基于表面等離子體共振的鈀-銀復(fù)合膜氫氣傳感器的研究.pdf

1、作為一種可再生、可無限循環(huán)利用的能源，氫氣已得到越來越多的重視。但由于氫氣的滲透性強(qiáng)，易燃易爆，存在很大的安全隱患，極易釀成重大安全事故。常溫常壓條件下，當(dāng)空氣中氫氣含量在4％-74.5％范圍內(nèi)，可能引發(fā)爆炸，威脅人身財(cái)產(chǎn)安全。光纖表面等離子共振(Surface Plasmon Resonance，SPR)傳感技術(shù)將高靈敏度的SPR傳感技術(shù)同低能耗的光纖傳輸技術(shù)有機(jī)結(jié)合，具有絕緣性好、抗電磁干擾、耐腐蝕性好、安全可靠、靈敏度高，重量輕、

2、體積小、結(jié)構(gòu)簡單、易于微型化、可纏繞，成本低，復(fù)用性好，測(cè)量對(duì)象廣泛等諸多優(yōu)點(diǎn)，在傳感器領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。本文研制一種基于表面等離子體共振原理，對(duì)氫氣濃度變化有較高靈敏度的基于銀/鈀復(fù)合膜的光纖氫氣傳感器。
　　 本文通過對(duì)建立側(cè)邊拋磨“D”型光纖的光學(xué)模型用MODE-Solutions軟件進(jìn)行數(shù)值仿真，結(jié)果表明側(cè)邊拋磨光纖SPR模式的有效折射率隨感應(yīng)區(qū)的折射率增加而增加，隨金屬層的厚度增加而減小。根據(jù)SPR氫氣傳感器檢測(cè)原理對(duì)

3、傳感探頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，確定采用Pd-Ag雙層結(jié)構(gòu)，即第一層為4nm Ag，第二層為26nm Pd-Ag復(fù)合膜(銀和鈀的比例約為1:3)。對(duì)比介紹了兩種側(cè)邊拋磨光纖的方法，詳細(xì)介紹了鍍膜工藝，采用了磁控濺射法鍍Pd-Ag復(fù)合膜。通過具體實(shí)驗(yàn)對(duì)制備的傳感探頭分別進(jìn)行回復(fù)性、穩(wěn)定性和靈敏度的測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明銀/鈀復(fù)合膜傳感探頭在響應(yīng)速度、靈敏度及重復(fù)性、穩(wěn)定性方面優(yōu)于單一鈀膜的氫氣傳感探頭。單一鈀膜的氫氣傳感器在氫氣濃度為4％時(shí)透射功率變化

4、量約為60nW，而Pd-Ag復(fù)合膜傳感探頭的透射功率變化可達(dá)120nW，且有更好的響應(yīng)速度。通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明光柵SPR傳感器在氫氣測(cè)量方面具有良好的穩(wěn)定性和靈敏度。對(duì)結(jié)構(gòu)為鈀/銀復(fù)合膜的光柵SPR傳感探頭通入濃度為4％的氫氣時(shí)，光柵反射譜線向短波長方向漂移，漂移量約為90pm。將鍍有21nm銀膜的側(cè)邊拋磨FBG傳感探頭，放置在具有不同折射率的液體中，透射的布喇格波長隨折射率變化漂移。隨折射率增加，透射波長向短波長方向漂移，經(jīng)過多次測(cè)試，