基于Fano共振的全介质型超表面甲烷传感器设计

与传统甲烷传感器相比,超表面甲烷传感器具有高度灵敏、性能稳定、小型化、集成化、多功能可定制等优点,更满足在煤矿等复杂环境下的应用需求。设计了基于Fano共振的全介质型超表面甲烷传感器。超表面结构由周期性的硅纳米结构和SiO₂衬底组成,包含4个方形硅环纳米结构及中心的硅纳米方块。通过改变几何参数观察其对全介质超表面结构Fano共振的影响,结果表明,综合考虑结构的品质因数和调制深度,应选取方形硅环中心距离为1 000 nm,方形硅环的内边长为100 nm,硅纳米块的边长为200 nm,此时品质因数为227.60,调制深度为99.98%,接近100%。通过在超表面结构内涂覆甲烷气敏薄膜实现传感检测功能,结合极窄线宽的Fano谐振特性和显著的局域场增强效应,实现对甲烷气体的高精度检测。仿真结果表明：全介质超表面传感器对甲烷体积分数的灵敏度为-0.953 nm/%,且甲烷体积分数变化与共振峰偏移量呈线性关系,监测性能较好;全介质超表面传感器的折射率灵敏度高达883.95 nm/RIU,且共振峰偏移量与环境折射率增量呈线性关系,可用于检测环境折射率的变化。     

基于Ag纳米粒子的LSPR传感器装置设计与实现

设计了一种集原位芯片制备和在线检测于一体的局域表面等离子体共振(LSPR)生物传感器装置,减少了检测过程中芯片移动产生的误差,并实现了小型化、在线化、简易化的目标。在该装置上利用电沉积法制备了Ag纳米粒子的LSPR芯片,实验测试结果表明:氧化铟锡(ITO)层厚度为23±5 nm时,在-1.4 V电位,制得折射率灵敏度为246 nm/RIU的LSPR芯片。     

LiNbO3棱镜耦合双金属薄膜表面等离子共振传感器

高折射率铌酸锂(LiNbO3)(2.202)为棱镜耦合激发的角度调制型表面等离子共振传感器,利用反射率公式优化单层银膜、金膜和双层银/金膜传感器薄膜的厚度,分别计算了优化厚度的传感器在检测样品折射率为1.330时的共振角、灵敏度、峰值半宽度(FWHM)和品质因数(FOM),理论计算表明:双层金属薄膜,随着金膜厚度的增加,传感器灵敏度增加,但峰值半宽度增加,品质因数下降.综合考虑,选择银/金(41/5)优化组合,传感器品质因数为优化的单层金膜(47 nm)传感器品质因数的2倍以上,另外,与常用的BK7玻璃棱镜耦合相比,LiNbO3棱镜耦合具有较大的样品动态检测范围.优化厚度的传感器实验检测糖水浓度表明:糖水浓度与共振角为线性比例关系.     

基于热电堆的新型高温薄膜热流传感器的研制

精确的热流测量对航空发动机设计至关重要,实时监测和获取发动机涡轮叶片表面精确的热流分布可以为航空发动机热端部件设计提供依据,也可以进行状态监测和故障诊断。薄膜热流传感器具有体积小、响应速度快、对工作环境的流动干扰小等优点。然而,目前能够应用于高温高热流环境中测量的薄膜热流传感器在灵敏度方面仍然存在较大的局限性。设计和制造了基于铂铑热电堆的新型高温薄膜热流传感器。该传感器由Pt/Pt-13Rh薄膜热电堆、底层SiO₂/Al₂O₃热阻层、顶层Al₂O₃保护层组成,底层SiO₂/Al₂O₃热阻层位于Al₂O₃陶瓷基底和热电堆之间。传感器分别在0～110 kW/m²的热流和1 000℃的温度下进行了测试。测试结果显示,传感器的输出与施加的热流表现出良好的线性关系,灵敏度为8.04×10^-6 V/(kW/m²),实...     

一种高性能SiO2-SnO2氢气传感器

本文通过溶胶-凝胶法制备了介孔SiO2粉体,比表面积为1 148.02 m2/g,孔径约2.7 nm。通过丝网印刷的方法在SnO2气体传感器表面制备了介孔SiO2改性层,研究了改性层厚度对其气敏性能的影响。通过对500×10^-6和1 000×10^-6氢气、10×10^-6乙醇、10×10^-6丙酮和10×10^-6苯的测量,改性层对乙醇和丙酮的响应有抑制作用,对氢气的响应有显著的提高。当SiO2改性层厚度为15μm时,在250℃下,对1 000×10^-6氢气的响应值相对改性前传感器最大可提高到6.35倍。本文同时对选择性提高的机理进行了探讨。     

贵金属Au对半导体金属氧化物气体传感器性能影响研究

随着工业时代到来，为国家发展提供便利的同时，大量排放的有毒气体造成的环境污染问题逐渐影响人们的生活。如何快速有效地检测有毒气体的浓度成为一个重要的研究课题。文章主要通过溶胶凝胶法制备气敏材料，制作气体传感器，针对NO₂、SO₂、NH₃等有毒气体，测试其气敏性能。通过实验与数据分析，对比了几种常用的半导体金属气敏材料WO₃、SnO₂、In₂O₃的气敏性能，以及向材料中掺杂贵金属Au后的气敏性能，总结归纳了贵金属Au对几种气体传感器常用半导体金属气敏材料气敏性能的影响。研究发现，贵金属Au对提高气体传感器灵敏度和缩短响应恢复时间方面有着较为正面的作用。     

钴掺杂二氧化锡基氢气传感器气敏特性研究

氢气(H2)是溶解在变压器油中的重要故障特征气体,对油中溶解的H2气体浓度进行在线监测能实时有效反映变压器的运行状况.针对传统的二氧化锡基气体传感器检测油中溶解气体存在工作温度较高,气体响应较低的问题,提出一种用金属钴Co掺杂纳米二氧化锡SnO2基传感器检测变压器油中溶解气体的方法,介绍其制备方法研制气体传感器并测试H2气敏特性,同时基于第一性原理对其敏感机理进行了探讨.结果表明:金属Co掺杂SnO2后传感器的最佳工作温度降低至300℃,对50μL/L H2的灵敏度增到12.16,Co掺杂后SnO2的导带负移,在费米能级附近出现了新的掺杂能级,增大了SnO2表面的导电性能,H2吸附在Co-SnO2表面时,价带顶附近区域出现了新的表面态,有利于载流子在价带和导带间的转移,从而改善传感器的气敏性能.     

基于表面介孔SnO2改性层的高选择性MOS氢气传感器

采用溶胶凝胶法制备了介孔SnO2粉体,通过丝网印刷技术将其印刷在市售SnO2气体传感器表面作为改性层,研究了改性层厚度对氢气选择性的影响。通过对乙醇、丙酮、苯和H2的测试,当介孔SnO2改性层厚度为15μm时,传感器在300℃下对H2的选择系数最大为5.7。同时讨论了改性层提高气体传感器氢气选择性的机理。     

金属基原位生成薄膜应力传感器及其性能研究

针对传统“贴片”箔式传感器粘胶传递形变滞后、敏感栅和基底协同形变不佳以及粘胶易老化蠕变等问题,研制了一种金属基原位生成的薄膜应力传感器。该传感器通过在金属结构钢表面逐步原位沉积NiCrAlY合金过渡层、Al₂O₃绝缘层、康铜薄膜电阻栅网以及环氧灌封胶保护层等功能层制备而成。实验结果表明,原位生成的薄膜应力传感器(GF=11.94)相比于“贴片”箔式传感器(GF=7.29)具有更高的灵敏度,敏感栅和基底的协同形变效果更好,传感器的蠕变更小,使用长期稳定性也更好。     

基于钯纳米颗粒导电沟道的室温型氢气传感器的研究

随着氢能的广泛应用,检测氢气(H₂)泄漏十分必要。采用溶剂热法合成钯(Pd)纳米颗粒,结合旋涂法从极大程度上简化了覆盖敏感层工艺,在利用微机电系统(MEMS)工艺制备的硅基金(Au)叉指电极上研究了基于“氢致Pd晶格膨胀效应(HILE)”的裂结式H₂传感器的敏感特性,为低成本批量化制备室温型氢气传感器提供了可行性研究。结果表明该传感器对H₂的响应值与Pd纳米颗粒在基底上的覆盖率密切相关：覆盖率在一定范围内越大,响应值越小。在室温下,该类传感器对500×10^-6～2 500×10^-6H₂表现出了较快的响应速度：响应时间在5 s左右,恢复时间在25 s左右,具有较高的响应值：在2 500×10^-6H₂气氛下高达83%,有较好的选择性和稳定性。     

一种基于电子隧穿机制的柔性氢气传感器

氢气传感器在涉氢安全领域扮演着重要角色,随着可穿戴设备大量应用,柔性氢气传感器的发展日益受到重视。纳米粒子薄膜以其离散的纳米颗粒状结构和独特的电学响应性质成为了理想的柔性氢气敏感材料。通过在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)柔性衬底上沉积钯(Pd)纳米粒子薄膜构筑了一种柔性氢气传感器。通过上百次反复弯折,该传感器体现了较好的机械性能和电学稳定性,气敏性能在弯折循环前后无衰减。通过系统研究应变状态下的氢气响应性质,发现拉应变使Pd纳米粒子薄膜的氢气响应度增大,而压应变效应则相反。其原因主要归结为应变导致的纳米颗粒间距变化,拉应变产生的较大的纳米颗粒间距会使得传感器电流基线降低,且足够大的纳米粒子间距更能容纳Pd纳米粒子吸氢导致的晶格膨胀,反之亦然。此外,拉应变使Pd纳米粒子薄膜对氢气的响应时间显著缩短,而压应变产生的效果则相反。该氢气传感器探测范围达到0~10%,响应时间可达数秒量级,探测下限为25×10^-6。在低氢气浓度范围内,响应度ΔI/I0与P1/2H2呈现线性关系,对4%浓度氢气的响应度可达600%,灵敏度可达3.28% Pa-1/2。这些结果表明,该传感器具备优异的传感性能,在柔性气体传感器领域具有极大应用潜力。     

超薄钛沉积石墨烯基传感器室温氨气响应性能研究

本征石墨烯气体传感器(Gr器件)对NH3气体的室温响应非常微弱，为此本文采用电子束蒸镀方法在原器件沟道区域分别沉积3nm、5nm和10nm的薄层金属Ti，形成三种Ti/Gr器件，实验发现Ti/Gr器件在黑暗条件下对NH3气体的室温响应灵敏度远高于Gr器件，而引入可见光照射使三种Ti/Gr器件的响应灵敏度进一步提高，同时恢复性也得到一定提升。其中，5nm Ti/Gr器件获得最佳的性能提升，对通入3min 400x10-6 NH3的灵敏度达+17.9%，恢复时间为3min。通过XPS分析，发现不同Ti/Gr器件沟道处所沉积的薄层Ti发生不同程度的氧化，生成包含不同价态成份的钛氧化物，导致特定Ti层厚度的Ti/Gr器件具有最佳性能。     

H2在Pt表面的吸附行为研究进展

在多相催化反应中,催化剂表面的吸附是一个重要关键的步骤。Pt作为一种常见的金属催化剂,具有良好的选择性、稳定性和活性,同时对H₂有良好的吸附行为,研究H₂在Pt表面的吸附行为对于多相催化和储氢材料的研究具有重要的价值。本文简要介绍了H₂在Pt表面的吸附态,吸附位置以及吸附的影响。通过对H₂在Pt表面吸附行为的相关研究进行阐述和分析,推测H₂是直接在Pt表面缺陷处发生物理吸附至化学吸附的转变解离活化的,H₂在Pt表面的吸附行为有待进一步研究。     

一种自组装型SnO_2纳米线氢传感器

为了能够对低体积分数的氢气进行灵敏探测,提高氢气生产、使用、运输、存储的安全性,通过热蒸发SnO2和活性炭的混合粉末的自组装方式直接在Cr-Au梳状交叉电极上制备了一层SnO2纳米线气敏层,构成了SnO2纳米线气体传感器。经测试,发现此传感器对于体积分数范围为10×10-6~500×10-6的氢气具有良好的探测灵敏度。     

发明与专利

基于局域表面等离子体共振的石墨烯分子传感器;高动态图像传感器及其有源像素;一种光子晶体温度传感器及其制备方法     

SnO2/MWCNTs/PVP电阻式柔性湿度传感器的制备及其性能研究

柔性湿度传感器在可穿戴式健康监测中发挥重要作用,合理选择柔性传感器的材料和工艺是制备柔性传感器的关键。为实现柔性基底的高性能湿度传感器,通过静电纺丝工艺在带有柔性电极的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的衬底上制备出SnO₂(二氧化锡)/CNT(MWCNTs多壁碳纳米管)/PVP(聚乙烯吡咯烷酮)湿度传感器和CNT/PVP湿度传感器。通过自主设计湿度生成和测试装置,对两种传感器的灵敏度、响应时间等参数进行测试。实验结果表明,两种湿度传感器输出阻值与相对湿度之间呈线性关系,SnO₂/CNT/PVP传感器的灵敏度是CNT/PVP传感器的3.3倍,说明掺杂SnO₂能显著提高SnO₂/CNT/PVP湿度传感器的灵敏度特性。     

吸收式光纤甲烷气体传感器的研究

研究和讨论了一种易于实现的光谱吸收型光纤甲烷传感器,该传感器基于比尔朗伯定律,采用双光路结构,大大提高了传感器的灵敏度和测量精度,大气和工业污染中的其它气体分子浓度也可用类似方法测量。     

超薄金属修饰石墨烯基气体传感器性能研究

为了改善本征石墨烯基电阻型气体传感器的室温气体响应性能,采用电子束蒸镀方法在原器件沟道区域分别沉积六种超薄金属,包括1 nm的Au、Ag、Pt、Pd、Ti和Al,并检测这些器件对NO_2和NH_3气体的响应特性。发现修饰有1 nm Pt的器件对通入3 min 3×10^-6 NO_2气体有最高的响应灵敏度,达-56.6%,比原石墨烯器件提高了约9.3倍,但该器件响应饱和较早。而修饰有1 nm Ti的器件对NO_2气体的响应在灵敏度、恢复性等方面都有较好改善,且对NO_2气体浓度有最佳的线性响应,表现出较大的动态探测范围。然而除1 nm Ti以外,修饰有其他五种金属的石墨烯对400×10^-6 NH_3的响应均没有明显改善。文章对不同金属材料修饰导致器件气体敏感性能差异的原因进行了分析与讨论。     

表面SiO2改性高选择性MOS氢气传感器

以十甲基环五硅氧烷(D5)为硅源,采用化学气相沉积法(CVD)在SnO2气体传感器表面沉积SiO2膜作为改性层,研究了CVD处理过程中温度和处理时间对传感器的选择性和灵敏性影响.通过对乙醇、丙酮、苯和氢气的气敏性能测试,得出在500℃下CVD处理8 h后的SnO2传感器对氢气具有最好的选择性和灵敏性.同时讨论了SiO2改性层提高SnO2传感器选择性和灵敏性的机理.     

SiC气体传感器

SiC肖特基二极管气体传感器可以广泛应用于检测气体排放物和气体泄露。通过采用PdCr合金 ,可以提高Pd/SiC气体传感器的灵敏度。同时 ,在Pd层和SiC之间引入SnO2 作为界面层也是提高其灵敏度的一种有效途径。进一步的研究表明 ,SnO2 层的大小也对传感器的性能有着重要影响。