CN115389423A - 气体传感器件 - Google Patents
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Abstract
本公开涉及传感器领域，尤其涉及气体传感器件。该气体传感器件包括：光子晶体，包括光入射端口、第一光和第二光出射端口以及由介质柱排列构成的分束器单元和环行器单元；微纳反射器，包括对于目标气体参数敏感的反射层，且反射层位于环行器单元的入射端口和出射端口之间；气体参数计算模块，用于根据从第一和第二光出射端口出射的光信号的光程差计算目标气体参数；其中，分束器单元用于将光入射端口接收的光信号分束为第一模态光信号和第二模态光信号；第一模态光信号从第一光出射端口出射，第二模态光信号依次经由环行器单元的入射端口、反射层、环行器单元的出射端口后从第二光出射端口出射。本公开可以降低光学型气体传感器件的体积。
Description
技术领域
本公开涉及传感器技术领域，尤其涉及一种气体传感器件。
背景技术
在很多场景下，需要获取气体的成份或者浓度等信息。以氢气为例，作为重要的化工原料和清洁能源，氢气应用非常广泛，然而氢气易燃易爆，兼无色无味，在生产、运输、存储以及使用过程中如果发生泄露将很难察觉。当空气中氢气的体积分数在4.0％-74.42％范围内时，即可发生爆炸，引发严重事故。因此，有必要对环境中的氢气含量进行监测。同时，在应用氢气的场合，湿度对场所设备的使用保养也有重要的影响，因此需要同时监测环境空气湿度。
现有技术中，经常使用气体传感器件将气体的成份或者浓度等信息转换成可以被人员、仪器仪表、计算机等利用的信息。例如，可以通过氢气传感器获取空气中氢气的浓度，通过湿度传感器获取空气的湿度等。
以氢气传感器为例，目前广泛应用的氢气传感器主要有催化燃烧型、导热系数型、电化学型、半导体型等，这些传感器均为电类传感器。相较而言，光学型氢气传感器具有本质安全、稳定性好、体积小、质量轻和易组网等特点，具有重要的应用价值。
然而，现有技术中光学型氢气传感器等气体传感器件，在结构以及体积等方面，仍存在一定的优化空间。
需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于加强对本公开的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
发明内容
本公开提供一种气体传感器件，从而至少在一定程度上优化光学型气体传感器件的结构，降低光学型气体传感器件的体积。
根据本公开的一个方面，提供一种气体传感器件，包括：
光子晶体，包括光入射端口、第一光出射端口、第二光出射端口以及由介质柱排列构成的分束器单元和环行器单元；
微纳反射器，包括对于目标气体参数敏感的反射层，且所述反射层位于所述环行器单元的入射端口和出射端口之间；
气体参数计算模块，用于根据从所述第一光出射端口出射的光信号和从所述第二光出射端口出射的光信号的光程差计算目标气体参数；
其中，所述分束器单元用于将光入射端口接收的光信号分束为第一模态光信号和第二模态光信号；所述第一模态光信号从所述第一光出射端口出射，所述第二模态光信号依次经由所述环行器单元的入射端口、所述反射层、所述环行器单元的出射端口后从所述第二光出射端口出射。
在本公开的一种示例性实施例中，所述分束器单元包括：
第一光波导，其第一端与所述光入射端口连通；
第二光波导，其第一端与所述第一光波导的第二端连通，其第二端与所述第一光出射端口连通；
第一介质柱排列结构，位于所述第二光波导；所述第一介质柱排列结构对所述第一模态光信号为通带，对所述第二模态光信号为禁带；
第三光波导，其第一端与所述第一光波导的第二端连通，其第二端与所述环行器单元的入射端口连通；
第二介质柱排列结构，位于所述第三光波导；所述第二介质柱排列结构对所述第二模态光信号为通带，对所述第一模态光信号为禁带。
在本公开的一种示例性实施例中，所述环行器单元包括：
第四光波导，其第一端为所述环行器单元的入射端口，其第二端为所述环行器单元的出射端口；
第五光波导，其第一端与所述第四光波导连通且连通处位于所述环行器单元的入射端口和出射端口之间，其第二端与所述反射层对接；
第三介质柱结构，位于所述第四光波导和第五光波导的连通处，用于控制光信号不可逆的依次通过所述环行器单元的入射端口、所述第五光波导的第二端、所述环行器单元的出射端口。
在本公开的一种示例性实施例中：
所述第一模态光信号为TM偏振模态，所述第二模态光信号为TE偏振模态；或者，
所述第一模态光信号为TE偏振模态，所述第二模态光信号为TM偏振模态。
在本公开的一种示例性实施例中，所述反射层包括：
基底；
镜面层，附着在所述基底面向所述环行器单元的一面；
微纳结构膜层，附着在所述镜面层；所述微纳结构膜层的折射率能够随着所述目标气体参数的不同而产生相应的变化。
在本公开的一种示例性实施例中，所述微纳反射器，包括：
第一反射层，所述第一反射层对于第一目标气体参数敏感；
第二反射层，所述第二反射层对于第二目标气体参数敏感；
其中，所述第一目标气体参数不同于所述第二目标气体参数。
在本公开的一种示例性实施例中，所述微纳反射器，包括：
切换控制机构，与所述第一反射层以及第二反射层连接；用于根据第一切换操作移动所述第一反射层至能够反射所述第二模态光信号的预设位置；以及，根据第二切换操作移动所述第二反射层至所述预设位置。
在本公开的一种示例性实施例中，所述气体参数计算模块包括：
光程差检测单元，用于检测从所述第一光出射端口出射的光信号和从所述第二光出射端出射的光信号的光程差；
存储单元，用于存储光程差数值与所述目标气体参数数值之间的映射关系；
气体参数确定单元，用于根据检测到的光程差以及所述映射关系，确定检测到的光程差对应的目标气体参数数值。
在本公开的一种示例性实施例中，所述气体传感器件还包括：
气流通道，包括待测气体入口以及待测气体出口，且所述微纳反射器位于所述气流通道的待测气体入口和测气体出口之间。
在本公开的一种示例性实施例中，所述第一目标气体参数为待测气体的氢气浓度，所述第二目标气体参数为待测气体的湿度。
本公开示例性实施例可以具有以下部分或全部有益效果：
本公开示例性实施例中所提供的气体传感器件中，首先在光子晶体中由介质柱排列构成分束器单元和环行器单元以及相关的光路，其次设置对于目标气体参数敏感的反射层，这样，则可以通过分束器单元将入射光分束为第一模态光信号和第二模态光信号；第一模态光信号从第一光出射端口正常出射，第二模态光信号依次经由环行器单元的入射端口、上述反射层、环行器单元的出射端口后从第二光出射端口出射。当待测气体与微纳反射器的反射层接触时，会导致微纳反射器产生变化而改变第二模态光信号的光程，也即改变第一模态光信号和第二模态光信号的光程差。进而，气体参数计算模块可以根据检测到的光程差确定目标气体参数数值。一方面，相比于现有技术中，大多使用由光纤、透镜以及其他光学元件组合形成的光学型气体传感器件，本公开示例性实施例中所提供的气体传感器件无须透镜、光纤等较大的器件，因此整体结构得到了较大幅度的优化和简化，且能够显著降低光学型气体传感器件的体积。另一方面，相比于现有技术中多个部件组合形成的光学型气体传感器件，本公开示例性实施例中所提供的气体传感器件中各个结构位置相对固定，光路也不会发生较大变化，因此稳定性更好，从而能够降低目标气体参数测量值的误差波动。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1示出本公开实施例中气体传感器件的结构示意图。
图2示出本公开实施例中一种光子晶体结构示意图。
图3示出本公开实施例中微纳反射器的结构示意图。
图4示出本公开实施例中气体传感器件的结构示意图。
图5示出了本公开实施例中气体参数计算模块的一种模块示意图。
附图标记说明如下：
1000、光子晶体；1100、光入射端口；1200、第一光出射端口；1300、第二光出射端口；1400、分束器单元；1410、第一光波导；1420、第二光波导；1430、第三光波导；1440、第一介质柱排列结构；1450、第二介质柱排列结构；1500、环行器单元；1510、环行器单元的入射端；1520、环行器单元的出射端；1530、第四光波导；1540、第五光波导；1550、第三介质柱结构；1551、第三介质柱；1552、铁氧体磁光柱；1553、反射腔；2000、微纳反射器；2100、反射层；2110、基底；2120、镜面层；2130、微纳结构膜层；2200、第一反射层；2300、第二反射层；3000、气流通道；3100、待测气体入口；3200、待测气体出口；4000、气体参数计算模块；4100、光程差检测单元；4200、存储单元；4300、气体参数确定单元。
具体实施方式
现在将参考附图更全面地描述示例实施方式。然而，示例实施方式能够以多种形式实施，且不应被理解为限于在此阐述的范例；相反，提供这些实施方式使得本公开将更加全面和完整，并将示例实施方式的构思全面地传达给本领域的技术人员。所描述的特征、结构或特性可以以任何合适的方式结合在一个或更多实施方式中。
此外，附图仅为本公开的示意性图解，并非一定是按比例绘制。图中相同的附图标记表示相同或类似的部分，因而将省略对它们的重复描述。附图中所示的一些方框图是功能实体，不一定必须与物理或逻辑上独立的实体相对应。可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
需要说明的是，本公开中，用语“包括”、“配置有”、“设置于”用以表示开放式的包括在内的意思，并且是指除了列出的要素/组成部分/等之外还可存在另外的要素/组成部分/等；用语“一个”、“一”、“该”、“所述”和“至少一个”用以表示存在一个或多个要素/组成部分/等；用语“第一”、“第二”和“第三”等仅作为标记使用，不是对其对象的数量限制。
图1中示出了本示例性实施例中一种气体传感器件。该气体传感器件可以包括光子晶体1000、微纳反射器2000以及气体参数计算模块(未示出)。光子晶体1000包括光入射端口1100、第一光出射端口1200、第二光出射端口1300以及由介质柱排列构成的分束器单元1400和环行器单元1500；微纳反射器2000包括对于目标气体参数敏感的反射层2100，且所述反射层2100位于所述环行器单元的入射端口1510和出射端口1520之间；气体参数计算模块用于根据从所述第一光出射端口1200出射的光信号和从所述第二光出射端口1300出射的光信号的光程差计算目标气体参数；其中，所述分束器单元1400用于将光入射端口1100接收的光信号分束为第一模态光信号和第二模态光信号；所述第一模态光信号从所述第一光出射端口1200出射，所述第二模态光信号依次经由所述环行器单元的入射端口1510、所述反射层2100、所述环行器单元的出射端口1520后从所述第二光出射端口1300出射。
基于本示例性实施例中所提供的气体传感器件，当待测气体与微纳反射器2000的反射层2100接触时，会导致微纳反射器2000产生变化而改变第二模态光信号的光程，也即改变第一模态光信号和第二模态光信号的光程差。进而，气体参数计算模块可以根据检测到的光程差确定目标气体参数数值。一方面，相比于现有技术中，大多使用由光纤、透镜以及其他光学元件组合形成的光学型气体传感器件，本公开示例性实施例中所提供的气体传感器件无须透镜、光纤等较大的器件，因此整体结构得到了较大幅度的优化和简化，且能够显著降低光学型气体传感器件的体积。另一方面，相比于现有技术中多个部件组合形成的光学型气体传感器件，本公开示例性实施例中所提供的气体传感器件中各个结构位置相对固定，光路也不会发生较大变化，因此稳定性更好，从而能够降低目标气体参数测量值的误差波动。
下面，将结合图1以及其他附图和实施例对本示例性实施例中的气体传感器件的各个步骤进行更详细的说明。
本示例性实施例中的光子晶体1000可以为二维光子晶体。二维光子晶体主要包括背景材料以及在背景材料中阵列排布的介质柱，且背景材料和介质柱的介电常数不同。例如，背景材料可以为空气，介质柱由二氧化硅等特定材料形成；又例如，背景材料可以为锗，介质柱由空气孔形成等。介质柱的阵列排布方式可以呈三角晶格或者方形晶格等；图1中所示的即方形晶格；三角晶格可以如图2中所示。介质柱的截面一般使用正圆形，但也可以使用其他对称形状。本示例性实施例中对这些均不做特殊限定。
光子晶体1000最基本的特性是具有光子禁带，光子禁带是由布拉格散射形成的特殊区域。由于布里渊区边界光子能量的不连续跳变，会使频率落在禁带中的电磁波被禁止传播。光子禁带的宽度取决于晶体材料的几何形状、特征尺寸、间距和性质；光子禁带以外的区域则称为光子通带，即允许光子通过。由于光子禁带的位置以及频率范围等均可以由人为设计的光子晶体而决定；因此可以利用光子晶体的光子禁带和光子通带实现对电磁波的控制。例如，本示例性实施例中，通过调整光子晶体1000的结构形成了分束器单元1400以及环行器单元1500。
参考图1所示，所述分束器单元1400可以包括第一光波导1410、第二光波导1420、第三光波导1430、第一介质柱排列结构1440以及第二介质柱排列结构1450。其中：
第一光波导1410的第一端与所述光入射端口1100连通，能够接收自光入射端口1100入射的光信号。本示例性实施例，从光入射端口1100入射的光信号可以为激光信号，例如ASE(Amplified Spontaneous Emission，放大自发辐射)宽谱激光光源产生的光信号。
第二光波导1420的第一端与所述第一光波导1410的第二端连通，第二光波导1420的第二端与所述第一光出射端口1200连通。在第二光波导1420中，设置有第一介质柱排列结构1440。所述第一介质柱排列结构1440对所述第一模态光信号为通带，对所述第二模态光信号为禁带。
本示例性实施例中，所述第一模态光信号可以为TM偏振模态，所述第二模态光信号为TE偏振模态。进而，可以通过采用如下一种或者多种方式，形成对TM偏振模态光信号为通带，对TE偏振模态光信号为禁带的第一介质柱排列结构1440：例如，可以调节第一介质柱排列形式，如调整为方形晶格或者三角晶格等；也可以调节第一介质柱的材料，使得第一介质柱和光子晶体1000主体介质柱的介电常数呈预设的关系；还可以调整第一介质柱和光子晶体1000主体介质柱的半径比例关系等。
第三光波导1430的第一端与所述第一光波导1410的第二端连通，第三光波导1430的第二端与所述环行器单元的入射端口1510连通。在第三光波导1430中，设置有第二介质柱排列结构1450。所述第二介质柱排列结构1450对所述第二模态光信号为通带，对所述第一模态光信号为禁带。
类似于上述第一介质柱排列结构1440，本示例性实施例可以通过采用如下一种或者多种方式，形成对TE偏振模态光信号为通带，对TM偏振模态光信号为禁带的第二介质柱排列结构1450：例如，可以调节第二介质柱排列形式，如调整为方形晶格或者三角晶格等；也可以调节第二介质柱的材料，使得第二介质柱和光子晶体1000主体介质柱的介电常数呈预设的关系；还可以调整第二介质柱和光子晶体1000主体介质柱的半径比例关系等。
这样，通过本示例性实施例中的分束器单元1400，则可以将自光入射端口1100入射的激光信号，分束为上路的TM偏振模态光信号和下路的TE偏振模态光信号。
需要说明的是，在本公开的其他示例性实施例中，也可以是所述第一模态光信号为TE偏振模态，所述第二模态光信号为TM偏振模态。在本示例性实施例中，分束器单元1400为Y型结构；但在本公开的其他示例性实施例中，分束器单元1400也可以为T型结构或者其他结构。这些均属于本公开的保护范围。
继续参考图1所示，所述环行器单元1500可以包括第四光波导1530、第五光波导1540以及第三介质柱结构1550。其中：
第四光波导1530的第一端为所述环行器单元的入射端口1510，第四光波导1530的第二端为所述环行器单元的出射端口1520。第五光波导1540的第一端与所述第四光波导1530连通且连通处位于所述环行器单元的入射端口1510和出射端口1520之间，第五光波导1540的第二端与所述反射层2100对接。在所述第四光波导1530和第五光波导1540的连通处，设置有第三介质柱结构1550。第三介质柱结构1550用于控制光信号不可逆的依次通过所述环行器单元的入射端口1510、所述第五光波导1540的第二端、所述环行器单元的出射端口1520。
本示例性实施例中，所述第三介质柱结构1550可以包括位于中心处半径较大的第三介质柱1551以及围绕在第三介质柱1551周边的四个铁氧体磁光柱1552构成二维磁性光子晶体；此外，还包括由几个半径大小不同的第四介质柱围成反射腔1553，将入射的光信号原路反射回去。进而，可以实现在第四光波导1530和第五光波导1540中不受约束的光传输或单向光路的90°弯曲，而且利用反射腔1553，能够有效的将单方向90°光弯的两条路径级联，实现了沿直线排列和连接的两个波导的不可逆传输。
需要说明的是，在上述示例性实施例中，是利用磁光材料柱的耦合结构特性，实现了形态简明、结构紧凑的T型结构环行器单元1500。但在本公开的其他示例性实施例中，环行器单元1500也可以为Y型结构、十字型结构、W型结构、风车型结构等其他结构。这些均属于本公开的保护范围。
参考图3所示，本示例性实施例所述反射层2100可以包括基底2110、镜面层2120以及微纳结构膜层2130。其中：
本示例性实施例中，基底2110可以为采用硅材料的基底，例如二氧化硅基底；但也可以采用石英石基底或者柔性基底等。镜面层2120附着在所述基底2110面向所述环行器单元1500的一面；镜面层2120可以根据材料的不同，通过如磁控溅射、镀膜或者旋涂等方式形成在基底2110上。在部分示例性实施例中，基底2110和镜面层2120也可以为一体式结构，也即镜面层2120是通过对基底2110进行表面光滑处理而得到的。本示例性实施例中对此不做特殊限定。
微纳结构膜层2130附着在所述镜面层2120；所述微纳结构膜层2130的折射率能够随着所述目标气体参数的不同而产生相应的变化。根据目标气体参数的不同，微纳结构膜层2130可以使用不同的材质和/或采用不同的结构。
以目标气体参数为氢气浓度为例，微纳结构膜层2130可以为金属钯膜，金属钯膜中钯颗粒为埃米量级；当气体中的氢气分子与金属钯膜接触后，氢气分子在金属钯膜表面解离吸附为氢原子并扩散进入钯的晶格，生成钯的氢化物；这一变化会带来微纳结构膜层2130折射率的变化。在不同的氢气浓度下，微纳结构膜层2130折射率变化亦会有所不同；因此会导致从所述第一光出射端口1200出射的第一模态光信号和从所述第二光出射端口1300出射的第二模态光信号的光程差有所区别，进而，可以根据第一模态光信号和第二模态光信号的光程差计算出对应的氢气浓度。
以目标气体参数为空气湿度为例，微纳结构膜层2130可以包括氧化石墨烯层。氧化石墨烯层是一种二维材料，表面积较大，亲水性较为突出，进而该氧化石墨烯层的折射率随湿度的改变变化显著。因此，当该氧化石墨烯层附近的空气湿度发生改变时，该氧化石墨烯层的折射率也发生改变。在不同的空气湿度下，微纳结构膜层2130折射率变化亦会有所不同；因此会导致从所述第一光出射端口1200出射的第一模态光信号和从所述第二光出射端口1300出射的第二模态光信号的光程差有所区别，进而，可以根据第一模态光信号和第二模态光信号的光程差计算出对应的空气湿度。
在部分示例性实施例中，微纳结构膜层2130还可以是对于目标气体参数应力敏感，也即能够随着所述目标气体参数的不同而产生相应的应力，导致反射层2100的表面形态发生变化，从而使得从所述第一光出射端口1200出射的第一模态光信号和从所述第二光出射端口1300出射的第二模态光信号的光程差有所区别；且本示例性实施例中并不以此为限。
需要说明的是，在上述示例性实施例中，是以目标气体参数为氢气浓度和空气湿度为例，但在本公开的其他示例性实施例中，目标气体参数也可以为如氧气浓度等其他参数。微纳结构膜层2130的结构可以为粉末状、薄膜状、颗粒状、纳米线结构等一维到三维结构。这些均属于本公开的保护范围。
此外，在很多场景下，需要同时监测多种气体参数。例如，在应用氢气的场合，湿度对场所设备的使用保养也有重要的影响，因此需要同时监测氢气浓度和环境空气湿度。为了解决类似问题，本示例性实施例中，所述微纳反射器2000可以包括多种类型的反射层2100，从而对应检测不同的气体参数。
例如，参考图4所示，所述微纳反射器2000可以包括第一反射层2200和第二反射层2300。其中，第一反射层2200对于第一目标气体参数敏感；所述第二反射层2300对于第二目标气体参数敏感；且所述第一目标气体参数不同于所述第二目标气体参数，例如，第一目标气体参数为氢气浓度，第二目标气体参数为空气湿度；第一反射层2200和第二反射层2300的具体结构可以如上所述，此处不再重复赘述。
为了方便第一反射层2200和第二反射层2300的切换，本示例性实施例，所述微纳反射器2000还可以包括切换控制机构。切换控制机构与所述第一反射层2200以及第二反射层2300连接；用于根据第一切换操作移动所述第一反射层2200至能够反射所述第二模态光信号的预设位置；以及，根据第二切换操作移动所述第二反射层2300至所述预设位置。
举例而言，切换控制机构可以包括滑轨以及驱动器；其中，驱动器可以接收切换操作产生的控制信号，驱动第一反射层2200或第二反射层2300沿着滑轨平移到能够反射所述第二模态光信号的预设位置。本示例性实施例中，通过设置多个反射层2100以及切换控制机构，可以将多种目标气体参数测量功能集成在一起，从而进一步的降低光学型气体传感器件的空间占用，也减少了检测人员的相关操作，降低了检测成本。此外，在本公开的其他示例性实施例中，切换控制机构也可以为其他结构，本示例性实施例中对此不做特殊限制。
继续参考图1以及图4所示，本示例性实施例中，所述气体传感器件还可以包括气流通道3000。气流通道3000包括待测气体入口3100以及待测气体出口3200，且所述微纳反射器2000位于所述气流通道3000的待测气体入口3100和测气体出口之间。通过设置气流通道3000能够确保待测气体流经微纳反射器2000，且在一定程度上起到保护微纳反射器2000的作用。
参考图5所示，本示例性实施例，所述气体参数计算模块4000可以包括光程差检测单元4100、存储单元4200以及气体参数确定单元4300。
其中：
光程差检测单元4100用于确定从所述第一光出射端口1200出射的第一模态光信号和从所述第二光出射端口1300出射的第二模态光信号的光程差。例如，光程差检测单元4100可以通过如干涉仪等设备，获取第一模态光信号和第二模态光信号产生的干涉图纹，进而根据干涉图纹确定第一模态光信号和第二模态光信号的光程差。所述干涉仪例如可以是迈克尔逊干涉仪。
存储单元4200用于存储光程差数值与所述目标气体参数数值之间的映射关系。本示例性实施例中，可以预先通过实验，标定光程差数值与所述目标气体参数数值之间的映射关系，并写入存储单元4200。所述映射关系可以为映射表，也可以为映射函数等其他表现形式。本示例性实施例中，所述存储单元4200可以为非易失性可读存储介质。例如可以是—但不限于—电、磁、光、电磁、红外线、或半导体的系统、装置或器件，或者任意以上的组合。更具体的例子可以包括但不限于：具有一个或多个导线的电连接、便携式计算机磁盘、硬盘、随机访问存储器、只读存储器、可擦式可编程只读存储器(EPROM或闪存)、便携式紧凑磁盘只读存储器(CD-ROM)、光存储器件、磁存储器件、或者上述的任意合适的组合。
气体参数确定单元4300用于根据检测到的光程差以及所述映射关系，确定检测到的光程差对应的目标气体参数数值。本示例性实施例中，气体参数确定单元4300可以根据目标气体参数的不同，从存储单元4200中获取不同的映射关系表；进而，在接收到光程差检测单元4100发送的光程差之后，可以以查表的方式，获取对应的目标气体参数数值；或者，在获取到映射函数之后，通过函数代入的方式，获取对应的目标气体参数数值。气体参数确定单元4300例如可以为CPU、SoC(System on Chip，系统级芯片)或者MCU(MicrocontrollerUnit，微处理器)等具备运算处理功能的单元。
下面结合图4对本示例性实施例气体传感器件的一次完整目标气体参数检测过程进行说明：
基于上述示例性实施例所提供的气体传感器件，当激光从光入射端口1100进入光子晶体1000后，会被分束器单元1400分成第一模态光信号和第二模态光信号。其中，第一模态光信号正常传输至第一光出射端口1200(靠上方的光路)。第二模态光信号首先进入环行器单元的入射端口1510，然后从环行器单元1500的中间端口出射，经微纳反射器2000反射重新进入环行器单元1500的中间端口，并从环行器单元的出射端口1520出射，最后传输至第二光出射端口1300(靠下方的光路)。
微纳反射器2000设置在气流通道3000中，微纳反射器2000包括对于氢气敏感的第一反射层2200以及对于湿度敏感的第二反射层2300。如果需要测量氢气浓度，则可以向左移动微纳反射器2000，控制第一反射层2200移动到能够反射所述第二模态光信号的预设位置。如果需要测量空气湿度，则可以向右移动微纳反射器2000，控制第二反射层2300移动到能够反射所述第二模态光信号的预设位置。
当待测气体从气流通道3000的待测气体入口3100流向待测气体出口3200的过程中，会与气流通道3000中的微纳反射器2000的反射层2100接触而发生理化反应，导致微纳反射器2000的折射率或者表面形态发生变化，从而改变第二模态光信号的光程，也即改变第一模态光信号和第二模态光信号的光程差。进而，气体参数计算模块4000可以根据检测到的光程差确定目标气体参数数值。
应当注意，尽管在上文详细描述中提及了用于动作执行的设备的若干模块或者组件，但是这种划分并非强制性的。实际上，根据本公开的实施方式，上文描述的两个或更多模块或者组件的特征和功能可以在一个模块或者单元中具体化。反之，上文描述的一个模块或者单元的特征和功能可以进一步划分为由多个模块或者单元来具体化。
本公开的各个部件实施例可以以硬件实现，或者以在一个或者多个处理器上运行的软件模块实现，或者以它们的组合实现。
本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的发明后，将容易想到本公开的其他实施例。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的真正范围和精神由权利要求指出。
Claims (10)
1.一种气体传感器件，其特征在于，包括：
光子晶体，包括光入射端口、第一光出射端口、第二光出射端口以及由介质柱排列构成的分束器单元和环行器单元；
微纳反射器，包括对于目标气体参数敏感的反射层，且所述反射层位于所述环行器单元的入射端口和出射端口之间；
气体参数计算模块，用于根据从所述第一光出射端口出射的光信号和从所述第二光出射端口出射的光信号的光程差计算目标气体参数；
其中，所述分束器单元用于将光入射端口接收的光信号分束为第一模态光信号和第二模态光信号；所述第一模态光信号从所述第一光出射端口出射，所述第二模态光信号依次经由所述环行器单元的入射端口、所述反射层、所述环行器单元的出射端口后从所述第二光出射端口出射。
2.根据权利要求1所述的气体传感器件，其特征在于，所述分束器单元包括：
第一光波导，其第一端与所述光入射端口连通；
第二光波导，其第一端与所述第一光波导的第二端连通，其第二端与所述第一光出射端口连通；
第一介质柱排列结构，位于所述第二光波导；所述第一介质柱排列结构对所述第一模态光信号为通带，对所述第二模态光信号为禁带；
第三光波导，其第一端与所述第一光波导的第二端连通，其第二端与所述环行器单元的入射端口连通；
第二介质柱排列结构，位于所述第三光波导；所述第二介质柱排列结构对所述第二模态光信号为通带，对所述第一模态光信号为禁带。
3.根据权利要求1所述的气体传感器件，其特征在于，所述环行器单元包括：
第四光波导，其第一端为所述环行器单元的入射端口，其第二端为所述环行器单元的出射端口；
第五光波导，其第一端与所述第四光波导连通且连通处位于所述环行器单元的入射端口和出射端口之间，其第二端与所述反射层对接；
第三介质柱结构，位于所述第四光波导和第五光波导的连通处，用于控制光信号不可逆的依次通过所述环行器单元的入射端口、所述第五光波导的第二端、所述环行器单元的出射端口。
4.根据权利要求1所述的气体传感器件，其特征在于：
所述第一模态光信号为TM偏振模态，所述第二模态光信号为TE偏振模态；或者，
所述第一模态光信号为TE偏振模态，所述第二模态光信号为TM偏振模态。
5.根据权利要求1～4任意一项所述的气体传感器件，其特征在于，所述反射层包括：
基底；
镜面层，附着在所述基底面向所述环行器单元的一面；
微纳结构膜层，附着在所述镜面层；所述微纳结构膜层的折射率能够随着所述目标气体参数的不同而产生相应的变化。
6.根据权利要求5所述的气体传感器件，其特征在于，所述微纳反射器，包括：
第一反射层，所述第一反射层对于第一目标气体参数敏感；
第二反射层，所述第二反射层对于第二目标气体参数敏感；
其中，所述第一目标气体参数不同于所述第二目标气体参数。
7.根据权利要求6所述的气体传感器件，其特征在于，所述微纳反射器，包括：
切换控制机构，与所述第一反射层以及第二反射层连接；用于根据第一切换操作移动所述第一反射层至能够反射所述第二模态光信号的预设位置；以及，根据第二切换操作移动所述第二反射层至所述预设位置。
8.根据权利要求1所述的气体传感器件，其特征在于，所述气体参数计算模块包括：
光程差检测单元，用于检测从所述第一光出射端口出射的光信号和从所述第二光出射端出射的光信号的光程差；
存储单元，用于存储光程差数值与目标气体参数数值之间的映射关系；
气体参数确定单元，用于根据检测到的光程差以及所述映射关系，确定检测到的光程差对应的目标气体参数数值。
9.根据权利要求1所述的气体传感器件，其特征在于，所述气体传感器件还包括：
气流通道，包括待测气体入口以及待测气体出口，且所述微纳反射器位于所述气流通道的待测气体入口和测气体出口之间。
10.根据权利要求6或7任意一项所述的气体传感器件，其特征在于，所述第一目标气体参数为待测气体的氢气浓度，所述第二目标气体参数为待测气体的湿度。
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