本發(fā)明涉及氣體測量領(lǐng)域，具體是一種表面等離子波導(dǎo)的nh3濃度測量裝置。

背景技術(shù)：

表面等離子體激元(surfaceplasmonpolariton,簡稱spp)是通過改變金屬表面的亞波長結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)的一種光波與可遷移的表面電荷之間電磁模，可以支持金屬與介質(zhì)界面?zhèn)鬏數(shù)谋砻娴入x子波，從而傳輸光能量，且不受衍射極限的限制。正因?yàn)閟pp這種獨(dú)特的性質(zhì)，使其在納米量級(jí)操縱光能量發(fā)揮著重要的作用。與此同時(shí)，隨著硅基半導(dǎo)體微納加工技術(shù)的飛速提高，硅基半導(dǎo)體器件成為了當(dāng)前集成光子學(xué)熱門方向，其中微環(huán)結(jié)構(gòu)已經(jīng)被廣泛用于波分復(fù)用器、調(diào)制器、光開關(guān)、傳感器等領(lǐng)域。

nh3是一種常見的有毒氣體，zno納米顆粒是一種制作方法比較成熟的對(duì)nh3等還原性氣體吸附較好的金屬氧化物材料，2013年5月，《optoelectroicsletters》報(bào)道了“anammoniagassensorwithtwochamberbasedonu-bendingmicroringresonator”文章，設(shè)計(jì)了一種新型的u型微環(huán)氣體傳感器。盡管當(dāng)前實(shí)現(xiàn)的nh3濃度測量電子器件靈敏性較好，但傳感器抗干擾性較差，特殊環(huán)境應(yīng)用范圍很小，溫度穩(wěn)定性也較低。

目前對(duì)于nh3氣體濃度測量大都是電子器件，對(duì)于光學(xué)測量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)較少。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，而提供一種表面等離子波導(dǎo)的nh3濃度測量裝置。這種nh3濃度測量裝置成本低、能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏性、能應(yīng)用在特殊環(huán)境測量，抗干擾性能好，與同類氣體傳感器相比量程更大、同時(shí)保持較高分辨率和線性度。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)方案是：

一種表面等離子波導(dǎo)的nh3濃度測量裝置，所述裝置為雙通道微環(huán)的結(jié)構(gòu)，包括上層通道和下層通道，所述上層通道和下層通道之間設(shè)有微環(huán)，上層通道為nh3氣體通道，下層通道為光信號(hào)通道。

所述上層通道、下層通道均為spp波導(dǎo)。

所述spp波導(dǎo)包括自上而下順序疊接的第一sio2層、zno顆粒層、金層和第二sio2層。

所述微環(huán)為圓形絕緣襯底上的硅(silicon-on-isolator，簡稱soi)材料結(jié)構(gòu)。

所述的zno層由zno納米微粒沉積而成，沉積利用旋涂法，zno納米顆粒有機(jī)懸浮液利用旋涂法沉積后，在低溫干燥箱中干燥，在微環(huán)波導(dǎo)表面形成一層覆蓋層。

zno納米顆粒之間的空隙用于吸附氣體。

所述的zno納米覆蓋層的折射率改變，主要是由于nh3分子受到的化學(xué)吸附引起，吸附服從可逆化學(xué)反應(yīng)因此只要表面o負(fù)離子和氨氣分子的摩爾比大于3:2，化學(xué)吸附多少的變化應(yīng)與外界氣體濃度的變化呈線性關(guān)系。

所述的zno層引起微環(huán)折射率變化，能夠由洛倫茲公式得到：其中n為波導(dǎo)有效折射率，n為介質(zhì)單位體積中的分子數(shù)，α是各項(xiàng)同性介質(zhì)的分子平均極化率。

所述的spp波長，采用的典型的介質(zhì)-金屬-介質(zhì)-波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)非常強(qiáng)的光子局域化，能夠提高微環(huán)結(jié)構(gòu)的光信號(hào)載波能力。

由于nh3氣體進(jìn)入zno顆粒層空氣間隙，會(huì)覆蓋小孔，這樣覆蓋層折射率發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)微環(huán)結(jié)構(gòu)的有效折射率發(fā)生變化。

光信號(hào)通道中入射光由寬帶光源發(fā)出，出射光經(jīng)敏感器件濾波后由光譜儀接收，通過光譜儀得到的光強(qiáng)變化，結(jié)合光強(qiáng)變化與有效折射率關(guān)系，得到nh3氣體濃度。

這種nh3濃度測量裝置成本低、能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏性、能應(yīng)用在特殊環(huán)境測量，抗干擾性能好，與同類氣體傳感器相比量程更大、同時(shí)保持較高分辨率和線性度。

附圖說明

圖1為實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實(shí)施例中spp波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中，1.混合氣體入射口2.上層通道3.混合氣體出射口4.微環(huán)5.入射光6.下層通道7.出射光8.第二sio2層9.金層10.zno顆粒層11.第一sio2層。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明內(nèi)容作進(jìn)一步闡述，但不是對(duì)本發(fā)明限定。

實(shí)施例：

參照圖1，一種表面等離子波導(dǎo)的nh3濃度測量裝置，所述裝置為雙通道微環(huán)的結(jié)構(gòu)，包括上層通道2和下層通道6，所述上層通道2和下層通道6之間設(shè)有微環(huán)4，上層通道2為nh3氣體通道，下層通道6為光信號(hào)通道。

所述上層通道2、下層通道6均為spp波導(dǎo)。

所述spp波導(dǎo)包括自上而下順序疊接的第一sio2層11、zno顆粒層10、金層9和第二sio2層8，如圖2所示。

所述微環(huán)4為圓形soi材料結(jié)構(gòu)。

所述的zno層10由zno納米微粒沉積而成，沉積利用旋涂法，zno納米顆粒有機(jī)懸浮液利用旋涂法沉積后，在低溫干燥箱中干燥，在微環(huán)波導(dǎo)表面形成一層覆蓋層。

zno納米顆粒之間的空隙用于吸附氣體。

所述zno納米覆蓋層的折射率改變，主要是由于nh3分子受到的化學(xué)吸附引起，吸附服從可逆化學(xué)反應(yīng)因此只要表面o負(fù)離子和氨氣分子的摩爾比大于3:2，化學(xué)吸附多少的變化應(yīng)與外界氣體濃度的變化呈線性關(guān)系。

所述zno顆粒層10引起微環(huán)折射率變化，能夠由洛倫茲公式得到：其中n為波導(dǎo)有效折射率，n為介質(zhì)單位體積中的分子數(shù)，α是各項(xiàng)同性介質(zhì)的分子平均極化率。

所述spp波導(dǎo)，采用的典型的介質(zhì)-金屬-介質(zhì)-波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)非常強(qiáng)的光子局域化，能夠提高微環(huán)結(jié)構(gòu)的光信號(hào)載波能力。

由于nh3氣體進(jìn)入zno顆粒層10的空氣間隙，會(huì)覆蓋小孔，這樣覆蓋層折射率發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致整個(gè)微環(huán)結(jié)構(gòu)的有效折射率發(fā)生變化，本例中混合氣體由混合氣體入射口1進(jìn)入，出口為混合氣體出射口3。

光信號(hào)通道中入射光5由寬帶光源發(fā)出，出射光7經(jīng)敏感器件濾波后由光譜儀接收，通過光譜儀得到的光強(qiáng)變化，結(jié)合光強(qiáng)變化與有效折射率關(guān)系，得到nh3氣體濃度。