一種太赫茲波氣體濃度傳感裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種太赫茲波氣體濃度傳感裝置，它包括品質(zhì)因子大于5000的一維光子晶體諧振腔和氣室，一維光子晶體諧振腔包括半導(dǎo)體基片、氣體層和缺陷層，半導(dǎo)體基片的數(shù)量為大于等于6的偶數(shù)個(gè)；缺陷層由氣體構(gòu)成，缺陷層與氣室連通，缺陷層的兩側(cè)置有相同數(shù)量的所述半導(dǎo)體基片，且位于缺陷層的同一側(cè)的相鄰半導(dǎo)體基片之間通過支撐環(huán)分隔而形成氣體層；氣體層與氣室通過支撐環(huán)相連通；氣室設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口。本發(fā)明根據(jù)太赫茲波透射譜中透射峰位置的偏移，可得到氣體的濃度信息。本發(fā)明的氣體濃度傳感裝置結(jié)構(gòu)簡單，并可在氣室常壓、室溫條件下工作，檢測結(jié)果不受濕度的影響，可滿足在太赫茲波氣體傳感領(lǐng)域應(yīng)用的要求。
【專利說明】一種太赫茲波氣體濃度傳感裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種太赫茲波氣體濃度傳感裝置，屬于太赫茲波應(yīng)用領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲波在電磁波譜中位于微波和紅外光之間，其頻率范圍為0.f 10 THz，在電磁波譜中占有一個(gè)特殊的位置。與現(xiàn)在發(fā)現(xiàn)的其他電磁波相比，太赫茲脈沖的頻帶可以覆蓋從幾百GHz到幾十THz的范圍，許多分子的轉(zhuǎn)動和振動在該頻段表現(xiàn)出強(qiáng)烈的吸收和色散的特性，會產(chǎn)生明顯的特征吸收峰，具有唯一性，可以作為識別物質(zhì)的指紋譜。因此，太赫茲波適合于對固體、液體、氣體以及流體等介質(zhì)的電、聲學(xué)性質(zhì)的研究，也可以應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、生物和化學(xué)物質(zhì)的檢測、食品工業(yè)的質(zhì)量控制等方面。
[0003]由于氣體在太赫茲波段具有獨(dú)特的吸收譜線，因此，當(dāng)前所采用的氣體濃度檢測技術(shù)主要是根據(jù)指紋吸收的強(qiáng)度信息，得到樣品的濃度。但是，由于大部分氣體吸收很弱，為了提高濃度檢測靈敏度，需要增大氣室的長度，或增加氣壓；另外，檢測系統(tǒng)內(nèi)水氣的存在會嚴(yán)重影響氣體的濃度解調(diào)結(jié)果，限制了其在氣體檢測方面的發(fā)展。因此，研究一種結(jié)構(gòu)小巧、常壓室溫下工作、不受濕度影響的太赫茲波段氣體濃度傳感裝置在氣體檢測方面具有重要的理論和實(shí)踐意義。
[0004]理論上，太赫茲波一維光子晶體諧振腔可以用于氣體濃度的檢測。其基本原理是:當(dāng)一維光子晶體諧振腔腔缺陷層內(nèi)的氣體濃度改變時(shí)(相應(yīng)的氣體折射率改變)，光子晶體禁帶中特征透射峰的位置也會隨之發(fā)生偏移。只要根據(jù)任意一個(gè)透射峰位置的偏移量，就可得到氣體的濃度信息。但由于在常壓下氣體折射率隨氣體濃度改變非常小，相應(yīng)透射峰位置的偏移量也很小，濃度檢測非常困難。雖然對太赫茲波段一維光子晶體諧振腔的研究已有很多報(bào)道，但由于其品質(zhì)因子不夠高，透射峰的移動不明顯，難以滿足常壓氣體測量需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種太赫茲波氣體濃度傳感裝置。
[0006]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采取的技術(shù)方案為:
作為本發(fā)明的一種技術(shù)方案，太赫茲波氣體濃度傳感裝置包括品質(zhì)因子大于5000的一維光子晶體諧振腔和氣室，所述一維光子晶體諧振腔包括半導(dǎo)體基片、氣體層和缺陷層，半導(dǎo)體基片的數(shù)量為大于等于6的偶數(shù)個(gè)；所述缺陷層由氣體構(gòu)成，所述缺陷層與所述氣室連通，所述缺陷層的兩側(cè)置有相同數(shù)量的所述半導(dǎo)體基片，且位于所述缺陷層的同一側(cè)的相鄰半導(dǎo)體基片之間通過支撐環(huán)分隔而形成所述氣體層；所述氣體層與所述氣室通過支撐環(huán)相連通；所述氣室設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口。
[0007]作為本發(fā)明的另一種技術(shù)方案，太赫茲波氣體濃度傳感裝置由一個(gè)品質(zhì)因子大于5000的一維光子晶體諧振腔和一個(gè)氣室組成，所述一維光子晶體諧振腔由半導(dǎo)體基片、氣體層和缺陷層構(gòu)成，半導(dǎo)體基片的數(shù)量為大于等于6的偶數(shù)個(gè)；所述缺陷層由氣體構(gòu)成，所述缺陷層與所述氣室連通，所述缺陷層的兩側(cè)置有相同數(shù)量的所述半導(dǎo)體基片，且位于所述缺陷層的同一側(cè)的相鄰半導(dǎo)體基片之間通過支撐環(huán)分隔而形成所述氣體層；所述氣體層與所述氣室通過支撐環(huán)相連通；所述氣室設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口。
[0008]優(yōu)選地，本發(fā)明所述缺陷層的厚度為lmnT30mm。
[0009]優(yōu)選地，本發(fā)明所述支撐環(huán)的厚度相同。
[0010]優(yōu)選地，本發(fā)明所述半導(dǎo)體基片的數(shù)量為6個(gè)。
[0011]優(yōu)選地，本發(fā)明所述半導(dǎo)體基片為高阻硅、砷化鎵或磷化銦。
[0012]優(yōu)選地，本發(fā)明所述氣室設(shè)有兩個(gè)太赫茲波窗口，使得太赫茲波從其中一個(gè)太赫茲波窗口進(jìn)入氣室，從另一個(gè)太赫茲波窗口離開氣室，所述一維光子晶體諧振腔置于所述氣室中所述兩個(gè)太赫茲波窗口之間，且太赫茲波以正入射方式通過所述一維光子晶體諧振腔中的各所述半導(dǎo)體基片。
[0013]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn):
(I)本發(fā)明太赫茲波氣體濃度傳感裝置中一維光子晶體諧振腔的品質(zhì)因子高(大于5000)，因此傳感裝置靈敏度高，常壓、室溫下即可進(jìn)行測試，無需對待測氣體進(jìn)行加壓操作，使用方便且適用性強(qiáng)。
[0014](2)本發(fā)明太赫茲波氣體濃度傳感裝置中缺陷層和氣體層同時(shí)隨被測氣體發(fā)生變化，系統(tǒng)靈敏度高；同時(shí)氣室小巧，結(jié)構(gòu)緊湊，便于系統(tǒng)集成和氣體充裝。
[0015](3)本發(fā)明太赫茲波氣體濃度傳感裝置其檢測結(jié)果由特征峰位移得出，避免了傳統(tǒng)方法中由吸收量得出氣體濃度時(shí)易受濕度影響的缺點(diǎn)，可滿足在太赫茲波氣體檢測領(lǐng)域應(yīng)用的要求。
[0016](4)本發(fā)明太赫茲波段氣體濃度傳感裝置靈敏度高、結(jié)構(gòu)緊湊、可在常壓室溫下工作、不受濕度影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1是本發(fā)明一種太赫茲波氣體濃度傳感裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明一種太赫茲波氣體濃度傳感裝置缺陷層厚度為9.1 mm時(shí)實(shí)測的太赫茲波透射譜；
圖3是本發(fā)明一種太赫茲波氣體濃度傳感裝置的氣室內(nèi)為空氣、高純氫氣和空氣氫氣混合氣體時(shí)分別得到的太赫茲波透射譜。
【具體實(shí)施方式】
[0018]本發(fā)明太赫茲波氣體濃度傳感裝置，它是由一個(gè)品種因子大于5000的一維光子晶體諧振腔和一個(gè)氣室組成的。如圖1所示，本發(fā)明一維光子晶體諧振腔包括半導(dǎo)體基片
1、氣體層2和缺陷層3。半導(dǎo)體基片的數(shù)量為不小于6的偶數(shù)個(gè)。其中，缺陷層3由氣體構(gòu)成，并與氣室連通；缺陷層3的兩側(cè)置有相同數(shù)量的半導(dǎo)體基片1，且位于缺陷層3的同一側(cè)的相鄰的半導(dǎo)體基片I之間通過支撐環(huán)4分隔而形成氣體層2 ;氣體層2與氣室通過支撐環(huán)4連通。氣室5設(shè)有兩個(gè)太赫茲波窗口，太赫茲波從其中一個(gè)太赫茲波窗口 61進(jìn)入氣室5,從另一個(gè)太赫茲波窗口 62離開氣室5。一維光子晶體諧振腔置于氣室中兩太赫茲波窗口 61和62之間，太赫茲波以正入射方式通過一維光子晶體諧振腔中的各半導(dǎo)體基片I。氣室5設(shè)有一個(gè)進(jìn)氣口 71和一個(gè)出氣口 72，分別位于氣室左右兩側(cè)，使得氣室通過進(jìn)氣口71與被測氣源相連，通過出氣口 72與外界空氣相連。
[0019]半導(dǎo)體基片I和氣體層2構(gòu)成了一維光子晶體諧振腔，缺陷層3的存在使得一維光子晶體諧振腔禁帶中一些特定頻率的太赫茲波可以透過，即存在一個(gè)或多個(gè)特征透射峰。當(dāng)一維光子晶體諧振腔內(nèi)的氣體濃度改變時(shí)，相應(yīng)的氣體折射率也會發(fā)生變化，透射譜中特征峰的位置則會發(fā)生偏移。由于各個(gè)特征峰對同樣折射率變化的頻率偏移量是一致的，因此，只要根據(jù)某個(gè)特征峰位置的偏移量，就可得到氣體的濃度信息。
[0020]作為本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明中構(gòu)成一維光子晶體的半導(dǎo)體基片I共有6片，其材料為高阻硅硅片，選用的硅片電阻率R > 4000 Ω.cm，厚度為470 μ m。選用此規(guī)格的硅片是因?yàn)槠鋬r(jià)格經(jīng)濟(jì)，也可以選用砷化鎵、磷化銦或其他規(guī)格的高阻硅片。將6片高阻硅硅片分為兩組，每組三片，兩組高阻硅硅片分別置于缺陷層3的兩側(cè)。位于缺陷層3的同一側(cè)的每組高阻硅硅片中，相鄰的高阻硅硅片之間通過支撐環(huán)4分隔而形成氣體層2，氣體層厚度為200 μ m。缺陷層3由氣室內(nèi)氣體構(gòu)成，缺陷層厚度為9.1mm，此時(shí)一維光子晶體諧振腔的品質(zhì)因子約為6000，缺陷層厚度的增加有利于一維光子晶體諧振腔品質(zhì)因子的提高，但會增加裝配難度。氣室5為長方體，長20 cm，寬10 cm，高10 cm，剛好可以容納整個(gè)一維光子晶體諧振腔。氣室兩端的太赫茲窗口材料均為聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜。
[0021]使用掃描頻率范圍為23(T375GHz的返波振蕩器(BWO)透射譜測量系統(tǒng)，對本發(fā)明氣體濃度傳感裝置進(jìn)行測試。當(dāng)氣室5內(nèi)完全為常壓空氣時(shí)，測試得到此傳感裝置在頻率范圍為28(T360GHz內(nèi)的透射譜如圖2所示。圖2中，此禁帶內(nèi)有4個(gè)透射峰，由于各個(gè)透射峰對同樣折射率變化的頻率偏移量是一致的，因此，只要根據(jù)某個(gè)透射峰位置的偏移量，就可得到氣體的 濃度信息。
[0022]在328.28^328.6GHz頻段分別對氣室內(nèi)充滿常壓空氣和常壓高純氫氣時(shí)進(jìn)行精細(xì)頻譜掃描。頻譜精細(xì)掃描所得到的透射譜分別如圖3中曲線I和曲線3所示。圖3中，曲線I為常壓空氣的透射譜，曲線2為常壓高純氫氣的透射譜。測試以氣室5內(nèi)完全為空氣時(shí)對應(yīng)的透射峰位置作為頻率基準(zhǔn)；高純氫氣對應(yīng)的特征透射峰與之相較的位置偏移量為64MHz。由此可以反推得到其它偏移量所對應(yīng)的氫氣的濃度信息。在氣室5中充入空氣和高純氫氣的混合氣體并在328.28^328.6 GHz頻段進(jìn)行精細(xì)頻譜掃描。被測混合氣體對應(yīng)的透射譜如圖3中曲線2所示。由圖3可知，曲線2的特征透射峰位置相對空氣基準(zhǔn)的偏移量為43MHz,因此可推知被測混合氣體中氫氣的濃度為67%。本發(fā)明太赫茲波氣體濃度傳感裝置對氫氣檢測的靈敏度為330GHz/RIU。
[0023]本實(shí)施例中，測試所用的太赫茲源頻譜分辨率為2MHz，對應(yīng)折射率改變量的最小值為0.06X 10_4。此條件下，本發(fā)明太赫茲波氣體濃度傳感裝置對氫氣濃度的檢測精度為3%。若太赫茲源的頻譜分辨率提高至200KHz時(shí)，本發(fā)明太赫茲波氣體濃度傳感裝置對氫氣濃度的檢測精度可達(dá)0.3%。
[0024]本發(fā)明太赫茲波氣體濃度傳感裝置一方面增加了缺陷層的厚度，使一維光子晶體諧振腔的品質(zhì)因子大幅提高(大于5000)，另一方面是測試時(shí)組成一維光子晶體結(jié)構(gòu)的氣體層和缺陷層同時(shí)隨被測氣體發(fā)生變化，從而提高了本發(fā)明傳感裝置的測量靈敏度，從而實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的常壓氣體濃度的測量。
【權(quán)利要求】
1.一種太赫茲波氣體濃度傳感裝置，其特征在于:包括品質(zhì)因子大于5000的一維光子晶體諧振腔和氣室，所述一維光子晶體諧振腔包括半導(dǎo)體基片、氣體層和缺陷層，半導(dǎo)體基片的數(shù)量為大于等于6的偶數(shù)個(gè)；所述缺陷層由氣體構(gòu)成，所述缺陷層與所述氣室連通，所述缺陷層的兩側(cè)置有相同數(shù)量的所述半導(dǎo)體基片，且位于所述缺陷層的同一側(cè)的相鄰半導(dǎo)體基片之間通過支撐環(huán)分隔而形成所述氣體層；所述氣體層與所述氣室通過支撐環(huán)相連通；所述氣室設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口。
2.一種太赫茲波氣體濃度傳感裝置，其特征在于:由一個(gè)品質(zhì)因子大于5000的一維光子晶體諧振腔和一個(gè)氣室組成，所述一維光子晶體諧振腔由半導(dǎo)體基片、氣體層和缺陷層構(gòu)成，半導(dǎo)體基片的數(shù)量為大于等于6的偶數(shù)個(gè)；所述缺陷層由氣體構(gòu)成，所述缺陷層與所述氣室連通，所述缺陷層的兩側(cè)置有相同數(shù)量的所述半導(dǎo)體基片，且位于所述缺陷層的同一側(cè)的相鄰半導(dǎo)體基片之間通過支撐環(huán)分隔而形成所述氣體層；所述氣體層與所述氣室通過支撐環(huán)相連通；所述氣室設(shè)有進(jìn)氣口和出氣口。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種太赫茲波氣體濃度傳感裝置，其特征在于:所述缺陷層的厚度為lmnT30mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種太赫茲波氣體濃度傳感裝置，其特征在于:所述支撐環(huán)的厚度相同。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種太赫茲波氣體濃度傳感裝置，其特征在于:所述半導(dǎo)體基片的數(shù)量為6個(gè)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種太赫茲波氣體濃度傳感裝置，其特征在于:所述半導(dǎo)體基片為高阻硅、砷化鎵或磷化銦。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種太赫茲波氣體濃度傳感裝置，其特征在于:所述氣室設(shè)有兩個(gè)太赫茲波窗口，使得太赫茲波從其中一個(gè)太赫茲波窗口進(jìn)入氣室，從另一個(gè)太赫茲波窗口離開氣室，所述一維光子晶體諧振腔置于所述氣室中所述兩個(gè)太赫茲波窗口之間，且太赫茲波以正入射方式通過所述一維光子晶體諧振腔中的各所述半導(dǎo)體基片。
【文檔編號】G01N21/3504GK103776796SQ201410026365
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2014年1月20日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月20日
【發(fā)明者】洪治, 陳濤, 劉建軍, 劉平安 申請人:中國計(jì)量學(xué)院