CN114813638A - 一种基于光纤端面集成超表面的二氧化碳传感结构及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于光纤端面集成超表面的二氧化碳传感结构及系统。本发明中的二氧化碳传感结构，是在光纤端面蒸镀一层亚波长厚度的金膜，所述金膜上刻蚀有多个微纳结构，每个微纳结构由多个圆孔组成；在所述的金膜上覆盖有特异性吸附材料层，用于将二氧化碳气体浓度变化转化为光谱变化。本发明中的系统包括二氧化碳传感结构，以及超连续激光光源、光纤耦合器和光谱分析仪。本发明提出气体传感思路，将微纳结构与光纤端面结合，实现反射式测量，可以进行狭窄环境或者极端环境下的气体传感，如医学侵入式探测或者易爆依然环境下的气体探测。
Description
技术领域
本发明属于微纳传感技术领域，特别涉及一种基于光纤端面集成超表面的二氧化碳传感结构及系统。
背景技术
二氧化碳是一种无色无味的气体，它是大气重要组成成分之一，二氧化碳气体的精确传感测量对于工业、农业、国防、医疗卫生、环境保护、航空航天等多个领域有着至关重要的作用。
目前最常用的两种主要方法是使用气体选择性陶瓷的电化学传感和使用光学元件的非色散红外(NDIR)传感。虽然电化学传感器在市场上广泛应用，理想情况下可以进一步缩小便携式电子应用，但针对二氧化碳传感的电化学传感器反应时间长，不利于实时监测；非色散红外传感有着较低的滞后性，但是在混合传感环境中，包括水蒸气在内的各种污染物气体在相同的工作波长下共存干扰，选择性有限，更重要的是，非色散红外传感器需要厘米长的光学相互作用长度和低粗糙度侧壁，以实现高信噪比检测极限，所以传感器设备体积庞大，不利于系统集成。
超表面是一种由亚波长尺度单元组成的人工超薄平面材料，可实现对电磁波偏振、振幅、相位、极化方式、传播模式等特性的灵活有效调控，在传感、通信、滤波等诸多领域具有广泛应用。目前基于超表面的微纳气体传感器（例如以金薄膜做为底层，MgF2为电解质层，周期性排列在MgF2电解质层上的钯纳米圆盘所组成的氢气传感微纳结构），可以极大地缩小传感器的尺寸，但是一般需要光源斜入射，再接收微纳结构反射的光信号，那么需要所设计的传感器工作在特定的光源入射角，且斜入射构架不利于缩短传感器横向尺寸。同时，这些传感系统无论是自由空间光入射，还是通过光纤光源输入，其微纳结构气敏单元和光源的发射、接收单元之间，都需留有气体通道，因而这些组成部分必须物理上分开，也不利于传感系统集成以及特殊场景的远程实时探测应用。
因此，发明一种安全性好、集成度高、体积小的微型气体传感器具有重要意义。
发明内容
本发明就是针对现有技术的不足，提出了一种基于光纤端面集成超表面的二氧化碳传感结构及系统。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种基于光纤端面集成超表面的二氧化碳传感结构，在光纤端面蒸镀一层亚波长厚度的金膜，所述金膜上刻蚀有多个微纳结构，每个微纳结构由多个圆孔组成；在所述的金膜上覆盖有特异性吸附材料层，用于将二氧化碳气体浓度变化转化为光谱变化。
进一步说，所述的多个微纳结构呈阵列分布。
进一步说，所述的每个微纳结构中的圆孔为四个，均匀分布。
进一步说，所述的特异性吸附材料为聚六亚甲基双胍盐酸盐。
一种基于光纤端面集成超表面的二氧化碳传感系统，包括所述的二氧化碳传感结构，以及超连续激光光源、光纤耦合器和光谱分析仪；
超连续激光光源输出的激光经过光纤耦合器后，从光纤衬底入射到光纤端面的微纳结构，激发微纳结构与特异性吸附材料层表面等离激元谐振，从端面反射回光纤后，被光谱分析仪接收的光谱，表现为有一个谐振反射峰低谷；
当环境中二氧化碳浓度变化引起特异性吸附材料层折射率变化时，反射峰的波长发生移动，从波长漂移换算出特异性吸附材料层折射率变化及气体浓度变化，实现对环境中二氧化碳气体浓度的准确测量。
本发明的有益效果是：
1. 本发明提出气体传感思路，将微纳结构与光纤端面结合，实现反射式测量，可以进行狭窄环境或者极端环境下的气体传感，如医学侵入式探测或者易爆依然环境下的气体探测。
2. 本发明提出的传感方法，使用特异性吸附材料将气体浓度变化转化为光谱变化，该探测过程不需要进行加热，使用更加安全且可实时快速传感。
3. 本发明提出的二氧化碳传感器结构制备简单，兼容半导体CMOS器件的制备工艺，可以在多组光纤束的不同光纤端面上，批量制备其他微纳气体传感器，以达到一组高度集成的光纤束，同时探测多种气体浓度的目的。
附图说明
图1为光纤端面集成超表面示意图；
图2为实施实例的超表面结构示意图；
图3为光纤端面集成超表面的气体传感系统示意图；
图4为PHMB材料的折射率改变，引起反射谐振峰变化的计算曲线图；
图5为灵敏度曲线。
具体实施方式
以下参照附图详细说明本发明的优选实施方式。并且，在图的说明中，对于相同或相当的部分，使用相同的符号，省略重复说明。此外，各图的尺寸比例未必与实际的比例一致。
如图1所示，本实施例提供的一种基于光纤端面集成超表面的传感结构，该结构包括光纤，在光纤的纤芯1端面上溅射的一层金属薄膜层2，在金属薄膜层上周期性的刻蚀相同的微纳结构，纤芯1内有入射光和反射光，在图1中由箭头所示。
如图2所示，在金薄膜层2上刻蚀孔径大小相等的四个金孔7组成一个周期的微纳结构，金薄膜层上覆盖有PHMB层8（聚六亚甲基双胍盐酸盐）；金薄膜层厚度为60nm，金孔半径为140nm，整个结构的分布周期为1000nm。本实施例中的聚六亚甲基双胍盐酸盐（PHMB）材料是一种聚合物材料，对二氧化碳分子进行可逆的特异性吸收，其材料折射率会随着外界二氧化碳浓度的变化而发生变化。当二氧化碳浓度变化时，与PHMB分子结合导致的材料电子密度不同，引起材料折射率改变，因而可以用于二氧化碳传感。根据文献报道，其对应气体浓度变化的折射率改变约为2.03×10-4RIU/ppm（RIU指折射率单元）。
如图3所示；系统包括超连续激光光源3、光纤耦合器6、超表面传感探头5、光谱分析仪4。超连续激光光源输出的激光经过光纤耦合器后，从光纤衬底入射到光纤端面的微纳结构，激发微纳结构与其表面PHMB材料界面的表面等离激元谐振，从端面反射回光纤被光谱仪接收的光谱，表现为有一个谐振反射峰低谷。当环境中二氧化碳浓度变化引起PHMB折射率变化时，反射峰的波长发生移动，从而可以从波长漂移换算出PHMB折射率变化及气体浓度变化，实现对环境中二氧化碳气体浓度的准确测量。
进一步地，刻蚀完毕后在金薄膜层上旋涂PHMB层，其厚度为500nm，该材料折射率和二氧化碳浓度变化率为Sn=2.03×10-4RIU/ppm。
进一步地，用时域有限差分软件进行如图4所示结构的软件仿真，计算得到了PHMB材料的折射率改变时（PHMB对二氧化碳浓度传感的折射率范围，为1.48到1.54），对应的反射光光谱图；谐振峰中心波长与PHMB材料折射率变化的关系如图5所示，经计算折射率灵敏度为S’=564.07nm/RIU，根据PHMB材料折射率与二氧化碳浓度的关系，计算出本发明提出的金膜四孔微纳结构所产生的谐振峰对于二氧化碳气体传感的灵敏度为S=Sn×S’=114.5pm/ppm.
根据上述具体实施案例，本发明提出的基于光纤端面的金膜挖孔超表面的二氧化碳气体传感器与传统的二氧化碳气体传感器相比，体积更小、灵活度强、传感灵敏度更高、适用范围更广泛，使用更安全。
虽然已参考某些方面和实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应了解，可以进行形式和细节的改变，而不脱离本发明的精神和范围。
Claims (5)
1.一种基于光纤端面集成超表面的二氧化碳传感结构，其特征在于，在光纤端面蒸镀一层亚波长厚度的金膜，所述金膜上刻蚀有多个微纳结构，每个微纳结构由多个圆孔组成；在所述的金膜上覆盖有特异性吸附材料层，用于将二氧化碳气体浓度变化转化为光谱变化。
2.根据权利要求1所述的一种基于光纤端面集成超表面的二氧化碳传感结构，其特征在于，所述的多个微纳结构呈阵列分布。
3.根据权利要求1所述的一种基于光纤端面集成超表面的二氧化碳传感结构，其特征在于，所述的每个微纳结构中的圆孔为四个，均匀分布。
4.根据权利要求1所述的一种基于光纤端面集成超表面的二氧化碳传感结构，其特征在于，所述的特异性吸附材料为聚六亚甲基双胍盐酸盐。
5.一种基于光纤端面集成超表面的二氧化碳传感系统，其特征在于：包括权利要求1-4中任一项所述的二氧化碳传感结构，以及超连续激光光源、光纤耦合器和光谱分析仪；
超连续激光光源输出的激光经过光纤耦合器后，从光纤衬底入射到光纤端面的微纳结构，激发微纳结构与特异性吸附材料层表面等离激元谐振，从端面反射回光纤后，被光谱分析仪接收的光谱，表现为有一个谐振反射峰低谷；
当环境中二氧化碳浓度变化引起特异性吸附材料层折射率变化时，反射峰的波长发生移动，从波长漂移换算出特异性吸附材料层折射率变化及气体浓度变化，实现对环境中二氧化碳气体浓度的准确测量。
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|---|---|---|---|---|
| CN115236795A (zh) * | 2022-08-02 | 2022-10-25 | 深圳迈塔兰斯科技有限公司 | 一种超表面的制作方法及光纤端面超表面 |
| CN115327696A (zh) * | 2022-08-11 | 2022-11-11 | 武汉理工大学 | 空芯反谐振光纤可调谐反射器 |
| CN118518603A (zh) * | 2024-07-19 | 2024-08-20 | 宁波大学 | 一种微纳传感结构及其应用 |
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