一种超窄带、大角度的高性能折射率灵敏度传感器件及其测试方法技术

本发明专利技术公开了一种新的超窄带、大角度的高性能折射率传感器件设计方案，并进一步提出该传感器件的灵敏度测试方法，该测试方法成本较低，在生物、医学、食品等领域具有广泛应用。基于表面等离子体共振的传感技术，具有设计方案简单、结构简单、加工技术要求低、制备成本低、无需标定、实时检测、非接触、无损伤、超窄带、大角度等突出特点，较高的灵敏度可用于气体、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件及其测试方法。

【技术实现步骤摘要】
一种超窄带、大角度的高性能折射率灵敏度传感器件及其测试方法
本专利技术涉及传感器折射率灵敏度的领域，尤其涉及超窄带、大角度的高灵敏度传感器的研发应用领域。
技术介绍
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/液体的探测，对生命科学、生化检测、医疗诊断、药物筛选、食品检测、环境检测、毒品检测以及法医鉴定等方面的要求越来越高，因此对气体/液体传感器的研究开发也越来越重要。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，基于不同纳米结构的金属颗粒的表面等离子体共振传感器已越来越被人们重视和应用。然而，上述表面等离子共振现象的激发需要严格的偏振条件和入射角要求；且这些传感器都存在结构复杂，造价昂贵，制备工艺复杂，成本过高等缺点。因此，探索具备结构简单、低成本、易于规模化制备、具有陷光特性的平面结构对于促进传感器件的研究、开发和应用具有十分重要的作用。近几年，基于Tamm等离子共振的平面结构器件因特有的强光学吸收性能、窄带吸收峰以及平面状结构使其在传感方面具有很好的发展前景。本专利技术的目的就是针对上述存在的缺陷而提供一种基于Tamm等离子共振的DBR—金属平面结构折射率传感器。该器件具有灵敏度高、无需标定、实时检测、非接触、无损伤、超窄带、大角度等突出特点，现有制作工艺成熟，大大提高了对折射率检测的灵敏度和性能系数。在食品安全、环境监测、医学检验等领域具有广阔的商业化应用前景，有望被广泛推广应用。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题是：提出一种新的超窄带、大角度的高性能折射率传感器件设计方案，该设计方案结构简单、制备成本低，该传感器件具有较高的折射率灵敏度和性能系数；并进一步提出该传感器件的灵敏度测试方法，该测试方法成本较低，在生物、医学、食品等领域具有广泛应用。本专利技术的技术方案为：一种超窄带、大角度的高性能折射率传感器件，其特征在通过如下步骤进行设计，具体包括：利用严格耦合波分析法建立几何模型并选择材料，设计分布式布拉格反射层(DBR)由折射率分别为1.7和2.4的两种材料三氧化二铝和二氧化钛交替分布而成，DBR的周期为4-12，DBR的中心波长为900-1800nm；采用二氧化硅基底，设计生成多层平面结构，所述多层平面结构上端为DBR，下端为金层，中间由分离墙构成测试腔，所述硅基底厚度为200-1000nm,所述金层厚度为50-500nm，所述测试腔高度为350-3500nm，待测物通过该测试腔进行传感测试。作为本专利技术所述的超窄带、大角度的高性能折射率传感器件的一种优选方案：通过如下步骤进行设计，具体包括：所述硅基底厚度为300nm,所述DBR周期为7，所述DBR中心波长为1300nm，所述金层厚度为200nm，所述测试腔高度为450nm，待测物通过该测试腔进行传感测试。一种超窄带、大角度的高性能折射率传感器件的测试方法，包括如下步骤：a、多层平面结构传感器件仿真步骤：利用严格耦合波分析法进行物理场设置，首先在器件的前表面设置一个平面光源，并运用于所述多层平面结构；设定入射光的偏振条件和入射角度，进行波长扫描计算求解，得到光谱响应，包括反射谱、透射谱和吸收谱；b、器件的折射率传感测试步骤：根据步骤a中的反射谱，按照从小到大的顺序依次改变测试腔内待测物折射率，将会得到不同测试腔内待测物折射率所对应的不同反射谱曲线；c、根据不同反射谱曲线的最小值可以得到对应的波长，将不同折射率与所述的不同反射谱曲线的最小值对应的波长绘制成对应关系点图，并采用线性拟合的方式将对应关系点图拟合成直线图，然后利用波长变化值除以折射率变化值，得到所述直线的斜率为灵敏度。d、根据步骤b中得到的不同测试腔内待测物折射率所对应的不同反射谱曲线，可计算得到每根曲线的峰值半宽值并取平均值，然后根据步骤c得到的灵敏度除以峰值半宽平均值，得到传感器件的性能系数(FOM)。进一步的，所述多层平面结构中的所述二氧化硅基底厚度为200nm,所述DBR周期为7，所述DBR中心波长为1000nm，所述金层厚度为200nm，所述测试腔高度为1000nm，垂直入射(入射角为0度)，设置测试腔内待测物折射率为1-1.1，得出对应的反射谱曲线，在波长范围1000-1100nm之间，得出随着周围溶液折射率增加，反射谱曲线最小值对应波长发生移动，反射曲线最小值谱对应的波长位置和折射率之间的关系通过线性拟合的方式得到折射率灵敏度710nm/单位折射率，峰值半宽平均值为3nm,性能系数为237。进一步的，所述多层平面结构中的所述二氧化硅基底厚度为200nm,所述DBR周期为7，所述DBR中心波长为1300nm，所述金层厚度为200nm，所述测试腔高度为3400nm，垂直入射(入射角为0度)，设置测试腔内待测物折射率为1.32-1.42，得出对应的反射谱曲线，在波长范围1300-1500nm之间，得出随着周围溶液折射率增加，反射谱曲线最小值对应波长发生移动，反射谱曲线最小值对应的波长位置和折射率之间的关系通过线性拟合的方式得到折射率灵敏度860nm/单位折射率，峰值半宽平均值为2.2nm,性能系数为391。进一步的，所述超窄带、大角度高性能折射率灵敏度传感器件的测试方法，其特征在于：所述多层平面结构中的所述二氧化硅基底厚度为200nm,所述DBR周期为7，所述DBR中心波长为1300nm，所述金层厚度为200nm，所述测试腔高度为450nm，入射角是89度，TM偏振光时，设置测试腔内待测物折射率为1.32-1.42，得出对应的反射谱曲线，在波长范围1040-1080nm之间，得出随着待测物折射率增加，反射谱曲线最小值对应波长发生移动，反射谱曲线最小值对应的波长位置和折射率之间的关系通过线性拟合的方式得到折射率灵敏度380nm/单位折射率，峰值半宽平均值为2.5nm,性能系数为152；TE偏振光时，设置测试腔内待测物折射率为1.32-1.42，得出对应的反射谱曲线，在波长范围950-1030nm之间，得出随着待测物折射率增加，反射谱曲线最小值对应波长发生移动，反射谱曲线最小值对应的波长位置和折射率之间的关系通过线性拟合的方式得到折射率灵敏度645nm/单位折射率，峰值半宽平均值为2nm,性能系数为323。进一步的，所述步骤b中设置的折射率为空气折射率或液体折射率。本专利技术的技术方案具有如下有益的技术效果：基于表面等离子体共振的传感技术，具有设计方案简单、结构简单、加工技术要求低、制备成本低、无需标定、实时检测、非接触、无损伤等突出特点，较高的灵敏度和性能系数可用于气体、液体和生物膜等的分析检测，展示了巨大的应用前景，有望发展为具有超窄带、大角度的超高检测灵敏度的新型表面等离子体传感器件及其测试方法。附图说明下面结合附图及实施例对本专利技术作进一步描述：图1是本专利技术所述基于Tamm等离子共振的DBR—金属平面结构折射率传感器件侧本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种超窄带、大角度的高性能折射率传感器件，其特征在通过如下步骤进行设计，具体包括：利用严格耦合波分析法建立几何模型并选择材料，设计分布式布拉格反射层(DBR)由折射率分别为1.7和2.4的两种材料三氧化二铝(Al2O3)和二氧化钛(TiO2)交替分布而成，DBR的周期为4‑12，DBR的中心波长为900‑1800nm；采用二氧化硅(SiO2)基底，设计生成多层平面结构，所述多层平面结构上端为DBR，下端为金层，中间由分离墙构成测试腔，所述硅基底厚度为200‑1000nm,所述金层厚度为50‑500nm，所述测试腔高度为350‑3500nm，待测物通过该测试腔进行传感测试。

【技术特征摘要】
1.一种超窄带、大角度的高性能折射率传感器件，其特征在通过如下步骤进行设计，具体包括：利用严格耦合波分析法建立几何模型并选择材料，设计分布式布拉格反射层(DBR)由折射率分别为1.7和2.4的两种材料三氧化二铝(Al2O3)和二氧化钛(TiO2)交替分布而成，DBR的周期为4-12，DBR的中心波长为900-1800nm；采用二氧化硅(SiO2)基底，设计生成多层平面结构，所述多层平面结构上端为DBR，下端为金层，中间由分离墙构成测试腔，所述硅基底厚度为200-1000nm,所述金层厚度为50-500nm，所述测试腔高度为350-3500nm，待测物通过该测试腔进行传感测试。2.根据权利要求1所述的超窄带、大角度的高性能折射率传感器件，其特征在于：通过如下步骤进行设计，具体包括：所述二氧化硅基底厚度为200nm,所述DBR周期为7，所述DBR中心波长为1300nm，所述金层厚度为200nm，所述测试腔高度为450nm，待测物通过流入该测试腔进行传感测试。3.一种权利要求1-2中任一超窄带、大角度的高性能折射率传感器件的测试方法，其特征在于包括如下步骤：a、多层平面结构传感器件仿真步骤：利用严格耦合波分析法进行物理场设置，首先在器件的前表面设置一个平面光源，并运用于所述多层平面结构；设定入射光的入射角度和偏振条件，进行波长扫描计算求解，得到光谱响应，包括反射谱、透射谱和吸收谱；b、器件的折射率传感测试步骤：根据步骤a中的反射谱，按照从小到大的顺序依次改变测试腔内待测物体折射率，将会得到不同折射率所对应的不同反射谱曲线；c、根据不同反射谱曲线的最小值可以得到对应的波长，将不同折射率与所述的不同反射谱曲线的最小值对应的波长绘制成对应关系点图，并采用线性拟合的方式将对应关系点图拟合成直线图，然后利用波长变化值除以折射率变化值，得到所述直线的斜率为灵敏度。d、根据步骤b中得到的不同测试腔内待测物折射率所对应的不同反射谱曲线，可计算得到每根曲线的峰值半宽值并取平均值，然后根据步骤c得到的灵敏度除以峰值半宽平均值，得到传感器件的性能系数(FOM)。4.根据权利要求3所述超窄带、大角度的高性能折射率灵敏度传感器件的测试方法，其特征在于：所述多层平面结构中的所述二氧化硅基底厚度为200nm,所述DBR周期为7，所述DBR中心波长为1000nm，所述金层厚度为200nm，所述测试腔高度为1000n...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦琳玲，吴邵龙，张程，李孝峰，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32