[发明专利]一种表面等离子波导的NH3浓度测量装置

说明书

技术领域

本发明涉及气体测量领域，具体是一种表面等离子波导的NH3浓度测量装置。

背景技术

表面等离子体激元(Surface plasmon polariton,简称SPP)是通过改变金属表面的亚波长结构实现的一种光波与可迁移的表面电荷之间电磁模，可以支持金属与介质界面传输的表面等离子波，从而传输光能量，且不受衍射极限的限制。正因为SPP这种独特的性质，使其在纳米量级操纵光能量发挥着重要的作用。与此同时，随着硅基半导体微纳加工技术的飞速提高，硅基半导体器件成为了当前集成光子学热门方向，其中微环结构已经被广泛用于波分复用器、调制器、光开关、传感器等领域。

NH₃是一种常见的有毒气体，ZnO纳米颗粒是一种制作方法比较成熟的对NH₃等还原性气体吸附较好的金属氧化物材料，2013年5月，《Optoelectroics Letters》报道了“An ammonia gas sensor with two chamber based on U-bending microring resonator”文章，设计了一种新型的U型微环气体传感器。尽管当前实现的NH₃浓度测量电子器件灵敏性较好，但传感器抗干扰性较差，特殊环境应用范围很小，温度稳定性也较低。

目前对于NH3气体浓度测量大都是电子器件，对于光学测量系统的设计较少。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种表面等离子波导的NH3浓度测量装置。这种NH3浓度测量装置成本低、能够实现高灵敏性、能应用在特殊环境测量，抗干扰性能好，与同类气体传感器相比量程更大、同时保持较高分辨率和线性度。

实现本发明目的的技术方案是：

一种表面等离子波导的NH3浓度测量装置，所述装置为双通道微环的结构，包括上层通道和下层通道，所述上层通道和下层通道之间设有微环，上层通道为NH3气体通道，下层通道为光信号通道。

所述上层通道、下层通道均为SPP波导。

所述SPP波导包括自上而下顺序叠接的第一SiO2层、ZnO颗粒层、金层和第二SiO2层。

所述微环为圆形绝缘衬底上的硅(Silicon-on-Isolator，简称SOI)材料结构。

所述的ZnO层由ZnO纳米微粒沉积而成，沉积利用旋涂法，ZnO纳米颗粒有机悬浮液利用旋涂法沉积后，在低温干燥箱中干燥，在微环波导表面形成一层覆盖层。

ZnO纳米颗粒之间的空隙用于吸附气体。

所述的ZnO纳米覆盖层的折射率改变，主要是由于NH3分子受到的化学吸附引起，吸附服从可逆化学反应因此只要表面O负离子和氨气分子的摩尔比大于3:2，化学吸附多少的变化应与外界气体浓度的变化呈线性关系。

所述的ZnO层引起微环折射率变化，能够由洛伦兹公式得到：其中n为波导有效折射率，N为介质单位体积中的分子数，α是各项同性介质的分子平均极化率。

所述的SPP波长，采用的典型的介质-金属-介质-波导结构，能够实现非常强的光子局域化，能够提高微环结构的光信号载波能力。

由于NH3气体进入ZnO颗粒层空气间隙，会覆盖小孔，这样覆盖层折射率发生变化，进而导致整个微环结构的有效折射率发生变化。

光信号通道中入射光由宽带光源发出，出射光经敏感器件滤波后由光谱仪接收，通过光谱仪得到的光强变化，结合光强变化与有效折射率关系，得到NH3气体浓度。

这种NH3浓度测量装置成本低、能够实现高灵敏性、能应用在特殊环境测量，抗干扰性能好，与同类气体传感器相比量程更大、同时保持较高分辨率和线性度。

附图说明

图1为实施例的结构示意图；

图2为实施例中SPP波导的结构示意图。

图中，1.混合气体入射口 2.上层通道 3.混合气体出射口 4.微环 5.入射光 6.下层通道 7.出射光 8.第二SiO2层 9.金层 10.ZnO颗粒层 11.第一SiO2层。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明内容作进一步阐述，但不是对本发明限定。

实施例：

参照图1，一种表面等离子波导的NH3浓度测量装置，所述装置为双通道微环的结构，包括上层通道2和下层通道6，所述上层通道2和下层通道6之间设有微环4，上层通道2为NH3气体通道，下层通道6为光信号通道。

所述上层通道2、下层通道6均为SPP波导。