莊 志 惠

(廣東技術(shù)師范學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院， 廣州 510665)

雙通道表面等離子共振傳感器及控制系統(tǒng)研究

莊 志 惠

(廣東技術(shù)師范學(xué)院 自動(dòng)化學(xué)院， 廣州 510665)

設(shè)計(jì)了一種雙通道的多功能檢測(cè)范圍的表面等離子共振(SPR)傳感器。采用K棱鏡結(jié)構(gòu)模型激發(fā)實(shí)現(xiàn)表面等離子共振，結(jié)構(gòu)采用上下2種非對(duì)稱介質(zhì)-金屬-介質(zhì)波導(dǎo)形式實(shí)現(xiàn)雙通道的傳感。結(jié)果表明，該傳感器金的通道靈敏度由3 μm/RIU提高到7 μm/RIU左右，但檢測(cè)精度下降明顯；設(shè)計(jì)的傳感器金屬層為金的傳感通道更適合檢測(cè)折射率較低的物質(zhì)，而金屬層為銀的傳感通道更適合檢測(cè)折射率較高的物質(zhì)。

表面等離子體共振傳感器； 雙通道； 多功能檢測(cè)

0 引 言

表面等離子體共振(Surface Plasma Resonance,SPR)傳感器自上世紀(jì)90年代投入應(yīng)用以來(lái)，一直都是敏感元件研究熱點(diǎn)。多年來(lái)的研究發(fā)現(xiàn)，目前SPR傳感元件在提高質(zhì)量與性能，減少成本因素，復(fù)雜環(huán)境應(yīng)用等方面存在一些較難克服的問(wèn)題[1-3]。國(guó)外Yee、Gupta等團(tuán)隊(duì)在提高SPR傳感器靈敏度研究方面較為領(lǐng)先[4-6]。國(guó)內(nèi)有浙江大學(xué)李東升團(tuán)隊(duì)利用SPR技術(shù)提高了發(fā)光體系的輻射復(fù)合率[7-8]；中科院理化研究張洪艷課題組提出多光束干涉腔內(nèi)插入表面等離子共振結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了SPR性能的一定改進(jìn)[9-11]；中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的張俊喜所在課題組研究了縱向振動(dòng)SPR模式與尺度的關(guān)系[12-13]，從理論上為SPR多功能實(shí)現(xiàn)提供了參考[14-16]。然而目前多種功能檢測(cè)的SPR傳感器的設(shè)計(jì)研究成果依然較少。本文基于上述背景，設(shè)計(jì)了一種雙通道的多功能檢測(cè)范圍的SPR傳感器，靈敏度顯著提高。這一研究對(duì)于SPR傳感器的發(fā)展提供了新的多種應(yīng)用。

1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與傳感分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

雙通道SPR傳感器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用K棱鏡結(jié)構(gòu)模型激發(fā)實(shí)現(xiàn)表面等離子共振，入射光以一定角度入射到玻璃層，由于衰減全反射和傳感信號(hào)發(fā)射共振，會(huì)導(dǎo)致出射光光強(qiáng)發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)變化可以得到傳感信號(hào)的波長(zhǎng)、有效折射率參數(shù)，進(jìn)而得到傳感信號(hào)的氣體濃度、氣體成分等特征參數(shù)。結(jié)構(gòu)采用上下2種非對(duì)稱介質(zhì)-金屬-介質(zhì)波導(dǎo)形式實(shí)現(xiàn)雙通道的傳感。

圖1 設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖

1.2 傳感理論分析

本文傳感器結(jié)構(gòu)類似多層棱鏡結(jié)構(gòu)，選用傳輸矩陣法分析。每層介質(zhì)的厚度為dk，介電常數(shù)為εk，磁導(dǎo)率為μk，折射率為nk。切向場(chǎng)的第一個(gè)邊界條件Z=Z1=0，最后一個(gè)的邊界條件Z=ZN-1與下式相關(guān)：

(1)

式中：U1和V1分別為第1層的電場(chǎng)和磁場(chǎng)邊界的分量；UN-1和VN-1為第N-1層的電場(chǎng)和磁場(chǎng)邊界的分量；M為該矩陣的特征向量，

當(dāng)光線與玻璃界面的入射角為θ時(shí)，功率的分布為：

(2)

這樣會(huì)得到設(shè)計(jì)的雙通道SPR傳感器的P-偏振光的標(biāo)準(zhǔn)傳輸功率

(3)

Nref(θ)=L/(Dtanθ)

(4)

θcr=arcsin(ncl/n1)

(5)

式中：Nref(θ)是傳感區(qū)域內(nèi)入射角為θ光線在纖芯-金屬層界面總的反射次數(shù)。本文中傳感區(qū)域內(nèi)纖芯兩側(cè)的金屬材料不同，兩個(gè)界面的反射次數(shù)平均為Nref(θ)/2，則本文中傳感器的P-偏振光的規(guī)范化傳輸功率為：

(6)

式中：R1和R2分別為金屬層是銀和金時(shí)傳感器對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)；L和D分別是傳感區(qū)域的長(zhǎng)度；θcr是全反射的臨界角；ncl是光纖包層的折射率。

前人研究表明，反射系數(shù)R是入射波長(zhǎng)的函數(shù)，當(dāng)反射系數(shù)最小時(shí)對(duì)應(yīng)的入射波長(zhǎng)就是產(chǎn)生SPR的共振波長(zhǎng)λSPR，共振波長(zhǎng)隨著待測(cè)介質(zhì)折射率的變化而變化。如果待測(cè)介質(zhì)折射率變化Δns，共振波長(zhǎng)變化ΔλSPR，它們的比值被定義為SPR傳感器的靈敏度，

S=ΔλSPR/Δns

(7)

傳感器的檢測(cè)精度是關(guān)于半峰寬(FWHM)的函數(shù)，是半峰寬的倒數(shù)，即

(8)

式中，Δλ0.5為半峰寬。半峰寬越窄，確定的共振波長(zhǎng)位置越準(zhǔn)確，檢測(cè)精度越高。圖2給出了設(shè)計(jì)傳感器與傳輸功率光譜的分析結(jié)果。由圖可見，波長(zhǎng)650和750 nm附近處出現(xiàn)2個(gè)不同的共振波長(zhǎng)，這一結(jié)果為確定表面等離子入射波長(zhǎng)和檢測(cè)光強(qiáng)提供了分析。

圖2 設(shè)計(jì)傳感器與傳輸功率光譜的分析結(jié)果

2 結(jié)構(gòu)特性分析

波長(zhǎng)范圍500～800 nm之間金屬光學(xué)常數(shù)與閾值相關(guān)，帶間的電子躍遷使光學(xué)常數(shù)的虛部突然變化。設(shè)入射波長(zhǎng)為500～800 nm，傳感區(qū)域長(zhǎng)度30 μm，介質(zhì)層厚度200 nm。圖3為雙通道SPR傳感器優(yōu)化金屬層厚度之后的出射光譜，曲線(a)為金屬層Ag的單通道傳感器的傳輸功率；曲線(b)為雙通道傳感器的傳輸功率；曲線(c)為金屬層金的單通道傳感器的傳輸功率。曲線(b)有2個(gè)共振峰，2個(gè)共振波長(zhǎng)分別與曲線(a)和(c)一致，共振波長(zhǎng)隨待測(cè)介質(zhì)折射率變化而變化。由靈敏度的定義式可知，單雙通道傳感器的靈敏度一樣；但是曲線(b)與曲線(a)、(c)相比半峰寬更窄，而且與曲線(c)相比尤其明顯，雙通道的半峰寬更窄，檢測(cè)精度較高；對(duì)于曲線(b) 2個(gè)共振峰的半峰寬不同，前1個(gè)共振峰要比后1個(gè)窄很多，所以前1個(gè)通道的檢測(cè)精度要比后一個(gè)通道的檢測(cè)精度高。

圖3 檢測(cè)液體的極化系數(shù)與波長(zhǎng)關(guān)系

由圖4可知，隨著折射率的增加，單雙通道傳感器的傳輸功率曲線的半峰寬都增加，而且雙通道的2個(gè)半峰寬大小相差很大，2個(gè)通道中金屬層為金的通道增加明顯，半峰寬越大，傳感器的共振波長(zhǎng)越難于精確的測(cè)量，傳感器的檢測(cè)精度減小，金屬層為銀的通道的檢測(cè)精度比金屬層為金的通道高3倍以上；其次，雙通道傳感器的半峰寬都比單通道傳感器窄，因此雙通道傳感器比單通道傳感器的檢測(cè)精度更高，其中金屬層材料為金的通道更為明顯。

圖4 傳感器的靈敏度分析

綜合以上分析，待測(cè)介質(zhì)折射率較高時(shí)與較低時(shí)相比，雙通道傳感器金屬層為金的通道靈敏度由3 μm/RIU提高到7 μm/RIU左右，但是半峰寬展寬很大，檢測(cè)精度由0.02 nm-1嚴(yán)重下降到0.004 nm-1；而金屬層為銀的通道靈敏度也有所提高，由3 μm/RIU提高到5 μm/RIU左右，半峰寬展寬并不嚴(yán)重，檢測(cè)精度由0.02 nm-1下降到0.01 nm-1。上述結(jié)果表明，不能過(guò)高地追求高靈敏度或高檢測(cè)精度，要根據(jù)檢測(cè)的物質(zhì)結(jié)合傳感器的綜合性能合理選擇傳感器。綜合考慮傳感器靈敏度和檢測(cè)精度兩方面的影響，本文設(shè)計(jì)的雙通道傳感器中，金屬層為金的傳感通道更適合檢測(cè)折射率較低的物質(zhì)；而金屬層為銀的傳感通道更適合檢測(cè)折射率較高的物質(zhì)。

3 結(jié) 語(yǔ)

基于棱多層結(jié)構(gòu)和不同金屬在相同條件下共振波長(zhǎng)、半峰寬不同而設(shè)計(jì)的了雙通道可選擇性表面等離子傳感器。分析表明，雙通道的靈敏度能達(dá)到與單通道一致的靈敏度，而且檢測(cè)精度比單通道有所提高；雙通道中金非對(duì)比波導(dǎo)結(jié)構(gòu)通道最高靈敏度可達(dá)7μm /RIU,雙通道傳感器的靈敏度隨著待測(cè)介質(zhì)折射率的增加而增加，檢測(cè)精度隨著待測(cè)介質(zhì)折射率的增加而減小，本研究對(duì)于表面等離子傳感器的發(fā)展提供了新的多種應(yīng)用。

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Study of New Dual Channel Sensor and Control System

ZHUANGZhihui

(College of Automation, Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510665, China)

This paper designed a kind of dual channel multifunctional detection range of surface plasmon resonance (SPR) sensor. The SPR is realized by using K prism excitation structure model, the upper and lower levels use two asymmetric medium-metal-medium structure to form dual channel waveguide sensing. The analysis results show that channel sensitivity of the new sensor increases from 3 mu m/RIU to by 7 microns/RIU, but is significantly lower accuracy. The sensor with the gold metal layer is more suitable for detecting low refractive index material, and silver metal layer is more suitable for detection of high refractive index material. This study provides a new variety of applications in the development of SPR sensors.

SPR sensors; dual-channel; multifunctional detection

2016-07-28

廣東省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015A010103014)

莊志惠(1980-)，男，廣東揭西人，碩士，實(shí)驗(yàn)師，主要從事計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、電工電子新技術(shù)研究。

Tel.：138264744155；E-mail:360188346@qq.com

TN 273

A

1006-7167(2017)04-0073-03