[实用新型]一种光子晶体光纤表面等离子体共振高温气体传感器

说明书

本实用新型为一种光子晶体光纤表面等离子体共振高温气体传感器，包括中空圆柱壳体、钛化氮膜层和Au‑YSZ膜层；钛化氮膜层和Au‑YSZ膜层沿中空圆柱壳体轴向嵌在中空圆柱壳体内，将中空圆柱壳体的内部空间由上至下依次分为上部空间、中部空间和下部空间，待测气体分别从上部空间和下部空间通过；中空圆柱壳体的两个端面上分别设有两组对称分布的空气孔，空气孔的位置对应中空圆柱壳体的中部空间；每组空气孔包含五层，每个空气孔层的所有空气孔的圆心位于同一直线上，相邻空气孔的圆心距相等，使得每组空气孔的排布呈六边形。该传感器实现了气体温度和氮氧化物浓度的同时测量，在高温环境的稳定性和灵敏度较高。

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种光子晶体光纤表面等离子体共振高温气体传感器。

背景技术

高温气体检测是检测飞行高度在对流层以上的航天器喷气发动机产生氮氧化物(NOx)的重要手段。氮氧化物的排放会对对流层的臭氧环境产生重要影响，而对流层的臭氧与人类的肺功能衰退、肺组织退化等疾病密切相关。此外，氮氧化物本身能够形成酸雨，导致水体富营养化。对于对流层中氮氧化物浓度的检测，需要保证气体传感器在500～800℃的高温环境中的可靠性。

目前，通常利用基于场效应管的器件和固体氧化物半导体的气体传感器检测高温环境中的气体浓度或温度，但是此类气体传感器在超过600℃的高温环境中，由于电解退化等原因其稳定性较差，导致检测精度较低。光纤传感是随着光导纤维以及光纤通讯技术的发展而出现的一种新颖的传感技术，光纤传感器具有动态范围大、灵敏度高、抗电磁干扰等优点，越来越受到关注。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型拟解决的技术问题是，提供一种光子晶体光纤表面等离子体共振高温气体传感器。

本实用新型解决所述技术问题采用的技术方案是：

一种光子晶体光纤表面等离子体共振高温气体传感器，其特征在于，该气体传感器包括中空圆柱壳体、钛化氮膜层和Au-YSZ膜层；钛化氮膜层和Au-YSZ膜层沿中空圆柱壳体轴向嵌在中空圆柱壳体内，将中空圆柱壳体的内部空间由上至下依次分为上部空间、中部空间和下部空间，待测气体分别从上部空间和下部空间通过；

中空圆柱壳体的两个端面上分别设有两组对称分布的空气孔，空气孔的位置对应中空圆柱壳体的中部空间；每组空气孔包含五层，沿中空圆柱壳体径向由上至下依次为第一空气孔层、第二空气孔层、第三空气孔层、第四空气孔层和第五空气孔层；第一空气孔层和第五空气孔层均包含三个空气孔，第二空气孔层和第四空气孔层均包含四个空气孔，第三空气孔层包含五个空气孔，每个空气孔层的所有空气孔的圆心位于同一直线上，相邻空气孔的圆心距相等，使得每组空气孔的排布呈六边形；

Au-YSZ膜层为嵌入金纳米粒子的掺钇氧化锆膜层。

对于同一端面上的两组空气孔而言，两个第一空气孔层位于内侧端部的两个空气孔以及两个第五空气孔层位于内侧端部的两个空气孔之间的圆心距均为7.5μm，两个第二空气孔层位于内侧端部的两个空气孔以及两个第四空气孔层位于内侧端部的两个空气孔之间的圆心距均为5μm，两个第三空气孔层位于内侧端部的两个空气孔之间的圆心距为2.5μm；第二空气孔层、第三空气孔层和第四空气孔层位于内侧端部的空气孔直径均为1.75～2μm，第一空气孔层和第五空气孔层的所有空气孔以及第二空气孔层、第三空气孔层和第四空气孔层的其余空气孔的直径均为1.4～1.6μm；钛化氮膜层的厚度为30～50nm，Au-YSZ膜层的厚度为28～42nm。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

1.本实用新型的气体传感器利用纤芯分别与钛化氮膜层和Au-YSZ膜层表面产生等离子体共振来测量高温环境(超过600℃)中气体温度和气体中氮氧化物的浓度，实现了气体温度和氮氧化物浓度的同时测量，而且钛化氮膜层和Au-YSZ膜层可大幅提高气体传感器的工作稳定性以及灵敏度，避免了对流层中可能存在的电磁干扰对气体传感器测量精度的影响。