一种金属等离激元贴片式发光温度和红外线传感器的制作方法

本发明属于温度和红外线传感器领域，具体而言，涉及一种金属等离激元贴片式发光温度和红外线传感器，尤其涉及柔性、发光的贴片式温度和红外线传感器。

背景技术：

目前的温度传感器，主要有传统的温度传感器，包括热敏电阻和热电偶。热敏电阻利用自身的电阻—温度特性，温度变化，电阻值也发生变化，但是其自热现象严重影响了其测温精度。热电偶利用热电效应，将电偶两端的温度差转化为电动势差，但是其灵敏度较低、稳定性较差，高温下其自身的温度特性的非线性非常明显，限制了其测温精度。以上两种传统的温度传感器，材质坚硬、外形规则，均无法实现对不规则物体表面的温度测量，还会产生电磁干扰，因此这类传感器的应用十分受限。此外，目前的红外温度传感器所需的红外探测器，基本采用窄禁带半导体材料碲镉汞(hgcdte)材料，每个图像传感器charge-coupleddevice,ccd价格数百万，十分昂贵。

局域等离激元共振localizedsurfaceplasmonresonance,lspr是金属纳米结构在亚波长范围内与光强烈相互作用引发的共振增强效应，能够将光局域在深度亚波长的范围内，随之而来会带来各种效应。1.产生热点效应，金属纳米颗粒的局域表面等离共振效应能够使得颗粒表面的光场强度显著增强。2.当金属颗粒的局域等离激元共振峰与量子点等光致发光材料的发光峰匹配时，能够增强量子点等材料的光致发光效率。3.金属纳米颗粒的局域等离激元共振的吸收峰对其周围介质折射率的变化非常敏感，且纳米颗粒的形貌越长、棱角越尖，对介质折射率变化的响应灵敏度越大金纳米树枝703nm/riu。这种效应非常适合用作高灵敏度的传感器，例如：当温度传感器中加入金属纳米材料后，由于金属纳米材料的光致发光增强效应与对折射率变化的高灵敏度响应，将更容易通过发光光谱和颜色的变化反映出温度的变化。

目前的现实工业生产场合中对温度传感器提出了更高的要求：1.在测量普通温度计无法或难以测量的部件、外表面如具有不规则外形的物体的外表面以及危及生命的环境中物体温度时，要求传感器能够贴合其形状，准确测得物体表面温度；2.在测量较大物体的温度时，要求传感器与被测物体的接触面积尽可能大，而不只是单点测量；3.在测量涉及电磁方面的仪器温度时，如医疗设备、油气罐等易燃易爆场景、射频微波设备及电力变压器等强电磁辐射设备，要求传感器不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰。

综上所述，实现满足更高应用要求的温度传感器，关键在于在保证测量精度的前提下，对传感器柔性、大接触面积等特征的实现。目前的传感器中，难有同时满足高柔性、大接触面积、零电磁干扰、低成本等要求的结构，而这一关键瓶颈问题的解决，对实现新一代柔性传感器技术及其应用至关重要。

技术实现要素：

技术问题：本发明的目的是为了克服已有技术的不足之处，提出了一种金属等离激元贴片式发光温度和红外线传感器，适用于多种材料和形状的待测物体，提高测量的准确性与灵活性，从而可以实现对不规则物体温度的准确测量。

技术方案：本发明的一种金属等离激元贴片式发光温度和红外线传感器，基于局域表面等离激元增强机制，所述金属等离激元贴片式发光温度和红外线传感器由柔性透明薄膜，透明液体，聚合物分子层，金属纳米颗粒，核壳结构的发光物质，柔性透明衬底，贴片组成，其位置关系如下：柔性透明衬底上有一层金属纳米颗粒，核壳结构的发光物质位于金属纳米颗粒周围，聚合物分子层位于金属纳米颗粒上方，其底端连接衬底或金属纳米颗粒，由金属纳米颗粒、聚合物分子、发光物质组成的单元结构可重复多层，柔性透明薄膜位于上述结构周围，透明液体填充于聚合物分子与柔性透明薄膜间，贴片位于底层柔性透明薄膜下方并紧贴薄膜。

所述柔性透明薄膜的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯pet、聚乙烯pe、聚氯乙烯pvc、聚萘二甲酸乙二醇酯pen、聚二甲基硅氧烷pdms或su-8光刻胶，其厚度范围为10至1000微米，其上下表面的形状是正方形、长方形、圆形、椭圆形结构，其上下表面的面积范围为1至200平方厘米。

所述透明液体的材料为无色去离子水、乙醇、异丙醇、乙二醇的无色透明非电解质液体，填充在聚合物分子间并充满柔性透明薄膜形成的空间内，用于补偿聚合物分子刷材料因状态改变造成的空间体积变化。

所述聚合物分子层为柔性聚合物分子刷材料层，由高热光系数、且在生理温度范围内具有溶胀转变特性的热敏聚合物形成，供选材料为聚丙烯酸paa、聚甲基丙烯酸甲酯pmma、聚n-异丙基丙烯酰胺nipaam、聚甲基丙烯酸maa、聚4-二苯甲酮甲基丙烯酸酯bpma的柔性材料及其混合物；或掺杂高透光率、高热导率的石墨烯材料，该聚合物分子刷材料层的厚度范围为100至1000纳米。

所述金属纳米颗粒的材料为金、银、铂或钯金属材料；其形貌为具有窄带增效特性的纳米结构，所述金属纳米颗粒具有高局域等离激元共振响应灵敏度，范围为150至400纳米/折射率单位；所述金属纳米颗粒为单层，呈单分散状态，颗粒尺寸范围为20至150纳米，颗粒间距范围为100至300纳米。

所述具有窄带增效特性的纳米结构是三角板、十面体、纳米棒、纳米环、纳米星、纳米树枝、纳米旗。

所述柔性衬底的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯pet、聚乙烯pe、聚氯乙烯pvc、聚萘二甲酸乙二醇酯pen、聚二甲基硅氧烷pdms或su-8光刻胶材料，其厚度范围为10至100毫米。

所述核壳结构的发光物质由核、壳构成，核的材料为：量子点光致发光材料、罗丹明或香豆素衍生物荧光染料，其发光峰位于可见光至近红外波段；壳的材料为硅、聚乙烯吡咯烷酮pvp、十六烷基三甲基溴化铵ctab或柠檬酸钠。

所述形成贴片为可供重复黏贴于被测物体表面、柔性、易贴易撕、白色、不透明的凝胶贴片。

本发明的的金属等离激元贴片式发光温度和红外线传感器的制备方法为：首先在柔性透明衬底上自组装一层金属纳米颗粒，再沉积核壳结构的发光物质，然后旋涂一层聚合物分子层，由金属纳米颗粒、聚合物分子层、核壳结构的发光物质组成的单元结构可重复多层，接着在其周围包裹柔性透明薄膜，再灌装透明液体并密封，最后在底部旋涂凝胶材料形成贴片。

传感器的测温方式：所述金属等离激元贴片式发光温度和红外线传感器既可以直接测量物体温度，又可以通过红外线的热效应检测红外线。对温度和红外线的传感结果有两种处理方式：1.人眼直接观察贴片式温度传感器的发光颜色，根据传感器颜色与温度的对应关系确定被测物体的温度。2.使用数码相机对贴片式温度传感器发光面拍照，将图像传入计算机中，由计算机提取照片中的像素颜色信息，根据：颜色——局域等离激元共振峰位置——介质折射率——温度的对应关系，确定被测物体的温度或红外线。

有益效果：本发明与现有的技术相比具有以下的优点：

1.本方法使用一系列柔性材料，相较于传统的材质坚硬、不可弯曲的温度传感器，该传感器柔性好、可贴服于不规则物体表面，实现对物体温度的精确测量。相较于传统的只能单点或小面积测量的温度传感器，该贴片式温度和红外线传感器可以与被测物体大面积接触，因而能实时测量同一物体不同部位的温度。与需要高昂成本的ccd的红外温度传感器相比，该方法利用金属纳米颗粒的局域等离激元共振特性反映温度变化，只需人眼直观或通过普通相机拍照与计算机分析，成本低。此外，与传统的运用电学原理的温度传感器相比，该方法通过光波传感温度信息，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。

2.本方法使用聚合物分子刷材料作为热敏传感的组成部分，与其他硼硅酸盐类无机材料、su-8材料相比，热光系数提高了两个数量级，因而折射率变化对温度变化的响应更加明显，该贴片式温度和红外线传感器的精度更高。此外，在聚合物分子层加入高透光率、高热导率的石墨烯材料，可以在保证传感器透光度的同时，提高对被测物体温度的传感性能，从而提高该贴片式温度和红外线传感器的响应速度与准确性。

3.本方法通过凝胶贴片将温度传感器固定于被测物体表面，凝胶贴片易贴易撕，可重复使用而不对被测物体造成损伤，更加适用对柔软、弯曲、柔韧的生物组织的测量。

4.本方法使用无源的贴片式温度和红外线传感器，本身没有功率损耗，也不产生明显的自热现象。作为激发光源的紫外光功耗也很低，因此该贴片式温度和红外线传感器功耗低，节能环保。

附图说明

图1是柔性发光温度传感贴片截面示意图低温时；

图2是柔性发光温度传感贴片截面示意图高温时；

图3是金属纳米颗粒、发光物质、聚合物分子组合示意图；

图4是由金属纳米颗粒、聚合物分子、发光物质单元结构重复多层形成的柔性发光温度传感贴片截面示意图低温时；

图5是外形不规则的待测物体使用本柔性发光温度传感贴片前后效果示意图。

具体实施方式

本发明的一种金属等离激元贴片式发光温度和红外线传感器，包括：

所述金属等离激元贴片式发光温度和红外线传感器基于局域表面等离激元增强机制，所述金属等离激元贴片式发光温度和红外线传感器由柔性透明薄膜1，透明液体2，聚合物分子层3，金属纳米颗粒4，核壳结构的发光物质5，柔性透明衬底6，贴片7组成，其位置关系如下：柔性透明衬底6上有一层金属纳米颗粒4，核壳结构的发光物质5位于金属纳米颗粒周围，聚合物分子层3位于金属纳米颗粒上方，其底端连接衬底或金属纳米颗粒，由金属纳米颗粒、聚合物分子、发光物质组成的单元结构可重复多层，柔性透明薄膜1位于上述结构周围，透明液体2填充于聚合物分子与柔性透明薄膜间，贴片7位于底层柔性透明薄膜下方并紧贴薄膜。

本发明的金属等离激元贴片式发光温度和红外线传感器的制备方法为：首先在柔性透明衬底6上自组装一层金属纳米颗粒4，再沉积核壳结构的发光物质5，然后旋涂一层聚合物分子层3，由金属纳米颗粒4、聚合物分子层3、核壳结构的发光物质5组成的单元结构可重复多层，接着在其周围包裹柔性透明薄膜1，再灌装透明液体2并密封，最后在底部旋涂凝胶材料形成贴片7。

传感器的测温方式：所述金属等离激元贴片式发光温度和红外线传感器既可以直接测量物体温度，又可以通过红外线的热效应检测红外线。对温度和红外线的传感结果有两种处理方式：1.人眼直接观察贴片式温度传感器的发光颜色，根据不同颜色与温度的对应关系确定被测物体的温度。2.使用数码相机对贴片式温度传感器发光面拍照，通过计算机提取照片中像素颜色信息，根据：颜色—局域等离激元共振峰位置—介质折射率—温度的对应关系，确定被测物体的温度或红外线。

本发明中，外部引入紫外光，经过上层透明薄膜，照射到发光物质上，发光物质在紫外光的激发下吸收能量发生能级跃迁，处于激发态的电子不稳定又回到基态并释放出光子，使得该光致发光过程产生宽光谱的荧光。由于金属纳米颗粒具有窄带增效特性，荧光经过金属纳米颗粒共振增强并形成窄带光致发光光谱。由于被测物体温度不同，造成聚合物分子刷材料的舒张或收缩状态不同，进一步造成金属颗粒周围的介质层折射率变化，即温度与聚合物分子刷材料的折射率有确定的对应关系。又因为金属纳米颗粒的局域表面等离激元吸收谱主峰位置与其周围介质折射率对应相关，故金属纳米颗粒的局域表面等离激元吸收谱主峰位置会随被测物体温度的改变产生相应的变化。由于purcell效应，金属纳米颗粒表面等离子体导致发光物质在与金属纳米颗粒窄带峰位置相近的地方那部分光共振增强，荧光颜色改变，最终造成温度传感器的发光颜色变化。

下面通过具体实施例和对比例进一步说明本发明：

1.将本温度传感贴片贴服于待测物体表面，用紫外灯照射贴片表面。

2.人眼直接观察贴片式温度传感器的发光颜色，根据不同颜色与温度的对应关系确定被测物体的温度。

3.使用数码相机对贴片式温度传感器发光面拍照，通过计算机提取照片中像素颜色信息，根据：颜色——局域等离激元共振峰位置——介质折射率——温度的对应关系，确定被测物体的温度或红外线。确定被测物体温度。

另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。