棱镜型SPR磁场传感器仿真分析

1、棱镜型SPR磁场传感器仿真分析棱镜型SPR磁场传感器仿真分析2945202116-0041-03Abstract：Aprismsurfaceplasmonresonancesensormodelbasedonmagneticfluidisproposedtorealizemagneticfieldsensing.Inthisstructure，therefractiveindexofthemagneticfluidvarieswiththeexternalmagneticfield.Byusingthetransfermatrixmethod，thereflectionspectrumofth

2、esurfaceplasmonresonancesensorissimulatednumerically，theinfluenceofthethicknessofmetallayerandmagnetohydrodynamiclayeronthesensingsensitivityisinvestigated，andthesimulationresultsaregiven.Accordingtopractice，thesensingcharacteristicsareanalyzed.Keywords：surfaceplasmonresonance;magneticfieldsensor;ma

3、gneticfluid各種结构的磁场传感器是传感器家族中的重要成员，在磁导航、医疗、电流测量、磁性材料检测、探矿等方面有广泛应用。很多磁场传感器是基于磁性材料的磁性来实现磁场传感测量的，因此磁性材料的好坏对磁场传感性能有重要影响。磁流体是一种当前讨论较多、易于制备的纳米磁性功能材料，具有很多优良的光学性质，如光透射效应、双折射效应、磁光效应、折射率可调控等1。在外磁场的作用下，磁流体的折射率会随着外加磁场的改变而发生转变。基于这一特性，人们已研制出各种结构的磁场传感器2-3。外表等离子共振surfaceplasmonresonance，SPR是一种发生在金属与电介质界面的物理光学现象。由于SP

4、R对外界介质折射率极其敏感，可以实时跟踪介质折射率的改变，因此SPR技术在生物、医药、物理化学、环境监测等领域具有广泛的应用。由于磁流体的折射率会随着外加磁场的改变而发生转变，因此利用SPR技术可实现折射率的测量这一特性，就可实现磁场的传感测量。讨论说明，利用SPR技术可以实现微弱磁场的传感测量4。将SPR技术和磁流体结合起来实现磁场传感测量，目前讨论较多的是各种结构的光纤型SPR磁场传感器5。这些磁场传感器结构小巧，在肯定程度上满足了磁场传感的需要，但在结构或制作上，部分传感器显得较为冗杂。传统结构的棱镜型SPR传感器虽然尺寸较大，但其制作简洁，讨论较为深入，在当前照旧具有广泛的应用。本文将

5、基于传统的棱镜型SPR传感结构，利用磁流体材料的光学特性来实现磁场传感，对SPR传感结构的结构参数对磁场传感灵敏度的影响进行了仿真分析，为实际磁场传感器的讨论提供参考。1结构模型对图1所示结构的磁场传感特性的讨论可接受大家熟知的传输矩阵法。2结果与商量对图1所示的结构，利用Matlab对其磁性传感特性进行仿真分析，分析中入射光波长为633nm;棱镜为GaP棱镜，其折射率为3.3;金属层材料为金，其等离子波长p和碰撞波长c分别为1.6826×10-7m和8.9342×10-6m;磁流体材料为水基铁酸锰MnFe2O4磁流体，此时h=1.77，p=13.98766。图2给出了在不

6、同的磁场因子下反射率随入射角的改变曲线。计算中，金属层和磁流体层的厚度分别为30nm和65nm;磁性纳米微粒的体积百分比p为0.675。由图2可以看出，在不同的磁场因子下，反射率曲线均表现出明显的共振现象，且SPR共振角随着磁场因子的增大而向长波方向移动，通过扫描SPR共振角，就可实现对磁场的探测。因此利用SPR技术并结合磁流体材料可实现磁场的传感测量。为使SPR磁场传感器有较好的传感性能，需要对金属层和磁流体层的厚度进行优化。表征SPR传感器性能的主要参数是探测灵敏度，此外还要考虑到SPR共振光谱的共振半峰宽带FWHM和共振深度等。图3给出不同金属层厚度下的SPR反射光谱，计算中磁场因子取为

7、0.4，其他参数同图2。由图3可知，在所计算的金属层厚度dM改变范围内，SPR共振角的改变不大。由图3可知，随着金属层厚度dM的增加，共振深度是先增大后减小，相应的FWHM则是先减小后增大，具体计算说明在dM约为44nm时，共振深度最大，而FWHM最小。进一步的计算说明，不同波长下的SPR反射谱存在肯定的差异，但总体上光谱随金属层厚度dM的改变相类似。图4给出了不同波长下探测灵敏度随金属层厚度dM的改变曲线，计算中除波长外，其他参数同图3。由图4可知，探测灵敏度在不同入射光波长下随金属层厚度的改变趋势是一致的，入射光波长越短，灵敏度越高。由图4还可知，探测灵基本是随着dM的增加而渐渐增加。但当

8、dM大于45nm时，S随dM的增大改变较为平缓，而dM小于40nm时，S对dM的改变则较为敏感。因此要使图1所示传感结构既具有较高的探测灵敏度，又能有较高的探测精度，金属层的厚度dM可在40nm到50nm间选取，dM的具体取值与入射光波长有关。圖5给出不同磁流体层厚度dMF下的SPR反射光谱。计算中金属层厚度取为44nm，其他参数同图3。由图5可知，随着磁流体层厚度dMF的增加，共振角渐渐增大，而共振深度和FWHM均是先增大后减小。计算说明，其他波长下的SPR反射谱与此类似。图6给出了不同波长下探测灵敏度随磁流体层厚度dMF的改变曲线。由图6可知，与图4计算结果类似，探测灵敏度S随着入射光波长

9、的增大而减小。而在确定的入射光波长下，探测灵敏度S随着磁流体层厚dMF的增加而渐渐增加。当dMF小于20nm或大于65nm时，随着dMF的增大S的改变较为平缓，而dMF在25nm至60nm间改变时，S对dMF的改变较为敏感。仅由图6的计算结果可知，磁流体的厚度dMF的取值为70nm左右时可使传感器具有较高的灵敏度，但不同的波长还需结合SPR光谱状况来确定dMF。由图4和图6可知，在选取合适的参数下，探测灵敏度可达120°/RIU，该灵敏度可与已有的SPR传感器的灵敏度相比拟7。对比常见的SPR传感器结构，图1所示结构中，空气所在区域为传感介质区，磁流体层则为电介质匹配层，而这里，磁流体层为传感介质层。因此还需在图1所示的结构的基础，通过加载新的介质层以较好地实现相位匹配来提高传感结构的传感性能。3结论利用磁流体材料的折射率可随外磁场的改变而改变，建立了一种基于磁流体的棱镜外