基 于 硅 基 的 新 型 传 感 器 研 究

王海娜, 徐艳华

(1.河南农业职业学院 信息工程学院,郑州 451450；2.河南师范大学 新联学院,郑州 450000)

0 引 言

表面等离子体(Surface Plasmon, SP)是一种metal-medium(金属-介质)边界电荷集体振荡的光学现象[1-2]。近30年来,表面等离子体共振(SPR)技术在传感领域的应用逐渐成为研究热点,SPR传感器是基于被测样品共振状态折射率变化非常敏感的光电探测系统的原理,通过对反射谱特征的实时观测，快速、灵敏地检测到折射率变化的介质，从而能够利用理论公式计算样本的相关信息[3-7]。SPR装置是第1个被提出的Otto和Kretschmann结构，这两种结构在棱镜中耦合，基于衰减的全反射的原理，利用P偏振光的条件刺激SPR，通过检测反射光谱测量参数来计算共振特性[8]。近年来，Harma1等选择二氧化硅和二氧化钛为介电层,理论上为交替多层介质系统，分析了该气体传感器理论的极限是10.5 RIU(Refraction Index Unit,折射率单位),工作在可见光范围内,SPR的椭圆对称是实验的创新点,具有很强的发展前景。意大利的比萨大学使用Biacore型SPR传感器检测，IGF 1的结构调整在羧基甲基硫醇基板上，与多克隆抗体相互作用，在注入流量传感器吸收池后，检测极限低于10 ng/mL[9-11]。2008年,埃及赫勒大学A. b. El-Basaty大学把钴酞菁(Co-Pc)嵌入在PVC基体,然后沉积在银薄膜上,实验表明,薄膜在正常的温度和大气压力下，具有良好的灵敏度,检出限可以达到0.07×10-6。在湿度传感器中，集成程度低，现有的电子湿度传感器的精度低，不稳定，反应时间短，灵敏度低，显然在SPR系统中具有自然优势[12-15]。基于上述背景，本文设计了一种光湿度传感器，设计的光学传感器能够被开发用于为遥感和低温复杂环境提供关键设备。

1 SPR结构设计

1.1 模型结构

图1所示为设计的银-二氧化硅-棱镜SPR传感装置,使用632 nm氦-Ne激光器的输出P偏振光激发SPR现象,通过光谱探测器接收共振角,利用SPR的原理，以及湿度影响有效折射率的变化关系。棱镜选择为具有高透射率的BK7玻璃，以及棱镜底部采用银-二氧化硅的波导结构。溶胶-凝胶法生产的二氧化硅薄膜，这种二氧化硅薄膜具有很好的保湿效果，有大量的二氧化硅薄膜具有吸湿性、敏感性能稳定、反应时间短、可重复利用率高的优点。结构SPR技术湿度传感器灵敏度不仅可以显著提高，还可以改善当前电子湿度传感器,不稳定,低集成、低精度、缓慢响应时间等问题,上述光学传感器的特点等可实现传感、远程传输、低温应用。

图1 新型光湿度传感装置

本文湿度描述为相对湿度(Relative Humidity，RH),指的是空气中水汽压与饱和水汽压的百分比。陶瓷材料的孔隙吸收环境中的水分子，不同湿度的水分子的吸水量会导致材料的折射率变化。湿敏陶瓷材料可以视为一个晶体模型,晶体形状类似于椭球,晶体材料在表面吸收水分子根据Maxwell- Gamell和布莱格曼理论,能够发现有效折射率和湿度变化特性如下：

式中:f1是材料中气孔的体积分数;f2是水膜和晶粒的体积分数;f1+f2=1;n1是空气的折射率;n2是水膜与晶粒复合体有效折射率。

1.2 系统分析

1.2.1入射波长分析

设计的SPR模型，入射波长将明显地影响它。波长不仅影响共振角度的大小，也影响探测的深度。设棱镜指数为1.5，入射波长分别为532,582,632,682,732 nm。该薄膜的厚度为50 nm，银的介电常数由德鲁德模型计算，折射率为1.33。图2显示了不同波长的反射光谱，随着波长的增加，共振峰的峰值变得很低。在632 nm的波长，共振峰是深而锐利的，也是最理想的;当波长小于或大于632 nm时，共振峰不仅会变浅，而且会变成更大的半峰值宽度，从而降低了系统的测量精度。从上面的分析中,在相对较短的波长时,隐失波穿透深度浅,不容易达到银与介质界面,对共振状态影响很弱,能量损耗小;当一个更长的波长,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,可以适当提高反映强度。在不同的参数中，最佳谐振波长是不同的，因此，对于不同的结构，必须优化入射光的波长以获得最佳的探测效果。

图2 不同波长下的反射谱

1.2.2厚度的影响

通过模型可以看出,测量的折射率与谐振角之间的关系，测量层的厚度影响共振角。二氧化硅的厚度薄时,需要考虑空气层影响,外部的系统被视为一个4层结构,如果测量对象的厚度大,接近波长时,系统可以被看作是3层结构。图3是一个SPR反射光谱，使用4层结构模型，测量的是二氧化硅的厚度100、200、300、400和500 nm。模拟结果表明，随着测量层厚度的增加，共振角度增大，然而测量层厚度增加到一定程度时，共振角的位置不再变化。分析层厚，外部空气层不会影响测试结果，可以把系统作为棱镜-银膜-二氧化硅结构的测试计算和仿真研究。此外，计算结果表明，随着测量层厚度的增加，共振峰逐渐变得锐利，提高了检测精度。它可以适当地增加测量材料层的厚度，同时调整共振角的位置，从而影响半峰宽的性能，以获得最佳的精度，并能简化理论模型、计算和分析。然而，在实际应用中，材料层的厚度不应增加，否则，测量材料的折射率变化不均匀，测试时间和精度受到影响。因此，在实际应用中，应考虑检测灵敏度和检测时间，选择合适的测量层厚度。

图3 不同被测物厚度下的SPR反射谱

2 实验分析

2.1 SPR共振分析

在多物理仿真中给出了表面等离子共振的磁场分布图(见图4)。为了更准确地模拟共振场景，结构的每一层都被视为一个无限平面，而模拟的2个边界被定义为周期边界条件。从图中可以明显看出，电磁场的能量集中在银和多孔陶瓷二氧化硅的交界处附近，这是高度局部性的。

图4 共振情况下磁场Hz(x,y)分布

2.2 共振峰的变化影响分析

图5所示的曲线显示了模拟反射光谱，而厚度d从40 nm增加到70 nm。如图5所示，银色薄膜越厚，SPR光谱越窄。峰值的宽度可以由FWHM(Full Width at Half Maxima，FWHM。半峰、全宽亦称半宽度，半峰宽)计算，较小的FWHM可以导致更高的探测分辨率。然而，当d>70 nm时，虽然FWHM较小，共振峰的最小峰值逐渐增加，峰值越高表明共振现象越不明显。

(a)d=70 nm

(b)d=55 nm

(c)d=40 nm

图5 不同银厚度下检测系统的反射谱示意图

湿度传感器的灵敏度是根据d=55 nm的最优厚度计算的。在之前的分析中，可以看到相对介电常数越大，共振峰越高，共振角越大。图6显示了介质折射率对共振角的影响。实线是由菲涅耳公式得出的数值曲线，黑点是直接从模拟结果中得到的数值。仿真结果和解析表达式表明了该方法的一致性。

图6 共振角与介质折射率的关系

根据相对湿度函数，共振角与环境湿度的关系如图7所示。结果表明，RH变化范围0%～100%，θ从54.8°～57.5°。角度分辨率的当前测试极限是0.01°，所以该湿度传感器的分辨率为0.30% RH。这一分辨率大大超过电容式湿度传感器的分辨率。在这种情况下，湿度传感器的灵敏度为0.025RH。

图7 共振角与环境湿度的关系

3 结 语

基于SPR的传感器用于检测周围环境的相对湿度,使用有限元方法进行仿真的设计结构,观察到SPR传感器芯片银膜和湿气层界面区域的电磁场分布,并优化膜厚度,得出当薄膜的厚度约55 nm,传感器具有很高的灵敏度和更好的解决,希望这种方法能够为高灵敏度和湿度检测提供有效的技术和手段。

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