CN114705657A - 一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器，包括：光纤，一端面上具有向内延伸的一腔室；平面结构的悬臂梁薄膜，设置于所述光纤具有所述腔室的端面上，且位于所述腔室前方。该光纤氢气传感器的悬臂梁薄膜厚度为纳米量级，从而对外界氢气浓度探测更加灵敏，且法布里珀罗干涉仪的腔室受外界的光照、温度等影响较小。本发明还提供上述氢气传感器的制备方法。

Description

一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及氢气传感器技术，尤其涉及一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器及其制备方法。

背景技术

氢气是一种清洁能源，在空气中燃烧的产物只有水，可缓解与化石燃料消耗相关的全球变暖问题，此外氢气作为抗氧化气体已广泛用于医学和生物领域，用于预防癌症或治疗炎症。然而，当氢气的体积浓度达到4%的爆炸极限时，氢气在空气中具有极强的爆炸性，导致其在运输、储存和使用过程中均存在安全问题。因此，开发一种快速、灵敏的氢气传感器在许多能源、医学和生物应用中具有重要意义。

基于电阻的氢气传感器，包括电化学和微机电，虽然制备工艺成熟且成本可控制、较低，但仍然使用电信号进行解调，因此在电信号读出期间存在由电火花触发爆炸的潜在风险。而光纤氢气传感器由于能够有效避免电磁干扰而被广泛研究。

目前光纤氢气传感器主要分为倏逝场型和光纤光栅型，但是这两类光纤氢气传感器的应用前景不大，因为倏逝场型会暴露纤芯从而弱化传感头的强度，进而影响机械性能和氢气传感器的稳定性，而光纤光栅型则容易受到外界温度的干扰。

基于法布里珀罗干涉仪与敏感材料钯结合的光纤传感器，通过应力引起的腔长变化实现氢气测量，制作简单，成本低，同时，悬臂梁一端固定，另一段为自由端的结构，对施加其表面上的应力、温度、质量等物理量的变化极为敏感，因此具有极高的响应速度和灵敏度，故基于法布里珀罗干涉仪、敏感材料钯与悬臂梁三者相结合的光纤传感器在最近几年被广泛研究。

专利号为CN201911294643.0的中国专利中公开了一种光纤端面微悬臂梁传感器及其制备方法。所述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。当所述光纤端面微悬臂梁传感器为氢气传感器时，所述微悬臂梁表面具有氢敏感薄膜层钯膜。

上述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；步骤S4、利用磁控溅射镀膜仪对微悬臂梁表面镀氢敏感薄膜层钯膜。

上述专利中的悬臂梁结构是由支柱和微悬臂梁所构成的立体结构，所述支柱起支撑作用，以使所述微悬臂梁上的悬臂与所述光纤的纤芯之间形成一气隙，该气隙即为法布里珀罗干涉仪的腔室。立体结构的悬臂梁结构总体厚度较大，仅能做到微米级别，结构不够紧凑，影响了对氢气浓度探测的灵敏度，同时将法布里珀罗干涉仪的腔室完全置于所述纤芯外，测量精度容易受外界的光照、温度等影响。

发明内容

为了解决上述现有技术的不足，本发明提供一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器，其悬臂梁薄膜厚度小，且法布里珀罗干涉仪的腔室受外界的光照、温度等影响较小。

本发明还提供上述氢气传感器的制备方法。

本发明所要解决的技术问题通过以下技术方案予以实现：

一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器，包括：

光纤，一端面上具有向内延伸的一腔室；

平面结构的悬臂梁薄膜，设置于所述光纤具有所述腔室的端面上，且位于所述腔室前方。

进一步地，所述光纤包括纤芯和包层，所述腔室至少位于所述纤芯的端面上。

进一步地，所述悬臂梁薄膜包括位于同一平面上的薄膜外围和薄膜悬臂，所述薄膜外围固定在所述光纤端面的包层上，具有与所述腔室相对应的镂空区；所述薄膜悬臂位于所述薄膜外围的镂空区内，一端与所述薄膜外围固定，另一端悬浮于所述腔室前方且与所述光纤端面的纤芯相对应。

进一步地，所述薄膜悬臂在所述光纤端面上的投影位于所述腔室内，且覆盖所述光纤端面的纤芯。

进一步地，所述悬臂梁薄膜包括设置于所述光纤端面上的悬浮薄膜层、设置于所述悬浮薄膜层上的支撑薄膜层以及设置于所述支撑薄膜层上的氢敏感薄膜层。

进一步地，所述悬浮薄膜层为石墨烯薄膜，所述支撑薄膜层为金薄膜，所述氢敏感薄膜层为钯薄膜。

一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器制备方法，步骤如下：

S1：在光纤的一端面上制作向内延伸的一腔室；

S2：在所述光纤具有所述腔室的端面上制作平面结构的悬臂梁薄膜，所述悬臂梁薄膜位于所述腔室前方。

进一步地，步骤S1中，在光纤的一端面上制作向内延伸的一腔室的步骤如下：

S1.1：将两根光纤的各自一端面切平；

S1.2：将两根光纤中已切平的端面加热为圆弧形状；

S1.3：在两根光纤中圆弧形状的端面上涂抹折射率匹配液；

S1.4：将两根光纤中已涂抹所述折射率匹配液的端面加热熔接，同时使所述折射率匹配液汽化而在两根光纤的熔接处形成气泡腔；

S1.5：从所述气泡腔中间将已熔接的两根光纤切断，得到一端面上具有所述腔室的两根光纤。

进一步地，步骤S1中，在光纤的一端面上制作向内延伸的一腔室的步骤如下：

S1.1：将一根光纤的一端面切平；

S1.2：采用飞秒激光在所述光纤中已切平的端面上刻蚀出一小孔；

S1.3：将所述光纤具有所述小孔的端面与另一根光纤中已切平的端面加热熔接，同时使所述小孔内的气体受热膨胀而是所述小孔在两根光纤的熔接处扩大形成气泡腔；

S1.4：从所述气泡腔中间将已熔接的两根光纤切断，得到一端面上具有所述腔室的两根光纤。

进一步地，所述悬臂梁薄膜包括悬浮薄膜层、支撑薄膜层以及氢敏感薄膜层，步骤S2中，在所述光纤具有所述腔室的端面上制作平面结构的悬臂梁薄膜的步骤如下：

S2.1：在所述光纤具有所述腔室的端面上制作一层悬浮薄膜层；

S2.2：在所述悬浮薄膜层上制作一层支撑薄膜层；

S2.3：根据所述悬臂梁薄膜的平面结构，对所述悬浮薄膜层和支撑薄膜层进行刻蚀；

S2.4：在所述支撑薄膜层上制作一层氢敏感薄膜层。

进一步地，所述悬浮薄膜层为石墨烯薄膜，步骤S2.1中，在所述光纤具有所述腔室的端面上制作一层石墨烯薄膜的步骤如下：

S2.1.1：通过化学气相沉积法在铜箔上生长石墨烯，得到铜基石墨烯；

S2.2.2：在所述铜基石墨烯中剪切一小块置于FeCl3溶液中，等待所述FeCl3溶液将所述铜基石墨烯完全腐蚀，从而获得石墨烯薄膜；

S2.2.3：重复使用去离子水过滤所述FeCl3溶液中的废液，使所述石墨烯薄膜漂浮在所述去离子水上；

S2.2.4：将所述光纤具有所述腔室的一端面与所述去离子水上的石墨烯薄膜相接触后，以将所述去离子水上的石墨烯薄膜转移至所述光纤的端面上，待所述光纤端面上的石墨烯薄膜中的水分蒸发后，形成悬浮的石墨烯薄膜。

本发明具有如下有益效果：该光纤氢气传感器制备方法所制备的光纤氢气传感器，将法布里珀罗干涉仪的腔室置于所述光纤内，然后在所述光纤的端面上制作所述悬臂梁薄膜，相较于将所述腔室外置、并采用立体结构的悬臂梁结构的现有技术，将所述腔室内置于所述光纤中，可减轻外界的光照、温度等对测量精度的影响，同时，所述悬臂梁薄膜为平面结构，总体厚度小，可达到纳米级别，不仅结构更加紧凑，而且纳米量级薄膜对外界氢气浓度探测更加灵敏。

附图说明

图1为本发明提供的基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器的剖面示意图；

图2为本发明提供的基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器的端面示意图；

图3为本发明提供的基于悬臂梁薄膜的氢气浓度检测系统的原理示意图；

图4为图3所示的基于悬臂梁薄膜的氢气浓度检测系统的反射光谱图；

图5为本发明提供的基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器制备方法的步骤框图；

图6为图5所示的光纤氢气传感器制备方法中步骤S1的步骤框图；

图7为图5所示的光纤氢气传感器制备方法中另一步骤S1的步骤框图；

图8为图5所示的光纤氢气传感器制备方法中另一步骤S2的步骤框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的说明，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”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”、“第三”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”、“第三”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，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”、“设置”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，还可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。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。

实施例一

如图1和2所示，一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器1，包括：

光纤11，一端面上具有向内延伸的一腔室113；

平面结构的悬臂梁薄膜12，设置于所述光纤11具有所述腔室113的端面上，且位于所述腔室113前方。

该光纤氢气传感器1将法布里珀罗干涉仪的腔室113置于所述光纤11内，然后在所述光纤11的端面上制作所述悬臂梁薄膜12，相较于将所述腔室113外置、并采用立体结构的悬臂梁结构的现有技术，将所述腔室113内置于所述光纤11中，可减轻外界的光照、温度等对测量精度的影响，同时，所述悬臂梁薄膜12为平面结构，总体厚度小，可达到纳米级别，不仅结构更加紧凑，而且纳米量级薄膜对外界氢气浓度探测更加灵敏。

所述腔室113为开放腔，在所述光纤11的端面上与外界相连通。所述光纤11包括纤芯111和包层112，所述腔室113至少位于所述纤芯111的端面上，视所述腔室113的大小，所述腔室113也可以位于所述包层112的端面上；本实施例中，所述腔室113同时位于所述纤芯111和包层112的端面上，所述纤芯111与所述腔室113的中心相对应，所述包层112与所述腔室113的外围相对应，且所述腔室113的范围不超出所述包层112。

所述悬臂梁薄膜12包括位于同一平面上的薄膜外围121和薄膜悬臂122，所述薄膜外围121固定在所述光纤11端面的包层112上，具有与所述腔室113相对应的镂空区；所述薄膜悬臂122位于所述薄膜外围121的镂空区内，一端与所述薄膜外围121固定，另一端悬浮于所述腔室113前方，且与所述光纤11端面的纤芯111相对应。

所述薄膜外围121在本案中起到支撑作用，以支撑所述薄膜悬臂122的一端，使所述薄膜悬臂122的另一端可以悬浮于所述腔室113前方，且与所述光纤11端面的纤芯111相对应；所述薄膜悬臂122在所述光纤11端面上的投影位于所述腔室113内，且覆盖所述光纤11端面的纤芯111。

所述腔室113并未被所述薄膜悬臂122封闭，而是通过所述薄膜悬臂122与所述薄膜外围121之间的间隙与外界连通。

所述悬臂梁薄膜12包括设置于所述光纤11端面上的悬浮薄膜层、设置于所述悬浮薄膜层上的支撑薄膜层以及设置于所述支撑薄膜层上的氢敏感薄膜层。

本实施例中，所述悬浮薄膜层为石墨烯薄膜，所述支撑薄膜层为金薄膜，所述氢敏感薄膜层为钯薄膜。

本实施例中，所述腔室113为半球腔。

实施例二

图3所示，一种基于悬臂梁薄膜的氢气浓度检测系统，包括：

实施例一所述的光纤氢气传感器1；以及

宽带光源2、光谱仪3、光纤环形器4、氢气发生器6、氢气流量阀7、氮气发生器8、氮气流量阀9和气体混合器5，

所述光纤环形器4具有入射端、反射端和透射端，所述入射端与所述宽带光源2相连接，所述反射端与所述光谱仪3相连接，所述透射端与所述光纤氢气传感器1不具有所述悬臂梁薄膜12的一端相连接；所述气体混合器5具有第一进气端、第二进气端和出气端，所述氢气发生器6通过所述氢气流量阀7与所述第一进气端相连通，所述氮气发生器8通过所述氮气流量阀9与所述第二进气端相连通，所述光纤氢气传感器1具有所述悬臂梁薄膜12的一端置于所述出气口内。

该氢气浓度检测系统还包括上位机，所述上位机分别与所述氢气流量阀7和氮气流量阀9通讯连接，以分别控制所述氢气流量阀7和氮气流量阀9，通过控制氢气和氮气的流量来实现氢气浓度配比。

所述上位机可以但不限于为PC机、工控机或智能终端等。

本实施例中，所述气体混合器5为一T形三通塑料管，管内径为5mm左右。

该氢气浓度检测系统的测试原理如下：

由悬浮薄膜层、支撑薄膜层和氢敏感薄膜层构成的悬臂梁薄膜12悬浮于所述光纤11端面的腔室113前方时，与光纤11-空气界面构成法布里珀罗腔；所述宽带光源2向所述光纤环形器4的入射端内发射具有宽带光谱的检测光线，检测光线经所述光纤环形器4从所述透射端进入到所述光纤氢气传感器1内，并经所述法布里珀罗腔处理后回到所述光纤环形器4内，最后从所述反射端进入到所述光谱仪3中，得到如图4所示的法布里珀罗干涉仪的反射光谱；当所述悬臂梁薄膜12上的氢敏感薄膜层吸收氢气后，其形状会发生改变，进而带动所述悬臂梁薄膜12上的薄膜悬臂122摆动，从而相应地改变法布里珀罗腔的腔长，腔长的改变体现为所述光谱仪3所接收到的反射光谱中谐振波长的移动，通过拟合谐振波长移动与氢气浓度的关系就可以得到该光纤氢气传感器1的氢气灵敏度。

实施例三

一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器1制备方法，用于制备实施例一所述的光纤氢气传感器1。

如图5所示，该制备方法包括如下步骤：

S1：如图1和2所示，在光纤11的一端面上制作向内延伸的一腔室113。

在该步骤S1中，所述腔室113为开放腔，在所述光纤11的端面上与外界相连通。所述光纤11包括纤芯111和包层112，所述腔室113至少位于所述纤芯111的端面上，视所述腔室113的大小，所述腔室113也可以位于所述包层112的端面上；本实施例中，所述腔室113同时位于所述纤芯111和包层112的端面上，所述纤芯111与所述腔室113的中心相对应，所述包层112与所述腔室113的外围相对应，且所述腔室113的范围不超出所述包层112。

本实施例中，所述腔室113为半球腔。

在一具体实施方式中，如图6所示，在光纤11的一端面上制作向内延伸的一腔室113的步骤如下：

S1.1：将两根光纤11的各自一端面切平。

在该步骤S1.1中，可以但不限于采用光纤11切割刀切平其中一根光纤11的一端面，然后再切平另一根光纤11的一端面。

S1.2：将两根光纤11中已切平的端面加热为圆弧形状。

在该步骤S1.2中，可以将两根光纤11中已切平的端面分别放置于光纤11熔接机的两端中，通过所述光纤11熔接机里的马达驱动将两根光纤11中已切平的端面位移至加热中心外缘（两根光纤11的端面未接触），然后调整放电参数，将两根光纤11中已切平的端面加热成圆弧形状（两根光纤11未熔接）。

S1.3：在两根光纤11中圆弧形状的端面上涂抹折射率匹配液。

在该步骤S1.3中，所述折射率匹配液可消除光纤11-空气界面相关的反射损失。

S1.4：将两根光纤11中已涂抹所述折射率匹配液的端面加热熔接，同时使所述折射率匹配液汽化而在两根光纤11的熔接处形成气泡腔。

在该步骤S1.4中，可以将两根光纤11中已涂抹所述折射率匹配液的端面分别放置于所述光纤11熔接机的两端中，通过所述光纤11熔接机里的马达驱动将两根光纤11中已涂抹所述折射率匹配液的端面位移至加热中心内（两根光纤11的端面相接触），然后调整放电参数，将两根光纤11中已涂抹所述折射率匹配液的端面加热熔接；在熔接过程中，所述折射率匹配液会受热汽化，从而在两根光纤11的熔接处形成气泡腔。

本实施例中，所述气泡腔为封闭腔，且为球形腔。

S1.5：从所述气泡腔中间将已熔接的两根光纤11切断，得到一端面上具有所述腔室113的两根光纤11。

在该步骤S1.5中，可以将已熔接的两根光纤11放置于二维位移平台上并固定，然后在CCD和显示器的监控下，控制所述二维位移平台移动，将两根光纤11熔接处的气泡腔定位于所述光纤11切割刀下，然后再控制所述光纤11切割刀将已熔接的两根光纤11从所述气泡腔中间切断，从而获得两根在一端面上均具有所述腔室113的光纤11。

在另一具体实施方式中，如图7所示，在光纤11的一端面上制作向内延伸的一腔室113的步骤如下：

S1.1：将一根光纤11的一端面切平。

在该步骤S1.1中，可以但不限于采用光纤11切割刀切平所述光纤11的一端面。

S1.2：采用飞秒激光在所述光纤11中已切平的端面上刻蚀出一小孔。

在该步骤S1.2中，先将所述光纤11放置于三轴位移平台上并固定，然后在CCD和显示器的监控下，控制所述三维位移平台移动，将所述光纤11中已切平的端面移动至飞秒激光的焦点位置上，接着调节合适的飞秒激光输出功率，并使出射飞秒激光光斑聚焦所述光纤11端面纤芯111上，以在所述光纤11端面的纤芯111上刻蚀出所述小孔。

S1.3：将所述光纤11具有所述小孔的端面与另一根光纤11中已切平的端面加热熔接，同时使所述小孔内的气体受热膨胀而是所述小孔在两根光纤11的熔接处扩大形成气泡腔。

另一根光纤11的一端面也可以采用光纤11切割刀进行切平，可在步骤S1.3之前的任一步骤中进行，优选在步骤S1.1中将两根光纤11的各自一端面切平。

在该步骤S1.3中，将一端面具有所述小孔的一根光纤11与一端面已切平的另一根光纤11放置于光纤11熔接机中，通过所述光纤11熔接机里的马达驱动将两根光纤11中具有所述小孔的端面及已切平的端面位移至加热中心内（两根光纤11的端面相接触），然后调整放电参数，将两根光纤11中具有所述小孔的端面与已切平的端面加热熔接；在熔接过程中，所述小孔内的气体会受热膨胀，从而使所述小孔在两根光纤11的熔接处扩大形成气泡腔。

在熔接时，可通过所述光纤11熔接机重复放电来控制所述小孔内气体的膨胀程度，进而调节所述气泡腔的大小。

本实施例中，所述气泡腔为封闭腔，且为球形腔。

S1.4：从所述气泡腔中间将已熔接的两根光纤11切断，得到一端面上具有所述腔室113的两根光纤11。

在该步骤S1.4中，可以将已熔接的两根光纤11放置于二维位移平台上并固定，然后在CCD和显示器的监控下，控制所述二维位移平台移动，将两根光纤11熔接处的气泡腔定位于所述光纤11切割刀下，然后再控制所述光纤11切割刀将已熔接的两根光纤11从所述气泡腔中间切断，从而获得两根在一端面上均具有所述腔室113的光纤11。

S2：在所述光纤11具有所述腔室113的端面上制作平面结构的悬臂梁薄膜12，所述悬臂梁薄膜12位于所述腔室113前方。

本实施例中，所述悬臂梁薄膜12包括设置于所述光纤11端面上的悬浮薄膜层、设置于所述悬浮薄膜层上的支撑薄膜层以及设置于所述支撑薄膜层上的氢敏感薄膜层；如图8所示，在所述光纤11具有所述腔室113的端面上制作平面结构的悬臂梁薄膜12的步骤如下：

S2.1：在所述光纤11具有所述腔室113的端面上制作一层悬浮薄膜层。

在该步骤S2.1中，所述悬浮薄膜层上与所述腔室113相对应的区域悬浮于所述腔室113前方，并将所述腔室113封闭。

本实施例中，所述悬浮薄膜层为石墨烯薄膜，厚度为2nm左右；在所述光纤11具有所述腔室113的端面上制作一层石墨烯薄膜的步骤如下：

S2.1.1：通过化学气相沉积法在铜箔上生长石墨烯，得到铜基石墨烯。

S2.2.2：在所述铜基石墨烯中剪切一小块置于FeCl3溶液中，等待所述FeCl3溶液将所述铜基石墨烯完全腐蚀，从而获得石墨烯薄膜。

在该步骤2.2.2中，所述FeCl3溶液的浓度为0.075g/ml左右。

S2.2.3：重复使用去离子水过滤所述FeCl3溶液中的废液，使所述石墨烯薄膜漂浮在所述去离子水上。

S2.2.4：将所述光纤11具有所述腔室113的一端面与所述去离子水上的石墨烯薄膜相接触，以将所述去离子水上的石墨烯薄膜转移至所述光纤11的端面上，待所述光纤11端面上的石墨烯薄膜中的水分蒸发后，形成悬浮的石墨烯薄膜。

在该步骤S2.2.4中，需要将所述光纤11的端面缓慢移动以靠近所述去离子水上的石墨烯薄膜，直至所述光纤11的端面接触到所述石墨烯薄膜后，将所述光纤11的端面拉离液面；随着水分的蒸发，由于范德华力的存在，所述石墨烯薄膜的外围会与所述光纤11端面的包层112相贴合固定，而所述石墨烯薄膜的中心会悬浮在所述腔室113的前方。

S2.2：在所述悬浮薄膜层上制作一层支撑薄膜层。

在该步骤S2.2中，可采用磁控溅射方式制作所述支撑薄膜层，先将所述光纤11固定在磁控溅射镀膜仪的镀膜腔内，使所述光纤11端面上的悬浮薄膜层朝向薄膜靶材，然后控制所述磁控溅射镀膜仪将所述薄膜靶材溅射于所述石墨烯薄膜上，形成所述支撑薄膜层。

在溅射时，所述悬浮薄膜层对所述支撑薄膜层起到托底悬浮作用，托住所述支撑薄膜层，使所述支撑薄膜层与所述悬浮薄膜层一同悬浮，避免会所述支撑薄膜层溅射到所述腔室113底部上。

本实施例中，所述支撑薄膜层为金薄膜，厚度为200nm左右。

S2.3：根据所述悬臂梁薄膜12的平面结构，对所述悬浮薄膜层和支撑薄膜层进行刻蚀。

在该步骤S2.3中，将所述光纤11放置于三轴位移平台上，在CCD和显示器的监控下，控制所述三维移动平台移动，以将所述光纤11端面上的悬浮薄膜层和支撑薄膜层移动至飞秒激光的焦点处，然后调节合适的飞秒激光输出功率，并使飞秒激光的光斑直接聚焦在所述光纤11端面的悬浮薄膜层和支撑薄膜层上，接着根据所述悬浮薄膜层和支撑薄膜层设置飞秒激光相对于所述光纤11端面的运动轨迹函数，飞秒激光的运动轨迹由所述三轴位移平台精密控制，所述三轴位移平台根据飞秒激光的运动轨迹带动所述光纤11端面相对于飞秒激光运动，最终在所述悬浮薄膜层和支撑薄膜层上刻蚀出所述悬臂梁薄膜12的平面结构。

在刻蚀时，所述支撑薄膜层对所述悬浮薄膜层起到支撑加厚的作用，以避免所述悬浮薄膜层在刻蚀时因太薄而发生塌陷。

如图1和2所示，所述悬臂梁薄膜12包括位于同一平面上的薄膜外围121和薄膜悬臂122，所述薄膜外围121固定在所述光纤11端面的包层112上，具有与所述腔室113相对应的镂空区；所述薄膜悬臂122位于所述薄膜外围121的镂空区内，一端与所述薄膜外围121固定，另一端悬浮于所述腔室113前方，且与所述光纤11端面的纤芯111相对应。

所述薄膜外围121在本案中起到支撑作用，以支撑所述薄膜悬臂122的一端，使所述薄膜悬臂122的另一端可以悬浮于所述腔室113前方，且与所述光纤11端面的纤芯111相对应；所述薄膜悬臂122在所述光纤11端面上的投影位于所述腔室113内，且覆盖所述光纤11端面的纤芯111。

所述腔室113并未被所述薄膜悬臂122封闭，而是通过所述薄膜悬臂122与所述薄膜外围121之间的间隙与外界连通。

S2.4：在所述支撑薄膜层上制作一层氢敏感薄膜层。

在该步骤S2.4中，可采用磁控溅射方式制作所述氢敏感薄膜层，先将所述光纤11固定在磁控溅射镀膜仪的镀膜腔内，使所述光纤11端面上的支撑薄膜层朝向氢敏感靶材，然后控制所述磁控溅射镀膜仪将所述氢敏感靶材溅射于所述支撑薄膜层上，形成所述氢敏感薄膜层。

本实施例中，所述氢敏感薄膜层为钯薄膜。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明实施例的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解依然可以对本发明实施例的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (11)

1.一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器，其特征在于，包括：

光纤，一端面上具有向内延伸的一腔室；

平面结构的悬臂梁薄膜，设置于所述光纤具有所述腔室的端面上，且位于所述腔室前方。

2.根据权利要求1所述的基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器，其特征在于，所述光纤包括纤芯和包层，所述腔室至少位于所述纤芯的端面上。

3.根据权利要求2所述的基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器，其特征在于，所述悬臂梁薄膜包括位于同一平面上的薄膜外围和薄膜悬臂，所述薄膜外围固定在所述光纤端面的包层上，具有与所述腔室相对应的镂空区；所述薄膜悬臂位于所述薄膜外围的镂空区内，一端与所述薄膜外围固定，另一端悬浮于所述腔室前方且与所述光纤端面的纤芯相对应。

4.根据权利要求3所述的基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器，其特征在于，所述薄膜悬臂在所述光纤端面上的投影位于所述腔室内，且覆盖所述光纤端面的纤芯。

5.根据权利要求1所述的基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器，其特征在于，所述悬臂梁薄膜包括设置于所述光纤端面上的悬浮薄膜层、设置于所述悬浮薄膜层上的支撑薄膜层以及设置于所述支撑薄膜层上的氢敏感薄膜层。

6.根据权利要求5所述的基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器，其特征在于，所述悬浮薄膜层为石墨烯薄膜，所述支撑薄膜层为金薄膜，所述氢敏感薄膜层为钯薄膜。

7.一种基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器制备方法，其特征在于，步骤如下：

S1：在光纤的一端面上制作向内延伸的一腔室；

S2：在所述光纤具有所述腔室的端面上制作平面结构的悬臂梁薄膜，所述悬臂梁薄膜位于所述腔室前方。

8.根据权利要求7所述的基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器制备方法，其特征在于，步骤S1中，在光纤的一端面上制作向内延伸的一腔室的步骤如下：

S1.1：将两根光纤的各自一端面切平；

S1.2：将两根光纤中已切平的端面加热为圆弧形状；

S1.3：在两根光纤中圆弧形状的端面上涂抹折射率匹配液；

S1.4：将两根光纤中已涂抹所述折射率匹配液的端面加热熔接，同时使所述折射率匹配液汽化而在两根光纤的熔接处形成气泡腔；

S1.5：从所述气泡腔中间将已熔接的两根光纤切断，得到一端面上具有所述腔室的两根光纤。

9.根据权利要求7所述的基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器制备方法，其特征在于，步骤S1中，在光纤的一端面上制作向内延伸的一腔室的步骤如下：

S1.1：将一根光纤的一端面切平；

S1.2：采用飞秒激光在所述光纤中已切平的端面上刻蚀出一小孔；

S1.3：将所述光纤具有所述小孔的端面与另一根光纤中已切平的端面加热熔接，同时使所述小孔内的气体受热膨胀而是所述小孔在两根光纤的熔接处扩大形成气泡腔；

S1.4：从所述气泡腔中间将已熔接的两根光纤切断，得到一端面上具有所述腔室的两根光纤。

10.根据权利要求7所述的基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器制备方法，其特征在于，所述悬臂梁薄膜包括悬浮薄膜层、支撑薄膜层以及氢敏感薄膜层，步骤S2中，在所述光纤具有所述腔室的端面上制作平面结构的悬臂梁薄膜的步骤如下：

S2.1：在所述光纤具有所述腔室的端面上制作一层悬浮薄膜层；

S2.2：在所述悬浮薄膜层上制作一层支撑薄膜层；

S2.3：根据所述悬臂梁薄膜的平面结构，对所述悬浮薄膜层和支撑薄膜层进行刻蚀；

S2.4：在所述支撑薄膜层上制作一层氢敏感薄膜层。

11.根据权利要求10所述的基于悬臂梁薄膜的光纤氢气传感器制备方法，其特征在于，所述悬浮薄膜层为石墨烯薄膜，步骤S2.1中，在所述光纤具有所述腔室的端面上制作一层石墨烯薄膜的步骤如下：

S2.1.1：通过化学气相沉积法在铜箔上生长石墨烯，得到铜基石墨烯；

S2.2.2：在所述铜基石墨烯中剪切一小块置于FeCl3溶液中，等待所述FeCl3溶液将所述铜基石墨烯完全腐蚀，从而获得石墨烯薄膜；

S2.2.3：重复使用去离子水过滤所述FeCl3溶液中的废液，使所述石墨烯薄膜漂浮在所述去离子水上；

S2.2.4：将所述光纤具有所述腔室的一端面与所述去离子水上的石墨烯薄膜相接触后，以将所述去离子水上的石墨烯薄膜转移至所述光纤的端面上，待所述光纤端面上的石墨烯薄膜中的水分蒸发后，形成悬浮的石墨烯薄膜。

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