CN107907237B - 一种光学吸收型温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种光学吸收型温度传感器，所述光学吸收型温度传感器是利用温度敏感材料对环境温度的变化进行检测，其中，所述光学吸收型温度传感器包括：金属膜层；以及金属颗粒阵列，包括多个金属颗粒，成阵列排布在所述金属膜层上，且各所述金属颗粒均包括至少两段间隔且不连接的颗粒段，在每个所述金属颗粒中相邻两段颗粒段之间形成空气狭缝。本发明光学吸收型温度传感器基于金属颗粒与空气狭缝形成的共振单元，在对共振吸收波长位置的光谱检测，能提供温度变化前后的很强的光谱强度改变的相对数值和比率，进而产生高品质和高信噪比的传感响应。
Description
技术领域
本发明涉及光能电子器件技术领域，特别是涉及一种光学吸收型温度传感器。
背景技术
等离激元(Plasmonics)是金属结构表面自由电子在外加电磁波照射下引起的集体振荡，导致在金属表面并产生电场增强效应，从而形成表面等离激元的局域电磁场分布。基于等离激元共振的金属结构可以作为能源、光电探测、生物、医学等领域的核心元器件。
光学完美吸收器是实现高效的光谱吸收与光电探测的一个必备元件，它可以实现在特定波段或多个波段光谱范围内的光波能量的吸收，其光学吸收的一般原理是介质导波的光学共振模式、金属等离激元共振和光谱相干等现象引起光波的共振吸收或捕获现象。自2008年，电磁波完美吸收器(《Physical Review Letters》，第100卷，第207402页)或光学完美吸收器(《Nature Photonics》，第2卷，第299页)的研究获得了国内外研究者的广泛关注。在结构中，通过电磁共振现象实现了结构在共振波长处既没有反射(反射率接近为0)也没有透射(透射率为0)，从而根据吸收公式A＝1-R-T(其中A表示吸收率，R表示反射率，T表示透射率)，可以得到吸收率A接近100％的完美吸收。
而传统的电子式传感器需要额外的能源供电，强电磁等恶劣环境限制其正常工作。基于光纤布拉格光栅的温度传感器虽然克服了上述问题但却存在时间稳定性较差的问题，导致在不同时间或环境下，相同温度测试的传感器解调出的温度显示值会不同。
现有技术中已发展出多种温度传感器，例如：微环谐振腔，布拉格反射式波导，多模干涉仪等。这些体系都是通过监测传感系统光学传输或反射谱峰值的漂移、监测传感系统在某一固定波长下传输或反射光强的变化，进而得知相应的温度数值。然而，这些系统和监测方案都需要采用窄线宽的激光器光源或宽带光源与高分辨率光谱仪的结合，使得整个温度传感系统价格过于昂贵，实用性较差。
综上所述，如何实现稳定性强、信噪比高且结构简单的温度传感器，以突破现有研究体系的局限，依然是当前科学于技术领域的一个难题。
发明内容
本发明的目的是提供一种稳定性强、信噪比高的光学吸收型温度传感器。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种光学吸收型温度传感器，所述光学吸收型温度传感器是利用温度敏感材料对环境温度的变化进行检测，其中，所述光学吸收型温度传感器包括：
金属膜层；以及
金属颗粒阵列，包括多个金属颗粒，成阵列排布在所述金属膜层上，且各所述金属颗粒均包括至少两段间隔且不连接的颗粒段，在每个所述金属颗粒中相邻两段颗粒段之间形成空气狭缝。
可选的，所述金属膜层和/或金属颗粒的材质为银。
可选的，所述金属膜层的厚度≥100nm。
可选的，各所述金属颗粒为金属圆柱型颗粒。
可选的，各所述金属圆柱型颗粒的直径为500nm。
可选的，各所述金属颗粒的厚度≥40nm。
可选的，所述金属颗粒阵列的周期为600nm。
可选的，所述空气狭缝偏离金属圆柱型颗粒的中心距离为60nm。
可选的，各所述空气狭缝的带宽为20nm。
可选的，所述温度敏感材料为乙醇。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明光学吸收型温度传感器通过在金属膜层上成阵列排布金属颗粒形成金属颗粒阵列，且在各所述金属颗粒均包括至少两段间隔且不连接的颗粒段，在每个所述金属颗粒中相邻两段颗粒段之间形成空气狭缝，从而形成空气狭缝阵列，基于金属颗粒与空气狭缝形成的共振单元，在共振吸收波长位置的光谱检测时，能提供温度变化前后的很强的光谱强度改变的相对数值和比率，进而产生高品质和高信噪比的传感响应。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例光学吸收型温度传感器结构的俯视图；
图2是本发明光学吸收型温度传感器的光学反射光谱图；
图3是本发明光学吸收型温度传感器的光谱频移相关的传感灵敏度光谱图；
图4是本发明光学吸收型温度传感器的光学反射率变化值光谱图；
图5是本发明光学吸收型温度传感器的品质因子FOM光谱图。
符号说明：
1—金属膜层，2—金属颗粒阵列，3—空气狭缝。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种光学吸收型温度传感器，通过在金属膜层上成阵列排布金属颗粒形成金属颗粒阵列，且在各所述金属颗粒均包括至少两段间隔且不连接的颗粒段，在每个所述金属颗粒中相邻两段颗粒段之间形成空气狭缝，从而形成空气狭缝阵列，基于金属颗粒与空气狭缝形成的共振单元，在对共振吸收波长位置的光谱检测，能提供温度变化前后的很强的光谱强度改变的相对数值和比率，进而产生高品质和高信噪比的传感响应。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1所示，本发明光学吸收型温度传感器金属膜层1以及金属颗粒阵列2；所述金属颗粒阵列2包括多个金属颗粒，各所述金属颗粒成阵列排布在所述金属膜层1上，且各所述金属颗粒均包括至少两段间隔且不连接的颗粒段，在每个所述金属颗粒中相邻两段颗粒段之间形成空气狭缝3。其中，每一空气狭缝3各处的宽度相同。在本实施例中，各所述空气狭缝3的带宽为20nm。
通过金属颗粒-空气狭缝形成共振单元，所述共振单元具备很强的等离激元共振模式与杂化耦合效应，在可见与近红外波段的产生光学完美吸收。通过利用光学完美吸收特性，实现在检测温度敏感材料的折射率改变时产生很强的光谱强度的相对性改变，实现高品质的温度传感。
其中，所述的光谱强度的相对性改变是指在同一检测波长位置出现的检测温度改变前后的光谱强度的改变值大小的相对比率。例如，本发明中采用反射光谱测试方式进行温度传感，在波长λ处，光谱测试时在温度改变前(T0)和改变后(T)对应的光谱反射率大小为R0(λ)和R(λ)。则在温度变化(δT＝T-T0)传感测试过程中的光谱强度改变的大小即反射率差为：δR(λ)＝R(λ)-R0(λ)；而光谱强度的相对性改变即对应的温度传感品质因子(Figureof Merit,FOM)为FOM＝δR(λ)/R0(λ)/δT。
该品质因子FOM不仅仅可以反映温度传感中光谱的测试强度的改变及其光谱频移等方面的信息，而且也能表征温度传感中与光谱强度改变相关的传感测试的信噪比。品质因子FOM越大，则测试过程中同样的温度变化范围里，光谱产生的相对强度的改变比率越大，进而在光谱信号转换为电信号并最终产生为显示型的温度检测数值时越强，温度传感的可靠性越高。
在本实施例中，所述温度敏感材料为乙醇，其物质的折射率n＝1.36084-3.94×10-4(T-T0)，在本实施例中，T0为室温，一般取值为20℃。
进一步地，本发明光学吸收型温度传感器整个结构由金属材料制成，可提供较强的金属等离激元共振效应，产生局域的电磁场增强。优选的，所述金属材料为银。即，所述金属膜层1和/或金属颗粒的材质为银。
其中，所述金属膜层1的厚度≥100nm。各所述金属颗粒为金属圆柱型颗粒。各所述金属圆柱型颗粒的直径为500nm。所述金属颗粒阵列2的周期为600nm。所述空气狭3偏离金属圆柱型颗粒的中心距离为60nm。
各所述金属颗粒的厚度≥40nm，由于空气狭缝3是基于金属颗粒形成，因此空气狭缝3的厚度与各所述金属颗粒的厚度相同。
图2所示为本发明光学吸收型温度传感器的光学反射光谱图。其中，金属膜层厚度为100nm(纳米)，金属圆柱型颗粒的直径为500nm。金属圆柱型颗粒阵列的周期为600nm。空气狭缝的宽带为20nm，空气狭缝偏离圆柱型颗粒中心60nm。金属圆柱型颗粒和空气狭缝的厚度都是40nm。本发明光学吸收型温度传感器所处环境温度分别为40℃和-40℃。
从测试的光谱图可以发现，本发明光学吸收型温度传感器具有两个明显的反射谷。
而根据光学吸收A＝1-R–T，其中A表示吸收率，R表示反射率，T表示透射率。由于本发明光学吸收型温度传感器采用不透光的金属膜层作为结构的底层材料，因此透射被完全抑制，所以光谱呈现的反射谷即对应的高光吸收。在波长为840nm处，当温度为40℃时，反射率R为0.84％(即吸收率A为99.16％)。而在温度变为-40℃，该波长处的反射率为91.32％(即吸收率A为8.68％)。进而可以得到：在此短波段的反射谷(吸收峰)随温度变化产生了明显的光谱强度的改变，即反射率R从0.84％(无反射，近完美光吸收)变为91.32％(高反射，低光吸收)，呈现了较强的光谱强度量变或光谱响应的质变，因而有益于高效高灵敏的温度传感检测。
同时，在长波段也有一个相应的光谱反射谷的传感响应过程。当本发明光学吸收型温度传感器所处环境温度从40℃变化为-40℃时，波长为925nm处的反射谷的光谱反射率从12.16％变为80.85％，也实现了一个较强的光谱强度量变或光谱响应的质变。
图3是本发明光学吸收型温度传感器的光谱频移相关的传感灵敏度(Sensitivity,S)光谱图。其中，金属膜层厚度为100nm，金属圆柱型颗粒的直径为500nm。金属圆柱型颗粒阵列的周期为600nm。空气狭缝的宽带为20nm，空气狭缝偏离圆柱型颗粒中心60nm。金属圆柱型颗粒和空气狭缝的厚度都是40nm。
传感灵敏度S来源于所处环境温度从-40℃逐步变化为40℃时的光谱频移变化，根据波长所在位置以温度为变量所做的线性拟合得到的数值。图3是通过选取光谱中的两个主要的反射谷(吸收峰)随温度改变产生的波长频移位置所生成的光谱图，其中S1和S2分别为短波段和长波段对应的反射谷。
从图3所示，可以发现：本发明光学吸收型温度传感器中的双波段光谱响应(即双带光学反射谷)在随检测温度改变时都产生了明显的光谱频移。在短波段反射谷，产生了随温度每改变1℃就出现了光谱0.237nm的移动，即温度传感灵敏度S为0.237nm/℃。在长波段反射谷，产生了随温度每改变1℃就出现了光谱0.274nm的移动，即温度传感灵敏度S为0.274nm/℃。
图4是本发明光学吸收型温度传感器的光学反射率变化值光谱图。其中，金属膜层厚度为100nm，金属圆柱型颗粒的直径为500nm。金属圆柱型颗粒阵列的周期为600nm。空气狭缝的宽带为20nm，空气狭缝偏离圆柱型颗粒中心60nm。金属圆柱型颗粒和空气狭缝的厚度都是40nm。本发明光学吸收型温度传感器所处环境温度分别为10℃和0℃。光学反射率变化值δR(λ)＝传感器在环境温度为10℃的光谱反射率(R10(λ))减去传感器在环境温度为0℃时的光谱反射率(R0(λ))。
根据图4所示，可以发现：当被检测环境温度改变了10℃时，光谱反射率变化值产生了26.8％(852nm)和18.3％(939nm)的明显响应，从而显示了本发明光学吸收型温度传感器检测前后很强的光谱强度的改变。
图5是本发明光学吸收型温度传感器的品质因子FOM光谱图。其中，金属膜层厚度为100nm，金属圆柱型颗粒的直径为500nm。金属圆柱型颗粒阵列的周期为600nm。空气狭缝的宽带为20nm，空气狭缝偏离圆柱型颗粒中心60nm。金属圆柱型颗粒和空气狭缝的厚度都是40nm。传感器所处环境温度分别为10℃和0℃。光学品质因子FOM＝δR(λ)/R0(λ)/δT，其中δT是传感器所处环境的温度变化值。在本实施例中，δT是为10℃。
根据图5所示，可以发现：在850nm处，光学品质因子FOM达到了3.69。同时作为温度传感检测确认性的第二个检测波长，在937nm处的FOM也有明显的数值显示，从而说明本发明光学吸收型温度传感器的双重高性能高品质传感检测特性。
本发明光学吸收型温度传感器具有如下优点：
1、整个光学吸收型温度传感器结构全部由金属材料组成，能提供较强的金属等离激元共振效应，产生局域的电磁场增强；
2、本发明光学吸收型温度传感器基于光学吸收型的金属共振结构，通过利用采用光学吸收型的金属共振结构在共振吸收波长位置的光谱检测，能提供温度变化前后的很强的光谱强度改变的相对数值和比率，进而产生高品质和高信噪比的传感响应；
3、相对于现有的温度传感器往往局限于单一波长的检测特性，本发明光学吸收型温度传感器能提供双波段的共振吸收及其光学温度传感检测，因而本发明光学吸收型温度传感器能在同一温度检测过程中提供双波长范围的同步检测，进一步提高温度传感的准确性和可靠性；
4、本发明本发明光学吸收型温度传感器基于单一尺寸的金属颗粒-空气狭缝结构层共振单元，结构简单且尺寸在亚波长范围，便于器件的集成和小型化处理。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种光学吸收型温度传感器，其特征在于，所述光学吸收型温度传感器是利用温度敏感材料对环境温度的变化进行检测，其中，所述光学吸收型温度传感器包括：
金属膜层；以及
金属颗粒阵列，包括多个金属颗粒，成阵列排布在所述金属膜层上，且各所述金属颗粒均包括至少两段间隔且不连接的颗粒段，在每个所述金属颗粒中相邻两段颗粒段之间形成空气狭缝；
所述金属颗粒和所述空气狭缝形成共振单元；所述共振单元，用于为光谱检测提供温度变化前后光谱强度改变的相对数值和比率；
所述温度敏感材料为乙醇。
2.根据权利要求1所述的光学吸收型温度传感器，其特征在于，所述金属膜层和/或金属颗粒的材质为银。
3.根据权利要求1所述的光学吸收型温度传感器，其特征在于，所述金属膜层的厚度≥100nm。
4.根据权利要求1所述的光学吸收型温度传感器，其特征在于，各所述金属颗粒为金属圆柱型颗粒。
5.根据权利要求4所述的光学吸收型温度传感器，其特征在于，各所述金属圆柱型颗粒的直径为500nm。
6.根据权利要求1所述的光学吸收型温度传感器，其特征在于，各所述金属颗粒的厚度≥40nm。
7.根据权利要求1所述的光学吸收型温度传感器，其特征在于，所述金属颗粒阵列的周期为600nm。
8.根据权利要求4所述的光学吸收型温度传感器，其特征在于，所述空气狭缝偏离金属圆柱型颗粒的中心距离为60nm。
9.根据权利要求1所述的光学吸收型温度传感器，其特征在于，各所述空气狭缝的带宽为20nm。
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