利用石墨烯和PVDF太赫茲等離子諧振效應的酒精濃度測量裝置的製作方法
2023-07-07 03:58:46
本實用新型屬於太赫茲波技術領域，涉及一種利用單層石墨烯和PVDF薄膜太赫茲表面等離子體諧振效應的酒精濃度測量裝置。
背景技術：
太赫茲(Terahertz or THz)波通常是指頻率在0.1～10THz區間的電磁波，其光子的能量約為1～10meV，正好與分子振動及轉動能級之間躍遷的能量大致相當。大多數極性分子如水分子、氨分子等對THz輻射有強烈的吸收，許多有機大分子(DNA、蛋白質等)的振動能級和轉動能級之間的躍遷也正好在THz波段範圍。因此，物質的THz光譜(包括發射、反射和透射光譜)包含有豐富的物理質和化學信息，其吸收和色散特性可以用來做爆炸物、藥物等化學及生物樣品的探測和識別，在物理學、化學、生物醫學、天文學、材料科學和環境科學等方面具有重要的應用價值。
石墨烯是一種只有單層碳原子厚度的六邊蜂巢形狀的二維材料，自2004年發現以來，越來越受人們重視，具有極其廣泛的應用前景。石墨烯是世界上強度最高的材料(200倍於鋼)，有很高的導熱(5300W/mK)和導電性(50Ω/cm)，有極高的比表面積(2630m2/g)，有高彈性高硬度(130GPa)。石墨烯的化學反應性強，容易與其他化學物質反應形成化合物，還能承受電離輻射，同時很輕盈，具有類似於碳纖維的韌性，而焦耳效應比碳纖維更小。石墨烯在THz波段可以很好的支持表面等離子激元，在傳感、通信等方面有許多潛在的應用。
PVDF是含氟乙烯基單體的共聚物，它兼具氟樹脂和通用樹脂的特性，除具有良好的耐化學腐蝕性、耐高溫性、耐氧化性、耐候性、耐射線輻射性能外，還具有壓電性、介電性、熱電性等特殊性能。PVDF有四種多態結構：α、β、γ、δ相，其中β相是電極性形態，具有較高的壓電性能。特別是β相的PVDF的THz介電屬性可以用Drude模型描述，其等離子頻率位於THz頻段，使得在介質—PVDF界面可以激發THz表面等離子激元，在傳感領域有重要應用。
溶液濃度是一個重要物理量,在化工、冶金、造紙、釀酒、製糖、環保行業及科研等領域都常常需要對溶液濃度進行測量。其中特別是酒精類飲品是國家控制產品,對其中的乙醇含量有嚴格規定。快速準確地測定飲品中乙醇含量在食品工業質量控制中十分重要。由於溶液的折射率與吸收率等光學參數與其濃度和溫度直接相關因此通過測量溶液的光學參數來測量溶液濃度是常用的方法之一，例如光纖傳感器、紅外及拉曼譜測量法等等。同膜分離結合酶法等電化學學方法相比,這類具有測量速度快,精度高,尤其適合易燃易爆等場所測量。近紅外、中紅外及拉曼光譜已經應用於飲品中乙醇含量的測量，但在測量方法建立初期,需要完成大批量實驗以建立起化學計量模型。而且模型多以光強度信號或與強度直接相關的量的變化實現被測量的感知,對光源的穩定性要求極高,而且計算複雜。
技術實現要素：
本實用新型目的是克服現有電化學法和光譜法測量飲品中酒精濃度的不足，首先提供了一種利用單層石墨烯和PVDF薄膜太赫茲表面等離子體諧振效應的酒精濃度測量裝置。所述的酒精濃度測量裝置包括半圓形矽稜鏡(1)、單層石墨烯(2)、PVDF薄膜(3)、二氧化矽薄膜(4)、待測酒精溶液(5)、高阻矽襯底(6)、第一旋轉臺(7)、返波振蕩器(8)、第一聚四氟乙烯透鏡(9)、第二聚四氟乙烯透鏡(10)、第三聚四氟乙烯透鏡(11)；第四聚四氟乙烯透鏡(12)；肖特基二極體探測器(13)、第二旋轉臺(14)；
半圓形矽稜鏡(1)下表面依次緊貼布置單層石墨烯(2)、PVDF薄膜(3)、二氧化矽薄膜(4)、待測酒精溶液(5)和高阻矽襯底(6)，由返波振蕩器(8)發出的THz波透過第一聚四氟乙烯透鏡(9)、第二聚四氟乙烯透鏡(10)聚焦到半圓形矽稜鏡(1)，再經過半圓形矽稜鏡(1)及單層石墨烯(2)、PVDF薄膜(3)、二氧化矽薄膜(4)，被緊貼置於高阻矽襯底(6)上的待測酒精溶液(5)反射後出射半圓形矽稜鏡(1)，再透過第三聚四氟乙烯透鏡(11)、第四聚四氟乙烯透鏡(12)到達肖特基二極體探測器(13)；
半圓形矽稜鏡(1)、單層石墨烯(2)、PVDF薄膜(3)、二氧化矽薄膜(4)、待測酒精溶液(5)、高阻矽襯底(6)安裝在第一旋轉臺(7)上；肖特基二極體探測器(13)安裝在第二旋轉臺(14)上。
當矽稜鏡所在的旋轉臺旋轉一定角度及探測器所在旋轉臺旋轉相應的兩倍角度，並且旋轉角在特定範圍內掃描變化時，探測器可得到角度—反射係數曲線。該反射係數曲線上的諧振峰隨酒精濃度變化移動。由於返波振蕩器的功率較大，使得探測器所在旋轉臺的半徑較大，旋轉角度解析度可以小於一分，本測量裝置中待測溶液從純水到純酒精變化時角度—反射係數曲線的諧振峰移動大於16度，使得該測量裝置測量酒精濃度的精度達到千分之一以上。
附圖說明
圖1一種利用石墨烯和PVDF薄膜太赫茲表面等離子體諧振效應的酒精濃度測量裝置結構示意圖；
圖2測量純水、20％、40％、60％、80％、100％的標準酒精溶液時的太赫茲反射係數曲線；
圖3.測量純水、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％的標準酒精溶液時的反射係數諧振角度曲線及其擬合曲線。
圖中：半圓形矽稜鏡1、單層石墨烯2、PVDF薄膜3、二氧化矽薄膜4、待測酒精溶液5、高阻矽襯底6、第一旋轉臺7、返波振蕩器8、第一聚四氟乙烯透鏡9、第二聚四氟乙烯透鏡10、第三聚四氟乙烯透鏡11、第四聚四氟乙烯透鏡12、肖特基二極體探測器13、第二旋轉臺14；
具體實施方式
如圖1所示，在一種利用單層石墨烯和PVDF薄膜太赫茲表面等離子體諧振效應的酒精濃度測量裝置包括半圓形矽稜鏡1、單層石墨烯2、PVDF薄膜3、二氧化矽薄膜4、待測酒精溶液5、高阻矽襯底6、第一旋轉臺7、返波振蕩器8、第一聚四氟乙烯透鏡9、第二聚四氟乙烯透鏡10、第三聚四氟乙烯透鏡11；第四聚四氟乙烯透鏡12；肖特基二極體探測器13、第二旋轉臺14；
半圓形矽稜鏡1下表面依次緊貼布置單層石墨烯2、PVDF薄膜3、二氧化矽薄膜4、待測酒精溶液5和高阻矽襯底6，由返波振蕩器8發出的THz波透過第一聚四氟乙烯透鏡9、第二聚四氟乙烯透鏡10聚焦到半圓形矽稜鏡1，再經過半圓形矽稜鏡1及單層石墨烯2、PVDF薄膜3、二氧化矽薄膜4，被緊貼置於高阻矽襯底6上的待測酒精溶液5反射後出射半圓形矽稜鏡1，再透過第三聚四氟乙烯透鏡11、第四聚四氟乙烯透鏡12到達肖特基二極體探測器13；
半圓形矽稜鏡1、單層石墨烯2、PVDF薄膜3、二氧化矽薄膜4、待測酒精溶液5、高阻矽襯底6安裝在第一旋轉臺7上；肖特基二極體探測器13安裝在第二旋轉臺14上。
測量步驟如下：
1)首先在高阻矽襯底6和二氧化矽薄膜4之間分別放置待測酒精溶液5；
2)返波振蕩器8發出的太赫茲波工作在0.65THz，在經過矽稜鏡1及單層石墨烯2、PVDF薄膜3、二氧化矽薄膜4，被緊貼置於高阻矽襯底6上的不同濃度的待測酒精溶液5反射後到達肖特基二極體探測器13，稜鏡所在的第一旋轉臺7轉動角度θ，肖特基二極體探測器13所在的第二旋轉臺14轉動2θ；θ在20至80度掃描時，角度掃描的步長小於1分，形成角度—反射係數曲線。
3)根據未知濃度的待測酒精溶液測得的角度—反射係數,計算諧振峰位置；並代入標準溶度-諧振峰測量校正曲線得到待測酒精溶液的精確濃度。
標準溶度-諧振峰測量校正曲線通過如下步驟得到：
1)首先在高阻矽襯底6和二氧化矽薄膜4之間分別放置純水、5％、10％、15％、20％、25％、30％、30％、35％、40％、45％、50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％、100％的標準酒精溶液；
2)返波振蕩器8發出的太赫茲波工作在0.65THz，在經過矽稜鏡1及單層石墨烯2、PVDF薄膜3、二氧化矽薄膜4，被緊貼置於高阻矽襯底6上的不同濃度的待測酒精溶液5反射後到達肖特基二極體探測器13，稜鏡所在的第一旋轉臺7轉動角度θ，肖特基二極體探測器13所在的第二旋轉臺14轉動2θ；θ在20至80度掃描時，角度掃描的步長小於1分，形成角度—反射係數曲線。
3)在測量所有標準溶液的角度—反射係數曲線後，計算諧振峰位置並與溶液濃度數據一起建立標準溶度-諧振峰測量校正曲線,從純水到純酒精變化過程中，反射係數曲線上的諧振峰移動16度以上，角度掃描的步長小於1分，使得測量酒精濃度精度達到0.1％以上。