[发明专利]一种光子晶体光纤SPR气体传感器及其应用

说明书

本发明属于电子核心产业技术领域，涉及敏感元件及传感器的制造，具体涉及一种光子晶体光纤SPR气体传感器及其应用，包括光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的径向横截面设置若干空气孔和SPR空气孔，若干空气孔排列成多层环形阵列，所述空气孔包括小空气孔、中空气孔和大空气孔，最外层环形阵列由中空气孔和大空气孔交错形成，其他层环形阵列由小空气孔排列形成，SPR空气孔位于两层小空气孔形成的环形阵列之间，所述SPR空气孔由小空气孔壁依次设置金属膜、可燃气体敏感膜及石墨烯层形成。本发明能够有效提高测量低浓度下的线性度，从而实现对实际环境中可燃气体的检测。

技术领域

本发明属于电子核心产业技术领域，涉及敏感元件及传感器的制造，具体涉及一种光子晶体光纤SPR气体传感器及其应用。

背景技术

公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

光子晶体光纤(Photonic Crystal Fiber,PCF)包层拥有很多空气孔，合理的设计能够改善传感器的性能，针对该特性将功能性材料填充到空气孔中，实现对某一物理量的检测，从而形成PCF传感器。光子晶体光纤概念提出不久一些学者便开始将表面等离子体共振(Surface Plasmon Resonance,SPR)引入PCF传感技术中。PCF-SPR传感器的原理是泄露到金属膜表面的纤芯模式与金属膜表面的自由电子发生相互作用。被测物质则填充在镀有金属膜的空气孔中，当被测物质的折射率发生变化时，传输光的传输特性也会受到相应影响。通过分析反射光谱或者透射光谱，便可以实现对被测样品实时的监测。

经过发明人研究发现，实际环境中，气体中可燃气体(甲烷、氢气等)的浓度一般为0～3％，现有PCF-SPR传感器对于该浓度下的可燃气体检测的准确性和灵敏度较低，从而影响了PCF-SPR传感器在实际环境中的应用。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明的目的是提供一种光子晶体光纤SPR气体传感器及其应用，能够有效提高测量低浓度下的线性度，从而实现对实际环境中可燃气体的检测。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

一方面，一种光子晶体光纤SPR气体传感器，包括光子晶体光纤，所述光子晶体光纤的径向横截面设置若干空气孔和SPR空气孔，若干空气孔排列成多层环形阵列，所述空气孔包括小空气孔、中空气孔和大空气孔，最外层环形阵列由中空气孔和大空气孔交错形成，其他层环形阵列由小空气孔排列形成，SPR空气孔位于两层小空气孔形成的环形阵列之间，所述SPR空气孔由小空气孔壁依次设置金属膜、可燃气体敏感膜及石墨烯层形成。

本发明设置三种孔径的空气孔，同时通过设置外层中空气孔和大空气孔交错的环形阵列，多个内层小空气的环形阵列，有利于集中汇集和检测气体。

本发明SPR空气孔内设置石墨烯层，能够净化气体中的颗粒或液体杂质，从而增加传感器的测量精确度。

另一方面，一种上述晶体光纤SPR气体传感器在检测空气中可燃气体的应用。

可燃气体的检测与可燃气体敏感膜有关，当采用氢气敏感膜时，则可以检测空气中的氢气的含量；当采用甲烷敏感膜时，则可以检测空气中甲烷的含量。

本发明的有益效果为：

本发明在纤芯中引入小空气孔，减小等离子体模和芯模的有效折射率差，使得相位匹配更加容易，同时设置中空气孔和大空气孔，排列成多层环形阵列，有利于集中汇集和检测气体。

本发明通过在金属膜上设置与可燃气体浓度呈线性变化的气敏薄膜，有利于提高检测的线性度。

本发明通过设置石墨烯层，对空气中的杂质进行吸附从而提高了检测精确度。