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CN111735797B - 一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器 - Google Patents

一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超薄二维半导体涂敷石英音叉的吸收光谱气体传感器，其特征在于，包括可调谐激光器(1)、光纤准直器(2)、气体池(3)、CaF2透镜(4)、石英音叉(5)、低噪声前置放大器(6)、数据采集系统(7)、计算机(8)、双通道DAQ(9)。本发明提出了一种低成本、结构简单的波长调制光谱(WMS)气体传感器，采用以甲烷(CH4)气体为目标气，验证了二维掺铁氧化钴涂层QCTF用于光电探测的可行性；本发明具有良好的灵活性、化学稳定性和较低成本的优点。

Description

一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器
技术领域
本发明涉及激光光谱技术领域，尤其涉及一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器。
背景技术
目前GaN、Silicon、InGaAs、PbS、InAsSb、HgCdTe、以及量子阱红外(IR)光电探测器具有良好的性能，但它们有的成本高昂且需要低温操作，难以直接集成到各种光电子平台中。此外，受到可调的直接带隙的限制，中红外MCT探测器通常被限定在窄的波长范围内。因此，仍然需要研究新型的光电探测器，以便集成和有效地检测。
因此，基于石英音叉(QCTF)的新型探测器被提出来，用来替代上述传统探测器，并将其应用于应用于吸收光谱气体传感技术中，无需冷却，但是响应度和灵敏度还有待提高然。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，本发明采用的二维材料具有超薄的结构，比表面积极大，电荷迁移率高的特点，在QCTF表面加 Fe-CoO薄膜可以有效提高光的吸收，增加QCTF的热变形，提高探测器对光的响应。
本发明采用的技术方案是：
一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，包括可调谐激光器、光纤准直器、气体池、CaF2透镜、石英音叉、低噪声前置放大器、数据采集系统、计算机、双通道DAQ；
所述可调谐激光器的激光发射光路上依次设置有光纤准直器、气体池，所述气体池的两端分别设有光入射口、光出射口，所述气体池的光出射口侧依次设有CaF2透镜、石英音叉，所述石英音叉与所述低噪声前置放大器电性连接，所述低噪声前置放大器的信号输出端与所述数据采集系统的信号输入端电性连接，所述数据采集系统的信号输出端分别与计算机、双通道DAQ连接，所述双通道DAQ与所述可调谐激光器的控制端口连接；
所述石英音叉的外表面涂有光电转换薄膜涂层，所述光电转换薄膜涂层由异质原子掺杂具有良好光电特性的半导体材料制备而成。
进一步地，所述的一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，所述可调谐激光器采用二极管激光器，其激光强度在所述石英音叉的谐振频率附近进行调制。
进一步地，所述的一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，从所述气体池出射的光束通过CaF2透镜聚焦于石英音叉的表面。
进一步地，所述的一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，所述数据采集系统通过内置的Labview软件对接收到的信号进行存储和处理。
进一步地，所述的一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，所述双通道DAQ生成的三角波和正弦波叠加后输入到可调谐激光器的激光驱动器中。
进一步地，所述的一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，所述气体池是单通池、多程池或者谐振腔。
进一步地，所述的一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，所述气体池选用长度为20厘米的单通池。
进一步地，所述的一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，所述气体池还连接有压力控制器和真空泵，所述压力控制器和真空泵可制备出不同配比的CH4和空气混合物作为气体池中的目标气体。
进一步地，所述的一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，所述CaF2透镜的直径为25mm，f＝50mm。
进一步地，所述的一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，所述低噪声前置放大电路采用互阻抗的 10MΩ反馈电阻器为放大器。
进一步地，所述的一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，所述光电转换薄膜涂层中，异质原子采用 Fe，半导体材料采用CoO，构成Fe-CoO薄膜涂层，其中半导体材料也可以采用SnSe。
进一步地，所述的一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，所述Fe-CoO薄膜涂层为超薄二维半导体材料薄膜涂层，所述Fe-CoO薄膜涂层的厚度为1微米到几百微米。
采用上述技术方案后，本发明技术的有益效果是：
1、本发明提出了一种低成本、结构简单的波长调制光谱(WMS) 气体传感器，并以甲烷(CH4)气体为目标气，验证了2DFe-CoO涂层QCTF用于光电探测的可行性；
2、本发明的气体传感器具有良好的灵活性、化学稳定性和较低成本的优点。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图中：1-可调谐激光器，2-光纤准直器，3-气体池，4-CaF2透镜，5-石英音叉，6-低噪声前置放大电路，7-数据采集系统，8-计算机，9-双通道DAQ，10-压力控制器和真空泵；
图2是测量到的环境空气中的QCTF谐振曲线及其拟合结果。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1。本实施例以Fe-CoO薄膜涂层为例。
如图1所示，一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，包括可调谐激光器1、光纤准直器2、气体池3、CaF2透镜4、石英音叉5、低噪声前置放大器6、数据采集系统7、计算机8、双通道DAQ9；可调谐激光器1的激光发射光路上依次设置有光纤准直器2、气体池3，气体池3的两端分别设有光入射口、光出射口，气体池3 的光出射口侧依次设有CaF2透镜4、石英音叉5，石英音叉5与低噪声前置放大器6电性连接，低噪声前置放大器6的信号输出端与数据采集系统7的信号输入端电性连接，数据采集系统7的信号输出端分别与计算机8、双通道DAQ9连接，双通道DAQ9与可调谐激光器1的控制端口连接；石英音叉5的外表面涂有Fe-CoO薄膜涂层，Fe-CoO 薄膜涂层由铁掺杂氧化钴制备而成。Fe-CoO薄膜涂层为超薄二维半导体材料薄膜涂层，Fe-CoO薄膜涂层的厚度为1微米到几百微米。
进一步地，可调谐激光器1采用二极管激光器，其激光强度在石英音叉5的谐振频率附近进行调制；气体池3选用长度为20厘米的单通池，气体池3还连接有压力控制器和真空泵10，压力控制器和真空泵10可制备出不同配比的CH4和空气混合物作为气体池3中的目标气体；从气体池3出射的光束通过CaF2透镜4聚焦于石英音叉 5的表面，CaF2透镜4的直径为25mm，f＝50mm；低噪声前置放大电路6采用互阻抗的10MΩ反馈电阻器为放大器；数据采集系统7通过内置的Labview软件对接收到的信号进行存储和处理；双通道DAQ9 生成的三角波和正弦波叠加后输入到可调谐激光器1的激光驱动器中。
本发明的工作流程及原理是：
如图1所示，本发明中，采用在目标气体的光谱范围内是连续可调的可调谐激光器1作为光源，激光强度在石英音叉5的谐振频率附近进行调制；双通道DAQ9生成的三角波和正弦波叠加后输入到可调谐激光器1的激光驱动器中，提供用于扫描激光波长和调制激光强度的驱动信号；发散激光束首先由光纤准直器2准直，然后进入长度为 20厘米的单通气体池3，从气体,3出射后的光束通过直径为25mm，f ＝50mmCaF2透镜4聚焦于石英音叉5表面，其中石英音叉5表面涂上2DFe-CoO薄膜涂层，用于检测光谱信号；可见光源用来辅助光束的对准，光吸收引起的热膨胀转化为石英音叉5的机械运动。由于石英音叉5的压电效应，会产生压电电流。当光强调制频率和石英音叉 5共振频率一致时，可以得到最强的电流信号；采用互阻抗的10MΩ反馈电阻器为放大器的低噪声前置放大电路6将压电石英音叉5产生的电流转换为电压信号，实现石英音叉5的信号检测；内置Labview 软件的数据采集系统7对信号进行存储和处理；压力控制器(Alicat Scientific)和真空泵10可制备出不同配比的CH4和空气混合物。
通过光热效应提高石英音叉的温度是提高石英音叉探测器性能的有效方法。在光照射下，Fe-CoO薄膜涂层的石英音叉在原位温度升高，导致石英音叉的弹性形变增强。由于局域热效应使Fe-CoO薄膜表面产生附加热量，导致石英音叉光热转换能力提高。
利用谐振频率附近的频率调制激光可以有效地激发石英音叉的振动。当激励频率与谐振频率稍有偏离时，石英音叉的输出信号会迅速减小。因此，在实验条件下测量了未经过处理的QCTF和Fe-CoO薄膜涂层QCTF的共振频率。本工作的主要目标是开发一种紧凑的、低成本的可在大气压下工作的气体传感器。为了验证Fe-CoO薄膜包覆的QCTF的性能，将其共振频率的Q因子与原始QCTF进行了比较。采用基于Levenberg-Marquardt算法的Lorentz拟合程序对实验数据进行拟合。Q因子从4014提高到9417，谐振频率处的QCTF信号从0.43 V提高到2.7V，结果表明，涂覆了超薄Fe-CoO薄膜后，QCTF检测器对光强响应的灵敏度明显提高。
为了演示使用Fe-CoO薄膜涂层的QCTF探测器的传感器系统的性能，一组CH4样品被空气稀释成一个基本的初级标准，实验测量了不同CH4掺混比下WMS-2f信号。
为验证搭建的CH4传感器的线性响应，将测量到的QCTF信号绘制成图2中CH4浓度的函数。拟合结果说明涂有Fe-CoO的QCTF传感器平台在监测CH4浓度时具有良好的线性响应。其中每个信号都是用单扫描采集记录的，没有任何平均信号和波长校准。Fe-CoO薄膜的增强效果估计为4.5，由两个QCTF信号的斜率与浓度之比计算得到。结果表明，在QCTF上涂覆一层二维Fe-CoO薄膜可以有效地改善QCTF 检测器的性能。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，包括可调谐激光器（1）、光纤准直器（2）、气体池（3）、CaF2透镜（4）、石英音叉（5）、低噪声前置放大器（6）、数据采集系统（7）、计算机（8）、双通道DAQ（9）；
所述可调谐激光器（1）的激光发射光路上依次设置有光纤准直器（2）、气体池（3），所述气体池（3）的两端分别设有光入射口、光出射口，所述气体池（3）的光出射口侧依次设有CaF2透镜（4）、石英音叉（5），所述石英音叉（5）与所述低噪声前置放大器（6）电性连接，所述低噪声前置放大器（6）的信号输出端与所述数据采集系统（7）的信号输入端电性连接，所述数据采集系统（7）的信号输出端分别与计算机（8）、双通道DAQ（9）连接，所述双通道DAQ（9）与所述可调谐激光器（1）的控制端口连接；
所述石英音叉（5）的外表面涂有光电转换薄膜涂层，所述光电转换薄膜涂层由异质原子掺杂具有良好光电特性的半导体材料制备而成；
所述光电转换薄膜涂层中，异质原子采用Fe，半导体材料采用CoO，构成Fe-CoO薄膜涂层；
所述Fe-CoO薄膜涂层为超薄二维半导体材料薄膜涂层，所述Fe-CoO薄膜涂层的厚度为1微米到几百微米。
2.根据权利要求1所述的一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，所述可调谐激光器（1）采用二极管激光器，其激光强度在所述石英音叉（5）的谐振频率附近进行调制。
3.根据权利要求2所述的一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，从所述气体池（3）出射的光束通过CaF2透镜（4）聚焦于石英音叉（5）的表面。
4.根据权利要求3所述的一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，所述数据采集系统（7）通过内置的Labview软件对接收到的信号进行存储和处理。
5.根据权利要求4所述的一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，所述双通道DAQ（9）生成的三角波和正弦波叠加后输入到可调谐激光器（1）的激光驱动器中。
6.根据权利要求1所述的一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，所述气体池（3）是单通池或多程池。
7.根据权利要求6所述的一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，所述气体池（3）还连接有压力控制器和真空泵（10），所述压力控制器和真空泵（10）可制备出不同配比的CH4和空气混合物作为气体池（3）中的目标气体。
8.根据权利要求1-7中任一项所述的一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，所述CaF2透镜（4）的直径为25mm，f=50mm。
9.根据权利要求8所述的一种基于超薄二维半导体材料涂敷石英音叉的气体传感器，其特征在于，所述低噪声前置放大器（6）采用互阻抗的10MΩ反馈电阻器为放大器。
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