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CN112857232B - 长量程光学自参考位移传感器 - Google Patents

长量程光学自参考位移传感器 Download PDF

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王艳红
杨恒泽
李孟委
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
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Abstract

本发明公开长量程光学自参考位移传感器，包括由上至下依次的金膜层、上玻璃层、间隙层、下玻璃层和硅基底，金膜层用于通过电流，所述金膜层的厚度为100nm，所述金膜层上蚀刻有双纳米孔，双纳米孔包括两个相交的圆形纳米孔，所述双纳米孔下方的间隙层中对应设置有两个并排排列的效应块，该效应块为金纳米块。在电磁波垂直照射下，本发明的结构在激发anapole模式的对应波长处会表现出反射率急剧减小，利用这一模式，通过测量该结构反射光谱的变化来间接反映待测物体的位移，从而实现位移的探测。

Description

长量程光学自参考位移传感器
技术领域
本发明涉及位移传感器技术领域，特别涉及长量程光学自参考位移传感器。
背景技术
光学位移传感器在纳米测量、生物传感和纳米工艺方面有着广泛的应用，是理解生化过程的关键工具。1976年Stryer和Haugland首次提出了利用共振能量(
Figure BDA0003009392190000011
resonance energy transfer,FRET)作为光谱标尺用于生物过程中的距离测量。根据量子物理模型和经典库伦偶极-偶极相互作用，共振是通过无辐射跃迁产生的，能量转移效率在很大程度上取决于磁偶对之间的相对距离。目前FRET光学位移传感器已被用于生物和化学系统，以确定在分子尺度上的距离，并可在动态系统的结构和维度进行跟踪测量，可以在单个生物分子水平上获得距离信息。由于FRET位移传感器起源于偶极-偶极相互作用，其测试结果受待测物体与传感器的距离的影响。因此，FRET位移传感器的最大测试数量级为10nm。为了满足10nm量级以上距离测量的需求，我们提出了一种量程可达到120nm的利用表面等离激元和光学anapole模式的长量程自参考位移传感器。
利用粒子间等离激元耦合的近指数距离衰减和标度行为的所谓“等离子体尺”在生物传感器、材料技术和光子器件等领域得到了广泛的研究和应用。纳米结构和纳米颗粒中等离子体共振的距离依赖性为等离子体尺提供了一个独特的优势，可以测量从埃到数百纳米的距离范围。
表面等离子体激元(surface plasmons polaritons,SPPs)是一种特殊模式的表面电磁波激发态，它存在于介质与金属界面，并沿着金属与介质表面传播，主要是由金属中自由电子与光子相互作用而产生的一种电子疏密波。表面等离子体激元的共振会导致一种传统光学难以解释的物理现象，就是异常光学穿透现象。当光波入射到有周期性小孔金属薄膜上时，光波的透射率很大。而在传统光学中，对于亚波长小孔的透射率是非常低的，几乎接近于零。由表面等离子体激元的量子共振原理可以很好的解释这一现象。
SPPs是光和金属表面的自由电子相互作用所激发出的一种电磁波模式，或可理解为在局部金属表面光子和自由电子相互作用形成的混合激发态。在这种相互作用中，由于金属表面的自由电子有固定的共振频率，当其共振频率与太赫兹频率相同时自由电子会发生集体振荡。由于SPPs仅仅局限于金属和介质交界处附近，沿表面传播，并能在特定纳米结构条件下形成电磁场增强，这种金属表面电荷振荡与太赫兹(THz)电磁场间的相互作用构成了具有特定性质的SPPs。
由于SPPs具有局域场增强和突破传统衍射极限的特性，这为发展新型的纳米光学器件提供了机遇。SPPs技术正在纳米光子器件、发光技术、超衍射纳米光刻、高密度数据存储、近场显微镜和生物化学传感器等领域有着越来越多的应用。
电磁波照射下的等离子体可以产生多极子，其中环形偶极子与电偶极子的相消干涉可产生无辐射的anapole模式，使结构的反射光谱达到最小。本发明利用等离激元与光学anapole模式的结合，通过反射光谱来进行位移的测量。
发明内容
本发明的目的在于提供长量程光学自参考位移传感器,克服上述缺陷，满足测量物体的位移。
为达成上述目的，本发明的解决方案为：长量程光学自参考位移传感器，包括由上至下依次的金膜层、上玻璃层、间隙层、下玻璃层和硅基底，金膜层用于通过电流，所述金膜层的厚度为100nm，所述金膜层上蚀刻有双纳米孔，双纳米孔包括两个相交的圆形纳米孔，所述双纳米孔下方的间隙层中对应设置有两个并排排列的效应块，该效应块为金纳米块。
优选的，所述双纳米孔与两个效应块呈阵列设置，相邻两组双纳米孔之间隔设纳米级间隙。
优选的，所述间隙层之间填充有液体。
优选的，所述双纳米孔中的每个圆孔直径为150nm，两个圆孔之间的圆心距为120nm。
优选的，所述间隙层的厚度为300nm。
优选的，所述下玻璃层的厚度为400nm。
优选的，所述上玻璃层的厚度为100nm。
采用上述方案后，本发明的有益效果在于：在电磁波垂直照射下，本发明的结构在激发anapole模式的对应波长处会表现出反射率急剧减小，利用这一模式，通过测量该结构反射光谱的变化来间接反映待测物体的位移，从而实现位移的探测。
附图说明
图1为本发明的装配示意图；
图2为本发明传感单元结构示意图一；
图3为本发明传感单元结构示意图二；
图4为本发明yz方向截面图；
图5为本发明双纳米孔位置示意图；
图6为本发明电磁波垂直照射下传感器的反射透射光谱图；
图7为本发明Δy对传感器的反射透射曲线影响图；
图8为本发明双效应块y方向位移对电场的影响图；
图9为本发明双效应块y方向位移Δy与反射率R1、R2的关系图。
标号说明：金膜层-1、上玻璃层-2、间隙层-3、下玻璃层-4、硅基底-5、双纳米孔-6。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做详细的说明。
如图1-9所示，本发明提供长量程光学自参考位移传感器，包括由上至下依次的金膜层1、上玻璃层2、间隙层3、下玻璃层4和硅基底5，金膜层1用于通过电流，所述金膜层1上蚀刻有双纳米孔6，双纳米孔6包括两个相交的圆形纳米孔，双纳米孔6的边缘用于在电荷振荡时伴随着金膜层1通过的电流振荡产生磁偶极子，该偶极子包括环形偶极子和磁四极子，所述双纳米孔6下方的间隙层3中对应设置有两个并排排列的效应块7，该效应块7用于增强环形偶极子并制止磁四极子。所述效应块7可以设置为金纳米块。间隙层3的作用是为了使间隔的上玻璃层2和下玻璃层4能够产生相对移动。所述间隙层3之间可以填充有液体或空气。液体或空气会使得测量时的谐振波长不同，测量参数也会不同，但两者原理相同。
所述双纳米孔6与两个效应块7呈阵列设置，相邻两组双纳米孔6之间隔设纳米级间隙，呈阵列设置的双纳米孔6与两个效应块7可以提升检测精度。阵列设置是为了将单个结构所产生的模式增强，激发表面等离激元，是较为重要的技术特征；当电磁波垂直照射双纳米孔6与效应块的组合时，会在双纳米孔6的两个交会处形成电偶极子，所形成的磁场穿过双孔形成环路，与效应块产生的磁偶极响应产生环形激励。
所述双纳米孔6中的每个圆孔直径为150nm，两个圆孔之间的圆心距为120nm。
其中，所述金膜层1的较优厚度为100nm，所述间隙层3的较优厚度为300nm。
所述下玻璃层4的较优厚度为400nm，所述上玻璃层2的较优厚度为100nm。
在电磁波垂直照射下，本发明的结构在激发anapole模式的对应波长处会表现出反射率急剧减小(图6λ＝0.91μm)，利用这一模式，通过测量该结构反射光谱的变化来间接反映待测物体的位移，从而实现位移的探测。
金纳米结构的制备工艺采取聚焦离子束(FIB)和胶体刻蚀工艺：
通过聚焦离子束(FIB)制备双纳米孔结构，首先，通过使用聚焦离子束(FIB)在干净的硅晶片上雕刻双纳米孔图案来制备硅母盘。硅母盘的结构是两个半径为100nm的圆，两个圆之间被纳米级间隙隔开。通过直接蒸发的方法在硅母盘上沉积厚度约100nm的金膜。在玻璃上涂上一层薄薄的UV环氧树脂，然后，将其轻轻压在金膜层上。接着用紫外光固化结构，并从硅母盘上剥离金膜层与玻璃，此时形成了在玻璃上有双纳米孔6的金膜周期阵列结构。通过蚀刻去除任何残留的金残留物，留下可重复使用的硅模板母版。
通过胶体刻蚀制备双纳米孔结构，首先将显微镜载玻片在高功率下等离子清洗15分钟，然后在乙醇中超声清洗8分钟。制备30μL的200nm 0.01％w/v的乙醇溶液，并将其均匀滴涂在每个显微镜载玻片上。当溶液通过蒸发干燥时，使聚苯乙烯球附着在载玻片上。使用用5nm的钛作为粘合剂层溅射已经准备好的载玻片(MANTIS溅射系统)，接着溅射100nm的金层。选择溅射层的厚度，以确保以后可以去除聚苯乙烯珠。使用超声处理去除球体后，从而制备纳米双纳米孔6阵列结构。
光学anapole模式原理及现象：
表面等离激元是一种局域在金属表面由自由电子与入射光子相互耦合共振所形成的一种混合激发模式，具有近场增强及表面局域的特性。
在电磁波的垂直照射下，双纳米孔6的两个中心边缘诱发电荷振荡产生较强的水平电偶极子。电荷振荡伴随着沿圆孔边缘的电流振荡产生磁偶极子。特定尺寸的双纳米孔6和双效应块7的组合增强的环形偶极子抑制了磁四极子，从而产生了环形共振模式和anapole模式。在anapole模式的激发是因为环形偶极子和电偶极子发生相消干涉，在对应波长处会产生近场增强和远场抑制的效应，导致了在该点处的反射率的急剧减小。
测量原理：
在电磁波垂直照射下，本发明的结构在激发anapole模式的对应波长处会表现出反射率急剧减小(图6λ＝0.91μm)。当双纳米孔阵列与双效应块7阵列沿y方向产生位移时，会在0.87μm波长附近和0.91μm波长附近形成两个反射率极值R1、R2，随Δy增大R1逐渐减小R2逐渐变大(如图6所示)，其电场如图8所示，(a,b,c)为0.87μm波长处电场图，(d,e,f)为0.91μm波长处电场图，(a,d)、(b,e)、(c,f)分别为Δy＝0nm、60nm、120nm的波长处电场图,可观察到随R减小电场分布增强。R1、R2与y方向的相对位移Δy存在如图9特定关系，R1、R2与Δy的近似拟合函数为：
Figure BDA0003009392190000061
由此可利用R1及R2的关系来确定金膜层与双效应块7的相对位移，从而反映出位移的大小。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非对本案设计的限制，凡依本案的设计关键所做的等同变化，均落入本案的保护范围。

Claims (3)

1.长量程光学自参考位移传感器，其特征在于：包括由上至下依次的金膜层(1)、上玻璃层(2)、间隙层(3)、下玻璃层(4)和硅基底(5)，所述金膜层(1)的厚度为100nm，所述金膜层(1)上蚀刻有双纳米孔(6)，双纳米孔(6)包括两个相交的圆形纳米孔，所述双纳米孔(6)下方的间隙层(3)中对应设置有两个并排排列的效应块(7)，该效应块(7)为金纳米块；所述双纳米孔(6)中的每个圆形纳米孔直径为150nm，两个圆形纳米孔之间的圆心距为120nm，所述间隙层(3)的厚度为300nm，所述下玻璃层(4)的厚度为400nm，所述上玻璃层(2)的厚度为100nm。
2.如权利要求1所述长量程光学自参考位移传感器，其特征在于：所述双纳米孔(6)与两个效应块(7)呈阵列设置，相邻两组双纳米孔(6)之间隔设纳米级间隙。
3.如权利要求1所述长量程光学自参考位移传感器，其特征在于：所述间隙层(3)之间填充有液体。
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