一种测量甲醛和苯的双侧抛PCF-SPR气体传感器的制作方法

一种测量甲醛和苯的双侧抛pcf
‑
spr气体传感器
技术领域
1.本实用新型属于测量浓度及气体高精度传感的技术领域，具体涉及一种测量甲醛和苯的双侧抛pcf
‑
spr气体传感器。


背景技术：

2.随着工业现代化快速发展，室内挥发性有机化合物(volatile organic compounds,voc)逐渐引起人们关注，voc气体种类繁多，例如：氨气(nh3)、苯(c6h6)、甲醛(hcho)，对人体健康伤害大；对voc气体的监测与治理意义重大。
3.光子晶体光纤(pcf)在传感检测领域有着得天独厚的优势，高灵敏度与高精确度以及抗电磁干扰使得pcf受到广泛关注与运用，对pcf进行侧抛处理，对侧抛区域进行修饰可进行不同的物理与化学传感，尤其是与表面等离子体共振(spr)技术相结合运用更加广泛。
4.基于纳米修饰的二硫化钼(mos2)复合膜在气体传感领域具有广泛应用，制成传感器具有灵敏度高、检出限低、高选择性等优点，以in2o3/mos2复合膜与pd
‑
tio2/mos2为例，其分别对hcho和c6h6具有高选择性和高传感灵敏度。


技术实现要素：

5.针对现有技术的不足，本实用新型的目的在于以双侧抛pcf镀膜传感器主要结构，以ag膜与in2o3/mos2复合膜结合作为hcho敏感层；同时以au膜与pd
‑
tio2/mos2复合膜作为c6h6敏感层，利用spr传感高精度的同时测量hcho和c6h6的气体浓度，解决了普通光子晶体气体传感器与气体接触面积小，反应时间短的问题。
6.本实用新型通过以下技术方案实现：一种测量甲醛和苯的双侧抛pcf
‑
spr气体传感器，由宽带光源(1)、光衰减器(2)、双侧抛镀膜pcf(3)、气室(4)、进气口(5)、出气口(6)、光谱仪(7)、第一单模光纤(8)、第二单模光纤(9)、第三单模光纤(10)组成；其特征在于：宽带光源(1)的光输出端通过第一单模光纤(8)与光衰减器(2)左端相连，光衰减器(2)右端通过第二单模光纤(9)与双侧抛镀膜pcf(3)左端连接，双侧抛镀膜pcf(3)置于气室(4)内，待测气体从进气口(5)通入进入气室(4)，由出气口(6)排出，双侧抛镀膜pcf(3)右端通过第三单模光纤(10)与光谱仪(7)相连接，双侧抛镀膜pcf(3)分别有上下对称的上侧抛区(31)与下侧抛区(32)，上侧抛区(31)依次镀ag膜(34)与in2o3/mos2复合膜(33)，下侧抛区(32)依次镀有au膜(35)与pd
‑
tio2/mos2复合膜(36)，当通入气室(4)内的hcho和c6h6气体浓度发生变化时，in2o3/mos2复合膜(33)吸收hcho气体量发生改变，使得in2o3/mos2复合膜(33)的折射率发生变化，从而引起ag膜(34)的spr损耗峰发生漂移，由此测得hcho气体浓度及其变化量；同理，当pd
‑
tio2/mos2复合膜(36)吸收c6h6气体量发生改变时，使得pd
‑
tio2/mos2复合膜(36)的折射率发生变化，从而引起au膜(35)的spr损耗峰发生漂移，由此测得c6h6气体浓度及其变化量，由于ag与au对应spr激发条件不同，所对应损耗峰位置也不同，由此同时测量hcho和c6h6的气体浓度。
7.作为优选，所述的上侧抛区(31)与下侧抛区(32)的侧抛长度均为4cm，宽度均为120μm，侧抛深度均为52μm。
8.作为优选，所述的ag膜(34)厚度为50nm，in2o3/mos2复合膜(33)厚度为40nm，au膜(35)厚度为50nm，pd
‑
tio2/mos2复合膜(36)厚度为40nm。
9.作为优选，所述的双侧抛镀膜pcf(3)的纤芯(37)直径为12μm，空气孔(38)直径为3.5μm，空气孔间距为7.9μm。
10.本实用新型的工作原理是：对光子晶体进行双面侧抛构成上下对称的双侧抛平面，分别在上侧抛平面镀ag膜与in2o3/mos2复合膜；下侧抛平面镀有au膜与pd
‑
tio2/mos2复合膜构成双spr气体传感通道。当in2o3/mos2复合膜吸收hcho气体后折射率发生改变，ag膜对应共振波长发生漂移，即损耗峰发生漂移；同理可得，当pd
‑
tio2/mos2复合膜吸收c6h6气体后折射率发生改变，au膜对应共振波长发生漂移，即损耗峰发生漂移，不同金属膜激发spr的条件不同，对应共振波长位置不同，即损耗峰位置不同，由此对hcho与c6h6气体分别进行传感。
11.表面离子共振(spr)本质是发生在金属电介质界面的一种物理光学现象。基于spr的光纤传感主要是利用光传输时从纤芯泄露的衰逝波与外界物质相互作用来实现传感，故通过侧抛pcf来实现使纤芯中的传输光的衰逝波能泄露出来。
12.表面等离子体波的传播常数为：
[0013][0014]
其中ω和c分别表示入射光的频率与速度；ε
m
和ε
s
分别表示金属的介电常数与外界介质的介电常数；
[0015]
入射光在介质与金属表面偏振分量波矢为：
[0016][0017]
其中θ表示入射光入射角；ε0表示波导介质的介电常数；
[0018]
spr被激发条件为满足式(1)与式(2)相等：
[0019]
k
sp
＝k
ev
ꢀꢀꢀ
(3)
[0020]
实验中所用光源为可见光或者红外波段，式(3)可以改写为：
[0021][0022]
其中n
s
为外界介质折射率；由此可知随着外界折射率变化，与之对应的共振波长发生漂移。spr现象对外界折射率非常敏感，不同的外界折射率下激发spr的条件就随之发生改变，当发生spr现象时，反射光迅速降低到最小值，而此时的限制损耗大小达到最大值，不同波长下的损耗不同，在共振波长下的损耗达到最大，外界折射率发生改变引起spr共振波长位置发生改变，从而引起损耗峰漂移，通过监测损耗峰移动实现传感，同时不同的金属所激发spr的条件也不同即共振波长不同即损耗峰位置不同，本实用新型对pcf进行双侧抛，达到了双通道的衰逝波泄露，对两个侧抛平面进行不同金属膜和气敏膜修饰，实现了双通道的spr气体传感。
[0023]
in2o3/mos2复合薄膜与pd
‑
tio2/mos2复合薄膜属于纳米修饰mos2复合气敏薄膜，in2o3/mos2复合薄膜主要表现为对hcho气体的高选择性和吸收性；pd
‑
tio2/mos2复合薄膜主要表现为对c6h6气体的高选择性和吸收性。
[0024]
本实用新型的有益效果是：本实用新型的设计中以双侧抛的镀膜光子晶体为传感器主要结构，通过不同的金属膜与不同的气敏膜相结合，以spr传感为基础实现高灵敏度的双通道气体传感，与普通的光子晶体气体传感器相比具有制备工艺简易的特点，具体体现在基于双侧抛平面镀膜工艺简单；同时具有气体接触面积大，灵敏度高，反应时间短等特点，为同时测量甲醛和苯气体检测提供了一种快速可靠，简易，快速的检测技术。
附图说明
[0025]
图1是一种测量甲醛和苯的双侧抛pcf
‑
spr气体传感器装置示意图。
[0026]
图2是双侧抛镀膜pcf结构示意图。
[0027]
图3是双侧抛镀膜pcf侧抛区截面示意图。
具体实施方式
[0028]
如图1所示，一种测量甲醛和苯的双侧抛pcf
‑
spr气体传感器，由宽带光源(1)、光衰减器(2)、双侧抛镀膜pcf(3)、气室(4)、进气口(5)、出气口(6)、光谱仪(7)、第一单模光纤(8)、第二单模光纤(9)、第三单模光纤(10)组成；其特征在于：宽带光源(1)的光输出端通过第一单模光纤(8)与光衰减器(2)左端相连，光衰减器(2)右端通过第二单模光纤(9)与双侧抛镀膜pcf(3)左端连接，双侧抛镀膜pcf(3)置于气室(4)内，待测气体从进气口(5)通入进入气室(4)，由出气口(6)排出，双侧抛镀膜pcf(3)右端通过单模光纤(8)与光谱仪(7)相连接，双侧抛镀膜pcf(3)分别有上下对称的上侧抛区(31)与下侧抛区(32)，上侧抛区(31)依次镀ag膜(34)与in2o3/mos2复合膜(33)，下侧抛区(32)依次镀有au膜(35)与pd
‑
tio2/mos2复合膜(36)，当通入气室(4)内的c6h6和hcho气体浓度发生变化时，in2o3/mos2复合膜(33)吸收hcho气体量发生改变，使得in2o3/mos2复合膜(33)的折射率发生变化，从而引起ag膜(34)的spr损耗峰发生漂移，由此测得hcho气体浓度及其变化量；同理，pd
‑
tio2/mos2复合膜(36)吸收c6h6气体量发生改变时，使得pd
‑
tio2/mos2复合膜(36)的折射率发生变化，从而引起au膜(35)的spr损耗峰发生漂移，由此测得c6h6气体浓度及其变化量，由于ag与au对应spr激发条件不同，所对应损耗峰位置也不同，由此同时测量hcho和c6h6的气体浓度。
[0029]
双侧抛镀膜pcf(3)采用滚轮式侧抛方法对pcf进行对称双面侧抛；采用磁控溅射法将ag与au分别镀在上侧抛区(31)与下侧抛区(32)，采用滴覆法将in2o3/mos2溶液与pd
‑
tio2/mos2溶液分别滴覆在ag膜(34)与au膜(35)上；静置两小时成膜。