[發明專利]一種雙程表面等離子共振的光學薄膜氣體傳感器及其制法

在審

• 申請號: 202010902254.8
• 申請日: 2020-08-31
• 公開（公告）號: CN112014358A
• 公開（公告）日: 2020-12-01
• 發明（設計）人: 王鳴;鄧亞利;曹文;郝輝;夏巍;邵建華
• 申請（專利權）人: 南京師范大學
• 主分類號: G01N21/552
• 分類號: G01N21/552
• 代理公司: 南京蘇高專利商標事務所(普通合伙) 32204
• 代理人: 金詩琦

本發明公開了一種雙程表面等離子共振的光學薄膜氣體傳感器，所述傳感器包括高反射鏡、Ag膜、TiO₂膜、棱鏡和反應氣室，棱鏡包括第一側面、第二側面和第三側面，第一側面上覆蓋高反射鏡，第二側面上覆蓋Ag膜，Ag膜的表面覆蓋TiO₂膜，TiO₂膜與反應氣室相連，高反射鏡能夠使得沿第三側面入射到其表面的光沿原路返回。本發明還公開了一種雙程表面等離子共振的光學薄膜氣體傳感器的制備方法。本發明選擇對折射率變化具有良好的折射率響應和高靈敏度的銀和二氧化鈦為氣敏膜，二氧化鈦不僅可以保護敏感膜不被氧化，還可以諧調共振波長；傳感器的制備工藝簡單，易于批量生產，性能好，靈敏度高，模塊化，操作簡單，使用范圍廣。

技術領域

本發明涉及傳感器及其制法，具體為一種雙程表面等離子共振的光學薄膜氣體傳感器及其制法。

背景技術

氣體傳感器在環境監測、工業生產安全、生物醫學診斷等領域有著廣泛的應用前景，光學氣體傳感器，特別是結合光纖和納米材料的光學氣體傳感器靈敏度高、性價比高、簡單而可靠，更具應用價值。光學氣體傳感器的原理是敏感材料與目標物質氣體的相互作用改變傳感器的光學性質。光學氣體傳感器的性能很大程度上取決于敏感材料的物理化學性質，近年來敏感材料為金屬氧化物材料的光學氣體傳感器帶來新的發展。

表面等離子體共振效應(SPR)對外界環境變化極其敏感，SPR諧振強度隨環境介質折射率變化而強烈變化，所以SPR傳感器被認為是研究表面相互作用以及檢測氣體和生物材料的有利工具。與傳統的氣體檢測方法相比，具有檢測實時快速、無需標記樣品、檢測方便快捷、靈敏度高、能在不透明的樣品中進行檢測等優點。

Kretschmann型SPR傳感器將高折射率棱鏡用作耦合設備，棱鏡的基底鍍有貴金屬層，觸發SPR，并使得入射光波與表面等離基元之間的相位匹配。然而，在環境空氣和潮濕環境中銀的降解會改變金屬成分，限制了一些應用。

發明內容

發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明的目的是提供一種雙程表面等離子共振的光學薄膜氣體傳感器，本發明的另一目的是提供一種雙程表面等離子共振的光學薄膜氣體傳感器的制法。

技術方案：本發明所述的一種雙程表面等離子共振的光學薄膜氣體傳感器，包括高反射鏡、Ag膜、TiO₂膜、棱鏡和反應氣室，棱鏡包括第一側面、第二側面和第三側面，第一側面上覆蓋高反射鏡，第二側面上覆蓋Ag膜，Ag膜的表面覆蓋TiO₂膜，TiO₂膜與反應氣室相連，高反射鏡能夠使得沿第三側面入射到其表面的光沿原路返回。

Ag膜的厚度為45～50nm。TiO₂膜的厚度為90～110nm。第一側面、第二側面形成的夾角為60°。棱鏡為等邊棱鏡。

反應氣室包括進氣口、出氣口、支撐條和腔體，腔體的兩個相對側面分別設置進氣口和出氣口，方便廢氣排出。為避免敏感膜直接接觸底面和保證氣密性，腔體的頂部相對兩個側面上設置支撐條，支撐條與TiO₂膜相連。反應氣室內的氣體為氫氣。

上述雙程表面等離子共振的光學薄膜氣體傳感器的制備方法，包括以下步驟：

a、準備玻璃基片，切割玻璃基片，大小同棱鏡接觸面，先后利用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗，用氮氣烘干備用，玻璃基片與棱鏡的材質相同；

b、通過磁控鍍膜技術先后制備Ag膜和TiO₂膜，先將玻璃基片放置在直流磁控濺射的基板上，濺射厚度為45～50nm的Ag膜，接著再放置在反應室的射頻反應濺射的基板上濺射厚度為90～110nm的TiO₂膜，濺射TiO₂膜時保持基板溫度為240～250℃；

c、在棱鏡的第一側面鍍上一層高反射膜，形成高反射鏡；