[发明专利]高集成度表面等离子体共振传感器系统

说明书

本发明提供的是一种高集成度表面等离子体共振传感器系统，由宽带光源、偏振片、样品池、金属膜、棱镜、聚焦透镜、光电探测器、偏置电压电路、主控系统和光电信号处理电路组成，采用光谱重构型的高性能超小型光谱仪，使检测装置尺寸的小型化得到提高并且降低了成本，可实现结构简单且高性能的表面等离子体共振传感检测。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种高集成度表面等离子体共振传感器系统，属于光电检测技术领域。

(二)背景技术

目前大部分国内外基于表面等离子体共振技术的检测仪器存在结构复杂、体积庞大和成本高昂的缺点，限制了其实时分析、现场检测等方面的运用，小型化已经成为检测分析仪器发展的一个主要方向；表面等离子体共振检测系统需采用具有高分辨率的光谱仪来提升系统的检测能力，但是传统高性能光谱仪尺寸较大且价格昂贵，且光谱仪的小型化受到光学元件尺寸和光程长度等因素限制，并且减小光谱仪尺寸会带来相应的性能下降。

近些年出现了基于光谱重构技术的光谱仪，设备利用了算法处理并结合机器学习技术；这种技术能够补偿由于进一步小型化而对设备性能造成的影响，这代表了实现超紧凑型高性能光谱仪的途径，这样的光谱仪不仅可以利用硬件的技术进步，还可以利用新的算法进行处理，可广泛应用在工业和消费电子平台。

为了实现具有高性能的基于表面等离子体共振传感器的检测系统，Wen-Kai Kuo等人使用可调带通滤波器(TTBF)作为表面等离子体共振传感器的吸收光谱偏移检测器，通过改变入射角来调整TTBF的通带中心波长，这种方法可以在不使用高性能光谱仪的情况下对表面等离子体共振传感器表面的折射率进行高分辨率传感(Wen-Kai Kuo，et al.，“Thin-film tunable bandpass filter for spectral shift detection in surfaceplasmon resonance sensors”OSA，2019)；邵永红等人于2012年公开了“一种基于表面等离子体共振的检测系统及其检测方法”(中国专利：CN201210406085.4)，系统将光谱扫描技术与角度检测技术结合，在阵列探测器上采用光谱滤波器，通过光谱对表面等离子体共振位置的改变实现小角度高精度的连续扫描；A.Lotfiani等人提出了一种具有电响应的表面等离子体共振传感器的新架构，其中集成的热电子光电探测器取代了传统的光谱仪，金属-绝缘体-金属MIM结的开路电压与分析物的折射率成正比，通过在电极上方引入氧化铟锡作为热电子的阻挡层来提高电灵敏度(A.Lotfiani，et al.，“Miniaturized OptoelectronicSPR Sensor Based on Integrated Planar Waveguide and MIM Hot-ElectronPhotodetector”IEEE，2019)；Duo Yi等人提出了一种基于表面等离子体共振和多模干涉(MMI)的混合光纤传感器，表面等离子体共振效应和MMI效应在单个传感器中同时被激发，应用快速傅里叶变换和滤波算法将表面等离子体共振信号和干涉信号分离，混合传感器提高了RI灵敏度(Duo Yi，et al.，“Interrogation technique analyses of a hybridfiber optic sensor based on SPR and MMI”OSA，2020)；Chen-Chieh Yu等人制备出金属波纹结构用于超灵敏等离子传感器，金属波纹能够感应表面等离子体共振波长和折射率匹配效应，通过测量衬底的透射强度进行折射测量，该系统无需光谱仪(Chen-Chieh Yu，etal.，“Using the nanoimprint-in-metal method to prepare corrugated metalstructures for plasmonic biosensors through both surface plasmon resonanceand indexmatching effects”IEEE，2012)。