SiO_2-Al_2O_3-SiO_2光子晶体缺陷腔的折射率传感特性

为了提高光子晶体折射率传感器的灵敏度和品质因数,提出了一种基于表面波谐振原理的缺陷态光子晶体-棱镜耦合传感结构。通过分层传输矩阵法对该结构建立传感理论模型,得出古斯汉欣位移与谐振波长的变化关系,从而建立谐振波长与待测样本折射率的关系模型。以SiO2-Al2O3-SiO2作为缺陷腔来代替传统表面等离子体共振(SPR)传感器中的金膜,构成折射率敏感层;采用Al2O3作为吸收层,从而在反射光谱中得到谐振缺陷峰,通过缺陷峰值的漂移实现待测样本折射率的动态监测;以乙二醇溶液为待测样本,对该折射率传感结构的Q值及灵敏度进行了分析。结果表明,其灵敏度约为3596nm·RIU-1(RIU为相对折射率单位),Q值约为1087.7,证明了结构设计的有效性,并可为高灵敏度和高Q值折射率传感器的设计提供一定的理论指导。     

任意面形介质光栅的衍射特性分析

采用严格耦合波理论(RCWA)和多层近似法,详细的推导了任意面形介质光栅的衍射问题,得出了其矩阵求解方程,并采用增强透射矩阵法来避免直接求解带来的数值不稳定,提高了计算效率.使用该方法对梯形光栅进行了数值计算,结果表明采用严格耦合波理论和多层近似法,可以方便、有效地求解任意面形介质光栅的衍射效率问题,计算中光栅在不同参数下衍射效率的总和严格等于1,且未有数值不稳定性问题.     

采用TiO_2薄膜增强光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器灵敏度的建模分析

提出一种采用TiO_2膜增强双纤芯单通道光子晶体光纤表面等离子体共振生物传感器灵敏度的设计方案:在传感器银膜表面增加一层TiO_2薄膜,不仅可以隔绝氧气,防止银氧化,而且可提高传感器的灵敏度;采用全矢量有限元法数值分析传感器的耦合特性及其性能。结果表明,在待测介质折射率为1.33~1.38时,待测介质折射率与传感器的共振波长呈线性关系,线性相关度为0.9806,传感器的平均灵敏度为4200nm·RIU-1。此外,进一步分析了光子晶体光纤空气孔大小、银膜厚度、TiO_2厚度等参数对传感器性能的影响。结果表明,改变结构参数可以优化生物传感器的输出光谱、改善传感器的性能。     

基于光学塔姆态耦合分析的含金属插层光子晶体传感机理研究

基于光子晶体光学塔姆态的耦合分析,提出了一种含金属插层的折射率传感结构。对该光子晶体结构中光学塔姆态的形成机理进行了分析,并调整金属插层的厚度来实现两个光学塔姆态的耦合。建立缺陷峰波长与待测溶液折射率的关系模型,并分析其折射率传感特性。通过对光子晶体周期数和入射角度的讨论,可以得到,增加光子晶体周期数(或入射光的入射角度)可减小缺陷峰的半峰全宽(FWHM),从而提高传感器的灵敏度和折射率的分辨率。以乙二醇为待测样本,可得该传感器的灵敏度为445.45 nm/RIU(折射率单元),品质因数(Q值)可达1259.45。该传感器结构具有制备工艺简单和结构紧凑等优点,可为高Q值和高灵敏度折射率传感器的设计提供一定的理论参考。     

含多孔硅层的波导耦合光栅纳米异质结构的折射率传感机理

基于波导耦合光栅的共振原理和多孔硅的光学传感特性,提出一种含多孔硅层的波导耦合光栅纳米异质结构的折射率传感模型。根据古斯-汉欣(Goos-Hnchen)位移理论和波导耦合光栅共振的相位匹配条件,建立共振波长与待测样本折射率之间的关系模型,并分析了折射率传感结构的折射率传感特性。利用多孔硅高效的承载机制,将其作为待测样本承载单元,选用不同浓度的乙二醇溶液作为待测样本,对该折射率传感结构的灵敏度和品质因数Q进行分析。结果表明,该折射率传感结构对乙二醇溶液的灵敏度为2.2nm/1%,Q值为226,证明了该传感结构的有效性,它可实现对低浓度待测样本的检测。     

金属膜衬底上亚波长介质光栅结构的特性及传感应用

提出亚波长介质光栅-金属膜-石英玻璃衬底结构,根据等效介质理论该结构可等效为由金属-光栅-包覆层构成的单面金属包覆波导,在入射波长和入射角满足一定条件时,发生导模共振(GMR)从而产生光波全吸收现象。根据严格耦合波分析(RCWA)理论进行数值分析发现,等效波导中的TM1 GMR峰尖锐,并且对光栅包覆层的折射率变化非常敏感,角度灵敏度为127.87°/RIU(RIU为折射率单位),波长灵敏度为409.35 nm/RIU,在很大的折射率范围内线性度良好。与全介质GMR传感器和光栅型表面等离子体共振(SPR)传感器相比,该结构通过GMR实现较高灵敏度的同时,其较窄的共振峰使得检测精度更高。     

涂覆纳米膜的腐蚀双包层光纤折射率传感特性研究

提出一种基于纳米膜涂覆的外包层腐蚀双包层光纤(DCF)复合结构传感器。该结构可以通过调控腐蚀时间和纳米膜涂覆厚度来改变传感器的耦合模式、谐振波长、最佳折射率传感区间等传感器参数。理论分析了DCF外包层厚度减小时,DCF模式耦合特性以及折射率传感灵敏度的变化情况。实验中通过在外包层直径为59μm的DCF上涂覆2000层的Al_2O_3纳米膜,实现了在1.336~1.356折射率范围内1200nm/RIU的灵敏度(RIU为单位折射率),这是未经腐蚀和涂覆DCF的24倍。该传感器具有灵敏度高、一致性好、耦合模式可控、传感器参数可定制化等优点,有望在生物医学和化学检测等领域有极大的应用价值。     

基于粒子群优化的生物传感器灵敏度特性分析

为了提高空气孔结构光子晶体生物传感器的归一化透射率,利用粒子群优化(PSO)算法对其结构参数进行多维空间全局优化。以散射空气孔、耦合空气孔和内部空气孔的半径作为被优化变量,并根据位置—速度更新公式进行优化;进而分别将光子晶体全芯片、耦合空气孔和内部空气孔作为传感区域,对优化后的结构进行传感特性分析。结果表明,优化后,该传感器的归一化透射率由54%提高到92%;在传感特性分析中,其谐振波长的漂移量与生物样本折射率的变化成近似线性的关系,且将内部空气孔作为传感区域时的灵敏度要明显高于将全芯片和耦合空气孔作为传感区域的灵敏度,可达950nm/RIU。该结构的优化方法对其他功能器件或集成光波导器件的设计和研究具有一定的指导意义。     

基于光盘光栅的表面等离子体共振传感器

采用CD光盘光栅作为表面等离子体共振(SPR)传感器的耦合元件,通过检测共振角的变化对液体浓度进行传感测量。结果表明CD光栅耦合型SPR传感器对葡萄糖溶液的灵敏度可达3%(质量分数),理论分辨率为1%(质量分数)。通过模拟不同光栅周期、光栅槽形和待测介质折射率对共振曲线的影响,发现缩短光栅周期、使用正弦槽形的光栅作为耦合基底,都可以进一步提高这种传感器的灵敏度。     

基于单片机的甲醛浓度检测仪的设计

甲醛的刺激味道和致癌作用严重威胁着人类的健康,文献[1,2]中提到当甲醛浓度超过0.08mg/m3时,人就有不适感。针对甲醛浓度问题设计了一款通用的室内甲醛气体浓度检测仪器,能够实时检测室内甲醛浓度并提示人们做出防范措施。系统选用STC89C52单片机、ZE08-CH2O甲醛模组、LCD1602显示屏等器件。当气体通过甲醛传感器后,经过气体采集、甲醛检测、单片机处理后显示出甲醛浓度,当浓度超过0.08mg/m3时蜂鸣报警。该系统具有实时检测、操作简便、准确度高、价格便宜等特点。     

In_2O_3基甲醛传感器的研制

以sol-gel法制备的In2O3纳米材料为基体,采用La2O3作为掺杂剂,研制出甲醛传感器。结果表明:La2O3的掺杂可以明显提高元件对甲醛的灵敏度,在工作温度为145℃,(甲醛)为10×10–6时,元件表现出4倍的灵敏度,通过4A分子筛的修饰提高了元件的选择性。在为期90d的追踪实验中发现元件的灵敏度变化小于10%,元件在(甲醛)为50×10–6时,响应、恢复时间分别为8s和30s。     

掺杂改善SnO_2甲醛气敏元件灵敏度特性的研究

用纳米SnO2制作了旁热式气敏元件。用掺杂方法提高SnO2甲醛气敏元件的灵敏度,掺杂剂包括Pd,Sb,Ti,Zr,Cu,Ag,Mn等。在SnO2气敏元件中分别掺杂质量分数2%Pd和2%Zr对提高元件灵敏度有显著效果。未掺杂SnO2、掺杂质量分数2%Pd和2%Zr的气敏元件对体积分数为5×10-5甲醛的灵敏度分别为1.33,2.38,2.08,但是掺杂在改善元件对乙醇的选择性方面作用不大。分析了掺杂改善SnO2气敏元件灵敏度的原理,当SnO2表面吸附还原性气体时,吸附气体提供电子,使半导体表层的导电电子数增加,引起电导率增加、电阻下降。吸附气体浓度越高,电阻率变化越大,元件灵敏度越大。     

Formaldehyde gas sensor based on TiO2 thin membrane integrated with nano silicon structure

An innovative formaldehyde gas sensor based on thin membrane type metal oxide of Ti O2 layer was designed and fabricated. This sensor under ultraviolet（UV） light emitting diode（LED） illumination exhibits a higher response to formaldehyde than that without UV illumination at low temperature. The sensitivities of the sensor under steady working condition were calculated for different gas concentrations. The sensitivity to formaldehyde of 7.14 mg/m³ is about 15.91 under UV illumination with response time of 580 s and recovery time of 500 s. The device was fabricated through micro-electro-mechanical system（MEMS） processing technology. First, plasma immersion ion implantation（PIII） was adopted to form black polysilicon, then a nanoscale TiO₂ membrane with thickness of 53 nm was deposited by DC reactive magnetron sputtering to obtain the sensing layer. By such fabrication approaches, the nanoscale polysilicon presents continuous rough surface with thickness of 50 nm, which could improve the porosity of the sensing membrane. The fabrication process can be mass-produced for the MEMS process compatibility.     

Novel capacitance-type humidity sensor based on multi-wall carbon nanotube/SiO2 composite films

A novel capacitance-type relative humidity (RH) sensor based on multi-wall carbon nanotubc/SiO2 (MWCNTs/SiO2) composite film is reported.Details of the fabrication process,possible sensing mechanism and sensing characteristics,such as linearity and sensitivity,are described.The capacitance of the MWCNTs/SiO2 composite film shows typical concentration percolation behavior with increasing MWCNT loading.At loadings below the percolation threshold (1.842wt％),the sensor capacitance increases obviously with increasing MWCNTs.The water condensed in the MWCNTs/SiO2 layer can lower the percolation threshold and increase the sensor capacitance.The sensor with MWCNT concentration of 1 wt％ has the best properties.The sensor has a humidity sensitivity of about 673 pF/％ RH and a linearity correlation of 0.98428.The response time of the sensor to RH is about 40 s and the recovery time is about 2 s.     

二氧化钛包覆无芯光纤的硫化氢气体传感器性能研究

提出了一种基于二氧化钛薄膜包覆无芯光纤的硫化氢气体传感器。该传感器将两段不同长度的无芯光纤熔接在单模光纤两端,构建由两段单模光纤-无芯光纤-单模光纤结构组成的干涉仪。由于光从单模光纤进入无芯光纤中激发出不同阶模式,形成基于多模干涉的干涉仪,通过在无芯光纤外表面构造的二氧化钛薄膜对硫化氢气体的吸附,将气体浓度与干涉光谱的偏移联系起来,实现对硫化氢的检测。实验表明:在0~60 ppm的范围内获得了18.93 pm/ppm的灵敏度和良好的线性关系,且随着硫化氢浓度的增加,干涉谱呈现红移,响应和恢复时间分别约为80 s和110 s。该传感器具有结构简单、灵敏度高、制造方便等优点,在硫化氢气体的安全监测领域有潜在的应用价值。     

低功耗微型CO_2传感器的研制

制作了一种新型微型结构CO2传感器,该传感器采用Al2O3陶瓷片作为衬底,sol-gel法制备的固体电解质NASICON(sodiumsuperionicconductor)材料为离子导电层,复合碳酸盐Li2CO3-BaCO3(摩尔比为1:1.5)为敏感电极。该传感器在CO2浓度为(500~5000)×10–6体积分数范围内表现出良好的敏感特性,灵敏度达到67.3mV/decade(毫伏/10×10–6体积分数),并且功耗由原来的1.08W降到0.72W。微型元件的响应恢复时间分别为20s和58s。     

Time resolved laser-induced breakdown spectroscopy for calcium concentration detection in water

The laser induced breakdown spectroscopy(LIBS) is an element analysis technique with the advantages of real time detection,simultaneous multi-element identification,and in-situ and stand-off capacities.To evaluate its potential of ocean applications,in this paper,the time resolved laser-induced breakdown spectroscopy for calcium concentration detection in water is investigated.With the optimum experimental parameters,the plasma emission lifetime is determined to be about 500 ns with 532 nm laser excitation,and 1000 ns with 1064 nm laser excitation.The lowest detection concentration of 50 ppm is achieved for calcium detection in CaCl2 water solution using the 532 nm LIBS.Even better detection sensitivity is achieved using the 1064 nm LIBS,and the resulted lowest detection concentration of calcium is 25 ppm.The results suggest that it is feasible to develop LIBS as an on-line sensor for metal element monitoring in the sea.     

基于LabVIEW的空芯光子晶体光纤CO2气体检测系统

为了实现全光纤型高灵敏度气体在线检测系统,以空芯光子晶体光纤为传感气室,利用CO2气体分子在1 572.48 nm附近吸收谱以及虚拟仪器LabVIEW平台搭建了双光路差分CO2气体近红外检测实验系统。实验中所用空芯光子晶体光纤长度为1.8 m,通过对其两端同时充气,提高了系统响应速度,0.1 MPa下充气过程仅需100 s左右。以标准浓度CO2气体对该系统进行了标定,并对浓度2%、5%、10%和100%的CO2气体进行了测量,结果表明100 min内浓度检测相对误差不超过2%,标准差最大3.32%。气体吸收光程为1.8 m,系统检测灵敏度达到5.981 810-5 W/ppm。     

在线测量Fe3+浓度的塑料光纤倏逝波传感系统

为了准确在线测量微生物燃料电池(MFC)内Fe3+的浓度,基于倏逝波原理研制了一种D形塑料光纤Fe3+浓度传感器.采用静电层层自组装技术,将含有Fe3+指示剂的材料组装在D形光纤表面,构成Fe3+敏感区.实验研究表明:传感器的灵敏度、响应时间与敏感膜的厚度和指示剂的含量有关.当Fe3+敏感膜自组装层数为20层时,传感器对含Fe3+离子溶液浓度为0.01mol· L-1的响应时间约13 min,最低检测极限达10-6 mol·L-1,表明该传感器对Fe3+离子水溶液具有良好的光学响应性能.     

动态热释电传感器网络目标跟踪技术研究

提出了一种动态热释电红外辐射传感器网络的目 标 跟踪方法,使热释电传感器在运动状态下进行目标探测,通过采集、分析 动态热释电传感器输出的信号特征可得到目标的角度信息;使用传感器网络目标定位数 学模型, 对多个节点的信息进行融合即可实现运动目标的定位及跟踪,并有效解决了热释电 探测距离及探测角度的矛盾问题。实验表明,所提方法可在大范围对目标进行定时监控及自 主跟踪,在探测范围及灵敏度、定位精度 等方面具有很大优势。