CN114414486B - 一种基于贵金属耦合的氢气探测器 - Google Patents

一种基于贵金属耦合的氢气探测器 Download PDF

Info

Publication number
CN114414486B
CN114414486B CN202210061204.0A CN202210061204A CN114414486B CN 114414486 B CN114414486 B CN 114414486B CN 202210061204 A CN202210061204 A CN 202210061204A CN 114414486 B CN114414486 B CN 114414486B
Authority
CN
China
Prior art keywords
noble metal
metal part
hydrogen
palladium
block
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.)
Active
Application number
CN202210061204.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114414486A (zh
Inventor
邵雅斌
陈晨
贾炀
王君
李强
于海龙
刘佳
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Zhejiang Shuren University
Original Assignee
Zhejiang Shuren University
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Zhejiang Shuren University filed Critical Zhejiang Shuren University
Priority to CN202210061204.0A priority Critical patent/CN114414486B/zh
Publication of CN114414486A publication Critical patent/CN114414486A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114414486B publication Critical patent/CN114414486B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

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
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation
    • 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
    • G01N21/25—Colour; Spectral properties, i.e. comparison of effect of material on the light at two or more different wavelengths or wavelength bands

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)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

本发明涉及氢气检测技术领域，具体涉及一种基于贵金属耦合的氢气探测器，包括衬底、弹性层、敏感单元，弹性层置于衬底上，敏感单元周期性地置于弹性层上，敏感单元包括钯块、第一贵金属部、第二贵金属部，钯块设置在弹性层上，第一贵金属部和第二贵金属部设置在钯块上，第一贵金属部和第二贵金属部之间设有间隙。应用时，在待测氢气环境中，连续谱光源照射第一贵金属部和第二贵金属部，钯块吸附氢气产生膨胀，通过共振波长的移动实现氢气或氢气浓度探测。本发明中，吸附氢气的钯块的尺寸大，而导致共振波长移动的第一贵金属部和第二贵金属部的尺寸小，所以氢气对上述共振波长的调节力度大，从而实现更高灵敏度的氢气探测。

Description

一种基于贵金属耦合的氢气探测器
技术领域
本发明涉及氢气检测技术领域，具体涉及一种基于贵金属耦合的氢气探测器。
背景技术
氢气具有燃烧值高、可再生、清洁无污染等优点，是一种理想的清洁能源。由于氢原子体积小，容易发生泄漏。并且氢气在空气中浓度达到4％～75％时，遇到明火、电流等就会爆炸，发生严重事故。因此，对氢气浓度检测是氢能源安全应用的重要环节。
常见了氢气浓度检测传感器有电化学氢传感器、半导体氢传感器和光纤氢传感器。电化学氢传感器和半导体氢传感器容易受到外界环境的干扰。基于光纤的氢传感器具有较高的系统集成度。例如发明专利CN110763655A公开了一种氢敏准分布式光纤传感器及制备方法，氢敏准分布式光纤传感器包括光纤纤芯和包裹光纤纤芯的光纤包层，光纤包层的外表面设置有光纤涂覆层和对氢气敏感的钯膜，光纤涂覆层和钯膜沿光纤轴向胶体设置。虽然基于光纤的氢传感器具有较高的系统集成度，但是氢气对光纤中的光的调控力度小，从而导致氢探测灵敏度低。
发明内容
为解决以上问题，本发明提供了一种基于贵金属耦合的氢气探测器，包括衬底、弹性层、敏感单元，弹性层置于衬底上，敏感单元周期性地置于弹性层上，敏感单元包括钯块、第一贵金属部、第二贵金属部，钯块设置在弹性层上，第一贵金属部和第二贵金属部设置在钯块上，第一贵金属部和第二贵金属部之间设有间隙。应用时，在待测氢气环境中，连续谱光源照射第一贵金属部和第二贵金属部，钯块吸附氢气产生膨胀，从而第一贵金属部和第二贵金属部之间的距离增加，改变了第一贵金属部和第二贵金属部复合结构的共振波长，通过光探测器对反射光谱的探测，观测共振波长的移动，通过共振波长的移动实现氢气或氢气浓度探测。
更进一步地，周期为方形周期。
更进一步地，间隙的宽度小于100纳米，更进一步地，间隙的宽度小于50纳米，以便于在钯块膨胀时，第一贵金属部和第二贵金属部复合结构的共振波长移动更多，从而实现更高灵敏度的氢气探测。
更进一步地，弹性层的材料为导热硅胶。在入射光照射下，第一贵金属部和第二贵金属部中产生局域表面等离激元共振，第一贵金属部和第二贵金属部吸收入射光产生热量，从而提高了钯块的温度；将弹性层的材料设置为导热硅胶，导热硅胶具有良好的导热效果，有利于降低钯块的温度，从而提高钯块对氢气的吸附能力，从而提高氢气探测的灵敏度。
更进一步地，第一贵金属部和第二贵金属部的材料为金或银。
更进一步地，钯块的厚度小于4微米。
更进一步地，第一贵金属部和第二贵金属部为棒状。
更进一步地，第一贵金属部和第二贵金属部在一条直线上。
更进一步地，钯块为矩形。
更进一步地，第一贵金属部和第二贵金属部置于钯块的对称轴上。
本发明的有益效果：本发明提供了一种基于贵金属耦合的氢气探测器，包括衬底、弹性层、敏感单元，弹性层置于衬底上，敏感单元周期性地置于弹性层上，敏感单元包括钯块、第一贵金属部、第二贵金属部，钯块设置在弹性层上，第一贵金属部和第二贵金属部设置在钯块上，第一贵金属部和第二贵金属部之间设有间隙。应用时，在待测氢气环境中，连续谱光源照射第一贵金属部和第二贵金属部，钯块吸附氢气产生膨胀，从而第一贵金属部和第二贵金属部之间的距离增加，改变了第一贵金属部和第二贵金属部复合结构的共振波长，通过光探测器对反射光谱的探测，观测共振波长的移动，通过共振波长的移动实现氢气或氢气浓度探测。本发明中，钯块吸附氢气，移动了设置在钯块上的第一贵金属部和第二贵金属部的共振波长，吸附氢气的钯块的尺寸大，而导致共振波长移动的第一贵金属部和第二贵金属部的尺寸小，所以氢气对上述共振波长的调节力度大，从而实现更高灵敏度的氢气探测，在氢气探测领域具有良好的应用前景。
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是一种基于贵金属耦合的氢气探测器的示意图。
图2是一种钯块、第一贵金属部、第二贵金属部相对位置的示意图。
图3是再一种钯块、第一贵金属部、第二贵金属部相对位置的示意图。
图中：1、衬底；2、弹性层；3、钯块；4、第一贵金属部；5、第二贵金属部。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举实施例，对本申请作进一步详细说明。
实施例1
本发明提供了一种基于贵金属耦合的氢气探测器，如图1所示，包括衬底1、弹性层2、敏感单元。衬底1的材料不做限制，衬底1可以为二氧化硅。弹性层2置于衬底1上，弹性层2的材料为导热硅胶。敏感单元周期性地置于弹性层2上，敏感单元设置的周期为方形周期。敏感单元包括钯块3、第一贵金属部4、第二贵金属部5。第一贵金属部4和所述第二贵金属部5的材料为金或银。钯块3的厚度小于4微米。钯块3设置在弹性层2上，第一贵金属部4和第二贵金属部5设置在钯块3上。第一贵金属部4和第二贵金属部5之间设有间隙，间隙的宽度小于100纳米。
应用时，在待测氢气环境中，连续谱光源照射第一贵金属部4和第二贵金属部5，钯块3吸附氢气产生膨胀，从而第一贵金属部4和第二贵金属部5之间的距离增加，改变了第一贵金属部4和第二贵金属部5复合结构的共振波长，通过光探测器对反射光谱的探测，观测共振波长的移动，通过共振波长的移动实现氢气或氢气浓度探测。
在本发明中，第一贵金属部4和第二贵金属部5设置在钯块3上，钯块3吸附氢气后，不仅产生膨胀，而且钯块3变为氢化钯，钯块3的折射率减小。第一贵金属部4和第二贵金属部5之间的距离减小导致复合结构的共振波长蓝移；钯块3的折射率减小，也就是减小了第一贵金属部4和第二贵金属部5周围环境的折射率，也导致了第一贵金属部4和第二贵金属部5复合结构的共振波长蓝移。因此，本发明能够实现更多的共振波长蓝移，从而实现更高灵敏度的氢气探测。
在本发明中，将弹性层2的材料设置为导热硅胶。导热硅胶不仅具有弹性，而且具有良好的导热性能。在入射光照射下，第一贵金属部4和第二贵金属部5中产生局域表面等离激元共振，第一贵金属部4和第二贵金属部5吸收入射光产生热量，从而提高了钯块3的温度，降低了钯块3对氢气的吸附能力；将弹性层2的材料设置为导热硅胶，导热硅胶具有良好的导热效果，有利于降低钯块3的温度，从而提高钯块3对氢气的吸附能力，从而提高氢气探测的灵敏度。导热硅胶的厚度不作限制，根据实际情况设置。更进一步地，导热硅胶的底部设置导热材料，例如石墨烯、贵金属膜等，以便于释放导热硅胶中的热量。
在本发明中，钯块3吸附氢气，移动了设置在钯块3上的第一贵金属部4和第二贵金属部5的共振波长，吸附氢气的钯块3的尺寸大，而导致共振波长移动的第一贵金属部4和第二贵金属部5的尺寸小，所以氢气对上述共振波长的调节力度大，从而实现更高灵敏度的氢气探测，在氢气探测领域具有良好的应用前景。
实施例2
在实施例1的基础上，如图2所示，第一贵金属部4和第二贵金属部5为棒状。第一贵金属部4和第二贵金属部5在一条直线上。钯块3为矩形。也就是，钯块3为矩形块，或者说钯块3为矩形的膜。第一贵金属部4和第二贵金属部5置于钯块3的对称轴上，具体为边的平分线上。应用时，入射光为线偏振光，光的偏振方向沿第一贵金属部4和第二贵金属部5的连线方向。在入射光激发下，第一贵金属部4和第二贵金属部5上产生纵向局域表面等离激元共振，第一贵金属部4和第二贵金属部5上纵向局域表面等离激元共振产生耦合。当第一贵金属部4和第二贵金属部5之间的距离增加时，导致复合结构的共振波长蓝移。棒状结构的面积小，能够给钯块3留出更多的面积用以吸附氢气，从而产生更多的膨胀，从而带动第一贵金属部4和第二贵金属部5，使得第一贵金属部4和第二贵金属部5之间的距离改变更多，造成共振波长更多的移动，从而实现更高灵敏度的氢气探测。另外，棒状结构具有较大的纵横比，在较小体积下，就能实现较长的共振波长。
实施例3
在实施例2的基础上，第一贵金属部4和第二贵金属部5上还设有钯膜。钯膜的厚度小于20纳米。这样一来，钯材料包覆或部分地包覆了第一贵金属部4和第二贵金属部5。第一贵金属部4和第二贵金属部5上的钯膜吸附氢气也能产生膨胀，从而导致第一贵金属部4和第二贵金属部5之间的距离改变更多，从而更多地改变复合结构的共振波长，从而实现更高灵敏度的氢气探测。另外，钯材料包覆或部分地包覆了第一贵金属部4和第二贵金属部5，当钯膜吸附氢气时，更多地改变了第一贵金属部4和第二贵金属部5周围的介电环境，具体地是更多地减小了周围环境的折射率，从而造成共振波长更多的蓝移，从而实现更高灵敏度的氢气探测。
实施例4
在实施例3的基础上，如图3所示，钯块3为平行四边形。第一贵金属部4和第二贵金属部5的连线方向平行于平行四边形的边。在图3中，沿第一贵金属部4和第二贵金属部5的连线方向看，第一贵金属部4右边的钯块3面积大；第二贵金属部5左边的钯块3面积大。当钯块3吸附氢气产生膨胀时，第一贵金属部4和第二贵金属部5的端面之间产生错位，从而严重地改变了第一贵金属部4和第二贵金属部5之间的耦合，更多地改变了复合结构的反射光谱，不仅从共振波长上，而且从反射光强度上反应了氢气浓度，从而能够实现更高灵敏度的氢气探测。
实施例5
在实施例3的基础上，钯块3为矩形，第一贵金属部4左侧钯块3的厚度大于右侧钯块3的厚度；第二贵金属部5右侧钯块3的厚度大于左侧钯块3的厚度。由于较厚钯块3的膨胀能力和较薄钯块3的膨胀能力差异，第一贵金属部4和第二贵金属部5相对部产生偏移，从而更多地改变反射光谱，从而实现更高灵敏度的氢气探测。在本实施例中，将钯块3设置为平行四边形是为了让第一贵金属部4和第二贵金属部5两侧的钯块3产生不同幅度的膨胀，从而造成第一贵金属部4和第二贵金属部5相对区域的偏移，从而更多地改变反射光谱。相对比平行四边形，本实施例应用矩形，通过厚度不同使得第一贵金属部4和第二贵金属部5偏移，不需要严格控制钯块3的形状，制备简单。
以上所述仅为本申请的较佳实施例而已，并不用以限制本申请，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请保护的范围之内。

Claims (7)

1.一种基于贵金属耦合的氢气探测器，其特征在于，包括衬底、弹性层、敏感单元，所述弹性层置于所述衬底上，所述敏感单元周期性地置于所述弹性层上，所述敏感单元包括钯块、第一贵金属部、第二贵金属部，所述钯块设置在弹性层上，所述第一贵金属部和所述第二贵金属部设置在所述钯块上，所述第一贵金属部和所述第二贵金属部之间设有间隙；其中，所述弹性层的材料为导热硅胶，所述导热硅胶的底部设置导热材料，所述第一贵金属部和所述第二贵金属部为棒状，所述第一贵金属部和所述第二贵金属部在一条直线上，所述第一贵金属部和所述第二贵金属部上还设有钯膜，所述钯膜的厚度小于20纳米；应用时，入射光为线偏振光，光的偏振方向沿所述第一贵金属部和所述第二贵金属部的连线方向。
2.如权利要求1所述的基于贵金属耦合的氢气探测器，其特征在于：所述周期为方形周期。
3.如权利要求1所述的基于贵金属耦合的氢气探测器，其特征在于：所述间隙的宽度小于100纳米。
4.如权利要求1所述的基于贵金属耦合的氢气探测器，其特征在于：所述第一贵金属部和所述第二贵金属部的材料为金或银。
5.如权利要求1所述的基于贵金属耦合的氢气探测器，其特征在于：所述钯块的厚度小于4微米。
6.如权利要求1所述的基于贵金属耦合的氢气探测器，其特征在于：所述钯块为矩形。
7.如权利要求6所述的基于贵金属耦合的氢气探测器，其特征在于：所述第一贵金属部和所述第二贵金属部置于所述钯块的对称轴上。
CN202210061204.0A 2022-01-19 2022-01-19 一种基于贵金属耦合的氢气探测器 Active CN114414486B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210061204.0A CN114414486B (zh) 2022-01-19 2022-01-19 一种基于贵金属耦合的氢气探测器

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202210061204.0A CN114414486B (zh) 2022-01-19 2022-01-19 一种基于贵金属耦合的氢气探测器

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114414486A CN114414486A (zh) 2022-04-29
CN114414486B true CN114414486B (zh) 2023-08-22

Family

ID=81274693

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202210061204.0A Active CN114414486B (zh) 2022-01-19 2022-01-19 一种基于贵金属耦合的氢气探测器

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114414486B (zh)

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8411275B1 (en) * 2012-04-10 2013-04-02 U.S. Department Of Energy Nanocomposite thin films for high temperature optical gas sensing of hydrogen
CN110596205A (zh) * 2019-10-18 2019-12-20 安徽伯华氢能源科技有限公司 一种电容型氢气传感器
CN111896606A (zh) * 2020-08-05 2020-11-06 中山科立特光电科技有限公司 基于微带天线的氢气浓度传感器及其系统
CN112485544A (zh) * 2020-11-13 2021-03-12 彭彦莉 一种基于表面等离激元耦合的电场探测装置
CN113758588A (zh) * 2021-08-16 2021-12-07 西安柯莱特信息科技有限公司 一种基于等离激元共振的热电子温度传感器
CN113945518A (zh) * 2021-10-20 2022-01-18 云南师范大学 一种硅量子点氢气探测器

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8411275B1 (en) * 2012-04-10 2013-04-02 U.S. Department Of Energy Nanocomposite thin films for high temperature optical gas sensing of hydrogen
CN110596205A (zh) * 2019-10-18 2019-12-20 安徽伯华氢能源科技有限公司 一种电容型氢气传感器
CN111896606A (zh) * 2020-08-05 2020-11-06 中山科立特光电科技有限公司 基于微带天线的氢气浓度传感器及其系统
CN112485544A (zh) * 2020-11-13 2021-03-12 彭彦莉 一种基于表面等离激元耦合的电场探测装置
CN113758588A (zh) * 2021-08-16 2021-12-07 西安柯莱特信息科技有限公司 一种基于等离激元共振的热电子温度传感器
CN113945518A (zh) * 2021-10-20 2022-01-18 云南师范大学 一种硅量子点氢气探测器

Also Published As

Publication number Publication date
CN114414486A (zh) 2022-04-29

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zhang et al. Recent advancements in optical fiber hydrogen sensors
Ma et al. High-sensitivity and fast-response fiber-tip Fabry–Pérot hydrogen sensor with suspended palladium-decorated graphene
Chen et al. Review of optical hydrogen sensors based on metal hydrides: Recent developments and challenges
Wang et al. Fiber-optic hydrogen sensors: a review
FR2803950B1 (fr) Dispositif de photodetection a microresonateur metal- semiconducteur vertical et procede de fabrication de ce dispositif
KR20100125443A (ko) 광전지용 기판
US7133218B2 (en) Optical system
CN114414486B (zh) 一种基于贵金属耦合的氢气探测器
CN206114524U (zh) 基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器
JP2009535662A (ja) 金属水素化物をベースとする素子の保護コーティング
CN113945518B (zh) 一种硅量子点氢气探测器
CN108844921B (zh) 基于mz干涉倾斜光纤光栅测量变压器中氢气的传感器
Manjula et al. Cu-doped zinc oxide fiber optic sensor for acetone detection at room temperature
Kim et al. Fiber optic localized surface plasmon resonance hydrogen sensor based on gold nanoparticles capped with palladium
CN106370626A (zh) 基于氧化石墨烯薄膜和花生形结构的光纤湿度传感器
JPH0223826B2 (zh)
Tiefenthaler et al. Integrated optical humidity and gas sensors
Kumari et al. Enhanced resonant absorption in dye-doped polymer thin-film cavities for water vapour sensing
CN114014256A (zh) 一种光辐射事件驱动的智能开关及其制备方法
JPH0481738B2 (zh)
Hou et al. Analysis of angular-selective performances of obliquely deposited birefringent thin film
Fu et al. Near-field coupling effect in normal-incidence absorption of quantum-well infrared photodetectors
CN114720428A (zh) 一种基于钯材料的氢气浓度探测装置
Yang et al. Optical fiber sensors based on Fabry-Perot multilayer coatings
CN205426774U (zh) 一种基于偏振光干涉的保偏光子晶体光纤氢气传感器

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
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant