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波长调制型PMMA光波导SPR折射率传感器设计

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半导体光电 2024年

作者：于永浩孔梅长春理工大学物理学院长春理工大学物理学院

光波导表面等离激元共振（SPR）传感器具有尺寸小、免标记、易集成等优点。文章设计了一种基于波长调制方法的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）脊型波导SPR传感器,并对其关键参数进行了优化。分析结果表明,该传感器在待测液折射率为1.33～1.45... 详细信息

光波导表面等离激元共振（SPR）传感器具有尺寸小、免标记、易集成等优点。文章设计了一种基于波长调制方法的聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）脊型波导SPR传感器,并对其关键参数进行了优化。分析结果表明,该传感器在待测液折射率为1.33～1.45的范围内能够稳定工作,在高折射率检测区,传感器展现出了高达10220nm/RIU的灵敏度和173RIU-1的高品质因数。

关键词：表面等离激元共振折射率传感聚甲基丙烯酸甲酯光波导传感器

MB-硬脂酸复合薄膜光波导传感器检测氯化氢气体

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高等学校化学学报 2012年第10期33卷 2173-2177页

作者：艾拜拉·热合曼阿斯娅·克里木帕提曼·亚森帕提曼·尼扎木丁阿达来提·阿不都热合曼阿布力孜·伊米提新疆大学化学化工学院乌鲁木齐830046 新疆师范大学化学化工学院乌鲁木齐830054

利用旋转甩涂法将亚甲基蓝(MB)掺杂的硬脂酸溶液涂成薄膜固定在钾离子(K+)交换玻璃光波导表面上,研制了MB-硬脂酸复合薄膜/K+交换玻璃光波导传感器,并对酸性气体进行了检测.该复合薄膜与氯化氢(HCl)气体作用时,薄膜颜色从深蓝色变为浅蓝... 详细信息

利用旋转甩涂法将亚甲基蓝(MB)掺杂的硬脂酸溶液涂成薄膜固定在钾离子(K+)交换玻璃光波导表面上,研制了MB-硬脂酸复合薄膜/K+交换玻璃光波导传感器,并对酸性气体进行了检测.该复合薄膜与氯化氢(HCl)气体作用时,薄膜颜色从深蓝色变为浅蓝色,导致薄膜对倏逝波的吸收降低,使传感器的输出光强度增强.结果表明,在室温下该传感器对低浓度的氯化氢气体仍具有较好的重复性和选择性响应,可检测到体积分数为1×10-6%的HCl气体,响应和恢复时间分别为7和20 s,相对标准偏差为±6.06%.该传感器具有灵敏度高、响应-恢复速度快、可逆性好、成本低和容易制备等特点。

关键词：光波导传感器氯化氢气体旋转甩涂法亚甲基蓝-硬脂酸复合薄膜

八乙基卟啉锌薄膜玻璃光波导传感器的制备及气敏性研究

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传感技术学报 2019年第1期32卷 8-12页

作者：塔吉古丽.依马木买买提赛亚尔.库西马克帕提曼.尼扎木丁玛丽娅.马木提肖开提.阿布力孜阿布力孜.伊米提新疆大学化学化工学院乌鲁木齐830046

利用旋转-甩涂法(spin-coating)将八乙基卟啉锌薄膜固定在K+交换玻璃光波导表面,制成八乙基卟啉锌膜/K+交换玻璃光波导敏感元件。优化敏感元件的制备条件,检测了16种有机挥发性气体的选择性响应。实验结果表明,该敏感元件对甲苯具有较... 详细信息

利用旋转-甩涂法(spin-coating)将八乙基卟啉锌薄膜固定在K+交换玻璃光波导表面,制成八乙基卟啉锌膜/K+交换玻璃光波导敏感元件。优化敏感元件的制备条件,检测了16种有机挥发性气体的选择性响应。实验结果表明,该敏感元件对甲苯具有较高的灵敏度,检测限为1×10-9(V/V0; V:被检测气体体积,V0:空气体积)体积比,信噪比S/N=3.88,响应时间和回复时间分别为2.4 s和11 s,平行测定五次试验,其结果具有良好的线性关系(R=0.994 8),相对标准偏差RSD=1.24%,八乙基卟啉锌薄膜厚度为(120±5) nm,折射率为1.753 5。

关键词：八乙基卟啉锌光波导传感器甲苯敏感元件

基于四苯基卟啉铁敏感膜的玻璃光波导传感器对乙二胺的响应特性

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应用化学 2017年第7期34卷 847-854页

作者：王佳明姑力米热.吐尔地燕音拜祖拉.衣不拉衣阿吉阿布力孜.伊米提新疆大学化学化工学院乌鲁木齐830046 喀什大学化学与环境科学学院新疆喀什844006

为检测食品变质过程中产生的乙二胺气体,采用Alder法合成了四苯基卟啉和四苯基卟啉铁化合物,通过核磁(~1H NMR)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、红外光谱(IR)、紫外可见光谱(UV-Vis)等手段对其进行表征,并以四苯基卟啉铁作为敏感试剂,... 详细信息

为检测食品变质过程中产生的乙二胺气体,采用Alder法合成了四苯基卟啉和四苯基卟啉铁化合物,通过核磁(~1H NMR)、场发射扫描电子显微镜(FE-SEM)、红外光谱(IR)、紫外可见光谱(UV-Vis)等手段对其进行表征,并以四苯基卟啉铁作为敏感试剂,利用旋涂法制备了四苯基卟啉铁薄膜/K+交换玻璃光波导传感元件,对多种气体进行检测。结果表明:该传感元件对乙二胺气体具有较好的选择性响应,较高的灵敏度,在1×10^(-10)~1×10^(-4)(V/V_0;V:被检测气体体积,V0:空气体积)体积比范围内,体积比与输出光强度间线性关系良好(R=0.9940),响应时间和恢复时间分别为3 s和11 s,信噪比S/N=4.8,RSD=0.5%(V/V_0=1×10^(-7))。平行试验中,其结果也具有良好的线性关系(R=0.9985),证明该传感元件对乙二胺气体检测的准确性。该类传感元件在食品品质检测方面有很好的应用与发展。

关键词：四苯基卟啉铁光波导传感器乙二胺气敏性

THPP及其复合薄膜光波导传感器的制备及气敏性研究

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THPP及其复合薄膜光波导传感器的制备及气敏性研究

作者：布阿依沙木·库提力克新疆大学

学位级别：硕士

随着国民经济的快速发展,各种环境污染越来越多,其中有毒有害气体对人类生存空间的污染更为突出。因此,能够检测低浓度的有害环境污染物的化学传感器的开发显得尤为迫切。卟啉是一类具有大环共轭结构的化合物,因其在室温下对特定气体具... 详细信息

随着国民经济的快速发展,各种环境污染越来越多,其中有毒有害气体对人类生存空间的污染更为突出。因此,能够检测低浓度的有害环境污染物的化学传感器的开发显得尤为迫切。卟啉是一类具有大环共轭结构的化合物,因其在室温下对特定气体具有高灵敏度和高选择性,因此是一种用途广泛,也是近年来研究最多的有机气敏材料。二氧化钛(Ti O)和磷酸亚铁锂(Li Fe PO)是因其具有化学热稳定性优异、制备简单、无毒、高折射率等优点,在传感器领域被广泛应用。在本文中,以四对羟基苯基卟啉(THPP)为主要的敏感材料,用高折射率的Ti O,Li Fe PO等制备更高灵敏度的复合光波导传感器,并对气敏性能和气敏机理进行了测试和探讨。本论文第一章分主要介绍了大气污染及现状,污染物的分类,酸性气体及挥发性有机物的危害;介绍了传感器定义、组成及分类,敏感材料的分类和应用;概述了光波导传感器的结构、原理和应用。第二章,以四对羟基苯基卟啉为敏感材料,在K-交换玻璃光波导(OWG)表面通过旋转甩涂法进行铺膜,制备THPP膜/K-交换玻璃OWG元件。通过紫外可见分光光度计对薄膜与被测气体接触前后的吸光度变化进行了分析,并选出了光波导测试光源。通过SEM观察了薄膜表面形貌,在室温下测试了其对不同测试气体的气敏性能,从实验结果可以看出,在NO、SO、CO和HCl气体中,对NO气体表示出良好的选择性响应。对敏感元件的制备条件进行了优化;能够检测到的NO气体浓度范围为(1×10-1×10)体积比,对1×10体积比的NO气体响应和恢复时间分别为1 s和3 s。最后,通过分析薄膜与气体接触后的表面形貌(SEM)以及红外光谱(FT-IR)对气敏机理进行了探讨。第三章,由于THPP膜/K-交换玻璃OWG元件除了NO,对其它酸性气体也有一定的响应,因此,以提高该元件对酸性气体的灵敏度为目的,研制碱性THPP膜/K-交换玻璃OWG元件,并对五种酸性气体的OWG响应进行了测试(NO、SO、CO、HS和HCl)。实验结果可知,当被测气体浓度高时(1×10),输出光强度迅速下降且不恢复,只能由饱和NH蒸汽来恢复基线。当被测气体浓度低时(1×10),敏感元件在五种酸性气体当中,对SO和HS具有较高的灵敏度;能够检测到的SO和HS气体浓度范围分别为(1×10-1×10)体积比和(1×10-5×10)体积比。最后通过分析薄膜与气体接触后的表面形貌(SEM)以及红外光谱(FT-IR)对气敏机理进行了探讨。第四章,基于复合薄膜OWG传感器具有比K-交换玻璃OWG传感器更高的灵敏度,在有害气体检测方面具有更大的潜力。本章采用溶胶-凝胶法制备了Ti O溶胶,研制了一种新型THPP-溴甲酚紫(BCP)/Ti O凝胶复合膜OWG传感器(THPP-BCP/Ti OOWG),并对其进行了紫外可见光谱、红外光谱和原子力显微镜(AFM)表征。OWG测试结果表明,THPP-BCP/Ti O复合膜OWG传感器对挥发性有机物的响应比单一的THPP-OWG传感器提高了3～4倍。THPP-BCP/Ti O复合膜OWG传感器在室温下对EDA气体具有良好的选择性和很高的灵敏度,能够检测到的乙二胺气体浓度范围为(1×10-1×10)体积比,对1×10体积比的EDA响应和恢复时间分别为1 s和3 s。最后,通过紫外可见分光光度计对THPP溶液,BCP溶液,THPP-BCP薄膜,Ti O膜和THPP-BCP/Ti O复合膜及与乙二胺接触前后的吸收光谱进行分析并探讨了气敏机理。第五章,本章主要介绍THPP/Li Fe PO条形薄膜OWG元件的制备及气敏性能。首先通过水热法合成Li Fe PO,然后利用SDBS将Li Fe PO和THPP超声分散,并通过旋转甩涂法制备THPP/Li Fe PO条形薄膜/锡掺杂OWG传感元件,并对胺类、苯类、HCl和HS等气体进行了测试。结果表明,此传感元件对HS气体具有良好的选择性响应,能够检测到的HS气体浓度范围为(1×10-1×10)体积比,响应和恢复时间分别为1 s和2 s。最后,通过红外分析THPP/Li Fe PO条形薄膜与HS气体接触后的红外光谱,并探讨了气敏机理。

关键词：四对羟基苯基卟啉光波导传感器卟啉-TiO2复合材料卟啉-LiFePO4复合材料条形薄膜光波导

基于SOI的豌豆型光波导传感器关键技术研究

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基于SOI的豌豆型光波导传感器关键技术研究

作者：姚佳电子科技大学

学位级别：硕士

随着近年来光波导器件的发展,光波导型传感器逐渐成为众多应用中具有重要前途的平台。例如,环境保护、医疗诊断、生物制药等。由于光倏逝波与待分析物在器件表面或环境媒质中的相互作用,硅波导器件被广泛应用于传感领域中。本论文旨在... 详细信息

随着近年来光波导器件的发展,光波导型传感器逐渐成为众多应用中具有重要前途的平台。例如,环境保护、医疗诊断、生物制药等。由于光倏逝波与待分析物在器件表面或环境媒质中的相互作用,硅波导器件被广泛应用于传感领域中。本论文旨在实现一个基于SOI的高性能传感系统。完成的工作主要包括以下几方面:首先,应用游标效应设计了一种基于SOI的豌豆型微环光波导传感器(BR-MZI)。运用传输矩阵法(TMM),推导了器件的总传输谱。同时,依据MZI结构和豌豆形谐振腔的干涉条件得到了器件结构的尺寸设计要求以及优化设计的方案。并采用MATLAB建模,对该结构进行了数值仿真和优化,并对灵敏度、探测极限、消光比、Q值等性能进行了分析。仿真结果表明一个尺寸为30×12μm2的传感结构可以实现高达677.1 nm/RIU的灵敏度、10-6 RIU的探测极限以及469 nm的准自由光谱范围。其次,以豌豆型微环光波导传感器为基础模型,进一步研究了双级联式、双载式、双载-双级联式以及双通平行信道等各种拓扑及异形结构的传感器设计。通过优化,拓扑及异形结构的传感器在灵敏度和器件准自由光谱范围方面都有更优的性能呈现。最后,研究了如何将光从硅纳米线波导耦合进光纤中。采用Opti FDTD软件和Rsoft软件分别建立了二维和三维光栅耦合器模型,并对它们进行了仿真分析。三维仿真结果实现了在偏离垂直方向20.5°左右时,约38%的耦合效率。具有高灵敏度和大动态检测范围的新型传感结构BR-MZI的设计以及该结构进一步的级联能力,加之光栅耦合器的设计,在未来的超紧凑、高灵敏度传感器阵列方面,它们都展示出了巨大的潜力。

关键词：光波导传感器 MZI 豌豆形谐振腔光栅耦合器

基于氮氧化硅（SiON）的级联双环光波导传感器研究

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基于氮氧化硅（SiON）的级联双环光波导传感器研究

作者：祝路平浙江大学

学位级别：硕士

在信息技术飞速发展的21世纪,传感技术已经同计算机技术与通信技术一起成为信息产业的三大支柱之一。在IBM提出的“智慧地球”概念的驱动下,传感技术的发展和应用将越来越广泛,同时这也对生物传感器的性能提出更高的要求,高效率、低成... 详细信息

在信息技术飞速发展的21世纪,传感技术已经同计算机技术与通信技术一起成为信息产业的三大支柱之一。在IBM提出的“智慧地球”概念的驱动下,传感技术的发展和应用将越来越广泛,同时这也对生物传感器的性能提出更高的要求,高效率、低成本、高灵敏度的高性能传感器将有着广阔的发展前景。本课题旨在研究一种高灵敏度、低成本的基于氮氧化硅（SiON）波导的级联双环光波导传感器。本文基于我们实验室首先提出的引入游标效应的级联双环谐振腔的光波导传感器,采用氮氧化硅波导来实现,研究了工作在小于硅材料吸收带1100nm波段的高灵敏度传感器。将平面光波导传感器的研究视野从SOI材料转到了氮氧化硅材料,从常用红外通信波段,转到了可见光波段和近红外波段。采用氮氧化硅作为波导材料,还可以集成低成本的LED或OLED光源和硅探测器,大大降低器件的成本。本文利用传输矩阵法,FDTD理论以及BPM算法对所研究的氮氧化硅基级联双环传感器进行了模拟、设计及优化,包括波导结构的分析设计、利用环形谐振腔传感的理论分析,并分别对基于波长探测和光功率探测进行了性能分析,通过优化参数在基于光功率探测下的探测灵敏度理论值达到2.9×10-7RIU。本文还对该氮氧化硅基级联双环传感器的制作工艺进行了研究,包括氮氧化硅薄膜的生长工艺研究,整个芯片制作流程研究,传感窗口的剥离工艺研究等。

关键词：级联双环谐振腔光波导传感器氮氧化硅波导游标效应探测灵敏度

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基于光波导传感器的子空间类定位算法研究

基于光波导传感器的子空间类定位算法研究

作者：刘鸿博电子科技大学

学位级别：硕士

传感器在当今世界的很多领域内都发挥着举足轻重的作用,而电场传感器在无线通信,军事侦察和电磁兼容等方向的重要程度更是不容忽视。由于传统的电场传感方法在实际应用中表现出诸多缺点。采用先进的集成光学技术构成的集成光波导电场传... 详细信息

传感器在当今世界的很多领域内都发挥着举足轻重的作用,而电场传感器在无线通信,军事侦察和电磁兼容等方向的重要程度更是不容忽视。由于传统的电场传感方法在实际应用中表现出诸多缺点。采用先进的集成光学技术构成的集成光波导电场传感器,使得整个电场感应系统变成超小型,并具有稳定、可靠、带宽大、抗电磁干扰及微扰小等特点。利用集成光学技术实现以LiNbO晶体为衬底的电场传感器,正成为研究热点之一。本文选取了集成光波导电场传感器及其传感系统作为研究对象展开相关研究,分析了基于集成光波导分段电极电场传感器的结构,建立了相应的信号数学近似模型。接下来,重点研究了集成光波导电场传感器的潜在应用方向,将传感器应用于定位领域。本文研究了基于光波导传感器的信号形式用于传感器定位的两个主要分支:近场阵列定位和传感器网络定位,分别提出了几种基于特征子空间分解的定位算法。首先,本文针对近场源定位这一阵列信号处理领域中的问题进行了研究,综述了传感器阵列定位问题的研究现状,介绍了一些经典的定位算法,如MUSIC算法。并在此基础之上,针对经典定位方法的不足,提出了基于传感器阵列对称性的特点的类远场定位MUSIC算法,同时也定义了一种基于距离参数的MUSIC空间谱;为进一步提高算法精度,本文又在传统子空间拟合算法的基础上,引入了方位角和距离参数交替投影的迭代算法。无线传感器网络集中了微机电技术、感知技术、嵌入式计算技术、分布式信息处理技术和无线通信技术,孕育出一种全新的信息获取和处理模式。布局和覆盖、节点定位、网络通信协议是传感器网络研究中的几个基本问题。其中,节点定位问题是传感器网络进行目标识别、监控、跟踪等众多应用的前提,也是传感器网络研究中的热点问题之一。本文就传感器网络的定位技术展开深入探讨。由于传感器节点受体积、成本、能量等因素的限制,且通常工作在人类难以或不宜接近的场合,因此定位技术的基本途径是:部署少量已知坐标的参考节点,其他未知坐标的节点通过测量与参考节点的距离、角度,或依据相对位置关系、网络连通性进行一定的计算得出自身的坐标。本文首先研究了基于测角信息的特征子空间定位算法,并对该算法进行了仿真,通过改变参数模型,对算法的性能进行了较为全面的分析;接下来研究了基于测距信息的特征子空间定位算法,并在此基础上进行了改进,提出了归一化特征子空间的定位算法,并对算法性能提高的原理进行了分析,最后提出了保护距离的机制用于提高算法稳定性。

关键词：光波导传感器特征子空间定位阵列传感器网络

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基于聚合物材料的平面光波导生化传感器

基于聚合物材料的平面光波导生化传感器

作者：杨天夫吉林大学

学位级别：硕士

本论文针对基于有机聚合物材料的光波导生物化学传感器进行了基础性的研究工作。论文首先介绍了光波导传感器在光学传感中的重要地位,提出了有机聚合物材料运用于光波导生化传感器制备的独特优势,并简要介绍了光波导传感器的发展过程及... 详细信息

本论文针对基于有机聚合物材料的光波导生物化学传感器进行了基础性的研究工作。论文首先介绍了光波导传感器在光学传感中的重要地位,提出了有机聚合物材料运用于光波导生化传感器制备的独特优势,并简要介绍了光波导传感器的发展过程及现阶段国内外在此领域的研究进展;然后从导波光学的基础理论出发,阐述并推导了导模穿透深度,特征方程和截止条件等概念,以矩形波导为例分别介绍了马卡提里法和有效折射率法;之后对光波导传感器的传感机制—消逝场原理进行了阐释,在比较了其他几种波导传感器常用结构后,选择马赫-曾德尔(Mach-Zehnder,M-Z)干涉型结构作为传感器的波导结构,并介绍了传感器的工作原理:将传感波导的芯层裸露使其与待测液体充分接触,这样传输光的消逝场就能感知样品特性(如浓度、组分)变化实现折射率—相位—输出光功率的转化来达到生化传感的目的;由M-Z结构波导的传输矩阵,推导了波导传感器功率传递函数,以提高传感器灵敏度为主要目的,提出了传感器的设计要求;最后一部分中,介绍了聚合物波导制备工艺流程及各工艺参数。对紫外负性光刻胶SU-8材料的性质进行了深入研究,根据其在波导制备工艺中体现出的优势,提出并验证了SU-8材料可作为波导传感器芯/包层主体材料的可能性;为进一步调节芯/包层折射率,向SU-8中掺杂DR1(Disperse Red 1)材料,将掺杂后的DR1/SU-8材料作为波导芯层,SU-8材料作为波导上下包层制备M-Z结构波导,二次光刻后去掉了传感波导的上包层SU-8材料以形成传感窗口来完成波导传感器的制备。对器件进行了传感测试,向波导传感窗口区域滴加不同浓度的NaCl溶液可观察到输出功率变化。

关键词：光波导传感器有机聚合物 Mach-Zehnder干涉