CN103926218B - 一种基于表面等离子体共振的高度灵敏折射率传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于表面等离子体共振的高度灵敏折射率传感器，属于传感技术领域，解决对环境折射率进行探测的灵敏度低的问题。本发明的一种基于表面等离子体共振的高度灵敏折射率传感器，所述折射率传感器由多个折射率传感器单元组成，每个折射率传感器单元由基底、金属层和亚波长的金属圆盘组成，折射率传感器单元自下而上依次是基底、金属层和亚波长的金属圆盘。使折射率传感器具有高灵敏度和高品质因数，可对被测环境折射率的微小变化实现高度灵敏的检测。

Description

一种基于表面等离子体共振的高度灵敏折射率传感器

技术领域

一种基于表面等离子体共振的高度灵敏折射率传感器，实现对环境折射率进行探测的高度灵敏的折射率传感器，涉及传感技术领域。

背景技术

表面等离子体共振现象是指在金属与介电材料界面产生的电子集体共振现象。金属表面的自由电子随入射光子同频率集体振荡产生的一种沿着金属表面传播的非辐射空间局域电磁表面波模式，场的强度在垂直于界面的方向上负指数衰减。在一定条件下，自由空间中的光和表面等离子体之间可以实现相互耦合。

品质因数（Figure of merit, FOM）是一个被广泛接受的用来表征折射率传感器性能的一个重要参数，它被定义为折射率传感器的灵敏度与谐振峰（谷）半高宽度的比值，其中灵敏度是指谐振波长的偏移量与环境折射率的变化量之比。因此，一个高性能的折射率传感器需要很高的灵敏度和很窄的半高宽度。

随着传感技术的发展，基于折射率测量的传感领域取得了快速发展。目前最常用的是基于石英光纤的折射率传感器方案，它以光信号作为载体，以光纤作为其传输介质，实现对待测物折射率的探测。虽然，基于这种方案的折射率传感器具有抗电磁干扰，响应速率快，适用于特殊测量环境等优点，但受限于测量的非线性和测量范围，而且也很难满足当前传感器微型化、集成化的发展趋势。因此，各种基于表面等离子体共振的折射率传感器不断被提出，如金属纳颗粒的局域表面等离子体共振效应、金属纳米孔径阵列的表面等离子体增强透过效应，但它们的灵敏度和品质因数不够高，提高其灵敏度和品质因数就成为了当前的一个研究热点。目前，相关研究者提出许多不同的基于等离子体共振的传感器结构，虽然可以实现较高的灵敏度，但受限于其较宽的半高宽度，依然没有达到比较高的品质因数。

发明内容

本发明针对现有技术的不足之处提供了一种基于表面等离子体共振的高度灵敏折射率传感器，具有高灵敏度和高品质因数，可对被测环境折射率的微小变化实现高度灵敏的检测。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种基于表面等离子体共振的高度灵敏折射率传感器，其特征在于：折射率传感器由多个折射率传感器单元组成，折射率传感器单元由自下而上依次设置的基底、金属层和亚波长的金属圆盘组成。

作为优选，所述单个折射率传感器单元的横剖面为正方形，边长为1.5~4.0微米。

作为优选，所述亚波长的金属圆盘的直径为0.5~2.0微米，两相邻的折射率传感器单元上的相邻亚波长的金属圆盘的中心距为亚波长的金属圆盘直径的1/2~2倍。

作为优选，所述金属层和亚波长的金属圆盘是由金、银或铝及其它金属材料中的一种制成的。

作为优选，所述金属层的厚度为50~200纳米，亚波长的金属圆盘的厚度为50~200纳米。

作为优选，所述基底是由硅、氧化硅或石英玻璃材料中的一种制成，其厚度为0.5~5000微米。

作为优选，所述折射率传感器可工作于1~8微米的近红外波长范围内，对外界环境折射率的探测范围为1~5。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

一、 利用金属层和亚波长的金属圆盘结构，使折射率传感器具有高灵敏度和窄半高宽度，其灵敏度可达1415纳米/RIU，半高宽度小于5纳米，品质因数高达308，可对被测环境折射率的微小变化实现高度灵敏的检测。

二、利用金属层和亚波长的金属圆盘结构，可以在近红外光波段实现超低反射，其最大反射率不超过1%。

附图说明

图1是本发明的局部俯视图；

图2是本发明中折射率传感器单元的立体结构示意图；

图3是本发明中折射率传感器单元的俯视图及几何特征参数，其中R是亚波长的金属圆盘的半径，D是折射率传感器单元的边长；

图4是本发明中实施例1中测量葡萄糖溶液浓度的折射率变化为0.01时的反射率曲线；

图5是本发明中实施例1中测量葡萄糖溶液浓度的折射率变化为0.001时的反射率曲线；

图6是本发明中实施例2中折射率传感器在水环境下的反射率曲线；

图7是本发明中实施例3中测量不同浓度的氯化钠溶液的反射率曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1、2、3所示，一种基于表面等离子体共振的高度灵敏折射率传感器，所述折射率传感器由多个折射率传感器单元组成，每个折射率传感器单元由基底1、金属层2和亚波长的金属圆盘3组成，基底1位于金属层2的之下，亚波长的金属圆盘3贴附于金属层2之上。每个折射率传感器单元的横剖面均为正方形，正方形的四个角各有一个亚波长的金属圆盘3，四个角的亚波长的金属圆盘3为一个整圆，正方形的边长为1.5~4.0微米；所述亚波长的金属圆盘3的直径为0.5~2.0微米，位于两相邻的折射率传感器单元上的两相邻亚波长的金属圆盘3的中心距为亚波长的金属圆盘3直径的1/2~2倍，即一个折射率传感器单元上的各侧亚波长的金属圆盘3与各侧相邻折射率传感器单元上的相邻亚波长的金属圆盘3的中心距；所述金属层2和亚波长的金属圆盘3是由金、银或铝等金属材料中的一种制成的；所述金属层2的厚度为50~200纳米，亚波长的金属圆盘3的厚度为50~200纳米；所述基底1是由硅、氧化硅或石英玻璃材料中的一种制成，其厚度为0.5~5000微米；所述折射率传感器可工作于1~8微米的近红外波长范围内，对外界环境折射率的探测范围为1~5。

基底1是折射率传感器单元的底座，金属层2是一层连续的金属膜，金属层2厚度大于近红外波段处的趋肤深度，可以实现接近于零的透射。亚波长的金属圆盘3可以形成表面等离子体共振，在谐振波长处通过实现与空气的阻抗匹配来最小化反射率。

实施例1：

每个折射率传感器单元均由基底1、金属层2和亚波长的金属圆盘3组成。折射率传感器由多个折射率传感器单元组成，其中折射率传感器单元的基底1由硅材料制成，在基底1之上的是一层连续的金属层2，金属层为一层金属膜，金属层2由银材料制成，其厚度为0.1微米，位于金属层2之上的是亚波长的金属圆盘3，亚波长的金属圆盘3也是由银材料制成，其厚度为0.1微米；亚波长的金属圆盘3的直径为1微米，两相邻的折射率传感器单元上的相邻亚波长的金属圆盘3的中心距为2微米；每个折射率传感器单元的横剖面均为正方形，其边长为2微米。用该折射率传感器去测量浓度在0%~25%范围内变化的葡萄糖溶液，由于不同浓度的葡萄糖溶液的折射率不同，当折射率变化量为0.01时，谐振波长会发生明显的偏移，其反射率曲线如图4所示。

同样在葡萄糖溶液的环境下，当溶液的折射率变化为0.001时，通过数值模拟，谐振波长同样发生了明显的偏移，如图5所示。通过谐振波长的偏移量来反映环境折射率的变化量，从而就可以得到不同折射率对应的葡萄糖溶液的浓度。

实施例2：

每个折射率传感器单元均由基底1、金属层2和亚波长的金属圆盘3组成。折射率传感器由多个折射率传感器单元组成，其中折射率传感器单元的基底1由硅材料制成，在基底1之上的是一层连续的金属层2，金属层为一层金属膜，金属层2由银材料制成，其厚度为0.1微米，位于金属层2之上的是亚波长的金属圆盘3，亚波长的金属圆盘3也由银材料制成，其厚度为0.1微米；亚波长的金属圆盘3的直径为1.1微米，两相邻的折射率传感器单元上的相邻亚波长的金属圆盘3的中心距为2微米；每个折射率传感器单元的横剖面均为正方形，其边长为2微米。在实施例1的基础上改变了亚波长金属圆盘的直径，将其改为1.1微米，其它尺寸及制备材料不变。将该折射率传感器置于水环境下（折射率为1.312），通过数值模拟，其反射率曲线如图6所示。

实施例3：

每个折射率传感器单元均由基底1、金属层2和亚波长的金属圆盘3组成。折射率传感器由多个折射率传感器单元组成，其中折射率传感器单元的基底1由硅材料制成，在基底1之上的是一层连续的金属层2，金属层为一层金属膜，金属层2由银材料制成，其厚度为0.1微米，位于金属层2之上的是亚波长的金属圆盘3，亚波长的金属圆盘3也由银材料制成，其厚度为0.1微米；亚波长的金属圆盘3的直径为1.1微米，两相邻的折射率传感器单元上的相邻亚波长的金属圆盘3的中心距为2微米；每个折射率传感器单元的横剖面均为正方形，其边长为2微米。将折射率传感器对氯化钠溶液进行了探测。本实施例的待测样品使用的是不同浓度的氯化钠溶液来作为不同折射率的介质。由于氯化钠溶液的折射率随浓度线性增加，通过测得溶液的折射率就可以线性地反映溶液浓度。图7是在氯化钠溶液浓度为1%和2%时的反射率曲线，可以看出谐振波长发生了明显的偏移。通过反射率曲线所显示出的谐振波长偏移量可以得到环境折射的变化量，从而就可以得到不同折射率对应的氯化钠溶液的浓度。

由于局域场的存在，金属亚波长结构对周围介质的折射率的微小变化通常会有一个非常灵敏的折射率响应。基于这种原理，当传感器置于不同的被测物环境中时，传感器的反射谱或谐振波长上的变化就可以用来反映被测物折射率的变化。将该类型折射率传感器与其它领域，如生物、化学技术相结合，就可以应用于生物、化学传感领域。

本发明所提出的折射率传感器在结构尺寸及制备材料上具有很好的灵活性，当在一定范围内改变其某一参数时，不会影响折射率传感器的性能。

本发明已经通过上述实施例进行了说明，但应当理解的是，上述实施例只是用于举例和说明的目的，而非意在将本发明限制于所描述的实施例范围内。此外本领域技术人员可以理解的是，本发明并不局限于上述实施例，根据本发明的教导还可以做出更多种的变型和修改，这些变型和修改均落在本发明所要求保护的范围以内。本发明的保护范围由附属的权利要求书及其等效范围所界定。

Claims (4)

1.一种基于表面等离子体共振的高度灵敏折射率传感器，其特征在于：折射率传感器由多个折射率传感器单元组成，折射率传感器单元由自下而上依次设置的基底（1）、金属层（2）和亚波长的金属圆盘（3）组成；所述亚波长的金属圆盘（3）的直径为0.5~2.0微米，两相邻的折射率传感器单元上的相邻亚波长的金属圆盘（3）的中心距为亚波长的金属圆盘（3）直径的1/2~2倍；所述金属层（2）和亚波长的金属圆盘（3）是由金、银或铝及其它金属材料中的一种制成的；所述金属层（2）的厚度为50~200纳米，亚波长的金属圆盘（3）的厚度为50~200纳米。

2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的高度灵敏折射率传感器，其特征在于：所述单个折射率传感器单元的横剖面为正方形，边长为1.5~4.0微米。

3.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的高度灵敏折射率传感器，其特征在于：所述基底（1）是由硅、氧化硅或石英玻璃材料中的一种制成，其厚度为0.5~5000微米。

4.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的高度灵敏折射率传感器，其特征在于：所述折射率传感器可工作于1~8微米的近红外波长范围内，对外界环境折射率的探测范围为1~5。