專利名稱：一種濕度傳感光纖及其制備方法與應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及濕度探測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于表面等離子體共振光纖技術(shù)的傳感光纖，以及使用其的表面等離子體共振傳感系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著工農(nóng)業(yè)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，濕度測(cè)量顯得越來(lái)越重要，對(duì)環(huán)境濕度的控制以及對(duì)產(chǎn)業(yè)材料水份值的監(jiān)測(cè)與分析都已成為比較普遍的技術(shù)前提之一。然而濕度是環(huán)境參量中較難檢測(cè)的物理量之一。電容式、電阻式等電量濕度傳感器，由于測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快以及信號(hào)易于處理和控制等優(yōu)勢(shì)，在市場(chǎng)中占據(jù)了主導(dǎo)地位，但存在著長(zhǎng)期穩(wěn)定性和互換性差的嚴(yán)重不足；而毛發(fā)式、干濕球式等非電量濕度傳感器由于受測(cè)量精度、響應(yīng)速度、信號(hào)處理和控制等因素的制約，應(yīng)用范圍非常有限。為發(fā)揮非電量濕度傳感器的防污染、抗電磁干擾、本質(zhì)安全(即阻燃、防爆)，傳感器探頭可在狹小空間使用等優(yōu)勢(shì)，以解決國(guó)防科研、石油化工、電力、紡織等領(lǐng)域的易燃、易爆和強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中進(jìn)行濕度測(cè)量與控制的難題，促使人們?nèi)パ芯啃滦头请娏繚穸葌鞲衅?。隨著光纖技術(shù)和光集成技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)濕度傳感器受到極大關(guān)注并被廣泛應(yīng)用。光學(xué)濕度傳感器利用濕度環(huán)境下媒介層理化性質(zhì)的變化，進(jìn)而引起光傳播諸性質(zhì)(如入射光的反射系數(shù)、頻率或相位等)的變化來(lái)檢測(cè)濕度。光學(xué)濕度傳感器具有體積小、響應(yīng)快、抗電磁干擾、動(dòng)態(tài)范圍大、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。高靈敏的光學(xué)濕度傳感器主要取決于其材料的濕敏特性與光學(xué)檢測(cè)方法。盡管光纖傳感器本身具有良好的折射率靈敏特性，但在外界環(huán)境濕度變化時(shí)，濕度變化對(duì)空氣折射率的影響有限，這一點(diǎn)很大程度上影響了光纖濕度傳感器的靈敏度。近年來(lái)，基于金屬納米結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振(surface plasmonresonance, SPR)傳感方法也應(yīng)運(yùn)而生。SPR技術(shù)是一種新興的檢測(cè)技術(shù)，與傳統(tǒng)的分析方法相比，它具有前處理簡(jiǎn)單、無(wú)需標(biāo)記、靈敏度高以及實(shí)時(shí)、連續(xù)監(jiān)測(cè)等特點(diǎn)?，F(xiàn)有的表面等離子體共振傳感系統(tǒng)通常是基于棱鏡耦合結(jié)構(gòu)，包含激光光源、入射光處理單元、棱鏡、貴金屬層、光檢測(cè)元件、待測(cè)物承載單元、光譜儀以及數(shù)據(jù)采集和處理單元，此類系統(tǒng)不僅體積龐大，而且待測(cè)分子與貴金屬層(敏感層)的相互作用通常僅被限制在薄膜表面的單分子層，SPR在垂直方向的衰減距離沒有得到充分利用，影響了傳感器的靈敏度。業(yè)界亟需一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制備方便且具有較高靈敏度的光纖濕度感測(cè)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷，提供一種具有高靈敏度、良好的選擇與低濃度輸出性的表面等離子體共振濕度傳感光纖及其制備方法與應(yīng)用該濕度傳感光纖的濕度傳感系統(tǒng)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種濕度傳感光纖，包括纖芯和包覆所述纖芯的覆層；該濕度傳感光纖一段為濕敏段光纖；濕敏段光纖的纖芯表面依次設(shè)有金屬薄膜層和納米多孔薄膜層；金屬薄膜層的厚度為20 lOOnm，優(yōu)選厚度為30 50nm ;納米多孔薄膜層的厚度為20 200nm。金屬薄膜層采用金、銀、銅、鋁或其合金，優(yōu)選金；納米多孔薄膜層采用二氧化鈦、氧化鋁、氧化鋅或多孔硅。濕敏段光纖的纖芯一側(cè)裸露，且裸露面與兩端纖芯呈凹槽狀；金屬薄膜層設(shè)于濕敏段光纖的纖芯裸露面上；納米多孔薄膜層設(shè)于金屬薄膜層表面。該纖芯裸露面優(yōu)選平面，方便金屬薄膜層和納米多孔薄膜層沉積，優(yōu)選長(zhǎng)度為3 10mm，與左右兩端纖芯形成凹槽的深度優(yōu)選為5 15 μ m。本發(fā)明還提供了上述濕度傳感光纖的制備方法，具體步驟如下取具有纖芯和外層覆層的光纖基材，將其中一段的一側(cè)覆層腐蝕脫落，使該側(cè)纖芯裸露，裸露長(zhǎng)度為3 IOmm;然后采用研磨技術(shù)或蝕刻工藝使纖芯裸露面呈平面，研磨或蝕刻深度(即該纖芯裸露面與左右兩端纖芯形成凹槽的深度)為5 15 μ m ;采用濺射或蒸鍍法依次在纖芯裸露面沉積金屬薄膜層和納米多孔薄膜層；金屬薄膜層厚度為20 IOOnm,優(yōu)選30 50nm ;納米多孔薄膜層的厚度為20 200nm。金屬薄膜層采用金、銀、銅、鋁或其合金，優(yōu)選金；納米多孔薄膜層采用二氧化鈦、氧化鋁、氧化鋅或多孔硅。光纖基材可采用多模光纖或單模光纖。本發(fā)明還提供了一種應(yīng)用上述濕度傳感光纖的濕度傳感系統(tǒng)，該濕度傳感系統(tǒng)還包括光源、光度計(jì)和運(yùn)算與處理單元；光源通過(guò)濕度傳感光纖與光度計(jì)相連；光度計(jì)和運(yùn)算與處理單元相連。光源可采用發(fā)光二極管(LED)或激光二極管。本發(fā)明相比現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)利用濕敏段光纖的金屬薄膜層使入射光中橫磁偏振光的部分波矢滲入內(nèi)部形成倏逝波，并利用金屬薄膜層和納米多孔薄膜層的界面激發(fā)表面等離子體模式，同時(shí)通過(guò)納米多孔薄膜層激發(fā)導(dǎo)模。且利用納米多孔薄膜使待測(cè)樣本分子大量吸附在薄膜內(nèi)，從而提高待測(cè)樣本濕度對(duì)表面等離子體波的共振影響，改變投射光信號(hào)，達(dá)到提高濕度傳感靈敏度的目的。本發(fā)明通過(guò)金屬薄膜層和納米多孔薄膜層共同作用，增大了被測(cè)樣本分子的吸附量，擴(kuò)展了表面等離子體波與被測(cè)樣本的作用深度，從而提高了光學(xué)濕度傳感光纖的靈敏度。本發(fā)明濕度傳感光纖制備工藝簡(jiǎn)單，應(yīng)用該光纖的濕度傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)濕度靈敏度高，且具有良好的選擇性和低濃度輸出性。


圖1為本發(fā)明濕度傳感光纖的結(jié)構(gòu)示意圖2為圖1中濕敏段光纖的掃描電子顯微鏡(SEM)照片；
圖3為圖2中A的局部放大圖4為本發(fā)明濕度傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖5為本發(fā)明濕度傳感系統(tǒng)在檢測(cè)不同濕度的氣體時(shí)的光譜圖6為本發(fā)明濕度傳感系統(tǒng)在檢測(cè)不同濕度的氣體時(shí)，相對(duì)濕度和光譜共振波長(zhǎng)之間的關(guān)系曲線；
圖7為對(duì)照光纖濕度傳感器系統(tǒng)在檢測(cè)不同濕度的氣體時(shí)的光譜圖；該對(duì)照濕度傳感系統(tǒng)的傳感光纖的濕敏段光纖線芯表面只沉積金屬薄膜層，無(wú)納米多孔薄膜層。圖中，1-纖芯，2-覆層，3-納米多孔薄膜層，4-金屬薄膜層；5_入射光，6-透射光，7-濕敏段光纖，8-濕度傳感光纖，9-光度計(jì)，10-光源，11-運(yùn)算與處理單元。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明濕度傳感光纖與濕度傳感系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。產(chǎn)品實(shí)施例一
如圖1所示，本發(fā)明濕度傳感光纖包括線芯I和外周覆層2，中間一段為濕敏段光纖7。濕敏段光纖7的一側(cè)纖芯I裸露，裸露表面依次設(shè)有金屬薄膜層4和納米多孔薄膜層3。濕敏段光纖7采用多模光纖，將一側(cè)覆層2腐蝕脫落，使該側(cè)纖芯I裸露，裸露長(zhǎng)度為5mm。然后采用研磨技術(shù)或蝕刻工藝磨平，使纖芯裸露面呈平面，研磨或蝕刻深度(即該纖芯裸露面與左右兩端纖芯形成凹槽的深度)為12 μ m。采用濺射或蒸鍍法依次在纖芯I裸露面沉積金屬薄膜層4和納米多孔薄膜層3 (可在單一腔體中搭配多元蒸鍍/濺射設(shè)備，通過(guò)簡(jiǎn)單工藝形成雙層復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)；也可通過(guò)化學(xué)處理方法制備)，結(jié)合圖2和圖3。沉積的金屬薄膜層4采用金，厚度為50nm ;納米多孔薄膜層3采用多孔二氧化鈦，厚度為40nm。如圖4所示，本發(fā)明濕度傳感系統(tǒng)包括光源10、濕度傳感光纖8、光度計(jì)9和運(yùn)算與處理單元11。光源10采用白光LED，運(yùn)算與處理單元11采用電腦。測(cè)量時(shí)，將濕度傳感系統(tǒng)置于待測(cè)樣本中，光源10產(chǎn)生的入射光5通過(guò)濕度傳感光纖8，透射出的透射光6傳遞至光度計(jì)9，結(jié)合圖1。光信號(hào)在濕度傳感光纖8中通過(guò)濕敏段光纖7時(shí)，入射光5中橫磁偏振光的部分波矢滲入內(nèi)部形成倏逝波，并利用金屬薄膜層4和納米多孔薄膜層3的界面激發(fā)表面等離子體模式，同時(shí)通過(guò)納米多孔薄膜層3激發(fā)導(dǎo)模。同時(shí)納米多孔薄膜層3大量吸附待測(cè)樣本分子，通過(guò)待測(cè)樣本濕度影響 探測(cè)的透射光6，從而提高了本發(fā)明濕度傳感系統(tǒng)對(duì)濕度的靈敏度。透射光信號(hào)由光度計(jì)9傳遞給運(yùn)算與處理單元11，進(jìn)行分析與計(jì)算，表征出待測(cè)樣本的濕度信息。如圖5所示，本發(fā)明濕度傳感系統(tǒng)對(duì)不同濕度的待測(cè)樣本具有良好的識(shí)別效果，不同濕度對(duì)應(yīng)的表面等離子體共振波長(zhǎng)具有明顯差別。將待測(cè)樣本濕度與表面等離子體共振波長(zhǎng)進(jìn)行比較，結(jié)合圖6，測(cè)量結(jié)果和數(shù)據(jù)擬合結(jié)合現(xiàn)實(shí)，兩者之間滿足線性關(guān)系O同時(shí)采用對(duì)照濕度傳感系統(tǒng)(該系統(tǒng)組成與本發(fā)明相同，區(qū)別僅在濕度傳感光纖的濕敏段光纖的纖芯處僅沉積50nm的金薄膜層，而無(wú)納米多孔二氧化鈦薄膜層)進(jìn)行不同濕度樣本檢測(cè)，如圖7所示，待測(cè)樣本濕度不同(10%、40%和70%)時(shí)，表面等離子體共振波長(zhǎng)變化很小，靈敏度差。產(chǎn)品實(shí)施例二
本發(fā)明濕度傳感光纖的結(jié)構(gòu)同實(shí)施例一，其中濕敏段光纖7的長(zhǎng)度(即裸露面長(zhǎng)度)為3mm,纖芯I的研磨或蝕刻深度為15 μ m。金屬薄膜層4采用銀,厚度為20nm。納米多孔薄膜層3采用多孔硅，厚度為200nm。本發(fā)明濕度傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)同實(shí)施例一。利用本發(fā)明濕度傳感系統(tǒng)對(duì)不同濕度的待測(cè)樣本進(jìn)行檢測(cè)，不同濕度對(duì)應(yīng)的表面等離子體共振波長(zhǎng)具有明顯差別，且待測(cè)樣本濕度與表面等離子體共振波長(zhǎng)之間滿足線性關(guān)系。產(chǎn)品實(shí)施例三
本發(fā)明濕度傳感光纖的結(jié)構(gòu)同實(shí)施例一，其中濕敏段光纖7的長(zhǎng)度(即裸露面長(zhǎng)度)為10mm，纖芯I的研磨或蝕刻深度為5 μ m。金屬薄膜層4采用金、鋁合金(金、鋁的重量比為7:3)，厚度為lOOnm。納米多孔薄膜層3采用多孔氧化鋁，厚度為20nm。本發(fā)明濕度傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)同實(shí)施例一。利用本發(fā)明濕度傳感系統(tǒng)對(duì)不同濕度的待測(cè)樣本進(jìn)行檢測(cè)，不同濕度對(duì)應(yīng)的表面等離子體共振波長(zhǎng)具有明顯差別，且待測(cè)樣本濕度與表面等離子體共振波長(zhǎng)之間滿足線性關(guān)系。 綜上所述，本發(fā)明通過(guò)在濕敏段光纖的纖芯I處沉積金屬薄膜和多孔薄膜的復(fù)合結(jié)構(gòu)，提高了光纖表面等離子體共振濕度傳感系統(tǒng)的靈敏度，從而解決現(xiàn)有濕度傳感系統(tǒng)靈敏度不高及系統(tǒng)復(fù)雜的問(wèn)題。同時(shí)使用光纖做為控制光傳輸?shù)脑?，克服了表面等離子體共振傳感系統(tǒng)中通常使用棱鏡的缺點(diǎn)。
權(quán)利要求
1.一種濕度傳感光纖，包括纖芯和包覆所述纖芯的覆層；其特征在于所述濕度傳感光纖一段為濕敏段光纖；所述濕敏段光纖的纖芯表面依次設(shè)有金屬薄膜層和納米多孔薄膜層；所述金屬薄膜層的厚度為20 IOOnm ;所述納米多孔薄膜層的厚度為20 200nm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的濕度傳感光纖，其特征在于所述濕敏段光纖的纖芯一側(cè)裸露，且裸露面與兩端纖芯呈凹槽狀；所述金屬薄膜層設(shè)于所述濕敏段光纖的纖芯裸露面；所述納米多孔薄膜層設(shè)于所述金屬薄膜層表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的濕度傳感光纖，其特征在于所述濕敏段光纖的纖芯裸露面為平面,長(zhǎng)度為3 IOmm,與左右兩端纖芯形成凹槽的深度為5 15 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的濕度傳感光纖，其特征在于所述金屬薄膜層采用金、銀、銅、鋁或其合金；所述納米多孔薄膜層采用二氧化鈦、氧化鋁、氧化鋅或多孔硅。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的濕度傳感光纖，其特征在于所述金屬薄膜層的厚度為30 50nm。
6.—種濕度傳感光纖的制備方法,其特征在于取具有纖芯和外層覆層的光纖基材，將其中一段的一側(cè)覆層腐蝕脫落，使該側(cè)纖芯裸露，裸露長(zhǎng)度為3 IOmm ;然后采用研磨技術(shù)或蝕刻工藝使纖芯裸露面呈平面，研磨或蝕刻深度為5 15 μ m ;采用濺射或蒸鍍法依次在所述纖芯裸露面沉積金屬薄膜層和納米多孔薄膜層；所述金屬薄膜層厚度為20 IOOnm ;所述納米多孔薄膜層的厚度為20 200nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于所述金屬薄膜層厚度為30 50nm。
8.—種濕度傳感系統(tǒng),包括權(quán)利要求1至5任一所述的濕度傳感光纖,其特征在于所述濕度傳感系統(tǒng)還包括光源、光度計(jì)和運(yùn)算與處理單元；所述光源通過(guò)所述濕度傳感光纖與所述光度計(jì)相連；所述光度計(jì)和所述運(yùn)算與處理單元相連。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種濕度傳感光纖及其制備方法和應(yīng)用該傳感光纖的濕度傳感系統(tǒng)。該濕度傳感光纖包括纖芯和包覆纖芯的覆層；該濕度傳感光纖一段為濕敏段光纖；濕敏段光纖的纖芯表面依次設(shè)有金屬薄膜層和納米多孔薄膜層；金屬薄膜層的厚度為20～100nm；納米多孔薄膜層的厚度為20～200nm。本發(fā)明濕度傳感光纖制備工藝簡(jiǎn)單，應(yīng)用該光纖的濕度傳感系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，對(duì)濕度靈敏度高，且具有良好的選擇性和低濃度輸出性。
文檔編號(hào)G01N21/55GK103064145SQ20131000164
公開日2013年4月24日 申請(qǐng)日期2013年1月5日 優(yōu)先權(quán)日2013年1月5日
發(fā)明者鄭改革, 徐林華, 張成義, 賴敏 申請(qǐng)人:南京信息工程大學(xué)