基于宇称-时间对称结构透射率变化的可调高灵敏度温度传感器

为了实现更高灵敏度的温度传感,提出一种基于宇称-时间(PT)对称结构的光学温度传感器理论模型。该模型在PT对称布拉格反射镜结构中嵌入热光材料共振腔。热光材料的折射率随温度变化,进而影响结构在缺陷模式处的透射率大小。利用传输矩阵法计算模型的透射率谱线,结果显示,在不同温度下,该结构的缺陷模式透射率大小变化远大于模式位置的变化,因此,通过透射率大小的变化可实现温度传感。微腔共振导致结构具有独特的增益放大,该传感器灵敏度最大可达6.82 d B·K-1,检测范围最大达44.4 K,并且可以通过调节结构参数,使传感器在小范围高灵敏度和大范围低灵敏度两种模式之间转换。     

声表面波免疫传感器高频检测系统设计

声表面波（SAW）免疫传感器是一种新型生物传感器,该文设计并实现了一个高频的SAW免疫传感器检测系统。该系统利用锁相环控制输出信号频率对输入信号频率跟踪锁定,通过测量频率变化量即能完成对免疫传感器的检测,通过液晶屏显示结果。测试结果表明,该检测系统能准确测量频率156~162 MHz内的传感信号,系统的最大测量误差仅0.85%,满足SAW免疫传感器高频检测领域的工程实际需要。     

基于PT对称的亚波长谐振耦合超灵敏传感

为进一步实现超灵敏传感测量能力，提出了一种将宇称-时间(parity time, PT)对称与金属螺旋结构相结合的设计方案. 将电阻元件引入亚波长谐振单元，实现复数的谐振频率，令整个耦合系统的PT对称；通过改变相邻谐振单元之间的距离，使耦合系统达到奇异点(exceptional point, EP)；利用EP附近对微扰的超灵敏响应，实现耦合系统对位移的超灵敏传感，并进行了理论分析、数值仿真和实验测量. 结果表明，对于0.05个波长的极小位移量，基于PT对称的金属螺旋结构测量系统比传统的测量系统能得到更大的频率变化，证实了本方案具有更高的灵敏度. 本系统同时还具有易构造、低剖面等特点，在建筑工程、建筑探测等方面有着广泛的应用前景.     

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。     

用于氨氮检测的三维微纳氨气传感芯片及系统研究

该文设计并制备了一种多层微结构的安培型氨气三维微纳传感芯片,并构建了以此微传感芯片为敏感单元的氨氮检测系统,探索了使用安培型氨气微传感器检测氨氮的方法。该微传感芯片采用微纳加工工艺制备,使用聚合物键合工艺在较低温度下实现了微传感器多层结构的封装。使用纳米铱作为传感器的敏感材料,其具有良好的电催化氧化能力,可使传感器具有较高的灵敏度。对Ag/AgCl微参比电极的稳定性进行了考察。使用自行设计的氨氮检测系统对氨氮样品进行检测,对微传感器的时间响应特性、浓度响应特性、重复性及选择性进行了测试和分析。实验结果表明,在0.5~10 mg/L的测试范围内,检测电流与氨氮浓度保持良好的线性,灵敏度为1.62 A/(mg/L),线性相关系数为0.995,重复性偏差为5.73%。同时,传感器显示出良好的选择性。     

高灵敏度多模干涉-异质无芯光纤折射率传感器

基于多模干涉理论和自映像效应,设计了一种高灵敏度多模干涉-异质无芯(SNS)光纤折射率传感器。利用纤芯失配在包层激发的高阶模与无芯光纤中产生的基模耦合产生多模干涉来实现其对折射率的传感测量。应用波束传播法(BPM)数值模拟了传感器在不同折射率条件下光的透射谱,讨论了无芯光纤的长度及外部环境折射率等参数对传感器性能的影响。通过无芯光纤SNS结构传感器的样品制备,测试了多组不同浓度蔗糖溶液下的透射谱,实验结果与数值模拟结果一致。结果表明:在折射率1.330~1.419范围内,透射谷的波长灵敏度达到189nm/RIU,透射率灵敏度达到-40%/RIU。     

基于塑料光纤传感的溶解氧浓度检测的实验研究

利用荧光猝灭原理,以塑料光纤为传感和传光元件,采用邻啡咯啉钌作为荧光标记物,应用检测荧光指示剂荧光寿命的方法进行溶解氧(DO)浓度的测定,荧光指示剂的荧光寿命利用相移法进行测量。实验制作了U形、双锥形和螺旋形3种不同形状的传感头,实验发现,与U形、双锥形传感头相比,螺旋形传感头具有更高的灵敏度;实验测试了荧光标记物浓度对系统灵敏度的影响,结果发现,浓度过高或过低都会降低系统的灵敏度,因此,要提高DO传感器灵敏度需要选择合适浓度的荧光标记物。     

基于U形塑料光纤的氧气传感器

报道了一种基于荧光猝灭原理的光纤氧气传感器.采用塑料光纤作为传感和传光元件进行氧气传感,传感头制成U形.以邻菲咯啉钌作为荧光标记物,用溶胶-凝胶法制备敏感材料.采用相移法来实现对荧光寿命的测定.测量了不同弯曲半径传感头对氧气传感的灵敏度,发现当U形光纤的弯曲半径较小时系统的灵敏度较高.对荧光寿命和氧气浓度的关系进行了测量,发现二者呈哑线性关系,提出双荧光体模型解释这一实验现象.     

基于结构化FBG传感阵列的温度及折射率测量研究

基于模式耦合理论,使用结构化光纤Bragg光栅(FBG)对蔗糖溶液温度和介质折射率进行测量,解决了外部介质折射率参数对温度测量的交叉影响。同时采用FBG传感矩阵进行分布式测量,可实现对非均匀溶液的温度和折射率测量。采用结构化FBG传感阵列的方式,实现了具有温度补偿功能的介质折射率分布式测量方案。温度测量灵敏度达到8.5pm/℃,介质折射率测量灵敏度达到5.42nm/riu。因此,采用结构化FBG传感矩阵对于解决化学生物传感器的多参数交叉影响和实现分布式测量具有一定意义。     

基于光纤内双开口F-P干涉腔的折射率传感器

为了实现高灵敏度液体折射率传感器的高效制备,采用飞秒激光直写技术,在光纤末端刻蚀出矩形凹槽,辅以光纤熔接方法,制备出一种基于光纤内双开口法布里-珀罗(F-P)干涉腔的折射率传感器。该传感器的液体折射率传感灵敏度达到1107.76nm/RIU。讨论了温度对该传感器性能的影响,温度串扰小于0.0025nm/℃;基于海水含盐浓度与折射率的线性关系,探讨了该传感器在海水含盐浓度传感测量方面的应用,灵敏度为0.171nm/(mgmL-1)。结果表明,基于光纤内双开口F-P干涉腔的折射率传感器具有干涉谱对比度高、线性响应良好、灵敏度高、不易受温度串扰、结构紧凑、制备简单高效等优点,在生物、医疗、化学、环境等领域中有着广泛的应用前景。     

脉冲激光辐照生物组织温度场实时测量研究

针对激光与生物组织热效应研究中的温度场实时测量难题,分析了光纤F P温度传感器的工作原理,讨论了Fabry Perot(F P)腔的温度传感模型,设计、搭建了一种用于温度场测量的低细度光纤F P传感系统,基于该传感系统建立了激光辐照生物组织温度场的实时测量系统,实验研究了脉冲激光辐照下生物组织表皮距离激光源不同地方的温度分布。结果表明,该传感系统能有效实现生物组织温度场实时测量,体积小,外径仅为250 μm,对生物组织创伤小,温度响应时间小于1 s,反应较快,能满足实际需求。传感器距离激光源越远,探测到的组织温升越低,传感系统响应时间越长。     

基于双光纤光栅的高灵敏度低频加速度传感器

针对低频振动信号的高精度测量需求,设计了一种基于双光纤光栅的变宽度椭圆铰链式低频加速度传感器.首先建立传感器的结构模型,理论分析了传感器的振动响应特性,给出该传感器的谐振频率及灵敏度的公式.随后搭建了传感单元的数学模型,对传感单元结构的关键尺寸参数进行了优化.另外,利用有限元仿真验证了理论分析结果,最后加工制作了传感器样件,对其进行加速度性能测试.实验结果表明:传感器的谐振频率约为36 Hz,工作频带为0-10 Hz,灵敏度为1496 pm/g.所设计的传感器具有较高的灵敏度、良好的温度补偿能力,能够满足工程中低频振动检测的要求.     

双层亚波长光栅微位移传感系统结构优化设计与性能仿真

随着MEMS惯性传感器件对微位移检测精度的要求越来越高,微位移检测技术已经成为MEMS惯性传感领域的研究热点。亚波长光栅以其超高的位移检测灵敏度成为一个极具发展前景的高精度位移传感平台。利用Rsoft软件模拟分析了双层亚波长光栅共面、离面相对运动时系统零级衍射光透射率与光栅位移量之间的关系及系统关键结构参数对位移检测灵敏度的影响,并对这两种亚波长光栅微位移传感系统进行了结构优化与性能仿真及对比,理论验证了亚波长光栅位移检测的高灵敏度优势。     

基于荧光猝灭原理的光纤溶解O_2传感特性研究

采用荧光猝灭法检测溶解O2浓度。以邻菲咯啉钌作为荧光指示剂,用溶胶-凝胶法制备含有荧光指示剂的敏感材料,采用塑料光纤作为传感和传光元件,传感头做成U型以提高灵敏度,采用相移法实现对荧光寿命的测定。通过实验得出,溶解O2浓度在10mg/L以下时,荧光指示剂的荧光寿命与溶解O2浓度呈线性关系,实验测得该传感器的检测下限是0.36mg/L,系统的灵敏度为0.02mg/L。     

一种双折射平衡型光纤温度传感器的研究

提出了一种双折射平衡型光纤高温传感系统。这种系统是通过检测光偏振态的变化来测量温度特性的。用两块蓝宝石单晶片作为探头中的敏感元件,它们首尾相接,第一块晶体的慢轴与第二块晶体的快轴相连。两块晶体的双折射相互平衡,提高了传感器的灵敏度和准确性,温度的测量范围可达２０００℃以上。精度可达０．３５％,这种系统可广泛用于航空发动机进口温度测量。本文从物理模型和数学分析上证实了这种传感器的可行性。并通过计算机     

基于长周期光纤光栅的光纤液位传感器

为了测量液位在警戒值附近变化的情况, 采用新款光纤熔接机制作了一种基于锥形结构的长周期光纤光栅测量液位的光纤传感器, 对传感器进行了理论分析, 搭建了液位传感实验系统, 根据传感器对外界环境的折射率灵敏度, 测量浸没在液体中的光纤长度。结果表明, 在0 mm~12 mm的液位测量范围内, 光纤液位传感器的峰值波长灵敏度和透射功率灵敏度分别是0.700 nm/mm和1.377 dB/nm。该传感器对液位变化测量较为准确, 且采用刻栅方式可有效解决传统长周期光纤光栅中存在的非对称模耦合和偏振依赖性高等问题, 同时具有制作简单、成本低和应用前景广泛等优点。     

基于膜片与菱形结构的光纤布拉格光栅加速度传感器

提出了一种基于膜片与菱形结构的光纤布拉格光栅(FBG)加速度传感器,理论分析了传感器的加速度检波机理,推导了其灵敏度和谐振频率表达式。利用ANSYS和MATLAB软件对传感器的结构参数进行了优化设计,得到了尺寸更小但能满足实际应用需求的FBG加速度传感器,构建了有限元模型并仿真了传感系统的振动特性。制备了传感器实物并进行了动静态特性测试。结果表明:在20～90℃温度条件下,FBG传感器具有较好的温度自补偿效果,有效减小FBG中温度对加速度测量的影响;该传感器1阶固有频率约为681.4 Hz,在频率为0～500 Hz范围内,传感器灵敏度与振动信号频率呈良好的线性关系;膜片与菱形结构的组合应用增强了传感器横向抗干扰能力,并使得横向干扰度小于5%。     

基于薄膜体声波谐振器的高灵敏度质量传感器

提出了一种针对于生物传感应用的薄膜体声波谐振(Thin film bulk acoustic resonator,FBAR)质量传感器。薄膜体声波谐振器谐振频率非常高(GHz数量级),同时具有很高的品质因数,因此基于这种器件的质量传感器具有非常高的质量灵敏度。提出了三对全金属Al-W层作为布拉格声学反射层的FBAR,采用AlN作为压电层,制备出了固态装配型FBAR传感器。通过淀积不同厚度Al层顶电极,对器件的质量灵敏度进行了分析,得到质量传感器串联谐振频率在2.8GHz附近,质量响应度达到5×10-4ng/Hz/cm2,可以实现分子量级的质量传感。     

基于微纳加工技术的生物传感器研究进展

微/纳电子机械系统MEMS/NEMS(Micro/Nano Electro-Mechanical Systems)技术作为一种成熟的微结构制造技术,可实现硅基纳米级传感器器件的批量化、集成化制造,形成具有体积小、质量轻、性能高的微型传感器及其测试系统.生物传感技术可以将生物敏感反应信号转化为光电等信号而被检测.与其他生物传感器相比,采用MEMS/NEMS技术制备的生物传感器,灵敏度更高、响应时间更短、检测性能更强,更为实现自动化高通量的医学诊断提供了有力的支持.本文着重探讨MEMS/NEMS生物传感器常见的器件类型和对应器件的制备工艺、材料、传感机理、分类及其传感局限,通过综述MEMS/NEMS生物传感器及其国内外研究进展,最后总结MEMS/NEMS生物传感器关键的技术难点与重点,并展望未来MEMS/NEMS生物传感技术的发展前景以及存在的挑战.     

基于折射率调制原理的光纤生物传感器的研制

根据光纤内光强损耗与芯外的环境有效折射率之间的关系,设计了一种结构简单、易于操作、成本低廉、灵敏度较高的折射率调制型的光纤生物传感器.文中对该传感器的结构进行了理论分析,通过对不同浓度葡萄糖溶液的检测,研究了该传感器的传感特性.结果表明:该传感器的检测灵敏度可以达到μmol/L量级,并具有较好的线性特性.