專利名稱：一種基于納米腔天線陣列的氣體折射率傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及傳感器領(lǐng)域，特別是一種中心工作波長為1550納米的基于納米腔天線陣列激發(fā)表面等離子體共振效應(yīng)的波長檢測式氣體折射率傳感器。
背景技術(shù)：
近年來，隨著人們生活水平的不斷提高和對環(huán)保的日益重視，對各種有毒、有害氣 體的探測，對大氣污染、工業(yè)廢氣的監(jiān)測以及對食品和居住環(huán)境質(zhì)量的檢測都對氣體傳感 器提出了更高的要求。隨著技術(shù)要求的提高和先進(jìn)科學(xué)技術(shù)的應(yīng)用，氣體傳感器正向微型 化、智能化和多功能化的趨勢發(fā)展。由于在工業(yè)生產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測和衛(wèi)生安全等領(lǐng)域?qū)怏w傳感器的精度、性能、穩(wěn)定 性方面的要求越來越高，因此對氣體傳感器的研究和開發(fā)也越來越重要。對氣體折射 率的檢測，傳統(tǒng)的方法主要采用邁克爾遜干涉法和馬赫-澤德干涉儀法(Mach-Zehnder interferometer)，兩種檢測方法均存在體積大、不易集成、不能自動檢測和遠(yuǎn)程傳輸?shù)木?限。表面等離子體共振對周圍環(huán)境非常敏感，界面介質(zhì)折射率的微小變化將影響表面等離 子體共振的耦合條件，進(jìn)而引起共振峰的偏移，這使表面等離子體共振在傳感器的設(shè)計中 具有極大的應(yīng)用價值?；诒砻娴入x子體共振的傳感技術(shù)具有無需標(biāo)定、實時檢測、非接 觸、無損傷等突出特點，可用于氣體、液體和生物膜等的分析檢測，展示了巨大的應(yīng)用前景， 有望發(fā)展為具有超高檢測靈敏度的新型表面等離子體傳感器。目前，表面等離子體共振的 傳感器主要采用衰減全反射棱鏡耦合法激發(fā)SP，雖然該方法可以提高檢測的靈敏度，但也 存在體積大，不易集成的缺陷。上世紀(jì)80年代，Cullen等人提出了基于衍射光柵激發(fā)表面 等離子體共振用于設(shè)計傳感器，自此以光柵為基礎(chǔ)的表面等離子體共振傳感器受到研究人 員的重視。利用納米腔天線陣列激發(fā)表面等離子體共振效應(yīng)的高靈敏度的特點，可設(shè)計基于 納米腔天線陣列的表面等離子體共振氣體傳感器。該傳感器可以極大地提高對氣體折射率 探測的靈敏度，將在各種氣體的檢測分析中具有重要的應(yīng)用前景。隨著微加工技術(shù)的不斷 進(jìn)步，目前已可制作尺度小于50納米、加工精度小于士5納米的金屬微納結(jié)構(gòu)。對金屬微 納結(jié)構(gòu)電磁特性的計算分析必須采用矢量電磁理論，矢量電磁理論是基于麥克斯韋方程在 相應(yīng)邊界條件下，通過計算機(jī)仿真進(jìn)行精確地求解。Moharam等人已給出了基于矢量電磁 理論的嚴(yán)格耦合波算法在先技術(shù)1 :Moharam MG et al.，1995 J. Opt. Soc. Am. A 121077， 可以解決這類金屬微納結(jié)構(gòu)的電磁場問題。金屬微納結(jié)構(gòu)是利用納米壓印、反應(yīng)離子輔助 刻蝕、物理濺射技術(shù)等技術(shù)，在基底上加工出微納尺度的金屬微結(jié)構(gòu)。Cui YX等人在先技 術(shù)2:Cui YX et al. , 2009J. Opt. Soc. Am. B 26 2131分析了納米腔天線陣列的金屬納米狹 縫增透結(jié)構(gòu)。據(jù)我們所知，目前沒有人針對1550納米波段給出納米腔天線陣列激發(fā)表面等 離子體共振效應(yīng)的氣體傳感器。因此能夠在光纖通信波段內(nèi)實現(xiàn)具有高靈敏度的氣體傳感 器，具有重要的實用意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種新型的基于納米腔天線陣列的氣體折射率傳感器，該裝 置可以精確測量氣體的折射率，在1548-1553納米和入射角為22-24度時，該氣體傳感器靈 敏度高達(dá)2800納米/單位折射率(Refractive Index Unit，簡稱RIU)。本發(fā)明的納米腔 天線陣列氣體傳感器具有靈敏度高、無需電源、無需機(jī)械轉(zhuǎn)動裝置、可實時測量和信號可遠(yuǎn) 程傳輸?shù)奶攸c。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下—種用于測量氣體折射率值的傳感器，其特征在于該結(jié)構(gòu)的金屬光柵層厚度為 15-25納米、間隙隔層厚度為25-35納米、金屬光柵周期為1000-1200納米。所述的納米腔天線陣列氣體傳感器的金屬光柵周期度為1100納米、光柵占空比 為0. 5、光柵層厚度為20納米、間隙隔層厚度為30納米。本發(fā)明的依據(jù)如下圖1顯示了納米腔天線陣列氣體折射率傳感器的幾何結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)分為金屬光柵 層、間隙隔層和金屬基底層，本例金屬光柵和金屬基底均為金屬銀。TM偏振的線性偏振平面 波以固定角度θ入射到金屬光柵層，在金屬光柵的上下表面激發(fā)表面等離子體波，通過檢 測一定波譜范圍內(nèi)反射波的強(qiáng)度，確定激發(fā)的表面等離子體波的波長。在如圖1所示的納米腔天線陣列氣體傳感折射率傳感器結(jié)構(gòu)下，本發(fā)明采用嚴(yán)格 耦合波法在先技術(shù)1計算了該結(jié)構(gòu)在TM偏振入射光照射時的反射率隨入射角變化的關(guān) 系，如圖2所示。待測氣體折射率為1. 000132，入射光波長為1550納米，光柵周期度為1100 納米、光柵占空比為0. 5、光柵層厚度為20納米、間隙隔層厚度為30納米，該結(jié)構(gòu)可以使入 射光在入射角θ = 23.58°時的反射率僅為0.26%，此處即為表面等離子體共振波長。如圖3所示，入射角θ = 23.58°，光柵周期度為1100納米、光柵占空比為0. 5、 光柵層厚度為20納米、間隙隔層厚度為30納米，該納米腔天線陣列傳感器結(jié)構(gòu)在待測氣體 折射率1.000 < λ <1.001的范圍內(nèi)對應(yīng)的表面等離子共振波長，即在待測氣體折射率在 1. 000 < λ < 1. 001范圍內(nèi)對應(yīng)有3050納米/RIU的測量靈敏度。圖4為采用圖1所示的納米腔天線陣列氣體折射率傳感器測量氣體折射率時的系 統(tǒng)圖。圖中1代表中心波長為1550納米的半導(dǎo)體寬譜激光器，2代表中心工作波長為1300 納米的多模光纖，3代表擴(kuò)束器，4代表納米腔天線陣列的氣體折射率傳感器，5代表光譜分 析儀，6代表耦合器，7代表檢測腔。


圖1為本發(fā)明納米腔天線陣列氣體折射率傳感器裝置的幾何結(jié)構(gòu)。圖2為本發(fā)明納米腔天線陣列氣體折射率傳感器結(jié)構(gòu)在待測氣體折射率η = 1.000132，入射光波長λ = 1550納米，光柵周期度Λ = 1100納米、光柵占空比為q = 0. 5、 光柵層厚度h = 20納米、間隙隔層厚度d = 30納米，反射率隨入射角的變化曲線。圖3為本發(fā)明納米腔天線陣列氣體折射率傳感器結(jié)構(gòu)在入射角θ = 23.58°，光 柵周期度Λ = 1100納米、光柵占空比為q = 0. 5、光柵層厚度h = 20納米、間隙隔層厚度 d = 30納米，表面等離子體共振波長隨待測氣體折射率的變化曲線。圖4為本發(fā)明納米腔天線陣列氣體折射率傳感器測量氣體折射率時的系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式通過納米壓印、反應(yīng)離子輔助刻蝕、物理濺射、聚焦離子束和電子束曝光技術(shù)制作增強(qiáng)納米狹縫透射效率的金屬復(fù)合結(jié)構(gòu)。制作過程按以下步驟進(jìn)行首先，在金屬銀基底上鍍一層30納米厚的石英層。然后，在石英層上旋覆一層20納米厚的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，加熱至 2000C (高于聚甲基丙烯酸甲酯的玻璃化相變點105°C )，將預(yù)制的二氧化硅模板(具有周 期為1100納米，占寬比為0.5，深20納米的光柵圖案)以15MPa大小的壓力壓入聚甲基丙 烯酸甲酯。此時聚甲基丙烯酸甲酯高于其玻璃化相變點溫度105°C，類似于黏性液體，并能 在壓力下流動。保持這種壓力大小不變，降溫到60°C，(低于相變點105°C )，保持約10分 鐘。由于聚甲基丙烯酸甲酯的親水性，不會同二氧化硅模板發(fā)生黏附，將模板抬起脫膜。第三，采用氧氣反應(yīng)型離子刻蝕(RIE)聚甲基丙烯酸甲酯層，直至低凹處露出石 英基底，就得到了聚甲基丙烯酸甲酯的周期圖案。第四，在聚甲基丙烯酸甲酯的周期圖案上利用物理濺射方法沉積上金屬銀，通過 溶脫在丙酮溶液中將聚甲基丙烯酸甲酯及其上的鋁去掉，就留下了周期為1100納米，槽深 約20納米，占寬比為0. 5的金屬光柵。最后，將少許6%的氫氟酸溶液滴在光柵表面上，在25°C保持約10分鐘，用去粒子 水洗凈，以去除局部金屬光柵層下的石英。按以上步驟制作的納米腔天線陣列，當(dāng)固定入射角為23. 58度，可以使折射率在 1.000-1. 001范圍內(nèi)的氣體在對于入射波長處發(fā)生表面等離子體共振(即反射率接近0)， 該傳感器對氣體的測試靈敏度可以達(dá)到約3050納米/RIU。本發(fā)明的納米腔天線陣列氣體傳感器，具有很高的測試靈敏度，利用納米壓印、反 應(yīng)離子輔助刻蝕及物理濺射技術(shù)制作，可大批量、低成本生產(chǎn)，制作的納米腔天線陣列傳感 器性能穩(wěn)定、可靠。
權(quán)利要求
一種用于1550納米波段的納米腔天線陣列氣體折射率傳感器，其特征在于該納米腔天線陣列的金屬光柵周期為1000-1200納米，槽深為15-25納米，占寬比為0.5。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米腔天線陣列氣體折射率傳感器，其特征在于該傳感器的 金屬光柵周期為1100納米，槽深為20納米，空氣間隙隔層厚度為30納米。
全文摘要
一種用于測定氣體折射率值的傳感器，其特征在于該結(jié)構(gòu)由金屬光柵層、空氣間隙隔層和金屬基底層構(gòu)成。在入射波長為1548-1553納米和入射角為22-24度時，該氣體傳感器靈敏度高達(dá)2800納米/單位折射率。特別是金屬光柵周期為1100納米、光柵厚度為20納米、空氣間隙隔層厚度為30納米時，傳感器靈敏度高達(dá)3050納米/RIU。
文檔編號G01N21/41GK101846622SQ20101017423
公開日2010年9月29日 申請日期2010年5月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年5月14日
發(fā)明者袁代蓉, 趙華君 申請人:重慶文理學(xué)院