CN113945543B - 光纤传感器及其制备方法、检测系统和检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光纤传感器及其制备方法、检测系统和检测方法。光纤传感器包括：光纤纤芯；第一包覆层，包覆于光纤线芯外围；第二包覆层，包覆于第一包覆层外围；其中，第二包覆层可与待测元素发生反应生成反应产物，第二包覆层与第一包覆层的界面折射率随反应产物的生成量的变化和/或反应产物的种类的变化而变化。界面折射率直接影响光纤传感器的反射光谱的峰值能量强度，因此通过对比测得的光纤传感器和参照光纤传感器的反射光谱的峰值强度的差异，实现对不同种类或不同元素浓度的快速测量与标定。通过对环境中待测元素的测量与标定，能够提前做出环境改善对策，进一步提高器件的寿命和可靠性。

Description

光纤传感器及其制备方法、检测系统和检测方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别是涉及一种光纤传感器及其制备方法、检测系统和检测方法。

背景技术

自然届中很多元素会对环境及环境中的器件造成日益严重的污染和损害，譬如，一些电子元件在环境中会与特定的元素发生反应，从而导致接触不良、开路和发黑等问题，进而引起器件性能退化、器件失效等不可逆的影响，严重影响器件的可靠性，因此，在这些元器件的元素失效鉴定中，需要对环境中的待测元素进行一个长期的监测。然而，目前的监测方法普遍存在测试结构复杂、测试周期长和测试流程繁琐等问题，不能满足对环境的快速验证需求。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明设计了一种光纤传感器及其制备方法、检测系统和检测方法，以解决元素检测方法中测试结构复杂、实验周期长和检测流程繁琐等问题。

本发明设计了一种光纤传感器，包括：

光纤纤芯；

第一包覆层，包覆于所述光纤线芯外围；

第二包覆层，包覆于所述第一包覆层外围；其中，所述第二包覆层可与待测元素发生反应生成反应产物，所述第二包覆层与所述第一包覆层的界面折射率随所述反应产物的生成量的变化和/或所述反应产物的种类的变化而变化。

在其中一个实施例中，所述待测元素包括硫元素；所述第二包覆层包括银层或铜层。

在其中一个实施例中，所述第二包覆层包括致密薄膜结构、多孔结构或纳米网格状结构。

在其中一个实施例中，所述第二包覆层的厚度为50nm～150nm。

本发明还设计了一种上述光纤传感器的制备方法，所述制备方法包括：

提供参考光纤传感器，所述参考光纤传感器包括：光纤纤芯；第一包覆层，包覆于所述光纤纤芯的外围；外层包覆层，包覆于所述第一包覆层的外围；

去除所述外层包覆层，以裸露出所述第一包覆层；

在所述第一包覆层的表面形成第二包覆层，所述第二包覆层包覆所述第一包覆层的外围；其中，所述第二包覆层可与待测元素发生反应生成反应产物，所述第二包覆层与所述第一包覆层的界面折射率随所述反应产物的生成量的变化和/或所述反应产物的种类的变化而变化。

在其中一个实施例中，所述待测元素包括硫元素；所述第二包覆层包括银层或铜层。

在其中一个实施例中，所述第二包覆层包括多孔结构或纳米网格状结构。

在其中一个实施例中，所述去除所述外层包覆层的方法包括化学腐蚀或者机械剥离的方法；形成所述第二包覆层的方法包括PVD、CVD、丝网印刷法、化学合成法或提拉法。

本发明还设计了一种检测系统，所述检测系统包括：

上述任一方案中所述的光纤传感器；

参考光纤传感器，所述参考光纤传感器在所述待测元素浓度不同的环境中的反射光谱相同；

光纤光栅调解仪，与所述光纤传感器和/或所述参考光纤传感器均相连接，用于收集所述光纤传感器和所述参考光纤传感器的反射光谱。

本发明还设计了一种基于上述检测系统的检测方法，所述检测方法包括：

将所述参考光纤传感器置于待测环境中对所述待测元素进行测量，使用所述光纤光栅调解仪得到参考反射光谱；

将所述光纤传感器置于所述待测环境中对所述待测元素进行测量，使用所述光纤光栅调解仪得到检测反射光谱；

基于所述参考反射光谱及所述检测反射光谱标定所述待测环境中所述待测元素的浓度。

在其中一个实施例中，所述检测方法还包括：通过对比所述光纤传感器置于不同浓度的所述待测元素的环境中测得的反射光谱的峰值强度和所述参考光纤传感器置于不同浓度的所述待测元素的环境中测得的反射光谱的峰值强度的差异，实现对环境中待测元素浓度的标定。

本发明提供一种光纤传感器及其制备方法、检测系统和检测方法来快速检测环境中的待测元素，光纤传感器的第二包覆层在不同待测元素浓度的环境中生成的产物含量存在差异，从而导致光纤传感器的第二包覆层与第一包覆层的界面折射率存在差异，第二包覆层与第一包覆层的界面折射率随反应产物的生成量的变化或反应产物的种类的变化而变化；在此基础上，借助包含光纤光栅调解仪的检测系统来测量不同待测元素浓度或不同种类元素下的光纤传感器和参考光纤传感器的反射光谱，对比测得的反射光谱的峰值强度的差异，可以实现对不同种类或不同元素浓度的快速测量与标定；通过对环境中待测元素的测量与标定，可以对元器件运输、保存环境进行快速评估，进而对元器件的使用寿命进行预测和评价，能够提前做出对策，进一步提高器件的寿命和可靠性。

附图说明

图1是本发明一个实施例中光纤传感器结构图。

图2是本发明一个实施例中光纤传感器在A-A’方向的剖视图。

图3是本发明一个实施例中光纤传感器的制备方法流程图。

图4是本发明一个实施例中检测系统示意图。

图5是本发明一个实施例中检测方法流程图。

附图标记说明：

1、光纤传感器；11、光纤纤芯；12、第一包覆层；13、第二包覆层；2、参考光纤传感器；3、光纤光栅调解仪。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在含金属的电子元件中，一些环境中的元素(譬如，硫元素)会与器件中的金属反应从而导致接触不良、开路、发黑等问题，进而引起器件性能退化、器件失效等不可逆的影响，严重影响器件可靠性。虽然这些元素与器件中的金属反应的过程一般比较缓慢，短期内影响并不明显，但在使用一两年后，器件失效的比例以指数上升。现如今，器件的这些失效情形已经引起足够的重视，并在产品设计、生产、原材料环节都需要一些方法避免器件与这些元素的接触。在对这些器件的失效进行鉴定时，需要对环境进行一个长期的监测，并且进一步完善器件可靠性测试标准。

比如目前在对环境中硫含量进行测定的实验中，国际自动化学会ISA提出硫含量测量标准，通过在环境中放置的银板30天，测量硫化银的厚度，算出银侵蚀速率，从而评价硫含量浓度并对其进行分级。这种方法可以对环境中的硫含量进行较为精准的测量，但是这种检测方法面临测试周期长，测试流程繁琐的问题，不能满足对硫环境的快速检验需求。

为解决上述技术问题，本发明设计了一种光纤传感器及其制备方法、检测系统和检测方法，以解决传统检测方法中测试结构复杂、实验周期长和检测流程繁琐等问题。

本发明设计了一种光纤传感器1,如图1所示，光纤传感器1包括：光纤纤芯11；第一包覆层12，第一包覆层12包覆于光纤线芯外围；第二包覆层13，第二包覆层13包覆于第一包覆层12外围；其中，第二包覆层13可与待测元素发生反应生成反应产物，第二包覆层13与第一包覆层12的界面折射率随反应产物的生成量的变化和/或反应产物的种类的变化而变化。

具体地，第二包覆层13与第一包覆层12的界面折射率可以随反应产物的生成量的变化而变化，第二包覆层13与第一包覆层12的界面折射率也可以随反应产物的种类的变化而变化，第二包覆层13与第一包覆层12的界面折射率还可以随反应产物的生成量的变化和反应产物的种类的变化而变化。界面折射率发生改变，会直接影响反射光谱的能量强度，从而实现对待测元素的探测。

在其中一个实施例中，第二包覆层13在常温下即能与环境中的待测元素发生反应。

具体地，待测元素可以包括硫元素；第二包覆层13可以包括银层或铜层；本实施例中，第二包覆层13为银层。

优选地，待测元素可以是硫化氢气体、二氧化硫气体或含硫氨基酸，但不仅限于这几种硫的化合物。

进一步地，第二包覆层13可以是致密薄膜结构、多孔结构或纳米网格状结构；本实施例中，第二包覆层13为多孔结构的银膜或纳米网格状结构银膜。由于待测元素(譬如硫)与第二包覆层13(譬如银膜)的反应速率较慢，通过将第二包覆层13设置为多孔结构或纳米网格结构，可以增加待测元素与第二包覆层13的反应速率，确保待测元素与第二包覆层13的快速反应。

进一步地，第二包覆层13的厚度为50nm～150nm。

具体地，第二包覆层13的厚度可以包括但不限于50nm、100nm或150nm等等，第二包覆层13的厚度以足够用于与待测元素反应为准。

作为示例，光纤纤芯11的端面形状可以为圆形，第一包覆层12的端面形状可以为圆环形，第二包覆层13的端面形状可以为圆环形。

作为示例，光纤纤芯11的长度、第一包覆层12的长度及第二包覆层13的长度可以相等；当然，在其他示例中，第一包覆层12的长度及第二包覆层13的长度也可以均小于光纤纤芯11的长度。

请结合图1及图2并参阅图3，本发明还提供了一种光纤传感器的制备方法，此制备方法包括：

S11：提供参考光纤传感器2，参考光纤传感器2包括：光纤纤芯11；第一包覆层12，包覆于光纤纤芯的外围；外层包覆层，包覆于第一包覆层的外围；

S12：去除外层包覆层，以裸露出第一包覆层12；

S13：在第一包覆层12的表面形成第二包覆层13，第二包覆层13包覆在第一包覆层12的外围。

其中，第二包覆层13可与待测元素发生反应生成反应产物，第二包覆层13与第一包覆层12的界面折射率随反应产物的生成量的变化和/或反应产物的种类的变化而变化。具体地，第二包覆层13与第一包覆层12的界面折射率可以随反应产物的生成量的变化而变化，第二包覆层13与第一包覆层12的界面折射率也可以随反应产物的种类的变化而变化，第二包覆层13与第一包覆层12的界面折射率还可以随反应产物的生成量的变化和反应产物的种类的变化而变化。

优选地，参考光纤传感器2可以采用布拉格光栅光纤传感器，布拉格光栅光纤传感器具有很好的实时监测性，便于测试中实现对检测的快速响应。

在一个示例中，参考光纤传感器2可以采用单模的Ge(锗)掺杂布拉格光栅光纤传感器，此单模的Ge掺杂布拉格光栅光纤传感器的光纤纤芯层的直径可以为8.5±0.1微米，第一包覆层的厚度可以为120.0±0.5微米，外层包覆层成分为丙烯酸酯，光纤的长度可以为10.0±0.2毫米，反射率可以为95％，反射光谱的峰值波长可以位于1550.1纳米，在3dB以内的带宽可以为0.3纳米。本发明采用的参考光纤传感器2可以为上述单模的Ge掺杂布拉格光栅光纤传感器，但不限于此传感器，所有满足要求的传感器均在本发明的保护范围内。

具体地，去除外层包覆层的方法可以包括但不限于化学腐蚀或者机械剥离的方法。

进一步地，若采用的参考光纤传感器2为单模的Ge掺杂布拉格光栅光纤传感器，可以采用化学腐蚀的方法去除外层包覆层，具体地，可以但不仅限于用98％的硫酸/双氧水/水的混合溶液浸泡2分钟去除外层包覆层(丙烯酸酯)，得到一段无外层包覆层包裹的布拉格光栅光纤，然后在此基础上制备第二包覆层13。

在其中一个实施例中，待测元素可以包括硫元素；第二包覆层13可以包括银层或铜层；本实施例中，第二包覆层13为银层。

进一步地，第二包覆层13可以是致密薄膜结构、多孔结构或纳米网格状结构；本实施例中，第二包覆层13为多孔结构的银膜或纳米网格状结构银膜。由于待测元素(譬如硫)与第二包覆层13(譬如银膜)的反应速率较慢，通过将第二包覆层13设置为多孔结构或纳米网格结构，可以增加待测元素与第二包覆层13的反应速率，确保待测元素与第二包覆层13的快速反应。

具体地，形成第二包覆层13的方法包括但不限于PVD(物理气相沉积法)、CVD(化学气相沉积法)、丝网印刷法、化学合成法或提拉法。

优选地，本实施例中，采用提拉法形成第二包覆层13，具体包括：将已经去除了外层包覆层之后的光纤置于银纳米线溶液中，利用溶液的表面张力使银纳米线附着在光纤上，循环若干次(譬如，可以但不仅限于循环10次)，形成所需厚度(譬如，可以为50nm～150nm)的银纳米线网络薄膜。这种方法可以很好的利用纳米材料大表面体积比的优点，加速银与待测元素的反应程度和反应速率，具有更好的响应性。

此外，请结合图1及图2并参阅图4，本发明还提供一种检测系统，如图4所示，检测系统包括：光纤传感器1；参考光纤传感器2，参考光纤传感器2在待测元素浓度不同的环境中的反射光谱相同；光纤光栅调解仪3，光纤光栅调节仪3与光纤传感器1和/或参考光纤传感器2均相连接，用于收集光纤传感器1和参考光纤传感器2的反射光谱。

具体地，光纤传感器1可以为图1及图2实施例中的光纤传感器1，光纤传感器1的具体结构请参阅图1、图2及相关文字描述，此处不再累述。

具体地，光纤光栅调解仪3与光纤传感器1连接，用于收集光纤传感器1的反射光谱，光纤光栅调解仪3与参考光纤传感器2相连接，用于收集参考光纤传感器2的反射光谱，光纤光栅调解仪3与光纤传感器1和参考光纤传感器2均相连接，用于收集光纤传感器1和参考光纤传感器2的反射光谱。

优选地，光纤光栅调解仪3可采用美国MOI公司的SM125，这种光纤光栅调解仪包括一个高能量、低噪声的扫频激光器，使用非常便利。本发明可采用的调解仪不限于此种光纤光栅调解仪，所有满足使用要求的光纤光栅调解仪均在本发明的保护范围内。

请结合图4并参阅图5，本发明还提供了一种基于如图4的实施例中的检测系统进行检测的检测方法，如图5所示，检测方法包括：

S21：将参考光纤传感器2置于待测环境中对待测元素进行测量，使用光纤光栅调解仪3得到参考反射光谱；

S22：将光纤传感器1置于待测环境中对待测元素进行测量，使用光纤光栅调解仪3得到检测反射光谱；

S23：基于参考光纤反射光谱及检测反射光谱标定待测环境中的待测元素的浓度。

具体地，继续结合图4并参阅图5，将参考光纤传感器2的一端与光纤光栅调解仪3连接，另一端放置于待测环境中，使用光纤光栅调解仪3得到参考反射光谱。同理，将光纤传感器1的一端与光纤光栅调解仪3连接，另一端放置于待测环境中，使用光纤光栅调解仪3得到检测反射光谱。

进一步地，检测方法还包括：通过对比光纤传感器1置于不同浓度的待测元素的环境中测得的反射光谱的峰值强度和参考光纤传感器2置于不同浓度的待测元素的环境中测得的反射光谱的峰值强度的差异，实现对环境中待测元素浓度的标定；具体地，对多个不同浓度的检测结果逐一进行比对分析，更为具体地，可以分别对比光纤传感器1与参考光纤传感器2置于相同浓度的待测元素的环境中测得的反射光谱的峰值强度的差异，从而实现对环境中该浓度的待测元素的标定；一个浓度标定完后采用同样的方法对另一个浓度进行标定，直至所有浓度均标定完为止。

在其中一个实施例中，当第二包覆层13选用银时，银与待测元素发生反应生成的产物使得第一包覆层12与第二包覆层13的界面折射率发生改变，这直接影响反射光谱的峰值能量强度，不同种类待测元素与银发生反应后产物不同，则反射光谱的峰值能力强度不同，从而实现对待测环境的不同种类的待测元素的探测。

在另一个实施例中，当待测元素包含硫时，由于第二包覆层13在不同浓度的含硫的化合物的环境中生成的产物的含量存在差异，从而导致第一包覆层12与第二包覆层13的界面折射率存在差异，通过测量不同浓度的待测元素的光纤传感器的反射光谱，实现对待测环境的不同浓度的待测元素的测量与标定。

具体地，硫的化合物可以是硫化氢气体、二氧化硫气体和含硫氨基酸，但不仅限于这几种硫的化合物。

综上所述，本发明提供一种光纤传感器及其制备方法、检测系统和检测方法来快速检测环境中的待测元素，光纤传感器的第二包覆层在不同待测元素浓度的环境中生成的产物含量存在差异，从而导致光纤传感器的第二包覆层与第一包覆层的界面折射率存在差异，第二包覆层与第一包覆层的界面折射率随反应产物的生成量的变化或反应产物的种类的变化而变化。在此基础上，通过包含光纤光栅调解仪的检测系统来测量不同待测元素浓度或不同种类元素下的光纤传感器和参考光纤传感器的反射光谱，对比测得的反射光谱的峰值强度的差异，可以实现对不同种类或不同元素浓度的快速测量与标定。通过对环境中待测元素的测量与标定，可以对元器件运输、保存环境进行快速评估，进而对元器件的使用寿命进行预测和评价，能够提前做出对策，进一步提高器件的寿命和可靠性。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种光纤传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：

提供参考光纤传感器，所述参考光纤传感器包括：光纤纤芯；第一包覆层，包覆于所述光纤纤芯的外围；外层包覆层，包覆于所述第一包覆层的外围；

去除所述外层包覆层，以裸露出所述第一包覆层；

采用提拉法将所得结构置于银纳米线溶液中，循环预设次数，利用所述银纳米线溶液的表面张力使银纳米线附着在所得结构上，以在所述第一包覆层的表面形成第二包覆层，所述第二包覆层包覆所述第一包覆层的外围；其中，所述第二包覆层包括银纳米线网格薄膜；所述第二包覆层可与待测元素发生反应生成反应产物，所述第二包覆层与所述第一包覆层的界面折射率随所述反应产物的生成量的变化和/或所述反应产物的种类的变化而变化。

2.根据权利要求1所述的光纤传感器的制备方法，其特征在于，所述待测元素包括硫元素。

3.根据权利要求1所述的光纤传感器的制备方法，其特征在于，所述第二包覆层的厚度为50nm~150nm。

4.根据权利要求1所述的光纤传感器的制备方法，其特征在于，所述去除所述外层包覆层的方法包括化学腐蚀或者机械剥离的方法。

5.一种光纤传感器，其特征在于，采用权利要求1-4中任一项所述的光纤传感器的制备方法制备得到；所述光纤传感器包括：

光纤纤芯；

第一包覆层，包覆于所述光纤纤芯外围；

第二包覆层，包覆于所述第一包覆层外围；其中，所述第二包覆层可与待测元素发生反应生成反应产物，所述第二包覆层与所述第一包覆层的界面折射率随所述反应产物的生成量的变化和/或所述反应产物的种类的变化而变化。

6.根据权利要求5所述的光纤传感器，其特征在于，所述待测元素包括硫元素。

7.根据权利要求5所述的光纤传感器，其特征在于，所述第二包覆层的厚度为50nm~150nm。

8.一种检测系统，其特征在于，所述检测系统包括：

如权利要求5-7中任一项所述的光纤传感器；

参考光纤传感器，所述参考光纤传感器在待测元素浓度不同的环境中的反射光谱相同；

光纤光栅调解仪，与所述光纤传感器和/或所述参考光纤传感器均相连接，用于收集所述光纤传感器和所述参考光纤传感器的反射光谱。

9.一种基于权利要求8所述的检测系统的检测方法，其特征在于，所述方法包括：

将所述参考光纤传感器置于待测环境中对所述待测元素进行测量，使用所述光纤光栅调解仪得到参考反射光谱；

将所述光纤传感器置于所述待测环境中对所述待测元素进行测量，使用所述光纤光栅调解仪得到检测反射光谱；

基于所述参考反射光谱及所述检测反射光谱标定所述待测环境中所述待测元素的浓度。

10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，所述检测方法还包括：通过对比所述光纤传感器置于不同浓度的所述待测元素的环境中测得的反射光谱的峰值强度和所述参考光纤传感器置于不同浓度的所述待测元素的环境中测得的反射光谱的峰值强度的差异，实现对环境中待测元素浓度的标定。