且可用于工业中的大量生产。

(4)操作步骤简单，可不去残胶。