CN114624211A - 一种银波导氢气浓度探测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及氢气探测技术领域，具体涉及一种银波导氢气浓度探测装置，包括：第一贵金属部、透明介质部、第二贵金属部、贵金属突出部、钯膜，透明介质部置于第一贵金属部上，介质部的长度小于第一贵金属部的长度，第二贵金属部置于透明介质部上，第二贵金属部的端面与透明介质部的端面齐平，贵金属突出部固定在第二贵金属部的端面上，贵金属突出部悬空设置在第一贵金属部的上侧，钯膜设置在贵金属突出部上。在待测环境中，钯膜吸附氢气后，改变了金属‑介质‑金属波导端部的反射特性，通过测量金属‑介质‑金属波导端部反射特性变化，实现氢气浓度探测。本发明具有氢气浓度探测灵敏度高的优点，在氢气浓度探测领域具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及氢气探测技术领域，具体涉及一种银波导氢气浓度探测装置。
背景技术
氢是重要的化工原料，也是重要的清洁能源，在工业和航空中得到广泛的应用。氢气的分子小，在存储和运输中容易发生泄漏。当空气中氢气含量达到4％以上时，即可发生爆炸；在真空中，氢气显著地缩短了航天器所携带的氢电池的寿命。因此，对低浓度氢检测非常重要。
氢敏传感器主要包括电化学传感器、半导体传感器、光纤传感器等。电化学氢气传感器是将化学信号转变为电信号，从而实现对氢气的检测；半导体氢气传感器主要是基于肖特基结和金属氧化物半导体导电特性的；光纤传感器主要是基于氢敏材料反射系数、折射率、消逝场等的。在光纤传感器中，主要应用钯膜吸附氢气后其折射率变化或其产生膨胀实现的。例如，论文《渐逝场型光纤钯膜氢气传感器研制》(仪表技术与传感器，2008年第4期)公开的基于渐逝场的氢气传感器：钯膜覆盖纤芯，钯膜吸附氢气后，钯膜的折射率变化，从而改变了钯膜与纤芯界面处的渐逝场，进而改变了光纤的光传播特性，通过光传播特性的变化实现氢气浓度探测。
虽然基于光纤或光学原理的氢气浓度传感器相对于基于电化学和金属氧化物的氢气浓度传感器具有较高的灵敏度，但是由于氢敏物质对光的调控深度不够，氢气传感的灵敏度不高。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种银波导氢气浓度探测装置，包括：第一贵金属部、透明介质部、第二贵金属部、贵金属突出部、钯膜，透明介质部置于第一贵金属部上，透明介质部的长度小于第一贵金属部的长度，第二贵金属部置于透明介质部上，第二贵金属部的端面与透明介质部的端面齐平，贵金属突出部固定在第二贵金属部的端面上，贵金属突出部悬空设置在第一贵金属部的上侧，钯膜设置在贵金属突出部上。
更进一步地，第一贵金属部的材料为金或银。
更进一步地，第二贵金属部的材料为银。
更进一步地，透明介质部的材料为二氧化硅。
更进一步地，透明介质部的厚度小于100纳米。
更进一步地，贵金属突出部为薄膜状。
更进一步地，贵金属突出部的厚度小于第二贵金属部的厚度。
更进一步地，贵金属突出部的厚度小于4微米。
更进一步地，贵金属突出部的长度大于6微米。
更进一步地，贵金属突出部的材料为银。
本发明的有益效果：本发明提供了一种银波导氢气浓度探测装置，包括：第一贵金属部、透明介质部、第二贵金属部、贵金属突出部、钯膜，透明介质部置于第一贵金属部上，介质部的长度小于第一贵金属部的长度，第二贵金属部置于透明介质部上，第二贵金属部的端面与透明介质部的端面齐平，贵金属突出部固定在第二贵金属部的端面上，贵金属突出部悬空设置在第一贵金属部的上侧，钯膜设置在贵金属突出部上。在本发明中，第一贵金属部、透明介质部、第二贵金属部构成金属-介质-金属波导主体，能够将表面等离极化激元限制在其中传播；贵金属突出部、空气、第一贵金属部也构成了金属-介质-金属波导，或者说是金属-介质-金属波导主体的端部。在待测环境中，钯膜吸附氢气后，产生膨胀并且自身重量增加，导致贵金属突出部向第一贵金属部一侧弯曲，从而改变了贵金属突出部与第一贵金属部之间的距离，改变了金属-介质-金属波导端部的反射特性，通过测量金属-介质-金属波导端部反射特性变化，实现氢气浓度探测。在本发明中，钯膜吸附氢气后，改变了金属-介质-金属波导端部贵金属突出部与第一贵金属部之间的距离，因为波导的传播特性对上述距离非常敏感，所以本发明具有氢气浓度探测灵敏度高的优点，在氢气浓度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是一种银波导氢气浓度探测装置的示意图。
图2是又一种银波导氢气浓度探测装置的示意图。
图3是再一种银波导氢气浓度探测装置的示意图。
图中：1、第一贵金属部；2、透明介质部；3、第二贵金属部；4、贵金属突出部；5、钯膜。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
实施例1
本发明提供了一种银波导氢气浓度探测装置，如图1所示，包括第一贵金属部1、透明介质部2、第二贵金属部3、贵金属突出部4、钯膜5。透明介质部2置于第一贵金属部1上。第一贵金属部1的材料为金或银。优选地，第一贵金属部1的材料为银。第一贵金属部1的上表面为平面，以减少表面等离极化激元传播的损耗。透明介质部2的材料为二氧化硅。透明介质部2的上表面为平面，以减少表面等离极化激元传播的损耗。透明介质部2的厚度小于100纳米。如图1所示，透明介质部2的长度小于第一贵金属部1的长度，在透明介质部2的右侧形成端面。第二贵金属部3置于透明介质部2上，第二贵金属部3的右侧端面与透明介质部2的右侧端面齐平。第二贵金属部3的材料为银。这样一来，第一贵金属部1与第二贵金属部3的材料相同。第一贵金属部1、透明介质部2、第二贵金属部3形成金属-介质-金属波导。透明介质部2的厚度小于100纳米，因此，金属-介质-金属波导中传播的是基膜。贵金属突出部4固定在第二贵金属部3的右侧端面上，贵金属突出部4悬空设置在第一贵金属部1的上侧。贵金属突出部4为薄膜状。贵金属突出部4的下表面与第二贵金属部3的下表面齐平，增加了从左侧波导进入右侧谐振腔的耦合系数。这样一来，贵金属突出部4、空气、第一贵金属部1形成金属-介质-金属波导。贵金属突出部4的厚度小于第二贵金属部3的厚度，贵金属突出部4的厚度小于4微米，这样一来，当钯膜5产生形变时，贵金属突出部4更容易形成向下的弯曲。贵金属突出部4的长度大于6微米。贵金属突出部4的材料为银，这样一来，贵金属突出部4与第二贵金属部3的材料相同，减少了界面处表面等离极化激元的反射。图中右侧的贵金属突出部4、空气、第一贵金属部1金属-介质-金属波导形成谐振腔。钯膜5设置在贵金属突出部4上。钯膜5的厚度小于1微米，更进一步地，钯膜5的厚度小于200纳米。
应用时，将本发明置于待测环境中；光源发出宽带激光，宽带激光从图1的左侧耦合进入金属-介质-金属波导，从波导传播至图1中右侧的谐振腔。右侧的谐振腔形成反射，反射的表面等离极化激元返回图1的左侧，被耦合进入光探测器，通过光探测器测量谐振腔共振波长。当钯膜5吸附氢气时，钯膜5产生膨胀，并且重力增加，导致贵金属突出部4弯曲，减少了谐振腔的宽度，从而红移了谐振腔的共振波长，通过谐振腔共振波长的移动实现氢气浓度探测。在本发明中，钯膜5改变了谐振腔的宽度，而不是长度，更多地改变了谐振腔的长径比，谐振腔的共振波长对宽度更敏感，因此，本发明具有氢气浓度探测灵敏度的优点。另外，本发明中贵金属突出部4比较薄，贵金属突出部4更容易弯曲，更进一步地提高了氢气浓度探测的灵敏度。
在本发明中，应用银为金属-介质-金属的材料，特别是钯膜5设置在银材料的贵金属突出部4上。银材料在氢分子分解为氢原子的过程中，产生了催化作用，有利于钯的吸氢过程，促进了氢化钯的产生。因此，在本发明中，银材料的贵金属突出部4不仅用作产生谐振腔，而且帮助了钯膜5吸附更多的氢分子，从而产生更大程度的弯曲，提高了氢气浓度探测的灵敏度。
更进一步地，钯膜5中设有孔洞。孔洞不仅增加了钯膜5的表面积，而且氢分子能够通过孔洞与银接触，更多的氢分子能够分离为氢原子。这两方面的效果均有利于钯膜5吸附更多的氢分子，从而提高氢气浓度探测的灵敏度。
在本发明中，钯膜5带动贵金属突出部4的右端向下弯曲，而不是平均地向下侧移动贵金属突出部4，这能够更多地改变反射的表面等离极化激元的强度，因此，能够从反射波的强度上粗略地探测氢气的浓度。
实施例2
在实施例1的基础上，如图2所示，在贵金属突出部4与第二贵金属部3的连接处，贵金属突出部4厚；在贵金属突出部4的端部，贵金属突出部4薄。这样一来，贵金属突出部4能够牢固地连接在第二贵金属部3上，也便于贵金属突出部4更容易地产生弯曲，从而更多地改变谐振腔的共振波长，最终实现更高灵敏度的氢气浓度探测。
实施例3
在实施例2的基础上，如图3所示，贵金属突出部4的一端部分地连接在第二贵金属部3上、部分地连接在透明介质部2上，贵金属突出部4的下表面与第二贵金属部3的下表面平行。这样一来，谐振腔更窄，当钯膜5吸附氢气产生膨胀时，能够相对更多地改变谐振腔的长径比，从而更多地改变谐振腔的共振波长，最终实现更高灵敏度的氢气浓度探测。
更进一步地，钯膜5上设有银纳米颗粒。银纳米颗粒的尺寸大于10纳米、小于100纳米。由于银纳米颗粒能够将氢分子分解为氢原子，促进钯膜5吸附更多的氢，更有利于氢化钯的产生，从而使得钯膜5产生更多的膨胀，更多地改变谐振腔的共振波长，最终实现更高灵敏度的氢气浓度探测。
更进一步地，在透明介质部2的右侧端面设有贵金属膜，贵金属膜的厚度小于20纳米。这样一来，贵金属膜左侧为金属-介质-金属波导，贵金属膜的右侧为谐振腔。表面等离极化激元能够穿透贵金属膜，进入谐振腔。贵金属膜将更多的能量限制在谐振腔内，增强谐振腔对表面等离极化激元的吸收，使得反射光谱中的谷更深，减下来反射谷的半峰宽，从而提高了品质因子，提高了氢气浓度探测的灵敏度。
最后，在本发明中，贵金属突出部4右侧为自由端，不受到约束或限制，贵金属突出部4能够产生更多的向下弯曲，从而更多地改变谐振腔的共振波长，因此，能够实现更高灵敏度的氢气浓度探测。
更进一步地，在贵金属突出部4的右端，即贵金属突出部4的自由端，贵金属突出部4上固定有下垂部。下垂部的材料与贵金属突出部4相同。当贵金属突出部4弯曲时，下垂部不与第一贵金属部1接触。下垂部能够更好地限制谐振腔中的能量，从而在反射光谱中形成更深的谷，减小了共振谷的半峰宽，提高了氢气浓度探测的灵敏度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种银波导氢气浓度探测装置，其特征在于，包括：第一贵金属部、透明介质部、第二贵金属部、贵金属突出部、钯膜，所述透明介质部置于所述第一贵金属部上，所述透明介质部的长度小于所述第一贵金属部的长度，所述第二贵金属部置于所述透明介质部上，所述第二贵金属部的端面与所述透明介质部的端面齐平，所述贵金属突出部固定在所述第二贵金属部的端面上，所述贵金属突出部悬空设置在所述第一贵金属部的上侧，所述钯膜设置在所述贵金属突出部上。
2.如权利要求1所述的银波导氢气浓度探测装置，其特征在于：所述第一贵金属部的材料为金或银。
3.如权利要求1所述的银波导氢气浓度探测装置，其特征在于：所述第二贵金属部的材料为银。
4.如权利要求1所述的银波导氢气浓度探测装置，其特征在于：所述透明介质部的材料为二氧化硅。
5.如权利要求1所述的银波导氢气浓度探测装置，其特征在于：所述透明介质部的厚度小于100纳米。
6.如权利要求1所述的银波导氢气浓度探测装置，其特征在于：所述贵金属突出部为薄膜状。
7.如权利要求6所述的银波导氢气浓度探测装置，其特征在于：所述贵金属突出部的厚度小于所述第二贵金属部的厚度。
8.如权利要求7所述的银波导氢气浓度探测装置，其特征在于：所述贵金属突出部的厚度小于4微米。
9.如权利要求8所述的银波导氢气浓度探测装置，其特征在于：所述贵金属突出部的长度大于6微米。
10.如权利要求1所述的银波导氢气浓度探测装置，其特征在于：所述贵金属突出部的材料为银。
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2022
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