CN101424619A - 波导环形谐振腔二氧化氮气体传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种波导环形谐振腔二氧化氮气体传感器的制备方法，具体包括：a.波导环形谐振腔芯层的制备；b.波导包层材料的制备；c.用旋涂法将步骤b制备的波导包层材料涂在步骤a制备的波导环形谐振腔芯层上；d.最后用锥形光纤耦合波导环形谐振腔即制得所述波导环形谐振腔二氧化氮气体传感器，将其放入气室即可以对NO₂浓度标定和测试。本发明制作成本低、传感时不受外界电磁场的干扰、稳定性好、灵敏度高、不受光源光功率波动的影响等优点。

Description

波导环形谐振腔二氧化氮气体传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及一种NO₂气体传感器，特别是涉及一种制备波导环形谐振腔器件的NO₂气体传感器的方法。

背景技术

NO₂主要来自煤燃烧产生的废气与汽车尾气，是一种毒性较强的空气污染物，是酸雨、光化学烟雾等环境问题的主要成分，危害人体健康。目前，检测NO₂的方法主要有电化学法与化学发光法，前者需精密控制电极电势与温度等实验条件，后者则容易受共存气体影响。

电化学法：电化学方法传感NO₂的原理是将对NO₂敏感的半导体气敏材料如WO₃，SnO₂等做成薄膜，通过测量薄膜电阻的变化来测量NO₂的浓度。这种方法的优点是通过改变半导体气敏材料颗粒的大小或者掺杂其他物质可以提高检测的灵敏度。但是半导体气敏材料对气体的敏感性与温度有关。常温下敏感度较低，随着温度的升高，敏感度增加，在一定温度下达到峰值。由于这些气敏材料需要在较高温度下(一般大于100℃)达到敏感度最好，这不仅要消耗额外的加热功率，还会引发火灾。

化学发光法：化学发光法原理是NO和O₃反应生成激发态的NO₂，当NO₂跃迁回基态时放出光子，光电转换器吸收光子产生的电流大小与NO浓度成比成比例，最后通过检测光电流强度来测量NO浓度。为得到NO₂的浓度，该方法要求把待测气样中的NO₂预先转化为NO后就可以检测得到。这种方法响应速度快，灵敏度也很高。但是缺点是需将NO₂转化为NO，整个测量过程比较复杂。

由于上述方法还不十分完善，因此高灵敏度、不易受外界环境干扰、实现简单的新型NO₂传感器是研究中的一个热点。所谓波导环形谐振腔二氧化氮气体传感器基本原理是利用环形谐振腔的谐振波长随NO₂浓度的变化而变化的特性探测NO₂的浓度。环形谐振腔的结构如图1所示，其中直波导与环形波导之间构成一个定向耦合器，直通臂的光振幅耦合系数为t；耦合器的光功率分束比为t²:(1-t²)。耦合器本身的损耗很小，可以忽略。根据波导的传输方程，可得波导环形谐振腔的透射率T为：

$T={\left|\frac{E_{\mathrm{out}}}{E_{\mathrm{in}}}\right|}^2=\frac{{\mathrm{\γ}}^2+t^2-2\mathrm{\γ}t\cos \mathrm{\θ}}{1+{\mathrm{\γ}}^2{t}^2-2\mathrm{\γ}t\cos \mathrm{\θ}},$

式中θ＝2πnl/λ为光波在环内传输一周的相位变化。其中n为波导等效折射率，l为环形腔的周长。γ为环形腔的损耗因子。当相位变化为2的整数倍，即θ＝2πm时，输出端口强度最低，这时就出现了谐振现象，谐振波长为λ＝nl/m，环形谐振腔的透射光谱如图2所示。制备环形谐振腔的波导材料折射率的变化将导致谐振峰位置的移动。如果在波导环形谐振腔的包层材料中掺入对NO₂敏感的物质，当其与NO₂反应时，会引起波导等效折射率的变化。NO₂的浓度不同，等效折射率变化大小不同，进而引起谐振波长变化不同，通过探测谐振波长的变化来探测NO₂的浓度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种高灵敏度、不易受外界环境干扰、简单的波导环形谐振腔二氧化氮气体传感器的制备方法。

本发明的技术方案：一种波导环形谐振腔二氧化氮气体传感器的制备方法，包括下列步骤：

a.波导环形谐振腔芯层的制备

在K9玻璃上用光刻技术刻出环形腔图案，用摩尔比为98:2的KNO₃和AgNO₃混合熔盐做为离子交换源，在温度为345℃进行离子交换，交换时间为3小时，交换后对K9玻璃进行端面抛光；

b.波导包层材料的制备

以摩尔比为2:6:2的苯基三乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、正硅酸四乙酯作为反应前驱物，在反应前驱物中加入酞菁-铁(II)，在0.004mol/L盐酸水溶液催化剂的条件下进行水解反应制备包层材料；

c.用旋涂法将步骤b制备的波导包层材料涂在步骤a制备的波导环形谐振腔芯层上，旋速控制在1200rpm；

d.最后用锥形光纤(2)耦合波导环形谐振腔(1)即制得所述波导环形谐振腔二氧化氮气体传感器。

发明的有益效果：

(1)本发明采用光学方法进行传感，具有不受外界电磁场的干扰、稳定性好、灵敏度高、并具有小型化和多功能集成等优点。

(2)本发明采用离子交换技术制备波导环形谐振腔芯层材料，离子交换技术是制备工艺简单、成本低廉的光波导制作技术。

(3)本发明采用溶胶-凝胶法制备包层材料，溶胶-凝胶具有许多优点(a)反应温度低，反应过程易于控制；(b)易于改性，掺杂的范围宽；近几年来，有机/无机混合溶胶-凝胶材料显示出许多令人瞩目的特性，更扩大了这种材料的应用范围等。

(4)本发明在溶胶-凝胶中掺杂对NO₂敏感的酞菁-铁(II)材料，使环形谐振腔具有选择性传感的功能。

(5)本发明通过探测谐振波长的变化来确定NO₂的浓度与基于强度探测型的光纤传感器相比，具有不受光源光强波动的影响等优点。

总的来说，本发明具有制作成本低、传感时不受外界电磁场的干扰、稳定性好、灵敏度高、不受光源光功率波动的影响等优点。

附图说明

图1是波导环形谐振腔结构示意图；

图2是环形谐振腔的透射光谱图；

图3是波导环形谐振腔二氧化氮气体传感器传感系统的结构示意图，其中1波导环形谐振腔、2锥形光纤、3气室、4光谱仪、5ASE光源。

具体实施方式

下面通过实施例和附图对本发明进一步详细描述，如图3所示，一种波导环形谐振腔二氧化氮气体传感器的制备方法，包括下列步骤：

a.波导环形谐振腔芯层的制备

在K9玻璃上用光刻技术刻出环形腔图案，用摩尔比为98:2的KNO₃和AgNO₃混合熔盐做为离子交换源，在温度为345℃进行离子交换，交换时间为3小时，交换后对K9玻璃进行端面抛光；

b.波导包层材料的制备

以摩尔比为2:6:2的苯基三乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、正硅酸四乙酯作为反应前驱物，在反应前驱物中加入酞菁-铁(II)，在0.004mol/L盐酸水溶液催化剂的条件下进行水解反应制备包层材料；

c.用旋涂法将步骤b制备的波导包层材料涂在步骤a制备的波导环形谐振腔芯层上，旋速控制在1200rpm；

d.最后用锥形光纤2耦合波导环形谐振腔1即制得所述波导环形谐振腔二氧化氮气体传感器，将其放入气室3中即可以对NO₂浓度标定和测试。

制备实施例

首先用光刻方法制备波导环形谐振腔的芯层，光刻时间为30s，用摩尔比为98:2的KNO₃和AgNO₃混合熔盐做为离子交换源，在温度为345℃进行离子交换，交换时间为3小时，交换后对K9玻璃进行端面抛光；然后制备波导包层材料，以摩尔比为2:6:2的苯基三乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、正硅酸四乙酯作为反应先驱物，在反应前驱物中加入酞菁-铁(II)，在0.004mol/L盐酸水溶液催化剂的条件下进行水解反应制备包层材料，水解温度为50℃；用旋涂法将制备的波导包层材料涂在波导环形谐振腔芯层上，旋速控制在1200rpm；最后用锥形光纤2耦合波导环形谐振腔1即制得所述波导环形谐振腔二氧化氮气体传感器，将其放入气室3中即可以对NO₂浓度标定和测试。

应用实施例

首先往气室中通入一定浓度的NO₂气体。打开ASE光源，然后用光谱仪监测波导环形谐振腔谐振波长的变化，待波长稳定后，记录下该波长。重复上述步骤，即可得到NO₂气体浓度-谐振波长标准曲线。现场测试时用光谱仪测量环形谐振腔的波长，查标准曲线即可NO₂气体浓度。由于该NO₂气体传感器采用波导环形谐振腔做传感头，通过检测谐振波长来测量NO₂气体浓度的，所以具有不受外界电磁场干扰、稳定性好、灵敏度高、不受光源光功率波动的影响等优点。

所述内容仅为本发明构思下的基本说明，而依据本发明的技术方案所作的任何等效变换，均应属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种波导环形谐振腔二氧化氮气体传感器的制备方法，包括下列步骤：

a.波导环形谐振腔芯层的制备

在K9玻璃上用光刻技术刻出环形腔图案，用摩尔比为98:2的KNO₃和AgNO₃混合熔盐做为离子交换源，在温度为345℃进行离子交换，交换时间为3小时，交换后对K9玻璃进行端面抛光；

b.波导包层材料的制备

以摩尔比为2:6:2的苯基三乙氧基硅烷、甲基三乙氧基硅烷、正硅酸四乙酯作为反应前驱物，在反应前驱物中加入酞菁-铁(II)，在0.004mol/L盐酸水溶液催化剂的条件下进行水解反应制备包层材料；

c.用旋涂法将步骤b制备的波导包层材料涂在步骤a制备的波导环形谐振腔芯层上，旋速控制在1200rpm；

d.最后用锥形光纤(2)耦合波导环形谐振腔(1)即制得所述波导环形谐振腔二氧化氮气体传感器。

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