基于氧化锌涂层无芯光纤的氨气传感器研究

为实现大气污染物中氨气（NH3）的快速、准确测量，本文提出了一种基于氧化锌（ZnO）涂层单模-无芯-单模（SNS）光纤结构的高灵敏度NH3传感器。该传感器利用的是ZnO膜层吸附NH3后自身折射率改变，进而导致无芯光纤干涉谱谐振波长发生变化的特性。通过建立NH3体积分数与谐振波长偏移量的关系，最终实现了NH3体积分数的测量。本文基于模式传输理论对ZnO涂层SNS传感器的光谱特性进行了仿真，仿真结果显示：当ZnO膜层的折射率从1.929变化至1.889时，60 nm和130 nm ZnO膜厚下SNS传感器的灵敏度分别为11.8 nm/RIU和28.6 nm/RIU。制备了ZnO膜厚分别为60 nm和130 nm的SNS传感器，其在NH3体积分数为0~42.0×10-6环境下的灵敏度相差不大，这主要是由ZnO对NH3的吸附饱和引起的。进一步分析获得60 nm ZnO膜厚下SNS传感器的平均灵敏度为16.87×106 pm，检测限为6.6×10-6，响应时间和恢复时间分别为70 s和90 s。随着温度由16.5 ℃升至56 ℃，该传感器对NH3的检测灵敏度从17.96×106 pm降低至7.57×106 pm，温度和时间对检测限的影响分别为0.0237×10-6 ℃-1和0.026×10-6 d-1，该传感器具有较好的稳定性。