(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)。

以上发明存在以下缺陷和不足：1、采用可调谐的光学滤波器作为表面等离子体共振传感器的吸收光谱偏移检测器，需要单独制造光学元件，不但增加系统的制造难度和成本，而且降低了探测器的吸收效率和灵敏度，并且增加系统尺寸；2、采用光谱扫描与角度检测技术结合的方法不但需要采用光谱滤波器，增加系统的制造难度和降低了探测器的灵敏度，而且这种方法需要不断控制阵列光源以获得完整的光谱信息导致实时性差，需要采用尺寸较大的光谱仪获得高性能；3、单纯采用热电子光电探测器取代光谱仪的方法虽然可以使系统尺寸降低，但是具有较低的光谱分辨率，通过采用引入氧化铟锡的方法会增加了制作难度和成本，造价高昂；4、采用表面等离子体共振和多模干涉(MMI)混合传感的方式会增加系统的制造难度和成本，并且还需要复杂的算法区分表面等离子体共振信号和干涉信号，设计复杂，采用传统光谱仪使系统尺寸较大；5、采用金属波纹结构传感器的方法，金属波纹结构制作困难，而且产生表面等离子体共振波长和折射率的匹配效应需要条件高，设计复杂。

为了解决上述问题，本发明公开了一种高集成度表面等离子体共振传感器系统，系统采用光谱重构技术制作光谱仪，通过单个探测器并组合不同偏压的方式可以得到大量不同光谱响应情况，光谱仪可以得到具有高采样分辨率的光谱响应函数，调整偏压情况得到大量有效数据并通过重构算法进行光谱重构，光谱仪不需要单独制作光学元件，探测器设计简单并且对制造工艺要求不高，故该光谱仪具有高分辨率、低成本和超小型的优点，解决基于表面等离子体共振技术的检测系统小型化与高性能互相矛盾的问题，使系统满足高灵敏、现场在线和低成本的检测要求，可实现基于表面等离子体共振传感器的高性能微型化检测系统。

入射光照射到半导体材料会在一定深度被吸收并产生电子空穴对，入射光照射到PN结的表面电子空穴对产生的速率G取决于入射光通量M、入射光的波长λ、材料的光吸收系数α以及与硅表面的距离y，如公式(1)所示：

G(y)＝Mα(λ)exp-(α(λ)y) (1)

穿透深度具有很强的波长依赖性，具有较短波长的光在表面附近被吸收，而具有较长波长的光则更深穿透半导体材料直到被吸收为止；由于电子空穴对的产生，光照射到PN结会产生光电流，由光照引起的光电流如公式(2)所示：

I_L＝-qAG(y)×(Ln+Xd+Lp) (2)

其中A为PN结的结面积，Xd为势垒宽度，Lp和Ln分别是空穴和电子扩散长度，光电探测器的光产生电流取决于入射光和PN结结构性质；在无辐射作用的情况下，光电探测器的特性与普通的光电二极管相同，外置偏压为V时其电流方程如公式(3)所示：

I₀为反向饱和电流，KT为热压当量，其常温下的值为26mev；光电探测器外置一定反向电压范围内时，其产生的电流特别小且基本上保持不变，该电流被称为暗电流，光产生电流与暗电流相比要大得多，故暗电流一般可以忽略，通常把光照下流过光电二极管的反向电流称为光电二极管的光电流，通过上述公式(2)和(3)的可知，在外置偏压为V时光辐射作用到光电二极管产生的电流如公式(4)所示：

光谱响应度指的是光电探测器对单色光的响应能力，通过公式(4)可以得到在偏压为V时的光谱响应曲线；PN结的势垒宽度X_d与半导体的外置偏压V有关，其公式如(5)所示：

N₀为约化浓度，ε_s为介电常数，V_bi为内建电势,通过公式(4)和(5)可知外置偏压会影响光电探测器产生的光电流，会改变公式(3)和(2)表示的光电流，外置偏压主要改变的是由光照产生的光电流，随着外置负压的绝对值增加，光电探测器产生的电流会相应增加，即光谱响应度会增加；光谱响应度与偏置电压呈现的单调关系不是简单成正比，即不同偏压下光电探测器的光谱响应具有特殊性；在反向偏压绝对值较小时增加电压，光电探测器的光谱响应度变化会比较大，在反向偏压绝对值较大时增加电压，光电探测器的光谱响应度变化会比较小(趋于饱和)，故采用不同偏置电压可以使探测器具有不同的光谱响应。

在某固定波长的入射光照射下，通过测量在固定偏压下光电探测器产生的光电流得到探测器在某固定偏压下的光谱响应函数，光电流需要归一化处理(将光电流值比上入射光强值)，探测器在外置偏压值为V_j时的光谱响应为R_j(λ)。

F(λ)表示入射光的光谱信息，包含的参数为光强和波长，由入射光F(λ)照射光电探测器探测，探测器在外置偏压为V_j时测量得到的光电流I_j可以用公式(6)表示：

偏置电压值V_j按照一定步长进行变化，F(λ)表示入射光在波长为λ时光强，在低于击穿电压的工作条件下，探测器形成的光电流与光强度成正比，光谱响应函数的归一化电流值表示光电流与光强的比例系数，所以F(λ)R_j(λ)代表着在偏置电压为V_j和波长为λ的入射光照射下探测器产生的光电流，光谱仪可检测的波长范围是从λ_min到λ_max，所以探测器在偏压为V_j的情况下产生的光电流I_j是在整个波长范围内对F(λ)R_j(λ)的积分，公式(6)也可写成离散形式，如公式(7)表示：

I＝R×F (7)

其中R表示探测器的光谱响应函数矩阵，I是通过测试得到的光电流数据矩阵，所以通过求解方程(7)可以重构未知的目标光谱F，也就是获得了表面等离子体共振的反射光谱。

表面等离子体共振是发生在金属薄膜与电介质界面上的一种物理光学现象，光在界面处全反射时产生的倏逝波的p偏振分量会进入金属薄膜与之发生相互作用，激发出的表面等离子波沿着金属薄膜表面传播，在一定条件下就会出现表面等离子体共振现象，入射光的能量会被转换为SPW的能量，使反射光的能量下降，在反射谱出现共振吸收峰，此时的入射光的角度或者波长被称为表面等离子体共振的共振角或者共振波长，基于表面等离子体共振的检测技术应用在生物、医药、化学等检测领域，具有灵敏度高、无需标记等优点。

Kretschmann棱镜型结构是表面等离子体共振传感器应用最广泛的类型，Kretschmann结构包括棱镜、金属和样品三种介质，Kretschmann棱镜结构会覆盖一层几十纳米厚的金属薄膜，待测物质置于在金属薄膜上，通过调整入射光的入射角或波长来激发表面等离子体共振。

当光波入射到两种不同折射率介质的交界面时会发生光的反射与折射，在与传播垂直方向上的入射光电矢量可分解为S偏振光(垂直于入射面的偏振光)和P偏振光(平行于入射面的偏振光)，由于S偏振光的电场平行于交界面导致电子运动毫无障碍，故不会激励表面等离子体波，P偏振光的电场垂直于交界面，在一定条件可产生表面等离子体体共振现象。

当P偏振光入射到棱镜与金属薄膜交界面处时，棱镜的折射率大于金属薄膜的折射率，如果入射角大于临界角将会发生全反射；由于厚度为几十纳米金属薄膜小于倏逝波的穿透深度，所以在金属薄膜与待测物质的交界面处存在着倏逝波，倏逝波在沿着金属与待测物交界面平行方向的波矢分量k_x如公式(8)所示：

其中c为光速，w为P偏振光的角频率，ε₀为棱镜的介电常数，θ₀为P偏振光的入射角；在P偏振光的入射下，金属薄膜与待测物质交界面处会形成表面等离子体波，其波矢k_sp如公式(9)所示：

其中ε₁为金属薄膜的介电常数，ε₂为待测物质的介电常数；通过改变P偏振光的入射角θ₀和波长λ使得k_x＝k_sp，在这种条件下金属表面的等离子体波和消失波会耦合产生表面等离子体共振现象，反射光强达到最小值，此时的入射光的角度或者波长被称为表面等离子体共振的共振角或者共振波长，故表面等离子体共振的条件如公式(10)所示：

表面等离子体共振的共振角或共振波长与金属薄膜表面的待测物性质密切相关,表面等离子体共振传感器对附着在金属薄膜表面的介质折射率非常敏感，当金属薄膜表面附着待测物(一般为溶液)时,将会引起金属薄膜表面折射率的变化,从而改变表面等离子体共振的共振角或共振波长,使表面等离子体共振的吸收光谱改变，通过实验可以得到共振波长或者共振角与反射率的关系曲线，根据相关的理论计算分析获得待测物质的浓度等信息,达到检测的目的。