本發(fā)明屬于溫度和紅外線傳感器領域，具體而言，涉及一種金屬等離激元貼片式發(fā)光溫度和紅外線傳感器，尤其涉及柔性、發(fā)光的貼片式溫度和紅外線傳感器。

背景技術：

目前的溫度傳感器，主要有傳統(tǒng)的溫度傳感器，包括熱敏電阻和熱電偶。熱敏電阻利用自身的電阻—溫度特性，溫度變化，電阻值也發(fā)生變化，但是其自熱現(xiàn)象嚴重影響了其測溫精度。熱電偶利用熱電效應，將電偶兩端的溫度差轉化為電動勢差，但是其靈敏度較低、穩(wěn)定性較差，高溫下其自身的溫度特性的非線性非常明顯，限制了其測溫精度。以上兩種傳統(tǒng)的溫度傳感器，材質堅硬、外形規(guī)則，均無法實現(xiàn)對不規(guī)則物體表面的溫度測量，還會產(chǎn)生電磁干擾，因此這類傳感器的應用十分受限。此外，目前的紅外溫度傳感器所需的紅外探測器，基本采用窄禁帶半導體材料碲鎘汞(hgcdte)材料，每個圖像傳感器charge-coupleddevice,ccd價格數(shù)百萬，十分昂貴。

局域等離激元共振localizedsurfaceplasmonresonance,lspr是金屬納米結構在亞波長范圍內與光強烈相互作用引發(fā)的共振增強效應，能夠將光局域在深度亞波長的范圍內，隨之而來會帶來各種效應。1.產(chǎn)生熱點效應，金屬納米顆粒的局域表面等離共振效應能夠使得顆粒表面的光場強度顯著增強。2.當金屬顆粒的局域等離激元共振峰與量子點等光致發(fā)光材料的發(fā)光峰匹配時，能夠增強量子點等材料的光致發(fā)光效率。3.金屬納米顆粒的局域等離激元共振的吸收峰對其周圍介質折射率的變化非常敏感，且納米顆粒的形貌越長、棱角越尖，對介質折射率變化的響應靈敏度越大金納米樹枝703nm/riu。這種效應非常適合用作高靈敏度的傳感器，例如：當溫度傳感器中加入金屬納米材料后，由于金屬納米材料的光致發(fā)光增強效應與對折射率變化的高靈敏度響應，將更容易通過發(fā)光光譜和顏色的變化反映出溫度的變化。

目前的現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)場合中對溫度傳感器提出了更高的要求：1.在測量普通溫度計無法或難以測量的部件、外表面如具有不規(guī)則外形的物體的外表面以及危及生命的環(huán)境中物體溫度時，要求傳感器能夠貼合其形狀，準確測得物體表面溫度；2.在測量較大物體的溫度時，要求傳感器與被測物體的接觸面積盡可能大，而不只是單點測量；3.在測量涉及電磁方面的儀器溫度時，如醫(yī)療設備、油氣罐等易燃易爆場景、射頻微波設備及電力變壓器等強電磁輻射設備，要求傳感器不產(chǎn)生電磁干擾，也不怕電磁干擾。

綜上所述，實現(xiàn)滿足更高應用要求的溫度傳感器，關鍵在于在保證測量精度的前提下，對傳感器柔性、大接觸面積等特征的實現(xiàn)。目前的傳感器中，難有同時滿足高柔性、大接觸面積、零電磁干擾、低成本等要求的結構，而這一關鍵瓶頸問題的解決，對實現(xiàn)新一代柔性傳感器技術及其應用至關重要。

技術實現(xiàn)要素：

技術問題：本發(fā)明的目的是為了克服已有技術的不足之處，提出了一種金屬等離激元貼片式發(fā)光溫度和紅外線傳感器，適用于多種材料和形狀的待測物體，提高測量的準確性與靈活性，從而可以實現(xiàn)對不規(guī)則物體溫度的準確測量。

技術方案：本發(fā)明的一種金屬等離激元貼片式發(fā)光溫度和紅外線傳感器，基于局域表面等離激元增強機制，所述金屬等離激元貼片式發(fā)光溫度和紅外線傳感器由柔性透明薄膜，透明液體，聚合物分子層，金屬納米顆粒，核殼結構的發(fā)光物質，柔性透明襯底，貼片組成，其位置關系如下：柔性透明襯底上有一層金屬納米顆粒，核殼結構的發(fā)光物質位于金屬納米顆粒周圍，聚合物分子層位于金屬納米顆粒上方，其底端連接襯底或金屬納米顆粒，由金屬納米顆粒、聚合物分子、發(fā)光物質組成的單元結構可重復多層，柔性透明薄膜位于上述結構周圍，透明液體填充于聚合物分子與柔性透明薄膜間，貼片位于底層柔性透明薄膜下方并緊貼薄膜。

所述柔性透明薄膜的材料為聚對苯二甲酸乙二醇酯pet、聚乙烯pe、聚氯乙烯pvc、聚萘二甲酸乙二醇酯pen、聚二甲基硅氧烷pdms或su-8光刻膠，其厚度范圍為10至1000微米，其上下表面的形狀是正方形、長方形、圓形、橢圓形結構，其上下表面的面積范圍為1至200平方厘米。

所述透明液體的材料為無色去離子水、乙醇、異丙醇、乙二醇的無色透明非電解質液體，填充在聚合物分子間并充滿柔性透明薄膜形成的空間內，用于補償聚合物分子刷材料因狀態(tài)改變造成的空間體積變化。

所述聚合物分子層為柔性聚合物分子刷材料層，由高熱光系數(shù)、且在生理溫度范圍內具有溶脹轉變特性的熱敏聚合物形成，供選材料為聚丙烯酸paa、聚甲基丙烯酸甲酯pmma、聚n-異丙基丙烯酰胺nipaam、聚甲基丙烯酸maa、聚4-二苯甲酮甲基丙烯酸酯bpma的柔性材料及其混合物；或摻雜高透光率、高熱導率的石墨烯材料，該聚合物分子刷材料層的厚度范圍為100至1000納米。

所述金屬納米顆粒的材料為金、銀、鉑或鈀金屬材料；其形貌為具有窄帶增效特性的納米結構，所述金屬納米顆粒具有高局域等離激元共振響應靈敏度，范圍為150至400納米/折射率單位；所述金屬納米顆粒為單層，呈單分散狀態(tài)，顆粒尺寸范圍為20至150納米，顆粒間距范圍為100至300納米。

所述具有窄帶增效特性的納米結構是三角板、十面體、納米棒、納米環(huán)、納米星、納米樹枝、納米旗。

所述柔性襯底的材料為聚對苯二甲酸乙二醇酯pet、聚乙烯pe、聚氯乙烯pvc、聚萘二甲酸乙二醇酯pen、聚二甲基硅氧烷pdms或su-8光刻膠材料，其厚度范圍為10至100毫米。

所述核殼結構的發(fā)光物質由核、殼構成，核的材料為：量子點光致發(fā)光材料、羅丹明或香豆素衍生物熒光染料，其發(fā)光峰位于可見光至近紅外波段；殼的材料為硅、聚乙烯吡咯烷酮pvp、十六烷基三甲基溴化銨ctab或檸檬酸鈉。

所述形成貼片為可供重復黏貼于被測物體表面、柔性、易貼易撕、白色、不透明的凝膠貼片。

本發(fā)明的的金屬等離激元貼片式發(fā)光溫度和紅外線傳感器的制備方法為：首先在柔性透明襯底上自組裝一層金屬納米顆粒，再沉積核殼結構的發(fā)光物質，然后旋涂一層聚合物分子層，由金屬納米顆粒、聚合物分子層、核殼結構的發(fā)光物質組成的單元結構可重復多層，接著在其周圍包裹柔性透明薄膜，再灌裝透明液體并密封，最后在底部旋涂凝膠材料形成貼片。

傳感器的測溫方式：所述金屬等離激元貼片式發(fā)光溫度和紅外線傳感器既可以直接測量物體溫度，又可以通過紅外線的熱效應檢測紅外線。對溫度和紅外線的傳感結果有兩種處理方式：1.人眼直接觀察貼片式溫度傳感器的發(fā)光顏色，根據(jù)傳感器顏色與溫度的對應關系確定被測物體的溫度。2.使用數(shù)碼相機對貼片式溫度傳感器發(fā)光面拍照，將圖像傳入計算機中，由計算機提取照片中的像素顏色信息，根據(jù)：顏色——局域等離激元共振峰位置——介質折射率——溫度的對應關系，確定被測物體的溫度或紅外線。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有的技術相比具有以下的優(yōu)點：

1.本方法使用一系列柔性材料，相較于傳統(tǒng)的材質堅硬、不可彎曲的溫度傳感器，該傳感器柔性好、可貼服于不規(guī)則物體表面，實現(xiàn)對物體溫度的精確測量。相較于傳統(tǒng)的只能單點或小面積測量的溫度傳感器，該貼片式溫度和紅外線傳感器可以與被測物體大面積接觸，因而能實時測量同一物體不同部位的溫度。與需要高昂成本的ccd的紅外溫度傳感器相比，該方法利用金屬納米顆粒的局域等離激元共振特性反映溫度變化，只需人眼直觀或通過普通相機拍照與計算機分析，成本低。此外，與傳統(tǒng)的運用電學原理的溫度傳感器相比，該方法通過光波傳感溫度信息，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴格限制及強電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。

2.本方法使用聚合物分子刷材料作為熱敏傳感的組成部分，與其他硼硅酸鹽類無機材料、su-8材料相比，熱光系數(shù)提高了兩個數(shù)量級，因而折射率變化對溫度變化的響應更加明顯，該貼片式溫度和紅外線傳感器的精度更高。此外，在聚合物分子層加入高透光率、高熱導率的石墨烯材料，可以在保證傳感器透光度的同時，提高對被測物體溫度的傳感性能，從而提高該貼片式溫度和紅外線傳感器的響應速度與準確性。

3.本方法通過凝膠貼片將溫度傳感器固定于被測物體表面，凝膠貼片易貼易撕，可重復使用而不對被測物體造成損傷，更加適用對柔軟、彎曲、柔韌的生物組織的測量。

4.本方法使用無源的貼片式溫度和紅外線傳感器，本身沒有功率損耗，也不產(chǎn)生明顯的自熱現(xiàn)象。作為激發(fā)光源的紫外光功耗也很低，因此該貼片式溫度和紅外線傳感器功耗低，節(jié)能環(huán)保。

附圖說明

圖1是柔性發(fā)光溫度傳感貼片截面示意圖低溫時；

圖2是柔性發(fā)光溫度傳感貼片截面示意圖高溫時；

圖3是金屬納米顆粒、發(fā)光物質、聚合物分子組合示意圖；

圖4是由金屬納米顆粒、聚合物分子、發(fā)光物質單元結構重復多層形成的柔性發(fā)光溫度傳感貼片截面示意圖低溫時；

圖5是外形不規(guī)則的待測物體使用本柔性發(fā)光溫度傳感貼片前后效果示意圖。

具體實施方式

本發(fā)明的一種金屬等離激元貼片式發(fā)光溫度和紅外線傳感器，包括：

所述金屬等離激元貼片式發(fā)光溫度和紅外線傳感器基于局域表面等離激元增強機制，所述金屬等離激元貼片式發(fā)光溫度和紅外線傳感器由柔性透明薄膜1，透明液體2，聚合物分子層3，金屬納米顆粒4，核殼結構的發(fā)光物質5，柔性透明襯底6，貼片7組成，其位置關系如下：柔性透明襯底6上有一層金屬納米顆粒4，核殼結構的發(fā)光物質5位于金屬納米顆粒周圍，聚合物分子層3位于金屬納米顆粒上方，其底端連接襯底或金屬納米顆粒，由金屬納米顆粒、聚合物分子、發(fā)光物質組成的單元結構可重復多層，柔性透明薄膜1位于上述結構周圍，透明液體2填充于聚合物分子與柔性透明薄膜間，貼片7位于底層柔性透明薄膜下方并緊貼薄膜。

本發(fā)明的金屬等離激元貼片式發(fā)光溫度和紅外線傳感器的制備方法為：首先在柔性透明襯底6上自組裝一層金屬納米顆粒4，再沉積核殼結構的發(fā)光物質5，然后旋涂一層聚合物分子層3，由金屬納米顆粒4、聚合物分子層3、核殼結構的發(fā)光物質5組成的單元結構可重復多層，接著在其周圍包裹柔性透明薄膜1，再灌裝透明液體2并密封，最后在底部旋涂凝膠材料形成貼片7。

傳感器的測溫方式：所述金屬等離激元貼片式發(fā)光溫度和紅外線傳感器既可以直接測量物體溫度，又可以通過紅外線的熱效應檢測紅外線。對溫度和紅外線的傳感結果有兩種處理方式：1.人眼直接觀察貼片式溫度傳感器的發(fā)光顏色，根據(jù)不同顏色與溫度的對應關系確定被測物體的溫度。2.使用數(shù)碼相機對貼片式溫度傳感器發(fā)光面拍照，通過計算機提取照片中像素顏色信息，根據(jù)：顏色—局域等離激元共振峰位置—介質折射率—溫度的對應關系，確定被測物體的溫度或紅外線。

本發(fā)明中，外部引入紫外光，經(jīng)過上層透明薄膜，照射到發(fā)光物質上，發(fā)光物質在紫外光的激發(fā)下吸收能量發(fā)生能級躍遷，處于激發(fā)態(tài)的電子不穩(wěn)定又回到基態(tài)并釋放出光子，使得該光致發(fā)光過程產(chǎn)生寬光譜的熒光。由于金屬納米顆粒具有窄帶增效特性，熒光經(jīng)過金屬納米顆粒共振增強并形成窄帶光致發(fā)光光譜。由于被測物體溫度不同，造成聚合物分子刷材料的舒張或收縮狀態(tài)不同，進一步造成金屬顆粒周圍的介質層折射率變化，即溫度與聚合物分子刷材料的折射率有確定的對應關系。又因為金屬納米顆粒的局域表面等離激元吸收譜主峰位置與其周圍介質折射率對應相關，故金屬納米顆粒的局域表面等離激元吸收譜主峰位置會隨被測物體溫度的改變產(chǎn)生相應的變化。由于purcell效應，金屬納米顆粒表面等離子體導致發(fā)光物質在與金屬納米顆粒窄帶峰位置相近的地方那部分光共振增強，熒光顏色改變，最終造成溫度傳感器的發(fā)光顏色變化。

下面通過具體實施例和對比例進一步說明本發(fā)明：

1.將本溫度傳感貼片貼服于待測物體表面，用紫外燈照射貼片表面。

2.人眼直接觀察貼片式溫度傳感器的發(fā)光顏色，根據(jù)不同顏色與溫度的對應關系確定被測物體的溫度。

3.使用數(shù)碼相機對貼片式溫度傳感器發(fā)光面拍照，通過計算機提取照片中像素顏色信息，根據(jù)：顏色——局域等離激元共振峰位置——介質折射率——溫度的對應關系，確定被測物體的溫度或紅外線。確定被測物體溫度。

另外，本領域技術人員還可在本發(fā)明精神內作其它變化，當然這些依據(jù)本發(fā)明精神所作的變化，都應包含在本發(fā)明所要求保護的范圍內。