CN108195494A - 一种基于狭缝表面等离激元效应的光学压力传感器及压力检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于狭缝表面等离激元效应的光学压力传感器及压力检测方法，所述光学压力传感器主要构成为：刻蚀有脊形波导阵列的基底，在其表面溅射一层金属膜，外部加上套筒保护器件内部结构。基底上的一维或二维金属阵列之间的间隙(gap)在特定频率光子激发下形成Gap‑SPP。压力使基底发生形变，进而使阵列之间gap的大小改变，进而引起SPP波长的改变，将压力信号转为光学信号来检测。本发明基于SPP共振模式的变化来检测压力的变化。对比基于法泊腔压力传感器，本发明对光纤距离敏感膜的距离不敏感，因此可以减少温度的影响，同时易于加工制造。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，具体涉及一种基于狭缝表面等离激元效应的光学压力传感器及压力检测方法。
背景技术
SPP是发生在金属与介质之间，是自由电子集体振荡的耦合电磁模式。局部增强和亚波长传播是它的两大特性，因此，它可以突破传统光波的衍射极限尺寸、具有在微纳尺寸上约束和调控光场的能力等。于此同时金属-介质-金属(MIM)结构有着结构简单，易于加工的显著特点，以及局域场增强更容易激发SPP等优点。正因此，许多金属-介质-金属(MIM)结构的光学器件被制造如波导管、调制器、传感器、纳米激光器等。
近年来，对表面等离激元的研究有了很大的发展。本发明提出的传感器主要就是利用SPP共振波长对金属-介质-金属中介质厚度极其敏感的特性。本发明创新性的将这一特性应用于压力传感器，这将为传感器研究方向提供新的思路。通过利用外界因素使结构中的gap及波导尺寸发生微变，改变SPP波长，将压力信号转化为光学信号，通过观察SPP波长移动的大小来测量出所受外力的变化，具有超高的灵敏度。相比基于法泊腔压力传感器，本发明对光纤距离敏感膜的距离不敏感，因此可以减少温度的影响，同时易于加工制造。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出了一种基于狭缝表面等离激元效应的光学压力传感器及压力检测方法，使传感器向着小型化、集成化方向发展，具有结构简单、灵敏度高等优点。
为了实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于狭缝表面等离激元效应的光学压力传感器，包括基底；所述基底的上表面设有金属纳米波导阵列，下表面为受压面；所述金属纳米波导阵列上方设有光纤，所述光纤包括将外界光源发出的入射光导向所述金属纳米波导阵列的第一光纤和吸收所述金属纳米波导阵列的反射光并将所述反射光导向外界光谱仪的第二光纤；所述金属纳米波导阵列在所述入射光的激发下形成表面等离激元效应；所述受压面受到压力发生形变导致所述金属纳米波导阵列之间的间隙大小发生变化，从而使所述反射光的光谱发生变化。
优选的，所述金属纳米波导阵列包括设置于所述基底的上表面的若干个脊形凸起，以及覆盖于所述脊形凸起的表面的金属膜。
优选的，所述金属膜的材质为金、铝或银。
优选的，所述金属纳米波导阵列为圆柱体或长方体的一维或二维阵列。
优选的，所述金属纳米波导阵列之间的间隙小于100nm。
一种基于上述光学压力传感器的压力检测方法，包括如下步骤：
步骤1：以不同波长的入射光照射所述金属纳米波导阵列，以光谱仪分别测量不同波长的入射光的反射光谱；反射率最小的入射光即为能够激发所述金属纳米波导阵列表面等离激元效应的入射光；分别记录不同金属纳米波导阵列之间的间隙d对应的最小反射率；
步骤2：基底受压面受到压力P时，通过光谱仪得到最小反射率，根据步骤1的记录找到最小反射率对应的金属纳米波导阵列之间的间隙d；
步骤3：通过试验或仿真计算得到金属纳米波导阵列之间金属膜发生形变时，不同间隙d对应的金属膜的中心挠度y；
步骤4：计算压力P，计算公式如下：
式中E为杨氏模量，ν为泊松比。
有益效果：本发明利用外界因素改变SPP波导，使SPP共振腔光学特性发生改变。压力使基底发生形变，进而使阵列之间gap的大小改变，从而引起SPP波长(即能够激发金属纳米波导阵列表面等离激元效应的入射光波长)的改变，将压力信号转为光学信号来检测，基于狭缝表面等离激元效应的高灵敏度传感器将会对压力传感的研究提供新的借鉴意义。对比基于法泊腔压力传感器，本发明对光纤距离敏感膜的距离不敏感，因此可以减少温度的影响，同时易于加工制造。
附图说明
图1是本发明的结构示意图:1-1:套筒，1-2:硅基底，1-3：金属膜；
图2是本发明的光路检测示意图，2-1：压力传感器，2-2：光纤，2-3：光源，2-4：光谱仪(OSA)；
图3是基于狭缝表面等离激元效应的光学压力传感器不同gap距离检测出来的反射光谱图；
图4是基于狭缝表面等离激元效应的光学压力传感器制备工艺流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本实施例：参照图1，
一种基于狭缝表面等离激元效应(Gap-SPP)的光学压力传感器，主要构成为：刻蚀有脊形波导阵列的硅基底1-2，在其表面溅射一层金属膜1-3，外部加上套筒1-1保护器件内部结构。硅基底1-2上的一维或二维金属阵列之间的间隙(gap)之间在特定频率光子激发下形成Gap-SPP。压力使硅基底1-2发生形变，进而使阵列之间gap的大小改变，从而引起SPP波长的改变，将压力信号转为光学信号来检测。
所述脊形波导阵列可以是圆柱或长方体的一维或二维阵列，高200μm～300μm。
所述有脊形波导阵列的硅基底1-2厚100μm～200μm，形成的gap为50nm左右。
所述金属薄1-3膜覆盖在脊形波导阵列上，膜厚20nm～60nm，材料为金、铝或者银。
所述gap通过硅基底1-2形变改变大小，能够使SPP的频率发生变化。
所述压力传感器是基于狭缝表面等离激元效应的应用。
利用外界因素改变SPP波导，使SPP共振腔光学特性发生改变。结合图2、3，可了解入射光是由光纤2-2垂直入射，一部分在光纤2-2端发生反射，另一部分被金属膜1-3反射回光纤2-2。当外界压力发生变化，硅基底1-2发生形变，阵列之间gap距离也随之发生变化，此时，反射光谱的相位发生偏移，其反射率极小值往波长大的方向偏移，通过对其反射光谱的解调，可以得到gap的大小，从而求出外界压力P。金属膜1-3的中心挠度y与压力P的关系为：
式中P为外界施加的压力，d为gap大小，E为杨氏模量，ν为泊松比。
优选的，所述光学压力传感器件的制作步骤如下：
步骤一，准备适宜的硅片，清洗，通过一系列处理使其表面平滑、干净；
步骤二，通过3D打印SU-8模板，倒模获得PDMS软印板，将处理过的硅片涂上光刻胶PMMA，使用PDMS软压印PMMA，保护不需要刻蚀的部分；
步骤三，利用反应离子蚀刻机(RIE)进行亲水性表面改性，实现硅以及聚合物的各项异性刻蚀；导致刻蚀持续在垂直方向进行，得到硅纳米阵列图形，形成gap；
步骤四，通过氧等离子体轰击去除残余胶体；
步骤五，在刻蚀有图案的硅片表面溅射一层金属膜；
步骤六，在加工后的硅片外套上套筒，保护内部结构，成为完整的器件。
所述刻蚀图案可以是圆柱或长方体的一维或二维阵列，高200μm～300μm。
所述有刻蚀图案的硅片厚100μm～200μm，形成gap距离50nm左右。
所述金属薄膜覆盖在刻蚀阵列上，膜厚20nm～60nm，材料为金、铝或者银。
所述gap通过基底形变改变大小，能够使SPP的频率发生变化。
所述的压力传感器件是基于狭缝表面等离激元效应的应用。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种基于狭缝表面等离激元效应的光学压力传感器，其特征在于，包括基底；所述基底的上表面设有金属纳米波导阵列，下表面为受压面；所述金属纳米波导阵列上方设有光纤，所述光纤包括将外界光源发出的入射光导向所述金属纳米波导阵列的第一光纤和吸收所述金属纳米波导阵列的反射光并将所述反射光导向外界光谱仪的第二光纤；所述金属纳米波导阵列在所述入射光的激发下形成表面等离激元效应；所述受压面受到压力发生形变导致所述金属纳米波导阵列之间的间隙大小发生变化，从而使所述反射光的光谱发生变化。
2.根据权利要求1所述的一种基于狭缝表面等离激元效应的光学压力传感器，其特征在于，所述金属纳米波导阵列包括设置于所述基底的上表面的若干个脊形凸起，以及覆盖于所述脊形凸起的表面的金属膜。
3.根据权利要求2所述的一种基于狭缝表面等离激元效应的光学压力传感器，其特征在于，所述金属膜的材质为金、铝或银。
4.根据权利要求1所述的一种基于狭缝表面等离激元效应的光学压力传感器，其特征在于，所述金属纳米波导阵列为圆柱体或长方体的一维或二维阵列。
5.根据权利要求1所述的一种基于狭缝表面等离激元效应的光学压力传感器，其特征在于，所述金属纳米波导阵列之间的间隙小于100nm。
6.一种基于权利要求1所述光学压力传感器的压力检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：以不同波长的入射光照射所述金属纳米波导阵列，以光谱仪分别测量不同波长的入射光的反射光谱；反射率最小的入射光即为能够激发所述金属纳米波导阵列表面等离激元效应的入射光；分别记录不同金属纳米波导阵列之间的间隙d对应的最小反射率；
步骤2：基底受压面受到压力P时，通过光谱仪得到不同波长的入射光的反射率，根据步骤1的记录找到最小反射率对应的金属纳米波导阵列之间的间隙d；
步骤3：通过试验或仿真计算得到所述金属纳米波导阵列之间金属膜发生形变时，不同间隙d对应的金属膜的中心挠度y；
步骤4：计算压力P，计算公式如下：
式中E为杨氏模量，ν为泊松比。
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