CN114502944A - 一种气体传感器及仿真方法 - Google Patents

Abstract

一种气体传感器及仿真方法，气体传感器包括：至少一段光子固体光纤，沿光子固体光纤的轴向均匀的开有多个通孔，在预设个数的通孔孔壁上设有与纤芯基模藕合的金属膜，金属膜远离孔壁的一侧设有气体敏感薄膜。在通孔内壁镀上金属膜、甲烷敏感薄膜以及氢气敏感薄膜，甲烷和氢气浓度的变化会导致敏感薄膜折射率线性变化，进而导致SPR效应产生损耗峰有规律地移动，极大的提高了气体检测精度。

Description

一种气体传感器及仿真方法

技术领域

本公开涉及气体传感器技术领域，特别涉及一种气体传感器及仿真方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

甲烷，是结构最简单的烷类，天然气的主要成分。甲烷是很有发展潜力的一种燃料，常温常压下的甲烷是一种无色无味的气体，因此很不容易察觉。甲烷是一种十分容易闪燃甚至会爆炸的气体，只要空气中甲烷含量在4.4-17％的范围内就很容易起火或爆炸，所以在一些场合中甲烷浓度的监测至关重要。

氢气是世界上已知的密度和相对分子质量最小的气体，可作为飞艇、氢气球的填充气体。但是氢气的物理性质也是一种极易燃烧、无色透明、无臭无味且难溶于水的气体，通常状态下氢气不是非常活泼，但氢元素与绝大多数元素能组成化合物。因此，氢气浓度的监测也是非常重要的。

基于表面等离子体共振的传感原理，表面等离子体是一种拥有高密度的气体，它由带正、负带电粒子构成。若把金属表面的自由电子可以看成在均匀正电荷背景下的自由电子气体，则可被看作是一种表面等离子体。受到外来光波作用，金属表面自由电子的分布将变得不均匀。自由电子受到库仑力的吸引会向带有正电荷的方向移动，受到作用力的电子在本该停止运动的平衡点会继续向前移动，但由于电子与电子之间又存在着相斥作用，距离越近斥力越大，渐渐增大的斥力又迫使已经被聚集起来的电子再一次往相反方向移动。因此金属表面的自由电子会来来回回整体震荡，这种往返运动被称作等离子震荡，在金属表面以波的形式传输，称之为表面等离子波或表面等离子体激元。

目前传感器工作的原理，基于PCF结构的SPR传感原理同样是利用全反射的倏逝波来激发金属表面等离子体波使之发生共振。不过，比起传统的棱镜耦合方式，PCF耦合更为简单易操作，结构灵活多变且易封装，性能也相对较好。SPR现象的发生与入射波长和填充材料折射率有关，当填充材料的折射率发生改变时，共振波长r也会相应的变化，损耗光谱图上显示为损耗波峰位置的漂移。因此PCF-SPR传感技术是通过观测损耗峰的位移变化来确定填充材料折射率变化。

发明人发现，目前在对甲烷和氢气浓度进行检测的传感器中，易受环境因素影响，检测种类单一，精确度低且成本较高。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种气体传感器及仿真方法，在空气孔内壁镀上金属膜、甲烷敏感薄膜以及氢气敏感薄膜，甲烷和氢气浓度的变化会导致敏感薄膜折射率线性变化，进而导致SPR效应产生损耗峰有规律地移动，极大的提高了气体检测精度。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种气体传感器。

一种气体传感器，包括：至少一段光子固体光纤，沿光子固体光纤的轴向均匀的开有多个通孔，在预设个数的通孔孔壁上设有与纤芯基模耦合的金属膜，金属膜远离孔壁的一侧设有气体敏感薄膜。

进一步的，各个通孔沿光子固体光纤的截面圆周方向均匀排布，至少包括依次设置的第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔，第一通孔和第三通孔内设有甲烷敏感薄膜，第二通孔和第三通孔内设有氢气敏感薄膜。

更进一步的，还包括第五通孔、第六通孔、第七通孔和第八通孔，第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔、第五通孔、第六通孔、第七通孔和第八通孔依次设置。

更进一步的，甲烷敏感薄膜的厚度范围为100nm～280nm。

更进一步的，氢气敏感薄膜采用Pd-WO3氢气敏感薄膜，采用溶胶-凝胶法设置在光子固体光纤的通孔内。

进一步的，由两段光子固定光纤拼接而成，且两段光子固定光纤的通孔正对设置，将结构相同的两段光子晶体光纤拼接，结合损耗谱分析法和双波长解调法以及磁流体材料属性实现了对甲烷和氢气的传感，这样的方式操作简单，而且在保证了高灵敏度的同时实现了甲烷和氢气双参量的同时检测。

进一步的，金属膜为金薄膜，采用化学气相沉积的方式进行金薄膜的镀膜。

进一步的，各个通孔的直径范围为1μm～5μm。

进一步的，金属膜的厚度范围为0.56nm～0.8nm。

本公开第二方面提供了一种气体传感器的仿真方法，包括以下过程：

根据气体传感器的参量数据构建有限元模型；

在获取的有限元模型的基础上设置完美匹配层，计算纤芯模式的限制损耗；

进一步的，在不同浓度的甲烷/氢气环境下，涂敷在金属薄膜内侧的甲烷敏感薄膜折射率不同，此时损耗光谱相应的波峰会产生移动，通过计算损耗光谱峰值的位移，便可以得到周围环境中甲烷/氢气的浓度，从而实现对甲烷/氢气浓度的传感；

添加空气孔，在孔内加入金属层、甲烷敏感层、氢气敏感层；

设置气体浓度环境，检测气体浓度变化与损耗峰峰值移动的拟合度；

进一步的，构建损耗光谱的位移量与甲烷、氢气浓度二者之间的线性关系，通过拟合得到了解调函数，实验的拟合度表明，该光子晶体光纤气体传感器能够精确测量周围环境中甲烷、氢气气体的浓度，判断测量结果是否精确。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

1、本公开所述的传感器，采用两段中心对称型八孔PCF结构，在以往的基础上增加了空气孔的数目，增加传感面积，提高了检测的精确度。

2、本公开所述的传感器，在空气孔内壁镀上金属膜、甲烷敏感薄膜和氢气敏感薄膜，甲烷和氢气浓度的变化会导致敏感薄膜折射率线性变化，进而导致SPR效应产生损耗峰有规律地移动，进一步的提高了检测的精度。

3、本公开所述的传感器，基于表面等离子体共振，利用全反射的倏逝波来激发金属表面等离子体波使之发生共振，使之产生损耗光谱峰值的移动，得到折射率线性光谱的移动，从而得到稳定的曲线，得出气体浓度和损耗波长的一一对应的关系，达到检测气体浓度的作用。

4、本公开所述的传感器，添加了气体敏感材料，能够检测甲烷和氢气两种气体，能够监测超低浓度范围的甲烷和氢气浓度的气体变化，而且设计成本低，符合现在的生产生活需要，能够适用于多种环境进行工作。

本公开附加方面的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，或通过本公开的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例提供的PCF-SPR传感器横截面示意图。

图2为本公开实施例提供的甲烷敏感薄膜折射率随气体浓度变化。

图3为本公开实施例提供的氢气敏感薄膜折射率随氢气浓度变化关系。

图4为本公开实施例提供的损耗光谱随甲烷浓度变化的移动示意图。

图5为本公开实施例提供的损耗光谱随氢气浓度变化的移动示意图。

图6为本公开实施例提供的气体浓度变化与损耗峰峰值移动的线性关系，K1氢气浓度变化，k4甲烷浓度变化。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

本公开实施例1提供了本实施例提供了一种基于复合薄膜填涂的边孔型PCF-SPR甲烷和氢气传感器，传感器采用两段中心对称型八孔PCF结构，在PCF包层中引入缺陷，在空气孔内壁镀上金属膜与甲烷敏感薄膜和氢气敏感薄膜。

光传输介质的有效折射率主要取决于金属与空气孔的比例，通过调整空气孔的占空比可以调节有效折射率，而空气孔的排列灵活多变，没有苛刻的要求，可以根据自身的需求设计出合理的截面结构，为了提高对目标气体的光谱响应程度，在包层中引入八个对称的超大型边孔，并在其中四个边孔上涂覆不同的复合薄膜，对传感器模型中关键参数进行优化，以实现对特定气体的选择性检测。

在包层中设置了多个销孔，当包层空气比例很大时，其模型可看成是纤芯直接置于空气环境中，小孔的作用是增大空气比例，提高测量灵敏度。

在本实施例中，光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑料制成的纤维，可作为光传导工具，一般由一层折射率比纤芯低的玻璃封套包围着纤芯。

光子晶体光纤(PCF)是建立在光子晶体理论上的一种特殊光纤，是由波长量级的空气孔沿着石英晶体轴向方向周期性的排列而形成的微结构光纤，光子晶体是一种人造晶体，由两种或者两种以上的介质按照一定规律周期性分布的一种晶体。

表面等离子体共振(SPR)本质是发生在金属与电介质界面的一种物理光学现象。表面等离子体共振型光子晶体光纤传感器(PCF-SPR)在则是建立在SPR效应的一种新型光子晶体光纤传感器。

在本实施例中，通过有限元矢量软件COMSOL进行模拟仿真，包括：

选择空间维度，按需求选择合适的二维模型或者三维模型进行建模，由于研究的是横截面的电场强度变化，故在模型向导下选用二维。

选择所需的射频模块，选择射频模块菜单里的电磁波与频域。

选择模式分析，本实施例主要是为了求解横截面电场的分布故要对其模式进行分析。

选择适当的尺寸单位，由于本实施例所述光纤SPR传感器中所涉及的光纤是属于微米量级的，故应选择微米为基本尺寸单位。

参数设定，将模型中涉及到的关于材料折射率，介电常数以及边界条件等相应的公式或值填入参数表中。

绘制模型图，在几何处右击选择合适的绘图工具进行绘图，模型设计图如图1所示。

网格划分，因为本实施例建立的是二维模型，故利用三角形单元将模型求解区进行了划分。单元尺寸可以自行选择，网格越细计算值就越精确，粗的网格能节省计算内存空间，在计算条件满足的情况下，一般选择极端细化网格划分。

模型计算，网格划分完之后，就要对已建立的模型进行计算，即点击计算并让其计算完成即可。

在本实施例中，光纤选取多模光纤。

在本实施例中，结合损耗谱分析法和双波长解调法分析谐振峰随甲烷及氢气浓度变化情况，基于此提出一种甲烷和氢气双参量测量方案，此研究模型建立在有限元分析(FEM)基础上，而且为了更加精确计算纤芯模式的限制损耗，设置了完美匹配层(PML)。本实施例中采用了有限元法，有限元法只适用于连续且封闭的有限区域，但是对于光子晶体光纤，它的模场会在空间中无限发散，因此在实际应用中需要设置相应的边界条件才能进行求值运算，因此有完美匹配层边界条件。

固体纤芯周围有均匀的八个大孔，固体纤芯直径10μm，空气孔直径2.64μm，在上下左右两个大空气孔的内表面镀一层0.56nm-0.8nm厚的金属膜，两孔中填充的气敏材料折射率用a表示。金属膜材料所使用的为金，它的材料属性用介电常数表示，大孔上下两个是检测甲烷浓度的，左右两个是用于检测氢气浓度的。

本实施例中PCF-SPR气体传感器其传感原理为：

利用有限元分析法(FEM)对该光子晶体光纤传感器进行数值计算，将两段中心对称型八孔结构PCF拼接，上下左右四孔内表层镀金属膜，并在其中填充对氢气及甲烷敏感的材料。分析不同横向应力作用下的基膜限制损耗曲线图，得到甲烷及氢气敏感材料折射率灵敏度会改变的结论；当在光纤上施加不同程度的横向应力，会使得光子晶体光纤空气孔结构发生形变，从而导致损耗峰出现漂移，且不同应力作用下的测量灵敏度也会相应改变。

PCF-SPR传感器结构模型如图1所示，光纤传感器中晶格周期为a，空气孔半径为r,在其中选择四个空气孔镀上金属薄膜厚度为t，使其与纤芯基模发生耦合，激发表面等离子体共振效应。在光子晶体光纤空气孔中进行选择性镀膜大多采用高压化学气相沉积技术(CVD)，具体工艺是通过高压加热的方式，使得气态或者蒸汽状态的金属等离子体发生化学反应，并且以原子态沉积在空气孔内侧，从而形成金属涂层薄膜。此外，在金属薄膜内侧涂敷一层甲烷敏感材料，厚度为t2，其有效折射率随甲烷浓度改变呈线性变化。实验表明，在100nm-280nm厚度范围内，甲烷敏感薄膜能够充分与周围环境中的甲烷气体发生反应，并且该甲烷敏感薄膜具有良好的重复性，甲烷敏感薄膜折射率随甲烷浓度变化关系如图2所示。

具体公式为：

n_eff1＝1.4478-0.0038C_CH4

对于金膜，其介电常数和折射率关系描述如下：

n_m(λ)+jIm(n_eff)

该氢气敏感薄膜由Pd-WO3制成，当氢分子扩散到薄膜表面时，Pd催化剂将其分解成薄膜表面的氢原子，使薄膜表面的分子转变为WO3的氧化物，进而导致薄膜的有效折射率发生改变，反应中的化学方程式如下公式：

H₂+Pb→2H₂

WO₃+χH＝H_χWO₃

根据上述公式可知，该氢气敏感薄膜具有良好的重复性，在与氢气反应后经过一段时间可以恢复原有的状态，在PCF的通孔内表面涂覆Pd-WO3氢气敏感薄膜采用溶胶-凝胶法，通过溶液、溶胶、凝胶，再经过氧化物或其他复合固体的热处理，最终固化成含有高化学活性成分的化合物，本实施例中采用该氢气敏薄膜制备气体传感器，其中氢气敏感薄膜折射率随氢气浓度变化关系如下图3所示。

其方程为：

n_eff＝1.995-0.00067C_H2

其中，εm、λc和λp分别是金的介电常数、等离子波长和碰撞波长，λc和λp均为常数且λp＝1.4541×10-7m、λc＝1.7614×10-5m；金折射率的实部和虚部分别由nm和km表示，其光强透射率(T)可表示如下：

利用损耗谱分析法分析响应光谱，通过绘制限制损耗关于波长的曲线图来分析损耗光谱的特征，当满足相位匹配条件时光子晶体光纤中会发生表面等离子体共振现象(SPR)，此时纤芯模式的限制损耗可以根据光在该传播模式下的有效折射率的虚部计算得到，如下公式所示：

在Comsol仿真软件中对光子晶体光纤进行数值计算时可以得到的基模有效折射率，其表达式为复数形式，具体如下公式：

n_eff＝Re(n_eff)+jIm(n_eff)

实验验证：

实验时，采用r＝540nm，t(CH4)＝44nm，t(H2)＝38nm。

结合现实实际情况，为了能够准确的检测出对人体危害的气体浓度范围，我们将主要探究对人体产生危害的甲烷(0～3.5％)，氢气(0～3％)气体的浓度范围。

如前所述，已经知道甲烷和氢气敏感薄膜分别对甲烷和氢气浓度呈线性变化，以及甲烷和氢气气体敏感薄膜折射率与甲烷和氢气的浓度线性变化关系，通过这两个线性变化关系，测量损耗光谱峰值的移动而计算出甲烷和氢气的气体浓度具有较高的灵敏度，运用表面等离子体共振原理也大大提高了传感的灵敏度；也得出了损耗光谱在光子晶体光纤中传播中最适宜的小孔半径，金属薄膜厚度，最大限度的减少了外界因素的干扰，以得到损耗光谱的位移量与甲烷和氢气浓度二者之间的位移量的曲线，以达到监测浓度变化的效果。

下图4与图5分别为甲烷和氢气浓度变化与两种气体敏感薄膜材料损耗光谱的变化关系，从图4可以看出，损耗光谱随着甲烷浓度的增加呈现出蓝移的特性，从图5可以看出，随着氢气浓度的增加，损耗光谱也呈现出线性蓝移现象。

根据上述两个偏振方向光谱移动与气体浓度变化关系，可以计算出该PCF-SPR气体传感器在进行氢气浓度传感时其灵敏度k1＝-0.19nm/％，甲烷浓度的灵敏度k2＝-1.99nm/％，其甲烷、氢气浓度传感灵敏度曲线如图6所示。相比于其他甲烷、氢气光纤传感器，该双通道PCF-SPR气体传感器在灵敏度与线性度方面有明显的优势，该PCF-SPR气体传感器的设计符合要求，可以应用到实际环境中甲烷与氢气浓度的检测中。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气体传感器，其特征在于：

包括：至少一段光子固体光纤，沿光子固体光纤的轴向均匀的开有多个通孔，在预设个数的通孔孔壁上设有与纤芯基模耦合的金属膜，金属膜远离孔壁的一侧设有气体敏感薄膜。

2.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于：

各个通孔沿光子固体光纤的截面圆周方向均匀排布，至少包括依次设置的第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔，第一通孔和第三通孔内设有甲烷敏感薄膜，第二通孔和第三通孔内设有氢气敏感薄膜。

3.如权利要求2所述的气体传感器，其特征在于：

还包括第五通孔、第六通孔、第七通孔和第八通孔，第一通孔、第二通孔、第三通孔和第四通孔、第五通孔、第六通孔、第七通孔和第八通孔依次设置。

4.如权利要求2所述的气体传感器，其特征在于：

甲烷敏感薄膜的厚度范围为100nm～280nm。

5.如权利要求2所述的气体传感器，其特征在于：

氢气敏感薄膜采用Pd-WO3氢气敏感薄膜，采用溶胶-凝胶法设置在光子固体光纤的通孔内。

6.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于：

由两段光子固定光纤拼接而成，且两段光子固定光纤的通孔正对设置。

7.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于：

金属膜为金薄膜，采用化学气相沉积的方式进行金薄膜的镀膜。

8.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于：

各个通孔的直径范围为1μm～5μm。

9.如权利要求1所述的气体传感器，其特征在于：

金属膜的厚度范围为0.56nm～0.8nm。

10.一种权利要求1-9任一项所述的气体传感器的仿真方法，其特征在于：包括以下过程：

根据气体传感器的参量数据构建有限元模型；

在获取的有限元模型的基础上设置完美匹配层，计算纤芯模式的限制损耗；

添加空气孔，在孔内加入金属层、甲烷敏感层、氢气敏感层；

设置气体浓度环境，检测气体浓度变化与损耗峰峰值移动的拟合度。

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