CN111077113A - 一种光纤端面微悬臂梁传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤端面微悬臂梁传感器及其制备方法，光纤端面微悬臂梁传感器包括：光纤；悬臂梁结构，通过飞秒激光双光子聚合技术聚合在所述光纤的一端面；所述悬臂梁结构为聚合物结构，悬臂梁结构包括支柱和微悬臂梁；微悬臂梁与光纤的端面平行。本发明通过飞秒激光双光子聚合技术制备的光学端面微悬臂梁为聚合物材料，弹性比硅基材料大，可以极大地增大探测灵敏度；制备方法属于增材制造，实现光纤与悬臂梁的一体化，结构紧凑；对光纤本身不造成任何损伤或破坏；同时节省了加工时间，使制造方式更具灵活性。本发明提出的用飞秒激光双光子聚合技术固化出的光纤端面微悬臂梁具有小尺寸、高弹性的特点，其可应用于多领域。

Description

一种光纤端面微悬臂梁传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及的是一种光纤端面微悬臂梁传感器及其制备方法，属于传感器技术领域。

背景技术

光纤式传感器能具有灵敏度高、精度高、抗干扰能力强、动态响应范围大、耐高压、耐腐蚀等突出优点。

现有的光纤式传感器，一般通过以下方法制作而成：

飞秒激光烧蚀，采用飞秒激光超短脉冲对光纤端面直接进行减材制造，当激光脉冲入射时，光纤材料吸收光子所产生的能量将在仅有几个纳米厚度的吸收层迅速积聚，在瞬间内生成的电子温度值将远远高于材料的熔点，光纤指定区域最终到达高密度、超热、高压的等离子体状态，实现对光纤的非热熔性烧蚀。经此种方法制作的氢气传感器，悬臂梁结构是由光纤本身材料形成，刚度较大，不利于悬臂梁形变；另外，此方法的工作量大，加工后的结构表面粗糙，使得传感器的分辨率较低。

聚焦离子束铣削，采用由离子源发射的经过加速聚焦后的离子束作为入射束，光纤材料在高能量的离子与光纤表面原子碰撞的过程中被溅射剥离，从而实现对光纤端面指定区域的减材制造。经此种方法制作的氢气传感器，悬臂梁结构也是由光纤本身材料形成，刚度较大，不利于悬臂梁形变；且该制作方法的耗时长，效率低下。

硅悬臂梁粘黏法，利用紫外固化胶在光纤端面直接粘黏商用硅悬臂梁，或将硅悬臂梁粘黏到封装管端面，再对光纤进行封装，这种粘黏的制作方法需要高精度微操作手，且易脱落，悬臂梁平直度难以控制，硅基材料刚度较大，不利于悬臂梁形变。

发明内容

为了克服现有技术存在的问题，本发明提出一种光纤端面微悬臂梁传感器的制备方法,所述制备方法包括以下步骤：

步骤S1、将光纤的一端切平，将光纤平放固定在载玻片上，在光纤两侧的载波片上设置支撑部以防止盖玻片挤压光纤，对光纤端面进行光刻胶滴入，使光纤端面浸没在光刻胶中，盖上盖玻片；

步骤S2、利用3D光刻机，采用飞秒激光双光子聚合技术在光纤的端面形成聚合物悬臂梁结构，得到具有悬臂梁结构的光纤样品；

步骤S3、进行显影：固化完成后取下盖玻片，将样品连带载玻片浸入在显影溶液中，未曝光的光刻胶在溶液中被溶解，固化后的聚合物悬臂梁结构被保留；

所述悬臂梁结构包括支柱和微悬臂梁，所述支柱的第一端与光纤端面的包层结合；所述微悬臂梁与光纤的端面平行；所述微悬臂梁的一端固定在支柱的第二端，所述微悬臂梁的另一端悬空在纤芯上方形成悬臂。

进一步的，所述步骤S2中“采用飞秒激光双光子聚合技术在光纤的端面形成聚合物悬臂梁结构”的步骤包括：将样品固定在三维精密位移平台上；通过电脑控制三维精密位移平台在X、Y、Z三个方向的移动，使飞秒激光光束经过加工光路系统后对光刻胶进行写入。

进一步的，所述“飞秒激光光束经过加工光路系统后对光刻胶进行写入”的步骤包括：

飞秒激光光束通过扩束器扩束后，通过衰减器及功率计；经反射镜后，光束中的近红外波段光束经双色镜反射进入物镜后聚焦到胶水内部进行加工，光束中的可见光部分透过双色镜后再通过滤波片进入CCD成像。

进一步的，在步骤S1中，所述支撑部的厚度为150-300μm；在步骤S3中，固化完成取下盖玻片后，再除去支撑部。

进一步的，在步骤S3之后还包括以下步骤：

步骤S4、利用磁控溅射镀膜仪对微悬臂梁表面镀氢敏感膜。

进一步的，所述步骤S2中，将样品固定在三维精密位移平台上后，移动三维精密位移平台使样品处于初始加工平面的初始加工点位置，使飞秒激光光束的光斑聚合点位于初始加工点；通过控制快门光阑的开关并驱动三维精密移动平台移动，使激光光束从光纤端面开始侧向聚合微悬臂梁。

本发明还提供了一种光纤端面微悬臂梁传感器，包括：

光纤，包括纤芯和包层；

悬臂梁结构，通过飞秒激光双光子聚合技术聚合在所述光纤的一端面；

所述悬臂梁结构为聚合物结构，悬臂梁结构包括支柱和微悬臂梁；

所述支柱的第一端与光纤端面的包层结合；所述微悬臂梁的一端固定在支柱的第二端，所述微悬臂梁的另一端悬空在纤芯上方形成悬臂；所述微悬臂梁与光纤的端面平行；沿着垂直于光纤端面的方向，悬臂在光纤端面上的投影覆盖纤芯；

所述光纤端面微悬臂梁传感器通过上述任一项所述的制备方法制成。

进一步的，所述微悬臂梁的厚度为微米级，宽度为微米级；所述支柱的高度为微米级。

进一步的，所述光纤端面微悬臂梁传感器为氢气传感器，所述微悬臂梁表面具有钯膜，所述钯膜的厚度小于1μm。

进一步的，所述钯膜的厚度为50~150nm。

进一步的，所述氢气传感器的微悬臂梁的厚度不大于10μm，宽度不大于100μm；所述支柱的高度不大于200μm。

本发明的光纤端面微悬臂梁传感器，通过飞秒激光双光子聚合技术制备的光学端面微悬臂梁为聚合物材料，弹性比硅基材料大，可以在不增加反应时间的情况下极大的增大探测灵敏度；制备方法属于增材制造，其实现光纤与悬臂梁的一体化，且结构紧凑；对光纤本身不造成任何损伤或破坏，从而保护了光纤的完整性；同时大大节省了加工时间，且结构设计更加灵活，使制造方式更具灵活性、为满足不同环境的需求提供了极大保障。

本发明提出的用飞秒激光双光子聚合技术固化出的光纤端面微悬臂梁具有小尺寸、高弹性的特点，其可应用于多领域。

附图说明

图1为本发明实施例的光纤端面微悬臂梁氢气传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例的光纤端面微悬臂梁氢气传感器的扫描电镜图一；

图3为本发明实施例的光纤端面微悬臂梁氢气传感器的扫描电镜图二；

图4为本发明实施例中利用飞秒激光双光子聚合技术制备光纤端面微悬臂梁氢气传感器的加工光路系统；

图5为本发明实施例的氢气传感器的光纤端面微悬臂梁法布里珀罗干涉仪的反射光谱；

图6为本发明实施例的氢气测试时，反射光谱随氢气浓度变化的光谱漂移；

图7为本发明实施例的氢气测试时，某一干涉谷值波长随氢气浓度漂移的指数关系曲线。

附图标记：

10-光纤、12-纤芯、11-包层、20-支柱、30-微悬臂梁。

具体实施方式：

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

图1是本发明实施例的光纤端面微悬臂梁传感器的结构示意图。

该光纤端面微悬臂梁传感器，包括光纤10和悬臂梁结构。其中，光纤10包括内部的纤芯12和用于包覆纤芯12的包层11。本申请的悬臂梁结构，通过飞秒激光双光子聚合技术形成在光纤10的端面。

悬臂梁结构包括支柱20和微悬臂梁30。其中，支柱20的第一端与光纤10的端面结合。微悬臂梁30的一端固定形成在支柱20的第二端，微悬臂梁30的另一端悬空形成悬臂。其中，微悬臂梁与光纤的端面平行。纤芯12和微悬臂梁30的悬臂之间形成了气隙，该气隙的距离为支柱20的高度。

通过使用飞秒激光双光子聚合技术，使得制造的微悬臂梁表面相对光滑, 与光纤端面有良好平行度，形成非本征法布里珀罗干涉仪。通过该飞秒激光双光子聚合技术形成的悬臂梁为聚合物材料，聚合物比硅基材料弹性大，镀上钯膜后在不增加反应时间的情况下极大的增大氢气探测灵敏度。

通过图2、图3所示的扫描电镜图，聚合物微悬臂梁30可以清晰地分辨出来，悬臂梁结构与光纤10端面结合紧密。图2的扫描电镜图，为了清楚地标示纤芯12的位置，图中用虚线将纤芯12的位置圈出。

本发明实施例，支柱20避开了纤芯12的位置，支柱20结合在光纤端面的包层处，与纤芯12错开。微悬臂梁30的悬臂悬空在纤芯12上方（见图2），所述悬臂在平行于端面的方向上覆盖纤芯：沿着垂直于光纤端面的方向，悬臂在光纤端面上的投影可以覆盖纤芯。

本发明实施例，微悬臂梁的厚度为微米级，宽度为微米级；支柱的高度为微米级。作为优选的方案，微悬臂梁30的厚度范围小于10μm，宽度范围小于100μm。微悬臂梁30的厚度、宽度尺寸影响到光纤端面微悬臂梁传感器的性能和可靠性。

非本征法布里珀罗干涉仪的腔长为纤芯12和微悬臂梁30的悬臂之间的气隙，该气隙的距离为支柱20的高度。优选的，支柱20的高度不大于200μm。

微悬臂梁30的厚度、宽度尺寸，以及支柱20的高度尺寸，其具体尺寸根据光纤端面微悬臂梁传感器的具体应用领域而定。

支柱用作支撑，在一个具体的实施例中，支柱20的长度为5~50μm、宽度为5~100μm。可以理解的，支柱的长、宽尺寸并不以此为限。

当本实施例的光纤端面微悬臂梁传感器应用于氢气传感器时，微悬臂梁30的厚度不大于5μm，宽度范围为5~30μm；支柱20的高度为20~80μm。作为一个优选的方案，微悬臂梁30的厚度为3μm、宽度为20μm，支柱20的高度为60μm。与光纤10的端面紧密结合的支柱20的第一端其尺寸为：长度为30μm、宽度为30μm。

本发明实施例，光纤10可以为单模或者多模光纤，具体不作限制。在一个具体的实施例中，光纤10直径为125μm，微悬臂梁30的悬臂长度为30μm。

当本实施例的光纤端面微悬臂梁传感器应用于氢气传感器时，在微悬臂梁30表面还镀有氢敏感膜。氢敏感膜的厚度不大于1μm。

作为优选，氢敏感膜为钯膜。作为进一步改善的方案，钯膜的厚度为50~150nm。

本发明实施例还提供了一种光纤端面微悬臂梁传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1、将光纤10的一端切平，将光纤10平放固定在载玻片上，对光纤10端面进行光刻胶滴入，使光纤10端面浸没在光刻胶中，盖上盖玻片。

具体的，该步骤中，可采用光纤切割刀将单模光纤10切平；在将光纤10平放固定在载玻片上后，在光纤10两侧的载玻片上设置支撑部，支撑部支撑起盖玻片，以防止盖玻片挤压光纤10。

光纤10平放是指光纤10的轴线平行于载玻片。

支撑部可以有多种形式，例如，可以在光纤10两侧的载波片上贴上或者垫上胶布，为了满足支撑部的厚度要求，可以贴多层（两层或以上）胶布；或者，还可以设置玻璃片或者塑材块用作支撑部。可以理解的，支撑部的具体形式并不以此为限。优选的，支撑部的厚度为150-300μm，该设定可以使飞秒激光双光子聚合时获得更好的成型效果。

步骤S2、利用3D光刻机，采用飞秒激光双光子聚合技术在光纤10的端面形成聚合物悬臂梁结构，得到具有悬臂梁结构的光纤10样品。

该步骤中，“采用飞秒激光双光子聚合技术在光纤10的端面形成聚合物悬臂梁结构”的步骤包括：将载玻片固定使样品被固定在三维精密位移平台上；通过电脑控制三维精密位移平台在X、Y、Z三个方向的移动，使飞秒激光光束经过加工光路系统后对光刻胶进行写入。

图4所示，为本发明所提出的飞秒激光双光子聚合技术制备光纤10端面微悬臂梁30的加工光路系统。飞秒激光光束通过扩束器扩束，将激光光斑扩大2-3倍，依次通过衰减器及功率计；衰减器用于调节激光功率值，功率计用于探测激光功率值；经过反射镜的多次反射后光束到达双色镜，光束中的近红外波段光束经双色镜反射进入物镜后聚焦到胶水内部进行加工，光束中的可见光部分透过双色镜后再通过滤波片进入CCD成像以便实时观察固化现象。

该步骤中，可利用压电移动平台的真空吸附将载玻片固定，将样品固定在三维精密位移平台上后，移动三维精密位移平台使样品处于初始加工平面的初始加工点位置，使飞秒激光光束的光斑聚合点位于初始加工点；控制快门光阑的开关并驱动三维精密移动平台移动，使激光光束从光纤10端面开始侧向聚合微悬臂梁30；

该步骤中，可通过CAD软件编程设计合适的悬臂梁结构，并调整合理的移动路径，并将层间间距和线距优化成合适间距，根据设计好的路径进行聚合加工。

在聚合过程中，若以精密移动平台为基准，那么激光光束相对就是在进行扫描。可根据悬臂梁结构形状设计移动路径，以便激光光束从光纤10端面开始自下而上进行平面分层扫描，在每层进行光栅式扫描；为了减少加工时间，层内的线扫描采用来回扫描的方式；根据所选物镜的焦深，设置合适的层间间距为0.25~1μm，线距为0.25~1μm。

该步骤中，选用高倍物镜作为加工的物镜，例如选用50倍空气物镜；将1026nm波长的飞秒激光功率设置成合适功率，并设置与所选物镜相匹配的飞秒激光功率和位移速度。例如，本具体实施例中，飞秒激光功率为0.5~4mw，位移速度为0.05~1mm/s。

步骤S3、进行显影：固化完成后取下样品上的盖玻片，除去两侧胶布，将样品连带载玻片浸入在显影溶液中，未曝光的光刻胶在溶液中被溶解，固化后的聚合物悬臂梁结构被保留，至此得到固化后的光纤10端面的聚合物微悬臂梁30。

该步骤中，显影溶液为按一定比例混合（配比）的丙酮和异丙醇的混合溶液，浸入该混合溶液中若干分钟。

通过以上方法，可以制备光纤端面微悬臂梁传感器。

通过飞秒激光光束对光刻胶聚合，形成的悬臂梁为聚合物材料，聚合物比硅基材料弹性大，可以极大的增大探测灵敏度。

如果该光纤端面微悬臂梁传感器是氢气传感器，在步骤S3之后还需要实施以下步骤：

步骤S4、溅射钯膜：将样品置于磁控溅射镀膜仪内，利用磁控溅射镀膜仪对微悬臂梁30表面镀氢敏感膜，制备成氢气传感器。

该步骤中，氢敏感膜为钯膜。在镀膜时，可使光纤10的端面朝向钯靶材，转动旋转基片使膜层溅射更加均匀。通过控制溅射时间使微悬臂梁30表面得到不大于1μm厚度的钯膜层。

图5为光纤端面微悬臂梁法布里珀罗干涉仪的反射光谱。在1550nm波长附近，自由光谱范围约为20nm，干涉仪腔长为60μm，符合自由光谱与腔长的关系: FSR=λ²/2nL。

在制备得到光纤端面微悬臂梁氢气传感器后进行氢气测试，氢气测试的方法包括：

将光纤端面微悬臂梁传感器插入含有氢氮混合气体的微通道中，通过3dB耦合器连接宽带光源与光谱仪来测量反射光谱；调节氢氮混合气体中氢气的浓度，使用光谱仪跟踪监测反射光谱随氢气浓度的漂移情况。

在氢气测试中，可利用两个流量控制器来分别控制由氢气发生器产生的纯氢气和氮气瓶释放的纯氮气的流量，然后通过一个三口连接器来进行气体混合，最后混合气体通过塑胶微通道输出，塑胶微通道的尺寸例如为约500μm。测试时，可通过调节流量控制器来调节氢氮混合气体中氢气的浓度。图6展示了器件反射光谱随氢气浓度变化的光谱漂移。随着氢气浓度的升高，光谱出现明显的蓝移。图7总结了某一干涉谷值波长随氢气浓度漂移的指数关系曲线。

本发明的光纤端面微悬臂梁传感器，通过飞秒激光双光子聚合技术制备的光学端面微悬臂梁为聚合物材料，弹性比硅基材料大，可以在不增加反应时间的情况下极大的增大探测灵敏度；制备方法属于增材制造，实现光纤与悬臂梁的一体化，且结构紧凑；在对光纤本身不造成任何损伤或破坏，从而保护了光纤的完整性；同时大大节省了加工时间，且结构设计更加灵活，使制造方式更具灵活性、为满足不同环境的需求提供了极大保障。

本发明提出的用飞秒激光双光子聚合技术固化出的光纤端面微悬臂梁具有小尺寸、高弹性的特点，其可应用于多领域：微悬臂梁镀钯后可用做氢气传感器；由于聚合物具有高热光系数，可用作温度传感，是一种灵敏度较高的温度传感器；由于微悬臂梁与光纤端面之间的腔室是开放的，可用于折射率传感；由于聚合物吸水膨胀，可用于湿度测量；根据微悬臂梁的振动特性还可用于声波、振动等振动信号的测量；通过更换磁性光刻胶，可用作磁场传感器；通过生物修饰微悬臂梁，可用于生物传感器。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内， 所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种光纤端面微悬臂梁传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

步骤S1、将光纤的一端切平，将光纤平放固定在载玻片上，在光纤两侧的载波片上设置支撑部以防止盖玻片挤压光纤，对光纤端面进行光刻胶滴入，使光纤端面浸没在光刻胶中，盖上盖玻片；

步骤S2、利用3D光刻机，采用飞秒激光双光子聚合技术在光纤的端面形成聚合物悬臂梁结构，得到具有悬臂梁结构的光纤样品；

步骤S3、进行显影：固化完成后取下盖玻片，将样品连带载玻片浸入在显影溶液中，未曝光的光刻胶在溶液中被溶解，固化后的聚合物悬臂梁结构被保留；

所述悬臂梁结构包括支柱和微悬臂梁，所述支柱的第一端与光纤端面的包层结合；所述微悬臂梁与光纤的端面平行；所述微悬臂梁的一端固定在支柱的第二端，所述微悬臂梁的另一端悬空在纤芯上方形成悬臂。

2.根据权利要求1所述的光纤端面微悬臂梁传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中“采用飞秒激光双光子聚合技术在光纤的端面形成聚合物悬臂梁结构”的步骤包括：将样品固定在三维精密位移平台上；通过电脑控制三维精密位移平台在X、Y、Z三个方向的移动，使飞秒激光光束经过加工光路系统后对光刻胶进行写入。

3.根据权利要求2所述的光纤端面微悬臂梁传感器的制备方法，其特征在于，所述“飞秒激光光束经过加工光路系统后对光刻胶进行写入”的步骤包括：

飞秒激光光束通过扩束器扩束后，通过衰减器及功率计；经反射镜后，光束中的近红外波段光束经双色镜反射进入物镜后聚焦到胶水内部进行加工，光束中的可见光部分透过双色镜后再通过滤波片进入CCD成像。

4.根据权利要求1所述的光纤端面微悬臂梁传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S1中，所述支撑部的厚度为150-300μm；在步骤S3中，固化完成取下盖玻片后，再除去支撑部。

5.根据权利要求1所述的光纤端面微悬臂梁传感器的制备方法，其特征在于，在步骤S3之后还包括以下步骤：

步骤S4、利用磁控溅射镀膜仪对微悬臂梁表面镀氢敏感膜。

6.根据权利要求1所述的光纤端面微悬臂梁传感器的制备方法，其特征在于，

所述步骤S2中，将样品固定在三维精密位移平台上后，移动三维精密位移平台使样品处于初始加工平面的初始加工点位置，使飞秒激光光束的光斑聚合点位于初始加工点；通过控制快门光阑的开关并驱动三维精密移动平台移动，使激光光束从光纤端面开始侧向聚合微悬臂梁。

7.一种光纤端面微悬臂梁传感器，其特征在于，包括：

光纤，包括纤芯和包层；

悬臂梁结构，通过飞秒激光双光子聚合技术聚合在所述光纤的一端面；

所述悬臂梁结构为聚合物结构，悬臂梁结构包括支柱和微悬臂梁；

所述支柱的第一端与光纤端面的包层结合；所述微悬臂梁的一端固定在支柱的第二端，所述微悬臂梁的另一端悬空在纤芯上方形成悬臂；所述微悬臂梁与光纤的端面平行；沿着垂直于光纤端面的方向，悬臂在光纤端面上的投影覆盖纤芯；

所述光纤端面微悬臂梁传感器通过权利要求1~6任一项所述的制备方法制成。

8.根据权利要求7所述的光纤端面微悬臂梁传感器，其特征在于，所述光纤端面微悬臂梁传感器为氢气传感器，所述微悬臂梁表面具有氢敏感膜钯膜，所述氢敏感膜的厚度小于1μm。

9.根据权利要求8所述的光纤端面微悬臂梁传感器，其特征在于，所述氢敏感膜为钯膜，所述钯膜的厚度为50~150nm。

10.根据权利要求8所述的光纤端面微悬臂梁传感器，其特征在于，所述氢气传感器的微悬臂梁的厚度不大于10μm，宽度不大于100μm；所述支柱的高度不大于200μm。

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