基于表面等离子体共振技术的传感器研究

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1、基于表面等离子体共振技术的传感器研究刘景海2016年1月中图分类号：O436.1UDC分类号：535.5基于表面等离子体共振技术的传感器研究作者姓名刘景海学院名称机械与车辆学院指导教师陈强华答辩委员会主席王晓力申请学位工学硕士学科专业机械工程学位授予单位北京理工大学论文答辩日期2016年1月ResearchonSensorsBasedonSurfacePlasmonResonanceCandidateName：LiuJinghaiSchoolorDepartment:MechanicalEngineeringFacultyMentor:QianghuaChenChair,ThesisC

2、ommittee：XiaoliWangDegreeApplied:MasterofEngineeringMajor：MechanicalEngineeringDegreeby:BeijingInstituteofTechnologyTheDateofDefence：Jan，2016研究成果声明本人郑重声明：所提交的学位论文是我本人在指导教师的指导下进行的研究工作获得的研究成果。尽我所知，文中除特别标注和致谢的地方外，学位论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京理工大学或其它教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的合作者对此研究工作所做的任何贡献均已在学

3、位论文中作了明确的说明并表示了谢意。特此申明。签名：日期：摘要本文的主要工作是研究基于表面等离子共振技术（SurfacePlasmonResonance,SPR）的传感器，SPR传感器的主要原理是表面等离子波对界面处介质成分折射率的微小变化非常敏感，具有测量精度高、测量速度快、抗干扰能力强等优势，目前已广泛应用于在生物医学、机械、化学、环境监测等诸多领域。由于工业技术的快速发展和需求的不断提高，对于SPR传感器的要求也越来越高，本课题组的目标是对SPR传感器的性能进一步提高。制约SPR传感器发展的主要有理论研究、结构设计、实际应用等方面，本文从上述几个方面进行了研究分析。通过对理论分析

4、说明了表面等离子波产生和激发表面等离子共振的条件，通过对比不同的激发方式不同信号调制技术，表明相位调制SPR传感器灵敏度最高，但是需要解决的问题也最多。然后通过软件对“棱镜层-金属膜层-被测介质层”的SPR传感器结构模型优化分析计算，确定本实验系统采用的结构和参数。最终设计了一种基于表面等离子体共振和相位检测的气体折射率实时测量系统，该系统采用双频激光外差干涉光路和具有角漂移自适应结构的表面等离子体共振传感器。理论分析表明测量光信号的P、S分量的相位差相对于参考光信号的变化与空气折射率近似呈线性关系，并由此得到测量公式，传感器的自适应结构将角漂移引起的误差降低了一个数量级并大幅提高了测

5、量灵敏度。本文用该系统完成空气折射率的检测和二氧化碳气体折射率的检测，实验结果表明与相应标定公式表明，气体折射率的测量精度达到预期目标。同时设计并搭建了基于双频激光外差干涉光路的液体折射率测量系统，通过甘油溶液折射率测量实验表明其与理论分析结果一致，且与其他方法的结果吻合。所涉及测量系统的精度能够满足目前相应的领域，具有较好的实际应用价值。关键词：表面等离子体共振（SPR）；传感器；激光干涉测量；相位测量；气体折射率；液体折射率IAbstractThemainworkofthispaperistostudysensorbasedonsurfaceplasmonresonance(SPR

6、).TheprincipleoftheSPRsensorissurfaceplasmawaveexhibitsextremelyhighsensitivitytotherefractiveindexofthesurfacelayersabovetheinterface—supportingmetalfilmsandthetesttarget.Foritsmanyadvantages,suchashighsensitivity,fastandreliability,sensorsbasedonSPRhavebeenwidelyusedinbiosensing,mechanical,che

7、micalanalysis,environmentalmonitoringandotherareas.Withthefastdevelopmentofindustrialtechnology,newsensorsonbettersensitivity,moreintegratedandmoreportableisveryimportant.Thegoalofthisprojectistoimprovetheperforenceofsensors