[发明专利]一种双程表面等离子共振的光学薄膜气体传感器及其制法

说明书

本发明公开了一种双程表面等离子共振的光学薄膜气体传感器，所述传感器包括高反射镜、Ag膜、TiO₂膜、棱镜和反应气室，棱镜包括第一侧面、第二侧面和第三侧面，第一侧面上覆盖高反射镜，第二侧面上覆盖Ag膜，Ag膜的表面覆盖TiO₂膜，TiO₂膜与反应气室相连，高反射镜能够使得沿第三侧面入射到其表面的光沿原路返回。本发明还公开了一种双程表面等离子共振的光学薄膜气体传感器的制备方法。本发明选择对折射率变化具有良好的折射率响应和高灵敏度的银和二氧化钛为气敏膜，二氧化钛不仅可以保护敏感膜不被氧化，还可以谐调共振波长；传感器的制备工艺简单，易于批量生产，性能好，灵敏度高，模块化，操作简单，使用范围广。

技术领域

本发明涉及传感器及其制法，具体为一种双程表面等离子共振的光学薄膜气体传感器及其制法。

背景技术

气体传感器在环境监测、工业生产安全、生物医学诊断等领域有着广泛的应用前景，光学气体传感器，特别是结合光纤和纳米材料的光学气体传感器灵敏度高、性价比高、简单而可靠，更具应用价值。光学气体传感器的原理是敏感材料与目标物质气体的相互作用改变传感器的光学性质。光学气体传感器的性能很大程度上取决于敏感材料的物理化学性质，近年来敏感材料为金属氧化物材料的光学气体传感器带来新的发展。

表面等离子体共振效应(SPR)对外界环境变化极其敏感，SPR谐振强度随环境介质折射率变化而强烈变化，所以SPR传感器被认为是研究表面相互作用以及检测气体和生物材料的有利工具。与传统的气体检测方法相比，具有检测实时快速、无需标记样品、检测方便快捷、灵敏度高、能在不透明的样品中进行检测等优点。

Kretschmann型SPR传感器将高折射率棱镜用作耦合设备，棱镜的基底镀有贵金属层，触发SPR，并使得入射光波与表面等离基元之间的相位匹配。然而，在环境空气和潮湿环境中银的降解会改变金属成分，限制了一些应用。

发明内容

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种双程表面等离子共振的光学薄膜气体传感器，本发明的另一目的是提供一种双程表面等离子共振的光学薄膜气体传感器的制法。

技术方案：本发明所述的一种双程表面等离子共振的光学薄膜气体传感器，包括高反射镜、Ag膜、TiO₂膜、棱镜和反应气室，棱镜包括第一侧面、第二侧面和第三侧面，第一侧面上覆盖高反射镜，第二侧面上覆盖Ag膜，Ag膜的表面覆盖TiO₂膜，TiO₂膜与反应气室相连，高反射镜能够使得沿第三侧面入射到其表面的光沿原路返回。

Ag膜的厚度为45～50nm。TiO₂膜的厚度为90～110nm。第一侧面、第二侧面形成的夹角为60°。棱镜为等边棱镜。

反应气室包括进气口、出气口、支撑条和腔体，腔体的两个相对侧面分别设置进气口和出气口，方便废气排出。为避免敏感膜直接接触底面和保证气密性，腔体的顶部相对两个侧面上设置支撑条，支撑条与TiO₂膜相连。反应气室内的气体为氢气。

上述双程表面等离子共振的光学薄膜气体传感器的制备方法，包括以下步骤：

a、准备玻璃基片，切割玻璃基片，大小同棱镜接触面，先后利用丙酮、乙醇、去离子水超声清洗，用氮气烘干备用，玻璃基片与棱镜的材质相同；

b、通过磁控镀膜技术先后制备Ag膜和TiO₂膜，先将玻璃基片放置在直流磁控溅射的基板上，溅射厚度为45～50nm的Ag膜，接着再放置在反应室的射频反应溅射的基板上溅射厚度为90～110nm的TiO₂膜，溅射TiO₂膜时保持基板温度为240～250℃；

c、在棱镜的第一侧面镀上一层高反射膜，形成高反射镜；