(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 202210191064.9 (22)申请日 2022.02.26 (71)申请人 西安科技大 学 地址 710054 陕西省西安市碑林区雁塔中 路58号 (72)发明人 马天　张证凯　唐小龙　罗冬梅　 王靖康　 (74)专利代理 机构 西安杜诺匠心 专利代理事务 所(普通合伙) 61272 专利代理师 苏雪雪 (51)Int.Cl. G01N 21/01(2006.01) G01N 21/41(2006.01) G01N 21/27(2006.01) (54)发明名称 一种基于光学材料的甲烷气体传感器及监 测系统 (57)摘要 一种基于光学材料的甲烷气体传感器及监 测系统， 其中甲烷气体传感器包括自下至上呈层 叠结构依次设置的衬底、 纳米介质柱层和气敏 层， 所述纳米介质柱层由若干呈阵列分布的纳米 介质柱组成， 每个所述纳米介质柱的上下两端分 别与所述气敏层和所述衬底连接， 所述气敏层为 对甲烷气体敏感的材质， 所述纳米介质柱为在 1530‑1565nm红外波段具有介电常数大于10的材 质， 所述衬底为在1530 ‑1565红外波段且无吸收 损耗的材质。 本发明利用气敏机理实现CH4气体 浓度的监测， 检测数据精准、 稳定、 可靠； 且甲烷 气体传感器的气敏层与CH4气体接触导致气敏层 折射率变化， 使得存在于气体池中的反应能够极 大限度的避免煤矿中温度、 湿度等环 境因素对于 检测的影响。 权利要求书2页 说明书4页 附图2页 CN 114594051 A 2022.06.07 CN 114594051 A 1.一种基于光学材料的甲烷气体传感器， 其特征在于， 包括自下至上呈层叠结构依次 设置的衬底、 纳米介质柱层和气敏层， 所述纳米介质柱层由若干呈阵列分布的纳米介质柱 组成， 每个所述纳米介质柱的上下两端分别与所述气敏层和所述衬底连接， 所述气敏层为 对甲烷气体敏感的材质， 所述纳米介质柱为在1530 ‑1565nm红外波段具有介电常数大于10 的材质， 所述衬底为在15 30‑1565红外波段且无吸 收损耗的材质。 2.根据权利要求1所述的基于光学材料的甲烷气体传感器， 其特征在于， 若干所述纳米 介质柱呈周期性阵列分布。 3.根据权利要求1所述的基于光学材料的甲烷气体传感器， 其特征在于， 所述纳米介质 柱呈长方体结构， 若干所述纳米介质柱在 x‑y水平面呈阵列分布以形成纳米介质柱层， 且每 个所述纳米介质柱在x方向宽度为10～300nm， y方向长度为100～700nm， 以及垂直于x ‑y水 平面的高度为00～300nm， 所述气敏层的厚度为100～1000nm， 所述衬底的厚度为10～ 500um。 4.根据权利要求1所述的基于光学材料的甲烷气体传感器， 其特征在于， 所述纳米介质 柱与所述衬底为一体式结构， 所述纳米介质柱在所述衬底的表面通过外延生长或离子束沉 积形成。 5.根据权利要求1所述的基于光学材料的甲烷气体传感器， 其特征在于， 所述气敏层对 光线的折 射率随甲烷气体的浓度变化而变化， 满足以下公式： neff＝1.4478‑0.0038c 其中， neff为气敏层的折 射率， c为甲烷气体的浓度。 6.根据权利要求1 ‑5任一项所述的基于光学材料的甲烷气体传感器， 其特征在于， 所述 衬底的材料为石英、 三氧化二铝、 玻璃中的一种； 所述纳米介质柱的纳米级材料为硅、 二氧 化钛、 氧化锰、 氧化锆中的一种； 所述气敏层的材料为穴番 ‑A、 穴番‑E、 二氧化钛、 二氧化锡 中的一种。 7.一种采用权利要求1 ‑6任一项所述的基于光学材料的甲烷气体传感器的监测系统， 其特征在于， 所述监测系统包括气体池、 宽普光源、 光谱仪、 耦合器和光纤， 所述宽普光源和 所述耦合器分设于所述气体池外部的两侧， 所述气 体池上开设有与所述宽普光源相对应的 入光孔， 以及开设有与所述耦合器相对应的出光孔， 所述入光孔与所述宽普光源之间以及 所述出光孔与所述耦合器之 间均设于会聚透镜， 所述光纤的两端分别连接所述耦合器和所 述光谱仪； 所述宽普光源发射的光线经对应侧的所述会聚透镜后再经所述入光孔射入到所述气 体池的内腔中， 射入到所述气 体池的内腔中经过所述出光孔及 对应侧的所述会聚透镜射入 到耦合器上， 所述甲烷气体传感器设置在所述气体池的内腔内且位于所述入光孔与所述出 光孔之间的光路中， 经该光路传输的光线在经过所述甲烷气体传感器时， 甲烷气体传感器 根据甲烷气体浓度改变光线的谐振波长 。 8.根据权利要求7所述的监测系统， 其特征在于， 所述入光孔和所述出光孔均嵌装有对 气体池的内腔进行密封的且可透光的平凸透镜， 所述气体池还设于出气口和进气口， 待测 的甲烷气体经 所述进气口流入并经 所述出气口流出。 9.根据权利要求8所述的监测系统， 其特征在于， 所述宽普光源、 光谱仪、 耦合器、 平凸 透镜和会聚透 镜分设于同一轴线上。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 114594051 A 210.根据权利要求7至9任一项所述的监测系统， 其特征在于， 所述光谱仪还连接有数据 处理器。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 114594051 A 3