一种基于声学超材料的低温氢气传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于声学超材料的低温氢气传感器，该声学超材料是由两部分声子晶体组成的管状结构，在两部分声子晶体的对接界面上形成界面态，利用界面态的频率与管中气体媒质声学特性之间的关系实现对氢气浓度的检测。本发明专利技术提供的低温氢气传感器使用声学界面态作为传感器的基本原理，能够避免传统氢气传感器性能随温度降低而降低的缺点，从而实现低温氢气传感。界面态的频率由管中气体媒质的声学特性决定，由于氢气的声学特性和空气相差较大，当氢气混入空气时界面态会发生偏移，因此，通过测量界面处的频率和声压就能检测氢气浓度。本发明专利技术原理上不需要敏感材料来吸附氢气，因此可以在极低温下使用。因此可以在极低温下使用。因此可以在极低温下使用。

【技术实现步骤摘要】
一种基于声学超材料的低温氢气传感器


[0001]本专利技术涉及一种基于声学超材料的低温氢气传感器，属于氢气传感技术。

技术介绍

[0002]相比于化石能源，氢能源具有清洁和可再生的优点，在燃料电池和氢能源汽车等领域有着很好的应用前景。由于氢气无色无味、易燃易爆的性质，氢气在使用中需要高灵敏度的传感器进行监测。目前氢气传感器研究有了很大的成果，已知的氢气传感器包括电化学型、半导体型、催化型、热导型、光学型、声学型等类型。这些传感器原理不同，但大多需要敏感材料和氢气反应来吸附氢气，以实现氢气传感。然而敏感材料在多次吸附氢气后容易受到机械损伤，缩短传感器的使用寿命。而且，由于高温能加强氢气与敏感材料的反应，带有加热元件的氢气传感器的灵敏度比常温下工作的氢气传感器高很多，而加热不仅功耗大，还会带来爆炸的风险。因此，常温氢气传感器面临着如何进一步提高灵敏度的问题。当温度下降到冰点以下时，基于敏感材料的氢气传感器的灵敏度大大降低，不适合应用于低温场景。

技术实现思路

[0003]专利技术目的：为了克服现有技术中存在的不足，本专利技术提供一种基于声学超材料的低温氢气传感器，相比于传统的氢气传感器，原理上利用波导管中气体媒质的声学特性，不需要敏感材料来吸附氢气，能够打破传统氢气传感器对低温工作环境的限制。
[0004]技术方案：为实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：
[0005]一种基于声学超材料的低温氢气传感器，该声学超材料是由两部分声子晶体组成的管状结构，在两部分声子晶体的对接界面上形成界面态，利用界面态的频率与管中气体媒质声学特性之间的关系实现对氢气浓度的检测。
[0006]优选的，所述两部分声子晶体分别称为声子晶体PC
L
和声子晶体PC
R
，声子晶体PC
L
和声子晶体PC
R
均是由半径为r
A
的圆柱形波导管W
A
和半径为r
B
的圆柱形波导管W
B
周期性交替排列组成，构成声子晶体PC
L
的单个元胞和构成声子晶体PC
R
的单个元胞具有相同的总长度，将单个元胞中圆柱形波导管W
A
占单个元胞总长度的比值称为元胞比；调整声子晶体PC
L
的元胞比和声子晶体PC
R
的元胞比，使得声子晶体PC
L
和声子晶体PC
R
的能带结构中至少一条带隙具有不同的拓扑性质。
[0007]具体的，设计声子晶体PC，声子晶体PC是由半径为r
A
的圆柱形波导管W
A
和半径为r
B
的圆柱形波导管W
B
周期性交替排列组成，且声子晶体PC的单个元胞和构成声子晶体PC
L
的单个元胞、构成声子晶体PC
R
的单个元胞具有相同的总长度；连续调节声子晶体PC的元胞比，声子晶体PC的每一条带隙都会发生连续的变化；连续调节声子晶体PC的元胞比，直至声子晶体PC的至少一条带隙会经历从打开到闭合再到打开的转变，将该条带隙闭合时的声子晶体PC的元胞比称为拓扑临界点；设置声子晶体PC
L
的元胞比和声子晶体PC
R
的元胞比分别位于声子晶体的拓扑临界点的两侧，即声子晶体PC
L
的元胞比和声子晶体PC
R
的元胞比，其中一
个小于拓扑临界点，另一个大于拓扑临界点，即可实现声子晶体PC
L
和声子晶体PC
R
的能带结构中至少一条带隙具有不同的拓扑性质。
[0008]优选的，构成声子晶体PC
L
的元胞包括两段长为l
AL
/2的圆柱形波导管W
A
和一段长为l
BL
的圆柱形波导管W
B
，圆柱形波导管W
B
夹在两段圆柱形波导管W
A
之间，单个元胞总长度为l＝l
AL
+l
BL
，声子晶体PC
L
的元胞比记为构成声子晶体PC
R
的元胞包括两段长为l
AR
/2的圆柱形波导管W
A
和一段长为l
BR
的圆柱形波导管W
B
，圆柱形波导管W
B
夹在两段圆柱形波导管W
A
之间，单个元胞总长度为l＝l
AR
+l
BR
，声子晶体PC
R
的元胞比记为在设计声子晶体PC，采用相仿的结构，即构成声子晶体PC的元胞包括两段长为l
A
/2的圆柱形波导管W
A
和一段长为l
B
的圆柱形波导管W
B
，圆柱形波导管W
B
夹在两段圆柱形波导管W
A
之间，单个元胞总长度为l＝l
A
+l
B
，声子晶体PC的元胞比记为
[0009]优选的，构成声子晶体PC
L
和声子晶体PC
R
的元胞的数量相等且均为三个以上。在设计声子晶体PC，采用相仿的结构，即构成声子晶体PC
L
、声子晶体PC
R
和声子晶体PC的和元胞的数量相等且均为三个以上。
[0010]优选的，所述两部分声子晶体分别称为声子晶体PC
L
和声子晶体PC
R
，在两部分声子晶体的对接界面上形成界面态，界面态频率根据方程X
L
+X
R
＝0确定，其中X
L
和X
R
分别为声子晶体PC
L
和声子晶体PC
R
的声抗；根据界面态频率与气体声速存在的物理关系、气体声速与气体组分存在的物理关系，气体组分与氢气浓度存在的物理关系，确定界面态频率与氢气浓度之间的数学关系。
[0011]优选的，界面态频率偏移量Δf
I
与氢气浓度δ的关系为即界面态频率偏移量Δf
I
近似与氢气浓度δ成正比，其中f
I
为背景气体的界面态频率，背景气体即混入氢气的气体，比如空气背景下即在空气中混入氢气的情况，需要检测氢气在空气中的浓度。
[0012]有益效果：本专利技术提供的基于声学超材料的低温氢气传感器，利用界面态频率与波导管中气体媒质声学特性之间的关系实现对氢气浓度的检测，不需要敏感材料来吸附氢气，因此具有下列优点：首先，该低温氢气传感器有着相当广的工作温度范围，甚至在
‑
34℃的极低温下也表现良好；其次，该低温氢气传感器的灵敏度不会因空气中氧气的存在而减小；另外，由于响应和恢复过程是物理过程，该低温氢气传感器有极好的线性度，快速的动态响应和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于声学超材料的低温氢气传感器，其特征在于：该声学超材料是由两部分声子晶体组成的管状结构，在两部分声子晶体的对接界面上形成界面态，利用界面态的频率与管中气体媒质声学特性之间的关系实现对氢气浓度的检测。2.根据权利要求1所述的基于声学超材料的低温氢气传感器，其特征在于：所述两部分声子晶体分别称为声子晶体PC
L
和声子晶体PC
R
，声子晶体PC
L
和声子晶体PC
R
均是由半径为r
A
的圆柱形波导管W
A
和半径为r
B
的圆柱形波导管W
B
周期性交替排列组成，构成声子晶体PC
L
的单个元胞和构成声子晶体PC
R
的单个元胞具有相同的总长度，将单个元胞中圆柱形波导管W
A
占单个元胞总长度的比值称为元胞比；调整声子晶体PC
L
的元胞比和声子晶体PC
R
的元胞比，使得声子晶体PC
L
和声子晶体PC
R
的能带结构中至少一条带隙具有不同的拓扑性质。3.根据权利要求2所述的基于声学超材料的低温氢气传感器，其特征在于：设计声子晶体PC，声子晶体PC是由半径为r
A
的圆柱形波导管W
A
和半径为r
B
的圆柱形波导管W
B
周期性交替排列组成，且声子晶体PC的单个元胞和构成声子晶体PC
L
的单个元胞、构成声子晶体PC
R
的单个元胞具有相同的总长度；连续调节声子晶体PC的元胞比，声子晶体PC的每一条带隙都会发生连续的变化；连续调节声子晶体PC的元胞比，直至声子晶体PC的至少一条带隙会经历从打开到闭合再到打开的转变，将该条带隙闭合时的声子晶体PC的元胞比称为拓扑临界点；设置声子晶体PC
L
的元胞比和声子晶体PC
R
的元胞比分别位于声子晶体的拓扑临界点的两侧，即声子晶体PC
L
的元胞比和声子晶体PC
R
的元胞比，其中一个小于拓扑临界点，另一个大于拓扑临界点，即可实现声子晶体PC
L
和声子晶体PC
R
的能带结构中至少一条带隙具有不同的拓扑性质。4.根据权利要求2或3所述的基于声学超材料的低温氢气传感器，其特征在于：构成声子晶体PC
L
的元胞包括两段长为l
AL
/2的圆柱形波导管W
A
和一段长为l
BL
的圆柱形波导管W
B
，圆柱形波导管W
B
夹在两段圆柱形波导管W
A
之间，单个元胞总长度为l＝l
AL
+l
BL
，声子晶体PC
L
的元胞比记为构成声子晶体PC
R
的元胞包括两段长为l
AR
/2的圆柱形波导管W
A
和一段长为l
BR
的圆柱形波导管W
B
，圆柱形波导管W...

【专利技术属性】
技术研发人员：范理，段镇东，周子建，朱姝，刁文青，车万里，张轶凡，赵洋，周展韬，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：