CN108303397A - 一种高性能折射率灵敏度传感器件及其测试方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种新的高性能折射率传感器件设计方案，并进一步提出该传感器件的灵敏度测试方法，该测试方法成本较低，在生物、医学、食品等领域具有广泛应用。基于表面等离子体共振的传感技术，具有设计方案简单、结构简单、加工技术要求低、制备成本低、无需标定、实时检测、非接触、无损伤等突出特点，较高的灵敏度可用于气体、液体和生物膜等的分析检测，展示了巨大的应用前景，有望发展为具有超高检测灵敏度的新型表面等离子体传感器件及其测试方法。

Description

一种高性能折射率灵敏度传感器件及其测试方法
技术领域
本发明涉及传感器折射率灵敏度的领域，尤其涉及高灵敏度传感器的研发应用领域。
背景技术
近年来，随着人们生活水平的不断提高和对环保的日益重视，对各种有毒、有害气体/液体的探测，对生命科学、生化检测、医疗诊断、药物筛选、食品检测、环境检测、毒品检测以及法医鉴定等方面的要求越来越高，因此对气体/液体传感器的研究开发也越来越重要。表面等离子体共振对周围环境非常敏感，界面介质折射率的微小变化将影响表面等离子体共振的耦合条件，进而引起共振峰的偏移，这使表面等离子体共振在传感器的设计中具有极大的应用价值。基于表面等离子体共振的传感技术具有无需标定、实时检测、非接触、无损伤等突出特点，可用于气体、液体和生物膜等的分析检测，展示了巨大的应用前景，有望发展为具有超高检测灵敏度的新型表面等离子体传感器。目前，表面等离子体共振的传感器主要采用衰减全反射棱镜或金属光栅结构，虽然这两种方法可以提高检测的灵敏度，但也存在体积大，不易集成的缺陷。
基于金属纳米颗粒的等离子共振传感器是根据纳米颗粒表面粒子间的相互作用引起共振峰的偏移。例如，2009年法国马赛大学的A.V.Kabashin和英国贝尔法斯特皇后学院的A.V.Zayats等一起提出了金纳米棒结构传感器，德国慕尼黑大学的S.K.Dondapati和德国伊梅诺科技大学的T.A.Klar等提出了金纳米星结构传感器，美国莱斯大学的S.Lee等提出了金双锥体结构传感器，美国犹他大学的R.Bukasov和J.S.Shumaker-Parry一起提出了金新月结构传感器，美国西北大学的L.J.Sherry和华盛顿大学的G.C.Schatz等一起提出了银纳米立方体结构传感器。尽管上述传感器在折射率测量研究方面取得了一定的进展，然而这些传感器都存在结构复杂，造价昂贵，制备工艺复杂，成本过高等缺点。而且，从这些器件的传感性能来看，折射率灵敏度均不足够高。
近年来由于贵金属纳米结构制备方法的提高，特别是纳米线阵列制备方法的成熟，使等离子共振传感技术得到了新的发展。加拿大滑铁卢大学的M.Khorasaninejad等已经提出采用硅纳米线阵列作为折射率传感器的方法，但是目前为止还没有关于贵金属-硅纳米线阵列用作传感应用方面的报道。本发明的目的就是针对上述存在的缺陷而提供一种等边三角形排布的共形硅金纳米线阵列折射率传感器。本发明的等边三角形排布的共形硅金纳米线阵列传感器具有灵敏度高、无需标定、实时检测、非接触、无损伤等突出特点，现有制作工艺成熟，大大提高了对折射率检测的灵敏度。在食品安全、环境监测、医学检验等领域具有广阔的商业化应用前景，有望被广泛推广应用。
发明内容
本发明所解决的技术问题是：提出一种新的高性能折射率传感器件设计方案，该设计方案结构简单、制备成本低，该传感器件具有较高的折射率灵敏度；并进一步提出该传感器件的灵敏度测试方法，该测试方法成本较低，在生物、医学、食品等领域具有广泛应用。
本发明的技术方案为：一种高性能折射率传感器件，其特征在通过如下步骤进行设计，具体包括：
利用有限元分析软件中的射频模块进行建模，设计硅纳米线为等边三角形阵列排布，每个等边三角形的边长为1000nm；
采用硅基底及硅纳米线，设计生成等边三角形排布的金-硅共形纳米线阵列，所述硅纳米线表面覆盖金层，所述硅基底厚度为300nm,所述硅纳米线半径为300nm，所述硅纳米线深度为500-1500nm，所述金层厚度为50-90nm。
作为本发明所述的高性能折射率传感器件的一种优选方案：通过如下步骤进行设计，具体包括：所述金-硅共形纳米线阵列中述硅基底厚度为300nm,所述硅纳米线半径为300nm，所述硅纳米线深度为500nm，所述金层厚度为60nm。
一种高性能折射率传感器件的测试方法，包括如下步骤：
a.金-硅共形纳米线阵列传感器件三维电磁场仿真步骤：利用有限元分析软件的射频模块进行物理场设置，首先在入射系统的前表面设置一个平面光源，并运用于所述等边三角形排布的金-硅共形纳米线阵列；再设置分析条件，包括电/磁导体的光学周期性边界条件和散射边界条件；然后进行四面体网格划分；最后根据已设定的各项物理参数，从电磁学最基础的麦克斯韦方程组和连续性方程出发，选择有限元分析软件的射频模块中的稳态求解模式进行波长扫描计算求解，得到光谱响应，包括反射谱、透射谱和吸收谱；
b.金-硅共形纳米线阵列的折射率传感测试步骤：根据步骤a中的反射谱，按照从小到大的顺序依次设置不同背景折射率，将会得到不同背景折射率所对应的不同反射谱曲线；
c.根据不同反射谱曲线的最小值可以得到对应的波长，将不同折射率与所述的不同反射谱曲线的最小值对应的波长绘制成对应关系点图，并采用线性拟合的方式将对应关系点图拟合成直线图，然后利用波长变化值除以折射率变化值，得到所述直线的斜率为灵敏度。
进一步的，所述等边三角形金-硅共形纳米线阵列中的所述硅纳米线半径为300nm，所述硅纳米线深度为500nm，所述金层厚度60nm，所述等边三角形的边长为1000nm，设置背景折射率为1.01-1.1，得出对应的反射谱曲线，在波长范围900-1100纳米之间，得出随着周围溶液折射率增加，反射谱曲线最小值对应波长发生移动，反射谱曲线最小值对应的波长位置和折射率之间的关系通过线性拟合的方式得到折射率灵敏度932nm/单位折射率。
进一步的，所述等边三角形金-硅共形纳米线阵列中的所述硅纳米线半径为300nm，所述硅纳米线深度为500nm，所述金层厚度60nm，所述等边三角形的边长为1000nm，设置背景折射率为1.33-1.42，得出对应的反射谱曲线，在波长范围1200-1400纳米之间，得出随着周围溶液折射率增加，反射谱曲线最小值对应波长发生移动，反射谱曲线最小值对应的波长位置和折射率之间的关系通过线性拟合的方式得到折射率灵敏度972nm/单位折射率。
进一步的，所述步骤b中设置的折射率为空气折射率或液体折射率。
进一步的，在步骤b中将等边三角形排布的金-硅共形纳米线阵列浸入不同浓度的甘油-水混合溶液，不同浓度的甘油-水混合溶液对应不同折射率。
本发明的技术方案具有如下有益的技术效果：基于表面等离子体共振的传感技术，具有设计方案简单、结构简单、加工技术要求低、制备成本低、无需标定、实时检测、非接触、无损伤等突出特点，较高的灵敏度可用于气体、液体和生物膜等的分析检测，展示了巨大的应用前景，有望发展为具有超高检测灵敏度的新型表面等离子体传感器件及其测试方法。
附图说明
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
图1是本发明所述有限元分析软件中射频模块建模的等边三角形排布的金-硅共形纳米线阵列的俯视示意图。
图2是本发明所述有限元分析软件中射频模块建模的等边三角形排布的金-硅共形纳米线阵列中单根纳米线的侧视示意图。
图3是本发明所述有限元分析软件中射频模块中高性能折射率传感测试方法探测气体背景折射率的反射谱曲线示意图。
图4是为本发明所述的高性能折射率传感测试方法探测不同气体背景折射率与不同反射谱曲线最小值对应的波长绘制的对应关系点图，并采用线性拟合的方式将对应关系点图拟合成的直线图。
图5是本发明述有限元分析软件中射频模块中高性能折射率传感测试方法探测液体背景折射率的反射谱曲线示意图。
图6是为本发明所述的高性能折射率传感测试方法探测不同液体背景折射率与不同反射谱曲线最小值对应的波长绘制的对应关系点图，并采用线性拟合的方式将对应关系点图拟合成的直线图。
具体实施方式
实施例1
下面结合附图及优选实施方式对本发明技术方案进行详细说明。
如图1-图2所示，本发明公开一种高性能折射率传感器件，利用基于有限元法(FEM)的瑞典COMSOL公司的COMSOL多物理场仿真软件的射频模块建立几何模型并选择材料，设计如下三维周期性结构：硅纳米线为等边三角形阵列排布，每个等边三角形的边长p为1000nm；采用硅基底及硅纳米线，所述硅纳米线表面覆盖金层，所述硅纳米线半径r为300nm，所述硅纳米线深度h为500nm，所述金层厚度δ为60nm，设计生成等边三角形排布的金-硅共形纳米线阵列。
在有限元分析软件中的射频模块中，进行物理场设置，在入射系统的前表面设置一个平面光源(Port),将四周设置为完美电导体边界条件(PEC)和完美磁导体边界条件(PMC)，上下两面设为散射边界条件，从而实现水平面上呈周期性排布。采用四面体网格划分。在求解系统的透射或反射时，根据已设定的各项物理参数，从电磁学最基础的麦克斯韦方程组和连续性方程出发，我们取硅基底中间面和空气中间面为积分对象，通过积分求解通过的能流除以入射的能流，即为透射率；反射回来的能流除以入射的能流即为反射率。在求解系统光吸收时，我们通过积分求解选定区域的损耗，即为吸收效率。从900nm-1000nm波段进行波长扫描计算，求解得到得到该波段范围内的光谱响应，包括透射谱、反射谱和吸收谱,我们接下来需要讨论反射谱。当采用以上结构参数时可获得最佳光谱响应，即反射谱最小值接近0。
图3为本发明所述的高性能折射率传感测试方法探测气体背景折射率的反射谱图。根据上述仿真步骤中得到的反射谱曲线，设置不同气体背景折射率，折射率参数从1.01逐渐增加到1.1，每次增加0.01。当折射率为1.01时，从900nm-1000nm波段进行波长扫描，得到图3中第一根反射谱曲线；折射率增加为1.02时，波长扫描计算得到图3中第二根反射谱曲线；以此类推，直到当折射率增加到1.1时，波长扫描计算得到图3中第十根反射谱曲线。通过观察这十根反射谱曲线会发现反射谱曲线随着气体背景折射率的增加而向长波长方向移动。由图3可知，当气体折射率从1.01增加到1.1，其反射谱曲线最小值对应的波长从950nm增加到1034nm。
对器件折射率传感的研究，需在已获得的最佳光谱响应的基础上，模拟背景折射率变化，研究器件折射率灵敏度(S)，这主要取决于光自由空间模式与等离子传播模式间的耦合程度。等离子共振的折射率传感是通过共振峰波长的偏移探测周围环境的折射率变化，因此折射率灵敏度(S)可以用以下公式来表示，单位为(nm/单位折射率)。其中dλp表示共振峰的波长偏移，即我们讨论的反射谱曲线最小值对应的波长偏移，dn表示周围折射率变化。
图4为本发明所述的高性能折射率传感测试方法探测不同气体背景折射率与不同反射谱曲线最小值对应的波长绘制的对应关系点图，并采用线性拟合的方式将对应关系点图拟合成的直线图。图中各点表示不同折射率与不同反射谱曲线最小值对应波长的对应关系点图，再通过线性拟合得到图中直线，该直线的斜率即为折射率灵敏度，为932nm/单位折射率。
实施例2
下面结合附图及优选实施方式对本发明技术方案进行详细说明。
如图1-图2所示，本发明公开一种高性能折射率传感器件，利用基于有限元法(FEM)的comsol多物理场仿真软件的射频模块建立几何模型并选择材料，设计如下三维周期性结构：硅纳米线为等边三角形阵列排布，每个等边三角形的边长p为1000nm；采用硅基底及硅纳米线，所述硅纳米线表面覆盖金层，所述硅基底厚度为300nm,所述硅纳米线半径r为300nm，所述硅纳米线深度h为500nm，所述金层厚度δ为60nm，设计生成等边三角形排布的金-硅共形纳米线阵列。
在有限元分析软件中的射频模块中，进行物理场设置，在入射系统的前表面设置一个平面光源(Port),将四周设置为完美电导体边界条件(PEC)和完美磁导体边界条件(PMC)，上下两面设为散射边界条件，从而实现水平面上呈周期性排布。采用四面体网格划分。在求解系统的透射或反射时，根据已设定的各项物理参数，从电磁学最基础的麦克斯韦方程组和连续性方程出发，我们取硅基底中间面和空气中间面为积分对象，通过积分求解通过的能流除以入射的能流，即为透射率；反射回来的能流除以入射的能流即为反射率。在求解系统光吸收时，我们通过积分求解选定区域的损耗，即为吸收效率。从1200nm-1380nm波段进行波长扫描计算，求解得到得到该波段范围内的光谱响应，包括透射谱、反射谱和吸收谱,接下来我们需要讨论反射谱。当采用以上结构参数时可获得最佳光谱响应，即反射谱最小值接近0。
图5为本发明所述的高性能折射率传感测试方法探测液体背景折射率的反射谱图。根据上述仿真步骤中得到的反射谱曲线，设置不同气体背景折射率，折射率参数从1.33逐渐增加到1.42，每次增加0.01。当折射率为1.33时，从1200nm-1380nm波段进行波长扫描，得到图5中第一根反射谱曲线；折射率增加为1.34时，波长扫描计算得到图5中第二根反射谱曲线；以此类推，直到当折射率增加到1.42时，波长扫描计算得到图5中第十根反射谱曲线。通过观察这十根反射谱曲线会发现反射谱曲线随着气体背景折射率的增加而向长波长方向移动。由图5可知，当气体折射率从1.33增加到1.42，其反射谱曲线最小值对应的波长从1252nm增加到1342nm。
对器件折射率传感的研究，需在已获得的最佳光谱响应的基础上，模拟背景折射率变化，研究器件折射率灵敏度(S)，这主要取决于光自由空间模式与等离子传播模式间的耦合程度。等离子共振的折射率传感是通过共振峰波长的偏移探测周围环境的折射率变化，因此折射率灵敏度(S)可以用以下公式来表示，单位为(nm/单位折射率)。其中dλp表示共振峰的波长偏移，即我们讨论的反射谱曲线最小值对应的波长偏移，dn表示周围折射率变化。
图6为本发明所述的高性能折射率传感测试方法探测不同液体背景折射率与不同反射谱曲线最小值对应的波长绘制的对应关系点图，并采用线性拟合的方式将对应关系点图拟合成的直线图。图中各点表示不同折射率与不同反射谱曲线最小值对应波长的对应关系点图，再通过线性拟合得到图中直线，该直线的斜率即为折射率灵敏度，为972nm/单位折射率。
本发明提供的边三角形排布的金-硅共形纳米线阵列的折射率传感器件，可用于测量不同的背景折射率变化，包括气体折射率和液体折射率，并具有较高的灵敏度。本技术方案所提供的折射率传感器测量气体时灵敏度可以达到923nm/单位折射率，测量液体时灵敏度可以达到972nm/单位折射率。
综上，本技术方案是基于表面等离子体共振的传感技术，具有结构简单、加工技术要求低、制备成本低、无需标定、实时检测、非接触、无损伤等突出特点，可用于气体、液体和生物膜等的分析检测，展示了巨大的应用前景，有望发展为具有超高检测灵敏度的新型表面等离子体传感器件及其测试方法。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高性能折射率传感器件，其特征在通过如下步骤进行设计，具体包括：
利用有限元分析软件中的射频模块建立几何模型并选择材料，设计硅纳米线为等边三角形阵列排布，每个等边三角形的边长为1000nm；
采用硅基底及硅纳米线，设计生成等边三角形排布的金-硅共形纳米线阵列，所述硅纳米线表面覆盖金层，所述硅基底厚度为300nm,所述硅纳米线半径为300nm，所述硅纳米线深度为500-1500nm，所述金层厚度为50-90nm。
2.根据权利要求1所述的高性能折射率传感器件，其特征在于：通过如下步骤进行设计，具体包括：所述硅基底厚度为300nm,所述金-硅共形纳米线阵列中的所述硅纳米线半径为300nm，所述硅纳米线深度为500nm，所述金层厚度为60nm。
3.一种权利要求1-2中任一高性能折射率传感器件的测试方法，其特征在于包括如下步骤：
a、金-硅共形纳米线阵列传感器件三维电磁场仿真步骤：利用有限元分析软件的射频模块进行物理场设置，首先在入射系统的前表面设置一个平面光源，并运用于所述等边三角形排布的金-硅共形纳米线阵列；再设置分析条件，包括电/磁导体的光学周期性边界条件和散射边界条件；然后进行四面体网格划分；最后根据已设定的各项物理参数，从电磁学最基础的麦克斯韦方程组和连续性方程出发，选择有限元分析软件的射频模块中的稳态求解模式进行波长扫描计算求解，得到光谱响应，包括反射谱、透射谱和吸收谱；
b、金-硅共形纳米线阵列的折射率传感测试步骤：根据步骤a中的反射谱，按照从小到大的顺序依次设置不同背景折射率，将会得到不同背景折射率所对应的不同反射谱曲线；
c、根据不同反射谱曲线的最小值可以得到对应的波长，将不同折射率与所述的不同反射谱曲线的最小值对应的波长绘制成对应关系点图，并采用线性拟合的方式将对应关系点图拟合成直线图，然后利用波长变化值除以折射率变化值，得到所述直线的斜率为灵敏度。
4.根据权利要求3所述高性能折射率灵敏度传感器件的测试方法，其特征在于：所述等边三角形金-硅共形纳米线阵列中的所述硅基底厚度为300nm, 所述硅纳米线半径为300nm，所述硅纳米线深度为500nm，所述金层厚度为60nm，所述等边三角形的边长为1000nm，设置背景折射率为1.01-1.1，得出对应的反射谱曲线，在波长范围900-1100纳米之间，得出随着周围溶液折射率增加，反射谱曲线最小值对应波长发生移动，反射曲线最小值谱对应的波长位置和折射率之间的关系通过线性拟合的方式得到折射率灵敏度932nm/单位折射率。
5.根据权利要求3所述高性能折射率灵敏度传感器件的测试方法，其特征在于：所述等边三角形金-硅共形纳米线阵列中的所述硅纳米线半径为300nm，所述硅纳米线深度为500nm，所述金层厚度60nm，所述等边三角形的边长为1000nm，设置背景折射率为1.33-1.42，得出对应的反射谱曲线，在波长范围1200-1400纳米之间，得出随着周围溶液折射率增加，反射谱曲线最小值对应波长发生移动，反射谱曲线最小值对应的波长位置和折射率之间的关系通过线性拟合的方式得到折射率灵敏度972nm/单位折射率。
6.根据权利要求3所述高性能折射率灵敏度传感器件的测试方法，其特征在于：所述步骤b中设置的折射率为空气折射率或液体折射率。
7.根据权利要求3所述高性能折射率灵敏度传感器件的测试方法，其特征在于：在步骤b中将等边三角形排布的金-硅共形纳米线阵列浸入不同浓度的甘油-水混合溶液，不同浓度的甘油-水混合溶液对应不同折射率。
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