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

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。