一种基于混合等离子体波导的温度传感器的制作方法

本实用新型涉及光通信技术及传感领域，具体是一种基于混合等离子体波导的温度传感器。

背景技术：

表面等离子体激元（Surface plasmon polaritons，简称SPPs）是通过改变金属表面的亚波长结构实现的一种光波与可迁移的表面电荷之间电磁模，可以支持金属与介质界面传输的表面等离子波。基于SPP的器件具有尺寸小、响应快、且不受衍射极限的限制，这种独特的性质，使其在纳米量级操纵光能量、高灵敏度传感器、高响应且抗磁干扰等领域发挥着至关重要的作用。

《Proc Spie》刊载了“Overview of plasmonic sensors and their design methods”一文，Sookyoung Roh团队提出了基于方形纳米孔阵列的传感器，灵敏度为300nmRIU^-1；《纳米·快报》在2010年刊载了“Planar Metamaterial Analogue of Electromagnetically Induced Transparency for Plasmonic Sensing”一文，提出了基于平面超材料的传感器灵敏度可达 588nmRIU^-1；同年，在“Effects of Coherent Interactions on the Sensing Characteristics of Near-Infrared Gold Nanorings”一文中，基于纳米环的传感器灵敏度为637.3 nmRIU^-1。然而，目前，尽管研究人员对灵敏度进行不断的提升，但是灵敏度仍然较低，同时传感器的制备方法过于复杂，并且填充传感介质十分困难，难于满足大规模生产的要求。

技术实现要素：

本实用新型的目的是针对现有技术的不足，而提供一种基于混合等离子体波导的温度传感器。这种表面等离子传感器不仅体积小、响应快、制备过程简单，同时还能提高灵敏度和Q值，实现生物、医学检测领域的纳米级传感。

实现本实用新型目的的技术方案是：

一种基于混合等离子体波导的温度传感器，与现有技术不同的是，包括自下而上顺序叠接的基底层、低折射率缓冲层、硫化物层和金属层，所述金属层的上表面中心部位由上自下设有中空的圆柱状谐振腔，以谐振腔的中轴线为基准对称设有第一凹陷直波导和第二凹陷直波导，所述谐振腔的内径大小可调。

所述基底层为树脂聚合物层。

所述低折射率缓冲层为聚甲基丙烯酸甲酯膜，即PMMA膜，PMMA膜采用电泳的方法沉积在基底层上。

所述硫化物层为单层二硫化钼，采用化学气相沉积法制备。

所述金属层为银层。

所述第一凹陷直波导和第二凹陷直波导均为苯并环丁烯，即BCB，近红外波段的入射光由第一凹陷直波导入射，由第二凹陷直波导出射。

所述金属层采用刻蚀的方法，先刻蚀出谐振腔然后再刻蚀出两侧对称的第一凹陷直波导和第二凹陷直波导。

所述谐振腔内部设有温度传感介质。

近红外波段的入射光由第一凹陷直波导的一侧入射时，由于第一凹陷直波导两侧为金属Ag，所以SPPs可以被典型的金属-介质-金属结构激发，SPPs沿着第一凹陷直波导向谐振腔处传播，在满足谐振腔共振频率时，SPPs会耦合到谐振腔中，从而进一步往第二凹陷直波导传递，但是，当入射波长不满足谐振频率时，SPPs则不被激发，并且不能耦合到谐振腔，光波截止于入射侧波导。

本技术方案中，谐振波长及透射率可以通过调节谐振腔的内径大小来进行相应的定量调节，从而达到光学滤波的性能，谐振腔中的感温介质可以是任意具有高热光系数的液体感温材料，由于液体感温材料的折射率与温度呈线性的关系，所以当环境温度的改变时，会导致感温材料的折射率改变，从而影响谐振条件。

结合严格的数学理论及SPPs耦合理论分析，可以得到谐振波长与温度呈现线性关系，即随着温度的增加，谐振波长会发生红移，红移的量也可以根据本技术方案结构参数得到精确的控制。

所以反过来，在实际应用中，当结构的参数固定时，由于环境温度的改变，会使得传感材料的折射率发生变化，进而影响谐振波长的变化，通过频谱仪测量谐振波长的移动量，然后可以精确的得到环境的温度变化量。

这种传感器通过改变谐振腔的大小来改变传感器的谐振波长，从而实现该传感器的多波长工作的应用。

这种传感器可以精确的用于检测环境温度的微小变化，并且根据需要设定耦合后光的波长及投射率。

SPPs具有响应快、体积小的特性，所以所述器件可以用于纳米量级的实时温度传感等领域。

这种表面等离子传感器不仅体积小、响应快、制备过程简单，同时还能提高灵敏度和Q值，实现生物、医学检测领域的纳米级传感。

附图说明

图1为实施例的结构示意图。

图中，1.基底层 2.低折射率缓冲层 3.硫化物层 4.金属层 5-1.第一凹陷直波导 5-2.第二凹陷直波导 6.谐振腔。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型内容作进一步阐述，但不是对本实用新型的限定。

实施例：

参照图1，一种基于混合等离子体波导的温度传感器，包括自下而上顺序叠接的基底层1、低折射率缓冲层2、硫化物层3和金属层4，所述金属层4的上表面中心部位由上自下设有中空的圆柱状谐振腔6，以谐振腔6的中轴线为基准对称设有第一凹陷直波导5-1和第二凹陷直波导5-2，所述谐振腔6的内径大小可调。

所述基底层1为树脂聚合物层。

所述所述低折射率缓冲层2为聚甲基丙烯酸甲酯膜，即PMMA膜，PMMA膜采用电泳的方法沉积在基底层1上。

所述硫化物层3为单层二硫化钼，采用化学气相沉积法制备。

所述金属层4为银层。

所述第一凹陷直波导5-1和第二凹陷直波导5-2均为苯并环丁烯，即BCB，近红外波段的入射光由第一凹陷直波导5-1入射，由第二凹陷直波导5-2出射。

所述金属层4，采用刻蚀的方法，先刻蚀出谐振腔6，然后再刻蚀出两侧对称的第一凹陷直波导5-1和第二凹陷直波导5-2。

所述谐振腔6的内部设有温度传感介质。

近红外波段的入射光由第一凹陷直波导5-1的一侧入射时，由于第一凹陷直波导5-1两侧为金属Ag，所以SPPs可以被典型的金属-介质-金属结构激发，SPPs沿着第一凹陷直波导5-1向谐振腔6处传播，在满足谐振腔6共振频率时，SPPs会耦合到谐振腔6中，从而进一步往第二凹陷直波导5-2传递，但是，当入射波长不满足谐振频率时，SPPs则不被激发，并且不能耦合到谐振腔6，光波截止于入射侧波导。

本例中，谐振波长及透射率可以通过调节谐振腔的内径大小来进行相应的定量调节，从而达到光学滤波的性能，谐振腔6中的感温介质可以是任意具有高热光系数的液体感温材料，由于液体感温材料的折射率与温度呈线性的关系，所以当环境温度的改变时，会导致感温材料的折射率改变，从而影响谐振条件。

结合严格的数学理论及SPPs耦合理论分析，可以得到谐振波长与温度呈现线性关系，即随着温度的增加，谐振波长会发生红移，红移的量也可以根据本例的结构参数得到精确的控制。

所以反过来，在实际应用中，当结构的参数固定时，由于环境温度的改变，会使得传感材料的折射率发生变化，进而影响谐振波长的变化，通过频谱仪测量谐振波长的移动量，然后可以精确的得到环境的温度变化量。