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《燕山大学》 2007年
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多孔硅光子晶体的气体传感技术的研究

张乐欣  
【摘要】: 多孔硅薄膜传感技术是20世纪90年代发展起来的一门新的传感技术,早期的研究大多集中在多孔硅薄膜的电学特性变化来实现对易挥发有机气体的探测。但是在恶劣环境下电学接触会引发爆炸或火灾,人们在完善多孔硅电子测量的同时也在寻求一种新的传感模式从根本上解决这一问题,因此研究了以多孔硅光子晶体为核心的气体传感技术。 首先从多孔硅材料的物理学基础入手,阐述了理论和实验方法确定多孔硅光学常数的基本原理,给出了多孔硅光学常数的定义,利用Kramers-Kroning关系得到多孔硅材料光学常数之间的联系,以一维光子晶体传输矩阵方法为基础,研究了三种典型结构的一维多孔硅光子晶体的光学传输特性,利用Matlab仿真的方法,讨论了光子晶体结构参数、入射角以及缺陷层引入方式对光子晶体反射特性的影响,得出了一些具有一定意义的结论,为设计多孔硅光子晶体器件以及光学传感器件提供了重要的理论基础。 深入研究了有机蒸汽分子在多孔硅材料中的吸附特性,根据吸附等温线的迟滞性,确定毛细冷凝为主要的吸附机制,提出两种有机蒸汽分子在多孔硅光子晶体结构中的渗透模型,并验证了均匀吸附模型的正确性。在此基础上,以一维多孔硅光子晶体中的单微腔结构作为研究对象,建立其有机蒸汽传感理论模型,并进行了数值模拟。 采用脉冲电化学腐蚀法制备出性能优良的多孔硅层,并建立了多孔硅反射谱测量系统,测量多孔硅反射谱,根据推导的各种光学常数间关系,从实验的角度确定了实验用多孔硅样品的光学特性谱图,论述入射波长和孔隙率对其光学性能的影响,为进一步优化多孔硅光学性能,研究基于光学特性的多孔硅气体传感器打下了基础。 最后,对实验参数进行正交优化,采用脉冲电化学腐蚀方法制备多孔硅微腔样品;设计了多孔硅微腔的实验传感系统,以几种易燃易爆有机蒸汽作为测试对象,利用设计的反射谱光学测量系统对有机蒸汽种类、蒸汽浓度以及传感响应特性进行了实验研究,证明了多孔硅微腔作为一种新型的光学传感器可实现对有机蒸汽种类和浓度的测量。 理论和实验结果表明,利用多孔硅光学特性-反射谱的漂移特性研究多孔硅气体传感技术是一种新颖的方法,避免了由于电传感器测量引起的气体爆炸甚至火灾,并且简单易行,获得较高的测量精度和灵敏度。
【学位授予单位】:燕山大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2007
【分类号】:TP212.1

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