基 于 硅 基 的 新 型 傳 感 器 研 究

王海娜, 徐艷華

(1.河南農業職業學院 信息工程學院,鄭州 451450；2.河南師范大學 新聯學院,鄭州 450000)

0 引 言

表面等離子體(Surface Plasmon, SP)是一種metal-medium(金屬-介質)邊界電荷集體振蕩的光學現象[1-2]。近30年來,表面等離子體共振(SPR)技術在傳感領域的應用逐漸成為研究熱點,SPR傳感器是基于被測樣品共振狀態折射率變化非常敏感的光電探測系統的原理,通過對反射譜特征的實時觀測，快速、靈敏地檢測到折射率變化的介質，從而能夠利用理論公式計算樣本的相關信息[3-7]。SPR裝置是第1個被提出的Otto和Kretschmann結構，這兩種結構在棱鏡中耦合，基于衰減的全反射的原理，利用P偏振光的條件刺激SPR，通過檢測反射光譜測量參數來計算共振特性[8]。近年來，Harma1等選擇二氧化硅和二氧化鈦為介電層,理論上為交替多層介質系統，分析了該氣體傳感器理論的極限是10.5 RIU(Refraction Index Unit,折射率單位),工作在可見光范圍內,SPR的橢圓對稱是實驗的創新點,具有很強的發展前景。意大利的比薩大學使用Biacore型SPR傳感器檢測，IGF 1的結構調整在羧基甲基硫醇基板上，與多克隆抗體相互作用，在注入流量傳感器吸收池后，檢測極限低于10 ng/mL[9-11]。2008年,埃及赫勒大學A. b. El-Basaty大學把鈷酞菁(Co-Pc)嵌入在PVC基體,然后沉積在銀薄膜上,實驗表明,薄膜在正常的溫度和大氣壓力下，具有良好的靈敏度,檢出限可以達到0.07×10-6。在濕度傳感器中，集成程度低，現有的電子濕度傳感器的精度低，不穩定，反應時間短，靈敏度低，顯然在SPR系統中具有自然優勢[12-15]。基于上述背景，本文設計了一種光濕度傳感器，設計的光學傳感器能夠被開發用于為遙感和低溫復雜環境提供關鍵設備。

1 SPR結構設計

1.1 模型結構

圖1所示為設計的銀-二氧化硅-棱鏡SPR傳感裝置,使用632 nm氦-Ne激光器的輸出P偏振光激發SPR現象,通過光譜探測器接收共振角,利用SPR的原理，以及濕度影響有效折射率的變化關系。棱鏡選擇為具有高透射率的BK7玻璃，以及棱鏡底部采用銀-二氧化硅的波導結構。溶膠-凝膠法生產的二氧化硅薄膜，這種二氧化硅薄膜具有很好的保濕效果，有大量的二氧化硅薄膜具有吸濕性、敏感性能穩定、反應時間短、可重復利用率高的優點。結構SPR技術濕度傳感器靈敏度不僅可以顯著提高，還可以改善當前電子濕度傳感器,不穩定,低集成、低精度、緩慢響應時間等問題,上述光學傳感器的特點等可實現傳感、遠程傳輸、低溫應用。

圖1 新型光濕度傳感裝置

本文濕度描述為相對濕度(Relative Humidity，RH),指的是空氣中水汽壓與飽和水汽壓的百分比。陶瓷材料的孔隙吸收環境中的水分子，不同濕度的水分子的吸水量會導致材料的折射率變化。濕敏陶瓷材料可以視為一個晶體模型,晶體形狀類似于橢球,晶體材料在表面吸收水分子根據Maxwell- Gamell和布萊格曼理論,能夠發現有效折射率和濕度變化特性如下：

式中:f1是材料中氣孔的體積分數;f2是水膜和晶粒的體積分數;f1+f2=1;n1是空氣的折射率;n2是水膜與晶粒復合體有效折射率。

1.2 系統分析

1.2.1入射波長分析

設計的SPR模型，入射波長將明顯地影響它。波長不僅影響共振角度的大小，也影響探測的深度。設棱鏡指數為1.5，入射波長分別為532,582,632,682,732 nm。該薄膜的厚度為50 nm，銀的介電常數由德魯德模型計算，折射率為1.33。圖2顯示了不同波長的反射光譜，隨著波長的增加，共振峰的峰值變得很低。在632 nm的波長，共振峰是深而銳利的，也是最理想的;當波長小于或大于632 nm時，共振峰不僅會變淺，而且會變成更大的半峰值寬度，從而降低了系統的測量精度。從上面的分析中,在相對較短的波長時,隱失波穿透深度淺,不容易達到銀與介質界面,對共振狀態影響很弱,能量損耗小;當一個更長的波長,穿透能力提高,伴有部分的能量消耗,剩余的能量返回到反射光,可以適當提高反映強度。在不同的參數中，最佳諧振波長是不同的，因此，對于不同的結構，必須優化入射光的波長以獲得最佳的探測效果。

圖2 不同波長下的反射譜

1.2.2厚度的影響

通過模型可以看出,測量的折射率與諧振角之間的關系，測量層的厚度影響共振角。二氧化硅的厚度薄時,需要考慮空氣層影響,外部的系統被視為一個4層結構,如果測量對象的厚度大,接近波長時,系統可以被看作是3層結構。圖3是一個SPR反射光譜，使用4層結構模型，測量的是二氧化硅的厚度100、200、300、400和500 nm。模擬結果表明，隨著測量層厚度的增加，共振角度增大，然而測量層厚度增加到一定程度時，共振角的位置不再變化。分析層厚，外部空氣層不會影響測試結果，可以把系統作為棱鏡-銀膜-二氧化硅結構的測試計算和仿真研究。此外，計算結果表明，隨著測量層厚度的增加，共振峰逐漸變得銳利，提高了檢測精度。它可以適當地增加測量材料層的厚度，同時調整共振角的位置，從而影響半峰寬的性能，以獲得最佳的精度，并能簡化理論模型、計算和分析。然而，在實際應用中，材料層的厚度不應增加，否則，測量材料的折射率變化不均勻，測試時間和精度受到影響。因此，在實際應用中，應考慮檢測靈敏度和檢測時間，選擇合適的測量層厚度。

圖3 不同被測物厚度下的SPR反射譜

2 實驗分析

2.1 SPR共振分析

在多物理仿真中給出了表面等離子共振的磁場分布圖(見圖4)。為了更準確地模擬共振場景，結構的每一層都被視為一個無限平面，而模擬的2個邊界被定義為周期邊界條件。從圖中可以明顯看出，電磁場的能量集中在銀和多孔陶瓷二氧化硅的交界處附近，這是高度局部性的。

圖4 共振情況下磁場Hz(x,y)分布

2.2 共振峰的變化影響分析

圖5所示的曲線顯示了模擬反射光譜，而厚度d從40 nm增加到70 nm。如圖5所示，銀色薄膜越厚，SPR光譜越窄。峰值的寬度可以由FWHM(Full Width at Half Maxima，FWHM。半峰、全寬亦稱半寬度，半峰寬)計算，較小的FWHM可以導致更高的探測分辨率。然而，當d>70 nm時，雖然FWHM較小，共振峰的最小峰值逐漸增加，峰值越高表明共振現象越不明顯。

(a)d=70 nm

(b)d=55 nm

(c)d=40 nm

圖5 不同銀厚度下檢測系統的反射譜示意圖

濕度傳感器的靈敏度是根據d=55 nm的最優厚度計算的。在之前的分析中，可以看到相對介電常數越大，共振峰越高，共振角越大。圖6顯示了介質折射率對共振角的影響。實線是由菲涅耳公式得出的數值曲線，黑點是直接從模擬結果中得到的數值。仿真結果和解析表達式表明了該方法的一致性。

圖6 共振角與介質折射率的關系

根據相對濕度函數，共振角與環境濕度的關系如圖7所示。結果表明，RH變化范圍0%～100%，θ從54.8°～57.5°。角度分辨率的當前測試極限是0.01°，所以該濕度傳感器的分辨率為0.30% RH。這一分辨率大大超過電容式濕度傳感器的分辨率。在這種情況下，濕度傳感器的靈敏度為0.025RH。

圖7 共振角與環境濕度的關系

3 結 語

基于SPR的傳感器用于檢測周圍環境的相對濕度,使用有限元方法進行仿真的設計結構,觀察到SPR傳感器芯片銀膜和濕氣層界面區域的電磁場分布,并優化膜厚度,得出當薄膜的厚度約55 nm,傳感器具有很高的靈敏度和更好的解決,希望這種方法能夠為高靈敏度和濕度檢測提供有效的技術和手段。

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