[发明专利]一种基于棱镜耦合的多点式测量传感器件

说明书

本发明提供的是一种基于棱镜耦合的多点式测量传感器件，它由高折射率棱镜1、多层金属‑介质膜2以及顶层的金属膜3、圆环孔型传感阵列4组成。激光光源经检偏器转化成P偏振光入射至高折射率棱镜1，并在圆环孔型传感阵列4中的一个单元内滴入待测液体，通过改变入射角的大小并检测每一个入射角下的反射光谱，从而根据反射谱中的共振角度的偏移量确定待测液体的折射率。本发明制备简易，成本低，并且可以进行批量检测，可广泛应用于传感领域。

(一)技术领域

本发明涉及的是一种基于棱镜耦合的多点式测量传感器件，可用于多点测量待测液体的浓度，属于传感技术领域。

(二)背景技术

传感技术一直被人们广泛地研究，光学传感器本质上是以光信号作为被测对象的信号介质，以光路作为光信号传输的载体。当外界环境参数，如温度、压力、磁场、折射率等与传感器中的调制器相互作用转变为可以进行测量的光信号，通过测量传输光信号的光学性质的变化，从而得到被测参数的信息，就可以对外界环境参量进行传感。

在所有类型的传感器中，表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)生物传感器因其独特的无标签、实时检测能力，在医疗诊断、酶检测、食品安全分析等领域有着广泛的应用。这些传感器利用表面等离子体偏振来监测被测目标的折射率变化，折射率的微小变化会导致SPR信号发生显著偏移。

表面等离子体共振是利用入射光在介质与金属两种具有不同介电属性的介质分界面发生全反射时产生的倏逝波，引发金属表面的自由电子振荡，从而产生表面等离子体波(Surface Plasmon Wave,SPW)，当倏逝波与SPW相互匹配时二者即发生共振，此时全反射会被破坏，某一特定波长或者角度的光被自由电子所吸收，造成其能量急剧降低，在共振光谱图上反映为一个共振谷。当金薄膜表面物质的折射率或SPR共振激发角改变时，共振谷会发生漂移，将共振谷的漂移量与被测参量变化一一对应，即可实现待测参量的测量。

棱镜耦合SPR传感因其易加工、制备成本低，灵敏度高和可批量生产以及稳定等优点已经得到产业实用化，目前，人们仍然围绕如何提高检测灵敏度这个关键问题展开了大量的研究，一部分的工作从表面增镀各种可以增强灵敏度的物质出发，二维层状纳米材料因其独特的光学、电学特性，如更大的表面积、高电荷载流子密度和高吸附能使在提高传感器灵敏度的中得到广泛的研究，另一部分则是优化传感器的各种结构。

专利202010005891.5公开了一种等离子体传感器的设计方法及其制备的传感器，提出了一种金属-电介质的模型结构，使用的是波长调制模式，需要宽谱的光源作为基础，而本专利采用角度调制，一台普通激光器即可实现。

专利202010214429.6公开了一种棱镜式四层膜结构SPR传感器，该专利所使用的材料为单纯的金或者银，厚度均大于50nm，这与本专利采用的金属和介质混合层不同，并且技术路线为波长调制都与本专利都并不相同。

2021年发表于《Optics Express》的文章《Enhanced sensitivity of a surfaceplasmon resonance biosensor using hyperbolic metamaterial and monolayergraphene》构建了一种多层金/Al₂O₃与石墨烯混合的传感器，相较于本专利，主要存在两个方面的不同：一方面结构不同，该文章应用于光纤波长调制中，而我们采用的是棱镜耦合的角度调制，另一方面在本专利材料的选择上并没有采用二维材料，而仅仅使用了金和银两种常见材料。