CN112964679B

CN112964679B - 基于pt对称结构的气体浓度传感器

Info

Publication number: CN112964679B
Application number: CN202110286706.9A
Authority: CN
Inventors: 吕博; 赵超; 史金辉; 朱正; 李玉祥; 李汶佳; 李增霖; 王影; 潘泽宇
Original assignee: Harbin Engineering University
Current assignee: Harbin Engineering University
Priority date: 2021-03-17
Filing date: 2021-03-17
Publication date: 2022-02-01
Anticipated expiration: 2041-03-17
Also published as: CN112964679A

Abstract

本发明公开了一种基于PT对称结构的气体浓度传感器，包括：损耗层、第一电感层、第二电感层和增益层，其中，从左至右依次设置损耗层、第一电感层、第二电感层和增益层，损耗层和第一电感层之间为空气层，第一电感层和第二电感层之间为待检测气体层，第二电感层和增益层之间为空气层，且损耗层和第一电感层之间的距离与第二电感层和增益层之间的距离相等。该传感器结构简单，成本低，可以避免气敏材料及其复杂的制备工艺，也可以检测由低密度气体分子引起的折射率极小规模扰动，并且在低浓度范围内具有高灵敏度的优势。

Description

基于PT对称结构的气体浓度传感器

技术领域

本发明涉及传感技术领域，特别涉及一种基于PT对称结构的高灵敏气体浓度传感器。

背景技术

目前典型的气体传感主要基于光谱测量机制，被测气体的折射率变化引起结构透射光谱中透射峰或吸收峰的位置变化，因此，只要测得了结构的透射光谱就可以反算出对应的气体折射率。现有传感器方案虽然可以实现高灵敏度，但是存在以下几方面的问题：第一，需要较大的结构周期，从而导致较大的传感器规模；第二，需要宽光谱光源；第三，当检测弱吸收峰或光谱线时，读取数据需要复杂的光谱仪配合。同上，以上几方面都会导致传感器复杂的设计和高昂的成本。

近年来，在认识到一些满足宇称时间(Parity-time,PT)对称性的非厄米算符具有类似于厄米算符的实数本征值性质之后，基于PT对称系统的传感设计受到科研工作者们的广泛关注。尤其PT对称系统增强弱微扰传感灵敏度的性质得到理论解释之后，被广泛应用于各种物理参数的传感研究，主要包括粒子检测、温度传感、折射率传感、光学陀螺仪和石墨烯生物化学传感等方面。因此，本发明提出了一种基于PT对称的气体浓度传感器。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种基于PT对称结构的气体浓度传感器。

为达到上述目的，本发明实施例提出了基于PT对称结构的气体浓度传感器，包括：损耗层、第一电感层、第二电感层和增益层，其中，从左至右依次设置所述损耗层、所述第一电感层、所述第二电感层和所述增益层，所述损耗层和所述第一电感层之间为空气层，所述第一电感层和所述第二电感层之间为待检测气体层，所述第二电感层和所述增益层之间为空气层，且所述损耗层和所述第一电感层之间的距离与所述第二电感层和所述增益层之间的距离相等。

本发明实施例的基于PT对称结构的气体浓度传感器，与现有技术相比，PT对称结构对入射波具有放大作用，即使透射峰位置随气体浓度变化幅度很小，透射率也可以发生数个dB的变化，且透射率的绝对值都大于0dB，相当于传感器集成了放大功能，不仅简化了后续处理流程，也有助于提升传感器灵敏度；同时，结构简单，成本低，无需考虑气敏材料及其复杂的制备工艺。

另外，根据本发明上述实施例的基于PT对称结构的气体浓度传感器还可以具有以下附加的技术特征：

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述损耗层和所述第一电感层之间的距离为四分之一预设波长，所述第二电感层和所述增益层之间的距离为四分之一预设波长。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述第一电感层和所述第二电感层之间的距离为预设波长的整数倍。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述损耗层的表面阻抗与空气波阻抗匹配为377Ω，所述增益层的表面阻抗为-377Ω。

进一步地，在本发明的一个实施例中，电磁波从所述损耗层一侧入射。

进一步地，在本发明的一个实施例中，所述待检测气体层中混合气体的折射率为：

n_mix＝n₀(1-p)+n_ip

其中，n_mix为所述待检测气体层中混合气体的折射率，n₀为空气的折射率，n_i为待测气体的折射率，p为气体浓度。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明一个实施例的基于PT对称结构的气体浓度传感器的结构示意图；

图2是本发明一个实施例的基于PT对称的气体浓度传感器等效传输线模型；

图3是本发明一个实施例的PT对称传感结构的透射幅度曲线图；

图4是本发明一个实施例的PT对称系统的散射矩阵的特征值随工作频率的变化关系图；

图5是本发明一个实施例的PT对称传感结构透射峰的变化与混合气体层的折射率的关系图；

图6是在不同的待检测气体层的长度下，PT对称传感结构透射峰的变化和混合气体层浓度大小的关系图；

图7是PT对称传感结构透射峰的变化与待检测气体苯蒸汽浓度大小关系图；

图8是PT对称传感结构透射峰的变化与三种典型有毒气体浓度大小关系图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

下面参照附图描述根据本发明实施例提出的基于PT对称结构的气体浓度传感器。

图1是本发明一个实施例的基于PT对称结构的气体浓度传感器的结构示意图。

如图1所示，该气体浓度传感器10包括：损耗层100、第一电感层200、第二电感层300和增益层400。

其中，从左至右依次设置损耗层100、第一电感层200、第二电感层300和增益层400，损耗层100和第一电感层200之间为空气层，第一电感层200和第二电感层300之间为待检测气体层，第二电感层300和增益层400之间为空气层，且损耗层100和第一电感层200之间的距离与第二电感层300和增益层400之间的距离相等。

也就是说，气体浓度传感器10是由损耗层100(如高电阻薄片)、第一电感层200、第二电感层300、增益层400依次相连而成，两个电感层之间为待检测气体层，其余部分为空气层。

进一步地，损耗层100和第一电感层200之间的距离为四分之一预设波长，第二电感层300和增益层400之间的距离也为四分之一预设波长，两个电感层之间的距离为波长整数倍。

进一步地，损耗层100的表面阻抗与空气波阻抗匹配为377Ω，增益层400的表面阻抗为-377Ω。

进一步地，气体浓度传感器10采用单侧激励，电磁波从损耗层100一侧入射，其中，该电磁波设计的频率在微波段，即可以拓展到太赫兹，红外以及可见光波段。

具体地，本发明提出的基于PT对称结构的气体浓度传感器的工作过程为：初始状态时，待检测气体层全部为空气。当待测气体层中的空气混入了一定浓度的其他气体，混合气体的折射率改变，折射率和气体浓度满足定量关系，折射率的改变导致透射率发峰值高度的改变，本发明通过检测基于PT对称的传感结构的透射率，可以反向计算出混合气体的折射率，进而得到待检测气体的浓度大小。其中，由于PT对称结构的增益机制，透射率远大于1，可以避免入射波强度太小而影响数据的读取。

其中，反向计算出待检测气体层里混合气体的折射率公式为：

n_mix＝n₀(1-p)+n_ip

其中，n_mix为待检测气体层中混合气体的折射率，n₀为空气的折射率，n_i为待测气体的折射率，p为气体浓度。

需要说明的是，理论上，本发明气体浓度传感器的结构会对入射波产生明显的放大作用，透射率可以高于1，但这种放大作用可能会受到被测气体折射率的影响，因此，可利用检测极点处的透射率大小实现气体折射率的测量。同时，由于传感器的透射率n_mix与折射率存在一一对应的关系，因此可以通过极点附近透射率的幅度变化检测待测气体层的折射率和浓度变化。

举例而言，如图1所示，损耗层100和第一电感层200之间的距离为d₁＝7.5mm，增益层400和第二电感层300之间的距离也为d₂＝7.5mm，两个电感层之间的距离为d_g＝300mm。损耗层的表面阻抗大小等于空气波阻抗(377Ω)，增益层的表面阻抗的大小为-377Ω。两个电感层之间为待检测气体层，其余部分为空气。如图2所示，本发明气体浓度传感器等效传输线模型的电路参数电阻R＝377Ω，电感L＝5pH。

具体地，如图3所示，整个PT对称传感结构在CPAL点获得了较大的传输放大率(超窄带和尖峰散射响应可用于设计高灵敏度和高分辨率的气体浓度传感器)，如图4所示，从一侧入射电磁波，仅激发极点效应，并且透射峰恰好对应于两个特征值的极点，其中，存在一个奇异点，叫做相干完美吸收激发点，在这一点上，PT对称系统同时作为一个相干完美吸收体和激光器，并且其散射矩阵的特征值一个为零，一个为无穷大。

因此，如图5所示，即使混合气体层的折射率变化很小，也可以将透射率调制几个数量级。换句话说，极点处的透射率对混合气体层折射率的变化非常敏感。然后由折射率公式可知可以通过检测极点处的透射率来检测A层中的气体浓度。

下面举例几种待检测气体对本发明提出的基于PT对称结构的气体浓度传感器进一步说明。

如图6所示，当待检测气体为苯蒸汽时，通过改变待检测气体层的长度，检测不同浓度下的透射谱中的透射率峰值大小。从图中可以看出，当待检测气体层的长度分别为30mm，120mm，210mm，300mm时，在整个浓度区间透射率的变化范围分别是14.040dB，24.454dB，29.009dB，31.998dB。随着待检测气体层长度的增加，透射率的变化范围更大。当长度为300mm时，透射率从52.309dB下降至20.321dB，这说明该传感方案可以达到更高的灵敏度。

如图7所示，在低浓度范围0-20％内透射率从52.310dB下降至39.736dB，整个跨度上有12.574dB的变化。也就是说，苯蒸汽的浓度每变化1％，透射率变化0.628dB，低浓度区间成为传感器最灵敏的检测区间。这一点在实际应用中是有利的，因为有毒气体的浓度通常较低。

如图8所示，本发明提出的PT对称结构可以检测任何气体，选择了三种典型有毒气体：苯蒸汽、溴蒸汽、丙酮为例，折射率分别为n_i＝1.001762，n_i＝1.001132，n_i＝1.001090。从图中可以看出，对于折射率最大的苯蒸汽来说，在整个浓度范围0-100％内，透射率从52.310dB下降至20.321dB，整个跨度上有31.989dB的变化。而对于折射率较小的溴蒸气和丙酮来说，在整个浓度变化范围内透射率分别有26.079dB，25.5dB的变化。杂质气体与空气的折射率差别越大，其对混合气体折射率的影响就越大。当杂质气体折射率越大，那么单位浓度的变化会导致被测气体折射率产生更大变化。结果证明了该传感器的可行性，并为将来的制造和测试提供了指导。

综上，本发明实施例利用散射矩阵极点处透射率的幅度变化，设计了基于PT对称耦合结构的气体浓度传感器，建立了透射率峰值大小与气体浓度之间的关系，可以检测由低密度气体分子引起的折射率极小规模扰动，并且具有在低浓度范围内具有高灵敏度的优势，同时，结构简单，成本低，可以避免气敏材料及其复杂的制备工艺。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims

1.一种基于PT对称结构的气体浓度传感器，其特征在于，包括：损耗层、第一电感层、第二电感层和增益层，其中，从左至右依次设置所述损耗层、所述第一电感层、所述第二电感层和所述增益层，所述损耗层和所述第一电感层之间为空气层，所述第一电感层和所述第二电感层之间为待检测气体层，所述第二电感层和所述增益层之间为空气层，且所述损耗层和所述第一电感层之间的距离与所述第二电感层和所述增益层之间的距离相等均为四分之一预设波长。

2.根据权利要求1所述的基于PT对称结构的气体浓度传感器，其特征在于，所述第一电感层和所述第二电感层之间的距离为预设波长的整数倍。

3.根据权利要求1所述的基于PT对称结构的气体浓度传感器，其特征在于，所述损耗层的表面阻抗与空气波阻抗匹配为377Ω，所述增益层的表面阻抗为-377Ω。

4.根据权利要求1所述的基于PT对称结构的气体浓度传感器，其特征在于，电磁波从所述损耗层一侧入射。