[發明專利]干涉型氫氣傳感器及其制備和使用方法

有效

• 申請號: 201410373535.3
• 申請日: 2014-07-31
• 公開（公告）號: CN104132914B
• 公開（公告）日: 2016-11-30
• 發明（設計）人: 吳國慶;谷付星;王錚;曾和平
• 申請（專利權）人: 上海理工大學
• 主分類號: G01N21/45
• 分類號: G01N21/45;G01N21/01
• 代理公司: 上海德昭知識產權代理有限公司 31204
• 代理人: 郁旦蓉

技術領域

本發明涉及傳感器，尤其涉及一種基于鈀金合金納米線的馬赫-澤德微納光纖干涉型氫氣傳感器及其制備與應用。

背景技術

光纖傳感在科研、工業、環境、醫療、軍事、商品以及衛生等很多方面得到了廣泛的發展和應用。隨著人們對傳感器的性能和應用要求的不斷提高，減小尺寸、提高集成度、加快響應速度、提高靈敏度、降低樣品需求量、拓寬應用極限等已經成為目前傳感器的重要發展方向。將光纖技術與當前快速發展的納米技術結合起來，發展尺寸更小、性能和集成度更高的納米光纖傳感器，具有十分廣闊的應用潛力和發展前景。

氫氣是很重要的工業氣體和特種氣體，在石油化工、電子工業、冶金工業、精細有機合成及航空航天等領域有著廣泛的應用。但氫氣是一種極易燃的氣體，在空氣中的體積分數為4～75％時都能燃燒。此外，氫氣無色無味，具有很高的燃燒熱。因此對氫氣的檢測是非常重要的，對檢測裝置也有一定的要求，如低成本、小尺寸、耐久性、可靠性強等。與電化學檢測方法相比，光學檢測方法靈敏度高，響應快，抗電磁，非常適合于檢測易燃易爆物質，并且可以使用強度、波長、相位、偏振、熒光壽命等多種檢測手段。由于納米材料的尺寸小，體表面積比較大，它們對外界環境的變化具有很快的相應和很高的靈敏度，因此被廣泛地引用在各種物理、化學和生物傳感領域。

金屬鈀是對氫氣有較高的溶解性，在一定的溫度和氫壓力差條件下，只讓氫氣透過的材料。金屬鈀吸收的氫最多可達本身體積的2800倍，在溫度為300℃以上的真空中，可以把吸收的氫放出。鈀與氫的這種反應是可逆的。除氫氣及其同位素之外，其他任何氣體均不能透過鈀膜，故金屬鈀還對氫氣有著較高的選擇性。金屬鈀作為敏感材料被用于氫氣的光學傳感檢測中。目前應用鈀納米材料與氫反應體系的結構和器件，典型的有基于鈀納米顆粒的光直接透射型，基于二氧化硅納米線和半導體納米線的光學倏逝波型，及鈀納米顆粒的表面等離子體共振型。

表面等離體基元是存在于金屬和介質界面上的一種電子極化和振蕩現象。由于其能夠將光場能量約束在遠小于光波長的空間范圍內和表面增強效應等特性，表面等離體基元可在納米尺度上實現光與物質的相互作用。目前，典型的表面等離體基元傳感器可以分為基于二維薄膜結構的傳導表面等離子體基元型傳感器和基于零維納米顆粒結構的局域表面等離子體共振型傳感器兩種。前者利用的是棱鏡耦合原理，導致光的傳輸距離較短，并且這種傳感器難以集成化；后者是基于納米顆粒對光的反射原理，需要將電磁場局限在遠小于光波長的空間范圍，這就造成光的反射量很小，從而對傳感器的靈敏度造成不良影響。

發明內容

本發明是針對上述課題進行的，目的在于提供一種基于鈀金合金納米線的馬赫-澤德微納光纖干涉型氫氣傳感器，以及該傳感器的制備和使用方法。

本發明提供一種干涉型氫氣傳感器，其特征在于，包括：耦合器，將收到的光源發射來的光分成兩路并分別進行傳輸；第一拉錐微納光纖，通過倏逝波耦合區，一端與耦合器相連，接收并傳輸一路光；鈀金合金納米線，一端與第一拉錐微納光纖的另一端相連，在第一拉錐微納光纖傳輸來的光的激發作用下產生表面等離子體信號；第二拉錐微納光纖，一端與鈀金合金納米線的另一端相連，接收鈀金合金納米線傳導來的表面等離子體信號并進行傳輸；以及第三拉錐微納光纖，一端與耦合器相連，另一端與第二拉錐微納光纖的另一端相接觸，用于傳輸另一路光，并使該路光與第二拉錐微納光纖傳導的表面等離子體信號發生干涉，使第二拉錐微納光纖輸出干涉信號。

本發明所涉及的干涉型氫氣傳感器，還可以具有這樣的特征：其中，第一拉錐微納光纖和第二拉錐微納光纖的尖端直徑相同，并在0.1～1μm范圍內，第三拉錐微納光纖的尖端直徑為1～2μm。

本發明所涉及的干涉型氫氣傳感器，還可以具有這樣的特征：其中，鈀金合金納米線的直徑為30～500nm，長度為5～50μm。

本發明所涉及的干涉型氫氣傳感器，還可以具有這樣的特征：其中，耦合器是3分貝耦合器。