本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，更具體地，涉及一種光子晶體納米流體傳感器、其制備方法及應(yīng)用。

背景技術(shù)：

光子晶體與納米流體通道是兩類在生物化學(xué)、生命科學(xué)和醫(yī)療領(lǐng)域中廣泛研究與應(yīng)用的新興傳感器。光子晶體是一種由不同折射率系數(shù)材料所組成的具有周期性的光柵結(jié)構(gòu)，其中間層由相對折射率系數(shù)較高的材料所構(gòu)成。根據(jù)材料、光柵周期以及光子晶體結(jié)構(gòu)的不同，且因光子帶隙的存在，使得光子晶體能與特定頻率的光波耦合產(chǎn)生共振進(jìn)而改變共振波的傳播方向；同時，與光子晶體共振的光波能夠使光柵結(jié)構(gòu)的局域電場增強(qiáng)。光子晶體傳感器利用表面光柵區(qū)域與分析物的交互作用進(jìn)行檢測，其特點是不對分析物進(jìn)行干擾或破壞，能夠依據(jù)共振波峰的偏移值來實現(xiàn)無標(biāo)識檢測。美國的Cunningham教授有利用光子晶體作為傳感器進(jìn)行一系列生物化學(xué)分子檢測(U.S.Patent 6,990,259[P]，U.S.Patent 7,742,662[P])。納米流體傳感器具有體積小，同時表體面積比大，能促進(jìn)納米流體通道中的分析物在較短的時間內(nèi)光柵的納米流體通道內(nèi)表面進(jìn)行測試。近期，許多研究機(jī)構(gòu)，申請了納米流體制備的專利，并用納米流體傳感器進(jìn)行生物化學(xué)分析實驗(U.S.Patent 8,105,471[P])，納米流體的相關(guān)特性使其易于進(jìn)行低濃度小分子、蛋白質(zhì)、基因和DNA檢測，具有檢測精度高和耗時少的特點

但是，光子晶體類傳感器的不足之處為檢測所需時間較長、極限檢測濃度不高，尤其是在生物蛋白分子、抗原以及基因檢測等需要分子結(jié)合的領(lǐng)域；同時，納米流體通道結(jié)構(gòu)的制作要求苛刻，存在制備難度大、成本高、成品率低等特點。如何高精度低成本制作出滿足需求的納米流體通道是納米傳感器發(fā)展領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)課題。同時，如何提高低濃度小分子檢測精度、減少檢測時間是目前光子晶體傳感器領(lǐng)域面臨的主要難題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提供了一種光子晶體納米流體傳感器、其制備方法及應(yīng)用，將光子晶體和納米流體通道兩種技術(shù)結(jié)合起來，構(gòu)建出基于光子晶體結(jié)構(gòu)的納米流體傳感器；將光子晶體集成于納米流體之中，能夠充分利用光子晶體與納米流體通道的優(yōu)良特性，同時檢測區(qū)域限定于納米流體通道的微觀環(huán)境，能夠更加精確地探測研究對象的相關(guān)特性。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種基于微電子機(jī)械系統(tǒng)的光子晶體納米流體傳感器，其特征在于，該光子晶體納米流體傳感器包括按照由下至上的順序依次設(shè)置的光刻膠層、硅晶片基底、第一折射率材料薄膜層、第二折射率材料薄膜層和聚合物材料封接層，所述第二折射率材料薄膜層的頂端設(shè)置有方波形的光柵結(jié)構(gòu)，所述光柵結(jié)構(gòu)包括多個通槽和多個凸起并且它們交替排列，所述凸起的頂端與所述第一折射率材料薄膜層的底端面接觸，所述光刻膠層、硅晶片基底、第一折射率材料薄膜層和第二折射率材料薄膜層共同構(gòu)成傳感器基體層，所述傳感器基體層上設(shè)置有與所有通槽均連通的進(jìn)流口和出流口。

優(yōu)選地，所述的第一折射率材料薄膜層的厚度h₁為1μm-5μm，第二折射率材料薄膜層厚度h₂為50nm-500nm，貴金屬薄膜層厚度h₃為10nm-50nm，感光材料薄膜層厚度h₄為200nm-500nm，光刻膠層厚度h₆為1μm-3μm。

優(yōu)選地，所述第一折射率材料為SiO₂或SiO_xN_y。

優(yōu)選地，所述聚合物材料為PDMS，PMMA或SU8膠。

優(yōu)選地，所述第二折射率材料薄膜為ZnS，Si₃N₄，TiO₂，ZnO或碲酸鹽玻璃。

優(yōu)選地，所述第二折射率材料薄膜層可見光波段折射率系數(shù)為n_g，第一折射率材料薄膜層的可見光波段折射率系數(shù)為n_l，光柵結(jié)構(gòu)的可見光波段折射率系數(shù)為n_c，聚合物材料層的可見光波段折射率系數(shù)為n_up，光子晶體納米流體傳感器的有效可見光波段折射率系數(shù)為n_eff，并且它們滿足如下關(guān)系：

max{n_l，n_c，n_up}<n_eff<n_g

其中，max表示所有可能取值中的最大值。

優(yōu)選地，所述第一折射率材料薄膜層的可見光波段折射率系數(shù)為

1.4-1.6，所述第二折射率材料薄膜層的可見光波段折射系數(shù)為1.8-2.8，所述聚合物的可見光波段折射率系數(shù)為1.4-1.6。

按照本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種光子晶體納米流體傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)沉積第一折射率材料薄膜層：將第一折射率材料沉積在硅晶片基底的上表面并使第一折射率材料鋪滿所述硅晶片基底的上表面，得到厚度為h₁的第一折射率材料薄膜層，其中，所述硅晶片基底的長度、寬度和高度分別為a、b和h₀；

(2)沉積第二折射率材料薄膜層：將第二折射率材料沉積在第一折射率材料的上表面并使第二折射率材料鋪滿所述第一折射率材料薄膜層的上表面，得到厚度為h₂的第二折射率材料薄膜層，所述第二折射率材料薄膜層的可見光波段折射率系數(shù)大于所述第一折射率材料薄膜層的可見光波段折射率系數(shù)；

(3)濺鍍貴金屬薄膜層：將貴金屬濺鍍在第二折射率材料薄膜層的上表面并使所述貴金屬鋪滿所述第二折射率材料薄膜層的上表面，得到厚度為h₃的貴金屬薄膜層；

(4)涂膠：將感光材料旋涂在貴金屬薄膜層的上表面并使所述感光材料鋪滿所述貴金屬薄膜層的上表面，得到厚度為h₄的感光材料薄膜層，所述感光材料薄膜層、貴金屬薄膜層和第二折射率材料薄膜層共同構(gòu)成納米流體流通層；

(5)刻蝕納米流體流通層：按從上往下的方向刻蝕，在所述納米流體流通層上刻蝕出多條相互平行的通槽，從而在每個通槽旁形成一凸起，所有通槽及所有凸起共同形成方波形的光柵結(jié)構(gòu)，其中，所述通槽的高度為h₅并且h₃+h₄＜h₅＜h₂+h₃+h₄；

(6)后處理：利用有機(jī)溶劑清除感光材料薄膜層，并利用貴金屬溶劑清除的貴金屬薄膜層；

(7)刻蝕進(jìn)出口：將光刻膠旋涂在所述硅晶片基底的下底面并鋪滿所述硅晶片基底的下表面，從而形成厚度為h₆的光刻膠層，所述光刻膠層、硅晶片基底、第一折射率材料薄膜層和第二折射率材料薄膜層共同構(gòu)成傳感器基體層，再按從下至上的方向，刻蝕并蝕穿所述傳感器基體層，從而在所述傳感器基體層上刻蝕出與所有通槽均連通的進(jìn)流口和與所有通槽均連通的出流口；

(8)封接：在第二折射率材料薄膜層的上表面鋪一層聚合物材料進(jìn)行封接，得到聚合物材料封接層，所述聚合物材料封接層的長度和寬度分別為a和b。

優(yōu)選地，步驟(5)中，先刻蝕并蝕穿所述感光材料薄膜層，得到多條第一凹槽，再在每條第一凹槽處刻蝕并蝕穿所述貴金屬薄膜層，得到多條第二凹槽，然后再在每刻蝕所述第二折射率材料薄膜層，得到多條第三凹槽，對應(yīng)位置處的所述第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽共同形成所述通槽。

按照本發(fā)明的另一個方面，還提供了光子晶體納米流體傳感器測試納米流體濃度的方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)將納米流體通過進(jìn)流口導(dǎo)入所述光子晶體納米流體傳感器中，則整個光子晶體納米流體傳感器傳感器的有效折射率系數(shù)n_eff會上升；

(2)待納米流體完全進(jìn)入所有通槽后，使用一束同軸偏振白光垂直入射至光子晶體納米流體傳感器的上表面，利用光譜儀在與入射光相同的路徑上接收反射光波，則在光譜儀上收集到一束共振光波，共振光波的波峰值為λ_m，通過λ_m值的頻移變化量則可獲得納米流體的濃度。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有益效果：

1)所制備的傳感器為基于光子晶體的納米流體傳感器，成功解決了傳統(tǒng)的光子晶體傳感器消耗檢測物過多、檢測時間長、測試精度不高的問題，同時，也消除了傳統(tǒng)納米流體傳感器功能單一、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定、通道少的問題；

2)制備傳感器采用的為基于MEMS的相關(guān)材料與工藝方案，制備的尺寸精度高，材料的化學(xué)惰性高、物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠使所制備的傳感器與原始設(shè)計方案具有很高的一致性；

3)被檢測物可以通過進(jìn)出流口直接進(jìn)入所有通槽，使傳感器的有效折射率系數(shù)發(fā)生變化，從而依據(jù)于納米流體通道的巨大表體面積比進(jìn)行快速檢測，檢測實時性強(qiáng)、靈敏度高；

4)光子晶體納米流體傳感器的光柵結(jié)構(gòu)對局域電場存在顯著的增強(qiáng)作用，當(dāng)利用傳感器進(jìn)行熒光分析實驗時，熒光增強(qiáng)效果明顯，有利于實現(xiàn)低濃度小分子的極限濃度測試；

5)光子晶體納米流體傳感器結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，具備了光子晶體的無標(biāo)識檢測性能和局域電場增強(qiáng)特性，同時檢測區(qū)域限定于納米流體通道的微觀環(huán)境。

附圖說明

圖1(a)～圖1(j)為本發(fā)明制備光子晶體納米流體傳感器的工藝獲得的各物體的示意圖，其中圖1(a)～圖1(d)為抽取納米流體流通層的示意圖，圖1(e)～圖1(g)為刻蝕納米流體流通層的示意圖，圖1(h)為清除殘留物的示意圖；圖1(i)～圖1(j)為形成進(jìn)口和出品的過程，圖(k)為最終經(jīng)過封裝后的示意圖；

圖2(a)～圖2(c)分別為本發(fā)明中光子晶體納米流體傳感器的主視圖、右視圖和仰視圖。

圖3為本發(fā)明中光子晶體納米流體傳感器的軸測圖。

圖4為本發(fā)明一個實施例的光子晶體納米流體傳感器的SEM掃描電鏡視圖：(a)為電子束刻蝕感光材料形成的光柵結(jié)構(gòu)圖；(b)為反應(yīng)離子束刻蝕的貴金屬薄膜層所形成的金屬光柵結(jié)構(gòu)；(c)為反應(yīng)離子束刻蝕的第二折射率材料薄膜層所形成的光子晶體光柵結(jié)構(gòu)。

圖5為本發(fā)明中光子晶體納米流體傳感器的反射共振波長圖譜。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

參照圖1～圖3，一種基于微電子機(jī)械系統(tǒng)的光子晶體納米流體傳感器，該光子晶體納米流體傳感器包括按照由下至上的順序依次設(shè)置的光刻膠層14、硅晶片基底1、第一折射率材料薄膜層2、第二折射率材料薄膜層3和聚合物材料封接層4，并且它們的長度和寬度均相等，所述第二折射率材料薄膜層3的頂端設(shè)置有方波形的光柵結(jié)構(gòu)，所述光柵結(jié)構(gòu)包括多個通槽和多個凸起并且它們交替排列，所述凸起的頂端與所述第一折射率材料薄膜層2的底端面接觸，所述光刻膠層14、硅晶片基底1、第一折射率材料薄膜層2和第二折射率材料薄膜層3共同構(gòu)成傳感器基體層，所述傳感器基體層上設(shè)置有與所有通槽均連通的進(jìn)流口10和出流口11。

按照本發(fā)明的另一個方面，還提供了所述的光子晶體納米流體傳感器的制備方法，包括以下步驟：

(1)沉積第一折射率材料薄膜層2：參照圖1(a),利用化學(xué)氣相沉積法，將第一折射率材料沉積在硅晶片基底1的上表面并使第一折射率材料鋪滿所述硅晶片基底1的上表面，得到厚度為h₁的第一折射率材料薄膜層2，其中，所述硅晶片基底1的長度、寬度和高度分別為a、b和h₀；

(2)沉積第二折射率材料薄膜層3：參照圖1(b),利用化學(xué)氣相沉積法，將第二折射率材料沉積在第一折射率材料的上表面并使第二折射率材料鋪滿所述第一折射率材料薄膜層2的上表面，得到厚度為h₂的第二折射率材料薄膜層3，所述第二折射率材料薄膜層3的可見光波段折射率系數(shù)大于所述第一折射率材料薄膜層2的可見光波段折射率系數(shù)；

(3)濺鍍貴金屬薄膜層12：參照圖1(c),利用電子束物理濺射涂覆法，將貴金屬濺鍍在第二折射率材料薄膜層3的上表面并使所述貴金屬鋪滿所述第二折射率材料薄膜層3的上表面，得到厚度為h₃的貴金屬薄膜層12；

(4)涂膠：參照圖1(d)，將感光材料旋涂在貴金屬薄膜層12的上表面并使所述感光材料鋪滿所述貴金屬薄膜層12的上表面，得到厚度為h₄的感光材料薄膜層13，所述感光材料薄膜層13、貴金屬薄膜層12和第二折射率材料薄膜層3共同構(gòu)成納米流體流通層；

(5)刻蝕納米流體流通層：參照圖1(e)～圖1(g),按從上往下的方向刻蝕，在所述納米流體流通層上刻蝕出多條相互平行的通槽7，通槽7的寬度為b₁，從而在每個通槽7旁形成一凸起，凸起的寬度為b₂，所有通槽7及所有凸起共同形成方波形的光柵結(jié)構(gòu)，其中，所述通槽7的高度為h₅并且h₃+h₄＜h₅＜h₂+h₃+h₄，即第二折射率材料薄膜層未蝕穿，其被刻蝕的部分的高度為h₂₁，未刻蝕部分的高度為h₂₂；其中，第二折射率材料薄膜層3的刻蝕高度影響著最終所形成傳感器的有效折射率系數(shù)，因此，不同的刻蝕深度將產(chǎn)生不同的基于光子晶體的共振波長，可以根據(jù)刻蝕厚度的變化，去設(shè)定所需的初始共振波長；

(6)后處理：參照圖1(h)，利用有機(jī)溶劑清除感光材料薄膜層，并利用貴金屬溶劑清除的貴金屬薄膜層12；其中，感光材料薄膜層是用于制備出所需的納米光柵結(jié)構(gòu)圖形模板，貴金屬薄膜層是用于刻蝕第二折射率薄膜層材料，二者均為制備工藝過程的所需材料，并不用于構(gòu)成傳感器本身，所以再工藝完成之后要清除掉；

(7)刻蝕進(jìn)出口：參照圖1(i)和圖1(j)：將光刻膠旋涂在所述硅晶片基底1的下底面并鋪滿所述硅晶片基底1的下表面，從而形成厚度為h₆的光刻膠層14，所述光刻膠層14、硅晶片基底1、第一折射率材料薄膜層2和第二折射率材料薄膜層共同構(gòu)成傳感器基體層，再按從下至上的方向，利用光刻法刻蝕光刻膠，利用深度反應(yīng)離子束刻蝕法刻蝕硅晶片基底，利用反應(yīng)離子束刻蝕法刻蝕第一折射率材料薄膜層2和第一折射率材料薄膜層3，刻蝕并蝕穿所述傳感器基體層，從而在所述傳感器基體層上刻蝕出與所有通槽7均連通的進(jìn)流口10和與所有通槽7均連通的出流口11，進(jìn)流口10、出流口11和所有通槽7共同構(gòu)成納米流體通道；

(8)封接：參照圖1(k)，在第二折射率材料薄膜層3的上表面鋪一層聚合物材料進(jìn)行封接，得到聚合物材料封接層4，所述聚合物材料封接層4的長度和寬度分別為a和b。

進(jìn)一步，步驟(5)中，利用電子束刻蝕法，先刻蝕并蝕穿所述感光材料薄膜層13，得到多條第一凹槽，再利用反應(yīng)離子束法，在每條第一凹槽處刻蝕并蝕穿所述貴金屬薄膜層12，得到多條第二凹槽，然后再利用反應(yīng)離子束刻蝕法，刻蝕所述第二折射率材料薄膜層3，得到多條第三凹槽，對應(yīng)位置處的所述第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽共同形成所述通槽7，每條通槽7就是一條納米流體流動的通道，因此光柵結(jié)構(gòu)具有多條通道。

進(jìn)一步，所述的第一折射率材料薄膜層2的厚度h₁為1μm–5μm，第二折射率材料薄膜層3厚度h₂為50nm-500nm，貴金屬薄膜層12厚度h₃為10nm-50nm，感光材料薄膜層13厚度h₄為200nm–500nm，光刻膠層14厚度h₆為1μm–3μm。

進(jìn)一步，所述第一折射率材料為SiO₂或SiO_xN_y。

進(jìn)一步，所述聚合物材料為PDMS，PMMA或SU8膠。

進(jìn)一步，所述第二折射率材料為ZnS，Si₃N₄，TiO₂，ZnO或碲酸鹽玻璃。

進(jìn)一步，當(dāng)一束同軸、偏振的白光光束垂直入射傳感器，其反射的共振波長設(shè)為λ₀，方波形的光柵結(jié)構(gòu)的周期為Λ(光柵結(jié)構(gòu)的周期參考方波的周期)，則滿足如下關(guān)系：

Λ×n_eff＝λ₀

進(jìn)一步，所述第二折射率材料薄膜層3可見光波段折射率系數(shù)為n_g，第一折射率材料薄膜層2的可見光波段折射率系數(shù)為n_l，光柵結(jié)構(gòu)的可見光波段折射率系數(shù)為n_c，聚合物材料層的可見光波段折射率系數(shù)為n_up以及光子晶體納米流體傳感器的有效可見光波段折射率系數(shù)為n_eff，并且它們滿足如下關(guān)系：

max{n_l，n_c，n_up}<n_eff<n_g

其中，max表示所有可能取值中的最大值。

通過上述關(guān)系式，可以表明傳感器的最終有效折射率系數(shù)的區(qū)間范圍，從而使制作者在設(shè)計傳感器之初，對有效折射率系數(shù)的取值，以及由其所決定的傳感器共振波長有個準(zhǔn)確的估值范圍。

進(jìn)一步，所述第二折射率材料薄膜層3的可見光波段折射系數(shù)為

1.8-2.8，所述第一折射率材料薄膜層2的可見光波段折射率系數(shù)為1.4-1.6，所述聚合物的可見光波段折射率系數(shù)為1.4-1.6。

按照本發(fā)明的另一個方面，還提供了一種光子晶體納米流體傳感器，由所述制備方法制成。

按照本發(fā)明的另一個方面，還提供了所述的光子晶體納米流體傳感器測試納米流體濃度的方法，包括以下步驟：

(1)將納米流體通過進(jìn)流口10導(dǎo)入所述光子晶體納米流體傳感器中，則整個光子晶體納米流體傳感器傳感器的有效折射率系數(shù)n_eff會上升；

(2)待納米流體完全進(jìn)入所有通槽7后，使用一束同軸偏振白光垂直入射至光子晶體納米流體傳感器的上表面，利用光譜儀在與入射光相同的路徑上接收反射光波，則在光譜儀上收集到一束共振光波，共振光波的波峰值為λ_m，通過λ_m值的頻移變化量則可獲得納米流體的濃度。

圖4為本發(fā)明實施例的光子晶體納米流體傳感器的掃面電鏡圖，圖4(a)是感光材料經(jīng)電子束刻蝕后所形成的光柵結(jié)構(gòu)，圖4(b)是貴金屬材料經(jīng)過反應(yīng)離子束刻蝕后所形成的光柵結(jié)構(gòu)，圖4(c)是第二折射率材料經(jīng)反應(yīng)離子束刻蝕后所形成的光柵周期結(jié)構(gòu)圖。

圖5為本發(fā)明實施例的光子晶體納米流體傳感器的共振波長圖譜。由圖可知，存在兩個不同頻率的共振光譜。當(dāng)光子晶體的第二折射率材料薄膜層3的厚度超過300nm時，其高階共振光譜會顯現(xiàn)。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。