[發(fā)明專利]一種角度依賴的光子晶體氫氣傳感器的測量方法

有效

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• 申請日: 2016-01-11
• 公開（公告）號: CN105424656B
• 公開（公告）日: 2018-04-13
• 發(fā)明（設計）人: 周平偉;朱禮國;杜良輝;翟召輝;李江;鐘森城;王德田;劉喬;孟坤
• 申請（專利權）人: 中國工程物理研究院流體物理研究所
• 主分類號: G01N21/59
• 分類號: G01N21/59
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司51214
• 代理人: 詹永斌

技術領域

本發(fā)明屬于氣敏元件技術領域，具體涉及一種角度依賴的光子晶體氫氣傳感器的測量方法。

背景技術

氫能源是可再生清潔能源，是保障能源可持續(xù)性的有效途徑。2010年5月在德國埃森召開第十八屆世界氫能大會，中國科技部部長萬鋼指出：中國要制定國家氫能規(guī)劃，加大對氫能的投入，擴大氫能的示范和應用，加強氫能的國際合作。2010年7月12日，世界首座氫能源發(fā)電站在意大利建成投產，標志著氫能的利用已經進入實質化階段。由于氫氣的優(yōu)良特性，在其他領域也有廣泛的應用，例如地震監(jiān)測、高純度硅晶片的生產、含氫化工產品生產、石油提煉、金屬焊接等。

但是，氫氣是一種高危氣體，常溫常壓下，若空氣中氫氣的含量位于4%-74.5%之間，極有可能引發(fā)火災、爆炸等事故，威脅人身財產安全。此外，核電站周圍環(huán)境中氧氣、氫氣、濕度等都影響著核材料的健康狀態(tài)，其中氫氣對其影響尤為顯著。氫氣是封裝核材料的金屬外殼、核材料附近的金屬部件和核材料本身被水汽腐蝕的產物，而且生成的氫氣還會進一步腐蝕核材料和許多金屬部件。準確有效地對核電站周圍環(huán)境中氫氣濃度實時監(jiān)測，對核電站的健康運行有著重大意義。

近期研究表明，地震前期，裂縫涌出氣體中氫氣濃度會有所增加，準確地測量氫氣濃度信息，對研究地震過程、預報地震等具有重大意義。

總之，為了保障氫氣產生、儲存、運輸和使用過程中的安全性，擴大氫氣的應用領域，研究一種抗干擾能力強、靈敏度高、反應時間短、穩(wěn)定性高、可靠性好、體積小、成本低的氫氣傳感器具有十分重要的意義。

發(fā)明內容

本發(fā)明要解決的技術問題在于提供一種角度依賴的光子晶體氫氣傳感器，以提高目前光學氫氣傳感器的檢測靈敏度，實現室溫下對氫氣的高靈敏檢測。

實現本發(fā)明的技術方案是：

一種角度依賴的光子晶體氫氣傳感器的測量方法，將探頭置于待測環(huán)境中，平行光源以固定角度入射在傳感器表面，固定角度為光子晶體共振角度，使得TM模透射系數為0%，鈀基合金吸附氫氣后體積會發(fā)生膨脹，從而拉伸光子晶體，改變其周期，使得其共振角度向大角度方向移動，逐漸偏離入射角度，在入射角度處TM模的透射系數逐漸增大，因此，通過對透射光強的測量，可以實現對待測環(huán)境中氫氣濃度的檢測。

在上述技術方案中，所述固定角度由光子晶體周期、二氧化鈦的厚度與二氧化鈦的脊型高度決定。

一種角度依賴的光子晶體氫氣傳感器，包括激光光源、光子晶體探頭和探測器，所述激光光源經過準直器準直成平行光后入射到光子晶體探頭，光子晶體探頭背面設置探測器，所述激光光源與探測器為連動式，

所述光子晶體探頭包括在石英表面生長的二氧化鈦脊型光子晶體，所述二氧化鈦脊型光子晶體側面生長有一層鈀基合金。

在上述技術方案中，所述準直后的激光以固定入射角度入射到光子晶體探頭上。

在上述技術方案中，所述固定入射角度為光子晶體共振角度。

在上述技術方案中，在準直后的激光在光子晶體共振角度下的TM模透射系數為0%。

在上述技術方案中，所述光子晶體探頭中光子晶體的周期、二氧化鈦層的厚度與二氧化鈦層脊型的高度在可見光波段可調。

在上述技術方案中，所述光子晶體的周期為400納米，二氧化鈦層的厚度為150納米至180納米，二氧化鈦層的脊型高度為15納米至50納米。

在上述技術方案中，所述鈀基合金或為鈀金合金，或為鈀釔合金。

在上述技術方案中，所述鈀基合金的厚度為10納米至100納米。

本發(fā)明的工作原理為：

以固定波長的平行光為入射光，以光子晶體共振角度入射在光子晶體探頭上，此時探頭的透射系數為0%；

若探頭周圍氣氛中具有一定濃度的氫氣，探頭上的鈀合金薄膜與氫氣發(fā)生特異性作用，致使其體積發(fā)生一定程度的膨脹，從而拉伸光子晶體，使其周期延長；

光子晶體的周期延長，其共振角度會向大角度方向移動，使得入射角度逐漸偏離共振角度，透射系數逐漸增大；

通過對透射強度的測量，表征光子晶體周期的變化，進而得到探頭周圍的氫氣濃度信息；

針對不同的需求，可以調控二氧化鈦的厚度、脊型高度、入射波長以及入射角度等，以適應不同的檢測靈敏度與檢測范圍。為方便討論，將入射波長設定為633納米，與氦氖激光器波長匹配。實施例1-3中給出了二氧化鈦的厚度、脊型高度、入射波長、共振角度之間的關系。實施例4-6中，將初始共振角度固定為5度，并給出了光子晶體經過不同程度拉伸時，共振角度變化規(guī)律。