一种基于纳米腔天线阵列的气体折射率传感器

摘要

一种用于测定气体折射率值的传感器，其特征在于该结构由金属光栅层、空气间隙隔层和金属基底层构成。在入射波长为1548-1553纳米和入射角为22-24度时，该气体传感器灵敏度高达2800纳米/单位折射率。特别是金属光栅周期为1100纳米、光栅厚度为20纳米、空气间隙隔层厚度为30纳米时，传感器灵敏度高达3050纳米/RIU。

说明书

技术领域

本专利涉及传感器领域，特别是一种中心工作波长为1550纳米的基于纳米腔天线阵列激发表面等离子体共振效应的波长检测式气体折射率传感器。

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、有害气体的探测，对大气污染、工业废气的监测以及对食品和居住环境质量的检测都对气体传感器提出了更高的要求。随着技术要求的提高和先进科学技术的应用，气体传感器正向微型化、智能化和多功能化的趋势发展。

由于在工业生产、环境监测和卫生安全等领域对气体传感器的精度、性能、稳定性方面的要求越来越高，因此对气体传感器的研究和开发也越来越重要。对气体折射率的检测，传统的方法主要采用迈克尔逊干涉法和马赫-泽德干涉仪法(Mach-Zehnder interferometer)，两种检测方法均存在体积大、不易集成、不能自动检测和远程传输的局限。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，表面等离子体共振的传感器主要采用衰减全反射棱镜耦合法激发SP，虽然该方法可以提高检测的灵敏度，但也存在体积大，不易集成的缺陷。上世纪80年代，Cullen等人提出了基于衍射光栅激发表面等离子体共振用于设计传感器，自此以光栅为基础的表面等离子体共振传感器受到研究人员的重视。

利用纳米腔天线阵列激发表面等离子体共振效应的高灵敏度的特点，可设计基于纳米腔天线阵列的表面等离子体共振气体传感器。该传感器可以极大地提高对气体折射率探测的灵敏度，将在各种气体的检测分析中具有重要的应用前景。随着微加工技术的不断进步，目前已可制作尺度小于50纳米、加工精度小于±5纳米的金属微纳结构。对金属微纳结构电磁特性的计算分析必须采用矢量电磁理论，矢量电磁理论是基于麦克斯韦方程在相应边界条件下，通过计算机仿真进行精确地求解。Moharam等人已给出了基于矢量电磁理论的严格耦合波算法【在先技术1：Moharam MG et al.，1995 J.Opt.Soc.Am.A 121077】，可以解决这类金属微纳结构的电磁场问题。金属微纳结构是利用纳米压印、反应离子辅助刻蚀、物理溅射技术等技术，在基底上加工出微纳尺度的金属微结构。Cui YX等人【在先技术2：Cui YX et al.，2009J.Opt.Soc.Am.B 26 2131】分析了纳米腔天线阵列的金属纳米狭缝增透结构。据我们所知，目前没有人针对1550纳米波段给出纳米腔天线阵列激发表面等离子体共振效应的气体传感器。因此能够在光纤通信波段内实现具有高灵敏度的气体传感器，具有重要的实用意义。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的基于纳米腔天线阵列的气体折射率传感器，该装置可以精确测量气体的折射率，在1548-1553纳米和入射角为22-24度时，该气体传感器灵敏度高达2800纳米/单位折射率(Refractive Index Unit，简称RIU)。本发明的纳米腔天线阵列气体传感器具有灵敏度高、无需电源、无需机械转动装置、可实时测量和信号可远程传输的特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种用于测量气体折射率值的传感器，其特征在于该结构的金属光栅层厚度为15-25纳米、间隙隔层厚度为25-35纳米、金属光栅周期为1000-1200纳米。

所述的纳米腔天线阵列气体传感器的金属光栅周期度为1100纳米、光栅占空比为0.5、光栅层厚度为20纳米、间隙隔层厚度为30纳米。

本发明的依据如下：

图1显示了纳米腔天线阵列气体折射率传感器的几何结构。该结构分为金属光栅层、间隙隔层和金属基底层，本例金属光栅和金属基底均为金属银。TM偏振的线性偏振平面波以固定角度θ入射到金属光栅层，在金属光栅的上下表面激发表面等离子体波，通过检测一定波谱范围内反射波的强度，确定激发的表面等离子体波的波长。

在如图1所示的纳米腔天线阵列气体传感折射率传感器结构下，本发明采用严格耦合波法【在先技术1】计算了该结构在TM偏振入射光照射时的反射率随入射角变化的关系，如图2所示。待测气体折射率为1.000132，入射光波长为1550纳米，光栅周期度为1100纳米、光栅占空比为0.5、光栅层厚度为20纳米、间隙隔层厚度为30纳米，该结构可以使入射光在入射角θ＝23.58°时的反射率仅为0.26％，此处即为表面等离子体共振波长。

如图3所示，入射角θ＝23.58°，光栅周期度为1100纳米、光栅占空比为0.5、光栅层厚度为20纳米、间隙隔层厚度为30纳米，该纳米腔天线阵列传感器结构在待测气体折射率1.000＜λ＜1.001的范围内对应的表面等离子共振波长，即在待测气体折射率在1.000＜λ＜1.001范围内对应有3050纳米/RIU的测量灵敏度。

图4为采用图1所示的纳米腔天线阵列气体折射率传感器测量气体折射率时的系统图。图中1代表中心波长为1550纳米的半导体宽谱激光器，2代表中心工作波长为1300纳米的多模光纤，3代表扩束器，4代表纳米腔天线阵列的气体折射率传感器，5代表光谱分析仪，6代表耦合器，7代表检测腔。

附图说明

图1为本发明纳米腔天线阵列气体折射率传感器装置的几何结构。

图2为本发明纳米腔天线阵列气体折射率传感器结构在待测气体折射率n＝1.000132，入射光波长λ＝1550纳米，光栅周期度Λ＝1100纳米、光栅占空比为q＝0.5、光栅层厚度h＝20纳米、间隙隔层厚度d＝30纳米，反射率随入射角的变化曲线。

图3为本发明纳米腔天线阵列气体折射率传感器结构在入射角θ＝23.58°，光栅周期度Λ＝1100纳米、光栅占空比为q＝0.5、光栅层厚度h＝20纳米、间隙隔层厚度d＝30纳米，表面等离子体共振波长随待测气体折射率的变化曲线。

图4为本发明纳米腔天线阵列气体折射率传感器测量气体折射率时的系统示意图。

具体实施方式

通过纳米压印、反应离子辅助刻蚀、物理溅射、聚焦离子束和电子束曝光技术制作增强纳米狭缝透射效率的金属复合结构。制作过程按以下步骤进行：

首先，在金属银基底上镀一层30纳米厚的石英层。

然后，在石英层上旋覆一层20纳米厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，加热至200℃(高于聚甲基丙烯酸甲酯的玻璃化相变点105℃)，将预制的二氧化硅模板(具有周期为1100纳米，占宽比为0.5，深20纳米的光栅图案)以15MPa大小的压力压入聚甲基丙烯酸甲酯。此时聚甲基丙烯酸甲酯高于其玻璃化相变点温度105℃，类似于黏性液体，并能在压力下流动。保持这种压力大小不变，降温到60℃，(低于相变点105℃)，保持约10分钟。由于聚甲基丙烯酸甲酯的亲水性，不会同二氧化硅模板发生黏附，将模板抬起脱膜。

第三，采用氧气反应型离子刻蚀(RIE)聚甲基丙烯酸甲酯层，直至低凹处露出石英基底，就得到了聚甲基丙烯酸甲酯的周期图案。

第四，在聚甲基丙烯酸甲酯的周期图案上利用物理溅射方法沉积上金属银，通过溶脱在丙酮溶液中将聚甲基丙烯酸甲酯及其上的铝去掉，就留下了周期为1100纳米，槽深约20纳米，占宽比为0.5的金属光栅。

最后，将少许6％的氢氟酸溶液滴在光栅表面上，在25℃保持约10分钟，用去粒子水洗净，以去除局部金属光栅层下的石英。

按以上步骤制作的纳米腔天线阵列，当固定入射角为23.58度，可以使折射率在1.000-1.001范围内的气体在对于入射波长处发生表面等离子体共振(即：反射率接近0)，该传感器对气体的测试灵敏度可以达到约3050纳米/RIU。

本发明的纳米腔天线阵列气体传感器，具有很高的测试灵敏度，利用纳米压印、反应离子辅助刻蚀及物理溅射技术制作，可大批量、低成本生产，制作的纳米腔天线阵列传感器性能稳定、可靠。