本發(fā)明屬于溫度和紅外線傳感器領(lǐng)域，具體而言，涉及一種金屬等離激元貼片式溫度和紅外線傳感器，尤其涉及柔性、發(fā)光的貼片式溫度和紅外線傳感器。

背景技術(shù)：

目前的溫度傳感器，主要有接觸式溫度傳感器和非接觸式溫度傳感器。傳統(tǒng)的接觸式溫度傳感器主要包括熱敏電阻和熱電偶。熱敏電阻利用自身的電阻—溫度特性，溫度變化，電阻值也發(fā)生變化，但是其自熱現(xiàn)象嚴(yán)重影響了其測溫精度。熱電偶利用熱電效應(yīng)，將電偶兩端的溫度差轉(zhuǎn)化為電動勢差，但是其靈敏度較低、穩(wěn)定性較差，高溫下其自身的溫度特性的非線性非常明顯，限制了其測溫精度。此外，以上兩種傳統(tǒng)的溫度傳感器，材質(zhì)堅硬、外形規(guī)則，均無法實現(xiàn)不規(guī)則物體表面的溫度測量，還會產(chǎn)生電磁干擾，因此這類傳感器的應(yīng)用十分受限。非接觸式溫度傳感器，如紅外溫度傳感器，需要使用紅外探測器實現(xiàn)對溫度的感知，而這些紅外探測器基本采用窄禁帶半導(dǎo)體材料碲鎘汞(hgcdte)材料，每個圖像傳感器(charge-coupleddevice,ccd)價格高達(dá)數(shù)百萬，十分昂貴。

局域等離激元共振(localizedsurfaceplasmonresonance,lspr)是金屬納米結(jié)構(gòu)在亞波長范圍內(nèi)與光強烈相互作用引發(fā)的共振增強效應(yīng)，能夠?qū)⒐饩钟蛟谏疃葋啿ㄩL的范圍內(nèi)，隨之而來會帶來各種效應(yīng)。1.產(chǎn)生熱點效應(yīng)，金屬納米顆粒的局域表面等離共振效應(yīng)能夠使得顆粒表面的光場強度顯著增強。2.當(dāng)金屬納米顆粒的間距改變時，局域等離激元共振峰的位置也發(fā)生變化。這種效應(yīng)非常適合用作高靈敏度的傳感器，例如：當(dāng)溫度傳感器中加入金屬納米材料后，由于金屬納米材料的窄帶增強效應(yīng)與對顆粒間距變化的高靈敏度響應(yīng)，將更容易通過發(fā)光光譜和顏色的變化反映出周圍環(huán)境參數(shù)的變化，進(jìn)而體現(xiàn)出溫度的變化。

目前的現(xiàn)實工業(yè)生產(chǎn)場合中對溫度傳感器提出了更高的要求：1.在測量普通溫度計無法或難以測量的部件、外表面(如具有不規(guī)則外形的物體的外表面以及危及生命的環(huán)境中物體)溫度時，要求傳感器能夠貼合其形狀，準(zhǔn)確測得物體表面溫度；2.在測量較大物體的溫度時，要求傳感器與被測物體的接觸面積盡可能大，而不只是單點測量；3.在測量涉及電磁方面的儀器溫度時，如醫(yī)療設(shè)備、油氣罐等易燃易爆場景、射頻微波設(shè)備及電力變壓器等強電磁輻射設(shè)備，要求傳感器不產(chǎn)生電磁干擾，也不怕電磁干擾。

綜上所述，實現(xiàn)滿足更高應(yīng)用要求的溫度傳感器，關(guān)鍵在于在保證測量精度的前提下，對傳感器柔性、大接觸面積等特征的實現(xiàn)。目前的傳感器中，難有同時滿足高柔性、大接觸面積、零電磁干擾、低成本等要求的結(jié)構(gòu)，而這一關(guān)鍵瓶頸問題的解決，對實現(xiàn)新一代柔性傳感器技術(shù)及其應(yīng)用至關(guān)重要。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

技術(shù)問題：本發(fā)明的目的是為了克服已有技術(shù)的不足之處，提出了一種金屬等離激元貼片式溫度和紅外線傳感器，適用于多種材料和形狀的待測物體，提高測量的準(zhǔn)確性與靈活性，從而可以實現(xiàn)對不規(guī)則物體溫度的準(zhǔn)確測量。

技術(shù)方案：本發(fā)明的一種金屬等離激元貼片式溫度和紅外線傳感器基于局域表面等離激元增強機制，由柔性透明薄膜，柔性聚合物分子刷材料層，金屬納米顆粒，透明液體，柔性透明襯底，貼片組成，其位置關(guān)系如下：上下兩層柔性透明襯底之間的表面有各有一層柔性聚合物分子刷材料層，柔性聚合物分子刷材料層的外端連接金屬納米顆粒，相向排列的兩層金屬納米顆粒、柔性聚合物分子刷材料層組成一單元結(jié)構(gòu)，該單元結(jié)構(gòu)可重復(fù)多層，柔性透明薄膜位于上述結(jié)構(gòu)周圍，透明液體填充于柔性聚合物分子刷材料層與柔性透明薄膜間，貼片位于底層的柔性透明薄膜下方并緊貼柔性透明薄膜。

所述柔性透明薄膜的材料為聚對苯二甲酸乙二醇酯pet、聚乙烯pe、聚氯乙烯pvc、聚萘二甲酸乙二醇酯pen、聚二甲基硅氧烷pdms、su-8光刻膠，其厚度范圍為10至1000微米。其上下表面的形狀可以是正方形、長方形、圓形、橢圓形等結(jié)構(gòu)，其上下表面的面積范圍為1至200平方厘米。

所述柔性聚合物分子刷材料層，由高熱光系數(shù)、在生理溫度范圍內(nèi)具有溶脹轉(zhuǎn)變特性的熱敏聚合物形成。

所述熱敏聚合物為聚丙烯酸paa、聚甲基丙烯酸甲酯pmma、聚n-異丙基丙烯酰胺nipaam、聚甲基丙烯酸maa、聚4-二苯甲酮甲基丙烯酸酯bpma。此外還可以摻雜高透光率、高熱導(dǎo)率的石墨烯材料，該柔性聚合物分子刷材料層的厚度范圍為100至1000納米。

所述金屬納米顆粒為金、銀、鉑、鈀金屬材料；所述金屬納米顆粒形貌為具有窄帶增效特性的納米結(jié)構(gòu)，高局域等離激元共振響應(yīng)靈敏度范圍為150至400納米/折射率單位；所述金屬納米顆粒為單層，呈單分散狀態(tài)，顆粒尺寸范圍為20至200納米，顆粒間距范圍為100至300納米。

所述具有窄帶增效特性的納米結(jié)構(gòu)為三角板、十面體、納米棒、納米環(huán)、納米星、納米樹枝、納米旗。

所述透明液體為去離子水、乙醇、異丙醇、乙二醇，填充在聚合物分子間并充滿柔性透明薄膜形成的空間內(nèi)，用于補償聚合物分子刷材料因狀態(tài)改變造成的空間體積變化。

所述柔性襯底的材料為聚對苯二甲酸乙二醇酯pet、聚乙烯pe、聚氯乙烯pvc、聚萘二甲酸乙二醇酯pen、聚二甲基硅氧烷pdms或su-8光刻膠，其厚度范圍為10至100毫米。

所述貼片為可供重復(fù)黏貼于被測物體表面、柔性、易貼易撕、白色、不透明的凝膠貼片。

本發(fā)明的等離激元貼片式發(fā)光溫度和紅外線傳感器的制備方法為：首先分別在上下兩個柔性透明襯底上旋涂一層柔性聚合物分子刷材料，然后分別在柔性聚合物分子刷材料上自組裝一層金屬納米顆粒，接著將兩個柔性透明襯底間隔一定距離相對放置，在其周圍包裹柔性透明薄膜材料，再灌裝透明液體并密封，最后在柔性透明薄膜底部旋涂凝膠材料形成貼片。

傳感器的測溫方式：所述金屬等離激元貼片式溫度和紅外線傳感器既可以直接測量物體溫度，又可以通過紅外線的熱效應(yīng)檢測紅外線。對溫度和紅外線的傳感結(jié)果有兩種處理方式：1.人眼直接觀察貼片式溫度傳感器的發(fā)光顏色，根據(jù)不同顏色與溫度的對應(yīng)關(guān)系確定被測物體的溫度。2.使用數(shù)碼相機對貼片式溫度傳感器發(fā)光面拍照，通過計算機提取照片中像素顏色信息，根據(jù)：顏色——局域等離激元共振峰位置——金屬納米顆粒間距——聚合物狀態(tài)——溫度的對應(yīng)關(guān)系，確定被測物體的溫度或紅外線。

有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有的技術(shù)相比具有以下的優(yōu)點：

1.本方法使用一系列柔性材料，相較于傳統(tǒng)的材質(zhì)堅硬、不可彎曲的溫度傳感器，該傳感器柔性好、可貼服于不規(guī)則物體表面，實現(xiàn)對物體溫度的精確測量。相較于傳統(tǒng)的只能單點或小面積測量的溫度傳感器，該貼片式溫度和紅外線傳感器可以與被測物體大面積接觸，因而能實時測量同一物體不同部位的溫度。與需要高昂成本的ccd的紅外溫度傳感器相比，該方法利用金屬納米顆粒的局域等離激元共振特性反映溫度變化，只需人眼直觀或通過普通相機拍照與計算機分析，成本低。此外，與傳統(tǒng)的運用電學(xué)原理的溫度傳感器相比，該方法通過光波傳感溫度信息，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴(yán)格限制及強電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。

2.本方法使用聚合物分子刷材料作為熱敏傳感的組成部分，與其他硼硅酸鹽類無機材料、su-8材料相比，熱光系數(shù)提高了兩個數(shù)量級，因而折射率變化對溫度變化的響應(yīng)更加明顯，該貼片式溫度和紅外線傳感器的精度更高。此外，在聚合物分子層加入高透光率、高熱導(dǎo)率的石墨烯材料，可以在保證傳感器透光度的同時，提高對被測物體溫度的傳感性能，從而提高該貼片式溫度和紅外線傳感器的響應(yīng)速度與準(zhǔn)確性。

3.本方法使用無源的貼片式溫度和紅外線傳感器，只需周圍環(huán)境的漫反射光作為光源，本身沒有任何功率損耗，也不產(chǎn)生明顯的自熱現(xiàn)象，因此該貼片式溫度和紅外線傳感器功耗低，節(jié)能環(huán)保。

4.本方法通過凝膠貼片將溫度傳感器固定于被測物體表面，凝膠貼片易貼易撕，可重復(fù)使用而不對被測物體造成損傷，更加適用對柔軟、彎曲、柔韌的生物組織的測量。

附圖說明

圖1是柔性發(fā)光溫度傳感貼片截面示意圖(低溫時)；

圖2是柔性發(fā)光溫度傳感貼片截面示意圖(高溫時)；

圖3是由重復(fù)多層的金屬納米顆粒、聚合物分子單元結(jié)構(gòu)形成的柔性發(fā)光溫度傳感貼片截面示意圖(低溫時)；

圖4是外形不規(guī)則的待測物體使用本柔性發(fā)光溫度傳感貼片前后效果示意圖；

具體實施方式

本發(fā)明的金屬等離激元貼片式發(fā)光溫度和紅外線傳感器，包括：

所述金屬等離激元貼片式溫度和紅外線傳感器基于局域表面等離激元增強機制，所述金屬等離激元貼片式溫度和紅外線傳感器由柔性透明薄膜1，聚合物分子層2，金屬納米顆粒3，透明液體4，柔性透明襯底5，貼片6組成，其位置關(guān)系如下：上下兩層柔性透明襯底5上有各有一層聚合物分子2，聚合物分子的一端連接金屬納米顆粒3，相向排列的兩層金屬納米顆粒、聚合物分子組成一單元結(jié)構(gòu)，該單元結(jié)構(gòu)可重復(fù)多層，柔性透明薄膜1位于上述結(jié)構(gòu)周圍，透明液體4填充于聚合物分子與柔性透明薄膜間，貼片6位于底層柔性透明薄膜下方并緊貼薄膜。

傳感器的測溫方式：所述金屬等離激元貼片式溫度和紅外線傳感器既可以直接測量物體溫度，又可以通過紅外線的熱效應(yīng)檢測紅外線。對溫度和紅外線的傳感結(jié)果有兩種處理方式：1.人眼直接觀察貼片式溫度傳感器的發(fā)光顏色，根據(jù)不同顏色與溫度的對應(yīng)關(guān)系確定被測物體的溫度。2.使用數(shù)碼相機對貼片式溫度傳感器發(fā)光面拍照，通過計算機提取照片中像素顏色信息，根據(jù)：顏色——局域等離激元共振峰位置——金屬納米顆粒間距——聚合物狀態(tài)——溫度的對應(yīng)關(guān)系，確定被測物體的溫度或紅外線。

傳感器的制備方法：首先分別在上下兩個襯底上旋涂一層聚合物分子刷材料，然后分別在聚合物分子刷材料上自組裝一層金屬納米顆粒，接著將兩個襯底材料間隔一定距離相對放置，在其周圍包裹柔性透明薄膜材料，再灌裝透明液體并密封，最后在底部旋涂凝膠材料形成貼片。

本發(fā)明中，外部散射光經(jīng)過上層透明薄膜，照射到傳感器內(nèi)部的金屬顆粒上。由于被測物體溫度改變，造成聚合物分子刷材料的狀態(tài)改變，進(jìn)一步造成兩層連接在聚合物分子一端的金屬納米顆粒的間距改變，使得金屬納米顆粒spr峰的位置變化，造成金屬顆粒反射光的變化，最終造成貼片的顏色變化。

下面通過具體實施例和對比例進(jìn)一步說明本發(fā)明：

1.將本溫度傳感貼片貼服于待測物體表面。

2.人眼直接觀察貼片式溫度傳感器的發(fā)光顏色，根據(jù)不同顏色與溫度的對應(yīng)關(guān)系確定被測物體的溫度。

3.使用數(shù)碼相機對貼片式溫度傳感器發(fā)光面拍照，通過計算機提取照片中像素顏色信息，根據(jù)：顏色——局域等離激元共振峰位置——金屬納米顆粒間距——聚合物狀態(tài)——溫度的對應(yīng)關(guān)系，確定被測物體的溫度或紅外線。確定被測物體溫度。

另外，本領(lǐng)域技術(shù)人員還可在本發(fā)明精神內(nèi)作其它變化，當(dāng)然這些依據(jù)本發(fā)明精神所作的變化，都應(yīng)包含在本發(fā)明所要求保護(hù)的范圍內(nèi)。