CN103064145A

CN103064145A - 一种湿度传感光纤及其制备方法与应用

Info

Publication number: CN103064145A
Application number: CN2013100016429A
Authority: CN
Inventors: 郑改革; 徐林华; 张成义; 赖敏
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2013-01-05
Filing date: 2013-01-05
Publication date: 2013-04-24

Abstract

本发明公开了一种湿度传感光纤及其制备方法和应用该传感光纤的湿度传感系统。该湿度传感光纤包括纤芯和包覆纤芯的覆层；该湿度传感光纤一段为湿敏段光纤；湿敏段光纤的纤芯表面依次设有金属薄膜层和纳米多孔薄膜层；金属薄膜层的厚度为20～100nm；纳米多孔薄膜层的厚度为20～200nm。本发明湿度传感光纤制备工艺简单，应用该光纤的湿度传感系统结构简单，对湿度灵敏度高，且具有良好的选择性和低浓度输出性。

Description

一种湿度传感光纤及其制备方法与应用

发明领域

本发明涉及湿度探测技术领域，具体涉及一种基于表面等离子体共振光纤技术的传感光纤，以及使用其的表面等离子体共振传感系统。

背景技术

随着工农业的发展和科学技术的进步，湿度测量显得越来越重要，对环境湿度的控制以及对产业材料水份值的监测与分析都已成为比较普遍的技术前提之一。然而湿度是环境参量中较难检测的物理量之一。电容式、电阻式等电量湿度传感器，由于测量精度高、响应速度快以及信号易于处理和控制等优势，在市场中占据了主导地位，但存在着长期稳定性和互换性差的严重不足；而毛发式、干湿球式等非电量湿度传感器由于受测量精度、响应速度、信号处理和控制等因素的制约，应用范围非常有限。为发挥非电量湿度传感器的防污染、抗电磁干扰、本质安全(即阻燃、防爆)，传感器探头可在狭小空间使用等优势，以解决国防科研、石油化工、电力、纺织等领域的易燃、易爆和强电磁干扰环境中进行湿度测量与控制的难题，促使人们去研究新型非电量湿度传感器。

随着光纤技术和光集成技术的发展, 光学湿度传感器受到极大关注并被广泛应用。光学湿度传感器利用湿度环境下媒介层理化性质的变化, 进而引起光传播诸性质 (如入射光的反射系数、频率或相位等)的变化来检测湿度。光学湿度传感器具有体积小、响应快、抗电磁干扰、动态范围大、灵敏度高等优点。高灵敏的光学湿度传感器主要取决于其材料的湿敏特性与光学检测方法。尽管光纤传感器本身具有良好的折射率灵敏特性，但在外界环境湿度变化时，湿度变化对空气折射率的影响有限，这一点很大程度上影响了光纤湿度传感器的灵敏度。近年来，基于金属纳米结构的表面等离子体共振 (surface plasmon resonance, SPR) 传感方法也应运而生。SPR技术是一种新兴的检测技术, 与传统的分析方法相比, 它具有前处理简单、无需标记、灵敏度高以及实时、连续监测等特点。

现有的表面等离子体共振传感系统通常是基于棱镜耦合结构，包含激光光源、入射光处理单元、棱镜、贵金属层、光检测元件、待测物承载单元、光谱仪以及数据采集和处理单元，此类系统不仅体积庞大，而且待测分子与贵金属层(敏感层)的相互作用通常仅被限制在薄膜表面的单分子层，SPR在垂直方向的衰减距离没有得到充分利用，影响了传感器的灵敏度。业界亟需一种结构简单、制备方便且具有较高灵敏度的光纤湿度感测装置。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术中存在的缺陷，提供一种具有高灵敏度、良好的选择与低浓度输出性的表面等离子体共振湿度传感光纤及其制备方法与应用该湿度传感光纤的湿度传感系统。

为了达到上述目的，本发明提供了一种湿度传感光纤，包括纤芯和包覆所述纤芯的覆层；该湿度传感光纤一段为湿敏段光纤；湿敏段光纤的纤芯表面依次设有金属薄膜层和纳米多孔薄膜层；金属薄膜层的厚度为20～100nm，优选厚度为30～50nm；纳米多孔薄膜层的厚度为20～200nm。金属薄膜层采用金、银、铜、铝或其合金，优选金；纳米多孔薄膜层采用二氧化钛、氧化铝、氧化锌或多孔硅。

湿敏段光纤的纤芯一侧裸露，且裸露面与两端纤芯呈凹槽状；金属薄膜层设于湿敏段光纤的纤芯裸露面上；纳米多孔薄膜层设于金属薄膜层表面。该纤芯裸露面优选平面，方便金属薄膜层和纳米多孔薄膜层沉积，优选长度为3～10mm，与左右两端纤芯形成凹槽的深度优选为5～15μm。

本发明还提供了上述湿度传感光纤的制备方法，具体步骤如下：取具有纤芯和外层覆层的光纤基材，将其中一段的一侧覆层腐蚀脱落，使该侧纤芯裸露，裸露长度为3～10mm；然后采用研磨技术或蚀刻工艺使纤芯裸露面呈平面，研磨或蚀刻深度（即该纤芯裸露面与左右两端纤芯形成凹槽的深度）为5～15μm；采用溅射或蒸镀法依次在纤芯裸露面沉积金属薄膜层和纳米多孔薄膜层；金属薄膜层厚度为20～100nm，优选30～50nm；纳米多孔薄膜层的厚度为20～200nm。金属薄膜层采用金、银、铜、铝或其合金，优选金；纳米多孔薄膜层采用二氧化钛、氧化铝、氧化锌或多孔硅。光纤基材可采用多模光纤或单模光纤。

本发明还提供了一种应用上述湿度传感光纤的湿度传感系统，该湿度传感系统还包括光源、光度计和运算与处理单元；光源通过湿度传感光纤与光度计相连；光度计和运算与处理单元相连。光源可采用发光二极管（LED）或激光二极管。

本发明相比现有技术具有以下优点：利用湿敏段光纤的金属薄膜层使入射光中横磁偏振光的部分波矢渗入内部形成倏逝波，并利用金属薄膜层和纳米多孔薄膜层的界面激发表面等离子体模式，同时通过纳米多孔薄膜层激发导模。且利用纳米多孔薄膜使待测样本分子大量吸附在薄膜内，从而提高待测样本湿度对表面等离子体波的共振影响，改变投射光信号，达到提高湿度传感灵敏度的目的。本发明通过金属薄膜层和纳米多孔薄膜层共同作用，增大了被测样本分子的吸附量，扩展了表面等离子体波与被测样本的作用深度，从而提高了光学湿度传感光纤的灵敏度。本发明湿度传感光纤制备工艺简单，应用该光纤的湿度传感系统结构简单，对湿度灵敏度高，且具有良好的选择性和低浓度输出性。

附图说明

图1为本发明湿度传感光纤的结构示意图；

图2为图1中湿敏段光纤的扫描电子显微镜(SEM)照片；

图3为图2中A的局部放大图；

图4为本发明湿度传感系统的结构示意图；

图5为本发明湿度传感系统在检测不同湿度的气体时的光谱图；

图6为本发明湿度传感系统在检测不同湿度的气体时，相对湿度和光谱共振波长之间的关系曲线；

图7为对照光纤湿度传感器系统在检测不同湿度的气体时的光谱图；该对照湿度传感系统的传感光纤的湿敏段光纤线芯表面只沉积金属薄膜层，无纳米多孔薄膜层。

图中，1-纤芯，2-覆层，3-纳米多孔薄膜层，4-金属薄膜层；5-入射光，6-透射光，7-湿敏段光纤，8-湿度传感光纤，9-光度计，10-光源，11-运算与处理单元。

具体实施方式

下面结合附图对本发明湿度传感光纤与湿度传感系统进行详细说明。

产品实施例一

如图1所示，本发明湿度传感光纤包括线芯1和外周覆层2，中间一段为湿敏段光纤7。湿敏段光纤7的一侧纤芯1裸露，裸露表面依次设有金属薄膜层4和纳米多孔薄膜层3。

湿敏段光纤7采用多模光纤，将一侧覆层2腐蚀脱落，使该侧纤芯1裸露，裸露长度为5mm。然后采用研磨技术或蚀刻工艺磨平，使纤芯裸露面呈平面，研磨或蚀刻深度（即该纤芯裸露面与左右两端纤芯形成凹槽的深度）为12μm。采用溅射或蒸镀法依次在纤芯1裸露面沉积金属薄膜层4和纳米多孔薄膜层3（可在单一腔体中搭配多元蒸镀/溅射设备，通过简单工艺形成双层复合薄膜结构；也可通过化学处理方法制备），结合图2和图3。沉积的金属薄膜层4采用金，厚度为50nm；纳米多孔薄膜层3采用多孔二氧化钛，厚度为40nm。

如图4所示，本发明湿度传感系统包括光源10、湿度传感光纤8、光度计9和运算与处理单元11。光源10采用白光LED，运算与处理单元11采用电脑。测量时，将湿度传感系统置于待测样本中，光源10产生的入射光5通过湿度传感光纤8，透射出的透射光6传递至光度计9，结合图1。光信号在湿度传感光纤8中通过湿敏段光纤7时，入射光5中横磁偏振光的部分波矢渗入内部形成倏逝波，并利用金属薄膜层4和纳米多孔薄膜层3的界面激发表面等离子体模式，同时通过纳米多孔薄膜层3激发导模。同时纳米多孔薄膜层3大量吸附待测样本分子，通过待测样本湿度影响探测的透射光6，从而提高了本发明湿度传感系统对湿度的灵敏度。

透射光信号由光度计9传递给运算与处理单元11，进行分析与计算，表征出待测样本的湿度信息。如图5所示，本发明湿度传感系统对不同湿度的待测样本具有良好的识别效果，不同湿度对应的表面等离子体共振波长具有明显差别。将待测样本湿度与表面等离子体共振波长进行比较，结合图6，测量结果和数据拟合结合现实，两者之间满足线性关系。

同时采用对照湿度传感系统（该系统组成与本发明相同，区别仅在湿度传感光纤的湿敏段光纤的纤芯处仅沉积50nm的金薄膜层，而无纳米多孔二氧化钛薄膜层）进行不同湿度样本检测，如图7所示，待测样本湿度不同（10%、40%和70%）时，表面等离子体共振波长变化很小，灵敏度差。

产品实施例二

本发明湿度传感光纤的结构同实施例一，其中湿敏段光纤7的长度（即裸露面长度）为3mm，纤芯1的研磨或蚀刻深度为15μm。金属薄膜层4采用银，厚度为20nm。纳米多孔薄膜层3采用多孔硅，厚度为200nm。

本发明湿度传感系统的结构同实施例一。利用本发明湿度传感系统对不同湿度的待测样本进行检测，不同湿度对应的表面等离子体共振波长具有明显差别，且待测样本湿度与表面等离子体共振波长之间满足线性关系。

产品实施例三

本发明湿度传感光纤的结构同实施例一，其中湿敏段光纤7的长度（即裸露面长度）为10mm，纤芯1的研磨或蚀刻深度为5μm。金属薄膜层4采用金、铝合金（金、铝的重量比为7:3），厚度为100nm。纳米多孔薄膜层3采用多孔氧化铝，厚度为20nm。

综上所述，本发明通过在湿敏段光纤的纤芯1处沉积金属薄膜和多孔薄膜的复合结构，提高了光纤表面等离子体共振湿度传感系统的灵敏度，从而解决现有湿度传感系统灵敏度不高及系统复杂的问题。同时使用光纤做为控制光传输的元件，克服了表面等离子体共振传感系统中通常使用棱镜的缺点。

Claims

1.一种湿度传感光纤，包括纤芯和包覆所述纤芯的覆层；其特征在于：所述湿度传感光纤一段为湿敏段光纤；所述湿敏段光纤的纤芯表面依次设有金属薄膜层和纳米多孔薄膜层；所述金属薄膜层的厚度为20～100nm；所述纳米多孔薄膜层的厚度为20～200nm。

2.根据权利要求1所述的湿度传感光纤，其特征在于：所述湿敏段光纤的纤芯一侧裸露，且裸露面与两端纤芯呈凹槽状；所述金属薄膜层设于所述湿敏段光纤的纤芯裸露面；所述纳米多孔薄膜层设于所述金属薄膜层表面。

3.根据权利要求2所述的湿度传感光纤，其特征在于：所述湿敏段光纤的纤芯裸露面为平面，长度为3～10mm，与左右两端纤芯形成凹槽的深度为5～15μm。

4.根据权利要求1或2所述的湿度传感光纤，其特征在于：所述金属薄膜层采用金、银、铜、铝或其合金；所述纳米多孔薄膜层采用二氧化钛、氧化铝、氧化锌或多孔硅。

5.根据权利要求1或2所述的湿度传感光纤，其特征在于：所述金属薄膜层的厚度为30～50nm。

6.一种湿度传感光纤的制备方法，其特征在于：取具有纤芯和外层覆层的光纤基材，将其中一段的一侧覆层腐蚀脱落，使该侧纤芯裸露，裸露长度为3～10mm；然后采用研磨技术或蚀刻工艺使纤芯裸露面呈平面，研磨或蚀刻深度为5～15μm；采用溅射或蒸镀法依次在所述纤芯裸露面沉积金属薄膜层和纳米多孔薄膜层；所述金属薄膜层厚度为20～100nm；所述纳米多孔薄膜层的厚度为20～200nm。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：所述金属薄膜层厚度为30～50nm。

8.一种湿度传感系统，包括权利要求1至5任一所述的湿度传感光纤，其特征在于：所述湿度传感系统还包括光源、光度计和运算与处理单元；所述光源通过所述湿度传感光纤与所述光度计相连；所述光度计和所述运算与处理单元相连。