一种表面等离激元湿度传感器的制作方法

本发明涉及湿度探测领域，具体涉及一种表面等离激元湿度传感器。

背景技术：

环境的湿度对材料和器件的性能有着显著的影响。高灵敏度探测环境的湿度有着迫切的需求。传统湿度传感器多是基于电阻变化或电容变化的，探测灵敏度低。

技术实现要素：

为解决以上问题，本发明提供了一种表面等离激元湿度传感器，该湿度传感器包括衬底、凹槽、贵金属膜、湿敏材料部；凹槽设置在衬底上，凹槽周期性排列，贵金属膜设置在衬底和凹槽的表面上，凹槽的侧面为斜面，湿敏材料部设置在凹槽侧面的贵金属膜上；使用时，湿敏材料部在待测环境中吸收水分，从而改变贵金属膜的表面等离激元共振波长，通过共振波长的移动确定环境的湿度。

更进一步地，湿敏材料部的材料为碳纳米管。

更进一步地，湿敏材料部伸出凹槽侧面的贵金属膜，形成突出部。

更进一步地，突出部头部的厚度大于突出部底部的厚度。

更进一步地，贵金属膜的材料为金。

更进一步地，凹槽侧面的倾角大于30度，小于60度。

更进一步地，突出部的长度大于200纳米。

更进一步地，突出部的长度小于500纳米。

更进一步地，贵金属膜的厚度大于100纳米。

更进一步地，衬底的材料为硅。

本发明的有益效果：本发明提供了一种表面等离激元湿度传感器，在衬底上设置凹槽，凹槽周期性排列，贵金属膜设置在衬底和凹槽的表面上，凹槽的侧面为斜面，在凹槽侧面的贵金属膜上设置湿敏材料部。使用时，湿敏材料部在待测环境中吸收水分，改变了贵金属膜附近的介电环境，从而改变贵金属膜的表面等离激元共振波长，通过共振波长的移动确定环境的湿度。由于表面等离激元共振对环境的变化非常敏感，所以本发明的湿度探测灵敏度高，在湿度探测领域具有良好的应用前景。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是表面等离激元湿度传感器的示意图。

图2是又一种表面等离激元湿度传感器的示意图。

图3是再一种表面等离激元湿度传感器的示意图。

图中：1、衬底；2、凹槽；3、贵金属膜；4、湿敏材料部。

具体实施方式

为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。

实施例1

本发明提供了一种表面等离激元湿度传感器，如图1所示，该湿度传感器包括衬底1、凹槽2、贵金属膜3、湿敏材料部4。凹槽2设置在衬底1上，也就是说，衬底1的表面具有凹槽2。凹槽2为平行排布。衬底1的材料为硅，便于集成于传统电路中；如果该器件不用于集成，衬底1的材料还可以为二氧化硅等其他材料。凹槽2周期性排列，也就是说凹槽2平行地周期性排列。凹槽2间的周期与器件所采用光源的波长范围相关，光源的波长范围应该覆盖器件的共振波长。贵金属膜3设置在衬底1和凹槽2的表面上。制备时，可以垂直地在具有凹槽2的衬底1表面蒸发镀膜金属即可。贵金属膜3的材料为金或银。优选地，贵金属膜3的材料为金，金具有良好的化学稳定性。凹槽2的侧面为斜面，湿敏材料部4设置在凹槽2侧面的贵金属膜3上。

使用时，应用连续谱光源贵金属膜3，贵金属膜3产生表面等离激元共振。器件置于待测环境中，湿敏材料部4在待测环境中吸收水分，改变了贵金属膜3附近的介电环境，从而改变贵金属膜3的表面等离激元共振波长，通过共振波长的移动确定环境的湿度。由于表面等离激元共振对环境的变化非常敏感，所以本发明的湿度探测灵敏度高，在湿度探测领域具有良好的应用前景。

本发明中，湿敏材料部4设置在凹槽2侧面的贵金属膜3上，当湿敏材料部4吸收水分、改变自身折射率时，不仅改变了衬底1顶部的贵金属膜3对应的共振波长，而且改变了凹槽2底部的贵金属膜3对应的共振波长，可以通过两共振波长的移动，确定待测环境的湿度，提高了探测的准确性。

更进一步地，湿敏材料部4的材料为碳纳米管。碳纳米管具有中空结构，具有非常好的吸收特性。当碳纳米管吸水后，其折射率发生显著变化，所以本发明中优选地采用碳纳米管作为湿敏材料部4的材料，能够实现更高灵敏度的湿度探测。

实施例2

在实施例1的基础上，如图2所示，湿敏材料部4伸出所述凹槽2侧面的贵金属膜3，形成突出部。也就是说，湿敏材料部4突出衬底1的表面，形成悬空状态。当湿敏材料部4吸收水分后，自身重量增加，导致突出部弯曲。相比于未吸收水分时，突出部向衬底1的表面弯曲，导致突出部靠近了衬底1的表面，从而更多地改变了衬底1顶部的贵金属膜3对应的共振波长，提高了湿度探测的灵敏度。

本发明采用碳纳米管作为湿敏材料部4，不仅因为碳纳米管具有良好的吸水性，而且因为碳纳米管具有一定的柔性。

突出部的长度大于200纳米，突出部的长度小于500纳米，以便在湿敏材料部吸水前后，产生更多的形变，即产生更多的弯曲。

更进一步地，凹槽2侧面的倾角大于30度，小于60度，以便在湿敏材料部4吸水前后，突出部与衬底1顶部的贵金属膜3之间的距离发生显著变化，从而使得衬底1顶部的贵金属膜3对应的共振波长发生显著移动，提高探测的灵敏度。

实施例3

在实施例2的基础上，如图3所示，突出部头部的厚度大于所述突出部底部的厚度。也就是说，在图3中，突出部的上部厚、下部薄。这样的设计能够形成“头重脚轻”的效果，当湿敏材料部4吸收水分时，突出部的头部吸收更多的水分，重量增加更多，导致突出部弯曲更多，导致衬底1顶部的贵金属膜3对应的共振波长移动更多，从而提高湿度探测的灵敏度。

更进一步地，贵金属膜3的厚度大于100纳米。以便于形成沿贵金属膜3表面共振的表面等离极化激元，该共振对贵金属膜3表面的介电环境更为敏感，从而提高湿度探测的灵敏度。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

技术特征：

1.一种表面等离激元湿度传感器，其特征在于，包括：衬底、凹槽、贵金属膜、湿敏材料部；所述凹槽设置在所述衬底上，所述凹槽周期性排列，所述贵金属膜设置在所述衬底和所述凹槽的表面上，所述凹槽的侧面为斜面，所述湿敏材料部设置在所述凹槽侧面的贵金属膜上；使用时，所述湿敏材料部在待测环境中吸收水分，从而改变所述贵金属膜的表面等离激元共振波长，通过共振波长的移动确定环境的湿度。

2.如权利要求1所述的表面等离激元湿度传感器，其特征在于：所述湿敏材料部的材料为碳纳米管。

3.如权利要求2所述的表面等离激元湿度传感器，其特征在于：所述湿敏材料部伸出所述凹槽侧面的贵金属膜，形成突出部。

4.如权利要求3所述的表面等离激元湿度传感器，其特征在于：所述突出部头部的厚度大于所述突出部底部的厚度。

5.如权利要求1-4任一项所述的表面等离激元湿度传感器，其特征在于：所述贵金属膜的材料为金。

6.如权利要求5所述的表面等离激元湿度传感器，其特征在于：所述凹槽侧面的倾角大于30度，小于60度。

7.如权利要求6所述的表面等离激元湿度传感器，其特征在于：所述突出部的长度大于200纳米。

8.如权利要求7所述的表面等离激元湿度传感器，其特征在于：所述突出部的长度小于500纳米。

9.如权利要求8所述的表面等离激元湿度传感器，其特征在于：所述贵金属膜的厚度大于100纳米。

10.如权利要求9所述的表面等离激元湿度传感器，其特征在于：所述衬底的材料为硅。

技术总结
本发明提供了一种表面等离激元湿度传感器，在衬底上设置凹槽，凹槽周期性排列，贵金属膜设置在衬底和凹槽的表面上，凹槽的侧面为斜面，在凹槽侧面的贵金属膜上设置湿敏材料部。使用时，湿敏材料部在待测环境中吸收水分，改变了贵金属膜附近的介电环境，从而改变贵金属膜的表面等离激元共振波长，通过共振波长的移动确定环境的湿度。由于表面等离激元共振对环境的变化非常敏感，所以本发明的湿度探测灵敏度高，在湿度探测领域具有良好的应用前景。

技术研发人员：不公告发明人
受保护的技术使用者：西安柯莱特信息科技有限公司
技术研发日：2020.06.19
技术公布日：2020.08.14