浅谈平面光波导的气体传感器的研究进展

【摘 要】本文详述了平面光波导传感器的概念、原理与研究现状，分析了其发展趋势，并对未来光波导传感器的发展前景进行了展望，光波导传感器凭借其灵敏度高、体积小、抗电磁干扰、便于集成等优点，是未来开发低成本、高精度、高灵敏度传感器的最具发展潜力的传感器技术之一，特别是在大气环境监测方面，将起到越来越重要的作用。

【关键词】光波导；传感器；环境监测

1.前言

随着我国工业化进程的推进和人民生活水平的提高，工业废气、汽车尾气等的超标排放，严重污染了地球的大气环境，温室效应、酸雨、臭氧层破坏、灰霾和光化学烟雾等大气污染问题频发，大气环境的破坏直接影响着人类的生存和发展，大气环境形势日趋严峻。因此，对大气环境进行监测的具有重大的意义。传统现场采样、实验室分析的环境监测方法存在成本高、效率低等问题。因此，基于传感器技术的在线式环境监测技术、现场快速监测技术及仪器成为了研究和应用的热点。由于光波导传感器具有普通传感器的灵敏度高、体积小、抗电磁干扰、便于集成等优点，成为了气体和生物传感器研究热点之一。本文就平面光波导气体传感器技术的研究与应用现状进行综述，并对光波导传感器技术在大气环境中的应用前景进行了展望。

2.光波导传感器简介

光波导系统是指由透光的介质如玻璃、氧化铟、氧化镁等组成的传输光频电磁波的引导结构。光波导的原理是利用不同折射率材料界面所发生电磁波的全反射，使光波局限在波导结构及其周围有限区域内传播。光波导在光通讯中已经起到了越来越重要作用，比较典型的就是光纤通讯。采用光波导系统作为气体传感器的敏感元件，主要工作原理是利用光在波导层形成全反射进行传播时而产生的消逝波原理。当在波导表面固定一层气体敏感薄膜时，消逝波就能渗入该敏感层。被测气体和敏感薄膜产生了相互作用，从而改变了敏感薄膜的折射率、厚度、吸光率等参数及光的传播方式。进而影响到渗入该层的消逝波的强度，从而影响到光波导输入光强的变化。详见图1.如姑丽各娜・买买提依明等，采用In2O3薄膜/锡掺杂玻璃光波导元件设计了一套平面光波导传感器检测系统（如图1），具有典型的代表意义[1]。

图1 典型光波导传感元件的检测系统示意图

3.平面光波导传感器研究现状

目前，平面光波导技术的研究已取得了很多优秀的成果。其中一些复合平面光波导传感器的研究已实现了传统传感器无可比拟的灵敏度。如A.Yimit，K.Itoh[2]等利用TiO2薄膜/K+交换玻璃复合光波导，研制了一种能够检测空气中一万亿分之一浓度的氨气的超高灵敏度的气体传感器。该传感器采用溴百里酚蓝等pH试剂吸收光波导高灵敏度界面消逝波的原理，用溴百里酚蓝作为高灵敏度薄膜，固定在复合光波导表面的高灵敏度部分。敏感膜与氨气发生可逆的变色反应，从而吸收消逝波而影响到光波导结构输出的光强度。

国内研究中，也取得了一些优异的成果。其中苯系物、丙酮等挥发性有机气体的光波导传感器研究较多。如艾拜拉・热合曼[3]等研制了聚乙烯吡咯烷酮（ PVP）-硬脂酸复合薄膜/K+交换玻璃光波导元件，室温下对低浓度的二甲苯蒸汽仍有较好的重复性和选择性， 能够检测到1×10-6（ 体积分数） 的二甲苯，响应和恢复时间分别为9 s 和35 s，相对标准偏差为±4.17%。

姑丽各娜・买买提依明[4]-[5]制备氧化铁-氧化铟复合敏感材料，利用提拉法将复合材料固定在锡掺杂玻璃光波导表面，发现其对二甲苯气体的响应浓度范围为1×10-3～1×10-5，常温下该敏感元件对于浓度为1×10-5（ V/V） 的二甲苯蒸汽有比较明显响应，响应和恢复时间分别为5S和20S。其制备的将 NiO-In2O3复合薄膜/锡掺杂玻璃光波导传感元件，对苯乙烯气体具有较好的相应，传感元件对苯乙烯气体的检测浓度达到 1×10-7（V/V）.但是传感元件的选择性待进一步改善. 帕提曼・亚森[6]等采研制的PVP环糊精薄膜K+交换玻璃光波导传感元件，检测到体积比为1×10-6的苯乙烯和1×10-5的二甲苯。

4.探讨和展望

首先，国内外光波导传感器技术研究集中在在掺杂、复合敏感薄膜合成方面，对改进光波导结构、降低成本的制造工艺研究不多，特别是多功能的光波导传感器较少，研究只限定在某类污染物的检测，对多种污染物同时检测、复杂环境下研究不足。其次，现阶段光波导气体传感器检测系统过于庞大，而且对有机物的选择性相对较差，灵敏度相对不高。最后，随着光学材料、激光技术、镀膜技术的发展，平面光波导技术的应用成本的也会不断的降低，光波导技术将凭借其高抗电磁干扰、高灵敏度等优点，在大气环境监测、室内环境监测有着广泛应用前景。

参考文献：

[1]姑丽各娜・买买提依明，海日沙・阿不来提，阿布力孜・伊米提. In2O3薄膜/锡掺杂玻璃光波导元件及其气敏性研究[J].光电工程，2011（1）：107-111.

[2]Yimit A，Itoh K，Murabayashi M. A highly sensitive optical waveguide applied to the ammonia sensor[J].Electrochemistry，2001，69（11）：863-865.

[3]艾拜拉・热合曼，帕提曼・亚森，帕提曼・尼扎木丁，阿布力孜・伊米提.硬脂酸复合薄膜光波导元件的气敏性研究[J].传感器学报.2012（2）：162-165.

[4]姑丽各娜・买买提依明，阿布力孜・伊米提. Fe2O3-In2O3复合薄膜光波导传感元件检测二甲苯气体的研究[J].传感器学报.2013（4）：462-466.

[5]姑丽各娜・买买提依明，阿布力孜・伊米提. 光波导苯乙烯气敏传感元件的研究[J]. 喀什师范学院报.2013（5）：39-44.

[6]帕提曼・亚森，艾拜拉・热合曼，阿布力孜・伊米提.环糊精复合薄膜光波导元件的气敏性研究[J].光学技术.2011（9）：528-532.

注：

本文系多功能环境监测传感器项目（11-1-4-123-gd-nsh）