一种光子晶体纳米流体传感器、其制备方法及应用技术领域
本发明属于传感器领域，更具体地，涉及一种光子晶体纳米流体传感器、其制备方
法及应用。
背景技术
光子晶体与纳米流体通道是两类在生物化学、生命科学和医疗领域中广泛研究与
应用的新兴传感器。光子晶体是一种由不同折射率系数材料所组成的具有周期性的光栅结
构，其中间层由相对折射率系数较高的材料所构成。根据材料、光栅周期以及光子晶体结构
的不同，且因光子带隙的存在，使得光子晶体能与特定频率的光波耦合产生共振进而改变
共振波的传播方向；同时，与光子晶体共振的光波能够使光栅结构的局域电场增强。光子晶
体传感器利用表面光栅区域与分析物的交互作用进行检测，其特点是不对分析物进行干扰
或破坏，能够依据共振波峰的偏移值来实现无标识检测。美国的Cunningham教授有利用光
子晶体作为传感器进行一系列生物化学分子检测(U.S.Patent 6,990,259[P]，U.S.Patent
7,742,662[P])。纳米流体传感器具有体积小，同时表体面积比大，能促进纳米流体通道中
的分析物在较短的时间内光栅的纳米流体通道内表面进行测试。近期，许多研究机构，申请
了纳米流体制备的专利，并用纳米流体传感器进行生物化学分析实验(U.S.Patent 8,105,
471[P])，纳米流体的相关特性使其易于进行低浓度小分子、蛋白质、基因和DNA检测，具有
检测精度高和耗时少的特点
但是，光子晶体类传感器的不足之处为检测所需时间较长、极限检测浓度不高，尤
其是在生物蛋白分子、抗原以及基因检测等需要分子结合的领域；同时，纳米流体通道结构
的制作要求苛刻，存在制备难度大、成本高、成品率低等特点。如何高精度低成本制作出满
足需求的纳米流体通道是纳米传感器发展领域的关键技术课题。同时，如何提高低浓度小
分子检测精度、减少检测时间是目前光子晶体传感器领域面临的主要难题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种光子晶体纳米流体传感
器、其制备方法及应用，将光子晶体和纳米流体通道两种技术结合起来，构建出基于光子晶
体结构的纳米流体传感器；将光子晶体集成于纳米流体之中，能够充分利用光子晶体与纳
米流体通道的优良特性，同时检测区域限定于纳米流体通道的微观环境，能够更加精确地
探测研究对象的相关特性。
为实现上述目的，按照本发明，提供了一种基于微电子机械系统的光子晶体纳米
流体传感器，其特征在于，该光子晶体纳米流体传感器包括按照由下至上的顺序依次设置
的光刻胶层、硅晶片基底、第一折射率材料薄膜层、第二折射率材料薄膜层和聚合物材料封
接层，所述第二折射率材料薄膜层的顶端设置有方波形的光栅结构，所述光栅结构包括多
个通槽和多个凸起并且它们交替排列，所述凸起的顶端与所述第一折射率材料薄膜层的底
端面接触，所述光刻胶层、硅晶片基底、第一折射率材料薄膜层和第二折射率材料薄膜层共
同构成传感器基体层，所述传感器基体层上设置有与所有通槽均连通的进流口和出流口。
优选地，所述的第一折射率材料薄膜层的厚度h1为1μm-5μm，第二折射率材料薄膜
层厚度h2为50nm-500nm，贵金属薄膜层厚度h3为10nm-50nm，感光材料薄膜层厚度h4为
200nm-500nm，光刻胶层厚度h6为1μm-3μm。
优选地，所述第一折射率材料为SiO2或SiOxNy。
优选地，所述聚合物材料为PDMS，PMMA或SU8胶。
优选地，所述第二折射率材料薄膜为ZnS，Si3N4，TiO2，ZnO或碲酸盐玻璃。
优选地，所述第二折射率材料薄膜层可见光波段折射率系数为ng，第一折射率材
料薄膜层的可见光波段折射率系数为nl，光栅结构的可见光波段折射率系数为nc，聚合物材
料层的可见光波段折射率系数为nup，光子晶体纳米流体传感器的有效可见光波段折射率系
数为neff，并且它们满足如下关系：
max{nl，nc，nup}<neff<ng
其中，max表示所有可能取值中的最大值。
优选地，所述第一折射率材料薄膜层的可见光波段折射率系数为
1.4-1.6，所述第二折射率材料薄膜层的可见光波段折射系数为1.8-2.8，所述聚
合物的可见光波段折射率系数为1.4-1.6。
按照本发明的另一个方面，还提供了一种光子晶体纳米流体传感器的制备方法，
其特征在于，包括以下步骤：
(1)沉积第一折射率材料薄膜层：将第一折射率材料沉积在硅晶片基底的上表面
并使第一折射率材料铺满所述硅晶片基底的上表面，得到厚度为h1的第一折射率材料薄膜
层，其中，所述硅晶片基底的长度、宽度和高度分别为a、b和h0；
(2)沉积第二折射率材料薄膜层：将第二折射率材料沉积在第一折射率材料的上
表面并使第二折射率材料铺满所述第一折射率材料薄膜层的上表面，得到厚度为h2的第二
折射率材料薄膜层，所述第二折射率材料薄膜层的可见光波段折射率系数大于所述第一折
射率材料薄膜层的可见光波段折射率系数；
(3)溅镀贵金属薄膜层：将贵金属溅镀在第二折射率材料薄膜层的上表面并使所
述贵金属铺满所述第二折射率材料薄膜层的上表面，得到厚度为h3的贵金属薄膜层；
(4)涂胶：将感光材料旋涂在贵金属薄膜层的上表面并使所述感光材料铺满所述
贵金属薄膜层的上表面，得到厚度为h4的感光材料薄膜层，所述感光材料薄膜层、贵金属薄
膜层和第二折射率材料薄膜层共同构成纳米流体流通层；
(5)刻蚀纳米流体流通层：按从上往下的方向刻蚀，在所述纳米流体流通层上刻蚀
出多条相互平行的通槽，从而在每个通槽旁形成一凸起，所有通槽及所有凸起共同形成方
波形的光栅结构，其中，所述通槽的高度为h5并且h3+h4＜h5＜h2+h3+h4；
(6)后处理：利用有机溶剂清除感光材料薄膜层，并利用贵金属溶剂清除的贵金属
薄膜层；
(7)刻蚀进出口：将光刻胶旋涂在所述硅晶片基底的下底面并铺满所述硅晶片基
底的下表面，从而形成厚度为h6的光刻胶层，所述光刻胶层、硅晶片基底、第一折射率材料
薄膜层和第二折射率材料薄膜层共同构成传感器基体层，再按从下至上的方向，刻蚀并蚀
穿所述传感器基体层，从而在所述传感器基体层上刻蚀出与所有通槽均连通的进流口和与
所有通槽均连通的出流口；
(8)封接：在第二折射率材料薄膜层的上表面铺一层聚合物材料进行封接，得到聚
合物材料封接层，所述聚合物材料封接层的长度和宽度分别为a和b。
优选地，步骤(5)中，先刻蚀并蚀穿所述感光材料薄膜层，得到多条第一凹槽，再在
每条第一凹槽处刻蚀并蚀穿所述贵金属薄膜层，得到多条第二凹槽，然后再在每刻蚀所述
第二折射率材料薄膜层，得到多条第三凹槽，对应位置处的所述第一凹槽、第二凹槽和第三
凹槽共同形成所述通槽。
按照本发明的另一个方面，还提供了光子晶体纳米流体传感器测试纳米流体浓度
的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将纳米流体通过进流口导入所述光子晶体纳米流体传感器中，则整个光子晶
体纳米流体传感器传感器的有效折射率系数neff会上升；
(2)待纳米流体完全进入所有通槽后，使用一束同轴偏振白光垂直入射至光子晶
体纳米流体传感器的上表面，利用光谱仪在与入射光相同的路径上接收反射光波，则在光
谱仪上收集到一束共振光波，共振光波的波峰值为λm，通过λm值的频移变化量则可获得纳米
流体的浓度。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有
益效果：
1)所制备的传感器为基于光子晶体的纳米流体传感器，成功解决了传统的光子晶
体传感器消耗检测物过多、检测时间长、测试精度不高的问题，同时，也消除了传统纳米流
体传感器功能单一、结构不稳定、通道少的问题；
2)制备传感器采用的为基于MEMS的相关材料与工艺方案，制备的尺寸精度高，材
料的化学惰性高、物理结构稳定，能够使所制备的传感器与原始设计方案具有很高的一致
性；
3)被检测物可以通过进出流口直接进入所有通槽，使传感器的有效折射率系数发
生变化，从而依据于纳米流体通道的巨大表体面积比进行快速检测，检测实时性强、灵敏度
高；
4)光子晶体纳米流体传感器的光栅结构对局域电场存在显著的增强作用，当利用
传感器进行荧光分析实验时，荧光增强效果明显，有利于实现低浓度小分子的极限浓度测
试；
5)光子晶体纳米流体传感器结构稳定，具备了光子晶体的无标识检测性能和局域
电场增强特性，同时检测区域限定于纳米流体通道的微观环境。
附图说明
图1(a)～图1(j)为本发明制备光子晶体纳米流体传感器的工艺获得的各物体的
示意图，其中图1(a)～图1(d)为抽取纳米流体流通层的示意图，图1(e)～图1(g)为刻蚀纳
米流体流通层的示意图，图1(h)为清除残留物的示意图；图1(i)～图1(j)为形成进口和出
品的过程，图(k)为最终经过封装后的示意图；
图2(a)～图2(c)分别为本发明中光子晶体纳米流体传感器的主视图、右视图和仰
视图。
图3为本发明中光子晶体纳米流体传感器的轴测图。
图4为本发明一个实施例的光子晶体纳米流体传感器的SEM扫描电镜视图：(a)为
电子束刻蚀感光材料形成的光栅结构图；(b)为反应离子束刻蚀的贵金属薄膜层所形成的
金属光栅结构；(c)为反应离子束刻蚀的第二折射率材料薄膜层所形成的光子晶体光栅结
构。
图5为本发明中光子晶体纳米流体传感器的反射共振波长图谱。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并
不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要
彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
参照图1～图3，一种基于微电子机械系统的光子晶体纳米流体传感器，该光子晶
体纳米流体传感器包括按照由下至上的顺序依次设置的光刻胶层14、硅晶片基底1、第一折
射率材料薄膜层2、第二折射率材料薄膜层3和聚合物材料封接层4，并且它们的长度和宽度
均相等，所述第二折射率材料薄膜层3的顶端设置有方波形的光栅结构，所述光栅结构包括
多个通槽和多个凸起并且它们交替排列，所述凸起的顶端与所述第一折射率材料薄膜层2
的底端面接触，所述光刻胶层14、硅晶片基底1、第一折射率材料薄膜层2和第二折射率材料
薄膜层3共同构成传感器基体层，所述传感器基体层上设置有与所有通槽均连通的进流口
10和出流口11。
按照本发明的另一个方面，还提供了所述的光子晶体纳米流体传感器的制备方
法，包括以下步骤：
(1)沉积第一折射率材料薄膜层2：参照图1(a),利用化学气相沉积法，将第一折射
率材料沉积在硅晶片基底1的上表面并使第一折射率材料铺满所述硅晶片基底1的上表面，
得到厚度为h1的第一折射率材料薄膜层2，其中，所述硅晶片基底1的长度、宽度和高度分别
为a、b和h0；
(2)沉积第二折射率材料薄膜层3：参照图1(b),利用化学气相沉积法，将第二折射
率材料沉积在第一折射率材料的上表面并使第二折射率材料铺满所述第一折射率材料薄
膜层2的上表面，得到厚度为h2的第二折射率材料薄膜层3，所述第二折射率材料薄膜层3的
可见光波段折射率系数大于所述第一折射率材料薄膜层2的可见光波段折射率系数；
(3)溅镀贵金属薄膜层12：参照图1(c),利用电子束物理溅射涂覆法，将贵金属溅
镀在第二折射率材料薄膜层3的上表面并使所述贵金属铺满所述第二折射率材料薄膜层3
的上表面，得到厚度为h3的贵金属薄膜层12；
(4)涂胶：参照图1(d)，将感光材料旋涂在贵金属薄膜层12的上表面并使所述感光
材料铺满所述贵金属薄膜层12的上表面，得到厚度为h4的感光材料薄膜层13，所述感光材
料薄膜层13、贵金属薄膜层12和第二折射率材料薄膜层3共同构成纳米流体流通层；
(5)刻蚀纳米流体流通层：参照图1(e)～图1(g),按从上往下的方向刻蚀，在所述
纳米流体流通层上刻蚀出多条相互平行的通槽7，通槽7的宽度为b1，从而在每个通槽7旁形
成一凸起，凸起的宽度为b2，所有通槽7及所有凸起共同形成方波形的光栅结构，其中，所述
通槽7的高度为h5并且h3+h4＜h5＜h2+h3+h4，即第二折射率材料薄膜层未蚀穿，其被刻蚀的
部分的高度为h21，未刻蚀部分的高度为h22；其中，第二折射率材料薄膜层3的刻蚀高度影响
着最终所形成传感器的有效折射率系数，因此，不同的刻蚀深度将产生不同的基于光子晶
体的共振波长，可以根据刻蚀厚度的变化，去设定所需的初始共振波长；
(6)后处理：参照图1(h)，利用有机溶剂清除感光材料薄膜层，并利用贵金属溶剂
清除的贵金属薄膜层12；其中，感光材料薄膜层是用于制备出所需的纳米光栅结构图形模
板，贵金属薄膜层是用于刻蚀第二折射率薄膜层材料，二者均为制备工艺过程的所需材料，
并不用于构成传感器本身，所以再工艺完成之后要清除掉；
(7)刻蚀进出口：参照图1(i)和图1(j)：将光刻胶旋涂在所述硅晶片基底1的下底
面并铺满所述硅晶片基底1的下表面，从而形成厚度为h6的光刻胶层14，所述光刻胶层14、
硅晶片基底1、第一折射率材料薄膜层2和第二折射率材料薄膜层共同构成传感器基体层，
再按从下至上的方向，利用光刻法刻蚀光刻胶，利用深度反应离子束刻蚀法刻蚀硅晶片基
底，利用反应离子束刻蚀法刻蚀第一折射率材料薄膜层2和第一折射率材料薄膜层3，刻蚀
并蚀穿所述传感器基体层，从而在所述传感器基体层上刻蚀出与所有通槽7均连通的进流
口10和与所有通槽7均连通的出流口11，进流口10、出流口11和所有通槽7共同构成纳米流
体通道；
(8)封接：参照图1(k)，在第二折射率材料薄膜层3的上表面铺一层聚合物材料进
行封接，得到聚合物材料封接层4，所述聚合物材料封接层4的长度和宽度分别为a和b。
进一步，步骤(5)中，利用电子束刻蚀法，先刻蚀并蚀穿所述感光材料薄膜层13，得
到多条第一凹槽，再利用反应离子束法，在每条第一凹槽处刻蚀并蚀穿所述贵金属薄膜层
12，得到多条第二凹槽，然后再利用反应离子束刻蚀法，刻蚀所述第二折射率材料薄膜层3，
得到多条第三凹槽，对应位置处的所述第一凹槽、第二凹槽和第三凹槽共同形成所述通槽
7，每条通槽7就是一条纳米流体流动的通道，因此光栅结构具有多条通道。
进一步，所述的第一折射率材料薄膜层2的厚度h1为1μm–5μm，第二折射率材料薄
膜层3厚度h2为50nm-500nm，贵金属薄膜层12厚度h3为10nm-50nm，感光材料薄膜层13厚度h4
为200nm–500nm，光刻胶层14厚度h6为1μm–3μm。
进一步，所述第一折射率材料为SiO2或SiOxNy。
进一步，所述聚合物材料为PDMS，PMMA或SU8胶。
进一步，所述第二折射率材料为ZnS，Si3N4，TiO2，ZnO或碲酸盐玻璃。
进一步，当一束同轴、偏振的白光光束垂直入射传感器，其反射的共振波长设为
λ0，方波形的光栅结构的周期为Λ(光栅结构的周期参考方波的周期)，则满足如下关系：
Λ×neff＝λ0
进一步，所述第二折射率材料薄膜层3可见光波段折射率系数为ng，第一折射率材
料薄膜层2的可见光波段折射率系数为nl，光栅结构的可见光波段折射率系数为nc，聚合物
材料层的可见光波段折射率系数为nup以及光子晶体纳米流体传感器的有效可见光波段折
射率系数为neff，并且它们满足如下关系：
max{nl，nc，nup}<neff<ng
其中，max表示所有可能取值中的最大值。
通过上述关系式，可以表明传感器的最终有效折射率系数的区间范围，从而使制
作者在设计传感器之初，对有效折射率系数的取值，以及由其所决定的传感器共振波长有
个准确的估值范围。
进一步，所述第二折射率材料薄膜层3的可见光波段折射系数为
1.8-2.8，所述第一折射率材料薄膜层2的可见光波段折射率系数为1.4-1.6，所述
聚合物的可见光波段折射率系数为1.4-1.6。
按照本发明的另一个方面，还提供了一种光子晶体纳米流体传感器，由所述制备
方法制成。
按照本发明的另一个方面，还提供了所述的光子晶体纳米流体传感器测试纳米流
体浓度的方法，包括以下步骤：
(1)将纳米流体通过进流口10导入所述光子晶体纳米流体传感器中，则整个光子
晶体纳米流体传感器传感器的有效折射率系数neff会上升；
(2)待纳米流体完全进入所有通槽7后，使用一束同轴偏振白光垂直入射至光子晶
体纳米流体传感器的上表面，利用光谱仪在与入射光相同的路径上接收反射光波，则在光
谱仪上收集到一束共振光波，共振光波的波峰值为λm，通过λm值的频移变化量则可获得纳米
流体的浓度。
图4为本发明实施例的光子晶体纳米流体传感器的扫面电镜图，图4(a)是感光材
料经电子束刻蚀后所形成的光栅结构，图4(b)是贵金属材料经过反应离子束刻蚀后所形成
的光栅结构，图4(c)是第二折射率材料经反应离子束刻蚀后所形成的光栅周期结构图。
图5为本发明实施例的光子晶体纳米流体传感器的共振波长图谱。由图可知，存在
两个不同频率的共振光谱。当光子晶体的第二折射率材料薄膜层3的厚度超过300nm时，其
高阶共振光谱会显现。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以
限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。