一种光学氢气传感器及其制备方法和应用系统技术方案

本发明专利技术提供一种光学氢气传感器，包括衬底、位于衬底表面的氧化层、以及位于氧化层表面上的金属纳米棒阵列，其中，金属纳米棒阵列包括多个周期性分布的金属纳米棒单元，金属纳米棒单元包括吸氢材料层。本发明专利技术还提供一种光学氢气传感器的制备方法。本发明专利技术还提供一种光学氢气传感器的应用系统，包括：白光光源；准直透镜；半透半反镜；聚焦透镜；光学氢气传感器；光谱仪。本发明专利技术能够实现对环境氢气浓度的高精度、高灵敏度的实时传感。 1

【技术实现步骤摘要】
一种光学氢气传感器及其制备方法和应用系统
本专利技术涉及气体传感器
，尤其涉及一种光学氢气传感器及其制备方法和应用系统。
技术介绍
随着社会的发展以及全球气候变化，人类对清洁能源的需求越发迫切。氢气作为一种清洁的可再生能源，燃烧后的产物为水，且可通过电解、光解水等方式再生，被广泛地应用在石油冶炼、化肥生产、食物、燃料电池、化工、炼钢及航空航天等工业领域中。然而，氢气在常温常压条件下无色、无嗅、无味、高度易燃，且在空气中的爆炸极限为4.0％～75.6％，这使得氢气的存储和使用十分困难。为了在工业生产和能源获取的过程中尽可能安全地使用氢气，必须对氢气的浓度进行检测，同时需要灵敏度高、可靠性强、成本低、尺寸小、耐久性好的检测装置，例如氢气传感器。传统的氢气传感器通常利用电学原理并基于电子学器件实现，例如通过测量电阻的变化来检测氢气的浓度。但是，由于电学测量元器件在测量过程中需要与氢气接触，无法实现远距离遥控测量，并且在测量过程中可能产生电火花，引起爆炸危险。与电学氢气传感器的浓度检测方法相比，光学氢气传感器的氢气浓度检测方法具有灵敏度高、响应快、不产生电火花、适用于易燃易爆物质等优点，并且可以灵活使用强度、波长(光谱)、相位、偏振、荧光寿命等多种测量标准。现有技术中的光学氢气传感器大多是基于过渡金属钯的传感器。钯具有较高的氢气溶解性，最多可吸收达本身体积2800倍的氢气，并且可以在环境氢气分压低的情况下将吸收的绝大部分氢气放出。当钯暴露在氢气环境中时，会吸附和吸收氢气从而形成氢化钯，相应地，其电阻率、折射率、体积等材料参数均会发生变化。原理上，通过监测上述材料参数的变化，可以实现对氢气的传感。但是，反映材料光学性质的折射率变化往往很小，不容易被测量得到，也不容易实现高灵敏度氢气检测。近年来，研究人员提出了基于表面等离子体共振的光学氢气传感器。表面等离体子体共振是存在于金属与介质界面上的一种电子极化和振荡现象，可在纳米尺度上实现光与物质的相互作用。表面等离子体共振具有明显的几何可调谐性，当金属结构的尺寸为纳米、亚微米时，表面等离子体共振发生在可见光与近红外波段；当金属结构的尺寸为微米级时，表面等离子体共振发生在太赫兹波段；当金属结构的尺寸为毫米级时，表面等离子体共振发生在微波波段；结构的尺寸越大，对应的工作波长越长，因此在传感领域具有广泛应用。目前，已经有成熟的半导体微纳加工技术，可以方便地制备金属纳米结构。纳米材料的尺寸小、体表面积大，对外界环境的变化具有很快的响应速度和很高的灵敏度。但是目前基于表面等离子体共振的光学氢气传感器大多是通过化学方式合成，其探测灵敏度及精度还存在一定局限。因此，在现有技术的基础上，需要提出一种新型的基于表面等离子体共振的光学氢气传感器及其制备方法和应用系统，从而解决现有光学氢气传感器的测量精度不高的问题。
技术实现思路
本专利技术提供的光学氢气传感器及其制备方法和应用系统，能够针对现有技术的不足，提供一种基于表面等离子体共振的光学氢气传感器及其制备方法和应用系统，以解决现有技术条件下光学氢气传感器的测量精度、灵敏度不高的问题。第一方面，本专利技术提供一种光学氢气传感器，包括衬底、位于所述衬底表面的氧化层、以及位于所述氧化层表面上的金属纳米棒阵列，其中：所述金属纳米棒阵列包括多个周期性分布的金属纳米棒单元，所述金属纳米棒单元包括吸氢材料层。可选地，上述金属纳米棒单元还包括位于所述吸氢材料层上/下方的贵金属层。可选地，上述金属纳米棒单元按照斜晶格、正方形、六角形、矩形和有心矩形的二维晶格形式在所述氧化层表面进行周期性分布。可选地，上述衬底的材料为单晶硅或多晶硅，所述吸氢材料层的材料为钯、镍、铂、镁或钇。可选地，上述贵金属层的材料为金、银、铝或铜。另一方面，本专利技术提供一种上述光学氢气传感器的制备方法，其中包括：步骤一、提供衬底，并在所述衬底表面形成氧化层；步骤二、在所述氧化层表面旋涂光刻胶；步骤三、对所述光刻胶进行曝光，写出金属纳米棒阵列的图形；步骤四、对曝光后的所述光刻胶进行显影；步骤五、在所述氧化层表面蒸镀吸氢材料层和贵金属层；步骤六、剥离剩余的光刻胶，形成所述光学氢气传感器。可选地，上述步骤五使用真空镀膜机在所述氧化层表面进行热蒸镀或者电子束蒸镀。再一方面，本专利技术提供一种使用上述光学氢气传感器的应用系统，其中包括：白光光源，用于发出可见光；准直透镜，所述白光光源位于所述准直透镜的光轴上；半透半反镜，位于所述准直透镜的光轴上且位于异于白光光源一侧；聚焦透镜，位于所述半透半反镜的一侧，所述准直透镜的光轴与所述聚焦透镜的光轴关于所述半透半反镜的镜面法线对称；光学氢气传感器，所述光学氢气传感器位于所述聚焦透镜的光轴上且位于异于所述半透半反镜的一侧；光谱仪，位于所述聚焦透镜的光轴上，且位于所述半透半反镜的异于聚焦透镜的一侧。可选地，经上述聚焦透镜出射的光斑与所述光学氢气传感器的相对位置达到能够使得所述金属纳米棒阵列被均匀照明的程度。可选地，上述光学氢气传感器被安装在密封测试盒内，所述密封测试盒具有进气口、出气口和配气管道，且所述密封测试盒通过进气口通入氢气和氮气的混合气。可选地，上述白光光源由红外光源、太赫兹源或者微波源代替时，所述光学氢气传感器的金属纳米棒尺寸分别变为微米、毫米或者厘米级别。本专利技术提供的光学氢气传感器及其制备方法和应用系统，通过在衬底表面形成由吸氢材料和贵金属材料堆叠而成的金属纳米棒阵列，并且设计光路收集从金属纳米棒阵列表面反射的表面等离子体共振光谱并进行实时分析，能够实现对环境氢气浓度的高精度、高灵敏度的实时传感。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。图1为本专利技术一个实施例的金属纳米棒阵列的单元结构示意图；图2为本专利技术一个实施例的二维周期性的矩形晶格金属纳米棒阵列的俯视图；图3为本专利技术一个实施例的二维周期性矩形晶格金属纳米棒阵列的局部扫描电镜图；图4为本专利技术一个实施例的基于表面等离子体共振的光学氢气传感器的制备方法流程图；图5为本专利技术一个实施例的光学氢气传感器的应用系统示意图；图6为本专利技术一个实施例的光学氢气传感器的应用系统的氢气传感结果。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。第一方面，本专利技术的一个实施例提供一种基于表面等离子体共振的光学氢气传感器，包括：衬底，位于衬底表面的氧化层，以及位于氧化层上方的金属纳米棒阵列。其中，金属纳米棒阵列包括多个周期性分布的金属纳米棒单元结构，金属纳米棒单元结构包括紧贴氧化层表面的纳米级吸氢材料层，以及位于吸氢材料层上方的纳米级贵金属层，紧贴氧化层表面的吸氢材料层和位于吸氢材料层上方的贵金属层堆叠形成立方体结构。图1示出了本专利技术一个实施例的金属纳米棒阵本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种光学氢气传感器，包括衬底、位于所述衬底表面的氧化层、以及位于所述氧化层

【技术特征摘要】
1.一种光学氢气传感器，包括衬底、位于所述衬底表面的氧化层、以及位于所述氧化层表面上的金属纳米棒阵列，其特征在于：所述金属纳米棒阵列包括多个周期性分布的金属纳米棒单元，所述金属纳米棒单元包括吸氢材料层。2.根据权利要求1所述的光学氢气传感器，其特征在于，所述金属纳米棒单元还包括位于所述吸氢材料层上/下方的贵金属层。3.根据权利要求1所述的光学氢气传感器，其特征在于，所述金属纳米棒单元按照斜晶格、正方形、六角形、矩形和有心矩形的二维晶格在所述氧化层表面进行周期性分布。4.根据权利要求1所述的光学氢气传感器，其特征在于，所述衬底的材料为单晶硅或多晶硅，所述吸氢材料层的材料为钯、镍、铂、镁或钇。5.根据权利要求2所述的光学氢气传感器，其特征在于，所述贵金属层的材料为金、银、铝或铜。6.一种根据权利要求1所述的光学氢气传感器的制备方法，其特征在于，包括：步骤一、提供衬底，并在所述衬底表面形成氧化层；步骤二、在所述氧化层表面旋涂光刻胶；步骤三、对所述光刻胶进行曝光，写出金属纳米棒阵列的图形；步骤四、对曝光后的所述光刻胶进行显影；步骤五、在所述氧化层表面蒸镀吸氢材料层和贵金属层；步骤六、剥离剩余的光刻胶，形成所述光学氢气传感器。7.根据权利要求6所述的光学氢气传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：岳嵩，刘嵩，侯煜，张紫辰，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11