(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202211109128.2 (22)申请日 2022.09.13 (71)申请人 浙江师范大学 地址 321004 浙江省金华市 婺城区迎宾大 道688号 (72)发明人 罗丝　周如军　陈达如　 (74)专利代理 机构 杭州求是专利事务所有限公 司 33200 专利代理师 忻明年 (51)Int.Cl. G01N 21/59(2006.01) G01N 21/01(2006.01) (54)发明名称 基于光纤端面表面等离激元共振的甲烷传 感结构及系统 (57)摘要 本发明公开了一种基于光纤端面表面等离 激元共振的甲烷传感结构及系统。 本发明中的甲 烷传感结构， 是在光纤端面溅射有一层金薄膜 层， 所述金薄膜层上刻蚀有圆形孔阵列结构， 在 所述金薄膜层上还旋涂有甲烷气敏膜。 超连续激 光光源发出的光经过光纤准直器后传输到光纤 端面， 在介质和金属膜交界面上产生表面等离激 元共振； 当环境中甲烷气体浓度变化时， 甲烷气 敏膜的折射率随着甲烷气体浓度的改变而改变， 所产生的表面等离激元共振谐振峰因折射率的 变化发生移动， 通过光纤耦合器用光谱分析仪采 集反射回来的光信号， 进行光谱分析及计算， 实 现对环境中甲烷气体浓度的准确测量。 本发明拓 展了气体传感测量的方式， 对光纤制备要求低， 对光纤选取的通用性强。 权利要求书1页 说明书3页 附图3页 CN 115326760 A 2022.11.11 CN 115326760 A 1.基于光纤端面表面等离激元共振的甲烷传感结构， 其特征在于， 在光纤端面溅射有 一层金薄膜层， 所述金薄膜层上刻蚀有圆形孔阵列结构， 在所述金薄膜层上还旋涂有甲烷 气敏膜。 2.根据权利要求1所述的基于光纤端面表面等离激元共振的甲烷传感结构， 其特征在 于， 所述圆形孔阵列结构中的任一一个单元由五个圆孔组成， 其中一个为中心圆孔， 另外四 个围绕该中心圆孔呈对称分布。 3.根据权利要求1所述的基于光纤端面表面等离激元共振的甲烷传感结构， 其特征在 于， 所述的对称分布为十 字对称分布。 4.根据权利要求1所述的基于光纤端面表面等离激元共振的甲烷传感结构， 其特征在 于， 所述的 甲烷气敏膜由笼 形超分子材 料Cryptophane  E和聚硅氧烷共同制备而成。 5.基于光纤端面表面等离激元共振的甲烷传感系统， 其特征在于： 包括权利要求1 ‑4中 任一项所述的甲烷传感结构， 以及超连续激光光源、 光纤准直器、 光纤耦合器和光谱分析 仪； 超连续激光光源发出的光经过光纤准直器后传输到光纤端面， 在介质和金属 膜交界面 上产生表面等离激元共振； 当环境中甲烷气体浓度变化时， 甲烷气敏膜的折射率 随着甲烷 气体浓度的改变而改变， 所产生的表面等离激元共振谐振 峰因折射率的变化发生移动， 通 过光纤耦合器用光谱分析仪采集反射回来的光信号， 进行光谱分析及计算， 实现对环境中 甲烷气体浓度的准确 测量。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 115326760 A 2基于光纤端面表面等离激元共振的甲烷传感结构及系统 技术领域 [0001]本发明属于微纳传感技术领域， 特别涉及 一种基于光纤端面表面等离激元共振的 甲烷传感结构及系统。 背景技术 [0002]甲烷是矿井瓦斯气体和天然气的重要组成成分， 在煤矿开采中， 因为瓦斯气体泄 漏引起的事故数不胜数， 时时刻刻的威胁着矿井工人的生命安全； 同时天然气的开采， 输送 以及日常使用中也都存在着泄漏的安全风险， 所以对于甲烷及其浓度的检测是非常有必 要 的。 [0003]现在已经有基于热催化、 红外吸收、 电化学法等不同原理的甲烷传感器， 但是也都 相应的存在着一些弊端， 例如在易燃易爆环境中， 电气传感器通常不适用； 一些检测系统复 杂， 仪器昂贵笨重， 化学催化剂易中毒、 老化等问题。 因此， 研究一种安全可靠、 传感器体积 小、 灵敏度高、 传输损耗小的传感器是非常有意 义的。 [0004]表面等离激元共振(Surface  plasmon resonance,SPR)是当光波电场入射到金属 与介质的交界面时， 如果电子在光波电场激励下的振荡频率与入射光波的频率相同时产生 的共振效应， 即光波电场的能量被转换为金属表面自由电子的集体振动能， 在光谱上表现 出凹陷或凸起的谐振峰。 当环境介质的折射率 发生变化时， 由SPR产生的谐振峰会相应的发 生移动， 根据谐振峰的移动来 实现对目标物的检测。 依据此原理， 可以实现对甲烷气体浓度 的检测。 [0005]基于光纤的气体传感器结构设计灵活、 传感性能好， 近年来受到广泛关注。 2017 年， 杨建春团队提出了一种高灵敏度光子晶体光纤长周期光栅(P CF‑LPG)甲烷传感器， 其甲 烷的测量灵敏度为1.078nm/％； 2018年， 刘海等人设计了一种用于检测混合甲烷和氢气的 超大侧孔PCF ‑SPR传感器， 其甲烷的测量灵敏度为1.99nm/％； 2021年， 高朋团队设计了一种 基于双凸锥光子晶体光纤的反射式甲烷浓度传感器， 其甲烷的测量灵敏度为1.217nm/％。 以上提到的几种结构 需要采用特种光纤， 需通过特殊的光纤拉锥方式， 不能广泛适用于各 种传统商业应用光纤。 发明内容 [0006]本发明针对现有技术的不足， 提出了一种基于光纤端面表面等离激元共振的甲烷 传感结构及系统。 [0007]本发明的目的是通过以下技 术方案来实现的： [0008]本发明的一方面提供了一种基于光纤端面表面等离激元共振的甲烷传感结构， 其 特征在于， 在光纤端面溅射有一层金薄膜层， 所述金薄膜层上刻蚀有圆形孔阵列结构， 在所 述金薄膜层上还旋 涂有甲烷气敏膜。 [0009]进一步说， 所述圆形孔阵列结构中的任一一个单元由五个圆孔组成， 其中一个为 中心圆孔， 另外四个围绕该中心圆孔呈对称分布。说　明　书 1/3 页 3 CN 115326760 A 3