一种光学器件及氢气传感器的制作方法

本发明涉及氢气传感器，具体为一种光学器件及氢气传感器。

背景技术：

1、氢气由于其燃烧效率高、产物无污染等优点，与太阳能、核能一起被称为三大新能源。作为一种新能源，氢气在航空、动力等领域得到广泛的应用。同时，氢气作为一种还原性气体和载气，在化工、电子、医疗、金属冶炼等领域有着极为重要的应用价值。但氢气在生产、储存、运输和使用的过程中易泄漏，由于氢气不利于呼吸，无色无味，不能被人鼻所发觉，且在常压下着火点仅为585℃，当空气中氢气含量在4％～75％范围内，遇明火即发生爆炸，故在氢气的使用过程中必须对环境中氢气的含量进行检测并对其泄漏进行监测。氢气传感器可有效的对氢气浓度进行检测并对氢气泄漏进行监测，在市场的需求下，尤其是由于氢燃料电池汽车的发展，氢气传感器的应用将越来越多。长期以来，人们一直在寻找选择性好、灵敏度高、响应速度快、能耗低、稳定性好、制作工艺简单且易集成化的氢气传感器。

2、目前市场所见的氢气传感器主要有如下三种技术路线：

3、电化学传感器，需要初始化启动时间，使用寿命短(2-3年)，灵敏度和选择性良好，功耗成本适中。

4、催化燃烧传感器，检测范围小(0～4％)，容易引发次生灾害，功耗高，使用寿命短(2-3年)，广泛用于所有可燃性气体检测。

5、mems氧化物传感器，启动时间长达数分钟，灵敏度和选择性差，功耗高，成本低。

6、综上，现有技术的主要局限在于选择性弱、灵敏度低、响应慢、功耗大，以及应用场景受限、加工成本和使用寿命不理想。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于：解决现有的氢气传感器选择性弱、灵敏度低、响应慢、功耗大，以及应用场景受限、加工成本和使用寿命不理想的问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：

3、一种光学器件，包括超表面结构，以及依次在所述超表面结构上镀上粘接金属膜和贵金属膜；特定吸收波长的入射光照射在所述贵金属膜上产生贵金属局域表面等离子共振，所述超表面结构中的纳米孔柱阵列对经过所述贵金属膜共振后的自由光进行滤波；且所述贵金属局域表面等离子共振产生的倏逝波上会在所述纳米孔柱阵列中纳米孔柱的边缘回到空气中成为自由光，以增强透过所述超表面结构的光的强度。

4、优点：贵金属局域表面等离子共振原理，提供选择性良好的工作波长，超表面结构和倏逝波原理，极大放大了传感器的灵敏度，金属钯对氢气浓度的敏感性反应，提供了无损耗和快速响应的探测可能。

5、在本发明的一实施例中，特定吸收波长为600nm。

6、在本发明的一实施例中，所述粘接金属膜为黄金。

7、在本发明的一实施例中，所述粘接金属膜的厚度为5～10nm。

8、在本发明的一实施例中，所述贵金属膜的厚度为35～55nm。

9、在本发明的一实施例中，所述纳米孔柱阵列的高度为300～480nm，直径为70～119nm。

10、本发明还提供一种氢气传感器，应用上述所述的光学器件，还包括光电二极管、数模转换器和主控制器；所述光电二极管接收经过所述超表面结构滤波后的光，将光信号转化为电信号后依次传输给所述数模转换器和所述主控制器，最后通过主控制器输出氢气浓度。

11、在本发明的一实施例中，所述贵金属膜为钯金属。

12、与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明综合应用金属局部表面等离子共振、超表面结构和钯金属膜氢气特异反应开发氢气传感器，结构简单，采用改进的纳米压印工艺加工，成本低，灵活运用了贵金属局域表面等离子共振和倏逝波原理，灵敏度远大于现有产品，采用钯金属膜与氢气的特异性反应原理，没有材料损耗、响应时间极短，产品寿命长。

技术特征：

1.一种光学器件，其特征在于，包括超表面结构，以及依次在所述超表面结构上镀上粘接金属膜和贵金属膜；特定吸收波长的入射光照射在所述贵金属膜上产生贵金属局域表面等离子共振，所述超表面结构中的纳米孔柱阵列对经过所述贵金属膜共振后的自由光进行滤波；且所述贵金属局域表面等离子共振产生的倏逝波上会在所述纳米孔柱阵列中纳米孔柱的边缘回到空气中成为自由光，以增强透过所述超表面结构的光的强度。

2.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，特定吸收波长为600nm。

3.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述粘接金属膜为黄金。

4.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述粘接金属膜的厚度为5～10nm。

5.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述贵金属膜的厚度为35～55nm。

6.根据权利要求1所述的光学器件，其特征在于，所述纳米孔柱阵列的高度为300～480nm，直径为70～119nm。

7.一种氢气传感器，其特征在于，应用权利要求1～6任一所述的光学器件，还包括光电二极管、数模转换器和主控制器；所述光电二极管接收经过所述超表面结构滤波后的光，将光信号转化为电信号后依次传输给所述数模转换器和所述主控制器，最后通过主控制器输出氢气浓度。

8.根据权利要求7所述的氢气传感器，其特征在于，所述贵金属膜为钯金属。

技术总结
本发明公开了一种光学器件及氢气传感器，光学器件包括超表面结构，以及依次在所述超表面结构上镀上粘接金属膜和贵金属膜；特定吸收波长的入射光照射在所述贵金属膜上产生贵金属局域表面等离子共振，所述超表面结构中的纳米孔柱阵列对经过所述贵金属膜共振后的自由光进行滤波；且所述贵金属局域表面等离子共振产生的倏逝波上会在所述纳米孔柱阵列中纳米孔柱的边缘回到空气中成为自由光，以增强透过所述超表面结构的光的强度。通过本发明公开的光学器件及氢气传感器，提高了传感器的灵敏度。

技术研发人员：昌明,杨秀咏,徐辉
受保护的技术使用者：合肥和光微电子科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6