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基于集成平面波导与MIM热电子光电探测器的微型化光电SPR传感器

DOI:10.1109/TED.2019.2950297 期刊:IEEE Transactions on Electron Devices 出版年份:2019 更新时间:2025-09-11 14:15:04
摘要: 便携式生物传感领域对微型化表面等离子体共振(SPR)传感器的兴趣日益增长。为实现这一目标,去除外置光谱仪是Kretschmann型SPR传感器微型化的关键步骤。本文提出了一种具有电学响应的新型SPR传感器架构,采用集成热电子光电探测器替代传统光谱仪。该器件将金属-绝缘体-金属(MIM)结与平面波导(PWG)集成为多层结构,通过近红外宽谱发光二极管(LED)激发。MIM结的表面等离子极化激元(SPP)模式与PWG模式的耦合,使得在特定窄带激发范围内,光吸收主要集中在MIM结顶层。吸收带的中心波长由待测物折射率决定。研究表明,基于MIM结中的热电子注入效应,该架构中MIM结的开路电压与待测物折射率成正比,这一特性可替代SPR传感器的波长检测方式。通过在MIM结底部电极上方引入氧化铟锡(ITO)层作为热电子阻挡层,可提升器件的电学灵敏度。详细计算表明该传感器的光学灵敏度约为8000 nm/折射率单位(RIU),对应本器件实现12.5 V/RIU的电学灵敏度。
作者: A. Lotfiani,M. Ghanaatshoar,S. M. Mohseni
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提出一种具有电学响应的SPR传感器新架构,其中集成热电子光电探测器取代传统光谱仪,以实现小型化和提高灵敏度。

在Kretschmann结构中集成MIM结与光波导,可实现具有电学响应的SPR传感器,展现出高灵敏度与微型化潜力。添加ITO层后性能提升,电学灵敏度达到12.5 V/RIU。

所提出传感器的可检测折射率范围由入射光谱的带宽决定,这将其线性范围限制在1.3320至1.333之间。

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