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原文传递片状ZnO/石墨烯单球微纳结构气体传感器及制作方法

专利名称：	片状ZnO/石墨烯单球微纳结构气体传感器及制作方法
摘要：	本发明公开了一种片状ZnO/石墨烯单球微纳结构气体传感器及制作方法，属于光纤传感领域。气体传感器包括ASE光源、光纤环形器、气体传感头、光谱仪。信号光由ASE光源经光纤环形器传输至气体传感头，在气体传感头中，信号光经金属铝膜反射，二次经过单模‑拉锥多模‑单模光纤结构，且借助单球微纳结构形成强干涉，并以基模形式向外传输，最后信号光由气体传感头经光纤环形器传送至光谱仪。传感器借助制备的片状ZnO/石墨烯敏感材料和强干涉光纤结构，使传感器干涉谱因二氧化氮气体浓度变化而产生较大漂移。通过漂移量可测量对应气体浓度。本发明将敏感材料和干涉型光纤结构结合，使光纤气体传感器成功实现高灵敏度、强稳定性、低成本的优越性能。
专利类型：	发明专利
申请人：	哈尔滨理工大学
发明人：	沈涛;王金鹏;冯月
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T12:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T08:00:00+0805
申请号：	CN202010028965.7
公开号：	CN111122513A
分类号：	G01N21/45;G;G01;G01N;G01N21;G01N21/45
申请人地址：	150080 黑龙江省哈尔滨市南岗区学府路52号哈尔滨理工大学西区
主权项：	1.片状ZnO/石墨烯单球微纳结构气体传感器，其特征在于，它包括ASE光源(1)、光纤环形器(2)、气体传感头(3)、光谱仪(4)；所述的气体传感头(3)内包含有一号单模光纤(3-1)、多模单球微纳光纤(3-2)、片状ZnO/石墨烯敏感材料(3-3)、二号单模光纤(3-4)、金属铝膜(3-5)；所述的气体传感头(3)以多模单球微纳光纤(3-2)为主要气体敏感区，多模单球微纳光纤(3-2)包覆对二氧化氮气体较为敏感的片状ZnO/石墨烯敏感材料(3-3)，并与一号单模光纤(3-1)和二号单模光纤(3-4)以光纤熔融连接的方式连接；所述的气体传感头(3)中，二号单模光纤(3-4)一端与多模单球微纳光纤(3-2)熔融连接，另一端包覆金属铝膜(3-5)；所述的ASE光源(1)通过单模光纤与光纤环形器(2)连接，光纤环形器(2)通过单模光纤与气体传感头(3)相连，光纤环形器(2)通过单模光纤与光谱仪(4)连接，且单模光纤与各器件之间采用光纤熔融连接的方式连接。 2.根据权利要求1所述的片状ZnO/石墨烯单球微纳结构气体传感器，其特征在于，所述的ASE光源(1)的输出中心波长为1550nm，频带宽度为60nm。 3.根据权利要求1所述的片状ZnO/石墨烯单球微纳结构气体传感器，其特征在于，所述的气体传感头(3)中片状ZnO/石墨烯敏感材料(3-3)为气体复合敏感材料。 4.根据权利要求1所述的片状ZnO/石墨烯单球微纳结构气体传感器，其特征在于，所述的气体传感头(3)中多模单球微纳光纤(3-2)与片状ZnO/石墨烯敏感材料(3-3)结合采用的方法为滴涂法。 5.根据权利要求1所述的片状ZnO/石墨烯单球微纳结构气体传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤： S1：多模单球微纳光纤(3-2)的制备，取长度为8cm、纤芯直径为62.5μm的多模光纤经氢氧焰熔融拉锥处理，制得多模单球微纳光纤(3-2)； S2：片状ZnO/石墨烯敏感材料(3-3)的制备，将2.8mg石墨烯粉末置于25mL去离子水中超声分散1.5h，将分散后的石墨烯溶液与0.4g硝酸锌、45mL去离子水混合，在28℃下搅拌，并向混合液滴入浓度为0.8/L的氢氧化钠溶液，调节悬浮液的pH值为9.2，继续搅拌1.5-2h,，将悬浮液转移到反应釜内，并放入130℃恒温干燥箱中10h，取出后自然冷却，用去离子水洗涤产物4-5次，以5000rmp/min离心15min，得到棒状ZnO/石墨烯水溶液； S3：单模-拉锥多模-单模光纤结构的制备，截取两根长5cm的单模光纤作为一号单模光纤(3-1)和二号单模光纤(3-4)，将一号单模光纤(3-1)、多模单球微纳光纤(3-2)、二号单模光纤(3-4)三者采用光纤熔融连接的方式连接，形成单模-拉锥多模-单模光纤结构； S4：金属铝膜(3-5)的包覆，将单模-拉锥多模-单模光纤结构中的二号单模光纤(3-4)未熔接的一端截短，并将反射性能较好的金属铝膜(2)包覆其上； S5：气体传感头(3)的集成，将制作好但尚未滴覆材料的单模-拉锥多模-单模光纤结构固定在玻璃基板上，用酒精和去离子水清洗，去除残留杂质，将片状ZnO/石墨烯水溶液沿多模单球微纳光纤(3-2)表面滴入，并将传感头放入恒温电热鼓风干燥箱中进行干燥处理，使敏感材料与多模单球微纳光纤(3-2)紧密结合，形成气体传感头(3)。 6.根据权利要求5所述的片状ZnO/石墨烯单球微纳结构气体传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤S1中氢氧焰熔融拉锥处理，采用氢氧焰拉锥机进行熔融拉锥12.4mm，形成腰椎直径为6.92μm的多模微纳光纤，回调夹具1mm，多模微纳光纤腰椎区域经氢氧焰灼烧融球，形成多模单球微纳光纤(3-2)，单球直径13.1μm。 7.根据权利要求5所述的片状ZnO/石墨烯单球微纳结构气体传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤S4金属铝膜(3-5)的包覆中，二号单模光纤(3-4)截短后的长度为3cm。 8.根据权利要求5所述的片状ZnO/石墨烯单球微纳结构气体传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤S4金属铝膜(3-5)的包覆中，金属铝膜(2)的厚度可以为80μm-200μm。 9.根据权利要求5所述的片状ZnO/石墨烯单球微纳结构气体传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤S5气体传感头(3)的集成中，恒温电热鼓风干燥箱温度设置为45℃，加热时间为5小时。
所属类别：	发明专利