CN105547158B - 一种基于超材料红外光谱的纳米位移传感器及其检测方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于超材料红外光谱的纳米位移传感器及其检测方法，涉及位移传感器件。所述基于超材料红外光谱的纳米位移传感器设有位移输入模块和超材料传感模块，所述超材料传感模块从下至上设有校准石墨烯层、支撑衬底层、周期阵列、中间介电层和传感石墨烯层；待测物体通过位移输入模块驱动传感石墨烯层上下移动，从而改变中间介电层的厚度；通过外部红外光谱设备观察传感谱线的移动方向和距离即可确定待测物体纳米量级位移。检测方法：(1)传感器校准；(2)状态归零；(3)位移输入；(4)信号读取；(5)结果分析，根据谱线‑位置传感换算曲线得出待测物体纳米量级位移。

Description

一种基于超材料红外光谱的纳米位移传感器及其检测方法
技术领域
本发明涉及位移传感器件，尤其是涉及一种基于超材料红外光谱的纳米位移传感器及其检测方法。
背景技术
位移传感器，即通过传感得到的电量或其他参量的变化来反映待测物体的位移量。传统的位移传感器有应变式位移传感器、电涡流位移传感器、电容传感器、化学传感器等。随着纳米领域的工程技术和学术研究的发展，对纳米量级的位移传感器的需求越来越大。目前，用于获得纳米位移的传感器主要有：
一种基于隧道效应的接触式纳米位移传感器，应用隧道效应原理，通过测量压电陶瓷上驱动电压值得出物体的微小位移量，其可用于测量相互接触零件之间纳米级的位移变化，易于操作和控制。
一种工业磁电纳米位移传感器，应用电磁感应原理将输入位移信号转换成电信号，并通过数据线和电缆将位移传感器的各模块相连接，该传感器可有多种信号输出，分辨率可到5nm。
基于机械放大式机构的新型纳米位移传感器设计(李正伟，余永，吴倩，葛运建.仪表技术，2012，11：51-54.)，采用了基于柔性铰链的多级杠杆放大机构对该传感器微纳米级别的输入位移进行放大，并提高了压电陶瓷驱动器的定位精度，此纳米位移传感器易标定且量程范围大，可用于纳米级别物体的位移测量。
然而，这些位移传感器大多基于电路原理或机械原理，易受外界的电磁干扰，并且结构复杂，测量精度低，对制造技术要求高，难以实现纳米量级位移信号的有效可靠的传感。
基于光学的纳米位移传感器利用光波作为传感换能信号，提高了抗干扰性和测量精度，且可进行非接触式测量。然而这种类型的位移传感器多采用光学干涉技术，包括迈克尔逊干涉仪和法布里-帕罗干涉仪，其局限性在于当器件的相关尺寸缩小时，强衍射效应将占优势，导致传感信号微弱；与此同时，衍射极限的存在，导致此类传感器的检测分辨率受限于所使用的光波波长，因此，其应用受到极大限制。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有纳米位移测量技术的不足，提供分辨率高(低于1nm)、抗干扰能力强并且可实时监控的一种基于超材料红外光谱的纳米位移传感器。
本发明的另一目的在于提供基于超材料红外光谱的纳米位移检测方法。
所述基于超材料红外光谱的纳米位移传感器设有位移输入模块和超材料传感模块，所述超材料传感模块从下至上设有校准石墨烯层、支撑衬底层、周期阵列、中间介电层和传感石墨烯层；待测物体通过位移输入模块驱动传感石墨烯层上下移动，从而改变中间介电层的厚度；通过外部红外光谱设备观察传感谱线的移动方向和距离即可确定待测物体纳米量级位移。
所述校准石墨烯层和传感石墨烯层均可采用单层石墨烯片，通过电掺杂或化学掺杂具备费米能级，且费米能级范围可为0.2～1eV。
所述支撑衬底层可采用红外透明介电材料制备的平整均匀薄膜，其厚度可为1～40nm。
所述周期阵列可采用红外透明介电材料或金属材料制备，其高度可为2～200nm；其周期大小可为50～1000nm；其阵列周期数可为200以上。
所述中间介电层可采用气体或液体红外透明介电材料填充，其厚度可由位移输入模块通过传感石墨烯层进行调控，或由所填充材料自身体积变化、液位高度变化等带动传感石墨烯层进行调控。
本发明基于超材料红外光谱的纳米位移检测方法，采用所述基于超材料红外光谱的纳米位移传感器，包括以下步骤：
(1)传感器校准：通过外部红外光谱设备检查校准谱线的出现及其位置，确保所述基于超材料红外光谱的纳米位移传感器状态正常；
(2)状态归零：通过位移输入模块驱动传感石墨烯层，使其处于所述纳米位移传感器的量程范围内，并选取合适位置作为初始位置；
(3)位移输入：待测物体通过位移输入模块驱动传感石墨烯层上下移动，或待测物体填充于中间介电层，并由其自身体积变化、液位高度变化等带动传感石墨烯层上下移动，从而输入待测物体纳米量级位移，并将传感石墨烯层固定在待测位置；
(4)信号读取：通过外部红外光谱设备分别读取初始位置和待测位置的传感谱线；
(5)结果分析：根据谱线-位置传感换算曲线得出待测物体纳米量级位移。
本发明的工作原理是：应用周期阵列将红外光场能量耦合到石墨烯片的表面等离激元模式中，由于局域电场极大增强的特点，使得承载该模式的石墨烯片的微小位移能够通过红外光谱谱线被探测感知。当改变中间介电层厚度达到量程范围内时，从上方垂直入射的光斑经过周期阵列会分别与上方传感石墨烯层和下方校准石墨烯层发生能量耦合，产生两条互不干扰的红外谐振谱线。当支撑衬底层厚度不变时，由校准石墨烯层与周期阵列作用产生的谐振谱线将固定不变，将其称为校准谱线，以此谱线的出现来校准此纳米位移传感装置的组件和外部接收设备是否正常。而当待测物体通过位移输入模块来驱动传感石墨烯层上下移动，或待测物体填充于中间介电层，并由其自身体积变化、液位高度变化等带动传感石墨烯层上下移动时，由于中间介电层厚度发生变化，则由传感石墨烯层与周期阵列作用产生的谐振谱线也将发生移动，将其称为传感谱线。通过谱线-位置传感换算曲线，分析传感谱线的移动方向和距离即可得到待测物体纳米量级位移。此处要说明的是，当中间介电层厚度大于30nm时，周期阵列与传感石墨烯层之间的耦合效应变弱，使得传感谱线幅度减小，传感灵敏度下降。因此，所述基于超材料红外光谱的纳米位移传感器的最佳量程是0～30nm。
本发明的基于超材料红外光谱的纳米位移传感器，是一种非接触式的纳米位移传感器，能够测量出样品小于1nm的位移变化量，也可用于精密传感液位高度的变化。此外，本发明的纳米位移传感器适用于气体和液体环境，集成度高且抗干扰能力强，可实时监控，分辨率高(小于1nm)，灵敏度好，并且可实现双向位移测试。所述检测方法通过外部红外光谱设备测量该超材料的红外透射光谱，根据谱线的移动方向和位置来确定待测物体的纳米量级位移量。本发明的纳米位移传感器结构简单，集成度高，抗干扰能力强，可非接触式测量，实时双向监控和测试，具有广泛的应用价值。
附图说明
图1是本发明基于超材料红外光谱的纳米位移传感器结构示意图。
图中标号：1-校准石墨烯层，2-支撑衬底层，3-周期阵列，4-中间介电层，5-传感石墨烯层，6-位移输入模块。
图2是本发明实施例的谱线-位置传感换算曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式进行说明，附图仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。
如图1所示，所述基于超材料红外光谱的纳米位移传感器实施例设有位移输入模块6和超材料传感模块，所述超材料传感模块从下至上设有校准石墨烯层1、支撑衬底层2、周期阵列3、中间介电层4和传感石墨烯层5；待测物体通过位移输入模块6驱动传感石墨烯层5上下移动，从而改变中间介电层4的厚度；通过外部红外光谱设备观察传感谱线的移动方向和距离即可确定待测物体纳米量级位移。
利用本发明的一种具体实施方式为：所述周期阵列3的材料为银，周期200nm，直径160nm，高度100nm；支撑衬底层2为二氧化硅层，厚度为10nm；中间介电层4为空气；校准石墨烯层1和传感石墨烯层5的费米能级均为0.6eV，载流子散射率均为0.43meV(这些参数并不限定，可取其他适合参数)。图2所示是该具体实施方式的谱线-位置传感换算曲线，其以周期阵列顶部作为位置坐标起始点0。
该纳米位移传感器正常工作前，首先将入射光斑从传感石墨烯层5的一侧垂直照射到本发明所述的传感器上，通过外部红外光谱设备(如红外光谱仪等)观察校准谱线的出现，以此来确定此纳米位移传感装置的组件以及接收设备是否正常，校准完毕后，所述纳米位移传感器处于正常工作状态。调节位移输入模块6使传感石墨烯层5处于该纳米位移传感器的量程范围内(即透射谱线中出现传感谱线)，并选取合适位置t1作为初始位置。根据实际测量需要确定位移输入模块6的调节方向，输入待测物体纳米量级位移后固定位移输入模块6，此时传感石墨烯层5的位置即为待测位置，记为t2。通过外部红外光谱设备观察传感石墨烯层5在初始位置t1和待测位置t2时所对应的传感谱线，分别记为λ1和λ2。对照图2中的谱线-位置传感换算曲线，查出λ1和λ2所对应的t1和t2的值，即可得到待测物体纳米量级位移的值为|t2-t1|。所述基于超材料红外光谱的纳米位移传感器针对所采用或待检测的中间介电层材料，要编制相对应的谱线-位置传感换算曲线。
图2表明所述纳米位移传感器在不同的测量范围具有不同的测量精度：当传感石墨烯层位置在1～10nm时，所述纳米微米位移传感器的测量精度为0.002nm；当传感石墨烯层位置在10～20nm时，所述纳米位移传感器的测量精度为0.01nm；当传感石墨烯层位置在20～30nm时，所述纳米位移传感器的测量精度为0.025nm。可见，传感石墨烯层位置越低，本发明的基于超材料红外光谱的纳米位移传感器的测量精度越高。

Claims (6)

1.一种基于超材料红外光谱的纳米位移传感器，其特征在于设有位移输入模块和超材料传感模块，所述超材料传感模块从下至上设有校准石墨烯层、支撑衬底层、周期阵列、中间介电层和传感石墨烯层；待测物体通过位移输入模块驱动传感石墨烯层上下移动，从而改变中间介电层的厚度；通过外部红外光谱设备观察传感谱线的移动方向和距离即可确定待测物体纳米量级位移。
2.如权利要求1所述一种基于超材料红外光谱的纳米位移传感器，其特征在于所述校准石墨烯层和传感石墨烯层均采用单层石墨烯片。
3.如权利要求1所述一种基于超材料红外光谱的纳米位移传感器，其特征在于所述支撑衬底层采用红外透明介电材料制备的薄膜，其厚度为1～40nm。
4.如权利要求1所述一种基于超材料红外光谱的纳米位移传感器，其特征在于所述周期阵列采用红外透明介电材料或金属材料制备，其高度为2～200nm；其周期大小为50～1000nm；其阵列周期数为200以上。
5.如权利要求1所述一种基于超材料红外光谱的纳米位移传感器，其特征在于所述中间介电层采用气体或液体红外透明介电材料填充。
6.基于超材料红外光谱的纳米位移检测方法，其特征在于采用如权利要求1所述基于超材料红外光谱的纳米位移传感器，所述检测方法包括以下步骤：
(1)传感器校准：通过外部红外光谱设备检查校准谱线的出现及其位置，确保所述基于超材料红外光谱的纳米位移传感器状态正常；
(2)状态归零：通过位移输入模块驱动传感石墨烯层，使其处于所述纳米位移传感器的量程范围内，并选取合适位置作为初始位置；
(3)位移输入：待测物体通过位移输入模块驱动传感石墨烯层上下移动，或待测物体填充于中间介电层，并由其自身体积变化、液位高度变化带动传感石墨烯层上下移动，从而输入待测物体纳米量级位移，并将传感石墨烯层固定在待测位置；
(4)信号读取：通过外部红外光谱设备分别读取初始位置和待测位置的传感谱线；
(5)结果分析：根据谱线-位置传感换算曲线得出待测物体纳米量级位移。
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