一種角度依賴(lài)的光子晶體氫氣傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]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(lài)的光子晶體氫氣傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]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(guó)埃森召開(kāi)第十八屆世界氫能大會(huì)，中國(guó)科技部部長(zhǎng)萬(wàn)鋼指出:中國(guó)要制定國(guó)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(guó)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)品生廣、石油提煉、金屬焊接等。
[0003]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?chē)h(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?chē)h(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。
[0004]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(guò)程、預(yù)報(bào)地震等具有重大意義。
[0005]總之，為了保障氫氣產(chǎn)生、儲(chǔ)存、運(yùn)輸和使用過(guò)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】

[0006]本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種角度依賴(lài)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)。
[0007]實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)方案是:
[0008]—種角度依賴(lài)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(guò)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，
[0009]所述光子晶體探頭包括在石英表面生長(zhǎng)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(zhǎng)有一層鈀基合金。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]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%。
[0013]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(jiàn)光波段可調(diào)。
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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。
[0017]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(guò)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)。
[0018]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。
[0019]本發(fā)明的工作原理為:
[0020]以固定波長(zhǎng)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%;
[0021]若探頭周?chē)鷼夥罩芯哂幸欢舛鹊臍錃?，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(zhǎng)；
[0022]光子晶體的周期延長(zhǎng)，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；
[0023]通過(guò)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?chē)臍錃鉂舛刃畔ⅲ?br>[0024]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(zhǎng)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(zhǎng)設(shè)定為633納米，與氦氖激光器波長(zhǎng)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(zhǎng)、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(guò)不同程度拉伸時(shí)，共振角度變化規(guī)律。
[0025]本發(fā)明亦適用于其他的入射波長(zhǎng)與入射角度，只需將光子晶體的周期、二氧化鈦的厚度與脊型高度調(diào)控至相應(yīng)位置即可。也可將入射角度設(shè)定在共振角度的大角度一邊，隨著周期的拉伸，共振角度逐漸接近入射角度，使得透射系數(shù)逐漸減小。
[0026]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于:
[0027]采用光子晶體共振耦合方式，可以得到很高的檢測(cè)靈敏度，與傳統(tǒng)的鈀膜反射式氫氣傳感器相比，靈敏度至少提升2-3個(gè)數(shù)量級(jí)；
[0028]可以采用光纖傳輸光學(xué)信號(hào)，探頭體積能夠做到很小，可滿(mǎn)足不同場(chǎng)所的氫氣檢測(cè)需求。
【附圖說(shuō)明】

[0029]圖1為角度依賴(lài)的光子晶體氫氣傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；
[0030]圖2為COMSOL軟件建立的光子晶體氫氣傳感器模型；
[0031]圖3為脊型高度分別為15納米、30納米、50納米，周期為400納米，入射波長(zhǎng)為633納米，二氧化鈦厚度為150納米時(shí)，TM模的透射系數(shù)隨入射角度的關(guān)系；
[0032]圖4為二氧化鈦厚度分別為150納米、165納米、180納米，周期為400納米，入射波長(zhǎng)為633納米，脊型高度為50納米時(shí)，TM模的透射系數(shù)隨入射角度的關(guān)系；
[0033]圖5為入射波長(zhǎng)分別為620納米、627納米、633納米時(shí)，周期為400納米，二氧化鈦厚度為150納米，脊型高度為50納米時(shí)，TM模的透射系數(shù)隨入射角度的關(guān)系；
[0034]圖6為脊型高度為15納米，初始共振角度為5度，改變周期時(shí)，TM模的透射系數(shù)隨入射角度的關(guān)系；
[0035]圖7為脊型高度為30納米，初始共振角度為5度，改變周期時(shí)，TM模的透射系數(shù)隨入射角度的關(guān)系；
[0036]圖8為脊型高度為50納米，初始共振角度為5度，改變周期時(shí)，TM模的透射系數(shù)隨入射角度的關(guān)系；
[0037]其中:I是石英基板，2是鈀基合金，3是二氧化鈦，4是激光光源，5是探測(cè)器，6是空氣，7是石英，8是二氧化鈦層的脊型高度，9是二氧化鈦層的厚度。
【具體實(shí)施方式】
[0038]如圖1所示，本發(fā)明所述的傳感器主要由激光光源、光子晶體探頭、探測(cè)器三個(gè)部分組成；激光光源需經(jīng)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直成平行光后入射到光子晶體探頭上，光子晶體探頭包括在石英表面生長(zhǎng)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(zhǎng)有一層鈀基合金，厚度為10納米-100納米可調(diào)，鈀基合金為鈀金合金或鈀釔合金，合金比例可調(diào)。平行光源以一定角度入射在傳感器表面，通常為光子晶體共振角度(由光子晶體周期、二氧化鈦厚度與脊型高度決定)，使得TM模透射系數(shù)為0%;光子晶體的周期、二氧化鈦層厚度與脊型高度在可見(jiàn)光波段可調(diào);將探頭置于待測(cè)環(huán)境中，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(guò)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)。
[0039]實(shí)施例1
[0040]如圖2建立模型，空氣層厚度設(shè)置為1.2微米，石英層厚度設(shè)置為1.2微米，二氧化鈦層厚度設(shè)置為150納米，周期設(shè)置為400納米；
[0041]空氣的折射率設(shè)置為I，石英的折射率設(shè)置為1.46，二氧化鈦的折射率為2.22，入射波長(zhǎng)設(shè)置為633納米，光速設(shè)置為3X 18米/秒，脊型高度分別設(shè)置為15納米、30納米、50納米，計(jì)算不同脊型高度時(shí)TM模的透射系數(shù)與入射角度的關(guān)系；
[0042]如圖3所示，圖中給出不同脊型高度情況下TM模的透射系數(shù)與入射角度的關(guān)系，可見(jiàn)，其他條件不變，僅改變脊型高度時(shí)，共振角度會(huì)發(fā)生變化，隨著脊型高度逐漸增高，共振角度向小角度方向變化，而且透射系數(shù)隨角度變化的凹陷逐漸變寬。
[0043]實(shí)施例2
[0044]如圖2建立模型，空氣層厚度設(shè)置為1.2微米，石英層厚度設(shè)置為1.2微米，脊型高度設(shè)置為50納米，周期設(shè)置為400納米；
[0045]空氣的折射率設(shè)置為I，石英的折射率設(shè)置為1.46，二氧化鈦的折射率為2.22，入射波長(zhǎng)設(shè)置為633納米，光速設(shè)置為3X 18米/秒，二氧化鈦厚度分別設(shè)置為150納米、165納米、180納米，計(jì)算不同二氧化鈦厚度時(shí)TM模的透射系數(shù)與入射角度的關(guān)系；
[0046]如圖4所示，圖中給出不同二氧化鈦厚度情況下TM模的透射系數(shù)與入射角度的關(guān)系，可見(jiàn)，其他條件不變，僅改變二氧化鈦厚度時(shí)，共振角度會(huì)發(fā)生變化，隨著厚度逐漸增大，共振角度向大角度方向變化，而且透射系數(shù)隨角度變化的凹陷逐漸變寬。
[0047]實(shí)施例3
[0048]如圖2建立模型，空氣層厚度設(shè)置為1.2微米，石英層厚度設(shè)置為1.2微米，二氧化鈦層厚度設(shè)置為150納米，脊型高度設(shè)置為50納米，周期設(shè)置為400納米；
[0049]空氣的折射率設(shè)置為I，石英的折射率設(shè)置為1.46，二氧化鈦的折射率為2.22，光速設(shè)置為3X 18米/秒，入射波長(zhǎng)分別設(shè)置為620納米、627納米、633納米，計(jì)算不同入射波長(zhǎng)時(shí)TM模的透射系數(shù)與入射角度的關(guān)系；
[0050]如圖5所示，圖中給出不同入射波長(zhǎng)情況下TM模的透射系數(shù)與入射角度的關(guān)系，可見(jiàn)，其他條件不變，僅改變?nèi)肷洳ㄩL(zhǎng)時(shí)，共振角度會(huì)發(fā)生變化，隨著入射波長(zhǎng)逐漸增大，共振角度向大角度方向變化，透射系數(shù)隨角度變化的凹陷寬度無(wú)明顯變化。
[0051 ] 實(shí)施例4
[0052]如圖2建立模型，空氣層厚度設(shè)置為1.2微米，石英層厚度設(shè)置為1.2微米，二氧化鈦層厚度設(shè)置為156.3納米，脊型高度設(shè)置為15納米，周期設(shè)置為400納米；
[0053]空氣的折射率設(shè)置為I，石英的折射率設(shè)置為1.46，二氧化鈦的折射率為2.22，入射波長(zhǎng)設(shè)置為633納米，光速設(shè)置為3 X 18米/秒，計(jì)算TM模的透射系數(shù)隨入射角度的關(guān)系；
[0054]以步長(zhǎng)0.01納米改變周期至400.1納米，分別計(jì)算在不同周期位置TM模的透射系數(shù)與入射角度的關(guān)系；
[0055]如圖6所示，圖中給出不同周期情況下TM模的透射系數(shù)與入射角度的關(guān)系，可見(jiàn)，若把入射角度固定在5度，周期為400納米時(shí)，透射系數(shù)為0%，隨著周期變化，共振角度逐漸向大角度方向移動(dòng)，透射系數(shù)逐漸變大，當(dāng)周期變化為400.10納米時(shí)，透射系數(shù)為75%，周期延長(zhǎng)0.025%，透射系數(shù)變化75%。
[0056]實(shí)施例5
[0057]如圖2建立模型，空氣層厚度設(shè)置為1.2微米，石英層厚度設(shè)置為1.2微米，二氧化鈦層厚度設(shè)置為158.33納米，脊型高度設(shè)置為30納米，周期設(shè)置為400納米；
[0058]空氣的折射率設(shè)置為I，石英的折射率設(shè)置為1.46，二氧化鈦的折射率為2.22，入射波長(zhǎng)設(shè)置為633納米，光速設(shè)置為3 X 18米/秒，計(jì)算TM模的透射系數(shù)隨入射角度的關(guān)系；
[0059]以步長(zhǎng)0.05納米改變周期至400.40納米，分別計(jì)算在不同周期位置TM模的透射系數(shù)與入射角度的關(guān)系；
[0060]如圖7所示，圖中給出不同周期情況下TM模的透射系數(shù)與入射角度的關(guān)系，可見(jiàn)，若把入射角度固定在5度，周期為400納米時(shí)，透射系數(shù)為0%，隨著周期變化，共振角度逐漸向大角度方向移動(dòng)，透射系數(shù)逐漸變大，當(dāng)周期變化為400.40納米時(shí)，透射系數(shù)為75%，周期延長(zhǎng)0.1%，透射系數(shù)變化75%。
[0061 ] 實(shí)施例6
[0062]如圖2建立模型，空氣層厚度設(shè)置為1.2微米，石英層厚度設(shè)置為1.2微米，二氧化鈦層厚度設(shè)置為163納米，脊型高度設(shè)置為50納米，周期設(shè)置為400納米；
[0063]空氣的折射率設(shè)置為I，石英的折射率設(shè)置為1.46，二氧化鈦的折射率為2.22，入射波長(zhǎng)設(shè)置為633納米，光速設(shè)置為3 X 18米/秒，計(jì)算TM模的透射系數(shù)隨入射角度的關(guān)系；
[0064]以步長(zhǎng)0.1納米改變周期至400.80納米，分別計(jì)算在不同周期位置TM模的透射系數(shù)與入射角度的關(guān)系；
[0065]如圖8所示，圖中給出不同周期情況下TM模的透射系數(shù)與入射角度的關(guān)系，可見(jiàn)，若把入射角度固定在5度，周期為400納米時(shí)，透射系數(shù)為0%，隨著周期變化，共振角度逐漸向大角度方向移動(dòng)，透射系數(shù)逐漸變大，當(dāng)周期變化為400.80納米時(shí)，透射系數(shù)為70%，周期延長(zhǎng)0.2%，透射系數(shù)變化70%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種角度依賴(lài)的光子晶體氫氣傳感器，其特征在于包括激光光源、光子晶體探頭和探測(cè)器，所述激光光源經(jīng)過(guò)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(zhǎng)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(zhǎng)有一層鈀基合金。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種角度依賴(lài)的光子晶體氫氣傳感器，其特征在于所述準(zhǔn)直后的激光以固定入射角度入射到光子晶體探頭上。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種角度依賴(lài)的光子晶體氫氣傳感器，其特征在于所述固定入射角度為光子晶體共振角度。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種角度依賴(lài)的光子晶體氫氣傳感器，其特征在于在準(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%。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種角度依賴(lài)的光子晶體氫氣傳感器，其特征在于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(jiàn)光波段可調(diào)。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種角度依賴(lài)的光子晶體氫氣傳感器，其特征在于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。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種角度依賴(lài)的光子晶體氫氣傳感器，其特征在于所述鈀基合金或?yàn)殁Z金合金，或?yàn)殁Z乾合金。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種角度依賴(lài)的光子晶體氫氣傳感器，其特征在于所述鈀基合金的厚度為10納米至100納米。
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)一種角度依賴(lài)的光子晶體氫氣傳感器，在石英襯底上制備二氧化鈦光子晶體，周期可調(diào)，在光子晶體兩個(gè)側(cè)面分別生長(zhǎng)鈀基合金薄膜，厚度可調(diào)，激光光束準(zhǔn)直后以一固定角度（通常為光子晶體共振角度）入射到光子晶體上，此時(shí)的透射系數(shù)為0%，鈀吸附氫氣后體積會(huì)發(fā)生膨脹，從而拉伸光子晶體，使其周期變長(zhǎng)，共振角度向大角度方向移動(dòng)，入射角度位置的透射系數(shù)可以變化到70%以上，與傳統(tǒng)反射式氫氣傳感器相比，靈敏度可以提高2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。
【IPC分類(lèi)】G01N21/59
【公開(kāi)號(hào)】CN205384222
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201620017730
【發(fā)明人】周平偉, 朱禮國(guó), 杜良輝, 翟召輝, 李江, 鐘森城, 王德田, 劉喬, 孟坤
【申請(qǐng)人】中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所
【公開(kāi)日】2016年7月13日
【申請(qǐng)日】2016年1月11日