国产日韩欧美一区二区三区三州_亚洲少妇熟女av_久久久久亚洲av国产精品_波多野结衣网站一区二区_亚洲欧美色片在线91_国产亚洲精品精品国产优播av_日本一区二区三区波多野结衣 _久久国产av不卡

?

基于石墨烯表面等離子體的溫度傳感器設(shè)計

2022-07-14 06:37:04王國慶王全全
關(guān)鍵詞:溫度傳感器光柵反射率

王國慶, 王全全*, 史 優(yōu), 朱 劍

(1. 南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院, 南京 210003; 2. 中興通訊股份有限公司無線產(chǎn)品經(jīng)營部, 南京 210012)

傳統(tǒng)光纖光柵溫度傳感器制作工藝繁瑣、耦合效率低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜[1].研究人員對其進行了不斷地優(yōu)化, 如Zhou等[2]提出一種長周期光柵傳感器, 溫度靈敏度最高可達(dá)0.37 nm·℃-1, 且測溫范圍廣、成本低; 何賽靈團隊[3]采用涂覆聚乙烯醇的Bragg光柵結(jié)構(gòu)傳感器能同時測量濕度和溫度; Hsu等[4]通過在光柵傳感器上涂覆聚(3,4-乙烯二氧噻吩)-聚苯乙烯磺酸導(dǎo)電聚合物,使傳感器靈敏度在30~100 ℃范圍內(nèi)達(dá)到0.052 nm·℃-1, 但該導(dǎo)電聚合物保存條件嚴(yán)苛, 對人體具有刺激性.

隨著納米光子學(xué)和制造工藝的進步, 越來越多的光電器件逐漸趨于微型化、集成化.但是由于衍射極限的限制, 光電器件尺寸進一步減小可能會導(dǎo)致能量損耗等問題.基于表面等離子體(surface plasmons, SPs)[5]的溫度傳感器能突破衍射極限, 顯著縮小器件尺寸.激發(fā)SPs的結(jié)構(gòu)有波導(dǎo)結(jié)構(gòu)[6]、棱鏡結(jié)構(gòu)[7]和光柵結(jié)構(gòu)等,其中光柵結(jié)構(gòu)具有體積小、傳輸損耗小、兼容性強等優(yōu)點, 且該類結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的共振波長對溫度、折射率、濃度等外界環(huán)境的變化較敏感.Ibrahim等[8]用鋁光柵結(jié)構(gòu)設(shè)計了液體溫度傳感器, 可在緊湊和簡單的設(shè)備中實現(xiàn)寬溫度范圍內(nèi)高靈敏度非接觸式傳感.研究還表明, 使用貴金屬(如金、銀等)可大幅提高光柵SPs傳感器的靈敏度[9-10].

石墨烯材料擁有優(yōu)異的電磁特性[11]、電導(dǎo)率和導(dǎo)熱性能.通過調(diào)節(jié)石墨烯的電導(dǎo)率,可以支持SPs的傳播.相較于傳統(tǒng)材料,電磁波在石墨烯SPs結(jié)構(gòu)中具有更好的局域性[12], 且石墨烯SPs傳輸損耗小,抗干擾能力強,在生產(chǎn)制造時容易微型化和集成化.故本文設(shè)計了一種基于石墨烯SPs的光柵型溫度傳感器結(jié)構(gòu),擬在仿真實驗中優(yōu)化光柵的厚度、寬度和間隔的尺寸以獲得最小反射率.同時,分析比較乙醇、蒸餾水和甘油等常用傳感介質(zhì)的反射譜和溫度靈敏度,為高精度測溫傳感器的設(shè)計研發(fā)提供參考.

1 溫度傳感器結(jié)構(gòu)和參數(shù)

溫度傳感器采用基于石墨烯的SPs光柵結(jié)構(gòu), 其結(jié)構(gòu)單元如圖1所示.圖1中的傳感介質(zhì)厚度h為300 nm, 由水、乙醇或甘油等具有良好熱光系數(shù)的溫敏材料組成; 石墨烯層厚度為0.334 nm, 用以增強SPs的局域性; Ag層厚度為H1, 光柵凹槽底部到Ag層底部的距離為H2, 光柵寬度為w、間隔為d, Ag的理化性質(zhì)較穩(wěn)定, 可降低SPs的傳輸損耗, 提高電磁波在SPs結(jié)構(gòu)中的局域效果; 半導(dǎo)體層材料為砷化鎵-磷化銦(GaAs-InAs-GaP-InP), 厚度為200 nm, 其穩(wěn)定性極強, 不易被非氧化性的酸侵蝕, 其與石墨烯均可降低SPs傳輸損耗和補償金屬產(chǎn)生的歐姆損耗; 襯底層為SiC, 厚度400 nm, 其導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、耐磨性能好.設(shè)Oxy平面坐標(biāo)系原點位于Ag層底部上方10 nm處,如圖1所示。

圖1 石墨烯周期性光柵結(jié)構(gòu)單元Fig.1 Graphene periodic grating structure

傳感介質(zhì)層材料折射率與溫度之間的關(guān)系表達(dá)式為:nT=n0+(T-T0)εn0.式中nT表示材料在溫度T時的折射率;n0表示材料在常溫T0=20 ℃時的折射率, 乙醇、蒸餾水、甘油的常溫折射率分別為1.362 、1.333 、1.471;ε表示材料的熱光系數(shù), 常溫下乙醇、蒸餾水、甘油的熱光系數(shù)分別為-0.000 3、-0.000 1、-0.000 5 ℃-1.

GaAs-InAs-GaP-InP和SiC的材料特性在COMSOL仿真軟件材料庫中直接獲取, 設(shè)入射波波長范圍為1 600~2 100 nm, 兩者的常溫折射率分別為3.41和2.56.

2 仿真設(shè)計

為優(yōu)化溫度傳感器的結(jié)構(gòu)性能, 在COMSOL仿真軟件中分別對其主要結(jié)構(gòu)設(shè)計變量進行參數(shù)化掃描, 將多個仿真結(jié)果進行比較分析.圖2為不同厚度H1、H2和不同寬度w、d時溫度傳感器的反射譜仿真實驗結(jié)果.圖2(a)顯示, 在共振時, 反射波會極大減弱,反射率降低至最小值, 當(dāng)H1為210 nm時, 其最小反射率相對于其他Ag層厚度下的最小反射率更低, 對應(yīng)的共振波長為1 860 nm, 說明石墨烯表面反射的能量最小, 表面存儲的能量最多, 品質(zhì)因子[12]最大, 局域效果最佳.圖2(b)結(jié)果表明,H2為80 nm時, 其最小反射率為0.07, 相對其他H2尺寸下的最小反射率更低, 對應(yīng)的共振波長為1 872 nm.圖2(c)表明, 當(dāng)w為550 nm時最小反射率最低, 對應(yīng)的共振波長為1 950 nm.圖2(d)表明, 當(dāng)d取40 nm時能獲得最小的反射率, 其共振波長為1 900 nm.

圖2 不同結(jié)構(gòu)條件下的溫度傳感器反射譜Fig.2 Reflection spectra of temperature sensor under different conditions

確定上述合適結(jié)構(gòu)尺寸后, 采用實驗中最低反射率對應(yīng)的入射波長1 900 nm(見圖2(d)), 仿真得到如圖3所示的石墨烯層電場強度分布圖.圖3顯示電磁波在石墨烯表面的局域效果良好.這是因為當(dāng)入射光作用在石墨烯光柵結(jié)構(gòu)上時,石墨烯中的自由電子和具有相同共振頻率的光子發(fā)生集體振蕩,在石墨烯表面激發(fā)出SPs.

圖3 石墨烯層的電場強度分布圖Fig.3 Electric field intensity distribution of graphene layer

3 溫度傳感器靈敏度

圖4 不同傳感介質(zhì)在不同溫度時的反射譜Fig.4 Reflection spectra of different sensing media at different temperatures

4 總結(jié)

本文設(shè)計了一種基于石墨烯SPs光柵結(jié)構(gòu)的溫度傳感器.通過仿真軟件對光柵厚度、光柵寬度和光柵間隔等結(jié)構(gòu)尺寸進行參數(shù)化掃描,分析其反射譜的共振波長以及反射率,從而對其結(jié)構(gòu)尺寸進行優(yōu)化.在此基礎(chǔ)上,分別選取乙醇、蒸餾水和甘油作為傳感介質(zhì)分析其共振波長隨溫度的變化情況,結(jié)果表明使用甘油作為傳感介質(zhì)時測溫靈敏度最高.該傳感器有望應(yīng)用于航空航天、精密儀器等領(lǐng)域.

猜你喜歡
溫度傳感器光柵反射率
影響Mini LED板油墨層反射率的因素
近岸水體異源遙感反射率產(chǎn)品的融合方法研究
海洋通報(2022年4期)2022-10-10 07:40:26
具有顏色恒常性的光譜反射率重建
溫度傳感器DS18B20在溫度計設(shè)計中的應(yīng)用
電子制作(2019年12期)2019-07-16 08:45:44
一種高性能CMOS溫度傳感器
XTR105電流變送器在溫度傳感器中的應(yīng)用
電子制作(2018年12期)2018-08-01 00:47:40
化學(xué)腐蝕硅表面結(jié)構(gòu)反射率影響因素的研究*
電子器件(2017年2期)2017-04-25 08:58:37
CDIO教學(xué)模式在超聲光柵實驗教學(xué)中的實踐
基于LabView的光柵衍射虛擬實驗研究
溫度傳感器在筆記本電腦散熱系統(tǒng)中的應(yīng)用
遂宁市| 特克斯县| 乐安县| 那坡县| 赤水市| 缙云县| 东乡县| 墨江| 彭阳县| 襄樊市| 彰化县| 沈丘县| 包头市| 南雄市| 西宁市| 镇坪县| 淳安县| 江北区| 固安县| 铁力市| 漳州市| 阳东县| 青神县| 凤山县| 伊川县| 曲沃县| 临猗县| 宝坻区| 深水埗区| 天津市| 仲巴县| 大竹县| 上栗县| 芮城县| 江门市| 盐池县| 卢龙县| 泊头市| 唐海县| 南投市| 汶川县|