CN101063624A - 在光纤传感器端面沉积金属膜层的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属光纤传感器技术领域，具体为一种在光纤传感器端面沉积金属膜层的方法。该方法步骤包括对光纤端面进行自组装改性，获得一自组装分子层，该自组装分子层具有朝向面外的氨基末端；将此光纤底端在常温下浸泡于Au、Ag或Pd等纳米溶胶或金属离子盐溶液中进行催化活化，形成化学镀的催化中心；最后将光纤底端浸于化学镀的镀液中，在光纤端面上沉积获得金属镀膜层。本发明方法工艺简单，操作灵活，成本低廉，制得镀层反射率高，机械性能好，具有良好的实际应用前景。

Description

在光纤传感器端面沉积金属膜层的方法

技术领域

本发明属于光纤传感器技术领域，具体涉及以一种在光纤传感器端面沉积金属覆盖层的方法。

背景技术

近几年来，光纤传感器与测量技术已发展成为仪器仪表领域新的发展方向，其原因在于光纤传感器具有其它传感器无法比拟的特点：

(1)优良的传光性能，传光损耗很小(目前损耗能达到≤0.2dB km^-1的水平；

(2)频带宽，可进行超高速测量，灵敏度和线性度好；

(3)体积小，重量轻，能在恶劣环境下进行非接触式、非破坏性以及远距离测量。

此外，光纤传输还具有灵敏度高、可靠性好、原材料硅资源丰富、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高压、电绝缘性能好、可绕曲、防爆等特点。同时，它还便于与计算机相连，进而实现智能化和远距离监控。这些都是对传统传感器功能和性能的扩展与提高，并借此完成前者很难完成甚至不能完成的任务。正是由于光纤传感器所具有的独特优势，已就被广泛应用于医疗、交通、电力、机械、石油化工、民用建筑以及航空航天等各个领域。

在光纤传感器的研制中，需要在组成元素光纤的端面上沉积一层金属薄膜形成反射镜。从发射器发出的光束在端面发生镜面反射，即返回接收器，接收和发射在同一个端口，这样提高了灵敏度(如图1所示)。通常，在光纤一端覆盖反射率较高的金属薄膜，利用它传输和收集激光信号，以实现远距离及危险条件下的控制。但是，光纤作为传感器的组成元素，表面积非常小(通常使用芯径大约几微米的单模光纤)，用现有的电子溅射、真空蒸镀的方法在光纤局部涂覆金属膜比较困难(示意图如图2所示)。其主要原因在于这两种方法都需要在真空镀室中、300℃左右的温度下进行镀膜。这样，金属原材料的浪费及操作耗时问题都很严重，当温度超过300℃时，常规的光纤涂覆层由于不能耐高温而容易发脆并断裂；另外，由于光纤一般较长，又不宜弯曲，因此需盘成较大的一卷才能放入真空镀室中，从而造成端面固定的困难。因此亟需研究一种能在常温下进行并且操作简便的涂覆金属膜的方法。

金属膜尤其是Au或Ag膜在可见光和红外区域有良好的反射性能，尤其适用于反射激光。已有报道用直接化学镀Ni的方法在光纤端面获得镜面反射层，光纤待镀表面需经粗化、敏化、活化、还原后实行化学镀。虽然镀Ni层与光纤表面的附着力很强，但端面的外表面层发黑，光反射率较低，测定值为0.2～0.3，不能达到使用要求。另外可以在采用粗化后的光纤端面在60℃下化学镀Ag作为反射面，虽然反射率较高，但镀层的机械性能以及与附着力很差，容易脱落，不可直接使用。而对其热处理后，机械性能提高但反射率降低，无法实现两者的同步增加。

发明内容

针对目前光纤传感器端面金属镀膜层反射率较低、机械性能不高，操作耗时，镀膜随环境变化较大等问题，本发明提供了一种在光纤传感器端面沉积金属膜层的新方法，以解决现有端面沉积技术中的难题，方便快捷，容易操作，机械性能也得到较大提高。

本发明解决以上问题所采用的技术方案是：先对清洗好的光纤传感器的光纤端面进行自组装表面改性，获得一层均匀覆盖的自组装分子层，这层分子与硅表面分子存在键合作用，从而可以较牢固地附着在光纤端部表面，形成化学沉积过程所需的催化剂。自组装分子层有朝向面外的氨基或巯基末端。将此光纤底端在常温下浸泡于催化剂金属纳米溶胶或金属离子盐溶液中进行催化活化，溶胶内所含的纳米金属将与自组装层的氨基或巯基末端通过静电作用紧密地结合在一起，并形成化学镀的催化中心。将经过自组装修饰并活化后的光纤底端浸于化学镀的镀液中，由于纳米粒子或金属离子的催化作用，可以快速的引发化学镀镀液中金属离子的还原，在光纤端面上得到均一光亮牢固的金属镀膜层。

本发明使用的自组装分子可以是3-氨基丙基-三甲氧基硅烷(APTMS)或者3-巯基丙基甲基三甲氧基硅烷(MPTMS)等有机硅烷，自组装所用溶剂可以使用水、乙醇或甲苯。催化剂金属纳米溶胶包括Au、Ag或Pd等贵金属溶胶，金属离子溶液可以是氯化钯、氯钯酸钠等离子盐溶液。溶胶粒径范围为1～100nm，具体根据催化反应类型控制，离子盐溶液的浓度范围为0.5～500mM。常温浸泡进行催化活化，时间范围1～10h。本发明方法可以适用于芯径不同的单膜光纤或多模光纤。

本发明的有益效果：

1.使用“种子生长法”得到金属的沉积层，方法简单，成本低、利于规模加工。

2.该方法操作灵活，易于对光纤器件端面的固定，可以实现表面涂膜批处理，节约时间。

3.使用自组装分子对基底进行修饰，修饰分子与基底间存在键合作用，修饰分子的另一端与化学镀的催化剂有强烈的静电相互作用，所得的沉积层机械性能较好，抗擦伤、耐磨损性能得到较大提高。

4.获得的Au和Ag等镀膜层光亮，反射率较高，不低于甚至优于传统蒸镀和溅射方法直接获得的镀层，充分说明本发明方法具有很好的实际应用前景。

附图说明

图1：光纤传感器基本工作原理。

图2：光纤传感器的模型示意图。

图3：光纤传感器端面镀金属膜层的放大图。

图中标号：1为光纤传感器，2为光纤，3为金属膜层。

具体实施方式

实施例1：光纤端面化学镀Au(如图3所示)

对光纤端面进行清洗和表面修饰：将清洁的光纤浸入在H₂SO₄∶H₂O₂的体积比为7∶3的混合液中氧化除油(注意：光纤外表主要是有机保护层，在处理时尽量不要把其浸入上述混合溶液中)，清洗后浸入在质量分数为1～15％的APTMS水溶液中3～8小时，取出后冲洗干净。用升降台把光纤传感器固定，并把光纤底端浸入在粒径为1～10nm的Au溶胶溶液中1～6h后取出，仔细冲洗表面。

溶胶粒径大约1～10nm的Au溶胶的配制方法：将1mL质量体积分数为1～5％的AuCl₃·HCl加入到100mL超纯水中，在连续的磁力搅拌下滴加质量体积分数为1～5％的柠檬酸三钠的水溶液1mL。然后缓慢滴加含质量体积分数0.07～0.1％硼氢化钠和1～5％柠檬酸三钠的水溶液1mL，完成后再搅拌1小时，即可用来作为Au溶胶种层催化剂。

将处理好的光纤传感器的光纤底端浸于0.1％～1％HAuCl₄和0.01～0.1％NH₂OH·HCl水溶液中，室温下进行化学镀Au，化学镀时间在50～500s。

实施例2：光纤端面化学镀Ag

将经过氧化除油的光纤底端浸入在质量分数为3～6％的APTMS水溶液中3～8小时，取出后冲洗干净。用升降台把光纤传感器固定，并把光纤底端浸入在粒径为20nm的Ag溶胶溶液中1～6h后取出，仔细冲洗表面，最后再浸在镀Ag液中化学镀。

粒径大约为10～20nm的Ag溶胶的配制方法：将1mL质量体积分数为1～5％的AgNO₃水溶液加入到100mL超纯水中，在连续的磁力搅拌下滴加质量体积分数为1～5％的柠檬酸三钠的水溶液1mL。然后缓慢滴加含质量体积分数0.07～0.09％硼氢化钠和1～5％柠檬酸三钠的水溶液1mL，完成后再搅拌1小时，即可用来作为Ag溶胶种层催化剂。化学镀Ag液由A，B两种溶液混合组成。其中A液的配制：将0.01～0.09g AgNO₃溶于6～10mL水中，并在不断搅拌下滴加氨水，直至析出的Ag₂O沉淀完全溶解；加入0.10～0.50g NaOH，溶液再次变黑，继续滴加氨水至完全澄清。B液的配制：先将0.02～0.08g葡萄糖与0.01～0.1g酒石酸溶于6～10mL水中，冷却后加入1～5mL乙醇和1～10mL水。A及B液以1∶1体积混合，把处理好的带有Ag溶胶的光纤底端浸入混合镀液中，室温下根据实际要求控制无电镀时间10～120s即可。

上述2例所制备得到的光纤端面的金属镀膜层均具有前述优良的性能。

Claims (3)

1、在光纤传感器端面沉积金属膜层的方法，其特征在于具体步骤如下：

先对清洗好的光纤传感器的光纤端面进行自组装表面改性，获得一层均匀覆盖的自组装分子层，形成化学沉积过程所需的催化剂，该自组装分子层有朝向面外的氨基或巯基末端；将此光纤底端在常温下浸泡于催化剂金属纳米溶胶或金属离子盐溶液中进行催化活化，溶胶内所含的纳米金属将与自组装层的氨基或巯基末端通过静电作用紧密地结合在一起，并形成化学镀的催化中心；将经过自组装修饰并活化后的光纤底端浸于化学镀的镀液中，由于纳米粒子或金属离子的催化作用，快速的引发化学镀镀液中金属离子的还原，在光纤端面上得到均一光亮牢固的金属镀膜层；其中所用的催化剂金属纳米溶胶为Au、Ag或Pd金属溶胶，溶胶粒径范围为1～100nm，所用的金属离子溶液为氯化钯或氯钯酸钠离子盐溶液，离子盐的浓度范围为0.5～500mM。

2、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的自组装分子为3-氨基丙基-三甲氧基硅烷或者3-巯基丙基甲基三甲氧基硅烷，自组装用的溶剂为水、乙醇或甲苯。

3、根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述催化活化时间为1～10小时。

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