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一種光子晶體納米流體傳感器、其制備方法及應用與流程

文檔序號:11152429閱讀:來源:國知局

技術特征:

1.一種基于微電子機械系統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置有方波形的光柵結構,所述光柵結構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成傳感器基體層,所述傳感器基體層上設置有與所有通槽均連通的進流口和出流口。

2.根據權利要求1所述的光子晶體納米流體傳感器,其特征在于,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。

3.根據權利要求1所述的光子晶體納米流體傳感器,其特征在于,所述第一折射率材料為SiO2或SiOxNy

4.根據權利要求1所述的光子晶體納米流體傳感器,其特征在于,所述聚合物材料為PDMS,PMMA或SU8膠。

5.根據權利要求1所述的光子晶體納米流體傳感器,其特征在于,所述第二折射率材料薄膜為ZnS,Si3N4,TiO2,ZnO或碲酸鹽玻璃。

6.根據權利要求1所述的光子晶體納米流體傳感器,其特征在于,所述第二折射率材料薄膜層可見光波段折射率系數為ng,第一折射率材料薄膜層的可見光波段折射率系數為nl,光柵結構的可見光波段折射率系數為nc,聚合物材料層的可見光波段折射率系數為nup,光子晶體納米流體傳感器的有效可見光波段折射率系數為neff,并且它們滿足如下關系:

max{nl,nc,nup}<neff<ng

其中,max表示所有可能取值中的最大值。

7.根據權利要求1所述的光子晶體納米流體傳感器,其特征在于,所述第一折射率材料薄膜層的可見光波段折射率系數為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為1.8-2.8,所述聚合物的可見光波段折射率系數為1.4-1.6。

8.一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;

(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構,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。

9.根據權利要求8所述的制備方法,其特征在于,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。

10.權利要求1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,其特征在于,包括以下步驟:

(1)將納米流體通過進流口導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neff會上升;

(2)待納米流體完全進入所有通槽后,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λm,通過λm值的頻移變化量則可獲得納米流體的濃度。

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