一种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。

A high performance refractive index sensor and its testing method

The invention discloses a new design scheme of high performance refractive index sensor, and further puts forward the sensitivity test method of the sensor, which has low cost and is widely used in the fields of biology, medicine, food and so on. The sensing technology based on the surface plasmon resonance (surface plasmon resonance) has the characteristics of simple design, simple structure, low processing technology, low preparation cost, no calibration, real-time detection, non-contact and no damage, and high sensitivity can be used in the analysis and detection of gas, liquid and biofilm. It is possible to develop a new surface plasmon sensor with ultra high detection sensitivity and its testing method.

【技术实现步骤摘要】
一种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，表面等离子体共振的传感器主要采用衰减全反射棱镜或金属光栅结构，虽然这两种方法可以提高检测的灵敏度，但也存在体积大，不易集成的缺陷。基于金属纳米颗粒的等离子共振传感器是根据纳米颗粒表面粒子间的相互作用引起共振峰的偏移。例如，2009年法国马赛大学的A.V.Kabashin和英国贝尔法斯特皇后学院的A.V.Zayats等一起提出了金纳米棒结构传感器，德国慕尼黑大学的S.K.Dondapati和德国伊梅诺科技大学的T.A.Klar等提出了金纳米星结构传感器，美国莱斯大学的S.Lee等提出了金双锥体结构传感器，美国犹他大学的R.Bukasov和J.S.Shumaker-Parry一起提出了金新月结构传感器，美国西北大学的L.J.Sherry和华盛顿大学的G.C.Schatz等一起提出了银纳米立方体结构传感器。尽管上述传感器在折射率测量研究方面取得了一定的进展，然而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。而且，从这些器件的传感性能来看，折射率灵敏度均不足够高。近年来由于贵金属纳米结构制备方法的提高，特别是纳米线阵列制备方法的成熟，使等离子共振传感技术得到了新的发展。加拿大滑铁卢大学的M.Khorasaninejad等已经提出采用硅纳米线阵列作为折射率传感器的方法，但是目前为止还没有关于贵金属-硅纳米线阵列用作传感应用方面的报道。本专利技术的目的就是针对上述存在的缺陷而提供一种等边三角形排布的共形硅金纳米线阵列折射率传感器。本专利技术的等边三角形排布的共形硅金纳米线阵列传感器具有灵敏度高、无需标定、实时检测、非接触、无损伤等突出特点，现有制作工艺成熟，大大提高了对折射率检测的灵敏度。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；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：利用有限元分析软件中的射频模块进行建模，设计硅纳米线为等边三角形阵列排布，每个等边三角形的边长为1000nm；采用硅基底及硅纳米线，设计生成等边三角形排布的金-硅共形纳米线阵列，所述硅纳米线表面覆盖金层，所述硅基底厚度为300nm,所述硅纳米线半径为300nm，所述硅纳米线深度为500-1500nm，所述金层厚度为50-90nm。作为本专利技术所述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：所述金-硅共形纳米线阵列中述硅基底厚度为300nm,所述硅纳米线半径为300nm，所述硅纳米线深度为500nm，所述金层厚度为60nm。一种高性能折射率传感器件的测试方法，包括如下步骤：a.金-硅共形纳米线阵列传感器件三维电磁场仿真步骤：利用有限元分析软件的射频模块进行物理场设置，首先在入射系统的前表面设置一个平面光源，并运用于所述等边三角形排布的金-硅共形纳米线阵列；再设置分析条件，包括电/磁导体的光学周期性边界条件和散射边界条件；然后进行四面体网格划分；最后根据已设定的各项物理参数，从电磁学最基础的麦克斯韦方程组和连续性方程出发，选择有限元分析软件的射频模块中的稳态求解模式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.金-硅共形纳米线阵列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设置不同背景折射率，将会得到不同背景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。进一步的，所述等边三角形金-硅共形纳米线阵列中的所述硅纳米线半径为300nm，所述硅纳米线深度为500nm，所述金层厚度60nm，所述等边三角形的边长为1000nm，设置背景折射率为1.01-1.1，得出对应的反射谱曲线，在波长范围900-1100纳米之间，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932nm/单位折射率。进一步的，所述等边三角形金-硅共形纳米线阵列中的所述硅纳米线半径为300nm，所述硅纳米线深度为500nm，所述金层厚度60nm，所述等边三角形的边长为1000nm，设置背景折射率为1.33-1.42，得出对应的反射谱曲线，在波长范围1200-1400纳米之间，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972nm/单位折射率。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。进一步的，在步骤b中将等边三角形排布的金-硅共形纳米线阵列浸入不同浓度的甘油-水混合溶液，不同浓度的甘油-水混合溶液对应不同折射率。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。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是本专利技术所述有限元分析软件中射频模块建模的等边三角形排布的金-硅共形纳米线阵列的俯视示意图。图2是本专利技术所述有限元分析软件中射频模块建模的等边三角形排布的金-硅共形纳米线阵列中单根纳米线的侧视示意图。图3是本专利技术所述有限元分析软件中射频模块中高性能折射率传感测试方法探测气体背景折射率的反射谱曲线示意图。图4是为本专利技术所述的高性能折射率传感测试方法探测不同气体背景折射率与不同反射谱曲线最小值对应的波长绘制的对应关系点图，并采用线性拟合的方式将对应关系点图拟合成的直线图。图5是本专利技术述有限元分析软件中射频模块中高性能折射率传感测试方法探测液体背景折射率的反射谱曲线本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种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：利用有限元分析软件中的射频模块建立几何模型并选择材料，设计硅纳米线为等边三角形阵列排布，每个等边三角形的边长为1000nm；采用硅基底及硅纳米线，设计生成等边三角形排布的金‑硅共形纳米线阵列，所述硅纳米线表面覆盖金层，所述硅基底厚度为300nm,所述硅纳米线半径为300nm，所述硅纳米线深度为500‑1500nm，所述金层厚度为50‑90nm。

【技术特征摘要】
1.一种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：利用有限元分析软件中的射频模块建立几何模型并选择材料，设计硅纳米线为等边三角形阵列排布，每个等边三角形的边长为1000nm；采用硅基底及硅纳米线，设计生成等边三角形排布的金-硅共形纳米线阵列，所述硅纳米线表面覆盖金层，所述硅基底厚度为300nm,所述硅纳米线半径为300nm，所述硅纳米线深度为500-1500nm，所述金层厚度为50-90nm。2.根据权利要求1所述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：所述硅基底厚度为300nm,所述金-硅共形纳米线阵列中的所述硅纳米线半径为300nm，所述硅纳米线深度为500nm，所述金层厚度为60nm。3.一种权利要求1-2中任一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、金-硅共形纳米线阵列传感器件三维电磁场仿真步骤：利用有限元分析软件的射频模块进行物理场设置，首先在入射系统的前表面设置一个平面光源，并运用于所述等边三角形排布的金-硅共形纳米线阵列；再设置分析条件，包括电/磁导体的光学周期性边界条件和散射边界条件；然后进行四面体网格划分；最后根据已设定的各项物理参数，从电磁学最基础的麦克斯韦方程组和连续性方程出发，选择有限元分析软件的射频模块中的稳态求解模式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、金-硅共形纳米线阵列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设置不同背景折射率，将会得到不同背景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...

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