基于VO2的超表面双气体传感器设计
刘海
万寅辉
陈聪
高鹏
戴耀威
赵佳明
王馨艳
路祥宇
赵思怡
中国矿业大学 信息与控制工程学院,江苏 徐州 221116
摘要：针对传统矿用气体传感器易受温度和环境湿度等因素的影响而导致稳定性不高的问题,基于局域表面等离子共振原理和二氧化钒(VO2)的相变特性,设计了一种基于VO2的超表面双气体传感器.该传感器结构由上下三层组成,表面由多层金属?介电?金属(MDM)结构组成.根据VO2的相变特点,通过改变施加的偏置电压,以电阻加热的形式加热金属板,精细控制VO2的温度,通过改变VO2的电导率来模拟VO2的不同状态.当VO2呈高温金属态时,上三层形成MDM结构,VO2表现出金属性质,并在1 721.3 nm激发局域表面等离子体共振(LSPR),实现甲烷检测,传感器的吸收率为94.3%,甲烷灵敏度为4.21 nm/%.当VO2呈低温绝缘态时,下三层形成MDM结构,在2 694.6 nm激发LSPR,实现氢气检测,传感器的吸收率为95.9%,氢气灵敏度为2.10 nm/%.当环境折射率发生变化时,VO2在2种状态下的吸收峰均发生了红移,且呈线性关系,可以用来检测环境折射率的变化.为验证该传感器的可行性,对6种不同体积分数的甲烷、氢气和4种不同的环境折射率进行了仿真和分析,结果表明:基于VO2的超表面双气体传感器可有效检测出较低浓度的甲烷和氢气,且灵敏度较现有的气体传感器有较大提升;谐振峰偏移量与环境折射率变化量和甲烷体积分数变化量的计算值和理论值误差很小,说明该传感器具有很高的准确性;通过分析环境折射率和谐振波长的关系,得出该传感器对环境折射率的变化同样具有较高的检测灵敏度.
关键词：矿用气体传感器超表面双气体传感器局域表面等离子体共振甲烷氢气气体灵敏度环境折射率VO2
分类号：TD679(矿山电工)
资助基金：国家自然科学基金(51874301)国家重点研发计划(2021YFC2902702)徐州市重点研发计划项目(KC20162)
论文发表日期：2023-01-10
在线出版日期：2025-08-15（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：10( 19-27,79 )
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