CN108982416B - 一种超窄带、大角度的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超窄带、大角度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、超窄带、大角度等突出特点，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
技术领域
本发明涉及传感器折射率灵敏度的领域，尤其涉及超窄带、大角度的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，基于不同纳米结构的金属颗粒的表面等离子体共振传感器已越来越被人们重视和应用。然而，上述表面等离子共振现象的激发需要严格的偏振条件和入射角要求；且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。因此，探索具备结构简单、低成本、易于规模化制备、具有陷光特性的平面结构对于促进传感器件的研究、开发和应用具有十分重要的作用。近几年，基于Tamm等离子共振的平面结构器件因特有的强光学吸收性能、窄带吸收峰以及平面状结构使其在传感方面具有很好的发展前景。
本发明的目的就是针对上述存在的缺陷而提供一种基于Tamm等离子共振的DBR—金属平面结构折射率传感器。该器件具有灵敏度高、无需标定、实时检测、非接触、无损伤、超窄带、大角度等突出特点，现有制作工艺成熟，大大提高了对折射率检测的灵敏度和性能系数。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：提出一种新的超窄带、大角度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和性能系数；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：一种超窄带、大角度的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：
利用严格耦合波分析法建立几何模型并选择材料，设计分布式布拉格反射层(DBR)由折射率分别为1.7和2.4的两种材料三氧化二铝和二氧化钛交替分布而成，DBR的周期为4-12，DBR的中心波长为900-1800nm；
采用二氧化硅基底，设计生成多层平面结构，所述多层平面结构上端为DBR，下端为金层，中间由分离墙构成测试腔，所述硅基底厚度为200-1000nm,所述金层厚度为50-500nm，所述测试腔高度为350-3500nm，待测物通过该测试腔进行传感测试。
作为本发明所述的超窄带、大角度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：所述硅基底厚度为300nm,所述DBR周期为7，所述DBR中心波长为1300nm，所述金层厚度为200nm，所述测试腔高度为450nm，待测物通过该测试腔进行传感测试。
一种超窄带、大角度的高性能折射率传感器件的测试方法，包括如下步骤：
a、多层平面结构传感器件仿真步骤：利用严格耦合波分析法进行物理场设置，首先在器件的前表面设置一个平面光源，并运用于所述多层平面结构；设定入射光的偏振条件和入射角度，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、器件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改变测试腔内待测物折射率，将会得到不同测试腔内待测物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。
d、根据步骤b中得到的不同测试腔内待测物折射率所对应的不同反射谱曲线，可计算得到每根曲线的峰值半宽值并取平均值，然后根据步骤c得到的灵敏度除以峰值半宽平均值，得到传感器件的性能系数(FOM)。
进一步的，所述多层平面结构中的所述二氧化硅基底厚度为200nm,所述DBR周期为7，所述DBR中心波长为1000nm，所述金层厚度为200nm，所述测试腔高度为1000nm，垂直入射(入射角为0度)，设置测试腔内待测物折射率为1-1.1，得出对应的反射谱曲线，在波长范围1000-1100nm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710nm/单位折射率，峰值半宽平均值为3nm,性能系数为237。
进一步的，所述多层平面结构中的所述二氧化硅基底厚度为200nm,所述DBR周期为7，所述DBR中心波长为1300nm，所述金层厚度为200nm，所述测试腔高度为3400nm，垂直入射(入射角为0度)，设置测试腔内待测物折射率为1.32-1.42，得出对应的反射谱曲线，在波长范围1300-1500nm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860nm/单位折射率，峰值半宽平均值为2.2nm,性能系数为391。
进一步的，所述超窄带、大角度高性能折射率灵敏度传感器件的测试方法，其特征在于：所述多层平面结构中的所述二氧化硅基底厚度为200nm,所述DBR周期为7，所述DBR中心波长为1300nm，所述金层厚度为200nm，所述测试腔高度为450nm，入射角是89度，TM偏振光时，设置测试腔内待测物折射率为1.32-1.42，得出对应的反射谱曲线，在波长范围1040-1080nm之间，得出随着待测物折射率增加，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380nm/单位折射率，峰值半宽平均值为2.5nm,性能系数为152；TE偏振光时，设置测试腔内待测物折射率为1.32-1.42，得出对应的反射谱曲线，在波长范围950-1030nm之间，得出随着待测物折射率增加，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645nm/单位折射率，峰值半宽平均值为2nm,性能系数为323。
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。
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，较高的灵敏度和性能系数可用于气体、液体和生物膜等的分析检测，展示了巨大的应用前景，有望发展为具有超窄带、大角度的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是本发明所述基于Tamm等离子共振的DBR—金属平面结构折射率传感器件侧视示意图。
图2是本发明所述的超窄带、大角度的高性能折射率传感测试方法探测垂直入射时测试腔内不同待测气体折射率的反射谱曲线示意图。
图3是本发明所述的超窄带、大角度的高性能折射率传感测试方法探测垂直入射时测试腔内不同待测气体的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4是本发明所述的超窄带、大角度的高性能折射率传感测试方法探测垂直入射时测试腔内不同待测液体折射率的反射谱曲线示意图。
图5是本发明所述的超窄带、大角度的高性能折射率传感测试方法探测垂直入射时测试腔内不同待测液体的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6是本发明所述的超窄带、大角度的高性能折射率传感测试方法探测斜入射(入射角度为89度)、TM偏振光时测试腔内不同待测液体折射率的反射谱曲线示意图。
图7是本发明所述的超窄带、大角度的高性能折射率传感测试方法探测斜入射(入射角度为89度)、TM偏振光时测试腔内不同待测液体的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8是本发明所述的超窄带、大角度的高性能折射率传感测试方法探测斜入射(入射角度为89度)、TE偏振光时测试腔内不同待测液体折射率的反射谱曲线示意图。
图9是本发明所述的超窄带、大角度的高性能折射率传感测试方法探测斜入射(入射角度为89度)、TE偏振光时测试腔内不同待测液体的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所示，本发明公开一种超窄带、大角度的高性能折射率传感器件，基于严格耦合波分析法利用美国MathWorks公司出品的mat lab软件编程建立几何模型并选择材料，设计分布式布拉格反射层(DBR)由折射率分别为1.7和2.4的两种材料三氧化二铝和二氧化钛交替分布而成，设计DBR周期为7，设计DBR中心波长为1000nm，设计二氧化硅基底厚度为200nm,设计金层厚度为200nm，设计测试腔高度为1000nm，待测物通过该测试腔进行传感测试,设计出一种基于Tamm等离子共振的DBR—金属平面结构折射率传感器。
首先利用严格耦合波法在器件的前表面设置一个平面光源，并运用于所述多层平面结构；设定垂直入射下，进行波长扫描计算求解，从1000nm-1100nm波段进行波长扫描计算，求解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，即反射谱最小值非常小。
图2为本发明所述的超窄带、大角度的高性能折射率传感测试方法探测垂直入射时测试腔内不同待测气体折射率的反射谱曲线示意图。根据上述仿真步骤中得到的反射谱曲线，设置测试腔内不同气体待测物的折射率，折射率参数从1逐渐增加到1.1，每次增加0.01。当折射率为1时，从1000nm-1100nm波段进行波长扫描，得到图2中第一根反射谱曲线；折射率增加为1.01时，波长扫描计算得到图2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2中第十一根反射谱曲线。通过观察这十一根反射谱曲线会发现反射谱曲线随着气体测试腔内待测物折射率的增加而向长波长方向移动。由图2可知，当气体折射率从1增加到1.1，其反射谱曲线最小值对应的波长从1018nm增加到1088nm。
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，模拟测试腔内待测物折射率变化，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3为本发明所述的超窄带、大角度的高性能折射率传感测试方法探测垂直入射时测试腔内不同待测气体的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710nm/单位折射率。
性能系数(FOM)值是常用的评价传感器性能的参数，其定义为折射率灵敏度处于峰值半宽，可以用以下公式表示。由图2可得反射谱峰值半宽平均值为3nm,最后可以求得FOM为237。
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所示，本发明公开一种超窄带、大角度的高性能折射率传感器件，基于严格耦合波分析法利用美国MathWorks公司出品的mat lab软件编程建立几何模型并选择材料，设计分布式布拉格反射层(DBR)由折射率分别为1.7和2.4的两种材料三氧化二铝和二氧化钛交替分布而成，设计DBR周期为7，设计DBR中心波长为1300nm，设计二氧化硅基底厚度为200nm,设计金层厚度为200nm，设计测试腔高度为3400nm，待测物通过该测试腔进行传感测试,设计基于Tamm等离子共振的DBR—金属平面结构折射率传感器。
首先利用严格耦合波法在器件的前表面设置一个平面光源，并运用于所述多层平面结构；设定垂直入射下，进行波长扫描计算求解，从1300nm-1500nm波段进行波长扫描计算，求解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，即反射谱最小值非常小。
图4是本发明所述的超窄带、大角度的高性能折射率传感测试方法探测垂直入射时测试腔内不同待测液体折射率的反射谱曲线示意图。根据上述仿真步骤中得到的反射谱曲线，设置不同气体测试腔内待测物的折射率，折射率参数从1.32逐渐增加到1.42，每次增加0.01。当折射率为1.32时，从1280nm-1400nm波段进行波长扫描，得到图4中第一根反射谱曲线；折射率增加为1.33时，波长扫描计算得到图4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4中第十一根反射谱曲线。通过观察这十一根反射谱曲线会发现反射谱曲线随着气体测试腔内待测物折射率的增加而向长波长方向移动。由图4可知，当液体折射率从1.32增加到1.42，其反射谱曲线最小值对应的波长从1293nm增加到1378nm。
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，模拟测试腔内待测物折射率变化，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5是本发明所述的超窄带、大角度的高性能折射率传感测试方法探测垂直入射时测试腔内不同待测液体的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860nm/单位折射率。
性能系数(FOM)值是常用的评价传感器性能的参数，其定义为折射率灵敏度处于峰值半宽，可以用以下公式表示。由图4可得反射谱峰值半宽平均值为2.2nm,最后可以求得FOM为391。
实施例3
如图1所示，本发明公开一种超窄带、大角度的高性能折射率传感器件，基于严格耦合波分析法利用美国MathWorks公司出品的matlab软件编程建立几何模型并选择材料，设计分布式布拉格反射层(DBR)由折射率分别为1.7和2.4的两种材料三氧化二铝和二氧化钛交替分布而成，设计DBR周期为7，设计DBR中心波长为1300nm，设计二氧化硅基底厚度为200nm,设计金层厚度为200nm，设计测试腔高度为450nm，待测物通过该测试腔进行传感测试,设计基于Tamm等离子共振的DBR—金属平面结构折射率传感器。
首先利用严格耦合波法在器件的前表面设置一个平面光源，并运用于所述多层平面结构；设定斜入射条件下(入射角度为89度)，TM偏振光时，进行波长扫描计算求解，从1030nm-1090nm波段进行波长扫描计算，求解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，即反射谱最小值非常小。
图6是本发明所述的超窄带、大角度的高性能折射率传感测试方法探测斜入射(入射角度为89度)、TM偏振光时测试腔内不同待测液体折射率的反射谱曲线示意图。根据上述仿真步骤中得到的反射谱曲线，设置不同气体测试腔内待测物的折射率，折射率参数从1.32逐渐增加到1.42，每次增加0.01。当折射率为1.32时，从1030nm-1090nm波段进行波长扫描，得到图6中第一根反射谱曲线；折射率增加为1.33时，波长扫描计算得到图6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6中第十一根反射谱曲线。通过观察这十一根反射谱曲线会发现反射谱曲线随着气体测试腔内待测物折射率的增加而向长波长方向移动。由图6可知，当液体折射率从1.32增加到1.42，其反射谱曲线最小值对应的波长从1041nm增加到1080nm。
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，模拟测试腔内待测物折射率变化，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7是本发明所述的超窄带、大角度的高性能折射率传感测试方法探测斜入射(入射角度为89度)、TM偏振光时测试腔内不同待测液体的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380nm/单位折射率。
性能系数(FOM)值是常用的评价传感器性能的参数，其定义为折射率灵敏度处于峰值半宽，可以用以下公式表示。由图6可得反射谱峰值半宽平均值为2.5nm,最后可以求得FOM为152。
TE偏振光时，进行波长扫描计算求解，从940nm-1040nm波段进行波长扫描计算，求解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，即反射谱最小值非常小。
图8是本发明所述的超窄带、大角度的高性能折射率传感测试方法探测斜入射(入射角度为89度)、TE偏振光时测试腔内不同待测液体折射率的反射谱曲线示意图。根据上述仿真步骤中得到的反射谱曲线，设置不同液体测试腔内待测物的折射率，折射率参数从1.32逐渐增加到1.42，每次增加0.01。当折射率为1.32时，从940nm-1040nm波段进行波长扫描，得到图8中第一根反射谱曲线；折射率增加为1.33时，波长扫描计算得到图8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8中第十一根反射谱曲线。通过观察这十一根反射谱曲线会发现反射谱曲线随着气体测试腔内待测物折射率的增加而向长波长方向移动。由图8可知，当液体折射率从1.32增加到1.42，其反射谱曲线最小值对应的波长从960nm增加到1025nm。
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，模拟测试腔内待测物折射率变化，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9是本发明所述的超窄带、大角度的高性能折射率传感测试方法探测斜入射(入射角度为89度)、TE偏振光时测试腔内不同待测液体的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645nm/单位折射率。
性能系数(FOM)值是常用的评价传感器性能的参数，其定义为折射率灵敏度处于峰值半宽，可以用以下公式表示。由图9可得反射谱峰值半宽平均值为2nm,最后可以求得FOM为323。
本发明提供的基于Tamm等离子共振的DBR—金属平面结构折射率传感器，可用于测量测试腔内不同待测物的折射率变化，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在垂直入射条件下测量气体时灵敏度可以达到710nm/单位折射率，性能系数可以达到237；在垂直入射条件下测量液体时灵敏度可以达到860nm/单位折射率，性能系数可以达到391。在斜入射条件下(入射角度89度)，TM偏振光，测量液体时灵敏度可以达到380nm/单位折射率，性能系数可以达到152；TE偏振光，测量液体时灵敏度可以达到645nm/单位折射率，性能系数可以达到323。
综上，本技术方案是基于Tamm等离子共振的DBR—金属平面结构折射率传感技术，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、超窄带、大角度等突出特点，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 (2)
1.一种超窄带、大角度的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：
利用严格耦合波分析法建立几何模型并选择材料，设计分布式布拉格反射层由折射率分别为1.7和2.4的两种材料三氧化二铝和二氧化钛交替分布而成，分布式布拉格反射层的周期为4-12，分布式布拉格反射层的中心波长为900-1800nm；
采用二氧化硅基底，设计生成多层平面结构，所述多层平面结构上端为分布式布拉格反射层，下端为金层，中间由分离墙构成测试腔，所述二氧化硅基底厚度为200-1000nm，所述金层厚度为50-500nm，所述测试腔高度为350-3500nm，待测物通过该测试腔进行传感测试。
2.根据权利要求1所述的超窄带、大角度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：所述二氧化硅基底厚度为200nm,所述分布式布拉格反射层周期为7，所述分布式布拉格反射层中心波长为1300nm，所述金层厚度为200nm，所述测试腔高度为450nm，待测物通过流入该测试腔进行传感测试。
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