CN111272714A - 一种光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器，包括绝缘基底层，所述绝缘基底层的上方设置有带有孔洞的第一贵金属薄膜层，所述第一贵金属薄膜层的上方设置有金属氧化物层,所述金属氧化物层的上设置有第二贵金属薄膜层；与传统的测量金属氧化物水平方向的电阻相比，该基于光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器测量金属氧化物竖直方向的电阻变化，相对来说电阻变化更大，因此，该气体传感器具有结构简单、气体探测灵敏度高的优点。

Description

一种光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器
技术领域
本发明属于气体探测技术领域，具体涉及一种光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器。
背景技术
众所周知的一个问题是在油品生产或类似设施中可能产生有毒气体，而光学传感器通常用于通过监测气体的吸收谱或荧光谱来监测这样的环境，现有技术中以以下步骤对有害气体执行测量：将气体引入测量单元并且发射某一波长或波长范围的光穿过单元，以及直接检测对所选的典型波长的吸收或者在检测器处测量荧光谱，通常使用法布里-珀罗干涉仪(Fabry Perot interferometer)来选择特定用于要检测的气体的波长。
上述气体传感器主要存在如下缺陷：气体传感器的灵敏度较低、选择性较差、功耗大、制备工艺复杂、价格高等因素，而所有这些因素都与气体传感器所采用的敏感材料和气体传感器的结构有关。可以说，敏感材料与传感器的结构是新型气体传感器乃至新的气体传感器技术的基础与关键。
发明内容
本发明提供了一种光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器，包括绝缘基底层，所述绝缘基底层的上方设置有带有孔洞的第一贵金属薄膜层，所述第一贵金属薄膜层的上方设置有金属氧化物层,所述金属氧化物层的上设置有第二贵金属薄膜层。
所述多个孔洞为周期排列。
所述孔洞底部设置有贵金属颗粒层。
所述贵金属颗粒层的高度高于第一贵金属薄膜层的厚度。
所述孔洞的半径为100nm～1000nm。
所述贵金属颗粒层为圆柱形。
所述贵金属颗粒层为圆锥形。
所述第一贵金属薄膜层、第二贵金属薄膜层均是由金或银制成。
所述金属氧化物层是氧化铁(Fe2O3)、氧化铜(CuO)、氧化锌(ZnO)、四氧化三钴(Co3O4)、氧化镍(NiO)、氧化钛(TiO2)、氧化钼(MoO3)、氧化锡(SnO2)中的一种或多种组成。
与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明提供了的这种基于光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器，通过在金属氧化物的上下两侧设置带有孔洞的贵金属薄膜层，在第一贵金属薄膜层、第二贵金属薄膜层之间形成谐振腔，通过光入射，在谐振腔的作用下，在孔洞中聚集强电场，强电场有利于将金属氧化物内部的自由电子与附近的氧气分子结合，变成氧负离子，使得金属氧化物内部的自由电子浓度减少，金属氧化物电阻剧烈增加；当待测气体与传感器接触时，气体分子与更多的氧负离子反应，生成更多的自由电子，这些自由电子返回该气体传感器中，使得金属氧化物自由电子浓度剧烈增加，电阻剧烈降低，通过检测电阻的变化，就可以实现气体分子的探测；与传统的测量金属氧化物水平方向的电阻相比，该基于光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器测量金属氧化物竖直方向的电阻变化，相对来说电阻变化更大，因此，该气体传感器具有结构简单、气体探测灵敏度高的优点。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器的结构示意图一。
图2是光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器的结构示意图二。
图3是光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器的结构示意图三。
图4是光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器的结构示意图四。
图中：1、绝缘基底层；2、第一贵金属薄膜层；3、金属氧化物层；4、第二贵金属薄膜层；5、孔洞；6、贵金属颗粒层。
具体实施方式
为进一步阐述本发明达成预定目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及实施例对本发明的具体实施方式、结构特征及其功效，详细说明如下。
实施例1
本发明提供了一种如图1、图2所示的光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器，包括具有支撑和保护作用的绝缘基底层1，所述绝缘基底层1的上方设置有带有孔洞5的第一贵金属薄膜层2，所述第一贵金属薄膜层2的上方设置有金属氧化物层3,所述金属氧化物层3的上设置有第二贵金属薄膜层4，换句话说，第一贵金属薄膜层2、金属氧化物层3、第二贵金属薄膜层4从下到上，依次设置，孔洞5从上到下，依次贯穿第二贵金属薄膜层4、金属氧化物层3、第一贵金属薄膜层2。第一贵金属薄膜层2、第二贵金属薄膜层4为作为电极，测量金属氧化物层3的电阻变化。也就是说，通过第一贵金属薄膜层2、第二贵金属薄膜层4检测金属氧化物层3的电阻变化，就可以对气体分子进行检测，通过在金属氧化物3的上下两侧设置带有孔洞的贵金属薄膜层作为感应元件与外部信息读取设备进行电连接，第一贵金属薄膜层2、第二贵金属薄膜层4之间形成谐振腔，通过光入射，在谐振腔的作用下，在孔洞5中聚集强电场，强电场有利于将金属氧化物3内部的自由电子与附近的氧气分子结合，变成氧负离子，使得金属氧化物3内部的自由电子浓度减少，金属氧化物3电阻剧烈增加；当待测气体与传感器接触时，气体分子与更多的氧负离子反应，生成更多的自由电子，这些自由电子返回该气体传感器中，使得金属氧化物3自由电子浓度剧烈增加，电阻剧烈降低，通过第一贵金属薄膜层2、第二贵金属薄膜层4作为电极检测金属氧化物3的电阻变化，就可以实现气体分子的探测。在本方案中，第一贵金属薄膜层2和第二贵金属薄膜层4作为电极，也就是说，不用再制备叉指电极，减少了制备步骤。
进一步的，所述绝缘基底层1可以由二氧化硅等结构稳定、绝缘性好的材料制成。
进一步的，所述孔洞5底部设置有贵金属颗粒层6。贵金属颗粒层6可以是由金或银或铜制成；贵金属颗粒层6能能够加强个孔洞5内聚集的电场，有利于金属氧化物3产生更多的氧负离子，这使得金属氧化物层3内部的自由电子的增加与减少更加明显、更加剧烈，从而使得该光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器的金属氧化物层3的电阻变化更加灵敏，使得第一贵金属薄膜层2、第二贵金属薄膜层4能够在竖直方向上更灵敏的感应到金属氧化物层3的电阻变化，从而提高该气体传感器对气体探测的灵敏度更高。
进一步的，如图2所示，所述多个孔洞5为周期排列，优先的，孔洞5的周期与入射光在第二贵金属薄膜层2上传播的表面等离极化激元的波长相同，这样在孔洞5的周围会形成更强的电荷振动，从而使更多的光耦合进入孔洞5中，从而使得孔洞5中和贵金属颗粒层6中激发更多的电场，有利于金属氧化物3产生更多的氧负离子，这使得金属氧化物层3内部的自由电子的增加与减少更加明显、更加剧烈，从而使得该基于光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器的金属氧化物层3的电阻变化更加灵敏，第一贵金属薄膜层2、第二贵金属薄膜层4能够在竖直方向上更灵敏的感应到金属氧化物层3的电阻变化，从而提高了该气体传感器对气体探测的灵敏度更高。
优先的，如图3所示，所述贵金属颗粒层6为圆柱形。
或者，如图4所示，所述贵金属颗粒层6为圆锥形。
进一步的，所述多个孔洞5为圆形的孔洞，并且孔洞5的半径为100nm～1000nm，
优选地，在贵金属颗粒层6中，颗粒的尺寸选择能够与入射光匹配，在入射光的激发下，颗粒能够产生表面等离激元共振，有利于入射光与贵金属颗粒层6激发更多的电场，从而使得金属氧化物3产生更多的氧负离子，这使得金属氧化物层3内部的自由电子的增加与减少更加明显、更加剧烈，从而使得该基于光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器的金属氧化物层3的电阻变化更加灵敏，第一贵金属薄膜层2、第二贵金属薄膜层4能够在竖直方向上更灵敏的感应到金属氧化物层3的电阻变化，从而提高该气体传感器的灵敏度。
进一步的，如图3所示，所述贵金属颗粒层6的高度高于第一贵金属薄膜层2的厚度，在确保第一贵金属薄膜层2、第二贵金属薄膜层4之间形成谐振腔的基础上，在孔洞5的底部形成能够聚集更多电场的三角区，并且这些聚集的电场也主要聚集在孔洞5中的金属氧化物3的侧面附近，有利于金属氧化物3产生更多的氧负离子，这使得金属氧化物层3内部的自由电子的增加与减少更加明显、更加剧烈，从而使得该基于光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器的金属氧化物层3的电阻变化更加灵敏，第一贵金属薄膜层2、第二贵金属薄膜层4能够在竖直方向上更灵敏的感应到金属氧化物层3的电阻变化，从而提高了该气体传感器对气体探测的灵敏度更高。
另外，在制备该光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器时，金属氧化物层3的厚度远大于第一贵金属薄膜层2、第二贵金属薄膜层4的厚度，例如，第一贵金属薄膜层2、第二贵金属薄膜层4的厚度可以设置为100nm～1000nm，而金属氧化物层3的厚度则可以设置为2000nm～4000nm之间，以便于在谐振腔中形成多个强电场分布位置，这些强电场分布在金属氧化物层3中，以提高探测灵敏度。
进一步的，所述第一贵金属薄膜层2、第二贵金属薄膜层4均是由金或银制成。
进一步的，所述金属氧化物层3是氧化铁Fe2O3、氧化铜CuO、氧化锌ZnO、四氧化三钴Co3O4、氧化镍NiO、氧化钛(TiO2)、氧化钼(MoO3)、氧化锡(SnO2)中的一种或多种组成。
综上所述，该基于光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器，通过在金属氧化物3的上下两侧设置带有孔洞5的贵金属薄膜层，在第一贵金属薄膜层2、第二贵金属薄膜层4之间形成谐振腔，通过光入射，在谐振腔的作用下，在孔洞5中聚集强电场，强电场有利于将金属氧化物3内部的自由电子与附近的氧气分子结合，变成氧负离子，使得金属氧化物3内部的自由电子浓度减少，金属氧化物3电阻剧烈增加；当待测气体与传感器接触时，气体分子与更多的氧负离子反应，生成更多的自由电子，这些自由电子返回该气体传感器中，使得金属氧化物3自由电子浓度剧烈增加，电阻剧烈降低，通过检测电阻的变化，就可以实现气体分子的探测；与传统的测量金属氧化物水平方向的电阻相比，该基于光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器测量金属氧化物3竖直方向的电阻变化，相对来说电阻变化更大，因此，该气体传感器具有结构简单、气体探测灵敏度高的优点。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器，其特征在于：包括绝缘基底层(1)，所述绝缘基底层(1)的上方设置有带有孔洞(5)的第一贵金属薄膜层(2)，所述第一贵金属薄膜层(2)的上方设置有金属氧化物层(3),所述金属氧化物层(3)的上设置有第二贵金属薄膜层(4)。
2.如权利要求1所述的一种光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器，其特征在于：所述多个孔洞(5)为周期排列。
3.如权利要求1所述的一种光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器，其特征在于：所述孔洞(5)底部设置有贵金属颗粒层(6)。
4.如权利要求1所述的一种光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器，其特征在于：所述贵金属颗粒层(6)的高度高于第一贵金属薄膜层(2)的厚度。
5.如权利要求4所述的一种光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器，其特征在于：所述孔洞(5)的半径为100nm～1000nm。
6.如权利要求1所述的一种光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器，其特征在于：所述贵金属颗粒层(6)为圆柱形。
7.如权利要求1所述的一种光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器，其特征在于：所述贵金属颗粒层(6)为圆锥形。
8.如权利要求1所述的一种光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器，其特征在于：所述第一贵金属薄膜层(2)、第二贵金属薄膜层(4)均是由金或银制成。
9.如权利要求1所述的一种光学谐振腔原理的金属氧化物气体传感器，其特征在于：所述金属氧化物层(3)是氧化铁(Fe2O3)、氧化铜(CuO)、氧化锌(ZnO)、四氧化三钴(Co3O4)、氧化镍(NiO)、氧化钛(TiO2)、氧化钼(MoO3)、氧化锡(SnO2)中的一种或多种组成。
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