[发明专利]基于游标效应的光波导CO2

说明书

本发明公开了一种基于游标效应的光波导CO₂气体传感器，包括输入波导，输入波导与分光器相连，分光器将输入波导的光等分到第一分支波导、第二分支波导和第三分支波导，第一分支波导、第二分支波导和第三分支波导的光通过合光器耦合并输出到输出波导，第一分支波导与第二分支波导构成非对称的马赫‑曾德尔型传感干涉仪，第二分支波导与第三分支波导构成非对称的马赫‑曾德尔型参考干涉仪；通过马赫‑曾德尔型传感干涉仪和马赫‑曾德尔型参考干涉仪形成游标效应实现对CO₂气体的高灵敏度传感测量。本发明还公开了基于游标效应的光波导CO₂气体传感器的使用方法。本发明基于游标效应产生的包络输出谱，相较于单个传感干涉仪，获得更高的灵敏度。

技术领域

本发明涉及一种气体传感器及其使用方法，具体涉及一种基于游标效应的光波导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是一种已知的会对人体造成影响的气体，在室内，2000ppm～5000ppm(0.2％～0.5％)的CO₂水平就会导致人出现头痛、嗜睡、心率加快、注意力下降等负面影响。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气体的高选择性识别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游标效应的光波导CO₂气体传感器，该传感器通过三个分支波导形成三光束的马赫-曾德尔干涉仪，利用干涉仪输出光谱形成的游标增敏效应，实现对CO₂气体的快速测量，且灵敏度大幅提高。

本发明具体是这样实现的：

一种基于游标效应的光波导CO₂气体传感器，包括输入波导，输入波导与分光器相连，分光器将输入波导的光等分到第一分支波导、第二分支波导和第三分支波导，第一分支波导、第二分支波导和第三分支波导的光通过合光器耦合并输出到输出波导；