CN111999263A - 一种介观尺度微纳光纤湿度传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种介观尺度微纳光纤湿度传感器。微纳光纤湿度传感器包括基底、微纳光纤和一维材料，所述一维材料为能够因湿度改变而引起其折射率变化的敏感材料，所述基底的折射率小于微纳光纤的折射率，微纳光纤的腰区与基底固定，一维材料与微纳光纤的腰区物理或化学连接，所述一维材料能够与微纳光纤的腰区耦合产生倏逝波表面散射作用。本发明既可用于对具有介观尺度的物体进行湿度测量；亦可进一步将微纳光纤湿度传感器呈阵列化分布，从而扩展为宏观尺度上阵列化的微型湿度传感器序列，制备得到多位点传感器，用于检测特定环境空间湿度的动态分布变化。

Description

一种介观尺度微纳光纤湿度传感器
技术领域
本发明涉及一种光纤湿度传感器，属于光纤传感领域。
背景技术
湿度测量在科学研究和工程技术领域具有重要意义，如军事、航空航天、气象学、工业控制、精密机械、医疗器械等。常用的湿度传感器主要包括电阻式和电容式传感器，其中电阻式湿度传感器成本低、尺寸小，传感器与调理电路距离可以较远，电容式湿度传感器具有近线性的输出特征、长期稳定、检测范围宽的优点，但这两种类型的湿度传感器均具有较低的抗电磁干扰能力，应用场景受限。基于光纤的湿度传感器，尺寸相对较小、灵敏度高、工作范围大，特别是，光纤是由化学惰性的介电材料制成，其传感过程不受电磁干扰的优点，使其更加适用于易燃易爆等高危环境的湿度测量。
近年来，随着光纤传感技术的发展，基于光学的湿度测量方法已经被发展起来。例如长周期光纤光栅湿度传感器，其优点是灵敏度高、工作范围大，但受温度、应变等因素影响大；再如基于明胶涂层的微纳光纤湿度传感器，采用折射率引起光纤导模模场变化的工作原理，具有响应速度高、响应时间短等优点，但其敏感涂层在环境中的存在不稳定，涂层尺寸约8mm；再如基于单根聚合物纳米线的湿度传感器，环境湿度变化引起聚合物光波导本身的折射率改变，其结构简单、响应速度快，但该类型传感器集成不方便，需要将光波导与敏感材料进行倏逝波耦合。再如一种基于U型结构的湿度传感光纤，基于倏逝波耦合吸收的工作原理，具有工艺简单、稳定性好、重复性好的优点。
上述研究方法中存在的一个问题是，敏感区域涉及的物体是毫米或更大的空间尺度。与此相反，随着感知需求的发展，在一些应用场景，人们对介观尺度的环境湿度变化更加感兴趣。因此，存在这样一种需求，即需要一种灵活简便的用于检测在介观尺度上发生的环境湿度变化的器件及方法，进一步的需求是，一种可阵列化的微型湿度传感器序列，用于检测特定环境空间湿度的动态分布变化。例如，根据统计，全球每年有1/4以上的工业制造品与潮湿的危害有关，在高精度集成电路芯片的应用中，潮湿的危害主要表现在其能透过封装结构侵入集成电路内部，产生吸湿现象，导致树脂封装开裂和内部金属氧化。随着半导体工业的发展，集成电路尺寸越来越小，因此，发展一种可在介观尺度进行高灵敏湿度测量的方法具有实际意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的微纳光纤湿度传感器。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
本发明微纳光纤湿度传感器包括基底、微纳光纤和一维材料，所述一维材料为能够因湿度改变而引起其折射率变化的敏感材料，所述基底的折射率小于微纳光纤的折射率，微纳光纤的腰区与基底固定，一维材料与微纳光纤的腰区物理或化学连接，所述一维材料能够与微纳光纤的腰区耦合产生倏逝波表面散射作用。
进一步地，本发明所述一维材料为具有水分子吸收和释放能力的敏感材料，或者为具有水分子吸附和脱附能力的敏感材料。
进一步地，本发明所述一维材料的直径小于等于5μm。
进一步地，本发明所述一维材料的直径为50nm-5μm。
进一步地，本发明微纳光纤湿度传感器还包括光源和光探测器，光源与微纳光纤的一端连接，光探测器与微纳光纤的另一端连接。
在具有本发明微纳光纤湿度传感器的多位点传感器中，所述微纳光纤湿度传感器呈阵列化分布。
进一步地，本发明多位点传感器还包括光源和光探测器，每个微纳光纤湿度传感器中的微纳光纤的一端与光源连接、另一端与光探测器连接。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：（1）光线在微纳光纤中传输时周围存在强倏逝场，一维材料的折射率能够随湿度的变化而变化，当介观尺度的一维材料与微纳光纤表面接触时，接触点在入射光侧对倏逝场产生散射作用，由此，可监测透射光强度变化，实现湿度检测；（2）本发明传感器结构简单，加工过程简单、成本低、重复性好，便于大规模生产制造；（3）本发明中的微纳光纤和一维材料均具介观尺度，利用微纳光纤与一维材料的耦合作用，形成介观尺度的湿度敏感区域，可用于对具有介观尺度的物体进行湿度测量；同时，传感器结构具有强扩展性，可扩展制备宏观尺度上阵列化的微型湿度传感器序列，用于检测特定环境空间湿度的动态分布变化。
附图说明
图1为本发明传感器的一种实施方式的结构示意图；
其中，1-光源；2-微纳光纤，21-微纳光纤的腰区，22--微纳光纤的过渡区，23-微纳光纤的未拉伸区；231-微纳光纤的一端未拉伸区，232-微纳光纤的另一端未拉伸区，3-一维材料；4-光探测器；5-基底。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述，以下实施例仅用于解释说明本发明，不作为对本发明的限定。
如图1所示，本发明介观尺度微纳光纤湿度传感器包括基底5、微纳光纤2和一维材料3。基底5的折射率小于微纳光纤2的折射率，微纳光纤的腰区21固定于基底5的表面上。一维材料3为能够因湿度而引起其折射率变化的敏感材料。当一维材料3与微纳光纤的腰区21物理或化学连接时，一维材料3能够与微纳光纤的腰区21耦合产生倏逝波表面散射作用。
本发明的一维材料3可以使用具有水分子吸附和脱附能力的敏感材料，也可以使用具有水分子吸收和释放能力的敏感材料，优选以蚕丝蛋白与水溶性高分子材料的复合材料作为敏感材料，可使用拉丝法、静电纺丝法、离心纺丝法等方法将敏感材料制备成为一维材料。水溶性高分子材料可以是聚环氧乙烯、聚乙二醇、聚乙烯醇、甘油、聚乙烯吡咯烷酮等。当使用物理方法将一维材料3与微纳光纤的腰区21进行连接时，可将敏感材料原位拉伸形成一维材料3并将其搭接在微纳光纤的腰区21的表面，也可以将静电纺丝法及离心纺丝法制备得到的一维材料3通过显微操作搭接在微纳光纤的腰区21的表面。当将一维材料3与微纳光纤的腰区21进行物理连接时，由于微纳光纤的腰区21与一维材料3的表面相互接触，使得两者耦合产生倏逝波表面散射作用。当一维材料3与微纳光纤的腰区21进行化学连接时，可利用硅烷偶联剂使微纳光纤的腰区21的表面带有碳碳双键而与一维材料3产生交联聚合作用，使两者耦合加强倏逝波表面散射作用。
为保证一维材料3与微纳光纤的腰区21耦合产生良好的倏逝波表面散射作用，一维材料3的横截面为介观尺度较佳。作为本发明的优选方案，当一维材料3的直径小于等于5μm时，一维材料3与微纳光纤的腰区21耦合产生优良的倏逝波表面散射作用；当一维材料3的直径大于5μm时，亦能与微纳光纤的腰区21耦合产生倏逝波表面散射作用。当一维材料3的直径为50nm-5μm时，一维材料对倏逝波的散射作用显著大于吸收作用，同时比表面积增大，有利于水分子的快速吸收与释放，有利于提高湿度传感器的检测灵敏度。
如图1所示，本发明传感器还可进一步包括光源1和光探测器4。其中，光源1可使用激光光源、LED光源等；另可使用光谱仪作为光探测器4。光源1与微纳光纤的一端未拉伸区231连接，光探测器4与微纳光纤的另一端未拉伸区232连接。由于微纳光纤的腰区21的作用，光源1发出的光线经过微纳光纤2时，分为纤芯内传导和腰区21的倏逝场传导两部分，最终一并进入光探测器4内。
本发明微纳光纤湿度传感器的工作原理如下：光线在亚波长直径的微纳光纤的腰区21中传输，微纳光纤的腰区21表面存在强倏逝场；当入射光信号传输至微纳光纤的腰区21与一维材料3的耦合区域时，一维材料3对倏逝场的散射作用大于一维材料3对倏逝场的吸收作用，从而产生依赖于散射的光强损失；此外，介观尺度直径的一维材料具有更大的比表面积，有利于水分子的快速吸收和释放，从而增加传感器的灵敏度。进行湿度测试时，被测物体的湿度变化引起湿敏材料（即一维材料）的折射率变化，相应地引起一维材料3与微纳光纤腰区21的耦合区域的散射作用产生变化，进而引起透射光强度的变化，由此利用光探测器4检测输出光强可以获取介观空间尺度的湿度变化。由于微纳光纤和一维材料均具有介观尺度，利用微纳光纤与一维材料的耦合作用，可形成介观尺度的湿度敏感区域，实现对具有介观尺度的物体的湿度测量。
综上，本发明利用微纳光纤导光，使光场以倏逝波的形式传导，并在具有介观尺度且对湿度敏感的一维材料的接触位点处发生表面散射作用，实际敏感区域仅为介观尺寸，可满足高精度集成电路芯片的环境湿度检测的需要。本发明微纳光纤湿度传感器具有强扩展性，以介观尺度微纳光纤湿度传感器为一个单元，将多个单元作阵列化分布，则可将介观尺度微纳光纤湿度传感器扩展为宏观尺度上阵列化的微型湿度传感器序列，制备得到多位点传感器。将多位点传感器中的每个光纤湿度传感器中的微纳光纤的一端与同一个光源连接、另一端与同一个光探测器连接，或者将每个光纤湿度传感器中的微纳光纤的一端各与一个光源连接、另一端各与一个光探测器连接，可用于检测特定环境空间湿度的动态分布变化。本发明湿度传感系统具有结构简单、操作灵活、扩展性强等特点。

Claims (7)

1.一种微纳光纤湿度传感器，其特征在于：包括基底、微纳光纤和一维材料，所述一维材料为能够因湿度改变而引起其折射率变化的敏感材料，所述基底的折射率小于微纳光纤的折射率，微纳光纤的腰区与基底固定，一维材料与微纳光纤的腰区物理或化学连接，所述一维材料能够与微纳光纤的腰区耦合产生倏逝波表面散射作用。
2.根据权利要求1所述的微纳光纤湿度传感器，其特征在于：所述一维材料为具有水分子吸收和释放能力的敏感材料，或者为具有水分子吸附和脱附能力的敏感材料。
3.根据权利要求2所述的微纳光纤湿度传感器，其特征在于：所述一维材料的直径小于等于5μm。
4.根据权利要求3所述的微纳光纤湿度传感器，其特征在于：所述一维材料的直径为50nm-5μm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的微纳光纤湿度传感器，其特征在于：还包括光源和光探测器，光源与微纳光纤的一端连接，光探测器与微纳光纤的另一端连接。
6.一种具有权利要求1至4中任一项所述的微纳光纤湿度传感器的多位点传感器，其特征在于：所述微纳光纤湿度传感器呈阵列化分布。
7.根据权利要求6所述的多位点传感器，其特征在于：还包括光源和光探测器，每个微纳光纤湿度传感器中的微纳光纤的一端与光源连接、另一端与光探测器连接。
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