研究硬脂酸復合薄膜光波導傳感器的氣敏性

山東省壽光市維坊科技學院機械工程學院 黃長永

苯乙烯是一種常見的工業原料，在常溫下，以液體形態存在，氣味芳香，無色透明，但是是 WHO和IRAC確認的致癌有毒物質，并是一種危害較大的空氣污染物，因此需要一種靈敏度、準確度較高的元件來對這種氣體進行有效的檢測［1］。光波導元件就是一種集高靈敏度、低成本等優點于一身的一種便于操作與攜帶的傳感器。本文用硬脂酸復合薄膜制作光波導元件并對揮發性蒸汽苯乙烯進行檢測，從而研究其靈敏度［2］。

1 實驗方法

1．1 準備苯乙烯氣體

將苯乙烯氣體食量放入到一定容量的容器中，讓其自然揮發，完全揮發后測定其濃度，并與計算值進行對比［3］。采用稀釋法得到不同濃度的氣體蒸汽用于單個氣體的靈敏度實驗，按照1×10－3%（體積分數）來進行選擇性實驗。

1．2 玻璃光波導元件的準備

將顯微鏡的載玻片做為基板放入熔化了的硝酸鉀液體中，讓其發生離子交換反應，反應完畢后取出載玻片，在常溫下冷卻，沖洗后觀察備用。

1．3 光敏層準備

利用勻膠機把制備好的溶液（用無水乙醇溶解0．245g的硬脂酸粉末，用進行磁力攪拌過濾）固定于上一步中制備的玻璃光波導元件表面，最后放入干燥器中干燥備用。

1．4 氣體檢測

1．4．1 氣體檢測系統組成

詳細的檢測系統如圖一所示

圖一 （A）光波導元件檢測系統

（B）原件中導波光的傳播

整個系統是由光波導元件、光電倍增管、記錄儀、空氣（作為被檢測氣體的載氣）、流量計、光源、流動池、反射鏡以及光源等部分組成。具體構成見圖一中的（A）。

1．4．2 檢測流程

使用棱鏡耦合法激勵導波光→用記錄儀記錄光電倍增管檢測到的并輸入電腦的數據→激光通過棱鏡進入光波導發生內反射→產生倏逝波沉頭到硬脂酸復合薄膜，詳見圖一（B）。

2 結果與討論

2．1 相關公式

2．1．1 透射率與折射率的關系

2．1．2 靈敏度與表面折射率的關系

2．2 計算

把2．1．1與2．1．2的公式結合起來，經過計算可得，表面靈敏度與敏感膜的透射率是成反比的。這個結果可以指導光波導元件的開發。

2．3 靈敏度檢測結果

對不同濃度的苯乙烯使用所制備的元件進行測定，獲得的結果如圖二所示。

從圖中的實驗結果可以看出，所制備的光波導傳感器對苯乙烯氣體的靈敏度非常高，可以監測到1×10－7%（體積分數）。

3 結論

本次試驗成功地證實了：以硬脂酸復合薄膜制備的光波導元件能夠成功的檢測到體積分數為1×10－7%的苯乙烯蒸汽。而且使用硬脂酸復合薄膜制備的光波導元件具有以下的優點：制備簡單，成本低［4］。體積較小，便于攜帶。對氣體的靈敏度較高，檢測較準確［5］。能夠檢測多種氣體，可以廣泛應用［6］。應運而生，能夠解決當前空氣污染的檢測問題［7］。

在目前空氣污染嚴重的局勢下，使用硬脂酸復合薄膜制備的光波導元件能夠很好的檢測空氣中的有害氣體，對防治空氣污染具有非常好的價值，而且擁有光明的開發前景，值得我們研究開發［8］。

［1］秦宏兵，顧海東，尹燕敏．吹掃捕集氣相色譜質譜法測定土壤中揮發性有機［J］．中國環境監測，2009．25（4）：39一II．

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［3］張早軼，謝長生，李登峰等．基于納米ZnO氣體傳感器陣列的乙醇、丙酮、苯、甲苯、二甲苯的識別研究［J］傳感技術學報，2006，19（3）：552－554．

［4］彭夫敏，謝品華，邵士勇等．差分吸收光譜法對大氣中揮發性有機物光化學作用指示劑的監測與反演［J］．光譜學與光譜分析．2008，28（3）：507—511．

［5］張皓，張成立．用于氣體傳感器的多孔硅的制備方法研究［J］．化學通報．2010．73（6）：568—572．

［6］熱扎克－卡地爾，海日沙·阿布萊提，阿布力孜·伊米提等．MB／PVP薄膜光波導傳感元件對甲醛的氣敏性研究［J］傳感技術學報．2009．22《9）：1239—1242．

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［8］陳凱，吳文鵬，郟順鏇．ZnO／TiO：多層薄膜氨氣敏光學特性研究［J］．激光技術．2001，25（3）：209—213．