基于桥梁测量的微传感器设计

许哲明

(南昌大学 建筑工程学院, 江西 南昌 330031)

基于桥梁测量的微传感器设计

许哲明

(南昌大学 建筑工程学院, 江西 南昌 330031)

设计了一种双通道的多功能检测范围的SPR传感器。采用K棱镜结构模型激发实现表面等离子共振,结构采用上下2种非对称介质-金属-介质波导形式实现双通道的传感。分析结果表明:新型传感器的金通道灵敏度由3μm/RIU提高到7μm /RIU左右,但检测精度下降明显；设计的传感器金属层为金的传感通道更适合检测折射率较低的物质,而金属层为银的传感通道更适合检测折射率较高的物质。这一研究对于SPR传感器的发展提供了新的多种应用。

桥梁测量； SPR传感器； 双通道； 多功能检测

表面等离子体共振(surface plasma resonance,SPR)传感器自上世纪90年代被投入应用以来,一直都是敏感元件研究热点。多年来的研究发现,目前SPR传感元件在提高质量与性能、减少成本、复杂环境应用等方面存在一些较难克服的问题[1-3]。国内浙江大学李东升团队利用SPR技术提高了发光体系的辐射复合率；中科院理化研究所张洪艳课题组提出多光束干涉腔内插入表面等离子共振结构,实现了SPR性能的一定改进[4-6]；中国科学院合肥物质科学研究院的张俊喜所在课题组研究了纵向振动SPR模式与尺度的关系,从理论上为SPR多功能实现提供了参考[7-9]。然而目前多种功能检测的SPR传感器的设计研究成果依然较少,本课题组基于上述背景,设计了一种双通道的多功能检测范围的SPR传感器,灵敏度有了显著的提高。这一研究对于SPR传感器的发展提供了新的多种应用。

1 结构设计与传感分析

1.1 结构设计

本文设计结构详见图1,采用K棱镜结构模型激发实现表面等离子共振,入射光以一定角度入射到玻璃层,由于衰减全反射和传感信号发射共振,会导致出射光光强发生变化,通过检测其变化可以得到传感信号的波长、有效折射率,进而可以得到传感信号的气体浓度、气体成分等特征参数。结构采用上下2种非对称介质-金属-介质波导形式实现双通道的传感。

图1 设计结构

1.2 传感理论分析

本文设计的传感器结构类似多层棱镜结构，选用传输矩阵法分析。每层介质的厚度为dk,介电常数为εk,磁导率为μk,折射率为nk。切向场的第一个边界条件Z=Z1=0,最后一个的边界条件Z=ZN-1与下式相关：

(1)

式中，U1和V1分别为第一层的电场和磁场边界的分量,UN-1和VN-1为第N层的分量,M是该矩阵的特征向量,

式中βk为传播系数。

当光线与玻璃界面的入射角为θ时,功率的分布为

(2)

得到设计的双通道SPR传感器的p-偏振光的标准传输功率为

(3)

(4)

式中，L、D为两方向传感区域的长度，Nref(θ)是传感区域内入射角为θ光线在纤芯-金属层界面总的反射次数。

(5)

式中,n1为光纤折射率，ncl是光纤包层的折射率。

本文中传感区域内纤芯两侧的金属材料不同,则两个界面的反射次数平均为Nref(θ)/2,则本文中传感器的p-偏振光的规范化传输功率为

(6)

式中，R1和R2分别为金属层是银和金时传感器对应的反射系数。L和D分别是传感区域的长度,θcr是全反射的临界角。

前人研究表明，反射系数R是入射波长的函数,当反射系数最小时对应的入射波长就是产生SPR的共振波长λSPR。共振波长随着待测介质折射率的变化而变化,如果待测介质折射率变化Δns,共振波长变化ΔλSPR,他们的比值被定义为SPR传感器的灵敏度S,即

(7)

传感器的检测精度是关于半峰宽(FWHM)的函数,是半峰宽的倒数,即

(8)

式中，Δλ0.5为半峰宽。

半峰宽越窄,确定的共振波长位置越准确,检测精度越高。图2给出了设计的传感器的传输功率光谱的分析结果,从图中看出波长650nm和750nm附近处出共振波长,这一结果为确定表面等离子入射波长和检测光强提供了可能。

图2 设计传感器的传输功率光谱的分析结果

2 结构特性分析

由前人研究可知,在波长为500nm～800nm之间金属光学常数与阈值相关,带间的电子跃迁使光学常数的虚部突然变化。这里设入射波长500～800nm,传感区域长度是30μm,介质层厚度为200nm。图3为双通道SPR传感器优化金属层厚度之后的出射光谱(图中r为极化系数),图中的曲线银表示金属层为银的单通道传感器的曲线,曲线双金属为双通道传感器的曲线,曲线金为金属层为金的单通道传感器的曲线。曲线双金属有2个共振峰,2个共振波长分别与曲线银和金一致,共振波长随待测介质折射率变化而变化。由灵敏度的定义式可知,单、双通道传感器的灵敏度一样；但是曲线双金属与曲线银和金相比半峰宽更窄,而且与曲线金相比尤其明显,双通道的半峰宽更窄,检测精度较高；对于曲线双金属2个共振峰的半峰宽不同,前一个共振峰要比后一个窄很多,所以前一个通道的检测精度要比后一个通道的检测精度高。

图3 检测液体的极化系数与波长关系

图4对比分析了上述条件下各类传感器灵敏度。由图4可知，随着折射率的增加,单、双通道传感器的传输功率曲线的半峰宽都增加,而且双通道的两个半峰宽大小相差很大,2个通道中金属层为金的通道增加明显。半峰宽越大,传感器的共振波长越难于精确测量,传感器的检测精度减小,金属层为银的通道的检测精度比金属层为金的通道高3倍以上；其次双通道传感器的半峰宽都比单通道传感器窄,因此双通道传感器比单通道传感器的检测精度更高,其中金属层材料为金的通道更为明显。

图4 传感器的灵敏度分析

综合以上分析,待测介质折射率较高时与较低时相比,双通道传感器金属层为金的通道灵敏度由3 μm/RIU提高到7 μm /RIU左右,但是半峰宽展宽很大,检测精度由0.02 nm-1严重下降到0.004 nm-1；而金属层为银的通道灵敏度有所提高,由3 μm/RIU提高到5 μm /RIU左右,半峰宽展宽并不严重,检测精度由0.02 nm-1下降到0.01 nm-1。上述结果表明，不能过高地追求高灵敏度或高检测精度,要根据检测的物质、结合传感器的综合性能合理选择传感器，综合考虑传感器灵敏度和检测精度两方面的影响。本文设计的双通道传感器中,金属层为金的传感通道更适合检测折射率较低的物质,而金属层为银的传感通道更适合检测折射率较高的物质。

3 结语

文中基于棱多层结构和不同金属在相同条件下共振波长、半峰宽不同而设计了双通道可选择性表面等离子传感器。分析表明：双通道的灵敏度能达到与单通道一致的灵敏度,而且检测精度比单通道有所提高；双通道中金非对称波导结构通道最高灵敏度可达7 μm /RIU；双通道传感器的灵敏度随着待测介质折射率的增加而增加。检测精度随着待测介质折射率的增加而减小。本文研究对于表面等离子传感器的发展提供了新的多种应用。

References)

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Design of micro sensor based on bridge measurement

Xu Zheming

(School of Architectural Engineering, Nanchang University, Nanchang 330031, China)

A kind of SPR (surface plasma resonance) sensor with the dual channel and multi-functional detection range is designed. The SPR is realized by using K prism structure model excitation and the dual channel sensing is realized by using up-and-down 2 kinds of asymmetric medium-metal-medium waveguide forms for the structure. The analysis results show that 3μm/RIU of the sensitivity of the new sensor with gold channel is increased to about 7 μm/RIU, but the detection accuracy decreases significantly. The sensing channel of the designed sensor with the gold metal layer is more suitable for detecting lower refractive index material while the sensing channel with the silver metal layer is more suitable for detection of higher refractive index material. This research provides a variety of new applications for the development of SPR sensors.

bridge measurement; SPR sensor; dual channel; multifunctional detection

10.16791/j.cnki.sjg.2017.03.022

2016-09-06

许哲明(1974—)，男，江西南昌，硕士，讲师，研究方向为工程测量.

E-mail：zhangmeng987123@126.com

TP212

A

1002-4956(2017)3-0087-03