CN107966422B - 一种基于表面等离激元共振效应的氢气传感微结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于表面等离激元共振效应的氢气传感微结构，主要由衬底、铬薄膜、银薄膜、介质薄膜、钯薄膜、一个直线型狭缝以及两个直线型凹槽阵列构成。其中铬薄膜、银薄膜、介质薄膜与钯薄膜依次附着在衬底上，形成多层复合薄膜；直线型狭缝位于多层复薄膜上，并刻穿多层复合薄膜；两个直线型凹槽阵列与线型狭缝平行，并分别位于直线型狭缝两侧。该氢气传感微结构利用表面等离激元共振效应使得其出射光沿指定方向角传播，并且出射光束的方向角度具有随着氢气浓度变化的特性。基于本发明的氢气传感系统具有灵敏度高，响应速度快，抗环境干扰能力强、氢气传感探头结构的灵巧化，信号探测处理的简单化与低成本化的特点。

Description

一种基于表面等离激元共振效应的氢气传感微结构
技术领域
本发明属于氢气传感技术领域，尤其涉及一种基于表面等离激元共振效应的氢气传感微结构。
背景技术
氢气作为一种清洁的高能燃料和重要的还原性气体，在航空航天、军事国防、冶金化工、绿色能源等领域应用广泛，然而易燃易爆的性质给氢气的存储与使用带来了严重的安全隐患。基于电化学或半导体电导率的传统氢气传感器，工作中可能产生电火花，容易形成巨大的安全隐患，并且其易受电磁干扰，因而很难适用于复杂环境。因此研究一种安全、快速、灵敏的氢气检测方法对科学研究与应用均具有重要意义。
基于光学方法的氢气检测技术具有灵敏度高、响应速度快、安全性好、抗电磁干扰强等优点，目前的光学氢气传感器大多采用强度测量、光谱、角度测量三种信号检测方案，其中基于光信号强度检测的氢气传感器主要通过测量传感光信号的强度值实现浓度的测量，该类传感器构架简单，传感探头结构灵巧，但其抗干扰性能力较弱，易受光源强度扰动及环境振动等因素的影响；基于光谱检测的氢气传感器通过测量传感光谱对氢气浓度进行测量，性能稳定，抗干扰能力强，但系统需由光谱分析仪器等设备构成，系统较为庞大、复杂，且价格相对昂贵；基于角度检测的氢气传感器，通过测量传感光角度对氢气浓度进行测量，性能稳定，抗干扰能力强，其主要利用了表面等离激元共振效应，需要共振角度激发与测量的光路系统，因而传感系统的结构较为复杂与庞大。因此如何增强光学氢气传感器的环境抗干扰能力，实现传感探头结构的灵巧化、信号探测处理的简单化以及低成本化，具有重要的实际应用价值。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，而提供一种基于表面等离激元共振效应的氢气传感微结构。解决了光学氢气器的现有问题，实现光学氢气传感器强的环境抗干扰能力，以及探头结构的灵巧化，信号探测处理的简单化与低成本化。
本发明的目的是通过如下技术方案来完成的。这种基于表面等离激元共振效应的氢气传感微结构，主要包括衬底、铬薄膜、银薄膜、介质薄膜、钯薄膜、直线型狭缝以及两个直线型凹槽阵列，铬薄膜、银薄膜、介质薄膜与钯薄膜依次附着在衬底上，形成多层复合薄膜；直线型狭缝位于多层复合薄膜上，并穿透多层复合薄膜，即该直线型狭缝从上至下依次穿透钯薄膜、介质薄膜、银薄膜、铬薄膜；两个直线型凹槽阵列为直线型凹槽阵列A和直线型凹槽阵列B，位于直线型狭缝的两侧，并均与直线型狭缝平行排布；凹槽阵列具有相同的深度，从上至下依次穿透钯薄膜与介质薄膜，并在银薄膜内刻穿至一定深度但并没有穿透。
作为优选，所述衬底为透明的介质，入射光从衬底底部入射，并通过直线型狭缝出射；入射光的偏振方向垂直于直线型狭缝的直线型方向，即入射光的偏振方向垂直于直线型狭缝的长边方向；直线型狭缝的出射光激发多层复合薄膜结构的表面等离激元共振，形成表面等离激元波并沿多层复合薄膜表面向两侧传播，直线型狭缝两侧的直线型凹槽阵列将散射表面等离激元波，并将其转化成辐射波。
作为优选，两个直线型凹槽阵列的周期与出射光的光束方向角度满足如下关系，其中d为两凹槽阵列的周期，λspp为多层复合薄膜的表面等离激元波的波长，λ为入射光波长，θ为设定的出射光束流方向角；
Figure GDA0002350836210000021
作为优选，所述的介质薄膜为二氧化硅薄膜。
本发明的有益效果为：
a、本发明的氢气传感微结构采用表面等离激元共振效应，灵敏度高，响应时间快。
b、本发明的氢气传感微结构具有的出射光束方向角度对氢气浓度显著变化的特征，通过测量出射光束的位置变化实现氢气浓度测量，具有环境抗干扰能力强的特点，并且传感光信号的探测装置简易，处理过程简单。
c、本发明的氢气传感微结构是一个平面微结构，易于与有源光器件集成；同时氢气传感微结构的构成与结构特征简单，易于加工，批量制造成本低。
附图说明
图1本发明的基于表面等离激元共振效应的氢气传感微结构示意图；
图2本发明的基于表面等离激元共振效应的氢气传感微结构截面图；
图3不同氢气浓度下氢气传感微结构的出射光的方向角度示意图。
附图标记说明：1衬底、2铬薄膜、3银薄膜、4介质薄膜、5钯薄膜、6直线型狭缝、7直线型凹槽阵列A、8直线型凹槽阵列B。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细的介绍：
如图所示，这种基于表面等离激元共振效应的氢气传感微结构，具有透射光场的空间分布随氢气浓度显著变化的特性，利用该特性能够实现对氢气浓度的传感。主要包括衬底1、铬薄膜2、银薄膜3、介质薄膜4、钯薄膜5、直线型狭缝6以及两个直线型凹槽阵列，铬薄膜2、银薄膜3、介质薄膜4与钯薄膜5依次附着在衬底1上，形成多层复合薄膜.铬薄膜2作为衬底1与银薄膜3间的过渡层，提高银薄膜3在衬底1上的附着能力，银薄膜3用于激发表面等离激元波，最顶层的钯薄膜5为氢气敏感薄膜，银薄膜3也可以采用金薄膜替代，介质薄膜4采用二氧化硅薄膜。
直线型狭缝6位于多层复合薄膜上，并穿透多层复合薄膜，即该直线型狭缝6从上至下依次穿透钯薄膜5、介质薄膜4、银薄膜3、铬薄膜2；两个直线型凹槽阵列为直线型凹槽阵列A7和直线型凹槽阵列B8，位于直线型狭缝6的两侧，并均与直线型狭缝6平行排布，其长度与直线型狭缝长度相同。两个凹槽阵列具有相同的深度，从上至下依次穿透钯薄膜5与介质薄膜4，并在银薄膜3内刻穿至一定深度但并没有穿透。
所述衬底1为透明的介质(石英基片)，入射光从衬底1底部入射，并通过直线型狭缝6出射；入射光的偏振方向垂直于直线型狭缝6的直线型方向，即入射光的偏振方向垂直于直线型狭缝6的长边方向；直线型狭缝6的出射光由于纳米结构的散射作用，而激发多层复合薄膜结构的表面等离激元共振，形成表面等离激元波并沿多层复合薄膜表面向两侧传播，直线型狭缝6两侧的直线型凹槽阵列将散射表面等离激元波，并将其转化成辐射波。
本发明的氢气传感微结构通过设计凹槽阵列的周期能够约束狭缝出射光的发散角，并使出射光沿指定的方向角转播，即氢气传感微结构的出射光将形成一个具有指向性的光束。
氢气传感微结构中，两直线型凹槽阵列的周期与出射光的光束方向角度满足如下关系，其中λspp为多层复合薄膜的表面等离激元波的波长，λ为入射光波长，θ为出射光束方向角，d为两凹槽阵列的周期。
Figure GDA0002350836210000031
钯薄膜吸收氢气后引起其折射率的变化，从而引起多层复合薄膜上激发的表面等离激元波的波长改变，根据上式，氢气传感微结构的指向性出射光束的方向角也将发生变化。根据氢气浓度与氢气传感微结构出射光束方向角度的关系，通过测量氢气传感微结构出射光束位置的变化，可以实现氢气浓度的监测。
入射光波长λ取为532纳米，对应的银与钯的折射率分别为0.129+3.2i和1.599+3.75。
氢气传感微结构出射光的光束方向角取为15°。
氢气传感微结构的铬薄膜厚度为10纳米；银薄膜厚度为290纳米；二氧化硅薄膜厚度为40纳米；钯薄膜厚度为10纳米；直线型狭缝的宽度和深度度分别为150纳米与350纳米；直线型凹槽的宽度与深度分别为150纳米与100纳米；直线型凹槽阵列7的周期为405纳米；直线型凹槽阵列8的周期为680纳米，直线型凹槽阵列7与直线型凹槽阵列8各含有8个凹槽；直线型狭缝与直线型凹槽阵列的长度为15微米。
氢气传感微结构的制备采用如下步骤：首先通过磁控溅射等薄膜制备工艺在石英基片上依次制备厚度10纳米的铬薄膜，厚度290纳米的银薄膜，厚度40纳米的二氧化硅薄膜，厚度10纳米的钯薄膜；再通过电子束曝光与刻蚀工艺加工周期排布的宽度和深度一致的直线型凹槽阵列结构；最后通过聚焦离子束刻蚀工艺加工直线型狭缝结构。或全部由聚焦离子束刻蚀工艺完成直线型狭缝与直线型凹槽阵列的加工。
最后注意的是，以上所述及图中所示的仅是本发明的优选实施方式，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明。本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理的前提下，还可以做出若干变型和改进，这些也应视为属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于表面等离激元共振效应的氢气传感微结构，其特征在于：主要包括衬底(1)、铬薄膜(2)、银薄膜(3)、介质薄膜(4)、钯薄膜(5)、直线型狭缝(6)以及两个直线型凹槽阵列，铬薄膜(2)、银薄膜(3)、介质薄膜(4)与钯薄膜(5)依次附着在衬底(1)上，形成多层复合薄膜；直线型狭缝(6)位于多层复合薄膜上，并穿透多层复合薄膜，即该直线型狭缝(6)从上至下依次穿透钯薄膜(5)、介质薄膜(4)、银薄膜(3)、铬薄膜(2)；两个直线型凹槽阵列为直线型凹槽阵列A(7)和直线型凹槽阵列B(8)，位于直线型狭缝(6)的两侧，并均与直线型狭缝(6)平行排布；凹槽阵列具有相同的深度，从上至下依次穿透钯薄膜(5)与介质薄膜(4)，并在银薄膜(3)内刻穿至一定深度但并没有穿透。
2.根据权利要求1所述的基于表面等离激元共振效应的氢气传感微结构，其特征在于：所述衬底(1)为透明的介质，入射光从衬底(1)底部入射，并通过直线型狭缝(6)出射；入射光的偏振方向垂直于直线型狭缝(6)的直线型方向，即入射光的偏振方向垂直于直线型狭缝(6)的长边方向；直线型狭缝(6)的出射光激发多层复合薄膜结构的表面等离激元共振，形成表面等离激元波并沿多层复合薄膜表面向两侧传播，直线型狭缝(6)两侧的直线型凹槽阵列将散射表面等离激元波，并将其转化成辐射波。
3.根据权利要求1或2所述的基于表面等离激元共振效应的氢气传感微结构，其特征在于：两个直线型凹槽阵列的周期与出射光的光束方向角度满足如下关系，其中d为两凹槽阵列的周期，λspp为多层复合薄膜的表面等离激元波的波长，λ为入射光波长，θ为设定的出射光束流方向角；
Figure FDA0002350836200000011
4.根据权利要求1所述的基于表面等离激元共振效应的氢气传感微结构，其特征在于：所述的介质薄膜(4)为二氧化硅薄膜。
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