CN109313132A - 光纤传感器 - Google Patents
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Abstract
等离子体光纤、等离子体光学传感器、及其制造方法。纤芯传送其内的光学信号并且提供暴露于流体下的等离子体感测区域。所述等离子体感测区域仅形成于所述纤芯的外表面的一部分上。所述等离子体感测区域在所述外表面的所述部分内提供接口，以供所传送信号至少部分地射出所述纤芯并且使得在所述纤芯中传送修改光学信号。光学信号发生器可以向所述等离子体光纤提供所述光学信号；光学信号接收器可以将所传送光学信号与所述修改光学信号区分开；并且处理器模块可以分析所述修改光学信号并且标识存在于所述感测区域处的所述流体的物理特性。
Description
优先权声明
本非临时专利申请要求基于2016年5月12日以阿里礼萨·哈桑尼(AlirezaHASSANI)和法赫德·本驰克罗恩(Fahd BENCHEKROUN)的名义提交的申请号为62/335,215、名称为“OPTICAL FIBER HUMIDITY SENSOR BASED ON SURFACE PLASMON(基于表面等离子体的光纤湿度传感器)”的在先美国临时专利申请的优先权，所述临时专利申请通过引用以其全文结合于此。
技术领域
本发明总体上涉及传感器，并且更具体地涉及湿度传感器和气体传感器。
背景技术
湿度监测帮助防止例如像服务器室等电子装置环境中的腐蚀、静电。制药工业、航天和航空航天、油气工业、化学工业、数据中心、博物馆、档案馆、服务器室、医疗保健和仓库是湿度监测可能相关的环境的几个示例。用于湿度监测的其他应用也存在，并且可以帮助防洪或者控制针对更好室内空气质量的最佳期望湿度范围。
现有的湿度监测解决方案已经在准确性、灵敏度、响应时间和漂移方面显示出局限性。
本发明解决了对具有更高的准确性、增强的灵敏度、更快的响应时间和/或无漂移的湿度监测解决方案的需求。
发明内容
提供本概述是为了以简化的形式介绍将在以下详细描述中进一步描述的一些概念。本概述既不旨在标识所要求保护的主题的关键特征或重要特征，也不旨在用作确定所要求保护的主题的范围的辅助手段。
本发明的第一方面涉及一种等离子体光纤，所述等离子体光纤包括：纤芯，用于在其内传送光学信号，所述纤芯提供暴露于所述流体下的等离子体感测区域，所述等离子体感测区域仅形成于所述纤芯的外表面的一部分上。所述等离子体感测区域在所述外表面的所述部分内提供接口，以供所传送信号至少部分地射出所述纤芯并且使得在所述纤芯中传送修改光学信号。
所述等离子体光纤可以进一步可选地包括光纤包层，所述光纤包层用于防止在所述纤芯中传送的所述光学信号从其射出所述纤芯的所述外表面的所述部分的外部。
所述等离子体感测区域的所述接口可以由在其上形成的一个或多个材料层形成。所述一个或多个层可以包括例如用于感测所述流体中是否存在特定分子的沉积金层。所述金层的厚度可以在20nm与50nm之间(优选地为40nm)，以用于感测所述流体中是否存在水分子。玻璃层(大约为10nm)可以可选地被添加在所述金层之上。所述一个或多个层还可以进一步包括用于感测所述流体中是否存在氢的沉积钯层。在这类情况下，所述一个或多个层进一步包括在所述金层之上的、用于感测所述流体中是否存在氢的沉积银层或沉积钽层。所述银层或钽层的厚度可以为10nm到30nm，并且所述钯层的厚度可以为150nm到350nm。
所述等离子体感测区域的所述接口可以设置在其开口端处。可替代地，所述等离子体感测区域的所述接口可以设置在其一个或多个弯曲处。
本发明的第二方面涉及一种等离子体光学传感器，所述等离子体光学传感器包括：关于本发明的所述第一方面而描述的等离子体光纤、用于向所述等离子体光纤提供所述光学信号的光学信号发生器、将所传送的光学信号与修改光学信号区分开的光学信号接收器、以及分析修改光学信号并且标识存在于所述感测区域处的所述流体的物理特性的处理器模块。
本发明的第三方面涉及一种等离子体光学传感器，所述等离子体光学传感器包括：第一等离子体光纤、用于向所述等离子体光纤提供所述光学信号的光学信号发生器、第二光纤、光学信号接收器以及处理器模块。所述第一等离子体光纤包括：纤芯，用于在其内传送光学信号，所述纤芯提供暴露于流体下的等离子体感测区域，所述等离子体感测区域仅形成于所述纤芯的外表面的一部分上。所述等离子体感测区域在所述外表面的所述部分内提供接口，以供所传送信号至少部分地射出所述纤芯。所述第二光纤靠近所述等离子体感测区域，并且传送来自所传送信号的修改光学信号以便至少部分地射出所述光纤。所述光学信号接收器从所述第二光纤接收所述修改光学信号。所述处理器模块分析所述修改光学信号并且标识存在于所述感测区域处的所述流体的一个或多个物理特性。
根据本发明的第三或第四方面的等离子体光学传感器可以进一步包括流体可渗透外壳，所述流体可渗透外壳用于容纳所述等离子体光纤，同时所述感测区域与所述流体接触。
本发明的第五方面涉及一种由光纤制造等离子体光纤的方法。所述方法包括：从所述光纤中暴露出纤芯的外表面的一部分以形成等离子体感测区域；在所述外表面的所述部分内形成接口，使得在所述纤芯中传送的信号至少部分地射出所述纤芯；以及通过使用微电子涂覆装置，利用一个或多个金属层来涂覆所述接口。
形成所述接口可以可选地进一步包括使所述外表面的暴露部分弯曲超过临界角，所述临界角确保所述传送信号在其内的全内反射。形成所述接口可以替代地进一步包括切割所述纤芯以在其开口处形成所述接口。
利用一个或多个金属层来涂覆所述接口可以进一步包括在一个或多个附加层之前应用金层。
本发明的第六方面涉及一种制造等离子体光学传感器的方法，所述方法包括：提供流体可渗透外壳；将如根据本发明的第一方面所定义的所述等离子体光纤定位在所述外壳中以使所述感测区域与所述流体接触；以及闭合所述外壳以保护容纳在其中的所述等离子光纤。
所述方法可以进一步包括：在闭合所述外壳之前将第二光纤定位成靠近所述外壳中的所述感测区域，以保护容纳在其中的所述等离子体光纤和所述第二光纤。
附图说明
通过结合附图进行的以下详细描述，本发明的进一步特征和示例性优点将变得明显，在附图中：
图1A和图1B(下文中称为图1)是对包含流体的环境的逻辑模块化表示，在所述流体中，一个或多个目标分子是根据本发明的教导来检测的；
图2是根据本发明的教导的示例性制造方法的流程图；
图3是根据本发明的教导的第一示例性表面等离子体光纤湿度传感器的逻辑表示；
图4是根据本发明的教导的第二示例性表面等离子体光纤湿度传感器的逻辑表示；
图5A、图5B、图5C、图5D和图5E(本文中统称为图3)是根据本发明的教导的终端感测区域的不同示例性形状的逻辑视图；并且
图6A、图6B、图6C和图6D(本文中统称为图3)是根据本发明的教导的弯曲感测区域的不同示例性形状的逻辑视图。
具体实施方式
第一类湿度传感器和露点传感器是电湿度传感器，并且目前在市场上是最流行的。这些传感器通过测量湿敏薄膜的捕获特性的变化来检测湿度，以测量相对湿度(RH％)。虽然这些传感器具有相对简单的设计以及较低的询问价格，但是需要定期校准、难以测量低于5％和高于90％的RH％、较差的线性度和相对较长的响应时间(长达甚至几分钟)以及无漂移都是缺点。此外，在恶劣环境、爆炸性大气环境、或具有高电磁干扰的区域中使用电湿度传感器是危险或低效的。
光纤技术可用于感测湿度，例如，依赖于隐失波相互作用、布拉格光栅、长周期光纤光栅和干涉仪来检测湿度。光纤湿度传感器通常需要具有对湿度变化敏感的光学特性的吸湿材料。可以通过从材料反射回来的光的吸收或相位来测量材料中的光学特性变化，从而允许传感器测量湿度。
总体上，本发明涉及基于表面等离子体波与湿度(即，水)和气体的相互作用的湿度和/或气体检测、监测和/或测量。考虑到在光纤中可控传送的光学信号(例如，光)的相移和/或吸收，光学检测器或光谱仪能够检测和/或测量表面等离子体波的相互作用。所述相互作用可以由诸如水分子或某些气体分子(诸如氢)等分子的存在引发。感测区域由光纤的外表面提供，以便将在光纤中行进的光学信号的至少一部分暴露在感测区域处。这样，感测区域促进表面等离子体与湿度和/或气体的相互作用。在一些实施例中，感测区域可以由抛光、胶粘或锥形表面形成在光纤的端部。在一些实施例中，感测区域可以通过对连续光纤的受控弯曲或成形来提供。在弯曲处形成感测区域的光纤的外表面也可以进一步被抛光或以其他方式改性以增加光与湿度和/或气体的相互作用。在一些实施例中，出于增加光与湿度和/或气体的相互作用的目的，感测区域可以涂覆有一个或若干个金属层、聚合物层和/或其他材料层。针对不同的目的(例如，不同的灵敏度、不同的鲁棒性和/或不同的目标分子)可以使用不同的涂层。因此，可以适配传感器对水分子和/或气体分子的灵敏度。出于相同目的，涂覆材料可以是均匀的，或是非均匀的(具有不同形状或图案)。
根据本发明的教导，依赖等离子体效应来检测、监测和/或测量湿度和/或气体。光学信号(例如，来自激光器的光)在光纤中可控地被传送并且在形成于光纤的外表面上的感测区域处激发等离子体波。例如，感测区域可以由在与光学信号接合的光纤的表面上沉积的金层来覆盖。等离子体波对某些变化(例如，感测区域附近的湿度、气体成分或折射率的任何变化)非常敏感，从而导致光学信号的与在感测区域处存在的气体或液体(例如，氢或水)的某些特性有关的预测信号丢失和/或相移。因此，在感测区域处修改在光纤中传送的光学信号。然后，可以读取(例如，测量或以其他方式获得)和分析经修改光学信号，以用于检测、监测和/或测量感测区域处的湿度和/或气体的目的。例如，经修改光学信号可以从光纤的外部来测量(例如，通过另一光纤“读取”在感测区域处或其附近的输出)，或者可以替代地或另外地从光纤内“读取”(例如，光源在光纤的一端传送光学信号并且光学接收器在光纤的另一端将所传送光学信号与经修改光学信号区分开)。使用本发明的不同实施例，可以提供等离子体光纤湿度和/或气体传感器及其使用方法，所述传感器和方法考虑到可接受成本而满足所需的灵敏度、准确性和/或响应时间。
根据本发明，提供了不同的实施例。在第一实施例中，提供了一种等离子体光纤，所述等离子体光纤可以与相应配置的光学收发器系统一起使用。在第二实施例中，提供了一种等离子体光学传感器，所述等离子体光学传感器包括光学收发器和处理能力。在第三和第四实施例中，提供了分别制造等离子体光纤和等离子体光学传感器的方法。
为了简单起见，将参照图1和图3至图6来一起描述第一和第二实施例，同时将参照图2来一起描述第三和第四实施例，尽管不同的实施例能够独立地使用。
现在参照附图，在附图中，一起被称为图1的图1A和图1B示出了示例性等离子体光学传感器1100被部署在其中的环境1000的逻辑模块化视图。等离子体光学传感器1100用于感测其中部署了等离子体光纤1600的流体1900中存在的湿度和/或气体。等离子体光纤1600包括等离子体感测区域1610，所述等离子体感测区域提供允许表面等离子体波与流体1900相互作用的接口。等离子体光纤1600通常被容纳在外壳1700中，所述外壳对流体1900是可渗透的，但通常以其他方式保护感测区域1610。等离子体光学传感器1100自身可以处于流体1900(例如，流体1900是周围气体)中，或者可以远离流体1900。等离子体光学传感器包括处理模块1130、存储器模块1120，并且还可以包括存储系统1500。
在一些实施例中，等离子体光学传感器1100可以包括因此提供网络存在(例如，远程管理和/或远程操作)的网络接口1140。在图1所描绘的实施例中，描绘了可以向等离子体光学传感器1100发送一个或多个请求的远程联网设备1200和1300。远程设备1200和1300以及等离子体光学传感器1100可以经由网络1400、经由直接连接或直接连接与网络连接的混合而相连。在本发明的上下文中可以隐含地或明确地使用各种网络链路。虽然链路可以被描绘为无线链路，但是其还可以被实施为使用同轴电缆、光纤、5类电缆等的有线链路。有线或无线接入点(未示出)可以存在于链路上。同样地，可以进一步通过互联网进行传输的任何数量的路由器和/交换机(未示出)可以存在于链路上。
(多个)处理模块1130、1230和/或1330可以表示具有一个或多个处理器核的单个处理器或各自包括一个或多个处理器核的处理器的阵列。存储器模块1120可以包括各种类型的存储器(不同标准或种类的随机存取存储器(RAM)模块、存储器卡、只读存储器(ROM)模块、可编程ROM等)。网络接口模块1140通常表示可以用于与其他网络节点进行通信的至少一个物理接口。可以通过一个或多个逻辑接口使网络接口模块1140对计算机系统1100的其他模块可见。由网络接口模块1140的(多个)物理网络接口和/或(多个)逻辑网络接口1142、1144、1146、1148使用的实际协议栈不会影响本发明的教导。在本发明的上下文中可用的处理模块1130、存储器模块1120和网络接口模块1140的变体对于本领域技术人员而言将是明显的。
总线1170被描绘为用于在等离子体光学传感器1100的不同模块之间交换数据的装置的示例。本发明不受不同模块在其之间交换信息的方式的影响。例如，存储器模块1120和处理模块1130可以通过并行总线连接，但也可以通过串行连接来连接或者在不影响本发明的教导的情况下涉及中间模块(未示出)。
同样地，即使贯穿对各实施例的描述并未明确提及存储器模块1120和/或处理模块1130、或明确提及远程设备1200和1300中的其他模块，但本领域技术人员将容易认识到，这种模块与其他模块结合使用以执行例程以及与本发明相关的创新步骤。类似地，可以涉及感测存在于流体1900中的湿度和/或气体的至少一个或多个等离子体光学传感器(未示出)。所述多个等离子体光学传感器可以相连(例如，通过网络1400)，并且从请求者的角度充当单一工具。
等离子体光学传感器1100包括光学收发器1150，所述光学收发器包括光学信号发生器1152和光学信号接收器1154。在图1的描绘示例中，光学收发器与等离子体光学传感器1100集成。技术人员将容易认识到，光学收发器可以是连接至处理模块1130和/或存储器模块1120的不同模块(未示出)。同样地，发生器1152和接收器1154也可以设置在独立模块中和/或作为外部光源/光检测器。
图1还示出了存储系统1500作为不同数据库系统1500A、计算机系统1100的不同模块1500B或者等离子体光学传感器1100的存储器模块1120的子模块1500C的示例。存储系统1500可以分布在不同系统A、B和/或C上，或者可以处于单个系统中。存储系统1500可以包括一个或多个逻辑或物理硬盘驱动器以及本地或远程硬盘驱动器(HDD)(或其阵列)。存储系统1500可以进一步包括通过标准或专用接口或经由网络接口模块1140使等离子体光学传感器1100可访问的本地或远程数据库。在本发明的上下文中可用的存储系统1500的变体对于本领域技术人员而言将是明显的。
在一些实施例中，等离子体光学传感器1100包括用于允许与一个或多个用户(未示出)进行交互的用户接口模块1160。另外或替代地，还可以经由专用远程用户界面(未示出)上的网络接口模块1140或者在远程设备上显示的图形用户界面(未示出)来远程地进行与(多个)用户的交互。技术人员将容易理解的是，为了简单起见，对用户接口模块1160进行引用，并且可以使用其他类型的接口来提供与可选用户接口模块1160类似的特征。例如，智能电话、平板计算机、平板手机、计算机(例如，便携式或固定到移动单元)或其他多功能处理设备可以提供用户接口。远程设备1200/1300可以与等离子体光学传感器1100进行通信(例如，使用蓝牙或其他短程无线协议、通过WIFI、通过以太网、通过USB等)。
在一些实施例中，用户接口模块1160可以提供用于调节对等离子体光学传感器1100的设置的一个或多个按钮和/或刻度盘(逻辑的或物理的，未示出)。用户接口模块1160还可以包括用于显示或以其他方式传送由等离子体光学传感器1100进行的有意义测量的输出系统。例如，输出系统可以仅在流体1900中存在的目标分子的阈值被越过时提供声音或警报。另外或替代地，输出系统还可以提供对目标分子的有价值测量结果(例如，以数字方式或作为秤上的移动指针显示的)。在一些实施例中，替代地或另外，用户接口模块1160提供图形用户界面，所述图形用户界面允许使用其来调节设置和/或从等离子体光学传感器1100获得(多个)测量结果。
等离子体光纤1600包括用于在其内传送光学信号的纤芯1612。纤芯1612提供暴露于流体1900下的等离子体感测区域1610。等离子体感测区域1610仅形成于所述纤芯的外表面的一部分上。等离子体感测区域1610在所述外表面的所述部分内提供接口，以供所传送信号至少部分地射出纤芯1612，从而允许通过所传送信号生成修改信号。在优选的一组实施例中，修改光学信号在纤芯1612本身中被传送。在一些实施例中，另外或替代地，可选光纤1620被定位成靠近外壳1700中的等离子体感测区域1610，并且检测、读取或以其他方式使得传送来自光信号的信号，所述光信号至少部分地射出感测区域1610处的纤芯1612。为了简洁起见，由第二光纤1620传送的信号将被称为修改信号(即，包含用于检测目标分子的光学信息的信号)。技术人员将认识到，由第二光纤1620传送的修改信号不同于由等离子体光纤1600传送的修改信号。第二光纤1620当被提供时可以设置在单导线(未示出)中，所述单个线也包含等离子体光纤1600并且将外壳1700连接至等离子体光学传感器1100。
等离子体光纤1600通常还包括光纤包层(在图1上未示出)，所述光纤包层用于防止纤芯1612中的所传送光学信号和可能的修改光学信号从其射出纤芯1612的外表面的部分外部。
等离子体感测区域1610的接口通常由形成于其上的一个或多个材料层形成，诸如用于感测流体中的特定分子的存在的沉积金层。在执行的测试中，已经确定的是，厚度在20nm与50nm之间的金层适合用于感测流体中水分子的存在。已经表明40nm的厚度特别有效。在一些实施例中，沉积钯层和沉积银或钽层都沉积在金层之上，这已经表明在检测流体中的氢时特别有效。
银层或钽层的厚度为10nm到30nm。钯层的厚度为150nm到350nm。
在一些实施例中，等离子体感测区域1610的接口设置在其开口端处，如参照图5将具体展示的。在其他实施例中，等离子体感测区域1610的接口设置在其一个或多个弯曲处，如参照图6将具体展示的。
在使用中，光学信号发生器1152向等离子体光纤1600提供被传送至等离子体感测区域1610的光学信号。所传送信号与流体1900的相互作用是可能的，因为感测区域1610处的接口的配置允许所传送信号至少部分地在此射出纤芯1612。相互作用得使在纤芯1612和/或第二光纤1620中获得修改信号。光学信号接收器1154接收修改光学信号(例如，从等离子体光纤1600和/或从第二光纤1620)。然后将修改信号提供至处理器模块1130，所述处理器模块分析修改光学信号并且标识存在于感测区域1610处的流体1900的一个或多个物理特性。
现在同时参照图1和图3至图6。图3描绘了使用分叉光纤3300的示例性实施例3000。图4描绘了使用单根光纤4100的示例性实施例4000。图5和图6分别呈现了不同标准和任意光纤尖端形状的示例以及用于提供感测区域的弯曲光纤配置的示例。
在图3中，分叉光纤3310从源3100接收光学信号3110。当光学信号3110到达感测区域1610并且激发表面等离子体波时，则表面等离子体波与湿度相互作用，并且在第二光纤3320中将修改信号3210传送至光电探测器或任何光学检测器3200。在一些实施例中，感测区域1610被抛光并且然后利用40nm金层来涂覆，并且可以进一步利用一些其他玻璃层来涂覆以保护并增强传感器的灵敏度(例如，厚度约为10nm)。假设玻璃层在被适当应用时不会显著干扰等离子体波尾(～1000nm)。即使玻璃层被表明对等离子体波产生某种程度的干扰，但在所述玻璃层被适当应用的程度上，这种干扰不会防止在感测区域1611处进行有意义且可预测的检测。进入感测区域1610的光学信号3110在金层的顶部激发表面等离子体共振波。这些波由于感测区域1610附近的环境空气中的湿度或水分而对任何指标变化以及在感测区域上的任何微小凝固或蒸发都非常敏感。
甚至相对湿度(RH％)在0％到100％之间的较小变化都可以通过表面等离子体共振检测到。随着RH％的改变，由于SPR共振峰而引起的光学吸收或相位将改变，这可由光学检测器3200检测到。例如，流体1900可以是环境空气并且感测区域1610周围的环境空气的微小RH％变化可能被映射为光学损耗变化或相位变化。光学损耗或相位的变化可以被校准为示出RH％和露点(例如，处理模块可以是电子信号处理箱)。在一个示例中，使用关于图3所描绘的实施例，每RH％检测到1nm等离子体峰位移，其中响应时间小于0.05秒，这意味着然后可以使传感器1100检测到0.01RH％的变化。
在图4中，光纤4100被提供有光学信号3110、在感测区域1610处与流体1900相互作用，并且在光纤4100内生成修改信号。
在一些实施例中，多通道系统可以用于在多种配置中同时检测湿度、露点和/或(多种)气体，同时使用不同的配置(诸如图3和图4中所描绘的配置)。现有光纤基础设施还可以与等离子体光纤1600和/或等离子体光学传感器1100一起使用。例如，在智能建筑物中，出于室内空气质量(IAQ)的目的，可以监测湿度的水平。也可以监测制药设施，以便维持用于防止水分所需的湿度水平，所述水分将以其他方式增大药品和药物的降解率并且缩短药品和药物的有效使用期。对湿度水平敏感的很多行业可以有利地使用本发明的实施例。例如，工业制造、仪器，航天和航空工业、油气工业、发电厂、测试设施和博物馆等都可以受益于适当的湿度监测。在许多其他用途中，本发明的实施例可以防止对艺术品和稀有文件、制造操作以及电子装置的正常运作产生有害影响。
图5提供了当感测区域1620设置在等离子体光纤1600的端部时端子形状的不同示例。图5A示出了平坦(例如，平坦抛光的)配置。图5B示出了成角度的配置(例如，角抛光连接器(APC))。图5C和图5D示出了带有圆角的配置(例如，分别为物理接触(PC)和超物理接触(UPC))。图5E示出了任意成角度的配置。在光纤的常规用途中，选择端子形状的目的是使背向反射最小化。在目前的情况下，当端子形状与流体1900接合时，关注点在于与等离子体波的相互作用。
图6A、图6B、图6C、图6D描绘了用于湿度、露点和气体感测的弯曲等离子体光纤传感器的不同示例。最近测试趋于表明：虽然图5的示例性配置可以用于实现感兴趣的结果，但来自图6的配置在设计、制造以及最终商业化方面提供了更好的结果。
图6A和图6B示出了由图6B中的玻璃层覆盖的双弯曲配置。图6C和图6D示出了不同角度的单弯曲配置。
与图5相比，图6的示例不需要抛光(例如，端部抛光或侧面抛光)。在图6的示例中，等离子体光纤1600被弯曲并且涂覆有金层(例如，可以从20nm变化到50nm，其中40nm给出了预期的灵敏度和机械强度)。
一个或若干个弯曲区域和角度可以设置在单根光纤上，以便在感测区域中激发表面等离子体。利用图6的配置，还可以更易于可预见地确定在光纤上传送的光学信号撞击金层的角度，以便在金层的顶部激发表面等离子体波(例如，用于湿度和气体感测)。当使用抛光时，预期以约45度的特定角度对光纤的尖端进行抛光。
在图6的配置中，通过使光纤中的一个或多个弯曲的角度从180到0进行变化，可以可预见地确定光纤的灵敏度。已经示出90度与30度之间的角度提供更好的结果，其中，峰值灵敏度在60度左右。通过对不同参数的仔细考量，可以设置最佳弯曲角度。例如，最佳角度取决于金层附近的环境的折射率。空气和湿度或气体的折射率约为1，并且因此角度需要更小以便激发表面等离子体。当在折射率为1.33的水中进行感测时，弯曲角度可以更大(高达约180度)。
最佳角度还取决于操作光谱或波长。例如，可以使用白光源(可见范围为500nm至900nm)来在空气中激发表面等离子体，因为在较低波长中激发表面等离子体更容易。为了在更高的波长(IR，电信范围为1330nm至1600nm)范围内激发表面等离子体，需要入射到金层的更强烈的光并且因此光纤需要以更小的角度(例如，小于60度)弯曲。最佳角度还取决于光纤的类型。通常，光纤的芯越大，在其中可以引导的光学模式就越多。每种模式具有其唯一的入射角，并且因此可以利用针对特定弯曲区域具有特定入射角的特定模式来激发表面等离子体。已经利用直径为200微米、400微米、600微米、1000微米的芯测试了四(4)种类型的多模光纤。已经在600微米的光纤中观察到最大灵敏度，所述最大灵敏度发生在角度为60度时(例如，图6C)。使用如在图6A和图6B中描绘的具有60度和120度两个弯曲的600微米光纤允许更通用的感测。虽然可以在光纤中进行两个以上的弯曲，但是引起更多的光学损耗并且其可能仅适用于高功率源。
感测区域1610可以利用一个或若干个涂覆层来覆盖。在一些实施例中，所有涂层均利用与半导体工业兼容的标准涂覆装置完成，并且一般可用于微制作实验室中。可以使用不同类型的光纤，不管它们是由玻璃制成还是由聚合物制成。可以移除或不移除纤芯上的包层。也可以使用不同的纤芯直径，诸如200微米、400微米、600微米和1000微米。可以根据弯曲和涂覆区域来选择不同的光源(例如，光谱的可见、IR或其他区域)。已经测试了在450nm到900nm范围内的可见和IR光谱，并且500nm到900nm的传感器可以在失去有限灵敏度和准确性的同时进行操作。因此，可以有效地使用非常低成本的LED光源，从而使传感器操作选择波长的成本较低。因为本发明的实施例基于光学传输损耗，所以也可以以低成本开发处理模块(例如，将光学器件转换成电子器件的询问器箱)。光纤弯曲过程也易于重复，并且不涉及高成本的抛光过程。可以使光纤弯曲过程自动化以进行批量生产。
当目标分子为气体(即，针对气体感测)时，原理和弯曲过程保持相同，并且通常在金层的顶部添加附加涂层。例如，针对氢感测，在弯曲光纤上添加钯和银或钽涂层。
本发明的实施例还支持“无漂移传感器”，因为表面等离子体的灵敏度不受持续时间的影响，并且探针由金制成，并且玻璃能够承受恶劣和正常的环境。
可以开发根据本发明的一些实施例的快速响应传感器。响应时间取决于非常快速的光和表面等离子体波的响应时间。
图2示出了用于制造等离子体光纤以及可选地等离子体光学传感器的示例性方法2000的流程图。方法2000主要首先以将光纤提供2002给制造装置开始。方法2000包括：从所述光纤中暴露出2010纤芯的外表面的一部分以形成等离子体感测区域；在所述外表面的所述部分内形成2020接口，使得在所述纤芯中传送的信号至少部分地射出所述纤芯；以及通过使用微电子涂覆装置，利用一个或多个金属层来涂覆2030所述接口。
形成2020所述接口可以可选地进一步包括使所述外表面的暴露部分弯曲超过临界角，所述临界角确保所传送信号在其内的全内反射。形成2020所述接口可以替代地进一步包括切割所述纤芯以在其开口处形成所述接口。
利用一个或多个金属层来涂覆2030所述接口可以进一步包括在一个或多个附加层之前应用金层。
方法2000还可以包括：提供流体可渗透外壳；将所述等离子体光纤定位2040在所述外壳内，以使感测区域与所述流体接触；以及闭合所述外壳，以保护容纳在其中的所述等离子体光纤。方法2000可以进一步包括：在闭合所述外壳2060之前将第二光纤定位成2050靠近所述外壳中的所述感测区域，以保护容纳在其中的所述等离子体光纤和所述第二光纤。
已经出于说明的目的而呈现本发明的描述，但是所述描述并不旨在是详尽的或限于所公开的实施例。对本领域的普通技术人员而言许多修改和变化将是明显的。选择实施例，以解释本发明的原理以及其实际应用，并且当可能适合于其他所构想的用途时使得本领域的其他普通技术人员能够理解针本发明，以便实施具有各种修改的各个实施例。
Claims (20)
1.一种等离子体光纤，包括：
-纤芯，用于在其内传送光学信号，所述纤芯提供暴露于所述流体下的等离子体感测区域，所述等离子体感测区域仅形成于所述纤芯的外表面的一部分上；并且
-其中，所述等离子体感测区域在所述外表面的所述部分内提供接口，以供所传送信号至少部分地射出所述纤芯并且使得在所述纤芯中传送修改光学信号。
2.如权利要求1所述的等离子体光纤，进一步包括光纤包层，所述光纤包层用于防止在所述纤芯中传送的所述光学信号从其射出所述纤芯的所述外表面的所述部分的外部。
3.如权利要求1或权利要求2所述的等离子体光纤，其中，所述等离子体感测区域的所述接口由在其上形成的一个或多个材料层形成。
4.如权利要求3所述的等离子体光纤，其中，所述一个或多个层包括用于感测所述流体中是否存在特定分子的沉积金层。
5.如权利要求4所述的等离子体光纤，其中，所述金层的厚度在20nm与50nm之间以用于感测所述流体中是否存在水分子。
6.如权利要求4或权利要求5所述的等离子体光纤，其中，所述一个或多个层进一步包括用于感测所述流体中是否存在氢的沉积钯层。
7.如权利要求6所述的等离子体光纤，其中，所述一个或多个层进一步包括在所述金层之上的、用于感测所述流体中是否存在氢的沉积银层或沉积钽层。
8.如权利要求7所述的等离子体光纤，其中，所述银层或钽层的厚度为10nm到30nm。
9.如权利要求6、权利要求7或权利要求8所述等离子体光纤，其中，所述钯层的厚度为150nm到350nm。
10.如权利要求1至9中任一项所述的等离子体光纤，其中，所述等离子体感测区域的所述接口设置在其开口端处。
11.如权利要求1至9中任一项所述的等离子体光纤，其中，所述等离子体感测区域的所述接口设置在其一个或多个弯曲处。
12.一种等离子体光学传感器，包括：
-根据权利要求1至11中任一项所述的等离子体光纤；
-光学信号发生器，所述光学信号发生器用于向所述等离子体光纤提供所述光学信号；
-光学信号接收器，所述光学信号接收器将所传送的所述光学信号与所述修改光学信号区分开；以及
-处理器模块，所述处理器模块分析所述修改光学信号并且标识存在于所述感测区域处的所述流体的物理特性。
13.一种等离子体光学传感器，包括：
-第一等离子体光纤，所述第一等离子体光纤包括：
-纤芯，用于在其内传送光学信号，所述纤芯提供暴露于流体下的等离子体感测区域，所述等离子体感测区域仅形成于所述纤芯的外表面的一部分上；并且
-其中，所述等离子体感测区域在所述外表面的所述部分内提供接口，以供所传送信号至少部分地射出所述纤芯；
-光学信号发生器，所述光学信号发生器用于向所述等离子体光纤提供所述光学信号；
-第二光纤，靠近所述等离子体感测区域，所述第二光纤传送来自所传送信号的修改光学信号以便至少部分地射出所述光纤；
-光学信号接收器，所述光学信号接收器从所述第二光纤接收所述修改光学信号；以及
-处理器模块，所述处理器模块分析所述修改光学信号并且标识存在于所述感测区域处的所述流体的一个或多个物理特性。
14.如权利要求12或权利要求13所述的等离子体光学传感器，进一步包括流体可渗透外壳，所述流体可渗透外壳用于容纳所述等离子体光纤，同时所述感测区域与所述流体接触。
15.一种由光纤制造等离子体光纤的方法，所述方法包括：
-从所述光纤中暴露出纤芯的外表面的一部分，以形成等离子体感测区域；
-在所述外表面的所述部分内形成接口，使得在所述纤芯中传送的信号至少部分地射出所述纤芯；
-通过使用微电子涂覆装置，利用一个或多个金属层来涂覆所述接口。
16.如权利要求15所述的制造等离子体光纤的方法，其中，形成所述接口进一步包括使所述外表面的暴露部分弯曲超过临界角，所述临界角确保所述传送信号在其内的全内反射。
17.如权利要求15所述的制造等离子体光纤的方法，其中，形成所述接口进一步包括切割所述纤芯以在其开口处形成所述接口。
18.如权利要求15至17中任一项所述的制造等离子体光纤的方法，其中，利用一个或多个金属层来涂覆所述接口包括在一个或多个附加层之前应用金层。
19.一种制造等离子体光学传感器的方法，所述方法包括：
-提供流体可渗透外壳；
-将根据权利要求1至10中任一项所述的等离子体光纤定位在所述外壳中，以使所述感测区域与所述流体接触；
-闭合所述外壳，以保护容纳在其中的所述等离子体光纤。
20.如权利要求19所述的方法，进一步包括在闭合所述外壳之前将第二光纤定位成靠近所述外壳中的所述感测区域，以保护容纳在其中的所述等离子体光纤和所述第二光纤。
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