专利名称：基于表面等离子体共振的石墨烯气体传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及气体检测仪器，特别是利用光电仪测量表面等离子体在界面上是否发生共振来确定气体分子存在与否的传感器。
背景技术：
石墨烯(graphene)是由碳原子构成的二维晶体，是其它碳材料同素异形体的基本构成单元。2004年,曼彻斯特大学Andre Geim教授领导的研究小组最先发现了石墨烯并立即引起了科学和工业界的广泛关注，石墨烯的发现者更于2010年获得了诺贝尔物理学奖。由于石墨烯具有极高的比表面积(2630m2/g)，因此对气体分子具有非常好的吸附作用。
表面等离子体共振(SPR: Surface Plasmon Resonance)是一种物理光学现象。电磁波(如光波)能够激发表面等离子体的振动。表面等离子体共振现象能够通过衰减全反射法进行观测。由于产生表面等离子体共振时将破坏全发射的条件，导致反射光能量急剧下降，在反射光谱上出现共振峰。这个现象非常易于观测，因此表面等离子体共振在传感领域获得广泛应用。
目前，基于石墨烯的气体传感器已经见诸报道。具有代表性的实现方式是利用石墨烯在吸附气体分子前后电导率/电阻的变化来判定是否有气体分子附着在石墨烯表面。 利用该方法实现的装置灵敏度不高，而且需要在石墨烯薄膜上制作导电电极，工艺复杂，难以实现规模化生产。发明内容
为了解决现有石墨烯气体传感器灵敏度不高，制备工艺复杂的问题，本发明提供一种基于表面等离子体共振的石墨烯气体传感器，该传感器具备高检测灵敏度，工艺简单的特点。
为达到以上目的，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是该传感器包括光源系统、全反射系统、光强测量系统、金属薄膜系统、气体分子吸附系统。
本发明当气体分子吸附系统吸附了气体分子后其介电常数改变，从而影响气体分子吸附系统与金属薄膜系统之间界面上发生共振的条件。气体分子吸附系统与金属薄膜系统相接，形成可传输表面等离子波的界面，金属薄膜系统与全反射系统相接，形成可全反射的界面，全反射所形成迅逝波将越过可全反射的界面进入金属薄膜系统，光源系统工作后， 表面等离子体是否发生共振可以方便地根据光强测量系统所测量的全反射系统输出的出射光强来确定；由于光强测量系统测量到的衰减全反射曲线在表面等离子体共振条件下会形成一个尖锐的吸收峰，据此可用于低浓度气体分子检测。
采用以上技术方案后，本发明的有益效果是该传感器具有高检测灵敏度，器件稳定性好，响应速度快，结构紧凑，工艺简单，成本低廉。


下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图I为本发明原理示意图。
图2为本发明结构示意图。
图3为图2放大图。
图2中1.石墨烯薄膜、2.金膜、3.棱镜、4.石墨烯-金界面、5.金-棱镜界面、6.光源、7.准直器件、8.电荷耦合装置。
具体实施方式
根据图I所示，本发明一种基于表面等离子体共振的石墨烯气体传感器，包括光源系统、全反射系统、光强测量系统、金属薄膜系统、气体分子吸附系统。各部分功能描述如下1.光源系统产生全反射系统所需的入射光；2.全反射系统使由光源系统提供的入射光在全反射系统与金属薄膜系统相接所形成的界面上发生全反射，全反射 所形成迅逝波将越过界面进入金膜；3.光强测量系统测量从全反射系统输出的出射光；4.金属薄膜系统用于产生表面等离子体共振的关键模块。当气体分子吸附系统满足一定条件时，表面等离子将在金属薄膜系统和气体分子吸附系统相接所形成的界面上发生共振；5.气体分子吸附系统用于吸附待测环境中的气体分子。当气体分子被气体分子吸附系统吸附后，气体分子吸附系统本身的介电常数将发生改变，从而影响表面等离子体在界面上发生共振的条件。
本发明当气体分子吸附系统吸附了气体分子后，其介电常数改变所引起表面等离子体共振条件发生改变,来对气体分子进行检测。
根据图2所示，本发明所述气体分子吸附系统与金属薄膜系统相接，形成可传输表面等离子波的界面；金属薄膜系统与全反射系统相接，形成可全反射的界面；所述全反射所形成迅逝波将越过可全反射的界面进入金属薄膜系统；所述光源系统是产生全反射的入射光，由光源6和准直器件7组成；所述全反射系统是产生全反射的物质，由一块棱镜3 构成；所述光强测量系统是测量从全反射系统输出的反射光，由电荷耦合装置8构成；所述金属薄膜系统为金膜2，用于产生表面等离子体共振的物质；所述气体分子吸附系统为石墨烯薄膜1，用于吸附待测环境中的气体分子的物质。
可以看出在图2中，传感器的光源系统由光源6和光线准直器件7组成的；全反射系统为一块棱镜3 ;光强测量系统由电荷耦合装置8构成；金属薄膜系统为金膜2 ;气体分子吸附系统为石墨烯薄膜I。
当石墨烯薄膜I吸附了气体分子后其介电常数改变，从而影响石墨烯-金界面4 上发生共振的条件。石墨烯薄膜I与金膜2相接，形成可传输表面等离子波的界面；金膜2 与棱镜3相接，形成可全反射的界面，全反射所形成迅逝波将越过金_棱镜界面5进入金膜2。光源6工作后，表面等离子体是否发生共振可以方便地根据电荷耦合装置8所测量的棱镜3输出的出射光强来确定；由于电荷耦合装置8测量到的衰减全反射曲线在表面等离子体共振条件下会形成一个尖锐的吸收峰，据此可用于低浓度气体分子检测。权利要求
1.一种基于表面等离子体共振的石墨烯气体传感器，其特征是包括光源系统、全反射系统、光强测量系统、金属薄膜系统、气体分子吸附系统。
2.根据权利要求I所述的一种基于表面等离子体共振的石墨烯气体传感器，其特征是当气体分子吸附系统吸附了气体分子后，其介电常数改变所引起表面等离子体共振条件发生改变,来对气体分子进行检测 。
3.根据权利要求I所述的一种基于表面等离子体共振的石墨烯气体传感器，其特征是所述气体分子吸附系统与金属薄膜系统相接，形成可传输表面等离子波的界面。
4.根据权利要求I所述的一种基于表面等离子体共振的石墨烯气体传感器，其特征是所述金属薄膜系统与全反射系统相接，形成可全反射的界面。
5.根据权利要求I所述的一种基于表面等离子体共振的石墨烯气体传感器，其特征是所述全反射所形成迅逝波将越过可全反射的界面进入金属薄膜系统。
6.根据权利要求I所述的一种基于表面等离子体共振的石墨烯气体传感器，其特征是所述光源系统是产生全反射的入射光，由光源(6)和准直器件(7)组成；所述全反射系统是产生全反射的物质，由棱镜(3)构成；所述光强测量系统是测量从全反射系统输出的反射光，由电荷耦合装置(8)构成；所述金属薄膜系统为金膜(2)，用于产生表面等离子体共振的物质；所述气体分子吸附系统为石墨烯薄膜(1)，用于吸附待测环境中的气体分子的物质。
全文摘要
本发明涉及一种基于表面等离子体共振的石墨烯气体传感器，包括光源系统、全反射系统、光强测量系统、金属薄膜系统、气体分子吸附系统，当气体分子吸附系统吸附了气体分子后，从而影响气体分子吸附系统与金属薄膜系统之间界面上发生共振的条件，该传感器具有高检测灵敏度，器件稳定性好，响应速度快，结构紧凑，工艺简单，成本低廉的特点，特别适用于低浓度气体分子检测。
文档编号G01N21/55GK102928388SQ201210435859
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月6日 优先权日2012年11月6日
发明者梁铮, 丁荣, 义理林, 倪振华, 梁贺君 申请人:泰州巨纳新能源有限公司