[实用新型]一种微型乙醇溶液浓度的检测装置

说明书

本实用新型涉及一种微型乙醇溶液浓度的检测装置，包括：光源、输入耦合透镜、光子晶体、输出耦合透镜、光电检测仪、显示器；所述光源采用一定波长的激光器,激光器的选择根据确定，a(μm)为晶格常数，ΔGap是待测溶液不同浓度下TE模对应的最大归一化带隙范围中心值，λ₀是所选激光器的中心波长，调谐的波长范围根据最大带隙处对应的波长而定。本实用新型中一种微型乙醇浓度测量装置灵敏度高，只要浓度有微小的变化，介电常数就会变化，进而带隙就会发生变化，光电检测器就可以检测出。

技术领域

本实用新型公开一种溶液浓度的检测装置，尤其是一种微型乙醇溶液浓度的检测装置。

背景技术

乙醇俗称酒精，是一种基础的工业原料，广泛应用于军工、医药、化工、食品等领域。我国是产酒大国，有着历史悠久的“酒文化”，半数以上的国人都有饮酒的习惯。适量的饮酒，不仅可以缓解疲劳和减轻心理压力，而且可以营造愉快的氛围，有利于人们的日常生活与工作。众所周知，市场上酒的品种繁多，而品质却差别很大。酒的品质主要取决于生产过程中发酵产品质量的控制，而乙醇浓度的测定是酒以及相关发酵产品质量控制的关键之一。乙醇浓度是发酵过程中重要的过程参数，直接影响着发酵过程的控制、优化以及发酵产品的质量和产量。在工业领域，燃料乙醇是“十五”示范工程重大项目，我国将大力发展燃料乙醇。因此研制乙醇浓度的测量装置很有必要，特别是微型乙醇浓度的测量装置。

目前国内外关于乙醇浓度的测量方法有：折光率法、密度瓶法、酒精计法、化学氧化法、分光光度分析法、近红外光谱法、荧光光度法、激光拉曼光谱法、微生物电极等方法。折光率法利用乙醇与甲醇物理性质的差异，但精度不高；密度瓶法测量精确度高，但操作繁琐费时，分析时间较长；酒精计法操作简易快速，是乙醇测定的常用方法，但抗干扰性能差；化学氧化法与分光光度分析法使用仪器简便，操作简单；近红外光谱法具有无污染、无破坏性、无前处理、方便快捷等优点，但集成度不高；荧光光度法线性范围宽、灵敏度较高、选择性好，但需要严格控制温度；激光拉曼光谱法所需仪器昂贵，不适合现场的快速检测；微生物电极法重现性、选择性较好，可跟踪监测，但电极寿命低。因此，研制一种具有高集成度、高精确性、无污染、室温可操作的乙醇浓度测量装置和方法对工业、食品等领域具有重大的意义。

发明内容

本实用新型的目的是利用光子晶体的禁带特征，设计并制作了一种浓度检测装置，本装置核心技术是利用光子晶体的禁带特征，并以此构建检测装置。将光子晶体设计成二维三角晶格、硅介质柱、空气背景材料。通过选用单晶硅为基底材料，利用掩膜、HBr等离子刻蚀的方法制备光子晶体。硅介质柱与晶格常数都是微米级，易于集成封装。该检测装置具有较高的灵敏度。同时，因为检测过程中既不涉及化学变化，也不引入其他的杂质，所以本检测装置还具有清洁、无污染等优点。本检测装置既可以独立成品，进行离线检测，也可以封装在容器底部，进行在线实时检测。

本实用新型提到的光子晶体禁带特征是根据本实用新型中设计的光子晶体参数利用平面波展开法进行研究的。在二维光子晶体结构中，介质柱(或者空气孔)是均匀排列而成的，在与介质柱(或者空气孔)垂直的方向上介电常数是周期性排列的。无源空间中，电磁波在光子晶体(各向同性无耗无磁性)内传播可用下面两个波动方程描述：

将周期函数展开为傅立叶级数形式：

式中为第一布里渊区中的波矢量，为晶格二维倒格矢。将上述三个式子代入波动方程化简得到

TE模式本征方程：

TM模式本征方程：

对于三角晶格的光子晶体，上述本征方程中的介电常数可表示为