[實(shí)用新型]一種角度依賴的光子晶體氫氣傳感器

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201620017730.7
• 申請(qǐng)日: 2016-01-11
• 公開（公告）號(hào): CN205384222U
• 公開（公告）日: 2016-07-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）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(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國工程物理研究院流體物理研究所
• 主分類號(hào): G01N21/59
• 分類號(hào): G01N21/59
• 代理公司: 成都九鼎天元知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 51214
• 代理人: 詹永斌

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于氣敏元件技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種角度依賴的光子晶體氫氣傳感器。

背景技術(shù)

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(huì)，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(duì)氫能的投入，擴(kuò)大氫能的示范和應(yīng)用，加強(qiáng)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(chǎn)，標(biāo)志著氫能的利用已經(jīng)進(jìn)入實(shí)質(zhì)化階段。由于氫氣的優(yōu)良特性，在其他領(lǐng)域也有廣泛的應(yīng)用，例如地震監(jiān)測(cè)、高純度硅晶片的生產(chǎn)、含氫化工產(chǎn)品生產(chǎn)、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(zāi)、爆炸等事故，威脅人身財(cái)產(chǎn)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(duì)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(chǎn)物，而且生成的氫氣還會(huì)進(jìn)一步腐蝕核材料和許多金屬部件。準(zhǔn)確有效地對(duì)核電站周圍環(huán)境中氫氣濃度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)核電站的健康運(yùn)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(huì)有所增加，準(zhǔn)確地測(cè)量氫氣濃度信息，對(duì)研究地震過程、預(yù)報(bào)地震等具有重大意義。

總之，為了保障氫氣產(chǎn)生、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用過程中的安全性，擴(kuò)大氫氣的應(yīng)用領(lǐng)域，研究一種抗干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、反應(yīng)時(shí)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(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)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(xué)氫氣傳感器的檢測(cè)靈敏度，實(shí)現(xiàn)室溫下對(duì)氫氣的高靈敏檢測(cè)。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是：

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(cè)器，所述激光光源經(jīng)過準(zhǔn)直器準(zhǔn)直成平行光后入射到光子晶體探頭，光子晶體探頭背面設(shè)置探測(cè)器，所述激光光源與探測(cè)器為連動(dòng)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(cè)面生長有一層鈀基合金。

在上述技術(shù)方案中，所述準(zhǔn)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(shù)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(shù)方案中，在準(zhǔn)直后的激光在光子晶體共振角度下的TM模透射系數(shù)為0%。

在上述技術(shù)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(diào)。

在上述技術(shù)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(shù)方案中，所述鈀基合金或?yàn)殁Z金合金，或?yàn)殁Z釔合金。

在上述技術(shù)方案中，所述鈀基合金的厚度為10納米至100納米。

在上述技術(shù)方案中，將探頭置于待測(cè)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(shù)為0%，鈀基合金吸附氫氣后體積會(huì)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(dòng)，逐漸偏離入射角度，在入射角度處TM模的透射系數(shù)逐漸增大，因此，通過對(duì)透射光強(qiáng)的測(cè)量，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)環(huán)境中氫氣濃度的檢測(cè)。

在上述技術(shù)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。

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(shí)探頭的透射系數(shù)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(huì)向大角度方向移動(dòng)，使得入射角度逐漸偏離共振角度，透射系數(shù)逐漸增大；

通過對(duì)透射強(qiáng)度的測(cè)量，表征光子晶體周期的變化，進(jìn)而得到探頭周圍的氫氣濃度信息；

針對(duì)不同的需求，可以調(diào)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(yīng)不同的檢測(cè)靈敏度與檢測(cè)范圍。為方便討論，將入射波長設(shè)定為633納米，與氦氖激光器波長匹配。實(shí)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(guān)系。實(shí)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(jīng)過不同程度拉伸時(shí)，共振角度變化規(guī)律。