一种湿度传感装置和系统

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体涉及一种湿度传感装置和系统。

背景技术

表面等离子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)是一种光学现象。多年来，表面等离子体共振技术应用于生物传感器的研究热度很高。基于SPR技术的传感器对外界环境折射率的变化十分敏感，由于其具有高灵敏度、分辨率高、动态范围广、能进行实时检测、易于制作等优点而被广泛应用于生物、化学和医疗等领域。

现存的基于表面等离子共振的湿度传感装置虽然相较于其他光学湿度传感技术具有测量精度高、不易被污染等优点，但其金属膜缺少辅助贴合以及保护结构，难以加工并容易损坏。此外，现有的基于表面等离子共振的湿度传感装置还是无法满足高精度湿度测量，并且测量过程中缺乏校准组、误差较大、测量结果可靠性较低。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提出了一种湿度传感装置和系统，基于表面等离子共振现象，具有较高测量精度以及可靠度，并且整体结构较为不易损坏。

第一方面，本发明实施例提供了一种湿度传感装置，所述湿度传感装置包括：

棱镜，包括第一侧面、第二侧面和底面；

金属膜，靠近所述底面一侧设置；

增敏层，沉积在所述金属膜远离所述棱镜一侧，所述增敏层包括二维材料层和钨化物层；

传感层，包括聚乙烯醇和J聚集体，所述传感层设置于所述增敏层远离所述金属膜一侧。

进一步地，所述二维材料层沉积在所述金属膜上，所述钨化物层沉积在所述二维材料层上，所述二维材料层和所述钨化物层组成范德华异质结。

进一步地，所述二维材料层包括锑烯和石墨烯中的一种，所述钨化物层包括二硫化钨和二钼化钨中的一种。

进一步地，所述传感层的制备方法为：

配置质量分数为0.5％的聚乙烯醇水溶液；

向聚乙烯醇水溶液中加入J聚集体，加至溶液中J聚集体的浓度大于50μmol/L；

将配置的溶液旋涂在所述增敏层上；

静置至旋涂层干燥。

进一步地，所述J聚集体包括罗丹明B和5,6-二氯-2-[[5,6-二氯-1-乙基-3-(4-磺基丁基)-苯并咪唑-2-亚基]-丙烯基]-1-乙基-3-(4-磺基丁基)苯并咪唑鎓氢氧化物内盐中的任意一种。

进一步地，所述湿度传感装置还包括与所述棱镜材质相同的玻璃片，所述玻璃片具有相对的第一面和第二面；

其中，所述第一面与所述棱镜的所述底面相接，所述金属膜附着在所述第二面上。

进一步地，所述金属膜为金、银、铝或金银铝中任意两种材料构成的复合材料。

第二方面，本发明实施例提供了一种湿度传感系统，所述湿度传感系统包括：

光源；

偏振光处理系统，位于所述光源一侧，所述偏振光处理系统将接收到的光处理为S偏振光和P偏振光；

如第一方面所述的湿度传感装置，位于所述偏振光处理系统一侧，所述湿度传感装置反射所述偏振光处理系统处理得到的S偏振光和P偏振光；

相机，设置在所述湿度传感装置一侧，用于捕捉所述湿度传感装置反射出的光；

计算机，与所述相机电连接，用于接收相机检测的光信号，并对信号进行分析处理。

进一步地，所述光源的波长范围为475nm-960nm。

进一步地，所述偏振光处理系统包括单色仪、第一半反射镜、第二半反射镜、第一格兰棱镜对、第二格兰棱镜对、第一反射镜、第二反射镜、半波片和透镜；

其中，光进入所述偏振光处理系统，所述单色仪将光处理为单色光，单色光经过所述第一半反射镜被分解为反射光和折射光，反射光经过所述第一格兰棱镜对和所述半波片得到S偏振光，S偏振光通过第一反射镜反射穿过所述第二半反射镜和所述透镜，折射光经过所述第二格兰棱镜对得到P偏振光，P偏振光通过第二反射镜反射经过所述第二半反射镜的反射穿过所述透镜，所述偏振光处理系统输出S偏振光和P偏振光。

本发明实施例提供了一种湿度传感装置和系统，所述湿度传感装置包括棱镜、金属膜、增敏层、传感层。其中，光线穿过棱镜激发金属膜表面等离子体波，增敏层增强金属膜的表面等离子共振现象，传感层捕捉空气中的水并影响金属膜发生的表面等离子共振现象。此外，传感层通过自身结构对其他部分结构进行保护。通过上述设置，本发明提供一种具有较高测量精度以及可靠度，并且整体结构不易损坏的湿度检测装置。

附图说明

通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：

图1是本发明实施例的湿度传感装置的立体结构示意图；

图2是本发明实施例的湿度传感装置的传感层制备步骤流程图；

图3是本发明实施例的湿度传感系统的元器件关系示意图；

图4是聚乙烯醇的结构式；

图5是罗丹明B的结构式；

图6是5,6-二氯-2-[[5,6-二氯-1-乙基-3-(4-磺基丁基)-苯并咪唑-2-亚基]-丙烯基]-1-乙基-3-(4-磺基丁基)苯并咪唑鎓氢氧化物内盐的结构式；

图7是本发明实施例的湿度传感装置与现有的比例型SPR传感平台的传感性能的效果对比图。

附图标记说明：

1-湿度传感装置；101-入射光；102-出射光；103-第一位置；104-第二位置；

2-棱镜；21-第一侧面；22-第二侧面；23-底面；

3-玻璃片；4-金属膜；5-增敏层；51-二维材料层；52-钨化物层；

6-传感层；7-光源；8-相机；9-计算机；10-单色仪；11-第一半反射镜；12-第二半反射镜；13-第一格兰棱镜对；14-第二格兰棱镜对；15-第一反射镜；16-第二反射镜；17-半波片；18-透镜；19-旋转平台。

具体实施方式

以下基于实施例对本发明进行描述，但是本发明并不仅仅限于这些实施例。在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。为了避免混淆本发明的实质，公知的方法、过程、流程、元件和电路并没有详细叙述。

此外，本领域普通技术人员应当理解，在此提供的附图都是为了说明的目的，并且附图不一定是按比例绘制的。

除非上下文明确要求，否则在说明书中的“包括”、“包含”等类似词语应当解释为包含的含义而不是排他或穷举的含义；也就是说，是“包括但不限于”的含义。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。

SPR(Surface Plasmon Resonance，表面等离子体子共振)是一种物理光学现象。金属中自由电子整体密度的涨落被量子化为等离子体(Plasmon)，金属表面存在的电荷密度就被称为表面等离子体(Surface Plasmon)，表面等离子可以由可见光引发。可见光是一种电磁波，因此当入射的可见光满足一定条件时，表面等离子波与可见光会出现共振现象，从而造成反射光的变化达到变化最大值，在反射光谱上出现共振峰(如反射光的强度、相位等参数)。被检测的物质和金属薄膜表面接触，其介质折射率将会影响共振峰位置。因为物质成分的微小变化都会对应折射率的变化，因此通过测量物质的折射率可以探测到物质成分的变化。

现有技术中，基于表面等离子共振技术的湿度传感装置的金属膜层较薄，在生产加工以及后续使用中容易损坏。传感层多是使用二氧化硅薄膜，二氧化硅薄膜的强度较低，在生产过程中直接粘接到金属膜上，无法对金属膜进行保护，导致器件易被损坏。

图1是本发明实施例的湿度传感装置的立体结构示意图，湿度传感装置1采用Kretschmann结构(克莱舒曼结构)。也即，棱镜-金属-待测介质结构，此种结构构造简单且反应灵敏。如图1所示，湿度传感装置1包括：棱镜2、金属膜4、增敏层5、传感层6。棱镜2包括第一侧面21、第二侧面22和底面23，金属膜4、增敏层5、传感层6依次设置在底面23一侧。当使用湿度传感装置1时，光线从第一侧面21射入至底面23，光线在底面23发生全反射并由第二侧面22射出。

进一步地，棱镜2为三棱镜，用于发生全反射。使用者根据其折射角的变化来检测金属膜4折射率的变化，从而表征表面等离子现象。如图1所示，棱镜2的三个侧面分别为作为入射面的第一侧面21、作为出射面的第二侧面22和设置金属以及待测介质的底面23。图1中入射光101由第一侧面21射入棱镜2以及出射光102由第二侧面22射出棱镜2时发生的折射现象未示出。

在本实施例中，湿度传感装置1还包括与棱镜2材质相同的玻璃片3，玻璃片3作为棱镜2的延伸，玻璃片3表面积较大的相对的两面为第一面和第二面。所述第一面与棱镜2的底面23相接。玻璃片3用于辅助金属膜4平铺并与棱镜2贴合。在本实施例中，在第一面与底面23之间设置折射率匹配液，折射率匹配液填补在玻璃片3与棱镜2的连接处的间隙处，防止折射率变化带来的影响，降低光线在第一面与底面23之间的缝隙中传输时的造成损耗，从而提高SPR的效率。

金属膜4镀在玻璃片3的第二面上。当光线从第一侧面21射入棱镜2和玻璃片3并在第二面与金属膜4接触时，光由光密介质(玻璃片3以及棱镜2)射向光疏介质(金属膜4)，当入射角大于临界角时，其会在交界面上发生全反射。此时，大部分光波会被反射回光密介质(玻璃片3以及棱镜2)，还有一小部分光波(倏逝波)能沿着金属膜4和玻璃片3的交界面传播，其振幅在垂直界面方向会以指数形式衰减。由于入射到金属膜4的倏逝波满足其表面等离子体波的共振条件，满足共振条件的部分光波能量将转化为表面等离子体的振荡能量。由于贵金属纳米粒子的尺寸效应及量子效应通过激发光照射能更好引起表面等离子共振，金属膜4为金、银、铝或金银铝中任意两种材料构成的复合材料构成，金属膜4的厚度在几十纳米左右。在本实施例中，金属膜4为银膜，厚度为43nm。

增敏层5由二维材料层51和钨化物层52构成，其设置在传感层6和金属膜4之间。增敏层5用于隔绝传感层6与金属膜4的直接接触。并通过二维材料层51和钨化物层52之间形成的范德华异质结提升湿度传感装置1的灵敏度。二维材料层51为锑烯和石墨烯中的一种，钨化物层52为二硫化钨和二钼化钨中的一种。在本实施例中，二维材料层51单层的厚度为0.34nm，钨化物层52单层的厚度为0.5nm。在本实施例中，二维材料层51直接沉积在金属膜4上，二维材料层51修饰金属膜4表面时，一些电子从二维材料层51中移动到金属膜4表面，使其费米能级可以保持连续性，从而传感层6中的电场进行了重新分布，进而导致湿度传感装置1的表面等离子共振信号得到了增强。钨化物层52沉积在二维材料层51上，钨化物的二维层状的特点打破了量子限域效应，表面无悬挂键的特点使得其易于构建范德华异质结结构，从而二维材料层51和钨化物层52组成范德华异质结，以最薄的厚度完全覆盖金属膜4并增强了湿度传感装置1的表面等离子共振信号。

在一种实施方式中，二维材料层51可以换为其他二维材料，钨化物层52可以换为其他一种或几种过渡金属硫化物。

优选地，使用锑烯作为二维材料层51，二硫化物作为钨化物层52，或者使用石墨烯作为二维材料层51，二钼化钨作为钨化物层52。锑烯和二硫化物以及石墨烯和二钼化钨的分子能级较为匹配，构成更强的范德华异质结从而对金属膜4具有更好的增敏效果。

进一步地，传感层6用于捕捉空气中的水并与金属膜4发生强耦合反应。在本实施例中，传感层6由J聚集体掺入PVA(polyvinyl alcohol，聚乙烯醇)中制成，J聚集体激子与金属膜4产生的表面等离子体激元发生强耦合效应。即，J聚集体激子与表面等离子体微腔相互作用，能级出现杂化，从而出现分裂的相干双峰，峰的位置随着入射光的角度变化也出现移动，使得原本出射光102的光谱由单峰变为相干双峰。使用者可以计算双峰中的两组数据的比例，即，使用波长较长处峰的强度除以波长较短处峰的强度，建立比例型光谱检测方法，使用双峰互为校准组。实际测量的吸收光谱的峰值会受诸如仪器设备、光源、材料、结构带来的误差影响而导致不能定量的探测，而利用双峰的比值即可避开上述误差，具有更高的检测精度。

图4是聚乙烯醇的结构式，PVA分子具有湿度敏感性，湿度变化可以引起PVA折射率的变化，从而引起整个传感层6折射率的变化。此外，PVA还可以对整个传感层6以及增敏层5和金属膜4进行保护，避免传感芯片被污染。J聚集体是一种具有吸收带的染料，当J聚集体在溶剂或添加剂的浓度的影响下聚集时，由于超分子自组织的结果，J聚集体伴随有吸收光谱红移，变窄以及发光增强的分子聚合现象。在本实施例中，J聚集体可以为罗丹明B或者5,6-二氯-2-[[5,6-二氯-1-乙基-3-(4-磺基丁基)-苯并咪唑-2-亚基]-丙烯基]-1-乙基-3-(4-磺基丁基)苯并咪唑鎓氢氧化物内盐(TDBC)。图5是罗丹明B的结构式，图6是5,6-二氯-2-[[5,6-二氯-1-乙基-3-(4-磺基丁基)-苯并咪唑-2-亚基]-丙烯基]-1-乙基-3-(4-磺基丁基)苯并咪唑鎓氢氧化物内盐的结构式。

传感层6的介电常数可以用下式表示：

式中，ε

如图1所示，光线从一侧射入棱镜2并穿过玻璃片3，在金属膜4和玻璃片3处发生全反射，入射光101中与金属膜4的表面等离子体的频率相同的光的光子能量转移到金属膜4的等离子体上，此部分光被一定量或完全吸收并引起金属膜4的表面等离子体共振，被吸收的光的理论折射位置无反射光或反射光较弱。此时表面等离子体产生一个敏感的电磁场，传感层6由于吸水发生改变会引发电磁场的变化，引起金属膜4和玻璃片3处折射率发生改变，光的反射角发生改变。例如，当湿度发生变化时，无反射光或反射光较弱的被吸收的光反射位置由第一位置103改变至第二位置104。湿度传感装置1在标准环境下检测其在不同湿度环境下被吸收的光反射位置以及大小，使用者可以通过对比此时被吸收的光反射位置与大小，根据已有数据进行对比获得实时的湿度值。实际检测时，湿度传感装置1采用波长调制的检测方法进行检测。

图2是本发明实施例的湿度传感装置的传感层制备步骤流程图，如图2所示，传感层6的制备方法包括如下步骤，此步骤中J聚集体选用罗丹明B：

S1：配置质量分数为0.5％的聚乙烯醇水溶液，其中，选用分子量为13000-23000的聚乙烯醇。

S2：向聚乙烯醇水溶液中加入罗丹明B，其中，溶液中罗丹明B的浓度需要大于50μmol/L。

S3：将配置的溶液旋涂在增敏层5上，其中，根据配制溶液的实际浓度选择旋涂速度与旋涂时间。

S4：静置至旋涂层干燥，其中，可以将湿度传感装置1放入烘箱加速干燥。

图3是本发明实施例的湿度传感系统的元器件关系示意图。如图3所示，湿度传感系统包括：光源7、偏振光处理系统、如上所述的湿度传感装置1、相机8、计算机9。其中，光源7用于提供光线。偏振光处理系统用于将接收到的光处理为S偏振光和P偏振光。相机8用于接收湿度传感装置1折射后的光并分析其光谱。计算机9与相机8电连接，用于分析相机8采集的信号。在本实施例中，光源7产生的光经过偏振光处理系统被处理为S偏振光和P偏振光，偏振光射入湿度传感装置1被折射，折射后的偏振光被相机8捕捉，相机8与计算机9电连接并传递相关数据，计算机9对数据进行分析处理。

在本实施例中，光源7的波长范围为475nm-960nm，从而更好与金属膜4表面自由电子发生相互作用。

在本实施例中，偏振光处理系统包括单色仪10，用于将入射光101转换为单色光。第一半反射镜11、第二半反射镜12，由于其同时具有较好的光学透过及反射性质，单色光经过后,一部分光穿过，一部分光发生反射。第一格兰棱镜对13、第二格兰棱镜对14是一种偏光棱镜，射出的光为非常光。第一反射镜15第二反射镜16，可以将光线反射。半波片17，可以对偏振光进行旋转。透镜18，可以改变光的波前曲率，从而将光聚焦。

在本实施例中，光进入偏振光处理系统，单色仪10将光处理为单色光，单色光经过第一半反射镜11被分解为反射光和折射光，反射光经过第一格兰棱镜对13和半波片17得到S偏振光，S偏振光通过第一反射镜15反射穿过第二半反射镜12和透镜18，折射光经过第二格兰棱镜对14得到P偏振光，P偏振光通过第二反射镜16反射经过第二半反射镜12的反射穿过透镜18，偏振光处理系统输出S偏振光和P偏振光。偏振光可以有效激发湿度传感装置1中金属膜4表面的表面等离子体，使得SPR现象更加易于发生，增强整体结构的灵敏度。

在本实施例中，湿度传感装置1还包括旋转平台19，用于在检测开始前对湿度传感装置1的位置进行校对。或者在单次测试后通过旋转平台19以改变光线的射入湿度传感装置1的入射角，从而进行入射角不同的多次测试。

在本实施例中，相机8为光谱检测仪，用于采集光的光谱信息。

在实际使用前，先使用湿度传感系统检测不同湿度时湿度传感装置1的SPR信号，并进行记录。实际使用时，将湿度传感系统设置在待测湿度环境中，湿度的变化引起湿度传感装置1的微小折射率变化，可以导致SPR信号的变化。从而可以计算机9通过监测SPR信号变化来确定传感介质表面折射率的变化，得出当前湿度。

图7是本发明实施例的湿度传感装置与现有的比例型SPR传感平台的传感性能的效果对比图，图中相对强度为吸光度。a为在金属膜4远离玻璃片3一侧分别设置三层二维材料层51和三层钨化物层52的湿度传感装置1的传感性能曲线，b为在金属膜4远离玻璃片3一侧分别设置一层二维材料层51和一层钨化物层52的湿度传感装置1的传感性能曲线，c为不设置增敏层的现有的比例型SPR传感平台的传感性能曲线。设置三层二维材料层51和三层钨化物层52的湿度传感装置1的检测灵敏度比设置一层二维材料层51和一层钨化物层52的湿度传感装置1的传感性能提升了100％，设置三层二维材料层51和三层钨化物层52的湿度传感装置1的检测灵敏度比不设置增敏层的现有的比例型SPR传感平台的传感性能提升了216％。其中，多层二维材料层51和多层钨化物层52分别设置在一起。由此可见，增敏层5的设置提升了湿度传感装置1的灵敏度，且灵敏度随二维材料层51和钨化物层52的层数的增加而提升。

本发明实施例公开了一种湿度传感装置和系统，湿度传感装置包括棱镜、金属膜、增敏层和传感层。其中，棱镜激发金属膜的表面自由电子，发生表面等离子激元共振现象。增敏层用于增强表面等离子共振现象。传感层捕捉空气中的水并影响表面等离子共振现象。并且，传感层通过其结构对以上结构进行保护。本发明实施例基于表面等离子共振现象，对金属膜增设由二维材料层和钨化物层构成的增敏层，对金属膜进行增敏，使得湿度传感装置具有较高测量精度以及可靠度。并选用可以通过自身结构对整体结构进行保护的传感层，使得湿度传感装置不易损坏。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明，对于本领域技术人员而言，本发明可以有各种改动和变化。凡在本发明的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。