一种多模-空心光纤结构的反射式温湿度传感器的制作方法

1.本发明涉及光纤传感领域，具体涉及一种多模-空心光纤(mmf-hcf)结构的反射式温湿度传感器，在环境温湿度变化监测方面具有很大的潜力。


背景技术：

2.温度和相对湿度的精确测量在农业生产、卫生保健、环境检测、生物化学等诸多领域具有重要意义。传统的机械式温湿度计体积大，容易老化，而基于电容和电阻的温湿度传感器也容易受到电磁环境的腐蚀和干扰。近年来，光纤传感器因其体积小、重量轻、抗电磁干扰、耐腐蚀等独特优点而备受关注。
3.研究人员已经开始利用光纤设计了许多类型的温湿度传感器，例如：光纤干涉型温湿度传感器、光纤光栅型温湿度传感器和基于表面等离子体共振(spr)温湿度传感器等。如：专利申请号202222993769.0的中国发明专利“一种光纤温湿度传感器及其检测系统”提供了一种温湿度测量的传感器及其检测系统，其传感器结构是单模光纤上刻制一个光纤布拉格光栅，单模光纤的尾纤从a端插入陶瓷插芯中，随陶瓷插芯的b端一起研磨平整后连接多孔氧化铝介质薄膜实现的。如：专利申请号202011109816.x的中国发明专利“一种光纤温湿度传感器及其制备方法”提供了一种三段级联结构的温湿度传感器和制备方法，其传感器结构是将单模光纤、无芯光纤和布拉格光栅依次熔接，然后再对无芯光纤进行拉锥操作实现的。如：专利申请号201911241027.9的中国发明专利“一种新型光纤温湿度传感器”提供了一种新型结构的光纤温湿度传感器，其传感器结构包括单模光纤束、光纤束固定凹槽、光纤束封装外壳、传感器前端接头及传感器尾纤结构件，其中：单模光纤束由若干根光纤光栅组构成，单根光纤光栅组包括依次连接的湿度光栅、温度光栅及单模光纤。但上述光纤温湿度传感器的制备过程中，或者复杂的工艺流程这些都增加了传感器的制作成本和难度，阻碍了传感器的实用化，并且采用光纤光栅进行温湿度传感，其灵敏度较低。因此制作结构简单、制备成本低廉、高灵敏的温湿度传感器具有重要的实际意义。
4.spr发生在金属介质界面处，是入射光全反射时产生的倏逝波与表面等离子体波(spw)满足相位匹配时形成的，它对金属表面附近的折射率变化极为敏感。相比于光纤干涉型和光纤光栅型温湿度传感器，基于spr的温湿度传感器能显著提高其灵敏度。


技术实现要素：

5.本发明提供了一种体积小、制备工艺简单、灵敏度高的反射式多模-空心(mmf-hcf)结构的温湿度传感器，用于同时测量温度和相对湿度。该传感器主要由多模光纤、空心光纤、聚二甲基硅氧烷(pdms)3、聚乙烯醇(pva)5、金膜6组成。该器件的反射光谱可以形成两个明显的spr共振峰，通过监测反射谱中两个波谷中心波长的变化可实现对外界温度和相对湿度的同时测量，并且通过优化器件的结构参数，提高了其温湿度灵敏度。
6.本发明所提供的一种多模-空心光纤(mmf-hcf)结构的反射式温湿度传感器探头的制备方法，包括：
7.a:制备mmf-hcf结构。该结构是通过利用光纤熔接机先将mmf和一段hcf熔接在一起，然后使用高精度的光纤切割刀截取特定长度的hcf，即可制备mmf-hcf结构。
8.b:hcf镀金膜。利用磁控溅射装置在hcf侧面和端面分别涂覆一层au膜，在溅射过程中，连接薄膜厚度检测器，实时监测au薄膜厚度。
9.c:涂覆对温度和相对湿度的敏感膜。在hcf的侧面分别涂覆对温度敏感的pdms膜和对相对湿度敏感的pva膜，待两种膜固化干燥完成之后，便可得到传感探头器件。
10.本发明还可以包括：
11.1、所述的一种多模-空心光纤(mmf-hcf)结构的反射式温湿度传感器中，多模光纤的长度为5-10mm，空心光纤的长度为8-15mm。
12.2、所述的多模光纤的纤芯直径范围为50-65μm,空心光纤的内径范围为10-30μm,多模和空心光纤的外径为125μm。
13.3、所述的空心光纤侧面金膜涂覆厚度范围为30-60nm,空心光纤端面的金膜涂覆厚度范围为150-200nm。
14.本发明的工作原理为：宽带光源9发出的光通过环形器11从多模光纤传输到空心光纤，当入射光以一定角度从多模光纤耦合到空心光纤包层中，光将在空心光纤的内外壁之间发生全反射，产生倏逝波，当金属表面上的倏逝波和表面等离子体波的波矢量满足相位匹配条件时，会产生表面等离子体共振(spr)。涂覆在金属表面的敏感膜由于受到外界温度和相对湿度的变化，导致其平均折射率发生改变，光信号的传输损耗变化，当反射的光由环形器11传输到光谱仪10时，由于共振条件改变，可以通过实验电脑8监测到spr的共振波谷发生明显的变化，因此根据spr共振波长位置的变化就可以实现对外界折射率的检测，最终实现对温度和相对湿度的检测。
15.与现有技术相比，本发明具有以下优点：
16.1、本发明的一种多模-空心光纤(mmf-hcf)结构的反射式温湿度传感器的制造工艺简单，体积小，成本低廉。
17.2、本发明的一种多模-空心光纤(mmf-hcf)结构的反射式温湿度传感器采用反射式的探头结构，相比透射式结构，反射式探头结构既缩短了传感探头的长度，又实现了在狭小范围内的点式测量。
18.3、本发明的一种多模-空心光纤(mmf-hcf)结构的反射式温湿度传感器可以实现对温度和相对湿度的同时测量，相比于光线光栅型和光纤干涉型传感器，其具有较高的灵敏度，在温湿度传感领域具有重要的应用价值。
附图说明
19.图1是本发明的一种多模-空心光纤(mmf-hcf)结构的反射式温湿度传感器的平面结构示意图；
20.图2是本发明的一种多模-空心光纤(mmf-hcf)结构的反射式温湿度传感器的制备流程图；
21.图3是本发明的一种多模-空心光纤(mmf-hcf)结构的反射式温湿度传感器检测系统的结构示意图；
22.图4是该传感器的反射谱随外界温度的变化曲线；
23.图5是该传感器的dipⅰ和dipⅱ随温度变化的拟合曲线；
24.图6是该传感器的反射谱随相对湿度的变光曲线；
25.图7是该传感器的dipⅰ和dipⅱ随相对湿度变化的拟合曲线。
26.图中：1为多模光纤包层，2为多模光纤纤芯，3为pdms,4为空心光纤纤芯，5为pva，6为金膜，7为空心光纤包层，8为实验电脑，9为宽带光源，10为光谱仪，11为环形器，12为传感探头，13为恒温恒湿箱。
具体实施方式
27.下面结合附图对本发明的具体实施作进一步详细的说明。
28.有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
29.参见附图1，本发明的一种多模-空心光纤(mmf-hcf)结构的反射式温湿度传感器平面结构示意图。主要由多模光纤、空心光纤、聚二甲基硅氧烷(pdms)3、聚乙烯醇(pva)5、金膜6组成，其特征是：多模光纤通过与空心光纤相熔接形成mmf-hcf结构，再在hcf的侧面和端面镀上一层金膜，最后在侧面金膜上分别涂覆pdms和pva。
30.参见附图2，本发明的一种多模-空心光纤(mmf-hcf)结构的反射式温湿度传感器的制备流程图。其包括：
31.a：制备mmf-hcf结构；
32.b：hcf镀金膜；
33.c：涂覆对温度和相对湿度的敏感膜。
34.具体地，在步骤a中，使用光纤纤熔接机将内外径分别为50和125μm的多模光纤与一段内外径分别为10和125μm的空心光纤相熔接，然后利用高精度光纤切割刀切割10mm的空心光纤，最后用无水乙醇清洗传感区域以便于步骤b镀金膜。
35.具体地，在步骤b中，利用磁控溅射装置在hcf侧面和端面分别涂覆一层金膜，在溅射过程中，连接薄膜厚度检测器，实时监测金膜厚度,待镀膜完成之后，利用无水乙醇清洗金膜表面的杂质，以便于步骤c涂覆敏感膜。
36.具体地，在步骤c中，hcf侧面的金膜上分别涂覆对温度敏感的pdms膜和对相对湿度敏感的pva膜，其中pdms溶液是将弹性材料的两种前躯体(道康宁，sylgard 184-a)和固化剂(道康宁，sylgard 184-b)按体积比10：1混合，在室温下搅拌约20分钟后，静止直至气泡消失后得到的。质量分数为3％的pva溶液是将3g的pva颗粒(上海阿拉丁生化科技有限公司提供，醇解度为99.0-99.4mol％,粘度为12.0-16.0mpa.s)倒入97ml的去离子水中在90℃水浴加热条件下搅拌2h后，静止至气泡消失后得到的。
37.具体地，将pdms溶液用滴管滴在镀有au膜的hcf上，涂覆长度约占hcf长度的一半。最后，将探头置于加热台上，在80℃下加热约15分钟，使pdms膜固化。
38.具体地，将hcf剩余未涂覆区域利用提拉法涂覆pva，将传感探头固定在载玻片上，采用步进电机将探头匀速缓慢插入到pva溶液中，使探头在溶液中停留30s，然后以4.0mm/s的匀速将其提起，放入80℃的烘干箱中烘干3小时，使pva膜固化，重复上述操作步骤3次。
39.参见附图3，本发明的一种多模-空心光纤(mmf-hcf)结构的反射式温湿度传感器检测系统的结构示意图。如图所示，该系统包括实验电脑8、宽带光源9、光谱仪10、环形器11、传感探头12和恒温恒湿箱13。宽带光源9、光谱仪10和传感探头12通过环形器11连接，传感探头12置于恒温恒湿箱13内，恒温恒湿箱13可以设定特定的温度和相对湿度。
40.该传感器工作原理如下：宽带光源9发出的光通过环形器11从多模光纤传输到空心光纤，当入射光以一定角度从多模光纤耦合到空心光纤包层中，光将在空心光纤的内外壁之间发生全反射，产生倏逝波，当金属表面上的倏逝波和表面等离子体波的波矢量满足相位匹配条件时，会产生表面等离子体共振(spr)。涂覆在金属表面的敏感膜由于受到外界温度和相对湿度的变化，导致其平均折射率发生改变，光信号的传输损耗变化，当反射的光由环形器11传输到光谱仪10时，由于共振条件改变，可以通过实验电脑8监测到spr的共振波谷发生明显的变化，因此根据spr共振波长位置的变化就可以实现对外界折射率的检测，最终实现对温度和相对湿度的检测。
41.参见附图4，显示了不同温度下该传感器的反射光谱图。从图4可以看出，当调节恒温恒湿箱13内的相对湿度为55％rh不变时，箱内温度从25℃增加到80℃，dipⅰ几乎不发生移动，dipⅱ发生蓝移。
42.参见附图5，显示了该传感器dipⅰ和dipⅱ随温度变化的拟合曲线。从线性拟合中，分别获得dipⅰ和dipⅱ的平均灵敏度为-0.054nm/℃和-1.791nm/℃。
43.参见附图6，显示了该传感器的反射谱随相对湿度的变光曲线。控制恒温恒湿箱13内的温度为25℃，当箱内的相对湿度从48％rh增加到84％rh时,dipⅰ向长波长方向移动，而dipⅱ几乎没有变化。这是因为当相对湿度增大时，由于空气中水分子的吸收，pva膜会发生膨胀，使pva膜的平均折射率增大，导致共振波长发生红移。
44.参见附图7，显示了该传感器的dipⅰ和dipⅱ随相对湿度变化的拟合曲线。从线性拟合中，分别获得dipⅰ和dipⅱ的平均灵敏度为0.63509nm/％rh和-0.02384nm/％rh。
45.结合灵敏度系数矩阵，温度和相对湿度的变化δt和δrh可以描述为:
[0046][0047]
其中和δλⅰ分别为dipⅰ的温度敏感系数、湿度敏感系数和共振波长变化，和δλⅱ分别为dipⅱ的温度敏感系数、湿度敏感系数和共振波长变化。
[0048]
需要说明的是，尽管以上本发明所述的实施例是说明性的，但这并非是对本发明的限制，因此本发明并不局限于上述具体实施方式中。在不脱离本发明原理的情况下，凡是本领域技术人员在本发明的启示下获得的其它实施方式，均视为在本发明的保护之内。

技术特征：
1.一种多模-空心光纤(mmf-hcf)结构的反射式温湿度传感器，主要由mmf、hcf、金膜、聚二甲基硅氧烷(pdms)膜、聚乙烯醇(pva)膜组成，其特征是将mmf的纤芯模式耦合进hcf,激发hcf的包层模式，通过其包层模式去激发spr,从而实现温度和相对湿度的测量。2.根据权利要求1所述的一种多模-空心光纤(mmf-hcf)结构的反射式温湿度传感器探头的制备步骤如下：通过光纤熔接机先将mmf和一段hcf熔接在一起，然后使用高精度的光纤切割刀截取特定长度的hcf，即可制备mmf-hcf结构；然后利用磁控溅射装置在hcf侧面和端面分别涂覆一层au膜，在溅射过程中，连接薄膜厚度检测器，实时监测au薄膜厚度，hcf侧面au膜的厚度控制在50nm左右，而端面au膜的厚度为约为150nm；最后在hcf的侧面分别涂覆对温度敏感的pdms膜和对相对湿度敏感的pva膜，待两种膜固化干燥完成之后，便可得到完整的探头器件。3.根据权利要求1所述的一种多模-空心光纤(mmf-hcf)结构的反射式温湿度传感器探头中多模光纤和空心光纤的外径为125μm,多模光纤纤芯直径为50μm,空心光纤内径为10μm,空心光纤长度为1cm。4.根据权利要求1所述的一种多模-空心光纤(mmf-hcf)结构的反射式温湿度传感器探头pva膜的涂覆采用提拉镀膜法，探头浸入pva溶液30s,然后控制步进电机以4mm/s的速度匀速提拉，每提拉一次置于80℃干燥箱中烘干1小时，使pva膜固化，重复上述步骤3次。

技术总结
本发明提出了一种体积小、制备工艺简单、灵敏度高的反射式多模光纤-空心光纤(MMF-HCF)结构的表面等离子体共振(SPR)传感器，用于同时测量温度和相对湿度。通过将MMF熔接一段HCF,形成MMF-HCF结构，并在HCF的侧面和端面分别镀上一层金膜，然后在HCF的侧面分别涂覆温敏材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)和湿敏材料聚乙烯醇(PVA)两种敏感膜。该传感器在传输光谱中可以观察到两个明显的SPR共振峰，通过监测反射谱中两个波谷中心波长的变化可实现对外界温度和相对湿度的同时测量，此外相对于传统该传感器可适用于狭小空间的点式测量，在环境温湿度变化监测方面具有很大的潜力。温湿度变化监测方面具有很大的潜力。温湿度变化监测方面具有很大的潜力。


技术研发人员：滕传新 刘洋 苑立波 邓洪昌
受保护的技术使用者：南宁桂电电子科技研究院有限公司
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/9/19