CN211978689U - 一种具有交替光栅和石墨烯复合结构的传感器 - Google Patents
一种具有交替光栅和石墨烯复合结构的传感器 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型公开了一种具有交替光栅和石墨烯复合结构的传感器，包括：基底硅层；铝膜层，覆盖在所述基底硅层的上表面；交替光栅，覆盖在所述铝膜层的上表面，所述交替光栅包括，多条相间隔的贵金属介质光栅，相邻的两条所述贵金属介质光栅之间形成条状的容纳空间；二氧化硅介质光栅，设置在相邻的两条贵金属介质光栅之间且充满所述容纳空间；二氧化硅介质层，覆盖在所述交替光栅的上表面；石墨烯层，覆盖在所述二氧化硅介质层的上表面。本实用新型中，基于左边频和窄脉冲对环境折射率的敏感度不同，利用两者的吸收峰波长作为信息载体，可借助矩阵方程获得消除温度影响的折射率传感灵敏度。
Description
技术领域
本实用新型涉及电磁超材料传感器技术领域，尤其涉及一种具有交替光栅和石墨烯复合结构的传感器。
背景技术
电磁超材料(Electromagnetic Metamaterial)传感器是近年来迅速发展起来的一种光学检测技术，因其可突破传统传感器的分辨率极限，又具有原理简单、待测物无需纯化、能实时、高精度地检测动态反应过程等优点，被广泛用于高分辨率生物成像、环境检测、药物分析和食品安全等诸多领域。随着研究的深入，超材料传感器已开发出多种典型结构，如多层介质耦合结构、光栅耦合结构和法布里-波罗腔结构等。其中，光栅耦合结构，由于具有结构多样性，可实现高吸收和窄带光谱特性，谐振波长对环境参量更为敏感，在波长调制型光学折射率传感应用领域倍受关注。
但实际浓度或折射率传感应用中存在温度等其它影响因素的干扰，会使测量结果出现较大偏差，且灵敏度越高影响越大。因此结构简单、成本低廉、更具实用性的光栅型超材料传感器的设计和开发亟待更深入的研究和探索。
发明内容
针对现有技术的上述不足，本实用新型所要解决的技术问题在于，提出一种具有交替光栅和石墨烯复合结构的传感器，用于解决现有技术中实际浓度或折射率传感应用中存在温度等其它影响因素的干扰的问题。
本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是一种具有交替光栅和石墨烯复合结构的传感器，包括：
基底硅层；
铝膜层，覆盖在所述基底硅层的上表面；
交替光栅，覆盖在所述铝膜层的上表面，所述交替光栅包括，多条相间隔的贵金属介质光栅，相邻的两条所述贵金属介质光栅之间形成条状的容纳空间；二氧化硅介质光栅，设置在相邻的两条贵金属介质光栅之间且充满所述容纳空间；
二氧化硅介质层，覆盖在所述交替光栅的上表面；
石墨烯层，覆盖在所述二氧化硅介质层的上表面。
优选地，所述贵金属介质光栅的宽度大于所述二氧化硅介质光栅的宽度。
优选地，所述贵金属介质光栅材料为金。
优选地，所述贵金属介质光栅为5条，所述二氧化硅介质光栅为4条。
优选地，所述铝膜层的厚度为45～55纳米。
优选地，所述交替光栅的厚度为65～75纳米，光栅周期为440～460纳米，背景折射率为1.0～1.3，所述二氧化硅介质光栅脊宽为18～23纳米。
优选地，所述二氧化硅介质层的厚度为25～35纳米。
优选地，所述石墨烯层厚度为3～4纳米。
与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益效果：
一、基于交替光栅和石墨烯超材料传感器结构，传感器结构简单。
二、基于左边频和窄脉冲对环境折射率的敏感度不同，利用两者的吸收峰波长作为信息载体，可借助矩阵方程获得消除温度影响的折射率传感灵敏度。
三、本方案中的传感器成本低廉、更具实用性。
附图说明
图1为实施例中传感器的结构示意图；
图2为交替光栅的结构示意图；
图3为传感器的共振光谱图；
图4为传感器在不同折射率下的共振光谱；
图5为图4中左边频和第二个窄脉冲与折射率之间关系曲线；
图中，10-基底硅层；
20-铝膜层；
30-交替光栅，31-贵金属介质光栅，32-二氧化硅介质光栅；
40-二氧化硅介质层；
50-石墨烯层；
具体实施方式
以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。
实施例一
请参照图1-图2，本实用新型公开了一种具有交替光栅和石墨烯复合结构的传感器，包括：
基底硅层10；
铝膜层20，覆盖在所述基底硅层10的上表面；
交替光栅30，覆盖在所述铝膜层20的上表面，所述交替光栅30包括，多条相间隔的贵金属介质光栅31，相邻的两条所述贵金属介质光栅31之间形成条状的容纳空间；二氧化硅介质光栅32，设置在相邻的两条贵金属介质光栅31之间且充满所述容纳空间；
二氧化硅介质层40，覆盖在所述交替光栅30的上表面；
石墨烯层50，覆盖在所述二氧化硅介质层40的上表面。
传感器共包括五层，最下层是基底硅层10，基底硅层10上表面沉积厚度为t1的铝膜层20，用于增强光的反射，增大吸收；铝膜层20上表面为材料和尺寸不同的条形波导构成的交替光栅30，窄光栅优选二氧化硅材料，宽度为w；宽光栅材料为贵金属，紧埃交替光栅30的是二氧化硅介质层40，用于减反入射光，增强透射作用，顶层覆盖石墨烯层50。
所述贵金属介质光栅31的宽度大于所述二氧化硅介质光栅32的宽度。
所述贵金属介质光栅31材料为金。
所述贵金属介质光栅31为5条，所述二氧化硅介质光栅32为4条。
所述铝膜层20的厚度为45～55纳米。
所述交替光栅30的厚度为65～75纳米，光栅周期为440～460纳米，背景折射率为1.0～1.3，所述二氧化硅介质光栅32脊宽为18～23纳米。
所述二氧化硅介质层40的厚度为25～35纳米。
所述石墨烯层50厚度为3～4纳米。
实施例二
请参照图3-图5
本申请研究了横磁(transverse magnetic，TM)偏振光波正入射情况下，即光波沿Y轴反方向垂直入射时，入射电磁波吸收光谱和折射率传感应用。为了保证设计结构对入射电磁波的高吸收率，顶层光栅采用亚波长结构，铝膜层20厚度取50纳米，大于其在入射光波的趋附深度；因此没有透射光，此时结构的光波吸收率可简化为A＝1-R，其中R为结构设计的光谱反射率。
取石墨烯层50的厚度为3.4纳米；二氧化硅介质层40厚度为30纳米；交替光栅30高度为70nm；二氧化硅窄光栅脊宽为21nm；光栅周期为450nm，背景折射率为1.0，得到传感器结构的吸收光谱如图3所示。
由图3可知，传感结构激发的共振吸收光谱主要集中在0.95～1.15μm近红外光波段，包括吸收率和带宽(半高全宽)各不相同的多个吸收通道。左边频吸收峰共振波长为1.01699μm，半高全宽(Full width at half maximum，FWHM)为0.023μm，吸收率接近100％。右边频峰值波长为1.07346μm，上升沿由5个等间距3.5nm的窄脉冲级联组成。
基于上述传感结构的不同环境折射率时复合结构的共振光谱，结合图4可知，待测折射率由1.0增大到1.3，左边频共振峰位由1.01872μm降到1.01659μm；各窄脉冲峰位同幅度增大，以左数第二个窄脉冲为例，其共振波长随折射率变化规律见图5。左边频和窄脉冲均随折射率线性变化，但变化幅度不同，折射率传感灵敏度分别为8.1nm/RIU和189.2nm/RIU,所以可以借助共振吸收峰波长值反演折射率的大小。但上述传感灵敏度值没有考虑实际折射率传感应用中温度漂移的影响，且灵敏度越高，温度影响越大。
为了消除温度漂移的影响，本申请基于左边频和第二个窄脉冲对环境折射率的敏感度不同，采用两者吸收峰峰位波长作为信息载体，将对应测得的温度传感灵敏度Tλ1和Tλ2，折射率传感灵敏度Nλ1和Nλ2分别代入矩阵方程
式中，F＝Tλ1Nλ2-Tλ2Nλ1，计算即可获得温度补偿后的折射率传感灵敏度，且折射率测量范围可达1～1.6RIU。
即是说，本方案基于左边频和窄脉冲对环境折射率的敏感度不同，利用两者的吸收峰波长作为信息载体，可借助矩阵方程获得消除温度影响的折射率传感灵敏度。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本实用新型精神作举例说明。本实用新型所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本实用新型的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。
Claims (8)
1.一种具有交替光栅和石墨烯复合结构的传感器，其特征在于，包括：
基底硅层；
铝膜层，覆盖在所述基底硅层的上表面；
交替光栅，覆盖在所述铝膜层的上表面，所述交替光栅包括，多条相间隔的贵金属介质光栅，相邻的两条所述贵金属介质光栅之间形成条状的容纳空间；二氧化硅介质光栅，设置在相邻的两条贵金属介质光栅之间且充满所述容纳空间；
二氧化硅介质层，覆盖在所述交替光栅的上表面；
石墨烯层，覆盖在所述二氧化硅介质层的上表面。
2.根据权利要求1所述的一种具有交替光栅和石墨烯复合结构的传感器，其特征在于，
所述贵金属介质光栅的宽度大于所述二氧化硅介质光栅的宽度。
3.根据权利要求1或2任一项所述的一种具有交替光栅和石墨烯复合结构的传感器，其特征在于，
所述贵金属介质光栅材料为金。
4.根据权利要求1或2任一项所述的一种具有交替光栅和石墨烯复合结构的传感器，其特征在于，
所述贵金属介质光栅为5条，所述二氧化硅介质光栅为4条。
5.根据权利要求1所述的一种具有交替光栅和石墨烯复合结构的传感器，其特征在于，
所述铝膜层的厚度为45～55纳米。
6.根据权利要求1所述的一种具有交替光栅和石墨烯复合结构的传感器，其特征在于，
所述交替光栅的厚度为65～75纳米，光栅周期为440～460纳米，背景折射率为1.0～1.3，所述二氧化硅介质光栅脊宽为18～23纳米。
7.根据权利要求1所述的一种具有交替光栅和石墨烯复合结构的传感器，其特征在于，
所述二氧化硅介质层的厚度为25～35纳米。
8.根据权利要求1所述的一种具有交替光栅和石墨烯复合结构的传感器，其特征在于，
所述石墨烯层厚度为3～4纳米。
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|---|---|---|---|---|
| CN117405604A (zh) * | 2023-10-30 | 2024-01-16 | 河北工程大学 | 一种基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器 |
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2020
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| CN117405604B (zh) * | 2023-10-30 | 2024-03-29 | 河北工程大学 | 一种基于双层亚波长光栅的石墨烯生物传感器 |
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