CN113310946A - 一种基于超构材料的微纳折射率传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于超构材料的微纳折射率传感器，涉及折射率传感技术领域。包括等间距阵列设置的传感器单元，所述传感器单元包括由上至下依次设置的第一金属层、第一布拉格反射镜、介质层、第二布拉格反射镜和第二金属层，所述第一布拉格反射镜和第二布拉格反射镜均包括GaAs层和AlGaAs层，所述GaAs层和AlGaAs层周期交替排列，所述传感器单元设置通孔，所述通孔为正方形。本发明的微纳折射率传感器不仅灵敏度较高，而且尺寸小，构造简单，更易于实现传感器的小型化和集成化，扩大了折射率传感器的应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及折射率传感技术领域，具体涉及一种基于超构材料的微纳折射率传感器。
背景技术
近年来随着制备工艺的发展，高性能的复杂结构折射率传感器成为研究热点。折射率是材料的固有属性，通过测试折射率，可以对分析物的浓度，纯度等物理性质进行分析，因此，基于折射率探测的传感设计是传感器领域的一个重要方向，备受重视。折射率传感器具有许多优势，包括灵敏度高、响应速度快以及动态范围宽，同时还具有多路复用能力、遥感能力、不易受电磁干扰以及在恶劣环境下工作的能力。而灵敏度是一个表征折射率传感器性能的重要指标，折射率灵敏度指的是谐振波长的变化量与环境折射率的变化量之比，灵敏度越高则意味着波长变化对于折射率变化的放大作用越明显，因此追求高灵敏度是我们设计折射率传感器的重要目的。
表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)折射率传感器以其坚固耐磨、操作简单以及高灵敏度等特性被广泛应用于医疗卫生诊断，食品安全检测和环境监测等领域。但传统的SPR折射率传感器的局限性在于其不适合作为移动光学和机械部件使用，而另一种基于光学棱镜的SPR折射率传感器虽然性能较优，但由于需要精确控制入射角度的原因，其所需的光学和机械组件的体积庞大，难以实现微观尺度上的测量，极大的限制了其应用范围。
因此，亟需设计一种基于超构材料的微纳折射率传感器以解决上述技术问题。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
一种基于超构材料的微纳折射率传感器，包括等间距阵列设置的传感器单元，所述传感器单元包括由上至下依次设置的第一金属层、第一布拉格反射镜、介质层、第二布拉格反射镜和第二金属层，
所述第一布拉格反射镜和第二布拉格反射镜均包括GaAs层和AlGaAs层，所述GaAs层和AlGaAs层周期交替排列，
所述传感器单元设置通孔，所述通孔为正方形。
进一步的，所述传感器单元的横剖面为正方形，边长为300nm～800nm。
进一步的，所述第一金属层和第二金属层的材料为Ag，所述介质层的材料为InGaAsP。
进一步的，所述第一金属层和第二金属层的厚度为40～100nm，所述介质层的厚度为75nm，所述GaAs层的厚度为114nm，所述AlGaAs层的厚度为130nm。
进一步的，所述通孔的边长为172nm～344nm。
进一步的，相邻所述通孔之间的间隔为86nm～258nm。
进一步的，传感器的工作波长范围为1600nm～1800nm。
本发明提供的一种基于超构材料的微纳折射率传感器，与现有技术相比，具有以下有益效果：
设置通孔结构使传感器与分析物有了更大的接触面积，增大了传感器的灵敏度，利用观测共振角的变化即可实现对微纳尺度的待测环境进行测量，克服了难以在微观尺度上测量的问题，扩大了折射率传感器的应用范围，且该传感器体积小，构造简单，易于实现传感器的小型化和集成化。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为本发明传感器单元的结构示意图。
图3为本发明几何结构横截面图。
图4为本发明通孔的占空比与传感器灵敏度的关系图。
图5为本发明传感器波长与反射率的曲线图。
其中，1-第一金属层，2-第一布拉格反射镜，3-介质层，4-第二布拉格反射镜，5-第二金属层，6-通孔。
具体实施方式
以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
如图所示，本发明提供一种基于超构材料的微纳折射率传感器，包括等间距阵列设置的传感器单元，所述传感器单元包括由上至下依次设置的第一金属层1、第一布拉格反射镜2、介质层3、第二布拉格反射镜4和第二金属层5，
所述第一布拉格反射镜2和第二布拉格反射镜4均包括中高折射率材料、低折射率材料，中高折射率材料和低折射率材料以周期交替排列的方式设置，中高折射率材料为GaAs，低折射率材料为AlGaAs。
所述传感器单元的横剖面为正方形，边长为300nm～800nm，所述传感器单元上还设置通孔6，所述通孔6为正方形，通孔6的边长优选为344nm，相邻所述通孔6之间的间隔为86nm，设置通孔6结构使传感器与分析物有了更大的接触面积，增大了传感的灵敏度，且表面等离子体共振引起了纳米结构的腔体耦合效应，孔径的大小也会影响耦合效应，从而影响传感器对环境折射率变化的灵敏度，本发明孔径参数是经过优化后的最优值。通孔6是无限周期的方孔结构，通孔6个数不只四个。
进一步的，所述第一金属层1和第二金属层5的材料为Ag，所述介质层3的材料为InGaAsP，所述第一金属层1和第二金属层5的厚度为40～100nm，所述介质层3的厚度为75nm，中高折射率材料GaAs的厚度为114nm，低折射率材料AlGaAs的厚度为130nm。本实施例中，第一金属层1和第二金属层5的材料Ag厚度为50nm。
如图1、图2所示，本实施例的新型微纳折射率传感器为金属方孔渔网状周期排列结构，可以通过纳米加工技术实现，其工作波长范围为1600nm～1800nm，可以工作在折射率较低的环境中，并不局限于气体环境，还适用于液体环境，例如生物传感方向。
将传感器折射率灵敏度定义为S＝Δλ/Δn，其中Δλ是共振角的偏移量，Δn是环境折射率的改变量。图3演示了通孔6的边长对于传感器灵敏度的影响，取通孔6之间的间隔为d1，通孔6的边长为d2，纳米阵列单元的周期为d3＝d1+d2，本实施例中，d1为86nm，d2为344nm，d3为430nm，将通孔6的边长d2与周期d3的比值定义为占空比，占空比取0.4—0.8，以步长为0.1递增。
由图3可知，随着占空比的增加，传感器的折射率灵敏度s也随之增加，占空比为0.4时，灵敏度只有31nm/RIU，占空比为0.8时灵敏度达到了340nm/RIU，此时为灵敏度的最优数值。
图4演示了环境折射率改变对共振角偏移的影响，当纳米阵列周期为430nm，占空比取0.8时，环境折射率由1.00逐渐增加到1.03，峰值的波长也随之线性增加，波峰的偏移量为10.2nm，即共振角偏移，由折射率传感灵敏度的定义S＝Δλ/Δn，灵敏度为10.2/0.03＝340nm/RIU。由此可知，灵敏度越高则意味着波长变化对于折射率变化的放大作用越明显，本发明的微纳折射率传感器利用观测共振角的变化即可实现对微纳尺度的待测环境进行测量，通过检测波长变化就可以间接地计算出外界折射率的数值。
工作原理：本发明基于超构材料的新型微纳折射率传感器使用时完全暴露于工作环境之中，是以表面等离子共振原理为基础的一种折射率传感器。表面等离子共振是一种发生在金属与介质的交界面处自由电荷的集体共振现象。当入射光照射到第一金属层1和第二金属层5后，在第一金属层1、第二金属层5与介质层3交界处发生全内反射时渗透到金属薄膜内的倏逝波，引发金属中的自由电子产生表面等离子体，当表面等离子体与倏逝波的频率相等时，二者发生共振，界面处全反射条件被破坏，呈现衰减全反射现象，入射光被金属表面电子吸收，是反射光能量急剧下降。当入射光波长固定时，反射光强度是入射角的函数，其中反射光强度最低时对应的入射角称为共振角。SPR对附着在金属薄膜表面介质折射率的改变非常敏感，当表面介质的折射率改变时，共振角将不同，因此SPR传感器能灵敏的捕捉到折射率的变化。将本发明的传感器放在待测环境中，利用观测共振角的变化可以实现对微纳尺度的待测环境的测量。此外，在每个传感器单元刻蚀上下通体的正方形孔，设置通孔6结构后，待测的气体或液体与传感器有了更大的接触面积，增大了传感器的灵敏度。
以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (7)
1.一种基于超构材料的微纳折射率传感器，其特征在于，包括等间距阵列设置的传感器单元，所述传感器单元包括由上至下依次设置的第一金属层、第一布拉格反射镜、介质层、第二布拉格反射镜和第二金属层，
所述第一布拉格反射镜和第二布拉格反射镜均包括GaAs层和AlGaAs层，所述GaAs层和AlGaAs层周期交替排列，
所述传感器单元设置通孔，所述通孔为正方形。
2.如权利要求1所述的一种基于超构材料的微纳折射率传感器，其特征在于，所述传感器单元的横剖面为正方形，边长为300nm～800nm。
3.如权利要求2所述的一种基于超构材料的微纳折射率传感器，其特征在于，所述第一金属层和第二金属层的材料为Ag，所述介质层的材料为InGaAsP。
4.如权利要求3所述的一种基于超构材料的微纳折射率传感器，其特征在于，所述第一金属层和第二金属层的厚度为40～100nm，所述介质层的厚度为75nm，所述GaAs层的厚度为114nm，所述AlGaAs层的厚度为130nm。
5.如权利要求1所述的一种基于超构材料的微纳折射率传感器，其特征在于，所述通孔的边长为172nm～344nm。
6.如权利要求5所述的一种基于超构材料的微纳折射率传感器，其特征在于，相邻所述通孔之间的间隔为86nm～258nm。
7.如权利要求1所述的一种基于超构材料的微纳折射率传感器，其特征在于，传感器的工作波长范围为1600nm～1800nm。
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