一种集成气体吸附薄膜与红外表面等离子器件用于气体传感的方法及传感器

摘要

一种集成气体吸附薄膜与红外表面等离子器件用于气体传感的方法及传感器，其是在气体传感器的气腔中设置气体吸附薄膜与红外表面等离子器件集成结构，红外表面等离子器件包括人工超表面结构和作为红外窗口和支撑的基底，所述气体吸附薄膜制作在人工超表面结构之上；气体进入气腔并流过气体吸附薄膜与红外表面等离子器件集成结构时，被气体吸附薄膜吸附和浓缩，通过红外表面等离子体器件激发表面等离子体场感应吸附薄膜的变化，红外探测器探测红外光通过红外表面等离子器件的光吸收变化信息，从而得到气体的浓度信息。本发明能解决传统气体传感器探测水平较低，灵敏度不高，无法探测超低浓度的气体的缺陷。

说明书

技术领域

本发明涉及气体检测技术，具体涉及光学气体红外传感技术。

背景技术

气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。

气体传感器在民用领域的应用主要体现在：厨房里，检测天然气、液化石油气和城市煤气等民用燃气的泄漏，通过检测微波炉中食物烹调时产生的气体，从而自动控制微波炉烹调食物；住房、大楼、会议室和公共娱乐场所用二氧化碳传感器、烟雾传感器、臭氧传感等，控制空气净化器或电风扇的自动运转；在一些高层建筑物中，气体传感器还可以用于检测火灾苗头并报警。

在工业领域，气体传感器主要应用在石化工业中，一些二氧化碳传感器、氨气传感器、一氧化氮传感器等都能用在检测二氧化碳、氨气、氯气等有害气体的具体应用中。另外，可用来检测半导体和微电子工业的有机溶剂和磷烷等剧毒气体；电力工业方面，氢气传感器能够检测电力变压器油变质过程中产生的氢气；而在食品行业，气体传感器也可以检测肉类等易腐败食物的新鲜度；在果蔬保鲜应用中，气体传感器检测保鲜库中的氧气、乙烯、二氧化碳的浓度仪以保证水果的新鲜安全；在汽车和窑炉工业检测废气中氧气，公路交通检测驾驶员呼气中乙醇气浓度等方面，也有着广泛的需求。

在最为贴近生活的环境监测领域，自然也离不开气体传感器。例如，用传感器检测氮的氧化物、硫的氧化物、氯化氢等引起酸雨的气体；二氧化碳传感器、臭氧传感器、氟利昂等检测温室效应气体等。相信，在未来，经过对气体传感器的进一步改造，其应用的范围会越来越广泛，我们也将在更多的场合见到气体传感器的应用。

目前，气体传感方法有电化学法、半导体金属氧化物法、红外光学法等。其中光学气体红外传感器的应用很广，其具有可靠性很高，选择性很好，精度高，无毒，受到环境的干扰较小，寿命比较长等优点。当前红外气体传感器的检测方法是光源-气体腔室-红外探测器，如专利CN110687065，CN110687064A，CN111208083A，CN210514064U 等。该方法的原理为利用朗伯比尔定律测量红外气体对红外光的吸收率。但是对于被检测气体很稀薄的情况，气体浓度低，该方法便无法获得可靠的检测或者根本无法检测。在这种情况下，红外气体传感器就存在探测水平较低，灵敏度不高，无法探测超低浓度的气体的不足。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提出一种集成气体吸附薄膜与红外表面等离子器件用于气体传感的方法及气体传感器，其利用气体吸附薄膜将稀薄的气体先吸收浓缩，然后通过红外表面等离子体器件激发表面等离子体场感应吸附薄膜的变化来实现对气体的探测，解决传统气体传感器探测水平较低，灵敏度不高，无法探测超低浓度的气体的缺陷。

本发明的技术方案如下：

一种集成气体吸附薄膜与红外表面等离子器件用于气体传感的方法，所述方法是在气体传感器的气腔中设置气体吸附薄膜与红外表面等离子器件集成结构，所述气体吸附薄膜与红外表面等离子器件集成结构包括气体吸附薄膜和红外表面等离子器件，所述红外表面等离子器件包括人工超表面结构和作为红外窗口和支撑的基底，所述气体吸附薄膜制作在人工超表面结构之上。当红外光照射气腔，气体在气腔内流过集成气体吸附薄膜的红外表面等离子器件时，被气体吸附薄膜吸附和浓缩，通过红外表面等离子体器件激发表面等离子体场感应吸附薄膜的变化，红外探测器探测红外光通过红外表面等离子器件的光吸收变化信息，从而得到气体的浓度。

本发明进一步提出一种气体传感器，实现以上气体传感方法，其包括气腔以及装于气腔外侧的红外光源和红外探测器，气腔上有进气口和出气口。在所述气腔内、光源与探测器之间设置有气体吸附薄膜与红外表面等离子器件集成结构；所述气体吸附薄膜与红外表面等离子器件集成结构包括气体吸附薄膜和红外表面等离子器件，所述红外表面等离子器件包括人工超表面结构和作为红外窗口和支撑的基底，所述气体吸附薄膜制作在人工超表面结构之上。

具体地，所述红外光源和红外探测器设置于气腔的外侧两端，气体和光从气腔的一端透过气体吸附薄膜与红外表面等离子器件集成结构到另一端，为透射式结构。

优选的，所述人工超表面结构是由一个或多个超表面阵列组成，当采用多个超表面阵列组时，每个超表面阵列的阵元结构各不相同，分别对应一种气体。

优选的，所述气体吸附薄膜采用但不限于金属有机骨架材料（MOF）为代表的多孔材料，聚醚酰亚胺（PEI）为代表的高分子聚合物，聚异丁烯PIB、乙烯基吡啶P4V等。

优选的，所述人工超表面结构用于激发表面等离子体近场，其材料可为金、银、铝、铂金等金属导电材料。

优选的，所述基底用于支撑人工超表面结构，其材料可为但不限于氟化钙、氟化镁、氮化铝、氮化铝钪、氮化硅等介质材料。

提出集成气体吸附薄膜与红外表面等离子体器件用于气体传感，该方法

与传统检测气体红外吸收的方法相比，发明所提出的方法为检测气体吸附薄膜的红外吸收。即将直接检测气体转变为检测吸附和浓缩气体的膜。

本发明利用气体吸附薄膜将稀薄的气体先吸收浓缩，然后通过红外表面等离子体器件激发表面等离子体场感应吸附薄膜的变化来实现对气体的探测，可实现气体的快速、体积小、灵敏度高、检测极限高检测，适用于多种气体同时探测。为工业生产、农业种植及日常生活等行业提供高灵敏、高性能的气体检测方法，从而产生巨大效益。

附图说明

图1是气体传感器的结构示意图；

图2是气体吸附薄膜与红外表面等离子器件集成结构的示意图；

图3是人工超表面结构的示意图；

图4是超表面阵列的阵元为十字形的示意图；

图5是超表面阵列的阵元为大小不同十字形组合结构的示意图；

图6是超表面阵列的阵元为复杂结构组成的示意图。

图中1.光源；2.气腔；3.气体吸附薄膜；4. 红外表面等离子器件；5.红外探测器；2-1. 进气口；2-2.出气口， 4-1.人工超表面结构；4-2.红外窗口基底6.超表面阵列。

具体实施方式

以下结合附图进一步详细说明本发明。

本发明所提出的集成气体吸附薄膜与红外表面等离子器件用于气体传感的方法可以通过图1所示的传感器结构实现，该气体传感器由三部分组成：1.光源、2.气腔及检测模块，检测模块由气体吸附薄膜3、红外表面等离子器件4、红外探测器5三部分组成。

通常，红外光源1和红外探测器设置于气腔的外侧两端，腔上有进气口和出气口，红外光和气流都是从一端进另一端出。红外光从光源1发出，通过气腔后被检测模块吸收。

本发明独特的地方是，在红外光源1与红外探测器5之间设置有气体吸附薄膜的红外表面等离子器件集成结构。即气体和光从气腔的一端透过气体吸附薄膜与红外表面等离子器件集成结构到另一端，为透射式结构。

参见图2，该气体吸附薄膜的红外表面等离子器件集成结构包括气体吸附薄3和红外表面等离子器件4，所述红外表面等离子器件包括人工超表面结构4-1和作为红外窗口和支撑的基底4-2，所述气体吸附薄膜4-2通过可以通过旋涂或将芯片放在溶液中制作在人工超表面结构4-1之上。在气腔2中，气体吸附薄膜3朝向气体流来的方向，红外表面等离子器件的基底4-2朝向探测器方向。气体吸附薄膜3的功能为吸附并浓缩气体。人工超表面结构4-1功能为激发表面等离子体近场，基底4-1用于支撑人工超表面结构。

其工作过程为：红外光从光源1发出，通过气腔后备检测模块吸收。气体经过进气口2-1进入气腔2，从出气口2-2流出，气体被气体吸附薄膜3吸附和浓缩，红外表面等离子器件4可以激发增强的电场以感应气体吸附薄膜3的变化，红外探测器5则探测红外光通过红外表面等离子器件4的光吸收变化情况。

其工作原理为：气体引起气体吸附薄膜3吸收变化，进而引起红外表面等离子器件4的光吸收变化，进而被红外探测器5探测到。从而可根据红外探测器5的变化知道气体的浓度。

从以上的结构和工作方式可以看出，本传感器体积小，能够高灵敏、快速传感气体，尤其是能够实现多种气体同时传感。

本实施例中，对于气体吸附薄膜3的材料可以采用金属有机骨架材料（MOF）为代表的多孔材料，聚醚酰亚胺（PEI）为代表的高分子聚合物，聚异丁烯PIB、乙烯基吡啶P4V等。

对于人工超表面结构4-1，材料可为金、银、铝、铂金等金属导电材料。

对于基底4-2，材料可为但不限于氟化钙、氟化镁、氮化铝、氮化铝钪、氮化硅等介质材料。

作为优选的实施例，参见图3，所述人工超表面结构是由一个或多个超表面阵列6组成，当采用多个超表面阵列组时，每个超表面阵列的阵元结构各不相同，分别对应一种气体。例如，参见图,4，人工超表面结构的超表面阵列6的阵元为十字形，图5则为大小不同十字形组合结构，也可以如图6所示的复杂结构组成。

以上这些结构均只是例举，本领域普通技术人员均应知，其他结构也可实现同样功能。

采用以上技术方案，可测量的气体包括但不限于以二氧化碳为代表的碳氧化物气体、以二氧化氮为代表的氮氧化物气体，臭氧、以二氧化硫为代表的硫氧化物气体，以硫化氢为代表的硫化物、以甲烷为代表的可燃性气体、温室气体等。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征及本发明的优点，本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化，这些非实质性的变化都落入要求保护的本发明保护范围内。