[發(fā)明專利]石墨烯光子晶體光纖氣體傳感器的制作方法、氣體傳感器及硫化氫氣體濃度檢測方法

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201611191728.2
• 申請日: 2016-12-21
• 公開（公告）號: CN106596418B
• 公開（公告）日: 2019-03-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 馮文林;馮序;陶傳義;鄧大申;秦祥
• 申請（專利權(quán)）人: 重慶理工大學(xué)
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25
• 代理公司: 重慶博凱知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 50212
• 代理人: 李海華;趙英

本發(fā)明公開了一種石墨烯光子晶體光纖氣體傳感器的制作方法、氣體傳感器及硫化氫氣體濃度檢測方法，先獲取一根光子晶體光纖和兩根單模光纖，然后利用光纖熔融拉錐機(jī)將兩根單模光纖分別熔接在光子晶體光纖的兩端并同時對熔接處進(jìn)行拉錐處理，最后再將熔接好的光子晶體光纖部段外表面涂覆一層石墨烯納米涂層。本發(fā)明中的氣體傳感器制作容易，制作成本低，在加工過程中不易損壞，制作出來的氣體傳感器探測靈敏度高，響應(yīng)時間快，還具有體積小、重量輕的優(yōu)點。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種氣體傳感領(lǐng)域，具體涉及一種石墨烯光子晶體光纖氣體傳感器的制作方法、氣體傳感器及硫化氫氣體濃度檢測方法。

背景技術(shù)

硫化氫在自然界廣泛存在，是大氣的主要污染物之一，它可以在細(xì)菌分解有機(jī)物的過程中產(chǎn)生，也可以產(chǎn)生于天然氣凈化、石油煉制，同時也是制煤氣、制革、制藥、造紙、合成化學(xué)纖維等生產(chǎn)過程中的副產(chǎn)物。它也是一種急性神經(jīng)劇毒氣體，吸入少量高濃度硫化氫可短時間內(nèi)致命。硫化氫的安全臨界濃度值為10ppm(百萬分比濃度)，致死濃度為500ppm，一般高于1000ppm就可以直接達(dá)到麻痹呼吸中樞而立即引起窒息，產(chǎn)生類似于電擊傷而導(dǎo)致死亡。當(dāng)硫化氫達(dá)到2000ppm時，只吸一口就可死亡。它不僅嚴(yán)重危害人體健康，還會嚴(yán)重腐蝕暴露于其環(huán)境中的設(shè)備等。目前，有70多種職業(yè)有機(jī)會接觸硫化氫，有關(guān)作業(yè)工人中毒的報道十分常見。在我國，硫化氫中毒占職業(yè)性急性中毒的第二位，僅次于一氧化碳中毒。而硫化氫急性中毒導(dǎo)致的死亡率位列職業(yè)中毒的第一位。

傳感器技術(shù)是現(xiàn)代信息技術(shù)的重要支柱，是國際上發(fā)展最快的高新技術(shù)與產(chǎn)業(yè)之一，具有廣泛的應(yīng)用。其中，氣敏傳感技術(shù)在非法藥物檢查、化學(xué)細(xì)菌武器的防御、各種易燃易爆、有毒有害氣體的泄漏報警和空氣質(zhì)量監(jiān)控等方面，有重要的應(yīng)用。同時，伴隨著微電子、自動化、計算機(jī)等學(xué)科的發(fā)展，氣敏傳感器要求朝著小型化、集成化、多功能化的方向發(fā)展，即微結(jié)構(gòu)氣敏傳感器(也稱光子晶體光纖氣敏傳感器)。目前國內(nèi)外的研究，也正從傳統(tǒng)的燒結(jié)型、厚膜型轉(zhuǎn)向半導(dǎo)體薄膜型。燒結(jié)型和厚膜型是將敏感材料漿體涂抹于陶瓷管或壓印于陶瓷基片上，所制成的器件特征尺寸常常在百微米到毫米量級，材料的微觀結(jié)構(gòu)在加工過程容易損壞，導(dǎo)致器件的一致性和重復(fù)性較差，另外在針對硫化氫氣體的檢測中也會出現(xiàn)對氣體的探測靈敏度低，響應(yīng)時間慢的問題。

發(fā)明內(nèi)容

針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：如何提供一種制作容易，制作成本低，在加工過程中不易損壞，制作出來的氣體傳感器探測靈敏度高，響應(yīng)時間快的石墨烯光子晶體光纖氣體傳感器的制作方法。

為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用了如下的技術(shù)方案：

一種石墨烯光子晶體光纖氣體傳感器的制作方法，其特征在于：先獲取一根光子晶體光纖和兩根單模光纖，然后利用光纖熔融拉錐機(jī)將兩根單模光纖分別熔接在光子晶體光纖的兩端并同時對熔接處進(jìn)行拉錐處理，最后再將熔接好的光子晶體光纖部段外表面涂覆一層石墨烯納米涂層。

光從輸入端單模光纖進(jìn)入，在經(jīng)過第一個熔接點后，一部分光耦合至光子晶體光纖的纖芯中以纖芯模式傳輸，另一部分光耦合至光子晶體光纖的包層中以包層模式繼續(xù)傳輸。光子晶體光纖經(jīng)拉錐處理后其橫截面結(jié)構(gòu)按比例縮小，因此，隨著光子晶體光纖與單模光纖錐形區(qū)域逐漸變細(xì)，纖芯模式逐漸向包層模式耦合過渡。這一過程中，光子晶體光纖中的纖芯模式和包層模式的傳播常數(shù)不同，在傳輸距離L后，兩種模式之間會存在相位延遲。最終，當(dāng)兩部分光傳輸?shù)降诙€熔接點時，傳感區(qū)域的包層模式與在光子晶體光纖纖芯中傳輸?shù)睦w芯模式在輸出單模光纖中發(fā)生干涉。因此，發(fā)生干涉的兩種模式的相位延遲及干涉的中心波長分別表示為：