一种基于表面等离激元的温度探测装置的制作方法

1.本发明属于温度探测领域，特别是涉及一种基于表面等离激元的温度探测装置。


背景技术：

2.目前，温度传感器在安全生产中具有重要作用。比如，在实验室与温度相关的仪器，温控的试验箱、高温炉；在生产中与温度相关的场所，矿井下的温度、工作车间的温度等。但传统的温度传感器多数都是靠电信号的变化实现的，而基于电信号变化的温度传感器在实际应用中受到很大的限制，一方面电信号的使用会对某些环境(如煤矿)造成额外的安全隐患，另一方面在恶劣环境下使用时受环境的干扰较大且探测精度不高。


技术实现要素：

3.为了克服现有的传感器在恶劣环境下使用时受环境的干扰较大、探测的精度不高等问题，本发明提供了一种基于表面等离激元的温度探测装置，避免了在恶劣环境下使用误差较大、探测精度低的问题。
4.本发明的目的通过以下的技术方案实现：
5.一种基于表面等离激元的温度探测装置，所述基于表面等离激元的温度探测装置包括透明弹性材料层、金属阵列结构和热膨胀材料块；
6.所述金属阵列结构设置在所述透明弹性材料层上；
7.所述金属阵列结构由周期性排布的金属单元组成，金属单元上设置有缺口；
8.所述金属单元和金属单元之间有缝隙；
9.所述热膨胀材料块设置在所述缺口内；
10.所述热膨胀材料块由于温度的改变发生膨胀，所述缝隙变窄，从而导致出射光谱中共振谷的位置发生移动，通过共振谷的位置移动，实现温度探测。
11.可选的，所述缺口为矩形，所述缺口贯穿所述金属单元。
12.可选的，所述缺口为梯形，所述缺口贯穿所述金属单元。
13.可选的，还包括弹光材料，所述弹光材料设置在所述缝隙内。
14.可选的，所述缝隙的宽度为100nm
‑
200nm。
15.可选的，还包括金属颗粒，所述金属颗粒为多个，所述金属颗粒设置在所述缝隙顶部的两侧和所述热膨胀材料块上。
16.可选的，所述金属阵列结构的材料为贵金属材料。
17.可选的，所述热膨胀材料块的材料为乙烯
‑
乙酸乙烯酯聚合物。
18.可选的，所述弹光材料为锆钛酸铅镧。
19.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
20.1.所述热膨胀材料块由于温度的改变发生膨胀，所述缝隙变窄，从而导致出射光谱中共振谷的位置发生移动，通过共振谷的位置移动，实现温度探测。
21.2.基于表面等离激元的探测，器件的结构都是纳米级别的，装置结构简单，体积
小，方便集成。
22.3.本探测装置通过探测光信号来实现温度的探测，一方面避免了电信号的使用会对某些环境(如煤矿)造成额外的安全隐患，另一方面在恶劣环境下使用时受环境的干扰较小。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
24.图1为实施例1一种基于表面等离激元的温度探测装置的截面图；
25.图2为实施例2一种基于表面等离激元的温度探测装置的截面图；
26.图3为实施例3一种基于表面等离激元的温度探测装置的截面图；
27.图4为实施例4一种基于表面等离激元的温度探测装置的截面图。
28.符号说明：
[0029]1‑
透明弹性材料层，2
‑
金属单元，21
‑
第一金属块，22
‑
第二金属块，3
‑
热膨胀材料块，4
‑
缝隙，5
‑
金属颗粒。
具体实施方式
[0030]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0031]
本发明的说明书和权利要求书以及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解，这样描述的对象在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
[0032]
在本发明中，下文论述的附图以及用来描述本发明公开的原理的各实施例仅用于说明，而不应解释为限制本发明公开的范围。所属领域的技术人员将理解，本发明的原理可在任何适当布置的系统中实施。将详细说明示例性实施方式，在附图中示出了这些实施方式的实例。此外，将参考附图详细描述根据示例性实施例的终端。附图中的相同附图标号指代相同的元件。
[0033]
本发明说明书中使用的术语仅用来描述特定实施方式，而并不意图显示本发明的概念。除非上下文中有明确不同的意义，否则，以单数形式使用的表达涵盖复数形式的表达。在本发明说明书中，应理解，诸如“包括”、“具有”以及“含有”等术语意图说明存在本发明说明书中揭示的特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性，而并不意图排除可存在或可添加一个或多个其他特征、数字、步骤、动作或其组合的可能性。附图中的相同参考标号指代相同部分。
[0034]
本发明的目的是提供一种基于表面等离激元的温度探测装置，使得温度的探测精
度更高并且该探测器可以在恶劣环境下使用。
[0035]
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
[0036]
实施例1
[0037]
如图1所示，基于表面等离激元的温度探测装置，包括透明弹性材料层1、金属阵列结构和热膨胀材料块3；所述金属阵列结构设置在所述透明弹性材料层1上；所述金属阵列结构由周期性排布的金属单元2组成，金属单元2上设置有缺口；所述金属单元2和金属单元2之间有缝隙4；所述热膨胀材料块3 设置在所述缺口内。
[0038]
热膨胀材料块的材料为乙烯
‑
乙酸乙烯酯聚合物，热膨胀系数大，热膨胀材料块温度变化与长度变化成比例，以便于实现更高灵敏度的温度探测。
[0039]
透明弹性材料层的材料为聚二甲基硅氧烷，使得光可以透过透明弹性材料层，便于测试该装置的透射光谱。
[0040]
本装置的原理如下：
[0041]
光照射在周期性排布的金属阵列结构上时，光和周期性排布的金属阵列结构相互作用，金属阵列结构表面形成等离激元共振，通过探测透射光的信号，得到透射谱线。透射光的强度、以及透射谱线中峰谷移动依赖于金属结构阵列的形状，以及金属阵列结构单元的间距的变化。本发明基于这一特性，通过温度的改变进而热膨胀材料块3发生形变，也就是说温度升高热膨胀材料块3 发生膨胀。金属单元受到热膨胀材料块3的膨胀的推力，导致缝隙4的变窄，从而导致从缝隙4中的表面等离激元共振的波长红移，导致谱线中共振谷的位置发生红移。
[0042]
由于热膨胀材料块3的热膨胀系数大，热膨胀材料块温度变化与长度变化成比例。也就是说通过温度改变缝隙4的宽度，改变金属单元之间的耦合，从而实现高精度的检测。温度的变化对应共振谱线的红移。本发明基于表面等离激元实现温度的探测，通过谱线的共振谷的移动实现温度的探测，探测的精度高，装置结构简单，体积小，方便集成。
[0043]
缝隙4之间的距离为100nm
‑
200nm，方便金属单元2之间实现耦合，能够在缝隙4内产生强的表面等离激元共振。当缝隙4的距离小于100nm时，制作的难度较高；当缝隙4的距离大于200nm时，金单元的之间的耦合较弱，也就是说热膨胀材料块3的膨胀对金属单元之间的耦合的改变并不明显，探测的灵敏度不高，所以金属单元之间的缝隙间距设置为100nm到200nm之间。
[0044]
金属阵列结构的材料为贵金属材料，在光照下贵金属材料可以产生表面等离激元共振，贵金属材料优选的为金、银。
[0045]
在本实施例中，不限制缺口的形状，所以制备简单。当将缺口的尺寸扩大时，缝隙4的宽度能够变化更多，从而更多地移动透射光谱中的透射谷，从而实现高灵敏度的温度探测。
[0046]
实施例2
[0047]
如图2所示，基于表面等离激元的温度探测装置，包括透明弹性材料层1、金属阵列结构和热膨胀材料块3，金属阵列结构设置在所述透明弹性材料层1 上；金属阵列结构由周期性排布的金属单元组成，所述金属单元上设置有贯穿的缺口，该缺口的截面为矩形。将金属单元分为第一金属块21和第二金属块 22，所述热膨胀材料块3设置第一金属块21和第二
金属块22之间的缺口内。也就是说热膨胀材料块3和透明弹性材料层1相接触，热膨胀材料块3的膨胀会带动透明弹性材料层1的形变。
[0048]
具体的在本发明中，光照射在金属阵列结构上，光和周期性排布的金属阵列结构相互作用，金属阵列结构上形成等离激元共振。温度升高时，热膨胀材料块3发生膨胀，由于缺口贯穿金属单元2，热膨胀材料3和透明弹性材料层 1相互接触，热膨胀材料块3的膨胀，一方面挤压金属单元的第一金属块21 和第二金属块22向外移动，使得缝隙4的距离变窄，使得透射光谱中的透射谷的位置发生红移。通过探测共振谷的红移，实现温度的探测。缺口贯穿金属单元使得热膨胀材料块3和透明的弹性材料层1直接接触，使得谱线红移的量更大，探测精度更高。
[0049]
更进一步地，所述缝隙4中还设置有弹光材料，具体的弹光材料为锆钛酸铅镧，外界的温度改变，热膨胀材料块3的膨胀量发生改变，缝隙4宽度发生改变，也就是说当温度升高时热膨胀材料块3发生膨胀，金属单元2和金属单元2之间的距离变窄，并且热膨胀材料块3的膨胀给第一金属块21和第二金属块22施加作用力，作用力作用到弹光材料上，各项同性的弹光材料变为各项异性的弹光材料，也就是说弹光材料的折率发生改变。具体而言，温度的升高一方面使得热膨胀材料块3发生膨胀，缝隙4的宽度变窄。另一方面使得弹光材料的折射率改变，温度越高，受的力越大，弹光材料的折射率就越高，金属单元之间的耦合改变，谱线红移。因此，弹光材料的引入，增加了透射谱中共振的谷的红移的量，使得探测的精度更高。
[0050]
实施例3
[0051]
在实施例2的基础上，本发明与实施例2的区别仅在于，如图3所示，该实施例金属单元上的缺口为梯形，所述缺口贯穿所述金属单元，增加了与第一金属块21和第二金属块22的接触面积，另外金属块受到的热膨胀材料块3 膨胀的推力不在均匀，第一金属块21和第二金属块22上端受到的推力增加，第一金属块21和相邻第二金属块22之间缝隙4变为倒楔形，光通过缝隙之间透射的量减小。缺口为梯形，在温度的改变下缝隙4改变的量更大，谱线的红移更加明显，对温度探测的精度更高。
[0052]
实施例4
[0053]
在实施3的基础上，本发明与实施3的区别仅在于，如图4所示，还包括金属颗粒5，所述金属颗粒5为多个，所述金属颗粒设置在所述缝隙4顶部的两侧和所述热膨胀材料块3上。热膨胀材料块3膨胀，一方面改变了金属颗粒 5和金属单元之间的共振距离，热膨胀材料块膨胀共振的距离增大，金属颗粒散射对应的谱线红移；另一方面金属颗粒的设置使得靠近缝隙处的光被散射，导致金属单元缝隙之间的光强减弱，透射的光减小，使得探测光谱的中共振谷的更加明显，测量更加的精确。
[0054]
本探测装置通过探测光信号来实现温度的探测，一方面避免了电信号的使用会对某些环境(如煤矿)造成额外的安全隐患，另一方面在恶劣环境下使用时受环境的干扰较小。
[0055]
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
[0056]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据
本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。