CN116641031A - 一种制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及特种光纤制作技术领域，一种制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆装置，包括环形轨道、光纤涂覆器和等离子发射器，其中光纤涂覆器包括车轮和辊筒，光纤涂覆器通过车轮安装在环形轨道上，光纤涂覆器能够通过车轮驱动使光纤涂覆器围绕环形轨道的轴心转动，辊筒有两个，且两个辊筒相互平行的安装在所述光纤涂覆器的主体上，两个辊筒中的一个为收线轴，另一个为放线轴；等离子发射器与所述光纤涂覆器间隔设置，光纤涂覆器的发射端朝向光纤涂覆器，且等离子发射器发射等离子的范围覆盖光纤涂覆器。该装置实现了连续制造涂有多层特殊涂层的长距离光纤氢气传感器。本发明还提出一种制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆方法。
Description
技术领域
本发明涉及特种光纤制作技术领域，一种制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆装置及工艺
背景技术
为了实现长距离的分布式光纤氢气传感，提出一种基于OFDR瑞利散射的氢气传感方法。由于钯对氢气有着独特的选择性。当钯涂层吸收氢气时，其体积会增大900倍，而涂层体积的增大会在光纤上施加应力。当氢从钯中分离时，这种效应是可逆的，这样钯传感材料可重复使用。可以通过利用瑞利散射传感技术检测施加在光纤的应力和应力所的位置。瑞利散射钯涂层光纤传感技术原理，当泵浦光在光纤中向前传输时，因为瑞利散射机制，会产生反向信号光。通过分析信号光的频谱特性就能够计算钯涂层膨胀应力的大小。因为泵浦光是脉冲光，所以根据脉冲信号光返回OFDR信号分析仪的时间就能够确定应力所在位置。OFDR设备检测光纤所受到应力的灵敏度能够达1×10-6的应变，也就是1με。应力所在位置的准确度由瑞利散射的空间分辨率来决定，对于检测70米长光纤上每一点的应力变化，OFDR系统空间分辨率能够达1mm；对于检测2000米长光纤上每一点的应力变化，空间分辨率能够达2cm。根据光纤应力与氢气浓度的线性关系，可以获得氢气的浓度和吸收氢气的位置。
磁控溅射沉积技术已广泛应用于光纤终端或单点式光纤氢气传感器。但只有在很短的光纤长度(仅有数厘米)可以沉积理想的材料。
发明内容
为解决上述问题，本发明提出一种制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆装置，该装置实现了连续制造涂有多层特殊涂层的长距离光纤氢气传感器。本发明还提出一种应用上述制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆装置的磁控溅射涂覆方法。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
在第一个技术方案中，一种制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆装置，包括环形轨道、光纤涂覆器和等离子发射器，其中所述光纤涂覆器包括车轮和辊筒，所述光纤涂覆器通过车轮安装在环形轨道上，所述光纤涂覆器能够通过车轮驱动使光纤涂覆器围绕环形轨道的轴心转动，所述辊筒有两个，且两个辊筒相互平行的安装在所述光纤涂覆器的主体上，两个所述辊筒中的一个为收线轴，另一个为放线轴；
所述等离子发射器与所述光纤涂覆器间隔设置，光纤涂覆器的发射端朝向光纤涂覆器，且等离子发射器发射等离子的范围覆盖光纤涂覆器。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述辊筒的外环面上具有若干个用于固定光纤的V型槽，所述光纤可通过V型槽缠绕在两个所述辊筒上。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述辊筒直径为50mm，长度为250mm；两个所述辊筒的中心距为200mm；每个辊筒上有41个V型槽，V型槽的槽间距为5mm。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述环形轨道和光纤涂覆器均为倒置，所述等离子发射器的发射端朝上设置。
在第一个技术方案中，作为优选的，所述等离子发射器与所述水平面的夹角为80°。
在第二个技术方案中，一种制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆工艺，使用如第一个技术方案中所述的制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆装置，将光线以纵横交错的方式预先缠绕在辊筒上，光纤到达辊筒和离开辊筒时，其直段分别位于两个水平面上，待光纤缠绕到涂覆器上后，通过等离子发射器向光纤涂覆器方向上的光纤发射待涂覆的沉积材料，使光纤表面按照预定材料依次沉积对应的沉积层。
在第二个技术方案中，作为优选的，所述光纤的工作波长为1550nm、光纤直径为80um的聚酰亚胺涂层二氧化硅单模光纤。
在第二个技术方案中，作为优选的，所述光纤的表面附有聚酰亚胺涂层，聚酰亚胺涂层的厚度为10um。
在第二个技术方案中，作为优选的，所述沉积层由内至外依次为Ti层和Pd层。
在第二个技术方案中，作为优选的，所述Ti层和Pd层的磁控溅射沉积参数为：
使用本发明的有益效果是：
本发明提出的制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆装置，实现了连续制造涂有多层特殊涂层的长距离光纤氢气传感器。涂层材料可以是金属、非金属、金属合金、氧化物、氮化物或任何可以通过磁控溅射工艺沉积的材料，并且可以实现在光纤上沉积不同材料的多种涂层而不中断沉积过程。
附图说明
图1为本发明制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆装置的示意图。
图2为图1中环形轨道的示意图。
图3为图1中光纤涂覆器的俯视图。
图4为图1中辊筒的示意图。
图5为氢气传感光纤的剖面示意图。
图6为氢气传感光纤剖面电镜放大图。
图7为氢气传感光纤的测试效果数据图。
附图标记包括：
10-结构板，20-环形轨道，30-光纤涂覆器，31-车轮，32-辊筒，321-V型槽，41-第一等离子发射器，42-第二等离子发射器。
具体实施方式
为使本技术方案的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面结合具体实施方式，对本技术方案进一步详细说明。应该理解，这些描述只是示例性的，而不是要限制本技术方案的范围。
实施例1
如图1-图4所示，本实施例提出一种制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆装置，包括环形轨道20、光纤涂覆器30和等离子发射器，其中光纤涂覆器30包括车轮31和辊筒32，光纤涂覆器30通过车轮31安装在环形轨道20上，光纤涂覆器30能够通过车轮31驱动使光纤涂覆器30围绕环形轨道20的轴心转动，辊筒32有两个，且两个辊筒32相互平行的安装在光纤涂覆器30的主体上，两个辊筒32中的一个为收线轴，另一个为放线轴；等离子发射器与光纤涂覆器30间隔设置，光纤涂覆器30的发射端朝向光纤涂覆器30，且等离子发射器发射等离子的范围覆盖光纤涂覆器30。
本实施例中的制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆装置设置在陈及时内，为了沉积长距离涂层光纤，该光纤涂覆器30有两个主辊筒32和两个缠绕待涂覆光纤的线轴。涂覆器一次可缠绕长达1000m的光纤进行溅射沉积。
辊筒32的外环面上具有若干个用于固定光纤的V型槽321，光纤可通过V型槽321缠绕在两个辊筒32上。辊筒32直径为50mm，长度为250mm；两个辊筒32的中心距A为200mm；每个辊筒32上有41个V型槽321，V型槽321的槽间距为5mm。本实施例中，环形轨道20和光纤涂覆器30均为倒置的安装在结构板10上，等离子发射器的发射端朝上设置。
以下通过实施例2详细说明本装置的使用方法。
实施例2
本实施例提出一种制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆工艺，使用如实施例1中的制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆装置，将光线以纵横交错的方式预先缠绕在辊筒32上，光纤到达辊筒32和离开辊筒32时，其直段分别位于两个水平面上，待光纤缠绕到涂覆器上后，通过等离子发射器向光纤涂覆器30方向上的光纤发射待涂覆的沉积材料，使光纤表面按照预定材料依次沉积对应的沉积层。
对于光纤氢气传感，为了获得最大的应变信号，通常的做法是通过去除光纤保护涂层，将Pd直接沉积在裸二氧化硅光纤表面。然而，没有任何保护涂层的光纤十分脆弱，难以实际用于长距离分布式传感。我们选择工作波长为1550nm的聚酰亚胺涂层二氧化硅单模光纤作为溅射光纤,光纤直径为80um，聚酰亚胺涂层厚度为10um。没有采用其他聚合物涂层光纤，如紫外光固化丙烯酸酯光纤，是因为聚酰亚胺涂层很难通过机械剥离方法从二氧化硅光纤表层去除，可以强力的附着在二氧化硅光纤表面，结合致密，Pd层吸氢膨胀产生的应变仍然可以有效地作用于二氧化硅光纤。另外聚酰亚胺涂层光纤在一般高温下具有优异的热稳定性，具有耐高温、耐辐射、介电性能好的特点，能够在300℃温度以下长期使用，不影响氢气传感光纤在高温、辐射等恶劣环境下的应用。
本实施例以光纤表面依次制作Ti层和Pd层的沉积层为例。对应的，第一等离子发射器41和第二等离子发射器42分别为Ti和Pd的等离子发射器。
如图3所示，在开始溅射沉积之前，将光纤以纵横交错的方式预先缠绕在辊筒32上。光纤到达辊筒32和离开辊筒32时，其直段位于两个水平面上。待光纤缠绕到涂覆器上后，由于沉积的等离子束来自位于沉积室底部的材料，所以涂覆器需要倒置安装在沉积室内。Ti层首先作为粘结层沉积在光纤的聚酰亚胺涂层上，然后在Ti层上涂覆Pd层作为氢敏感材料。整个沉积过程是连续的，依次沉积Ti层和Pd层。
在溅射过程中，整个光纤涂覆器30在直径为450mm的水平圆形轨道内转动，均匀暴露于沉积等离子束。旋转运动是由安装在涂覆器上的三个车轮31引导，角度为120°。等离子束从位于腔室底部与水平轨道面成80°角的材料源射向光纤涂覆器30。由于等离子体束不是垂直撞击光纤，因此下层的光纤不会遮挡上层光纤的沉积过程。光纤涂覆器30沉浸在等离子束中，沉积过程不仅发生在光纤的直截面上，而且也会在光纤位于两个主辊上时进行。光纤移动机构是同时驱动收线轴和辊筒32的，以使光纤在辊筒32上移动并从放线轴上缓慢退绕，涂覆器的光纤移动速度和水平旋转速度可以调节。每段光纤在从放线轴离开到缠绕至收线轴的过程中都会被等离子束均匀的涂覆。光纤放线轴和收线轴直径相同，两者可以相互交互使用，因此光纤的收线和放线是可逆的。当所有光纤段都从放线轴涂覆完转移到收线轴后，可以将原来的放线轴设置为新的收线轴，收线轴则作为新的放线轴，使光纤连续向后移动，进行第二次溅射涂覆。因此可以在不破坏沉积室真空的情况下在光纤上沉积多种不同涂层材料。通过光纤前后来回多次移动，能够实现有效增加涂层厚度。Ti和Pd涂层的沉积参数列在表1中。
表1Ti和Pd磁控溅射沉积配方参数
实施例3
如实施例1中所示的新型的磁控溅射装置能够同时容纳3种不同的靶材料，所以能够制备纯钯或者不同掺杂的钯合金。在案列的研究中使用了Ti和Pd，2种材料进行先后沉积，接下来我们进一步对制备的Ti/Pd涂层氢气传感光纤进行检测。
为了确定Ti和Pd涂层是否均匀地沉积在光纤周围，在超场发射扫描电镜下对制备的光纤端面进行成像和分析，得到的光纤样品端面如图5。Ti/Pd材料被涂覆在光纤周围，如图4中白色亮圈所示我们进一步检测了Ti和Pd涂层的最大和最小厚度图6所示。Ti层的最大厚度为0.303μm，最小厚度为0.249μm。Pd层的最大厚度为1.10μm，最小厚度为0.265μm。
任意选取制作的300mm光纤进行测试，测试3次，每次间隔10分钟，结果如图7。证明提出的新型磁控溅射涂覆装置以及工艺制作的氢气传感光纤可以产生显著应变信号。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本技术内容的思想，在具体实施方式及应用范围上可以作出许多变化，只要这些变化未脱离本发明的构思，均属于本专利的保护范围。
Claims (10)
1.一种制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆装置，其特征在于：包括环形轨道、光纤涂覆器和等离子发射器，其中所述光纤涂覆器包括车轮和辊筒，所述光纤涂覆器通过车轮安装在环形轨道上，所述光纤涂覆器能够通过车轮驱动使光纤涂覆器围绕环形轨道的轴心转动，所述辊筒有两个，且两个辊筒相互平行的安装在所述光纤涂覆器的主体上，两个所述辊筒中的一个为收线轴，另一个为放线轴；
所述等离子发射器与所述光纤涂覆器间隔设置，光纤涂覆器的发射端朝向光纤涂覆器，且等离子发射器发射等离子的范围覆盖光纤涂覆器。
2.根据权利要求1所述的制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆装置，其特征在于：所述辊筒的外环面上具有若干个用于固定光纤的V型槽，所述光纤可通过V型槽缠绕在两个所述辊筒上。
3.根据权利要求2所述的制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆装置，其特征在于：所述辊筒直径为50mm，长度为250mm；两个所述辊筒的中心距为200mm；每个辊筒上有41个V型槽，V型槽的槽间距为5mm。
4.根据权利要求1所述的制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆装置，其特征在于：所述环形轨道和光纤涂覆器均为倒置，所述等离子发射器的发射端朝上设置。
5.根据权利要求1所述的制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆装置，其特征在于：所述等离子发射器与所述水平面的夹角为80°。
6.一种制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆工艺，使用如权利要求1-5任一项所述的制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆装置，其特征在于：将光线以纵横交错的方式预先缠绕在辊筒上，光纤到达辊筒和离开辊筒时，其直段分别位于两个水平面上，待光纤缠绕到涂覆器上后，通过等离子发射器向光纤涂覆器方向上的光纤发射待涂覆的沉积材料，使光纤表面按照预定材料依次沉积对应的沉积层。
7.根据权利要求6所述的制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆工艺，其特征在于：所述光纤的工作波长为1550nm、光纤直径为80um的聚酰亚胺涂层二氧化硅单模光纤。
8.根据权利要求7所述的制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆工艺，其特征在于：所述光纤的表面附有聚酰亚胺涂层，聚酰亚胺涂层的厚度为10um。
9.根据权利要求8所述的制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆工艺，其特征在于：所述沉积层由内至外依次为Ti层和Pd层。
10.根据权利要求9所述的制造长距离氢气传感光纤的磁控溅射涂覆工艺，其特征在于：所述Ti层和Pd层的磁控溅射沉积参数为：
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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