[发明专利]一种光学传感器

说明书

本发明公开了一种光学传感器，包括：自下而上的衬底，导电反射层，绝缘介质层和纳米结构层；所述纳米结构层为金属性质材料，并被制备为光栅结构；所述导电反射层、纳米结构层和介质层一起形成类似平板电容结构，且支持电磁场局域的共振吸收模式；导电反射层和纳米结构层间具有电连接。本发明利用表面介质环境敏感的光学共振吸收结构在形成电容结构时能够产生感应电势的特性，直接以电信号输出的方式工作，传感的工作波长范围不再受限于传统半导体材料的能带限制，实现大工作波长范围。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种基于表面光电压的光学折射率传感器。

背景技术

目前，生物医学、环境监测、食品安全甚至国防等领域都对高灵敏传感器提出了迫切的需求。光学传感器具有灵敏度高、非标记等特点，因而得到广泛关注和大力发展。通常光学传感器都利用光学共振结构来增强折射率传感性能，通过测试共振峰的波长移动来感知被测物的变化。其中传感灵敏度定义为被测物单位折射率变化条件下共振峰的波长移动。传感灵敏度越大、共振峰线宽越小，有利于实现更低的检测限，即传感器的性能越好。通常光学折射率传感器为了获取光学检测信号，一般都需要庞大和昂贵的光谱分析系统，不利于便携式的即时检测需求。比如2007年Science期刊第317卷第783页报道了一种基于高品质因子光学微腔的光学传感器，展示了单分子的检测，然而测试需要高精度光谱仪和高稳定性的光纤耦合系统等。2003年SensorsandActuatorsB期刊第91卷第266页报道了一种基于表面等离子体共振原理的商业光学传感设备，折射率传感精度达到0.2％，然而此设备包括棱镜、反射镜、探测器阵列等进行角度光谱的测试，体积庞大。

为此，电读出的光学传感器近来受到广泛关注，通过电信号输出光学信息，实现更加紧凑和简单的光学传感器。2014年AppliedOptics期刊第53卷第5969页报道了一种将玻璃衬底的金属光栅滤波器贴在硅探测器表面的集成型光学传感器，金属光栅表面的被测物影响滤波器的光透过特性，从而改变下面硅探测器的入射光信号，进而影响探测器输出光电流，实现集成式的传感。2015年SPIE杂志在第9724卷编号为97240M的论文里报道了一种将金属纳米孔滤波器直接做到pin型GeSi探测器的表面的集成型光学传感器。然而这类器件都需要半导体材料来进行光电转换，使得传感器加工复杂，成本较高。

可以看到，以上述例子为代表的现有技术依赖于昂贵复杂的光谱分析系统或高制造成本的半导体光电器件，不利于便携式即时传感技术的大规模应用，而且工作波长范围受限于半导体材料的能带结构。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种光学传感器，利用表面介质环境敏感的光学共振吸收结构在形成电容结构时能够产生感应电势的特性，直接以电信号输出的方式工作，传感的工作波长范围不再受限于半导体材料的能带结构限制，实现大工作波长范围。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种光学传感器，包括：自下而上的衬底，导电反射层，绝缘介质层和纳米结构层；所述纳米结构层为金属性质材料，并被制备为光栅结构；

所述导电反射层、纳米结构层和介质层一起形成类似平板电容结构，且支持电磁场局域的共振吸收模式；导电反射层和纳米结构层间具有电连接；

所述纳米结构层吸收入射光后产生电子，并在平板电容结构中形成感应电势，所述纳米结构层表面被测物的变化对共振吸收模式产生影响，进而引起感应电势的变化，从而实现光学传感的电信号输出。

优选的，所述导电反射层的材料包括金、铂、银、铜、铝、钛、镍、铬、氮化钛和氮化锆等中的至少一种。

更进一步地，所述导电反射层的厚度大于100纳米。

优选的，所述介质层为绝缘材料层或由透明导电氧化物和绝缘材料组成的复合层。