[发明专利]级联长周期波导光栅结构的CO2

说明书

本发明公开了一种基于级联长周期波导光栅结构的CO₂气体传感器，包括由下至上依次布置的硅衬底、波导下包层、条形波导芯层和波导上包层，在条形波导芯层的上表面设置第一长周期波导光栅及第二长周期波导光栅，条形波导芯层采用聚合物材料，波导下包层采用聚合物材料，波导上包层采用对CO₂气体选择性吸附强的聚合物与金属‑有机骨架材料的复合气敏材料。本发明还公开了基于级联长周期波导光栅结构的CO₂气体传感器的使用方法。本发明解决了ZIF‑8制作在光波导表面耗时、对ZIF‑8膜均匀性要求高和传感器灵敏度低的问题，同时利用干涉仪输出光谱波谷的特征波长对外界环境折射率扰动的高灵敏响应，实现对CO₂气体的高灵敏快速测量。

技术领域

本发明涉及一种气体传感器，具体涉及一种基于级联长周期波导光栅结构的CO₂气体传感器及其使用方法，属于光波导传感技术领域。

背景技术

CO₂是我们熟知的一种气体，其无色无味，但是在室内其浓度过高(2000ppm～5000ppm)时，便会对人体产生头痛、嗜睡、心率加快、注意力下降等等负面影响。另外，大气中CO₂含量的升高会造成温室效应，间接影响我们的生活。所以对于CO₂浓度的高灵敏度、高检测极限监测有着现实的意义。

在CO₂气体传感器中，目前的研究主要类型为半导体气体传感器、电化学气体传感器与光学气体传感器。最常见的半导体CO₂气体传感器是利用气体在半导体表面的金属氧化物薄膜发生氧化还原反应使传感器电导率发生变化从而实现对CO₂气体的检测，其工作温度低、灵敏度高，但是受环境影响大、气体选择性不好。电化学CO₂气体传感器是把CO₂气体在敏感电极处发生还原反应，通过输出电势来检测CO₂气体浓度，相比半导体CO₂气体传感器其气体选择性更好，但是固体电解质制作过程复杂，且寿命较短。光学CO₂气体传感器中，非色散红外吸收法依据气体所对应的红外吸收光谱(CO₂气体的吸收波长为4.26微米)，对气体进行定性定量分析，由于其具有稳定性好、选择性较好、响应速度较快以及使用寿命长等优点，使用较为广泛，但湿度对其影响较大。

金属有机骨架材料(MOFs)由于其高孔隙率以及选择性气体吸附能力而成为有潜力的传感材料，其中ZIF-8具有优异的热稳定性与化学稳定性、大的比表面积、对CO₂气体的高选择性吸附以及对湿度不敏感等性能。将ZIF-8生长在光波导表面实现对CO₂气体选择性检测的传感器具有体积小，不受电磁干扰，易集成，灵敏度高，成本低廉等优点。但是，将ZIF-8制作在光波导表面，通过倏逝场对波导内的光进行调制，实现波导外界环境的折射率或气体浓度的测量，存在传感器制作耗时、对ZIF-8膜均匀性要求高和传感器灵敏度低等问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于级联长周期波导光栅结构的CO₂气体传感器，通过两个级联长周期波导光栅形成马赫-曾德尔干涉仪，聚合物与金属-有机骨架复合气敏材料作为干涉仪的传感臂，解决了ZIF-8制作在光波导表面耗时、对ZIF-8膜均匀性要求高和传感器灵敏度低的问题，同时利用干涉仪输出光谱波谷的特征波长对外界环境折射率扰动的高灵敏响应，实现对CO₂气体的高灵敏快速测量。

本发明具体是这样实现的：

一种基于级联长周期波导光栅结构的CO₂气体传感器，包括由下至上依次布置的硅衬底、波导下包层、条形波导芯层和波导上包层；

其中波导下包层和条形波导芯层均采用聚合物材料，波导上包层采用对CO₂气体选择性吸附强的聚合物与金属-有机骨架材料的复合气敏材料；