王海娜, 徐艷華

(1.河南農(nóng)業(yè)職業(yè)學(xué)院 信息工程學(xué)院,鄭州 451450；2.河南師范大學(xué) 新聯(lián)學(xué)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(xué)現(xiàn)象[1-2]。近30年來(lái),表面等離子體共振(SPR)技術(shù)在傳感領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸成為研究熱點(diǎn),SPR傳感器是基于被測(cè)樣品共振狀態(tài)折射率變化非常敏感的光電探測(cè)系統(tǒng)的原理,通過(guò)對(duì)反射譜特征的實(shí)時(shí)觀測(cè)，快速、靈敏地檢測(cè)到折射率變化的介質(zhì)，從而能夠利用理論公式計(jì)算樣本的相關(guān)信息[3-7]。SPR裝置是第1個(gè)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(guò)檢測(cè)反射光譜測(cè)量參數(shù)來(lái)計(jì)算共振特性[8]。近年來(lái)，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(jiàn)光范圍內(nèi),SPR的橢圓對(duì)稱(chēng)是實(shí)驗(yàn)的創(chuàng)新點(diǎn),具有很強(qiáng)的發(fā)展前景。意大利的比薩大學(xué)使用Biacore型SPR傳感器檢測(cè)，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(cè)極限低于10 ng/mL[9-11]。2008年,埃及赫勒大學(xué)A. b. El-Basaty大學(xué)把鈷酞菁(Co-Pc)嵌入在PVC基體,然后沉積在銀薄膜上,實(shí)驗(yàn)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(dá)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(yīng)時(shí)間短，靈敏度低，顯然在SPR系統(tǒng)中具有自然優(yōu)勢(shì)[12-15]。基于上述背景，本文設(shè)計(jì)了一種光濕度傳感器，設(shè)計(jì)的光學(xué)傳感器能夠被開(kāi)發(fā)用于為遙感和低溫復(fù)雜環(huán)境提供關(guān)鍵設(shè)備。

1 SPR結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 模型結(jié)構(gòu)

圖1所示為設(shè)計(jì)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(guò)光譜探測(cè)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(guān)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(dǎo)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(yīng)時(shí)間短、可重復(fù)利用率高的優(yōu)點(diǎn)。結(jié)構(gòu)SPR技術(shù)濕度傳感器靈敏度不僅可以顯著提高，還可以改善當(dāng)前電子濕度傳感器,不穩(wěn)定,低集成、低精度、緩慢響應(yīng)時(shí)間等問(wèn)題,上述光學(xué)傳感器的特點(diǎn)等可實(shí)現(xiàn)傳感、遠(yuǎn)程傳輸、低溫應(yīng)用。

圖1 新型光濕度傳感裝置

本文濕度描述為相對(duì)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(huì)導(dǎo)致材料的折射率變化。濕敏陶瓷材料可以視為一個(gè)晶體模型,晶體形狀類(lèi)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?jǐn)?shù);f2是水膜和晶粒的體積分?jǐn)?shù);f1+f2=1;n1是空氣的折射率;n2是水膜與晶粒復(fù)合體有效折射率。

1.2 系統(tǒng)分析

1.2.1入射波長(zhǎng)分析

設(shè)計(jì)的SPR模型，入射波長(zhǎng)將明顯地影響它。波長(zhǎng)不僅影響共振角度的大小，也影響探測(cè)的深度。設(shè)棱鏡指數(shù)為1.5，入射波長(zhǎng)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?jì)算，折射率為1.33。圖2顯示了不同波長(zhǎng)的反射光譜，隨著波長(zhǎng)的增加，共振峰的峰值變得很低。在632 nm的波長(zhǎng)，共振峰是深而銳利的，也是最理想的;當(dāng)波長(zhǎng)小于或大于632 nm時(shí)，共振峰不僅會(huì)變淺，而且會(huì)變成更大的半峰值寬度，從而降低了系統(tǒng)的測(cè)量精度。從上面的分析中,在相對(duì)較短的波長(zhǎng)時(shí),隱失波穿透深度淺,不容易達(dá)到銀與介質(zhì)界面,對(duì)共振狀態(tài)影響很弱,能量損耗小;當(dāng)一個(gè)更長(zhǎng)的波長(zhǎng),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(dāng)提高反映強(qiáng)度。在不同的參數(shù)中，最佳諧振波長(zhǎng)是不同的，因此，對(duì)于不同的結(jié)構(gòu)，必須優(yōu)化入射光的波長(zhǎng)以獲得最佳的探測(cè)效果。

圖2 不同波長(zhǎng)下的反射譜

1.2.2厚度的影響

通過(guò)模型可以看出,測(cè)量的折射率與諧振角之間的關(guān)系，測(cè)量層的厚度影響共振角。二氧化硅的厚度薄時(shí),需要考慮空氣層影響,外部的系統(tǒng)被視為一個(gè)4層結(jié)構(gòu),如果測(cè)量對(duì)象的厚度大,接近波長(zhǎng)時(shí),系統(tǒng)可以被看作是3層結(jié)構(gòu)。圖3是一個(gè)SPR反射光譜，使用4層結(jié)構(gòu)模型，測(cè)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(cè)量層厚度的增加，共振角度增大，然而測(cè)量層厚度增加到一定程度時(shí)，共振角的位置不再變化。分析層厚，外部空氣層不會(huì)影響測(cè)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(cè)試計(jì)算和仿真研究。此外，計(jì)算結(jié)果表明，隨著測(cè)量層厚度的增加，共振峰逐漸變得銳利，提高了檢測(cè)精度。它可以適當(dāng)?shù)卦黾訙y(cè)量材料層的厚度，同時(shí)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(jiǎn)化理論模型、計(jì)算和分析。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，材料層的厚度不應(yīng)增加，否則，測(cè)量材料的折射率變化不均勻，測(cè)試時(shí)間和精度受到影響。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)考慮檢測(cè)靈敏度和檢測(cè)時(shí)間，選擇合適的測(cè)量層厚度。

圖3 不同被測(cè)物厚度下的SPR反射譜

2 實(shí)驗(yàn)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(chǎng)分布圖(見(jiàn)圖4)。為了更準(zhǔn)確地模擬共振場(chǎng)景，結(jié)構(gòu)的每一層都被視為一個(gè)無(wú)限平面，而模擬的2個(gè)邊界被定義為周期邊界條件。從圖中可以明顯看出，電磁場(chǎng)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(chǎng)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(chēng)半寬度，半峰寬)計(jì)算，較小的FWHM可以導(dǎo)致更高的探測(cè)分辨率。然而，當(dāng)d>70 nm時(shí)，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(cè)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(jì)算的。在之前的分析中，可以看到相對(duì)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(duì)共振角的影響。實(shí)線是由菲涅耳公式得出的數(shù)值曲線，黑點(diǎn)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(dá)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(guān)系

根據(jù)相對(duì)濕度函數(shù)，共振角與環(huán)境濕度的關(guān)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(dāng)前測(cè)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(guò)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(guān)系

3 結(jié) 語(yǔ)

基于SPR的傳感器用于檢測(cè)周?chē)h(huán)境的相對(duì)濕度,使用有限元方法進(jìn)行仿真的設(shè)計(jì)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(chǎng)分布,并優(yōu)化膜厚度,得出當(dāng)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?yàn)楦哽`敏度和濕度檢測(cè)提供有效的技術(shù)和手段。

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