CN114966985B - 一种光纤湿度传感器及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤传感器技术领域，公开了一种光纤湿度传感器的制造方法，包括如下步骤：S1：将单模光纤加热熔融拉制成双锥形微纳光纤；S2：用掩膜法在介质衬底上刻蚀出深度为纳米量级的微型槽；S3：将双锥形微纳光纤的腰部悬空于刻蚀有微型槽的介质衬底上方；S4：用紫光胶将双锥形微纳光纤两端固定在微型槽两侧；本发明制得的光纤湿度传感器，结构简单，无需添加特殊的增敏材料，仅利用双锥形微纳光纤倏逝场与介质衬底相互耦合的方式即可实现环境湿度的传感，具有灵敏度高、响应速度快、重复性和稳定性强的优点。

Description

一种光纤湿度传感器及其制造方法

技术领域

本发明涉及光纤传感器技术领域，更具体地，涉及一种光纤湿度传感器及其制造方法。

背景技术

环境湿度的检测广泛应用于芯片制造、食品加工、制药、储存、人体健康、气象监测等领域。目前有多种传感技术方案可以用于湿度检测，如电阻式、电容式、导热式、重力式、光学式。其中光学式通常利用微纳光纤作为传感单元，当光纤直径低至微米甚至纳米量级时，光纤外部具有较强的倏逝场，倏逝场与物质接触会发生能量和动量交换，导致输出光功率变化。由于微纳光纤具有成本低、抗电磁干扰和腐蚀、能够在严峻的环境下进行检测的优点，其检测灵敏度高，响应时间快，近年来得到快速发展。

目前为止，光纤湿度传感器传感原理主要有以下几种，包括光纤光栅传感、倏逝场传感、干涉式传感等；一般的裸光纤对湿度的响应较低，需要加入活性材料来增加传感器的灵敏度；通过在光纤上附着特殊的增敏材料，例如石墨烯、还原石墨烯、氧化还原石墨烯、二硫化钼等，利用材料大的比表面积或体积，增加材料和水分子的相互作用，实现高灵敏度的湿度传感。但此类传感器往往具有响应速度慢和恢复时间长的缺点，难以应用在有快速湿度检测需求的场合，另一方面器件重复性较差，使用寿命短，无法实现长期稳定检测。本发明提出一种倏逝场耦合的光纤湿度传感器，与之前的湿度传感器相比，不需要在光纤上修饰材料层即可实现环境湿度的高灵敏度测量和快速响应。

发明内容

本发明旨在克服上述现有技术的至少一种缺陷，提供一种光纤湿度传感器制造方法，用于解决光纤外壁需要附着增敏材料，制造成本高的技术问题。

本发明采取的技术方案是，一种光纤湿度传感器的制造方法，包括如下步骤：S1：将单模光纤加热熔融拉制成双锥形微纳光纤；S2：用掩膜法在介质衬底上刻蚀出深度为纳米量级的微型槽；S3：将双锥形微纳光纤悬空于刻蚀有微型槽的介质衬底上方；S4：用紫光胶将双锥形微纳光纤两端固定在微型槽两侧呈悬空状态。

采用微纳光纤，主要是当光纤直径小至微米甚至纳米量级时，在光纤中传播的光会在外部产生较强的倏逝场并沿着其表面传播，其横向强度随着远离光纤而指数级降低，横向强度衰减的范围通常在几百纳米至几微米，与光纤直径及入射光波长有关，双锥形微纳光纤的两端形成有两个锥形结构，两个锥形结构之间通过直径均匀的腰部连通。其次，由于倏逝场是电磁波，其传播路径对外部环境折射率变化较为敏感，当双锥形微纳光纤与微型槽之间的间隔在倏逝场范围内，且介质衬底的折射率大于调制空间折射率时，倏逝场将与微型槽底部相互作用，一部分能量耦合至介质衬底，使得光纤输出端功率初步降低；当环境相对湿度增大时，由于分子间存在范德华力，较多的水分子会在双锥形微纳光纤腰部形成一层几百纳米厚的水膜，因水的折射率大于空气，使得倏逝场范围进一步增大，导致更多能量耦合至介质衬底，进一步降低双锥形微纳光纤输出端光功率，从而实现湿度传感；这种方式不需要附着增敏材料，制造成本低。另一方面，环境湿度减小时，由于水膜的厚度在纳米量级，极易蒸发，湿度增大时，水膜又极易变厚，使本传感器具有极快的响应能力和极高的灵敏度。

进一步的，所述双锥形微纳光纤的腰部直径在200nm-2000nm之间；所述双锥形微纳光纤是通过氢氧焰加热并熔融拉锥的方式制作成的，光纤直径由两侧向中间逐渐减小，并在腰部趋于均匀。将其直径控制在200nm-2000nm之间主要是确保入射波长产生的倏逝场范围与微型槽的深度相当，以确保倏逝场与介质衬底可进行有效的相互作用。

进一步的，所述双锥形微纳光纤腰部长度在10-50mm。该长度可确保双锥形微纳光纤腰部直径在200nm-2000nm之间，制作锥形光纤的时候锥形结构的距离一般在10-50mm,在这个范围下可以保证光纤的最小直径在200nm-2000nm的范围内。

进一步的，所述微型槽的长宽均在5mm-20mm之间；以确保其能在更大的纵向范围内与双锥形微纳光纤腰部产生的倏逝场进行充分的耦合，从而使本光纤湿度传感器具有足够大的湿度响应灵敏度。

进一步的，所述微型槽的深度在400nm-2000nm之间；主要是确保能与双锥形微纳光纤形成的倏逝场进行有效耦合，从而使双锥形微纳光纤输出的光功率在环境湿度变化时快速降低，提高响应速度。

进一步的，所述紫光胶的折射率小于双锥形微纳光纤纤芯折射率；以减小高折射率对倏逝场的散射，能有效降低紫光胶对湿度检测结果的影响。

进一步的，所述介质衬底为载玻片，其主要材质为二氧化硅；二氧化硅具有较高的光学折射率，能对双锥形微纳光纤腰部产生的倏逝场进行很好的耦合，耦合效果强，而且易于被氢氟酸腐蚀，而且石英是惰性材料，不易发生化学反应；倏逝场也易于耦合进载玻片。

进一步的，所述入射光波长在500nm-2000nm；由于倏逝场横向强度衰减范围与双锥形微纳光纤直径和入射光波长密切相关，因此，需要根据入射光波长及双锥形微纳光纤直径大小，刻蚀出合适深度的微型槽。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明制得的光纤湿度传感器，结构简单，无需添加特殊的增敏材料，仅利用双锥形微纳光纤倏逝场与介质衬底相互耦合的方式即可实现环境湿度的传感，具有灵敏度高、响应速度快、重复性和稳定性强的优点。

附图说明

图1为本发明实施例一中光纤湿度传感器的制造方法流程图。

图2为本发明实施例二中光纤湿度传感器的结构图。

图3为本发明实施例二中光纤湿度传感器的工作原理示意图。

图4为本发明实施例二中光纤湿度传感器的湿度检测方法图。

图5为本发明实施例二中光纤湿度传感器输出功率和相对湿度随时间的变化图。

图6为本发明实施例二中光纤湿度传感器输出功率和相对湿度的定标关系图。

图7为本发明实施例二中光纤湿度传感器响应速度和重复性测试图。

图8为无介质衬底和有介质衬底时双锥形微纳光纤输出功率和相对湿度随时间的变化图。

附图标号说明：1双锥形微纳光纤；2介质衬底；3紫光胶；4微型槽；5倏逝场；6 水膜；7激光器；8恒温恒湿箱；9光功率计；10光纤湿度传感器本体；11湿度传感器； 12计算机。

具体实施方式

本发明附图仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制。为了更好说明以下实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

实施例一

如图1所示，本实施例提出一种光纤湿度传感器的制造方法，包括如下步骤：

S1：将单模光纤加热熔融拉制成双锥形微纳光纤1；具体地，先通过氢焰加热装置将直径为125μm的标准单模光纤(SMF28)熔融拉成双锥形微纳光纤1；双锥形微纳光纤1 的腰部直径在200nm-2000nm之间，双锥形微纳光纤1是通过氢氧焰加热并熔融拉锥的方式制作成的，双锥形微纳光纤1的两端形成有两个锥形结构，两个锥形结构之间通过直径均匀的腰部连通，光纤直径由两侧向中间逐渐减小，并在腰部趋于均匀。优选的，双锥形微纳光纤1中双锥形结构的腰部长度在10-50mm，该长度可确保双锥形微纳光纤腰部直径在200nm-2000nm之间。优选的，控制光纤直径在200nm-2000nm，此时在光纤中传播的光会在外部产生较强的倏逝场5沿着光纤表面传播；倏逝场5横向强度的衰减范围通常在几百纳米至几微米，随着远离双锥形微纳光纤1而指数级降低，与双锥形微纳光纤直径及入射光波长有关。

S2：用掩膜法在介质衬底2上刻蚀出深度为纳米量级的微型槽4；具体的，用约1mm厚的蓝膜胶带制作掩膜版，在蓝膜胶带中裁剪出长宽均为5mm-20mm的矩形形状，并将裁剪好的胶带贴在介质衬底2上，介质衬底2为二氧化硅材质。然后利用移液枪将浓度为1％ HF滴入在矩形区域中进行刻蚀，不同深度、规格的微型槽4可采用与其规格相应尺寸的蓝膜胶带和与其深度相应的浓度的氢氟酸溶液。刻蚀完成后，将蓝膜胶带取出并用去离子水将二氧化硅的介质衬底2清洗干净。微型槽4的长宽均在5mm-20mm之间，以确保能在更大的纵向范围内与双锥形微纳光纤1腰部产生的倏逝场5进行充分的耦合，从而使本光纤湿度传感器具有足够大的湿度响应灵敏度；微型槽4的深度在400nm-2000nm之间。双锥形微纳光纤1距微型槽4槽底的距离略小于倏逝场5的横向范围，以确保微型槽4能对倏逝场5进行有效耦合。

S3：将双锥形微纳光纤1悬空于刻蚀有微型槽4的介质衬底2上方；具体的，将制作好的介质衬底2放置在精密三维位移平台上(移动精度为1μm)；通过移动精密位移平台的三个方向将微型槽4的位置移动至双锥形微纳光纤1的腰部下方。

S4：用紫光胶3将双锥形微纳光纤1两端固定在微型槽4两侧，完成传感器的制作。紫光胶3的折射率小于双锥形微纳光纤1纤芯折射率，有效减小高折射率对倏逝场5的散射；优选地，本实施例选用的紫光胶3折射率为1.37。

实施例二

如图2所示，本实施例提供一种光纤湿度传感器，包括介质衬底2和双锥形微纳光纤 1；

介质衬底2：具有耦合倏逝场5的微型槽4，微型槽4深度在纳米量级；选用载玻片作为介质衬底2，其主要材质为二氧化硅，折射率为1.45，远大于空气和水，能对倏势场 5进行有效耦合。此外，载玻片表面粗糙度约为50nm-100nm，以保证传感器有较高的线性输出。微型槽4的深度在400nm-2000nm之间，与倏势场横向强度的衰减范围相当，确保微型槽4能对倏逝场5进行有效的相互作用。

优选的，本实施例中，微型槽的长宽均为9mm，深度约为450nm，该深度小于倏逝场5横向强度的衰减范围(约1微米)，以确保微型槽4能对倏逝场5进行有效稳定的耦合。

双锥形微纳光纤1：悬空于微型槽4上方，与微型槽4槽底之间形成调制空间；信号光从双锥形微纳光纤1一端输入，在其腰部外壁产生倏逝场5后从另一端输出，倏逝场5 耦合入介质衬底2上的微型槽4，使双锥形微纳光纤1输出的信号光功率初步降低；双锥形微纳光纤1的腰部距离微型槽4的底部即为微型槽4的深度，以形成一定的调制空间，当环境相对湿度增大时，由于分子间存在范德华力，较多的水分子会在双锥形微纳光纤1 外部形成一层几百纳米厚的水膜，因水的折射率大于空气，使得倏逝场5的范围进一步增大，导致更多能量耦合至介质衬底，进一步降低双锥形微纳光纤1输出端光功率，从而实现湿度传感。

优选的，本实施例中，双锥形微纳光纤腰部直径为751nm，入射光波长为1458nm。此时在光纤中传播的光会在光纤外部产生较强的倏逝场5沿着光纤表面传播；倏逝场5的横向强度分布随着远离双锥形微纳光纤1表面而指数级降低，横向强度的衰减范围约1微米。

如图3(a)所示，采用双锥形微纳光纤1，当双锥形微纳光纤1与微型槽4之间的间隔在倏逝场5横向强度的衰减范围内时，倏逝场5将与微型槽4的底部2相互作用，一部分能量将耦合至介质衬底2，使得光纤输出端功率降低；图3(b)所示，当环境相对湿度增大时，由于分子间存在范德华力，较多的水分子会在双锥形微纳光纤1外部形成一层几十至几百纳米厚的水膜6，水的折射率(n＝1.33)大于空气(n＝1)，导致更多能量进入水膜 6并耦合至介质衬底2中，进一步降低双锥形微纳光纤1输出端光功率；在不同相对湿度环境下，双锥形微纳光纤1表面形成的水膜6厚度不同，以至于耦合至水膜中的能量不同，光纤输出端光功率的变化不同，从而实现湿度传感；此外，由于水膜6的厚度在纳米量级，当环境湿度减小时，水膜极易蒸发，环境湿度增大时，水膜6迅速变厚，使得本传感器具有极快的湿度响应能力，同时水膜6厚度的微小变化都能改变双锥形微纳光纤1输出的光功率，从而使本传感器具有极高的灵敏度。因此，本发明不需要依靠活性增敏材料即可实现湿度传感，且器件响应速度只与水分子的蒸发速度有关，可实现湿度的高灵敏度快速响应。

如图4所示，为光纤湿度传感器的湿度检测方法，将光纤湿度传感器本体10放在恒温恒湿箱8中，恒温恒湿箱8可以控制其内部的相对湿度，此外，恒温恒湿箱8中放置商用的湿度传感器11，用于记录周围环境的相对湿度并与光纤湿度传感器对比定标；激光器 7与光纤湿度传感器本体10的输入端连接，光纤湿度传感器本体10的输出端连接光功率计9，光功率计9接入计算机12，改变恒温恒湿箱8的相对湿度，通过计算机12实时监测输出光功率的变化。

如图5所示，为测量的光纤湿度传感器输出功率和相对湿度随时间的变化图，其中：微型槽的长9mm、宽9mm、深450nm。实例中的双锥形微纳光纤最小直径是750nm，腰部部分长度是30mm，实线为恒温恒湿箱8中的相对湿度变化曲线，虚线为相应的输出功率变化曲线；当相对湿度从11％RH升高到82％RH，光纤湿度传感器的输出功率降低了22.28dB，且输出功率随着湿度阶梯式变化；相对湿度从11％RH升高到74.3％RH时，输出功率降低了12.21dB；输出功率对湿度变化显著。

如图6所示，为光纤湿度传感器输出功率和相对湿度的定标关系。当恒温恒湿箱8中的相对湿度在10％RH变化到82％RH时，相对湿度和输出功率是呈非线性关系，将此相对湿度变化范围分为两部分，10％RH至5.3％和62％RH至82％RH，在这两个范围内，相对湿度和输出功率均呈线性关系，三角形数据点的拟合是10％RH至5.3％RH湿度范围内，此范围的灵敏度为-0.041dB/％RH，线性相关系数是95.3％；方形数据点的拟合是62％RH至82％RH湿度范围内，此范围的灵敏度为-0.985dB/％RH,线性相关系数是9.1％，该范围具有更高的灵敏度。

如图7所示，为光纤湿度传感器响应速度和重复性测量。控制恒温恒湿箱8在11％RH 和74.8％RH湿度内来回变化多个周期，得到传感器输出功率的周期变化曲线，可以看出经过多个周期性的重复测量，传感器的输出功率基本保持一致，表明传感器具有良好的重复性和稳定性，且传感器响应时间为40ms，恢复时间为100ms。

图8为本发明光纤湿度传感器的对照实验，分别制作了一个无介质衬底2和有介质衬底2的传感器，测量二者输出功率随相对湿度的变化；图8(a)展示了裸单模双锥形微纳光纤1在相对湿度从13.4％RH升高到80.1％RH时，输出端功率变化了0.59dB，其对湿度响应较低。图8(b)展示了有介质衬底2的传感器在相对湿度从21％RH升高到83.8％RH时，光纤输出功率呈阶梯式变化了共20.8dB；故而，本发明提出的光纤湿度传感器是基于双锥形微纳光纤1倏逝场5与介质衬底2的耦合来实现湿度传感的，介质衬底2的导光能力具有重要作用，而裸单模双锥形微纳光纤不具有湿度响应的性能。

综上，本发明提出光纤湿度传感器是一种高灵敏度湿度传感器，利用双锥形微纳光纤 1倏逝场5与介质衬底2耦合实现湿度传感，当环境湿度增大时，水分子会在双锥形微纳光纤1外部形成一层几十至几百纳米厚的水膜6，水的折射率(n＝1.33)大于空气(n＝1)，导致更多能量进入水膜6并耦合至介质衬底2中，进一步降低双锥形微纳光纤1输出端光功率；在不同相对湿度环境下，双锥形微纳光纤1表面形成的水膜6厚度不同，以至于耦合至水膜中的能量不同，光纤输出端光功率的变化不同，从而实现湿度传感；与传统的湿度传感器相比，本发明不需要覆盖各种活性增敏材料即可达到高灵敏度和快速响应的湿度传感功能，所提出的传感器在63.6％RH-82％RH范围内，灵敏度达到-0.985dB/％RH，远大于传统湿度传感器的灵敏度。此外，传感器基于光纤结构，制作简单，成本低，可兼容于物理化学、生物医学等领域。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明技术方案所作的举例，而并非是对本发明的具体实施方式的限定。凡在本发明权利要求书的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种光纤湿度传感器的制造方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：将单模光纤加热熔融拉制成双锥形微纳光纤；

S2：在介质衬底上刻蚀出深度为纳米量级的微型槽；

S3：将双锥形微纳光纤的腰部悬空于刻蚀有微型槽的介质衬底上方；

S4：将双锥形微纳光纤两端固定在微型槽两侧；

所述双锥形微纳光纤的腰部直径在200nm-2000nm之间；

所述双锥形微纳光纤腰部长度在10-50mm；

所述微型槽的深度在400nm-2000nm之间；

所述微型槽的长宽均在5mm-20mm之间；

所述双锥形微纳光纤采用紫光胶固定在微型槽两侧呈悬空状态，且与微型槽所在的介质衬底之间形成调制空间，所述紫光胶的折射率小于双锥形微纳光纤纤芯折射率。

2.根据权利要求1所述的一种光纤湿度传感器的制造方法，其特征在于：所述介质衬底采用二氧化硅材料。

3.一种如权利要求1-2任一项所述光纤湿度传感器制造方法制得的光纤湿度传感器，其特征在于：包括介质衬底和双锥形微纳光纤；

介质衬底：具有耦合倏逝场的微型槽，所述微型槽的深度在纳米量级；

双锥形微纳光纤：悬空于微型槽上方，与微型槽所在的介质衬底之间形成调制空间；

信号光从双锥形微纳光纤一端输入，在其腰部外壁产生倏逝场后从另一端输出，倏逝场耦合入微型槽的底部，使双锥形微纳光纤输出的信号光功率降低；倏逝场最大横向强度衰减范围略大于微型槽底部到双锥形微纳光纤之间的悬空高度。

4.根据权利要求3所述的一种光纤湿度传感器，其特征在于：所述介质衬底是载玻片。

5.根据权利要求3所述的一种光纤湿度传感器，其特征在于：采用信号光波长在500nm-2000nm。