基于成像的传感器直接将检测到的信息转换成图像模式，提供直观、便捷的测量数据图像。这种能力在各种应用中都具有重要意义，包括危险材料检测、紧急监控、精确医疗诊断、实时非临床检测以及非专业人员使用。研究人员广泛研究了基于成像的传感器21、22、23、24 ，旨在通过传感器可视化在人眼和物理世界之间建立直接联系。这种方法在三个关键领域引起了广泛关注：荧光传感22、23、拉曼传感25、26、27、28和折射率传感29、30、31、32 。荧光可视化传感器需要用荧光标记修改样品。通过抗原-抗体选择性结合引起的折射率变化来测量抗原浓度是一些折射率传感技术（如表面等离子体共振（SPR）33、34、35、36、37、38、39）中使用的原理。现有的折射率可视化传感器通常很复杂并且灵敏度相对较低，从而大大限制了它们的应用范围。一些基于成像的 SPR 传感器40、41结合了成像工具进行折射率传感。这些传感器本质上是简单的基于强度的 SPR 传感器，其灵敏度受共振模式固有灵敏度的限制。最近的研究通过构建几何超表面 42、43、44、45、46、47 探索了基于成像的折射率传感器。这些研究使用梯度结构（例如，等离子体梯度结构42、43、48 ）进行空间映射。然而，缺乏精确控制或构建微小梯度剖面的方法，导致这些方法的灵敏度普遍较低，其传感器的灵敏度通常在10 ^3像素/RIU级左右（42,43 ）。

在本研究中，我们引入了差分导模共振（dGMR）的概念来应对这一挑战，利用厚度调制（10 纳米级）芯片实现前所未有的灵敏度和可重构的动态范围。可以使用由表面等离子体极化子（SPP）激发的厚度调制波导层来解码折射率信息。通过非光刻方法，dGMR 可以大规模实现批量生产。灵敏度达到每折射率单位百万像素的数量级（990000 像素/RIU，超过现有同类产品近三个数量级42、43 ） ，具有扩展的动态范围，缓解了灵敏度-动态范围限制。在本文中，品质因数（FOM）（定义为灵敏度与共振谱半峰全宽（FWHM）的比值）可以达到 104 RIU − 1级别，远远超出了 SPR 传感器的理论极限17。此外，我们还基于该传感器芯片开发了便携式原型，展示了其在二维分布传感等实际应用方面的潜力。

结果
差分导模谐振概念
导模谐振 (GMR) 结构基于 SPR 和 GMR 之间的耦合，采用 Kretschmann 配置，如图 1a所示。入射光波通过衰减场耦合到 SPP，进一步激发波导层中支持的 GMR。通过厚度调制引入两个谐振条件差异较小的 GMR（由于波导层厚度t差异较小，如图1b所示 ），我们可以获得作为单个传感单元的 dGMR。关键在于谐振厚度t是折射率n的连续单调函数（在厚度t处产生谐振），通过构建微分公式实现传感能力，如图1b所示 。随着折射率的变化，从一个 GMR 结构到另一个 GMR 结构发生谐振，人们可以通过谐振条纹的空间位移检测到折射率的变化。与传统的光学谐振型传感器不同，图 1b中的极限公式表明灵敏度由与Q因子无关的厚度差异决定。