CN111537474A - 一种表面等离激元共振湿度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种表面等离激元共振湿度传感器，在聚酰亚胺层中设有孔洞，在聚酰亚胺层的顶部设有贵金属薄膜，在孔洞的底部设置贵金属块。在应用时，聚酰亚胺层吸湿膨胀，改变贵金属薄膜与贵金属块的表面等离激元共振特性，通过探测该共振实现湿度检测。因为贵金属微纳结构的表面等离激元共振特性对结构的形貌、结构间的距离非常敏感，所以本发明具有灵敏度高的优点。另外，在待测环境中设置本发明的传感器，应用外光路照射本传感器和应用外设光探测器接受信号，结构本身的尺寸小，在湿度传感领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及湿度传感领域，具体涉及一种表面等离激元共振湿度传感器。
背景技术
湿度传感器被广泛地应用于农业生产、工业检测与控制、气象检测、医疗等各个领域。湿度传感器的小型化及微型化和高灵敏度是当前的趋势。现有的湿度传感器主要有电阻式、电容式、压阻式等。器件尺寸相对较大、灵敏度相对较低。难以满足在微型设备上的高灵敏湿度探测。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种表面等离激元共振湿度传感器，包括衬底、聚酰亚胺层、贵金属薄膜、贵金属块，聚酰亚胺层置于衬底上，聚酰亚胺层中设有孔洞，贵金属薄膜置于聚酰亚胺层的顶部，贵金属块置于孔洞的底部；使用时，聚酰亚胺层吸湿膨胀，所述贵金属薄膜和贵金属块的表面等离激元共振特性，通过探测该共振实现环境湿度的检测。
更进一步地，在孔洞侧面的上部还设有贵金属颗粒。
更进一步地，孔洞不贯穿整个所述聚酰亚胺层。
更进一步地，贵金属薄膜、贵金属块、贵金属颗粒的材料为金、银或铂。
更进一步地，衬底的材料为二氧化硅。
更进一步地，孔洞为条形。
更进一步地，贵金属薄膜为分离的贵金属微纳结构。
更进一步地，贵金属微纳结构为周期性排列的二聚体结构。
更进一步地，二聚体结构中两结构间的距离小于10纳米。
本发明的有益效果：本发明提供了一种表面等离激元共振湿度传感器，在聚酰亚胺层中设有孔洞，在聚酰亚胺层的顶部设有贵金属薄膜，在孔洞的底部设置贵金属块。在应用时，聚酰亚胺层吸湿膨胀，改变贵金属薄膜与贵金属块的表面等离激元共振特性，通过探测该共振实现湿度检测。因为贵金属微纳结构的表面等离激元共振特性对结构的形貌、结构间的距离非常敏感，所以本发明具有灵敏度高的优点。另外，在待测环境中设置本发明的传感器，应用外光路照射本传感器和应用外设光探测器接受信号，结构本身的尺寸小，在湿度传感领域具有良好的应用前景。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是表面等离激元共振湿度传感器的示意图。
图2是又一种表面等离激元共振湿度传感器的示意图。
图3是再一种表面等离激元共振湿度传感器的示意图。
图中：1、衬底；2、聚酰亚胺层；3、孔洞；4、贵金属薄膜；5、贵金属块。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
本发明提供了一种表面等离激元共振湿度传感器，如图1所示，该湿度传感器包括衬底1、聚酰亚胺层2、贵金属薄膜4、贵金属块5。聚酰亚胺层2置于衬底1上，衬底1的材料为二氧化硅。聚酰亚胺层2中设有孔洞。贵金属薄膜4置于聚酰亚胺层2的顶部。贵金属块5置于孔洞3的底部。贵金属薄膜4和贵金属块5的材料为金、银或铂。
使用时，应用连续谱光源从上部照射图1中所示结构，可以采用垂直照射，也可以采用倾斜照射。应用光探测器，探测图1中所示结构的反射光谱或者透射光谱。因为衬底1选择为二氧化硅，所以可以探测透射光谱。如果仅仅探测反射光谱，那么可以采用其他材料的衬底，例如硅衬底。反射光谱或透射光谱中反应了表面等离激元共振特性。在待测环境中，聚酰亚胺层2吸湿膨胀，改变了孔洞3的尺寸，改变贵金属薄膜4和贵金属块5的表面等离激元共振特性，通过探测该共振实现环境湿度的检测。
因为贵金属微纳结构的表面等离激元共振特性对结构的形貌、结构间的距离非常敏感，所以本发明具有灵敏度高的优点。另外，在待测环境中设置本发明的传感器，应用外光路照射本传感器和应用外设光探测器接受光信号，结构本身的尺寸小，在湿度传感领域具有良好的应用前景。
本实施例中湿度传感器的制备方法：首先，在衬底1上制备聚酰亚胺层2，可以采用旋凃的方法；其次，在聚酰亚胺层2中设置孔洞3，可以采用离子束刻蚀的方法；再次，在聚酰亚胺层2的顶部设置贵金属薄膜4、在孔洞3的底部设置贵金属块5，本步骤可以通过电子束蒸发镀膜获得，在垂直蒸发贵金属材料时，贵金属材料同时沉积在聚酰亚胺层2的顶部和孔洞3的底部，所以能够同时获得贵金属薄膜4和贵金属块5；最后，得到如图1所示的表面等离激元共振湿度传感器。
实施例2
在实施例1的基础上，如图2所示，在孔洞3侧面的上部还设有贵金属颗粒。贵金属颗粒的材料为金、银或铂。如此一来，在聚酰亚胺层2膨胀时，孔洞3的顶部尺寸变小，在孔洞3侧面的上部设置贵金属颗粒，会改变贵金属颗粒之间的距离，改变整体结构的表面等离激元共振特性。另外，在孔洞3的侧面制备贵金属颗粒，当入射光进入孔洞时，能量更多地被贵金属颗粒吸收，减少了光的透射系数，所以本发明提供了吸湿时光透射系数的改变，从另外一个维度反映了湿度信息，提高了探测准确度。
本实施例中，在孔洞3侧面的上部制备贵金属颗粒，可以通过倾斜衬底的方式，应用电子束蒸发镀膜，在孔洞侧面的上部制备贵金属颗粒。
实施例3
在实施例1的基础上，如图3所示，孔洞3不贯穿整个聚酰亚胺层2。如此一来，当聚酰亚胺层2膨胀时，不仅改变了贵金属薄膜4与贵金属块5之间的耦合，而且改变了结构的周期，从而改变了表面等离激元共振波长，提高了湿度探测的灵敏度。
更进一步地，孔洞3为条形，此时贵金属块5也为条形。此时，应用线偏振光照射湿度传感器，线偏振光的偏振方向垂直于条形的孔洞。如果应用离子束刻蚀制备孔洞，制备条形孔洞3比制备方向或圆形孔洞3简单，对离子束刻蚀设备的要求低。
更进一步地，贵金属薄膜4为分离的贵金属微纳结构。优选地，贵金属微纳结构为周期性排列的二聚体结构。优选地，二聚体结构中两结构间的距离小于10纳米。二聚体结构可以为矩形块/矩形块二聚体结构、圆形块/圆形块二聚体结构或其他二聚体结构。当聚酰亚胺层2膨胀时，也拉动二聚体结构分离，二聚体结构中两结构间的距离改变，从而改变二聚体的共振波长，从另外一个维度提供湿度信息，提高了探测准确度。二聚体结构中两结构间的距离小于10纳米，以便于在聚酰亚胺层2膨胀时，产生更大相对值的膨胀，更多地移动共振波长，提高探测的灵敏度。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种表面等离激元共振湿度传感器，其特征在于，包括：衬底、聚酰亚胺层、贵金属薄膜、贵金属块，所述聚酰亚胺层置于所述衬底上，所述聚酰亚胺层中设有孔洞，所述贵金属薄膜置于所述聚酰亚胺层的顶部，所述贵金属块置于所述孔洞的底部；使用时，所述聚酰亚胺层吸湿膨胀，改变所述贵金属薄膜和所述贵金属块的表面等离激元共振特性，通过探测该共振实现环境湿度的检测。
2.如权利要求1所述的表面等离激元共振湿度传感器，其特征在于：在所述孔洞侧面的上部还设有贵金属颗粒。
3.如权利要求1所述的表面等离激元共振湿度传感器，其特征在于：所述孔洞不贯穿整个所述聚酰亚胺层。
4.如权利要求1-3任一项所述的表面等离激元共振湿度传感器，其特征在于：所述贵金属薄膜、所述贵金属块、所述贵金属颗粒的材料为金、银或铂。
5.如权利要求4所述的表面等离激元共振湿度传感器，其特征在于：所述衬底的材料为二氧化硅。
6.如权利要求5所述的表面等离激元共振湿度传感器，其特征在于：所述孔洞为条形。
7.如权利要求6所述的表面等离激元共振湿度传感器，其特征在于：所述贵金属薄膜为分离的贵金属微纳结构。
8.如权利要求7所述的表面等离激元共振湿度传感器，其特征在于：所述贵金属微纳结构为周期性排列的二聚体结构。
9.如权利要求7所述的表面等离激元共振湿度传感器，其特征在于：所述二聚体结构中两结构间的距离小于10纳米。
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