[发明专利]干涉型氢气传感器及其制备和使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及传感器，尤其涉及一种基于钯金合金纳米线的马赫-泽德微纳光纤干涉型氢气传感器及其制备与应用。

背景技术

光纤传感在科研、工业、环境、医疗、军事、商品以及卫生等很多方面得到了广泛的发展和应用。随着人们对传感器的性能和应用要求的不断提高，减小尺寸、提高集成度、加快响应速度、提高灵敏度、降低样品需求量、拓宽应用极限等已经成为目前传感器的重要发展方向。将光纤技术与当前快速发展的纳米技术结合起来，发展尺寸更小、性能和集成度更高的纳米光纤传感器，具有十分广阔的应用潜力和发展前景。

氢气是很重要的工业气体和特种气体，在石油化工、电子工业、冶金工业、精细有机合成及航空航天等领域有着广泛的应用。但氢气是一种极易燃的气体，在空气中的体积分数为4～75％时都能燃烧。此外，氢气无色无味，具有很高的燃烧热。因此对氢气的检测是非常重要的，对检测装置也有一定的要求，如低成本、小尺寸、耐久性、可靠性强等。与电化学检测方法相比，光学检测方法灵敏度高，响应快，抗电磁，非常适合于检测易燃易爆物质，并且可以使用强度、波长、相位、偏振、荧光寿命等多种检测手段。由于纳米材料的尺寸小，体表面积比较大，它们对外界环境的变化具有很快的相应和很高的灵敏度，因此被广泛地引用在各种物理、化学和生物传感领域。

金属钯是对氢气有较高的溶解性，在一定的温度和氢压力差条件下，只让氢气透过的材料。金属钯吸收的氢最多可达本身体积的2800倍，在温度为300℃以上的真空中，可以把吸收的氢放出。钯与氢的这种反应是可逆的。除氢气及其同位素之外，其他任何气体均不能透过钯膜，故金属钯还对氢气有着较高的选择性。金属钯作为敏感材料被用于氢气的光学传感检测中。目前应用钯纳米材料与氢反应体系的结构和器件，典型的有基于钯纳米颗粒的光直接透射型，基于二氧化硅纳米线和半导体纳米线的光学倏逝波型，及钯纳米颗粒的表面等离子体共振型。

表面等离体基元是存在于金属和介质界面上的一种电子极化和振荡现象。由于其能够将光场能量约束在远小于光波长的空间范围内和表面增强效应等特性，表面等离体基元可在纳米尺度上实现光与物质的相互作用。目前，典型的表面等离体基元传感器可以分为基于二维薄膜结构的传导表面等离子体基元型传感器和基于零维纳米颗粒结构的局域表面等离子体共振型传感器两种。前者利用的是棱镜耦合原理，导致光的传输距离较短，并且这种传感器难以集成化；后者是基于纳米颗粒对光的反射原理，需要将电磁场局限在远小于光波长的空间范围，这就造成光的反射量很小，从而对传感器的灵敏度造成不良影响。

发明内容

本发明是针对上述课题进行的，目的在于提供一种基于钯金合金纳米线的马赫-泽德微纳光纤干涉型氢气传感器，以及该传感器的制备和使用方法。

本发明提供一种干涉型氢气传感器，其特征在于，包括：耦合器，将收到的光源发射来的光分成两路并分别进行传输；第一拉锥微纳光纤，通过倏逝波耦合区，一端与耦合器相连，接收并传输一路光；钯金合金纳米线，一端与第一拉锥微纳光纤的另一端相连，在第一拉锥微纳光纤传输来的光的激发作用下产生表面等离子体信号；第二拉锥微纳光纤，一端与钯金合金纳米线的另一端相连，接收钯金合金纳米线传导来的表面等离子体信号并进行传输；以及第三拉锥微纳光纤，一端与耦合器相连，另一端与第二拉锥微纳光纤的另一端相接触，用于传输另一路光，并使该路光与第二拉锥微纳光纤传导的表面等离子体信号发生干涉，使第二拉锥微纳光纤输出干涉信号。

本发明所涉及的干涉型氢气传感器，还可以具有这样的特征：其中，第一拉锥微纳光纤和第二拉锥微纳光纤的尖端直径相同，并在0.1～1μm范围内，第三拉锥微纳光纤的尖端直径为1～2μm。

本发明所涉及的干涉型氢气传感器，还可以具有这样的特征：其中，钯金合金纳米线的直径为30～500nm，长度为5～50μm。

本发明所涉及的干涉型氢气传感器，还可以具有这样的特征：其中，耦合器是3分贝耦合器。