Μελέτη και πειραματικός χαρακτηρισμός πλασμο-φωτονικών βιοαισθητήρων
Creators: name: Δαμακούδη, Λαμπρινή Γεωργίου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2024
Subjects: Βιοαισθητήρες,
Οπτικοί αισθητήρες,
Φωτονικοί αισθητήρες,
Ολοκληρωμένα φωτονικά κυκλώματα
Πλασμονική τεχνολογία
Μέταλλα
Πλασμονικοί αισθητήρες
Διτροπικός αισθητήρας
Συμβολομετρικοί αισθητήρες
Πλασμο-φωτονικοί αισθητήρες
Αισθητήρες δείκτη διάθλασης
Biosensors
Optical sensors
Photonic sensors
Photonic integrated circuits
Plasmonic technology
Metals
Plasmonic sensors
Bimodal sensors
Interferometric sensors
Plasmonic-photonic sensors
Refractive index sensors

description: Στην παρούσα εργασία μελετάται θεωρητικά και εξετάζεται πειραματικά η επίδοση ενός ολοκληρωμένου διτροπικού πλασμο-φωτονικού αισθητήρα που μπορεί δυνητικά να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση παθογόνων στοιχείων και τοξικών ουσιών σε τρόφιμα και ζωντανούς οργανισμούς. Η φωτονική πλατφόρμα που επιλέχθηκε είναι το πολυμερές SU8 λόγω του χαμηλού κόστους και του μικρού χρόνου που απαιτεί για την κατασκευή του. Ως μέταλλο χρησιμοποιήθηκε το αλουμίνιο για την επίτευξη συμβατότητας με την συμπληρωματική τεχνολογία μετάλλου-οξειδίου-ημιαγωγού (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor, CMOS). Η εργασία χωρίζεται σε δύο βασικά μέρη: το πρώτο αφορά τον σχεδιασμό και την ανάπτυξη του δι-τροπικού πλασμο-φωτονικού αισθητήρα ενώ το δεύτερο την μελέτη του αισθητήρα σε πειραματικό επίπεδο. Πιο αναλυτικά, το πρώτο κεφάλαιο αποτελεί μία εισαγωγή στους ολοκληρωμένους φωτονικούς και πλασμονικούς αισθητήρες, στην αρχή λειτουργίας τους καθώς και στην περιγραφή διαφόρων υλοποιημένων διατάξεων αισθητήρων. Ακολουθεί μία αναλυτική περιγραφή της προτεινόμενης διάταξης και των παραμέτρων που λήφθηκαν υπόψη κατά τον σχεδιασμό της, των αποτελεσμάτων των προσομοιώσεων αλλά και του τρόπου κατασκευής του τσιπ. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται αναλυτικά η διαδικασία λήψης των πειραματικών μετρήσεων και τα αποτελέσματα του οπτικού χαρακτηρισμού του αισθητήρα με στόχο την αξιολόγηση της απόδοσής του ως αισθητήρα ανίχνευσης μεταβολής του δείκτη διάθλασης. Από την θεωρητική ανάλυση προέκυψαν οι βέλτιστες διαστάσεις βάσει των οποίων κατασκευάστηκε τελικά ο αισθητήρας, σημαντικές παράμετροι αξιολόγησης όπως οι απώλειες διάδοσης και σύζευξης, η ελεύθερη φασματική περιοχή (Free Spectral Range, FSR) και η αναμενόμενη τιμή ευαισθησίας για μία συγκεκριμένη ομάδα διαλυμάτων. Οι αισθητήρες αξιολογήθηκαν πειραματικά συγκρίνοντας τα αποτελέσματα του οπτικού χαρακτηρισμού και των πειραμάτων ευαισθησίας με τα θεωρητικά αναμενόμενα αποτελέσματα. Από την παραπάνω διαδικασία, εξήχθη ως συμπέρασμα η ορθή λειτουργία του αισθητήρα καθώς η φασματική απόκρισή του ήταν σε άριστη συμφωνία με την θεωρητικά αναμενόμενη τόσο παρουσία αέρα όσο και παρουσία νερού. Ακόμη, μελετήθηκε η επαναληψιμότητα της φασματικής απόκρισης του αισθητήρα συλλέγοντας τα δεδομένα από 26 αισθητήρες με πλασμονικό μήκος 100 μm και 28 αισθητήρες με πλασμονικό μήκος 75 μm, από συνολικά 5 τσιπ. Επιπλέον, από άποψη απωλειών οι τιμές δεν απέκλιναν σημαντικά από τις προσδοκώμενες βάσει θεωρίας. Αξίζει να σημειωθεί πως ο προτεινόμενος αισθητήρας παρουσιάζει ρεκόρ ευαισθησίας αγγίζοντας την τιμή των 6069 nm/RIU.
description: In this work, the performance of an integrated bimodal plasmonic-photonic sensor that can potentially be used for the detection of pathogens and harmful substances in food and organisms is theoretically studied and experimentally investigated. The photonic platform chosen is based on the polymer SU8 due to its low cost and short fabrication time, while the selected metal is Aluminum in order to achieve compatibility with Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technology. The thesis is divided into two main parts: the first one is about the design and development of the bimodal plasmonic-photonic sensor and the second one is about the experimental study of the sensor. More specifically, the first chapter is an introduction to integrated photonic biosensors including their working principle and the most used sensor configurations as well as plasmonic biosensors and its advantages. This is followed by a detailed description of the proposed device and the parameters considered during its design, the results of the simulations and the chip fabrication method. In the third chapter, the process of obtaining the experimental measurements and the results of the optical characterization of the sensor are presented in detail, to evaluate its performance as a refractive index sensor. The theoretical analysis involved the identification of the optimal sensor dimensions and the calculation of significant performance metrics such as propagation and coupling losses, the Free Spectral Range (FSR) when exposed to different media environments and the expected sensitivity value. The sensor was evaluated experimentally by comparing the outcomes of optical characterization and sensitivity experiments with the theoretically expected results. From the above process, it was concluded that the sensor performs properly as its spectral response was in excellent agreement with the theoretically expected one both in the presence of air and water. Furthermore, the repeatability of the spectral response of the sensor was studied by collecting data from 26 sensors with a plasmonic length of 100 μm and 28 sensors with a plasmonic length of 75 μm, from a total number of 5 chips. Furthermore, in terms of losses, the values were in good agreement with the expected ones based on theory. It is worth noting that the proposed sensor exhibited a record sensitivity of 6069 nm/RIU.