基于微環(huán)諧振器的甲烷傳感器

王文清，　王曉璐，　田子建

(1.北京市煤炭礦用機電設備技術開發(fā)有限公司， 北京　100042；

2.中國礦業(yè)大學(北京) 機電與信息工程學院， 北京　100083)

實驗研究

基于微環(huán)諧振器的甲烷傳感器

王文清1，王曉璐2，田子建2

(1.北京市煤炭礦用機電設備技術開發(fā)有限公司， 北京100042；

2.中國礦業(yè)大學(北京) 機電與信息工程學院， 北京100083)

摘要：提出了一種新型的基于微環(huán)諧振器的甲烷傳感器。該傳感器通過微環(huán)表層的穴番A涂層來增加微環(huán)的有效折射率，使微環(huán)諧振器中諧振波長隨甲烷濃度的增加而向右漂移；通過測量輸出光信號的諧振波長推算出甲烷濃度。理論分析結果表明，該傳感器的諧振波長變化范圍在一個自由光譜范圍內(nèi)，甲烷濃度測量范圍為0～15%；對比SOI材料和聚合物材料、單面敏感膜和三面敏感膜的測量結果，得出聚合物材料三面敏感膜微環(huán)的諧振波長變化幅度較大，測量靈敏度為60 pm。

關鍵詞：甲烷傳感器； 甲烷濃度測量； 微環(huán)諧振器； 敏感膜

0引言

氣體檢測最早采用的是電傳感器。電傳感器通過敏感元件將氣體濃度轉換為電參數(shù)進行傳輸。以甲烷傳感器為例，其電傳感器類型有催化燃燒型[1]、半導體型[2]、電化學型[3]。在礦井環(huán)境中，電磁干擾對甲烷電傳感器的影響較大，易導致傳感器誤報、漏報。另外，甲烷電傳感器一般由監(jiān)測分站經(jīng)3芯或4芯礦用電纜供電。《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定，甲烷電傳感器至監(jiān)測分站的最大距離不小于2 km，使得礦用電纜損耗較大。上述問題嚴重制約了甲烷電傳感器在煤礦井下的應用。

光纖傳感器技術[4]的發(fā)展為光纖甲烷傳感器在煤礦井下的應用創(chuàng)造了條件。光纖甲烷傳感器采用光波傳遞信號，不受電磁干擾影響，電氣絕緣性能好，結構簡單，適用于井下惡劣環(huán)境[5]。其類型包括光譜吸收型、染料指示劑型和倏逝波型[6]。其中光譜吸收型光纖甲烷傳感器研究最多，應用較廣，但其光源昂貴,結構復雜,成本較高。染料指示劑型光纖甲烷傳感器易受化學反應速度的限制，對溫濕度有較高要求，應用受限。倏逝波型光纖甲烷傳感器成本較低，結構簡單，近年來成為研究熱點。吳鎖柱[7]在倏逝波理論基礎上研究了一種基于穴番A修飾的模式濾光光纖甲烷傳感器，但其采用的PCS光纖[8]制作難度較大。楊建春等[9]在此基礎上提出了一種應用普通光纖、基于敏感膜折射率變化的纖芯失配型光纖甲烷傳感器，降低了成本。上述光纖甲烷傳感器通過光探測器檢測輸出光強變化來推算折射率，從而得到甲烷濃度，對光纖的入射角及折射角有較高要求，并且在單模光纖和多模光纖的交界處或彎折處會產(chǎn)生光損耗，導致光強因光纖本身的缺陷而減弱，影響檢測精度。本文提出將光波導結構—微環(huán)諧振器應用于甲烷檢測中，研究了一款基于微環(huán)諧振器的甲烷傳感器，為甲烷傳感器的設計提供了一種新思路。

1傳感原理

1.1微環(huán)諧振器結構

圖1為平行波導單環(huán)微環(huán)諧振器結構[10]，其由2條平行波導和1個微環(huán)構成。微環(huán)半徑R=12.488 μm，2條平行波導長度L=100 μm，則微環(huán)的自由光譜區(qū)為18.13 nm。光在微環(huán)中的傳輸過程：光信號從p端進入上平行波導后，在臨近微環(huán)時發(fā)生耦合，使得光功率不斷耦合進入微環(huán)中；耦合進微環(huán)的光不停旋轉，當繞微環(huán)傳輸1周所產(chǎn)生的光程差為波長的整數(shù)倍時，光信號發(fā)生諧振，諧振后的光信號傳輸至微環(huán)與下平行波導臨近區(qū)域時，再次發(fā)生耦合，并沿下平行波導由q端輸出。

圖1　平行波導單環(huán)微環(huán)諧振器結構

1.2傳感過程

基于微環(huán)諧振器的甲烷傳感器基本原理如圖2所示。甲烷濃度由敏感膜來感知。敏感膜相當于微環(huán)的包層，當甲烷與其發(fā)生作用時會引起折射率變化，使得傳播模式的有效折射率變化，最終引起微環(huán)諧振波長漂移。

圖2　基于微環(huán)諧振器的甲烷傳感器基本原理

研究表明，在穴番類化合物中，穴番A在有機溶液中對甲烷具有較強的親合能力[11]，且在6個月內(nèi)具有良好的穩(wěn)定性[7]，因此將穴番A作為微環(huán)表面的敏感膜。當敏感膜與甲烷接觸時，甲烷分子擴散進膜內(nèi)部，并與穴番A發(fā)生非共價鍵相互作用[11]，選擇性地進入穴番A分子的空穴中，引起敏感膜折射率變化，微環(huán)的有效折射率也隨之變化，從而引起諧振波長漂移。研究表明，穴番A的折射率隨甲烷濃度的升高而增大[11-12]，如圖3所示。敏感膜的折射率n與甲烷濃度C幾乎呈線性關系，斜率為0.053，即

n=0.053C+1.412

(1)

圖3　甲烷濃度與敏感膜折射率關系

圖4為微環(huán)橫截面。a，b分別為波導芯的寬度和厚度。設波導芯中心為坐標系原點o，將波導芯分成9個區(qū)域，各區(qū)域折射率均為常數(shù)。為了簡化分析，忽略光功率在陰影部分的傳輸，只討論在其他5個區(qū)域的傳輸情況[13]。

圖4　微環(huán)波導芯橫截面

(2)

式中：n1，n2，n3，n4，n5分別為圖4中微環(huán)波導芯內(nèi)5個非陰影區(qū)域的折射率；k0為真空中的波數(shù)；c2，c3，c4，c5為模式常數(shù)。

(3)

(4)

由式(2)可知，當微環(huán)表面涂敏感膜時，敏感膜感知甲烷濃度變化而產(chǎn)生折射率變化時，會引起傳播模式有效折射率發(fā)生變化。

光在微環(huán)中傳輸時，只有繞微環(huán)傳輸1周產(chǎn)生的光程差為波長整數(shù)倍的光才能發(fā)生諧振而加強，即滿足微環(huán)方程：

(5)

式中：m為諧振級數(shù)；λ為諧振波長。

當微環(huán)有效折射率發(fā)生改變時，諧振波長也會隨之變化，產(chǎn)生諧振波長漂移。

2甲烷濃度測量實驗

2.1波導材料的選擇

在微環(huán)上包層涂穴番A，如圖5所示。

圖5　單面敏感膜微環(huán)橫截面

敏感膜厚度需大于其穿透深度0.482 μm，因此膜厚度取0.5 μm。當敏感膜與甲烷發(fā)生作用時，微環(huán)的有效折射率為

(6)

諧振波長為

(7)

由式(6)—式(7)可知，隨著甲烷濃度的升高，微環(huán)的有效折射率隨之增大，使得諧振波長增大，產(chǎn)生諧振波長漂移。

目前常用的波導材料有SOI材料[15]與聚合物材料。SOI具有包層與波導芯折射率相差大、利于微環(huán)耦合等特點。本文首先選用SOI材料的微環(huán)諧振器，取波導芯折射率n1=3.4，下包層的折射率n2=1.455。此時甲烷濃度測量透射譜如圖6所示。

從圖6可看出，選用SOI材料的微環(huán)諧振器時，敏感膜與甲烷發(fā)生作用后諧振波長無變化，原因是SOI材料中波導芯的折射率比敏感膜與甲烷作用后的折射率大得多，較大的折射率差使微環(huán)的有效折射率變化很小甚至無變化。可見SOI材料不適合作為微環(huán)諧振器的制作材料。

選用聚合物為材料的微環(huán)諧振器，可合成所需折射率值，使波導芯折射率與敏感膜折射率差較小。取聚合物材料波導芯折射率n1=1.627 8，下包層的

(a) 甲烷體積分數(shù)為0

(b) 甲烷體積分數(shù)為15%

折射率n2=1.465。此時甲烷濃度測量透射譜如圖7所示。可見采用聚合物材料的微環(huán)諧振器時，諧振波長有明顯變化。需要注意的是，聚合物材料波導芯與敏感膜折射率差不能太小，否則會影響微環(huán)諧振器的性能。

從圖7可看出，甲烷體積分數(shù)為0時，諧振波長為1.556 1 μm；甲烷體積分數(shù)為15%時，諧振波長為1.556 4 μm，諧振波長向右漂移，變化量為0.3 nm。該變化在自由光譜區(qū)范圍內(nèi)，不影響觀測。可見甲烷濃度升高會引起微環(huán)諧振波長漂移，但是在單面敏感膜條件下，波長漂移幅度不大，難以精確反映甲烷濃度與諧振波長變化量之間的關系，測量靈敏度較低。

2.2敏感膜的增加

從式(4)可看到，當上表層涂敏感膜時，只有n4發(fā)生變化。若將波導左右包層均涂上穴番A作為敏感膜，如圖8所示，即n3，n4，n5均變化，可與甲烷充分接觸發(fā)生反應，使有效折射率變化更加明顯，引起諧振波長漂移量增加。

(a) 甲烷體積分數(shù)為0

(b) 甲烷體積分數(shù)為15%

圖8　三面敏感膜微環(huán)橫截面

此時微環(huán)的有效折射率為

(8)

諧振波長為

(9)

由式(8)、式(9)可知，隨著甲烷濃度的升高，微環(huán)的有效折射率隨之增大，使諧振波長增大，產(chǎn)生波長漂移。

圖9為采用三面敏感膜微環(huán)時甲烷濃度測量透射譜。可看出甲烷體積分數(shù)為0時，諧振波長為1.567 4 μm；甲烷濃度為15%時，諧振波長為1.568 3 μm，諧振波長向右漂移，波長變化量為0.9 nm，在自由光譜區(qū)范圍內(nèi)。可見當甲烷濃度升高時，三面敏感膜產(chǎn)生的諧振波長漂移量為單面敏感膜的3倍，測量靈敏度較高。

2.3傳感器的選擇性

在進行氣體檢測時，空氣中含有較多的CO，CO2，N2，O2等。圖10為該基于敏感膜折射率變化的甲烷傳感器測量幾種氣體時的透射譜。可看出該傳感器對CO，CO2，N2，O2幾乎無響應，即在檢測甲烷濃度時不受其他氣體干擾，對甲烷氣體表現(xiàn)出良好的選擇性。

(a) 甲烷體積分數(shù)為0

(b) 甲烷體積分數(shù)為15%

(a)CO(b)CO2

(c)N2(d)O2

圖10甲烷傳感器測量其他氣體時的透射譜

3實驗結果分析

由以上分析可知，由聚合物材料制成的微環(huán)諧振器，其波導芯折射率n1=1.627 8，下包層的折射率n2=1.465，若三面涂有敏感膜，在測量甲烷濃度時的諧振波長變化范圍在一個自由光譜區(qū)范圍內(nèi)，可得出甲烷濃度與諧振波長之間的關系，如圖11所示。可見在甲烷爆炸極限范圍內(nèi)，諧振波長λ與甲烷濃度C呈線性關系，如式(10)所示。測量靈敏度為60 pm，測量范圍為0～15%。

λ=6.0×10-5C+1.567 5

(10)

圖11　甲烷濃度與諧振波長的關系

4結語

在微環(huán)諧振器的基礎上，設計了一種基于敏感膜折射率變化的甲烷傳感器，通過測量輸出光信號的諧振波長，推算出甲烷濃度。理論分析表明，該傳感器的諧振波長變化范圍在一個自由光譜區(qū)范圍內(nèi)，測量范圍為0～15%；對比SOI材料與聚合物材料、單面敏感膜和三面敏感膜的測量情況，得出三面敏感膜聚合物材料微環(huán)的諧振波長變化幅度較大，測量靈敏度為60 pm。

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網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/32.1627.TP.20160126.1544.009.html

Methane sensor based on micro-ring resonator

WANG Wenqing1，WANG Xiaolu2,TIAN Zijian2

(1.Beijing Coal Mining Electric Equipment Technical Development Co., Ltd.，Beijing 100042, China；

2.School of Mechanical Electronic and Information Engineering, China University of Mining

and Technology(Beijing),Beijing 100083, China )

Abstract：A new type of methane sensor was proposed which was based on micro-ring resonator. The sensor is coated cryptophane A on micro-ring surface to increase effective refractive index of the micro-ring, so as to make resonance wave length in the micro-ring resonator drift towards the right along with methane concentration increasing. Methane concentration is gotten by measuring the outputted resonance wave length. The theoretical analysis results show that change of the outputted resonance wave length of the sensor is within a free spectral range, and methane concentration measuring range is 0～15%. By comparing measurement results of SOI material and polymer material, single sensitive film and three sensitive films, a conclusion is gotten that polymeric material micro-ring with three sensitive films has larger variation width of resonance wave length, which has measurement sensitivity of 60 pm.

Key words:methane sensor; methane concentration measurement; micro-ring resonator; sensitive membrane

作者簡介：王文清(1963-)，男，北京人，教授級高級工程師，碩士，主要從事煤礦井下安全檢測方面的工作，E-mail:wwq@bgy.org.cn。

基金項目：國家自然科學基金資助項目(U1261125)；北京市教育委員會創(chuàng)新團隊建設提升計劃資助項目(IDHT20130511)。

收稿日期：2015-12-02；修回日期：2015-12-27；責任編輯：李明。

中圖分類號：TD712.55

文獻標志碼：A網(wǎng)絡出版時間：2016-01-26 15:44

文章編號：1671-251X(2016)02-0034-05

DOI:10.13272/j.issn.1671-251x.2016.02.009

王文清，王曉璐，田子建.基于微環(huán)諧振器的甲烷傳感器[J].工礦自動化，2016,42(2)：34-38.