一种基于多孔硅微腔光学特性的气体传感器的研究_李志全

分析上面的公式可知 : 有机物蒸汽凝聚在多孔 硅内的体积是相对蒸汽压力以及有机物蒸汽本身物 理特性的函数, 在蒸汽压力饱和的情况下, 有机物蒸 汽在孔内的液化体积分数取决于有机物本身的物理 和化学特性. 1. 3 多孔硅微腔的传感模型
机物, 引起微腔各多孔硅层有效折射率的变化不同, 从而使反射谱吸收峰峰位的变化也不同 , 这样就可 以实现对有机物蒸汽分子的检测 .
第1期
李志全, 张
冉等: 一种基于多孔硅微腔光学特性的气体传感器的研究
55
孔内渗透的气体 , 常用 Brug geman 介电常数近似理 论[ 8] 来近似计算多孔硅层的有效介电常数 . 在未吸附气体时, 多孔硅可以简化为硅与空气的 均匀混合体 , 有效折射率可以从式( 1) 中计算出来. 2 2 2 2 n si - neffo n air - neffo ( 1- f ) 2 + f = 0 ( 1) 2 ns i + 2 n2 effo n2 air + 2n effo 式中 : f ) 多孔硅薄膜的多孔度; E si ) 体硅的折 射率 ; E air ) 空气的介电常数 , 取 1; 在吸附有机物蒸汽后 , 将在多孔硅的孔内发生 毛细冷凝作用, 有机物蒸汽在多孔硅薄膜的孔内液 化, 此时, 假设多孔硅孔内凝聚有机物的体积分数为 V ( 0 < V < f ) , 多孔硅薄膜就变成了有机物、 空气、 硅三者的混合体 , 其有效介电常数为: 2 2 n2 si - neff1 n2 air - neff1 ( 1- f ) 2 + (f - V ) 2 2 ns i + 2 neff1 n air + 2n 2 eff1
k= 1
FM
k
随着有机物蒸汽相对压力 P W / P N 的逐渐增大 , 在多孔硅表面的有机物蒸汽将由单分子层吸附发展 为多分子层吸附 , 由于多孔硅表面细孔的存在 , 便会 发生毛细管凝聚 [ 9] , 蒸汽变为液态, 存在于多孔硅薄 膜的细孔中, 这种现象可用 Kelvin 公式描述 . C W rk = ( 4) R T ln ( P w / P N ) 式中 : r k ) ) ) Kelv in 半径; C) ) ) 液态有机物的 表面 张力; W ) ) ) 有机物的分子 量; R ) ) ) 气体 常 数; P N ) ) ) 饱和状态有机物蒸汽的气压 ; P w ) ) ) 当 前有机物蒸汽的分压 ; 假设多孔硅的孔均为圆柱形, 且半径尺寸大小 不同 . 常用对数正态分布来模拟多孔硅薄膜上孔的 尺寸分布 , 可表示如下式 : 1 ( ln r - lnr g ) exp ( 5) ln ( R g 2P ) 2ln2 ( R g) 式中 : r g ) 半径 r 的几何平均值 ; ln R g ) lnr 的标 准差 ; 因此多孔硅薄膜孔内凝聚的体积为 : f (r) = V =
多孔硅微腔是一种典型的多层多孔硅结构, 在 两个完全对称的多孔硅 Bragg 反射镜中间加入一个 高多孔度的发光层, 且多孔硅 Bragg 反射镜与发光 层的光学厚度满足以下关系 : n H d H = nL d L = K 0/4 ( 7) n AC d A C = mK 0/2 式中: nH 、 nL 、 nA C 分别是两个对称分布的 Bragg 反 射镜的高、 低折射率和中心层的折射率; dH 、 dL 、 d AC 分 别是两个对称分布的 Bragg 反射镜高低折射率层的厚
2
N ) ) ) 多孔硅 Brag g 反射镜的层数; 1 微腔的硅衬底可用列矩阵 描述, G si ) ) ) 硅 Gsi 衬底的导纳 , 即体硅的折射率. 2N+ 1 B cos D k isin D k/G k 1 = F k= 1 C iGk sin D k cosD k ns i M 11 M 12 1 11 M + ns i M 12 = = ( 9) M 21 M 22 n si M 12 + ns i M 22 则多孔硅微腔的反射率为: 2 nair B - C R= n air B + C nair M 11 + n air n si M 12 - M 12 - ns i M 22 = ( 10) nair M 11 + n air n si M 12 + M 12 + ns i M 22 从反射谱公式可以看出 , 反射率由入射光的波 长、 各多孔硅层的有效折射率以及厚度决定. 在入射 波长与各层厚度一定的情况下, 反射率只取决于各多 孔硅层的有效折射率. 在未吸附有机物蒸汽时, 多孔 硅微腔的反射谱吸收峰的峰位取决于微腔中心层的
Abstract: When t he po rous silico n is ex posed to vapor o f several o rganic species, t he aver ag e ref ract ive in dex of t he micro cavit y is increased, ascribed t o capillary co ndensat ion of the v apor in t he silicon pore, re sult in diff erent resonant peak shift values in t he ref lect iv it y spectr a. In t his w o rk, w e set up sensing mo del of PSM s by applying t he Brug geman ef f ectiv e m edium appr oxim at ion t heory and t he met hod o f t ransf er ence m at rix . U sing ex periment al set up t o measure the reflectivit y spectr um of SPM s, ex perimental r esults pro ve t hat it is a f easible o pt ical sensor f or org anic species det ect ing . Resolut io n of t he PSMs sensor is hig h, response t ime and resume t ime is sho rt and w ell repetit ion. Key words: por ous silicon m icrocavit ies( PSM s) ; species det ect ing; tr ansfer m at rix ; Br ug geman ef f ect iv e me dium approx imat io n t heory ; capillary condensat io n; ref lect ivit y spectra EEACC: 7230L
关键词: 多孔硅微腔; 种类辨别; 传输矩阵 ; Brugg eman 介电常数 近似理论; 毛细冷凝; 反射谱 中图分类号: TN304. 52 文献标识码 : A 文章编号 : 1004 - 1699( 2007) 01 -0054 - 04 触等优点, 且可以避免复杂的电极制作、 以及电接触 引起的爆炸 , 燃烧等危险, 安全性更强. 本文以多孔 硅微腔作为传感元件 , 对其传感特性进行了实验研 究 , 证明了多孔硅微腔可以实现对有机物分子的检 测 , 在室温下 , 表现出很好的传感特性 .
L I Zhi-q uan 1* , ZH A N G Ran 1 , ZH A N G L e-x i n 2 , Y A N G H ong -y an 1 , ZH U Dan - dan 1 , BA I Zhi-hua 1
1. D ep ar tmen t of I nstru ment S ci ence and E ngi neer ing , Q i nhuang dao H ebei 066004, Chi na; 2. S at e K ey L a borat or y of M e tast abl e M at eri al s S ci ence and T echnol og y , Col l ege of M a ter ial s Sci ence and Eng inee r , Yanshan Uni v ersi ty , Qi nhuang dao H ebei 066004, Chi na
近几年来, 多孔硅由于其巨大的比表面积以及 独特的形貌结构 , 受到了传感领域的广泛重视 , 多孔 硅气敏传感器检测原理主要以不同气体中, 多孔硅 物理特性的变化为基础, 当气体分子吸附到多孔硅 表面时, 将使多孔硅的光致发光强度、 反射谱、 电导 率、 电容等物理参数发生变化 , 利用这些光学或电学 参量的变化, 已研发出多种多孔硅气敏传感器 [ 1- 7] , 但目前仍处在实验室研究阶段 . 多孔硅光学气敏传感器相对于基于电学原理的 多孔硅传感器, 具有灵敏度高、 抗干扰能力强, 无接
0 = d AC nAC . 光学厚度, 初始反射谱吸收峰的峰位 K 当有机物蒸汽连续充入放有多孔硅微腔的气室 中时, 会在微腔的各多孔层发生毛细冷凝作用, 最终 达到动态平衡时, 将在多孔硅微腔的每一层形成一 个均匀的浓度分布. 由于多孔硅孔内凝聚了不同有
Qf ( r ) Pr dr
k
r
2
0
( 6)
gas eff1 + V n2 - n 2 = 0 ( 2) ngas + 2n eff1 吸附有机物蒸汽后,wenku.baidu.com多孔硅有效折射率为 : neff1 = = neff0 + aV + bV 2 ( 0 < V < f ) ( 3) 参数 a 与 b 可从公式( 2) 中解出. 1. 2 毛细冷凝作用 2 2
第 20 卷 第 1 期 2007 年 1 月
传 感 技 术 学 报
CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACT UATORS
Vol. 20 No. 1 Jan. 2007
Study on a Gas Sensor Based on the Optical Character of Porous Silicon Microcavities*
0 是多孔硅微腔的中心波长. 度和中心层的厚度; K 微腔第 k 层多孔硅薄膜的传输矩阵可表示为: co sD k isin D k/ G k Mk = ( 8) k k k iG sin D cos D 2Pnk dk 在入射光正入射的情况下, D k = ;G k = nk K 2N+ 1
整个微腔的传输矩阵: M R =
的变化 , 从而导致多孔硅微腔反射谱吸收峰峰位的变化 . 本 文主要 利用 Brug geman 介电 常数近 似理论 与传输 矩阵的 方法 , 建 立了多孔硅微腔的传感模型 . 使用多孔硅微腔 的反射谱实验装置对多孔硅微腔进行 了传感实 验 , 结果 证明多孔 硅微腔传感 元 件可以实现对有机物蒸汽的检测 , 且分辨率较 高 , 响应时间和恢复时间短 , 可重复性好 .
一种基于多孔硅微腔光学特性的气体传感器的研究*
李志全1* , 张 冉1 , 张乐欣2 , 杨红艳1 , 朱丹丹1 , 白志华1
1. 燕山大学仪器科学与工程系 , 河北 秦皇岛 066004; 2. 燕山大学材料科学与工程学院亚稳材料国家重点实验室 , 河北 秦皇岛 066004
摘
要: 当有机物分子吸附到多 孔硅表面时, 由于有机物分子在多孔硅的孔内的毛 细冷凝作 用, 将引 起多孔硅 层有效折射 率
基金项目 : 国家自然科学基金资助 ( 60377002) 收稿日期 : 2006 - 01 - 09 修改日期 : 2006 - 03 - 21
1
多孔硅微腔传感理论基础
1. 1 Bruggeman 介电常数近似理论 多孔硅材料可以看成是一种复杂的介电材料, 其介电特性取决于多孔硅材料本身的晶格结构以及