基于衰减全反射表面波的高灵敏度传感技术研究

摘要

随着社会经济的发展，环境问题日益突出。大气污染是环境污染的一个重要方面。当大气中的某些痕量气体(如:二氧化硫、二氧化氮、一氧化碳等)含量很高时，就会对人体造成很大的伤害。因此，对大气中痕量毒害气体的监测显得尤为重要。如何实现对大气中痕量气体的检测是目前科学研究的一个重要方向。表面等离子体共振是一种倏逝场光学现象，它通过测量金属层表面物质折射率的变化来研究待测物质的浓度变化，在最近的几十年里，表面等离子体共振技术因其具有实时监测、高灵敏度、高精度以及高检测限的优点，被广泛应用在医疗诊断、食品安全和环境监测等领域。 本文基于表面等离子体共振原理，利用衰减全反射光激发方法，设计了一套基于棱镜耦合的多层膜结构。利用转移矩阵分析方法，通过计算多层膜结构的Fresnel方程，理论计算出反射光谱随待测物浓度的变化关系，并基于此结构实现了该膜层的加工，利用该结构进行了相关的实验验证工作。本文主要内容如下: (1)设计了一套基于表面等离子体模和平面介质波导模耦合的多层膜结构，该多层膜结构主要由prism/Ag/SiO2/ZrO2/传感层构成，采用的是Kretschmann棱镜耦合方式。 (2)为了验证设计的优化结构的实验检测能力，我们对不同浓度的食盐溶液进行了理论模拟，并基于此多层膜结构设计了一套试验系统，实验结果表明在误差允许的范围内，实验结果和理论结果取得了较好的相关性，并且在食盐的溶解度范围内，共振角和食盐浓度之间具有很好的线性关系，线性相关系数R2可达到0.9988. (3)理论计算了此结构对气体SO2的探测能力。

目录

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摘要

第一章绪论

1．1 SPR气体传感器的应用需求和研究意义

1．2 SPR气体传感器国内外发展

1．2．1 SPR技术的发展历程

1．2．2国外研究现状

1．2．3国内研究现状

1．3论文内容和结构

第二章表面等离子体共振理论研究

2．1表面等离子体共振基本原理

2．2表面等离子体传感结构介绍

2．3本论文所应用的SPR传感结构

2．4小结

第三章表面等离子体共振数值模拟

3．1数值模拟理论基础

3．1．1转移矩阵方法

3．2理论模型结构

3．3对食盐的理论计算结果

3．4小结

第四章棱镜型SPR传感系统搭建及对食盐溶液的测量

4．1棱镜型SPR传感系统实验装置

4．1．1主要器件参数

4．1．2棱镜的制备

4．1．3样品池

4．1．6不同浓度食盐溶液的配比

4．2实验过程介绍

4．3实验结果分析

4．4小结

第五章气体SO2的可探测性分析

5．1对气体SO2探测能力的理论计算

5．2气体传感装置的仿噪、去噪模拟

5．2．1传感装置的仿噪

5．2．3传感装置的去噪算法

5．3小结

6．1总结

6．2论文特色和创新点

6．3展望

参考文献

致谢

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