王海娜, 徐艷華

(1.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學院 信息工程學院,鄭州 451450；2.河南師范大學 新聯(lián)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(zhì))邊界電荷集體振蕩的光學現(xiàn)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(tài)折射率變化非常敏感的光電探測系統(tǒng)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(zhì)，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(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)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(shù)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(zhì)系統(tǒng)，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(nèi),SPR的橢圓對稱是實驗的創(chuàng)新點,具有很強的發(fā)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(jié)構(gòu)調(diào)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(xiàn)有的電子濕度傳感器的精度低，不穩(wěn)定，反應時間短，靈敏度低，顯然在SPR系統(tǒng)中具有自然優(yōu)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(fā)用于為遙感和低溫復雜環(huán)境提供關鍵設備。

1 SPR結(jié)構(gòu)設計

1.1 模型結(jié)構(gòu)

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(fā)SPR現(xiàn)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(jié)構(gòu)。溶膠-凝膠法生產(chǎn)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(wěn)定、反應時間短、可重復利用率高的優(yōu)點。結(jié)構(gòu)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(wěn)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(xiàn)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(huán)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(jù)Maxwell- Gamell和布萊格曼理論,能夠發(fā)現(xiàn)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(shù);f2是水膜和晶粒的體積分數(shù);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(tǒng)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(shù)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(shù)由德魯?shù)履Ｐ陀嬎?，折射率?.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(tǒng)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(zhì)界面,對共振狀態(tài)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(shù)中，最佳諧振波長是不同的，因此，對于不同的結(jié)構(gòu)，必須優(yōu)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(tǒng)被視為一個4層結(jié)構(gòu),如果測量對象的厚度大,接近波長時,系統(tǒng)可以被看作是3層結(jié)構(gòu)。圖3是一個SPR反射光譜，使用4層結(jié)構(gòu)模型，測量的是二氧化硅的厚度100、200、300、400和500 nm。模擬結(jié)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(jié)果，可以把系統(tǒng)作為棱鏡-銀膜-二氧化硅結(jié)構(gòu)的測試計算和仿真研究。此外，計算結(jié)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?shù)卦黾訙y量材料層的厚度，同時調(diào)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(jié)構(gòu)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，F(xiàn)WHM。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(xiàn)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(tǒng)的反射譜示意圖

濕度傳感器的靈敏度是根據(jù)d=55 nm的最優(yōu)厚度計算的。在之前的分析中，可以看到相對介電常數(shù)越大，共振峰越高，共振角越大。圖6顯示了介質(zhì)折射率對共振角的影響。實線是由菲涅耳公式得出的數(shù)值曲線，黑點是直接從模擬結(jié)果中得到的數(shù)值。仿真結(jié)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(zhì)折射率的關系

根據(jù)相對濕度函數(shù)，共振角與環(huán)境濕度的關系如圖7所示。結(jié)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(huán)境濕度的關系

3 結(jié) 語

基于SPR的傳感器用于檢測周圍環(huán)境的相對濕度,使用有限元方法進行仿真的設計結(jié)構(gòu),觀察到SPR傳感器芯片銀膜和濕氣層界面區(qū)域的電磁場分布,并優(yōu)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。

參考文獻(References)：

[1] 齊 攀,李 瑩,鐘金鋼,等.角度掃描型SPR傳感器在免疫反應檢測中的數(shù)據(jù)處理研究[J].光電工程,2015(7):55-61.

[2] 張倩昀.光纖SPR傳感技術在腐蝕監(jiān)測中的應用研究[J].激光雜志,2016,37(9):31-34.

[3] 譚緒祥,王冠軍,王志斌,等.基于SPR增強的開放式懸掛芯光纖集成芯片[J].激光技術,2016,40(2):209-212.

[4] 周 鵬,張文斌,王軍星,等.基于高斯擬合的光纖型SPR信號的峰值檢測算法[J].光譜學與光譜分析,2016,36(6):1949-1953.

[5] 羅云瀚,徐夢云,陳小龍,等.波長調(diào)制型表面等離子體共振的傳感特性研究[J].光譜學與光譜分析,2014(5):1178-1181.

[6] 朱 君,趙玲玲,嚴 蕾,等.表面等離子共振技術及其生物傳感研究進展[J].激光雜志,2015,36(4):1-5.

[7] 朱 君,徐汶菊,傅得立,等.表面等離子受激輻射放大技術的研究進展[J].激光雜志,2016,37(2):1-4.

[8] 李文超,孟曉云,樸瑞琦,等.基于2S2G棱鏡的新型反向表面等離子共振生物傳感器[J].光譜學與光譜分析,2016,36(2):571-576.

[9] 桑小舟,張大偉.氧化鈦薄膜調(diào)控金屬銅的表面等離子體共振特性研究[J].光譜學與光譜分析,2016,36(7):2027-2030.

[10] 張怡龍,劉 樂,郭 峻,等.基于光譜解調(diào)的對稱波導型表面等離子體共振傳感研究[J].光譜學與光譜分析,2015(2):289-292.

[11] 姚 潔,毛 洪.基于雙金屬結(jié)構(gòu)的拉曼基底的仿真研究[J].南京師大學報(自然科學版),2016,39(1):53-56.

[12] 王帥南,張曉紅,胡曉丹,等.基于表面等離激元共振技術的輻射生物劑量計初探[J].輻射研究與輻射工藝學報,2015,33(2):7-12.

[13] 范智博,龔曉慶,逯丹鳳,等.基于色相算法的表面等離子體共振成像傳感器對苯并芘的敏感特性[J].物理化學學報,2017,33(5):1001-1009.

[14] 袁培新,鄭晨昱,崔宏達,等.電沉積石墨烯的非共價功能化用于SPR核酸傳感的協(xié)同增敏[J].化工學報,2016,67(z2):245-254.

[15] 朱 君,秦柳麗,傅得立,等.一種石墨烯波導褶皺激發(fā)表面等離子體激元的設計[J].光子學報,2016,45(2):40-45.