CN108535197A - 一种微型乙醇溶液浓度的检测装置及方法 - Google Patents
一种微型乙醇溶液浓度的检测装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN108535197A CN108535197A CN201810373389.2A CN201810373389A CN108535197A CN 108535197 A CN108535197 A CN 108535197A CN 201810373389 A CN201810373389 A CN 201810373389A CN 108535197 A CN108535197 A CN 108535197A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- photonic crystal
- concentration
- dielectric constant
- miniature
- constant
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 59
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 28
- 239000004038 photonic crystal Substances 0.000 claims abstract description 51
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims abstract description 20
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims abstract description 20
- 238000010606 normalization Methods 0.000 claims abstract description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 39
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 39
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 37
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 36
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 20
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 19
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 17
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 16
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 9
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 claims description 9
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 7
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 claims description 7
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims description 4
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 claims description 4
- 241001012508 Carpiodes cyprinus Species 0.000 claims description 3
- 239000002253 acid Substances 0.000 claims description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 3
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 2
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 claims 1
- 230000008859 change Effects 0.000 abstract description 7
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 abstract description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 28
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 27
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 7
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 7
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 238000000855 fermentation Methods 0.000 description 3
- 230000004151 fermentation Effects 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N Ammonium hydroxide Chemical compound [NH4+].[OH-] VHUUQVKOLVNVRT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004497 NIR spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 2
- 235000011114 ammonium hydroxide Nutrition 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 2
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 238000002798 spectrophotometry method Methods 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000006701 autoxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000012752 auxiliary agent Substances 0.000 description 1
- 238000010923 batch production Methods 0.000 description 1
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 230000003628 erosive effect Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 210000003739 neck Anatomy 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 239000013618 particulate matter Substances 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 1
- 230000000644 propagated effect Effects 0.000 description 1
- 238000003908 quality control method Methods 0.000 description 1
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 1
- 239000012495 reaction gas Substances 0.000 description 1
- 238000009738 saturating Methods 0.000 description 1
- 235000015096 spirit Nutrition 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000010148 water-pollination Effects 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
本发明涉及一种微型乙醇溶液浓度的检测装置及方法，包括：光源、输入耦合透镜、光子晶体、输出耦合透镜、光电检测仪、显示器；所述光源采用一定波长的激光器,激光器的选择根据确定，a(μm)为晶格常数，ΔGap是待测溶液不同浓度下TE模对应的最大归一化带隙范围中心值，λ0是所选激光器的中心波长，调谐的波长范围根据最大带隙处对应的波长而定。本发明中一种微型乙醇浓度测量装置灵敏度高，只要浓度有微小的变化，介电常数就会变化，进而带隙就会发生变化，光电检测器就可以检测出。
Description
技术领域
本发明公开一种溶液浓度的检测装置及方法，尤其是一种微型乙醇溶液浓度的检测装置及方法。
背景技术
乙醇俗称酒精，是一种基础的工业原料，广泛应用于军工、医药、化工、食品等领域。我国是产酒大国，有着历史悠久的“酒文化”，半数以上的国人都有饮酒的习惯。适量的饮酒，不仅可以缓解疲劳和减轻心理压力，而且可以营造愉快的氛围，有利于人们的日常生活与工作。众所周知，市场上酒的品种繁多，而品质却差别很大。酒的品质主要取决于生产过程中发酵产品质量的控制，而乙醇浓度的测定是酒以及相关发酵产品质量控制的关键之一。乙醇浓度是发酵过程中重要的过程参数，直接影响着发酵过程的控制、优化以及发酵产品的质量和产量。在工业领域，燃料乙醇是“十五”示范工程重大项目，我国将大力发展燃料乙醇。因此研制乙醇浓度的测量装置很有必要，特别是微型乙醇浓度的测量装置。
目前国内外关于乙醇浓度的测量方法有：折光率法、密度瓶法、酒精计法、化学氧化法、分光光度分析法、近红外光谱法、荧光光度法、激光拉曼光谱法、微生物电极等方法。折光率法利用乙醇与甲醇物理性质的差异，但精度不高；密度瓶法测量精确度高，但操作繁琐费时，分析时间较长；酒精计法操作简易快速，是乙醇测定的常用方法，但抗干扰性能差；化学氧化法与分光光度分析法使用仪器简便，操作简单；近红外光谱法具有无污染、无破坏性、无前处理、方便快捷等优点，但集成度不高；荧光光度法线性范围宽、灵敏度较高、选择性好，但需要严格控制温度；激光拉曼光谱法所需仪器昂贵，不适合现场的快速检测；微生物电极法重现性、选择性较好，可跟踪监测，但电极寿命短。因此，研制一种具有高集成度、高精确性、无污染、室温可操作的乙醇浓度测量装置和方法对工业、食品等领域具有重大的意义。
发明内容
本发明的目的是利用光子晶体的禁带特征，提出了一种浓度检测方法，并根据这种方法设计并制作了一种浓度检测装置，本装置核心技术是利用光子晶体的禁带特征，并以此构建检测装置。将光子晶体设计成二维三角晶格、硅介质柱、空气背景材料。通过选用单晶硅为基底材料，利用掩膜、HBr等离子刻蚀的方法制备光子晶体。硅介质柱与晶格常数都是微米级，易于集成封装。该检测装置具有较高的灵敏度。同时，因为检测过程中既不涉及化学变化，也不引入其他的杂质，所以本检测装置还具有清洁、无污染等优点。本检测装置既可以独立成品，进行离线检测，也可以封装在容器底部，进行在线实时检测。
本发明提到的光子晶体禁带特征是根据本发明中设计的光子晶体参数利用平面波展开法进行研究的。在二维光子晶体结构中，介质柱(或者空气孔)是均匀排列而成的，在与介质柱(或者空气孔)垂直的方向上介电常数是周期性排列的。无源空间中，电磁波在光子晶体(各向同性无耗无磁性)内传播可用下面两个波动方程描述：
将周期函数展开为傅立叶级数形式：
式中为第一布里渊区中的波矢量，为晶格二维倒格矢。将上述三个式子代入波动方程化简得到
TE模式本征方程：
TM模式本征方程：
对于三角晶格的光子晶体，上述本征方程中的介电常数可表示为
其中J1是一阶贝塞尔函数,为三角晶格的填充因子，εa是介质柱的介电常数，εb是背景材料的介电常数。r为介质柱的半径，a为晶格常数。
将介电常数代入上述两个本征方程，计算三角晶格光子晶体的带隙结构。经计算，对于硅介质柱(介电常数为11.7)三角晶格的光子晶体来说，TM模式未出现明显的带隙，而TE模式存在较大带隙，因此本发明仅限于TE模式。不同背景介电常数(介电常数大于11.7)带隙宽度也不同，两者呈近似线性关系:
Δgap＝m×εb+n， (1)
其中Δgap为带隙宽度，m为回归系数，εb为背景介电常数，n为常数项。取不同的背景介电常数代入本征方程计算，并将上述计算结果进行拟合，上式中回归系数为0.00063，常数项为-0.00455。
对于特定的溶液，其浓度与介电常数之间也可以用近似线性关系表示εb＝p×C+t，
(2)
其中C为浓度，p是回归系数，εb是背景介电常数，t是常数项。根据文献(阿卜杜外力阿·卜杜克力木.光子晶体禁带理论在溶液浓度检测中的应用研究[D].新疆大学,2015.)中的数据(如表1.1所示)，拟合得到乙醇溶液的介电常数与浓度百分比之间的关系：εb＝-0.5×C+81.6，拟合度0.99，呈高度线性关系。联立(1)、(2)两式就可以求出浓度C与带隙宽度Δgap之间的关系
即通过带隙宽度就可以求出溶液的浓度。
具体地，对于乙醇溶液(温度为293.15K)，其浓度百分比C与带隙宽度Δgap之间关系式为：
C＝-317.4603×Δgap+148.756。
根据上述原理，提出一种浓度检测方法并设计一种微型浓度检测装置。
本发明涉及的微型浓度检测装置主要构成部件包括：光源、输入耦合透镜、光子晶体、输出耦合透镜、光电检测仪、显示器。
所述的一种微型浓度检测装置中光源采用一定波长的激光器。激光器的选择根据确定，a(μm)为晶格常数，ΔGap是待测溶液不同浓度下TE模对应的最大归一化带隙范围中心值，λ0是所选激光器的中心波长，调谐的波长范围根据最大带隙处对应的波长而定。
所述的一种微型浓度检测装置中光子晶体的制作步骤如下：
选择单晶体(Si)作为衬底；清洗硅片并低温烘干；在硅片上覆盖掩膜版；热生长一层500nm左右的SiO2；去除掩膜版，SiO2层作为衬底硅新的掩膜版；用HF酸浸泡15秒，清洗；放入含一定量氦气的刻蚀容器，用HBr等离子刻蚀(容器内参数设置为：气压6.65Pa，总气体流量100sccm)；除去SiO2层并清洗，得到光子晶体。
等离子刻蚀法是在电场作用下，气体分子与电子碰撞，不断激发、电离气体分子产生离子或等离子体。等离子体具有很强的化学活性，可与被刻蚀物体表面原子发生化学反应，形成挥发性物质。离子在强电场作用下，垂直射向物体表面，进行物理轰击，从而达到刻蚀物体的效果。针对特定的物体，选择合适的刻蚀气体也很重要。近年来，有些报道刻蚀硅光子晶体是采用Br2刻蚀，但Br2腐蚀性强，刻蚀过程不易控制，因此本发明选用HBr等离子体刻蚀法制作光子晶体。HBr对硅和二氧化硅的刻蚀选择比高达400，适用于硅深槽的刻蚀(二氧化硅作掩膜)。HBr腐蚀性小，过程容易控制，且在室温时蒸汽压高，是Br2的100倍，是一种较理想的刻蚀硅深槽的反应气体。为了使刻蚀过程顺利进行，在刻蚀之前先用HF溶液浸泡片刻(15-20秒)，除去单晶硅表层自然生长的二氧化硅层。
实际上，在通常的反应离子刻蚀的条件下，含溴等离子容易局部放电，造成刻蚀不均匀。加入适量的惰性气体可以增加腔压，减小碰撞的自由程，有利于等离子体入射基底的方向性，并且加强物理溅射效应。本发明通过附加惰性气体(用50％左右的氦气作为稀释剂)来消除局部放电效应，使得刻蚀均匀。在HBr等离子体中，硅和二氧化硅的刻蚀速率不同，硅的刻蚀速率要比二氧化硅的刻蚀速率高得多。刻蚀速率与压强有关。对于二氧化硅来说，压强越大，刻蚀速率越低。研究发现，在气压为6.65Pa时，HBr对二氧化硅的刻蚀速率约为0.2nm/min，对硅的刻蚀速率约为120nm/min。本发明选择刻蚀时间为3小时。气体流量的大小对刻蚀速率影响也很大，总气体流量越大，横向刻蚀也相对越严重。为了保证硅柱的侧壁陡直，气体流量不宜过大，本发明中气体流量选择100sccm。
制成的光子晶体表面会有自然氧化的二氧化硅和颗粒物,可以使用APM液和清洗助剂作为清洗液。由于清洗液中的过氧化氢的作用，表层的二氧化硅(呈亲水性)与硅表面可用清洗液浸透，二氧化硅和硅被NH4OH腐蚀，硅表面的粒子便落入清洗液中。硅表面的腐蚀与氧化速率要一致，腐蚀过慢影响清洗效率，而过快硅表面粗糙程度变差。本发明清洗是在45℃的温度下进行，清洗10min。
所述的一种微型浓度检测装置中光子晶体两端分别连接输入耦合透镜和输出耦合透镜。
所述的一种微型浓度检测装置中光电检测仪用来测量穿过光子晶体之后的光强，通过光强变化得出光子晶体(浸入待测液)的禁带宽度，进而得出待测溶液浓度。
所述的一种微型浓度检测装置中的显示器用来输出显示测量的浓度值。
有益效果：
(1)本发明使用硅作为光子晶体衬底，由于硅在自然界含量丰富，因此价格低廉，并且制作过程简单，容易实现批量生产；
(2)在本发明中，光子晶体尺寸很小，便于集成封装。既可以独立成品，进行离线检测，还可以封装在一些容器内部，进行在线检测；
(3)本发明不涉及化学变化，也不引入其他的杂质，因此这种乙醇浓度检测装置具有无污染、清洁等优点；
(4)本发明中一种微型乙醇浓度测量装置灵敏度高，只要浓度有微小的变化，介电常数就会变化，进而带隙就会发生变化，光电检测器就可以检测出；
(5)本发明的装置全程操作简单、安全，容易普及。
附图说明
图1是表1.1乙醇(293.15K)浓度百分比与介电常数的关系曲线图；
图2是表1.2介电常数与带隙宽度的关系曲线图；
图3是背景介电常数为70时计算出的TE模式能带图；
图4是背景介电常数为35时计算出的TE模式能带图；
图5是三角晶格、圆形介质柱的晶格结构图；
图6是光子晶体结构俯视图；
图7是光子晶体入射端面图；
图8是光子晶体出射端面图；
图9是光子晶体入射端面透视图；
图10是光子晶体制作流程图；
图11是一种微型浓度检测装置图。
图中：1-耦合输入透镜，2-耦合输出透镜，3-硅介质柱，4-硅基底，5-光源，6-光子晶体,7-光电检测仪，8-显示器，9-待测溶液。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明中的一种微型浓度检测装置包括：光源、输入耦合透镜、光子晶体、输出耦合透镜、光电检测仪、显示器。
所述的一种微型浓度检测装置中光源采用一定波长的激光器。激光器的选择根据确定，a(μm)为晶格常数，ΔGap是待测溶液不同浓度下TE模对应的最大归一化带隙范围中心值，λ0是所选激光器的中心波长，调谐的波长范围根据最大带隙处对应的波长而定。
所述的一种微型浓度检测装置中光子晶体制作步骤包括：选择单晶体作为衬底；硅片清洗和低温烘干；在硅片上覆盖掩膜版；热生长一层500nm左右的SiO2；去除掩膜版，SiO2层作为衬底硅新的掩膜版；用HF酸浸泡15秒，清洗；装入含一定量氦气的刻蚀容器，并用HBr等离子体刻蚀，气压6.65Pa，总气体流量100sccm，刻蚀时间3小时；除去SiO2层；然后用NH4OH清洗去除硅表面的粒子；最后得到光子晶体。
所述的一种微型浓度检测装置中光子晶体两端具有输入耦合透镜，输出耦合透镜。
所述的一种微型浓度检测装置中光电检测仪用来测量穿过光子晶体之后的光强，通过光强变化得出光子晶体(浸入待测液如乙醇溶液)的禁带宽度，进而得出待测溶液浓度。
所述的一种微型浓度检测装置中的显示器用来输出显示测量的浓度值。
所述的一种微型浓度检测装置中的光子晶体是三角晶格结构，晶格常数a＝1μm，硅介质柱，半径r＝0.4a，介电常数为11.7，如图5。背景材料为待测的溶液，本发明中选用乙醇水溶液作为实施案例，还可以选用其它的溶液(介电常数大于硅，如甲醇溶液等)作为背景材料。
所述的一种微型浓度检测原理：对于三角晶格结构的硅介质柱光子晶体，不同背景介电常数，对应于TE模式下的带隙宽度不同，如图3、图4；而不同的背景介电常数对应不同浓度的乙醇溶液，如表1.1。
表1.1不同的乙醇浓度百分比和对应的介电常数
经过拟合，发现乙醇浓度百分比(％)与介电常数呈近似线性关系，如图1，拟合曲线为：y＝81.6-0.5×x，拟合度：R2＝0.99；介电常数与带隙宽度也成线性关系，如图2，拟合曲线：y＝0.00063×x-0.00455，拟合度：R2＝0.97319。
表1.2取不同背景介电常数代入本征方程计算的带隙宽度
图6是所述的一种微型浓度检测装置中光子晶体的俯视图，其中空白部分是被HBr等离子体刻蚀，圆形的是硅介质柱，四边黑色的方形部分是硅，整个结构就像一个充满介质柱的光子晶体槽，空白部分就是容纳的待测溶液(乙醇溶液)。
图7是所述的一种微型浓度检测装置中光子晶体的入射端面图，其中1就是耦合输入透镜。
图8是所述的一种微型浓度检测装置中光子晶体的出射端面图，其中2就是耦合输出透镜。
图9是所述的一种微型浓度检测装置中光子晶体的入射端面的透视图，其中3是硅介质柱，4是硅基底。
图11是所述的一种微型浓度检测装置，从左至右依次为光源5、输入耦合透镜1、光子晶体6、待测溶液9、硅介质柱3、输出耦合透镜2、光电检测仪7、显示器8。
所述的一种微型浓度检测装置中光子晶体的耦合输入透镜1与前端光源5耦合。
所述的一种微型浓度检测装置中光子晶体的耦合输出透镜2与后端光电检测仪7耦合。
所述的一种微型浓度检测装置中光子晶体的后端光电检测仪7与显示器8相连。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种微型浓度检测装置，其特征在于：包括：光源、输入耦合透镜、光子晶体、输出耦合透镜、光电检测仪、显示器；所述光源采用一定波长的激光器,激光器的选择根据确定，a(μm)为晶格常数，ΔGap是待测溶液不同浓度下TE模对应的最大归一化带隙范围中心值，λ0是所选激光器的中心波长，调谐的波长范围根据最大带隙处对应的波长而定；所述光子晶体两端具有输入耦合透镜、输出耦合透镜。
2.根据权利要求1所述的微型浓度检测装置，其特征在于：所述光电检测仪用来测量穿过光子晶体之后的光强，通过光强变化得出光子晶体的禁带宽度，进而得出待测溶液浓度。
3.根据权利要求1所述的微型浓度检测装置，其特征在于：所述显示器用来输出显示测量的浓度值。
4.根据权利要求1所述的微型浓度检测装置，其特征在于：所述光子晶体的制作步骤包括：选择单晶体作为衬底；硅片清洗和低温烘干；在硅片上覆盖掩膜版；热生长一层500nm左右的SiO2；去除掩膜版，SiO2层作为衬底硅新的掩膜版；用HF酸浸泡15秒，清洗；装入含一定量氦气的刻蚀容器，并用HBr等离子体刻蚀，气压6.65Pa，总气体流量100sccm，刻蚀时间3小时；除去SiO2层；然后用NH4OH清洗去除硅表面的粒子；最后得到光子晶体。
5.根据权利要求1所述的微型浓度检测装置，其特征在于：所述光子晶体是三角晶格结构，晶格常数a＝1μm，硅介质柱，半径r＝0.4a，介电常数为11.7。
6.根据权利要求1所述的微型浓度检测装置，其特征在于：所述清洗是在45℃的温度下进行，清洗10min。
7.一种微型浓度检测方法，其特征在于：在二维光子晶体结构中，介质柱或者空气孔是均匀排列而成的，在与介质柱或者空气孔垂直的方向上介电常数是周期性排列的，无源空间中，电磁波在光子晶体各向同性无耗无磁性内传播可用下面两个波动方程描述：
将周期函数展开为傅立叶级数形式：
式中为第一布里渊区中的波矢量，为晶格二维倒格矢，将上述三个式子代入波动方程化简得到
TE模式本征方程：
TM模式本征方程：
对于三角晶格的光子晶体，上述本征方程中的介电常数可表示为
其中J1是一阶贝塞尔函数,为三角晶格的填充因子，εa是介质柱的介电常数，εb是背景材料的介电常数，r为介质柱的半径，a为晶格常数，
将介电常数代入上述两个本征方程，计算三角晶格光子晶体的带隙结构，经计算，对于硅介质柱(介电常数为11.7)三角晶格的光子晶体来说，TM模式未出现明显的带隙，而TE模式存在较大带隙，因此本发明仅限于TE模式，不同背景介电常数(介电常数大于11.7)带隙宽度也不同，两者呈近似线性关系:
Δgap＝m×εb+n, (1)
其中Δgap为带隙宽度，m为回归系数，εb为背景介电常数，n为常数项，取不同的背景介电常数代入本征方程计算，并将上述计算结果进行拟合，上式中回归系数为0.00063，常数项为-0.00455，
对于特定的溶液，其浓度与介电常数之间也可以用近似线性关系表示εb＝p×C+t，
(2)
其中C为浓度，p是回归系数，εb是背景介电常数，t是常数项，拟合得到乙醇溶液的介电常数与浓度百分比之间的关系：εb＝-0.5×C+81.6，拟合度0.99，呈高度线性关系，联立(1)、(2)两式就可以求出浓度C与带隙宽度Δgap之间的关系
即通过带隙宽度就可以求出溶液的浓度。
8.根据权利要求7所述的微型浓度检测方法，其特征在于：对于乙醇溶液，其浓度百分比C与带隙宽度Δgap之间关系式为：
C＝-317.4603×Δgap+148.756。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810373389.2A CN108535197A (zh) | 2018-04-24 | 2018-04-24 | 一种微型乙醇溶液浓度的检测装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201810373389.2A CN108535197A (zh) | 2018-04-24 | 2018-04-24 | 一种微型乙醇溶液浓度的检测装置及方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN108535197A true CN108535197A (zh) | 2018-09-14 |
Family
ID=63478400
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810373389.2A Pending CN108535197A (zh) | 2018-04-24 | 2018-04-24 | 一种微型乙醇溶液浓度的检测装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN108535197A (zh) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110567915A (zh) * | 2019-09-06 | 2019-12-13 | 云南大唐汉方制药股份有限公司 | 一种龙血竭蒸渣过程乙醇浓度的在线检测方法 |
| CN112129717A (zh) * | 2019-06-24 | 2020-12-25 | 南京农业大学 | 一种可视化溶液检测装置 |
| CN114113049A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-01 | 南京信息工程大学 | 一种自发光型光子晶体电致化学发光传感器的制备方法及应用 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1898592A (zh) * | 2004-03-11 | 2007-01-17 | 安捷伦科技有限公司 | 光子晶体传感器 |
| CN102375914A (zh) * | 2011-11-22 | 2012-03-14 | 天津工业大学 | 一种利用二维光子晶体提高c波段led出光效率的方法 |
| CN102681069A (zh) * | 2012-06-07 | 2012-09-19 | 太原理工大学 | 一维光子晶体全可见光波段单通道超窄带滤波器 |
| CN103091268A (zh) * | 2013-01-12 | 2013-05-08 | 东北大学 | 一种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法 |
| CN202956340U (zh) * | 2012-12-02 | 2013-05-29 | 上海理工大学 | 一种基于光子晶体负折射效应的溶液浓度检测器 |
| CN104458660A (zh) * | 2014-11-15 | 2015-03-25 | 新疆大学 | 基于透射式多孔硅光子晶体微腔角度检测装置的生物分子检测方法 |
| CN105353462A (zh) * | 2015-12-15 | 2016-02-24 | 宁波大学 | 带有反射腔的光子晶体滤波器 |
| CN105490770A (zh) * | 2015-12-10 | 2016-04-13 | 青岛大学 | 一种isi结构的二维光子晶体电磁辐射防护装置 |
| CN105860631A (zh) * | 2016-04-28 | 2016-08-17 | 青岛大学 | 一种一维光子晶体结构的涂料 |
| CN208459265U (zh) * | 2018-04-24 | 2019-02-01 | 南京信息工程大学 | 一种微型乙醇溶液浓度的检测装置 |
-
2018
- 2018-04-24 CN CN201810373389.2A patent/CN108535197A/zh active Pending
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1898592A (zh) * | 2004-03-11 | 2007-01-17 | 安捷伦科技有限公司 | 光子晶体传感器 |
| CN102375914A (zh) * | 2011-11-22 | 2012-03-14 | 天津工业大学 | 一种利用二维光子晶体提高c波段led出光效率的方法 |
| CN102681069A (zh) * | 2012-06-07 | 2012-09-19 | 太原理工大学 | 一维光子晶体全可见光波段单通道超窄带滤波器 |
| CN202956340U (zh) * | 2012-12-02 | 2013-05-29 | 上海理工大学 | 一种基于光子晶体负折射效应的溶液浓度检测器 |
| CN103091268A (zh) * | 2013-01-12 | 2013-05-08 | 东北大学 | 一种基于光子晶体槽波导的多组分气体浓度测量方法 |
| CN104458660A (zh) * | 2014-11-15 | 2015-03-25 | 新疆大学 | 基于透射式多孔硅光子晶体微腔角度检测装置的生物分子检测方法 |
| CN105490770A (zh) * | 2015-12-10 | 2016-04-13 | 青岛大学 | 一种isi结构的二维光子晶体电磁辐射防护装置 |
| CN105353462A (zh) * | 2015-12-15 | 2016-02-24 | 宁波大学 | 带有反射腔的光子晶体滤波器 |
| CN105860631A (zh) * | 2016-04-28 | 2016-08-17 | 青岛大学 | 一种一维光子晶体结构的涂料 |
| CN208459265U (zh) * | 2018-04-24 | 2019-02-01 | 南京信息工程大学 | 一种微型乙醇溶液浓度的检测装置 |
Non-Patent Citations (5)
| Title |
|---|
| 帕孜来提·阿卜杜热伊木 等: "二维光子晶体禁带理论在浓度测量上的模拟研究", 《激光与光电子学进展》, no. 6, pages 062302 - 1 * |
| 阿不都热苏力;: "光子晶体带隙宽度测量法在溶液浓度检测中的应用", 激光杂志, no. 11, pages 79 - 82 * |
| 阿不都热苏力;: "利用金刚石结构三维光子晶体带隙宽度测量乙醇水溶液的浓度", 激光杂志, no. 02, pages 86 - 89 * |
| 阿不都热苏力;帕力哈提・米吉提;地力夏提;: "基于晶体禁带特性的溶液浓度测量方法的研究", 激光杂志, no. 09, pages 22 - 25 * |
| 魏可嘉;李鸿强;陈弘达;李恩邦;柳智慧;: "二维光子晶体提高C波段LED出光效率的研究", 光谱学与光谱分析, no. 09, pages 39 - 44 * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112129717A (zh) * | 2019-06-24 | 2020-12-25 | 南京农业大学 | 一种可视化溶液检测装置 |
| CN110567915A (zh) * | 2019-09-06 | 2019-12-13 | 云南大唐汉方制药股份有限公司 | 一种龙血竭蒸渣过程乙醇浓度的在线检测方法 |
| CN114113049A (zh) * | 2021-11-30 | 2022-03-01 | 南京信息工程大学 | 一种自发光型光子晶体电致化学发光传感器的制备方法及应用 |
| CN114113049B (zh) * | 2021-11-30 | 2023-05-30 | 南京信息工程大学 | 一种自发光型光子晶体电致化学发光传感器的制备方法及应用 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ranacher et al. | Characterization of evanescent field gas sensor structures based on silicon photonics | |
| CN108535197A (zh) | 一种微型乙醇溶液浓度的检测装置及方法 | |
| Thalman et al. | Inherent calibration of a blue LED-CE-DOAS instrument to measure iodine oxide, glyoxal, methyl glyoxal, nitrogen dioxide, water vapour and aerosol extinction in open cavity mode | |
| Hosono et al. | Effects of fluorine dimer excimer laser radiation on the optical transmission and defect formation of various types of synthetic SiO 2 glasses | |
| Pipino | Ultrasensitive surface spectroscopy with a miniature optical resonator | |
| CN1625680B (zh) | 基于光纤的腔环降光谱装置 | |
| Gilbert et al. | Acetylene 12C2H2 absorption reference for 1510 nm to 1540 nm wavelength calibration—SRM 2517a | |
| US20090059234A1 (en) | Hollow waveguide cavity ringdown spectroscopy | |
| Skuja et al. | Quantitative analysis of the concentration of interstitial O 2 molecules in SiO 2 glass using luminescence and Raman spectrometry | |
| Zhang et al. | Optical technology for detecting the decomposition products of SF6: a review | |
| CN208459265U (zh) | 一种微型乙醇溶液浓度的检测装置 | |
| Zhao et al. | Ultra-High Sensitive Multipass Absorption Enhanced Fiber-Optic Photoacoustic Gas Analyzer | |
| Panu et al. | Real-time HCl gas detection at parts-per-billion level concentrations utilising a diode laser and a bismuth-doped fibre amplifier | |
| CN108426813B (zh) | 混合气体浓度检测系统、方法及装置 | |
| Siebert et al. | Infrared integrated optical evanescent field sensor for gas analysis: Part II. Fabrication | |
| Baryshev et al. | Optical characterization of synthetic opals | |
| Walrafen | Raman spectra from HDO in H2O to 7.2 kbar | |
| Naqvi et al. | Uniform thin films on optical fibers by plasma-enhanced chemical vapor deposition: Fabrication, mie scattering characterization, and application to microresonators | |
| CN105928884B (zh) | 基于二维光子晶体的多种气体传感系统及其检测方法 | |
| Petrova et al. | Spectrometric complex for investigation of spectra of selective and nonselective gas absorption in a wide spectral range | |
| Poitras et al. | Simple method for determining slowly varying refractive-index profiles from in situ spectrophotometric measurements | |
| Wang et al. | Carbon dioxide detection system based on TDLAS technology | |
| JP4352422B2 (ja) | 石英ガラス中に含まれる微量ｏｈ基濃度の測定方法 | |
| JP4467137B2 (ja) | 石英ガラス中に含まれる微量ｏｈ基濃度の測定方法 | |
| Solignac et al. | The gas phase tropospheric removal of fluoroaldehydes (C x F 2x+ 1 CHO, x= 3, 4, 6) |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20180914 |