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研究生:熊展德
研究生(外文):Hsiung,Chan-Te
論文名稱:二維梯度導模共振快速檢測平台
論文名稱(外文):Two Dimensional Gradient Guided-Mode Resonance Rapid Detection Platform
指導教授:黃正昇
指導教授(外文):Huang,Cheng-Sheng
口試委員:施閔雄陳國平
口試委員(外文):Shih,Min-HsiungChen,Kuo-Ping
口試日期:2018-11-1
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:機械工程系所
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2018
畢業學年度:107
語文別:中文
論文頁數:53
中文關鍵詞:導膜共振折射率傳感器光柵亞波長結構
外文關鍵詞:guided-mode resonancerefractive index sensorgratingsubwavelength structure
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目錄
摘要 I
目錄 I V
圖目錄 V I
表目錄 IX
第1章 緒論 1
1.1 研究動機 1
1.2 文獻回顧 2
1.2.1 量測波長的導膜共振光學感測器 2
1.2.2 市面上使用導膜共振的免標定生物感測器 4
1.2.3 量測強度的導膜共振光學感測器 5
1.2.4 量測角度的導膜共振光學感測器 7
1.2.5 基於佔空比變化的導膜共振生物感測器 8
1.2.6 文獻回顧小結 9
1.3 研究目標 10
第2章 研究方法 11
2.1 研究步驟 11
2.2 導膜共振原理 11
2.3 週期梯度導膜共振(GGP-GMR)概念設計 12
2.4 厚度梯度導膜共振(GWT-GMR)概念設計 13
2.5 二維梯度導膜共振(TDG-GMR)概念設計 14
2.6 導膜共振結構製作 15
2.7 光學特性量測 16
2.8 元件靈敏度及檢測極限測試 17

第3章 研究成果 19
3.1 導膜共振結構製作結果 19
3.1.1 週期梯度導膜共振(GGP-GMR)製作結果 19
3.1.2 厚度梯度導膜共振(GWT-GMR)製作結果 20
3.1.3 二維梯度導膜共振(TDG-GMR)製作結果 21
3.2 光學特性量測結果 22
3.2.1 週期梯度導膜共振(GGP-GMR)光學特性量測結果 22
3.2.2 厚度梯度導膜共振(GWT-GMR)光學特性量測結果 25
3.3 元件靈敏度及檢測極限測試模擬 28
3.3.1 週期梯度導膜共振(GGP-GMR)元件靈敏度及檢測極限測試模擬
29
3.3.2 厚度梯度導膜共振(GWT-GMR)元件靈敏度及檢測極限測試模擬
30
3.4 元件靈敏度及檢測極限測試實驗 32
3.4.1 週期梯度導膜共振(GGP-GMR)元件靈敏度及檢測極限測試實驗
33
3.4.2 厚度梯度導膜共振(GWT-GMR)元件靈敏度及檢測極限測試實驗
35
3.4.3 二維梯度導膜共振(TDG-GMR)元件靈敏度及檢測極限測試實驗
39
第4章 結論與未來工作 47
4.1 結論與比較 47
4.2 未來工作 50
參考文獻 52

圖目錄
圖 1.1 (a)GMR結構示意圖(b)反射頻譜 3
圖 1.2 實驗架設圖 3
圖 1.3 甲醇、水、乙醇、異丙醇和環己烷及其相應的共振波長 4
圖 1.4 (a)GMR與孔盤結合圖(b)由寬頻光與光譜儀量測反射頻譜 5
圖 1.5 (a)強度量測原理(b)強度量測系統(c)導膜共振結構示意圖 6
圖 1.6 (a)不同糖水濃度下的穿透光譜 (b)糖水折射率對應共振強度
關係圖 6
圖 1.7 量測角度的感測系統架設示意圖 7
圖 1.8 不同折射率下的共振角度變化 7
圖 1.9 (a)由光譜儀量測得到的共振頻譜(b)佔空比變化的GMR結構 8
圖 1.10 (a)CCD量測亮帶影像(b)經過曲線擬合(fano fitting)前後
的共振頻譜 8
圖 2.1 (a)導膜共振結構與原理示意圖(b)波導模態示意圖(c)免標定
檢測示意圖 12
圖 2.2 (a)GGP-GMR示意圖(b)GGP-GMR檢測原理示意圖 13
圖 2.3 (a)GWT-GMR示意圖(b)GWT-GMR檢測原理示意圖 14
圖 2.4 TDG-GMR示意圖,分別在兩個軸向具有週期梯度、厚度梯度結
構 15
圖 2.5 導膜共振結構製程示意圖 15
圖 2.6 GWT-GMR濺鍍過程示意圖 16
圖 2.7 光學特性量測架設示意圖 17
圖 2.8 GGP-GMR與GWT-GMR靈敏度及檢測極限量測架設示意圖 18
圖 2.9 TDG-GMR元件靈敏度及檢測極限量測架設示意圖 18
圖 3.1 (a)矽母模(b) GGP-GMR 19
圖 3.2 GGP-GMR上視圖:週期(a) 250 nm (b) 320 nm (c)374 nm
(d) 400 nm。(e)剖面圖 20
圖 3.3 (a)矽母模(b) GWT-GMR 21
圖 3.4 GWT-GMR (a)上視圖(b)厚度較薄處剖面圖(c) 厚度較厚處剖
面圖 21
圖 3.5 TDG-GMR 22
圖 3.6 GGP-GMR光學特性量測架設 23
圖 3.7 GGP-GMR光學特性(TE) 23
圖 3.8 GGP-GMR光學特性(TM) 24
圖 3.9 GWT-GMR光學特性量測架設 25
圖 3.10 GWT-GMR光學特性(TE) 26
圖 3.11 GWT-GMR光學特性(TM) 27
圖 3.12 (a)模擬結構(b)模擬示意圖 29
圖 3.13 GGP-GMR靈敏度、檢測極限測試模擬 30
圖 3.14 GWT-GMR靈敏度、檢測極限測試模擬 31
圖 3.15 (a)GGP-GMR糖水量測結果(b)波谷放大圖 33
圖 3.16 GGP-GMR折射率對共振位置偏移關係圖 34
圖 3.17 GGP-GMR糖水量測檢量線 35
圖 3.18 GWT-GMR糖水量測原始波形與經過BWF曲線擬合波形
36
圖 3.19 GWT-GMR折射率對共振位置偏移關係圖 37
圖 3.20 GWT-GMR糖水量測檢量線(0%-40%) 38
圖 3.21 GWT-GMR糖水量測檢量線(24%-26%)………………………………...…38
圖 3.22 (a)TDG-GMR示意圖 (b)檢測系統配置示意圖 (c)檢測原理
示意圖 40
圖 3.23 TDG-GMR靈敏度及檢測極限測試實驗流程圖 40
圖 3.24 TDG-GMR量測分析示意圖 41
圖 3.25 TDG-GMR糖水量測原始波形與經過曲線擬合波形(週期梯度方
向) 42
圖 3.26 TDG-GMR糖水量測檢量線(週期梯度方向) 43
圖 3.27 TDG-GMR週期梯度方向量測微小濃度變化 44
圖 3.28 TDG-GMR (a)實際影像 (b)示意圖 44
圖 3.29 TDG-GMR糖水量測原始波形與經過曲線擬合波形(厚度梯度方
向) 45
圖 3.30 TDG-GMR糖水量測檢量線(厚度梯度方向) 45
圖 3.31 TDG-GMR量測分析示意圖 46
圖 3.32 量測未知濃度糖水溶液示意圖(a)週期梯度方向分析(b)厚度
方向分析 46
圖 4.1 強度量測模擬 48
圖 4.2 (a)具佔空比變化的GMR感測器模擬模型(b)不同折射率下的模
擬結果 49
圖 4.3 TDG-GMR與CCD結合配置示意圖 50

表目錄
表一、 導膜共振感測分析 9
表二、 TE mode穿透光譜光學特性 24
表三、 TM mode穿透光譜光學特性 25
表四、 TE mode穿透光譜光學特性 26
表五、 TM mode穿透光譜光學特性 28
表六、 不同厚度變化下的模擬結果 32
表七、 GGP-GMR糖水量測數據 35
表八、 GWT-GMR糖水量測數據 37
表九、 模擬與實驗靈敏度以及檢測極限比較 39
表十、 TDG-GMR週期梯度方向糖水量測數據 44
表十一、 TDG-GMR厚度梯度方向糖水量測靈敏度與檢測極限 47
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