CN103776796A

CN103776796A - 一种太赫兹波气体浓度传感装置

Info

Publication number: CN103776796A
Application number: CN201410026365.1A
Authority: CN
Inventors: 洪治; 陈涛; 刘建军; 刘平安
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2014-01-20
Filing date: 2014-01-20
Publication date: 2014-05-07
Anticipated expiration: 2034-01-20
Also published as: CN103776796B

Abstract

本发明公开了一种太赫兹波气体浓度传感装置，它包括品质因子大于5000的一维光子晶体谐振腔和气室，一维光子晶体谐振腔包括半导体基片、气体层和缺陷层，半导体基片的数量为大于等于6的偶数个；缺陷层由气体构成，缺陷层与气室连通，缺陷层的两侧置有相同数量的所述半导体基片，且位于缺陷层的同一侧的相邻半导体基片之间通过支撑环分隔而形成气体层；气体层与气室通过支撑环相连通；气室设有进气口和出气口。本发明根据太赫兹波透射谱中透射峰位置的偏移，可得到气体的浓度信息。本发明的气体浓度传感装置结构简单，并可在气室常压、室温条件下工作，检测结果不受湿度的影响，可满足在太赫兹波气体传感领域应用的要求。

Description

一种太赫兹波气体浓度传感装置

技术领域

本发明涉及一种太赫兹波气体浓度传感装置，属于太赫兹波应用领域。

背景技术

太赫兹波在电磁波谱中位于微波和红外光之间，其频率范围为0.1~10 THz，在电磁波谱中占有一个特殊的位置。与现在发现的其他电磁波相比，太赫兹脉冲的频带可以覆盖从几百GHz到几十THz的范围，许多分子的转动和振动在该频段表现出强烈的吸收和色散的特性，会产生明显的特征吸收峰，具有唯一性，可以作为识别物质的指纹谱。因此，太赫兹波适合于对固体、液体、气体以及流体等介质的电、声学性质的研究，也可以应用于环境监测、生物和化学物质的检测、食品工业的质量控制等方面。

由于气体在太赫兹波段具有独特的吸收谱线，因此，当前所采用的气体浓度检测技术主要是根据指纹吸收的强度信息，得到样品的浓度。但是，由于大部分气体吸收很弱，为了提高浓度检测灵敏度，需要增大气室的长度，或增加气压；另外，检测系统内水气的存在会严重影响气体的浓度解调结果，限制了其在气体检测方面的发展。因此，研究一种结构小巧、常压室温下工作、不受湿度影响的太赫兹波段气体浓度传感装置在气体检测方面具有重要的理论和实践意义。

理论上，太赫兹波一维光子晶体谐振腔可以用于气体浓度的检测。其基本原理是：当一维光子晶体谐振腔腔缺陷层内的气体浓度改变时（相应的气体折射率改变），光子晶体禁带中特征透射峰的位置也会随之发生偏移。只要根据任意一个透射峰位置的偏移量，就可得到气体的浓度信息。但由于在常压下气体折射率随气体浓度改变非常小，相应透射峰位置的偏移量也很小，浓度检测非常困难。虽然对太赫兹波段一维光子晶体谐振腔的研究已有很多报道，但由于其品质因子不够高，透射峰的移动不明显，难以满足常压气体测量需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种太赫兹波气体浓度传感装置。

为实现上述目的，本发明所采取的技术方案为：

作为本发明的一种技术方案，太赫兹波气体浓度传感装置包括品质因子大于5000的一维光子晶体谐振腔和气室，所述一维光子晶体谐振腔包括半导体基片、气体层和缺陷层，半导体基片的数量为大于等于6的偶数个；所述缺陷层由气体构成，所述缺陷层与所述气室连通，所述缺陷层的两侧置有相同数量的所述半导体基片，且位于所述缺陷层的同一侧的相邻半导体基片之间通过支撑环分隔而形成所述气体层；所述气体层与所述气室通过支撑环相连通；所述气室设有进气口和出气口。

作为本发明的另一种技术方案，太赫兹波气体浓度传感装置由一个品质因子大于5000的一维光子晶体谐振腔和一个气室组成，所述一维光子晶体谐振腔由半导体基片、气体层和缺陷层构成，半导体基片的数量为大于等于6的偶数个；所述缺陷层由气体构成，所述缺陷层与所述气室连通，所述缺陷层的两侧置有相同数量的所述半导体基片，且位于所述缺陷层的同一侧的相邻半导体基片之间通过支撑环分隔而形成所述气体层；所述气体层与所述气室通过支撑环相连通；所述气室设有进气口和出气口。

优选地，本发明所述缺陷层的厚度为1mm~30mm。

优选地，本发明所述支撑环的厚度相同。

优选地，本发明所述半导体基片的数量为6个。

优选地，本发明所述半导体基片为高阻硅、砷化镓或磷化铟。

优选地，本发明所述气室设有两个太赫兹波窗口，使得太赫兹波从其中一个太赫兹波窗口进入气室，从另一个太赫兹波窗口离开气室，所述一维光子晶体谐振腔置于所述气室中所述两个太赫兹波窗口之间，且太赫兹波以正入射方式通过所述一维光子晶体谐振腔中的各所述半导体基片。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

（1）本发明太赫兹波气体浓度传感装置中一维光子晶体谐振腔的品质因子高（大于5000），因此传感装置灵敏度高，常压、室温下即可进行测试，无需对待测气体进行加压操作，使用方便且适用性强。

（2）本发明太赫兹波气体浓度传感装置中缺陷层和气体层同时随被测气体发生变化，系统灵敏度高；同时气室小巧，结构紧凑，便于系统集成和气体充装。

（3）本发明太赫兹波气体浓度传感装置其检测结果由特征峰位移得出，避免了传统方法中由吸收量得出气体浓度时易受湿度影响的缺点，可满足在太赫兹波气体检测领域应用的要求。

（4）本发明太赫兹波段气体浓度传感装置灵敏度高、结构紧凑、可在常压室温下工作、不受湿度影响。

附图说明

图1是本发明一种太赫兹波气体浓度传感装置的结构示意图；

图2是本发明一种太赫兹波气体浓度传感装置缺陷层厚度为9.1 mm时实测的太赫兹波透射谱；

图3是本发明一种太赫兹波气体浓度传感装置的气室内为空气、高纯氢气和空气氢气混合气体时分别得到的太赫兹波透射谱。

具体实施方式

本发明太赫兹波气体浓度传感装置，它是由一个品种因子大于5000的一维光子晶体谐振腔和一个气室组成的。如图1所示，本发明一维光子晶体谐振腔包括半导体基片1、气体层2和缺陷层3。半导体基片的数量为不小于6的偶数个。其中，缺陷层3由气体构成，并与气室连通；缺陷层3的两侧置有相同数量的半导体基片1，且位于缺陷层3的同一侧的相邻的半导体基片1之间通过支撑环4分隔而形成气体层2；气体层2与气室通过支撑环4连通。气室5设有两个太赫兹波窗口，太赫兹波从其中一个太赫兹波窗口61进入气室5，从另一个太赫兹波窗口62离开气室5。一维光子晶体谐振腔置于气室中两太赫兹波窗口61和62之间，太赫兹波以正入射方式通过一维光子晶体谐振腔中的各半导体基片1。气室5设有一个进气口71和一个出气口72，分别位于气室左右两侧，使得气室通过进气口71与被测气源相连，通过出气口72与外界空气相连。

半导体基片1和气体层2构成了一维光子晶体谐振腔，缺陷层3的存在使得一维光子晶体谐振腔禁带中一些特定频率的太赫兹波可以透过，即存在一个或多个特征透射峰。当一维光子晶体谐振腔内的气体浓度改变时，相应的气体折射率也会发生变化，透射谱中特征峰的位置则会发生偏移。由于各个特征峰对同样折射率变化的频率偏移量是一致的，因此，只要根据某个特征峰位置的偏移量，就可得到气体的浓度信息。

作为本发明的一种优选实施方式，本发明中构成一维光子晶体的半导体基片1共有6片，其材料为高阻硅硅片，选用的硅片电阻率R＞4000Ω·cm，厚度为470μm。选用此规格的硅片是因为其价格经济，也可以选用砷化镓、磷化铟或其他规格的高阻硅片。将6片高阻硅硅片分为两组，每组三片，两组高阻硅硅片分别置于缺陷层3的两侧。位于缺陷层3的同一侧的每组高阻硅硅片中，相邻的高阻硅硅片之间通过支撑环4分隔而形成气体层2，气体层厚度为200μm。缺陷层3由气室内气体构成，缺陷层厚度为9.1mm，此时一维光子晶体谐振腔的品质因子约为6000，缺陷层厚度的增加有利于一维光子晶体谐振腔品质因子的提高，但会增加装配难度。气室5为长方体，长20 cm，宽10 cm，高10 cm，刚好可以容纳整个一维光子晶体谐振腔。气室两端的太赫兹窗口材料均为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。

使用扫描频率范围为230~375GHz的返波振荡器（BWO）透射谱测量系统，对本发明气体浓度传感装置进行测试。当气室5内完全为常压空气时，测试得到此传感装置在频率范围为280~360GHz内的透射谱如图2所示。图2中，此禁带内有4个透射峰，由于各个透射峰对同样折射率变化的频率偏移量是一致的，因此，只要根据某个透射峰位置的偏移量，就可得到气体的浓度信息。

在328.28~328.6GHz频段分别对气室内充满常压空气和常压高纯氢气时进行精细频谱扫描。频谱精细扫描所得到的透射谱分别如图3中曲线1和曲线3所示。图3中，曲线1为常压空气的透射谱，曲线2为常压高纯氢气的透射谱。测试以气室5内完全为空气时对应的透射峰位置作为频率基准；高纯氢气对应的特征透射峰与之相较的位置偏移量为64MHz。由此可以反推得到其它偏移量所对应的氢气的浓度信息。在气室5中充入空气和高纯氢气的混合气体并在328.28~328.6 GHz频段进行精细频谱扫描。被测混合气体对应的透射谱如图3中曲线2所示。由图3可知，曲线2的特征透射峰位置相对空气基准的偏移量为43MHz，因此可推知被测混合气体中氢气的浓度为67%。本发明太赫兹波气体浓度传感装置对氢气检测的灵敏度为330GHz/RIU。

本实施例中，测试所用的太赫兹源频谱分辨率为2MHz，对应折射率改变量的最小值为0.06×10^-4。此条件下，本发明太赫兹波气体浓度传感装置对氢气浓度的检测精度为3%。若太赫兹源的频谱分辨率提高至200KHz时，本发明太赫兹波气体浓度传感装置对氢气浓度的检测精度可达0.3%。

本发明太赫兹波气体浓度传感装置一方面增加了缺陷层的厚度，使一维光子晶体谐振腔的品质因子大幅提高（大于5000），另一方面是测试时组成一维光子晶体结构的气体层和缺陷层同时随被测气体发生变化，从而提高了本发明传感装置的测量灵敏度，从而实现了高灵敏度的常压气体浓度的测量。

Claims

1.一种太赫兹波气体浓度传感装置，其特征在于：包括品质因子大于5000的一维光子晶体谐振腔和气室，所述一维光子晶体谐振腔包括半导体基片、气体层和缺陷层，半导体基片的数量为大于等于6的偶数个；所述缺陷层由气体构成，所述缺陷层与所述气室连通，所述缺陷层的两侧置有相同数量的所述半导体基片，且位于所述缺陷层的同一侧的相邻半导体基片之间通过支撑环分隔而形成所述气体层；所述气体层与所述气室通过支撑环相连通；所述气室设有进气口和出气口。

2.一种太赫兹波气体浓度传感装置，其特征在于：由一个品质因子大于5000的一维光子晶体谐振腔和一个气室组成，所述一维光子晶体谐振腔由半导体基片、气体层和缺陷层构成，半导体基片的数量为大于等于6的偶数个；所述缺陷层由气体构成，所述缺陷层与所述气室连通，所述缺陷层的两侧置有相同数量的所述半导体基片，且位于所述缺陷层的同一侧的相邻半导体基片之间通过支撑环分隔而形成所述气体层；所述气体层与所述气室通过支撑环相连通；所述气室设有进气口和出气口。

3.根据权利要求1或2所述的一种太赫兹波气体浓度传感装置，其特征在于：所述缺陷层的厚度为1mm~30mm。

4.根据权利要求1或2所述的一种太赫兹波气体浓度传感装置，其特征在于：所述支撑环的厚度相同。

5.根据权利要求1或2所述的一种太赫兹波气体浓度传感装置，其特征在于：所述半导体基片的数量为6个。

6.根据权利要求1或2所述的一种太赫兹波气体浓度传感装置，其特征在于：所述半导体基片为高阻硅、砷化镓或磷化铟。

7.根据权利要求1或2所述的一种太赫兹波气体浓度传感装置，其特征在于：所述气室设有两个太赫兹波窗口，使得太赫兹波从其中一个太赫兹波窗口进入气室，从另一个太赫兹波窗口离开气室，所述一维光子晶体谐振腔置于所述气室中所述两个太赫兹波窗口之间，且太赫兹波以正入射方式通过所述一维光子晶体谐振腔中的各所述半导体基片。