[發明專利]一種基于太赫茲等離子增強效應的濕度傳感器及其系統

有效

• 申請號: 201711305030.3
• 申請日: 2017-12-11
• 公開（公告）號: CN108088810B
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 陳麟;殷恒輝;張悅;賴思琦;朱亦鳴;葛一凡;臧小飛;莊松林
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G01N21/3586
• 分類號: G01N21/3586;G01N21/3554;G01N21/3504;G01N21/552
• 代理公司: 上海德昭知識產權代理有限公司 31204
• 代理人: 郁旦蓉

本發明提供了一種濕度傳感器，具有這樣的特征，包括：機架；移動單元，設置在機架上，包含螺旋測微器以及刻度板；稱重臺，設置在移動單元上，在移動單元的帶動下進行上下移動；光柵，設置在稱重臺上；以及棱鏡單元，包括設置在機架上的夾持組件以及由該夾持組件夾持的棱鏡，用于接收太赫茲光，并與光柵進行耦合產生共振峰，其中，棱鏡的折射率大于空氣的折射率。根據本發明所涉及的濕度傳感器，利用水汽在太赫茲波段的吸收峰剛好與光柵在太赫茲衰減全反射作用下產生的表面等離子激元的共振峰重疊，可以實時、快速測量空氣中水汽含量，大大提高了靈敏度，且分辨率較高。除此之外，該濕度傳感器的結構簡單，取材廣泛且易于加工。

技術領域

本發明涉及一種濕度傳感器，具體涉及一種基于太赫茲等離子增強效應的濕度傳感器及其系統。

背景技術

太赫茲等離子增強效應的高靈敏度濕度傳感器主要利用棱鏡耦合的原理，雖然棱鏡耦合傳感器的研究在光學波段已經很成熟了，但是在太赫茲波段卻發展緩慢，原因在于在太赫茲波段無法在光滑金屬表面有效地激發表面等離極化激元。直到英國科學家J. B.Pendry在光滑金屬表面刻蝕周期性結構有效地激發出太赫茲波段的表面等離極化激元后，棱鏡耦合太赫茲傳感器才逐漸發展起來。其中，棱鏡耦合傳感器的模型一般有兩種：Otto模型和Kretschmann模型。棱鏡結構之前一直用于激發金屬和半導體的表面模式，利用共振探測來檢測物質。根據樣品的不同，對應的共振吸收峰的頻點以及Q值也不同，從而對待測樣品進行檢測。

太赫茲波（Terahertz, THz）是一種介于微波與紅外輻射之間的電磁波，其波長為：0.03 mm~3 mm，對應的周期為：0.1~10 ps，頻率為：0.1~10 THz（1 THz = 1012 Hz），能量為：0.4~40 meV。在太赫茲系統中，應用最為廣泛的是太赫茲時域光譜系統, 該系統能直接測得太赫茲脈沖電場的時域波形, 并通過傅立葉變換得到太赫茲脈沖的頻譜分布, 由此發展起來的光譜技術稱為太赫茲時域光譜技術。在太赫茲的脈沖的測量過程中, 采用探測光脈沖對太赫茲波形取樣的方式, 將絕大部分背景噪聲摒除在探測之外。因此, 脈沖太赫茲測量的信噪比很高, 可以達到105 以上, 即使在強背景輻射的條件下, 仍然能夠進行光譜測量。且水分子的振動和轉動頻率均在太赫茲波段，太赫茲對水分子非常敏感，在太赫茲波段存在特征吸收，從而可以實現對空氣中水蒸氣含量的測量。

濕度傳感器是一種能感受氣體中水蒸氣含量，并轉換成可用輸出信號的傳感器。傳統的電容式相對濕度傳感器與被測量環境中的氣體的接觸進行工作，一旦在測量環境中的氣體中含有與電容傳感器“不對付、不耐受”的物質，均會影響到傳感器的工作性能。尤其一些特別的物質甚至具有腐蝕性，損壞傳感器，加之電子產品使用壽命相對較短，電路易于受外界干擾與退化，靈敏度不夠高，實時性較差。

發明內容

本發明是為了解決上述問題而進行的，目的在于提供一種基于太赫茲等離子增強效應的濕度傳感器及其系統。

本發明提供了一種濕度傳感器，具有這樣的特征，包括：機架；移動單元，設置在機架上，包含螺旋測微器以及刻度板；稱重臺，設置在移動單元上，在移動單元的帶動下進行上下移動；光柵，設置在稱重臺上；以及棱鏡單元，包括設置在機架上的夾持組件以及由該夾持組件夾持的棱鏡，用于接收太赫茲光，并與光柵進行耦合產生共振峰，其中，棱鏡的折射率大于空氣的折射率。

在本發明提供的濕度傳感器中，還可以具有這樣的特征：其中，刻度板的最小刻度為1μm。

在本發明提供的濕度傳感器中，還可以具有這樣的特征：其中，光柵為具有在摻雜硅上刻蝕周期性凹槽結構的光柵。

在本發明提供的濕度傳感器中，還可以具有這樣的特征：其中，凹槽的結構尺寸為：槽寬為10~50μm，周期為30~100μm，槽深為40~80μm。

在本發明提供的濕度傳感器中，還可以具有這樣的特征：其中，棱鏡為特氟龍棱鏡。