激光气体传感器及其制备方法与流程

本申请涉及气体检测，具体地，涉及激光气体传感器及其制备方法。

背景技术：

1、传统的气体浓度测量方法往往面临着精度低、可靠性差、响应时间长和系统复杂无法集成化等问题。tdlas(tunable diode laser absorption spectroscopy)是一种基于可调谐二极管激光器的气体吸收光谱技术，通过对光谱线的扫描，可以对构成气体的化学物质进行探测和测量。

2、然而，目前基于tdlas技术的激光气体传感器及其制备方法仍有待改进。

技术实现思路

1、本申请旨在至少一定程度上缓解或解决上述提及问题中的至少一个。

2、在本申请的一方面，本申请提出了一种激光气体传感器。在本申请的一些实施例中，所述激光气体传感器包括衬底以及位于衬底一侧的波导组件、激光发射器和光接收器，所述激光发射器位于所述波导组件的一端，所述光接收器位于所述波导组件的另一端；其中，所述波导组件包括包覆层、填充层和金属有机骨架，所述包覆层具有凹槽，所述填充层位于所述凹槽中，所述金属有机骨架位于所述填充层远离所述衬底的一侧，所述填充层的折射率大于所述包覆层的折射率。填充层可以作为波导传感光路，激光发射器发出的激光可以沿填充层传播，一方面，能够提高光信号的传输效率和探测灵敏度；另一方面，可以调节光在波导传输过程中倏逝场的比例，可以控制与待测目标气体分子接触的激光束的能量比例以提高信噪比。

3、在本申请的一些实施例中，所述填充层的折射率为1.50-1.52；和/或，所述填充层的材质包括环氧树脂、丙烯酸酯、丙烯酸盐和聚甲基丙烯酸甲酯中的至少之一。由此，填充层具有合适的折射率，可以更好地调节光在波导传输过程中倏逝场的比例，从而进一步提高信噪比。

4、在本申请的一些实施例中，所述填充层为条形结构；或者，所述填充层包括多个条形结构，相邻的所述条形结构弯曲连接；或者，所述填充层为环状结构；或者，所述填充层为螺旋结构。由此，可以缩小波导组件的体积，从而有利于激光气体传感器的小型化。

5、在本申请的一些实施例中，所述填充层的长度为5cm-20cm。

6、在本申请的一些实施例中，所述激光气体传感器满足以下条件中的至少之一：所述金属有机骨架可吸附甲烷、二氧化碳、氨气、乙炔和硫化氢中的至少之一；所述包覆层的材质包括二氧化硅；所述衬底为硅基衬底或氮化铝衬底；所述激光发射器为半导体激光器；所述光接收器包括光电二极管；所述激光气体传感器还包括第一胶层，所述第一胶层覆盖所述激光发射器的外表面；所述激光气体传感器还包括第二胶层，所述第二胶层覆盖所述光接收器的外表面。由此，有利于进一步提高激光气体传感器的整体性能。

7、在本申请的一些实施例中，所述第一胶层中位于所述激光发射器和所述波导组件之间的部分向远离所述激光发射器的一侧凸起，或者，所述第一胶层覆盖所述波导组件靠近所述激光发射器的部分表面。由此，第一胶层可以起到保护激光发射器的作用，从而有利于延长激光气体传感器的使用寿命。

8、在本申请的一些实施例中，所述第二胶层中位于所述光接收器和所述波导组件之间的部分向远离所述光接收器的一侧凸起，或者，所述第二胶层覆盖所述波导组件靠近所述光接收器的部分表面。由此，第二胶层可以起到保护光接收器的作用，从而有利于延长激光气体传感器的使用寿命。

9、在本申请的另一方面，本申请提出了一种制备前面所述的激光气体传感器的方法。在本申请的一些实施例中，制备前面所述的激光气体传感器的方法包括：提供衬底；在所述衬底的一侧集成波导组件、激光发射器和光接收器。由此，利用该方法制备得到的激光气体传感器具有前面所述的传感器所具有的全部特征以及优点，在此不再赘述。

10、在本申请的一些实施例中，在所述衬底的一侧集成所述波导组件包括：将包覆块体焊接在所述衬底的一侧，或者，通过外延生长的方式在所述衬底的一侧形成包覆块体；对所述包覆块体进行刻蚀，形成凹槽；在所述凹槽中填充胶材，固化后形成填充层；将金属有机骨架材料覆盖在所述填充层远离所述衬底的表面上。由此，利用该方法形成波导组件，步骤简单，易操作，有利于降低激光气体传感器的制备成本。

11、在本申请的一些实施例中，所述激光发射器和/或所述光接收器通过焊接的方式集成在所述衬底上；或者，所述激光发射器和/或所述光接收器通过外延生长的方式集成在所述衬底上。

技术特征：

1.一种激光气体传感器，其特征在于，包括衬底以及位于衬底一侧的波导组件、激光发射器和光接收器，所述激光发射器位于所述波导组件的一端，所述光接收器位于所述波导组件的另一端；

2.根据权利要求1所述的激光气体传感器，其特征在于，所述填充层的折射率为1.50-1.52；

3.根据权利要求1所述的激光气体传感器，其特征在于，所述填充层为条形结构；

4.根据权利要求1所述的激光气体传感器，其特征在于，所述填充层的长度为5cm-20cm。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的激光气体传感器，其特征在于，满足以下条件中的至少之一：

6.根据权利要求5所述的激光气体传感器，其特征在于，所述第一胶层中位于所述激光发射器和所述波导组件之间的部分向远离所述激光发射器的一侧凸起，或者，所述第一胶层覆盖所述波导组件靠近所述激光发射器的部分表面。

7.根据权利要求5所述的激光气体传感器，其特征在于，所述第二胶层中位于所述光接收器和所述波导组件之间的部分向远离所述光接收器的一侧凸起，或者，所述第二胶层覆盖所述波导组件靠近所述光接收器的部分表面。

8.一种制备权利要求1-7中任一项所述的激光气体传感器的方法，其特征在于，包括：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在所述衬底的一侧集成所述波导组件包括：

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述激光发射器和/或所述光接收器通过焊接的方式集成在所述衬底上；

技术总结
本申请公开了激光气体传感器及其制备方法，所述激光气体传感器包括衬底以及位于衬底一侧的波导组件、激光发射器和光接收器，所述激光发射器位于所述波导组件的一端，所述光接收器位于所述波导组件的另一端；其中，所述波导组件包括包覆层、填充层和金属有机骨架，所述包覆层具有凹槽，所述填充层位于所述凹槽中，所述金属有机骨架位于所述填充层远离所述衬底的一侧，所述填充层的折射率大于所述包覆层的折射率。填充层可以作为波导传感光路，一方面，能够提高光信号的传输效率和探测灵敏度；另一方面，可以调节光在波导传输过程中倏逝场的比例，可以控制与待测目标气体分子接触的激光束的能量比例以提高信噪比。

技术研发人员：施跃春,徐洋
受保护的技术使用者：甬江实验室
技术研发日：
技术公布日：2024/3/17