[发明专利]一种石墨烯内嵌的回音壁微球腔单分子气体传感器

说明书

本发明属于传感领域，具体涉及一种石墨烯内嵌的回音壁微球腔单分子气体传感器，基于石墨烯奇异点。本发明通过微球上的金电极有效减小微球的模式体积，大量减少了谐振模式数量，依靠石墨烯的物理吸附和电可调费米能级的特性，通过电调控超材料石墨烯可以精确的控制微球腔工作在奇异点，提高传感响应速度和灵敏度，同时品质因数高的谐振腔能大幅度的降低传感功耗：响应时间仅为电化学气体传感器的千分之一，灵敏度可达传统光学气体传感器的10000倍以上，传感功耗低至70纳瓦。采用普通单模光纤的接头，能方便的接入光纤通信网络。本发明在保证传感器体积小、结构简单和响应快速的基础上，实现了传感灵敏度达到单分子量级，具有更低的传感功耗。

技术领域

本发明属于传感领域，具体涉及一种石墨烯内嵌的回音壁微球腔单分子气体传感器，基于石墨烯奇异点，可实现通过检测透射光谱模式劈裂宽度来传感气体的浓度。

背景技术

随着人们生活水平的不断提高和对环保的日益重视，对各种有毒、有害气体的探测，对大气污染、工业废气的监测以及对食品和居住环境质量的检测都对气体传感器提出了更高的要求。纳米、薄膜技术等新材料研制技术的成功应用为气体传感器集成化和智能化提供了很好的前提条件。高性能的气体传感器能大大提高信息采集、处理、深加工水平，提高实时预测事故的准确性，不断消除事故隐患，大幅度减少事故特别是重大事故的发生。能有效实现安全监察和安全生产监督管理的电子化，变被动救灾为主动防灾，使安全生产向科学化管理迈进。

目前气体传感器主要有电化学气体传感器和光学气体传感器。传统的电化学气体传感器一般都是通过化学电解的方法来实现用电解电流强度对生化分子的传感，这种气体传感方式虽然比较成熟可靠，但其缺点也十分明显：依赖于化学反应、耗能高、体积大、系统复杂、抗电磁干扰能力弱、有很强的气体选择性、传感灵敏度不高。而近年来发展的一批基于MEMOS技术的电学传感器，在体积、能耗、灵敏度等方面虽然实现了很大的突破，但仍然没有解决其响应速度慢、系统复杂、抗电磁干扰能力弱等问题。

基于光纤传感技术的光学气体传感器能基本解决上述电学气体传感器的缺点，其相比于传统的电化学气体传感器来说，具有结构简单、尺寸微小、响应速度快以及抗电磁干扰等优点，但目前已经被报道的光学气体传感器传感灵敏度最高也只能达到ppb量级，而且其传感功耗(微瓦量级)虽然远低于传统电化学气体传感器，但是仍然较高。至今为止，尚没有一款传感灵敏度能够达到单分子量级，传感功耗在纳瓦量级的光学气体传感器。

发明内容

针对上述存在问题或不足，为解决在保证传感器具有体积小、结构简单、响应快速等优点的基础上，实现传感灵敏度达到单分子量级，更低传感功耗的光学生化分子传感器，来替代结构复杂、抗干扰能力弱、应用面局限的电化学气体传感器和改进传感灵敏度仍然相对较低，传感功耗相对较高的光学气体传感器。本发明提供了一种石墨烯内嵌的回音壁微球腔单分子气体传感器。

本发明采用如下技术方案：

一种石墨烯内嵌的回音壁微球腔单分子气体传感器，基于石墨烯奇异点，包括二氧化硅微球、单层石墨烯和微纳光纤。

所述二氧化硅微球是通过光纤制备而成，二氧化硅微球与光钎连接端和与其相对应的球体另一端均设置有金电极，两金电极关于微纳光纤与球体耦合的切面对称，单层石墨烯贴附于球体上的两金电极之间,两金电极的间距为微球直径D的1/3～1/2。

所述微纳光纤与制备二氧化硅微球的光纤相垂直贴附于二氧化硅微球两金电极间的球面中线处，实现与微球腔的光耦合，并用以输入和输出信号。

沿微纳光纤传播的光信号满足微球的谐振条件时，会耦合到微球谐振腔中，且该谐振条件受表面贴附的石墨烯层影响，调节两个金电极之间的电压以将该微球腔控制在简并异常点上，当石墨烯表面吸附气体分子时，简并状态被破环，简并模式发生劈裂。

同时整个气体传感器的两端都是采用普通单模光纤接头，所以整个结构可以很方便的直接接入由单模光纤构成的光路。