[發(fā)明專利]利用全反射角的改變進(jìn)行傳感的折射率傳感方法

無效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200810240936.6
• 申請(qǐng)日: 2008-12-24
• 公開（公告）號(hào): CN101762563A
• 公開（公告）日: 2010-06-30
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 於豐;闞強(qiáng);許興勝;王春霞;劉宏偉;陳弘達(dá)
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院半導(dǎo)體研究所
• 主分類號(hào): G01N21/41
• 分類號(hào): G01N21/41
• 代理公司: 中科專利商標(biāo)代理有限責(zé)任公司 11021
• 代理人: 周國城

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別是一種利用全反射角的改變進(jìn)行傳感的折射率傳感方法。

背景技術(shù)

光傳感激技術(shù)是目前發(fā)展與研究的一個(gè)重要方向。光傳感技術(shù)主要原理是當(dāng)系統(tǒng)中目標(biāo)參數(shù)發(fā)生變化，比如溫度變化、壓力變化、折射率變化等，光波的特性也隨著發(fā)生變化，利用光波的這種變化來檢測(cè)目標(biāo)參數(shù)的變化。利用光波的角度特性進(jìn)行折射率傳感是一種常見的傳感方法，這類方法主要有表面等離子體共振傳感，光波導(dǎo)傳感等。

目前國際上有很多利用角度進(jìn)行光傳感的文獻(xiàn)報(bào)道和專利：[1]HomolaJ；Yee?SS；Gauglitz，G.?Source?Surface?plasmon?resonance?sensors：review.SENSORS?AND?ACTUATORS?B-CHEMICAL?Volume?54，JAN?25?1999.[2]MALMQVIST?M.BIOSPECIFIC?INTERACTION?ANALYSIS?USINGBIOSENSOR?TECHNOLOGY.NATURE?Volume?361，JAN?14?1993.[3]William?J.H.Bender，Raymond?E.Dessy.SURFACE?PLASMONRESONANCE?SENSOR.United?States?Patent.Patent?Number：5,327,225.Date?of?Patent：Jul.5，1994.[4]Shuichi?Okubo，Yasushi?Nagasawa，KazunariNaya.TOTAL-REFLECTION?TYPE?REFRACTIVE?INDEX?SENSOR.United?Stated?Patent.Patenti?Numbers：5,565,978.Date?of?Patent：Oct.15，1996

現(xiàn)有的角度傳感方法，靈敏度高，但是存在以下問題：其物理過程復(fù)雜：表面等離子體共振傳感需要實(shí)現(xiàn)光波與表面等離子體波的共振才能進(jìn)行傳感，而波導(dǎo)傳感存在耦合的問題與模式問題；角度變化與折射率變化之間關(guān)系復(fù)雜，這樣不利用傳感的實(shí)現(xiàn)；傳感器實(shí)現(xiàn)與測(cè)量比較復(fù)雜：表面等離子體共振傳感對(duì)金屬的介電常數(shù)特行有一定要求，實(shí)際中只有金、銀、銅等有限的金屬可供選擇；金屬的厚度一般要求在50-100nm之間，對(duì)光波的波長與偏振態(tài)都有一定的限定，這對(duì)傳感的實(shí)現(xiàn)帶來了很大的困難；光波導(dǎo)傳感對(duì)光波導(dǎo)本身的材料與尺寸制作有很高的要求。

發(fā)明內(nèi)容

(一)要解決的技術(shù)問題

有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種利用全反射角的改變進(jìn)行傳感的折射率傳感方法，以簡化測(cè)試過程，提高傳感精度和靈敏度。

(二)技術(shù)方案

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種利用全反射角的改變進(jìn)行傳感的折射率傳感方法，該方法包括：

步驟1、光從折射率為N的材料入射至折射率為n₁的傳感物質(zhì)時(shí)，測(cè)出在不同入射角時(shí)的反射率，得到反射數(shù)據(jù)與曲線，其中N＞n₁；

步驟2、對(duì)反射率求角度微分，得到反射率角度微分?jǐn)?shù)據(jù)與曲線，從反射率角度微分?jǐn)?shù)據(jù)與曲線中提取出全反射角θ₁；

步驟3、光從折射率為N的材料入射至折射率為n₁+Δn的傳感物質(zhì)時(shí)，測(cè)出不同入射角時(shí)的反射率，得到反射數(shù)據(jù)與曲線，其中N＞n₁+Δn；

步驟4、對(duì)反射率求角度微分，得到反射率角度微分?jǐn)?shù)據(jù)與曲線，從反射率角度微分?jǐn)?shù)據(jù)與曲線中提取出全反射角θ₂；

步驟5、根據(jù)公式Δn＝N(sin(θ₁)-sin(θ₂))計(jì)算出折射率的變化。

上述方案中，步驟1和步驟3中所述的光，其波長處在對(duì)于折射率為N的材料透明的波段，光的偏振態(tài)選擇TE模式或者TM模式。

上述方案中，步驟2中所述對(duì)反射率求角度微分時(shí)，采用簡單差分方法，將兩個(gè)采樣點(diǎn)反射率數(shù)據(jù)之差除以采樣點(diǎn)角度間隔得到微分值。

上述方案中，所述步驟2和步驟4中，采用求反射率角度微分的方法得到反射率角度微分曲線。

上述方案中，所述求反射率角度微分的方法采用的簡單差分方法，將兩個(gè)采樣點(diǎn)反射率數(shù)據(jù)之差除以采樣點(diǎn)角度間隔得到微分值。

上述方案中，所述步驟2和步驟4中所述提取出全反射角，具體采用以下方式：

從數(shù)據(jù)中找到反射率角度微分值最大的點(diǎn)，該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的角度就是全反射角；或者