基於法布裡-珀羅幹涉的光纖溼度傳感器的製作方法

2023-07-24 19:14:06

專利名稱：基於法布裡-珀羅幹涉的光纖溼度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明屬於材料科學以及光電子技術的交叉領域，具體涉及到將溼敏材料用於傳
感器的製作。特別用於檢測和控制溼度的測量。
背景技術：
空氣溼度在許多方面有用途，如航空航天、軍事、氣象學、水文學、醫學、生物學、儲 藏和生產。現在，在工業生產中，溼度的概念也變得重要起來，監測和控制溼度，有時對產品 質量起著關鍵作用，如印刷業。 較早期的溼度傳感器為乾濕球溼度計，也是過去應用最普遍的，但是其精度只有 5% _7%，已遠不能滿足現代人的要求。目前，市場上主流的溼度傳感器是電容式和電阻式 的電傳感器。電阻式溼度傳感器採用溼敏電阻材料製成的薄膜作為傳感元，通過薄膜對水 份的吸附，引起電阻值的改變來測量溼度。這種傳感器雖然靈敏度高，但是線性度和互換性 都較差，受電磁幹擾影響大。電容式溼度傳感器一般使用高分子薄膜，當空氣溼度變化時， 薄膜電容發生變化，通過測量電容的變化可得到溼度值。這種傳感器小型、響應快，但是電 容值也隨溫度變化，因此測量精度有限，且抗電磁幹擾能力差。光纖傳感器有著小型、靈活、 抗電磁幹擾強、使用範圍廣、幹涉型傳感器受溫度影響小等特點。隨著光通信的發展，光纖 傳感的需求的不斷擴大，光纖傳感的市場佔有量也正在逐年上升。對光纖溼度傳感器的研 究開發很有意義。 目前，光纖溼度傳感器的研究工作大多是基於光強型的。且測量範圍小、精度低、 穩定性差，主要原因是光強受很多因素影響，對光纖進行小的震動都可能引起光強的大波 動。溫度的變化也會影響光強的變化。為此，我們提出了幹涉式光纖溼度傳感器，溫度對光 強的影響不改變幹涉光譜的特徵形狀，故可以大為提高精度，為光纖溼度傳感器提供新途徑。

發明內容
本發明的目的是製作一種以多孔矽薄膜作為敏感材料，並將該材料依次鍍在光 纖的端面上，該材料具有多孔性對溼度具有靈敏度高、響應速度快、重複性好、耐高低溫、線 性好、測量精度高等優點，是溼度傳感器的理想材料。 基於法布裡_珀羅幹涉的光纖溼度傳感器。應用的主要技術有高真空磁控濺射技 術、電化學陽極氧化技術。 本發明的工作原理是光源發出穩定的寬帶光，通過耦合器進入傳感光纖中，當光 遇到傳感探頭多層膜後，一部分光反射回去，再經過耦合器另一端到達光譜儀。由於端面為 多層膜結構，反射的光經過幹涉加強和幹涉減弱，在光譜儀中檢測到的光譜成類似正弦曲 線的光譜。當空氣溼度發生改變時，光譜曲線也跟隨移動。 圖2為光纖探頭結構圖。其結構以單模光纖作為基本傳感光纖，將單模光纖鍍膜 端固定在陶瓷插芯上。由於光纖比較細，端面面積小，直接鍍膜存在很多問題，且難以控
3制，特別是多孔矽很難成膜，故用陶瓷插芯，以獲得大的表面積，大的表面積也使得膜層與 空氣的作用面增大，對基於法布裡-珀羅幹涉的光纖溼度傳感器的精度有極佳的效果。本 發明中所使用的是單模光纖作為基本傳感光纖。由於多模光纖中存在多種模式，各種模 式間的傳播速度不一樣，存在嚴重的模間色散。如果採用多模光纖作為傳感光纖，那麼各 種模式將各自形成各自的幹涉光譜，各幹涉光譜間相互幹擾，影響分析。單模光纖只傳輸 基模，不存在模間色散的問題，能形成細小平滑的光譜，利於提高精度，故採用單模光纖做 傳感光纖。在傳感探頭中光纖端面鍍有三層膜，第一層為銀(Ag)膜，也可以使用鋁(Al)、 金(Au)、鎘(Cr)、鈀(Pd)、鉬(Pt)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鋅(Zn)、鎘(Cd)，無論鍍那種膜層，所 用的鍍膜方法都採用高真空磁控濺射技術，在清洗過的光纖端面濺射而成。第一層膜的厚 度在5nm-20nm之間，由於該膜層厚度薄，大部分光可以透過進入第二層多孔矽膜中，因此 可以起到高透射的作用。第二層為多孔矽膜，膜的厚度為20iim-90iim。該層目的是形成 法布裡_珀羅幹涉，同時，由於第一層Ag有低折射率和高吸收係數的性質，有利於增大法 布裡-珀羅幹涉光譜的振幅，使得特徵極小值更加突出。第二層的製備方法為，多孔矽薄 膜是通過電化學陽極氧化工藝在矽片上製備而成，並用高電流電擊取下。取下的多孔矽用 Farmwar (聚乙烯醇縮甲醛和氯醋聚乙烯醇三元共聚物)貼在第一層Ag膜上。多孔矽是具有 多孔結構的材料，具有極大的比表面積和比表面能，對極性分子的40有很強的吸附能力。 多孔矽對空氣中的!120的吸附與空氣溼度有一定的關係，吸附了1120分子的多孔矽的光學折 射率將發生變化，導致光在多孔矽裡的光程變化，也即相當於法布裡_珀羅腔腔長變化，從 而引起了法布裡-珀羅幹涉光譜的移動，通過對幹涉光譜移動的分析，便可與溼度值對應 起來。第三層膜也是銀(Ag)膜，也可以使用鋁(Al)、金(Au)、鎘(Cr)、鈀(Pd)、鉬(Pt)、銅 (Cu)、鎳(Ni)、鋅(Zn)、鎘(Cd);該膜的厚度在50nm-200nm。該膜也是通過磁控濺射製得， 由於Ag的折射率小以及其吸收係數低，50nm-200nm厚度的Ag膜已經基本不透光而成為高 反膜，如此也減小了透射損失和吸收損失，增強了幹涉光強，降低了噪聲影響，提高精度。由 此可見採用單模光纖作為基本傳感光纖，在光纖端面依次鍍上第一層5nm-20nm Ag，第二層 20 ii m-90 ii m多孔矽，第三層50nm-200nmAg。當光進入光纖，遇到膜層並發生反射，測量反 射光譜，將得到特徵幹涉光譜。當空氣溼度變化時，特徵幹涉光譜也相應的移動，從而將特 徵幹涉光譜與溼度聯繫起來。達到了溼度的測量目的。 基於法布裡-珀羅幹涉的光纖溼度傳感器，使用三層膜結構，第一層和第三層均 為Ag膜。採用材料Ag並不是唯一的，我們也可以使用Al、Au、Cr、Pd、Pt、Cu、Ni、Zn、Cd，通 過控制相應材料的厚度，也可以達到同樣的效果。其目的是第一層膜要薄，起高透作用，第 二層形成法布裡-珀羅幹涉、第三層膜要厚，起高反作用。 本發明基於法布裡_珀羅幹涉的光纖溼度傳感器的傳感探頭詳細製備方法傳感 光纖採用單模光纖，其光纖纖芯直徑為9 ii m。將單模光纖6 —端插入到陶瓷插芯7中，陶 瓷插芯7的直徑2. 5mm，長15mm。採用超聲波清洗技術，有效清潔光纖端面和光纖及插芯表 面的雜質影響膜與端面的結合性，影響傳感器的使用壽命。是對光纖進行清洗最常用的方 法之一。鍍膜前，將帶插芯的光纖一端先在99. 5%的丙酮中超聲清洗5分鐘，再在99. 7% 的酒精中超聲清洗5分鐘，最後在高純水中超聲清洗5分鐘，如此將得到端面清潔的光纖。 清洗後在光纖端面鍍上三層膜。第一層是Ag膜，該膜採用德國進口 BESTEC真空鍍膜機， 在1 X 10—3Pa高真空下，氬氣作為工藝氣體，採用磁控濺射工藝，直流電流起始功率50W，濺射功率100W，石英晶體振蕩法監測厚度，厚度為5nm-20nm。靶材使用純度99%、直徑為 76. 2mm、厚6mm的Ag靶。磁控濺射能鍍製成分均勻、表面平整、厚度極薄的膜層，是鍍制納 米級薄膜較理想的方法。第二層是多孔矽膜，採用電化學陽極氧化法製備多孔矽膜，用n+ 型〈100〉取向矽片作為基片，在質量分數為5. 5%的HF溶液中通以40mA/cm2的電流密度， 經1000s後取出，用兩個周期的電流脈衝(峰值200mA/cm、周期6s，佔空比33% )取下形 成的多孔矽膜，這樣將形成厚度大約30 ii m，多孔率在40%左右，光學折射率為2. 4的多孔 矽薄膜。將1.0^w/w聚乙烯醇縮甲醛和氯醋聚乙烯醇三元共聚物(Farmvar)塗在第一層 Ag膜上，並迅速附上多孔矽，隨著乙烯醇縮甲醛和氯醋聚乙烯醇三元共聚物(Farmwar)的 揮發，最終只剩下800nm的乙烯醇縮甲醛和氯醋聚乙烯醇三元共聚物(Farmwar)在其上，並 將第一層Ag膜與第二層多孔矽膜連在一起。第三層膜也是Ag膜，該層膜的鍍制方法與第 一層Ag的鍍製法一樣，只是厚度控制在50nm-200nm。


圖1為基於法布裡_珀羅幹涉的光纖溼度傳感器的製作方法結構原理圖
圖2為基於法布裡_珀羅幹涉的光纖溼度傳感器的製作方法的光纖探頭結構圖
其中l-寬帶光源，2-光譜儀，3-耦合器，4-傳感光纖，5-傳感探頭，6-單模光纖， 7-陶瓷插芯，8-第一層銀膜，9-第二層多孔矽膜，10-第三層銀膜
原理及具體實施方法 下面將結合附圖1和圖2對發明中的光纖溼度傳感器的實施方案作進一步詳細說 明。 如圖1所示，寬帶光源1發出穩定的寬帶光，通過耦合器3進入傳感光纖4中，當 傳感光纖4的光再進入傳感探頭5，當光遇到多層膜的光感探頭5後， 一部分光反射回去，再 經過耦合器另一端到達光譜儀。由於端面為多層膜結構，反射的光經過幹涉加強和幹涉減 弱，在光譜儀中檢測到的光譜成類似正弦曲線的光譜，當空氣溼度發生改變時，光譜曲線也 跟隨移動。 圖2為基於法布裡_珀羅幹涉的光纖溼度傳感器中的光纖探頭結構詳圖。6為單模 光纖，選用單模光纖作為基本傳感光纖。因為單模光纖能形成細小平滑的光譜，利於提高精 度，故採用單模光纖做傳感光纖。圖中7為陶瓷插芯。將光纖鍍膜端固定在陶瓷插芯上，由 於光纖比較細，端面面積小，直接鍍膜存在很多問題，且難以控制，特別是多孔矽很難成膜， 故用陶瓷插芯以獲得大的表面積，大的表面積也使得膜層與空氣的作用面增大，對提高傳 感器的精度有益。基於法布裡-珀羅幹涉的光纖溼度傳感器中，在光纖的端面鍍上三層膜， 第一層為Ag膜也可以使用鋁(Al)、金(Au)、鎘(Cr)、鈀(Pd)、鉬(Pt)、銅(Cu)、鎳(Ni)、鋅 (Zn)、鎘(Cd);厚度在5nm-20nm之間，該膜層採用高真空磁控濺射技術，在清洗過的光纖端 面濺射而成。由於該膜層厚度比較薄，大部分光可以透過進入第二層多孔矽膜中，以形成法 布裡_珀羅幹涉，該膜層起著高透射的作用。同時，由於Ag、 Al、 Au、 Cr、 Pd、 Pt、 Cu、 Ni、 Zn、 Cd，有低折射率和高吸收係數的性質，有利於增大法布裡-珀羅幹涉光譜的振幅，使得特徵 極小值更加突出。第二層膜為多孔矽膜，厚度在20iim-90iim之間。多孔矽薄膜是通過電 化學陽極氧化工藝在矽片上製備而成，並用高電流電擊取下。取下的多孔矽用聚乙烯醇縮 甲醛和氯醋聚乙烯醇三元共聚物(Farmvar)貼在第一層Ag膜上。多孔矽是具有多孔結構的材料，具有極大的比表面積和比表面能，對極性分子的H20有很強的吸附能力。多孔矽對 空氣中的^0的吸附與空氣溼度有一定的關係，吸附了1120分子的多孔矽的光學折射率將發 生變化，導致光在多孔矽裡的光程變化，也即相當於法布裡_珀羅腔腔長變化，從而引起了 法布裡_珀羅幹涉光譜的移動，通過對幹涉光譜移動的分析，便可與溼度值對應起來。圖2 中第三層Ag膜厚度在50nm-200nm。該膜也是通過磁控濺射製得，由於Ag的折射率小以及 其吸收係數低，50nm-200nm的Ag膜已經基本不透光而成為高反膜，如此也減小了透射損失 和吸收損失，增強了幹涉光強，降低了噪聲影響，提高精度。
權利要求
基於法布裡-珀羅幹涉的光纖溼度傳感器的製作方法；其中包括寬帶光源(1)、光譜儀(2)、耦合器(3)傳感光纖(4)、傳感探頭(5)其特徵在於寬帶光源(1)發出穩定的寬帶光，通過耦合器(3)進入傳感光纖(4)中，當傳感光纖(4)的光再進入傳感探頭(5)，光纖探頭(5)由單模光纖(6)鍍膜端固定在陶瓷插芯(7)上並在端面鍍有三層膜，當光遇到多層膜後，一部分光反射回去，再經過耦合器另一端到達光譜儀，由於端面為多層膜結構，反射的光經過幹涉加強和幹涉減弱，在光譜儀中檢測到的光譜成類似正弦曲線的光譜，當空氣溼度發生改變時，光譜曲線也跟隨移動。
2. 根據權利要求1所述的基於法布裡_珀羅幹涉的光纖溼度傳感器的製作方法；在單 模光纖的端面上面鍍有三層膜；第一層和第三層是銀(Ag)膜採用高真空磁控濺射法製備， 靶材使用純度99%、直徑為76. 2mm、厚6mm的Ag革巴，真空度為IX 10—3Pa，工藝氣體Ar氣 產生等離子氣氛，工藝氣壓0. 5Pa，直流電流起始功率50W，濺射功率IOOW，石英晶體振蕩法 監測鍍膜厚度；第二層為多孔矽膜，矽薄膜是通過電化學陽極氧化工藝在矽片上製備而成； 通過在質量分數5. 5%的HF溶液中，通以40mA/cm2的電流密度，陽極氧化矽片製備多孔率 為40%的多孔矽薄膜。並用兩個周期的電流脈衝(峰值200mA/ci^，周期6s，佔空比33% ) 電擊取下形成的多孔矽薄膜矽薄膜。
3. 根據權利要求所述的，基於法布裡-珀羅幹涉的光纖溼度傳感器的製作方法，第一 層和第三層是銀(Ag)膜也可以選用鋁(Al)、金(Au)、鎘(Cr)、鈀(Pd)、鉬(Pt)、銅(Cu)、鎳 (Ni)、鋅(Zn)、鎘(Cd)。
4. 根據權利要求l所述的；基於法布裡-珀羅幹涉的光纖溼度傳感器的製作方 法，鍍有三層膜，三層膜的厚度為第一層5nm-20nm;第二層20 y m_90 y m ;第三層為 50nm—200nm。
全文摘要
本發明涉及一種基於法布裡-珀羅幹涉的光纖溼度傳感器的製作方法，其中包括寬帶光源1、光譜儀2、耦合器3傳感光纖4、傳感探頭5在光纖的端面鍍有三層膜，當光遇到多層膜後，一部分光反射回去，再經過耦合器另一端到達光譜儀，由於端面為多層膜結構，反射的光經過幹涉加強和幹涉減弱，在光譜儀中檢測到的光譜成類似正弦曲線的光譜，當空氣溼度發生改變時，光譜曲線也跟隨移動。該方法採用多孔矽作為敏感材料，該材料具有多孔性對溼度具有靈敏度高、響應速度快、重複性好、耐高低溫、線性好、測量精度高等優點，是溼度傳感器的理想材料。
文檔編號G01N21/45GK101776595SQ20101010451
公開日2010年7月14日 申請日期2010年1月29日 優先權日2010年1月29日
發明者代吉祥, 李小兵, 楊明紅 申請人:武漢理工大學