[發明專利]基于硒化鎢薄膜溝道結構的光纖法珀超敏氣體傳感器

有效

• 申請號: 201811131211.3
• 申請日: 2018-09-27
• 公開（公告）號: CN109164050B
• 公開（公告）日: 2021-02-09
• 發明（設計）人: 曹忠旭;袁中野;姚佰承;吳宇;饒云江
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01N21/31
• 分類號: G01N21/31;G01N21/45
• 代理公司: 電子科技大學專利中心 51203
• 代理人: 閆樹平

本發明屬于傳感領域，具體涉及基于硒化鎢薄膜溝道結構的光纖法珀超敏氣體傳感器。本發明采用成熟穩定的傳感原理，結合光學、超材料學科和微納加工的先進工藝，在單模光纖端面集成硒化鎢?金電導結構，依靠硒化鎢的物理吸附與電可調特性，通過調制硒化鎢所加電壓實現氣體分子的吸附與釋放。兼顧了傳感器的響應速度和靈敏度，同時該器件尺寸微小，熱穩定性良好，傳感功耗較小：該傳感器的響應時間僅為電化學氣體傳感器的千分之一，靈敏度可達傳統光學氣體傳感器的1000倍以上，傳感功耗低至100納瓦。該傳感器可直接集成于全光系統，實現全光網絡的高速信息傳感。

技術領域

本發明屬于傳感領域，具體涉及基于硒化鎢薄膜溝道結構的光纖法珀超敏氣體傳感器，可通過檢測透射光譜的漂移量來檢測氣體的濃度。

背景技術

隨著人們生活水平的不斷提高和對環保的日益重視，對各種有毒、有害氣體的探測，對大氣污染、工業廢氣的監測以及對食品和居住環境質量的檢測等都對氣體傳感器提出了更高的要求。納米、薄膜技術等新材料研制技術的成功應用為氣體傳感器集成化和智能化提供了很好的前提條件。高性能的氣體傳感器能大大提高信息采集、處理、深加工水平，提高實時預測事故的準確性，不斷消除事故隱患，大幅度減少事故特別是重大事故的發生。能有效實現安全監察和安全生產監督管理的電子化，變被動救災為主動防災，使安全生產向科學化管理邁進。

目前氣體傳感器主要有電化學氣體傳感器和光學氣體傳感器。傳統的電化學氣體傳感器一般都是通過化學電解的方法來實現用電解電流強度對生化分子的傳感，這種氣體傳感方式雖然比較成熟可靠，但其缺點也十分明顯：依賴于化學反應、耗能高、體積大、系統復雜、抗電磁干擾能力弱、有很強的氣體選擇性、傳感靈敏度不高。而近年來發展的一批基于MEMOS技術的電學傳感器，在體積、能耗、靈敏度等方面雖然實現了很大的突破，但仍然沒有解決其響應速度慢、系統復雜、抗電磁干擾能力弱等問題。

基于光纖傳感技術的光學氣體傳感器能基本解決上述電學氣體傳感器的缺點，其相比于傳統的電化學氣體傳感器來說，具有結構簡單、尺寸微小、響應速度快以及抗電磁干擾等優點。光傳感作為信息獲取的一種重要手段，用來把各式各樣的信息轉化為可供廣泛傳輸、快速分析和大規模處理的光信號，在現代以光纖為媒介傳輸的信息系統中扮演著重要的角色，大量不同原理，不同材料、不同結構和不同功能的光學傳感器被用于安全監測、環境科學、精密加工、航空航天和生命科學等各行各業。然而，目前的光學傳感器尤其是應用于氣體分析的光學傳感器大多結構復雜、價格昂貴，難以實現大規模的市場應用。

發明內容

針對上述存在問題或不足，為解決現有氣體傳感器成本低廉、結構簡單、尺寸微小、可控性好、靈敏度高和功耗低不能兼得的問題，本發明提供了基于硒化鎢薄膜溝道結構的光纖法珀超敏氣體傳感器，通過調制硒化鎢薄膜的電壓，實現氣體的吸附和釋放，進而實現對外界微量氣體分子的高靈敏度傳感。

硒化鎢，是一種類似于石墨烯的二維材料，具有優越的表面活性和快速的信息傳遞能力，主要結構由上下各一層硒原子連接中間1層鎢原子所組成。硒化鎢的原子間化學鍵和核外電子態對周圍環境極其敏感，微量的氣體分子吸附都能有效地影響其介電常數，調節有效折射率，實現單分子量級的光學氣體傳感。同時，分子吸附對硒化鎢的電導率影響十分迅速，能夠實現光學信號的快速響應，大幅提高響應速度。

本發明采用如下技術方案：

基于硒化鎢薄膜的光纖法珀超敏氣體傳感器，包括鍍膜單模光纖、硒化鎢-單模光纖和石英毛細管。

所述鍍膜單模光纖有兩根，為一端鍍介質薄膜，在1550納米波段大于95％反射率的單模光纖；介質薄膜為二氧化硅、二氧化鋯薄膜依次疊加沉積而成。

所述硒化鎢-單模光纖，為一端鍍有金膜的單模光纖，以≥10微米的溝道寬度貫通去除單模光纖纖芯部分的金膜，使得金膜分為兩段，然后插入到硒化鎢薄膜上，最終使硒化鎢薄膜貼附到單模光纖端面后，與兩段金膜形成硒化鎢-金電導結構。