專利名稱：一種基于超材料吸收器的光學折射率傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種光學折射率傳感器，特別是基于超材料吸收器的可以實現裸眼檢測的光學折射率傳感器。
背景技術：
超材料(Metamaterial)是一種人工結構材料,通過設計超材料的基本單元結構，使其對電場和磁場產生相應的諧振，原理上可以實現任意大小的介電常數和磁導率。左手材料(Left-handed Metamaterials)的實驗證實，以及電磁隱身斗篷(Cloak)的制備分別被《Science》雜志評為2003年和2006年十大科技進展之一。目前的研究表明，合理的設計超材料基本單元的幾何形狀以及結構參數，可以實現對于入射到超材料表面的電磁波既不反射也不透射，達到電磁波完全吸收的科學標準。超材料由于其靈活的設計方法，已經被廣泛應用到傳感器領域。其基本原理是背景介質的折射率不同，會引起超材料諧振頻率的偏移。根據這種設計思想，研究者們已經在微波、THz以及紅外等頻段實現了基于超材料的傳感器。由于可見光波段的超材料很難用自上而下的物理刻蝕方法制備，目前尚未有可見光波段的超材料傳感器。發(fā)明內容本發(fā)明的目的是基于超材料吸收器的設計思想，提出一種用非完全光譜來實現可用于裸眼檢測的光學折射率傳感器。該超材料吸收器由納米尺度的銀多孔薄膜、PVA薄膜和銀鏡組成。當白光入射到吸收器表面時，會在上下表面干涉，由于特定波長的光被吸收器吸收，干涉條紋為非完全光譜。這種超材料吸收器可以用來實現對液體的折射率的裸眼檢測，將被測液體放在吸收器表面，折射率的變化會引起干涉條紋的顏色以及寬度的變化。


圖1可見光超材料吸收傳感器的結構示意圖。圖2 (a)可見光超材料吸收器的制備流程，(b)實際制備的可見光超材料吸收傳感器的照片圖3 (a)多孔薄膜A-1的SEM圖，(b)可見光超材料吸收傳感器B_1的反射和吸收曲線。圖4 (a)多孔薄膜A-2的SEM圖，(b)可見光超材料吸收傳感器B_2的反射和吸收曲線。圖5基于超材料吸收器的光學折射率傳感器的裸眼檢查圖(a)空氣界面，(b)折射率為1. 31的液體，(a))折射率為1. 34的液體，(a))折射率為1. 44的液體。
具體實施例方式1.多孔銀膜的制備用膜轉移法將聚苯乙烯小球自組裝涂覆在ITO玻璃基板上。然后，用電沉積法將銀沉積在ITO玻璃上，在這一步中，孔狀結構的半徑以及銀膜厚度可以通過控制沉積時間來調節(jié)。沉積了銀以后，用CH2Cl2溶液溶解聚苯乙烯小球，則得到多孔的銀膜。2.超材料吸收器的制備在另一片ITO玻璃上沉積一定厚度的銀做成銀鏡，再用提拉法在銀鏡上面涂覆納米尺度的PVA薄膜。PVA薄膜的厚度可以通過控制PVA濃度以及提拉速度來實現。將上述的多孔銀膜，PVA薄膜和銀鏡面對面粘貼在一起，就得到了三層結構的超材料吸波傳感器，其中PVA薄膜是作為絕緣隔離層。3.折射率傳感器的實現將不同折射率的溶液滴在超材料吸收傳感器表面，干涉條紋的顏色和寬度會隨著折射率的不同產生相應的變化，可以直接實現裸眼檢測。本發(fā)明的實現過程和材料性能由實施例和

實施例一用膜轉移法將直徑為200nm的聚苯乙烯小球自組裝涂覆在ITO玻璃基板上。然后用電沉積將銀沉積在ITO玻璃上，控制沉積時間保證銀膜厚度為20nm。沉積了銀以后，用CH2Cl2溶液溶解聚苯乙烯小球，則得到多孔的銀膜A-1。在另一片ITO玻璃上沉積厚度為40nm的銀做成銀鏡，再用提拉法在銀鏡上面涂覆20nm厚的PVA薄膜。將上述的多孔銀膜，PVA薄膜和銀鏡面對面粘貼在一起，就得到了三層結構的超材料吸波傳感器B-1。超材料吸收傳感器B-1的反射和吸收曲線如圖3(b)所示。圖中可以看出，在600nm附近，實驗得到的反射率最小值為O. 247，吸收率最大值為75. 3%。從圖5中看出，將不同折射率的溶液滴在超材料吸收器B-1表面，可以觀察到干涉條紋的顏色和寬度會隨著折射率的不同產生相應的變化。實施例二用膜轉移法將直徑為130nm的聚苯乙烯小球自組裝涂覆在ITO玻璃基板上。然后用電沉積將銀沉積在ITO玻璃上，控制沉積時間保證銀膜厚度為30nm。沉積了銀以后，用CH2Cl2溶液溶解聚苯乙烯小球，則得到多孔的銀膜A-2。在另一片ITO玻璃上沉積厚度為40nm的銀做成銀鏡，再用提拉法在銀鏡上面涂覆20nm厚的PVA薄膜。將上述的多孔銀膜，PVA薄膜和銀鏡面對面粘貼在一起，就得到了三層結構的超材料吸波傳感器B-2。超材料吸收傳感器B-2的反射和吸收曲線如圖4(b)所示。圖中可以看出，在520nm附近，實驗得到的反射率最小值為O. 365，吸收率最大值為63. 5%。綜上所述，本發(fā)明中借助于可見光波段的超材料吸收器得到不完全的干涉光譜，以此來實現光學折射率傳感器。對于不同折射率的溶液，可以不借助于儀器，直接觀察到干涉條紋的顏色和寬度的變化，即實現裸眼檢查。以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實施例而已，當不能以此限定本發(fā)明實施的范圍，即大凡依本發(fā)明權利要求及發(fā)明說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發(fā)明專利覆蓋的范圍內。
權利要求
1.一種基于超材料吸收器的光學折射率傳感器，該折射率傳感器由納米尺度的銀多孔薄膜、PVA薄膜和銀鏡組成，其主要特征是由PVA絕緣薄膜兩邊分別為銀膜，一面為納米厚度的多孔銀膜，另一面保持為納米厚度的銀膜，通過改變多孔銀膜的孔半徑、品格常數以及厚度，使其對可見光波產生極高的吸收率。
2.根據權利要求1所述的基于超材料吸收器的光學折射率傳感器，其特征是多孔銀膜的孔半徑為50 200nm，晶格常數為100 600nm，多孔銀膜的厚度為10 60nm，PVA薄膜的厚度為10 60nm，銀膜的厚度為20 lOOnm。
3.根據權利要求1所述的超材料吸收器的光學折射率傳感器，其特征是傳感器可工作于390 780nm的波長范圍內，對液體的裸視折射率的探測范圍為1. O 1. 6。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于超材料吸收器的光學折射率傳感器。該超材料吸收器由納米尺度的銀多孔薄膜、PVA薄膜和銀鏡組成。當白光入射到吸收器表面時，會在上下表面干涉，由于特定波長的光被吸收器吸收，干涉條紋為非完全光譜。這種超材料吸收器可以用來實現對液體的折射率的裸眼檢測，將被測液體放在吸收器表面，折射率的變化會引起干涉條紋的顏色以及寬度的變化。這種基于超材料吸收器的光學折射率傳感器結構簡單、制備方便，為光學折射率傳感器的設計和應用提出了新的方法。
文檔編號G01N21/45GK103063607SQ20111032161
公開日2013年4月24日 申請日期2011年10月20日 優(yōu)先權日2011年10月20日
發(fā)明者趙曉鵬, 朱衛(wèi)仁, 王曉農, 洪剛, 羅春榮 申請人:西北工業(yè)大學