新型柔性微腔生物传感器的力学效应及其结构设计与性能优化

发布时间：2021-05-20 19:21

　　近年来,随着柔性光电子学的发展,其在生物医学、生命科学和军事科学等领域表现出了极大的应用潜力。刚性基底到柔性基底的转变使柔性集成光子器件能够实现与人体及其生物组织非平面集成的体外或体内检测。另外,由于支持回音壁模式（WGM）的光学谐振腔具有高品质因数和低模式体积,因此基于WGM微腔的柔性集成光子器件可以实现高灵敏度生物传感应用。然而,当器件受力弯曲时,微腔不可避免地会受到应力的作用,其中,径向剪切应力和力-光耦合效应将分别造成腔体尺寸和有效折射率的改变,进而导致谐振波长的偏移,给探测过程引入非生物因素的影响,严重降低其结果的准确度,使超柔性与高灵敏度无法兼容,限制了柔性集成光子器件在生物传感领域中的应用。因此,必须研究一种新方法或者新机制,消除微腔所受应力,有效控制力-光耦合,才能准确获得生物传感信息,真正意义上实现柔性微腔光子器件在生物传感领域的应用。论文首先分析了柔性光子器件受力时沿薄膜堆叠方向所受应变的情况,提出适用于柔性光子器件结构的多中性轴力学模型;然后提出两种方法以消除力-光耦合效应对生物传感应用造成的影响:一是从大幅度减小谐振腔附近应变分布的角度出发,建立新型三明治薄膜结... 

【文章来源】：天津大学天津市 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校

【文章页数】：76 页

【学位级别】：硕士

【文章目录】：
摘要
ABSTRACT
第1章 绪论
    1.1 引言
    1.2 基于WGM微腔的柔性光子器件
        1.2.1 WGM微腔简介
        1.2.2 柔性WGM微腔的发展历史与研究现状
        1.2.3 柔性WGM微腔传感特性及应用
    1.3 基于WGM微腔的生物传感应用
        1.3.1 WGM微腔光学生物传感器的研究现状
        1.3.2 基于柔性WGM微腔生物传感应用的优势及缺陷
    1.4 课题提出及研究内容
第2章 WGM微腔理论基础
    2.1 WGM微腔的工作原理
    2.2 WGM微腔的耦合模型
        2.2.1 基于传输光路的Yariv模型
        2.2.2 基于瑞利散射的Gorodetsky模型
    2.3 WGM微腔的性能参数
        2.3.1 消光比(ER)
        2.3.2 波峰半高全宽(FWEM)和自由光谱范围(FSR)
        2.3.3 精细度(Finesse)和品质因数(Q值)
        2.3.4 灵敏度(S)和探测极限(DL)
    2.4 本章小结
第3章 柔性WGM微腔的力学效应
    3.1 柔性光子器件结构的力学模型
        3.1.1 基于薄膜堆叠结构的梁弯曲理论
        3.1.2 多中性轴理论
    3.2 中性轴距离与倏逝波穿透深度的不匹配度
    3.3 力-光耦合效应
    3.4 本章小结
第4章 基于新型三明治薄膜结构的生物传感优化
    4.1 新型三明治薄膜结构设计模型
    4.2 新型三明治薄膜结构对力-光耦合效应的优化结果
    4.3 刚性体对应变减小程度的影响
        4.3.1 刚性体位置
        4.3.2 刚性体尺寸
        4.3.3 刚性体横截面形状
    4.4 各层材料杨氏模量对生物传感优化程度的影响
    4.5 本章小结
第5章 基于新型WGM微腔结构的生物传感优化
    5.1 新型WGM微腔结构的设计模型
    5.2 新型WGM微腔中的模式分裂现象
        5.2.1 模式分裂产生原理
        5.2.2 模式分裂的数学模型
    5.3 新型WGM微腔结构的传感性能研究
        5.3.1 体折射率传感性能
        5.3.2 压力传感性能
    5.4 基于双传感特性的生物传感优化方法及结果
    5.5 本章小结
第6章 结论
参考文献
发表论文和参加科研情况说明
致谢


【参考文献】：
期刊论文
[1]柔性及半透明钙钛矿太阳能电池[J]. 颜凯,胡显维,陈补鑫,陈思,高雪,董斌,邹德春.  科学通报. 2017(14)
[2]Simultaneous measurement of refractive index and temperature using a microring resonator[J]. 林奈,姜澜,王素梅,袁雷,陈强华.  Chinese Optics Letters. 2012(05)

博士论文
[1]回音壁模式微腔的耦合特性与封装技术研究[D]. 董永超.中国科学技术大学 2016



本文编号：3198301