光学晶体气体检测系统及多孔硅褶皱光学晶体的制备方法

摘要

一种光学晶体气体检测系统，其特征在于，包括多孔硅褶皱光学晶体、测试腔体、探头以及光谱仪，所述多孔硅褶皱光学晶体置于所述测试腔体内，所述多孔硅褶皱光学晶体是简单型的多孔硅褶皱光学晶体或复合型的多孔硅褶皱光学晶体，所述多孔硅褶皱光学晶体表面在所述测试腔体内是裸露的，所述探头用于探测所述多孔硅褶皱光学晶体发出的光学信号，所述光谱仪与探头连接，用于测量所述探头探测到的光学信号。采用测试腔体与多孔硅褶皱光学晶体直接组成的传感系统，无需复杂加工过程、易于实现、成本低、灵敏度高、检测速度快、可重复使用、不存在试剂问题，便于推广应用。此外还提供一种多孔硅褶皱光学晶体的制备方法。

说明书

【技术领域】

本发明涉及气体检测系统，尤其涉及一种利用光学晶体的气体检测系统， 还涉及一种多孔硅褶皱光学晶体的制备方法。

【背景技术】

传统酒精检测方法主要是分光光度法、气相色谱法、化学法、高效液相色 谱法、酶电极法、酶联免疫法和染料电池法。传统的检测方法受限于仪器设备、 试剂、试验条件，操作高技术要求，存在酶活性寿命等问题，难以推广使用。

以酒精检测为例，酒精(分子式为C₂H₆O)，是酒的主要成分，大量进入人 体会造成多种事故甚至危及生命，同时也是一种易挥发的可燃气体，随着科学 发展和人类生活水平的提高，其检测问题日益引起人们的重视，因此发展高品 质的气体传感器非常重要。

【发明内容】

基于此，有必要提供一种快速、高灵敏、可重复使用、低成本的高质量气 体检测系统。

一种光学晶体气体检测系统，包括多孔硅褶皱光学晶体、测试腔体、探头 以及光谱仪，所述多孔硅褶皱光学晶体是简单型的多孔硅褶皱光学晶体或复合 型的多孔硅褶皱光学晶体，所述多孔硅褶皱光学晶体置于所述测试腔体内，所 述多孔硅褶皱光学晶体表面在所述测试腔体内是裸露的，所述探头用于探测所 述多孔硅褶皱光学晶体发出的光学信号，所述光谱仪与探头连接，用于测量所 述探头探测到的光学信号。

优选地，所述简单型的多孔硅褶皱光学晶体是由多个折光系数呈正弦波型 变化层构成的重复性单一型多孔硅褶皱光学结构晶体。

优选地，所述复合型的多孔硅褶皱光学晶体是由多个折光系数呈正弦波整 合波型构成的多层复合型多孔硅褶皱光学结构晶体。

优选地，所述测试腔体包括用于容置所述多孔硅褶皱光学晶体的容置部和 与所述容置部密封连接的透明上盖，所述容置部开设有进气孔和出气孔。

优选地，所述光学信号为折射率、光致发光、双折射或光波导引起的特征 峰光谱漂移量；

所述特征峰光谱漂移量随气体浓度和气体种类变化形成检测矩阵，根据所 述检测矩阵对比查找检测气体的浓度对应值和分辨气体种类及特征。

基于此，还有必要提供一种制备简单、价格低廉的多孔硅褶皱光学晶体的 制备方法。

一种多孔硅褶皱光学晶体的制备方法，包括以下步骤：

将待加工硅片固定放置在电化学刻蚀槽内；

在所述电化学刻蚀槽内加入氢氟酸和乙醇的混合液作为刻蚀液；

将所述待加工硅片和电化学刻蚀槽内的惰性金属电极分别连接在电流源的 正极和负极上；

所述电流源输出一个正弦波形电流对所述待加工硅片进行刻蚀，得到简单 型的多孔硅褶皱光学晶体；

或所述电流源输出几个不同周期的正弦波形整合后的电流对所述待加工硅 片进行刻蚀，得到复合型的多孔硅褶皱光学晶体。

优选地，所述待加工硅片固定放置在电化学刻蚀槽内的步骤之前，还包括 去除待加工硅片表面氧化层的步骤。

优选地，所述待加工硅片为(100)晶面、掺杂类型为p型的硅片，电阻率 ＜0.01Ω·cm。

优选地，所述刻蚀液是由体积比为3∶1的氢氟酸与乙醇混合而成，所述氢氟 酸混合前的浓度为25％-51％。

优选地，所述电流源输出的正弦波形电流密度幅度处于10～50mA·cm²之间， 周期2～15秒，循环30次。

上述光学晶体的气体检测系统主要是基于多孔硅褶皱光学晶体对气体进行 定量检测，该装置包括多孔硅褶皱光学晶体、测试腔体、探头和光谱仪。其中 多孔硅褶皱光学晶体是核心检测器件，置于测试腔体内，探头用于检测所述多 孔硅褶皱光学晶体的光学信号，光谱仪通过测量光学信号并通过检测矩阵分析 可得到检测气体的浓度。采用测试腔体与多孔硅褶皱光学晶体直接组成的传感 系统，无需复杂加工过程、易于实现、成本低、灵敏度高、检测速度快、可重 复使用、不存在试剂问题，便于推广应用。

【附图说明】

图1为光学晶体的气体检测系统示意图；

图2为测试腔体的结构示意图；

图3为多孔硅褶皱光学晶体的制备方法流程图；

图4为制备简单型多孔硅褶皱光学晶体的刻蚀电流密度-时间示意图；

图5为制备复合型多孔硅褶皱光学晶体的刻蚀电流密度-时间示意图；

图6为含三个特征峰的复合型多孔硅褶皱光学晶体的反射谱。

【具体实施方式】

多孔硅褶皱光学晶体(Porous silicon rugate filter，PSRF)包括一系列孔隙率 与折射系数在截面呈正弦波状或者整合正弦波状变化的光学结构，PSRF在室温 下可发射可见光，具有一个或者多个非常明显的特征峰，其半峰宽度窄。多孔 硅褶皱光学晶体具有大的比表面积、毛细凝集作用、可重复利用、形貌好、易 于加工、表面附着分子后光学特征明显等多个优越的特性。

如图1所示，为一个实施例中的光学晶体气体检测系统示意图。光学晶体 气体检测系统100包括多孔硅褶皱光学晶体110、测试腔体120、探头130及光 谱仪140。多孔硅褶皱光学晶体100是简单型的多孔硅褶皱光学晶体或复合型的 多孔硅褶皱光学晶体。多孔硅褶皱光学晶体110置于测试腔体120内，多孔硅 褶皱光学晶体110表面在测试腔体120内是裸露的。探头130用于探测多孔硅 褶皱光学晶体110发出的光学信号，光谱仪140与探头130连接，用于测量探 头130探测到的光学信号。

在本实施例中，简单型的多孔硅褶皱光学晶体是由多个折光系数呈正弦波 型变化层构成的重复性单一型多孔硅褶皱光学结构晶体。复合型的多孔硅褶皱 光学晶体是由多个折光系数呈正弦波整合波型构成的多层复合型多孔硅褶皱光 学结构晶体。

在本实施例中，光谱仪140测量探头130探测到的光学信号为折射率、光 致发光、双折射或光波导引起的特征峰光谱漂移量。特征峰漂移量随气体浓度 和气体种类变化形成检测矩阵，检测矩阵是峰位-浓度相关的多孔硅褶皱光学晶 体特征峰漂移量的矩阵。测出光谱的初始峰位和测出通入待测气体后的特征峰 漂移量，对照峰位-浓度相关的多孔硅褶皱光学晶体特征峰漂移量的矩阵，即可 查找出待测气体的浓度的对应值和分辨气体种类及特征。

本实施例中，光学晶体的气体检测系统100主要是基于多孔硅褶皱光学晶 体110对气体进行定量检测。其中，多孔硅褶皱光学晶体110是核心检测器件， 置于测试腔体120内，探头130探测到多孔硅褶皱光学晶体110发出的光学信 号后，传送给光谱仪140，光谱仪140通过测量光学信号并通过检测矩阵对比可 得到待检测气体的浓度。采用测试腔体120与多孔硅褶皱光学晶体110直接组 成的传感系统，无需复杂加工过程、易于实现、成本低、灵敏度高、检测速度 快、可重复使用、不存在试剂问题，便于推广应用。

在本实施例中，光谱仪140采用光纤光谱仪，探头130为光纤探头。

上述光学晶体气体检测系统除可以用于酒精检测外，还可以检测其他的气 体，并可以将系统应用于生物、污染物、食品安全等相关领域的检测。

如图2所示，为一个实施例中测试腔体的结构示意图。测试腔体120包括 用于容置多孔硅光学晶体的容置部121和与容置部121密封连接的透明上盖 124，容置部121开设有进气孔122和出气孔123。测试腔体120还包括螺纹紧 固件125和密封圈126。容置部121包括上、下两部分，螺纹紧固件125将上、 下两部分固定连接。密封圈套合于透明上盖124上，且被夹于容置部121的上、 下两部分间，用于进行密封。

容置部121用于容置多孔硅光学晶体，并设有进气孔122和出气孔123。在 检测气体的时候，将待检测气体通入进气孔122，容置部121内的多孔硅光学晶 体对待检测气体检测完毕后，检测气体从出气孔123排出容置部121。在检测气 体的过程中，容置部121除进气孔122可以进入气体外，整个容置部121为密 封状态，排除其他气体干扰。

在本实施例中，测试腔体120的材料为不锈钢、铜或聚合材料等。测试腔 体120的透明上盖124的材料为聚二甲基硅氧烷、石英玻璃或有机玻璃。

如图3所示，为一种多孔硅褶皱光学晶体的制备方法，包括以下步骤：

步骤S210，将待加工硅片固定放置在电化学刻蚀槽内。

在一个实施例中，待加工硅片为(100)晶面、掺杂类型为p型的硅片，电 阻率＜0.01Ω·cm。在执行步骤S210之前，还包括去除待加工硅片表面氧化层的 步骤。通过洗涤剂、去离子水、乙醇超声清洗后，用5％氢氟酸的乙醇溶液浸泡 5min，以此来去除待加工硅片表面氧化层。

步骤S220，在电化学刻蚀槽内加入氢氟酸和乙醇的混合液作为刻蚀液。

在一个实施例中，刻蚀液是由体积比为3∶1的氢氟酸溶液与乙醇混合配制而 成，配制用的氢氟酸溶液浓度为25％-51％。优选地，氢氟酸的浓度为25％、30％、 48％和51％。

步骤S230，将待加工硅片和电化学刻蚀槽内的惰性金属电极分别连接在电 流源的正极和负极上。

在一个实施例中，电化学刻蚀槽内的惰性金属电极可以是铜、银、铂或者 金等金属材料制成的电极。优选地，电化学刻蚀槽内的惰性金属电极为铂电极。 在本实施例中，电流源由电化学工作站、Keithly2004数字源表或安捷伦直流电 源分析仪提供。待加工硅片与电流源正极相连，电化学刻蚀槽内的铂网与电流 源的负极相连。

步骤S240，电流源输出一个正弦波形电流对待加工硅片进行刻蚀，得到简 单型的多孔硅褶皱光学晶体；

所述电流源输出几个不同周期的正弦波形整合后的电流对所述待加工硅片 进行刻蚀，得到复合型的多孔硅褶皱光学晶体。

在一个实施例中，电流源输出的正弦波形电流密度通过计算机程序调控。 电流密度是按照正弦波形呈周期性变化，电流密度的周期、频率、波幅和周期 数都是可以调控的，并以此来调整多孔硅褶皱光学晶体的峰位。

基于上述实施例，一个独立的正弦波形电流密度形成简单型多孔硅褶皱光 学晶体，反射谱具有一个特征峰。多个正弦波整合后的电流密度刻蚀形成复合 型多孔硅褶皱光学晶体，含有相应的多个特征峰。如图6所示，反射谱含有三 个特征峰。

如图4所示，为制备简单型的多孔硅褶皱光学晶体的刻蚀电流密度-时间示 意图。在一个实施例中，将待加工硅片固定放置在电化学刻蚀槽内，然后在电 化学刻蚀槽内加入氢氟酸和乙醇的混合液作为刻蚀液，将待加工硅片和惰性金 属电极分别连接在电流源的正极和负极，电流源输出的独立正弦波形电流对待 加工硅片进行刻蚀，得到简单型的多孔硅褶皱光学晶体。

在本实施例中，刻蚀的条件控制如下：用电流密度幅度处于10～50mA·cm^-2之间的正弦波形电流进行刻蚀，正弦波周期为2～15秒，以此循环30次，制备成 简单型的多孔硅褶皱光学晶体，其特征峰光谱的波段可以是处于紫外区、可见 区或者近红外区的波段。刻蚀完成的简单型的多孔硅褶皱光学晶体需要用乙醇 和去离子水进行清洗后晾干。

如图5所示，为制备复合型的多孔硅褶皱光学晶体的刻蚀电流密度-时间示 意图。基于上述实施例，制备复合型多孔硅褶皱光学晶体除了输出电流波形与 制备简单型多孔硅褶皱光学晶体不同以外，其制备原理基本相同。制备复合型 多孔硅褶皱光学晶体的电流密度波形是多个不同周期的正弦波整合后的电流波 形。刻蚀完成的复合型的多孔硅褶皱光学晶体的反射光谱具有多个特征峰。

在上述实施例中，制备多孔硅褶皱晶体的电流密度幅度也可以采用2～110 mA·cm^-2、150～250mA·cm^-2、30～45mA·cm^-2、5～109mA·cm^-2、38.9～192.3 mA·cm^-2、8.3～38mA·cm^-2、19～95mA·cm^-2、11.3～56.8mA·cm^-2、11.5～19.2 mA·cm^-2、11.5～34.6mA·cm^-2、2.5～115mA·cm^-2等之间的值来制备多孔硅褶皱 光学晶体。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细， 但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域 的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和 改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附 权利要求为准。