一种基于太赫兹等离子增强效应的湿度传感器及其系统技术方案

本发明专利技术提供了一种湿度传感器，具有这样的特征，包括：机架；移动单元，设置在机架上，包含螺旋测微器以及刻度板；称重台，设置在移动单元上，在移动单元的带动下进行上下移动；光栅，设置在称重台上；以及棱镜单元，包括设置在机架上的夹持组件以及由该夹持组件夹持的棱镜，用于接收太赫兹光，并与光栅进行耦合产生共振峰，其中，棱镜的折射率大于空气的折射率。根据本发明专利技术所涉及的湿度传感器，利用水汽在太赫兹波段的吸收峰刚好与光栅在太赫兹衰减全反射作用下产生的表面等离子激元的共振峰重叠，可以实时、快速测量空气中水汽含量，大大提高了灵敏度，且分辨率较高。除此之外，该湿度传感器的结构简单，取材广泛且易于加工。

【技术实现步骤摘要】
一种基于太赫兹等离子增强效应的湿度传感器及其系统
本专利技术涉及一种湿度传感器，具体涉及一种基于太赫兹等离子增强效应的湿度传感器及其系统。
技术介绍
太赫兹等离子增强效应的高灵敏度湿度传感器主要利用棱镜耦合的原理，虽然棱镜耦合传感器的研究在光学波段已经很成熟了，但是在太赫兹波段却发展缓慢，原因在于在太赫兹波段无法在光滑金属表面有效地激发表面等离极化激元。直到英国科学家J.B.Pendry在光滑金属表面刻蚀周期性结构有效地激发出太赫兹波段的表面等离极化激元后，棱镜耦合太赫兹传感器才逐渐发展起来。其中，棱镜耦合传感器的模型一般有两种：Otto模型和Kretschmann模型。棱镜结构之前一直用于激发金属和半导体的表面模式，利用共振探测来检测物质。根据样品的不同，对应的共振吸收峰的频点以及Q值也不同，从而对待测样品进行检测。太赫兹波(Terahertz,THz)是一种介于微波与红外辐射之间的电磁波，其波长为：0.03mm～3mm，对应的周期为：0.1～10ps，频率为：0.1～10THz(1THz＝1012Hz)，能量为：0.4～40meV。在太赫兹系统中，应用最为广泛的是太赫兹时域光谱系统,该系统能直接测得太赫兹脉冲电场的时域波形,并通过傅立叶变换得到太赫兹脉冲的频谱分布,由此发展起来的光谱技术称为太赫兹时域光谱技术。在太赫兹的脉冲的测量过程中,采用探测光脉冲对太赫兹波形取样的方式,将绝大部分背景噪声摒除在探测之外。因此,脉冲太赫兹测量的信噪比很高,可以达到105以上,即使在强背景辐射的条件下,仍然能够进行光谱测量。且水分子的振动和转动频率均在太赫兹波段，太赫兹对水分子非常敏感，在太赫兹波段存在特征吸收，从而可以实现对空气中水蒸气含量的测量。湿度传感器是一种能感受气体中水蒸气含量，并转换成可用输出信号的传感器。传统的电容式相对湿度传感器与被测量环境中的气体的接触进行工作，一旦在测量环境中的气体中含有与电容传感器“不对付、不耐受”的物质，均会影响到传感器的工作性能。尤其一些特别的物质甚至具有腐蚀性，损坏传感器，加之电子产品使用寿命相对较短，电路易于受外界干扰与退化，灵敏度不够高，实时性较差。
技术实现思路
本专利技术是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种基于太赫兹等离子增强效应的湿度传感器及其系统。本专利技术提供了一种湿度传感器，具有这样的特征，包括：机架；移动单元，设置在机架上，包含螺旋测微器以及刻度板；称重台，设置在移动单元上，在移动单元的带动下进行上下移动；光栅，设置在称重台上；以及棱镜单元，包括设置在机架上的夹持组件以及由该夹持组件夹持的棱镜，用于接收太赫兹光，并与光栅进行耦合产生共振峰，其中，棱镜的折射率大于空气的折射率。在本专利技术提供的湿度传感器中，还可以具有这样的特征：其中，刻度板的最小刻度为1μm。在本专利技术提供的湿度传感器中，还可以具有这样的特征：其中，光栅为具有在掺杂硅上刻蚀周期性凹槽结构的光栅。在本专利技术提供的湿度传感器中，还可以具有这样的特征：其中，凹槽的结构尺寸为：槽宽为10～50μm，周期为30～100μm，槽深为40～80μm。在本专利技术提供的湿度传感器中，还可以具有这样的特征：其中，棱镜为特氟龙棱镜。本专利技术还提供了一种湿度传感系统，具有这样的特征，包括：太赫兹波产生部，用于产生太赫兹波；湿度传感器，用于接收设施太赫兹波并产生共振峰；以及处理输出部，用于对共振峰进行处理得到相应的时域数据，其中，湿度传感器为上述的任意一项的湿度传感器。专利技术的作用与效果根据本专利技术所涉及的湿度传感器，由于该湿度传感器是基于太赫兹等离子增强效应，采用太赫兹时域光谱中，利用水汽在太赫兹波段的吸收峰刚好与光栅在太赫兹衰减全反射作用下产生的表面等离子激元的共振峰重叠，可以实时、快速测量空气中水汽含量，大大提高了灵敏度，且分辨率较高。除此之外，该湿度传感器的结构简单，取材广泛且易于加工。附图说明图1是本专利技术的实施例中湿度传感器的三视图；图2是本专利技术的实施例中湿度传感器的原理图；以及图3是根据本专利技术实施例中湿度传感器检测到的时域光谱图。具体实施方式为了使本专利技术实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本专利技术一种基于太赫兹等离子增强效应的湿度传感器及其系统作具体阐述。基于太赫兹等离子增强效应的湿度传感系统用于检测周围空气中的湿度，包括太赫兹产生部、湿度传感器10以及处理输出部。太赫兹产生部用于产生太赫兹波。湿度传感器10设置在太赫兹产生部中合适的位置。用于接收太赫兹波并产生共振峰。图1是本专利技术的实施例中湿度传感器的三视图。如图1所示，分别为湿度传感器10的主视图、左视图以及俯视图，湿度传感器10用于检测空气的湿度，包括机架11、移动单元12、称重台13、光栅(未图示)以及棱镜单元14。机架11包括底座111以及设置在底座111上的长方体框架112。在本实施例中，底座111上设置有一个可以左右调节的螺丝，通过水平仪的可以保持整个湿度传感器10的水平度。移动单元12设置在底座111上，包含螺旋测微器以及刻度板，刻度板的最小刻度为1μm。螺旋测微器主要用于调节称重台13垂直方向上的移动。称重台13设置在移动单元12上，在移动单元12的带动下进行上下移动。在本实施例中，称重台13为一块透明塑料板。光栅放在称重台13上，光栅为具有在掺杂硅上刻饰周期性凹槽结构的光栅，该凹槽的结构尺寸为：凹槽的宽度为10～50μm，周期为30～100μm，凹槽的深度为40～80μm。在本实施例中，凹槽的宽度为30μm，周期即两个凹槽之间的距离为30μm，凹槽的深度为60μm。棱镜单元14包括夹持组件141以及棱镜142，夹持组件141设置在长方体框架112的上方，棱镜142由夹持组件141夹持使之位于光栅的上方并与光栅进行耦合产生共振峰。在本实施例中，光栅与棱镜142的距离为87μm。棱镜142的折射率大于空气的折射率。在本实施例中，棱镜142为特氟龙棱镜，在太赫兹波段有较好的透过率，工作频率可达到THz，具有良好的抗腐蚀、抗酸碱以及各种有机溶剂腐蚀以及抗液体吸附特性，适用温度范围为-73～204℃，摩擦系数极低。夹持组件141从棱镜142的顶角两边固定住，使太赫兹波从棱镜的直角面射入，夹持组件141的顶部是一个三角凹槽，能够契合棱镜142的等腰直角三棱柱的顶部，使棱镜142嫩能够紧密固定在夹持组件142上。处理输出部将棱镜142与光栅耦合产生的共振峰进行处理得到透射太赫兹波的时域数据进行输出。图2是本专利技术的实施例中湿度传感器的原理图。如图2所示，当调节棱镜142与光栅之间的距离可以改变棱镜142与光栅耦合的频点，不同距离对应不同频点。其中，光栅中两个凹槽之间的距离p＝30μm，凹槽的槽宽w＝30μm，凹槽的槽深h＝60μm。当光栅与棱镜142之间的距离gap＝87μm时，棱镜142与光栅耦合产生共振峰的频点恰好在0.75THz，同时空气中水汽在0.75THz也有一个吸收峰，两个峰值重合，幅值叠加。再控制周围空气的湿度，不同的湿度在0.75THz有不同的幅值，从而实现对空气中湿度的测定。基于太赫兹等离子效应的湿度传感系统的工作过程为：将基于太赫兹等离子增强效应的湿度传感器10置于太赫兹时域光谱(TDS)系统中合适的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种湿度传感器，基于太赫兹等离子增强效应对周围空气的湿度进行检测，其特征在于，包括：机架；移动单元，设置在所述机架上，包含螺旋测微器以及刻度板；称重台，设置在所述移动单元上，在所述移动单元的带动下进行上下移动；光栅，设置在所述称重台上；以及棱镜单元，包括设置在所述机架上的夹持组件以及由该夹持组件夹持的棱镜，用于接收所述太赫兹光，并与所述光栅进行耦合产生共振峰，其中，所述棱镜的折射率大于空气的折射率。

【技术特征摘要】
1.一种湿度传感器，基于太赫兹等离子增强效应对周围空气的湿度进行检测，其特征在于，包括：机架；移动单元，设置在所述机架上，包含螺旋测微器以及刻度板；称重台，设置在所述移动单元上，在所述移动单元的带动下进行上下移动；光栅，设置在所述称重台上；以及棱镜单元，包括设置在所述机架上的夹持组件以及由该夹持组件夹持的棱镜，用于接收所述太赫兹光，并与所述光栅进行耦合产生共振峰，其中，所述棱镜的折射率大于空气的折射率。2.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于：其中，所述刻度板的最小刻度为1μm。3.根据权利要求1所述的湿度传感器，其特征在于：其中，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈麟，殷恒辉，张悦，赖思琦，朱亦鸣，葛一凡，臧小飞，庄松林，
申请(专利权)人：上海理工大学，
类型：发明
国别省市：上海,31